JP7283421B2

JP7283421B2 - トルク推定システム、トルク推定方法、及びプログラム

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Publication number: JP7283421B2
Application number: JP2020037882A
Authority: JP
Inventors: 太郎高橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-03-05
Filing date: 2020-03-05
Publication date: 2023-05-30
Anticipated expiration: 2040-03-05
Also published as: JP2021139756A; DE102021102185A1; US20210276183A1; CN113352315A; US11931897B2; CN113352315B

Description

本発明は、摩擦トルクを推定するトルク推定システム、トルク推定方法、及びプログラムに関する。

摩擦トルクの推定モデルを用いて、摩擦トルクを推定するトルク推定システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８－２１０２７３号公報

上記トルク推定システムは、制限値設定手段を備えていないため、予期しない摩擦トルクの推定値を出力する可能性がある。例えば、この摩擦トルクの推定値を用いてロボットの柔軟制御を行った場合、ロボットの動作が不安定となる。これに対し、単に各指令値の制限等を行うだけでは、ロボットの動作停止などにより作業効率が低下する虞がある。

本発明は、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、ロボットなどの動作を安定化させつつ、作業効率の低下を抑制できるトルク推定システム、トルク推定方法、及びプログラムを提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、
回転機構の摩擦トルクを推定するトルク推定システムであって、
前記回転機構の角速度を検出する角速度検出手段と、
前記角速度検出手段により検出された回転機構の角速度に応じて、前記推定した摩擦トルクに対して、該摩擦トルクの上限及び下限を制限する上下制限値を設定する制限値設定手段と、を備える、トルク推定システム
である。
この一態様において、前記制限値設定手段は、少なくともクーロン摩擦及び粘性摩擦に基づくモデルと、前記角速度検出手段の計測誤差と、前記回転機構の角速度と、に基づいて、前記上下制限値を設定してもよい。
この一態様において、前記制限値設定手段は、前記クーロン摩擦及び粘性摩擦のモデル上で、前記角速度検出手段により検出された角速度を前記計測誤差だけずらした点の摩擦トルクの値を暫定の上限値及び下限値とし、該暫定の上限値及び下限値に対して、所定のマージン値を夫々付加した上限値及び下限値を算出し、該算出した上限値及び下限値を前記上下制限値として設定してもよい。
この一態様において、機械学習により生成した摩擦トルクの推定モデルを用いて前記回転機構の摩擦トルクを推定するトルク推定手段を更に備え、
前記トルク推定手段は、推定した摩擦トルクが前記制限値設定手段により設定された上下制限値を超えていないと判断した場合、該摩擦トルクを出力し、推定した摩擦トルクが前記制限値設定手段により設定された上下制限値を超えていると判断した場合、該摩擦トルクを出力しなくてもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、
回転機構の摩擦トルクを推定するトルク推定方法であって、
前記回転機構の角速度を検出するステップと、
前記検出した回転機構の角速度に応じて、前記推定した摩擦トルクに対して、該摩擦トルクの上限及び下限を制限する上下制限値を設定するステップと、
を含む、トルク推定方法
であってもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、
回転機構の摩擦トルクを推定するトルク推定方法であって、
前記回転機構の角速度に応じて、前記推定した摩擦トルクに対して、該摩擦トルクの上限及び下限を制限する上下制限値を設定する処理、
をコンピュータに実行させるプログラム
であってもよい。

本発明によれば、ロボットなどの動作を安定化させつつ、作業効率の低下を抑制できるトルク推定システム、トルク推定方法、及びプログラムを提供することができる。

ロボットの関節部の制御方法の一例を示すブロック図である。本実施形態に係るトルク推定システムの概略的なシステム構成を示すブロック図である。摩擦トルク推定値の上下制限値の設定方法を説明するための図である。摩擦トルク推定値の上下制限値の設定方法を説明するための図である。本実施形態に係るトルク推定方法のフローを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、ロボットの関節部の制御方法の一例を示すブロック図である。本実施形態に係るトルク推定システム１は、ロボットの関節部などの回転機構３の摩擦トルクを推定する。摩擦トルクは、回転機構３の各ギアの回転に伴って発生する摩擦トルクである。

