专利名称：弹性体致动器驱动机构的控制装置及控制方法、以及控制程序的制作方法
技术领域：
本发明涉及对通过流体压力驱动致动器等利用弹性体的变形被驱动的弹性体致动器驱动的驱动机构的动作进行控制的、弹性体致动器驱动机构的控制装置及控制方法、以及控制程序。
背景技术：
近年来，由于元件生产工厂的扩张等，与人协作的机器人的开发非常盛行。这样的与人协作的机器人，与以往那样划分人所处的区域和机器人用的作业区域而动作的机器人不同，需要与人共同生活，因此与以往的工业用机器人等在必要的规格方面不同。第一，在以往的工业用机器人中，使用电动马达或减速器，通过高增益的反馈控制，实现所谓反复精度0.1mm等的高手指位置精度。但是，通过被这样的电动马达驱动的机构，大多数情况下刚性高、缺乏柔软性，在所谓安全性方面存在很多问题。与此相对，在与人协作的机器人中，重视在与人接触时不会危害人等安全性。因此，不能说像以往的工业用机器人那样由电动马达驱动的机构能够适于家庭用机器人等重视安全性的领域，而需要柔软且安全的机器人手臂。对于这样的问题，例如提出了利用McKibben型的气压致动器的机器人手臂。McKibben型的气压致动器，在由橡胶材料构成的管状弹性体的外表面配设由纤维线材构成的约束单元，成为由密封构件对管状弹性体的两端部进行气密密封的构造。通过流体注入注出单元而由空气等压缩性流体对管状弹性体的内部空间施加内压时，管状弹性体主要在半径方向上膨胀，利用约束单元的作用，将要在半径方向上膨胀的运动变换成管状弹性体的中心轴方向上的运动，总长收缩。该McKibben型的致动器主要由弹性体构成，所以其特征在于，是具有柔软性且安全、轻量的致动器。第二，以往的工业用机器人，在与人隔离的空间进行动作，所以在例如发生传感器的故障等时，立即停止动作认为是最安全的。与此相对，在与人在相同空间活动的机器人的情况下，在假设发生了传感器故障等情况下，立即停止动作未必是最安全的。例如，在与人进行协同动作时，在机器人突然停止的情况下，在进行协同动作的人无法迅速停止，所以认为成为危险状态等情形。但是，在传感器发生故障时，有无法获得动作控制所必需的信息，难以继续动作的问题。对于这样的传感器的故障，以往技术公开了通过读入预先示教并存储的数据来代替传感器信号以对机器人进行控制的控制装置(专利文献I)。另外，公开了在具有距离传感器和多个移动机构位置检测器的机器人中具有运算器的移动控制装置，所述运算器从来自距离传感器的传感器信号和来自正常的移动机构位置检测器的移动机构位置信号，求出与发生了故障的移动机构位置检测器原本应该输出的正确的移动机构位置信号相同的替代信号(专利文献2)。现有技术文献
专利文献1:日本实公平8-1819号公报专利文献2 :日本特公平5-55279号公报但是，在专利文献I的技术中，代替传感器信号的示教数据是预先必须的，但存在难以事先想好机器人的所有动作、难以准备示教数据的问题。另外，在专利文献2的技术中，存在不具有距离传感器的机器人等无法运算正确的替代信号的问题。
发明内容
本发明的目的在于，解决上述以往的问题，无需预先准备示教数据或具有能运算替代信号的传感器，即便在传感器异常时也不立即停止动作，能使由弹性体致动器驱动的机器人手臂等驱动机构的动作继续的、弹性体致动器驱动机构的控制装置及控制方法、以及控制程序。为了实现上述目的，本发明如下所示构成。根据本发明的一实施方式，提供一种弹性体致动器驱动机构的控制装置，其具有异常判断单元，其判断对弹性体致动器的输出进行测量的输出测量单元是否异常，正常时动作控制单元，其在由上述异常判断单元判断为上述输出测量单元正常时，利用来自上述输出测量单元的输出，进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作，异常时动作控制单元，其在由上述异常判断单元判断为上述输出测量单元异常时，利用上述内部状态模型，进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作，和控制单元，其在上述异常判断单元判断上述输出测量单元为正常时使上述正常时动作控制单元进行动作，另一方面，在上述异常判断单元判断上述输出测量单元为异常时从上述正常时动作控制单元向上述异常时动作控制单元切换而使上述异常时动作控制单元进行动作；上述正常时动作控制单元具有输出上述弹性体致动器的输出的目标值的第一目标输出单元、和利用上述目标输出单元的输出和来自上述输出测量单元的输出算出目标关节转矩的转矩控制单元，上述正常时动作控制单元，根据由上述转矩控制单元算出的上述目标关节转矩，进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作；进而，上述异常时动作控制单元具有输出上述弹性体致动器的输出的目标值的第二目标输出单元、和利用由上述第二目标输出单元输出的上述输出的目标值和上述内部状态模型获得上述弹性体致动器的目标内部状态信息的目标内部状态信息获得单元，上述异常时动作控制单元，不使用上述弹性体致动器的输出的测量结果，根据由上述目标内部状态信息获得单元获得的上述目标内部状态信息，进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作，由此按照上述弹性体致动器继续动作的方式进行控制。