JP2005059640A - パワーアシスト装置、その制御方法および搬送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 位置決め作業における操作者の作業負担を軽減し得るパワーアシスト装置、その制御方法および搬送装置を提供する。
【解決手段】 サーボ搬送制御モードＳ１００によりワークを載せた台車を自走させ、インピーダンス制御モードＳ３００によりワークを操作する作業者の操作状態を含めた所定の制御パラメータに基づいたインピーダンス制御で走行中の台車をその停車位置に位置決め操作する作業者の位置決め作業をアシストする。そして、サーボ制御からインピーダンス制御への移行に際し、レギュレータ制御モードＳ２００によりサーボ制御による台車の走行速度を所定速度以下に減速させる。これにより、サーボ制御からインピーダンス制御に移るときには、台車の走行速度が所定速度以下に減速しているので、位置決め作業の操作のために作業者が走行中の台車に触れる場合があっても作業者に違和感を与えにくく、作業者の作業負担を軽減する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、サーボ制御およびインピーダンス制御により駆動制御されるパワーアシスト装置、その制御方法および搬送装置に関するものである。

移動または姿勢変更の対象となる物体（以下「ワーク」という。）を操作する操作者の操作力に基づいてアシスト力を発生させ、当該操作者を補助するパワーアシスト装置として、例えば本願出願人等によるものがある（特願２００２−０５８２８８号および非特許文献１）。かかるパワーアシスト装置を生産現場で使用する場面を想定すると、ワークをある状態から特定の取付位置に静止整定させるような、いわゆる「位置決め」が必要になる場合が多いものと考えられる。このような場合、図１９に示すようにワークＷａは別の搬送機器１００によってパワーアシスト装置１２０の近傍まで運ばれ、作業者（操作者）Ｍにより他のワークＷｂに取り付けられるというような作業形態が一般的なものとして例示される。

また、パワーアシスト装置を用いた搬送装置として、例えば、手押し台車の操作感覚でワークを運搬可能なパワーアシスト運搬台車が開発されている（非特許文献２）。このパワーアシスト運搬台車では、駆動制御系においてＰＩ制御によるフィードバック系を構成することによって、ＰＩ制御による目標値応答性能を維持しつつ発進時の加速度を抑制できることから、ワークの運搬作業の安全化および省力化を可能にしている。

林、池浦、中村、他２名、日本機械学会東海支部第５１期総会講演会講演論文集、２００２年、p.１２７−１２８ 北原、早津、日本機械学会［No.02-9］Dynamics and Design Conference 2002 CD-ROM 論文集、２００２年９月１７日〜２０日、金沢

しかしながら、前述した前者のようなパワーアシスト装置によると、搬送機器１００およびパワーアシスト装置１２０による両機器の連携が十分に考慮されていない過程においては、生産工程の本質的な効率化、作業者Ｍの負担軽減の観点からすると不十分な場合がある。即ち、搬送機器１００により搬送されたワークＷａを、作業者Ｍがパワーアシスト装置１２０を使用して所定位置に位置決めするような作業においては、搬送機器１００による自動的な搬送過程と人間によるパワーアシスト装置１２０を用いた位置決め過程が、同一のアクチュエータによって行われているわけではないので、両機器間におけるワークＷａの引継支援作業を作業者Ｍに強いる結果、当該作業者Ｍによる作業負担の軽減を妨げ得るという問題がある。

また、前述した後者のようなパワーアシスト運搬台車によると、ＰＩ制御によるフィードバック系により当該運搬台車を駆動するモータ等に対しサーボ制御を行っている。そのため、例えば、作業者が当該運搬台車を所定の停止位置や範囲内に位置決めして停車させようと走行中の運搬台車のハンドル等を操作すると、移動速度や駆動機構の粘性抵抗あるいは運搬するワークの軽重等によって、当該運搬台車に引っ張られたり逆に制止させられたりするような違和感を作業者に与えることがある。つまり、このようなパワーアシスト運搬台車においても、その停車位置を正確に決めるという「位置決め」が要求される場合もあるが、前述したように駆動制御系がサーボ制御されるパワーアシスト運搬台車では、それを操作する作業者と協調しながらスムースな位置決めを行い難い。そのため、かかる場面においては、当該パワーアシスト運搬台車でも作業者による作業負担の軽減を妨げ得るという問題がある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、位置決め作業における操作者の作業負担を軽減し得るパワーアシスト装置、その制御方法および搬送装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、特許請求の範囲に記載の請求項１記載の手段を採用する。この手段によると、減速制御手段により、移動制御手段によるサーボ制御からアシスト制御手段によるインピーダンス制御への移行に際し、サーボ制御による物体の移動速度を所定速度以下に減速させる。これにより、サーボ制御からインピーダンス制御に移るときには、物体の移動速度が所定速度以下に減速しているので、例えば、自動的に走行（以下「自走」という。）している当該パワーアシスト装置を所定の停止位置等に停車させる位置決め作業等の操作のため、操作者が走行中の当該パワーアシスト装置に触れる場合があっても、当該操作者に違和感を与えにくい。ここで、「所定速度以下に減速させる」とは、例えば、当該物体の移動速度を所定期間内にほぼゼロに減速させる場合や、０．１ｍ／ｓ〜０．３ｍ／ｓ程度の速度に減速させること場合をいう。またサーボ制御による物体の移動速度が人間の歩く速度（約３km／ｈ〜５km／ｈ）より大きい場合は、当該人間の歩く速度までに減速させることをいう。また「所定の制御パラメータ」とは、例えば、インピーダンス特性上の物体の質量や粘性減衰係数をいう。

特許請求の範囲に記載の請求項２記載の手段を採用することにより、サーボ制御からインピーダンス制御に移るときには、物体の移動速度が所定期間内にほぼゼロに収束する。これにより、ほぼゼロへの収束に向けた移動速度の減速によって、当該パワーアシスト装置を操作するために操作者が走行中の当該パワーアシスト装置に触れる場合があっても、当該操作者に違和感を与えにくい。

特許請求の範囲に記載の請求項３記載の手段を採用することにより、例えば、次式の時変評価関数に基づいた非定常最適制御問題を解くことによって、サーボ制御とレギュレータ制御とを統一的に設計することができる。そして、当該時変評価関数中の時変重みを、なめらか（ほぼ連続的）に変化させる設定を行うことにより、サーボ制御における制御偏差に対するフィードバックを適切に切り、速度のフィードバックによるレギュレータ制御になめらかに移行することができる。なお、次式は、後述の評価関数（式(19)）に基づくもので、同式中の重み行列をＱ(t)＝diag［０ ｑ_b(t) ｑ_s(t)］、終端時刻を有限なｔ_f に設定したものである。ｑ_s(t)はサーボ制御の重み付け（例えば式(20)）、ｑ_b(t)は速度の重み付け（例えば式(21)）を表す。なお、「^」 はその直後の記号がベクトル表記であることを意味する（以下、同じ）。

特許請求の範囲に記載の請求項４記載の手段を採用することにより、インピーダンス特性上の物体の質量を時変係数ｍ_d(t)とし、またインピーダンス特性上の粘性減衰係数を時変係数ｃ_d(t)とするので、これらを所定値ｍ_d、ｃ_dに固定した定常的なインピーダンス制御（後述の式(23)）を行う場合に比べて、例えば、図１１に示すようなシグモイド関数に従った時間変化を与えることによりレギュレータ制御からインピーダンス制御への移行をなめらかに行うことができる。

特許請求の範囲に記載の請求項５記載の手段を採用することにより、操作者が物体を操作した時t_sw の少なくともその瞬間においては、前記時変係数ｍ_d(t)は当該物体の実際の質量ｍ_n に設定され、前記時変係数ｃ_d(t)は当該時t_sw におけるレギュレータ制御によるフィードバックゲインｆ_bv(t_sw) に設定されるので、レギュレータ制御の入力とインピーダンス制御の入力とが一致することになる。これにより、両制御における制御の連続性を確保することができる。なお、操作者が物体を操作した時t_sw におけるｍ_d(t_sw)およびｃ_d(t_sw)の設定は、ｍ_d(t_sw)＝ｍ_n やｃ_d(t_sw)＝ｆ_bv(t_sw) に限られることはなく、レギュレータ制御からインピーダンス制御になめらかに切り換えられるか否かの観点により「＝」の設定と同等に評価できるものであれば、ｍ_d(t_sw)≒ｍ_n やｃ_d(t_sw)≒ｆ_bv(t_sw) の関係を満たす設定も含まれる。

