JP7529599B2 - robot - Google Patents

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JP7529599B2 JP2021049439A JP2021049439A JP7529599B2 JP 7529599 B2 JP7529599 B2 JP 7529599B2 JP 2021049439 A JP2021049439 A JP 2021049439A JP 2021049439 A JP2021049439 A JP 2021049439A JP 7529599 B2 JP7529599 B2 JP 7529599B2
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Description

本開示は、アーム及びアームに対して変位可能に設けられた負荷体を有するロボットに関する。 This disclosure relates to a robot having an arm and a load body that is displaceable relative to the arm.

ロボットハンドとしてワイヤ駆動式のものが公知である(特許文献1)。このロボットハンドは、駆動系側の根元部から手先側の先端部までに3つのリンク(負荷体)を備えており、各リンクは隣り合うリンクと関節により連結されている。根本部(駆動部)には、各リンクに固定されたプーリに巻き掛けられた3本のワイヤを駆動するためのモータを備えた3つの駆動用アクチュエータが設けられている。各駆動用アクチュエータは対応するモータコントローラによって制御される。各モータコントローラは、上位コントローラである衝突監視装置と接続されており、衝突監視装置からの指令に従って動作する。衝突監視装置には、各リンクの表面に取り付けられた接触センサの信号や、各リンクのトルクを監視するトルクセンサの信号、各モータに取り付けられたエンコーダの信号が伝達される。衝突監視装置は、これらの信号をもとに各リンクの衝突の状態を監視しており、衝突の状態に応じて、ワイヤの間隔を変更可能なソレノイドを制御してワイヤの張力を調整することによって各関節のリミットトルクを変更する。 A wire-driven robot hand is known (Patent Document 1). This robot hand has three links (loads) from the base of the drive system to the tip of the hand, and each link is connected to the adjacent link by a joint. The base (drive section) is provided with three drive actuators equipped with motors for driving three wires wound around pulleys fixed to each link. Each drive actuator is controlled by a corresponding motor controller. Each motor controller is connected to a collision monitoring device, which is a higher-level controller, and operates according to commands from the collision monitoring device. Signals from contact sensors attached to the surfaces of each link, signals from torque sensors that monitor the torque of each link, and signals from encoders attached to each motor are transmitted to the collision monitoring device. The collision monitoring device monitors the collision state of each link based on these signals, and changes the limit torque of each joint by controlling a solenoid that can change the wire spacing to adjust the tension of the wire depending on the collision state.

特開平10―249777号公報Japanese Patent Application Publication No. 10-249777

しかしながら、従来のロボットハンドでは、上位コントローラである衝突監視装置がワイヤの張力を制御していたため、モータの張力制御に要する処理時間が長く、負荷体(リンク)の動作が滑らかでなかった。 However, in conventional robot hands, the tension of the wire was controlled by a collision monitoring device, which was a higher-level controller, which required a long processing time to control the tension of the motor, and the movement of the load (link) was not smooth.

本発明は、このような背景に鑑み、負荷体を滑らかに動作させることができるロボットを提供することを課題とする。 In view of this background, the present invention aims to provide a robot that can smoothly move a load.

このような課題を解決するために、本発明のある実施形態は、アーム(31)及び前記アームに対して変位可能に設けられた負荷体(32)を有するロボット(1)であって、前記アームに設けられた駆動源(23)と、前記駆動源が発生する動力を前記負荷体に伝達するワイヤ(36)を含む動力伝達系(33)と、前記負荷体の位置(θ)及び速度(ω)を取得するための負荷位置センサ(44)と、前記ワイヤの張力(Fa(Ta))を取得するための張力センサ(39)と、前記負荷体の与えられた目標位置(θt)を実現するように前記駆動源の出力(ω)を制御するコントローラ(13、25)とを備え、前記コントローラが、前記目標位置(θt)と前記負荷体の前記位置(θ)とに基づいて、前記負荷体に作用させるべき目標出力(Tt)を設定する第1制御装置(13)と、前記目標出力と前記ワイヤの前記張力(Fa(Ta))と前記負荷体の前記速度(ω)とに基づいて、前記駆動源の前記出力を制御する第2制御装置(25)とを備え、前記第2制御装置が、前記負荷体の前記位置を前記負荷位置センサから直接得て、前記位置に基づいて前記速度を算出する。 In order to solve such problems, one embodiment of the present invention provides a robot (1) having an arm (31) and a load (32) displaceably provided with respect to the arm, the robot (1) comprising: a drive source (23) provided on the arm; a power transmission system (33) including a wire (36) for transmitting power generated by the drive source to the load; a load position sensor (44) for acquiring a position (θ L ) and a velocity (ω L ) of the load; a tension sensor (39) for acquiring a tension (Fa ( Ta)) of the wire; and a controller (13, 25) for controlling an output (ω M ) of the drive source so as to realize a given target position (θ L t ) of the load, the controller comprising: a first control device (13) for setting a target output (Tt) to be applied to the load based on the target position (θ L t) and the position (θ L ) of the load; and a second control device (25) that controls the output of the drive source based on a position of the load body directly obtained from the load position sensor and calculates the velocity based on the position.

この構成によれば、目標出力に基づいて駆動源の出力を制御する第2制御装置が、負荷体の位置を負荷位置センサから直接得て、位置に基づいて速度を算出し、ワイヤの張力と負荷体の速度とに基づいて駆動源の出力を制御する。そのため、第2制御装置が負荷体の速度を短時間で算出して駆動源の出力を目標出力に近付けることができ、負荷体の動作が滑らかになる。 According to this configuration, the second control device, which controls the output of the drive source based on the target output, obtains the position of the load directly from the load position sensor, calculates the speed based on the position, and controls the output of the drive source based on the tension of the wire and the speed of the load. Therefore, the second control device can calculate the speed of the load in a short time and bring the output of the drive source closer to the target output, making the operation of the load smoother.

好ましくは、前記第2制御装置が、前記目標出力(Tt)と前記ワイヤの前記張力(Fa(Ta))とに基づいて、前記駆動源の目標付加速度(ωadd)を設定し、前記目標付加速度と、前記負荷体の前記速度(ω)を換算して得た従動駆動源速度(ωf)とに基づいて、前記駆動源の目標速度(ωt)を設定する力制御部(53)と、前記目標速度に基づいて前記駆動源を駆動する制御部(54)とを含むとよい。 Preferably, the second control device includes a force control unit (53) that sets a target additional speed (ωadd) of the driving source based on the target output (Tt) and the tension of the wire (Fa(Ta)), and sets a target speed ( ωMt ) of the driving source based on the target additional speed and a driven driving source speed (ωf) obtained by converting the speed ( ωL ) of the load, and a control unit (54) that drives the driving source based on the target speed.

この構成によれば、第2制御装置が、第1制御装置によって設定された目標出力とワイヤの張力とに基づいて、駆動源の目標速度を制御媒体として駆動源の出力を制御する。これにより、動力伝達系が柔軟要素であるワイヤを含んでいても、負荷体にコンプライアンスを与える従来のようなパッシブコンプライアンス制御を制御装置が実現できる。 According to this configuration, the second control device controls the output of the drive source using the target speed of the drive source as the control medium, based on the target output set by the first control device and the tension of the wire. This allows the control device to achieve conventional passive compliance control that provides compliance to the load, even if the power transmission system includes a wire that is a flexible element.

好ましくは、前記アームが、アーム基部(9)と、関節(12)を介して前記アーム基部に連結され、前記負荷体を支持するハンド部(14)とを備え、前記ワイヤが前記関節を通過するように設けられ、前記第2制御装置(25)及び前記張力センサ(39)が前記アーム基部に設けられているとよい。 Preferably, the arm comprises an arm base (9) and a hand portion (14) that is connected to the arm base via a joint (12) and supports the load body, the wire is arranged to pass through the joint, and the second control device (25) and the tension sensor (39) are provided at the arm base.

この構成によれば、第2制御装置及び張力センサが共にアーム基部に設けられることで、第2制御装置による力制御処理の時間が短縮される。これにより、負荷体の動きが滑らかになる。また、装置やセンサの実装によるハンド部の大型化を回避することができる。 With this configuration, the second control device and tension sensor are both provided at the base of the arm, thereby reducing the time required for the force control process by the second control device. This makes the movement of the load body smoother. In addition, it is possible to avoid an increase in the size of the hand unit due to the implementation of devices and sensors.

好ましくは、前記アームを支持する基体(2)を更に備え、前記第1制御装置が前記基体に設けられ、前記第2制御装置が前記アームに設けられているとよい。 Preferably, the device further includes a base (2) that supports the arm, the first control device is provided on the base, and the second control device is provided on the arm.

この構成によれば、第1制御装置の実装によるアームの大型化を回避することができる。 This configuration makes it possible to avoid the arm becoming larger due to the implementation of the first control device.

このように本発明によれば、負荷体を滑らかに動作させることができるロボットを提供することができる。 In this way, the present invention can provide a robot that can smoothly move a load.

実施形態に係るロボットの概略構成図1 is a schematic diagram of a robot according to an embodiment of the present invention; ロボットの手部の概略構成図Schematic diagram of the robot's hand 手部の第1アクチュエータのモデル図Model diagram of the first actuator in the hand 手部の第2アクチュエータのモデル図Model diagram of the second actuator in the hand 手部のアクチュエータのシステム構成図System configuration diagram of the hand actuator 手部のアクチュエータの概略的な機能ブロック図Schematic functional block diagram of the actuator in the hand 第1アクチュエータに係るコントローラの要部の機能ブロック図A functional block diagram of a main part of a controller for a first actuator. 第2アクチュエータに係るコントローラの要部の機能ブロック図A functional block diagram of a main part of a controller for a second actuator. (A)従来技術、(B)本発明のそれぞれの制御の説明図(A) Conventional technology; (B) The present invention. 実施形態に係る制御による応答性の効果を示すボード線図1 is a Bode diagram showing the effect of responsiveness due to the control according to the embodiment; 第2アクチュエータの応答を示すタイムチャートTime chart showing the response of the second actuator 実施形態に係る制御システムによる応答を示すタイムチャート1 is a time chart showing a response by a control system according to an embodiment; 他の実施形態に係る第1アクチュエータのモデル図FIG. 13 is a model diagram of a first actuator according to another embodiment. 他の実施形態に係る第2アクチュエータのモデル図FIG. 13 is a model diagram of a second actuator according to another embodiment.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。 The following describes in detail an embodiment of the present invention with reference to the drawings.

