(57)【要約】  第１のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリと第２のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリとの間で通信するように最適に構成された結合デバイス（１６、１１６、２１６、３１６）であって、第１並びに第２のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリが、第１及び第２のそれぞれのアクチュエータを駆動するように構成された第１及び第２のアドミタンスコントローラ（１２ａ、１２ｂ）をそれぞれ有し、第１及び第２のアクチュエータの各々が、第１の質量を有する第１の本体と、第２の質量を有する第２の本体とにそれぞれ接続されており、結合デバイス（１６、１１６、２１６、３１６）が、第１のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリ（１２ａ）から第１の入力力信号（ｆ１）を受信するための第１の入力と、第２のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリ（１２ｂ）から第２の入力力信号（ｆ２）を受信するための第２の入力と、を有する入力ポートと、第１の入力力信号と第２の入力力信号との比較に応じて、ラグランジュ乗数に基づいて、第１のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリへの出力のための第１の出力力信号を導出するように適合されているプロセッサと、を備える、結合デバイス。
2020520036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１アドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリと第２のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリとの間で通信するように最適に構成された結合デバイス（１６、１１６、２１６、３１６）であって、前記第１及び前記第２のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリが、第１及び第２のそれぞれのアクチュエータを駆動するように構成された第１及び第２のアドミタンスコントローラ（１２ａ、１２ｂ）をそれぞれ有し、前記第１及び前記第２のアクチュエータの各々が、第１の質量を有する第１の本体と、第２の質量を有する第２の本体とにそれぞれ接続されており、前記結合デバイス（１６、１１６、２１６、３１６）が、
前記第１のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリ（１２ａ）から第１の入力力信号（ｆ１）を受信するための第１の入力と、前記第２のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリ（１２ｂ）から第２の入力力信号（ｆ２）を受信するための第２の入力と、を有する入力ポートと、
前記第１の入力力信号と前記第２の入力力信号との比較、並びに前記第１並びに前記第２のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリのうちの少なくとも１つの少なくとも１つの特性に応じて、ラグランジュ乗数に基づいて、前記第１のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリへの出力のための第１の出力力信号を導出するように適合されているプロセッサと、を備える、結合デバイス。
【請求項２】
前記ラグランジュ乗数は、前記第１並びに前記第２のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリのうちの少なくとも１つのホロノミック制約に依存する、請求項１に記載の結合デバイス。
【請求項３】
前記少なくとも１つの特性は、前記第１の質量及び前記第２の質量のうちの少なくとも１つの前記質量である、請求項１又は２に記載の結合デバイス。
【請求項４】
前記プロセッサは、前記第２のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリ（１２ｂ）への出力のための第２の出力力信号を導出するように適合されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の結合デバイス。
【請求項５】
前記プロセッサは、前記第１の入力力と前記第２の入力力との力差を、各々が前記他のアセンブリと等価な集中質量で乗算された後に決定する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の結合デバイス。
【請求項６】
前記力差は、方程式デルタ＝（（ｆ１ｍ２）−（ｆ２ｍ１））／（ｍ１＋ｍ２）に従って、前記第１及び第２の質量（ｍ１＋ｍ２）の合計で除算された前記第２の質量（ｍ２）で乗算された前記第１の入力力と、前記第１及び第２の質量（ｍ１＋ｍ２）の前記合計で除算された前記第１の質量（ｍ１）で乗算された前記第２の入力力との間で決定される、請求項５に記載の結合デバイス。
【請求項７】
前記第１並びに前記第２のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリ（１２ａ、１２ｂ）が、前記それぞれの第１の質量（ｍ１）及び第２の質量（ｍ２）を駆動するための異なるギヤ比（ｇ１、ｇ２）を備える場合に動作し、それによって、前記プロセッサが、前記第１及び前記第２のアセンブリのギヤ比の差に応じて、前記第１及び前記第２のアセンブリから入力力の差を導出する、ように適合されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の結合デバイス。
