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技術 電気静油圧アクチュエータおよび電気静油圧アクチュエータにおけるパラメータ推定方法

出願人 国立大学法人東京大学
発明者 神永拓中村仁彦康天毅
出願日 2014年11月5日 (5年0ヶ月経過) 出願番号 2014-225449
公開日 2016年5月23日 (3年5ヶ月経過) 公開番号 2016-089961
状態 特許登録済
技術分野 流体圧回路(1) マニプレータ フィードバック制御一般
主要キーワード システムダイナミクス ロボットアクチュエータ 数値計算法 追従能力 容積制御 インナーループ 小型アクチュエータ ブロック線
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (18)

課題

ロボット力制御性を高める。

解決手段

入力側の油圧ポンプ2の第1速度の入力を、出力側油圧シリンダ3の第2速度の出力に変換する静油圧伝達系と、油圧ポンプ2を駆動し、油圧ポンプ2の第1速度を制御可能なポンプ駆動モータ4と、油圧シリンダ3の第2速度を検出するセンサ5と、出力制御部6と、を備え、出力制御部6は、油圧シリンダ3の第2速度を入力として、油圧シリンダ3から出力される力の目標値を達成するように、ポンプ駆動モータ4を介して油圧ポンプ2の第1速度を制御する。

概要

背景

モータを使用するロボットにおいては、力制御はモータに流れる電流を制御することが基本となる。例えば、従来のロボットアクチュエータの多くは歯車減速機を用いており、出力トルクモータトルク減速比を乗じたものから摩擦トルクを引いたものであったため、出力トルク制御は入力トルク電流制御することで行っていた。しかしながら、実際にはモータからリンク系に至る伝達系での摩擦や、電磁的パラメータ誤差などの要因により、モータの制御で直接的に力を制御することは難しい。

ロボットの力制御で最も基本的な手法は外力計測し、モータの電流にフィードバックを行うものである。単純なものでは外力と目標値の誤差を直接モータ電流にフィードバックするものから、ある物理的な現象を制御により実現するアドミタンス制御などが行われる。これは、高い減速比を有する歯車装置など、バックドライバビリティに乏しいアクチュエータ系において正確な力を再現するために有効な方法であった。同様の考えはモータ・歯車駆動系だけでなく、サーボ弁を用いた油圧系においても有効であることが報告されている。

しかしながら、上記方法は制御系帯域が振る舞いの限界を決めるため、衝突など極めて高い周波数成分を含む現象には適さない。この問題を本質的に解決するにはバックドライバビリティを高める必要がある。

本発明者らは電気静油圧アクチュエータ(EHA)がバックドライバビリティを高め、力に敏感な制御が可能であることを示した(非特許文献1)。さらに、モータの電流を制御することで電気静油圧アクチュエータ(EHA)の力を制御する方法を提案した(非特許文献2)。しかしながら、制御器は複雑になる上、使用できるモータ駆動装置指令電流入力が可能なものに限られた。

また、バネを用いたアクチュエータがPrattらによって提案されているが(特許文献1、非特許文献4)、位置の制御により出力トルクを制御するため遅れが大きいほか、システムダイナミクス次元が高く、安定性に課題があった。

概要

ロボットの力制御性を高める。入力側の油圧ポンプ2の第1速度の入力を、出力側油圧シリンダ3の第2速度の出力に変換する静油圧伝達系と、油圧ポンプ2を駆動し、油圧ポンプ2の第1速度を制御可能なポンプ駆動モータ4と、油圧シリンダ3の第2速度を検出するセンサ5と、出力制御部6と、を備え、出力制御部6は、油圧シリンダ3の第2速度を入力として、油圧シリンダ3から出力される力の目標値を達成するように、ポンプ駆動モータ4を介して油圧ポンプ2の第1速度を制御する。

目的

ロボットと人の協調作業極限環境におけるロボットの信頼性を高めるためにはロボットの力制御性を高めることが欠かせない。ところが、従来の方法はトルク発生方法や伝達原理から正確な制御が困難であったり、高速の制御が難しかったりした。
本発明はこれらの問題を解決するアクチュエータを提供することを目的とするものである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

