(57)【要約】  本発明は、ロボットアームまたはマニピュレータアームのヒンジの挙動を同定するための同定方法に関する。この方法は、動作パラメータに依存してヒンジの入力トルクおよび出力トルクを関連付ける挙動モデルを選択するステップと、複数（入力トルク／出力トルク）の動作点を計測することによって、ヒンジを操作するステップと、モデルのパラメータを同定し、これによりヒンジの直接的または間接的特性の少なくとも１つを決定するために、回帰を実行するステップとを備える。本発明によれば、確保された挙動モデルは、ヒンジの出力トルクに依存しない第１の成分と、ヒンジの出力トルクに依存する第２の成分とを含む乾燥摩擦を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットアームまたはマニピュレータアームのヒンジの挙動を同定するための同定方法であって、
動作パラメータに依存して前記ヒンジの入力トルクおよび出力トルクを関連付ける挙動モデルを選択するステップと、
複数（入力トルク／出力トルク）の動作点を計測することにより、前記ヒンジを操作するステップと、
前記モデルのパラメータを同定し、これにより前記ヒンジの直接的または間接的特性の少なくとも１つを決定するために、回帰を実行するステップと、を備える同定方法において、
確保された前記挙動モデルは、前記ヒンジの出力トルクに依存しない第１の成分と、前記ヒンジの出力トルクに依存する第２の成分とを含む乾燥摩擦を有することを特徴とする、同定方法。
【請求項２】
前記乾燥摩擦は、さらに、前記ヒンジの移動速度を示すパラメータに依存するように生成される、請求項１に記載の同定方法。
【請求項３】
前記乾燥摩擦の成分の少なくとも１つは、定数部分と、前記速度パラメータに指数関数的に依存する部分とを含む、請求項２に記載の同定方法。
【請求項４】
直接的方向および間接的方向に操作可能なマニピュレータアームのヒンジ上に負荷される外乱トルクを保障する方法であって、
前記ヒンジの直接的および間接的特性を同定するために、請求項１〜３のいずれか１項に記載の同定方法を実行するステップと、
前記ヒンジの平衡点を、このように決定された前記ヒンジの直接的および間接的特性の中心線の縦座標近傍に配置することにより、補償トルク（Ｃｃｏｍｐ）を前記ヒンジ上に負荷するステップと、を備える、方法。
【請求項５】
前記補償トルクは、前記ヒンジに取り付けられたモータによって負荷される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ヒンジにおける摩擦を少なくとも部分的に補償するために、前記補償トルクに加えて、追加補償トルクが、前記ヒンジ上に負荷される、請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットアームまたはマニピュレータアームのヒンジにおける摩擦を同定する方法、および該方法を利用したトルク補償方法に関する。一例として、本発明は、マニピュレータアームと環境との相互作用（接触、人の干渉）を、その負荷に依存することなく検知するのに、有用である。または、本発明は、マニピュレータアームを、移動方向および負荷（遠隔操作、コボテクス(ｃｏｂｏｔｉｃｓ)）に依存することのない抵抗で、手動で移動可能とするのに有用である。
【背景技術】
【０００２】
機械的に可逆なマスタスレーブマニピュレータを用いる遠隔操作システムにおいては、ヒンジの下側のアーム部分上における重力効果を補償するためのモータを用いることが、知られている。この目的のために、モータは、重力トルクを補償するトルクを加えるように、制御される。このように補償されると、ヒンジは、操作するのに容易となり、特に、ヒンジを一方向または他方向に移動させるために、オペレータが摩擦トルクとのみ同じであるトルクをヒンジに負荷するのに、十分となる。
【０００３】
一定となっている（したがって、負荷に依存しない）乾燥摩擦（または、クーロン摩擦）が存在することを推測することによって、このようなヒンジの挙動モデルを構築することが、知られている。
【０００４】
従来技術について、図１を参照して説明する。図１は、可逆機構の伝達グラフ（横軸：入力トルク、縦軸：出力トルク）を示しており、ここでは、特性（一定の乾燥摩擦と仮定して）は、原点に対して対称となるようにオフセットされた平行直線となる。摩擦は、潜在的に、特性の１つと、原点を通過する平行減速比直線との間の差に相当する。破線は、負荷された力の各方向への移動を開始するのに要する力（いわゆる、「静的」摩擦係数）に相当し、実線は、低速にて平衡となる力（いわゆる、「動的」摩擦係数）に相当する。
【０００５】
エネルギーが、入力（駆動モータ）から出力（抵抗負荷）へ伝達されると、特性は、前方に移る、または「直接的」になると言われており、その逆の場合には、反転する、または「間接的」となると言われている。これらの概念をより明確に説明するために、直接的特性は、例えば、アームを、自らの重量と、負荷の重量とに反して持ち上げることに相当する一方、間接的特性は、アームを下げることを示すものとする。この理由から、各直線は、２つのセグメントに分割され、これらセグメントは、散逸性象限（ｄｉｓｓｉｐａｔｉｖｅ  ｑｕａｄｒａｎｔ）に位置する回転軸によって、分離される。したがって、破線および実線において、計４つのセグメントが存在することになる。