根据本发明的另一实施方式，提供一种弹性体致动器驱动机构的控制方法，其中，由异常判断单元来判断对弹性体致动器的输出进行测量的输出测量单元是否异常，在由上述异常判断单元判断为上述输出测量单元正常时，利用来自上述输出测量单元的输出，由正常时动作控制单元进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作，另一方面，在由上述异常判断单元判断为上述输出测量单元异常时，利用内部状态模型，由异常时动作控制单元进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作，并且，在上述异常判断单元判断上述输出测量单元为正常时，通过控制单元使上述正常时动作控制单元进行动作，另一方面，在上述异常判断单元判断上述输出测量单元为异常时，通过上述控制单元从上述正常时动作控制单元向上述异常时动作控制单元切换而使上述异常时动作控制单元进行动作，在上述正常时动作控制单元进行动作时，由第一目标输出单元输出上述弹性体致动器的输出的目标值，利用上述目标输出单元的输出和来自上述输出测量单元的输出，由转矩控制单元算出目标关节转矩，根据由上述转矩控制单元算出的上述目标关节转矩，进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作，另一方面，进而，在上述异常时动作控制单元进行动作时，由第二目标输出单元输出上述弹性体致动器的输出的目标值，利用由上述第二目标输出单元输出的上述输出的目标值和上述内部状态模型，由目标内部状态信息获得单元获得上述弹性体致动器的目标内部状态信息，不使用上述弹性体致动器的输出的测量结果，根据由上述目标内部状态信息获得单元获得的上述目标内部状态信息，进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作，由此按照上述弹性体致动器继续动作的方式进行控制。根据本发明的其他实施方式，提供一种弹性体致动器驱动机构的控制程序，其用于使计算机实现如下的功能由异常判断单元来判断对弹性体致动器的输出进行测量的输出测量单元是否异常的功能，在由上述异常判断单元判断为上述输出测量单元正常时，利用来自上述输出测量单元的输出，由正常时动作控制单元进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作的功能，在由上述异常判断单元判断为上述输出测量单元异常时，利用内部状态模型，由异常时动作控制单元进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作的功能，和在上述异常判断单元判断上述输出测量单元为正常时，通过控制单元使上述正常时动作控制单元进行动作，另一方面，在上述异常判断单元判断上述输出测量单元为异常时，通过上述控制单元从上述正常时动作控制单元向上述异常时动作控制单元切换而使上述异常时动作控制单元进行动作的功能；在上述正常时动作控制单元进行动作时，由第一目标输出单元输出上述弹性体致动器的输出的目标值的功能，和利用上述目标输出单元的输出和来自上述输出测量单元的输出，由转矩控制单元算出目标关节转矩，根据由上述转矩控制单元算出的上述目标关节转矩，进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作的功能；另一方面，
进而，在上述异常时动作控制单元进行动作时，由第二目标输出单元输出上述弹性体致动器的输出的目标值的功能，利用由上述第二目标输出单元输出的上述输出的目标值和上述内部状态模型，由目标内部状态信息获得单元获得上述弹性体致动器的目标内部状态信息，不使用上述弹性体致动器的输出的测量结果，根据由上述目标内部状态信息获得单元获得的上述目标内部状态信息，进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作，由此按照上述弹性体致动器继续动作的方式进行控制的功能。发明效果
根据本发明的弹性体致动器驱动机构的控制装置，具有控制单元、正常时动作控制单元和异常时动作控制单元，进而，在正常时动作控制单元内具有判断输出测量单元是否发生故障的异常判断单元而构成。通过这样的构成，在由异常判断单元判断输出测量单元不正常时，控制单元能够进行从正常时动作控制单元向异常时动作控制单元的动作的切换。其结果，异常时动作控制单元不使用上述弹性体致动器的输出的测量结果，利用内部状态模型，进行弹性体致动器驱动机构的控制动作，由此按照弹性体致动器继续动作的方式进行控制。由此，即便在输出测量单元发生了故障的情况下，弹性体致动器驱动机构不立即停止动作，可以继续动作的安全的弹性体致动器驱动机构的控制成为可能。另外，根据本发明的弹性体致动器驱动机构的控制方法以及控制程序，具有判断输出测量单元是否发生故障的异常判断动作。通过这样的构成，在由异常判断单元判断为输出测量单元不正常时，控制单元可以进行从正常时动作控制单元向异常时动作控制单元的动作切换。其结果，异常时动作控制单元不使用上述弹性体致动器的输出的测量结果，利用内部状态模型，进行弹性体致动器驱动机构的控制动作，由此按照弹性体致动器继续动作的方式进行控制。因此，即便在输出测量单元发生了故障的情况下，弹性体致动器驱动机构也不立即停止动作，可以继续动作的安全的弹性体致动器驱动机构的控制成为可能。
本发明的这些和其他目的和特征，根据有关附图的优选实施方式涉及的下述记述而加以明确。这些附图如下所示。图1是表示本发明的第一实施方式中的弹性体致动器的驱动机构的构造的图。图2是表示第一实施方式中的作为弹性体致动器的一例的弹性膨胀收缩构造体的构造以及动作的图。图3是表示用于通过作为压缩性流体的空气对本发明的第一实施方式中的机器人手臂进行驱动的气压供给系统的动作的图。图4是表示本发明的第一实施方式中的弹性体致动器驱动机构的控制装置的整体构成的框图。图5是表示本发明的第一实施方式中的主控制部的构成的框图。图6A是表示本发明的第一实施方式中的内部状态模型的方程式的例子的图。图6B是表示本发明的第一实施方式中的内部状态模型的方程式的例子的图。图7是本发明的第一实施方式中的主控制部的控制程序的动作步骤的流程图。图8是本发明的第一实施方式中的正常时动作控制部的控制框图。
