力覚コントローラ装置及びその制御方法
【課題】 操作をパワーアシストするとともに、手触り感など微妙な感覚を操作者に効率的に伝達することができるようにする。
【解決手段】 本発明の力覚コントローラ装置１は、制御対象１５に対する操作を入力するための操作端２を含む操作機構３と、該操作端２に加えられたトルクを検出する操作力検出部５と、操作端２の現在位置を検出する現在位置検出部６と、制御対象１５に加わる外力を入力する外力入力部８と、操作端２を駆動する駆動部９と、前記操作力に応じて操作端２に対する操作をアシストするとともに、外力Ｄに応じて操作端２に力覚を提示するように、前記操作力及び前記外力を任意の比率で合成した力に基づいて操作端２の目標位置を算出し、該目標位置及び前記現在位置に基づいて操作端２を該目標位置に追従させるように駆動部９を制御する力覚制御部１０とを備えている。
【解決手段】 本発明の力覚コントローラ装置１は、制御対象１５に対する操作を入力するための操作端２を含む操作機構３と、該操作端２に加えられたトルクを検出する操作力検出部５と、操作端２の現在位置を検出する現在位置検出部６と、制御対象１５に加わる外力を入力する外力入力部８と、操作端２を駆動する駆動部９と、前記操作力に応じて操作端２に対する操作をアシストするとともに、外力Ｄに応じて操作端２に力覚を提示するように、前記操作力及び前記外力を任意の比率で合成した力に基づいて操作端２の目標位置を算出し、該目標位置及び前記現在位置に基づいて操作端２を該目標位置に追従させるように駆動部９を制御する力覚制御部１０とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、現実世界又は仮想世界の重機やロボット等の機械を制御するとき、その機械で生じる力覚情報を操作者に提示することが可能な力覚コントローラ装置及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被災地や遠隔地での支援活動、又は病院内での介護・介助活動及び手術では、機械を遠隔操作して緻密な作業を行うことが求められつつある。しかしながら、現場の画像情報のみでは、遠隔で機械を操作する場合、操作者が作業対象に合わせて機械の力加減を制御することが困難となり、作業対象に過大な力が加わり、作業対象を傷つけてしまう可能性が生じる。このような場合、機械で生じる力加減を機械操作用のコントローラに帰還して力覚を操作者に提示することで、作業対象に合わせた力加減を制御することが可能となる。また、前記活動等に備え、仮想世界において機械に生じる力加減を前記コントローラに帰還し、力覚を操作者に提示するように構成すれば、前記機械の遠隔操作の訓練が可能になる。
【０００３】
そこで、遠隔で機械を操作する場合、作業中の機械で生じる触覚を操作者に提示するために、多種多様な力覚提示デバイスが開発されてきた。力覚提示デバイスはロボットが物体に触れたときの物体からの反力、形状、質感などを提示することを目的とするデバイスである。従来の力覚提示デバイスの多くは、直列又は並列リンク機構や、紐の張力を利用した紐張力型機構が用いられてきた。例えば、特許文献１に記載された力覚インターフェース装置では、３軸の並列リンク機構の回転運動及び1軸の直線運動により力覚を表現している。また、特許文献２に記載された力覚インターフェース装置では、６自由度の並列リンク機構により力覚を表現している。これらの力覚インターフェース装置では、パラレル機構を使用することで、操作状態を検出するセンサや力覚を生じさせるアクチュエータといった付加的な部材を操作部分ではなく、支持部分に設けている。これにより、操作部分の質量を軽減させ、操作性の向上及び長時間操作時における操作者の疲労の軽減を図っている。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１８１６１８号公報
【特許文献２】特開２０００−１４８３８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、従来の力覚インターフェース装置は、パラレル機構を使用することにより操作部分の質量及び慣性力を軽減させてはいるが、依然として操作部分の質量及び慣性力は存在している。この操作部分の質量及び慣性力が力覚を鈍らせたり歪ませたりするので、遠隔で生じる手触り感等のきめ細かな感覚を力覚デバイスで実現することは難しいという課題がある。
【０００６】
また、パラレル機構を採用しているので、力覚インターフェース装置が大型化、重量化するという課題がある。特に、多自由度に渡ってスムーズな操作性を備えさせるためには、各自由度を実現する機構を共通化しなければならず、多軸のパラレル機構を採用する必要があり、装置が非常に大型化する要因となる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、第１の発明の力覚コントローラ装置は、
制御対象に対する操作を入力するための可動部を含む操作機構と、
該可動部に加えられた操作力を検出する操作力検出手段と、
前記可動部の現在位置を検出する現在位置検出手段と、
前記制御対象に加わる外力を入力する外力入力手段と、
前記可動部を駆動する駆動手段と、
前記操作力に応じて前記可動部に対する操作をアシストするとともに、前記外力に応じて該可動部に力覚を提示するように、前記操作力及び前記外力を任意の比率で合成した力に基づいて前記可動部の目標位置を算出し、該目標位置及び前記現在位置に基づいて前記可動部を該目標位置に追従させるように前記駆動手段を制御する力覚制御手段と
を備えている。
【０００８】
この構成によれば、前記操作力に応じて前記可動部に対する操作をアシストするとともに、前記外力に応じて該可動部に力覚を提示するように、前記操作力及び前記外力を任意の比率で合成した力に基づいて算出した前記目標位置へ前記可動部を追従させるようになっている。このため、次の効果が得られる。
（１）前記目標位置を前記操作力に基づいて算出しているので、前記可動部を操作する操作者のパワーアシストを行うことができ、前記操作機構の機械的・物理的構成に関わらず、前記可動部を小さい力で移動させることができ、操作性の向上及び長時間操作時における操作者の疲労の軽減が可能になる。
（２）前記目標位置を前記外力に比例した力に基づいて算出しているので、前記操作者に対し前記可動部を介して前記外力に応じた力覚を提示することができる。
（３）前記目標位置を、前記操作力及び前記外力を任意の比率で合成した力に基づいて算出しているので、前述の通り、前記可動部が小さい力で移動できるとともに、該可動部を介して前記力覚を提示することができる。従って、前記可動部の操作に力を要しないようになっているので、前記可動部を介して手触り感など微妙な感覚を操作者に効率的に伝達することができる。
（４）前記力覚制御手段により、前記制御対象と前記可動部の構造が異構造であっても、該制御対象に与えられる外力を正確かつ安定に該可動部を介して力覚として提示することができる。
【０００９】
また、従来技術とは異なり、パラレル機構等の特別な機構を必要としないので小型軽量化を容易に行うことができる。
【００１０】
第２の発明の力覚コントローラ装置としては、前記第１の発明において、
前記操作機構は、少なくとも一つの支軸を中心に回動自在に支持された前記可動部を備え、
前記操作力検出手段は、前記操作力として、前記支軸まわりに生ずるトルクを検出し、
前記現在位置検出手段は、前記現在位置として、前記支軸を中心とする前記可動部の回転角度を検出し、
前記駆動手段は、前記支軸を中心に前記可動部を回転駆動するように構成された態様を例示する。
【００１１】
この構成によれば、前記第１の発明の力覚コントローラ装置を容易に実現することができる。
