特許 7073620 アクチュエータの駆動制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-05-16

(45)【発行日】2022-05-24

(54)【発明の名称】アクチュエータの駆動制御装置

(51)【国際特許分類】

   G05D 3/12 20060101AFI20220517BHJP

   H02P 25/034 20160101ALI20220517BHJP

   B25J 19/00 20060101ALN20220517BHJP

【ＦＩ】

G05D3/12 305L

H02P25/034

B25J19/00 A

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2016213849

(22)【出願日】2016-10-31

(65)【公開番号】P2018073215

(43)【公開日】2018-05-10

【審査請求日】2019-08-23

(73)【特許権者】

【識別番号】000004075

【氏名又は名称】ヤマハ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100111763

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 隆

(72)【発明者】

【氏名】野呂 正夫

【審査官】堀内 亮吾

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－０９５９８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１０／０８２４５２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０５Ｄ ３／１２

Ｈ０２Ｐ ２５／０３４

Ｂ２５Ｊ １９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

可動部に対して圧力を発生するアクチュエータを駆動する駆動部を含み、前記可動部の位置を示す位置検出信号と前記可動部の位置を指示する位置制御信号との位置誤差を示す位置誤差信号に応じて前記駆動部に与える圧力指示信号を制御することにより、前記可動部の位置を前記位置制御信号が示す位置に一致させるバネとして機能するよう、前記アクチュエータが発生する圧力を制御する位置制御手段と、
前記位置誤差信号に応じて前記圧力指示信号を制御する際の、前記圧力指示信号のゲインを圧力制御信号に応じて制御することにより、前記バネとして機能する前記アクチュエータのバネ定数を変化させる圧力制御手段と、
制動力制御信号に応じて前記駆動部の出力インピーダンスを制御することにより、前記アクチュエータにおいて発生する制動力を制御する制動力制御手段と、
を具備することを特徴とする駆動制御装置。

【請求項2】

前記制動力制御手段は、前記アクチュエータの駆動電流の帰還制御を行うことにより前記圧力指示信号に応じた駆動電流を前記駆動部に出力させる制御および前記駆動部の出力インピーダンスの制御を行う制動力制御ループを含み、
前記圧力制御手段は、前記位置誤差信号に前記圧力制御信号に基づく信号処理を施すことにより前記圧力指示信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の駆動制御装置。

【請求項3】

前記制動力制御手段は、前記制動力制御信号に応じて、前記制動力制御ループのゲインおよび帰還量の極性を制御することを特徴とする請求項２に記載の駆動制御装置。

【請求項4】

前記圧力制御手段は、前記圧力指示信号を前記圧力制御信号により定まる限界以内に制限することを特徴とする請求項２または３に記載の駆動制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、ロボット制御技術に係り、特にロボットにより可動部を駆動するアクチュエータの駆動制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

現在の産業ロボットなどに使われるロボットアームの位置や速度を制御する精度はすでに人間の能力を超えていると思われる。また、ロボットの可動部分の慣性を小さくすることを可能にする技術（例えば特許文献１参照）や、ロボットの手先の柔軟性を制御する技術（例えば特許文献２参照）も提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１６－６１３０２号公報

【0004】

【文献】特開２０１４－４６５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、ロボットに人間らしい動作をさせることは難しく、楽器演奏もあたかも人間が弾いているような演奏をさせることは極めて難しい。

【0006】

一般的なロボットアームやロボットの動力として使われているアクチュエータ(人工筋肉）は、駆動信号に対しては滑らかに精度良く動作するものの、外力に対しては基本的に剛体である。

【0007】

アクチュエータの種類によっては、柔らかいものもあるが（例えば特許文献２参照）、ロボットとして精度良く動かすためには位置制御（位置フィードバック）を行う必要がある。しかし、この位置制御を行うと、アクチュエータは剛体化に向かい、正常な動作中はほぼ同じ固さを維持する。このため、アクチュエータの振舞いは、人間の筋肉の振る舞いと大きく異なったものになる。

【0008】

例として「太鼓を叩く」という動作の場合、実際に人間が太鼓を叩いている映像からバチの先端の軌跡を分析し、その動作をロボットアームで再現することは可能である。そして、ロボットにおいて、このバチの先端の位置制御を行うことは、かなりの精度で実現可能であり、おそらく人間以上の精度での位置制御が可能であると考えられる。

【0009】

しかし、そのようなバチの先端の位置制御を行うだけでは、人間が太鼓を叩いたような音には響かない。何故ならば、バチの軌跡は、すべてが人間の意思で動いているのではなく多くの部分が太鼓側のリアクションによって作られているためである。バチの軌跡の最初の部分は、人間の意思で太鼓の皮に向かって力を込めてバチに運動エネルギーを与えることにより形成される。このとき筋肉は硬直した固いばねのような状態となる。このままの状態でバチが皮に当たるまでバチを振り続けると、音は出るものの、バチを皮に押し付けた状態になるので、皮の自由振動が妨げられる。このため、バチによる打撃音がミュートされ、太鼓特有の音の余韻が得られない。ロボットアームによる打撃もこれに近い状態になると考えられる。

【0010】

実際の演奏では、バチに力を与えて加速した後、皮に当たる直前に筋肉の力を抜く(脱力する）ことで、バチに運動エネルギーを与え、バチの先端を皮にぶつける。そうすることでバチの質量と皮のバネ性との間で連成共振を起こさせ、バチの運動エネルギーを効率よく皮の振動エネルギーに変えて音を発生させる。その後、演奏者は、バチが皮の反発力で跳ね返されたタイミングに合わせて筋肉に力を入れてバチを受け止める。この一連の動作の中で、人間の筋肉の力がバチの動きに関与しているのは最初の加速時と最後の静止時となる。音が出るタイミングの前後は、基本的に筋肉が完全に脱力しているため、バチの動きはバチと太鼓の皮で決定されており、良い音を出すには筋肉がこの動きを妨げないようにすることが重要である。

【0011】

しかしながら、アクチュエータの駆動制御において、このような脱力の制御を可能にする手段は提供されていない。

【0012】

この発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、アクチュエータの駆動制御において脱力の制御を可能にする技術的手段を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0013】

この発明は、アクチュエータにより駆動される可動部の位置を示す位置検出信号と前記可動部の位置を指示する位置制御信号との位置誤差を示す位置誤差信号に応じて前記アクチュエータの駆動制御を行う位置制御手段と、圧力制御信号に応じて前記アクチュエータが発生する圧力の制御への前記位置誤差信号の関与を制御する圧力制御手段とを具備することを特徴とするアクチュエータの駆動制御装置を提供する。

【0014】

この発明によれば、圧力制御信号に応じて位置誤差信号のアクチュエータの圧力の制御への関与を制御することができる。従って、圧力制御信号により、位置誤差信号のアクチュエータの圧力の制御への関与を弱めることで、位置誤差信号に基づくアクチュエータの圧力の制御の働きを弱め、脱力状態を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】この発明の第１実施形態である駆動制御装置の適用対象であるアクチュエータとこれが取り付けられたロボットアームを示す図である。

【図2】同アクチュエータの構成を示す組み立て図である。

【図3】同アクチュエータの構成を示す側面図である。

【図4】同アクチュエータの構成を示す平面図である。

【図5】同アクチュエータにおいてコイルが巻き回されていない状態のコイル保持体を示す側面図である。

【図6】同コイル保持体の平面図である。

【図7】人間による楽器演奏のモデルの構成を示すブロック図である。

【図8】この発明の第１実施形態であるアクチュエータシステムの構成を示すブロック図である。

【図9】同実施形態におけるアクチュエータの駆動制御装置の構成例を示す回路図である。

【図10】同駆動制御装置における位置制御ループの構成例を示す回路図である。

【図11】同駆動制御装置における位置制御ループの他の構成例を示す回路図である。

【図12】同駆動制御装置における制動力制御ループの構成例を示す回路図である。

【図13】定電流駆動回路の構成例を示す回路図である。

【図14】定電流駆動回路における駆動回路の出力インピーダンスを説明する回路図である。

【図15】定電流駆動回路を利用した可変出力インピーダンス回路の構成例を示す回路図である。

【図16】同駆動制御装置における電圧リミタの構成例を示す回路図である。

【図17】同駆動制御装置におけるループゲイン制御部および電圧リミタからなる回路の伝達特性を示す図である。

【図18】同実施形態の第１の動作例を示すタイムチャートである。

【図19】同実施形態の第２の動作例を示すタイムチャートである。

【図20】この発明の第２実施形態によるアクチュエータの駆動制御装置の構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。

