(57)【要約】【課題】ノイズの多い加速度信号を用いることなく、ロボットに作用する外乱を推定することができる外乱オブザーバとロボット制御装置を提供する。【解決手段】外乱オブザーバは、推定外乱の微分値が、所定の設計パラメータ行列と、前記外乱と前記推定外乱との推定誤差とに基づいて定義されるとき、それぞれが補助変数である第１補助変数と第２補助変数であって、前記リンクの加速度が排除されている第１補助変数と第２補助変数とに基づいて、前記推定誤差の微分値が定義されることに基づいて、入力した前記関節駆動力、前記関節変位及び速度、関節駆動力及び外力の作用点に関するヤコビ行列に基づいて前記第１補助変数と前記第２補助変数を算出することにより、推定外乱を算出する。【選択図】図１
2018058181.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のリンクが直列に連結されて、各リンクの関節変位、関節駆動力、慣性行列、速度二乗項、及び外乱によりダイナミックスが定義されるロボットの、推定外乱を算出する外乱オブザーバであって、
前記推定外乱の微分値が、所定の設計パラメータ行列と、前記外乱と前記推定外乱との推定誤差とに基づいて定義されるとき、
それぞれが補助変数である第１補助変数と第２補助変数であって、前記リンクの加速度が排除されている第１補助変数と第２補助変数とに基づいて、前記推定誤差の微分値が定義されることに基づいて、
入力した前記関節駆動力、前記関節変位及び速度、関節駆動力及び外力の作用点に関するヤコビ行列に基づいて前記第１補助変数と前記第２補助変数を算出することにより、前記推定外乱を算出する外乱オブザーバ。
【請求項２】
前記各リンクを駆動するモータのモータ電流を推定する電流オブザーバを備え、前記推定されたモータ電流に基づいて前記関節駆動力を算出する請求項１に記載の外乱オブザーバ。
【請求項３】
前記外乱は、各リンクに作用する外力を含む請求項１または請求項２に記載の外乱オブザーバ。
【請求項４】
前記外乱は、各リンクに作用する外力及び関節の摩擦力を含む請求項１または請求項２に記載の外乱オブザーバ。
【請求項５】
各リンクに作用する外力及び摩擦力を分離して算出する請求項４に記載の外乱オブザーバ。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の外乱オブザーバを有するロボット制御装置であって、
ロボットの位置制御、軌道制御、力制御のうち、少なくともいずれか１つの制御に前記推定外乱を使用するロボット制御装置。
【請求項７】
ロボットハンドを有するロボット制御であって、
前記ロボットハンドの位置制御、軌道制御、力制御のうち、少なくともいずれか１つの制御に前記推定外乱を使用する請求項６に記載のロボット制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外乱オブザーバ及びロボット制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ロボットの各関節に作用する外力などの外乱を推定する外乱オブザーバは、特許文献１〜特許文献４、非特許文献１及び非特許文献２等により提案されている。
特許文献１では、駆動側と制御対象側との共振を抑制する自己共振相殺制御を適用するための外乱オブザーバが提案されている。
【０００３】
特許文献２では、各軸モータへのトルク指令と各軸の速度検出値から外乱オブザーバにより推定外乱トルクを求めるようにしている。特許文献３では、線形系の外乱オブザーバが提案されている。特許文献４では、外乱オブザーバの出力を非干渉化制御に理由することが開示されている。
【０００４】
非特許文献１は、１入力非線形システムの外乱オブザーバが提案されている。非特許文献２は、一般的なロボットを対象とし関節での一定外乱に対する外乱オブザーバが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１６４４９８号公報
【特許文献２】特開２０１２−１１４０３号公報
【特許文献３】特開２０１０−１２３９５７号公報
【特許文献４】特開平１０−１２８６８８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】W.-H. Chen, D. J. Balance, P. J. Gawthrop, and J. O’Reilly, “A nonlinear disturbance observer for robotic manipulators,” IEEE Transaction on Industrial Electronics, Vol. 47, No. 4, 2000, pp. 932-938.
