WO2011067976A1 - 動力装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

　アクチュエータ（２）と被動要素（５）との間の動力伝達系に弾性特性を有する減速機（３）とばね部材（４）とを有する動力装置（１）において、ばね部材（４）の入力部（４ａ）の変位速度の推定値ω1_e と被動要素（５）の変位速度の推定値ω2_e との偏差Δω12 と、ばね部材（４）の入力部（４ａ）と被動要素（５）の変位差の計測値θdef_s と被動要素（５）の目標駆動力τref に対応する当該変位差の目標値θdef_cmd との偏差Δθdef とをそれぞれローパスフィルタに通してなる値の線形結合値に応じて、アクチュエータ（２）の動作目標を決定する。

Description

動力装置の制御装置

　本発明は、ロボットのリンク等の被動要素にアクチュエータから付与する駆動力を制御する装置に関する。

　ロボットの関節機構を駆動する動力装置においては、関節機構に柔軟性を持たせるために、アクチュエータの動力出力部と関節機構の被動要素との間にばね部材を介装したものが知られている。

　例えば、特許文献１には、モータの回転駆動力を、プーリ及び減速機と、ダンパ及びばねから成る減衰要素・弾性要素系とを順に介してロボットアームのリンクに伝達するように構成された動力装置が記載されている。そして、この特許文献１に見られる技術では、目標リンク角や、リンク角の計測値、モータの回転角度の計測値に基づいてモータの目標トルクを決定し、この目標トルクによりモータの出力トルクを制御する。この場合、モータの目標トルクは、フィードフォワード値に、目標リンク角とリンク角計測値との偏差に応じたフィードバック値を加えることによって決定される。

特開２００５－３４９５５５号公報

　ところで、上記の如き動力装置では、モータ等のアクチュエータと被動要素との間の動力伝達系の減速機として、ハーモニックドライブ（登録商標）等の波動歯車装置が使用されることが多い。

　この種の波動歯車装置は、その構造上、該装置の動力伝達系に若干の弾性特性を有する。従って、アクチュエータの動力を波動歯車装置とばね部材とを介して被動要素に伝達する動力装置では、その動力伝達系にばね部材だけでなく、波動歯車装置も弾性特性を有する要素、すなわち振動し易い要素として含まれることとなる。このため、このような動力装置では、共振現象等に起因する振動が発生し易く、ひいては、被動要素にアクチュエータから伝達する駆動力の振動が発生し易い。従って、被動要素に伝達する駆動力を目標とする駆動力に適切に制御するためには、波動歯車装置とばね部材との両方の弾性特性に起因する駆動力の振動を効果的に抑制する必要がある。

　この場合、前記特許文献１に見られる技術では、ばね部材の弾性特性に起因する振動を抑制するための配慮はなされているものの、モータとロボットのリンクとの間に減速機として含まれる波動歯車装置の弾性特性に対する考慮がなされていない。このため、モータとリンクとの間の動力伝達系の振動、ひいては、リンクの駆動トルクの振動を十分に抑制できない状況が発生しやすいという不都合がある。

　本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、アクチュエータと被動要素との間の動力伝達系に、弾性特性を有する２つの動力伝達要素が含まれる動力装置において、アクチュエータから被動要素に伝達される駆動力の振動を効果的に抑制しつつ、目標とする駆動力を安定に被動要素に付与することができる動力装置の制御装置を提供することを目的とする。

　本発明の動力装置の制御装置は、かかる目的を達成するために、アクチュエータと、該アクチュエータの動力出力部に入力部が連結された弾性特性を有する第１動力伝達要素と、該第１動力伝達要素の出力部に入力部が連結され、該入力部に付与される動力を弾性力に変換して出力する第２動力伝達要素と、該第２動力伝達要素の出力部に連結され、前記アクチュエータから第１動力伝達要素及び第２動力伝達要素を介して伝達される駆動力によって運動動作を行なう被動要素とを備え、前記第１動力伝達要素が第２動力伝達要素よりも高剛性の弾性特性を有する動力装置において、前記被動要素にアクチュエータから実際に付与される駆動力を目標駆動力に制御する制御装置であって、
　前記第２動力伝達要素の入力部の実際の変位位置の計測値を示す出力を生成する一次側変位位置計測手段と、
　前記被動要素の実際の変位位置の計測値を示す出力を生成する二次側変位位置計測手段と、
　前記第２動力伝達要素の入力部の実際の変位位置と前記被動要素の実際の変位位置との差である一次側・二次側間変位差の計測値を示す出力を生成する一次側・二次側間変位差計測手段と、
　前記第２動力伝達要素の入力部の実際の変位速度である一次側変位速度の推定値を、少なくとも前記一次側変位位置の計測値に基づいて生成する一次側変位速度推定手段と、
　前記被動要素の実際の変位速度である二次側変位速度の推定値を、少なくとも前記二次側変位位置の計測値に基づいて生成する二次側変位速度推定手段と、
　前記二次側変位速度の計測値と前記一次側変位速度の計測値との偏差にローパス特性のフィルタリング処理を施してなる第１フィルタリング値を生成する第１フィルタリング手段と、
　前記一次側・二次側間変位差の計測値と該一次側・二次側間変位差の計測値を前記第２動力伝達要素が発生する弾性力に換算してなる弾性力換算値とのうちのいずれか一方である弾性計測量の値と、前記目標駆動力により規定される該弾性計測量の目標値との偏差にローパス特性のフィルタリング処理を施してなる第２フィルタリング値を生成する第２フィルタリング手段と、
　前記第１フィルタリング値と第２フィルタリング値との線形結合値に応じて前記アクチュエータの動作を規定する動作目標を決定するアクチュエータ動作目標決定手段と、
　前記決定された動作目標に応じて前記アクチュエータの動作を制御するアクチュエータ制御手段とを備えたことを特徴とする（第１発明）。

　なお、前記アクチュエータが出力する動力や、被動要素に付与する駆動力は、回転力（トルク）と並進力とのいずれであってもよい。

　かかる第１発明によれば、前記第１フィルタリング手段により生成された第１フィルタリング値と第２フィルタリング手段により生成された第２フィルタリング値との線形結合値に応じて前記動作目標が決定される。そして、この動作目標に応じて前記アクチュエータの動作が制御される。

　ここで、前記第１フィルタリング手段によりローパス特性のフィルタリング処理を施す対象は、前記二次側変位速度の計測値と前記一次側変位速度の計測値との偏差、すなわち、第１動力伝達要素の出力部に連結されている第２動力伝達要素の入力部の変位速度と、第２動力伝達要素の出力部に連結されている被動要素の変位速度との偏差である。従って、第１フィルタリング手段によりローパス特性のフィルタリング処理を施す対象は、第２動力伝達要素から被動要素に実際に付与される弾性力の時間的な変化率に応じたものとなる。

　また、前記第２フィルタリング手段によりローパス特性のフィルタリング処理を施す対象は、前記一次側・二次側間変位差の計測値と前記目標駆動力により規定される一次側・二次側間変位差の目標値との偏差、あるいは、前記一次側・二次側間変位差の計測値を前記第２動力伝達要素が発生する弾性力に換算してなる弾性力換算値と該弾性力の目標値（すなわち前記目標駆動力）との偏差である。従って、第２フィルタリング手段によりローパス特性のフィルタリング処理を施す対象は、第２動力伝達要素から被動要素に実際に付与される弾性力の、目標駆動力に対する誤差に応じたものとなる。

　なお、第２動力伝達要素が発生する弾性力と一次側・二次側間変位差との間の関係は該第２動力伝達要素の弾性特性に依存する既定の関係となるので、該関係に基づいて一次側・二次側間変位差の計測値を第２動力伝達要素の弾性力に換算したり、あるいは、前記目標駆動力を一次側・二次側間変位差の目標値に換算することができる。

　補足すると、第１フィルタリング手段及び第２フィルタリング手段のそれぞれのフィルタリング処理は、該フィルタリング処理の対象に、ある所定値のゲインを乗じる処理を含んでいてもよい。

　上記のように第１フィルタリング手段によりローパス特性のフィルタリング処理を施す対象は、第２動力伝達要素から被動要素に実際に付与される弾性力の時間的な変化率に応じたものとなる。また。第２フィルタリング手段によりローパス特性のフィルタリング処理を施す対象は、第２動力伝達要素から被動要素に実際に付与される弾性力の、目標駆動力に対する誤差に応じたものとなる。

　また、第１フィルタリング手段及び第２フィルタリング手段は、それぞれのフィルタリング処理のカットオフ周波数やゲインを個別に設定できる。

　このため、第１フィルタリング手段及び第２フィルタリング手段は、それぞれのフィルタリング処理のカットオフ周波数やゲインを適切に設定しておくことによって、アクチュエータから被動要素に伝達される駆動力が、第１動力伝達要素及び第２動力伝達要素の両方の弾性特性に起因して振動するのを効果的に抑制し得るように前記動作目標を決定できる。