【0017】

＜第１実施形態＞
＜＜本実施形態の適用対象＞＞
図１はこの発明の第１実施形態による駆動制御装置（図１では図示略）の適用対象であるアクチュエータ２００Ａとこれが取り付けられたロボットアーム３００を示す図である。このロボットアーム３００は、ドラム演奏に用いられる。図１に示すように、ロボットアーム３００は、上腕部３０１と、下腕部３０２とを有する。ここで、下腕部３０２の先端にはドラムスティック３０４が固定されている。上腕部３０１の先端には、関節３０３が設けられている。この関節３０３は、下腕部３０２のドラムスティック３０４と反対側の端部の近傍部分を貫通する軸（図示略）を備えている。下腕部３０２は、この関節３０３を支点として回動可能である。

【0018】

アクチュエータ２００Ａは、上腕部３０１の下面に固定されている。下腕部３０２のドラムスティック３０４と反対側の端部は、連結棒２９９を介して、このアクチュエータ２００Ａのコイル保持体（図１では図示略）に連結されている。本実施形態では、このアクチュエータ２００Ａの駆動制御を行うことにより、ロボットアーム３００にドラム演奏を行わせる。

【0019】

＜＜アクチュエータの構成＞＞
図２は本実施形態において使用するアクチュエータ２００Ａの組み立て図、図３は同アクチュエータ２００Ａを図１の紙面垂直方向から見た側面図、図４は同アクチュエータ２００Ａを図１の左斜め下方から見た平面図である。なお、以下では、説明の便宜のため、「軸方向」という言葉を用いるが、この「軸方向」は図３および図４における左右方向を意味する。

【0020】

図２～図４に示すように、アクチュエータ２００Ａは、筐体部２１０と、コイル保持体２２０Ａとを有する。筐体部２１０は、上下の壁をなす外側ヨーク２１１および２１２と、前後の壁をなす外側ヨーク２１３ａ、２１３ｂ、２１４ａ、２１４ｂとにより囲まれ、側方が吹き抜け状態の略直方体の筐体である。ここで、外側ヨーク２１１、２１２、２１３ａ、２１３ｂ、２１４ａ、２１４ｂは、各々矩形平板状の磁性体により構成されている。なお、図２では、図面が煩雑になるのを防ぐため、外側ヨーク２１４ａ、２１４ｂの図示が省略されている。

【0021】

外側ヨーク２１１および２１２は、互いに平行であり、所定間隔を空けて対向した平面部を各々有している。この外側ヨーク２１１および２１２の平面部間の空間の中央に矩形平板状の磁性体からなる内側ヨーク２１５が位置している。この内側ヨーク２１５は、外側ヨーク２１３ａ、２１３ｂの外側から外側ヨーク２１３ａおよび２１３ｂ間の隙間を貫通し、外側ヨーク２１４ａおよび２１４ｂ間の隙間に至っており、この内側ヨーク２１５は、その表裏２面の各平面部を外側ヨーク２１１および２１２の各平面部に対向させている。外側ヨーク２１３ａ、２１３ｂから突出した内側ヨーク２１５の端部は、図示しないボルト等の固定手段により図１の上腕部３０１に固定される。

【0022】

コイル保持体２２０Ａは、軸方向に貫通する中空領域を内包した直方体形状の本体２２１と、この本体２２１の軸方向一端の幅方向両端の２箇所から軸方向に突き出した２本の棒部２２２ａ’および２２２ｂ’と、この棒部２２２ａ’および２２２ｂ’の端部間に挟まれた橋絡部２２３とを有する。橋絡部２２３は、図１の連結棒２９９の端部に連結される。また、本体２２１の軸方向両端付近の各領域にはコイル２２５’および２２６’が巻回されている。内側ヨーク２１５は、この本体２２１内の中空領域を貫通している。本体２２１は、この内側ヨーク２１５に沿って軸方向に移動可能である。

【0023】

図５はコイルが巻回されていない状態のコイル保持体２２０Ａを示す側面図、図６は同コイル保持体２２０Ａの平面図である。図示のようにコイル保持体２２０Ａの本体２２１の軸方向両端には、本体２２１の中心軸廻りに１周する凹部２２７および２２８が形成されている。この凹部２２７および２２８に図２～図４のコイル２２５’および２２６’が巻回される。

【0024】

コイル２２５’および２２６’において、外側ヨーク２１１に面した側には、外側ヨーク２１１に平行なコイル配線の束からなる平面部がある。また、コイル２２５’および２２６’において、外側ヨーク２１２に面した側にも、外側ヨーク２１２に平行なコイル配線の束からなる平面部がある。

【0025】

図２～図４に示すように、アクチュエータ２００Ａは、４個の平板状の永久磁石２３１～２３４を有する。ここで、永久磁石２３１および２３３は、軸方向に間隔を空け、磁極面を内側ヨーク２１５に対向させて外側ヨーク２１１に固定されている。また、永久磁石２３２および２３４は、軸方向に間隔を空け、磁極面を内側ヨーク２１５に対向させて外側ヨーク２１２に固定されている。

【0026】

図３および図４に示すように、永久磁石２３１および２３３の中心間の間隔、永久磁石２３２および２３４の中心間の間隔は、コイル２２５’および２２６’の中心間の間隔と等しい。また、永久磁石２３１～２３４の軸方向の長さＬ１および磁極表面積は互いに等しく、コイル２２５’および２２６’の軸方向の長さＬ２および巻回数も互いに等しい。そして、本実施形態では、永久磁石２３１～２３４の軸方向の長さＬ１は、コイル２２５’および２２６’の軸方向の長さＬ２よりも長い。

【0027】

また、永久磁石２３１～２３４の各磁極の関係は次のようになっている。図３において、永久磁石２３１は上がＳ極、下がＮ極、永久磁石２３２は、上がＮ極、下がＳ極である。また、永久磁石２３３は上がＮ極、下がＳ極、永久磁石２３４は、上がＳ極、下がＮ極である。このように本実施形態では、軸方向の位置が同じである永久磁石に着目した場合、内側ヨーク２１５の外側ヨーク２１１側と外側ヨーク２１２側とで永久磁石の磁極の向きが逆向きになっており、内側ヨーク２１５の一方の側（例えば外側ヨーク２１１側）に着目した場合、軸方向に隣り合う永久磁石の磁極の向きが逆向きになっている。このため、アクチュエータ２００Ａでは、次の６つの異なった磁路Ｍ１～Ｍ６を各々通過する磁束流が発生する。
第１の磁路Ｍ１：永久磁石２３１→内側ヨーク２１５→外側ヨーク２１３ａ→外側ヨーク２１１→永久磁石２３１という磁路
第２の磁路Ｍ２：永久磁石２３２→内側ヨーク２１５→外側ヨーク２１３ｂ→外側ヨーク２１２→永久磁石２３２という磁路
第３の磁路Ｍ３：永久磁石２３１→内側ヨーク２１５→永久磁石２３３→外側ヨーク２１１→永久磁石２３１という磁路
第４の磁路Ｍ４：永久磁石２３２→内側ヨーク２１５→永久磁石２３４→外側ヨーク２１１→永久磁石２３２という磁路
第５の磁路Ｍ５：永久磁石２３３→外側ヨーク２１１→外側ヨーク２１４ａ→内側ヨーク２１５→永久磁石２３３という磁路
第６の磁路Ｍ６：永久磁石２３４→外側ヨーク２１２→外側ヨーク２１４ｂ→内側ヨーク２１５→永久磁石２３４という磁路
以上がアクチュエータ２００Ａの構成である。

【0028】

このアクチュエータ２００Ａでは、互いに逆向きの電流をコイル２２５’および２２６’に流すことにより、コイル保持体２２０Ａに軸方向の力を発生させ、コイル保持体２２０Ａを内側ヨーク２１５に沿って並進運動させることが可能である。コイル２２５’および２２６’に電流を流さない状態では、コイル２２５’および２２６’に駆動力は発生せず、脱力状態となる。

