JP4209291B2

JP4209291B2 - 多自由度超音波モータの回転位置制御方法及び装置

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Publication number: JP4209291B2
Application number: JP2003317095A
Authority: JP
Inventors: 洋川野; 達也平原
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2023-09-09
Also published as: JP2005086922A

Description

本発明は、多自由度超音波モータの回転位置制御方法及び装置に関し、詳しくは、複数の圧電素子が重層構成されて互いに位相の異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する固定子と、当該固定子に発生する当該固有振動によって任意の方向に回転駆動する回転子とで構成される多自由度超音波モータにおいて、前記複数の圧電素子への交流電圧の印加に伴う前記回転子の中心を原点とする三次元立体座標軸を３軸とした当該回転子の軸回転による回転運動の回転方向を切替えて事前に設定された目標軌道に基づき軌道追従制御するための回転位置制御装置に適用される回転位置制御方法、及びその実施に直接使用する装置に係わる。

近年、例えば、人間型ロボットの関節機構等の、高トルク及び高自由度を要求されるような部位におけるアクチュエータとして、従来の１自由度回転式の電磁式サーボモータに代わり、省スペース、高トルクの多自由度超音波モータの適用が期待されている。特に、人間型ロボットの首のように、多自由度に姿勢を変えることができる様に、重量物を鉛直に支える必要のある機構等に対し、この種の多自由度超音波モータの応用が大いに期待されている。

一般に、多自由度超音波モータは、互いに振動方向が異なる複数の圧電素子が積層してなる固定子と、この固定子の上に密着して載置された球状の回転子とからなる。このような多自由度超音波モータの固定子の各圧電素子に、周波数が等しく、互いに位相が異なる交流電圧を印加した場合、各圧電素子にそれぞれの方向の固有振動が励振されて、それら固有振動モードの組み合わせにより、回転子が３自由度の回転運動を行う。

このように、３自由度の回転運動を行う多自由超音波モータを適切に駆動するためには、適切な制御が必要であり、そのような多自由度の回転運動の制御にあたり、固定子を構成する各圧電素子に印加する交流電圧の位相差を制御する手法が提案されており、この手法においては、各入力信号の位相差の値で構成されたベクトル値に対する回転子の回転方向の角度値に関する情報を保持した運動モデルを利用して、制御信号を決定している。

また、多自由度超音波モータを用いて大きな負荷重量物を駆動する場合には、適切な予圧を行って、固定子と回転子とを強い力で圧着させる必要があり、多自由超音波モータに与えられた予圧力により、多自由度超音波モータが発する回転トルクの値が決定されている。

なお、上記多自由度の回転の制御手法の詳細は、以下に示す非特許文献１に記載されている。
K. Takemura, T. Maeno, "Control of Multi-DOF Ultrasonic Motor using Neural Network based Inverse Model", Proceedings of 2002 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, October 2002.

ここで、以上のように強力な力で予圧された多自由度超音波モータは、予圧力の大きさによって決定される大きな回転トルクを常に発し、大きな加速度での動作を行うものであるが、そのような場合に、多自由度超音波モータに軌道追従動作を行わせると、目標軌道付近をのこぎり波状の軌跡で追従することが多く、大きな騒音を発生する原因になる。

また、多自由度超音波モータの回転子と固定子とが接する面における摩擦力の物理学的特性は複雑であり、多自由度超音波モータ運転時における発熱などの原因による多自由度超音波モータの共振周波数の変化に伴う力学特性の変化もあるため、軌道追従制御における適切なフィードバック制御のゲインの調整は困難である。

さらに、多自由度の回転運動を行う場合、その幾何学的な特性は複雑であり、一方向への回転運動が幾何学的に他方向の回転運動に与える影響について考慮する必要があり、従来の技術において、そのような幾何学的な特性と多自由度超音波モータの印加電圧対運動特性を記述した逆運動モデルを利用して制御系を構築していたが、そのような逆運動モデルの構築は、多自由度超音波モータの回転子と固定子が接する面における摩擦力の物理学的性質が複雑であることや、モデルを表現するための状態空間の次元の高さの問題から非常に困難である。

加えて、多自由度超音波モータの長時間の運転を可能にするためには、多自由度超音波モータの運転中に運動モデルの更新を行わなければならないが、多自由度の運動を表現する運動モデルを効率よく実時間で更新することは困難なものであり、多自由度超音波モータは、回転子と固定子との間の物理特性に個体差があり、運動モデルを一つ一つの多自由度超音波モータのために用意しなければならないという問題がある。

また、多自由度超音波モータは、固定子を構成するそれぞれ互いに振動方向が異なる３種の圧電素子のうち、２種を利用して一方向の回転運動を行うため、同時に制御可能な自由度は２自由度であり、完全な３自由度の回転運動を制御するためには回転方向の切替えを行わなければならないが、そのような回転方向の切替えには、大きな騒音を伴うのが現状である。

ここにおいて、本発明の解決すべき主要な目的は、次のとおりである。
即ち、本発明の第１の目的は、多自由度超音波モータの単一方向の回転運動における１次元の逆運動モデルを、各回転方向毎に独立に保持するとともに、各回転方向毎にフィードバック制御を行い、逆運動モデルの構築、運転中の更新を可能な多自由度超音波モータの回転位置制御方法及び装置を提供せんとするものである。

本発明の第２の目的は、各方向のフィードバック制御のゲインの値を、運転中に自動的に調節することで、予圧を受けた多自由度超音波モータの動作軌跡が、のこぎり波状となることを防ぎ、モータの静粛性を維持することが可能な多自由度超音波モータの回転位置制御方法及び装置を提供せんとするものである。

本発明の第３の目的は、回転方向の切替えによって、多自由度超音波モータによる完全な３自由度回転制御を可能とするとともに、その切替え周波数を人間の可聴域の外の周波数として静音性を保つことの可能な多自由度超音波モータの回転位置制御方法及び装置を提供せんとするものである。

本発明の目的は、明細書、図面、特に特許請求の範囲の各請求項の記載から、自ずと明らかになろう。

まず、本発明方法においては、固定子と回転子とで構成される多自由度超音波モータを事前に設定された目標軌道に基づき軌道追従制御するための回転位置制御装置において、回転子の回転運動における固定子設置垂直中心軸を中心とする軸回転の回転方向を横方向とするとともに、当該回転運動の予め設定された他の複数の回転方向に起因して固定子設置中心軸の垂直基準線に対する傾斜角を傾斜方向として採用して、回転子の外部に備えた計測センサにより当該回転子の前記横方向に対する回転角度の横方向回転角度計測値と、傾斜方向に対する回転角度の傾斜方向回転角度計測値とをそれぞれ計測して回転角度の計測を随時行い、横方向回転角度計測値と傾斜方向回転角度計測値と前記目標軌道とから、当該回転子が当該目標軌道を追従可能な横方向回転目標角速度と傾斜方向回転目標角速度との目標角速度の算出を行い、回転角度と目標角速度と、それぞれの回転方向毎に設定された複数の圧電素子に印加する交流電圧と当該交流電圧による回転子の運動特性の組の写像関係を記述した逆運動モデルとに基づき、固定子の複数の圧電素子に印加すべき交流電圧の当該回転方向毎の速度制御電圧指令値の算出を行い、当該速度制御電圧指令値に基づき、複数の圧電素子のそれぞれに対して当該交流電圧を出力することで、当該回転子の前記回転運動の位置制御を行う、という特徴的構成手法を講じる。

