JP2002177352A - 力制御装置 - Google Patents
力制御装置Info
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Abstract
御装置を得ること。 【解決手段】 モータ5に力指令を発生する力指令部2
01と、モータ5の回転角度を検出する位置検出器21
と、モータ3の回転速度を検出する速度検出器8と、押
圧部103の力を検出する力検出器11と、位置検出器
21の回転角度検出値に基づいて速度指令を生成する速
度指令発生部207と、力指令値と力検出器11の検出
値との差を求める減算器203と、減算器203からの
入力値に基づいて所定の値を出力すると共に、速度指令
発生部207の出力及び位置検出器21の検出値に基づ
いて出力の上限値又は下限値を変更するリミット部22
0と、リミット部220の出力値と速度検出器8の検出
値との差を求める減算器222と、減算器222の出力
に基づいてモータ5を駆動する電力増幅器224とを備
えている。
Description
ルク制御に円滑に切換える力制御装置の改良に関するも
のである。
45号公報に開示された図7によって説明する。かかる
力制御装置は上肢体などの機能の回復するために用いら
れるリハビリテーションに用いられるものである。図7
において、力制御装置は、駆動部、検出部、制御部から
成り、駆動部は上肢体が取り付けられる端部2を有する
アーム1と、アーム1の基端部3に固定された回転軸4
と、回転軸4を介して減速機7に連結された出力軸6を
有するサーボモータ5とから成っている。
転速度を検出する速度検出器8と、アーム1に固定され
ると共に、アーム1に作用する力を検出する力検出器1
1と、アーム1の回転角度により位置を検出する位置検
出器21とから成っている。
るリミッタ14と、位置検出器21の検出値に対して所
定の値まで出力をゼロとする不感帯を有する不感帯器2
3と、この不感帯器23の出力値を乗算させる係数器2
5と、係数器25の出力値とリミッタ14の出力値との
差分を求める減算器27と、減算器27の出力値と速度
検出器8の検出値との差分を求める減算器29と、減算
器29の出力値を増幅する電力増幅器30とから成って
いる。
を図7によって説明する。上肢体がアーム1を駆動する
と、位置検出器21はアーム1の位置を検出して不感帯
器23に入力し、不感帯器23は、不感帯特性に基づい
て出力値θrを係数器25に与え、係数器25は、出力
値θrに定数Keが乗算された値Lrを減算器27に入
力する。減算器27は、リミッタ14の出力値Vaと、
係数器25の出力値Lrを差し引いた速度指令値Vrを求
めて減算器29に入力し、減算器29は、速度指令値V
rと速度検出器8の検出速度値Vtを差し引いた値を電力
増幅器30に与えてサーボモータ5を制御する。
いて予め設定された値θmax〜θminの可動範囲にある状
態とすると、位置検出器21の検出値が不感帯器23に
入力されるが、不感帯特性のために不感帯器23の出力
値θrがゼロとなり、係数器25の出力値Lrもゼロとな
る。一方、上肢体によってアーム1に力が作用し、力検
出器11は検出した力値Faをリミッタ14に入力す
る。リミッタ14は力値Faが小さい場合、力値Faと傾
きKLの積で定まる出力値Vaを発生する。従って、減算
器27は、リミッタ14の出力値Vaに基づいた速度指
令値Vrを減算器29に入力し、減算器29は速度指令
値Vrと速度検出器8の検出値Vtとの差を求めて、電力
増幅器30は該差に基づいてサーボモータ5を回転して
上肢体のアーム1の回転を補助する。
よりアーム1の角度がθmaxを超える場合には、力検出
器11が検出した力値Faがリミッタ14の+FLを越
えてリミッタ14は、制限された値VL(Va)を出力
する。一方、位置検出器21は検出位置θaを不感帯器
23に入力し、不感帯器23は検出位置θaからθmaxを
差し引いたθeに、大きな傾きKpが乗算された値θrを
係数器25に入力し、係数器25は定数Keを値θrに乗
算した値Lrを減算器27に入力する。減算器27は、
値VLから値Lrを差し引くがLr≫VLであるので、ア
ーム1の力が加わる方向と反対方向の速度指令Vrを減
算器29に与えて電力増幅器30を介してサーボモータ
5をアーム1とは反対方向に回転させる。従って、アー
ム1の位置フィードバック動作がなされ、アーム1は上
下位置θma x〜θminの可動範囲を大きく越えないように
なる。
している時に、アーム1の位置がθma x,θminになる
と、位置指令Lrすなわち係数器25の出力がゼロにな
