JP6112947B2 - ロボット装置、ロボット制御方法、プログラム及び記録媒体 - Google Patents
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Description
第1実施形態では、人工筋肉アクチュエータを用いたマニピュレータの関節角度と剛性の同時制御について説明する。
本第1実施形態では、人工筋肉アクチュエータを用いたマニピュレータの制御を行う。人工筋肉アクチュエータとは、筋の粘弾性と呼ばれる特性と類似する特性を有するアクチュエータである。筋は図1に示すように、力発生要素と弾性要素と粘性要素とを用いてモデル化される。ここで、uを力発生要素の収縮力(引張力)、xを収縮方向(引張方向)を正とする筋の収縮量(引張量)とする。収縮速度は、以下の式となる。
ロボット装置100は、制御装置200と、制御装置200からの発生力指令値ue1,uf1に基づき、アクチュエータe1,f1をそれぞれ駆動させる2つのドライバ301,302とを備えている。これらドライバ301,302は、アクチュエータe1,f1に空気を送り込み、発生力指令値に応じた力をアクチュエータe1,f1に発生させるものである。
関節J1の目標関節角度をra、関節J1の目標剛性をrsとする。関節トルク演算部230は、関節トルク演算処理として、関節J1の関節角度θを目標関節角度raにするのに必要な関節トルクT1を演算する(関節トルク演算ステップ)。
次に、関節J1の目標軌道ra、目標剛性rsの設計方法を示す。本第1実施形態では、目標軌道raは図6(a)に示すような、加速区間−等速区間−減速区間を有する軌道を用いる。ここで、raS,raFはそれぞれ、軌道の初期角度、目標角度である。また、ta,tb,tfinはそれぞれ、等速区間の開始時間、等速区間の終了時間、位置決め終了時間である。さらに、目標剛性rsは図6(b)に示すように、加減速区間で高剛性rsmaxとなり、等速間で低剛性rsminとなるように設定する。剛性を可変させることにより、マニピュレータ120は、駆動開始時では筋の弾性力により加速され、等速区間では低剛性となることによりほぼ慣性力で駆動される。これにより、少ない筋の発生力で駆動することが可能となる。
前節の制御系を用いるシミュレーションを行う。リンク101の慣性モーメントをI=8.3×10−2[kgm2]、モーメントアーム径をr=0.1[m]、弾性定数,粘性定数をk=25,b=3とする。目標軌道raは、初期角度raS=0[deg]、目標角度raF=20[deg]、等速区間の開始時間ta=0.35[秒]、等速区間の終了時間tb=0.45[秒]、位置決め終了時間tfin=0.8[秒]とする。関節J1の目標剛性はrsmax=2.3×k×r2[Nm/rad]とし、rsmin=0.8×k×r2[Nm/rad]とする。ここで、k,rは定数であるので、発生力の和U1を、加減速区間でU1=2.3、等速区間で、U1=0.8となるように制御すればよい。
次に、本発明の第2実施形態に係るロボット装置について説明する。
図9は、第2実施形態におけるロボット装置を示す模式図であり、ロボット装置100Bは、マニピュレータ120Bと、制御装置200Bと、6つのドライバ301〜306を備えている。
上記第1実施形態では関節J1の角度と剛性の同時制御を行ったが、本第2実施形態においても、関節J1,J2の角度と剛性の同時制御を行う。しかし、2リンクマニピュレータ120Bでは、手先(リンク102の先端)Eが外界と直に接触するので、手先Eの剛性を制御することが重要である。手先Eの剛性は、図10に示すようなスティフネス楕円によって表される。この楕円は、各方向に対しての剛性の分布を示し、手先Eと楕円の距離が離れるほど剛性が高いことを表している。
一関節駆動アクチュエータであるアクチュエータe1,f1及びアクチュエータe2,f2の制御方法は第1実施形態と略同様である。リンク101,102に対して、フィードバック制御系KPas及びフィードフォワード制御系KFFWは、関節角度θn(n=1,2)と目標角度ran(n=1,2)との誤差を補償するための関節トルク(制御入力トルク)Tnとして、
上記第1実施形態では受動性に基づく制御系としてPD制御系を適用した。しかし、2リンクマニピュレータに対しては受動性に基づくロバスト制御手法が数多く提案されており、制御系に受動性に基づくロバスト安定性に加え、ロバスト性能を付与することができる。これらのロバスト制御を、前節の粘弾性補償を用いることにより二関節筋マニピュレータに対して適用することができる。本第2実施形態では、フィードバック演算部542は、図13に示すフィードバック制御系として構成されている。ここで、v,aは補助的なベクトルであり、
上記第1実施形態の1リンクマニュピレータ120では、関節J1の剛性と手先の剛性は同一であった。3対6筋を有する2リンクマニュピレータ120Bでは、発生力の和U1,U2,U3を制御することにより手先Eの剛性が求まる。例えば、発生力の和U1,U2,U3を、
本第2実施形態では、目標軌道を手先Eがy軸に平行に駆動するものとする。さらに上記第1実施形態と同様に加速区間−等速区間−減速区間を有するものとする。そして、関節角度θ1,θ2に対する目標軌道ra1,ra2は、手先軌道から逆運動学により求める。