【請求項８】
前記力差は、前記第１及び第２のアセンブリ（１２ａ、１２ｂ）の前記ギヤ比ｇ１及びｇ２の二乗に依存する計算に基づいて決定され、好ましくは、デルタ＝（（ｆ１ｇ１ｍ２）−（ｆ２ｇ２ｍ１））／（ｇ１２ｍ２＋ｇ２２ｍ１））として与えられる、請求項７に記載の結合デバイス。
【請求項９】
前記結合デバイスから前記第１のアセンブリ（１２ａ）への前記第１の出力力は、前記第１のアセンブリギヤ比（ｇ１）によって更に修正され、前記結合デバイスから前記第２のアセンブリ（１２ｂ）への前記第２の出力力は、前記第２のアセンブリギヤ比（ｇ２）によって更に修正される、請求項７又は８に記載の結合デバイス。
【請求項１０】
前記入力ポートは、前記第１のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリから第３の信号、及び前記第２のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリからの第４の信号を受信するように更に適合され、第３及び第４の信号が、前記第１並びに前記第２のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリの変数を表し、それによって、前記結合デバイスが、前記第３及び第４の信号を分析して、前記第３及び第４の信号の両方に依存するラグランジュ乗数に基づく、前記第１並びに前記第２のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリへの出力のための第１及び第２の出力力信号を導出する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の結合デバイス。
【請求項１１】
前記変数は、位置、速度、及び加速度のうちの少なくとも１つであり、好ましくは、前記変数は、前記入力力に基づいて導出された変数であり、好ましくは、ニュートン力学から決定される、請求項１０に記載の結合デバイス。
【請求項１２】
前記変数は、前記それぞれのアセンブリの測定された変数である、請求項１１に記載の結合デバイス。
【請求項１３】
前記プロセッサは、位置入力変数と、仮想ばねの使用との比較をして、前記質量ｍ１及びｍ２の実際の位置を互いに一致したままにすることを可能にする、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の結合デバイス。
【請求項１４】
前記プロセッサは、速度入力変数と、仮想減衰効果の使用との比較をして、前記質量ｍ１及びｍ２の前記位置を互いに一致したままにする効果を達成することを可能にする、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の結合デバイス。
【請求項１５】
前記プロセッサが、最大力設定を可能にし、それによって少なくとも１つのアドミタンスコントローラの、別のアドミタンスコントローラからの「ブレークアウト」を可能にする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の結合デバイス。
【請求項１６】
前記入力ポートは、２つ以上のコントローラアセンブリから入力を受信し、ピアツーピア構成、ピアツー多構成、マスタツースレーブ構成、マスタツー複数スレーブ構成、及び多対多構成、のうちの少なくとも１つを備える複数の構成内の各々に出力フォースフィードバックを提供する、ように構成されている、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の結合デバイス。
【請求項１７】
前記第１及び前記第２の出力力信号が同じである、請求項４に記載の結合デバイス。
【請求項１８】
３つ以上のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリの最適な制御を可能にするように構成された、結合デバイス（１６、１１６、２１６、３１６）であって、各アセンブリが、質量を有する本体に接続されたアクチュエータを駆動するように構成されたアドミタンスコントローラ（１２ａ、１２ｂ）を有し、前記結合デバイス（１６、１１６、２１６、３１６）が、
前記アドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリ（１２ａ、１２ｂ）から、入力力信号（ｆ１、ｆ２）を受信するための入力を有する入力ポートと、
特定のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリの個々の特性に基づいて、及び前記入力力信号の比較に基づいて、前記アドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリの各々への出力のための出力力信号を導出するように適合されたプロセッサと、を備える、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の結合デバイス。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか一項に記載の結合デバイスを備える、アクチュエータの分散システム。
【請求項２０】
一緒に結合された、一対のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリとを備える、請求項１９に記載の分散システム。
【請求項２１】
