JP6121351B2 - 直列弾性アクチュエータの力およびインピーダンスのロバスト制御のための構成 - Google Patents

Description

[0001]本明細書で説明される本発明は、ロイヤリティの支払いなく米国政府（すなわち非商業的な）の目的のために、米国政府によりまた米国政府のために製造および使用され得る。

[0002]本発明は、概ね、直列弾性アクチュエータにより提供されるインピーダンスと力を制御するための構成に関し、より具体的には、バネの一端部におけるモーターシャフトの位置を決定するための位置センサと、バネの反対の端部における負荷の位置を決定する位置センサと、センサからの測定信号を受け取る、埋め込まれた高速プロセッサと、を含む、直列弾性アクチュエータにより提供されるインピーダンスと力を制御するための構成に関する。高速プロセッサは、モーターシャフトの向きを制御して、負荷の向きを制御するためにバネにトルクを提供する。埋め込まれたプロセッサは、リモートコントローラからトルク参照命令を受け取る。

[0003] 直列弾性アクチュエータ（series elastic actuator,ＳＥＡ）は、モーターと
アクチュエータの出力部との間にバネまたは他の弾性素子を用い、モーターの運動をアクチュエータ出力部の運動に伝達する。バネの変位は、典型的には、アクチュエータ出力部に作用するトルクを測定するために用いられる。ＳＥＡｓは、典型的にはロボットに用いられ、ここで、アクチュエータはロボットの関節およびリンクを動作させるのに用いられる。

[0004]ＳＥＡｓを用いる２つの主な利点がある。第１に、モーターのトランスミッションに対して弾性素子の相対的に高いコンプライアンスは、高周波数においてアクチュエータ出力部をモーターから分断（decouple）する。これは、モーターおよびモータートランスミッションが大きな慣性を備える場合でも、ロボットリンクの受動的な慣性を減少させる。結果として、低い高周波受動慣性は、ＳＥＡ駆動ロボットを人間の周りで安全にする。

[0005]ＳＥＡｓの第２の利点は、アクチュエータにより付与される力を制御する改良された能力であり、それゆえ、アクチュエータのインピーダンスを制御する能力が改善される。弾性素子が環境に対して相対的に高いコンプライアンスを備える場合、モーター位置の小さな変動に対するアクチュエータの力の感度は減少する。結果として、位置制御されたモーターを用いて付与されるアクチュエータの力を制御するのが容易になる。また、弾性素子のバネ定数が正確に分かる場合、バネの変位を測定することにより、アクチュエータの出力の力を測定することが可能である。これは、付与される力の直接的な測定を不要にすることができる。

[0006]多くのＳＥＡｓの機械的な実現手段は類似しているが、ＳＥＡ制御にはいくつかの異なるアプローチがある。多くのＳＥＡ制御の以前の構成は、ＳＥＡ出力の力を制御する方法に集中している。初期のＳＥＡ制御戦略の１つは、本質的に力エラーのＰＩＤ（proportional-integral-derivative）制御である。付与される力は、弾性素子に取り付けられたひずみゲージを用いて測定される。これは、参照力およびこの誤差の差分と比較される。

[0007]ＳＥＡ制御の他のアプローチは、力コントローラに連結される内部モーター位置コントローラまたは速度コントローラを用いる。力コントローラは、付与された力と参照力の差分を計算することで力誤差を計算する。ＰＤコントローラは、力誤差に応じて動作し、所望のモーター速度を計算する。この速度参照は、モーター速度コントローラに入力される。モーター速度コントローラは、フィードバックパスに微分器を備えるＰＩＤコントローラとして実装される。

[0008]本発明の教示によれば、力誤差を計算することなく、または、直接的に弾性ＳＥＡ素子をひずみゲージで測定することなく、ＳＥＡにより付与されるトルクを制御するためのＳＥＡ構造が開示される。ここで、この構造は、ロボットリンクの位置を制御するための特定の用途を備える。ＳＥＡ構造は、弾性バネの一端部に連結されるモーターと、弾性バネの反対側の端部に連結される負荷とを有し、モーターはバネを通じて負荷を駆動する。モーターのシャフトの向きは第１位置センサにより測定され、負荷の向きは第２位置センサにより測定される。位置センサからの位置信号は、埋め込まれたプロセッサに送られ、このプロセッサが、モーターシャフトに対する負荷の向きを決定し、バネのトルクを決定する。埋め込まれたプロセッサは、リモートコントローラから参照トルク信号を受け取り、埋め込まれたプロセッサは、所望のジョイントトルクに関して高速サーボループを実行する。リモートコントローラは、インピーダンスまたは位置目標により高次の目標に基づいて望ましいジョイントトルクを決定する。リモートコントローラは、ロボット内のいくつかのＳＥＡ構成にトルク命令を提供する。

