JP6664138B2 - 制御方法、及びロボット装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータに接続された減速機を介して移動部材を制御する制御方法、及びロボット装置に関する。

近年、種々の作業を人間の代わりに行うロボットの開発が進められている。ロボットによって人間の手のように精密で高速な作業を実現させるためには、ロボット動作の高精度化と高速化を両立させることが求められる。このようなロボットにあっては、関節駆動を行うための動力源としてモータが用いられているが、モータの推力を増大したり、回転運動を直動運動に変換したりするため、減速機やボールねじ等の伝達機構を用いるものが多い。

しかし、伝達機構には高精度化を妨げる要因がある。例えば、ねじれ、減速機の歯のかみ合いによる角度誤差、バックラッシ、摩擦、小部品の微小振動、ボールねじの変形による角度誤差、ネジ共振、ロストモーション等である。そのためモータを精密に駆動しても、上記の要因によりロボット動作の精度低下を招いている。

また、伝達機構はロボットのフレームに代表される構造体と比較すると柔らかいため、ねじれが生じ、弾性体のようにふるまう。このため、伝達機構に接続された移動制御対象（移動部材）は、モータに対して単振動することとなり、これによっても精度低下を招く。さらに、モータに単振動の反力が作用し、モータの位置をずらし、さらに精度が失われることとなる。

一般に、例えばロボットの関節などのモータを制御する方式としては、セミクローズド制御（例えば特許文献１参照）とフルクローズド制御（例えば特許文献２，３参照）とがある。セミクローズド制御とは、モータの出力軸（出力部材）の位置を検出し、その検出結果をモータの位置指令にフィードバックする方式である。また、フルクローズド制御とは、モータから減速機等の伝達機構を介して移動駆動される移動部材の位置を検出し、その検出結果をモータの位置指令にフィードバックする方式である。一般的には、セミクローズド制御は、動作速度が早いが位置精度に欠け、反対にフルクローズド制御は、位置精度が高精度であるが動作速度が遅くなり、精密さと俊敏さがトレードオフの関係にあると言える。

セミクローズド制御にあっては、反作用力に対抗する推力を出力し、モータの位置ずれを防ぐことが可能であるように思われる。しかし、モータが反作用力に対抗する推力を出力しつづけ、位置ずれしないとフィードバックすることができないので、結果的に単振動が収まらず持続してしまう。一度生じた単振動が持続してしまうと、動作中にあって伝達機構にねじれが発生するたびに生じる単振動が増幅され、メカ共振ともなり得る。

このため、セミクローズド制御であっても動作速度（ゲイン）を上げると、伝達機構の弾性力の反作用によるモータの位置ずれを防ぐことはできない。伝達機構の弾性力の反作用による動力源の位置ずれを防ぐためには、セミクローズド制御であっても動作速度（ゲイン）を下げて、単振動が生じないようにモータを駆動制御する必要がある。

そこで、特許文献１のセミクローズド制御にあっては、伝達機構の機械的剛性を考慮した運動方程式を予め準備し、その演算結果をセミクローズド制御の指令値に加算するものが提案されている。これにより、精密さと俊敏さとの両立を図ろうとしている。

一方、特許文献２のフルクローズド制御にあっては、移動部材の位置をセンサで検出し、目標値から減算し、位置の差に従ってモータの位置を補正し、移動部材の位置を目標値に倣わせるものが提案されている。また、特許文献３のフルクローズド制御にあっては、振動を示す移動部材の位置とモータの位置との差を求め、それにねじり剛性を加味してトルク値を算出し、これがトルク目標値に合致するように制御するものが提案されている。

特開昭６１−２０１３０４号公報 特開平７−２２５６１５号公報 特開２０１１−１７６９１３号公報

上記特許文献１のセミクローズド制御では、セミクローズド制御の特徴を生かした高速動作は可能であるが、温度変動や経時変化する伝達誤差を予め予測することは困難であり、要求される精度を満たすことは困難であるという問題がある。

一方、特許文献２のフルクローズド制御では、振動現象を計測できないため、動作速度（モータの補正のゲイン）を上げると発振してしまうという問題がある。このため、特許文献２のフルクローズド制御では、動作速度（位置修正）も遅鈍となるという問題がある。

フルクローズド制御で速度を向上する目的で考えられたのが特許文献３のフルクローズド制御である。特許文献３のフルクローズド制御では、位置修正が遅鈍となる主要因を廃した構成となっているため、ロボットの動作として、精密さと俊敏さを両立できると考えられていた。しかし、フルクローズド制御は、セミクローズド制御と比較して、センサとモータとの間に伝達機構が存在する点が異なり、伝達機構には、バックラッシ、摩擦、上述した単振動よりも周波数の高い固有振動等を有するという特徴がある。特許文献３のフルクローズド制御でも、伝達機構におけるバックラッシ、摩擦、上述した単振動よりも周波数の高い固有振動等のため、動作速度（モータの補正のゲイン）を上げると発振してしまうという問題があることが判明した。そのため、特許文献３のフルクローズド制御でも、高次の振動を加振してしまうためゲインを充分に上げられず、高速に駆動できないという課題がある。

そこで本発明は、俊敏にかつ精密に移動部材を制御することが可能な制御方法、及びロボット装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、モータに接続された減速機を介して移動部材を制御するロボット装置の制御方法において、前記ロボット装置は、前記減速機を介して移動する前記移動部材にかかるトルクを計測するトルク計測手段と、前記モータの出力軸の位置を検出する第１の位置検出手段と、前記移動部材の位置を検出する第２の位置検出手段と、前記モータを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、第１のフィードバックとして、前記第１の位置検出手段の検出結果を前記モータの制御にフィードバックし、第２のフィードバックとして、前記トルク計測手段の検出結果を前記モータの制御にフィードバックし、
第３のフィードバックとして、前記第２の位置検出手段の検出結果を前記モータの制御にフィードバックし、
入力された前記移動部材の位置指令値に前記第２のフィードバックと前記第３のフィードバックを行い、前記第２のフィードバックと前記第３のフィードバックが行われた前記位置指令値に前記第１のフィードバックを行うことを特徴とする。

本発明によると、入力された移動部材の位置指令値に第２のフィードバックと第３のフィードバックを行い、第２のフィードバックと第３のフィードバックが行われた位置指令値に第１のフィードバックを行う。これにより、減速機を介して移動部材に伝達されるトルクを、入力されたトルク指令値に倣うようにすることができ、移動部材の動作を精密にできる。さらに、移動部材に発生したトルクには、温度変動や経時変化する伝達誤差の成分も含まれているので、伝達誤差も効果的に抑制できるフィードバック制御を実行することができる。

また、減速機の弾性力の反作用には、減速機におけるバックラッシ、摩擦、固有振動数等の影響による振動現象の成分が含まれているので、この振動現象を俊敏に抑制することができる。

このように減速機による振動現象及び伝達誤差を抑制しつつ動作速度を早くすることができるので、俊敏にかつ精密に移動部材を移動制御することを可能とすることができる。さらには、振動現象及び伝達誤差を効果的に抑制できるので、モータの補正のゲインを上げることもできて、さらに動作速度を上げることも可能となる。これにより、フルクローズド制御のように精密で、かつセミクローズド制御と同等な動作速度を可能とすることができる。

一軸ロボットシステムを示す全体概略図。 一軸ロボットシステムを模式的に示す模式図。 第１の実施の形態に係るコントローラの制御系を示すブロック図。 第１の実施の形態に係る制御を示すフローチャート。 一軸ロボットのトルク制御時の実験結果を示す図で、（ａ）は第１の実施の形態に係る制御による実験結果の図、（ｂ）は比較例の制御による実験結果の図。 第２の実施の形態に係るコントローラの制御系を示すブロック図。 第３の実施の形態に係るコントローラの制御系を示すブロック図。 第３の実施の形態に係る制御を示すフローチャート。 第４の実施の形態に係るコントローラの制御系を示すブロック図。 第４の実施の形態に係る制御を示すフローチャート。 第５の実施の形態に係るコントローラの制御系を示すブロック図。 第５の実施の形態に係る制御を示すフローチャート。 一軸ロボットの位置制御時の実験結果を示す図で、（ａ）は第５の実施の形態に係る制御による実験結果の図、（ｂ）は比較例の制御による実験結果の図。 二軸ロボットシステムを示す全体概略図。 二軸ロボットシステムにおける第６の実施の形態に係るコントローラの制御系を示すブロック図。 第７の実施の形態における関節の分解図。 第７の実施の形態における関節の概略図。 図１７に示す関節の第１の変形例を示す概略図。 図１７に示す関節の第２の変形例を示す概略図。 第８の実施の形態における関節の分解図。 第８の実施の形態における関節の概略図。