り、リミッタ14は上肢体がアーム1に加えた力に応じ
た速度指令を減算器27、電力増幅器30に与え、上肢
体がアーム1を回転していた方向にサーボモータ5を回
転する。したがって、アーム1の急激な停止が防止で
き、衝撃力が上肢体に加わることを防止できるものであ
る。
ように構成された力制御装置は、位置制御で動作する範
囲が不感帯器23の特性によって定まる。すなわち、角
度位置θmax,θminを越えないと、位置制御がされず、
角度位置θmax,θminでは、等速制御(トルク制御)に
なり、位置制御がされない。よって、このような力制御
装置は、所定の位置までは、トルク制御を実行し、所定
の位置に達したら位置制御を実行するものである。この
ため、所定の位置までは、位置制御を実行し、所定の位
置に達したらトルク制御を実行する力制御装置、例え
ば、台の上に載せられている金物を、所定の距離離れて
いるアームにより、アームを位置制御により移動して、
トルク制御により所定量押圧する切替えが円滑にできな
いという問題点があった。
ためになされたもので、位置制御からトルク制御に円滑
に切換る力制御装置を提供することを目的としている。
1の発明に係る力制御装置は、モータにより駆動される
押圧部を位置制御からトルク制御に連続的に移行させる
力制御装置であって、上記モータに力指令を発生する力
指令発生手段と、上記モータの回転角度を検出する位置
検出手段と、上記モータの回転速度を検出する速度検出
手段と、上記押圧部の力を検出する力検出手段と、上記
位置検出手段の回転角度検出値に基づいて速度指令を生
成する速度指令生成手段と、上記力指令値と上記力検出
手段の検出値との差を求める第1の減算手段と、該第1
の減算手段からの入力値に基づいて、所定の値を出力す
ると共に、上記速度指令生成手段の出力及び上記角度検
出手段の検出値に基づいて上記出力の上限値又は下限値
を変更するリミット手段と、該リミット手段の出力値と
上記速度検出手段の検出値との差を求める第2の減算手
段と、該第2の減算手段の上記差に基づいて上記モータ
を駆動する制御手段とを備えたことを特徴とするもので
ある。かかる解決手段によれば、位置制御の場合には、
リミッタ手段により速度指令生成手段の指令速度で動作
し、力検出手段からの力指令に近づいた場合には、力指
令発生手段からの力指令に自動的に切替わるので、位置
制御からトルク制御に衝撃なく、切替えることができ
る。従って、例えば、台の上に載せられている金物を、
所定の距離離れているアームにより、アームを位置制御
により移動して、トルク制御により所定量押圧する切替
えが自動的に円滑にできるという効果がある。
明におけるリミット手段が上限値又は下限値を速度指令
生成手段の出力値に基づいて連続して変更する、ことを
特徴とするものである。かかる解決手段によれば、位置
制御の場合には、リミッタ手段により速度指令生成手段
の指令速度に基づいてリミッタ値を連続して動作させる
ので、より一層、位置制御からトルク制御に衝撃なく、
切替えることができるという効果がある。
2の発明において、押圧部の停止位置と、上記押圧部の
停止開始を定める停止開始位置とを記憶する記憶手段
と、上記角度検出手段の検出値に基づいて上記停止開始
位置を越えたと判断する判断手段と、この判断手段によ
り上記停止開始位置を越えたと判断した場合、上記停止
位置に上記モータが停止させるように上記モータの回転
速度を制限する速度制限手段とを備えたことを特徴とす
るものである。かかる解決手段によれば、判断手段は、
角度検出手段に基づいて停止開始位置を越えたと判断す
ると、速度制限手段は停止位置にモータが停止させるよ
うに上記モータの回転速度を制限する。従って、トルク
制御を行っていても停止位置を超えないようにモータ停
止させることができるという効果がある。
の形態を図1及び図2によって説明する。図1は、この
発明の一実施の形態を示す力制御装置の全体ブロック
図、図2は速度指令発生部の記憶部のメモリマップ図、
図3は力制御装置の各部の動作を示すタイムチャートで
ある。図1中、従来と同一符号は同一又は相当部分を示
し、説明を省略する。図1及び図2において、力制御装
置は、柱状の台105の上に載せられている金物107
を、所定の距離離れているアーム1を位置制御によって
移動し、トルク制御に切替えて金物107をアーム1の
押圧部103によって所定量押圧するように構成されて
いる。
00、制御部200から成り、駆動部100はアーム1
の先端部に設けられた押圧部103と、アーム1の基端
部3が固定された回転軸4と、回転軸4に連結された減
速機7を介して出力軸6を有するサーボモータ5とから
