(57)【要約】【課題】  ロボットアームの質量が人間の腕の質量よりも十分大きい場合でも、人間に似たスイングを再現することができ、且つ、対象とする人間の体格が大きく変化しても制御によりカバーすることができるゴルフスイングロボットを提供すること。【解決手段】  一端部がモータ軸に連結されて、該モータの駆動により一端部を支点として回動可能なアームと、一端部が該アームの他端部に回動可能に連結されるクラブシャフトと、前記アームと前記クラブシャフトの連結部に設けられたセンサと、該センサの計測値に基づいて前記モータに指令を送ることにより、前記アームの動作を制御する制御装置とからなり、前記制御装置は、前記センサによる計測値に基づいてアームの角速度を算出し、該角速度を速度指令値とするインピーダンス制御によりモータを駆動することにより、アームの動作を制御する。【選択図】  図１
2007044297.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端部がモータ軸に連結されて、該モータの駆動により一端部を支点として回動可能なアームと、
一端部が該アームの他端部に回動可能に連結されるクラブシャフトと、
前記アームと前記クラブシャフトの連結部に設けられたセンサと、
該センサの計測値に基づいて前記モータに指令を送ることにより、前記アームの動作を制御する制御装置とからなり、
前記制御装置は、前記センサによる計測値に基づいてアームの角速度を算出し、該角速度を速度指令値とするインピーダンス制御によりモータを駆動することにより、アームの動作を制御することを特徴とするゴルフスイングロボット。
【請求項２】
前記センサが、前記アームの回動動作時において、前記連結部に作用するクラブシャフトからの反力を一定の周期でサンプリングして計測する力覚センサと、前記アームに対するクラブシャフトの回転角度を検出する角度センサとからなることを特徴とする請求項１記載のゴルフスイングロボット。
【請求項３】
前記アームと前記クラブシャフトの連結部に、ばねを介装したことを特徴とする請求項１又は２記載のゴルフスイングロボット。
【請求項４】
前記アームと前記クラブシャフトの連結部に、該アームが一定角度以上回動しないように拘束する拘束手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のゴルフスイングロボット。
【請求項５】
前記アームの長さが可変であることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のゴルフスイングロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はゴルフスイングロボットに関し、より詳しくは、速度指令型のインピーダンス制御によってアームのスイング動作を制御するように構成したゴルフスイングロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ゴルフクラブの性能を適正に評価するためには、実際にボールを打って、ヘッド、シャフト、ボール等の挙動を観察することが必要不可欠である。
しかしながら、人間が試打を行う方法では、プレイヤーの負担が大きい上に、バラツキによる影響を無くすための統計的処理が必要となるという問題がある。
かかる問題点に鑑みて、ゴルフクラブの性能評価のための試打を行う各種のゴルフスイングロボットが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、従来のゴルフスイングロボットによるスイングは、人間のプレイヤーのスイングと一致しているとは言い難いのが実状である。
これは、実際の人間によるゴルフスイングは、プレイヤーの腕と、ゴルフクラブからの反力の力学的相互作用によって行われる運動であるにも拘らず、従来のゴルフスイングロボットでは、各関節部を最初に決められた目標軌道に従って動かしており、人間とクラブとの相互作用が無視されていることが原因であると考えられる。
【０００４】
この問題を解決するためには、ゴルフスイングを図１６に示すような二重振り子でモデル化することが考えられる。尚、図中のJoint１は肩関節、Joint２は手首関節に相当する。
この場合、ロボットのアーム（長さＬ１）の質量を人間の腕の質量と同程度とし、Joint１に人間と同等の駆動トルクを加えれば、人間とロボットの相互作用を考慮することが可能となり、恰も人間がスイングしているような運動が再現可能となると考えられる。
