操作端制御システム及び操作端制御方法
【課題】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を提供する。
【解決手段】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101と、前記操作端の目標速度ベクトルの大きさを一定とし、前記目標速度ベクトルの向きが前記目標位置に向かうように、前記目標速度ベクトルを定める速度ベクトル設定手段103と、を備えている。
【解決手段】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101と、前記操作端の目標速度ベクトルの大きさを一定とし、前記目標速度ベクトルの向きが前記目標位置に向かうように、前記目標速度ベクトルを定める速度ベクトル設定手段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。
【0004】
本出願の時点で未公開の、本出願と同一出願人による、特願2009−125841は、ロープの操作端の目標位置を実現するように、操作端に働く力の目標値を定め、力フィードバック制御を行う、ロープの回転の制御方法を記載している。しかし、この方法においては、ロープの回転中心軸の位置が変化し、一定の位置にとどまらなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【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】
【0006】
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し、ロープの回転中心軸の移動が少ない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】
【0007】
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、前記操作端の目標速度ベクトルの大きさを一定とし、前記目標速度ベクトルの向きが前記目標位置に向かうように、前記目標速度ベクトルを定める速度ベクトル設定手段と、を備えている。
【0008】
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、前記操作端の目標速度ベクトルの大きさを一定とし、前記目標速度ベクトルの向きが前記目標位置に向かうように、前記目標速度ベクトルを定めるステップと、を含む。
【0009】
本発明によれば、前記操作端の目標速度ベクトルの大きさを一定とし、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、前記目標速度ベクトルの向きが前記目標位置に向かうように、前記目標速度ベクトルを定めることによって、ロープの回転を動的に安定させ、またロープの回転中心軸の移動を少なくすることができる。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【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】縄と操作端との位置関係を示す図である。
【図3】操作端を含むアームの速度制御システムの構成の一例を示す図である。
【図4】操作端制御システムの構成を示す図である。
【図5】操作端に握持された縄を示す図である。
【図6】目標位置設定手段が、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7】操作端が回転する平面を示す図である。
【図8】速度ベクトル設定手段が、速度ベクトルの目標値を定める方法を示す流れ図である。
【図9】仮想円と操作端の初期位置との関係を示す図である。
【図10】操作端の速度目標値を定めて速度フィードバック制御を行う制御方法を適用して、初期位置からシミュレーションを行った場合について、仮想円の中心から操作端位置までの距離と時間との関係を示す図である。
【図11】操作端の速度目標値を定めて速度フィードバック制御を行う制御方法を適用して、初期位置からシミュレーションを行った場合について、仮想円の中心から、縄の質点の位置Mの投影面上への投影点までの距離と時間との関係を示す図である。
【図12】操作端の速度目標値を定めて速度フィードバック制御を行う制御方法を適用して、1個の操作端の初期位置からシミュレーションを行った場合について、仮想円の中心から操作端位置までの距離と時間との関係及び仮想円の中心から縄の質点の位置Mの投影面上への投影点までの距離と時間との関係を示す図である。
【図13】操作端の速度目標値を定めて速度フィードバック制御を行う制御方法を適用して、他の操作端の初期位置からシミュレーションを行った場合について、仮想円の中心から操作端位置までの距離と時間との関係及び仮想円の中心から縄の質点の位置Mの投影面上への投影点までの距離と時間との関係を示す図である。
【図14】操作端の目標位置を実現するように、操作端の目標速度の代わりに操作端に働く力の目標値を定め、力フィードバック制御を行う制御方法を適用して、1個の操作端の初期位置からシミュレーションを行った場合について、仮想円の中心から操作端位置までの距離と時間との関係及び仮想円の中心から縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点までの距離と時間との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
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、アーム及びアームの操作端200とを含むブロック図である。アーム及びアームの操作端200は、たとえば、ロボットのアーム及びアームの操作端であってもよい。操作端は、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。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。
【0016】
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速度の目標値を定める。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。
【0017】
図2は、縄300と操作端2071との位置関係を示す図である。操作端制御システム100は、操作端2071が、縄回しの目標回転中心軸160に対して垂直に配置した投影面150上で移動するように制御を行う。
