負荷を動かす直列弾性アクチュエータの力制御を提供するための直列弾性アクチュエータ構成であって、前記構成は、前記負荷に連結されるバネと、モーターシャフトおよびギアボックスを含むモーターと、を有し、前記モーターシャフトは前記バネに連結され、前記構成はさらに、前記モーターの前記ギアボックスの出力部に設けられる第1位置センサを有し、前記第1位置センサは前記モーターシャフトの向きを測定し、前記構成はさらに、前記バネの反対側の端部に設けられる第2位置センサを有し、前記第2位置センサは前記負荷の向きを測定し、前記構成はさらに、前記モーターに近接して設けられ、前記第1位置センサおよび前記第2位置センサからセンサ位置信号を受け取る埋め込みプロセッサを有し、前記埋め込みプロセッサは、前記モーターシャフトおよび前記負荷の向き、およびバネ定数に基づいて、バネの実際のトルクを計算し、前記構成はさらに、前記埋め込みプロセッサに参照トルク信号を提供するリモートコントローラを有し、前記埋め込みプロセッサは、前記参照トルクと前記バネ上の実際のトルクとの間の差分を決定し、前記参照トルクと前記実際のトルクが同一になるように前記モーターシャフトの位置を制御する、構成。請求項1に記載の構成であって、前記埋め込みプロセッサは、前記リモートコントローラよりも高速で動作する、構成。請求項1に記載の構成であって、前記埋め込みプロセッサは、約10kHzの速度で動作する、構成。請求項1に記載の構成であって、前記直列弾性アクチュエータは、回転式直列弾性アクチュエータである、構成。請求項1に記載の構成であって、前記負荷はロボットリンクである、構成。請求項5に記載の構成であって、前記ロボットリンクはロボットの腕部である、構成。請求項1に記載の構成であって、前記リモートコントローラは、複数の直列弾性アクチュエータを制御する複数の埋め込みプロセッサにトルク参照信号を提供する、構成。請求項1に記載の構成であって、前記第1位置センサおよび前記第2位置センサは、絶対位置センサである、構成。請求項1に記載の構成であって、前記ギアボックスは大きな減衰ギアボックスである、構成。請求項1に記載の構成であって、前記埋め込みプロセッサ内のサーボループが、前記バネの位置とトルクとの間の関係によりアクチュエータの位置を制御する、構成。請求項1に記載の構成であって、前記埋め込みプロセッサ内のサーボループが、前記バネの位置とトルクとの間の関係によりアクチュエータの位置を制御する、構成。ロボットリンクを動かす直列弾性アクチュエータの力制御を提供する直列弾性アクチュエータ構成であって、前記構成は、前記ロボットリンクに連結される回転バネと、モーターシャフトおよびギアボックスを含むモーターと、を有し、前記モーターシャフトは前記バネに連結され、前記構成はさらに、前記モーターの前記ギアボックスの出力部に設けられ、前記モーターシャフトの向きを測定する第1位置センサと、前記バネが前記ロボットリンクに連結された場所に設けられ、前記ロボットリンクの向きを測定する第2位置センサと、前記モーターに近接して設けられ、前記第1位置センサおよび前記第2位置センサからセンサ位置信号を受け取る埋め込みプロセッサと、を有し、前記埋め込みプロセッサは、前記ロボットリンクおよび前記モーターシャフトの向きに基づいて、前記バネ上の実際のトルクを計算し、前記構成はさらに、前記埋め込みプロセッサに参照トルク信号を提供するリモートコントローラを有し、前記埋め込みプロセッサは、前記参照トルクと前記バネ上の実際のトルクとの間の差分を決定し、前記参照トルクと前記実際のトルクとが同一になるように前記モーターシャフトの位置を制御し、前記埋め込みプロセッサは、前記リモートコントローラよりも高速で動作する、構成。請求項12に記載の構成であって、前記埋め込みプロセッサ内のサーボループが、前記バネの位置とトルクとの間の関係によりアクチュエータの位置を制御する、構成。請求項12に記載の構成であって、前記埋め込みプロセッサ内のサーボループが、前記バネの位置とトルクとの間の関係によりアクチュエータの位置を制御する、構成。請求項12に記載の構成であって、前記埋め込みプロセッサは約10kHzの速度で動作する、構成。請求項12に記載の構成であって、前記ロボットリンクはロボットの腕部である、構成。請求項12に記載の構成であって、前記リモートコントローラは、複数の直列弾性アクチュエータを制御する複数の埋め込みプロセッサにトルク参照信号を提供する、構成。請求項12に記載の構成であって、前記第1位置センサおよび前記第2位置センサは、絶対位置センサである、構成。請求項12に記載の構成であって、前記ギアボックスは、大きな減衰ギアボックスである、構成。