图9是本发明的第一实施方式中的转矩控制单元的计算方法的一部分的图。图10是表示本发明的第一实施方式中的弹性体致动器的特性的一例的图。图11是表示本发明的第一实施方式中的异常判断单元的内部框图的图。图12是本发明的第一实施方式中的正常时动作控制部的控制程序的动作步骤的流程图。图13是本发明的第一实施方式中的异常时动作控制部的控制框图。图14是表示本发明的第一实施方式中目标内部状态决定单元的详细构成的框图。图15是本发明的第一实施方式中异常时动作控制部的控制程序的动作步骤的流程图。图16是本发明的第二实施方式中异常时动作控制部的控制框图。
具体实施例方式以下，根据附图对本发明涉及的实施方式进行详细说明。以下，在参照附图对本发明中的实施方式进行详细说明之前，对本发明的各种方式进行说明。根据本发明的第一实施方式，提供一种弹性体致动器驱动机构的控制装置，其具有异常判断单元，其判断对弹性体致动器的输出进行测量的输出测量单元是否异常，正常时动作控制单元，其在由上述异常判断单元判断为上述输出测量单元正常时，利用来自上述输出测量单元的输出，进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作，异常时动作控制单元，其在由上述异常判断单元判断为上述输出测量单元异常时，利用内部状态模型，进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作，和控制单元，其在上述异常判断单元判断上述输出测量单元为正常时使上述正常时动作控制单元进行动作，另一方面，在上述异常判断单元判断上述输出测量单元为异常时从上述正常时动作控制单元向上述异常时动作控制单元切换而使上述异常时动作控制单元进行动作；上述正常时动作控制单元具有输出上述弹性体致动器的输出的目标值的第一目标输出单元、和利用上述目标输出单元的输出和来自上述输出测量单元的输出算出目标关节转矩的转矩控制单元，上述正常时动作控制单元，根据由上述转矩控制单元算出的上述目标关节转矩，进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作；进而，上述异常时动作控制单元具有输出上述弹性体致动器的输出的目标值的第二目标输出单元、和利用由上述第二目标输出单元输出的上述输出的目标值和上述内部状态模型获得上述弹性体致动器的目标内部状态信息的目标内部状态信息获得单元，上述异常时动作控制单元，不使用上述弹性体致动器的输出的测量结果，根据由上述目标内部状态信息获得单元获得的上述目标内部状态信息，进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作，由此按照上述弹性体致动器继续动作的方式进行控制。根据本发明的第二实施方式，在第一实施方式记载的控制装置的基础上，其中，上述异常时动作控制单元的上述目标内部状态信息获得单元具有利用由上述第二目标输出单元输出的上述输出的目标值和上述内部状态模型，算出目标内部状态的信息的第一目标内部状态算出单元，根据由上述目标内部状态算出单元算出的上述目标内部状态的信息进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作，由此按照上述弹性体致动器继续动作的方式进行控制。根据本发明的第三实施方式，在第一实施方式记载的控制装置的基础上，其中，上述异常时动作控制单元的上述目标内部状态信息获得单元具有从上述内部状态模型和上述弹性体致动器的内部状态的信息推定上述弹性体致动器的输出的输出推定部、和从由上述输出推定部推定的上述弹性体致动器的输出和由上述第二目标输出单元输出的上述输出的目标值算出目标内部状态信息的第二目标内部状态信息算出单元，根据利用由上述输出推定部推定的上述弹性体致动器的输出算出的上述目标内部状态的信息，进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作，由此按照上述弹性体致动器继续动作的方式进行控制。根据本发明的第四实施方式，在第一实施方式记载的控制装置的基础上，其中，上述异常判断单元，将来自上述输出测量单元的输出和来自对上述弹性体致动器的内部状态进行测量的内部状态测量单元的内部状态的关系的信息、与上述输出测量单元为正常时的内部状态模型的上述弹性体致动器的输出和上述弹性体致动器的内部状态的关系的信息加以比较，判断上述输出测量单元是否异常。根据本发明的第五实施方式，在第一 四中任意一种实施方式记载的弹性体致动器驱动机构的控制装置的基础上，其中，进而，上述异常时动作控制单元内的上述第二目标输出单元和上述正常时动作控制单元内的上述第一目标输出单元，输出上述弹性体致动器的不同输出的目标值，在上述异常时动作控制单元进行动作时，按照上述弹性体致动器动作到安全的位置之后动作停止的方式由上述异常时动作控制单元进行控制。根据本发明的第六实施方式，在第一 五中任意一种实施方式记载的弹性体致动器驱动机构的控制装置的基础上，其中，上述弹性体致动器是流体压力致动器。