JP2008087143A - Actuator control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アクチュエータの駆動を制御するアクチュエータ制御装置に係り、特に、ロボット・ハンドなどに適用可能となる十分な出力の力制御を実現するアクチュエータ制御装置に関する。 The present invention relates to an actuator control device that controls driving of an actuator, and more particularly, to an actuator control device that realizes sufficient output force control that can be applied to a robot hand or the like.
現在、さまざまなタイプのロボットの開発が盛んに行なわれている。ロボットとは、目的とする作業を自動的に行なうことができる機械又は装置のことであり、脚式、車輪型、あるいはクローラ式の移動ロボットなど、ハードウェア構成の異なるさまざまなタイプがあるが、基本的には、関節などの複数の可動部を備えている。 Currently, various types of robots are actively developed. A robot is a machine or device that can automatically perform the intended work, and there are various types with different hardware configurations, such as legged, wheeled, or crawler-type mobile robots. Basically, it has a plurality of movable parts such as joints.
例えば、人間形のロボットであれば32個又はその前後の自由度で構成される(例えば、特許文献1を参照のこと)。そして、足平や指先などの制御対象の位置や姿勢は、各関節をアクチュエータによって所定の変位量又は変位速度で作動させることにより実現される。また、ロボットが多様な外界との物理インタラクションを行ないながらタスクを遂行する場合においては、位置制御ではなく力制御系で駆動されることが望まれる。 For example, if it is a humanoid robot, it is comprised of 32 or a degree of freedom around it (for example, refer to Patent Document 1). Then, the position and posture of a control target such as a foot or a fingertip are realized by operating each joint with a predetermined displacement amount or displacement speed by an actuator. Further, when a robot performs a task while performing physical interactions with various external environments, it is desired that the robot be driven by a force control system instead of position control.
また、ロボットの関節用アクチュエータとして、小型且つ高トルクで、しかも応答性に優れている電気モータを用いることが一般的である。特に、ACサーボ・モータ(若しくはDCブラシレス・モータ)は、ブラシがなく、メンテナンス・フリーであることから、無人化された作業空間での適用することができる。 Moreover, it is common to use an electric motor that is small, has high torque, and is excellent in responsiveness as a joint actuator for a robot. In particular, AC servo motors (or DC brushless motors) have no brushes and are maintenance-free, and therefore can be applied in unmanned work spaces.
電気モータは年々小型化、高出力化が進んでいる。他方、例えばロボット・ハンドなどを製作する場合には、さらに小型にモータを構成する必要があり、十分なトルクを得ることができないという問題がある。 Electric motors are becoming smaller and higher in output year by year. On the other hand, when manufacturing a robot hand or the like, for example, there is a problem that it is necessary to configure a motor in a smaller size and a sufficient torque cannot be obtained.
他方、電気モータに変わる駆動源として人工筋肉が開発されている。人工筋肉は、例えば形状記憶合金(Ti−Ni系、Cu−Zn−Al系合金など)や水素吸蔵合金アクチュエータ(例えば、非特許文献1を参照のこと)、イオン性EAP(電気駆動型ポリマー)などの高分子アクチュエータ(例えば、非特許文献2を参照のこと)などで構成される。人工筋肉は、ロボット用のアクチュエータ以外にも、高齢者など筋力の弱ったヒトのための補助機械など医療・福祉目的にも使用される。 On the other hand, an artificial muscle has been developed as a drive source that replaces an electric motor. Artificial muscles include, for example, shape memory alloys (Ti—Ni, Cu—Zn—Al alloys, etc.), hydrogen storage alloy actuators (for example, see Non-Patent Document 1), ionic EAP (electrically driven polymer) Or the like (for example, see Non-Patent Document 2). Artificial muscles are used not only for actuators for robots but also for medical and welfare purposes such as auxiliary machines for humans with weak muscle strength, such as elderly people.
バネ要素や人工筋肉などで構成されるアクチュエータは、小型でも比較的高い出力トルクを得ることができる。しかしながら、電気モータに比べると応答速度が低く、また出力が正確には判らないことから、精度の高い力制御を実現することが困難である。 An actuator composed of a spring element, an artificial muscle, or the like can obtain a relatively high output torque even if it is small. However, since the response speed is lower than that of an electric motor and the output cannot be accurately determined, it is difficult to realize highly accurate force control.
