JPS6114881A

JPS6114881A - 直結駆動装置

Info

Publication number: JPS6114881A
Application number: JP13260484A
Authority: JP
Inventors: 裕敏山本
Original assignee: Shin Meiva Industry Ltd
Current assignee: Shinmaywa Industries Ltd
Priority date: 1984-06-26
Filing date: 1984-06-26
Publication date: 1986-01-23

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（発明の分野）この発明は直結駆動装置に関し、特に、力センサが設【
プられた直結駆動装置に関づる。

（先行技術の説明）産業用ロボットなどに用いられる駆１７１！置、たとえ
ばロボットの各関節を駆動づるための４ｊ　−　ｉパモ
ータにおいては、ロボットの各アームや手首に所望の運
動を行わせ、ワークに対して必要な圧力を加えるための
情報を得るなどの目的で、力センサが設けられている。

この力センサは、サーボモー夕のような回転駆動装置に
おいてはトルクゼンザという形をとり、シリンダなどの
直動駆動′３Ａ置においては並進力を検出づ−るための
圧力センサという形をどるが、この力センサ−の出力に
基づいてロボットのノイードバツク制御が行なわれる。

ところが、ロボットのリーボ榔禍がハーモニックドライ
ブやチェーンなどのトランスミッションを有するとさに
は、この力の検出とそれに基く力制御とに、種々の問題
が生ずる。この事情は、第１図（ａ＞に示したこのシス
テムの簡易モデルによつ゛（表現さねτいる，、このモ
デルにおいては、モータのロータ１（慣性モーメントＪ
Ｉｌｌ）と、負仙としてのアームのリンク２（ｔＬｔ’
ｌモーメンｌ−　Ｊ２Ｑ）とが、トランスミッション３
にＪこってＭ合されている。この図に示したようなシス
テムでは、■トーシンスミツシ三１ン３にバックラッシ
ュが存在すること、■かなりの大きさの摩擦ｆがある上
に、この摩擦ｆがギレ比ｒ゛を通して増幅されてしまう
こと、■１〜ランスミッション３の存在にＪ：って、ロ
ーグーの出力トルクｒτやリンク２に加わる外力Ｆ　に
対するシステムの剛性に，が低下し、高次のｔｒｉ＞答
遅れが発生して、被験ｉ＃１体が要求する応答周波数帯
域を確保できないこと、■これらの原因によって、フィ
ードバックループのゲインが低下してしまうこと、など
の理由にＪ、って、力の検出や制御を精密に行うことが
困ガとなるのである。

このため、最近注目されてきたのが、Ｕボッ１〜のサー
ボ機構などへの直結駆動装置（ダイレフ１〜ドライブア
クチユエータ）の応用である。この直結駆動装置たとえ
ばダイレクトドライブを一タを用いたロボットのシステ
ムの簡易モデルを第１図（ｂ）に承り。この場合には、
モータのロータ１【よアームのリンク２に直結されてい
るため、上述した諸問題のほとんどが解消されており、
ト・ルクセンサの出力に基づくフィードバックループ４
のイｊ効性が高まることになる。

また、直結駆動装置においては、加速度フィードバック
が不可欠となる場合が多い点から観てム、力センサを設
置プる必要性が生ずる。たとえば、ダイレクトドライブ
モータにおいては１〜ランスミツシヨンが存在しないた
めに、大ぎな駆動トルクを発生しなければならない。こ
のため、モータの巻線の数が多くなって、アーマチ１７
コイルのインダクタンスもＪｌ常に大きくなり、駆動増
幅系に高次の遅れが生ずる。しＩ、：がつＣ１加速度の
情報ないしはこれと等価なトルクの情報を用いて、シス
テムの補償を行われなｌプればならない。このためにト
ルクセン＋ｊなどの力センサが必要となってくる。

さらに、直結駆動装置においては、精密な速度測定が要
求されるが、力センサでこれを代用することら考えられ
る。というのは、直結駆動装置では摩擦が小さく、減衰
が十分でないため、制御を安定に行なうためには、精密
な速度測定が必要とされるためである。しかし、ギヤ減
速などを用いた従来の高速モータにくらべて、ダイレク
トドライブモータの角速度は１桁以上も小さいため、速
度測定に番３Ｌ高精度、したがって高価なタコメータ・
ジェネレータを必要とする。このため、トルク（！ンリ
による１ヘルク検出を通じて加速度を知り、この加速度
を時間について積分することによって速度情報を（ｑる
ことができれば、高価なタコメータ・ジェネレータは不
要となって装置の価格は著しく低下し、装置のｌｌｉ造
も簡単なものとなる。

