(57)【要約】【課題】  弾性体アクチュエータで駆動される可動機構を応答性良くかつ位置決め精度良く制御できる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置及び方法を提供する。【解決手段】  流体圧駆動アクチュエータ１の内部圧力を圧力計測手段９で計測し、流体圧駆動アクチュエータにより発生する駆動トルクをトルクセンサー７で計測し、可動機構の変位量を計測し、変位の目標値と計測値とが入力されて位置誤差を位置誤差補償手段１２で補償し、位置誤差補償手段の出力と駆動トルクの計測値とが入力されて駆動トルク誤差を駆動トルク誤差補償手段２５で補償し、駆動トルク誤差補償手段の出力と圧力差の計測値とが入力され圧力差誤差を圧力差誤差補償手段１５で補償する。【選択図】図１
2006018791.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性体アクチュエータの弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置であって、
上記弾性体アクチュエータの駆動により変化する上記弾性体アクチュエータの内部状態を計測して上記内部状態の計測値を出力する内部状態計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより発生される駆動力を計測して上記駆動力の計測値を出力する駆動力計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力を計測して上記出力の計測値を出力する出力計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の上記出力の目標値と上記出力計測手段により計測された上記出力の計測値とが入力されるとともに出力誤差を補償するように出力誤差補償情報を出力する出力誤差補償手段と、
上記出力誤差補償手段からの上記出力誤差補償情報の出力及び上記駆動力計測手段からの上記駆動力の計測値の出力が入力されるとともに駆動力誤差を補償するように駆動力誤差補償情報を出力する駆動力誤差補償手段と、
上記駆動力誤差補償手段からの上記駆動力誤差補償情報の出力、及び上記内部状態計測手段からの上記内部状態の計測値の出力が入力されるとともに内部状態誤差を補償するように内部状態誤差補償情報を出力する内部状態誤差補償手段とを備えて、
上記内部状態誤差補償手段により出力された上記内部状態誤差補償情報に基づき上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の上記出力の計測値を上記出力の目標値とするように制御する弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置。
【請求項２】
弾性体アクチュエータの弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置であって、
上記弾性体アクチュエータの駆動により変化する上記弾性体アクチュエータの内部状態を計測して上記内部状態の計測値を出力する内部状態計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより発生される駆動力を計測して上記駆動力の計測値を出力する駆動力計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力を計測して上記出力の計測値を出力する出力計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力の目標値と上記出力計測手段により計測された上記出力の計測値とが入力されるとともに出力誤差を補償するように出力誤差補償情報を出力する出力誤差補償手段と、
上記出力誤差補償手段からの上記出力誤差補償情報の出力及び上記駆動力計測手段からの上記駆動力の計測値の出力が入力されるとともに駆動力誤差を補償するように駆動力誤差補償情報を出力する駆動力誤差補償手段と、
上記弾性体アクチュエータの上記内部状態の目標値を決定して上記内部状態の目標値を出力する目標内部状態決定手段と、
上記駆動力誤差補償手段からの上記駆動力誤差補償情報の出力、及び上記目標内部状態決定手段からの上記内部状態の目標値の出力、及び上記内部状態計測手段からの上記内部状態の計測値の出力が入力されるとともに内部状態誤差を補償するように内部状態誤差補償情報を出力する内部状態誤差補償手段とを備えて、
上記内部状態誤差補償手段により出力された上記内部状態誤差補償情報に基づき上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の上記出力の計測値を上記出力の目標値とするように制御する弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置。
【請求項３】
弾性体アクチュエータの弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置であって、
上記弾性体アクチュエータの駆動により変化する上記弾性体アクチュエータの内部状態を計測して上記内部状態の計測値を出力する内部状態計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより発生される駆動力を計測して上記駆動力の計測値を出力する駆動力計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力を計測して上記出力の計測値を出力する出力計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力の目標値と上記出力計測手段により計測された上記出力の計測値とが入力されるとともに出力誤差を補償するように出力誤差補償情報を出力する出力誤差補償手段と、
上記出力誤差補償手段からの上記出力誤差補償情報の出力及び上記駆動力計測手段からの上記駆動力の計測値の出力が入力されるとともに駆動力誤差を補償するように駆動力誤差補償情報を出力する駆動力誤差補償手段と、
上記弾性体アクチュエータの上記内部状態の目標値を決定して上記内部状態の目標値を出力する目標内部状態決定手段と、
上記目標内部状態決定手段からの上記内部状態の目標値の出力、及び上記内部状態計測手段からの上記内部状態の計測値の出力が入力されるとともに内部状態誤差を補償するように内部状態誤差補償情報を出力する内部状態誤差補償手段とを備えて、
上記内部状態誤差補償手段により出力された上記内部状態誤差補償情報及び上記駆動力誤差補償手段により補償された上記駆動力誤差補償情報に基づき上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の上記出力の計測値を上記出力の目標値とするように制御する弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置。
【請求項４】
上記目標内部状態決定手段は、上記出力の目標値が入力されるとともに上記内部状態の目標値を決定することを特徴とする請求項２又は３に記載の弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置。
【請求項５】
上記目標内部状態決定手段は、上記弾性体アクチュエータの上記出力と上記弾性体アクチュエータの上記内部状態との関係を多項式で近似し、上記多項式により上記弾性体アクチュエータの上記出力の目標値より上記弾性体アクチュエータの上記内部状態の目標値を計算して決定することを特徴とする請求項２又は３に記載の弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置。
【請求項６】
上記目標内部状態決定手段は、上記弾性体アクチュエータの上記出力と上記弾性体アクチュエータの上記内部状態との関係をテーブルとして記憶するメモリをさらに備え、上記テーブルにより上記弾性体アクチュエータの上記出力の目標値より上記弾性体アクチュエータの上記内部状態の目標値を決定することを特徴とする請求項２又は３に記載の弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置。
【請求項７】
上記弾性体アクチュエータは、流体圧により駆動される流体圧駆動アクチュエータであること特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置。
【請求項８】
上記流体圧駆動アクチュエータは、中空弾性体と、上記中空弾性体の気密封止を行う１組の封止部材と、上記中空弾性体の中空内部に対して流体の注入あるいは注出が可能となる流体通過部材とを有する弾性膨張収縮構造体であること特徴とする請求項７に記載の弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置。
【請求項９】
上記弾性体アクチュエータの上記内部状態は流体圧力であり、上記内部状態計測手段は、上記弾性体アクチュエータの上記流体圧力を計測する圧力計測手段であること特徴とする請求項７に記載の弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置。
【請求項１０】
上記弾性体アクチュエータの上記出力は上記弾性体アクチュエータの変位であり、上記出力計測手段は、上記弾性体アクチュエータの上記変位を計測する変位計測手段であること特徴とする請求項１又は２又は３に記載の弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置。
【請求項１１】
上記弾性体アクチュエータの上記出力は上記弾性体アクチュエータの変位速度であり、上記出力計測手段は、上記弾性体アクチュエータの上記変位速度を計測する変位速度計測手段であることを特徴とする請求項１又は２又は３に記載の弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置。
【請求項１２】
上記弾性体アクチュエータの上記出力は上記弾性体アクチュエータの力であり、上記出力計測手段は、上記弾性体アクチュエータの力を計測する力計測手段であること特徴とする請求項１又は２又は３に記載の弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置。
【請求項１３】
弾性体アクチュエータの弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御方法であって、
上記弾性体アクチュエータの駆動により変化する上記弾性体アクチュエータの内部状態を計測して上記内部状態の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータにより発生される駆動力を計測して上記駆動力の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力を計測して上記出力の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータの上記出力の目標値と上記計測された上記弾性体アクチュエータの上記出力の計測値とから、出力誤差を補償するように出力誤差補償情報を得て、
上記出力誤差補償情報の出力及び上記駆動力の計測値の出力から駆動力誤差を補償するように駆動力誤差補償情報を得て、
上記駆動力誤差補償情報の出力、及び上記内部状態の計測値の出力から内部状態誤差を補償するように内部状態誤差補償情報を得て、
上記内部状態誤差補償情報に基づき上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の上記出力の計測値を上記出力の目標値とするように制御する弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御方法。
【請求項１４】
弾性体アクチュエータの弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御方法であって、
上記弾性体アクチュエータの駆動により変化する上記弾性体アクチュエータの内部状態を計測して上記内部状態の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータにより発生される駆動力を計測して上記駆動力の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力を計測して上記出力の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力の目標値と上記計測された上記出力の計測値とから出力誤差を補償するように出力誤差補償情報を得て、
上記出力誤差補償情報の出力及び上記駆動力の計測値の出力から駆動力誤差を補償するように駆動力誤差補償情報を得て、
上記弾性体アクチュエータの上記内部状態の目標値を決定して上記内部状態の目標値を得て、
上記駆動力誤差補償情報の出力、及び上記内部状態の目標値の出力、及び上記内部状態の計測値の出力から内部状態誤差を補償するように内部状態誤差補償情報を得て、
上記内部状態誤差補償情報に基づき上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の上記出力の計測値を上記出力の目標値とするように制御する弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御方法。
【請求項１５】
弾性体アクチュエータの弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御方法であって、
上記弾性体アクチュエータの駆動により変化する上記弾性体アクチュエータの内部状態を計測して上記内部状態の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータにより発生される駆動力を計測して上記駆動力の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力を計測して上記出力の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力の目標値と上記出力の計測値とから出力誤差を補償するように出力誤差補償情報を得て、
上記出力誤差補償情報の出力、及び上記駆動力の計測値の出力から駆動力誤差を補償するように駆動力誤差補償情報を得て、
上記弾性体アクチュエータの上記内部状態の目標値を決定して上記内部状態の目標値を得て、
上記内部状態の目標値の出力、及び上記内部状態の計測値の出力から内部状態誤差を補償するように内部状態誤差補償情報を得て、
上記内部状態誤差補償情報及び上記駆動力誤差補償情報に基づき上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の上記出力の計測値を上記出力の目標値とするように制御する弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体圧駆動アクチュエータ等、弾性体の変形により動作する弾性体アクチュエータにより駆動される可動機構を制御する弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ペットロボットなどの家庭用ロボットの開発が盛んに行われており、将来は家事支援ロボット等、より実用的な家庭用ロボットが実用化されるものと期待されている。家庭用ロボットは、家庭内に入り、人間と共生する必要があるため、従来の産業用ロボットなどとは必要とされる仕様が異なる。
【０００３】