根据本发明的第七实施方式，提供一种弹性体致动器驱动机构的控制方法，其中，由异常判断单元来判断对弹性体致动器的输出进行测量的输出测量单元是否异常，在由上述异常判断单元判断为上述输出测量单元正常时，利用来自上述输出测量单元的输出，由正常时动作控制单元进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作，另一方面，在由上述异常判断单元判断为上述输出测量单元异常时，利用内部状态模型，由异常时动作控制单元进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作，并且，在上述异常判断单元判断上述输出测量单元为正常时，通过控制单元使上述正常时动作控制单元进行动作，另一方面，在上述异常判断单元判断上述输出测量单元为异常时，通过上述控制单元从上述正常时动作控制单元向上述异常时动作控制单元切换而使上述异常时动作控制单元进行动作，在上述正常时动作控制单元进行动作时，由第一目标输出单元输出上述弹性体致动器的输出的目标值，利用上述目标输出单元的输出和来自上述输出测量单元的输出，由转矩控制单元算出目标关节转矩，根据由上述转矩控制单元算出的上述目标关节转矩，进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作，另一方面，进而，在上述异常时动作控制单元进行动作时，由第二目标输出单元输出上述弹性体致动器的输出的目标值，利用由上述第二目标输出单元输出的上述输出的目标值和上述内部状态模型，由目标内部状态信息获得单元获得上述弹性体致动器的目标内部状态信息，不使用上述弹性体致动器的输出的测量结果，根据由上述目标内部状态信息获得单元获得的上述目标内部状态信息，进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作，由此按照上述弹性体致动器继续动作的方式进行控制。根据本发明的第八实施方式，提供一种弹性体致动器驱动机构的控制程序，其用于使计算机实现如下的功能由异常判断单元来判断对弹性体致动器的输出进行测量的输出测量单元是否异常的功能，在由上述异常判断单元判断为上述输出测量单元正常时，利用来自上述输出测量单元的输出，由正常时动作控制单元进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作的功能，在由上述异常判断单元判断为上述输出测量单元异常时，利用内部状态模型，由异常时动作控制单元进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作的功能，和在上述异常判断单元判断上述输出测量单元为正常时，通过控制单元使上述正常时动作控制单元进行动作，另一方面，在上述异常判断单元判断上述输出测量单元为异常时，通过上述控制单元从上述正常时动作控制单元向上述异常时动作控制单元切换而使上述异常时动作控制单元进行动作的功能；在上述正常时动作控制单元进行动作时，由第一目标输出单元输出上述弹性体致动器的输出的目标值的功能，和利用上述目标输出单元的输出和来自上述输出测量单元的输出，由转矩控制单元算出目标关节转矩，根据由上述转矩控制单元算出的上述目标关节转矩，进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作的功能；另一方面，进而，在上述异常时动作控制单元进行动作时，由第二目标输出单元输出上述弹性体致动器的输出的目标值的功能，利用由上述第二目标输出单元输出的上述输出的目标值和上述内部状态模型，由目标内部状态信息获得单元获得上述弹性体致动器的目标内部状态信息，不使用上述弹性体致动器的输出的测量结果，根据由上述目标内部状态信息获得单元获得的上述目标内部状态信息，进行上述弹性体致动器驱动机构的控制动作，由此按照上述弹性体致动器继续动作的方式进行控制的功能。以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
(第一实施方式)对第一实施方式的弹性体致动器驱动机构10的控制装置30的具体构成的一例进行说明。图1是表示本发明的第一实施方式涉及的弹性体致动器驱动机构10的构成的图。弹性体致动器驱动机构10是2自由度的机器人手臂，具有在含有正交的X轴和y轴的xy平面内正反旋转的第一关节轴6-1、和同样在xy平面内正反旋转的第二关节轴6-2。在图1中，l-la、l-lb、l-2a、l_2b (它们是与单个的弹性膨胀收缩构造体(弹性体致动器或流体压力致动器的一例)对应的参照符号，在代表性地指示弹性膨胀收缩构造体时用参照符号I表示。)是弹性膨胀收缩构造体。第一关节轴6-1和第二关节轴6-2，分别是指弹性体致动器驱动机构(在本实施方式中为弹性膨胀收缩构造体驱动机构)10的第一关节和第二关节的旋转轴。如图2所示，关于弹性膨胀收缩构造体1，是在由橡胶材料构成且作为驱动部发挥功能的管状的中空弹性体2的外表面，配设由在材料上难以伸展的树脂或金属的纤维线材编织成网状的变形方向限制构件3。关于变形方向限制构件3，构成为管状弹性体2的膨胀导致的半径方向的变形被变换成与半径方向正交的轴方向的长度的收缩，另一方面，管状弹性体2的收缩导致的半径方向的变形被变换成轴方向的长度的膨胀。管状弹性体2的两端部由密封构件4分别加以气密密封。弹性膨胀收缩构造体I的一个端部的密封构件4所具备的管状的流体通过构件5，内部具有压缩性流体通过的流体的流路，可以通过流体通过构件5，相对于中空弹性体2的中空内部进行流体的注入或者注出。通过流体通过构件5，空气等压缩性流体被提供给中空的管状弹性体2。需要说明的是，流体通过构件5可以分别位于弹性膨胀收缩构造体I的密封构件4的两个端部。利用被供给的压缩性流体向管状弹性体2的内部空间施加内压时，管状弹性体2主要在半径方向上膨胀。但是，通过变形方向限制构件3的作用，被变换成管状弹性体2的中心轴方向的运动，总长收缩，因此可以用作直动驱动的弹性体致动器。返回到图1，弹性体致动器驱动机构10按照使关节轴6-1或6-2与支点对置的方式配设I组弹性膨胀收缩构造体I。I组弹性膨胀收缩构造体I中的任意一方弹性膨胀收缩构造体I进行收缩，另一方的弹性膨胀收缩构造体I进行伸展。此外，借助支点(关节轴
