JP4630684B2

JP4630684B2 - 操作装置と、操作子の動作調節方法と、そのためのプログラム

Info

Publication number: JP4630684B2
Application number: JP2005034615A
Authority: JP
Inventors: 明人佐野; 洋望山; 直行武居; 亮菊植; 英雄藤本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2025-02-10
Also published as: JP2006218573A

Description

本発明は、人によって操作される操作子の動作をアクチュエータによって調節する技術に関する。特に、人が操作子に操作力を加えたときに、操作子から人に適度な反力（例えば手応え等）を与えることによって、良好な操作性が得られるようにアクチュエータを制御する技術に関する。

自動車のパワーステアリング装置や、重量物の搬送作業を補助する装置のように、人が操作する操作子の動作をアクチュエータによって調節し、人の操作を補助する装置が開発されている。この種の技術では、人が操作子に加えている操作力と、結果的に実現される操作子の運動との間に、
Ｍ・ａ＋Ｄ・ｖ＋Ｋ・（ｐ−ｐｏ）＝ｆ・・・（１）
の関係が成立していると、人は良好な操作感を得えられ、操作性が向上することが知られている。ここで、ａは操作子の加速度ベクトル、ｖは操作子の速度ベクトル、ｐは操作子の位置ベクトル、ｐｏは定数ベクトルである。Ｍは操作子の加速度に対する比例係数（比例マトリクス）であり、操作子に再現される慣性係数（慣性マトリクス）に相当する。Ｄは操作子の速度に対する比例係数（比例マトリクス）であり、操作子に再現される粘性係数（粘性マトリクス）に相当する。Ｋは操作子の位置に対する比例係数（比例マトリクス）であり、操作子に再現される剛性係数（剛性マトリクス）に相当する。ｐｏは定数ベクトルであり、剛性特性の平衡位置を示す位置ベクトルである。ｆは人による操作力ベクトルである。上記の（１）式の比例係数Ｍ、Ｄ、Ｋを調整することによって、操作感を調整することができる。

上記の（１）式を満たすように操作子の動作を調整する技術は、インピーダンス制御と呼ばれる良く知られた技術である。インピーダンス制御によると、速度に比例する抵抗力（粘性抵抗力）が作用する環境に置かれている物体の運動を、操作子の運動に実現することが可能となる。インピーダンス制御では、「トルクベースのインピーダンス制御」と、「位置ベースのインピーダンス制御」が知られている。
「トルクベースのインピーダンス制御」では、操作子に実現する運動に必要な力と、操作子の移動機構等が持っている慣性や摩擦抵抗を打ち消すのに必要な力との合力に基づいて、アクチュエータの出力を調節する。「トルクベースのインピーダンス制御」の詳細については、例えば非特許文献１に記載されている。
「位置ベースのインピーダンス制御」では、操作子に実現する運動を計算し、その運動を実現する位置に基づいて、操作子の位置を調節する。「位置ベースのインピーダンス制御」の詳細については、例えば非特許文献２に記載されている。
吉川恒夫「ロボット制御基礎論」コロナ社、１９８８年小菅一弘、古田勝久、横山竜昭、「ロボットの仮想内部モデル追従制御系―メカニカル・インピーダンス制御への応用―」、計測自動制御学会論文集、第２４巻第１号第５５頁から第６２頁

インピーダンス制御を活用した技術が特許文献１に開示されている。特許文献１の装置では、重量物を支持する可動体と、その可動体を動かすアクチュエータを備えており、作業者が可動体に加える操作力と、操作力とアクチュエータによって実現される重量物の運動との間に、上記（１）式が成立するようにアクチュエータの出力を調節する。
特許文献１は、重量物の搬送作業を複数の作業段階に大別し、重量物を細かに移動させる位置決め時には、加速度に対する比例係数Ｍを小さくする一方、速度に対する比例係数Ｄを大きくすることが有効であることを報告している。
特開２００１−７５６４９号公報

特許文献１の技術によると、搬送作業の作業段階に応じて、適切な操作感を実現することが可能となる。しかしながら、この技術を利用する場合には作業段階を判別する必要が生じる。
本発明は、作業段階を判別することなく、操作子に適切な操作感を付与するための技術を提供する。

本発明は、人の操作に追従して、人が操作する操作子の動作を調節する操作装置に具現化することができる。この操作装置は、人が操作する操作子と、人が操作子に加えている操作力を検出する操作力検出手段と、操作力検出手段で検出した操作力を、速度に比例する抵抗力が作用する環境におかれた物体に加えたときにその物体に生じる運動を、操作子の運動に実現する運動調節手段とを備えている。そして、運動調節手段は、操作力検出手段で検出した操作力が小さいほど、速度に乗じることによって前記抵抗力を決定する際に用いる比例係数を大きく設定することを特徴とする。

