(57)【要約】【課題】作業状況の変化によって生じるアクチュエータの制御パラメータの変化量を高精度で推定することができるパラメータ推定装置を提供する。【解決手段】コントローラ６は、フィードバックループのゲインを測定するループゲイン測定手段２３と、ループゲイン測定手段２３により測定されたゲインが一定となるように該ゲインの調整値を決定するゲイン交点制御手段２４と、ゲイン交点制御手段２４により決定されたゲインの調整値から、アクチュエータ５の制御パラメータの規定値に対する変化量を推定するパラメータ推定手段２８とを備える。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁界に置かれたコイルに電流を供給することによって直進方向または回転方向に変位するアクチュエータの制御パラメータの規定値に対する変化量を推定するパラメータ推定装置であって、
前記アクチュエータの変位を計測する変位センサと、
前記変位センサで計測された変位と前記アクチュエータの目標位置との偏差を算出する偏差算出手段と、
前記偏差算出手段により算出された偏差に基づいて前記コイルへ供給される電流をフィードバック制御するコントローラと
を備え、
前記コントローラは、フィードバックループのゲインを測定するゲイン測定手段と、該ゲイン測定手段により測定されたゲインが一定となるように該ゲインの調整値を決定するゲイン調整手段と、該ゲイン調整手段により決定されたゲインの調整値から前記変化量を推定するパラメータ推定手段とを有することを特徴とするパラメータ推定装置。
【請求項２】
請求項１記載のパラメータ推定装置において、
前記制御パラメータは、前記アクチュエータの可動部質量であることを特徴とするパラメータ推定装置。
【請求項３】
請求項２記載のパラメータ推定装置において、
前記コイルへの供給電流から算出される前記アクチュエータの駆動力と、前記変位センサで検出された変位から算出した加速度と、前記パラメータ推定手段により推定された可動部質量の変化量に基づいて、該アクチュエータに作用する外力を推定する外力推定手段を備えることを特徴とするパラメータ推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界に置かれたコイルに電流を供給することによって直進方向または回転方向に変位するアクチュエータの制御パラメータの規定値に対する変化量を推定するパラメータ推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体部品やＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術によって製造される精密部品を組み立てる作業時には、部品に合わせて精密な位置決めが必要であると共に、部品の接触を正確に検知して、接触力が過大にならないように位置決めを制御することが必要である。
【０００３】
このような高精度の制御を行う装置の一例として、半導体素子を基板に実装するときに加圧するアームを、平行板ばねで構成した弾性案内に取り付け、ボイスコイルモータで加圧力を与えるように構成し、ボイスコイルモータのコイルに供給する電流を電流調節器で調節することによって加圧力を制御するようにしたものが知られている（特許文献１）。
【０００４】
また、ロボットの手首に取り付けた力センサからの信号をサーボ制御系にフィードバックするものが知られている（特許文献２）。これは、ロボットの作業中、力をモニタリングすることによって部品位置の認識と作業の成否確認を行う一方、力情報を制御系にフィードバックすることによって力制御を実現し、作業の信頼性を向上させるようにしたものである。
【０００５】
さらに、接触センサを用いずに、位置センサとアクチュエータ駆動電流とから、外乱オブザーバを用いて力制御を実行する方法も知られている（特許文献３）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−８６３１７号公報
【特許文献２】特開平７−２４６６５号公報
【特許文献３】特開平６−５２５６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の位置決め制御の技術には、次のような問題点があった。
【０００８】
上記特許文献１の技術では、静止時には精密な加圧力を加えることができるが、部品搬送時の振動を抑えることや押し付けながら移動する作業で接触力を精密に制御することは難しい。また、接触を検知するためには、別に接触センサを付加する必要がある。
【０００９】
特許文献２の技術では、アームの質量や減速器の摩擦力の影響により、微小な接触力を維持しながら作業を行うことは難しい。
【００１０】
