(57)【要約】【課題】操作感を向上し得るパワーアシスト装置を提供する。【解決手段】パワーアシスト装置では、フォースセンサ５４によりワークを操作する操作者の操作力を検出し、カルマンフィルタ演算部６１ａによりフレーム部、駆動部、移動部および操作部に係る所定の制御パラメータとしての、ハンドの位置、速度、ワークの質量を含む可動部の質量、粘性抵抗、摩擦抵抗を推定する。そして、操作力、ハンドの位置、速度、可動部の質量、粘性抵抗および摩擦抵抗に基づいてインピーダンス制御部６１ｂにより求められたアシスト力を、モータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃによって発生させる。【選択図】  図５
2004277039.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動または姿勢変更の対象となる物体を操作する操作者の操作状態を検出する操作状態検出手段と、
前記操作者による前記物体の移動または姿勢変更を助けるアシスト力を発生させるアシスト力発生手段と、
前記アシスト力を前記物体に与えるアシスト機構と、
前記アシスト機構に係る所定の制御パラメータを推定する推定手段と、
前記操作状態検出手段により検出された操作状態および前記推定手段により推定された所定の制御パラメータに基づいて、前記アシスト力発生手段に発生させるアシスト力を求める演算手段と、
を備えることを特徴とするパワーアシスト装置。
【請求項２】
前記所定の制御パラメータは、少なくとも前記物体の質量を含むものであることを特徴とする請求項１記載のパワーアシスト装置。
【請求項３】
前記所定の制御パラメータは、前記アシスト機構を構成する可動部の粘性抵抗であることを特徴とする請求項１記載のパワーアシスト装置。
【請求項４】
前記所定の制御パラメータは、前記アシスト機構を構成する可動部の摩擦抵抗であることを特徴とする請求項１記載のパワーアシスト装置。
【請求項５】
前記所定の制御パラメータは、前記物体の位置であることを特徴とする請求項１記載のパワーアシスト装置。
【請求項６】
前記所定の制御パラメータは、前記物体の移動速度であることを特徴とする請求項１記載のパワーアシスト装置。
【請求項７】
少なくとも前記物体の質量を測定する質量測定手段を備えることを特徴とする請求項２記載のパワーアシスト装置。
【請求項８】
前記推定手段は、カルマンフィルタによるものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のパワーアシスト装置。
【請求項９】
前記推定手段は、逐次最小二乗法によるものであることを特徴とする請求項２〜４、７のいずれか一項に記載のパワーアシスト装置。
【請求項１０】
前記推定手段は、オブザーバによるものであることを特徴とする請求項５または６に記載のパワーアシスト装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動または姿勢変更の対象となる物体を操作する操作者の操作力に基づいてアシスト力を発生させ、当該操作者を補助するパワーアシスト装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
移動または姿勢変更の対象となる物体（以下「ワーク」という。）を操作する操作者の操作力に基づいてアシスト力を発生させ、当該操作者を補助するパワーアシスト装置として、例えば本願発明者らにより開発されたインピーダンス制御を用いたパワーアシスト装置がある（非特許文献１および特願２００２−０５８２８８号）。
【０００３】
このパワーアシスト装置では、最適可変ダンピング制御によって、操作者の腕のインピーダンス変化に倣って制御される粘性係数を用いて必要なアシスト力を求め、このアシスト力により操作者を補助し得るように構成している。これにより、操作者の腕の剛性変化に合わせたアシスト力の制御が可能になるため、操作者に与える操作感のさらなる向上を可能にしている。
【０００４】
そして、このような従来のパワーアシスト装置においては、制御の対象となるロボットハンド等の装置可動部（以下「可動部」という。）の質量、粘性係数、摩擦係数を用いた運動方程式でモデル化してアシスト力を制御することにより、当該可動部の質量、粘性係数、摩擦係数に合わせた適切なアシスト力の発生を可能にしており、このような所定の制御パラメータには、予め与えられた所定値（例えば設計値や所定範囲内の既定値）が用いられている。
【０００５】
【非特許文献１】
林、池浦、中村、他２名、日本機械学会東海支部第５１期総会講演会講演論文集、２００２年、ｐ．１２７−１２８
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなパワーアシスト装置をはじめとして可動部を有する設備装置一般においては、当該装置の周囲環境（例えば温度や湿度等）が変化した場合や経年変化が生じた場合等には、それに伴い当該可動部の粘性係数、摩擦係数等の制御パラメータも変化し得ると考えられる。そのため、このような場合に、予め設定されている設計値や既定値をこれらの制御パラメータに用いていたのでは、適切なアシスト力を発生させることが困難になるという問題がある。
【０００７】
また、このようなパワーアシスト装置を使ってワークを運搬すると、ロボットハンドに把持された移動中のワークをロボットハンドから開放した場合には、必要となるアシスト力がワークの質量分だけ急激に減少し、これとは逆にワークを掴んで持ち上げた場合には、必要となるアシスト力がワークの質量分だけ急激に増加する。そのため、当該ロボットハンドとともにワークを運搬する操作者に対しては、ロボットハンドが急に軽くなったり重くなったりするといった感覚を与えることから、操作感の悪さを印象づけ得るという問題がある。
【０００８】
さらに、このようにワークの質量も含めて可動部の質量を設定するものにおいては、ワークの質量を所定値に設定しても、異なる質量のワークを運搬等する必要が生じた場合には、当該質量の設定入力が再度必要となる。そのため、操作者等による入力操作等が煩雑になり作業効率の低下を招くという問題もある。
【０００９】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、操作感を向上し得るパワーアシスト装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段および発明の作用・効果】