【0018】
図3は、操作端を含むアームの速度制御システムの構成の一例を示す図である。速度制御システムは、速度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及びアームの速度検出システム209を含む。
【0019】
速度フィードバック制御系201は、操作端制御システム100から速度の目標値を受け取り、速度検出システム209からの速度の測定値を受け取り、速度の測定値が速度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。速度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、速度の測定値と速度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、アームの速度検出システム209を備えている。アームの速度検出システム209は、アームの関節に取り付けられたエンコーダによって測定されるアームの操作端位置を時間微分処理することによって、アームの操作端の速度(速度ベクトル)を検出してもよい。
【0020】
図4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、目標位置設定手段101と、速度ベクトル設定手段103と、を備える。
【0021】
目標位置設定手段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。目標位置設定手段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。
【0022】
図5は、アーム207の操作端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、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。
【0023】
図6は、目標位置設定手段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。
【0024】
図7は、操作端2071が回転する平面を示す図である。この平面は、図2に示した投影面150に相当する。操作端2071の位置は、E及び10101で示され、中心位置O及び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。
【0025】
図6のステップS010において、目標位置設定手段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。
【0026】
図6のステップS020において、目標位置設定手段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。
【0027】
図6のステップS030において、目標位置設定手段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7において、所定の角度はθで示した。ここでは、θは90度とした。
【0028】
図6のステップS040において、目標位置設定手段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7において、交点はT及び10111で示した。
【0029】
図4に戻り、速度ベクトル設定手段103は、位置測定手段107から、操作端の測定位置(Ex,Ey)(図7の10101)を受け取り、目標位置設定手段101から、操作端の目標位置(Tx,Ty)(図7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。速度ベクトル設定手段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、アームの操作端の速度ベクトルの目標値
【数1】
を定める。
【数2】
の定め方については、以下に説明する。
【0030】
図8は、速度ベクトル設定手段103が、アームの操作端の速度ベクトルの目標値
【数3】
を定める方法を示す流れ図である。
【0031】
図8のステップS210において、速度ベクトル設定手段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。
【0032】
図8のステップS220において、速度ベクトル設定手段103は、図7に示される操作端の測定位置Eから図7に示される操作端の目標位置Tに向けた単位方向ベクトル
【数4】
を求める。つぎに、速度ベクトル設定手段103は、操作端の速度の大きさは一定値vであるとして、操作端の速度ベクトルの目標値を以下の式によって定める。
【数5】
【0033】
つぎに、操作端と縄の運動モデルを導入する。操作対象物である縄を、長手方向片側へのみ弾性を有する自然長lのリンク及びそのリンクの先端にある質量m、位置ベクトルMの質点とし、操作端の位置ベクトルをEとする。また、重力加速度ベクトルをG、弾性の有無を定める変数をδとする。操作端と縄の運動モデルは、以下の式で表せる。
【数6】
ここで、パラメータ及び時間ステップの値は以下の表1のとおりである。
【表1】
【0034】
図9は、仮想円と操作端の初期位置との関係を示す図である。図9において、わかりやすくするため、仮想円の半径は1.0mとし、仮想円の周辺に36個の点を格子状に定めた。操作端の初期位置は、36個の点のいずれかの位置とする。
【0035】
実際に、本シミュレーションにおいて、仮想円の半径は0.15mとした。一般に、仮想円の半径を大きくすると、縄の回転中心軸を仮想円の中心へと制御する作用が減少する一方、縄の回転を維持する作用が増加する。仮想円の半径は、操作端の稼動範囲内で経験的に定める。また、縄に相当する質点は、最下点(仮想円の中心よりリンク長lだけ下方に移動した位置)より所速度2m/sで円周方向に向けて打ち出されるとものとした。また、縄の他端は固定した。
【0036】
このような条件において、操作端の目標速度を定めて速度フィードバック制御を行う制御方法を適用して、操作端の位置及び縄の質点の位置を、式(1)を使用したシミュレーションによって求めた。
【0037】
