(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと当該モータの出力回転を減速して負荷側に伝達する波動歯車減速機とを備えたアクチュエータにおける位置決め誤差補正方法であって、
前記波動歯車減速機は、環状の剛性内歯歯車と、当該剛性内歯歯車の歯数よりも２枚少ない歯数の環状の可撓性外歯歯車と波動発生器を備えており、当該波動発生器によって前記可撓性外歯歯車が楕円形に撓まされて、その楕円形長軸方向の両端に位置する外歯部分が剛性内歯歯車の対応する内歯部分に噛み合わされ、当該波動発生器が前記モータによって回転させられると、両歯車の噛み合い位置が円周方向に移動し、両歯車の歯数差に応じた相対回転が当該両歯車に発生するものであり、
アクチュエータ出力軸の絶対位置に対応する位置決め誤差を測定して、前記モータの回転軸の回転位置に対する誤差補正データを作成し、
前記モータの回転軸の回転位置を検出し、
前記誤差補正データにおける、検出された回転位置情報に対して割り当てられている誤差補正値を当該回転位置情報に加算して、回転位置補正情報を作成し、
作成された前記回転位置補正情報を、前記アクチュエータ出力軸を位置決め制御するための位置フィードバック情報として使用し、
前記波動歯車減速機の速比をＲとすると、前記誤差補正データは、前記波動歯車減速機の角度伝達誤差に含まれている、前記アクチュエータ出力軸の１回転当たり、当該１回転に要する時間の１／（Ｒ＋１）の周期で繰り返し現れる前記可撓性外歯歯車に起因する誤差成分を補正するためのデータであることを特徴とするアクチュエータの位置決め誤差補正方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記位置決め誤差を、前記アクチュエータ出力軸の少なくとも１／（Ｒ＋１）回転分測定し、前記誤差補正データを作成することを特徴とするアクチュエータの位置決め誤差補正方法。
【請求項３】
請求項２において、
前記誤差補正データには、前記波動歯車減速機の角度伝達誤差に含まれている、前記アクチュエータ出力軸の１回転当たり、当該１回転に要する時間の１／Ｒの周期で繰り返し現れる前記剛性内歯歯車に起因する誤差成分を補正するためのデータも含まれており、
前記位置決め誤差を、前記アクチュエータ出力軸の少なくとも一回転分測定し、測定した誤差データを平均して、前記モータ回転軸の各回転位置に対する前記１／（Ｒ＋１）の周期で現れる誤差成分を補正するための誤差補正値を表わす誤差補正データと、前記モータ回転軸の各回転位置に対する前記１／Ｒの周期で現れる誤差成分を補正するための誤差補正値を表わす誤差補正データとを作成することを特徴とするアクチュエータの位置決め誤差補正方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のうちのいずれかの項に記載の方法により位置決め誤差を補正するアクチュエータの駆動制御装置であって、
前記誤差補正データが記憶されている誤差補正データ記憶部と、
前記出力軸の絶対位置を検出するための出力軸原点センサと、
前記モータ回転軸の回転位置を検出する位置検出器と、
前記出力軸原点センサおよび前記位置検出器から供給される回転位置情報と前記誤差補正データに基づき、前記回転位置補正情報を作成する回転位置補正情報作成部と、
作成された前記回転位置補正情報を位置フィードバック情報として、前記アクチュエータを位置指令情報によって示される目標位置となるようにフィードバック制御するフィードバック制御部とを有していることを特徴とするアクチュエータの駆動制御装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記誤差補正データは、前記位置検出器に記憶保持されており、
電源投入後に、この位置検出器から前記誤差補正データ記憶部にダウンロードされることを特徴とするアクチュエータの駆動制御装置。
【請求項６】
請求項４または５において、
前記誤差補正データは、前記アクチュエータ出力軸が１／（Ｒ＋１）回転する間における前記モータ回転軸の各回転位置における誤差補正情報としての補正パルスのデータ列、あるいは、当該誤差補正情報を表わす近似式の係数列であることを特徴とするアクチュエータの駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波動歯車減速機を備えたアクチュエータの位置決め誤差補正方法、および当該補正方法により位置決め動作を行なうアクチュエータの駆動制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アクチュエータとしては、モータ出力回転を波動歯車減速機で減速して負荷側の部材を目標位置に移動させる構成のものが知られている。波動歯車減速機は、環状の剛性内歯歯車と環状の可撓性外歯歯車と波動発生器とを備えている。
