JP5623451B2

JP5623451B2 - パワーアシスト装置、その制御方法及びプログラム

Info

Publication number: JP5623451B2
Application number: JP2012065696A
Authority: JP
Inventors: 直行武居; 藤本　英雄; 英雄藤本; 力也牧野; 弘俊藤原
Original assignee: Nagoya Institute of Technology NUC; Toyota Motor Corp
Current assignee: Nagoya Institute of Technology NUC; Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2032-03-22
Also published as: US20130251496A1; CN103318794B; JP2013193866A; US9174827B2; CN103318794A

Description

本発明は、ワークに対する操作力を精度よく求め、最適にパワーアシストを行うことができるパワーアシスト装置、その制御方法及びプログラムに関するものである。

ワイヤーによってワークを吊り、作業者の操作に応じてそのワークを所望の位置へ移動させることができる様々なパワーアシスト装置が知られている。一方、その操作方法は、一般に、操作部において昇降、水平移動などの釦操作を行うもので、その操作性が良好と言えるものではなかった。

これに対して、ワイヤーに掛かる平均的な荷重を力センサにより検出し、それを基準荷重とし、力センサからの現在の荷重と、その基準荷重との差からワークに対する操作力を求め、モータをアシスト方向へ駆動するパワーアシスト装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−３１０３９６号公報

しかしながら、上記特許文献１に示すパワーアシスト装置においては、単一の力センサを用いて荷重を検出しているため、例えば、基準荷重が変動した場合に、操作力を精度よく算出することが困難となり、最適にパワーアシストができなくなる虞がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、ワークに対する操作力を精度よく求め、最適にパワーアシストを行うことができるパワーアシスト装置、その制御方法及びプログラムを提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、ワークを保持する保持手段と、一端が前記保持手段に接続され、該保持手段を吊る一対のワイヤーと、前記各ワイヤーの他端を夫々巻き取る一対の巻取り手段と、前記各巻取り手段を夫々回転駆動する一対の駆動手段と、前記各駆動手段の回転情報を夫々検出する一対の回転検出手段と、前記各駆動手段における駆動トルクを夫々検出する一対のトルク検出手段と、前記各駆動手段の駆動を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記各回転検出手段により検出された回転情報と、前記各トルク検出手段により検出された前記駆動手段の駆動トルクと、に基づいて、前記ワークに対する操作力を算出し、該算出した操作力をアシストするように前記各駆動手段を制御し、前記保持手段を昇降させる、ことを特徴とするパワーアシスト装置である。
この一態様において、前記制御手段は、前記各回転検出手段により検出された駆動手段の回転角速度及び回転角加速度と、前記各トルク検出手段により検出された前記駆動手段の駆動トルクと、に基づいて、前記ワークに対する操作力によるトルクと、前記保持手段及びワークの荷重によるトルクと、を夫々算出し、前記操作力によるトルクによって前記ワークを昇降させ、前記荷重によるトルクによって前記ワークの位置を保持させてもよい。
この一態様において、前記制御手段は、慣性、粘性、及び摩擦を含む動力学モデルを用いて、前記各回転検出手段により検出された前記駆動手段の回転角速度及び回転角加速度と、前記各トルク検出手段により検出された前記駆動手段の駆動トルクと、に基づいて、前記各ワイヤーにかかる張力によるトルクを夫々算出し、該ワイヤーにかかる張力によるトルクに基づいて、前記ワークに対する操作力によるトルクと、前記保持手段及びワークの荷重によるトルクと、を夫々算出してもよい。
この一態様において、前記制御手段は、前記ワークの上昇時と下降時とで、前記インピーダンスモデルのパラメータを変化させてもよい。
他方、上記目的を達成するための本発明の一態様は、ワークを保持する保持手段と、一端が前記保持手段に接続され、該保持手段を吊る一対のワイヤーと、前記各ワイヤーの他端を夫々巻き取る一対の巻取り手段と、前記各巻取り手段を夫々回転駆動する一対の駆動手段と、を備えるパワーアシスト装置の制御方法であって、前記各駆動手段の回転情報を夫々検出するステップと、前記各駆動手段における駆動トルクを夫々検出するステップと、前記検出された回転情報と、前記検出された駆動手段の駆動トルクと、に基づいて、前記ワークに対する操作力を算出し、該算出した操作力をアシストするように前記各駆動手段を制御し、前記保持手段を昇降させるステップと、を含む、ことを特徴とするパワーアシスト装置の制御方法であってもよい。
また、上記目的を達成するための本発明の一態様は、ワークを保持する保持手段と、一端が前記保持手段に接続され、該保持手段を吊る一対のワイヤーと、前記各ワイヤーの他端を夫々巻き取る一対の巻取り手段と、前記各巻取り手段を夫々回転駆動する一対の駆動手段と、を備えるパワーアシスト装置のプログラムであって、検出された前記各駆動手段の回転情報と、検出された駆動手段における駆動トルクと、に基づいて、前記ワークに対する操作力を算出し、該算出した操作力をアシストするように前記各駆動手段を制御し、前記保持手段を昇降させる処理をコンピュータに実行させる、ことを特徴とするパワーアシスト装置のプログラムであってもよい。