この操作装置では、人が操作子に加えている操作力と、結果的に実現される操作子の運動との間に、上記の（１）式の関係を成立させることができる。このとき、加速度に対する比例係数Ｍと速度に対する比例係数Ｄを一定とし、位置に対する比例係数Ｋをゼロに設定すると、人が操作子に加える操作力ｆと結果的に実現される操作子の速度ｖは、図５に示すように変化する。図５は、静止している操作子を目標位置まで移動させて静止させる作業時を示している。図５において、Ｍ・ａは（１）式における慣性項を示しており、Ｄ・ｖは（１）式における粘性項を示しており、両者の和Ｍ・ａ＋Ｄ・ｖが操作力ｆに等しくなる。図５に示すように、操作子を減速しながら位置決めする後半の段階では、操作力ｆを加えている方向と操作子の移動方向とが反転している。この場合、減速しながら位置決めする段階における操作感が悪くなる。この問題に対して特許文献１の技術では、位置決め段階では、慣性項Ｍ・ａを小さくしたり、粘性項Ｄ・ｖを大きくしたりしている。
図５に示すように、人が操作子を操作する場合、初動段階では大きな操作力ｆによって操作子を増速させ、位置決め段階では操作力ｆを緩めて操作子を減速していく。この減速時において、粘性項Ｄ・ｖが十分に大きくなければ、操作子の速度ｖが十分に減速されずに、反対方向に操作力ｆを加える必要が生じてしまう。
そこで本発明による操作装置では、人が操作子に加えている操作力ｆが小さいときには、速度に対する比例係数Ｄを大きくする。それにより、人が操作力ｆを緩めて操作子を減速する際に、操作子が十分に減速することとなる。このとき人は、操作力ｆを緩めることによって、操作子に強い制動力を加えられるような操作感を得ることができ、位置決め段階において操作子を操作しやすくなる。
本発明の操作装置によると、作業段階を判別することなく、操作子に良好な操作感を付与することが可能となる。

運動調節手段は、操作力検出手段で検出した操作力を、速度に比例する抵抗力が作用する環境におかれた物体に加えたときに、その物体に生じる運動を計算する運動計算手段と、運動計算手段で計算した運動を操作子の運動に実現するアクチュエータとを備えていることが好ましい。この場合、運動計算手段は、前記操作力検出手段で検出した操作力が小さいほど、速度に乗じることによって前記抵抗力を計算する際に用いる比例係数を大きく設定すればよい。
それにより、位置ベースのインピーダンス制御を採用して、操作子の動作を調節することが可能となる。

操作装置に、操作子の速度を検出する速度検出手段が付加されていることがある。この場合の運動計算手段は、比例係数の基準値を記憶している記憶手段と、操作力検出手段で検出した操作力が小さいほど、記憶手段が記憶している基準値を大きな値に修正する係数修正手段と、係数修正手段で修正された比例係数に、速度検出手段で検出した操作子の速度を乗じることによって、前記抵抗力を計算する抵抗力計算手段と、速度検出手段で検出した操作子の速度に、操作力検出手段で検出した操作力と抵抗力計算手段で計算した抵抗力との合力に起因する加速度から生じる速度変化量を加味して、操作子の目標速度を計算する目標速度計算手段を備えていることが好ましい。
運動計算手段の各構成要素は、抵抗やコンデンサ等の線形素子や、それらに演算増幅器を組合せた演算回路によって構成することができる。運動計算手段のすべてをアナログ電子回路で構成することも可能であり、操作装置を安価に構成するができる。

操作装置に、操作子の位置と速度と加速度等のいずれかを検出するセンサ等が付加されていると、操作子の運動を検出することが可能となる。操作子の運動を検出する手段が付加されている操作装置では、運動調節手段が、運動検出手段で検出した運動を、速度に比例する抵抗力が作用する環境におかれた物体の運動に実現するときに、その物体に加えることが必要な力を計算する力計算手段と、運動検出手段で検出した運動を操作子の運動に実現するのに要する力から、力計算手段で計算した力を減じた力を、操作子に加えるアクチュエータを備えていることが好ましい。この場合、力計算手段は、操作力検出手段で検出した操作力が小さいほど、速度に乗じることによって前記抵抗力を計算する際に用いる比例係数を大きく設定すればよい。
それにより、トルクベースのインピーダンス制御を採用して、操作子の動作を調節することが可能となる。

本発明は、人が操作する操作子の動作をアクチュエータによって調節する方法にも具現化することができる。この方法では、人が操作子に加えている操作力を検出する操作力検出工程と、操作子の速度を検出する速度検出工程と、操作力検出工程で検出した操作力を、速度に比例する抵抗力が作用する環境におかれた物体に加えたときに、その物体に生じる運動を計算する運動計算工程と、アクチュエータを制御して運動計算工程で計算した運動を操作子の運動に実現する運動調節工程とを備えている。そして、運動計算工程が、速度に乗じることによって前記抵抗力を計算する際に用いる比例係数の基準値を記憶手段に記憶する記憶工程と、前記操作力検出工程で検出した操作力が小さいときほど、前記記憶手段が記憶している比例係数の基準値を大きくなるように修正する係数修正工程と、係数修正工程で修正された比例係数に、速度検出工程で検出した操作子の速度を乗じることによって、前記抵抗力を計算する抵抗力計算工程と、速度検出工程で検出した操作子の速度に、操作力検出工程で検出した操作力と抵抗力計算工程で計算した抵抗力との合力に起因する加速度から生じる速度変化量を加味して、操作子の目標速度を計算する目標速度計算工程を備えることを特徴とする。
この方法によると、作業段階を判別することなく、操作子に良好な操作感を付与することが可能となる。

