位置/力控制裝置、位置/力控制方法以及程序的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及對控制對象中的位置以及力進行控制的位置/力控制裝置、位置/力控 制方法以及程序。
【背景技術】
[0002] 以往，以少子老齡化等為背景，強烈需求由機器人來代替人工和費事的作業。
[0003] 然而，以往的機器人的動作欠缺環境適應性、靈活性，尚未適當地實現人類的身體 的行為。
[0004] 這里，也進行了使用通過主?從系統取得的時間序列的位置信息以及力信息來人 工再現促動器的運動的對策，但再現時的機械阻抗始終恒定，環境的位置?大小?機械阻 抗這些針對環境變動的適應性依然欠缺。
[0005] 此外，例如在專利文獻1以及專利文獻2中記載有涉及通過主?從系統進行遠程控 制的機器人技術。
[0006] 現有技術文獻
[0007] 專利文獻
[0008] 專利文獻1:國際公開2005/109139號公報 [0009] 專利文獻2:日本特開2009 - 279699號公報
【發明內容】
[0010]發明所要解決的課題
[0011] 為了由機器人代替實現人工和費事的作業，極其重要的是基于高精度的力控制的 高度的環境適應性、以及基于多自由度系統的人類坐標系上的行為提取，在現有的技術中， 尚未實現這一點。
[0012] 即，在現有的技術中，在由機器人適當地實現人類的身體的行為的方面存在改善 的余地。
[0013] 本發明的課題在于提供一種用于通過機器人來更適當地實現人類的身體的行為 的技術。
[0014] 用于解決課題的方法
[0015] 為了解決上述課題，本發明的一方式的位置/力控制裝置具備：
[0016]位置檢測機構，檢測與基于促動器的作用的位置相關的信息；
[0017] 分功能力/速度分配轉換機構，基于對應于與所述位置相關的信息的速度(位置） 及力的信息、以及成為控制的基準的信息，并根據實現的功能進行將控制能量分配成速度 或者位置的能量與力的能量的轉換；
[0018] 位置控制量計算機構，基于通過所述分功能力/速度分配轉換機構分配的速度或 者位置的能量來計算速度或者位置的控制量；
[0019] 力控制量計算機構，基于通過所述分功能力/速度分配轉換機構分配的力的能量 來計算力的控制量；
[0020] 合并機構，將所述速度或者位置的控制量與所述力的控制量合并，為了使合并機 構的輸出返回促動器而對所述速度或者位置的控制量與所述力的控制量進行逆轉換，從而 確定向所述促動器的輸入；
[0021] 由此，能夠分別獨立地控制速度或者位置的能量、力的能量。
[0022]發明效果
[0023]根據本發明，能夠提供一種用于通過機器人更適當地實現人類的身體的行為的技 術。
【附圖說明】
[0024]圖1是表示本發明的基本的原理的概念的示意圖。
[0025]圖2是表示在分功能力/速度分配轉換塊FT中定義了力?觸覺傳遞功能的情況下 的控制的概念的示意圖。
[0026] 圖3是表示包含適用力?觸覺傳遞功能的主裝置以及從裝置的主?從系統的概念 的示意圖。
[0027] 圖4是表示在分功能力/速度分配轉換塊FT中定義了拾取和放置功能的情況下的 控制的概念的示意圖。
[0028] 圖5是表示包含適用拾取和放置功能的第1臂以及第2臂的機器人臂系統的概念的 示意圖。
[0029]圖6是表示在分功能力/速度分配轉換塊FT中定義了轉動螺絲的學習以及再現的 功能的情況下的控制的概念的示意圖。
[0030]圖7是表示適用轉動螺絲的學習以及再現功能的機器人的示意圖。
[0031]圖8是表示本發明的位置/力控制裝置1的基本的構成的示意圖。
[0032]圖9是表示實現力?觸覺傳遞功能的位置/力控制裝置1的構成的示意圖。
[0033] 圖10是表示實現拾取和放置功能的位置/力控制裝置1的構成的示意圖。
[0034] 圖11是表示實現轉動螺絲的學習以及再現功能的位置/力控制裝置1的構成的示 意圖。
[0035] 圖12是表示作為行為的提取結果而存儲的信息例的示意圖。
