第１章序論

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第１章序論

１．１本研究の経緯

ロボット用アクチュエータは，従来，まず産業用ロボットに適応するため，その大きなニーズである，高精度，高速，高出力を目指して発展してきた．この必要性は現在も重要であり研究開発は継続している．しかしながら近年，ロボットの適応範囲の拡大に伴い，新たなニーズが起こってきている．すなわち，たとえば，人間と共存を目指すヒューマノイドロボットに代表されるパートナーロボットの登場がある．このパートナーロボットの場合，そのアクチュエータに必要とされるのは，高精度，高速というより，

共存する人間に危害を与えない安全なアクチュエータであることが望まれる．すなわち，

外部から力が加えられた場合に柔らかく反応する必要がある．また，転倒することも考えられるので，その際にも衝撃を柔らかく吸収し自分自身の本体を守るアクチュエータであることが望まれる．また，一方，近年の産業用ロボットの分野においても単に高速，

高精度の追求だけでなく，部品の位置決めを正確にしておかなくてもそのハンドリングや組み立てを実行することができる機能のニーズが高まっており，そのための方法として力センサなどを利用したコンプライアンス制御の必要性が急速に拡大している．このときに望まれるアクチュエータも外部から力が加えられた際に柔軟に反応する性能を持つアクチュエータである．

このような背景から，これからのロボット用アクチュエータとしては，高精度，高速，

高出力のみならず，外部からの力に柔らかく反応するアクチュエータが望まれるようになってきている．この実現のために制御的な方法，機構的な方法など様々なアプローチが考えられ，研究がなされてきている．本研究では、そのなかで機構的な解決策としてアクチュエータに高いバックドライバビリティを持たせ，基本的にハードウェアとして柔らかさを持たせる設計手法について研究し，提案していくことを主題とする．ハードウェアとして柔らかさを持つことができれば，制御的なコンプライアンスコントロールなども大変効果的に実現できるようになる．

さて，本研究はロボット用アクチュエータに関する研究であるので，まずアクチュエータの歴史について振り返ってみる．ロボットの構成要素には様々なものがあるが，ロ

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ボットとは基本的に多軸アクチュエータシステムであるため，アクチュエータの性能がそのロボットの性能を支配するといってよく，大変重要な基本要素である．ロボット用アクチュエータの要素技術は，大きくみると，駆動用サーボモータと減速機の進歩であったと言える．イギリスの物理学者マイケル・ファラデー（Michael Faraday）は1831 年に電磁誘導現象を発見し，電動機（誘導電動機），発電機など多くの電気機器の動作原理のもとを築いた.¹⁾その後，同じくイギリスの物理学者ジョン・アンブローズ・フレミング（John Ambrose Fleming）がこの電磁誘導をわかりやすく表現するため人間の手であらわしたフレミングの法則を考案し1880年代に発表した．その後，電磁モータは大きな発展を遂げていった．

動力を発生するだけでなく位置や速度を制御する機能を含む，いわゆるサーボモータの研究は，1950年代後半あたりから始まったとされる.²⁾ＤＣサーボモータの初めての商品化は1958年頃であった．その後，産業用ロボットが1970年代後半から出始め，1980年の産業用ロボット元年を契機にＤＣサーボモータは進歩を早め，様々な形式のものが開発されていった．そして，メンテナンスフリーの要求が高まってきたため，1970年代にはかなり確立されていたＡＣサーボモータの技術が製品へ応用され始めた．ロボット用ＡＣサーボモータは，1987年頃に製品化された．ＤＣサーボモータからＡＣサーボモータに変わることにより，モータからブラシがなくなったことは，ロボットの信頼性向上およびメンテナンス性の向上に大きく貢献した．また，位置検出器として用いられてきたインクリメンタル方式パルスエンコーダが，アブソリュート方式エンコーダに置き換わってきたのもほぼ同時期であり，これにより原点復帰作業が不要になったことでロボットの信頼感は高まった．モータの小型化，高トルク化も並行して進歩し，電気式ロボットが誕生した頃のＤＣサーボモータと現在のＡＣサーボモータを同一容量で比較すると，質量比で約１／６以下，体積比で１／５以下となっており，大きく進化してきたと言える．この小型化，高トルク化の進歩は，主としてマグネット特性の進歩と絶縁技術の進歩に依存してきたと言われるが，さらに革新的な高密度巻線技術の開発も大きく貢献している．ロボット用モータの用途別仕様比較を，Fig.1.1 に示す．