図10は、操作端の速度目標値を定めて速度フィードバック制御を行う制御方法を適用して、初期位置からシミュレーションを行った場合について、仮想円の中心から操作端位置までの距離と時間との関係を示す図である。上述のように、操作端2071は、図2の投影面150上を移動する。また、仮想円の中心は、投影面150上に位置する。図10の横軸は、時間を示す。図10の縦軸は、仮想円の中心から操作端位置までの距離を示す。図10は、36個の操作端の初期位置からシミュレーションを行った場合を全て示す。いずれの場合も、仮想円の中心から操作端位置までの距離は、ほぼ一定値に収束している。このことは、操作端2071の運動が、最終的に仮想円の中心を中心とする円運動となっていることを意味する。
【0038】
図11は、操作端の速度目標値を定めて速度フィードバック制御を行う制御方法を適用して、初期位置からシミュレーションを行った場合について、仮想円の中心から縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点までの距離と時間との関係を示す図である。図11の横軸は、時間を示す。図11の縦軸は、仮想円の中心から縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点までの距離を示す。図11は、36個の操作端の初期位置からシミュレーションを行った場合を全て示す。いずれの場合も、仮想円の中心から縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点までの距離は、ほぼ一定値に収束している。このことは、縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点の運動が、最終的に仮想円の中心を中心とする円運動となっていることを意味する。
【0039】
図12は、操作端の速度目標値を定めて速度フィードバック制御を行う制御方法を適用して、1個の操作端の初期位置からシミュレーションを行った場合について、仮想円の中心から操作端位置までの距離と時間との関係及び仮想円の中心から縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点までの距離と時間との関係を示す図である。図12の横軸は時間を示し、図12の縦軸は距離を示す。操作端位置を点線で示し、縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点の位置を実線で示す。
【0040】
仮想円の中心から操作端及び縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点までの距離は、ほぼ一定値に収束している。このことは、操作端及び縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点の運動が、最終的に、ほぼ仮想円の中心を中心とする円運動となっていることを意味する。また、操作端の速度の大きさは一定値に制御されているので、操作端及び縄の質点の位置Mの運動は等速円運動である。
【0041】
図13は、操作端の速度目標値を定めて速度フィードバック制御を行う制御方法を適用して、他の操作端の初期位置からシミュレーションを行った場合について、仮想円の中心から操作端位置までの距離と時間との関係及び仮想円の中心から縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点までの距離と時間との関係を示す図である。図13の横軸は時間に対応するシムレーションのステップ数を示し、図13の縦軸は距離を示す。操作端位置を点線で示し、縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点の位置を実線で示す。
【0042】
この場合も、仮想円の中心から操作端及び縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点までの距離は、ほぼ一定値に収束している。このことは、操作端及び縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点の運動が、最終的に、ほぼ仮想円の中心を中心とする円運動となっていることを意味する。また、操作端の速度の大きさは一定値に制御されているので、操作端及び縄の質点の位置Mの運動は等速円運動である。
【0043】
図14は、操作端の目標位置を実現するように、操作端の目標速度の代わりに操作端に働く力の目標値を定め、力フィードバック制御を行う制御方法を適用して、1個の操作端の初期位置からシミュレーションを行った場合について、仮想円の中心から操作端位置までの距離と時間との関係及び仮想円の中心から縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点までの距離と時間との関係を示す図である。図14の横軸は時間に対応するシムレーションのステップ数を示し、図14の縦軸は距離を示す。操作端位置を点線で示し、縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点の位置を実線で示す。
【0044】
図13と図14を比較すると、図13に示した、速度フィードバック制御を適用した場合は、操作端及び縄の回転中心位置が定まっているのに対し、図14に示した、力フィードバック制御を適用した場合は、操作端及び縄の回転中心位置が定まっていない。このように、速度フィードバック制御を適用することにより、操作端及び縄の回転中心位置を、事前に任意に設定することのできる仮想円の中心位置に定めて、安定した制御を行うことができる。
【符号の説明】
【0045】
100…操作端制御システム、101…目標位置設定手段、103…速度ベクトル設定手段、105…力センサ
【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。
【0004】
本出願の時点で未公開の、本出願と同一出願人による、特願2009−125841は、ロープの操作端の目標位置を実現するように、操作端に働く力の目標値を定め、力フィードバック制御を行う、ロープの回転の制御方法を記載している。しかし、この方法においては、ロープの回転中心軸の位置が変化し、一定の位置にとどまらなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【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】
【0006】
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し、ロープの回転中心軸の移動が少ない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】
【0007】