請求項１〜１８のいずれか一項に記載の結合デバイスを備える、アドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アドミタンス制御アクチュエータを制御することに関する。具体的には、触覚アプリケーションのために、複数の、例えば２つ以上の、アドミタンス制御アクチュエータを、ラグランジュ乗数又は修正されたラグランジュ乗数によって結合することに関し、かつ、１つ、２つ以上のアドミタンス制御アクチュエータを制御するために、（修正された）ラグランジュ乗数を実装する結合コントローラにも関する。
【背景技術】
【０００２】
参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６，０２８，４０９号は、リモート制御システムの両方によって操作される質量の合計を表すシミュレーションされた質量を有するモデルフォロワコントローラを使用することにより、２つのリモート制御システムを結合して、システムのうちの１つを正確に使用することで他のシステムを駆動することを可能にすることが知られている。質量の合計をシミュレーションすることによって、モデルフォロワコントローラは、１つのコントローラ上の操作力を、１つのコントローラの操作可能な質量を移動させるだけでなく、他のコントローラにおいて同等の動きを達成することも可能にする。
【０００３】
アドミタンス制御は、フライトシミュレーションデバイス用のアドミタンスコントローラの使用を記載する米国特許第４，３９８，８８９号で最初に特許された。このタイプの制御では、力は主制御入力として作用し、質量で除算した後の位置出力をもたらし、時間に対して２度積分する。図１は、米国特許第４，３９８，８８９号に記載されているアドミタンス制御ループを示す。この特定のタイプのアドミタンス制御では、測定力と要求力との間の差によって及ぼされる仮想質量を想定してコマンド加速をもたらし、コマンド速度を取得するための時間に関して積分され、再度速度が積分されてコマンド位置をもたらす。コマンド加速度、速度、及び加速度は、アクチュエータ位置を駆動するアクチュエータセットポイント速度を計算するために使用される。
【０００４】
現在の技術の制限には、ｘ１（ｔ）及びｘ２（ｔ）の初期条件が等しい特定の場合にのみ有効であり、制約ｘ１（ｔ）＝ｘ２（ｔ）の特定のソリューションのみを提供し、及び、又は、両方の制御間の結合力がキャップされるブレークアウト挙動をシミュレーションするなどの、特殊な結合挙動を可能にしない、ことが含まれる。本発明は、先行技術のこれら及び他の問題を回避するか、又は少なくとも軽減することを目的とする。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の一態様は、第１のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリと第２のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリとの間で通信するように最適に構成された結合デバイス（１６、１１６、２１６、３１６）であって、第１並びに第２のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリが、第１及び第２のそれぞれのアクチュエータを駆動するように構成された第１及び第２のアドミタンスコントローラ（１２ａ、１２ｂ）をそれぞれ有し、第１及び第２のアクチュエータの各々が、第１の質量を有する第１の本体と、第２の質量を有する第２の本体とにそれぞれ接続されており、結合デバイス（１６、１１６、２１６、３１６）が、
第１のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリ（１２ａ）から第１の入力力信号（ｆ１）を受信するための第１の入力と、第２のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリ（１２ｂ）から第２の入力力信号（ｆ２）を受信するための第２の入力と、を有する入力ポートと、
第１の入力力信号と第２の入力力信号との比較、並びに第１並びに第２アドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリのうちの少なくとも１つの少なくとも１つの特性に応じて、ラグランジュ乗数に基づいて、第１のアドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリへの出力のための第１の出力力信号を導出するように適合されているプロセッサと、を備える、結合デバイスを提供する。
【０００６】
本発明の他の態様及び特徴は、本明細書全体、並びに添付の特許請求の範囲に定義されるものから明らかとなるであろう。
【０００７】
有利なことに、本発明による制御は、力がアドミタンスベースのコントローラの主制御入力である、力及び位置の両方を測定することができるアクチュエータを含む。この特許出願は、各アクチュエータのアドミタンス制御ループ内の要求力に次いで加えられる仮想力を計算するための（修正された）ラグランジュ乗数の使用を記載しており、それによって最適な結合をもたらす。修正されたラグランジュ乗数の使用により、結合されたアクチュエータのシミュレーション、初期条件の問題の解決、結合力のフェード、及びアクチュエータが特定の力レベルまで結合されるブレークアウト条件をシミュレーションすることが可能になる。可能なアプリケーションとしては、ロボット、触覚シミュレーションデバイス及び電気操作デバイス、並びにフライトシミュレーションに使用される制御負荷システムなどのシミュレーションデバイスが含まれる。
【０００８】