上記目的を達成するため、特許請求の範囲に記載の請求項６記載の手段を採用する。この手段によると、移動制御手段によるサーボ制御からアシスト制御手段によるインピーダンス制御への移行に際し、サーボ制御による物体の移動速度を所定速度以下に減速させる。これにより、サーボ制御からインピーダンス制御に移るときには、物体の移動速度が所定速度以下に減速しているので、例えば、自走している当該パワーアシスト装置を所定の停止位置等に停車させる位置決め作業等の操作のため、操作者が走行中の当該パワーアシスト装置に触れる場合があっても、当該操作者に違和感を与えにくい。ここで、「所定速度以下に減速させる」とは、例えば、当該物体の移動速度を所定期間内にほぼゼロに減速させる場合や、０．１ｍ／ｓ〜０．３ｍ／ｓ程度の速度に減速させること場合をいう。またサーボ制御による物体の移動速度が人間の歩く速度（約３km／ｈ〜５km／ｈ）より大きい場合は、当該人間の歩く速度までに減速させることをいう。また「所定の制御パラメータ」とは、例えば、インピーダンス特性上の物体の質量や粘性減衰係数をいう。

上記目的を達成するため、特許請求の範囲に記載の請求項７記載の手段を採用する。この手段によると、搬送機構は、物体が載置された荷台を駆動力発生源からの駆動力により移動させ、駆動力発生源は、センサにより検出された荷台の移動位置または移動速度に基づいて第１制御手段によりサーボ制御される。また、アシスト機構は、アシスト力発生源からのアシスト力により当該物体を移動または姿勢変更させ、アシスト力発生源は、操作状態センサにより検出された操作者の操作状態に含めた所定の制御パラメータに基づいて第２制御手段によりインピーダンス制御される。そして、第１制御手段または第２制御手段により、サーボ制御からインピーダンス制御への移行に際し、サーボ制御による物体の移動速度を所定速度以下に減速させたり等を行う。これにより、サーボ制御からインピーダンス制御に移るときには、当該搬送装置の荷台（物体）の移動速度が所定速度以下に減速しているので、例えば、自動搬送している当該搬送装置の荷台（物体）あるいは自走している当該搬送装置を所定の停止位置等に停車させる位置決め作業等の操作のため、操作者が走行中の当該搬送装置に触れる場合があっても、当該操作者に違和感を与えにくい（請求項１に従属の場合）。

また、サーボ制御からインピーダンス制御に移るときには、自動搬送している当該搬送装置の荷台（物体）または自走している当該搬送装置の移動速度が所定期間内にほぼゼロに収束する。これにより、ほぼゼロへの収束に向けた移動速度の減速によって、当該搬送装置を操作するために操作者が、自動搬送している当該搬送装置の荷台（物体）または自走している当該搬送装置に触れる場合があっても、当該操作者に違和感を与えにくい（請求項２に従属の場合）。さらに、時変評価関数中の時変重みを、なめらか（ほぼ連続的）に変化させる設定を行うことにより、サーボ制御における制御偏差に対するフィードバックを適切に切り、速度のフィードバックによるレギュレータ制御になめらかに移行することができる（請求項３に従属の場合）。例えばシグモイド関数に従った時間変化を与えることによりレギュレータ制御からインピーダンス制御への移行をなめらかに行うことができる（請求項４に従属の場合）。レギュレータ制御の入力とインピーダンス制御の入力とが一致することから、これら両制御における制御の連続性を確保することができる（請求項５に従属の場合）。

請求項１の発明では、サーボ制御からインピーダンス制御に移るときには、移動速度が所定速度以下に減速しているので、操作者が走行中の当該台車に触れる場合があっても、当該操作者に違和感を与えにくい。したがって、位置決め作業における操作者の作業負担を軽減することができる。

請求項２の発明では、サーボ制御からインピーダンス制御に移るときには、ほぼゼロへの収束に向けて移動速度が減速しているので、当該台車を操作するために操作者が走行中の当該台車に触れる場合があっても、当該操作者に違和感を与えにくい。したがって、位置決め作業における操作者の作業負担を軽減することができる。

請求項３の発明では、時変評価関数中の時変重みをなめらかに変化させる設定を行うことで、台車速度のフィードバックによるレギュレータ制御になめらかに移行することができるので、サーボ制御からレギュレータ制御になめらかに切り換えることができる。したがって、サーボ制御からインピーダンス制御への移行を一層スムースにできる。

請求項４の発明では、例えばシグモイド関数に従った時間変化を与えることにより（図１１）、レギュレータ制御からインピーダンス制御への移行をなめらかに行うことができるので、サーボ制御からインピーダンス制御への移行を一層スムースにできる。

請求項５の発明では、レギュレータ制御の入力とインピーダンス制御の入力とが一致することで、両制御における制御の連続性を確保することができるので、レギュレータ制御からインピーダンス制御になめらかに切り換えることができる。したがって、サーボ制御からインピーダンス制御への移行を一層スムースにできる。

請求項６の発明では、サーボ制御からインピーダンス制御に移るときには、移動速度が所定速度以下に減速しているので、操作者が走行中の当該台車に触れる場合があっても、当該操作者に違和感を与えにくい。したがって、位置決め作業における操作者の作業負担を軽減することができる。

請求項７の発明では、操作者が、自動搬送している当該搬送装置の荷台（物体）または自走している当該搬送装置に触れる場合があっても、当該操作者に違和感を与えにくいので、位置決め作業における操作者の作業負担を軽減することができる（請求項１、２に従属の場合）。また、時変評価関数中の時変重みをなめらかに変化させる設定を行うことで、速度のフィードバックによるレギュレータ制御になめらかに移行することができるので、サーボ制御からレギュレータ制御になめらかに切り換えることができる（請求項３に従属の場合）。さらに例えばシグモイド関数に従った時間変化を与えることにより（図１１）、レギュレータ制御からインピーダンス制御への移行をなめらかに行うことができるので、サーボ制御からインピーダンス制御への移行を一層スムースにできる（請求項４に従属の場合）。さらにまたレギュレータ制御の入力とインピーダンス制御の入力とが一致することで、両制御における制御の連続性を確保することができるので、レギュレータ制御からインピーダンス制御になめらかに切り換えることができる（請求項５に従属の場合）。したがって、いずれの場合も、サーボ制御からインピーダンス制御への移行を一層スムースにできる（請求項３〜５に従属の場合）。

以下、本発明のパワーアシスト装置、その制御方法および搬送装置の実施形態について図を参照して説明する。
まず本発明のパワーアシスト装置を搬送台車（以下「台車」という。）に適用した例を図１〜図１６に基づいて説明する。なおこの台車２０は、本発明の搬送装置の実施形態にも相当し得るものである。

図１に示すように、台車２０は、主に、荷台２１、駆動輪２３、補助輪２４、ギヤ装置２６、モータ２７、エンコーダ２８、制御部ユニット３０、ハンドル３２、力覚センサ３４等により構成されている自走式三輪台車で、ワークＷを搬送中の台車２０に対して、作業者Ｍがそのハンドル３２をつかみジョイスティックの如く操作することによって、当該台車２０の停車位置を「位置決め」可能に構成されているものである。

荷台２１は、平坦な平板部材等からなり、その一方の面はワークＷを載置可能に、また他方の面は車軸２５の軸受部２２等を取付可能に、それぞれ構成されている。軸受部２２は、例えば２枚の矩形の板状部材からなり、車軸２５を図略のベアリング等を介して回転自在に軸受できるように構成されている。これにより、車軸２５に取り付けられた駆動輪２３や補助輪２４を当該板状部材により挟み込むように構成することで、当該軸受部２２により駆動輪２３等を軸支可能にしている。このよう構成される軸受部２２は、当該台車２０が三輪車であることから、その進行方向に駆動輪２３が２つ、また後退方向に補助輪２４が１つ、それぞれ位置するように、荷台２１の他方の面の合計３箇所に設けられている。