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、前記操作端の目標速度ベクトルの大きさを一定とし、前記目標速度ベクトルの向きが前記目標位置に向かうように、前記目標速度ベクトルを定める速度ベクトル設定手段と、を備えている。
【0008】
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、前記操作端の目標速度ベクトルの大きさを一定とし、前記目標速度ベクトルの向きが前記目標位置に向かうように、前記目標速度ベクトルを定めるステップと、を含む。
【0009】
本発明によれば、前記操作端の目標速度ベクトルの大きさを一定とし、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、前記目標速度ベクトルの向きが前記目標位置に向かうように、前記目標速度ベクトルを定めることによって、ロープの回転を動的に安定させ、またロープの回転中心軸の移動を少なくすることができる。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【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】縄と操作端との位置関係を示す図である。
【図3】操作端を含むアームの速度制御システムの構成の一例を示す図である。
【図4】操作端制御システムの構成を示す図である。
【図5】操作端に握持された縄を示す図である。
【図6】目標位置設定手段が、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7】操作端が回転する平面を示す図である。
【図8】速度ベクトル設定手段が、速度ベクトルの目標値を定める方法を示す流れ図である。
【図9】仮想円と操作端の初期位置との関係を示す図である。
【図10】操作端の速度目標値を定めて速度フィードバック制御を行う制御方法を適用して、初期位置からシミュレーションを行った場合について、仮想円の中心から操作端位置までの距離と時間との関係を示す図である。
【図11】操作端の速度目標値を定めて速度フィードバック制御を行う制御方法を適用して、初期位置からシミュレーションを行った場合について、仮想円の中心から、縄の質点の位置Mの投影面上への投影点までの距離と時間との関係を示す図である。
【図12】操作端の速度目標値を定めて速度フィードバック制御を行う制御方法を適用して、1個の操作端の初期位置からシミュレーションを行った場合について、仮想円の中心から操作端位置までの距離と時間との関係及び仮想円の中心から縄の質点の位置Mの投影面上への投影点までの距離と時間との関係を示す図である。
【図13】操作端の速度目標値を定めて速度フィードバック制御を行う制御方法を適用して、他の操作端の初期位置からシミュレーションを行った場合について、仮想円の中心から操作端位置までの距離と時間との関係及び仮想円の中心から縄の質点の位置Mの投影面上への投影点までの距離と時間との関係を示す図である。
【図14】操作端の目標位置を実現するように、操作端の目標速度の代わりに操作端に働く力の目標値を定め、力フィードバック制御を行う制御方法を適用して、1個の操作端の初期位置からシミュレーションを行った場合について、仮想円の中心から操作端位置までの距離と時間との関係及び仮想円の中心から縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点までの距離と時間との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
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、アーム及びアームの操作端200とを含むブロック図である。アーム及びアームの操作端200は、たとえば、ロボットのアーム及びアームの操作端であってもよい。操作端は、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。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。
【0016】
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速度の目標値を定める。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。
【0017】
図2は、縄300と操作端2071との位置関係を示す図である。操作端制御システム100は、操作端2071が、縄回しの目標回転中心軸160に対して垂直に配置した投影面150上で移動するように制御を行う。
【0018】
図3は、操作端を含むアームの速度制御システムの構成の一例を示す図である。速度制御システムは、速度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及びアームの速度検出システム209を含む。
【0019】
速度フィードバック制御系201は、操作端制御システム100から速度の目標値を受け取り、速度検出システム209からの速度の測定値を受け取り、速度の測定値が速度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。速度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、速度の測定値と速度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、アームの速度検出システム209を備えている。アームの速度検出システム209は、アームの関節に取り付けられたエンコーダによって測定されるアームの操作端位置を時間微分処理することによって、アームの操作端の速度(速度ベクトル)を検出してもよい。
【0020】
図4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、目標位置設定手段101と、速度ベクトル設定手段103と、を備える。
【0021】
目標位置設定手段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。目標位置設定手段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。
【0022】
図5は、アーム207の操作端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、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。
