(57)【要約】【課題】サーボ制御から減速制御を経てインピーダンス制御に連続的に変化させることによってパワーアシストする装置を、力覚センサを利用しないで構築する技術を提供する。制御系の２重化による安全性の向上、またはパワーアシスト装置のコストダウンに有用である。【解決手段】駆動機構を持つ移動体と、３種類の制御手段（サーボ制御手段、減速制御手段、加速度に基づいてインピーダンス制御する手段）を備えている。サーボ制御された状態で移動体が作業者の近傍に移動した時に制御パラメータを徐々に変化させることによってサーボ制御手段による制御状態から減速制御手段による制御状態に徐々に切換える切換え手段と、移動体に操作が加えられた時に制御パラメータを徐々に変化させることによって減速制御手段による制御状態からインピーダンス制御手段による制御状態に徐々に切換える切換え手段を備えている。【選択図】図２
2008247285.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動機構と加速度検出手段を備えている移動体と、
前記駆動機構をサーボ制御するサーボ制御手段と、
前記駆動機構を減速させる減速制御手段と、
前記駆動機構を前記加速度検出手段で検出された加速度に基づいてインピーダンス制御するインピーダンス制御手段と、
前記駆動機構が前記サーボ制御手段でサーボ制御された状態で移動体が作業者の近傍に移動した時から制御パラメータを徐々に変化させることによって前記サーボ制御手段による制御状態から前記減速制御手段による制御状態に徐々に切換える第１切換え手段と、
前記移動体に操作が加えられた時から制御パラメータを徐々に変化させることによって前記減速制御手段による制御状態から前記インピーダンス制御手段による制御状態に徐々に切換える第２切換え手段と、
を備えていることを特徴とするパワーアシスト機能を実現する移動装置。
【請求項２】
作業者が前記移動体に操作を加えたのか否かを検出可能な操作子が付加されており、
前記操作子によって作業者が前記移動体に操作を加えたことが検出された時に前記第２切換え手段が切換え処理の実行を開始することを特徴とする請求項１のパワーアシスト機能を実現する移動装置。
【請求項３】
前記操作子が、作業者が前記移動体に加えた操作力の方向を検出する機能を備えており、
前記操作子によって検出された操作力の方向に向けられた駆動力を加算する摩擦力補償手段が付加されていることを特徴とする請求項１又は２のパワーアシスト機能を実現する移動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動機構を備えている移動装置に関する。特に、作業者に接近するまではサーボ制御され、作業者に接近すると減速制御され、減速した移動体に作業者が操作を加えると作業者の加えた操作に基づいたインピーダンス制御を実行することによって作業者の技術を活用した位置決め作業を支援（アシスト）する移動装置に関する。この移動装置を利用すると、移動体に部品を搭載しておくことによって、移動体に搭載されている部品がサーボ制御されながら作業者に接近し（部品が搬送され）、作業者に接近すると減速し、減速した移動体または部品に作業者が操作を加えると移動体に搭載されている部品が位置決めされる。この移動装置を利用すると、作業者は軽い操作力で重量物を位置決めすることができる。部品を搬送して位置決めするまでの一連の作業が連続的に実施され、しかも移動装置によって位置決め作業をパワーアシストすることができる。
【背景技術】
【０００２】
多くの生産現場で、部品を搬送して位置決めする作業が行われている。図１はその一例を示しており、搬送装置１２で搬送されてくる部品１４が部品保管場場所１６に保管され、作業者は部品保管場所１６から一つの部品１４を取り出して製造中の物品１８に対して位置決めし、位置決めされた部品１４を製造中の物品１８に取り付ける。参照番号１９は、パワーアシスト装置であり、部品保管場所１６から一つの部品１４を取り出して製造中の物品１８に対して位置決めする作業をパワーアシストする。作業者は軽い操作力を加えることによって上記作業を実行することができる。
搬送装置１２はサーボ制御され、部品１４は所定の軌道に沿って搬送される。パワーアシスト装置１９はインピーダンス制御される。非特許文献１と非特許文献２に示されているようにパワーアシスト装置１９をインピーダンス制御すると、作業者の技術を利用した位置決め動作が可能となる。
【非特許文献１】山田陽滋・鴻巣仁司・森園哲也・梅谷陽二：「自動車組立工程における搭載作業のためのスキルアシストの提案」日本機械学会論文集C, 68, 666, pp. 509-516 (2002-2)
【非特許文献２】中村 久・本田朋寛：「作業用パワーアシストシステム」, 計測と制御, 45,5,pp. 445-448 (2006-5)
【０００３】
図１のシステムは、搬送装置１２とパワーアシスト装置１９を別に必要とする。搬送装置１２とパワーアシスト装置１９の連携が十分でなく、作業者の負担軽減の観点からすると不十分である。
図２は、駆動機構を備えている移動体２２を利用するシステムを示している。非特許文献３と特許文献１に、図２のシステムによって部品を搬送し、引き続き図２のシステムによって部品を位置決めする作業をパワーアシストする技術が開示されている。
