TW202045323A - 位置與力的控制裝置、位置與力的控制方法及程式 - Google Patents

位置與力的控制裝置、位置與力的控制方法及程式 Download PDF

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Abstract

本發明所欲解決的問題是要提供一種技術，其用來更適當地實現對機器人要求的功能。本發明的解決手段的位置與力的控制裝置，基於速度(位置)和力的資訊與成為控制基準的資訊，對應要被實現的功能進行第1轉換，該速度(位置)和力的資訊對應於與基於致動器的作用的位置相關的資訊，該第1轉換將控制能量配置給速度或位置的能量與力的能量之中的至少其中一方，該位置與力的控制裝置更基於已配置的各能量之中的至少其中一方，算出速度或位置的控制量與力的控制量的至少其中一方，整合算出的各控制量並進行第2轉換，以決定對於致動器的輸入。又，位置與力的控制裝置，執行以下的處理：滿足針對控制能量設定的條件，且相當於速度或位置的能量與力的能量的至少其中一方的擴大或縮小。

Description

位置與力的控制裝置、位置與力的控制方法及程式
本發明關於針對控制對象中的位置和力加以控制的位置與力的控制裝置、位置與力的控制方法及程式。
先前，在少子化與高齡化等的背景下，正強烈要求以機器人來代替會消耗許多人力的繁雜作業。 然而，先前的機器人的動作欠缺環境適應性或柔軟性，尚不能適當地實現人類的身體行為。 此處，亦有在進行一些開發，其使用藉由主從系統所取得的隨時間的位置資訊和力資訊，來人工再現致動器的運動，但再現時的機械阻抗常時為定值，因此仍然欠缺對於環境位置與大小、機械阻抗之類的環境變動的適應性。 此外，關於藉由主從系統來進行遠端控制的機器人的技術，例如記載於專利文獻1和專利文獻2中。
[先前技術文獻] (專利文獻) 專利文獻1：國際公開2005/109139號公報。 專利文獻2：日本特開2009-279699號公報。
(發明所欲解決的問題) 為了藉由機器人來代替實現消耗許多人力的繁雜作業，藉由高精準度的力控制所帶來的高度環境適應性、及藉由多自由度系統所帶來的人類座標系上的行為抽出是極為重要的，但在先前技術中尚未實現這樣的技術。 又，對於今後的機器人，除了單純實現人類的身體行為以外，更要求要實現將人類的能力加以擴張的功能或人類未具備的功能等。 亦即，先前技術中，針對要適當地實現對機器人要求的功能，仍有改善的餘地。 本發明所欲解決的問題是要提供一種技術，其用來更適當地實現對機器人要求的功能。
(用於解決問題的手段) 為了解決上述問題，本發明的一態樣之位置與力的控制裝置，具備：依功能之力與速度的配置轉換手段，其基於速度(位置)和力的資訊與成為控制基準的資訊，對應要被實現的功能進行第1轉換，該速度(位置)和力的資訊對應於與基於致動器的作用的位置相關的資訊，該第1轉換將控制能量配置給速度或位置的能量與力的能量之中的至少其中一方；控制量算出手段，其基於藉由前述依功能之力與速度的配置轉換手段所配置的速度或位置的能量與力的能量之中的至少其中一方，算出速度或位置的控制量與力的控制量的至少其中一方；及，整合手段，其整合前述速度或位置的控制量與前述力的控制量，為了使該輸出回到致動器而對前述速度或位置的控制量與前述力的控制量進行第2轉換，以決定對於前述致動器的輸入；其中，自藉由前述第1轉換來進行的前述控制能量的配置結果來決定對於前述致動器的輸入的處理中，包含有滿足針對前述控制能量設定的條件，且相當於前述速度或位置的能量與力的能量的至少其中一方的擴大或縮小的處理。
(發明的功效) 根據本發明，能夠提供一種技術，其用來更適當地實現對機器人要求的功能。
以下，針對本發明的實施型態，參照圖式來加以說明。 首先，針對本發明之位置與力的控制裝置、位置與力的控制方法及程式中所應用的基本原理加以說明。
此外，人類的身體行為，是由1個關節等的個別「功能」單獨構成的行為、或是組合起來的行為。 因此，以下，在本實施型態中，所謂「行為」是表示將人類身體中的部位的個別「功能」作為構成要素而實現的整合性功能。例如，伴隨中指屈伸的行為(轉螺絲的行為等)，是將中指的各關節的功能作為構成要素的整合性功能。