【0023】
図6は、目標位置設定手段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。
【0024】
図7は、操作端2071が回転する平面を示す図である。この平面は、図2に示した投影面150に相当する。操作端2071の位置は、E及び10101で示され、中心位置O及び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。
【0025】
図6のステップS010において、目標位置設定手段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。
【0026】
図6のステップS020において、目標位置設定手段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。
【0027】
図6のステップS030において、目標位置設定手段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7において、所定の角度はθで示した。ここでは、θは90度とした。
【0028】
図6のステップS040において、目標位置設定手段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7において、交点はT及び10111で示した。
【0029】
図4に戻り、速度ベクトル設定手段103は、位置測定手段107から、操作端の測定位置(Ex,Ey)(図7の10101)を受け取り、目標位置設定手段101から、操作端の目標位置(Tx,Ty)(図7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。速度ベクトル設定手段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、アームの操作端の速度ベクトルの目標値
【数1】
を定める。
【数2】
の定め方については、以下に説明する。
【0030】
図8は、速度ベクトル設定手段103が、アームの操作端の速度ベクトルの目標値
【数3】
を定める方法を示す流れ図である。
【0031】
図8のステップS210において、速度ベクトル設定手段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。
【0032】
図8のステップS220において、速度ベクトル設定手段103は、図7に示される操作端の測定位置Eから図7に示される操作端の目標位置Tに向けた単位方向ベクトル
【数4】
を求める。つぎに、速度ベクトル設定手段103は、操作端の速度の大きさは一定値vであるとして、操作端の速度ベクトルの目標値を以下の式によって定める。
【数5】
【0033】
つぎに、操作端と縄の運動モデルを導入する。操作対象物である縄を、長手方向片側へのみ弾性を有する自然長lのリンク及びそのリンクの先端にある質量m、位置ベクトルMの質点とし、操作端の位置ベクトルをEとする。また、重力加速度ベクトルをG、弾性の有無を定める変数をδとする。操作端と縄の運動モデルは、以下の式で表せる。
【数6】
ここで、パラメータ及び時間ステップの値は以下の表1のとおりである。
【表1】
【0034】
図9は、仮想円と操作端の初期位置との関係を示す図である。図9において、わかりやすくするため、仮想円の半径は1.0mとし、仮想円の周辺に36個の点を格子状に定めた。操作端の初期位置は、36個の点のいずれかの位置とする。
【0035】
実際に、本シミュレーションにおいて、仮想円の半径は0.15mとした。一般に、仮想円の半径を大きくすると、縄の回転中心軸を仮想円の中心へと制御する作用が減少する一方、縄の回転を維持する作用が増加する。仮想円の半径は、操作端の稼動範囲内で経験的に定める。また、縄に相当する質点は、最下点(仮想円の中心よりリンク長lだけ下方に移動した位置)より所速度2m/sで円周方向に向けて打ち出されるとものとした。また、縄の他端は固定した。
【0036】
このような条件において、操作端の目標速度を定めて速度フィードバック制御を行う制御方法を適用して、操作端の位置及び縄の質点の位置を、式(1)を使用したシミュレーションによって求めた。
【0037】
図10は、操作端の速度目標値を定めて速度フィードバック制御を行う制御方法を適用して、初期位置からシミュレーションを行った場合について、仮想円の中心から操作端位置までの距離と時間との関係を示す図である。上述のように、操作端2071は、図2の投影面150上を移動する。また、仮想円の中心は、投影面150上に位置する。図10の横軸は、時間を示す。図10の縦軸は、仮想円の中心から操作端位置までの距離を示す。図10は、36個の操作端の初期位置からシミュレーションを行った場合を全て示す。いずれの場合も、仮想円の中心から操作端位置までの距離は、ほぼ一定値に収束している。このことは、操作端2071の運動が、最終的に仮想円の中心を中心とする円運動となっていることを意味する。
【0038】
図11は、操作端の速度目標値を定めて速度フィードバック制御を行う制御方法を適用して、初期位置からシミュレーションを行った場合について、仮想円の中心から縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点までの距離と時間との関係を示す図である。図11の横軸は、時間を示す。図11の縦軸は、仮想円の中心から縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点までの距離を示す。図11は、36個の操作端の初期位置からシミュレーションを行った場合を全て示す。いずれの場合も、仮想円の中心から縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点までの距離は、ほぼ一定値に収束している。このことは、縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点の運動が、最終的に仮想円の中心を中心とする円運動となっていることを意味する。
【0039】
図12は、操作端の速度目標値を定めて速度フィードバック制御を行う制御方法を適用して、1個の操作端の初期位置からシミュレーションを行った場合について、仮想円の中心から操作端位置までの距離と時間との関係及び仮想円の中心から縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点までの距離と時間との関係を示す図である。図12の横軸は時間を示し、図12の縦軸は距離を示す。操作端位置を点線で示し、縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点の位置を実線で示す。
