(57)【要約】【課題】柔軟かつ高精度な関節制御を実現する。【解決手段】モータ制御装置（１）は、回転速度センサ（４）により検出された回転速度信号と、予め定められた減速機（３）の動摩擦モデルとに基づいて動摩擦補償信号を生成してモータ（２）に供給する動摩擦補償器（６）と、トルクセンサ（５）により検出されたトルク信号に基づいて静止摩擦補償信号を生成してモータ（２）に供給する静止摩擦補償器（７）とを備える。【選択図】図１
2016039737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
減速機を有するモータを制御するモータ制御装置であって、
前記減速機の出力軸の回転速度を検出する回転速度センサと、
前記減速機の出力軸のトルクを検出するトルクセンサと、
前記回転速度センサにより検出された前記回転速度を表す回転速度信号と、予め定められた前記減速機の動摩擦モデルとに基づいて、前記減速機の動摩擦トルクを補償する動摩擦補償信号を生成して前記モータに供給する動摩擦補償器と、
前記トルクセンサにより検出された前記トルクを表すトルク信号と、前記減速機の出力軸の回転速度に対応する角加速度を表す角加速度信号に基づいて生成されるモータ慣性トルク信号とに基づいて、前記減速機の静止摩擦トルクを補償する静止摩擦補償信号を生成して前記モータに供給する静止摩擦補償器とを備えたことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記動摩擦モデルは、前記モータへの印加電圧を前記減速機の出力軸の回転速度についての関数として与えられる請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記静止摩擦補償信号は、前記モータ慣性トルク信号と、前記トルク信号に基づいて前記トルクを推定するトルク推定信号と、前記モータへの印加電圧を表す印加電圧信号とに基づいて生成される請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記減速機は、歯車減速機である請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記歯車減速機は、波動歯車減速機である請求項４に記載のモータ制御装置。
【請求項６】
減速機を有するモータを制御するモータ制御方法であって、
前記減速機の出力軸の回転速度を検出する回転速度検出工程と、
前記減速機の出力軸のトルクを検出するトルク検出工程と、
前記回転速度検出工程により検出された前記回転速度を表す回転速度信号と、予め定められた前記減速機の動摩擦モデルとに基づいて、前記減速機の動摩擦トルクを補償する動摩擦補償信号を生成して前記モータに供給する動摩擦補償工程と、
前記トルク検出工程により検出された前記トルクを表すトルク信号と、前記減速機の出力軸の回転速度に対応する角加速度を表す角加速度信号に基づいて生成されるモータ慣性トルク信号とに基づいて、前記減速機の静止摩擦トルクを補償する静止摩擦補償信号を生成して前記モータに供給する静止摩擦補償工程とを包含することを特徴とするモータ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、減速機を有するモータを制御するモータ制御装置及びモータ制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用途に代表される従来のロボットの多くは、精密な位置決めを必要とする作業の遂行を目的に設計されてきた。そのため、これらのロボットの関節は高ゲインなフィードバック補償によって硬く制御され、事故を避けるために、人と隔離された空間に置く必要があった。
【０００３】
しかしながら、近年、人と環境を共有し相互に関わり合い、人の作業を支援するロボットが求められている。このようなロボットの関節は、作業の遂行に十分な位置決め精度を確保するための剛性、及び、接触時における柔軟性という相反する性質を兼ね備えている必要がある。
【０００４】
上記柔軟性を確保する方法としては、ばね・ダンパ等の機構的柔軟要素の利用にすぐに思い至る（非特許文献１）。しかし、このような機構的柔軟要素は制御精度の著しい低下を招く。剛性と柔軟性とを両立するためには、アクチュエータとその力の伝達機構がバックドライバビリティを有していなければならない。
【０００５】
ここで、バックドライバビリティとは、出力節に力を加えたときに、当該出力節が可動し、且つ、当該出力節に加えられた力が入力節側に伝わり、駆動機を逆駆動できることを意味するものとする。
【０００６】
従来のロボットでは回転型電磁モータに高減速比減速機を組み合わせた小型な構成で、高トルク・低回転数の特性を得ている。しかしながら、高い減速比は減速機内部の摩擦をも増幅するため、バックドライバビリティを損なう直接的原因となる。摩擦の発生を避けるために、ダイレクトドライブモータを利用した研究もあるが（非特許文献２）、関節の過度な大型化を招いた。電磁駆動によるリニアドライブアクチュエータを用いた研究もあるが（非特許文献３）、十分な推力が得られない。油圧駆動によるリニアドライブアクチュエータ（非特許文献４）も開発されているが、高価であり必ずしも広く利用できるものではない。
【０００７】
このように現時点においては、ハードウェアのみで、この剛性と柔軟性とを兼ね備えるという要求特性を実現することは難しい。一方、従来の回転型電磁モータと高減速比減速機との組み合わせにおいて、減速機内部で生じる摩擦力を補償して剛性と柔軟性とを両立するという、問題をソフトウェア的に解決する方法が、近年いくつか報告されている（非特許文献５、非特許文献６、非特許文献７）。
【０００８】
また、減速機内部で生じる動摩擦力をフィードフォワード制御により補償する構成が開示されている（非特許文献８、特許文献１、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第4985659号明細書（2012年5月11日登録）
【特許文献２】特許第3752758号明細書（2005年12月22日登録）
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】G. Pratt, M. Williamson, P. Dillworth, J. Pratt, K. Ullandand A. Wright，“Stiffness Isn’t Everything,” Preprintsof the Fourth International Symposium on ExperimentalRobotics, 1995.
