(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動部を動作させるアクチュエータに対して供給される上記可動部の目標可動位置情報と、上記可動部が動作したときの実位置情報とに基づいて上記アクチュエータにより上記可動部を動作させる際の上記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御装置において、
上記目標可動位置情報と上記実位置情報との偏差を算出する偏差算出手段と、
上記偏差の積算値を算出する際、現在の上記偏差と１サンプリング前の積算結果である上記積算値との加算結果に対して、「１」以下の減衰係数を乗算することにより上記積算値を算出する積算値算出手段と、
上記積算値が所定の閾値を超えたとき上記アクチュエータを介して上記可動部の動作を停止させる制御手段と
を具えることを特徴とするアクチュエータ制御装置。
【請求項２】
可動部を動作させるアクチュエータに対して供給される上記可動部の目標可動位置情報と、上記可動部が動作したときの実位置情報とに基づいて上記アクチュエータにより上記可動部を動作させる際の上記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御方法において、
上記目標可動位置情報と上記実位置情報との偏差を偏差算出手段によって算出する偏差算出ステップと、
所定の積算値算出手段により上記偏差の積算値を算出する際、現在の上記偏差と１サンプリング前の積算結果である上記積算値との加算結果に対して、「１」以下の減衰係数を乗算することにより上記積算値を算出する積算値算出ステップと、
上記積算値が所定の閾値を超えたことを制御手段が判別したとき、上記アクチュエータを介して上記可動部の動作を停止させるアクチュエータ制御ステップと
を具えることを特徴とするアクチュエータ制御方法。
【請求項３】
四足歩行型ロボットにおける脚部を関節部で回動させるための可動部を動作させるアクチュエータに対して供給される上記可動部の目標可動位置情報と、上記可動部が動作したときの実位置情報とに基づいて上記アクチュエータにより上記可動部を動作させる際の上記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御装置において、
上記目標可動位置情報と上記実位置情報との偏差を算出する偏差算出手段と、
上記偏差の積算値を算出する際、現在の上記偏差と１サンプリング前の積算結果である上記積算値との加算結果に対して、「１」以下の減衰係数を乗算することにより上記積算値を算出する積算値算出手段と、
上記積算値が所定の閾値を超えたとき上記アクチュエータを介して上記可動部の動作を停止させる制御手段と
を具えることを特徴とするアクチュエータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアクチュエータ制御装置及びその方法に関し、例えば家庭内において趣味や娯楽に用いるエンタテインメントロボットの関節部分に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、関節部分を持つロボット装置においては、関節部分を回動するためにモータや減速機等からなるアクチュエータが設けられており、これにより滑らかな動きを実現している。一方、エンタテインメントロボットにおいては、家庭内で飼う犬や猫等に良く似た四足動物の形状を有し、登載されたプログラムに基づいて自律的に行動するようになされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところでかかる構成のエンタテインメントロボットにおいては、足等を曲げたときに関節部分の角度が狭くなり、このとき何らかの異物を挟み込むと、当該異物が障害となって目的とする動きが妨げられる問題があった。
【０００４】
かかる問題点を解決するための一つの方法としてエンタテインメントロボットでは、関節部分の近傍にセンサーを設けて異物を挟み込む前に関節部分の動きを停止する方法が考えられているが、複数存在する関節部分の全てにセンサーを設けると部品点数や配線の増加につながって構成が複雑になるという問題があり、解決策としては未だ不十分であった。