【0029】

そして、このアクチュエータ２００Ａによれば、平板状の永久磁石２３１～２３４により、平板状の外側ヨーク２１１および２１２の各々と、平板状の内側ヨーク２１５との各間に平等磁界を発生させ、この磁界中に直方体形状のコイル２２５’および２２６’を配置したので、軽量で高い駆動力の得られるアクチュエータ２００Ａを実現することができる。

【0030】

仮に既存のスピーカ用のアクチュエータのようにコイル２２５’および２２６’を円筒形にしたとすると、それに合わせて、外側ヨーク、内側ヨークおよび永久磁石からなる磁気回路を円筒形状にする必要があり、そのためには重量の大きな磁性材料が必要になる。

【0031】

しかしながら、このアクチュエータ２００Ａでは、上述のように直方体形状のコイル２２５’および２２６’を採用したため、磁気回路を構成する永久磁石２３１～２３４、外側ヨーク２１１および２１２、内側ヨーク２１５を全て平板状とすることができ、少ない磁性材料により軽量のアクチュエータ２００Ａを実現することができる。

【0032】

また、コイル２２５’および２２６’は、図２～図４に示すように外側ヨーク２１１および２１２と対向する上下の平面部を有する扁平な直方体形状をなしている。このため、磁路Ｍ１～Ｍ６を通過する磁束と直交し、駆動力の発生に寄与する平面部のコイル巻線の総巻線長が、平面部に垂直な側面部のコイル巻線の総巻線長よりも長く、高い駆動力を発生することができる。

【0033】

また、このアクチュエータ２００Ａでは、永久磁石２３１～２３４の軸方向の長さＬ１が、コイル２２５’および２２６’の軸方向の長さＬ２よりも長い。従って、コイル２２５’（２２６’）を軸方向に移動させた場合において、コイル２２５’（２２６’）と永久磁石２３１、２３２（２３３、２３４）との重複領域の面積が同一となる範囲において、コイル保持体２２０Ａのコイルに流す電流とコイル保持体２２０Ａに働く力との関係をリニアに保つことができる。

【0034】

また、図３に示すように、アクチュエータ２００Ａの筐体部２１０を軸方向に３分割した各区間のうち図中左側の区間に磁路Ｍ１およびＭ２を、真中の区間に磁路Ｍ３およびＭ４を、右側の区間に磁路Ｍ５およびＭ６を生じさせるため、磁路Ｍ１～Ｍ６の各磁路長を短くすることができる。従って、各磁路Ｍ１～Ｍ６の磁気抵抗を下げるために各磁路Ｍ１～Ｍ６の断面積を大きくする必要がない。従って、この意味においても、磁性材料を少なくしてアクチュエータ２００Ａを軽量化することができる。

【0035】

また、このアクチュエータ２００Ａでは、軸方向に並んだ２個のコイル２２５’および２２６’によりコイル保持体２２０Ａに対する駆動力を発生するので、高い駆動力を得ることができる。

【0036】

以上のように、軽量であり、かつ、高い駆動力が得られ、脱力の制御が可能なアクチュエータ２００Ａを実現することができる。従って、このアクチュエータ２００Ａにより楽器演奏が可能なロボットを実現することができる。
以上が本実施形態におけるアクチュエータ２００Ａの構成である。

【0037】

＜＜人間による楽器演奏のモデル＞＞
図７は人間による楽器演奏のモデルを示すブロック図である。図７に示すように、人間による楽器演奏では、意識的な動作のフィードバック制御ＦＢ１の他に、無意識的な動作のフィードバック制御ＦＢ２と、性質・個性を決定するフィードバック制御ＦＢ３が働く。

【0038】

無意識的な動作のフィードバック制御ＦＢ２には、例えばドラム演奏において、スティックを強振した後、力を抜いて、ドラム側からのリアクションに身体を委ねる圧力制御（脱力制御）がある。また、性質・個性を決定するフィードバック制御ＦＢ３には、例えばドラム演奏において、筋肉の粘性により生じるスティックの制動がある。

【0039】

従来のアクチュエータシステムでは、フィードバック制御ＦＢ１のみが実現されており、フィードバック制御ＦＢ２およびＦＢ３が実現されていない。本実施形態では、アクチュエータシステムにおいて、フィードバック制御ＦＢ１に加え、フィードバック制御ＦＢ２およびＦＢ３を実現する。

【0040】

＜＜本実施形態におけるアクチュエータシステムの概略＞＞
図８は、本実施形態におけるアクチュエータシステムの概略構成を示すブロック図である。

【0041】

アクチュエータシステムは、アクチュエータ２００Ａと、本実施形態による駆動制御装置１００とにより構成されている。図８に示すように、駆動制御装置１００は、位置検出部１と、比較部２と、ループゲイン制御部３と、電圧リミタ４と、加算部５と、可変極性ゲイン増幅部６と、電流検出部７と、駆動部８とを有する。

【0042】

図８において、アクチュエータ２００Ａ、位置検出部１、比較部２、駆動部８を含むループは、アクチュエータ２００Ａの駆動対象である可動部の位置（本実施形態ではドラムスティック３０４の先端位置）を位置制御信号が示す位置に一致させる位置制御ループＦＢａを構成している。

【0043】

この位置制御ループＦＢａにおいて、位置検出部１は、アクチュエータ２００Ａによって駆動される可動部の位置を検出し、検出結果を示す位置検出信号を生成する手段である。比較部２は、位置制御信号が示す位置と位置検出信号が示す位置の誤差を示す位置誤差信号を生成する手段である。この位置誤差信号は、ループゲイン制御部３および電圧リミタ４を介すことにより圧力指示信号となり、加算部５を介して駆動部８に供給される。駆動部８は、このようにして供給される圧力指示信号に応じてアクチュエータ２００Ａのコイルを駆動し、アクチュエータ２００Ａにより可動部を駆動する。このようにして可動部の位置を位置制御信号が示す位置に一致させる位置制御が行われる。

【0044】

以下、このアクチュエータシステムにおいて、上述した図７の無意識的な動作のフィードバック制御ＦＢ２と、性質・個性を決定するフィードバック制御ＦＢ３を如何にして実現するかについて説明する。

【0045】

上述した無意識的な動作のフィードバック制御ＦＢ２を実現するためには、アクチュエータシステムにおいて「脱力」の制御を実現する必要がある。しかしながら、アクチュエータ２００Ａに働く制動がこの「脱力」の制御を実現する邪魔になる。その理由は次の通りである。

【0046】

一般に動電型アクチュエータを駆動するリニアアンプもしくはＰＷＭアンプは基本的に定電圧駆動を行うようになっている。このようなアンプにアクチュエータを接続すると、アンプからアクチュエータのコイルに電流が流れることにより、コイルにトルクが働いてコイルが移動し、これによりコイルに逆起電力が発生する。そして、逆起電力がコイルの駆動電圧を上回るとコイルに回生電流が流れ、コイルに電磁制動が掛かるのである。定電圧駆動においては、このような電磁制動が発生し易く、これが「脱力」を実現する上での障害となる。アクチュエータシステムにおいて、「脱力」を実現するためには、電磁制動力を全く発生させないでアクチュエータ２００Ａを駆動する必要がある。そのためには、アクチュエータ２００Ａを高インピーダンスで駆動（定電流駆動）する必要がある。

【0047】

一方、筋肉自体の粘性抵抗は、制動要素として働く。上述した図７の性質・個性を決定するフィードバック制御ＦＢ３を実現するためには、アクチュエータシステムにおいて、この制動要素を適切に働かせるためのアクチュエータ２００Ａの定電流駆動を行う必要がある。また、この制動要素は、常時機能している必要があり、他のコントロール要素の影響を受けるべきではない。そこで、制動要素を最も内側で高速な制御ループにより実現すべきである。

【0048】

そこで、図８に示すアクチュエータシステムでは、アクチュエータ２００Ａ、電流検出部７、可変極性ゲイン増幅部６、加算部５および駆動部８からなる制動力制御ループＦＢｂが設けられている。