図1は、実施形態に係るロボット1の概略構成図である。図1に示すように、ロボット1はヒューマノイドロボットである。ロボット1は、基体2と、基体2の上方に配置された頭部3と、基体2の上部から延設された左右の腕部4と、腕部4の先端に設けられた手部5と、基体2の下部から延設された左右の脚体6と、脚体6の先端に設けられた足部7とを備えている。以下の説明では、ロボット1の前後方向をX軸、左右方向をY軸、上下方向をZ軸とする。 Figure 1 is a schematic diagram of a robot 1 according to an embodiment. As shown in Figure 1, the robot 1 is a humanoid robot. The robot 1 comprises a base 2, a head 3 arranged above the base 2, left and right arms 4 extending from the upper part of the base 2, hands 5 provided at the tips of the arms 4, left and right legs 6 extending from the lower part of the base 2, and feet 7 provided at the tips of the legs 6. In the following description, the front-to-rear direction of the robot 1 is referred to as the X-axis, the left-to-right direction as the Y-axis, and the up-to-down direction as the Z-axis.

基体2はZ軸回りに相対的に回動し得るように上下に連結された上部及び下部により構成されている。頭部3は基体2に対してZ軸回りに回動する等、動くことができる。 The base 2 is composed of an upper and lower part that are connected vertically so that they can rotate relatively around the Z axis. The head 3 can move, such as by rotating around the Z axis, relative to the base 2.

腕部4は上腕リンク8と前腕リンク9とを備えている。基体2と上腕リンク8とは肩関節10を介して連結され、上腕リンク8と前腕リンク9とは肘関節11を介して連結され、前腕リンク9と手部5とは手根関節12を介して連結されている。肩関節10はX軸、Y軸及びZ軸回りの回動自由度を有し、肘関節11はY軸回りの回動自由度を有し、手根関節12はX軸、Y軸、Z軸回りの回動自由度を有している。基体2には、ロボット1の全体の動作を制御する第1制御装置13が設けられている。 The arm 4 includes an upper arm link 8 and a forearm link 9. The upper arm link 8 is connected to the base 2 via a shoulder joint 10, the upper arm link 8 and the forearm link 9 are connected to the elbow joint 11, and the forearm link 9 is connected to the hand 5 via a wrist joint 12. The shoulder joint 10 has degrees of freedom of rotation about the X-axis, Y-axis, and Z-axis, the elbow joint 11 has degrees of freedom of rotation about the Y-axis, and the wrist joint 12 has degrees of freedom of rotation about the X-axis, Y-axis, and Z-axis. The base 2 is provided with a first control device 13 that controls the overall operation of the robot 1.

図2に示すように、手部5は、掌部14と、掌部14から延設された複数の指部15とを備えている。指部15のそれぞれは、第1指リンク16と、第2指リンク17と、第3指リンク18とを備えている。掌部14と第1指リンク16とは第1指関節19を介して連結され、第1指リンク16と第2指リンク17とは第2指関節20を介して連結され、第2指リンク17と第3指リンク18とは第3指関節21を介して連結されている。第1指関節19~第3指関節21はY軸回りの回動自由度を有している。親指に対応する指部15の第1指関節19は、更にX軸回りの回動自由度を有している。前腕リンク9、掌部14、第1指リンク16~第3指リンク18、手根関節12及び第1指関節19~第3指関節21はアウタケース22によって覆われている。 As shown in FIG. 2, the hand 5 includes a palm 14 and a plurality of finger sections 15 extending from the palm 14. Each of the finger sections 15 includes a first finger link 16, a second finger link 17, and a third finger link 18. The palm 14 and the first finger link 16 are connected via a first finger joint 19, the first finger link 16 and the second finger link 17 are connected via a second finger joint 20, and the second finger link 17 and the third finger link 18 are connected via a third finger joint 21. The first finger joint 19 to the third finger joint 21 have a degree of freedom of rotation about the Y axis. The first finger joint 19 of the finger section 15 corresponding to the thumb further has a degree of freedom of rotation about the X axis. The forearm link 9, the palm 14, the first finger link 16 to the third finger link 18, the carpal joint 12, and the first finger joint 19 to the third finger joint 21 are covered by an outer case 22.

前腕リンク9には、各指の関節を駆動するための複数のモータ23(駆動源)と、これらのモータ23の動作を制御する第2制御装置25とが設けられている。本実施形態では、第3指関節21は第2指関節20と連動するように構成されており、各指部15について、第1指関節19を駆動するためのモータ23と、第2指関節20及び第3指関節21を駆動するためのモータ23との2つのモータ23が使用される。第2制御装置25は、全ての指部15のモータ23を駆動するものであり、複数のアクチュエータ30(30A、30B)に共通となっている。 The forearm link 9 is provided with a plurality of motors 23 (driving sources) for driving the joints of each finger, and a second control device 25 for controlling the operation of these motors 23. In this embodiment, the third finger joint 21 is configured to be linked with the second finger joint 20, and two motors 23 are used for each finger portion 15: a motor 23 for driving the first finger joint 19, and a motor 23 for driving the second finger joint 20 and the third finger joint 21. The second control device 25 drives the motors 23 of all finger portions 15, and is common to the plurality of actuators 30 (30A, 30B).

第2制御装置25は、基体2に搭載された第1制御装置13(図1)から指令を受け、指令に基づいてモータ23の動作を制御することによって手部5の全ての指部15を駆動する。モータ23はロボット1に搭載されているバッテリ(図示略)から供給される電力によって動作する。指部15のそれぞれはアクチュエータ30を構成する。つまり、上腕リンク8から掌部14までの部分は、肩関節10を介して基体2に支持されたアーム31をなし、掌部14は、アーム31の基部をなす前腕リンク9に手根関節12を介して連結され、指部15を支持するハンド部をなしている。 The second control device 25 receives commands from the first control device 13 (Figure 1) mounted on the base 2, and drives all of the fingers 15 of the hand 5 by controlling the operation of the motor 23 based on the commands. The motor 23 operates with power supplied from a battery (not shown) mounted on the robot 1. Each of the fingers 15 constitutes an actuator 30. In other words, the portion from the upper arm link 8 to the palm 14 forms an arm 31 supported on the base 2 via the shoulder joint 10, and the palm 14 is connected to the forearm link 9, which forms the base of the arm 31, via the carpal joint 12, forming a hand that supports the fingers 15.

本実施形態では、指部15が複数のモータ23によって駆動される複数の関節(19~21)を有している。つまり、本実施形態の指部15は複数のアクチュエータ30を含んでいると言える。以下、第1指関節19を駆動するアクチュエータ30を第1アクチュエータ30A(図3参照)と言い、第2指関節20を駆動するアクチュエータ30を第2アクチュエータ30B(図4参照)と言う。第1アクチュエータ30Aは、掌部14に対して指部15の全体をY軸回りに回動駆動する。第2アクチュエータ30Bは、第1指リンク16に対して第2指リンク17及び第3指リンク18をY軸回りに回動駆動する。以下、第1アクチュエータ30Aにおける駆動対象である指部15、並びに、第2アクチュエータ30Bにおける第2指リンク17及び第3指リンク18を、単に負荷体32(図3及び図4参照)と言う。各負荷体32は直接又は他の負荷体32を介して間接的にアーム31に対して変位可能に設けられる。なお、他の実施形態では、指が1つのモータ23のみによって駆動されてもよい。 In this embodiment, the finger portion 15 has a plurality of joints (19 to 21) driven by a plurality of motors 23. In other words, it can be said that the finger portion 15 in this embodiment includes a plurality of actuators 30. Hereinafter, the actuator 30 that drives the first finger joint 19 is referred to as the first actuator 30A (see FIG. 3), and the actuator 30 that drives the second finger joint 20 is referred to as the second actuator 30B (see FIG. 4). The first actuator 30A drives the entire finger portion 15 to rotate around the Y axis relative to the palm portion 14. The second actuator 30B drives the second finger link 17 and the third finger link 18 to rotate around the Y axis relative to the first finger link 16. Hereinafter, the finger portion 15, which is the driving target in the first actuator 30A, and the second finger link 17 and the third finger link 18 in the second actuator 30B are simply referred to as the load body 32 (see FIG. 3 and FIG. 4). Each load body 32 is provided so as to be displaceable with respect to the arm 31 directly or indirectly via another load body 32. In other embodiments, the fingers may be driven by only one motor 23.

図3は、手部5の第1アクチュエータ30Aのモデル図である。図3に示すように、第1アクチュエータ30Aは、前腕リンク9に設けられたモータ23と、モータ23によって駆動される負荷体32と、モータ23が発生する動力を負荷体32に伝達する動力伝達系33とを備えている。動力伝達系33は、モータ23によって回転駆動される駆動プーリ34と、負荷体32の回動軸回りに負荷体32に一体に形成された従動プーリ35と、駆動プーリ34及び従動プーリ35に巻き掛けられたワイヤ36とを含んでいる。ワイヤ36にはアイドラプーリ37及びテンショナ38が適所に設けられている。 Figure 3 is a model diagram of the first actuator 30A of the hand section 5. As shown in Figure 3, the first actuator 30A includes a motor 23 provided on the forearm link 9, a load 32 driven by the motor 23, and a power transmission system 33 that transmits the power generated by the motor 23 to the load 32. The power transmission system 33 includes a drive pulley 34 that is driven to rotate by the motor 23, a driven pulley 35 that is integrally formed with the load 32 around the rotation axis of the load 32, and a wire 36 wound around the drive pulley 34 and the driven pulley 35. An idler pulley 37 and a tensioner 38 are provided in appropriate positions on the wire 36.

ワイヤ36は無端環状をなしており、駆動プーリ34の両回転方向のトルク、すなわち負荷体32を屈曲させる方向の屈曲トルクTb及び伸展させる方向の伸展トルクTeを従動プーリ35に伝達する。すなわち、ワイヤ36は負荷体32を両方向に駆動し得るように配置されており、屈曲トルクTb及び伸展トルクTeを伝達可能に駆動プーリ34と従動プーリ35とを連結している。 The wire 36 is an endless loop and transmits torque in both rotational directions of the drive pulley 34, i.e., bending torque Tb in the direction to bend the load body 32 and extension torque Te in the direction to extend the load body 32, to the driven pulley 35. In other words, the wire 36 is arranged so that it can drive the load body 32 in both directions, and connects the drive pulley 34 and the driven pulley 35 so that the bending torque Tb and extension torque Te can be transmitted.

本実施形態では、ワイヤ36の屈曲側張力Fbを伝達する部分と伸展側張力Feを伝達する部分とに2つのテンショナ38が設けられている。ワイヤ36上の従動プーリ35と2つのテンショナ38との間のそれぞれには、ワイヤ36の張力Fを取得するための張力センサ39(39A、39B)が設けられている。張力センサ39の一方は、ワイヤ36の屈曲側張力Fbを検出する第1張力センサ39Aであり、張力センサ39の他方は、ワイヤ36の伸展側張力Feを検出する第2張力センサ39Bである。張力センサ39(39A、39B)は前腕リンク9(図2)に設けられる。張力センサ39と従動プーリ35との間のワイヤ36の部分は手根関節12(図2)を通過する。ワイヤ36の手根関節12を通過する部分には図示しないアウタチューブが設けられる。 In this embodiment, two tensioners 38 are provided at the portion of the wire 36 that transmits the bending side tension Fb and the portion that transmits the extension side tension Fe. Between the driven pulley 35 on the wire 36 and the two tensioners 38, tension sensors 39 (39A, 39B) are provided to acquire the tension F of the wire 36. One of the tension sensors 39 is a first tension sensor 39A that detects the bending side tension Fb of the wire 36, and the other is a second tension sensor 39B that detects the extension side tension Fe of the wire 36. The tension sensors 39 (39A, 39B) are provided on the forearm link 9 (Figure 2). The portion of the wire 36 between the tension sensor 39 and the driven pulley 35 passes through the carpal joint 12 (Figure 2). An outer tube (not shown) is provided at the portion of the wire 36 that passes through the carpal joint 12.

