JP6233286B2

JP6233286B2 - 装着型ロボットの制御方法

Info

Publication number: JP6233286B2
Application number: JP2014243540A
Authority: JP
Inventors: 光留菅田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-12-01
Filing date: 2014-12-01
Publication date: 2017-11-22
Anticipated expiration: 2034-12-01
Also published as: CN105643638B; US20160151907A1; JP2016106643A; US9925661B2; EP3028824A1; CN105643638A; DK3028824T3; EP3028824B1

Description

本発明は、装着型ロボットの制御方法に関し、特に使用者の関節部に装着される装着型ロボットの制御方法に関する。

近年、使用者の腰や膝などの関節部に装着される装着型ロボットが開発されており、作業現場やリハビリなどの現場において試されている。このとき、使用者の関節部の角度が所定の許容角度範囲内に収まるようにロボット関節を制御する必要がある。

例えば、特許文献１の装着型ロボットは、ロボット関節の角度（即ち、使用者の関節部の角度）が所定の許容角度範囲から外れると、ロボット関節の角度が許容角度範囲内に戻るように当該ロボット関節を制御している。

特開２０１３−１３８７９３号公報

特許文献１の装着型ロボットは、ロボット関節の角度が許容角度範囲内に戻ると、ロボット関節の角度を許容角度範囲内に戻す制御を終了するので、使用者は関節部を自由に動作させることができる。

このとき、人は一方向に関節部を動かす動作を開始すると、たとえ使用者の関節部の角度が許容角度範囲内に強制的に戻されても、直ちに関節部を動かす動作を止めることができないので、再び、使用者の関節部の角度が許容角度範囲から外れてしまう。このような動作が、図７に示すように、許容角度範囲の内と外の境界で繰り返され、所謂ハンチング（振動）が発生し、使用者に不快感を与える。

本発明の目的は、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、所謂ハンチングの発生を抑制し、使用者が快適に使用できる装着型ロボットの制御方法を提供する。

本発明の一形態に係る装着型ロボットの制御方法は、ロボット関節の角度が予め設定された許容角度範囲を超えたとき、前記ロボット関節の角度が前記許容角度範囲内に戻るように当該ロボット関節を制御する、使用者の関節部に装着される装着型ロボットの制御方法であって、
前記ロボット関節の角度が前記許容角度範囲内に戻るように当該ロボット関節を制御して、前記ロボット関節の角度が予め設定された角度に到達すると、予め設定された期間、前記ロボット関節の角度を前記予め設定された角度に維持するように、前記ロボット関節にトルクを発生させる。

上記装着型ロボットの制御方法において、前記予め設定された角度は、前記許容角度範囲の内と外との境界角度であることが好ましい。

以上、説明したように、所謂ハンチングの発生を抑制し、使用者が快適に使用できる装着型ロボットの制御方法を提供することができる。

実施の形態１の装着型ロボットを使用者の膝に装着した様子を模式的に示す図である。実施の形態１の装着型ロボットの制御系を示すブロック図である。実施の形態１の装着型ロボットにおける、時間に対する装着型ロボットの関節部が発生するトルク及び関節部の角度の関係を示す図である。角度リミット制御計算部での角度リミット制御の流れを示すフローチャート図である。角度リミット制御計算部で実行される制御モデルを示す図である。実施の形態２の装着型ロボットの制御系を示すブロック図である。従来の装着型ロボットにおける、時間に対する装着型ロボットの関節部の角度の関係を示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

＜実施の形態１＞
先ず、本実施の形態の装着型ロボットの基本構成を説明する。図１は、本実施の形態の装着型ロボットを使用者の膝に装着した様子を模式的に示す図である。

装着型ロボット１は、図１に示すように、一般的な装着型ロボットの基本構成と等しいため簡単に説明するが、固定バンド２ａを介して使用者の上腿部に固定される第１のリンク２と、固定バンド３ａを介して使用者の下腿部に固定される第２のリンク３と、が関節部（ロボット関節）４の駆動力によって、装着型ロボット１の左右方向に延在する軸を中心に相対的に回転することで、使用者の膝の動作をアシストする。

