JP2018058164A - 駆動制御装置、トルク制御装置、アシスト制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】粘性変化を持つ動力伝達部を有する機構部に適用しても、時間経過に応じた粘性変化を考慮して駆動部の駆動状態に見合うように外乱推定の精度を極力向上できる駆動制御装置を提供する。【解決手段】装置の各部では、制御対象物と結合される各機構部の電動機をモータドライバ２３５、２４１が駆動部のアクチュエータ２３０、２３２を介して駆動し、駆動情報検出部２３６が各駆動部の駆動情報を検出し、電流検出部２３４、２４０が各駆動部の電流を検出する。ＣＰＵ２１０内では、外乱推定部２３８が各機構部に加わる負荷外乱を電流、駆動情報に基づいて推定し、駆動制御部２１３が駆動指令を負荷外乱に含まれる各駆動部と各機構部との粘性係数、駆動情報に基づいて制御する他、粘性係数の値を予め決められた関数データの特性パラメータを元に計算し、各機構部の駆動開始後から粘性係数が一定の範囲に収まった後に各機構部のクラッチの動力伝達を行う。【選択図】図３

Description

本発明は、駆動制御装置、トルク制御装置、アシスト制御装置に関する。

従来、この種の駆動制御装置による制御対象の一例となる産業ロボットの腕や手に相当する部分のマニピュレータにおける外乱や外乱トルクを推定する方法として、外乱オブザーバを使用する技術が知られている。このような技術では、マニピュレータに結合される機構部に接続された電動機であるモータの電流・角速度・角加速度等から外乱を推定する。具体的には、モータの電流及びトルク定数を乗算した入力トルク、並びにモータの回転系慣性モーメントを示すイナーシャ及び角加速度を乗算した出力トルクとクーロン摩擦や粘性摩擦に係る摩擦力との関係から外乱トルクを推定する場合を例示できる。

このような制御対象における外乱や外乱トルクの推定に関連する周知技術の一例は下記に挙げられる。モータに動力伝達部を介して被駆動部を機械的に結合したものを制御対象とするような機械装置への適用に適し、機械装置における摩擦や装置の自重のような外乱が存在しても精度良く装置特性を同定して駆動制御を実行できる「機械装置の制御装置及び機械装置の特性同定方法」（特許文献１参照）である。

上述した特許文献１に係る技術は、機械装置における摩擦や装置の自重のような外乱が存在しても精度良く装置特性を同定する目的である。そして、モータと被駆動部との間を動力伝達部で連結した慣性共振系を制御対象とし、同定されたパラメータに基づいてトルク指令値を調整する手法を開示している。

しかしながら、特許文献１に係る技術によれば、動力伝達部を有する制御対象を摩擦の変化に対して精度良く制御できる。しかしながら、グリース等の潤滑剤による粘性変化を持つ機構部に適用した場合、時間経過に伴って摩擦力が変化するため、時間経過に応じた粘性摩擦係数の変化を考慮したトルク推定が必要になってしまうという問題がある。即ち、現状では粘性変化を持つ動力伝達部を有する機構部に適用すると、外乱推定の精度が悪化してしまうという難点が解消されない。

本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、以下のように表現できる。粘性変化を持つ動力伝達部を有する機構部に適用しても、時間経過に応じた粘性変化を考慮して駆動部の駆動状態に見合うように外乱推定の精度を極力向上できる駆動制御装置、トルク制御装置、アシスト制御装置を提供するものである。

上記技術的課題を解決するため、本発明の一形態は、制御対象物を駆動する駆動部と、制御対象物及び駆動部に接続され、潤滑剤を含んだ粘性変化を持つ機構部と、制御対象物及び機構部を支持する支持部と、機構部及び支持部に接続され、駆動部から支持部への動力伝達をオン・オフする動力伝達機構部と、駆動部による機構部への駆動情報を検出する駆動情報検出部と、駆動部に流れる電流を検出する電流検出部と、機構部に加わる負荷外乱を電流検出部で検出された電流と駆動情報検出部で検出された駆動情報とに基づいて推定する外乱推定部と、駆動部の駆動指令を外乱推定部により推定された負荷外乱に含まれる当該駆動部と機構部とに関する粘性係数、及び駆動情報検出部により検出された駆動情報に基づいて制御する制御部と、を備えた駆動制御装置であって、制御部は、外乱推定部で推定される粘性係数の値を予め決められた関数データの特性パラメータに基づいて計算し、駆動部による機構部の駆動開始後から当該粘性係数が一定の範囲に収まった後に動力伝達機構部の動力伝達を行わせることを特徴とする。

本発明では、上記一形態に係る構成により、粘性変化を持つ動力伝達部を有する機構部に適用しても、時間経過に応じた粘性変化を考慮して駆動部の駆動状態に見合うように外乱推定の精度を極力向上できるようになる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例に係る駆動制御装置が適用されたマニピュレータ装置の概略構成を示したものである。同図（ａ）はマニピュレータの外観を側面方向から示した図、同図（ｂ）は駆動制御装置を備えたマニピュレータ本体と制御対象のマニピュレータ並びに周辺装置との接続構成の一形態に係るブロック図である。 図１（ｂ）に示すマニピュレータ装置の接続構成に代用可能なマニピュレータ装置の概略構成を示したものである。同図（ａ）は駆動制御装置を備えたマニピュレータ本体と制御対象のマニピュレータ並びに周辺装置との接続構成の他形態に係るブロック図、同図（ｂ）は駆動制御装置を備えたマニピュレータ本体と制御対象のマニピュレータ並びに周辺装置との接続構成の別形態に係るブロック図である。 図２（ｂ）に示すマニピュレータ装置の細部構成を周辺装置を含めて示したブロック図である。 図３に示すマニピュレータ装置のマニピュレータ本体に備えられる入力部の外観構成を示した概略図である。 図３に示すマニピュレータ装置のマニピュレータ本体に備えられる外乱推定部を外乱トルク推定部とした場合の回路構成を例示したものである。同図（ａ）はローパスフィルタを持たない回路構成図、同図（ｂ）ローパスフィルタを持つ回路構成図である。 図５（ｂ）に示す外乱トルク推定部で得られた外乱トルク推定値を用いてトルク制御を行う場合のトルク制御回路の構成例を示したブロック図である。 図６に示すトルク制御回路を用いてアシスト制御を行うイメージの模式図を示したものである。同図（ａ）はマニピュレータの操作状態推移に対比される位置変化に対する力の変化の関係で示される動作に必要な力の特性図、同図（ｂ）は外力の操作力に対する操作力指令値の関係を示した図である。 図６に示すトルク制御回路を用いてアシスト制御を行う場合の図３に示すマニピュレータ装置のマニピュレータ本体に備えられるＣＰＵ内の駆動制御部に係る動作処理を示すフローチャートである。 図５（ｂ）に示す外乱トルク推定部を粘性摩擦係数の補正用とした場合の回路構成を例示した図である。 図９に示す外乱トルク推定部を適用した場合の回転角速度に対する粘性摩擦係数及び摩擦力との関係を示した特性図である。同図（ａ）は回転角速度に対する粘性摩擦係数の特性図、同図（ｂ）は回転角速度に対する摩擦力の特性図である。 図９に示す外乱トルク推定部を適用した場合の駆動部による機構部に対する駆動時間に対応して回転角速度を異なるパターンで変化させて粘性摩擦係数を補正する場合の特性を移動回転距離と対比させて示した図である。同図（ａ）は特性パラメータのパターン１に関する図、同図（ｂ）は特性パラメータのパターン２に関する図、同図（ｃ）は特性パラメータのパターン３に関する図である。 図９に示す外乱トルク推定部を適用した場合の駆動部による機構部に対する駆動時間に対応して回転角速度を途中で変化させて粘性摩擦係数を補正する場合の特性を移動回転距離と対比させて示した図である。同図（ａ）は特性パラメータのパターン４に関する図、同図（ｂ）は特性パラメータのパターン５に関する図である。 図１２（ａ）に示す特性パラメータのパターン４で回転角速度を第１の回転角速度で駆動開始してから十分時間が経過して粘性摩擦係数が第１の粘性摩擦係数に漸近する前に第３の回転角速度に変化させた場合の時間に対する粘性摩擦係数及び回転角速度の特性を対比して示した図である。 図８で説明した駆動制御部による駆動部を介しての機構部への駆動後の駆動時間に基づく粘性摩擦係数の計算及びクラッチの動力伝達の動作処理に係るフローチャートである。 図８で説明した駆動制御部による駆動部を介しての機構部への駆動後の移動した移動回転距離に基づく粘性摩擦係数の計算及びクラッチの動力伝達の動作処理に係るフローチャートである。 図８で説明した駆動制御部による駆動部を介しての機構部への駆動後の駆動時間に基づいて粘性摩擦係数を算出した場合のクラッチによる動力伝達のオン・オフの関係を示すタイミングチャートである。