本発明はまた、人が操作する操作子の動作をアクチュエータによって調節する操作装置が備える電子計算機に実行させるプログラムに具現化することができる。このプログラムは、人が操作子に加えている操作力を入力する処理と、操作子の速度を入力する処理と、入力した操作力を、速度に比例する抵抗力が作用する環境におかれた物体に加えたときに、その物体に生じる運動を計算する運動計算処理と、アクチュエータを制御して運動計算処理で計算した運動を操作子の運動に実現する運動調節処理とを電子計算機に実行させる。そして、運動調節処理が、速度に乗じることによって前記抵抗力を計算する際に用いる比例係数の基準値を記憶手段に記憶する記憶処理と、前記入力した操作力が小さいときほど、前記記憶手段が記憶している比例係数の基準値を大きくなるように修正する係数修正処理と、係数修正処理で修正された比例係数に、入力した操作子の速度を乗じることによって、前記抵抗力を計算する抵抗力計算処理と、前記入力した操作子の速度に、前記入力した操作力と抵抗力計算処理で計算した抵抗力との合力に起因する加速度から生じる速度変化量を加味して、操作子の目標速度を計算する目標速度計算処理を備えることを特徴とする。
このプログラムを用いることによって、作業段階を判別することなく、操作子に適切な操作感を付与することが可能となる。

本発明により、操作感が良好な操作装置を具現化することが可能となる。作業段階を判別して係数を切換える必要がなくなる。

本発明を実施するための好適な形態を説明する。
（形態１）作業支援装置は、作業者が操作する操作子と、操作子をｘ方向に変位させる第１アクチュエータと、操作子をｙ方向に変位させる第２アクチュエータと、操作子をｚ方向に変位させる第３アクチュエータを備えている。
（形態２）作業支援装置は、作業者が操作子に加えている力を測定する力覚センサを備えている。その力覚センサは、作業者が操作子に加えている力を、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向、およびｘ軸周り方向、ｙ軸周り方向、ｚ軸周り方向の６方向の力に区別して検出することができる。

本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
図１は、作業者による重量物の搬送作業を補助する装置（以下、作業補助装置と略す）２の全体像を示している。図２は、作業補助装置２の電気構成を示している。
図１、図２に示す作業補助装置２は、自動車の製造現場において、自動車のインストルメントパネル（以下、インパネと略す）４００を、自動車のボディ（図示せず）内に組み付ける工程で利用される。この工程における作業者は、インパネ４００を自動車ボディ内に搬送し、位置決めし、自動車ボディに固定する作業を行う。作業者は、インパネ４００を作業補助装置２に固定し、作業補助装置２を介してインパネ４００の搬送と位置決めを行う。詳しくは後述するが、作業補助装置２は、人が操作子４に加える操作に追従して、操作子４の動作をアクチュエータによって調節する。その結果、作業者は、インパネ４００よりも軽量な物体を搬送するときの力で、インパネ４００を搬送することができる。

図１に示すように、作業補助装置２は、一対の固定レール８ａ、８ｂと、その固定レール８ａ、８ｂの長手方向に沿ってスライド可能な第１可動体１０と、その第１可動体１０の長手方向に沿ってスライド可能な第２可動体２０と、その第２可動体２０の長手方向に沿ってスライド可能な第３可動体３０を備えている。以下、固定レール８ａ、８ｂの長手方向をｘ方向とし、第１可動体１０の長手方向をｙ方向とし、第２可動体２０の長手方向をｚ方向とする。ｘ方向とｙ方向とｚ方向は互いに略直交している。また、第３可動体３０には、インパネ４００を支持可能なインパネ支持体４０が取り付けられている。インパネ支持体４０には、インパネ４００を脱着可能に固定するための固定部４６等が設けられている。作業補助装置２では、所定の可動空間内を第３可動体３０が自由に移動できるように構成されており、インパネ支持体４０を介して支持しているインパネ４００を自由に移動させることができるように構成されている。

図１、図２に示すように、作業補助装置２は、第１可動体１０をｘ方向に沿ってスライドさせる第１アクチュエータ１２、第２可動体２０をｙ方向に沿ってスライドさせる第２アクチュエータ２２、第３可動体３０をｚ方向に沿ってスライドさせる第３アクチュエータ３２を備えている。
作業補助装置２は、第３可動体３０に固定された力覚センサ６と、力覚センサ６に設けられている操作子４を備えている。作業者は、作業補助装置２を介してインパネ４００を搬送する際に、操作子４を操作してインパネ４００を搬送する。力覚センサ６は、作業者が操作子４に加えている操作力を検出する。力覚センサ６は、作業者の操作力をｘ方向、ｙ方向、ｚ方向、およびｘ軸周り方向、ｙ軸周り方向、ｚ軸周り方向の６方向の力に区別して検出することができる。
作業補助装置２は、図２に示すように、第１可動体１０のｘ方向の位置を検出する第１位置センサ１６と、第２可動体２０のｙ方向の位置を検出する第２位置センサ２６と、第３可動体３０のｚ方向の位置を検出する第３位置センサ３６を備えている。操作子４は第３可動体３０に固定されおり、操作子４のｘ方向位置は第１位置センサ１６で検出され、ｙ方向位置は第２位置センサ２６で検出され、ｚ方向位置は第３位置センサ３６で検出される。
作業補助装置２は、第１アクチュエータ１２と第２アクチュエータ２２と第３アクチュエータ３２の動作を制御する制御ユニット６０を備えている。