形状記憶合金による形状記憶効果自体は高速であるものの、熱交換速度(とりわけ冷却速度)が遅く有効でない。また、水素吸蔵合金アクチュエータの場合、応答速度は水素吸蔵合金層の熱伝導率に左右され、通電から圧上昇開始までに0.5秒程度の遅延がある。また、高分子アクチュエータは応答速度が秒レベルと概して遅い(非特許文献1〜2を参照のこと)。
Although the shape memory effect itself by the shape memory alloy is high, the heat exchange rate (especially the cooling rate) is slow and not effective. In the case of a hydrogen storage alloy actuator, the response speed depends on the thermal conductivity of the hydrogen storage alloy layer, and there is a delay of about 0.5 seconds from energization to the start of pressure increase. In addition, the response speed of the polymer actuator is generally as low as a second level (see Non-Patent
本発明の目的は、ロボット・ハンドなどに適用可能となる十分な出力の力制御を実現することができる、優れたアクチュエータ制御装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an excellent actuator control apparatus capable of realizing sufficient output force control that can be applied to a robot hand or the like.
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、所定の制御対象を駆動するためのアクチュエータを制御するアクチュエータ制御装置であって、
前記制御対象を駆動する、第1の応答速度を持つ第1のアクチュエータと、
前記制御対象を駆動する、前記第1の応答速度よりも速い第2の応答速度を持つ第2のアクチュエータと、
前記制御対象における目標駆動トルクに応じて前記第1のアクチュエータを駆動する第1のアクチュエータ駆動手段と、
前記第1のアクチュエータの出力トルクを推定する出力推定手段と、
目標駆動トルクと前記出力推定手段により推定された出力トルクの差に応じて前記第2のアクチュエータを駆動する第2のアクチュエータ駆動手段と、
を具備することを特徴とするアクチュエータ制御装置である。ここで、前記第1のアクチュエータは人工筋肉又はバネ要素で構成され、前記第2のアクチュエータは電気モータで構成される。
The present invention has been made in consideration of the above problems, and is an actuator control apparatus that controls an actuator for driving a predetermined control object,
A first actuator having a first response speed for driving the control object;
A second actuator that drives the object to be controlled and has a second response speed that is faster than the first response speed;
First actuator driving means for driving the first actuator in accordance with a target driving torque in the control target;
Output estimating means for estimating an output torque of the first actuator;
Second actuator driving means for driving the second actuator according to a difference between a target driving torque and the output torque estimated by the output estimating means;
It is an actuator control apparatus characterized by comprising. Here, the first actuator is composed of an artificial muscle or a spring element, and the second actuator is composed of an electric motor.
ロボットの関節駆動用として電気モータを用いることが一般的であるが、ロボット・ハンドなどのために小型異モータを構成すると十分なトルクを得ることができない。他方、電気モータに変わる駆動源として人工筋肉が開発されて折り、小型でも比較的高い出力トルクを得ることができるが、電気モータに比べると応答速度が低く、また出力が正確には判らないことから、精度の高い力制御を実現することが困難である。 An electric motor is generally used for driving a robot joint, but if a small different motor is configured for a robot hand or the like, sufficient torque cannot be obtained. On the other hand, artificial muscles have been developed as a drive source to replace electric motors and can be folded to obtain relatively high output torque even with a small size, but response speed is low compared to electric motors, and the output cannot be accurately determined. Therefore, it is difficult to realize highly accurate force control.
そこで、本発明に係るアクチュエータ制御装置は、ロボット・ハンドの関節など、1つの制御対象の駆動用アクチュエータとして、応答速度は遅いが十分な駆動トルクを出力する人工筋肉若しくはバネ要素と、高い応答性を持つ電気モータを併用したハイブリッド・システムを導入している。 Therefore, the actuator control device according to the present invention is an artificial muscle or spring element that outputs a sufficient driving torque with a slow response speed as a driving actuator to be controlled, such as a joint of a robot hand, and a high responsiveness. A hybrid system using an electric motor with
人工筋肉の駆動トルクを直接計測することはできないが、本発明に係るアクチュエータ制御装置では、電気モータのための外乱アクチュエータを用いて、摩擦などの外乱と同時に人工筋肉の駆動トルクを推定することができる。 Although it is not possible to directly measure the driving torque of the artificial muscle, the actuator control device according to the present invention can estimate the driving torque of the artificial muscle simultaneously with a disturbance such as friction using a disturbance actuator for an electric motor. it can.
関節などの制御対象における目標駆動トルクを、第2のアクチュエータとしての電気モータでのみ発生させるときに必要となる指令値として電気モータに与える。このとき、センサなどを用いて、制御対象の駆動状態(現在の関節角速度)を計測する。外乱オブザーバを用いて、その瞬間に前記第1のアクチュエータで発生しているトルクを外乱トルクとともに推定することができる。そして、外乱トルクの推定結果を第2のアクチュエータとしての電気モータの指令値にフィードバックする。 A target drive torque in a control target such as a joint is given to the electric motor as a command value required when it is generated only by the electric motor as the second actuator. At this time, the drive state (current joint angular velocity) of the controlled object is measured using a sensor or the like. Using the disturbance observer, the torque generated in the first actuator at that moment can be estimated together with the disturbance torque. Then, the estimation result of the disturbance torque is fed back to the command value of the electric motor as the second actuator.