本発明によれば、ワークに対する操作力を精度よく求め、最適にパワーアシストを行うことができるパワーアシスト装置、その制御方法及びプログラムを提供することができる。

本発明の一実施の形態に係るパワーアシスト装置の概略的な構成を示す図である。本発明の一実施の形態に係るパワーアシスト装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。（ａ）第１及び第２ワイヤーによりワークを保持した状態を示す図である。（ｂ）第１及び第２ワイヤーによりワークを保持した静的状態から、ワーク片側に操作力を付加した状態を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係るパワーアシスト装置の概略的な構成を示す図である。また、図２は、本発明の一実施の形態に係るパワーアシスト装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。

本実施の形態に係るパワーアシスト装置１は、ユーザが保持されたワークＸを上下方向へ操作すると、その操作力をアシストするように、ワークＸを昇降させるものである。パワーアシスト装置１は、ワークＸを保持するフック部２と、一端がフック部２に接続され、フック部２を吊る一対の第１及び第２ワイヤー３、４と、第１及び第２ワイヤー３、４の他端を夫々巻き取る一対の第１及び第２巻取り車５、６と、第１及び第２巻取り車５、６を夫々回転駆動する一対の第１及び第２モータ７、８と、第１及び第２モータ７、８の回転情報を夫々検出する一対の第１及び第２回転センサ９、１０と、第１及び第２モータ７、８における駆動トルクを夫々検出する一対の第１及び第２トルクセンサ１１、１２と、第１及び第２モータ７、８の駆動を制御する制御装置１３と、を備えている。

フック部２は、保持手段の一具体例であり、例えば、ワークＸを引掛けて吊るすことができるように構成されているが、これに限らず、ワークＸを保持できれば任意の構成が適用可能である。

第１及び第２ワイヤー３、４は、例えば、金属製のワイヤーロープやチェーンであり、一端がフック部２の上端に夫々接続され、他端が第１及び第２巻取り車５、６に夫々接続されており、フック部２を吊上げ或いは吊下げる。ここでは、一対のワイヤーを各々フック部２の上端に接続したが、上記一対のワイヤーを一本につなげ、フック部２の上端に動滑車を配置し、該動滑車を該一本のワイヤーで吊下げてもよい。

第１及び第２巻取り車５、６は、一対の巻取り手段の一具体例であり、支持部材１４に回転可能に連結された略円筒形状の部材である。第１及び第２巻取り車５、６は、支持部材１４に回転可能に連結された２つの滑車１５を介して、第１及び第２ワイヤー３、４の他端に夫々接続されている。そして、第１及び第２巻取り車５、６は回転することで、第１及び第２ワイヤー３、４を巻き取り、或いは、巻きほどく。これにより、フック部２に保持されたワークＸは昇降する。なお、第１及び第２巻取り車５、６と、第１及び第２ワイヤー３、４との間に介在する滑車１５の数及び位置は任意でよい。

