JP7076141B2 - モーションコントロール装置及びモーションコントロール方法 - Google Patents

Description

本発明は、モーションコントロール装置及びモーションコントロール方法に関する。

従来、入力側と出力側とにおいて、運動の伝達を制御するモーションコントロールの技術が知られている。
例えば、モーションコントロールの一形態として、遠隔地に設置されたマスタ側モータとスレーブ側モータとの間で、力触覚を伝達するバイラテラル制御が利用されている。このようなバイラテラル制御では、マスタ側モータとスレーブ側モータとの間において、直動系のシステムであれば、位置の差をゼロにすると共に、力の和をゼロとすることにより、力触覚の伝達を実現している。また、回転系のシステムであれば、角度の差をゼロにすると共に、トルクの和をゼロとすることにより、力触覚の伝達が実現される。
なお、モーションコントロール（バイラテラル制御）に関する技術は、例えば特許文献１に記載されている。

特開２０１５－１９９１３５号公報

しかしながら、従来の技術においては、モーションコントロールを行うために、マスタ側とスレーブ側双方に回転角度等の物理量を検出するセンサが設置されている。
ここで、特にスレーブ側にセンサを設置した場合、センサの検出値におけるノイズがモーションコントロールの精度に影響したり、スレーブ側の環境によっては、センサの寿命が極端に短くなる、あるいは、センサが設置できないといった事態が生じたりする。さらに、センサを設置することによって装置のサイズが大きくなったり、コストが増大したりするということもあり得る。
このように、従来の技術においては、適切なモーションコントロールを、必ずしも出力側の運動を検出するセンサを用いずに実現することが困難であった。

本発明の課題は、適切なモーションコントロールを、必ずしも出力側の運動を検出するセンサを用いずに実現することである。

上記課題を解決するため、本発明の一態様に係るモーションコントロール装置は、
第１のモータと第２のモータとが接続された回路を有するモーションコントロール装置であって、
前記回路における前記第１のモータ及び前記第２のモータの逆起電力以外の電圧降下を補償するための起電力を発生する補償電圧源を、前記第１のモータ及び前記第２のモータと直列に備えることを特徴とする。

本発明によれば、適切なモーションコントロールを、必ずしも出力側の運動を検出するセンサを用いずに実現することができる。

入力側のモータ１０１と出力側のモータ１０６とを直列に接続したモーションコントロール装置１００の回路図を示す模式図である。 本発明に係るモーションコントロール装置１の回路図を示す模式図である。 本発明の効果を示す模式図である。 本発明の効果を示す模式図である。 本発明の効果を示す模式図である。 本発明に対する比較例の効果を示す模式図である。 本発明に対する比較例の効果を示す模式図である。 本発明に対する比較例の効果を示す模式図である。 本発明を適用したモーションコントロール装置１の具体的構成の一例を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
初めに、本発明に係るモーションコントロール装置及びモーションコントロール方法に適用される基本的原理について説明する。

［基本的原理］
本発明においては、入力側（ここではマスタ側とする）のモータと、出力側（ここではスレーブ側とする）のモータとを電気的に接続することにより、これらの間で力触覚伝達を実現する。
図１は、入力側のモータ１０１と出力側のモータ１０６とを直列に接続したモーションコントロール装置１００の回路図を示す模式図である。

図１に示すように、モーションコントロール装置１００では、入力側のモータ１０１と、入力側のモータ１０１の内部抵抗１０２と、入力側のモータ１０１の内部インダクタ１０３と、出力側のモータ１０６の内部インダクタ１０４と、出力側のモータ１０６の内部抵抗１０５と、出力側のモータ１０６とが直列に接続され、ループを構成している。
なお、入力側のモータ１０１と出力側のモータ１０６とは、同一の特性を有するものとする。

そして、図１に示すモーションコントロール装置１００では、入力側のモータ１０１（マスタ側）に入力された運動（モーション）を出力側のモータ１０６（スレーブ側）に伝達すると共に、出力側のモータ１０６に入力された外乱を入力側のモータ１０１に伝達する機能の実現を図っている。

図１において、入力側のモータ１０１に流れる電流をＩｍ、出力側のモータ１０６に流れる電流をＩｓ、入力側のモータ１０１と出力側のモータ１０６との間に流れる電流をＩとすると、式（１）の関係が成り立つ。
Ｉ＝－Ｉｍ＝Ｉｓ （１）