図２に示すように、制御ユニット６０は、第１アクチュエータ１２を制御する第１ドライバ１４と、第２アクチュエータ２２を制御する第２ドライバ２４と、第３アクチュエータ３２を制御する第３ドライバ３４を備えている。また、各ドライバ１４、２４、３４に指令を与える処理部６２と、処理部６２に接続している操作パネル６４等を備えている。処理部６２は電子計算機を備えている。作業者は操作パネル６４を操作して、処理部６２への指示を入力したり制御パラメータを調整したりする。また、操作パネル６４は、処理部６２から作業者への情報を表示したりする。

処理部６２には、力覚センサ６が接続されている。処理部６２は、力覚センサ６の出力信号から、作業者が操作子４に加えている操作力ｆを検出する。
処理部６２には、第１位置センサ１６と第２位置センサ２６と第３位置センサ３６が接続されている。処理部６２は、各位置センサ１６、２６、３６の出力信号から、操作子４の位置ｐ：（ｘ，ｙ，ｚ）を検出することができる。また処理部６２は、操作子４の位置ｐの経時変化から、操作子４の速度ｖ：（ｄｘ／ｄｔ，ｄｙ／ｄｔ，ｄｚ／ｄｔ）や、操作子４の加速度ａ：（ｄ^２ｘ／ｄｔ^２，ｄ^２ｙ／ｄｔ^２，ｄ^２ｚ／ｄｔ^２）を計算によって検出することができる。操作子４とインパネ４００は相対的に固定されているので、操作子４の位置ｐ、操作子４の速度ｖ、操作子４の加速度ａのそれぞれは、インパネ４００の位置、インパネ４００の速度、インパネ４００の加速度に対応する。

処理部６２は、後述する計算処理に用いる各種のパラメータを記憶している。例えば前記した（１）式の加速度ａに対する比例係数（慣性係数）Ｍを記憶している。また、速度ｖに対する比例係数（粘性係数）Ｄを計算するための基準値ＤｏやＦａ（後記の（２）式を参照）を記憶している。また、位置ｐに対する比例係数（剛性係数）Ｋ等を記憶している。これらの計算パラメータは、作業者が操作パネル６４を利用して予め教示しておくとともに、必要に応じて調整することもできる。
制御ユニット６０の処理部６２は、作業者が操作子４に加えている操作力ｆや、操作子４の位置ｐや、操作子４の速度ｖ等を検出し、記憶しているパラメータの値を用いて操作子４に与えるべき力τを逐次計算し、各ドライバ１４、２４、３４に教示する。各ドライバ１４、２４、３４は、教示された力τを各アクチュエータ１２、２２、３２が出力するように、各アクチュエータ１２、２２、３２を動作させる。以下、第１アクチュエータ１２が出力する力をτｘとし、第２アクチュエータ２２が出力する力をτｙとし、第３アクチュエータ３２が出力する力をτｚとする。作業補助装置２は、作業者が操作子４に加えている力を補完するように動作し、操作子４と共にインパネ４００を移動させる。慣性係数Ｍの値をインパネ４００の質量よりも小さく設定することで、作業者はインパネ４００よりも軽量な物体を搬送しているときの力で、インパネ４００を搬送することができる。

次に、図３を参照して、作業補助装置の動作の流れについて説明する。図３は、処理部６２が実行する処理の流れを示すフローチャートである。処理部６２は、図３に示す処理フローを実行するプログラムを記憶している。図３に示す処理では、「位置ベースのインピーダンス制御」を利用している。処理部６２は、図３に示す処理を、動作周期Δｔ毎に繰り返し実行する。なお、以下の処理では、位置ｐに対する比例係数（剛性係数）Ｋにゼロを設定している。

ステップＳ２では、各位置センサ１６、２６、３６の出力信号に基づいて、操作子４の位置を計算する。以下、時刻ｔにおける操作子４の位置をｐ（ｔ）と記述し、そのときの操作子４のｘｙｚ座標を、（ｐｘ（ｔ），ｐｙ（ｔ），ｐｚ（ｔ））と記述する。
ステップＳ４では、操作子４の速度ｖを検出する。詳しくは、操作子４の位置ｐの経時変化から操作子４の速度ｖを検出する。操作子４の位置ｐの経時変化は、例えば今回の動作サイクルのステップＳ２で計算した操作子４の位置ｐ（ｔ）と、前回の動作サイクルで計算した操作子４の位置ｐ（ｔ−Δｔ）と、動作周期Δｔから求めることができる。以下、時刻ｔにおける操作子４の速度をｖ（ｔ）と記述し、そのｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の各成分を、ｖｘ（ｔ）、ｖｙ（ｔ）、ｖｚ（ｔ）とする。
ステップＳ６では、力覚センサ６の出力信号に基づいて、作業者が操作子４に加えている操作力を検出する。処理部６４は、作業者が操作子４に加えている操作力のなかで、少なくともｘ方向と、ｙ方向と、ｚ方向の成分を区別して検出する。以下、作業者が操作子４に加えている操作力をｆ（ｔ）と記述し、そのｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の各成分を、ｆｘ（ｔ）、ｆｙ（ｔ）、ｆｚ（ｔ）と記述する。