【０００６】
グラフは、以下のように理解される必要がある。すなわち、所定の入力トルクＣ１ｅに対して、直接的方向に動作している間（例えば、ヒンジに連結されたアームセグメントを持ち上げている間）には、Ｃ１ｓの出力トルクが得られ、間接的方向に動作している間（例えば、ヒンジに連結されたアームセグメントを下げている間）には、Ｃ１ｓ’の出力トルクが得られる。それとは逆に、所定の出力トルクＣ２ｓに対して、直接的方向への動作においては、トルクＣ２ｅを加える必要があり、間接的方向への動作においてはトルクＣ２ｅ’を加える必要がある。
【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、図１のモデルに基づいた補償は、実用上十分とはならない。使用時においては、負荷とともに増加する、ある程度の非対称性が感じられ得る。そして、この非対称性は、ヒンジが直接的方向に動作しているか、または間接的方向に動作しているかに依存する。これは、オペレータの「感覚」のために、問題となり得る。
【０００８】
本発明は、ヒンジのより正確な挙動計算を与えるモデルを同定する方法、および、その方法の、以下の順序での使用に関する。すなわち、第１に、重力トルクを制御することによって、補償を改善し、第２に、ロボットと外部との間の相互作用の検出を改善する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的のために、ロボットアームまたはマニピュレータアームのヒンジの挙動を同定するための同定方法が提供される。この同定方法は、動作パラメータに依存してヒンジの入力トルクおよび出力トルクを関連付ける挙動モデルを選択するステップと、複数（入力トルク／出力トルク）の動作点を計測することにより、ヒンジを操作するステップと、モデルのパラメータを同定し、これによりヒンジの直接的または間接的特性の少なくとも１つを決定するために、回帰を実行するステップとを備える。ここで、本発明によれば、確保された挙動モデルは、ヒンジの出力トルクに依存しない第１の成分と、ヒンジの出力トルクに依存する第２の成分とを含む乾燥摩擦を有する。
【００１０】
このように、本同定によって、摩擦特性を、入力トルク／出力トルクのグラフにおいて構築することが可能となる。ここで、入力トルク／出力トルクのグラフは、必ずしも平行とはならず、２つの傾きを有する、または、双円錐となる。
【００１１】
このことは、以下の事実によって説明することができる。すなわち、効率が単一のものと異なる場合、図１に示されたモデルは、クーロン理論に従わない。ここでクーロン理論は、乾燥摩擦が、放出された負荷から開始して、移動している部材の間の接触反作用の強さに依存することを予測している（機械工学の教本に記載されているような、従来の効率の概念）。しかしながら、例えば産業マニピュレータにおいては、上記効率は、しばしば、単一のものから大きく異なり、その結果、上述した保証は、増加する負荷とともに、それに応じて、大幅に、誤ったものとなってしまう。その結果、一例として、接触の力が、不正確に評価されてしまう。また、遠隔操作、またはコボテクス(いわゆる、「透過」モード)で使用された場合に、移動の力が、２つの方向において非対称となってしまうのみならず、マニピュレータによって支持される負荷に依存することになる。
【００１２】
このことは、直接的および間接的特性に平行な外形ではなく、むしろ、双円錐形の外形に繋がる。双円錐形モデルの採用は、また、慣性の力を評価する方法と、それ故に、動的モデルを評価する方法を修正する。従来の動的モデルにおける慣性項は、対応する直接的または間接的効率によって評価されていた。したがって、図１のモデルとは逆に、パラメータは、より小さな効率で、さらに誤った値となる。
【００１３】
本発明の特定の態様において、乾燥摩擦は、さらに、ヒンジの移動速度を示すパラメータに依存するように生成される。好ましくは、乾燥摩擦の成分の少なくとも１つは、定数部分と、速度パラメータの関数であるエクスポネンシャル緩和項に依存する部分とを含む。
【００１４】
この改善されたモデルは、特に、速度が増加するにつれて、駆動系の効率が改善する場合に、適している。この現象は、特に、遠隔操作に用いられ、低速で低効率となり、潤滑油で潤滑された減速ギアで、観測される。上述したグラフにおいて、速度の増加は、互いに離隔した特性によって、示されている。増加している速度での効率の増加は、それ故に、互いに離隔し、且つ、傾きが直線となっている特性によって、示されている。
【００１５】
本発明においては、この新しいモデルが、ヒンジにおける補償を実行するために利用されている。特に、直接的方向および間接的方向に操作可能なマニピュレータアームのヒンジを制御する方法が提供される。この補償方法は、本発明の乾燥摩擦モデルを用いて、入力トルク／出力トルク平面において、ヒンジの直接的および間接的特性を同定するステップと、ヒンジの平衡点を、このように決定されたヒンジの直接的および間接的特性の中心線近傍に配置することにより、補償トルク（Ｃｃｏｍｐ）をヒンジ上に負荷するステップとを備える。