もうひとつの要素技術である減速機であるが，当初の産業用ロボットでは，ボールスクリューが多く使用されていた．これは当時の歯車型減速機やモータを関節軸芯に直接配置すると大きく重いため使用に耐えられなかったためであった．その後，減速機に対してもロボット用として小型，高剛性のニーズは高くなり，高剛性ハーモニック形減速機，ＲＶ減速機，サイクロ減速機などが次々と製品化されてきた．また，コンポーネン

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ト構成からモータへ内蔵された減速機の構成も現れ，小型化に貢献している．

モータや減速機は１００年以上という長い歴史から，電子技術のめざましい発展に隠れて，機械技術の成長が飽和しているかのような印象があるが，決してそうではなく，

まだまだ改良と革新の余地がある重要な領域である．

Area used by humanoid robot

Area used by industrial robot

Area used by continuous rotation 0

2000 4000 6000 8000 10000

0 100 200 300 400 500

Rated torque ratio %

Rotational speed rpm

Area used by humanoid robot

Area used by industrial robot

Area used by continuous rotation

Area used by humanoid robot

Area used by industrial robot

2000 4000 6000 8000 10000

0 100 200 300 400 500

Area used by humanoid robot

Area used by industrial robot

2000 4000 6000 8000 10000

0 100 200 300 400 500

Area used by humanoid robot

Area used by industrial robot

Area used by humanoid robot

Area used by industrial robot

Fig.1.1 Motor specification required for the use of various robot

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１．２従来の研究

ロボット用アクチュエータとして現在，広く使用されているＤＣサーボモータ，ＡＣサーボモータ，ＤＤモータ，および数種の減速機について開発の経緯，研究に関して概観する．

１．２．１ＤＣサーボモータ

電磁モータは１００年以上の歴史を持ち，小型高出力，軽薄短小，省エネルギーというように，時代背景を反映する要求に応えるべく研究・開発が行われてきた.^3)4)5)6)近年のモータの性能向上は,永久磁石の進歩に負うところが大きく，希土類磁石の実用化・特性改善とともに飛躍的に性能が向上した．すなわち,アルニコ磁石を利用したハイブリッド型ステッピングモータ, 次に,フェライト磁石を応用したブラシレスＤＣモータ,さらに,希土類永久磁石を応用したＡＣサーボモータが開発されてきた．

ＤＣサーボモータの研究は，1950年代後半に始まり，当初の機器の構成としては，高抵抗カゴ形誘導電動機を磁気増幅器で自動制御する方式であった．その後，油圧あるいは空気圧のアクチュエータの欠点を克服するために，トルク／慣性モーメントの比率が特別に大きいモータの構成を追及した結果，1958年に平滑電機子形サーボモータが開発された．この平滑電機子形モータは「導体をじかにモータの回転子の上に置く」という革新的な発想から生まれた非常にユニークな構造を持ったＤＣサーボモータであり，それ以来，ＤＣサーボモータの草分け的存在として，その優れたサーボ性能，高信頼性により，高精度，高加減速頻度が要求される各種用途に広く採用された．

その後，1961年にフランスのセア社にてモータの配線をプリント基板上に腐食を用いて一挙に仕上げるという着想で扁平形コアレスモータが発明されたが，実際の産業用に提供するには耐久性の点で問題があった．しかし，エッチングに代わるノッチングによるロータ製造法の開発により，量産性，耐久性が飛躍的に向上した．このノッチング製造方法は，同じセア社のライセンスで扁平形コアレスモータを製作する各国のメーカーが採用し，ロボット用ＤＣサーボモータとして世界中で広く採用された．

