ロボット関節モジュールにデュアルエンコーダを使用する理由とは？

高性能ロボット工学において、デュアルエンコーダー搭載ロボット関節の重要性はますます高まっている。しかし、2つ目のエンコーダーを追加することは、単に別のセンサーを取り付けるだけの問題ではない。

本当の目的は、2つの異なる質問に答えることである。

モーターはどれくらい動きましたか？

そして

ロボットの関節は実際にどれくらい動いたのか？

フレームレス・トルクモータ、高精度減速機、エンコーダ、出力フランジで構成されるロボット関節モジュールにおいて、モータ側のエンコーダはモータの位置と速度を正確に測定できます。しかしながら、実際の関節出力は、伝達誤差、ねじり変形、摩擦、熱ドリフト、組立公差、外部負荷の変化などの影響を受ける可能性があります。

そのため、デュアルエンコーダーを備えたロボット関節は、より包括的なフィードバックアーキテクチャを提供できます。一方のエンコーダーはモーター側を監視し、もう一方のエンコーダーは関節出力側を測定します。これら2つのエンコーダーを組み合わせることで、コントローラーはモーターのダイナミクスと実際の関節位置の両方を監視できます。

デュアルエンコーダーロボットジョイントとは何ですか？

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、以下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ー → 精密減速機 → 出力側エンコーダー → ジョイント出力

モータ側エンコーダは、モータのロータまたは入力軸の近くに設置されます。主に、モータの整流、磁界指向制御（FOC）、速度制御、およびモータ状態推定のための高速フィードバックを提供します。

出力側エンコーダ（関節側エンコーダとも呼ばれる）は減速機の後に設置され、ロボット関節の実際の角度位置を測定する。

このアーキテクチャは一般的に次のように説明されます。

• デュアルエンコーダー

• 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のフィードバック

2つのエンコーダは必ずしも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、シングルターンアブソリュートエンコーダ、またはマルチターンアブソリュートエンコーダが使用される場合があります。

モーター側のエンコーダーだけでは不十分なのはなぜか？

従来のシングルエンコーダー式ロボット関節では、エンコーダーは通常モーター側に取り付けられる。

コントローラはモータの位置を把握し、減速比に基づいて理論上の出力位置を計算する。

θout ≈ θmotor / N

ここでNは削減率である。

この手法は、伝送システムが十分に堅牢で予測可能であるとみなせる場合に有効です。

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ない。

減速機は伝達誤差を引き起こす可能性があり、また、フレキシブル部品は負荷がかかると変形する可能性があります。ベアリング、カップリング、出力フランジも小さな機械的ずれを引き起こす可能性があります。温度変化は、機械構造とエンコーダの測定値の両方に影響を与える可能性があります。

結果として：

計算された関節位置 ≠ 実際の関節位置

この違いは、高性能ロボット関節において出力側エンコーダが使用される主な理由の一つである。

二次エンコーダは、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おいて、伝達誤差を特定し補正するための追加的なフィードバックを提供することができる。

デュアルエンコーダの核心的な利点：減速機後の測定

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。

モータ側のエンコーダは、トランスミッション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する。

コントローラは、2つのフィードバック信号を比較し、モータの動きと関節の動きの違いを識別することができる。

例えば、ねじり変形、伝達誤差、または負荷に依存する機械的挙動により、出力フランジがわずかにずれた状態でも、モータは指令された位置まで回転する可能性がある。

単一エンコーダシステムでは、以下のことが想定され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ました。

デュアルエンコーダーシステムは以下を識別できます。

モーターは指令位置に到達したが、関節出力にはまだ位置誤差がある。

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根本的な利点の1つである。

1. ロボット関節位置制御の改善

デュアルエンコーダアーキテクチャの主な利点の1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利用できることである。

従来のモータ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の位置を監視する。

デュアルフィードバックを用いることで、制御アーキテクチャは2つの機能を分離できる。

モーターエンコーダー → 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、コントローラーはモーターだけでなく、減速機後の実際の出力位置も制御できるようになります。