【０００３】
典型的な構成では、波動発生器によって可撓性外歯歯車が楕円形に撓まされて、楕円形長軸方向の両端に位置する外歯部分が剛性内歯歯車の対応する内歯部分に噛み合わされ、この波動発生器がモータによって回転させられると、両歯車の噛み合い位置が円周方向に移動し、両歯車の歯数差（２ｎ枚、ｎ＝１、２、３・・・）に応じた相対回転が当該両歯車に発生する。一般に、両歯車の歯数差は２枚であり、剛性内歯歯車が固定され、可撓性外歯歯車が減速回転出力要素として回転し、当該可撓性外歯歯車に連結されている負荷側の部材が低速で回転駆動される。この場合の減速比ｉは、ｉ＝１／Ｒ＝（Ｚｃ−Ｚｆ）／Ｚｆである。ここで、Ｒは速比であり、Ｚｆは可撓性外歯歯車の歯数、Ｚｃは剛性内歯歯車の歯数である。例えば、Ｚｆ＝１００、Ｚｃ＝１０２の場合、減速比ｉは１／５０であり、モータ回転方向に対して出力回転が逆向きになる。
【０００４】
この構成のアクチュエータの駆動制御装置は、一般的にはフィードバック制御によりアクチュエータの位置決め制御を行なっている。
【０００５】
【発明が解決しようする課題】
しかしながら、波動歯車減速機には角度伝達誤差があり、この誤差によってアクチュエータ出力軸（波動歯車減速機の出力軸）による実際の位置決め位置と、目標とする位置決め位置との間に誤差が発生する。この誤差を補償できれば、波動歯車減速機を備えたアクチュエータの位置決め精度を向上できる。
【０００６】
ここで、両歯車の歯数差が２枚の波動歯車減速機を用いた場合における位置決め誤差成分は、当該波動歯車減速機の速比をＲとすると、出力軸１回転につき、
（１）当該１回転に要する時間の１／Ｒの周期で現れる誤差成分
（２）当該１回転に要する時間の１／（Ｒ＋１）の周期で現れる誤差成分
（３）それ以外の誤差成分
に分けることができる。周期１／Ｒの誤差成分は剛性内歯歯車に起因するものであり、周期１／（Ｒ＋１）の誤差成分は可撓性外歯歯車に起因するものである。
【０００７】
本発明の課題は、波動歯車減速機を備えたアクチュエータの駆動制御装置において、その位置制御のフィードバック制御ループに、波動歯車減速機の角度伝達誤差に起因する上記の（２）の周期１／（Ｒ＋１）の位置決め誤差を補正するための位置補正機能を付加することにより、当該駆動制御装置の位置決め精度を改善することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、
モータと当該モータの出力回転を減速して負荷側に伝達する波動歯車減速機とを備えたアクチュエータにおける位置決め誤差補正方法であって、
前記波動歯車減速機は、環状の剛性内歯歯車と、当該剛性内歯歯車の歯数よりも２枚少ない歯数の環状の可撓性外歯歯車と波動発生器を備えており、当該波動発生器によって前記可撓性外歯歯車が楕円形に撓まされて、その楕円形長軸方向の両端に位置する外歯部分が剛性内歯歯車の対応する内歯部分に噛み合わされ、当該波動発生器が前記モータによって回転させられると、両歯車の噛み合い位置が円周方向に移動し、両歯車の歯数差に応じた相対回転が当該両歯車に発生するものであり、
アクチュエータ出力軸の絶対位置に対応する位置決め誤差を測定して、前記モータの回転軸の回転位置に対する誤差補正データを作成し、
前記モータ回転軸の回転位置を検出し、
前記誤差補正データにおける、検出された回転位置情報に対して割り当てられている誤差補正値を当該回転位置情報に加算して、回転位置補正情報を作成し、
作成された前記回転位置補正情報を、前記アクチュエータ出力軸を位置決め制御するための位置フィードバック情報として使用し、
前記波動歯車減速機の速比をＲとすると、前記誤差補正データは、前記波動歯車減速機の角度伝達誤差に含まれている、前記アクチュエータ出力軸が１回転するために要する時間の１／（Ｒ＋１）の周期で繰り返し現れる前記可撓性外歯歯車に起因する誤差成分を補正するためのデータであることを特徴としている。
【０００９】
ここで、前記位置決め誤差を、前記出力軸の少なくとも１／（Ｒ＋１）回転分測定し、前記誤差補正データを作成しておけばよい。
【００１０】
本発明において、