【００１２】
第３の発明の力覚コントローラ装置としては、前記第２の発明において、
前記操作機構は、ベース部に支持された第一支軸を中心に回動自在に支持された第一可動部と、該第一支軸に直交するようにして該第一可動部に配設された第二支軸を中心に回動自在に支持された第二可動部とを備え、
前記操作力検出手段は、前記操作力として、前記第一支軸及び第二支軸まわりに生ずるそれぞれのトルクを検出し、
前記現在位置検出手段は、前記現在位置として、前記第一支軸及び前記第二支軸を中心とする前記第一可動部及び前記第二可動部の回転角度を検出し、
前記駆動手段は、前記第一支軸及び前記第二支軸を中心に前記第一可動部及び第二可動部をそれぞれ回転駆動するように構成された態様を例示する。
【００１３】
この構成によれば、前記第２の発明の力覚コントローラ装置を少なくとも２自由度を備えたものとして実現できる。
【００１４】
第４の発明の力覚コントローラ装置としては、前記第３の発明において、
前記駆動手段は、前記ベース部に支持されており、
前記第二支軸は、一対の自在継手と該両自在継手の間を連結する伸縮軸とを含むリンク部を介して前記駆動手段に連結され、
該駆動手段は、該第二支軸を介して前記第二可動部を駆動するように構成された態様を例示する。
【００１５】
この構成によれば、前記ベース部に支持された前記駆動手段の駆動力が前記動力伝動部を介して前記第二可動部に伝達されるように構成されているので、第二可動部を駆動するための駆動手段を前記第一可動部に支持させる場合と比較し、前記第一可動部の質量を軽減させ、前記駆動手段の負荷の軽減が可能になる。
【００１６】
第５の発明の力覚コントローラ装置としては、前記第１〜４のいずれかの発明において、
前記可動部は、無負荷状態において所定の原点位置になるように重量バランスされた態様を例示する。
【００１７】
この構成によれば、前記可動部の構造が非対称である場合でも、該可動部の動作の動特性を略対称となるようにすることができる。
【００１８】
また、第６の発明の力覚コントローラ装置の制御方法は、
制御対象に対する操作を入力するための可動部を含む操作機構と、
該可動部に加えられた操作力を検出する操作力検出手段と、
前記可動部の現在位置を検出する現在位置検出手段と、
前記制御対象に加わる外力を入力する外力入力手段と、
前記可動部を駆動する駆動手段と
を備えた力覚コントローラ装置の制御方法であって、
前記操作力に応じて前記可動部に対する操作をアシストするとともに、前記外力に応じて該可動部に力覚を提示するように、前記操作力及び前記外力を任意の比率で合成した力に基づいて前記可動部の目標位置を算出し、該目標位置及び前記現在位置に基づいて前記可動部を該目標位置に追従させるように前記駆動手段を制御するようにしている。
【００１９】
本方法によっても、前記第１の発明と同様の効果が得られる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る力覚コントローラ装置及びその制御方法によれば、操作をパワーアシストするとともに、手触り感など微妙な感覚を操作者に効率的に伝達することができるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明を力覚コントローラ装置に具体化した一実施形態について、同装置を使用して実施する制御方法とともに、図１〜図８を参照して説明する。
【００２２】
図１〜図４に示すように、本力覚コントローラ装置１は、制御対象１５に対する操作を入力するための可動部としての操作端２を含む操作機構３と、操作端２の動作範囲を制限するためのリミットスイッチ４と、該操作端２に加えられた操作力を検出する操作力検出部５と、操作端２の現在位置を検出する現在位置検出部６と、操作力Ｔ及び前記現在位置に応じて制御対象１５に制御指令を出力する制御指令出力部７と、制御対象１５に設けられた外力センサ１６を介して制御対象１５に加わる外力Ｄを入力する外力入力部８と、操作端２を駆動する駆動部９と、操作力Ｔ及び外力Ｄに基づいて駆動部９を制御する力覚制御部１０とを備えている。本例では、力覚コントローラ装置１の制御対象１５は先端に物体を把持するための一対の把持手段（図示略）を備えたロボットハンドであり、力覚コントローラ装置１により、該ロボットハンド先端の位置を任意平面内において二次元方向に移動させるとともに、前記把持手段（図示略）により物体を把持させるようになっているものとする。
【００２３】
操作機構３は、ベース部としての台座部２０と、該台座部２０の上に間隔をおいて立設された一対の支持フレーム２１，２２と、該両支持フレーム２１，２２に回転自在に支持された第一支軸としてのＸ支軸２３と、該Ｘ支軸２３に固定された枠状の第一可動部２４と、Ｘ支軸２３に直交するようにして該第一可動部２４に回転自在に支持された第二支軸としてのＹ支軸２５と、該Ｙ支軸２５に固定された枠状の第二可動部２６と、Ｘ支軸２３及びＹ支軸２５に直交するようにして該第二可動部２６に回転自在に支持された操作端２とを備えている。操作端２は、レバー２７と、該レバー２７の先端に取り付けられたグリップ部２８とを備えている。このように操作機構３は、操作端２のレバー２７に対し、Ｘ支軸２３の長さ方向及びＹ支軸２５の長さ方向が非対称の構造となっているが、無負荷状態において、操作端２のレバー２７が略垂直に起立した状態（原点位置にある状態）となるように重量バランスを設計することにより、レバー２７の動作の動特性が略対称となるようにしている。
【００２４】
操作力検出部５は、操作端２を介して加えられる操作力ＴとしてＸ支軸２３まわりに生ずるトルクを検出する第一トルクセンサ３０と、同Ｙ支軸２５まわりに生ずるトルクを検出する第二トルクセンサ３１とを備えている。本例では、各トルクセンサ３０，３１として、トルクを非接触で検出する磁歪検出式のものを採用している。
【００２５】
現在位置検出部６は、Ｘ支軸２３を中心とした、台座部２０に対する第一可動部２４の回転角度を検出する第一角度センサ３５ａと、Ｙ支軸２５を中心とした、第一可動部２４に対する第二可動部２６の回転角度を検出する第二角度センサ３６ａと、レバー２７を中心とした、第二可動部２６に対する操作端２の回転角度を検出する第三角度センサ３９とを備えている。本例では、第一角度センサ３５ａ及び第二角度センサ３６ａとして、後述するＸ駆動モータ３５及びＹ駆動モータ３６にそれぞれ内蔵された角度センサを利用している。なお、Ｘ駆動モータ３５及びＹ駆動モータ３６に角度センサが内蔵されていない場合は、第一角度センサ３５ａ及び第二角度センサ３６ａとして、それぞれ別途設置した角度センサ４０，４１を利用する。
【００２６】
制御指令出力部７は、制御対象１５としてのロボットハンドに対し、次の指令を出力するように構成されている。
（１）操作端２に加えられる操作力Ｔに応じたロボットハンド先端の移動指令（移動速度指令、移動目標位置指令等）。
（２）第一角度センサ３５ａ及び第二角度センサ３６ａにより検出された現在位置に応じたロボットハンド先端の移動目標位置指令。
（３）第三角度センサ３９により検出された現在位置に応じたロボットハンド先端における把持手段の開閉角度指令。
【００２７】
外力入力部８は、制御対象１５の把持手段先端に取り付けられた外力センサ１６から外力情報（例えば圧力情報等）を入力するためのインターフェースとなっており、入力した外力情報を力覚制御部１０に渡すように構成されている。
【００２８】