＜第１の実施の形態＞
以下、本発明に係る第１の実施の形態について図１乃至図５に沿って説明する。図１は、一軸ロボットシステムを示す全体図である。また、図２は、一軸ロボットシステムを模式的に示す模式図である。また、図３は、第１の実施の形態に係るコントローラの制御系を示すブロック図である。また、図４は、第１の実施の形態に係る制御を示すフローチャートである。そして、図５は、一軸ロボットのトルク制御時の実験結果を示す図で、（ａ）は第１の実施の形態に係る制御による実験結果の図、（ｂ）は比較例の制御による実験結果の図である。なお、図１及び図２に示す一軸ロボットシステム１_１は、後述する第２〜第５の実施の形態においても略々構造が同じであるため、共通の図として用いているが、第１の実施の形態では、詳しくは後述する装置エンコーダ１０８を有していなくても良いものである。

図１に示すように、一軸ロボットシステム１_１は、１つの関節を有する一軸のロボットアーム（モータ駆動装置）１００と、コントローラ（モータ駆動装置の制御装置）１０１と、教示用端末装置（ティーチングペンダント）１０２とを備えて構成されている。教示用端末装置１０２は、操作者がロボットアーム１００を動作させるための指令をコントローラ１０１に与える装置であり、操作者が操作する各種スイッチ、レバー、表示パネルなどを有している。教示用端末装置１０２からは、ロボットアーム１００の位置指令値として教示点情報が出力可能であり、また、ロボットアーム１００の推力指令値として駆動トルク情報も出力可能である。

一方、一軸のロボットアーム１００は、モータ１０３と、モータエンコーダ（モータ位置検出手段）１０４と、減速機（伝達機構）１０５と、アーム（移動部材）１０６とを有して構成されている。また、一軸のロボットアーム１００は、さらに、推力計（推力検出手段）１０７と、装置エンコーダ（移動部材位置検出手段）１０８とを有して構成されている。一般的には、モータ１０３と減速機１０５とを組合せたものを、アーム１０６を移動駆動する関節と定義される。

モータ１０３は、コントローラ１０１に電気的に接続されており、コントローラ１０１から出力される電流値によって図示を省略した出力軸（出力部材）の回転状態が制御される。モータエンコーダ１０４は、モータ１０３の出力軸の回転位置を検出する。減速機１０５は、モータ１０３の出力軸に機械的に接続されており、モータ１０３の出力回転を減速してアーム１０６に伝達する。推力計１０７は、例えば歪みゲージなどから構成され、アーム１０６に伝達された該アーム１０６の推力を弾性部材で構成されるフレーム（減速機１０５の出力軸）の歪み（ねじれ）から検出する。装置エンコーダ１０８は、アーム１０６の回転位置を検出する。

コントローラ１０１は、いわゆるサーボ制御装置（コンピュータ）であり、ＣＰＵ（演算部）２０１、ＲＯＭ２０２、ＲＡＭ２０３、ＨＤＤ（ハードディスク）２０４、外部インタフェース２０５などを有している。外部インタフェース２０５からは、図２に示すように、教示用端末装置１０２からの指令値（位置指令値Ｐ_Ｌｒｅｆや推力指令値Ｆ_Ｌｒｅｆ）が入力可能となっている。さらに、外部インタフェース２０５からは、モータエンコーダ１０４からモータ１０３の角度であるモータ位置Ｐ_Ｍが入力可能（フィードバック入力可能）となっている。さらに、外部インタフェース２０５からは、推力計１０７からアーム１０６の推力Ｆ_Ｌが入力可能（フィードバック入力可能）となっている。さらに、外部インタフェース２０５からは、装置エンコーダ１０８からアーム１０６の角度である装置位置Ｐ_Ｌが入力可能（フィードバック入力可能）となっている。さらに、外部インタフェース２０５からは、モータ１０３に電流値Ｉ_Ｍが出力可能となっている。即ち、コントローラ１０１は、教示用端末装置１０２からの指令値の入力を元に、各種フィードバック制御を行い、モータ１０３に電流値による指令を出力する。

これらモータ１０３のモータ位置Ｐ_Ｍ、アーム１０６の推力Ｆ_Ｌ、アーム１０６の装置位置Ｐ_Ｌは、詳しくは図３に沿って後述するコントローラ１０１のＣＰＵ２０１により演算処理を行う各部によってフィードバック制御に用いられる。なお、図３に示す各部は、ＲＯＭ２０２やＨＤＤ２０４等の記録媒体に記録されて格納された読み取り可能なプログラムが実行されることで機能する処理を、機能ブロックとして表わしたものである。勿論、これら機能ブロックで示す各部は、ソフトウェアの機能で達成するものだけでなく、ハードウェア構成（電子演算回路）によって達成してもよい。これらの入力から出力までの演算処理を図３に沿って以下に説明する。

図３に示す第１の実施の形態に係るコントローラ１０１は、モータ制御器３１０_１を有しており、このモータ制御器３１０_１には、推力制御部３０２、モータ制御部３０３、微分器（モータＦＦ制御部）３０８が備えられている。推力制御部３０２は、教示用端末装置１０２から入力された推力指令値Ｆ_Ｌｒｅｆに基づきモータ１０３の位置指令値（以下、モータ位置指令値という）Ｐ_Ｍｒｅｆを生成する。この際、推力制御部３０２は、アーム１０６に発生した推力を検出する推力計１０７の検出結果である推力Ｆ_Ｌに応じたフィードバック制御（第２のフィードバック制御）を実行する。

微分器３０８は、推力制御部３０２により生成されたモータ位置指令値Ｐ_Ｍｒｅｆに応じて、モータ制御部３０３をフィードフォワード制御するフィードフォワード値を生成する。

そして、モータ制御部３０３は、モータ位置制御部３０４、モータ速度制御部３０５、電流制御部３０６を有しており、モータ位置指令値Ｐ_Ｍｒｅｆに基づきモータ１０３を制御する電流値Ｉ_Ｍを生成する。この際、モータ制御部３０３は、モータ１０３の回転位置を検出するモータエンコーダ１０４の検出結果であるモータ位置Ｐ_Ｍとモータ速度Ｖ_Ｍとに応じたフィードバック制御（第１のフィードバック制御）を実行する。

以下に、コントローラ１０１による制御について図３を参照しつつ図４のフローチャートに沿って説明する。まず、操作者が教示用端末装置１０２を操作することで教示用端末装置１０２から推力指令値Ｆ_Ｌｒｅｆが出力され、推力制御部３０２に入力される（Ｓ１）。次に、推力制御部３０２は、推力指令値Ｆ_Ｌｒｅｆに推力計１０７により検出される推力Ｆ_Ｌをフィードバックすることでモータ位置指令値Ｐ_Ｍｒｅｆを生成する（推力制御工程）（Ｓ２）。微分器３０８は、モータ位置指令値Ｐ_Ｍｒｅｆを１階微分してモータ速度ＦＦ指令値Ｖ_{ＭＦＦｒｅｆ}と、モータ位置指令値Ｐ_Ｍｒｅｆを２階微分して係数を乗じることでモータ推力ＦＦ指令値Ｆ_{ＭＦＦｒｅｆ}とを生成する（Ｓ３）。