【非特許文献２】A. Mohammadi, M.Tavakoli, H.J. Marquez, and F. Hashemzadeh “Nonlinear disturbance observer design for robotic manipulators,” Control Engineering Practice,Vol. 21, 2013, pp.253.267.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来は、外乱をノイズの多い加速度信号を用いることなく推定する手法は、ロボットの各関節で作用する一定外力を推定する外乱オブザーバ（非特許文献２）に限定されていた。
【０００８】
本発明の目的は、上記課題を解決して、ノイズの多い加速度信号を用いることなく、ロボットの関節に作用する変動する外乱を推定することができる外乱オブザーバを提供することにある。また、他の目的は、ノイズの多い加速度信号を用いることなく、ロボットの関節に作用する変動する外乱を推定することができる外乱オブザーバを有するロボット制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の外乱オブザーバは、複数のリンクが直列に連結されて、各リンクの関節変位、関節駆動力、慣性行列、速度二乗項、及び外乱によりダイナミックスが定義されるロボットの、推定外乱を算出する外乱オブザーバであって、前記推定外乱の微分値が、所定の設計パラメータ行列と、前記外乱と前記推定外乱との推定誤差とに基づいて定義されるとき、それぞれが補助変数である第１補助変数と第２補助変数であって、前記リンクの加速度が排除されている第１補助変数と第２補助変数とに基づいて、前記推定誤差の微分値が定義されることに基づいて、入力した前記関節駆動力、前記関節変位及び速度、関節駆動力及び外力の作用点に関するヤコビ行列に基づいて前記第１補助変数と前記第２補助変数を算出することにより、前記推定外乱を算出するものである。
また、前記各リンクを駆動するモータのモータ電流を推定する電流オブザーバを備え、前記推定されたモータ電流に基づいて前記関節駆動力を算出してもよい。
また、前記外乱は、各リンクに作用する外力を含むものとしてもよい。
また、前記外乱は、各リンクに作用する外力及び関節の摩擦力を含むものとしてもよい。
また、リンクに作用する外力及び摩擦力を分離して算出する外乱オブザーバとしてもよい。
【００１０】
また、ロボット制御装置は、上記外乱オブザーバを有するロボット制御装置であって、ロボットの位置制御、軌道制御、力制御のうち、少なくともいずれか１つの制御に前記推定外乱を使用してもよい。
【００１１】
また、ロボットハンドを有するロボット制御であって、前記ロボットハンドの位置制御、軌道制御、力制御のうち、少なくともいずれか１つの制御に前記推定外乱を使用してもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ノイズの多い加速度信号を用いることなく、ロボットの関節に作用する変動する外乱を推定することができる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態の外乱オブザーバの説明図。
【図２】第１実施形態の変形例の外乱オブザーバの説明図。
【図３】第２実施形態の外乱オブザーバの説明図。
【図４】ロボットアームの力制御に第２実施形態の外乱オブザーバを採用した場合の説明図。
【図５】シミュレーションの外乱推定誤差ノルムの時間的変化を示すグラフ。
【図６】シミュレーションの外力推定誤差ノルムの時間的変化を示すグラフ。
【図７】シミュレーションの摩擦力推定誤差ノルムの時間的変化を示すグラフ。
【図８】シミュレーションの外乱推定誤差ノルムの時間的変化を示すグラフ。
【図９】シミュレーションの外力推定誤差ノルムの時間的変化を示すグラフ。
【図１０】シミュレーションの摩擦力推定誤差ノルムの時間的変化を示すグラフ。
【図１１】外力（実値）と外力の推定値の時間的変化を示すグラフ。
【図１２】第２実施形態の変形例の外乱オブザーバの説明図。
【図１３】第３実施形態のロボットハンドの概略を示す斜視図。
【図１４】ｉ番目の指と対象物Ｂとの間の接触状態を示す説明図。
【図１５】指の中心線Ｏと、各指リンクの接触点に関する最小二乗近似直線Ｑとの関係を示す説明図。
【図１６】ロボットハンドを制御するロボット制御装置の電気ブロック図。
【図１７】把持制御系の電気ブロック図。
【図１８】第４実施形態のロボット制御装置の電気ブロック図。
【図１９】第４実施形態の外乱オブザーバの電気ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第１実施形態）
図１を参照して本発明を具体化した第１実施形態の外乱オブザーバ１０を説明する。
本実施形態の外乱オブザーバ１０は、複数のリンクから構成されるマニピュレータや、複数のリンクから構成されるロボットハンドを制御するロボット制御装置を構成しているコンピュータにより構成されている。