入力側の第1油圧装置の第1速度の入力を、出力側の第2油圧装置の第2速度の出力に変換する静油圧伝達系と、前記第1油圧装置を駆動し、当該第1油圧装置の第1速度を制御可能な駆動手段と、前記第2油圧装置の第2速度を検出する手段と、出力制御部と、を備え、前記出力制御部は、前記第2油圧装置の第2速度を入力として、前記第2油圧装置から出力される力の目標値を達成するように、前記駆動手段を介して前記第1油圧装置の第1速度を制御する、電気静油圧アクチュエータ

請求項2

前記出力制御部は、下記式に基づいて、出力制御を行う、請求項1に記載の電気静油圧アクチュエータ。ここで、は、第1油圧装置の第1速度の目標値であり、は、第2油圧装置の第2速度であり、は、第2油圧装置から出力される力の目標値であり、A、Bは、それぞれ既知定数である。

請求項3

前記駆動手段は、電動モータであり、前記第1油圧装置の第1速度の速度制御は、前記電動モータの回転速度の制御によって行われる、請求項1、2いずれか1項に記載の電気静油圧アクチュエータ。

請求項4

前記出力制御部は、電圧制御により前記電動モータの回転速度を制御する、請求項3に記載の電気静油圧アクチュエータ。

請求項5

前記出力制御部は、電流制御により前記電動モータの回転速度を制御する、請求項3に記載の電気静油圧アクチュエータ。

請求項6

前記電動モータの回転速度を検出する手段を備え、検出された電動モータの回転速度が前記出力制御部にフィードバックされる、請求項3〜5いずれか1項に記載の電気静油圧アクチュエータ。

請求項7

前記第2油圧装置から出力される力の目標値は、前記第2油圧装置の差圧の目標値である、請求項1〜6いずれか1項に記載の電気静油圧アクチュエータ。

請求項8

前記第2油圧装置の差圧を検出する手段を備え、検出された差圧が前記出力制御部にフィードバックされる、請求項7に記載の電気静油圧アクチュエータ。

請求項9

前記第2油圧装置から出力される力を検出する手段を備え、検出された力が前記出力制御部にフィードバックされる、請求項1〜8いずれか1項に記載の電気静油圧アクチュエータ。

請求項10

前記第2油圧装置の加速度を検出する手段を備え、検出された加速度が前記出力制御部にフィードバックされる、請求項1〜9いずれか1項に記載の電気静油圧アクチュエータ。

請求項11

前記第1油圧装置は、油圧ポンプである、請求項1〜10いずれか1項に記載の電気静油圧アクチュエータ。

請求項12

前記第2油圧装置は、油圧シリンダである、請求項1〜11いずれか1項に記載の電気静油圧アクチュエータ。

請求項13

前記第2油圧装置は、油圧モータである、請求項1〜11いずれか1項に記載の電気静油圧アクチュエータ。

請求項14

入力側の第1油圧装置の第1速度の入力を、出力側の第2油圧装置の第2速度の出力に変換する静油圧伝達系を備えた電気静油圧アクチュエータにおいて、第1油圧装置の第1速度と、第2油圧装置の第2速度と、第2油圧装置から出力される力の関係を以下の式で規定し、第2油圧装置の出力軸を固定し、第1油圧装置を駆動させて、第2油圧装置の第2速度=0の時に、第1油圧装置の第1速度と第2油圧装置から出力される力を記録し、記録された測定データと、以下の式を用いて、第2油圧装置から出力される力に対する第1油圧装置の第1速度の影響を示すパラメータk21を推定する、パラメータ推定方法

請求項15

入力側の第1油圧装置の第1速度の入力を、出力側の第2油圧装置の第2速度の出力に変換する静油圧伝達系を備えた電気静油圧アクチュエータにおいて、第1油圧装置の第1速度と、第2油圧装置の第2速度と、第2油圧装置から出力される力の関係を以下の式で規定し、第1油圧装置の出力軸を固定し、第2油圧装置を外力で駆動させて、第1油圧装置の第1速度=0の時に、第2油圧装置の第2速度と第2油圧装置から出力される力を記録し、記録された測定データと、以下の式を用いて、第2油圧装置から出力される力に対する第2油圧装置の第2速度の影響を示すパラメータk22を推定する、パラメータ推定方法。