人工筋肉のみで関節を駆動した場合には、応答速度が遅い場合がある。また、電気モータのみで関節を駆動した場合には、関節トルクが不足する場合がある。そこで、1つの制御対象を人工筋肉と電気モータを併用して駆動するハイブリッド・システムを構成するとともに、外乱トルクによる人工筋肉の駆動トルクの推定結果に基づいて、人工筋肉による駆動トルクを電気モータで補助したり、あるいは、人工筋肉と電気モータそれぞれのトルクが拮抗したりするようにする。 When the joint is driven only by the artificial muscle, the response speed may be slow. Further, when the joint is driven only by the electric motor, the joint torque may be insufficient. Therefore, a hybrid system is constructed in which one control object is driven by using both an artificial muscle and an electric motor. Based on the estimation result of the artificial muscle driving torque due to disturbance torque, the driving torque by the artificial muscle is driven by the electric motor. Assist or make the torque of the artificial muscle and electric motor antagonize each other.
これによって、ハイブリッド・システム全体としては、十分な駆動トルクを得るとともに、精度の高い力制御を実現することができる。 As a result, the hybrid system as a whole can obtain a sufficient driving torque and realize highly accurate force control.
本発明によれば、人工筋肉を用いてロボット・ハンドなどに適用可能となる十分な出力の力制御を実現することができる、優れたアクチュエータ制御装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the outstanding actuator control apparatus which can implement | achieve sufficient output force control which can be applied to a robot hand etc. using an artificial muscle can be provided.
サーボ・モータに代表される電気モータは応答性が高く、精度よく位置制御や力制御を実現することができる。しかしながら、例えばロボット・ハンドのような小型の自動機械を製作する場合、要求を十分に満たす小型で且つ高出力の電気モータは存在しないことが多い。これに対し、本発明では、電気モータなどの応答性の高いアクチュエータと、人工筋肉やバネ要素などの応答性の低いアクチュエータを併用して、ロボット・ハンドなどに適用可能となる十分な出力の力制御を実現することができる。 An electric motor typified by a servo motor has high responsiveness and can realize position control and force control with high accuracy. However, when manufacturing a small automatic machine such as a robot hand, for example, there is often no small and high-power electric motor that sufficiently satisfies the requirements. In contrast, in the present invention, a sufficient output force that can be applied to a robot hand or the like by using a highly responsive actuator such as an electric motor together with a low responsive actuator such as an artificial muscle or a spring element. Control can be realized.
人工筋肉やバネ要素は、電気モータに比べ応答が遅く、特性は基本的に相違する。また、人工筋肉やバネ要素による発生力を直接正確に計測できないことから、力目標値を正確に実現できないという問題がある。そこで、本発明では、外乱オブザーバを利用して、人工筋肉やバネ要素などの出力を関節の摩擦などの外乱と同時に推定するように構成されている。したがって、電気モータの制御にフィードバックすることで、電気モータの高応答性と人工筋肉やバネ要素の高出力特性をともに活用した力制御を実現することができる。 Artificial muscles and spring elements have a slower response than electric motors, and their characteristics are fundamentally different. In addition, since the force generated by the artificial muscle and the spring element cannot be measured directly and accurately, there is a problem that the force target value cannot be realized accurately. Therefore, the present invention is configured to estimate the outputs of artificial muscles and spring elements simultaneously with disturbances such as joint friction using a disturbance observer. Therefore, by feeding back to the control of the electric motor, it is possible to realize force control utilizing both the high responsiveness of the electric motor and the high output characteristics of the artificial muscle and the spring element.
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。 Other objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from more detailed description based on embodiments of the present invention described later and the accompanying drawings.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
ロボットの関節用アクチュエータとして電気モータを用いることが一般的であるが、例えばロボット・ハンドなどを製作する場合には小型にモータを構成する必要があり、十分なトルクを得ることができない。これに対し、本発明では、電気モータなどの応答性の高いアクチュエータと、人工筋肉やバネ要素などの応答性の低いアクチュエータを併用して、ロボット・ハンドなどに適用可能となる十分な出力の力制御を実現する。 Generally, an electric motor is used as a robot joint actuator. However, when a robot hand or the like is manufactured, for example, it is necessary to configure the motor in a small size, and a sufficient torque cannot be obtained. In contrast, in the present invention, a sufficient output force that can be applied to a robot hand or the like by using a highly responsive actuator such as an electric motor together with a low responsive actuator such as an artificial muscle or a spring element. Realize control.