産業用ロボットでは、電気モータや減速器が用いられて駆動機構が駆動され、高ゲインのフィードバック制御により、繰り返し精度０．１ｍｍ等といった高い手先位置精度が実現されている。しかしながら、このような電気モータにより駆動される可動機構は、剛性が高く、柔らかさに欠ける場合が多く、安全性という面で問題が多い。
【０００４】
これに対し、家庭用ロボットでは、繰り返し精度０．１ｍｍ等といった高い精度は必ずしも必要とせず、人間との接触時に危害を与えないなど安全性が重視される。したがって、従来の産業用ロボットのように電気モータにより駆動される可動機構は、家庭用ロボットなど安全性が重視される分野に適しているとは言えず、柔軟で安全なロボットアームが必要とされている。
【０００５】
こうした課題に対し、例えば、マッキベン型の空気圧アクチュエータを利用したロボットアームが提案されている。マッキベン型の空気圧アクチュエータは、ゴム材料で構成された管状弾性体の外表面に繊維コードで構成された拘束手段が配設され、管状弾性体の両端部を封止部材で気密封止する構造となっている。流体注入出手段を通じて空気等の圧縮性流体により内圧を管状弾性体の内部空間に与えると、管状弾性体が主に半径方向に膨張しようとするが、拘束手段の作用により、管状弾性体の中心軸方向の運動に変換され、全長が収縮する。このマッキベン型のアクチュエータは主に弾性体で構成されるため、柔軟性があり、安全で軽量なアクチュエータであるという特徴を有する。
【０００６】
さらに、このマッキベン型のアクチュエータは出力重量比が大きく、軽量でありながら高出力である特徴も有している。したがって、ロボットアーム等の可動機構を駆動する場合に減速機構を使わず、リンク機構等によりダイレクトドライブ的に駆動することが可能であり、減速機が介在することから来る関節剛性のかたさは無く、アクチュエータの柔軟性も相まって、柔軟な可動機構を実現することができる。
【０００７】
しかしながら、マッキベン型のアクチュエータ等、空気等の流体圧によって動作する流体圧駆動アクチュエータでは、流体の圧縮性による弾性的性質や流路抵抗等の影響により応答性が悪い等、弾性体アクチュエータは制御が難しいという課題をかかえている。
【０００８】
こうした課題に対し、従来技術としては、特許文献１において、サーボモータと流体圧駆動アクチュエータを組み合わせて駆動するロボットアームについて、遅延回路を具備することにより所望の軌道を描くことができる制御装置を開示している。
【０００９】
また、減速機構を使わず、リンク機構等によりダイレクトドライブ的に駆動する場合、アーム等の構造材に作用する重力、慣性力、遠心力、コリオリ力等の影響が無視できなくなり制御精度が悪化するため、計算トルク法等の、動力学を考慮した制御法により制御する必要があり、さらに、正確な関節トルクを実現するために関節トルクフィードバック制御等を行う必要がある。
【００１０】
こうした課題に対し、従来技術としては、特許文献２において、モータで駆動するロボットアームについて、計算トルク法を用いるとともに、トルク目標値とトルク現在値の差であるトルク偏差に基づき演算したトルク制御値からモータの現在角速度に基づく値を減算した指令値をモータに供給するトルクフィードバック制御を行うことにより、安定かつ高精度なトルク制御を実現し、ロボットアームに望みの運動をさせることが可能な制御装置を開示している。
【００１１】
【特許文献１】特許公報第２５８３２７２号
【特許文献２】特許公報第３３２４２９８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献１に開示された遅延回路を具備する制御装置では、目標動作に対する遅延が常に発生するため、応答性が悪く、リアルタイム性が必要な作業を実行することはできない。また、サーボモータと流体駆動アクチュエータの組み合わせの場合のみ効果を発揮し、流体駆動アクチュエータのみで構成されるロボットアームでは効果を発揮することはできない。
【００１３】
また、特許文献２に開示されたトルクフィードバック制御系を具備する制御装置は、モータで駆動されるロボットアームに対して有効であり、そのままでは弾性体アクチュエータにより駆動されるロボットアームに適用することはできない。
【００１４】
従って、本発明の目的は、上記従来の課題を解決し、弾性体アクチュエータで駆動されるロボットアーム等の可動機構を応答性良く、かつ、重力、慣性力、遠心力、コリオリ力等の影響なく位置や力を高精度で制御できる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置及び制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００１６】
本発明の第１態様によれば、弾性体アクチュエータの弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置であって、
上記弾性体アクチュエータの駆動により変化する上記弾性体アクチュエータの内部状態を計測して上記内部状態の計測値を出力する内部状態計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより発生される駆動力を計測して上記駆動力の計測値を出力する駆動力計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力を計測して上記出力の計測値を出力する出力計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の上記出力の目標値と上記出力計測手段により計測された上記出力の計測値とが入力されるとともに出力誤差を補償するように出力誤差補償情報を出力する出力誤差補償手段と、
上記出力誤差補償手段からの上記出力誤差補償情報の出力及び上記駆動力計測手段からの上記駆動力の計測値の出力が入力されるとともに駆動力誤差を補償するように駆動力誤差補償情報を出力する駆動力誤差補償手段と、
上記駆動力誤差補償手段からの上記駆動力誤差補償情報の出力、及び上記内部状態計測手段からの上記内部状態の計測値の出力が入力されるとともに内部状態誤差を補償するように内部状態誤差補償情報を出力する内部状態誤差補償手段とを備えて、
上記内部状態誤差補償手段により出力された上記内部状態誤差補償情報に基づき上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の上記出力の計測値を上記出力の目標値とするように制御する弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置を提供する。
【００１７】
本発明の第２態様によれば、弾性体アクチュエータの弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置であって、
上記弾性体アクチュエータの駆動により変化する上記弾性体アクチュエータの内部状態を計測して上記内部状態の計測値を出力する内部状態計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより発生される駆動力を計測して上記駆動力の計測値を出力する駆動力計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力を計測して上記出力の計測値を出力する出力計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力の目標値と上記出力計測手段により計測された上記出力の計測値とが入力されるとともに出力誤差を補償するように出力誤差補償情報を出力する出力誤差補償手段と、
上記出力誤差補償手段からの上記出力誤差補償情報の出力及び上記駆動力計測手段からの上記駆動力の計測値の出力が入力されるとともに駆動力誤差を補償するように駆動力誤差補償情報を出力する駆動力誤差補償手段と、
上記弾性体アクチュエータの上記内部状態の目標値を決定して上記内部状態の目標値を出力する目標内部状態決定手段と、
上記駆動力誤差補償手段からの上記駆動力誤差補償情報の出力、及び上記目標内部状態決定手段からの上記内部状態の目標値の出力、及び上記内部状態計測手段からの上記内部状態の計測値の出力が入力されるとともに内部状態誤差を補償するように内部状態誤差補償情報を出力する内部状態誤差補償手段とを備えて、
上記内部状態誤差補償手段により出力された上記内部状態誤差補償情報に基づき上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の上記出力の計測値を上記出力の目標値とするように制御する弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置を提供する。
【００１８】
本発明の第３態様によれば、弾性体アクチュエータの弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置であって、
上記弾性体アクチュエータの駆動により変化する上記弾性体アクチュエータの内部状態を計測して上記内部状態の計測値を出力する内部状態計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより発生される駆動力を計測して上記駆動力の計測値を出力する駆動力計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力を計測して上記出力の計測値を出力する出力計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力の目標値と上記出力計測手段により計測された上記出力の計測値とが入力されるとともに出力誤差を補償するように出力誤差補償情報を出力する出力誤差補償手段と、
上記出力誤差補償手段からの上記出力誤差補償情報の出力及び上記駆動力計測手段からの上記駆動力の計測値の出力が入力されるとともに駆動力誤差を補償するように駆動力誤差補償情報を出力する駆動力誤差補償手段と、
上記弾性体アクチュエータの上記内部状態の目標値を決定して上記内部状態の目標値を出力する目標内部状態決定手段と、
上記目標内部状態決定手段からの上記内部状態の目標値の出力、及び上記内部状態計測手段からの上記内部状態の計測値の出力が入力されるとともに内部状態誤差を補償するように内部状態誤差補償情報を出力する内部状態誤差補償手段とを備えて、
上記内部状態誤差補償手段により出力された上記内部状態誤差補償情報及び上記駆動力誤差補償手段により補償された上記駆動力誤差補償情報に基づき上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の上記出力の計測値を上記出力の目標値とするように制御する弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置を提供する。
【００１９】
本発明の第１３態様によれば、弾性体アクチュエータの弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御方法であって、
上記弾性体アクチュエータの駆動により変化する上記弾性体アクチュエータの内部状態を計測して上記内部状態の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータにより発生される駆動力を計測して上記駆動力の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力を計測して上記出力の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータの上記出力の目標値と上記計測された上記弾性体アクチュエータの上記出力の計測値とから、出力誤差を補償するように出力誤差補償情報を得て、
上記出力誤差補償情報の出力及び上記駆動力の計測値の出力から駆動力誤差を補償するように駆動力誤差補償情報を得て、
上記駆動力誤差補償情報の出力、及び上記内部状態の計測値の出力から内部状態誤差を補償するように内部状態誤差補償情報を得て、
上記内部状態誤差補償情報に基づき上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の上記出力の計測値を上記出力の目標値とするように制御する弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御方法を提供する。
【００２０】
本発明の第１４態様によれば、弾性体アクチュエータの弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御方法であって、
上記弾性体アクチュエータの駆動により変化する上記弾性体アクチュエータの内部状態を計測して上記内部状態の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータにより発生される駆動力を計測して上記駆動力の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力を計測して上記出力の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力の目標値と上記計測された上記出力の計測値とから出力誤差を補償するように出力誤差補償情報を得て、
上記出力誤差補償情報の出力及び上記駆動力の計測値の出力から駆動力誤差を補償するように駆動力誤差補償情報を得て、
上記弾性体アクチュエータの上記内部状態の目標値を決定して上記内部状態の目標値を得て、
上記駆動力誤差補償情報の出力、及び上記内部状態の目標値の出力、及び上記内部状態の計測値の出力から内部状態誤差を補償するように内部状態誤差補償情報を得て、
上記内部状態誤差補償情報に基づき上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の上記出力の計測値を上記出力の目標値とするように制御する弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御方法を提供する。
【００２１】
本発明の第１５態様によれば、弾性体アクチュエータの弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御方法であって、
上記弾性体アクチュエータの駆動により変化する上記弾性体アクチュエータの内部状態を計測して上記内部状態の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータにより発生される駆動力を計測して上記駆動力の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力を計測して上記出力の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力の目標値と上記出力の計測値とから出力誤差を補償するように出力誤差補償情報を得て、
上記出力誤差補償情報の出力、及び上記駆動力の計測値の出力から駆動力誤差を補償するように駆動力誤差補償情報を得て、
上記弾性体アクチュエータの上記内部状態の目標値を決定して上記内部状態の目標値を得て、
上記内部状態の目標値の出力、及び上記内部状態の計測値の出力から内部状態誤差を補償するように内部状態誤差補償情報を得て、