駆動輪２３に固定されている車軸２５には、ギヤ装置２６内に収容された減速ギヤ等（図５に示す符号２６ａ、２６ｂ）が取り付けられている。ギヤ装置２６は、複数のギヤにより構成されており、減速ギヤ２６ｂには、モータ２７の出力軸に取り付けられたモータギヤ２６ａが噛合している（図５参照）。これにより、モータ２７から出力される駆動力をギヤ装置２６および車軸２５を介して駆動輪２３に伝達することを可能にしている。

モータ２７は、例えば、エンコーダ付きＤＣサーボモータで、当該エンコーダ２８、後述する制御部ユニット３０のカウンタ３０ｄおよび差分演算器３０ｅによりモータ回転角の変位を検出することが可能なものである。このモータ２７はモータドライバ３０ｇに、またエンコーダ２８は制御部ユニット３０に、それぞれ電気的に接続されている。そのため、モータドライバ３０ｇから供給されるモータ駆動電流をモータ２７に入力することや、またエンコーダ２８により検出されるモータ回転パルスを制御部ユニット３０に出力することを可能にしている。

制御部ユニット３０は、後述するように、コンピュータ３０ａを中心に構成されており、その上方には力覚センサ３４と一体となったハンドル３２が設けらている。この力覚センサ３４は、制御部ユニット３０と電気的に接続されており、作業者Ｍに握られたハンドル３２に加わる操作力を検出し、制御部ユニット３０に出力可能に構成されている。これにより、ハンドル３２をつかんで当該台車２０の停車位置を位置決めしようとする作業者Ｍの操作力を検出可能にしている。

なお、このように構成される台車２０は、例えば、以下の仕様に設定されている。
1.最大寸法：７６６mm×３２０mm×５２３mm
2.重量：２０．０kg（積載重量通常時）、５０．０kg（積載重量最大時）
3.最高速度：０．５ｍ/ｓ（積載重量通常時）
4.使用モータ：山洋電気株式会社製、型番：L506G1-012EL6、出力６０Ｗ
5.減速ギヤ比：１／１５

ここで、制御部ユニット３０の構成を図２を参照して説明する。
図２に示すように、制御部ユニット３０は、前述したエンコーダ２８や力覚センサ３４等により入力された情報に基づいてモータ２７を駆動制御する機能を有するもので、コンピュータ３０ａ、変換器３０ｂ、Ａ／Ｄコンバータ３０ｃ、カウンタ３０ｄ、差分演算器３０ｅ、Ｄ／Ａコンバータ３０ｆ、モータドライバ３０ｇ等により構成されている。

コンピュータ３０ａは、図略のマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）、メモリ装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）、入出力インタフェイス等により構成されており、Ａ／Ｄコンバータ３０ｃ、差分演算器３０ｅおよびＤ／Ａコンバータ３０ｆに接続されている。即ち、Ａ／Ｄコンバータ３０ｃには、力覚センサ３４により検出される作業者Ｍの操作力信号が変換器３０ｂを介してアナログ信号入力されるので、これをディジタル信号に変換してコンピュータ３０ａに出力することによって、作業者Ｍによる操作力に関する情報をコンピュータ３０ａにより取得可能にしている。また、エンコーダ２８により検出されるモータ回転パルスは、カウンタ３０ｄに入力されて計数処理された後、差分演算器３０ｅに入力される。これにより、差分演算器３０ｅでは、前回との回転数差を演算し、これをモータ回転角の変位としてコンピュータ３０ａに出力するので、コンピュータ３０ａではモータ回転角の変位に関する情報を取得することができる。

一方、Ｄ／Ａコンバータ３０ｆには、モータ２７に駆動電流を供給し得るモータドライバ３０ｇが接続されている。コンピュータ３０ａでは、エンコーダ２８により検出されるモータ回転角変位、これを差分近似したモータ回転角速度、さらにこれに基づいて演算される台車２０の加速度およびハンドル３２に作用する操作力に関する情報に基づいて、台車２０の走行、位置決め等に関し、次に説明する制御則により制御出力を演算する。この制御出力は、ディジタル信号としてＤ／Ａコンバータ３０ｆに入力されるので、Ｄ／Ａコンバータ３０ｆではこれをアナログ信号に変換し電圧信号としてモータドライバ３０ｇに出力する。これにより、モータ２７を駆動するフィードバック制御をコンピュータ３０ａにより可能にしている。なお、このような演算処理はディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）によっても行うことができる。

次に、本実施形態に係る台車２０の駆動制御を図３〜図１３を参照して説明する。
図３に示すように、本台車２０は、自動搬送とそれに引き続く作業者Ｍによる手動位置決めからなる距離２．８ｍ程度の位置決め作業を対象にしたものである。そこで、台車２０の制御部ユニット３０では、自動搬送時においてはサーボ制御により、また手動位置決めにおいてはインピーダンス制御によりモータ２７を制御する。なお、以下、自動搬送時におけるサーボ制御のことを「サーボ搬送制御モード」、手動位置決めにおけるインピーダンス制御のことを「インピーダンス制御モード」という。

具体的には、図４に示すように、まずステップＳ１００によるサーボ搬送制御モードにおいて、ＬＱＩ(Linear Quadratic Integral）制御を適用して自動搬送制御を行う。そして、ステップＳ２００によるレギュレータ制御モードを経た後、ステップＳ３００によるインピーダンス制御モードにおいて、公知文献に紹介されている力制御の方法を適用して作業者Ｍによる操作と協調して停車位置における手動位置決め制御を行う。当該公知文献には、例えば「自動車組立工程における搭載作業のためのスキルアシストの提案」（山田・鴻巣・森園・梅谷、日本機械学会論文、68-666、Ｃ、２００２年、p.５０９−５１６）等がある。なお、ステップＳ１００によるサーボ搬送制御モードは、特許請求の範囲に記載の「移動制御手段」に相当し得る。またステップＳ２００によるレギュレータ制御モードは、特許請求の範囲に記載の「減速制御手段」に相当し得る。さらにステップＳ３００によるインピーダンス制御モードは特許請求の範囲に記載の「アシスト制御手段」に相当し得る。

このように本実施形態に係る台車２０では、サーボ搬送制御モードとインピーダンス制御モードとを併用し両制御モードを切り換えて駆動制御を行い、さらにこれらの両制御モードの間にステップＳ２００による「レギュレータ制御モード」を介在させて駆動制御を行っている。即ち、サーボ搬送制御モードで自動搬送中の台車２０を一旦途中で停止させて、その制御モードをインピーダンス制御モードに切り換えるという制御手法を採った場合には、制御モードを切り換えるための停止が、作業者Ｍによる作業効率を低下させるのみならず、台車２０の停止前には大きな減速、そして発進直後には大きな加速を伴う必要から、エネルギの損失が大きくなるという問題がある。また、仮想の剛性を含むインピーダンス制御則を適用して平衡点を時変に与える方法で搬送を制御する方法も考えられるが、この方法では積分特性を含んだ一般的なサーボ制御系と異なり、外乱等が多く存在する工場構内等の特殊環境下では、長距離搬送には不向きで適用し難いという問題がある。

以上の理由から、本実施形態に係る台車２０では、台車２０を停止させることなく、性質の異なる両制御モードをなめらかに切り換えることを目的に、ステップＳ１００によるサーボ搬送制御モードとステップＳ３００によるインピーダンス制御モードとの間に、ステップＳ２００によるレギュレータ制御モードを追加し介在させている。

ここで、図１に示す台車２０は、駆動系の固体摩擦などを無視すれば、図５に示すような制御対象モデルとして表すことができる。そしてさらに図５に示すモデルは、簡単な２重積分系である図６のモデルとして表現することができる。そこで、本実施形態の台車２０では、図６に示すモデルの状態方程式(次式(1)）に基づいてサーボ搬送制御モードにおける制御則を検討した。

なお、当該式(1) は、以下の手順により導かれる。
図５に示す制御対象モデル中の各パラメータを、台車２０との対応から次表１に示すものに設定し、台車２０の水平方向変位を ｘ(t)［ｍ］とする。すると、駆動輪２３が地面に対して発生できる力 Ｆ(t)［Ｎ］は、駆動輪２３が発生するトルクＴ_W(t)［Ｎ・ｍ］により次式(2) に示すように表される。さらにモータ２７が発生するトルクをＴ_m(t)［Ｎ・ｍ］とし、ギヤ装置２６の減速ギヤ２６ｂの性質を考慮すると、次式(3) が導かれる。

