JP6151857B2 - 協働マニピュレータのアームのセグメントを制御する制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、協働マニピュレータ、例えばマスタマニピュレータ、コボット、またはエクソスケルトンのアームのセグメントを制御する制御方法に関する。

ヒューマンオペレータと協働するロボット（例えば、マスタマニピュレータ、コボット、またはエクソスケルトン）では、可動セグメント、例えば電動モータを装備したケーブル駆動型ジャッキを操作するのにアクチュエータが使用される。これらモータは、概して良好な速度発生機ではあるが、良好なトルク発生機ではない。したがって、多くの場合、速度の減少を犠牲にして、伝達トルクを増幅できる減速機を使用する必要があることが判明する。これら減速機は、１００程度の増幅率を達成できる。オペレータの観点から、増幅率の二乗でモータの慣性を乗算することにより、選択されたモータが高性能であっても、モータの慣性をユーザが体感できるようになることが公知である。したがって、ユーザにできる限りモータの慣性が明らかになるように、セグメントの慣性力を補償すべきである。

公知の解決策は、慣性力を補償するために、セグメントが晒される慣性力を推定するよう、問題になっているセグメントの加速度を測定するか、または推定することである。加速度は、取得が困難な信号である。公知の解決策は、二重微分を適用した位置信号に基づいて加速度を推定することである。そうして得られる信号は、特に不規則であり、慣性力を補償するようにした制御のパフォーマンスを低下させる強力なフィルタリングを必要とする。

本発明の目的は、アクチュエータの慣性を補償することが可能な制御方法を提供することである。

この目的を達成するため、関節につながれたセグメントのアクチュエータを制御する制御方法であって、
− セグメントの慣性Ｊおよび最小の関節粘性摩擦ｆを推定し、
− セグメントの移動速度

およびアクチュエータの内部変位

を推定または測定し、
− それらの推定または測定を使用して制御トルクを生成する、

型の制御則を合成するとともに、セグメントの加速度

と、セグメントに付与された外力Ｆとの間の伝達関数

に関するパフォーマンス目標：

を満足させることを含み、ここで、

であり、εが数学的アーチファクトであり、ｓがラプラス変数であり、
− さらに、合成された制御則に従って、関節につながれたセグメントのアクチュエータを制御すること、を含む。

閾値関数Ｗ_ｓは、内部変位のない、限りなく剛性に近いシステムに相当する。したがって、パフォーマンス目標の達成により、セグメントの動作に備わる柔軟性（例えば、アクチュエータがケーブル駆動型ジャッキである場合には、ケーブルの弾性）の影響を除去できるようになる。

本発明の特定の一態様によれば、制御則の合成は、
− 全ての許容可能な力について所定の閾値を超えてはならないとする、モータの電源供給電流（または制御トルク）に関する制約と、
− ナイキスト周波数より低い閾値周波数未満に存在しなければならないとする、制御則の極の位置に関する制約と、
− 力／速度の伝達関数が正の実数でなければならないとする、受動性の制約と、
のうちの少なくとも１つの制約下で実行される。

ケーブル駆動型アクチュエータを用いて作動される協働マニピュレータのアームのセグメントの概略図である。 セグメントおよび閾値関数のボード線図を示すグラフである。 本発明によって実行される閉ループ制御のブロック図である。

本発明は、添付された図面を参照し、本発明の特定の非限定的な一実施形態の以下の記載に照らして良好に理解されるであろう。

図面を参照して、協働モードにおいて使用可能なロボットアームの関節につながれたセグメントの制御に本発明を適用する。ロボットは、ミュールプーリ３および関節プーリ４の周囲に巻かれたケーブル２を移動し、関節軸６の周囲において関節につながれたセグメント５を駆動するアクチュエータ１を備える。ここでアクチュエータは、減速機８に連結されたモータ７を備えており、減速機はボールねじ伝達装置９のナットを駆動し、ソケットヘッドねじが、ねじ内部を通過するケーブル２につながれている。

本発明によれば、関節につながれたセグメント５の、関節軸６周りの慣性Ｊを先ず推定する。この慣性を推定する様々な方法が公知である。セグメントの定義を出発点として、セグメントを構成する要素の全ての固有の慣性を、例えば関節軸６周りの慣性およびそれら慣性の全ての合計に変換できる。

次いで、一定速度における粘性摩擦を推定する。これは、アクチュエータ１が一定速度

でセグメントを移動させるときに、セグメントの移動に抵抗するトルクｆを測定することによって行われる。

最後に、モータ７と関節プーリ４との間の伝達装置の剛性ｋ（基本的にケーブル２の剛性によって決定される）を推定する。このため、関節プーリがモータ７の駆動軸の角度位置に応じてブロックされている間の、関節プーリに付与されたトルクを追跡する。これにより剛性ｋが推定される。