【０００５】
またエンタテインメントロボットにおいては、関節部分に異物を挟み込んだ場合に過大なトルクが減速機に与えられギヤ破損を生じるという問題があった。
【０００６】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、簡易な構成及び方法で関節部近傍の可動部における異物の挟み込みを検出し、挟み込まれた異物を速やかに解放し得るアクチュエータ制御装置及びその方法を提案しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため本発明においては、可動部を動作させるアクチュエータに対して供給される可動部の目標可動位置情報と、可動部が動作したときの実位置情報とに基づいてアクチュエータにより可動部を動作させる際のアクチュエータを制御する場合、目標可動位置情報と実位置情報との偏差を算出し、当該偏差の積算値を算出する際、現在の偏差と１サンプリング前の積算結果である積算値との加算結果に対して、「１」以下の減衰係数を乗算することにより積算値を算出し、積算値が所定の閾値を超えたことを判別したとき、アクチュエータを介して可動部の動作を停止させるようにする。
【０００８】
これにより、偏差が継続して発生し続けるときにはサンプリング毎に積算値が増加し、その増加する積算値がいずれ閾値を超えたときには異常が発生しているとして可動部の動作を停止することが出来る一方、「１」以下の減衰係数を乗算することにより積算値を算出するようにしたことにより、偏差が一瞬だけ発生するときや、目標可動位置に対する実位置が僅かな時間遅れを持って追従している通常動作時には、積算値が「０」に収束し閾値を超えることがないので、誤って可動部の動作を停止することを確実に回避することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。
【００１０】
図１において、１は全体としてエンタテインメントロボットの外観構成を示し、当該エンタテインメントロボット１は全体の縦及び横の寸法が約数十[cm]、その重量が約数[Kg]でなる四足歩行型ロボットである。このエンタテインメントロボット１は、胴体部２の所定位置に頭部３が取り付けられ、当該頭部３が首部３１を支点として上下左右に回動するようになされている。
【００１１】
エンタテインメントロボット１は、胴体部２の下部に左前脚４、左後脚５、右前脚及び右後脚（図示せず）が取り付けられている。左前脚４は、付根部４１、上脚部４２及び下脚部４３によって構成され、それぞれの内部にはモータやギヤ等からなるアクチュエータが設けられている。
【００１２】
付根部４１は胴体部２に固定されており、左前脚４全体の動作を制御するための駆動回路を内蔵している。上脚部４２は、関節部４４において前後方向にそれぞれ 120度ずつ回動すると共に、内側に15度及び外側に90度回動し得るようになされている。また下脚部４３においても、関節部４５で前後方向にそれぞれ 120度ずつ回動し得るようになされている。
【００１３】
同様に左後脚５も、付根部５１、上脚部５２及び下脚部５３によって構成され、それぞれの内部にモータやギヤ等からなるアクチュエータが設けられている。
【００１４】
左後脚５の付根部５１は胴体部２に固定されており、左後脚５全体の動作を制御するための駆動回路を内蔵している。上脚部５２は、関節部５４において前後方向にそれぞれ 120度ずつ回動すると共に、内側に15度及び外側に90度回動し得るようになされている。また下脚部５３においても、関節部５５で前後方向にそれぞれ 120度ずつ回動し得るようになされている。
【００１５】
続いて左前脚４の内部構造を図２及び図３を用いて詳細に説明する。ここで左後脚５、右前脚及び右後脚（図示せず）については、左前脚４の内部構造とほぼ同様の構成であるため説明を省略する。
【００１６】
付根部４１は、ケース４１０内に上脚部４２を駆動するためのモータ４１１を有しており、当該モータ４１１の回転速度を複数枚のギヤからなる減速機４１２によって減速して関節部４４の軸４４１（図３）に伝達することにより、軸４４１の先端に固定された上脚部４２を前後方向にそれぞれ 120度の範囲で回動し得るようになされている。このとき付根部４１は、上脚部４２が回動したときの前後方向における回動角度をポテンショメータでなる位置検出器４１３によって検出するようになされている。
