HONPINE HPJMハーモニックジョイントモーター：位置モードと速度モード—適切な制御モードの選び方

こんにちは。HONPINEのテクニカルディレクター、Theodore Liです。お客様とお話しする中で、ハーモニック関節モーターの位置モードと速度モードの違いについてよく質問を受けます。

どちらのモードもロボットのモーションシステムで広く使用されていますが、それぞれ異なる制御要件に対応します。モードの選択を誤ると、動作精度、運転効率、システムの安全性に影響する可能性があります。

この記事では、HONPINEのHPJMハーモニック関節モーターを例に、位置モードと速度モードの仕組みや違い、それぞれに適した用途について説明します。

1. ロボット関節モーターの位置モードとは？

位置モードは、モーターを指定した目標位置まで移動させる制御方式です。通常、次の3つのループで構成される閉ループ制御アーキテクチャを使用します。

位置ループ → 速度ループ → 電流ループ

外側の位置ループでは、PIDコントローラーを使用して目標位置と実際の位置を比較します。目標位置は通常、エンコーダーカウント（cnt）で表され、特定の角度位置に対応します。

位置コントローラーは、内側の速度ループに速度指令を出力します。モーターコントローラーは、設定されたモーションプロファイルに従って加速と減速を制御し、関節を目標角度へ動かします。

目標位置に到達すると、コントローラーは閉ループ制御によって指令された位置を維持します。

追従誤差の監視：コントローラーは目標位置と実際の位置との差を監視します。この追従誤差が設定されたしきい値を超えると、ドライブの保護設定に応じて、モーターが故障コード0x8611（追従誤差）を発生させ、動作を停止する場合があります。

この機能は、関節を所定の角度まで動かし、その位置を保持する必要がある用途で特に有効です。

2. ロボット関節モーターの速度モードとは？

速度モードは、モーターの回転速度を直接制御します。通常、次の2つのループで構成される閉ループ制御アーキテクチャを使用します。

速度ループ → 電流ループ

位置モードとは異なり、速度モードでは目標角度を指令するための位置ループを使用しません。その代わりに、モーター側で0.01 Hz単位に指定された目標回転速度をコントローラーに入力します。

モーターは入力された指令に従って速度を調整し、有効状態が維持され、ゼロ以外の速度指令を受けている限り回転を続けます。

このモードでは：

モーターは目標角度ではなく、回転速度を制御します。

関節が特定の角度に達しても、自動的には停止しません。

外側の位置ループによる追従誤差の積極的な補正は行いません。

そのため、位置モードに関連する追従誤差保護は、同じ方法では利用できません。

重要：速度モードだからといって、モーターに保護機能がないわけではありません。ただし、機械負荷が固着した場合、モーターは電流制限と保護設定に従ってトルクを出し続けることがあります。上位コントローラー側で、適切な電流監視、ストール検出、移動範囲制限の保護を実装する必要があります。

3. 位置モードを使用する場面

ロボット関節を指定角度まで動かす、定められた位置間で移動させる、または目標姿勢を維持する必要がある場合は、一般に位置モードが適しています。

代表的な用途には、ヒューマノイドロボット、リハビリ用外骨格、協働ロボットアーム、パン・チルトシステム、揺動機構などがあります。

ヒューマノイドロボットの関節：股関節、膝、足首、肩、肘

用途上の要件：

歩行、しゃがむ動作、立ち上がりなどの動作では、各関節を目標角度まで動かし、必要な姿勢を維持する必要があります。

推奨モード：位置モード

上位のモーションプランナーが各関節の目標角度を計算し、対応するエンコーダーカウント（cnt）に変換します。これらの位置指令をHPJMモーターに送信します。

モーター内部の3ループ制御システムが、加速、減速、位置保持を含め、各目標位置への動作を制御します。

これにより、メインコントローラーは各関節の低レベル位置ループを外部で個別に実装する代わりに、ロボット全体の動きの協調に注力できます。

保護に関する考慮事項：

関節が機械的に固着したり、過大な抵抗を受けたりすると、追従誤差が設定しきい値を超え、0x8611の追従誤差故障が発生してモーターが停止する場合があります。これは、該当する保護機能が有効になっており、正しく設定されていることが前提です。

調整時の推奨事項：

しゃがむ動作や立ち上がりなどの高負荷動作では、位置ループのKpゲインを過度に高く設定しないでください。振動や発振が発生する可能性があります。

実用的な調整手順として、まず速度ループのKpおよびKiゲインを最適化し、その後に位置ループのゲインを調整します。コントローラーが対応しており、用途上必要な場合は、位置ループのKdも調整できます。

加速度の設定も、関節の慣性に適した値にする必要があります。過度な加速度は追従誤差を増大させ、特に関節が大きな慣性負荷を受けている場合には、故障を引き起こす可能性があります。

リハビリ用外骨格の関節：歩行支援とリハビリ訓練

用途上の要件：

外骨格には、使用者の肢体を指定された関節角度まで誘導し、目標姿勢を維持するとともに、異常な抵抗が発生した場合に安全に対応する機能が必要です。

推奨モード：位置モード

コントローラーはリハビリプログラムに基づいて目標関節角度を設定し、モーターが関節を指定位置まで動かします。

安全に関する考慮事項：

使用者が動作に抵抗した場合や外部負荷が過大になった場合、位置追従誤差が設定しきい値を超え、故障が発生する可能性があります。

ただし、追従誤差保護だけでは、人と接触する用途の安全性を十分に確保できません。リハビリ用外骨格には、適切なトルクまたは力の制限、機械的な可動範囲制限、非常停止、独立した安全機構も組み込む必要があります。