モータ23の出力軸と駆動プーリ34との間には、所定の減速比RRを有する減速機40が設けられている。ここでは、駆動プーリ34の半径と従動プーリ35の半径とは互いに同一とされており、駆動プーリ34と従動プーリ35とは同速で回転する。他の実施形態では、駆動プーリ34と従動プーリ35との半径比による減速機構が追加されてもよい。動力伝達系33は全体として柔軟係数(1/Kspr)を有している。なお、柔軟係数は動力伝達系33のばね剛性Kspr(ばね定数)の逆数である。 A reducer 40 having a predetermined reduction ratio RR is provided between the output shaft of the motor 23 and the drive pulley 34. Here, the radius of the drive pulley 34 and the radius of the driven pulley 35 are the same, and the drive pulley 34 and the driven pulley 35 rotate at the same speed. In other embodiments, a reduction mechanism based on the radius ratio of the drive pulley 34 and the driven pulley 35 may be added. The power transmission system 33 as a whole has a flexibility coefficient (1/Kspr). The flexibility coefficient is the reciprocal of the spring stiffness Kspr (spring constant) of the power transmission system 33.

図4は、手部5の第2アクチュエータ30Bのモデル図である。図4に示すように、第2アクチュエータ30Bは、前腕リンク9に設けられたモータ23と、モータ23によって駆動される負荷体32と、モータ23が発生する動力を負荷体32に伝達する動力伝達系33とを備えている。動力伝達系33は、モータ23によって回転駆動される駆動プーリ34と、負荷体32の回動軸回りに負荷体32に一体に形成された従動プーリ35と、駆動プーリ34及び従動プーリ35に巻き掛けられたワイヤ36とを含んでいる。ワイヤ36は屈曲側張力Fbを伝達可能に駆動プーリ34と従動プーリ35とを連結している。 Figure 4 is a model diagram of the second actuator 30B of the hand portion 5. As shown in Figure 4, the second actuator 30B includes a motor 23 provided on the forearm link 9, a load 32 driven by the motor 23, and a power transmission system 33 that transmits the power generated by the motor 23 to the load 32. The power transmission system 33 includes a drive pulley 34 that is driven to rotate by the motor 23, a driven pulley 35 that is integrally formed with the load 32 around the rotation axis of the load 32, and a wire 36 wound around the drive pulley 34 and the driven pulley 35. The wire 36 connects the drive pulley 34 and the driven pulley 35 so as to transmit the bending side tension Fb.

ワイヤ36は、駆動プーリ34に固定された一端から延びて従動プーリ35に巻き掛けられ、他端において掌部14(ハンド部、図2)に固定されている。従動プーリ35に対しワイヤ36の他端側には、ワイヤ36を掌部14に向けて常時付勢する付勢部材42が設けられている。付勢部材42は例えば引っ張りコイルばねや弦巻ばねであってよい。ワイヤ36は、駆動プーリ34によって引っ張られると、屈曲側張力Fbによって負荷体32を屈曲させる向きのトルクを従動プーリ35に伝達する。ワイヤ36は、駆動プーリ34からの屈曲側張力Fbが作用する方向と相反する方向に付勢部材42によって付勢されると、付勢力によって負荷体32を伸展させる向きのトルクを従動プーリ35に伝達する。 The wire 36 extends from one end fixed to the drive pulley 34 and is wound around the driven pulley 35, and the other end is fixed to the palm portion 14 (hand portion, FIG. 2). A biasing member 42 that constantly biases the wire 36 toward the palm portion 14 is provided on the other end side of the wire 36 relative to the driven pulley 35. The biasing member 42 may be, for example, a tension coil spring or a helical spring. When the wire 36 is pulled by the drive pulley 34, the bending side tension Fb transmits torque to the driven pulley 35 in a direction that bends the load body 32. When the wire 36 is biased by the biasing member 42 in a direction opposite to the direction in which the bending side tension Fb from the drive pulley 34 acts, the biasing force transmits torque to the driven pulley 35 in a direction that extends the load body 32.

本実施形態では、ワイヤ36上の駆動プーリ34と従動プーリ35との間に、ワイヤ36の張力Fを取得するための張力センサ39、すなわちワイヤ36の屈曲側張力Fbを検出する第1張力センサ39Aが設けられている。第1張力センサ39Aは前腕リンク9(図2)に設けられる。第1張力センサ39Aと従動プーリ35との間のワイヤ36の部分は手根関節12(図2)を通過する。ワイヤ36の手根関節12を通過する部分には図示しないアウタチューブが設けられる。 In this embodiment, a tension sensor 39 for acquiring the tension F of the wire 36, i.e., a first tension sensor 39A for detecting the bending side tension Fb of the wire 36, is provided between the driving pulley 34 and the driven pulley 35 on the wire 36. The first tension sensor 39A is provided on the forearm link 9 (Figure 2). The portion of the wire 36 between the first tension sensor 39A and the driven pulley 35 passes through the carpal joint 12 (Figure 2). An outer tube (not shown) is provided at the portion of the wire 36 that passes through the carpal joint 12.

モータ23と駆動プーリ34との間には、所定の減速比RRを有する減速機40が設けられる。ここでは、駆動プーリ34の半径と従動プーリ35の半径とは互いに同一とされている。モータ23の出力軸は駆動プーリ34に直接結合(剛結)されている。動力伝達系33は、ワイヤ36を含むことにより、ワイヤ剛性の逆数である柔軟係数1/Ksprを有している。 A reducer 40 having a predetermined reduction ratio RR is provided between the motor 23 and the drive pulley 34. Here, the radius of the drive pulley 34 and the radius of the driven pulley 35 are set to be the same. The output shaft of the motor 23 is directly connected (rigidly connected) to the drive pulley 34. The power transmission system 33 includes the wire 36, and thus has a flexibility coefficient 1/Kspr, which is the reciprocal of the wire stiffness.

図5は手部5のアクチュエータ30のシステム構成図である。図5に示すように、ロボット1に設けられた手部5のアクチュエータシステムは、第1制御装置13と、第2制御装置25と、複数のモータ23と、複数のモータ角センサ43と、複数の張力センサ39と、複数の関節角センサ44とを備えている。第2制御装置25は通信線45を介して第1制御装置13に接続されている。複数のモータ23、モータ角センサ43及び関節角センサ44は、通信線45を介して第2制御装置25に接続されている。 Figure 5 is a system configuration diagram of the actuator 30 of the hand 5. As shown in Figure 5, the actuator system of the hand 5 provided in the robot 1 includes a first control device 13, a second control device 25, a plurality of motors 23, a plurality of motor angle sensors 43, a plurality of tension sensors 39, and a plurality of joint angle sensors 44. The second control device 25 is connected to the first control device 13 via a communication line 45. The plurality of motors 23, the motor angle sensors 43, and the joint angle sensors 44 are connected to the second control device 25 via the communication line 45.

第1制御装置13は、CPU、ROM、RAM、I/O、アナログ回路等によって構成される電子制御装置である。第1制御装置13はCPUでプログラムに沿った演算処理を実行することで、各種の運動制御を実行する。第1制御装置13は1つのハードウェアとして構成されていてもよく、複数のハードウェアからなるユニットとして構成されていてもよい。第1制御装置13をロボット1の制御装置として機能させるための「運動制御プログラム」は、ROM等の記憶装置に予め格納されていてよい。或いは、このプログラムは、任意のタイミングでサーバからネットワークや放送を介して配信され、第1制御装置13の記憶装置に格納されてもよく、サーバに保存された状態でネットワークや放送を介して第1制御装置13に利用されてもよい。第1制御装置13は、運動制御プログラムに沿った演算処理を実行することで、各アクチュエータ30の負荷体32の運動目標値を設定し、運動目標値に基づいて負荷体32の目標トルクTtを設定する。 The first control device 13 is an electronic control device composed of a CPU, a ROM, a RAM, an I/O, an analog circuit, etc. The first control device 13 executes various motion controls by executing arithmetic processing according to a program with the CPU. The first control device 13 may be configured as a single piece of hardware, or may be configured as a unit consisting of multiple pieces of hardware. A "motion control program" for causing the first control device 13 to function as a control device for the robot 1 may be stored in a storage device such as a ROM in advance. Alternatively, this program may be distributed from a server via a network or broadcast at any time and stored in the storage device of the first control device 13, or may be used by the first control device 13 via a network or broadcast in a state saved on the server. The first control device 13 executes arithmetic processing according to the motion control program to set the motion target value of the load body 32 of each actuator 30, and set the target torque Tt of the load body 32 based on the motion target value.

第2制御装置25は、プログラマブルロジックデバイス、モータドライバ、I/O、アナログ回路等によって構成される電子制御装置である。プログラマブルロジックデバイスは、プログラムに沿った演算処理を実行することでアクチュエータ30の動作制御を実行するものであり、例えばFPGA(field-programmable gate array)であってよい。第2制御装置25をアクチュエータ30の制御装置として機能させるための「動作制御プログラム」は、プログラマブルロジックデバイスに予め格納されている。第2制御装置25は、第1制御装置13から受け取る負荷体32の目標トルクTtの指令に従って、モータ23の出力を制御することによってアクチュエータ30を動作させる。すなわち、第2制御装置25は、第1制御装置13と協働して、負荷体32の与えられた目標位置を実現するようにモータ23の出力を制御する。 The second control device 25 is an electronic control device composed of a programmable logic device, a motor driver, an I/O, an analog circuit, etc. The programmable logic device controls the operation of the actuator 30 by executing arithmetic processing according to a program, and may be, for example, an FPGA (field-programmable gate array). An "operation control program" for causing the second control device 25 to function as a control device for the actuator 30 is stored in advance in the programmable logic device. The second control device 25 operates the actuator 30 by controlling the output of the motor 23 according to a command for the target torque Tt of the load 32 received from the first control device 13. That is, the second control device 25 cooperates with the first control device 13 to control the output of the motor 23 so as to realize a given target position of the load 32.

モータ角センサ43は、対応するモータ23の出力軸の角度であるモータ角度θ(位置)及びモータ角速度ω(速度)を取得するためにモータ角度θを検出する角度センサである。すなわち、モータ角センサ43は、駆動源の位置及び速度を取得するための駆動源の位置を検出する駆動位置センサである。モータ角センサ43は、例えばエンコーダであってよく、モータ角度θに応じた信号を出力する。 The motor angle sensor 43 is an angle sensor that detects the motor angle θM to obtain the motor angle θM (position) and motor angular velocity ωM (speed), which are the angles of the output shaft of the corresponding motor 23. In other words, the motor angle sensor 43 is a drive position sensor that detects the position of the drive source to obtain the position and speed of the drive source. The motor angle sensor 43 may be, for example, an encoder, and outputs a signal corresponding to the motor angle θM .