次に，内磁円筒形コアレスモータが，扁平形コアレスモータの出力範囲を拡大するため，扁平形コアレスモータの技術と平滑電機子形モータの技術とのコンビネーションによって，1966年に開発された．当時，各産業の高度化・自動化が進むにつれ，電動機の

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速度制御に対する要求が高まり，誘導電動機での定速運転またはギアの切り替えなどを行っていた分野にも直流電動機が進出してきたが，これらの用途は始動・停止・逆転が頻繁に行われるため，一般直流機では信頼性の問題があった．この内磁円筒形コアレスモータは，上記の用途を対象にして開発され，これらの用途に最も適した特性で中程度の応答性を持つサーボモータおよび一般可変速用の直流機として使用された．

これらのスロットレス形ＤＣサーボモータは，巻線が空隙部内に配置されているためにリアクタンス電圧が小さく整流が良いという特徴があるが，反面，永久磁石の使用量が多くモータ外形が大きくなるという課題があった．1970年代後半，特にロボット用として小型で高出力を目指したロボット用ＤＣサーボモータ（Fig.1.2）が開発された．これは、これらの問題点を解決したスロット付形モータで，優れた性能密度特性によりロボット用として広く使用されるようになった．ロボット用ＤＣサーボモータは，希土類系永久磁石の採用により磁気装荷を高め，さらに整流設計の工夫により、スロットレス形と同等のモータ寿命を得ている．

Bracket

Commutator Armature Output axis Frame Bracket

Commutator Armature Output axis Frame

Fig.1.2 DC Servo motor for the use of robot developed around 1975

１．２．２ＡＣサーボモータ

永久磁石のエネルギー積の向上とともにモータはその能力を有効に使えるように改良されてきたが,特に顕著な改善が行われたものがＡＣサーボモータである.^7)8)9)10)

ＡＣサーボモータはメンテナンスフリーを特徴とするため，機器のなかに埋め込まれて使用されることが多い．機械全体の小型化のために，モータの小型化が重要であった．

モータの性能改善の経緯を Table.1.1 に示す.³⁾

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開発当初は,交流モータの延長で設計されており,ステータは全節巻線が施され,極数も４極が大半であった．永久磁石も希土類磁石を使用しても１６０kJ/m³程度のエネルギー積であったが,従来のＤＣサーボモータと比較して定格回転速度が３０００rpmと高速化されたことで,当時としては非常な高性能化が実現された.

高性能化の第１ステップは８０年代後半であった．ステータ構造をブラシレスＤＣモータで行われていた非重ね集中巻で銅損減少の性能改善が行われた．第２ステップは９０年代に入った頃，ネオジウム磁石が実用となり，エネルギー積が400 kJ/m³以上と従来とは比較にならない展開が起こった．高エネルギー積を有効に使うためには，従来の４極構造では磁気回路が不適切であったため，多極構造が採用されるようになり，６極，

８極構造が主流となった．同時にステータ製造技術にも革新が起こった．従来はモータのスロットに巻線するためには内側から巻かなくてはならず，巻線の密度を上げて巻くことができなかった．ソレノイドコイルのようにボビンに巻線をする場合には整列巻線が可能である．これに着目して，ボビンコイルでステータを構成する構造の開発が行われた．ステータをヨークとティースに分割しティースにボビンを挿入した後にヨークと結合する方法や，ステータティースをひとつづつ分割し，それぞれに巻線を施した後にステータとする方法，すなわち分割巻線という革新が起こった．これにより，従来の巻線密度が５０％程度しか取れなかったのに対し，８０％以上の高密度巻線が可能となり飛躍的な銅損の低減が実現された．これらの技術進歩により，この１５年でモータの小型・軽量化が進み，容積で約1/3～1/4,質量で1/2～1/3のモータが製品化されるようになった．