【非特許文献２】H. Asada, T. Kanade, I. Takeyama, “Control of a Direct-Drive Arm,” Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol.105, 1983, pp.136-242.
【非特許文献３】Yoshihiro NAKATA, Tianyi YU, Hiroshi ISHIGURO, Katsuhiro HIRATA “Small Size Linear Vernier Motor for Artificial Muscle Applications” The Japan Society of Applied Electromagnetics and Mechanics, Vol. 20, No.1, 2012, pp.113-118.
【非特許文献４】Hiroshi Kaminaga, Tomoya Amari, Yukihiro Katayama, Junya Ono, Yuto Shimoyama, and Yoshihiro Nakayama, “Backdrivability Analysis of Electro-Hydrostatic Actuator and Series Dissipative Actuation Model” 2010 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Anchorage, Alaska, USA, May 3-8, 2010, pp.4204-4211.
【非特許文献５】G. Hirzinger, N. Sporner, A.Albu-Schaffer, M. Hahnle, R. Krenn, A. Pascucci, M. Schedl “DLR’s torque-controlled light weight robot III: Are we reaching the technological limits now？”Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Robotics and Automation Washington, DC, USA,・May 2002, pp.1710-1716.
【非特許文献６】T. Kawakami, K. Ayusawa, H. Kaminaga and YoshihikoNakamura, “High-Fidelity Joint Drive System by Torque Feedback Control Using High Precision Linear Encoder,”Proceedings of 2010 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Anchorage, Alaska, USA, May 3-8, 2010, pp.3904-3909.
【非特許文献７】Kenichiro Nagasaki, Yasunori Kawanami, Satoru Shimizu, Takashi Kito, Toshimitsu Tsuboi, Atsushi Miyamoto, Tetsuharu Fukushima and Hideki Shimomura(Sony Corporation) “Whole-body Cooperative Force Control for a Two-Wheeled Mobile Robot Using Generalized Inverse Dynamics and Idealized Joint Units” 2010 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Anchorage, Alaska, USA, May 3-8, 2010, pp.3377-3383.
【非特許文献８】Oussama Khatib, Peter Thaulad, Taizo Yoshizawa, and Jachcung Park (Stanford University, Artificial Intelligence Laboratory) (Honda Research Institute USA, Inc.) “Torque-Position Transformer for Task Control of Position Controlled Robots” 2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation Pasadena, CA, USA, May 19-23, 2008, pp.1729-1734.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記非特許文献３〜５に開示された構成は、いずれもトルクを計測し加速度レベルでの制御を行うもので、高精度な（従って高価な）トルクセンサの使用を前提としており、やはり広く利用できるものではない。
【００１２】
また、非特許文献６、特許文献１〜２に教示された構成では、減速機内部で生じる静止摩擦力を補償することができない。
【００１３】