一方、本発明装置においては、固定子と回転子とで構成される多自由度超音波モータを事前に設定された目標軌道に基づき軌道追従制御するための回転位置制御装置であって、回転子の回転運動における固定子設置垂直中心軸を中心とする軸回転の回転方向を横方向とするとともに、当該回転運動の予め設定された他の複数の回転方向に起因して固定子設置中心軸の垂直基準線に対する傾斜角を傾斜方向として採用して、回転子の横方向に対する回転角度の横方向回転角度計測値と、傾斜方向に対する回転角度の傾斜方向回転角度計測値とをそれぞれ計測して回転角度の計測を随時行う計測センサと、目標軌道データを保持して、計測センサの測定した横方向回転角度計測値と傾斜方向回転角度計測値と当該目標軌道データとから、回転子が当該目標軌道データを追従可能な横方向回転目標角速度と傾斜方向回転目標角速度との目標角速度の算出を行う目標速度算出部と、それぞれの回転方向毎に設定された固定子の複数の圧電素子に印加する交流電圧と当該交流電圧による回転子の運動特性の組の写像関係を記述した逆運動モデルを保持して、計測センサの計測した回転角度と、目標速度算出部の算出した目標角速度と、当該逆運動モデルとに基づき、複数の圧電素子に印加すべき交流電圧の当該回転方向毎の速度制御電圧指令値の算出を行う回転制御部と、回転制御部の算出した速度制御電圧指令値に基づき、複数の圧電素子のそれぞれに対して交流電圧を出力する回転方向切替部と、を有して構成させる、という特徴的構成手段を講じる。

さらに、具体的詳細に述べると、当該課題の解決では、本発明が次に列挙する上位概念から下位概念に亙る新規な特徴的構成手法又は手段を採用することにより、上記目的を達成するように為される。

即ち、本発明方法の第１の特徴は、複数の圧電素子が重層構成されて互いに位相の異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する固定子と、当該固定子に発生する当該固有振動によって任意の方向に回転駆動する回転子とで構成される多自由度超音波モータにおいて、前記複数の圧電素子への交流電圧の印加に伴う前記回転子の中心を原点とする三次元立体座標軸を３軸とした当該回転子の軸回転による回転運動の回転方向を切替えて事前に設定された目標軌道に基づき軌道追従制御するための回転位置制御装置に適用される回転位置制御方法であって、前記回転位置制御装置において、前記回転子の前記回転運動における前記固定子設置中心軸を中心とする垂直軸回転の回転方向を横方向とするとともに、当該回転運動の予め設定された他の複数の回転方向に起因して前記固定子設置中心軸の垂直基準線に対する傾斜角を傾斜方向として採用して、前記回転子の外部に備えた計測センサにより当該回転子の前記横方向に対する回転角度の横方向回転角度計測値と、前記傾斜方向に対する回転角度の傾斜方向回転角度計測値とをそれぞれ計測して回転角度の計測を随時行い、前記横方向回転角度計測値と前記傾斜方向回転角度計測値と前記目標軌道とから、当該回転子が当該目標軌道を追従可能な横方向回転目標角速度と傾斜方向回転目標角速度との目標角速度の算出を行い、前記回転角度と前記目標角速度と、それぞれの前記回転方向毎に設定された前記複数の圧電素子に印加する前記交流電圧と当該交流電圧による前記回転子の運動特性の組の写像関係を記述した逆運動モデルとに基づき、前記固定子の前記複数の圧電素子に印加すべき交流電圧の当該回転方向毎の速度制御電圧指令値の算出を行い、前記回転方向毎の前記速度制御電圧指令値に基づき、前記横方向と前記傾斜方向との前記回転方向に対応する前記交流電圧を、前記複数の圧電素子のそれぞれに交互に切り替えて出力することで、当該回転子の前記回転運動の位置制御を行ってなる、多自由度超音波モータの回転位置制御方法の構成採用にある。

本発明方法の第２の特徴は、上記本発明方法の第１の特徴における前記交流電圧の出力を、人間の耳の可聴域よりも低い又は高い周波数で当該交流電圧を切替えて、当該交流電圧を出力してなる、多自由度超音波モータの回転位置制御方法の構成採用にある。

本発明方法の第３の特徴は、上記本発明方法の第１又は第２の特徴における前記交流電圧の出力を、前記回転方向毎の出力に割り当てる時間の比率を、当該回転方向毎の速度に応じて調整設定して、当該調整設定した時間比率に基づき当該交流電圧を切替え出力してなる、多自由度超音波モータの回転位置制御方法の構成採用にある。

本発明方法の第４の特徴は、上記本発明方法の第１、第２又は第３の特徴における前記目標角速度の算出を、前記横方向回転角度計測値と前記目標軌道とから、前記横方向において、前記回転子が当該目標軌道を追従可能な横方向回転目標角速度を算出するとともに、前記傾斜方向において、当該横方向回転目標角速度と前記傾斜方向回転角度計測値とから、前記横方向の前記回転運動と前記傾斜方向の前記回転運動との相互間の幾何学的な干渉を補償して当該干渉と相反する当該傾斜方向の横方向補償傾斜回転目標速度の算出を行い、前記傾斜方向において、前記目標軌道の微分値に前記回転子が前記目標軌道を追従可能な当該横方向補償傾斜回転目標速度を加算した前記目標角速度を算出してなる、多自由度超音波モータの回転位置制御方法の構成採用にある。

本発明方法の第５の特徴は、上記本発明方法の第１、第２、第３又は第４の特徴における前記目標角速度の算出を、前記傾斜方向において、前記傾斜方向回転角度計測値と前記目標軌道とから、当該傾斜方向の前記回転運動をなす前記複数の回転方向相互間の幾何学的な干渉を補償して当該干渉と相反する、それぞれ当該複数の回転方向毎の傾斜角間幾何学的干渉補償目標速度の算出を行い、前記傾斜方向において、前記目標軌道の微分値に前記回転子が前記目標軌道を追従可能な当該傾斜角間幾何学的干渉補償目標速度を加算した前記目標角速度を算出してなる、多自由度超音波モータの回転位置制御方法の構成採用にある。

本発明方法の第６の特徴は、上記本発明方法の第１、第２、第３、第４又は第５の特徴における前記速度制御電圧指令値の算出を、前記固定子の前記複数の圧電素子のそれぞれに出力する前記交流電圧の振幅値の履歴と、前記回転角度の計測値に基づく前記目標軌道への追従誤差とを継続的に監視し、当該振幅値と当該追従誤差とに基づき制御パラメータの調整を随時行い、当該制御パラメータを用いて当該速度制御電圧指令値を算出してなる、多自由度超音波モータの回転位置制御方法の構成採用にある。

本発明方法の第７の特徴は、上記本発明方法の第６の特徴における前記速度制御電圧指令値の算出を、前記制御パラメータの調整において、前記交流電圧の振幅値の履歴と、前記回転角度の計測値と、当該回転角度の計測値の微分値を用いた評価関数を最適化する強化学習により当該制御パラメータの調整を行うことにより、前記回転角度の計測値と前記制御パラメータとに基づき、前記追従誤差を最小とする位置誤差修正速度を算出して、当該位置誤差修正速度を加算した前記目標角速度と前記逆運動モデルとを用いて当該速度制御電圧指令値を算出してなる、多自由度超音波モータの回転位置制御方法の構成採用にある。

本発明方法の第８の特徴は、上記本発明方法の第６又は第７の特徴における前記速度制御電圧指令値の算出を、前記制御パラメータの調整とともに、前記交流電圧の振幅値の履歴と、前記回転角度の計測値と、当該回転角度の計測値の微分値を用いて前記逆運動モデルの前記写像関係を随時更新して、当該逆運動モデルを用いて当該速度制御電圧指令値を算出してなる、多自由度超音波モータの回転位置制御方法の構成採用にある。