6-1或6-2)而力发挥作用，成为关节轴6-1或6-2的轴旋转的拮抗型驱动构造，可以实现在关节轴6-1或6-2的正反旋转运动。具体而言，通过弹性膨胀收缩构造体1-1a和弹性膨胀收缩构造体1-1b的拮抗驱动，第一关节轴6-1进行正反旋转驱动。通过弹性膨胀收缩构造体l-2a和弹性膨胀收缩构造体l_2b的拮抗驱动，第二关节轴6-2进行正反旋转驱动。下端固定于固定面14的棒状的支承构件16的上端，以自由旋转的方式支承有能与第一关节轴6-1同心旋转的作为一例的圆板型的支承体19。在支承构件16的下端部的固定面14侧，固定有与支承构件16的长度方向正交延伸的棒状支承体18。在支承体19和支承体18之间，弹性膨胀收缩构造体1-1a以及1-1b各自的端部以自由旋转的方式连结。由此，通过弹性膨胀收缩构造体1-1a以及1-1b的拮抗驱动，支承体19绕第一关节轴6-1的支承轴21在xy面内正反旋转。其结果，能够使与支承体19 (在图3中示作矩形板状构件。)连结的弹性体致动器驱动机构10的前臂支承构件17进行正反旋转。前臂117的支承构件17，基端固定于支承体19(图3中示出)，可以与支承体19一体旋转。另外，支承构件17的顶端侧，连结成按照与支承构件17的长度方向正交地延伸的方式固定的棒状的支承体20的中心可以绕第二关节轴6-2的轴芯旋转。在连接有支承构件17的一端的支承体19和顶端侧的支承体20之间，弹性膨胀收缩构造体l_2a以及l_2b各自的端部以自由旋转的方式连结。由此，通过弹性膨胀收缩构造体l_2a以及l-2b的拮抗驱动，支承体20绕第二关节轴6-2的支承轴22在xy面内进行正反旋转。其结果，可以使与支承体20连结的握持物体用的手部12相对地正反旋转。在手部12安装有手部开闭用的马达13，通过使该马达13进行动作来闭合手部12，从而可以握持搬运物体11。以下将该手部12的位置以及姿势作为手指位置以及姿势进行说明。压力传感器9-la、9_lb是对弹性膨胀收缩构造体l-la、l_lb各自的内部状态(作为一例是内部压力)进行测量的内部状态测量单元的一例。压力传感器9-la、9_lb配设于弹性膨胀收缩构造体1-la、1-1b各自的流体通过构件5 (流体注入注出口)，对各弹性膨胀收缩构造体l-la、l-lb内的压力进行测量。同样地，在弹性膨胀收缩构造体l-2a、l-2b上也配设有作为内部状态测量单元的一例的压力传感器9-2a、9-2b。在弹性膨胀收缩构造体1-1a以及Ι-lb、弹性膨胀收缩构造体l_2a以及l_2b上，如后述那样分别连接有三端口(port)流量比例电磁阀27(27A、27B)。所有的流量比例电磁阀27与由一般的个人电脑以及输入输出IF29构成的控制计算机28连接。控制计算机28，借助流量比例电磁阀27，分别独立地对弹性膨胀收缩构造体1-1a以及Ι-lb、弹性膨胀收缩构造体l-2a以及l-2b各自的收缩以及伸展动作进行控制。另外，在各关节轴6-1、6-2配设作为输出测量单元的一例的位移测量单元(在本第一实施方式中是作为一例的编码器8)，可以通过各编码器8对各关节轴6-1、6-2的关节角度进行测定。在各弹性膨胀收缩构造体I配设作为内部状态测量单元的一例的压力测量单元(在本第一实施方式中是作为一例的压力传感器9 (9-la、9-lb、9-2a、9-2b))，可以通过压力传感器9对各弹性膨胀收缩构造体I的内部压力进行测定。只要为如上之类的构造，可以产生多自由度且实现物体的握持以及搬运等作为弹性体致动器驱动机构10的基本功能。图3是表示用于驱动本发明的第一实施方式涉及的弹性体致动器驱动机构10的气压供给系统的构成的图。在图3中，仅记载对弹性体致动器驱动机构10的第二关节轴6-2进行正反旋转驱动的部分，省略其他的部分。对弹性体致动器驱动机构10的第一关节轴6-1进行正反旋转驱动的部分也是相同构造，发挥相同作用。在图3中，25是例如压缩机等气压源，26是对气压源25的气压进行调节而输出的气压调节组件。作为流量比例电磁阀的一例的4个三端口流量控制电磁阀27，通过以电磁铁的力驱动滑阀等来进行流量控制。控制计算机28，搭载D/A板等输入输出IF29，向4个三端口流量控制电磁阀27分别输出电压指令值，由此可以独立地控制流过各个流体通过构件5的各空气的流量。接着，对图3所示的气压供给系统的动作进行说明。由气压源25生成的高压空气被气压调节组件26减压，例如，调节成所谓600[kPa]的恒定压力，提供给三端口流量控制电磁阀27。三端口流量控制电磁阀27的开度，通过控制计算机28控制成与经由输入输出IF29输出的电压指令值成比例。在从控制计算机28向与弹性膨胀收缩构造体l_2a连接的三端口流量控制电磁阀27A输入正的电压指令值的情况下，从气压源25侧向弹性膨胀收缩构造体l-2a侧的流路开通，流量与电压指令值的绝对值成比例的空气被提供给弹性膨胀收缩构造体l_2a侧。同时，如果向与弹性膨胀收缩构造体l_2b连接的三端口流量控制电磁阀27B输入负的电压指令值，就弹性膨胀收缩构造体l_2b侧而言，向大气压侧的流路开通，流量与电压指令值的绝对值成比例的空气流从弹性膨胀收缩构造体l_2b侧被排向大气中。因此，如图2所示，弹性膨胀收缩构造体l_2a(与图2的下侧的弹性膨胀收缩构造体对应。)的总长收缩，弹性膨胀收缩构造体l_2b(与图2的上侧的弹性膨胀收缩构造体对应。)总长伸展，第二关节轴6-2以与电压指令值的绝对值成比例的速度进行右旋转运动。另一方面，在从控制计算机28向与弹性膨胀收缩构造体l_2a连接的三端口流量控制电磁阀27A输入负的电压指令值，向与弹性膨胀收缩构造体l_2b连接的三端口流量控制电磁阀27B输入正的电压指令值的情况下，弹性膨胀收缩构造体l-2a、l-2b的动作相反(即，弹性膨胀收缩构造体l_2a总长伸展，弹性膨胀收缩构造体l_2b的总长收缩)，而第二关节轴6-2进行左旋转运动。