(基本原理) 本發明中的基本原理是，無論何種行為皆能夠藉由力源、速度(位置)源、及表示行為的轉換之這三項要素而以數理方式來表現，因此針對以轉換和反向轉換來定義的變數群，利用處於對偶關係的理想力源和理想速度(位置)源來將控制能量供給至控制對象的系統，藉此將已抽出的身體行為結構化並加以再構築或擴張增幅，而以可逆的方式自動實現(再現)身體行為。 又，針對表示行為的轉換，在進行過單純的反向轉換的情況下亦可將行為加以再現，但在本發明中，是藉由進行與表示行為的轉換的反向轉換不同的轉換，而能夠一邊柔軟地管理在以控制能量為目的的狀態下，一邊將必要的電力供給至控制對象的系統。
第1圖是表示本發明之基本原理的概念的示意圖。 第1圖所示的基本原理，表示為了實現人類的身體行為而能夠利用的致動器的控制法則，其將致動器的現在位置作為輸入，藉由進行位置(或速度)或是力的至少其中一方的領域中的演算來決定致動器的動作。 亦即，本發明的基本原理，是表示為包含以下要素的控制法則：控制對象系統S、依功能之力與速度的配置轉換區塊FT、理想力源區塊FC或理想速度(位置)源區塊PC的至少其中一者、整合轉換區塊IFT、及電力供給部PS。
控制對象系統S，是藉由致動器來作動的機器人，並基於加速度等來進行致動器的控制。此處，控制對象系統S，能夠實現人類身體中的1個或複數個部位的功能，但只要應用了用來實現該功能的控制法則，則具體的構成不一定要是模仿人類身體的型態。例如，控制對象系統S，能夠作成藉由致動器來使連桿進行一維滑行動作的機器人等。
依功能之力與速度的配置轉換區塊FT，是定義了對應控制對象系統S的功能而設定的控制能量的轉換(第1轉換)的區塊，其中控制能量的轉換是轉換至速度(位置)和力的領域。具體而言，依功能之力與速度的配置轉換區塊FT中，定義有座標轉換，該座標轉換將成為控制對象系統S的功能基準的值(基準值)與致動器的現在位置作為輸入。該座標轉換，一般而言是將以基準值和現在速度(位置)作為元素的輸入向量，轉換成由用來算出速度(位置)的控制目標值的速度(位置)所構成的輸出向量，並且將以基準值和現在的力作為元素的輸入向量，轉換成由用來算出力的控制目標值的力所構成的輸出向量。具體而言，依功能之力與速度的配置轉換區塊FT中的座標轉換，是如以下式(1)和(2)地標準化來表示。
[數學式1]
Figure 02_image001
其中，式(1)中，x’1 ～x’n (n是1以上的整數)是用來導出速度的狀態值的速度向量，x’a ～x’m (m是1以上的整數)是將基於基準值和致動器的作用的速度(致動器的移動元件的速度或是致動器所移動的對象物的速度)作為元素的向量，h1a ～hnm 是表示功能的轉換矩陣(第1轉換矩陣)的元素。又，式(2)中，f”1 ～f”n (n是1以上的整數)是用來導出力的狀態值的力向量，f”a ～f”m (m是1以上的整數)是將基於基準值和致動器的作用的力(致動器的移動元件的力或是致動器所移動的對象物的力)作為元素的向量。 藉由對應要實現的功能來設定依功能之力與速度的配置轉換區塊FT中的座標轉換，便能夠實現各種行為、或是進行伴隨縮放的行為的再現。 亦即，本發明的基本原理，是在依功能之力與速度的配置轉換區塊FT中，將致動器單體的變數(實空間上的變數)「轉換」成表現要實現的功能的系統整體的變數群(虛擬空間上的變數)，並將控制能量配置給速度(位置)的控制能量與力的控制能量。因此，相較於維持致動器單體的變數(實空間上的變數)的狀態來進行控制的情況，能夠獨立給予速度(位置)的控制能量與力的控制能量。
理想力源區塊FC，是遵照依功能之力與速度的配置轉換區塊FT所定義的座標轉換來進行力的領域中的演算的區塊。理想力源區塊FC中，針對要進行基於依功能之力與速度的配置轉換區塊FT所定義的座標轉換的演算時的力，設定有關於該力的目標值。該目標值，對應要被實現的功能而設定成固定值或可變值。例如，在要實現與基準值所示的功能相同的功能時，能夠設定成零值來作為目標值。
理想速度(位置)源區塊PC，是遵照依功能之力與速度的配置轉換區塊FT所定義的座標轉換來進行速度(位置)的領域中的演算的區塊。理想速度(位置)源區塊PC中，針對要進行基於依功能之力與速度的配置轉換區塊FT所定義的座標轉換的演算時的速度(位置)，設定有關於該速度(位置)的目標值。該目標值，對應要被實現的功能而設定成固定值或可變值。例如，在要實現與基準值所示的功能相同的功能時，能夠設定成零值來作為目標值。
