特許 7589654 外力推定装置、外力推定方法、及び外力推定プログラム

(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】2024-11-18

(45)【発行日】2024-11-26

(54)【発明の名称】外力推定装置、外力推定方法、及び外力推定プログラム

(51)【国際特許分類】

   H02P 31/00 20060101AFI20241119BHJP

【ＦＩ】

H02P31/00

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021107631

(22)【出願日】2021-06-29

(65)【公開番号】P2023005607

(43)【公開日】2023-01-18

【審査請求日】2024-01-25

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】高橋 太郎

(72)【発明者】

【氏名】羽多野 顕

(72)【発明者】

【氏名】美馬 直生

【審査官】谿花 正由輝

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０３５３９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０６７２８４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ ３１／００

Ｈ０２Ｐ ２１／６０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ギアを介して負荷を動作させるモータに作用する外力を推定する外力推定装置であって、
前記モータに供給される電流値を用いて、前記モータの出力トルクを算出するトルク算出部と、
前記モータの回転位置情報を用いて、前記モータの慣性トルクを推定する慣性トルク推定部と、
前記モータの回転位置情報を用いて、前記モータの摩擦トルクを推定する摩擦トルク推定部と、
前記摩擦トルクに対して、前記モータの温度情報を用いて、温度補正を行う温度補正部と、
前記モータの回転角と、当該回転角に応じて変動する摩擦トルクとの対応関係を記憶するモータ角度－摩擦変動テーブルと、
前記トルク算出部によって算出された前記出力トルクから、前記慣性トルクと、温度補正後の前記摩擦トルクと、前記モータ角度－摩擦変動テーブルを用いて推定された摩擦トルクと、を減じることで前記外力を推定する外力推定部と、を備える、
外力推定装置。

【請求項2】

ギアを介して負荷を動作させるモータに作用する外力を推定する外力推定装置であって、
前記モータに供給される電流値を用いて、前記モータの出力トルクを算出するトルク算出部と、
前記モータの回転位置情報を用いて、前記モータの慣性トルクを推定する慣性トルク推定部と、
前記モータの回転位置情報を用いて、前記モータの摩擦トルクを推定する摩擦トルク推定部と、
前記摩擦トルクに対して、前記モータの温度情報を用いて、温度補正を行う温度補正部と、
前記負荷の回転角と、当該回転角に応じて変動する摩擦トルクとの対応関係を記憶する負荷角度－摩擦変動テーブルと、
前記トルク算出部によって算出された前記出力トルクから、前記慣性トルクと、温度補正後の前記摩擦トルクと、前記負荷角度－摩擦変動テーブルを用いて推定された摩擦トルクと、を減じることで前記外力を推定する外力推定部と、を備える、
外力推定装置。

【請求項3】

ギアを介して負荷を動作させるモータに作用する外力を推定する外力推定装置であって、
前記モータに供給される電流値を用いて、前記モータの出力トルクを算出するトルク算出部と、
前記モータの回転位置情報を用いて、前記モータの慣性トルクを推定する慣性トルク推定部と、
前記モータの回転位置情報を用いて、前記モータの摩擦トルクを推定する摩擦トルク推定部と、
前記摩擦トルクに対して、前記モータの温度情報を用いて、温度補正を行う温度補正部と、
前記モータの回転角と、当該回転角に応じて変動する摩擦トルクとの対応関係を記憶するモータ角度－摩擦変動テーブルと、
前記負荷の回転角と、当該回転角に応じて変動する摩擦トルクとの対応関係を記憶する負荷角度－摩擦変動テーブルと、
前記トルク算出部によって算出された前記出力トルクから、前記慣性トルクと、温度補正後の前記摩擦トルクと、前記モータ角度－摩擦変動テーブルを用いて推定された摩擦トルクと、前記負荷角度－摩擦変動テーブルを用いて推定された摩擦トルクと、を減じることで前記外力を推定する外力推定部と、を備える、
外力推定装置。

【請求項4】

前記摩擦トルクは、クーロン摩擦トルク及び粘性摩擦トルクのうちの少なくとも１つを含む、
請求項１～３のいずれか一項に記載の外力推定装置。

【請求項5】

前記慣性トルク推定部は、逆動力学演算結果を用いて、前記モータの前記慣性トルクを推定する、
請求項１～４のいずれか一項に記載の外力推定装置。

【請求項6】

ギアを介して負荷を動作させるモータに作用する外力を推定する外力推定方法であって、
前記モータに供給される電流値を用いて、前記モータの出力トルクを算出し、
前記モータの回転位置情報を用いて、前記モータの慣性トルク及び前記モータの摩擦トルクを推定し、
推定された前記摩擦トルクに対して、前記モータの温度情報を用いて、温度補正し、
前記モータの回転角と、当該回転角に応じて変動する摩擦トルクとの対応関係を記憶するモータ角度－摩擦変動テーブルを用いて、前記モータの回転角に応じた摩擦トルクを推定し、
算出された前記出力トルクから、前記慣性トルクと、温度補正後の前記摩擦トルクと、前記モータ角度－摩擦変動テーブルを用いて推定された摩擦トルクと、を減じることで前記外力を推定する、
外力推定方法。

