(57)【要約】【課題】生物の関節のように拮抗制御を行うことで荷台を重力方向に対して一定姿勢に維持する。【解決手段】荷台１０の四隅に拮抗ワイヤ１２を設けるとともに、サスペンションとしてのスプリング１４を設ける。スプリング１４の他端は基盤２６内の移動台２２に接続される。拮抗ワイヤ１２の他端は基盤内の駆動用モータに接続される。このメカニズムは、学習制御プロセスによって外力や振動等の環境変化に対応して拮抗ワイヤを制御し、ジョイント１６の硬さ制御や重力方向に対して荷台１０の一定姿勢を維持する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷台の拮抗制御システムであって、
前記荷台の下面の隅部に設けられた複数のスプリングと、
前記荷台の下面の隅部に設けられた複数のワイヤと、
水平面内で移動自在に基盤に設けられ、前記スプリングの他端が接続される移動台と、
前記基盤に設けられ、前記ワイヤの他端が回転軸に接続される駆動用モータと、
を備え、
前記駆動用モータは、前記荷台の法線が重力方向に対して一定姿勢を維持すべく、前記ワイヤの駆動制御とそのテンションを維持する
ことを特徴とする荷台の拮抗制御システム。
【請求項２】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記ワイヤは、前記基盤表面に形成された孔を通って前記基盤内の前記駆動用モータの回転軸に接続され、
前記孔の径は前記ワイヤの径と略同一であって前記ワイヤの引っ張り方向と前記回転軸とは略垂直である
ことを特徴とする荷台の拮抗制御システム。
【請求項３】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記ワイヤは、前記基盤表面に形成された孔を通って前記基盤内の前記駆動用モータの回転軸に接続され、
前記駆動用モータを載置する台を水平面内で回転駆動する第２のモータと、
を備え、
前記ワイヤの引っ張り方向と前記回転軸とは略垂直となるように前記第２のモータで前記台を回転駆動する
ことを特徴とする荷台の拮抗制御システム。
【請求項４】
請求項１記載のシステムにおいて、さらに、
前記荷台の下面の中央と前記基盤とを接続するボールジョイント
を備えることを特徴とする荷台の拮抗制御システム。
【請求項５】
請求項１記載のシステムにおいて、さらに、
前記荷台を一定姿勢に維持するために必要な荷台の状態とその最適な制御信号との関係を規定する制御関数を学習制御プロセスによって予め獲得し記憶して、該制御関数を用いて前記駆動用モータを制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする荷台の拮抗制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷台の拮抗制御システムに関し、特に拮抗制御による重力方向に対する一定姿勢維持制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、荷台を重力方向に対して一定姿勢に維持するように制御する各種システムが知られている。このようなシステムの典型例は、スチュワートプラットフォーム（Stewart-Gough platform）である。ベースと出力リンクとの間をボールジョイント及び直動ジョイントで接続し、直動ジョイントをアクチュエータとして駆動することで出力リンクの姿勢を種々変化させる。この構造では、油圧シリンダ等がアクチュエータとして用いられる。そのため、ドライビングシミュレータ等の重量のものを多自由度で制御することが必要な構造に用いられる。しかし、油圧シリンダは重いため、可動部に駆動部が載っている構造では、高速な制御に不向きである。また、振動や外力等の環境変化に対応し、姿勢を維持するために硬さを強めているので、環境変化に対応して硬さを調整する機能は考慮されていない。
【０００３】