整合轉換區塊IFT，是定義以下轉換(第2轉換)的區塊：自速度(位置)和力的領域的值，轉換至對於控制對象系統S的輸入的領域的值(例如電壓值或電流值等)。本發明中，整合轉換區塊IFT，可設定成與依功能之力與速度的配置轉換區塊FT中的轉換的單純反向轉換不同的轉換內容，並且是自控制能量的貢獻率的觀點來設定具體的轉換內容。例如，針對基於藉由理想力源區塊FC所演算出的力的領域的值的力的控制能量、及基於藉由理想速度(位置)源區塊PC所演算出的速度(位置)的領域的值的速度(位置)的控制能量，能夠藉由進行變更各控制能量的貢獻率的轉換，來增大力控制的權重、或是增大速度(位置)控制的權重。又，藉由擴大或縮小全體的控制能量，對於進行依功能之力與速度的配置轉換區塊FT中的轉換的單純反向轉換的情況，能夠擴大或縮小控制對象系統S的輸出。具體而言，整合轉換區塊IFT中的座標轉換，是如以下式(3)地標準化來表示。
[數學式2]
Figure 02_image003
其中，式(3)中，X”1 ～X”n (n是1以上的整數)是以加速度(亦即各致動器應該輸出的虛擬空間中的加速度)為元素的輸入向量，該加速度中整合有由理想力源區塊FC所演算出的力的領域中的力的控制目標值、及由理想速度(位置)源區塊PC所演算出的速度(位置)的領域中的速度(位置)的控制目標值。又，X”a ～X”m (m是1以上的整數)是針對各致動器的加速度的指令值(亦即各致動器應該輸出的實空間中的加速度)，α1a ～αnm 是表示第2轉換的座標轉換(第2轉換矩陣)的元素。 整合轉換區塊IFT，利用式(3)所算出的加速度的值，算出要輸入至各致動器的值(電流值等)。
此處，整合轉換區塊IFT中，經由第2轉換矩陣的演算而算出的對於致動器的輸入值，具有速度(位置)的控制能量和力的控制能量合計起來的控制能量。然而，致動器的動作，受到該致動器所具有的能力的極限(例如能夠輸出的力的極限也就是力極限、或是能夠輸出的速度的極限也就是速度極限)等的條件所限制。因此，本實施型態中，藉由整合轉換區塊IFT所算出的致動器的輸入值，為了不超出致動器所具有的能力極限，而設定有關於速度(位置)的控制能量和力的控制能量的條件。
第2圖是表示對於致動器的輸入中的速度(位置)與力的關係的示意圖。 如第2圖所示，本發明中的基本原理，是藉由第1轉換來進行基於與接觸物體的組合阻抗的速度(位置)的控制能量和力的控制能量的分配，並更藉由進行第2轉換來決定對於致動器的輸入。 第2圖中的曲線C1～C3表示在設定有特定的控制能量的情況下，在第2轉換前後中，維持控制能量的函數。亦即，在進行了任一曲線C1～C3上的點所表示的控制能量的分配的情況下，若速度(位置)或力的其中一方擴大，則另一方縮小，維持了作為全體的控制能量。
又，第2圖中，曲線C1～C3所代表的曲線進行遷移，是意指擴大或縮小全體控制能量，全體控制能量自曲線C1朝向C3依序增加。本發明中，能夠將控制能量的分配點設定在不限於同一曲線上的點。亦即，本發明中，當藉由第2轉換而擴大或縮小速度(位置)或力的至少其中一方時，可將控制能量的分配點自維持控制能量的曲線上變更至存在於控制能量擴大方向或縮小方向上的點。 此時，應該供給至控制對象系統S的電力也會產生變更，電力供給部PS可供給與該變更對應的電力。
進而，本發明中，控制能量的分配點的設定可能範圍，如第2圖所示，被限制在力極限和速度極限以下的範圍中。亦即，在藉由第2轉換算出的控制能量的分配點是超過力極限或速度極限的點的情況下，會以力極限或速度極限為上限的點作為控制能量的分配點來決定致動器的輸入。如此，本發明中在控制能量的觀點中，設定有關於速度(位置)的控制能量和力的控制能量的條件(上限值)。
電力供給部PS，具備電池等的電源與供給電力的控制功能，將對應於整合轉換區塊IFT所決定的對於致動器的輸入的電力供給至控制對象系統S。藉由電力供給部PS中的供給電力的控制功能，對應控制對象系統S應該輸出的控制能量的變化，進行對於控制對象系統S的供給電力的維持/增加/減少。
藉由這樣的基本原理，若控制對象系統S的致動器中的位置資訊被輸入至依功能之力與速度的配置轉換區塊FT，便使用基於位置資訊得到的速度(位置)和力的資訊，在依功能之力與速度的配置轉換區塊FT中應用與功能對應的位置和力的領域各自的控制法則。並且，在理想力源區塊FC中，進行與功能對應的力的演算，在理想速度(位置)源區塊PC中，進行與功能對應的速度(位置)的演算，並將控制能量分別分配至力和速度(位置)。
理想力源區塊FC和理想速度(位置)源區塊PC中的演算結果，成為表示控制對象系統S的控制目標的資訊，該等演算結果在整合轉換區塊IFT中，對應於被設定的速度(位置)的控制能量和力的控制能量的貢獻率而被變更權重，並且作為致動器的輸入值而輸入至控制對象系統S。 結果，控制對象系統S的致動器，基本上遵照依功能之力與速度的配置轉換區塊FT所定義的功能，並且執行已反映了被設定的速度(位置)的控制量和力的控制量的擴大或縮小的動作，以實現作為目的的機器人的動作。 亦即，本發明中，能夠更適當地實現對機器人要求的功能。 又，亦能夠藉由電力供給部PS中的供給電力的控制功能，來實現致動器所輸出的全體控制能量的擴大或縮小，與速度(位置)和力的擴大或縮小。