[0036] 圖13是表示適應的功能實現的概念的說明圖。
[0037] 圖14是表示能夠切換功能的位置/力控制裝置1的構成的示意圖。
[0038] 圖15是表示使用了頻率區域中的縮放的力·觸覺傳遞功能的控制的概念的示意 圖。
[0039] 圖16是表示在與虛擬空間中的物體之間實現力?觸覺傳遞功能的狀態的示意圖。
[0040] 圖17是表示在與虛擬空間中的物體之間實現力?觸覺傳遞功能的情況下的控制 的概念的示意圖。
[0041] 圖18是表示在醫療用的鉗子中應用本發明的狀態的示意圖。
[0042] 圖19是表示通過無線連接的主裝置與從裝置的示意圖。
[0043]圖20是表示與主裝置無線連接的從裝置400的構成的框圖。
[0044]圖21是表示用于在主裝置與從裝置中進行高速的通信的數據構造的圖。
[0045] 圖22是表示無線連接的主裝置以及從裝置之間的傳送順序的時序圖。
[0046] 圖23是表示將人類的動作數據庫化的概念的示意圖。
[0047]圖24是表示相對于分功能力/速度分配轉換的偏移的概念的示意圖。
【具體實施方式】
[0048]以下，參照附圖對本發明的實施方式進行說明。
[0049]首先，對適用于本發明的位置/力控制裝置、位置/力控制方法以及程序的基本的 原理進行說明。
[0050] 此外，人類的身體的行為通過使一個關節等的單個"功能"單獨或組合而構成。
[0051] 因此，以下，在本實施方式，"行為"表示以人類的身體中的部位的單個"功能"作為 構成要素而實現的合并的功能。例如，伴隨著中指的彎曲伸直的行為(轉動螺絲的行為等） 是以中指的各關節的功能作為構成要素的合并的功能。
[0052] (基本的原理）
[0053] 本發明中的基本的原理為，由于哪種行為都能夠由表示力源、速度(位置)源以及 行為的轉換的三要素數理上的表現，因此對于通過轉換以及逆轉換定義的變量組，利用處 于對偶關系的理想力源以及理想速度(位置)源向控制對象的系統供給控制能量，從而使提 取的身體的行為構造化、再構建或擴展放大，可逆地自動實現(再現)身體的行為。
[0054]圖1是表示本發明的基本的原理的概念的示意圖。
[0055]圖1所示的基本的原理表示為了實現人類的身體的行為而能夠利用的促動器的控 制規則，輸入促動器的當前位置，進行位置(或者速度)或力的至少一方的區域中的運算，從 而確定促動器的動作。
[0056] 即，本發明的基本的原理被表示為包含控制對象系統S、分功能力/速度分配轉換 塊FT、理想力源塊FC或理想速度(位置)源塊PC中的至少一個、以及逆轉換塊IFT的控制規 則。
[0057]控制對象系統S是通過促動器工作的機器人，并基于加速度等進行促動器的控制。 這里，控制對象系統S實現人類的身體中的一個或者多個部位的功能，但其只要應用用于實 現其功能的控制規則即可，具體的構成并非必須采用模擬人類的身體的方式。例如，控制對 象系統S也能夠采用通過促動器使連桿進行一維的滑動動作的機器人。
[0058] 分功能力/速度分配轉換塊FT是對根據控制對象系統S的功能而設定的向速度(位 置）以及力的區域的控制能量的轉換進行定義的塊。具體而言，在分功能力/速度分配轉換 塊FT中，定義有將成為控制對象系統S的功能的基準的值(基準值）、以及促動器的當前位置 作為輸入的坐標轉換。一般來說，該坐標轉換將以基準值以及當前速度(位置)為要素的輸 入矢量轉換成由用于計算速度(位置)的控制目標值的速度(位置)構成的輸出矢量，并且將 以基準值以及當前的力為要素的輸入矢量轉換成由用于計算力的控制目標值的力構成的 輸出矢量。具體而言，分功能力/速度分配轉換塊FT中的坐標轉換如接下來的式（1)以及(2) 那樣概括而表示。
[0059] [數式 1]
[0060] ( 1 )
[0061] ( 2 )