本発明は、回転型電磁モータと高減速比減速機との組み合わせにおいて、柔軟かつ高精度な関節制御を、安価なハードウェア構成とソフトウェアとにより実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するために、本発明に係るモータ制御装置は、減速機を有するモータを制御するモータ制御装置であって、前記減速機の出力軸の回転速度を検出する回転速度センサと、前記減速機の出力軸のトルクを検出するトルクセンサと、前記回転速度センサにより検出された前記回転速度を表す回転速度信号と、予め定められた前記減速機の動摩擦モデルとに基づいて、前記減速機の動摩擦トルクを補償する動摩擦補償信号を生成して前記モータに供給する動摩擦補償器と、前記トルクセンサにより検出された前記トルクを表すトルク信号と、前記減速機の出力軸の回転速度に対応する角加速度を表す角加速度信号に基づいて生成されるモータ慣性トルク信号とに基づいて、前記減速機の静止摩擦トルクを補償する静止摩擦補償信号を生成して前記モータに供給する静止摩擦補償器とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
この特徴によれば、減速機の動摩擦トルクは動摩擦補償器により補償する。このため、減速機の静止摩擦トルクを補償する静止摩擦補償器のためのトルクセンサは、バンド幅の小さい安価なトルクセンサを採用することが可能になる。この結果、安価なハードウェア構成とソフトウェアとにより、柔軟かつ高精度な関節制御を実現することができる。
【００１６】
本発明に係るモータ制御装置は、前記動摩擦モデルは、前記モータへの印加電圧を前記減速機の出力軸の回転速度についての関数として与えられることが好ましい。
【００１７】
上記構成によれば、回転速度センサに基づく減速機の出力軸の回転速度と予め定められた減速機の動摩擦モデルとに基づいて、減速機の動摩擦トルクを補償する動摩擦補償信号を、モータへの入力信号に予め印加することができる。
【００１８】
本発明に係るモータ制御装置は、前記静止摩擦補償信号は、前記モータ慣性トルク信号と、前記トルク信号に基づいて前記トルクを推定するトルク推定信号と、前記モータへの印加電圧を表す印加電圧信号とに基づいて生成されることが好ましい。
【００１９】
上記構成によれば、減速機の静止摩擦トルクを補償する静止摩擦補償信号を、モータへの入力信号にフィードバックすることができる。
【００２０】
本発明に係るモータ制御装置では、前記減速機は、歯車減速機であることが好ましい。
【００２１】
上記構成によれば、簡単な構成により、モータの回転を高減速比で減速することができる。
【００２２】
本発明に係るモータ制御装置では、前記歯車減速機は、波動歯車減速機であることが好ましい。
【００２３】
上記構成によれば、簡単な構成により、モータの回転を高減速比で減速することができる。
【００２４】
本発明に係るモータ制御方法は、減速機を有するモータを制御するモータ制御方法であって、前記減速機の出力軸の回転速度を検出する回転速度検出工程と、前記減速機の出力軸のトルクを検出するトルク検出工程と、前記回転速度検出工程により検出された前記回転速度を表す回転速度信号と、予め定められた前記減速機の動摩擦モデルとに基づいて、前記減速機の動摩擦トルクを補償する動摩擦補償信号を生成して前記モータに供給する動摩擦補償工程と、前記トルク検出工程により検出された前記トルクを表すトルク信号と、前記減速機の出力軸の回転速度に対応する角加速度を表す角加速度信号に基づいて生成されるモータ慣性トルク信号とに基づいて、前記減速機の静止摩擦トルクを補償する静止摩擦補償信号を生成して前記モータに供給する静止摩擦補償工程とを包含することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、回転型電磁モータと高減速比減速機との組み合わせにおいて、柔軟かつ高精度な関節制御を、安価なハードウェア構成とソフトウェアとにより実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施形態に係るモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】上記モータ制御装置に設けられた動摩擦補償器による摩擦補償を説明するためのブロック線図である。
【図３】上記モータ制御装置に設けられた静止摩擦補償器による摩擦補償及び上記動摩擦補償器による摩擦補償を説明するためのブロック線図である。
【図４】（ａ）（ｂ）は上記モータ制御装置の実験装置に設けられたモータ及び減速機の構成を示す斜視図である。
【図５】上記モータ制御装置の実験装置に設けられたトルクセンサの構成を示す斜視図である。
【図６】（ａ）（ｂ）は上記トルクセンサの動作を説明するための図である。
【図７】上記モータ制御装置に設けられた減速機の出力軸の角速度と上記出力軸のトルクを表すＰＷＭデューティ比との関係を示すグラフである。
【図８】上記トルクセンサの出力電圧と上記出力軸のトルクとの間の関係を示すグラフである。
【図９】上記モータ制御装置の実験装置に設けられたフィードバック（ＰＩＤ）制御器とフィードフォワード制御器からなる制御システムのブロック線図である。