このような力の検出は、理論的に番よ、他の物ｖ１１塑
の検出によって代書可能である。たとえば、永久磁石Ｄ
Ｃモータの出力トルクは入力端子に比例するという関係
を用いて、入力電流の検出ぐ代用づることも考えられよ
う。しかしながら、モータ中の磁束密度の非均一性や、
駆動増幅器の非線型性によって、この比例関係は厳密に
成立しておらず、精度の良いトルク検出のためには、ト
ルクの直接測定が実質上、不可欠である。

以上の状況からすれば、直結駆動装置に力センサを設け
ることは極めて有用であることがわかるが、これには大
きな問題が残っている。トルク廿ンサその他の力センサ
は、通常、力を測定づ゛べき位置に介挿されて、それに
加わる力をそれ自身の歪の大きさとして検出するように
構成されている。

このため、力センサは力の検出方向に対づ−る剛性が低
くなっており、これによって、システム全体の剛性が下
がってしまう。したがって直結駆動装置に力センサを付
加すると、第１図ｆａ）に示したトランスミッションを
用いた駆動装置と同様に、剛性の低下による高次の遅れ
が生じてしまい、応答可能な周波数帯域幅が狭くなって
しまう。つまり、直結駆動装置を用いた利点が失なわれ
ることになってしまう。

これらの事情は、Ｏホットに用いられる直結駆動装置に
限らず、力検出を必要とするすべての直結駆動装置に共
通の問題となっている。

（発明の目的）この発明は、カヒンサが設けられているにもかかわらず
、剛性の低下が少なく、必要な応答周波数帯域を確保で
きる直結駆動装置を提供することを目的としている。

また、このような特徴を有することによって、必要に応
じて力制御、加速度制御、速度制御などの種々の制御を
精密に行なうことができる直結駆１７１駅置を提供づる
ことが、他の観点からのこの発明の目的である。

（発明の構成）この発明の直結駆動装置では、可動部と被駆動体とが直
結されることによって形成される運動体の、駆動力発生
側の第１の部分と駆動力出力側の第２の部分との境界部
分に、前記第１の部分から前記第２の部分へと伝達され
る力を検出する力センサーを設けているが、前記連動に
対する前記第１と第２の部分のそれぞれの慣性を表わす
但（この明細書では「慣性量」と呼ぶことにする）Ａ１
゜Ａ２と、前記力センサの弾性係数にとは、前記被駆動
体の駆動において要求される周波数帯域幅の上限ωｂに
対して、ｋ、ＡＩ＋Ａ、　　　〉ω　２　　　　・・・（１）Ａ
、Ａ２ｂを満足している。

たとえば直結駆動装置としてダイレクトドライブモータ
を考えた場合、可動部の運動は回転運動であり、前記慣
性量Ａ、Ａ２は慣性モーメントに相当する。第１と第２
の部分はそれぞれ可動部および被駆動体そのものであっ
てもよく、また、たとえば第１の部分が可動部の一部分
であり、第２の部分が可動部の残りの部分と被駆動体と
の集合体であってもよい。すなわち、ダイレクトドライ
ブモータの例では、第１と第２の部分の慣性モーメント
をＪ、Ｊ、、とし、第１と第２の部分の境界部分に設置
Ｊられた、回転運動に対応するカセツタとしてのトルク
センサの弾性定数をｋとしたどき、前記被駆動体の駆動
において要求される周波数帯域幅の上限ω、に対して、ｋ、」仁」虹　＞（１）２９９．（２）Ｊ電・Ｊ２ｂが成立するように構成すればよいのである。

（発明の原理）上述した目的に合致する直結駆動装置が、このような条
件に従うことにＪ：つで得られる理由を、ダイレクトド
ライブモータを例にとって説明する。

第２図は、ロボットに用いられる、トルクセンサが設け
られたダイレクトドライブモータの一部分を、等価簡易
モールとして示した図Ｃある。第２図において、ロータ
１０とロボットのアーム１１のリンクどの間には、トル
クセンサー２が挿入されている。このトルクセンサ１２
は、その弾性を、回転に対リ−るばね係数ｋによって表
わしである。〇−タ１０の回転角を０１、アーム１１の
回転角をθ（単位は共にラジアン）とし、まｌこ、０１
回転に対するロータ１０の慣性モーメントを５１、θ回
転に対するアーム１１の慣性モーメントをＪｌとする。