[0062] 其中，在式（1)中，x'i-x'Jn是1以上的整數)是用于導出速度的狀態值的速度矢 量，1、~1\(!11是1以上的整數)是以基于基準值以及促動器的作用的速度(促動器的移動件 的速度或者促動器使對象物移動的速度)為要素的矢量，h la~hnm是表示功能的轉換矩陣的 要素。另外，在式(2)中，f'i-f'Jn是1以上的整數)是用于導出力的狀態值的力矢量，f" a~ f'm(m是1以上的整數）是以基于基準值以及促動器的作用的力（促動器的移動件的力或者 促動器使對象物移動的力)為要素的矢量。
[0063] 通過根據實現的功能來設定分功能力/速度分配轉換塊FT中的坐標轉換，從而能 夠實現各種行為、進行伴隨著縮放的行為的再現。
[0064] 即，在本發明的基本的原理中，在分功能力/速度分配轉換塊FT中，將促動器單體 的變量(實空間上的變量）"轉換"成對所實現的功能進行表現的系統整體的變量組(虛擬空 間上的變量），并對速度(位置)的控制能量與力的控制能量分配控制能量。因此，與照原樣 控制促動器單體的變量(實空間上的變量)的情況相比，能夠獨立地賦予速度(位置)的控制 能量與力的控制能量。
[0065]理想力源塊FC是根據由分功能力/速度分配轉換塊FT定義的坐標轉換來進行力的 區域中的運算的塊。在理想力源塊FC中，設定有與進行基于由分功能力/速度分配轉換塊FT 定義的坐標轉換的運算時的力相關的目標值。根據實現的功能將該目標值設定為固定值或 者可變值。例如，在實現與基準值所表示的功能相同的功能的情況下，能夠設定目標值為 零，在進行縮放的情況下，能夠將表示再現的功能的信息設定為放大·縮小了的值。
[0066]理想速度(位置)源塊PC是根據由分功能力/速度分配轉換塊FT定義的坐標轉換來 進行速度(位置）的區域中的運算的塊。在理想速度(位置)源塊PC中，設定有與進行基于由 分功能力/速度分配轉換塊FT定義的坐標轉換的運算時的速度(位置)相關的目標值。根據 實現的功能將該目標值設定為固定值或者可變值。例如，在實現與基準值所表示的功能相 同的功能的情況下，能夠設定目標值為零，在進行縮放的情況下，能夠將表示再現的功能的 信息設定為放大·縮小了的值。
[0067] 逆轉換塊IFT是將速度(位置）以及力的區域的值轉換為向控制對象系統S的輸入 的區域的值(例如電壓值或者電流值等)的塊。
[0068] 根據這種基本的原理，若將控制對象系統S的促動器中的位置的信息輸入到分功 能力/速度分配轉換塊FT，則使用基于位置的信息獲得的速度(位置)以及力的信息，在分功 能力/速度分配轉換塊FT中應用與功能相應的位置以及力的區域的各自的控制規則。然后， 在理想力源塊FC中進行與功能相應的力的運算，在理想速度(位置)源塊PC中進行與功能相 應的速度(位置)的運算，并分別對力以及速度(位置)分配控制能量。
[0069]理想力源塊FC以及理想速度(位置)源塊PC中的運算結果成為表示控制對象系統S 的控制目標的信息，這些運算結果在逆轉換塊IFT中作為促動器的輸入值，輸入到控制對象 系統S。
[0070] 結果，控制對象系統S的促動器執行遵循由分功能力/速度分配轉換塊FT定義的功 能的動作，實現作為目的的機器人的動作。
[0071] 即，在本發明中，能夠通過機器人更適當地實現人類的身體的行為。
[0072](定義的功能例）
[0073] 接下來，對由分功能力/速度分配轉換塊FT定義的功能的具體例進行說明。
[0074] 在分功能力/速度分配轉換塊FT中，定義有以基于輸入的促動器的當前位置獲得 的速度(位置）以及力為對象的坐標轉換（從與實現的功能對應的實空間向虛擬空間的轉 換)。
[0075]在分功能力/速度分配轉換塊FT中，從這種當前位置將速度(位置）以及力、還有作 為功能的基準值的速度(位置）以及力作為輸入，在加速度維中應用速度(位置）以及力的各 自的控制規則。
[0076] 即，促動器中的力由質量與加速度的積表示，促動器中的速度(位置）由加速度的 積分表示。因此，通過經由加速度的區域控制速度(位置）以及力，能夠取得促動器的當前位 置，實現作為目的的功能。
[0077] 以下，說明各種功能的具體的例子。
[0078] (力?觸覺傳遞功能）
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