【図１０】（ａ）〜（ｄ）は上記制御システムにより計測されたトルク値と減速機の出力回転角の値を示す波形図である。
【図１１】（ａ）は図１０（ｄ）に対応するシミュレーション結果を示す波形図であり、（ｂ）は図１０（ｄ）においてトルク推定の精度向上を仮定したシミュレーション結果を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００２８】
（概要）
まず、波動歯車減速機（ハーモニックドライブ（登録商標））の動摩擦トルク同定を行い、この動摩擦トルクを補償するトルクをフィードフォワードにより与えることで、大部分の摩擦トルクを補償する。これによって、残留摩擦を補償するために必要なトルクセンサの要求バンド幅を低減することができる。その上で、フォトインタラプタを用いた安価なトルクセンサを構成し、較正を行う。静止摩擦トルク等の補償には、このトルクセンサを使用した外乱オブザーバを構成する。以上の摩擦補償されたモータに２自由度制御を施し、位置制御されたモータに対して外乱を印加した結果、良好な特性が得られることを確認した。
【００２９】
（実施形態）
（モータ制御装置１の構成）
図１は、実施形態に係るモータ制御装置１の構成を示すブロック図である。モータ制御装置１は、減速機３を有するモータ２を制御する。モータ２は、例えば、回転型電磁モータである。減速機３は、例えば、機械的な噛み合いを利用して高減速比で減速する歯車減速機である。歯車減速機は、歯車が所定の回転数により回転しているときに、歯車の歯先同士の接触により摩擦力が生じる。この歯車の接触による摩擦力を予め補償する電圧信号を、モータ２へ供給される電圧信号に加算することにより、減速機３の歯車による摩擦力を打ち消すことができる。
【００３０】
モータ制御装置１は、駆動回路８、回転速度センサ４、及び、トルクセンサ５を備えている。駆動回路８は、モータ２を駆動するための電圧信号をモータに供給する。回転速度センサ４は、減速機３の出力軸の回転速度を検出する。トルクセンサ５は、減速機３の出力軸のトルクを検出する。
【００３１】
モータ制御装置１には、動摩擦補償器６及び静止摩擦補償器７が設けられている。動摩擦補償器６は、回転速度センサ４により検出された減速機３の出力軸の回転速度を表す回転速度信号と、予め定められた減速機３の動摩擦モデルとに基づいて、減速機３の動摩擦トルクを補償する動摩擦補償信号を生成してモータ２に供給する。静止摩擦補償器７は、トルクセンサ５により検出された上記出力軸のトルクを表すトルク信号と、減速機３の出力軸の回転速度に対応する角加速度を表す角加速度信号に基づいて生成されるモータ慣性トルク信号とに基づいて、減速機３の静止摩擦トルクを補償する静止摩擦補償信号を生成してモータ２に供給する。
【００３２】
（フィードフォワード摩擦補償制御）
図２は、モータ制御装置１に設けられた動摩擦補償器６による摩擦補償を説明するためのブロック線図である。
【００３３】
（動摩擦特性の同定）
粘性摩擦や動摩擦は、速度の関数として比較的容易に同定することができる。減速機３の内部の動摩擦トルクを減速機３に設けられた出力軸の回転速度の関数として同定し、モータ２への入力電圧信号に重畳することで、減速機３の内部で発生する摩擦トルクの大部分を補償することができると考えられる。
【００３４】
モータ２と減速機３とから成る駆動ユニットを考える。モータ２の回路方程式は、
【００３５】
【数１】
2016039737.tif 000003
【００３６】
で表される。但し、θはモータ２の回転角、ｅはモータ２への印加電圧（印加電圧信号）、ｉはモータ２に流れる電流、ＫＥはモータ２の逆起電力定数、Ｒはモータ２の端子間抵抗、Ｌはモータ２の自己インダクタンスである。モータ２の運動方程式は、
【００３７】
【数２】
2016039737.tif 000004
【００３８】
である。但し、Ｊはモータ２の軸から見た減速機３の出力軸までのイナーシャ、γは減速機３の減速比、τｍはモータ２の発生トルク、τｆは減速機３の内部で生じる動摩擦トルク、τｅは外部からの負荷トルクである。また、モータ２がＤＣブラシモータの場合、τｍとｉはトルク定数ＫＴを用いて、
【００３９】
【数３】
2016039737.tif 000005
【００４０】
のように関連付けられる。自己インダクタンスＬは十分に小さいとし、さらに無負荷かつ定常状態を考えると、式（１）〜（３）は、
【００４１】
【数４】
2016039737.tif 000006
【００４２】
のように整理できる。動摩擦トルクτｆにおいて乾性及び粘性の影響が支配的であると仮定すると、モータ２の逆起電力と合わせ、モータ２への印加電圧ｅは回転速度ｄθ／ｄｔについての関数として与えられる。このモータ２への印加電圧ｅと回転速度ｄθ／ｄｔとの関係を実験的に求め、減速機３の動摩擦モデルを同定する。
【００４３】
（動摩擦トルクのフィードフォワード補償）
同定された動摩擦モデルを用いて、図２に示すようなフィードフォワード補償を試みる。回転速度センサ４を構成するエンコーダの値から減速機３の出力軸の回転速度を求め、前述の動摩擦モデルから動摩擦トルクの補償に必要な電圧ｅｆｆ（動摩擦補償信号）を計算する。これを制御電圧ｅｃに重畳することで、減速機３の動摩擦トルクとモータ逆起電力とを併せて相殺できる。
【００４４】
（外乱オブザーバ９による残留摩擦補償）
