JPWO2004079462A1 - 仮想パワーモニタを備えることにより制御対象の安定性を評価解析する機能を備えた制御システム - Google Patents

Abstract

本発明は、未知の動特性や外乱のあらゆる影響を含むユーザー制御システムからの出力の安定性を評価し、かつ未知の動特性や外乱に拘らずユーザー制御システムからの出力の安定性を保証し得るシステム構成に関する。すなわち、本発明の、仮想パワーモニタを備えることにより制御対象の安定性を評価解析する機能を備えた制御システムは、ユーザー制御則５によってユーザー制御対象３が制御されるユーザー制御システム２’に於て、ユーザー制御対象３からの帰還信号を受けてユーザー制御対象３に操作量を入力し得る保守的な制御則１０４と、保守的な制御則１０４からユーザー制御対象３へ仮想的に伝達されるパワーを観測する仮想パワーモニタ１１０とを備え、ユーザー制御システム２’からの出力の安定性を評価できる様にしたものである。

Description

本発明は、機械、電気・電子、あるいは化学等の分野における制御システム一般に関する。例えば、ロボット、工作機械、自動車、電気・電子回路、化学プラント等の制御システムに広く適用可能である。

Ｓ．Ａｒｉｍｏｔｏ著："Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ−Ａ Ｐａｓｓｉｖｉｔｙ−ｂａｓｅｄ ａｎｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ−ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ Ａｐｐｒｏａｃｈ，"Ｏｘｆｏｒｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ，１９９６年． Ｙ．Ｙｏｋｏｋｏｈｊｉ，Ｔ．Ｉｍａｉｄａ，ａｎｄ Ｔ．Ｙｏｓｈｉｋａｗａ著："Ｂｉｌａｔｅｒａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｉｔｈ Ｅｎｅｒｇｙ Ｂａｌａｎｃｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｕｎｄｅｒ Ｔｉｍｅ−Ｖａｒｙｉｎｇ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｄｅｌａｙ，"Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２０００ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ｐｐ．２６８４−２６８９，２０００年． Ｊ．Ｈ．Ｒｙｕ，Ｄ．Ｓ．Ｋｗｏｎ，ａｎｄ Ｂ．Ｈａｎｎａｆｏｒｄ著："Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｗｉｔｈ Ｎｏｎｃｏｌｌｏｃａｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ：Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｐａｓｓｉｖｉｔｙ Ａｐｐｒｏａｃｈ，"Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｔｒａｃｔｓ ｉｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ，ｖｏｌ．４，ｐｐ．１２１−１３４，２００３年．

制御システムの安全を確保するには、制御対象が「いかなる条件下でも不安定にならない（暴走しない）」ことを保証する必要がある。そのために、制御システムにはハードウェア的なリミッタ（ハードウェアリミッタ）を付加することが一般的である。
一方、安定性を保証するための理論的枠組みとして、物理的なシステムが有する特徴である、受動性［例えば、非特許文献１参照］が注目されている。
特定のシステムのエネルギー収支を受動性に着目して観測することによって蓄積エネルギー制限を行ない、安定性を確保しようとするシステムは、既にｅｎｅｒｇｙ ｂａｌａｎｃｅ ｍｏｎｉｔｏｒ［非特許文献２］やｐａｓｓｉｖｉｔｙ ｏｂｓｅｒｖｅｒ／ｐａｓｓｉｖｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ［非特許文献３］として提案されている。これら従来知られたシステムの概念図を図１７に示す。
ところで、一般的な制御システムにおけるハードウェアリミッタの作動を決定するための、ユーザー制御対象の安定性の評価指標は、作動領域の制限やアクチェエータへの電流制限、速度制限などであり、安定、不安定の区別が大雑把である。また、一旦リミッタが作動するとその後のシステムは制御下から逸脱し、二次的な災害を引き起こす可能性もある。たとえ災害を引き起すまでに至らなくとも、システムの再起動に多大な手間を要することが多い。
また、非特許文献２のｅｎｅｒｇｙ ｂａｌａｎｃｅ ｍｏｍｎｉｔｏｒはマスタースレーブ間の伝送路の受動性を、非特許文献３のｐａｓｓｉｖｉｔｙ ｏｂｓｅｒｖｅｒ／ｐａｓｓｉｖｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒはハプティックシステムの仮想空間の受動性を、それぞれ確保するものであるが、現実世界の任意の制御則、任意の制御対象、任意の外乱を含む制御システムの安定性を保証するものではなかった。
さらに、非特許文献２、３に記載されたシステムでは、ユーザー制御対象３が受動的であることを前提に、エネルギー収支の観測にもとづいてユーザー制御則５を見かけ上受動的にすることで、全体系の安定性を保証している。すなわち、ユーザー制御対象３が受動的でなければ安定性を保証することができない。ユーザー制御対象としての物理システムは多くの場合受動的であるが、例えば、アクチュエータの極性を誤って逆に接続してしまい駆動入力と逆に動くような状況には対処できない。そこまで極端な例でなくても、ユーザー制御対象に直接影響する外乱による不安定化にも、やはり対処不能である。
従って本発明では、従来技術では実現できなかった、任意のユーザー制御則によって任意のユーザー制御対象が制御され任意の外乱の影響を受けるユーザー制御システムに対して、制御性能を出来るだけ高く保ちつつユーザー制御対象の安定性を保証するシステム構成を提供することを課題とする。
又本発明は、外界からのあらゆる影響を含むユーザー制御システム全体を評価し、全体系の安定性を保証することを可能ならしめるシステム構成を提供することを課題とする。
更に本発明は、ユーザー制御対象の受動性を前提としなくともその安定性を保証し得るシステム構成を提供することを課題とする。

本発明者らは、制御システムの受動性をモニタすることでその安定性を定量的に評価する機能（受動性モニタ）と、不安定な挙動を検知した場合に、制御を遮断することなく不安定な挙動のみを抑制し得るインテリジェントなリミッタ機能（ソフトウェアリミッタ）を既存のシステムへ付加するシステム構成とすることにより上記課題を解決可能なことを見出し、本発明を完成させた。
更に本発明者らは、
制御システムの「受動性を観測」することでこれまでその安定性を定量的に評価していた（受動性モニタ）のを、後記する通り保守的な制御則からユーザー制御対象へ仮想的に伝達されるパワー（仮想パワー）を観測してユーザー制御システムの安定性を評価解析する（仮想パワーモニタ）こととした上、受動性の評価に応じて受動性の喪失を防止する様機能していたソフトウェアリミッタを、後記する通り仮想パワーモニタにおける仮想パワーの観測にもとづいて何らかの手段でユーザー制御システムを調整することによりユーザー制御システムからの仮想パワーの流出を制限し、ユーザー制御システムの安定性を保証する様機能する仮想パワーリミッタとし、これら仮想パワーモニタと仮想パワーリミッタとからなる仮想パワーリミッタシステムをユーザー制御システムに付加する構成とすれば、上述の受動性モニタを備えることにより制御対象の安定性を評価解析する機能を備えた制御システムを更に、制御系の安定性を保証する仮想パワーリミッタシステムとして一般化し、その適用範囲を拡張できることを見出した。この仮想パワーリミッタシステムの下では、上記受動性に着目した各制御システムの構成（後記第１実施形態参照）は、仮想パワーリミッタシステムを受動性の概念にもとづいて設計した場合の一例となる。
また本発明の仮想パワーリミッタシステムによれば、ロボットを用いて人間のパワーアシストを行なうパワーアシストシステムにおいても、人間の動特性が未知であるにもかかわらず、パワーアシストロボットから人間に流出するパワーを制限することが出来、人間に対する安全性を確保することが可能となる。
上記課題を解決可能な本発明の制御システムは、（１）ユーザー制御則によってユーザー制御対象が制御される既存のシステムにおいて、前記ユーザー制御対象からのフィードバック信号を受けて前記ユーザー制御対象へ操作量を入力するための内部制御則と、前記既存のシステムを内包する被モニタシステムの入出力から被モニタシステムの受動性を観測する受動性モニタとを備え（図１に例示）、制御対象の安定性を評価解析できるようにしたことを特徴とするものである。
（２）本発明の制御システムにおいて、ユーザー制御対象としてはロボットをはじめとした機械システムを挙げることが出来るが、これに限らず電気・電子、化学等の分野における各種システムに対しても本発明を適用することが可能である。
（３）又本発明の制御システムにおいて、被モニタシステムへの入力としては力又はトルク、被モニタシステムからの出力としては速度又は角速度を挙げることが出来るが、これに限らず、被モニタシステムへの入力は力やトルク以外の物理量、また被モニタシステムからの出力は速度や角速度以外の物理量であっても構わない。
他の物理量の例としては、気、水、油等の圧力と体積変化、電圧入力と電流出力、あるいは電流入力と電圧出力などがある。これらの入出力は、受動性が定義できる物理量の組（共役パワー対）であれば、任意に選ぶことが可能である。
（４）本発明の制御システムでは、ユーザー制御則からユーザー制御対象への操作量と、内部制御則からユーザー制御対象への操作量は、同じ物理的手段でユーザー制御対象に入力されても、異なる物理的手段で入力されても構わない（図２に例示）。異なる物理的手段の例としては、同一のロボット内の異なるモーター等を挙げることが出来る。
（５）さらに本発明の制御システムでは、ユーザー制御則からユーザー制御対象への操作量と、内部制御則からユーザー制御対象への操作量は同一の次元数を持つものであるが、これら二つの操作量の次元数は異なっていても構わない。
例えば、ユーザー制御対象が６つのモーターをもつロボットである場合に、ユーザー制御則からユーザー制御対象への操作量が６つすべてのモーターへの６次元ベクトルとして表現され、内部制御則からユーザー制御対象への操作量がそのうちの３つのモーターへの３次元ベクトルとして表現されるようなシステムであっても良い。
（６）本発明において内部制御則の条件の一つは、後述する通り受動的なシステムに対して安定性を保証し得ることであるが、必ずしもこの定義を満たさない制御則であっても、適切な制限（例えば、第１のソフトウェアリミッタ）を加えることにより内部制御則として用いることが可能である。
又本発明は、受動性モニタによる受動性の評価に応じて被モニタシステム内部において、（７）被モニタシステム出力から被モニタシステム入力への負帰還量を調整（第２のソフトウェアリミッタ，図３に例示）すること、（８）又はユーザー制御則からユーザー制御対象への操作量を調整（第３のソフトウェアリミッタ，図４に例示）することにより被モニタシステムの受動性喪失を防止するソフトウェアリミッタを備えることによって、被モニタシステムからの出力の安定性を保証するものである。
（９）さらに本発明は、受動性モニタによる受動性の評価に応じて被モニタシステム内部において内部制御則からユーザー制御対象への操作量を調整するソフトウェアリミッタを備える（第４のソフトウェアリミッタ，図５に例示）ことにより、被モニタシステムからの出力の安定性を保証し、かつユーザー制御対象の制御を継続するようにしたものである。
（１０）上記ソフトウェアリミッタによる調整則を適切に定めることにより、内部制御則の不安定性をどの程度許容するか、ユーザー制御対象の不安定性をどの程度許容するか、被モニタシステムの受動性をどの程度速やかに回復させるか、又はユーザー制御則を内部制御則でどの程度代替するかを、定量的かつ任意に定めることができる。
（１１）このほか、上記ソフトウェアリミッタによる調整を、被モニタシステム出力から被モニタシステム入力への負帰還量、ユーザー制御則又は内部制御則のゲインに適用することにより、負帰還量、ユーザー制御則又は内部制御則の少なくともいずれか一つのゲインチューニングを、被モニタシステムからの出力の安定性が保証されるように自動的に行なうことも可能である。
又本発明は、上述の受動性モニタを備えることにより制御対象の安定性を評価解析する機能を備えた制御システムを更に、制御系の安定性を保証する仮想パワーリミッタシステム、として一般化し、その適用範囲を拡張したことを特徴とするものである。
上記一般化された本発明の制御システムは、
（１２）ユーザー制御則によってユーザー制御対象が制御されるユーザー制御システムにおいて、前記ユーザー制御対象からのフィードバック信号を受けて前記ユーザー制御対象に操作量を入力し得る保守的な制御則と、前記保守的な制御則から前記ユーザー制御対象へ仮想的に伝達されるパワーを観測する仮想パワーモニタとを備え、制御対象の安定性を評価解析できるようにしたことを特徴とするものである。
又本発明は、仮想パワーモニタにおける仮想パワーの観測にもとづいてユーザー制御システム内部において、（１３）ユーザー制御システム出力からユーザー制御対象入力への負帰還量を調整すること、（１４）又はユーザー制御則からユーザー制御対象への操作量を調整することによりユーザー制御システムから仮想パワーモニタシステムへの仮想パワーの流出を制限する仮想パワーリミッタを備えることによって、ユーザー制御システムからの出力の安定性を保証することを特徴とするものである。
（１５）さらに本発明は、仮想パワーモニタにおける仮想パワーの観測にもとづいてユーザー制御システム内部において保守的な制御則からユーザー制御対象への操作量を調整する仮想パワーリミッタを付加することにより、ユーザー制御システムからの出力の安定性を保証し、かつユーザー制御対象の制御を継続するようにしたものである。
（１６）その他本発明によれば、上記仮想パワーリミッタによる調整を、ユーザー制御システム出力からユーザー制御対象入力への負帰還量、ユーザー制御則又は保守的な制御則のゲインに適用することにより、上記負帰還量、ユーザー制御則又は保守的な制御則の少なくともいずれか一つのゲインチューニングを、ユーザー制御システムからの出力の安定性が保証されるように自動的に行なうことも可能である。
次に、上記仮想パワーリミッタシステムは、ロボットを用いて人間のパワーアシストを行なうパワーアシストシステムに対しても適用可能である。このとき構成される本発明の制御システムは、（１７）オペレータによってユーザー制御対象が制御され、そのユーザー制御対象からのフィードバック信号を受けて前記オペレータから前記ユーザー制御対象への操作量の入力を補助するパワーアシスト制御則（＝上記ユーザー制御則に相当するもの）を持つパワーアシストシステム（＝上記ユーザー制御システムに相当するもの）に、前記オペレータから前記ユーザー制御対象へ伝達されるパワーを観測する仮想パワーモニタを備え、制御対象の安定性を評価解析できるようにしたことを特徴とするものである。
又本発明は、仮想パワーモニタにおける仮想パワーの観測にもとづいてパワーアシストシステム内部において、（１８）パワーアシストシステム出力から前記ユーザー制御対象入力への負帰還量を調整すること、（１９）又はパワーアシスト制御則からユーザー制御対象への操作量を調整することによりパワーアシストシステムから仮想パワーモニタシステムへの仮想パワーの流出を制限する仮想パワーリミッタを備えることによって、パワーアシストシステムからオペレータに流出するパワーを制限してパワーアシストシステムからの出力の安定性を保証し、オペレータに対する安全性を確保することを特徴とするものである。
（２０）その他本発明によれば、上記仮想パワーリミッタによる調整を、パワーアシストシステム出力からユーザー制御対象入力への負帰還量、又はパワーアシスト制御則に適用することにより、上記負帰還量又はパワーアシスト制御則の少なくともいずれか一つのゲインチューニングを、パワーアシストシステムからの出力の安定性が保証されるように自動的に行ない、オペレータに対する安全性を確保することも可能である。
尚以下では、本発明の説明に用いる用語につき定義をおくものとする。
はじめに「受動性」について定義する。ｔ＝０を初期時刻、ｔを現在時刻とし、あるシステムの入力ベクトルｕ（ｔ）と出力ベクトルｙ（ｔ）が同じ次元数であるとする（ともにスカラーであってもよい）。このとき、次式が成り立つならば、前記システムは受動性を満足する（あるいは、受動的である）という。ただし、式（１）において、γ_０ ^２はある有界な正定数であり、一般にはシステムの初期時刻ｔ＝０における内部エネルギーを表わす。