Table.1.1 Improvement of technology for AC servo motor

1980 ～ 1985 1985 ～ 1990 1990 ～ 1995

Weight of motor (750W) (kg) 8 6 3

Weight of motor (300W) (kg) 3.5 2.5 1.5

Weight of motor (100W) (kg) ー 2 0.5

Magnet material Ferrite Samarium

-cobalt Neodium Wire winding method pile winding

non-pile and concentrated

winding

divided core winding

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１．２．３ＤＤモータ

ダイレクト・ドライブの歴史そのものは古く，特に軽負荷の小型トルクモータ，あるいはフォースモータは，各種の精密機器にはやくから応用されていた．一方，より大きな負荷をダイレクト・ドライブ方式で駆動するべく，大トルク低速回転のモータが登場したのは，1950年代で，レーダーやアンテナの方向制御のために用いられた．これは，

大口径・薄型のＤＣトルクモータで，大口径のステータに多数の永久磁石をはめ込み，

多極構造としたものであった．また，トルクの変動を低く抑えるため，ロータには多数のスロットを設け，コイルを多数に分割している．レーダーやアンテナの制御では，高い位置精度が必要とされるだけでなく，極低速回転時の速度むらにも厳しい条件が課せられた．ダイレクト・ドライブモータはこのような特殊仕様の精密機械において，その技術が磨かれてきた．その後，計算機の周辺機器やオーディオ機器などで必要とされ急速に広まっていった.¹¹⁾¹²⁾

ロボットにダイレクト・ドライブモータを採用して本格的な研究が進んだのは，1980

～1981年にかけて米国カーネギーメロン大学（ＣＭＵ）で開発された６自由度回転関節形ロボットとされる.¹³⁾ この時期は，ＤＣサーボモータとハーモニックドライブ減速機によるアクチュエータが，ロボットの駆動装置の主流を占めていたが，減速機でのコンプライアンスと，摩擦による伝達トルクの脈動により，著しい振動が生じることが問題となっていた．また，バックラッシやロストモーションによる精度の低減なども問題であった．さらに，ロボットの力制御や動的制御の研究が進みつつあったが，力やトルクを制御するには，減速機や伝達系の摩擦が大きな障害となっていた．このような問題を解決するべく提案されたのが，ダイレクト・ドライブモータの使用であった．初期には，

ＣＭＵでは，ＤＣトルクモータを用いていたが，出力トルクの点で問題があった．1982 年，ＭＩＴで，コバルト磁石を有する高トルクＤＣブラシレスモータをモータメーカーとともに開発し，ＤＤロボットを開発した．

ダイレクト・ドライブモータを使用したロボットの商品化1号機となったのは，1984 年に発表された，米国 Adept Technology 社の Adept One ロボットであった．このロボットに使用されたＤＤモータは，Motornetics社のバリアブルリラクタンス形モータが使用され，ロボットとしては，サイクルタイム１秒以下の高速性，±25μmの高精度位置決めを達成した．バリアブルリラクタンス形モータは，磁石のないステッピングモータと原理的に同じであるが，ステータを二重構造にして，エアーギャップの面積を倍増し，

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さらに，ロータの歯数を増やし，高トルクが得られるよう工夫している．また，ステータ内部に独特の磁路を形成して発熱量を大幅に抑えている．このバリアブルリラクタンス形のダイレクト・ドライブモータは広くロボットメーカーに応用されていった．このバリアブルリラクタンス形モータに永久磁石をはさみ込み，モータ効率を向上させたハイブリッド形モータも開発され，広く使用されている.¹⁴⁾¹⁵⁾ バリアブルリラクタンス形

（VR形）とハイブリッド形（HB形）のダイレクトモータの例を次に示す．

Outer rotor

Stator core

Excitation coil

Permanent magnet Outer rotor

Stator core

Excitation coil

Permanent magnet Stator

Stator Rotor

Stator

Stator Rotor

Fig.1.3 VR type DD motor Fig.1.4 HB type DD motor

１．２．４小型波動歯車装置

波動歯車装置は一般にハーモニックドライブ減速機として知られているが，この装置は1955年アメリカの W.C.Musser 氏により発明され，“Strain Wave Gearing” の名称で発表された．^17)18)19)日本では1964年,(株）長谷川歯車がアメリカから技術導入し国内生産が開始された．その後，しばらく確固とした応用が見つからないでいたが，1978年スウェーデンのアセア社が産業用ロボットの電動化のための減速機として使用を始め，