(具體的構成例) 接著，對於應用本發明的基本原理的具體系統構成例加以說明。 依功能之力與速度的配置轉換區塊FT中，定義有座標轉換(對應於要實現的功能的自實空間至虛擬空間的轉換(第1轉換))，該座標轉換以基於被輸入的致動器的現在位置而得到的速度(位置)和力作為對象。
依功能之力與速度的配置轉換區塊FT中，自這樣的現在位置將速度(位置)和力以及作為功能基準值的速度(位置)和力當作輸入，在加速度維度中應用速度(位置)和力各自的控制法則。 亦即，致動器中的力是以質量與加速度的積來表示，且致動器中的速度(位置)是藉由加速度的積分來表示。因此，能夠經由加速度的領域來控制速度(位置)和力，藉此取得致動器的現在位置而實現作為目的的功能。
又，在以下的系統構成例中，如上述在整合轉換區塊IFT中，針對基於藉由理想力源區塊FC所演算出的力的領域的值之力的控制能量、及基於藉由理想速度(位置)源區塊PC所演算出的速度(位置)的領域的值之速度(位置)的控制能量，進行變更各控制能量的貢獻率的轉換。藉此，能夠增大力控制的權重、或是增大速度(位置)控制的權重。
依功能之力與速度的配置轉換區塊FT中，定義有座標轉換(對應於要實現的功能的自實空間至虛擬空間的轉換)，該座標轉換以基於被輸入的致動器的現在位置而得到的速度(位置)和力作為對象。 依功能之力與速度的配置轉換區塊FT中，自這樣的現在位置將速度(位置)和力以及作為功能基準值的速度(位置)和力當作輸入，在加速度維度中應用速度(位置)和力各自的控制法則。 亦即，致動器中的力是以質量與加速度的積來表示，且致動器中的速度(位置)是藉由加速度的積分來表示。因此，能夠經由加速度的領域來控制速度(位置)和力，藉此取得致動器的現在位置而實現作為目的的功能。
第3圖是表示位置與力的控制系統1的功能構成的區塊圖，其中在依功能之力與速度的配置轉換區塊FT中定義有力與觸覺傳達功能。又，第4圖是表示實現力與觸覺傳達功能之主從系統的概念的示意圖。此外，第3圖所示的位置與力的控制系統1，是由主機側位置與力的控制裝置和從機側位置與力的控制裝置所構成，該等主機側和從機側的裝置分別包含作為以第1圖所示的控制法則來控制的控制對象系統S的主機裝置和從機裝置。位置與力的控制系統1，例如能夠藉由PC(個人電腦)等具備記憶體、ROM(唯讀記憶體)、處理器及儲存元件(硬碟等)的資訊處理裝置實現來作為對具有致動器之主機裝置和從機裝置加以控制的系統。
如第3圖所示，作為由依功能之力與速度的配置轉換區塊FT所定的功能，能夠實現以下的功能：將主機裝置的動作傳達至從機裝置，並且將針對從機的來自物體的反作用力的輸入回饋至主機裝置(雙向控制功能)。 此時，依功能之力與速度的配置轉換區塊FT中的座標轉換，是如以下式(4)和式(5)來表示。
[數學式3]
Figure 02_image005
其中，在式(4)中，x’p 是用來導出速度(位置)的狀態值的速度，x’f 是關於力的狀態值的速度。又，x’m 是基準值(來自主機裝置的輸入)的速度(主機裝置的現在位置的微分值)，x’s 是從機裝置的現在的速度(現在位置的微分值)。又，在式(5)中，fp 是是關於速度(位置)的狀態值的力，ff 是用來導出力的狀態值的力。又，fm 是基準值(來自主機裝置的輸入)的力，fs 是從機裝置的現在的力。
本實施型態中，如上述，整合轉換區塊IFT，可設定成與依功能之力與速度的配置轉換區塊FT中的轉換的單純反向轉換不同的轉換內容，並且是自控制能量的貢獻率的觀點來設定具體的轉換內容。 第5圖是表示下述情況的應用例的概念的示意圖，將整合轉換區塊IFT中的第2轉換設為第1轉換的反向轉換的情況、及設為第1轉換的反向轉換以外的情況。 第5圖中表示了下述情況的例子：在第3圖和第4圖所示的構成例中，將力的控制能量和速度(位置)的控制能量的貢獻率加以維持的情況、及加以變更的情況。 此外，以下說明中，以式(6)和(7)來表示與式(1)和(2)對應的座標轉換，並且以式(8)來表示與式(3)對應的座標轉換。
[數學式4]
Figure 02_image007