以下に、本発明の駆動制御装置、トルク制御装置、アシスト制御装置について、実施例を挙げ、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例に係る駆動制御装置が適用されたマニピュレータ装置２００Ａの概略構成を示したものである。同図（ａ）はマニピュレータの外観を側面方向から示した図、（ｂ）は駆動制御装置を備えたマニピュレータ本体２０１と制御対象のマニピュレータ並びに周辺装置との接続構成の一形態に係るブロック図である。

図１（ａ）、図１（ｂ）を参照すれば、このマニピュレータ装置２００Ａは、一端側が手の役割を持つアーム１０１の他端部の根元部分がベース板１０８に取付け固定された土台１０２との間で軸支されて関節となる。また、軸心を駆動中心１０３としてアーム１０１が回転可能な１自由度を持つ制御対象物のマニピュレータとして機構部に結合される。この上でマニピュレータ本体２０１に備えられる駆動制御装置で機構部の電動機を駆動するように構成される。ここでのマニピュレータの駆動中心１０３は、動力伝達機構部となるクラッチ１１１を介在させて減速機１０６に接続され、電動機としてのモータ１０５からの動力によって回転駆動される。これにより、減速機１０６に接続されたモータ１０５の動力がクラッチ１１１から伝達されてアーム１０１が駆動中心１０３に対して回転駆動する。モータ１０５にはその回転量を計測可能なモータ用エンコーダ（ＥＮＣ）１０４が取付けられている。ここでの機構部は、モータ１０５及びこれを駆動する駆動部に接続される減速機１０６及びモータ用エンコーダ１０４を含む構成（或いはアーム１０１を含めても良い）を示す。土台１０２は、機構部及びモータ１０５とマニピュレータのアーム１０１とに対する支持部として働く。クラッチ１１１は、機構部及び土台１０２に接続され、駆動部から土台１０２への動力伝達をオン・オフする動力伝達機構部として機能する。マニピュレータ自体は、クラッチ１１１を介在させた減速機１０６とモータ用エンコーダ１０４が取付けられたモータ１０５とがアーム１０１に固定され、駆動中心１０３が土台１０２に固定される構造となる。その他、マニピュレータ本体２０１には、後文で説明する外部接続装置１０７が接続される。即ち、ここでのマニピュレータ装置２００Ａは、制御対象物である１つのアーム１０１に対してモータ１０５、減速機１０６、クラッチ１１１を１個ずつ具備した構成となっている。

図２は、図１（ｂ）に示すマニピュレータ装置２００Ａの接続構成に代用可能なマニピュレータ装置２００Ｂ、２００Ｃの概略構成を示したものである。同図（ａ）は駆動制御装置を備えたマニピュレータ本体２００と制御対象のマニピュレータ並びに周辺装置との接続構成の他形態を示したブロック図、同図（ｂ）は駆動制御装置を備えたマニピュレータ本体２００と制御対象のマニピュレータ並びに周辺装置との接続構成の別形態を示したブロック図である。

図２（ａ）に示すマニピュレータ装置２００Ｂの接続構成では、制御対象物である１つのアーム１０１に対してモータ１０５を１個、減速機１０６、１１０とクラッチ１１１、１１２とを２個ずつ具備した構成となっている。ここでもアーム１０１は、駆動中心１０３に回転可能に支持されている。また、マニピュレータの駆動中心１０３はアーム１０１端面の一方側にクラッチ１１１を介在させた減速機１０６とアーム１０１端面の他方側にクラッチ１１２を介在させた減速機１１０とに接続されている。これにより、減速機１０６に接続されたモータ１０５の動力がクラッチ１１１、１１２から伝達されてアーム１０１が駆動中心１０３に対して回転駆動する。詳細には、モータ１０５が減速機１０６との間に介在されたギア１１３を回動し、ギア１１３の回動が減速機１０６との間に介在された他のギア１１４を回動させる。また、ギア１１４がシャフト１１５を回動させ、シャフト１１５が減速機１１０の外側に設けられたギア１１６を回動させることで最終的に減速機１１０に動力が伝達される。尚、減速機１１０への動力伝達は、減速機１０６への動力とは逆方向の回転動力となるような構成となっている。更に、ここでもモータ用エンコーダ１０４がモータ１０５の回転量を計測可能に取付けられている。また、減速機１０６、１１０及びモータ１０５はアーム１０１に固定され、駆動中心１０３が土台１０２に固定されている。

即ち、マニピュレータ装置２００Ｂでは、モータ１０５及び駆動部に接続される減速機１０６とギア１１３、１１４とが潤滑剤を含んだ粘性変化を持つ第１の機構部として働く。また、駆動部に接続される減速機１１０とギア１１６及びシャフト１１５とが第１の機構部とは逆方向に駆動される潤滑剤を含んだ粘性変化を持つ第２の機構部として働く。更に、土台１０２がモータ１０５と第１の機構部及び第２の機構部とを支持する支持部となる。加えて、第１の機構部及び土台１０２に接続されるクラッチ１１１が駆動部から土台１０２への動力伝達をオン・オフする第１の動力伝達機構部となる。その他、第２の機構部及び土台１０２に接続されるクラッチ１１２が駆動部から土台１０２への動力伝達をオン・オフする第２の動力伝達機構部となる。

図２（ｂ）に示すマニピュレータ装置２００Ｃの接続構成では、１つのアーム１０１に対してモータ１０５、１０９と減速機１０６、１１０とクラッチ１１１、１１２とが２個ずつ具備された構成となっている。ここでもアーム１０１は、駆動中心１０３に回転可能に支持されている。また、マニピュレータの駆動中心１０３はアーム１０１端面の一方側にクラッチ１１１を介在させた減速機１０６とアーム１０１端面の他方側にクラッチ１１２を介在させた減速機１１０とに接続されている。これにより、減速機１０６、１１０に接続されたモータ１０５、１０９の動力がそれぞれクラッチ１１１、１１２から伝達されてアーム１０１が駆動中心１０３に対して回転駆動する。尚、ここでも減速機１１０への動力伝達は、減速機１０６への動力とは逆方向の回転動力となるような構成となっている。更に、ここでもモータ用エンコーダ１０４、１１７がモータ１０５、１０９の回転量を計測可能に取付けられている。また、減速機１０６、１１０及びモータ１０５、１０９はアーム１０１に固定され、駆動中心１０３が土台１０２に固定されている。

即ち、マニピュレータ装置２００Ｃでは、モータ１０５及びこれを駆動する第１の駆動部に接続される減速機１０６が潤滑剤を含んだ粘性変化を持つ第１の機構部として働く。また、モータ１０９及びこれを駆動する第２の駆動部に接続される減速機１１０が第１の機構部とは逆方向に駆動される潤滑剤を含んだ粘性変化を持つ第２の機構部として働く。更に、土台１０２がモータ１０５、１０９と第１の機構部及び第２の機構部とを支持する支持部となる。加えて、クラッチ１１１は第１の機構部及び土台１０２に接続されるクラッチ１１１が第１の駆動部から土台１０２への動力伝達をオン・オフする第１の動力伝達機構部となる。その他、第２の機構部及び土台１０２に接続されるクラッチ１１２が第２の駆動部から土台１０２への動力伝達をオン・オフする第２の動力伝達機構部となる。

上述したマニピュレータ装置２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃにおけるマニピュレータの単一のクラッチ１１１を有する機構部や一対のクラッチ１１１、１１２を有する第１の機構部及び第２の機構部は、潤滑剤を含む粘性変化を持つ場合を想定している。因みに、ここでは制御対象物をマニピュレータのアーム１０１としたが、その他にグリース等の潤滑剤を含む波動歯車装置や工作機器等に適用することも可能である。こうした場合、第１の機構部のモータ１０５や第２の機構部のモータ１０９は、それ以外の流体機械や熱機関を含む広義な意味での原動機であっても良い。

図３は、上述したマニピュレータ装置２００Ｃの細部構成を周辺装置を含めて示したブロック図である。

図３を参照すれば、ここでのマニピュレータ装置２００Ｃは、マニピュレータ本体２０１に対して周辺装置として上述した外部接続装置１０７に該当する電源部２９１とホストコントローラ２８１とが接続されて構成される。マニピュレータ動作に画像情報が必要な場合には更にホストコントローラ２８１に対して画像入力装置２７１が接続される。因みに、マニピュレータ装置２００Ｃ自体は、マニピュレータ本体２０１、ホストコントローラ２８１、電源部２９１を別体として構成する以外、これらの全てをマニピュレータ本体２０１内に実装したスタンドアロン式の構成としても良い。

マニピュレータ本体２０１の細部構成は、第１の駆動部のアクチュエータ２３０、第２の駆動部のアクチュエータ２３２に対する動作制御をモータドライバ２３５、モータドライバ２４１を介して行うＣＰＵ２１０を備える。このＣＰＵ２１０内の通信制御部２１１がホストコントローラ２８１と通信網２８２で接続され、ホストコントローラ２８１から通信網２８２及び通信制御部２１１を経由してＣＰＵ２１０内の駆動制御部２１３に各種情報が伝送されるようになっている。各種情報は、動作モード情報、駆動制御に必要な各種パラメータ、マニピュレータの目標移動位置情報等である。