成っている。
回転速度を検出すると共に、該回転速度に比例した出力
特性8aを有する速度検出器8と、アーム1の押圧部1
03に作用する力を検出すると共に、該力に比例した出
力特性11aを有する力検出器11と、アーム1の回転
角度により位置を検出する位置検出器21とから成って
いる。
置にかかわらず一定の力指令値Frを出力する力指令部
201と、力検出器11の検出値と力指令部201の力
指令値との差を求める減算器203と、減算器203の
出力値を増幅する増幅器205と、位置検出器21によ
り検出された位置に基づいて所定の速度指令を生成する
速度指令発生部207と、速度指令発生部207の指令
値及びアーム1の押圧部103の位置に基づいて出力値
を二段階VL1,VL2に制限するリミット部220と、
リミット部220の出力値と速度検出器8の検出値との
差を求める減算器222と、減算器222の出力値を増
幅すると共に、モータ5を駆動制御する電力増幅器22
4とを備えている。
押圧面から金物107までの距離に対して図3に示すよ
うなアーム1が回転する速度指令を発生するものであっ
て、特に、アーム1の押圧部103の押圧面が金物10
7と僅かに離れた距離L1から速度Vr βで減速して低速
度Vr2に達すると一定低速Vr2により押圧部103の先
端が移動し、押圧部103が金物107を押圧して該押
圧量がLPに達すると停止指令を発生させるように形成
されており、位置検出器21により検出された検出信号
を入力する入力インターフェース(以下、インターフェ
ースをI/Fという)209と、周知のCPU211
と、処理手順のプログラム、及び設定データなどが記憶
された記憶部213と、デジタル出力信号をアナログ信
号に変換するD/A変換器215と、D/A変換器21
5の出力に接続された出力I/F215とから成ってい
る。
された第1速度領域213aと、第二速度指令Vr2とし
てのクリープ速度が記憶された第2速度領域213b
と、第1速度指令Vr1から第2速度指令Vr2への切替え
位置L1が記憶された切替え位置領域213cと、スタ
ートから速度指令Vr1になるまでの加速度αが記憶され
た加速度領域213dと、速度指令Vr1から速度指令V
r2になるまでの減速度が記憶された減速度領域213e
とを有している。
入力値Fiとして速度VLを出力とする図1に示すよう
な入出特性を有し、アーム1の押圧部103を位置検出
器21により検出した検出位置La<切替え位置L1で、
且つ速度指令Vr≧Vr1では入力値がゼロからF1まで
は、速度値VL1の限度において、減算器205からの
入力値Fiに比例した値を出力すると共に、速度指令V
rの値の大きさに比例して連続的に上限値及び下限値が
制限されるように形成されている。さらに、位置検出器
21の検出位置La>切替え位置L1を越え、且つ速度指
令V r≧Vr2では、入力値がゼロからF2までは、速度値
VL2の限度において増幅器205からの入力値Fiに比
例した値を出力すると共に、速度指令Vrの値の大きさ
に比例して連続的に上限値及び下限値が制限されるよう
に形成されている。
ンGを乗算させた出力値Fiを、リミッタ部220の入
力値F1,F2よりも大きくなるように形成されている
(式で表現すればFi=Fr×G>F2>F1)。これは、
位置制御、すなわち、力検出器11の検出値がゼロで、
力指令部201が力指令値Frの場合、リミッタ部22
0は、出力がVL1又はVL2の制限となり、力指令によ
る制御をすることなく、位置指令に基づく速度指令によ
ってサーボモータ5を動作させるためである。
乃至図4によって説明する。図4は速度指令発生部の動
作を示すフローチャートである。図1に示すように台1
05に載せられた金物107と、押圧部103の先端と
が所定の距離隔てられた状態において、時間tsで、押
圧部103のスタート指令が制御部200に入力される
と、力指令部201は一定の力指令Frを出力するが、
押圧部103には、力が付与されていないので、力検出
器11の検出値がゼロとなり、減算器203は、力指令
Frと該検出値との偏差を求め、増幅器205は、偏差
値を増幅してリミッタ部220に入力する。
1は、スタート指令が入力されたか否かにより動作開始
を判断し(ステップS101)、動作開始していれば、
位置検出器21から検出した位置Laを入力I/F20
9を介して読み込みと共に、前回位置に変化量となるΔ
距離との和を今回の位置として求め(ステップS10
3)、今回位置と切替え開始位置L1とを比較し(ステ
ップS105)、アーム1の押圧部103が移動しだし
てから間もないので、今回位置<切替え位置L1とな