其中，在式(6)中，H是第1轉換矩陣，xmotor 是以基於基準值和致動器的作用的速度(位置)作為元素的向量，xfunction 是以藉由第1轉換矩陣來將向量xmotor 轉換後的虛擬空間上的速度(位置)為元素的向量。又，在式(7)中，fmotor 是以基於基準值和致動器的作用的力作為元素的向量，ffunction 是以藉由第1轉換矩陣將向量fmotor 轉換後的虛擬空間上的力為元素的向量。進而，在式(8)中，H-1 是第1轉換矩陣的反向轉換，x”motor 是以加速度(實空間上的變數)為元素的向量，該加速度定義對於各致動器的輸入，x”function 是以加速度(虛擬空間上的變數)為元素的向量，該加速度是藉由虛擬空間上算出的速度(位置)的控制能量與力的控制能量來定義。
第5圖中，在進行了這樣的轉換的情況下，便能夠實現在主機與從機間即時進行力與觸覺的傳達(雙向控制)的主從系統。主從系統中，例如輸入至主機側致動器的動作，經由第1轉換和第2轉換而被即時輸出(即時傳達動作)來作為從機側致動器的實際作業。 此時，在第1轉換的前後和第2轉換的前後中，控制能量維持在能量E1。 相對於此，第5圖中，在進行過式(9)所示的第2轉換的情況下，在第2轉換的前後中，控制能量自能量E1擴大或縮小至能量E2。
[數學式5]
Figure 02_image009
其中，在式(9)中，α是與第1轉換矩陣H的反向轉換矩陣不同的轉換矩陣。 在進行過這樣的轉換的情況下，記錄下藉由式(6)～(8)的座標轉換來進行的雙向控制中取得到的控制參數，並能夠實現與記錄時的從機動作不同的動作(例如，使機械阻抗不同而進行柔軟的控制等)。 此外，當要進行式(9)的轉換時，因為在第2轉換的前後中，控制能量與藉由式(6)～(8)的座標轉換來進行的雙向控制時不同，所以動作所需的電力與供給至雙向控制中的從機的電力不同。
如以上所述，本實施型態中的位置與力的控制系統1中，藉由將第2轉換應用於藉由第1轉換來進行的控制能量的配置結果，來滿足對控制能量設定的條件，並且進行相當於速度或位置的能量與力的能量的至少其中一方的擴大或縮小的處理。 因此，能夠柔軟地管理在以控制能量為目的狀態下，並且將必要電力供給至控制對象的系統。 於是，能夠提供一種更適當地實現對機器人要求的功能的技術。
[變化例1] 上述實施型態中，是藉由表示功能的第1轉換矩陣將實空間上的變數轉換成虛擬空間上的變數，並在虛擬空間中將控制能量配置給速度(位置)的控制能量與力的控制能量後，自虛擬空間表示的速度(位置)和力的領域的值，藉由第2轉換矩陣轉換成對於控制對象系統S的輸入領域的值。並且，第2轉換中，可一邊滿足關於速度(位置)的控制能量與力的控制能量的條件，一邊擴大或縮小速度(位置)或力的至少其中一方。
相對於此，針對理想力源區塊FC中的關於力的目標值和理想速度(位置)源區塊PC中的關於速度(位置)的目標值，亦可藉由將力的控制能量和速度(位置)的控制能量的至少其中一方設定成擴大或縮小的值，來實現速度(位置)或力的其中一方的擴大或縮小。此外，在此情況下，第2轉換矩陣能夠設為第1轉換矩陣的反向轉換矩陣。 具體而言，在理想力源區塊FC中，要實現與基準值所示的功能相同的功能時，當設定零值為目標值，在要進行縮放的情況下，能夠將表示要再現的功能的資訊設定成擴大或縮小後的值。亦即，當針對基準值所示的功能要將力的控制能量設成Gf倍時，能夠以將來自理想力源區塊FC的演算結果設為遵循基準值時的Gf倍的方式來設定目標值。
同樣的，在理想速度(位置)源區塊PC中，要實現與基準值所示的功能相同的功能時，當設定零值為目標值，在要進行縮放的情況下，能夠將表示要再現的功能的資訊設定成擴大或縮小後的值。亦即，當針對基準值所示的功能要將速度(位置)的控制能量設成Gp倍時，能夠以將來自理想速度(位置)源區塊PC的演算結果設為遵循基準值時的Gp倍的方式來設定目標值。 然而，在此情況下控制能量的分配點的設定可能範圍，也被限制在第2圖所示的力極限和速度極限以下的範圍中。因此，對於理想力源區塊FC的演算結果設定與力極限對應的上限值，並且對於理想速度(位置)源區塊PC的演算結果設定與速度極限對應的上限值。
第6圖是表示應用例的概念的示意圖，該應用例中將理想力源區塊FC中的演算結果和理想速度(位置)源區塊PC中的演算結果設定成遵循基準值的目標值、及使該等演算結果與遵循基準值的目標值不同。 第6圖中表示了以下的例子：在第3圖和第4圖所示的構成例中，將力的控制能量和速度(位置)的控制能量的貢獻率加以維持的情況、及加以變更的情況。