モータ制御部３０３において、モータ位置制御部３０４は、モータ位置指令値Ｐ_Ｍｒｅｆにモータエンコーダ１０４により検出されるモータ位置Ｐ_Ｍをフィードバックし（フィードバック工程）、モータ速度指令値Ｖ_Ｍｒｅｆを生成する（Ｓ４）。次に、モータ速度制御部３０５は、モータ速度指令値Ｖ_Ｍｒｅｆにモータエンコーダ１０４からのモータ位置Ｐ_Ｍを微分したモータ速度Ｖ_Ｍをフィードバックしつつ（フィードバック工程）、モータ速度ＦＦ指令値Ｖ_{ＭＦＦｒｅｆ}をフィードフォワードする。これによりモータ速度制御部３０５は、モータ推力指令値Ｆ_Ｍｒｅｆを生成する（Ｓ５）。そして、電流制御部３０６は、モータ推力指令値Ｆ_Ｍｒｅｆにモータ推力ＦＦ指令値Ｆ_{ＭＦＦｒｅｆ}をフィードフォワードし、モータ１０３に出力する電流値Ｉ_Ｍを生成する（モータ制御工程）（Ｓ６）。

上記制御を制御周期毎に実行する。制御周期が短いほど計算精度が向上し振動を抑制できるが計算リソースを必要とする。

以上のように制御される一軸ロボットシステム１_１の実験結果を図５（ａ）に示す。横軸が時間［ｓ］を、縦軸がトルク［Ｎｍ］を示している。駆動条件は、トルクを−３０［Ｎｍ］〜３０［Ｎｍ］、トルク増減時間を０．５［ｓ］としたものである。推力指令値としてのトルク指令に対して、実験結果としてのアーム１０６のトルクも−３０［Ｎｍ］〜３０［Ｎｍ］まで駆動されていることが分かる。トルク指令に対して実験結果のアーム１０６のトルクが精度良くかつ俊敏に追従していることが分かる。

比較例として一般的なセミクローズド制御で駆動した場合の実験結果を図５（ｂ）に示す。比較例としては、フルクローズド制御も考えられるが、制御帯域不足が原因でセミクローズド制御と比較して性能が落ちるため、今回は比較対象としてセミクローズド制御を挙げている。駆動条件は上記のものと同様であるが、本実施の形態の実験結果と比較すると、本実施の形態の実験結果の方が振動も少なく、誤差も５［Ｎｍ］程度少なく、本実施の形態の制御が優れていることが確認できる。

以上のように本実施の形態に係るコントローラ１０１の制御では、推力制御部３０２により、入力された推力指令値Ｆ_Ｌｒｅｆに対し、アーム１０６に発生した推力Ｆ_Ｌをフィードバック制御する。これにより、減速機１０５を介してアーム１０６に伝達される推力Ｆ_Ｌを、入力された推力指令値Ｆ_Ｌｒｅｆに倣うようにすることができ、アーム１０６の動作を精密にできる。さらに、アーム１０６に発生した推力Ｆ_Ｌには、温度変動や経時変化する伝達誤差の成分も含まれているので、伝達誤差も効果的に抑制できるフィードバック制御を実行することができる。

また、モータ制御部３０３は、推力制御部３０２が生成したモータ位置指令値Ｐ_Ｍｒｅｆに対し、モータ位置制御部３０４とモータ速度制御部３０５とにおいてモータ位置Ｐ_Ｍとモータ速度Ｖ_Ｍとをフィードバックする。これにより、一般的なセミクローズド制御のようにモータ位置Ｐ_Ｍをモータ位置指令値Ｐ_Ｍｒｅｆに対してフィードバックするよりも、モータ位置Ｐ_Ｍのフィードバック制御が外乱の影響を受けにくくなる。そして、モータ１０３に生じる減速機１０５の弾性力の反作用には、減速機１０５におけるバックラッシ、摩擦、固有振動数等の影響による振動現象の成分が含まれているが、この振動現象を俊敏に抑制することができる。

このように減速機１０５による振動現象及び伝達誤差を抑制しつつ動作速度を早くすることができるので、俊敏にかつ精密にアーム１０６を移動制御することを可能とすることができる。さらには、振動現象及び伝達誤差を効果的に抑制できるので、モータの補正のゲインを上げることもできて、さらに動作速度を上げることも可能となる。これにより、フルクローズド制御のように精密で、かつセミクローズド制御と同等な動作速度を可能とすることができる。

また、微分器３０８によりフィードフォワード制御を行うことで、振動現象が発散し難くなり、さらに応答性を向上することができる。なお、このフィードフォワード制御は、性能は低下するものの省略することも可能である。この場合、モータ速度ＦＦ指令値Ｖ_{ＭＦＦｒｅｆ}やモータ推力指令値Ｆ_Ｍｒｅｆをゼロとする。

なお、本実施の形態では、一軸のロボットアーム１００を制御した場合を一例として説明したが、この構造に限られるものではない。本実施の形態では回転関節について説明したが、伝達機構を例えばラックアンドピニオン機構などで構成した伸縮関節であってもよい。さらには、伝達機構は、減速機でなく、増速する機構でもよい。

また、本実施の形態では、モータエンコーダ１０４の検出結果をモータ位置制御部３０４とモータ速度制御部３０５との両方にフィードバックしたものを説明したが、どちらか一方であっても構わず、その場合でもある程度の振動現象の抑制効果を得られる。また、モータエンコーダ１０４の検出結果を微分してモータ加速度Ａ_Ｍを求め、電流制御部３０６にフィードバックするようにしてもよい。この場合でもある程度の振動現象の抑制効果を得られる。

＜第２の実施の形態＞
次に、上記第１の実施の形態を一部変更した第２の実施の形態について図６に沿って説明する。図６は、第２の実施の形態に係るコントローラの制御系を示すブロック図である。

上記第１の実施の形態においては、推力計１０７を用いてアーム１０６に伝達された推力Ｆ_Ｌを検出するものを説明したが、本第２の実施の形態では、その検出手法を変更したものである。即ち、本実施の形態のコントローラ１０１におけるモータ制御器３１０_２は、推力推定部（推力検出手段）３１８を有している。減速機１０５の剛性を含む関節剛性係数をＫとすると、『Ｆ_Ｌ＝（Ｐ_Ｍ−Ｐ_Ｌ）×Ｋ』の関係式が成り立つ。推力推定部３１８は、この数式にモータエンコーダ１０４で検出されるモータ位置Ｐ_Ｍと、装置エンコーダ１０８で検出される装置位置Ｐ_Ｌとを与えることで推定される推力Ｆ_Ｌを算出する。

本第２の実施の形態のように、モータ制御器３１０_２に推力推定部３１８を設けることで、推力計１０７を設置することを不要とすることができる。なお、推力Ｆ_Ｌは、装置エンコーダ１０８で検出される装置位置Ｐ_Ｌを２階微分した加速度にアーム１０６の重量を掛け合わせることで算出することも可能である。しかし、例えばアーム１０６の先端側にさらに関節を設けて多関節ロボットを構成した場合は、当該関節の駆動による加速度であるか他の関節の駆動による加速度であるか判別が難しいので、この手法は採用できないことになる。

＜第３の実施の形態＞
次に、上記第１の実施の形態を一部変更した第３の実施の形態について図７及び図８に沿って説明する。図７は、第３の実施の形態に係るコントローラの制御系を示すブロック図である。また、図８は、第３の実施の形態に係る制御を示すフローチャートである。

本第３の実施の形態においては、第１の実施の形態における微分器３０８の代わりに、モータ制御器３１０_３にモータ制御器理想モデル演算部（モータＦＦ制御部）３０９を備えたものである。モータ制御器理想モデル演算部３０９は、モータ制御器をモデル化した理想モデルを有している。そのモータ制御器の理想モデルは、モータ１０３のイナーシャをモデル化したモータイナーシャ仮想モデルと、モータ１０３の通電制御を行う通電回路をモデル化した回路仮想モデルとからなる。モータ制御器理想モデル演算部３０９は、回路仮想モデルに所定の制御ゲインが設定されていると仮定し、モータ位置指令値Ｐ_Ｍｒｅｆが入力された場合に、モータ１０３に掛かるモデル演算を実行する。これにより、モータ制御器理想モデル演算部３０９は、モータ位置ＦＦ指令値Ｐ_{ＭＦＦｒｅｆ}、モータ速度ＦＦ指令値Ｖ_{ＭＦＦｒｅｆ}、モータ推力ＦＦ指令値Ｆ_{ＭＦＦｒｅｆ}を算出する機能を有する。