移動体２２には、作業者が移動体２２に加えた操作力を検出する力覚センサが取り付けられている。図２のシステムは、移動体２２の駆動機構をサーボ制御するサーボ制御手段と、駆動機構を減速させる減速制御手段と、駆動機構を力覚センサで検出された操作力に基づいてインピーダンス制御するインピーダンス制御手段を備えている。さらに、駆動機構がサーボ制御手段でサーボ制御された状態で移動体２２が作業者の近傍に移動した時に制御パラメータを徐々に変化させることによってサーボ制御手段による制御状態から減速制御手段による制御状態に徐々に切換える第１切換え手段と、力覚センサで操作力が検出された時に制御パラメータを徐々に変化させることによって減速制御手段による制御状態からインピーダンス制御手段による制御状態に徐々に切換える第２切換え手段を備えている。
【非特許文献３】原 進 ：「サーボ搬送制御とインピーダンス制御のなめらかな切り換えによる台車の位置決め」, 日本機械学会論文集C, 70, 689, pp. 127-134 (2004-1)
【特許文献１】特開２００５-０５９６４０号公報
【０００４】
図２のシステムによると、部品１４の搬送過程と、部品１４の位置決め作業をパワーアシストする過程が、同一のシステムによって連続的に実施される。そのために、図２のシステムでは、３種類の制御モードを用意し、制御モードをなめらかに切換える。この技術の詳細は、前記した非特許文献３と特許文献１に記載されている。
【０００５】
図２のシステムでは、サーボ制御モードと、減速制御モードと、インピーダンス制御モードを用意しておく。移動体２２が作業者の近傍に移動するまではサーボ制御モードを活用する。移動体２２が作業者の近傍に移動したときに、サーボ制御モードから減速制御モードになめらかに切換える。力覚センサで操作力が検出されたときに減速制御モードからインピーダンス制御モードになめらかに切換える。
サーボ制御モードにはＬＱＩ(Linear Quadratic Integral)制御を適用する。インピーダンス制御モードには、非特許文献１に開示されている制御方法を適用する。
図２のシステムでは制御モードをなめらかに切換えるために、制御モードの切換え時に制御入力を連続的に切換える。サーボ制御モードから減速制御モードになめらかに切換えるために、両制御モードを時変重みを含む評価関数に基づいた非定常最適制御手法により統一的に設計した。また減速制御モードからインピーダンス制御モードになめらかに切換えるために、インピーダンス制御モードをインピーダンスパラメータが時変である非定常的なインピーダンス制御手法で設計した。
図２のシステムによると、移動体２２の運動を停止させることなく、制御モードをなめらかに切換えることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図２のシステムによると、部品１４の搬送過程から部品１４の位置決め作業をアシストする過程までが同一の移動体２２によって連続的に実行される。生産工程が効率化され、作業者の負担が軽減される。
しかしながら、なおも改善の余地を残している。
（１）図２のシステムでは、力覚センサで検出される操作力に基づいてインピーダンス制御する制御モードに切換えるので、作業者が移動体２２をつかむ位置が限定されている。作業者が力覚センサで操作力が検出できる位置をつかむ必要がある。それ以外の位置をつかむと、移動体が部品を搬送する動作を継続することになり、安全性が懸念される。
（２）作業者が特定の部分をつかみ取ったとしても、力覚センサに何らかの異常があって操作力を正しく検出できない場合には、作業者の操作にもかかわらず、移動体が部品を搬送する動作を継続することになり、安全性が懸念される。
【０００７】
上記の問題に対処するためには、力覚センサ以外の信号を使ってインピーダンス制御を実現する手法を導入し、制御系を２重系としておくことが重要である。
また、力覚センサは他のセンサと比較して一般的に高価である。力覚センサ以外の信号を使ってインピーダンス制御を実現する手法を利用すれば、高価な力覚センサを利用しないでパワーアシストシステムを構築することも可能となる。
本発明は、２重の制御系を確保するために適用することもできれば、安価なパワーアシストシステムを構築するために適用することもできる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、パワーアシスト機能を実現する移動装置に関する。移動体に部品を搭載しておくと、移動体が移動することによって部品が搬送され、移動体が移動することによって部品の位置決め作業がパワーアシストされる。ここでいうパワーアシストとは、作業者が実際には重量物を位置決めしているにもかかわらず、動力を活用してその位置決め作業を補助するために、作業者は軽量物を位置決めする際に必要とされる操作力で重量物の位置決め作業が可能となるように動力を活用する技術をいう。
本発明の移動装置は、駆動機構と加速度検出手段を備えている移動体と、その駆動機構をサーボ制御するサーボ制御手段と、その駆動機構を減速させる減速制御手段と、その駆動機構をインピーダンス制御するインピーダンス制御手段を備えている。インピーダンス制御手段は、加速度検出手段で検出された加速度に基づいて移動体の駆動機構をインピーダンス制御する。ここでいうサーボ制御とは、与えられた目標軌道に追従するように移動体を移動させることをいう。