【請求項7】

ギアを介して負荷を動作させるモータに作用する外力を推定するための外力推定プログラムであって、
前記モータに供給される電流値を用いて、前記モータの出力トルクを算出し、
前記モータの回転位置情報を用いて、前記モータの慣性トルク及び前記モータの摩擦トルクを推定し、
推定された前記摩擦トルクに対して、前記モータの温度情報を用いて、温度補正し、
前記モータの回転角と、当該回転角に応じて変動する摩擦トルクとの対応関係を記憶するモータ角度－摩擦変動テーブルを用いて、前記モータの回転角に応じた摩擦トルクを推定し、
算出された前記出力トルクから、前記慣性トルクと、温度補正後の前記摩擦トルクと、前記モータ角度－摩擦変動テーブルを用いて推定された摩擦トルクと、を減じることで前記外力を推定する、
処理をコンピュータに実行させるための外力推定プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、外力推定装置、外力推定方法、及び外力推定プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

フィードバック制御系においては、外乱の影響を抑制し制御系を安定させるために外乱オブザーバが使用される。例えば、特許文献１には、モータの温度情報に基づきトルク定数を算出するとともに、モータの位置情報に基づきクーロン摩擦や粘性抵抗による摩擦トルク及び慣性トルクを推定することで、外乱を推定する外乱オブザーバが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２０－０３５３９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

モータによって負荷を滑らかに動作させるためには、モータ制御の精度を高めることが必要である。そのためには、モータに作用する外力を正確に推定することが必要となる。また、外力に応じた適応的な柔らかい制御のためにも、モータに作用する外力を正確に推定することが必要となる。しかしながら、クーロン摩擦や粘性摩擦などによる摩擦トルクは温度に応じて値が変動するため、トルク定数の算出のみに温度情報を用いる特許文献１の方法では外力を正確に推定することは困難であった。

【0005】

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、推定する外力の誤差を低減可能な外力推定装置、外力推定方法、及び外力推定プログラムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様に係る外力推定装置は、
モータに作用する外力を推定する外力推定装置であって、
前記モータに供給される電流値を用いて、前記モータの出力トルクを算出するトルク算出部と、
前記モータの回転位置情報を用いて、前記モータの慣性トルクを推定する慣性トルク推定部と、
前記モータの回転位置情報を用いて、前記モータの摩擦トルクを推定する摩擦トルク推定部と、
前記摩擦トルクに対して、前記モータの温度情報を用いて、温度補正を行う温度補正部と、
前記トルク算出部によって算出された前記出力トルクから、前記慣性トルクと、温度補正後の前記摩擦トルクと、を減じることで前記外力を推定する外力推定部と、を備える。

【0007】

本発明の一態様に係る外力推定方法は、
モータに作用する外力を推定する外力推定方法であって、
前記モータに供給される電流値を用いて、前記モータの出力トルクを算出し、
前記モータの回転位置情報を用いて、前記モータの慣性トルク及び前記モータの摩擦トルクを推定し、
推定された前記摩擦トルクに対して、前記モータの温度情報を用いて、温度補正し、
算出された前記出力トルクから、前記慣性トルクと、温度補正後の前記摩擦トルクと、を減じることで前記外力を推定する、方法である。

【0008】

本発明の一態様に係る外力推定プログラムは、
モータに作用する外力を推定するための外力推定プログラムであって、
前記モータに供給される電流値を用いて、前記モータの出力トルクを算出し、
前記モータの回転位置情報を用いて、前記モータの慣性トルク及び前記モータの摩擦トルクを推定し、
推定された前記摩擦トルクに対して、前記モータの温度情報を用いて、温度補正し、
算出された前記出力トルクから、前記慣性トルクと、温度補正後の前記摩擦トルクと、を減じることで前記外力を推定する、
処理をコンピュータに実行させるための外力推定プログラムである。

【0009】

本発明の一態様に係る外力推定装置は、摩擦トルクに対して、モータの温度情報を用いて、温度補正を行う。これにより、本発明の一態様に係る外力推定装置によれば、温度変化に伴う摩擦トルクの変動を補正することができ、推定する外力の誤差を低減することができる。