このアーキテクチャは特に以下のような場合に役立ちます。

• 高精度ロボット関節

• 協働ロボット

• 人型ロボットアクチュエータ

• 精密モーションシステム

• CNC回転軸

• 高性能サーボ機構

正確な軌道追跡が求められる用途では、出力側の位置フィードバックによって、伝達系に関連する誤差が最終的な関節位置に与える影響を軽減できる。

2. 減速機の伝達誤差を測定し、補正する

よくある誤解として、デュアルエンコーダーは単に「バックラッシュをなくす」ことができるというものがあります。

これは厳密には正確ではありません。

デュアルエンコーダーを備えたロボット関節は、機械的にバックラッシュを解消するものではありません。その代わりに、2つ目のエンコーダーによって、制御システムがモータ側と出力側の動きの差を測定し、制御アルゴリズムによって伝達誤差の一部を補正することが可能になります。

減速機および機械設計によっては、関連する誤差要因として以下が挙げられます。

• 伝送エラー

• ねじり変形

• ヒステリシス

• 摩擦

• 弾性変形

• アセンブリエラー

• 熱ドリフト

コントローラは、モータ側と関節側の位置フィードバックを比較することで誤差モデルを構築し、関節の位置、方向、速度、負荷、その他の動作条件に応じて補正を適用することができる。

したがって、より正確な説明は次のようになります。

デュアルエンコーダにより、伝送誤差の測定と補償が可能になります。

それよりも：

デュアルエンコーダーによりバックラッシュが解消されます。

この区別は、ハーモニックドライブ式ロボット関節やその他の精密減速機式アクチュエータの実際の性能を評価する際に重要となる。

3. 実際の関節位置フィードバックを改善する

エンコーダの解像度が高いからといって、必ずしもロボットの位置決め精度が高いとは限らない。

以下の3つの技術的概念を明確に区別する必要がある。

解決

分解能とは、エンコーダが識別できる最小の位置増分を表すものです。

例えば、23ビットのシングルターンエンコーダは、以下の機能を提供します。

2²³ = 1回転あたり8,388,608カウント

理論上の角度増分はおよそ次のとおりです。

0.154秒角/カウント

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

正確さ

精度とは、測定された位置が実際の物理的な位置にどれだけ近いかを示すものです。

再現性

再現性とは、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す指標である。

したがって：

エンコーダーの解像度が高い ≠ システム精度が高い

ロボット関節の最終的な性能は、エンコーダの精度、減速機の伝達誤差、ベアリングの振れ、機械的剛性、熱の影響、キャリブレーション、制御アルゴリズムなど、システム全体に依存します。

そのため、デュアルエンコーダーフィードバックは、エンコーダーのビット数だけで評価するのではなく、モーションコントロールアーキテクチャ全体の一部として評価されるべきである。

4. モーターの動きと実際の関節の動きを分離する

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の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可能性がある一方、出力ジョイントはその角度のごく一部しか回転しない。

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る。

したがって、コントローラはモータエンコーダから理論上の関節位置を計算できるが、これは必ずしも実際の出力位置を表すものではない。

出力エンコーダは、関節側から直接フィードバックを提供する。

したがって、制御システムは2つの異なる状態を観測できる。

運動力学

そして

関節のダイナミクス

この区別は、高速ロボット動作、動的な負荷変化、高精度軌道制御においてますます重要になる。

デュアルエンコーダーは電源オフ後の位置情報損失を防ぐことができますか？

答えは：

それらは役立つかもしれないが、デュアルエンコーダーだけではホーミング動作を自動的に解消することはできない。

ロボットの関節が電源喪失後に位置を保持できるかどうかは、主にエンコーダの種類と多回転式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ー

インクリメンタルエンコーダは一般的に電源喪失後に絶対位置情報を保持しないため、基準位置またはホーミング手順が必要となる場合がある。

シングルターンアブソリュートエンコーダ

単回転式絶対エンコーダは、1回転以内の角度位置を特定できますが、それ自体では無制限の複数回転分の位置情報を提供することはできません。

マルチターンアブソリュートエンコーダ

多回転式アブソリュートエンコーダは、1回転ごとの位置情報と、複数回転にわたる累積回転位置の両方を提供することができる。

複数回転位置保持は、バッテリーバックアップシステム、機械式計数機構、バッテリー不要の位置保持技術など、さまざまな技術を用いて実現できる。

例えば、オリエンタルモーターのABZOエンコーダーは、電源が切断された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採用している。

