(57)【要約】  本発明は関節セグメント（５）のアクチュエーター（１）を制御する方法に関し、前記セグメントの慣性Ｊを推定する段階と、前記セグメントの変位の速度（Ｉ）を推定又は測定する段階と、これらの推定値又は測定値に基づいて、前記セグメントのための制御トルクを生成し且つ力感度関数、すなわち（III）を有するパフォーマンス目標に合致する、（II）のタイプの制御法則を合成する段階であって、式（III）中で、Ｋは所望の剛性であり、ｃは所望の減衰速度であり、εは数学的アーチファクト、すなわち（IV）であり、ここで式（IV）中で、Ｇ（ｓ）は前記セグメントの速度（Ｉ）（直線又は角度）と、前記セグメントが受ける外力Ｆとの間の伝達関数（Ｖ）である段階と、このようにして合成された制御法則にしたがって、前記関節セグメントのアクチュエーターを制御する段階と、を含む方法を提供する。
2017531565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
関節セグメント（５）のアクチュエーター（１）を制御する方法をであって、
前記セグメントの慣性Ｊを推定する段階と、
前記セグメントの移動速度数式１を推定又は測定する段階と、
これらの推定値又は測定値に基づいて、前記セグメントのための制御トルクを生成し且つ次式の力感度関数、すなわち、数式２を有するパフォーマンス目標に合致する、数式３のタイプの制御法則を合成する段階であって、ここで、Ｋは所望の剛性であり、ｃは所望の減衰であり、εは数学的アーチファクト、数式４であり、ここで、Ｇ（ｓ）は、前記セグメントの速度数式５（直線又は角度）と、前記セグメントが受ける外力Ｆとの間の伝達関数数式６である段階と、
このようにして合成された制御法則にしたがって、前記関節セグメントのアクチュエーターを制御する段階と、
を含む方法。
【数１】
2017531565.tif 000034
【数２】
2017531565.tif 000035
【数３】
2017531565.tif 000036
【数４】
2017531565.tif 000037
【数５】
2017531565.tif 000038
【数６】
2017531565.tif 000039
【請求項２】
制御合成は、
許容可能な力のすべてに関する所与の閾値を超えてはならない、前記モーターに関する供給電流（又は、制御トルク）に関する制約条件であって、この制約条件は数式７という必要条件によって満たされ、ここで、Ｉは前記アクチュエーターの前記モーターに給電するする電力の強度（又は、前記モーターに必要とされるトルク）であり、且つ、Ｓは決定された閾値である制約条件と、
前記制御法則の極の位置に関する制約条件であり、前記極のすべては、ナイキスト周波数以下の閾値周波数ＦSよりも下方に位置していなければならない制約条件と、
速度／力（ｆｏｒｃｅ）伝達関数数式８がそれにしたがって正実でなければならない受動性制約条件であって、数式９が成立するならば、伝達関数Ｈは正実であるということが想起される制約条件と、
数式１０である位置基準において評価されるセグメント＋コントローラーシステム感度に関連する制約条件と、
数式１１である速度基準において評価される前記セグメント＋コントローラーシステム感度に関連する制約条件と、
その極が不等式数式１２に適合しなければならない閉ループシステムの極の減衰に関連した制約条件であって、ここで、Ｒｅはその極の実部を表す制約条件と、
の内の少なくとも１つの制約条件の下で行われる請求項１に記載の方法。
【数７】
2017531565.tif 000040
【数８】
2017531565.tif 000041
【数９】
2017531565.tif 000042
【数１０】
2017531565.tif 000043
【数１１】
2017531565.tif 000044
【数１２】
2017531565.tif 000045
【請求項３】
前記制御法則の合成において、前記剛性Ｋは、性能すなわち数式１３を目的として、前記感度関数と前記閾値関数の両方における可変的な外因性パラメーターとして明示的に含まれている請求項１に記載の方法。
【数１３】
2017531565.tif 000046
【請求項４】
すべての数式１４に関する問題を解決するために、数式１５の問題が同時に解決される請求項３に記載の方法。
【数１４】
2017531565.tif 000047
【数１５】
2017531565.tif 000048
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット化アームセグメントの見掛け剛性を適合化させることを可能にするロボット化アームセグメントの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボット操作が、接触作業（力フィードバックを伴う、ブッシング、挿入、遠隔操作）を行うための自由空間内での操作（溶接用途、吊り下げ用途、及び、位置決め用途等）から発展させられてきた。
【０００３】
