特許 7248307 アドミタンス制御を適用した駆動ユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-03-20

(45)【発行日】2023-03-29

(54)【発明の名称】アドミタンス制御を適用した駆動ユニット

(51)【国際特許分類】

   G05B 13/04 20060101AFI20230322BHJP

   G05B 13/02 20060101ALI20230322BHJP

【ＦＩ】

G05B13/04

G05B13/02 A

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020012828

(22)【出願日】2020-01-29

(65)【公開番号】P2021117918

(43)【公開日】2021-08-10

【審査請求日】2022-06-13

(73)【特許権者】

【識別番号】515304190

【氏名又は名称】株式会社人機一体

(74)【代理人】

【識別番号】110000475

【氏名又は名称】弁理士法人みのり特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】金岡 克弥

(72)【発明者】

【氏名】菊植 亮

【審査官】堀内 亮吾

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／０１３０６７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】益山 健太郎（山梨大）・野田 善之（山梨大），モデル規範型アドミタンス制御による鑿切削の人工現実感の創出，第３５回日本ロボット学会学術講演会 Proceedings of the 35th Annual Conference of the RSJ，第1-4ページ，日本，2017年09月11日

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０５Ｂ １３／０４

Ｇ０５Ｂ １３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

外部から与えられた目標駆動力指令に応じた駆動力を環境に対して作用させる駆動ユニットであって、
仮想相互作用力の影響を受ける第１仮想物体および第２仮想物体の動特性パラメータを記憶したパラメータ記憶装置と、
前記駆動力の計測結果を駆動力計測値として出力する力計測器と、
前記パラメータ記憶装置に記憶された前記第１仮想物体および前記第２仮想物体の動特性パラメータと、前記目標駆動力指令と、前記駆動力計測値とに応じて演算により求めた前記第１仮想物体の変位を出力するアドミタンスモデル演算装置と、
目標位置指令に追従して動作することにより前記環境に対して前記駆動力を作用させる位置制御駆動装置と、
を備え、
前記力計測器は、前記位置制御駆動装置と前記環境との間に配置され、
前記目標位置指令は、前記アドミタンスモデル演算装置から出力された前記第１仮想物体の変位に対応している
ことを特徴とする駆動ユニット。

【請求項2】

前記位置制御駆動装置は、前記目標位置指令に追従して動作する単一軸の装置である
ことを特徴とする請求項１に記載の駆動ユニット。

【請求項3】

外部から与えられた目標駆動力指令に応じた駆動力を環境に対して作用させる駆動ユニットであって、
仮想相互作用力の影響を受ける第１仮想物体および第２仮想物体の動特性パラメータを記憶したパラメータ記憶装置と、
前記駆動力の計測結果を駆動力計測値として出力する力計測器と、
前記パラメータ記憶装置に記憶された前記第１仮想物体および前記第２仮想物体の動特性パラメータと、前記目標駆動力指令と、前記駆動力計測値とに応じて演算により求めた前記第１仮想物体の速度を出力するアドミタンスモデル演算装置と、
目標速度指令に追従して動作することにより前記環境に対して前記駆動力を作用させる速度制御駆動装置と、
を備え、
前記力計測器は、前記速度制御駆動装置と前記環境との間に配置され、
前記目標速度指令は、前記アドミタンスモデル演算装置から出力された前記第１仮想物体の速度に対応している
ことを特徴とする駆動ユニット。

【請求項4】

前記速度制御駆動装置は、前記目標速度指令に追従して動作する単一軸の装置である
ことを特徴とする請求項３に記載の駆動ユニット。

【請求項5】

前記パラメータ記憶装置に記憶された前記第１仮想物体および前記第２仮想物体の動特性パラメータは、外部からの変更が可能である
ことを特徴とする請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の駆動ユニット。