但し、θ_m(t)は、モータ２７の回転角変位［rad］ であり、記号上部の点「・」は時間微分を意味し、以下、文章中の記載では「dot」 と表記する。

ここで、モータの電流を ｉ(t)［Ａ］とすると次式(4) より次式(5) が得られる。

さらに、ＤＣサーボモータであるモータ２７のインダクタンスの影響を無視できると仮定すると次式(6) に示すようにおけるので、当該式(6) を前式(5) に代入し、 ｘ(t)＝（ｒ_w ／α）θ_m(t)から次式(7) のように整理できる。なお、式(7) は入力を ｅ(t)としたこの系の運動方程式になっている。

但し、式(6) において、 ｅ(t)は、モータ２７の入力電圧[Ｖ]を意味する。
但し、式(7) において、

である。

ここで、図５に示すモデルを簡単な２重積分系である図６のモデルで表現すると、質量ｍ_n に対して力 Ｆ(t)［Ｎ］を作用させるためには、モータ回転角速度 θ_mdot(t)とモータ回転角加速度θ_mdotdot(t)のフィードバックを用いて、次式(9) に示すように ｅ(t)を与えることになる。

本実施形態では、台車２０の各パラメータが十分正確に同定でき、式(9) 中のフィードバックが実現できるものとして、図６に示すモデルを制御対象とする。これにより、図６に示すモデルの状態方程式は、前掲の式(1) に示すように表すことができる。

ここで、図４により説明した３つのステップによる各制御モードについて説明する。
［ステップＳ１００；サーボ搬送制御モード]
ステップＳ１００によるサーボ搬送制御モードでは、現代制御理論に基づいたサーボ制御系設計法の中の代表的手法なもの、例えばＬＱＩ制御を適用する。目標軌道 ｒ(t)は、台車２０の速度として与え、目標軌道 ｒ(t)と制御量となる実際の台車２０の速度ｘdot(t)との誤差の積分値を新たな状態量 ｘ_sv(t)とする。前掲の式(1) と ｘ_sv(t)との拡大系を次式(10)のように与えると、この式(10)に対して、通常、ＬＱＩ制御は次式(11)に示す評価関数を最小にする状態フィードバック制御問題として捉えることができる。

これは、代数リカッチ(Riccati) 方程式を解いて得られる時不変フィードバックゲインを用いる制御となるので、例えば、式(11)中の重み行列を^Ｑ_LQI＝diag［０ ０ １０００］、ｒ_LQI ＝１と与えてこの最適制御問題を解く。なお「^」 はその直後の記号がベクトル表記であることを意味する（以下同じ）。式(10)の場合、本来は^ｃ＝［１ ０］として台車２０の変位の目標軌道を与えることを前提としないと（^Ａ_a，^ｂ_a）は可制御とならない。この時、コンピュータシミュレーション等で代数リカッチ方程式を解くとエラーになることがあるが、（^Ａ_a，^ｂ_a）は可安定であるから別の方法で解くことができる。

ここでは、次式(12)のような時変リカッチ方程式（リカッチ微分方程式）を有限な終端時刻ｔ_f から逆時間方向（ｔ＝ｔ_f →ｔ＝０）に解き、その収束解^Ｐ(0)からフィードバックゲイン ^ｆ_bLQIを次式(13)として求める。このとき最適制御入力は次式(14)となる。

図７に示すように、ｔ_f ＝５．０秒とした場合のｒ^-1 _LQI ^ｂ^T _a^Ｐ(0)の計算結果から、状態フィードバックゲインが^ｆ_bLQI ＝［０ ３５．５５ −３１．６２］と求まるので、これらから、式(10)の拡大系に対し、台車速度の目標軌道を採用すると台車変位 ｘ(t)に関するフィードバックは発生しないことがわかる（図７には台車変位 ｘ(t)に対するフィードバックゲインが常に０（ゼロ）になっている様子が示されている。）。したがって、台車速度ｘdot(t)と誤差積分値 ｘ_sv(t)のフィードバックのみでサーボ制御が実現可能となる。以上からステップＳ１００によるサーボ搬送制御モードでは、台車速度ｘdot(t)と誤差積分値 ｘ_sv(t)のフィードバックによりサーボ制御を行っている（図１２に示すゲイン（−ｆ₁ ）、ゲイン（−ｆ₂ ）によるフィードバックループ）。

［ステップＳ２００；レギュレータ制御モード］
ステップＳ１００によるサーボ搬送制御モードから最終的にインピーダンス制御モードに切り換えるためには、少なくともどこかの時点で誤差積分値 ｘ_sv(t)に対するフィードバックを切らなければならない。ところが、このようなフィードバックを不連続に断ち切ると過大な制御入力が発生するため、アクチュエータ（モータ２７）の制約から入力の飽和を招くおそれがあり、さらには台車２０に引っ張られたり制止させられたりするような違和感を作業者Ｍに与える可能性もある。

そこで、本実施形態ではこのような不具合を回避し、なめらかな制御モードの切り換えを実現するため、ステップＳ１００によるサーボ搬送制御モードの次にステップＳ２００としてレギュレータ制御（減速制御モード）を設けている。このステップＳ２００によるレギュレータ制御モードでは、台車２０の速度をフィードバックするレギュレータとして、当該台車２０にブレーキをかけるような制御を行う。本制御モードを実現するため、台車速度に対して重み付けを行って前掲の式(11)に基づく最適レギュレータ問題を解く。但し、ステップＳ１００によるサーボ搬送制御モードから連続的に変化させる必要があるので、前式(12)中の^Ｑ_LQIを時変重み行列^Ｑ(t)とし、次式(15)の時変リカッチ方程式を解く。但し、制御入力に対する重みは常に１としている。

そして、時変重み行列^Ｑ(t)を次式(16)とし、制御入力は次式(17)の時変フィードバックゲインを用いて、次式(18)とする。

これは、次式(19)の時変評価関数に基づいた非定常最適制御問題を解いていることに相当するので、ここでは時間の推移とともに制御モードが切り換わるように、サーボ制御の重み付けｑ_s(t)と速度の重み付けｑ_b(t)を図８に示すように設定する。

具体例として、図６に示す簡単な二重積分系によるモデルに対し、制御がある時刻でほぼ終了することまでも考慮して、図９に示すように、サーボ制御や速度制御に重みを選んだ場合の時変フィードバックゲイン ^ｆ_b(t)の各要素を図１０に示す。この図１０では、後述する実験を行うために調整された結果を例として示しており、具体的には次式(20)、(21)により与えられる。

図８に示す重み付けの概念と比較して、図９に示すものでは速度に対する重み付けが主体となる時間帯が時刻ｔ＝６．２秒〜６．７秒と短いように見えるが、これは、後述する実験においてはこの程度で十分と判断されたため、このように設定している。また図１０(A) に示す台車２０の変位 ｘ(t)に対するゲインは常に０（ゼロ）となる。

一方、図１０(C) に示す ｘ_sv(t)に対するゲインは徐々に小さくなり、ｑ_s(t)がほぼ０（ゼロ）になる時刻ｔ＝６．２秒（図９(A) ）にゲインもほぼ０（ゼロ）となる。これは、前述したステップＳ１００によるサーボ搬送制御モードによる場合と同様、ｑ_s(t)＝０では（^Ａ_a，^Ｑ^1/2）が可観測ではなく可検出となるためである。ここで、^Ｑ^1/2とは、 ^Ｑ＝（^Ｑ^1/2）^TＱ^1/2を満たす行列を意味する。この場合にも図１０(B) の台車速度に対するゲインは存在し、ブレーキの役割を演じる。すなわち、本ステップＳ２００では、図８のような時変重みの設定を行うことで、 ｘ_sv(t)に対するフィードバックを適切に切ることができるので、台車速度ｘdot(t)のみのフィードバックによるレギュレータ制御モード（減速制御モード）に推移することが可能となる（図１２に示すゲイン（−ｆ₁ ）、ゲイン（−ｆ₂ ）によるフィードバックループから、ゲイン（−ｆ₂ ）のみによるフィードバックループに推移する）。