したがって、行先位置と経路の高精度の情報を必要とする純粋な位置フィードバック制御よりはむしろ、マニピュレーターアームが行先位置の不十分な情報に対処することを可能にする、より順応性が高いフィードバック制御が要求されるようになっている。
【０００４】
従来の事例が、マニピュレーターアームによって部品を開口部の中に挿入するタスクである。位置フィードバック制御の場合には、部品を開口部の中に挿入するために開口部の位置の高精度の情報を有することが必要だろう。
【０００５】
この欠点を克服するために、部品の挿入方向における高い剛性という挙動と、横断方向における低い剛性という挙動とを、マニピュレーターアームに与え、及び、開口部の位置の不十分な情報にもかかわらず挿入タスクをマニピュレーターアームが行うことを可能にする、インピーダンス又は剛性フィードバック制御を使用することが知られている。
【０００６】
ロボットが構造的に剛体であり、且つ、コントローラーが、比例微分位置（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ  ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ  ｐｏｓｉｔｉｏｎ）、比例積分速度（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ  ｉｎｔｅｇｒａｌ  ｓｐｅｅｄ）  、又は、比例積分微分力修正子（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ  ｉｎｔｅｇｒａｌ  ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ  ｅｆｆｏｒｔ  ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）を使用する場合に、このタイプの制御は使用が比較的に容易である。実際に、解析計算の使用を可能にするロボットの受動性を実現するか否かに係わらず、所望の剛性と、ロボットのモデルのパラメーターと、コントローラーのモデルパラメーターとの間に、厳密な数式が存在する。ロボットの剛性仮説が受け入れ不可能である時は、又は、他のタイプのコントローラーの使用が意図される時には、こうした解析計算は不可能である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、マニピュレーターアームが剛体であると見なされる必要なしに、且つ、必ずしもＰＩＤに単純化（ｒｅｄｕｃｅ）されずに、様々な制御形式に適合化させられることが可能である、所要のタスクに対してマニピュレーターアームの剛性を適合化させることを可能にする制御方法を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
見掛け剛性を変更することは、おそらくは比率ｃの減衰を受ける、剛性Ｋ（直線又は角度）のばねによってフレームに連結された質量（又は慣性）Ｍの物体の理想伝達関数に可能な限り最も近いように、セグメントの速度数式１（直線速度又は角速度）と、そのセグメントが受ける外力Ｆとの間の伝達関数数式２の形式を変更することになる。こうした理想伝達関数が、形式数式３を有することが知られており、
ここで、ｓはラプラス変数である。以下では、ＳF（ｓ）は、経験される力（ｅｆｆｏｒｔ）において評価されるセグメント＋コントローラシステム感度関数（ｓｅｇｍｅｎｔ＋ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  ｓｙｓｔｅｍ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）、すなわち、数式４、として示され、
ここで、Ｊは、制御されるモーターの慣性と他のあらゆる中間要素の慣性とが分離されることが可能である場合に、制御されるモーターの慣性とあらゆる他の中間要素の慣性とを除外した、制御されるセグメントの質量（又は、慣性）である。感度関数が、特定の信号に対して加えられる干渉を伴うフィードバック制御ループの感度を評価するということが想起される。
【０００９】
【数１】
2017531565.tif 000003
【００１０】
【数２】
2017531565.tif 000004
【００１１】
【数３】
2017531565.tif 000005
【００１２】
【数４】
2017531565.tif 000006
【００１３】
この目的を実現するために、本発明は、関節セグメントのアクチュエーターを制御する方法を提案し、この方法は、
そのセグメントの慣性Ｊを推定する段階と、
そのセグメントの移動速度数式５を推定又は測定する段階と、
これらの推定値又は測定値に基づいてそのセグメントの制御トルクを生成し、及び、次式の力感度関数（ｅｆｆｏｒｔ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）、すなわち、数式６を有するパフォーマンス目標に合致する、数式７のタイプの制御法則（ｃｏｎｔｒｏｌ  ｌａｗ）を合成する段階であって、ここで、Ｋは所望の剛性であり、ｃは所望の減衰であり、εは数学的アーチファクトである段階と、