加えて、本発明には、１つ以上のアドミタンスコントローラに結合された集中コントローラ、直接結合された（通信している）アドミタンスコントローラのローカル構成、及び例えば分散構成、又は上述のものの混合物が含まれる。アドミタンスコントローラ（単数又は複数）の各々（のセット）に対するこれらの構成オプション間で、混合及び一致させることができる。例えば、各システムが、Ｎ個の結合コントローラ（「ローカル」構成のシステムごとに１個）を使用して結合されている、Ｋ個のアドミタンスコントローラを有する、インターネットを介して接続されたＮ個のシステムを検討する。また、分散システムは、「分散」構成においてＫ個の結合コントローラを使用できるが、他の全てに対しては「ローカル」構成を使用することもできる。有利なことに、アーキテクチャは非常にフレキシブルであり、各結合コントローラにおいて全アドミタンスコントローラからの力入力が必要であり、次いで、各結合コントローラ出力は、任意の所与のアドミタンスコントローラのセットに結合される。加えて、システムは、コントローラがピアツーピア関係又はマスタースレーブ関係を有するように構成することができ、デバイスの多くがマスターの役割を引き受けることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明の詳細な実施形態を、以下の添付図面を参照して、ここで単に例として説明する。
【図１】力入力Ｆ、仮想質量ｍ、位置ｘを有する２次アドミタンスコントローラＹ（ｓ）であり、ｓはラプラス演算子を示す。通常、入力力Ｆは、測定力Ｆｍｅａｓｕｒｅｄと仮想モデル力Ｆｍｏｄｅｌとの両方から構成される。
【図２】先行技術に係る、一対の結合アドミタンスコントローラのモデルである。
【図３】ラグランジュ乗数による結合制御ループである。
【図４】本発明に係る、仮想ばね及び減衰構成要素を含む、修正されたラグランジュ乗数による結合制御ループである。
【図５】ラグランジュ乗数によるギヤ結合制御ループである。
【図６−１】ギヤ結合を含むアドミタンス制御アーキテクチャである。
【図６−２】ギヤ結合を含むアドミタンス制御アーキテクチャである。
【図７】一対のモデルフォロワコントローラがそれぞれのアクチュエータを制御することを可能にする結合デバイスを備える、本発明の第１の実施形態である。
【図８】図７に示すモデルフォロワコントローラ及びアクチュエータの拡大図である。
【図９】本発明に係る、複数のチャネル制御システムを示す概略ブロック図である。
【図１０】本発明に係る、ラグランジュ乗数の一例である。
【図１１】非線形システムの比喩的な表現である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
米国特許第６，０２８，４０９号によって提案される結合ソリューションは、ｘ１及びｘ２の時間に関する初期条件が等しい（又は、少なくともこれらの条件が経時的に満たされる）ことを想定している。結合が有効になる前、又は制御動作中に積分誤差が蓄積するために、位置ｘ１とｘ２とが異なる場合があるため、この想定は常には有効とならない。
【００１１】
この特許出願では、マルチボディダイナミクスからのラグランジュ乗数法に基づく、より堅牢な結合メカニズムが提案されている。次いで、これは、ラグランジュ乗数を追加項で強化することによって更に拡張され、それによって、結合力が、力依存であり、並びに／又は位置及び／若しくは速度に更に依存し得る、特殊な結合挙動のシミュレーションを可能にする。以下の修正されたラグランジュ乗数は、改善を可能にするように決定されている。
【数１】
2020520036.tif 000003
ここで、修正されたラグランジュ乗数ｈａｔλｋは、ラグランジュ乗数λｑ、並びに位置ｘｉ及び速度ｄｏｔｘｉの関数である。
【００１２】
ここで、質量ｍ１、ｍ２、位置ｘ１、ｘ２、及び力ｆ１、ｆ２を有する、２つの自由度システム（ｎ＝２）について、いくつかの例を提示する。直接結合に対してはｘ１（ｔ）＝ｘ２（ｔ）、ギヤ結合に対してはｇ１ｘ１（ｔ）＝ｇ２ｘ２（ｔ）になるように、このシステムを結合するラグランジュ乗数。
【００１３】
初期条件の問題をより良好に処理するために、ｘ１、ｘ２の初期条件が特定の時点（ｔ０）において異なる場合に対処するための修正が、例えば、以下で与えられる。
【数２】
2020520036.tif 000004
【００１４】
修正は、２つの自由度ｘ１とｘ２との間の自然（物理）コントローラとして作用する仮想ばね及びダンパの追加を伴う。このメカニズムの物理的表現は、以下のように表すことができる。
【数３】
2020520036.tif 000005
剛性ｋ及び減衰係数ｃを用いて、ｈａｔλは、修正された結合力を生み出す。
係数ｃ及びｋを調整することによって、修正は、ｘ１とｘ２との間の初期条件の差が経時的にゼロに最小化されることを確実にする。初期条件を一致させる場合、加えられた項はゼロであり、ラグランジュ乗数は無限剛性結合をシミュレーションする。
【００１５】
図３及び図４を参照すると、丁度説明したアクチュエータ制御メカニズムの概略図が表されている。最初に図３を参照すると、力入力１４ａ及び１４ｂをそれぞれ有する、第１のアドミタンスコントローラ１２ａ及び第２のアドミタンスコントローラ１２ｂを備える結合制御アセンブリ１０の概略ブロック図が示されている。制御アセンブリ１０は、ハード結線された電子形態又はコンピュータ制御システム（例えば、マイクロプロセッサ及び／又は他のプログラマブル制御デバイスを備える）で具体化され得る、結合デバイス１６を更に備える。
【００１６】