「共役パワー対」とは、あるシステムの入出力として受動性を定義し得る物理量の組である。共役パワー対の例としては、力と速度、トルクと角速度、或いは電圧と電流等がある。本発明においては、必ずしもシステムが実際には受動性を満足しなくとも、受動性を定義し得る物理量の組であれば共役パワー対と呼ぶこととする。
「ユーザー制御対象」とは、本発明のユーザーが定める物理的なシステムである。共役パワー対を少なくとも一組の入出力として持つものであれば、任意のシステムをユーザー制御対象とすることができる。ただし、ユーザー制御対象は必ずしも受動的でなくてもよい。
「ユーザー制御則」とは、本発明のユーザーがユーザー制御対象を制御するために任意に定める制御則である。ユーザー制御則とユーザー制御対象の間の入出力は、必ずしも共役パワー対でなくともよく、ユーザーが任意の物理量を選択すればよい。
「既存のシステム」とは、ユーザー制御則がユーザー制御対象に操作量を入力することによって、ユーザー制御対象が制御されるシステムである。既存のシステム内部には、任意の未知の外乱が入力され得る。
尚、この「既存のシステム」には、以下説明する内部制御則、受動性モニタ或いはソフトウェアリミッタの各重み等の構成要素は含まれないものとする。
「モニタシステム」とは、内部制御則からユーザー制御対象への操作量を出力とし、ユーザー制御対象から内部制御則へのフィードバックを入力とするシステムである。モニタシステムは任意の既存のシステムに対して完全に外付けで構成することが可能である。
以下、本発明を説明するにあたっては、モニタシステムは内部制御則のほか、受動性モニタをも内包するものとする。
「被モニタシステム」とは、内部制御則からユーザー制御対象への操作量を入力とし、ユーザー制御対象から内部制御則へのフィードバックを出力とするシステムである。被モニタシステムは、モニタシステムに含まれない全ての部分（既存のシステム、外乱等）であり、受動性モニタによる受動性の観測対象となる。
「内部制御則」とは、ユーザー制御対象からの出力をフィードバックし、ユーザー制御対象に操作量を入力することにより、ユーザー制御対象が上記入力と上記出力について受動的であるならば、上記出力の安定性を保証し得る制御則である。したがって、内部制御則とユーザー制御対象の間の入出力は、共役パワー対である必要がある。内部制御則とユーザー制御対象の間の入出力と、ユーザー制御則とユーザー制御対象の間の入出力は、同じ物理量を選択してもよいし、全く無関係に選択してもよい。
「受動性モニタ」とは、モニタシステムと被モニタシステムの間の入出力から、内部制御則からの操作量入力に対する被モニタシステムの受動性を観測する手段である。
「ソフトウェアリミッタ」とは、制御システムの少なくともいずれか一部分に何らかの制限を加えることにより、制御性能を出来るだけ高く保ちつつユーザー制御対象の出力の安定性を保証することに寄与するシステム構成要素である。以下に説明する本発明の一実施形態においてソフトウェアリミッタは第１〜第４のソフトウェアリミッタからなる。
又以下に、一般化した本発明の説明に用いる用語につき定義をおく。
「ユーザー制御システム」とは、保守的な制御則からユーザー制御対象への操作量を入力とし、ユーザー制御対象から保守的な制御則へのフィードバックを出力とするシステムである。ユーザー制御システムは、仮想パワーモニタシステムによる観測対象となる。
この「ユーザー制御システム」は、先の「被モニタシステム」と同義であり、既存のシステムに加え、仮想パワーリミッタの重みその他を包含し得る概念である。ユーザー制御システム内部には、任意の未知の外乱が入力され得る。
「保守的な制御則」とは、何らかの条件（例えば受動性）を満たす任意の制御対象に対して安定性を保証し得る制御則である。さらに、保守的な制御則はユーザー制御対象からの出力をフィードバックし、ユーザー制御対象に操作量を入力し得る（仮想接続）ものである。例えば受動性にもとづいて仮想パワーリミッタシステムを設計した場合、保守的な制御則とユーザー制御対象の間の入出力は共役パワー対となるような物理量の組である。保守的な制御則は、ユーザー制御則とは別個に備えられるものであって、上記「内部制御則」に相当するものである。
尚、本発明で、「仮想的な（に）接続」とは、例えば仮想パワーモニタシステムから見ると図８に示す様に保守的な制御則１０４からの操作量ｕ_ｃｓｖはユーザー制御システム２に確かに接続されているように見えるのであるが、ユーザー制御システム２内部（図８の破線で囲んだ内部）では実は重みＷ_ｃｓｖがかかっており、しかもそれは普段はゼロである（接続されていない）ことをとらえて、「仮想的」な接続であることをいっている。
また、不安定な状況が生じ、かつユーザー制御則の制御機能を保守的な制御則が代替する必要が生じた場合のみ、この操作量ｕ_ｃｓｖは実際にユーザー制御対象に接続される。しかし、たとえ接続されても、重みＷ_ｃｓｖ＝１にならない限り、仮想パワーモニタ１１０で観測されるパワーＰ_ｖと実際にユーザー制御対象３に流入するパワーの量は異なる。そう言う意味でも、「仮想」という表現をしている。
従って、上記「仮想接続」とは、必ずしも実際に操作量ｕ_ｃｓｖが入力されるかは不明であるが、少なくとも、実際に入力され得る状態に置かれていることを言っている。
「仮想パワー」とは、保守的な制御則からユーザー制御対象へ仮想的に伝達されるパワーをいう。
「仮想パワーモニタ」とは、仮想パワーモニタシステムとユーザー制御システムの間の入出力から、保守的な制御則からユーザー制御対象へ伝達されるパワー（仮想パワー）を観測し、ユーザー制御システムの安定性を評価解析する手段であって、上記「受動性モニタ」に相当するものである。
「仮想パワーリミッタ」とは、仮想パワーモニタにおける仮想パワーの観測にもとづいて何らかの手段でユーザー制御システムを調整することにより、ユーザー制御システムからの仮想パワーの流出を制限し、ユーザー制御システムからの出力の安定性を保証するシステム構成要素をいい、上記「ソフトウェアリミッタ」に相当するものである。
また、次に示す仮想パワーモニタシステムとこの仮想パワーリミッタの総称を仮想パワーリミッタシステムという。
「仮想パワーモニタシステム」とは、保守的な制御則からユーザー制御対象への操作量を出力とし、ユーザー制御対象から保守的な制御則へのフィードバックを入力とするシステムであって、上記「モニタシステム」に相当するものである。仮想パワーモニタシステムは任意のユーザー制御システムに対して完全に外付けで構成することが可能である。
以下、本発明を説明するにあたっては、仮想パワーモニタシステムは保守的な制御則のほか、仮想パワーモニタをも内包するものとする。
以上のように本発明は、任意のユーザー制御システムに対して完全に外付けで構成でき、任意のユーザー制御システムからの出力の安定性を仮想パワーモニタにおける仮想パワーの観測に基づいて定量的に評価し、さらにユーザー制御システムの出力の安定性を保証するシステム構成を提供するものである。本発明によれば、安定性を保てる範囲で、ユーザー制御システムの性能を出来るだけ引き出す、或いはその性能を出来るだけ高く保つことが可能となる。
上記した本発明の仮想パワーモニタシステムの概念図は図８のようになる。ユーザー制御システム２’全体を一つの観測対象として、そこから入出力を引き出し、ユーザー制御則５とは別個に設計した保守的な制御則１０４を仮想的に接続している。この接続を通る仮想的なパワーを観測することで、外界からのあらゆる影響を含むユーザー制御システム２’全体を評価し、ユーザー制御システム２’からの出力の安定性を保証することが可能である。又本発明の仮想パワーリミッタシステムについては、ユーザー制御対象の受動性を前提としないため、先に挙げた逆極性のアクチュエータや外乱などが存在しても安定性を保証し得る。
更に、本発明の様に複数の制御則を持つ利点は他にもある。ユーザー制御則５は、制御性能のみを追求したアグレッシブな制御則とすることができる。すなわち、制御性能が向上するのであれば、必ずしも受動的でない制御則でも許容される。接続が仮想的であれば保守的な制御則は制御に関与しないため、保守的な制御則の設計には制御性能は考慮する必要はない。
一方、既存のシステムでは、ユーザー制御則自体の受動性を確保しようとするため、本質的に、より保守的な制御性能しか実現できないことになる。
このように、本発明は有用性が高く、広く応用が可能でかつ実装も容易である。特に、本発明は高度な制御、あるいは高度なゲイン調整を必要とするにも関わらず確実に安定性を保証する必要があるようなユーザー制御システムに対して非常に有用である。
以下、本発明につきより詳細に説明する。