上記内部状態誤差補償情報及び上記駆動力誤差補償情報に基づき上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の上記出力の計測値を上記出力の目標値とするように制御する弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御方法を提供する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の第１態様の制御装置によれば、駆動力誤差補償手段を配設して、上記弾性体アクチュエータにより発生される駆動力をフィードバックする駆動力フィードバック制御系を構成し、かつ、内部状態誤差補償手段を配設して、上記弾性体アクチュエータの内部状態をフィードバックする内部状態フィードバック制御系を構成することにより、応答性が良く、動力学的な影響の少ない、高精度な弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御が可能となる。
【００２３】
また、本発明の第２態様の制御装置によれば、駆動力誤差補償手段を配設して、上記弾性体アクチュエータにより発生される駆動力をフィードバックする駆動力フィードバック制御系を構成し、かつ、内部状態誤差補償手段を配設して、上記弾性体アクチュエータの内部状態をフィードバックする内部状態フィードバック制御系を上記駆動力フィードバック制御系の内部に構成し、かつ、目標内部状態決定手段を配設して、目標内部状態をフィードフォワードすることにより、応答性が良く、動力学的な影響の少なく、さらに、定常偏差も小さい高精度な弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御が可能となる。
【００２４】
また、本発明の第３態様の制御装置によれば、駆動力誤差補償手段を配設して、上記弾性体アクチュエータにより発生される駆動力をフィードバックする駆動力フィードバック制御系を構成し、かつ、内部状態誤差補償手段を配設して、上記弾性体アクチュエータの内部状態をフィードバックする内部状態フィードバック制御系を上記駆動力フィードバック制御系とは独立に構成し、かつ、目標内部状態決定手段を配設して、目標内部状態をフィードフォワードすることにより、応答性が良く、動力学的な影響の少なく、さらに、定常偏差も小さい高精度な弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御が可能となる。
【００２５】
また、本発明の第１３態様の制御方法によれば、駆動力誤差補償手段を配設して、上記弾性体アクチュエータにより発生される駆動力をフィードバックする駆動力フィードバック制御系を構成し、かつ、内部状態誤差補償手段を配設して、上記弾性体アクチュエータの内部状態をフィードバックする内部状態フィードバック制御系を構成することにより、応答性が良く、動力学的な影響の少ない、高精度な弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御が可能となる。
【００２６】
また、本発明の第１４態様の制御方法によれば、駆動力誤差補償手段を配設して、上記弾性体アクチュエータにより発生される駆動力をフィードバックする駆動力フィードバック制御系を構成し、かつ、内部状態誤差補償手段を配設して、上記弾性体アクチュエータの内部状態をフィードバックする内部状態フィードバック制御系を上記駆動力フィードバック制御系の内部に構成し、かつ、目標内部状態決定手段を配設して、目標内部状態をフィードフォワードすることにより、応答性が良く、動力学的な影響の少なく、さらに、定常偏差も小さい高精度な弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御が可能となる。
【００２７】
また、本発明の第１５態様の制御方法によれば、駆動力誤差補償手段を配設して、上記弾性体アクチュエータにより発生される駆動力をフィードバックする駆動力フィードバック制御系を構成し、かつ、内部状態誤差補償手段を配設して、上記弾性体アクチュエータの内部状態をフィードバックする内部状態フィードバック制御系を上記駆動力フィードバック制御系とは独立に構成し、かつ、目標内部状態決定手段を配設して、目標内部状態をフィードフォワードすることにより、応答性が良く、動力学的な影響の少なく、さらに、定常偏差も小さい高精度な弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明にかかる実施の形態を説明する前に、本発明の種々の態様について、まず、説明する。
【００２９】
本発明の第１態様によれば、弾性体アクチュエータの弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置であって、
上記弾性体アクチュエータの駆動により変化する上記弾性体アクチュエータの内部状態を計測して上記内部状態の計測値を出力する内部状態計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより発生される駆動力を計測して上記駆動力の計測値を出力する駆動力計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力を計測して上記出力の計測値を出力する出力計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の上記出力の目標値と上記出力計測手段により計測された上記出力の計測値とが入力されるとともに出力誤差を補償するように出力誤差補償情報を出力する出力誤差補償手段と、
上記出力誤差補償手段からの上記出力誤差補償情報の出力及び上記駆動力計測手段からの上記駆動力の計測値の出力が入力されるとともに駆動力誤差を補償するように駆動力誤差補償情報を出力する駆動力誤差補償手段と、
上記駆動力誤差補償手段からの上記駆動力誤差補償情報の出力、及び上記内部状態計測手段からの上記内部状態の計測値の出力が入力されるとともに内部状態誤差を補償するように内部状態誤差補償情報を出力する内部状態誤差補償手段とを備えて、
上記内部状態誤差補償手段により出力された上記内部状態誤差補償情報に基づき上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の上記出力の計測値を上記出力の目標値とするように制御する弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置を提供する。
【００３０】
本発明の第２態様によれば、弾性体アクチュエータの弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置であって、
上記弾性体アクチュエータの駆動により変化する上記弾性体アクチュエータの内部状態を計測して上記内部状態の計測値を出力する内部状態計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより発生される駆動力を計測して上記駆動力の計測値を出力する駆動力計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力を計測して上記出力の計測値を出力する出力計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力の目標値と上記出力計測手段により計測された上記出力の計測値とが入力されるとともに出力誤差を補償するように出力誤差補償情報を出力する出力誤差補償手段と、
上記出力誤差補償手段からの上記出力誤差補償情報の出力及び上記駆動力計測手段からの上記駆動力の計測値の出力が入力されるとともに駆動力誤差を補償するように駆動力誤差補償情報を出力する駆動力誤差補償手段と、
上記弾性体アクチュエータの上記内部状態の目標値を決定して上記内部状態の目標値を出力する目標内部状態決定手段と、
上記駆動力誤差補償手段からの上記駆動力誤差補償情報の出力、及び上記目標内部状態決定手段からの上記内部状態の目標値の出力、及び上記内部状態計測手段からの上記内部状態の計測値の出力が入力されるとともに内部状態誤差を補償するように内部状態誤差補償情報を出力する内部状態誤差補償手段とを備えて、
上記内部状態誤差補償手段により出力された上記内部状態誤差補償情報に基づき上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の上記出力の計測値を上記出力の目標値とするように制御する弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置を提供する。
【００３１】
本発明の第３態様によれば、弾性体アクチュエータの弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置であって、
上記弾性体アクチュエータの駆動により変化する上記弾性体アクチュエータの内部状態を計測して上記内部状態の計測値を出力する内部状態計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより発生される駆動力を計測して上記駆動力の計測値を出力する駆動力計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力を計測して上記出力の計測値を出力する出力計測手段と、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力の目標値と上記出力計測手段により計測された上記出力の計測値とが入力されるとともに出力誤差を補償するように出力誤差補償情報を出力する出力誤差補償手段と、
上記出力誤差補償手段からの上記出力誤差補償情報の出力及び上記駆動力計測手段からの上記駆動力の計測値の出力が入力されるとともに駆動力誤差を補償するように駆動力誤差補償情報を出力する駆動力誤差補償手段と、
上記弾性体アクチュエータの上記内部状態の目標値を決定して上記内部状態の目標値を出力する目標内部状態決定手段と、
上記目標内部状態決定手段からの上記内部状態の目標値の出力、及び上記内部状態計測手段からの上記内部状態の計測値の出力が入力されるとともに内部状態誤差を補償するように内部状態誤差補償情報を出力する内部状態誤差補償手段とを備えて、
上記内部状態誤差補償手段により出力された上記内部状態誤差補償情報及び上記駆動力誤差補償手段により補償された上記駆動力誤差補償情報に基づき上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の上記出力の計測値を上記出力の目標値とするように制御する弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置を提供する。
【００３２】
本発明の第４態様によれば、上記目標内部状態決定手段は、上記出力の目標値が入力されるとともに上記内部状態の目標値を決定することを特徴とする第２又は３の態様に記載の弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置を提供する。
【００３３】
本発明の第５態様によれば、上記目標内部状態決定手段は、上記弾性体アクチュエータの上記出力と上記弾性体アクチュエータの上記内部状態との関係を多項式で近似し、上記多項式により上記弾性体アクチュエータの上記出力の目標値より上記弾性体アクチュエータの上記内部状態の目標値を計算して決定することを特徴とする第２又は３の態様に記載の弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置を提供する。
【００３４】
本発明の第６態様によれば、上記目標内部状態決定手段は、上記弾性体アクチュエータの上記出力と上記弾性体アクチュエータの上記内部状態との関係をテーブルとして記憶するメモリをさらに備え、上記テーブルにより上記弾性体アクチュエータの上記出力の目標値より上記弾性体アクチュエータの上記内部状態の目標値を決定することを特徴とする第２又は３の態様に記載の弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置を提供する。
【００３５】
本発明の第７態様によれば、上記弾性体アクチュエータは、流体圧により駆動される流体圧駆動アクチュエータであること特徴とする第１〜６のいずれか１つの態様に記載の弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置を提供する。
【００３６】
本発明の第８態様によれば、上記流体圧駆動アクチュエータは、中空弾性体と、上記中空弾性体の気密封止を行う１組の封止部材と、上記中空弾性体の中空内部に対して流体の注入あるいは注出が可能となる流体通過部材とを有する弾性膨張収縮構造体であること特徴とする第７の態様に記載の弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置を提供する。
【００３７】
本発明の第９態様によれば、上記弾性体アクチュエータの上記内部状態は流体圧力であり、上記内部状態計測手段は、上記弾性体アクチュエータの上記流体圧力を計測する圧力計測手段であること特徴とする第７の態様に記載の弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置を提供する。
【００３８】
本発明の第１０態様によれば、上記弾性体アクチュエータの上記出力は上記弾性体アクチュエータの変位であり、上記出力計測手段は、上記弾性体アクチュエータの上記変位を計測する変位計測手段であること特徴とする第１又は２又は３の態様に記載の弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置を提供する。
【００３９】
本発明の第１１態様によれば、上記弾性体アクチュエータの上記出力は上記弾性体アクチュエータの変位速度であり、上記出力計測手段は、上記弾性体アクチュエータの上記変位速度を計測する変位速度計測手段であることを特徴とする第１又は２又は３の態様に記載の弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置を提供する。
【００４０】
本発明の第１２態様によれば、上記弾性体アクチュエータの上記出力は上記弾性体アクチュエータの力であり、上記出力計測手段は、上記弾性体アクチュエータの力を計測する力計測手段であること特徴とする第１又は２又は３の態様に記載の弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置を提供する。
【００４１】
本発明の第１３態様によれば、弾性体アクチュエータの弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御方法であって、
上記弾性体アクチュエータの駆動により変化する上記弾性体アクチュエータの内部状態を計測して上記内部状態の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータにより発生される駆動力を計測して上記駆動力の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力を計測して上記出力の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータの上記出力の目標値と上記計測された上記弾性体アクチュエータの上記出力の計測値とから、出力誤差を補償するように出力誤差補償情報を得て、
上記出力誤差補償情報の出力及び上記駆動力の計測値の出力から駆動力誤差を補償するように駆動力誤差補償情報を得て、
上記駆動力誤差補償情報の出力、及び上記内部状態の計測値の出力から内部状態誤差を補償するように内部状態誤差補償情報を得て、
上記内部状態誤差補償情報に基づき上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の上記出力の計測値を上記出力の目標値とするように制御する弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御方法を提供する。
