JP7741007B2 - アクチュエータ及びアクチュエータの制御方法 - Google Patents

Description

本開示は、ワイヤを含む動力伝達系を備えたアクチュエータ及びそのアクチュエータの制御方法に関する。

ロボットアームが外力を受けたときに、アーム又はその構成要素がダメージを受けないように、アームにコンプライアンス又は柔軟性を与えるパッシブコンプライアンス（受動柔軟性）制御が公知である（例えば、特許文献１）。

特許文献１に記載のアクチュエータは、外力に応じたリンクの動作のコンプライアンスを、環境や用途に鑑みて適切に調節する。このアクチュエータは、駆動機構（例えば、モータ等の駆動源）と、負荷（例えば、リンク等の負荷体）と、駆動源と負荷体との間に介在する柔軟要素と、駆動源の動作を制御する制御装置とを備える。制御装置は、負荷体に作用させる目標力と、負荷体の実速度と、駆動源及び負荷体のそれぞれの実位置と、柔軟要素の特性を表す柔軟係数とに基づいて駆動源の目標従動速度（作用させるべき目標速度）を設定する。制御装置は、負荷体の目標速度（速度指令）と目標従動速度との合成結果としての合成目標速度に基づいて駆動指令速度を設定し、駆動指令速度に基づいて駆動源の駆動速度を制御する。すなわち、アクチュエータは、柔軟係数（線形な柔軟特性）を有する柔軟要素を動力伝達系に備えており、位置と力とを組み合わせたハイブリッド制御によってパッシブコンプライアンス制御を実現している。

特開２００９－１６０６８７号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたパッシブコンプライアンス制御は、動力伝達系に介在する柔軟要素が、柔軟係数（すなわち、ばねのように線形な柔軟特性）を有することを前提としている。

ここで、動力伝達系がワイヤを含むワイヤ駆動式のアクチュエータの制御にこのパッシブコンプライアンス制御を適用することについて検討すると、以下の課題が発生する。すなわち、動力伝達系のワイヤは、ワイヤが巻き掛けられるプーリとの摩擦やワイヤが収容されるアウタチューブ（例えば、蛇管）との摩擦の影響を受ける。そのため、動力伝達系の特性、具体的には、駆動源の位置と負荷体が発生する力との関係を示す、上記柔軟係数に対応する特性が、非線形（動作の向きに応じて特性が変化するヒステリシスを含む特性）になる。

また、動力伝達系を小型化するために、アクチュエータを以下のような片方向駆動の構成にすることが考えられる。すなわち、負荷体が、ワイヤを介した駆動源の動力によって一方向に駆動され、ワイヤを動力伝達方向と相反する戻し方向に付勢する付勢部材の付勢力によって戻し方向に駆動される構成である。ところが、片方向駆動においては、付勢部材による戻し動作の際に、ワイヤに緩みが生じると（すなわち、ワイヤの張力が０Ｎ未満になると）、ワイヤの伝達特性が大きく変化する。これにより、負荷体が発振し易くなり、負荷体の動作が不安定になる。

この状態を避けるために、ワイヤの目標張力に正の値の下限値を設定し、ワイヤが常に引張状態にあるようにすることが考えられる。しかしながらこの場合、付勢部材はワイヤの引張力に抗して動作するため、戻し方向の応答性が低下する。ワイヤの目標張力の下限値を０に近付けることで応答性を改善することはできるが、そのためにはワイヤの張力を高精度に検出できるセンサが必要になる。

本発明は、このような背景に鑑み、アクチュエータの動力伝達系が非線形な特性を有していてもパッシブコンプライアンス制御を行いつつ、負荷体の動作を安定させることを課題とする。

このような課題を解決するために、本発明のある実施形態は、アクチュエータ（３０）であって、駆動源（２３）と、前記駆動源によって駆動される負荷体（３２）と、前記駆動源が発生する動力を駆動方向の張力をもって前記負荷体に伝達するワイヤ（３６）及び、前記ワイヤを前記駆動方向と相反する戻し方向の付勢力をもって常時付勢する（線形特性を有する）付勢部材（４２）を含む動力伝達系（３３）と、前記駆動源の位置（θ_Ｍ）を取得するための駆動源位置センサ（４３）と、前記負荷体の位置（θ_Ｌ）及び速度（ω_Ｌ）を取得するための負荷位置センサ（４４）と、前記負荷体の与えられた目標位置（θ_Ｌｔ）を実現するように前記駆動源の出力（ω_Ｍ）を制御する制御装置（１３、２５）とを備え、前記制御装置は、前記負荷体の位置（θ_Ｌ）と前記駆動源の位置（θ_Ｍ）とに基づいて前記ワイヤの緩み及び緩み量（θｌ＝θｄｉｆ－θｔｈ１）を検出し、前記駆動源の目標出力（ω_Ｍｔ）が前記負荷体を前記戻し方向に作動させる値であるときに（ω_Ｍｔ＜０）前記ワイヤの前記緩みが検出された場合、前記駆動源の出力制御に用いる制御ゲイン（Ｒｃ）を、前記ワイヤの前記緩み量に基づいて、前記緩みを解消させる側に修正する。

この構成によれば、動力伝達系が柔軟要素であるワイヤを含んでいても、制御装置は、負荷体の与えられた目標位置を実現するように駆動源の出力を制御し、負荷体にコンプライアンスを与えるパッシブコンプライアンス制御を行うことが可能である。そして制御装置が、駆動源の目標出力が負荷体を戻し方向に作動させる値であるときにワイヤの緩みが検出された場合に制御ゲインを修正することにより、負荷体の動作を安定させることができる。

上記の態様において、前記制御装置は、前記駆動源の前記目標出力が前記負荷体を前記駆動方向に作動させる値であるときに（ω_Ｍｔ≧０）前記ワイヤの前記緩みが検出された場合、前記制御ゲイン（Ｒｃ）を修正しない。

制御装置によるワイヤの緩みの検出精度が低い場合、駆動源の目標出力が負荷体を駆動方向に作動させる値であるときにもワイヤの緩みが検出されることがある。ただし、この場合に負荷体が発振する可能性は低い。この構成によれば、負荷体の動作を安定させつつ、戻し方向の応答性が低下することを抑制できる。

上記の態様において、アクチュエータが前記ワイヤの前記張力（Ｆａ（Ｔａ））を取得するための張力センサ（３９）を更に備え、前記制御装置が、前記目標位置（θ_Ｌｔ）と前記負荷体の位置（θ_Ｌ）とに基づいて前記負荷体に作用させるべき目標力（Ｔｔ）を設定し、前記ワイヤの前記張力（Ｆａ（Ｔａ））と前記目標力（Ｔｔ）との偏差（Ｔｅｒｒ）に力制御ゲイン（Ｋｔｐ）を乗じて、前記駆動源の目標付加速度（ωａｄｄ）を設定し、前記目標付加速度に基づいて前記出力（ω_Ｍ）を制御する。

この構成によれば、動力伝達系が柔軟要素であるワイヤを含んでいても、制御装置が、張力センサによって取得されたワイヤの張力と目標力との偏差に、力制御ゲインを乗じることで駆動源の目標付加速度を設定することができる。そして、制御装置が目標付加速度に基づいて駆動源の出力を制御することで、負荷体にコンプライアンスを与えるパッシブコンプライアンス制御を従来と同様に実現することができる。

