JPH05119843A

JPH05119843A - 重力補償制御方式

Info

Publication number: JPH05119843A
Application number: JP28122891A
Authority: JP
Inventors: Mitsunori Hirata; 光徳平田; Kaku Ejiri; 革江尻; Yuichi Sato; 裕一佐藤; Tsugihito Maruyama; 次人丸山
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-10-28
Filing date: 1991-10-28
Publication date: 1993-05-18

Abstract

(57)【要約】【目的】物体をワイヤで吊り下げてその重力を補償す
る重力補償制御方式において、オーバーシュートや振動
を抑えて安定した制御を行う。また、ワイヤ巻取り機構
の動摩擦の影響を排除して、重力の補償精度を改善す
る。【構成】吊り機構１は、モータ１０と、ワイヤの張力
センサ１２と、エンコーダ１１から構成される。補償器
２は、ワイヤの張力を一定に制御して重力を補償する制
御系であり、ワイヤの張力、その微分、積分及びモータ
の回転速度のフィードバック３０，３１，３２，３３を
有し、そのフィードバックの各ゲイン２０，２１，２
２，２３は、張力センサ１２の出力値と目標値との偏差
及び制御入力の微分に重みのかかった評価関数を用いて
決定される。補償器２は、この制御系でモータ１０のト
ルク指令値を演算し、その結果をモータ１０に出力す
る。また、この構成に動摩擦補償ループを加えること
で、動摩擦が補償される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は物体を吊り下げるワイヤ
の張力を一定に制御して重力を補償する重力補償制御方
式に関する。

【０００２】近年、宇宙技術の分野では、宇宙空間で動
作する宇宙ロボットや大型衛星等の多関節構造体の研究
開発が進展している。これらは宇宙の無重力空間で動作
するものであり、その地上実験に際しては、無重力状態
での動作を模擬する無重力模擬実験装置が必要となる。
このため、その実験装置の開発も強く望まれており、宇
宙ロボット等の研究開発と並行して行われている。この
無重力模擬実験装置は、例えば宇宙ロボットや大型衛星
等の多関節構造体をワイヤで吊り下げ、その重力を補償
して無重力空間に近い環境を作り出すものであり、その
重力補償はワイヤの張力を一定に制御する吊り機構によ
って行われる。

【０００３】

【従来の技術】この吊り機構は、宇宙ロボット等を吊り
下げるワイヤ、そのワイヤを巻き取るモータ、及びワイ
ヤの張力を一定に制御する補償器から構成される。補償
器は、張力センサの出力に対してＰＩＤ制御を行なって
モータのトルク指令値（駆動電流）を出力するものであ
り、張力センサの出力値と予め設定されている張力セン
サの目標値との偏差に基づいて、張力センサの出力値が
目標値と一致するように、モータのトルク指令値（駆動
電流）を演算する。例えば、吊り下げられている宇宙ロ
ボット等に重力方向の外力が作用し、張力センサの出力
値が変化すると、この補償器は、ワイヤの張力変動分が
零となるようにモータのトルク指令値を演算して求め、
モータを制御する。その結果、重力が補償され宇宙ロボ
ット等の無重力環境が作り出される。その重力補償精度
は１％程度である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この補償器
は、上述したように張力センサの出力に対するＰＩＤ制
御によってモータのトルク指令値を演算するものである
ため、ＰＩＤ制御による限界から生じる次のような問題
点を有していた。

【０００５】（１）フィードバックゲインは試行錯誤的
に変化させて決められるため、適切なフィードバックゲ
インを得るのが難しく、その結果、（ａ）一定張力値に収束するまでにオーバーシュートが
発生する。（ｂ）少し振動ぎみである。（ｃ）フィードバックゲイン決定が難しい。（２）ワイヤを巻き取る巻取り機構の動摩擦の影響を大
きく受けるため、（ａ）鉛直方向に初速度を持つ場合でも、等速度運動を
行わない。（ｂ）鉛直方向に一定の外力を受けても、等加速度運動
を行わない。すなわち、無重力環境に特有の動作を十分
にシミュレートできなかった。