モータ位置ＦＦ指令値Ｐ_{ＭＦＦｒｅｆ}、モータ速度ＦＦ指令値Ｖ_{ＭＦＦｒｅｆ}、モータ推力ＦＦ指令値Ｆ_{ＭＦＦｒｅｆ}の演算式は、以下の通りである。

このように構成されたコントローラ１０１の制御では、図８に示すように、第１の実施の形態における図４の制御に比して、ステップＳ３−２及びステップＳ４−２が変更される。具体的には、まず、ステップＳ１及びＳ２は、第１の実施の形態と同様に実行される。ステップＳ３−２において、モータ制御器理想モデル演算部３０９は、モータ制御器理想モデルから、モータ位置ＦＦ指令値Ｐ_{ＭＦＦｒｅｆ}、モータ速度ＦＦ指令値Ｖ_{ＭＦＦｒｅｆ}、モータ推力ＦＦ指令値Ｆ_{ＭＦＦｒｅｆ}を生成する。ステップＳ４−２において、モータ位置制御部３０４は、モータ位置ＦＦ指令値Ｐ_{ＭＦＦｒｅｆ}にモータエンコーダ１０４により検出されるモータ位置Ｐ_Ｍをフィードバックし、モータ速度指令値Ｖ_Ｍｒｅｆを生成する。その後は、第１の実施の形態と同様にステップＳ５及びＳ６が実行され、モータ１０３に出力する電流値Ｉ_Ｍを生成する。

上記制御を制御周期毎に実行する。制御周期が短いほど計算精度が向上し振動を抑制できるが計算リソースを必要とする。

なお、図７では図示を省略したが、装置オブザーバ部による外乱補正機能を追加するとなお良い。装置オブザーバ部は、モータ１０３の出力軸に働く外乱力Ｄｉｓｔを推定し、係数を掛けて外乱推力Ｆｄを生成してモータ推力指令値Ｆ_Ｍｒｅｆに加算するものである。これにより、アーム１０６に作用する外乱をモータ１０３の推力に反映でき、モータ１０３の出力軸とアーム１０６との間の干渉トルクやその計算誤差、摩擦変動による位置精度劣化を防止でき、装置位置Ｐ_Ｌの精度が向上する。外乱力Ｄｉｓｔの演算式は、以下の通りである。

このようにモータ制御器理想モデル演算部３０９により、モータ位置ＦＦ指令値Ｐ_{ＭＦＦｒｅｆ}、モータ速度ＦＦ指令値Ｖ_{ＭＦＦｒｅｆ}、モータ推力ＦＦ指令値Ｆ_{ＭＦＦｒｅｆ}をモータ制御器理想モデルから演算することで、振動現象を抑制することができる。

＜第４の実施の形態＞
次に、上記第３の実施の形態を一部変更した第４の実施の形態について図９及び図１０に沿って説明する。図９は、第４の実施の形態に係るコントローラの制御系を示すブロック図である。また、図１０は、第４の実施の形態に係る制御を示すフローチャートである。

本第４の実施の形態においては、第３の実施の形態に比して、コントローラ１０１に、動力学モデル演算部（動力学モデル制御部）３２０、推力伝達部物理特性部３１６を備えたものである。さらに、コントローラ１０１に、装置位置制御部（移動部材位置制御部）３１３及び装置速度制御部（移動部材速度制御部）３１４を有する装置制御器（駆動装置制御部）３０１を備えたものである。動力学モデル演算部３２０は、ロボットアーム１００を動力学的にモデル化した動力学モデルを有している。動力学モデルは、アーム長さ、アーム重量、及び慣性乗積（ロボットアーム１００のリンクパラメータ）からなるモデルである。動力学モデル演算部３２０は、教示用端末装置１０２から入力される位置指令値Ｐ_Ｌｒｅｆと、それを微分することで求まる速度指令値や加速度指令値を算出する。そして、それらの値に基づき動力学モデルによりアーム１０６の移動制御に必要な想定推力（動力学推力予測値）Ｆ_{ＬＥｒｅｆ}を算出する機能を有する。想定推力Ｆ_{ＬＥｒｅｆ}は、重力や粘性・摩擦なども考慮されて算出される。また、モータ制御器３１０_４に備えられた推力伝達部物理特性部（ねじれ量制御部）３１６は、想定推力Ｆ_{ＬＥｒｅｆ}を実現するねじれ量の予測値（以下、ねじれ量という）Ｐ_Ｔｒｅｆを事前に算出する。ねじれ量Ｐ_Ｔｒｅｆの算出は、次の一例として挙げる演算式により算出できる。

装置制御器３０１は、装置位置制御部３１３と装置速度制御部３１４を有しており、教示用端末装置１０２から入力される位置指令値Ｐ_Ｌｒｅｆに基づき推力制御部３０２に入力する推力指令値Ｆ_Ｌｒｅｆを算出する。この際、装置制御器３０１は、アーム１０６の回転位置を検出する装置エンコーダ１０８の検出結果である装置位置（アーム位置）Ｐ_Ｌと装置速度（アーム速度）Ｖ_Ｌとに応じたフィードバック制御（第３のフィードバック制御）を実行する。

このように構成されたコントローラ１０１の制御では、図１０に示すように、第３の実施の形態における図８の制御に比して、ステップＳ１１からステップＳ１６が追加され、ステップＳ３−３が変更される。まず、操作者が教示用端末装置１０２を操作することで教示用端末装置１０２から位置指令値Ｐ_Ｌｒｅｆが出力され、動力学モデル演算部３２０と装置位置制御部３１３に入力される（Ｓ１１）。動力学モデル演算部３２０は、位置指令値Ｐ_Ｌｒｅｆに基づき動力学モデルから想定推力Ｆ_{ＬＥｒｅｆ}を生成する（Ｓ１２）。推力伝達部物理特性部３１６は、想定推力Ｆ_{ＬＥｒｅｆ}を実現するねじれ量Ｐ_Ｔｒｅｆを生成する（Ｓ１３）。

一方、装置位置制御部３１３は、位置指令値Ｐ_Ｌｒｅｆに装置エンコーダ１０８により検出される装置位置Ｐ_Ｌをフィードバックし、装置速度指令値Ｖ_Ｌｒｅｆを生成する（Ｓ１４）。装置速度制御部３１４は、装置速度指令値Ｖ_Ｌｒｅｆに装置エンコーダ１０８により検出される装置位置Ｐ_Ｌを微分した装置速度Ｖ_Ｌをフィードバックし、推力指令値Ｆ_Ｌｒｅｆを生成する（Ｓ１５）。推力制御部３０２は、推力指令値Ｆ_Ｌｒｅｆに想定推力Ｆ_{ＬＥｒｅｆ}をフィードフォワードしつつ推力計１０７により検出される推力Ｆ_Ｌをフィードバックし、モータ位置指令値Ｐ_Ｍｒｅｆを生成する（Ｓ１６）。

そして、モータ制御器理想モデル演算部３０９は、まず、モータ位置指令値Ｐ_Ｍｒｅｆとねじれ量Ｐ_Ｔｒｅｆとを加算する。続いて、その加算した値に基づき、モータ制御器理想モデルから、モータ位置ＦＦ指令値Ｐ_{ＭＦＦｒｅｆ}、モータ速度ＦＦ指令値Ｖ_{ＭＦＦｒｅｆ}、モータ推力ＦＦ指令値Ｆ_{ＭＦＦｒｅｆ}を生成する（Ｓ３−３）。その後は、第３の実施の形態と同様にステップＳ４−２、Ｓ５、及びＳ６が実行され、モータ１０３に出力する電流値Ｉ_Ｍを生成する。

