位置/力控制装置、位置/力控制方法以及程序的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及对控制对象中的位置以及力进行控制的位置/力控制装置、位置/力控 制方法以及程序。
【背景技术】
[0002] 以往，以少子老龄化等为背景，强烈需求由机器人来代替人工和费事的作业。
[0003] 然而，以往的机器人的动作欠缺环境适应性、灵活性，尚未适当地实现人类的身体 的行为。
[0004] 这里，也进行了使用通过主?从系统取得的时间序列的位置信息以及力信息来人 工再现促动器的运动的对策，但再现时的机械阻抗始终恒定，环境的位置?大小?机械阻 抗这些针对环境变动的适应性依然欠缺。
[0005] 此外，例如在专利文献1以及专利文献2中记载有涉及通过主?从系统进行远程控 制的机器人技术。
[0006] 现有技术文献
[0007] 专利文献
[0008] 专利文献1:国际公开2005/109139号公报 [0009] 专利文献2:日本特开2009 - 279699号公报
【发明内容】
[0010]发明所要解决的课题
[0011] 为了由机器人代替实现人工和费事的作业，极其重要的是基于高精度的力控制的 高度的环境适应性、以及基于多自由度系统的人类坐标系上的行为提取，在现有的技术中， 尚未实现这一点。
[0012] 即，在现有的技术中，在由机器人适当地实现人类的身体的行为的方面存在改善 的余地。
[0013] 本发明的课题在于提供一种用于通过机器人来更适当地实现人类的身体的行为 的技术。
[0014] 用于解决课题的方法
[0015] 为了解决上述课题，本发明的一方式的位置/力控制装置具备：
[0016]位置检测机构，检测与基于促动器的作用的位置相关的信息；
[0017] 分功能力/速度分配转换机构，基于对应于与所述位置相关的信息的速度(位置） 及力的信息、以及成为控制的基准的信息，并根据实现的功能进行将控制能量分配成速度 或者位置的能量与力的能量的转换；
[0018] 位置控制量计算机构，基于通过所述分功能力/速度分配转换机构分配的速度或 者位置的能量来计算速度或者位置的控制量；
[0019] 力控制量计算机构，基于通过所述分功能力/速度分配转换机构分配的力的能量 来计算力的控制量；
[0020] 合并机构，将所述速度或者位置的控制量与所述力的控制量合并，为了使合并机 构的输出返回促动器而对所述速度或者位置的控制量与所述力的控制量进行逆转换，从而 确定向所述促动器的输入；
[0021] 由此，能够分别独立地控制速度或者位置的能量、力的能量。
[0022]发明效果
[0023]根据本发明，能够提供一种用于通过机器人更适当地实现人类的身体的行为的技 术。
【附图说明】
[0024]图1是表示本发明的基本的原理的概念的示意图。
[0025]图2是表示在分功能力/速度分配转换块FT中定义了力?触觉传递功能的情况下 的控制的概念的示意图。
[0026] 图3是表示包含适用力?触觉传递功能的主装置以及从装置的主?从系统的概念 的示意图。
[0027] 图4是表示在分功能力/速度分配转换块FT中定义了拾取和放置功能的情况下的 控制的概念的示意图。
[0028] 图5是表示包含适用拾取和放置功能的第1臂以及第2臂的机器人臂系统的概念的 示意图。
[0029]图6是表示在分功能力/速度分配转换块FT中定义了转动螺丝的学习以及再现的 功能的情况下的控制的概念的示意图。
[0030]图7是表示适用转动螺丝的学习以及再现功能的机器人的示意图。
[0031]图8是表示本发明的位置/力控制装置1的基本的构成的示意图。
[0032]图9是表示实现力?触觉传递功能的位置/力控制装置1的构成的示意图。
[0033] 图10是表示实现拾取和放置功能的位置/力控制装置1的构成的示意图。
[0034] 图11是表示实现转动螺丝的学习以及再现功能的位置/力控制装置1的构成的示 意图。
[0035] 图12是表示作为行为的提取结果而存储的信息例的示意图。
[0036] 图13是表示适应的功能实现的概念的说明图。