【０００５】
しかしながら、人間のスイング運動を再現するためには、ロボットのアームの質量を人間の腕の質量と同程度となるように軽量化しなければならない。
しかも、人間の腕の質量は体格によって大きく変動するため、対象となるプレイヤーに応じて、異なる質量のアームをその都度用意しなければならない。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１９０７２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記した問題点を解決すべくなされたものであって、ロボットアームの質量が人間の腕の質量よりも十分大きい場合でも、人間に似たスイングを再現することができ、且つ、対象とする人間の体格が大きく変化しても制御によりカバーすることができるゴルフスイングロボットを提供せんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に係る発明は、一端部がモータ軸に連結されて、該モータの駆動により一端部を支点として回動可能なアームと、一端部が該アームの他端部に回動可能に連結されるクラブシャフトと、前記アームと前記クラブシャフトの連結部に設けられたセンサと、該センサの計測値に基づいて前記モータに指令を送ることにより、前記アームの動作を制御する制御装置とからなり、前記制御装置は、前記センサによる計測値に基づいてアームの角速度を算出し、該角速度を速度指令値とするインピーダンス制御によりモータを駆動することにより、アームの動作を制御することを特徴とするゴルフスイングロボットに関する。
【０００９】
請求項２に係る発明は、前記センサが、前記アームの回動動作時において、前記連結部に作用するクラブシャフトからの反力を一定の周期でサンプリングして計測する力覚センサと、前記アームに対するクラブシャフトの回転角度を検出する角度センサとからなることを特徴とする請求項１記載のゴルフスイングロボットに関する。
【００１０】
請求項３に係る発明は、前記アームと前記クラブシャフトの連結部にばねを介装したことを特徴とする請求項１又は２記載のゴルフスイングロボットに関する。
【００１１】
請求項４に係る発明は、前記アームと前記クラブシャフトの連結部に、該アームが一定角度以上回動しないように拘束する拘束手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のゴルフスイングロボットに関する。
【００１２】
請求項５に係る発明は、前記アームの長さが可変であることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のゴルフスイングロボットに関する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るゴルフスイングロボットによれば、角速度を速度指令値とするインピーダンス制御によりモータを駆動してアームの動作を制御する構成を採用したことによって、ロボットアームの質量が人間の腕の質量よりも十分大きい場合でも、人間に似たスイングを再現することができるようになり、しかも、対象とする人間の体格の変化による影響を制御によりカバーすることが可能となる。具体的には、腕の質量による影響をカバーできるようになり、また多少であれば腕の長さによる影響についても制御によりカバーできるようになる。
また、アームとクラブシャフトの連結部にばねを介装することによって、スイング開始時に、連結部に対してクラブシャフトから急激に反力が加わることが抑えられ、より人間に似たスイングを再現することができるようになる。
更に、アームとクラブシャフトの連結部に、アームが一定角度以上回動しないように拘束する拘束手段を設けることによって、スイング開始時において手首部があるコック角以上は回転しなくなり、より人間に似たスイングを再現することができるようになる。
また、アームの長さを可変とすることによって、対象とする人間の腕の長さが大きく変化して、制御のみによるカバーが困難となった場合でも、アームの長さを変えることで、人間に似たスイングを確実に再現することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係るゴルフスイングロボットの好適な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明に係るゴルフスイングロボットの実施形態の一例を示す概略外観図であり、図２はその要部を抽出して模式的に示した図である。