上記目的を達成するため、請求項１のパワーアシスト装置では、移動または姿勢変更の対象となる物体を操作する操作者の操作状態を検出する操作状態検出手段と、前記操作者による前記物体の移動または姿勢変更を助けるアシスト力を発生させるアシスト力発生手段と、前記アシスト力を前記物体に与えるアシスト機構と、前記アシスト機構に係る所定の制御パラメータを推定する推定手段と、前記操作状態検出手段により検出された操作状態および前記推定手段により推定された所定の制御パラメータに基づいて、前記アシスト力発生手段に発生させるアシスト力を求める演算手段と、を備えることを技術的特徴とする。
【００１１】
請求項１の発明では、操作状態検出手段により移動または姿勢変更の対象となる物体を操作する操作者の操作状態を検出し、推定手段によりアシスト機構に係る所定の制御パラメータを推定する。そして、当該操作状態および当該所定の制御パラメータに基づいて演算手段により求められたアシスト力を、アシスト力発生手段によって発生させる。これにより、アシスト機構に係る所定の制御パラメータには、設計値や既定値を用いることなく、推定手段により適宜、推定されたものが用いられるので、例えば、パワーアシスト装置の周囲環境（例えば温度や湿度等）が変化した場合や経年変化が生じた場合あるいは移動等の対象となる物体の質量が変化した場合においても、それぞれの変化に応じて所定の制御パラメータを推定して適切なアシスト力を発生させることができる。したがって、このようにパワーアシスト装置の周囲環境が変化した場合等であっても、操作感の悪さを操作者に与え難いので、操作感を向上することができる。また、運搬する都度、物体の質量が異なる場合があっても、物体の質量の変化に応じて所定の制御パラメータを推定するので、当該物体の質量の変化に関する制御パラメータを入力する操作等が不要になる。したがって、入力操作等の必要から生じ得る作業効率の低下を防止することができる。
【００１２】
また、請求項２のパワーアシスト装置では、請求項１において、前記所定の制御パラメータは、少なくとも前記物体の質量を含むものであることを技術的特徴とする。
【００１３】
請求項２の発明では、所定の制御パラメータは、少なくとも物体の質量を含むものであることから、特に、移動等の対象となる物体の質量が変化した場合に操作感を向上することができる。また、運搬する都度物体の質量が異なる場合にも当該物体の質量の変化に関する制御パラメータを入力する操作等が不要になるため、入力操作等の必要から生じ得る作業効率の低下を防止することができる。
【００１４】
さらに、請求項３のパワーアシスト装置では、請求項１において、前記所定の制御パラメータは、前記アシスト機構を構成する可動部の粘性抵抗であることを技術的特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明では、所定の制御パラメータは、アシスト機構を構成する可動部の粘性抵抗であることから、特に、パワーアシスト装置の周囲環境（例えば温度や湿度等）が変化した場合や経年変化が生じた場合に操作感を向上することができる。「可動部の粘性抵抗」とは、例えば、アシスト機構を構成する、軸部材とそれを受ける軸受部材との間やボールねじと雌ねじ管との間等に介在する潤滑剤等による粘性抵抗のことである。
【００１６】
さらにまた、請求項４のパワーアシスト装置では、請求項１において、前記所定の制御パラメータは、前記アシスト機構を構成する可動部の摩擦抵抗であることを技術的特徴とする。
【００１７】
請求項４の発明では、所定の制御パラメータは、アシスト機構を構成する可動部の摩擦抵抗であることから、特に、パワーアシスト装置の周囲環境（例えば温度や湿度等）が変化した場合、経年変化が生じた場合や可動部の位置により摩擦抵抗が変化する場合等に操作感を向上することができる。「可動部の摩擦抵抗」とは、例えば、アシスト機構を構成する、軸部材とそれを受ける軸受部材との間やボールねじと雌ねじ管との間あるいはガイドレールと移動輪との間に発生する摩擦抵抗のことである。
【００１８】
また、請求項５のパワーアシスト装置では、請求項１において、前記所定の制御パラメータは、前記物体の位置であることを技術的特徴とする。
【００１９】
請求項５の発明では、所定の制御パラメータは、物体の位置であることから、例えば、位置センサにより物体の位置を検出した場合に含まれがちなノイズ成分の影響を受けることなく、当該位置を高精度に取得することができる。したがって、移動等の対象となる物体の高精度な位置制御を期待できるので、操作者の操作に忠実に物体を移動等させることができ、操作感を向上することができる。
【００２０】
さらに、請求項６のパワーアシスト装置では、請求項１において、前記所定の制御パラメータは、前記物体の移動速度であることを技術的特徴とする。
【００２１】
請求項６の発明では、所定の制御パラメータは、物体の移動速度であることから、例えば、速度センサにより物体の移動速度を検出した場合や位置センサにより物体の位置を検出した場合に含まれがちなノイズ成分の影響を受けることなく、当該移動速度を高精度に取得することができる。したがって、移動等の対象となる物体の高精度な位置制御を期待できるので、操作者の操作に忠実に物体を移動等させることができ、操作感を向上することができる。
【００２２】
さらにまた、請求項７のパワーアシスト装置では、請求項２において、少なくとも前記物体の質量を測定する質量測定手段を備えることを技術的特徴とする。
【００２３】
請求項７の発明では、少なくとも物体の質量を測定する質量測定手段を備えることから、物体の質量については推定手段により推定する必要がない。これにより、物体の質量の変化に対して、特にリアルタイムに追従しなければならない場合に操作感を向上することができる。また、運搬する都度物体の質量が異なる場合にも、当該物体の質量の変化に関する制御パラメータを入力する操作等が不要になるため、入力操作等の必要から生じ得る作業効率の低下を防止することができる。
【００２４】
また、請求項８のパワーアシスト装置では、請求項１〜７のいずれか一項において、前記推定手段は、カルマンフィルタによるものであることを技術的特徴とする。
【００２５】
請求項８の発明では、推定手段は、カルマンフィルタによるものであることから、所定の制御パラメータとして、物体の質量・位置・移動速度、可動部の粘性抵抗・摩擦抵抗を推定することができる。したがって、これら物体の質量・位置・移動速度、可動部の粘性抵抗・摩擦抵抗の変化に応じた適切なアシスト力を発生させることができる。