τは、ロータ１０において発生りる駆動トルクである。

すると、ロータ１０およびアーム１１に対する運動方程
式は、それぞれ次のようになる。

Ｊ１θ１＝−ｋ（θ１−θ）＋τ　・・・（３）Ｊ２θ
　＝−ｋ（θ−０ｌ）　　　・・・（４）ただし、「・
」は時間微分を示す。（４）式を時間について２同機分
し、そのθ１に（３）式を代入づ−ると、θについての
４階の微分方程式が得られる。この方程式をラプラス変
換すると、次の式を得る。

θ＝　Ｙ　（ｓ）・τ　　　　　　　　　　・・・（５
）ここで、Ｙ（Ｓ）は伝達関数であって、（５）〜（７
）式かられかるように、アーム１１の回転角θは、トル
クτに対して４次のπれを有しでいる。すなわら、トル
クセンナの挿入によって応答に高次の遅れが生ずること
になる。

ところが、伝達間数Ｙ　（ｓｌの分母の第１項が第２項
よりも小さく、４　　　　　２　　　　　　・・・（８）Ｉｓ　　ｌ＜
ｃｌ　１ｓ　　ｌが成立する場合、１１なわら、ｓ＝ｊω（ｊは虚数単位
、ω（よ周波数）を（８）式に代入して得られる式；％式％（９）が成立づる場合には、伝達関数Ｙ　（ｓ）の分母ではＳ
２の項が主要部となって、高次の遅れが相対的に小さな
ものとなってくる。つまり、 ωＯ−Ｃ１・・・（１０）によってＣ０を定義すれば、ω〈Ｃ０を満足するような
ωについては、高次の遅れを小さくできるわ番プである
。

ところで、（６）式を変形し、（１０）式と組合わせる
ことによって、 ω　２　＝　ｋ、　ＪｕＪｚＯＪ＋・ＪｌＪｏ＝Ｊ、＋Ｊ２　　　　　　　　・・・（１１ａ）が
得られる。この式においてＪｏを一定にし、ｋをパラメ
ータとして、ユの関数どしてのω　２．５０　　　　　
　　　　　　　　０を描くと第３図のようになり、このカー１より手わちイ
ンピーダンス整合が生ずるＪ＝Ｊ２の点において最小値
をとる。また、ｋが大きいほど、つまりトルクセンサの
剛性ないし番よ弾性係数が高いはどωｏ２は大きくなる
。

このため、被駆動体の制御に要求される応答可能周波数
の上限（周波数帯域幅の上限）をω。とづれば、Ｃ０〉ωｂ　　　　　　　　　　・・・（１２）すなわ
ち、が成立するように、Ｊｌ、Ｊｌおよびｋを選択すれば、
トルクセンサの１人による剛性の低下という問題が解決
し、所望の応答可能な周波数帯域幅が確保でさることに
なる。この条件は、（１）式のひとつの態様である（２
）式にほかならない。このため、このよう、な条例を満
足する場合には、等端的に第４図のような、トルクセン
サがあたかも存在しないような力学的構造に近いものと
なってくる。

好ましくは、ω０　がωｂ　に対して十分に大きく、 ω　　２　　ｚ　　ｋ　、　　Ｊｌ　’ヒ　；：１′！
　　　　）　　ａ＞　　　２　　　　−（１４）５ＩＪ
２ｂが成立するように選択を行えば、上述した４次の環は、
２次の項に対して無視可能となり、°０′　　　　　　
　　・・・（１５）Ｙ（Ｓ）＝７となるため、高次の遅れはほとんど完全に抑圧されるこ
とになる。

ここで、（１３）式の条件を、さらに詳しく説明する。

（１３）式を変形すると、となるから、ｘ　−−、ａ　＝　Ｊ。・ω９　　　　　−＜ｏ）Ｊ。

と置【プば、（１６）式は、ｋ　＞　ａ−ｘ・（１−ｘ）＝−ａ−（ｘ−ユ）２．１−生　　　−（１Ｂ）２斗と書き換えることができる。したがって、ｘ　−ｋ平面
において（１６）式を満足する領域は、第５図のカーブ
（放物線）Ｃよりも上の、斜線で示した領域Ｑとなる。