また、同プラットフォームの改良型で、筋骨格系を真似して、ベースと出力リンクとの間を球関節で繋げ、直動ジョイントで制御を行うものも知られているが、同様に可動部の重量のため高速な制御に向いていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６４７７９１２号
【特許文献２】米国特許第６３３０８３７号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Universal Tyre test machine, V..E..Gough and S.G.Whitehall, In Proc. 9th Int.Tech.Congress FISITA,pages 117-137, 1962
【非特許文献２】A platform with aix degrees of freedom, Proc. Instn Mech. Engrs 180-1(15),1965
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
生物の関節は、その制御筋である屈筋と伸筋による拮抗制御によってその固さを調整することが可能である。固さの制御により外力や荷重に柔軟に対応し、姿勢や動作を維持することが可能である。
【０００７】
本発明の目的は、生物の関節のように拮抗制御を行うことで荷台を重力方向に対して一定姿勢に維持することができ、かつ、可動部の重量を低減して高速に制御できるシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、荷台の拮抗制御システムであって、前記荷台の下面の隅部に設けられた複数のスプリングと、前記荷台の下面の隅部に設けられた複数のワイヤと、水平面内で移動自在に基盤に設けられ、前記スプリングの他端が接続される移動台と、前記基盤に設けられ、前記ワイヤの他端が回転軸に接続される駆動用モータとを備え、前記駆動用モータは、前記荷台の法線が重力方向に対して一定角度を維持すべく、前記ワイヤのテンションを維持するように前記ワイヤを駆動することを特徴とする。
【０００９】
本発明の１つの実施形態では、前記ワイヤは、前記基盤表面に形成された孔を通って前記基盤内の前記駆動用モータの回転軸に接続され、前記孔の径は前記ワイヤの径と略同一であって前記ワイヤの引っ張り方向と前記回転軸とは略垂直である。
【００１０】
また、本発明の１つの実施形態では、前記ワイヤは、前記基盤表面に形成された孔を通って前記基盤内の前記駆動用モータの回転軸に接続され、前記駆動用モータを載置する台を水平面内で回転駆動する第２のモータとを備え、前記ワイヤの引っ張り方向と前記回転軸とは略垂直となるように前記第２のモータで前記台を回転駆動する。
【００１１】
また、本発明の１つの実施形態では、さらに、前記荷台の下面の中央と前記基盤とを接続するボールジョイントを備える。
【００１２】
また、本発明の１つの実施形態では、さらに、前記荷台を重力方向に対して一定姿勢に維持するために必要な入力と出力との関係を規定する制御関数を学習制御プロセスによって予め獲得し、該制御関数を用いて前記駆動用モータを制御する制御手段を備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、生物の関節のように拮抗制御を行うことで衝撃などの外力による環境変化に対し、荷台を重力方向に対して一定姿勢に維持することができ、かつ、可動部の重量を低減して高速に制御できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態のシステムの正面図である。
【図２】実施形態のシステムの側面図である。
【図３】図１における移動台の平面図である。
【図４】図１における移動台ベースの平面図である。
【図５】基盤内の構成図である。
【図６】他の実施形態のシステムの正面図である。
【図７】他の実施形態のシステムの側面図である。
【図８】図６における移動台の平面図である。
【図９】基盤内の構成を示す平面図である。
【図１０】基盤内の構成を示す正面図である。
【図１１Ａ】学習制御プロセスの説明図である。