図１は、本発明の制御システムの一例を示す図である。
図２は、本発明の制御システムの別の例を示す図である。
図３は、本発明の制御システムの別の例を示す図である。
図４は、本発明の制御システムの別の例を示す図である。
図５は、本発明の制御システムの別の例を示す図である。
図６は、本発明の制御システムの被モニタシステムを示す図である。
図７は、本発明の制御システムのモニタシステムを示す図である。
図８は、本発明の仮想パワーモニタシステムの概念図である 図９は、ユーザー制御システムに本発明の仮想パワーリミッタシステムを付加した一例を示す図である。
図１０は、パワーアシストシステムに本発明の仮想パワーリミッタシステムを付加した一例を示す図である。
図１１は、本発明の一実施例を示す図である。
図１２は、本発明の別の実施例を示す図である。
図１３は、本発明の別の実施例を示す図である。
図１４は、本発明の別の実施例を示す図である。
図１５は、本発明の別の実施例を示す図である。
図１６は、本発明の仮想パワーリミッタシステムをパワーアシストシステムに適用した一実施例を示す図である。
図１７は、従来例の制御システムの一例を示す図である。

１．第１実施形態
以下では、本発明を実施する対象の代表例たるロボット制御システムにおける、本発明の一実施形態とその作用を、図１〜図７に基づき説明する。本発明に係る制御システム１は、既存のシステムｅｘに受動性モニタとソフトウェアリミッタを付加したことをその主たる特徴とするものである。▲１▼まず受動性モニタによって制御システムの安定性を定量的に評価し得る理由を述べ、▲２▼次にソフトウェアリミッタによって被モニタシステムの出力の安定性を保証し得る理由を述べる。
尚、図１〜図５は、本発明の受動性モニタ１０及びソフトウェアリミッタ（２１ａ，ｂ〜２４ａ，ｂ）の個々の構成について示すものであり、また図６及び図７に現わされた各構成要素が一体となって本発明の制御システム１が構築される。図１は既存のシステムｅｘに内部制御則４及び本発明の受動性モニタ１０からなるモニタシステム１１が付与された制御システム１を、図２は図１の制御システムにおいて、ユーザー制御対象３に入力される２つの操作量が異なる物理的手段で入力される場合を、図３は図１の制御システムに本発明の第２のソフトウェアリミッタ（２２ａ，ｂ）を適用したものを、図４は図１の制御システムに本発明の第３のソフトウェアリミッタ（２３ａ，ｂ）を適用したものを、図５は図１の制御システムに本発明の第３のソフトウェアリミッタ（２３ａ，ｂ）及び第４のソフトウェアリミッタ（２４ａ，ｂ）を適用したものを表している。図６及び図７は、既存のシステムｅｘに内部制御則４、受動性モニタ１０及び第１〜第４のソフトウェアリミッタ（２１ａ，ｂ〜２４ａ，ｂ）を備えた本発明の制御システム１全体の構成を示す図である。第１のソフトウェアリミッタ（２１ａ，ｂ）は、図７に示す通り内部制御則４内に備えられる。第１のソフトウェアリミッタは、重み調整則２１ａ及び重み２１ｂ（Ｗ_ｄ）からなる。重みＷ_ｄは調整則２１ａに接続され、これにより制御される。重み調整則２１ａには、目標値入力ｙ_ｄ及びユーザー制御対象３の出力ｙが入力される。重みＷ_ｄには、ユーザー制御対象３の出力ｙが接続される。又重みＷ_ｄからの出力は、ＰＩ制御則等の制御則６からの出力と共に、内部制御則４からの出力として受動性モニタ１０及び図６の被モニタシステム２に入力される。内部制御則４に内蔵される第１のソフトウェアリミッタは図１〜図５に示す制御システム１にも適用され得るものであり、以下の説明では図１〜図５の内部制御則４には第１のソフトウェアリミッタ（２１ａ，ｂ）は内蔵されていると考える。
［受動性モニタ］
はじめに、本発明の受動性モニタにつき、図１に基づき説明する。図１に示す制御システム１は、任意のユーザー制御則５によってユーザー制御対象３が制御される既存のシステムｅｘを内包する被モニタシステム２に、ユーザー制御対象３へ操作量を入力し得る内部制御則４と、被モニタシステム２の入出力から被モニタシステムの受動性を観測する手段たる受動性モニタ１０とからなるモニタシステム１１を備えたものである。ユーザー制御則５へは、外部よりユーザーが目標値ｙ_ｄを実現するために定める入力Ｓ、またユーザー制御対象３からの任意のフィードバックが入力され得る。ユーザー制御則５からの出力（操作量）ｕ_ｕｓｒは、内部制御則４からの操作量ｕ_ｉｎｔと共にユーザー制御対象３へ入力される。ユーザー制御対象３からの出力ｙは、受動性モニタ１０及び内部制御則４に入力される。このほか、内部制御則４には、目標値入力ｙ_ｄが入力され得る。内部制御則４からの操作量ｕ_ｉｎｔは、受動性モニタ１０の他、重みＷ_ｉｎｔを介してユーザー制御対象３へと入力される。受動性をモニタするだけの場合、図中の重み２４ｂ（Ｗ_ｉｎｔ）は定数として良い。尚、Ｗ_ｉｎｔ＝０とすることで、外付けしたモニタシステム１１が既存のシステムｅｘに対して何ら影響を及ぼさないようにできる。
また、図中のユーザー制御則５からユーザー制御対象３への操作量と、内部制御則４からユーザー制御対象３への操作量は、同じ物理的手段でユーザー制御対象に入力されても、異なる物理的手段で入力されてもよく、異なる物理的手段で入力される場合の様子を図２に示す。後に説明する図３〜５、図１４も同様である。
図１のユーザー制御対象３として、ｎ自由度（回転モーターをｎ個持つ）ロボットを考える。このロボットの関節駆動トルクをｕ（ｔ）とし、関節変位をｑ（ｔ）とする。このロボットを目標軌道ｑ_ｄ（ｔ）に制御することを考える。ただし、ｕ（ｔ）、ｑ（ｔ）、ｑ_ｄ（ｔ）はそれぞれｎ次元ベクトルである。このとき、ユーザー制御対象３への入力は関節駆動トルクｕ（ｔ）であり、ユーザー制御対象３からの出力ｙ（ｔ）は以下に示すように関節角速度で表わされる。ｙ_ｄ（ｔ）は、関節角速度の目標軌道である。また、本発明の制御システムにおいて、時間ｔ以外の全ての値は有界であるとする。

上記ユーザー制御対象３について適当なユーザー制御則５を定めて既存のシステムｅｘを構成した上で本発明を適用すると、図１〜図５又は、図６及び図７のようなシステムとなる。本システムにおいて、内部制御則４は以下のように定義される。

これは、ｙについてのＰＩ制御則となっている。ただし、ｑについて考えると、以下の式（４）のようなＰＤ制御則とみなすことができる。

以下では、表記の簡略化のため、式（５）で内部制御則４を表現する。尚、ｕ_{ｉｎ ｔ}は内部制御則４からの操作量を示すｎ次元ベクトルである。Ｋ_ｐは、ｑに対する比例ゲインを表わすｎ行ｎ列の対角行列、Ｋ_ｄは、ｑに対する微分ゲインを表わすｎ行ｎ列の対角行列、Ｗ_ｄは、内部制御則４に内蔵された本発明の第１のソフトウェアリミッタ（２１ａ，ｂ）の調整係数２１ｂ（重み）を表わすｎ行ｎ列の対角行列である。ソフトウェアリミッタについては後程説明する。
本発明の提供する受動性モニタは、対象となる被モニタシステム２全体の蓄積エネルギーＥを観測することにより、任意のユーザー制御則５、外乱等の任意の環境を含む制御システムの安定性の評価指標を与えるものである。本発明者らは、制御システムの安定性を評価するために「受動的なシステムはＰＤ制御によって漸近安定となる」という特徴より端を発し、これより、被モニタシステム２の受動性が満足されれば、そのシステムの出力ｙが漸近安定だと言えることを見出した。そのため被モニタシステム２の受動性をモニタすることで、システムの安定性の評価指標とすることができる。
ここで、本発明に係る受動性モニタ１０は、以下のように表現される。

尚、Ｅは、被モニタシステム２内部の蓄積エネルギーを表わす。受動性の定義の式（１）から、以下の式が成り立てば、被モニタシステムが受動的であるといえる。Ｅ_０は、ユーザーが適当に定める被モニタシステム初期内部エネルギーである。