本発明に係るゴルフスイングロボットは、駆動源となるモータ（１）と、該モータの回転軸に連結されたアーム（２）と、該アームに連結されたクラブシャフト（３）と、アーム（２）とクラブシャフト（３）の連結部に設けられたセンサと、該センサの計測値に基づいてモータ（１）に指令を送ることによりアーム（２）の動作を制御する制御装置とを主要構成として具備するものである。
【００１５】
モータ（１）は基板（６）に固定され、その回転軸が基板（６）に対して略垂直に配置されている。
アーム（２）は、その一端部がモータ（１）の回転軸に連結された剛性部材からなり、モータ（１）の駆動に伴って、該一端部を支点として平面内において回動するように構成されている。
このアーム（２）は人間の腕に相当する部分であり、回動支点（モータの回転軸との連結部）は人間の肩関節に相当する部分である。
【００１６】
本発明において、アーム（２）の長さは、特定の長さに固定してもよいが、可変とすることもできる。
アーム（２）の長さを可変とする構造については特に限定されず、例えば、アーム（２）を複数の部材を連結した構造とすることによって実現可能である。
具体的には、複数の筒状部材を入れ子式に連結した構造、複数の部材をヒンジを介して折り畳み式に連結した構造、複数の部材をスライドレールを介してスライド式に連結した構造、アームの長さ方向に伸縮可能なシリンダを介装した構成等を例示することができる。
本発明では、対象とする人間の腕の長さが変化した場合でも、変化量が少なければ後述する制御によって充分にカバーできるが、腕の長さが大きく変化した場合には制御のみではカバーしきれなくなる。
しかし、上記したようにアームの長さを可変とすることによって、対象とする人間の腕の長さが大きく変化した場合でも、人間に似たスイングを確実に再現することができるようになる。
【００１７】
クラブシャフト（３）は、その一端部がアーム（２）の他端部に対してピンジョイントを介して回動可能に連結されている棒状の部材であって、アーム（２）が回動する平面と同一平面内において回動するように構成されている。
このクラブシャフト（３）は人間が持つゴルフクラブに相当する部分であり、その他端部（先端部）にはクラブヘッドに相当する錘が取り付けられている。
【００１８】
アーム（２）とクラブシャフト（３）の連結部は人間の手首関節に相当する部分である。
アーム（２）とクラブシャフト（３）の連結部に設けられたセンサは、力覚センサ（４）と角度センサ（５）とからなる。
力覚センサ（４）は、連結部に作用するクラブシャフト（３）からの反力を一定の周期でサンプリングして計測するものであり、３軸（ｘｙｚ）成分の力と、各軸回りのモーメントを同時に且つ個別に検出することができる６軸力覚センサが好適に用いられる。また、角度センサ（５）としては、エンコーダ等が用いられる。
【００１９】
制御装置は、力覚センサ（４）及び角度センサ（５）の計測値に基づいてアーム（２）の角速度を算出し、該角速度を速度指令値とするインピーダンス制御によりモータ（１）を駆動する。
【００２０】
本発明に係るゴルフスイングロボットは、上述した二重振り子モデルをベースにしており、スイング動作は同一平面内において行われ、肩と手首の２関節が回動する。
ゴルフスイングロボットにおいて、肩関節に相当する部分は、モータ（１）とアーム（２）との連結部（以下、第１連結部と称す）であり、手首関節に相当する部分は、アーム（２）とクラブシャフト（３）との連結部（以下、第２連結部と称す）である。
【００２１】
本発明においては、第２連結部においてアーム（２）とクラブシャフト（３）との間に、スイング開始時にクラブシャフト（３）から急激に反力が加わることを抑えるために、ばねを介装することができる。
更に、本発明においては、アーム（２）とクラブシャフト（３）の連結部（第２連結部）に、スイング開始時にアーム（２）が一定角度以上（具体的にはコック角以上）回動しないように拘束する拘束手段を設けることができる。拘束手段は、例えば、第２連結部のピンジョイントに、一定角度以上の回動を阻止することができるように取り付けたストッパから構成される。
【００２２】
次に、本発明に係るゴルフスイングロボットにおいて制御装置が行う制御動作について、モデル図を用いてその理論を明らかにしつつ説明する。