第１及び第２モータ７、８は、一対の駆動手段の一具体例であり、例えば、減速機構１６などを介して、第１及び第２巻取り車５、６に連結されている。第１及び第２モータ７、８は、駆動回路１７を介して制御装置１３に夫々接続されている。第１及び第２モータ７、８は、制御装置１３から制御信号に応じて、第１及び第２巻取り車５、６を時計方向或いは反時計方向（巻取り方向或いは巻きほどき方向）に回転させる。

第１及び第２回転センサ９、１０は、一対の回転検出手段の一具体例であり、例えば、第１及び第２モータ７、８に内蔵されている。第１及び第２回転センサ９、１０は、例えば、ポテンショメータ、ロ―タリエンコーダなどから構成されており、第１及び第２モータ７、８の回転角度、回転角速度、回転角加速度などの回転情報を検出する。第１及び第２回転センサ９、１０は制御装置１３に接続されており、検出した回転情報を制御装置１３に対して出力する。

第１及び第２トルクセンサ１１、１２は、一対のトルク検出手段の一具体例であり、第１及び第２モータ７、８に取付けられており、第１及び第２モータ７、８に生じる駆動トルクを夫々検出する。第１及び第２トルクセンサ１１、１２は制御装置１３に接続されており、検出した駆動トルクを制御装置１３に対して夫々出力する。

制御装置１３は、第１及び第２回転センサ９、１０からの回転情報と、第１及び第２トルクセンサ１１、１２からの駆動トルクと、に基づいて、ワークＸに対する操作力を算出し、算出した操作力をアシストするような第１及び第２モータ７、８の制御信号を生成し、生成した制御信号を、駆動回路１７を介して第１及び第２モータ７、８に対して出力する。

なお、制御装置１３は、第１及び第２トルクセンサ１１、１２からの駆動トルクを用いて、ワークＸに対する操作力を算出しているが、これに限らず、例えば、第１及び第２モータ７、８に対するトルク指令値、或いは、第１及び第２モータ７、８を駆動する電流値を用いてワークＸに対する操作力を算出してもよい。

制御装置１３は、例えば、制御処理、演算処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）１３１と、ＣＰＵ１３１によって実行される制御プログラム、演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）１３２と、処理データ等を一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）１３３と、を有するマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。また、これらＣＰＵ１３１、ＲＯＭ１３２、及びＲＡＭ１３３は、データバス１３４などによって相互に接続されている。

ところで、従来のパワーアシスト装置においては、操作部において釦操作などを行うもので、その操作性が良好と言えるものではなかった。そこで、本実施の形態に係るパワーアシスト装置１においては、第１及び第２回転センサ９、１０により検出された回転情報と、第１及び第２トルクセンサ１１、１２により検出された第１及び第２モータ７、８の駆動トルクと、に基づいて、ワークＸに対する操作力を算出し、算出した操作力をアシストするように第１及び第２モータ７、８を制御し、フック部２を昇降させる。これにより、ユーザによるワークＸに対する操作力を精度よく求めることができ、その操作力に応じてワークＸを昇降させ、最適にパワーアシストを行うことができる。

制御装置１３は、例えば、第１及び第２回転センサ９、１０からの回転情報θ_１、θ_２と、第１及び第２トルクセンサ１１、１２からの駆動トルクτ_１、τ_２と、に基づいて、下記（１）式を用いて、ワークＸに対する操作力によるトルクτ_ｈ及びフック部２及びワークＸの荷重によるトルクτ_ｗを夫々算出する。

なお、上記（１）式において、Ｉ_１及びＩ_２は夫々第１及び第２モータ７、８の慣性モーメントであり、Ｄ_１及びＤ_２は夫々第１及び第２モータ７、８の粘性であり、Ｆ_１及びＦ_２は夫々第１及び第２モータ７、８の摩擦力であり、θ_１及びθ_２は夫々第１及び第２回転センサ９、１０により検出される第１及び第２モータ７、８の回転角度であり、τ_１及びτ_２は夫々第１及び第２トルクセンサ１１、１２により検出される駆動トルクである。