本発明方法の第９の特徴は、上記本発明方法の第６又は第７の特徴における前記速度制御電圧指令値の算出を、前記制御パラメータの調整とともに、前記逆運動モデルの前記写像関係と、前記回転子の回転速度と前記交流電圧との特性が合致する前記複数の圧電素子に印加する前記交流電圧の周波数を算出してなる、多自由度超音波モータの回転位置制御方法の構成採用にある。

一方、本発明装置の第１の特徴は、複数の圧電素子が重層構成されて互いに位相の異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する固定子と、当該固定子に発生する当該固有振動によって任意の方向に回転駆動する回転子とで構成される多自由度超音波モータにおいて、前記複数の圧電素子への交流電圧の印加に伴う前記回転子の中心を原点とする三次元立体座標軸を３軸とした当該回転子の軸回転による回転運動の回転方向を切替えて事前に設定された目標軌道データに基づき軌道追従制御するための回転位置制御装置であって、前記回転位置制御装置において、前記回転子の前記回転運動における前記固定子設置中心軸を中心とする垂直軸回転の回転方向を横方向とするとともに、当該回転運動の予め設定された他の複数の回転方向に起因して前記固定子設置中心軸の垂直基準線に対する傾斜角を傾斜方向として採用して、前記回転子の前記横方向に対する回転角度の横方向回転角度計測値と、前記傾斜方向に対する回転角度の傾斜方向回転角度計測値とをそれぞれ計測して回転角度の計測を随時行う計測センサと、前記目標軌道データを保持して、前記計測センサの測定した前記横方向回転角度計測値と前記傾斜方向回転角度計測値と当該目標軌道データとから、前記回転子が当該目標軌道データを追従可能な横方向回転目標角速度と傾斜方向回転目標角速度との目標角速度の算出を行う目標速度算出部と、それぞれの前記回転方向毎に設定された前記固定子の前記複数の圧電素子に印加する前記交流電圧と当該交流電圧による前記回転子の運動特性の組の写像関係を記述した逆運動モデルを保持して、前記計測センサの計測した前記回転角度と、前記目標速度算出部の算出した前記目標角速度と、当該逆運動モデルとに基づき、前記複数の圧電素子に印加すべき交流電圧の当該回転方向毎の速度制御電圧指令値の算出を行う回転制御部と、前記回転制御部の算出した前記速度制御電圧指令値に基づき、前記複数の圧電素子のそれぞれに対して前記交流電圧を出力する回転方向切替部と、を有して構成され、前記回転方向切替部は、前記回転方向毎の前記速度制御電圧指令値に基づき、前記横方向と前記傾斜方向との前記回転方向対応する前記交流電圧を、前記複数の圧電素子のそれぞれに交互に切替えて出力する機能手段を具備する多自由度超音波モータの回転位置制御装置の構成採用にある。

本発明装置の第２の特徴は、上記本発明装置の第１の特徴における前記回転方向切替部が、人間の耳の可聴域よりも低い又は高い周波数で当該交流電圧を切替える機能手段を具備してなる、多自由度超音波モータの回転位置制御装置の構成採用にある。

本発明装置の第３の特徴は、上記本発明装置の第１又は第２の特徴における前記回転方向切替部が、前記回転方向毎の出力に割り当てる時間の比率を、当該回転方向毎の速度に応じて調整設定する時間調整部を具備してなる、多自由度超音波モータの回転位置制御装置の構成採用にある。

本発明装置の第４の特徴は、上記本発明装置の第１、第２又は第３の特徴における前記目標速度算出部が、前記横方向回転角度計測値と前記目標軌道データとから、前記横方向における、前記回転子が当該目標軌道データを追従可能な横方向回転目標角速度を算出する横方向回転目標速度算出部と、前記傾斜方向における、前記目標軌道データを追従可能な傾斜方向回転目標角速度を算出する傾斜方向回転目標速度算出部とを有するとともに、当該傾斜方向回転目標速度算出部は、前記横方向回転目標速度算出部の算出する前記横方向回転目標角速度と前記傾斜方向回転角度計測値とから、前記傾斜方向における、前記横方向の前記回転運動と前記傾斜方向の前記回転運動との相互間の幾何学的な干渉を補償して当該干渉と相反する、当該傾斜方向の横方向補償傾斜回転目標速度の算出を行う横方向回転補償部を具備して、前記目標軌道データの微分値と当該横方向補償傾斜回転目標速度とを用いて前記傾斜方向回転目標角速度を算出可能に機能構成されてなる、多自由度超音波モータの回転位置制御装置の構成採用にある。

本発明装置の第５の特徴は、上記本発明装置の第４の特徴における前記傾斜方向回転目標速度算出部が、前記傾斜方向回転角度計測値と前記目標軌道データとから、前記傾斜方向の前記回転運動をなす前記複数の回転方向相互間の幾何学的な干渉を補償して当該干渉と相反する、それぞれ当該複数の回転方向毎の傾斜角間幾何学的干渉補償目標速度の算出を行う傾斜角間幾何学的干渉補償部を具備して、さらに、当該傾斜角間幾何学的干渉補償目標速度を用いて前記傾斜方向回転目標角速度を算出可能に機能構成されてなる、多自由度超音波モータの回転位置制御装置の構成採用にある。

本発明装置の第６の特徴は、上記本発明装置の第１、第２、第３、第４又は第５の特徴における前記回転制御部が、前記固定子の前記複数の圧電素子のそれぞれに出力する前記交流電圧の振幅値の履歴と、継続的に受信した前記回転角度の計測値と、別途具備する微分器を介して受信した当該回転角度の計測値の微分値とに基づく制御パラメータの評価関数を随時最適化する強化学習機能手段を有して、当該制御パラメータを用いて位置誤差修正速度を算出する誤差修正フィードバック部と、当該位置誤差修正速度を加算した前記目標角速度と前記逆運動モデルとを用いて当該速度制御電圧指令値を算出する速度−電圧変換部と、を具備してなる、多自由度超音波モータの回転位置制御装置の構成採用にある。

本発明装置の第７の特徴は、上記本発明装置の第６の特徴における前記速度−電圧変換部が、前記固定子の前記複数の圧電素子のそれぞれに出力する前記交流電圧の振幅値の履歴と、継続的に受信した前記回転角度の計測値と、前記微分器を介して受信した当該回転角度の計測値の微分値とに基づき、前記逆運動モデルの前記写像関係を随時更新可能に保持してなる、多自由度超音波モータの回転位置制御装置の構成採用にある。

本発明装置の第８の特徴は、上記本発明装置の第６の特徴における前記速度−電圧変換部が、前記逆運動モデルの前記写像関係と、前記回転子の回転速度と前記交流電圧との特性が合致する前記複数の圧電素子に印加する前記交流電圧の周波数を算出する機能手段を具備してなる、多自由度超音波モータの回転位置制御装置の構成採用にある。

本発明装置の第９の特徴は、上記本発明装置の第６、第７又は第８の特徴における前記回転制御部が、前記回転方向毎に設置されて、前記横方向の横方向速度制御電圧指令値の算出を行う横方向回転制御部と、前記傾斜方向の傾斜方向速度制御電圧指令値の算出を行う傾斜方向回転制御部とからなる、多自由度超音波モータの回転位置制御装置の構成採用にある。