このように前式(19)の時変評価関数に基づいた非定常最適制御問題を解くことにより、ステップＳ１００によるサーボ制御とステップＳ２００によるレギュレータ制御とを統一的に設計することができる。そして、図８に示すように、時変評価関数中の時変重みをなめらか（ほぼ連続的）に変化させる設定を行うことにより、ステップＳ２００では、ステップＳ１００によるサーボ制御における制御偏差に対するフィードバックを適切に切り、速度のフィードバックによるレギュレータ制御になめらかに移行させることができる。またステップＳ２００では、ステップＳ１００によるサーボ制御モードの終了時点での台車速度ｘdot(t)をレギュレータ制御モードにより有限な終端時刻ｔ_f （所定期間）内にほぼゼロに収束させる。これにより、ほぼゼロへの収束に向けた台車速度ｘdot(t)の減速によって、台車２０を操作するために作業者Ｍが走行中の当該台車２０に触れる場合があっても、当該作業者Ｍに違和感を与えにくい。

ステップＳ２００において、力覚センサ３４により検出された作業者Ｍによる操作力Ｆ_h(t)が所定の閾値Ｆ_hSW 以上になっていると判断された場合には（Ｆ_h(t)≧Ｆ_hSW ）、次のステップＳ３００によるインピーダンス制御モードに制御処理を移行する。インピーダンス制御モードに移行すると、その瞬間から前式(19)の時変評価関数に基づいた非定常最適制御は中止される。一方、力覚センサ３４により検出された作業者Ｍによる操作力Ｆ_h(t)が所定の閾値Ｆ_hSW 以上になっていると判断されない場合には（Ｆ_h(t)＜Ｆ_hSW ）、終端時刻ｔ_f に達するまで、ステップＳ２００によるレギュレータ制御モードを継続する。つまり、作業者Ｍがハンドル３２に触れることなく、ステップＳ１００のサーボ搬送制御モードによる台車２０の自走状態を放置した場合には、ステップＳ２００のレギュレータ制御モードに移行後から、ほぼゼロへの収束に向けた台車速度ｘdot(t)の減速が終端時刻ｔ_f 内で行われることから、当該終端時刻ｔ_f に近づくに従って徐々に減速し、やがて当該終端時刻ｔ_f の到来とともに自動的に停車するように駆動制御される（図１３に記載のＳ５０７を参照のこと）。

［ステップＳ３００；インピーダンス制御モード］
ステップＳ３００によるインピーダンス制御モードでは、台車２０の停車位置の位置決め整定時に、作業者Ｍにとって次式(22)のインピーダンス特性が得られるようにインピーダンス制御入力を設定する。但し、式(22)において、ｍ_d 、ｃ_d はそれぞれ台車２０を操作する作業者Ｍに対して呈示されるインピーダンス特性上の質量と粘性減衰係数を意味する。またＦ_h(t)は作業者Ｍがハンドル３２を介して台車２０に対して与える力（作業者操作力）を意味し、力覚センサ３４により検出される。

ここで、ｍ_d を実際の質量ｍ_n より小さく設定すると、台車２０は軽く感じられる。また適切な減衰ｃ_d を与えることは位置決めをより容易にすることが知られている。インピーダンス制御入力を次式(23)で与えることにより、式(22)の特性が実現できる。このことは前掲の式(1) の Ｆ(t)を Ｆ(t)＋Ｆ_h(t)に改めてから式(23)を代入すると、式(22)が得られることから容易に理解できる。

ここで、前述したステップＳ２００によるレギュレータ制御モードにおいては台車速度ｘdot(t)のみのフィードバックの対象とされていたのに対し、ステップＳ３００によるインピーダンス制御モードでは、式(23)により、ｘdot(t)と作業者操作力Ｆ_h(t)とがフィードバックの対象になっていることがわかる。そのため、このままでは、ステップＳ２００によるレギュレータ制御モードから、ステップＳ３００によるインピーダンス制御モードへの切り換えをなめらかに行うことは難しい。そこで、本実施形態に係る台車２０では、レギュレータ制御モードからインピーダンス制御モードになめらかに切り換える制御を以下のように実現しているので、図１１を参照して説明する。

まず、作業者Ｍがハンドル３２に触れたと判断された時刻をｔ＝ｔ_SWとし、その時点でのレギュレータ制御モードのフィードバックゲイン^ｆ_b(ｔ_SW)を^ｆ_b(ｔ_SW)≒［０ ^ｆ_bv(ｔ_SW) ０］ とする。一方、前式(23)中のｍ_d とｃ_d をそれぞれ時変係数ｍ_d(t)、ｃ_d(t)とした非定常的なインピーダンス制御則を考え、式(23)を次式(24)のようにする。

ここで、ｔ＝ｔ_SWにおいて、ｍ_d(t_SW)＝ｍ_n 、ｃ_d(t_SW)＝^ｆ_bv(ｔ_SW) であれば、レギュレータ制御モードとインピーダンス制御モードの両入力は一致することになるので、両制御モード間の連続的なモード変化を実現することができる。そして、図１１に示すように、ｔ＝ｔ_SWにおいて、ｍ_d(t_SW)＝ｍ_n 、ｃ_d(t_SW)＝^ｆ_bv(ｔ_SW) に設定した直後、ｍ_d(t)、ｃ_d(t)をシグモイド関数にすることによって、作業者Ｍに不快感を与えることなく快適に位置決め可能な、ｍ_dsett 、ｃ_dsett まで、なめらかに変化させる。これにより、作業者Ｍには、台車２０のハンドル３２を握った直後から、当該台車２０が「すみやかに軽快な動きをしている」という操作感を与えることができ、目標の停車位置に容易に位置決め（整定）することが可能となる。

即ち、ステップＳ２００からステップＳ３００に移行した直後の、作業者Ｍがハンドル３２に触れたと判断された時刻ｔ_SWには、式(24)において、ｍ_d(t_SW)＝ｍ_n 、ｃ_d(t_SW)＝^ｆ_bv(ｔ_SW) に設定されるので、式(24)の第１項は−^ｆ_bv(ｔ_SW)・^ｘdot(t)、第２項は０（ゼロ）になり、ステップＳ３００によるインピーダンス制御モードでは、台車速度ｘdot(t)のフィードバックと作業者Ｍによる操作力Ｆ_h(t)によるインピーダンス制御を行っている（図１２に示すゲイン（−ｆ₂ ）＝−（ｍ_n ／ｍ_d ）ｃ_d によるフィードバックループとゲイン（ｆ₃ ）＝｜（ｍ_n ／ｍ_d ）−１｜による操作力Ｆ_h(t)の入力）。

このようにステップＳ３００では、インピーダンス特性上の物体の質量ｍ_d(t)およびインピーダンス特性上の粘性減衰係数ｃ_d(t)に対し、例えばシグモイド関数に従って時間変化を与えるので、式(23)に示すように、ｍ_d、ｃ_dに固定した定常的なインピーダンス制御を行う場合に比べて、レギュレータ制御からインピーダンス制御への移行をなめらかに行うことができる。また、作業者Ｍがハンドル３２に触れてステップＳ３００に移行した直後（ｔ＝ｔ_SW）において、ｍ_d(t_SW)＝ｍ_n 、ｃ_d(t_SW)＝^ｆ_bv(ｔ_SW) に設定されるため、レギュレータ制御の入力とインピーダンス制御の入力とが一致する。これにより、両制御における制御の連続性を確保することができる。ステップＳ２００によるレギュレータ制御モードからステップＳ３００によるインピーダンス制御モードになめらかに切り換えることができる。したがって、サーボ制御からインピーダンス制御への移行を一層スムースにできる。

以上、ステップＳ１００〜Ｓ３００までの手順に沿った制御により、各制御モード間のなめらかな切り換えを行いながら、自動的な搬送過程とパワーアシストを用いた人間による位置決め過程を連続的に実現することができる。ここで、上述した各ステップＳ１００、Ｓ２００、Ｓ３００により行われる制御処理を繰り返し、ステップＳ２００による時変フィードバックゲインｆ_bv(t) やｑ_s(t)、ｑ_b(t)等の時変重み付けあるいはステップＳ３００によるｍ_d(t)、ｃ_d(t)等の時変パラメータの設定を調整する手順を図１３を参照して説明する。