特許文献３の技術では、外乱オブザーバで接触力を検出するためには、アクチュエータの制御パラメータと外乱オブザーバの制御パラメータとが一致していることが前提となるが、作業内容等によりアクチュエータの可動部に取り付けるワークが異なり質量が変化すると、制御パラメータが規定値から変化して力の検出精度が低下してしまう。
【００１１】
本発明は、上記の問題点を解決するものとして、作業状況の変化によって生じるアクチュエータの制御パラメータの変化量を高精度で推定することができるパラメータ推定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、磁界に置かれたコイルに電流を供給することによって直進方向または回転方向に変位するアクチュエータの制御パラメータの規定値に対する変化量を推定するパラメータ推定装置であって、前記アクチュエータの変位を計測する変位センサと、前記変位センサで計測された変位と前記アクチュエータの目標位置との偏差を算出する偏差算出手段と、前記偏差算出手段により算出された偏差に基づいて前記コイルへ供給される電流をフィードバック制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、フィードバックループのゲインを測定するゲイン測定手段と、該ゲイン測定手段により測定されたゲインが一定となるように該ゲインの調整値を決定するゲイン調整手段と、該ゲイン調整手段により決定されたゲインの調整値から前記変化量を推定するパラメータ推定手段とを有することを特徴とする。
【００１３】
本発明のパラメータ推定装置によれば、作業状況により、アクチュエータの制御パラメータが変化すると、これに伴ってフィードバックループ（一巡伝達関数）のゲインが変化する。そのため、かかるゲインを一定に保つためのゲイン調整値から、制御パラメータの規定値に対する変化量を推定することができる。これにより、作業状況の変化によって生じるアクチュエータの制御パラメータの変化量を高精度で推定することができる。
【００１４】
本発明において、前記制御パラメータは、前記アクチュエータの可動部質量であることが好ましい。
【００１５】
かかる態様によれば、作業状況により、アクチュエータに取り付け治具の交換等で可動部の質量が変化した場合にも、これに対応した制御パラメータを高精度で推定することができる。
【００１６】
また、本発明において、前記コイルへの供給電流から算出される前記アクチュエータの駆動力と、前記変位センサで検出された変位から算出した加速度と、前記パラメータ推定手段により推定された可動部質量の変化量とに基づいて、該アクチュエータに作用する外力を推定する外力推定手段を備えることが好ましい。
【００１７】
かかる態様によれば、外力は、アクチュエータの駆動力と、可動部の質量に加速度を乗算した値との差により算出されるところ、可動部の質量が変化した場合にも、これを高精度で推定した値を用いることができ、ひいてはアクチュエータに作用する外力を高精度で推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ロボットのアームとハンドの間に取り付けられたボイスコイルモータの外観図。
【図２】ボイスコイルモータの構成を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。
【図３】ボイスコイルモータの制御系を示すブロック図。
【図４】ループゲイン調整手段の制御を示すブロック図。
【図５】外力推定手段の制御を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態として、ロボット１のアーム２とハンド３の間に取り付けられたアクチュエータとしてのボイスコイルモータ５のほか、コントローラ６（図３参照）を備えて構成される。
【００２０】
図２に示すように、ボイスコイルモータ５は、上面が開口した円筒形の筐体１１と、この筐体１１の内側面に円環溝状のヨーク１２の側壁と共に固定された磁石１３と、この磁石１３に対向するように配置されたボビン１４に巻かれたコイル１５と、ヨーク１２の内側に配置される底面が開口した円筒形の架台１６と、ボビン１４と共に架台１６の上下端を筐体１１内に支持する複数の円弧状フラットスプリングからなる弾性案内部材１７と、架台１６の内部で筐体１１の底面上に設置された変位センサ１８とを備えている。
【００２１】
変位センサ１８は、近接センサ、ひずみゲージ、リニアエンコーダ等が用いられる。
【００２２】
上記構成のボイスコイルモータ５によれば、磁石１３による磁界に置かれたコイル１５に電流を供給することにより、コイル１５と共に架台１６が上下方向に駆動される。この上下動による変位（位置の変化）は、変位センサ１８によって計測される。
【００２３】