図1Aには、電気モータと人工筋肉を併用して関節駆動を行なうハイブリッド・システムの構成例を示している。人工筋肉は、電気モータに比べると応答速度が遅く、また、出力が正確に分からないため精度の高い力制御を実現することは困難である。このため、人工筋肉と電気モータを併用したハイブリッド・システム全体としても、応答が遅く、力目標値を実現できないことになる。 FIG. 1A shows a configuration example of a hybrid system that performs joint drive using an electric motor and an artificial muscle in combination. Artificial muscles have a slower response speed than electric motors, and since the output is not accurately known, it is difficult to realize highly accurate force control. For this reason, even the whole hybrid system using both artificial muscles and electric motors has a slow response and cannot achieve the force target value.
なお、人工筋肉の代替若しくは等価的な手段として、空気圧アクチュエータや油圧アクチュエータ、さまざまなエンジンを適用することができる。 Note that pneumatic actuators, hydraulic actuators, and various engines can be applied as an alternative or equivalent means of artificial muscle.
また、図1Bに示すように人工筋肉ではなくバネ要素を適用したハイブリッド・システムも考えられるが、バネ要素の出力が正確に分からないことから、精度の高い力制御を実現することは同様に困難である。なお、バネ要素としてはさまざまな弾性素材の復元力を利用して構成することができる。 Also, as shown in FIG. 1B, a hybrid system using a spring element instead of an artificial muscle is also conceivable. However, since the output of the spring element is not accurately known, it is similarly difficult to realize highly accurate force control. It is. The spring element can be configured using the restoring force of various elastic materials.
そこで、本発明では、外乱オブザーバを利用して人工筋肉やバネ要素などの出力を関節の摩擦などの外乱と同時に推定しフィードバックすることにより、電気モータの高応答性と人工筋肉やバネ要素などの高出力性をともに活かした力制御を実現するようにした。 Therefore, in the present invention, the disturbance observer is used to estimate and feed back the output of the artificial muscle and the spring element at the same time as the disturbance such as the friction of the joint. Realized force control taking advantage of both high output performance.
図2には、人工筋肉の出力に対する外乱オブザーバ並びにフィードバック機能を備えたハイブリッド・システムの機能的構成を示している。また、図3には、同システム10において電気モータ及び人工筋肉の各アクチュエータを駆動制御するための処理手順をフローチャートの形式で示している。同システム10は、図3に示した処理手順を、所定の制御周期(例えば1ミリ秒)毎に実行する。 FIG. 2 shows a functional configuration of a hybrid system having a disturbance observer and feedback function for the output of the artificial muscle. FIG. 3 shows a processing procedure for driving and controlling the actuators of the electric motor and the artificial muscle in the system 10 in the form of a flowchart. The system 10 executes the processing procedure shown in FIG. 3 every predetermined control cycle (for example, 1 millisecond).
目標関節トルク決定部11は、例えばロボットの動作計画を司る上位アプリケーションからの指令に基づいて、制御対象となる関節部において生成すべき目標トルクを決定する(ステップS1)。 The target joint torque determination unit 11 determines a target torque to be generated in the joint unit to be controlled based on, for example, a command from a higher-level application that manages the robot operation plan (step S1).
次いで、人工筋肉駆動トルク制御部12は、先行ステップS1において決定した目標トルクを実現するように、人工筋肉及び電気モータからなるハイブリッド関節部14を駆動する(ステップS2)。但し、人工筋肉は、応答が遅いため、実際には目標通りのトルクは出力できないことが想定される。また、人工筋肉から出力されているトルクは直接計測することができない。
Next, the artificial muscle drive torque control unit 12 drives the hybrid
ハイブリッド関節部14では、人工筋肉駆動トルク制御部12からの駆動トルク発生指示により人工筋肉が動作するとともに、電気モータ駆動トルク制御部13からの駆動トルク発生指示により電気モータが動作して、これらの協働的作用として制御対象の関節を駆動することができる。
In the hybrid
ここで、電気モータの電流指令値及びこれに伴うモータ回転角速度は回転センサなどで計測することが可能である。ステップS3では、現在の電気モータの電流指令値が計測される。 Here, the current command value of the electric motor and the accompanying motor rotation angular velocity can be measured by a rotation sensor or the like. In step S3, the current command value of the electric motor is measured.
また、関節角速度計測部15は、人工筋肉と電気モータの協働的作用により駆動した関節の角速度を計測する(ステップS4)。
Further, the joint angular
人工筋肉駆動トルク推定部16は、ステップS3において計測された電気モータの電流指令値と、ステップS4において現在の関節角速度の計測値に基づいて、人工筋肉によって発生している関節トルクを、外乱オブザーバにより推定する(ステップS5)。このとき、関節で摩擦が発生している場合や、重力の影響なども同時に推定される。 The artificial muscle drive torque estimation unit 16 calculates the joint torque generated by the artificial muscle based on the current command value of the electric motor measured in step S3 and the current joint angular velocity measurement value in step S4, as a disturbance observer. (Step S5). At this time, the case where friction is generated in the joint, the influence of gravity, and the like are estimated at the same time.