図３は人間のプレイヤーのモデル図であり、（Ａ）は腕、（Ｓ）は肩、（Ｗ）は手首、（Ｃ）はクラブである。尚、このプレイヤーモデルでは、手首部はストッパのあるピンジョイントとし、腕に既知の駆動トルクが加わることにより、スイングが決定する。
図４はゴルフスイングロボットのクラブシャフト（３）を省略したモデル図であり、「Joint１」は第１連結部、「Joint２」は第２連結部に相当する。
図３と図４のモデルにおいて、腕（アーム）の長さは人間とロボットで同じであるが、質量は人間とロボットでは大きく異なるものとする。
【００２３】
人間の腕は、駆動トルクとクラブから受ける反力の合力により加減速される。
これに基づいて、ロボットのアームを人間の腕と同じ速度でスイングさせることを考える。このとき、人間の腕の駆動トルクＴと、人間の腕関節に当たる回転軸回りの慣性モーメントＪが既知であるとする。
上述したように、ロボットのアーム（２）の先端（シャフトとの連結部）には、クラブシャフト（３）から受ける反力を計測する力覚センサ（４）が取り付けられており、周期Δｔでサンプリングしている。
【００２４】
ある時刻ｔ１に、人間とロボットが同一の運動をしていれば、クラブから人間の腕に作用する反力は、ロボットが計測しているクラブ（クラブシャフト（３））からアーム（２）が受ける反力と等しい。
従って、下式（式１）を用いれば、同じタイミングでの人間の腕の角加速度が計算できる。
【００２５】
【数１】
2007044297.tif 000003
【００２６】
よって、人間の腕の角速度は、一つ前の時刻での角速度が既知であれば、下式（式２）により計算できる。
【００２７】
【数２】
2007044297.tif 000004
【００２８】
ここで、上記（式１）のＦＸ，ＭＺは、図４に示す通りであって、ＦＸはJoint２（第２連結部）においてアーム（２）に対して直角に働く力（クラブシャフトから受ける反力）であり、ＭＺは同じくJoint２（第２連結部）においてアーム（２）に対して働くモーメントである。
【００２９】
上記（式１）及び（式２）により得られる角速度を速度指令値としてロボットアームを動かすことにより、ｔ１＋Δｔの時間においてもロボットは人間と同じ動きをするはずである。従って、初期条件を同一にしておけば、ロボットにおいてもアーム（腕）とクラブシャフト（クラブ）の力学的相互作用が考慮された人間と同様のスイングを再現できると考えられる。
【００３０】
本発明に係るゴルフスイングロボットの制御装置は、上記した原理に基づいてアームの動作をインピーダンス制御するものであって、図５はこの制御方法を表したブロック線図である。
図示の如く、制御装置によるインピーダンス制御は、上記（式１）及び（式２）を用いて角速度を算出し、該角速度を指令値としてモータ（１）へと入力することにより行われ、角速度の算出には、センサによりサンプリングされた計測値（第２連結部に加わる反力Ｆ及びモーメントＭ）が、Δｔ時間毎にフィードバックされて用いられる。
【００３１】
以上説明したように、本発明に係るゴルフスイングロボットは、センサによる計測値に基づいてアームの角速度を算出し、該角速度を速度指令値とするインピーダンス制御にてモータを駆動することにより、アームの動作を制御するように構成されており、これによって、ロボットに人間と同様のスイングを再現することが可能であると考えられる。
【００３２】
次に、上記した速度指令型のインピーダンス制御を利用した本発明のゴルフスイングロボットによって、人間に近いスイングの再現が可能か否かを数値シミュレーションにより検討した結果を示す。
【００３３】
＜シミュレーション１＞
シミュレーションは、マルチボディの動解析ソフトであるVisual Nastran 4D（以下、NASTRANと略）とSimulinkを組み合わせて行った。
人間に相当するモデルは、図６に示すような２重振子で仮定し、表１に示すような簡単な諸元を用いた。
また、速度指令型のインピーダンス制御を利用したロボット（図７参照）は、製作したロボットの表２に示す諸元を用いてモデル化を行った。
但し、クラブについては、比較するモデル同士同じクラブ特性のものを使用する必要がある。従って、クラブの質量については、表１及び表２に示した値は基準値であり、実際にシミュレーションを行う場合にはクラブ特性を変更する。
【００３４】
【表１】
2007044297.tif 000005
【００３５】
【表２】
2007044297.tif 000006
【００３６】