在已進行過藉由式(6)～(8)來進行的座標轉換的雙向控制的情況下，能夠實現在主機與從機間即時進行力與觸覺的傳達(雙向控制)的主從系統。主從系統中，例如輸入至主機側致動器的動作，經由第1轉換和第2轉換而被即時輸出(即時傳達動作)來作為從機側致動器的實際作業。 此時，在第1轉換的前後和第2轉換的前後中，控制能量維持在能量E1。
相對於此，第6圖中，當將理想力源區塊FC中的與力相關的目標值和理想速度(位置)源區塊PC中的與速度(位置)相關的目標值，設定成使力的控制能量和速度(位置)的控制能量的至少其中一方擴大或縮小的值時，在理想力源區塊FC的演算結果和理想速度(位置)源區塊PC的演算結果中，控制能量自能量E1擴大或縮小至能量E2。
在進行過這樣控制的情況下，與藉由式(9)的座標轉換來進行的控制相同，記錄下藉由式(6)～(8)的座標轉換來進行的雙向控制中取得到的控制參數，並能夠實現與記錄時的從機動作不同的動作(例如，使機械阻抗不同而進行柔軟的控制等)。 此外，在進行作為第6圖的記錄時的例子來表示的控制的情況下，自第1轉換到第2轉換的過程(亦即虛擬空間中的處理過程)中，因為控制能量被擴大或縮小，所以動作所需的電力與供給至雙向控制中的從機的電力不同。
如此在本變化例中，當要設定針對藉由第1轉換來進行的控制能量的配置結果的目標值時，進行可滿足對控制能量所設定的條件，並且相當於速度或位置的能量與力的能量的至少其中一方被擴大或縮小的處理。 根據本變化例的控制法則，也能夠柔軟地管理在以控制能量為目的的狀態下，並且將必要的電力供給至控制對象系統。
[變化例2] 上述實施型態中，能夠在對於控制對象系統S的輸入(亦即對於致動器的輸入)的階段中擴大或縮小全體的控制能量。 亦即，除了如上述實施型態所述可藉由整合轉換區塊IFT中的第2轉換來擴大或縮小速度(位置)或力的至少其中一方，亦可藉由電力供給部PS中的供給電力的控制功能，來擴大或縮小致動器的動作的規模。在此情況下，是維持住藉由第2轉換所算出的速度(位置)的控制能量和力的控制能量的貢獻率，並擴大或縮小全體的控制能量。
然而，在此情況下控制能量的分配點的設定可能範圍，也被限制在第2圖所示的力極限和速度極限以下的範圍中。因此，對於致動器的輸入中，以使得致動器的運動在力極限和速度極限以下的方式而設定有上限值。 在藉由本變化例的控制法則來擴大或縮小全體的控制能量的情況下，致動器的輸出在第1座標轉換和第2座標轉換以外的處理中被加以變更。因此，亦可對應擴大或縮小的程度，對作為第1座標轉換中的輸入來使用的致動器的現在位置加以校正(亦即復原至控制能量未被擴大或縮小的狀態)。
如此在本變化例中，在藉由第2轉換將藉由第1轉換來進行的控制能量的配置結果轉換成實空間上的變數後，在決定對於致動器的輸入的階段中，進行可滿足對控制能量所設定的條件，並且相當於速度或位置的能量與力的能量的至少其中一方被擴大或縮小的處理。 根據本變化例的控制法則，也能夠柔軟地管理在以控制能量為目的的狀態下，並且將必要的電力供給至控制對象系統。
(功效) 如以上所述，根據本發明的第1態樣之位置與力的控制裝置，依功能之力與速度的配置轉換手段，基於速度(位置)和力的資訊與成為控制基準的資訊，對應要被實現的功能進行第1轉換，該速度(位置)和力的資訊對應於與基於致動器的作用的位置相關的資訊，該第1轉換將控制能量配置給速度或位置的能量與力的能量之中的至少其中一方。並且，控制量算出手段，基於藉由依功能之力與速度的配置轉換手段所配置的速度或位置的能量與力的能量之中的至少其中一方，算出速度或位置的控制量與力的控制量的至少其中一方。進而，整合手段，整合速度或位置的控制量與前述力的控制量，為了使該輸出回到致動器而對前述速度或位置的控制量與前述力的控制量進行第2轉換，以決定對於前述致動器的輸入。並且，自藉由第1轉換來進行的控制能量的配置結果來決定對於致動器的輸入的處理中，包含有滿足針對控制能量設定的條件，且相當於速度或位置的能量與力的能量的至少其中一方的擴大或縮小的處理。 藉由將第2轉換應用至藉由第1轉換來進行的控制能量的配置結果，進行了滿足針對控制能量設定的條件，且相當於速度或位置的能量與力的能量的至少其中一方的擴大或縮小的處理。 因此，能夠柔軟地管理在以控制能量為目的的狀態下，並且將必要的電力供給至控制對象系統。 於是，能夠提供更適當地實現對機器人所要求的功能的技術。