したがって、工学的関係は次のように表現するのが適切である。

デュアルエンコーダ＋適切なマルチターン絶対フィードバック → 従来のホーミング動作の削減または排除の可能性

それよりも：

デュアルエンコーダー → ホーミングを自動的に排除

デュアルエンコーダーはロボットの機能安全性を向上させることができるか？

はい、しかし重要な区別をしなければなりません。

エンコーダが2つあるからといって、必ずしも機能安全上の冗長性が確保されるわけではない。

適切な診断、故障検出、および安全アーキテクチャなしに、2 つのエンコーダを従来のコントローラに単純に接続した場合、システムは自動的に PL d、PL e、SIL 2、または SIL 3 を主張することはできません。

安全関連アプリケーションにおけるデュアルフィードバックの利点は、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る。

例えば：

モーターエンコーダの位置 ≠ ジョイントエンコーダの位置

次のようなことを示している可能性があります。

• エンコーダーの故障

• 機械式トランスミッションの故障

• ダメージ軽減

• シャフトまたはカップリングの問題

• 予期せぬ機械的変位

• 通信または信号のエラー

制御システムは、異常状態を検知し、適切な故障対応を実行することができる。

IEC 61800-5-3は安全関連のエンコーダを対象としており、IEC 61800-5-2は動力駆動システムの安全関連機能を対象としている。

したがって、技術的に正しい記述は次のとおりである。

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の性能は、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は機能安全規格とどのように関連しているのか？

ロボット関節の機能安全性は、単一のエンコーダによって決定されるものではない。

これは、安全関連の包括的な制御システムに基づいています。

関連する規格には以下が含まれる可能性があります。

IEC 61508

機能安全および安全度水準（SIL）に関する一般的な枠組みを提供する。

IEC 61800-5-2

動力駆動システムにおける安全関連機能を定義する。これには、セーフトルクオフ（STO）などの機能や、その他の駆動関連の安全機能が含まれる。

IEC 61800-5-3

機能安全アプリケーションで使用される安全関連エンコーダの要件を規定する。

EN ISO 13849-1

制御システムの安全関連部分を取り上げ、性能レベル（PL）を定義する。

ISO 10218-1:2025

産業用ロボットシステムの安全要件を規定する。

ISO 10218-2:2025

産業用ロボットアプリケーションおよびロボットセルにおける安全要件に対応する。

重要な点は、デュアルエンコーダは安全関連のフィードバックアーキテクチャの一部となり得るが、エンコーダの数だけでは最終的な安全レベルは決定されないということである。

システムアーキテクチャ、診断範囲、障害対応、共通原因障害対策、および検証のすべてを考慮する必要があります。

デュアルエンコーダーとシングルエンコーダーのロボット関節の比較

シングルエンコーダとデュアルエンコーダのどちらを選択するかは、用途によって異なります。

機能 シングルエンコーダー デュアルエンコーダー

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 通常はいいえ はい

伝送エラー監視限定改善

デュアルループ制御 制限あり

減速機誤差補正限定改善

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

障害相互チェック限定改善

システム複雑度 低 高

コスト 低い 高い

高性能ジョイントに適しています。用途に応じて大きな利点があります。

コスト重視のロボット関節や、伝送精度が既に十分なシステムにおいては、エンコーダー1個で十分な場合がある。

高い位置決め性能、伝送誤差補償、高度なモーション制御、または追加の位置診断がアプリケーションで必要とされる場合、デュアルエンコーダアーキテクチャはより魅力的な選択肢となります。

