特開 2024-120666 アクチュエータ及びアクチュエータの制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024120666

(43)【公開日】2024-09-05

(54)【発明の名称】アクチュエータ及びアクチュエータの制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02N 1/00 20060101AFI20240829BHJP

【ＦＩ】

H02N1/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023027629

(22)【出願日】2023-02-24

(71)【出願人】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001379

【氏名又は名称】弁理士法人大島特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】長田 将彦

(72)【発明者】

【氏名】山本 晃生

(57)【要約】

【課題】大型化及び重量化させることなく、安全に外力をいなしながら位置制御から力制御への切り替えを円滑に行うことができるアクチュエータを提供する。
【解決手段】アクチュエータ１は、同期電動機４と、同期電動機４が同期状態であるときに同期電動機４の駆動力Ｆがゼロになる平衡点の付近で生じる復元力が作用するように同期電動機４の出力部１９に接続され、同期電動機４により駆動される操作部（２Ｂ）と、同期電動機４の目標位置θ^＊に関連する制御目標値（ω、φ、δ）に基づいて同期電動機４を制御する制御装置５と、を備える。制御装置５は、同期電動機４の目標力（Ｆ^＊）と同期電動機４が発揮している力（Ｆ）との偏差（ΔＦ）に基づいて、操作部に作用している外力を計測し、外力に基づいて制御目標値に対する制限値（ω_Ｆ）を設定し、制限値によって制限された制御目標値（ω）に基づいて同期電動機４を制御する。
【選択図】図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

同期電動機と、
前記同期電動機が同期状態であるときに前記同期電動機の駆動力がゼロになる平衡点の付近で生じる復元力が作用するように前記同期電動機の出力部に接続され、前記同期電動機により駆動される操作部と、
前記同期電動機の目標位置に関連する制御目標値に基づいて前記同期電動機を制御する制御装置と、を備えるアクチュエータであって、
前記制御装置は、前記同期電動機の目標力と前記同期電動機が発揮している力との偏差に基づいて、前記操作部に作用している外力を計測し、前記外力に基づいて前記制御目標値に対する制限値を設定し、前記制限値によって制限された前記制御目標値に基づいて前記同期電動機を制御するアクチュエータ。

【請求項2】

前記制御装置は、前記目標位置と前記同期電動機の作動位置との差に基づいて、前記制御目標値として前記同期電動機の目標駆動速度を設定し、前記作動位置と前記目標駆動速度の積分値との差に基づく前記駆動力を前記同期電動機に発生させる、請求項１に記載のアクチュエータ。

【請求項3】

前記同期電動機は、前記操作部に連結され、平行に配置された帯状電極を有する固定子フィルムと、前記固定子フィルムに重なるように配置され、平行に配置された帯状電極を有する移動子フィルムとを備え、両帯状電極に電圧が印加されたときに静電気力によって前記移動子フィルムが前記固定子フィルムに対してスライドする静電フィルムモータである、請求項１又は２に記載のアクチュエータ。

【請求項4】

同期電動機と、前記同期電動機が同期状態であるときに前記同期電動機の駆動力がゼロになる平衡点の付近で生じる復元力が作用するように前記同期電動機の出力部に接続され、前記同期電動機により駆動される操作部と、前記同期電動機の目標位置を設定し、前記目標位置に関連する制御目標値に基づいて前記同期電動機を制御する制御装置と、を備えるアクチュエータの制御方法であって、
前記制御装置が、前記同期電動機の目標力と前記同期電動機が発揮している力との偏差に基づいて、前記操作部に作用している外力を計測し、前記外力に基づいて前記制御目標値に対する制限値を設定し、前記制限値によって制限された前記制御目標値に基づいて前記同期電動機を制御する制御方法。

【請求項5】

前記制御装置が、前記目標位置と前記同期電動機の作動位置との差に基づいて、前記制御目標値として前記同期電動機の目標駆動速度を設定し、前記作動位置と前記目標駆動速度の積分値との差に基づく前記駆動力を前記同期電動機に発生させる、請求項４に記載の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、同期電動機によって作動するアクチュエータ及びアクチュエータの制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、弾性を用いて力及び位置を一緒に制御するための技術として直列弾性アクチュエータ（ＳＥＡ：Series Elastic Actuator）が知られている（例えば、特許文献１）。直列弾性アクチュエータは、ロボットの関節などの位置及び力を一緒に制御できるようにすることで、ロボットを外圧に適応的に動作させる。特許文献１に記載の直列弾性アクチュエータは、モータ側の回転部と負荷側の回転部との間の空間に配備される複数対の弾性部材と、モータ側の回転部と負荷側の回転部との間の相対的な変位を測定するためのセンサとを備えている。

【0003】

モータを制御する制御器は、センサにより測定された変位を用いて負荷側に加えられる外力による外部トルクを求め、外部トルクと臨界値トルクとを比較した結果に基づいて、トルク制御及び位置制御のうちのいずれか一方に制御モードを切り替える。具体的には、制御器は、外部トルクが臨界値トルク以下である場合、制御モードを位置制御に切り替え、外部トルクが臨界値トルクよりも大きい場合、制御モードをトルク制御に切り替える。

【0004】

位置制御は、直列弾性アクチュエータの負荷側の回転部に連結された負荷が所定の回転角度に見合う分だけ移動するように駆動モータを制御することであり、制御器がモータ側の出力端の回転角度をフィードバックして基準角度と比較して駆動モータを制御する。一方、トルク制御は、直列弾性アクチュエータの負荷側の回転部に連結された負荷が所定のトルクを出すように駆動モータを制御することであり、制御器が負荷側に伝達されるトルクをフィードバックして基準トルクと比較して駆動モータを制御する。制御器が制御モードをトルク制御に切り替えることにより、負荷側に加わる外力をいなすことができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２０－５１１９１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来の弾性アクチュエータでは、制御器が測定された変位から求めた負荷側のトルクをフィードバックして駆動モータを制御する。駆動モータの制御精度を高めるには高精度のセンサを用いる必要があり、その場合にはセンサのコストが高くなる。アクチュエータが負荷側のトルク又は力を直接検出するセンサを含み、制御器がトルクをフィードバックして駆動モータを制御する構成が考えられるが、この構成であっても、トルクを高精度に検出するためにはセンサのコストが高くなる点では同じである。また、センサが高精度になっても、演算周期には限界があるため、外力を安全にいなすことには限界があった。例えば、ロボットが操作部を駆動して対象物に触る動作を行う場合、対象物に接触する前は、制御装置が位置追従制御を実行し、操作部が対象物に接触したときに、制御装置が位置追従制御から力追従制御に発振することなく円滑に切り替えることが望まれる。