図１３に示すように、時変フィードバックゲイン等の調整は、ステップＳ５０１によるオフライン作業から始まる。このステップ５０１による作業は、別途用意されたパーソナルコンピュータやエンジニアリングワークステーション等によるコンピュータシミュレーションにより行われるもので、サーボ制御の仕様等、シミュレーションを参考に決定される非定常最適制御則の設計（時変重みｑ_s(t)、ｑ_b(t)の設定から時変フィードバックゲインｆ_bv(t) を求める）や非定常インピーダンス制御則の設計（ｍ_d(t)、ｃ_d(t)等の時変パラメータの設定）が行われる。

次に、ステップＳ５０３では、ステップＳ５０１により設定された時変フィードバックゲインや時変パラメータ等に関するデータを台車２０の制御部ユニット３０にダウンロードする処理が行われる。例えば、ステップＳ５０１のコンピュータシミュレーション等を行ったコンピュータから、有線・無線通信回線あるいは情報記憶媒体（フレキシブルディスク、ＭＯ、ＣＤ−ＲＯＭ、フラッシュメモリ等）を介して制御部ユニット３０のコンピュータ３０ａ（のメモリ装置）にダウンロードされる。

ステップＳ５０３により時変フィードバックゲイン等に関するデータがダウンロードされると、台車２０を実際に走行させることによって、ステップＳ５０５、Ｓ５０７、Ｓ５０９により前述したＳ１００、Ｓ２００、Ｓ３００による各駆動制御処理が適切に実行されている等を判断するためのテスト走行が行われる。ステップＳ５０５は前述のステップＳ１００、Ｓ２００に相当し、またステップＳ５０９はステップＳ３００に相当する。なお、ステップＳ５０７は、力覚センサ３４により検出された作業者Ｍによる操作力Ｆ_h(t)によって、ステップＳ２００からステップＳ３００に移行するか否かを決定する判断処理で、既に説明した通りである。

ステップＳ５０５〜Ｓ５０９により、台車２０のテスト走行が終了すると、ステップＳ５１１による作業では、サーボ搬送制御モード、レギュレータ制御モードおよびインピーダンス制御モードの切り換えは満足できるものであるか否かの判断が行われる。そして、満足できない場合には、再度、ステップＳ５０１に戻ってオフラインによる時変フィードバックゲイン等の設定作業が行われる。一方、テスト走行が満足できるものであれば、現状の時変フィードバックゲイン等を不揮発性メモリ装置等に格納し、次回の使用時にステップＳ５０１やＳ５０３を経ることなく、ステップＳ５０５〜Ｓ５０９を即時に実行可能に準備する。

なお、図１３に示す例では、ステップＳ５０１によるオフライン作業をパーソナルコンピュータ等により行ったが、制御部ユニット３０のコンピュータ３０ａの演算処理能力が当該コンピュータシミュレーションを実行するに足りるものであれば、コンピュータ３０ａによりオフラインシミュレーションを行っても良い。

なお、ステップＳ１００によるサーボ搬送制御モードにおいて比較的遠距離の搬送が予想される場合には、定速走行時からレギュレータ制御モードが開始される運動パターンを想定し、計算する時間区間［０,ｔ_f］を、実用上、定速走行時から減速が十分行われるまでに必要とされる一種類の区間に設定する。これにより、コンピュータシミュレーションを通じて一組の時変重みを調整すれば良いので、求められた一組のゲインのみを使用すれば、時変重みの調整や制御部ユニット３０のコンピュータ３０ａの実装メモリ量に関する負担を軽くすることができる。また、近距離の搬送では、始めからインピーダンス制御モードとし、作業者Ｍにより位置決めすることで十分な場合が多いと考えられるので、このような場合には、図４に示すステップＳ１００およびＳ２００による各制御処理は不要となる。

次に、上述した台車２０の駆動制御により当該台車２０を制御した実験例とその結果を図１４〜図１７に基づいて説明する。なお、台車２０にはワークＷを載せない状態において以下の実験を行ったため、台車２０の重量ｍ_n は、前掲の表１中にあるように２０．０kgである。また他のパラメータも同表のとおりである。

本実験では、図４に示すステップＳ１００によるサーボ搬送制御モードにおいては、加速度を０．２５ｍ／ｓ² 、定速運転時速度を０．５ｍ／ｓ、ｔ_f ＝１１．０秒とした。そして、位置決め作業の実現を念頭に置いて、式(19)の時変評価関数の設定を行う。具体的には、ステップＳ３００によるインピーダンス制御モードに切り換わるタイミングを考慮しながら数値計算を繰り返し、図９による時変重みを与えて、図１０に示すような時変フィードバックゲインを得た。また作業者操作力Ｆ_h(t)の絶対値が初めて２．０Ｎを超えた瞬間を作業者Ｍがハンドル３２に触れたとされる時刻ｔ_SWとし、ｔ_SW以降、時変係数ｍ_d(t)、ｃ_d(t)を次式(25)、(26)のシグモイド関数に従って変化するものとした。

この式(25)、(26)によるグラフを図１４に示す。図１４(B) のｃ_d(t)については、^ｆ_bv(ｔ_SW) ＝２０．０であった場合を示している。式(25)、(26)中の変数ｔは、実験時の時刻がｔ_SWとなった時点を０（ゼロ）とした時間経過を意味している。本実験では、制御モードの切り換えが極力迅速に完了することを目標に、可能な限り短時間でｍ_dsett 、ｃ_dsett になるように、当該実験を通じて作業者Ｍの感覚を参考にしながら調整し、ｍ_d(t)は最終的にｍ_dsett ＝２．０kgと呈示されるように設定した。

本実験では、まず作業者Ｍが台車２０に全く触れなかった場合の台車２０の挙動を予め確認した。この場合の実験結果を(実験例０)とし、図１５に示す。図１５(A) には台車変位 ｘ(t)、図１５(B) には台車速度ｘdot(t)、図１５(C) には制御力 Ｆ(t)、図１５(D) にはモータ入力電圧 ｅ(t)、図１５(E) にはモータ電流 ｉ(t)、図１５(F) には作業者操作力 Ｆ(t)がそれぞれ示されている。なお、本実験では、台車２０の高精度な位置決めよりも、作業者Ｍに不快感を与えることなく快適な位置決め作業への移行の実現を優先させたので、台車変位 ｘ(t)については台車２０が停止した後の時刻１０．０秒における台車位置を０．０ｍとして表示している。

ここで、図１５(F) に示す作業者操作力 Ｆ(t)には、力覚センサ３４から出力されるノイズのみが示されている。この結果を見ると、作業者Ｍがハンドル３２に触れなくても、レギュレータ制御モード後に台車２０が停止していることが確認できる。これにより、一定の安全性を確保することが可能となる。

次に、作業者Ｍが走行中の台車２０のハンドル３２に触れた場合における２つの実験結果の例を(実験例１)、(実験例２)について順に図１６および図１７に示す。なお、図１６および図１７においても、図１５と同様に、同図(A) 〜(E) の順に、台車変位 ｘ(t)、台車速度ｘdot(t)、制御力 Ｆ(t)、モータ入力電圧 ｅ(t)、モータ電流 ｉ(t)、作業者操作力 Ｆ(t)がそれぞれ示されている。なお、両実験の差異は、作業者Ｍがハンドル３２に触れた時刻が異なる点にあり、(実験例１)ではt_SW＝６．２１秒、(実験例２)ではt_SW＝６．３６秒となっている。また、(実験例１)は手動位置決めの距離が短い場合、(実験例２)は手動位置決めの距離が長い場合となっている。

両実験の結果とも、途中で突然ハンドル３２をつかんだにもかかわらず、サーボ搬送制御モードからインピーダンス制御モードに至るまで、図１６(D) 、図１７(D) に示されるモータ入力電圧 ｅ(t)は、飽和することなく連続的に変化しており、なめらかに制御モードが切り換えられていることがわかる。また作業者Ｍの実際の感覚としても、ハンドル３２に触れた直後に、ハンドル３２側からの大きな力を受けたような感覚はほとんどなかったことを確認している。即ち、作業者Ｍは自動搬送から不快感を受けることなくスムーズに位置決め作業に移行できていることがわかる。