ＣＰＵ２１０には、各種センサ２２０や各種スイッチ２２１の信号が入力される。また、例えばＣＰＵ２１０に接続可能な入力部２３９から動作モードを入力して設定することもできる。この際、これらの信号情報に基づいてマニピュレータに対する緊急停止等の軌道停止動作が駆動制御部２１３の動作指令によって行われる。更に、ＣＰＵ２１０にはクロック２２３が入力端子及び出力端子で接続され、クロック信号が取り込まれるようになっている。

加えて、ＣＰＵ２１０内には、動作プログラムやマニピュレータの動作制御に必要な情報を書き換え可能に格納するための各種メモリ機能を持つ記憶部２１４やカウント計数用のタイマ２１２が搭載されている。これらに接続された駆動制御部２１３は、マニピュレータの動作制御として、モータドライバ２３５、２４１によるアクチュエータ２３０、２３２への駆動指令を出力する。このとき、駆動制御部２１３は、外乱推定部２３８により推定された負荷外乱に含まれるモータ１０５、１０９を含む機構部とアクチュエータ２３０、２３２を含む駆動部と関する粘性係数に基づいて駆動指令の出力を制御する。即ち、マニピュレータの各関節は、駆動制御部２１３から駆動指令を受けたモータドライバ２３５、２４１がドライブするアクチュエータ２３０、２３２によってモータ１０５、１０９を駆動することで行われる。

アクチュエータ２３０、２３２の駆動情報は、それらに付設されたエンコーダ２３１、２３３からの信号として駆動情報検出部２３６に入力される。駆動情報検出部２３６は、エンコーダ２３１、２３３からの信号を移動量、移動速度、移動加速度といった駆動情報に変換する。

また、アクチュエータ２３０、２３２に流れる電流は第１の電流検出部２３４、第２の電流検出部２４０によって検出される。駆動情報検出部２３６で検出された駆動情報、及び電流検出部２３４、２４０で検出された電流は、ＣＰＵ２１０内の外乱推定部２３８に入力される。外乱推定部２３８は、入力された駆動情報、及び電流に基づいて機構部に加わる負荷外乱を推定して駆動制御部２１３に送出する。

駆動制御部２１３では、駆動情報検出部２３６で検出された駆動情報、外乱推定部２３８で推定された負荷外乱値、並びに入力部２３９等で設定された動作モードに基づいて目標指令値を生成する。このとき、駆動制御部２１３は、目標指令値に沿った駆動となるように、モータドライバ２３５、２４１に駆動指令を送出し、アクチュエータ２３０、２３２をフィードバック制御で駆動する。この結果、図２（ｂ）に示したモータ１０５、１０９が目標指令値に沿うように回転制御される。尚、外乱推定部２３８により推定された負荷外乱には、モータ１０５、１０９を含む機構部とアクチュエータ２３０、２３２を含む駆動部とに関する粘性係数が含まれる。

モータドライバ２３５は電動機のモータ１０５を駆動し、モータドライバ２４１は電動機のモータ１０９を駆動する。モータ１０５、１０９を含む機構部とアクチュエータ２３０、２３２を含む駆動部とは潤滑剤を含んだ粘性変化を持つ。駆動情報検出部２３６は、モータドライバ２３５、２４１によるアクチュエータ２３０、２３２の駆動情報を検出する。電流検出部２３４、２４０は、モータドライバ２３５、２４１に流れる電流を検出する。

外乱推定部２３８は、アクチュエータ２３０、２３２に加わる負荷外乱を電流検出部２３４、２４０で検出された電流、及び駆動情報検出部２３６で検出された駆動情報に基づいて推定する。駆動制御部２１３は、モータドライバ２３５、２４１への駆動指令を外乱推定部２３８により推定された負荷外乱に含まれるモータ１０５、１０９を含む機構部とアクチュエータ２３０、２３２を含む駆動部とに関する粘性係数と駆動情報検出部２３６により検出された駆動情報とに基づいて制御する。モータ１０５を含む第１の機構部とモータ１０９を含む第２の機構部とを駆動するための各部構成は、駆動制御装置と呼ばれても良い。詳しくは上述したモータドライバ２３５、２４１及びエンコーダ２３１、２３３付きのアクチュエータ２３０、２３２を含み、駆動情報検出部２３６及び電流検出部２３４、２４０と、外乱推定部２３８及び駆動制御部２１３と、が該当する。

また、ここでの駆動制御部２１３は、特徴的機能として、外乱推定部２３８で推定される粘性係数の値を予め決められた特性パラメータに基づいて計算する。また、モータドライバ２３５を介してのアクチュエータ２３０によるモータ１０５、モータドライバ２４１を介してのアクチュエータ２３２によるモータ１０９の駆動開始後から粘性係数が一定の範囲に収まった後にクラッチ１１１、１１２の動力伝達をそれぞれ行わせる。

因みに、図１（ｂ）に示すマニピュレータ装置２００Ａであれば、駆動制御部２１３は、同様に予め決められた特性パラメータに基づいて粘性係数の値を計算する。そして、単一のモータドライバ２３５を介してのアクチュエータ２３０によるモータ１０５の駆動開始後から粘性係数が一定の範囲に収まった後に単一のクラッチ１１１の動力伝達を行わせる機能となる。一方、図２（ａ）に示すマニピュレータ装置２００Ｂであれば、駆動制御部２１３は、同様に予め決められた特性パラメータに基づいて粘性係数の値を計算する。そして、単一のモータドライバ２３５を介してのアクチュエータ２３０によるモータ１０５の駆動開始後から粘性係数が一定の範囲に収まった後に一対のクラッチ１１１、１１２の動力伝達をそれぞれ行わせる機能となる。

こうした機能を持つ場合、粘性変化を持つ動力伝達部を有する機構部に適用しても、時間経過に応じた粘性変化を考慮して駆動部の駆動状態に見合うように外乱推定の精度を極力向上することができる。因みに、負荷外乱には負荷外乱トルク以外にも装置の自重等が含まれる。

ところで、上述した外乱推定部２３８は、例えば単一のモータ１０５を含む機構部又は一対のモータ１０５、１０９を含む第１の機構部、第２の機構部に加わる負荷外乱トルクを推定するようにしても良い。こうした場合、駆動制御部２１３は、粘性係数として粘性摩擦係数を扱い、外乱トルク推定部による負荷外乱トルクの推定時に粘性摩擦係数の値について、上述した特徴的機能の処理を行うことになる。ここでも粘性摩擦係数の値の補正には、予め決められた補正用パラメータの特性に係る計算結果が用いられる。

また、駆動制御部２１３は、他の特徴的機能として、補正用パラメータの特性をアクチュエータ２３０によるモータ１０５、並びにアクチュエータ２３２によるモータ１０９の動作開始後から一次関数的に変化して予め決められた値に漸近するように設定する。或いは動作開始後から指数関数的に減衰して予め決められた値に漸近するように設定する。図１（ｂ）及び図２（ａ）の構成であればアクチュエータ２３０により駆動されるモータ１０５が対象となる。

更に、上述した駆動情報検出部２３６は、駆動情報としてアクチュエータ２３０によるモータ１０５、並びにアクチュエータ２３２によるモータ１０９の回転角速度を検出する回転角速度検出部としても良い。図１（ｂ）及び図２（ａ）の構成であればアクチュエータ２３０により駆動されるモータ１０５が対象となる。こうした場合、駆動制御部２１３は、粘性係数を予め決められた値に漸近させるための回転角速度検出部による回転角速度を切り替え可能な機能を持つことが好ましい。

因みに、上述した駆動制御装置は、負荷外乱トルクを推定して粘性摩擦係数の値を計算し、粘性摩擦係数が一定の範囲に収まった後に単一のクラッチ１１１や一対のクラッチ１１１、１１２の動力伝達を行わせる機能を持つ。この駆動制御装置は、一対の第１の駆動部、第２の駆動部のアクチュエータ２３０、２３２により一対の第１の機構部、第２の機構部のモータ１０５、１０９をそれぞれ駆動するため、トルク制御装置と呼ばれても良い。また、図１（ｂ）の構成であれば単一の駆動部のアクチュエータ２３０により駆動される単一の機構部に備えられたモータ１０５が対象となる。更に、図２（ａ）の構成であれば単一の駆動部のアクチュエータ２３０により駆動される一対の第１の機構部、第２の機構部の何れか一方に備えられたモータ１０５が対象となる。また、こうした観点でのトルク制御装置は、入力部２３９からの操作力指令値の外力に対して一対の第１の機構部、第２の機構部のモータ１０５、１０９の出力により制御対象物のアーム１０１の関節をアシスト制御するため、アシスト制御装置と呼ばれても良い。図１（ｂ）及び図２（ａ）の構成であれば単一のモータ１０５の出力により制御対象物のアーム１０１の関節をアシスト制御することになる。