【請求項6】

前記駆動力計測値は、前記アドミタンスモデル演算装置の前記演算において前記第１仮想物体の動特性にのみ直接的に作用し、
前記目標駆動力指令は、前記アドミタンスモデル演算装置の前記演算において前記第２仮想物体の動特性にのみ直接的に作用し、
前記第１仮想物体および前記第２仮想物体の動特性は、仮想相互作用力モデルが出力する前記仮想相互作用力のみを介して相互作用する
ことを特徴とする請求項１～請求項５のいずれか一項に記載の駆動ユニット。

【請求項7】

前記パラメータ記憶装置は、前記仮想相互作用力モデルの相互作用パラメータをさらに記憶し、
前記相互作用パラメータは、前記仮想相互作用力の上限値および下限値を含む、
ことを特徴とする請求項６に記載の駆動ユニット。

【請求項8】

前記パラメータ記憶装置は、前記仮想相互作用力モデルの相互作用パラメータをさらに記憶し、
前記仮想相互作用力モデルは、前記第１仮想物体および前記第２仮想物体の間に生じた相対変位または相対速度をゼロに収束させる機能を有し、
前記相互作用パラメータは、前記収束のパラメータを含む、
ことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の駆動ユニット。

【請求項9】

前記パラメータ記憶装置に記憶された前記仮想相互作用力モデルの相互作用パラメータは、外部からの変更が可能である
ことを特徴とする請求項６～請求項８のいずれか一項に記載の駆動ユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アドミタンス制御を用いて位置制御駆動装置または速度制御駆動装置による力制御を可能とした駆動ユニットに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、駆動装置（アクチュエータ、またはそのインテグレーションとしてのロボット）が発生する力を制御するために、種々の制御手法が用いられている。例えば、駆動装置が位置制御または速度制御されており、かつ駆動装置が環境に作用させる駆動力を力計測器によって計測することができる場合は、アドミタンス制御と呼ばれる制御手法がよく用いられている。

【0003】

図１０に、アドミタンス制御を適用した典型的な駆動ユニット１００を示す。一般に、アドミタンス制御では、理想的な動特性をもつ仮想物体を想定し、力計測器１０６で計測した駆動力の情報に基づいて、アドミタンスモデル演算装置１０３（順運動学シミュレータ）で仮想物体の運動をシミュレートする。このとき、駆動装置１１１は、シミュレーション結果としての仮想物体の運動に追従するように位置制御器１１０によって位置制御される。この位置制御が十分に正確であれば、環境５０からの外力に対する駆動装置１１１の反応は、仮想物体がもつ理想的な動特性に近いものとなる。すなわち、アドミタンス制御を用いれば、理想的な動特性に従った力制御を位置制御駆動装置１０４によって実現することができる。

【0004】

なお、アドミタンス制御において仮想物体を想定することは、例えば、特許文献１に記載されている。

【0005】

ところで、駆動装置１１１が一般的な回転モータであり、かつその出力側に減速機からなる伝達装置１０５が設けられている場合は、伝達装置１０５に存在する比較的大きな慣性および摩擦（駆動装置１１１に存在するものよりも大きな慣性および摩擦）により、いわゆるバックドライバビリティの低下が起きることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。バックドライバビリティの低下が起きると、駆動装置１１１は、環境５０からの外力に対して滑らかに、あるいは柔らかく対応することが困難となる。

【0006】

この点、上記のアドミタンス制御によれば、最終出力軸となる伝達装置１０５の出力軸に力計測器１０６を設けてアドミタンス制御を適用し、仮想物体の動特性を低慣性かつ低摩擦に設定しさえすれば、伝達装置１０５のバックドライバビリティが低くても、環境５０からの外力に対して低慣性かつ低摩擦な、高いバックドライバビリティを実現することができる。バックドライバビリティを高くすることができれば、駆動装置１１１の安全性が高まるとともに、環境５０に対して駆動装置１１１が滑らかに順応することが期待できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特許第６０３２８１１号公報

【非特許文献】

【0008】

【文献】鈴森康一，“ロボットとアクチュエータのバックドライバビリティ”，日本ロボット学会誌，２０１３年７月，第３１巻，第６号，ｐ．５４８－５５１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、高バックドライバビリティの実現のために仮想物体の慣性を低く設定し過ぎると、駆動力に対して仮想物体の加速度が過大となり、位置制御駆動装置１０４における位置制御が不安定化することがある。