上記制御を制御周期毎に実行する。制御周期が短いほど計算精度が向上し振動を抑制できるが計算リソースを必要とする。

以上の第４の実施の形態においては、動力学モデル演算部３２０が追加されているため、位置指令値Ｐ_Ｌｒｅｆが入力されると想定推力Ｆ_{ＬＥｒｅｆ}が算出可能である。この想定推力Ｆ_{ＬＥｒｅｆ}に基づいて推力指令値Ｆ_Ｌｒｅｆを生成し、それに基づき電流値Ｉ_Ｍを生成するので、ロボットアーム１００の動力学モデルに合うようにアーム１０６の位置が制御され、つまり緻密にかつ俊敏に制御される。

また、推力伝達部物理特性部３１６が追加されているため、想定推力Ｆ_{ＬＥｒｅｆ}を実現するねじれ量Ｐ_Ｔｒｅｆを事前に計算可能である。このねじれ量Ｐ_Ｔｒｅｆをモータ制御部３０３に入力して電流値Ｉ_Ｍに反映しているため、想定推力Ｆ_{ＬＥｒｅｆ}に対するアーム１０６の推力Ｆ_Ｌの応答性が向上する。これにより、位置指令値Ｐ_Ｌｒｅｆに対する装置位置Ｐ_Ｌの応答性も向上する。

そして、装置制御器３０１が追加されているため、装置位置Ｐ_Ｌと装置速度Ｖ_Ｌがフィードバック制御可能となる。これにより、想定推力Ｆ_{ＬＥｒｅｆ}にモデル化誤差・計算誤差等があり、装置位置Ｐ_Ｌが位置指令値Ｐ_Ｌｒｅｆからずれる場合であっても、装置位置Ｐ_Ｌが位置指令値Ｐ_Ｌｒｅｆに倣うようフィードバック制御することが可能となり、ずれ量を低減できる。

なお、本実施の形態では、動力学モデル演算部３２０、推力伝達部物理特性部３１６、及び装置制御器３０１の３つを全て備えているものを説明した。しかし、これら動力学モデル演算部３２０、推力伝達部物理特性部３１６、及び装置制御器３０１は、それぞれ独立した機能であるので、これらのうちの１つ又は２つを選択的に備えるだけでもよく、その場合も、それぞれの効果が得られる。

＜第５の実施の形態＞
次に、上記第４の実施の形態を一部変更した第５の実施の形態について図１１乃至図１３に沿って説明する。図１１は、第５の実施の形態に係るコントローラの制御系を示すブロック図である。また、図１２は、第５の実施の形態に係る制御を示すフローチャートである。図１３は、一軸ロボットの位置制御時の実験結果を示す図で、（ａ）は第５の実施の形態に係る制御による実験結果の図、（ｂ）は比較例の制御による実験結果の図である。

本第５の実施の形態においては、第４の実施の形態に比して、コントローラ１０１に、装置制御器理想モデル演算部（駆動装置ＦＦ制御部）３０７、及び装置オブザーバ部（監視制御部）３１７を備えたものである。装置制御器理想モデル演算部３０７は、アーム１０６の理想的な振る舞いを可能にするための装置制御器理想モデルを有している。装置制御器理想モデルは、ロボットアーム１００全体の仮想モデルと、アーム１０６の位置及び速度制御を行う制御回路の仮想モデルからなる。装置制御器理想モデル演算部３０７は、装置制御器理想モデルにおける制御回路の仮想モデルに所定の制御ゲインが設定されていると仮定し、教示用端末装置１０２から位置指令値Ｐ_Ｌｒｅｆが入力された場合に、アーム１０６に掛かるモデル演算を実行する。これにより、装置制御器理想モデル演算部３０７は、装置位置ＦＦ指令値Ｐ_{ＬＦＦｒｅｆ}、装置速度ＦＦ指令値Ｖ_{ＬＦＦｒｅｆ}、装置推力ＦＦ指令値Ｆ_{ＬＦＦｒｅｆ}を算出する機能を有する。

装置位置ＦＦ指令値Ｐ_{ＬＦＦｒｅｆ}、装置速度ＦＦ指令値Ｖ_{ＬＦＦｒｅｆ}、装置推力ＦＦ指令値Ｆ_{ＬＦＦｒｅｆ}の演算式は、以下の通りである。

また、装置オブザーバ部３１７は、モータ１０３の出力軸に働く外乱力Ｄｉｓｔを推定し、係数を掛けて外乱推力Ｆｄを生成してモータ推力指令値Ｆ_Ｍｒｅｆにフィードバック（第４のフィードバック制御）するものである。外乱力Ｄｉｓｔは、装置速度Ｖ_Ｌの微分により求められる装置加速度Ａ_Ｌと、推力Ｆ_Ｌに質量もしくは慣性二次モーメントを乗じて求められる想定装置加速度との差分を、質量もしくは慣性二次モーメントで除すことで求められる。

このように構成されたコントローラ１０１の制御では、図１２に示すように、第４の実施の形態における図１０の制御に比して、ステップＳ２１，Ｓ２２が追加され、ステップＳ１４−２，Ｓ１５−２，Ｓ１６−２，Ｓ３−４が変更される。まず、操作者が教示用端末装置１０２を操作することで教示用端末装置１０２から位置指令値Ｐ_Ｌｒｅｆが出力され、動力学モデル演算部３２０と装置位置制御部３１３に入力される（Ｓ１１）。動力学モデル演算部３２０は、位置指令値Ｐ_Ｌｒｅｆに基づき動力学モデルから想定推力Ｆ_{ＬＥｒｅｆ}を生成する（Ｓ１２）。推力伝達部物理特性部３１６は、想定推力Ｆ_{ＬＥｒｅｆ}を実現するねじれ量Ｐ_Ｔｒｅｆを生成する（Ｓ１３）。

一方、装置制御器理想モデル演算部３０７は、位置指令値Ｐ_Ｌｒｅｆに基づき、装置制御器理想モデルから、装置位置ＦＦ指令値Ｐ_{ＬＦＦｒｅｆ}、装置速度ＦＦ指令値Ｖ_{ＬＦＦｒｅｆ}、装置推力ＦＦ指令値Ｆ_{ＬＦＦｒｅｆ}を生成する（Ｓ２１）。装置位置制御部３１３は、装置位置ＦＦ指令値Ｐ_{ＬＦＦｒｅｆ}に装置エンコーダ１０８により検出される装置位置Ｐ_Ｌをフィードバックし、装置速度指令値Ｖ_Ｌｒｅｆを生成する（Ｓ１４−２）。装置速度制御部３１４は、装置速度指令値Ｖ_Ｌｒｅｆに装置速度ＦＦ指令値Ｖ_{ＬＦＦｒｅｆ}をフィードフォワードしつつ、装置エンコーダ１０８からの装置位置Ｐ_Ｌを微分した装置速度Ｖ_Ｌをフィードバックし、推力指令値Ｆ_Ｌｒｅｆを生成する（Ｓ１５−２）。装置オブザーバ部３１７は、装置エンコーダ１０８により検出される装置位置Ｐ_Ｌから求まる装置速度Ｖ_Ｌと推力計１０７により検出される推力Ｆ_Ｌとから外乱推力Ｆｄを生成する（Ｓ２２）。推力制御部３０２は、推力指令値Ｆ_Ｌｒｅｆに装置推力ＦＦ指令値Ｆ_{ＬＦＦｒｅｆ}をフィードフォワードしつつ、推力Ｆ_Ｌをフィードバックし、さらに外乱推力Ｆｄをフィードバックし、モータ位置指令値Ｐ_Ｍｒｅｆを生成する（Ｓ１６−２）。

そして、モータ制御器理想モデル演算部３０９は、まず、モータ位置指令値Ｐ_Ｍｒｅｆとねじれ量Ｐ_Ｔｒｅｆと装置位置ＦＦ指令値Ｐ_{ＬＦＦｒｅｆ}とを加算する。続いて、その加算した値に基づき、モータ制御器理想モデルから、モータ位置ＦＦ指令値Ｐ_{ＭＦＦｒｅｆ}、モータ速度ＦＦ指令値Ｖ_{ＭＦＦｒｅｆ}、モータ推力ＦＦ指令値Ｆ_{ＭＦＦｒｅｆ}を生成する（Ｓ３−４）。その後は、第４の実施の形態と同様にステップＳ４−２、Ｓ５、及びＳ６が実行され、モータ１０３に出力する電流値Ｉ_Ｍを生成する。