トルク推定システム１は、例えば、回転機構３の角速度を入力値とし、回転機構３の摩擦トルクを出力とし、深層学習などの機械学習を行い、摩擦トルクの推定モデルを生成する。トルク推定システム１は、生成した摩擦トルクの推定モデルを用いて、摩擦トルクを推定する。ロボットなどの制御部２は、トルク推定システム１から出力される摩擦トルクの推定値（以下、摩擦トルク推定値）に基づいて、各関節部などの回転機構３のモータ３１の柔軟制御を行う。

制御部２の柔軟制御における位置指令値、速度指令値など指令値には、ロボットを安定的に動作させるために制限値が設定されている。制御部２は、例えば、柔軟制御を行う際に、各指令値が制限値を超えた場合に、各関節部などの回転機構３のモータ３１の動作を停止させるなどの安全機能を有している。

トルク推定システム１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などのプロセッサ１ａと、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）などの内部メモリ１ｂと、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＤＤ（Solid State Drive）などのストレージデバイス１ｃと、ディスプレイなどの周辺機器を接続するための入出力Ｉ／Ｆ１ｄと、装置外部の機器と通信を行う通信Ｉ／Ｆ１ｅと、を備えた通常のコンピュータのハードウェア構成を有する（図１）。

トルク推定システム１は、例えば、プロセッサ１ａが内部メモリ１ｂを利用しながら、ストレージデバイス１ｃや内部メモリ１ｂなどに格納されたプログラムを実行することで、後述の各機能的な構成要素を実現することができる。

ところで、トルク推定システムは、上述の如く、深層学習により摩擦トルクを推定しているため、予期しない摩擦トルク推定値を出力する可能性がある。この摩擦トルク推定値を用いてロボットの柔軟制御を行った場合、ロボットの動作が不安定となる。これに対し、単に各指令値の制限等を行うだけでは、ロボットの動作停止などにより作業効率が低下する虞がある。

これに対し、本実施形態に係るトルク推定システム１は、回転機構３の角速度に応じて、推定した摩擦トルク推定値に対して、摩擦トルク推定値の上限及び下限を制限する上下制限値を設定する。

上下制限値によって、予期しない摩擦トルク推定値が制限され、摩擦トルク推定値がより安定する。したがって、制御部２は、この安定した摩擦トルク推定値を用いてロボットなどの柔軟制御を行うことで、ロボットなどの動作を安定化させつつ、上述のようなロボットなどの動作停止が抑制され作業効率の低下を抑制できる。

図２は、本実施形態に係るトルク推定システムの概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施形態に係るトルク推定システム１は、摩擦トルクを推定するトルク推定部１１と、摩擦トルク推定値に対し上下制限値を設定する制限値設定部１２と、回転機構３の角速度を検出する角速度センサ１３と、を備えている。

トルク推定部１１は、トルク推定手段の一具体例である。トルク推定部１１は、回転機構３の角速度を入力値とし、回転機構３の摩擦トルクを出力とし、深層学習を行い、摩擦トルクの推定モデルを生成する。

推定モデルは、例えば、再帰的ニューラルネットワーク（ＲＮＮ：Recurrent Neural Network）として構成されている。推定モデルは、ＬＳＴＭ（Long Short-Term Memory）として構成されていてもよい。推定モデルは、畳み込み式ニューラルネットワーク（ＣＮＮ：Convolutional Neural Network）として構成されていてもよい。

トルク推定部１１は、生成した摩擦トルクの推定モデルを用いて摩擦トルクを推定し、摩擦トルク推定値として出力する。回転機構３には、回転機構３の角速度を検出する角速度センサ１３が設けられている。角速度センサ１３は、角速度検出手段の一具体例である。トルク推定部１１は、角速度センサ１３により検出された回転機構３の角速度と、摩擦トルクの推定モデルと、に基づいて、摩擦トルク推定値を算出する。

