(57)【要約】【課題】ジョイント（２０）、駆動部（２２）、前記駆動部（２２）を前記ジョイント（２０）に接続するための伝達系（２４）およびコントローラ（１４）を含むロボット（１０）において、前記ジョイント（２０）に作用するトルクを推定する。【解決手段】ジョイント位置での前記伝達系（２４）の回転変形の回転角度（３０）を測定し、前記駆動部（２２）のモータ電流（２８）を測定し、測定された前記回転角度（３０）から、前記ジョイント位置でのトルクの第１の推定値（５４）を決定し、測定されたモータ電流（２８）に基づいてトルクの第２の推定値（５６）を決定し、前記第１の推定値（５４）および前記第２の推定値（５６）を統合して、ジョイント位置での統合されたトルク推定（５８）を行う。【選択図】図１
2020101541.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボット（１０）のジョイント（２０）に作用するトルクを推定する方法（１００）であって、
駆動部（２２）を用意し、
伝達系（２４）を経て、駆動部（２２）をジョイント（２０）に接続し、
伝達系（２４）の回転変形の、位置に依存する誤差回転角度を決定するための識別ルーチンを実行し、
ジョイント位置で伝達系（２４）の回転変形の回転角度（３０）を測定し、
識別された誤差回転角度により、前記測定された回転角度（３０）を修正し、
修正された回転角度（３４）から、ジョイント位置でのトルクの第１の推定値（５４）を得る、方法。
【請求項２】
前記識別ルーチンは、前記ジョイント（２０）の所定の動作を実行することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記所定の動作は、一定速度での動作である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記識別ルーチンの間、前記ジョイントのジョイント空間の位置データを、識別された誤差回転角度にリンクする検索テーブル（３２）が作成される、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記検索テーブル（３２）を作成するために、前記ジョイント（２０）のジョイント空間は、好ましくは等距離の、離散した各断面に再分割され、
各断面には、識別された各誤差回転角度から、凝集された誤差回転角度が割り当てられる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
ある断面における修正された回転角度（３４）は、その断面の凝集された誤差回転角度の測定された回転角度（３０）である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
所定の時間間隔の識別ルーチンの間に、
現在位置の測定値、ジョイント（２０）の速度、および現在位置における伝達系の回転変形の回転角度を含むタプル(tuple)が決定され、
各タプルごとに、現在位置の誤差回転角度が各測定値から決定される、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記伝達系（２４）は入力側および出力側を有し、
前記伝達系の回転変形の回転角度を測定するために、前記伝達系（２４）は、前記入力側および前記出力側に、位置センサを備える、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記伝達系（２４）は、弾性伝達系材を有する波動歯車(strain wave gear)である、請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
ジョイント位置で駆動部（２２）のモータ電流（２８）を測定し、
測定された前記モータ電流（２８）に基づいてジョイント位置でトルクの第２の推定値（５６）を決定し、
前記第１の推定値（５４）および前記第２の推定値（５６）をあわせて、ジョイント位置での統合したトルク推定（５８）を行う、各ステップをさらに含む請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
ロボット（１０）のジョイント（２０）に作用するトルクを推定する方法（２００）であって、
駆動部（２２）を用意し、
前記駆動部（２２）を伝達系（２４）を経てジョイント（２０）に接続し、
ジョイント位置での前記伝達系（２４）の回転変形の回転角度（３０）を測定し、