このため、特定のＪ、Ｊ２およ”びｋから求まるｘ−に
平面上の座標Ｐ（ｘ、’ｋ）が、この領域Ｑの中に入っ
ているように、このＪｌ。

Ｊ２およびｋを選択すればよいわ（プぐある。

好ましくは、この領域Ｑのうち、カーブＣからできるだ
け離れた位置（すなわち、カーブＣよりもできるだけ上
の位置）に座標Ｐ（ｘ、ｋ）が存在するようなＪ、Ｊ２
およびｋを選択りれば、高次の遅れはいっそう抑圧され
る。

ところで、弾性係数ｋをむやみに大きくプると、トルク
センサの検出感度が下ってしまうため、ｋを大きくする
ことには限度がある場合もある。このため、許容される
ｋの範囲内でＸをＯまたは１に近づ【プることによって
、Ｐ（Ｘ、ｋ）を−カーブＣから離れた位置にとること
が有効となってくる。

すなわち、第５図においてＰ（ｘ、ｋ）を点Ｐ１のよう
には選択せず、点Ｐ　や点Ｐ３のように選択すれば、ｋ
を小さなままとすることができるのである。ＸをＯまた
は１に近くするということは、すなわち、止）１　または　上）１　　・・・（２０）Ｊ２　　　
　　　　　　Ｊｌとすることと等価である。

また、トルクの検出感度などからの要請から、ｋを上限
１ｇｋ　　　以上にすることが困難であり、ｌａｘかつこの上限値ｋｌＩａｘが、第６図に示すように、カ
ーブＣの最大値；よりも小さいとぎには、ｋをｋ　　よりも小さくａｘしたままで（１３）式を満足させることが重要である。

つまり、第６図において、直線：に−に、ａｘ　　　　　　　−・−（２２）と、カーブ
Ｃとの交点のＸ座標×１．Ｘ２　　（Ｘｌ〈ｘ２）を求
めると、となるが、この×１および×２に対して、ｘ＜ｘ　　　
または　Ｘ　＞　Ｘ　２　　　　・・・（２５）かつ、
ｋ　＜　ｋ　１ｌｌａｘとなるように、すなわら、第６
図の中に斜線で示した領域Ｑ１．Ｑ２の中にＰ（ｘ、ｋ
）が属するように、Ｊｌ、Ｊ２およびｋを選択すること
が望ましい。

となる。ただし、ｔは、ずなわち、Ｊ　およびＪ２のうちの一方が、他方に対し
て（２６）式を満足する程度に大きくなるように、（１
３）式を満足するＪ、Ｊ２およびｋを選択しておけば、
ｋ□８°が小さい場合でも、所望のトルク検出感度を維
持したまま、応答周波数帯域を確保できることになる。

（２６）式においてし、が成立Ｊれば、なおいっそう、
高次の遅れが抑圧されることは、前に述べた事情と同様
である。

ところで、（１）式は直結駆動装置においてのみ達成可
能であることに注意されたい。従来の駆動装置において
は、減速ギヤの摩擦などの影響を避けるために、トルク
センサは減速ギヤの出力シャフトなどに設けざるを得な
い。すると、回転運動を行う部分のうち、トルクセンサ
よりも＆勤ツノ発生側の部分（第１の部分）の慣性モー
メントＪ１が、トルクセンサよりも駆動ツノ出力側の部
分く第２の部分）の慣性モーメントＪ２とほぼ等しくな
ってしまい、（１）式の条件を満足することシよぐきな
いのである。

なお、（１）式はダイレクトドライブモータなどの回転
駆動装置についての式であるが、直結駆動装置がシリン
ダなどの直動アクチュエータである場合には、ｌ−ｌｆ
Ｊ性量」は第１と第２の部分のそれぞれの賀φＭ１．Ｍ
、、に相当づる。上に述べた関係式は、角度→変位、慣
性モーメント→Ｗｆｆｉ、トルク→力（並進）〕）、四
転に対するばね係数１伸縮に対するばね係数または弾性
係数、どイれぞれ読み換えることによってすべて成立（
る。このため、（１）式に相当する条件として、が得られる。このＪ：うな読み換えは、可動部の運動形
態に応じて常に可能であり、他の形態の運動を行なう直
結駆動装置についてム、その運動に対する慣ｔｌＪ徂と
弾性定数とについてのｆａｔ様の条ｆ−１を導出づるこ
とができる。