人工筋肉によって発生している関節トルクを直接計測することはできない。そこで、ハイブリッド関節部14は、電気モータで発生させたいトルクと人工筋肉によって発生させたいトルクの合計を、仮に電気モータでのみ発生させるときに必要となる電流値を電気モータに対する電流指令値として与える。そして、人工筋肉駆動トルク推定部16は、電気モータの外乱抑制制御のために用いられる外乱オブザーバを用いることによって、その瞬間に人工筋肉で発生しているトルクを、摩擦などに起因する外乱トルクとともに推定する。
The joint torque generated by the artificial muscle cannot be directly measured. Therefore, the hybrid
人工筋肉が出力する駆動トルクを摩擦などに起因する外乱トルクとともに外乱オブザーバを用いて推定する仕組みについては後述に譲る。なお、外乱オブザーバの詳細に関しては、例えば、堀洋一、大西公平共著「応用制御工学」(丸善株式会社 1998)、島田明著「モーションコントロール」(オーム社、2004)などに記載されている。 The mechanism for estimating the driving torque output by the artificial muscle using a disturbance observer together with the disturbance torque caused by friction will be described later. The details of the disturbance observer are described in, for example, Yoichi Hori and Koji Onishi “Applied Control Engineering” (Maruzen Corporation 1998), “Motion Control” by Akira Shimada (Ohm Corporation, 2004) and the like.
そして、人工筋肉駆動トルク推定部16は、目標関節トルク決定部11からの目標トルク指令にフィードバックする。 Then, the artificial muscle drive torque estimation unit 16 feeds back to the target torque command from the target joint torque determination unit 11.
ハイブリッド関節部14が人工筋肉のみで関節を駆動した場合には、応答速度が遅い場合がある。また、ハイブリッド関節部14が電気モータのみで関節を駆動した場合には、関節トルクが不足する場合がある。そこで、ハイブリッド関節部14は、人工筋肉トルク推定部16による駆動トルクの推定結果に基づいて、人工筋肉による駆動トルクを電気モータで補助したり、あるいは、人工筋肉と電気モータそれぞれのトルクが拮抗したりするようにする。
When the hybrid
人工筋肉駆動トルク推定部16により推定された駆動トルクが目標トルクに対して不足している場合には(ステップS6のYes)、ハイブリッド関節部14は、ステップS5で推定された人工筋肉の駆動トルクでは目標関節トルクから不足するトルクを電気モータで補う(ステップS7)。
When the drive torque estimated by the artificial muscle drive torque estimating unit 16 is insufficient with respect to the target torque (Yes in step S6), the hybrid
一方、人工筋肉駆動トルク推定部16により推定された駆動トルクが目標トルクを超えている場合には(ステップS6のNo)、ハイブリッド関節部14は、電気モータで逆向きのトルクを関節に印加することで、ステップS5で推定された人工筋肉の駆動トルクが目標関節トルクから超えるトルクを調整する(ステップS8)。
On the other hand, when the drive torque estimated by the artificial muscle drive torque estimation unit 16 exceeds the target torque (No in step S6), the hybrid
図4には、外乱オブザーバを利用して人工筋肉やバネ要素などの出力を関節の摩擦などの外乱と同時に推定して、人工筋肉及び電気モータをフィードバック制御するための制御ブロック線図を示している。 FIG. 4 is a control block diagram for feedback control of the artificial muscle and the electric motor by estimating the output of the artificial muscle and the spring element simultaneously with the disturbance such as the friction of the joint using the disturbance observer. Yes.
決定された目標関節トルクに基づいて、電流指令値iaref(ia)が、電気モータ及び人工筋肉にそれぞれ入力される。すなわち、所望する関節トルクを電気モータでのみ発生させるときに必要となる電流値iaが電気モータに対する電流指令値として与えられる。 Based on the determined target joint torque, the current command value i aref (i a ) is input to the electric motor and the artificial muscle, respectively. That is, the current value i a needed when generating only an electric motor the joint torque desired is given as the current command value for the electric motor.
このとき、電気モータには、電流指令値iaと現実のトルク定数Ktに応じたトルクTMが発生する。そして、当該フィードバック制御系としては、電流指令値iaとトルク定数のノミナル値Ktnに応じたトルクTMnを見積もることができる。また、人工筋肉には、電流指令値iaに応じたトルクTSが発生する。 At this time, a torque T M corresponding to the current command value i a and the actual torque constant K t is generated in the electric motor. The feedback control system can estimate the torque T Mn according to the current command value i a and the nominal value K tn of the torque constant. In addition, the artificial muscle, the torque T S in accordance with the current command value i a generated.