制限値設定部１２は、制限値設定手段の一具体例である。制限値設定部１２は、回転機構３の角速度に応じて、摩擦トルク推定値の上下制限値を設定する。トルク推定部１１は、推定した摩擦トルク推定値が制限値設定部１２により設定された上下制限値を超えていないと判断した場合、その摩擦トルク推定値を出力する。一方で、トルク推定部１１は、推定した摩擦トルク推定値が制限値設定部１２により設定された上下制限値を超えていると判断した場合、その超えた摩擦トルク推定値を出力しない。これにより、トルク推定部１１から上下制限値を超えた不安定な摩擦トルク推定値が出力されるのを抑制できる。

次に、摩擦トルク推定値の上下制限値の設定方法について、詳細に説明する。制限値設定部１２は、クーロン摩擦及び粘性摩擦のモデルを利用して、回転機構３の角速度に応じて上下制限値を変動させる。クーロン摩擦及び粘性摩擦のモデルは、例えば、図３に示す如く、回転機構３のクーロン摩擦及び粘性摩擦に基づいて算出された角速度と摩擦トルクとの関係を示すモデルである。

なお、クーロン摩擦及び粘性摩擦のモデルは、回転機構３のクーロン摩擦、粘性摩擦及び温度に基づいて算出された角速度と摩擦トルクとの関係を示すモデルであってもよい。これにより、温度を考慮したクーロン摩擦及び粘性摩擦のモデルを用いて、より高精度に摩擦トルク推定値の上下制限値を設定できる。

制限値設定部１２は、クーロン摩擦及び粘性摩擦のモデルと、角速度センサ１３の計測誤差と、角速度センサ１３により検出された角速度と、に基づいて、上下制限値を設定する。摩擦トルクは、角速度０付近で大きく変動するため、以下の方法で決定する。

制限値設定部１２は、角速度センサ１３により検出された角速度と、角速度センサ１３の計測誤差と、に基づいて、暫定の上下制限値（上限値Ｔ１、下限値Ｔ２）を設定する。角速度センサ１３の計測誤差は、予め制限値設定部１２に設定されていてもよく、ユーザが任意に設定変更できるものとする。

例えば、図３に示す如く、計測誤差が±αである場合、制限値設定部１２は、クーロン摩擦及び粘性摩擦のモデル上で、検出された角速度Ｘの値を±αだけずらした点の摩擦トルクの値をそれぞれ、上限値Ｔ１、及び下限値Ｔ２とする。

次に、制限値設定部１２は、図４に示す如く、上限値Ｔ１、及び下限値Ｔ２に対して、安全性を考慮してマージン値±βを夫々付加した上限値ＴＴ１、及び下限値ＴＴ２を算出する。マージン値±βは、予め制限値設定部１２に設定されていてもよく、ユーザが任意に設定変更できるものとする。制限値設定部１２は、算出した上限値ＴＴ１、及び下限値ＴＴ２を、上下制限値として設定する。上述のように、上下制限値を設定することで、制約が緩すぎない適切な値で、かつ、本来の機能や性能を大きく制限しない、角速度に応じて変動する制限値を設定することができる。

続いて、本実施形態に係るトルク推定方法のフローについて説明する。図５は、本実施形態に係るトルク推定方法のフローを示すフローチャートである。

制限値設定部１２は、クーロン摩擦及び粘性摩擦のモデルと、角速度センサ１３により検出された角速度と、角速度センサ１３の計測誤差と、に基づいて、上限値Ｔ１、下限値Ｔ２を設定する（ステップＳ５０１）。

制限値設定部１２は、上限値Ｔ１、及び下限値Ｔ２に対して、マージン値±βを夫々付加した上限値ＴＴ１、及び下限値ＴＴ２を算出し、算出した上限値ＴＴ１、及び下限値ＴＴ２を、上下制限値として設定する（ステップＳ５０２）。