請求項16

前記パラメータは、最小二乗法によって推定される、請求項14、15いずれか1項に記載のパラメータ推定方法。

技術分野

0001

本発明は、電気静油圧アクチュエータ(EHA:Electro-Hydrostatic Actuator)に関するものである。

背景技術

0002

モータを使用するロボットにおいては、力制御はモータに流れる電流を制御することが基本となる。例えば、従来のロボットアクチュエータの多くは歯車減速機を用いており、出力トルクモータトルク減速比を乗じたものから摩擦トルクを引いたものであったため、出力トルク制御は入力トルク電流制御することで行っていた。しかしながら、実際にはモータからリンク系に至る伝達系での摩擦や、電磁的パラメータ誤差などの要因により、モータの制御で直接的に力を制御することは難しい。

0003

ロボットの力制御で最も基本的な手法は外力計測し、モータの電流にフィードバックを行うものである。単純なものでは外力と目標値の誤差を直接モータ電流にフィードバックするものから、ある物理的な現象を制御により実現するアドミタンス制御などが行われる。これは、高い減速比を有する歯車装置など、バックドライバビリティに乏しいアクチュエータ系において正確な力を再現するために有効な方法であった。同様の考えはモータ・歯車駆動系だけでなく、サーボ弁を用いた油圧系においても有効であることが報告されている。

0004

しかしながら、上記方法は制御系帯域が振る舞いの限界を決めるため、衝突など極めて高い周波数成分を含む現象には適さない。この問題を本質的に解決するにはバックドライバビリティを高める必要がある。

0005

本発明者らは電気静油圧アクチュエータ(EHA)がバックドライバビリティを高め、力に敏感な制御が可能であることを示した(非特許文献1)。さらに、モータの電流を制御することで電気静油圧アクチュエータ(EHA)の力を制御する方法を提案した(非特許文献2)。しかしながら、制御器は複雑になる上、使用できるモータ駆動装置指令電流入力が可能なものに限られた。

0006

また、バネを用いたアクチュエータがPrattらによって提案されているが(特許文献1、非特許文献4)、位置の制御により出力トルクを制御するため遅れが大きいほか、システムダイナミクス次元が高く、安定性に課題があった。

0007

米国特許第5,650,704号

先行技術

0008

神永拓, 田中宏和, 甘利友也, 丹羽大和, 中彦,“度関数増大によるアシスト制御を行う静油圧駆動膝用パワーアシストの開発”,日本ロボット学会誌, Vol. 29, No. 7, pp. 47−56, 2011.
Tanaka, H., Kaminaga, H., and Nakamura, Y., “Pressure feedback control based on singular perturbation method of an electro-hydrostatic actuator for an exoskeletal power-assist system,” J. of Robotics and Mechatronics, Vol. 24, No. 2, pp.354−362, 2012.
Kaminaga, H., Ono, J., Nakashima, Y., and Nakamura, Y.,“Development of Backdrivable Hydraulic Joint Mechanism for Knee Joint of Humanoid Robots,” In Proc. ofIEEE Int'l Conf.on Robotics and Automations, pp. 1577−1582, 2009.
Pratt, G.A. and Williamson, M.M., “Series Elastic Actuators,”In Proc. of IEEE/RSJ Int'l Conf. on Intelligent Robots and Systems, Vol. 1, pp. 399−406, 1995.

発明が解決しようとする課題

0009

ロボットと人の協調作業極限環境におけるロボットの信頼性を高めるためにはロボットの力制御性を高めることが欠かせない。ところが、従来の方法はトルク発生方法や伝達原理から正確な制御が困難であったり、高速の制御が難しかったりした。
本発明はこれらの問題を解決するアクチュエータを提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

0010

本発明が採用した技術手段は、
入力側の第1油圧装置の第1速度の入力を、出力側の第2油圧装置の第2速度の出力に変換する静油圧伝達系と、
前記第1油圧装置を駆動し、当該第1油圧装置の第1速度を制御可能な駆動手段と、
前記第2油圧装置の第2速度を検出する手段と、
出力制御部と、
を備え、
前記出力制御部は、前記第2油圧装置の第2速度を入力として、前記第2油圧装置から出力される力の目標値を達成するように、前記駆動手段を介して前記第1油圧装置の第1速度を制御する、
電気静油圧アクチュエータ、である。