ジョイント位置での前記駆動部（２２）のモータ電流（２８）を測定し、
測定された回転角度（３０）から、前記ジョイント位置でのトルクの第１の推定値（５４）を決定し、
測定されたモータ電流（２８）に基づいて、前記ジョイント位置でトルクの第２の推定値（５６）を決定し、
前記第１の推定値（５４）および前記第２の推定値（５６）を統合して、ジョイント位置での統合したトルク推定（５８）を行う、方法。
【請求項１２】
前記統合する手順は、一定値の加重により実行される、請求項１０または請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記統合する手順は、時間的に変化する加重により実行される、請求項１０または請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
コンピュータにより実行されるコンピュータ・プログラムであって、
前記コンピュータに、請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載の方法を実行させるコンピュータ・プログラム。
【請求項１５】
ジョイント（２０）、駆動部（２２）、前記駆動部（２２）を前記ジョイント（２０）に接続するための伝達系（２４）、および前記ジョイント（２０）に作用するトルクを推定するためのコントローラ（１４）を含むロボットであって、
前記コントローラ（１４）は、前記伝達系（２４）の回転変形の、位置に依存する誤差回転角度を決定するための識別ルーチンを実行し、ジョイント位置で前記伝達系（２４）の回転変形の回転角度（３０）を測定し、識別された前記誤差回転角度を用いて測定された前記回転角度（３０）を修正し、修正された前記回転角度（３４）から前記ジョイント位置でトルクの第１の推定値（５４）を決定するように構成された、ロボット。
【請求項１６】
ジョイント（２０）、駆動部（２２）、前記駆動部（２２）を前記ジョイント（２０）に接続するための伝達系（２４）、および前記ジョイント（２０）に作用するトルクを推定するためのコントローラ（１４）を含むロボットであって、
前記コントローラ（１４）は、ジョイント位置で前記伝達系（２４）の回転変形の回転角度（３０）を測定し、ジョイント位置で前記駆動部（２２）のモータ電流（２８）を測定し、測定された前記回転角度（３４）から前記ジョイント位置でのトルクの第１の推定値（５４）を決定し、測定された前記モータ電流（２８）に基づき前記ジョイント位置でのトルクの第２の推定値（５６）を決定し、前記第１の推定値（５４）および前記第２の推定値（５６）を統合して、ジョイント位置での統合したトルク推定（５８）を行うように構成されている、ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットのジョイントおよびそれに対応するロボットに作用するトルクを推定するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日では、工業生産の基本的な作業はロボットにより遂行される。それは、自律して大いに働いている。にもかかわらず、人間のオペレータが将来とも、現代的な生産設備の不可欠な部分であり続けることが示された。したがって、人間とロボットの安全な協働領域（すなわち人間およびロボットが規制なしで連携できる環境の生成）に、開発がますます集中している。
【０００３】
特別な注意が安全技術に払われる。ロボットもしくは他の自律的に動作するユニットと常に協働する人々もしくは物に対する脅威がないように、それは設計されなければならない。
【０００４】
この目的で、ロボットまたは自律的なユニットが、環境およびその中で行動する人を「認識して」人への危害または物への損傷を防止するためにいつでも処置をとることができることが、重要である。
【０００５】
その環境を認識する１つの方法は、衝突からの保護を提供するために、ロボットがその環境中の物体との接触を検知するようにすることである。例えばロボットは、ロボットのジョイントに作用するトルクを決定できるトルクセンサを搭載することができる。
【０００６】
これは、ロボットが最も小さな外部の力さえ感知して、その速度を落とすことによってその運動エネルギーを、予想外の接触が生じた場合に損傷または損壊を防止するレベルに引き下げることによって、安全な衝突保護を実現することを可能にする。
【０００７】