【0007】

更に、従来の弾性アクチュエータは、モータと負荷との間に弾性部材を配備する必要があり、アクチュエータが大型化及び重量化する。

【0008】

本発明は、以上の背景に鑑み、大型化及び重量化させることなく、安全に外力をいなしながら位置制御から力制御への切り替えを円滑に行うことができるアクチュエータ及びその制御方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために本発明のある態様は、同期電動機（４）と、前記同期電動機が同期状態であるときに前記同期電動機の駆動力（Ｆ）がゼロになる平衡点の付近で生じる復元力が作用するように前記同期電動機の出力部（１９）に接続され、前記同期電動機により駆動される操作部（２Ｂ）と、前記同期電動機の目標位置（θ^＊）に関連する制御目標値（ω、φ）に基づいて前記同期電動機を制御する制御装置（５）と、を備えるアクチュエータ（１）であって、前記制御装置は、前記同期電動機の目標力（Ｆ^＊）と前記同期電動機が発揮している力（Ｆ）との偏差（ΔＦ）に基づいて、前記操作部に作用している外力を計測し、前記外力に基づいて前記制御目標値に対する制限値（ω_Ｆ）を設定し、前記制限値によって制限された前記制御目標値（ω）に基づいて前記同期電動機を制御する。

【0010】

この態様によれば、制御装置が制御目標値に対する制限値を設定し、制限値によって制限された制御目標値に基づいて同期電動機を制御することにより、操作部に外力が作用したときに操作部が過大な力を発生しない。これにより、操作部が外力を安全にいなすことができる。操作部に外力が作用したときには、同期電動機が復元力を操作部に作用させる内在ばねとして機能する。これによっても外力を安全にいなすことができる。また、制御装置が制限値によって制御目標値を制限することは、操作部に対する力制御の実行と同義であり、位置制御から力制御への切り替えが円滑に行われる。更に、外力をいなすために物理的な弾性部材を配備する必要がないため、アクチュエータを大型化及び重量化させる必要がない。

【0011】

上記の態様において、前記制御装置（５）は、前記目標位置（θ^＊）と前記同期電動機（４）の作動位置（θ）との差（Δθ）に基づいて、前記制御目標値として前記同期電動機の目標駆動速度（ω_Ｐ）を設定し、前記作動位置と前記目標駆動速度の積分値（φ）との差（δ）に基づく前記駆動力を前記同期電動機に発生させてもよい。

【0012】

この態様によれば、同期電動機の作動位置が目標位置に追従するように操作部が駆動される。そのため、操作部に外力が作用していないときに、操作部を所望の位置に操作することができる。操作部に外力が作用したときには同期電動機の駆動力が復元力となって外力をいなす。

【0013】

上記の態様において、前記同期電動機（４）は、平行に配置された帯状電極（１５）を有する固定子フィルム（１１Ａ）と、前記操作部（２Ｂ）に連結され、前記固定子フィルムに重なるように配置され、平行に配置された帯状電極（１５）を有する移動子フィルム（１１Ｂ）とを備え、両帯状電極に電圧が印加されたときに静電気力によって前記移動子フィルムが前記固定子フィルムに対してスライドする静電フィルムモータ（１０）であってもよい。

【0014】

この態様によれば、静電フィルムモータは移動子フィルムのスライドによって操作部を駆動し、外力が操作部に作用したときには、外力に基づいて制限された制御目標値に応じた駆動力をもって操作部を駆動する。

【0015】

また、上記課題を解決するために本発明のある態様は、同期電動機（４）と、前記同期電動機が同期状態であるときに前記同期電動機の駆動力（Ｆ）がゼロになる平衡点の付近で生じる復元力が作用するように前記同期電動機の出力部（１９）に接続され、前記同期電動機により駆動される操作部（２Ｂ）と、前記同期電動機の目標位置（θ^＊）に関連する制御目標値（ω、φ）に基づいて前記同期電動機を制御する制御装置（５）と、を備えるアクチュエータ（１）の制御方法であって、前記制御装置が、前記同期電動機の目標力（Ｆ^＊）と前記同期電動機が発揮している力（Ｆ）との偏差（ΔＦ）に基づいて、前記操作部に作用している外力を計測し、前記外力に基づいて前記制御目標値に対する制限値（ω_Ｆ）を設定し、前記制限値によって制限された前記制御目標値（ω）に基づいて前記同期電動機を制御する。

【0016】

この態様によれば、制御装置が制御目標値に対する制限値を設定し、制限値によって制限された制御目標値に基づいて同期電動機を制御することにより、操作部に外力が作用したときに操作部が過大な力を発生しない。これにより、操作部が外力を安全にいなすことができる。操作部に外力が作用したときには、同期電動機が復元力を操作部に作用させる内在ばねとして機能する。これによっても外力を安全にいなすことができる。また、外力をいなすために物理的な弾性部材を配備する必要がないため、アクチュエータを大型化及び重量化させる必要がない。

【0017】

上記の態様において、前記制御装置（５）が、前記目標位置（θ^＊）と前記同期電動機（４）の作動位置（θ）との差（Δθ）に基づいて、前記制御目標値として前記同期電動機の目標駆動速度（ω_Ｐ）を設定し、前記作動位置と前記目標駆動速度の積分値（φ）との差（δ）に基づく前記駆動力を前記同期電動機に発生させてもよい。