【００４２】
本発明の第１４態様によれば、弾性体アクチュエータの弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御方法であって、
上記弾性体アクチュエータの駆動により変化する上記弾性体アクチュエータの内部状態を計測して上記内部状態の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータにより発生される駆動力を計測して上記駆動力の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力を計測して上記出力の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力の目標値と上記計測された上記出力の計測値とから出力誤差を補償するように出力誤差補償情報を得て、
上記出力誤差補償情報の出力及び上記駆動力の計測値の出力から駆動力誤差を補償するように駆動力誤差補償情報を得て、
上記弾性体アクチュエータの上記内部状態の目標値を決定して上記内部状態の目標値を得て、
上記駆動力誤差補償情報の出力、及び上記内部状態の目標値の出力、及び上記内部状態の計測値の出力から内部状態誤差を補償するように内部状態誤差補償情報を得て、
上記内部状態誤差補償情報に基づき上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の上記出力の計測値を上記出力の目標値とするように制御する弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御方法を提供する。
【００４３】
本発明の第１５態様によれば、弾性体アクチュエータの弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御方法であって、
上記弾性体アクチュエータの駆動により変化する上記弾性体アクチュエータの内部状態を計測して上記内部状態の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータにより発生される駆動力を計測して上記駆動力の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力を計測して上記出力の計測値を得て、
上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の出力の目標値と上記出力の計測値とから出力誤差を補償するように出力誤差補償情報を得て、
上記出力誤差補償情報の出力、及び上記駆動力の計測値の出力から駆動力誤差を補償するように駆動力誤差補償情報を得て、
上記弾性体アクチュエータの上記内部状態の目標値を決定して上記内部状態の目標値を得て、
上記内部状態の目標値の出力、及び上記内部状態の計測値の出力から内部状態誤差を補償するように内部状態誤差補償情報を得て、
上記内部状態誤差補償情報及び上記駆動力誤差補償情報に基づき上記弾性体アクチュエータにより駆動される上記可動機構の上記出力の計測値を上記出力の目標値とするように制御する弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御方法を提供する。
【００４４】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の概念を示すブロック線図である。図１において、１０１は目標出力生成手段であり、弾性膨張収縮構造体１より構成される弾性体アクチュエータにより駆動される弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の変位、発生力等の出力の目標値を生成する。１０４は弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２に接続される出力計測手段であり、弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の出力の計測値を計測して、計測値を出力誤差補償手段１０３にそれぞれ入力する。１０３は目標出力生成手段１０１からの目標値が入力される出力誤差補償手段であり、出力計測手段１０４により計測される弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の出力の計測値を目標値に追従させるように制御を行う。１０５は弾性体アクチュエータが発生する駆動力の誤差を補償するように駆動力誤差補償情報を出力する駆動力誤差補償手段であり、出力誤差補償手段１０３の出力と、弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２に接続された駆動力計測手段１０７により計測された駆動力との差が入力される。１０６は駆動力誤差補償手段１０５からの駆動力誤差補償情報の出力情報と内部状態計測手段１０８からの内部状態計測値の差が入力されて内部状態誤差補償情報を出力する内部状態誤差補償手段であり、内部状態誤差補償手段１０６からの内部状態誤差補償情報の出力情報がそれぞれの弾性体アクチュエータ１に入力されてそれぞれの弾性体アクチュエータ１の内部状態計測値をそれぞれの目標値に追従させるように制御を行う。１０８は弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２を構成する各弾性体アクチュエータである弾性膨張収縮構造体１に接続される内部状態計測手段であり、弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の各弾性膨張収縮構造体１の内部圧力である内部状態計測値をそれぞれ測定して、内部状態計測値を内部状態誤差補償手段１０６に入力する。
【００４５】
次に、第１実施形態の弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の制御装置の具体的な例について、制御対象として弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の一例であるロボットアーム１０の制御装置を例に取り、説明を行う。
【００４６】
図２は、本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の制御装置の制御対象となるロボットアーム１０の構成を示す図である。図２において、１−１ａ、１−１ｂ、１−２ａ、１−２ｂ、１−３ａ、１−３ｂ、１−４ａ、１−４ｂ、１−５ａ、１−５ｂ、１−６ａ、１−６ｂ（これらは個別の弾性膨張収縮構造体に対する参照符号であり、代表的に弾性膨張収縮構造体を指し示すときには参照符号１で示す。）は弾性膨張収縮構造体である。弾性膨張収縮構造体１は図３に示すように、ゴム材料で構成されて駆動部として機能する管状の中空弾性体２の外表面に、材料的には伸びにくい樹脂又は金属の繊維コードで網目状に編んで、管状弾性体２の膨張による半径方向の変形が軸方向の長さの収縮に変換される一方、管状弾性体２の収縮による半径方向の変形が軸方向の長さの膨張に変換されるように構成された変形方向規制部材３が配設され、管状弾性体２の両端部を封止部材４でそれぞれ気密封止する構造となっている。内部に圧縮性流体が通過する流体の流路を有して上記弾性体２の中空内部に対して流体の注入あるいは注出が可能となる管状の流体通過部材５を通じて空気等の圧縮性流体を供給し、供給された圧縮性流体により内圧を管状弾性体２の内部空間に与えると、管状弾性体２が主に半径方向に膨張しようとするが、変形方向規制部材３の作用により、管状弾性体２の中心軸方向の運動に変換され、全長が収縮するため、直動駆動の弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２として利用可能である。
【００４７】
図２のロボットアーム１０では、１組の弾性膨張収縮構造体１，１を関節軸を支点に対向するように配設し、１組の弾性膨張収縮構造体１，１のうちのどちらか一方の弾性膨張収縮構造体１が収縮しかつ他方の弾性膨張収縮構造体１が伸張すると、支点を介して力が作用して関節軸が回転する拮抗型駆動構造とすることにより、関節軸での正逆回転運動を実現することができる。具体的には、弾性膨張収縮構造体１−１ａと弾性膨張収縮構造体１−１ｂ（弾性膨張収縮構造体１−１ｂは弾性膨張収縮構造体１−１ａの背後に位置するため図示せず。）の拮抗駆動により第１関節軸６−１を正逆回転駆動し、弾性膨張収縮構造体１−２ａと弾性膨張収縮構造体１−２ｂの拮抗駆動により第２関節軸６−２を正逆回転駆動し、弾性膨張収縮構造体１−３ａと弾性膨張収縮構造体１−３ｂの拮抗駆動により第３関節軸６−３を正逆回転駆動し、弾性膨張収縮構造体１−４ａと弾性膨張収縮構造体１−４ｂの拮抗駆動により第４関節軸６−４を正逆回転駆動し、弾性膨張収縮構造体１−５ａと弾性膨張収縮構造体１−５ｂの拮抗駆動により第５関節軸６−５を正逆回転駆動し、弾性膨張収縮構造体１−６ａと弾性膨張収縮構造体１−６ｂの拮抗駆動により第６関節軸６−６を正逆回転駆動する構造となっている。
【００４８】
図２の９−１ａ，９−１ｂ，９−２ａ，９−２ｂ，９−３ａ，９−３ｂ，９−４ａ，９−４ｂ，９−５ａ，９−５ｂ，９−６ａ，９−６ｂは、弾性膨張収縮構造体１−１ａ、１−１ｂ、１−２ａ、１−２ｂ、１−３ａ、１−３ｂ、１−４ａ、１−４ｂ、１−５ａ、１−５ｂ、１−６ａ、１−６ｂのそれぞれの内部状態計測手段の一例である圧力センサであり、それぞれの流体通過部材５（流体注入出口）に配設され、それぞれの弾性膨張収縮構造体内の圧力を計測する。
【００４９】
詳しくは、上記ロボットアーム１０は、６自由度のロボットアームであって、固定壁３０１に対して、上下方向軸沿いに横方向沿いの平面内で正逆回転する第１関節軸６−１と、上下方向沿いの平面内で正逆回転する第２関節軸６−２と、第２腕３０８と第１腕３１１との間で上下方向沿いの平面内で相互に正逆回転とする第３関節軸６−３と、第２腕３０８と第１腕３１１との間で第３関節軸６−３と直交する軸方向に正逆回転とする第４関節軸６−４と、第１腕３１１と手３１３との間で上下方向沿いの平面内で相互に正逆回転とする第５関節軸６−５と、第１腕３１１と手３１３との間で第５関節軸６−５と直交する軸方向に正逆回転とする第６関節軸６−６とより構成されている。
【００５０】
第１関節軸６−１では、上下端部が軸受け３０４と３０５で回転自在にかつ上下方向沿いに支持された回転軸３０３の両側に円形支持体３０２，３０２が回転自在に連結され、かつ、弾性膨張収縮構造体１−１ａ及び１−１ｂ（ただし、弾性膨張収縮構造体１−１ｂは弾性膨張収縮構造体１−１ａの背後に配設されるため図示せず。）の各一端部が固定壁３０１に連結されるとともに各他端部が上記各円形支持体３０２の支持軸３１４に連結されている。よって、弾性膨張収縮構造体１−１ａ及び１−１ｂの拮抗駆動により、第１関節軸６−１の回転軸３０３の上下軸Ｚ回りに横方向沿いの平面内でロボットアームの第１腕３１１と第２腕３０８と手３１３とを一体的に正逆回転運動させることができる。なお、上側の軸受け３０５は支持棒３０６で固定壁３０１に支持されている。
【００５１】
第２関節軸６−２では、回転軸３０３の両側に固定された２つの円形支持体３０２，３０２と、回転軸３０３の固定壁３０１側に回転軸３０３の長手方向と直交して固定された支持体３０７，３０７との間には、弾性膨張収縮構造体１−２ａ及び１−２ｂが連結されて、弾性膨張収縮構造体１−２ａ及び１−２ｂの拮抗駆動により、第２関節軸６−２の支持軸３１４の横軸回りに上下方向沿い面内でロボットアーム１０の第１腕３１１と第２腕３０８と手３１３とを一体的に正逆回転させる。
【００５２】
第３関節軸６−３では、２つの円形支持体３０２，３０２に一端が固定された第２腕用リンク３０８の円形支持体３０２側には、支持体３０９，３０９が第２腕用リンク３０８の長手方向と直交して固定されるとともに、第２腕用リンク３０８の先端側には、第１腕用リンク３１１の一端に第１腕用リンク３１１の長手方向に直交して固定された支持体３１０が回転可能に連結されている。第２腕用リンク３０８の支持体３０９，３０９と、第１腕用リンク３１１の一端に固定された支持体３１０との間には、弾性膨張収縮構造体１−３ａ及び１−３ｂが連結されて、弾性膨張収縮構造体１−３ａ及び１−３ｂの拮抗駆動により、第３関節軸６−３の支持軸３１５の横軸回りに上下方向沿い面内でロボットアーム１０の第１腕３１１と第２腕３０８とを相対的に正逆回転させる。
【００５３】
第４関節軸６−４では、２つの円形支持体３０２，３０２に一端が固定された第２腕用リンク３０８の円形支持体３０２側でかつ支持体３０９，３０９と第２腕用リンク３０８の長手方向とにそれぞれ直交して支持体３２５，３２５が固定され、この支持体３２５，３２５と、第１腕用リンク３１１の一端に固定された支持体３１０との間には、弾性膨張収縮構造体１−４ａ及び１−４ｂが連結されて、弾性膨張収縮構造体１−４ａ及び１−４ｂの拮抗駆動により、第３関節軸６−３と直交する第４関節軸６−４回りにロボットアーム１０の第１腕３１１と第２腕３０８とを相対的に正逆回転させる。
【００５４】
第５関節軸６−５では、第１腕３１１の支持体３１０と、手３１３の一端に固定されかつ第１腕３１１に回転可能に連結された支持体３１２との間には、弾性膨張収縮構造体１−５ａ及び１−５ｂが連結されて、弾性膨張収縮構造体１−５ａ及び１−５ｂの拮抗駆動により、第５関節軸６−５の支持軸３２６の横軸回りに上下方向沿い面内で手３１３を第１腕３１１に対して正逆回転させる。
【００５５】
第６関節軸６−６では、第１腕３１１の支持体３１０と、手３１３の一端に固定されかつ第１腕３１１に回転可能に連結された支持体３１２との間には、弾性膨張収縮構造体１−５ａ及び１−５ｂとは９０度位相を異ならせて弾性膨張収縮構造体１−６ａ及び１−６ｂが連結されて、弾性膨張収縮構造体１−６ａ及び１−６ｂの拮抗駆動により、第５関節軸６−５と直交する第６関節軸６−６回りに手３１３を第１腕３１１に対して正逆回転させる。
【００５６】
弾性膨張収縮構造体１−１ａ及び１−１ｂ、弾性膨張収縮構造体１−２ａ及び１−２ｂ、弾性膨張収縮構造体１−３ａ及び１−３ｂ、弾性膨張収縮構造体１−４ａ及び１−４ｂ、弾性膨張収縮構造体１−５ａ及び１−５ｂ、弾性膨張収縮構造体１−６ａ及び１−６ｂのそれぞれには、後述するように、流量比例電磁弁１８が接続され、すべての流量比例電磁弁１８は制御コンピュータ１９に接続されて、制御コンピュータ１９の制御により、流量比例電磁弁１８を介して、弾性膨張収縮構造体１−１ａ及び１−１ｂ、弾性膨張収縮構造体１−２ａ及び１−２ｂ、弾性膨張収縮構造体１−３ａ及び１−３ｂ、弾性膨張収縮構造体１−４ａ及び１−４ｂ、弾性膨張収縮構造体１−５ａ及び１−５ｂ、弾性膨張収縮構造体１−６ａ及び１−６ｂのそれぞれの収縮・伸張動作を制御する。また、各関節軸には出力計測手段の一例である変位計測手段の一例としてのエンコーダ８−１、８−２，８−３，８−４，８−５，８−６及び、駆動力計測手段の一例である駆動トルク計測手段の一例としてのトルクセンサー７−１，７−２，７−３，７−４，７−５，７−６が配設されており、エンコーダ８（エンコーダ８−１、８−２，８−３，８−４，８−５，８−６の総称。）により関節軸の関節角度が、トルクセンサー７（トルクセンサー７−１，７−２，７−３，７−４，７−５，７−６の総称。）により弾性膨張収縮構造体を拮抗駆動させることで発生する駆動トルクが測定可能である。また、各弾性膨張収縮構造体１には内部状態計測手段１０７の一例である圧力計測手段の一例としての圧力センサ９（圧力センサ９−１ａ，９−１ｂ，９−２ａ，９−２ｂ，９−３ａ，９−３ｂ，９−４ａ，９−４ｂ，９−５ａ，９−５ｂ，９−６ａ，９−６ｂの総称。）が配設されており、圧力センサ９により各弾性膨張収縮構造体１の駆動により変化する上記弾性膨張収縮構造体１の内部圧力（内部状態の一例）が測定可能となっている。