以下、本発明の受動性モニタ１０において、式（７）でＥを評価することの物理的な意味を考える。式（５）、（６）から、

ただし、目標値からの誤差として、以下のようにｑ_ｅとｙ_ｅを定義した。

ここで便宜上、内部制御則４のｑに関するＰＤ制御をバネダンパとみなすと、Ｐ制御のバネのポテンシャルエネルギーは、次式のようになる。

式（８）（１０）より、被モニタシステム２の受動性を表わす式（７）は、次式と等価であることが分かる。ただし、Ｅ_ｐ０＝Ｅ_ｐ（０）である。

ここで、適当に定めた定数Ｅ_ｐｍａｘに対して、上述した重みＷ_ｄの調整則２１ａを下記（１２）式に定めるように考える。このように考えることで、たとえ被モニタシステム２に対して適用される内部制御則４が時変の場合であって、過大な目標値入力ｙ_ｄが何らかの機会に内部制御則４に入力された場合であっても、第１のソフトウェアリミッタが働き、重みＷ_ｄを増加させ、時不変の場合と同様に被モニタシステム２の出力ｙの安定性を保証出来る。

時間ｔ以外の全ての変数が有界であることから、時間の経過によって、上記の不等式を常に満たすようなＷ_ｄは決定可能である。このとき、式（１１）、（１２）から、次式が得られる。

式（１３）の左辺第一項は、時刻ｔにおいてＰ制御のバネに蓄積されているポテンシャルエネルギー、第二項は、Ｄ制御のダンパで散逸したエネルギーの総量である。この不等式が成り立つ場合、ダンパで散逸したエネルギーは必ず正で単調増加し、またその上限が右辺の定数Ｅ_ｐｍａｘで抑えられているため、左辺第一項のポテンシャルエネルギーは、漸近的に減少することがわかる。すなわち、被モニタシステム２を受動性モニタ１０で観測し、その受動性が満足されるならば、式（１３）の不等式も等価に成り立つため、関節変位ｑの漸近安定性が示されることとなる。
従って、受動性モニタ１０でＥを計算し、被モニタシステム２が受動的であると評価されれば、被モニタシステム２の出力ｙの漸近安定性も保証されることが分かる。
一方、被モニタシステム２が受動的でなければ、被モニタシステム２の出力ｙの安定性は必ずしも保証されず、受動性モニタ１０からの出力Ｅが小さくなればなるほど、被モニタシステム２はエネルギーを発生し、不安定になっていくと評価される。
また、上記安定又は不安定の判定の閾値となる式（７）のＥ_０は、ユーザーが任意に設定できる値であり、被モニタシステム２の初期内部エネルギーという物理的な意味が明確な量であるため、定量的な評価が可能である。同様に、式（１２）で表される重み調整則の定数Ｅ_ｐｍａｘも、ＰＤ制御のバネダンパが持つエネルギーの上限という、物理的な意味が明確な定量的評価が可能である。
［ソフトウェアリミッタによる安定性の保証］
次に、ソフトウェアリミッタによる被モニタシステムの出力の安定性の保証について説明する。図１の制御システムに本発明の第１〜第４のソフトウェアリミッタ（２１ａ，ｂ〜２４ａ，ｂ）を適用した制御システム全体を、図６及び図７に分けて示す。また、第１のソフトウェアリミッタのほか、第２のソフトウェアリミッタ（２２ａ，ｂ）を適用したものを図３、第３のソフトウェアリミッタ（２３ａ，ｂ）を適用したものを図４、さらに第３及び第４のソフトウェアリミッタ（２３ａ，ｂ、２４ａ，ｂ）を適用したものを図５に示す。
各ソフトウェアリミッタの接続について、図６及び図７に基づき説明する。第１のソフトウェアリミッタは図７に示され、その接続は上で説明した通りである。第２〜第４のソフトウェアリミッタにつき説明する。これらも、重み調整則（２２ａ〜２４ａ）及びそれにより決定、制御される重みＷ_ｖ，Ｗ_ｕｓｒ，Ｗ_ｉｎｔ（２２ｂ〜２４ｂ）からなる。各重み調整則（２２ａ〜２４ａ）には、受動性モニタ１０の出力Ｅが入力される。重みＷ_ｖ，Ｗ_ｕｓｒ，Ｗ_ｉｎｔにはそれぞれ、ユーザー制御対象３からの出力ｙ、ユーザー制御則５からの操作量ｕ_ｕｓｒ、そして内部制御則４からの操作量ｕ_ｉｎｔ入力される。重みＷ_ｖ，Ｗ_ｕｓｒ，Ｗ_ｉｎｔからの出力は、ユーザー制御対象３に入力される。ここで、重みＷ_ｕｓｒからユーザー制御対象３への入力と重みＷ_ｉｎｔからユーザー制御対象３への入力とは、図６の様に同じ物理的手段で入力されるか、或いは図３〜図５で表す様に異なる物理的手段で入力される。
図６及び図７の制御システム１において、ユーザー制御対象３への入力ｕは、以下のようになる。

ここで、Ｕ_ｕｓｒはユーザー制御則５からの操作量を示すｎ次元ベクトル、ｙは被モニタシステム２からの出力を示すｎ次元ベクトル、Ｕ_ｄｉｓは、外乱からの入力トルクを示すｎ次元ベクトルである。Ｗ_ｖは本発明の第２のソフトウェアリミッタ（２２ａ，ｂ）の調整係数２２ｂ（重み）である。Ｗ_ｕｓｒは本発明の第３のソフトウエアリミッタ（２３ａ，ｂ）の調整係数２３ｂ（重み）である。Ｗ_ｉｎｔは本発明の第４のソフトウェアリミッタ（２４ａ，ｂ）の調整係数２４ｂ（重み）を表わす。上記Ｗ_ｖ、Ｗ_ｕｓｒ及びＷ_ｉｎｔは、ｎ行ｎ列の対角行列からなる。
また、重みＷ_ｉｎｔの調整則を次式のようにする。

ただし、Ｉはｎ行ｎ列の単位行列である。このとき、式（６）、（７）、（１４）及び（１５）から、次式が得られる。

この式は式（７）と等価であるため、この式が成り立てば、被モニタシステム２の受動性が満足される。今、ユーザー制御対象３がロボットであり、ロボットに対しては入出力間に受動性が成り立つため、右辺第二項には式（１）のような下限が定まっている。従って、もし式（１６）が満たされないような状況が生じた場合でも、重みＷ_ｕｓｒの調整則として、Ｗ_ｕｓｒが漸次０に近付いて行くものを選び、さらに重みＷ_ｖの調整則として、Ｗ_ｖが漸増して行くものを選べば、時間ｔを除く全ての値が有界であることから、時間の経過によって式（１６）を成立させる重みＷ_ｕｓｒとＷ_ｖが必ず存在する。このＷ_ｕｓｒとＷ_ｖをリミッタの重みとすれば式（１６）が成り立ち、それはすなわち被モニタシステム２が受動的であることと等価である。被モニタシステム２が受動的である場合、内部制御則４によって被モニタシステム２の出力ｙの漸近安定性が保証されるのは前述の通りである。従って、ソフトウェアリミッタによって、出力ｙの漸近安定性が保証されることが示された。
尚、ロボットのような入出力間に受動性が成り立つユーザー制御対象でないと被モニタシステムの受動性が示せない、という訳ではなく、もし受動性を満足しないユーザー制御対象であっても、Ｗ_ｕｓｒとＷ_ｖを調整して式（１６）を満足することが可能であれば、問題なく被モニタシステムの受動性が成り立つ。
ソフトウェアリミッタの重み調整則（２１ａ〜２４ａ）によって上記のように調整されたＷ_ｄ、Ｗ_ｖ、Ｗ_ｕｓｒ、Ｗ_ｉｎｔ（２１ｂ〜２４ｂ）をゲインとして含めた形で、内部制御則４、ユーザー制御則５を更新することにより、重み調整則（２１ａ〜２４ａ）を、漸近安定性を常に確保し得る自動ゲイン調節機構として使用し得る。これによって、試行錯誤することなく、また不安定となることなく、適切なゲインチューニングが可能となる。
２．第２実施形態
次に、上記した受動性モニタとソフトウェアリミッタからなるシステムを一般化して新たに規定した、制御系の安定性を保証する仮想パワーリミッタシステムにつき説明する。
まずはじめに本発明の仮想パワーリミッタシステムの構成要素の一つである仮想パワーモニタ（第１実施形態の受動性モニタ１０に相当）につき説明する。
図８に、仮想パワーモニタ１１０を付加したユーザー制御システム２’を示す。ユーザー制御則５とは別個に設計した保守的な制御則１０４からの制御入力をｕ_ｃｓｖ（ｔ）とする。保守的な制御則１０４からの制御入力ｕ_ｃｓｖは必ずしも実際にユーザー制御対象３に入力される必要はなく、その接続は仮想的なものである。
ここで、仮想パワーモニタ１１０における観測量を次式のように定義する。

このＰ_ｖは、保守的な制御則１０４からユーザー制御対象３へ仮想的に伝達されるパワーである。ただし、ここで言うパワーは、必ずしも［Ｗ］で表わされる物理量とは限らない。仮想パワーモニタの観測結果Ｐ_ｖから、ユーザー制御システム２’の安定性を評価することが可能である。
又本発明の仮想パワーリミッタシステムを構成するもう一つの重要な要素である仮想パワーリミッタ（第１実施形態のソフトウェアリミッタに相当）につき説明する。
図９に仮想パワーリミッタシステム１００の概念図を示す。仮想パワーリミッタ１０２は、観測量Ｐ_ｖにもとづいてユーザー制御システム２’を調整することで、ユーザー制御システム２’の安定性を保証するものである。本実施形態では、仮想パワーリミッタ１０２は各重み１２２ｂ，１２３ｂ，１２４ｂ（Ｗ_ｖ，Ｗ_{ｕ ｓｒ}，Ｗ_ｃｓｖ）と重みの調整則（図中のユーザー制御システム調整則に相当）１２０から構成される。
次に、本発明の一実施形態として受動性の概念にもとづいて仮想パワーリミッタシステム１００を設計し、ユーザー制御システム２’の安定性を保証できることを示す。尚受動性の定義は式（１）の通りである。
まず、ユーザー制御システム２’の安定性を評価するために、観測量Ｐ_ｖから計算される以下の量を考える。

このＥ_ｖは、保守的な制御則１０４からユーザー制御システム２’側へ仮想的に伝達されるエネルギーである。
またユーザー制御システム２’の安定性の評価基準として次式を導入する。但しＥ_ｖ０は予め定める任意の定数である。