【図１１Ｂ】学習制御プロセスの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００１６】
図１に、本実施形態における荷台の拮抗制御システムの正面図を示し、図２に、同システムの側面図を示す。
【００１７】
荷台１０は、荷物を載せる台であり、本実施形態のシステムの制御対象である。重力Ｇが荷台１０の面法線と一定角度を維持するように制御される。図１には、重力Ｇの方向（鉛直方向）を示す。荷台１０は矩形状として示されているが、もちろんこれに限定されるものではなく、円形、楕円その他であってもよい。また、図では平板として示されているが、容器状であってもよい。材質も任意である。
【００１８】
荷台１０の下面の隅部、特に四隅に、拮抗ワイヤ１２の一端が接続される。拮抗ワイヤ１２は、生物の屈筋と伸筋の役割をする仮想筋肉であり、荷台１０を重力方向に対して一定姿勢に維持（例えば水平を維持）する拮抗制御が行われる。
【００１９】
また、荷台１０の下面の隅部、特に四隅に、スプリング１４の一端が接続される。スプリング１４は、荷台１０を支えるためのサスペンションとして機能する。拮抗ワイヤ１２とスプリング１４とは、互いに接触しないように離間して配置される。図では拮抗ワイヤ１２が外側、スプリング１４が内側に配置されているが、拮抗ワイヤ１２が内側、スプリング１４が外側となるように配置されてもよい。
【００２０】
さらに、荷台１０の下面の中央に、回転軸１６が設けられる。回転軸１６は、荷台１０と基盤（ベース）２６とを繋げるボールジョイントで構成される。回転軸１６の運動状態は、水平面をＸ−Ｙ面とした場合のＸ軸とＹ軸の角運動量によって表される。
【００２１】
スプリング１４の他端は、基盤２６上を擦動自在な小台１８に接続される。小台１８は、基盤２６表面に設けられた円形の開口部２０を介して基盤２６内の移動台２２とつなぎ棒４０で接続される。荷台１０の下面の四隅に設けられた合計４個のスプリング１４は、それぞれ個別に設けられた小台１８を介して全て共通の移動台２２に接続される。移動台２２は、水平面（Ｘ−Ｙ平面）内で移動を可能にするためにボール２５を有する移動台ベース２４上に載置される。移動台２２は、水平面内で移動することで合計４個のスプリング１４の負荷を分散する機能を有する。
【００２２】
図３に、移動台２２の平面図を示す。４個のスプリング１４はそれぞれ矩形の小台１８の中央に接続され、小台１８は円形の開口部２０（図中破線で示す）を介して共通の移動台２２に接続される。小台１８と移動台２２とは開口部２０を貫くつなぎ棒４０で接続されており、開口部２０のサイズ（径）が移動台２２の水平面内の移動範囲を物理的に制限する。すなわち、固設された基盤２６に対して荷台１０が水平面内で移動すると、これに応じてスプリング１４、小台１８及び移動台２２が移動するが、つなぎ棒４０が開口部２０の内側面に当接して移動台２２のそれ以上の移動、すなわち荷台１０のそれ以上の移動が規制される。
【００２３】
図４に、移動台ベース２４の平面図を示す。移動台ベース２４は、基盤２６に固定されており、図示のようにその表面、つまり移動台２２が当設する面に複数の回動自在なボール２５がアレイ状に配置される。移動台２２は、これらのボール２５上を低摩擦で移動できる。
【００２４】
一方、拮抗ワイヤ１２の他端は、基盤２６表面に設けられた、拮抗ワイヤ１２の直径とほぼ同一径の孔を通って基盤２６内の駆動用モータ２８にそれぞれ接続される。
【００２５】
図５に、基盤２６内のワイヤ制御のための駆動システム構成図を示す。駆動用モータ２８は、基盤２６に固定されたモータ台３０上に載置され、拮抗ワイヤ１２はこの駆動用モータ２８の回転軸に接続される。拮抗ワイヤ１２の引っ張り方向は、荷台１０の状態あるいは姿勢によって変化するので、拮抗ワイヤ１２と駆動用モータ２８の回転軸とが垂直を維持するように制御する必要がある。拮抗ワイヤ１２が通る基盤２６表面の孔の径を、拮抗ワイヤ１２の径とほぼ同一とすることにより、この条件を満たすことができる。拮抗ワイヤ１２の径が比較的大きい場合（太い場合）には、拮抗ワイヤ１２と駆動用モータ２８の回転軸とが垂直となるように維持することは困難である。この場合には、以下のような構成とすればよい。