　従って、第１発明によれば、アクチュエータから被動要素に伝達される駆動力の振動を効果的に抑制しつつ、被動要素に付与する駆動力を目標駆動力に安定に制御できる。

　上記第１発明では、弾性特性を有する第１動力伝達要素や第２動力伝達要素は、アクチュエータの種別や、被動要素の運動形態などに応じて種々様々な態様を採ることができる。その代表的な態様の一例としては、前記第１動力伝達要素が減速機であり、前記第２動力伝達要素がばね部材であるという態様が挙げられる（第２発明）。

　この第２発明における動力装置は、アクチュエータが出力する動力を、減速機とばね部材とを順に介して被動要素に伝達するという構造のものであるので、本発明の汎用性を高めることができる。

　この場合、ばね部材に比して高剛性の弾性特性を有する減速機の代表的な例としては、ハーモニックドライブ（登録商標）等の波動歯車装置が挙げられる。また、ばね部材の代表的な例としては、コイルばねやトーションバーが挙げられる。

　なお、減速機は、回転力から並進力への変換、又は並進力から回転力への変換を行なう機構を含んでいてもよい。また、減速機は、例えば、波動歯車装置に加えて、例えば複数のギヤを噛合させた構造の動力伝達機構や、スプロケットとチェーンとを組み合わせた構造の動力伝達機構等を含んでいてもよい。 

　また、第２動力伝達要素は、ばね部材として機能する起歪体を備えるトルクセンサ等の力センサにより構成されるものであってもよい。

　上記第１発明又は第２発明では、基本的には、二次側変位速度の推定値を、前記二次側変位位置の計測値の１階微分値（時間による１階微分値）に追従させるように生成することが望ましい。

　この場合、二次側変位速度の推定値の生成に関するより具体的な態様としては、次のような態様を採用することができる。

　すなわち、その１つの態様では、前記二次側変位速度推定手段は、前記二次側変位位置の計測値の１階微分値にローパス特性のフィルタリング処理を施してなる値を前記二次側変位速度の推定値として生成する手段として構成される（第３発明）。

　この第３発明によれば、前記二次側変位位置の計測値の１階微分値にローパス特性のフィルタリング処理を施してなる値、すなわち、該１階微分値から高周波成分を除去した値が二次側変位速度の推定値として生成される。これにより、二次側変位速度の推定値を、該推定値の過剰な変動を生じないようにしつつ、前記二次側変位位置の計測値の１階微分値に追従させるように生成できる。

　なお、この第３発明では、二次側変位位置の計測値の１階微分値に施すローパス特性のフィルタリング処理におけるカットオフ周波数は、第１動力伝達要素の弾性特性に起因する振動成分（共振周波数成分）と第２動力伝達要素の弾性特性に起因する振動成分（共振周波数成分）とを該１階微分値から除去し得るように設定しておくことが好ましい。この場合、第１動力伝達要素の弾性特性は、第２動力伝達要素の弾性特性よりも高剛性な弾性特性であるので、一般には、第１動力伝達要素の弾性特性に起因する振動成分は、第２動力伝達要素の弾性特性に起因する振動成分よりも高周波となる。従って、上記カットオフ周波数を、第２動力伝達要素の弾性特性に起因する振動成分よりも低い周波数に設定すれば、結果的に第１動力伝達要素の弾性特性に起因する振動成分も除去できることとなる。

　また、前記二次側変位速度の推定値の生成に関する他の１つの態様では、少なくとも前記一次側・二次側間変位差の計測値に基づいて、前記被動要素に実際に作用している力である被動要素作用力を推定し、該被動要素作用力の推定値の積分値に比例する値を前記二次側変位速度の基本推定値として生成する二次側変位速度基本推定値生成手段と、前記二次側変位位置の計測値の１階微分値にローパス特性のフィルタリング処理を施してなる値である二次側変位速度フィルタリング値を生成する第３フィルタリング手段とをさらに備える。そして、前記二次側変位速度推定手段は、前記二次側変位位置フィルタリング値と生成済の二次側変位速度の推定値との偏差に応じて、フィードバック制御則により該偏差を“０”に収束させるように前記二次側変位速度の基本推定値の補正操作量を算出し、その補正操作量により該基本推定値を補正してなる値を二次側変位速度の推定値として生成する手段として構成される（第４発明）。

　この第４発明によれば、前記二次側変位速度基本推定値生成手段が前記被動要素作用力の推定値の積分値に比例する値（該積分値に所定値の比例定数を乗じた値）として生成する二次側変位速度の基本推定値は、被動要素作用力と被動要素の運動との間の動力学的な関係（モデル）に基づく二次側変位速度の近似的な推定値としての意味を持つ。

　すなわち、被動要素の運動加速度（回転角速度又は並進加速度）と、被動要素作用力との間の関係は動力学的に比例関係になるので、被動要素作用力の積分値が、被動要素の変位速度、すなわち、二次側変位速度に比例することとなる。また、被動要素には、少なくとも第２動力伝達要素が発生する弾性力が作用するので、少なくとも前記一次側・二次側間変位差の計測値に基づいて前記被動要素作用力を推定できる。従って、前記二次側変位速度基本推定値生成手段の処理により、二次側変位速度の基本推定値を生成できる。

　なお、この場合、二次側変位速度の基本推定値は、被動要素作用力の積分値に比例する値であるので、該基本推定値の過剰な変動が抑制される。

　そして、第４発明では、二次側変位速度推定手段は、上記基本推定値を、前記補正操作量により補正してなる値を二次側変位速度の推定値として生成する。この場合、補正操作量は、前記二次側変位位置の計測値の１階微分値にローパス特性のフィルタリング処理を施してなる値である二次側変位速度フィルタリング値と生成済の二次側変位速度の推定値（好適には生成済の二次側変位速度の推定値の最新値）との偏差に応じて、フィードバック制御則により該偏差を“０”に収束させるように算出される。

　これにより、二次側変位速度の推定値を、該推定値の過剰な変動を生じないようにしつつ、前記二次側変位位置の計測値の１階微分値に追従させるように生成できる。この場合、第４発明では、前記基本推定値が、二次側変位速度のフィードフォワード推定値として機能するため、二次側変位位置の計測誤差等の影響を少なくして、二次側変位速度の推定値の信頼性と安定性とを高めることができる。

　なお、第４発明では、二次側変位位置の計測値の１階微分値に施すローパス特性のフィルタリング処理におけるカットオフ周波数は、第３発明の場合と同様に、第１動力伝達要素の弾性特性に起因する振動成分と第２動力伝達要素の弾性特性に起因する振動成分とを該１階微分値から除去し得るように設定しておくことが好ましい。

　上記第４発明では、前記第２動力伝達要素が発生する弾性力以外で被動要素に作用する外力（摩擦力を含む）が“０”であるか、もしくは該弾性力に比して十分に微小であるような場合には、前記二次側変位速度基本推定値生成手段における前記被動要素作用力の推定に関しては、例えば前記一次側・二次側間変位差の計測値を前記第２動力伝達要素が発生する弾性力に換算してなる弾性力換算値を前記被動要素作用力の推定値として生成すればよい。

　ただし、一般的には第２動力伝達要素が発生する弾性力以外で被動要素に作用する外力が比較的大きなものとなる場合がある。そして、このような外力が、被動要素に作用するような場合には、該外力を加味して被動要素作用力の推定を行なうことが望ましい。

　この場合、該被動要素外力の推定に関しては、前記二次側変位速度基本推定値生成手段は、前記一次側・二次側間変位差の計測値を前記第２動力伝達要素が発生する弾性力に換算してなる弾性力換算値を生成する手段と、該弾性力換算値にローパス特性のフィルタリング処理を施してなる弾性力フィルタリング値と、前記二次側変位位置の計測値の２階微分値を前記被動要素に作用している力に換算してなる値にローパス特性のフィルタリング処理を施してなる作用力基本フィルタリング値との偏差である力偏差を算出する手段と、前記力偏差に応じて前記弾性力換算値を補正することによって前記被動要素作用力の推定値を算出する手段とを備えることが好ましい（第５発明）。

　この第５発明によれば、二次側変位速度基本推定値生成手段は、前記弾性力フィルタリング値と、前記作用力基本フィルタリング値との偏差である力偏差を算出する。

　ここで、前記したように、被動要素の運動加速度（回転角速度又は並進加速度）と、被動要素作用力との間の動力学的な関係は比例関係になるので、前記二次側変位速度の計測値の２階微分値は、基本的には、被動要素作用力に比例する。従って、基本的には、前記一次側・二次側間変位差の計測値を前記第２動力伝達要素が発生する弾性力に換算してなる弾性力換算値と、前記二次側変位位置の計測値の２階微分値を前記被動要素に作用している力に換算してなる値（該２階微分値に所定値の比例定数を乗じてなる値）との偏差が、第２動力伝達要素が発生する弾性力以外で被動要素に作用している外力に相当するものとなる。