図３は、モータ制御装置１に設けられた静止摩擦補償器７による摩擦補償及び動摩擦補償器６による摩擦補償を説明するためのブロック線図である。
【００４５】
（外乱オブザーバ９の設計）
ゼロ速度近傍における摩擦トルクは、静止摩擦トルクとして区別される。これは動摩擦トルクと異なり、何らかの値の関数とした摩擦モデルを仮定することが難しい。そこでトルクセンサ５を使用した外乱オブザーバ９を構成し、静止摩擦トルクを補償することを考える。
【００４６】
仮に、図１及び図２で説明した動摩擦補償器６により、すべての摩擦トルクが補償されたとすると、粘性抵抗が補償された減速機３付きモータ２の振る舞いは、理論モデル
【００４７】
【数５】
2016039737.tif 000007
【００４８】
に従うはずである。ここで、入力電圧をｅｕとしている。
【００４９】
しかしながら、実際には非線形摩擦トルクやモデル化誤差が残り、理論通りに減速機３付きモータ２が振る舞うことは無い。
【００５０】
これらの非線形摩擦トルク、モデル化誤差を含む外乱の電圧換算値を、
【００５１】
【数６】
2016039737.tif 000008
【００５２】
で表すと、減速機３付きモータ２の運動方程式は、
【００５３】
【数７】
2016039737.tif 000009
【００５４】
となる。そこで、図３に示すような外乱オブザーバ９を用い、応答の理想化を試みる。但し、トルクセンサ５の出力電圧特性をｈ（τ）、その逆関数をｈ−1（ｅ）とし、各添字ｎはノミナル値であることを表す。
【００５５】
外乱オブザーバ９は、外乱に対応するトルク信号が入力される外乱トルク推定器１０が与える負荷トルク推定値（トルク推定信号）τｅｅと、回転速度センサ４により検出された減速機３の出力軸の回転速度から計算される回転角加速度ｄθＭ／ｄｔ（角加速度信号）に基づいて生成されるモータ慣性トルク信号とから、減速機３付きモータ２の出力トルクを計算する。そして、この出力トルクを外乱オブザーバ９の換算要素１６が電圧に換算し、入力電圧ｅｕに対応する印加電圧信号との差分を取ることで、残留摩擦トルクの推定電圧換算値を表す信号
【００５６】
【数８】
2016039737.tif 000010
【００５７】
を得る。次に、この残留摩擦トルクの推定電圧換算値を表す信号Δｅｆｆ（静止摩擦補償信号）を二次遅れ要素１７を通して安定化し、制御電圧ｅｃに加算して入力電圧ｅｕにフィードバックすることで、
【００５８】
【数９】
2016039737.tif 000011
【００５９】
とし、式（５）のモデルにより近い応答を実現できる。
【００６０】
（安価なトルク計測システム）
従来開発されてきたシステムの多くは、外乱オブザーバ９を用いた加速度ベースの制御により理想的な応答を実現している。しかしながら、すべての外乱を外乱オブザーバ９により補償しようとすると、バンド幅の大きいトルクセンサが必要となり、システムが高価になる。そこで、図２では、速度参照によるモデル化可能な動摩擦トルクのフィードフォワード補償について述べた。図１及び図３に示すように、動摩擦補償器６による動摩擦トルクのフィードフォワード補償を、静摩擦補償器７による静摩擦トルクのフィードバック補償と併用することにより、バンド幅の小さい安価なトルクセンサ５でも比較的精度よく外乱補償を行うことが可能である。
【００６１】
図４（ａ）（ｂ）はモータ制御装置１の実験装置に設けられたモータ２及び減速機３の構成を示す斜視図である。図５は、モータ制御装置１の実験装置に設けられたトルクセンサ５の構成を示す斜視図である。図６（ａ）（ｂ）はトルクセンサ５の動作を説明するための図である。
【００６２】
モータ２及び減速機３は、基板上に平行に設けられている。モータ２の軸と減速機３の入力軸とは、タイミングベルト１１によって結合されている。減速機３の出力軸にはアーム１２が取り付けられている。アーム１２と減速機３との間に、リング１４が固定されている。リング１４にはスリット１５が形成されている。アーム１２のスリット１５に対応する位置に、トルクセンサ５を構成するフォトインタラプタ１３が配置されている。
【００６３】
本実施形態では，フォトインタラプタ１３を備えたトルクセンサ５を採用する。フォトインタラプタ１３は、発光ダイオードとフォトトランジスタとの間を物体が遮ることで生じる光量変化を、出力電圧の変化として検出する。
【００６４】
図５及び図６に示すように、アーム１２にフォトインタラプタ１３を設け、リング１４にスリット１５を形成する。アーム１２にトルクを負荷すると曲げ変形によりフォトインタラプタ１３とスリット１５との間に相対的な変位が生じ、スリット１５を通過する光量が変化するため、フォトインタラプタ１３の原理をトルク計測に応用できる。
【００６５】
フォトインタラプタ１３を用いたトルクセンサ５は、出力が非線形であり、温度に高感度であるという点を除けば、小型軽量であり、なおかつ安価であるというメリットを有する。前述した外乱オブザーバ９で精度よく外乱を補償するためには、このトルクセンサ５の特性を実験によって同定し、トルクセンサ５から出力された電圧に基づいて、実際に負荷されたトルクを正しく推定するための較正が重要となる。
【００６６】
（実験）
（動摩擦トルク・粘性抵抗の同定実験）