上記の態様において、前記力制御ゲイン（Ｋｔｐ）は、前記動力伝達系の柔軟係数（１／Ｋｓｐｒ）と速度ゲイン（Ｋｐ_２）との乗算値である。

この構成によれば、力制御ゲインが柔軟係数を含むことで、ワイヤの張力と目標力との偏差に柔軟係数を乗じた値がワイヤの実変位とワイヤの目標変位との変位差（Δθ）に相当する値として算出される。そしてこのワイヤの変位差に速度ゲインが乗じられることで、駆動源の目標付加速度が算出される。

上記の態様において、前記制御装置が、前記負荷位置センサから取得される前記負荷体の前記速度（ω_Ｌ）を換算して得た従動駆動源速度（ωｆ）と前記駆動源の目標付加速度（ωａｄｄ）とに基づいて前記駆動源の目標速度（ω_Ｍｔ）を設定し、前記目標速度を実現するように前記出力（ω_Ｍ）を制御するとよい。

この構成によれば、制御装置が、目標力とワイヤの張力とに基づいて、駆動源の目標速度を制御媒体として駆動源の出力を制御することができる。

上記の態様において、前記動力伝達系が、前記ワイヤの前記張力が作用する方向と相反する方向に前記ワイヤを常時付勢する（線形特性を有する）付勢部材（４２）を更に含み、前記制御装置が、前記付勢部材による付勢力に対抗する力（Ｔｃ）を加算して、前記目標力を設定するとよい。

この構成によれば、ワイヤが張力を一方のみに伝達するように配置され、他方への力が付勢部材によって与えられても、目標力を負荷体に作用させるように駆動源の出力を制御することができる。また、負荷体を両方向に駆動し得るようにワイヤを配置する必要がないため、アクチュエータの大型化を抑制できる。

上記の態様において、前記駆動源と前記負荷体との間に少なくとも１つの関節（１２）が設けられ、前記ワイヤが前記関節を通過するように設けられ、前記張力センサが前記関節に対して前記駆動源の側に配置されるとよい。

この構成によれば、関節に対して負荷体の側に張力センサを設ける必要がないため、アクチュエータの負荷体側の部分の大型化を抑制することができる。

課題を解決するために、本発明のある実施形態は、駆動源（２３）と、前記駆動源によって駆動される負荷体（３２）と、前記駆動源が発生する動力を前記負荷体に伝達するワイヤ（３６）を含む動力伝達系（３３）とを備えるアクチュエータ（３０）の制御方法であって、前記負荷体の与えられた目標位置（θ_Ｌｔ）を実現するように前記駆動源の出力（ω_Ｍ）を制御し、前記負荷体の位置（θ_Ｌ）と前記駆動源の位置（θ_Ｍ）とに基づいて前記ワイヤの緩み及び緩み量（θｌ＝θｄｉｆ－θｔｈ１）を検出し、前記駆動源の目標出力（ω_Ｍｔ）が前記負荷体を前記戻し方向に作動させる値であるときに（ω_Ｍｔ＜０）前記ワイヤの前記緩みが検出された場合、前記駆動源の出力制御に用いる制御ゲイ（Ｒｃ）ンを、前記ワイヤの前記緩み量に基づいて、前記緩みを解消させる側に修正する。

この構成によれば、アクチュエータの動力伝達系が柔軟要素であるワイヤを含んでいても、負荷体の与えられた目標位置を実現するように駆動源の出力を制御し、負荷体にコンプライアンスを与えるパッシブコンプライアンス制御を行うことが可能である。そして、駆動源の目標出力が負荷体を戻し方向に作動させる値であるときにワイヤの緩みが検出された場合に制御ゲインを修正することにより、負荷体の動作を安定させることができる。

このように本発明によれば、アクチュエータの動力伝達系が非線形な特性を有していてもパッシブコンプライアンス制御が可能になる。

実施形態に係るロボットの概略構成図 ロボットの手部の概略構成図 手部のアクチュエータのモデル図 手部のアクチュエータのシステム構成図 手部のアクチュエータの概略的な機能ブロック図 アクチュエータに係るコントローラの要部の機能ブロック図 （Ａ）従来技術、（Ｂ）本発明のそれぞれの制御の説明図 実施形態に係る制御による応答性の効果を示すボード線図 アクチュエータの応答を示すタイムチャート 実施形態に係る制御システムによる応答を示すタイムチャート 実施形態に係る出力修正における張力制御ゲインを示すグラフ 実施形態に係る出力修正を行わない比較例の応答を示すタイムチャート 実施形態に係る出力修正を行った例の応答を示すタイムチャート 他の実施形態に係るアクチュエータのモデル図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１は、実施形態に係るロボット１の概略構成図である。図１に示すように、ロボット１はヒューマノイドロボットである。ロボット１は、基体２と、基体２の上方に配置された頭部３と、基体２の上部から延設された左右の腕部４と、腕部４の先端に設けられた手部５と、基体２の下部から延設された左右の脚体６と、脚体６の先端に設けられた足部７とを備えている。以下の説明では、ロボット１の前後方向をＸ軸、左右方向をＹ軸、上下方向をＺ軸とする。

基体２はＺ軸回りに相対的に回動し得るように上下に連結された上部及び下部により構成されている。頭部３は基体２に対してＺ軸回りに回動する等、動くことができる。

腕部４は上腕リンク８と前腕リンク９とを備えている。基体２と上腕リンク８とは肩関節１０を介して連結され、上腕リンク８と前腕リンク９とは肘関節１１を介して連結され、前腕リンク９と手部５とは手根関節１２を介して連結されている。肩関節１０はＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸回りの回動自由度を有し、肘関節１１はＹ軸回りの回動自由度を有し、手根関節１２はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸回りの回動自由度を有している。基体２には、ロボット１の全体の動作を制御する第１制御装置１３が設けられている。

図２に示すように、手部５は、掌部１４と、掌部１４から延設された複数の指部１５とを備えている。指部１５のそれぞれは、第１指リンク１６と、第２指リンク１７と、第３指リンク１８とを備えている。掌部１４と第１指リンク１６とは第１指関節１９を介して連結され、第１指リンク１６と第２指リンク１７とは第２指関節２０を介して連結され、第２指リンク１７と第３指リンク１８とは第３指関節２１を介して連結されている。第１指関節１９～第３指関節２１はＹ軸回りの回動自由度を有している。親指に対応する指部１５の第１指関節１９は、更にＸ軸回りの回動自由度を有している。前腕リンク９、掌部１４、第１指リンク１６～第３指リンク１８、手根関節１２及び第１指関節１９～第３指関節２１はアウタケース２２によって覆われている。

前腕リンク９には、各指の関節を駆動するための複数のモータ２３（駆動源）と、これらのモータ２３の動作を制御する第２制御装置２５とが設けられている。本実施形態では、第３指関節２１は第２指関節２０と連動するように構成されており、各指部１５について、第１指関節１９を駆動するためのモータ２３と、第２指関節２０及び第３指関節２１を駆動するためのモータ２３との２つのモータ２３が使用される。第２制御装置２５は、全ての指部１５のモータ２３を駆動するものであり、複数のアクチュエータ３０に共通となっている。