0011

静油圧伝達系は1自由度の入力を任意の1自由度の出力に変換する装置であり、その1自由度の方向に沿った距離を位置、その時間微分を速度とする。
静油圧伝達系の出力側の動作は、典型的には、回転運動直進運動であるが、これ以外の動作であってもよい。
1つの態様では、前記第1油圧装置は、油圧ポンプである。この場合、静油圧伝達系の入力は回転である。
1つの態様では、前記第2油圧装置は、油圧シリンダである。この場合、静油圧伝達系の出力として推力が得られる。
1つの態様では、前記第2油圧装置は、油圧モータである。この場合、静油圧伝達系の出力として出力トルクが得られる。
1つの態様では、前記駆動手段は、電動モータである。なお、駆動手段には、エンジン、その他の原動機が含まれる。

0012

1つの態様では、前記出力制御部は、下記式

に基づいて、出力制御を行う、請求項1に記載の電気静油圧アクチュエータ。
ここで、

は、第1油圧装置の第1速度の目標値であり、

は、第2油圧装置の第2速度であり、

は、第2油圧装置から出力される力の目標値であり、
A、Bは、それぞれ既知定数である。

0013

より詳しくは、定数A=k22/k21であり、定数B=1/k21であり、
K21は、第2油圧装置の差圧に対する第1油圧装置の第1速度の影響を示す定数、
K22は、第2油圧装置の差圧に対する第2油圧装置の第2速度の影響を示す定数、
である。
定数A(k22/k21)、B(1/k21)には、設計値や、同定実験を行うことで取得される値を用いることができる。
同定実験としては、後述するように代表例として最小二乗法を用いることができるが、取得方法は限定されず、最小二乗法以外の数値計算法や、機械学習、これらの組み合わせ等により推定することができる。

0014

1つの態様では、前記駆動手段の速度制御によって前記第1油圧装置の第1速度を制御する。
1つの態様では、前記駆動手段は、電動モータであり、
前記第1油圧装置の第1速度の速度制御は、前記電動モータの回転速度の制御によって行われる。
1つの態様では、前記出力制御部は、電圧制御により前記電動モータの回転速度を制御する。
1つの態様では、前記出力制御部は、電流制御により前記電動モータの回転速度を制御する。電流制御では直接には速度は制御できないが、フィードバックにより可能であり、このような速度制御も本発明の範囲に含まれる。
1つの態様では、前記電動モータの回転速度を検出する手段を備え、検出された電動モータの回転速度が前記出力制御部にフィードバックされる。

0015

1つの態様では、前記第2油圧装置から出力される力の目標値は、前記第2油圧装置の差圧の目標値である。
1つの態様では、前記第2油圧装置の差圧を検出する手段を備え、検出された差圧が前記出力制御部にフィードバックされる。
1つの態様では、前記第2油圧装置から出力される力を検出する手段を備え、検出された力が前記出力制御部にフィードバックされる。

0016

1つの態様では、前記第2油圧装置の加速度を検出する手段を備え、検出された加速度が前記出力制御部にフィードバックされる。この加速度は、第2油圧装置から出力される力の目標値の計算に用いられる(図10参照)。
1つの態様では、前記第2油圧装置の第2速度を検出する手段は、第2油圧装置の位置情報を検出する手段(エンコーダ)と、位置情報を微分して速度情報(及び加速度情報)を取得する手段(コントローラ)と、から構成されている。

0017

本発明が採用した他の技術手段は、
入力側の第1油圧装置の第1速度の入力を、出力側の第2油圧装置の第2速度の出力に変換する静油圧伝達系を備えた電気静油圧アクチュエータにおいて、
第1油圧装置の第1速度と、第2油圧装置の第2速度と、第2油圧装置から出力される力の関係を以下の式で規定し、

第2油圧装置の出力軸を固定し、第1油圧装置を駆動させて、第2油圧装置の第2速度=0の時に、第1油圧装置の第1速度と第2油圧装置から出力される力を記録し、記録された測定データと、以下の式

を用いて、第2油圧装置から出力される力に対する第1油圧装置の第1速度の影響を示すパラメータk21を推定する、パラメータ推定方法、及び、
入力側の第1油圧装置の第1速度の入力を、出力側の第2油圧装置の第2速度の出力に変換する静油圧伝達系を備えた電気静油圧アクチュエータにおいて、
第1油圧装置の第1速度と、第2油圧装置の第2速度と、第2油圧装置から出力される力の関係を以下の式で規定し、

第1油圧装置の出力軸を固定し、第2油圧装置を外力で駆動させて、第1油圧装置の第1速度=0の時に、第2油圧装置の第2速度と第2油圧装置から出力される力を記録し、記録された測定データと、以下の式