本発明の移動装置は、駆動機構がサーボ制御手段でサーボ制御された状態で移動体が作業者の近傍に移動した時から制御パラメータを徐々に変化させることによってサーボ制御手段による制御状態から減速制御手段による制御状態に徐々に切換える第１切換え手段と、移動体に操作が加えられた時から制御パラメータを徐々に変化させることによって減速制御手段による制御状態からインピーダンス制御手段による制御状態に徐々に切換える第２切換え手段を備えていることを特徴としている。
【０００９】
本発明の移動装置によると、移動体が作業者の近傍に接近すると移動体の移動速度が減速される。作業者は減速した移動体をつかむことができ、つかんだ移動体に操作を加えることができる。作業者が移動体に操作を加えると、移動体の加速度が変化する。その加速度の変化に着目して駆動装置をインピーダンス制御すると、加速度から認識される作業者が意図する動作を実現するように駆動装置が駆動されて移動体が移動する。作業者は、駆動機構で移動する移動体を活用して軽い操作力で意図した動作を実現することができる。
【００１０】
本発明の移動装置は、操作力を検知する必要がないので、作業者が移動体を把持する位置が制約されない。力覚センサでは操作力が検出できない位置を把持しても、作業者が意図する動作を実現するインピーダンス制御に切換えられる。また、力覚センサに異常があっても作業者が意図する動作を実現するインピーダンス制御を実行することができる。２重の制御系を確保することができる。
力覚センサによるインピーダンス制御系と、加速度センサによるインピーダンス制御系を併用すると、２重の制御系を確保することができる。あるいは、力覚センサによるインピーダンス制御系に代えて、加速度センサによるインピーダンス制御系を用いてもよい。後者の場合には、高価な力覚センサを利用しないので安価にパワーアシスト装置を実現することができる。
【００１１】
作業者が移動体に操作を加えているのか否かを検出可能な操作子と、その操作子によって作業者が移動体に操作を加えたことが検出された時に、前記した第２切換え手段による切換え処理の実行を開始させる手段が付加されていることが好ましい。
作業者が移動体に操作を加えているのか否かを検出可能な操作子は、力覚センサよりも格段に簡単に構成できる。簡単な装置によって適切なタイミングでインピーダンス制御に切換えることが可能となる。
【００１２】
前記の操作子が、作業者が移動体に加えた操作力の方向を検出する機能を備えていることが好ましい。この場合、操作子によって検出された操作力の方向に向かう駆動力を加算する摩擦力補償手段を付加することが好ましい。
加速度によるインピーダンス制御では、作業者が操作力を加えても移動体に加わる摩擦力によって作業者の意図が加速度に反映されないことがある。操作子によって検出された操作力の方向に向かう駆動力を加算すると、摩擦の影響を補償することができ、作業者の意図が加速度に反映されるようにすることができる。移動体に加わる摩擦力が大きい場合には特に有用である。なお、加算する駆動力の大きさは、静摩擦力と動摩擦力に区分してもよいし、区分しなくてもよい。区分しなくても、操作に違和感をもたらさないことが多い。
操作力の方向を検出する操作子は、力覚センサよりも格段に簡単に構成できる。簡単な装置によって、摩擦の影響を補償したインピーダンス制御を実行することが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、高価な力覚センサを用いないで、動力を活用して作業者の意図する運動を実現するパワーアシスト装置を実現することが可能となる。
あるいは、力覚センサと併用することによって２重の制御系を確保し、パワーアシスト装置の安全性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
最初に、以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
（特徴１）移動体は、駆動装置を内蔵する自走式である。
（特徴２）移動体に、作業者が把持する第１ハンドルと、作業者が第１ハンドルに加えた操作力を検出する力覚センサが組み込まれている。
（特徴３）移動体に、作業者が把持する大型の第２ハンドルが組み込まれている。作業者は、第１ハンドルを把持しそねても、第２ハンドルを容易に把持することができる。
（特徴４）第２ハンドルには、作業者が加えた操作力の方向を検出する機構が組み込まれている。
（特徴５）移動体には、タッチパネル型のセンサが組み込まれている。そのセンサによって作業者が移動体に接触した面がわかる。
（特徴６）接触センサに、接触方向を検出する機構が組み込まれている。
【実施例】
【００１５】