此外，本發明並不限定於上述實施型態，在能夠達成本發明目的之範圍內的變化、改良等也包含在本發明中。 例如，可適當組合上述實施型態和變化例，在此情況下，能夠作成將上述實施型態和變化例1、2中的2者以上的構成組合起來的位置與力的控制裝置。 又，上述實施型態和變化例1、2中，當要縮小速度或位置的控制能量或者力的控制能量時，亦可將能量設為零值(亦即使速度或位置的控制量或者力的控制量無效化)。在此情況下，本發明的控制法則中，能夠利用位置或速度的控制與力的控制中的其中一方。
上述實施型態等中的處理，可藉由硬體和軟體的任一方來執行。 亦即，只要在位置與力的控制系統1中具備能夠執行上述處理的功能即可，為了實現該功能而要作成怎樣的功能構成和硬體構成，並不限定於上述例子。 在藉由軟體來執行上述處理的情況下，構成該軟體的程式是自網路或記憶媒體安裝至電腦中。
記憶有程式的記憶媒體，是由與裝置本體另外分發的可移除式媒體、或是預先裝在裝置本體中的記憶媒體等所構成。可移除式媒體例如由半導體記憶體(快閃記憶體等)、磁碟、光碟或光磁碟等所構成。光碟例如由CD-ROM(光碟唯讀記憶體)、DVD(數位多功能光碟)、Blu-ray Disc(登錄商標，藍光光碟)等所構成。光磁碟是由MD(迷你光碟)所構成。又，預先裝在裝置本體中的記憶媒體，例如是由記憶有程式的ROM或硬碟等所構成。
此外，上述實施型態表示應用本發明的一例，並不限定本發明的技術性範圍。亦即，本發明在不逸脫出本發明要旨的範圍中，能夠進行省略或置換等各種變更，且能夠採用上述實施型態以外的各種實施型態。本發明能夠採用的各種實施型態和其變化，包含在申請專利範圍所述的發明與其均等範圍中。
1:位置與力的控制系統 C1,C2,C3:曲線 FC:理想力源區塊 FT:依功能之力與速度的配置轉換區塊 IFT:整合轉換區塊 PC:理想速度(位置)源區塊 PS:電力供給部 S:控制對象系統,主機裝置,從機裝置
第1圖是表示本發明之基本原理概念的示意圖。 第2圖是表示對於致動器的輸入中的速度(位置)與力的關係的示意圖。 第3圖是表示依功能之力與速度的配置轉換區塊FT中，定義有力與觸覺傳達功能之位置與力的控制系統1的功能構成的區塊圖。 第4圖是表示實現力與觸覺傳達功能之主從系統的概念的示意圖。 第5圖是表示下述情況的應用例的概念的示意圖，將整合轉換區塊IFT中的第2轉換設為第1轉換的反向轉換的情況及設為第1轉換的反向轉換以外的情況。 第6圖是表示下述情況的應用例的概念的示意圖，將理想力源區塊FC中的演算結果和理想速度(位置)源區塊PC中的演算結果設定成遵循基準值的目標值的情況、及使該等演算結果與遵循基準值的目標值不同的情況。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
FC:理想力源區塊
FT:依功能之力與速度的配置轉換區塊
IFT:整合轉換區塊
PC:理想速度(位置)源區塊
PS:電力供給部
S:控制對象系統

Claims (8)

  1. 一種位置與力的控制裝置，其具備： 依功能之力與速度的配置轉換手段，其基於速度(位置)和力的資訊與成為控制基準的資訊，對應要被實現的功能進行第1轉換，該速度(位置)和力的資訊對應於與基於致動器的作用的位置相關的資訊，該第1轉換將控制能量配置給速度或位置的能量與力的能量之中的至少其中一方； 控制量算出手段，其基於藉由前述依功能之力與速度的配置轉換手段所配置的速度或位置的能量與力的能量之中的至少其中一方，算出速度或位置的控制量與力的控制量的至少其中一方；及， 整合手段，其整合前述速度或位置的控制量與前述力的控制量，為了使該輸出回到致動器而對前述速度或位置的控制量與前述力的控制量進行第2轉換，以決定對於前述致動器的輸入； 其中，自藉由前述第1轉換來進行的前述控制能量的配置結果來決定對於前述致動器的輸入的處理中，包含有滿足針對前述控制能量設定的條件，且相當於前述速度或位置的能量與力的能量的至少其中一方的擴大或縮小的處理。
  2. 如請求項1所述之位置與力的控制裝置，其中，相當於前述速度或位置的能量與力的能量的至少其中一方的擴大或縮小的處理，是在對控制對象預先設定的速度極限和力極限的範圍內，使前述速度或位置的能量與力的能量的至少其中一方變化。
  3. 如請求項1或2所述之位置與力的控制裝置，其中，前述第2轉換是與前述第1轉換的反向轉換不同的轉換，並且使前述速度或位置的控制量與前述力的控制量的至少其中一方擴大或縮小。
  4. 如請求項1至3中任一項所述之位置與力的控制裝置，其中，前述第2轉換是前述第1轉換的反向轉換，並且在前述整合手段的輸出中，使全體能量擴大或縮小。