【0049】

ここで、電流検出部７は、アクチュエータ２００Ａのコイルに流れる電流を検出し、電流検出信号として出力する。この電流検出信号は、可変極性ゲイン増幅部６を介して加算部５に供給される。加算部５では、電圧リミタ４が出力する圧力指示信号と可変極性ゲイン増幅部６を介して供給される電流検出信号との差分に相当する信号を出力する。駆動部８は、この加算部５の出力信号に応じてアクチュエータ２００Ａのコイルを駆動する。このようなフィードバック制御により駆動部８によるアクチュエータ２００Ａのコイルの定電流駆動が行われる。

【0050】

実際の筋肉の制動力は、想定する筋肉の個性や実際に物を動かした時に必要とされる動作安定性などに応じて変化させる必要がある。このような制動力の制御が制動力制御ループＦＢｂによる定電流駆動の制御により実現される。

【0051】

また、本実施形態では、電磁制動力を高くするために、負性インピーダンス駆動を採用している。具体的には、本実施形態では、可変極性ゲイン増幅部６が位置検出信号を増幅して出力する際のゲインと極性を制動力制御信号に応じて切り替える。これにより、制動力制御ループＦＢｂを電流負帰還回路または電流正帰還回路として動作させることが可能である。そして、制動力制御ループＦＢｂを電流正帰還回路として動作させた場合には、駆動部８の出力インピーダンスを負性インピーダンスとし、高い電磁制動力を得ることができる。

【0052】

次に、アクチュエータシステムにおいて、上述した図７の無意識的な動作のフィードバック制御ＦＢ２を如何にして実現するかについて説明する。

【0053】

フィードバック制御ＦＢ２を実現するためには、筋肉の「脱力」と「硬直」の制御（「力み」の制御）を模擬する手段が必要である。ここで、筋肉をバネにより模擬した場合、筋肉の「脱力」と「硬直」は、バネ定数の変化と見なすことができる。

【0054】

バネは初期位置からの変位と力が比例するものであるから、アクチュエータ２００Ａにより駆動される可動部の位置と位置制御信号が示す位置との誤差を位置誤差信号として検出し、この位置誤差信号が示す変位（距離）に比例した圧力指示信号を加算部５にフィードバックすることでアクチュエータ２００Ａをバネとして機能させることができる。そして、アクチュエータ２００Ａの駆動制御に対する位置誤差信号の関与の度合い、具体的にはアクチュエータ２００Ａの駆動制御へのフィードバック量を変化させればアクチュエータ２００Ａのバネ定数を変化させることができる。そこで、本実施形態では、位置誤差信号のフィードバック量を圧力制御信号に応じて変化させるループゲイン制御部３が設けられている。

【0055】

さて、一般的なバネは変位が大きくなれば力（圧力）も比例して大きくなる。しかし、人間の筋肉は、変位が大きい場合は、一定の力で押すような動作になるため、力（圧力）を一定にする機能を併用する必要がある。

【0056】

ここで、アクチュエータ２００Ａの発生する力（駆動力）は、アクチュエータ２００Ａのコイルに流れる電流を一定値にすることにより一定にすることができる。そこで、駆動部８に可変電流リミタ機能を設けることが考えられる。しかし、駆動部８に可変電流リミタ機能を設けると、アクチュエータ２００Ａの制動力の制御能力に支障を来す。

【0057】

一方、制動力制御ループＦＢｂに対する入力電圧（加算部５に対する入力電圧）は、アクチュエータ２００Ａに発生させる圧力を指示する圧力指示信号であり、ループゲイン制御部３を介して与えられる。そこで、図８に示すアクチュエータシステムでは、制動力の制御を活かしながら圧力一定を実現するために、アクチュエータ２００Ａの駆動制御に対する位置誤差信号の関与の限度を制御する手段、具体的には「力み」「圧力」を制御するループゲイン制御部３の出力電圧を制限する電圧リミタ４が設けられている。
以上が本実施形態によるアクチュエータの駆動制御装置１００の概略である。

【0058】

＜＜アクチュエータの駆動制御装置の具体的構成例＞＞
図９は本実施形態によるアクチュエータの駆動制御装置１００の具体的構成例を示す回路図である。なお、図９では、アクチュエータシステムにおける駆動制御装置１００の役割を分かりやすくするため、駆動制御装置１００に加えてアクチュエータ２００Ａの構成が図示されている。

【0059】

図９に示す例では、光学式の位置検出部１が用いられている。アクチュエータ２００Ａにより駆動される可動部１１には、光源１２が固定されている。ここで、可動部１１は、図２のコイル保持体２２０Ａと、図１の連結棒２９９と、上腕部３０２と、ドラムスティック３０４とからなる。光源１２は、この可動部１１において直進運動をする部位、すなわち、コイル保持体２２０Ａに固定されている。この光源１２は、コイル保持体２２０Ａの直進運動に伴って、受光素子１３Ａおよび１３Ｂ間の経路に沿って移動するようになっている。具体的には、光源１２は、図３～図６に示すコイル保持体２２０Ａの本体２２１の軸方向中央付近に固定された２個のＬＥＤにより構成されている。これらの２個のＬＥＤのうちの一方は軸方向左側に向けて発光し、他方は軸方向右側に向けて発光する。光源１２として、２個のＬＥＤを使用するのは、軸方向両側に出射される光量を均等にするためである。受光素子１３Ａおよび１３Ｂは、図３および図４に示す筐体部２１０の軸方向両端近傍に各々固定されている。これらの受光素子１３Ａおよび１３Ｂは、受光量に応じて抵抗値が変化する素子であり、電源＋Ｂ１の電圧を分圧する分圧回路１３を構成している。

【0060】

位置検出部１は、受光素子１３Ａおよび１３Ｂ間の経路上における光源１２の位置を検出することにより、この光源１２と連動するドラムスティック３０４の先端の位置を検出するものである。光源１２が受光素子１３Ｂから離れて受光素子１３Ａに近づくと、受光素子１３Ａの抵抗値が減少するとともに受光素子１３Ｂの抵抗値が増加し、分圧回路１３の出力電圧が上昇する。一方、光源１２が受光素子１３Ａから離れて受光素子１３Ｂに近づくと、受光素子１３Ｂの抵抗値が減少するとともに受光素子１３Ａの抵抗値が増加し、分圧回路１３の出力電圧が低下する。

【0061】

このようにしてドラムスティック３０４の先端の位置に応じて増減する出力電圧が分圧回路１３から得られる。可変ゲイン増幅器１４は、分圧回路１３の出力電圧を指定されたゲインで増幅し、ドラムスティック３０４の先端の位置を示す位置検出信号として出力する。

【0062】

図１０には、可変ゲイン増幅器１４の具体的構成例が示されている。この例において、可変ゲイン増幅器１４は、オペアンプ１４１からなるボルテージフォロワと、非反転入力端子が接地されたオペアンプ１４２と、オペアンプ１４１の出力端子に一端が接続された抵抗１４３と、オペアンプ１４２の出力端子と抵抗１４３の他端との間に直列接続された７個の抵抗１４４と、外部から与えられる位置検出ゲイン制御信号に従って７個の抵抗１４４の両端のいずれか一端を選択してオペアンプ１４２の反転入力端子に接続するスイッチ回路１４５とにより構成されている。位置検出信号は、この可変ゲイン増幅器１４のオペアンプ１４２から比較部２に出力される。なお、７個の抵抗１４４は、互いに抵抗値が等しくてもよく、異なっていてもよい。

【0063】

この構成によれば、位置検出ゲイン制御信号に応じて、オペアンプ１４１の出力端子とオペアンプ１４２の反転入力端子との間の総抵抗値と、オペアンプ１４２の反転入力端子と出力端子との間の総抵抗値との比が切り替えられ、可変ゲイン増幅器１４のゲインが切り替えられる。

【0064】

光学式の位置検出部１に代えて、図１１に例示する機械式の位置検出部１’を採用してもよい。この位置検出部１’では、位置検出部１における光源１２、受光素子１３Ａおよび１３Ｂが分圧回路として機能する摺動抵抗器１５に置き換えられている。ここで、摺動抵抗器１５の摺動子１５ｓは、アクチュエータ２００Ａにより駆動される可動部１１と連動して摺動抵抗器１５を摺動する。そして、この摺動子１５ｓから得られる分圧回路の出力電圧が可変ゲイン増幅器１４に入力される。可変ゲイン増幅器１４の構成は図１０のものと同様である。