即ち、モーションコントロール装置１００の回路図における各部の電流の大きさは同一であり、入力側のモータ１０１において流れる電流と出力側のモータ１０６において流れる電流とは、それぞれのモータにとっての向きが互いに逆向きとなっている。
モータにおいて発生するトルクは電流の大きさに比例し、電流の向きとトルクの向きとは対応することから、式（１）によれば、入力側のモータ１０１と出力側のモータ１０６とが発生するトルクの和はゼロとなっている。

また、図１において、入力側のモータ１０１及び出力側のモータ１０６における逆起電力定数をＫｅ、入力側のモータ１０１における角速度をωｍ、出力側のモータ１０６における角速度をωｓ、入力側のモータ１０１の内部抵抗１０２及び出力側のモータ１０６における内部抵抗１０５の抵抗値をＲ、入力側のモータ１０１の内部インダクタ１０３及び出力側のモータ１０６における内部インダクタ１０４のインダクタンスをＬとすると、式（２）の関係が成り立つ。

Ｋｅ・ωｍ＝２・Ｒ・Ｉ＋ｄ／ｄｔ・２・Ｌ・Ｉ＋Ｋｅ・ωｓ （２）
なお、式（２）の右辺の第２項における（ｄ／ｄｔ）は、微分演算子を表しており、（ｄ／ｄｔ・２・Ｌ・Ｉ）は、例えば、回路に直列に接続されたインダクタの両端電圧を測定することで取得することができる。また、このインダクタのインダクタンスは、モーションコントロールを行う場合には、一手法として、入力側のモータ１０１の内部インダクタ１０３及び出力側のモータ１０６における内部インダクタ１０４のインダクタンスに合算することができる。

式（２）によると、右辺の第１項及び第２項の存在により、電流Ｉがゼロでない場合には、Ｋｅ・ωｍ＝Ｋｅ・ωｓとはならない。
即ち、入力側のモータ１０１における速度（あるいは位置・角度）と出力側のモータ１０６における速度（あるいは位置・角度）とは一致しないこととなり、これらに速度（あるいは位置・角度）の差が生じる。
そのため、単純に入力側のモータ１０１と出力側のモータ１０６とを直列に接続するのみでは、トルクの観点では有効であるものの、速度の観点では精度が低下することがわかる。

そこで、本発明においては、式（２）における右辺の第１項及び第２項を相殺するための補償電圧Ｖｃｏｍｐを付加することで、トルクの有効性を維持しつつ、速度に関しても高精度なモーションコントロール装置の回路を実現する。

図２は、本発明に係るモーションコントロール装置１の回路図を示す模式図である。
図２に示すように、モーションコントロール装置１の回路図では、入力側のモータ１０１と、入力側のモータ１０１の内部抵抗１０２と、入力側のモータ１０１の内部インダクタ１０３と、補償電圧源Ｖ１と、出力側のモータ１０６の内部インダクタ１０４と、出力側のモータ１０６の内部抵抗１０５と、出力側のモータ１０６とが直列に接続され、ループを構成している。

図２に示す回路図において、補償電圧源Ｖ１以外の構成は、図１に示す回路図と同様である。
補償電圧源Ｖ１は、式（２）における右辺の第１項及び第２項による電圧降下を可変的に補償するものであり、電流Ｉに応じて、式（３）に示すように、この電圧降下を相殺する方向の補償電圧Ｖｃｏｍｐを発生させる。
Ｖｃｏｍｐ＝２・Ｒ・Ｉ＋ｄ／ｄｔ・２・Ｌ・Ｉ （３）
このとき、図１の回路図と同様に、式（１）が成り立つ。
また、図２の回路図では、図１の回路図における式（２）に代えて、式（４）が成り立つ。

Ｋｅ・ωｍ＝２・Ｒ・Ｉ＋ｄ／ｄｔ・２・Ｌ・Ｉ＋Ｋｅ・ωｓ－Ｖｃｏｍｐ （４）
式（４）において、Ｖｃｏｍｐに（３）式を代入すると、式（５）が成り立つ。
Ｋｅ・ωｍ＝Ｋｅ・ωｓ （５）
即ち、図２に示す回路図では、入力側のモータ１０１における速度（あるいは位置・角度）と出力側のモータ１０６における速度（あるいは位置・角度）とが一致し、これらに速度（あるいは位置・角度）の差は生じないこととなる。