[0009]本発明の追加的な特徴は、添付図面とともに以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照することにより明らかになるであろう。

ＳＥＡを含むロボットアームの斜視図である。 弾性アクチュエータ列を制御するためのＳＥＡ構成のブロック図である。 図２に示すＳＥＡ構成のための制御構成の概略ブロック図である。

[0013]本発明の、弾性アクチュエータの力およびインピーダンスのロバスト制御のＳＥＡ構造に関する実施形態の以下の説明は、本来的に単なる例示であり、本発明の用途や使用を限定することを意図するものではない。

[0014]本発明はｎジョイントマニピュレータ、または、各ジョイントが直列弾性アクチュエータ（ＳＥＡ）により駆動されるロボットに関する。ＳＥＡは、アクチュエータの力を検知および制御するためのビルトインコンプライアンスを活用する装置である。典型的なＳＥＡは、バネのような高コンプライアンス素子が直列（またはインライン）に設けられる低コンプライアンス素子を備える従来のアクチュエータからなる。各ＳＥＡは、大きなギア減速を備えるハーモニックドライブが直列に設けられた電気モーターを含む。弾性素子は、低静止摩擦であり且つ大きな線形範囲を備えるねじりバネであり、ハーモニックドライブの出力をＳＥＡ出力およびロボットリンクに接続する。高分解能位置センサがハーモニックドライブ出力およびＳＥＡ出力上に取り付けられる。モーター制御は、ジョイント出力トルクを制御するための一体モーターコントローラを備える、高速埋め込みマイクロコントローラを用いて局所的に提供される。埋め込みマイクロコントローラは、１０ｋＨｚのような高速で動作できる。埋め込みマイクロコントローラに追加して、リモートコントローラが外に設けられ、参照トルクおよび／またはインピーダンスを計算するために低速で動作する。２つのコントローラは高速通信バスにより互いに接続されてもよい。

[0015]
図１は、上腕リンク１２、中腕リンク１６、および下腕リンク１４を含むロボットアーム１０の斜視図を示し、ここで、下腕リンク１４および中腕リンク１６はジョイント１８により接続され、中腕リンク１６および上腕リンク１２はジョイント２０により接続される。各ジョイント１８、２０は、当業者によく知られた方法で２つの隣接するリンクの間にトルク制御を提供するために直列弾性アクチュエータを含む。この実施形態において、直列弾性アクチュエータは、回転バネを含む回転アクチュエータである。ロボットアームは、当業者によく知られているように様々なロボットアーム設計のいくつかの回転自由度を含む。

[0016]図２は、大きな減衰ギアボックス３４を備えるモーター３２を含むＳＥＡ構造３０の平面図である。モーター３２は、バネ３６の一端部に連結され、バネ３６の反対側の端部に連結された慣性負荷３８を駆動させる。モーター３２は、バネ３６を回転させて負荷３８にインピーダンスおよびトルクを提供するモーターシャフト（図示せず）を含む。負荷３８は、任意の負荷とすることができる。モーター３２のシャフトの向きは、高分解能位置センサ４２により測定され、負荷３８の向きは、高分解能位置センサ４２により測定される。センサ４０、４２からの信号は、バネ３６がどれくらい変位または回転したかの測定値を提供する。バネ定数が分かっており入力と出力との位置が測定されるなら、負荷３８に作用するバネ３６上のトルクを決定することができる。したがって、付与されるトルク測定値において、バネを介して所望のトルクが生成されるように、フィードバックループを実現することができる。

[0017]構造３０は、ここではモーター３２に連結された埋め込みプロセッサ４４を含む。ただし、プロセッサ４４はＳＥＡの任意の位置に設けることができる。埋め込みプロセッサは、位置センサ４０、４２から位置信号を受け取り、バネ定数とともにモーターシャフトおよび負荷３８の向きに基づいて、バネ３６に作用するトルクを計算し、負荷３８に付与されるインピーダンスを計算する。埋め込みプロセッサ４４は、通信バス４８を介して低速リモートコントローラ４６から参照力信号または参照トルク信号を受け取り、これは、バネ３６上の望ましいトルクまたは負荷３８の位置を提供する。

[0018]リモートコントローラ４６から提供される参照トルクは、埋め込みプロセッサ４４により提供されるモーターシャフトの制御のためのトルク設定値を提供する。このトルクは、負荷の動作のための所望の位置、トルク、またはインピーダンスに基づいてリモートコントローラで計算することができる。埋め込みプロセッサ４４は、アクチュエータにより付与されるトルク値を制限するための高速サーボループを利用する。サーボループは、所望のトルク、バネ剛性およびリンク位置に基づいて所望のモーター位置を計算する、モーター３２上の位置コントローラを含むことができる。このトルクサーボループは、バス４８の通信遅れなしに、埋め込みプロセッサ４４により高速で動作し、トルク制御のためのよりよい性能および安定性を提供する。増分位置センサまたは相対位置センサではなく絶対位置センサ４０、４２を使用することにより、活動ルーチン無く付与されるトルクの絶対測定が可能になる。

