JPWO2017103986A1

JPWO2017103986A1 - マニピュレータシステムとその制御方法

Info

Publication number: JPWO2017103986A1
Application number: JP2017555896A
Authority: JP
Inventors: 享平栗原
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2015-12-15
Publication date: 2018-10-11
Also published as: WO2017103986A1; US20180290296A1

Abstract

温度変化に伴うパラメータ変化をより詳細に補償して、マニピュレータを精度よく動作させることを目的として、本発明に係るマニピュレータシステム（１）は、モータ（５）により駆動されるマニピュレータ（２）と、マニピュレータ（２）を動作させる操作部（３）と、操作部（３）に入力された操作入力に基づいてモータ（５）を制御する制御部（４）とを備え、マニピュレータ（２）が、モータ（５）の回転角度位置を検出する位置検出部（６）を備え、制御部（４）が、操作入力に応じてモータ（５）に供給する電流を検出する電流検出部（１０）と、操作入力に応じてモータ（５）に供給する電圧を検出する電圧検出部（１１）と、検出された回転角度位置、電流および電圧に基づいてモータ（５）の抵抗値および回転数定数を算出するパラメータ算出部（１２）とを備え、パラメータ算出部（１２）により算出された抵抗値および回転数定数を用いてモータ（５）を制御する。

Description

本発明は、マニピュレータシステムとその制御方法に関するものである。

モータに流れる電流を検出し、検出された電流値を回転速度に基づいて補正し、補正された電流値と電圧指令値とに基づいてモータのコイルの抵抗値を算出する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１４−１１８６１号公報

特許文献１の方法では、モータの使用による温度変化によって変化する抵抗値を求めているが、温度変化によって変化するパラメータは抵抗値のみではなく、抵抗値のみを更新しても、モータを精度よく制御することが困難である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、温度変化に伴うパラメータ変化をより詳細に補償して、マニピュレータを精度よく動作させることができるマニピュレータシステムとその制御方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、モータにより駆動される電動のマニピュレータと、該マニピュレータを動作させる操作入力を入力する操作部と、該操作部に入力された前記操作入力に基づいて前記モータを制御する制御部とを備え、前記マニピュレータが、前記モータの回転角度位置を検出する位置検出部を備え、前記制御部が、前記操作入力に応じて前記モータに供給する電流を検出する電流検出部と、前記操作入力に応じて前記モータに供給する電圧を検出する電圧検出部と、前記位置検出部により検出された回転角度位置、前記電流検出部により検出された電流および前記電圧検出部により検出された電圧に基づいて前記モータの抵抗値および回転数定数を算出するパラメータ算出部とを備え、該パラメータ算出部により算出された抵抗値および回転数定数を用いて前記モータを制御するマニピュレータシステムである。

本態様によれば、操作部が操作されることにより操作入力が入力されると、制御部が操作入力に基づいた電圧指令および電流指令を生成しモータに供給する。モータに供給される電流は電流検出部により検出され、電圧は電圧検出部により検出される。モータに電圧および電流が供給されてモータが駆動されると、マニピュレータに設けられた位置検出部によりモータの回転角度位置が検出される。制御部においては、パラメータ算出部により、検出された電流、電圧および回転角度位置に基づいてモータの抵抗値および回転数定数が算出される。そして、制御部は、算出された抵抗値および回転数定数を用いてモータを制御する。

すなわち、モータの駆動により温度変化が生ずるとモータの抵抗値のみならず回転数定数も変化する。したがって、抵抗値のみならず回転数定数も逐次算出し、算出された抵抗値および回転数定数を用いてモータを制御することにより、温度変化に伴うパラメータ変化をより詳細に補償して、マニピュレータを精度よく動作させることができる。

上記態様においては、前記モータが直流モータであり、前記パラメータ算出部が、前記操作部に入力される前記操作入力に変化がない場合に、前記電流検出部により検出された電流および前記電圧検出部により検出された電圧に基づいて前記モータの抵抗値を算出してもよい。
操作入力に変化がない場合には、マニピュレータは動作せず、モータは停止状態に維持される。モータの停止状態が継続すると発熱は冷却されていくので、抵抗値が変動していく。したがって、このようにすることで、モータが停止状態の場合にも供給する電流および電圧に基づいて抵抗値を算出し、次回にマニピュレータを動作させる操作入力が入力された際にマニピュレータを精度よく動作させることができる。