力覚センサを用いないでパワーアシスト機能を実現する制御方法が開発されている。例えば、開田由紀子・村上俊之：「電動車椅子における人の入力トルクのセンサレス検出とパワーアシスト」, 電気学会論文誌 Ｄ 産業応用部門誌, 126, 2, pp 137- 142 (2006-2)に、反力推定オブザーバを用いるインピーダンス制御方法が開示されている。また、中原康晶・高橋 久：「パワーアシスト台車の重量推定法」, 平成18年電気学会全国大会講演論文集, 第4分冊, pp 332-333 (2006-3)に、同様の操作力計算手法を利用するインピーダンス制御方法が提案されている。
本実施例では、マニピュレータ制御に対して加速度計測を用いてインピーダンス制御を実現する舘らの手法を応用する。舘らの手法は、舘・榊 泰輔・荒井裕彦・西澤昭一郎・ホセフェリペ ペラエスポロ,「力センサを用いないダイレクト・ドライブ・マニピュレータのインピーダンス制御」, 日本ロボット学会誌, 7, 3, pp. 172-184(1989-6)に開示されている。
本実施例では、加速度に基づいてインピーダンス制御する舘らの手法に、作業者が移動体に加えた操作力の方向を検出し、検出した方向に向かう駆動力を付加することによって摩擦力を補償する方法を導入した。この方法では、操作力を加えた方向を検出するためのセンサが必要になる。パワーアシスト機器では、作業者が何らかのスイッチに触れないと動作しないようになっているので、そのスイッチに操作力の方向を検出する機能を持たせればよい。操作力方向の検出機構は、操作力の検出機構に比べて簡単な構造で実現することができる。
本実施例によって、力覚センサを用いた技術のみによる場合よりも安全性の向上に寄与するモード切換え型制御を実現できる。
【００１６】
（実施例で用いる自走台車）
実施例で用いる自走台車（移動体の実施例）を図３に示す。詳細については、前記した非特許文献３を参照されたい。この台車は、エンコーダ３１付のＤＣサーボモータ３２とギア３３を有した三輪車であり、前二輪が駆動輪３９であり、後輪が補助輪３８となっている。重量を調節できるように、荷台には重り３７を設置できる。荷台には、部品を搭載することができる。荷台前部には、力覚センサ３５と一体となった第１ハンドル３６が設けられている。荷台後部には、大型の第２ハンドル４０（操作子の実施例）が設けられている。大型の第２ハンドル４０は作業者が把持しやすく、作業者が第１ハンドル３６を把持しそこねても、容易に第２ハンドル４０を把持することができる。第２ハンドル４０の基部には、作業者が第２ハンドル４０に加えた操作力の方向を検出できる操作力方向検出センサが取り付けられている。自走台車には、加速度を検出する加速度ピックアップ３４も設置されている。
後記するように、自走台車には制御装置が搭載されている。制御装置は、自走台車をサーボ制御するサーボ制御モードから自走台車を減速制御する減速制御モードを経て自走台車をインピーダンス制御するインピーダンス制御モードに切換える。サーボ制御モードから減速制御モードに切換えるために第１切換手段が用意されており、減速制御モードからインピーダンス制御モードに切換えるために第２切換手段が用意されている。第１切換手段と第２切換手段の双方とも、制御状態がなめらかに(時間に対して不連続な事象が生じないように)切換えるようにする。
図３に例示した自走台車は移動体２２の一例であり、本発明を適用可能な移動体２２が自走台車に限定されるものでない。移動可能であるとともに移動のための駆動機構を備えているものであればよく、その駆動機構が移動体自体に搭載されているか、外部に設置されているのかを問わない。ケーブルカー等のように外部から駆動力を受けるものであってもよい。この場合、ケーブルを牽引する動力源まで含めた装置全体を評価すれば、駆動機構を備えた移動体ということができる。自走台車以外に、例えばリニアモータアクチュエータを用いることもできる。
移動方向は1次元に限定されない。多軸の自由度を持った移動体であってもよい。各軸に対して、サーボ制御モードから減速制御モードを経てインピーダンス制御モードになめらかに切換える制御を実施すれば、多軸の自由度を持った移動体によって部品の搬送から位置決め作業までを実施することができる。各軸の加速度に基づいたインピーダンス制御を実施することによって、多軸空間中での位置決め作業をパワーアシストすることができる。
【００１７】
エンコーダ３１も一種の加速度センサであり、エンコーダ３１で検出されるモータ回転角変位を差分するとモータ回転角速度が検出され、さらに差分するとモータ回転角加速度が検出される。加速度ピックアップ３４とエンコーダ３１のいずれか一方は、省略することができる。本実施例では、エンコーダ３１で検出されるモータ回転角変位と、それを差分したモータ回転角速度と、それを差分したモータ回転角加速度と、加速度ピックアップ３４で検出された台車加速度と、作業者が第１ハンドル３６に加えた操作力ベクトルと、作業者が第２ハンドル４０を把持しているのか否かの状態と、作業者が第２ハンドル４０に加えた操作力の方向を検出することができる。
台車の加速度信号については、制御性能に与える影響が大きいため、本実施例では、３極ベッセル特性ローパスフィルタ(遮断周波数3.O Hz)を通して十分にノイズを除去している。制御演算にはDSP(TMS320C31)を用いており、サンプリング周期は1 msである。制御入力は電圧信号としてパワーアンプを経由してモータ３２を駆動する。
【００１８】
（モデリング）