【００２６】
さらに、請求項９のパワーアシスト装置では、請求項２〜４、７のいずれか一項において、前記推定手段は、逐次最小二乗法によるものであることを技術的特徴とする。
【００２７】
請求項９の発明では、推定手段は、逐次最小二乗法によるものであることから、所定の制御パラメータとして、物体の質量、可動部の粘性抵抗・摩擦抵抗を推定することができる。したがって、物体の質量、可動部の粘性抵抗・摩擦抵抗の変化に応じた適切なアシスト力を発生させることができる。
【００２８】
さらにまた、請求項１０のパワーアシスト装置では、請求項５または６において、前記推定手段は、オブザーバによるものであることを技術的特徴とする。
【００２９】
請求項１０の発明では、推定手段は、オブザーバによるものであることから、所定の制御パラメータとして、物体の位置・移動速度を推定することができる。したがって、物体の位置・移動速度の変化に応じた適切なアシスト力を発生させることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のパワーアシスト装置の実施形態を各図に基づいて説明する。
まず、図１〜図４を参照して本実施形態に係るパワーアシスト装置２０の機械的な構成を説明する。
【００３１】
本パワーアシスト装置２０は、主に、フレーム部、駆動部、移動部４０、操作部５０および制御装置６０から構成されており、移動または姿勢変更の対象となるワークＷを操作する操作者Ｍの操作力に基づいてアシスト力を発生させ、当該操作者Ｍを補助する機能を有するものである。なお、図１には、操作者Ｍが、操作部５０に設けられたハンド５７によってワークＷを把持し、本パワーアシスト装置２０によりワークＷを作業台Ｔａ上から作業台Ｔｂ上に移動させようとしている様子が示されている。また、ワークＷは特許請求の範囲に記載の「物体」に相当するものであり、さらに、フレーム部、駆動部、移動部４０および操作部５０は、特許請求の範囲に記載の「アシスト機構」に相当するものである。
【００３２】
図１に示すように、フレーム部は、パワーアシスト装置２０の枠組みを構成するもので、グランド面Ｇに対し略鉛直方向に立設された４本のハリ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄと、グランド面Ｇに対し水平方向にハリ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄに架けられた４本のガイドレール２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄと、により門型のフレームを構成し、それぞれ相互に連結させている。
【００３３】
なお、本実施形態において、ハリ２１ａ、２１ｂ間に架けられるガイドレール２２ａあるいはハリ２１ｃ、２１ｄ間に架けられるガイドレール２２ｃの長手方向をｘ方向、ハリ２１ｂ、２１ｃ間に架けられるガイドレール２２ｂあるいはハリ２１ａ、２１ｄ間に架けられるガイドレール２２ｄの長手方向をｙ方向とする。またグランド面Ｇに対し鉛直方向をｚ方向とする。
【００３４】
図１および図２に示すように、駆動部は、モータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、シャフト３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、ギヤ３３、ベルト３４、移動輪３５、ｘ方向ロッド３６ａ、ｙ方向ロッド３６ｂ、ｚ軸用ボールねじ３８等から構成されている。なお、モータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃは、特許請求の範囲に記載の「アシスト力発生手段」に相当するものである。また、ハリ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄおよびガイドレール２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを除いたその他、シャフト３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、ギヤ３３、ベルト３４、移動輪３５、ｘ方向ロッド３６ａ、ｙ方向ロッド３６ｂ、ｚ軸用ボールねじ３８等は、特許請求の範囲に記載の「可動部」に相当するものである。
【００３５】
モータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃは、後述する制御装置６０により求められたアシスト力を発生するサーボモータで、制御装置６０によって制御されているものである。本実施形態では、例えばＡＣサーボモータを用い、モータ３１ａはｘ方向ロッド３６ａ、モータ３１ｂはｙ方向ロッド３６ｂ、モータ３１ｃは雌ねじ管４３、をそれぞれ駆動可能に構成されている。
【００３６】
なお、本実施形態では、ＡＣサーボモータを用いているが、これに限られることはなく、サーボモータであれば、任意の形態のモータを用いても良い。また、このモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃには、モータ回転角を検出する回転角センサ（エンコーダ）Ｅがそれぞれに設けられており、その検出データは後述する制御装置６０に対して出力されている。
【００３７】
シャフト３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄは、ガイドレール２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに並んで併設されている軸部材で、それぞれの両端部にはギヤ３３が取り付けられているほか、同端部が軸受部材によって回動自在に支持されている。またこれらのうちシャフト３２ｃには、その一端部にモータ３１ａが連結され、同様にシャフト３２ｄの一端部にはモータ３１ｂが連結されている。これにより、モータ３１ａの駆動力によりシャフト３２ｃを、またモータ３１ｂの駆動力によりシャフト３２ｄを、それぞれ回転させることができる。
【００３８】
ベルト３４は、ギヤ３３、ギヤ３３間に架け渡し可能に構成されている帯状の環状部材で、並列に位置するシャフト３２ａ、３２ｃのギヤ３３同士あるいはシャフト３２ｂ、３２ｄのギヤ３３同士の間に架けられている。これにより、モータ３１ａの駆動力によりシャフト３２ｃが回転すると、ベルト３４を介してシャフト３２ａを回転されることができる。また同様にモータ３１ｂの駆動力によってもシャフト３２ｂおよびシャフト３２ｄを回転させることができる。