【0010】

また、駆動ユニット１００の用途によっては、低バックドライバビリティであることが好ましい場合もある。例えば、伝達装置１０５として高い減速比を有する減速機を含む駆動部１０２は、見掛けの機構慣性（すなわち、実際の駆動部１０２がもつ慣性）が比較的大きいが、この機構慣性に合うように仮想物体の慣性を設定しておけば、駆動装置１１１に負担がかかりにくくなるとともに、位置制御の安定性を高めることができる。

【0011】

さらに、仮想物体の摩擦を単純に小さくするのではなく、性質の良い摩擦（例えば、線形な粘性摩擦や理想的なクーロン摩擦）を導入することにより、（１）静止すべきときに駆動装置１１１がフラフラせずにしっかりと静止する、（２）動くべきときに駆動装置１１１が過大な速度になることなく滑らかに軽く動く、との機能を実現することもできる。

【0012】

このように、高バックドライバビリティおよび低バックドライバビリティには、それぞれ利点がある。しかしながら、単一の仮想物体のみを想定する従来のアドミタンス制御では、高バックドライバビリティの利点と低バックドライバビリティの利点とを両立させることは困難であった。

【0013】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、高バックドライバビリティの利点と低バックドライバビリティの利点とを兼ね備えた駆動ユニットを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上記課題を解決するために、本発明に係る第１の駆動ユニットは、外部から与えられた目標駆動力指令に応じた駆動力を環境に対して作用させるものであって、仮想相互作用力の影響を受ける第１仮想物体および第２仮想物体の動特性パラメータを記憶したパラメータ記憶装置と、駆動力の計測結果を駆動力計測値として出力する力計測器と、パラメータ記憶装置に記憶された第１仮想物体および第２仮想物体の動特性パラメータと、目標駆動力指令と、駆動力計測値とに応じて演算により求めた第１仮想物体の変位を出力するアドミタンスモデル演算装置と、目標位置指令に追従して動作することにより環境に対して駆動力を作用させる位置制御駆動装置とを備え、力計測器は、位置制御駆動装置と環境との間に配置され、目標位置指令は、アドミタンスモデル演算装置から出力された第１仮想物体の変位に対応している、との構成を有している。

【0015】

上記第１の駆動ユニットの位置制御駆動装置は、例えば、目標位置指令に追従して動作する単一軸の装置である。

【0016】

また、上記課題を解決するために、本発明に係る第２の駆動ユニットは、外部から与えられた目標駆動力指令に応じた駆動力を環境に対して作用させるものであって、仮想相互作用力の影響を受ける第１仮想物体および第２仮想物体の動特性パラメータを記憶したパラメータ記憶装置と、駆動力の計測結果を駆動力計測値として出力する力計測器と、パラメータ記憶装置に記憶された第１仮想物体および第２仮想物体の動特性パラメータと、目標駆動力指令と、駆動力計測値とに応じて演算により求めた第１仮想物体の速度を出力するアドミタンスモデル演算装置と、目標速度指令に追従して動作することにより環境に対して駆動力を作用させる速度制御駆動装置とを備え、力計測器は、速度制御駆動装置と環境との間に配置され、目標速度指令は、アドミタンスモデル演算装置から出力された第１仮想物体の速度に対応している、との構成を有している。

【0017】

上記第２の駆動ユニットの速度制御駆動装置は、例えば、目標速度指令に追従して動作する単一軸の装置である。

【0018】

上記第１および第２の駆動ユニットのパラメータ記憶装置に記憶された第１仮想物体および第２仮想物体の動特性パラメータは、外部からの変更が可能であることが好ましい。

【0019】

上記第１および第２の駆動ユニットは、駆動力計測値がアドミタンスモデル演算装置の演算において第１仮想物体の動特性にのみ直接的に作用し、目標駆動力指令がアドミタンスモデル演算装置の演算において第２仮想物体の動特性にのみ直接的に作用し、かつ、第１仮想物体および第２仮想物体の動特性が仮想相互作用力モデルが出力する仮想相互作用力のみを介して相互作用する、との構成を有していてもよい。