人間モデルでの計算での外力は、肩関節に加わるトルクのみとし、速度指令型のインピーダンス制御を行うロボットモデルでは、人間の緒元を用いて、式（１）、（２）により計算した値を指令値としてモータに角速度を与えるモデルとした。スイング中に加えるトルクは簡単のため一定とし、摩擦や重力による影響は無視した。
【００３７】
仮想の人間のモデル及び速度指令型のインピーダンス制御を用いたロボットの角度の時刻暦波形を図８（ａ）に、角速度の波形を図８（ｂ）に示す。
図８から分かるように、両者の波形はかなりよく一致していた。
この結果から、速度指令型のインピーダンス制御を用いたロボットにより、人間のスイングを再現することが可能であると考えられる。
【００３８】
＜シミュレーション２＞
上記したシミュレーションにおいて用いたNASTRANは、本来、剛体モデルの運動解析を主とするものであるため、クラブシャフトの弾性を再現することはできなかった。
そこで、クラブシャフトを１０箇所に分割し、夫々の部品の拘束を回転ばねとすることによって、仮想的にクラブシャフトの弾性を再現することとした。
また、角速度を強制的に与えてNASTRANでスイングをシミュレーションすると、大きい数値誤差が発生する場合があるため、クラブ固定部のばねを介して角速度を与えることによって、クラブの特性を考慮しつつ角速度で指令を与えた際に起こる誤差の軽減を図った。
また、スイング初期では、手首部であるコック角以上は開かないのが一般的であるため、手首の回転に回転拘束をつけ、その際に、クラブからアームに影響を与える回転モーメントを計測し、それを基にして制御を行った。
【００３９】
速度指令型のインピーダンス制御を利用したロボット（図７参照）は、表３に示す諸元を用いてモデル化を行った。
【００４０】
【表３】
2007044297.tif 000007
【００４１】
以下、シミュレーション２の解析結果を示す。
＜剛体シャフトの場合＞
図９は、モータ20Nｍのトルクを加えた場合のスイングと、角速度によるインピーダンス制御を行った場合のスイングの際のアームの角速度変化を比較した図である。
図１０は、スイングに影響を与える、手首部にかかるアームの回転軌道の接線方向の力を比較した図である。
図９の結果を見る限り、トルク指令の場合と、角速度指令の場合では結果は一致しなかった。その原因としては、図１０から分かるように、クラブからアームにかかる力が、角速度で指令を与えた場合にはクラブ全体に初速度がついてしまっており、それによって、スイング開始時には、アームがクラブに引っ張られる方向に力を受けなければならない筈が、むしろ押されるような結果となっているためであると思われる。
そこで、クラブから急な反力がかかるのを抑えるために、クラブシャフトの固定部（第２連結部）にばねを取り付けた。
図１１はその結果である。図９の場合に比べてかなり似たスイングとなっている。
【００４２】
＜柔軟シャフトの場合＞
次に、クラブシャフトに弾性があった場合でも、角速度制御によって、相互作用の考慮されたスイングが可能であるか検討するためのシミュレーションを行った。
クラブシャフト部を１０箇所に分割し、夫々の関節に回転ばねをつけることによってクラブの弾性を考えた。尚、回転ばねの復元力は10kg/radとした。
また、スイングを行う為にアームに与えるトルクは、時間の経過とともに徐々に増えていくような傾斜トルクで与えるようにしてシミュレーションを行った。
そのスイングの結果を図１２に示す。
【００４３】
図１２のグラフは、クラブの弾性無しで指令値がトルクの場合と、弾性ありで角速度指令の場合のスイングの軌道を比べたものである。尚、図１２において、インピーダンス制御（剛体シャフト）の線と、インピーダンス制御（柔軟シャフト）の線は重なっている。
グラフより、クラブに弾性がある場合でも、手首に拘束がなければ完全な剛体モデルの場合と同じスイングが行われるという結果が得られた。
【００４４】
次に、ゴルフスイング開始時は、一般的に、手首部にあるコック角以上は回転しないと考えられるので、第２連結部のピンジョイントにある一定角度以上回らないようにするための拘束を設け、拘束を受ける際にアームがクラブから受ける回転トルクＭZを計測し、計算を行った。
図１３はそのシミュレーションの様子を、連続で撮影して重ね合わせたものである。
【００４５】
図１４は、クラブの弾性あり且つ手首の拘束ありの場合、クラブの弾性ありで手首の拘束無しの場合、弾性も拘束もない場合の３種類のスイング時のアームの角速度を比較したものである。尚、図１４において、柔軟シャフトの線と剛体シャフトの線は重なっている。