張力センサ39は、ワイヤ36の屈曲側張力Fbを検出する第1張力センサ39A(図6参照)又は、ワイヤ36の伸展側張力Feを検出する第2張力センサ39B(図6参照)として構成される。張力センサ39は、ワイヤ36の張力Fに応じた信号を出力する。 The tension sensor 39 is configured as a first tension sensor 39A (see FIG. 6) that detects the bending side tension Fb of the wire 36, or a second tension sensor 39B (see FIG. 6) that detects the extension side tension Fe of the wire 36. The tension sensor 39 outputs a signal corresponding to the tension F of the wire 36.

関節角センサ44は、モータ23により駆動される負荷体32の支持部材に対する角度位置、すなわち関節の関節角度θ(位置)及び関節角速度ω(速度)を取得するために、関節角度θを検出する角度センサである。すなわち、関節角センサ44は、負荷体32の位置及び速度を取得するために負荷体32の位置を検出する負荷位置センサである。関節角センサ44は、例えばエンコーダであってよく、関節角度θに応じた信号を出力する。 The joint angle sensor 44 is an angle sensor that detects a joint angle θL in order to obtain the angular position of the load 32 driven by the motor 23 relative to the support member, i.e., the joint angle θL (position) and joint angular velocity ωL (velocity) of the joint. In other words, the joint angle sensor 44 is a load position sensor that detects the position of the load 32 in order to obtain the position and velocity of the load 32. The joint angle sensor 44 may be, for example, an encoder, and outputs a signal corresponding to the joint angle θL .

上記のように第1制御装置13はロボット1の基体2に配置され、第2制御装置25及び複数のモータ23はロボット1の前腕リンク9に配置されている。そのため、第1制御装置13と第2制御装置25との間には肩関節10及び肘関節11が介在する。 As described above, the first control device 13 is disposed on the base 2 of the robot 1, and the second control device 25 and the multiple motors 23 are disposed on the forearm link 9 of the robot 1. Therefore, the shoulder joint 10 and elbow joint 11 are interposed between the first control device 13 and the second control device 25.

図6は、手部5のアクチュエータ30の概略的な機能ブロック図である。図6に示すように、第1制御装置13は、関節目標値設定部51と、目標張力設定部52とを有している。関節目標値設定部51は、上記運動制御プログラムに沿った演算処理を実行することで、負荷体32の運動目標値を設定する。負荷体32の運動目標値には、目標関節角度θt及び目標関節角速度ωtが含まれる。負荷体32の運動目標値に関節トルク指令が含まれてもよい。 Fig. 6 is a schematic functional block diagram of the actuator 30 of the hand portion 5. As shown in Fig. 6, the first control device 13 has a joint target value setting unit 51 and a target tension setting unit 52. The joint target value setting unit 51 sets a motion target value of the load body 32 by executing calculation processing according to the motion control program. The motion target value of the load body 32 includes a target joint angle θ L t and a target joint angular velocity ω L t. The motion target value of the load body 32 may include a joint torque command.

目標張力設定部52には、目標関節角度θt及び目標関節角速度ωtと、張力センサ39から取得された関節角度θ及び関節角速度ωとが入力される。目標張力設定部52は、入力されるこれらの値の偏差に基づいて、負荷体32の目標出力としての目標トルクTtを設定するインピーダンス制御を行う。このようにして目標張力設定部52は、少なくとも目標関節角度θt(目標位置)と関節角度θ(負荷体32の位置)とに基づいて負荷体32に作用させるべき目標出力を設定する。 The target tension setting unit 52 receives the target joint angle θ Lt , the target joint angular velocity ω Lt , and the joint angle θ L and joint angular velocity ω L acquired from the tension sensor 39. Based on the deviation of these input values, the target tension setting unit 52 performs impedance control to set a target torque Tt as a target output of the load 32. In this way, the target tension setting unit 52 sets a target output to be applied to the load 32 based on at least the target joint angle θ Lt (target position) and the joint angle θ L (position of the load 32).

第2制御装置25は、張力制御部53と、モータ制御部54と、電流制御部55と、センサデータ取得部56とを有している。センサデータ取得部56は微分器57を備えている。センサデータ取得部56は、張力センサ39(39A、39B)、モータ角センサ43及び関節角センサ44から出力される信号を取得して必要な処理を行ったうえで、これらの信号を必要とする各機能部へ分配する。微分器57は、モータ角センサ43から取得したモータ角度θに応じた信号を微分することによってモータ角速度ωを算出し、関節角センサ44から取得した関節角度θに応じた信号を微分することによって関節角速度ωを算出する。 The second control device 25 has a tension control unit 53, a motor control unit 54, a current control unit 55, and a sensor data acquisition unit 56. The sensor data acquisition unit 56 is equipped with a differentiator 57. The sensor data acquisition unit 56 acquires signals output from the tension sensors 39 (39A, 39B), the motor angle sensor 43, and the joint angle sensor 44, performs necessary processing, and distributes these signals to each functional unit that requires them. The differentiator 57 calculates the motor angular velocity ωM by differentiating a signal corresponding to the motor angle θM acquired from the motor angle sensor 43, and calculates the joint angular velocity ωL by differentiating a signal corresponding to the joint angle θL acquired from the joint angle sensor 44.

センサデータ取得部56は、モータ角度θをモータ制御部54に送信し、ワイヤ36の張力F(Fb、Fe)及び関節角速度ωを張力制御部53に送信し、関節角度θ及び関節角速度ωを第1制御装置13の目標張力設定部52に送信する。なお、第1アクチュエータ30Aでは、屈曲側張力Fb及び伸展側張力Feの両方が張力制御部53に送信され、第2アクチュエータ30Bでは、屈曲側張力Fbのみが張力制御部53に送信される。 The sensor data acquisition unit 56 transmits the motor angle θM to the motor control unit 54, transmits the tension F (Fb, Fe) of the wire 36 and the joint angular velocity ωL to the tension control unit 53, and transmits the joint angle θL and the joint angular velocity ωL to the target tension setting unit 52 of the first control device 13. Note that in the first actuator 30A, both the flexion-side tension Fb and the extension-side tension Fe are transmitted to the tension control unit 53, and in the second actuator 30B, only the flexion-side tension Fb is transmitted to the tension control unit 53.

張力制御部53は、目標張力設定部52にて設定された目標トルクTt、センサデータ取得部56から送信される張力F(Fb、Fe)及び関節角速度ωに基づいて、目標モータ角速度ωtを設定する。 The tension control unit 53 sets a target motor angular velocity ω Mt based on the target torque Tt set by the target tension setting unit 52 , the tension F (Fb, Fe) transmitted from the sensor data acquisition unit 56 , and the joint angular velocity ω L.

モータ制御部54は、張力制御部53にて設定された目標モータ角速度ωt、及び、センサデータ取得部56から送信されるモータ角速度ωに基づいて、モータ23に供給すべき目標電流Itを設定する。電流制御部55は、モータ制御部54にて設定された目標電流Itがモータ23に供給されるようにバッテリからモータ23へ流れる電流Iを制御する。このようにして第2制御装置25は、駆動源の出力であるモータ角速度ωを制御する。以下、第1制御装置13と第2制御装置25とを合わせてコントローラと言う。 The motor control unit 54 sets a target current It to be supplied to the motor 23 based on the target motor angular velocity ωMt set by the tension control unit 53 and the motor angular velocity ωM transmitted from the sensor data acquisition unit 56. The current control unit 55 controls the current I flowing from the battery to the motor 23 so that the target current It set by the motor control unit 54 is supplied to the motor 23. In this manner, the second control unit 25 controls the motor angular velocity ωM , which is the output of the drive source. Hereinafter, the first control unit 13 and the second control unit 25 will be collectively referred to as the controller.

図7は、第1アクチュエータ30Aに係るコントローラの要部の機能ブロック図であり、図8は、第2アクチュエータ30Bに係るコントローラの要部の機能ブロック図である。まず、図7を参照して、第1アクチュエータ30Aのコントローラの機能について説明する。 Figure 7 is a functional block diagram of the main parts of the controller for the first actuator 30A, and Figure 8 is a functional block diagram of the main parts of the controller for the second actuator 30B. First, the functions of the controller for the first actuator 30A will be described with reference to Figure 7.

第1制御装置13の目標張力設定部52は、第1減算器61、第2減算器62、積分器63及び加算器64を備えている。第1減算器61は、関節目標値設定部51により設定された目標関節角度θtから、関節角センサ44により検出された実測時の関節角度θを減じることで、関節角度差Δθを算出する。第2減算器62は、関節目標値設定部51により設定された目標関節角速度ωtから、関節角センサ44により検出された実測時の関節角速度ωを減じることで、角速度差Δωを算出する。積分器63は関節角度差Δθを積分する。目標張力設定部52は、関節角度差Δθに比例ゲインKpを乗じて負荷体32のトルク値に換算し、関節角速度ωに微分ゲインKdを乗じて負荷体32のトルク値に換算し、関節角度差Δθの積分値に積分ゲインKiを乗じて負荷体32のトルク値に換算する。加算器64は、これら3つの値を加算することで、負荷体32に作用させるべきトルク目標値Ttを算出する。 The target tension setting unit 52 of the first control device 13 includes a first subtractor 61, a second subtractor 62, an integrator 63, and an adder 64. The first subtractor 61 calculates a joint angle difference ΔθL by subtracting the actual joint angle θL detected by the joint angle sensor 44 from the target joint angle θLt set by the joint target value setting unit 51. The second subtractor 62 calculates an angular velocity difference ΔωL by subtracting the actual joint angular velocity ωL detected by the joint angle sensor 44 from the target joint angular velocity ωLt set by the joint target value setting unit 51. The integrator 63 integrates the joint angle difference ΔθL . The target tension setting unit 52 multiplies the joint angle difference Δθ L by a proportional gain Kp to convert it into a torque value of the load 32, multiplies the joint angular velocity ω L by a differential gain Kd to convert it into a torque value of the load 32, and multiplies the integral value of the joint angle difference Δθ L by an integral gain Ki to convert it into a torque value of the load 32. The adder 64 adds these three values to calculate a torque target value T L t to be applied to the load 32.