ここで、上の式（１９）が成立しない状況は、物理的にはユーザー制御システム２’がエネルギーを発生し、パワーが過大に流出していることを意味する。このとき、ユーザー制御システム２’について、イ） 内部の散逸エネルギー増加、ロ） 内部の発生エネルギー減少のいずれかの戦略によって、式（１９）を成立させる方向にユーザー制御システム２’を調整することができる。
第一の戦略を実現するには、ユーザー制御システム２’内部に調整可能なエネルギー散逸要素を付加し、散逸エネルギーを増加させることが考えられる。第二の戦略を実現するには、エネルギー発生要素となっている可能性の高いユーザー制御則５を、より保守的な制御則にすることで、発生エネルギーを減少させることが考えられる。
仮想パワーリミッタは、観測量Ｐ_ｖに応じて上述の戦略を適用し、ユーザー制御システム２’からのパワーの流出を制限する。保守的な制御則１０４からの制御入力（操作量ｕ_ｃｓｖ）との接続が仮想的であるか否かに関わらず、式（１９）が常に成立するようにユーザー制御システム２’を調整することができれば、全体系はロバストな制御系となり、安定性が保証される。
［ｉ） ユーザー制御システムたるロボット制御システムに本発明を適用する場合］
次に、ロボット制御システムに本発明の仮想パワーリミッタシステム１００を適用した例につき説明する。先の図９はその構成例を示すブロック図である。ここでユーザー制御則５の詳細や、ユーザー制御対象３としてのロボットハードウェアの動特性は未知であるものとする。但しロボットの各関節速度ｙ（ｔ）はセンサによって測定可能であり、対応する各関節アクチェエータへのユーザー制御則からの制御入力ｕ_ｕｓｒ（ｔ）は調整可能であるものとする。又ここでｙとｕ_ｃｓｖは共役パワー対をなしている。
ロボットハードウェアに実際に加わる駆動力ｕは、

となる。ｕ_ｄｉｓ（ｔ）は外乱などの未知の入力である。ｕ_ｖ（ｔ）＝−Ｋ_ｖｙ（ｔ）はユーザー制御対象に接続される負の出力フィードバックであり、Ｋ_ｖはそのゲインの正の対角行列である。
ところで、上式（２０）は、先の式（１４）に対応するものであるところ、両者を比較すると重みＷ_ｖに関する表記が相違している。これは、先の式（１４）にかかる表示では、重みＷ_ｖには前記のゲインの行列Ｋ_ｖの要素が既に内包されている一方、上式（２０）の表示では、重みＷ_ｖには前記のゲインの行列Ｋ_ｖの要素は内包されておらず、上でｕ_ｖ（ｔ）＝−Ｋ_ｖｙ（ｔ）と示した通り、Ｋ_ｖの要素は重みＷ_ｖとは別にされていることによるものである。
したがって、本発明の第１実施形態を表示する図３及び図６では、ユーザー制御対象の入出力間に接続される負の出力フィードバックの箇所においては重みＷ_ｖのブロック２２ｂのみが表示されている一方、本発明の第２実施形態を表示する図９〜１６では、ユーザー制御対象の入出力間に接続される負の出力フィードバックの箇所においては重みＷ_ｖのブロック１２２ｂの他に負の出力フィードバックのゲイン−Ｋ_ｖのブロック１２２ｃが表示されている。
なお、Ｗ_ｕｓｒ（Ｐ_ｖ）、Ｗ_ｃｓｖ（Ｐ_ｖ）、Ｗ_ｖ（Ｐ_ｖ）は、仮想パワーリミッタを構成する可変重みを表わす正の対角行列である。Ｗ_ｕｓｒ、Ｗ_ｃｓｖの対角要素は０以上１以下であり、Ｗ_ｃｓｖ＝Ｉ−Ｗ_ｕｓｒとしておく。Ｉは単位行列である。
保守的な制御則１０４としては、例えば次の各軸ＰＤ制御を選択する。

Ｋ_ｐ、Ｋ_ｄは正の対角行列である。ｑ_ｄは各関節変位の目標値指令であり、ユーザー制御則への目標値指令と原則として一致させておく。
このとき、式（２０）から、安定性の評価基準（１９）は次式と等価となる。

上式から、Ｐ_ｖの観測で式（１９）を逸脱しそうな状況を検知した場合、Ｗ_ｕｓｒを０に近づけ、Ｗ_ｖを大きくすることによって、式（１９）を成立させるようにユーザー制御システム２’を調整可能なことが分かる。
未知の外乱の影響ｙ^Ｔｕ_ｄｉｓやロボットハードウェアの未知の動特性の影響ｙ^Ｔｕを抑え込んで、式（１９）を常に成立させることができれば、各軸ＰＤ制御則（２１）から全体系の出力消散性が示され、未知のロボット制御システムの安定性が保証される。
［ｉｉ） パワーアシストシステムに本発明を適用する場合］
又更に、上記と同様のロボットを用いて人間のパワーアシストを行なうパワーアシストシステム（＝上述のユーザー制御システム２’に相当するもの）に本発明の仮想パワーリミッタシステムを適用した例につき説明する。従来知られたパワーアシストシステムでは一般に、人間という未知の動特性をフィードバックループ内に含むために、安定性を保証することは難しいとされているところ、本発明を適用すれば人間の動特性が未知であるにもかかわらず、パワーアシストシステムから人間に流出するパワーを制限することが出来、仮想パワーリミッタによって人間に対する安全性を確保することが可能になる。
図１０はパワーアシストシステム１５０に本発明の仮想パワーリミッタシステム１００を適用した一例を示すブロック図である。
パワーアシストシステム１５０に本発明を適用する場合、保守的な制御則１０４には次に示す人間の操作力を適用する。

これはパワーアシストロボット１０３（＝上述のユーザー制御対象３に相当するもの）に人間が直接加える操作力である。パワーアシストシステム１５０では、人間（オペレータＨ）とパワーアシストロボット１０３は力学的に直接接続されているので仮想的な接続とすることはできず、仮想パワーリミッタの重みＷ_ｃｓｖ＝Ｉとなる。本実施形態に於いては、ユーザー制御則（図１０の１１１に相当する， 以下、パワーアシストシステム１５０に本発明を適用する場合においては、パワーアシスト制御則と称することとする）には以下に示す様に最も簡単なパワーアシスト制御則が用いられていることとする。他のもっと高度なパワーアシスト制御則でも良い。

尚Ｋ_ｕｓｒはパワーアシストゲインを表わす正の対角行列である。これらを式（２０）に代入すると、パワーアシストロボット１０３に加わる駆動力は次式のようになる。

上式（２５）から、安定性の評価基準（１９）は次式と等価となる。

従ってパワーアシストシステムの場合も、仮想パワーリミッタの重みＷ_ｕｓｒを０に近づけ、Ｗ_ｖを大きくすることによって、式（１９）を成立させるように調整可能なことが分かる。これは、仮想パワーリミッタシステム１００によって、パワーアシストが不安定にならないような自動ゲインチューニングを実現していることに相当する。
このように本実施形態によれば、人間の動特性が未知であるにもかかわらず、パワーアシストシステム１５０から人間（オペレータＨ）に流出するパワーを制限することが出来、仮想パワーリミッタによって人間に対する安全性を確保することが可能になる。
尚、上記した第２実施形態のｉ）及びｉｉ）の各例において、必ずしもロボットハードウェア（３，１０３）の受動性を仮定しなくても、受動性の概念にもとづいて仮想パワーリミッタシステム１００を設計した場合において、可変重み１２２ｂ，１２３ｂ，１２４ｂ（Ｗ_ｖ，Ｗ_ｕｓｒ，Ｗ_ｃｓｖ、尚パワーアシストシステム１５０の場合，Ｗ_ｃｓｖ＝Ｉ）の調整によって式（２２）や式（２６）さえ満足すれば、受動的でないユーザー制御対象に対しても安定性を保証することが可能となる。
尚、各重みの調整則は、図９に示す通りユーザー制御システムに本発明の仮想パワーリミッタシステム１００を適用する場合にはユーザー制御システム調整則１２０と、図１０に示す通りパワーアシストシステムに本発明の仮想パワーリミッタシステム１００を適用する場合にはパワーアシストシステム調整則１２０’というものとする。