【0018】

この態様によれば、同期電動機の作動位置が目標位置に追従するように操作部が駆動される。そのため、操作部に外力が作用していないときに、操作部を所望の位置に操作することができる。操作部に外力が作用したときには同期電動機の駆動力がばね力となって外力がいなされる。

【発明の効果】

【0019】

以上の態様によれば、大型化及び重量化させることなく、安全に外力をいなすことができるアクチュエータ及びその制御方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】実施形態に係るアクチュエータの概略構成図

【図2】同期電動機の（Ａ）伸長状態、（Ｂ）収縮状態を示す斜視図

【図3】静電フィルムモータの動作原理の説明図

【図4】同期電動機のばね特性を示すグラフ

【図5】アクチュエータの位置制御部を示すブロック図

【図6】アクチュエータの力制御部を示すブロック図

【図7】アクチュエータの全体構成を示す機能ブロック図

【図8】アクチュエータの動作中に操作部が障害物に衝突したときの制御状態を示すタイムチャート

【図9】他の形態に係る静電フィルムモータの斜視図

【発明を実施するための形態】

【0021】

図１は実施形態に係るアクチュエータ１の概略構成図である。図１に示すように、アクチュエータ１は、複数のリンク２（２Ａ～２Ｄ）と、複数のリンク２を互いに接続する複数の関節３（３Ａ～３Ｃ）とを備えている。ここで、図中の左端の第１リンク２Ａは移動しないアクチュエータ１の基部をなす。第１リンク２Ａには第２リンク２Ｂが第１関節３Ａを介して回動可能に接続されている。第２リンク２Ｂの第１関節３Ａと相反する側には第２関節３Ｂを介して２つの第３リンク２Ｃが接続されている。第３リンク２Ｃは上下に対称になるように動作してよい。第３リンク２Ｃの第２関節３Ｂと相反する側の端部のそれぞれには、第３関節３Ｃを介して第４リンク２Ｄが接続されている。第４リンク２Ｄも上下に対称になるように動作してよい。

【0022】

以下では、第２リンク２Ｂから先の部分が操作部をなすアームであるものとして、第２リンク２Ｂを動作させるための構造及び制御について説明する。

【0023】

第１リンク２Ａには第２リンク２Ｂを駆動するための駆動源として同期電動機４と同期電動機４を制御する制御装置５とが設けられている。制御装置５は、同期電動機４に供給する電力Ａを制御することによって同期電動機４の動作を制御する。図示例では、制御装置５が第１リンク２Ａに搭載されているが、制御装置５はアクチュエータ１の他の部位又はアクチュエータ１の基体（リンク２及び関節３）の外部に設けられてもよい。

【0024】

図２は同期電動機４の（Ａ）伸長状態、（Ｂ）収縮状態を示す斜視図である。図２に示すように、同期電動機４は、直線駆動型の静電フィルムモータ１０により構成されている。他の例では、同期電動機４は回転駆動式の電磁モータにより構成されてもよい。

【0025】

静電フィルムモータ１０は、複数の電極フィルム１１を有している。電極フィルム１１は、例えばＦＰＣ（Flexible Printed Circuits；フレキシブル基盤）であってよい。電極フィルム１１は、絶縁液１２と共にモータパック１３に封入されていてもよく、モータパック１３に封入されていなくてもよい。絶縁液１２は、例えば、３Ｍ社製のフロリナート（Fluorinert）（登録商標）ＦＣ－７７であってよく、他のものであってもよい。

【0026】

静電フィルムモータ１０は、図中左側に５枚の電極フィルム１１、右側に５枚の電極フィルム１１を備えている。左側の電極フィルム１１及び右側の電極フィルム１１は、互いに重なるように交互に配置されている。図２（Ａ）の伸長状態では、左右の電極フィルム１１の重なる部分の面積は狭く、図２（Ｂ）の収縮状態では、左右の電極フィルム１１の重なる部分の面積は広い。各電極フィルム１１の大きさは、例えば２０×８０ｍｍであってよい。図に示すように、電極フィルム１１の長手方向は静電フィルムモータ１０の伸縮方向に一致する。

【0027】

左右の電極フィルム１１の重なりは、図２（Ａ）の伸長状態において電極フィルム１１の長手方向に例えば３０ｍｍであってよく、図２（Ｂ）の収縮状態において長手方向に例えば５０ｍｍであってよい。静電フィルムモータ１０の外形は、伸長状態において例えば１３０×３０×１０ｍｍ、収縮状態において例えば１１０×３０×１０ｍｍであってよい。左右一方の５枚の電極フィルム１１は、モータケースに固定され、固定子をなす。左右他方の５枚の電極フィルム１１は、モータケースに移動可能に設けられ、移動子（スライダ）をなす。

【0028】

これらの電極フィルム１１に、三相の交流電圧（例えば１６００Ｖの駆動電圧）が所定の周波数をもって印加されると、電極フィルム１１に静電引力が生じる。静電引力によって電極フィルム１１が相対移動することにより、静電フィルムモータ１０は図２（Ａ）の伸長状態と図２（Ｂ）の収縮状態との間で変化する。その結果、静電フィルムモータ１０の長手方向の長さが１１０ｍｍ～１３０ｍｍの間で変化する。このように本実施形態では、静電フィルムモータ１０は、収縮状態と伸長状態との間で２０ｍｍ伸縮する。

【0029】

図３は静電フィルムモータ１０の動作原理の説明図である。図３に示すように、静電フィルムモータ１０は、静電フィルムモータ１０の固定子をなす電極フィルム１１（以下、固定子フィルム１１Ａという）及び、移動子をなす電極フィルム１１（以下、移動子フィルム１１Ｂという）を有する。固定子フィルム１１Ａ及び移動子フィルム１１Ｂは共に、３相に結線された互いに平行な帯状電極１５を有し、表面を絶縁膜１６により覆われている。固定子フィルム１１Ａの帯状電極１５の配置間隔及び移動子フィルム１１Ｂの帯状電極１５の配置間隔は互いに同一である。