図４の自走台車のモデリングの詳細は非特許文献３で説明されている。図４のようなモデルを考えている。図４中のx(t), F(t), i(t)は、それぞれ、台車の水平方向変位[m]、駆動輪が地面に対して発生している力[N]、モータの電流[A]を意味している。また、Tm(t), Tw(t)は、それぞれ、モータが発生しているトルク[N・m]と、駆動輪が発生しているトルク[N・m]である。その他のパラメータは図５に示す通りであり、最終的には式１のような運動方程式が得られる。
【数１】
2008247285.tif 000003
また、下記の式２が成立する。
【数２】
2008247285.tif 000004
上記において、θm(t)はモータの回転角変位[rad]を意味し、e(t)はモータの入力電圧[V]を意味する。
【００１９】
図４のモデルを簡単な2重積分系である図６のモデルに置き換えようとすると、モータ回転角速度dθm(t)/dtとモータ回転角加速度d2θm(t)/dt2のフィードバックを用いて、下記の式３で示されるe(t)を与えることになる。
【数３】
2008247285.tif 000005
【００２０】
自走台車には加速度ピックアップ３４が設置されているので、台車の走行加速度を検出してモータ回転角加速度を求めることができる。エンコーダ３１の出力からモータ回転角加速度を求めてもよい。図６のモデルの状態方程式は下記の式４となる。
【数４】
2008247285.tif 000006
【００２１】
（制御手法）
本実施例では、台車を自動走行させることによって部品を自動搬送し、その後に台車の移動を制御することによって作業者による部品の位置決め作業を支援する。この間に、台車を制御するモードが、サーボ制御モードから減速制御モードに切換わり、減速制御モードからインピーダンス制御モードに切換わる。
【００２２】
（サーボ制御モード）
サーボ制御モードの詳細は、非特許文献３に開示されている。サード制御モードでは、ＬＱＩ制御を利用する。
台車速度の目標軌道をr(t)とし、r(t)と実際の台車速度dx(t)/dtとの誤差の積分値を新たな状態量xsv(t)とする。式４と、状態量xsv(t)の拡大系は下記の式５で記述される。
【数５】
2008247285.tif 000007
【００２３】
ＬＱＩ制御とは、式５に対して式６の評価関数に基づいた状態フィードバック制御を意味する。
【数６】
2008247285.tif 000008
制御対象の特性から、実際には台車速度dx(t)/dtと、速度誤差積分値xsv(t)に対する２種類のフィードバック制御のみで実現される。
サーボ制御モードで制御することによって、台車は目標速度軌道r(t)に追従して走行する。台車は目標速度軌道r(t)に追従して作業者の近傍に接近する。
【００２４】
（滅速制御モードとの統一的設計）
前項のサーボ制御モードから、最終的にインピーダンス制御モードに切換えるためには、少なくともどこかの時点で、速度誤差積分値xsv(t)に対するフィードバックを切らなければならない。なめらかなモード切換えを実現するために、サーボ制御モードの次に減速制御モードを設けている。減速制御モードでは台車の速度のみをフィードバックするレギュレータとなる。減速制御モードを実現するには台車速度に対してのみ重み付けを行って式６に基づく最適レギュレータ問題を解けばよい。
ただし、サーボ制御モードから減速制御モードになめらかに切換える必要があるので、式６中のＱＬＱＩを時変重み行列Ｑ(t)とし、式７に示す時変Riccati方程式を解く。
【数７】
2008247285.tif 000009
ただし、制御入力に対する重みは常に1とし、時変重み行列Ｑ(t)を式８とした。
【数８】
2008247285.tif 000010
式９で示す時変フィードバックゲインを用いると、制御入力は式１０となる。
【数９】
2008247285.tif 000011
【数１０】
2008247285.tif 000012
これは、式１１に示す時変評価関数に基づいた非定常最適制御問題を解いていることに相当する。
【数１１】
2008247285.tif 000013
時間の推移とともにサーボ制御モードから減速制御モードに徐々に切換わるようにするために、qs(t)とqb(t)の大小が入れ代わるように重み付けを行う。それにより、速度誤差積分値xsv(t)に対するフィードバックゲインは徐々に0となり、台車速度dx(t)/dtに対するフィードバック制御のみで減速する制御器が得られる。
以上の制御によると、最初は台車がサーボ制御モードで目標速度軌道r(t)に追従して走行し、作業者の近傍に接近すると制御パラメータqs(t)とqb(t)の値が時間に対して連続的に変化することによって徐々にサーボ制御モードから減速制御モードに切換わり、作業者の近傍では台車の走行速度が減速されるという結果を得ることができる。
【００２５】
（インピーダンス制御モード）
非特許文献３では、非特許文献１で用いられている簡単なインピーダンス制御を適用することによって、位置決め作業時（整定時）のパワーアシストを実現した。本実施例では、作業者による位置決め作業時に、作業者に式１２に示すインピーダンス特性が得られるように、インピーダンス制御入力を考える。
【数１２】
2008247285.tif 000014