第２制御装置２５は、基体２に搭載された第１制御装置１３（図１）から指令を受け、指令に基づいてモータ２３の動作を制御することによって手部５の全ての指部１５を駆動する。モータ２３はロボット１に搭載されているバッテリ（図示略）から供給される電力によって動作する。指部１５のそれぞれはアクチュエータ３０を構成する。つまり、上腕リンク８から掌部１４までの部分は、肩関節１０を介して基体２に支持されたアーム３１をなし、掌部１４は、アーム３１の基部をなす前腕リンク９に手根関節１２を介して連結され、指部１５を支持するハンド部をなしている。

本実施形態では、指部１５が複数のモータ２３によって駆動される複数の関節（１９～２１）を有している。つまり、本実施形態の指部１５は複数のアクチュエータ３０を含んでいると言える。第１指関節１９を駆動するアクチュエータ３０は、掌部１４に対して指部１５の全体をＹ軸回りに回動駆動する。第２指関節２０を駆動するアクチュエータ３０は、第１指リンク１６に対して第２指リンク１７及び第３指リンク１８をＹ軸回りに回動駆動する。以下、アクチュエータ３０における駆動対象である指部１５並びに、第２指リンク１７及び第３指リンク１８を、単に負荷体３２（図３参照）と言う。各負荷体３２は直接又は他の負荷体３２を介して間接的にアーム３１に対して変位可能に設けられる。なお、他の実施形態では、指が１つのモータ２３のみによって駆動されてもよい。

図３は、手部５のアクチュエータ３０のモデル図である。図３に示すように、アクチュエータ３０は、前腕リンク９に設けられたモータ２３と、モータ２３によって駆動される負荷体３２と、モータ２３が発生する動力を負荷体３２に伝達する動力伝達系３３とを備えている。動力伝達系３３は、モータ２３によって回転駆動される駆動プーリ３４と、負荷体３２の回動軸回りに負荷体３２に一体に形成された従動プーリ３５と、駆動プーリ３４及び従動プーリ３５に巻き掛けられたワイヤ３６とを含んでいる。ワイヤ３６は屈曲側張力Ｆｂを伝達可能に駆動プーリ３４と従動プーリ３５とを連結している。

ワイヤ３６は、駆動プーリ３４に固定された一端から延びて従動プーリ３５に巻き掛けられ、他端において掌部１４（ハンド部、図２）に固定されている。従動プーリ３５に対しワイヤ３６の他端側には、ワイヤ３６を掌部１４に向けて常時付勢する付勢部材４２が設けられている。付勢部材４２は例えば引っ張りコイルばねや弦巻ばねであってよい。ワイヤ３６は、駆動プーリ３４によって引っ張られると、屈曲側張力Ｆｂによって負荷体３２を屈曲させる向きのトルクを従動プーリ３５に伝達する。ワイヤ３６は、駆動プーリ３４からの屈曲側張力Ｆｂが作用する方向と相反する方向に付勢部材４２によって付勢されると、付勢力によって負荷体３２を伸展させる向きのトルクを従動プーリ３５に伝達する。

本実施形態では、ワイヤ３６上の駆動プーリ３４と従動プーリ３５との間に、ワイヤ３６の張力Ｆを取得するための張力センサ３９、すなわちワイヤ３６の屈曲側張力Ｆｂを検出する張力センサ３９が設けられている。張力センサ３９は前腕リンク９（図２）に設けられる。張力センサ３９と従動プーリ３５との間のワイヤ３６の部分は手根関節１２（図２）を通過する。ワイヤ３６の手根関節１２を通過する部分には図示しないアウタチューブが設けられる。

モータ２３と駆動プーリ３４との間には、所定の減速比ＲＲを有する減速機４０が設けられる。ここでは、駆動プーリ３４の半径と従動プーリ３５の半径とは互いに同一とされており、駆動プーリ３４と従動プーリ３５とは同速で回転する。他の実施形態では、駆動プーリ３４と従動プーリ３５との半径比による減速機構が追加されてもよい。モータ２３の出力軸は駆動プーリ３４に直接結合（剛結）されている。動力伝達系３３は、ワイヤ３６を含むことにより、ワイヤ剛性の逆数である柔軟係数１／Ｋｓｐｒを有している。なお、柔軟係数は動力伝達系３３のばね剛性Ｋｓｐｒ（ばね定数）の逆数である。

図４は手部５のアクチュエータ３０のシステム構成図である。図４に示すように、ロボット１に設けられた手部５のアクチュエータシステムは、第１制御装置１３と、第２制御装置２５と、複数のモータ２３と、複数のモータ角センサ４３と、複数の張力センサ３９と、複数の関節角センサ４４とを備えている。第２制御装置２５は通信線４５を介して第１制御装置１３に接続されている。複数のモータ２３、モータ角センサ４３及び関節角センサ４４は、通信線４５を介して第２制御装置２５に接続されている。

第１制御装置１３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ、アナログ回路等によって構成される電子制御装置である。第１制御装置１３はＣＰＵでプログラムに沿った演算処理を実行することで、各種の運動制御を実行する。第１制御装置１３は１つのハードウェアとして構成されていてもよく、複数のハードウェアからなるユニットとして構成されていてもよい。第１制御装置１３をロボット１の制御装置として機能させるための「運動制御プログラム」は、ＲＯＭ等の記憶装置に予め格納されていてよい。或いは、このプログラムは、任意のタイミングでサーバからネットワークや放送を介して配信され、第１制御装置１３の記憶装置に格納されてもよく、サーバに保存された状態でネットワークや放送を介して第１制御装置１３に利用されてもよい。第１制御装置１３は、運動制御プログラムに沿った演算処理を実行することで、各アクチュエータ３０の負荷体３２の運動目標値を設定し、運動目標値に基づいて負荷体３２の目標トルクＴｔを設定する。

第２制御装置２５は、プログラマブルロジックデバイス、モータドライバ、Ｉ／Ｏ、アナログ回路等によって構成される電子制御装置である。プログラマブルロジックデバイスは、プログラムに沿った演算処理を実行することでアクチュエータ３０の動作制御を実行するものであり、例えばＦＰＧＡ（field-programmable gate array）であってよい。第２制御装置２５をアクチュエータ３０の制御装置として機能させるための「動作制御プログラム」は、プログラマブルロジックデバイスに予め格納されている。第２制御装置２５は、第１制御装置１３から受け取る負荷体３２の目標トルクＴｔの指令に従って、モータ２３の出力を制御することによってアクチュエータ３０を動作させる。すなわち、第２制御装置２５は、第１制御装置１３と協働して、負荷体３２の与えられた目標位置を実現するようにモータ２３の出力を制御する。

モータ角センサ４３は、対応するモータ２３の出力軸の角度であるモータ角度θ_Ｍ（位置）及びモータ角速度ω_Ｍ（速度）を取得するためにモータ角度θ_Ｍを検出する角度センサである。すなわち、モータ角センサ４３は、駆動源の位置及び速度を取得するための駆動源の位置を検出する駆動位置センサである。モータ角センサ４３は、例えばエンコーダであってよく、モータ角度θ_Ｍに応じた信号を出力する。