  5. 如請求項1至4中任一項所述之位置與力的控制裝置，其中，更具備其他致動器，其與前述致動器不同； 並且，前述致動器作為主機裝置和從機裝置的其中一方來動作，且前述其他致動器作為前述主機裝置和前述從機裝置的另一方來動作。
  6. 如請求項1至5中任一項所述之位置與力的控制裝置，其中，基於在作為主機裝置來動作的致動器和作為從機裝置來動作的致動器之間所執行的雙向控制中取得到的參數，以使前述速度或位置的能量與力的能量與前述主機裝置或前述從機裝置不同的方式，來控制前述致動器。
  7. 一種位置與力的控制方法，其具備以下步驟： 依功能之力與速度的配置轉換步驟，其基於速度(位置)和力的資訊與成為控制基準的資訊，對應要被實現的功能進行第1轉換，該速度(位置)和力的資訊對應於與基於致動器的作用的位置相關的資訊，該第1轉換將控制能量配置給速度或位置的能量與力的能量之中的至少其中一方； 控制量算出步驟，其基於在前述依功能之力與速度的配置轉換步驟所配置的速度或位置的能量與力的能量之中的至少其中一方，算出速度或位置的控制量與力的控制量的至少其中一方；及， 整合步驟，其整合前述速度或位置的控制量與前述力的控制量，為了使該輸出回到致動器而對前述速度或位置的控制量與前述力的控制量進行第2轉換，以決定對於前述致動器的輸入； 其中，自藉由前述第1轉換來進行的前述控制能量的配置結果來決定對於前述致動器的輸入的處理中，包含有滿足針對前述控制能量設定的條件，且相當於前述速度或位置的能量與力的能量的至少其中一方的擴大或縮小的處理。
  8. 一種程式，其使電腦實現以下功能： 依功能之力與速度的配置轉換功能，其基於速度(位置)和力的資訊與成為控制基準的資訊，對應要被實現的功能進行第1轉換，該速度(位置)和力的資訊對應於與基於致動器的作用的位置相關的資訊，該第1轉換將控制能量配置給速度或位置的能量與力的能量之中的至少其中一方； 控制量算出功能，其基於藉由前述依功能之力與速度的配置轉換功能所配置的速度或位置的能量與力的能量之中的至少其中一方，算出速度或位置的控制量與力的控制量的至少其中一方；及， 整合功能，其整合前述速度或位置的控制量與前述力的控制量，為了使該輸出回到致動器而對前述速度或位置的控制量與前述力的控制量進行第2轉換，以決定對於前述致動器的輸入； 其中，自藉由前述第1轉換來進行的前述控制能量的配置結果來決定對於前述致動器的輸入的處理中，包含有滿足針對前述控制能量設定的條件，且相當於前述速度或位置的能量與力的能量的至少其中一方的擴大或縮小的處理。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4613861B2 (ja) * 2006-03-30 2011-01-19 アイシン・エィ・ダブリュ株式会社 電動駆動制御装置及び電動駆動制御方法
US7731670B2 (en) * 2007-02-02 2010-06-08 Honda Motor Co., Ltd. Controller for an assistive exoskeleton based on active impedance
US20090132088A1 (en) * 2007-04-24 2009-05-21 Tairob Ltd. Transfer of knowledge from a human skilled worker to an expert machine - the learning process
CN104040876B (zh) * 2012-01-16 2016-09-14 三菱电机株式会社 电动机控制装置
EP3045271B1 (en) * 2013-09-19 2022-04-06 Keio University Position/force controller, and position/force control method and program
US20200323657A1 (en) * 2019-04-15 2020-10-15 Board Of Regents, The University Of Texas System Systems And Methods For Robotic Mirror Therapy Of The Hand
CN111136633B (zh) * 2020-01-13 2021-04-09 燕山大学 针对时变时延下柔性主-从机器人系统的全状态控制方法

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