S卩，从三端口流量控制电磁阀27向弹性膨胀收缩构造体I侧供给的空气流，利用流体通过构件5通过密封构件4，到达管状弹性体2的内部，产生管状弹性体2的内压。管状弹性体2因产生的内压而膨胀，但通过变形方向限制构件3的编织成网络状的纤维线材的约束作用(限制作用)，膨胀所致的半径方向的变形受到限制，变换成轴方向的长度的收缩，如图3的上侧(图2的下侧)所示，弹性膨胀收缩构造体I总长缩短。另一方面，如果将空气从三端口流量控制电磁阀27排到大气中，减小管状弹性体2的内压，因管状弹性体2的弹力而复原，膨胀被消除，弹性膨胀收缩构造体I的总长如图3的下侧(图2的上侧)所示进行伸展。其结果，在图2中，认为在右端被固定时，因为上述伸缩而在管状弹性体2的左端有距离d的差。因此，第一 实施方式中的弹性膨胀收缩构造体1，可以通过对气压进行供给控制而作为直动位移的致动器发挥功能。伸展以及缩短量与弹性膨胀收缩构造体I的内压大致成比例，所以如果用控制计算机28对三端口流量控制电磁阀27进行控制，以对向弹性膨胀收缩构造体I供给的空气流量进行控制，可以对弹性膨胀收缩构造体I的总长进行控制。如上所示，在图1所示的弹性体致动器驱动机构10中，为了弹性膨胀收缩构造体1-1a和1-1b进行拮抗驱动、以及弹性膨胀收缩构造体l_2a和l_2b进行拮抗驱动，对拮抗的一对弹性膨胀收缩构造体I的每个都配设三端口流量控制电磁阀27，构成与图3相同的气压供给系统。此外，通过利用控制计算机28经由输入输出IF29向各个三端口流量控制电磁阀27输出的电压指令值，使弹性体致动器驱动机构10的全部的关节轴6-1、6-2能同时独立地进行正反旋转驱动。图4是表示本发明的第一实施方式涉及的弹性体致动器驱动机构10的控制装置30的整体构成的图，上述控制装置30例如配置在上述控制计算机28内。控制装置30具有主控制部(控制部或控制单元的一例)31、正常时动作控制部(正常时动作控制单元)32和异常时动作控制部(异常时动作控制单元)33。正常时动作控制部32和异常时动作控制部33接受来自主控制部31的控制部动作指令信号而进行动作，排他性地进行动作(即，在一方的动作控制部进行动作时，另一方的动作控制部不进行动作)。主控制部31从正常时动作控制部32输入异常检测信号和握持物体信息。从异常时动作控制部33向主控制部31输入握持物体信息。另外，主控制部31分别向正常时动作控制部32和异常时动作控制部33输出内部状态模型和控制部动作指令信号。图5是表示主控制部31的具体构成的图。主控制部31具有内部状态模型数据库34、数据库选择输出部35、控制部切换指令输出部36、运转时间信息记录部37。在内部状态模型数据库34中，储存有与作为拮抗的I对弹性膨胀收缩构造体I的压力之差ΛΡ和对应的关节的角度q的关系的数据(内部状态模型)。所谓内部状态模型，是指在编码器8正常的情况下，弹性体致动器驱动机构10根据动作程序进行动作时的、以各自的时间计的每个点的弹性体致动器I的压力差ΛΡ以及作为关节角度q的关系的信息的基准信息。图6A以及图6B是表示在内部状态模型数据库34中存储的能够求出压力差ΛΡ和对应的关节的角度q的关系的数据的方程式的例子的图。在图6A以及图6B的例子中，曲线图所示的2次方程式存储在内部状态模型数据库34内。弹性膨胀收缩构造体I的压力差ΛΡ和对应的关节的角度q的关系因握持的物体的重量而变化或因时效变化(随时间变化)等而变化，所以将多个方程式存储在内部状态模型数据库34内。在本实施方式的例子中，依照握持物体的种类和经过时间而作成数据。图6A是未用弹性体致动器驱动机构10握持物体时的方程式的例子，是弹性体致动器驱动机构10的100小时动作前和100小时动作后的关系的例子。图6B是用弹性体致动器驱动机构10握持物体时的方程式的例子，是弹性体致动器驱动机构10的100小时动作前和100小时动作后的关系的例子。进而，将这样的方程式按各关节存储在内部状态模型数据库34内。返回图5，运转 时间信息记录部37对弹性体致动器驱动机构10的之前的运转时间进行记录，向数据库选择输出部35输出其结果。这里所说的“之前的运转时间”是指将开始驱动弹性体致动器驱动机构10之后的运转时间加以累积的时间。关于数据库选择输出部35，被输入后述的握持物体信息即是否在握持物体的信息、和作为运转时间信息记录部37的输出的运转时间，根据选择所必需的信息选择内部状态模型数据库34内的合适的数据，将所选择的结果作为内部状态模型向正常时动作控制部32或异常时动作控制部33中正在运转的一方输出。例如，在被输入握持物体信息而在握持物体的状况且被输入的运转时间是50小时的情况下，输出由图6A中的“ ”(黑菱形)的点表示的方程式。另外，如果运转时间为150小时，则输出由图6A的图中的“■”(黑四边形)的点表示的方程式。关于控制部切换指令输出部36，被输入正常时动作控制部32的异常检测信号，将输出控制部动作指令的对象从正常时动作控制部32切换成异常时动作控制部33。关于异常检测信号，在后述的正常时动作控制部32检测到输出检测部的异常时从正常时动作控制部32向主控制部31输出。就控制部切换指令输出部36的实际的动作步骤而言，根据图7的流程图进行说明。在步骤S21中，控制部切换指令输出部36向正常时动作控制部32输出控制部动作指令。即，在弹性体致动器驱动机构10的起动后，开始由正常时动作控制部32进行作为控制装置30 (换言之，控制计算机28)的控制动作。接着，在步骤S22中，由主控制部31进行异常检测信号是否从正常时动作控制部32向主控制部31输出的确认。