【００１７】
上脚部４２は、ケース４２０内にモータ４２１を有しており、当該モータ４２１の回転速度を複数枚のギヤからなる減速機４２２によって減速してギヤ４２４に伝達する。このギヤ４２４は、ケース４２０に対して回動可能な状態でかつ軸４２４ａが関節部４４の軸４４１に固定されており、これにより上脚部４２が開脚方向及び閉脚方向に回動し得るようになされている。このとき上脚部４２は、開脚方向及び閉脚方向に回動したときの回動角度をポテンショメータでなる位置検出器４２３によって検出するようになされている。
【００１８】
下脚部４３は、ケース４３０内にモータ４３１を有しており、当該モータ４３１の回転速度を複数枚のギヤからなる減速機４３２によって減速して関節部４５のギヤ４５１に伝達する。このギヤ４５１は、上脚部４２のケース４２０に対して固定されると共に、軸４５１ａを介してケース４３０に回動自在に取り付けられている。これにより下脚部４３は、軸４５１ａを中心にして前後方向に回動し得るようになされている。このとき下脚部４３は、前後方向に回動したときの回動角度をポテンショメータでなる位置検出器４３３によって検出するようになされている。
【００１９】
また付根部４１は、ケース４１０内に基板４６を有し、当該基板４６上に駆動回路４７が登載されている。駆動回路４７は、コネクタ４８を介して制御部（図示せず）から送られてくる位置指令信号を受け、当該位置指令信号に基づいてモータ４１１、４２１及び４３１を駆動制御する。
【００２０】
このような内部構造を持つ左前脚４の動作状態について、次の図４を用いて説明する。左前脚４においては、図４（Ａ）に示すように下脚部４３のみを関節部４５を支点として後方に90度回動することができると共に、図４（Ｂ）に示すように下脚部４３を関節部４５を支点として後方に90度回動した状態でかつ上脚部４２を関節部４４を支点として後方に所定角度回動することができる。
【００２１】
このようにエンタテインメントロボット１は、胴体部２に内蔵された制御部（図示せず）により左前脚４の動きを制御するように、頭部３、左後脚５、右前脚及び右後脚（図示せず）についてもその動きを制御することができ、あたかも実際の動物であるように行動させることができる。
【００２２】
ところで、このように関節部４４及び４５を回動したときに、何らかの異常が付根部４１と上脚部４２及び下脚部４３との間で挟まれる可能性があるが、本発明のエンタテインメントロボット１においては異物に対する挟み込みを停止して当該異物を速やかに開放し得るようにアクチュエータを制御するようになされている。
【００２３】
図５に示すように、エンタテインメントロボット１においては胴体部２に本発明によるアクチュエータ制御装置としての挟み込み解除装置１００を内蔵しており、マイクロプロセッサでなる動作生成部１０１によって各回路１０２〜１０５を制御するようになされている。
【００２４】
動作生成部１０１は、上脚部４２を所望角度に回動させるための指示信号Ｓ１を演算部１０２に送出する。演算部１０２は、付根部４１の位置検出器４２３によって検出された上脚部４２の現在の回動角度を表す現在位置信号Ｓ２を入力しており、当該現在位置信号Ｓ２と指示信号Ｓ１との偏差を算出し、これを誤差信号Ｓ３として電力増幅部１０３及び積算部１０４に送出する。
【００２５】
電力増幅部１０３は、誤差信号Ｓ３に応じて増幅した駆動信号Ｓ４をモータ４１１に送出することにより、モータ４１１を回転駆動する。このとき付根部４１の位置検出器４２３は、モータ４１１の回転によって回動した上脚部４２の現在の回動角度を現在位置信号Ｓ２として演算部１０２にフィードバックする。このように挟み込み解除装置１００は、フィードバックループを繰り返すことにより目標位置情報としての指示信号Ｓ１と実位置情報としての現在位置信号Ｓ２との偏差を「０」にするように制御し、上脚部４２を最終的に所望角度に動かすようになされている。
【００２６】