ここで、mdは位置決め作業者に呈示されるインピーダンス特性上の質量を意味し、cdは位置決め作業者に呈示されるインピーダンス特性上の粘性減衰係数を意味し、Fh(t)は作業者が台車に対して与える力(作業者操作力)を意味する。インピーダンス特性上の質量mdを実際の質量mnより小さくすると台車は軽く感じられ、パワーアシストの効果が得られる。また、適切な減衰cdを与えると作業者の整定（位置決め）作業が容易になる。
【００２６】
非特許文献３では、台車上にある力覚センサ３５と一体となったハンドル３６を作業者がつかみ取って位置決め操作する際の操作力を力覚センサ３５で検出していた。この場合には、インピーダンス制御入力を式１３とすることによって式１２の特性が実現できた。
【数１３】
2008247285.tif 000015
これは式４のF(t)をF(t)+Fh(t)に改めてから式１３を代入すると、式１２を得られることで確かめられる。
しかしながら、力覚センサ３５は他のセンサと比較して一般的に高価なセンサである。さらに、何らかの理由でハンドル３６をつかみ損ねた場合、減速制御モードに切換わった台車が完全に停止するまでの間、台車は走行を継続することになる。また、ハンドル３６をつかみ取ったとしても、力覚センサ３５に何らかの異常があって操作力を正しく検出できない場合には、台車が作業者の意図に反して走行し続ける。これらの事例では、台車が近くにいる作業者と衝突する可能性があるなど、安全性に関わる問題が残されていた。
そこで、本実施例では力覚センサを用いないでインピーダンス制御を実現する。
【００２７】
前記したように、本実施例の自走台車は加速度ピックアップ３４を備えており、加速度ピックアップ３４で検出した台車の走行加速度を利用することができる。そこで、本実施例では、前記した文献：舘・榊 泰輔・荒井裕彦・西澤昭一郎・ホセフェリペ ペラエスポロ,「力センサを用いないダイレクト・ドライブ・マニピュレータのインピーダンス制御」, 日本ロボット学会誌, 7, 3, pp. 172-184(1989-6)に開示されているインピーダンス制御手法を応用する。この手法では、インピーダンス制御入力F(t)に台車の加速度d2x(t)/dt2を用いる。運動方程式は下記の式１４で記述される。
【数１４】
2008247285.tif 000016
式４のF(t)をF(t)+Fh(t)に改めてから式１４を代入しても、式１２が得られることから、式１４によっても式１３と同等のインピーダンス制御入力となっている。
【００２８】
（固体摩擦の補償）
制御対象に非線形な固体摩擦などの影響があると、式１３を用いる方法に比べて式１４を用いる制御方法ではパワーアシストの性能を大きく劣化させる。特に、制御対象の静止摩擦の影響が大きい場合には、速度0からの変化に作業者が大きな操作力を与えなければならない。パワーアシストに関する研究の中で、このような摩擦力を推定しながら制御する検討も見られるが、速度0から変化する瞬間から摩擦力を正しく推定し、制御に利用することは容易ではない。そこで、本実施例では、台車に操作力方向検出機構を付加した。第２ハンドル４０には、作業者が加えた操作力の方向を検出する機構が組み込まれている。作業者が第１ハンドル３６を把持した場合には、力覚センサ３５によって作業者が加えた操作力の方向を検出することができる。
本実施例では、検出された操作力の方向に向かう力をフィードフォワード制御入力Ffとして与えることによって摩擦力を補償する。摩擦補償力Ffは、あらかじめ予備実験等で同定した摩擦力を参考に決定する。どの操作力方向も検出されない場合には摩擦補償力Ff=Oとする。
【００２９】
操作力方向検出機構は、前記のものに限られない。例えば制御対象（この実施例では台車）の外側の各面がタッチパネル式のスイッチになっており、作業者がどの面を押したのかを検出できる機構であってもよい。このような機構は、力覚センサに比して安価に設置できる。また、作業者は台車の近傍にさえいれば操作力を加えることができることから、第１ハンドル３６を把持しそこねても対応することができる。
通常、パワーアシスト機器などでは、作業者が何らかのスイッチに触れないと動作しないようになっており(Enable SwitchないしはHold-to-Run Switchと呼ばれる)、そのスイッチに操作力方向検出機構を組み込んでもよい。
【００３０】
（減速制御モードからインピーダンス制御モードヘのなめらかな切換え）
本実施例では、最初は台車がサーボ制御モードで目標速度軌道r(t)に追従して走行して部品を搬送する。台車が作業者の近傍に接近すると制御パラメータqs(t)とqb(t)の値が時間に対して連続的に変化することによって徐々にサーボ制御モードから減速制御モードに切換わり、作業者の近傍で台車の走行速度が減速される。作業者が減速した台車に操作を加えると、インピーダンス制御モードに切換わり、インピーダンス制御モードで制御される台車の移動によって作業者による位置決め作業が支援される。
減速制御モードでは台車速度dx(t)/dtのみのフィードバック制御となっているのに対し、式１４では、台車速度dx(t)/dtと台車加速度d2x(t)/dt2のフィードバック制御となっている。そこで、減速制御モードからインピーダンス制御モードになめらかに切換える方法が必要とされる。