直接のトルク測定に加えて、他の測定変数を経て間接的に、ロボットに作用するトルクを引き出して推定することもできる。例えば、有効なトルクを、モータ電流から推定することができる。直接測定を使用するトルクセンサに勝る利点は、通常、既存のセンサが再利用できるということであり、または、より単純およびより安価なセンサを、検知のための測定変数を決定するための使用することができるということである。
【０００８】
しかしながら、不利な点は、間接的な測定からトルクを決定するときに、その推定値および検知誤差を考慮しなければならないことである。これらは通常、直接測定の測定誤差を決定することに比べて、より複雑であり困難である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本発明の目的は、上記の不利な点を考慮して、臨界的な(critical)アプリケーションであっても、トルクの正確な判定および信頼性の高い判定を見込むことができるトルクを推定するために方法および装置を提供することである。特に、間接的な測定に基づいてトルクの正確なおよび信頼性の高い判定を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様によれば、ロボットのジョイントに作用しているトルクを推定する方法によって、前記課題は解決される。この方法は以下の各ステップを含む。
【００１１】
駆動部を用意するステップ、伝達系を経て、駆動部をジョイントに接続するステップ、伝達系の回転変形の、かつ位置に依存する誤差回転角度を決定するための識別ルーチンを実行するステップ、ジョイント位置で伝達系の回転変形の回転角度を測定するステップ、識別された誤差回転角度により、前記測定された回転角度を修正し、修正された回転角度から、ジョイント位置でのトルクの第１の推定値を決定するステップ。
【００１２】
本発明は、推定によって、ロボットのモーメント平衡に影響を及ぼす外部の影響を決定するという着想による。その推定値は、使用されている伝達系の回転変形に基づく。
【００１３】
本発明の第１の態様によれば、この推定は、系統的測定誤差および伝達系に固有の効果を補償することによって最適化される。その結果、位置に依存する誤差が、外部の影響がないとみなされる場合に、データに基づくアプローチを用いて決定される。位置に依存する誤差は、実際の測定を修正するために用いる。位置に依存する誤差は、特定のジョイント位置での系統的測定誤差および伝達系の干渉を考慮して、前もって識別ルーチンで決定される。
【００１４】
このためにロボットは、ロボットの所定のジョイント位置の測定誤差を分離(isolate)するために、識別ルーチンの間、予め定められた方法で移動する。分離された測定誤差は、実際の測定値を修正するために、例えばロボットの特定の位置または姿勢のために補償値を提供するルックアップテーブルの形で用いることができる。
【００１５】
予め定められた、位置に依存する測定誤差を経た修正は、ジョイントの伝達系の回転変形に基づくトルク推定値のみを用いて、ロボットのモーメント平衡に影響を及ぼす外部の影響、特にジョイントに外部から作用する特定のトルクの、正確で信頼性の高い判定を可能にする。
【００１６】
追加的なトルクセンサの設置は、このようにして回避される。加えて、トルク推定により、トルクセンサを使用した直接測定が強化されることが、考えられる。このようにして、安全技術でしばしば必要とされる冗長性を達成でき、共通の原因の誤差を効果的に除外できるため多様性を増加できる。その理由は、作動しているトルクを決定するために、異なる測定方法が結合されるからである。上述した目的は、このようにして完全に解決される。
【００１７】
好適な改良において、識別ルーチンは、ジョイントに所定の移動を実行させることを含む。
【００１８】
好ましくは、ロボットの１つのジョイントだけが各パスを移動するという、いくつかのパスを使う経時的な識別手続きが実行される。このように、ロボットの簡略化された動的モデルを用いることができ、それは系統的な測定誤差の隔離(isolation)を単純化する。特に、個々のジョイントの移動が適切に選択される場合、求心的な効果およびコリオリ効果を効果的に除外することができる。このように、この改良は、位置に依存する誤差の特に単純なかつ正確な決定に関与する。
【００１９】
前記所定の移動は、恒常的な速度を有する運動であり得る。このようにして、慣性モーメントを無視することができ、ロボットの動的モデルをさらに単純化して、その結果、基本的に重力モーメントだけを考慮すればよい。
【００２０】