実施例に係るマニピュレータ装置２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃのマニピュレータ本体２０１に備えられる駆動制御装置は、負荷外乱の推定に際して時間関数で変化する粘性係数を用いることができる。負荷外乱の推定の対象は、単一のアクチュエータ２３０を含む駆動部又は一対のアクチュエータ２３０、２３２を含む第１の駆動部及び第２の駆動部が挙げられる。また、単一のモータ１０５を含む機構部や一対のモータ１０５、１０９を含む第１の機構部及び第２の機構部が挙げられる。負荷外乱の推定を行う際、粘性係数が一定値又は回転情報に応じてその値を変える手法は確立されており、機構部に含まれるグリース等の潤滑剤には粘性が時間に応じて変化する特性があることも知られている。従って、負荷外乱の推定で用いる粘性係数を時間の関数で変化させれば粘性係数が実機モデルに近くなるため、負荷外乱の推定の精度が向上するようになる。ここで、具体的に負荷外乱推定を負荷外乱トルク推定とし、粘性係数を粘性摩擦係数とする場合を例示できるのは上述した通りである。

図４は、上述したマニピュレータ装置２００Ｃのマニピュレータ本体２０１に備えられる入力部２３９の外観構成を示した概略図である。

図４を参照すれば、入力部２３９は、ユーザによるマニピュレータの操作用又は動作プロファイルの作成用とされるタッチパネルａと、動作プロファイルの作成用のテンキーｂと、を備える。また、その他にマニピュレータの動作開始用の実行ボタンｃと、電源オン用の電源ボタンｄと、マニピュレータの動作を緊急に停止するための緊急停止ボタンｅと、を備えている。

入力部２３９をユーザが使用する場合、電源ボタンｄをオンにすると、タッチパネルａが表示され、その表示内容に従ってマニピュレータの操作が可能となる。そこで、ユーザはタッチパネルａやテンキーｂにより動作プロファイルを作成した後、実行ボタンｃによりマニピュレータの動作を開始する。このとき、上述した粘性係数や粘性摩擦係数を補正するモードと補正しないモードとを切り替え設定することが可能となっている。

例えば、タッチパネルａに表示されるメニューから「動作モード選択」を選定すると、タッチパネルａ上に粘性係数或いは粘性摩擦係数を補正するか否かのオン・オフスイッチが表示される。そこで、ユーザはテンキーｂやタッチパネルａを利用して補正モードオン・オフを切り替えることができる。また、補正モードをオフとした場合、粘性係数或いは粘性摩擦係数のデフォルト値を決めることができる。補正モードのオン・オフに係る情報とデフォルト値とはＣＰＵ２１０に入力され、外乱推定部２３８或いは外乱トルク推定部で使用される。

図５は、上述したマニピュレータ装置２００Ｃのマニピュレータ本体２０１に備えられる外乱推定部２３８を外乱トルク推定部とした場合の回路構成を例示したもので、同図（ａ）はローパスフィルタを持たない回路構成図、同図（ｂ）ローパスフィルタを持つ回路構成図である。但し、ここでは説明を簡単にするため、１系統の電流検出部２３４からの電流に基づいて１系統の出力を行う場合を示している。

図５（ａ）に示される外乱トルク推定部は、実機部４０４に対するトルク推定部４０３Ａがローパスフィルタを持たない場合に該当する。これに対し、図５（ｂ）に示される外乱トルク推定部は、実機部４０４に対するトルク推定部４０３Ｂが擬似微分用のローパスフィルタ４０５を持つ場合に該当する。何れの外乱トルク推定部についても、実機部４０４は通常、減速機１０６、１１０を含めると多慣性系のブロック図になるが、ここでは１慣性系と捉えて簡略化して示している。また、ここでは電流検出部２３４から入力される電流の検出結果及び駆動情報検出部２３６から得られる駆動情報に含まれる外乱トルク及びクーロン摩擦に基づいて実機部４０４の出力をモータ１０５の回転角速度ωを積分１／ｓした値のモータ軸の角度θとする。この他、慣性モーメントＪとして第１の機構部や減速機１０６に係る慣性モーメントをモータ軸に換算した値を使用する。尚、１／ｓはラプラス変換の表記上で積分を示すものである。

図５（ａ）及び図５（ｂ）に共通する実機部４０４では、電流の検出結果に対応するトルク定数Ｋｔと後述する演算パラメータとの差分を慣性モーメントＪの逆数１／Ｊで乗算した値を積分１／ｓした値によりモータ１０５の回転角速度ωを算出する。また、この回転角速度ωを積分１／ｓした値によりモータ軸の角度θを出力する。重力項付加部４０１は、モータ１０５に接続されている第１の機構部により力が異なるため、その機構部で出力される角度θに対する関数で重力項ｇ（θ）を決定して外乱トルク及びクーロン摩擦の加算値にパラメータとして加算する。粘性摩擦係数付加部４０２は、回転角速度ωに対応するモータ１０５と減速機１０６及び第１の機構部とに関する粘性摩擦係数Ｃを外乱トルク及びクーロン摩擦の加算値と重力項ｇ（θ）との加算値に加算して演算パラメータとする。

また、図５（ａ）のトルク推定部４０３Ａでは、推定値を示すトルク定数Ｋｔからクーロン摩擦及び後述する演算パラメータを減算した値を外乱トルク推定値とする。この演算パラメータは、外乱オブザーバを用いるもので、重力項ｇ（θ）に推定値を示す粘性摩擦係数Ｃを加算した値に対して推定値を示す慣性モーメントＪを加算した値で得られる。

更に、図５（ｂ）のトルク推定部４０３Ｂでは、推定値を示すトルク定数Ｋｔと回転角速度ωを推定値を示す慣性モーメントＪ／時定数τで乗算した値との加算値を算出する。また、この加算値に対して回転角速度ωに対応する推定値を示す粘性摩擦係数Ｃを減算した値から更に重力項ｇ（θ）及びクーロン摩擦を減算した値をローパスフィルタ４０５で疑似微分１／（ｓτ＋１）する。更に、疑似微分１／（ｓτ＋１）の値から先の推定値を示す慣性モーメントＪ／時定数τの値を減算して外乱トルク推定値を得る。

何れにしても、実機部４０４及びトルク推定部４０３Ａ、４０３Ｂで使われる各種パラメータであるトルク定数Ｋｔ、慣性モーメントＪ、粘性摩擦係数Ｃ、或いはそれらの推定値等には誤差が含まれているため、パラメータを同定して値を合わせる必要がある。実用上では、例えば実験データを用いて統計処理上での重回帰分析を行ったり、或いは周波数応答解析からパラメータの同定を行う場合を例示できる。

図６は、図５（ｂ）に示す外乱トルク推定部で得られた外乱トルク推定値を用いてトルク制御を行う場合のトルク制御回路の構成例を示したブロック図である。

図６を参照すれば、このトルク制御回路は、図５（ｂ）の外乱トルク推定部で得られる外乱トルク推定値をフィードバックし、操作力目標となるトルク指令と比較して外乱トルク推定値をトルク指令の値から減算した結果を得る。この結果に対して比例、積分、微分を含むＰＩＤ演算を行うＰＩＤ制御器５０１でＰＩＤ演算する。また、そのＰＩＤ演算の結果を受けた電流ドライバ５０２がモータ１０５へ電流値を供給する。このときの電流値が外乱トルク推定部に入力されるが、こうしたフィードバック制御を行うことでトルク指令値に追従したトルク制御を精度良く行うことができる。このトルク制御回路では、演算パラメータに重力項ｇ（θ）を用いているものの、重力補償等の動力学的補償を行っていない。そこで、更に摩擦補償や重力補償、慣性力等の補償を実施すれば、より追従性の優れたフィードバック制御並びに負荷外乱を打ち消すためのフィードフォワード制御を精度良く行わせることができる。

図７は、図６に示すトルク制御回路を用いてアシスト制御を行うイメージの模式図を示したものである。同図（ａ）はマニピュレータ５０３の操作状態推移に対比される位置変化に対する力の変化の関係で示される動作に必要な力の特性図、同図（ｂ）は外力の操作力に対する操作力指令値の関係を示した図である。

図７（ａ）を参照すれば、図６に示すトルク制御回路でアシスト制御を行う際、マニピュレータ５０３を或る位置Ｐから他の位置Ｐ′へ操作して移動させるときには、トルク指令の値による操作力の目標値を設定する。これにより、動作に必要な力の一部がモータ出力のアシスト力で補われて外力の操作力への合力となるため、一定の外力の操作力で目標値に追従した操作が可能となる。また、図７（ｂ）を参照すれば、操作力指令値の目標値Ｆとしては、外力の操作力の変化−Ｆ１〜Ｆ１の区間のように外力の操作力の目標値Ｆに対して不感帯を持つようなプロファイルを持たせれば良い。これにより、突然動作することや発振を抑制でき、安定した動作が可能となる。