これを契機にロボット用を中心として広く使用されるようになった.²⁰⁾²¹⁾

この波動歯車装置は Fig.1.5 に示すが３つの部品からなっており，原理についてはよく知られているので割愛するが，基本的な特徴について述べる．最大の特徴は，

１）歯車のかみあいに，バックラッシを全く必要としないことである．

これは歯車のかみあいが転がりではなく，くさびのように入り込む独特な

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かみあいによるものであるためである．

次に，

２）たわみやすい歯車をもつため同時かみあい歯数が極端に多い.

開発当初はかみあい歯数は総歯数の約１０％ほどであったが，1989年の頃の歯形の改良により，約３０％に向上している．

同時かみあい歯数が多いことから，歯車誤差が平均化され角度伝達精度が高くまた，伝達トルク容量も大きい．

があげられる．

技術向上の変遷であるが，やはり疲労強度が問題であったフレックススプラインの応力緩和形状の工夫による強度向上が何度か行われてきたことが大きい．また，歯形の改良も1980年代後半に行われた．これは，従来は圧力角30度で低歯のインボリュート歯形であったが，歯底曲げ応力集中が大きいこと，同時かみあい歯数が総歯数の 10％程度にとどまっていたため， Fig.1.6 に示すようなＩＨ歯形と呼ばれるフレックススプラインの歯溝歯厚比を大きくし，またフレックススプラインの楕円変形による歯の移動軌跡を解析し，同時かみあい歯数を総歯数の30％と大幅に増やす歯形とし，ねじり剛性も約２倍に改良された．その後，中空構造のタイプや高精度化のためのユニット構造のタイプなどより性能を引き出すための工夫がされた製品が開発された．

しかしながら，ハーモニックドライブ減速機は，小型高精度を中心に追求してきているため，出力軸側から回転させられる場合のバックドライバビリティへの考慮はあまりなされてこなかったと考える．

Conventional cog shape ( ~ 1988)

I H type

cog shape ( 1989 ~ ) Conventional

cog shape ( ~ 1988)

I H type

cog shape ( 1989 ~ ) Circular spline

Flex spline Wave generator

Circular spline Flex spline

Wave generator

Fig.1.5 Harmonic drive gear Fig.1.6 Cog shape

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１．２．５ロボット用精密ＲＶ減速機

産業用ロボットにハーモニックドライブ減速機とともに広く使用されているＲＶ減速機について述べる.^{22) 23)}

ＲＶ減速機の原点は建設機械であるパワーショベルの走行モータにさかのぼるといわれる．この走行モータの減速部をベースにしてロボット用精密減速機として１９８６年に開発された．この減速機は，高信頼性，低振動，低バックラッシ，低イナーシャなどの特徴により，多くの産業用ロボットに採用され，累計生産台数は１２０万台を越えたとされる.

ＲＶはロータ・ベクタの意味で，ベクトル（力）が回転（ロータ）する，というところから付けられた．ＲＶ減速機の構造を Fig.1.7, Fig.1.8 に示す.

ＲＶ減速機の構造は，

１）第１減速部と第２減速部からなる２段減速機構であること.

２）第２減速部はトロコイド歯形とピン歯車を用いているピン歯車機構であること.

３）ＲＶギアの自転を取り出すクランク軸の両端を回転支持しているのは両持ち支持機構であること.

の３つが基本的な特徴となっている.

減速比は，１/４０～１/３００ほどまで，第１減速部の減速比を変えることに広範囲にできる．クランク軸が両持ち機構であることから，ねじり剛性が大きく，定格トルクの５００％の過負荷に耐えられることができる．また，ピン歯車機構により，同時かみあい歯数が多いため，この点でも過負荷に強い．かみあいは１枚差であり，大減速が可能である．ピンとトロコイド歯車間のバックラッシをピンの大きさを選択することにより，ほぼゼロにすることが可能である.