さらなる改良において、識別ルーチンの間、ジョイントのジョイント空間の位置データを誤差回転角度にリンクする検索テーブルを作成することができる。
【００２１】
検索テーブルは、各位置のための補償値を検索テーブルで参照することができるゆえに、実際の測定値を修正することを特に容易にかつ効率的にする。
【００２２】
検索テーブルを作成するために、ジョイント空間は、離散的な特に等距離の、複数の断面に分けられる。各断面には、識別された各誤差回転角度から、凝集された(aggregated)誤差回転角度を割り当てられる。この換装(interpolation)は、リアルタイム条件の下でさえ効果的な修正を可能にする。
【００２３】
断面における修正された回転角度は、測定された回転角度からその断面の凝集された誤差回転角度を引いたものであってもよい。このように単純な減算によって、修正をすることが可能である。
【００２４】
さらなる改良において、所定の時間間隔の識別の間に、現在位置の測定値、ジョイントの速度および現在位置における伝達系の回転変形の回転角度を含むタプル(tuple; 組)が決定され、各タプルごとに、現在位置の誤差回転角度が各測定値から決定される。このようにして、識別ルーチンを、特に効率的に、そして急速に実行することができる。
【００２５】
さらなる改良において、伝達系は、伝達系の回転変形の回転角度を測定するために、入力側および出力側に位置センサを備えることができる。
【００２６】
伝達系の入力側および出力側の位置センサを用いて、位置センサのオフセットを決定することによって、伝達系の回転変形の簡単な決定をすることができる。この位置センサを利用する改良形態は、費用対効果の高い状態で行うことができて、このように推定手順の費用効果的な設計に寄与することができる。
【００２７】
好適な改良において、伝達系は、弾性伝達要素を有する波動歯車(strain wave gear)である。
【００２８】
波動歯車は伝達系の回転変形を介してトルクの特に良好な推定を可能にする。その理由は、弾性伝達要素はより顕著に、したがって測定するのがより容易な伝達系の回転変形を作るからである。
【００２９】
本発明の別の態様では、ロボットのジョイントに作用しているトルクを推定する方法によって、前記目的は達成される。この方法は以下の各ステップを含む。
【００３０】
駆動部を用意するステップ、前記駆動部を伝達系を介してジョイントに接続するステップ、ジョイント位置で前記伝達系の回転変形の回転角度を測定するステップ、ジョイント位置で前記駆動部のモータ電流を測定するステップ、測定された回転角度から前記ジョイント位置でのトルクの第１の推定値を決定するステップ、測定されたモータ電流に基づいて前記ジョイント位置でのトルクの第２の推定値を決定するステップ、ならびに前記第１の推定値および前記第２の推定値を統合して、ジョイント位置での統合されたトルク推定を行うステップ。
【００３１】
代替として、または補助として、前記目的は、２つの間接的な測定を統合することによって解析される。このように一方では、トルクの推定をモータ電流を経て実行することができ、そして他方では、回転変形を経たトルク推定を同時に実行する。両方の推定結果は、その後結合される。
【００３２】
このようにして、ロボットのトルク平衡に作用する外部の影響を、追加のトルクセンサなしで、正確にそして信頼度をもって決定することができる。統合することは、それぞれの推定方法の知られた特性を考慮することができるという効果がある。その結果、単一の推定のみと比べて、より正確な結果を得ることができる。
【００３３】
同様に、異なる測定方法が用いられる２つの間接的な測定結果を統合することはしばしば安全技術で必要とされて、多様性を増加させ、冗長性を達成することができる。
【００３４】
本明細書の冒頭で言及した目的は、このように完全に解決される。
【００３５】
好適な改良において、統合は、一定の加重(weighting)によって、または、時間的に変化する加重によって実行される。
【００３６】
加重によって、統合は、統合される各推定方法の異なった特性に適していることができる。よって、推定値を、特に進歩した方法でさらに最適化することができる。
【００３７】
前述の特徴および以下で説明される特徴は、示される組合せで使用できるのみならず、他の組合せでも、または、単独で、本発明の範囲を離れない限り使用することができることは言うまでもない。
【００３８】
本発明の実施形態は、図面に示され、以下の説明において、さらに詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態にかかるロボットを示す略図である。