【００１５】
【数１】
2018058181.tif 000003
【数２】
2018058181.tif 000004
【００１６】
【数３】
2018058181.tif 000005
【００１７】
【数４】
2018058181.tif 000006
【数５】
2018058181.tif 000007
【００１８】
【数６】
2018058181.tif 000008
【００１９】
【数７】
2018058181.tif 000009
【００２０】
【数８】
2018058181.tif 000010
【００２１】
【数９】
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【００２２】
【数１０】
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【数１１】
2018058181.tif 000013
【００２３】
ところで、式（９）、式（１０）の外乱オブザーバは、関節変位の加速度を必要とする。
関節変位の加速度を検出する加速度センサからの加速度信号は一般にノイズが多く含まれている。このため、加速度を必要としない外乱オブザーバとするために、式（１１）を満たす
【数１２】
2018058181.tif 000014
【００２４】
【数１３】
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【００２５】
【数１４】
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【００２６】
【数１５】
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【００２７】
【数１６】
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【００２８】
【数１７】
2018058181.tif 000019
【数１８】
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【００２９】
【数１９】
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【数２０】
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【００３０】
【数２１】
2018058181.tif 000023
【００３１】
＜モータ電流を用いない外乱オブザーバ＞
次に、モータ電流を用いない外乱オブザーバの実施形態について説明する。
上記した外乱オブザーバでは、関節駆動力（すなわち関節トルク）を入力として必要とする。関節駆動力は、一般的には、駆動力を付与する電動モータのモータ電流を計測して入力するか、計算し、このモータ電流に基づいて算出される。
そこで、モータ動特性を含めた系を記述することで、モータ電流の推定も可能な電流オブザーバを備える外乱オブザーバについて説明する。
【００３２】
【数２２】
2018058181.tif 000024
【００３３】
【数２３】
2018058181.tif 000025
【００３４】
【数２４】
2018058181.tif 000026
【００３５】
【数２５】
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【数２６】
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【００３６】
【数２７】
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【００３７】
【数２８】
2018058181.tif 000030
【００３８】
【数２９】
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【００３９】
【数３０】
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【００４０】
【数３１】
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【００４１】
【数３２】
2018058181.tif 000034
【００４２】
【数３３】
2018058181.tif 000035
【００４３】
【数３４】
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【００４４】
【数３５】
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【００４５】
【数３６】
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【００４６】
【数３７】
2018058181.tif 000039
【００４７】
＜ロボットのダイナミックスの慣性項と速度二乗項が無視できる場合＞