【０００６】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、オーバーシュートや振動を抑えて安定した制
御を行うことができる重力補償制御方式を提供すること
を第１の目的とする。

【０００７】また、ワイヤ巻取り機構の動摩擦の影響を
排除して、重力の補償精度を改善することを第２の目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の第１の原
理を説明するブロック図である。図において、本発明の
重力補償制御方式は、吊り機構１と補償器２とから構成
される。吊り機構１は、ワイヤを巻き取るモータ１０
と、ワイヤの張力を検出して出力する張力センサ１２
と、モータ１０の回転速度を検出して出力するエンコー
ダ１１から構成される。なお、ワイヤに物体（例えば宇
宙ロボットのアーム）が吊り下げられる。一方の補償器
２は、ワイヤの張力を一定に制御して重力を補償する制
御系であり、ワイヤの張力、ワイヤの張力の微分、ワイ
ヤの張力の積分及びモータの回転速度のフィードバック
３０，３１，３２，３３を有し、そのフィードバックの
各ゲイン２０，２１，２２，２３は、張力センサ１２の
出力値と目標値との偏差及び制御入力の微分に重みのか
かった評価関数を用いて決定される。補償器２は、この
ようにして決定されたフィードバックゲイン２０等を有
する制御系でモータ１０のトルク指令値を演算し、その
結果をモータ１０に出力する。

【０００９】図２は本発明の第２の原理を説明するブロ
ック図である。図２では、図１に示した補償器２の制御
系にさらに動摩擦補償ループ３４が加えられる。すなわ
ち、ワイヤの張力の積分のフィードバック３２にモータ
１０の回転速度をフィードバックする動摩擦補償ループ
３４が加えられる。補償器２Ａは、その動摩擦補償ルー
プ３４によりワイヤ巻取り機構の動摩擦をも補償してモ
ータ１０のトルク指令値を出力する。

【００１０】図３は本発明の第３の原理を説明するブロ
ック図である。図３では、補償器２Ｂは、ワイヤの張
力、ワイヤの張力の微分及びワイヤの張力の積分のフィ
ードバック３０，３１，３２を有するＰＩＤ制御系であ
り、そのＰＩＤ制御系に、図２の場合と同様に動摩擦補
償ループ３４Ｂが加えられる。

【００１１】

【作用】図１において、補償器２の各フィードバックゲ
イン２０，２１，２２，２３は、張力センサ１２の出力
値と目標値との偏差及び制御入力の微分に重みのかかっ
た評価関数を用いて決定される。すなわち、フィードバ
ックゲイン２０等を求めるために、最適制御理論を用い
たサーボ系の設計法が適用され、その際に設定された評
価関数を最小とする最適レギュレータの解から、フィー
ドバックゲイン２０等が得られる。このため、フィード
バックゲイン２０等の決定が容易になると共に、最適ゲ
インが得られる。このようにして決定されたフィードバ
ックゲイン２０等に基づいてモータ１０のトルク指令値
を演算し、その結果をモータ１０に出力する。したがっ
て、ワイヤの張力制御の応答性が改善され、従来のＰＩ
Ｄ制御時に発生していたオーバーシュートや振動を防止
することができる。

【００１２】図２で新たに加えられる動摩擦補償ループ
３４のフィードバックゲイン２４は、例えばモータ１０
の回転速度の減衰係数が値０となるように決定される。
このため、ワイヤ巻取り機構が有する動摩擦をも補償す
ることができる。すなわち、、モータ１０の回転速度の
フィードバックにより動摩擦の影響が排除され、重力の
補償精度が向上する。例えば、物体が鉛直方向に初速度
を持ったとき、従来の制御では、動摩擦のためにその動
作は減衰してやがて停止するが、その動摩擦を補償する
ので、その物体は初速度を保持し、無重力環境をより良
くシミュレートできる。

