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位置・力制御装置 コモンズ 外国出願あり

国内特許コード P110005432
整理番号 488
掲載日 2011年8月18日
出願番号 特願2006-519226
登録番号 特許第4696307号
出願日 平成16年7月21日(2004.7.21)
登録日 平成23年3月11日(2011.3.11)
国際出願番号 JP2004010335
国際公開番号 WO2005109139
国際出願日 平成16年7月21日(2004.7.21)
国際公開日 平成17年11月17日(2005.11.17)
優先権データ
  • 特願2003-278919 (2003.7.24) JP
発明者
  • 大西 公平
  • 北島 政樹
  • 森川 康英
  • 小澤 壮治
  • 古川 俊治
  • 村上 俊之
  • 中澤 和夫
  • 飯田 亘
  • 矢野 智子
出願人
  • 学校法人慶應義塾
発明の名称 位置・力制御装置 コモンズ 外国出願あり
発明の概要

高い周波数帯域での応答性能を向上させ、繊細な作業を実現することを可能とする。 マスタ1側とスレーブ3側にそれぞれ位置検出器をそれぞれ設け、位置検出器の出力に基づき反力オブザーバ2,4により、マスタ側の操作部が受ける反力および、スレーブ側の対象物が受ける反力を推定する。位置制御部5は位置検出器が出力する位置信号に基づき、マスタ側およびスレーブ側の位置を制御するための加速度信号apm,apsに生成する。操作力制御部6は、マスタ側とスレー
ブ側に加わる力を制御するための加速度信号afm,afsを生成する。加速度合成部7は、上記加速度信号apm,aps、加速度信号afm,afsを合成してマスタ側とスレーブ側の駆動信号を出力する。

従来技術、競合技術の概要

人と機械が接触するヒューマンインタラクションの分野において、人間の操作に応じて遠隔に配置された対象物の位置や対象物に作用する力を応答性よく制御したいという要望がある。
例えば、人間が立ち入ることができない作業現場で用いられる遠隔操作装置や、遠隔地の患者に対する遠隔医療等の分野では、操作者によるマスタ側の操作に応じて遠隔地に配置されたスレーブ側の装置を作動させるようにしたマスタ・スレーブ制御装置が用いられている。この種のマスタ・スレーブ制御装置では、対象物の位置と対象物に作用する力を応答性よく制御し、繊細な作業を実現したいという要望がある。
上記マスタ・スレーブ装置としては、操作者から、マスタ側装置を介して、スレーブ側装置に指令を送ることができるが、スレーブ側が作業対象物等から受ける作業反力を操作者にフィードバックすることができないユニラテラル制御方式や、操作者からマスタ側装置を介してスレーブ側装置に指令を送ることができ、かつ、上記スレーブ側が作業対象物等から受ける作業反力を操作者にフィードバックすることができるバイラテラル制御方式が知られている。


バイラテラル制御方式はスレーブ側が作業対象物等から受ける作業反力を操作者にフィードバックしているので、この制御方式によれば、遠隔地における触覚を、現実と同様にリアルタイムで得ることができる。
バイラテラル制御方式の制御装置は、マスタ・スレーブ型ロボットで構成されており、遠隔地のスレーブにかかる力を、マスタを通じて人間に返す。また人間はマスタを動かすことにより、スレーブにマスタと同一の動きをさせることができる。こうすることで遠隔地の物体を、あたかも手元で触っている感覚を得ることができる。
上記マスタ・スレーブ制御装置としては、例えば特許文献1に記載のものが提案されている。
上記特許文献1に記載のものは、操作者によるマスタの操作に応じてスレーブが動作するマスタ・スレーブ装置において、スレーブが物体と接触している状態では、操作者の操作によりマスタに加わる力f1を求め、スレーブにかかる力f3が、マスタに加わる力fに応じた力f2に追従するようにスレーブを制御するように構成したものであり、引用文献1に記載のものによれば、バイラテラル制御方式による長所を維持したまま、制御系の複雑化や高コスト化等を避けることができる。