【0065】

図９において、比較部２は、抵抗２１および２２と、ゲイン＋１を有するバッファ２３とにより構成されており、位置制御信号が示す位置と位置検出信号が示す位置との誤差を示す位置誤差信号を生成する。

【0066】

ループゲイン制御部３は、図９に示す例では、非反転入力端子が接地されたオペアンプ３１と、このオペアンプ３１の反転入力端子および出力端子間に挿入されたゲイン切替部３２とにより構成されている。この可変ゲイン増幅部３は、比較部２が出力する位置誤差信号を圧力制御信号に応じたゲインで増幅して出力する。

【0067】

電圧リミタ４は、可変ゲイン増幅部３の出力信号を圧力制御信号に応じて定まる限界電圧以内に制限し、圧力指示信号として出力する。

【0068】

加算部５は、抵抗５１および５２とゲインが＋１であるバッファ５３により構成されている。この加算部５は、電圧リミタ４の出力信号と可変極性ゲイン増幅部６の出力信号を加算して出力する。

【0069】

駆動部８は、ＰＷＭ部８１と、ゲートドライバ８２と、出力段部８３とにより構成されている。

【0070】

ＰＷＭ部８１は、加算部５の出力信号によりパルス幅変調されたＰＷＭパルス列を出力する。

【0071】

出力段部８３は、ＮチャネルのＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor；金属酸化膜半導体構造の電界効果トランジスタであり、以下、単にトランジスタという）８３Ｈａ、８３Ｈｂ、８３Ｌａ、８３Ｌｂにより構成されている。ここで、トランジスタ８３Ｈａおよび８３Ｈｂは各々のドレインが電源＋Ｂ０に接続され、各々のソースがトランジスタ８３Ｌａおよび８３Ｌｂの各ドレインに各々接続されている。また、トランジスタ８３Ｌａおよび８３Ｌｂのソースは接地されている。そして、トランジスタ８３Ｈａのソースおよびトランジスタ８３Ｌａのドレインの接続ノードと、トランジスタ８３Ｈｂのソースおよびトランジスタ８３Ｌｂのドレインの接続ノードとの間には、アクチュエータ２００Ａのコイル２２５’、２２６’と電流検出抵抗７１が直列接続されている。

【0072】

ゲートドライバ８２は、例えばＰＷＭ部８１の出力信号がＬレベルである場合にトランジスタ８３Ｈａおよび８３Ｌｂの組がＯＮ、トランジスタ８３Ｈｂおよび８３Ｌａの組がＯＦＦとなるゲート－ソース間電圧を各トランジスタに供給し、ＰＷＭ部８１の出力信号がＨレベルである場合にトランジスタ８３Ｈａおよび８３Ｌｂの組がＯＦＦ、トランジスタ８３Ｈｂおよび８３Ｌａの組がＯＮとなるゲート－ソース間電圧を各トランジスタに供給する回路である。

【0073】

電流検出部７は、電流検出抵抗７１の両端の電圧を検出し、コイル２２５’、２２６’に流れる電流を示す電流検出信号を出力する回路である。

【0074】

可変極性ゲイン増幅部６は、極性・ゲイン切替部６１と、オペアンプ６２と、オペアンプ６２の出力端子および反転入力端子間に接続された抵抗６３と、オペアンプ６２の非反転入力端子および接地線間に接続された抵抗６４とにより構成されている。この可変極性ゲイン増幅部６は、アクチュエータ２００Ａに発生させる制動力を制御する手段であり、制動力制御信号に応じたゲインおよび極性で電流検出信号を正相増幅または反転増幅し、オペアンプ６２から加算部５に出力する。

【0075】

図１２は、駆動部８、電流検出部７および可変極性ゲイン増幅部６の詳細な構成を示す回路図である。

【0076】

図１２に示すように、電流検出部７は、抵抗７０１～７０６、キャパシタ７１１～７１６およびオペアンプ７２０により構成されている。ここで、抵抗７０１および７０２は、コイル２２５’および電流検出抵抗７１間の接続ノードとオペアンプ７２０の反転入力端子との間に直列接続されている。また、抵抗７０３および７０４は、コイル２２６’および電流検出抵抗７１間の接続ノードとオペアンプ７２０の非反転入力端子との間に直列接続されている。キャパシタ７１１は、抵抗７０１および電流検出抵抗７１間の接続ノードと接地線との間に接続され、キャパシタ７１２は、抵抗７０１および７０２間の接続ノードと接地線との間に接続されている。また、キャパシタ７１３は、抵抗７０３および電流検出抵抗７１間の接続ノードと接地線との間に接続され、キャパシタ７１４は、抵抗７０３および７０４間の接続ノードと接地線との間に接続されている。抵抗７０５およびキャパシタ７１５は、オペアンプ７２０の出力端子および反転入力端子間に並列接続され、抵抗７０６およびキャパシタ７１６は、オペアンプ７２０の非反転入力端子および接地線間に並列接続されている。

【0077】

この電流検出部７は、ＰＷＭ部８１においてＰＷＭパルス列を生成するために用いられるキャリアの周波数成分を電流検出抵抗７１の両端間の電圧から除去し、残った低域成分を電流検出信号としてオペアンプ７２０から出力する。

【0078】

可変極性ゲイン増幅部６の極性・ゲイン切替部６１は、オペアンプ６２の反転入力端子および非反転入力端子間に直列接続された７個の抵抗６５と、制動力制御信号に従って、オペアンプ７２０の出力端子をこれらの７個の抵抗６５の各両端のいずれか一端に接続するスイッチ回路６６とにより構成されている。

【0079】

この可変極性ゲイン増幅部６は、制動力制御信号に従って駆動部８の出力インピーダンスを制御し、アクチュエータ２００Ａにおいて発生する制動力を制御する役割を果たす。以下、その詳細を説明する。

【0080】

図１３および図１４では、図１２における電流検出部７および可変極性ゲイン増幅部６を合わせたものをアンプ１０として示している。図１３に示すように、アンプ１０のゲインが－βである場合、すなわち、アンプ１０が電流検出抵抗７１の両端間電圧を極性反転し、β倍にして出力する場合、図１２に示す回路では、電流負帰還が行われ、アクチュエータ２００Ａのコイル２２５’、２２６’の定電流駆動が行われる。

【0081】

一方、図１４に示すようにアンプ１０のゲインがβである場合、すなわち、アンプ１０が電流検出抵抗７１の両端間電圧をβ倍に正相増幅する場合、図１２に示す回路では、電流正帰還が行われ、駆動部８の出力インピーダンスが負性インピーダンスとなる。より詳しくは、駆動部８のゲインをＡとし、電流検出抵抗７１の抵抗値をＲｓとすると、駆動部８の出力インピーダンスＺｏは、次式により与えられる。
Ｚｏ＝（１－Ａ・β）Ｒｓ ……（１）

【0082】

この駆動部８の出力インピーダンスＺｏが負性インピーダンスである状態では、アクチュエータ２００Ａに制動力が発生する。

【0083】

そこで、本実施形態では、可変極性ゲイン増幅部６を設けることにより、加算部５、駆動部８、コイル２２５’および２２６’、電流検出部７、可変極性ゲイン増幅部６からなる電流制御のフィードバックループを図１３に示す状態と図１４に示す状態との間で制動力制御信号に従って連続的に切り替えるようにしている。

【0084】

図１５は本実施形態における制動力制御ループＦＢｂの概略を示した回路図である。なお、図１５では、電流検出部７の図示が省略されている。

【0085】

図１５において、摺動抵抗器６５Ｍは図１２における直列接続された７個の抵抗６５である。本実施形態では、図１２のスイッチ回路６６が電流検出信号の供給位置を制動力制御信号に従って切り替える。摺動抵抗器６５Ｍにおいて、電流検出信号の供給位置がオペアンプ６２の非反転入力端子側に移動すると、可変極性ゲイン増幅部６の正相増幅のゲインが増すので、制動力制御ループＦＢｂでは正帰還制御が行われる。これに対し、電流検出信号の供給位置がオペアンプ６２の反転入力端子側に移動すると、可変極性ゲイン増幅部６の反転増幅のゲインが増すので、制動力制御ループＦＢｂでは負帰還制御が行われる。本実施形態では、正帰還制御のゲインおよび負帰還制御のゲインが制動力制御信号に従って連続的に制御される。従って、アクチュエータ２００Ａに発生させる制動力も連続的に制御可能である。