協働ロボットおよび小型ロボットアーム

用途上の要件：

ロボットには、定められた位置間の移動、ピックアンドプレース作業、および指定された関節姿勢の維持が求められます。

推奨モード：位置モード

上位コントローラーが関節モーターに目標位置を送信します。複数の目標位置を設定することで、簡単なポイント・ツー・ポイント動作を作成できます。

たとえば、モーターの初期試運転では、異なる目標位置を繰り返し指令することで、正逆方向の位置決めテストを実施できます。

位置モードは、関節の再現性のある位置決めや、明確な動作終点が必要な用途に適しています。

パン・チルトシステムおよび揺動アクチュエーター

用途上の要件：

機構を指定角度まで回転させて停止し、次の動作までその位置を保持する必要があります。

推奨モード：位置モード

コントローラーが目標エンコーダーカウント（cnt）を送信すると、モーターは対応する角度位置まで移動し、閉ループ制御によってその位置を維持します。

位置モードの制約：

指定速度で連続的に無制限回転させる用途では、一般に位置モードは優先的な選択肢ではありません。

高減速比のモーターでは、エンコーダーカウントと実際の出力角度との換算にも注意が必要です。デュアルエンコーダー構成では、モーター側と出力側のエンコーダー読み取り値を区別し、適用するシングルターンまたはマルチターンのカウント方式を確認してください。

4. 速度モードを使用する場面

機構を指定速度で連続回転させる必要がある場合や、上位コントローラーが位置および軌道の制御を担う場合は、一般に速度モードが適しています。

この構成では、モーターが回転速度を制御し、メインコントローラーが外部からのフィードバックを処理して、必要な速度指令を決定します。

安全上の重要事項：速度モードでは、位置モードと同等の位置追従誤差監視は行われません。機械システムが固着した場合、モーターは設定された制限の範囲内でトルクを出し続けることがあります。そのため、上位の制御システムに適切な移動範囲制限、ストール検出、電流しきい値監視を実装する必要があります。

移動ロボットの駆動輪

用途上の要件：

ロボット関節モーターは、移動ロボットの車輪を駆動するモーターとしても使用できます。ロボットを前進、後退させたり、旋回させたりするため、車輪を指定速度で回転させる必要があります。

推奨モード：速度モード

メインコントローラーがモーターに目標回転速度を送信します。指令値はモーター側で0.01 Hz単位で指定します。

モーターは指令された速度の維持を担い、上位コントローラーがロボットの位置と動作を制御します。

たとえば、メインコントローラーはIMU、車輪エンコーダー、またはオドメトリーからのフィードバックを使用して必要な車輪速度を計算し、ロボットの動きを推定できます。

保護に関する考慮事項：

車輪が障害物によってブロックされても、速度モードでは位置追従誤差の故障は自動的に発生しません。モーターは電流制限に従ってトルクを出し続ける場合があります。

そのため、上位コントローラーでモーター電流やその他の関連フィードバック信号を監視してください。電流が所定のしきい値を超えた場合やストール状態が検出された場合は、安全方針に従ってモーター出力を低減または停止する必要があります。

耐久試験および連続回転試験装置

用途上の要件：

疲労試験、耐久試験、または長時間の性能評価中、関節モーターを一定速度で連続回転させる必要があります。

推奨モード：速度モード

一定の目標速度を設定し、必要な試験時間にわたってモーターを連続運転させます。

これらの用途では、特定の目標位置への移動よりも安定した回転速度が主な要件となるため、速度モードが適しています。

試験システムには、適切な温度監視、過負荷保護、非常停止機能も備える必要があります。

5. 速度モードは力制御やインピーダンス制御に適していますか？

必ずしもそうとは限りません。

HONPINE HPJMモーターは、位置制御モードと速度制御モードに加え、電流モードにも対応しています。力制御、トルク制御、またはインピーダンス制御を伴う用途では、速度モードよりも電流モードを出発点とする方が一般に適しています。

電流モードでは、コントローラーがモーター電流を直接制御します。モータートルクはモーター電流と関連しているため、トルク関連の制御方式を構築する基礎となります。

インピーダンス制御や、より高度な力制御を行う場合は、出力側のトルクセンシングなどの追加フィードバック信号と、外部制御アルゴリズムが必要になることがあります。

速度モードを特定の制御アーキテクチャの一部として使用できる場合もありますが、電流ベースのトルク制御を直接代替するものとして扱うべきではありません。

6. 位置モードと速度モード：主な違い

7. 結論：用途に応じて制御モードを選択する

位置モードと速度モードは、それぞれ異なるモーション制御要件に対応するよう設計されています。どちらか一方があらゆる用途で優れているわけではありません。

ロボット関節を特定の角度まで動かす、ポイント・ツー・ポイント動作を行う、または所定の姿勢を維持する必要がある場合は、一般に位置モードが適しています。

モーターを指定速度で連続回転させ、上位コントローラーがロボットの位置と動作を管理する必要がある場合は、通常、速度モードがより適しています。

力制御やインピーダンス制御の用途では、電流モードがより適切な基盤となる場合があります。

HONPINEのHPJMハーモニック関節モーターの制御モードを選択する際は、動作目標、機械負荷、制御アーキテクチャ、フィードバック構成、安全要件を総合的に考慮してください。

ロボット用途向けのHPJMハーモニック関節モーター、制御モード、技術仕様、統合ソリューションについて詳しくは、HONPINEまでお問い合わせください。