【００３１】
まず、操作力方向検出機構に初めて入力があった時刻をt=tswとし、その時点での減速制御モードのフィードバックゲインfb(tsw)を [0 fbv(tsw) 0]と近似する。
一方、式１４中のmdとcdのそれぞれを、時変係数md(t)とcd(t)とした下記式１５の非定常的なインピーダンス制御則を考える。
【数１５】
2008247285.tif 000017
t=tswにおいてmd(tsw)=mnであり、cd(tsw)=ｆbv(tsw)であれば、減速制御モードとインピーダンス制御モードの両入力は一致するので、両モード間の連続的なモード切換えが実現できる。変化直後に作業者に不快感が生じないようにするために、md(t)とcd(t)はシグモイド関数とし、作業者が快適に位置決めできるmdsettとcdsettとなるまでなめらかに変化させる。この方法の概念を図７に示す。図７では、横軸が時間を示し、縦軸がmd(t)とcd(t)の大きさを示している。本方法によれば、作業者が制御対象に初めて触れた直後からすみやかに軽快な動きを感じ始め、目標位置に容易に位置決め(整定)させることができる。なお、制御入力の連続性を保つため、摩擦力補償用フィードフォワード制御入力Ffは、サーボ制御モードでも減速制御モードでも与える。これらのモードでは、台車速度dx(t)/dtの正負に応じて符号の異なるFfを与える。台車速度dx(t)/dtが0近傍の場合には、Ff=0とする。
【００３２】
以上の制御モードと、制御モードを連続的に切換える手順を採用すると、制御モードをなめらかに切換えながら、部品を自動的に搬送して部品の位置決め過程をパワーアシストする装置を力覚センサレスで実現することができる。
【００３３】
（実験による検討）
以下では、実験した結果を記載する。
（各種パラメータについて）
本実施例の有用性を確認する目的で、図３の自走台車を用いて実験を行った。本実験では荷台に特別な重りを設置しない。そのために台車質量mnは図５に示すように、20.O kgである。
サーボ制御モードと減速制御モードに関する制御設計のための各種設定は、時変係数cd(t)の設定を除き、非特許文献３の通りとした。詳細は非特許文献３を参照されたい。
参考までに、使用した時変重みqｓ(t)の変化を図８に示し、時変重みqｂ(t)の変化を図９に示す。台車速度に対する時変フィードバックゲインの変化を図１０に示し、速度誤差積分値に対する時変フィードバックゲインの変化を図１１に示す。操作力方向検出機構に初めて入力があった直後からの時変係数md(t)の変化を図１２に示し、時変係数cd(t)の変化を図１３に示す。図１３では、fbv(tsw)=20.0であった場合を例に示している。時変係数md(t)は最終的にはmdsett=2.0 kgとなり、時変係数cd(t)は最終的にはcdsett=10.O Ns/mとなるようにした。
【００３４】
実験では、式１３に基づいた非特許文献３の方法と、式１４に基づいた本実施例の方法を比較した。後者については、両方法を比較する目的から、力覚センサをそのまま操作力方向検出機構として利用した。
インピーダンス制御モードの実行中に力覚センサの検出値Fh(t)が±1.O Nを超えた時に、作業者がその符号の方向に操作力を加えたものとした。そして、制御入力に操作方向への摩擦力補償力を加えるために、フィードフォワード制御入力Ffを与えた。本実験では、Ffを14.7 Nの一定値とした。ただしFh(t)の絶対値が1.O N以下の場合には、Ff=O Nとした。
【００３５】
（制御を伴わない台車の運動）
本実施例のモード切換え型制御の実験を行う前に、何の制御も行わないで台車を動かしてみた。ある方向に５cm程度動かした後に、逆方向に１cm程度戻した場合の結果を図１４に示す。図1４では、横軸が経過時間を示し、縦軸が、(a)では台車変位量ｘ(t)を示し、(b)では台車速度dx(t)/dtを示し、(c)では台車の加速度信号d2x(t)/dt2を示し、(d)では作業者が加えた操作力Fh(t)を示している。台車を制御してパワーアシストしないと、数十Nの操作力を必要とすることがわかる。
【００３６】
（モード切換え型制御の実験）
次に、サーボ制御モードから減速制御モードを経てインピーダンス制御モードに切換わるモード切換え型制御の実験を行った。台車走行時は力覚センサ信号に対するノイズが大きくなるため、減速制御モードの間に力覚センサの検出値の絶対値が初めて1.5 Nを超えた時点でインピーダンス制御モードに切換えた。その他のパラメータの設定は、前記で説明したとおりである。
インピーダンス制御モード時に、フィードフォワード制御入力Ffの符号変化が操作感に影響を与えないことを確認するために、本実験では、整定時(位置決め作業時)に作業者が台車をわずかに逆方向に戻そうとする動きを行った。非特許文献３で得られる結果と、本実施例で導入した力覚センサレスの方法から得られる結果を、図１５と図１６に対比して示す。横軸は経過時間を示し、縦軸が、(a)では台車変位量ｘ(t)を示し、(b)では台車速度dx(t)/dtを示し、(c)では台車の加速度信号d2x(t)/dt2を示し、(d)では作業者が加えた操作力Fh(t)を示し、(e)ではモータの通電電流i(t)を示し、(f)ではモータの入力電圧e(t)を示している。