【００３９】
ｘ方向ロッド３６ａは、後述する中央ベース４１をｘ軸方向に案内可能な軸部材で、その両端には、ガイドレール２２ｂ、２２ｄ上を転動可能な移動輪３５が取り付けられている。そして、当該両端部は、軸受部材によって回動自在に支持されている。この軸受部材には、前述のベルト３４が連結されているため、ｘ方向ロッド移動用のモータ３１ａから出力される駆動トルクは、ギヤ３３、シャフト３２ｃおよびベルト３４を介してｘ方向ロッド３６ａに伝達される。これにより、ベルト３４により伝達された当該駆動トルクによって、ｘ方向ロッド３６ａをｙ軸方向に移動させることができる。
【００４０】
ｙ方向ロッド３６ｂも、ｘ方向ロッド３６ａと同様な構成を採っている。即ち、ｙ方向ロッド３６ｂは、中央ベース４１をｙ軸方向に案内可能な軸部材で、その両端には、ガイドレール２２ａ、２２ｃ上を転動可能な移動輪３５が取り付けられ、さらに当該両端部は、軸受部材により回動自在に支持されている。この軸受部材にもベルト３４が連結されているので、ｙ方向ロッド移動用のモータ３１ｂから出力される駆動トルクは、ギヤ３３、シャフト３２ｄおよびベルト３４を介してｙ方向ロッド３６ｂに伝達される。これにより、ベルト３４により伝達された駆動トルクによって、ｙ方向ロッド３６ｂをｘ軸方向に移動させることができる。
【００４１】
図２および図３に示すように、ｚ軸用ボールねじ３８はねじ棒であり、中央ベース４１の略中央に鉛直方向に貫通するように設けられた雌ねじ管４３とともにねじ送り機構を構成している。本実施形態では、中央ベース４１はｚ軸方向には移動しないので、モータ３１ｃの駆動力によって雌ねじ管４３が時計回りあるいは反時計回りに回転することで、その軸（ｚ軸）方向上下にｚ軸用ボールねじ３８を移動させることができる。
【００４２】
移動部４０は、中央ベース４１を主に構成されている。この中央ベース４１の下面には、前述したｘ方向ロッド３６ａを軸受可能な軸受４２ａと、ｙ方向ロッド３６ｂを軸受可能な軸受４２ｂと、が取り付けられており、さらに略中央には鉛直（ｚ軸）方向に貫通した雌ねじ管４３が回動自在に支持されている。なお、移動部４０も、特許請求の範囲に記載の「可動部」に相当するものである。
【００４３】
これにより、ｘ方向ロッド３６ａおよびｙ方向ロッド３６ｂの移動に伴って、中央ベース４１をｘｙ平面上に自在に移動させることができるので、ｘ方向ロッド３６ａの移動量およびｙ方向ロッド３６ｂの移動量をモータ３１ａの回転角およびモータ３１ｂの回転角により制御することによって、ｘｙ座標系の制御点を決定することができる。また、前述したようにｚ軸用ボールねじ３８とともにねじ送り機構を構成する雌ねじ管４３の回転に伴って、ｚ軸用ボールねじ３８をｚ軸方向に上下動させることができるので、当該ｚ軸用ボールねじ３８のｚ軸方向の移動量をモータ３１ｃの回転角により制御することによってｚ座標系の制御点を決定することができる。
【００４４】
図２および図３に示すように、操作部５０は、主に、操作ハンドル５２、フォースセンサ５４、ロードセル５５、ハンド５７等から構成されており、ｚ軸用ボールねじ３８の下端部に設けられている。なお、操作部５０も、特許請求の範囲に記載の「可動部」に相当するものである。
【００４５】
操作ハンドル５２は、操作者Ｍが両手で握ることのできるように形成された棒状部材で、ｚ軸用ボールねじ３８の径方向両側に突設されている。なお、この操作ハンドル５２の付近には、図略の緊急停止ボタン等の操作スイッチが配列されており、また図略の小型カメラ等が装着されている。これにより、操作部５０から操作者Ｍまでの距離を随時測定することができる。
【００４６】
なお、操作ハンドル５２は、図２および図３に示すように操作者Ｍが両手で握ることのできるように形成された棒状部材状のもののほか、例えば、操作者Ｍが片手で操作可能なジョイスティックであっても良い。「ジョイスティック」とは、パーソナルコンピュータやビデオゲーム機等に用いられるポインティングデバイスの一種で、飛行機の操縦桿のような形状をした操作レバーのことである。
【００４７】
フォースセンサ５４は、操作者Ｍの操作状態を検出するもので、例えば、操作ハンドル５２に加えられた操作力の大きさやその方向を検出することが可能な６軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸、およびｘ軸、ｙ軸、ｚ軸のそれぞれの回転軸ａ軸、ｂ軸、ｃ軸）による力覚センサが用いられる。本実施形態では、６軸のうち、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸についてわかれば足りる。なお、フォースセンサ５４は、特許請求の範囲に記載の「操作状態検出手段」に相当するものである。
【００４８】
ロードセル５５は、ハンド５７に把持された運搬中のワークＷの質量を測定するもので、例えば、重量計が用いられる。このロードセル５５は、特許請求の範囲に記載の「質量測定手段」に相当するものである。なお、フォースセンサ４７およびロードセル５５により検出または測定された検出・測定データは、無線回線または有線回線を介して制御装置６０に対して出力される。
【００４９】
ハンド５７は、ワークＷを把持する機能を有するもので、対向する２本の爪をエアシリンダ等により開閉することによって、ワークＷを掴んだり、放したりすることができるように構成されている。
【００５０】
図４に示すように、制御装置６０は、前述したフォースセンサ５４、ロードセル５５、回転角センサＥ等から送られてくる各種データに基づいて、後述するカルマンフィルタ演算部６１ａやインピーダンス制御部６１ｂを実行するもので、主に、ＣＰＵ６１、インタフェイス（Ｉ／Ｆ）６３、モータ駆動回路６５等から構成されている。なお、この制御装置６０は、特許請求の範囲に記載の「推定手段および演算手段」に相当するものである。
【００５１】
ＣＰＵ６１は、中央演算処理装置であり、図略のＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリとともに所定プログラムに基づいて各種演算処理を実行可能に構成されているものである。本実施形態では、インタフェイス６３を介して入力される操作力およびその方向、運搬中のワークＷの質量、モータ３１ａ等の回転角に基づいて、モータ駆動回路６５へ送出すべき電流指令値を決定しモータ駆動回路６５に出力する処理を行う。なお、図略のＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリには、パワーアシスト装置２０を制御するための制御プログラムや後述するカルマンフィルタ演算部６１ａやインピーダンス制御部６１ｂを実現する処理プログラム等が格納されている。