以上説明したように、本実施形態に係る台車２０によると、制御部ユニット３０のコンピュータ３０ａによる駆動制御処理によって、サーボ搬送制御モード（Ｓ１００）によるサーボ制御によりワークＷを載せた当該台車２０を自走させ、インピーダンス制御モード（Ｓ３００）によるワークＷを操作する作業者Ｍの操作状態を含めた所定の制御パラメータに基づいたインピーダンス制御により当該走行中の台車２０をその停車位置に位置決め操作する作業者Ｍの位置決め作業をアシストする。そして、サーボ搬送制御モードによるサーボ制御から、インピーダンス制御モードによるインピーダンス制御への移行に際し、レギュレータ制御モード（Ｓ２００）によってサーボ制御による当該台車２０走行速度を所定速度以下に減速させる。これにより、サーボ制御からインピーダンス制御に移るときには、当該台車２０の走行速度が所定速度以下、例えば０．１ｍ／ｓ〜０．３ｍ／ｓ程度に減速しているので、当該位置決め作業の操作のために作業者Ｍが当該走行中の台車２０に触れる場合があっても作業者Ｍに違和感を与えにくい。したがって、インピーダンス制御によりアシストされる位置決め作業において、作業者Ｍの作業負担を軽減することができる。

また、本実施形態に係る台車２０によると、レギュレータ制御モード（Ｓ２００）では、サーボ制御終了時点での台車２０の移動速度を有限な終端時刻ｔ_f 内にほぼゼロに収束させるレギュレータ制御を行う。これにより、ほぼゼロへの収束に向けた台車２０の減速によって、当該台車２０を操作するために作業者Ｍが走行中の当該台車２０に触れる場合があっても、作業者Ｍに違和感を与えにくい。したがって、位置決め作業における作業者Ｍの作業負担を軽減することができる。

さらに、本実施形態に係る台車２０によると、サーボ搬送制御モード（Ｓ１００）によるサーボ制御からレギュレータ制御モード（Ｓ２００）によるレギュレータ制御への移行においては、非定常最適制御手法により与えられる式(19)の時変評価関数に基づいて非定常最適制御が行われる。これにより、サーボ制御とレギュレータ制御とを統一的に設計することができ、当該時変評価関数中の時変重みをなめらか（ほぼ連続的）に変化させる設定を行うことにより、サーボ制御における制御偏差に対するフィードバックを適切に切って、速度のフィードバックによるレギュレータ制御になめらかに移行することができる。したがって、サーボ制御からレギュレータ制御になめらかに切り換えることができるので、サーボ制御からインピーダンス制御への移行を一層スムースにできる。

さらにまた、本実施形態に係る台車２０によると、レギュレータ制御モード（Ｓ２００）によるレギュレータ制御からインピーダンス制御モード（Ｓ３００）によるインピーダンス制御への移行においては、式(24)による非定常的なインピーダンス制御により作業者Ｍによる台車２０の操作のアシストが行われる。これにより、インピーダンス特性上の台車２０の質量を時変係数ｍ_d(t)とし、またインピーダンス特性上の粘性減衰係数を時変係数ｃ_d(t)とするので、これらを所定値ｍ_d、ｃ_dに固定した定常的なインピーダンス制御（式(23)）を行う場合に比べて、例えば、図１１に示すようなシグモイド関数に従った時間変化を与えることによりレギュレータ制御からインピーダンス制御への移行をなめらかに行うことができる。したがって、サーボ制御からインピーダンス制御への移行を一層スムースにできる。

また、本実施形態に係る台車２０によると、式(24)において、所定の制御パラメータとして、作業者Ｍが台車２０を操作した時t_sw におけるインピーダンス特性上の台車２０の質量ｍ_d(t_sw)を台車２０の実際の質量ｍ_n に設定し、作業者Ｍが台車２０を操作した時t_sw におけるインピーダンス特性上の粘性減衰係数ｃ_d(t_sw)を当該時t_sw におけるレギュレータ制御によるフィードバックゲインｆ_bv(t_sw) に設定する。これにより、レギュレータ制御モード（Ｓ２００）によるレギュレータ制御の入力とインピーダンス制御モード（Ｓ３００）によるインピーダンス制御の入力とが一致するから、両制御における制御の連続性を確保することができる。したがって、レギュレータ制御からインピーダンス制御になめらかに切り換えることができるので、サーボ制御からインピーダンス制御への移行を一層スムースにできる。

ここで、本発明のパワーアシスト装置をリニアモータ型の搬送装置５０に適用した例を図４、８、１２、１８に基づいて説明する。
図１８に示すように、搬送装置５０は、荷台５２、スライドテーブル５３、ハンドル５４、アシストモータ５５、可倒機構５６、リニアモータ５７、制御装置５８等から構成されており、荷台５２に載置されたワークＷａを搬送開始位置から搬送終了位置まで搬送して、搬送された当該ワークＷａを他のワークＷｂに取り付ける作業をアシストする、搬送機能とパワーアシスト機能とを兼ね備えたものである。

荷台５２は、ワークＷａを載置かつ可倒機構５６により倒立可能に構成されるもので、搬送用パレットとも称されるものである。スライドテーブル５３は、リニアモータ５７により発生する駆動力によって搬送軌道上を移動可能なもので、荷台５２を線状に移動させる機能を有する。可倒機構５６は、荷台５２に載置されたワークＷａを他のワークＷｂに向けて位置決めして取り付けられるように、当該荷台５２を立ち上げ可能に構成されており、アシストモータ５５によるアシストも受けられるように構成されている。

制御装置５８は、前述した台車２０の制御部ユニット３０とほぼ同様に、図略の位置検出センサにより検出されるスライドテーブル５３の移動位置に基づいてリニアモータ５７をサーボ制御したり、ハンドル５４に取り付けられた図略の力覚センサにより検出される作業者Ｍの操作力に基づいてアシストモータ５５およびリニアモータ５７をインピーダンス制御することができるように構成されている。

このように構成された搬送装置５０は、前述した台車２０と同様、図４に示す駆動制御をその制御装置５８に適用することができる。即ち、ステップＳ１００によるサーボ搬送制御モードにおいては、荷台速度ｘdot(t)と誤差積分値 ｘ_sv(t)のフィードバックによるサーボ制御を行い（図１２に示すゲイン（−ｆ₁ ）、ゲイン（−ｆ₂ ）によるフィードバックループ）、またステップＳ２００によるレギュレータ制御モードにおいては、前掲の式(19)による時変評価関数に基づいた非定常最適制御を図８に示すように、時変評価関数中の時変重みをなめらか（ほぼ連続的）に変化させて行う。さらにステップＳ３００によるインピーダンス制御モードにおいては、インピーダンス特性上の物体の質量ｍ_d(t)、粘性減衰係数ｃ_d(t)に対し、例えばシグモイド関数に従って時間変化を与えた非定常インピーダンス制御を行い、さらに作業者Ｍがハンドル５４に触れてステップＳ３００に移行した直後（ｔ＝ｔ_SW）において、ｍ_d(t_SW)＝ｍ_n 、ｃ_d(t_SW)＝^ｆ_bv(ｔ_SW) に設定する。

これにより、ステップＳ２００では、ステップＳ１００によるサーボ制御における制御偏差に対するフィードバックを適切に切り、速度のフィードバックによるレギュレータ制御になめらかに移行させることができ、また荷台速度ｘdot(t)の減速により荷台５２を操作するために作業者Ｍが走行中の当該荷台５２に触れる場合があっても、当該作業者Ｍに違和感を与えにくくする。また、ステップＳ３００では、レギュレータ制御からインピーダンス制御への移行をなめらかに行うことができ、両制御における制御の連続性を確保することができるので、レギュレータ制御モードからインピーダンス制御モードになめらかに切り換えることができる。したがって、サーボ制御からインピーダンス制御への移行を一層スムースにするので、搬送装置５０による位置決め作業における作業者Ｍの作業負担を軽減することができる。

本発明のパワーアシスト装置およびパワーアシスト装置の制御方法は、上述した台車２０や搬送装置５０に対する適用に限られることはない。本発明のパワーアシスト装置およびパワーアシスト装置の制御方法を、例えば、電動型車椅子や車両等のパワーステアリング装置に適用することによって、電動型車椅子や車両等の停車位置を位置決めする際に、運転者による操作をインピーダンス制御によりアシストするような場合には、通常走行時におけるサーボ制御から位置決め時におけるインピーダンス制御への移行をなめらかに行うことが可能となる。つまり、サーボ制御からインピーダンス制御に移行し得るメカトロ機器であれば、本発明のパワーアシスト装置およびパワーアシスト装置の制御方法を適用することができる。