モータ２(maxon RE-max 29)と減速機３（ハーモニックドライブ（登録商標）減速機(SHG-14-80-2UH-SP)、波動歯車減速機）から成る図４（ａ）（ｂ）に示す駆動ユニットを用いて、式（４）に基づきモータ２が回転する時に減速機３に発生する動摩擦トルクを計測する実験を行った。
【００６７】
モータ２はマイコンを含む駆動回路８から制御するため、電圧はＰＷＭ（Pulse Width Modulation）で与え、デューティ比で調整した。実験はデューティ比の増減による回転速度の変化を計測することで行い、デューティ比は静止状態では１．０％、回転状態では０．２％ずつ、最大±６４．０％まで増減させた。但し、デューティ比の符号はモータ２への印加電圧の正負に対応する。回転速度は、デューティ比を１％ないし０．２％増減させるごとに、周期２[ｍｓ]で１０００サンプル計測し、これらの平均を取った。このときの結果を図７ に示す。
【００６８】
図７は、モータ制御装置１に設けられた減速機３の出力軸の角速度と上記出力軸のトルクを表すＰＷＭデューティ比との関係を示すグラフである。スイッチング素子であるＭＯＳ  ＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）のオン抵抗温度特性により温度ドリフトが生じているが、回転速度について粘性特性と符号関数である乾性特性の和となっていることが図から読み取れる。
【００６９】
（トルクセンサ５の特性確認）
図８は、トルクセンサ５の出力電圧と減速機３の出力軸のトルクとの間の関係を示すグラフである。図４（ａ）に示す実験機に着脱可能なアーム１２を図４（ｂ）に示すように取り付け、アーム１２へ負荷するトルクとトルクセンサ５の出力電圧との間の関係を実験によって計測した、この結果が図８に示すグラフであり、無視できない大きさのヒステリシスを有する曲線Ｃが確認された。このヒステリシスはアーム１２の材料の粘性と塑性変形とが大きな原因であると考えられる。また、温度変化等による大きなドリフトも確認された。本来ならば、これらのヒステリシスやドリフトは適当なモデルとパラメータの同定とにより補償される方が望ましい。しかしながら、本実施形態ではトルクセンサ５を構成するフォトインタラプタ１３の出力電圧と減速機３の出力軸のトルクとの間に図８に示す直線Ｌのような比例関係が成り立つことを仮定し、精度の低いトルク推定下での制御性能を評価する。
【００７０】
（制御実験）
図３に示したモータ制御装置１に対して位置制御実験を行った。実機のパラメータは、
Ｒｎ＝２．３６〔Ω〕、
ＫＴｎ＝２．５８×１０−２〔Ｎ・ｍ／Ａ〕、
Ｊｎ＝７．０１×１０−６〔ｋｇ・ｍ２〕、
γ＝１２０、
ωＬ＝２５０〔ｒａｄ／ｓ〕、
である。
【００７１】
図７に示すように同定されたハーモニックドライブ（登録商標）式の減速機３の動摩擦トルクに対して、フィードフォワード摩擦補償を施す場合は、制御が不安定にならないように、この動摩擦トルクよりも５〜１０％小さめの補償トルクを電圧換算して重畳した。上記同定された動摩擦トルクと上記小さめの補償トルクとの間の差分のトルクは、静止摩擦補償器７によるフィードバック制御により補償される。
【００７２】
このフィードフォワード摩擦補償で補償できなかった摩擦トルクは、外乱オブザーバ９により補償される。摩擦トルクが完全に補償された理想的なモータの入力電圧ｅｕから出力回転角θまでの伝達関数は、
【００７３】
【数１０】
2016039737.tif 000012
【００７４】
で表される。これに対し、ＰＩＤ制御器
【００７５】
【数１１】
2016039737.tif 000013
【００７６】
と、目標値応答を改善するためのフィードフォワード制御器
【００７７】
【数１２】
2016039737.tif 000014
【００７８】
から成る２自由度制御器を設計し、図９に示すような制御システムを構成した。
【００７９】
但し、ＫＰはＰＩＤ制御の比例ゲインであり、ＫＩはその積分ゲインであり、ＫＤはその微分ゲインである。ωｎ、αωｎはフィードバック系の固有振動数であり、ζは減衰係数であり、これらには、
【００８０】
【数１３】
2016039737.tif 000015
【００８１】
の関係がある。ω′ｎ、αω′ｎは目標値応答に関する固有振動数であり、大きめにとることで速応性の高い目標値応答を可能にする。
【００８２】
以上のシステムに対して、外乱応答を考慮した小さめのＰＩＤゲインを設定し、制御周期２〔ｍｓ〕の２自由度制御実験を行った。各パラメータは、
ωｎ＝４．５０〔ｒａｄ／ｓ〕、
ω′ｎ＝５０．０〔ｒａｄ／ｓ〕、
ζ＝０．６０、
α＝０．８０、
とした。
【００８３】
実験は、
実験（ａ）補償なし、
実験（ｂ）フィードフォワード補償のみ、
実験（ｃ）外乱オブザーバのみ、
実験（ｄ）フィードフォワード補償と外乱オブザーバとの併用
の４通りを実施した。各実験において、下記の４つの操作を与えた。
１．減速機３の出力軸の角度が１０．０°となる目標値を設定する。
２．ゆっくりと外乱トルクを負荷する。
３．外乱トルクを除荷する。
４．素早く瞬間的に外乱トルクを負荷する。
【００８４】
計測トルクの値と減速機３の出力回転角（ジョイント回転角）の値をグラフにしたものを図１０（ａ）〜（ｄ）に示す。計測トルクには、ＰＷＭ周波数や電源の商用周波数由来のノイズが多く載っており、ヒステリシスやドリフトも見られる。目標値や外乱トルクに対する出力角度の応答を比較する。