【0020】

上記第１および第２の駆動ユニットのパラメータ記憶装置は、仮想相互作用力モデルの相互作用パラメータ（これには、仮想相互作用力の上限値および下限値が含まれる）をさらに記憶していてもよい。

【0021】

上記第１および第２の駆動ユニットの仮想相互作用力モデルは、第１仮想物体および第２仮想物体の間に生じた相対変位または相対速度をゼロに収束させる機能を有していてもよく、この場合、上記第１および第２の駆動ユニットのパラメータ記憶装置は、仮想相互作用力モデルの相互作用パラメータ（これには、上記収束のパラメータが含まれる）をさらに記憶していてもよい。

【0022】

上記第１および第２の駆動ユニットのパラメータ記憶装置に記憶された仮想相互作用力モデルの相互作用パラメータは、外部からの変更が可能であることが好ましい。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、高バックドライバビリティの利点と低バックドライバビリティの利点とを兼ね備えた駆動ユニットを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の第１実施例に係る駆動ユニットの模式的な実体図である。

【図2】本発明の第１実施例に係る駆動ユニットのブロック線図である。

【図3】本発明における第１仮想物体と第２仮想物体の関係を示す図である。

【図4】本発明の第２実施例に係る駆動ユニットの模式的な実体図である。

【図5】本発明の第２実施例に係る駆動ユニットのブロック線図である。

【図6】本発明の第３実施例に係る駆動ユニットの模式的な実体図である。

【図7】本発明の第３実施例に係る駆動ユニットのブロック線図である。

【図8】本発明の変形例に係る駆動ユニットの模式的な実体図である。

【図9】本発明の変形例に係る駆動ユニットのブロック線図である。

【図10】従来の駆動ユニットのブロック線図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る駆動ユニットのいくつかの実施例について説明する。

【0026】

［第１実施例］
図１に、本発明の第１実施例に係る駆動ユニット１０Ａの模式的な実体図を示す。本実施例に係る駆動ユニット１０Ａは、外部から与えられた目標駆動力指令τ_ｄに応じた駆動力を環境に対して作用させるものであって、制御部２０Ａと、駆動部２１Ａとを備えている。

【0027】

制御部２０Ａは、マイクロプロセッサおよびこれに付随する揮発性／不揮発性のメモリ等を含んでいる。

【0028】

一方、駆動部２１Ａは、単一軸の回転モータからなる駆動装置４１と、駆動装置４１の変位を計測するとともに該計測の結果を位置計測値として出力する位置計測器４２と、駆動装置４１の出力軸に設けられた減速機からなる伝達装置３４と、伝達装置３４の最終端（最終出力軸）に設けられたトルクセンサからなる力計測器３５とを含んでいる。力計測器３５は、駆動ユニット１０Ａが環境に対して作用させる駆動力を計測するとともに該計測の結果を駆動力計測値τ_ｓとして出力する。駆動装置４１は、制御部２０Ａから与えられる駆動電流によって位置制御される。

【0029】

なお、駆動装置４１は、任意のアクチュエータまたは複数軸のロボットであってもよい。伝達装置３４は、駆動装置４１の内部駆動力を適切なかたちに変換して環境に伝達する任意のパワートレイン（クラッチ、トランスミッション、ドライブシャフト、リンク等）であってもよい。また、駆動装置４１が並進系である場合、力計測器３５は、力センサであることが好ましい。

【0030】

図２に、本実施例に係る駆動ユニット１０Ａのブロック線図を示す。同図に示すように、駆動ユニット１０Ａの制御部２０Ａは、パラメータ記憶装置３０Ａと、アドミタンスモデル演算装置３１Ａと、逆モデル演算装置３２Ａと、前述の駆動装置４１および位置計測器４２とともに位置制御駆動装置３３Ａを構成する位置制御器４０とを含んでいる。位置制御駆動装置３３Ａは、目標位置指令に追従して動作する。