を用いて、第2油圧装置から出力される力に対する第2油圧装置の第2速度の影響を示すパラメータk22を推定する、パラメータ推定方法、である。
1つの態様では、前記パラメータは、最小二乗法によって推定される。

発明の効果

0018

本発明は、EHAの圧力と速度の関係を用いることで、速度制御によって力制御を行うものであり、従来のアクチュエータに比べて、安定的に再現性良く力を制御できる。本発明のより具体的な効果は、本明細書の記載及び図面から読み取ることができる。

図面の簡単な説明

0019

EHAの概略図である。
本実施形態に係るEHAの概念図である(基本形)。
本実施形態に係るEHAの概念図である(現実形)。
本実施形態に係るEHAの概念図である(圧力のフィードバックを用いて精度を向上する例)。
本実施形態に係るEHAの概念図である(力のフィードバックを用いて精度を向上する例)。
従来のEHAの力制御を示す図である(基本形)。
従来のEHAの力制御を示す図である(現実形)。
本実施形態に係るEHAの力制御を示す図である(基本形)。
本実施形態に係るEHAの力制御を示す図である(現実形)。
本実施形態に係るEHAの力制御を示す図である(より厳密な実装形)。
EHAの力制御系ブロック線図である。
実施形態に係るリニアEHA及びセンサ(モータのエンコーダ、油圧シリンダのエンコーダ、圧力センサ)を示す。
パラメータk21の推定を示す図である。ドット測定値を示し、ダッシュ線は最小二乗法によって得られた推定値を示す。
パラメータk22の推定を示す図である。ドットは測定値を示し、ダッシュ線は最小二乗法によって得られた推定値を示す。
制御を行わなかった場合の結果を示し、上図は、シリンダ圧力実線が測定値、ダッシュ線が参照値)、中図は、シリンダ位置(実線)・シリンダ速度(速度)、下図モータ速度である。
0MPaに追従した場合の結果を示し、上図は、シリンダ圧力(実線が測定値、ダッシュ線が参照値)、中図は、シリンダ位置(実線)・シリンダ速度(速度)、下図はモータ速度(参照値をダッシュ線で示すが、実線の測定値に実質的に重なっている)である。
0.6MPaに追従した場合の結果を示し、上図は、シリンダ圧力(実線が測定値、ダッシュ線が参照値)、中図は、シリンダ位置(実線)・シリンダ速度(速度)、下図はモータ速度(参照値をダッシュ線で示すが、実線の測定値に実質的に重なっている)である。

実施例

0020

[A]電気静油圧アクチュエータの基本構成
電気静油圧アクチュエータ(EHA)はハイドロスタティックトランスミッションを、サーボモータを駆動することで油圧モータやピストンを駆動する閉回路型油圧システムである。サーボ弁を用いた抵抗制御型の油圧システムに対してEHAは容積制御型油圧システムと呼ばれ、効率やバックドライバビリティが高い特徴がある。

0021

典型的なEHAの構成を図1に示す。ハイドロ・スタティック・トランスミッションの入力側には油圧ポンプ、出力側には油圧シリンダが設けてあり、油圧ポンプはサーボモータによって駆動され、油圧シリンダの出力はロボットのリンクに伝達される。サーボモータには、モータの回転角度ないし速度の検出手段(エンコーダ)が設けてあり、油圧シリンダには出力軸の位置ないし速度の検出手段(エンコーダ)が設けてある。実際の回路では回路が負圧になることを防ぐチャージポンプや過大な圧力から油圧回路を保護するリリーフ弁などを備えている。これまでの研究で、EHAは適切な設計を行うことでバックドライバビリティを高めることができることが報告されている(非特許文献1)。