制御装置１３は、上述のようにして算出したワークＸに対する操作力によるトルクτ_ｈ及びフック部２及びワークＸの荷重によるトルクτ_ｗに応じた制御信号を生成し、生成した制御信号を駆動回路を介して、第１及び第２モータに対して出力する。

このようにして、第１及び第２ワイヤー３、４に掛かる力を、ワークＸに対する操作力と、フック部２及びワークＸの荷重と、に分離して算出することができる。したがって、フック部２及びワークＸの荷重に対しては、その位置を保持するようなトルクを発生させ、さらに、ユーザによるワークＸの操作力に対しては、その操作力に応じてワークＸを昇降させるトルクを発生させることができる。すなわち、ユーザによるワークＸに対する操作力を精度よく求め、最適にパワーアシストを行うことができる。

ここで、図３（ａ）に示すように、ワークＸ及びフック部２の荷重ｗに対して第１ワイヤー３に張力Ｔ_ａが掛かり、第２ワイヤー４に張力Ｔ_ｂが掛かり、静的バランス状態がとれている場合を想定する。この状態では、ワークＸ及びフック部２の荷重ｗの半分の荷重が、夫々、第１及び第２ワイヤー３、４に掛かっている。さらに、図３（ｂ）に示すように、この状態からワークＸの片側のみに、下方向に操作力ｈが掛かると、その操作力ｈと吊り合うようにワークＸの片側の第１ワイヤー３の張力Ｔ_ａが増加する。

このとき、制御装置１３は、例えば、第１ワイヤー３に掛かる張力Ｔ_ａと第２ワイヤー４に掛かる張力Ｔ_ｂとの差から操作力を算出し、下記インピーダンスモデル（２）式に基づいて、第１及び第２モータ７、８の目標回転角度を更新することで、操作力に応じてワークＸを昇降させてもよい。これにより、例えば、重いワークＸに対してもユーザは容易に昇降操作することができる。

なお、上記（２）式において、Ｍ_ｄは目標インピーダンスモデルの慣性であり、Ｄ_ｄは目標インピーダンスモデルの粘性であり、ｆ_ｈは操作力であり、ｘ_ｄはワーク目標位置である。求めたワーク目標位置と第１及び第２巻取り車５、６の半径や第１及び第２モータ７、８の減速比などから、第１及び第２モータ７、８の目標回転角度を算出し、制御装置１３は駆動回路１７を介して第１及び第２モータ７、８を前記目標回転角度へ追従するように駆動する。なお、上記（２）式において、仮想摩擦を更に付加してもよく、任意のモデルを用いることができる。また、ワーク上昇時と下降時とで、各パラメータを適宜変化させてもよい。これにより、その操作性をより向上させることができる。

以上、本実施の形態に係るパワーアシスト装置１において、第１及び第２回転センサ９、１０により検出された回転情報と、第１及び第２トルクセンサ１１、１２により検出された第１及び第２モータ７、８の駆動トルクと、に基づいて、ワークＸに対する操作力を算出し、算出した操作力をアシストするように第１及び第２モータ７、８を制御し、フック部２を昇降させる。これにより、ユーザによるワークＸに対する操作力を精度よく求めることができ、その操作力に応じてワークＸを昇降させ、最適にパワーアシストを行うことができる。また、ワークＸに対する操作力を、力センサを用いることなく算出できるため、コスト低減に繋がる。さらに、切替え操作などを行わずに様々な荷重のワークＸを容易に昇降させることができるため、その操作性を大幅に向上させることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

上記実施形態では、本発明をハードウェアの構成として説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。本発明は、例えば、上記制御装置１３が実行する処理を、ＣＰＵ１３１にコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。

プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（random access memory））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

本発明は、例えば、重量物などを昇降させるパワーアシスト装置に適用可能である。

１パワーアシスト装置
２フック部
３第１ワイヤー
４第２ワイヤー
５第１巻取り車
６第２巻取り車
７第１モータ
８第２モータ
９第１回転センサ
１０第２回転センサ
１１第１トルクセンサ
１２第２トルクセンサ
１３制御装置