【発明の効果】

【0010】

本発明により、推定する外力の誤差を低減可能な外力推定装置、外力推定方法、及び外力推定プログラムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１の実施形態に係るモータ及び負荷の構成を示す模式図である。

【図2】第１の実施形態に係る制御系の全体構成の一例を示す図である。

【図3】第１の実施形態に係る制御系の全体構成の一例を示す図である。

【図4】第１の実施形態に係る外力推定装置の構成を示す図である。

【図5】第１の実施形態に係る外力推定装置の動作を示すフローチャートである。

【図6】第２の実施形態に係るモータ及び負荷の構成を示す模式図である。

【図7】第２の実施形態に係る外力推定装置の構成を示す図である。

【図8】第２の実施形態に係る外力推定装置の動作を示すフローチャートである。

【図9】第１及び第２の実施形態に係る制御ユニットのハードウェア構成例を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。なお、図１、図６に示した右手系ｘｙｚ直交座標は、各構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸正方向が鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面である。

【0013】

＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係るモータ及び負荷の構成を示す模式図である。モータ及び負荷の構成は、例えばロボットの関節などに使用される。図１より、モータ１は、ギア２を介して負荷３に連結されている。モータ１はギア２を介して負荷３を動作させることができる。また、モータ１は、固定部４に設けられている。

【0014】

負荷３及び固定部４は、例えばロボットの腕や足などを構成するフレームである。負荷３は、例えばロボットの先端側に設けられているフレームであり、固定部４は、例えばロボットの本体部側に連結されているフレームである。モータ１は、後述の制御ユニット２０の制御部２１による制御に基づき動作する。モータ１は、例えばサーボモータである。

【0015】

モータ１の回転運動は、ギア２を介して負荷３に伝達される。以下、説明を簡単にするため、固定部４の位置が固定されている場合について説明する。なお、ロボットの動作に伴い、固定部４の位置が変更されてもよい。

【0016】

負荷３は、ｙｚ平面上を回転する。モータ１の回転方向が変更されると、負荷３の移動方向（回転方向）が変更される。また、ギア２の個数や大きさを変更することで、任意の方向や任意の回転速度（角速度）で負荷３を動作させることができる。モータ１の回転速度に応じて、負荷３の移動速度が変化する。具体的には、モータ１の回転速度が大きくなるにつれて、負荷３の移動速度も大きくなる。同様に、モータ１の回転速度が小さくなるにつれて、負荷３の移動速度も小さくなる。

【0017】

図２は、第１の実施形態に係る制御系１００の全体構成を示す図である。モータ１を制御するために、図２に示す制御系１００が用いられる。制御系１００は、指令部１０、制御ユニット２０を有する。指令部１０及び制御ユニット２０は、例えばコンピュータ装置である。なお、指令部１０及び制御ユニット２０に係る各処理がそれぞれ別のコンピュータ装置によって実行されてもよい。図１で説明したように、モータ１は、ギア２を介して負荷３を動作させる。モータ１には、電流検出部１１、位置検出部１２、及び温度検出部１３が設けられる。なお、制御系１００は、動作に必要な他の構成要素を有していてもよい。

【0018】

指令部１０は、制御ユニット２０に対してモータ１を制御するための指令を出す。制御ユニット２０は、指令部１０の指令に基づきモータ１を制御する。制御ユニット２０は複数であってもよく、例えばロボットの腕や足などの関節にそれぞれ設けられていてもよい。つまり、制御ユニット２０は、各々の関節を動作させるモータごとに設けられていてもよい。この場合、指令部１０は、複数の制御ユニット２０に対してモータの制御の指令を出すことで、ロボットの複数の関節の動作を各々制御することができる。

【0019】

制御ユニット２０は、制御部２１及び外力推定装置２２を有する。制御部２１は、指令部１０からのモータ１の制御の指令に基づき、モータ１を制御する。外力推定装置２２は、モータに作用する外力を推定する装置である。制御部２１及び外力推定装置２２は、例えばコンピュータ装置である。なお、制御部２１及び外力推定装置２２に係る各処理がそれぞれ別のコンピュータ装置によって実行されてもよい。

【0020】

外力推定装置２２は、電流検出部１１、位置検出部１２、及び温度検出部１３にそれぞれ接続されている。外力推定装置２２は、電流検出部１１から取得されるモータ１の電流値、位置検出部１２から取得されるモータ１の回転位置情報、温度検出部１３から取得されるモータ１の温度情報を用いて、モータ１に作用する外力を推定する。ここで、外力とは負荷３に係る力（反力）のことであり、負荷３を介してモータ１に作用する。外力推定装置２２は、推定した外力を指令部１０に出力する。制御ユニット２０が複数設けられている場合、複数の外力推定装置２２は、それぞれが推定した外力を指令部１０に出力する。外力推定装置２２の詳細な構成については後述する。