【0030】

本実施形態では、固定子フィルム１１Ａ及び移動子フィルム１１Ｂに、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相の電力線１７が接続順を逆向きにして１つの交流電源１８から接続されている。両電極フィルム１１に１つの３相正弦波が逆向きに印加されることにより、固定子フィルム１１Ａ及び移動子フィルム１１Ｂには、逆向きに進行する正弦波状の電位分布が発生する。これらの２つの電位分布の間に働く静電気力によって静電フィルムモータ１０は駆動される（１周波数法）。静電フィルムモータ１０は同期モータであり、同期速度ｕ_ｓは、印加する３相正弦波の周波数をｆとし、両帯状電極１５のピッチをｐとして、下式（１）により表される。
ｕ_ｓ＝６ｐｆ ・・・（１）

【0031】

他の実施形態では、それぞれ周波数を設定可能な２つの交流電源１８が用いられてもよい。固定子フィルム１１Ａの帯状電極１５は交流電源１８の一方に接続され、移動子フィルム１１Ｂの帯状電極１５は交流電源１８の他方に接続される。この場合、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる各３相の電力線１７が同じ接続順で対応する電極フィルム１１に接続される。周波数が異なる２つの３相正弦波が固定子フィルム１１Ａ及び移動子フィルム１１Ｂに印加されることにより、フィルムモータが駆動される（２周波数法）。

【0032】

図１に戻り、静電フィルムモータ１０は移動子（移動子フィルム１１Ｂ）に接続された出力部１９を有している。出力部１９は移動子によって図中の左右方向にスライド駆動される。静電フィルムモータ１０は第１リンク２Ａに設けられ、静電フィルムモータ１０の出力部１９は変速機構を介することなく第２リンク２Ｂに接続されている。静電フィルムモータ１０の出力部１９は、例えば可撓性を有するケーブル又はベルトとそれをガイドするガイドスリーブとを備えたケーブルやプッシュプル可能なバーなどによって構成されてよい。静電フィルムモータ１０の出力部１９は、変形可能に構成されており、第１関節３Ａの回転軸からオフセットした位置を通過し、先端１９ａにおいて第２リンク２Ｂに固定されている。バー等が押し引きされることにより、第２リンク２Ｂが第１関節３Ａの回転軸回りに回転駆動される。

【0033】

他の例では、静電フィルムモータ１０の出力部１９は、ループ状に配置されたワイヤやチェーンによって構成されてもよい。この場合、静電フィルムモータ１０の出力部１９は、例えば第１関節３Ａと同軸に第２リンク２Ｂに固定された駆動プーリや駆動スプロケットに巻き掛けられるとよい。

【0034】

或いは、同期電動機４が回転駆動式の電磁モータにより構成されている場合、電磁モータは第１関節３Ａと同軸に設けられてよい。或いは、電磁モータは第１関節３Ａから離間した位置に配置されてもよい。電磁モータが第１関節３Ａと同軸に設けられる場合、電磁モータのケースは第１リンク２Ａに固定され、電磁モータの出力軸は変速機構を介することなく第２リンク２Ｂの回動軸上に配置されて第２リンク２Ｂに直接接続されるとよい。電磁モータが第１関節３Ａから離間した位置に配置される場合、電磁モータの出力軸と第２リンク２Ｂとは、変速機能を有しない動力伝達機構を介して接続されるとよい。

【0035】

このようにアクチュエータ１は、静電フィルムモータ１０を用いて第２リンク２Ｂを駆動する静電フィルムアクチュエータとして構成されている。そして、静電フィルムモータ１０の出力部１９が第２リンク２Ｂに直接又は変速機構を介さずに接続されることにより、静電フィルムモータ１０の出力は第２リンク２Ｂに直接作用し、第２リンク２Ｂに作用する外力は静電フィルムモータ１０に直接作用する。

【0036】

制御装置５は、計画した軌道からアーム（第２リンク２Ｂから先の部分）のダイナミクスを計算してアームの駆動に必要な力Ｆ_ｔａｓｋを求め、そこにマージンＦ_Ｍを足してアームの駆動に必要な駆動力Ｆを算出する。駆動力Ｆに基づいて、制御装置５は静電フィルムモータ１０に印加する電圧振幅を算出する。

【0037】

図４は同期電動機４のばね特性を示すグラフである。図４に示すように、グラフの横軸は位相差δ（＝φ－θ）を示し、グラフの縦軸は同期電動機４の駆動力Ｆを示している。同期電動機４の駆動力Ｆは、電力Ａ、同期電動機４の作動位置θ及び移動子の正弦波位相φ（制御目標値）を用いて、下式（２）により表される。
Ｆ＝κ（Ａ）ｓｉｎ（φ－θ） ・・・（２）
ただし、κ（Ａ）：最大推力［Ｎ］である。

【0038】

最大推力κ（Ａ）は、電力Ａを変数とする力の次元の推力係数である。電力Ａが調整されることにより、最大推力κ（Ａ）が変化する。例えば、同期電動機４が静電モータである場合（アクチュエータ１が静電フィルムアクチュエータである場合）、電力Ａは同期電動機４に印加される最大駆動電圧Ｖ（電圧振幅）である。一方、同期電動機４が電磁モータである場合、電力Ａは同期電動機４に流れる最大駆動電流である。最大推力κ（Ａ）は、下式（３）に示されるように最大駆動電圧Ｖの２乗に比例する。
κ（Ａ）＝ｋｃ・Ｖ^２
ただし、ｋｃ：係数である。

【0039】

上式（２）からわかるように、同期電動機４の駆動力Ｆは、位相差δに応じた正弦波として表される。図４に示されるように、アクチュエータ１に外力（負荷）がないときには、位相差δがπにある状態で同期電動機４が同期状態になる。すなわち、平衡点が正弦波上の位相差δ＝π且つ駆動力Ｆ＝０の位置にある。アクチュエータ１の操作部である第２リンク２Ｂが外力（負荷）を受けると、平衡点はπから正弦波上を移動し、位相差δが外力に応じた値となる位置へ変位する。同期電動機４は、平衡点を変位させた位置に維持しながら、同期状態、すなわち同期駆動した状態になる。例えば、同期電動機４の駆動時において位相差δがπ／２である状態は、同期電動機４が同期駆動しながら最大限の外力を受けている状態である。