【0031】

アドミタンスモデル演算装置３１Ａは、目標駆動力指令τ_ｄおよび駆動力計測値τ_ｓに従って、式（１）～（３）からなる連立微分方程式を時間積分することにより、第１仮想物体および第２仮想物体の運動をシミュレートするように構成されている。

【数1】

【数2】

【数3】

ただし、
Ｍ，κ： 仮想物体総慣性，慣性分配率（０＜κ＜１）
Ｄ，γ： 仮想物体総粘性摩擦，粘性摩擦分配率（０＜γ＜１）
ｐ_１，ｐ’_１，ｐ”_１： 第１仮想物体の変位，速度，加速度
ｐ_２，ｐ’_２，ｐ”_２： 第２仮想物体の変位，速度，加速度
λ_Ｒ： 仮想相互作用力
である。

【0032】

仮想物体総慣性Ｍは、駆動部２１Ａの機構がもつ実際の総慣性に一致するように設定しておくことが、制御の安定性確保や機構への負担低減の観点から好ましい。ただし、いわゆるモデルベースト制御のようにモデル化誤差を気にする必要はなく、誤差があっても制御の安定性が確保できているなら問題はない。

【0033】

一方、仮想物体総粘性摩擦Ｄは、駆動部２１Ａの機構がもつ実際の総粘性摩擦に一致させる必要はない。ただし、粘性摩擦は、制御の安定性確保や位置決め性能の向上に影響するため、全体のバランスを見て適切に設定する必要がある。

【0034】

慣性分配率κおよび粘性摩擦分配率γの設定については、後で説明する。

【0035】

パラメータ記憶装置３０Ａは、第１仮想物体動特性パラメータおよび第２仮想物体動特性パラメータとして、仮想物体総慣性Ｍ、慣性分配率κ、仮想物体総粘性摩擦Ｄおよび粘性摩擦分配率γを記憶している。本実施例では、任意のタイミングでこれらを外部から変更することができる。

【0036】

なお、パラメータ記憶装置３０Ａは、Ｍ、κ、Ｄおよびγの代わりに、第１仮想物体動特性パラメータとしての第１仮想物体慣性Ｍ_１（＝κＭ）および第１仮想物体粘性摩擦Ｄ_１（＝γＤ）と、第２仮想物体動特性パラメータとしての第２仮想物体慣性Ｍ_２（＝（１－κ）Ｍ）および第２仮想物体粘性摩擦Ｄ_２（＝（１－γ）Ｄ）とを記憶していてもよい。これらのパラメータも、任意のタイミングで外部から変更可能であることが好ましい。

【0037】

図３に、第１仮想物体および第２仮想物体の関係を示す。同図から明らかなように、アドミタンスモデル演算装置３１Ａの演算において、第１仮想物体の動特性および第２仮想物体の動特性は分離されており、仮想相互作用力モデルが出力する仮想相互作用力λ_Ｒのみを介して相互作用するようになっている。また、アドミタンスモデル演算装置３１Ａの演算において、目標駆動力指令τ_ｄは第２仮想物体の動特性にのみ直接的に作用し、駆動力計測値τ_ｓは第１仮想物体の動特性にのみ直接的に作用するようになっている。

【0038】

再び図２を参照する。逆モデル演算装置３２Ａは、アドミタンスモデル演算装置３１Ａの演算により求められた第１仮想物体の変位ｐ_１（すなわち、駆動ユニット１０Ａの最終端変位）を逆演算により位置制御駆動装置３３Ａに対する目標位置指令ｑ_ｄに変換する。

【0039】

より詳しくは、伝達装置３４が減速機からなる本実施例では、位置制御駆動装置３３Ａの変位ｑと駆動ユニット１０Ａの最終端変位ｐとの間に式（４）に示した幾何学的関係があるので（ただし、ｎ_ｒは減速機の減速比）、式（５）で表される伝達装置逆モデルを用いることにより、位置制御駆動装置３３Ａに対する目標位置指令ｑ_ｄを得ることができる。