図８は、図６に示すトルク制御回路を用いてアシスト制御を行う場合の図３に示すマニピュレータ装置２００Ｃのマニピュレータ本体２０１に備えられるＣＰＵ２１０内の駆動制御部２１３に係る動作処理を示すフローチャートである。

図８を参照すれば、駆動制御部２１３のアシスト制御に係る動作処理では、まずトルク指令となる操作力目標値設定（ステップＳ１）を行ってからマニピュレータ５０３の位置を関節角により検出（ステップＳ２）する。この後、駆動制御部２１３はマニピュレータ５０３の外力の操作力を検出（ステップＳ３）する。次に、検出結果に基づいて操作有りか否かの判定（ステップＳ４）を行う。この判定の結果、操作が無ければマニピュレータ５０３の位置を関節角により検出（ステップＳ２）する処理の前に戻ってそれ以降の処理を繰り返す。これに対し、操作が有ればアシスト制御を開始する。ここまでの処理の流れでは、駆動制御部２１３においてマニピュレータ５０３の位置や回転角速度ωの変化や外力の操作力の変化から入力部２３９による操作の有無を判断してアシスト制御を開始できることを示している。

アシスト制御が開始されると、駆動制御部２１３は初期的に設定されたマニピュレータ５０３の操作力目標値を検出結果に基づいて操作目標値誤差検出（ステップＳ５）を行ってからモータ１０５のトルク出力値を算出（ステップＳ６）する。このトルク出力値は、モータの回転系慣性モーメントを示すイナーシャと回転角速度ωを微分した角加速度とを乗算して得られる。そこで、駆動制御部２１３は算出されたトルク出力値でモータ駆動（ステップＳ７）してから再度マニピュレータ５０３の位置を関節角により検出（ステップＳ８）した後、マニピュレータ５０３の外力の操作力を検出（ステップＳ９）する。

更に、検出結果に基づいて操作有りか否かの判定（ステップＳ１０）を行う。この判定の結果、操作が有れば操作目標値誤差検出（ステップＳ５）する処理の前に戻ってそれ以降の処理を繰り返す。これに対し、操作が無ければアシスト制御を終了する。ここまでの処理の流れでは、駆動制御部２１３において検出した操作目標値誤差に基づいてモータ１０５を駆動制御しつつ、外力の操作力との比較を行ってその外力の操作力が操作目標値になるようモータ１０５をフィードバック制御することを示している。この結果、アシスト制御の動作を精度良く行わせることができる。

図９は、図５（ｂ）に示す外乱トルク推定部を粘性摩擦係数の補正用とした場合の回路構成を例示した図である。

図８を参照すれば、この外乱トルク推定部は、図５（ｂ）の回路構成と比べ、実機部４０４における粘性摩擦係数付加部６０１がグリース等の潤滑剤による粘性変化を持つ第１の機構部を対象とした場合に粘性摩擦係数Ｃが駆動時間ｔ及び回転角速度ωによって変化することを考慮する。そこで、粘性摩擦係数Ｃ（ω，ｔ）をパラメータとして用いる。また、トルク推定部４０３Ｂでは、推定値を示すトルク定数Ｋｔと回転角速度ωを推定値を示す慣性モーメントＪ／時定数τで乗算した値との加算値に対する減算用に推定値を示す粘性摩擦係数Ｃ（ω，ｔ）をパラメータとして用いる点が相違している。

ところで、トルク推定部４０３Ｂで用いるパラメータは、予め取得しておいた駆動時間ｔ及び回転角速度ωに応じたデータ値を用いることが好ましい。そのデータとしては、一定の回転角速度ωで駆動したとき及び回転角速度ωを途中で変化させたときの粘性摩擦係数Ｃｘの値の駆動時間ｔの変化を複数の回転角速度ωの組合せで取得しておき、それらのデータに基づいて駆動時間ｔ、回転角速度ωに対する粘性摩擦係数Ｃｘの値を関数化したものを用いる。因みに、粘性摩擦係数Ｃｘのｘは０〜∞とする場合を例示できる。これらのデータは、複数のテーブル形式として記憶部２１４に格納するようにすれば精度の高いトルク推定を行うことができる。

また、上述したデータは個体毎に異なることが多いため、個体毎に取得することが望ましい。粘性摩擦係数Ｃｘの補正方法として、図９に示す回路構成を例示して説明したが、本実施例では駆動時間ｔ及び回転角速度ωに対する粘性摩擦係数Ｃｘの補正を行うことを技術的要旨とする。このため、図９に示す回路構成以外に、例えば電流値の多項式から推定する手法、電流及び電圧、磁束から推定する手法等を適用することができる。また、トルク推定をせずに摩擦補償をする場合であっても、粘性摩擦係数Ｃｘの補正を行うことができる。

図１０は、図９に示す外乱トルク推定部を適用した場合の回転角速度ωに対する粘性摩擦係数Ｃ及び摩擦力ｆとの関係を示した特性図である。同図（ａ）は回転角速度ωに対する粘性摩擦係数Ｃの特性図、同図（ｂ）は回転角速度ωに対する摩擦力ｆの特性図である。

図１０（ａ）を参照すれば、回転角速度ωに対する粘性摩擦係数Ｃの特性では、粘性摩擦係数Ｃが回転角速度ω＝０の初期値Ｃ０から第１の機構部或いは第２の機構部を駆動開始して回転角速度ωを増加させると、駆動時間ｔに応じてそれぞれ異なる曲線状に減衰して降下するように変化する特性であることを示している。

具体的に云えば、図１０（ａ）の特性図では、駆動時間ｔの初期値ｔ０では一定値を維持する特性になるが、所定時間ｔ１経過後や長時間ｔ∞経過後では回転角速度ωが速い程、粘性摩擦係数Ｃが低くなる特性であることを示している。長時間ｔ∞経過後の粘性摩擦係数Ｃは、第１の回転角速度ω１のときの第１の粘性摩擦係数Ｃ１の値よりも速度アップした第２の回転角速度ω２のときの第２の粘性摩擦係数Ｃ２の値の方が小さくなっている。

要するに、図１０（ａ）からは、粘性摩擦係数Ｃの特性は駆動時間ｔに伴って下降する傾向にあることが判る他、回転角速度ωが速い程、粘性摩擦係数Ｃの値や特性が低下することが判る。

これに対し、図１０（ｂ）を参照すれば、回転角速度ωに対する摩擦力ｆの特性では、摩擦力ｆが回転角速度ω＝０の初期値Ｆ０から第１の機構部或いは第２の機構部を駆動開始して回転角速度ωを増加させると、駆動時間ｔに応じてそれぞれ異なる曲線状に増大して上昇するように変化する特性となることを示している。

具体的に云えば、図１０（ｂ）の特性図では、回転角速度ωの増加で粘性摩擦係数Ｃが低下するのに伴い、駆動時間ｔの初期値ｔ０、所定時間ｔ１経過後、長時間ｔ∞経過後と次第に摩擦力ｆの特性が低下することを示している。但し、ここでの摩擦力ｆの特性の低下は回転角速度ωの増加に対して比例せず、駆動時間ｔに応じて粘性摩擦係数Ｃの大きさを示す特性上の第１の回転角速度ω１や第２の回転角速度ω２のときの傾きが徐々に小さくなるような特性となることを示している。即ち、駆動時間ｔの初期値ｔ０での第１の回転角速度ω１や第２の回転角速度ω２のときの特性上の傾きよりも、所定時間ｔ１経過後、長時間ｔ∞経過後での第１の回転角速度ω１や第２の回転角速度ω２のときの特性上の傾きが徐々に小さくなっている。

要するに、図１０（ｂ）からは、摩擦力ｆの特性は駆動時間ｔに伴って上昇する傾向にあることが判る他、回転角速度ωが速い程、摩擦力ｆの値や特性が上昇することが判る。

図１１は、図８に示す外乱トルク推定部を適用した場合の第１の駆動部による第１の機構部或いは第２の駆動部による第２の機構部に対する駆動時間ｔに対応して回転角速度ωを異なるパターンで変化させて粘性摩擦係数Ｃを補正する場合の特性パラメータを移動回転距離と対比させて示した図である。同図（ａ）は特性パラメータのパターン１に関する図、同図（ｂ）は特性パラメータのパターン２に関する図、同図（ｃ）は特性パラメータのパターン３に関する図である。

図１１（ａ）を参照すれば、特性パラメータのパターン１では、機構部への駆動をオンに維持した状態で異なる第１の回転角速度ω１及び第２の回転角速度ω２の組み合わせで粘性摩擦係数Ｃが未動作時の初期値Ｃ０からそれぞれ異なる曲線状に減衰して降下した後に一定値となる特性を示している。即ち、図１１（ａ）では特性パラメータとして、機構部の動作開始後から指数関数的に減衰して予め決められた値に漸近するように粘性摩擦係数Ｃの補正特性を設定したパターンを用いる場合に該当している。

