操作端制御システム及び操作端制御方法

【課題】他端が保持されたロープの一端を保持した状態で、平面内で回転してロープを回す操作端を制御する操作端制御システムを提供する。
【解決手段】操作端制御システム１００は、前記操作端の回転の中心位置を中心として定めた仮想円上において、前記ロープによって前記操作端に作用する力の方向よりも所定の角度だけ位相を進めた方向に前記操作端の目標位置を定める目標位置設定手段１０１と、前記目標位置に向かうように、前記操作端に作用させる力を定める力設定手段１０３と、を備えている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、他端が保持されたロープの一端を保持した状態で、平面内で回転してロープを回す操作端を制御する操作端制御システム及び操作端制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、縄跳びに使用される縄回し装置が開発されている（たとえば、特許文献１）。しかし、該縄回し装置は、測定値に基づいて縄の回転の制御を行う制御システムを備えていない。
【０００３】
したがって、何らかの外乱により縄の回転状態が変化した場合には、縄の回転を維持することができなくなる事態が生じうる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実用新案公告昭６１−４３５０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、外乱によりロープの回転状態が変化した場合であっても、その変化に応じて操作量を変化させ、ロープの回転を維持することができるようにする操作端制御システムに対するニーズがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による操作端制御システムは、他端が保持されたロープの一端を保持した状態で、平面内で回転してロープを回す操作端を制御する。本発明による操作端制御システムは、前記操作端の回転の中心位置を中心として定めた仮想円上において、前記ロープによって前記操作端に作用する力の方向よりも所定の角度だけ位相を進めた方向に前記操作端の目標位置を定める目標位置設定手段と、前記目標位置に向かうように、前記操作端に作用させる力を定める力設定手段と、を備えている。
【０００７】
本発明による操作端制御方法は、他端が保持されたロープの一端を保持した状態で、平面内で回転してロープを回す操作端を制御する。本発明による操作端制御方法は、前記操作端の回転の中心位置を中心として定めた仮想円上において、前記ロープによって前記操作端に作用する力の方向よりも所定の角度だけ位相を進めた方向に前記操作端の目標位置を定めるステップと、前記目標位置に向かうように、前記操作端に作用させる力を定めるステップと、を含む。
【０００８】
本発明によれば、前記操作端の回転の中心位置を中心として定めた仮想円上において、前記ロープによって前記操作端に作用する力の方向よりも所定の角度だけ位相を進めた方向に定めた目標位置に向かうように、前記操作端に作用させる力を定めることによって、ロープの回転を動的に安定させることができる。
【０００９】
本発明の実施形態による操作端制御システムは、前記仮想円の前記中心を起点とした、前記操作端に作用する前記力のベクトルを想定し、前記ベクトルの方向から前記ロープの回転方向へ６０度乃至１２０度回転させたベクトルと前記仮想円との交点を前記目標位置とする。
【００１０】
本実施形態によれば、前記操作端に作用する力のベクトルから、容易に前記目標位置を定めることができる。
【００１１】
本発明の実施形態による操作端制御システムは、前記仮想円の半径が、前記操作端の回転半径よりも大きくなるように定めている。
【００１２】
本実施形態によれば、前記仮想円の半径が、前記操作端の回転半径よりも大きくなるように定めているので、ロープの回転を動的に安定させるのが容易である。
【００１３】
本発明の実施形態による操作端制御システムにおいて、前記操作端がロボットの部分である。
【００１４】
本実施形態によれば、ロボットによるロープ回し（縄回し）を安定的に行わせることができる。
【００１５】
本発明の実施形態による操作端制御システムにおいて、前記他端が別のロボットの操作端によって保持されている。
【００１６】
本実施形態によれば、２台のロボットによるロープ回し（縄回し）を安定的に行わせることができる。
【００１７】
本発明の実施形態による操作端制御システムにおいて、前記他端が人間によって保持されている。
【００１８】
本実施形態によれば、人間がロープの他端を保持した場合に、ロボットによるロープ回し（縄回し）を安定的に行わせることができる。
【００１９】
本発明の実施形態による操作端制御システムにおいて、前記他端が固定されている。
【００２０】
本実施形態によれば、他端が固定されたロープの、ロボットによるロープ回し（縄回し）を安定的に行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態による操作端制御システムと、アームの操作端とを含むブロック図である。
【図２】操作端を含むアームの力制御システムの構成の一例を示す図である。
【図３】操作端制御システムの構成を示す図である。
【図４】操作端に握持された縄を示す図である。
【図５】目標値設定手段が、操作端の目標位置（Ｔｘ，Ｔｙ）を定める方法を示す流れ図である。
【図６】操作端が回転する平面を示す図である。
【図７】力設定手段が、力の目標値（Ｆｘ，Ｆｙ）を定める方法を示す流れ図である。
【図８】操作端が安定している状態において、操作端が回転する平面を示す図である。
【図９】操作端の回転位相が、図８に示す安定している状態から角度Δ進んだ状態において、操作端が回転する平面を示す図である。
【図１０】他端を固定した縄の一端を保持した操作端を、本実施形態による操作端制御システムによって回転させた場合の、操作端及び固定端の位相の変化を示すグラフである。
【図１１】他端を固定した縄の一端を保持した操作端を、本実施形態による操作端制御システムによって回転させた場合の、操作端及び固定端のエネルギ伝達の変化を示すグラフである。
【図１２】他端を人間が保持した縄の一端を保持した操作端を、本実施形態による操作端制御システムによって回転させた場合の、操作端及び人間が保持した端の位相の変化を示すグラフである。