次に、本実施の形態の装着型ロボットの制御系を説明する。図２は、本実施の形態の装着型ロボットの制御系を示すブロック図である。図３は、時間に対する装着型ロボットの関節部が発生するトルク及び当該関節部の角度の関係を示す図である。

関節部４は、図２に示すように、制御装置５、モータ６及び角度検出部７を備えており、角度検出部７によって検出された関節部４の角度θ１（即ち、第２のリンク３に対する第１のリンク２の回転角度）に基づいて、モータ６が所定のトルクを発生するように制御装置５が制御信号を生成し、生成した制御信号に基づいてモータ６が動作することで、第１のリンク２と第２のリンク３とを相対的に回転させる。なお、本実施の形態では、制御装置５を関節部４に搭載しているが、関節部４と別に配置してもよい。

制御装置５は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶部８及びＣＰＵ（Central Processing Unit）などの計算部９を備えており、角度検出部７から入力される関節部４の角度θ１を示す検出信号に基づいて、モータ６の制御信号を生成する。

記憶部８には、制御プログラム１０、許容角度範囲情報１１及び角度リミット制御継続時間情報１２などが格納されている。制御プログラム１０は、装着型ロボット１の制御を実現するために実行されるプログラムである。許容角度範囲情報１１は、関節部４の許容角度範囲に関する情報であり、例えば、上限角度が０．０ｒａｄで下限角度が−２．０ｒａｄに設定される。角度リミット制御継続時間情報１２は、関節部４の角度θ１を予め設定された角度θ２に維持する期間Ｔに関する情報であり、例えば０．１秒に設定される。但し、許容角度範囲情報１１及び角度リミット制御継続時間情報１２は、適宜変更することができる。

計算部９は、アシスト量計算部１３、角度リミット制御計算部１４及び加算部１５を備えている。アシスト量計算部１３は、角度検出部７から入力される検出信号に基づいて、通常のアシスト動作を実行するべく、記憶部８から読み出した制御プログラム１０及び許容角度範囲情報１１に基づいてモータ６の制御トルク値を算出する。

詳細には、アシスト量計算部１３は、角度検出部７が検出した関節部４の角度θ１が、許容角度範囲情報１１が示す許容角度範囲Ｒ内（許容角度範囲Ｒ以内）の場合は、関節部４の角度θ１が所定の角度になるようにモータ６の制御トルク値を算出する。例えば、使用者の脚部が立脚状態（接地した状態）の場合は、使用者の膝が崩れないようにモータ６の制御トルク値を算出する。また、使用者の脚部が遊脚状態（地面から離れた状態）の場合は、使用者の脚部を蹴り出す又は使用者の脚部を引き戻すようにモータ６の制御トルク値を算出する。

一方、アシスト量計算部１３は、角度検出部７が検出した関節部４の角度θ１が許容角度範囲Ｒを超えると、関節部４の角度θ１が許容角度範囲Ｒ内に戻るようにモータ６の制御トルク値を算出する。

角度リミット制御計算部１４は、記憶部８から読み出した制御プログラム１０、許容角度範囲情報１１及び角度リミット制御継続時間情報１２に基づいて角度リミット制御を実行する。詳細は後述するが、角度リミット制御計算部１４は、角度検出部７が検出した関節部４の角度θ１が、許容角度範囲情報１１が示す許容角度範囲Ｒを超えると、関節部４の角度θ１が許容角度範囲Ｒ内に戻るようにモータ６の制御トルク値を算出し、関節部４の角度θ１が予め設定された角度θ２に到達すると、角度リミット制御継続時間情報１２が示す期間Ｔ、関節部４の角度θ１を当該角度θ２に維持するようにモータ６の制御トルク値を算出する。