　ただし、二次側変位位置の計測値の２階微分値は、二次側変位速度の計測誤差の影響を受け易い。そこで、第５発明では、二次側変位速度基本推定値生成手段は、上記弾性力換算値にローパス特性のフィルタリング処理を施してなる弾性力フィルタリング値と、前記二次側変位位置の計測値の２階微分値を前記被動要素に作用している力に換算してなる値にローパス特性のフィルタリング処理を施してなる作用力基本フィルタリング値との偏差である力偏差を上記外力の推定値に相当するものとして算出する。これにより、上記外力の推定値に相当するものとして信頼性の高い前記力偏差を、過剰な変動を生じたりしないように算出することができる。

　そして、二次側変位速度基本推定値生成手段は、この力偏差に応じて前記弾性力換算値を補正することによって、前記被動要素作用力の推定値を算出する。この場合、弾性力換算値の補正は、例えば、前記力偏差に所定値のゲイン（“１”以下のゲイン）を乗じた値を、該弾性力換算値に加えることによって行なうことができる。

　第５発明では、二次側変位速度基本推定値生成手段は、このように算出した被動要素作用力の推定値の積分値に比例する値を前記基本推定値として生成する。この場合、被動要素作用力の推定値は、第２動力伝達要素が発生する弾性力以外で被動要素に作用する外力が加味された推定値であるので、前記基本推定値の、実際の二次側変位速度に対する誤差を小さくできる。ひいては、二次側変位速度推定手段が生成する二次側変位速度の推定値の信頼性と安定性とをより一層高めることができる。

　補足すると、第５発明において、上記弾性力換算値と、二次側変位位置の計測値の２階微分値を被動要素に作用している力に換算してなる値とにそれぞれ施すローパス特性のフィルタリング処理は、そのカットオフ周波数等の周波数特性が同一であること（ほぼ同一である場合を含む）が望ましい。この場合、前記弾性力フィルタリング値と作用力基本フィルタリング値との偏差を算出する処理は、上記弾性力換算値と、二次側変位位置の計測値の２階微分値を被動要素に作用している力に換算してなる値との偏差を算出した上で、その偏差にローパス特性のフィルタリング処理を施す処理と等価である。

　また、第５発明において、上記弾性力換算値と、二次側変位位置の計測値の２階微分値を被動要素に作用している力に換算してなる値とにそれぞれ施すローパス特性のフィルタリング処理におけるカットオフ周波数と、二次側変位位置の計測値の１階微分値に施すローパス特性のフィルタリング処理におけるカットオフ周波数とは、第１動力伝達要素の弾性力特性に起因する振動成分と第２動力伝達要素の弾性特性に起因する振動成分とを除去し得るように設定しておくことが好ましい。これらのカットオフ周波数は、前記第３フィルタリング手段のフィルタリング処理のカットオフ周波数と異なっていてもよい。

　上記第１～第５発明では、前記一次側変位速度の推定値についても、該一次側変位速度の推定値を、前記一次側変位位置の計測値の１階微分値に追従させるように生成することが望ましい。

　この場合、より具体的な態様としては、例えば次のような態様を採用できる。すなわち、前記動作目標を実現するために、前記アクチュエータの動力出力部から出力すべき目標動力を規定する動力目標パラメータを少なくとも該動作目標に応じて生成する動力目標パラメータ生成手段と、該動力目標パラメータにより規定される目標動力にローパス特性のフィルタリング処理を施してなる目標動力フィルタリング値を生成する目標動力フィルタリング手段と、前記一次側変位位置の計測値の１階微分値と生成済の前記位置側変位速度の推定値との偏差に応じて、該偏差をフィードバック制御則により“０”に収束させるように前記目標動力フィルタリング値の補正操作量を算出し、該補正操作量により該目標動力フィルタリング値を補正する補正手段とを備える。そして、前記一次側変位速度推定手段は、該補正手段による前記目標動力フィルタリング値の補正後の値の積分値に比例する値を前記一次側変位速度の推定値として生成する手段として構成される（第６発明）。

　この第６発明によれば、前記目標動力フィルタリング手段が生成する目標動力フィルタリング値、すなわち、前記動力目標パラメータにより規定される目標動力にローパス特性のフィルタリング処理を施してなる値は、アクチュエータがその動力出力部から実際に出力する動力の近似的な推定値に相当するものとなる。

　さらに、第６発明では、前記一次側変位位置の計測値の１階微分値と生成済の前記位置側変位速度の推定値（好適には生成済の前記位置側変位速度の推定値のうちの最新値）との偏差に応じて、該偏差をフィードバック制御則により“０”に収束させるように前記補正手段が算出した補正操作量によって上記目標動力フィルタリング値が補正される。そして、この補正後の値が、アクチュエータがその動力出力部から実際に出力する動力の推定値に相当するものとして得られる。

　ここで、アクチュエータが出力する動力と、第１動力伝達要素の出力部の運動加速度との間の関係は、動力学的に比例関係になるので、アクチュエータが出力する動力の積分値が、一次側変位速度に比例することとなる。そこで、一次側変位速度推定手段は、上記目標動力フィルタリング値の補正後の値の積分値に比例する値（該積分値に所定値の比例定数を乗じた値）を前記一次側変位速度の推定値として生成する。

　これにより、二次側変位速度の推定値を、前記二次側変位位置の計測値の１階微分値に追従させるように生成できる。この場合、一次側変位速度の推定値は、目標動力フィルタリング値の補正後の値の積分値に比例する値であるので、該推定値の過剰な変動が抑制される。

　なお、第６発明において、前記アクチュエータ制御手段が、前記動作目標に応じてアクチュエータの動力出力部から出力すべき目標動力を決定した上で、該目標動力に応じてアクチュエータの動作制御を行うように構成されている場合には、前記動力目標パラメータ生成手段を、アクチュエータ制御手段に含めることができる。

　補足すると、以上説明した第１～第６発明において、前記アクチュエータが例えば電動モータである場合には、前記アクチュエータ動作目標決定手段により決定する動作目標として、例えば、該電動モータの動力出力部の変位速度（例えば出力軸の回転角速度）の目標値、又はこの目標値を第１動力伝達要素の出力部の変位速度に変換してなる目標値を用いることができる。

　なお、電動モータは、回転型のモータとリニアモータとのいずれであってもよい。そして、この場合、電動モータの動力出力部の変位速度の目標値と、前記一次側変位速度の推定値を電動モータの動力出力部の変位速度に変換してなる値との偏差、あるいは、電動モータの動力出力部の変位速度の目標値を第１動力伝達要素の出力部の変位速度に変換してなる目標値と、前記一次側変位速度の推定値との偏差をフィードバック制御則により“０”に収束させるように、電動モータが出力するトルク等の動力の目標値を前記動力目標パラメータとして決定し、この目標値に応じて電動モータの動作を制御することが望ましい。

　なお、第１動力伝達要素は、第２動力伝達要素に比して高剛性の弾性特性を有するので、前記アクチュエータの動力出力部の変位速度（第１動力伝達要素の入力部の変位速度）と、第１動力伝達要素の出力部の変位速度（１次側変位速度）との間の関係は、ほぼ第１動力伝達要素の減速比に依存する比例関係になる。従って、前記アクチュエータとしての電動モータの動力出力部の変位速度（第１動力伝達要素の入力部の変位速度）と、第１動力伝達要素の出力部の変位速度（１次側変位速度）とのうちの一方の変位速度から他方の変位速度への変換は、第１動力伝達要素の減速比に応じて行なうことができる。

本発明の一実施形態における動力装置の構成を模式的に示す図。 図１の動力装置の制御装置の機能的構成を示すブロック図。 図２に示す一次側角速度推定部の機能的構成を示すブロック図。 図２に示す二次側角速度推定部の機能的構成を示すブロック図。 図５（ａ）は実施例における動力装置の駆動トルクの制御特性を例示するグラフ、図５（ｂ）は比較例における動力装置の駆動トルクの制御特性を例示するグラフ。

　本発明の一実施形態を図１～図４を参照して説明する。

　図１を参照して、本実施形態の動力装置１は、電動モータ２により被動要素としての被動回転部材５を回転駆動する装置であり、電動モータ２と被動回転部材５との間の動力伝達系に減速機３と、ばね部材であるトーションバー４とを備える。

　なお、本実施形態では、上記電動モータ２、減速機３、トーションバー４はそれぞれ本発明におけるアクチュエータ、第１動力伝達要素、第２動力伝達要素に相当するものである。また、被動回転部材５の一例としては、例えばロボットの関節の構成要素（関節軸周りに回転自在なリンク部材）が挙げられる。

　電動モータ２の動力出力部としての出力軸２ｂには、該出力軸２ｂと一体に回転し得るように減速機３の入力軸（入力部）３ａが連結されている。また、この減速機３の出力軸（出力部）３ｂには、該出力軸３ｂと一体に回転し得るようにトーションバー４の入力側端部（入力部）４ａが連結されている。さらに、トーションバー４の出力側端部（出力部）４ｂには、該出力側端部４ｂと一体に回転し得るように被動回転部材５が連結されている。

　なお、本実施形態では、減速機３の出力軸３ｂとトーションバー４との連結箇所、並びに、トーションバー４と被動回転部材５との連結箇所には、トーションバー４の軸方向で互いに相対向する円板１１ａ，１１ｂが装着されている。これらの円板１１ａ，１１ｂは、後述する差分エンコーダ１１の構成要素であり、それぞれ、トーションバー４の入力側端部４ａ、出力側端部４ｂと一体に回転するように設けられている。