【数4】

【数5】

【0040】

つまり、逆モデル演算装置３２Ａは、伝達装置３４の入出力間に式（６）に示した幾何学的関係（運動学）がある場合に、式（７）に示した逆演算（逆運動学）を行う。

【数6】

【数7】

【0041】

位置制御駆動装置３３Ａを構成する位置制御器４０は、目標位置指令に従って駆動装置４１を位置制御する。このとき、位置制御器４０は、位置計測器４２が出力する位置計測値を参照する。

【0042】

このように、本実施例に係る駆動ユニット１０Ａでは、力計測器３５で計測した駆動力の情報（駆動力計測値τ_ｓ）に基づいて、仮想相互作用力λ_Ｒのみで繋がった２つの仮想物体（第１仮想物体および第２仮想物体）の運動がシミュレートされるとともに、第１仮想物体の運動に追従するように駆動装置４１が位置制御される。したがって、駆動ユニット１０Ａによれば、分配率κ，γを適切に設定することにより、高バックドライバビリティの利点と低バックドライバビリティの利点とを両立させることができる。

【0043】

［第２実施例］
図４および図５に、本発明の第２実施例に係る駆動ユニット１０Ｂを示す。本実施例に係る駆動ユニット１０Ｂは、制御部２０Ａの代わりに制御部２０Ｂを備えている点と、駆動部２１Ａの代わりに駆動部２１Ｂを備えている点とにおいて駆動ユニット１０Ａと相違している。

【0044】

制御部２０Ｂは、逆モデル演算装置３２Ａの代わりに逆モデル演算装置３２Ｂを備えている点と、位置制御器４０の代わりに速度制御器４３を備えている点とにおいて制御部２０Ａと相違しているが、他の点においては制御部２０Ａと共通している。

【0045】

一方、駆動部２１Ｂは、位置計測器４２の代わりに速度計測器４４を備えている点において駆動部２１Ａと相違しているが、他の点においては駆動部２１Ａと共通している。

【0046】

逆モデル演算装置３２Ｂは、アドミタンスモデル演算装置３１Ａの演算により求められた第１仮想物体の速度ｐ’_１を逆演算により速度制御駆動装置３３Ｂに対する目標速度指令に変換する。

【0047】

速度制御駆動装置３３Ｂを構成する速度制御器４３は、目標速度指令に従って駆動装置４１を速度制御する。このとき、速度制御器４３は、速度計測器４４によって計測された駆動装置４１の速度（速度計測値）を参照する。

【0048】

本実施例に係る駆動ユニット１０Ｂによれば、第１実施例と同様に、分配率κ，γを適切に設定することにより、高バックドライバビリティの利点と低バックドライバビリティの利点とを両立させることができる。

【0049】

［第３実施例］
図６および図７に、本発明の第３実施例に係る駆動ユニット１０Ｃを示す。本実施例に係る駆動ユニット１０Ｃは、制御部２０Ａの代わりに制御部２０Ｃを備えている点において駆動ユニット１０Ａと相違しているが、駆動部２１Ａを備えている点においては駆動ユニット１０Ａと共通している。

【0050】

制御部２０Ｃは、パラメータ記憶装置３０Ａの代わりにパラメータ記憶装置３０Ｃを備えている点と、アドミタンスモデル演算装置３１Ａの代わりにアドミタンスモデル演算装置３１Ｃを備えている点とにおいて制御部２０Ａと相違しているが、他の点においては制御部２０Ａと共通している。

【0051】

アドミタンスモデル演算装置３１Ｃは、目標駆動力指令τ_ｄおよび駆動力計測値τ_ｓに従って、前述の式（１），（２）および式（８），（９）からなる連立微分方程式を時間積分することにより、第１仮想物体および第２仮想物体の運動をシミュレートするように構成されている。

【数8】

ただし、
Ｒ_{ｕｐｐｅｒ}： 仮想相互作用力の上限値
Ｒ_{ｌｏｗｅｒ}： 仮想相互作用力の下限値
Ｋ_ＲＰ，Ｋ_ＲＤ： 仮想相互作用力モデルのゲイン
である。