本発明の一実施形態に係る台車の外観を示す斜視図である。 本実施形態に係る台車の制御系の構成を示す説明図である。 本実施形態に係る台車による自動搬送および位置決め作業の一例を示す説明図である。 本実施形態に係る台車の駆動制御の流れを示すフローチャートである。 本実施形態に係る台車を制御対象モデルにより表した説明図である。 図４に示すモデルを簡単な二重積分系によるモデルにより表した説明図である。 図５に示すモデルにおいて、時変フィードバックゲインの計算値を示す特性図である。 非定常最適制御における時変重み付けの例を示す特性図で、サーボ制御（実線）および速度（破線）に対するものを、サーボ搬送制御モードからレギュレータ制御モードに移行する時間変化として表したものである。 重み付けの例を示す特性図で、図９(A) はサーボ制御に対する重み付け、図９(B) は速度制御に対する重み付け、をそれぞれ示すものである。 時変フィードバックゲインの各要素を示す特性図で、図１０(A) は台車変位に対するゲイン、図１０(B) は台車速度に対するゲイン、図１０(C) はサーボ変数に対するゲイン、をそれぞれ示すものである。 レギュレータ制御モードからインピーダンス制御モードに切り換わるタイミングの前後におけるｍ_d(t)、ｃ_d(t)の時間変化例を示す説明図である。 本実施形態に係る台車の駆動制御の概念を示したブロック図で、サーボ搬送制御モードではゲイン（−ｆ₁）および（−ｆ₂ ）、レギュレータ制御モードではゲイン（−ｆ₂ ）、インピーダンス制御ではゲイン（−ｆ₂）および（ｆ₃ ）がそれぞれ機能する。 本実施形態に係る台車の駆動制御に用いられる時変フィードバックゲイン等の設定を調整する手順を示すフローチャートである。 式(25)、(26)によるシグモイド関数に従って求められた特性図で、図１４(A) はｍ_d(t)の時間変化例、図１４(B) はｃ_d(t)の時間変化例をそれぞれ示すものである。 (実験例０)における実験結果を特性図で、図１５(A) は台車変位、図１５(B) は台車速度、図１５(C) は制御力、図１５(D) はモータ入力電圧、図１５(E) はモータ電流、図１５(F) は作業者操作力、をそれぞれ示すものである。 (実験例１)における実験結果を特性図で、図１６(A) は台車変位、図１６(B) は台車速度、図１６(C) は制御力、図１６(D) はモータ入力電圧、図１６(E) はモータ電流、図１６(F) は作業者操作力、をそれぞれ示すものである。 (実験例２)における実験結果を特性図で、図１７(A) は台車変位、図１７(B) は台車速度、図１７(C) は制御力、図１７(D) はモータ入力電圧、図１７(E) はモータ電流、図１７(F) は作業者操作力、をそれぞれ示すものである。 本発明の他の実施形態に係るリニアモータ型の搬送装置の構成例を示す説明図である。 パワーアシスト装置を生産現場で使用した場合における一般的な作業形態の一例を示す説明図である。

符号の説明

２０ 台車（パワーアシスト装置、搬送装置）
２１ 荷台
２２ 軸受部（搬送機構）
２３ 駆動輪（搬送機構）
２４ 補助輪（搬送機構）
２５ 車軸（搬送機構）
２６ ギヤ装置（搬送機構）
２７ モータ（駆動力発生源、アシスト力発生源）
２８ エンコーダ（センサ）
３０ 制御部ユニット（移動制御手段、アシスト制御手段、減速制御手段、第１制御手段、第２制御手段）
３２ ハンドル
３４ 力覚センサ（操作状態センサ）
５０ 搬送装置（パワーアシスト装置）
５２ 荷台
５３ スライドテーブル（搬送機構）
５４ ハンドル
５５ アシストモータ（アシスト力発生源）
５６ 可倒機構（アシスト機構）
５７ リニアモータ（駆動力発生源、アシスト力発生源、搬送機構）
５８ 制御装置（移動制御手段、アシスト制御手段、減速制御手段、第１制御手段、第２制御手段）
Ｗ、Ｗａ ワーク（物体）
Ｍ 作業者（操作者）
Ｓ１００（移動制御手段）、Ｓ２００（減速制御手段）、Ｓ３００（アシスト制御手段）

Claims (7)

1. サーボ制御により物体を移動可能な移動制御手段と、
   前記移動制御手段により移動させた前記物体を操作する操作者の操作状態を含めた所定の制御パラメータに基づいたインピーダンス制御により、前記操作者による前記物体の操作をアシスト可能なアシスト制御手段と、
   前記移動制御手段によるサーボ制御から前記アシスト制御手段によるインピーダンス制御への移行に際し、前記サーボ制御による前記物体の移動速度を所定速度以下に減速させる減速制御手段と、
   を備えることを特徴とするパワーアシスト装置。
2. 前記減速制御手段は、前記サーボ制御終了時点での前記物体の移動速度を所定期間内にほぼゼロに収束させるレギュレータ制御であることを特徴とする請求項１記載のパワーアシスト装置。
3. 前記移動制御手段によるサーボ制御から前記減速制御手段によるレギュレータ制御への移行においては、非定常最適制御手法により与えられる所定の時変評価関数に基づいて非定常最適制御が行われることを特徴とする請求項２記載のパワーアシスト装置。
4. 前記減速制御手段によるレギュレータ制御から前記アシスト制御手段によるインピーダンス制御への移行においては、次式による非定常的なインピーダンス制御により前記アシストが行われることを特徴とする請求項２または３記載のパワーアシスト装置。ここで、次式において、Ｆ(t) はアシスト力［Ｎ］、ｍ_n は前記物体の実際の質量［kg］、ｍ_d(t)は前記操作者が前記物体を操作している時刻ｔにおけるインピーダンス特性上の前記物体の質量［kg］、ｃ_d(t)は前記操作者が前記物体を操作している時刻ｔにおけるインピーダンス特性上の粘性減衰係数［Ｎｓ／ｍ］、ｘdot(t)は移動速度［ｍ／ｓ］、Ｆ_h(t)は操作者による操作力［Ｎ］である。
   

   
5. 請求項４記載の数式において、前記所定の制御パラメータとして、
   前記操作者が前記物体を操作した時t_sw におけるインピーダンス特性上の前記物体の質量ｍ_d(t_sw)を前記物体の実際の質量ｍ_n に設定し、
   前記操作者が前記物体を操作した時t_sw におけるインピーダンス特性上の粘性減衰係数ｃ_d(t_sw)を当該時t_sw における前記レギュレータ制御によるフィードバックゲインｆ_bv(t_sw) に設定することを特徴とする請求項４記載のパワーアシスト装置。
6. サーボ制御により物体を移動可能な移動制御手段と、
   前記移動制御手段により移動させた前記物体を操作する操作者の操作状態を含めた所定の制御パラメータに基づいたインピーダンス制御により、前記操作者による前記物体の操作をアシスト可能なアシスト制御手段と、
   を備えたパワーアシスト装置の制御方法であって、
   前記移動制御手段によるサーボ制御から前記アシスト制御手段によるインピーダンス制御への移行に際し、前記サーボ制御による前記物体の移動速度を所定速度以下に減速させることを特徴とするパワーアシスト装置の制御方法。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のパワーアシスト装置を用いた搬送装置において、
   前記移動制御手段として、前記物体を載置可能な荷台と、前記荷台を移動可能な駆動力を発生させる駆動力発生源と、前記駆動力により前記荷台を移動可能な搬送機構と、前記荷台の移動位置または移動速度を検出するセンサと、前記センサにより検出された前記荷台の移動位置または移動速度に基づいて前記駆動力発生源をサーボ制御する第１制御手段と、を備え、
   前記アシスト制御手段として、前記操作者の操作状態を検出する操作状態センサと、前記操作者による前記物体の移動または姿勢変更をアシスト可能なアシスト力を発生させるアシスト力発生源と、前記アシスト力により前記物体の移動または姿勢変更を可能にするアシスト機構と、前記操作状態センサにより検出された前記操作者の操作状態に含めた所定の制御パラメータに基づいて前記アシスト力発生源をインピーダンス制御する第２制御手段と、を備え、
   前記第１制御手段または前記第２制御手段の少なくも一方を、前記減速制御手段としても機能させることを特徴とする搬送装置。
   

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