る。
Vrに加速度αに演算周期trを乗算したαtrを加算し
て、今回の速度指令Vrを求め(ステップS107)、
該速度指令Vrが速度指令Vr1を越えているか否かを判
断し(ステップS109)、アーム1の加速当初は、速
度指令Vr<Vr1であるので、速度指令Vrを出力I/F
217を介して出力する。
指令値Frから力検出器11の検出値ゼロを減算した値
Frを増幅器205に入力し、増幅器205は、該値Fr
にゲインGを乗算してFiを求め、リミッタ部220に
入力する。リミッタ部220は、位置検出器21の検出
位置Laと切替え位置L1との関係がLa<L1、入力値F
i>F1であるので、制限値VL1の範囲において、速度
指令発生部207の速度指令Vrの値に応じた制限値V
Lを出力し、減算器222は、速度検出器8から検出さ
れたサーボモータ5の回転速度値Vaと、リミッタ部2
20の出力値VLとの偏差を求め、電力増幅器224は
該偏差を増幅してサーボモータ5を駆動制御してアーム
1を回転させる。すなわち、アーム1が図3に示すよう
に速度Vr αで加速している段階では、リミット部22
0は、力指令部201の力指令Frにより制限値VL1の
範囲において、速度指令発生部207からの位置検出器
21の検出指令に基づく速度指令V rに基づいてサーボ
モータ5を制御しているので、アーム1は位置制御を実
行しているものである。
上昇してステップS109において、Vr>Vr1が成立
すると、速度指令発生部207の速度指令Vr 1にして出
力I/F217を介してリミッタ部220に入力する
(ステップS111)。さらに、アーム1が移動し、押
圧部103が金物107の近傍となる切替え位置L1を
超えると、ステップS105において今回位置>切替え
位置L1が成立し、CPU211は、前回速度指令から
減速度βに演算周期trを乗算したβtrを減算して今回
速度指令を求め(ステップS119)、速度指令V
rを、予め定められたクリープ速度Vr 2と比較し(ステ
ップS121)、速度指令Vrがクリープ速度Vr 2より
も高ければ、D/A変換器215によりデジタル指令を
アナログ指令に変換し、出力I/F217を介してリミ
ッタ部220に入力する。やがて、アーム1の押圧部1
03の速度がVr2に達すると、速度指令発生部207
は、Vr2をリミッタ部220に入力する(ステップS1
23)。
20の最高制限出力は、VL1からVL 2となり、やが
て、アーム1の先端の押圧部103が金物107に当接
し始める位置L0に達すると、力検出器11の検出した
力値Faが増加し、減算器203は、力指令Frと該力値
Faとの偏差を求め、この偏差が減少し、増幅器205
は、F2よりも小さな値Fiをリミッタ部220に入力す
る。したがって、リミッタ部220は、入力値Fiに比
例した出力値VLを出力し、減算器222は、速度検出
器8の検出値Vaと該出力値VLとの偏差を求め、電力
増幅器224は、該偏差に基づいてサーボモータ5を駆
動する。すなわち、アーム1の押圧部103が金物10
7を押圧する段階では、力指令部201の力指令値Fr
と力検出器11の検出値Faとの差Fiに基づいてリミッ
ト部220は、制限値VL1内において出力VLを発生
する、トルク制御を実行している。
iと、力検出器11の検出値Faとが一致した時に、減算
器203の出力がゼロになり、リミッタ部220の出力
もゼロとなりサーボモータ5の回転も停止し、アーム1
の押圧部103も位置Lpで停止する。
を図5よって説明する。図5は、この発明の他の実施の
形態を示す力制御装置のブロック図である。図5中、図
1と同一符号は同一又は相当部分を示し説明を省略す
る。この実施の形態では力制御装置において、トルク制
御を実行しても、アーム1が回転移動して停止開始位置
を越えたならば、停止位置に止めるためにアーム1の回
転速度を制限させるものである。そして、図5におい
て、アーム1が半時計方向に回転する方向を前進とい
い、前進方向の移動でアーム1を所定の停止位置に停止
させる例を以下に説明する。
0は、アーム1の前進における停止開始位置に基づいて
サーボモータ5に制限速度指令を発生するもので、速度
検出器8の検出信号、リミッタ部220の出力信号、位
置検出器21の検出信号を入力する入力I/F309
と、周知のCPU311と、処理手順のプログラム、及
び設定データが記憶された記憶部313と、デジタル出
力信号をアナログ信号に変換するD/A変換器315
と、D/A変換器315の出力に接続された出力I/F
317とを有している。
が記憶された停止位置領域313aと、アーム1が減速