【図２】本発明の第１の態様による方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第２の態様による方法を示すフローチャートである。
【図４】トルク推定の好適な実施形態を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
図１において、本発明の実施形態に係るロボットの全体が、参照番号１０によって示される。この実施形態において、ロボット１０は産業用ロボットである。産業用ロボットは、ワークピースを扱い、組み立てまたは加工するための汎用の、プログラム可能な機械である。
【００４１】
産業用ロボットは、動作部１２（ロボットアーム）、制御部１４、およびツールまたはグリッパーとして設計される施工部１６を備える。
【００４２】
図１に示される動作部１２は、例えば２つのリンク１８および３つのジョイントないし継ぎ手２０を備えている。しかしながら、本発明がここで示されるリンク数およびジョイント数に限られないことは言うまでもない。むしろ、ここで提示される方法は、複数の個々のジョイントに適用することができる。
【００４３】
動作部１２のリンク１８はジョイント２０を介して移動し、駆動部２２によって駆動される。駆動部２２は伝達系２４を経てロボット１０に接続されている。伝達系２４および駆動部２２は、明確のため動作部１２とは別に示される。しかしながら、駆動部２２および伝達系２４は、動作部１２に、特にジョイント２０に集積されることができる。さらにまた、別々の駆動部２２および別々の伝達系２４が、各ジョイント２０のために提供されてもよい。
【００４４】
制御部１４は、ユーザにより所望される運動を実行するように、動作部１２を駆動する駆動部２２を制御する。制御部１４は、仕事シーケンスと運動シーケンスとが制御部１４によって独立して実行されるプログラムとして格納されたプログラマブルコントローラであってもよい。
【００４５】
動作部１２の仕事シーケンスまたは運動シーケンスに影響を与える制御部１４によって、外部のセンサシステムもしくは統合化センサシステムを介して、付加的なセンサ情報を記録できる。
【００４６】
通常、位置センサ２５ａは駆動側に設けられており、それはジョイント位置を決定するために用いることができる。駆動側から見て、これは、位置センサが伝達系の前に、すなわち運動側に位置することを意味する。
【００４７】
加えて位置センサ２５ｂは、出力側、すなわち伝達系の下流側、伝達系とジョイントとの間に設けられることもある。
【００４８】
この種のセンサは、ジョイント側(joint side)の位置センサとも呼ばれる。入力側及び出力側の位置センサを介して、伝達系２４の回転変形の回転角度は、センサの間のオフセットによって容易に測定することができる。
【００４９】
また制御部１４は、ロボット１０のモーメントの平衡に影響を及ぼす外部の影響を決定するために用いられる手順を実行する。「外部の影響」とは、特にロボットに作用する外部の力２６であり、これは動作部１２のジョイント２０上に加えられる、対応するトルクとなる。
【００５０】
外部トルク２６の判定は、ロボット１０が人または物に接触したときに受ける小さな力さえ記録することを可能にする。
【００５１】
このようにして、物との衝突（人間との接触を含む）が生じた場合、ロボット１０は制御部１４を介して適正な制御を実行する力を与えられることが可能である。それはロボットに後退させるか、または移動を停止させる。
【００５２】
トルクの推定方法は、トルクがトルクセンサを使用した直接測定で判定されない方法であり、これは他の測定変数(measured valiable)から導かれる。
【００５３】
特に、測定変数は、産業用ロボットに標準装備されたセンサにより記録されることができる。これらのセンサは、なかでも、関連した測定変数を直接的または間接的に決定するために使用できる位置センサまたは流速計であってもよい。
【００５４】
本開示において、トルク推定の方法は、２つ考慮される。
【００５５】
第１の方法はモータ電流を利用したトルク推定方法を含み、第２の方法は伝達系のねじれ変形を利用したトルク推定方法を含む。
【００５６】
関連する測定変数を決定するために、第１の方法として駆動部に流れる電流を測定する電流計が提供される。
【００５７】