負荷を動かす直列弾性アクチュエータの力制御を提供する直列弾性アクチュエータ構成であって、前記構成は、前記負荷に連結されるバネと、モーターシャフトおよび大きな減衰ギアボックスを含むモーターと、を有し、前記モーターシャフトは前記バネに連結され、前記構成はさらに、前記モーターの前記ギアボックスの出力部に設けられる第1絶対位置センサを有し、前記第1絶対位置センサは前記モーターシャフトの向きを測定し、前記構成はさらに、前記バネの反対側の端部に設けられた第2絶対位置センサを有し、前記第2絶対位置センサは前記負荷の向きを測定し、前記構成はさらに、前記モーターに近接して設けられ、前記第1絶対位置センサおよび前記第2絶対位置センサからセンサ位置信号を受け取る埋め込みプロセッサを有し、前記埋め込みプロセッサは、前記モーターシャフトおよび前記負荷の向き、およびバネ定数に基づいて、前記バネの実際のトルクを計算し、前記構成はさらに、前記埋め込みプロセッサに参照トルク信号を提供するリモートコントローラを有し、前記埋め込みプロセッサは、前記参照トルクと前記バネ上の実際のトルクとの間の差分を決定し、前記参照トルクと前記実際のトルクとが同一になるように前記モーターシャフトの位置を制御し、前記埋め込みプロセッサは前記リモートコントローラよりも高速で動作し、前記埋め込みプロセッサ内のサーボループが、前記バネの位置とトルクとの間の関係によりアクチュエータの位置を制御する、構成。0006多くのSEAsの機械的な実現手段は類似しているが、SEA制御にはいくつかの異なるアプローチがある。多くのSEA制御の以前の構成は、SEA出力の力を制御する方法に集中している。初期のSEA制御戦略の1つは、本質的に力エラーのPIDproportionalintegralderivative制御である。付与される力は、弾性素子に取り付けられたひずみゲージを用いて測定される。これは、参照力およびこの誤差の差分と比較される。0007SEA制御の他のアプローチは、力コントローラに連結される内部モーター位置コントローラまたは速度コントローラを用いる。力コントローラは、付与された力と参照力の差分を計算することで力誤差を計算する。PDコントローラは、力誤差に応じて動作し、所望のモーター速度を計算する。この速度参照は、モーター速度コントローラに入力される。モーター速度コントローラは、フィードバックパスに微分器を備えるPIDコントローラとして実装される。0008本発明の教示によれば、力誤差を計算することなく、または、直接的に弾性SEA素子をひずみゲージで測定することなく、SEAにより付与されるトルクを制御するためのSEA構造が開示される。ここで、この構造は、ロボットリンクの位置を制御するための特定の用途を備える。SEA構造は、弾性バネの一端部に連結されるモーターと、弾性バネの反対側の端部に連結される負荷とを有し、モーターはバネを通じて負荷を駆動する。モーターのシャフトの向きは第1位置センサにより測定され、負荷の向きは第2位置センサにより測定される。位置センサからの位置信号は、埋め込まれたプロセッサに送られ、このプロセッサが、モーターシャフトに対する負荷の向きを決定し、バネのトルクを決定する。埋め込まれたプロセッサは、リモートコントローラから参照トルク信号を受け取り、埋め込まれたプロセッサは、所望のジョイントトルクに関して高速サーボループを実行する。リモートコントローラは、インピーダンスまたは位置目標により高次の目標に基づいて望ましいジョイントトルクを決定する。リモートコントローラは、ロボット内のいくつかのSEA構成にトルク命令を提供する。0009本発明の追加的な特徴は、添付図面とともに以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照することにより明らかになるであろう。0013本発明の、弾性アクチュエータの力およびインピーダンスのロバスト制御のSEA構造に関する実施形態の以下の説明は、本来的に単なる例示であり、本発明の用途や使用を限定することを意図するものではない。0014本発明はnジョイントマニピュレータ、または、各ジョイントが直列弾性アクチュエータSEAにより駆動されるロボットに関する。SEAは、アクチュエータの力を検知および制御するためのビルトインコンプライアンスを活用する装置である。典型的なSEAは、バネのような高コンプライアンス素子が直列またはインラインに設けられる低コンプライアンス素子を備える従来のアクチュエータからなる。各SEAは、大きなギア減速を備えるハーモニックドライブが直列に設けられた電気モーターを含む。弾性素子は、低静止摩擦であり且つ大きな線形範囲を備えるねじりバネであり、ハーモニックドライブの出力をSEA出力およびロボットリンクに接続する。高分解能位置センサがハーモニックドライブ出力およびSEA出力上に取り付けられる。モーター制御は、ジョイント出力トルクを制御するための一体モーターコントローラを備える、高速埋め込みマイクロコントローラを用いて局所的に提供される。埋め込みマイクロコントローラは、10kHzのような高速で動作できる。埋め込みマイクロコントローラに追加して、リモートコントローラが外に設けられ、参照トルクおよび/またはインピーダンスを計算するために低速で動作する。2つのコントローラは高速通信バスにより互いに接続されてもよい。