【図１３】他端を人間が保持した縄の一端を保持した操作端を、本実施形態による操作端制御システムによって回転させた場合の、操作端及び固定端のエネルギ伝達の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態による操作端制御システム１００と、アームの操作端２００とを含むブロック図である。アームの操作端２００は、たとえば、ロボットのアームの操作端であってもよい。操作端２００は、ロープの一端を握持している。ロープの他端は、固定されているか、他のロボットのアーム又は人間に握持されていてもよい。本発明によれば、以下に説明するように、ロープの他端が固定されている場合であっても、他のロボットのアーム又は人間に握持されている場合であっても、ロボットによるロープ回し（縄回し）を安定的に行わせることができる。ここで、ロープとは、織糸綱及び鋼索を含む。さらに、ロープは、所定の弾性を有する棒状体であってもよい。以下の実施形態において、ロープは縄とする。
【００２３】
操作端制御システム１００は、操作端の位置及び縄を介して操作端に作用する力を検出する。操作端制御システム１００は、これらの検出値を使用してアームの操作端に作用させる力の目標値を定める。操作端制御システム１００の構成及び機能の詳細については後で説明する。
【００２４】
図２は、操作端を含むアームの力制御システムの構成の一例を示す図である。力制御システムは、力フィードバック制御系２０１、モータドライバ２０３、モータ２０５、アーム２０７及びアームの力センサ２０９を含む。
【００２５】
力フィードバック制御系２０１は、操作端制御システム１００から力の目標値を受け取り、力センサ２０９からの力の測定値を受け取り、力の測定値が力の目標値と一致するようにモータドライバ２０３の指令値を定める。力フィードバック制御系２０１によるフィードバック制御は、たとえば、力の測定値と力の目標値との偏差に比例する量及び偏差を時間積分した量の和を出力とする比例積分制御であってもよい。モータドライバ２０３は、指令値にしたがってアーム駆動用モータ２０５を制御する。アーム２０７は、モータ２０５によって駆動される。アーム２０７は、力センサ２０９を備えている。力センサ２０９は、アーム２０７に組み込んだ構造部材のひずみや変形量などから、並進３軸方向の力成分及び回転３軸周りのモーメント成分を動時に検出する６軸力覚センサであってもよい。力センサ２０９は、モータ２０５によってアームに作用する力を測定（検出）する。
【００２６】
図３は、操作端制御システム１００の構成を示す図である。操作端制御システム１００は、目標値設定手段１０１と、力設定手段１０３と、を備える。
【００２７】
目標値設定手段１０１は、力センサ１０５から、縄を経由して操作端に作用する力の測定値（ｆｘ，ｆｙ）を受け取る。目標値設定手段１０１は、縄を経由して操作端に作用する力の測定値（ｆｘ，ｆｙ）から、操作端の目標位置（Ｔｘ，Ｔｙ）を定める。操作端の目標位置（Ｔｘ，Ｔｙ）の定め方については後で詳細に説明する。
【００２８】
図４は、操作端２０７１に握持された縄３００を示す図である。縄３００は、本体３０１及び端部３０３からなり、端部３０３は、持ち手４００を介して、アーム２０７の操作端２０７１に握持される。縄の端部３０３は、持ち手４００の端部４０１にネジなどによって取り付けられる。持ち手４００の端部４０１と本体４０３との間に力センサ１０５が設置されている。力センサ１０５は、上述の６軸力覚センサであってもよい。持ち手４００の本体４０３は、操作端２０７１に握持される。力センサ１０５は、縄を経由して操作端に作用する力を測定する。
【００２９】
図５は、目標値設定手段１０１が、操作端の目標位置（Ｔｘ，Ｔｙ）を定める方法を示す流れ図である。
【００３０】
図６は、操作端２０７１が回転する平面を示す図である。操作端２０７１の位置は、１０１０１で示され、中心位置１０１０３の周囲を回転する。操作端２０７１に作用する力のベクトルは、１０１０７で示される。該平面上に、中心位置１０１０３を中心とする仮想円１０１０５を定める。仮想円１０１０５の半径は、操作端の回転半径よりも大きくするのが好ましい。一例として、操作端の回転半径の１．５倍乃至２倍の範囲としてもよい。
【００３１】
図５のステップＳ０１０において、目標値設定手段１０１は、力センサ１０５から、縄を経由して操作端に作用する力の測定値（ｆｘ，ｆｙ）を受け取り、力のベクトル１０１０７を求める。
【００３２】
図５のステップＳ０２０において、目標値設定手段１０１は、力のベクトル１０１０７の始点を、操作端の回転の中心位置１０１０３とする。
【００３３】
図５のステップＳ０３０において、目標値設定手段１０１は、平面内において力のベクトル１０１０７を回転方向に所定の角度だけ回転させる。所定の角度は、６０度乃至１２０度であるのが好ましい。図６において、所定の角度はθで示した。
【００３４】
図５のステップＳ０４０において、目標値設定手段１０１は、回転後のベクトルと仮想円との交点を目標位置とする。図６において、交点は１０１１１で示した。
【００３５】
図３に戻り、力設定手段１０３は、位置測定手段１０７から、操作端の測定位置（Ｅｘ，Ｅｙ）（図６の１０１０１）を受け取り、目標値設定手段１０１から、操作端の目標位置（Ｔｘ，Ｔｙ）（図６の１０１１１）を受け取る。位置測定手段１０７は、アームの関節に取り付けられたエンコーダであってもよい。力設定手段１０３は、操作端の測定位置（Ｅｘ，Ｅｙ）及び操作端の目標位置（Ｔｘ，Ｔｙ）から、アームの操作端に作用させる力の目標値（Ｆｘ，Ｆｙ）を定める。力の目標値（Ｆｘ，Ｆｙ）の定め方については、以下に説明する。
【００３６】
図７は、力設定手段１０３が、力の目標値（Ｆｘ，Ｆｙ）を定める方法を示す流れ図である。
図８は、操作端２０７１が安定している状態において、操作端２０７１が回転する平面を示す図である。図８において、目標位置１０１１１は、力のベクトル（図６の１０１０７）をθ＝９０度回転させて求めたものである。
【００３７】
図７のステップＳ２１０において、力設定手段１０３は、操作端の測定位置１０１０１、目標位置１０１１１及び操作端の回転の中心位置１０１０３を取得する。
【００３８】
図７のステップＳ２２０において、力設定手段１０３は、縄を経由して操作端２０７１に作用する力の大きさＴを求める。具体的に、力設定手段１０３は、力センサ１０５から、縄を経由して操作端に作用する力の測定値（ｆｘ，ｆｙ）を受け取り力の大きさＴを計算する。力の大きさＴは、以下の式で表せる。
【数１】