【0021】

電流検出部１１は、モータ１に供給される電流値を検出する装置である。電流検出部１１は、例えば電流センサである。電流検出部１１は、モータ１の電流を検出可能な任意の位置に設けることができる。電流検出部１１によって取得された電流値は、外力推定装置２２に入力される。

【0022】

位置検出部１２は、モータ１の回転位置を検出する装置である。位置検出部１２は、例えば、モータ１に設けられるエンコーダである。モータ１の回転位置情報からは、モータ１の角速度、モータ１の角加速度、及びモータ１の回転角が算出可能である。位置検出部１２によって取得された回転位置情報は、外力推定装置２２に入力される。

【0023】

温度検出部１３は、モータ１の温度を検出する装置である。温度検出部１３は、例えば温度センサである。温度検出部１３は、モータ１の温度を検出可能な任意の位置に設けることができる。温度検出部１３によって取得された温度情報は、外力推定装置２２に入力される。

【0024】

指令部１０は、外力推定装置２２によって推定された外力を用いて、制御部２１を介しモータ１を制御する。これにより、指令部１０はモータ制御の精度を向上させることができ、負荷３を滑らかに動作させることができる。例えば、指令部１０は、外力推定装置２２によって推定された外力の方向を用いて、当該外力の影響を打ち消す方向に負荷３を動作させることで負荷３の滑らかな動きを実現することができる。また、指令部１０は、外力推定装置２２によって推定された外力の大きさに基づき、当該外力の方向に負荷３の移動速度あるいは移動加速度を増加させることで負荷３の外力に応じた適応的な柔らかい動きを実現することができる。指令部１０は、複数の制御ユニット２０に設けられた複数の外力推定装置２２によって推定された複数の外力を用いることで、負荷全体が滑らかな動きとなるように、複数のモータを制御することもできる。

【0025】

なお、図３に示すように、外力推定装置２２は、推定した外力を制御部２１に出力してもよい。制御部２１は、外力推定装置２２によって推定された外力を取得し、指令部１０の指令に基づき、取得された外力の方向を用いて、当該外力の影響を打ち消す方向に負荷３を動作させることで負荷３の滑らかな動きを実現するようにしてもよい。また、制御部２１は、外力推定装置２２から取得した外力の大きさに基づき、当該外力の方向に負荷３の移動速度あるいは移動加速度を増加させることで負荷３の外力に応じた適応的な柔らかい動きを実現するようにしてもよい。
また、外力推定装置２２は、指令部１０及び制御部２１の両方に推定した外力を出力するようにしてもよい。

【0026】

＜外力推定装置の構成＞
図４は、第１の実施形態に係る外力推定装置２２の構成を示すブロック図である。外力推定装置２２は、トルク算出部２３、慣性トルク推定部２４、摩擦トルク推定部２５、温度補正部２６、外力推定部２７を備える。なお、外力推定装置２２は、動作に必要な他の構成要素を有していてもよい。

【0027】

トルク算出部２３は、モータ１に供給される電流値を用いて、モータ１の出力トルクを算出する。トルク算出部２３は、電流検出部１１によって検出された電流値を取得し、当該電流値とモータ１のトルク定数との積を求めることでモータ１の出力トルクを算出する。

【0028】

慣性トルク推定部２４は、モータ１の回転位置情報を用いて、モータ１の慣性トルクを推定する。具体的には、慣性トルク推定部２４は、モータ１の回転位置情報からモータ１の角加速度を導出し、当該角加速度とモータ１の慣性モーメントとの積を求めることで、慣性トルクを推定することができる。なお、慣性モーメントは、複数の角加速度について、モータ１が一定の角加速度で回転しているときのモータ１の出力トルクを測定し、角加速度と出力トルクとの比例関係を導出することにより算出できる。また、負荷の設計図面から計算される値を用いて慣性モーメントを算出してもよい。

【0029】

慣性トルク推定部２４は、逆動力学演算結果を用いて、モータ１の慣性トルクを推定してもよい。逆動力学演算とは、負荷を動作させるために必要なトルクを、角速度及び角加速度から計算する方法である。

【0030】

摩擦トルク推定部２５は、モータ１の回転位置情報を用いて、モータ１の摩擦トルクを推定する。以下、摩擦トルクの推定方法について説明する。まず、モータ１の角速度が一定の場合において、外力が加わらない場合はモータ出力トルクと摩擦トルクとは等しい値となる。また、摩擦トルクは、モータ１の回転速度によって変動する。よって、一定速度で回転させた負荷３の１回転分の電流値の平均値を算出し、電流値にトルク定数を乗じることで、所定のモータ１の回転速度におけるモータ出力トルク、つまり摩擦トルクを導出することができる。モータ１の回転速度を変更しながら、電流値を取得することで、速度変化に応じた摩擦トルク値を得ることができる。摩擦トルク推定部２５は、モータ１の回転位置情報から算出した回転速度と、事前に導出しているモータ１の回転速度と摩擦トルクとの対応関係とに基づき、モータ１の回転速度における摩擦トルクを推定することができる。