【００３７】
本実施例では、高精度に位置決めする結果を得ることが主旨ではないので、台車変位量ｘ(t)については、台車が停止した後の時刻lO.O sにおける台車位置を0.Omとして表示している。なお、比較の目的のため、非特許文献３の方法による場合でも、フィードフォワード制御入力Ffを与えており、両結果とも整定時にFfの符号が変化したことを確認している。
いずれの結果においても、台車走行時に速度や電流等の振動を発生しているが、これは制御対象である自走台車の機械的な不具合によるものである。同じ制御対象を用いた非特許文献３の報告時においても、同程度の振動を発生していた。
【００３８】
図１５と図１６に対比して示す両方法の結果を比較すると、本実施例の方法を用いた場合の応答性(図１６)は、非特許文献３の方法を用いた場合の応答性(図１５)と同様になっており、同程度の操作力で位置決めされていることが理解できる。この場合の操作力の大きさは、図１４の場合と比べてはるかに小さいレベルであり、両方法ともに効果的にパワーアシストしていることがわかる。また、フィードフォワード制御入力Ffの符号変化による影響は見られず、実際の操作感でも特別な感覚はなかった。以上のことから本実施例によって、力覚センサレスで非特許文献３と同様のモード切換え型制御を実現できていることが確認された。
【００３９】
本実施例では、摩擦力補償力Ffを一定値としたが、静止摩擦力と動摩擦力の差が特に大きい制御対象では、速度に応じて摩擦力補償力Ffを変化させることもできる。両摩擦力の差が大きくなければ、静止摩擦力に着目して摩擦力補償力Ffの大きさを試行錯誤的に決めればよく、試行錯誤的に決めてもインピーダンス制御における粘性減衰係数cdの値を適切に設定しておけば、台車が高速で移動するような危険な事象は生じない。
【００４０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複式目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】従来の部品の搬送と部品の位置決め作業を例示する。
【図２】移動体で部品を搬送して部品を位置決めする作業を支援する様子を示す。
【図３】移動体の一例である台車の機械的構成を示す。
【図４】移動体の一例である台車の力学モデルを示す。
【図５】力学モデルに用いるパラメータを示す。
【図６】移動体の一例である台車の簡単化した力学モデルを示す。
【図７】減速制御モードからインピーダンス制御モードに連続的に切換えるための制御パラメータの時間的変化を示す。
【図８】サーボ制御モードから減速制御モードに連続的に切換えるための制御パラメータqs(t)の時間的変化を示す。
【図９】サーボ制御モードから減速制御モードに連続的に切換えるための制御パラメータqb(t)の時間的変化を示す。
【図１０】サーボ制御モードから減速制御モードに連続的に切換えるための制御パラメータ(速度に対するフィードバックゲイン)の時間的変化を示す。
【図１１】サーボ制御モードから減速制御モードに連続的に切換えるための制御パラメータ(速度誤差積分値に対するフィードバックゲイン)の時間的変化を示す。
【図１２】減速制御モードからインピーダンス制御モードに連続的に切換えるための制御パラメータmd(t)の時間的変化を示す。
【図１３】減速制御モードからインピーダンス制御モードに連続的に切換えるための制御パラメータcd(t)の時間的変化を示す。
【図１４】台車を制御しないで作業者が位置決め作業した際に観測された各種量を示す。(a)は台車変位量ｘ(t)を示し、(b)は台車速度dx(t)/dtを示し、(c)は台車の加速度信号d2x(t)/dt2を示し、(d)は作業者が加えた操作力Fh(t)を示している。
【図１５】作業者の操作力に基づいてインピーダンス制御しながら作業者が位置決め作業した際に観測された各種量を示す。(a)は台車変位量ｘ(t)を示し、(b)は台車速度dx(t)/dtを示し、(c)は台車の加速度信号d2x(t)/dt2を示し、(d)は作業者が加えた操作力Fh(t)を示し、(e)はモータの通電電流i(t)を示し、(f)はモータの入力電圧e(t)を示している。
【図１６】加速度に基づいてインピーダンス制御しながら作業者が位置決め作業した際に観測された各種量を示す。(a)は台車変位量ｘ(t)を示し、(b)は台車速度dx(t)/dtを示し、(c)は台車の加速度信号d2x(t)/dt2を示し、(d)は作業者が加えた操作力Fh(t)を示し、(e)はモータの通電電流i(t)を示し、(f)はモータの入力電圧e(t)を示している。
【符号の説明】
【００４２】
１２：搬送装置
１４：部品
１６：部品置き場
１８：物品
１９：パワーアシスト装置
２２：移動体
３１：エンコーダ
３２：DCサーボモータ
３３：ギア
３４：加速度ピックアップ
３５：力覚センサ
３６：第１ハンドル
３７：重り
３８：補助輪
３９：駆動輪
４０：第２ハンドル
【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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