また目標張力設定部52は、駆動側トルク変換部65及び制限部66を備えている。駆動側トルク変換部65は、負荷体32に作用させるべきトルク目標値Ttを、駆動側のトルクに変換する。本実施形態では、負荷体32とワイヤ36との間に減速機構はなく、負荷体32のトルクと動力伝達系33のワイヤ36部分のトルクとが一致する。そのため、駆動側トルク変換部65はトルク目標値Ttを目標トルクTtとして制限部66に向けてそのまま出力する。制限部66は、-C1<Tt<C1となるように、目標トルクTtを制限する。ここで、C1は正の値であり、この動力伝達系33においてワイヤ36が破断しないトルクの上限値である。制限部66は、制限処理を実行した後、目標トルクTtを張力制御部53に向けて出力する。 The target tension setting unit 52 also includes a driving torque conversion unit 65 and a limiting unit 66. The driving torque conversion unit 65 converts the torque target value T L t to be applied to the load 32 into torque on the driving side. In this embodiment, there is no speed reduction mechanism between the load 32 and the wire 36, and the torque of the load 32 and the torque of the wire 36 of the power transmission system 33 coincide with each other. Therefore, the driving torque conversion unit 65 outputs the torque target value T L t as the target torque Tt directly to the limiting unit 66. The limiting unit 66 limits the target torque Tt so that −C1<Tt<C1. Here, C1 is a positive value and is the upper limit of the torque at which the wire 36 does not break in the power transmission system 33. After executing the limiting process, the limiting unit 66 outputs the target torque Tt to the tension control unit 53.

目標張力設定部52は、これらの比例ゲインKp、微分ゲインKd及び積分ゲインKiを変更して第1アクチュエータ30Aの機械的なインピーダンス(ばね剛性Kspr)を調整することにより、第1アクチュエータ30Aの特性を変更することができる。具体的には、動力伝達系33にワイヤ36が含まれていても、これらのゲインを大きくすることにより、負荷体32の位置応答性を高めることができる。また、これらのゲインを小さくすることにより、手部5の負荷体32の柔軟性を高め、例えば衝撃吸収性能を高めることができる。 The target tension setting unit 52 can change the characteristics of the first actuator 30A by adjusting the mechanical impedance (spring stiffness Kspr) of the first actuator 30A by changing the proportional gain Kp, the differential gain Kd, and the integral gain Ki. Specifically, even if the power transmission system 33 includes a wire 36, the position responsiveness of the load 32 can be improved by increasing these gains. In addition, by reducing these gains, the flexibility of the load 32 of the hand portion 5 can be increased, and for example, the shock absorption performance can be improved.

第2制御装置25の張力制御部53は、減算器71、駆動側トルク変換部72、減算器73及び加算器74を備えている。減算器71は、第1張力センサ39Aから取得された屈曲側張力Fbから、第2張力センサ39Bから取得された伸展側張力Feを減算し、従動プーリ35にトルクとして作用するワイヤ36の実トルク張力Faを算出する。駆動側トルク変換部72は、減算器71により算出された実トルク張力Faに駆動プーリ34の半径を乗じることで動力伝達系33のワイヤ36部分の実トルクTaを算出する。減算器73は、目標張力設定部52により設定された目標トルクTtから実トルクTaを減じることで、負荷体32に付加すべきトルク偏差Terrを算出する。 The tension control unit 53 of the second control device 25 includes a subtractor 71, a drive side torque conversion unit 72, a subtractor 73, and an adder 74. The subtractor 71 subtracts the extension side tension Fe acquired from the second tension sensor 39B from the bending side tension Fb acquired from the first tension sensor 39A to calculate the actual torque tension Fa of the wire 36 acting as a torque on the driven pulley 35. The drive side torque conversion unit 72 multiplies the actual torque tension Fa calculated by the subtractor 71 by the radius of the drive pulley 34 to calculate the actual torque Ta of the wire 36 part of the power transmission system 33. The subtractor 73 subtracts the actual torque Ta from the target torque Tt set by the target tension setting unit 52 to calculate the torque deviation Terr to be applied to the load body 32.

張力制御部53は、トルク偏差Terrに力制御ゲインKtpを乗じることにより、駆動源の付加速度指令(目標付加速度)である目標付加角速度ωaddを算出する。目標付加角速度ωaddは加算器74に入力される。ここで、力制御ゲインKtpは、動力伝達系33の柔軟係数(1/Kspr)に、位置指令である角度を速度指令である角速度に変換するための速度ゲインである比例ゲインKpを乗じて得られる。以下に、力制御ゲインKtpについて詳細に説明する。 The tension control unit 53 calculates a target additional angular velocity ωadd, which is an additional velocity command (target additional velocity) of the drive source, by multiplying the torque deviation Terr by a force control gain Ktp. The target additional angular velocity ωadd is input to an adder 74. Here, the force control gain Ktp is obtained by multiplying the flexibility coefficient (1/Kspr) of the power transmission system 33 by a proportional gain Kp2, which is a speed gain for converting an angle, which is a position command, into an angular velocity, which is a speed command. The force control gain Ktp will be described in detail below.

図9は(A)従来技術、(B)本発明のそれぞれの制御の説明図である。特許文献1に示される従来のパッシブコンプライアンス制御では、動力伝達系33に介在する柔軟要素が線形な柔軟特性を有している。そのため、図9(A)に示すように、トルク指令である目標トルクTtに柔軟要素の柔軟係数(1/Kspr)を乗じることで位置指令である角度指令値θtが算出されていた。また、角度指令値θtから、駆動側と負荷側との間の角度(角度差「θ-θ」)が減じられることで角度差Δθが算出されていた。そしてこの角度差Δθに、角度指令を角速度指令に変換するための比例ゲインKpが乗じられることで角速度指令が算出されていた。 9A and 9B are explanatory diagrams of the control of the conventional technology and the present invention, respectively. In the conventional passive compliance control shown in Patent Document 1, the flexible element intervening in the power transmission system 33 has a linear flexibility characteristic. Therefore, as shown in FIG. 9A, the angle command value θt, which is a position command, is calculated by multiplying the target torque Tt, which is a torque command, by the flexibility coefficient (1/Kspr) of the flexible element. In addition, the angle difference Δθ is calculated by subtracting the angle between the drive side and the load side (angle difference "θ M - θ L ") from the angle command value θt. Then, the angular velocity command is calculated by multiplying this angle difference Δθ by a proportional gain Kp 2 for converting the angle command into an angular velocity command.

これに対し本実施形態では、動力伝達系33がワイヤ36を含むために、動力伝達系33の33特性が非線形になる。そのため張力制御部53では、駆動側と負荷側との間の角度(角度差「θ-θ」)に動力伝達系33のばね剛性Ksprを乗じることで得られる、駆動側と負荷側との間の実トルクTaが、張力センサ39の検出値から取得される。また、トルク指令である目標トルクTtから実トルクTaが減じられることでトルク偏差Terrが算出される。そして、トルク偏差Terrに動力伝達系33の柔軟係数(1/Kspr)が乗じられることで従来の角度差Δθに相当する値が算出され、この値に比例ゲインKpが乗じられることで角速度指令が算出される。このように張力制御部53は、等価交換によって位置ではなく力(実トルクTa)を用いて同様の処理を行うことにより、ヒステリシスを有する動力伝達系33のばね特性をモデル化しなくても、速度指令(目標角速度ωt)を算出できる。 In contrast, in this embodiment, since the power transmission system 33 includes the wire 36, the 33 characteristic of the power transmission system 33 becomes nonlinear. Therefore, in the tension control unit 53, the actual torque Ta between the drive side and the load side, which is obtained by multiplying the angle between the drive side and the load side (angle difference "θ M - θ L ") by the spring stiffness Kspr of the power transmission system 33, is acquired from the detection value of the tension sensor 39. In addition, the torque deviation Terr is calculated by subtracting the actual torque Ta from the target torque Tt, which is the torque command. Then, the torque deviation Terr is multiplied by the flexibility coefficient (1/Kspr) of the power transmission system 33 to calculate a value equivalent to the conventional angle difference Δθ, and this value is multiplied by the proportional gain Kp2 to calculate the angular velocity command. In this way, the tension control unit 53 performs similar processing using force (actual torque Ta) rather than position through equivalent exchange, and can calculate the speed command (target angular velocity ωt) without modeling the spring characteristics of the power transmission system 33, which has hysteresis.

図7に戻って説明を続ける。張力制御部53は駆動側速度変換部75を更に備える。駆動側速度変換部75は、関節角センサ44により取得された関節角速度ωを駆動側の角速度に変換する。具体的には、駆動側速度変換部75は、関節角速度ωに減速機40の減速比RRを乗じることで、関節角速度ωに対応する従動モータ角速度ωfを算出する。ここで、従動モータ角速度ωfは、モータ23の駆動に従動して回動した負荷体32の関節角速度ωをモータ角速度ωに換算して得た従動駆動源速度に相当する角速度である。 Returning to Fig. 7, the description will be continued. The tension control unit 53 further includes a drive-side speed conversion unit 75. The drive-side speed conversion unit 75 converts the joint angular velocity ωL acquired by the joint angle sensor 44 into an angular velocity on the drive side. Specifically, the drive-side speed conversion unit 75 multiplies the joint angular velocity ωL by the reduction ratio RR of the reducer 40 to calculate a driven motor angular velocity ωf corresponding to the joint angular velocity ωL . Here, the driven motor angular velocity ωf is an angular velocity equivalent to a driven drive source velocity obtained by converting the joint angular velocity ωL of the load 32 that rotates following the drive of the motor 23 into a motor angular velocity ωM .

張力制御部53は、従動モータ角速度ωfに制御ゲインKvffを乗じて従動モータ角速度ωfを適正化する。制御ゲインKvffは通常は1に設定されており、本実施形態でも1である。従動モータ角速度ωfは加算器74にフィードフォワード項として入力される。加算器74は、目標付加角速度ωaddに従動モータ角速度ωfを加算することで、駆動源の目標速度に相当する目標モータ角速度ωtを算出する。目標モータ角速度ωtはモータ制御部54に供給され、上記のようにモータ制御部54はモータ角速度ωに基づき目標電流Itを設定する角速度制御を実行する。 The tension control unit 53 multiplies the driven motor angular velocity ωf by a control gain Kvff to optimize the driven motor angular velocity ωf. The control gain Kvff is usually set to 1, and is also set to 1 in this embodiment. The driven motor angular velocity ωf is input to an adder 74 as a feedforward term. The adder 74 adds the driven motor angular velocity ωf to the target additional angular velocity ωadd to calculate a target motor angular velocity ωMt corresponding to the target speed of the drive source. The target motor angular velocity ωMt is supplied to the motor control unit 54, and as described above, the motor control unit 54 executes angular velocity control to set the target current It based on the motor angular velocity ωM .

このように第2制御装置25及びこれによる制御方法は、ワイヤ36の実トルク張力Faに対応する実トルクTaと目標トルクTtとの偏差であるトルク偏差Terrに、力制御ゲインKtpを乗じて、駆動源の目標角速度ωtである目標付加角速度ωaddを設定する。そして、第2制御装置25が目標付加角速度ωaddに基づいて駆動源の出力であるモータ角速度ωを制御することで、負荷体32にコンプライアンスを与えるパッシブコンプライアンス制御を従来と同様に実現することができる。 In this way, the second control device 25 and the control method using it multiply the torque deviation Terr, which is the deviation between the actual torque Ta corresponding to the actual torque tension Fa of the wire 36 and the target torque Tt, by the force control gain Ktp to set the target additional angular velocity ωadd, which is the target angular velocity ωt of the drive source. Then, the second control device 25 controls the motor angular velocity ωM , which is the output of the drive source, based on the target additional angular velocity ωadd, thereby achieving passive compliance control that imparts compliance to the load 32 in the same manner as in the conventional method.