【0031】

摩擦トルクは、クーロン摩擦トルク及び粘性摩擦トルクのうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。摩擦トルク推定部２５は、モータ１の回転位置情報から算出される角速度を用いてクーロン摩擦トルク及び粘性摩擦トルクを推定することができる。具体的には、摩擦トルク推定部２５は、２つの定常状態からクーロン摩擦トルク及び粘性摩擦係数を導出し、粘性摩擦係数に対して対象のモータ１の角速度を乗じることで、クーロン摩擦トルク及び粘性摩擦トルクをそれぞれ導出することができる。ここで、定常状態とは、モータ１の角速度が一定の状態のことである。

【0032】

温度補正部２６は、摩擦トルクに対して、モータ１の温度情報を用いて、温度補正を行う。温度補正部２６は、所定の温度と摩擦トルクとの対応関係を導出する。温度補正部２６は、当該対応関係と温度検出部１３によって取得された温度情報が示す温度とを用いて、摩擦トルク推定部２５によって推定された摩擦トルクに対して温度補正を行う。

【0033】

例えば、無負荷状態でモータ１を第１の回転速度で回転させ、温度を変更しながら電流値を測定することで、第１の回転速度における電流値と温度変化とにおける対応関係を導出する。次に、モータ１を第１の回転速度とは異なる第２の回転速度で回転させ、温度を変更しながら電流値を測定することで、第２の回転速度における電流値と温度変化とにおける対応関係を導出する。

【0034】

所定の温度において、第１の回転速度及び電流値の関係、並びに第２の回転速度及び電流値の関係の２点が求められているので、これら２点を用いて、所定の温度におけるモータ１の回転速度と電流値との対応関係を求めることができる。ここで、摩擦トルク推定部２５は、モータ１の回転速度から温度補正前の摩擦トルクを推定することができる。また、所定の温度における電流値とモータ１のトルク定数との積は、温度変化を踏まえた摩擦トルクの値となる。

【0035】

以上のことから、温度補正部２６は、所定の温度における温度補正前の摩擦トルクと、温度補正後の摩擦トルクとの関係を１次式で近似した次式を用いて温度補正を行うことができる。

【0036】

［数１］
ｙ＝ａｘ＋ｂ
ｙ：温度補正後の摩擦トルク
ｘ：温度補正前の摩擦トルク
ａ：所定の温度における係数
ｂ：所定の温度における係数

【0037】

例えば、温度補正部２６は、温度検出部１３によって検出された温度が第１の温度である場合には、第１の温度における式ｙ＝ａ_１ｘ＋ｂ_１（ａ_１及びｂ_１は、第１の温度における係数）に対して、ｘに摩擦トルク推定部２５によって推定された温度補正前の摩擦トルクを代入することで、温度補正後の摩擦トルクを推定することができる。

【0038】

同様に、温度補正部２６は、温度検出部１３によって検出された温度が第２の温度である場合には、第２の温度における対応関係ｙ＝ａ_２ｘ＋ｂ_２（ａ_２及びｂ_２は、第２の温度における係数）に対して、ｘに摩擦トルク推定部２５によって推定された温度補正前の摩擦トルクを代入することで、温度補正後の摩擦トルクを推定することができる。これらの第１の温度および第２の温度以外の温度においても、先に説明した温度を変更しながら測定した電流値と温度変化の対応関係から、例えば多項式補間によって係数を求めることができる。なお、これまでに説明した温度補正部２６は摩擦トルクを温度によって補正しているが、温度による補正の効果を摩擦トルク推定部２５に含めて、温度によって変化する摩擦トルクを算出して利用してもよい。これは、摩擦トルクがクーロン摩擦トルク及び粘性摩擦トルクで表される場合は、クーロン摩擦や粘性係数が温度によって変化することになるためである。

【0039】

以上のようにして、温度補正部２６は、温度検出部１３によって取得された温度情報を用いて、摩擦トルクの温度補正を行うことができる。

【0040】

外力推定部２７は、トルク算出部２３によって算出された出力トルクから、慣性トルクと、温度補正後の摩擦トルクと、を減じることで外力を推定する。外力推定部２７は、推定した外力を指令部１０に出力する。