駆動部９は、台座部２０にそれぞれ支持部材２０ａ，２０ｂを介して支持されたＸ駆動モータ３５及びＹ駆動モータ３６と、第二可動部２６に支持されたＺ駆動モータ３７とを備えている。Ｘ駆動モータ３５及びＹ駆動モータ３６としては、操作端２に力覚を提示する緻密な駆動を可能にするためにダイレクトドライブサーボモータを採用している。また、Ｚ駆動モータ３７としては直流モータを採用している。Ｘ駆動モータ３５の回転軸はＸ支軸２３に連結されている。Ｙ駆動モータ３６の回転軸は、リンク部３８を介してＹ支軸２５に連結されている。リンク部３８は、一対の自在継手３８ａ，３８ｂと、該両自在継手の間を連結する伸縮軸３８ｃとを含んでいる。Ｚ駆動モータ３７の回転軸は、レバー２７に連結されている。
【００２９】
力覚制御部１０は、操作力Ｔに応じて操作端２に対する操作をアシストするとともに、外力Ｄに応じて該操作端２に力覚を提示するように、操作力Ｔ及び外力Ｄを任意の比率で合成した力に基づいて操作端の目標位置を算出し、該目標位置及び現在位置（現在位置検出部６で検出。）に基づいて操作端２を該目標位置に追従させるようにＸ駆動モータ３５及びＹ駆動モータ３６を制御するように構成されている。本例では、この力覚制御部１０に、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）（図示略）を採用し、該ＤＳＰにより高精度なトルク制御を高速信号処理により、例えば１０ｋＨｚのサンプリング間隔でハイレートに実現するようにしている。
【００３０】
以下では、力覚制御部１０による制御方法の具体化例について説明する。
【００３１】
Ｘ駆動モータ３５及びＹ駆動モータ３６に採用している１軸のダイレクトドライブモータの数学モデルを(1)式で示す。
【００３２】
【数１】
【００３３】
ここで、Ｊはモータの回転子慣性モーメント(25.0×10-4[kg・m2])，ｃは軸の粘性摩擦係数(0.710[kg・m2／s]である。
【００３４】
各軸周りの回転スティックの重心は回転軸上にあり、操作端の運動エネルギーＥｘ，Ｅｙはモータの回転子慣性モーメントＪｘ，Ｊｙによる慣性力のみと考えると次式で表される。
【００３５】
【数２】
【００３６】
また、モータ軸受の粘性摩擦Ｄｘ，Ｄｙは、次式で表される。
【００３７】
【数３】
【００３８】
これらを(2)式で表されるラグランジュの運動方程式に代入すると、１自由度における操作端２の運動方程式は(3)式で得られる。
【００３９】
【数４】
【００４０】
この操作端２をPID制御した場合では制御性能が悪く、精度の良い力覚を実現することが難しい。そこで、最適レギュレータ理論を用いて状態フィードバック係数を求め、制御系を設計する。
【００４１】
(3)式の中で状態変数を
【００４２】
【数５】
【００４３】
としたとき、状態方程式及び出力方程式
【００４４】
【数６】
【００４５】
は(4)式、(5)式で表される。
【００４６】
【数７】
【００４７】
次に、設定値に対する定常偏差をなくすために、積分要素を入れた積分追従型最適レギュレータ理論を用いる。積分追従型最適サーボ系のブロック線図は図５に示す。図５中の破線で囲まれた部分が(４)(５)式で表される操作端２のモデルである。操作者が操作端２を操作すると、操作端２へ加える操作力Ｔからロボットへの外力Ｄを引いた値が目標角度算出部に入力され、設定値ｒが計算される。積分追従型最適サーボ系は操作力Ｔに基づいて操作者の操作端２の操作をパワーアシストするとともに、外力Ｄに基づいて、操作端２に力覚を提示するように、モータを目標位置に追従させる。操作者は、このときに提示される力覚により制御対象に加わっている外力Ｄを感じることができる。
【００４８】
図５に相当する力覚コントローラ装置１に対しては、(6)式、(7)式、(8)式が成り立つ。
【００４９】
【数８】
【００５０】
ここで、状態変数を
【００５１】
【数９】
【００５２】
とした拡大系を次式の通り構成する。
【００５３】
【数１０】
【００５４】
このとき、ｙ（ｔ）が目標値ｒとなるようなｘ（ｔ），ｕ（ｔ），ｗ（ｔ）の定常値ｘ∞，ｕ∞，ｗ∞は次式を満足する。
【００５５】
【数１１】
【００５６】
そこで、次式の通り定義する。
【００５７】
【数１２】
【００５８】
すると、(9)式、(10)式より次式が得られる。
【００５９】
【数１３】
【００６０】
また、力覚コントローラ装置１は次式で表される。
【００６１】
【数１４】
【００６２】
評価のための指標Ｊを与え、その指標に従って最も適した制御則を見出す設計法である最適レギュレータを用いることで、フィードバック係数Ｋｅを唯一に決定することができる。評価するための指標は評価関数と呼ばれ、可制御な多入力システム
【００６３】
【数１５】
【００６４】
に対して、次の二次形式評価関数をとる。
【００６５】
【数１６】
【００６６】
ここでＱ(n × n)，Ｒ(n × m)は重み行列で、このときのＪを最小にする最適フィードバック制御入力Ｕ0は
【００６７】
【数１７】
【００６８】
である。ここにＵ0は一意に決まり、そのときの最小値は次式で与えられる。
【００６９】
【数１８】
【００７０】
なお、Ｐは任意の(n × n)対称行列で、次のリカッチ型行列方程式の唯一な正定値の解である。
【００７１】
【数１９】
【００７２】
次に、力覚コントローラ装置１の３次元モデルにおける操作端２の幾何学関係を図６から導出する。操作端２の長さをｒとし、ｘ，ｙ，ｚ空間内における操作端２の先端の座標を（ｘ，ｙ，ｚ）とする。ｘ軸、ｙ軸の２軸に設置されたＸ駆動モータ３５、Ｙ駆動モータ３６の回転角度をθｙ，θｘとし、ｚ軸と操作端２のなす角度をθｚとする。操作端２のｘｙ平面における射影とｘ軸のなす角度をφｍとし、操作端２に生じる操作力Ｔのｘ軸、およびｙ軸方向の大きさをＴｘ，Ｔｙとすると、Ｔｘ，Ｔｙは(19)式、(20)式によって計算される。また、Ｙ駆動モータ３６及びＸ駆動モータ３５でそれぞれ発生するトルクτｙ，τｘは(21)式、(22)式で計算される。
【００７３】
【数２０】
【００７４】
次に、操作端２に力覚を発生するための力覚制御部１０における制御方法について説明する。操作者が操作端２へ加える操作力Ｔの分力をＴｘ，Ｔｙ、制御対象１５への外力Ｄの分力をＤｘ，Ｄｙ、また制御対象１５と操作端２で発生させる力覚の抵抗比係数をｋｆとし、操作端２のｘ，ｙ，ｚ空間内での目標位置を(23)式、(24)式で設定する。ｋｐは比例係数である。
【００７５】
【数２１】
【００７６】
(23)式、(24)式で設定された操作端２の目標位置から(25)式、(26)式を用いて、操作端２の各モータ３５，３６の目標角度θｙ，θｘを計算する。ｒは操作端の長さである。
【００７７】
【数２２】
【００７８】
上述の式によって計算した操作端２の変位からその変位を行うために必要な各モータ３６，３５に負荷されるトルクτｙ，τｘを(21)式、(22)式を用いて計算し、各モータ３６，３５に外乱として入力する。操作端２はこの外乱入力により、積分追従型最適サーボ系による制御により、操作者の操作による目標位置に制御される。
【００７９】
次に、操作端２を操作したときの力覚制御部１０における制御方法について説明する。トルクセンサ３０，３１からそれぞれＴｘ，Ｔｙが検出されると、(19)式、(20)式の関係から各モータ３５，３６の目標値となるθｙ，θｘが計算される。そして、上述の積分追従型最適サーボ系によってθｙ，θｘを目標として操作端２が動作する。操作端２から手を離さずに保持している場合には、操作端２に生じるトルク値Ｔｘ，Ｔｙは一定となるため、目標値θｙ，θｘも一定となり、操作端２は目標値付近で保持される。操作端２から手を離すと、トルク値Ｔｘ，Ｔｙは０となり、これらから計算される目標値θｙ，θｘは０となり、操作端２は原点（レバー２７が垂直に起立した状態）に復帰する。入力されたトルク値Ｔｘ，Ｔｙは制御対象１５に対する速度指令や位置指令等に使われる。
【００８０】