手首部（第２連結部）に拘束を設けたことにより、無い場合に比べてクラブの弾性の影響が大きくでるようになった。また、傾斜トルクによるスイングでは、手首部の拘束があることによって、いわゆるアンコックが始まるタイミングが拘束の無い場合に比べて早い段階で始まっている。
そのため、クラブが十分に加速されず、図のように角速度は３種類の中で最も小さい値となった。
【００４６】
図１５は、３種類のシミュレーションでの夫々のヘッドスピードを示したグラフである。尚、図１５において、柔軟シャフトの線と剛体シャフトの線は重なっている。
このグラフからは、手首部の拘束がない場合、シャフトにはモーメントが加わらないのでクラブシャフトの弾性は余り関係していないように思われる。しかしながら、拘束がある場合、弾性の影響を大きく受けていることが分かる。そして、クラブヘッドの最高速度でも３種類中最も小さい値となっていた。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、ゴルフクラブの特性を評価するためのスイングロボットとして利用される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に係るゴルフスイングロボットの実施形態の一例を示す概略外観図である。
【図２】本発明に係るゴルフスイングロボットの要部を抽出して模式的に示した図である。
【図３】人間のプレイヤーのモデル図である。
【図４】ゴルフスイングロボットのクラブシャフトを省略したモデル図である。
【図５】本発明に係るゴルフスイングロボットにおける制御装置の制御方法を表したブロック線図である。
【図６】シミュレーション１に用いた人間に相当するモデル図である。
【図７】シミュレーション１に用いた速度指令型のインピーダンス制御を利用したロボットを示す図である。
【図８】仮想の人間のモデル及び速度指令型のインピーダンス制御を用いたロボットの（ａ）角度の時刻暦波形と（ｂ）角速度の波形を示す図である。
【図９】シミュレーション２において、モータに２０Nｍのトルクを加えた場合のスイングと、角速度によるインピーダンス制御を行った場合のスイングの際のアームの角速度変化を比較した図である。
【図１０】スイングに影響を与える、手首部にかかるアームの回転軌道の接線方向の力を比較した図である。
【図１１】クラブから急な反力がかかるのを抑えるために、クラブシャフトの固定部（第２連結部）にばねを取り付けた場合のグラフである。
【図１２】クラブの弾性無しで指令値がトルクの場合と、弾性ありで角速度指令の場合のスイングの軌道を比べたグラフである。
【図１３】第２連結部にある一定角度以上回らないようにするための拘束を設け、拘束を受ける際にアームがクラブから受ける回転トルクを計測し、計算を行った場合のシミュレーションの様子を、連続で撮影して重ね合わせた図である。
【図１４】クラブの弾性あり且つ手首の拘束ありの場合、クラブの弾性ありで手首の拘束無しの場合、弾性も拘束もない場合の３種類のスイング時のアームの角速度を比較したグラフである。
【図１５】図１４の３種類のシミュレーションでの夫々のヘッドスピードを示したグラフである。
【図１６】ゴルフスイングを二重振り子でモデル化した図である。
【符号の説明】
【００４９】
１      モータ
２      アーム
３      クラブシャフト
４      力覚センサ
５      角度センサ
【図１】
2007044297.tif 000008
【図２】
2007044297.tif 000009
【図３】
2007044297.tif 000010
【図４】
2007044297.tif 000011
【図５】
2007044297.tif 000012
【図６】
2007044297.tif 000013
【図７】
2007044297.tif 000014
【図８】
2007044297.tif 000015
【図９】
2007044297.tif 000016
【図１０】
2007044297.tif 000017
【図１１】
2007044297.tif 000018
【図１２】
2007044297.tif 000019
【図１３】
2007044297.tif 000020
【図１４】
2007044297.tif 000021
【図１５】
2007044297.tif 000022
【図１６】
2007044297.tif 000023