【0041】

以上より、第１の実施形態に係る外力推定装置２２は、温度変化による摩擦トルクの変動を補正することができ、推定する外力の誤差を低減することができる。第１の実施形態に係る外力推定装置２２によれば、モータ制御の精度を向上させることができる。

【0042】

図２に示す第１の実施形態に係る外力推定装置２２では、推定した外力を制御部２１よりも上位の指令部１０に出力している。指令部１０は、外力の方向や大きさに応じて制御ユニット２０を介してモータ１を制御することができ、負荷３を滑らかに動作させることができる。

【0043】

なお、負荷３の加速度がゼロに近い動作をする場合、および負荷３のイナーシャが十分小さい場合には、慣性トルクの影響が極めて小さくなるため、外力推定部２７は、慣性トルクの値をゼロとして外力を推定するようにしてもよい。

【0044】

＜外力推定方法＞
図５を用いて、第１の実施形態に係る外力推定方法について説明する。図５は、第１の実施形態に係る外力推定装置２２の動作を示すフローチャートである。

【0045】

トルク算出部２３は、電流検出部１１によって取得されたモータ１の電流値を用いてモータ１の出力トルクを算出する（ステップＳ１）。慣性トルク推定部２４は、位置検出部１２によって取得されたモータ１の回転位置情報を用いてモータ１の慣性トルクを推定する（ステップＳ２）。なお、上述のように、慣性トルク推定部２４は、逆動力学演算結果を用いて、モータ１の慣性トルクを推定してもよい。これによって重力や遠心力、コリオリ力の影響も考慮することができ、より精度が向上する。

【0046】

摩擦トルク推定部２５は、位置検出部１２から取得された回転位置情報から摩擦トルクを推定する（ステップＳ３）。温度補正部２６は、摩擦トルク推定部２５によって推定された摩擦トルクに対して温度検出部１３によって取得された温度情報を用いて、温度補正を行う（ステップＳ４）。なお、温度補正の方法は、上述の方法で行うことができる。

【0047】

外力推定部２７は、トルク算出部２３によって算出された出力トルクから、慣性トルク推定部２４によって推定された慣性トルクと、温度補正後の摩擦トルクと、を減じることで外力を推定する（ステップＳ５）。その後、外力推定部２７は、推定した外力を指令部１０に出力する。なお、ステップＳ１～ステップＳ３の順序はこれに限らず、任意の順序とすることができる。

【0048】

以上説明したように、第１の実施形態に係る外力推定装置２２によれば、温度変化による摩擦トルクの変動を補正することができ、推定した外力の誤差を低減することができる。第１の実施形態に係る外力推定装置２２によれば、モータ制御の精度を向上させることができ、負荷を滑らかに動作させることができる。

【0049】

＜第２の実施形態＞
図６は、第２の実施形態に係るモータ及び負荷の構成を示す模式図である。図１に比べて、ギアの構成を詳細に示している。モータ１は、ギア５及びギア６を介して負荷３を動作させる。なお、図６では説明を簡単にするためギアの数を２つとしているが、ギア５及びギア６は任意の数及び任意の大きさのものを設けてもよい。

【0050】

モータ１の回転角Θ１は、モータ１の回転方向における角度である。負荷３の回転角Θ２は、負荷３の回転方向における角度である。モータ１の回転角Θ１は、モータ１に設けられた位置検出部１２によって検出される。負荷３の回転角Θ２は、位置検出部１２によって検出されたモータ１の回転角Θ１とギア比とから求めることができる。なお、負荷３側に位置検出部をさらに設けて、負荷３の回転角Θ２を検出するようにしてもよい。
＜外力推定装置の構成＞
図７は、第２の実施形態に係る外力推定装置３０の構成を示すブロック図である。第２の実施形態に係る外力推定装置３０は、トルク算出部２３、慣性トルク推定部２４、摩擦トルク推定部２５、温度補正部２６、外力推定部２７、モータ角度－摩擦変動テーブル２８、負荷角度－摩擦変動テーブル２９を備える。第２の実施形態に係る外力推定装置３０は、第１の実施形態に係る外力推定装置２２に比べて、モータ角度－摩擦変動テーブル２８及び負荷角度－摩擦変動テーブル２９が追加されている。なお、第２の実施形態に係る外力推定装置３０において、第１の実施形態に係る外力推定装置２２と同様の構成要素には同様の符号を付し、適宜詳細な説明を省略する。

【0051】

モータ角度－摩擦変動テーブル２８は、モータ１の回転角Θ１と、当該回転角Θ１に応じて変動する摩擦トルクとの対応関係を記憶するテーブルである。つまり、モータ角度－摩擦変動テーブル２８は、モータ１の回転角Θ１に応じた摩擦トルクの変動分の値が記憶されている。