電気モータには、電流指示値iaに応じた現実の発生トルクTMとともに、人工筋肉による発生トルクTSと、摩擦などに起因する外乱トルクTDが加わり、これらの合計トルクによって電気モータの現実の機械モデル1/(Js+B)が駆動され、モータの回転角速度dθ/dtがセンサにより観測される。但し、Jは電気モータが持つ慣性モーメントであり、Bは電気モータの粘性抵抗係数である。
The electric motor, the reality with the generated torque T M of the corresponding to the current instruction value i a, and the generated torque T S by artificial muscles, joined by the disturbance torque T D caused such friction, the electric motor by these total torque The
一方、電気モータの現実の慣性モーメントJや粘性抵抗係数Bは不知であり、これらのノミナル値Jn並びにBnしか分からない。そして、計測されたモータ回転角速度に対し電気モータのノミナルの機械モデル1/(Jns+Bn)を逆算することで、電気モータに印加されたノミナルのトルクが算出される。ここで求まるノミナルのトルクには、電流指令値iaに応じて電気モータに発生するトルクと、摩擦などに起因する外乱トルクTDと、人工筋肉による発生トルクTSが含まれる。
On the other hand, the actual moment of inertia J and viscous resistance coefficient B of the electric motor are unknown, and only the nominal values J n and B n are known. Then, the nominal torque applied to the electric motor is calculated by back-calculating the nominal
一方、上述したように、電流指令値iaとトルク定数のノミナル値Ktnに応じたトルクTMnが見積もられている。電気モータに印加されたノミナルのトルクから、電流指令値iaに応じた電気モータのノミナルの発生トルクKtnを減算することで、摩擦などに起因する外乱トルクTDと、人工筋肉による発生トルクTSが推定される。図示の制御ブロック線図では、ローパス・フィルタ(ωC/(s+ωC))を通して高周波成分を除去して、TD+TSの推定値を得ている(但し、ωCはカットオフ周波数)。 On the other hand, as described above, the torque T Mn corresponding to the current command value i a and the nominal value K tn of the torque constant is estimated. From the applied nominal torque to the electric motor, by subtracting the nominal torque K tn electric motor corresponding to the current command value i a, and the disturbance torque T D caused such friction, the torque generated by the artificial muscle T S is estimated. In the illustrated control block diagram, a high-frequency component is removed through a low-pass filter (ω C / (s + ω C )) to obtain an estimated value of T D + T S (where ω C is a cutoff frequency).
このようにして、外乱オブザーバを利用して、人工筋肉の出力トルクTSを関節の摩擦などの外乱トルクTDと同時に推定することができる。電気モータに印加されたトルクのノミナル値が目標トルクのノミナル値に不足する場合には、TD+TSの推定値は負の値となる。また、電気モータに印加されたトルクのノミナル値が目標トルクのノミナル値を超えるときには、TD+TSの推定値は正の値となる。 In this way, the disturbance observer can be used to estimate the output torque T S of the artificial muscle simultaneously with the disturbance torque T D such as joint friction. When the nominal value of the torque applied to the electric motor is insufficient to the nominal value of the target torque, the estimated value of T D + T S is a negative value. When the nominal value of the torque applied to the electric motor exceeds the nominal value of the target torque, the estimated value of T D + T S is a positive value.
そして、TD+TSの推定値を電気モータのトルク定数のノミナル値Ktnで逆算することで、目標関節トルクから決定される電流指令値iarefに対するフィードバック電流が求まり、このフィードバック電流を電流指令値iarefから減算して、電気モータへの供給電流iaが求められる。 Then, by calculating back the estimated value of T D + T S by the nominal value K tn of the torque constant of the electric motor, a feedback current for the current command value i aref determined from the target joint torque is obtained, and this feedback current is obtained as a current command. By subtracting from the value i aref , the supply current i a to the electric motor is obtained.