【００１３】図３では、ＰＩＤ制御系に動摩擦補償ルー
プ３４Ｂが加えられるため、従来の制御系のままで動摩
擦補償が可能となり、図２の場合と同様に、重力の補償
精度を向上させることができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図４は本発明の重力補償制御方式の全体構成を
示す図である。図において、重力補償制御方式は、吊り
機構１と補償器２とから構成される。吊り機構１は、物
体１５（図では球体で示したが、実際には宇宙ロボット
など）を吊り下げる機構であり、ワイヤ１４を巻き取る
モータ１０と、ワイヤ１４の張力を検出して出力する張
力センサ１２と、モータ１０の回転速度を検出して出力
するエンコーダ１１から構成される。このモータ１０及
び張力センサ１２はプレート１００に設けられている。
プレート１００には、さらに３個のプーリ１３０，１３
１，１３２が段違いに設けられ、ワイヤ１４はこの３個
のプーリ１３０，１３１，１３２を介して物体１５を吊
り下げている。張力センサ１２は中央のプーリ１３１に
接して設けられ、ワイヤ１４の張力の水平分力に応じて
歪むように取付けられている。張力センサ１２に貼付さ
れた歪みゲージ１２０はその歪みを検出し、その検出信
号を補償器２に出力する。この方式はワイヤガイド兼用
で小型である。

【００１５】補償器２は、エンコーダ１１及び張力セン
サ１２からフィードバックされてきた検出信号に基づい
て、モータ１０のトルク指令値（駆動電流）を演算し、
その結果をモータ１０に出力する。なお、補償器２には
例えばパソコンが使用される。この補償器２のトルク指
令値制御により、ワイヤ１４の張力が一定に保持され、
物体１５に作用する重力が補償される。次に、この重力
補償制御について詳述する。

【００１６】本発明の第１の実施例を図１に基づいて説
明する。図１において、吊り機構１のエンコーダ１１及
び張力センサ１２は、その検出信号を補償器２に出力
し、補償器２はその信号に基づいて、張力センサ１２の
出力値が一定に保持されるように、モータ１０のトルク
指令値を求め、モータ１０に出力する。その補償器２
は、ワイヤ１４の張力、その微分項４１、積分項４２及
びモータ１０の回転速度の各フィードバック３０，３
１，３２，３３から成る制御系である。ここで、フィー
ドバック３０，３１，３２，３３の各ゲイン２０，２
１，２２，２３は、次のようにしてサーボ系の設計法に
最適制御理論を用いて決定される。

【００１７】まず、制御対象であるモータ１０と、張力
センサ１２の伝達関数を逆ラプラス変換して求めた運動
方程式は次のようになる。

【数１】

【数２】ここで、ｉ_e＝ｉ−ｉ₀：モータ１０に対するトルク指令値（駆
動電流）ｙ_e＝ｙ−ｙ₀：張力センサ１２の出力値と目標値との
偏差ｉ₀，ｙ₀ ：吊り機構１が静止状態にあるときの定
常値 θ ：モータ１０の回転角この運動方程式を状態ベクトル

【数３】を用いて状態方程式化すると、

【数４】

【数５】

【００１８】ここで、

【数６】

【数７】

【数８】

【数９】

【数１０】

【数１１】

【数１２】

【数１３】

【数１４】

【数１５】

【００１９】張力センサ１２の出力値ｙ(t) がｔ→∞で
目標値ｙ_rに一致したとき、制御入力ｕ(t) （＝ｉ_e）
は一定値を取るので、

【数１６】となる。そこで、

【数１７】を制御入力として状態方程式及び出力方程式を書くと、

【数１８】

【数１９】となる。ただし、

【００２０】

【数２０】

【数２１】

【数２２】

【数２３】

【数２４】

【数２５】ｎ：状態変数の数ｍ：入力数ここで、定常値からの変動分δｘ(t) ，δｕ(t) を考え
ると、

【００２１】

【数２６】

【数２７】となり、δｘ_e(t) →０とする制御を行うと、ｙ(t) →
ｙ_rが達成される。δｘ_e(t) →０とする制御は最適レ
ギュレータ問題を解けばよい。ここで、式（３）及び式
（４）について、最適レギュレータ問題を解くために、
次の評価関数を設定する。