【0052】

モータ角度－摩擦変動テーブル２８は、モータ１を１回転させたときの電流値を取得し、モータ１の回転角Θ１に応じて区間を分割し、分割した区間の電流値を平均するとともに１回転全体の電流値を平均して、分割区間で平均した電流値から１回転全体の平均を減算した結果にトルク定数を乗じることで作成することができる。

【0053】

表１は、モータ角度－摩擦変動テーブル２８の一例である。

【0054】

【表1】

【0055】

モータ角度－摩擦変動テーブル２８を用いることで、モータ１の回転角Θ１に応じた摩擦トルクが推定される。外力推定部２７は、トルク算出部２３によって算出された出力トルクから、慣性トルクと、温度補正後の摩擦トルクと、モータ角度－摩擦変動テーブル２８を用いて推定される摩擦トルクと、を減じることで外力を推定することができる。外力推定装置３０は、モータ角度－摩擦変動テーブル２８を用いることで、モータ１の回転角Θ１に応じた摩擦トルクの影響を補償することができ、外力の推定誤差を低減することができる。

【0056】

負荷角度－摩擦変動テーブル２９は、負荷３の回転角Θ２と、当該回転角Θ２に応じて変動する摩擦トルクとの対応関係を記憶するテーブルである。つまり、負荷角度－摩擦変動テーブル２９には、負荷３の回転角Θ２に応じた摩擦トルクの変動分の値が記憶されている。

【0057】

負荷角度－摩擦変動テーブル２９は、負荷３を１回転させたときの電流値を取得し、負荷３の回転角Θ２に応じて区間を分割し、分割した区間の電流値を平均するとともに１回転全体の電流値を平均して、分割区間で平均した電流値から１回転全体の平均を減算した結果にトルク定数を乗じることで作成することができる。

【0058】

表２は、負荷角度－摩擦変動テーブル２９の一例である。

【0059】

【表2】

【0060】

外力推定装置３０は、負荷角度－摩擦変動テーブル２９を用いることで、負荷３の回転角Θ２に応じた摩擦トルクを推定することができる。外力推定部２７は、トルク算出部２３によって算出された出力トルクから、慣性トルクと、温度補正後の摩擦トルクと、負荷角度－摩擦変動テーブル２９を用いて推定される摩擦トルクと、を減じることで外力を推定することができる。外力推定装置３０は、負荷角度－摩擦変動テーブル２９を用いることで、負荷３の回転角Θ２に応じた摩擦トルクの影響を補償することができ、外力の推定誤差を低減することができる。

【0061】

さらに、外力推定部２７は、トルク算出部２３によって算出された出力トルクから、慣性トルクと、温度補正後の摩擦トルクと、モータ角度－摩擦変動テーブル２８を用いて推定される摩擦トルクと、負荷角度－摩擦変動テーブル２９を用いて推定される摩擦トルクと、を減じることで外力を推定してもよい。外力推定装置３０は、モータ角度－摩擦変動テーブル２８及び負荷角度－摩擦変動テーブル２９を用いることで、モータ１の回転角Θ１に応じた摩擦トルク及び負荷３の回転角Θ２に応じた摩擦トルクの影響を補償することができ、外力の推定誤差をさらに低減することができる。

【0062】

＜外力推定方法＞
図８を用いて、第２の実施形態に係る外力推定方法について説明する。図８は、第２の実施形態に係る外力推定装置３０の動作を示すフローチャートである。なお、図８のステップＳ１１～ステップＳ１４は、図５ステップＳ１～ステップＳ４と同様であるため説明を省略する。

【0063】

位置検出部１２によって取得されたモータ１の回転角Θ１とモータ角度－摩擦変動テーブル２８とを用いて、摩擦トルクを推定する（ステップＳ１５）。モータ１の回転角Θ１及びギア比から算出される負荷３の回転角Θ２と負荷角度－摩擦変動テーブル２９とを用いて、摩擦トルクを推定する（ステップＳ１６）。なお、ステップＳ１５及びステップＳ１６の順序はこれに限られず、任意の順序であってもよい。

【0064】

外力推定部２７は、トルク算出部２３によって算出された出力トルクから、慣性トルクと、温度補正後の摩擦トルクと、モータ角度－摩擦変動テーブル２８を用いて推定される摩擦トルクと、負荷角度－摩擦変動テーブル２９を用いて推定される摩擦トルクと、を減じることで外力を推定する（ステップＳ１７）。外力推定部２７は、推定した外力を指令部１０に出力する。