ここで、上記のように力制御ゲインKtpは、動力伝達系33の柔軟係数(1/Kspr)と速度ゲインとしての比例ゲインKpとの乗算値である。つまり、力制御ゲインKtpが柔軟係数(1/Kspr)を含むことで、トルク偏差Terrに柔軟係数(1/Kspr)を乗じた値が、ワイヤ36の実変位とワイヤ36の目標変位との変位差に対応する、駆動側と負荷側との間の角度(図9の角度差Δθ)として算出される。そしてこのワイヤ36の変位差(図9の角度差Δθ)に比例ゲインKpが乗じられることで、駆動源の目標付加角速度ωaddが算出される。 Here, as described above, the force control gain Ktp is a multiplication value of the flexibility coefficient (1/Kspr) of the power transmission system 33 and the proportional gain Kp2 as a speed gain. In other words, since the force control gain Ktp includes the flexibility coefficient (1/Kspr), a value obtained by multiplying the torque deviation Terr by the flexibility coefficient (1/Kspr) is calculated as an angle (angle difference Δθ in FIG. 9 ) between the drive side and the load side corresponding to the displacement difference between the actual displacement of the wire 36 and the target displacement of the wire 36. Then, the target additional angular velocity ωadd of the drive source is calculated by multiplying this displacement difference of the wire 36 (angle difference Δθ in FIG. 9 ) by the proportional gain Kp2 .

また第2制御装置25は、関節角センサ44から取得される負荷体32の関節角速度ωを換算して得た従動モータ角速度ωfと目標付加角速度ωaddとに基づいて目標モータ角速度ωtを設定する。そして第2制御装置25は、目標モータ角速度ωtを実現するようにモータ角速度ωを制御する。そのため、第2制御装置25は、目標トルクTtとワイヤ36の実トルク張力Faに対応する実トルクTaとに基づいて、目標モータ角速度ωtを制御媒体としてモータ角速度ωを制御することができる。 Furthermore, the second control device 25 sets a target motor angular velocity ωMt based on the driven motor angular velocity ωf obtained by converting the joint angular velocity ωL of the load 32 acquired from the joint angle sensor 44 and the target added angular velocity ωadd. Then, the second control device 25 controls the motor angular velocity ωM to realize the target motor angular velocity ωMt . Therefore, the second control device 25 can control the motor angular velocity ωM using the target motor angular velocity ωMt as a control medium based on the target torque Tt and the actual torque Ta corresponding to the actual torque tension Fa of the wire 36.

図3に示すように第1アクチュエータ30Aでは、ワイヤ36が負荷体32を両方向に駆動し得るように配置され、負荷体32に作用するワイヤ36の張力Fを両方向について取得するべく、張力センサ39(39A、39B)が負荷体32の両側に設けられる。この構成により、ワイヤ36の張力Fを両方向について取得できるため、第2制御装置25が両方向について目標トルクTtを負荷体32に作用させるようにモータ角速度ωを制御することができる。 3, in the first actuator 30A, the wire 36 is disposed so as to be able to drive the load 32 in both directions, and tension sensors 39 (39A, 39B) are provided on both sides of the load 32 to obtain the tension F of the wire 36 acting on the load 32 in both directions. With this configuration, the tension F of the wire 36 can be obtained in both directions, so that the second control device 25 can control the motor angular velocity ωM so that the target torque Tt acts on the load 32 in both directions.

次に、図8を参照して、第2アクチュエータ30Bのコントローラの機能及び効果について説明する。第2アクチュエータ30Bについては、第1アクチュエータ30Aと相違する点のみを説明する。 Next, the function and effect of the controller of the second actuator 30B will be described with reference to FIG. 8. Regarding the second actuator 30B, only the differences from the first actuator 30A will be described.

第2アクチュエータ30Bでは、第1制御装置13の目標張力設定部52が付勢力補償部67を更に備えている。一方、第2制御装置25の張力制御部53は減算器71を備えていない。駆動側トルク変換部72には、第1張力センサ39Aから取得された屈曲側張力Fbが入力される。駆動側トルク変換部72は、入力された屈曲側張力Fbをワイヤ36の実トルク張力Faとし、実トルク張力Faに駆動プーリ34の半径を乗じることで動力伝達系33のワイヤ36部分の実トルクTaを算出する。ただし、この実トルク張力Faには、図4の付勢部材42による付勢力に対抗する力が含まれている。 In the second actuator 30B, the target tension setting unit 52 of the first control device 13 further includes a biasing force compensation unit 67. On the other hand, the tension control unit 53 of the second control device 25 does not include a subtractor 71. The bending side tension Fb acquired from the first tension sensor 39A is input to the driving side torque conversion unit 72. The driving side torque conversion unit 72 regards the input bending side tension Fb as the actual torque tension Fa of the wire 36, and calculates the actual torque Ta of the wire 36 portion of the power transmission system 33 by multiplying the actual torque tension Fa by the radius of the driving pulley 34. However, this actual torque tension Fa includes a force that counteracts the biasing force by the biasing member 42 in FIG. 4.

そこで、第1制御装置13の目標張力設定部52では、付勢力補償部67が、付勢部材42の伸び変位に相当する関節角度θに、付勢部材42のばね定数に相当する補償係数を乗じることで、付勢部材42の付勢力への対抗力に相当する対抗トルクTcを算出する。目標張力設定部52は、対抗トルクTcにトルクフィードフォワードゲインKtffを乗じて負荷体32のトルク値に換算する。この値は加算器64に入力され、他の3つの値に加算される。これにより付勢部材42の付勢力が相殺される。 Therefore, in the target tension setting unit 52 of the first control device 13, the biasing force compensation unit 67 calculates an opposing torque Tc corresponding to the opposing force to the biasing force of the biasing member 42 by multiplying the joint angle θL corresponding to the extension displacement of the biasing member 42 by a compensation coefficient corresponding to the spring constant of the biasing member 42. The target tension setting unit 52 multiplies the opposing torque Tc by a torque feedforward gain Ktff to convert it into a torque value of the load 32. This value is input to the adder 64 and added to the other three values. As a result, the biasing force of the biasing member 42 is offset.

第2アクチュエータ30Bの制限部66は、目標トルクTtを、-C2<Tt<C1となるように制限する。ここで、C2はC1よりも小さな正の値であり、ワイヤ36が緩まない下限値である。その他は、図7に示す第1アクチュエータ30Aのコントローラと同様であり、第2アクチュエータ30Bのコントローラにおいても、第1アクチュエータ30Aのコントローラと同様の作用効果が得られる。 The limiting section 66 of the second actuator 30B limits the target torque Tt so that -C2<Tt<C1. Here, C2 is a positive value smaller than C1, and is the lower limit at which the wire 36 does not become loose. The rest is the same as the controller of the first actuator 30A shown in FIG. 7, and the controller of the second actuator 30B also provides the same effects as the controller of the first actuator 30A.

また図4に示すように第2アクチュエータ30Bでは、動力伝達系33が、ワイヤ36の張力Fが作用する方向と相反する方向にワイヤ36を常時付勢する線形特性を有する付勢部材42を含む。そして、図8に示すように第1制御装置13は、付勢部材42による付勢力に相当する対抗トルクTcを加算して、目標トルクTtを設定する。 As shown in FIG. 4, in the second actuator 30B, the power transmission system 33 includes a biasing member 42 having linear characteristics that constantly biases the wire 36 in a direction opposite to the direction in which the tension F of the wire 36 acts. As shown in FIG. 8, the first control device 13 adds a counter torque Tc equivalent to the biasing force of the biasing member 42 to set the target torque Tt.

特許文献1に示される従来のパッシブコンプライアンス制御は、動力伝達系33が金属ばねのような柔軟要素を介して連続し、正負両方向に対して力を伝達できることを前提としていた。そのため、ワイヤ36が張力Fを一方のみに伝達するように配置され、他方への力が付勢部材42によって与えられる場合には、従来の制御を利用することができなかった。 The conventional passive compliance control shown in Patent Document 1 is based on the premise that the power transmission system 33 is continuous via a flexible element such as a metal spring and can transmit forces in both positive and negative directions. Therefore, if the wire 36 is arranged to transmit tension F in only one direction and the force in the other direction is provided by the biasing member 42, conventional control cannot be used.

本実施形態では、ワイヤ36が張力Fを一方のみに伝達するように配置され、他方への力が線形特性を有する付勢部材42によって与えられても、コントローラが、目標トルクTtを負荷体32に作用させるようにモータ角速度ωを制御することができる。また、負荷体32を両方向に駆動し得るようにワイヤ36を配置する必要がないため、アクチュエータ30の大型化が抑制される。 In this embodiment, even if the wire 36 is arranged to transmit the tension F in only one direction and a force to the other direction is applied by the biasing member 42 having a linear characteristic, the controller can control the motor angular velocity ωM so that the target torque Tt acts on the load 32. In addition, since there is no need to arrange the wire 36 so as to drive the load 32 in both directions, the actuator 30 can be prevented from becoming large.

図10は実施形態に係る制御による応答性の効果を示すボード線図である。グラフ中の一点鎖線は、第1制御装置13の目標張力設定部52が、関節角度差Δθの積分値に積分ゲインKiを乗じて換算した負荷体32のトルク値を加算器64に加算しない場合、すなわちPD制御を行った場合の周波数特性を示す。実線は、実施形態に係る制御の周波数特性を示す。目標張力設定部52が関節角度θを用いたPD制御を行った場合には、一点鎖線で示すように、0.5~1Hzの周波数領域において共振点が発生し、ゲインが高くなる一方で位相遅れが生じ、応答性が低下する。これに対し、本実施形態では、この周波数領域における共振が抑えられ、応答性が向上する。 10 is a Bode diagram showing the effect of responsiveness by the control according to the embodiment. The dashed line in the graph shows the frequency characteristics when the target tension setting unit 52 of the first control device 13 does not add to the adder 64 the torque value of the load 32 converted by multiplying the integral value of the joint angle difference Δθ L by the integral gain Ki, that is, when PD control is performed. The solid line shows the frequency characteristics of the control according to the embodiment. When the target tension setting unit 52 performs PD control using the joint angle θ L , as shown by the dashed line, a resonance point occurs in the frequency range of 0.5 to 1 Hz, and while the gain increases, a phase delay occurs, and responsiveness decreases. In contrast, in this embodiment, resonance in this frequency range is suppressed, and responsiveness is improved.