以上のように構成された力覚コントローラ装置１の一連の動作例について説明する。操作機構３に操作入力が与えられると、操作力検出部５によって操作力（トルク）Ｔが検出されるとともに、現在位置検出部６によって角度が検出される。これらのトルク情報及び角度情報は、制御指令出力部７及び力覚制御部１０に出力される。制御指令出力部７では、トルク情報及び角度情報に基づいて制御対象１５に対し制御指令を出力する。また、力覚制御部１０では、外力センサ１６から出力される外力情報と、トルク情報及び角度情報とに基づいて操作機構３の制御量を計算し、それを実現するように駆動部９へ力覚指令を出力する。
【００８１】
次に、本例の力覚コントローラ装置１の実施例について説明する。この実験例では、制御指令出力部７及び力覚制御部１０として、クロック周波数2.2GHzのマイクロプロセッサ（Intel社製、製品名：Celeron（登録商標））と、256MBのメモリとを搭載したホストコンピュータに対し、8チャンネルのAD変換機、8チャンネルのDA変換機を有するコントローラ（dSPACE社製、製品名：DS1104PPC）を設置したものを使用した。このコントローラに対し、外力センサ１６として最大4.4Nの力を計測できる圧力センサ（ニッタ社製、製品名：Flexi Force A101-1）と、駆動部９の駆動モータ３５，３６としてサーボドライバ（安川電機社製、製品名：SGDS-02F01A）で駆動されるダイレクトドライブモータ(安川電機社製、製品名：SGMCS-02B3B11)と、操作力検出部５のトルクセンサ３０，３１としてトルクデューサ（クボタ社製、製品名：TD-002）とを接続した。この実施例の制御実験結果を図７及び図８に示す。これらの図は、制御対象１５における外力センサ１６により検出した外力（External Force）Ｄと、操作端２により操作者に提示した力覚（Sense of Force）を図示したものであり、図７は本例による積分追従型最適サーボ系の場合、図８は比較例として力覚制御部１０にPID制御を用いた場合の結果を示している。図８のように、PID制御を用いた場合は、外力Ｄと力覚にずれが見られる。一方、図７のように、本例の積分追従型最適サーボ系を用いた場合は、精度の良い力覚を実現できることが確認された。
【００８２】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することもできる。
（１）力覚コントローラ装置１の力覚制御部１０又は制御指令出力部７は、マイクロプロセッサ及びメモリ（いずれも図示略）を内蔵するとともに、該メモリ（図示略）に書き込まれた制御プログラムよって諸機能を実現することができる。この制御プログラムはコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して提供することができる。また、前記マイクロプロセッサにより実現された諸機能の全部又は一部をマイクロプロセッサを含まないハードウェア回路に置き換えることもできる。
（２）力覚コントローラ装置１の操作機構３における自由度数を適宜変更すること。
（３）力覚制御部１０における制御方法を具体化する制御方式として、積分追従型最適サーボ系制御方式に代えて、ＰＩＤ制御等の他の制御方式を採用すること。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明を具体化した一実施形態に係る力覚コントローラ装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】同力覚コントローラ装置の機械的構成を示す正断面図である。
【図３】同力覚コントローラ装置の機械的構成を示す平断面図である。
【図４】同力覚コントローラ装置の機械的構成を示す側断面図である。
【図５】同力覚コントローラ装置の制御ブロック図である。
【図６】同力覚コントローラ装置の制御モデル図である。
【図７】同力覚コントローラ装置の制御実験結果を示す図である。
【図８】力覚制御部にＰＩＤ制御を用いた場合の力覚コントローラ装置の制御実験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００８４】
１ 力覚コントローラ装置
２ 操作端
３ 操作機構
４ リミットスイッチ
５ 操作力検出部
６ 現在位置検出部
７ 制御指令出力部
８ 外力入力部
９ 駆動部
１０ 力覚制御部
１５ 制御対象
１６ 外力センサ
２０ 台座部
２１ 支持フレーム
２２ 支持フレーム
２３ Ｘ支軸
２４ 第一可動部
２５ Ｙ支軸
２６ 第二可動部
２７ レバー
２８ グリップ部
３０ 第一トルクセンサ
３１ 第二トルクセンサ
３５ Ｘ駆動モータ
３５ａ 第一角度センサ
３６ Ｙ駆動モータ
３６ａ 第二角度センサ
３７ Ｚ駆動モータ
３８ リンク部
３８ａ 自在継手
３８ｂ 自在継手
３８ｃ 伸縮軸
３９ 第三角度センサ
Ｄ 外力
Ｔ 操作力
【技術分野】
【０００１】
本発明は、現実世界又は仮想世界の重機やロボット等の機械を制御するとき、その機械で生じる力覚情報を操作者に提示することが可能な力覚コントローラ装置及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被災地や遠隔地での支援活動、又は病院内での介護・介助活動及び手術では、機械を遠隔操作して緻密な作業を行うことが求められつつある。しかしながら、現場の画像情報のみでは、遠隔で機械を操作する場合、操作者が作業対象に合わせて機械の力加減を制御することが困難となり、作業対象に過大な力が加わり、作業対象を傷つけてしまう可能性が生じる。このような場合、機械で生じる力加減を機械操作用のコントローラに帰還して力覚を操作者に提示することで、作業対象に合わせた力加減を制御することが可能となる。また、前記活動等に備え、仮想世界において機械に生じる力加減を前記コントローラに帰還し、力覚を操作者に提示するように構成すれば、前記機械の遠隔操作の訓練が可能になる。
【０００３】
そこで、遠隔で機械を操作する場合、作業中の機械で生じる触覚を操作者に提示するために、多種多様な力覚提示デバイスが開発されてきた。力覚提示デバイスはロボットが物体に触れたときの物体からの反力、形状、質感などを提示することを目的とするデバイスである。従来の力覚提示デバイスの多くは、直列又は並列リンク機構や、紐の張力を利用した紐張力型機構が用いられてきた。例えば、特許文献１に記載された力覚インターフェース装置では、３軸の並列リンク機構の回転運動及び1軸の直線運動により力覚を表現している。また、特許文献２に記載された力覚インターフェース装置では、６自由度の並列リンク機構により力覚を表現している。これらの力覚インターフェース装置では、パラレル機構を使用することで、操作状態を検出するセンサや力覚を生じさせるアクチュエータといった付加的な部材を操作部分ではなく、支持部分に設けている。これにより、操作部分の質量を軽減させ、操作性の向上及び長時間操作時における操作者の疲労の軽減を図っている。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１８１６１８号公報
【特許文献２】特開２０００−１４８３８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、従来の力覚インターフェース装置は、パラレル機構を使用することにより操作部分の質量及び慣性力を軽減させてはいるが、依然として操作部分の質量及び慣性力は存在している。この操作部分の質量及び慣性力が力覚を鈍らせたり歪ませたりするので、遠隔で生じる手触り感等のきめ細かな感覚を力覚デバイスで実現することは難しいという課題がある。
【０００６】