伝達系２４の回転変形は、伝達系の駆動側の位置センサ２５ａ、および伝達系２４の出力側の位置センサ２５ｂを用いて決定される。駆動側および出力側の相対的なオフセットを利用して、回転ずれの角度を決定できる。これはモータ電流と同様に、有効トルク２６と、所定の、かつモデル可能(moderable)な関係がある。この種のオフセットは、波動歯車機構のほうが、弾性要素に基づく他の伝達機構よりも大きい。にもかかわらず、位置センサの高い測定精度は、重要である。
【００５８】
伝達系の伝達比率がＮ倍大きければ、モータ側の位置センサの位置精度は、ジョイントの精度よりＮ倍大きい。よって、測定された回転角度の精度は、ジョイント側の精度によって制限される。精度が、予想されるねじれ変形と同じオーダーであることは、珍しくない。したがって、位置測定におけるシステム誤差の影響は、角度測定において大きい。回転角度に基づく有効トルクの判定は、したがって、この効果を補償するために最適化されなければならない。
【００５９】
推定値を最適化するために、以下に説明する方法を実施することができる。各方法は、個々に実行することもでき、補完的に実施することもできる。
【００６０】
図２は回転変形に基づいて推定値を最適化する方法１００を示すフローチャートであり、図３は２つの推定方法を結合する方法２００を示すフローチャートである。同じ参照符号は、図１の同じ部品を示す。
【００６１】
図２の方法１００において、第１のステップＳ１０１で、ロボット１０の駆動部２２が設けられ、それは、伝達系２４を経てロボット１０の少なくとも１つのジョイント２０に接続される。
【００６２】
その後、ステップＳ１０２において、識別ルーチンが実行される。
【００６３】
識別ルーチンは、ロボット１０のモーメントの平衡に与える外部の影響が除外された状態でのロボット１０の所定の制御を含む。すなわちロボットは、障壁がない作業域に移動できる。
【００６４】
この識別ルーチンの目的は、伝達系２４のシステム的な測定誤差および位置に依存した干渉効果に対応する位置に依存した誤差を記述する特性曲線を決定することである。
【００６５】
この識別ルーチンの間、ロボットを所定の方法で制御することによって、ロボットの単純化された運動モデルを想定することができる。その運動モデルは、位置に依存する誤差を、位置に依存する回転角度の誤差の形で決定するために用いることができる。
【００６６】
この識別ルーチンは、順次実行されることができ、それによって、ロボットの１つのリンクだけが、各パスにおいて移動する。このことにより、遠心効果およびコリオリの効果を除外できる。
【００６７】
さらにまた、前記所定の制御は、慣性モーメントが無視できる一定速度の運動であってもよい。
【００６８】
前記所定の制御は、単純な運動モデルを使用してロボットの移動を記述することを可能にする。
【００６９】
一般に、産業用ロボットは、運動微分方程式システムにより記載されることができる：
【００７０】
【数１】
2020101541.tif 000003
【００７１】
ここでＭは質量慣性マトリックスであり、Ｃはジョイントにおける求心力およびコリオリの力によって生じる一般的な拘束モーメントのベクトルを表し、ｇは一般的な重力モーメントのベクトルを表す。τJは伝達系により伝達されるトルクを表し、それはモータトルクからモータおよび伝達系の摩擦モーメントを引いたものである。ｑ（ｔ）は運動座標軸のベクトルを表し、τextはモーメントの平衡に影響を及ぼす外部の影響を表す。その外部の影響が求められるものである。
【００７２】
所定の制御によって、この方程式の個々の項、特に慣性質量のモーメントおよび力のモーメントがモデルから取り除かれ、基本的に、重力モーメントだけが考慮されるようにする。
【００７３】
前記識別ルーチンの間、好ましくは時間間隔をおいて、測定値のタプル（組）が記録される。測定値は、好ましくは、現在位置、ジョイントの速度、および現在位置での伝達系の回転変形角度を含む。
【００７４】
簡略化された動的モデルを用いて、誤差は、各組に割り当てられることが可能である。その結果、誤差回転角度に対するジョイントを表すジョイント空間の位置データにリンクされる検索テーブルができる。
【００７５】
好ましくは、ジョイントのジョイント空間はディスクリートな（特に等距離の）断面にに再分割され、各断面は、複数の誤差回転角度から凝集された誤差回転角度を割り当てられる。
【００７６】
識別ルーチン（特に検索テーブル）から得られたデータは、ロボット１０の制御部１４または関連するメモリに格納されることができて、補償のために使うことができる。
【００７７】