張力センサ３９は、ワイヤ３６の屈曲側張力Ｆｂを検出する（図５参照）。張力センサ３９は、ワイヤ３６の張力Ｆに応じた信号を出力する。

関節角センサ４４は、モータ２３により駆動される負荷体３２の支持部材に対する角度位置、すなわち関節の関節角度θ_Ｌ（位置）及び関節角速度ω_Ｌ（速度）を取得するために、関節角度θ_Ｌを検出する角度センサである。すなわち、関節角センサ４４は、負荷体３２の位置及び速度を取得するために負荷体３２の位置を検出する負荷位置センサである。関節角センサ４４は、例えばエンコーダであってよく、関節角度θ_Ｌに応じた信号を出力する。

上記のように第１制御装置１３はロボット１の基体２に配置され、第２制御装置２５及び複数のモータ２３はロボット１の前腕リンク９に配置されている。そのため、第１制御装置１３と第２制御装置２５との間には肩関節１０及び肘関節１１が介在する。

図５は、手部５のアクチュエータ３０の概略的な機能ブロック図である。図５に示すように、第１制御装置１３は、関節目標値設定部５１と、目標張力設定部５２とを有している。関節目標値設定部５１は、上記運動制御プログラムに沿った演算処理を実行することで、負荷体３２の運動目標値を設定する。負荷体３２の運動目標値には、目標関節角度θ_Ｌｔ及び目標関節角速度ω_Ｌｔが含まれる。負荷体３２の運動目標値に関節トルク指令が含まれてもよい。

目標張力設定部５２には、目標関節角度θ_Ｌｔ及び目標関節角速度ω_Ｌｔと、張力センサ３９から取得された関節角度θ_Ｌ及び関節角速度ω_Ｌとが入力される。目標張力設定部５２は、入力されるこれらの値の偏差に基づいて、負荷体３２の目標力としての目標トルクＴｔを設定するインピーダンス制御を行う。このようにして目標張力設定部５２は、少なくとも目標関節角度θ_Ｌｔ（目標位置）と関節角度θ_Ｌ（負荷体３２の位置）とに基づいて負荷体３２に作用させるべき目標力を設定する。

第２制御装置２５は、張力制御部５３と、モータ制御部５４と、電流制御部５５と、センサデータ取得部５６とを有している。センサデータ取得部５６は微分器５７を備えている。センサデータ取得部５６は、張力センサ３９（３９Ａ、３９Ｂ）、モータ角センサ４３及び関節角センサ４４から出力される信号を取得して必要な処理を行ったうえで、これらの信号を必要とする各機能部へ分配する。微分器５７は、モータ角センサ４３から取得したモータ角度θ_Ｍに応じた信号を微分することによってモータ角速度ω_Ｍを算出し、関節角センサ４４から取得した関節角度θ_Ｌに応じた信号を微分することによって関節角速度ω_Ｌを算出する。

センサデータ取得部５６は、モータ角度θ_Ｍをモータ制御部５４に送信し、ワイヤ３６の張力Ｆ（Ｆｂ）及び関節角速度ω_Ｌを張力制御部５３に送信し、関節角度θ_Ｌ及び関節角速度ω_Ｌを第１制御装置１３の目標張力設定部５２に送信する。なお、アクチュエータ３０では、屈曲側張力Ｆｂが張力制御部５３に送信される。

張力制御部５３は、目標張力設定部５２にて設定された目標トルクＴｔ、センサデータ取得部５６から送信される張力Ｆ（Ｆｂ）及び関節角速度ω_Ｌに基づいて、目標モータ角速度ω_Ｍｔを設定する。

モータ制御部５４は、張力制御部５３にて設定された目標モータ角速度ω_Ｍｔ、及び、センサデータ取得部５６から送信されるモータ角速度ω_Ｍに基づいて、モータ２３に供給すべき目標電流Ｉｔを設定する。電流制御部５５は、モータ制御部５４にて設定された目標電流Ｉｔがモータ２３に供給されるようにバッテリからモータ２３へ流れる電流Ｉを制御する。このようにして第２制御装置２５は、駆動源の出力であるモータ角速度ω_Ｍを制御する。以下、第１制御装置１３と第２制御装置２５とを合わせてコントローラと言う。

図６は、アクチュエータ３０に係るコントローラの要部の機能ブロック図である。第１制御装置１３の目標張力設定部５２は、第１減算器６１、第２減算器６２、積分器６３及び加算器６４を備えている。第１減算器６１は、関節目標値設定部５１により設定された目標関節角度θ_Ｌｔから、関節角センサ４４により検出された実測時の関節角度θ_Ｌを減じることで、関節角度差Δθ_Ｌを算出する。第２減算器６２は、関節目標値設定部５１により設定された目標関節角速度ω_Ｌｔから、関節角センサ４４により検出された実測時の関節角速度ω_Ｌを減じることで、角速度差Δω_Ｌを算出する。積分器６３は関節角度差Δθ_Ｌを積分する。目標張力設定部５２は、関節角度差Δθ_Ｌに比例ゲインＫｐを乗じて負荷体３２のトルク値に換算し、関節角速度ω_Ｌに微分ゲインＫｄを乗じて負荷体３２のトルク値に換算し、関節角度差Δθ_Ｌの積分値に積分ゲインＫｉを乗じて負荷体３２のトルク値に換算する。加算器６４は、これら３つの値を加算することで、負荷体３２に作用させるべきトルク目標値Ｔ_Ｌｔを算出する。

また目標張力設定部５２は、駆動側トルク変換部６５及び制限部６６を備えている。駆動側トルク変換部６５は、負荷体３２に作用させるべきトルク目標値Ｔ_Ｌｔを、駆動側のトルクに変換する。本実施形態では、負荷体３２とワイヤ３６との間に減速機構はなく、負荷体３２のトルクと動力伝達系３３のワイヤ３６部分のトルクとが一致する。そのため、駆動側トルク変換部６５はトルク目標値Ｔ_Ｌｔを目標トルクＴｔとして制限部６６に向けてそのまま出力する。制限部６６は、目標トルクＴｔを、－Ｃ２＜Ｔｔ＜Ｃ１となるように制限する。Ｃ２はＣ１よりも小さな正の値であり、ワイヤ３６が緩まない下限値である。ここで、Ｃ１は正の値であり、この動力伝達系３３においてワイヤ３６が破断しないトルクの上限値である。Ｃ１は、張力センサ３９の計測精度に応じて、例えば１Ｎに設定されてよい。制限部６６は、目標トルクＴｔに対して制限処理を実行した後、目標トルクＴｔを張力制御部５３に向けて出力する。

目標張力設定部５２は、これらの比例ゲインＫｐ、微分ゲインＫｄ及び積分ゲインＫｉを変更してアクチュエータ３０の機械的なインピーダンス（ばね剛性Ｋｓｐｒ）を調整することにより、アクチュエータ３０の特性を変更することができる。具体的には、動力伝達系３３にワイヤ３６が含まれていても、これらのゲインを大きくすることにより、負荷体３２の位置応答性を高めることができる。また、これらのゲインを小さくすることにより、手部５の負荷体３２の柔軟性を高め、例えば衝撃吸収性能を高めることができる。