また、パラレル機構を採用しているので、力覚インターフェース装置が大型化、重量化するという課題がある。特に、多自由度に渡ってスムーズな操作性を備えさせるためには、各自由度を実現する機構を共通化しなければならず、多軸のパラレル機構を採用する必要があり、装置が非常に大型化する要因となる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、第１の発明の力覚コントローラ装置は、
制御対象に対する操作を入力するための可動部を含む操作機構と、
該可動部に加えられた操作力を検出する操作力検出手段と、
前記可動部の現在位置を検出する現在位置検出手段と、
前記制御対象に加わる外力を入力する外力入力手段と、
前記可動部を駆動する駆動手段と、
前記操作力に応じて前記可動部に対する操作をアシストするとともに、前記外力に応じて該可動部に力覚を提示するように、前記操作力及び前記外力を任意の比率で合成した力に基づいて前記可動部の目標位置を算出し、該目標位置及び前記現在位置に基づいて前記可動部を該目標位置に追従させるように前記駆動手段を制御する力覚制御手段と
を備えている。
【０００８】
この構成によれば、前記操作力に応じて前記可動部に対する操作をアシストするとともに、前記外力に応じて該可動部に力覚を提示するように、前記操作力及び前記外力を任意の比率で合成した力に基づいて算出した前記目標位置へ前記可動部を追従させるようになっている。このため、次の効果が得られる。
（１）前記目標位置を前記操作力に基づいて算出しているので、前記可動部を操作する操作者のパワーアシストを行うことができ、前記操作機構の機械的・物理的構成に関わらず、前記可動部を小さい力で移動させることができ、操作性の向上及び長時間操作時における操作者の疲労の軽減が可能になる。
（２）前記目標位置を前記外力に比例した力に基づいて算出しているので、前記操作者に対し前記可動部を介して前記外力に応じた力覚を提示することができる。
（３）前記目標位置を、前記操作力及び前記外力を任意の比率で合成した力に基づいて算出しているので、前述の通り、前記可動部が小さい力で移動できるとともに、該可動部を介して前記力覚を提示することができる。従って、前記可動部の操作に力を要しないようになっているので、前記可動部を介して手触り感など微妙な感覚を操作者に効率的に伝達することができる。
（４）前記力覚制御手段により、前記制御対象と前記可動部の構造が異構造であっても、該制御対象に与えられる外力を正確かつ安定に該可動部を介して力覚として提示することができる。
【０００９】
また、従来技術とは異なり、パラレル機構等の特別な機構を必要としないので小型軽量化を容易に行うことができる。
【００１０】
第２の発明の力覚コントローラ装置としては、前記第１の発明において、
前記操作機構は、少なくとも一つの支軸を中心に回動自在に支持された前記可動部を備え、
前記操作力検出手段は、前記操作力として、前記支軸まわりに生ずるトルクを検出し、
前記現在位置検出手段は、前記現在位置として、前記支軸を中心とする前記可動部の回転角度を検出し、
前記駆動手段は、前記支軸を中心に前記可動部を回転駆動するように構成された態様を例示する。
【００１１】
この構成によれば、前記第１の発明の力覚コントローラ装置を容易に実現することができる。
【００１２】
第３の発明の力覚コントローラ装置としては、前記第２の発明において、
前記操作機構は、ベース部に支持された第一支軸を中心に回動自在に支持された第一可動部と、該第一支軸に直交するようにして該第一可動部に配設された第二支軸を中心に回動自在に支持された第二可動部とを備え、
前記操作力検出手段は、前記操作力として、前記第一支軸及び第二支軸まわりに生ずるそれぞれのトルクを検出し、
前記現在位置検出手段は、前記現在位置として、前記第一支軸及び前記第二支軸を中心とする前記第一可動部及び前記第二可動部の回転角度を検出し、
前記駆動手段は、前記第一支軸及び前記第二支軸を中心に前記第一可動部及び第二可動部をそれぞれ回転駆動するように構成された態様を例示する。
【００１３】
この構成によれば、前記第２の発明の力覚コントローラ装置を少なくとも２自由度を備えたものとして実現できる。
【００１４】
第４の発明の力覚コントローラ装置としては、前記第３の発明において、
前記駆動手段は、前記ベース部に支持されており、
前記第二支軸は、一対の自在継手と該両自在継手の間を連結する伸縮軸とを含むリンク部を介して前記駆動手段に連結され、
該駆動手段は、該第二支軸を介して前記第二可動部を駆動するように構成された態様を例示する。
【００１５】
この構成によれば、前記ベース部に支持された前記駆動手段の駆動力が前記動力伝動部を介して前記第二可動部に伝達されるように構成されているので、第二可動部を駆動するための駆動手段を前記第一可動部に支持させる場合と比較し、前記第一可動部の質量を軽減させ、前記駆動手段の負荷の軽減が可能になる。
【００１６】
第５の発明の力覚コントローラ装置としては、前記第１〜４のいずれかの発明において、
前記可動部は、無負荷状態において所定の原点位置になるように重量バランスされた態様を例示する。
【００１７】
この構成によれば、前記可動部の構造が非対称である場合でも、該可動部の動作の動特性を略対称となるようにすることができる。
【００１８】
また、第６の発明の力覚コントローラ装置の制御方法は、
制御対象に対する操作を入力するための可動部を含む操作機構と、
該可動部に加えられた操作力を検出する操作力検出手段と、
前記可動部の現在位置を検出する現在位置検出手段と、
前記制御対象に加わる外力を入力する外力入力手段と、
前記可動部を駆動する駆動手段と
を備えた力覚コントローラ装置の制御方法であって、
前記操作力に応じて前記可動部に対する操作をアシストするとともに、前記外力に応じて該可動部に力覚を提示するように、前記操作力及び前記外力を任意の比率で合成した力に基づいて前記可動部の目標位置を算出し、該目標位置及び前記現在位置に基づいて前記可動部を該目標位置に追従させるように前記駆動手段を制御するようにしている。
【００１９】
本方法によっても、前記第１の発明と同様の効果が得られる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る力覚コントローラ装置及びその制御方法によれば、操作をパワーアシストするとともに、手触り感など微妙な感覚を操作者に効率的に伝達することができるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明を力覚コントローラ装置に具体化した一実施形態について、同装置を使用して実施する制御方法とともに、図１〜図８を参照して説明する。
【００２２】
図１〜図４に示すように、本力覚コントローラ装置１は、制御対象１５に対する操作を入力するための可動部としての操作端２を含む操作機構３と、操作端２の動作範囲を制限するためのリミットスイッチ４と、該操作端２に加えられた操作力を検出する操作力検出部５と、操作端２の現在位置を検出する現在位置検出部６と、操作力Ｔ及び前記現在位置に応じて制御対象１５に制御指令を出力する制御指令出力部７と、制御対象１５に設けられた外力センサ１６を介して制御対象１５に加わる外力Ｄを入力する外力入力部８と、操作端２を駆動する駆動部９と、操作力Ｔ及び外力Ｄに基づいて駆動部９を制御する力覚制御部１０とを備えている。本例では、力覚コントローラ装置１の制御対象１５は先端に物体を把持するための一対の把持手段（図示略）を備えたロボットハンドであり、力覚コントローラ装置１により、該ロボットハンド先端の位置を任意平面内において二次元方向に移動させるとともに、前記把持手段（図示略）により物体を把持させるようになっているものとする。
【００２３】