前節の制御系を用いたシミュレーションを行う。リンク101とリンク102の物理パラメータは同一とする。リンク101,102の長さを0.2[m]、リンク101,102の慣性モーメントをI1=I2=1.3×10−3[kgm2]、モーメントアーム径を0.05[m]、弾性、粘性定数をk=12,b=0.003とする。目標軌道は、等速区間の開始時間ta=0.2747[秒]、等速区間の終了時間tb=0.4746[秒]、位置決め終了時間tfin=0.75[秒]とする。また、手先Eのスティフネス楕円が関節J1と手先Eを結ぶ方向になるように、各アクチュエータの発生力の和U1,U2,U3を制御する。そこで、Unmax=4,Unmin=2(n=1,2,3)とする。
Claims (9)
- 基部に対して第1関節で旋回可能に連結された第1リンクと、
引張力を発生し、前記第1リンクを前記第1関節まわりに旋回駆動するよう前記第1リンクの両側に配置された一対の一関節駆動アクチュエータと、
前記各一関節駆動アクチュエータに対する発生力指令値をそれぞれ求めて前記各一関節駆動アクチュエータを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記第1関節の関節角度を目標関節角度にするのに必要な関節トルクを求める関節トルク演算処理と、
前記第1関節の目標剛性に基づき、前記各一関節駆動アクチュエータに対する発生力指令値の和を示す和算値を求める和算処理と、
前記第1関節に作用する前記各一関節駆動アクチュエータの弾性力による弾性トルクを求める弾性トルク演算処理と、
前記関節トルクをT1、前記和算値をU1、前記弾性トルクをTPC1、前記第1リンクのモーメントアーム径をrとしたとき、|T1+TPC1|<U1×rの制約条件を満たすように、前記関節トルクと前記弾性トルクとの合計値を制約する制約処理と、
前記制約処理にて制約された前記合計値に基づき、前記各一関節駆動アクチュエータの発生力指令値を求める発生力演算処理と、を実行することを特徴とするロボット装置。 - 前記制御部は、
前記関節トルク演算処理として、前記関節角度と前記目標関節角度との差分に基づくフィードバック演算により、前記関節トルクを求めるフィードバック演算処理を実行することを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。 - 前記制御部は、
前記関節トルク演算処理として、
前記目標関節角度に基づくフィードフォワード演算により、前記第1関節に対するフィードフォワード制御トルクを求めるフィードフォワード演算処理と、
前記関節角度と前記目標関節角度との差分に基づくフィードバック演算により、フィードバック制御トルクを求めるフィードバック演算処理と、
前記フィードバック制御トルクに前記フィードフォワード制御トルクを加算して、前記関節トルクを求める加算処理と、を実行することを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。 - 前記制御部は、
前記フィードバック演算処理として、前記差分を補償するPD制御を行うことを特徴とする請求項2又は3に記載のロボット装置。 - 前記制御部は、
前記弾性トルク演算処理として、前記各一関節駆動アクチュエータの弾性定数をk、前記関節角度をθとしたとき、U1×k×r2×θを演算することにより、前記弾性トルクを求めることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のロボット装置。 - 前記第1リンクに対して第2関節で旋回可能に連結された第2リンクと、
引張力を発生し、前記第1リンク及び前記第2リンクを同時に前記第1関節及び前記第2関節まわりに旋回駆動するよう前記第1リンク及び前記第2リンクの両側に配置された一対の二関節同時駆動アクチュエータと、を備え、
前記制御部は、
前記各二関節同時駆動アクチュエータの弾性力により前記第1関節及び前記第2関節に付与されるトルクをキャンセルするように、前記各二関節同時駆動アクチュエータに対する、正の値となる制約を満たす発生力指令値を演算することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のロボット装置。 - 基部に対して第1関節で旋回可能に連結された第1リンクと、
引張力を発生し、前記第1リンクを前記第1関節まわりに旋回駆動するよう前記第1リンクの両側に配置された一対の一関節駆動アクチュエータと、
前記各一関節駆動アクチュエータに対する発生力指令値をそれぞれ求めて前記各一関節駆動アクチュエータを制御する制御部と、を有するロボット装置を制御するロボット制御方法において、
前記制御部が、前記第1関節の関節角度を目標関節角度にするのに必要な関節トルクを求める関節トルク演算ステップと、
前記第1関節の目標剛性に基づき、前記各一関節駆動アクチュエータに対する発生力指令値の和を示す和算値を求める和算ステップと、
前記第1関節に作用する前記各一関節駆動アクチュエータの弾性力による弾性トルクを求める弾性トルク演算ステップと、
前記関節トルクをT1、前記和算値をU1、前記弾性トルクをTPC1、前記第1リンクのモーメントアーム径をrとしたとき、|T1+TPC1|<U1×rの制約条件を満たすように、前記関節トルクと前記弾性トルクとの合計値を制約する制約ステップと、
前記制約ステップにて制約された前記合計値に基づき、前記各一関節駆動アクチュエータの発生力指令値を求める発生力演算ステップと、を備えたことを特徴とするロボット制御方法。 - コンピュータに、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の各処理を実行させるためのプログラム。
- 請求項8に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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