以下，对在步骤S22中由主控制部31已判断异常检测信号未从正常时动作控制部32向主控制部31输出时进行说明。此时，从步骤S22返回到步骤S21，从主控制部31向正常时动作控制部32输出控制部动作指令。通过反复进行以上的步骤S21 S22，正常时动作控制部32未检测到输出测量单元的异常时，控制部切换指令输出部36向正常时动作控制部32继续输出控制部动作指令，正常时动作控制部32继续进行动作。以下，对在步骤S22中由主控制部31判断异常检测信号从正常时动作控制部32向主控制部31输出时进行说明。此时，从步骤S22进入步骤S23。在步骤S23中，从主控制部31向异常时动作控制部33输出控制部动作指令。进而，一旦发生了步骤S23，反复进行步骤S23直至弹性体致动器驱动机构10的动作结束。在反复进行以上的步骤而由主控制部31判断为正常时动作控制部32检测到输出测量单元的异常时，控制部切换指令输出部36向异常时动作控制部33继续输出控制部动作指令，异常时动作控制部33继续进行动作。图8是表示本发明的第一实施方式涉及的正常时动作控制部32的具体构成的图。正常时动作控制部32具有目标轨道生成单元(第一目标输出单元的一例)40、输出误差计算部41、角度误差补偿单元42、目标角加速度计算单元43、矫正目标角加速度计算部44、正常时转矩控制单元45A、压力误差计算部46、压力误差补偿单元47、握持物体信号输出单元48、和异常判断单元49。不过，在图8中，驱动装置50是图1中的流量比例电磁阀27 (27A、27B)以及输入输出IF29，10是作为弹性体致动器驱动机构的控制装置21的控制对象的图1所示的弹性体致动器驱动机构10。从弹性体致动器驱动机构10输出各关节轴6-1、6-2的由各编码器8测量的作为测量值的一例的关节角的当前值(关节角度矢量)q= [q1；q2]τ、和各弹性膨胀收缩构造体i的由压力传感器9测量的作为内部状态测量值的一例的弹性膨胀收缩构造体I的内压P = [Pla、Plb、P2a、PJt0不过，Q1 > Q2分别是由编码器8测量的第一关节轴6-1、第二关节轴6-2的关节角度。另外，Pla, Plb, P2a, P2b分别是由压力传感器9(9-la、9-lb、9-2a、9-2b)测量的弹性膨胀收缩构造体l_la、l_lb、l_2a、l_2b的内压。手部用马达13是进行手部12开闭的马达，接受握持物体信号的输入(握持物体信号的输出0N)，闭合手部12而进行物体的握持，另一方面，接受不输出握持物体信号(握持物体信号的输出OFF)，打开手部12而进行物体的握持解除。关于目标轨道生成单元40，向输出误差计算部41、目标角加速度计算单元43、握持物体信号输出单元48输出用于实现成为目标的弹性体致动器驱动机构10的动作的目标关节角度矢量(输出的目标值的一例)qd。在目标轨道生成单元40内，预先存储弹性体致动器驱动机构10的动作程序。成为目标的弹性体致动器驱动机构10的动作，根据目的作业事先存储有以各自的时间(t = O、t = tp t = t2、…)计的每个点的目标角度矢量qdt=[qdtl，qdt2]T(qdt =。、Qdt = 1> Qdt = 2>…)。此外，目标轨道生成单元40,根据以各自的时间(t = 0、t = tpt = t2、…)计的每个点的角度(qdt = C^qdt = Pqdt = 2、…)的信息，使用多项式插值，对各点间的轨道进行插值，生成目标关节角度矢量qd = [qdl，qd2]T。输出误差计算部41，被输入从目标轨道生成单元40输出的目标关节角度矢量qd和编码器8的输出q，计算角度误差矢量qe = qd_q，作为输出误差的一例而输出角度误差矢量qe。角度误差补偿单元42，被输入由输出误差计算部41输出的角度误差矢量qe，作为控制指令值的一例而向矫正目标角加速度计算部44输出角度误差矫正指令值ΛΡ<目标角加速度计算单元43，被输入由目标轨道生成单元40输出的目标关节角度矢量qd，目标角加速度(下述[数I])通过计算而被求出，向矫正目标角加速度计算部44输出。[数I]
权利要求
1.ー种弾性体致动器驱动机构的控制装置，其中，具有 异常判断単元，其判断对弾性体致动器的输出进行测量的输出测量単元是否异常， 正常时动作控制单元，其在由所述异常判断単元判断为所述输出测量単元正常时，利用来自所述输出测量単元的输出，进行所述弾性体致动器驱动机构的控制动作， 异常时动作控制単元，其在由所述异常判断単元判断为所述输出测量単元异常时，利用内部状态模型，进行所述弾性体致动器驱动机构的控制动作，和 控制部，其一方面，在所述异常判断単元判断所述输出測量单元为正常时使所述正常时动作控制单元进行动作，另ー方面，在所述异常判断単元判断所述输出测量单元为异常时从所述正常时动作控制单元向所述异常时动作控制单元切换而使所述异常时动作控制单元进行动作； 所述正常时动作控制单元具有 输出所述弾性体致动器输出的目标值的第一目标输出単元、和利用所述目标输出单元的输出和来自所述输出测量単元的输出算出目标关节转矩的转矩控制単元， 所述正常时动作控制单元，根据由所述转矩控制单元算出的所述目标关节转矩，进行所述弾性体致动器驱动机构的控制动作； 并且，所述异常时动作控制单元具有 输出所述弾性体致动器输出的目标值的第二目标输出単元、和利用由所述第二目标输出单元输出的所述输出的目标值和所述内部状态模型获得所述弾性体致动器的目标内部状态信息的目标内部状态信息获得单元， 所述异常时动作控制单元，不使用所述弾性体致动器输出的測量結果，根据由所述目标内部状态信息获得单元获得的所述目标内部状态信息，进行所述弾性体致动器驱动机构的控制动作，由此控制所述弾性体致动器继续动作。