【００８５】
図１０（ａ）を参照すると、補償なしでは摩擦トルクが非常に大きく、ジョイント回転角は、目標値にも外乱トルクにも全く応答できていない。本実施形態で設定されたＰＩＤゲインが非常に小さいということは、この条件における目標値応答がよく表している。
【００８６】
図１０（ｂ）を参照すると、フィードフォワード補償（動摩擦補償器６）のみの場合は、ある程度応答が改善されているが、残留摩擦により停止してしまい、これによるフィードバック制御の積分器の発散によりジョイント回転角の挙動が振動的となっている。
【００８７】
図１０（ｃ）を参照すると、外乱オブザーバ９（静止摩擦補償器７）のみの場合は、目標値応答、外乱応答ともに大きく改善されている。しかしながら、目標値近傍で振動的となっていることが分かる。これは、外乱オブザーバ９の安定化のために挿入している２次遅れ要素１７により、補償に遅延が生じるためと考えられる。
【００８８】
図１０（ｄ）を参照すると、フィードフォワード補償（動摩擦補償器６）と外乱オブザーバ９（静止摩擦補償器７）との併用によって、外乱オブザーバ９の補償量を低減することができ、図１０（ｃ）で現れていた遅延を解消することができる。しかしながら、この場合でも目標値近傍で振動が生じ、完全に収束させることはできていない。
【００８９】
この原因について、シミュレーションを用いて考察した。考えられる原因としては、タイミングベルト１１の粘弾性を無視した制御器を構成していること、トルクセンサ５のトルク推定精度が低いこと、制御周期が十分でなく、外乱オブザーバ９の残留摩擦補償が遅れること等が考えられる。これらを検証するため、タイミングベルト１１の粘弾性を考慮した２慣性系
【００９０】
【数１４】
2016039737.tif 000016
【００９１】
として実機のモデル化を行った。但し、
Ｊｍはモータ２の出力軸のイナーシャ、
θｍはモータ２の回転角、
Ｊｇは減速機３の入力軸のイナーシャ、
θｇは減速機３の入力軸の回転角、
である。
また、
τｇは減速機３の入力軸に作用するトルクであり、
タイミングベルト１１の弾性係数をＫｂ、粘性係数をＣｂとすると、
【００９２】
【数１５】
2016039737.tif 000017
【００９３】
と表される。予備実験より、Ｋｂ≒１０〔Ｎ・ｍ／ｒａｄ〕、Ｃｂ≒０．０１〔Ｎ・ｍ・ｓ／ｒａｄ〕であることが分かっているが、これよりも弾性を大きくし、１慣性系に近似できる場合でもシミュレーション結果は変わらなかった。従って、振動はタイミングベルト１１に起因するものではないといえる。
【００９４】
一方、本実施形態において制御周期は２〔ｍｓ〕としたが、この制御周期をより小さく設定することで、外乱オブザーバ９の安定化のためのＬＰＦ（Low Pass Filter）のカットオフ周波数ωＬを大きく取れることが分かった。即ち、これにより補償の遅れを低減し残留摩擦の影響を小さくすることで、滑らかな制御を実現することができると考えられる。さらに、微小な振動を除去するためには、今後ヒステリシスやドリフトの対策を含めたトルク推定精度の向上を図る必要があると分かった。
【００９５】
以上を示したものが図１１である。図１１（ａ）は図１０（ｄ）に対応するシミュレーション結果を示す波形図であり、（ｂ）は図１０（ｄ）においてトルク推定の精度向上を仮定したシミュレーション結果を示す波形図である。実験（ｄ）のシミュレーションを示す波形図を示すのが図１１（ａ）であり、実験（ｄ）において制御周期を５００〔μｓ〕、ＬＰＦのカットオフ周波数をωＬ＝５００〔ｒａｄ／ｓ〕とし、トルク推定の精度向上（ここではノイズの軽減）を仮定したシミュレーション結果を表す波形図を示すのが図１１（ｂ）である。
【００９６】
（変形例）
上述した実施形態では、機械的な噛み合いを利用して高減速比で減速する歯車減速機によりモータ２の回転を減速する例を示した。しかしながら、本発明はこれに限定されない。例えば、油圧機構によりモータ２の回転を減速するように構成しても良い。この場合、動摩擦補償器６は、配管の壁面と油との間で生じる粘性摩擦を補償する。
【００９７】
また、実施形態では、モータ２が、回転型電磁モータである例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、モータ２はリニアモータであってもよい。
【００９８】
さらに、実施形態では、減速機３が波動歯車減速機である例を示したが、本発明はこれに限定されない。減速機３は、遊星歯車減速機等の、波動歯車減速機以外の歯車減速機であってもよい。
【００９９】
（実施形態のまとめ）
本実施形態では、回転型電磁方式のモータ２と高減速比の減速機３との組み合わせにおいて、ソフトウェア的に柔軟かつ高精度な関節制御を、安価なハードウェア構成で実現した。その上で、外乱オブザーバ９とフィードフォワード摩擦補償とを併用することでトルクセンサ５の要求バンド幅を低減し、安価に比較的精度よく外乱補償を行う方法を提案した。また、外乱存在下で位置制御実験を実施することで、提案方法により、大きな摩擦を持つ駆動システムでも応答の改善が可能であることを示した。
【０１００】
