JPS599512A

JPS599512A - サ−ボ装置

Info

Publication number: JPS599512A
Application number: JP11845682A
Authority: JP
Inventors: Masaru Honma; 大本間; Noriyuki Miwa; 三輪　敬之; Nobuhiro Iguchi; 井口　信洋
Original assignee: WASEDA DAIGAKU
Current assignee: WASEDA DAIGAKU
Priority date: 1982-07-09
Filing date: 1982-07-09
Publication date: 1984-01-18
Also published as: JPH0136881B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、接触覚、圧覚および力覚を、それらの感覚の
ためのセンサを別個に設けることなしに、得ることがで
きるサーボ装置に関する。

従来のマニピユレータやロボット等においては、１−、
ｒ接触覚、圧覚または力覚を得ようとする場合には、それ
らの感覚のためのセンサを、前記マニピュレータやロボ
ット等をＩ＆成するサーボ装置とは別個に設けていた。

したがって、構造が複雑になるという欠点があった。

本発明は、前記従来の欠点を解消するべくなされたもの
で、接触覚、圧覚および力覚を、それらの感覚のための
センサを別個に設【プることなしに、得ることができる
サーボ装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成する本発明によるサーボ装置は、
制御対象の位置または角度を、目標値を示す入力と同種
の物理量である主フィードバツク量に変換する制御量検
出部と、前記入力と前記主フィードバツク量との差であ
るところの一制御偏差を求める比較部と、前記制御偏差
に対応する操作量を前記制御対象に加える制御部とを有
してなるサーボ装置において、前記入力を継続的に変化
させた際、前記入力と前記Ｉｔ、ＩＩ御偏差との関係を
示す曲線上においで、同曲線に対する接線の傾きが急２
− 激に変化する点を検出する屈曲点検出部を設置Ｊたもの
である。

次に、まず第１図によって本発明の詳細な説明する。

第１図において、１はアクチコ■−夕、２はアクチュエ
ータ１の動作部の位置または角度（制御量）を、目４１
１値を示す入力ａと同種の物理量である主フィードバツ
ク量すに変換する制御量検出部、３は入力ａと主フィー
ドバツク量すとの差、すなわち制御偏差Ｃを求める比較
部、４は制御偏差Ｃに対応する大きさの操作量ｄをアク
チュエータ１に加える制御部、５は入力ａを継続的に変
化させた際、入力ａと制御偏差Ｃとの関係を示す曲線上
において、同曲線に対する接線の傾きが急激に変化づる
点（屈曲点）を検出する屈曲点検出部である。

さて、入力ａを継続的に変化させた場合、アクチュエー
タ１の動作部が、直接、または同アクチュエータ１によ
って駆動される部材を介して間接的に、物体に接触し、
同アクチュエータ１の動作が１ｔ１束されると、それ以
後は、入力ａと主フィードバック崩１）との差、′ＩＩ
なりら制御偏差Ｃは大きくイＴる一ｈと４ｒる。しＩＣ
がって、第２図のように、横軸に入力ａ１縦軸に１．制
御−差Ｃをとったグラフを描くと、前記のようにアクチ
ュエータ１が直接または間接に物体に接触したとき、同
グラフ上においてａとにとの関係を承り曲線に対する接
線の傾きが急激に変化層る点１）（以下、この点を屈曲
点と言う）が！Ｌしる。

これ故、逆に、このｌｌｌｉｌ曲点Ｐを前記屈曲点検出
部５で検出りることににす、アクチュエータ１が物体に
直接または間接に接触し１＝ことを知ることができる。

すなわら、接触覚を得ることができる。

また、基準時点く入力ａが入力されて、アクチュエ〜り
１が基準位置から動作を開始する時点）から屈曲点Ｐが
現れるまでの時間７ｔを測定することにより、前記基準
位置から前記物体に接触するまでのアクチュエータ１の
変位を知ることも可能となる。

また、前記のようにアクチュエータ１が物体に３− 直接または間接に接触した後は、アクチュエータ１が前
記物体に作用する力（またはアクチュエータ１が前記物
体から受ける力）は、アクチュエータ１の出力が最大と
なるまでは、制御偏差Ｃに応じた大きさとなる。したが
って、屈曲点Ｐが現れた後の制御偏差Ｏに基づいて、圧
覚や力覚を得ることができる。

また、屈曲点Ｐが現れた後における制御偏差０の変化パ
ターン（第２図における直線または曲線Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ
は、この変化パターンの種々の例である）を調べること
により、前記物体の硬さく栗かさ）を知ることができる
。さらに、アクチュエータ１を振動的に動作させれば、
前記物体のコンプライアンスを知ることも可能となる。