ここで、ｍは縄の質量、ｒ_２は、縄の重心位置を回転面上に投影した点と縄の回転中心を回転面上に投影した点との距離、ωは角速度である。Ｔは遠心力であり、回転を維持するために、操作端の回転の中心位置１０１０３に向けたＴと同じ大きさの力Ｆｘが必要である。
【００３９】
図７のステップＳ２３０において、力設定手段１０３は、図８に示した位置関係から、目標位置１０１１１に向けた力Ｆの大きさと方向を定める。
【００４０】
ここで、図８において、操作端の位置１０１０１のｘ方向（半径方向）の変化について考察する。
【００４１】
回転運動のエネルギＥの安定から以下の式が導かれる。
【数２】

半径方向の力の釣り合いから以下の式が導かれる。
【数３】

ここで、ｋはばね定数である。さらに、
【数４】

と表せる。ここで、Ｌは、縄の寸法に対応する定数である。式（２）乃至（４）を整理して、
【数５】

と表せる。ｘ方向の変位は、角速度ω方向への力を発生しないため、式（２）からエネルギＥは一定となる。したがって、半径方向の位置ｘは、式（５）の解近傍で安定する。
【００４２】
図９は、操作端２０７１の回転位相が、図８に示す安定している状態から角度Δ進んだ状態において、操作端２０７１が回転する平面を示す図である。角度Δは、位相のシフト量である。
【００４３】
本状態において、図５及び図７の方法によって求めた力の目標値は、Ｆ’によって表せる。Ｆ’は、Ｆｘと同じ大きさのベクトルＦｘ’と、Ｆ’ ｏ’ｏと、Ｆｙと同じ大きさのベクトルＦｙ’と、の和で表せる。したがって、Ｆ’は、安定状態における力の目標値Ｆに、力Ｆ’ ｏ’ｏを加えた力に相当する。力Ｆ’ ｏ’ｏは、図９の状態における操作端２０７１の回転中心位置Ｏ’を仮想円中心Ｏへと引き寄せるように働く。
【００４４】
図９において以下の関係が成立する。
【数６】