図２に示す回路図において、回路を流れる電流Ｉを検出することで、適切な補償電圧Ｖｃｏｍｐを設定することができる。
即ち、モーションコントロール装置１においては、入力側のモータ１０１及び出力側のモータ１０６における運動（位置、速度、加速度、力等）を検出するセンサが不要となっている。
したがって、図２に示す回路図を有するモーションコントロール装置１によれば、適切なモーションコントロールを、必ずしも出力側の運動を検出するセンサを用いずに実現することができる。

ちなみに、既存のモーションコントロール装置では、モーションコントロールを行うコントローラのゲイン設計が必ずしも容易ではないという課題があるが、本発明におけるモーションコントロール装置１では、このようなコントローラを実装する必要がない。
さらに、既存のモーションコントロール装置では、高精度な制御を行うためには、高速な演算処理を可能とする高性能なプロセッサを用いる必要があるが、本発明におけるモーションコントロール装置１では、高速な演算処理が不要であるため、高性能なプロセッサを必ずしも用いる必要がない。

なお、モーションコントロール装置１において、補助的に種々のセンサを備えることは可能であり、出力側のモータ１０６における運動（位置、速度、加速度、力等）を検出するセンサも補助的に備えておくこととしてもよい。
また、モーションコントロール装置１における入力側のモータ１０１の内部抵抗１０２、入力側のモータ１０１の内部インダクタ１０３、出力側のモータ１０６の内部インダクタ１０４、及び、出力側のモータ１０６の内部抵抗１０５は、入力側のモータ１０１及び出力側のモータ１０６の理想的なモデル以外の電圧降下を生じる要素を代表的に表したものであり、配線抵抗等の他の要素が無視できない場合等には、これら他の要素も電圧降下を生じる要素として、補償電圧源Ｖ１による補償の対象に含めることができる。

［効果］
図３Ａ～図３Ｃは、本発明の効果を示す模式図であり、図３Ａは、図２に示すモーションコントロール装置１による制御結果の角度を示し、図３Ｂは、図２に示すモーションコントロール装置１による制御結果の角速度を示し、図３Ｃは、図２に示すモーションコントロール装置１による制御結果のトルクを示している。
なお、図３Ａ～図３Ｃにおける実線は入力側のモータ１０１の特性、破線は出力側のモータ１０６の特性を示している。

図３Ａ～図３Ｃに示すように、図２に示すモーションコントロール装置１では、出力側のモータ１０６が物体に接触している期間を含め、入力側のモータ１０１と出力側のモータ１０６との角度及び角速度が一致していると共に、トルクは逆向きに等しい大きさで発生していることがわかる。

また、図４Ａ～図４Ｃは、本発明に対する比較例の効果を示す模式図であり、ここでは、図１に示すモーションコントロール装置１００による制御結果を示している。
具体的には、図４Ａは、図１に示すモーションコントロール装置１００による制御結果の角度を示し、図４Ｂは、図１に示すモーションコントロール装置１００による制御結果の角速度を示し、図４Ｃは、図１に示すモーションコントロール装置１００による制御結果のトルクを示している。

図４Ａ～図４Ｃに示すように、モーションコントロール装置１００では、図４Ｃに示すトルクについては、比較的高い精度で制御が行われているものの、図４Ａに示す角度及び図４Ｂに示す角速度については、入力側のモータ１０１と出力側のモータ１０６との差が大きくなっている。

即ち、本発明におけるモーションコントロール装置１では、補償電圧源Ｖ１の機能により、入力側のモータ１０１及び出力側のモータ１０６の理想的なモデル以外の電圧降下を生じる要素（内部抵抗、内部インダクタンス、配線抵抗等）の影響が抑制され、高精度なモーションコントロールが実現されている。

［具体的構成］
次に、本発明を適用したモーションコントロール装置１の具体的構成について説明する。
図５は、本発明を適用したモーションコントロール装置１の具体的構成の一例を示す回路図である。
なお、本発明による補償電圧を印加できる構成であれば、図５の回路図以外の各種回路構成とすることができる。

図５に示すように、モーションコントロール装置１は、定電圧源Ｖ２と、Ｈブリッジ回路Ｂと、入力側のモータ１０１と、出力側のモータ１０６と、を備えている。
なお、図５において、入力側のモータ１０１の内部抵抗１０２と、入力側のモータ１０１の内部インダクタ１０３と、出力側のモータ１０６の内部インダクタ１０４と、出力側のモータ１０６の内部抵抗１０５とは、図示を省略している。