本発明によれば、多自由度超音波モータの多自由度運動における力学的特性の変化に対応するための、多自由度超音波モータ運転中の逆運動モデルの更新や、多自由度運動の回転位置制御における制御パラメータの調整が可能となるとともに、回転子の動作軌跡が、のこぎり波状になることを防止して、静粛性の高い３自由度の回転制御が可能となる。

以下、本発明の実施の形態につき、添付図面を参照しつつ、本発明が適用される多自由度超音波モータ例と、本発明の装置例及びこれに対応する方法例を順に挙げて説明する。

（多自由度超音波モータ例）
まず、図１は、本発明の回転位置制御装置が適用される多自由度超音波モータの構成図であり、続く図２は、図１に示される多自由度超音波モータの回転原理を説明するための図である。

図１に示すように、本装置例に係る回転位置制御装置αが適用される多自由度超音波モータβは、例えば、複数の圧電素子１ａ，１ｂ，１ｃが重層積層されて互いに位相の異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する固定子１と、この固定子１の設置中心軸（回転子座標系におけるｚ軸）上にその回動中心点及び回転中心軸を含むよう固定子１上に非拘束状態で載置されてこの固定子１に発生する固有振動によって任意の方向に回転駆動する球形の回転子２とを有して構成される。

また、固定子１を構成する複数の圧電素子１ａ，１ｂ，１ｃは、例えば、ピッチ方向（回転子座標系におけるｙ軸を回転する回転方向）のたわみ振動（振動方向１Ａ）を発生するピッチ方向たわみ振動発生用圧電素子１ａ、固定子座標系におけるｚ軸方向に上下伸縮振動（振動方向１Ｂ）を発生する上下方向伸縮振動発生用圧電素子１ｂ、ロール方向（回転子座標系におけるｘ軸を回転する回転方向）のたわみ振動（振動方向１Ｃ）を発生するロール方向たわみ振動発生用圧電素子１ｃにより構成されて、それぞれの圧電素子１ａ，１ｂ，１ｃが発生する機械的振動によって、回転子２の回転運動を誘起する。

ここで、各圧電素子１ａ，１ｂ，１ｃの固有振動数を、例えば、２０ｋＨｚを超えたものを選択して、各圧電素子１ａ，１ｂ，１ｃを振動させるために印加する交流電圧の周波数に、各圧電素子１ａ，１ｂ，１ｃの固有振動数と同じ値を設定することで、エネルギー効率を高めることができる。

次に、図２に示すように、多自由度超音波モータβは、例えば、ｘ軸まわりに回転運動するロール方向の回転には、ロール方向たわみ振動発生用圧電素子１ｃと上下方向伸縮振動発生用圧電素子１ｂが利用されるものであり、ロール方向たわみ振動発生用圧電素子１ｃと上下方向伸縮振動発生用圧電素子１ｂに印加される交流電圧の位相差は９０度であり、これにより、誘起される機械振動も同様に９０度の位相差を持つ。

したがって、９０度の位相差でロール方向のたわみ振動１Ｃとｚ軸方向の伸縮振動１Ｂが組み合わさって、固定子１の上面はｘ軸周りの回転運動であるロール方向の回転運動を行い、例えば、同図において、（１）、（２）、（３）、（４）の回転状態を経て再び（１）に示す状態となったときに、回転子２はロール方向に回転する様子を模式的に示すものである。

このとき、固定子１と回転子２の間の摩擦力によって、その回転運動を回転子２に伝達して、回転子１２のロール方向の回転を誘起するものであり、他の方向に対する回転においても、所定の２つの圧電素子１ａと１ｂ，１ｂと１ｃ，１ｃと１ａの振動の組み合わせにより回転子２の回転運動を発生する。

（装置例）
続いて、図３は、本発明の一装置例に係る多自由度超音波モータの回転位置制御装置の機能構成図である。
以上のような構成を持つ多自由度超音波モータβにおいて、複数の圧電素子１ａ，１ｂ，１ｃへの交流電圧の印加に伴う回転子２の中心を原点とする三次元立体座標軸を３軸とした回転子２の軸回転による回転運動の回転方向を切替えて事前に設定された目標軌道データに基づき軌道追従制御するための回転位置制御装置αについて説明する。

なお、本装置例においては、多自由度超音波モータβの回転子２の回転運動における固定子１の設置中心軸（回転子座標系におけるｚ軸）を中心とする垂直軸回転の回転方向（ヨー方向Ａ）を横方向とするとともに、この回転運動の予め設定された他の複数の回転方向に起因して固定子１の設置中心軸（回転子座標系におけるｚ軸）の垂直基準線に対する傾斜角を傾斜方向として採用するものであり、例えば、傾斜方向は、回転子座標系におけるｙ軸を中心とする軸回転の回転方向（ピッチ方向）と、回転子座標系におけるｘ軸を中心とする軸回転の回転方向（ロール方向）とからなる。

図３に示すように、回転位置制御装置αは、まず、回転子２の横方向に対する回転角度の横方向回転角度計測値と、傾斜方向に対する回転角度の傾斜方向回転角度計測値とをそれぞれ計測して回転角度の計測を随時行う計測センサとして、例えば、それぞれ、横方向回転角度計測センサ３ａと傾斜方向回転角度計測センサ３ｂとを有して構成される。

また、回転位置制御装置αは、例えば、目標軌道データ保持部４１にて、予め設定された目標軌道データを保持して、計測センサ３ａ，３ｂの測定した横方向回転角度計測値と傾斜方向回転角度計測値と目標軌道データ保持部４１にて保持する目標軌道データとから、回転子２が目標軌道データを追従可能な横方向回転目標角速度と傾斜方向回転目標角速度との目標角速度の算出を行う目標速度算出部として、例えば、それぞれ、横方向回転目標速度算出部４ａと傾斜方向回転目標速度算出部４ｂとを有して構成される。

さらに、それぞれの回転方向毎に設定された固定子１の複数の圧電素子１ａ，１ｂ，１ｃに印加する交流電圧とこの交流電圧による回転子２の運動特性の組の写像関係を記述した逆運動モデル５１を保持して、計測センサ３ａ，３ｂの計測した回転角度と、目標速度算出部４ａ，４ｂの算出した目標角速度と、保持する逆運動モデル５１とに基づき、複数の圧電素子１ａ，１ｂ，１ｃに印加すべき交流電圧の回転方向毎の速度制御電圧指令値の算出を行う回転制御部として、例えば、それぞれ、横方向回転制御部５ａと傾斜方向回転制御部５ｂとを有して構成される。

加えて、回転位置制御装置αは、回転制御部５ａ，５ｂの算出した速度制御電圧指令値に基づき、複数の圧電素子１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれに対して交流電圧を出力する回転方向切替部６を有して構成される。
ここで、目標軌道データ保持部４１にて保持する、予め設定された目標軌道データは、例えば回転制御部５ａ，５ｂ等からアクセス可能に構築されて、随時参照可能に機能構築されても構わない。

次に、図４は、図３に示した傾斜方向回転目標速度算出部の機能構成図である。
図３に示すように、目標速度算出部４ａ，４ｂは、まず横方向回転角度計測値と目標軌道データ保持部４１にて保持する予め設定された目標軌道データとから、横方向における、回転子２が目標軌道データを追従可能な横方向回転目標角速度を算出する、横方向回転目標速度算出部４ａと傾斜方向における、目標軌道データを追従可能な傾斜方向回転目標角速度を算出する傾斜方向回転目標速度算出部４ｂとを有して構成される。