なお、前記屈曲点検出部５は、例えば、入力ａを継続的
に変化させた際、逐次、制御偏差Ｃを入力ａで微分し、
かつ、この微分値の急激な変化を検出するという動作を
ソフトウェアにより行うマイクロ・コンピュータ等によ
って容易に構成できる。

＝４− 次に、本発明を図面に承り実施例に基づいてざら番・−
詳細に説明Ｊる。

第３図および第４図は、本実施例におけるアクチュエー
タを示し、このアクチュエータは形状記憶合金を利用し
たものである。すなわち、６はアームであり、このアー
ム６の先端部には、指７ａ。

７ｂが、ぞれぞれ支点８ａ、８ｂを中心として回動自在
に支持されている。前記指７ａ、７ｂの後端部付近とア
ーム６の先端部との間には、それぞれ引っ張りばね２１
ａ、２ｉ１１が介装されており、これらのばね２１ａ、
２１１１は指７ａ、７ｂを聞く方向にイ１勢している。

前記指７ａ、７ｂの先端部付近間には、コイル状の、Ｔ
ｉ−Ｎｉ合金等の形状記憶合金９が介装されている。こ
の形状記憶合金９は、形状記憶処理を施されることによ
り、第４図のように収縮した状態を記憶している。また
、この形状記憶合金９は、後で詳しく説明する増幅部１
３の出力に接続されており、同増幅部１３から通電を受
けるようになっている。

このアクチュエータは以上のような構成となっているの
で、形状記憶合金９が通電を受けておらず、同合金９が
冷却している場合には、ばね２１ａ、２１ｂ（７）力に
より、指７ａ、７１）ＬＬ第３図のように開いた状態と
なっている。しかるに、形状記憶合金９が通電を受け、
ジュール熱によって同合金９の温度が一定以上に上昇す
ると、形状記憶効果により、同合金９は、ばね２１ａ、
２１ｂに抗して、記憶している形状、すなわち圧縮状態
に戻るので、指７ａ、７ｂは第４図のように閉じられる
。

さて、本実施例においては、前に本発明者が特願昭５６
−２６９８４＠において開示したように、アクチュエー
タを構成する形状記憶合金９自体に、アクチュ■−夕の
変位を検出するセンサとしての機能をも果たさせる。

次に、このことを簡単に説明しておく。

加熱時の形状記憶合金９の変位は、同合金９の相変態の
進行状態に対応する。一方、形状記憶合金９の電気抵抗
値や帯磁率等の物性値も、前記相変態の進行状態に対応
して変化する。したがって、形状記憶合金９の変位は、
同合金９の物性値の変化に対応することになる。

このため、形状記憶合金９の物性値を検出することによ
り、同合金９の変位、ひいては指７ａ。

７ｂの変位を検出することができる。すなわち、前記の
ように、形状記憶合金９自体に、アクチュエータの変位
を検出するセンサとしての機能をも果たさぼることがで
きる。

第５図は本実施例のり一−ボ装置のブロック図、第６図
は本実施例の各信号のタイムチャートを示す。

理解を容易にするために、まず概要を説明すると、本実
施例では、前記形状記憶合金９の物性値のうちの、電気
抵抗値を検出することにより、指７ａ、７ｂの変位を検
出する。また、形状記憶合金９に対し、通電加熱を行っ
ている最中に、同合金９の電気抵抗値を検出すること【
ま困難であるので、形状記憶合金９に対する通電加熱は
、パルスにより行うこととし、かつこれらのパルス間の
空７− き時間に形状記憶合金９に、同合金９の動作に影響を与
えない程度の微弱な電流を流すことにより、前記電気抵
抗値を検出する。

さらに、前記パルスによる電力量、すなわち、形状記憶
合金９に与える熱■ネルギの大ぎさは、前記パルスの幅
を変化することにより調節する。

次に、前記第５図について、さらに詳細に説明する。入
力パルスｅは、第６図に示されるように、一定周期（周
期ＴＯ）のパルスであり、そのパルス幅ｔ１が指７ａ、
７ｂの変位の目標値を示している。１０は比較部であり
、入力パルスｅの幅【１と抵抗−パルス幅変換部１１か
ら入力するパルスｆの幅ｔ２とを比較し、それらの差分
Δｔに等しいパルス幅を有するパルスｇを出力する。こ
こで、前記パルスｆの幅ｔ２は、後で明らかになるよう
に、形状記憶合金９の電気抵抗値に対応されている。し
たがって、前記パルスｆの幅【２は、前記第１図におけ
る主フィードバツク量すに相当する。そして、パルスＱ
の幅Δｔは前記第１図における制御偏差Ｃに相当する。