種々のユーザー制御システムに仮想パワーリミッタシステムを適用した場合
以下、添付図面を参照しながら、本発明の一実施例について説明する。
尚、以下の各例の説明においては、先に示した図１〜図１０と同一のものには同一符号等を付して説明するものとする。
［第１例］
基本適用例
図１１は、本発明の仮想パワーリミッタシステムを適用したモーター制御システムの一例を示すブロック図、図１２は、本発明の仮想パワーリミッタシステムを適用した空気圧シリンダシステムの一例を示すブロック図である。
図１１に示すモーター制御システム４０は、ユーザー制御対象３となるモーターＭ及びモータードライバＭＤと、ユーザーへの開放部分であり、ユーザー制御則５をモーターＭへ入力するためのコントローラＣと、本発明の仮想パワーリミッタシステム１００とからなっている。尚モータードライバＭＤには適宜市販のものを使用し得る。
仮想パワーリミッタシステム１００は、仮想パワーモニタシステム１０１と仮想パワーリミッタ１０２とからなっており、アナログ若しくはデジタル電子回路からなるハードウェアの形で、若しくはマイクロコンピュータ等の演算装置に格納されたプログラムからなるソフトウェアの形で、又はこれらを組み合わせた形で構成されている。
仮想パワーリミッタシステム１００のシステム構成その他詳細については、先に第２実施形態ｉ）として図８及び図９に基づき説明した通りである。コントローラＣにおけるユーザー制御則５には、ユーザーからの任意の入力Ｓや、モーターＭの出力からの任意のフィードバックが入力される。又仮想パワーリミッタシステム１００には、ユーザー制御則５からのユーザートルク指令ｕ_ｕｓｒ、保守的な制御則１０４への入力ｙ_ｄ及びモーターＭの出力情報ｙが入力される。仮想パワーリミッタシステム１００からは、ユーザー制御対象３へトルク指令ｕが与えられる。本例ではモーターＭの出力情報ｙはモーターの角速度であり、公知のエンコーダ又はタコメータ等を用いた角速度センサ１０８により仮想パワーモニタシステム１０１と仮想パワーリミッタ１０２にその情報がフィードバックされる。又本例では、保守的な制御則１０４への入力ｙ_ｄは目標角速度とされる。
仮想パワーリミッタ１０２は、ユーザー制御システム調整則１２０と、それによって調整される重み１２２ｂ〜１２４ｂ（Ｗ_ｖ、Ｗ_ｕｓｒ及びＷ_ｃｓｖ）とからなっている。又ユーザー制御システム調整則１２０は仮想パワーモニタ１１０の出力Ｐ_ｖと繋がっている。重み１２２ｂ〜１２４ｂ（Ｗ_ｖ、Ｗ_ｕｓｒ及びＷ_ｃｓｖ）にはそれぞれ、調整する対象である出力ｙ、ユーザー制御則５からのユーザートルク指令ｕ_ｕｓｒ及び保守的な制御則１０４からの操作量ｕ_ｃｓｖが入力される。
図１２に示す空気圧シリンダシステム８０の構成についても、図１１に示すモーター制御システム４０と同様である。ここで、ユーザー制御対象３は空気圧シリンダＡＣとなっているほか、更に各指令は圧力指令となっている。尚、空気圧シリンダＡＣには、弁Ｖ１から圧力指令値（電流値）に比例した正負の圧力が供給され、ピストンＰが伸縮するようになっている。
本例では空気圧シリンダＡＣの出力情報ｙはシリンダの体積変化速度ΔＶであり、適宜センサ１０７により仮想パワーモニタシステム１０１と仮想パワーリミッタ１０２にその情報がフィードバックされる。又本例では、保守的な制御則１０４への入力ｙ_ｄは目標体積変化速度とされている。
次に、本例に係るモーター制御システム４０の動作について図１１を参照しながら説明する。
はじめに、ユーザーはコントローラＣより、例えばモーターの角速度に関し、時間を横軸にとった制御入力（任意の入力Ｓ）を与える。通常、ユーザー制御システム２’が安定な状態にあれば、コントローラＣから出たユーザー制御則５によるユーザートルク指令ｕ_ｕｓｒは、仮想パワーリミッタシステム１００内で何ら新たな処理を施されることなくそのままユーザー制御対象３に対する入力（トルク指令）ｕ＝ｕ_ｕｓｒとしてモータードライバＭＤに与えられ、モーターＭは制御・運転される。このとき、仮想パワーリミッタ１０２の重み１２３ｂ（Ｗ_ｕｓｒ）＝１である。このように、ｕ_ｕｓｒのみによってユーザー制御システム２’の安定性が保たれているならば、保守的な制御則１０４からの操作量ｕ_ｃｓｖが必ずしもモーターＭへ入力される必要はない。従ってユーザー制御則５による入力ｕ_ｕｓｒが保守的な制御則１０４からの操作量ｕ_ｃｓｖを必要とせず、かつユーザー制御システム２’が安定ならば、重み１２４ｂ（Ｗ_ｃｓｖ）＝０とすることで保守的な制御則１０４を仮想パワーモニタ１１０への入力としての役割のみに制限出来る。この場合であっても、仮想パワーモニタ１１０にはモーターＭの出力情報ｙ及び保守的な制御則１０４からの操作量ｕ_ｃｓｖが入力され、仮想パワーモニタ１１０によるユーザー制御システム２’の安定性のモニタリングが継続して行われる。
一方、ユーザー制御システム２’が不安定になった場合は、仮想パワーリミッタ１０２を適切に動作させれば、ユーザー制御システム２’の出力ｙを漸近安定とすることができる。仮想パワーリミッタ１０２は、仮想パワーモニタ１１０の出力Ｐ_ｖに応じ、これに繋がっているユーザー制御システム調整則１２０を働かせ、それにより各重み１２２ｂ〜１２４ｂ（Ｗ_ｖ，Ｗ_ｕｓｒ，Ｗ_ｃｓｖ）を決定し、制御を継続しつつユーザー制御システム２’の出力ｙを安定にする様動作する。
このように、本例に係るモーター制御システム４０によれば、仮想パワーリミッタシステム１００の働きにより、常にユーザー制御システム２’の出力ｙの漸近安定性が保証されることとなる。
［第２例］
電気・電子制御システムへの適用例
図１３は、本発明を電気・電子制御システムに適用した一実施例を表わすものである。電気・電子制御システムとしては、［第１例］に示すような回転電気機械を制御するシステムに限らず、通信用電源システム等、多様なものを想定できる。
この第２例に係る電気・電子制御システム５０は、ユーザー制御対象３となる電気・電子制御対象ＥＥと、ユーザーへの開放部分であり、ユーザー制御則５を電気・電子制御対象ＥＥへ入力するためのコントローラＣと、本発明の仮想パワーリミッタシステム１００とからなっている。電気・電子制御対象ＥＥは、制御電圧源ＶＳ、電流計ＡＭ、及び所望の負荷Ｒからなる。仮想パワーリミッタシステム１００は、仮想パワーモニタシステム１０１と仮想パワーリミッタ１０２とからなっており、第１例同様、ハードウェア若しくはソフトウェア又はこれらを組み合わせて構成されている。
この第２例に係る電気・電子制御システム５０の基本構成及びその動作は［第１例］のモーター制御システム４０と同様である。
制御電圧源ＶＳは、仮想パワーリミッタシステム１００からのユーザー制御対象３への入力（電圧指令）ｕに従ってコントロールされ、所望の負荷Ｒに流れる電流を調節する。所望の負荷Ｒに流れる電流ｙは電流計ＡＭ又はシャント抵抗で検出され、その値は仮想パワーリミッタシステム１００内の負の出力フィードバックのゲイン１２２ｃ（−Ｋ_ｖ）と保守的な制御則１０４と仮想パワーモニタ１１０とに入力される。又仮想パワーモニタ１１０には、同時に保守的な制御則１０４からの操作量ｕ_ｃｓｖも入力され、ｙ及びｕ_ｃｓｖを用いてユーザー制御システム２’の安定性を監視する。
コントローラＣにおけるユーザー制御則５には、ユーザーからの任意の入力Ｓや、電気・電子制御対象ＥＥの出力からの任意のフィードバックが入力される。又仮想パワーリミッタシステム１００には、ユーザー制御則５からのユーザー電圧指令ｕ_ｕｓｒ、保守的な制御則１０４への入力ｙ_ｄ及び電気・電子制御対象ＥＥの出力情報ｙが入力される。又本例では保守的な制御則１０４への入力ｙ_ｄは目標電流とされる。目標電流の値としては例えば定格電流値が挙げられる。
次に、この第２例に係る電気・電子制御システム５０の動作につき図１３を参照しつつ説明する。
通常、電気・電子制御システム５０が安定な状態にあれば、コントローラＣから出たユーザー電圧指令ｕ_ｕｓｒは仮想パワーリミッタシステム１００内で何ら新たな処理を施されることなくそのままユーザー制御対象３に対する電圧指令ｕ＝ｕ_ｕｓｒとして制御電圧源ＶＳに入力され、これによって電気・電子制御対象ＥＥは制御される。即ち、ユーザー制御則５と電気・電子制御対象ＥＥの間のフィードバック制御により、所望の負荷Ｒに流れる電流出力が足りない場合にはユーザー電圧指令ｕ_ｕｓｒを上昇させ、電気・電子制御対象ＥＥへの電圧指令ｕの値を上げて電流出力が増える様にする一方、電流出力が過多の場合にはユーザー電圧指令ｕ_ｕｓｒを下げ、電気・電子制御対象ＥＥへの電圧指令ｕの値を下げて電流出力が減る様にする。
一方、ユーザー制御システム２’が不安定になった場合は、仮想パワーリミッタ１０２を適切に動作させれば、ユーザー制御システム２’の出力ｙを漸近安定とすることができる。仮想パワーリミッタ１０２は、仮想パワーモニタ１１０の出力Ｐ_ｖに応じ、これに繋がっている仮想パワーリミッタ１０２の各重みの調整則となるユーザー制御システム調整則１２０を働かせ、それにより各重み１２２ｂ〜１２４ｂ（Ｗ_ｖ，Ｗ_ｕｓｒ，Ｗ_ｃｓｖ）を決定し、制御を継続しつつユーザー制御システム２’の出力ｙを安定にする様動作する。
このように、本例に係る電気・電子制御システム５０によれば、仮想パワーリミッタシステム１００の働きにより、常にユーザー制御システム２’の出力ｙの漸近安定性が保証されることとなる。
［第３例］
ユーザー制御対象に入力される操作量が異なる物理的手段で入力される場合
本例に係るモーター制御システム６０は、主モーターＭＭの制動や補助を行うために、主モーターＭＭの出力軸とトルク伝達手段Ｔを介して物理的に連結された副モーターＳＭと、これと電気的に接続された副モータードライバＳＤとを［第１例］のモーター制御システムに追加したものである。尚本例では、この副モーターＳＭと副モータードライバＳＤは仮想パワーリミッタ１０２の一部を構成している。以下、図１４を中心に説明する。
構成
図１４は、ユーザー制御対象３に入力される操作量が異なる物理的手段で入力されるモーター制御システムの一例を示すブロック図である。本例に係るモーター制御システム６０も、先の［第１例］のモーター制御システム４０同様、ユーザー制御対象３となる主モーターＭＭ及び主モータードライバＭＤと、ユーザーへの開放部分であり、ユーザー制御則５からの指令を主モーターＭＭへ入力するためのコントローラＣと、本発明の仮想パワーリミッタシステム１００とからなっている。
仮想パワーリミッタシステム１００は、前記各例と同様、仮想パワーモニタシステム１０１と仮想パワーリミッタ１０２とからなっているが、本例の場合、仮想パワーリミッタ１０２は、仮想パワーモニタ１１０に接続されたユーザー制御システム調整則１２０並びにこれに接続される各重み１２２ｂ及び１２４ｂ（Ｗ_ｖ，Ｗ_ｃｓｖ）と、副モーターＳＭ及び副モータードライバＳＤとからなっている。コントローラＣにおけるユーザー制御則５には、ユーザーからの任意の入力Ｓや、主モーターＭＭの出力からの任意のフィードバックが入力される。仮想パワーリミッタシステム１００には保守的な制御則１０４への入力ｙ_ｄ及び主モーターＭＭの出力情報ｙが入力される。本例では保守的な制御則１０４への入力ｙ_ｄは目標角速度とされる。
［第１例］及び［第２例］では、図１１〜１３を参照すれば明らかな様に、ユーザー制御則５からユーザー制御対象３への操作量ｕ_ｕｓｒと保守的な制御則１０４からユーザー制御対象３への操作量ｕ_ｃｓｖとは、ユーザー制御対象３へ入力される前に仮想パワーリミッタ１０２内で処理され、ユーザー制御対象３へは１つの指令値が入力される。従って、保守的な制御則１０４からの操作量とユーザー制御則５からの操作量とは物理的に同一の手段でユーザー制御対象３に入力されている。
一方、本例では、保守的な制御則１０４からの操作量とユーザー制御則５からの操作量とは以下の様に物理的に異なる手段でユーザー制御対象３に入力されている。
すなわち、
ｉ） 操作量ｕ_ｕｓｒは、ユーザー制御則５から直接、ユーザー制御対象３である主モーターＭＭのモータードライバＭＤへと入力される。
ｉｉ） 一方、操作量ｕ_ｃｓｖに関しては、重み１２４ｂ（Ｗ_ｃｓｖ）を経た後、別の重み１２２ｂ（Ｗ_ｖ）からの信号（ユーザー制御システム２’からの出力ｙの負帰還信号）と合成され、この合成信号（副モータートルク指令）ｕ’の形で、主モーターＭＭとは別の副モーターＳＭの副モータードライバＳＤへと入力される。この副モータートルク指令ｕ’は、副モータードライバＳＤ及び副モーターＳＭを介して機械的な操作量ｕに変換されたのち、ユーザー制御対象３たる主モーターＭＭの出力軸側へ、トルク伝達手段Ｔの様な機械的手段を介して入力される。
このように、本例では保守的な制御則１０４からの操作量とユーザー制御則５からの操作量とは物理的に異なる手段でユーザー制御対象３に入力されている。
また本例では、１）ユーザー制御対象３からの出力ｙの信号は、主モーターＭＭの出力軸とトルク伝達手段Ｔを介して機械的に連結され、主モーターＭＭの出力回転数に相応した回転数で回る副モーターＳＭの回転軸側より取り出される。
さらに本例では、２）ユーザー制御則５とユーザー制御対象３間に備えられる仮想パワーリミッタの重みＷ_ｕｓｒが省略されている。
このように、本例ではユーザー制御対象３と仮想パワーリミッタシステム１００との間は電気的に直接接続されておらず、副モータードライバＳＤ、副モーターＳＭ及びトルク伝達手段Ｔからなる機械的接続のみが存在する。
動作
以下では、この第３例に係るモーター制御システム６０の動作に付き説明する。
最初に、副モーターＳＭの動作及びその作用に付き説明する。
副モーターＳＭは、主モーターＭＭに対する制動を行うほか、主モーターＭＭが何らかの事情でその動作が制限される様な状況下では、主モーターＭＭの代わりを果たし得るものである。
制動を行う場合、例えば、ユーザー制御システム２’の出力ｙの値を測定し、必要に応じてユーザー制御システム２’の出力ｙに負帰還［負の出力フィードバックのゲイン１２２ｃ（−Ｋ_ｖ）］及び重みＷ_ｖを掛けたものを、重みＷ_ｃｓｖを経た保守的な制御則１０４からの操作量ｕ_ｃｓｖと合成し、得られた副モータートルク指令ｕ’を副モータードライバＳＤに与える。そうすると、副モータートルク指令ｕ’に基づき、副モーターＳＭから、主モーターＭＭの回転方向とは逆方向のトルクが主モーターＭＭの出力軸に対して加えられ、主モーターＭＭへの機械的制動が行なわれる。
一方、副モータードライバＳＤには、保守的な制御則１０４からの操作量ｕ_{ｃｓ ｖ}も（副モータートルク指令ｕ’の形で）与えられ得ることから、例えば、内部要因又は外部要因による何らかの障害が主モーターＭＭに生じ、主モーターＭＭが止まってしまう様な状況下では、ユーザー制御則５から保守的な制御則１０４へと制御主体を移して、保守的な制御則１０４に基づいて副モーターＳＭを動かして、副モーターＳＭに主モーターＭＭが果たすべき機能を応急的に代行させることも可能である。
主モーターＭＭと副モーターＳＭとは、例えばチェーンからなるトルク伝達手段Ｔにより物理的に連結され、トルク伝達し得るようになっている。本例では、副モータードライバＳＤは、入力される副モータートルク指令ｕ’に応じて、例えば、１）主モーターＭＭの回転方向とは逆方向のトルクを副モーターＳＭに与え、これにより主モーターＭＭの回転の制動を行ったり、或いは２）主モーターＭＭの回転が制限される様な状況の場合には、主モーターＭＭの代わりを果たし得る様に、保守的な制御則１０４に基づいて副モーターＳＭを駆動したりしている。
次に、この第３例に係るモーター制御システム６０全体の動作につき、図１４を参照しながら説明する。
通常、ユーザー制御システム２’が安定な状態にあれば、主モーターＭＭはコントローラＣから出たユーザートルク指令ｕ_ｕｓｒに基づいて制御・運転される。このように、ｕ_ｕｓｒのみによってユーザー制御システム２’の安定性が保たれているならば、保守的な制御則１０４からの操作量ｕ_ｃｓｖが必ずしも副モーターＳＭを介して主モーターＭＭへ入力される必要はない。従って、ユーザー制御則５によるユーザートルク指令ｕ_ｕｓｒが保守的な制御則１０４からの操作量ｕ_ｃｓｖを必要とせず、かつ、ユーザー制御システム２’が安定ならば、重み１２４ｂ（Ｗ_{ｃｓ ｖ}）＝０とすることで保守的な制御則１０４を仮想パワーモニタ１１０への入力としての役割のみに制限出来る。この場合であっても、仮想パワーモニタ１１０には主モーターＭＭの出力情報ｙ及び保守的な制御則１０４からの操作量ｕ_ｃｓｖが入力され、仮想パワーモニタ１１０によるユーザー制御システム２’の安定性のモニタリングが継続して行われる。
一方、ユーザー制御システム２’が不安定になった場合は、ユーザー制御システム調整則１２０及びこれに接続された各重み１２２ｂ、１２４ｂ（Ｗ_ｖ，Ｗ_ｃｓｖ）を適切に動作させ、副モータートルク指令ｕ’を副モータードライバＳＤに与えて副モーターＳＭを作動させ、たとえば、１）トルク伝達手段Ｔを介して主モーターＭＭの出力軸に対して、主モーターＭＭの回転方向とは逆方向のトルクを与えたり、或いは２）主モーターＭＭの回転が制限される様な状況の場合には、主モーターＭＭの代わりを果たし得る様に、保守的な制御則１０４に基づいて副モーターＳＭを駆動することにより、ユーザー制御システム２’の出力ｙを漸近安定とすることが出来る。仮想パワーリミッタは、仮想パワーモニタ１１０の出力Ｐ_ｖに応じ、これに繋がっているユーザー制御システム調整則１２０を働かせ、それにより重み１２２ｂ及び１２４ｂ（Ｗ_ｖ，Ｗ_ｃｓｖ）を決定し、制御を継続しつつユーザー制御システム２’の出力ｙを安定にする様動作する。
このように、本例に係るモーター制御システム６０によれば、仮想パワーリミッタシステム１００の働きにより、常にユーザー制御システム２’の出力ｙの漸近安定性が保証されることとなる。
［第４例］
ロボットシステムへの適用例
次に、複数のモーターシステムの制御を行う一実施例として、複数個の関節部を有し、各関節部にモーターＲＭ１〜ＲＭ３を備えたロボットシステムに本発明の仮想パワーリミッタシステムを適用した例に付き、図１５を中心に説明する。このようなロボットシステムは、例えば自動車組み立てロボットや、溶接ロボットとして実用に供され得るものである。図１５に示す通り、この第４例に係るロボットシステム７０は、ユーザー制御対象３となるロボットアームＲＡと、ユーザへの開放部分であり、ユーザー制御則５をロボットアームＲＡへ入力するためのコントローラＣと、本発明の仮想パワーリミッタシステム１００とからなっている。
仮想パワーリミッタシステム１００は、仮想パワーモニタシステム１０１と仮想パワーリミッタ１０２とからなっており、アナログ若しくはデジタル電子回路からなるハードウェアの形で、若しくはマイクロコンピュータ等の演算装置に格納されたプログラムからなるソフトウェアの形で、又はこれらを組み合わせた形で構成されている。
又ロボットアームＲＡは、各関節毎の駆動モーターＲＭ１〜ＲＭ３及び仮想パワーリミッタシステム１００からのトルク指令ベクトルｕを受けてこれらのモーターを駆動するモータードライバＭＤ１〜ＭＤ３を有している。従って本例では、図１５に示すｕ_ｕｓｒ、ｕ、ｙ、ｙ_ｄ等はそれぞれ、各モーターに対する３次元ベクトルとなる。ここで、保守的な制御則１０４への入力ｙ_ｄは目標角速度とされる。
この第４例に係るロボットシステム７０の内部の制御ブロックの基本的な構成及びその動作は第１例のモーター制御システム４０と同様であるが、この第４例では、１つの仮想パワーリミッタシステム１００で３台のモーターＲＭ１〜ＲＭ３を制御する点が異なる。即ち、ユーザー制御対象３へのトルク指令ｕ、またユーザー制御対象３からの出力情報（角速度出力）ｙは共に、独立にＭＤ１〜ＭＤ３に入力又はＲＭ１〜ＲＭ３より出力されるほか、仮想パワーリミッタ１０２の各重み１２２ｂ〜１２４ｂ（Ｗ_ｖ，Ｗ_ｕｓｒ及びＷ_ｃｓｖ）はそれぞれ、スカラー量でなく対角行列で構成されている。ここで、各重み１２２ｂ（Ｗ_ｖ）は対角行列Ｗ_ｖ＝ｄｉａｇ（Ｗ_ｖｉ）（Ｗ_ｖｉ≧０）と、重み１２３ｂ（Ｗ_ｕｓｒ）は対角行列Ｗ_ｕｓｒ＝ｄｉａｇ（Ｗ_ｕｓｒｉ）（０≦Ｗ_ｕｓｒｉ≦１）と、及び重み１２４ｂ（Ｗ_ｃｓｖ）は対角行列Ｗ_ｃｓｖ＝ｄｉａｇ（Ｗ_ｃｓｖｉ）（０≦Ｗ_ｃｓｖｉ≦１）となっている。
以下では、この第４例に係るロボットシステム７０の動作について説明する。まず、仮想パワーモニタ１１０は１台であり、保守的な制御則からユーザー制御対象３へ仮想的に伝達されるパワーＰ_ｖを観測し、ユーザー制御システム２’の出力ｙの安定性を評価解析する。仮想パワーモニタ１１０には保守的な制御則１０４からの操作量ｕ_ｃｓｖ及び各モーター（ＲＭ１〜ＲＭ３）からの出力情報ｙが入力される。
通常、ユーザー制御システム２’が安定な状態にあれば、コントローラＣより与えられるユーザー制御則５による入力ｕ_ｕｓｒは、仮想パワーリミッタシステム１００内で何ら新たな処理を施されることなくそのまま、各モーターＲＭ１〜ＲＭ３に対するユーザー制御対象３へのトルク指令ｕ＝ｕ_ｕｓｒとして各モータードライバＭＤ１〜ＭＤ３に入力され、モーターＲＭ１〜ＲＭ３は制御・運転される。このとき、仮想パワーリミッタ１０２の重み１２３ｂ（Ｗ_ｕｓｒ）＝１である。このように、ｕ_ｕｓｒのみによってユーザー制御システム２’の安定性が保たれているならば、保守的な制御則１０４からの操作量ｕ_ｃｓｖは必ずしもユーザー制御対象３へ入力される必要はなく、従ってユーザー制御則５による入力ｕ_ｕｓｒが保守的な制御則１０４からの操作量ｕ_ｃｓｖを必要とせず、かつユーザー制御システム２’が安定ならば、Ｗ_ｃｓｖ＝０とすることで保守的な制御則１０４を仮想パワーモニタ１１０への入力としての役割のみに制限出来る。
一方、ユーザー制御システム２’が不安定になった場合は、仮想パワーリミッタ１０２を適切に動作させれば、ユーザー制御システム２’の出力ｙを漸近安定とすることが出来る。このとき、仮想パワーリミッタ１０２の各重み１２２ｂ〜１２４ｂ（Ｗ_ｖ，Ｗ_ｕｓｒ，Ｗ_ｃｓｖ）は行列からなっているため、３個のモーターＲＭ１〜ＲＭ３のそれぞれに対して独立に重みを与えることが可能である。従って、このロボットシステム７０では、１台の仮想パワーモニタ１１０においてユーザー制御システム２’の安定性を全体として見て判断する一方、ユーザー制御対象３の各制御対象（３個のモーター）のエネルギーの制限度合をそれぞれ変えることができる。例えばロボットの手先直近にあるモーターＲＭ１に対する重みだけを重めに設定しておき、手先のブレを最小限に抑える様な調整も可能である。
このように、この第４例によれば、複数のモーターを含むシステムのユーザー制御システム２’の出力の安定性をきめ細かく制御することができる。即ち仮想パワーリミッタ１０２の各重み１２２ｂ〜１２４ｂ（Ｗ_ｖ，Ｗ_ｕｓｒ，Ｗ_ｃｓｖ）がスカラー量ではなく行列で表わされているため、各自由度（各モーター）毎に独立したリミッタを設定することができ、各モーター毎の事情に応じた適切な制御を行うことが可能となる。