【数２８】

【００２２】この式（５）で、

【数２９】とすると、評価関数は、

【数３０】と書け、偏差ｙ_e(t)(＝ｙ(t) −ｙ_r) と制御入力ｕ
(t) ( ＝ｉ_e) の微分( ＝ｖ(t))に重みのかかった評価
関数となる。式（５）を最小とする最適レギュレータの
解は、

【数３１】

【数３２】

【００２３】ここで、（ｎ＋ｍ）×（ｎ＋ｍ）行列Ｐ_e
は次のリカッチ方程式の解である。

【数３３】求めた制御則は、δｘ_e(t) とδｕ(t) のフィードバッ
クであるので、これを状態ｘ(t) と偏差ｙ_e(t)(＝ｙ
(t) −ｙ_r) のフィードバックの形に変換すると、

【数３４】

【００２４】式（７）において、

【数３５】とおき、式（７）を０からｔまで積分すると、

【数３６】なる制御則が求まる。初期状態ｘ(0) ＝０，目標値ｙ_r
＝ｙ₀＝０とすると、

【数３７】となり、張力センサ１２の出力値ｙのＰＩＤ＋モータ１
０の回転速度の各フィードバック３０，３１，３２，３
３を有する制御系におけるフィードバックゲイン２０，
２１，２２，２３が求まる。

【００２５】このように、補償器２の各フィードバック
ゲイン２０，２１，２２，２３は、張力センサ１２の出
力値ｙと目標値ｙ_rとの偏差ｙ_e(t)(＝ｙ(t) −ｙ_r)
及び制御入力ｕ(t) ( ＝ｉ_e) の微分に重みのかかった
評価関数（式（６））を用いて決定される。すなわち、
フィードバックゲイン２０等を求めるために、最適制御
理論を用いたサーボ系の設計法が適用され、その際に設
定された評価関数式（６）を最小とする最適レギュレー
タの解から、フィードバックゲイン２０等が得られる。
このため、従来はフィードバックゲインを試行錯誤的に
決定していたのに対し、その決定が非常に容易になると
共に、このフィードバックゲイン２０等を基にして作ら
れる補償器２の応答を制御系ソフトで確認すれば、最適
ゲインが得られる。補償器２はこのフィードバックゲイ
ン２０等に基づいてモータ１０のトルク指令値ｉ_eを演
算し、その結果をモータ１０に出力する。したがって、
ワイヤの張力制御の応答性が改善され、従来のＰＩＤ制
御時に発生していたオーバーシュートや振動を防止する
ことができる。なお、上述したフィードバックゲイン決
定は、大型コンピュータ等を用いて行われ、その結果求
められたフィードバックゲインが補償器２に設定され
る。

【００２６】本発明の第２の実施例を図２に基づいて説
明する。第１の実施例との相違点は、補償器２Ａの制御
系にさらに動摩擦補償ループ３４が加えられる点であ
る。すなわち、張力の積分のフィードバック３２にモー
タ１０の回転速度をフィードバックする動摩擦補償ルー
プ３４が加えられる。この動摩擦補償ループ３４のフィ
ードバックゲイン２４は、モータ１０の回転速度の減衰
係数が値０となるように決定される。ここで、そのフィ
ードバックゲイン２４の決定手順を説明する。

【００２７】式（１）及び式（２）で、

【数３８】とし、次の制御則

【数３９】代入してｉ_e，ｙ_eを消去すると、次式になる。

【数４０】

【００２８】したがって、モータ１０の回転速度の減衰
係数Ｄは、次式で近似される。

【数４１】

【００２９】式（８）、式（９）より、

【数４２】となる。すなわち、物体１５が鉛直方向に初速度を持っ
たとき、第一の実施例の補償器２ではフィードバックゲ
イン２４はｆ_x＝０に設定されるから、物体１５は減速
してやがて停止する。この現象は無重力環境での慣性の
法則に反する。これに対して、本実施例では、式（９）
から分かるように、ｆ_xの値をα₂／β₂と等しく取る
ことによって減衰係数Ｄを零とするので、物体１５は初
速度を保持することができる。すなわち、無重力環境を
正確に模擬できる。