【0086】

具体的には、制動力制御信号の電圧値が０Ｖである場合、電流検出部７および可変極性ゲイン増幅部６を合わせたアンプ１０のゲインが絶対値の大きな負のゲインとなり、制動力制御ループＦＢｂでは負帰還制御が行われる。この場合、駆動部８の出力インピーダンスＺｏは、絶対値の大きな正の値となり、駆動部８はアクチュエータ２００Ａのコイル２２５’および２２６’の定電流駆動を行う。このとき、アクチュエータ２００Ａに働く制動力は０となる。

【0087】

制動力制御信号の電圧値が０Ｖから上昇してゆくと、アンプ１０の負のゲインの絶対値が徐々に小さくなり、駆動部８の出力インピーダンスＺｏが小さくなり、アクチュエータ２００Ａでは制動力が発生し始める。そして、制動力制御信号の電圧値が制動力制御信号の可変範囲の中央付近になると、アンプ１０のゲインが０となり、駆動部８の出力インピーダンスＺｏもほぼ０となる。この状態では、駆動部８によりコイル２２５’および２２６’の定電圧駆動が行われ、アクチュエータ２００Ａでは、アクチュエータ２００Ａ自体の特性に基づく電磁制動が行われる。

【0088】

さらに制動力制御信号の電圧値が上昇すると、アンプ１０は、正相増幅を行うようになり、駆動部８の出力インピーダンスＺｏは負のインピーダンスとなる。これによりアクチュエータ２００Ａにおいて発生する制動力が増加する。
以上が本実施形態において行われる制動力の制御の詳細である。

【0089】

次に図９に示すループゲイン制御部３および電圧リミタ４について、さらに詳しく説明する。図１６は電圧リミタ４の具体的構成例を示す回路図である。この電圧リミタ４は、オペアンプ４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄと、ゲイン＋１を有するバッファ４２と、抵抗４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４４と、ダイオード４５ａ、４５ｂとを有する。

【0090】

ここで、オペアンプ４１ａはボルテージフォロアを構成しており、非反転入力端子に与えられる限界電圧＋ＶＬＩＭと同じ電圧を出力する。この限界電圧＋ＶＬＩＭは、圧力制御信号に基づいて決定されるようになっている。

【0091】

オペアンプ４１ａの反転入力端子および出力端子の接続ノードは抵抗４３ａを介してオペアンプ４１ｂの反転入力端子に接続されている。このオペアンプ４１ｂは、非反転入力端子が接地されており、反転入力端子と出力端子との間に抵抗４３ｂが接続されている。ここで、抵抗４３ａおよび４３ｂの抵抗値は等しい。従って、オペアンプ４１ｂは、オペアンプ４１ａが出力する限界電圧＋ＶＬＩＭの極性を反転させた限界電圧－ＶＬＩＭを出力する。

【0092】

オペアンプ４１ａが出力する限界電圧＋ＶＬＩＭは、オペアンプ４１ｃの非反転入力端子に供給される。このオペアンプ４１ｃの反転入力端子にはダイオード４５ａのアノードが接続され、出力端子にはダイオード４５ａのカソードが接続されている。

【0093】

オペアンプ４１ｂが出力する限界電圧－ＶＬＩＭは、オペアンプ４１ｄの非反転入力端子に供給される。このオペアンプ４１ｄの反転入力端子にはダイオード４５ｂのカソードが接続され、出力端子にはダイオード４５ｂのアノードが接続されている。

【0094】

抵抗４４は、図９のループゲイン制御部３のオペアンプ３１の出力端子とバッファ４２の入力端子との間に接続されている。抵抗４３ｃは、ダイオード４５ａのアノードとバッファ４２の入力端子との間に接続されている。抵抗４３ｄは、ダイオード４５ｂのカソードとバッファ４２の入力端子との間に接続されている。ここで、抵抗４３ｃおよび４３ｄは同じ抵抗値を有している。また、抵抗４３ｃおよび４３ｄの抵抗値は抵抗４４の抵抗値に比べて十分に低い。

【0095】

以上の構成において、ループゲイン制御部３の出力信号の電圧値が限界電圧＋ＶＬＩＭと限界電圧－ＶＬＩＭの間の範囲内にある場合、ダイオード４５ａおよび４５ｂはＯＦＦとなり、電圧リミタ４による電圧の制限は働かず、ループゲイン制御部３の出力信号はそのままの電圧値でバッファ４２から出力される。

【0096】

ループゲイン制御部３の出力信号の電圧値が限界電圧＋ＶＬＩＭよりも高いと、ダイオード４５ａがＯＮとなり、抵抗４４、４３ｃおよびダイオード４５ａを介してオペアンプ４１ｃの出力端子に電流が流れ込む。このときオペアンプ４１ｃは、出力信号のレベルを限界電圧＋ＶＬＩＭよりもダイオード４５ａの順方向電圧だけ低いレベルとし、反転入力端子の電圧を非反転入力端子に与えられる限界電圧＋ＶＬＩＭに一致させる。このため、ループゲイン制御部３の出力信号と限界電圧＋ＶＬＩＭとを抵抗４４および４３ｃの各抵抗値に基づく重み係数により重み付け加算した電圧がバッファ４２に供給される。ここで、抵抗４３ｃの抵抗値は抵抗４４の抵抗値よりも十分に低いので、限界電圧＋ＶＬＩＭに対する重み係数は、ループゲイン制御部３の出力信号に対する重み係数よりも十分に大きい。従って、バッファ４２に供給される電圧は、限界電圧＋ＶＬＩＭにほぼ一致した電圧値となる。

【0097】

一方、ループゲイン制御部３の出力信号の電圧値が限界電圧－ＶＬＩＭよりも低いと、ダイオード４５ｂがＯＮとなり、ダイオード４５ｂ、抵抗４３ｄおよび４４を介してオペアンプ４１ｄの出力端子から電流が流出する。この場合の動作はループゲイン制御部３の出力信号の電圧値が限界電圧＋ＶＬＩＭよりも高い場合の動作と同様であり、バッファ４２に供給される電圧は、限界電圧－ＶＬＩＭにほぼ一致した電圧値となる。
以上が電圧リミタ４の詳細である。

【0098】

図１７は、ループゲイン制御部３の伝達特性と、ループゲイン制御部３および電圧リミタ４を合わせた回路の伝達特性を示す図である。図１７において、横軸は位置誤差信号が示す位置誤差であり、縦軸はループゲイン制御部３または電圧リミタ４の出力信号が示す圧力値である。

【0099】

本実施形態では、位置誤差信号に対するループゲイン制御部３の出力信号のゲインと、電圧リミタ４に与える限界電圧＋ＶＬＩＭを圧力制御信号に応じて変化させる。具体的には、圧力制御信号の信号値が高くなる程、位置誤差信号に対するループゲイン制御部３の出力信号のゲインを増加させ、これに連動して電圧リミタ４に与える限界電圧＋ＶＬＩＭを増加させる。

【0100】

図１７において、Ｐ１～Ｐ３は、圧力制御信号を各種変化させた場合のループゲイン制御部３の出力信号を示している。この例において、圧力制御信号の信号値は、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の順に高くなっている。

【0101】

図１７において、Ｐｍ１～Ｐｍ３は、信号Ｐ１～Ｐ３に各々対応した電圧リミタ４の出力信号を示している。図１７に示すように、電圧リミタ４の出力信号Ｐｍ１～Ｐｍ３は、位置誤差の変化に対し、信号Ｐ１～Ｐ３と連動して各々立ち上がり、各々の飽和電圧に近づくに従って勾配が緩やかになって飽和する。この信号Ｐｍ１～Ｐｍ３の飽和電圧は、電圧リミタ４に与えられる限界電圧＋ＶＬＩＭに依存する。本実施形態では、図１７に示すように、ループゲイン制御部３のゲイン（直線Ｐ１～Ｐ３の勾配）が高くなるに従って、限界電圧＋ＶＬＩＭも高くなり、信号Ｐｍ１～Ｐｍ３の飽和電圧も高くなる。