上記制御を制御周期毎に実行する。制御周期が短いほど計算精度が向上し振動を抑制できるが計算リソースを必要とする。

以上の第５の実施の形態においては、装置制御器理想モデル演算部３０７が追加されている。そのため、装置位置ＦＦ指令値Ｐ_{ＬＦＦｒｅｆ}を実現する装置速度ＦＦ指令値Ｖ_{ＬＦＦｒｅｆ}及び装置推力ＦＦ指令値Ｆ_{ＬＦＦｒｅｆ}がフィードフォワードされ、装置位置ＦＦ指令値Ｐ_{ＬＦＦｒｅｆ}の応答性が向上する。つまり装置制御器理想モデル演算部３０７の追加により応答性が向上する。しかし、例えば位置指令値Ｐ_Ｌｒｅｆをモータ位置指令値Ｐ_Ｍｒｅｆに加算するフィードフォワード制御を行うと、装置制御器３０１の目標値とモータ位置指令値Ｐ_Ｍｒｅｆにフィードフォワードされる値が一致しなくなり精度が劣化する課題がある。この課題に対し、モータ位置指令値Ｐ_Ｍｒｅｆに装置位置ＦＦ指令値Ｐ_{ＬＦＦｒｅｆ}を加算することで、装置制御器３０１の目標値とモータ位置指令値Ｐ_Ｍｒｅｆにフィードフォワードされる値が一致するため、精度低下が防止できる。

また、装置オブザーバ部３１７が追加されているため、モータ１０３の出力軸とアーム１０６との間の干渉トルクやその計算誤差、摩擦変動による位置精度劣化を防止でき、装置位置Ｐ_Ｌの精度を向上することができる。

以上のように制御される一軸ロボットシステム１_１の実験結果を図１３（ａ）に示す。本実験は回転関節型のロボットアーム１００を用いて実施されているため、位置の単位が［ｄｅｇ］で表現されている。図１３（ａ）において、縦軸は、装置角度を示しており、横軸が時間［ｓ］を示している。駆動条件は、移動量−５０［ｄｅｇ］、移動時間０．５［ｓ］である。上の図に示すように位置指令値Ｐ_Ｌｒｅｆにより０〜−５０［ｄｅｇ］まで駆動された際、下の図に示すように位置偏差も最大で０．０５［ｄｅｇ］と微小で、加減速時も偏差がほとんど生じていないことが分かる。

比較例として一般的なセミクローズド制御で駆動した場合の実験結果を図１３（ｂ）に示す。駆動条件は上記のものと同様であるが、本実施の形態の実験結果と比較すると、駆動条件が緩いにも拘らず加減速時の位置偏差が最大で０．３［ｄｅｇ］と大きいことが確認できる。つまり、本実施の形態では、加減速時の位置偏差が約１／６に改善されている。

このように本実施の形態に係る一軸ロボットシステム１_１において、予め与えられた複数の教示点列によって定まる経路に沿ってアーム１０６を動作させる制御を実行する。すると、一動作の開始点から終了点までの移動の間、モータ１０３の出力軸とアーム１０６との間（減速機１０５）の推力干渉によるロボットの振動を生じることなく、俊敏かつ精密に経路に追従させることができる。

＜第６の実施の形態＞
次に、上記第５の実施の形態を一部変更した第６の実施の形態について図１４乃至図１５に沿って説明する。図１４は、二軸ロボットシステムを示す全体概略図である。また、図１５は、二軸ロボットシステムにおける第６の実施の形態に係るコントローラの制御系を示すブロック図である。

図１４に示すように、二軸ロボットシステム１_２は、図１に示す一軸ロボットシステム１_１におけるアーム１０６に、２つ目の関節と、その関節により駆動されるアーム１１６とを直列的に接続したものである。即ち、第６の実施の形態に係る二軸のロボットアーム（複軸モータ駆動装置）１００は、モータ１０３と、モータエンコーダ１０４と、減速機１０５と、アーム１０６と、推力計１０７と、装置エンコーダ１０８とを有している。さらにロボットアーム１００は、アーム１０６に支持されるモータ１１３と、モータエンコーダ１１４と、減速機１１５と、アーム１１６と、推力計１１７と、装置エンコーダ１１８とを有している。また、コントローラ１０１は、２つのモータ１０３，１１３に接続されている。

図１５に示すように、コントローラ１０１は、大まかに、２つのモータ１０３，１１３に対応して、それぞれ装置制御器３０１Ａ及びモータ制御器３１０Ａと、装置制御器３０１Ｂ及びモータ制御器３１０Ｂとを有している。また、動力学モデル演算部（複軸動力学モデル制御部）３２０は、二軸のロボットアーム１００全体を動力学的にモデル化した動力学モデルを有しており、１つに共通化されている。即ち、動力学モデル演算部３２０は、１つの動力学モデルで２つのアーム１０６，１１６の移動制御に必要な想定推力Ｆ_{ＬＥｒｅｆ１}，Ｆ_{ＬＥｒｅｆ２}を算出する機能を有する。

このように二軸のロボットアーム１００を有するロボットシステム１_２でも、予め与えられた複数の教示点列によって定まる経路に沿って動くように制御する。この際、制御する軸数に拘らず、一動作の開始点から終了点までの移動の間、各軸間の推力干渉によってロボットに振動を生じることなく、精密に経路に追従させることができる。

なお、本第６の実施の形態では、二軸のロボットアーム１００について説明しているが、三軸以上のＮ軸の多関節ロボットアームであってもよい。動力学モデル演算部３２０は、一般的に軸が複数ある場合の各モータの出力軸と減速機との間の干渉推力も算出可能である。従って、下記の三点を変更することで複数軸の制御も可能となる。第一点に、動力学モデル演算部３２０に入力される位置指令値Ｐ_Ｌｒｅｆを複数軸（Ｎ軸）に対してそれぞれの位置指令値Ｐ_{Ｌｒｅｆ１}〜Ｐ_{ＬｒｅｆＮ}とする。第二点に、動力学モデル演算部３２０から出力される想定推力Ｆ_{ＬＥｒｅｆ}を複数軸（Ｎ軸）に対してそれぞれの想定推力Ｆ_{ＬＥｒｅｆ１}〜Ｆ_{ＬＥｒｅｆＮ}とする。第三点に、装置制御器３０１及びモータ制御器３１０をそれぞれの関節に対してＮ個備え、それぞれが制御を担当するｎ番目の関節の位置指令値Ｐ_{ＬｒｅｆＮ}と想定推力Ｆ_{ＬＥｒｅｆＮ}を入力とする。それぞれの装置制御器３０１及びモータ制御器３１０は、第４及び第５の実施の形態と同様のものを用いる。またこの場合、多関節ロボットアームを制御するコントローラは、ロボット装置の制御装置に含まれる。要するに、ロボット装置の制御装置は、各関節を制御する複数のコントローラと、それらコントローラに位置指令値を出力する上位コンピュータと、によって構成されることが考えられる。

このような多関節ロボットアームを有するロボットシステムでも、予め与えられた複数の教示点列によって定まる経路に沿って動くように制御する。この際、制御する軸数に拘らず、一動作の開始点から終了点までの移動の間、各軸間の推力干渉によってロボットに振動を生じることなく、精密に経路に追従させることができる。

なお、多関節ロボットアームを有するロボットシステムでも、動力学モデル演算部３２０が軸間の推力干渉を考慮した複数軸を制御する場合、外乱の計算値から干渉推力の計算値を減じるとより精度が向上する。算出した干渉推力を推力指令値Ｆ_Ｌｒｅｆに合算（フィードフォワード）することで、さらに装置位置ＦＦ指令値Ｐ_{ＬＦＦｒｅｆ}の応答性が向上する。

