ロボット関節モジュールにデュアルエンコーダが使用される理由とは？

デュアルエンコーダ搭載ロボット関節は、高性能ロボティクスにおいてますます重要になっています。しかし、2つ目のエンコーダを追加することは、単に別のセンサーを取り付けるだけではありません。

本当の目的は、次の2つの異なる問いに答えることです。

モーターはどれだけ動いたか？

そして

ロボット関節は実際にどれだけ動いたか？

フレームレストルクモーター、精密減速機、エンコーダ、および出力フランジで構成されるロボット関節モジュールでは、モーター側エンコーダがモーター位置と速度を正確に測定できます。しかし、実際の関節出力は依然として、伝達誤差、ねじり変形、摩擦、熱ドリフト、組立公差、および外部荷重の変化の影響を受ける可能性があります。

これが、デュアルエンコーダ搭載ロボット関節がより完全なフィードバックアーキテクチャを提供できる理由です。一方のエンコーダがモーター側を監視し、もう一方が関節出力側を測定します。これにより、コントローラはモーターの動特性と実際の関節位置の両方を把握できます。

デュアルエンコーダ搭載ロボット関節とは？

一般的なロボット関節のデュアルエンコーダアーキテクチャは、次のように簡略化できます。

モーター → モーター側エンコーダ → 精密減速機 → 出力側エンコーダ → 関節出力

モーター側エンコーダは、モーターローターまたは入力軸の近くに取り付けられます。主に、モーター整流、磁界方向制御（FOC）、速度制御、およびモーター状態推定のための高速フィードバックを提供します。

関節側エンコーダとも呼ばれる出力側エンコーダは、減速機の後段に取り付けられ、ロボット関節の実際の角度位置を測定します。

このアーキテクチャは一般に、以下のように表現されます。

• デュアルエンコーダ

• デュアルフィードバック

• デュアルループ制御

• モーター側および関節側フィードバック

2つのエンコーダに同じ技術を使用する必要はありません。用途に応じて、ロボット関節にはインクリメンタルエンコーダ、シングルターン絶対値エンコーダ、またはマルチターン絶対値エンコーダを使用できます。

モーター側エンコーダだけでは不十分な理由

従来のシングルエンコーダ搭載ロボット関節では、通常、エンコーダはモーター側に取り付けられます。

コントローラはモーター位置を把握し、減速比に応じて理論上の出力位置を計算します。

θout ≈ θmotor / N

ここで、Nは減速比です。

このアプローチは、伝達システムを十分に剛性が高く予測可能であると見なせる場合に有効に機能します。

しかし、実際のロボット関節は理想的な剛体伝達システムではありません。

減速機は伝達誤差を生じる可能性があり、柔軟な部品は荷重下で変形することがあります。ベアリング、カップリング、出力フランジも小さな機械的偏差を生じさせることがあります。温度変化は、機械構造とエンコーダ測定の両方にさらに影響を及ぼす可能性があります。

その結果：

計算された関節位置 ≠ 実際の関節位置

この差異は、高性能ロボット関節で出力側エンコーダが使用される主な理由の一つです。

第2のエンコーダは、伝達誤差を特定して補償するための追加フィードバックを提供できます。特に、柔軟性、バックラッシュ、摩擦、その他の機械的外乱の影響を受けるロボット関節に有効です。

デュアルエンコーダの中核的な利点：減速機後段で起こることを測定する

デュアルエンコーダアクチュエータの最も重要な概念はシンプルです。

モーター側エンコーダは、伝達系の入力側を測定します。

出力側エンコーダは、実際の関節出力を測定します。

コントローラは2つのフィードバック信号を比較し、モーター運動と関節運動の差異を特定できます。

例えば、モーターが指令位置まで回転していても、ねじり変形、伝達誤差、または荷重依存の機械的挙動により、出力フランジが依然としてわずかに変位している場合があります。