図２を参照してロボットのダイナミックスの慣性項と速度二乗項が無視できる場合について説明する。
【数３８】
2018058181.tif 000040
【００４８】
外乱オブザーバ１０Ａは、ロボットのアームの動作が低速で、該アームの先端に設けられた複数のリンクからなるハンドが物体を把持し、該ハンドの指の運動が微小なときに適用できる。
第１実施形態の外乱オブザーバ１０、１０Ａでは、下記の効果がある。
（１）ノイズが多い加速度信号を必要としない効果がある。
（２）非線形ロボットに適用する制御法に関係なく、複数のリンクに作用する外力が推定できる。
【数３９】
2018058181.tif 000041
【００４９】
（第２実施形態）
図３を参照して、第２実施形態の外乱オブザーバ１１を説明する。
第１実施形態では、外力のみ外乱として、関節の摩擦トルクについては既知とした。これに対して本実施形態では、関節の摩擦トルクを既知とせず、外力と摩擦トルク（摩擦力ともいう）の総和を推定する外乱オブザーバを構成するものである。
【００５０】
【数４０】
2018058181.tif 000042
【数４１】
2018058181.tif 000043
【００５１】
【数４２】
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【数４３】
2018058181.tif 000045
【００５２】
【数４４】
2018058181.tif 000046
【数４５】
2018058181.tif 000047
【数４６】
2018058181.tif 000048
【００５３】
【数４７】
2018058181.tif 000049
【００５４】
【数４８】
2018058181.tif 000050
【００５５】
【数４９】
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【００５６】
【数５０】
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【００５７】
【数５１】
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【００５８】
【数５２】
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【００５９】
【数５３】
2018058181.tif 000055
【００６０】
【数５４】
2018058181.tif 000056
【００６１】
【数５５】
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【００６２】
【数５６】
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【数５７】
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【００６３】
【数５８】
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【００６４】
【数５９】
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【数６０】
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【００６５】
【数６１】
2018058181.tif 000063
【００６６】
【数６２】
2018058181.tif 000064
【００６７】
＜ロボットに適用した態様＞
次に、上記の外乱オブザーバを、回転関節のみのロボットに適用した態様について説明する。
以上の説明から、下記（Ａ）のロボットでは、下記のことがいえる。 
【数６３】
2018058181.tif 000065
【００６８】
【数６４】
2018058181.tif 000066
【００６９】
【数６５】
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【００７０】
【数６６】
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【００７１】
【数６７】
2018058181.tif 000069
【００７２】
また、関節速度の方向が反転するとき、ロボットのダイナミックスが、摩擦の影響で不連続となる。このため、関節の摩擦力の推定は、閾値である所定速度以下に関節速度が低下した場合、その推定を停止して推定値を保持することが好ましい。そして、関節速度が前記所定速度を超えたときは、再度、推定を開始することにより、前記バイアスを生じさせないようにすることが好ましい。
【００７３】
【数６８】
2018058181.tif 000070
【００７４】
【数６９】
2018058181.tif 000071
【００７５】
【数７０】
2018058181.tif 000072
【００７６】
【数７１】
2018058181.tif 000073