（実施例の説明）次に、この発明を産業用ＩＴ＋ポットに用いられるダイ
レク］−ドライブモータに適用した実施例について説明
でる。第７図はこの発明の実施例であるダイレクトドラ
イブモータを用いた産業用ロボットの一例を示づ一部分
斜視図である。第７図のし］ボットＲＢは、基台２０の
上に第１のダイレクトドライブモータ２１を備えている
。この第１のダイレクトドライブモータ２１は、第１の
アーム２／１を回転０肴に支持する軸受台２２に直結さ
れて、これを図中のα方向に回転させるためのものであ
る。第１のアーム２４の回転軸の一端は、軸受台２２に
取りつ（プられた第２のダイレクトドライブモータ２３
に直結されており、この第２のダイレクトドライブモー
タ２３は、第１のアーム２４を図中のβｈ向に回転させ
る。第１のアーム２／Ｉの他端には第３のダイレクトド
ライブ士−夕２５が固定されＵＪ５つ、その出力軸に直
結された第２のアーム２６を、図中のγ方向に旋回させ
る。第２の７−　ｌ＼２Ｇの先端に手首部分（図示せず
）を設番ノ、こねに所望のツールを取りつけることによ
って、必我な動作を行なわ口ることができる。

第８図は、第７図に示した第３のダイレクトドライ−ｆ
［−夕２５の、一部切欠部分断面図である。

８Ｆｋ、第９図は、第８図に示すダイレクトドライブを
一タの１〜要部の模式図であり、以下、これらの図を参
照する。このダイレクトドライブモータ２５は、ハウジ
ング３０の内周にステータ３１を備えており、このステ
ータ３１は、通常のダイレクトドライノモータと同様に
、コア３２とこれに巻回された巻線３３とを備えている
。一方、シャフト４１はベアリング／１３によつＣハウ
ジング３０に回転自在に取りつけられている。このシャ
フト４１からは、所定の曲げ弾性を有する２枚の薄いビ
ーム（梁材）３９ａ、３９ｂが、所定の間隔を置いて平
行に突出している。この２枚のビーム３９ａ、３９ｂの
それぞれの両面には、たとえば半導体歪ゲージなどの歪
ゲージ４０ａ〜ｄ（４０ｂ、ｄは第８図および第９図に
（は図示せず）が、接着などの方法で固着されている。

高弾性部材３８は、ビーム３９ａ、３９ｂの弾性係数に
比べて比較的大きな弾性係数（したがって、比較的大き
な剛性ンを有づる材料で形成された、１ＩｉｎＩ形の略
角柱状の部材であって、その一部分がシャフト４１に埋
め込まれた状態で、ビーム３９ａ、３９ｂの間に突出し
ている。この高弾性部材３８とビーム３９ａ、３９ｂと
は、無トルク状態では少なくともその先端部分が互いに
接触しないように、空隙を置いて設けらている。高弾性
部材３８、ビ−ム３９ａ、３９ｂ、Ｊ５よび歪り−ジ４
０ａ〜ｄによってトルクセンナ４２が構成されている。

結合部材３６は、ボルト３７によって環状のロータ３５
の内周に同軸に装着された、切欠を有する環状の部材ひ
ある。この結合部材３６の切欠端面のそれぞれには、ビ
ーム３９ａ、３９ｂのそれぞれの他端がプリロードされ
て対接している。すなわち、この結合部材３６は、ロー
タ３５とビーム３９ａ、３９ｂとを結合していることに
なる。

この結合には、バックラッシュは存在しない。

ロータ３５の外周面のうらスデータ３１のコア３２に面
する部分には、コア３２からの磁束と磁気的に結合する
永久磁石３４が設【プられている。

結合部材３６とシャフト４１との間には、クロスローラ
ベアリング４４が設【ノられており、これのみでラジア
ル、スラスト、モーメントのすべての軸受として作用す
る。これらの結合はすべて、シャフト４１、結合部材３
６、ロータ３５、およびスデータ３１が同軸となるよう
になされている。