シングルエンコーダシステムでは、次のように仮定する可能性があります。

モーターが指令位置に到達したため、関節も指令位置に到達した。

デュアルエンコーダシステムでは、次のことを特定できます。

モーターは指令位置に到達したが、関節出力には依然として位置誤差がある。

これは、ロボット関節モジュールにおけるデュアルループフィードバックの基本的な利点の一つです。

1. ロボット関節の位置制御を向上

デュアルエンコーダアーキテクチャの主な利点の一つは、位置ループが実際の関節出力からのフィードバックを使用できることです。

従来のモーター側フィードバックシステムでは、位置コントローラは主にモーター位置を監視します。

デュアルフィードバックでは、制御アーキテクチャは2つの機能を分離できます。

モーターエンコーダ → モーター制御

出力エンコーダ → 関節位置フィードバック

これにより、コントローラはモーターだけでなく、減速機後段の実際の出力位置も制御できます。

このアーキテクチャは特に以下に有用です。

• 高精度ロボット関節

• 協働ロボット

• ヒューマノイドロボット用アクチュエータ

• 精密モーションシステム

• CNC回転軸

• 高性能サーボ機構

正確な軌道追従が必要な用途では、出力側位置フィードバックにより、最終的な関節位置に対する伝達関連誤差の影響を低減できます。

2. 減速機の伝達誤差を測定および補償

よくある誤解として、デュアルエンコーダは単に「バックラッシュを排除できる」というものがあります。

これは技術的に正確ではありません。

デュアルエンコーダ搭載ロボット関節は、バックラッシュを機械的に排除するものではありません。代わりに、2つ目のエンコーダにより、制御システムはモーター側と出力側の運動差を測定し、制御アルゴリズムによって伝達誤差の一部を補償できます。

減速機および機械設計に応じて、関連する誤差要因には以下が含まれる場合があります。

• 伝達誤差

• ねじり変形

• ヒステリシス

• 摩擦

• 弾性変形

• 組立誤差

• 熱ドリフト

モーター側と関節側の位置フィードバックを比較することで、コントローラは誤差モデルを構築し、関節位置、方向、速度、荷重、その他の動作条件に応じて補償を適用できます。

したがって、より正確な説明は次のとおりです。

デュアルエンコーダにより、伝達誤差の測定および補償が可能になる。

以下ではなく：

デュアルエンコーダがバックラッシュを排除する。

この区別は、ハーモニックドライブロボット関節またはその他の精密減速機ベースのアクチュエータの実際の性能を評価する際に重要です。

3. 実際の関節位置フィードバックを向上

エンコーダ分解能が高くても、自動的にロボットの位置決め精度が高くなるわけではありません。

以下の3つの技術概念を明確に区別する必要があります。

分解能

分解能は、エンコーダが識別できる最小の位置増分を示します。

例えば、23ビットのシングルターンエンコーダは次の性能を提供します。

2²³ = 8,388,608 カウント／回転

理論上の角度増分はおよそ次のとおりです。

1カウント当たり0.154 arcsec

ただし、これはエンコーダの分解能であり、ロボット関節全体の位置決め精度ではありません。

精度

精度は、測定位置が実際の物理的位置にどれだけ近いかを示します。

繰返し精度

繰返し精度は、同じ動作を繰り返した際に、システムがどれだけ一貫して同じ位置に戻るかを示します。

したがって：

高エンコーダ分解能 ≠ 高システム精度

ロボット関節の最終性能は、エンコーダ精度、減速機伝達誤差、ベアリングの振れ、機械剛性、熱影響、キャリブレーション、および制御アルゴリズムを含むシステム全体に依存します。