具体的に云えば、図１１（ａ）の特性図では、第１の回転角速度ω１での第１の粘性摩擦係数Ｃ１の減衰下限値、第２の回転角速度ω２でのそれより小さい第２の粘性摩擦係数Ｃ２の減衰下限値、第２の回転角速度ω２での更にそれより小さい第３の粘性摩擦係数Ｃ３の減衰下限値となることを示している。

また、そのときの移動回転距離は、第１の回転角速度ω１又は第２の回転角速度ω２を示す回転角速度ωの絶対値をオン時間分で積分して得られる様子を示している。即ち、図１１（ａ）では、図１０（ａ）の場合と同様に、回転角速度ω及び駆動時間ｔの変化に対して急激に粘性摩擦係数Ｃの値が下がる特性を示している。尚、駆動時間ｔについては経過時間と同じとみなして良いもので、初期値ｔ０となっている。但し、グリースの種類等によって粘性摩擦係数Ｃの特性が異なるため、図示した例に限らず実測値に基づいて粘性摩擦係数Ｃの特性を決定して補正を行えば良い。粘性摩擦係数Ｃの特性の変化の仕方は回転角速度ω及び駆動時間ｔの変化に対して指数関数、多項式関数、比例等で表わされる。また、それらの変化の仕方に応じて区間に分けて補正用の式を変更するようにしても良い。

これに対し、図１１（ｂ）を参照すれば、特性パラメータのパターン２では、機構部への駆動をオンに維持した状態で異なる第１の回転角速度ω１及び第２の回転角速度ω２の組み合わせで粘性摩擦係数Ｃが未動作時の初期値Ｃ０からそれぞれ直線状に異なる傾きにより減衰した後に一定値となる特性を示している。即ち、図１１（ｂ）では特性パラメータとして、機構部の動作開始後から一次関数的に減衰変化して予め決められた値に漸近するように設定するパターンを用いる場合の一例に該当している。

具体的に云えば、図１１（ｂ）の特性図では、第１の回転角速度ω１での第１の粘性摩擦係数Ｃ１の減衰下限値、第２の回転角速度ω２でのそれより小さい第２の粘性摩擦係数Ｃ２の減衰下限値、第２の回転角速度ω２での更にそれより小さい第３の粘性摩擦係数Ｃ３の減衰下限値となることを示している。

また、そのときの移動回転距離は、第１の回転角速度ω１又は第２の回転角速度ω２を示す回転角速度ωの絶対値をオン時間分で積分して得られる様子を示している。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のように回転角速度ω及び駆動時間ｔの変化に対して急激に減衰するように変化する粘性摩擦係数Ｃの補正特性の全体を一次関数で近似して補正する場合の特性に該当する。

更に、図１１（ｃ）を参照すれば、特性パラメータのパターン３では、機構部の駆動をオンに維持した状態で異なる第１の回転角速度ω１及び第２の回転角速度ω２の組み合わせで粘性摩擦係数Ｃが未動作時の初期値Ｃ０からそれぞれ直線状に異なる傾きにより段階別で減衰した後に一定値となる特性を示している。即ち、図１１（ｃ）では特性パラメータとして、機構部の動作開始後から一次関数的に減衰変化して予め決められた値に漸近するように設定するパターンを用いる場合の他例に該当している。

具体的に云えば、図１１（ｃ）の特性図についても、第１の回転角速度ω１での第１の粘性摩擦係数Ｃ１の減衰下限値、第２の回転角速度ω２でのそれより小さい第２の粘性摩擦係数Ｃ２の減衰下限値、第２の回転角速度ω２での更にそれより小さい第３の粘性摩擦係数Ｃ３の減衰下限値となることを示している。

また、そのときの移動回転距離は、第１の回転角速度ω１又は第２の回転角速度ω２を示す回転角速度ωの絶対値をオン時間分で積分して得られる様子を示している。図１１（ｃ）は、図１１（ａ）のように回転角速度ω及び駆動時間ｔの変化に対して急激に減衰するように変化する粘性摩擦係数Ｃの補正特性を区間分けして一次関数で段階別に近似して補正する場合の特性に該当する。図１１（ｃ）のように一次関数で近似する関数等のデータが多いときには予めそれらをテーブル形式で記憶部２１４に持たせるようにすれば、ＣＰＵ２１０内部における演算処理を少なくしたり、或いは使用する記憶部２１４における記憶容量を減らすことができる。

上述した特性パラメータのパターン２、３において、ＣＰＵ２１０内の駆動制御部２１３は、粘性摩擦係数Ｃの値について、以下のような補正を行うことになる。即ち、駆動情報検出部２３６として用いる回転角速度検出部での回転角速度ωが第１の回転角速度ω１のときの第１の粘性摩擦係数Ｃ１と第２の回転角速度ω２のときの第２の粘性摩擦係数Ｃ２との関係において、第１の回転角速度ω１＜第２の回転角速度ω２のときには第２の粘性摩擦係数Ｃ２＜第１の粘性摩擦係数Ｃ１として設定するものである。このような設定を行えば、回転角速度ωが上がると粘性摩擦係数Ｃが下がるものの、実際の粘性摩擦係数Ｃは回転角速度ωに比例しないため、回転角速度ωへの比例の値を使うよりもトルク推定の精度が向上する。

図１２は、図９に示す外乱トルク推定部を適用した場合の第１の駆動部による第１の機構部或いは第２の駆動部による第２の機構部に対する駆動時間ｔに対応して回転角速度ωを途中で変化させて粘性摩擦係数Ｃを補正する場合の特性パラメータを移動回転距離と対比させて示した図である。同図（ａ）は特性パラメータのパターン４に関する図、同図（ｂ）は特性パラメータのパターン５に関する図である。

図１２（ａ）を参照すれば、特性パラメータのパターン４では、回転角速度ωを第１の回転角速度ω１から途中で第３の回転角速度ω３へと遅くした状態で粘性摩擦係数Ｃが未動作時の初期値Ｃ０から第１の粘性摩擦係数Ｃ１の減衰下限値、それを初期値としてより大きな第３の粘性摩擦係数Ｃ３の上昇値となる特性となっている。

また、そのときの移動回転距離は、第１の回転角速度ω１での駆動時における時間分で第１の回転角速度ω１の絶対値を積分して得られる区間と第３の回転角速度ω３での駆動時における時間分で第３の回転角速度ω３の絶対値を積分して得られる区間とに分けられる様子を示している。即ち、図１２（ａ）では、回転角速度ωが速い方が粘性摩擦係数Ｃは小さくなるので、第３の粘性摩擦係数Ｃ３は第１の粘性摩擦係数Ｃ１よりも高い値になる。漸近する第３の粘性摩擦係数Ｃ３の値は、最初から第３の回転角速度ω３で駆動した場合に漸近する値と同じである。駆動時間ｔを基準にする場合はそれぞれの第１の回転角速度ω１、第３の回転角速度ω３の時間、移動回転距離を基準にする場合はそれぞれの第１の回転角速度ω１、第３の回転角速度ω３での移動回転距離に対して粘性摩擦係数Ｃが変化するようにする。

これに対し、図１２（ｂ）を参照すれば、特性パラメータのパターン５では回転角速度ωを第１の回転角速度ω１から途中で第４の回転角速度ω４と速くした状態で粘性摩擦係数Ｃが未動作時の初期値Ｃ０から第１の粘性摩擦係数Ｃ１の減衰下限値、それを初期値としてより小さな第４の粘性摩擦係数Ｃ４の減衰下限値となる特性を示している。

また、そのときの移動回転距離は、第１の回転角速度ω１での駆動時における時間分で第１の回転角速度ω１の絶対値を積分して得られる区間と第４の回転角速度ω４での駆動時における時間分で第４の回転角速度ω４の絶対値を積分して得られる区間とに分けられる様子を示している。即ち、図１２（ｂ）では、回転角速度ωが速い方が粘性摩擦係数Ｃは小さくなるので、第４の粘性摩擦係数Ｃ４は第１の粘性摩擦係数Ｃ１よりも小さな値となる。ここでも漸近する第４の粘性摩擦係数Ｃ４の値は、それぞれ最初から第４の回転角速度ω４で駆動した場合に漸近する値と同じである。更に、駆動時間ｔを基準にする場合はそれぞれの第１の回転角速度ω１、第４の回転角速度ω４の時間、移動回転距離を基準にする場合はそれぞれの第１の回転角速度ω１、第４の回転角速度ω４の移動回転距離に対して粘性摩擦係数Ｃが変化するようにする。