初期入力力ｆ１及びｆ２（それらのうちの少なくとも１つは、例えば人間の操作者から完全には導出されていない場合にその一部である可能性がある（及びそれらのうちの少なくとも１つは、それぞれのアクチュエータを介した結合デバイスからの信号から完全には導出されていない場合にその一部である可能性がある））は、第１のブロック関数１７ａ及び１７ｂなどの多くの特徴を備える計算アレイ、及びノード１８への入力ポートを介して、結合コントローラ１６に供給される。第１のブロック関数は、その出力がノード１８に供給される、集中質量方程式、例えば、（ｆ１ｍ２）／（ｍ１＋ｍ２）によって修正された力を決定する。得られた力は、ノード１８において、集中質量ｍ２／（ｍ１＋ｍ２）及びｍ１／（ｍ１＋ｍ２）にそれぞれ作用する入力力ｆ１とｆ２との差から導出される。得られたラグランジュ乗数（ラムダ）は、出力２０において、結合デバイス１６から、それぞれのアドミタンスコントローラ１２ａ及び１２ｂの入力２２ａ及び２２ｂに供給される。その後、初期入力ｆ１は、ノード２４ａにおいてラグランジュ乗数によって修正され、ノード２４ａから得られた力は、（アドミタンスコントローラ１２ａにより制御されるアクチュエータが作用する）質量ｍ１、質量ｍ１の速度（ｄｏｔｘ１）及び位置ｘ１で除算することによって加速度（二重ｄｏｔｘ１）を、決定するために使用される。これは、ニュートン力学に基づいて図３に示される、既知の計算及び積分技法によって達成される。同様に、加速度、速度、及び位置のこれら３つの変数が、アドミタンスコントローラ１２ｂがそれぞれのアクチュエータ（図示せず）を介して作用する質量ｍ２に対して決定される。アドミタンスコントローラ１２ａ及び１２ｂの各々からの出力は、それぞれの質量ｍ１及びｍ２を駆動するためのアクチュエータに供給される。
【００１７】
ここで図４を参照すると、仮想ばね及びダンパを備える上述のシステムが、図４に示されている。このブロック図では、図３に関連して示されるものと同じ又は同様の機能を有する構成要素には、番号１にプレフィックスされた同じ２桁の参照番号が与えられている。従って、結合アドミタンスコントローラアセンブリ１１０は、第１のアドミタンスコントローラ１１２ａ及び第２のアドミタンスコントローラ１１２ｂを備える。結合コントローラ１１６は、入力力ｆ１が、例えば、ｍ２／（ｍ１＋ｍ２）の比で乗算することによって修正されるように、図３に示す実施形態のように導出された、得られた力を比較するためのノード１１８を備える。
【００１８】
比較ノード１１８から得られた力は、更なるノード１４０に供給される。ノード１４０への他の入力は、図４に示すように導出される。最初に、比較ノード１３０によってｘ１とｘ２との位置の差が決定され、この差は、摩擦パラメータブロック１３２で示される摩擦定数ｋによって修正される。速度ｄｏｔｘ１とｄｏｔｘ２との比較は比較ノード１３４で行われ、これは、減衰パラメータブロック１３６において示される減衰定数Ｃによって修正される。次いで、減衰ブロック１３６及び摩擦ブロック１３２からの出力が、比較ノード１３８において追加される。ノード１３８から得られた出力は、ノード１１８から出力された力と比較するためにノード１４０に供給され、ラグランジュ乗数が計算ブロック１４２において決定される。
【００１９】
得られたラグランジュ乗数、ｈａｔラムダは、結合コントローラ１１６から、アドミタンスコントローラ１１２ａ及び１１２ｂそれぞれへの入力１２２ａ及び１２２ｂに出力される。再度、入力力ｆ１及びｈａｔラムダの修正がノード１２４ａにおいて行われ、かつ、入力力ｆ２の修正がモード１２４ｂにおいてｈａｔラムダを用いて行われ、それによって、修正が、アセンブリ１１０の構成に応じて適切に力を合計又は減算することを伴う。ここで、ｆ１−ｈａｔラムダは、ノード１２４ａからの適切な出力力をもたらす。アドミタンスコントローラ１１２ａ及び１１２ｂにおける加速度、速度、及び位置のその後の決定は、質量ｍ１及びｍ２の制御を一致させるという有益な効果を有する。
【００２０】
ギヤリングが存在する場合、ｇ１ｘ１＝ｇ２ｘ２であり、従って剛性係数は、ｋ（ｇ１ｘ１−ｇ２ｘ２）となり、減衰係数ｃ（ｇ１ｘ１−ｇ２ｘ２）と同様になる。実際に、初期条件を統一するために仮想ダンパ及びばねを追加できること、これが次いで修正されたラグランジュ乗数部分に組み込まれること、及び使用する式が制約と互換性がある（制約に対して復元させる）必要があること、が明らかとなるであろう。従って、上記の式の決定は、ギヤリングなどの関連する制約に基づいて決定される。
【００２１】
結合力の制限：結合力を制限することにより、２つの触覚制御間のブレークアウト挙動などの特殊効果をシミュレーションすることができる。これは、トルクブレークアウトチューブにより、パイロットと副操縦士が高い力デルタの場合に分離されるように制御することを可能にする、フライトシミュレーションアプリケーションに有用である。
【００２２】
結合力は、以下に従って、ラグランジュ乗数の最大絶対値を制限することによって、キャップすることができる。
【数４】
2020520036.tif 000006
最大結合力レベルラムダ＿ｍａｘを用いて、ｈａｔλは、修正されたラグランジュ乗数を示す。このキャップ又は修正されたラグランジュ乗数は、例えば、図４に示すラグランジュ演算ブロック１４２において決定することができる。同様に、修正されたラグランジュ乗数を使用して摩擦係数ｃを有する摩擦結合をシミュレーションできる方法が、式５に示す例に表わされている。
【数５】
2020520036.tif 000007
【００２３】
本発明に係るラグランジュ乗数の方法は、ギヤ結合などのより複雑な制約に対処するために、更に容易に適用することができる。この場合、制約方程式は、以下であってもよい。
【数６】
2020520036.tif 000008
ここで、ｇ１及びｇ２は、ギヤ定数を表す。再度、仮想ワークの原理、及びラグランジュ乗数を使用することにより、以下が得られる。
【数７】