【００７７】
＜数値解析＞
次に、第２実施形態の外乱オブザーバ１１の数値解析を行った。
図４に示すように、具体的には２つの関節アーム１、２で一定の力で天井３を押し付けながら移動する力制御を、上記した外乱オブザーバ１１で制御可能なことを数値解析で確認した。
図４において、関節アーム１はベース５に立設された支持部材４に対して軸支点４ａにて回動自在に支持されている。また、関節アーム２は、関節アーム１の先端に対して軸支点１ａにて回動自在に支持されている。両関節アームは、図示しない駆動モータ等にて回転駆動される。関節アーム１、２は、リンクに相当する。
【００７８】
ここで、上記２つの関節アーム１、２を備えるロボットには、次のハイブリッド位置／力制御を適用する。
【数７２】
2018058181.tif 000074
【００７９】
【数７３】
2018058181.tif 000075
【００８０】
図４に示す、ロボットのパラメータは下記の通りである。
天井３から軸支点４ａまでの距離l=０.１２ｍ。
関節アーム１のリンク長l1（軸支点１ａ、４ａ間の距離）＝関節アーム２のリンク長l２（軸支点１ａから関節アーム２先端間の距離）＝０.１ｍ。
軸支点４ａから関節アーム１の重心までの距離ｌg1＝軸支点１ａから関節アーム２の重心までの距離ｌg２＝０.０５ｍ。
関節アーム１の重量ｍ１＝関節アーム２の重量ｍ２＝０.０８４８kg。
関節アーム１の慣性モーメントＩ１＝関節アーム２の慣性モーメントＩ２＝０.０００２８５Ｋｇｍ２。
関節に作用する関節トルクは次式で与えた。
【００８１】
【数７４】
2018058181.tif 000076
【００８２】
【数７５】
2018058181.tif 000077
【数７６】
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【００８３】
【数７７】
2018058181.tif 000079
【００８４】
図５に示す外乱推定誤差は、パラメータαの値に係わらず、ゼロに収束している。しかし、図６に示す外力と、図７に示す摩擦のそれぞれの推定誤差はαに依存している。両者とも、αが大きいほど、推定誤差は小さくなっている。
シミュレーション（１−２）の解析結果を図８〜図１０に示す。これらは、それぞれ外乱推定誤差ノルム、外力推定誤差ノルム、及び摩擦力推定誤差ノルムである。
【００８５】
【数７８】
2018058181.tif 000080
【００８６】
＜数値解析（シミュレーション（２））＞
シミュレーション（２）は、外力が一定でないときでも、外乱推定できることを確認することを目的としている。
【００８７】
【数７９】
2018058181.tif 000081
【００８８】
【数８０】
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【００８９】
【数８１】
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【００９０】
【数８２】
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【数８３】
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【００９１】
【数８４】
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【００９２】
【数８５】
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【００９３】
【数８６】
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【００９４】
【数８７】
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【００９５】
【数８８】
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【００９６】
【数８９】
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【００９７】
【数９０】
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【００９８】
【数９１】
2018058181.tif 000093
【００９９】
＜ロボットの慣性項と速度二乗項が無視できるとき＞
式（８５）において、ロボットの慣性項と速度二乗項が無視できるとき、すなわち、
【数９２】
2018058181.tif 000094
【０１００】
すなわち、簡単化の場合には、外乱オブザーバ１１Ａは、式（９６）を図１２のブロック図で示している。
本外乱オブザーバ１１Ａによれば、ロボットの慣性項と速度二乗項が無視できる場合、例えば、アームの動作が低速なときに、適用できる。
第２実施形態の外乱オブザーバ１１、１１Ａにおいても、第１実施形態の外乱オブザーバと同様の効果がある。