第２制御装置２５の張力制御部５３は、駆動側トルク変換部７２、減算器７３及び加算器７４を備えている。駆動側トルク変換部７２には、張力センサ３９から取得された屈曲側張力Ｆｂ（ワイヤ３６の実トルク張力Ｆａ）が入力される。駆動側トルク変換部７２は、屈曲側張力Ｆｂに駆動プーリ３４の半径を乗じることで動力伝達系３３のワイヤ３６部分の実トルクＴａを算出する。減算器７３は、目標張力設定部５２により設定された目標トルクＴｔから実トルクＴａを減じることで、負荷体３２に付加すべきトルク偏差Ｔｅｒｒを算出する。

駆動側トルク変換部７２により算出される実トルク張力Ｆａには、図３の付勢部材４２による付勢力に対抗する力が含まれている。そこで、第１制御装置１３の目標張力設定部５２は付勢力補償部６７を更に備えている。第１制御装置１３の目標張力設定部５２では、付勢力補償部６７が、付勢部材４２の伸び変位に相当する関節角度θ_Ｌに、付勢部材４２のばね定数に相当する補償係数を乗じることで、付勢部材４２の付勢力への対抗力に相当する対抗トルクＴｃを算出する。目標張力設定部５２は、対抗トルクＴｃにトルクフィードフォワードゲインＫｔｆｆを乗じて負荷体３２のトルク値に換算する。この値は加算器６４に入力され、他の３つの値に加算される。これにより付勢部材４２の付勢力が相殺される。

張力制御部５３は、減算器７３によって算出されたトルク偏差Ｔｅｒｒに力制御ゲインＫｔｐを乗じることにより、駆動源の付加速度指令（目標付加速度）である目標付加角速度ωａｄｄを算出する。目標付加角速度ωａｄｄは加算器７４に入力される。ここで、力制御ゲインＫｔｐは、動力伝達系３３の柔軟係数（１／Ｋｓｐｒ）に、位置指令である角度を速度指令である角速度に変換するための速度ゲインである比例ゲインＫｐ_２を乗じて得られる。以下に、力制御ゲインＫｔｐについて詳細に説明する。

図７は（Ａ）従来技術、（Ｂ）本発明のそれぞれの制御の説明図である。特許文献１に示される従来のパッシブコンプライアンス制御では、動力伝達系３３に介在する柔軟要素が線形な柔軟特性を有している。そのため、図７（Ａ）に示すように、トルク指令である目標トルクＴｔに柔軟要素の柔軟係数（１／Ｋｓｐｒ）を乗じることで位置指令である角度指令値θｔが算出されていた。また、角度指令値θｔから、駆動側と負荷側との間の角度（角度差「θ_Ｍ－θ_Ｌ」）が減じられることで角度差Δθが算出されていた。そしてこの角度差Δθに、角度指令を角速度指令に変換するための比例ゲインＫｐ_２が乗じられることで角速度指令が算出されていた。

これに対し本実施形態では、動力伝達系３３がワイヤ３６を含むために、動力伝達系３３の３３特性が非線形になる。そのため張力制御部５３では、駆動側と負荷側との間の角度（角度差「θ_Ｍ－θ_Ｌ」）に動力伝達系３３のばね剛性Ｋｓｐｒを乗じることで得られる、駆動側と負荷側との間の実トルクＴａが、張力センサ３９の検出値から取得される。また、トルク指令である目標トルクＴｔから実トルクＴａが減じられることでトルク偏差Ｔｅｒｒが算出される。そして、トルク偏差Ｔｅｒｒに動力伝達系３３の柔軟係数（１／Ｋｓｐｒ）が乗じられることで従来の角度差Δθに相当する値が算出され、この値に比例ゲインＫｐ_２が乗じられることで角速度指令が算出される。このように張力制御部５３は、等価交換によって位置ではなく力（実トルクＴａ）を用いて同様の処理を行うことにより、ヒステリシスを有する動力伝達系３３のばね特性をモデル化しなくても、速度指令（目標角速度ωｔ）を算出できる。

図６に戻って説明を続ける。張力制御部５３は駆動側速度変換部７５を更に備える。駆動側速度変換部７５は、関節角センサ４４により取得された関節角速度ω_Ｌを駆動側の角速度に変換する。具体的には、駆動側速度変換部７５は、関節角速度ω_Ｌに減速機４０の減速比ＲＲを乗じることで、関節角速度ω_Ｌに対応する従動モータ角速度ωｆを算出する。ここで、従動モータ角速度ωｆは、モータ２３の駆動に従動して回動した負荷体３２の関節角速度ω_Ｌをモータ角速度ω_Ｍに換算して得た従動駆動源速度に相当する角速度である。

張力制御部５３は、従動モータ角速度ωｆに制御ゲインＫｖｆｆを乗じて従動モータ角速度ωｆを適正化する。制御ゲインＫｖｆｆは通常は１に設定されており、本実施形態でも１である。従動モータ角速度ωｆは加算器７４にフィードフォワード項として入力される。加算器７４は、目標付加角速度ωａｄｄに従動モータ角速度ωｆを加算することで、駆動源の目標速度に相当する目標モータ角速度ω_Ｍｔを算出する。目標モータ角速度ω_Ｍｔはモータ制御部５４に供給され、上記のようにモータ制御部５４はモータ角速度ω_Ｍに基づき目標電流Ｉｔを設定する角速度制御を実行する。

このように第２制御装置２５及びこれによる制御方法は、ワイヤ３６の実トルク張力Ｆａに対応する実トルクＴａと目標トルクＴｔとの偏差であるトルク偏差Ｔｅｒｒに、力制御ゲインＫｔｐを乗じて、駆動源の目標角速度ωｔである目標付加角速度ωａｄｄを設定する。そして、第２制御装置２５が目標付加角速度ωａｄｄに基づいて駆動源の出力であるモータ角速度ω_Ｍを制御することで、負荷体３２にコンプライアンスを与えるパッシブコンプライアンス制御を従来と同様に実現することができる。

ここで、上記のように力制御ゲインＫｔｐは、動力伝達系３３の柔軟係数（１／Ｋｓｐｒ）と速度ゲインとしての比例ゲインＫｐ_２との乗算値である。つまり、力制御ゲインＫｔｐが柔軟係数（１／Ｋｓｐｒ）を含むことで、トルク偏差Ｔｅｒｒに柔軟係数（１／Ｋｓｐｒ）を乗じた値が、ワイヤ３６の実変位とワイヤ３６の目標変位との変位差に対応する、駆動側と負荷側との間の角度（図７の角度差Δθ）として算出される。そしてこのワイヤ３６の変位差（図７の角度差Δθ）に比例ゲインＫｐ_２が乗じられることで、駆動源の目標付加角速度ωａｄｄが算出される。

また第２制御装置２５は、関節角センサ４４から取得される負荷体３２の関節角速度ω_Ｌを換算して得た従動モータ角速度ωｆと目標付加角速度ωａｄｄとに基づいて目標モータ角速度ω_Ｍｔを設定する。そして第２制御装置２５は、目標モータ角速度ω_Ｍｔを実現するようにモータ角速度ω_Ｍを制御する。そのため、第２制御装置２５は、目標トルクＴｔとワイヤ３６の実トルク張力Ｆａに対応する実トルクＴａとに基づいて、目標モータ角速度ω_Ｍｔを制御媒体としてモータ角速度ω_Ｍを制御することができる。

また図３に示すようにアクチュエータ３０では、動力伝達系３３が、ワイヤ３６の張力Ｆが作用する方向と相反する方向にワイヤ３６を常時付勢する線形特性を有する付勢部材４２を含む。そして、図６に示すように第１制御装置１３は、付勢部材４２による付勢力に相当する対抗トルクＴｃを加算して、目標トルクＴｔを設定する。