[0019]図３は、図２に示すＳＥＡ構成３０のための制御構成５０の概略ブロック図である。制御構成５０は、ボックス５２においてアクチュエータおよびセンサを含み、ジョイントトルクサーボ５４からアクチュエータへのモーター命令信号を受け取り、センサ４０、４２からの位置信号をジョイントトルクサーボ５４に提供する。位置信号は、センサ４０からのモーターシャフトの位置信号θを含み、センサ４２からの負荷３８の向きの位置信号ｑを含む。ジョイントトルクサーボ５４は、位置信号ｑを力制御法則ボックス５６に提供し、力制御法則ボックス５６はサーボ５４に参照トルク信号を提供する。ジョイント
トルクサーボ５４は、複数の埋め込みプロセッサを示し、力制御法則ボックス５６は、リモートコントローラ４６を示す。

[0020]リモートコントローラ４６は、高速通信バス４８によりロボットシステム内の任意の埋め込みプロセッサを制御することができ、高速通信バス４８は、他のロボットジョイントにおいて、ＳＥＡを制御する他の埋め込みコントローラに個別的に連結される。

[0021]存在する制御アプローチに関する直列弾性アクチュエータのインピーダンス制御のために提案される構成の利点は、以下のように要約することができる。外部で低速で命令トルクを計算し、ジョイントのところで高速マイクロコントローラにより局所的にトルクが制御されることにより、従来のアプローチよりも増加したレベルの感度および安定性を提供する。さらに、付与されるトルクを計算するためのＳＥＡ上での位置センサの使用は、ひずみセンサを用いるアプローチよりも高い信号対ノイズ比を提供する。

[0022]上述の議論は、本発明の単なる例示的な実施形態を開示および説明するものである。以上の議論からおよび添付の図面及び特許請求の範囲から、当業者は、特許請求の範囲により画定される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な変更例、修正例、変形形態を容易に認識することができる。

Claims (7)

1. 負荷を動かす直列弾性アクチュエータの力制御を提供するための直列弾性アクチュエータ構成であって、前記構成は、
   前記負荷に連結されるバネと、
   モーターシャフトおよびギアボックスを含むモーターと、を有し、前記モーターシャフトは前記バネに連結され、
   前記構成はさらに、前記モーターの前記ギアボックスの出力部に設けられ、絶対測定をする第１位置センサを有し、前記第１位置センサは前記モーターシャフトの回転位置を測定し、
   前記構成はさらに、前記バネの反対側の端部に設けられ、絶対測定をする第２位置センサを有し、前記第２位置センサは前記負荷の回転位置を測定し、
   前記構成はさらに、前記モーターに近接して設けられ、前記第１位置センサおよび前記第２位置センサからセンサ位置信号を受け取る埋め込みプロセッサを有し、前記埋め込みプロセッサは、前記モーターシャフトの回転位置と前記負荷の回転位置との差、およびバネ定数に基づいて、バネの実際のトルクを計算し、
   前記構成はさらに、前記埋め込みプロセッサに参照トルク信号を提供するリモートコントローラを有し、前記埋め込みプロセッサは、前記参照トルクと前記バネ上の実際のトルクとの間の差分を決定し、前記参照トルクと前記実際のトルクが同一になるように前記モーターシャフトの位置を制御し、
   前記埋め込みプロセッサは、前記リモートコントローラよりも高速で動作し、
   前記埋め込みプロセッサ内のサーボループが、前記参照トルク、前記バネ定数及び前記モーターシャフトの前記回転位置と前記負荷の前記回転位置に基づいて所望のモーター位置を計算する、構成。
2. 請求項１に記載の構成であって、前記直列弾性アクチュエータは、回転式直列弾性アクチュエータである、構成。
3. 請求項１に記載の構成であって、前記負荷はロボットリンクである、構成。
4. 請求項３に記載の構成であって、前記ロボットリンクはロボットの腕部である、構成。
5. 請求項１に記載の構成であって、前記リモートコントローラは、複数の直列弾性アクチュエータを制御する複数の埋め込みプロセッサにトルク参照信号を提供する、構成。
6. 請求項１に記載の構成であって、前記第１位置センサおよび前記第２位置センサは、絶対位置センサである、構成。
7. 請求項１に記載の構成であって、前記ギアボックスは減衰ギアボックスである、構成。

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