仮想パワーリミッタシステムを適用したパワーアシストロボット
以下では、本発明の仮想パワーリミッタシステムをパワーアシストシステムに適用した一例として、先の図１５に示す様なロボットシステムをベースにパワーアシストシステムを構成したものに本発明の仮想パワーリミッタシステムを適用した場合につき説明する。以下の説明は、図１６に基づいて行なう。
図１６に示す通り、本実施例のパワーアシストロボット１０３の基本構成は、先の図１５に示すロボットシステム７０に係るユーザー制御対象３と同様であるが、ロボットアームＲＡの手先をオペレータＨが直接操作する点、そしてその動作をロボットアームＲＡの各関節部に配置されたモーターＲＭ１〜ＲＭ３によってアシストする点で相違する。
ところで、先の実施例１における各例では、ユーザー制御システム２’に本発明の仮想パワーリミッタシステム１００を適用する場合には、仮想パワーリミッタ１０２を設計する際に、保守的な制御則１０４を予め、計算その他を用いて準備していた。
他方、本実施例の様なパワーアシストシステム１５０では、ユーザー制御対象に相当するパワーアシストロボット１０３とオペレータＨである人間とは力学的に繋がっているほか、両者の間には力センサ１０９が設けられている。従って、パワーアシストシステム１５０に本発明の仮想パワーリミッタシステム１００を適用する場合には、この力センサ１０９を利用し、この力センサ１０９の測定値であるｕ_ｈを用いることによって、人間による動作を上記の保守的な制御則とみなすことができる。
本実施例では、図１６に示す通り、この力センサ１０９から得られる、オペレータＨからロボットアームＲＡに加える力の測定値ｕ_ｈ（ベクトル値）を用いることによって、オペレータＨによる操作を保守的な制御則として取り扱っている。
尚、パワーアシストシステム１５０全体の構成は、先の図１０に示した通りである。本実施例では、オペレータＨがロボットアームＲＡの手先を操作する際の力ｕ_ｈの大きさは力センサ１０９によって検知され、パワーアシストロボット１０３のほか、仮想パワーモニタ１１０とパワーアシスト制御則１１１に入力されている。
次に、本実施例のパワーアシストロボット１０３の動作を説明する。
まず、本実施例のパワーアシストロボット１０３では、オペレータＨからロボットアームＲＡに及ぼす力ｕ_ｈ、角速度ｙの値及びパワーアシスト制御則Ｋ_ｕｓｒに基づいてユーザーアシストトルク指令値が決定される。これより、実際に各モータードライバＭＤ１〜ＭＤ３及びモーターＲＭ１〜ＲＭ３にトルク指令ｕが行なわれ、その結果、各モーターＲＭ１〜ＲＭ３に駆動力が与えられることによってオペレータＨの動作がアシストされる。その他詳細は先の第２実施形態ｉｉ）で説明したものと同様である。
本実施例によれば、オペレータＨの動特性が未知であるにもかかわらず、パワーアシストロボット１０３からオペレータＨに流出するパワーを制限することが出来、仮想パワーリミッタ１２２ｂ，１２３ｂ（Ｗ_ｕｓｒ，Ｗ_ｖ）によりオペレータＨに対する安全性を確保することが出来る。
尚本発明は、上記各実施例記載の構成に限定されず、種々の設計変更その他の変形が可能である。
例えば、図１１他に示すモーター制御システムやロボットシステムに係る実施例では、保守的な制御則１０４への目標値入力ｙ_ｄは角速度入力としたが、ｙ_ｄは例えばモーターＭの回転角度に関する目標値等でも良い。同様に図１２に示す空気圧シリンダシステムに係る実施例では、保守的な制御則１０４への目標値入力ｙ_ｄは体積変化速度としたが、空気流量その他の物理量としても構わない。
また、ｙ_ｄは必ずしもユーザーに設定させなくても、例えば図１３に示す電流入力であれば定格電流や電流ゼロ、また図１１他に示す角速度入力であれば速度ゼロの様な固定した値を、保守的な制御則１０４中に「望ましい一定値」として予め設定しておいても良い。
その他、保守的な制御則に入力される制御指令は、ユーザー制御則に入力される制御指令と同様のものであって良いが、例えば別の単位を持つものや、別の物理量を入力しても構わない。
更に、保守的な制御則に入力される制御指令は、ユーザー制御則に入力される制御指令（任意の入力Ｓ）に比べてより保守的な制御指令を入力しても構わない。
その様なより保守的な制御指令としては、例えば保守的な制御則に入力される目標値入力が図１３に示す電流入力であれば、上記した様な「定格電流」や「電流ゼロ」等の指令、又保守的な制御則に入力される目標値入力が図１１他に示す角速度入力であれば、「速度ゼロ」の指令とすることが挙げられる。
図１３に示す構成例において、制御電圧源ＶＳから所望の負荷Ｒへの印加電圧は電圧計ＶＭで測定・表示しても良い。又図１４に示す構成例において主モーターＭＭの制動を行うに際して、副モーターＳＭを発電機にもなり得る回転電気機械とし、副モータードライバＳＤを例えば電子負荷に相当するようなものとし、副モーターＳＭの両端子より得られる発電電力の消費量を負荷の大きさを変えて調節することで主モーターＭＭの角速度制御を行うことが出来るようにしても構わない。さらに図１４に示す構成例においてトルク伝達手段Ｔは、チェーンに限らず、ベルトやギア等も使用し得ることは言うまでもない。