図11は第2アクチュエータ30Bの応答を示すタイムチャートである。縦軸は関節角度θを示している。チャート中の破線は関節角度θの指令値(目標関節角度θt)を示し、実線は本発明の実測値(関節角度θ)を示し、一点鎖線は比較例の実測値を示している。比較例は、目標張力設定部52(図8)が、二次側の関節角速度ωを駆動側速度変換部75にて一次側(駆動側)の従動モータ角速度ωfに換算し、この値に制御ゲインKvffを乗じた値をフィードフォワード項として加算器74にて加算しない場合を示す。 11 is a time chart showing the response of the second actuator 30B. The vertical axis represents the joint angle θL . The dashed line in the chart represents the command value of the joint angle θL (target joint angle θLt ), the solid line represents the actual measurement value (joint angle θL ) of the present invention, and the dashed line represents the actual measurement value of the comparative example. The comparative example shows a case in which the target tension setting unit 52 (FIG. 8) does not convert the secondary side joint angular velocity ωL to the primary side (driving side) driven motor angular velocity ωf in the driving side speed conversion unit 75 and add the value multiplied by the control gain Kvff as the feedforward term in the adder 74.

図11に示すように、比較例では、関節角度θの指令値が小さく変化したとき(伸展側への回動指令のとき)、0°に向けた関節角度θの戻りが遅い。これに対し本発明では、目標張力設定部52が関節角速度ωに基づく従動モータ角速度ωfに関するフィードフォワード項を加算して目標モータ角速度ωtを演算することにより、関節角度θが屈曲側への指令のときと同様に指令値に追従して変化しており、0°に向けた関節角度θの戻りが早い。つまり、ワイヤ36が張力Fを一方のみに伝達するように配置され、他方への力が付勢部材42によって与えられても、第2制御装置25が関節角センサ44から取得される負荷体32の関節角速度ωを換算して得た従動モータ角速度ωfと目標付加角速度ωaddとに基づいて目標モータ角速度ωtを設定することにより、負荷体32の応答性が向上する。 11, in the comparative example, when the command value for the joint angle θL changes slightly (when a rotation command is issued to the extension side), the joint angle θL returns slowly toward 0°. In contrast, in the present invention, the target tension setting unit 52 adds a feedforward term related to the driven motor angular velocity ωf based on the joint angular velocity ωL to calculate the target motor angular velocity ωMt , so that the joint angle θL changes following the command value in the same way as when a command is issued to the flexion side, and the joint angle θL returns quickly toward 0°. In other words, even if the wire 36 is arranged to transmit the tension F only to one side and a force to the other side is applied by the biasing member 42, the second control device 25 sets the target motor angular velocity ωMt based on the driven motor angular velocity ωf obtained by converting the joint angular velocity ωL of the load 32 acquired from the joint angle sensor 44 and the target added angular velocity ωadd, thereby improving the responsiveness of the load 32.

図12は実施形態に係る制御システムによる応答を示すタイムチャートである。縦軸は関節角度θを示している。チャート中の破線は関節角度θの指令値(目標関節角度θt)を示し、実線は本発明の実測値(関節角度θ)を示し、一点鎖線は比較例の実測値を示している。 12 is a time chart showing the response by the control system according to the embodiment. The vertical axis represents the joint angle θ L. The dashed line in the chart represents the command value of the joint angle θ L (target joint angle θ L t), the solid line represents the actual measured value (joint angle θ L ) of the present invention, and the dashed line represents the actual measured value of the comparative example.

比較例は、従来システムの構成によるものである。ここで、本発明との相違を明確にするために従来システムの構成について説明する。従来システムでは、第2制御装置25はモータ23の出力を制御するモータドライバとしての機能のみを有していた。つまり、モータ23の出力であるモータ角速度ωを制御する張力制御部53は第1制御装置13に設けられ、第1制御装置13が負荷体32の関節角度θを関節角センサ44から得て、関節角度θから関節角速度ωを算出して張力制御部53に提供していた。 The comparative example is based on the configuration of a conventional system. Here, the configuration of the conventional system will be described in order to clarify the difference from the present invention. In the conventional system, the second control device 25 only had the function of a motor driver that controlled the output of the motor 23. In other words, the tension control unit 53 that controls the motor angular velocity ωM , which is the output of the motor 23, was provided in the first control device 13, and the first control device 13 obtained the joint angle θL of the load body 32 from the joint angle sensor 44, calculated the joint angular velocity ωL from the joint angle θL , and provided it to the tension control unit 53.

これに対し本発明では、図6に示すように、モータ角速度ωを制御するモータドライバをなす第2制御装置25に、張力制御部53が一体に設けられている。第2制御装置25の張力制御部53は、第1制御装置13を経由することなく、負荷体32の位置を表す関節角度θを関節角センサ44から直接得て、関節角度θに基づいて負荷体32の関節角速度ωを算出する。そして、第2制御装置25がワイヤ36の張力Fに対応する実トルクTaと負荷体32の関節角速度ωとに基づいてモータ23の出力である関節角速度ωを制御する。これにより、第2制御装置25が負荷体32の関節角速度ωを短時間で算出してモータ角速度ωを目標モータ角速度ωtに近付けることができ、負荷体32の動作が滑らかになる。 In contrast, in the present invention, as shown in Fig. 6, a tension control unit 53 is integrally provided in the second control device 25 serving as a motor driver for controlling the motor angular velocity ωM . The tension control unit 53 of the second control device 25 directly obtains the joint angle θL representing the position of the load 32 from the joint angle sensor 44 without going through the first control device 13, and calculates the joint angular velocity ωL of the load 32 based on the joint angle θL . Then, the second control device 25 controls the joint angular velocity ωL , which is the output of the motor 23, based on the actual torque Ta corresponding to the tension F of the wire 36 and the joint angular velocity ωL of the load 32. As a result, the second control device 25 can calculate the joint angular velocity ωL of the load 32 in a short time and bring the motor angular velocity ωM closer to the target motor angular velocity ωMt , thereby making the operation of the load 32 smoother.

また図7及び図8に示すように、第2制御装置25では、張力制御部53が、目標トルクTtとワイヤ36の実トルク張力Faに相当する動力伝達系33のワイヤ36部分の実トルクTaとに基づいて、モータ23の目標付加角速度ωaddを設定する。張力制御部53は、目標付加角速度ωaddと、負荷体32の関節角速度ωを換算して得た従動モータ角速度ωfとに基づいて、目標モータ角速度ωtを設定する。そしてモータ制御部54が、目標モータ角速度ωtに基づいてモータ23を駆動する。このように第2制御装置25は、第1制御装置13によって設定された目標トルクTtと実トルクTaとに基づいて、目標モータ角速度ωtを制御媒体としてモータ23の出力を制御する。これにより、動力伝達系33が柔軟要素であるワイヤ36を含んでいても、負荷体32にコンプライアンスを与える従来のようなパッシブコンプライアンス制御をコントローラが実現できる。 7 and 8, in the second control device 25, the tension control unit 53 sets a target additional angular velocity ωadd of the motor 23 based on the target torque Tt and the actual torque Ta of the wire 36 portion of the power transmission system 33, which corresponds to the actual torque tension Fa of the wire 36. The tension control unit 53 sets a target motor angular velocity ωMt based on the target additional angular velocity ωadd and the driven motor angular velocity ωf obtained by converting the joint angular velocity ωL of the load 32. Then, the motor control unit 54 drives the motor 23 based on the target motor angular velocity ωMt . In this way, the second control device 25 controls the output of the motor 23 using the target motor angular velocity ωMt as a control medium based on the target torque Tt and actual torque Ta set by the first control device 13. As a result, even if the power transmission system 33 includes the wire 36, which is a flexible element, the controller can realize a conventional passive compliance control that provides compliance to the load 32.

また図2に示すアーム31において、負荷体32を支持するハンド部をなす掌部14は、アーム基部をなす前腕リンク9に手根関節12を介して連結される。そのため、図3及び図4に示すワイヤ36は、手根関節12を通過するように設けられる。一方、上記のように第2制御装置25及び張力センサ39(39A、39B)は共に前腕リンク9に設けられていることから、第2制御装置25による張力制御処理の時間が短縮される。これにより、負荷体32の動きが滑らかになる。また、装置やセンサの実装による掌部14の大型化が回避される。 In addition, in the arm 31 shown in FIG. 2, the palm portion 14 forming the hand portion supporting the load body 32 is connected to the forearm link 9 forming the base of the arm via the carpal joint 12. Therefore, the wire 36 shown in FIG. 3 and FIG. 4 is arranged to pass through the carpal joint 12. Meanwhile, since the second control device 25 and the tension sensor 39 (39A, 39B) are both provided on the forearm link 9 as described above, the time required for tension control processing by the second control device 25 is shortened. This makes the movement of the load body 32 smoother. Also, the palm portion 14 is prevented from becoming larger due to the implementation of devices and sensors.

言い換えれば、張力センサ39(39A、39B)が手根関節12に対してモータ23の側に配置される。これにより、手根関節12に対して負荷体32の側に張力センサ39(39A、39B)を設ける必要がないため、アクチュエータ30の負荷体32側の部分の大型化を抑制することができる。 In other words, the tension sensor 39 (39A, 39B) is disposed on the motor 23 side relative to the carpal joint 12. This eliminates the need to provide the tension sensor 39 (39A, 39B) on the load body 32 side relative to the carpal joint 12, thereby preventing the actuator 30 from becoming larger in size on the load body 32 side.

また図1に示すように、ロボット1はアーム31を支持する基体2を備え、第1制御装置13が基体2に設けられ、第2制御装置25がアーム31に設けられている。これにより、第1制御装置13の実装によるアーム31の大型化が回避される。 As shown in FIG. 1, the robot 1 includes a base 2 that supports the arm 31, the first control device 13 is provided on the base 2, and the second control device 25 is provided on the arm 31. This prevents the arm 31 from becoming larger due to the implementation of the first control device 13.

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、一例としてロボット1の手部5のアクチュエータ30に適用して本発明の説明を行ったが、本発明は手部5以外の部分や、ヒューマノイドロボット以外のロボット1にも広く適用することができる。 This concludes the explanation of the specific embodiment, but the present invention is not limited to the above embodiment and can be modified in a wide range of ways. For example, in the above embodiment, the present invention was explained as being applied to the actuator 30 of the hand 5 of the robot 1 as an example, but the present invention can be widely applied to parts other than the hand 5 and to robots 1 other than humanoid robots.

上記実施形態では、第1アクチュエータ30Aが図3に示すように2つの張力センサ39を備えている。他の実施形態では第1アクチュエータ30Aが、図13に示すように構成されてもよい。この第1アクチュエータ30Aでは、モータ23と駆動プーリ34との間にばね要素81が設けられている。ばね要素81は例えば捩じりコイルばねであってよい。図3のように2つの張力センサ39がワイヤ36上に設けられる代わりに、この実施形態では、ばね要素81の変位を計測する変位センサ82が設けられている。変位センサ82はばね要素81の変位を計測することで、モータ23の負荷体32に対する駆動力を両方向について取得することができる。 In the above embodiment, the first actuator 30A is provided with two tension sensors 39 as shown in FIG. 3. In another embodiment, the first actuator 30A may be configured as shown in FIG. 13. In this first actuator 30A, a spring element 81 is provided between the motor 23 and the drive pulley 34. The spring element 81 may be, for example, a torsion coil spring. Instead of two tension sensors 39 being provided on the wire 36 as in FIG. 3, in this embodiment, a displacement sensor 82 is provided that measures the displacement of the spring element 81. The displacement sensor 82 can obtain the driving force of the motor 23 against the load 32 in both directions by measuring the displacement of the spring element 81.