上述した特性パラメータのパターン４、５におい及びインターフェースケーブル３００を経由してて、ＣＰＵ２１０内の駆動制御部２１３は、粘性摩擦係数Ｃの値について、以下のような補正を行うことになる。具体的に云えば、駆動情報検出部２３６として用いる回転角速度検出部での回転角速度ωが第１の回転角速度ω１のときの第１の粘性摩擦係数Ｃ１と第３の回転角速度ω３のときの第３の粘性摩擦係数Ｃ３又は第４の回転角速度ω４のときの第４の粘性摩擦係数Ｃ４との関係に注視する。そこで、第１の回転角速度ω１から第３の回転角速度ω３又は第４の回転角速度ω４へと切り替わったときには第１の粘性摩擦係数Ｃ１から第３の粘性摩擦係数Ｃ３又は第４の粘性摩擦係数Ｃ４へと時間的に連続して変化する値を設定するものである。このような設定を行えば、回転角速度ωによって粘性摩擦係数Ｃが異なるものの、回転角速度ωを変えた瞬間に粘性摩擦係数Ｃが変化するのではなく、駆動時間ｔに伴ってその回転角速度ωにおける粘性摩擦係数Ｃに近付くため、そうした点を考慮してトルク推定の精度を向上させることができる。

図１３は、図１２（ａ）に示す特性パラメータのパターン４で回転角速度ωを第１の回転角速度ω１で駆動開始してから十分時間が経過して粘性摩擦係数Ｃが第１の粘性摩擦係数Ｃ１に漸近する前に第３の回転角速度ω３に変化させた場合の時間に対する粘性摩擦係数Ｃ及び回転角速度ωの特性を対比して示した図である。

図１３を参照すれば、ここでは回転角速度ωの切り替え時における粘性摩擦係数Ｃについて、回転角速度パターンＡは第３の粘性摩擦係数Ｃ３よりも小さい場合、回転角速度パターンＢは第３の粘性摩擦係数Ｃ３よりも大きい場合を示している。この他、何れの回転角速度パターンＡ、Ｂであっても粘性摩擦係数Ｃが第３の粘性摩擦係数Ｃ３に漸近するように変化することを示している。

図１４は、上述した駆動制御部２１３による第１の駆動部を介しての第１の機構部、或いは第２の駆動部を介しての第２の機構部への駆動後の駆動時間ｔに基づく粘性摩擦係数Ｃの計算及びクラッチ１１１、１１２の動力伝達の動作処理に係るフローチャートである。但し、ここでは予め計算して取得した関数データを持つテーブルが用意され、駆動開始から一定時間毎に駆動中の駆動時間ｔ及び回転角速度ωに基づいて粘性摩擦係数Ｃを計算するものとする。

図１４を参照すれば、駆動制御部２１３では、まずテーブル形式で記憶部２１４に格納された粘性摩擦係数Ｃのデータを読み込んで取得する粘性摩擦係数データ取得（ステップＳ１）の処理を行う。次に、入力部２３９の操作等で第１の機構部或いは第２の機構部への駆動が指示されているかを確認して駆動開始か否かの判定（ステップＳ２）を行う。この判定の結果、駆動開始されていなければ、この判定（ステップＳ２）の前に戻って処理を繰り返すようにして待機する。これに対し、駆動開始されていれば、第１の機構部或いは第２の機構部の駆動時間ｔの計測を開始する駆動時間計測スタート（ステップＳ３）の処理を行う。更に、駆動制御部２１３は、駆動時間ｔを取得する駆動時間取得（ステップＳ４）の処理を行う。

この後、駆動制御部２１３は、一定時間経過したか否かの判定（ステップＳ５）を行う。この判定の結果、一定時間経過していなければ、駆動時間取得（ステップＳ４）の処理の前に戻ってそれ以降の処理を繰り返す。これに対し、一定時間経過していれば、第１の機構部に含まれるモータ１０５や第２の機構部に含まれるモータ１０９の回転角速度ωを検出する回転角速度検出（ステップＳ６）の処理を行う。更に、駆動制御部２１３は、取得した駆動時間ｔ及び検出した回転角速度ωから粘性摩擦係数Ｃを計算（ステップＳ７）する処理を行う。更に、駆動制御部２１３は、粘性摩擦係数Ｃの前回値との差が一定値未満であるか否かの判定（ステップＳ８）を行う。

この判定の結果、上記差が一定値未満でなく一定値以上であれば、先の駆動時間取得（ステップＳ４）の処理の前に戻ってそれ以降の処理を繰り返す。これに対し、差が一定値未満であればクラッチ１１１、１１２による動力伝達をオン（ステップＳ９）にする処理を行ってから動作処理を終了する。

図１５は、上述した駆動制御部２１３による第１の駆動部を介しての第１の機構部、或いは第２の駆動部を介しての第２の機構部への駆動後の移動した移動回転距離に基づく粘性摩擦係数Ｃの計算及びクラッチ１１１、１１２の動力伝達の動作処理に係るフローチャートである。但し、ここでは予め計算して取得した関数データを持つテーブルが用意され、駆動開始から一定時間毎に駆動中の移動回転距離及び回転角速度ωに基づいて粘性摩擦係数Ｃを計算するものとする。

図１５を参照すれば、図１４で説明した粘性摩擦係数データ取得（ステップＳ１）〜回転角速度検出（ステップＳ６）までの処理が共通しているため、これらの処理プロセス分の説明は省略する。ここでは、回転角速度検出（ステップＳ６）の処理の後、駆動制御部２１３は移動回転距離を算出する移動回転距離算出（ステップＳ７）の処理を行う。更に、駆動制御部２１３は算出された移動回転距離及び検出した回転角速度ωから粘性摩擦係数Ｃを計算（ステップＳ８）する処理を行う。その後に駆動制御部２１３は、粘性摩擦係数Ｃの前回値との差が一定値未満であるか否かの判定（ステップＳ９）を行う。この判定の結果、上記差が一定値未満でなく一定値以上であれば、先の駆動時間取得（ステップＳ４）の処理の前に戻ってそれ以降の処理を繰り返す。これに対し、差が一定値未満であればクラッチ１１１、１１２による動力伝達をオン（ステップ１０）にする処理を行ってから動作処理を終了する。

図１４及び図１５の何れの動作処理についても、粘性摩擦係数Ｃの変化は数ミリ秒単位の変化ではなく、数秒〜数十秒単位での変化であることが多い。このため、演算処理を考えた場合、双方で共通して持たせたように一定時間経過したか否かの判定（ステップＳ５）を実施して間隔を空けるのが望ましいが、逐次値を更新するようにしても良い。

図１６は、上述した駆動制御部２１３による第１の駆動部を介しての第１の機構部或いは第２の駆動部を介しての第２の機構部への駆動後の駆動時間ｔに基づいて粘性摩擦係数Ｃを算出した場合のクラッチ１１１、１１２による動力伝達のオン・オフの関係を示すタイミングチャートである。

図１６を参照すれば、ここでは駆動開始後に５秒（ｓ）毎に粘性摩擦係数Ｃを計算し、粘性摩擦係数Ｃの前回値との差が１．０Ｅ−５未満であれば、駆動制御部２１３がクラッチ１１１、１１２による電力伝達をオンにする設定を示している。クラッチ１１１、１１２のオンのタイミングは駆動時間ｔの経過が４０秒（ｓ）であり、モータ１０５、１０９の回転数が３００[ｒａｄ／ｓ]のときに該当する。因みに、ここでの設定値１．０Ｅ−５は入力部２３９のタッチパネルａの操作で変更することが可能である。

以上に説明したように、実施例に係る各種制御装置によれば、駆動制御部２１３が外乱推定部２３８で推定される粘性係数又は粘性摩擦係数Ｃの値を予め決められた特性パラメータに基づいて計算する。そして、駆動部による機構部の駆動開始後から粘性係数又は粘性摩擦係数Ｃが一定の範囲に収まった後に動力伝達機構部としての単一のクラッチ１１１又は一対のクラッチ１１１、１１２の動力伝達を行わせる。このため、粘性変化を持つ動力伝達部を有する機構部に適用しても、時間経過に応じた粘性変化を考慮して駆動部の駆動状態に見合うように外乱推定の精度を極力向上することができる。

１０１ アーム
１０２ 土台
１０３ 駆動中心
１０４、１１７ モータ用エンコーダ
１０５、１０９ モータ
１０６、１１０ 減速機
１０７ 外部接続装置
１０８ ベース板
１１１、１１２ クラッチ
１１３、１１４、１１６ ギア
１１５ シャフト
２００ マニピュレータ装置
２０１ マニピュレータ本体
２１０ ＣＰＵ
２１１ 通信制御部
２１２ タイマ
２１３ 駆動制御部
２１４ 記憶部
２２０ 各種センサ
２２１ 各種スイッチ
２２３ クロック
２３０、２３２ アクチュエータ
２３１、２３３ エンコーダ
２３４、２４０ 電流検出部
２３５ モータドライバ
２３６ 駆動情報検出部
２３８ 外乱推定部
２３９ 入力部
４０１ 重力項付加部
４０２、６０１ 粘性摩擦係数付加部
４０３Ａ、４０３Ｂ トルク推定部
４０４ 実機部
５０１ ＰＩＤ制御器
５０２ 電流ドライバ
５０３ マニピュレータ

特開２０１１−０１５５５０号公報

Claims (16)