識別ルーチンは、対応するデータを決定するために実際の測定が実行される前に、少なくとも一回実行されなければならないことは、言うまでもない。
【００７８】
加えて、識別ルーチンは、位置に依存する誤差値を更新するために、システムの各スタートで、または所定のサイクルの中で繰り返されることもできる。
【００７９】
ステップＳ１０３は、伝達系の回転変形の回転角度をジョイントの位置で測定する実際の測定プロセスを示す。
【００８０】
測定された回転角度は、識別ルーチンの間に決定されたデータを用いて、ステップＳ１０４において修正される。好ましくは、所与の位置での誤差回転角度がデータから決定されて、修正された回転角度を得るために、測定された回転角度から減算される。
【００８１】
ステップＳ１０５では、回転角度と有効トルクとの所定の関係を使用して、修正された回転角度から、有効トルクの推定値が決定される。
【００８２】
回転角度と有効トルクとの所定の関係は、例えば、以下の形で表される立体曲線によって、モデル化されることができる。
【００８３】
【数２】
2020101541.tif 000004
【００８４】
ここで、ｋl,jはｊ番目のリンクの線形スティフネス、ｋc,jはｊ番目のリンクの立体スティフネスを表す。
【００８５】
しかし本方法は、このモデルに限られず、いうまでもなく、関係する他のモデルを採用することもできる。
【００８６】
図２に記載された方法にしたがって決定されたトルクは、誤差補償のない推定と比べて、特に大きいギア減速比を有する伝達系を使用する場合、かなり正確である。
【００８７】
図２に関して説明された方法に代えて、またはそれに加えて、図３を参照して以下に説明するように、２つの間接的な測定を結合することによって、より正確なモーメントの推定をすることもできる。
【００８８】
図３に、本発明の一態様による、モーメントを推定するための代替方式をフローチャートで示す。
【００８９】
この代替方式において、トルクの推定値は、２つの独立した推定を実行し、それらの結果を全体の結果に統合することによって、最適化される。
【００９０】
上記の方法によれば、ステップＳ２０１で、駆動部２２を設け、それを伝達系２４を経てロボット１０のジョイント２０に接続する。その結果、２つの独立した推定が、関連した測定値を記録することによって、なされる。
【００９１】
ステップＳ２０２において、伝達系の回転変形の回転角度がジョイント位置で測定される。これは入力側と出力側の各位置センサによって、好ましくはなされる。そして、その相互のオフセットは、伝達系２４の回転変形を示す回転角度に、結果として表れる。
【００９２】
ステップＳ２０３において、駆動部のモータ電流も、このジョイント位置で、好ましくは同時に測定される。
【００９３】
ついでステップＳ２０４およびＳ２０５で、有効トルクの独立した推定がなされる。
【００９４】
ステップＳ２０４では、測定された回転角度から、ジョイント位置でのトルクの第１の推定値が決定される。ステップＳ２０５では、測定されたモータ電流に基づいて、ジョイント位置でのトルクの第２の推定値が決定される。
【００９５】
最後に、ステップＳ２０６で、第１および第２の推定値は、ジョイント位置でのトルクの連結推定値として統合される。
【００９６】
統合する目的は、個別の推定値を結合することによって、トルク推定のためのより良好な全体結果を得ることである。
【００９７】
結合は、一定の加重または時間的に変化する加重を用いて実行され得る。
【００９８】
第１の方法において、結合を、確率論に基づいて行う。この目的のために、推定値は、推定値偏差σt2および平均値μt=τext,tを有する確率密度として、ならびに推定値偏差σm2および平均値μm=τext,mを有する確率密度としてモデル化される。分布は、τextが存在しない場合、
【００９９】
【数３】
2020101541.tif 000005
【０１００】
に対して媒体自由（medium-free）である。
【０１０１】
確率密度がガウス分布によって近似される場合、条件つきガウス確率のパラメータは、ベイズの法則にしたがって、２つの独立した推定確率を考慮することによって決定される。
【０１０２】
【数４】
2020101541.tif 000006
【０１０３】
【数５】
2020101541.tif 000007
【０１０４】
その結果、両方の推定値を用いて偏差は個々の最低の偏差より小さくなる。連結の推定値はこのように、より良好な全体の結果につながる。
【０１０５】