　以上の動力装置１の構成により、電動モータ２がその出力軸２ｂに発生する回転駆動力（トルク）は、減速機３とトーションバー４とを順に介して被動回転部材５に伝達される。これにより、被動回転部材５の動作（回転運動）が行なわれる。

　この場合、電動モータ２から減速機３を介してトーションバー４に伝達される回転駆動力は、該トーションバー４で弾性力（ねじり力）に変換され、この弾性力が被動回転部材５に対する回転駆動力として該被動回転部材５に付与される。また、減速機３は、本実施形態では例えばハーモニックドライブ（登録商標）等の波動歯車装置であり、その入力軸３ａと出力軸３ｂとの間の動力伝達系に弾性特性を有する。ただし、該減速機３が有する弾性特性は、トーションバー４の弾性特性に比して高剛性なものである。

　本実施形態では、以上の構成の動力装置１において、電動モータ２から被動回転部材５に実際に伝達されるトルク（回転駆動力）、すなわち、トーションバー４から被動回転部材５に実際に付与されるトルクが目標とするトルクになるように電動モータ２の運転制御を行う。

　この運転制御のために、本実施形態のシステムでは、電動モータ２に装着されたロータリエンコーダ１０と、減速機３と被動回転部材５との間に配置された差分エンコーダ１１とがセンサとして備えられていると共に、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を含む制御装置１２が備えられている。

　ロータリエンコーダ１０は、電動モータ２の出力軸２ｂの回転角度（基準の回転位置からの回転量）をセンシングするものであり、該回転角度に応じた信号を出力する。

　差分エンコーダ１１は、トーションバー４の入力側端部４ａと出力側端部４ｂとの間の回転角度差（すなわちトーションバー４の両端部間のねじり角）をセンシングするものであり、前記円板１１ａ，１１ｂを有する。そして、差分エンコーダ１１は、円板１１ａ，円板１１ｂ間の相対的な回転角度（トーションバー４のねじれが発生していない状態を基準とする回転角度）に応じた信号を、上記回転角度差に応じた信号として出力する。

　制御装置１２には、上記ロータリーエンコーダ１０及び差分エンコーダ１１の検出信号が入力されると共に、被動回転部材５に付与すべき駆動トルクの目標値である目標駆動トルクτrefが外部から逐次入力されるようになっている。そして、制御装置１２は、これらの入力を基に電動モータ２の運転制御を行う。

　以下に、制御装置１２が実行する制御処理の詳細を説明する。

　図２を参照して、制御装置１２は、実装されるプログラム等により実現される機能的構成として、トーションバー４の入力側端部４ａの回転角度（＝減速機３の出力軸３ｂの回転角度）としての一次側回転角度θ1の計測値θ1_sを逐次生成する一次側角度計測処理部２０と、被動回転部材５の回転角度（＝トーションバー４の出力側端部４ｂの回転角度）としての二次側回転角度θ2の計測値θ2_sを逐次生成する二次側角度計測処理部２１と、上記一次側回転角度θ1と二次側回転角度θ2との偏差である一次側・二次側間角度差θdef（＝θ1－θ2）の計測値θdef_sを逐次生成する一次側・二次側間角度差計測処理部２２とを備える。

　なお、一次側・二次側間角度差θdefは、トーションバー４のねじりが発生していない状態を基準状態とし、該基準状態での一次側・二次側間角度差θdefを“０”とする。従って、該基準状態では、一次側回転角度θ1と二次側回転角度θ2とは互いに一致する。

　また、制御装置１２は、トーションバー４の入力側端部４ａの回転角速度としての一次側回転角速度ω1の推定値ω1_eを逐次生成する一次側角速度推定部２３と、被動回転部材５の回転角速度としての二次側回転角速度ω2の推定値ω2_sを逐次生成する二次側角速度推定部２４と、電動モータ２の動作を規定する動作目標を逐次決定するモータ動作目標決定部２５と、この動作目標に応じて電動モータ２の運転制御を行うモータ制御部２６とを備える。

　制御装置１２は、上記の各機能部の処理を、以下に説明する如く、所定の演算処理周期で逐次実行する。

　すなわち、制御装置１２は、まず、一次側角度計測処理部２０、一次側・二次側間角度差計測処理部２２及び二次側角度計測処理部２１の処理を実行する。

　この場合、一次側角度計測処理部２０には、ロータリエンコーダ１０の検出信号が入力される。そして、一次側角度計測処理部２０は、入力された検出信号から直接的に認識される電動モータ２の出力軸２ｂの回転角度値を、減速機３の減速比Ｒで除算してなる値を、一次側回転角度計測値θ1_sとして生成する。

　また、前記一次側・二次側間角度差計測処理部２２には、前記差分エンコーダ１１の検出信号が入力される。そして、一次側・二次側間角度差計測処理部２２は、入力された検出信号から直接的に認識される前記円板１１ａ，１１ｂ間の回転角度差の値を、一次側・二次側間回転角度差計測値θdef_sとして生成する。

　また、前記二次側角度計測処理部２１には、一次側角度計測処理部２０及び一次側・二次側間角度差計測処理部２２でそれぞれ上記の如く生成された計測値θ1_s，θdef_sが入力される。そして、二次側角度計測処理部２１は、一次側回転角度計測値θ1_sから一次側・二次側間回転角度差計測値θdef_sを差し引いた値（＝θ1_s－θdef_s）を二次側回転角度計測値θ2_sとして生成する。

　補足すると、電動モータ２の出力軸２ｂの回転角度又は一次側回転角度θ1と、一次側・二次側間回転角度差θdefと、二次側回転角度θ2とのうちの任意の２つを適宜のセンサを用いてセンシングすれば、それらのセンシング信号から、上記の３種類の計測値θ1_s，θ2_s，θdef_sを得ることができる。従って、３種類の計測値θ1_s，θ2_s，θdef_sを得るためのセンシング対象の組合せは、電動モータ２の出力軸２ｂの回転角度と一次側・二次側間回転角度差θdefとの組以外の組合せであってもよい。

　あるいは、一次側回転角度θ1と、一次側・二次側間回転角度差θdefと、二次側回転角度θ2とをそれぞれ個別にセンシングするようにしてもよい。

　なお、本実施形態では、上記一次側角度計測処理部２０、二次側角度計測処理部２１、一次側・二次側間角度差計測処理部２２が、それぞれ本発明における一次側変位位置計測手段、二次側変位位置計測手段、一次側・二次側間変位差計測手段に相当する。この場合、一次側回転角度θ1、二次側回転角度θ2、一次側・二次側間角度差θdefとが、それぞれ、本発明における一次側変位位置、二次側変位位置、一次側・二次側間変位差に相当する。

　制御装置１２は、次に、一次側角速度推定部２３及び二次側角速度推定部２４の処理を実行する。これらの推定部２３，２４は、被動回転部材５に電動モータ２から伝達される回転駆動力が減速機３やトーションバー４の弾性特性に起因して振動したり、あるいは、当該回転駆動力の収束性（目標値に対する収束性）等が摩擦等の外乱要因に起因して低下するのを防止するために、周波数成分の調整等を行いつつ、一次側回転角速度推定値θ1_eと二次側回転角速度推定値θ2_eとを逐次生成する。

　まず、一次側角速度推定部２３の処理に関して説明すると、該一次側角速度推定部２３には、一次側角度計測処理部２０から一次側回転角度計測値θ1_sの最新値が逐次入力されると共に、モータ制御部２６がその制御処理（詳細は後述する）で既に生成した動力目標パラメータとしての電動モータ２の出力トルクの目標値τm_cmd（以下、目標モータトルクτm_cmdという）のうちの最新値が逐次入力される。

　そして、一次側角速度推定部２３は、これらの入力値から、図３のブロック図に示す処理によって、一次側回転角速度推定値ω1_eを逐次生成する。

　具体的には、一次側角速度推定部２３は、モータ制御部２６から逐次入力される電動モータ２の目標モータトルクτm_cmdをフィルタ２３ａに入力し、該フィルタ２３ａによって目標モータトルクτm_cmdにローパス特性のフィルタリング処理を施す。この場合、フィルタ２３ａは、その伝達関数が１／（Ｔ・ｓ＋１）により表されるローパスフィルタ（カットオフ周波数を規定する時定数がＴであるローパスフィルタ）である。

　なお、上記時定数Ｔの値は、後述する時定数Ｔd，Ｔw，Ｔp1，Ｔp2よりも短い時間値に設定されている。

　また、一次側角速度推定部２３は、一次側角度計測処理部２０から逐次入力される一次側回転角度計測値θ1_sを微分器２３ｂにより１階微分する。さらに、一次側角速度推定部２３は、その一階微分値dθ1_s／dt（θ1_sの時間的変化率）と一次側角速度推定部２３が既に生成した一次側回転角速度推定値ω1_eの最新値（一次側角速度推定部２３の前回の演算処理周期で算出された前回値）との偏差（＝dθ1_s／dt－ω1_e）を算出する処理を演算部２３ｃで実行する。