このため、デュアルエンコーダフィードバックは、エンコーダのビット数だけでなく、完全なモーション制御アーキテクチャの一部として評価する必要があります。

4. モーター運動と実際の関節運動を分離

これは、ロボット関節のデュアルエンコーダアーキテクチャにおけるもう一つの重要な利点です。

減速比100:1のロボット関節を考えてみましょう。

モーターは比較的大きな角度で回転する一方、出力関節はその角度のごく一部しか回転しない場合があります。

同時に、外部荷重の変化に伴い、減速機および機械構造がわずかに変形する可能性があります。

そのため、コントローラはモーターエンコーダから理論上の関節位置を計算できますが、それが実際の出力位置を表すとは限りません。

出力エンコーダは関節側からの直接フィードバックを提供します。

したがって、制御システムは2つの異なる状態を監視できます。

モーター動特性

および

関節動特性

この区別は、高速ロボット動作、動的荷重変化、および高精度軌道制御においてますます重要になります。

デュアルエンコーダは電源オフ後の位置喪失を防止できるか？

答えは次のとおりです。

役立つ可能性はありますが、デュアルエンコーダだけで原点復帰が自動的に不要になるわけではありません。

ロボット関節が電源喪失後も位置を保持できるかどうかは、主にエンコーダの種類とマルチターン位置保持機構に依存します。

インクリメンタルエンコーダ

インクリメンタルエンコーダは、一般に電源喪失後に絶対位置情報を保持せず、基準位置または原点復帰手順が必要になる場合があります。

シングルターン絶対値エンコーダ

シングルターン絶対値エンコーダは1回転内の角度位置を識別できますが、それだけで無制限のマルチターン位置情報を提供するものではありません。

マルチターン絶対値エンコーダ

マルチターン絶対値エンコーダは、シングルターン位置と複数回転にわたる累積回転位置の両方を提供できます。

マルチターン位置保持は、バッテリーバックアップシステム、機械式カウント機構、バッテリー不要の位置保持技術など、さまざまな技術で実現できます。

例えば、Oriental MotorのABZOエンコーダは、電源遮断後も位置情報を保持できるバッテリー不要の機械式絶対位置システムを使用しています。

したがって、工学的な関係は次のように説明する方が適切です。

デュアルエンコーダ + 適切なマルチターン絶対値フィードバック → 従来の原点復帰を削減または不要にできる可能性

以下ではなく：

デュアルエンコーダ → 原点復帰を自動的に不要にする

デュアルエンコーダはロボットの機能安全を向上できるか？

はい。ただし、重要な区別があります。

2つのエンコーダがあるからといって、自動的に機能安全の冗長性を意味するわけではありません。

2つのエンコーダを適切な診断、故障検出、および安全アーキテクチャなしに従来型コントローラへ接続しただけでは、システムは自動的にPL d、PL e、SIL 2、またはSIL 3を主張できません。

安全関連用途におけるデュアルフィードバックの価値は、コントローラが2つの異なる位置測定値を比較できる点にあります。

例えば：

モーターエンコーダ位置 ≠ 関節エンコーダ位置

は、以下を示す可能性があります。

• エンコーダ故障

• 機械伝達系の故障

• 減速機の損傷

• シャフトまたはカップリングの問題

• 予期しない機械的変位

• 通信または信号のエラー

その後、制御システムは異常状態を検出し、適切な故障対応を実行できます。

IEC 61800-5-3は安全関連エンコーダを対象とし、IEC 61800-5-2はパワードライブシステムの安全関連機能を対象としています。

したがって、技術的に正しい記述は次のとおりです。

デュアルエンコーダは機能安全アーキテクチャをサポートできますが、最終的なPLまたはSILの能力は、安全関連システム全体、診断、アーキテクチャ、および検証に依存します。