また、上記態様においては、前記モータがブラシ付直流モータであり、前記パラメータ算出部は、前記操作部に入力される前記操作入力に変化がない場合に、前記モータを微動させる前後において前記電流検出部により検出された電流および前記電圧検出部により検出された電圧に基づいて算出された２つの抵抗値の内、高い方の抵抗値を前記モータの抵抗値として出力してもよい。

このようにすることで、モータがブラシ付直流モータであって、ブラシとコミュテータとの位置関係に基づき２種類の抵抗値が検出される場合であっても、真の抵抗値をパラメータ算出部が出力するので、次回にマニピュレータを動作させる操作入力が入力された際にマニピュレータを精度よく動作させることができる。

また、本発明の他の態様は、マニピュレータを駆動するモータを操作入力に基づいて制御するマニピュレータシステムの制御方法であって、前記モータの回転角度位置を検出し、前記操作入力に応じて前記モータに供給する電流および電圧を検出し、検出された回転角度位置、電流および電圧に基づいて前記モータの抵抗値および回転数定数を算出し、算出された抵抗値および回転数定数を用いて前記モータを制御するマニピュレータシステムの制御方法である。

上記態様においては、入力される前記操作入力における変化の有無を判定し、前記操作入力に変化がない場合に、検出された電流および電圧に基づいて前記モータの抵抗値を算出してもよい。
また、上記態様においては、入力される前記操作入力における変化の有無を判定し、前記操作入力に変化がない場合に、前記モータを微動させ、微動の前後において検出された電流および電圧に基づいて２つの抵抗値を算出し、算出された２つの抵抗値の内、高い方の抵抗値を前記モータの抵抗値として出力してもよい。

本発明によれば、温度変化に伴うパラメータ変化をより詳細に補償して、マニピュレータを精度よく動作させることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るマニピュレータシステムを示す全体構成図である。図１のマニピュレータシステムの制御方法を説明するフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態に係るマニピュレータシステム１とその制御方法について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るマニピュレータシステム１は、図１に示されるように、体内に挿入されて患部を処置する医療用のマニピュレータ２と、操作者により操作される操作部３と、該操作部３において入力された操作入力に基づいてマニピュレータ２を制御する制御部４とを備えている。

マニピュレータ２は、モータ５により駆動される電動式のものであり、制御部４からの電圧指令に基づいてモータ５が回転させられることによって、所望の位置まで動作させられるようになっている。また、マニピュレータ２はモータ５の回転角度位置を検出するエンコーダ（位置検出部）６を備えている。
本実施形態においては、モータ５はブラシ付直流モータである。

操作部３は、操作者により操作されるハンドル（図示略）の移動量等の操作入力に応じてマニピュレータ２のモータ５の目標回転角度位置θｒｅｆを入力するようになっている。

制御部４は、操作部３において入力された目標回転角度位置θｒｅｆとエンコーダ６により検出されたモータ５の回転角度位置ｎとの差分に基づいて、目標電流指令Ｉｒｅｆを生成する位置・速度制御部７と、生成された目標電流指令Ｉｒｅｆに応じた電圧制御信号（ＰＷＭ制御信号）を出力する電流制御部８と、出力された電圧制御信号に応じてモータ５に入力する電圧指令Ｖｒｅｆを生成する電圧指令生成部９と、生成された電圧指令Ｖｒｅｆからモータ５に流れる電流Ｉを検出する電流検出部１０と、モータ５にかかる電圧Ｖを検出する電圧検出部１１とを備えている。

また、制御部４は、エンコーダ６により検出された回転角度位置ｎと、電流検出部１０により検出された電流Ｉと、電圧検出部１１により検出された電圧Ｖとに基づいてモータ５の抵抗値Ｒおよび回転数定数ｋｎを算出するパラメータ算出部１２と、該パラメータ算出部１２により算出された抵抗値Ｒおよび回転数定数ｋｎを記憶する記憶部１３とを備えている。