ステップＳ８では、前記（１）式における速度に対する比例係数（粘性係数）Ｄを決定する。この比例係数Ｄは、操作子４に実現する運動に再現される粘性抵抗力を規定する。本実施例では、粘性係数Ｄが一定ではなく、ステップＳ２で検出した操作力ｆ（ｔ）に応じて変化させる。処理部６２は、操作力ｆ（ｔ）が小さいときには粘性係数Ｄを大きな値とし、操作力ｆ（ｔ）が大きいときには粘性係数Ｄを小さな値とする。時刻ｔにおける粘性係数をＤ（ｔ）とすると、例えば次式を用いて粘性係数Ｄ（ｔ）を決定することができる。
Ｄ（ｔ）＝Ｄｏ・｛Ｆａ／（Ｆａ＋｜ｆ（ｔ）｜）｝・・・（２）
上記の（２）式における粘性係数Ｄの基準値Ｄｏや、操作力ｆ（ｔ）の影響を調節するパラメータＦａは、作業者が適宜設定するパラメータである。また、上記の（２）式に換えて、
Ｄ（ｔ）＝Ｄｏ・｛Ｆａ^２／（Ｆａ^２＋ｆ（ｔ）^２）｝・・・（３）
Ｄ（ｔ）＝Ｄｏ・ｅｘｐ（−｜ｆ（ｔ）｜／Ｆａ）・・・（４）
等の演算式を用いてもよい。いずれにしても、操作力ｆ（ｔ）が大きいときほど、粘性係数Ｄ（ｔ）を小さな値に修正することができる。また、上記の（２）、（３）、（４）式は、操作力ｆ（ｔ）の増大に対して粘性係数Ｄ（ｔ）を単調減少させるものであるが、粘性係数Ｄ（ｔ）を段階的に変化させる方式を採用してもよい。

ステップＳ１０では、操作子４の運動に仮想的に付与する抵抗力Ｆｒ（ｔ）を計算する。抵抗力Ｆｒ（ｔ）は、操作子４の速度に比例する大きさであり、操作子４の運動を妨げる方向に作用する力である。即ち、前記した（１）式の粘性項に相当する。抵抗力Ｆｒ（ｔ）は、ステップＳ８で計算した粘性係数Ｄ（ｔ）を用いて、例えば次式を用いて計算することができる。
Ｆｒ（ｔ）＝−Ｄ（ｔ）・ｖ（ｔ）
即ち、ｘｙｚ方向の各成分Ｆｒｘ（ｔ）、Ｆｒｙ（ｔ）、Ｆｒｚ（ｔ）は、ステップＳ４で検出した各速度成分ｖｘ（ｔ）、ｖｙ（ｔ）、ｖｚ（ｔ）を用いて、次式で計算することができる。
Ｆｒｘ（ｔ）＝−Ｄ（ｔ）・ｖｘ（ｔ）
Ｆｒｙ（ｔ）＝−Ｄ（ｔ）・ｖｙ（ｔ）
Ｆｒｚ（ｔ）＝−Ｄ（ｔ）・ｖｚ（ｔ）
なお、上式中の粘性係数Ｄ（ｔ）に付される負号は、抵抗力Ｆｒ（ｔ）と速度ｖ（ｔ）が反対向きであることを示すものであり、抵抗力Ｆｒ（ｔ）が操作子４の運動を妨げる方向に作用することを意味する。

ステップＳ１２では、操作子４の目標とする加速度ａｄ（ｔ）を計算する。この目標加速度ａｄ（ｔ）は、操作子４に擬制する質量Ｍの物体に、操作力ｆ（ｔ）と抵抗力Ｆｒ（ｔ）を加えた時に、その物体に生じる加速度である。あるいは目標加速度ａｄ（ｔ）は、操作子４に擬制する質量Ｍの物体が、速度に比例する抵抗力Ｆｒ（ｔ）が作用する環境におかれているときに、その物体に操作力ｆを加えた時に、その物体に生じる加速度である。目標加速度ａｄ（ｔ）は、例えば次式を用いて計算することができる。
ａｄ（ｔ）＝（ｆ（ｔ）＋Ｆｒ（ｔ））／Ｍ
即ち、ｘｙｚ方向の各成分ａｄｘ（ｔ）、ａｄｙ（ｔ）、ａｄｚ（ｔ）は、次式で計算することができる。
ａｄｘ（ｔ）＝（ｆｘ（ｔ）＋Ｆｒｘ（ｔ））／Ｍ
ａｄｙ（ｔ）＝（ｆｙ（ｔ）＋Ｆｒｙ（ｔ））／Ｍ
ａｄｚ（ｔ）＝（ｆｚ（ｔ）＋Ｆｒｚ（ｔ））／Ｍ

ステップＳ１４では、操作子４の目標とする速度ｖｄ（ｔ）を計算する。目標速度ｖｄ（ｔ）は、操作子４の現在速度ｖ（ｔ）に、現在のステップＳ１２で計算した目標加速度ａｄ（ｔ）にから生じる速度変化量を加味した速度である。目標速度ｖｄ（ｔ）は、例えば次式を用いて計算することができる。
ｖｄ（ｔ）＝ｖ（ｔ）＋ａｄ（ｔ）・Δｔ
即ち、ｘｙｚ方向の各成分ｖｄｘ（ｔ）、ｖｄｙ（ｔ）、ｖｄｚ（ｔ）は次式で計算することができる。
ｖｄｘ（ｔ）＝ｖｘ（ｔ）＋ａｄｘ（ｔ）・Δｔ
ｖｄｙ（ｔ）＝ｖｙ（ｔ）＋ａｄｙ（ｔ）・Δｔ
ｖｄｚ（ｔ）＝ｖｚ（ｔ）＋ａｄｚ（ｔ）・Δｔ
なお、目標速度ｖｄ（ｔ）を算出する際には、操作子４の現在速度（検出値）ｖ（ｔ）に換えて、前回の動作サイクルで計算した目標速度ｖｄ（ｔ−Δｔ）を用いてもよい。