この減速機は，高負荷の動作を高精度に行う場合には適しているが，構造がかなり複雑であることから小型化，軽量化にはかなり困難が伴う．また，剛性が高く，外部からの衝撃に対して強くできている構造であるため，バックドライバビリティに関する考慮はほとんどなされていない．転がり摩擦の部分が多いが，基本的に部品点数が多いため，

クーロン摩擦抵抗，粘性抵抗は多くなっていると考える．

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Pin RV gear Crank shaft

Input gear Hold flange

Spur gear Shaft

Case

X Pin

RV gear Crank shaft

Input gear Hold flange

Spur gear Shaft

Case

X

Fig.1.7 Configuration of RV reduction gear

Case Pin

RVgear

Input gear

Spur gear

Output

Crank shaft

Shaft ^First

reduction gears Second

reduction gears

Z

Y

X Case

Pin RVgear

Input gear

Spur gear

Output

Crank shaft

Shaft ^First

reduction gears

Case Pin

RVgear

Input gear

Spur gear

Output

Crank shaft

Shaft ^First

reduction gears

Z

Y

X

Fig.1.8 Detailed configuration of RV reduction gear

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小型波動歯車装置精密RV減速機遊

形状（大きさ）小型（Φ２０mmレベル）～中型中型～大型重量軽量（１００ｇレベル）～中量中量（数１００ｇレベル）～重量軽量部品点数基本３点（ただし，ウェーブジェネレータはベアリング含む複合部品）

ピン，ベアリング，シャフトなど点数はかなり多い減速比１／３０～１／３２０１／４０～１／３００許容負荷（耐久性）

　フレックススプラインが繰り返し　変形を受けるため疲労強度の　課題があるが改良されつつ　ある．

　ピン機構により同時かみあい率が　高いため，許容負荷高い．

　同時に３枚の歯　いるた

星歯車減速機

小型（Φ１０mmレベル）～中型（５０ｇレベル）～中量基本６点（一段）１／２～１／１０レベル（一段の場合）車とかみあってめ通常の平歯車より高い．精度（バックラッシ）　構造的にバックラッシはゼロ．　ただし，ヒステリシス有り．ピン機構により出力軸で１分以下　通常３度レベル，　精密級で１度レベルバックドライバビリティ　考慮があまりなされていない．　考慮があまりなされていない．　平歯車の組み合わせのため　基本的には良い．

Table.1.2 Co m par is on of re duction gear s

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１．２．６柔軟性を有するアクチュエータの研究

前節まで，ロボット用アクチュエータとして広く使用されてきたＤＣ，ＡＣ，ＤＤモータ，および２種の減速機について開発，研究の流れを述べてきた．

次に，本研究はロボット用アクチュエータに高いバックドライバビリティを与えようとする研究，すなわち，柔らかさを与えて，人間に対して安全性を確保したり，コンプライアンス制御を容易にしたりすることを目指したものである．この分野の研究は従来，

力センサを用いて制御面で能動的にコンプライアンス制御を行うという方法での研究は多くなされてきた.^24)-29) しかし，本研究の目指す機構面から本質的に柔らかさを目指す研究はあまり多くなされては来なかった．しかしながら制御的ではあるが，関連ある研究として，力センサを用いずにコンプライアンス制御を行おうとする試みは少なくはあるが行われてきた．すなわち，通常はコンプライアンス制御はアクティブ制御として力センサを使用するが，それを用いず，アクチュエータ側に柔らかさを持たせて実現しようとする研究である．その例として，舘らは，ダイレクト・ドライブモータを用いたロボットの正確なモデルをもとに，内界センサから推定した角速度・角加速度を用いて，

望みの手先インピーダンスを実現する方法を提案している.³⁰⁾ また，村上らは，モータのモデルと外乱オブザーバを併用することで反作用トルクを推定し，手先コンプライアンスを実現する方法を提案している.³¹⁾ 次に，大石らは，Ｈ^∞制御の混合感度問題に基づいて構成された加速度コントローラによる力制御系に，トルクオブザーバによる反力推定機構を用いるセンサレス力制御系の設計法を提案している.³²⁾³³⁾