本発明の方法は、アクチュエータ１の制御則を合成することを含んでおり、それによりモータ７と関節プーリ７との間の伝達装置が限りなく剛性になるように、関節につながれたセグメント５が動作し、ユーザは、伝達装置の柔軟性に起因する望ましくない影響を除去することとなる。

このため、伝達関数

が測定され、ここで、

は、関節につながれたセグメント５の加速度であり、Ｆは、関節につながれたセグメント５に作用する外力（例えば、セグメントが持ち上げている負荷の重量）である。変数ｓは、ラプラス変数である。本発明の重要な一態様によれば、加速度は直接測定されないが、モデルを用いて再構成される。このため、内部変位

とともに、セグメントの移動速度

が先ず測定または推定される。その内部変位は、例えばセグメントの位置Ｘを測定することによって、および伝達装置が限りなく剛性に近くなる場合であれば、セグメントの位置になるうる位置

を、駆動モータの角度位置に基づいて推定することによって、推定できる。差異

が、内部変位に相当する。予め推定された剛性ｋによって内部変位

を乗算すれば、内部応力の推定が得られる。それに応じて次に、伝達関数

を推定できる。

従来の、

合成ツールを用いて、制御則Ｋが決定される。制御則Ｋの入力は、速度

および内部変位

であり、その出力は、制御トルクである。ここでは図３に概略的に示されるように、制御電流（またはトルク）で表される。その合成は、次の目標：

を満足させる。ここで、

であり、εが数学的アーチファクトであり、ｓがラプラス変数である。言い換えれば、ボード線図においては、伝達関数

の特性が閾値関数

の特性に応じて定まる。図２のボード線図においては、細い線が、本発明による制御を受けない場合の、関節につながれたセグメントの挙動を示し、太い破線が閾値関数

を示す。本発明の方法の目的の１つは、閾値関数に近いアームの挙動を得るように、伝達装置の柔軟性に起因するピークを除去することである。

さらに、本発明の特定の一態様によれば、次の制約のうちの少なくとも１つが課される。
− 全ての許容可能な力について所定の閾値を超えてはならないとする、モータの電源供給電流（または制御トルク）に関する制約。

この制約は、

を課することによって満足され、ここで、Ｉはアクチュエータのモータに供給する電流強度（またはモータに要求されるトルク）であり、Ｓは所定の閾値である。
− ナイキスト周波数より低いまたはナイキスト周波数に等しい閾値周波数

未満に存在しなければならないとする、制御則の極の位置に関する制約。
− 力／速度の伝達関数

が正の実数でなければならないとする、受動性の制約。
なお、

であるか、またはαが強正実である場合に、伝達関数Ｈが正であり、かつ実数であることに留意されたい。

前述した制御則を合成したら、次いで、この制御則を使用してアクチュエータを制御する。

本発明は、前述したものに限定されるものではなく、逆に、特許請求の範囲に記載される範囲のあらゆる変更を含む。特に、アームのセグメントの慣性特性（位置、速度、加速度）は、直線運動にも角度運動にも関係するものであってよい。

Claims (2)

1. 関節につながれたセグメント（５）のアクチュエータ（１）を制御する制御方法であって、
   前記セグメントの慣性Ｊおよび最小の関節粘性摩擦ｆを推定し、
   前記セグメントの移動速度
   

   

   および前記アクチュエータの内部変位
   

   

   を推定または測定し、
   それらの推定または測定に基づいて制御トルクを生成する、
   

   

   型の制御則を合成するとともに、前記セグメントの加速度
   

   

   と前記セグメントに付与された外力Ｆとの間の伝達関数
   

   

   に関するパフォーマンス目標：
   

   

   を満足させることを含み、ここで、
   

   

   であり、εが数学的アーチファクトであり、ｓがラプラス変数であり、
   さらに、合成された前記制御則に従って、前記関節につながれたセグメントの前記アクチュエータを制御する、ことを含む、制御方法。
2. 前記制御則の合成は、
   − 全ての許容可能な力について所定の閾値を超えてはならないとする、モータの制御トルクに関する制約と、
   − ナイキスト周波数より低いか、またはナイキスト周波数に等しい閾値周波数未満に全てが存在しなければならないとする、前記制御則の極の位置に関する制約と、
   − 力／速度の伝達関数が正の実数でなければならないとする、受動性の制約と、
   のうちの少なくとも１つの制約下で実行される、請求項１に記載の制御方法。

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