【００５２】
インタフェイス６３は、ＣＰＵ６１とフォースセンサ５４等のセンサ群との間に介在するもので、Ａ／Ｄ変換や信号レベルの調整等を行い得るものである。
モータ駆動回路６５は、図略のバッテリ、ＰＷＭ変換器、スイッチング回路等から構成されており、チョッパ制御により駆動電流を正弦波にしてモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃに駆動電力を供給し得るものである。
【００５３】
次に、このような構成からなる制御装置６０により演算処理される制御ブロックの構成を図５に基づいて説明する。
図５に示すように、本制御ブロックは、主に、カルマンフィルタ演算部６１ａとインピーダンス制御部６１ｂとにより構成されており、制御装置６０のＣＰＵ６１によって情報処理されるものである。
【００５４】
カルマンフィルタ演算部６１ａでは、後述する拡張カルマンフィルタのアルゴリズムに基づいて、ハンド５７の位置・移動速度、ワークＷの質量を含めた可動部の質量および当該可動部の粘性抵抗・摩擦抵抗を推定する演算処理を行い、推定されたこれらの制御パラメータをインピーダンス制御部６１ｂに出力する処理を行う。そのため、このカルマンフィルタ演算部６１ａには、フォースセンサ５４により検出される操作者Ｍの操作状態（操作力）とインピーダンス制御部６１ｂで計算されモータ３１ａ等に発生させるべきアシスト力や回転角センサＥにより検出されるモータ３１ａ等のモータ回転角に基づくハンド５７の位置が入力され、また必要に応じてロードセル５５により検出されるワークＷの質量に関する情報が入力される。カルマンフィルタ演算部６１ａには、可動部の質量が予め記憶されており、カルマンフィルタ演算部６１ａはワークＷを含めた可動部の質量を推定する。なお、このカルマンフィルタ演算部６１ａにより推定されたハンド５７の位置・移動速度、可動部の質量（ワークＷの質量を含む）および当該可動部の粘性抵抗・摩擦抵抗は、特許請求の範囲に記載の「所定の制御パラメータ」に相当するものである。
【００５５】
インピーダンス制御部６１ｂでは、カルマンフィルタ演算部６１ａにより推定されたハンド５７の位置・移動速度、可動部の質量（ワークＷの質量を含む）および当該可動部の粘性抵抗・摩擦抵抗を用いて、モータ３１ａ等に発生させるべきアシスト力ｆａ  を求め、図略のアシストトルク決定演算部に出力する処理を行う。
【００５６】
即ち、このインピーダンス制御部６１ｂでは、フォースセンサ５４により検出された操作状態（操作力）とカルマンフィルタ演算部６１ａによるこれらの制御パラメータの推定値から、例えば、次式（１）  に示すインピーダンス制御則に従ってアシスト力ｆａ  を計算する。
【００５７】
【数１】
2004277039.tif 000003
但し、ｆａ  はアシスト力、ｆは操作力、ｍ０  は可動部の推定された質量（運搬中のワークＷの質量を含む）、ｃ０  は当該可動部の推定された粘性抵抗、Ｆは当該可動部の推定された摩擦抵抗、ｘｄｏｔ  はハンド５７の移動速度、ｍは仮想質量、ｃは仮想粘性抵抗、ｇは重力加速度を示す。
【００５８】
このようにして求められたアシスト力ｆａ  は、図略のアシストトルク決定演算部（例えばアシストトルクマップ）に入力されることによってモータ３１ａ等に発生させるべきアシストトルク値が決定され、さらに当該アシストトルク値が図略のトルク指令演算部に入力されることよりモータ３１ａ等に一定のアシストトルクを発生させるトルク指令値が演算される。そしてこのトルク指令値がモータ駆動回路６５に出力されることでモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃが駆動されて目標のアシスト力が得られる。
【００５９】
ここで、カルマンフィルタ演算部６１ａにより演算される拡張カルマンフィルタのアルゴリズムの適用例について述べる。まず、パワーアシスト装置２０のｚ軸（ｚ軸用ボールねじ３８）の運動方程式は次式（２）  により表される。
【００６０】
【数２】
2004277039.tif 000004
但し、ｆ’（＝ｆ＋ｆａ）は操作力ｆとアシスト力ｆａ  との合力、ｘｄｏｔｄｏｔはハンド５７の加速度を示す。
【００６１】
また、カルマンフィルタを構成する出力をハンド５７の位置とし、状態変数ベクトルＺｔ  および出力ベクトルＹｔ  を用いると、観測ノイズＷｔ  またはシステムノイズＶｔ  を含めた離散時間のシステム方程式は次式（３）  により、また同様に観測方程式は次式（４）  により、それぞれ表すことができる。なお、ｔは離散時間系におけるサンプリングステップを意味する。
【００６２】
【数３】
2004277039.tif 000005
【００６３】
ただし、
【数４】
2004277039.tif 000006
Δｔはサンプリングタイムを表す。
【００６４】
これらのシステムを次式（６）  〜式（１１）に示す拡張カルマンフィルタのアルゴリズムに適用することにより、ハンド５７の位置、移動速度、可動部の質量（ワークＷの質量を含む）、可動部の粘性抵抗、可動部の摩擦抵抗を示すベクトルＺを推定することができる。
【００６５】
【数５】
2004277039.tif 000007
但し、Ｋｔ  はカルマンゲイン、Ｐは推定誤差共分散行列、Ｑｔ  は、システムノイズＶｔ  の共分散行列、Ｒｔ  は、観測ノイズＷｔ  の共分散行列を示す。
【００６６】
このように拡張カルマンフィルタのアルゴリズムが適用されることによって、カルマンフィルタ演算部６１ａでは、ハンド５７の位置・移動速度、可動部の質量（ワークＷの質量を含む）および当該可動部の粘性抵抗・摩擦抵抗が推定される。
【００６７】
ここで、本願発明者らは、ハンド５７の位置・移動速度のみをカルマンフィルタ演算部６１ａにより推定しながら操作ハンドル５２を操作した場合における当該ワークＷの質量変化による影響を実験により調べたので、その結果を図６を参照して説明する（以下、この実験を「実験Ｉ」という。）。なお、可動部の質量（当該ワークＷの質量を含む）は２９．５ｋｇ、可動部の粘性抵抗は２８０Ｎｓ／ｍ  、可動部の摩擦抵抗は４５Ｎを用いた。またカルマンフィルタに関するパラメータとしてＱｔ  、Ｒｔ  は次式（１２）の値を用いた。またワークＷの質量は７．５ｋｇに設定されている。さらに操作者Ｍによる操作ハンドル５２の操作方向はｚ軸方向のみである。