【0040】

つまり、平衡点が位相差δ：πの位置からずれ、位相差δにπからの差が生じると、位相差δをπに戻す力、すなわちπからの差を発生させた移動子を位相差δ：πの位置に復帰させる力（以下、復元力という）として駆動力Ｆが生じる。このように同期電動機４は、ばねのように作用する機能（以下、内在ばねという）を有している。位相差δ：πの位置における、駆動力Ｆを示す正弦波の接線の傾きは、同期電動機４の内在ばねのばね係数に相当する。

【0041】

一方、外力が駆動力Ｆの最大値を超えると、位相差δがπ／２よりも小さく、或いは３／２・πよりも大きくなり、内在ばねのばね力で移動子を位相差δ：πの位置に復帰させることが困難になる。つまり、同期電動機４は同期駆動を維持できなくなり、脱調する。なお、脱調は、同期電動機４に対する駆動電力の位相を示す正弦波位相φと移動子の移動状態を示す作動位置θとの同期が失われた状態である。

【0042】

駆動力Ｆの最大値を規定する最大推力κ（Ａ）は、電力Ａによって設定され、脱調を起こさせることによって同期電動機４の駆動力Ｆを制限する。すなわち、最大推力κ（Ａ）は、操作部である第２リンク２Ｂの最大トルクを制限するトルクリミット値であり、所定のマージンＦ_Ｍを超える外力を第２リンク２Ｂが受けたときに同期電動機４が脱調を起こし得るように制御装置５により設定される。

【0043】

図５はアクチュエータ１の位置制御部２０を示すブロック図である。図５に示すように、アクチュエータ１の位置制御部２０は、外部から、又は予め設定された動作を第２リンク２Ｂに実行させるべく制御装置５に設けられたプログラム機能部から、目標位置θ^＊を与えられる。目標位置θ^＊は作動位置θの目標位置軌道に基づいて算出される。位置制御部２０は目標位置θ^＊に基づいて同期電動機４（図５中のモータ部２７）を制御する。

【0044】

制御装置５は、演算処理装置（ＣＰＵ、ＭＰＵ等のプロセッサ）、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリ）を備え、リンク動作制御に必要な各種処理を実行するように構成されたコンピュータからなる。すなわち、制御装置５は、演算処理装置（プロセッサ）が、記憶装置（メモリ）から必要なデータ及びソフトウェアを読み取り、ソフトウェアに従って所定の演算処理を実行するようにプログラムされている。制御装置５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。

【0045】

位置制御部２０は、機能部として、第１減算器２１、位置制御器２２、第１積分器２３Ａ、第２減算器２４、第１制御対象ブロック２５Ａ及び第１プラントブロック２６Ａを有する。第２減算器２４、第１制御対象ブロック２５Ａ及び第１プラントブロック２６Ａは、同期電動機４のモデルに相当するモータ部２７を構成する。モータ部２７は、同期電動機４の作動位置θを出力する。

【0046】

第１減算器２１は、目標位置θ^＊から作動位置θを減じ、位置差Δθ（＝θ^＊－θ）を算出する。位置制御器２２は、位置差Δθに基づいて同期電動機４の角周波数ω_Ｐ（制御目標値である目標駆動速度）を設定する。例えば、位置制御器２２は、位置差Δθに比例ゲインＫ_Ｐｐを乗じることによって角周波数ω_Ｐを算出する。或いは、位置制御器２２は、位置差Δθに比例ゲインＫ_Ｐｐを乗じた上で作動位置θの微分項を与え、下式（３）により角周波数ω_Ｐを算出してもよい。
ω_Ｐ＝Ｋ_Ｐｐ（θ^＊－θ）－Ｋ_Ｐｄ・ｄθ／ｄｔ ・・・（３）
ただし、Ｋ_Ｐｄ：微分ゲインである。

【0047】

第１積分器２３Ａでは、角周波数ω_Ｐが積分されて移動子の正弦波位相φ（制御目標値である目標位相）として出力される。第２減算器２４では、第１積分器２３Ａから出力された正弦波位相φから、モータ部２７の作動位置θが減じられて位相差δが出力される。

【0048】

第１制御対象ブロック２５Ａでは、位相差δ及び電力Ａ（本実施形態では電圧振幅）を入力として、上式（２）で示される駆動力Ｆが出力される。

【0049】

第１プラントブロック２６Ａはモータ部２７の出力ブロックをなしている。第１プラントブロック２６Ａでは、駆動力Ｆが出力されると、同期電動機４の作動位置θが出力される。このようにしてアクチュエータ１の位置制御部２０では、同期電動機４の位置制御が行われる。

【0050】

図６はアクチュエータ１の力制御部３０を示すブロック図である。図６に示すように、アクチュエータ１の力制御部３０は、外部から、又は予め設定された動作を第２リンク２Ｂに実行させるべく制御装置５に設けられたプログラム機能部から、目標駆動力Ｆ^＊を与えられる。目標駆動力Ｆ^＊は駆動力Ｆの目標力軌道に基づいて算出される。力制御部３０は目標駆動力Ｆ^＊に基づいて同期電動機４を制御する。なお、同期電動機４が回転駆動式である場合、力制御部３０はトルク制御部として構成され、駆動力Ｆは駆動トルクＴとして扱われる。

【0051】

力制御部３０は、機能部として、第３減算器３１、力制御器３２、第２積分器２３Ｂ、第２減算器２４、第２制御対象ブロック２５Ｂ及び第２プラントブロック２６Ｂを有する。第２減算器２４、第２制御対象ブロック２５Ｂ及び第２プラントブロック２６Ｂは、同期電動機４のモデルに相当するモータ部２７を構成する。モータ部２７は、同期電動機４の駆動力Ｆを出力する。