積算部１０４は、誤差信号Ｓ３すなわち指示信号Ｓ１と現在位置信号Ｓ２との偏差Ｃをサンプリング毎に積算することにより積算値Ｓn を算出するようになされており、当該積算値Ｓn は、次式
【００２７】
【数１】
0004066290.tif 000002
【００２８】
によって表される。なお積算値Ｓn-1 は、１サンプリング前の積算結果である。
【００２９】
ここで積算部１０４では、減衰係数Ｋｄを次式
【００３０】
【数２】
0004066290.tif 000003
【００３１】
となるように設定しており、例えば図６に示すように偏差Ｃが「１」で減衰係数Ｋｄ＝１であった場合、積算値Ｓn が減衰することはないが、減衰係数Ｋｄ＝0.9 、0.8 及び0.7 等のように（２）式を満たしていた場合に積算値Ｓn が「０」に収束するようになされている。
【００３２】
すなわち積算部１０４は、減衰係数Ｋｄが（２）式を満たすように設定した場合、異物が挟み込まれて偏差Ｃが所定時間以上継続して発生し続けるときにはサンプリングを行う毎に積算値Ｓn が増加するが、一方で異物が挟み込まれたとしても瞬間的に自然と解放されるような偏差Ｃが一瞬だけ発生するときには、積算値Ｓn が「０」に収束する。そして積算部１０４は、（１）式に基づいて算出した積算値Ｓn を積算結果Ｓ５として比較部１０５に送出する。
【００３３】
比較部１０５は、予め設定しておいた閾値Ｋｓと積算結果Ｓ５である積算値Ｓn とを比較し、当該積算値Ｓn が閾値Ｋｓを越えていた場合に、このことは何らかの異物が挟み困れた状態であると認識し、停止信号Ｓ６を電力増幅部１０３及び動作生成部１０１に送出する。
【００３４】
電力増幅部１０３は、停止信号Ｓ６に基づいて電源をオフ状態に設定するようになされており、このときアクチュエータを構成するモータ４１１への駆動信号Ｓ４の供給が停止されて上脚部４２に対してトルクが与えられなくなり、これにより挟み込まれた異物が解放される。
【００３５】
また動作生成部１０１は、停止信号Ｓ６が与えられると電力増幅部１０３の電源をオン状態にしたときに異物を挟み込む状態に再び戻らないようにするため、指示信号Ｓ１の指示内容をそれまで動作していた方向とは逆方向に動作するように変更すると共に、積算部１０４にリセット信号Ｒ１を送出して積算値Ｓn を「０」にリセットする。
【００３６】
そして動作生成部１０１は、挟み込み状態が解除された後に電力増幅部１０３に開始信号Ｓ７を送出することにより、再び上脚部４２を所望角度に動かす制御を再開するようになされている。
【００３７】
実際上図７に示すように、挟み込み解除装置１００は異物の挟み込みが生じていない場合、指示値に対して上脚部４２の現在値が僅かな時間遅れの後に追従している。この場合挟み込み解除装置１００は、少しの時間遅れによって生じる僅かな偏差Ｃに応じた積算値Ｓn を一時的に発生するが、偏差Ｃは指示値の変化点で僅かに生じるだけであり所定時間以上継続して発生するわけではないので積算値Ｓn は「０」に収束していく。
【００３８】
これに対して図８に示すように、挟み込み解除装置１００は異物の挟み込みが生じた場合、指示値と上脚部４２の現在値との偏差Ｃが大きくかつ偏差Ｃが所定時間以上継続して発生し続けるため、サンプリングを行う毎に積算値Ｓn が増加し、積算値Ｓn が閾値Ｋｓを越えたときに異物が挟み込まれた状態であると判断し、このとき停止信号Ｓ６を出力する。
【００３９】
このような挟み込み解除装置１００における挟み込み解除の処理手順を図９のフローチャートを用いて説明する。動作生成部１０１は、ＲＴ１の開始ステップから入ってステップＳＰ１に移る。ステップＳＰ１において動作生成部１０１は、演算部１０２によって指示信号Ｓ１と現在位置信号Ｓ２とに基づく偏差Ｃを算出し、次のステップＳＰ２に移る。
【００４０】
ステップＳＰ２において動作生成部１０１は、積算部１０４によって積算値Ｓn を算出し、次のステップＳＰ３に移る。ステップＳＰ３において動作生成部１０１は、比較部１０５によって積算値Ｓn が閾値Ｋｓを越えているか否かを判定する。
【００４１】