第２の方法は、時間的に変化する重みを用いて統合することを含む。この着想は、０の外部モーメントの予想により近い個別推定値法を重視することにある。したがって、各推定値法の加重のための偏差は、推定された外部モーメントの二乗に変えられる。
【０１０６】
数式で表現すると、
【０１０７】
【数６】
2020101541.tif 000008
【０１０８】
のようになり、各重みは、対応する二乗距離に逆比例する。
【０１０９】
０の近くの推定が好まれるので、これは偏差を減少させる。その結果、例えば、１つの推定値だけが増加する場合、他の推定値（それは０により近い）が総合的な推定を支配する。しかしながら、両方の個別推定値が増加する場合、例えば外部モーメントのため、総合的な推定値も増加する。
【０１１０】
両方の推定値の加重和に基づいて、統合された推定値は、常に２つの個別推定値の間にあるが、０により近い推定値に近づく傾向がある。
【０１１１】
結合が、前述の２つの方法に限られないことは言うまでもない。さらなる方法として、例えば、低速ではねじれモーメントが好まれ、より高い速度では電流で測定されたモーメントを重視するという、速度に基づく加重を考慮できる。
【０１１２】
最後に、図４に、上記の２つの方法を結合する好適な実施形態を示す。
【０１１３】
図４の実施形態において、一方では、伝達系の回転変形の最適化された推定値が、あらかじめ決定された位置依存誤差に基づいた補償を使用して、実行される。他方では、推定されたトルクに、モータ電流に基づいて推定値されたトルクが、同時に結合される。
【０１１４】
図４において、モータ電流を使用したトルク推定値が、点線より上に示される。そして、伝達系の回転変形に基づいて最適化された推定値を使用したトルク推定値が、点線より下に示される。
【０１１５】
入力において測定された変数は、したがってモータ電流２８および測定された回転角度３０である。図２に関して上に詳細説明したように、測定された回転角度は、検索テーブル３２を経て修正される。修正の結果は、修正後の回転角度３４となる。
【０１１６】
次にモータートルク３８が、モータ電流モデル３６に基づいて決定される。さらに、ねじれモーメント４２が、修正後の回転角度３４および伝達系２４のねじれ変形モデル４０を介して決定される。
【０１１７】
第１の摩擦モデル４４を用いて、エンジンの摩擦および伝達系の摩擦の両方が考慮される。例えば、次の式で表される。
【０１１８】
【数７】
2020101541.tif 000009
【０１１９】
ここで、
【０１２０】
【数８】
2020101541.tif 000010
【０１２１】
はＣｏｕｌｏｍｂ摩擦を表し、
【０１２２】
【数９】
2020101541.tif 000011
【０１２３】
は伝達系の粘着性摩擦を表す。両方の摩擦要素を考慮して、実際に伝達されるトルク４６をモータートルクから決定することができる。方法は、ここで示される摩擦モデルに限られず、他のモデルを考慮することもできることは、言うまでもない。
【０１２４】
同様に、伝達されたねじれモーメント４８は、ねじれモーメント４２から伝達系の摩擦を引くことにより決定される。伝達系の摩擦は第２の摩擦モデル５０を用いて決定される。
【０１２５】
第２の摩擦モデル５０は、例えば、伝達系摩擦：
【０１２６】
【数１０】
2020101541.tif 000012
【０１２７】
のみを含んでいてもよい。ここでまた、摩擦の他のモデルも考えられる。
【０１２８】
伝達された運動トルク４６および伝達されたねじれトルク４８から、現在位置での外部のトルク２６のための第１の推定値５４および第２の推定値５６が、それ自体公知の方法で決定される。
【０１２９】
この判定は、一方ではロボットの動的モデルを介して直接に可能であるが、妨害オブザーバ(disturbance observer)を介して間接的に値を決定するところに意味がある。なぜなら、加速を直接測定する必要はなく、また、逆慣性質量マトリックスも算出される必要がないからである。このように算出を単純化することができる。
【０１３０】
最後に、第１の推定値５４および第２の推定値５６は、連結推定値５８に結合される。この結合は図３を参照しながら説明した方法で実施することができるが、任意の異なる結合方法を含んでいてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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