[0037] 图14是表示能够切换功能的位置/力控制装置1的构成的示意图。
[0038] 图15是表示使用了频率区域中的缩放的力·触觉传递功能的控制的概念的示意 图。
[0039] 图16是表示在与虚拟空间中的物体之间实现力?触觉传递功能的状态的示意图。
[0040] 图17是表示在与虚拟空间中的物体之间实现力?触觉传递功能的情况下的控制 的概念的示意图。
[0041] 图18是表示在医疗用的钳子中应用本发明的状态的示意图。
[0042] 图19是表示通过无线连接的主装置与从装置的示意图。
[0043]图20是表示与主装置无线连接的从装置400的构成的框图。
[0044]图21是表示用于在主装置与从装置中进行高速的通信的数据构造的图。
[0045] 图22是表示无线连接的主装置以及从装置之间的传送顺序的时序图。
[0046] 图23是表示将人类的动作数据库化的概念的示意图。
[0047]图24是表示相对于分功能力/速度分配转换的偏移的概念的示意图。
【具体实施方式】
[0048]以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
[0049]首先，对适用于本发明的位置/力控制装置、位置/力控制方法以及程序的基本的 原理进行说明。
[0050] 此外，人类的身体的行为通过使一个关节等的单个"功能"单独或组合而构成。
[0051] 因此，以下，在本实施方式，"行为"表示以人类的身体中的部位的单个"功能"作为 构成要素而实现的合并的功能。例如，伴随着中指的弯曲伸直的行为(转动螺丝的行为等） 是以中指的各关节的功能作为构成要素的合并的功能。
[0052] (基本的原理）
[0053] 本发明中的基本的原理为，由于哪种行为都能够由表示力源、速度(位置)源以及 行为的转换的三要素数理上的表现，因此对于通过转换以及逆转换定义的变量组，利用处 于对偶关系的理想力源以及理想速度(位置)源向控制对象的系统供给控制能量，从而使提 取的身体的行为构造化、再构建或扩展放大，可逆地自动实现(再现)身体的行为。
[0054]图1是表示本发明的基本的原理的概念的示意图。
[0055]图1所示的基本的原理表示为了实现人类的身体的行为而能够利用的促动器的控 制规则，输入促动器的当前位置，进行位置(或者速度)或力的至少一方的区域中的运算，从 而确定促动器的动作。
[0056] 即，本发明的基本的原理被表示为包含控制对象系统S、分功能力/速度分配转换 块FT、理想力源块FC或理想速度(位置)源块PC中的至少一个、以及逆转换块IFT的控制规 则。
[0057]控制对象系统S是通过促动器工作的机器人，并基于加速度等进行促动器的控制。 这里，控制对象系统S实现人类的身体中的一个或者多个部位的功能，但其只要应用用于实 现其功能的控制规则即可，具体的构成并非必须采用模拟人类的身体的方式。例如，控制对 象系统S也能够采用通过促动器使连杆进行一维的滑动动作的机器人。
[0058] 分功能力/速度分配转换块FT是对根据控制对象系统S的功能而设定的向速度(位 置）以及力的区域的控制能量的转换进行定义的块。具体而言，在分功能力/速度分配转换 块FT中，定义有将成为控制对象系统S的功能的基准的值(基准值）、以及促动器的当前位置 作为输入的坐标转换。一般来说，该坐标转换将以基准值以及当前速度(位置)为要素的输 入矢量转换成由用于计算速度(位置)的控制目标值的速度(位置)构成的输出矢量，并且将 以基准值以及当前的力为要素的输入矢量转换成由用于计算力的控制目标值的力构成的 输出矢量。具体而言，分功能力/速度分配转换块FT中的坐标转换如接下来的式（1)以及(2) 那样概括而表示。
[0059] [数式 1]
[0060] ( 1 )
[0061] ( 2 )