操作機構３は、ベース部としての台座部２０と、該台座部２０の上に間隔をおいて立設された一対の支持フレーム２１，２２と、該両支持フレーム２１，２２に回転自在に支持された第一支軸としてのＸ支軸２３と、該Ｘ支軸２３に固定された枠状の第一可動部２４と、Ｘ支軸２３に直交するようにして該第一可動部２４に回転自在に支持された第二支軸としてのＹ支軸２５と、該Ｙ支軸２５に固定された枠状の第二可動部２６と、Ｘ支軸２３及びＹ支軸２５に直交するようにして該第二可動部２６に回転自在に支持された操作端２とを備えている。操作端２は、レバー２７と、該レバー２７の先端に取り付けられたグリップ部２８とを備えている。このように操作機構３は、操作端２のレバー２７に対し、Ｘ支軸２３の長さ方向及びＹ支軸２５の長さ方向が非対称の構造となっているが、無負荷状態において、操作端２のレバー２７が略垂直に起立した状態（原点位置にある状態）となるように重量バランスを設計することにより、レバー２７の動作の動特性が略対称となるようにしている。
【００２４】
操作力検出部５は、操作端２を介して加えられる操作力ＴとしてＸ支軸２３まわりに生ずるトルクを検出する第一トルクセンサ３０と、同Ｙ支軸２５まわりに生ずるトルクを検出する第二トルクセンサ３１とを備えている。本例では、各トルクセンサ３０，３１として、トルクを非接触で検出する磁歪検出式のものを採用している。
【００２５】
現在位置検出部６は、Ｘ支軸２３を中心とした、台座部２０に対する第一可動部２４の回転角度を検出する第一角度センサ３５ａと、Ｙ支軸２５を中心とした、第一可動部２４に対する第二可動部２６の回転角度を検出する第二角度センサ３６ａと、レバー２７を中心とした、第二可動部２６に対する操作端２の回転角度を検出する第三角度センサ３９とを備えている。本例では、第一角度センサ３５ａ及び第二角度センサ３６ａとして、後述するＸ駆動モータ３５及びＹ駆動モータ３６にそれぞれ内蔵された角度センサを利用している。なお、Ｘ駆動モータ３５及びＹ駆動モータ３６に角度センサが内蔵されていない場合は、第一角度センサ３５ａ及び第二角度センサ３６ａとして、それぞれ別途設置した角度センサ４０，４１を利用する。
【００２６】
制御指令出力部７は、制御対象１５としてのロボットハンドに対し、次の指令を出力するように構成されている。
（１）操作端２に加えられる操作力Ｔに応じたロボットハンド先端の移動指令（移動速度指令、移動目標位置指令等）。
（２）第一角度センサ３５ａ及び第二角度センサ３６ａにより検出された現在位置に応じたロボットハンド先端の移動目標位置指令。
（３）第三角度センサ３９により検出された現在位置に応じたロボットハンド先端における把持手段の開閉角度指令。
【００２７】
外力入力部８は、制御対象１５の把持手段先端に取り付けられた外力センサ１６から外力情報（例えば圧力情報等）を入力するためのインターフェースとなっており、入力した外力情報を力覚制御部１０に渡すように構成されている。
【００２８】
駆動部９は、台座部２０にそれぞれ支持部材２０ａ，２０ｂを介して支持されたＸ駆動モータ３５及びＹ駆動モータ３６と、第二可動部２６に支持されたＺ駆動モータ３７とを備えている。Ｘ駆動モータ３５及びＹ駆動モータ３６としては、操作端２に力覚を提示する緻密な駆動を可能にするためにダイレクトドライブサーボモータを採用している。また、Ｚ駆動モータ３７としては直流モータを採用している。Ｘ駆動モータ３５の回転軸はＸ支軸２３に連結されている。Ｙ駆動モータ３６の回転軸は、リンク部３８を介してＹ支軸２５に連結されている。リンク部３８は、一対の自在継手３８ａ，３８ｂと、該両自在継手の間を連結する伸縮軸３８ｃとを含んでいる。Ｚ駆動モータ３７の回転軸は、レバー２７に連結されている。
【００２９】
力覚制御部１０は、操作力Ｔに応じて操作端２に対する操作をアシストするとともに、外力Ｄに応じて該操作端２に力覚を提示するように、操作力Ｔ及び外力Ｄを任意の比率で合成した力に基づいて操作端の目標位置を算出し、該目標位置及び現在位置（現在位置検出部６で検出。）に基づいて操作端２を該目標位置に追従させるようにＸ駆動モータ３５及びＹ駆動モータ３６を制御するように構成されている。本例では、この力覚制御部１０に、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）（図示略）を採用し、該ＤＳＰにより高精度なトルク制御を高速信号処理により、例えば１０ｋＨｚのサンプリング間隔でハイレートに実現するようにしている。
【００３０】
以下では、力覚制御部１０による制御方法の具体化例について説明する。
【００３１】
Ｘ駆動モータ３５及びＹ駆動モータ３６に採用している１軸のダイレクトドライブモータの数学モデルを(1)式で示す。
【００３２】
【数１】
【００３３】
ここで、Ｊはモータの回転子慣性モーメント(25.0×10-4[kg・m2])，ｃは軸の粘性摩擦係数(0.710[kg・m2／s]である。
【００３４】
各軸周りの回転スティックの重心は回転軸上にあり、操作端の運動エネルギーＥｘ，Ｅｙはモータの回転子慣性モーメントＪｘ，Ｊｙによる慣性力のみと考えると次式で表される。
【００３５】
【数２】
【００３６】
また、モータ軸受の粘性摩擦Ｄｘ，Ｄｙは、次式で表される。
【００３７】
【数３】
【００３８】
これらを(2)式で表されるラグランジュの運動方程式に代入すると、１自由度における操作端２の運動方程式は(3)式で得られる。
【００３９】
【数４】
【００４０】
この操作端２をPID制御した場合では制御性能が悪く、精度の良い力覚を実現することが難しい。そこで、最適レギュレータ理論を用いて状態フィードバック係数を求め、制御系を設計する。
【００４１】
(3)式の中で状態変数を
【００４２】
【数５】
【００４３】
としたとき、状態方程式及び出力方程式
【００４４】
【数６】
【００４５】
は(4)式、(5)式で表される。
【００４６】
【数７】
【００４７】
次に、設定値に対する定常偏差をなくすために、積分要素を入れた積分追従型最適レギュレータ理論を用いる。積分追従型最適サーボ系のブロック線図は図５に示す。図５中の破線で囲まれた部分が(４)(５)式で表される操作端２のモデルである。操作者が操作端２を操作すると、操作端２へ加える操作力Ｔからロボットへの外力Ｄを引いた値が目標角度算出部に入力され、設定値ｒが計算される。積分追従型最適サーボ系は操作力Ｔに基づいて操作者の操作端２の操作をパワーアシストするとともに、外力Ｄに基づいて、操作端２に力覚を提示するように、モータを目標位置に追従させる。操作者は、このときに提示される力覚により制御対象に加わっている外力Ｄを感じることができる。
【００４８】
図５に相当する力覚コントローラ装置１に対しては、(6)式、(7)式、(8)式が成り立つ。
【００４９】
【数８】
【００５０】
ここで、状態変数を
【００５１】
【数９】
【００５２】
とした拡大系を次式の通り構成する。
【００５３】
【数１０】
【００５４】
このとき、ｙ（ｔ）が目標値ｒとなるようなｘ（ｔ），ｕ（ｔ），ｗ（ｔ）の定常値ｘ∞，ｕ∞，ｗ∞は次式を満足する。
【００５５】
【数１１】
【００５６】
そこで、次式の通り定義する。
【００５７】
【数１２】
【００５８】
すると、(9)式、(10)式より次式が得られる。
【００５９】
【数１３】
【００６０】
また、力覚コントローラ装置１は次式で表される。
【００６１】
【数１４】
【００６２】
評価のための指標Ｊを与え、その指標に従って最も適した制御則を見出す設計法である最適レギュレータを用いることで、フィードバック係数Ｋｅを唯一に決定することができる。評価するための指標は評価関数と呼ばれ、可制御な多入力システム
【００６３】
【数１５】
【００６４】
に対して、次の二次形式評価関数をとる。
【００６５】
【数１６】
【００６６】