＜第７の実施の形態＞
つづいて、第１の実施の形態における一軸のロボットアーム１００や第６の実施の形態における二軸のロボットアーム１００などを含む、ロボットアームに用いる関節の構成を、第７の実施の形態として説明する。図１６は第７の実施の形態における関節の分解図、図１７は第７の実施の形態における関節の概略図である。また、図１８は図１７に示す関節の第１の変形例を示す概略図、図１９は図１７に示す関節の第２の変形例を示す概略図である。

図１６に示すように、モータエンコーダ１０４が接続されたモータ１０３は、出力軸１０３ａを有している。一方、減速機１０５は、高速回転軸１０５ａが本体１０５ｂを貫通している。そして、減速機１０５の本体１０５ｂは、カップリング１０９によりモータ１０３の出力軸１０３ａと減速機１０５の高速回転軸１０５ａとが締結されることで、モータ１０３と締結されて、モータ１０３の出力軸１０３ａの回転によって回転する。

また、減速機１０５の駆動フランジ１０５ｃは、モータ１０３によって回転する減速機１０５の本体１０５ｂの回転が減速された回転数で回転する構成となっており、中空構造の推力計１０７を挟んでアーム１０６と締結される。一方、装置エンコーダ１０８のシャフト１０８ａは、カップリング１１９を介して減速機１０５の高速回転軸１０５ａと締結されている。そして、装置エンコーダ１０８の本体１０８ｂは、アーム１０６（又は減速機１０５の駆動フランジ１０５ｃでもよい）に締結されている。この構成により、装置エンコーダ１０８は、減速機１０５の高速回転軸１０５ａの回転（つまりモータ１０３の回転）に対する、アーム１０６（又は減速機１０５の駆動フランジ１０５ｃ）の位置を検出することが可能となる。以上のように構成された関節では、図１７に示すように、アーム１０６から装置エンコーダ１０８が突出している形となる。

なお、装置エンコーダ１０８は、減速機１０５の高速回転軸１０５ａの回転（つまりモータ１０３の回転）を基準としてアーム１０６（又は減速機１０５の駆動フランジ１０５ｃ）の位置を計測することになる。このとき、モータ１０３の回転を基準とするためには、高速回転軸１０５ａの位置（モータエンコーダ１０４の検出値）で補正する必要がある。この際、モータエンコーダ１０４と装置エンコーダ１０８との検出値の向きが、例えばＣＷ（時計回り）を正とする、というように揃っているとする。この場合、アーム１０６の位置（装置位置Ｐ_Ｌ）は、装置エンコーダ１０８の検出値からモータエンコーダ１０４の検出値を減算することで補正できる。

次に、第１の変形例について図１８に沿って説明する。図１８に示すように、第１の変形例は、装置エンコーダ１０８を中空構造の推力計１０７の中心部分に配置して一体としたものである。このように構成にすることで、推力計１０７により検出される推力Ｆ_Ｌと、装置エンコーダ１０８により検出される装置位置Ｐ_Ｌとを同位置で計測することが可能になり、同期ずれを抑制することができる。また、推力計１０７及び装置エンコーダ１０８と、減速機１０５と、を別体として配置しているため、減速機１０５の内部振動や発熱の影響を受けずに推力Ｆ_Ｌや装置位置Ｐ_Ｌを計測することが可能となっている。

次に、第２の変形例について図１９に沿って説明する。図１６〜図１８に示す形態では、装置エンコーダ１０８の本体１０８ｂが、アーム１０６又は減速機１０５の駆動フランジ１０５ｃに締結されているものとしたが、図１９に示すように、推力計１０７と締結されている構成であってもよい。この場合は、アーム１０６と装置エンコーダ１０８とを一体的に配置することができる。

＜第８の実施の形態＞
ついで、上記第７の実施の形態を一部変更した第８の実施の形態として、ロボットアームに用いる関節の構成を、図２０及び図２１に沿って説明する。図２０は第８の実施の形態における関節の分解図、図２１は第８の実施の形態における関節の概略図である。

図２０及び図２１に示すように、モータエンコーダ１０４が接続されたモータ１０３は、その出力軸１０３ａがカップリング１０９を介して減速機１０５の高速回転軸１０５ａに締結されている。本第８の実施の形態における減速機１０５の本体１０５ｂは、モータ１０３の本体１０３ｂに締結されており、つまりモータ１０３に対して回転しない。

一方、減速機１０５の駆動フランジ１０５ｃは、推力計１０７を挟んでアーム１０６に締結されている。装置エンコーダ１０８のシャフト１０８ａは、アーム１０６に締結されるカップリング１１９に締結されている。なお、装置エンコーダ１０８のシャフト１０８ａ或いはカップリング１１９は、減速機１０５の駆動フランジ１０５ｃ或いは推力計１０７に対して締結されていてもよい。

そして、構造体１２０は、装置エンコーダ１０８の本体１０８ｂに締結される支持板１２０ａと、この支持板１２０ａと減速機１０５の本体１０５ｂ（又はモータ１０３の本体１０３ｂ）とを連結する連結アーム１２０ｂとを有している。つまり、装置エンコーダ１０８の本体１０８ｂは、構造体１２０によって減速機１０５の本体１０５ｂ（又はモータ１０３の本体１０３ｂ）に対し、回転不能に一体的に締結されている。

即ち、第７の実施の形態にあっては、上述したように、装置エンコーダ１０８が、モータ１０３の回転を基準としてアーム１０６の位置を計測する。この際、装置エンコーダ１０８の検出値からモータエンコーダ１０４の検出値を減算するなどの演算が必要であった。しかしながら、本第８の実施の形態にあっては、モータ１０３の本体１０３ｂに対して装置エンコーダ１０８の本体１０８ｂが回転不能に固定されているため、上記のような演算が不要となる。また、このように構成にすることで、推力計１０７により検出される推力Ｆ_Ｌと、装置エンコーダ１０８により検出される装置位置Ｐ_Ｌとをほぼ同位置で計測することが可能になり、同期ずれを抑制することができる。

なお、第１乃至第６の実施の形態では、教示用端末装置１０２を用いて推力指令値や位置指令値をコントローラ１０１に印加するものを説明した。しかしながら、これに限らず、例えばコントローラ１０１を管理する他のコンピュータなどから推力指令値や位置指令値をコントローラ１０１に印加してもよい。また、この場合は、コントローラ１０１にある各部の機能を他のコンピュータに備えてもよく、つまりサーボ制御装置とそれに接続した他のコンピュータとの中で、どのソフト的な機能をどのハード構成に搭載させるかは、設計上の自由である。