ここで、傾斜方向回転目標速度算出部４ｂは、同図に示すように、横方向回転目標速度算出部４ａの算出する横方向回転目標角速度と、傾斜方向回転角度計測センサ３ｂの計測した傾斜方向回転角度計測値とから、傾斜方向における、横方向の回転運動と傾斜方向の回転運動との相互間の幾何学的な干渉を補償してこの干渉と相反する、傾斜方向の横方向補償傾斜回転目標速度の算出を行う横方向回転補償部４２を具備して構成される。

この横方向回転補償部４２にて算出した横方向補償傾斜回転目標速度を用いて、目標軌道データ保持部４１の保持する目標軌道データの微分値（目標速度値）と加算することで、傾斜方向回転目標速度算出部４ｂは、傾斜方向回転目標角速度を算出可能に機能構成される。

また、傾斜方向回転目標速度算出部４ｂは、傾斜方向回転角度計測値と目標軌道データとから、傾斜方向の回転運動をなす複数の回転方向相互間の幾何学的な干渉を補償して当該干渉と相反する、それぞれ複数の回転方向毎の傾斜角間幾何学的干渉補償目標速度の算出を行う傾斜角間幾何学的干渉補償部４３を具備して、この傾斜角間幾何学的干渉補償目標速度を用いて傾斜方向回転目標角速度を算出可能に機能構成されるとよい。

以上のように構成された傾斜方向回転目標速度算出部４ｂにおいて、例えば、目標軌道データを微分して得られた目標速度値に対し、横方向回転補償部４２、傾斜角間幾何学的干渉補償部４３がそれぞれ出力する横方向補償傾斜回転目標速度と傾斜角間幾何学的干渉補償目標速度との補償速度値を加算する機能手段を備えるとよい。

この補償速度値を加算する機能手段により、傾斜方向回転目標速度算出部４ｂは、横方向回転運動と傾斜方向回転運動間の幾何学的な干渉と、傾斜方向の回転運動をなす、例えば、ピッチ方向回転運動とロール方向回転運動間の幾何学的な干渉を考慮した傾斜方向回転目標角速度の算出が可能となる。

一方、図５は、図３に示した回転制御部の機能構成図である。
同図に示すように、回転制御部５ａ，５ｂは、固定子１の複数の圧電素子１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれに出力する交流電圧の振幅値の履歴と、継続的に受信した回転角度の計測値と、別途具備する微分器５２を介して受信したこの回転角度の計測値の微分値とに基づく制御パラメータ５３の評価関数を随時最適化する強化学習機能手段を有する。

さらに、回転制御部５ａ，５ｂは、この制御パラメータ５３を用いて位置誤差修正速度を算出する誤差修正フィードバック部５４と、位置誤差修正速度を加算した目標角速度と逆運動モデル５１とを用いて速度制御電圧指令値を算出する速度−電圧変換部５５と、を具備して構成される。

この誤差修正フィードバック部５４は、目標速度算出部４ａ，４ｂから入力された目標角速度と、計測センサ３ａ，３ｂにから入力される現在の回転角度計測値に基づき、軌道追従誤差を減らすための位置誤差修正速度を算出する機能手段であり、出力した位置誤差修正速度は、例えば、目標角速度と加算して、加算後の目標各速度を、速度−電圧変換部５５に入力するよう機能構成される。

また、誤差修正フィードバック部５４における制御パラメータ５３は、固定子１の複数の圧電素子１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれに出力する交流電圧の振幅値の履歴と、継続的に受信した回転角度の計測値と、別途具備する微分器５２を介して受信したこの回転角度の計測値の微分値とを利用した評価関数を最適化する強化学習機能手段によって調整されるフィードバックゲインの値である。

この速度−電圧変換部５５は、固定子１の複数の圧電素子１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれに出力する交流電圧の振幅値の履歴と、継続的に受信した回転角度の計測値と、微分器５２を介して受信したこの回転角度の計測値の微分値と、加えて、目標軌道データ保持部４１から目標軌道データを参照可能に構築された場合はこの目標軌道データとに基づき、逆運動モデル５１の写像関係を随時更新可能に保持するか、もしくは、速度−電圧変換部５５において、逆運動モデル５１の写像関係と、回転子２の回転速度と交流電圧との実データの特性が合致する複数の圧電素子１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれに印加する交流電圧の周波数を算出する機能手段を具備して構成されるとよい。

なお、回転制御部５ａ，５ｂは、例えば、ヨー方向速度制御電圧指令値の算出を行う横方向回転制御部５ａと、傾斜方向の回転運動をなすピッチ方向とロール方向との速度制御電圧指令値の算出を行う傾斜方向回転制御部５ｂとの回転方向毎に横方向及び傾斜方向の回転方向毎に個別に設置されても構わない。

他方、回転方向切替部６は、回転制御部５ａ，５ｂから入力された回転方向毎の速度制御電圧指令値に基づき、横方向と傾斜方向との回転方向対応する交流電圧を、複数の圧電素子１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれに交互に切替えて出力する機能手段を具備する。

ここで、例えば、表１に示すように、それぞれ位相差を持つ印加電圧を印加するとよく、どの回転方向を出力する場合においても、必ず２つの圧電素子１ａと１ｂ，１ｂと１ｃ，１ｃと１ａに印加して、回転の向きを逆方向にする場合には、印加電圧の位相差の値を負の符号に反転して、傾斜方向の回転運動の制御時には、３の圧電素子１ａ，１ｂ，１ｃすべてを利用するとよい。なお、回転子２の回転速度は、例えば、印加交流電圧の振幅値によって制御するものとする。

さらに、回転方向切替部６は、人間の耳の可聴域よりも低い又は高い周波数で交流電圧を切替える機能手段を具備するとよく、加えて、回転方向毎の出力に割り当てる時間の比率を、この回転方向毎の速度に応じて調整設定する時間調整部（図示せず）を具備するとよく、このとき、回転方向切替部６は、時間調整部にて調整設定した時間の比率に従いそれぞれの回転方向に対応する交流電圧を切替え出力するよう機能構成されるとよい。

続いて、図６は、図３に示した傾斜方向回転角度計測センサの設置を説明するための側面図であり、図７は、同上面図であり計測センサのみ透過させて示している。

同図に示すように、本装置例において、回転子２の制御する回転方向として、横方向と傾斜方向とを採用したものであるが、同図に示すように、例えば、図示しない懸架手段等を用いて設置された多自由度超音波モータβにおいて、傾斜方向の回転角度を計測する傾斜方向回転角度計測センサ３ｂは、例えば、ピッチ方向とロール方向との回転方向をそれぞれ独立に測定する２つの、例えば、光学式測距センサ等の計測センサ３１，３２で構成されても構わない。

傾斜方向回転角度計測センサ３ｂは、例えば、回転子２に、回転子２の固定子１の設置中心軸（回転子座標系におけるｚ軸）の回転子２の回転中心を通る垂直面上に円盤状の光線反射板３３を固定し、光線反射板３３に対して、例えば、回転子座標系におけるｘ軸及びｙ軸上かつ多自由度超音波モータβ設置面Ｓ（回転子座標系におけるｘ軸、ｙ軸のなす平面、ｘｙ平面と平行面）上に設置された計測センサ３１，３２の、例えば、２つの光学式測距センサから発せられる光線３１ａ，３２ａを照射して計測可能に構成されても構わない。