センサレス力制御の研究では，摩擦やバックラッシのないダイレクト・ドライブモータを使用したものを対象としている場合が上記のように多いが，減速機付のモータを対象とした研究は従来十分に行われてこなかった．これは，減速機を有するモータでそのモデルに摩擦やバックラッシに起因する非線形特性を含む場合には，エンコーダ等の内界センサから推定するモータのトルクが正確な値となりにくいことが一要因である．しかし，産業界では，ロボットアームの関節部をコンパクトに構成できるなどの理由により，高減速なハーモニックドライブ減速機が用いられることが多い．このような減速機が用いられる場合でも適用できるセンサレス力制御の研究は数少ないが，永井らの研究

がある.³⁴⁾³⁵⁾

この研究は，Fig.1.9 に示すように，ハーモニックドライブ減速機の大きな静止摩擦力の低減を目的としてディザを利用した制御方法である．効果的に静止摩擦の影響を低

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減するためには，効果的なディザの波形を決定する必要がある．この研究では，正弦波が利用されたが，静止摩擦低減の効果がある一方ロボット手先部の振動も発生し，この低減のための調整が図られた．この結果としての効果は，静止摩擦が約半分に低減された，との報告がなされている．ハーモニックドライブ減速機の摩擦抵抗は大きいので，

半分では十分とは言えないが，制御的にある程度低減が可能であることを示したことは意義があるといえる．

Fig.1.9 Block diagram of dither control to a robot actuator

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１．３本研究の目的

本研究は，「外部から力を加えられた場合にできるだけ柔らかく反応する高いバックドライバビリティを有し,かつ必要な高精度，高出力を具備するロボット用アクチュエータに関わる設計手法を構築するとともに，実際に本機能を有するアクチュエータを実現し，今後のロボット機構設計の向上に寄与すること」を目的とする．

この目的を達成するために，具体的には, 次の提案や評価を行うこととする．

１）高バックドライバビリティの概念と定義の提案

２）高バックドライバビリティを実現するための高出力モータの設計法の提案

３）高バックドライバビリティを有する減速機の設計法の提案４）高バックドライバビリティを有するアクチュエータ（モータ

および減速機）を製作し，定量的に評価

５）さらにロボットシステムとして統合し，システム全体としての性能の評価

高バックドライバビリティを有するロボットアクチュエータの実現には，高出力モータと高バックドライバビリティを有する減速機の双方が必要であると考えるがその背景を説明する．

基本的に，高バックドライバビリティの実現には減速機の検討が重要であるが,バックドライバビリティは減速比ができるだけ低いほうが高いことがわかっているため低減速比を目指すことになる．必要な高出力を実現するためには, 減速機の減速比を低くした分だけモータそのものの出力をサイズを維持したまま向上させる必要が生じる．したがって，高バックドライバビリティを持つロボットアクチュエータの実現には，高出力モータとバックドライバビリティの高い減速機の双方の実現が不可欠となる.これより，

具体的なテーマとしては, 高出力軽量モータの実現,高バックドライバビリティを有する高精度減速機に必要な要素の解析,必要仕様に基づく高精度減速機の実現、モータと減速機を組み合わせたアクチュエータとしての必要仕様の実現などをあげ,それぞれの設計手法について提案，実験，評価を行う.

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１．４本論文の構成

本論文の第２章以降の内容は以下の通りである.

第２章では，本研究の目的である高バックドライバビリティを有するロボット用アクチュエータを実現するにあたり，まず，バックドライバビリティとは何かという概念の検討を行う．バックドライバビリティという概念については従来より定性的な説明は存在していたが，本研究のようにバックドライバビリティの向上を目指す場合には，定量的な定義が必要となる．したがって本章では,まず，バックドライバビリティの概念の解析を行う．すなわち，モータと減速機を含めた機構系のモデルについて検討し,従来，定性的な概念しかなかった「バックドライバビリティ」という概念の定量的定義について新たに提案する.そして，この定義に基づいて，高バックドライバビリティの実現の指針を示す．その中で，静的バックドライバビリティおよび動的バックドライバビリティの概念についても新たに提案を行う．

第３章では,高バックドライバビリティを有するアクチュエータとして不可欠なロボット用高出力モータの機構設計について述べる．このモータの特徴は,従来の同サイズのものに比べて出力重量比で約２～３倍を実現し高出力であること, 従来外置きであった制御装置を小型回路化によりモータ内部に内蔵させることを実現したこと,などがある.