ここで否定結果が得られると、このことは積算値Ｓn が閾値Ｋｓを越えていないので瞬間的に異物が挟み込まれたものか、あるいは指示信号Ｓ１に対して現在位置信号Ｓ２が所定の時間遅れを持って追従する通常動作時のいずれかであることを表しており、このとき動作生成部１０１はステップＳＰ１に戻って上述の処理を繰り返す。これに対して肯定結果が得られると、このことは積算値Ｓn が閾値Ｋｓを越えたこと、すなわち異物が挟み込まれたものと認識し、このとき動作生成部１０１は次のステップＳＰ４に移る。
【００４２】
ステップＳＰ４において動作生成部１０１は、異物が挟み込まれた状態であるので、挟み込み状態を解除するために電力増幅部１０３の電源をオフ状態に設定してアクチュエータを構成しているモータ４１１の回転を停止させ、次のステップＳＰ５に移る。
【００４３】
ステップＳＰ５において動作生成部１０１は、電力増幅部１０３の電源がオン状態になったときに再度挟み込みが発生しないための挟み込み防止姿勢の措置として、指示信号Ｓ１の指示内容をそれまで上脚部４２が動作していた方向とは逆方向に動作するように変更し、次のステップＳＰ６に移る。
【００４４】
ステップＳＰ６において動作生成部１０１は、挟み込み状態を解除したので積算部１０５に対してリセット信号Ｒ１を供給することにより積算値Ｓn を「０」にリセットし、次のステップＳＰ７に移る。
【００４５】
ステップＳＰ７において動作生成部１０１は、電力増幅部１０３の電源をオン状態にして、再び上脚部４２を所望角度に動かすアクチュエータの制御を再開し、再度ステップＳＰ１に戻って上述の処理を繰り返す。
【００４６】
以上の構成において、エンタテインメントロボット１に内蔵された挟み込み解除装置１００は、動作生成部１０１によって左前脚４の上脚部４２を関節部４４を支点として所望角度に回動するために出力された指示値と、実際に上脚部４２を回動したときの回転角度を表す現在値との偏差Ｃを基に積算値Ｓn を算出し、当該積算値Ｓn に基づいて挟み込み状態を検出すると共に、アクチュエータを構成しているモータ４１１の駆動を停止して上脚部４２の動作を中止することにより、異物の挟み込みを停止して当該異物を解放する。これにより挟み込み解除装置１００は、モータ４１１の駆動力を伝達する減速機４１２に対して過大なトルクを与えずに済むのでギヤ破損を防止することができる。
【００４７】
続いて挟み込み解除装置１００は、動作生成部１０１によってモータ４１１の駆動を停止した後、再度モータ４１１を駆動する際に、再び挟み込みが生じないために指示信号Ｓ１の指示内容をそれまで動作していた方向とは逆方向に動作するように変更すると共に、積算部１０４の積算値Ｓn を「０」にリセットする。
【００４８】
その後挟み込み解除装置１００は、電力増幅部１０３に対して電源がオン状態に設定された場合でも、挟み込みが生じたときのような上脚部４２の曲げ動作を再度行わないための措置がとられたので、開始信号Ｓ７を電力増幅部１０３に送出して通常の動作を再開する。
【００４９】
また挟み込み解除装置１００は、挟み込みが生じない通常動作時にも時間遅れによる指示値と現在値との僅かな偏差Ｃが一時的に発生するが、偏差Ｃが所定時間以上継続して存在しないときには積算値Ｓn が「０」に収束するように（２）式を満たすような減衰係数Ｋｄを設定することにより、一時的に発生する偏差Ｃによって積算値Ｓn がサンプリングする度に増加することを防止する。これにより挟み込み解除装置１００は、通常動作時に挟み込みが生じたと誤判断することを防ぎ、アクチュエータの誤動作を防止することができる。
【００５０】
以上の構成によれば、挟み込み解除装置１００は関節部で上脚部４２を曲げるときのアクチュエータに対する指示値と、実際に曲げたときの現在値との偏差Ｃを基に算出した積算値Ｓn に基づいてアクチュエータを制御することにより、挟み込み状態を確実に検出し、挟み込まれた異物を速やかに解放することができる。
【００５１】
なお上述の実施の形態においては、挟み込みが生じた場合に停止信号Ｓ６を電力増幅部１０３に送出して電源をオフ状態に設定し、電力増幅部１０３の電源を再度オン状態にしたときに挟み込みが生じないように挟み込み防止姿勢への措置をとるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、挟み込みが生じた場合に電力増幅部１０３の電源をオフ状態に設定するのではなくモータ４１１を駆動する駆動力を低減して上脚部４２のトルクを弱くするようにしても良い。