なぜすべてのロボット関節にデュアルエンコーダが使用されていないのか？

デュアルエンコーダーが追加のフィードバックを提供するのであれば、なぜあらゆる場面で使用しないのか？

答えは、システムの複雑さにある。

出力エンコーダを追加すると、以下の効果が得られます。

• BOMコスト

• 機械的統合の複雑さ

• 配線要件

• EMC設計要件

• 校正要件

• コントローラの複雑さ

• 診断要件

• 組み立て要件

出力側のエンコーダは、機械的な取り付けミスにも影響を受けやすい。

エンコーダの偏心、シャフトの振れ、フランジの変形、カップリングの誤差はすべて、測定される出力位置に影響を与える可能性があります。

したがって、目的はできるだけ多くのセンサーを設置することではない。

目的は、ロボットの関節性能に必要な適切なフィードバックアーキテクチャを使用することである。

典型的なデュアルエンコーダーロボット関節構造

高性能ロボット関節は、主に3つのフィードバック層から構成されると理解できる。

モーター側フィードバック

モーター側エンコーダーは主に以下をサポートします。

整流

フィールド指向制御（FOC）

電流および速度制御

モーター位置フィードバック

動的なモータ制御を行うには、フィードバックは高速かつ安定している必要がある。

関節側フィードバック

関節側エンコーダは主に以下の機能を提供する。

• 実際の関節位置

• 出力位置フィードバック

• 伝送エラー監視

• 機械状態監視

減速機の後段に設置されるため、モータ側のエンコーダから直接得られない情報を提供する。

コントローラ

コントローラーは、以下の2つのフィードバック源を組み合わせています。

• モーターポジション → モーター状態

• 出力位置 → 関節状態

• 位置差 → 伝達および機械的エラー情報

これにより、ロボット関節のフィードバックループがより完全なものとなる。

デュアルエンコーダーは、単なる高精度化以上のメリットがある

エンコーダを2つ使用する最も重要な理由は、単にエンコーダの解像度を高めるためだけではありません。

それは、測定対象をより完全なものにするためである。

単一のエンコーダーは主に以下の項目を測定します。

• モーター

• デュアルエンコーダーシステムでは、以下の項目を測定します。

• モーター＋ジョイント

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することができる。

その区別は、ロボット関節にハーモニックドライブやRV減速機のような高減速比の精密減速機が含まれている場合に特に重要となる。

デュアルエンコーダー搭載ロボットジョイントは、どのような場合に使用すべきでしょうか？

ロボット関節が以下のいずれか、または複数を必要とする場合、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

最終的な出力位置が、計算されたモータ位置よりも重要な場合。

伝送エラー補償

減速機や機械式伝達系の誤差を測定し、補正する必要がある場合。

高度なモーションコントロール

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

絶対的な複数回転位置決め

ロボットが電源喪失後も関節位置情報を保持する必要がある場合。

位置に基づく診断

異常な機械的挙動を検出するために、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、冗長な位置フィードバックまたは相互検証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とは？

協働ロボット、ヒューマノイドロボット、高性能産業用ロボットは、より高い精度、より速い応答性、より優れた診断能力を要求し続けており、ロボットの関節構造はますます高度化している。

伝統的な構造：

モーター＋減速機＋エンコーダー

ますます以下の方向へと進化している：

モーター + モーターエンコーダー + 精密減速機 + ジョイントエンコーダー + コントローラー

重要な変更点は、単にセンサーをもう一つ追加することではない。

これは、運動から関節の位置を推定する段階から、実際の関節の状態を直接測定する段階への移行を意味する。

ハーモニック減速機を使用するロボット関節の場合、この違いは特に重要となる。精密減速機は高い減速比、高いトルク密度、コンパクトな機械構造を実現するが、最終的な関節性能は伝達誤差、ねじり剛性、熱影響、機械的公差、外部負荷などの影響を受ける。

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

これは以下のことのためのより強固な基盤を提供する。

• 高精度位置制御

• 伝送エラー補償

• 共同国家監視

• デュアルループモーションコントロール

• 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ーは単に「センサーが1つ増える」というだけではない。

これにより、ロボット関節内部に、より完全な入力・伝達・出力のフィードバックチェーンが構築される。

次世代ロボットアクチュエータにおいては、関節位置の推定から関節挙動の直接測定への移行は、エンコーダの分解能を単に向上させるよりも、より大きな価値を持つ可能性がある。