を開始する開始位置Lfが記憶された開始位置領域31
3bと、アーム1の減速開始時の最高速度Vmaxが記憶
された最高速度領域313cと、アーム1が最高速度か
ら停止するまでの最大減速時間を記憶した最大減速時間
領域313dとから成っている。
f(m)、停止位置Ls(m)、最高速度Vmax(m/
s)、最大減速時間tβ max(s)の実測値が各記憶領
域に記憶されており、アーム1が停止の開始位置Lfを
越えると、アーム1の回転速度が制限される制限速度V
rL(m/s)を下記のようにして求める。まず、アーム
1を停止位置Lsに停止させるための必要減速距離L
e(m)すると下式が成立する。 Lf=Ls−Le・・・・・(1) また、現在速度Vp(m/s)、現在速度Vpから停止す
るまでの減速時間tβ r(s)とすると必要減速距離Le
は下式となる。 Le=Vp・tβ r/2・・・・(2)
max、最高速度Vmaxとの関係は下式となる。 tβ r=tβ max・(Vp/Vmax)・・・・(3) (3)式の減速時間tβ rを(2)式に代入して整理す
ると必要減速距離Leは下式となる。 Le=Vp 2・tβ max/(2Vmax)・・・・(4) したがって、停止開始位置Lfは下式となる。 Lf=Ls−Vp 2・tβ max/(2Vmax)・・・・・(5)
始位置を越えたならば、停止位置にアーム1を停止させ
るための制限速度VrLを前記(5)を変形して下式によ
り求める。 Vr L={(2Le・Vmax)/tβ max}}1/2・・・(6) すなわち、ストロークリミッタ部300のCPU311
は、位置検出器21からの検出位置Laを入力I/F3
09を介して読み込み、記憶部313に設定された停止
の開始位置Lfと比較して、開始位置Lfが越えた場合に
は、アーム1の制限速度VrLを前記(6)式により求
め、D/A変換器315を介して出力I/F309から
制限速度指令VrLを減算器222に入力してサーボモー
タ5を駆動する。
ーム1が停止の開始位置Lfを越えるまでは、単なるバ
ッファ回路として動作する。また、前記実施の形態は、
アーム1を半時計方向に回転させる前進について説明し
たが、アーム1を時計方向に回転させる後退についても
前記実施の形態と同様の考え方に基づいて速度を制限す
れば良い。
全体構成を示すブロック図である。
マップ図である。
イムチャートである。
ーチャートである。
の全体構成を示すブロック図である。
マップ図である。
る。
11 力検出器(力検出手段)、21 位置検出器(角
度検出手段)、201 力指令部(力指令発生手段)、
203 第1の減算手段(減算器)、207 速度指令
発生部(速度指令生成手段)、220 リミッタ部(リ
ミット手段)、222 第2の減算手段(減算器)、2
24 電力増幅器(制御手段)、300 ストロークリ
ミッタ部(速度制限手段)、313 記憶部(記憶手
段)。
Claims (3)
- 【請求項1】 モータにより駆動される押圧部を位置制
御からトルク制御に連続的に移行させる力制御装置であ
って、上記モータに力指令を発生する力指令発生手段
と、上記モータの回転角度を検出する位置検出手段と、
上記モータの回転速度を検出する速度検出手段と、上記
押圧部の力を検出する力検出手段と、上記位置検出手段
の回転角度検出値に基づいて速度指令を生成する速度指
令生成手段と、上記力指令値と上記力検出手段の検出値
との差を求める第1の減算手段と、該第1の減算手段か
らの入力値に基づいて、所定の値を出力すると共に、上
記速度指令生成手段の出力及び上記角度検出手段の検出
値に基づいて上記出力の上限値又は下限値を変更するリ
ミット手段と、該リミット手段の出力値と上記速度検出
手段の検出値との差を求める第2の減算手段と、 該第2の減算手段の上記差に基づいて上記モータを駆動
する制御手段と、を備えたことを特徴とする力制御装
置。 - 【請求項2】 上記リミット手段は、上記上限値又は下
限値を上記速度指令生成手段の出力値に基づいて連続し
て変更する、 ことを特徴とする請求項1に記載の力制御装置。 - 【請求項3】 上記押圧部の停止位置と、上記押圧部の
停止開始を定める停止開始位置とを記憶する記憶手段
と、上記角度検出手段の検出値に基づいて上記停止開始
位置を越えたと判断する判断手段と、 この判断手段により上記停止開始位置を越えたと判断し
た場合、上記停止位置に上記モータが停止させるように
上記モータの回転速度を制限する速度制限手段と、を備
えたことを特徴とする請求項1又は2に記載の力制御装
置。
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