加算部１５は、アシスト量計算部１３が算出したモータ６の制御トルク値と角度リミット制御計算部１４が算出したモータ６の制御トルク値とを加算する。

このような制御装置５は、加算部１５が算出した制御トルク値をモータ６に発生させるように、図示を省略したアンプなどで制御信号を生成し、モータ６を制御する。

次に、角度リミット制御計算部１４での角度リミット制御の流れを説明する。図４は、角度リミット制御計算部での角度リミット制御の流れを示すフローチャート図である。ちなみに、以下の説明では、アシスト量計算部１３でのアシスト制御の説明を省略するが、アシスト量計算部１３でのアシスト制御は、角度リミット制御計算部１４での角度リミット制御と並行して実行される。

先ず、角度リミット制御計算部１４は、角度検出部７から入力される検出信号に基づいて、関節部４の角度θ１が、許容角度範囲Ｒを超えているか否かを判定する（Ｓ１）。関節部４の角度θ１が許容角度範囲Ｒ内の場合（Ｓ１のＮＯ）、角度リミット制御計算部１４は、Ｓ１の工程に戻る。

一方、関節部４の角度θ１が許容角度範囲Ｒを超えている場合（Ｓ１のＹＥＳ）、角度リミット制御計算部１４は、関節部４の角度θ１が許容角度範囲Ｒ内に戻るようにモータ６の制御トルク値を算出する。

次に、関節部４の角度θ１が予め設定された角度θ２に到達すると、角度リミット制御計算部１４は、関節部４の角度θ１を当該角度θ２に維持するようにモータ６の制御トルク値を算出する（Ｓ２）。ここで、予め設定された角度θ２としては、図３に示すように、許容角度範囲Ｒの内と外との境界角度に設定すればよい。

上述のように、人は一方向に膝を動かす動作を開始すると、直ちに膝を動かす動作を止めることができないので、関節部４の角度θ１が予め設定された角度θ２に到達してから、直ちに関節部４の制御を止めてしまうと、関節部４の角度θ１を角度θ２に維持することができない。このため、図３に示すように、関節部４は、その角度θ１が角度θ２に維持されるように、使用者の膝の動作方向と逆方向にモータ６にトルクを発生させる。このとき、関節部４の角度θ１が若干許容角度範囲Ｒを超えた角度で、使用者が膝を動作させるトルクとモータ６のトルクとが釣り合うことになる。

ここで、上述の制御を実現する角度リミット制御計算部１４の制御モデルの一例を説明する。図５は、角度リミット制御計算部で実行される制御モデルを示す図である。

本実施の形態の角度リミット制御計算部１４は、図５に示すように、一般的なＰＤ（比例・微分）制御器である。詳細には、角度リミット制御計算部１４のＰ制御系では、関節部４の現在の角度θ１と角度θ２との偏差を求め、求めた偏差にゲインを積算する。一方、角度リミット制御計算部１４のＤ制御系では、関節部４の現在の角速度を逆向きに変換し、変換した値にゲインを積算する。そして、角度リミット制御計算部１４は、Ｐ制御系の積算値とＤ制御系の積算値とを加算することでモータ６の制御トルク値を算出している。

説明を角度リミット制御に戻して、次に、角度リミット制御計算部１４は、関節部４の角度θ１を許容角度範囲Ｒ内に戻すモータ６の制御を開始（即ち、角度リミット制御を開始）してから期間Ｔが経過したか否かを判定すると共に、関節部４の角度θ１が許容角度範囲Ｒ内に戻ったか否かを判定する（Ｓ３）。

角度リミット制御計算部１４は、角度リミット制御を開始してから期間Ｔが経過していない、又は関節部４の角度θ１が許容角度範囲Ｒを超えている場合（Ｓ３のＮＯ）、Ｓ２の工程に戻る。

一方、角度リミット制御計算部１４は、角度リミット制御を開始してから期間Ｔが経過し、且つ関節部４の角度θ１が許容角度範囲Ｒ内に戻っている場合（Ｓ３のＹＥＳ）、角度リミット制御を終了し、Ｓ１の工程に戻る。