　そして、一次側角速度推定部２３は、演算部２３ｃで算出した偏差をフィードバック制御則により“０”に収束させるように、前記フィルタ２３ａの出力値を補正するための補正操作量を算出する。この場合、該フィードバック制御則としては、例えば比例則が用いられる。すなわち、一次側角速度推定部２３は、演算部２３ｃで算出した偏差に所定値の比例ゲインＫobsを乗じる処理を乗算部２３ｄで実行することによって補正操作量を算出する。

　次いで、一次側角速度推定部２３は、フィルタ２３ａの出力値（目標モータトルクτm_cmdのフィルタリング値）に上記補正操作量を加算する処理を演算部２３ｅで実行することによって、フィルタ２３ａの出力値を補正する。この補正後の値（演算部２３ｅの出力値）は、電動モータ２と減速機３とを合わせた回転系に対するトータルの入力トルクの推定値（電動モータ２が発生する出力トルクの推定値）としての意味を持つものである。

　次いで、一次側角速度推定部２３は、演算部２３ｅの出力値に所定値Ｊmの逆数（＝１／Ｊｍ）を乗じる処理を乗算部２３ｆで実行する。ここで、所定値Ｊmは、電動モータ２と減速機３とを合わせた回転系の等価慣性モーメントとしてあらかじめ設定された定数値である。従って、演算部２３ｅの出力値に比例する値となる乗算部２３ｆの出力値は、減速機３の出力軸３ｂの回転角加速度の推定値としての意味を持つ。

　そして、一次側角速度推定部２３は、乗算部２３ｆの出力値を積分する処理を積分器２３ｇで実行し、その積分値を一次側回転角速度推定値ω1_eとして生成する。

　以上の一次側角速度推定部２３の処理によって、一次側回転角度計測値θ1_sの一階微分値dθ1_s／dtに比して過剰な変動（高周波変動）を抑制するようにしつつ、該一階微分値dθ1_s／dtに追従させるようにして、一次側回転角速度推定値ω1_eが逐次生成されることとなる。

　補足すると、本実施形態では、一次側角速度推定部２３は、本発明における一次側変位速度推定手段に相当する。この場合、一次側回転角速度ω1が本発明における一次側変位速度に相当する。

　また、フィルタ２３ａが、本発明における目標動力フィルタリング手段に相当する。そして、このフィルタ２３ａの入力値である目標モータトルクτm_cmdと、フィルタ２３ａの出力値とがそれぞれ、本発明における目標動力（又は動力目標パラメータ）、目標動力フィルタリング値に相当する。また、微分器２３ｂ、演算部２３ｃ、乗算部２３ｄ及び演算部２３ｅによって、本発明における補正手段が実現される。

　次に、二次側角速度推定部２４の処理に関して説明する。該二次側角速度推定部２４には、二次側角度計測処理部２１と一次側・二次側間角度差計測処理部２２とから、それぞれ、二次側回転角度計測値θ2_sの最新値と一次側・二次側間回転角度差計測値θdef_sの最新値とが逐次入力される。

　そして、二次側角速度推定部２４は、これらの入力値から、図４のブロック図に示す処理によって、二次側回転角速度推定値ω2_eを逐次生成する。

　具体的には、二次側角速度推定部２４は、二次側角速度基本推定値生成部２４ａの処理を実行する。この二次側角速度基本推定値生成部２４ａは、被動回転部材５に作用しているトータルの入力トルク（作用力）を推定し、その入力トルクによって発生する被動回転部材５の回転角加速度の推定値を積分してなる積分値を、二次側回転角速度ω2の基本推定値ω2_e0として算出する処理を実行する。

　さらに詳細には、二次側角速度基本推定値生成部２４ａは、二次側角度計測処理部２１から逐次入力される二次側回転角度計測値θ2_sをフィルタ付き２階微分処理部２４a1に入力する。このフィルタ付き２階微分処理部２４a1は、θ2_sの２階微分値d²θ2_s／dt²に所定値Ｊｌを乗じてなる値を算出し、その算出値にローパス特性のフィルタリング処理を施す処理を実行する。そのローパス特性のフィルタリング処理は、その伝達関数が１／（Ｔd・ｓ＋１）により表されるフィルタリング処理（カットオフ周波数を規定する時定数がＴdであるローパス特性のフィルタリング処理）である。

　ここで、上記所定値Ｊｌは、被動回転部材５（これと一体に回転する負荷側の要素を含む）の等価慣性モーメントとしてあらかじめ設定された定数値である。このため、θ2_sの２階微分値d²θ2_s／dt²に所定値Ｊｌを乗じてなる値は、２階微分値d²θ2_s／dt²を、被動回転部材５に作用しているトータルの入力トルクの計測値に換算してなる値としての意味を持つ。従って、フィルタ付き２階微分処理部２４a1によって、θ2_sの２階微分値d²θ2_s／dt²を換算してなる被動回転部材５の入力トルクの計測値に、ローパス特性のフィルタリング処理を施してなるフィルタリング値が生成されることとなる。

　また、二次側角速度基本推定値生成部２４ａは、一次側・二次側間角度差計測処理部２２から逐次入力される一次側・二次側間回転角度差計測値θdef_sに所定値Ｋsprを乗じる処理を乗算部２４a2で実行する。該所定値Ｋsprは、トーションバー４のねじりに関するばね定数としてあらかじめ設定された値である。従って、乗算部２４a2の処理によって、一次側・二次側間回転角度差計測値θdef_s（トーションバー４のねじれ角の計測値）は、トーションバー４がそのねじれの弾性変形によって発生する弾性力トルクの計測値に換算される。以下、この乗算部２４a2の出力値を弾性力トルク換算値という。

　さらに、二次側角速度基本推定値生成部２４ａは、上記弾性力トルク換算値をフィルタ２４a3に入力し、該弾性力トルク換算値にローパス特性のフィルタリング処理を施す。このフィルタ２４a3は、その伝達関数が、１／（Ｔd・ｓ＋１）により表されるフィルタ、すなわち、前記フィルタ付き２階微分処理部２４a1のフィルタリング処理と同じ特性のローパスフィルタである。

　なお、フィルタ付き２階微分処理部２４a1とフィルタ２４a3とにおける上記時定数Ｔdは、それにより規定されるカットオフ周波数が、トーションバー４の弾性特性に応じた共振周波数（固有振動数）よりも低い周波数となるように設定されている。

　補足すると、減速機３の弾性特性は、トーションバー４の弾性特性よりも高剛性であるため、減速機３の弾性特性に応じた共振周波数は、トーションバー４の弾性特性に応じた共振周波数よりも高周波となる。このため、時定数Ｔdを上記の如く設定しておけば、結果的には、フィルタ付き２階微分処理部２４a1及びフィルタ２４a3のそれぞれのフィルタリング処理によって除去される周波数成分には、トーションバー４の弾性特性に応じた共振周波数だけでなく、減速機３の弾性特性に応じた共振周波数も含まれることとなる。

　二次側角速度基本推定値生成部２４ａは、次に、フィルタ付き２階微分処理部２４a1の出力値とフィルタ２４a3の出力値との偏差を算出する処理を演算部２４a4で実行する。さらに、二次側角速度基本推定値生成部２４ａは、演算部２４a4により算出した偏差に所定値のゲインＫd（≦１）を乗じる処理を乗算部２４a5で実行する。そして、二次側角速度基本推定値生成部２４ａは、この乗算部２４a5の出力値を、前記乗算部２４a2の出力値である弾性力トルク換算値に加算する処理を演算部２４a6で実行する。

　この場合、弾性力トルク換算値に加算する乗算部２４a5の出力値は、被動回転部材５にトーションバー４から作用している弾性力トルク以外の外力トルク（摩擦力に起因するトルクを含む）の推定値としての意味を持つ。従って、演算部２４a6の出力値は、被動回転部材５に作用しているトータルの入力トルク（作用力）の推定値に相当するものとなる。

　次いで、二次側角速度基本推定値生成部２４ａは、演算部２４a6の出力値に、被動回転部材５の前記等価慣性モーメントＪｌの逆数（＝１／Ｊｌ）を乗じる処理を乗算部２４a7で実行する。さらに、二次側角速度基本推定値生成部２４ａは、この乗算部２４a7の出力値を積分する処理を積分器２４a8で実行する。

　ここで、上記した如く、演算部２４a6の出力値が、被動回転部材５に作用しているトータルの入力トルクの推定値に相当するものであるから、演算部２４a6の出力値に比例する値となる乗算部２４a7の出力値は、被動回転部材５の回転角加速度の推定値としての意味を持つ。そこで、二次側角速度基本推定値生成部２４ａは、乗算部２４a7の出力値を積分器２４a8により積分することによって、被動回転部材５の回転角速度を算出し、この算出値を二次側回転角速度ω2の基本推定値ω2_e0として生成する。