（方法例）
続いて、以上のように構成された装置例に係る回転位置制御装置αにより実施される方法例を説明する。

図８は、本発明の一装置例に係る回転位置制御装置αの動作を説明するためのフローチャートである。

同図に示すように、本回転位置制御装置αにおいては、まず、回転子２の外部に備えた計測センサ３ａ，３ｂにより回転子２の横方向に対する回転角度の横方向回転角度計測値と、傾斜方向に対する回転角度の傾斜方向回転角度計測値とをそれぞれ計測して回転角度の計測を随時行い（ＳＴ１）、次に、目標速度算出部４ａ，４ｂにて、横方向回転角度計測値と傾斜方向回転角度計測値と予め設定された目標軌道データとから、回転子２が当該目標軌道を追従可能な横方向回転目標角速度と傾斜方向回転目標角速度との目標角速度の算出を行う（ＳＴ２）。

続いて、回転制御部５ａ，５ｂにて、回転角度と目標角速度と、それぞれの回転方向毎に設定された複数の圧電素子１ａ，１ｂ，１ｃに印加する交流電圧とこの交流電圧による回転子２の運動特性の組の写像関係を記述した逆運動モデル５１とに基づき、固定子１の複数の圧電素子１ａ，１ｂ，１ｃに印加すべき交流電圧の回転方向毎の速度制御電圧指令値の算出を行い（ＳＴ３）、算出した速度制御電圧指令値に基づき、回転方向切替部６にて複数の圧電素子１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれに対してこの交流電圧を出力する（ＳＴ４）ことで、回転子２の回転運動の位置制御を行う。

次に、図９は、図８に示す目標角速度の算出を説明するためのフローチャートである。
同図に示すように、ＳＴ２の目標角速度の算出は、横方向回転角度計測値と目標軌道データとから、まず横方向において、回転子２がこの目標軌道データを追従可能な横方向回転目標角速度を算出する（ＳＴ２ａ）。

また、ＳＴ２ａに続いて、傾斜方向において、ＳＴ２ａにて算出した横方向回転目標角速度とＳＴ１にて計測した傾斜方向回転角度計測値とから、横方向回転補償部４２により、横方向の回転運動と傾斜方向の回転運動との相互間の幾何学的な干渉を補償してこの干渉と相反する傾斜方向の横方向補償傾斜回転目標速度の算出を行い（ＳＴ２ｂ）、傾斜方向において、目標軌道データの微分値である目標速度値に、横方向補償傾斜回転目標速度を加算した目標角速度を算出する（ＳＴ２ｃ）。

さらに、ＳＴ２ｂにおいて、傾斜角間幾何学的干渉補償部４３において、傾斜方向における、傾斜方向回転角度計測値と目標軌道データとから、傾斜方向の回転運動をなす複数の回転方向相互間の幾何学的な干渉を補償して当該干渉と相反する、それぞれ複数の回転方向毎の傾斜角間幾何学的干渉補償目標速度の算出を行う。

引続き、ＳＴ２ｃにおいて、傾斜方向において、目標速度値に、回転子２が目標軌道データを追従可能なこの傾斜角間幾何学的干渉補償目標速度を加算した目標角速度を算出することで、より正確な目標角速度の算出が可能となる。

ここで、図１０は、図９に示す横方向補償傾斜回転目標速度の算出を説明するための図である。
同図は、回転子２を真上から見た図である。同図に示すように、ＳＴ２ｂにおいて、回転子２が傾斜したときには、横方向の回転運動Ａの回転中心Ｐは、回転子２の頂上部Ｏには一致しないので、横方向の回転運動Ａに伴う頂上部Ｏの移動量を考慮して、傾斜方向の回転運動における横方向補償傾斜回転目標速度Ｖ_１の算出を行う。

このとき、横方向補償傾斜回転目標速度Ｖ_１の方向は、回転子２の頂上部Ｏの動作軌跡Ｃへの、頂上部Ｏ点における接線の方向であり、その結果、線分ＯＰと横方向補償傾斜回転目標速度Ｖ_１の方向とは垂直であり、横方向補償傾斜回転目標速度Ｖ_１の大きさは、例えば、横方向目標回転角速度φ、回転子２の半径ｒ、傾斜方向回転角度計測値θとすると、ｒφsinθで算出される。

一方、ＳＴ２ｂにおける傾斜角間幾何学的干渉補償目標速度Ｖ_２の算出は、傾斜方向の回転運動をなす、例えば、ピッチ方向とロール方向とにおける回転運動間の幾何学的干渉を考慮するものであり、例えば、ピッチ方向の回転角度に、ロール方向の回転角度が与える影響を考慮して、ロール方向の目標軌道データをΨ_τ、ピッチ角の計測センサ３２の角度計測値をＬ_φ、ピッチ角の計測センサ３２の固定子１の設置中心軸（回転子座標系におけるｚ軸）からの距離をｘ_ｌとした場合には、例えば、以下の式で算出される。なお、ロール方向の回転角度に、ピッチ方向の回転角度が与える影響を考慮する場合も同様である。

続いて、図１１は、図８に示す速度制御電圧指令値の算出を説明するためのフローチャートである。

同図に示すように、ＳＴ３の速度制御電圧指令値の算出は、固定子１の複数の圧電素子１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれに出力する交流電圧の振幅値の履歴と、回転角度の計測値に基づく目標軌道データへの追従誤差とを継続的に監視し（ＳＴ３ａ）、引続き、ＳＴ３ａにて収集した値に基づきフィードバックゲイン値として制御パラメータ５３の調整を随時行い（ＳＴ３ｂ）、調整された制御パラメータ５３を用いて速度制御電圧指令値を算出する（ＳＴ３ｄ）。

ここで、ＳＴ３ｂの制御パラメータ５３の調整は、引続き、例えば、交流電圧の振幅値の履歴と、回転角度の計測値と、回転角度の計測値の微分値を用いた評価関数を最適化する強化学習により当該制御パラメータ５３の調整を行うとよく、回転角度の計測値と制御パラメータ５３とに基づき、追従誤差を最小とする位置誤差修正速度を算出して（ＳＴ３ｃ）、この位置誤差修正速度を加算した目標角速度と逆運動モデル５１とを用いてＳＴ３ｄの速度制御電圧指令値を算出するようにしても構わない。

また、ＳＴ３ｄの速度制御電圧指令値の算出において、逆運動モデル５１を交流電圧の振幅値の履歴と、回転角度の計測値と、この回転角度の計測値の微分値と、加えて、目標軌道データを参照可能に構築されたときにはその目標軌道データと、を用いて随時更新するか、あるいは、逆運動モデル５１の写像関係と、回転子２の回転速度と交流電圧との特性が合致する複数の圧電素子１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれに印加する交流電圧の周波数を算出決定するようにするとよい。

引続き、図１２は、図８に示す交流電圧の出力を説明するためのフローチャートである。
ＳＴ４の交流電圧の出力は、同図に示すように、回転方向毎の速度制御電圧指令値に基づき、例えば、ピッチ方向、ロール方向回転制御（ＳＴ４ａ）と、ヨー方向回転制御（ＳＴ４ｂ）とを交互に行い、横方向と傾斜方向とのそれぞれの回転方向に対応する交流電圧を、所定の圧電素子１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれに出力する。

ここで、複数の圧電素子１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれに、ピッチ方向、ロール方向とヨー方向とで交互に交流電圧を出力することで、例えば、２０ｋＨｚ以上の周波数で切替える等の切替え周波数を人間の耳の可聴域よりも低い又は高い周波数とした場合にも、回転子２の回転動作軌跡がのこぎり波状になることを防止することが可能となる。

このとき、ＳＴ４ａとＳＴ４ｂとで回転方向毎の出力に割り当てる時間の比率を、回転方向毎の速度に応じて調整設定して、調整設定した時間比率に基づき交流電圧を切替え出力するとよい。