ここで、トルクセンナ４２・のトルク検出原理を説明し
ておく。第８図に示した巻線３３がイ′Ｎｊ勢され、コ
ア３２からの磁束が変化づると、通常の上−夕作用によ
ってｉ」−夕３５が回転し、これに取りつ１プられた結
合部材３６も回転づる。この回転は、ビーム３９ａ、３
９ｂを介してシレフト４１に伝えられる。ところが、ビ
ーム３９ａ、３９ｂは曲げ弾性を有しているため、第１
０図（ａ）に示すように、ビーム３９ａは回転方向Ｒへ
曲がった状態でシャフト４１へとトルクを伝え、シャフ
ト４１を回転さける。この曲がりの程度は、出力］−ル
クによってほぼ決定される（１〜ランスミツシ三１ンな
とは存在しないことに注意されたい）ため、この曲がり
を歪セン９４０ａ、ｂの歪として検出覆ればトルクの検
出が行なわれることになる。

トルクがある程度人きくなると、第１０図（ｂ）に示し
たように、ビーム３９ａは高弾性部材３８と接触するよ
うになる。これよりも大きなトルクに対しては、ビーム
３９ａの曲がりは、高弾性部材３８の弾性によって決定
される。ところが、高弾性部材３８はビーム３９ａ、３
９ｂに比べて大きな弾性係数を右しているため、出力ト
ルクが大きくなってもビーム３９ａの曲がりの増加はわ
ずかな世に押ざえられ、大きなトルクに）［ＩＩＪるシ
ステムの剛性が保たれることになる。大きなトルクに対
して番よ！・ルク検出感度が若干下がることになるが、
高感度が要求されるのは主として低トルクについてであ
り、＾トルク領域では、種々の飽和が生じて＾精度のト
ルク検出は要求されないため、実用上の支障は生じない
。

このような、２段階の弾性によってトルク検出を行なう
機構における、トルクτと、ビーム３９ａまたは３９ｂ
の曲がりδとの関係を第１１図に示寸。第１１図におい
て、ｋｌはビーム３９ａ。

３９ｂの同右の曲げ弾性係数（すなわち、トルクの微小
変化参△τと曲がりの微小変化量△δとの比：△τ／△
δ）であり、ｋ２は高弾性部材の曲げ弾性係数をそれぞ
れ示す。この例では、トルクの最大値τｍａｘの１０％
において、ビームの曲がりの最大値δｍａｘの２７３が
得られるように構成している。　この１〜ルクセンザ４
２の出力は、たとえばスリップリング（図示せず）を介
して、ｔ−夕の外部へと導出される。この出力は、この
ロボットの動きを制御ｊＩｌＴｌる制御装置内において
１〜ルク指令値ど比較され、これらの偏差に応じＣフィ
ードバック制御が行われる。加速度制御や速度制御も、
このトルクセンナ４２の出力に基づい（行うことができ
る。

次に、このような構成を有するダイレクトドライブモー
タの各部分の慣性モーメントの人込さと、応答周波数帯
域幅について例示する。第８図および第９図に示したダ
イレフミードライブモータにおいては、ロータ３５（永
久磁石３４を含む）の、シャフト１１１１の回転軸まわ
りの慣性モーメンｌ−Ｊ１カ＜・Ｊ１＝　　０．０１　Ｋｇ・尻　　　　　　　・・・（
３０）となっている。また、同じ軸のまわりの、シｔ・
フト４１およびそれに結合されている第２のアーム（第
７図）の慣性モーメン１〜Ｊ２は、Ｊ’２＝　　１．６
８　Ｋｙ・ボ　　　　　　　・・・（３１）となってい
る。すなわち、トルクセンナ４２を↓まさんだ２つの部
分の慣性モーメントの間には、Ｊ２ −　＝　１６８　＞＞　１　　　　　　　　　　・・・
（３２）が成立している。さらに、ど−ム３９ａ、３９
ｂの、０−夕３５の回転方向における弾性係数に１すな
わち前述したばね係数ｋ　＋、１、に＝　　５．７ｘｌ
ＯＮｍ／ｒａｄ　　　　＝・（３３）となっている。

このどき、（１１）式によって、 ω０“゛Ｒ坑１＝　　　７６０ｒａｄ／５（４Ｃ＝　工Ｈｚ２ル：　　　１２０ＨＺ　　　　　　　　　　−（３４）が
得られる。１なわら、約１２０ＨＺにおいて、（６）式
の分母の４次の項と２次の項とのウェイトが等しくなる
ため、ω＜１２０Ｈ２では高次の遅れが小さくなり、さ
らにω＜’−１２０トＩ　Ｚ　ｒ−は、高次の遅れが無
視可能となる。