パラメータ算出部１２においては、図２に示されるように、操作部３において入力される目標回転角度位置に変化があるか否かが判定される（ステップＳ１）。目標回転角度位置に変化がない場合には、モータ５に、回転の発生しない程度の電圧を印加して、モータ５に供給される電流および電圧を検出するようになっている（ステップＳ２）。そして、このときに検出された電流および電圧から、下式により、モータ５の抵抗値Ｒ１を算出するようになっている（ステップＳ３）。

Ｖ＝Ｒ１・Ｉ
ここで、Ｖは電圧検出部１１により検出された電圧、Ｉは電流検出部１０により検出された電流である。

次に、マニピュレータ２が動作しない程度の角度（例えば、５°）だけ、モータ５を回転させるようになっている（ステップＳ４）。その後、再度、モータ５に、回転の発生しない程度の電圧を印加して、モータ５に供給される電流および電圧を検出する（ステップＳ５）。次いで、このときに検出された電流および電圧から、下式により、モータ５の抵抗値Ｒ２を算出するようになっている（ステップＳ６）。
Ｖ＝Ｒ２・Ｉ

そして、算出された抵抗値Ｒ１，Ｒ２を比較し（ステップＳ７）、いずれか高い方の抵抗値をモータ５の抵抗値Ｒとして出力し（ステップＳ８，Ｓ９）、記憶部１３に記憶し（ステップＳ１０）、フラグＮをリセットし（ステップＳ１１）、ステップＳ１に戻るようになっている。

パラメータ算出部１２において、操作部３に入力される目標回転角度位置に変化があるときには、フラグＮ＝０か否かが判定され（ステップＳ１２）、Ｎ＝０の場合には、モータ５に供給されている電流および電圧が検出され（ステップＳ１３）、記憶部１３から抵抗値Ｒが読み出され（ステップＳ１４）、下式によって回転数定数ｋｎが算出されるようになっている（ステップＳ１５）。
Ｖ＝（Ｒ＋ｎ／ｋｎ）・Ｉ
ここで、ｎはエンコーダ６により検出された回転角度位置である。

回転数定数ｋｎが算出された後には、算出された回転数定数ｋｎが記憶部１３に記憶され（ステップＳ１６）、フラグＮがＮ＝１に設定され（ステップＳ１７）、ステップＳ１に戻るようになっている。
ステップＳ１２においてフラグＮ＝１である場合には、モータ５に供給されている電流および電圧が検出され（ステップＳ１８）、記憶部１３から回転数定数ｋｎが読み出され（ステップＳ１９）、下式によってモータ５の抵抗値Ｒが算出されるようになっている（ステップＳ２０）。算出された抵抗値Ｒによって記憶部１３内の抵抗値Ｒが更新され（ステップＳ２１）、ステップＳ１に戻るようになっている。

このように構成された本実施形態に係るマニピュレータシステム１の制御方法について、以下に説明する。
本実施形態に係るマニピュレータシステム１の制御方法によれば、操作部３における操作者による操作入力に変化がない場合には、モータ５の抵抗値Ｒ１が算出され（ステップＳ３）、その後、モータ５が微動させられる（ステップＳ４）。さらに、その後、モータ５の抵抗値Ｒ２が算出され（ステップＳ５）、算出された抵抗値Ｒ１，Ｒ２の内の高い方が抵抗値Ｒとして記憶部１３に記憶される（ステップＳ９）。

これにより、ブラシとコミュテータとの位置関係によって、抵抗値が真値より低い値で検出される可能性のあるブラシ付直流モータであっても、より真値に近い抵抗値を算出することができて、モータ５を精度よく、すなわち、マニピュレータ２を精度よく動作させることができるという利点がある。