【００３０】次に、物体１５に鉛直方向の外力が加わっ
た場合を考える。この外力を張力に対する外乱とみな
し、図２のｄＡ点にステップ状の外乱が加わったときの
定常偏差を求めると、次式のようになる。

【数４３】

【００３１】この式（１０）で、ｆ_x＝０とおくと、回
転速度ｘは有限張力に収束してしまう。これに対し、無
重力環境では、回転速度ｘは無限に大きくなるはずであ
る。ここで、式（１０）から分かるように、ｆ_xをα₂
／β₂と等しく取ることによって、回転速度ｘは無限大
となり、無重力環境を正確に模擬することができる。現
代制御理論を適用した第１の実施例の補償器２によるフ
ィードバック制御では、物体１５の動作はやがて停止し
てしまう。これは、式（１０）のα₂が張力センサ１２
の運動方程式の減衰項であることから、プーリ１３０等
での動摩擦やイナーシャが原因であると考えられる。こ
れに対し、本実施例の補償器２Ａによるフィードバック
制御では、モータ１０の回転速度をフィードバックする
ことによって、動摩擦の影響を排除でき、重力の補償精
度を大幅に向上させることができるという利点を有して
いる。

【００３２】その結果、補償器２Ａによれば、物体１５
が鉛直方向に初速度を持てば等速度運動を行い、鉛直方
向に一定の外力を受けると、等加速度運動を行うことに
なる。なお、このときの張力ｙ_eは、定常偏差をもつこ
となり、また、その定常偏差はｆ_xに応じて大きくなる
ので、その点では、張力一定制御が多少犠牲になるとい
えるが、その程度は問題となる程ではない。

【００３３】本発明の第３の実施例を図３に基づいて説
明する。この実施例では、ＰＩＤ制御系に動摩擦補償ル
ープ３４Ｂが加えられる。この動摩擦補償ループ３４Ｂ
のフィードバックゲイン２４Ｂは、図２のフィードバッ
クゲイン２４と同様に、モータ１０の回転速度の減衰係
数が値０となるように決定される。ここで、そのフィー
ドバックゲイン２４の決定手順を説明する。

【００３４】式（１）及び式（２）で、

【数４４】とし、次の制御則

【数４５】に代入してｉ_e，ｙ_eを消去すると、次式になる。

【数４６】

【００３５】したがって、モータ１０の回転速度の減衰
係数Ｄは、次式で近似される。

【数４７】

【００３６】式（１１）で、ｆ_xの値をα₂／β₂と等
しく取ることによって、物体１５は、鉛直方向に初速度
を持ったときのその初速度を保持することができ、無重
力環境を正確に模擬することができる。

【００３７】次に、物体１５に鉛直方向の外力が加わっ
た場合を考える。この外力を張力に対する外乱とみな
し、図３のｄＢ点にステップ状の外乱が加わったときの
定常偏差を求めると、次式のようになる。

【数４８】

【００３８】この式（１２）において、ｆ_xをα₂／β
₂と等しく取ることによって、回転速度ｘは無限大とな
り、無重力環境を正確に模擬することができる。ＰＩＤ
制御を適用した従来の補償器によるフィードバック制御
では、物体１５の動作は動摩擦の影響を受けてやがて停
止してしまう。これに対し、本実施例の補償器２Ｂによ
るフィードバック制御では、従来のＰＩＤ制御による補
償器にモータ１０の回転速度をフィードバックすること
によって、動摩擦の影響を排除でき、第２の実施例と同
様に、重力の補償精度を大幅に向上させることができ
る。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、補償器
に従来のＰＩＤ制御フィードバックだけでなく、さらに
モータの回転速度のフィードバックを加え、そのフィー
ドバックの各ゲインには、張力センサの出力値と目標値
との偏差及び制御入力の微分に重みのかかった評価関数
を用いて決定された値を用いるように構成した。このた
め、従来試行錯誤的に求められていたフィードバックゲ
インの決定が容易になると共に、最適ゲインが得られる
ようになる。したがって、ワイヤの張力制御の応答性が
改善され、従来のＰＩＤ制御時に発生していたオーバー
シュートや振動を防止することができる。