2020520036.tif 000009
【００２４】
ラムダがノード２１８から得られた乗数として示されている、対応するギヤ及び結合制御ループを図５に示す。
【００２５】
図５を参照すると、先の実施形態と同様の、結合アドミタンスコントローラアセンブリ２１０の第３の実施形態が示されており、ここで同様の構成要素には、数字２でプレフィックスされた同じ２桁の参照番号が与えられている。従って、結合アドミタンスコントローラ構成２１０は、第１のアドミタンスコントローラ２１２ａ及び第２のアドミタンスコントローラ２１２ｂを備える。この実施形態は、それぞれのアドミタンスコントローラ２１２ａ及び２１２ｂによって制御されるアクチュエータのギヤリングの差に基づいてラグランジュ乗数ラムダが再計算されることを除いて、図３に示す実施形態と同様である。従って、ギヤリング乗数ブロックｇ１は、第１のアドミタンスコントローラ２１２ａのモード２２４ａにおける入力としてラムダを再計算するために使用され、同様に、結合コントローラ２１６の一部を形成するギヤリング乗数ブロックｇ２は、第２のアドミタンスコントローラ２１２ｂの一部を形成する比較ノード２２４ｂにおける入力としてラムダを決定するために使用される。
【００２６】
図６−１及び図６−２を参照すると、２つの単一の自由度システムを有する、ギヤ結合の一例のアドミタンス制御アーキテクチャが示されている。図６−１及び図６−２は、機械的要素及び電気的要素を含むギヤ結合の実施形態のためのアーキテクチャ実装であり、仮想減衰／剛性及びギヤリングを含む。本発明による結合アドミタンスコントローラアセンブリ３１０が示されており、ここで先の実施形態と同じ又は同様の機能性を有する構成要素には、数字３によってプレフィックスされた同じ２桁の参照番号が与えられている。従って、ここで、結合デバイス３１６は、図６−１に示されるように式７に基づいてラグランジュ乗数の第１段階を決定する第１のノード３１８を備え、そのギヤシステムについては図５にも表面上示されている。
【００２７】
しかしながら、ここでは、減衰、並びに摩擦ばね及びギヤ構成要素の両方を備える、より複雑なシステムが示されている。加えて、第１アドミタンスコントローラ３１２ａ及び第２アドミタンスコントローラ３１２ｂからの出力は、質量（図示されていないが、例えば、第１のアドミタンスコントローラ３１２ａの場合には再度質量ｍ１）を駆動するモータ上の増幅器まで、コントローラにリンクするように示されている。モータは、単一の自由度で動作して、例えば、アクチュエータロッドを駆動する。力セルが提供されて、測定力フィードバックループをノード３１８まで提供する。加えて、モータは、測定速度センサ及び測定位置センサの両方を備え、これらの測定速度及び測定位置（ｘ１、ｖ１及びｘ２、ｖ２）は、図６−１及び図６−２に示すように、アドミタンスコントローラ３１２ａ及び３１２ｂにそれぞれフィードバックされる。
【００２８】
従って、結合デバイス３１６は、例えば、図４の実施形態に関連して示されるように、それぞれのアドミタンスコントローラ３１２ａ及び３１２ｂからの速度及び位置に関する入力を再度受信する。位置と速度との比較が、比較ノード３３０、３３４、３３８〜比較ノード３４０に供給され、それによって、得られたラグランジュ乗数が計算ブロック３４２において更に計算されて、修正ラグランジュ乗数ラムダ素数が決定できるように、ギヤリング乗算ブロックｇ１及びｇ２を介して、アドミタンスコントローラ３１２ａ及び３１２ｂそれぞれの入力ノード３２４ａ及び３２４ｂにそれぞれ供給される。しかしながら、特に、アドミタンスコントローラ３１２ａ及び３１２ｂは、それぞれ、比較ノード３５０ａ及び３５０ｂを更に備える。これらのノード３５０ａ及び３５０ｂへの入力は、それぞれ、測定位置Ｘ１Ｘ２と、アドミタンスコントローラ３１２ａ及び３１２ｂの両方の第２の積分器１／Ｓからそれぞれ決定された入出力位置にａ及びｂそれぞれに対するばね定数計算ブロック３３を乗算したものと、の比較である、測定速度Ｖ１及びＶ２である。更に、アドミタンスコントローラ３１２ａ及び３１２ｂにより内部的に計算されたばね定数ブロックによって乗算された速度は、比較ノード３５０ａ及び３５０ｂにそれぞれ入力され、最後に、ばね定数による乗算後に再度決定された加速度が、ノード３５０ａ及び３５０ｂへの第４の入力として入力される。得られたコースは、コントローラに及び増幅器上に供給され、それによってモータに、関連する作動ロッドを駆動させる。
【００２９】
図６−１及び図６−２に示す実施形態をチャネルごとに再配置することで、各チャネルは、単一のアドミタンスコントローラ及び単一のアクチュエータとして説明することができる。本発明は、複数の単一チャネルの組み合わせを結合することを可能にする。例えば、特定の触覚コントローラは、入力デバイスにサービス提供するために専用の少なくとも３つのチャネルを必要とし、別の触覚コントローラの６つの自由度入力デバイスは、６つのチャネルを必要とし得る。ｎ個のチャネルを有する医療用ロボットにおけるような仮想ツール又は実際の物理ツールなど、任意の数の出力デバイスを想定することができる。チャネル間の結合は、コンプライアンス及び減衰行列で任意選択的に強化された、ラグランジュ乗数手順を介して行われる。図１０は、２つ以上のシステムを結合するアーキテクチャを示す。有利なことに、各アドミタンスコントローラ及びアクチュエータのアセンブリは、ネットワーク内で独自のアイデンティティを有し、従って独自に制御可能であり、各アセンブリは、等価動作を可能にするように最適に制御されたピアツーピアアセンブリと等価である。
【００３０】