図５に示すように、入力側のモータ１０１と出力側のモータ１０６との間に流れる電流Ｉを検出し、定電圧Ｖｄｃを供給する定電圧源Ｖ２から印加される電圧の向き及び大きさをＨブリッジ回路Ｂによって制御することで、入力側のモータ１０１及び出力側のモータ１０６に印加される補償電圧Ｖｃｏｍｐを制御することができる。

このような構成により、入力側のモータ１０１と出力側のモータ１０６とが発生するトルクの和をゼロとすることができる。また、入力側のモータ１０１における速度（あるいは位置・角度）と出力側のモータ１０６における速度（あるいは位置・角度）とを一致させ、これらに速度（あるいは位置・角度）の差が生じないよう制御することができる。
即ち、図５のモーションコントロール装置１によれば、適切なモーションコントロールを、必ずしも出力側の運動を検出するセンサを用いずに実現することができる。

なお、本発明は、本発明の効果を奏する範囲で変形、改良等を適宜行うことができ、上述の実施形態及び変形例に限定されない。
例えば、本発明は、各種モーションコントロールに適用することができる。
具体的には、入力側のモータ１０１がエンジン等によって駆動されるジェネレータ、出力側のモータ１０６が推進力を発生するための推進用モータを構成するように、本発明を適用することができる。
この場合、船舶の推進システムや、ハイブリッドカー等の車両における駆動システムとして、本発明を構成することができる。

また、上述の実施形態では、入力側のモータ１０１及び出力側のモータ１０６の内部抵抗及び内部インダクタンスによる電圧降下を補償の対象としたが、これに限られない。即ち、入力側のモータ１０１及び出力側のモータ１０６の内部抵抗及び内部インダクタンスによる電圧降下のいずれかを電圧降下の補償の対象とすることでも、一定の効果を奏するものとなる。

また、本発明においては、出力側のモータ１０６にセンサを設置する必要がないため、出力側のモータ１０６を放射性環境、深海、宇宙等の過酷な環境に設置することが可能になると共に、このような環境に出力側のモータ１０６を設置した場合にも、センサノイズの影響を受けることがないため、高精度なモーションコントロールを行うことができる。また、本発明においては、センサを設置するためのコストを低減できると共に、装置のサイズをより小型化でき、耐故障性の向上を図ることができる。

また、上述の実施形態において、入力側のモータ１０１と出力側のモータ１０６とは、同一の特性を有するものとして説明したが、これに限られない。例えば、入力側のモータ１０１の１／２のトルクを出力する出力側のモータ１０６を２つ直列に回路に接続したり、出力側のモータ１０６と調整用の負荷とを直列に回路に接続したりすることで、出力側のモータ１０６のモーションをスケーリングすることができる。

以上のように構成されるモーションコントロール装置１は、入力側のモータ１０１と、出力側のモータ１０６と、補償電圧源Ｖ１とを備える。
モーションコントロール装置１は、入力側のモータ１０１と出力側のモータ１０６とが接続された回路を有している。
補償電圧源Ｖ１は、回路における入力側のモータ１０１及び出力側のモータ１０６の逆起電力以外の電圧降下を補償するための起電力を発生し、入力側のモータ１０１及び出力側のモータ１０６と直列に設置されている。
このような構成により、補償電圧源Ｖ１が発生する起電力によって、入力側のモータ１０１及び出力側のモータ１０６の逆起電力以外の電圧降下を生じる要素（内部抵抗、内部インダクタンス、配線抵抗等）の影響が抑制され、高精度なモーションコントロールを実現することができる。
したがって、本発明によれば、適切なモーションコントロールを、必ずしも出力側の運動を検出するセンサを用いずに実現することができる。

補償電圧源Ｖ１は、回路に流れる電流に応じた起電力を発生する。
これにより、回路に流れる電流を直接計測あるいは他の情報から換算する等して、この電流に応じた起電力を補償電圧源Ｖ１が発生する構成とすることができる。
そのため、モーションコントロール装置の動作状態に応じて、電圧降下を補償するための適切な起電力を発生することができる。

回路における入力側のモータ１０１及び出力側のモータ１０６の逆起電力以外の電圧降下として、入力側のモータ１０１及び出力側のモータ１０６の内部抵抗及び内部インダクタンスによる電圧降下の少なくともいずれかを含む。
このような構成により、入力側のモータ１０１及び出力側のモータ１０６が有するモーションコントロールの精度を低下させる主な要因の影響を抑制して、より高精度な制御を行うことができる。