【００１６】
動作特性を構築するために、直接的および間接的効率を考慮すること（これは、異なる傾きの特性を生成する）、および、原点を通過する平行線上ではなく、特性の中心線上に平衡点を配置するのを選択することによって、以下の如き補償がもたらされる。すなわち、この補償は、上述した非対称的効果を低減することにおいて、より良好であり、且つ、使用者にとってより透明性のあるヒンジの動作をもたらすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】可逆機構の伝達グラフを示す。
【図２】異なる直接的および間接的効率が考慮された場合の、ヒンジの直接的および間接的特性を示す。
【図３】本発明に係る補償の概念を示し、該補償の概念は、平衡点を、実特性の中心に配置させることにある。
【図４】本発明の特定の実施例における摩擦補償の概念を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、添付の図面を参照した以下の説明の観点から、より理解されるであろう。
【００１９】
本発明は、図２に示すような摩擦モデルを選択することに基づくものである。ここでは、ヒンジの動作特性は、平行とはならない。直接的特性の傾きは、ヒンジが直接的方向に動作している場合、該ヒンジの効率に比例する。また、間接的特性の傾きは、ヒンジが間接的方向に動作している場合、該ヒンジの効率に比例する。直接的効率および間接的効率が異なるので、上記した傾きの双方は、異なることになる。
【００２０】
さらに、この特性は、グラフの第１象限から第３象限へ移動した場合、傾きが変化する。摩擦領域は、このようにして得られ、ストリップ状とはならずに、むしろ、スロート状または括れた形状となる（従来手法により、特性の半分の部分間の接続は、特性を散逸性象限に延長することによって、定義される）。
【００２１】
このグラフは、本質的に、図１と同様に理解されるべきである。所定の入力トルクＣ１ｅに対して、直接的方向に動作している間（例えば、ヒンジに連結されたアームセグメントを持ち上げている間）には、Ｃ１ｓの出力トルクが得られ、間接的方向に動作している間（例えば、ヒンジに連結されたアームセグメントを下げている間）には、Ｃ１ｓ’の出力トルクが得られる。それとは逆に、所定の出力トルクＣ２ｓに対して、直接的方向への動作においてはトルクＣ２ｅを加える必要があり、間接的方向への動作においてはトルクＣ２ｅ’を加える必要がある。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
【数２】
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【００２４】
【数３】
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【００２５】
この摩擦モデルは、０でない速度において有効であり、ストライベック摩擦モデルに組み込まれている。なお、このストライベック摩擦モデルは、速度０での粘着摩擦を考慮したものである。
【００２６】
このようなモデルを備え、公知の同定方法に従うと、このモデルは、それ故に、直接的動作および間接的動作の双方において、ヒンジを操作し、様々な動作点に対して入力トルクと出力トルクを計測するのに、十分となる。このモデルに用いられる係数を同定するために、回帰（ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ）が用いられる。これにより、図２に示す特性が得られる。本来、これら特徴は、与えられた速度に対応する。より速い速度が用いられると、特性は、より離隔し、且つ、より直線的となる。
【００２７】
これらの特性は、ヒンジの実際の挙動に、より緊密に従い、より効果的な補償を提供することを可能とする。このようなヒンジは、一般的にモータに嵌め込まれ、その機能の１つは、下側のアーム部分の重量によるトルク、または重力トルクを、補償することである。モータの補償トルクＣｃｏｍｐは、以下のように調整される。すなわち、外部ストレスがない状態において、アームは、２つの特性の間で延在する摩擦ストリップ内において平衡に保たれる。これにより、アームは、安定し、且つ重力効果の下で移動することがない。この目的のために、モータのトルクは、一般的に、モータに連結されたギアボックスの減速比によって分割された重力トルクに等しくなるように、調整される。
【００２８】
本来、補償値は、アームによって保持される負荷の重量とともに、３次元空間におけるアームの位置に依存する。常に重力トルクが適切な方法で相反されるように、補償トルクをリアルタイムで修正することが望ましい。
【００２９】