Claims

ワークを保持する保持手段と、
一端が前記保持手段に接続され、該保持手段を吊る一対のワイヤーと、
前記各ワイヤーの他端を夫々巻き取る一対の巻取り手段と、
前記各巻取り手段を夫々回転駆動する一対の駆動手段と、
前記各駆動手段の回転情報を夫々検出する一対の回転検出手段と、
前記各駆動手段における駆動トルクを夫々検出する一対のトルク検出手段と、
前記各駆動手段の駆動を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記各回転検出手段により検出された駆動手段の回転角速度及び回転角加速度と、前記各トルク検出手段により検出された前記駆動手段の駆動トルクと、に基づき、慣性、粘性、及び摩擦を含む動力学モデルを用いて、前記ワークに対する操作力によるトルクと、前記保持手段及びワークの荷重によるトルクと、を夫々算出し、該算出した前記操作力によるトルクと、慣性、粘性、及び摩擦を含むインピーダンスモデルと、に基づき、前記操作力をアシストするように前記各駆動手段の目標回転量を算出し、該目標回転量に追従させるように前記駆動手段を駆動させることで前記ワークを昇降させ、前記荷重によるトルクによって前記ワークの位置を保持させ、
前記ワークの上昇時と下降時とで、前記インピーダンスモデルのパラメータを変化させる、ことを特徴とするパワーアシスト装置。
請求項１記載のパワーアシスト装置であって、
前記操作力の方向と前記ワークの荷重の方向が鉛直方向で同一である、ことを特徴とするパワーアシスト装置。
ワークを保持する保持手段と、
一端が前記保持手段に接続され、該保持手段を吊る一対のワイヤーと、
前記各ワイヤーの他端を夫々巻き取る一対の巻取り手段と、
前記各巻取り手段を夫々回転駆動する一対の駆動手段と、
を備えるパワーアシスト装置の制御方法であって、
前記各駆動手段の回転情報を夫々検出するステップと、
前記各駆動手段における駆動トルクを夫々検出するステップと、
前記検出された駆動手段の回転角速度及び回転角加速度と、前記検出された駆動手段の駆動トルクと、に基づき、慣性、粘性、及び摩擦を含む動力学モデルを用いて、前記ワークに対する操作力によるトルクと、前記保持手段及びワークの荷重によるトルクと、を夫々算出し、該算出した前記操作力によるトルクと、慣性、粘性、及び摩擦を含むインピーダンスモデルと、に基づき、前記操作力をアシストするように前記各駆動手段の目標回転量を算出し、該目標回転量に追従させるように前記駆動手段を駆動させることで前記ワークを昇降させ、前記荷重によるトルクによって前記ワークの位置を保持させるステップと、
前記ワークの上昇時と下降時とで、前記インピーダンスモデルのパラメータを変化させるステップと、を含む、
ことを特徴とするパワーアシスト装置の制御方法。
ワークを保持する保持手段と、
一端が前記保持手段に接続され、該保持手段を吊る一対のワイヤーと、
前記各ワイヤーの他端を夫々巻き取る一対の巻取り手段と、
前記各巻取り手段を夫々回転駆動する一対の駆動手段と、
を備えるパワーアシスト装置のプログラムであって、
検出された駆動手段の回転角速度及び回転角加速度と、前記検出された駆動手段の駆動トルクと、に基づき、慣性、粘性、及び摩擦を含む動力学モデルを用いて、前記ワークに対する操作力によるトルクと、前記保持手段及びワークの荷重によるトルクと、を夫々算出し、該算出した前記操作力によるトルクと、慣性、粘性、及び摩擦を含むインピーダンスモデルと、に基づき、前記操作力をアシストするように前記各駆動手段の目標回転量を算出し、該目標回転量に追従させるように前記駆動手段を駆動させることで前記ワークを昇降させ、前記荷重によるトルクによって前記ワークの位置を保持させる処理と、
前記ワークの上昇時と下降時とで、前記インピーダンスモデルのパラメータを変化させる処理と、をコンピュータに実行させる、ことを特徴とするパワーアシスト装置のプログラム。