【００５７】
以上のような構造とすれば、多自由度を生かし、物体の把持・運搬など、ロボットアーム１０として基本的な機能を実現することができる。
【００５８】
図４は本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の制御対象であるロボットアーム１０を駆動するための空気圧供給系の構成を示す図である。図４ではロボットアーム１０の第３関節軸を正逆回転駆動する部分のみを記し、他の部分は省略している。図４において、１６は例えばコンプレッサー等の空気圧源、１７は空気圧フィルタ１７ａ、空気圧減圧弁１７ｂ、及び空気圧用ルブリケータ１７ｃが１組になった空気圧調整ユニットである。１８は例えば電磁石の力でスプール弁などを駆動することで流量を制御する５ポート流量制御電磁弁である。１９は制御部の一例としての例えば一般的なパーソナルコンピュータにより構成された制御コンピュータであり、Ｄ／Ａボード２０が搭載されており、５ポート流量制御電磁弁１８に電圧指令値を出力することにより、それぞれの流体通過部材５を流れるそれぞれの空気の流量を独立して制御可能とする。また、制御コンピュータ１９には、ロボットアーム１０の動作プログラムなどを予め記憶させるメモリ１９ａが搭載されている。
【００５９】
次に、図４に示す空気圧供給系の動作について説明する。空気圧源１６により生成された高圧空気は、空気圧調整ユニット１７により減圧され、例えば６００ｋＰａといった一定圧力に調整され、５ポート流量制御電磁弁１８に供給される。５ポート流量制御電磁弁１８の開度は、制御コンピュータ１９よりＤ／Ａボード２０を介して出力される電圧指令値に比例して制御される。制御コンピュータ１９から５ポート流量制御電磁弁１８に正の電圧指令値が入力された場合には、空気圧回路記号のＡで示した状態になり、空気圧源１６側から弾性膨張収縮構造体１−３ａ側への流路が開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気が弾性膨張収縮構造体１−３ａ側に供給される。また、弾性膨張収縮構造体１−３ｂ側は、大気圧側への流路が開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気流が弾性膨張収縮構造体１−３ｂ側から大気中へ排気される。したがって、図４に示すように、弾性膨張収縮構造体１−３ａの全長が縮み、弾性膨張収縮構造体１−３ｂの全長が伸びることにより、電圧指令値の絶対値に比例した速度で第３関節軸６−３は右回転運動を行う。一方、制御コンピュータ１９から５ポート流量制御電磁弁１８に負の電圧指令値が入力された場合には、空気圧回路記号のＢで示した状態になり、弾性膨張収縮構造体の動作は逆となり（すなわち、弾性膨張収縮構造体１−３ａの全長が伸び、弾性膨張収縮構造体１−３ｂの全長が縮むことにより）、第３関節軸６−３は左回転運動を行う。
【００６０】
すなわち、５ポート流量制御電磁弁１８から弾性膨張収縮構造体１側に供給された空気流は、流体通過部材５により封止部材４を通過し、管状弾性体２の内部に到達し、管状弾性体２の内圧を発生させる。管状弾性体２は発生した内圧により膨張するが、変形方向規制部材３の網目状に組まれた繊維コードの拘束作用（規制作用）により、膨張による半径方向の変形が規制されて軸方向の長さの収縮に変換され、図３の下側に示すように弾性膨張収縮構造体１の全長が短くなる。一方、５ポート流量制御電磁弁１８から空気を大気中に排気し、管状弾性体２の内圧を減ずれば、管状弾性体２の弾性力により復元して膨張が解消されて、弾性膨張収縮構造体１の全長は図３の上側に示すように伸張する。この結果、図３において、右端で固定されていると考えると、上記伸縮により、管状弾性体２の左端では距離ｄの差があることになる。したがって、第１実施形態における弾性膨張収縮構造体１は、空気圧を供給制御することにより直動変位のアクチュエータとして機能させることが可能である。伸張・短縮量は弾性膨張収縮構造体１の内圧に概ね比例するので、図４のように制御コンピュータ１９で５ポート流量制御電磁弁１８を制御して弾性膨張収縮構造体１に供給される空気流量を制御すれば、弾性膨張収縮構造体１の全長を制御できることになる。
【００６１】
図２に示すロボットアーム１０では、弾性膨張収縮構造体１−１ａと１−１ｂによる拮抗駆動、弾性膨張収縮構造体１−２ａと１−２ｂによる拮抗駆動、弾性膨張収縮構造体１−３ａと１−３ｂによる拮抗駆動、弾性膨張収縮構造体１−４ａと１−４ｂによる拮抗駆動、弾性膨張収縮構造体１−５ａと１−５ｂによる拮抗駆動、弾性膨張収縮構造体１−６ａと１−６ｂによる拮抗駆動のために、図５に示すように、拮抗する弾性膨張収縮構造体１それぞれに対して５ポート流量制御電磁弁１８が配設されて同様の空気圧供給系が構成されており、制御コンピュータ１９よりＤ／Ａボード２０を介してそれぞれの５ポート流量制御電磁弁１８に出力される電圧指令値により、ロボットアーム１０のすべての関節軸を同時に正逆回転駆動することができるようになっている。
【００６２】
図６は、例えば上記制御コンピュータ１９内に備えられた、本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の構成を示す図である。ただし、図６において、１０は弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の制御対象であり、かつ弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の一例であって図２に示すロボットアームである。ロボットアーム１０からはそれぞれの関節軸のエンコーダ８により計測される関節角の現在値（関節角度ベクトル）ｑ＝［ｑ１，ｑ２，ｑ３，ｑ４，ｑ５，ｑ６］Ｔと、それぞれの関節軸に配設されたトルクセンサー７により計測される駆動トルクの現在値τ＝［τ１，τ２，τ３，τ４，τ５，τ６］Ｔで発生する駆動トルクと、それぞれの弾性膨張収縮構造体１の圧力センサ９により計測される弾性膨張収縮構造体１の内圧Ｐ＝［Ｐ１ａ，Ｐ１ｂ，Ｐ２ａ，Ｐ２ｂ，Ｐ３ａ，Ｐ３ｂ，Ｐ４ａ，Ｐ４ｂ，Ｐ５ａ，Ｐ５ｂ，Ｐ６ａ，Ｐ６ｂ］Ｔとが出力される。ただし、ｑ１，ｑ２，ｑ３，ｑ４，ｑ５，ｑ６は、それぞれ、第１関節軸６−１、第２関節軸６−２、第３関節軸６−３、第４関節軸６−４、第５関節軸６−５、第６関節軸６−６の関節角度である。また、τ１，τ２，τ３，τ４，τ５，τ６は、それぞれ、第１関節軸６−１、第２関節軸６−２、第３関節軸６−３、第４関節軸６−４、第５関節軸６−５、第６関節軸６−６を回転させる駆動トルクである。また、Ｐ１ａ，Ｐ１ｂ，Ｐ２ａ，Ｐ２ｂ，Ｐ３ａ，Ｐ３ｂ，Ｐ４ａ，Ｐ４ｂ，Ｐ５ａ，Ｐ５ｂ，Ｐ６ａ，Ｐ６ｂはそれぞれ、弾性膨張収縮構造体１−１ａ、１−１ｂ、１−２ａ、１−２ｂ、１−３ａ、１−３ｂ、１−４ａ、１−４ｂ、１−５ａ、１−５ｂ、１−６ａ、１−６ｂの内圧である。
【００６３】
また、１３はロボットアーム１０からそれぞれ出力された圧力センサ９により計測された弾性膨張収縮構造体１のそれぞれの内圧Ｐすなわち計測値Ｐが入力される圧力差計算手段であり、圧力センサ９の計測値Ｐより、圧力差ΔＰ＝［ΔＰ１，ΔＰ２，ΔＰ３，ΔＰ４，ΔＰ５，ΔＰ６］Ｔ＝［Ｐ１ａ−Ｐ１ｂ，Ｐ２ａ−Ｐ２ｂ，Ｐ３ａ−Ｐ３ｂ，Ｐ４ａ−Ｐ４ｂ，Ｐ５ａ−Ｐ５ｂ，Ｐ６ａ−Ｐ６ｂ］Ｔが圧力差計算手段１３で計算されて、圧力差計算手段１３から出力される。
【００６４】
２１はロボットアーム１０から出力されたそれぞれの関節軸のエンコーダ８により計測された関節角の現在値ｑである関節角度ベクトルｑが入力される順運動学計算手段であり、ロボットアーム１０の関節角度ベクトルｑから手先位置・姿勢ベクトルｒへの変換の幾何科学的計算を順運動学計算手段２１で行う。
【００６５】
１１は目標軌道生成手段であり、目標とするロボットアーム１０の動作を実現するための手先位置・姿勢目標ベクトルｒｄが目標軌道生成手段１１から出力される。
【００６６】
出力誤差補償手段１０３は、一例として、出力された位置誤差を補償するように位置誤差補償手段１２と逆動力学計算手段２４とから構成される。位置誤差補償手段１２には、ロボットアーム１０において計測される関節角度ベクトルの現在値ｑより順運動学計算手段２１により計算される手先位置・姿勢ベクトルｒと、目標軌道生成手段１１より出力される手先位置・姿勢目標ベクトルｒｄとの誤差ｒｅが入力され、位置誤差修正出力ｕｐが位置誤差補償手段１２から逆動力学計算手段２４に向けて出力される。逆動力学計算手段２４では、下記の式（１）で示されるロボットアームの運動方程式に基づく式により、手先位置・姿勢誤差ｒｅを修正するための位置誤差修正トルクτｐが計算され、逆動力学計算手段２４から出力誤差補償情報として出力される。
【００６７】
【数１】
2006018791.tif 000003
ただし、Ｍ（ｑ）は慣性行列、
【００６８】
【数２】
2006018791.tif 000004
は遠心力とコリオリ力を表す項、ｇ（ｑ）は重力負荷を表す項、Ｊｒ（ｑ）はヤコビ行列である。
【００６９】
２５は駆動力誤差補償手段１０５の一例である駆動トルク誤差補償手段であり、逆動力学計算手段２４から出力される位置誤差修正トルクτｐと、トルクセンサー７により計測されるトルクの現在値τとの差であるトルク誤差τｅが駆動トルク誤差補償手段２５に入力され、駆動トルク誤差補償手段２５からは、駆動トルクの誤差を補償するように、トルク誤差修正圧力差ΔＰτが駆動力誤差補償情報として出力される。
【００７０】
１５は内部状態誤差補償手段１０６の一例である圧力差誤差補償手段であり、駆動トルク誤差補償手段２５から出力されたトルク誤差修正圧力差ΔＰτから、圧力差計算手段１３から出力された現在の圧力差ΔＰを減算した値（圧力差誤差ΔＰｅ）が圧力差誤差補償手段１５に入力され、圧力差誤差補償手段１５からは、内部圧力状態の誤差を補正するように、圧力差誤差修正出力ｕがロボットアーム１０に向けて出力される。圧力差誤差修正出力ｕは、Ｄ／Ａボード２０を介してそれぞれの５ポート流量制御電磁弁１８に電圧指令値として与えられて、各関節軸６が正逆回転駆動されてロボットアーム１０が動作する。
【００７１】
以上のように構成される制御装置に関しての制御動作の原理について説明する。
【００７２】
制御動作の基本は、位置誤差補償手段１２による手先位置・姿勢誤差ｒｅのフィードバック制御（位置制御）である。位置誤差補償手段１２として、例えば、ＰＩＤ補償器を使用すれば、手先位置・姿勢誤差ｒｅが０に収束するように制御が働き、目標とするロボットアーム１０の動作が実現する。
【００７３】
また、逆動力学計算手段２４が配設されることにより、ロボットアーム１０に発生する慣性力や遠心力等の動力学的影響が補償されるため、図２に示されるロボットアーム１０のように、関節を駆動するのに減速機を使わないダイレクトドライブ的駆動方法をとる場合でも、精度の良い動作を実現することができる。
【００７４】
しかしながら、逆動力学計算手段２４による動力学的影響の補償が有効に機能するためには、弾性体アクチュエータ１により関節駆動力として所望のトルクを発生させる仕組みが必要である。
【００７５】
こうした課題に対応するための手段が、駆動トルク誤差補償手段２５によるトルクフィードバック制御である。駆動トルク誤差補償手段２５には、位置誤差修正トルクτｐと、トルクセンサー７により計測されるトルクの現在値τとの差であるトルク誤差τｅが入力され、トルク誤差τｅが０になるように駆動トルク誤差補償手段２５が動作する。すなわち、駆動トルク誤差補償手段２５により、位置誤差を修正するのに必要なトルクである位置誤差修正トルクτｐを正確に実現し、逆動力学計算手段２４による動力学的影響の補償が有効に機能する。
【００７６】
しかしながら、弾性体アクチュエータ、例えば図２に示す空気等の流体によって動作するアクチュエータ１により駆動される場合、弾性体アクチュエータ１の弾性的要素、すなわち流体の圧縮性や流路抵抗等の影響により、応答性が悪くなり、トルクフィードバック制御だけでは精度良く制御することができない。
【００７７】
こうした課題に対応するための手段が、圧力差誤差補償手段１５による圧力差ΔＰのフィードバック制御である。圧力差誤差補償手段１５にはトルク誤差修正出力ΔＰτが駆動トルク誤差補償手段２５から入力されるため、トルク誤差τｅが発生すると圧力差誤差補償手段１５が動作し、トルク誤差τｅが０に収束するように圧力差の制御が働く。したがって、図６に示す制御系のようにトルク制御を行うトルクフィードバックループの内側に、圧力差の制御を行う内部圧力フィードバックループを構成することにより、応答性の悪さを補償し、トルク制御性能の向上を実現可能である。
【００７８】
以上の原理に基づく制御プログラムの実際の動作ステップについて、図７のフローチャートに基づいて説明する。
【００７９】
ステップ１では、ロボットアーム１０の各関節軸のエンコーダ８により計測された関節角度データ（関節変数ベクトル又は関節角度ベクトルｑ）が上記制御装置にそれぞれ取り込まれる。
【００８０】
次いで、ステップ２では、ロボットアーム１０の運動学計算に必要なヤコビ行列Ｊｒ等の計算が逆動力学計算手段２４により行われ、次いで、ステップ３では、ロボットアーム１０からの関節角度データ（関節角度ベクトルｑ）からロボットアーム１０の現在の手先位置・姿勢ベクトルｒが順運動学計算手段２１により計算される（順運動学計算手段２１での処理）。
【００８１】
次いで、ステップ４では、制御装置の制御コンピュータ１９内のメモリ１９ａに予め記憶されていたロボットアーム１０の動作プログラムに基づき、目標軌道計算手段１１によりロボットアーム１０の手先位置・姿勢目標ベクトルｒｄが計算される。
【００８２】
次いで、ステップ５では、手先位置・姿勢目標ベクトルｒｄと現在の手先位置・姿勢ベクトルｒの差である手先位置・姿勢の誤差ｒｅが計算され、次いで、ステップ６では、手先位置・姿勢の誤差ｒｅから位置誤差修正出力ｕｐが位置誤差補償手段１２により計算される（位置誤差補償手段１２での処理）。
【００８３】
位置誤差補償手段１２の具体例としてはＰＩＤ補償器が考えられる。ＰＩＤ補償器の場合、ステップ６では、手先位置・姿勢の誤差ｒｅに比例ゲインを乗算した値、手先位置・姿勢の誤差ｒｅの微分値に微分ゲインを乗算した値、及び手先位置・姿勢の誤差ｒｅの積分値に積分ゲインを乗算した値の３つの値の合計値が位置誤差修正出力ｕｐとなる。定数の対角行列である比例、微分、積分の３つのゲインを適切に調整することにより、位置誤差が０に収束するように制御が働く。
【００８４】
次いで、ステップ７では、動力学計算に必要な慣性行列Ｍ（ｑ）、遠心力・コリオリ力項
【００８５】
【数３】
2006018791.tif 000005
、重力項ｇ（ｑ）の計算が行われ、次いで、ステップ８で、上記式（１）を使い、位置誤差修正トルクτｐが計算される（逆動力学計算手段２４での処理）。
【００８６】
次いで、ステップ９では、位置誤差修正トルクτｐから、トルクセンサー７の計測値τを減算することによりトルク誤差τｅが計算される。
【００８７】
次いで、ステップ１０では、トルク誤差τｅからトルク誤差修正圧力差ΔＰτが駆動トルク誤差補償手段２５により計算される（駆動トルク誤差補償手段２５での処理）。駆動トルク誤差補償手段２５の具体例としてはＰＩＤ補償器が考えられる。ＰＩＤ補償器の場合、ステップ１０では、トルク誤差τｅに比例ゲインを乗算した値、トルク誤差τｅの微分値に微分ゲインを乗算した値、及びトルク誤差τｅの積分値に積分ゲインを乗算した値の３つの値の合計値がトルク誤差修正圧力差ΔＰτとなる。
【００８８】