本発明に係る仮想パワーリミッタシステムは、対象となる機械システム等、その機械システム等の置かれる環境、又ユーザーが使用する制御則がどんなものであっても、ユーザー制御システムの出力の安定性を保証することができる。例えば、ロボットアームに本発明の仮想パワーリミッタシステムを適用した場合を考え、アームを持ち上げる指令を出したとき、不安定になって振動しはじめたとする。従来のハードウェアリミッタでは、電流を遮断するかブレーキをかけるので、アームはガタンと落ちるか、その場で固定されてしまう。しかし本発明の仮想パワーリミッタシステムを適用すれば、不安定な挙動を遮断しつつ、アームを持ち上げようとする動作を継続することができる。従って本発明の仮想パワーリミッタシステムは、特に高い制御性能と同時に十分な安定性及び安全性が求められる機械、例えば、産業用ロボット、宇宙ロボット或いは電動パワーステアリング、更にはパワーアシストロボットやパワーアシスト車椅子に代表される様なパワーアシストシステム等への適用に最適である。又本発明の仮想パワーリミッタシステムは、マイクロコンピュータ等の演算装置に格納されたプログラムからなるソフトウェアとしても構成出来るほか、アナログ若しくはデジタル電子回路からなるハードウェアとして構成することも出来る。
以上に詳述した通り、本発明は、未知の動特性や外乱のあらゆる影響を含むユーザー制御システムからの出力の安定性を評価し、かつ未知の動特性や外乱に拘らずユーザー制御システムからの出力の安定性を保証し得るシステム構成を提供する、新規かつ極めて有用なる発明であることが明らかである。

Claims (9)

1. ユーザー制御則によってユーザー制御対象が制御されるユーザー制御システムにおいて、前記ユーザー制御対象からのフィードバック信号を受けて前記ユーザー制御対象に操作量を入力し得る保守的な制御則と、前記保守的な制御則から前記ユーザー制御対象へ仮想的に伝達されるパワーを観測する仮想パワーモニタとを備え、ユーザー制御システムからの出力の安定性を評価解析できるようにしたことを特徴とする制御システム。
2. 前記仮想パワーモニタにおける仮想パワーの観測にもとづいて前記ユーザー制御システム内部において、前記ユーザー制御システム出力から前記ユーザー制御対象入力への負帰還量を調整することで前記ユーザー制御システムから仮想パワーモニタシステムへの仮想パワーの流出を制限する仮想パワーリミッタを付加することにより、前記ユーザー制御システムからの出力の安定性を保証することを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
3. 前記仮想パワーモニタにおける仮想パワーの観測にもとづいて前記ユーザー制御システム内部において、前記ユーザー制御則から前記ユーザー制御対象への操作量を調整することで前記ユーザー制御システムから仮想パワーモニタシステムへの仮想パワーの流出を制限する仮想パワーリミッタを付加することにより、前記ユーザー制御システムからの出力の安定性を保証することを特徴とする請求項１又は２に記載の制御システム。
4. 前記仮想パワーモニタにおける仮想パワーの観測にもとづいて前記ユーザー制御システム内部において前記保守的な制御則から前記ユーザー制御対象への操作量を調整する仮想パワーリミッタを付加することにより、前記ユーザー制御システムからの出力の安定性を保証し、かつ前記ユーザー制御対象の制御を継続することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の制御システム。
5. 前記仮想パワーリミッタによる調整を、前記ユーザー制御システム出力から前記ユーザー制御対象入力への負帰還量、前記ユーザー制御則又は前記保守的な制御則のゲインに適用することにより、前記負帰還量、前記ユーザー制御則又は前記保守的な制御則の少なくともいずれか一つのゲインチューニングを、ユーザー制御システムからの出力の安定性が保証されるように自動的に行なうことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の制御システム。
6. オペレータによってユーザー制御対象が制御され、そのユーザー制御対象からのフィードバック信号を受けて前記オペレータから前記ユーザー制御対象への操作量の入力を補助するパワーアシスト制御則を持つパワーアシストシステムに、前記オペレータから前記ユーザー制御対象へ伝達されるパワーを観測する仮想パワーモニタを備え、パワーアシストシステムからの出力の安定性を評価解析できるようにしたことを特徴とする制御システム。
7. 前記仮想パワーモニタにおける仮想パワーの観測にもとづいて前記パワーアシストシステム内部において、前記パワーアシストシステム出力から前記ユーザー制御対象入力への負帰還量を調整することで前記パワーアシストシステムから仮想パワーモニタシステムへの仮想パワーの流出を制限する仮想パワーリミッタを付加することにより、前記パワーアシストシステムから前記オペレータに流出するパワーを制限して前記パワーアシストシステムからの出力の安定性を保証し、オペレータに対する安全性を確保することを特徴とする請求項６に記載の制御システム。
8. 前記仮想パワーモニタにおける仮想パワーの観測にもとづいて前記パワーアシストシステム内部において、前記パワーアシスト制御則から前記ユーザー制御対象への操作量を調整することで前記パワーアシストシステムから仮想パワーモニタシステムへの仮想パワーの流出を制限する仮想パワーリミッタを付加することにより、前記パワーアシストシステムから前記オペレータに流出するパワーを制限して前記パワーアシストシステムからの出力の安定性を保証し、オペレータに対する安全性を確保することを特徴とする請求項６又は７に記載の制御システム。
9. 前記仮想パワーリミッタによる調整を、前記パワーアシストシステム出力から前記ユーザー制御対象入力への負帰還量、又は前記パワーアシスト制御則に適用することにより、前記負帰還量又は前記パワーアシスト制御則の少なくともいずれか一つのゲインチューニングを、前記パワーアシストシステムからの出力の安定性が保証されるように自動的に行ない、オペレータに対する安全性を確保することを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれか１項に記載の制御システム。

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