【0102】

以上説明したループゲイン制御部３および電圧リミタ４は、アクチュエータ２００Ａの駆動制御に対する位置誤差信号の関与を制御して、筋肉の「脱力」と「硬直」を模擬する圧力制御手段を構成している。上述したように、筋肉をバネにより模擬した場合、筋肉の「脱力」と「硬直」はバネ定数の変化と見なすことができる。そこで、本実施形態では、図１７に示すように、アクチュエータ２００Ａに発生させる圧力を指示する圧力指示信号Ｐｍ１～Ｐｍ３の位置誤差信号に対するゲイン（バネ定数＝信号Ｐｍ１～Ｐｍ３の勾配）を圧力制御信号に従って変化させることにより（すなわち、アクチュエータ２００Ａの駆動制御への位置誤差信号の関与の態様を変化させ）、筋肉の「脱力」と「硬直」に相当するものをアクチュエータシステムにおいて実現している。

【0103】

ここで、一般的なバネは変位が大きくなれば力（圧力）も比例して大きくなるが、人間の筋肉は変位が大きい場合は一定の力で押すような動作になる。そこで、本実施形態では、ループゲイン制御部３の出力信号Ｐ１～Ｐ３の信号値（圧力）を電圧リミタ４が圧力制御信号に従って制限し（すなわち、アクチュエータ２００Ａの駆動制御への位置誤差信号の関与を制限し）、圧力指示信号Ｐｍ１～Ｐｍ３として出力する。

【0104】

このようにすることで、制動力制御ループＦＢｂにおける制動力制御を活かしながら、位置誤差信号が高い領域において電圧リミタ４を介して加算部５に入力される圧力指示信号の信号値を一定値（限界電圧＋ＶＬＩＭ）に制限することが可能になる。

【0105】

＜＜動作例＞＞
図１８は本実施形態の第１の動作例を示すタイムチャートである。この図１８において、横軸は時間軸、縦軸は各種の信号の信号値である。後に参照する図１９も同様である。

【0106】

この第１の動作例では、アクチュエータ２００Ａの設けられたロボットアーム３００にドラム演奏の一形態であるシングルストロークを行わせる。図１８には、このシングルストロークをロボットアーム３００に行わせるために駆動制御装置１００に供給される位置制御信号、圧力制御信号および制動力制御信号の各波形が示されている。この位置制御信号、圧力制御信号および制動力制御信号は、駆動制御装置１００の上位装置であるホストコンピュータ（図示略）により生成される。

【0107】

図１８において、位置制御信号はドラムスティックの先端の目標位置を指示する信号である。この位置制御信号によりドラムスティックの動作範囲や振り下げ速度が決定される。第１の動作例では、時刻ｔ１１において、位置制御信号が初期位置に対応した信号値からヘッド位置よりもやや低い位置に対応した信号値に向けてある時間勾配で低下し始める。位置制御信号をヘッド位置よりもやや低い位置に対応した信号値まで変化させるのは、ドラムの位置が多少ずれても確実にドラムスティックの先端がヘッド（皮）に当たるようにするためである。

【0108】

時刻ｔ１１では、圧力制御信号は、所望の打撃速度に基づいて決定された電圧値ＶＰａを維持している。制動力制御信号は、制動力が殆ど働かない状態にするための電圧値ＶＢａを維持している。この状態では、位置制御信号が示す位置と位置検出信号が示すドラムスティック３０４の先端位置（図９における可動部１１の位置）との位置誤差をなくす位置制御が位置制御ループＦＢａにおいて行われる。この場合、圧力制御信号が電圧値ＶＰａを有するので、位置誤差信号は、電圧値ＶＰａに対応した高めのゲインで増幅され、電圧リミタ４から圧力指示信号として加算部５に供給される。また、制動力制御信号が電圧値ＶＢａを有するので、制動力制御ループＦＢｂでは、負帰還制御が行われ、電圧リミタ４が出力する圧力指示信号に対応した定電流がアクチュエータ２００Ａに供給される。この結果、アクチュエータ２００Ａが発生する圧力によりロボットアーム３００の駆動が行われ、ドラムスティック３０４の先端が位置制御信号に追従してヘッド位置に向けて移動する。

【0109】

ドラムスティック３０４の先端がヘッド位置に到達する時刻ｔ１３のやや前の時刻ｔ１２になると、圧力制御信号が緩やかに低下し始める。この結果、位置誤差信号を増幅するゲインが緩やかに低下し、また、電圧リミタ４における限界電圧＋ＶＬＩＭも徐々に低下し、加算部５に供給される圧力指示信号が徐々に弱まって行く。すなわち、アクチュエータ２００Ａの駆動制御に対する位置誤差信号の関与の程度が弱まって行く。このため、アクチュエータ２００Ａが発生する圧力も徐々に弱まって行く。

【0110】

そして、位置制御信号が示すドラムスティック３０４の先端位置がヘッド位置に一致する時刻ｔ１３になると、圧力制御信号が０となり、これ以降の所定時間、圧力制御信号は０を維持する。

【0111】

この圧力制御信号が０である期間は、ループゲイン制御部３のゲインが０とされ、加算部５へ供給される圧力指示信号が０となる。この場合、制動力制御信号が電圧値ＶＢａを有するため、制動力制御ループＦＢｂでは、アクチュエータ２００Ａに流れる電流を０にする負帰還制御が働き、アクチュエータ２００Ａの定電流駆動が行われる。この結果、アクチュエータ２００Ａは、完全な「脱力」状態となる。

【0112】

圧力制御信号が０を維持する期間内に、位置制御信号の信号値はヘッド位置のやや下の最低位置に対応した信号値となり、その後、上昇する。しかし、この間、圧力指示信号が０であるため、アクチュエータ２００Ａは「脱力状態」となり、ドラムスティックの先端は位置制御信号に従わない。ロボットアーム３００の下腕部３０２およびドラムスティック３０４は、アクチュエータ２００Ａからの束縛のない自由な状態で、慣性により移動し、ドラムスティック３０４の先端をヘッド面に衝突させる。その後、ヘッド面からのリアクションによりドラムスティック３０４の先端がヘッド位置から浮く。図１８にはこのドラムスティックの先端の挙動が破線で示されている。

【0113】

そして、位置制御信号が示す位置は、時刻ｔ１３においてヘッド位置を下回った後、ヘッド位置からやや下の位置において上昇に転じ、時刻ｔ１４においてヘッド位置を上回り、その後、最大位置に達する。

【0114】

ここで、時刻ｔ１３から時刻ｔ１４までの期間、制動力信号の電圧値はＶＢｂとされる。この電圧値ＶＢｂは、ドラムスティック３０４による打撃音についての音質的な好みとドラムスティック３０４の跳ね具合による誤動作を考慮して設定される。

【0115】

そして、時刻ｔ１４において、制動力制御信号は、電圧値ＶＢｂから上昇し始め、その後、制動力制御信号の電圧値はＶＢｂよりも大きいＶＢｃとなる。また、時刻ｔ１４のやや後の時刻ｔ１５において、圧力制御信号は立ち上がり、その後、圧力制御信号の電圧値はＶＰａより高いＶＰｂとなる。

【0116】

そして、時刻ｔ１１以降、位置制御信号は、時刻ｔ１３と時刻ｔ１４との間において極小値となり、その後、上昇し、極大値に達する。この間、圧力制御信号の電圧値がＶＰｂであるため、位置誤差信号は電圧値ＶＰｂに対応した高いゲインで増幅され、位置指示信号として制動力制御ループＦＢｂに与えられる。このため、圧力指示信号に基づくアクチュエータ２００Ａの定電流駆動が行われ、ドラムスティック３０４の先端は位置制御信号に追従して極大値に対応した位置まで持ち上がる。このとき、制動力制御ループＦＢｂには、電圧値ＶＢｂよりも大きな電圧値ＶＢｃを有する制動力信号が与えられるため、アクチュエータ２００Ａに時刻ｔ１３およびｔ１４間よりも大きな制動力が発生する。これは、位置制御信号が極大値に向かう過程では、ドラムスティック３０４の先端をヘッド位置から高い位置まで急速に戻すため、ドラムスティック３０４の跳ね返りに抗する制動力を発生して、ドラムスティック３０４を停止させる必要があるからである。