次いで、ステップ１１では、内部状態計測手段１０７の一例である圧力センサ９によりそれぞれ計測された弾性体アクチュエータ１のそれぞれの内部圧力値が制御装置に取り込まれ、拮抗駆動される弾性体アクチュエータ１の内部圧力間の現在の圧力差ΔＰが圧力差計算手段１３により計算される。
【００８９】
次いで、ステップ１２では、ステップ１０で駆動トルク誤差補償手段２５により計算されたトルク誤差修正圧力差ΔＰτから、ステップ１１で圧力差計算手段１３により計算した現在の圧力差ΔＰを減算した圧力差誤差ΔＰｅを圧力差誤差補償手段１５で計算する（圧力差誤差補償手段１５での処理）。次いで、ステップ１３では、圧力差誤差ΔＰｅより圧力差誤差修正出力ｕが圧力差誤差補償手段１５で計算される（圧力差誤差補償手段１５での処理）。圧力差誤差補償手段１５としては、例えば、ＰＩＤ補償器が考えられる。
【００９０】
次いで、ステップ１４では、圧力差誤差修正出力ｕが圧力差誤差補償手段１５からロボットアーム１０に、具体的には、ロボットアーム１０の制御コンピュータ１９内のＤ／Ａボード２０を通じ、それぞれの流量制御弁１８に与えられ、それぞれの流量制御弁１８がそれぞれの弾性体アクチュエータ１内の圧力を変化させることにより、ロボットアーム１０のそれぞれの関節軸の正逆回転運動が発生する。
【００９１】
以上のステップ１〜ステップ１４が制御の計算ループとして繰り返し実行されることにより、ロボットアーム１０の動作の制御が実現する。
【００９２】
以上のように、上記第１実施形態の制御装置によれば、駆動トルク誤差補償手段２５を配設して(駆動トルク誤差補償手段は、実際には、制御プログラムの一部として記述され、制御コンピュータにより実行される。)、上記弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２により発生される駆動トルクをフィードバックするトルクフィードバック制御系を構成し、かつ、圧力差誤差補償手段１５を駆動トルク誤差補償手段２５と弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２との間にさらに配設して、上記弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の各弾性膨張収縮構造体１の内部状態をフィードバックする内部圧力制御系を構成することにより、応答性が良く、動力学的な影響の少ない、高精度なロボットアーム１０の制御が可能となる。
【００９３】
また、上記第１実施形態の制御方法によれば、駆動トルク誤差補償手段２５を配設して、上記弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２により発生される駆動トルクをフィードバックするトルクフィードバック制御系を構成し、かつ、圧力差誤差補償手段１５を駆動トルク誤差補償手段２５と弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２との間にさらに配設して、上記弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の各弾性膨張収縮構造体１の内部状態をフィードバックする内部圧力制御系を構成することにより、応答性が良く、動力学的な影響の少ない、高精度なロボットアーム１０の制御が可能となる。
【００９４】
（第２実施形態）
図８は本発明の第２実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の概念を示すブロック線図である。図８において、１０１は目標出力生成手段であり、弾性体アクチュエータ１により駆動される弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の変位、発生力等の出力の目標値を生成する。１０４は弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２に接続される出力計測手段であり、弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の出力の計測値を計測して、計測値を出力誤差補償手段１０３にそれぞれ入力する。１０３は目標出力生成手段１０１からの出力目標値と出力計測手段１０４からの出力計測値との出力誤差が入力されて出力誤差補償情報を出力する出力誤差補償手段であり、出力誤差補償手段１０３により出力誤差を補償するように出力誤差補償情報を出力することにより、出力計測手段１０４により計測される弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の出力の計測値を目標値に追従させるように制御を行う。１０５は弾性体アクチュエータ１が発生する駆動力の誤差を補償する駆動力誤差補償手段であり、出力誤差補償手段１０３からの出力誤差補償情報の出力と、弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２に接続された駆動力計測手段１０７により計測された駆動力との差が駆動力誤差補償手段１０５に入力されて、駆動力の誤差を補償するような駆動力誤差補償情報を出力する。１０９は目標出力生成手段１０１が生成する出力目標値が入力される目標内部状態決定手段であり、上記出力の目標値より、弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の弾性体アクチュエータ１の内部状態目標値を決定する。１０６は駆動力誤差補償手段１０５から出力される駆動力誤差補償情報及び目標内部状態決定手段１０９から出力される出力情報の和と、内部状態計測手段１０８から出力される内部状態計測値の差が入力されて内部状態誤差補償情報を出力する内部状態誤差補償手段であり、内部状態誤差補償手段１０６からの内部状態誤差補償情報の出力情報が弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２のそれぞれの弾性体アクチュエータ１に入力されて、それぞれの弾性体アクチュエータ１の内部状態計測値を目標値に追従させるように制御を行う。１０８は弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の各弾性体アクチュエータ１に接続される内部状態計測手段であり、各弾性体アクチュエータ１１の内部圧力である内部状態計測値１０８を内部状態計測手段で測定して、内部状態計測値を内部状態誤差補償手段１０６に入力する。
【００９５】
次に、第２実施形態の弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の制御装置の具体的な例について、制御対象として弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の一例であるロボットアーム１０の制御装置を例に取り、説明を行う。ロボットアーム１０の詳細は第１実施形態と同様であるので詳細は省略する。
【００９６】
図９は本発明の第２実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の制御装置の構成をより具体的に示す図である。
【００９７】
図９において、２６は、目標内部状態決定手段１０９の一例としての目標圧力差決定手段である。目標圧力差計算手段２６には、目標軌道生成手段１１より出力される目標関節角度ベクトルｑｄが入力され、目標関節角度ベクトルｑｄより目標圧力差（圧力差の目標値）ΔＰｄ＝［ΔＰ１ｄ，ΔＰ２ｄ，ΔＰ３ｄ，ΔＰ４ｄ，ΔＰ５ｄ，ΔＰ６ｄ］Ｔが目標圧力差計算手段２６で算出され、目標圧力差計算手段２６から圧力差誤差補償手段１５に向けて、圧力差の目標値が出力される。ただし、ΔＰ１ｄ，ΔＰ２ｄ，ΔＰ３ｄ，ΔＰ４ｄ，ΔＰ５ｄ，ΔＰ６ｄはそれぞれ、弾性膨張収縮構造体１−１ａと１−１ｂの、弾性膨張収縮構造体１−２ａと１−２ｂの、弾性膨張収縮構造体１−３ａと１−３ｂの、弾性膨張収縮構造体１−４ａと１−４ｂ、弾性膨張収縮構造体１−５ａと１−５ｂ、弾性膨張収縮構造体１−６ａと１−６ｂの圧力差の目標値である。
【００９８】
内部状態誤差補償手段１０６の一例である圧力差誤差補償手段１５には、目標圧力差計算手段２６から出力される目標圧力差ΔＰｄに、駆動トルク誤差補償手段１０５からのトルク誤差修正圧力差ΔＰτを加算し、圧力差計算手段１３からの現在の圧力差ΔＰを減算した値（圧力差誤差ΔＰｅ）が入力され、圧力差誤差補償手段１５からは、内部圧力状態の誤差を補正するように、圧力差誤差修正出力ｕがロボットアーム１０に向けて出力される。圧力差誤差修正出力ｕは、Ｄ／Ａボード２０を介してそれぞれの５ポート流量制御電磁弁１８に電圧指令値として与えられて、各関節軸６が正逆回転駆動されてロボットアーム１０が動作する。
【００９９】
以上のように構成される制御装置に関しての制御動作の原理について説明する。
【０１００】
制御動作の基本は、位置誤差補償手段１２による手先位置・姿勢誤差ｒｅのフィードバック制御（位置制御）である。位置誤差補償手段１２として、例えば、ＰＩＤ補償器を使用すれば、手先位置・姿勢誤差ｒｅが０に収束するように制御が働き、目標とするロボットアーム１０の動作が実現する。
【０１０１】
また、逆動力学計算手段２４が配設されることにより、ロボットアーム１０に発生する慣性力や遠心力等の動力学的影響が補償されるため、図２に示されるロボットアーム１０のように、関節を駆動するのに減速機を使わないダイレクトドライブ的駆動方法をとる場合でも、精度の良い動作を実現することができる。
【０１０２】
しかしながら、逆動力学計算手段２４による動力学的影響の補償が有効に機能するためには、弾性体アクチュエータ１により関節駆動力として所望のトルクを発生させる仕組みが必要である。
【０１０３】
こうした課題に対応するための手段が、駆動トルク誤差補償手段２５によるトルクフィードバック制御である。駆動トルク誤差補償手段２５には、位置誤差修正トルクτｐと、トルクセンサー７により計測されるトルクの現在値τとの差であるトルク誤差τｅが入力され、トルク誤差τｅが０になるように駆動トルク誤差補償手段２５が動作する。すなわち、駆動トルク誤差補償手段２５により、位置誤差を修正するのに必要なトルクである位置誤差修正トルクτｐを正確に実現し、逆動力学計算手段２４による動力学的影響の補償が有効に機能する。
【０１０４】
しかしながら、弾性体アクチュエータ、例えば図２に示す空気等の流体によって動作するアクチュエータにより駆動される場合、弾性体アクチュエータの弾性的要素、すなわち流体の圧縮性や流路抵抗等の影響により応答性が悪く、トルクフィードバック制御だけでは精度良く制御することができない。
【０１０５】
こうした課題に対応するための手段が、圧力差誤差補償手段１５による圧力差ΔＰのフィードバック制御である。圧力差誤差補償手段１５にはトルク誤差修正出力ΔＰτが駆動トルク誤差補償手段２５から入力されるため、トルク誤差τｅが発生すると圧力差誤差補償手段１５が動作し、トルク誤差τｅが０に収束するように圧力差の制御が働く。したがって、図９に示す制御系のようにトルク制御を行うトルクフィードバックループの内側に、圧力差の制御を行う内部圧力フィードバックループを構成することにより、応答性の悪さを補償し、トルク制御性能の向上を実現可能である。
【０１０６】
しかしながら、圧力差誤差補償手段１５を設けるだけでは、応答性は改善されるが、位置の定常偏差が発生し、位置決め精度を向上させることはできないという問題が残る可能性がある。これは、目標関節角度ベクトルｑｄを実現するのに必要な圧力差を目標値として圧力差誤差補償手段１５に入力していない点に起因する。
【０１０７】
こうした課題に対応するための手段が、目標圧力差計算手段２６である。図３に示す１組の弾性膨張収縮構造体１，１の拮抗駆動による関節軸の正逆回転駆動を行う場合、関節角度と１組の弾性膨張収縮構造体１の内部圧力差の関係は、例えば、図１０のようになる。図１０は、一例として、全長２５０ｍｍ、内径１０ｍｍの弾性膨張収縮構造体（マッキベン型空気圧人工筋）を使用した場合の結果である。図１０中に示したように、測定結果は、ほぼ直線で近似することができる。したがって、目標圧力差ΔＰｄを計算する式として直線を表す１次式
【数４】
2006018791.tif 000006
を使うことができる。ただし、Ａ、ｂは係数であり、図１０の測定結果より求めることができる。したがって、目標圧力差計算手段２６において、式（４）により目標関節角度ベクトルｑｄから目標圧力差ΔＰｄを計算して圧力差誤差補償手段１５に入力することにより、定常偏差の小さい高精度な位置制御を実現することができる。
【０１０８】
図１１は、本発明の第２実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の他の構成を示す図である。
【０１０９】
図１１の制御装置では、目標内部状態決定手段１０９が、図９とは別の例として、目標圧力差計算手段２６と近似逆運動学計算手段２７とから構成される。近似逆運動学計算手段２７には、ロボットアーム１０において計測される関節角度ベクトルの現在値ｑより順運動学計算手段２１により計算される手先位置・姿勢ベクトルｒと目標軌道生成手段１１より出力される手先位置・姿勢目標ベクトルｒｄとの誤差ｒｅと、関節角度ベクトルの現在値ｑとが入力されて、誤差ｒｅと、関節角度ベクトルの現在値ｑから計算されるヤコビ行列Ｊｒより、ｑｅ=Ｊｒ-1ｒｅの計算式により関節角度ベクトルの誤差ｑｅが近似的に算出される。目標圧力差計算手段２６には、ロボットアーム１０において計測される関節角度ベクトルの現在値ｑと、近似逆運動学計算手段２７で計算された関節角度ベクトルの誤差ｑｅとの加算に基づく目標関節角度ベクトルｑｄとして、ｑｄ＝ｑ＋Ｊｒ（ｑ）−１ｒｅが入力され、目標関節角度ベクトルｑｄより、目標圧力差（圧力差の目標値）ΔＰｄ＝［ΔＰ１ｄ，ΔＰ２ｄ，ΔＰ３ｄ，ΔＰ４ｄ，ΔＰ５ｄ，ΔＰ６ｄ］Ｔが目標圧力差計算手段２６で算出され、目標圧力差計算手段２６から圧力差誤差補償手段１５に向けて、圧力差の目標値が出力される。
【０１１０】
このような図１１に示す構成であっても、図９の構成と同様に、目標圧力差ΔＰｄを計算し、圧力差誤差補償手段１５に入力することにより、定常偏差の小さい高精度な位置制御を実現することができる。
【０１１１】
図１５は、本発明の第２実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置のさらに他の構成を示す図である。
【０１１２】
図１５の制御装置は、図８の制御装置の具体例である図９の制御装置と比べて、目標軌道生成手段１１は目標関節角度ベクトルｑｄを出力する点、順運動学計算手段２１が無く、関節角度ベクトルｑがフィードバックされ、目標関節角度ベクトルｑｄと関節角度ベクトルｑの差である関節角度ベクトルの誤差ｑｅが位置誤差補償手段１２に入力される点、目標圧力差計算手段２６に目標関節ベクトルｑｄが入力される点が異なり、他の部分は同じ構成である。したがって、図１５の制御装置によれば、目標関節ベクトルｑｄが与えられることにより、関節角度ベクトルｑが目標関節ベクトルｑｄとなるように制御される。
【０１１３】
図１４は本発明に係る制御装置の性能を検証した実験結果を示している。図１４の実験結果は、本発明に係る制御装置の構成をとることによる効果を分かりやすくするため、図１５に示す制御装置により、図２に示すロボットアーム１０の第６関節６−６のみを動作させ、第６関節６−６の回転角ｑ６の制御を行った結果である。第６関節６−６を駆動する弾性膨張収縮構造体１は、管状弾性体２の全長が１７ｃｍ、内径が１ｃｍとした。関節軸６−３と６−４の交点及び関節軸６−５と６−６の交点間の距離は２８ｃｍとした。ハンド部には錘を付加し、関節軸６−６周りの慣性モーメントが０．００４５ｋｇｍ２となるようにした。また、空気圧源１６から供給される高圧空気は、空気圧調整ユニット１７により圧力が０．６ＭＰａに調整され、５ポート流量制御電磁弁１８に供給される。