さらに、図１３は、図１２に示す交流電圧の切替え出力による回転子がたどる軌道を説明するための模式図である。
同図に示すように、回転軸Ｂを軸として回転する回転子２の頂上点Ｏの動作軌跡Ｃは、横方向の回転速度が低くなるか、もしくは、回転方向の切替え周波数が高くなるにつれて、頂点の多い多角形状となり、円Ｃ´に収束する。

以上、本発明の実施形態につき、その装置例及びこれに対応する方法例を挙げて説明したが、本発明は、必ずしも上述した手段及び手法にのみ限定されるものではなく、前述の効果を有する範囲内において、随時、変更実施することが可能なものである。

本発明の回転位置制御装置が適用される多自由度超音波モータの構成図である。同上した多自由度超音波モータの回転原理を説明するための図である。本発明の一装置例に係る多自由度超音波モータの回転位置制御装置の機能構成図である。同上した傾斜方向回転目標速度算出部の機能構成図である。同上した回転制御部の機能構成図である。同上した傾斜方向回転角度計測センサの設置を説明するための側面図である。同上した傾斜方向回転角度計測センサの設置を説明するための上面図である。本発明の一装置例に係る回転位置制御装置αの動作を説明するためのフローチャートである。同上した目標角速度の算出を説明するためのフローチャートである。同上した横方向補償傾斜回転目標速度の算出を説明するための図である。同上した速度制御電圧指令値の算出を説明するためのフローチャートである。同上した交流電圧の出力を説明するためのフローチャートである。同上した交流電圧の切替え出力による回転子がたどる軌道を説明するための模式図である。

符号の説明

α…回転位置制御装置
β…多自由度超音波モータ
１…固定子
１ａ…ピッチ方向たわみ振動発生用圧電素子
１Ａ…ピッチ方向たわみ振動方向
１ｂ…上下方向伸縮振動発生用圧電素子
１Ｂ…上下方向伸縮振動方向
１ｃ…ロール方向たわみ振動発生用圧電素子
１Ｃ…ロール方向たわみ振動方向
２…回転子
３ａ…横方向回転角度計測センサ
３ｂ，３１，３２…傾斜方向回転角度計測センサ
３１ａ，３２ａ…光学式測距センサの光線
３３…光線反射板
４ａ…横方向回転目標速度算出部
４ｂ…傾斜方向回転目標速度算出部
４１…目標軌道データ保持部
４２…横方向回転補償部
４３…傾斜角間幾何学的干渉補償部
５ａ…横方向回転制御部
５ｂ…傾斜方向回転制御部
５１…逆運動モデル
５２…微分器
５３…制御パラメータ
５４…誤差修正フィードバック部
５５…速度−電圧変換部
６…回転方向切替部
Ａ…ヨー方向回転
Ｂ…回転子の回転軸
Ｃ，Ｃ´…回転子の頂上部の動作軌跡
Ｏ…回転子の頂上部
Ｐ…横方向の回転運動の回転中心
Ｓ…多自由度超音波モータの設置面
Ｖ_１…横方向補償傾斜回転目標速度
Ｌ_φ…ピッチ角の角度計測値
ｘ_ｌ…ピッチ角を測定する計測センサと固定子設置中心軸との距離