【0052】

パラメータ記憶装置３０Ｃは、第１仮想物体動特性パラメータおよび第２仮想物体動特性パラメータに加え、仮想相互作用力パラメータとして、仮想相互作用力の上下限値Ｒ_{ｕｐｐｅｒ}，Ｒ_{ｌｏｗｅｒ}および仮想相互作用力モデルのゲインＫ_ＲＰ，Ｋ_ＲＤを記憶している。これらのパラメータも、任意のタイミングで外部から変更可能であることが好ましい。

【0053】

本実施例に係る駆動ユニット１０Ｃでは、以下に示す２つの機能が仮想相互作用力モデルに追加されている。

【0054】

まず、「仮想トルクリミッタ機能」について説明する。

【0055】

環境５０からの外力がＲ_{ｌｏｗｅｒ}以上Ｒ_{ｕｐｐｅｒ}以下であるときは、式（９）のλ_ＲＰＤがそのまま仮想相互作用力λ_Ｒとなる。このとき、第１仮想物体および第２仮想物体は、該外力に対して一体となって運動するとみなすことができる。一方、Ｒ_{ｕｐｐｅｒ}を上回る外力、またはＲ_{ｌｏｗｅｒ}を下回る外力が加わると、第１仮想物体および第２仮想物体は相対運動する。言い換えると、第１仮想物体が第２仮想物体に対して滑る。

【0056】

本実施例では、第１実施例と同様、第１仮想物体の変位ｐ_１を逆演算したものを位置制御駆動装置３３Ａの目標位置指令とする。このため、第１仮想物体が第２仮想物体に対して滑ると、環境５０側において、駆動ユニット１０Ｃの最終出力軸が滑ったかのような感覚が得られる。そして、このとき、駆動部２１Ａを構成する機械部品に実際にかかるトルクは制限される。

【0057】

まとめると、本機能によれば、仮想相互作用力λ_Ｒに上下限を設けたことにより、駆動部２１Ａを構成する機械部品（特に破損しやすい伝達装置３４および力計測器３５）にかかる負荷を一定値以下に抑え、これらの破損等を防ぐことができる。つまり、本実施例に係る駆動ユニット１０Ｃによれば、ソフトウェア的にハードウェアを保護することができる。

【0058】

なお、駆動装置４１が並進系である場合は、駆動部２１Ａを構成する機械部品に実際にかかる力が制限される。したがって、この場合は、本機能を「仮想力リミッタ」と称するべきである。

【0059】

続いて、「滑り回復機能」について説明する。

【0060】

仮想トルクリミッタ（仮想力リミッタ）が作動すると、第１仮想物体および第２仮想物体は相対運動する。本機能によれば、第１仮想物体および第２仮想物体の相対変位または相対速度をゼロに収束させることができる。言い換えると、本機能によれば、滑りにより生じたズレを回復することができる。

【0061】

この機能を実現するべく、本実施例では、式（９）に示した通りにλ_ＲＰＤを定める。これにより、第１仮想物体と第２仮想物体とが仮想的なバネダンパで接続されたことになり、上記の効果が得られる。収束の程度（強さ）は、ゲインＫ_ＲＰ，Ｋ_ＲＤによって調整することができる。

【0062】

本実施例に係る駆動ユニット１０Ｃによれば、第１実施例および第２実施例と同様に、高バックドライバビリティの利点と低バックドライバビリティの利点とを両立させることができる。

【0063】

慣性分配率κを比較的小さな０．１に設定することにより、第１仮想物体の慣性を０．１Ｍとし、かつ第２仮想物体の慣性を０．９Ｍとした一例を用いて、本実施例の作用効果についてさらに詳しく説明する。