【００６８】
【数６】
2004277039.tif 000008
【００６９】
またこの実験Ｉは推定値が位置と移動速度だけであるので、前掲の式（５）  のＺｔ  、Ｆ（Ｚｔ  、ｔ）は次式（１３）に示すように表される。
【００７０】
【数７】
2004277039.tif 000009
【００７１】
なお、図６（Ａ）  〜図６（Ｄ）  に示される特性図は、それぞれの横軸が時間（秒）に設定されている。また図６（Ａ）  の縦軸はハンド５７のｚ軸方向の推定位置および実測位置を示し、図６（Ｂ）  の縦軸は推定位置を微分演算して求めた推定速度および実測速度を示している。さらに図６（Ｃ）  の縦軸は推定されたハンド５７の位置および移動速度に基づいてインピーダンス制御部６１ｂにより求められたアシスト力を示し、図６（Ｄ）  の縦軸はフォースセンサ５４により検出された操作力を示している。本実験Ｉでは、２５秒付近でハンド５７からワークＷを離している。
【００７２】
図６（Ａ）  に示すハンド５７の推定位置の特性から、２５秒付近において推定位置が緩やかな上昇を始めていることから、この時点でそれまで把持していたワークＷをハンド５７から離して解放したことを確認できる。即ち、図６（Ｃ）  に示すように２５秒付近では、アシスト力が一定であるにもかかわらず、ハンド５７の位置が上昇しているということは、可動部の質量が軽くなったこと、つまりハンド５７からワークＷを解放したことを意味している。
【００７３】
また、図６（Ｂ）  に示す推定速度の特性から、ハンド５７がワークＷを離す前までは実測速度（図６（Ｂ）  中の実線）と推定速度（図６（Ｂ）  中の破線）とが一致し、それ以降から４２秒付近までは両者は一致していないことがわかる。これは、実験Ｉでは可動部の質量（当該ワークＷの質量を含む）を２９．５ｋｇに固定していることから、ハンド５７からワークＷを解放した以降の実際の質量がワークＷの質量（７．５ｋｇ）分だけ減少したことにより、ハンド５７の移動速度ｘｄｏｔ  を正確に推定できていないことを意味している。
【００７４】
そのため、図６（Ｃ）  に示すように、図６（Ｂ）  に示す推定速度の変動に合わせたアシスト力ｆａ  をモータ３１ｃに発生させている。即ち、カルマンフィルタ演算部６１ａ（前掲の式（５）  ）により推定された操作ハンドル５２の移動速度に基づいてインピーダンス制御部６１ｂ（前掲の式（１）  ）によってアシスト力ｆａ  が算出されたため、図６（Ｃ）  に示すような特性になっている。またインピーダンス制御部６１ｂにより算出されるアシスト力ｆａ  には、操作力ｆの項も含まれるため（式（１）  参照）、図６（Ｄ）  に示す操作力ｆの影響も反映されていることがわかる。
【００７５】
このようにハンド５７で把持するワークＷの質量が変化する場合においては、当該ワークＷの質量を一定値に設定すると、ワークＷを含めた可動部の質量変化にアシスト力ｆａ  の制御が追従できないため、操作者Ｍに操作の違和感を与える可能性があると考えられる。一方、ハンド５７で把持するワークＷの質量が変化しない場合、例えば、所定の工具等をハンド５７で把持したまま当該工具等により操作者Ｍが作業を行う場合等においては、当該ワークＷの質量を一定値に設定しても、操作者Ｍに操作の違和感を与え難いアシスト制御が可能であると考えられる。
【００７６】
次に、本願発明者らは、ハンド５７の位置・移動速度、質量、可動部の粘性抵抗、可動部の摩擦抵抗をカルマンフィルタ演算部６１ａにより推定しながら操作ハンドル５２を操作した場合における当該ワークＷの質量変化による影響も実験により調べたので、その結果を図７を参照して説明する（以下、この実験を「実験ＩＩ」という。）。なお、カルマンフィルタに関するパラメータとしてＱｔ  、Ｒｔ  は次式（１４）の値を用いた。また、ワークＷの質量および操作ハンドル５２の操作方向は実験Ｉと同様である。
【００７７】
【数８】
2004277039.tif 000010
【００７８】
なお、図７（Ａ）  〜図７（Ｇ）  に示される特性図は、それぞれの横軸が時間（秒）に設定されている。図７（Ａ）  〜図７（Ｄ）  の縦軸は、実験Ｉによる図６（Ａ）  〜図６（Ｄ）  の縦軸と同様に設定されている。さらに図７（Ｅ）  の縦軸はカルマンフィルタ演算部６１ａにより推定された可動部の質量（当該ワークＷの質量を含む）を示し、同様に推定された可動部の粘性抵抗、可動部の摩擦抵抗をそれぞれ図７（Ｆ）  、図７（Ｇ）  の縦軸に設定している。本実験ＩＩでは、１５秒付近でハンド５７でワークＷを掴み、また３０秒付近でハンド５７からワークＷを離している。
【００７９】
図６を参照して説明した実験Ｉでは、ハンド５７の位置・移動速度のみをカルマンフィルタ演算部６１ａにより推定したが、本実験ＩＩでは、可動部の質量（ワークＷの質量も含む）、可動部の粘性抵抗、可動部の摩擦抵抗も推定している。そのため、図７（Ｅ）  示す可動部の推定質量の特性から、ハンド５７によりワークＷを掴んだ１５秒付近から、推定された質量が徐々に増加しやがてワークＷを含めた可動部の総重量である２９．５ｋｇに到達していることが同特性からわかる。また３０秒付近ではハンド５７からワークＷが解放されたことにより、推定された質量が緩やかに減少している。これにより、質量変化に対するその増減をカルマンフィルタ演算部６１ａによって推定できていることを確認することができる。
【００８０】
また、図７（Ｂ）  に示す推定速度の特性から、１５秒付近および３０秒付近における可動部の質量変化の直後では、ハンド５７の実測速度（図７（Ｂ）  中の実線）とその推定速度（図７（Ｂ）  中の破線）との間に多少のずれが確認されるが、時間経過に伴い推定の確度が向上し両者が一致していることも、同特性から確認することができる。
【００８１】
さらに、図７（Ａ）  に示すハンド５７の推定位置の特性から、３０秒付近においては可動部の質量が変化し、操作力が加わっていない（ｆ＝０）場合でも（図７（Ｄ）  参照）、その後、ハンド５７の位置は±０．１ｍ程度の変化に抑えられていることを確認できる。これは、実験ＩではワークＷを解放した直後から０．５ｍ程度上昇したことに比べて（図６（Ａ）  参照）、可動部の質量も推定している実験ＩＩではこれを大幅に改善していることがわかる。
【００８２】