【0065】

以上のように、第２の実施形態に係る外力推定装置３０によれば、温度変化による摩擦トルクの変動を補正するだけでなく、モータ１の回転角Θ１及び負荷３の回転角Θ２に応じた摩擦トルクの影響を踏まえて外力を推定することができる。これにより、第２の実施形態に係る外力推定装置３０は、推定した外力の誤差を低減することができ、モータ１に作用する外力の推定値の精度を高めることができる。第２の実施形態に係る外力推定装置３０によれば、モータ制御の精度を向上させることができ、負荷を滑らかに動作させることができる。

【0066】

なお、第２の実施形態に係る外力推定装置３０は、モータ角度－摩擦変動テーブル２８を用いることで、モータ１の回転角Θ１によるコギングトルクの影響を低減し、一般的にモータの定格出力トルクに対して５％程度存在するコギングトルクも一括補償することができる。

【0067】

図９を用いて、第１及び第２の実施形態に係る制御ユニット２０のハードウェア構成例を説明する。なお、指令部１０も制御ユニット２０と同様のハードウェア構成を有していてもよい。また、制御部２１、外力推定装置２２、及び外力推定装置３０が図９に示すハードウェア構成を有していてもよい。図９において制御ユニット２０は、プロセッサ１０１と、メモリ１０２とを有している。プロセッサ１０１は、例えば、マイクロプロセッサ、MPU（Micro Processing Unit）、又はCPU（Central Processing Unit）であってもよい。プロセッサ１０１は、複数のプロセッサを含んでもよい。メモリ１０２は、揮発性メモリ及び不揮発性メモリの組み合わせによって構成される。メモリ１０２は、プロセッサ１０１から離れて配置されたストレージを含んでもよい。この場合、プロセッサ１０１は、図示されていない入出力インタフェースを介してメモリ１０２にアクセスしてもよい。

【0068】

また、上述の実施形態における各装置は、ハードウェア又はソフトウェア、もしくはその両方によって構成され、１つのハードウェア又はソフトウェアから構成してもよいし、複数のハードウェア又はソフトウェアから構成してもよい。上述の実施形態における各装置の機能（処理）を、コンピュータにより実現してもよい。例えば、メモリ１０２に実施形態における動作を行うためのプログラムを格納し、各機能を、メモリ１０２に格納されたプログラムをプロセッサ１０１で実行することにより実現してもよい。

【0069】

本実施形態に係るプログラムは、モータに作用する外力を推定するための外力推定プログラムであって、モータに供給される電流値を用いて、モータの出力トルクを算出し、モータの回転位置情報を用いて、モータの慣性トルク及びモータの摩擦トルクを推定し、推定された摩擦トルクに対して、モータの温度情報を用いて、温度補正し、算出された出力トルクから、慣性トルクと、温度補正後の摩擦トルクと、を減じることで外力を推定する、処理をコンピュータに実行させるための外力推定プログラムである。

【0070】

プログラムは、コンピュータに読み込まれた場合に、実施形態で説明された１又はそれ以上の機能をコンピュータに行わせるための命令群（又はソフトウェアコード）を含む。プログラムは、非一時的なコンピュータ可読媒体又は実体のある記憶媒体に格納されてもよい。限定ではなく例として、コンピュータ可読媒体又は実体のある記憶媒体は、random-access memory（RAM）、read-only memory（ROM）、フラッシュメモリ、solid-state drive（SSD）又はその他のメモリ技術、CD-ROM、digital versatile disk（DVD）、Blu-ray（登録商標）ディスク又はその他の光ディスクストレージ、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスクストレージ又はその他の磁気ストレージデバイスを含む。プログラムは、一時的なコンピュータ可読媒体又は通信媒体上で送信されてもよい。限定ではなく例として、一時的なコンピュータ可読媒体又は通信媒体は、電気的、光学的、音響的、またはその他の形式の伝搬信号を含む。

【0071】

本実施形態に係る外力推定装置２２及び外力推定装置３０は、例えばパートナーロボット、協働ロボット、アシストロボット、サービスロボットなどのロボットに限らず、自動車におけるセンサレスのパワーステアリング技術、自動開閉ドアなどにも適用することができる。

【0072】

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

【符号の説明】

【0073】

１ モータ
２ ギア
３ 負荷
４ 固定部
５ ギア
６ ギア
１０ 指令部
１１ 電流検出部
１２ 位置検出部
１３ 温度検出部
２０ 制御ユニット
２１ 制御部
２２ 外力推定装置
２３ トルク算出部
２４ 慣性トルク推定部
２５ 摩擦トルク推定部
２６ 温度補正部
２７ 外力推定部
２８ モータ角度－摩擦変動テーブル
２９ 負荷角度－摩擦変動テーブル
３０ 外力推定装置
１００ 制御系
１０１ プロセッサ
１０２ メモリ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】