【0064】

仮想トルクリミッタが作動していないときは、第１仮想物体および第２仮想物体が一体となって運動するので、環境５０側では、駆動ユニット１０Ｃの最終出力軸の慣性がＭ（＝０．１Ｍ＋０．９Ｍ）であるかのような感覚が得られる。このため、本実施例に係る駆動ユニット１０Ｃによれば、このＭを駆動部２１Ａがもつ実際の慣性に一致させておくことにより、駆動装置４１に負担がかかるのを防ぎつつ、位置制御の安定性を高めることができる。すなわち、低バックドライバビリティの利点を得ることができる。

【0065】

一方、仮想トルクリミッタが作動しているとき、環境５０側から見た最終出力軸の慣性は、最小で０．１Ｍまで低下する。このため、本実施例に係る駆動ユニット１０Ｃによれば、駆動部２１Ａを構成する機械部品を過負荷から保護することができる。すなわち、高バックドライバビリティの利点を得ることができる。

【0066】

これまでに述べてきた通り、本発明では、分配率κ，γによって仮想物体総慣性Ｍおよび仮想物体総粘性摩擦Ｄを第１仮想物体および第２仮想物体に分配する。分配率κ，γは、仮想トルクリミッタが作動したときの挙動に影響し、分配率κ，γを小さくすればするほど過負荷に対する保護性能は向上する。しかしながら、分配率κ，γを小さくし過ぎると、仮想トルクリミッタが作動したときに位置制御駆動装置３３Ａにおける位置制御が不安定化することがある点に注意が必要である。

【0067】

［変形例］
以上、本発明に係る駆動ユニットの第１実施例～第３実施例について説明してきたが、本発明の構成はこれらに限定されるものではない。

【0068】

例えば、本発明の変形例に係る駆動ユニット１０Ｄは、逆モデル演算部を含まない制御部２０Ｄと、伝達装置を含まない駆動部２１Ｄとを備えていてもよい（図８および図９参照）。この駆動ユニット１０Ｄは、第３実施例に係る駆動ユニット１０Ｃから逆モデル演算装置３２Ａと伝達装置３４とを省略したものであるといえる。駆動ユニット１０Ｄでは、アドミタンスモデル演算装置３１Ｃの演算により求められた第１仮想物体の変位ｐ_１が位置制御駆動装置３３Ａに対する目標位置指令となる。

【0069】

当然ながら、第１実施例に係る駆動ユニット１０Ａまたは第２実施例に係る駆動ユニット１０Ｂから逆モデル演算部と伝達装置を省略することもできる。

【0070】

また、第１実施例に係る駆動ユニット１０Ａ、第２実施例に係る駆動ユニット１０Ｂまたは変形例に係る駆動ユニット１０Ｄに、仮想トルクリミッタ機能および滑り回復機能を付加してもよい。

【0071】

また、駆動装置４１が位置計測値のフィードバックを必要としないタイプ（例えば、ステッピングモータ）である場合は、位置制御駆動装置３３Ａから位置計測器４２を省略することができる。同様に、速度制御駆動装置３３Ｂの速度計測器４４も省略することができる場合がある。

【0072】

また、第１仮想物体の動特性は、式（１）に示したもので限定されず、クーロン摩擦（静止摩擦・動摩擦）、可動範囲制限等に関する項を含んでいてもよい。同様に、第２仮想物体の動特性も、式（２）に示したものに限定されない。

【0073】

また、仮想相互作用力モデルも、式（３），（８）に示したものに限定されない。

【産業上の利用可能性】

【0074】

本発明は、大出力で、かつ高減速比な駆動部を、高い安全性と順応性で柔らかく力制御する場合に特に有益である。

【符号の説明】

【0075】

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ 駆動ユニット
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ 制御部
２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｄ 駆動部
３０Ａ，３０Ｃ パラメータ記憶装置
３１Ａ，３１Ｃ アドミタンスモデル演算装置
３２Ａ，３２Ｂ 逆モデル演算装置
３３Ａ 位置制御駆動装置
３３Ｂ 速度制御駆動装置
３４ 伝達装置
３５ 力計測器
４０ 位置制御器
４１ 駆動装置
４２ 位置計測器
４３ 速度制御器
４４ 速度計測器
５０ 環境

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】