　以上により二次側角速度基本推定値生成部２４ａの処理が完了する。

　なお、本実施形態では、フィルタ付き処理部２４a1とフィルタ２４a3とでそれぞれ各別に、同じローパス特性のフィルタリング処理を行うようにしたが、これに代えて次のようにしてもよい。すなわち、二次側回転角度計測値θ2_sの２階微分値を被動回転部材５の入力トルクに換算してなる値（＝Ｊｌ・d2θ2_s／dt2）と、乗算部２４a2の出力値（弾性力トルク換算値）との偏差を算出した上で、その偏差に、ローパス特性のフィルタリング処理（伝達関数が１／（Ｔd・ｓ＋１）により表されるフィルタリング処理）を施す。そして、この偏差のフィルタリング値を前記乗算部２４a5に入力する。

　二次側角速度推定部２４は、上記の如く二次側角速度基本推定値生成部２４ａの処理を実行することに加えて、さらに、二次側回転角度計測値θ2_sをフィルタ付き微分処理部２４ｂに入力する。該フィルタ付き微分処理部２４ｂは、θ2_sの１階微分値dθ2_s／dtを算出し、その算出値にローパス特性のフィルタリング処理を施す処理を実行する。そのローパス特性のフィルタリング処理は、その伝達関数が１／（Ｔw・ｓ＋１）により表されるフィルタリング処理（カットオフ周波数を規定する時定数がＴwであるローパス特性のフィルタリング処理）である。

　この場合、フィルタ２４ｂの時定数Ｔwは、本実施形態では、二次側角速度基本推定値生成部２４ａのフィルタ付き２階微分処理部２４a1及びフィルタ２４a3の時定数Ｔdよりも長い時間値に設定されている。従って、フィルタ２４ｂのカットオフ周波数は、フィルタ付き２階微分処理部２４a1及びフィルタ２４a3のカットオフ周波数よりも低い周波数となっている。

　そして、二次側角速度推定部２４は、このフィルタ２４ｂの出力値と、既に生成した二次側回転角速度推定値ω2_eのうちの最新値（二次側角速度推定部２４の前回の演算処理周期で算出した前回値）との偏差を算出する処理を演算部２４ｃで実行する。

　さらに、二次側角速度推定部２４は、演算部２４ｃで算出した偏差をフィードバック制御則により“０”に収束させるように、前記基本推定値ω2_e0（積分器２４a8の出力値）を補正するための補正操作量を算出する。この場合、該フィードバック制御則としては、例えば比例則が用いられる。すなわち、二次側角速度推定部２４は、上記偏差に所定値の比例ゲインＫwを乗じる処理を乗算部２４ｄで実行することによって、補正操作量を算出する。

　次いで、二次側角速度推定部２４は、前記基本推定値ω2_e0に上記補正操作量を加算する処理を演算部２４ｅで実行することによって該基本推定値ω2_e0を補正し、この補正後の値を二次側回転角速度推定値ω2_eとして生成する。

　以上の二次側角速度推定部２４の処理によって、二次側回転角度計測値θ2_sの一階微分値dθ2_s／dtに比して過剰な変動（高周波変動）を抑制しつつ、該一階微分値dθ2_s／dtに追従させるようにして、二次側回転角速度推定値ω2_eが逐次生成されることとなる。この場合、前記基本推定値ω2_e0は、トーションバー４の弾性力トルク以外で被動回転部材５に作用する外力の影響分を加味して算出される。このため、二次側回転角速度推定値ω2_eの安定性と信頼性とを高めることができる。

　補足すると、本実施形態では、二次側角速度推定部２４が本発明における二次側変位速度推定手段に相当する。この場合、二次側回転角速度ω2が本発明における二次側変位速度に相当する。

　また、二次側角速度基本推定値生成部２４ａが本発明における二次側変位速度基本推定値生成手段に相当する。この場合、乗算部２４a2の出力値、フィルタ２４a3の出力値、フィルタ付き２階微分処理部２４a1の出力値、演算部２４a4の出力値、演算部２４a6の出力値がそれぞれ、本発明における弾性力換算値、弾性力フィルタリング値、作用力基本フィルタリング値、力偏差、被動要素作用力の推定値に相当する。

　また、フィルタ２４ｂが本発明における第３フィルタリング手段に相当する。この場合、フィルタ２４ｂの出力値が本発明における二次側変位速度フィルタリング値に相当する。

　図２の説明に戻って、制御装置１２は、上記の如く一次側角速度推定部２３及び二次側角速度推定部２４の処理を実行した後、次に、モータ動作目標決定部２５の処理を実行する。

　このモータ動作目標決定部２５には、一次側回転角速度推定値ω1_eと二次側回転角速度推定値ω2_eとが逐次入力されると共に、被動回転部材５に電動モータ２側から付与すべき駆動トルク（被動回転部材５にトーションバー４から付与すべき駆動トルク）の目標値である目標駆動トルクτrefが逐次入力される。

　そして、モータ動作目標値決定部２５は、これらの入力値を用いて、電動モータ２の動作を規定する動作目標を決定する。ここで、この動作目標は、本実施形態では、電動モータ２の出力軸２ｂの回転角速度を規定する目標値である。より詳しくは、本実施形態では、該動作目標は、一次側回転角速度ω1の目標値ω1_cmd（＝減速機３の出力軸３ｂの回転角速度の目標値）である。この場合、一次側回転角速度目標値ω1_cmdに減速機３の減速比Ｒを乗じてなる値が、電動モータ２の出力軸２ｂの回転角速度の目標値となる。

　モータ動作目標決定部２５は、具体的には、次のように一次側回転角速度目標値ω1_cmdを逐次決定する。

　すなわち、モータ動作目標決定部２５は、入力される二次側角速度推定値ω2_eと一次側角速度推定値ω1_eの偏差Δω12（＝ω2_e－ω1_e）を算出する処理を演算部２５ａで実行する。そして、モータ動作目標値決定部２５は、演算部２５ａの出力値Δω12をフィルタ２５ｂに入力し、該出力値Δω12にローパス特性のフィルタリング処理を施す。この場合、フィルタ２５ｂは、その伝達関数がＴpa／（Ｔp1・ｓ＋１）により表されるローパスフィルタ（入力値にゲインＴpaを乗じる処理を含み、カットオフ周波数を規定する時定数がＴp1であるローパスフィルタ）である。

　また、モータ動作目標決定部２５は、入力される目標駆動トルクτrefに、トーションバー４のばね定数としての前記所定値Ｋsprの逆数（＝１／Ｋspr）を乗じる処理を乗算部２５ｃで実行する。ここで、目標駆動トルクτrefは、トーションバー４から被動回転部材５に作用する駆動トルクの目標値であるから、該トーションバー４が発生すべき弾性力トルクの目標値としての意味を持つ。従って、乗算部２５ｃの出力値（＝τref／Ｋspr）は、目標駆動トルクτrefを、トーションバー４の弾性変形量の目標値に相当する一次側・二次側間回転角度差θdefの目標値θdef_cmdに換算したものとなる。

　そして、モータ動作目標決定部２５は、上記の如く乗算部２５ｃで算出した一次側・二次側間回転角度差目標値θdef_cmdと、入力される一次側・二次側間回転角度差計測値θdef_sとの偏差Δθdef（＝θdef_cmd－θdef_s）を算出する処理を演算部２５ｄで実行する。

　さらに、モータ動作目標決定部２５は、演算部２５ｄで算出した偏差Δθdefをフィルタ２５ｅに入力し、該偏差Δθdefにローパス特性のフィルタリング処理を施す。この場合、フィルタ２５ｅは、その伝達関数がＴpb／（Ｔp2・ｓ＋１）により表されるローパスフィルタ（入力値にゲインＴpbを乗じる処理を含み、カットオフ周波数を規定する時定数がＴpbであるローパスフィルタ）である。

　ここで、フィルタ２５ｂ，２５ｅのそれぞれの時定数Ｔp1，Ｔp2は、二次側角速度推定部２４における時定数Ｔd，Ｔwよりも短い時間値に設定されると共に、それぞれの時定数Ｔp1，Ｔp2により規定されるフィルタ２５ｂ，２５ｅのカットオフ周波数が、減速機３の弾性特性に応じた共振周波数よりも低い周波数になるように設定されている。

　加えて、フィルタ２５ｂ，２５ｅを合わせて、位相進み補償と同様の機能が実現されるように、それぞれの時定数Ｔp1，Ｔp2の値、並びに、それぞれのゲインＴpa，Ｔpbの値が設定されている。この場合、例えば、時定数Ｔp1，Ｔp2は、Ｔp1＞Ｔp2となるように互いに異なる値に設定され、Ｔpa，Ｔpbは、Ｔpa＞Ｔpbとなるように互いに異なる値に設定されている。

　次いで、モータ動作目標値決定部２５は、フィルタ２５ｂ，２５ｅの出力値を加え合わせる処理を演算部２５ｆにより実行する。さらにモータ動作目標決定部２５は、演算部２５ｆの出力値に、所定値のゲインＫcmpを乗じる処理を乗算部２５ｇで実行することによって、一次側回転角速度目標値ω1_cmdを決定する。