【００２６】
図６〜図１０に、他の実施形態の構成を示す。図６は正面図、図７は側面図、図８は移動台２２の平面図、図９及び図１０はそれぞれ基盤２６内の移動台２２の制御のためのサスペンションの平面図及びワイヤ制御のための駆動システムの正面図である。
【００２７】
図１及び図２におけるシステム構成と異なるのは、基盤２６内の構成である。すなわち、図１及び図２では、移動台２２は複数のボール２５を有する移動台ベース２４上に載置されて水平面内に移動自在な構成であるが、この実施形態では、移動台２２の下部に、水平面内に４個のサスペンション３４を十字状に配置するとともに垂直方向に１つのサスペンション３６を設け、これらをアクチュエータとして移動台２２の動作範囲とその速度を制御する。図９に示すように、４個のサスペンション３４は十字状に配置し、その中央に移動台２２の中央から下方に突出された球状係合部が位置する。移動台２２が水平面内で移動すると、この球状係合部が４個のサスペンション３４のいずれかに当接し、その移動範囲が規制される。移動台の鉛直方向の移動についても同様であり、移動台２２が鉛直方向に移動すると、球状係合部がサスペンション３６に当接し、その移動範囲が規制される。サスペンション３４，３６の動作状態は、図９に示すように、アクチュエータコントローラ３８にフィードバックされ、アクチュエータコントローラ３８は最適な制御信号でサスペンション３４，３６を駆動する。
【００２８】
また、図１０に示すように、拮抗ワイヤ１２を駆動する駆動用モータ２８のモータ台３０を回転させるモータ３２をモータ台３０の下部に配置し、拮抗ワイヤ１２の引っ張り方向に対して駆動用モータ２８の回転軸が垂直になるように制御する。また、基盤２６の拮抗ワイヤ１２が通る孔の内側面に接触センサ２７が設けられる。接触センサ２７により検出した拮抗ワイヤ１２の接触方向のベクトル成分と駆動用モータ２８の回転軸方向のベクトル成分とをセンサリングし、モータ３２にフィードバックすることで、拮抗ワイヤ１２が駆動用モータ２８の回転軸と垂直を維持するように制御を行う。この場合、基盤２６表面の孔は、拮抗ワイヤ１２の径と同一である必要はない。
【００２９】
このように、本実施形態では、スプリング１４と拮抗ワイヤ１２制御用の駆動用モータ２８とを設け、駆動用モータ２８を基盤２６に設置している。可動部にスプリング１４を用いることで、可動部の重量を減らすことができ、高速制御への対応が可能となる。また、可動部にスプリング１４を用いることで、多自由度における重量への安定的な制御が可能となる。このような構造により、重量ハンドリングと高速制御を両立することが可能となる。
【００３０】
図１１Ａ及び図１１Ｂに、拮抗ワイヤ１２の拮抗制御を行うために必要な学習制御プロセスを示す。制御装置のＣＰＵ及びメモリから構成される学習制御エージェントは、フィードバック信号ｓから、目標動作である荷台１０を一定姿勢に維持するための最適な制御信号ａを出力する。ここで、フィードバック信号ｓは、回転軸１６の角度ベクトル、角速度ベクトル、重力方向と荷台１０の法線との角度ベクトル、拮抗ワイヤ１２のワイヤ長ベクトル、拮抗ワイヤ１２の速度ベクトルの情報を含む。本実施形態では、ワイヤテンション維持プロセスを用いている。これは、ワイヤのテンションを維持するためのモータ制御である。従来のモデルでは、プーリを用いた物理的な構造を用いてワイヤテンションを維持していたが、ワイヤに取り付ける必要があるため、構造的な制約があった。本実施形態では、図１１Ａ（ａ）に示すように、ワイヤの長さＬや、収縮速度をフィードバックし、ワイヤテンション維持のためのモータ制御の判断とし、テンションを維持できるようにする。一つの実施形態として、図１１Ｂに示すように、最大伸ばされたワイヤ長をＬｍａｘとし、最大収縮した際のワイヤ長をＬｍｉｎとする。図１１Ａ（ｂ）のワイヤ長Ｌｔは、ＬｔとＬｍｉｎとの差分であるＬｔ−Ｌｍｉｎの値をＬｍａｘ−Ｌｍｉｎの値で正規化し、Ｌｔ（〜）とする。