このようにして合成された制御法則にしたがって、関節セグメントのアクチュエーターを制御する段階と、を含む。
【００１４】
【数５】
2017531565.tif 000007
【００１５】
【数６】
2017531565.tif 000008
【００１６】
【数７】
2017531565.tif 000009
【００１７】
本発明の特定の側面では、この制御合成は、次の制約条件の少なくとも１つの下で行われ、即ち、
セグメント＋コントローラーシステムの評価された位置又は速度感度に関する制約条件、即ち、数式８、
すべての容認可能な力に関する特定の閾値を超えてはならないモーターに関する供給電流（又は、制御トルク）に関する制約条件、
制御法則の極（ｐｏｌｅ）の位置に関する制約条件であって、この極のすべてがナイキスト周波数よりも低い閾値周波数より下方に位置していなければならず、
最小減衰ξを有しなければならない制御法則の極（ｐｏｌｅ）の位置に関する制約条件、
力／速度伝達関数が正実（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｒｅａｌ）でなければならない感度制約条件の少なくとも１つの下で行われる。
【００１８】
【数８】
2017531565.tif 000010
【００１９】
本発明は、添付図面の図を参照しながら本発明の非限定的な特定の実施方法の以下の説明を理解することによって、より適切に了解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】ケーブルアクチュエーターによって駆動されるコマニピュレーター（ｃｏｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ）の略図である。
【図２】セグメントと閾値関数とのボード線図を示すグラフである。
【図３】本発明によって実現されるフィードバック制御のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図面を参照すると、本発明は、この場合に、コマニピュレーション（ｃｏｍａｎｉｐｕｌａｉｏｎ）と共に使用されることが可能であるロボットアームの関節セグメントを制御するために使用される。このロボットは、リターンプーリー３の周りと、ヒンジピン６の周りに関節で連結されているセグメント５に達するヒンジプーリー４の周りに巻かれている、ケーブル２を動かすアクチュエータ１を含む。この場合に、アクチュエータは、ボール式変速装置９のナットを駆動する減速歯車８に関連付けられているモーター７を含み、そのナットのソケットスクリューは、そのソケットスクリューの内側を通るケーブル２に連結されている。
【００２２】
本発明では、第１の段階が、ヒンジピン６の周りの関節セグメント５の慣性Ｊを推定することである。この慣性を推定するための様々な方法が知られている。例えば、このセグメントの定義から、そのセグメントを構成する要素のすべての固有の慣性を、ヒンジピン６の周りの慣性に加算し、これらの慣性のすべてを合計することが可能である。
【００２３】
本発明の方法は、関節セグメント５が、あたかもこの関節セグメント５が選択された剛性Ｋを有し且つ減衰（ｄａｍｐｉｎｇ）ｃを受けるかのように、挙動するように、アクチュエーター１に関する制御法則を合成する段階を含む。この減衰は、数式９によって減衰率ξから演繹されることが可能である。
【００２４】
【数９】
2017531565.tif 000011
【００２５】
この目的のために、伝達関数数式１０が測定され、ここで、数式１１は関節セグメント５の速度であり、及び、Ｆは関節セグメント５上に作用する外力である（例えば、そのセグメントが持ち上げる荷物の重量）。変数ｓはラプラス変数である。
【００２６】
【数１０】
2017531565.tif 000012
【００２７】
【数１１】
2017531565.tif 000013
【００２８】
合成数式１２のための従来のツールを使用して、制御法則が決定され、この制御法則の入力が速度数式１３であり、及び、出力が、図３の図に示されているように、この場合に制御電流（又はトルク）Ｉによって表される制御トルクである。この合成は、目標数式１４に合致し、ここで、閾値は数式１５であり、Ｋは所望の剛性であり、及び、ｃは所望の減衰であり、及び、εは、低周波数における無限利得（ｉｎｆｉｎｉｔｅ  ｇａｉｎ）を防止することが意図されている数学的アーチファクトである。
【００２９】
【数１２】
2017531565.tif 000014
【００３０】
【数１３】
2017531565.tif 000015
【００３１】
【数１４】
2017531565.tif 000016
【００３２】
【数１５】
2017531565.tif 000017
【００３３】