ロボットの柔らかな制御を阻む原因は、主に、減速機３の内部で生じる摩擦トルクである。従来の構成において外乱を計測してフィードバックすることは、結局、この減速機３の内部で生じる摩擦トルクを推定して補償していることと同義である。本実施形態は、事前に、減速機３の内部で生じる摩擦トルクを同定しておき、フィードフォワードに上記摩擦トルクを補償することにより、フィードバックによって補償しなければならない摩擦トルクを減少させる。この結果、外乱を測定するトルクセンサ５に要求される精度が低減する。
【０１０１】
具体的には、従来の構成において必要とされるトルクセンサの単価が数十万円から百万円程度であったが、本実施形態によって数百円程度に減少する。また、本実施形態によれば、制御精度を著しく低下させるバネ等の柔軟な機械要素、空気圧アクチュエータ等の使用が不要になる上に、ソフトウェアにより摩擦トルクの補償程度を調節することができる。従って、作業中に自由に位置決め精度を回復することが可能になる。
【０１０２】
歯車式の減速機３のような回転型減速機の内部摩擦は、回転速度のみの関数となり、負荷慣性、回転角度に依存しない。従って、ロボットに組み込む前のモータ２、減速機３を含むユニット単体の段階で、減速機３の内部で生じる摩擦トルクの特性を同定することが可能である。減速機３の回転速度はエンコーダによる回転速度センサ４により比較的容易に計測することができる。このため、計測した回転速度に基づいて、減速機３の内部摩擦を打ち消すフィードフォワード信号を予めモータ２への入力電圧信号に重畳することが可能である。
【０１０３】
停動トルクが減速機３に作用した時に発生する静止摩擦トルクは推定することができないので、上記静止摩擦トルクを補償するためには、これをトルクセンサ５によって計測する必要があるが、要求される計測精度はそれほど高くないので、トルクセンサ５は安価なセンサで十分実用に足りる。
【０１０４】
以上のように本実施形態によれば、フィードバック制御とフィードフォワード制御との組み合わせによって、柔らかさと硬さとを兼ね備えたモータ制御を極めて安価に実現することができる。本実施形態は、従来のロボットが苦手としてきた作業、即ち、物や人との頻繁且つ不規則な衝突・接触を伴う作業の自動化を大きく促進し、新産業の創出にもつながる可能性が高い。
【０１０５】
〔ソフトウェアによる実現例〕
モータ制御装置１の制御ブロック（特に動摩擦補償器６及び静止摩擦補償器７）は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いてソフトウェアによって実現してもよい。
【０１０６】
後者の場合、動摩擦補償器６及び静止摩擦補償器７は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するＣＰＵ、上記プログラム及び各種データがコンピュータ（又はＣＰＵ）で読み取り可能に記録されたＲＯＭ（Read Only Memory）又は記憶装置（これらを「記録媒体」と称する）、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などを備えている。そして、コンピュータ（又はＣＰＵ）が上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。
【０１０７】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明は、減速機を有するモータを制御するモータ制御装置及びモータ制御方法に利用することができる。
【０１０９】
また、本発明に係るモータ制御装置及びモータ制御方法は、工作機械、ロボットに利用することができ、特に、対象とぶつかることによってはじめて任務が遂行される作業をするロボット、例えば、介護ロボット、被災地の復興支援ロボット、災害救助ロボット等に利用することができる。
【０１１０】
さらに本発明は、セルベース生産システムにおける多種の複雑形状部品のロボットによる組立作業に利用することができる。
【０１１１】
さらに本発明は、高齢者、障碍者の生活支援、福祉介護支援に利用することができる。
【０１１２】
さらに本発明は、原子力発電所のような超複雑環境内での高度な機器操作を含む遠隔ロボット作業に利用することができる。
【符号の説明】
【０１１３】
１  モータ制御装置
２  モータ
３  減速機
４  回転速度センサ
５  トルクセンサ
６  動摩擦補償器
７  静止摩擦補償器
８  駆動回路
９  外乱オブザーバ
１０  トルク推定器
１１  タイミングベルト
１２  アーム
１３  フォトインタラプタ
１４  リング
１５  スリット
【図１】
2016039737.tif 000018
【図２】
2016039737.tif 000019
【図３】
2016039737.tif 000020
【図５】
2016039737.tif 000021
【図６】
2016039737.tif 000022
【図７】
2016039737.tif 000023
【図８】
2016039737.tif 000024
【図９】
2016039737.tif 000025
【図１０】
2016039737.tif 000026
【図１１】
2016039737.tif 000027
【図４】
2016039737.tif 000028