このように、図4に示した制御フィードバック系では、目標関節トルクを電気モータで発生させたいトルクと人工筋肉によって発生させたいトルクの合計で実現するように構成されている。この目標関節トルクを電気モータでのみ発生させるときに必要となる電流値を電気モータに対する電流指令値として与える。このとき、電気モータの外乱抑制制御のために用いられる外乱オブザーバを用いることによって、その瞬間に人工筋肉で発生しているトルクを、摩擦などに起因する外乱トルクを含んだ外乱トルクとして推定することができる。そして、推定された外乱トルクをキャンセルするように、電気モータへの供給電流をフィードバック制御することで、ハイブリッド・システム全体としては、十分な駆動トルクを得るとともに、精度の高い力制御を実現することができる。 As described above, the control feedback system shown in FIG. 4 is configured to achieve the target joint torque by the sum of the torque desired to be generated by the electric motor and the torque desired to be generated by the artificial muscle. A current value required when this target joint torque is generated only by the electric motor is given as a current command value for the electric motor. At this time, by using the disturbance observer used for disturbance suppression control of the electric motor, the torque generated in the artificial muscle at that moment is estimated as disturbance torque including disturbance torque caused by friction etc. Can do. Then, feedback control of the electric current supplied to the electric motor so as to cancel the estimated disturbance torque, the hybrid system as a whole obtains sufficient driving torque and realizes highly accurate force control. Can do.
電気モータは、外乱オブザーバによる関節駆動トルクの推定結果に基づいて、人工筋肉による駆動トルクを電気モータで補助したり、あるいは、人工筋肉と電気モータそれぞれのトルクが拮抗したりするように動作する。 The electric motor operates so that the driving torque of the artificial muscle is assisted by the electric motor based on the estimation result of the joint driving torque by the disturbance observer, or the torques of the artificial muscle and the electric motor are antagonized.
人工筋肉の応答速度は、電気モータに比べて極めて遅い。人工筋肉のみで関節を駆動した場合には、制御指令を発してから人工筋肉による駆動トルクが目標トルクに到達するまでには長い時間を要する。このため、図5に示すように、人工筋肉の出力が定常化する過渡期では、目標トルクと人工筋肉の駆動トルクを比較すると、駆動トルクが不足する。 The response speed of the artificial muscle is extremely slow compared to the electric motor. When the joint is driven only by the artificial muscle, it takes a long time until the driving torque by the artificial muscle reaches the target torque after the control command is issued. For this reason, as shown in FIG. 5, in the transition period in which the output of the artificial muscle becomes steady, when the target torque and the drive torque of the artificial muscle are compared, the drive torque is insufficient.
一方、電気モータの応答速度は非常に速いが、ロボット・ハンドを製作する場合のようにスペースや重量が制限されると、トルクが不足することが多い。このため、図6に示すように、目標トルクの決定とともに電気モータは定常的なトルクを出力するが、目標トルクと電気モータの駆動トルクを比較すると、駆動トルクが不足したままとなる。 On the other hand, although the response speed of the electric motor is very fast, the torque is often insufficient when the space and weight are limited as in the case of manufacturing a robot hand. Therefore, as shown in FIG. 6, the electric motor outputs a steady torque as the target torque is determined. However, when the target torque is compared with the driving torque of the electric motor, the driving torque remains insufficient.
本実施形態に係るハイブリッド・システムでは、目標関節トルクを電気モータでのみ発生させるときに必要となる電流値を電気モータに対する電流指令値として与えるようになっている。図7には、この場合の人工筋肉と電気モータそれぞれの動作特性を示している。人工筋肉の応答が遅いために駆動トルクが不足するときには、図7に示すように、電気モータが素早く作動してその不足分を補償する。よって、図8に示すように、人工筋肉による駆動トルクと電気モータによる駆動トルクを加算した駆動トルクの合計により目標トルクを実現することができる。この場合、人工筋肉で発生する駆動トルクの方向と電気モータで発生する駆動トルクの方向は図9に示すように同一の方向となり、電気モータが人工筋肉の駆動を補助している格好となる。 In the hybrid system according to the present embodiment, a current value required when the target joint torque is generated only by the electric motor is given as a current command value for the electric motor. FIG. 7 shows the operation characteristics of the artificial muscle and the electric motor in this case. When the drive torque is insufficient due to the slow response of the artificial muscle, the electric motor is quickly operated to compensate for the shortage, as shown in FIG. Therefore, as shown in FIG. 8, the target torque can be realized by the sum of the driving torque obtained by adding the driving torque by the artificial muscle and the driving torque by the electric motor. In this case, the direction of the driving torque generated by the artificial muscle and the direction of the driving torque generated by the electric motor are the same as shown in FIG. 9, and the electric motor assists in driving the artificial muscle.