特許文献１に示される従来のパッシブコンプライアンス制御は、動力伝達系３３が金属ばねのような柔軟要素を介して連続し、正負両方向に対して力を伝達できることを前提としていた。そのため、ワイヤ３６が張力Ｆを一方のみに伝達するように配置され、他方への力が付勢部材４２によって与えられる場合には、従来の制御を利用することができなかった。

本実施形態では、ワイヤ３６が張力Ｆを一方のみに伝達するように配置され、他方への力が線形特性を有する付勢部材４２によって与えられても、コントローラが、目標トルクＴｔを負荷体３２に作用させるようにモータ角速度ω_Ｍを制御することができる。また、負荷体３２を両方向に駆動し得るようにワイヤ３６を配置する必要がないため、アクチュエータ３０の大型化が抑制される。

図８は実施形態に係る制御による応答性の効果を示すボード線図である。グラフ中の一点鎖線は、第１制御装置１３の目標張力設定部５２が、関節角度差Δθ_Ｌの積分値に積分ゲインＫｉを乗じて換算した負荷体３２のトルク値を加算器６４に加算しない場合、すなわちＰＤ制御を行った場合の周波数特性を示す。実線は、実施形態に係る制御の周波数特性を示す。目標張力設定部５２が関節角度θ_Ｌを用いたＰＤ制御を行った場合には、一点鎖線で示すように、０．５～１Ｈｚの周波数領域において共振点が発生し、ゲインが高くなる一方で位相遅れが生じ、応答性が低下する。これに対し、本実施形態では、この周波数領域における共振が抑えられ、応答性が向上する。

図９はアクチュエータ３０の応答を示すタイムチャートである。縦軸は関節角度θ_Ｌを示している。チャート中の破線は関節角度θ_Ｌの指令値（目標関節角度θ_Ｌｔ）を示し、実線は本発明の実測値（関節角度θ_Ｌ）を示し、一点鎖線は比較例の実測値を示している。比較例は、目標張力設定部５２（図６）が、二次側の関節角速度ω_Ｌを駆動側速度変換部７５にて一次側（駆動側）の従動モータ角速度ωｆに換算し、この値に制御ゲインＫｖｆｆを乗じた値をフィードフォワード項として加算器７４にて加算しない場合を示す。

図９に示すように、比較例では、関節角度θ_Ｌの指令値が小さく変化したとき（伸展側への回動指令のとき）、０°に向けた関節角度θ_Ｌの戻りが遅い。これに対し本発明では、目標張力設定部５２が関節角速度ω_Ｌに基づく従動モータ角速度ωｆに関するフィードフォワード項を加算して目標モータ角速度ω_Ｍｔを演算することにより、関節角度θ_Ｌが屈曲側への指令のときと同様に指令値に追従して変化しており、０°に向けた関節角度θ_Ｌの戻りが早い。つまり、ワイヤ３６が張力Ｆを一方のみに伝達するように配置され、他方への力が付勢部材４２によって与えられても、第２制御装置２５が関節角センサ４４から取得される負荷体３２の関節角速度ω_Ｌを換算して得た従動モータ角速度ωｆと目標付加角速度ωａｄｄとに基づいて目標モータ角速度ω_Ｍｔを設定することにより、負荷体３２の応答性が向上する。

図１０は実施形態に係る制御システムによる応答を示すタイムチャートである。縦軸は関節角度θ_Ｌを示している。チャート中の破線は関節角度θ_Ｌの指令値（目標関節角度θ_Ｌｔ）を示し、実線は本発明の実測値（関節角度θ_Ｌ）を示し、一点鎖線は比較例の実測値を示している。

比較例は、従来システムの構成によるものである。ここで、本発明との相違を明確にするために従来システムの構成について説明する。従来システムでは、第２制御装置２５はモータ２３の出力を制御するモータドライバとしての機能のみを有していた。つまり、モータ２３の出力であるモータ角速度ω_Ｍを制御する張力制御部５３は第１制御装置１３に設けられ、第１制御装置１３が負荷体３２の関節角度θ_Ｌを関節角センサ４４から得て、関節角度θ_Ｌから関節角速度ω_Ｌを算出して張力制御部５３に提供していた。

これに対し本発明では、図５に示すように、モータ角速度ω_Ｍを制御するモータドライバをなす第２制御装置２５に、張力制御部５３が一体に設けられている。第２制御装置２５の張力制御部５３は、第１制御装置１３を経由することなく、負荷体３２の位置を表す関節角度θ_Ｌを関節角センサ４４から直接得て、関節角度θ_Ｌに基づいて負荷体３２の関節角速度ω_Ｌを算出する。そして、第２制御装置２５がワイヤ３６の張力Ｆに対応する実トルクＴａと負荷体３２の関節角速度ω_Ｌとに基づいてモータ２３の出力である関節角速度ω_Ｌを制御する。これにより、第２制御装置２５が負荷体３２の関節角速度ω_Ｌを短時間で算出してモータ角速度ω_Ｍを目標モータ角速度ω_Ｍｔに近付けることができ、負荷体３２の動作が滑らかになる。

また図６に示すように、第２制御装置２５では、張力制御部５３が、目標トルクＴｔとワイヤ３６の実トルク張力Ｆａに相当する動力伝達系３３のワイヤ３６部分の実トルクＴａとに基づいて、モータ２３の目標付加角速度ωａｄｄを設定する。張力制御部５３は、目標付加角速度ωａｄｄと、負荷体３２の関節角速度ω_Ｌを換算して得た従動モータ角速度ωｆとに基づいて、目標モータ角速度ω_Ｍｔを設定する。そしてモータ制御部５４が、目標モータ角速度ω_Ｍｔに基づいてモータ２３を駆動する。このように第２制御装置２５は、第１制御装置１３によって設定された目標トルクＴｔと実トルクＴａとに基づいて、目標モータ角速度ω_Ｍｔを制御媒体としてモータ２３の出力を制御する。これにより、動力伝達系３３が柔軟要素であるワイヤ３６を含んでいても、負荷体３２にコンプライアンスを与える従来のようなパッシブコンプライアンス制御をコントローラが実現できる。

また図２に示すアーム３１において、負荷体３２を支持するハンド部をなす掌部１４は、アーム基部をなす前腕リンク９に手根関節１２を介して連結される。そのため、図３に示すワイヤ３６は、手根関節１２を通過するように設けられる。一方、上記のように第２制御装置２５及び張力センサ３９（３９Ａ、３９Ｂ）は共に前腕リンク９に設けられていることから、第２制御装置２５による張力制御処理の時間が短縮される。これにより、負荷体３２の動きが滑らかになる。また、装置やセンサの実装による掌部１４の大型化が回避される。

言い換えれば、張力センサ３９（３９Ａ、３９Ｂ）が手根関節１２に対してモータ２３の側に配置される。これにより、手根関節１２に対して負荷体３２の側に張力センサ３９（３９Ａ、３９Ｂ）を設ける必要がないため、アクチュエータ３０の負荷体３２側の部分の大型化を抑制することができる。