Claims

複数の圧電素子が重層構成されて互いに位相の異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する固定子と、当該固定子に発生する当該固有振動によって任意の方向に回転駆動する回転子とで構成される多自由度超音波モータにおいて、前記複数の圧電素子への交流電圧の印加に伴う前記回転子の中心を原点とする三次元立体座標軸を３軸とした当該回転子の軸回転による回転運動の回転方向を切替えて事前に設定された目標軌道に基づき軌道追従制御するための回転位置制御装置に適用される回転位置制御方法であって、
前記回転位置制御装置において、
前記回転子の前記回転運動における前記固定子設置中心軸を中心とする垂直軸回転の回転方向を横方向とするとともに、当該回転運動の予め設定された他の複数の回転方向に起因して前記固定子設置中心軸の垂直基準線に対する傾斜角を傾斜方向として採用して、
前記回転子の外部に備えた計測センサにより当該回転子の前記横方向に対する回転角度の横方向回転角度計測値と、前記傾斜方向に対する回転角度の傾斜方向回転角度計測値とをそれぞれ計測して回転角度の計測を随時行い、
前記横方向回転角度計測値と前記傾斜方向回転角度計測値と前記目標軌道とから、当該回転子が当該目標軌道を追従可能な横方向回転目標角速度と傾斜方向回転目標角速度との目標角速度の算出を行い、
前記回転角度と前記目標角速度と、それぞれの前記回転方向毎に設定された前記複数の圧電素子に印加する前記交流電圧と当該交流電圧による前記回転子の運動特性の組の写像関係を記述した逆運動モデルとに基づき、前記固定子の前記複数の圧電素子に印加すべき交流電圧の当該回転方向毎の速度制御電圧指令値の算出を行い、
前記回転方向毎の前記速度制御電圧指令値に基づき、前記横方向と前記傾斜方向との前記回転方向に対応する前記交流電圧を、前記複数の圧電素子のそれぞれに交互に切り替えて出力することで、
当該回転子の前記回転運動の位置制御を行う、
ことを特徴とする多自由度超音波モータの回転位置制御方法。
前記交流電圧の出力は、
人間の耳の可聴域よりも低い又は高い周波数で当該交流電圧を切替えて、
当該交流電圧を出力する、
ことを特徴とする請求項１に記載の多自由度超音波モータの回転位置制御方法。
前記交流電圧の出力は、
前記回転方向毎の出力に割り当てる時間の比率を、当該回転方向毎の速度に応じて調整設定して、
当該調整設定した時間比率に基づき当該交流電圧を切替え出力する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の多自由度超音波モータの回転位置制御方法。
前記目標角速度の算出は、
前記横方向回転角度計測値と前記目標軌道とから、前記横方向において、前記回転子が当該目標軌道を追従可能な横方向回転目標角速度を算出するとともに、
前記傾斜方向において、当該横方向回転目標角速度と前記傾斜方向回転角度計測値とから、前記横方向の前記回転運動と前記傾斜方向の前記回転運動との相互間の幾何学的な干渉を補償して当該干渉と相反する当該傾斜方向の横方向補償傾斜回転目標速度の算出を行い、
前記傾斜方向において、前記目標軌道の微分値に前記回転子が前記目標軌道を追従可能な当該横方向補償傾斜回転目標速度を加算した前記目標角速度を算出する、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の多自由度超音波モータの回転位置制御方法。
前記目標角速度の算出は、
前記傾斜方向において、前記傾斜方向回転角度計測値と前記目標軌道とから、当該傾斜方向の前記回転運動をなす前記複数の回転方向相互間の幾何学的な干渉を補償して当該干渉と相反する、それぞれ当該複数の回転方向毎の傾斜角間幾何学的干渉補償目標速度の算出を行い、
前記傾斜方向において、前記目標軌道の微分値に前記回転子が前記目標軌道を追従可能な当該傾斜角間幾何学的干渉補償目標速度を加算した前記目標角速度を算出する、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の多自由度超音波モータの回転位置制御方法。
前記速度制御電圧指令値の算出は、
前記固定子の前記複数の圧電素子のそれぞれに出力する前記交流電圧の振幅値の履歴と、前記回転角度の計測値に基づく前記目標軌道への追従誤差とを継続的に監視し、
当該振幅値と当該追従誤差とに基づき制御パラメータの調整を随時行い、
当該制御パラメータを用いて当該速度制御電圧指令値を算出する、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の多自由度超音波モータの回転位置制御方法。
前記速度制御電圧指令値の算出は、
前記制御パラメータの調整において、
前記交流電圧の振幅値の履歴と、前記回転角度の計測値と、当該回転角度の計測値の微分値を用いた評価関数を最適化する強化学習により当該制御パラメータの調整を行うことにより、
前記回転角度の計測値と前記制御パラメータとに基づき、前記追従誤差を最小とする位置誤差修正速度を算出して、
当該位置誤差修正速度を加算した前記目標角速度と前記逆運動モデルとを用いて当該速度制御電圧指令値を算出する、
ことを特徴とする請求項６に記載の多自由度超音波モータの回転位置制御方法。
前記速度制御電圧指令値の算出は、
前記制御パラメータの調整とともに、前記交流電圧の振幅値の履歴と、前記回転角度の計測値と、当該回転角度の計測値の微分値を用いて前記逆運動モデルの前記写像関係を随時更新して、
当該逆運動モデルを用いて当該速度制御電圧指令値を算出する、
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の多自由度超音波モータの回転位置制御方法。
前記速度制御電圧指令値の算出は、
前記制御パラメータの調整とともに、前記逆運動モデルの前記写像関係と、前記回転子の回転速度と前記交流電圧との特性が合致する前記複数の圧電素子に印加する前記交流電圧の周波数を算出する、
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の多自由度超音波モータの回転位置制御方法。
複数の圧電素子が重層構成されて互いに位相の異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する固定子と、当該固定子に発生する当該固有振動によって任意の方向に回転駆動する回転子とで構成される多自由度超音波モータにおいて、前記複数の圧電素子への交流電圧の印加に伴う前記回転子の中心を原点とする三次元立体座標軸を３軸とした当該回転子の軸回転による回転運動の回転方向を切替えて事前に設定された目標軌道データに基づき軌道追従制御するための回転位置制御装置であって、
前記回転位置制御装置において、
前記回転子の前記回転運動における前記固定子設置中心軸を中心とする垂直軸回転の回転方向を横方向とするとともに、当該回転運動の予め設定された他の複数の回転方向に起因して前記固定子設置中心軸の垂直基準線に対する傾斜角を傾斜方向として採用して、
前記回転子の前記横方向に対する回転角度の横方向回転角度計測値と、前記傾斜方向に対する回転角度の傾斜方向回転角度計測値とをそれぞれ計測して回転角度の計測を随時行う計測センサと、
前記目標軌道データを保持して、前記計測センサの測定した前記横方向回転角度計測値と前記傾斜方向回転角度計測値と当該目標軌道データとから、前記回転子が当該目標軌道データを追従可能な横方向回転目標角速度と傾斜方向回転目標角速度との目標角速度の算出を行う目標速度算出部と、
それぞれの前記回転方向毎に設定された前記固定子の前記複数の圧電素子に印加する前記交流電圧と当該交流電圧による前記回転子の運動特性の組の写像関係を記述した逆運動モデルを保持して、前記計測センサの計測した前記回転角度と、前記目標速度算出部の算出した前記目標角速度と、当該逆運動モデルとに基づき、前記複数の圧電素子に印加すべき交流電圧の当該回転方向毎の速度制御電圧指令値の算出を行う回転制御部と、
前記回転制御部の算出した前記速度制御電圧指令値に基づき、前記横方向と前記傾斜方向との前記回転方向対応する前記交流電圧を、前記複数の圧電素子のそれぞれに交互に切替えて出力する回転方向切替部と、を有して構成される、
ことを特徴とする多自由度超音波モータの回転位置制御装置。
前記回転方向切替部は、
人間の耳の可聴域よりも低い又は高い周波数で当該交流電圧を切替える機能手段を具備する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の多自由度超音波モータの回転位置制御装置。
前記回転方向切替部は、
前記回転方向毎の出力に割り当てる時間の比率を、当該回転方向毎の速度に応じて調整設定する時間調整部を具備する、
ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の多自由度超音波モータの回転位置制御装置。
前記目標速度算出部は、
前記横方向回転角度計測値と前記目標軌道データとから、前記横方向における、前記回転子が当該目標軌道データを追従可能な横方向回転目標角速度を算出する横方向回転目標速度算出部と、
前記傾斜方向における、前記目標軌道データを追従可能な傾斜方向回転目標角速度を算出する傾斜方向回転目標速度算出部とを有するとともに、
当該傾斜方向回転目標速度算出部は、
前記横方向回転目標速度算出部の算出する前記横方向回転目標角速度と前記傾斜方向回転角度計測値とから、前記傾斜方向における、前記横方向の前記回転運動と前記傾斜方向の前記回転運動との相互間の幾何学的な干渉を補償して当該干渉と相反する、当該傾斜方向の横方向補償傾斜回転目標速度の算出を行う横方向回転補償部を具備して、
前記目標軌道データの微分値と当該横方向補償傾斜回転目標速度とを用いて前記傾斜方向回転目標角速度を算出可能に機能構成される、
ことを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載の多自由度超音波モータの回転位置制御装置。
前記傾斜方向回転目標速度算出部は、
前記傾斜方向回転角度計測値と前記目標軌道データとから、前記傾斜方向の前記回転運動をなす前記複数の回転方向相互間の幾何学的な干渉を補償して当該干渉と相反する、それぞれ当該複数の回転方向毎の傾斜角間幾何学的干渉補償目標速度の算出を行う傾斜角間幾何学的干渉補償部を具備して、
さらに、当該傾斜角間幾何学的干渉補償目標速度を用いて前記傾斜方向回転目標角速度を算出可能に機能構成される、
ことを特徴とする請求項１３に記載の多自由度超音波モータの回転位置制御装置。
前記回転制御部は、
前記固定子の前記複数の圧電素子のそれぞれに出力する前記交流電圧の振幅値の履歴と、継続的に受信した前記回転角度の計測値と、別途具備する微分器を介して受信した当該回転角度の計測値の微分値とに基づく制御パラメータの評価関数を随時最適化する強化学習機能手段を有して、当該制御パラメータを用いて位置誤差修正速度を算出する誤差修正フィードバック部と、
当該位置誤差修正速度を加算した前記目標角速度と前記逆運動モデルとを用いて当該速度制御電圧指令値を算出する速度−電圧変換部と、を具備する、
ことを特徴とする請求項１０から１４のいずれかに記載の多自由度超音波モータの回転位置制御装置。
前記速度−電圧変換部は、
前記固定子の前記複数の圧電素子のそれぞれに出力する前記交流電圧の振幅値の履歴と、継続的に受信した前記回転角度の計測値と、前記微分器を介して受信した当該回転角度の計測値の微分値とに基づき、前記逆運動モデルの前記写像関係を随時更新可能に保持する、
ことを特徴とする請求項１５に記載の多自由度超音波モータの回転位置制御装置。
前記速度−電圧変換部は、
前記逆運動モデルの前記写像関係と、前記回転子の回転速度と前記交流電圧との特性が合致する前記複数の圧電素子に印加する前記交流電圧の周波数を算出する機能手段を具備する、
ことを特徴とする請求項１５に記載の多自由度超音波モータの回転位置制御装置。
前記回転制御部は、
前記回転方向毎に設置されて、
前記横方向の横方向速度制御電圧指令値の算出を行う横方向回転制御部と、
前記傾斜方向の傾斜方向速度制御電圧指令値の算出を行う傾斜方向回転制御部とからなる、
ことを特徴とする請求項１５から１７のいずれかに記載の多自由度超音波モータの回転装置制御装置。