　以上が、モータ動作目標決定部２５の処理の詳細である。

　補足すると、本実施形態では、モータ動作目標決定部２５は、本発明におけるアクチュエータ動作目標決定手段に相当する。この場合、一次側回転角速度目標値ω1_cmdが本発明における動作目標に相当する。

　また、フィルタ２５ｂ，２５ｅがそれぞれ本発明における第１フィルタリング手段、第２フィルタリング手段に相当する。この場合、フィルタ２５ｂの出力値が本発明における第１フィルタリング値に相当、フィルタ２５ｅの出力値が本発明における第２フィルタリング値に相当する。また、目標駆動トルクτrefが本発明における目標駆動力に相当し、乗算部２５ｃの出力値が本発明における弾性計測量の目標値に相当する。また、演算部２５ｆの出力値が本発明における線形結合値に相当する。

　なお、本実施形態では、演算部２５ｄでは、一次側・二次側間回転角度差θdefの目標値θdef_cmdと一次側・二次側間回転角度差計測値θdef_sとの偏差Δθdefを算出したが、これに代えて、次のようにしてもよい。すなわち、目標駆動トルクτrefと、一次側・二次側間回転角度差計測値θdef_sにトーションバー４のばね定数としての所定値Ｋsprを乗じてなる値（すなわち、θdef_sをトーションバー４の弾性力トルクに換算してなる値）との偏差を算出し、この偏差をフィルタ２５ｅに入力する。

　また、本実施形態では、一次側回転角速度目標値ω1_cmdを電動モータ２の動作を規定する動作目標として決定するようにしたが、ω1_cmdの代わりに、電動モータ２の出力軸２ｂの回転角速度の目標値を決定するようにしてもよい。

　制御装置１２は、次に、モータ制御部２６の処理を実行する。このモータ制御部２６には、一次側回転角速度目標値ω1_cmdと一次側回転角速度推定値ω1_eとがそれぞれモータ動作目標決定部２５と一次側角速度推定部２３とから逐次入力されると共に、一次側・二次側間回転角度差目標値θdef_cmdがモータ動作目標決定部２５から入力される。

　そして、モータ制御部２６は、これらの入力値を用いて電動モータ２の運転制御を行う。

　具体的には、モータ制御部２６は、入力される一次側・二次側間回転角度差目標値θdef_cmdに所定値のゲインＫtffを乗じる処理を乗算部２６ａで実行することによって、電動モータ２の出力トルクのフィードフォワード目標値である基本目標値τm_ffを決定する。

　なお、ゲインＫtffの値は、トーションバー４のばね定数としての所定値Ｋsprを減速機３の減速比Ｒで除算してなる値（＝Ｋspr／Ｒ）である。従って、電動モータ２の出力トルクの基本目標値τm_ffは、前記目標駆動トルクτrefを、減速機３の減速比Ｒで除算することによって決定してもよい。

　また、モータ制御部２６は、入力される一次側回転角速度目標値ω1_cmdと一次側回転角速度推定値ω1_eとの偏差Δω1（＝ω1_cmd－ω1_e）を算出する処理を演算部２６ｂで実行する。

　そして、モータ制御部２６は演算部２６で算出した偏差Δω1をフィードバック制御則により“０”に収束させるように、基本目標値τm_ffを補正するための補正操作量τm_fbを決定する。この場合、該フィードバック制御則としては比例則が用いられる。すなわち、モータ制御部２６は、偏差Δω1に所定値の比例ゲインＫvを乗じる処理を乗算部２６ｃで実行することによって、補正操作量τm_fbを決定する。

　次いで、モータ制御部２６は、乗算部２６ａの出力値である基本目標値τ_ffに乗算部２６ｃの出力値である補正操作量τm_fbを加算する処理（基本目標値τ_ffを補正操作量τm_fbにより補正する処理）を演算部２６で実行することによって、電動モータ２の出力トルクの目標値である目標モータトルクτm_cmdを決定する。

　なお、このようにモータ制御部２６で決定された目標モータトルクτm_cmdが、動力目標パラメータとして一次側角速度推定部２３に入力される。

　次いで、モータ制御部２６は、上記の如く決定した目標モータトルクτm_cmdに所定値のトルク・電流変換係数Ｋtiを乗じる処理を乗算部２６ｅで実行することによって、目標モータトルクτm_cmdを電動モータ２の電機子巻線（図示省略）の通電電流の目標値である電流指令値Ｉm_cmdに変換する。

　そして、モータ制御部２６は、この電流指令値Ｉm_cmdに応じて電流制御部２６ｆの処理を実行することで、電動モータ２の電機子巻線の通電電流を制御する。より具体的には、この電流制御部２６ｆは、図示しない電流センサにより電動モータ２の電機子巻線の通電電流を検出しつつ、その検出値を電流指令値Ｉm_cmdに収束させるように、電動モータ２の電機子巻線の通電電流をフィードバック制御する。これにより、電動モータ２の実際の出力トルクが、目標モータトルクτm_cmdに一致するように制御されることとなる。

　なお、本実施形態では、上記したモータ制御部２６の処理（又はモータ制御部２６のうちの電流制御部２６ｆの処理）は、制御装置１２に前記した各機能部２０～２５の処理よりも短い演算処理周期で高速に実行される。

　補足すると、本実施形態では、モータ制御部２６は、本発明におけるアクチュエータ制御手段に相当する。また、モータ制御手段２６のうちの乗算部２６ａ、演算部２６ｂ及び乗算部２６ｃの処理によって本発明における動力目標パラメータ生成手段が実現される。この場合、目標モータトルクτm_cmdが、動力目標パラメータに相当する。

　以上説明した本実施形態によれば、一次側角速度推定部２３の処理によって、一次側回転角速度推定値ω1_eが、一次側回転角度計測値θ1_sの１階微分値に比して過剰な変動が抑制されつつ、該１階微分値に追従するように生成される。

　また、二次側角速度推定部２４の処理によって、二次側回転角速度推定値ω1_eが、一次側回転角度計測値θ1_sの１階微分値に比して過剰な変動が抑制されつつ、該１階微分値に追従するように生成される。この場合、フィルタ付き２階微分処理部２４a1、フィルタ２４a3、及びフィルタ付き微分処理部２４ｂのフィルタリング処理によって、減速機３やトーションバー４の弾性特性に応じた共振周波数を含む高周波側の周波数成分が除去される。このため、該周波数数成分が二次側回転角速度推定値ω1_eに影響を及ぼすのが防止される。

　そして、目標駆動トルクτrefを換算してなる一次側・二次側間回転角度差目標値θdef_cmdと一次側・二次側間回転角度差計測値θdef_sとの偏差Δθdefに、フィルタ２５ｅでローパス特性のフィルタリング処理を施してなるフィルタリング値と、二次側回転角速度推定値ω2_eと一次側回転角速度推定値ω1_eとの偏差Δω12に、フィルタ２５ｂでローパス特性のフィルタリング処理を施してなるフィルタリング値との線形結合値に応じて電動モータ２の動作目標としての一次側回転角速度目標値ω1_cmdが決定される。

　この場合、フィルタ２５ｂ，２５ｅのカットオフ周波数を互いに異なる周波数で適切に設定し、また、フィルタ２５ｂ，２５ｅのゲインを適切に設定しておくことによって、電動モータ２から被動回転部材５に伝達される駆動トルクが減速機３の弾性特性やトーションバー４の弾性特性に起因して振動したりするのを効果的に抑制し得るように一次側回転角速度目標値ω1_cmdを決定できる。

　ひいては、被動回転部材５に付与される実際の駆動トルクを、高いロバスト性で安定に目標駆動トルクτrefに制御することができる。

　ここで、図５を参照して、本実施形態の装置によって実現される効果の検証例を説明する。同図（ａ）は、本実施形態の装置によるトルク制御の実施例を示すグラフである。より詳しくは、同図（ａ）は、本実施形態の装置において、目標駆動トルクτrefを図中の破線で示す如くステップ状に変化させた場合の実駆動トルク（被動回転部材５に実際に付与される駆動トルク）の応答波形を実線で示したものである。

　また、同図（ｂ）は、比較例を示すグラフである。より詳しくは、同図（ｂ）は、比較例において、目標駆動トルクτrefを図中の破線で示す如くステップ状に変化させた場合の実駆動トルクの応答波形を実線で示したものである。この比較例では、実駆動トルクを目標駆動トルクτrefに単純にフィードバック制御する。具体的には、例えば目標駆動トルクτrefに対応する一次側・二次側間回転角度差目標値θdef_cmdと、一次側・二次側間回転角度差計測値θdef_sとの偏差Δθdefから、フィードバック制御則によって、一次側回転角速度目標値ω1_cmdを決定し、これを前記モータ制御部２６に入力することで、電動モータ２の通電制御を行う。

　図５（ａ），（ｂ）を比較して判るように、本実施形態の装置を使用した実施例では、比較例に較べて、実駆動トルクが目標駆動トルクτrefの変化に対して素早い応答性を有すると共に、実駆動トルクの振動が素早く減衰しつつ、目標駆動トルクτrefに収束する。