図３に示すように、コントローラ６は、変位センサ１８によって計測された変位とボイスコイルモータ５の目標位置との偏差を算出する比較器２１と、比較器２１により算出された偏差を入力とするフィードバックループの特性を安定化させる位相補償器２２と、ループゲイン測定手段２３、ゲイン交点制御手段２４および可変ゲイン調整器２５からなるループゲイン制御手段２６と、入力電圧に比例した電流を発生する定電流ドライバ２７とを備える。なお、ループゲイン測定手段２３が、本発明のゲイン測定手段に相当し、ゲイン交点制御手段２４が、本発明のゲイン調整手段に相当する。
【００２４】
また、コントローラ６には、可変ゲイン調整器２５の調整値から、ボイスコイルモータ５の制御パラメータの規定値に対する変化量を推定するパラメータ推定２８と、パラメータ推定２８の推定値と位置センサ１８によって計測された変位とから外力を推定する外力推定手段２９とを備える。
【００２５】
次に、図４を参照して、ループゲイン調整手段２６の各構成要素および機能について説明する。
【００２６】
ループゲイン測定手段２３は、フィードバックループのループゲインを測定するための手段であって、具体的には、発信器３１によりループゲインが１となる周波数、すなわちゲイン交点に設定された周波数の正弦波を、加算器３２を介してフィードバックループに加算する。
【００２７】
ゲイン交点制御手段２４は、加算器３２の前後の信号の振幅比を比較する比較器であって、ここでは、フィードバックループに加算された正弦波信号と該ループを一巡して戻ってきた信号aとの加算値ｂの振幅と、該ループを一巡して戻ってきた信号aの振幅の比を比較器３３により比較する。
【００２８】
可変ゲイン調整器２５は、ゲイン交点制御手段４２によって比較された振幅比の倍率が１となるように、ループゲインの調整が可能な調整器であって、具体的には、可変ゲインアンプにより構成される。
【００２９】
次に、かかるループゲイン調整手段２６によるフィードバックループのループゲインの調整方法について説明する。
【００３０】
まず、発信器３１によりループゲインが１となる周波数を、加算器３２を介してフィードバックループに加算する。
【００３１】
そして、ゲイン交点制御手段２４は、フィードバックループを一巡して戻ってきた信号の振幅比の倍率が１となるように、加算器３２の前後の信号の振幅比の倍率の逆数を、可変ゲイン調整器２５の調整値とする。
【００３２】
すなわち、ゲイン交点制御手段２４は、加算器３２の前の点ａにおける振幅レベルＥａと、後の点ｂにおける振幅レベルＥｂとが、Ｅａ＜Ｅｂの場合には、可変ゲイン調整器２５のゲインを上げ、Ｅａ＞Ｅｂの場合には、可変ゲイン調整器２５の下げることにより、フィードバックループのループゲインが１となるように調整する。そして、ループゲインが１となった時点における可変ゲイン調整器２５のゲイン調整値を保持する。
【００３３】
ここで、発信器３１によりループゲインが１となる周波数をフィードバックループに加算するのは、ループゲインが１となる周波数（ゲインが０ｄＢを横切る周波数、ゲイン交点周波数ともいう）において、Ｅａ／Ｅｂ＝１となるため、Ｅａ／Ｅｂ＝１となるようにループゲインを調整することで、ゲイン交点を常に１に維持できるためである。そして、ゲイン交点を常に１に維持するための可変ゲイン調整器２５の調整値から、パラメータ推定手段２８がフィードバックループの伝達特性の変化を推定する。
【００３４】
次に、パラメータ推定手段２８による、ボイスコイルモータ５の制御パラメータの規定値に対する変化量を推定する方法について説明する。
【００３５】
パラメータ推定手段２８は、ボイスコイルモータ５の制御パラメータである（Ａ）ボイスコイルモータ５の電圧／電流変換係数、（Ｂ）トルク定数、（Ｃ）可動部質量（架台１６の質量およびこれに取り付けられた治具等の質量を合算した質量）などのうちから、ボイスコイルモータ５が使用される状況に応じて、固定パラメータと１つの変動パラメータを設定する。
【００３６】
なお、かかる固定パラメータと変動パラメータとの設定は、ボイスコイルモータ５の使用状況から予め定められた選択パターンに従って１つの変動パラメータが選択されてもよく、ユーザにより１つの変動パラメータが任意に設定されるように構成してもよい。
【００３７】
次いで、パラメータ推定手段２８は、可変ゲイン調整器２５の調整値から設定した１つの変動パラメータの規定値に対する変化量を推定する。
【００３８】
例えば、可動部質量が変動パラメータに設定されている場合に、架台１６に取り付けた治具を交換して、可動部質量が規定値の２倍になったとすると、フィードバックループのループゲインは、その逆数倍の１／２となっており、Ｅａ／Ｅｂ＝１／２となる。これに対して、ループゲインを一定とするために、可変ゲイン調整器２５の倍率を２倍とする調整を行う。パラメータ推定手段２８は、かかる可変ゲイン調整器２５の調整値から逆算して、可動部質量が規定値の２倍に変化したと推定する。