ここでＱ(n × n)，Ｒ(n × m)は重み行列で、このときのＪを最小にする最適フィードバック制御入力Ｕ0は
【００６７】
【数１７】
【００６８】
である。ここにＵ0は一意に決まり、そのときの最小値は次式で与えられる。
【００６９】
【数１８】
【００７０】
なお、Ｐは任意の(n × n)対称行列で、次のリカッチ型行列方程式の唯一な正定値の解である。
【００７１】
【数１９】
【００７２】
次に、力覚コントローラ装置１の３次元モデルにおける操作端２の幾何学関係を図６から導出する。操作端２の長さをｒとし、ｘ，ｙ，ｚ空間内における操作端２の先端の座標を（ｘ，ｙ，ｚ）とする。ｘ軸、ｙ軸の２軸に設置されたＸ駆動モータ３５、Ｙ駆動モータ３６の回転角度をθｙ，θｘとし、ｚ軸と操作端２のなす角度をθｚとする。操作端２のｘｙ平面における射影とｘ軸のなす角度をφｍとし、操作端２に生じる操作力Ｔのｘ軸、およびｙ軸方向の大きさをＴｘ，Ｔｙとすると、Ｔｘ，Ｔｙは(19)式、(20)式によって計算される。また、Ｙ駆動モータ３６及びＸ駆動モータ３５でそれぞれ発生するトルクτｙ，τｘは(21)式、(22)式で計算される。
【００７３】
【数２０】
【００７４】
次に、操作端２に力覚を発生するための力覚制御部１０における制御方法について説明する。操作者が操作端２へ加える操作力Ｔの分力をＴｘ，Ｔｙ、制御対象１５への外力Ｄの分力をＤｘ，Ｄｙ、また制御対象１５と操作端２で発生させる力覚の抵抗比係数をｋｆとし、操作端２のｘ，ｙ，ｚ空間内での目標位置を(23)式、(24)式で設定する。ｋｐは比例係数である。
【００７５】
【数２１】
【００７６】
(23)式、(24)式で設定された操作端２の目標位置から(25)式、(26)式を用いて、操作端２の各モータ３５，３６の目標角度θｙ，θｘを計算する。ｒは操作端の長さである。
【００７７】
【数２２】
【００７８】
上述の式によって計算した操作端２の変位からその変位を行うために必要な各モータ３６，３５に負荷されるトルクτｙ，τｘを(21)式、(22)式を用いて計算し、各モータ３６，３５に外乱として入力する。操作端２はこの外乱入力により、積分追従型最適サーボ系による制御により、操作者の操作による目標位置に制御される。
【００７９】
次に、操作端２を操作したときの力覚制御部１０における制御方法について説明する。トルクセンサ３０，３１からそれぞれＴｘ，Ｔｙが検出されると、(19)式、(20)式の関係から各モータ３５，３６の目標値となるθｙ，θｘが計算される。そして、上述の積分追従型最適サーボ系によってθｙ，θｘを目標として操作端２が動作する。操作端２から手を離さずに保持している場合には、操作端２に生じるトルク値Ｔｘ，Ｔｙは一定となるため、目標値θｙ，θｘも一定となり、操作端２は目標値付近で保持される。操作端２から手を離すと、トルク値Ｔｘ，Ｔｙは０となり、これらから計算される目標値θｙ，θｘは０となり、操作端２は原点（レバー２７が垂直に起立した状態）に復帰する。入力されたトルク値Ｔｘ，Ｔｙは制御対象１５に対する速度指令や位置指令等に使われる。
【００８０】
以上のように構成された力覚コントローラ装置１の一連の動作例について説明する。操作機構３に操作入力が与えられると、操作力検出部５によって操作力（トルク）Ｔが検出されるとともに、現在位置検出部６によって角度が検出される。これらのトルク情報及び角度情報は、制御指令出力部７及び力覚制御部１０に出力される。制御指令出力部７では、トルク情報及び角度情報に基づいて制御対象１５に対し制御指令を出力する。また、力覚制御部１０では、外力センサ１６から出力される外力情報と、トルク情報及び角度情報とに基づいて操作機構３の制御量を計算し、それを実現するように駆動部９へ力覚指令を出力する。
【００８１】
次に、本例の力覚コントローラ装置１の実施例について説明する。この実験例では、制御指令出力部７及び力覚制御部１０として、クロック周波数2.2GHzのマイクロプロセッサ（Intel社製、製品名：Celeron（登録商標））と、256MBのメモリとを搭載したホストコンピュータに対し、8チャンネルのAD変換機、8チャンネルのDA変換機を有するコントローラ（dSPACE社製、製品名：DS1104PPC）を設置したものを使用した。このコントローラに対し、外力センサ１６として最大4.4Nの力を計測できる圧力センサ（ニッタ社製、製品名：Flexi Force A101-1）と、駆動部９の駆動モータ３５，３６としてサーボドライバ（安川電機社製、製品名：SGDS-02F01A）で駆動されるダイレクトドライブモータ(安川電機社製、製品名：SGMCS-02B3B11)と、操作力検出部５のトルクセンサ３０，３１としてトルクデューサ（クボタ社製、製品名：TD-002）とを接続した。この実施例の制御実験結果を図７及び図８に示す。これらの図は、制御対象１５における外力センサ１６により検出した外力（External Force）Ｄと、操作端２により操作者に提示した力覚（Sense of Force）を図示したものであり、図７は本例による積分追従型最適サーボ系の場合、図８は比較例として力覚制御部１０にPID制御を用いた場合の結果を示している。図８のように、PID制御を用いた場合は、外力Ｄと力覚にずれが見られる。一方、図７のように、本例の積分追従型最適サーボ系を用いた場合は、精度の良い力覚を実現できることが確認された。
【００８２】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することもできる。
（１）力覚コントローラ装置１の力覚制御部１０又は制御指令出力部７は、マイクロプロセッサ及びメモリ（いずれも図示略）を内蔵するとともに、該メモリ（図示略）に書き込まれた制御プログラムよって諸機能を実現することができる。この制御プログラムはコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して提供することができる。また、前記マイクロプロセッサにより実現された諸機能の全部又は一部をマイクロプロセッサを含まないハードウェア回路に置き換えることもできる。
（２）力覚コントローラ装置１の操作機構３における自由度数を適宜変更すること。
（３）力覚制御部１０における制御方法を具体化する制御方式として、積分追従型最適サーボ系制御方式に代えて、ＰＩＤ制御等の他の制御方式を採用すること。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明を具体化した一実施形態に係る力覚コントローラ装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】同力覚コントローラ装置の機械的構成を示す正断面図である。
【図３】同力覚コントローラ装置の機械的構成を示す平断面図である。
【図４】同力覚コントローラ装置の機械的構成を示す側断面図である。
【図５】同力覚コントローラ装置の制御ブロック図である。
【図６】同力覚コントローラ装置の制御モデル図である。
【図７】同力覚コントローラ装置の制御実験結果を示す図である。
【図８】力覚制御部にＰＩＤ制御を用いた場合の力覚コントローラ装置の制御実験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００８４】
１ 力覚コントローラ装置
２ 操作端
３ 操作機構
４ リミットスイッチ
５ 操作力検出部
６ 現在位置検出部
７ 制御指令出力部
８ 外力入力部
９ 駆動部
１０ 力覚制御部
１５ 制御対象
１６ 外力センサ
２０ 台座部
２１ 支持フレーム
２２ 支持フレーム
２３ Ｘ支軸
２４ 第一可動部
２５ Ｙ支軸
２６ 第二可動部
２７ レバー
２８ グリップ部
３０ 第一トルクセンサ
３１ 第二トルクセンサ