【０１１４】
図１４において実線で示した結果が、図８の第２実施形態の制御装置、より具体的には図１５の構成で示される制御装置による制御結果である。目標値は０°と３５°とで２秒ごとにステップ状に変化する目標値とした。
【０１１５】
一方、図１４において破線で示した結果が図１７の構成で示されるように、ロボットアーム１０から出力される関節角度ベクトルの現在値ｑと、目標軌道生成手段１１より出力される目標関節角度ベクトルｑｄと差である、関節角度ベクトルの誤差ｑｅが０となるように制御するような、単純な位置制御のみの構成の場合の結果である。
【０１１６】
図１４を見ればわかるように、本第２実施形態の制御装置の構成によれば、単純な位置制御のみの場合と比べて、制御精度が向上することが確認された。
【０１１７】
以上のように、上記第２実施形態の制御装置によれば、駆動トルク誤差補償手段２５を配設して、上記弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２により発生される駆動トルクをフィードバックするトルクフィードバック制御系を構成し、かつ、圧力差誤差補償手段１５を上記弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２と駆動トルク誤差補償手段２５との間に配設して、上記弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の内部状態をフィードバックする内部圧力制御系を構成し、かつ、目標圧力差計算手段２６をさらに配設して、目標圧力差を駆動トルク誤差補償手段２５と圧力差誤差補償手段１５との間に入力してフィードフォワードすることにより、応答性が良く、動力学的な影響の少なく、さらに、定常偏差も小さい高精度なロボットアーム１０の制御が可能となる。
【０１１８】
また、上記第２実施形態の制御方法によれば、駆動トルク誤差補償手段２５を上記弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２に配設して、上記弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２により発生される駆動トルクをフィードバックするトルクフィードバック制御系を構成し、かつ、圧力差誤差補償手段１５を上記弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２と駆動トルク誤差補償手段２５との間に配設して、上記弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の内部状態をフィードバックする内部圧力制御系を構成し、かつ、目標圧力差計算手段２６をさらに配設して、目標圧力差を駆動トルク誤差補償手段２５と圧力差誤差補償手段１５との間に入力してフィードフォワードすることにより、応答性が良く、動力学的な影響が少なく、さらに、定常偏差も小さい高精度なロボットアーム１０の制御が可能となる。
【０１１９】
なお、図１１の制御系では、目標内部状態決定手段１０９への入力を手先位置・姿勢の誤差ｒｅとしたが、誤差ｒｅは目標値と計測値の差であり、ロボットアーム１０において計測される関節角度ベクトルの現在値ｑより順運動学計算手段２１により計算される手先位置・姿勢ベクトルｒと、目標軌道生成手段１１より出力される手先位置・姿勢目標ベクトルｒｄとの誤差ｒｅが近似逆運動学計算手段２３ａに入力されるようにブロック線図は変形できることから、目標値を入力とする場合と、誤差を入力とする場合に本質的な違いはない。
【０１２０】
（第３実施形態）
図１２は本発明の第３実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の概念を示すブロック線図である。
【０１２１】
図１２に示す第３実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の制御装置の構成要素は、図８に示す第２実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の制御装置と同様であるが、各ブロックの入出力関係が異なっている。図１２の制御装置では、内部状態誤差補償手段１０６に内部状態がフィードバックされるループが、駆動力誤差補償手段１０５に駆動力がフィードバックされるループの内部にあるのではなく、独立して存在する構成となっており、内部状態誤差補償手段１０６からの内部状態誤差補償情報の出力と駆動力誤差補償手段１０５からの駆動力誤差補償情報の出力を加算した信号により弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２を駆動する構成となっている。
【０１２２】
次に、第３実施形態の弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の制御装置の具体的な例について、制御対象として弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の一例であるロボットアーム１０の制御装置を例に取り、説明を行う。ロボットアーム１０の詳細は第１実施形態と同様であるので詳細は省略する。
【０１２３】
図１３は本発明の第３実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の構成をより具体的に示す図である。図１３に示す制御装置では、圧力差誤差補償手段１５の出力と駆動トルク誤差補償手段の出力を加算した信号がロボットアーム１０に入力される。
【０１２４】
このような構成とすることにより、目標圧力差計算手段２６において、例えば、式（４）により目標関節角度ベクトルｑｄから目標圧力差ΔＰｄを計算し、目標圧力差計算手段２６から圧力差誤差補償手段１５に目標圧力差ΔＰｄを入力することにより、第２実施形態の制御装置の場合と同様に、定常偏差の小さい高精度な位置制御を実現することができる。
【０１２５】
図１６は、本発明の第３実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置のさらに他の構成を示す図である。
【０１２６】
図１６の制御装置は、図１２の制御装置の具体例である図１３の制御装置と比べて、目標軌道生成手段１１は目標関節角度ベクトルｑｄを出力する点、順運動学計算手段２１が無く、関節角度ベクトルｑがフィードバックされ、目標関節角度ベクトルｑｄと関節角度ベクトルｑの差である関節角度ベクトルの誤差ｑｅが位置誤差補償手段１２に入力される点、目標圧力差計算手段２６に目標関節ベクトルｑｄが入力される点が異なり、他の部分は同じ構成である。したがって、図１６の制御装置によれば、目標関節ベクトルｑｄが与えられることにより、関節角度ベクトルｑが目標関節ベクトルｑｄとなるように制御される。
【０１２７】
図１４は本発明に係る制御装置の性能を検証した実験結果を示している。実験の詳細は上記第２実施形態において説明したので省略する。
【０１２８】
図１４において一点鎖線で示した結果が図１２の第３実施形態の制御装置、より具体的には図１６の構成で示される制御装置による制御結果である。
【０１２９】
図１４を見ればわかるように、第３実施形態の制御装置の構成によれば、第２実施形態の場合と同様に、単純な位置制御のみの場合と比べて、制御精度が向上することが確認された。
【０１３０】
以上のように、上記第３実施形態の制御装置によれば、駆動トルク誤差補償手段２５を上記弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２に配設して、上記弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２により発生される駆動トルクをフィードバックするトルクフィードバック制御系を構成し、かつ、目標圧力差計算手段２６及び圧力差誤差補償手段１５を、駆動トルク誤差補償手段２５とは別に、上記弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２に配設して、上記弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の内部状態をフィードバックする、トルクフィードバック制御系とは独立な圧力制御系を構成することにより、応答性が良く、動力学的な影響の少なく、さらに、定常偏差も小さい高精度なロボットアーム１０の制御が可能となる。
【０１３１】
また、上記第３実施形態の制御方法によれば、駆動トルク誤差補償手段２５を上記弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２に配設して、上記弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２により発生される駆動トルクをフィードバックするトルクフィードバック制御系を構成し、かつ、目標圧力差計算手段２６及び圧力差誤差補償手段１５を、駆動トルク誤差補償手段２５とは別に、上記弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２に配設して、上記弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の内部状態をフィードバックする、トルクフィードバック制御系とは独立な圧力制御系を構成することにより、応答性が良く、動力学的な影響の少なく、さらに、定常偏差も小さい高精度なロボットアーム１０の制御が可能となる。
（第４実施形態）
図１８は、図８に示す弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置を、図１９に示すようにロボットアーム４００により治具４０７を把持し、固定面４０６に垂直な方向（ｘｃ方向）に力Ｆで押しつける力制御を行うと同時に、固定面４０６に平行な方向（ｙｃ、ｚｃ方向）に位置制御を行う作業に応用した場合の制御装置の構成を具体的に示す図である。図１８では、図８の具体例の一つである図１１に示す制御装置と同じ構成の箇所は同じ番号を付し、以下ではその説明を省略する。また、図１９において、４０５は手３１３に配置された力センサーであり、手先が発生する力ベクトルＦ＝［Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ］Ｔ、すなわち、固定面４０６に治具４０７が押さえつけられる力を測定する。ただし、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚは、それぞれ、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の並進力、Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚは、それぞれ、ｘ軸回りの力モーメント、ｙ軸回りの力モーメント、ｚ軸回りの力モーメントを表している。そのほかの構造は図２に示すロボットアーム１０と同様であるので詳細な説明は省略する。
図１８に示す制御装置では、図１１に示す制御装置と比べて、出力誤差補償手段１０３の構成が異なり、また、ロボットアーム４００から出力として関節角度ベクトルｑに加えてロボットアーム４００の手先が発生する力ベクトルＦが力センサ４０５により出力される点が異なる。
図１８において、４０１は位置誤差抽出手段であり、位置誤差ｒｅが入力され、位置制御を行う方向（ｙｃ、ｚｃ方向）の位置誤差ｒｅｘのみを抽出し、位置誤差補償手段１２へと出力する。位置制御を行う方向の位置誤差の抽出は、図１９中に示した座標軸ｘとｘｃ、ｙとｙｃ、ｚとｚｃがそれぞれ平行の場合、下記の式（５）により実行される。
【数５】
2006018791.tif 000007
４０２は力誤差抽出手段であり、手先が発生する力ベクトルＦと、目標軌道生成手段１１より出力される手先が発生する目標力ベクトルＦｄとの誤差である力誤差Ｆｅが入力され、力制御を行う方向（ｘｃ方向）の力誤差Ｆｅｘのみを抽出し、力誤差補償手段４０３へと出力する。力制御を行う方向の力誤差の抽出は、図１９中に示した座標軸ｘとｘｃ、ｙとｙｃ、ｚとｚｃがそれぞれ平行の場合、下記の式（６）により実行される。
【数６】
2006018791.tif 000008
力誤差補償手段４０３からは力誤差修正出力ｕＦが力−トルク変換手段４０４に向けて出力される。力−トルク変換手段４０４では、下記の式（７）で示される式により、力誤差Ｆｅを修正するための力誤差修正トルクτＦが計算され出力される。
【数７】
2006018791.tif 000009
出力誤差補償手段１０３からは位置誤差修正トルクτｐと力誤差修正トルクτＦが加算された値が出力誤差補償情報として出力される。
制御動作の基本は、位置誤差補償手段１２による手先位置・姿勢誤差ｒｅのフィードバック制御（位置制御）と、力誤差補償手段４０３による手先が発生する力Ｆのフィードバック制御（力制御）を同時に実現する位置と力のハイブリッド制御である。位置誤差補償手段１２として、例えば、ＰＩＤ補償器を使用し、力誤差補償手段４０３として、例えばＰＩ補償器を使用すれば、手先位置・姿勢誤差ｒｅが０に収束するように制御が働き、かつ、手先が発生する力誤差Ｆｅが０に収束するように制御が働くため、目標とするロボットアーム４００の動作が実現する。
以上のように、駆動トルク誤差補償手段２５、および、圧力差誤差補償手段１５を備えることにより、応答性良く、精度の高いトルクフィードバック制御が可能となるため、応答性良く、精度の高い力制御が実現する。したがって、図１９に示した治具４０７の固定面４０６である壁面への押しつけ制御を様々な作業に応用することにより、例えば、窓拭き動作や、机の天面拭き動作等、実用的な作業を、安全性高く実現することが可能となる。
【０１３２】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態として、図１に示した弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の他の具体的な例について、弾性体アクチュエータとして導電性高分子アクチュエータを使用する場合を例に取り、説明を行う。ロボットアーム１０の詳細は、弾性体アクチュエータとして導電性高分子アクチュエータを使用する以外は第１実施形態と同様であるので詳細は省略する。
【０１３３】
図１９は、本発明にかかる第５実施形態の導電性高分子アクチュエータの一例としての人工筋肉アクチュエータ３０１の概略を示した断面図である。また、図２０にその外形図を示す。
【０１３４】
図１９において、３１１は酸化還元反応に伴って膨張収縮変形する導電性高分子製の矩形の伸縮体である伸縮板であり、円筒形のケース３２１、円板状のフタ３２２によって囲まれた空間を満たす電解質托体層である電解液３１３の液中の大略中央部に配置されている。電解液としては、ＮａＰＦ６、ＴＢＡＰＦ６などの電解質を水、もしくはプロピレンカーボネートなどの有機溶媒に溶解させたものや、ＢＭＩＰＦ６などのイオン性液体が利用可能である。特に、アニオンとしてＰＦ６を含む電解質は、導電性高分子であるポリピロールとの組み合わせで大きな変位が得られることから望ましい。
【０１３５】
導電性高分子の伸縮板３１１を構成する導電性高分子としては、ポリピロール、ポリアニリン、又はポリメトキシアニリン等が利用可能だが、ポリピロールは変位が大きい点で望ましい。また、導電性高分子の伸縮板３１１の厚みは数十μｍ程度であるのが望ましい。それより薄いと強度的に弱く、それより厚いと導電性高分子の伸縮板３１１の内部まで十分にイオンが出入りできなくなるので望ましくない。