なお、図７（Ｅ）  に示す推定された可動部の粘性抵抗の特性は、例えば、パワーアシスト装置２０を構成する、シャフト３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄとこのシャフト３２ａ等を回動自在に支持する軸受部材等との間やｚ軸用ボールねじ３８と雌ねじ管４３との間等に介在するグリス等の潤滑剤あるいはテフロン（登録商標）やフッ素系樹脂等の摺動緩衝部材等による可動部の粘性抵抗をカルマンフィルタ演算部６１ａにより推定したものである。
【００８３】
また、図７（Ｇ）  に示す推定された可動部の摩擦抵抗の特性は、例えば、パワーアシスト装置２０を構成する、シャフト３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄとこのシャフト３２ａ等を回動自在に支持する軸受部材等との間やｚ軸用ボールねじ３８と雌ねじ管４３との間、あるいはガイドレール２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄと移動輪３５との間等、に発生する可動部の摩擦抵抗をカルマンフィルタ演算部６１ａにより推定したものである。
【００８４】
このようにハンド５７で把持するワークＷの質量が変化する場合においては、可動部の質量（ワークＷも含む）を推定することによって、ワークＷを含めた可動部の質量が変化してもそれに応じたアシスト力ｆａ  の制御が可能であるため、操作者Ｍに操作の違和感を与え難く、操作感を向上することができる。
【００８５】
また、ロードセル５５により検出されるワークＷの質量に関する情報をカルマンフィルタ演算部６１ａに入力することによって、当該ワークＷを含めた可動部の質量についてはカルマンフィルタ演算部６１ａで推定するのに要する時間が短縮される。これにより、可動部の質量の変化に対して、リアルタイムに追従することが可能となるので、より一層操作感を向上することができる。また運搬する都度可動部の質量が異なる場合にも、当該可動部の質量の変化に関する制御パラメータを入力する操作等が不要になるため、入力操作等の必要から生じ得る作業効率の低下を防止することができる。
【００８６】
以上説明したように、本実施形態に係るパワーアシスト装置２０によると、フォースセンサ５４によりワークＷを操作する操作者Ｍの操作力ｆを検出し、カルマンフィルタ演算部６１ａ（式（５）  ）によりフレーム部、駆動部、移動部４０および操作部５０に係る所定の制御パラメータとしての、ハンド５７の位置ｘ、移動速度ｘｄｏｔ  、可動部の質量ｍ０  （ワークＷの質量を含む）、可動部の粘性抵抗ｃ０  、可動部の摩擦抵抗Ｆを推定する。そして、操作力ｆ、ハンド５７の位置ｘ、移動速度ｘｄｏｔ  、可動部の質量ｍ０  、可動部の粘性抵抗ｃ０  および可動部の摩擦抵抗Ｆに基づいてインピーダンス制御部６１ｂ（式（１）  ）により求められたアシスト力ｆａ  を、モータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃによって発生させる。
【００８７】
これにより、フレーム部、駆動部、移動部４０および操作部５０に係るハンド５７の位置ｘ、移動速度ｘｄｏｔ  、可動部の質量ｍ０  、可動部の粘性抵抗ｃ０  および可動部の摩擦抵抗Ｆには、設計値や既定値を用いることなく、カルマンフィルタ演算部６１ａにより適宜、推定されたものが用いられるので、例えば、パワーアシスト装置２０の周囲環境（例えば温度や湿度等）が変化した場合や経年変化が生じた場合あるいはワークＷの質量が変化した場合においても、それぞれの変化に応じてハンド５７の位置ｘ、移動速度ｘｄｏｔ  、可動部の質量ｍ０  、可動部の粘性抵抗ｃ０  および可動部の摩擦抵抗Ｆを推定して適切なアシスト力を発生させることができる。したがって、このようにパワーアシスト装置２０の周囲環境が変化した場合等であっても、操作感の悪さを操作者に与え難いので、操作感を向上することができる。また、運搬する都度、ワークＷの質量が異なる場合があっても、ワークＷの質量の変化に応じてハンド５７の位置ｘ、移動速度ｘｄｏｔ  、可動部の質量ｍ０  、可動部の粘性抵抗ｃ０  および可動部の摩擦抵抗Ｆを推定するので、ワークＷの質量の変化に関する可動部の質量ｍ０  等を入力する操作等が不要になる。したがって、入力操作等の必要から生じ得る作業効率の低下を防止することができる。
【００８８】
また、本実施形態に係るパワーアシスト装置２０では、モータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃにそれぞれ設けられて個々のモータ回転角を検出可能な回転角センサＥによってハンド５７の位置ｘを検出するとともに、カルマンフィルタ演算部６１ａによってもハンド５７の位置ｘを推定している。これにより、回転角センサＥによる検出情報に含まれがちなノイズ成分の影響を受けることなく、ハンド５７の位置を高精度に取得することができる。したがって、ワークＷの高精度な位置制御を期待できるので、操作者Ｍの操作に忠実にワークＷを移動等させることができ、さらに操作感を向上することができる。
【００８９】
さらに、本実施形態に係るパワーアシスト装置２０では、前述の回転角センサＥによって検出したハンド５７の位置ｘを微分演算することなく、カルマンフィルタ演算部６１ａによりハンド５７の速度ｘｄｏｔ  を推定している。これにより、回転角センサＥによる検出情報に含まれがちなノイズ成分の影響を受けることなく、ハンド５７の移動速度を高精度に取得することができる。したがって、ワークＷの高精度な位置制御を期待できるので、操作者Ｍの操作に忠実にワークＷを移動等させることができ、さらに操作感を向上することができる。
【００９０】
なお、上述した実施形態では、アシスト機構に係る所定の制御パラメータを推定する推定手段として、制御装置６０のＣＰＵ６１により情報処理されるカルマンフィルタ演算部６１ａを例示して説明したが、推定手段はこれに限られることはなく、例えば、逐次最小二乗法やオブザーバによるものであっても良い。
【００９１】
例えば逐次最小二乗法による推定手段として、次に説明するものが挙げられる。パワーアシスト装置２０のｚ軸（ｚ軸用ボールねじ３８）の運動方程式を次式（１５）のようにおく。そして、次式（１６）の線形回帰モデルに変換する。
【００９２】
【数９】
2004277039.tif 000011
ここで、ｘｔ  はｘをサンプリングしたものであり、ｔはサンプリングステップを表す。
【００９３】
【数１０】
2004277039.tif 000012
である。
【００９４】