この実施形態では、動力伝達系33が、モータ23とワイヤ36との間に介在する線形特性を有するばね要素81を含み、ワイヤ36の屈曲側張力Fbと伸展側張力Feとの張力差によって駆動プーリ34に発生するトルクを取得するためのセンサとして、ばね要素81の変位を計測する変位センサ82が設けられる。そして、第2制御装置25は、変位センサ82が計測した変位にばね要素81のばね定数を乗じることによってワイヤ36の屈曲側張力Fbと伸展側張力Feとの張力差によって駆動プーリ34に発生するトルク(=(Fb-Fe)×r、ただし、r:駆動プーリ34の半径)を取得する。この構成により、ワイヤ36だけでなく、ばね要素81によっても負荷体32の動きに所望のコンプライアンスを与えることができる。また、ばね要素81の変位からワイヤ36の屈曲側張力Fbと伸展側張力Feとの張力差によって駆動プーリ34に発生するトルクを計測することができるため、変位センサ82が1つで済み、ワイヤ36上に設けられる張力センサ39のように2つのセンサを設ける必要がないため、ワイヤ36周り及びセンサ周りの構成の小型化が可能である。 In this embodiment, the power transmission system 33 includes a spring element 81 having linear characteristics interposed between the motor 23 and the wire 36, and a displacement sensor 82 is provided to measure the displacement of the spring element 81 as a sensor for acquiring the torque generated in the drive pulley 34 due to the tension difference between the bending side tension Fb and the extension side tension Fe of the wire 36. The second control device 25 multiplies the displacement measured by the displacement sensor 82 by the spring constant of the spring element 81 to acquire the torque (= (Fb-Fe) x r, where r is the radius of the drive pulley 34) generated in the drive pulley 34 due to the tension difference between the bending side tension Fb and the extension side tension Fe of the wire 36. With this configuration, the desired compliance can be given to the movement of the load body 32 not only by the wire 36 but also by the spring element 81. In addition, the torque generated in the drive pulley 34 due to the tension difference between the bending side tension Fb and the extension side tension Fe of the wire 36 can be measured from the displacement of the spring element 81, so only one displacement sensor 82 is required, and there is no need to provide two sensors such as the tension sensor 39 provided on the wire 36, making it possible to miniaturize the configuration around the wire 36 and the sensor.

また、他の実施形態では第2アクチュエータ30Bが、図14に示すように構成されてもよい。この第2アクチュエータ30Bでは、動力伝達系33のワイヤ36上の適所にアイドラプーリ37及びテンショナ38が設けられている。図示例では、ワイヤ36の屈曲側張力Fbを伝達する部分に、1つアイドラプーリ37及び1つのテンショナ38が設けられている。このようにアイドラプーリ37やテンショナ38が動力伝達系33に追加されてもよい。 In another embodiment, the second actuator 30B may be configured as shown in FIG. 14. In this second actuator 30B, an idler pulley 37 and a tensioner 38 are provided at appropriate positions on the wire 36 of the power transmission system 33. In the illustrated example, one idler pulley 37 and one tensioner 38 are provided in the portion that transmits the bending side tension Fb of the wire 36. In this manner, an idler pulley 37 and a tensioner 38 may be added to the power transmission system 33.

また、上記実施形態では、第1制御装置13がロボット1の基体2に配置されているが、第1制御装置13がロボット1の前腕リンク9に配置されてもよく、各装置の配置はこれに限られない。この他、各部材や部位の具体的構成や配置、数量、角度、手順など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更することができる。一方、上記実施形態に示した各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜選択することができる。 In addition, in the above embodiment, the first control device 13 is disposed on the base 2 of the robot 1, but the first control device 13 may be disposed on the forearm link 9 of the robot 1, and the arrangement of each device is not limited to this. In addition, the specific configuration, arrangement, quantity, angle, procedure, etc. of each member or part can be changed as appropriate within a range that does not deviate from the spirit of the present invention. On the other hand, not all of the components shown in the above embodiment are necessarily required, and can be selected as appropriate.

1 :ロボット
2 :基体
12 :手根関節
13 :第1制御装置
14 :掌部(ハンド部)
23 :モータ(駆動源)
25 :第2制御装置
30 :アクチュエータ
30A :第1アクチュエータ
30B :第2アクチュエータ
31 :アーム
32 :負荷体
33 :動力伝達系
36 :ワイヤ
39 :張力センサ
39A :第1張力センサ(屈曲側)
39B :第2張力センサ(伸展側)
44 :関節角センサ(負荷位置センサ)
53 :張力制御部(力制御部)
54 :モータ制御部
F :張力
Fa :実トルク張力
Fb :屈曲側張力
Fe :伸展張力
Ta :実トルク
Tt :目標トルク
θ :関節角度(位置)
θt :目標関節角度(目標位置)
ω :関節角速度(速度)
ω :モータ角速度(速度、駆動源の出力)
ωt :目標モータ角速度(目標速度)
ωadd :目標付加角速度(目標付加速度)
ωf :従動モータ角速度(従動駆動源速度)
1: Robot 2: Base 12: Wrist joint 13: First control device 14: Palm (hand)
23: Motor (drive source)
25: Second control device 30: Actuator 30A: First actuator 30B: Second actuator 31: Arm 32: Load 33: Power transmission system 36: Wire 39: Tension sensor 39A: First tension sensor (bending side)
39B: Second tension sensor (extension side)
44: Joint angle sensor (load position sensor)
53: Tension control unit (force control unit)
54: Motor control unit F: Tension Fa: Actual torque Tension Fb: Bending side tension Fe: Extension tension Ta: Actual torque Tt: Target torque θ L : Joint angle (position)
θ L t: Target joint angle (target position)
ω L : Joint angular velocity (velocity)
ω M : Motor angular velocity (speed, output of driving source)
ω M t: Target motor angular speed (target speed)
ωadd: target additional angular velocity (target additional velocity)
ωf: Angular velocity of driven motor (speed of driven drive source)

Claims (4)

アーム及び前記アームに対して変位可能に設けられた負荷体を有するロボットであって、
前記アームに設けられた駆動源と、
前記駆動源が発生する動力を前記負荷体に伝達するワイヤを含む動力伝達系と、
前記負荷体の位置及び速度を取得するための負荷位置センサと、
前記ワイヤの張力を取得するための張力センサと、
前記負荷体の与えられた目標位置を実現するように前記駆動源の出力を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラが、
前記目標位置と前記負荷体の前記位置とに基づいて、前記負荷体に作用させるべき目標出力を設定する第1制御装置と、
前記目標出力と前記ワイヤの前記張力と前記負荷体の前記速度とに基づいて、前記駆動源の前記出力を制御する第2制御装置とを備え、
前記第2制御装置が、前記負荷体の前記位置を前記負荷位置センサから直接得て、前記位置に基づいて前記速度を算出するロボット。
A robot having an arm and a load body displaceably provided with respect to the arm,
A drive source provided on the arm;
a power transmission system including a wire that transmits the power generated by the driving source to the load;
A load position sensor for acquiring a position and a velocity of the load;
A tension sensor for acquiring the tension of the wire;
a controller for controlling an output of the drive source so as to realize a given target position of the load body;
The controller:
a first control device that sets a target output to be applied to the load based on the target position and the position of the load;
a second control device that controls the output of the drive source based on the target output, the tension of the wire, and the speed of the load,
A robot in which the second control device obtains the position of the load directly from the load position sensor and calculates the velocity based on the position.
前記第2制御装置が、
前記目標出力と前記ワイヤの前記張力とに基づいて、前記駆動源の目標付加速度を設定し、前記目標付加速度と、前記負荷体の前記速度を換算して得た従動駆動源速度とに基づいて、前記駆動源の目標速度を設定する力制御部と、
前記目標速度に基づいて前記出力を制御するように前記駆動源を駆動する制御部とを含む請求項1に記載のロボット。
The second control device,
a force control unit that sets a target additional speed of the driving source based on the target output and the tension of the wire, and sets a target speed of the driving source based on the target additional speed and a driven driving source speed obtained by converting the speed of the load;
The robot according to claim 1 , further comprising a control unit that drives the drive source so as to control the output based on the target speed.
前記アームが、アーム基部と、関節を介して前記アーム基部に連結され、前記負荷体を支持するハンド部とを備え、
前記ワイヤが前記関節を通過するように設けられ、前記第2制御装置及び前記張力センサが前記アーム基部に設けられている請求項1又は請求項2に記載のロボット。
the arm includes an arm base and a hand portion connected to the arm base via a joint and supporting the load body;
3. The robot according to claim 1, wherein the wire is provided to pass through the joint, and the second control device and the tension sensor are provided at a base of the arm.
前記アームを支持する基体を更に備え、
前記第1制御装置が前記基体に設けられ、前記第2制御装置が前記アームに設けられている請求項1~請求項3のいずれか1項に記載のロボット。
Further comprising a base supporting the arm,
The robot according to any one of claims 1 to 3, wherein the first control device is provided on the base, and the second control device is provided on the arm.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012096349A (en) 2010-11-01 2012-05-24 GM Global Technology Operations LLC Robust operation of tendon-driven robot finger using force and position-based control law
JP2014004653A (en) 2012-06-25 2014-01-16 Canon Inc Robot and robot control method
JP2017205835A (en) 2016-05-18 2017-11-24 株式会社リコー Control device of manipulator device, control method of the manipulator device, and control program of the manipulator device
CN110842962A (en) 2019-12-02 2020-02-28 深圳忆海原识科技有限公司 32-degree-of-freedom bionic flexible hand with flexible inner skeleton
JP2020146765A (en) 2019-03-11 2020-09-17 アズビル株式会社 Robot control device and robot control method

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012096349A (en) 2010-11-01 2012-05-24 GM Global Technology Operations LLC Robust operation of tendon-driven robot finger using force and position-based control law
JP2014004653A (en) 2012-06-25 2014-01-16 Canon Inc Robot and robot control method
JP2017205835A (en) 2016-05-18 2017-11-24 株式会社リコー Control device of manipulator device, control method of the manipulator device, and control program of the manipulator device
JP2020146765A (en) 2019-03-11 2020-09-17 アズビル株式会社 Robot control device and robot control method
CN110842962A (en) 2019-12-02 2020-02-28 深圳忆海原识科技有限公司 32-degree-of-freedom bionic flexible hand with flexible inner skeleton

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