他方、人工筋肉の駆動トルクにオーバーシュートが生じたり、目標トルクが急に減少したりした場合には、図10に示すように、人工筋肉による駆動トルクが過大となる。本実施形態に係るハイブリッド・システムでは、人工筋肉により発生する過大な駆動トルクを相殺するために、図10中の点線で示すように、電気モータで逆向きの駆動トルクを発生させる。この結果、図11に示すように、人工筋肉による駆動トルクと電気モータによる駆動トルクの合計が目標トルクに一致するように制御することができる。この場合、人工筋肉で発生する駆動トルクの方向と電気モータで発生する駆動トルクの方向は図12に示すように逆方向となり、電気モータが人工筋肉の駆動と拮抗している格好となるが、制御系での切り替えを行なうことなく、補助する場合(図9を参照のこと)と統一的に制御することができる。図9と図12の相違は、図4に示したブロック線図において、電流フィードバックの符号が反転することだけである。 On the other hand, when the overshoot occurs in the driving torque of the artificial muscle or the target torque suddenly decreases, the driving torque by the artificial muscle becomes excessive as shown in FIG. In the hybrid system according to the present embodiment, in order to cancel out the excessive drive torque generated by the artificial muscle, the reverse drive torque is generated by the electric motor as shown by the dotted line in FIG. As a result, as shown in FIG. 11, it is possible to control so that the sum of the drive torque by the artificial muscle and the drive torque by the electric motor matches the target torque. In this case, the direction of the driving torque generated by the artificial muscle and the direction of the driving torque generated by the electric motor are opposite to each other as shown in FIG. 12, and the electric motor is in competition with the driving of the artificial muscle. Control can be performed in a unified manner as in the case of assistance (see FIG. 9) without switching in the control system. The only difference between FIG. 9 and FIG. 12 is that the sign of current feedback is reversed in the block diagram shown in FIG.
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。 The present invention has been described in detail above with reference to specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can make modifications and substitutions of the embodiment without departing from the gist of the present invention.
本明細書では、ロボット・ハンドに適用した場合を例示して本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。制御対象を高い応答性により高精度で力制御を行なう必要があるとともに電気モータでは十分なトルクを得ることができないようなさまざまな自動機械において、同様に本発明を適用することができる。 In the present specification, the embodiment of the present invention has been described by exemplifying a case where the present invention is applied to a robot hand. However, the gist of the present invention is not limited to this. The present invention can be similarly applied to various automatic machines in which it is necessary to perform force control with high accuracy with high responsiveness, and an electric motor cannot obtain sufficient torque.
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。 In short, the present invention has been disclosed in the form of exemplification, and the description of the present specification should not be interpreted in a limited manner. In order to determine the gist of the present invention, the claims should be taken into consideration.
10…ハイブリッド・システム
11…目標関節トルク決定部
12…人工筋肉駆動トルク制御部
13…電気モータ駆動トルク制御部
14…ハイブリッド関節部
15…関節角速度計測部
16…人工筋肉駆動トルク推定部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Hybrid system 11 ... Target joint torque determination part 12 ... Artificial muscle drive torque control part 13 ... Electric motor drive
Claims (5)
前記制御対象を駆動する、第1の応答速度を持つ第1のアクチュエータと、
前記制御対象を駆動する、前記第1の応答速度よりも速い第2の応答速度を持つ第2のアクチュエータと、
前記制御対象における目標駆動トルクに応じて前記第1のアクチュエータを駆動する第1のアクチュエータ駆動手段と、
前記第1のアクチュエータの出力トルクを推定する出力推定手段と、
目標駆動トルクと前記出力推定手段により推定された出力トルクの差に応じて前記第2のアクチュエータを駆動する第2のアクチュエータ駆動手段と、
を具備することを特徴とするアクチュエータ制御装置。 An actuator control device for controlling an actuator for driving a predetermined control object,
A first actuator having a first response speed for driving the control object;
A second actuator that drives the object to be controlled and has a second response speed that is faster than the first response speed;
First actuator driving means for driving the first actuator in accordance with a target driving torque in the control target;
Output estimating means for estimating an output torque of the first actuator;
Second actuator driving means for driving the second actuator according to a difference between a target driving torque and the output torque estimated by the output estimating means;
An actuator control device comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ制御装置。 The first actuator is composed of an artificial muscle or a spring element, and the second actuator is composed of an electric motor.
The actuator control apparatus according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ制御装置。 The output estimating means estimates an output torque of the first actuator by a disturbance observer;
The actuator control apparatus according to claim 1.
前記出力推定手段は、前記第2のアクチュエータ駆動手段による前記第2のアクチュエータへの制御指令値と、前記状態計測手段による計測結果に基づいて、前記第1のアクチュエータの出力トルクを推定する、
ことを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ制御装置。 It further comprises a state measuring means for measuring the drive state of the controlled object,
The output estimating means estimates an output torque of the first actuator based on a control command value to the second actuator by the second actuator driving means and a measurement result by the state measuring means;
The actuator control apparatus according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ制御装置。
The total of the torque desired to be generated by the second actuator and the torque desired to be generated by the first actuator is given to the second actuator as a command value required when the torque is generated only by the second actuator. The output estimating means estimates a torque generated by the first actuator at the moment together with a disturbance torque using a disturbance observer.
The actuator control apparatus according to claim 1.
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