このために、ＳF（ｓ）は、受け取られる力において評価されるセグメント＋コントローラーシステムの感度関数数式１６であり、ここで、Ｊはセグメントの質量（又は、慣性）である。Ｇ（ｓ）は、セグメントの速度数式１７（直線又は角度）とそのセグメントが受ける外力Ｆとの間の伝達関数数式１８である。
【００３４】
【数１６】
2017531565.tif 000018
【００３５】
【数１７】
2017531565.tif 000019
【００３６】
【数１８】
2017531565.tif 000020
【００３７】
すなわち、ボード線図における伝達関数ＳF（ｓ）の特性曲線が、閾値関数ＷS（ｓ）の特性曲線よりも下方に位置するということが必要とされる。
【００３８】
その次に、制御法則が、上述したように合成され終わると、この制御法則がアクチュエーターを制御するために使用される。
【００３９】
さらに、本発明の特定の側面では、次の制約条件の少なくとも１つが必要とされ、
許容可能な力のすべてに関する所与の閾値を超えてはならない、モーターに関する供給電流（又は、トルク）に関する制約条件。この制約条件は、数式１９という必要条件によって満たされ、ここで、Ｉは、アクチュエーターのモーターに給電するする電力の強度（又は、モーターに必要とされるトルク）であり、且つ、Ｓは決定された閾値であり、
制御法則の極の位置に関する制約条件であり、この極のすべては、ナイキスト周波数以下の閾値周波数ＦSよりも下方に位置していなければならず、
速度／力（ｓｐｅｅｄ／ｆｏｒｃｅ）伝達関数数式２０がそれにしたがって正実でなければならない受動性制約条件（ｐａｓｓｉｖｉｔｙ  ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ）であって、数式２１であるならば、伝達関数Ｈは正実であるということが想起され、
数式２２である位置基準（ｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）において評価されるセグメント＋コントローラーシステム感度に関連する制約条件であって、ここで、数式２３であり、Ｘはロボットの位置であり、且つ、Ｘrefは位置基準であり、
数式２４である速度基準（ｓｐｅｅｄ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）において評価されるセグメント＋コントローラーシステム感度に関連する制約条件であって、ここで、数式２５、数式２６はロボットの速度であり、且つ、数式２７は速度基準であり、
その極が不等式数式２８に適合しなければならない閉ループシステムの極の減衰に関連した制約条件であって、ここで、Ｒｅはその極の実部を表す。この制約条件の効果は、荷重関数ＷSの形で表現される減衰必要条件を強化することである。
【００４０】
【数１９】
2017531565.tif 000021
【００４１】
【数２０】
2017531565.tif 000022
【００４２】
【数２１】
2017531565.tif 000023
【００４３】
【数２２】
2017531565.tif 000024
【００４４】
【数２３】
2017531565.tif 000025
【００４５】
【数２４】
2017531565.tif 000026
【００４６】
【数２５】
2017531565.tif 000027
【００４７】
【数２６】
2017531565.tif 000028
【００４８】
【数２７】
2017531565.tif 000029
【００４９】
【数２８】
2017531565.tif 000030
【００５０】
下記の具体例では、剛性Ｋは、決められた値に固定されている。しかし、時間の経過に応じて剛性を変化させることが有用である可能性がある。このために、及び、本発明の代替案では、この剛性Ｋは、性能、すなわち数式２９を目的として、感度関数と閾値関数の両方における可変的な外因性パラメーターとして明示的に含まれている。
【００５１】
【数２９】
2017531565.tif 000031
【００５２】
解決されるべき問題のこの定式化では、Ｋは変数と見なされている。数式３０に関して全てのこの問題を解決するためには、数式３１に関する問題を同時に解決することで十分である。
【００５３】
【数３０】
2017531565.tif 000032
【００５４】
【数３１】
2017531565.tif 000033
【００５５】
本発明は上述した説明だけに限定されず、これとは反対に、特許請求項によって定義される範囲内に含まれるあらゆる代替案を含む。特に、アームセグメントの慣性特性（位置、速度、加速度）が、直線移動と角移動の両方に関係することが可能である。
【図１】
2017531565.tif 000049
【図２】
2017531565.tif 000050
【図３】
2017531565.tif 000051
【国際調査報告】
2017531565.tif 000052
2017531565.tif 000053
2017531565.tif 000054
2017531565.tif 000055
2017531565.tif 000056
2017531565.tif 000057