[0062] 其中，在式（1)中，x'i-x'Jn是1以上的整数)是用于导出速度的状态值的速度矢 量，1、~1\(!11是1以上的整数)是以基于基准值以及促动器的作用的速度(促动器的移动件 的速度或者促动器使对象物移动的速度)为要素的矢量，h la~hnm是表示功能的转换矩阵的 要素。另外，在式(2)中，f'i-f'Jn是1以上的整数)是用于导出力的状态值的力矢量，f" a~ f'm(m是1以上的整数）是以基于基准值以及促动器的作用的力（促动器的移动件的力或者 促动器使对象物移动的力)为要素的矢量。
[0063] 通过根据实现的功能来设定分功能力/速度分配转换块FT中的坐标转换，从而能 够实现各种行为、进行伴随着缩放的行为的再现。
[0064] 即，在本发明的基本的原理中，在分功能力/速度分配转换块FT中，将促动器单体 的变量(实空间上的变量）"转换"成对所实现的功能进行表现的系统整体的变量组(虚拟空 间上的变量），并对速度(位置)的控制能量与力的控制能量分配控制能量。因此，与照原样 控制促动器单体的变量(实空间上的变量)的情况相比，能够独立地赋予速度(位置)的控制 能量与力的控制能量。
[0065]理想力源块FC是根据由分功能力/速度分配转换块FT定义的坐标转换来进行力的 区域中的运算的块。在理想力源块FC中，设定有与进行基于由分功能力/速度分配转换块FT 定义的坐标转换的运算时的力相关的目标值。根据实现的功能将该目标值设定为固定值或 者可变值。例如，在实现与基准值所表示的功能相同的功能的情况下，能够设定目标值为 零，在进行缩放的情况下，能够将表示再现的功能的信息设定为放大·缩小了的值。
[0066]理想速度(位置)源块PC是根据由分功能力/速度分配转换块FT定义的坐标转换来 进行速度(位置）的区域中的运算的块。在理想速度(位置)源块PC中，设定有与进行基于由 分功能力/速度分配转换块FT定义的坐标转换的运算时的速度(位置)相关的目标值。根据 实现的功能将该目标值设定为固定值或者可变值。例如，在实现与基准值所表示的功能相 同的功能的情况下，能够设定目标值为零，在进行缩放的情况下，能够将表示再现的功能的 信息设定为放大·缩小了的值。
[0067] 逆转换块IFT是将速度(位置）以及力的区域的值转换为向控制对象系统S的输入 的区域的值(例如电压值或者电流值等)的块。
[0068] 根据这种基本的原理，若将控制对象系统S的促动器中的位置的信息输入到分功 能力/速度分配转换块FT，则使用基于位置的信息获得的速度(位置)以及力的信息，在分功 能力/速度分配转换块FT中应用与功能相应的位置以及力的区域的各自的控制规则。然后， 在理想力源块FC中进行与功能相应的力的运算，在理想速度(位置)源块PC中进行与功能相 应的速度(位置)的运算，并分别对力以及速度(位置)分配控制能量。
[0069]理想力源块FC以及理想速度(位置)源块PC中的运算结果成为表示控制对象系统S 的控制目标的信息，这些运算结果在逆转换块IFT中作为促动器的输入值，输入到控制对象 系统S。
[0070] 结果，控制对象系统S的促动器执行遵循由分功能力/速度分配转换块FT定义的功 能的动作，实现作为目的的机器人的动作。
[0071] 即，在本发明中，能够通过机器人更适当地实现人类的身体的行为。
[0072](定义的功能例）
[0073] 接下来，对由分功能力/速度分配转换块FT定义的功能的具体例进行说明。
[0074] 在分功能力/速度分配转换块FT中，定义有以基于输入的促动器的当前位置获得 的速度(位置）以及力为对象的坐标转换（从与实现的功能对应的实空间向虚拟空间的转 换)。
[0075]在分功能力/速度分配转换块FT中，从这种当前位置将速度(位置）以及力、还有作 为功能的基准值的速度(位置）以及力作为输入，在加速度维中应用速度(位置）以及力的各 自的控制规则。
[0076] 即，促动器中的力由质量与加速度的积表示，促动器中的速度(位置）由加速度的 积分表示。因此，通过经由加速度的区域控制速度(位置）以及力，能够取得促动器的当前位 置，实现作为目的的功能。
[0077] 以下，说明各种功能的具体的例子。
[0078] (力?触觉传递功能）
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