JP6357672B2 - 駆動機構 - Google Patents
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Description
以下では、空電ハイブリッド式アクチュエータ用のトルク制御器の構成について説明する。
したがって、特に限定されないが、たとえば、内部制御装置10が、第一の閾値よりも(「より」は「以上」も含む、とする)高周波であるトルクに対して電動モータ312を追加動作させることは好適である。 なお、追加動作とは、エアマッスル302および304に加えて電動モータ312を動作させることである。ここで、第一の閾値は、例えば、3Hzである。
空圧式エアマッスル、ワイヤおよびプーリを含む空圧式アクチュエーターは、人間の筋肉と多くの共通点を持っている。
文献2:D.G. Caldwell, A. Razak, and MJ Goodwin. Braided pneumatic muscle actuators. In Proceedings of the IFAC Conference on Intelligent Autonomous Vehicles, pp. 507-512, 1993.
空気シリンダーと異なり、関節角が変化することによってトルクは非線形に変化する。
運動上の制約条件が常に不変であるという仮定の下では、空圧式エアマッスルの圧力は常に同じ均衡点での収縮割合ε(p)を与えることになる。すなわち、収縮割合ε(p)は、圧力pの関数となる。
しかしながら、一般的には、運動上の制約条件をダイナミックに変更し、異なる外力Fと釣り合うので、この仮定は、上述したような外骨格型ロボットにおいては、厳密には成り立たない。
上述したような液晶ポリマー繊維製のワイヤは、高強力高弾性率を有するので、通常は、張力に対して長さが変化しないとの近似がよく成り立つ。高強度・高弾性率繊維としては、ベクトラン(登録商標)のようなポリアリレート繊維の他に、たとえば、超高分子量ポリエチレン繊維、PBO繊維などがある。
すなわち、このモデルでは、腱ワイヤ(ポリアリレート繊維などの液晶ポリマー繊維製のワイヤ)は、バネに近似され、Δεは、力によって引き起こされた余分なエアマッスルの収縮であり、kはばね定数である。つまり、腱が力によって伸びる分、空圧式エアマッスルは、余分に収縮することが必要になる。このようにバネに近似される腱ワイヤのことを「腱スプリング」と呼ぶことにする。
2次式の係数には、以下の関係が成り立つ。
(起立動作を支援する鉛直力の生成)
以下では、外骨格型ロボットにより、鉛直方向の運動、たとえば、起立動作を支援する構成について説明する。
Claims (6)
- ロボットのフレーム構造の能動関節を駆動するための駆動機構であって、
前記能動関節の関節角を検出するための第1のセンサと、
前記能動関節に対するトルク制御により前記能動関節を動作させる制御部とを備え、
前記能動関節は、
エアマッスルと、
電動モータと、
前記エアマッスルからの第1の駆動力と前記電動モータからの第2の駆動力とを合成し
て前記能動関節の屈伸を駆動するための駆動力合成手段と、
前記エアマッスルからの前記第1の駆動力を前記駆動力合成手段に伝達するためのワイヤとを含み、
前記制御部は、前記能動関節をトルク制御するにあたり、
前記ワイヤを所定のバネ定数で表されるバネとした力学モデルで表現し、前記第1の駆動力を、前記エアマッスルに供給するべき圧力および前記エアマッスルの収縮割合との関係を表す所定の関数による駆動力モデルで表現する場合に、
前記能動関節に目標トルクを生じさせるための第1の駆動力を目標駆動力とするとき、
前記第1のセンサにより検出される前記関節角から算出される見かけの収縮割合から前記力学モデルを用いて得られる推定収縮割合と前記目標駆動力とに基づき、前記駆動力モデルの逆モデルにより、前記エアマッスルに供給するべき圧力を算出して、前記エアマッスルに加える圧力を制御する、駆動機構。 - 前記駆動力モデルの前記所定の関数は、前記エアマッスルによる第1の駆動力を、前記エアマッスルに供給される圧力と前記エアマッスルの収縮割合との所定の多項式で表現したものである、請求項1記載の駆動機構。
- 前記エアマッスルにおいて、前記エアマッスルと前記ワイヤとの接合部に設けられ、前記エアマッスルからの前記第1の駆動力の大きさを検出するための第2のセンサをさらに備え、
前記制御部は、
前記第2のセンサの検出結果に応じて、前記エアマッスルの前記第1の駆動力および前記電動モータからの前記第2の駆動力とを制御する、請求項1または2記載の駆動機構。 - 前記制御部は、前記第2のセンサにより検出された前記第1の駆動力に基づいて、前記力学モデルにより、前記見かけの収縮割合から前記推定収縮割合を算出する、請求項3記載の駆動機構。
- 前記エアマッスルは、
流体袋と、
前記流体袋が埋め込まれたらせん状のファイバーとを含み、
圧縮空気が送り込まれて前記流体袋が膨張すると、長手方向に収縮し、
前記駆動力モデルは、前記エアマッスルに供給される圧力と、前記エアマッスルの収縮割合と、常圧における前記エアマッスルの径と、前記らせん状のファイバーの収縮方向に直交する方向に対する巻方向の傾きの角度との関数である、請求項4記載の駆動機構。 - ロボットのフレーム構造の関節にトルクを与えるための駆動機構であって、
前記トルクに対応する駆動力を生成するためのエアマッスルと、
前記関節の関節角を検出するための角度センサと、
前記エアマッスルからの前記駆動力を前記関節に伝達するためのワイヤと、
トルク制御により前記関節を動作させる制御部とを備え、
前記制御部は、前記関節をトルク制御するにあたり、
前記ワイヤを所定のバネ定数で表されるバネとした力学モデルで表現し、前記駆動力を、前記エアマッスルに供給するべき圧力および前記エアマッスルの収縮割合との関係を表す所定の関数による駆動力モデルで表現する場合に、
前記関節に目標トルクを生じさせるための駆動力を目標駆動力とするとき、前記角度センサにより検出される前記関節角から算出される見かけの収縮割合から前記力学モデルを用いて得られる推定収縮割合と前記目標駆動力とに基づき、前記駆動力モデルの逆モデルにより、前記エアマッスルに供給するべき圧力を算出して、前記エアマッスルに加える圧力を制御する、駆動機構。
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