【0052】

第３減算器３１は、目標駆動力Ｆ^＊から駆動力Ｆを減じ、駆動力差ΔＦ（＝Ｆ^＊－Ｆ）を算出する。操作部である第２リンク２Ｂの負荷が大きい場合、駆動力差ΔＦは小さな値になり、第２リンク２Ｂの負荷が小さい場合、駆動力差ΔＦは大きな値になる。つまり、第３減算器３１は、駆動力差ΔＦを算出することで、操作部に作用している外力を計測する。

【0053】

力制御器３２は、駆動力差ΔＦに基づいて同期電動機４の角周波数ω_Ｆ（目標駆動速度）を設定する。例えば、力制御器３２は、駆動力差ΔＦに比例ゲインＫ_Ｆｐを乗じることによって角周波数ω_Ｆを算出する。或いは、力制御器３２は、駆動力差ΔＦに比例ゲインＫ_Ｆｐを乗じた上で駆動力Ｆの微分項を与え、下式（４）により角周波数ω_Ｆを算出してもよい。
ω_Ｆ＝Ｋ_Ｆｐ（Ｆ^＊－Ｆ）－Ｋ_Ｆｄ・ｄＦ／ｄｔ ・・・（４）
ただし、Ｋ_Ｆｄ：微分ゲインである。

【0054】

第２積分器２３Ｂでは、角周波数ω_Ｆが積分されて移動子の正弦波位相φとして出力される。第２減算器２４では、第２積分器２３Ｂから出力された正弦波位相φから、モータ部２７の第２プラントブロック２６Ｂから出力される作動位置θが減じられて位相差δが出力される。

【0055】

第２制御対象ブロック２５Ｂはモータ部２７の出力ブロックをなしている。第２制御対象ブロック２５Ｂでは、位相差δ及び電力Ａを入力として、上式（２）で示される駆動力Ｆが出力される。

【0056】

第２プラントブロック２６Ｂでは、駆動力Ｆが出力されると、同期電動機４の作動位置θが出力される。このようにしてアクチュエータ１の力制御部３０では、同期電動機４の力制御が行われる。

【0057】

図７はアクチュエータ１の全体構成を示す機能ブロック図である。アクチュエータ１は、図５に示す位置制御部２０及び図６に示す力制御部３０を一体に備えたものと同様の機能を有する。図７のアクチュエータ１では、制御目標値である角周波数ωが力制御の角周波数ω_Ｆで制限される。上記の説明において重複する機能を有する要素は１つの要素として示されている。なお、図５及び図６では、第１制御対象ブロック２５Ａ及び第２制御対象ブロック２５Ｂに入力される電力Ａが示されているが、図７では制御対象ブロック２５に入力される電力Ａは省略されている。

【0058】

図７に示すように、アクチュエータ１の制御装置５は、目標位置θ^＊及び目標駆動力Ｆ^＊を与えられ、位置制御及び力制御を並行して行いつつ一方の制御目標値を選択し、１つの作動位置θを出力する。

【0059】

アクチュエータ１は、第１減算器２１、位置制御器２２、角周波数制限部３８、積分器２３、第２減算器２４、制御対象ブロック２５、プラントブロック２６、第３減算器３１及び力制御器３２を有する。第１減算器２１、位置制御器２２、第３減算器３１及び力制御器３２は、図５及び図６を参照して説明したものと同一である。位置制御器２２は同期電動機４の角周波数ω_Ｐを設定し、力制御器３２は同期電動機４の角周波数ω_Ｆを設定する。

【0060】

角周波数制限部３８は、位置制御器２２により設定された角周波数ω_Ｐ及び力制御器３２により設定された角周波数ω_Ｆに基づいて、制限された角周波数ωを算出する。角周波数ω_Ｆがゼロよりも大きい場合の具体例を以下に説明する。角周波数制限部３８は、力制御器３２により設定された角周波数ω_Ｆが位置制御器２２により設定された角周波数ω_Ｐ以上である場合、位置制御器２２により設定された角周波数ω_Ｐをそのまま、制限された角周波数ωとして出力する。一方、力制御器３２により設定された角周波数ω_Ｆが位置制御器２２により設定された角周波数ω_Ｐよりも小さい場合、角周波数制限部３８は、力制御器３２により設定された角周波数ω_Ｆを制限された角周波数ωとして出力する。

【0061】

つまり、位置制御で算出される角周波数ω_Ｐが力制御器３２で算出される角周波数ω_Ｆよりも小さい場合、より小さい位置制御の角周波数ω_Ｐがモータ制御のための角周波数ωに採用される。一方、外力や慣性力の影響によって同期電動機４が発揮する駆動力Ｆが大きくなって駆動力差ΔＦ（＝Ｆ^＊－Ｆ）が小さくなると、モータ制御のための角周波数ωが力制御の角周波数ω_Ｆによって制限される。言い換えれば、位置制御の角周波数ω_Ｐと力制御の角周波数ω_Ｆとのうち、小さい方の値がモータ制御のための角周波数ωに採用される。

【0062】

角周波数制限部３８が出力した角周波数ωは積分器２３によって積分され、正弦波位相φとして出力される。上記同様に第２減算器２４では、第１積分器２３Ａから出力された正弦波位相φから、モータ部２７の作動位置θが減じられて位相差δが出力される。

【0063】

制御対象ブロック２５では、位相差δ及び電力Ａに基づいて上式（２）で示される駆動力Ｆが出力される。プラントブロック２６は、モータ部２７の出力ブロックをなしている。プラントブロック２６では、駆動力Ｆが出力されると、同期電動機４の作動位置θが出力される。このようにしてアクチュエータ１の制御装置５では、位置制御及び力制御が並行して行われ、角周波数ω_Ｐ、ω_Ｆの低値選択によって位置制御及び力制御が切り替えられながら同期電動機４が制御される。