前記誤差補正データには、前記波動歯車減速機の角度伝達誤差に含まれている、前記アクチュエータ出力軸が１回転するために要する時間の１／Ｒの周期で繰り返し現れる前記剛性内歯歯車に起因する誤差成分を補正するためのデータも含まれており、
前記位置決め誤差を、前記アクチュエータ出力軸の少なくとも一回転分測定し、測定した誤差データを平均して、前記モータ回転軸の各回転位置に対する前記１／（Ｒ＋１）の周期で現れる誤差成分を補正するための誤差補正値を表わす誤差補正データと、前記モータ回転軸の各回転位置に対する前記１／Ｒの周期で現れる誤差成分を補正するための誤差補正値を表わす誤差補正データとを作成することを特徴としている。
【００１１】
次に、本発明は、上記の方法により位置決め誤差を補正するアクチュエータの駆動制御装置であって：
前記誤差補正データが記憶されている誤差補正データ記憶部と；
前記出力軸の絶対位置を検出するための出力軸原点センサと；
前記モータ回転軸の回転位置を検出する位置検出器と；
前記出力軸原点センサおよび前記位置検出器から供給される回転位置情報と前記誤差補正データに基づき、前記回転位置補正情報を作成する回転位置補正情報作成部と；
作成された前記回転位置補正情報を位置フィードバック情報として、前記アクチュエータを位置指令情報によって示される目標位置となるようにフィードバック制御するフィードバック制御部とを有していることを特徴としている。
【００１２】
ここで、前記誤差補正データを前記位置検出器に記憶保持しておくことができ、この場合には、電源投入後に、この位置検出器から前記誤差補正データ記憶部にダウンロードすればよい。
【００１３】
また、前記誤差補正データは、補正パルスのデータ列、あるいは、当該誤差補正情報を表わす近似式の係数列とすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を適用したアクチュエータの駆動制御装置の一例を説明する。
【００１５】
図１は本例のアクチュエータの駆動制御装置を示す概略構成図である。この駆動制御装置１によって駆動される本例のアクチュエータ２は、モータ３と、このモータ回転軸４に連結された波動歯車減速機（ＨＤ）５と、モータ回転軸４の絶対回転位置を検出可能な位置検出器６と、波動歯車減速機５の出力軸すなわちアクチュエータ出力軸７の絶対位置を検出するための原点センサ８とを備えている。位置検出器６はロータリエンコーダ、ポテンショメータ等の絶対位置を検出可能な位置検出器である。
【００１６】
波動歯車装置５は、剛性の内歯歯車と、可撓性の外歯歯車と、波動発生器を備えており、波動発生器がモータ回転入力要素とされ、内歯歯車が固定され、可撓性の外歯歯車が減速回転の出力要素（出力軸７）とされる。波動発生器は楕円形をしており、両歯車の歯数差は２枚であり、可撓性の外歯歯車は楕円形に撓められて剛性の内歯歯車に楕円形の長軸方向の両端で部分的に噛み合い、波動発生器の回転に伴って二個所の噛み合い位置が円周方向に移動する。波動歯車装置５の減速比ｉは、ｉ＝１／Ｒ＝（Ｚｃ−Ｚｆ）／Ｚｆであるので、可撓性外歯歯車の歯数Ｚｆ＝１００、剛性内歯歯車の歯数Ｚｃ＝１０２の場合、減速比ｉは１／５０であり、モータ回転方向に対して出力回転が逆向きになる。
【００１７】
アクチュエータ２の駆動を制御する駆動制御装置１は、波動歯車減速機５の角度伝達誤差に起因する位置決め誤差を補償するための誤差補正データ１０が記憶されている誤差補正データ記憶部１１と、位置検出器６から供給される回転位置情報１２と誤差補正データ１０に基づき、回転位置補正情報１３を作成する回転位置補正情報作成部１４と、作成された回転位置補正情報１３を位置フィードバック情報として、アクチュエータ２を位置指令情報１５によって示される目標位置となるようにフィードバック制御するフィードバック制御部１６とを有している。上記の回転位置補正情報作成部１４は例えば加算器あるいは減算器とすることができる。
【００１８】
（誤差補正データ）
ここで、本例の誤差補正データ１０は次のようにして作成されたものである。まず、アクチュエータ２におけるモータ回転軸４の位置決め誤差は、これが連結されている波動歯車減速機５の減速によって、当該減速機の減速比分の一に圧縮される。本例の場合、波動歯車減速機５の速比が５０であるので、モータ自体の位置決め誤差は１／５０に圧縮される。従って、アクチュエータ２の位置決め誤差は、主として波動歯車減速機５の角度伝達誤差に起因するので、当該アクチュエータ２の一方向位置決め精度は波動歯車減速機５の角度伝達誤差によって決まることになる。
【００１９】