　次に、以上説明した実施形態の変形態様をいくつか説明する。

　前記実施形態では、二次側速度推定部２４は、二次側角速度基本推定値生成部２４ａを備えるようにしたが、これを省略して、次のように二次側回転角速度推定値ω2_eを生成するようにしてもよい。すなわち、前記フィルタ付き微分処理部２４ｂの出力値をそのまま二次側回転角速度推定値ω2_eとして生成するようにしてもよい。このようにすることにより、前記第３発明の一実施形態を構築できる。

　また、例えば、トーションバー４が発生する弾性力トルク以外で被動回転部材５に作用する外力トルクが“０”であるか、もしくは、該弾性力トルクに比して十分小さいような場合には、二次側角速度基本推定値生成部２４ａでは、フィルタ付き２階微分処理部２４a1、フィルタ２４a3、演算部２４a4及び乗算部２４a5の処理を省略する（あるいは、乗算部２４a5におけるゲインＫdを“０”に設定しておく）ようにしてもよい。

　すなわち、一次側・二次側間回転角度差計測値θdef_sを、トーションバー４の弾性力に換算してなる弾性力換算値（＝θdef_s・Ｋspr）から、前記乗算部２４a7及び積分器２４a8を介して二次側回転角速度の基本推定値ω2_e0を算出するようにしてもよい。

　また、前記実施形態では、被動要素が回転部材５である場合を例に採って説明したが、該被動要素が並進運動を行なう要素であってもよい。この場合、第１動力伝達要素としては、例えば、電動モータ等の回転アクチュエータの回転駆動力をボールネジ等により並進力に変換する機構を有する減速機が用いることができる。また、第２動力伝達要素（ばね部材）としては、例えばコイルスプリングを用いることができる。

　また、アクチュエータは、電動モータに限らず、例えば、油圧式のアクチュエータであってもよい。

　以上説明した本発明は、例えば脚式移動ロボット等のロボットの関節等の被動要素に、アクチュエータから波動歯車装置やばね部材等の弾性特性を有する動力伝達要素を介して動力を伝達するような動力装置に有効に活用することができる。

　１…動力装置、２…電動モータ（アクチュエータ）、３…減速機（第１動力伝達要素）、４…トーションバー（ばね部材、第２動力伝達要素）、５…被動回転部材（被動要素）、１２…制御装置、２０…一次側角度計測処理部（一次側変位位置計測手段）、２１…二次側角度計測処理部（二次側変位位置計測手段）、２２…一次側・二次側間角度差計測処理部（一次側・二次側間変位差計測手段）、２３…一次側角速度推定部（一次側変位速度推定手段）、２３ａ…フィルタ（目標動力フィルタリング手段）、２３ｂ…微分器（補正手段）、２３ｃ…演算部（補正手段）、２３ｄ…乗算部（補正手段）、２３ｅ…演算部（補正手段）、２４…二次側角速度推定部（二次側変位速度推定手段）、２４ａ…二次側角速度基本推定値生成部（二次側変位速度基本推定値生成手段）、２４ｂ…フィルタ（第３フィルタリング手段）、２５…モータ動作目標決定部（アクチュエータ動作目標決定手段）、２５ｂ…フィルタ（第１フィルタリング手段）、２５ｅ…フィルタ（第２フィルタリング手段）、２６…モータ制御部（アクチュエータ制御手段）、２６ａ…乗算部（動力目標パラメータ生成手段）、２６ｂ…演算部（動力目標パラメータ生成手段）、２６ｃ…乗算部（動力目標パラメータ生成手段）。

Claims (6)

1. 　アクチュエータと、該アクチュエータの動力出力部に入力部が連結された弾性特性を有する第１動力伝達要素と、該第１動力伝達要素の出力部に入力部が連結され、該入力部に付与される動力を弾性力に変換して出力する第２動力伝達要素と、該第２動力伝達要素の出力部に連結され、前記アクチュエータから第１動力伝達要素及び第２動力伝達要素を介して伝達される駆動力によって運動動作を行なう被動要素とを備え、前記第１動力伝達要素が第２動力伝達要素よりも高剛性の弾性特性を有する動力装置において、前記被動要素にアクチュエータから実際に付与される駆動力を目標駆動力に制御する制御装置であって、
   　前記第２動力伝達要素の入力部の実際の変位位置の計測値を示す出力を生成する一次側変位位置計測手段と、
   　前記被動要素の実際の変位位置の計測値を示す出力を生成する二次側変位位置計測手段と、
   　前記第２動力伝達要素の入力部の実際の変位位置と前記被動要素の実際の変位位置との差である一次側・二次側間変位差の計測値を示す出力を生成する一次側・二次側間変位差計測手段と、
   　前記第２動力伝達要素の入力部の実際の変位速度である一次側変位速度の推定値を、少なくとも前記一次側変位位置の計測値に基づいて生成する一次側変位速度推定手段と、
   　前記被動要素の実際の変位速度である二次側変位速度の推定値を、少なくとも前記二次側変位位置の計測値に基づいて生成する二次側変位速度推定手段と、
   　前記二次側変位速度の計測値と前記一次側変位速度の計測値との偏差にローパス特性のフィルタリング処理を施してなる第１フィルタリング値を生成する第１フィルタリング手段と、
   　前記一次側・二次側間変位差の計測値と該一次側・二次側間変位差の計測値を前記第２動力伝達要素が発生する弾性力に換算してなる弾性力換算値とのうちのいずれか一方である弾性計測量の値と、前記目標駆動力により規定される該弾性計測量の目標値との偏差にローパス特性のフィルタリング処理を施してなる第２フィルタリング値を生成する第２フィルタリング手段と、
   　前記第１フィルタリング値と第２フィルタリング値との線形結合値に応じて前記アクチュエータの動作を規定する動作目標を決定するアクチュエータ動作目標決定手段と、
   　前記決定された動作目標に応じて前記アクチュエータの動作を制御するアクチュエータ制御手段とを備えたことを特徴とする動力装置の制御装置。
2. 　請求項１記載の動力装置の制御装置において、
   　前記第１動力伝達要素は減速機であり、前記第２動力伝達要素はばね部材であることを特徴とする動力装置の制御装置。
3. 　請求項１記載の動力装置の制御装置において、
   　前記二次側変位速度推定手段は、前記二次側変位位置の計測値の１階微分値にローパス特性のフィルタリング処理を施してなる値を前記二次側変位速度の推定値として生成する手段であることを特徴とする動力装置の制御装置。
4. 　請求項１記載の動力装置の制御装置において、
   　少なくとも前記一次側・二次側間変位差の計測値に基づいて、前記被動要素に実際に作用している力である被動要素作用力を推定し、該被動要素作用力の推定値の積分値に比例する値を前記二次側変位速度の基本推定値として生成する二次側変位速度基本推定値生成手段と、
   　前記二次側変位位置の計測値の１階微分値にローパス特性のフィルタリング処理を施してなる値である二次側変位速度フィルタリング値を生成する第３フィルタリング手段とを 
   備え、
   　前記二次側変位速度推定手段は、前記二次側変位位置フィルタリング値と生成済の二次側変位速度の推定値との偏差に応じて、フィードバック制御則により該偏差を“０”に収束させるように前記二次側変位速度の基本推定値の補正操作量を算出し、その補正操作量により該基本推定値を補正してなる値を二次側変位速度の推定値として生成する手段であることを特徴とする動力装置の制御装置。
5. 　請求項４記載の動力装置の制御装置において、
   　前記二次側変位速度基本推定値生成手段は、
   　前記一次側・二次側間変位差の計測値を前記第２動力伝達要素が発生する弾性力に換算してなる弾性力換算値を生成する手段と、
   　該弾性力換算値にローパス特性のフィルタリング処理を施してなる弾性力フィルタリング値と、前記二次側変位位置の計測値の２階微分値を前記被動要素に作用している力に換算してなる値にローパス特性のフィルタリング処理を施してなる作用力基本フィルタリング値との偏差である力偏差を算出する手段と、
   　前記力偏差に応じて前記弾性力換算値を補正することによって前記被動要素作用力の推定値を算出する手段とを備えることを特徴とする動力装置の制御装置。
6. 　請求項１記載の動力装置の制御装置において、
   　前記動作目標を実現するために、前記アクチュエータの動力出力部から出力すべき目標動力を規定する動力目標パラメータを少なくとも該動作目標に応じて生成する動力目標パラメータ生成手段と、
   　該動力目標パラメータにより規定される目標動力にローパス特性のフィルタリング処理を施してなる目標動力フィルタリング値を生成する目標動力フィルタリング手段と、
   　前記一次側変位位置の計測値の１階微分値と生成済の前記位置側変位速度の推定値との偏差に応じて、該偏差をフィードバック制御則により“０”に収束させるように前記目標動力フィルタリング値の補正操作量を算出し、該補正操作量により該目標動力フィルタリング値を補正する補正手段とを備え、
   　前記一次側変位速度推定手段は、該補正手段による前記目標動力フィルタリング値の補正後の値の積分値に比例する値を前記一次側変位速度の推定値として生成する手段であることを特徴とする動力装置の制御装置。

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