さらに、第２実施形態では、ヤコビ行列の変化に係りなく外力と摩擦が分離して推定できる。
なお、特許文献１〜特許文献４では、摩擦力とリンクで作用する外力の分離はされていない。
【０１０１】
＜第３実施形態＞
図１３〜図１６を参照して、次に前記外乱オブザーバを採用したロボット制御装置２０について説明する。ロボット制御装置２０は、ロボットハンド１３を制御する。
図１３に示すようにロボットハンド１３は人間と同様に掌１４と、拇指１５と４本の指１６を備えている。拇指１５は、第１指であり、４本の指は、拇指１５から順に第２指〜第５指である。
【０１０２】
なお、本明細書の詳細な説明の中において、ロボットハンド１３に関して、単に「指」と記載している場合は、拇指１５及び指１６も含む趣旨であるが、実施形態において、符号付の「指１６」は、拇指１５を含まない趣旨である。
図１４に示すように、拇指１５は４関節４自由度を備えている。すなわち、拇指１５は第１リンク〜第３リンク１５ａ〜１５ｃを備え、第１リンク１５ａは、関節軸Ｗを中心にして第１関節Ｐ１により、内外転可能（往復回転可能）にされている。
【０１０３】
図１４に示すように、内外転とは、掌１４を含む仮想平面Ｓ１に沿った回転であって、前記関節軸Ｗは、仮想平面Ｓ１に対して直交する（図１４参照）。第２関節Ｐ２による屈曲方向の回転と、第１関節Ｐ１による内外転する方向の回転は、互いに直交する方向の回転とされている。図１４に示すように、第１リンク１５ａは第２関節Ｐ２により、掌１４を含む仮想平面Ｓ１に沿った位置を起点として、掌１４に向かう屈曲方向と屈曲した位置から反屈曲方向に移動可能とされている。
【０１０４】
図１４に示すように第２リンク１５ｂは、第３関節Ｐ３により、第１リンク１５ａに対して掌１４に向かう屈曲方向と屈曲した位置から反屈曲方向に移動可能とされている。また、第３リンク１５ｃは、第４関節Ｐ４により、第２リンク１５ｂに対して掌１４に向かう屈曲方向と屈曲した位置から反屈曲方向に移動可能とされている。なお、拇指１５は、その第３リンク１５ｃの先端（指先）が、他の指１６の第３リンク１６ｃの先端（指先）に対して対向可能に配置されている。
【０１０５】
前記拇指１５の４つの関節はモータ等からなるそれぞれ１つのアクチュエータで駆動される。本実施形態では、アクチュエータはモータから構成されている。また、拇指１５を除く、他の指１６は４関節３自由度を備えている。
すなわち、他の指１６は第１リンク〜第３リンク１６ａ〜１６ｃを備え、第１リンク１６ａは、第１関節Ｐ１により、内外転可能（往復回転可能）にされている（図１４参照）。なお、内外転とは、掌１４を含む仮想平面Ｓ１に沿った回転であって、前記関節軸Ｗは、仮想平面Ｓ１に対して直交する。第２関節Ｐ２による屈曲方向の回転と、第１関節Ｐ１による内外転する方向の回転は、互いに直交する方向の回転とされている。
【０１０６】
図１４に示すように第２リンク１６ｂは、第３関節Ｐ３により、第１リンク１６ａに対して掌１４に向かう屈曲方向と屈曲した位置から反屈曲方向に移動可能とされている。また、第３リンク１６ｃは、第４関節Ｐ４により、第２リンク１６ｂに対して掌１４に向かう屈曲方向と屈曲した位置から反屈曲方向に移動可能とされている。
拇指１５以外の他の指１６では、指先側の２つの関節（第３関節Ｐ３と第４関節Ｐ４）は、モータ等からなる１つのアクチュエータで駆動され、残りの他の関節（第１関節Ｐ１と第２関節Ｐ２）はそれぞれ１つのモータ等からなるアクチュエータにて駆動されるように構成されている。すなわち、拇指１５以外の他の４本の指では、第３関節Ｐ３と第４関節Ｐ４とは連動するように構成されている。
【０１０７】
拇指１５の第１〜第４関節Ｐ１〜Ｐ４、及び拇指１５を除く他の指１６の第１〜第３関節Ｐ１〜Ｐ３にはそれぞれエンコーダｆ１〜ｆ４、またはｆ１〜ｆ３が設けられ（図１６参照）、同エンコーダにより、各関節の現在位置を示す関節角度ｑｉｊが検出される。ここで、ｉは、１〜５であって、第ｉ指を示し、ｊは１〜４であって、第ｊ関節を示す。掌１４、並びに拇指１５、及び他の４本の指１６の指腹部には所定の面積を有する接触点位置センサ１８がそれぞれ設けられている。本実施形態では、接触点位置センサ１８は、掌１４または各リンクに物が接触した際の接触点を検出する。
【０１０８】
図１６は、ロボットハンド１３を制御するロボット制御装置２０の電気ブロック図である。
ロボット制御装置２０には、拇指１５の接触点位置センサ１８、エンコーダｆ１〜ｆ４が接続されている。また、拇指１５を除く他の指の接触点位置センサ１８、エンコーダｆ１〜ｆ３が接続されている。また、掌１４の接触点位置センサ１８が接続されている。
【０１０９】
また、ロボット制御装置２０は、拇指１５、指１６の各エンコーダｆ１〜ｆ３，ｆ１〜ｆ４からの関節角度ｑｉｊに基づいて各種制御を行うための制御値を演算し、その制御値を拇指１５、及び各指１６の各駆動装置に出力する。駆動装置はその制御値に基づいて、アクチュエータ（すなわち、関節Ｐ１〜Ｐ４のモータ）を駆動する。