【００５２】
また上述の実施の形態においては、左前脚４の動きを制御するために本発明の挟み込み解除装置１００を用いるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、関節部分であれば左後脚５、右前脚及び右後脚においても挟み込み解除装置１００を用いるようにしても良い。
【００５３】
さらに上述の実施の形態においては、算出手段としての演算部１０２、制御手段としての電力増幅部１０３、積算部１０４、比較部１０５及び動作生成部１０１によってアクチュエータ制御装置としての挟み込み解除装置１００を構成するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、演算部１０２、電力増幅部１０３、積算部１０４及び比較部１０５によって行う処理を動作生成部１０１によって全てソフトウェア的に行うようにしても良い。この場合、上述の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５４】
さらに上述の実施の形態においては、挟み込み解除装置１００によって偏差Ｃを基に算出した積算値Ｓn が閾値Ｋｓを越えていた場合に異物が挟み込まれた状態であることを認識するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、偏差Ｃが所定時間以上継続して存在する場合に異物が挟み込まれた状態であることを検出するようにしても良い。この場合挟み込み解除装置１００は複雑な演算処理を実行することなく挟み込まれた状態であることを容易に認識し短時間で挟み込み状態を解除することができる。
【００５５】
【発明の効果】
上述のように本発明によれば、偏差が継続して発生し続けるときにはサンプリング毎に積算値が増加し、その増加する積算値がいずれ閾値を超えたときには異常が発生しているとして可動部の動作を停止することが出来る一方、「１」以下の減衰係数を乗算することにより積算値を算出するようにしたことにより、偏差が一瞬だけ発生するときや、目標可動位置に対する実位置が僅かな時間遅れを持って追従している通常動作時には、積算値が「０」に収束し閾値を超えることがないので、誤って可動部の動作を停止することを確実に回避することができ、かくして簡易な構成及び方法で関節部近傍の可動部における異物の挟み込みを検出し、挟み込まれた異物を速やかに解放し得るアクチュエータ制御装置及びアクチュエータ制御方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】エンタテインメントロボットの外観を示す略線的概略図である。
【図２】左前脚の側面内部構造を示す略線図である。
【図３】左前脚の正面内部構造を示す略線図である。
【図４】左前脚の動作状態を示す略線図である。
【図５】本発明による挟み込み解除装置の構成を示すブロック図である。
【図６】減衰係数による積算値の変化を示す特性曲線図である。
【図７】挟み込みが生じていない場合の説明に供する特性曲線図である。
【図８】挟み込みが生じた場合の説明に供する特性曲線図である。
【図９】挟み込み解除の処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１……エンタテインメントロボット、４……左前脚、５……右前脚、４１……付根部、４２……上脚部、４３……下脚部、４５……関節部、４１１……モータ、４２３……位置検出器、１００……挟み込み解除装置、１０１……動作生成部、１０２……演算部、１０３……電力増幅部、１０４……積算部、１０５……比較部。
【図１】
0004066290.tif 000004
【図２】
0004066290.tif 000005
【図３】
0004066290.tif 000006
【図４】
0004066290.tif 000007
【図５】
0004066290.tif 000008
【図６】
0004066290.tif 000009
【図７】
0004066290.tif 000010
【図８】
0004066290.tif 000011
【図９】
0004066290.tif 000012