【００３９】
このように、フィードバックループのループゲインを一定に保つための、可変ゲイン調整器２５の調整値から、制御パラメータの規定値に対する変化量を推定することができ、作業状況の変化によってボイスコイルモータ５に生じる制御パラメータの変化量を高精度で推定することができる。
【００４０】
次に、図５を参照して、外力推定手段２９によるボイスコイルモータ５に作用する外力の推定方法について説明する。
【００４１】
外力推定手段２９は、ボイスコイルモータ５の制御モデル（図５上側）に対応した等価モデル（図５下側）により、外力の推定を行う。
【００４２】
すなわち、ボイスコイルモータ５の制御モデルの制御ブロックは、定電流ドライバ２７の電圧／電流変換係数Ｋｉ（４１）と、架台１６を動作させるためのトルク定数Ｋｔ（４２）と、可動部質量Ｍの逆数（４３）と、２つの積分器（４４，４５）により構成される。このとき、入力信号であるトルク指令Ｒｔに対して、電圧／電流変換係数Ｋｉ（４１）およびトルク定数Ｋｔ（４２）を制御パラメータとして、架台１６に駆動力が生じる。同時に、架台１６に外力Ｆが作用したとすると、これらの合力に対して、可動部質量Ｍ（４３）を制御パラメータとして架台１６が変位する（４３〜４５）。
【００４３】
一方、外力推定手段２９の等価モデルは、定電流ドライバ２７の推定電圧／電流変換係数Ｋｉ´（４６）と、架台１６を動作させるための推定トルク定数Ｋｔ´（４７）と、２つの微分器（４８，４９）により構成される。なお、２つの微分器の一方には、推定可動部質量Ｍ´が乗算されている（４９）。このとき、実際の架台１６の変位がセンサ１８により測定され、その変位から推定可動部質量Ｍ´（４９）を制御パラメータとして、架台１６の外力Ｆと駆動力の推定合力が算出される（４８，４９）。一方、入力信号であるトルク指令Ｒｔに対して、推定電圧／電流変換係数Ｋｉ´（４６）および推定トルク定数Ｋｔ´（４７）を制御パラメータとして、架台１６に生じる推定駆動力が算出される。そして、推定合力から推定駆動力を減算することにより、推定外力Ｆ´が算出される。
【００４４】
ここで、推定電圧／電流変換係数Ｋｉ´（４６）と、推定トルク定数Ｋｔ´（４７）と、推定可動部質量Ｍ´（４９）のいずれかにパラメータ推定手段２８により推定された値が適応される。
【００４５】
すなわち、これらの制御パラメータのうち、固定パラメータに設定されているものは、制御モデルのパラメータ規定値がそのまま推定値として用いられ、変動パラメータに設定された制御パラメータのみ、パラメータ推定手段２８により推定された値が用いられる。
【００４６】
例えば、可動部質量のみが変動パラメータに設定されている場合には、等価モデルにおいて、Ｋｉ´＝Ｋｉ、Ｋｔ´＝Ｋｔであり、パラメータ推定手段により推定された可動部質量Ｍ´により推定外力Ｆ´が算出される。
【００４７】
これにより、作業状況に応じて、架台１６に多様な治具が取り付けられて、可動部質量が変化する場合にも、外乱オブザーバとしての等価モデルの推定質量Ｍ´を新たに設定し直す必要がなく、パラメータ推定手段２８の推定値を用いて、実際に架台１６に作用する外力Ｆを高精度に推定することができる。
【００４８】
なお、本実施形態では、ボイスコイルモータ５をアクチュエータの例として説明したが、本発明が適用される対象としては、これに限定されるものではなく、コイルに電流を供給することによって直進方向または回転方向に変位するアクチュエータであれば、各種リニアアクチュータに適用することができる。
【００４９】
また、本実施形態では、直進方向に変位するアクチュエータを例として説明したが、これに限定されるものではなく、トルクに応じて架台が回転変位するアクチュエータに適用してもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１…ロボット、２…アーム、３…ハンド、５…ボイスコイルモータ（アクチュエータ）、６…コントローラ、１１…筐体、１２…ヨーク、１３…磁石、１４…ボビン、１５…コイル、１６…架台、１７…弾性案内部材、１８…変位センサ、２１…比較器（偏差算出手段）、２２…位相補償器、２３…ループゲイン測定手段（ゲイン測定手段）、２４…ゲイン交点制御手段（ゲイン調整手段）、２５…可変ゲイン調整器、２６…ループゲイン調整手段、２７…定電流ドライバ、２８…パラメータ推定手段、２９…外力推定手段、３１…発信器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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