ここで、ＯＯ’とｘ方向とのなす角度をφとすると、以下の関係が成立する。
【数７】

【００４５】
式（７）は、力Ｆ’ ｏ’ｏの半径方向の成分を表し、式（８）は、力Ｆ’ ｏ’ｏの円周方向の成分を表す。ここで、Δは、微小角度であり、φは、ほぼ９０°である。したがって、式（７）で表せる、力Ｆ’ ｏ’ｏの半径方向の成分は、二次の微小量であり、式（８）で表せる、力Ｆ’ ｏ’ｏの円周方向の成分は、一次の微小量である。このため、半径方向には余分な力が働かずに、位相だけが、位相シフト量Δに相当した分だけ調整される。
【００４６】
図１０は、他端を固定した縄の一端を保持した操作端を、本実施形態による操作端制御システムによって回転させた場合の、操作端及び固定端の位相の変化を示すグラフである。グラフの横軸は時間を表し、縦軸は位相を表す。図１０の位相から縄が安定的に回転していることがわかる。
【００４７】
図１１は、他端を固定した縄の一端を保持した操作端を、本実施形態による操作端制御システムによって回転させた場合の、操作端及び固定端のエネルギ伝達の変化を示すグラフである。グラフの横軸は時間を表し、縦軸はエネルギ伝達量を表す。図１１から、回転ごとに操作端が縄にエネルギを供給していることがわかる。
【００４８】
図１２は、他端を人間が保持した縄の一端を保持した操作端を、本実施形態による操作端制御システムによって回転させた場合の、操作端及び人間が保持した端の位相の変化を示すグラフである。グラフの横軸は時間を表し、縦軸は位相を表す。図１２の位相から縄が安定的に回転していることがわかる。
【００４９】
図１３は、他端を人間が保持した縄の一端を保持した操作端を、本実施形態による操作端制御システムによって回転させた場合の、操作端及び固定端のエネルギ伝達の変化を示すグラフである。グラフの横軸は時間を表し、縦軸はエネルギ伝達量を表す。図１３から、操作端と人間が協調して縄にエネルギを供給していることがわかる。
【符号の説明】
【００５０】
１００…操作端制御システム、１０１…目標値設定手段、１０３…力設定手段、１０５…力センサ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
他端が保持されたロープの一端を保持した状態で、平面内で回転してロープを回す操作端を制御する操作端制御システムであって、
前記操作端の回転の中心位置を中心として定めた仮想円上において、前記ロープによって前記操作端に作用する力の方向よりも所定の角度だけ位相を進めた方向に前記操作端の目標位置を定める目標位置設定手段と、
前記目標位置に向かうように、前記操作端に作用させる力を定める力設定手段と、を備えた操作端制御システム。
【請求項２】
前記仮想円の前記中心を起点とした、前記操作端に作用する前記力のベクトルを想定し、前記ベクトルの方向から前記ロープの回転方向へ６０度乃至１２０度回転させたベクトルと前記仮想円との交点を前記目標位置とする請求項１に記載の操作端制御システム。
【請求項３】
前記仮想円の半径が、前記操作端の回転半径よりも大きくなるように定めた請求項１又は２に記載の操作端制御システム。
【請求項４】
前記操作端がロボットの部分である請求項１から３のいずれかに記載の操作端制御システム。
【請求項５】
前記他端が別のロボットの操作端によって保持されている請求項４に記載の操作端制御システム。
【請求項６】
前記他端が人間によって保持されている請求項１から４のいずれかに記載の操作端制御システム。
【請求項７】
前記他端が固定されている請求項１から４のいずれかに記載の操作端制御システム。
【請求項８】
他端が保持されたロープの一端を保持した状態で、平面内で回転してロープを回す操作端を制御する操作端制御方法であって、
前記操作端の回転の中心位置を中心として定めた仮想円上において、前記ロープによって前記操作端に作用する力の方向よりも所定の角度だけ位相を進めた方向に前記操作端の目標位置を定めるステップと、
前記目標位置に向かうように、前記操作端に作用させる力を定めるステップと、を含む操作端制御方法。

【図１】