本実施形態のアクチュエータ３０は、図３に示すように片方向駆動の構成を有する。すなわち、負荷体３２が、ワイヤ３６を介した駆動源の動力によって一方向に駆動され、ワイヤ３６を動力伝達方向と相反する戻し方向に付勢する付勢部材４２の付勢力によって戻し方向に駆動される。そのため、付勢部材４２による戻し動作の際に、ワイヤ３６に緩みが生じると（すなわち、ワイヤ３６の張力Ｆが０Ｎ未満になると）、ワイヤ３６の伝達特性が大きく変化する。これにより、負荷体３２が発振し易くなり、負荷体３２の動作が不安定になる。

そのため、図６に示すように、第２制御装置２５の張力制御部５３は、ワイヤ緩み検出部７７及び出力修正部７８を備えている。

ワイヤ緩み検出部７７は、関節角センサ４４によって検出された負荷体３２の位置である関節角度θ_Ｌと、モータ角センサ４３により検出された駆動源の位置であるモータ角度θ_Ｍとに基づいて、ワイヤ３６の緩み及び緩み量θｌを検出する。具体的には、ワイヤ緩み検出部７７は、関節角度θ_Ｌを減速機４０の減速比ＲＲを乗じることでモータ２３の推定角度θｅｓｔに換算する。ワイヤ緩み検出部７７は、下式（１）に示すように、モータ２３の推定角度θｅｓｔからモータ２３の実角度であるモータ角度θ_Ｍを減じることによって差分角θｄｉｆを取得する。
θｄｉｆ＝θｅｓｔ－θ_Ｍ ・・・（１）
差分角θｄｉｆが所定の第１閾値θｔｈ１よりも大きいときに、ワイヤ３６に緩みありと判定される。第１閾値θｔｈ１は、例えば１°であってよい。下式（２）に示すように、差分角θｄｉｆから第１閾値θｔｈ１を減じた値（θｄｉｆ－θｔｈ１）は、ワイヤ３６の緩み量θｌを表す。
θｌ＝θｄｉｆ－θｔｈ１ ・・・（２）

出力修正部７８は、ワイヤ３６の緩み及び緩み量θｌに応じ、モータ制御部５４の目標出力である目標モータ角速度ω_Ｍｔを修正する。具体的には、出力修正部７８は、図１１に示すグラフを用い、ワイヤ３６の緩み量θｌに基づいて、張力制御ゲインＲｃを取得する。張力制御ゲインＲｃは、モータ２３の出力制御（張力制御）に用いる目標モータ角速度ω_Ｍｔを修正するための修正ゲインである。張力制御ゲインＲｃは、差分角θｄｉｆが第１閾値θｔｈ１以下で範囲では１に設定される。第１閾値θｔｈ１は、例えば、０°であってよい。差分角θｄｉｆが第１閾値θｔｈ１を超える範囲では、張力制御ゲインＲｃは、差分角θｄｉｆが大きいほど小さくなるように、すなわちワイヤ３６の緩み量θｌが大きいほど小さくなるように設定されている。図示例では、張力制御ゲインＲｃは、第１閾値θｔｈ１から第２閾値θｔｈ２にかけて線形的に減少し、第２閾値θｔｈ２にて０に設定されている。第２閾値θｔｈ２は例えば１０°であってよい。張力制御ゲインＲｃは、差分角θｄｉｆが第２閾値θｔｈ２である１０°以上である範囲では、張力制御ゲインＲｃは０に設定される。出力修正部７８は、目標モータ角速度ω_Ｍｔに張力制御ゲインＲｃを乗じることで目標モータ角速度ω_Ｍｔを修正する。

以下により詳細に説明する。出力修正部７８は、負荷体３２に付加すべきトルク偏差Ｔｅｒｒに力制御ゲインＫｔｐを乗じた値に、制御ゲインＫｖｆｆの乗算によって適正化された従動モータ角速度ωｆを加算して得た目標モータ角速度ω_Ｍｔの値に応じ、この値を修正する。目標モータ角速度ω_Ｍｔの値は、モータ２３の駆動方向を示している。すなわち、目標モータ角速度ω_Ｍｔが０よりも小さい場合、張力制御部５３は負荷体３２を付勢部材４２による戻し方向に駆動させることを意味する。そのような戻し動作を行う際に、ワイヤ３６に緩みが生じると（すなわち、ワイヤ３６の張力Ｆが０Ｎ未満になると）、ワイヤ３６の伝達特性が大きく変化する。これにより、負荷体３２が発振し易くなり、負荷体３２の動作が不安定になる。

そこで、出力修正部７８は、モータ２３の目標出力を示す目標モータ角速度ω_Ｍｔが０よりも小さいときには、目標モータ角速度ω_Ｍｔにワイヤ３６の緩み量θｌに基づく張力制御ゲインＲｃを乗じることで目標モータ角速度ω_Ｍｔを修正する。目標モータ角速度ω_Ｍｔは、張力制御ゲインＲｃの乗算により、絶対値が小さくなるように修正される、すなわち緩みを解消させる側に修正される。このように目標モータ角速度ω_Ｍｔが負荷体３２を戻し方向に作動させる値であるときにワイヤ３６の緩みが検出された場合、第２制御装置２５は張力制御ゲインＲｃを、ワイヤ３６の緩み量θｌに基づいて、緩みを解消させる側に修正する。これにより、負荷体３２の動作が安定する。また、第２制御装置２５は、負荷体３２の目標関節角度θ_Ｌｔを実現するようにモータ２３の出力であるモータ角速度ω_Ｍを制御し、負荷体３２にコンプライアンスを与えるパッシブコンプライアンス制御を行う。

一方、第２制御装置２５のワイヤ緩み検出部７７によるワイヤ３６の緩みの検出精度が低い場合、モータ２３の目標モータ角速度ω_Ｍｔが負荷体３２を駆動方向に作動させる値であるときにもワイヤ３６の緩みが検出されることがある。ただし、この場合に負荷体３２が発振する可能性は低い。そこで第２制御装置２５は、目標モータ角速度ω_Ｍｔが０以上であるとき、すなわち、モータ２３の出力が負荷体３２を駆動方向に作動させる値であるときは、ワイヤ３６の緩みが検出されても張力制御ゲインＲｃを修正しない。これにより第２制御装置２５は、負荷体３２の動作を安定させつつ、ワイヤ３６が緩まない下限値であるＣ２を小さな値に設定することによって戻し方向の応答性の低下を抑制することができる。

次に、第２制御装置２５が行う出力修正による効果について、具体例を示して説明する。図１２は、実施形態に係る出力修正を行わない比較例の応答を示すタイムチャートである。図１３は、実施形態に係る出力修正を行った例の応答を示すタイムチャートである。

図１２（Ａ）に示すように、時点ｔ１にて負荷体３２の目標関節角度θ_Ｌｔが正の値から減少すると（戻し方向に作動すると）、（Ｂ）の負荷体３２の目標トルクＴｔがほぼ０になる。（Ｄ）の張力センサ３９によって検出されるワイヤ３６の張力Ｆもほぼ０Ｎになる。しかしながら、第２制御装置２５が出力修正を行わない場合、（Ｄ）のワイヤ３６の張力Ｆが０になった時点ｔ２の後、関節角センサ４４によって検出される実際の負荷体３２の関節角度θ_Ｌは、目標値に追従していない。