上記バイラテラル制御方式としては、上記特許文献1にも記載されるように図14に示すものや、図15に示すものが知られている。
図14に示すものは、マスタ201の位置とスレーブ202の位置との偏差を求め、この偏差に応じて位置制御部203によりスレーブ側の位置を制御するとともに、マスタ201とスレーブ202に作用する力を力検出器で検出し、その偏差をマスタ側にフィードバックして、力制御部204によりマスタ側の力を制御するようにしたものである。
また、図15に示すものは、マスタ201の位置とスレーブ202の位置との偏差を求め、この偏差に応じて位置制御部203によりスレーブ側の位置を制御するとともに、位置制御部203’によりマスタ側の位置を制御し、さらに、マスタ201とスレーブ202に作用する力を力検出器で検出し、その偏差をマスタ側にフィードバックして、力制御部204によりマスタ側の力を制御するとともに、力制御部204’によりスレーブ側を制御するようにしたものである。
さらに、上記のような力検出器と力制御部を備え、固い制御対象物でも安定して高精度な力制御を実現できるすると同時に、アームのどの部分に接触しても柔軟な特性を持つことができるロボットの制御装置が提案されている(特許文献2参照)

【特許文献1】特開2002-307336号公報
【特許文献2】特開2001-198870号公報

産業上の利用分野

本発明は、力センサを用いることなく、対象物の位置と対象物に作用する力を応答性よく制御することができる位置・力制御装置に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】 対象物の位置を検出する位置検出手段と、
上記対象物を駆動する駆動手段と、
上記位置検出手段が出力する位置信号と上記駆動手段への加速度指令信号である駆動信号に基づき上記対象物が受ける反力を求める反力検出手段と、
上記対象物が受ける反力と目標となる力信号とから第1の加速度信号を求めるとともに、上記位置信号と目標位置とから第2の加速度信号を求め、上記第1、第2の加速度信号とを加算して、上記駆動手段への駆動信号となる加速度指令信号を出力する制御手段を備えた
ことを特徴とする位置・力制御装置。
【請求項2】 対象物の位置及び該対象物に作用する力を位置指令信号、力指令信号に応じて制御する位置・力制御装置であって、
上記対象物を駆動する駆動手段と、
上記対象物の位置を検出する位置検出手段と、
上記位置検出手段が出力する位置信号と、上記駆動手段への加速度指令信号である駆動信号から、該対象物が受ける反力を求める反力検出手段と、
位置指令信号と上記位置検出手段が出力する位置信号との偏差を求め、該偏差信号を第1の加速度信号に変換する第1の演算手段と、
上記反力検出手段により検出された上記反力と、力指令信号とのを求め、該を第2の加速度信号に変換する第2の演算手段と、
上記第1、第2の加速度信号を加算して、上記駆動手段への駆動信号となる加速度指令信号を出力する制御手段を備えた
ことを特徴とする位置・力制御装置。
【請求項3】 マスタ側の操作部とスレーブ側の対象物の位置偏差に応じて、スレーブ側の対象物とマスタ側の操作部の位置を制御し、マスタ側の操作力に応じた駆動力で対象物を駆動するとともに、対象物が受ける力をマスタ側に伝える位置・力制御装置であって、
マスタ側の操作部を駆動する第1の駆動手段と、
マスタ側の操作部の位置を検出する第1の位置検出手段と、
上記第1の位置検出手段が出力する位置信号と、上記第1の駆動手段への加速度指令信号である駆動信号から、上記操作部に作用する反力を求める第1の反力検出手段と、
スレーブ側の対象物を駆動する第2の駆動手段と、
スレーブ側の対象物の位置を検出する第2の位置検出手段と、
上記第2の位置検出手段が出力する位置信号と、上記第2の駆動手段への加速度指令信号である駆動信号から、上記対象物が受ける反力を求める第2の反力検出手段と、
上記第1の位置検出手段が出力する位置信号と、第2の位置検出手段が出力する位置信号との偏差を求め、該偏差をマスタ側およびスレーブ側を制御するための第1、第2の加速度信号に変換する第1の演算手段と、
上記第1の反力検出手段と、上記第2の反力検出手段の出力の和を求め、該和をマスタ側およびスレーブ側を制御するための第3、第4の加速度信号に変換する第2の演算手段と、
上記第1,第3の加速度信号を加算する第1の加算手段と、
上記第2,第4の加速度信号を加算する第2の加算手段と、
上記第1の加算手段の出力に基づき、上記マスタ側の操作部への駆動信号となる加速度指令信号を出力する第1の制御手段と、
上記第2の加算手段の出力に基づき、上記スレーブ側の対象物への駆動信号となる加速度指令信号を出力する第2の制御手段とを備えた
ことを特徴とする位置・力制御装置。
産業区分
  • その他運輸
  • 制御調整
  • 工業用ロボット
国際特許分類(IPC)
Fターム
出願権利状態 権利存続中
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