デュアルエンコーダと機能安全規格の関係

ロボット関節における機能安全は、単一のエンコーダによって決まるものではありません。

完全な安全関連制御システムに基づくものです。

関連規格には以下が含まれる場合があります。

IEC 61508

機能安全および安全度水準（SIL）の一般的な枠組みを提供します。

IEC 61800-5-2

Safe Torque Off（STO）などの機能およびその他のドライブ関連安全機能を含む、パワードライブシステムの安全関連機能を定義しています。

IEC 61800-5-3

機能安全用途で使用される安全関連エンコーダの要件を規定しています。

EN ISO 13849-1

制御システムの安全関連部を対象とし、パフォーマンスレベル（PL）を定義しています。

ISO 10218-1:2025

産業用ロボットシステムの安全要件を規定しています。

ISO 10218-2:2025

産業用ロボット用途およびロボットセルの安全要件を対象としています。

重要な点は、デュアルエンコーダは安全関連フィードバックアーキテクチャの一部になり得ますが、エンコーダの数だけで最終的な安全レベルが決まるわけではないことです。

システムアーキテクチャ、診断カバレッジ、故障対応、共通原因故障保護、および検証をすべて考慮する必要があります。

デュアルエンコーダとシングルエンコーダのロボット関節

シングルエンコーダとデュアルエンコーダの選択は、用途によって異なります。

項目 シングルエンコーダ デュアルエンコーダ

モーター位置フィードバック はい はい

直接出力位置フィードバック 通常はなし はい

伝達誤差監視 限定的 向上

デュアルループ制御 限定的 はい

減速機誤差補償 限定的 向上

マルチターン絶対位置 エンコーダに依存 エンコーダに依存

故障クロスチェック 限定的 向上

システムの複雑性 低い 高い

コスト 低い 高い

高性能関節への適性 用途に依存 大きな利点

コストに敏感なロボット関節や、伝達精度がすでに十分なシステムでは、シングルエンコーダで十分な場合があります。

高い位置決め性能、伝達誤差補償、高度なモーション制御、または追加の位置診断が必要な場合、デュアルエンコーダアーキテクチャはより魅力的になります。

すべてのロボット関節でデュアルエンコーダが使用されない理由

デュアルエンコーダが追加フィードバックを提供するなら、なぜあらゆる場所で使用しないのでしょうか？

答えはシステムの複雑性です。

出力エンコーダを追加すると、以下が増加します。

• BOMコスト

• 機械統合の複雑性

• 配線要件

• EMC設計要件

• キャリブレーション要件

• コントローラの複雑性

• 診断要件

• 組立要件

出力側エンコーダは、機械的な取付誤差にも影響を受ける可能性があります。

エンコーダ偏心、軸振れ、フランジ変形、およびカップリング誤差はいずれも、測定される出力位置に影響を及ぼす可能性があります。

したがって、目的はできるだけ多くのセンサーを取り付けることではありません。

目的は、必要とされるロボット関節性能に適したフィードバックアーキテクチャを使用することです。

代表的なデュアルエンコーダ搭載ロボット関節アーキテクチャ

高性能ロボット関節は、主に3つのフィードバック層として理解できます。

モーター側フィードバック

モーター側エンコーダは主に以下をサポートします。

整流

磁界方向制御（FOC）

電流および速度制御

モーター位置フィードバック

フィードバックは、動的なモーター制御に十分な高速性と安定性を備えている必要があります。

関節側フィードバック

関節側エンコーダは主に以下を提供します。

• 実際の関節位置

• 出力位置フィードバック

• 伝達誤差監視

• 機械状態監視

減速機後段に取り付けられているため、モーター側エンコーダから直接取得できない情報を提供します。

コントローラ

コントローラは両方のフィードバックソースを統合します。

• モーター位置 → モーター状態

• 出力位置 → 関節状態

• 位置差 → 伝達および機械的誤差情報

これにより、ロボット関節のためのより完全なフィードバックループが構築されます。

デュアルエンコーダは高精度化だけを目的とするものではない

2つのエンコーダを使用する最も重要な理由は、単にエンコーダ分解能を高めることではありません。

測定対象をより完全にすることです。

シングルエンコーダは主に以下を測定します。

• モーター

• デュアルエンコーダシステムは以下を測定します。

• モーター + 関節

これにより、制御システムはモーターの動きと実際の関節の動きを区別できます。

この区別は、ハーモニックドライブまたはRV減速機などの高減速比精密減速機をロボット関節に含む場合に特に価値があります。

デュアルエンコーダ搭載ロボット関節を使用すべき場合

ロボット関節に以下のうち1つ以上が必要な場合、デュアルエンコーダアーキテクチャを検討する価値があります。

高精度関節位置決め

計算されたモーター位置よりも最終出力位置が重要な場合。

伝達誤差補償

減速機および機械伝達の誤差を測定して補償する必要がある場合。

高度なモーション制御

制御システムがモーター側と関節側の両方から正確なフィードバックを必要とする場合。

絶対マルチターン位置決め

電源喪失後もロボットが関節位置情報を保持する必要がある場合。

位置ベースの診断

異常な機械的挙動を検出するため、モーター側と関節側の位置を継続的に比較する必要がある場合。

機能安全アーキテクチャ

完全な安全関連制御システムの一部として、冗長またはクロスチェックされた位置フィードバックが必要な場合。

次世代ロボットアクチュエータにおいてデュアルエンコーダフィードバックが重要な理由

協働ロボット、ヒューマノイドロボット、および高性能産業用ロボットが、より高い精度、より高速な応答、より優れた診断能力を求め続ける中、ロボット関節アーキテクチャはより高度になっています。

従来の構造：

モーター + 減速機 + エンコーダ

は、次の構造へとますます進化しています。

モーター + モーターエンコーダ + 精密減速機 + 関節エンコーダ + コントローラ

重要な変化は、単に別のセンサーを追加することではありません。

モーター運動から関節位置を推定する方式から、実際の関節状態を直接測定する方式への移行です。

ハーモニック減速機を使用するロボット関節では、この違いは特に重要になる可能性があります。精密減速機は高減速比、高トルク密度、およびコンパクトな機械構造を提供しますが、最終的な関節性能は依然として伝達誤差、ねじり剛性、熱影響、機械公差、および外部荷重の影響を受けます。

デュアルエンコーダアーキテクチャにより、コントローラは伝達チェーンの両側にアクセスできます。

これにより、以下のためのより強固な基盤が提供されます。

• 高精度位置制御

• 伝達誤差補償

• 関節状態監視

• デュアルループモーション制御

• 高度なロボットモーション制御

• 選択された機能安全アーキテクチャ

言い換えれば、デュアルエンコーダは単なる「もう1つのセンサー」ではありません。

ロボット関節内部に、より完全な入力・伝達・出力フィードバックチェーンを構築します。

次世代ロボットアクチュエータにとって、関節位置を推定する方式から関節挙動を直接測定する方式へのこの移行は、単にエンコーダ分解能を高めることよりも価値がある可能性があります。