一方向位置決め精度とは、一定方向の回転方向で次々に位置決めを行い、それぞれの位置で、基準位置から実際に回転した角度と回転すべき角度との差を求め、これらの値の１回転中における最大値を表わすものである。
【００２０】
本例では、アクチュエータ２の一方向位置決め精度、すなわちアクチュエータの位置決め誤差を、出力軸７の絶対位置を基にしてアクチュエータ出力軸７の一回転分測定する。本例の場合、波動歯車減速機５の減速比ｉ＝１／５０であるので、モータ回転軸４が５０回転すると、出力軸７（可撓性外歯歯車）が一回転することになる。この測定に当たっては、原点センサ８の出力を、絶対位置検出のための初期動作時に用いる。
【００２１】
なお、測定するデータは、一方向位置決め精度の代わりに、波動歯車減速機の角度伝精度を用いても実質的に同様である。また、測定は出力軸７の１／（Ｒ＋１）回転分でよいが、一回転以上に亘って測定してもよいことは勿論である。
【００２２】
次に、測定したデータを平均化して、モータ回転軸４の回転位置に対応する誤差補正データ１０を作成する。この誤差補正データ１０の大きさは、モータ回転軸４の１回転分以下で充分である。
【００２３】
作成した誤差補正データ１０の形式は、モータ回転軸４の各回転角度位置に対する誤差補正用の補正パルス数とすることができる。この代わりに、モータ回転軸４の各回転位置の誤差補正データをフーリエ級数展開して近似曲線を求め、当該近似曲線を表わすフーリエ級数の各係数を誤差補正データ１０として記憶保持するようにしてもよい。この場合には、駆動制御装置１の駆動電源をオンした後の初期化処理において、記憶保持している係数を近似式に当てはめて補正データを算出して、補正パルスのデータ列を作成すればよい。
【００２４】
ここで、この誤差補正データ１０は、出力軸７の１／（Ｒ＋１）に相当する長さのものを作成すればよいので、本例の場合には速比Ｒ＝５０であるので、入力軸（モータ回転軸）に換算すると、モータ回転軸が３６０°×５０／５１＝３５２．９°回転分のデータを作成する必要がある。この誤差補正データ１０は、例えば、モータ回転軸の３°回転毎、あるいは３５２．９°の１２０分割毎に設定することができる。しかし、この場合には、３５２．９°という角度は割り切れないので、出力軸７に基準点を設けて、そこを基準として補正データを作成すればよい。モータ回転軸で３５９．２°の補正を（Ｒ＋１）回繰り返すと、出力軸７の１回転分の補正がなされることになる。
【００２５】
（位置決め誤差補正動作）
次に、駆動制御装置１によるアクチュエータ２の駆動制御動作の特徴部分である位置決め誤差の補正について説明する。位置検出器６からの位置検出の帰還パルス（１２）に、当該帰還パルスによって表わされるモータ回転軸４の絶対位置に基づき、誤差補正データ１０から該当する補正パルス数を求め、その補正パルス数を、回転位置補正情報作成部１４において帰還パルス（１２）に加算し、加算結果を位置帰還パルス（１３）として、フィードバック制御部１６に戻す。フィードバック制御部１６では、入力される位置指令情報１５により指示される目標位置となるように、当該位置帰還パルス（１３）に基づき、アクチュエータ２をフィードバック制御する。
【００２６】
なお、本例では、誤差補正データ１０を駆動制御装置１に記憶保持するようにしている。この代わりに、誤差補正データ１０をアクチュエータ２の位置検出器６に記憶保持してもよい。この場合には、駆動制御装置１に電源を投入した直後の初期化処理において、アクチュエータの位置検出器６に保持されている誤差補正データ１０を駆動制御装置１の側にダウンロードするように構成すればよい。
【００２７】
（その他の実施の形態）
上記の例は、アクチュエータに含まれる周期１／（Ｒ＋１）の誤差を除去する制御を行なうものであるが、勿論、周期１／Ｒの誤差成分も併せて除去すれば、極めて精度の高い位置決め誤差補正を行なうことができる。
【００２８】
まず、周期１／Ｒの誤差成分は次のようにして除去することができる。すなわち、このような出力軸の位置決め誤差は、モータ回転軸の一回転の絶対位置に基づき補正することができる。具体的には、アクチュエータ２の位置決め誤差を、モータ回転軸４の一回転の絶対位置を基にして測定することにより、誤差補正データを作成しておき、モータ回転軸４の回転位置を検出し、検出された回転位置情報に対して、誤差補正データにおける当該回転位置に対して割り当てられている誤差補正値を加算して、回転位置補正情報を作成し、作成された回転位置補正情報を、出力軸を位置決め制御するための位置フィードバック情報として使用すればよい。
【００２９】