そして、操作部３における操作者による操作入力に変化がない場合にも、ステップＳ１からステップＳ１０の工程が繰り返されることにより、マニピュレータ２が停止状態に維持されてモータ５の温度が低下していく場合にも、抵抗値Ｒを逐次更新して、次にマニピュレータ２を作動させる際の抵抗値Ｒを精度よく検出しておくことができる。

さらに、マニピュレータ２の停止状態から最初に動作する際に、記憶部１３に記憶されていた最新の抵抗値Ｒを用いて回転数定数が算出されるので、回転数定数を精度よく更新することができる。そして、マニピュレータ２の動作中は、ステップＳ１５において算出された回転数定数を用いて抵抗値が算出されて更新されるので、常に最新の抵抗値および回転数定数を用いてモータ５の電流制御を行うことができる。

このように、本実施形態に係るマニピュレータシステム１とその制御方法によれば、温度変化によって変化するモータ５の抵抗値のみならず回転数定数ｋｎについても更新することができ、回転によって発生するインダクタンスについても精度よく補償して、マニピュレータ２を精度よく動作させることができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、モータ５としてブラシ付直流モータを例示した。これにより、ブラシとコミュテータとの相対位置関係によって２つの抵抗値を有することとなるため、適正な抵抗値を検出するステップＳ２からＳ９を採用した。モータ５がブラシレス直流モータ等の他のモータである場合には、上記工程は不要であり、一度に検出された電流Ｉおよび電圧Ｖから抵抗値Ｒを算出することにすればよい。

１マニピュレータシステム
２マニピュレータ
３操作部
４制御部
５モータ
６エンコーダ（位置検出部）
１０電流検出部
１１電圧検出部
１２パラメータ算出部

Claims

モータにより駆動される電動のマニピュレータと、
該マニピュレータを動作させる操作入力を入力する操作部と、
該操作部に入力された前記操作入力に基づいて前記モータを制御する制御部とを備え、
前記マニピュレータが、前記モータの回転角度位置を検出する位置検出部を備え、
前記制御部が、前記操作入力に応じて前記モータに供給する電流を検出する電流検出部と、前記操作入力に応じて前記モータに供給する電圧を検出する電圧検出部と、前記位置検出部により検出された回転角度位置、前記電流検出部により検出された電流および前記電圧検出部により検出された電圧に基づいて前記モータの抵抗値および回転数定数を算出するパラメータ算出部とを備え、該パラメータ算出部により算出された抵抗値および回転数定数を用いて前記モータを制御するマニピュレータシステム。
前記モータが直流モータであり、
前記パラメータ算出部が、前記操作部に入力される前記操作入力に変化がない場合に、前記電流検出部により検出された電流および前記電圧検出部により検出された電圧に基づいて前記モータの抵抗値を算出する請求項１に記載のマニピュレータシステム。
前記モータがブラシ付直流モータであり、
前記パラメータ算出部は、前記操作部に入力される前記操作入力に変化がない場合に、前記モータを微動させる前後において前記電流検出部により検出された電流および前記電圧検出部により検出された電圧に基づいて算出された２つの抵抗値の内、高い方の抵抗値を前記モータの抵抗値として出力する請求項２に記載のマニピュレータシステム。
マニピュレータを駆動するモータを操作入力に基づいて制御するマニピュレータシステムの制御方法であって、
前記モータの回転角度位置を検出し、
前記操作入力に応じて前記モータに供給する電流および電圧を検出し、
検出された回転角度位置、電流および電圧に基づいて前記モータの抵抗値および回転数定数を算出し、
算出された抵抗値および回転数定数を用いて前記モータを制御するマニピュレータシステムの制御方法。
入力される前記操作入力における変化の有無を判定し、
前記操作入力に変化がない場合に、検出された電流および電圧に基づいて前記モータの抵抗値を算出する請求項４に記載のマニピュレータシステムの制御方法。
入力される前記操作入力における変化の有無を判定し、
前記操作入力に変化がない場合に、前記モータを微動させ、微動の前後において検出された電流および電圧に基づいて２つの抵抗値を算出し、
算出された２つの抵抗値の内、高い方の抵抗値を前記モータの抵抗値として出力する請求項５に記載のマニピュレータシステムの制御方法。