一方、図１３（Ａ）に示すように、実際の負荷体３２の関節角度θ_Ｌは図１２に比べて小さくなる。時刻ｔ１２にて（Ｆ）の差分角θｄｉｆ（モータ２３の推定角度θｅｓｔから実角度であるモータ角度θ_Ｍを減じた値）が第１閾値θｔｈ１を超えると、（Ｅ）の張力制御ゲインＲｃが１よりも小さくなる。時点ｔ１３にて（Ｆ）の差分角θｄｉｆが第２閾値θｔｈ２以上になると、張力制御ゲインＲｃは０になる。張力制御ゲインＲｃの減少に伴い、（Ｂ）の目標トルクＴｔが徐々に小さくなり、（Ａ）の実際の負荷体３２の関節角度θ_Ｌは、負荷体３２を発振させることなく、０になる。このように時点ｔ１２から時点ｔ１３の間に、検出されたワイヤ３６の緩み量θｌに応じて、ワイヤ３６が緩む方向への駆動を弱めることで、負荷体３２の関節角度θ_Ｌの目標値に対する追従性向上が実現される。また、ワイヤ３６が緩む方向への挙動を抑える効果を利用して、ワイヤ３６が緩まない下限値であるＣ２の負値を目標トルクＴｔの下限値に設定することで負荷体３２の発振を抑制しながらアクチュエータ３０の応答性を高めることが可能である。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、一例としてロボット１の手部５のアクチュエータ３０に適用して本発明の説明を行ったが、本発明は手部５以外の部分や、ヒューマノイドロボット以外のロボット１にも広く適用することができる。

他の実施形態ではアクチュエータ３０が、図１４に示すように構成されてもよい。このアクチュエータ３０では、動力伝達系３３のワイヤ３６上の適所にアイドラプーリ３７及びテンショナ３８が設けられている。図示例では、ワイヤ３６の屈曲側張力Ｆｂを伝達する部分に、１つアイドラプーリ３７及び１つのテンショナ３８が設けられている。このようにアイドラプーリ３７やテンショナ３８が動力伝達系３３に追加されてもよい。

また、上記実施形態では、第１制御装置１３がロボット１の基体２に配置されているが、第１制御装置１３がロボット１の前腕リンク９に配置されてもよく、各装置の配置はこれに限られない。この他、各部材や部位の具体的構成や配置、数量、角度、手順など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更することができる。一方、上記実施形態に示した各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜選択することができる。

１２ ：手根関節
１３ ：第１制御装置
２３ ：モータ（駆動源）
２５ ：第２制御装置
３０ ：アクチュエータ
３２ ：負荷体
３３ ：動力伝達系
３６ ：ワイヤ
３９ ：張力センサ
４２ ：付勢部材
４３ ：モータ角センサ（駆動源位置センサ）
４４ ：関節角センサ（負荷位置センサ）
Ｆ ：張力
Ｆａ ：実トルク張力
Ｆｂ ：屈曲側張力
Ｋｐ_２ ：比例ゲイン（速度ゲイン）
Ｋｓｐｒ ：ばね剛性
１／Ｋｓｐｒ ：柔軟係数
Ｒｃ ：張力制御ゲイン（制御ゲイン）
Ｔａ ：実トルク
Ｔｃ ：対抗トルク（付勢力に対抗する力）
Ｔｅｒｒ ：トルク偏差
Ｔｔ ：目標トルク
Δθ ：角度差（変位差）
θ_Ｌ ：関節角度（位置）
θ_Ｌｔ ：目標関節角度（目標位置）
θ_Ｍ ：モータ角度（位置）
θｄｉｆ ：差分角
θｌ ：緩み量
θｔｈ１ ：第１閾値
ω_Ｌ ：関節角速度（速度）
ω_Ｌｔ ：目標関節角速度
ω_Ｍ ：モータ角速度（速度、駆動源の出力）
ω_Ｍｔ ：目標モータ角速度（目標速度）
ωａｄｄ ：目標付加角速度（目標付加速度）
ωｆ ：従動モータ角速度（従動駆動源速度）

Claims (8)

1. アクチュエータであって、
   駆動源と、
   前記駆動源によって駆動される負荷体と、
   前記駆動源が発生する動力を駆動方向の張力をもって前記負荷体に伝達するワイヤ及び、前記ワイヤを前記駆動方向と相反する戻し方向の付勢力をもって常時付勢する付勢部材を含む動力伝達系と、
   前記駆動源の位置を取得するための駆動源位置センサと、
   前記負荷体の位置及び速度を取得するための負荷位置センサと、
   前記負荷体の与えられた目標位置を実現するように前記駆動源の出力を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記負荷体の位置と前記駆動源の位置とに基づいて前記ワイヤの緩み及び緩み量を検出し、
   前記駆動源の目標出力が前記負荷体を前記戻し方向に作動させる値であるときに前記ワイヤの前記緩みが検出された場合、前記駆動源の出力制御に用いる制御ゲインを、前記ワイヤの前記緩み量に基づいて、前記緩みを解消させる側に修正するアクチュエータ。
2. 前記制御装置は、前記駆動源の前記目標出力が前記負荷体を前記駆動方向に作動させる値であるときに前記ワイヤの緩みが検出された場合、前記制御ゲインを修正しない請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記ワイヤの前記張力を取得するための張力センサを更に備え、
   前記制御装置は、前記目標位置と前記負荷体の位置とに基づいて前記負荷体に作用させるべき目標力を設定し、前記ワイヤの前記張力と前記目標力との偏差に力制御ゲインを乗じた値に基づいて前記出力を制御する請求項１又は請求項２に記載のアクチュエータ。
4. 前記力制御ゲインは、前記動力伝達系の柔軟係数と速度ゲインとの乗算値である請求項３に記載のアクチュエータ。
5. 前記制御装置が、前記負荷位置センサから取得される前記負荷体の前記速度を換算して得た従動駆動源速度と前記駆動源の目標付加速度とに基づいて前記駆動源の目標速度を設定し、前記目標速度を実現するように前記出力を制御する請求項３又は請求項４に記載のアクチュエータ。
6. 前記制御装置が、前記付勢部材による付勢力に対抗する力を加算して、前記目標力を設定する請求項３～請求項５のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
7. 前記駆動源と前記負荷体との間に少なくとも１つの関節が設けられ、前記ワイヤが前記関節を通過するように設けられ、前記張力センサが前記関節に対して前記駆動源の側に配置される請求項３～請求項６のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
8. 駆動源と、前記駆動源によって駆動される負荷体と、前記駆動源が発生する動力を駆動方向の張力をもって前記負荷体に伝達するワイヤ及び、前記ワイヤを前記駆動方向と相反する戻し方向の付勢力をもって常時付勢する付勢部材を含む動力伝達系とを備えるアクチュエータの制御方法であって、
   前記負荷体の与えられた目標位置を実現するように前記駆動源の出力を制御し、
   前記負荷体の位置と前記駆動源の位置とに基づいて前記ワイヤの緩み及び緩み量を検出し、
   前記駆動源の目標出力が前記負荷体を前記戻し方向に作動させる値であるときに前記ワイヤの前記緩みが検出された場合、前記駆動源の出力制御に用いる制御ゲインを、前記ワイヤの前記緩み量に基づいて、前記緩みを解消させる側に修正するアクチュエータの制御方法。