【0117】

その後、位置制御信号が示すドラムスティック３０４の先端位置は、ヘッド位置のやや下の位置に向けて移動する。以降の動作は上述と同様である。

【0118】

図１９は本実施形態の第２の動作例を示すタイムチャートである。この第２の動作例では、アクチュエータ２００Ａの設けられたロボットアーム３００にドラム演奏の他の一形態であるロールを行わせる。

【0119】

この動作例において、位置制御信号が示すドラムスティック３０４の先端位置は、極大値から低下し、時刻ｔ２１においてヘッド位置を下回り、以後、所定時間、ヘッド位置のやや下の位置を維持する。

【0120】

時刻ｔ２１以降の所定時間長の期間、圧力制御信号は、それ以前の電圧値ＶＰｄよりも低い電圧値ＶＰｅとなる。上述したシングルストロークの場合は、同じ状況において圧力制御信号を０とした。これに対し、ロールの場合には、圧力制御信号の電圧値をＶＰｅとする。また、ロールの場合、時刻ｔ２１以降の所定時間長の期間、制動力制御信号を０とし、制動力制御ループＦＢｂにおいて負帰還制御を行わせ、制動力を０にする。

【0121】

このようにすると、ドラムスティック３０４の先端がヘッド面に当たった後も、圧力制御信号の電圧値ＶＰｅに応じたゲインで位置誤差信号が増幅され、圧力指示信号として定電流フィードバック制御ループＦＢｂに与えられる。この結果、図１９に破線で示すように、ドラムスティック３０４の先端は、ヘッド面から跳ね返った後、圧力指示信号の作用により、位置制御信号が示す位置に戻るという挙動を繰り返す。このようにしてアクチュエータシステムによりロールの動作が実現される。

【0122】

以上のように、本実施形態によれば、位置誤差信号の位置制御ループＦＢａにおいて行われるアクチュエータ２００Ａの駆動制御において、位置誤差信号のアクチュエータ２００Ａの駆動制御への関与の制御、具体的には位置誤差信号に適用されるゲインおよび電圧制限の圧力制御信号に基づく制御を行うようにしたので、アクチュエータ２００Ａの脱力制御を行うことができる。また、制動力制御信号に応じて、制動力制御ループＦＢｂにおいて位置検出信号に適用されるゲインおよび極性を制御し、駆動部８の出力インピーダンスＺｏを制御するようにしたので、アクチュエータ２００Ａに発生する制動力を自在に制御することができる。従って、本実施形態によれば、上述した無意識的な動作のフィードバック制御ＦＢ２と、性質・個性を決定するフィードバック制御ＦＢ３とをアクチュエータ２００Ａの制御においても実現し、人間が行うのと同様な楽器演奏をロボットに行わせることができる。

【0123】

＜第２実施形態＞
上記第１実施形態では、アクチュエータの駆動制御装置をアナログ回路により実現した。しかし、上記第１実施形態による駆動制御装置の一部あるいは殆どの部分をデジタル回路やＤＳＰ（Digital Signal Processor；デジタル信号処理装置）等のプロセッサによって実現することも可能である。

【0124】

図２０はこの発明の第２実施形態による駆動制御装置１００Ｂの構成を示すブロック図である。なお、この図２０において、前掲図９に示された要素と対応する要素には共通の符号を使用し、その説明を省略する。

【0125】

この駆動制御装置１００Ｂでは、電流検出部７から出力されるアナログ形式の電流検出信号がＡＤ変換器１００１によってデジタル形式の電流検出信号に変換され、制御コア１０００に供給される。また、この駆動制御装置１００Ｂでは、位置検出部１から出力されるアナログ形式の位置検出信号がＡＤ変換器１００２によってデジタル形式の位置検出信号に変換され、制御コア１０００に供給される。

【0126】

制御コア１０００は、デジタル信号処理回路あるいはＤＳＰにより構成されている。この制御コア１０００は、上記第１実施形態における比較部２、ループゲイン制御部３、電圧リミタ４、加算部５、可変極性ゲイン増幅部６およびＰＷＭ部８１が行うアナログ処理と等価なデジタル処理を実行する比較部２Ｄ、ループゲイン制御部３Ｄ、リミタ４Ｄ、加算部５Ｄ、可変極性ゲイン増幅部６ＤおよびＰＷＭ部８１Ｄを含む。

【0127】

この駆動制御装置１００Ｂでは、ＰＷＭ部８１Ｄがデジタル信号処理により生成したＰＷＭパルス列が制御コア１０００外部のゲートドライバ８２に供給される。
本実施形態においても、上記第１実施形態と同様な効果が得られる。

【0128】

＜他の実施形態＞
以上、この発明の第１および第２実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば次の通りである。

【0129】

（１）上記第１実施形態の制動力制御ループＦＢｂでは、コイル２２５’および２２６’に流れる電流（あるいはコイル２２５’および２２６’に発生するトルク）の帰還制御を行ったが、アクチュエータ２００Ａにより駆動される可動部１１（より具体的にはドラムスティック３０４の先端）の速度の帰還制御を行うようにしてもよい。具体的には、アクチュエータ２００Ａにより駆動される可動部１１（より具体的にはコイル保持体２２０Ａ）に速度検出コイルを付け、この速度検出コイルの出力電圧の帰還制御を行う。その際に帰還量のゲインおよび極性を制動力制御信号により制御する。あるいは上記第１実施形態において、位置検出信号を微分回路により速度信号に変換し、この速度信号の帰還制御を制動力制御ループＦＢｂにおいて行うようにしてもよい。あるいはアクチュエータ２００Ａにより駆動される可動部１１（より具体的にはコイル保持体２２０Ａ）に加速度ピックアップを付け、この加速度ピックアップの出力信号を積分回路により速度信号に変換し、この速度信号の帰還制御を制動力制御ループＦＢｂにおいて行うようにしてもよい。上記第２実施形態についても同様である。

【0130】

（２）上記第１実施形態では、アクチュエータ２００Ａにおいて、永久磁石２３１～２３４の軸方向の長さＬ１を、コイル２２５’および２２６’の軸方向の長さＬ２よりも長くした。しかし、逆に、コイル２２５’および２２６’の軸方向の長さＬ２を、永久磁石２３１～２３４の軸方向の長さＬ１よりも長くしてもよい。

【0131】

（３）上記各実施形態では、この発明を楽器演奏に適用したが、この発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。例えば、この発明による駆動制御装置を肩たたき用ロボット等のアクチュエータに適用してもよい。

【符号の説明】

【0132】

３００……ロボットアーム、３０１……上腕部、３０２……下腕部、３０３……関節、３０４……ドラムスティック、２００Ａ……アクチュエータ、２９９……連結棒、２１０……筐体部、２１１，２１２，２１３ａ，２１３ｂ，２１４ａ，２１４ｂ……外側ヨーク、２１５……内側ヨーク、２２０Ａ……コイル保持体、２２５’，２２６’……コイル、２２２ａ’，２２２ｂ’……棒部、２２３……橋絡部、２２７，２２８……凹部、２３１，２３２，２３３，２３４……永久磁石、４００……身体、ＦＢ１……意識的な動作のフィードバック制御、ＦＢ２……無意識的な動作のフィードバック制御、ＦＢ３……性質・個性を決定するフィードバック制御、ＦＢａ……位置制御ループ、ＦＢｂ……制動力制御ループ、１……位置検出部、１１……可動部、２，２Ｄ……比較部、３，３Ｄ……ループゲイン制御部、４……電圧リミタ、４Ｄ……リミタ、５，５Ｄ……加算部、６，６Ｄ……可変極性ゲイン増幅部、７……電流検出部、８……駆動部、１２……光源、１３Ａ，１３Ｂ……受光素子、１４，２３，５３，４２……バッファ、１０……アンプ、３２……ゲイン切替部、８１，８１Ｄ……ＰＷＭ部、８２……ゲートドライバ、８３……出力段部、８３Ｈａ，８３Ｈｂ，８３Ｌａ，８３Ｌｂ……Ｎチャネルトランジスタ、６２，１４１，１４２，７２０，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ……オペアンプ、１４３，１４４，６３，６４，６５，７０１～７０６，４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ……抵抗、７１１～７１６……キャパシタ、１４……可変ゲイン増幅部、１５……摺動抵抗、４５ａ，４５ｂ……ダイオード、１００１，１００２……ＡＤ変換器。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】