このとき、θは次の式（１９）により求めることができる。
【００９５】
【数１１】
2004277039.tif 000013
【００９６】
θの推定値が求まれば上式（１８）により、所定の制御パラメータとして、可動部の質量ｍ０  （ワークＷの質量を含む）、可動部の粘性抵抗ｃ０  および可動部の摩擦抵抗Ｆを推定することができる。したがって、これらの制御パラメータの変化に応じた適切なアシスト力をモータ３１ａ等に発生させることができる。
【００９７】
また、例えばオブザーバによる推定手段として、次に説明するものが挙げられる。パワーアシスト装置２０のｚ軸（ｚ軸用ボールねじ３８）の運動方程式を前掲の式（１５）のようにおくと、離散時間の状態方程式は次式（２０）となり、また出力方程式は次式（２１）ととなる。
【００９８】
【数１２】
2004277039.tif 000014
【００９９】
ここで、
【数１３】
2004277039.tif 000015
である。
【０１００】
【数１４】
2004277039.tif 000016
この式（２３）により求めることができる。ここで、Ｋは定数行列である。
【０１０１】
これにより、所定の制御パラメータとして、ハンド５７の位置ｘ、移動速度ｘｄｏｔ  を推定することができるので、これらの制御パラメータの変化に応じた適切なアシスト力をモータ３１ａ等に発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るパワーアシスト装置の機械的構成を示す斜視図で、パワーアシスト装置の上方から見たものである。
【図２】本実施形態に係るパワーアシスト装置の機械的構成を示す斜視図で、パワーアシスト装置のほぼ側方から見たものである。
【図３】本実施形態に係るパワーアシスト装置の機械的構成を示す斜視図で、パワーアシスト装置の下方から見たものである。
【図４】本実施形態に係るパワーアシスト装置の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本実施形態に係るパワーアシスト装置の制御装置による制御機能の構成を示す機能ブロック図である。
【図６】本実施形態に係るパワーアシスト装置において、ワークを掴むハンドの位置・移動速度のみをカルマンフィルタにより推定しながら操作した場合に得られた各種特性を示す特性図で、図６（Ａ）  のハンドの推定位置および実測位置を示し、図６（Ｂ）  は推定速度および実測速度を示し、図６（Ｃ）  は推定されたハンドの位置および移動速度に基づいて求められたアシスト力を示し、図６（Ｄ）  はフォースセンサにより検出された操作力を示す。
【図７】本実施形態に係るパワーアシスト装置において、ワークＷを掴むハンドの位置・移動速度、ワークＷを含めた可動部の質量・粘性係数・摩擦係数をカルマンフィルタにより推定しながら操作した場合に得られた各種特性を示す特性図で、図７（Ａ）  のハンドの推定位置および実測位置を示し、図７（Ｂ）  は推定速度および実測速度を示し、図７（Ｃ）  は推定されたハンドの位置および移動速度に基づいて求められたアシスト力を示し、図７（Ｄ）  はフォースセンサにより検出された操作力を示し、図７（Ｅ）  は推定された可動部の質量を示し、図７（Ｆ）  は推定された可動部の粘性抵抗を示し、図７（Ｇ）  は推定された可動部の摩擦抵抗を示す。
【符号の説明】
２０                            パワーアシスト装置
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ  ハリ        （アシスト機構）
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ  ガイドレール（アシスト機構）
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ          モータ      （アシスト力発生手段）
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ  シャフト    （アシスト機構、可動部）
３３                            ギヤ        （アシスト機構、可動部）
３４                            ベルト      （アシスト機構、可動部）
３５                            移動輪      （アシスト機構、可動部）
３６ａ                      ｘ方向ロッド    （アシスト機構、可動部）
３６ｂ                      ｙ方向ロッド    （アシスト機構、可動部）
３８                        ｚ軸用ボールねじ（アシスト機構、可動部）
４０                        移動部          （アシスト機構、可動部）
４２ａ、４２ｂ              軸受            （アシスト機構、可動部）
４３                        雌ねじ管        （アシスト機構、可動部）
５０                        操作部          （アシスト機構、可動部）
５４                        フォースセンサ  （操作状態検出手段）
５５                        ロードセル      （質量測定手段）
６０                        制御装置        （推定手段、演算手段）
６１                        ＣＰＵ          （推定手段、演算手段）
６１ａ                カルマンフィルタ演算部（推定手段）
６１ｂ                インピーダンス制御部  （演算手段）
Ｗ                          ワーク          （物体）
Ｍ                          操作者
【図１】
2004277039.tif 000017
【図２】
2004277039.tif 000018
【図３】
2004277039.tif 000019
【図４】
2004277039.tif 000020
【図５】
2004277039.tif 000021
【図６】
2004277039.tif 000022
【図７】
2004277039.tif 000023