この場合、アクチュエータ２の位置決め誤差を、モータ回転軸４の一回転の絶対位置を基にして出力軸の少なくとも一回転分測定することにより、誤差補正データを作成することができる。また、アクチュエータ２の位置決め誤差を、モータ回転軸４の一回転の絶対位置を基にして出力軸７の少なくとも一回転分測定し、測定した誤差データを平均して、モータ回転軸一回転分の各回転位置に対する誤差補正値を表わす誤差補正データを作成することができる。
【００３０】
次に、周期１／（Ｒ＋１）の誤差成分および周期１／Ｒの誤差成分を除去するためには、例えば、図１における位置補正データ記憶部に、位置補正データとして、これらの誤差を補正するための２種類の補正テーブルを用意しておき、入力軸４の絶対位置に基づき、２つのテーブルから補正値を導き、同時に補正を行なうようにすればよい。
【００３１】
ここで、周期１／（Ｒ＋１）の誤差補正データは、周期１／Ｒの誤差補正成分除去後のデータ（実測データまたはシミュレーションにより得たデータ）を基にして作成することができる。勿論、周期１／（Ｒ＋１）の誤差成分も測定結果から計算できるので、出力軸７の誤差成分を測定して、そこから直接に周期１／（Ｒ＋１）の誤差補正テーブルを作成してもよい。
【００３２】
なお、周期１／Ｒの誤差補正データの作成方法、当該誤差補正データを用いた周期１／Ｒの誤差成分の補正動作について以下に説明しておく。
【００３３】
まず、アクチュエータ２の一方向位置決め精度、すなわちアクチュエータ２の位置決め誤差を、モータ回転軸４の絶対位置を基にして、アクチュエータ出力軸７の一回転分測定する。例えば、波動歯車減速機５の速比が１／５０の場合には、モータ回転軸４が５０回転すると、出力軸７が一回転することになる。
【００３４】
この位置決め誤差を、例えば、位置検出器６の出力に基づき、モータ回転軸５が３°回転する毎に測定する。この場合には、測定ポイントはモータ回転軸５については１２０ポイント（３６０°／３°）であり、アクチュエータ出力軸７では、１２０ポイント×（速比）分になる。
【００３５】
なお、測定するデータは、一方向位置決め精度の代わりに、波動歯車減速機の角度伝精度を用いても実質的に同様である。また、測定は出力軸７の一回転分だけでなく、一回転以上に亘って測定してもよいことは勿論である。
【００３６】
次に、各測定ポイントの誤差データ、例えば１２０箇所の誤差データをそれぞれ平均化して、モータ回転軸４の一回転分の誤差補正データを作成する。
【００３７】
作成した誤差補正データの形式は、モータ回転軸４の一回転分における各回転角度位置に対する誤差補正用の補正パルス数とすることができる。例えば、上記のように３°毎に測定された補正パルス数を、モータ回転軸４の３°毎の回転位置に割り当てた対応テーブルとすることができる。
【００３８】
この代わりに、モータ回転軸４の一回転分の誤差補正データをフーリエ級数展開して近似曲線を求め、当該近似曲線を表わすフーリエ級数の各係数を誤差補正データとして記憶保持するようにしてもよい。この場合には、駆動制御装置１の駆動電源をオンした後の初期化処理において、記憶保持している係数を近似式に当てはめて補正データを算出して、補正パルスのデータ列を作成すればよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のアクチュエータの位置決め誤差補正方法においては、予め、波動歯車減速機の角度伝達誤差に起因する位置決め誤差を測定し、モータ回転軸の各回転位置における位置決め誤差を補正可能な誤差補正データを作成しておき、実際の誤差補正時には、モータ回転軸の絶対位置に基づき、誤差補正データから該当する回転位置の誤差補正値を求め、位置フィードバック情報を補正するようにしている。従って、本発明によれば、波動歯車減速機を備えたアクチュエータの位置決め精度を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明を適用したアクチュエータの駆動制御装置の一例を示す概略ブロック図である。
【符号の説明】
１  駆動制御装置
２  アクチュエータ
３  モータ
４  モータ回転軸
５  波動歯車減速機
６  位置検出器
７  波動歯車減速機の出力軸（アクチュエータ出力軸）
８  原点センサ
１０  誤差補正データ
１１  誤差補正データ記憶部
１２  回転位置情報
１３  位置フィードバック情報
１４  回転位置補正データ作成部
１５  位置指令情報
１６  フィードバック制御部
【図１】
0004459463.tif 000002