【0064】

このように制御装置５は、目標位置θ^＊と作動位置θとの位置差Δθに基づいて、制御目標値として角周波数ω_Ｐを設定し、作動位置θと角周波数ω_Ｐの積分値である正弦波位相φとの位相差δに基づく駆動力Ｆを同期電動機４に発生させる。これにより、同期電動機４の作動位置θが目標位置θ^＊に追従するように第２リンク２Ｂが駆動される。そのため、第２リンク２Ｂに外力が作用していないときに、第２リンク２Ｂが所望の位置に操作される。第２リンク２Ｂに外力が作用したときには同期電動機４の駆動力Ｆが復元力となって外力をいなす。

【0065】

また制御装置５は、同期電動機４の目標駆動速度である角周波数ωを設定し、同期電動機４の作動位置θと角周波数ωの積分値である正弦波位相φとの差である位相差δに基づく駆動力Ｆを同期電動機４に発生させる。そのため、制御装置５は、同期電動機４が脱調を起こすまでは位置制御によって同期電動機４の作動位置θを制御できる。一方、高速動作中に制限値である最大推力κ（Ａ）を超える過負荷が第２リンク２Ｂに作用した場合には、位置制御から力制御に切り替わるまでの間、制御装置５が同期電動機４に脱調を起こさせることによって過負荷をいなすことができる。

【0066】

積分器２３の前側に配置された角周波数制限部３８が角周波数ω_Ｐ、ω_Ｆの低値選択を行う代わりに、他の実施形態では、低値選択を行う制限部が積分器２３の後ろ側に配置されてもよい。この場合、制限部は、位置制御で算出される正弦波位相φ（角周波数ω_Ｐの積分値）と力制御で算出される正弦波位相φ（角周波数ω_Ｆの積分値）との低値選択によって位置制御及び力制御を切り替えてよい。

【0067】

図８はアクチュエータ１の動作中に操作部が高速で障害物に衝突したときの制御状態を示すタイムチャートである。図８に示すように、図８（Ａ）は同期電動機４の作動位置θを示し、図８（Ｂ）は角周波数制限部３８から出力される角周波数ωを示し、図８（Ｃ）は同期電動機４の駆動力Ｆを示している。なお、図８（Ａ）の作動位置θは、操作部である第２リンク２Ｂの位置（回動位置）に対応しており、図８（Ａ）では所定の作動位置θ_１に天井又は壁があることがハッチングにより模式的に示されている。

【0068】

図８（Ａ）に示されるように、時点ｔ１において、制御装置５は第２リンク２Ｂが天井又は壁に向かうように同期電動機４の目標位置θ^＊を設定している。制御装置５は、図８（Ｃ）に示されるように所定の目標駆動力Ｆ^＊を与えられている。このとき、第２リンク２Ｂの負荷は小さく、駆動力差ΔＦ（＝Ｆ^＊－Ｆ、図６参照）が大きい一方、図８（Ａ）に示されるように位置差Δθ（＝θ^＊－θ）が小さい。そのため、図８（Ｂ）に示されるように、駆動力差ΔＦに基づく角周波数ω_Ｆは位置差Δθ基づく角周波数ω_Ｐよりも大きい。従って、制御装置５は位置制御の角周波数ω_Ｐをモータ制御のための角周波数ωに採用してモータを制御する位置制御を実行する。第２リンク２Ｂの負荷が小さいため、図８（Ａ）に示されるように、実線で示される同期電動機４の作動位置θは破線で示される目標位置θ^＊に追従するように変化する。

【0069】

図８（Ａ）に示されるように、時点ｔ２において第２リンク２Ｂが天井又は壁に衝突すると、同期電動機４の作動位置θは所定の作動位置θ_１で一定になり、位置差Δθ（＝θ^＊－θ）が徐々に大きくなる。これにより、図８（Ｂ）に示されるように、位置差Δθに基づく角周波数ω_Ｐは徐々に大きくなる。一方、図８（Ｃ）に示されるように、衝突によって第２リンク２Ｂの負荷は急激に大きくなる。そのため、図８（Ｂ）に示されるように、駆動力差ΔＦに基づく角周波数ω_Ｆは急激に小さくなる。また、衝突によって第２リンク２Ｂの負荷が大きくなることにより、位相差δが大きくなり、同期電動機４が内在ばねとして機能して位相差δを小さくする向きのばね力を発生する。

【0070】

時点ｔ２から時点ｔ３にかけて、同期電動機４に供給される駆動電圧の位相と移動子の移動との同期が失われた状態である脱調が発生する。すなわち、制御装置５は、同期電動機４が脱調を起こし得るように、同期電動機４の駆動力Ｆに対する制限値である最大推力κ（Ａ）を設定している。これにより、アクチュエータ１の第２リンク２Ｂが過度な外力を受けたときに、外力が第２リンク２Ｂによって安全にいなされる。

【0071】

なお、操作部が高速で駆動されているとき以外には、図８（Ａ）の位置差Δθ（＝θ^＊－θ）が大きくなる前に図８（Ｃ）の駆動力Ｆが大きくなり、図８（Ｂ）の駆動力差ΔＦに基づく角周波数ω_Ｆが急激に大きくなる。そのため、脱調が発生することなく、制御装置５の制御が位置制御から力制御に切り替えられる。

【0072】

駆動力差ΔＦに基づく角周波数ω_Ｆは、時点ｔ３において位置差Δθに基づく角周波数ω_Ｐに一致し、その後位置差Δθに基づく角周波数ω_Ｐよりも小さくなる。これにより、モータ制御のための角周波数ωが力制御の角周波数ω_Ｆによって制限される。すなわち、時点ｔ３までは制御装置５は位置制御によって同期電動機４を制御し、時点ｔ３において制御を位置制御から力制御に切り替え、その後は力制御によって同期電動機４を制御する。