３５ Ｘ駆動モータ
３５ａ 第一角度センサ
３６ Ｙ駆動モータ
３６ａ 第二角度センサ
３７ Ｚ駆動モータ
３８ リンク部
３８ａ 自在継手
３８ｂ 自在継手
３８ｃ 伸縮軸
３９ 第三角度センサ
Ｄ 外力
Ｔ 操作力
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象に対する操作を入力するための可動部を含む操作機構と、
該可動部に加えられた操作力を検出する操作力検出手段と、
前記可動部の現在位置を検出する現在位置検出手段と、
前記制御対象に加わる外力を入力する外力入力手段と、
前記可動部を駆動する駆動手段と、
前記操作力に応じて前記可動部に対する操作をアシストするとともに、前記外力に応じて該可動部に力覚を提示するように、前記操作力及び前記外力を任意の比率で合成した力に基づいて前記可動部の目標位置を算出し、該目標位置及び前記現在位置に基づいて前記可動部を該目標位置に追従させるように前記駆動手段を制御する力覚制御手段と
を備えた力覚コントローラ装置。
【請求項２】
前記操作機構は、少なくとも一つの支軸を中心に回動自在に支持された前記可動部を備え、
前記操作力検出手段は、前記操作力として、前記支軸まわりに生ずるトルクを検出し、
前記現在位置検出手段は、前記現在位置として、前記支軸を中心とする前記可動部の回転角度を検出し、
前記駆動手段は、前記支軸を中心に前記可動部を回転駆動するように構成された請求項１記載の力覚コントローラ装置。
【請求項３】
前記操作機構は、ベース部に支持された第一支軸を中心に回動自在に支持された第一可動部と、該第一支軸に直交するようにして該第一可動部に配設された第二支軸を中心に回動自在に支持された第二可動部とを備え、
前記操作力検出手段は、前記操作力として、前記第一支軸及び第二支軸まわりに生ずるそれぞれのトルクを検出し、
前記現在位置検出手段は、前記現在位置として、前記第一支軸及び前記第二支軸を中心とする前記第一可動部及び前記第二可動部の回転角度を検出し、
前記駆動手段は、前記第一支軸及び前記第二支軸を中心に前記第一可動部及び第二可動部をそれぞれ回転駆動するように構成された請求項２記載の力覚コントローラ装置。
【請求項４】
前記駆動手段は、前記ベース部に支持されており、
前記第二支軸は、一対の自在継手と該両自在継手の間を連結する伸縮軸とを含むリンク部を介して前記駆動手段に連結され、
該駆動手段は、該第二支軸を介して前記第二可動部を駆動するように構成された請求項３記載の力覚コントローラ装置。
【請求項５】
前記可動部は、無負荷状態において所定の原点位置になるように重量バランスされた請求項１〜４記載のいずれか一項に記載の力覚コントローラ装置。
【請求項６】
制御対象に対する操作を入力するための可動部を含む操作機構と、
該可動部に加えられた操作力を検出する操作力検出手段と、
前記可動部の現在位置を検出する現在位置検出手段と、
前記制御対象に加わる外力を入力する外力入力手段と、
前記可動部を駆動する駆動手段と
を備えた力覚コントローラ装置の制御方法であって、
前記操作力に応じて前記可動部に対する操作をアシストするとともに、前記外力に応じて該可動部に力覚を提示するように、前記操作力及び前記外力を任意の比率で合成した力に基づいて前記可動部の目標位置を算出し、該目標位置及び前記現在位置に基づいて前記可動部を該目標位置に追従させるように前記駆動手段を制御するようにした力覚コントローラ装置の制御方法。
【請求項１】
制御対象に対する操作を入力するための可動部を含む操作機構と、
該可動部に加えられた操作力を検出する操作力検出手段と、
前記可動部の現在位置を検出する現在位置検出手段と、
前記制御対象に加わる外力を入力する外力入力手段と、
前記可動部を駆動する駆動手段と、
前記操作力に応じて前記可動部に対する操作をアシストするとともに、前記外力に応じて該可動部に力覚を提示するように、前記操作力及び前記外力を任意の比率で合成した力に基づいて前記可動部の目標位置を算出し、該目標位置及び前記現在位置に基づいて前記可動部を該目標位置に追従させるように前記駆動手段を制御する力覚制御手段と
を備えた力覚コントローラ装置。
【請求項２】
前記操作機構は、少なくとも一つの支軸を中心に回動自在に支持された前記可動部を備え、
前記操作力検出手段は、前記操作力として、前記支軸まわりに生ずるトルクを検出し、
前記現在位置検出手段は、前記現在位置として、前記支軸を中心とする前記可動部の回転角度を検出し、
前記駆動手段は、前記支軸を中心に前記可動部を回転駆動するように構成された請求項１記載の力覚コントローラ装置。
【請求項３】
前記操作機構は、ベース部に支持された第一支軸を中心に回動自在に支持された第一可動部と、該第一支軸に直交するようにして該第一可動部に配設された第二支軸を中心に回動自在に支持された第二可動部とを備え、
前記操作力検出手段は、前記操作力として、前記第一支軸及び第二支軸まわりに生ずるそれぞれのトルクを検出し、
前記現在位置検出手段は、前記現在位置として、前記第一支軸及び前記第二支軸を中心とする前記第一可動部及び前記第二可動部の回転角度を検出し、
前記駆動手段は、前記第一支軸及び前記第二支軸を中心に前記第一可動部及び第二可動部をそれぞれ回転駆動するように構成された請求項２記載の力覚コントローラ装置。
【請求項４】
前記駆動手段は、前記ベース部に支持されており、
前記第二支軸は、一対の自在継手と該両自在継手の間を連結する伸縮軸とを含むリンク部を介して前記駆動手段に連結され、
該駆動手段は、該第二支軸を介して前記第二可動部を駆動するように構成された請求項３記載の力覚コントローラ装置。
【請求項５】
前記可動部は、無負荷状態において所定の原点位置になるように重量バランスされた請求項１〜４記載のいずれか一項に記載の力覚コントローラ装置。
【請求項６】
制御対象に対する操作を入力するための可動部を含む操作機構と、
該可動部に加えられた操作力を検出する操作力検出手段と、
前記可動部の現在位置を検出する現在位置検出手段と、
前記制御対象に加わる外力を入力する外力入力手段と、
前記可動部を駆動する駆動手段と
を備えた力覚コントローラ装置の制御方法であって、
前記操作力に応じて前記可動部に対する操作をアシストするとともに、前記外力に応じて該可動部に力覚を提示するように、前記操作力及び前記外力を任意の比率で合成した力に基づいて前記可動部の目標位置を算出し、該目標位置及び前記現在位置に基づいて前記可動部を該目標位置に追従させるように前記駆動手段を制御するようにした力覚コントローラ装置の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−３１２２０７（Ｐ２００６−３１２２０７Ａ）
【公開日】平成１８年１１月１６日（２００６．１１．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１３５２１６（Ｐ２００５−１３５２１６）
【出願日】平成１７年５月６日（２００５．５．６）
【出願人】（５０４１４７２４３）国立大学法人 岡山大学 (444)
【出願人】（５０５１６７１９６）有限会社アイディアル技研 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月１６日（２００６．１１．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月６日（２００５．５．６）
【出願人】（５０４１４７２４３）国立大学法人 岡山大学 (444)
【出願人】（５０５１６７１９６）有限会社アイディアル技研 (1)
【Ｆターム（参考）】
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