1. 制御対象物を駆動する駆動部と、前記制御対象物及び前記駆動部に接続され、潤滑剤を含んだ粘性変化を持つ機構部と、前記制御対象物及び前記機構部を支持する支持部と、前記機構部及び前記支持部に接続され、前記駆動部から前記支持部への動力伝達をオン・オフする動力伝達機構部と、前記駆動部による前記機構部への駆動情報を検出する駆動情報検出部と、前記駆動部に流れる電流を検出する電流検出部と、前記機構部に加わる負荷外乱を前記電流検出部で検出された前記電流と前記駆動情報検出部で検出された前記駆動情報とに基づいて推定する外乱推定部と、前記駆動部の駆動指令を前記外乱推定部により推定された前記負荷外乱に含まれる当該駆動部と前記機構部とに関する粘性係数、及び前記駆動情報検出部により検出された前記駆動情報に基づいて制御する制御部と、を備えた駆動制御装置であって、
   前記制御部は、前記外乱推定部で推定される前記粘性係数の値を予め決められた関数データの特性パラメータに基づいて計算し、前記駆動部による前記機構部の駆動開始後から当該粘性係数が一定の範囲に収まった後に前記動力伝達機構部の動力伝達を行わせることを特徴とする駆動制御装置。
2. 請求項１記載の駆動制御装置であって、
   前記制御部は、前記特性パラメータとして、前記駆動部による前記機構部の駆動開始後から一次関数的に変化して予め決められた値に漸近するように設定されたパターンを用いることを特徴とする駆動制御装置。
3. 請求項１記載の駆動制御装置であって、
   前記制御部は、前記特性パラメータとして、前記駆動部による前記機構部の駆動開始後から指数関数的に減衰して予め決められた値に漸近するように設定されたパターンを用いることを特徴とする駆動制御装置。
4. 請求項１記載の駆動制御装置であって、
   前記駆動情報検出部は、前記駆動情報として前記機構部の回転角速度を検出する回転角速度検出部であり、
   前記制御部は、前記粘性係数を前記予め決められた値に漸近させるための前記回転角速度検出部による前記回転角速度を切り替え可能であることを特徴とする駆動制御装置。
5. 請求項１〜４の何れか１項記載の駆動制御装置を備え、前記駆動部のアクチュエータにより前記機構部に備えられた電動機を駆動することを特徴とするトルク制御装置。
6. 制御対象物を駆動する駆動部と、前記制御対象物及び前記駆動部に接続され、潤滑剤を含んだ粘性変化を持つ第１の機構部と、前記駆動部に接続され、前記第１の機構部とは逆方向に駆動される潤滑剤を含んだ粘性変化を持つ第２の機構部と、前記制御対象物と前記第１の機構部及び前記第２の機構部とを支持する支持部と、前記第１の機構部及び前記支持部に接続され、前記駆動部から前記支持部への動力伝達をオン・オフする第１の動力伝達機構部と、前記第２の機構部及び前記支持部に接続され、前記駆動部から前記支持部への動力伝達をオン・オフする第２の動力伝達機構部と、前記駆動部による前記第１の機構部と前記第２の機構部との駆動情報を検出する駆動情報検出部と、前記駆動部に流れる電流を検出する電流検出部と、前記第１の機構部と前記第２の機構部とに加わる負荷外乱を前記電流検出部で検出された前記電流と前記駆動情報検出部で検出された前記駆動情報とに基づいて推定する外乱推定部と、前記駆動部への駆動指令を前記外乱推定部により推定された前記負荷外乱に含まれる当該駆動部と前記第１の機構部、前記第２の機構部とに関するそれぞれの粘性係数、及び前記駆動情報検出部により検出された前記駆動情報に基づいて制御する制御部と、を備えた駆動制御装置であって、
   前記制御部は、前記外乱推定部で推定される前記粘性係数の値を予め決められた関数データの特性パラメータに基づいて計算し、前記駆動部による前記第１の機構部、前記第２の機構部の駆動開始後から当該粘性係数が一定の範囲に収まった後に前記第１の動力伝達機構部、前記第２の動力伝達機構部の動力伝達をそれぞれ行わせることを特徴とする駆動制御装置。
7. 請求項６記載の駆動制御装置であって、
   前記制御部は、前記特性パラメータとして、前記駆動部による前記第１の機構部及び前記第２の機構部の駆動開始後から一次関数的に変化して予め決められた値に漸近するように設定されたパターンを用いることを特徴とする駆動制御装置。
8. 請求項６記載の駆動制御装置であって、
   前記制御部は、前記特性パラメータとして、前記駆動部による前記第１の機構部及び前記第２の機構部の駆動開始後から指数関数的に減衰して予め決められた値に漸近するように設定されたパターンを用いることを特徴とする駆動制御装置。
9. 請求項６記載の駆動制御装置であって、
   前記駆動情報検出部は、前記駆動情報として前記第１の機構部及び前記第２の機構部の少なくとも一方の回転角速度を検出する回転角速度検出部であり、
   前記制御部は、前記粘性係数を前記予め決められた値に漸近させるための前記回転角速度検出部による前記回転角速度を切り替え可能であることを特徴とする駆動制御装置。
10. 請求項６〜９の何れか１項記載の駆動制御装置を備え、前記駆動部のアクチュエータにより前記第１の機構部及び前記第２の機構部の何れか一方に備えられた電動機を駆動することを特徴とするトルク制御装置。
11. 制御対象物を駆動する第１の駆動部と、前記制御対象物を駆動する第２の駆動部と、前記制御対象物及び前記第１の駆動部に接続され、潤滑剤を含んだ粘性変化を持つ第１の機構部と、前記制御対象物及び前記第２の駆動部に接続され、前記第１の機構部とは逆方向に駆動される潤滑剤を含んだ粘性変化を持つ第２の機構部と、前記制御対象物と前記第１の機構部及び前記第２の機構部とを支持する支持部と、前記第１の機構部及び前記支持部に接続され、前記第１の駆動部から前記支持部への動力伝達をオン・オフする第１の動力伝達機構部と、前記第２の機構部及び前記支持部に接続され、前記第２の駆動部から前記支持部への動力伝達をオン・オフする第２の動力伝達機構部と、前記第１の駆動部による前記第１の機構部と前記第２の駆動部による前記第２の機構部との駆動情報を検出する駆動情報検出部と、前記第１の駆動部に流れる第１の電流を検出する第１の電流検出部と、前記第２の駆動部に流れる第２の電流を検出する第２の電流検出部と、前記第１の機構部、前記第２の機構部に加わる負荷外乱を前記第１の電流検出部で検出された前記第１の電流、前記第２の電流検出部で検出された前記第２の電流と前記駆動情報検出部で検出された前記駆動情報とに基づいてそれぞれ推定する外乱推定部と、前記第１の駆動部、前記第２の駆動部への駆動指令を前記外乱推定部により推定された前記負荷外乱に含まれる当該第１の駆動部、当該第２の駆動部と前記第１の機構部、前記第２の機構部とに関するそれぞれの粘性係数、及び前記駆動情報検出部により検出された前記駆動情報に基づいて制御する制御部と、を備えた駆動制御装置であって、
    前記制御部は、前記外乱推定部で推定される前記粘性係数の値を予め決められた関数データの特性パラメータに基づいて計算し、前記第１の駆動部による前記第１の機構部、前記第２の駆動部による前記第２の機構部の駆動開始後から当該粘性係数が一定の範囲に収まった後に前記第１の動力伝達機構部、前記第２の動力伝達機構部の動力伝達をそれぞれ行わせることを特徴とする駆動制御装置。
12. 請求項１１記載の駆動制御装置であって、
    前記制御部は、前記特性パラメータとして、前記第１の駆動部による前記第１の機構部、並びに前記第２の駆動部による前記第２の機構部の駆動開始後から一次関数的に変化して予め決められた値に漸近するように設定されたパターンを用いることを特徴とする駆動制御装置。
13. 請求項１１記載の駆動制御装置であって、
    前記制御部は、前記特性パラメータとして、前記第１の駆動部による前記第１の機構部、並びに前記第２の駆動部による前記第２の機構部の駆動開始後から指数関数的に減衰して予め決められた値に漸近するように設定されたパターンを用いることを特徴とする駆動制御装置。
14. 請求項１１記載の駆動制御装置であって、
    前記駆動情報検出部は、前記駆動情報として前記第１の機構部及び前記第２の機構部の少なくとも一方の回転角速度を検出する回転角速度検出部であり、
    前記制御部は、前記粘性係数を前記予め決められた値に漸近させるための前記回転角速度検出部による前記回転角速度を切り替え可能であることを特徴とする駆動制御装置。
15. 請求項１１〜１４の何れか１項記載の駆動制御装置を備え、前記第１の駆動部及び前記第２の駆動部のアクチュエータにより前記第１の機構部及び前記第２の機構部に備えられた電動機を駆動することを特徴とするトルク制御装置。
16. 請求項５、１０、１５の何れか１項記載のトルク制御装置を備え、入力部からの操作力指令値の外力に対して前記電動機の出力により前記制御対象物の関節をアシスト制御することを特徴とするアシスト制御装置。