本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

１００…モータ駆動装置（ロボットアーム）：１０１…モータ駆動装置の制御装置（コントローラ）：１０３，１１３…モータ：１０４，１１４…モータ位置検出手段（モータエンコーダ）：１０５，１１５…伝達機構（減速機）：１０６，１１６…移動部材（アーム）：１０７…推力検出手段（推力計）：１０８，１１８…移動部材位置検出手段（装置エンコーダ）：３０１…駆動装置制御部（装置制御器）：３０２…推力制御部：３０３…モータ制御部：３０５…モータ速度制御部：３０４…モータ位置制御部：３０６…電流制御部：３０７…駆動装置ＦＦ制御部（装置制御器理想モデル演算部）：３０８…モータＦＦ制御部（微分器）：３０９…モータＦＦ制御部（モータ制御器理想モデル演算部）：３１３…移動部材位置制御部（装置位置制御部）：３１４…移動部材速度制御部（装置速度制御部）：３１６…ねじれ量制御部（推力伝達部物理特性部）：３１７…監視制御部（装置オブザーバ部）：３１８…推力検出手段（推力推定部）：３２０…動力学モデル制御部、複軸動力学モデル制御部（動力学モデル演算部）：Ａ_Ｍ…モータの出力部材の加速度（モータ加速度）：Ｆｄ…外乱により発生する推力（外乱推力）：Ｆ_Ｌ…推力：Ｆ_Ｌｒｅｆ…移動部材の推力指令値（推力指令値）：Ｆ_{ＬＥｒｅｆ}…動力学推力予測値（想定推力）：Ｆ_{ＬＦＦｒｅｆ}…フィードフォワード値（装置推力ＦＦ指令値）：Ｆ_Ｍｒｅｆ…モータの推力指令値：Ｆ_{ＭＦＦｒｅｆ}…フィードフォワード値（モータ推力ＦＦ指令値）：Ｉ_Ｍ…電流値：Ｐ_Ｌ…移動部材の位置（装置位置）：Ｐ_Ｌｒｅｆ…移動部材の位置指令値（装置位置指令値）：Ｐ_{ＬＦＦｒｅｆ}…フィードフォワード値（装置位置ＦＦ指令値）：Ｐ_Ｍ…モータの出力部材の位置（モータ位置）：Ｐ_Ｍｒｅｆ…モータの位置指令値：Ｐ_{ＭＦＦｒｅｆ}…フィードフォワード値（モータ位置ＦＦ指令値）：Ｐ_Ｔｒｅｆ…ねじれ量の予測値：Ｖ_Ｌｒｅｆ…移動部材の速度指令値（装置速度指令値）：Ｖ_{ＬＦＦｒｅｆ}…フィードフォワード値（装置速度ＦＦ指令値）：Ｖ_Ｍ…モータの出力部材の速度（モータ速度）：Ｖ_Ｍｒｅｆ…モータの速度指令値：Ｖ_{ＭＦＦｒｅｆ}…フィードフォワード値（モータ速度ＦＦ指令値）

Claims (18)

1. モータに接続された減速機を介して移動部材を制御するロボット装置の制御方法において、
   前記ロボット装置は、
   前記減速機を介して移動する前記移動部材にかかるトルクを計測するトルク計測手段と、
   前記モータの出力軸の位置を検出する第１の位置検出手段と、
   前記移動部材の位置を検出する第２の位置検出手段と、
   前記モータを制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   第１のフィードバックとして、前記第１の位置検出手段の検出結果を前記モータの制御にフィードバックし、
   第２のフィードバックとして、前記トルク計測手段の検出結果を前記モータの制御にフィードバックし、
   第３のフィードバックとして、前記第２の位置検出手段の検出結果を前記モータの制御にフィードバックし、
   入力された前記移動部材の位置指令値に前記第２のフィードバックと前記第３のフィードバックを行い、前記第２のフィードバックと前記第３のフィードバックが行われた前記位置指令値に前記第１のフィードバックを行う、
   ことを特徴とする制御方法。
2. 前記制御装置は、
   前記第２のフィードバックと前記第３のフィードバックが行われた前記位置指令値と、前記モータをモデル化したモータモデルと、に基づきフィードフォワード値を生成するモータフィードフォワード制御部を有している、
   ことを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
3. 前記モータフィードフォワード制御部は、前記第２のフィードバックと前記第３のフィードバックが行われた前記位置指令値に基づいて前記ロボット装置に作用する外乱を演算するオブザーバ部を有しており、
   前記制御装置は、
   前記外乱に応じて前記フィードフォワード値を生成する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の制御方法。
4. 前記モータモデルは、前記モータのイナーシャをモデル化したイナーシャ仮想モデルと、所定の制御ゲインを設定して前記モータの通電回路をモデル化した回路仮想モデルと、を有する、
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の制御方法。
5. 前記制御装置は、
   前記第２のフィードバックと前記第３のフィードバックが行われた前記指令値に基づき前記モータの速度指令値を生成するモータ位置制御部と、
   前記モータ位置制御部により生成された前記モータの速度指令値に基づき前記モータのトルク指令値を生成するモータ速度制御部と、
   前記速度制御部により生成された前記モータのトルク指令値に基づき電流値を生成する電流制御部と、を有し、
   前記第１の位置検出手段の検出結果は、
   検出された前記出力軸の位置、検出された前記出力軸の位置を微分した前記出力軸の速度、検出された前記出力軸の位置を２階微分した前記出力軸の加速度、のうちの少なくとも１つであり、
   前記第１のフィードバックとして、前記モータ位置制御部による前記出力軸の位置に応じたフィードバック制御、前記モータ速度制御部による前記出力軸の速度に応じたフィードバック制御、前記電流制御部による前記出力軸の加速度に応じたフィードバック制御、のうちの少なくとも１つを実行する、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の制御方法。
6. 前記制御装置は、
   前記モータを動力学的にモデル化した動力学モデルにより、外部より入力される前記移動部材の位置指令値から動力学トルク予測値を生成する動力学モデル制御部を有する、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の制御方法。
7. 前記制御装置は、
   前記動力学モデル制御部により、前記動力学トルク予測値に応じたフィードフォワード制御を実行する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の制御方法。
8. 前記制御装置は、
   前記減速機の剛性に基づき前記動力学トルク予測値から前記減速機のねじれ量の予測値を生成するねじれ量制御部を有する、
   ことを特徴とする請求項６または７に記載の制御方法。
9. 前記制御装置は、
   入力された前記移動部材の位置指令値に基づき前記移動部材の速度指令値を生成する移動部材位置制御部と、
   前記移動部材位置制御部により生成された前記移動部材の速度指令値に基づき前記移動部材のトルク指令値を生成する移動部材速度制御部と、を有し、
   前記第２の位置検出手段の検出結果は、検出された前記移動部材の位置、検出された前記移動部材の位置を微分した前記移動部材の速度、のうちの少なくとも１つであり、
   前記第３のフィードバックとして、前記移動部材位置制御部による前記移動部材の位置に応じたフィードバック制御、前記移動部材速度制御部による前記移動部材の速度に応じたフィードバック制御、のうちの少なくとも１つを実行する、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の制御方法。
10. 前記制御装置は、
    入力された前記移動部材の位置指令値と、前記ロボット装置をモデル化したロボットモデルとに基づきフィードフォワード値を生成する駆動装置フィードフォワード制御部を有する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の制御方法。
11. 前記ロボットモデルは、前記ロボット装置の質量または慣性モーメントをモデル化したロボット装置仮想モデルと、所定の制御ゲインを設定して前記ロボット装置の制御回路をモデル化した制御回路仮想モデルと、を有する、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の制御方法。
12. 前記制御装置は、
    前記トルク計測手段の検出結果と前記第２の位置検出手段の検出結果とに基づき前記移動部材に外乱により発生するトルクを監視する監視制御部を有し、
    前記監視制御部により、前記外乱により発生するトルクに応じた第４のフィードバック制御を実行する、
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の制御方法。
13. 請求項１から１２のいずれか１項に記載の制御方法を用いて前記ロボット装置を制御し、物品を製造する物品の製造方法。
14. 請求項１から１２のいずれか１項に記載の制御方法を前記制御装置に実行させるための制御プログラム。
15. 請求項１４に記載の制御プログラムを格納した、コンピュータで読み取り可能な記録媒体。
16. 請求項１３に記載の物品の製造方法を前記制御装置に実行させるための制御プログラム。
17. 請求項１６に記載の制御プログラムを格納した、コンピュータで読み取り可能な記録媒体。
18. モータに接続された減速機を介して移動部材を制御するロボット装置において、
    前記ロボット装置は、
    前記減速機を介して移動する前記移動部材にかかるトルクを計測するトルク計測手段と、
    前記モータの出力軸の位置を検出する第１の位置検出手段と、
    前記移動部材の位置を検出する第２の位置検出手段と、
    前記モータを制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    第１のフィードバックとして、前記第１の位置検出手段の検出結果を前記モータの制御にフィードバックし、
    第２のフィードバックとして、前記トルク計測手段の検出結果を前記モータの制御にフィードバックし、
    第３のフィードバックとして、前記第２の位置検出手段の検出結果を前記モータの制御にフィードバックし、
    入力された前記移動部材の位置指令値に前記第２のフィードバックと前記第３のフィードバックを行い、前記第２のフィードバックと前記第３のフィードバックが行われた前記位置指令値に前記第１のフィードバックを行う、
    ことを特徴とするロボット装置。

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