【００４０】また、本発明では、上記構成の補償器にさ
らにモータの回転速度のフィードバックによる動摩擦補
償ループを加え、その動摩擦補償ループのフィードバッ
クゲインには、例えばモータの回転速度の減衰係数が値
０となるように決定された値を用いて構成した。このた
め、ワイヤ巻取り機構が有する動摩擦をも補償すること
ができ、重力の補償精度を大幅に向上させることができ
る。例えば、物体が鉛直方向に初速度を持ったとき、従
来の制御では、動摩擦のためにその動作は減衰してやが
て停止するが、その動摩擦を補償するようにしたので、
その物体は初速度を保持し、無重力環境をより良く模擬
できる。

【００４１】さらに、本発明では、従来のＰＩＤ制御フ
ィードバックによる補償器に、動摩擦補償ループを加え
る構成とした。このため、従来のＰＩＤ制御系のまま
で、重力の補償精度を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の原理を説明するブロック図であ
る。

【図２】本発明の第２の原理を説明するブロック図であ
る。

【図３】本発明の第３の原理を説明するブロック図であ
る。

【図４】本発明の重力補償制御方式の全体構成を示す図
である。

【符号の説明】１，１Ａ，１Ｂ吊り機構２，２Ａ，２Ｂ補償器１０モータ１１エンコーダ１２張力センサ２０，２１，２２，２３，２４，２４Ｂフィードバッ
クゲイン３４，３４Ｂ動摩擦補償ループ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者丸山次人神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物体を吊り下げるワイヤの張力を一定に
制御して重力を補償する重力補償制御方式において、物体を吊り下げるワイヤを巻き取るモータ（１０）と、前記ワイヤの張力を検出して出力する張力センサ（１
２）と、前記モータ（１０）の回転速度を検出して出力するエン
コーダ（１１）と、前記ワイヤの張力、前記ワイヤの張力の微分、前記ワイ
ヤの張力の積分及び前記モータの回転速度のフィードバ
ック（３０，３１，３２，３３）を有する制御系で、前
記ワイヤの張力の出力値と前記ワイヤの張力の目標値と
の偏差及び制御入力の微分に重みのかかった評価関数を
用いて決定されたフィードバックゲイン（２０，２１，
２２，２３）によって前記モータのトルク指令値を演算
し出力する補償器（２）と、を有することを特徴とする重力補償制御方式。
【請求項２】前記制御入力は前記モータ（１０）のト
ルク指令値であることを特徴とする請求項１記載の重力
補償制御方式。
【請求項３】前記補償器（２）は、前記制御系での前
記ワイヤの張力の積分のフィードバックに前記モータ
（１０）の回転速度をフィードバックする動摩擦補償ル
ープ（３４）が加えられ、前記ワイヤを巻き取るワイヤ
巻取り機構の動摩擦をも補償して前記モータ（１０）の
トルク指令値を出力することを特徴とする請求項１記載
の重力補償制御方式。
【請求項４】前記加えられた動摩擦補償ループ（３
４）のフィードバックゲインは、前記モータ（１０）の
回転速度の減衰係数が値０となるように決定されること
を特徴とする請求項３記載の重力補償制御方式。
【請求項５】物体を吊り下げるワイヤの張力を一定に
制御して重力を補償する重力補償制御方式において、物体を吊り下げるワイヤを巻き取るモータ（１０）と、前記ワイヤの張力を検出して出力する張力センサ（１
２）と、前記モータの回転速度を検出して出力するエンコーダ
（１１）と、前記ワイヤの張力、前記ワイヤの張力の微分及び前記ワ
イヤの張力の積分のフィードバック（３０，３１，３
２）を有するＰＩＤ制御系に前記モータ（１０）の回転
速度をフィードバックする動摩擦補償ループが加えら
れ、前記物体の重力を補償すると共に、前記ワイヤを巻
き取るワイヤ巻取り機構の動摩擦をも補償して前記モー
タ（１０）のトルク指令値を出力する補償器（２Ｂ）
と、を有することを特徴とする重力補償制御方式。