８− １２はパルスストレッチャであり、パルスｇの幅Δ【を
時間的に増幅したパルスｈ　（パルス幅ｉａ）を出力す
る。１３・ま増幅部であり、パルスｈを電力増幅してパ
ルス１に変換し、形状記憶合金９に印加Ｊる。１４は抵
抗検出部であり、形状記憶合金９に、同合金９の動作を
影響に与えない程度の微弱仕電流を流して、同合金９の
電気抵抗値を電圧に変換し、信号ｎ１として出力する。

ここで、前記増幅部１３　Ｊｊよび抵抗検出部１４は、
いずれも、タイミング制御部１５から出力されるタイミ
ング制ｔｉｌｌ　信Ｓ　ｊによってオン・オフされるよ
うにむっ−ＣＪメリ、信号ｊが［１ウレベルのときは増
幅部１３がオン、抵抗検出部１４がオフとなる一方、信
号ｊがハイレベルのときは、増幅部１３がオフ、抵抗検
出部１／１がオンどなるにうになっている。これにより
、形状記憶合金９へ加えられるパルスｉの空き時間に、
形状記憶合金９の電気抵抗値が検出される。

また、前記制御部＠ｊは入力パルスｅど同一周期となっ
ており、−周期の始めにおいて、ハイレベル、残りの時
間にロウレベルとなる。そして、信号ｊがハイレベルと
なる時間［５（一定）は、入力パルスｅの幅１　、が取
り得る最大幅よりやや長目に設定されている。したがっ
て、パルスｉの幅ｔ４は、パルスｈの幅ｔ３より、同パ
ルスｈの幅ｔ３と制御信号ｊのハイレベル区間とが重な
る時間分だ【ノ短くなるが、この短くなる時間はパルス
ｈの幅【３に比べて非常に短いので、本装置の制御精度
に形管を与えることはない。

前記抵抗−パルス幅変換部１１は、信＠ｍのレベル（す
なわち、形状記憶合金９の電気抵抗値）をパルス幅に変
換したパルス［を出力する。

以上の説明から明らかなように、本実施例においては、
増幅部１３によって前記第１図における制御部４が構成
されており、また、形状記憶合金９、抵抗検出部１４お
よび抵抗−パルス幅変換部１１によって前記第１図にお
ける制０１１Ｍ検出部２が構成されている（形状記憶合
金９は、同時に、前記第１図におけるアクチュエータ１
をも構成している）。

そして、入力パルスｅの一周期当りについてみると、パ
ルスｈににり形状記憶合金９に与えられる電力は、形状
記憶合金９の現実の変位と目標値どの差に応じて変化Ｊ
ることになる。したがって、形状記憶合金９の変１１１
１ひいて番よ指７ａ　、７ｂの変位をｉ−１樟幀に一＝
致さＵようとする訂正動作が自動的に行われることにな
り、指７ａ、７ｂの変位が正確Ｖ制御ｊｌ＋される。

１６は入力パルスｅ　ａ３よσパルスｈを入力とする屈
曲点検出部、１７１４基準時点く入力パルスｅが入力さ
れることにより、アクヂュＴ−夕の指７ａ、７ｂが第３
図に示されるＭ準位置から閉じられ始める時点）を丞ｌ
ＩＭ　弓ｏおよび屈曲点検出部１６から出ノＪされる信
号１１を入力とづる変位検出部、１８は信号ｎ　Ｊ３よ
びパルス［１を入力どり゛る作用力検出部である。

いま、指７ａ、７ｂが第３図に示される基準位置にある
状態から、入力パルスｅの幅ｔ１を継続的に変化させて
指７ａ、７ｂ閉じさせて行ったとき、第４図のように指
７ａ、７ｂが物体２０に接１１− 触し、指７ａ、７ｂの動きが拘束されると、それ以後は
、入力パルスｅとパルスｔのパルス幅の差分Δｔ　、−
，１なわちパルスｑの幅は大きくなる一方となり、ひい
てはパルスｈの幅ｔ３も大きくなる一方となる。したが
って、第７図のように、横軸に入力パルスｅの幅（１、
縦軸にパルスｈの幅１３を取ったグラフを描くと、前記
のように指７ａ、７ｂが物体２０に接触したとき、同グ
ラフ上において屈曲点Ｐが生じる。