ステップＳ１６では、操作子４の目標とする位置ｐｄ（ｔ）を計算する。目標位置ｐｄ（ｔ）は、操作子４の現在位置ｐ（ｔ）に、目標速度ｖｄ（ｔ）と動作周期Δｔから計算する変位量を加味した位置である。目標位置ｐｄ（ｔ）は、例えば次式を用いて計算することができる。
ｐｄ（ｔ）＝ｐ（ｔ）＋ｖｄ（ｔ）・Δｔ
即ち、ｘｙｚ方向の各成分ｐｄｘ（ｔ）、ｐｄｙ（ｔ）、ｐｄｚ（ｔ）は次式で計算することができる。
ｐｄｘ（ｔ）＝ｐｘ（ｔ）＋ｖｄｘ（ｔ）・Δｔ
ｐｄｙ（ｔ）＝ｐｙ（ｔ）＋ｖｄｙ（ｔ）・Δｔ
ｐｄｚ（ｔ）＝ｐｚ（ｔ）＋ｖｄｚ（ｔ）・Δｔ
なお、目標位置ｐｄ（ｔ）を算出する際には、操作子４の現在位置（検出値）ｐ（ｔ）に換えて、前回の動作サイクルで計算した目標位置ｐｄ（ｔ−Δｔ）を用いてもよい。

ステップＳ１８では、動作周期Δｔ後に、操作子４の速度ｖ（ｔ＋Δｔ）がステップＳ１４で計算した目標速度ｖｄ（ｔ）に変化するとともに、操作子４の位置ｐ（ｔ＋Δｔ）がステップＳ１６で計算した目標位置ｐｄ（ｔ）に変化するように、各ドライバ１４、２４、３４に動作指令が実行される。このとき処理部６２は、いわゆる比例微分（ＰＤ）制御を用いる。即ち、各アクチュエータ１２、２２、３２が出力する力τ（ｔ）を、目標位置ｐｄ（ｔ）と実際位置ｐ（ｔ）の差分と、その差分の変化率とに応じて調節する。その差分の変化率は、目標速度ｖｄ（ｔ）と実際速度ｖ（ｔ）の差分に等しい。即ち、
τ（ｔ）＝α・（ｐｄ（ｔ）−ｐ（ｔ））＋β・（ｖｄ（ｔ）−ｖ（ｔ））
となる。ここで、αとβは所定の制御パラメータであり、適宜調整することができる。各アクチュエータ１２、２２、３２の出力は、次式で表すことができる。
τｘ（ｔ）＝α・（ｐｄｘ（ｔ）−ｐｘ（ｔ））＋β・（ｖｄｘ（ｔ）−ｖｘ（ｔ））
τｙ（ｔ）＝α・（ｐｄｙ（ｔ）−ｐｙ（ｔ））＋β・（ｖｄｙ（ｔ）−ｖｙ（ｔ））
τｚ（ｔ）＝α・（ｐｄｚ（ｔ）−ｐｚ（ｔ））＋β・（ｖｄｚ（ｔ）−ｖｚ（ｔ））
ステップＳ１８の処理を完了した後、再びステップＳ２へ戻り、以上の処理を動作周期Δｔ毎に繰り返し実行する。

以上の処理によって、操作子４の運動に、速度ｖに比例する抵抗力Ｆｒ（粘性抵抗力に相当する）が作用する環境におかれた物体の運動が実現される。このとき、その抵抗力Ｆｒを計算する際に速度ｖに乗じる比例係数Ｄには、操作力ｆが小さいときほど大きな値が設定される。
図４は、作業補助装置２を用いて搬送作業を行った場合の、操作力ｆと速度ｖの経時変化を示すグラフである。搬送作業後半の位置決め段階においても、操作力ｆが速度方向に対して反転しておらず、良好な操作感が実現されていることが確認できる。作業補助装置２では、作業段階の判別を必要とすることなく、操作子４に良好な操作感が付与されている。

作業補助装置２では、主に処理部６２が備える電子計算機によって、図３に示す処理フローが実行される。ただし、同様の処理フローは単純なアナログ回路でも実行することが可能であり、その処理フローを実行する処理部をアナログ回路で構成することもできる。例えば、位置センサに微分回路を接続して、操作子の速度に対応する電圧を得ることができる。抵抗やコンデンサを用いた定電圧発生回路によって、各種のパラメータに対応する電圧を出力することができる。各ステップにおける計算では、各種の演算回路によって各指標に対応する電圧を加減乗除した電圧を得ることができる。処理部をアナログ回路で構成することにより、操作装置の電気構成が簡単化され、本実施例の技術をより多くの操作装置に実装することが可能となる。