ロボットのアームの制御などにおいて要求される周波数
帯域幅の上限のｂは通常２０Ｈｚ程度であるから、（１
２）式ないしは（１３）式を満足するこの１２０１−１
ｚという値は、十分に高いｂのとなっている。

事実、ｔｎ　−２０Ｈｚ　＝　１２６ｒａｄ／ｓｅｃに
おいては、（６）式において、ｌｓ’１＝Ｎｊω）４ｊ＝２５２×１０８　　　　　・・・（３ｂ）となるから
、であり、４次の遅れの項は相対的にかなり小さい。

この値は第２のアームの先端に手首部分やツールを取り
つ番プないときのものであるが、手首部分やツールを取
りつければ、Ｊ２はさらに大きくなるのであるから、こ
の場合にもこの発明の条件を満足することになる。

このような理論的解析を裏付けるために、この実施例に
お１ブる応答特性をスペクトルアナライザを用いて測定
した結果について説明する。第１２図は、第４図に示し
たような、トルクセンサを挿入していないダイレクトド
ライブモータの周波数　。

−ゲインの関係を測だしたグラフである。また、第１３
図は、上述した実施例について同様の測定を行なった結
果を示づグラフである。これらのグラフかられかるよう
に、これら２つのダイレクトドライブモータの周波数特
性は、約６０Ｈｚ以上の高周波数領域を除いて、きわめ
て良く一致していることがわかる。したがって、この実
施例のダイレクトドライブモータは、トルクセンサが挿
入されていないダイレクトドライブモータの特徴を保持
していることになる。

また、位置指令として正弦波入力を与えた場合の、この
モータのトルク検出出力を積分して得られた速度情報は
、少くとも０．１ｊ−（ｚ〜１５１−１２の範凹で、実
際の速度に相当していることを確認した。

上記実施例では、ダイレクトドライブモータにこの発明
を適用したが、直動アクチユエータその他の直結駆動＠
商にもこの発明が適用できることは前に指摘した通りで
ある。また、力センサを設ける場所も、直結駆動装置の
可動部と被駆動体との間に限らず、慣性量と弾性係数と
の間に上述した関係があるような２つの部分の境界であ
れば、どこであっても良い。トルクセンサその他の力セ
ンサの構造も特に限定するものではなく、（１）式を満
足する弾性係数を有しておればよい。

なお、ここで言う「直結駆動５Ａ置」とは、トランスミ
ッシジンなどが存在しないということを指すのであって
、センサなどを設けることは、１わ結」の語義を害さな
いものと理解されたい。

（発明の効果）以上説明したように、この発明によれば、力はンサか設
【プられているにもかかわらず、剛性の低下が少な（、
必要な周波数帯域幅を確保できる直結駆動装置を得るこ
とができる。

したがって、この力センサの出力を！１ｌｆｔとして力
制御、加速度１ｈｌＪ　ａｌｌ、速度１１Ｊ１１１など
の所望の制御を行なえば、Ｍ密な＠御が可能な直結駆動
装置となる。また、この発明の直結駆動装置に含まれる
力センサを速度測定に用いれば、高価なタコメータ・ジ
ェネレータを用いる必要もなくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図はトランスミッションを用いた駆動装置と直結駆
動装置との力学的横進を示す簡易モデル図である。第２
図および第４図はそれぞれ、トルクセンサが設けられた
ダイレクトドライブモータと、トルクセンサが設けられ
ていないダイレクトドライブモータの例を示す等価簡易
モデル図である。第３図は慣性モーメントと周波数帯域
幅との関係を説明するためのグラフを示す図である。第
５図はω。　〉ωｂ２となる領域を示す図である。第６図はトルクセンサの弾性係数の上限値が比較的小さ
い場合における、慣性量と弾性係数との選択を示す図で
ある。第７図はこの発明の実施例であるダイレクトドラ
イブを一夕を用いた産業用ロボットの一例を示す部分斜
視図である。第８図および第９図はそれぞれ、第７図に
示した第３のダイレクトドライブモータのν部切欠部分
断面図および主要部の模式図である。第１０図は第８図
および第９図の中に示したトルクセンサの動作を説明す
るための図である。第１１図は第８図および第９図に示
したダイレクトドライブモータのトルクとビームの曲が
りとの関係をグラフとして示す−図である。第１２図お
よび第１３図はそれぞれ、トルクセンサがＨＧプられて
いないダイレクトドライブモータと、この発明の実施例
のダイレクトドライブモータとの周波数特性を示す図で
ある。１０．３５・・・ロータ、１１・・・アーム、１２，４
２・・・トルクセンサ、２１．２３．２５・・・ダイレ
クトドライブモー・夕、３６・・・結合部材、３８・・
・高弾性部材、３９ａ、３９ｂ・・・ビーム、４０ａ−
ｄ・・・歪センサ、４１・・・シャフト