なお、図１６においては、説明の便宜上、指１６用については、出力側は１つの指１６用のみを図示し、他の指１６用については、簡略してブロックのみ図示している。また、同図では、入力側の指１６用については、拇指１５用とは、ｆ４のみが省略された構成の相違だけであるため、簡略してブロックのみ図示している。
【０１１０】
ロボット制御装置２０は、ＥＣＵ２１、図示しないＲＯＭ、ＲＡＭを備えており、ＲＡＭには、各種制御（下記の把持制御、速度制御、力制御を含む）を実行するためのプログラムがロードされている。
【０１１１】
（第３実施形態の作用）
次に、本実施形態のロボット制御装置２０の作用を説明する。
ここでは、ロボット制御装置２０は、ロボットハンド１３が未知形状の対象物Ｂの把持を、乳児が行う握り反射を模擬した把持方法で実現する。この把持方法は、接触点数を最大化し、対象物Ｂを拇指と他の指で包み込みして、対象物Ｂを把持する可能性をより高くするものである。また、包み込み把握により対象物Ｂの頑丈な把握が期待できるものとなる。
なお、説明の便宜上、ロボットハンド１３により、対象物Ｂに対する把持が開始されている状態から説明する。
【０１１２】
【数９３】
2018058181.tif 000095
【数９４】
2018058181.tif 000096
【０１１３】
【数９５】
2018058181.tif 000097
【０１１４】
【数９６】
2018058181.tif 000098
【０１１５】
＜把持制御＞
把持制御が行われる場合について説明する。
図１７には、ロボットハンド１３を用いて、外乱オブザーバを使用する把持制御系の構成が示されている。
同図に示すように、対象物Ｂを第１指〜第３指の３本指で、指腹部も利用して把持している。なお、第４指と第５指は、位置制御により、指先が、所定の位置となるように制御しているが、その説明は省略する。
この把持制御において実行する屈曲及び伸展について説明する。
【０１１６】
【数９７】
2018058181.tif 000099
【０１１７】
【数９８】
2018058181.tif 000100
【数９９】
2018058181.tif 000101
【０１１８】
【数１００】
2018058181.tif 000102
【０１１９】
接触点は接触点位置センサ１８により検出され、この接触点位置センサ１８の値と関節角度ｑｉｊからヤコビ行列としての把握行列が求められる。
この場合、各関節の目標速度は指の根元に行くほど相対的に大きな値とし、指先側へ行くほど相対的に小さな値としている。これにより、一般的に指の根元側のリンクから対象物Ｂに接触する。また、対象物Ｂを一様な接触力で把持するためには、全ての接触点での目標接触力を同値としている。
本実施形態では、指腹部の表面の接触点位置情報と、第１実施形態の外乱オブザーバ１０を利用して指関節を個別に制御する。
【０１２０】
【数１０１】
2018058181.tif 000103
【０１２１】
ここで、本実施形態の外乱オブザーバ１０では、前記把持行列が、式（１）のヤコビ行列の転置行列として使用される。
なお、指先側の関節の目標速度を大きく設定すれば、包み込みの把握のみならず、指先把握も実現することが可能となる。
【０１２２】
【数１０２】
2018058181.tif 000104
【０１２３】
＜内転・外転＞
第１関節Ｐ１に対しては、上記制御に加えてさらに内転・外転の制御がＥＰＣ２１により行われる。
詳しくは、第１関節Ｐ１については、対象物Ｂの大きさに合わせて駆動するように位置制御する。
【０１２４】
【数１０３】
2018058181.tif 000105
【０１２５】
なお、この最小二乗近似直線Ｑは、第１関節Ｐ１の関節軸Ｗと直交するものであり、最小二乗法で求められた直線である。
【数１０４】
2018058181.tif 000106
【０１２６】
＜第３実施形態の変形例＞
本実施形態のロボット制御装置２０では、外乱オブザーバ１０の代わりに、図２に示す外乱オブザーバ１０Ａを採用しているところが異なっている。
ロボットのダイナミックスにおいて、加速度と速度が無視できる低速のときは、そのダイナミックスモデルは簡単化できる。このため、関節での摩擦トルクが既知で、ロボットのダイナミックスの慣性項と速度二乗項が無視できるとき、外乱オブザーバ１０Ａは、式（４６）の関係を積分することで、推定外力を算出する（図２参照）。すなわち、加速度、及び速度が予めそれぞれ設定された判定閾値よりも小さいときは、外乱オブザーバ１０Ａで推定外力を算出する。
このようにロボットハンド１３で対象物Ｂを把持するとき、慣性項や速度二乗項が無視できるときが多くあり、この場合、簡易に推定外力を推定することができる。
【０１２７】
＜第４実施形態＞
図４、図１８、図１９を参照して、次に、第４実施形態のロボット制御装置２０を説明する。図４に示すように、前記ロボット制御装置２０が制御するロボットは、それぞれ２つのアーム１、２をそれぞれリンクとするロボットであって、該関節アーム１、２で押し付け作業を行うためのものである。なお、図４で示すロボットの構成は、既に説明したので、各構成の詳細説明は省略する。