【０１３６】
導電性高分子の伸縮板３１１の長手方向の両端には、ロッド３２３ａ、３２３ｂが接続されており、ロッド３２３ａは、フタ３２２に設けられたシール部材３２４ａを貫通して、ロッド３２３ｂは、ケース３２１に設けられたシール部材３２４ｂを貫通して、それぞれ、フタ３２２及びケース３２１の外部に突出している。
【０１３７】
導電性高分子の伸縮板３１１に接続された配線は、フタ３２２に備えられたシール部材３２４ｃ、スイッチ３０４、電流測定装置３２６を経て電源３０３に接続されている。電源３０３のもう一方の極には、対電極３２５が接続されている。対電極３２５は、フタ３２２に備えられたシール部材３２４ｄを通して、ケース３２１内の空間に充填された電解液３１３と接している。
【０１３８】
また、電源３０３、スイッチ３０４は図示しない制御装置によって、電流測定装置３２６の情報をもとに適宜、電圧調整、オンオフされ、人工筋肉アクチュエータ３０１の動作が制御される。
【０１３９】
次に、この人工筋肉アクチュエータ３０１の作用を説明する。
【０１４０】
導電性高分子の伸縮板３１１が収縮する原因としては、アニオン（陰イオン）の出入り、カチオン（陽イオン）の出入り、高分子構造の変化等があるが、図１９（Ａ）、図１９（Ｂ）及び図１９（Ｃ）による動作原理の説明では、ポリピロールなどの材料系においてアニオンのドープ、アンドープが主たる変形のメカニズムとされていることから、アニオンの出入りについて述べることにする。
【０１４１】
図１９（Ａ）はスイッチオフの状態で導電性高分子の伸縮板３１１に電圧を印加していない状態を示し、図１９（Ｂ）は導電性高分子の伸縮板３１１に正の電位を印加した場合を示している。導電性高分子の伸縮板３１１に電圧が印加されると、電圧無印加時に電解質托体層である電解液３１３に均質に存在したアニオンが、正電極側の導電性高分子の伸縮板３１１側に引き寄せられ、導電性高分子の伸縮板３１１内に入り込むようになる。この酸化過程に伴って導電性高分子の伸縮板３１１が伸長し、ロッド３２３ａ、３２３ｂによって導電性高分子の伸縮板３１１の伸び方向の変位が取り出せるようになる。また、図１９（Ｃ）は導電性高分子の伸縮板３１１に負電圧を印加した場合を示す。導電性高分子の伸縮板３１１に存在したアニオンは、対向する対電極３２５の方に引き寄せられ、電解質托体層である電解液３１３中に離脱するようになり、この還元過程に伴って導電性高分子の伸縮板３１１は収縮し、ロッド３２３ａ、３２３ｂによって縮み方向の変位が取り出せるようになる。
【０１４２】
以上のようなアニオンの出入りにより動作する導電性高分子アクチュエータの変位量、あるいは、発生力は、注入される電荷量におおよそ比例することが知られているので、本第５実施形態では内部状態を計測するときの内部状態量として電荷量を使用する。
【０１４３】
図２１は、本発明の第５実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の制御装置の制御対象であるロボットアーム１０を駆動するための電源系の構成を示す図である。図２１ではロボットアーム１０の第３関節軸６−３を正逆回転駆動する部分のみを記し、他の部分は省略している。図２１において、３５１−３ａ、３５１−３ｂは駆動電源であり、電圧可変電源３５２−３ａ、３５２−３ｂ、および、電流計３５３−３ａ、３５３−３ｂから構成され、導電性高分子アクチュエータ３０１−３ａ、３０１−３ｂ（弾性膨張収縮構造体１−３ａと弾性膨張収縮構造体１−３ｂの一例）に接続され、電圧を印加する。１９は制御部の一例としての例えば一般的なパーソナルコンピュータにより構成された制御コンピュータであり、Ｄ／Ａボード２０が搭載されており、電圧可変電源３５１−３ａ、３５１−３ｂに電圧指令値を出力することにより、それぞれの導電性高分子アクチュエータ３０１−３ａ、３０１−３ｂに印加される電圧値を独立して制御することが可能であり、それにより導電性高分子アクチュエータ３０１−３ａ、３０１−３ｂが駆動される。また、制御コンピュータ１９にはＡ／Ｄボード３５４が搭載されており、電流計３５３−３ａ、３５３−３ｂで計測される電流値を制御コンピュータ１９に取り込むことが可能である。
【０１４４】
図１８は本発明の第５実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の制御装置の構成を示す図である。図１８において、２０１は内部状態誤差補償手段１０６の一例である電荷量誤差補償手段である。電荷量誤差補償手段２０１には、駆動トルク誤差補償手段１０５の一例である駆動トルク誤差補償手段２５からのトルク誤差修正電荷量ｃτから、駆動電源（導電性高分子アクチュエータ３０１−３ａの場合には駆動電源３５１−３ａ、導電性高分子アクチュエータ３０１−３ｂの場合には駆動電源３５１−３ｂ）で計測される電流ｉが電荷量計算手段２０２において積分されることにより得られる現在の電荷量ｃを減算した値（電荷量誤差ｃｅ）が入力され、電荷量誤差補償手段２０１からは、導電性高分子アクチュエータ３０１−３ａ又は導電性高分子アクチュエータ３０１−３ｂに注入される電荷量の誤差を補正するように、電荷量誤差修正出力ｕがロボットアーム１０に向けて出力される。電荷量誤差修正出力ｕは、Ｄ／Ａボード２０を介してそれぞれの電源に電圧指令値として与えられて、第３関節軸６−３が正逆回転駆動されてロボットアーム１０が動作する。他の関節軸６−１〜６−２、６−４〜６−６においてもそれぞれの関節軸に対して、上記制御装置の同様な制御により、それぞれ正逆回転駆動されてロボットアーム１０が動作する。
【０１４５】
以上の第５実施形態の制御装置によれば、駆動トルク誤差補償手段２５を配設して、上記弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２により発生される駆動トルクをフィードバックするトルクフィードバック制御系を構成し、かつ、電荷量誤差補償手段２０１を上記弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２と駆動トルク誤差補償手段２５との間に配設して、上記弾性体アクチュエータ駆動型可動機構１０２の内部状態をフィードバックする制御系を構成することにより、応答性が良く、動力学的な影響の少ない高精度なロボットアーム１０の制御が可能となる。
【０１４６】
なお、上記第２及び第３実施形態では、目標圧力差計算手段２６において関節角度と圧力差の関係を１次方程式で近似したが、これに限られるわけではなく、２次方程式など多次元の多項式でも近似できることは言うまでもない。このように、弾性体アクチュエータ１の出力と弾性体アクチュエータ１の内部状態の関係を多項式で近似する場合には、上記目標内部状態決定手段１０５が、上記多項式により上記弾性体アクチュエータ１の出力の目標値より上記弾性体アクチュエータ１の内部状態の目標値を計算し決定する。また、多項式で近似するのではなく、上記目標内部状態決定手段１０５により、上記弾性体アクチュエータ１の出力と上記弾性体アクチュエータ１の内部状態の関係（例えば、関節角度と圧力差の関係）を制御装置の制御コンピュータ１９内のメモリ１９ａ（図４参照）にテーブルとして記憶させておき、テーブルに基づき、上記弾性体アクチュエータ１の出力の目標値（例えば関節角度の目標値）から上記弾性体アクチュエータ１の内部状態の目標値（例えば圧力差の目標値）を導出するという構成とすることもできる。
【０１４７】
また、上記第３実施形態では、目標内部状態決定手段１０９を目標圧力差計算手段２６としたが、これに限られるわけではなく、図１１の構成の場合と同様に、近似逆運動学計算手段２７と目標圧力差計算手段２６とからなる構成の場合でも同様である。
【０１４８】
また、上記各実施形態では、出力を関節角度としたが、これに限られるわけではなく、出力計測手段１０４を変位速度計測手段の一例としての変位速度センサとし、上記弾性体アクチュエータの出力値を上記弾性体アクチュエータの変位速度として変位速度制御を行う場合でも同様である。
【０１４９】
また、上記各実施形態では、出力を関節角度としたが、これに限られるわけではなく、出力計測手段１０４を力計測手段の一例としての力センサとし、上記弾性体アクチュエータの出力値を上記弾性体アクチュエータで発揮される力として力制御を行う場合でも同様である。
【０１５０】
また、上記各実施形態では、内部状態計測手段１０８の一例としてセンサを設けるとしたが、オブザーバ（観測器）を設け、内部状態を推定し、内部状態の推定値を使用する場合でも同様の効果を発揮する。
【０１５１】
また、上記各実施形態では、駆動力計測手段１０７の一例としてトルクセンサー７を設けるとしたが、オブザーバ（観測器）を設け、駆動力を推定し、駆動力の推定値を使用する場合でも同様の効果を発揮する。
【０１５２】
また、上記第５実施形態では弾性体アクチュエータは、電気的刺激により駆動するアクチュエータとして、導電性高分子アクチュエータを例に説明を行ったが、これに限られるわけではなく、誘電体ポリマー、各種ゲル等の弾性体を電気的刺激により駆動するアクチュエータの場合でも、内部状態として電位又は電荷量等を採用することにより同様の効果を発揮する。
【０１５３】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１５４】
本発明の弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置及び制御方法は、弾性体アクチュエータにより動作するロボットアームの手先位置の軌道制御等の位置制御を行う制御装置及び制御方法として有用である。また、ロボットアームに限らず、生産設備等における弾性体アクチュエータによる回転機構の制御装置及び制御方法や、リニアスライダやプレス装置等の弾性体アクチュエータによる直動機構の制御装置及び制御方法としても適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１５５】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の概念を示すブロック線図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の制御対象であるロボットアームの構造を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の制御対象であるロボットアームを駆動する弾性膨張収縮構造体の構造及び動作を示す図であって、上側は減圧状態、下側は加圧状態を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の制御対象であるロボットアームを圧縮性流体である空気により駆動するための空気圧供給系の動作を示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の制御対象であるロボットアームを圧縮性流体である空気により駆動するための空気圧供給系の構成を示す図である。
【図６】本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の構造を示す図である。
【図７】本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の制御プログラムの実際の動作ステップのフローチャートである。
【図８】本発明の第２実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の概念を示すブロック線図である。
【図９】本発明の第２実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の構造を示す図である。
【図１０】本発明の第２実施形態にかかる弾性体アクチュエータの弾性膨張収縮構造体による拮抗駆動における関節角度と内部圧力差の関係を示す図である。
【図１１】本発明の第２実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の他の構造を示す図である。
【図１２】本発明の第３実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の概念を示すブロック線図である。
【図１３】本発明の第３実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の構造を示す図である。
【図１４】本発明の第２及び第３実施形態に係る制御装置の性能を検証した実験結果を示す図である。
【図１５】図８の第２実施形態の制御装置のより具体的な構成を示すブロック線図である。
【図１６】図１２の第３実施形態の制御装置のより具体的な構成を示すブロック線図である。
【図１７】図１４において破線で示した結果にかかる、単純な位置制御のみの構成を示すブロック線図である。
【図１８】本発明の第４実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の構造を示す図であり、
【図１９】本発明の第４実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の制御対象であるロボットアームの構造を示す図であり、
【図２０】本発明の第５実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の構造を示す図である。
【図２１】本発明の第５実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの概略を示した断面図である。
【図２２】本発明の第５実施形態にかかる導電性高分子アクチュエータの概略を示した外形図である。
【図２３】本発明の第５実施形態にかかる弾性体アクチュエータ駆動型可動機構の制御装置の制御対象であるロボットアームを駆動するための電源系の構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１５６】
１、１−１ａ、１−１ｂ、１−２ａ、１−２ｂ、１−３ａ、１−３ｂ、１−４ａ、１−４ｂ、１−５ａ、１−５ｂ、１−６ａ、１−６ｂ  弾性膨張収縮構造体
２  管状弾性体
３  変形方向規制部材
４  封止部材
５  流体通過部材
６、６−１、６−２、６−３、６−４、６−５、６−６  関節軸
８  エンコーダ（出力計測手段の一例である変位計測手段の一例）
９  圧力センサ（内部状態計測手段の一例である圧力計測手段の一例）
１０  ロボットアーム
１１  目標軌道生成手段
１２  位置誤差補償手段
１３  圧力差計算手段
１５  圧力差誤差補償手段
１６  空気圧源
１７  空気圧調整ユニット
１８  ５ポート流量制御電磁弁
１９  制御コンピュータ
１９ａ  メモリ
２０  Ｄ／Ａボード
２１  順運動学計算手段
２２  逆運動学計算手段
２３ａ，２３ｂ  近似逆運動学計算手段
２４  逆動力学計算手段
２５  駆動トルク誤差補償手段
２６  目標圧力差計算手段
２７  近似逆運動学計算手段
１０１  目標出力生成手段
１０２  弾性体アクチュエータ駆動型可動機構
１０３  出力誤差補償手段
１０４  出力計測手段
１０５  駆動力誤差補償手段
１０６  内部状態誤差補償手段
１０７  駆動力計測手段
１０８  内部状態計測手段
１０９  目標内部状態決定手段
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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