【0040】
仮想円の中心から操作端及び縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点までの距離は、ほぼ一定値に収束している。このことは、操作端及び縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点の運動が、最終的に、ほぼ仮想円の中心を中心とする円運動となっていることを意味する。また、操作端の速度の大きさは一定値に制御されているので、操作端及び縄の質点の位置Mの運動は等速円運動である。
【0041】
図13は、操作端の速度目標値を定めて速度フィードバック制御を行う制御方法を適用して、他の操作端の初期位置からシミュレーションを行った場合について、仮想円の中心から操作端位置までの距離と時間との関係及び仮想円の中心から縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点までの距離と時間との関係を示す図である。図13の横軸は時間に対応するシムレーションのステップ数を示し、図13の縦軸は距離を示す。操作端位置を点線で示し、縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点の位置を実線で示す。
【0042】
この場合も、仮想円の中心から操作端及び縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点までの距離は、ほぼ一定値に収束している。このことは、操作端及び縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点の運動が、最終的に、ほぼ仮想円の中心を中心とする円運動となっていることを意味する。また、操作端の速度の大きさは一定値に制御されているので、操作端及び縄の質点の位置Mの運動は等速円運動である。
【0043】
図14は、操作端の目標位置を実現するように、操作端の目標速度の代わりに操作端に働く力の目標値を定め、力フィードバック制御を行う制御方法を適用して、1個の操作端の初期位置からシミュレーションを行った場合について、仮想円の中心から操作端位置までの距離と時間との関係及び仮想円の中心から縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点までの距離と時間との関係を示す図である。図14の横軸は時間に対応するシムレーションのステップ数を示し、図14の縦軸は距離を示す。操作端位置を点線で示し、縄の質点の位置Mの投影面150上への投影点の位置を実線で示す。
【0044】
図13と図14を比較すると、図13に示した、速度フィードバック制御を適用した場合は、操作端及び縄の回転中心位置が定まっているのに対し、図14に示した、力フィードバック制御を適用した場合は、操作端及び縄の回転中心位置が定まっていない。このように、速度フィードバック制御を適用することにより、操作端及び縄の回転中心位置を、事前に任意に設定することのできる仮想円の中心位置に定めて、安定した制御を行うことができる。
【符号の説明】
【0045】
100…操作端制御システム、101…目標位置設定手段、103…速度ベクトル設定手段、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、
前記操作端の目標速度ベクトルの大きさを一定とし、前記目標速度ベクトルの向きが前記目標位置に向かうように、前記目標速度ベクトルを定める速度ベクトル設定手段と、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】
前記操作端がロボットの部分である請求項1又は2に記載の操作端制御システム。
【請求項4】
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、
前記操作端の目標速度ベクトルの大きさを一定とし、前記目標速度ベクトルの向きが前記目標位置に向かうように、前記目標速度ベクトルを定めるステップと、を含む操作端制御方法。
【請求項5】
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4に記載の操作端制御方法。
【請求項6】
前記操作端がロボットの部分である請求項4又は5に記載の操作端制御方法。
【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、
前記操作端の目標速度ベクトルの大きさを一定とし、前記目標速度ベクトルの向きが前記目標位置に向かうように、前記目標速度ベクトルを定める速度ベクトル設定手段と、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】
前記操作端がロボットの部分である請求項1又は2に記載の操作端制御システム。
【請求項4】
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、
前記操作端の目標速度ベクトルの大きさを一定とし、前記目標速度ベクトルの向きが前記目標位置に向かうように、前記目標速度ベクトルを定めるステップと、を含む操作端制御方法。
【請求項5】
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4に記載の操作端制御方法。
【請求項6】
前記操作端がロボットの部分である請求項4又は5に記載の操作端制御方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【公開番号】特開2011−56199(P2011−56199A)
【公開日】平成23年3月24日(2011.3.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−212499(P2009−212499)
【出願日】平成21年9月14日(2009.9.14)
【出願人】(000005326)本田技研工業株式会社 (23,863)
【公開日】平成23年3月24日(2011.3.24)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年9月14日(2009.9.14)
【出願人】(000005326)本田技研工業株式会社 (23,863)
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