【０１２８】
ロボット制御装置２０は、関節アーム１、２をそれぞれ回転駆動するモータＭ１、Ｍ２の駆動装置２５、２６を備えている。また、ロボット制御装置２０は、モータＭ１、Ｍ２に設けられたエンコーダｆ５、ｆ６が接続されている。
ロボット制御装置２０は、各エンコーダｆ５、ｆ６からの関節角度ｑｉｊに基づいて各種制御を行うための制御値を演算し、その制御値を各駆動装置２５、２６に出力する。駆動装置２５、２６はその制御値に基づいて、アクチュエータ（すなわち、モータＭ１、Ｍ２）を駆動する。
【０１２９】
本実施形態の関節アーム１、２を備えるロボットには、＜数値解析＞で説明したハイブリッド位置／力制御を適用する。すなわち、ロボット制御装置２０は、目標位置ｘｄ及び目標力ｆｄを制御入力として入力する。これらの目標値は、予めブログラムされた値でもよく、或いは、図示しない操作部からの入力値でもよい。
ロボット制御装置２０は、これらの目標値に基づいて、式（７８）にて関節駆動力τを演算し、駆動装置２５、２６を介して、モータＭ１、Ｍ２を駆動する。ここで、式（７８）で関節駆動力τを算出する際、ロボット制御装置２０は第２実施形態の外乱オブザーバ１１にて、推定の外力（図３では、推定外力）と、推定の摩擦力（図３では推定摩擦力）を算出し、ここで算出された推定の外力を推定接触力ｆとして、式（８３）の算出に利用する。
このようにして、本実施形態では、高価な多軸力覚センサを必要としないロボットアーム制御を実現している。
【０１３０】
＜第４実施形態の変形＞
本実施形態のロボット制御装置２０では、外乱オブザーバ１１の代わりに、図１２に示す外乱オブザーバ１１Ａを採用しているところが異なっている。
関節での摩擦トルクが未知で、慣性項や速度二乗項が無視できるとき、関節での摩擦力と関節アーム（リンク）に作用する外力は、式（１０７）で表わす簡易版の外乱オブザーバ１１Ａにより推定できる。
【０１３１】
【数１０５】
2018058181.tif 000107
ロボットのダイナミックスにおいて、加速度と速度が無視できる低速のときは、そのダイナミックスモデルは簡単化できる。このため、関節での摩擦トルクが未知で、ロボットのダイナミックスの慣性項と速度二乗項が無視できるとき、外乱オブザーバ１１Ａは、式（１０７）の関係を積分することで、推定外力及び推定摩擦力を算出する（図１２参照）。すなわち、加速度、及び速度が予めそれぞれ設定された判定閾値よりも小さいときは、外乱オブザーバ１１Ａで推定外力及び推定摩擦力を算出する。
【数１０６】
2018058181.tif 000108
【０１３２】
なお、上記実施形態では、位置制御、軌道制御、力制御について、外乱オブザーバを適用したが、外乱オブザーバはこれらの適用以外に、下記のものに適用することも可能である。メカトロニクス、或いはロボットにおいて、センサレス外力モニタリング、外力や摩擦力の状態診断に基づくフォールトトレランシステム等に採用してもよい。
・前記実施形態のロボット制御装置では、位置制御、軌道制御、力制御にそれぞれ外乱オブザーバが推定した外乱を使用するようにしたが、位置制御、軌道制御、或いは力制御のうち、いずれかの１つまたは２つの制御において使用してもよい。
【符号の説明】
【０１３３】
１、２…関節アーム（リンク）、３…天井、４…支持部材、５…ベース、
１０、１０Ａ、１１、１１Ａ…外乱オブザーバ、１３…ロボットハンド、
１４…掌（第０リンク）、１５…拇指、１５ａ…第１リンク、
１５ｂ…第２リンク、１５ｃ…第３リンク、
１６…指、１６ａ…第１リンク、１６ｂ…第２リンク、１６ｃ…第３リンク、
１８…接触点位置センサ、２０…ロボット制御装置、２１…ＥＣＵ、
２５、２６…駆動装置、
Ｂ…対象物、ｆ１〜ｆ６…エンコーダ、Ｍ１、Ｍ２…モータ、
Ｏ…指の中心線、Ｑ…最小二乗近似直線、
Ｐ１…第１関節、Ｐ２…第２関節、Ｐ３…第３関節、Ｐ４…第４関節。
【図１】
2018058181.tif 000109
【図２】
2018058181.tif 000110
【図３】
2018058181.tif 000111
【図４】
2018058181.tif 000112
【図５】
2018058181.tif 000113
【図６】
2018058181.tif 000114
【図７】
2018058181.tif 000115
【図８】
2018058181.tif 000116
【図９】
2018058181.tif 000117
【図１０】
2018058181.tif 000118
【図１１】
2018058181.tif 000119
【図１２】
2018058181.tif 000120
【図１３】
2018058181.tif 000121
【図１４】
2018058181.tif 000122
【図１５】
2018058181.tif 000123
【図１６】
2018058181.tif 000124
【図１７】
2018058181.tif 000125
【図１８】
2018058181.tif 000126
【図１９】
2018058181.tif 000127