【0073】

つまり、制御装置５は、同期電動機４の目標駆動力Ｆ^＊と同期電動機４が発揮している駆動力Ｆとの偏差である駆動力差ΔＦに基づいて、第２リンク２Ｂに作用している外力を計測する。そして制御装置５は、外力の増大に伴って減少する角周波数ω_Ｆに基づいて角周波数ωに対する制限値である角周波数ω_Ｆを設定し、角周波数ω_Ｆによって制限された角周波数ωに基づいて同期電動機４を制御する。そのため、第２リンク２Ｂに外力が作用したときに第２リンク２Ｂが過大な力を発生しない。これにより、第２リンク２Ｂは外力を安全にいなすことができる。第２リンク２Ｂに外力が作用したときには、同期電動機４が復元力を第２リンク２Ｂに作用させる内在ばねとして機能する。これによっても外力が安全にいなされる。また、制御装置５が制限値である角周波数ω_Ｆによって制御目標値である角周波数ωを制限することは、上記のように第２リンク２Ｂに対する力制御の実行と同義である。つまり、位置制御から力制御への切り替えが円滑に行われる。更に外力をいなすために物理的な弾性部材を配備する必要がないため、アクチュエータ１が大型化及び重量化せずに済む。

【0074】

時点ｔ３以降、同期電動機４の駆動力Ｆが目標駆動力Ｆ^＊に近付くことから、駆動力差ΔＦに基づく角周波数ω_Ｆ及び角周波数ωは小さくなる。これにより、第２リンク２Ｂが過大な力を発生することが抑制される。

【0075】

図８（Ｃ）に示されるように、時点ｔ４において、同期電動機４の駆動力Ｆは目標駆動力Ｆ^＊に一致する。すると、図８（Ｂ）に示されるように、駆動力差ΔＦに基づく角周波数ω_Ｆ及びこれによって制限される角周波数ωはゼロになる。第２リンク２Ｂは、天井又は壁に対して目標駆動力Ｆ^＊をもって当接し、静止した状態になる。

【0076】

その後、図８（Ａ）に示されるように、与えられる目標位置θ^＊が小さくなってゆくと、時点ｔ５において目標位置θ^＊は所定の作動位置θ_１に一致し、その後所定の作動位置θ_１よりも小さくなる。目標位置θ^＊が所定の作動位置θ_１に一致すると、位置差Δθがゼロになることから、図８（Ｂ）に示されるように、位置差Δθに基づく角周波数ω_Ｐがゼロになる。駆動力差ΔＦに基づく角周波数ω_Ｆは、位置差Δθに基づく角周波数ω_Ｐよりも大きくなり、制限値として用いられない。そのため、制御装置５は、同期電動機４の制御を、位置制御から力制御に切り替え、時点ｔ５以降、位置差Δθ基づく位置制御の角周波数ω_Ｐをモータ制御のための角周波数ωに採用する。

【0077】

図８（Ａ）に示されるように、時点ｔ６において第２リンク２Ｂが天井又は壁から離れると、位置差Δθ（＝θ^＊－θ）が小さくなることから、図８（Ｂ）に示されるように、位置差Δθに基づく角周波数ω_Ｐは若干大きくなり、一定になる。図８（Ｃ）に示されるように、同期電動機４の駆動力Ｆは時点ｔ５から時点ｔ６にかけて小さくなり、時点ｔ６においてゼロになる。駆動力Ｆが小さくなると、図８（Ｂ）に示されるように、駆動力差ΔＦに基づく角周波数ω_Ｆは大きくなる。

【0078】

図３に示すように、本実施形態の同期電動機４は、帯状電極１５に電圧が印加されたときに静電気力によって移動子フィルム１１Ｂが固定子フィルム１１Ａに対してスライドする静電フィルムモータ１０により構成されている。そのため、静電フィルムモータ１０は、移動子フィルム１１Ｂのスライドによって第２リンク２Ｂ（図１）を駆動し、脱調を起こすことによって第２リンク２Ｂの過負荷をいなす。また、静電フィルムモータ１０は、外力が第２リンク２Ｂに作用したときには、外力に基づいて制限された制御目標値に応じた駆動力Ｆをもって第２リンク２Ｂを駆動する。

【0079】

以上で具体的な実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態や変形例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。上記実施形態では、第２リンク２Ｂがアクチュエータ１の操作部をなしているが、他のリンク２が操作部をなしてもよい。また、同期電動機４は第１リンク２Ａに設けられる必要はなく、アクチュエータ１の他のリンク２又は関節３或いはそれらの外部に設けられてもよい。

【0080】

上記実施形態の同期電動機４には、図２に示す伸縮型の静電フィルムモータ１０が用いられているが、静電フィルムモータ１０は伸縮型に限られるものではない。例えば、静電フィルムモータ１０は、移動子と固定子との重なり面積が一定の構造を有していてもよい。具体的には、図９に示すように、静電フィルムモータ１０の固定子フィルム１１Ａは、図中に矢印で示す移動子フィルム１１Ｂの移動方向について、移動子フィルム１１Ｂの寸法と移動子フィルム１１Ｂの変位量との和よりも大きな長さを有していてもよい。静電フィルムモータ１０がこのような構成を有することにより、移動子フィルム１１Ｂがどの位置にあっても一定の駆動力Ｆが出力される。

【0081】

また、上記実施形態に示す各構成要素は全てが必須ではなく、適宜選択することができる。

【符号の説明】

【0082】

１ ：アクチュエータ
２ ：リンク
２Ｂ ：第２リンク（操作部）
３ ：関節
３Ａ ：第１関節
４ ：同期電動機
５ ：制御装置
１０ ：静電フィルムモータ（同期電動機の一例）
１１ ：電極フィルム
１１Ａ ：固定子フィルム
１１Ｂ ：移動子フィルム
１５ ：帯状電極
１９ ：出力部
２０ ：位置制御部
３０ ：力制御部
３８ ：角周波数制限部
Ａ ：駆動力制限値
Ｆ ：駆動力
Ｆ^＊ ：目標駆動力
ΔＦ ：駆動力差
Δθ ：位置差
δ ：位相差
θ ：作動位置
θ^＊ ：目標位置
φ ：正弦波位相
ω ：角周波数
ω_Ｆ ：角周波数
ω_Ｐ ：角周波数

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】