本実施例では「位置ベースのインピーダンス制御」を用いる例を説明したが、本実施例の技術を利用することで、「トルクベースのインピーダンス制御」を用いた作業補助装置を具現化することも可能である。
「トルクベースのインピーダンス制御」を用いる場合、各可動体１０、２０、３０やインパネ４００等を含めた操作子４の運動特性式を、例えば次式によって予め処理部６２に教示しておく。
ｆ＋τ＝Ｍｓ・ａ＋Ｄｓ・ｖ＋Ｆｓ・ｓｇｎ（ｖ）・・・（５）
上式は、人が操作子４に操作力ｆを加えるとともにアクチュエータ１２、２２、３２が力τを出力しているときに、操作子４に実現される運動を記述している。上記（５）式の各係数に付したｓは、各係数が操作子４（移動機構等を含む）に関するものであることを示している。また、上記（５）式のｓｇｎ（ｖ）は速度ｖに関する符号関数であり、ｓｇｎ（ｖ）＝ｖ／｜ｖ｜である。上式の第３項Ｆｓ・ｓｇｎ（ｖ）は、作業補助装置２の可動機構等で生じる摩擦力を示している。

一方、処理部６２は、検出した操作力ｆに基づいて、操作子４に実現すべき運動を、前記した（１）式等を用いて計算する。
ｆ＝Ｍ・ａ＋Ｄ・ｖ・・・（６）
このとき、検出した操作力ｆが小さいほど、速度ｖに乗じる比例係数Ｄは大きくなるように修正する。この修正には、例えば前記した（２）（３）（４）式等を用いることができる。

次いで、操作子４の運動に（６）式で計算した運動を実現するために、アクチュエータ１２、２２、３２が出力すべき力τは、（５）（６）式から算出することができる。
τ＝{Ｄｓ−(Ｍｓ／Ｍ)・Ｄ}・ｖ＋Ｆｓ・ｓｇｎ(ｖ)−{１−(Ｍｓ／Ｍ)}・ｆ・（７）
処理部６２は、上記の（７）式と、検出した操作子４の速度ｖ（ｔ）や操作力ｆ（ｔ）から、アクチュエータ１２、２２、３２が出力すべき力τ（ｔ）を決定する。処理部６２が各ドライバ１４、２４、３４に指令し、各アクチュエータ１２、２２、３２が力τ（ｔ）を出力することによって、操作子４の運動に処理部６２が計算した（６）式の運動が実現される。作業者は、インパネ４００を搬送する際に、速度に比例（比例係数Ｄ）する抵抗力が作用する環境におかれた物体（質量Ｍ）を搬送するときの力で、インパネ４００を搬送することができる。

作業補助装置２は、操作子４の位置を検出する位置センサ１６、２６、３６を備えているので、操作子４が現に行っている運動を検出することができる。即ち、位置センサ１６、２６、３６の出力信号に基づいて、操作子４の位置ｐや、操作子４の速度ｖや、操作子４の加速度ａを検出することができる。この場合、検出した操作子４の速度ｖや加速度ａ等を上記の（６）式に代入すると、操作子４が現に行っている運動を、速度に比例（比例係数Ｄ）する抵抗力が作用する環境におかれた物体（質量Ｍ）の運動に実現するときに、その物体に加えることが必要な力を計算することができる。その力は、（６）式のｆに相当する。このとき、検出した操作力ｆが小さいほど、速度ｖに乗じる比例係数Ｄは大きくなるように修正する。この修正には、例えば前記した（２）（３）（４）式等を用いることができる。なお、操作子４の加速度ａは、加速度センサを用いることによって、より正確に検出することが可能となる。

一方、操作子４が現に行っている運動を、操作子４の運動に実現するのに要する力は、上記の（５）式から計算することができる。その力は（５）式のｆ＋τに相当する。
（５）式で計算するｆ＋τから、（６）式で計算するｆを減じた力τをアクチュエータ１２、２２、３２が出力することで、操作子４の運動に、速度に比例（比例係数Ｄ）する抵抗力が作用する環境におかれた物体（質量Ｍ）の運動が実現される。以上の処理を実行するプログラムを用意し、作業補助装置２の処理部６２に教示することで、作業補助装置２は、上述した「トルクベースのインピーダンス制御」を実行することができる。このとき、操作力の検出には、力覚センサ等を用いることなく、検出した操作子の運動と（５）式から計算するｆ＋τから、そのときアクチュエータが実際に出力している力τを減じることによって検出してもよい。

作業補助装置２では、重量物であるインパネ４００を搬送する必要があることから、操作子４の運動に、可動体１０、２０、３０等を含む操作子４の質量Ｍｓよりも軽い質量Ｍの物体の運動を再現している。それに対して、人が操作子を操作する操作装置によっては、可動機構を含む操作子の質量Ｍｓが適当な値であり、操作子に実際に作用する粘性抵抗力や摩擦力が無視できる場合もある。この場合、（５）式においてＤｓ＝０およびＦｓ＝０と設定するとともに、（６）式においてＭ＝Ｍｓと設定することとなる。その結果、（７）式は、
τ＝Ｄ・ｖ・・・（８）
となる。即ち、このような操作装置では、検出した操作子の速度ｖによって、アクチュエータが操作子に加えるべき力を求めることができる。アクチュエータが（８）式から求まる力τを出力することで、操作子の運動に、速度に比例（比例係数Ｄ）する抵抗力が作用する環境におかれた物体（質量Ｍ）の運動が実現される。このとき、検出した操作力ｆが小さいほど、比例係数Ｄを大きく設定することによって、操作子に良好な操作感を付与することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本実施例では、位置センサを用いることによって操作子の位置や速度を検出しているが、速度の検出には速度センサを別に用意してもよい。
操作子に擬制する質量は、操作子やその移動機構を含めた質量よりも小さく設定してもよい。それにより、軽すぎる操作子の操作感を改善することもできる。
操作力に基づいて粘性係数Ｄを計算する際には、例示した（２）式、（３）式、（４）式に限られず、他の式を用いることも可能である。様々な計算式を用意しておくことによって、操作子に付与する操作感を様々に調節することが可能となる。
操作子に実現する運動を計算する際には、速度に比例する抵抗力Ｆｒに加えて、例えば摩擦力に相当する抵抗力を加味してもよい。摩擦力に相当する抵抗力を加味する場合は、ステップＳ１０で計算した抵抗力Ｆｒに、一定の抵抗力（負の力）を加算するとよい。
アクチュエータの制御方式は、比例微分（ＰＤ）制御方式に限られず、他の制御方式を採用してもよい。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