Claims

【特許請求の範囲】

（１）固定部と可動部とを備え、前記可動部が所定の運
動を行なうことによつて、前記可動部に直結された被駆
動体を駆動する直結駆動装置であつて、前記可動部と前記被駆動体とによって形成される運動体
の、駆動力発生側の第１の部分と駆動力出力側の第２の
部分との境界部分に設けられて、前記第１の部分から前
記第２の部分へと伝達される力を検出する力センサを備
え、前記運動に対する前記第１と第２の部分のそれぞれの慣
性量Ａ＿１、Ａ＿２と、前記力センサの弾性係数ｋとは
、前記被駆動体の駆動において要求される周波数帯域幅
の上限ω＿ｂに対して、ｋ・（Ａ＿１＋Ａ＿２）／（Ａ＿１・Ａ＿２）＞ω＿ｂ
＾２・・・（ａ）を満足する、直結駆動装置。
（２）前記第１と第２の部分のそれぞれの慣性量Ａ＿１
、Ａ＿２はさらに、Ａ＿１／Ａ＿２≫１およびＡ＿２／Ａ＿１≫１・・・（
ｂ）のうち、いずれか一方を満足する、特許請求の範囲
第１項記載の直結駆動装置。
（３）前記力の検出の感度から要求される前記力センサ
の弾性係数ｋの上限値ｋ＿ｍ＿ａ＿ｘが、ｋ＿ｍ＿ａ＿
ｘ＜（Ａ＿０・ω＿ｂ＾２）／４・・・（ｃ）Ａ＿０＝
Ａ＿１＋Ａ＿２・・・（ｄ）となっており、前記慣性量Ａ＿１、Ａ＿２および前記弾性係数にはさら
に、ｔ＝√［１−（４ｋ＿ｍ＿ａ＿ｘ）／（Ａ＿０・ω＿ｂ
＾２）］・・・（ｅ）と定義したとき、Ａ＿２／Ａ＿１＞（１＋ｔ）／（１−ｔ）およびＡ＿１
／Ａ＿２＞（１＋ｔ）／（１−ｔ）・・・（ｆ）のうち
の一方と、ｋ＜ｋ＿ｍ＿ａ＿ｘ・・・（ｇ）とを満足する、特許請求の範囲第１項記載の直結駆動装
置。
（４）前記直結駆動装置は、回転運動を行うダイレクト
ドライブモータであり、前記慣性量Ａ＿１、Ａ＿２はそ
れぞれ、前記回転運動に対する慣性モーメントＪ＿１、
Ｊ＿２であって、前記第１の部分は環状のロータを含み、前記第２の部分
は前記ロータと周軸に設けられたシャフトと、前記シャ
フトに接続された被駆動体とを含み、前記境界は前記ロ
ータと前記シャフトとの間に存在する、特許請求の範囲
第１項ないし第３項のいずれかに記載の直結駆動装置。
（５）前記第１の部分は、前記ロータの内周に同軸に装
着された、切欠を有する環状部材をさらに含み、前記力センサは、前記シャフトと前記環状部材の前記切
欠の端部との間に配設された弾性部材と、前記弾性部材
の表面に固着された歪センサとを含むトルクセンサであ
る、特許請求の範囲第４項記載の直結駆動装置。
（６）前記弾性部材は前記環状部材の前記切欠の両端部
と前記シャフトとの間にそれぞれ配設された２つの弾性
部材であり、前記弾性部材の間には、前記弾性部材の弾性係数よりも
大きな弾性係数を有し、前記シャフトに接続されて前記
シャフトから伸びる高弾性部材が、無トルク状態では少
なくともその先端部分が前記弾性部材に接触しないよう
に、前記弾性部材との間に空隙を置いて設けられた、特
許請求の範囲第５項記載の直結駆動装置。