そこで図７を参照すると、結合デバイス３１６がより明確に識別されている、図６−１及び図６−２の実施形態の変形形態が示されている。それは、別個の電子デバイスであってもよく、そうでなくてもよい。例えば、結合デバイス３１６は、例えば、アドミタンスコントローラ及び／又はアクチュエータを備えるシステムの一部を形成してもよい。実際に、そのような結合コントローラは、ネットワーク内の各アセンブリへの適切な出力を決定するために、１つが全ての関連する入力を受信する主結合コントローラとして作用する、２つ以上のそのようなシステムの一部であり得る。
【００３１】
図８は、アドミタンスコントローラ３１２ａ及びアクチュエータによって表され得る、図７からの個々のチャネルをより明確に示す。
【００３２】
結合デバイス３１６は、入力及び出力を備えると同時に、全てのシステム上の位置、速度、及び測定力を考慮して、各システムに対する結合力を出力する計算デバイスとして基本的に挙動する。複数のシステムを結合したい場合、論理的ステップは以下であり、すなわち、制約方程式Ｄ＿ｋ＝０のセットに関して所望の結合を書き留め、記載されているラグランジュ乗数法を使用して制約を解決して、λｋラグランジュ乗数関数を得る、ことである。これにより、結合力を計算するための式が与えられる。結合デバイス３１６は、この得られた式を使用して、位置、速度、及び測定力からの結合力をその出力として計算する。
【００３３】
図９は、減衰及びコンプライアンス関数が含まれるときの線形制約の場合に対する結合ブロックの例示的な仕様を示し、ブレークアウトシミュレーションの可能性が追加されている。線形制約に対するマルチチャネル結合コントローラの仕様は、ラグランジュ乗数（λ）、減衰（Ｃ）、並びにコンプライアンス（Ｋ）及び結合力（ＣＦ）変数を含む。ここで、全体的なシステムは、図６−１及び図６−２、図７、及び図８の２つのアドミタンスコントローラ３１２ａ及び３１２ｂよりも、複数の（ｎ）チャネルを可能にするようにスケーリングされる。図９には、変換関数Ｔ、各アドミタンスコントローラの入力力に対する力関数Ｆ、ラグランジュ関数ラムダ、並びに、例えばコンプライアンスＫ及び減衰Ｃに対する、位置及びベクトル計算機能が示されている。ラグランジュλ、コンプライアンスＫ、減衰Ｃ関数からの出力は、結合力関数ＣＦを使用して各アクチュエータへの制御出力を決定する前に、選択関数Ｕで処理される。
【００３４】
変換関数Ｔは、アクチュエータ入力又は負荷に対する、例えば、アドミタンスコントローラ３１２ａ及び３１２ｂ（又はモデルフォロワドメイン）からの、及びそれらへの、幾何学的変換の両方の関数を実行する。関数Ｔは、ギヤリング及びリンケージによる反射質量又は慣性の影響を考慮する。図６−１及び図６−２は、Ｇ１／Ｇ２ブロックでのこの効果を示しているが、モータアクチュエータ段階における線形ギヤリングを想定している。図９の変換関数Ｔは、任意の段階における線形又は非線形リンケージ、ローディング、及びギヤリングを考慮する、より一般的な形態である。行列要素は、各チャネル間の関係を確立するために使用することができ、チャネル間の非直交クロス結合効果を考慮することができる。
【００３５】
選択関数Ｕは、ベクトル（λ、Ｃ、及びＫベクトル演算からの組み合わせ出力）乗算である。Ｕ選択行列の追加により、各チャネル間の関係を指定すること、又は対角行列要素及び非対角行列要素に追加することによって、任意のチャネル間で、合計ジャンクションを作成すること、若しくはスケーリングを行うことを可能にする。図１０は、クロスチャネル結合がなく、力（Ｆｃｍ）間の合計が選択関数Ｕに合計される、２ＤＯＦシステムの例である。図１０のように、合計は、所望に応じて、Ｕ選択行列の外側にあり得る。この実施例では、スライド及びクーロン摩擦、並びに限定されたコンプライアンス結合をシミュレーションする総結合力の単純な飽和が存在すると想定する。この実施例では、質量効果、コンプライアンス、及び減衰の寄与が、図８のように、単一の飽和演算子を介して考慮される。Ｕ１チャネルとＵ２チャネルとの間の関係は、独立しているか、又はそれらチャネルを、結合力関数ＣＦが追加される方法により相互に関連付けてもよい。Ｕ関数及びＣＦ関数の選択的な追加により、コンプライアンス、減衰、質量効果の個々の寄与又は割合を、各チャネルに適用することができる。任意のタイプの線形又は非線形演算子を力結合関数ＣＦに加えることができ、並びに、非対角行列要素に追加することによって、任意のクロスチャネル効果を加えることができる。それゆえ、これは、結合力関数ＣＦの要素を選択的に追加し、選択関数Ｕを介してチャネルを混合することを通じて関係を規定することによって、各チャネルを互いに対してマッピングする手段を提供する。
【００３６】
各コントローラステップにおいてラグランジュ乗数手順によって推測される仮想結合力を出力するために、結合力関数ＣＦによって実行される計算は、以下のとおりである。
【数８】
2020520036.tif 000010
ここでΛは、図９のΛブロックに対応する。減衰及びコンプライアンスは、一般的な場合、依然として選択され得る速度及び位置の関数であり、それらは、典型的には、制約に関して修復的であるように選択される。線形制約関数Ｄｋの場合、それらは、標準の減衰行列及びコンプライアンス行列に低減され、次いで、図９のように、それぞれ位置及び速度の関数のみとなる。結合に関連する全ての力を合計した後、ブレークアウト挙動は、システム間の結合力を出力として与える前の最終ステップとしてシミュレーションすることができる。
【００３７】