上述のように、人は一方向に膝を動かす動作を開始すると、直ちに膝を動かす動作を止めることができないので、関節部４の角度θ１が予め設定された角度θ２に到達してから、直ちに関節部４の制御を止めてしまうと、関節部４の角度θ１を角度θ２に維持することができない。このため、関節部４は、その角度θ１が角度θ２に維持されるように、使用者の膝の動作方向と逆方向にトルクを発生させる。ここで、時間が経過すると、使用者は膝を許容角度範囲Ｒ内に戻す動作を開始するので、モータ６のトルクの発生方向と使用者が膝を許容角度範囲Ｒ内に戻す動作方向とが等しくなり、関節部４の角度θ１が許容角度範囲Ｒ内に戻ることになる。

ここで、期間Ｔは、短すぎるとハンチングを抑制できず、長すぎると関節部４の角度θ１が角度θ２に維持された状態が続いてしまうので、角度リミット制御計算部１４が角度リミット制御を開始してから、使用者の膝の動作方向が反転を開始するまでの期間を予めサンプリングしておき、このサンプリングした期間に基づいて設定すればよい。

これにより、使用者が膝を許容角度範囲Ｒ内に戻す動作を開始し、関節部４の角度θ１が許容角度範囲Ｒ内に戻ったことを確認してから、角度リミット制御を停止させることができる。そのため、本実施の形態の装着型ロボット１は、所謂ハンチングを抑制することができ、その結果、使用者が快適に使用することができる。

＜実施の形態２＞
本実施の形態の装着型ロボットは、角度リミット制御時にアシスト量計算部１３で算出した制御トルク値と角度リミット制御計算部１４で算出した制御トルク値とを加算することなく、角度リミット制御計算部１４で算出した制御トルク値でモータ６を制御している。図６は、本実施の形態の装着型ロボットの制御系を示すブロック図である。なお、本実施の形態の装着型ロボット２１は、実施の形態１の装着型ロボット１と略等しい構成とされているため、重複する説明は省略し、等しい要素には等しい符号を用いて説明する。

本実施の形態の装着型ロボット２１における制御装置２２の計算部２３は、図６に示すように、加算部１５に代わってスイッチ部２４を備えている。計算部２３は、角度リミット制御計算部１４が角度リミット制御を開始すると、スイッチ部２４でフラグを立て、角度リミット制御計算部１４で算出した制御トルク値をモータ６に発生させるように当該モータ６を制御する。一方、計算部２３は、角度リミット制御計算部１４が角度リミット制御を開始していないと、スイッチ部２４でフラグを降ろし、アシスト量計算部１３で算出した制御トルク値をモータ６に発生させるように当該モータ６を制御する。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。

例えば上記実施の形態では、ソフトウェア資源を用いて制御方法を実現しているが、ハードウェア資源を用いて実現してもよい。

例えば上記実施の形態の角度リミット制御計算部１４ではＰＤ制御を実行したが、ＰＩＤ（比例・積分・微分）制御や状態フィードバック制御などを実行してもよい。

１装着型ロボット
２第１のリンク、２ａ固定バンド
３第２のリンク、３ａ固定バンド
４関節部
５制御装置
６モータ
７角度検出部
８記憶部
９計算部
１０制御プログラム
１１許容角度範囲情報
１２角度リミット制御継続時間情報
１３アシスト量計算部
１４角度リミット制御計算部
１５加算部
２１装着型ロボット
２２制御装置
２３計算部
２４スイッチ部
Ｒ許容角度範囲
Ｔ予め設定された期間
θ１関節部の角度
θ２予め設定された角度

Claims

ロボット関節の角度が予め設定された許容角度範囲を超えたとき、前記ロボット関節の角度が前記許容角度範囲内に戻るように当該ロボット関節を制御する、使用者の関節部に装着される装着型ロボットの制御方法であって、
前記ロボット関節の角度が前記許容角度範囲内に戻るように当該ロボット関節を制御して、前記ロボット関節の角度が予め設定された角度に到達すると、予め設定された期間、前記ロボット関節の角度を、振動を抑制して前記予め設定された角度に維持するように、前記ロボット関節にトルクを発生させる装着型ロボットの制御方法。
前記予め設定された角度は、前記許容角度範囲の内と外との境界角度である請求項１に記載の装着型ロボットの制御方法。