図３は、本発明に係る補償効果を示す。本実施形態においては、ヒンジの動作点を、２つの特性の中心線Ｍ上に配置することが、選択されている。この中心線Ｍは、平衡点Ｐの軌跡、すなわち、２つの特性の双方から等しい距離にある点の軌跡である。この２つの特性からの距離は、入力トルク軸に平行に取られる。モータによって負荷される補償トルクＣｃｏｍｐは、垂直軸と点Ｐとの間で取られる。このように、所定の出力トルクＣｓに対して、直接的方向への操作においては、インクリメントΔＣｅに等しいトルクを加えることが必要であり、間接的方向への操作においては、インクリメントΔＣｅ’に等しいトルクを加えることが必要である（これら２つのトルクは、相反している）。そして、この２つのインクリメントは、中心線Ｍ上に位置する平衡点Ｐから取られる。中心線に沿って補償することを選択することによって、ヒンジの動作を対称的とする、絶対値において等しいトルクのインクリメントがもたらされることを、理解されたい。当業者の最初の反応に従って、動作点が中心線上でなく、２つの特性の二等分線Ｂ上に配置されるべき場合は、状況が異なる。
【００３０】
問題となる中心線が、縦座標に沿った中心線であることを留意されたい。すなわち、この中心線は、縦座標に平行な線の各々において、該線と直接的および間接的特性との交差点の間の中点を取ることによって、構成される。
【００３１】
上述した補償は、好ましくは、アームが操作されていない、または外部からストレスを受けない場合においてもアクティブとなる、恒久的な補償である。
【００３２】
実際上、この補償は、単純な手順によって調整することができる。所定の補償トルクを用いて、ヒンジを一方向および他方向に移動させるのに必要とされるトルクが、計測される。これらのトルクが異なる場合、補償トルクは、適切な方向に、計測された２つのトルク間の差の半分を加算または減算することによって、修正される。この手順は、計測された２つのトルク間の差が、所定の誤差範囲内で互いに一致するまで、継続される。補償を調整するこの手順の間に、アームのヒンジ周りにおける移動が、モータによって駆動される。このモータは、ヒンジを一方向および他方向に移動させるのに必要なトルクを発生させる。本質的に、アームが全ての環境において補償されることを確実とするために、この調整手順を規則的に繰り返すことが好ましい。特に、補償調整手順は、外部ストレスがない状況において、アームが、モータによって加えられた補償トルクの効果の下で移動を開始する度に、トリガーされてもよい。
【００３３】
本発明の範囲内の事項として、追加補償ΔＣｃｏｍｐが、上述した恒久的な補償Ｃｃｏｍｐに加えられてもよい。この追加補償ΔＣｃｏｍｐは、オペレータがヒンジにステレスを与えた場合に、ヒンジの摩擦の少なくとも一部を補償することを可能とする。この目的のために、オペレータの動作によって導入された移動速度の形跡が観測され、モータを用いて、オペレータの動作によって発生された移動に対向する対向摩擦トルクの少なくとも一部が、補償される。実用上は、中心線Ｍの周りに摩擦領域を残すために、摩擦を完全に補償することを避けることが好ましい。これにより、補償された平衡点近辺における、ヒンジの絶対的な安定を保証することができる。
【００３４】
この追加保証の結果が、図４に示されている。移動の開始および該移動の方向が観測されると、即時に、モータは、補償トルクに加えて、トルクΔＣｃｏｍｐ（または、場合によってはΔＣｃｏｍｐ’）に等しい追加補償トルクを、以下のような方法で、負荷する。すなわち、ヒンジを移動させるのに必要とされるトルクが、トルクΔＣｅ（または、場合によってはΔＣｅ’）に減少される。ここで、トルクΔＣｃｏｍｐは、考慮されている特性と、中心線Ｍに平行な特性（それぞれ、直線ＰＭおよびＰＭ’）との間で取られる。また、トルクΔＣｅは、中心線と、対応する平行線との間で取られる。
【００３５】
このように、使用者は、非常に小さい摩擦デッドゾーンで、ヒンジを操作している印象を持つ。しかしながら、ヒンジが、外部ストレスがない状態において、静止状態を保つ絶対的な安定領域を残すために、この摩擦デッドゾーンを完全に排除しないことは、有益である。
【００３６】
本発明は、上述した説明に限定されるものではない。それとは逆に、本発明は、特許請求の範囲によって定義される範囲内にある、いずれの変形例も包含するものである。特に、本実施形態においては、補償された外乱トルクは、マニピュレータアームの、ヒンジから延びる部分の重量であったが、他の外乱トルクも、本質的に保障され得る。さらに、ヒンジがトルク補償部材（例えば、バネ）と組み込まれている場合、該部材を、補償に際して考慮することが望ましい。また、本実施形態においては、ヒンジは、可逆的であるが（その特性が、正の傾きを有している）、上述の説明は、不可逆的なヒンジに対しても、適用される。不可逆的なヒンジは、間接的特性の傾きが負であって、その出力に力センサが組み込まれる。このような状況の下、モータ制御器の動作は、入力（横座標）に沿って、または、少なくともその近傍で計算された中心線を選択することによって、対称的に行われる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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