本発明に係るこのアーキテクチャは、例えば、ブレークアウトシミュレーションを用いて、ギヤ結合を順番に配列することを可能にする。また、元の特許における直接結合が、最適なものであることも示す。しかし、これらにのみ限定されるものではなく、例えば、第１のシステムが第２のシステムに対して角度αだけ回転するように結合されるべき、２つの二重アクチュエータシステムも想定することができる。従って、行われる必要がある唯一のことは、この回転に対応する制約を書き留めることであり、必要とされるλパラメータはロールアウトされる。そうして、開発のパワーは、同じアーキテクチャを多くの異なる結合挙動のために使用できること、及び変更する必要があり得る全ては、コマンドされた力からλ計算する方法ということになる。換言すれば、システムを接続するのと同じ方法を、全ての可能な相互接続機能に使用することができ、変化し得る全てはλの計算だけである。本発明は、複数のシステムを一緒に接続する標準的な方法を与えることによって、従来技術を改善する。
【００３８】
アドミタンスコントローラを有するアクチュエータの（インデックスｉでラベル付けされている）セットであって、その一部が同じシステムに属し、他はリモートにあり、これらのアクチュエータの各々に対して測定及びコマンドされた力ｆ＿ｉの合計が、図３〜図６−２の基礎となるアーキテクチャを介して接続されると想定されるとすると、タスクは、所望の結合に対応する結合力を見つけることである。手順の開始点は、所望の結合関係である。これらは、制約方程式Ｄ＿ｋ（ｘ）＝０の（ｋとラベル付けされている）セットとして書き込まれる。次いで、運動方程式を（解析的又は数値的に）解いて、各制約に対してラグランジュ乗数λ＿ｋを１つずつ与えることができ、ここで、各λ＿ｋは入力力ｆ＿ｉの関数である。次いで、マルチボディメカニクスは、Λ＿ｉを合計すると、λ＿ｋが物理的に接続されたシステムの制約力であることを我々に伝える。この時点で、復元力（速度ベースの減衰、位置ベースのばね）などの他の力を追加して、各アクチュエータｉに対する主な（仮の）結合力を与えることができる。次のステップでは、このアーキテクチャ及び手順を使用する際に、結合力が明示的に現れるため、ブレークアウトシミュレーションなどの、他の結合力ベースのシミュレーションを行うことができる。出力は、各アクチュエータｉの最終的な結合力Ｃ＿ｉである。次いで、計算された結合力Ｃ＿ｉに、測定＋コマンドされた力ｆ＿ｉを加えたものが、アクチュエータｉのアドミタンスコントローラの入力に送られる。
【００３９】
ここで、非線形システムの例を見るべく、２つのアドミタンスコントローラの非線形結合の例である図１１を参照すると、１つのコントローラ（Ａ）は、直線内を（−１から＋１に）移動し、他方のコントローラ（Ｂ）は、直線上へのｙの投影を同期させたままにすることによって、ｙが−１から＋１にもなるように、半円で移動する。この所望の結合の制約は、以下のとおりである。
【数９】
2020520036.tif 000011
【００４０】
続くラグランジュ乗数は、以下によって与えられる。
【数１０】
2020520036.tif 000012
【数１１】
2020520036.tif 000013
ここで明確にわかるのは、結合力が、位置及び速度に非線形に依存することである。結合が最適であり、コントローラにおける計算をはるかに迅速にできるため、導出では、代わりに、ｙの正弦と余弦を速度で置き換えることが可能であったことに留意されたい。
【００４１】
ここで、運動方程式が非集中質量行列を特徴とする、２つのアドミタンスコントローラの例示的な結合を検討する。
【数１２】
2020520036.tif 000014
更に、これら２つの間の結合制約は、指数関数的に与えられる。
【数１３】
2020520036.tif 000015
【００４２】
次いで、ラグランジュ乗数は、以下によって与えられる。
【数１４】
2020520036.tif 000016
【数１５】
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結合力を介して実装できる、元の非集中システム方程式から追加された結合質量（μ）項の存在に留意されたい。
【００４３】
最後に、他の利点の中でも、本発明は、有利なことに、触覚制御ループの無限剛性結合を可能にし、かつ、ブレークアウト挙動及び摩擦ベースの（すなわちクラッチ）結合などの特殊なシミュレーション機能を可能にすることを、当業者には留意されたい。これは、初期条件の問題に対処するための安定した方法を提供し、そのようなブレークアウト挙動をシミュレーションする必要がある制御負荷フライトシミュレーションデバイスの分野に非常に適用可能である、無限の剛性ブレークアウト結合を可能にする。本発明は、時間を節約し、複雑な結合制約の実装の品質を改善する、複数の力ベースのアドミタンスループを制約する方法を、非常に一般的かつ容易に実施する方法を記載する。本発明は、記載される実施形態、又は図に示されるものに限定されない。
【図１】
2020520036.tif 000018
【図２】
2020520036.tif 000019
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６−１】
2020520036.tif 000023
【図６−２】
2020520036.tif 000024
【図７】
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【図８】
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【図９】
2020520036.tif 000027
【図１０】
2020520036.tif 000028
【図１１】
2020520036.tif 000029
【国際調査報告】
2020520036.tif 000030
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