2.如权利要求1所述的控制装置，其中， 所述异常时动作控制单元的所述目标内部状态信息获得单元具有利用由所述第二目标输出单元输出的所述输出的目标值和所述内部状态模型，算出目标内部状态信息的第一目标内部状态算出単元，根据由所述目标内部状态算出単元算出的所述目标内部状态信息进行所述弾性体致动器驱动机构的控制动作，由此控制所述弾性体致动器继续动作。
3.如权利要求1所述的控制装置，其中， 所述异常时动作控制单元的所述目标内部状态信息获得单元具有 从所述内部状态模型和所述弾性体致动器的内部状态信息推定所述弾性体致动器的输出的输出推定部、和 从由所述输出推定部推定的所述弾性体致动器的输出和由所述第二目标输出单元输出的所述输出的目标值算出目标内部状态信息的第二目标内部状态信息算出単元， 根据利用由所述输出推定部推定的所述弾性体致动器的输出算出的所述目标内部状态信息，进行所述弾性体致动器驱动机构的控制动作，由此控制所述弾性体致动器继续动作。
4.如权利要求1所述的控制装置，其中， 所述异常判断単元，将来自所述输出测量単元的输出和来自对所述弾性体致动器的内部状态进行测量的内部状态测量単元的内部状态的关系的信息、与所述输出測量单元为正常时的内部状态模型的所述弾性体致动器的输出和所述弾性体致动器的内部状态的关系的信息加以比较，判断所述输出测量单元是否异常。
5.如权利要求1 4中任意一项所述的弾性体致动器驱动机构的控制装置，其中， 并且，所述异常时动作控制单元内的所述第二目标输出単元和所述正常时动作控制单元内的所述第一目标输出単元，输出所述弾性体致动器的不同输出的目标值，在所述异常时动作控制单元进行动作时，由所述异常时动作控制单元控制成所述弾性体致动器动作到安全的位置之后动作停止。
6.如权利要求1 4中任意一项所述的弾性体致动器驱动机构的控制装置，其中， 所述弾性体致动器是流体压カ致动器。
7.—种弾性体致动器驱动机构的控制方法，其中， 由异常判断单元来判断对弾性体致动器的输出进行测量的输出测量単元是否异常，一方面，在由所述异常判断単元判断为所述输出测量単元正常吋，利用来自所述输出测量单元的输出，由正常时动作控制单元进行所述弹性体致动器驱动机构的控制动作， 另ー方面，在由所述异常判断単元判断为所述输出测量単元异常时，利用内部状态模型，由异常时动作控制单元进行所述弾性体致动器驱动机构的控制动作， 并且，一方面，在所述异常判断単元判断所述输出測量单元为正常吋，通过控制部使所述正常时动作控制单元进行动作，另ー方面，在所述异常判断単元判断所述输出测量单元为异常时，通过所述控制部从所述正常时动作控制单元向所述异常时动作控制单元切换而使所述异常时动作控制单元进行动作， 一方面，在所述正常时动作控制单元进行动作吋， 由第一目标输出单元输出所述弾性体致动器输出的目标值， 利用所述目标输出单元的输出和来自所述输出测量単元的输出，由转矩控制単元算出目标关节转矩，根据由所述转矩控制单元算出的所述目标关节转矩，进行所述弾性体致动器驱动机构的控制动作， 另ー方面，在所述异常时动作控制单元进行动作吋， 由第二目标输出单元输出所述弾性体致动器输出的目标值， 利用由所述第二目标输出单元输出的所述输出的目标值和所述内部状态模型，由目标内部状态信息获得单元获得所述弾性体致动器的目标内部状态信息，不使用所述弾性体致动器输出的測量结果，根据由所述目标内部状态信息获得单元获得的所述目标内部状态信息，进行所述弾性体致动器驱动机构的控制动作，由此控制所述弾性体致动器继续动作。
8.ー种弾性体致动器驱动机构的控制程序，其用于使计算机实现如下的功能 由异常判断单元来判断对弾性体致动器的输出进行测量的输出测量単元是否异常的功能， 在由所述异常判断単元判断为所述输出测量単元正常吋，利用来自所述输出测量単元的输出，由正常时动作控制单元进行所述弹性体致动器驱动机构的控制动作的功能， 在由所述异常判断単元判断为所述输出测量単元异常时，利用内部状态模型，由异常时动作控制单元进行所述弹性体致动器驱动机构的控制动作的功能，和 一方面，在所述异常判断単元判断所述输出測量单元为正常时，通过控制部使所述正常时动作控制单元进行动作，另ー方面，在所述异常判断単元判断所述输出测量单元为异常时，通过所述控制部从所述正常时动作控制单元向所述异常时动作控制单元切换而使所述异常时动作控制单元进行动作的功能； 一方面，在所述正常时动作控制单元进行动作吋， 由第一目标输出单元输出所述弾性体致动器输出的目标值的功能，和利用所述目标输出单元的输出和来自所述输出测量単元的输出，由转矩控制単元算出目标关节转矩，根据由所述转矩控制单元算出的所述目标关节转矩，进行所述弾性体致动器驱动机构的控制动作的功能； 另ー方面，在所述异常时动作控制单元进行动作吋， 由第 二目标输出单元输出所述弾性体致动器输出的目标值的功能， 利用由所述第二目标输出单元输出的所述输出的目标值和所述内部状态模型，由目标内部状态信息获得单元获得所述弾性体致动器的目标内部状态信息，不使用所述弾性体致动器的输出的測量结果，根据由所述目标内部状态信息获得单元获得的所述目标内部状态信息，进行所述弾性体致动器驱动机构的控制动作，由此控制所述弾性体致动器继续动作的功能。
全文摘要
一种弹性体致动器驱动机构的控制装置及控制方法、以及控制程序，具有判断输出测量机构(8)是否异常的异常判断机构(49)，通过判断输出测量机构的异常，而在输出测量机构异常时，不使用输出测量机构的测量结果，利用内部状态模型，按照能够实现输出的目标值的方式生成目标内部状态信息，对弹性体致动器(1)进行动作控制。
文档编号B25J19/00GK103038030SQ20118003658
公开日2013年4月10日 申请日期2011年12月6日 优先权日2010年12月17日
发明者小松真弓, 冈崎安直 申请人:松下电器产业株式会社