本章では,特に, 高出力化に対して工夫したいくつかの方式についての設計手法,特に, 従来モータ設計にはあまり使用されてこなかったが，計算時間，精度の点で大変効果的な３次元電磁場解析シミュレーションによる設計手法の提案を行い，コア形状やロータのスキュー角度などの最適化設計を新たに試みた結果について述べる.

第４章では，高いバックドライバビリティを有するロボット用高精度減速機の構造設計手法について述べる.まず，高精度を確保するためのバックラッシの低減について述べる．次に，第２章で述べた「バックドライバビリティ」の定量的な定義に基づき，具体的な向上設計手法である,慣性抵抗の低減,粘性抵抗の低減,クーロン摩擦抵抗の低減, について述べる．次に，これらの設計手法に基づき試作を行った減速機，およびいくつかの同レベルの仕様を持つ減速機に対して,従来には定量的に計測されたことのなかった実際のバックドライバビリティ値，本章では静的なバックドライバビリティ値の計測実験を行い,評価,考察を行う．対象は,試作した２種の減速機,ロボットの減速機として広く利用されているハーモニックドライブ減速機２種,および,試作ロボットなどに利用されることの多いマクソンモータ社の遊星歯車型減速機１種について行う．そして,これ

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らの実験データに関して比較評価を加える．

第５章では，さらにこの検討を進め，減速機を外部からある回転数で回転させている場合の抵抗，すなわち，動的な状態でのバックドライバビリティ値について計測し評価検討を進めていくことを行う．その計測と検討の必要性は，ロボットの関節が転倒などにより衝撃力を受ける場合，その衝撃力を緩和するためには減速機が外力により急速に回転数を上げていく必要があり，その動的な状態を知ることが大変重要となるためである．すなわち，外部から回転力を受ける場合にできるだけ抵抗が少ないことが重要で，

これにより減速機や関節機構の破壊を軽減することにつながることになる．減速機が外力トルクにより出来るだけ少ない力で回転を始めることも重要であるが，その後も出来るだけ少ない力で回転数が急速に上昇していくことも大変重要である．特に腕部の関節は転倒衝撃を受ける役割を持つことが多いが，衝撃力により回転数が急速に上昇する性能を持つ必要性が高い．この理解のため，前章と同じく各種減速機に対して，外部からの回転トルクとその時に生じる回転数を計測し，比較検討と考察を行う．

第６章では,前章まで検証してきた高バックドライバビリティを有するロボット用アクチュエータを実際のロボットシステムに適用することを試みる．適用するロボットシステムとしては，小型のヒューマノイドロボットを取り上げる．まず，適用するロボットのサイズ，重量などの仕様について検討し，その仕様から導かれるアクチュエータの仕様について検討する．次に，ロボットシステムのアクチュエータとして望まれる具体的な性能について述べる．

第７章では，第６章で取り上げた小型のヒューマノイドロボットシステムにおいて，

本研究におけるロボット用アクチュエータが，目標とした仕様を満足させているか総合動作実験し評価を行う．第３章より，高出力アクチュエータ，特に高出力小型モータ部の実現，次に，小型高精度減速機の工夫，特にバックドライバビリティの向上を目指し，

それぞれの設計手法について述べてきている．ここでは，これらの実現がロボットシステムとしての性能を満足させているかどうか，また高バックドライバビリティの性能を発揮しているかどうかを各種の総合動作実験を行い，その評価を通して確認することを主題とする．具体的な各種動作として，負荷の高い動作として広角度の旋回動作の評価を行う．次に，転倒動作として前方転倒動作および後方転倒動作の実験評価を行う．特に，アクチュエータ及び減速機の効果について確認し評価を行う.

第８章では，本論文の結論を述べる.

第１章 序 論