ここで、前記屈曲点検出部１６は、マイクロ・コンピュ
ータによって構成されており、入力パルスｅを継続的に
変化させた際、ソフトウェアにより、逐次、パルスｈの
幅ｔ３を入力パルスｅの幅（Ｉで微分し、かつ、この微
分値の急ｉ％Ｉな変化を検出することによって、前記屈
曲点Ｐを検出する（なお、前記ソフトウェアは、当業者
が適宜実施できるものであるので、説明を省略する）。

そして、前記屈曲点Ｐを検出すると、信号ｎを出力する
。したがって、この信号ｎにより、指７ａ、７ｂが物体
２０に接触したことを知ることができる。

１２− また、前記変位検出部１７は、信＠Ｏおよび０に基づい
て、前記基準ＩＩ￥点から屈曲点Ｐが現れるまでの［、
〜間Ｔ（を求め＜）ことシこより、１Ｉｊ７ａ、７１）
の、前記基準位置から動きを拘束されるまでの変イ☆を
検出りる。

なお、本実施例では、前記指７ａ、７ｂの変位により、
物体２０の大きさを知ることもできる。

また、前記作用力検出部１８は、信号ｎが出力された後
のパルス１１０幅ｔ３に基づいて、指７ａ。

７ｂが物体２０に作用するノＪ（または物体２０が指７
ａ、７ｂに作用する力）を検出する。これにより、圧覚
および力覚を得ることができる。

また、前記実施例は、本発明を、形状記憶合金利用のア
クヂコ■−夕を使用するサーボ装置に適用した例である
が、本発明は、通常のモータ、油圧シリンダ、空気圧シ
リンダ等のような、形状記憶合金を利用しないアクチュ
エータを使用するサーボ装置にも適用できることは言う
までもない。

ただし、前記実施例では、接触覚、圧覚および力覚のた
めのセンサが不要になるのみならず、アクチュエータの
変位を検出するセンサさえも、アクチュエータと別個に
設ける必要がなくなるので、より一層、構成を単純化Ｊ
ることができ、超小型化も容易となるという利点が得ら
れる。

以上のように本発明によるサーボ装置は、接触覚、圧覚
および力覚を、それらの感覚のためのセンサを別個に設
けることなしに、得ることができるという優れた効果を
得られるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるサーボ装置の基本的な構成を示す
ブロック図、第２図は第１図のサーボ装置においてアク
チュエータの動作が拘束される時点前後の、入力と制御
偏差との関係を示すグラフ、第３図および第４図は本発
明によるサーボ装置の一実施例におけるアクチュエータ
を示す正面図（第３図は指が開いた状態、第４図は指が
閉じた状態を示す）、第５図は前記実施例を示ずブロッ
ク図、第６図は前記実施例における各信号のタイムチャ
ート、第７図は前記実施例においてアクチュエータの動
作が拘束される時点前後の、入力パルスｅの幅と制御偏
差を示すパルス１１の幅との関係を示すグラフである。１・・・アクチュエータ、２・・・制御量検出部、３・
・・比較部、４・・・制御部、５・・・屈曲点検出部、
９・・・形状記憶合金、１０・・・比較部、１１・・・
抵抗−パルス幅変換部、１３・・・増幅部、１４・・・
抵抗検出部、１６・・・屈曲点検出部、１７・・・変位
検出部、１８・・・作用力検出部、ａ・・・入力、ｂ・
・・主フィードバツク量、Ｃ・・・制御！１１偏差、ｄ
・・・操作ｆ１１．。特約出願人　　　学校法人　早稲田人学代理人　　　　
　弁理士　　人　森　　泉第１図第２図第６図ｊｌ　　Ｌ、ｌ　　Ｌ、− 第７図入力パルスｅの幅ｔ１

Claims

【特許請求の範囲】

制御対象の位置または角度を、目４ｔｉ値を示す入力と
同種の物理量である主フィードバツク量に変換する制ｉ
ＩＩ量検出部と、前記入力と前記主フィードバツク量と
の差であるところの制御偏差を求める比較部と、前記制
御偏差に対応する操作量を前記制御対象に加える制御部
とを有してなるサーボ装置において、前記入力を継続的
に変化させた際、前記入力と前記制御偏差との関係を示
す曲線上において、同曲線に対する接線の傾きが急激に
変化する点を検出する屈曲点検出部を設けたことを特徴
とするサーボ装置。