トルク推定部１１は、角速度センサ１３により検出された回転機構３の角速度と、摩擦トルクの推定モデルと、に基づいて、摩擦トルク推定値を算出する（ステップＳ５０３）。

トルク推定部１１は、推定した摩擦トルク推定値が制限値設定部１２により設定された上下制限値を超えているか否かを判断する（ステップＳ５０４）。トルク推定部１１は、推定した摩擦トルク推定値が上下制限値を超えていると判断したとき（ステップＳ５０４のＹＥＳ）、その超えた摩擦トルク推定値を出力しない（ステップＳ５０５）。一方、トルク推定部１１は、推定した摩擦トルク推定値が上下制限値を超えていないと判断したとき（ステップＳ５０４のＮＯ）、その摩擦トルク推定値を出力する（ステップＳ５０６）。

以上、本実施形態に係るトルク推定システム１は、回転機構３の角速度に応じて、推定した摩擦トルクに対して、摩擦トルクの上限及び下限を制限する上下制限値を設定する制限値設定部１２を備えている。これにより、上下制限値によって、摩擦トルク推定値が安定するため、ロボットなどの動作を安定化させつつ、作業効率の低下を抑制できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

本発明は、例えば、図５に示す処理を、プロセッサ１ａにコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。

プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ－ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ－Ｒ、ＣＤ－Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（random access memory））を含む。

プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

なお、上述した各実施形態のトルク推定システム１を構成する各部は、プログラムにより実現するだけでなく、その一部または全部を、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などの専用のハードウェアにより実現することもできる。

１トルク推定システム、２制御部、３回転機構、１１トルク推定部、１２制限値設定部、１３角速度センサ

Claims

回転機構の摩擦トルクを推定するトルク推定システムであって、
前記回転機構の角速度を検出する角速度検出手段と、
前記角速度検出手段により検出された回転機構の角速度に応じて、前記推定した摩擦トルクに対して、該摩擦トルクの上限及び下限を制限する上下制限値を設定する制限値設定手段と、を備え、
前記制限値設定手段は、少なくともクーロン摩擦及び粘性摩擦に基づくモデルと、前記角速度検出手段の計測誤差と、前記回転機構の角速度と、に基づいて、前記上下制限値を設定する、
トルク推定システム。
請求項１記載のトルク推定システムであって、
前記制限値設定手段は、前記クーロン摩擦及び粘性摩擦のモデル上で、前記角速度検出手段により検出された角速度を前記計測誤差だけずらした点の摩擦トルクの値を暫定の上限値及び下限値とし、該暫定の上限値及び下限値に対して、所定のマージン値を夫々付加した上限値及び下限値を算出し、該算出した上限値及び下限値を前記上下制限値として設定する、
トルク推定システム。
請求項１又は２記載のトルク推定システムであって、
機械学習により生成した摩擦トルクの推定モデルを用いて前記回転機構の摩擦トルクを推定するトルク推定手段を更に備え、
前記トルク推定手段は、
推定した摩擦トルクが前記制限値設定手段により設定された上下制限値を超えていないと判断した場合、該摩擦トルクを出力し、
推定した摩擦トルクが前記制限値設定手段により設定された上下制限値を超えていると判断した場合、該摩擦トルクを出力しない、
トルク推定システム。
回転機構の摩擦トルクを推定するトルク推定方法であって、
角速度検出手段が前記回転機構の角速度を検出するステップと、
前記検出した回転機構の角速度に応じて、前記推定した摩擦トルクに対して、該摩擦トルクの上限及び下限を制限する上下制限値を設定するステップと、
を含み、
少なくともクーロン摩擦及び粘性摩擦に基づくモデルと、前記角速度検出手段の計測誤差と、前記回転機構の角速度と、に基づいて、前記上下制限値を設定する、
トルク推定方法。
回転機構の摩擦トルクを推定するプログラムであって、
角速度検出手段により検出された前記回転機構の角速度に応じて、前記推定した摩擦トルクに対して、該摩擦トルクの上限及び下限を制限する上下制限値を設定する処理、
をコンピュータに実行させ、
少なくともクーロン摩擦及び粘性摩擦に基づくモデルと、前記角速度検出手段の計測誤差と、前記回転機構の角速度と、に基づいて、前記上下制限値を設定する、
プログラム。