0015図1は、上腕リンク12、中腕リンク16、および下腕リンク14を含むロボットアーム10の斜視図を示し、ここで、下腕リンク14および中腕リンク16はジョイント18により接続され、中腕リンク16および上腕リンク12はジョイント20により接続される。各ジョイント18、20は、当業者によく知られた方法で2つの隣接するリンクの間にトルク制御を提供するために直列弾性アクチュエータを含む。この実施形態において、直列弾性アクチュエータは、回転バネを含む回転アクチュエータである。ロボットアームは、当業者によく知られているように様々なロボットアーム設計のいくつかの回転自由度を含む。0016図2は、大きな減衰ギアボックス34を備えるモーター32を含むSEA構造30の平面図である。モーター32は、バネ36の一端部に連結され、バネ36の反対側の端部に連結された慣性負荷38を駆動させる。モーター32は、バネ36を回転させて負荷38にインピーダンスおよびトルクを提供するモーターシャフト図示せずを含む。負荷38は、任意の負荷とすることができる。モーター32のシャフトの向きは、高分解能位置センサ42により測定され、負荷38の向きは、高分解能位置センサ42により測定される。センサ40、42からの信号は、バネ36がどれくらい変位または回転したかの測定値を提供する。バネ定数が分かっており入力と出力との位置が測定されるなら、負荷38に作用するバネ36上のトルクを決定することができる。したがって、付与されるトルク測定値において、バネを介して所望のトルクが生成されるように、フィードバックループを実現することができる。0017構造30は、ここではモーター32に連結された埋め込みプロセッサ44を含む。ただし、プロセッサ44はSEAの任意の位置に設けることができる。埋め込みプロセッサは、位置センサ40、42から位置信号を受け取り、バネ定数とともにモーターシャフトおよび負荷38の向きに基づいて、バネ36に作用するトルクを計算し、負荷38に付与されるインピーダンスを計算する。埋め込みプロセッサ44は、通信バス48を介して低速リモートコントローラ46から参照力信号または参照トルク信号を受け取り、これは、バネ36上の望ましいトルクまたは負荷38の位置を提供する。0018リモートコントローラ46から提供される参照トルクは、埋め込みプロセッサ44により提供されるモーターシャフトの制御のためのトルク設定値を提供する。このトルクは、負荷の動作のための所望の位置、トルク、またはインピーダンスに基づいてリモートコントローラで計算することができる。埋め込みプロセッサ44は、アクチュエータにより付与されるトルク値を制限するための高速サーボループを利用する。サーボループは、所望のトルク、バネ剛性およびリンク位置に基づいて所望のモーター位置を計算する、モーター32上の位置コントローラを含むことができる。このトルクサーボループは、バス48の通信遅れなしに、埋め込みプロセッサ44により高速で動作し、トルク制御のためのよりよい性能および安定性を提供する。増分位置センサまたは相対位置センサではなく絶対位置センサ40、42を使用することにより、活動ルーチン無く付与されるトルクの絶対測定が可能になる。0019図3は、図2に示すSEA構成30のための制御構成50の概略ブロック図である。制御構成50は、ボックス52においてアクチュエータおよびセンサを含み、ジョイントトルクサーボ54からアクチュエータへのモーター命令信号を受け取り、センサ40、42からの位置信号をジョイントトルクサーボ54に提供する。位置信号は、センサ40からのモーターシャフトの位置信号θを含み、センサ42からの負荷38の向きの位置信号qを含む。ジョイントトルクサーボ54は、位置信号qを力制御法則ボックス56に提供し、力制御法則ボックス56はサーボ54に参照トルク信号を提供する。ジョイントトルクサーボ54は、複数の埋め込みプロセッサを示し、力制御法則ボックス56は、リモートコントローラ46を示す。0020リモートコントローラ46は、高速通信バス48によりロボットシステム内の任意の埋め込みプロセッサを制御することができ、高速通信バス48は、他のロボットジョイントにおいて、SEAを制御する他の埋め込みコントローラに個別的に連結される。0021存在する制御アプローチに関する直列弾性アクチュエータのインピーダンス制御のために提案される構成の利点は、以下のように要約することができる。外部で低速で命令トルクを計算し、ジョイントのところで高速マイクロコントローラにより局所的にトルクが制御されることにより、従来のアプローチよりも増加したレベルの感度および安定性を提供する。さらに、付与されるトルクを計算するためのSEA上での位置センサの使用は、ひずみセンサを用いるアプローチよりも高い信号対ノイズ比を提供する。0022上述の議論は、本発明の単なる例示的な実施形態を開示および説明するものである。以上の議論からおよび添付の図面及び特許請求の範囲から、当業者は、特許請求の範囲により画定される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な変更例、修正例、変形形態を容易に認識することができる。