ここで、（〜）は、Ｌｔの上付〜を便宜的に表す。このＬｔ（〜）を図１１Ａ（ｂ）に示す。ワイヤテンション維持のための制御パターンに入力し、テンション維持のための最適なモータの制御信号ａｗｔｋｔを求める。制御プロセスは、図１１のように制御信号ａがワイヤテンションを維持できるか否かを判断し、維持できなければ、「ワイヤテンション維持のための制御パターン」によって求めた制御信号ａｗｔｋｔに取り替えて出力する。制御信号ａのワイヤテンション維持における判断は、ワイヤ収縮速度Ｌｔ（・）が収縮する方向Ｌｔ（・）≧０でａｗｔｋｔより大きい条件を満足しない場合は、ａｗｔｋｔに取り替え出力する。ここで、（・）は、Ｌｔの上付・を便宜的に表す。本明細書では、モータ制御ワイヤテンション維持プロセスを適宜、電動プーリと表現する。これにより、従来の物理的な構造を持つプーリに比べ、よりシンプルな構造を持つモデルの構築が可能である。
【００３１】
学習制御プロセスは、強化学習のアクタークリティック法が用いられる。制御信号ａは、生物の屈筋及び伸筋に相当する拮抗ワイヤ１２を駆動して荷台１０を一定姿勢に維持するために、アクチュエータとしての駆動用モータ２８に供給される。学習制御エージェントは、フィードバック信号ｓから、目標動作をするための最適な制御信号ａを出力する。ここで、フィードバック信号ｓは、関節角度ベクトルθＧ、関節角速度ベクトルθＧ（・）、ワイヤ長ベクトル、ワイヤ収縮速度ベクトルである。学習制御プロセスは、例えば、強化学習のアクタークリティック法を用いる。制御信号ａは、ワイヤのテンションを維持するために電動プーリに供給される。電動プーリは、ワイヤのテンションを維持するために、ワイヤのテンションをセンサリングし、緩みがないか否かを判断してワイヤのテンションを維持するための最適な制御信号ａｗｔｋをアクチュエータであるワイヤ制御用モータ２８に出力し、ワイヤのテンションを維持する。以上のようにして、拮抗制御して荷台１０を重力方向に対して一定姿勢に維持するために必要な制御信号ａｗｔｋを獲得した後、得られた結果ｓを学習制御エージェントにフィードバックする。そして、学習制御エージェントは、フィードバックしたｓに対し、最適な制御関数を獲得し、制御装置のメモリに格納する。制御関数は、入力であるフィードバック信号ｓと最適な制御信号ａとの対応関係を規定する関数である。制御装置のＣＰＵは、メモリに格納された制御関数を用いて駆動用モータ２８を制御し、荷台１０の姿勢を維持するように拮抗ワイヤ１２を引っ張り制御する。
【００３２】
以上のようにして、生物の関節のように拮抗制御を行うことで荷台１０を一定姿勢に維持することができ、かつ、可動部の重量を低減して高速に制御できる。
【００３３】
本実施形態において、拮抗ワイヤ１２やスプリング１４の個数は荷台１０の形状に応じて変化し得るものであり、本実施形態で示した４個に限定されないことはいうまでもない。一般的には、拮抗ワイヤ１２及びスプリング１４は、荷台１０の隅部に複数設けられることになろう。また、本実施形態のシステムは、外力や振動等の環境変化に対応して硬さ制御と重力方向に対しての最適な姿勢への制御に適しており、環境変化における荷台の姿勢維持のための重量ハンドリングが必要な様々な用途の荷台や貨物車等への適用が可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  荷台、１２  拮抗ワイヤ、１４  スプリング、１６  回転軸、１８  小台、２０  開口部、２２  移動台、２４  移動台ベース、２６  基盤。
【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】
2011145974.tif 000011
【図１０】
2011145974.tif 000012
【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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