搬送作業補助装置の外観を示す図。搬送作業補助装置の構成を示すブロック図。搬送作業補助装置の処理の流れを示すフローチャート。作業補助装置による搬送作業時の操作力と搬送速度の関係を示す図。従来のインピーダンス特性を示す図。

符号の説明

２・・作業補助装置
４・・操作子
６・・力覚センサ
８ａ、８ｂ・・固定レール
１０、２０、３０・・第１、第２、第３可動体
１２、２２、３２・・第１、第２、第３アクチュエータ
１４、２４，３４・・第１、第２、第３ドライバ
１６、２６、３６・・第１、第２、第３位置センサ
６０・・制御ユニット
６２・・処理部
４００・・インパネ

Claims

人が操作する操作子と、
人が操作子に加えている操作力を検出する操作力検出手段と、
操作子の速度を検出する速度検出手段と、
操作力検出手段で検出した操作力を、速度に比例する抵抗力が作用する環境におかれた物体に加えたときに、その物体に生じる運動を計算する運動計算手段と、
運動計算手段で計算した運動を操作子の運動に実現するアクチュエータとを備え、
前記運動計算手段が、
速度に乗じることによって前記抵抗力を計算する際に用いる比例係数の基準値を記憶している記憶手段と、
前記操作力検出手段で検出した操作力が小さいときほど、前記記憶手段が記憶している比例係数の基準値を大きくなるように修正する係数修正手段と、
係数修正手段で修正された比例係数に、速度検出手段で検出した操作子の速度を乗じることによって、前記抵抗力を計算する抵抗力計算手段と、
速度検出手段で検出した操作子の速度に、操作力検出手段で検出した操作力と抵抗力計算手段で計算した抵抗力との合力に起因する加速度から生じる速度変化量を加味して、操作子の目標速度を計算する目標速度計算手段と、
を備えることを特徴とする操作装置。
人が操作する操作子の動作をアクチュエータによって調節する方法であり、
人が操作子に加えている操作力を検出する操作力検出工程と、
操作子の速度を検出する速度検出工程と、
操作力検出工程で検出した操作力を、速度に比例する抵抗力が作用する環境におかれた物体に加えたときに、その物体に生じる運動を計算する運動計算工程と、
アクチュエータを制御して運動計算工程で計算した運動を操作子の運動に実現する運動調節工程とを備えており、
前記運動計算工程が、
速度に乗じることによって前記抵抗力を計算する際に用いる比例係数の基準値を記憶手段に記憶する記憶工程と、
前記操作力検出工程で検出した操作力が小さいときほど、前記記憶手段が記憶している比例係数の基準値を大きくなるように修正する係数修正工程と、
係数修正工程で修正された比例係数に、速度検出工程で検出した操作子の速度を乗じることによって、前記抵抗力を計算する抵抗力計算工程と、
速度検出工程で検出した操作子の速度に、操作力検出工程で検出した操作力と抵抗力計算工程で計算した抵抗力との合力に起因する加速度から生じる速度変化量を加味して、操作子の目標速度を計算する目標速度計算工程と、
を備えることを特徴とする操作子の動作調節方法。
人が操作する操作子の動作をアクチュエータによって調節するためのプログラムであり、電子計算機に以下の処理、即ち、
人が操作子に加えている操作力を入力する処理と、
操作子の速度を入力する処理と、
入力した操作力を、速度に比例する抵抗力が作用する環境におかれた物体に加えたときに、その物体に生じる運動を計算する運動計算処理と、
アクチュエータを制御して運動計算処理で計算した運動を操作子の運動に実現する運動調節処理とを実行させるプログラムであって、
前記運動計算処理が、
速度に乗じることによって前記抵抗力を計算する際に用いる比例係数の基準値を記憶手段に記憶する記憶処理と、
前記入力した操作力が小さいときほど、前記記憶手段が記憶している比例係数の基準値を大きくなるように修正する係数修正処理と、
係数修正処理で修正された比例係数に、入力した操作子の速度を乗じることによって、前記抵抗力を計算する抵抗力計算処理と、
前記入力した操作子の速度に、前記入力した操作力と抵抗力計算処理で計算した抵抗力との合力に起因する加速度から生じる速度変化量を加味して、操作子の目標速度を計算する目標速度計算処理と、
を備えることを特徴とするプログラム。