補償電圧源は、定電圧源Ｖ２と、定電圧源Ｖ２によって供給される電圧を、入力側のモータ１０１及び出力側のモータ１０６に対して双方向から印加可能なＨブリッジ回路Ｂとを含んで構成される。
このような構成により、簡単な回路構成によって、適切なモーションコントロールを、必ずしも出力側の運動を検出するセンサを用いずに実現することができる。

なお、上記実施形態は、本発明を適用した一例を示しており、本発明の技術的範囲を限定するものではない。即ち、本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、省略や置換等種々の変更を行うことができ、上記実施形態以外の各種実施形態を取ることが可能である。本発明が取ることができる各種実施形態及びその変形は、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１，１００ モーションコントロール装置、１０１ 入力側のモータ、１０２，１０５ 内部抵抗、１０３，１０４ 内部インダクタ、１０６ 出力側のモータ、Ｖ１ 補償電圧源、Ｖ２，Ｖ２１，Ｖ２２ 定電圧源、Ｂ，Ｂ１，Ｂ２ Ｈブリッジ回路、Ｃｍ マスタ側回路、Ｃｓ スレーブ側回路

Claims (4)

1. 力触覚の伝達を行う第１のモータと第２のモータとが接続された回路を有するモーションコントロール装置であって、
   前記第１のモータは、前記力触覚の伝達における運動が入力されると共に、前記第２のモータに入力された外乱を出力し、
   前記第２のモータは、前記第１のモータに入力された運動を出力すると共に、当該運動に対する外乱が入力され、
   前記第１のモータは、入力された前記運動によって起電力を発生し、前記第２のモータは、入力された前記外乱によって起電力を発生し、
   前記第１のモータの起電力または前記第２のモータの起電力によって前記回路に発生した電流を検出し、
   検出された前記電流に応じた起電力を可変的に発生する補償電圧源を、前記第１のモータ及び前記第２のモータと直列に備え、
   前記補償電圧源が発生する前記電流に応じた起電力は、検出された前記電流の比例値と前記回路の抵抗値との乗算値及び検出された前記電流の微分値と前記回路のインダクタンスとの乗算値を要素として算出され、
   前記補償電圧源が発生する起電力によって、前記回路における前記第１のモータ及び前記第２のモータの逆起電力以外の電圧降下を補償し、
   前記補償電圧源は、検出された前記電流がゼロでない場合に前記電流に応じた起電力を印加し、検出された前記電流がゼロである場合には前記電流に応じた起電力を印加しないことを特徴とするモーションコントロール装置。
2. 前記補償電圧源は、定電圧源と、前記定電圧源によって供給される電圧を、前記第１のモータ及び前記第２のモータに対して双方向から印加可能なブリッジ回路とを含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載のモーションコントロール装置。
3. 前記第２のモータを複数備えると共に、当該複数の第２のモータは直列に接続され、
   前記複数の第２のモータの出力トルクの合計は、前記第１のモータの出力トルクに相当し、前記第１のモータと前記複数の第２のモータとの間で力触覚が伝達されることを特徴とする請求項１または２に記載のモーションコントロール装置。
4. 力触覚の伝達を行う第１のモータと第２のモータとが接続された回路を有するモーションコントロール装置で実行されるモーションコントロール方法であって、
   前記第１のモータは、前記力触覚の伝達における運動が入力されると共に、前記第２のモータに入力された外乱を出力し、
   前記第２のモータは、前記第１のモータに入力された運動を出力すると共に、当該運動に対する外乱が入力され、
   前記第１のモータは、入力された前記運動によって起電力を発生し、前記第２のモータは、入力された前記外乱によって起電力を発生し、
   前記第１のモータの起電力または前記第２のモータの起電力によって前記回路に発生した電流を検出し、
   検出された前記電流に応じた起電力を可変的に発生させて、前記第１のモータ及び前記第２のモータに対して直列に印加し、
   前記電流に応じた起電力は、検出された前記電流の比例値と前記回路の抵抗値との乗算値及び検出された前記電流の微分値と前記回路のインダクタンスとの乗算値を要素として算出され、
   前記回路における前記第１のモータ及び前記第２のモータの逆起電力以外の電圧降下を補償し、
   前記電流に応じた起電力は、検出された前記電流がゼロでない場合に印加され、検出された前記電流がゼロである場合には印加されないことを特徴とするモーションコントロール方法。

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