0022

本実施形態では、小型アクチュエータの強度を高め、出力を増大する直動出力型EHAを対象として扱うが、議論一般性を失うことなく回転型のシステムにも適用可能である。

0023

[B]本発明の概要
図2図5は本実施形態の概念図である。図2に示すように、本実施形態に係る電気静油圧アクチュエータは、バックドラバブルなハイドロ・スタティック・トランスミッション(HST)1を備え、ハイドロ・スタティック・トランスミッション1は、入力側に第1油圧装置としての油圧モータ2を備え、出力側に第2油圧装置としての油圧シリンダ3(油圧モータであってもよい)を備えている。電気静油圧アクチュエータは、さらに、油圧モータ2を駆動するポンプ駆動モータ4、トランスミッション出力軸(油圧シリンダの出力軸30)の位置もしくは速度を検出するセンサ(エンコーダ)5と、出力軸30の速度信号を計算し、ポンプ駆動モータ4への印加電圧を制御するコントローラ(出力制御部)6を備えており、制御された力がリンクに伝達されるようになっている。言い換えると、図2に示す電気静油圧アクチュエータは、入力側の油圧ポンプ2の第1速度の入力を、出力側の油圧シリンダ3の第2速度の出力に変換する静油圧伝達系と、油圧ポンプ2を駆動し、油圧ポンプ2の第1速度を制御可能なポンプ駆動モータ4と、油圧シリンダ3の第2速度を検出するセンサ5と、出力制御部6と、を備え、出力制御部6は、油圧シリンダ3の第2速度を入力として、油圧シリンダ3から出力される力の目標値を達成するように、ポンプ駆動モータ4を介して油圧ポンプ2の第1速度を制御する。すなわち、出力制御部は、第2油圧装置の速度を入力として、第2油圧装置から出力される力(出力トルクや推力)の目標値を達成するように、駆動手段(ポンプ駆動モータ)を介して第1油圧装置の速度を制御する。

0024

図3に示す態様では、電気静油圧アクチュエータは、さらに、ポンプ駆動モータ4の角度もしくは速度を検出するセンサ(エンコーダ)7を備えており、ポンプ駆動モータ4の速度情報がコントローラ6に入力され、フィードバック制御が行われる。

0025

図4に示す態様では、電気静油圧アクチュエータは、さらに、トランスミッションの出力軸30に印加される差圧を検出する手段(圧力センサ)8を備えており、差圧がコントローラ6に入力され、圧力のフィードバックを用いて精度を向上させる。

0026

図5に示す態様では、電気静油圧アクチュエータは、さらに、トランスミッションの出力軸30に作用する力を検出する手段(ロードセル)9を備えており、力がコントローラ6に入力され、力のフィードバックを用いて精度を向上させる。

0027

本実施形態に係るバックドライバブルなハイドロ・スタティック・トランスミッションは、油圧ポンプと、油圧シリンダ(ないし油圧モータ)の速度差に比例した力を伝達する。これを利用すると、出力したい力に対応したポンプ回転数導出することができ、ポンプの速度を制御することでシリンダの推力(油圧モータの出力トルク)を制御できる。さらに、シリンダの推力(油圧モータの出力トルク)を測定するセンサ、もしくはシリンダ(油圧モータの出力トルク)の圧力を計測するセンサを用いることで閉ループ制御が可能となる。

0028

[C]記号の説明
本明細書における説明ないし図6図11に用いられる記号は以下の通りである。

0029

[D]EHAのダイナミクス
油圧回路には必ず高圧側から低圧側に至る内部漏れが存在する。この内部漏れを許容したEHAは粘性を結合項として次式により与えられる運動方程式表現される(非特許文献3参照)。

ただし、θiは位置、Jiは質量、τiは外力、kijは定数であり、添字i=1はポンプ、i=2は油圧アクチュエータ部を表すものとする。また、ここでは摩擦項は省略して考える。

0030

ポンプ、シリンダの速度と圧力の間には次式の関係がある。

0031

[E]従来のEHAの力制御(非特許文献2)
EHAにおける力の制御は、τ2を希望の値にするようにτ1を制御することである。いま、

の場合を考えると、

となるため、

の関係が成立する。ポンプとシリンダを結ぶ管路抵抗が無視できる場合はp1=p2であるので、k23/k13は減速比に相当する量である。さらに、この場合τi=ki3piであるので、(7)の第一項は0になる。(7)の関係を用いるとτ1の制御によりτ2を操作できる。実際にはτ1はモータの電流制御により実現される。

0032

従来のモータの電流制御による力制御を図6(基本形)、図7(現実形)に示す。図6、7に示すように、希望する力・トルク−τ2dが定義され、(7)を変形した近似式でτ1dを用いて近似される(なお、この近似式の厳密化は難しい)。モータ電圧への変換式(既知の関係)、モータ駆動回路(既知の関係であり、PWMによりデューティ比の調節でモータに印加する電圧を近似的に調節することができる装置である)、EHAのダイナミクス(既知の関係であり、(1)、(2)式に示す)を用いて、発生する力・トルク−τ2を得る。

0033

[F]速度制御を用いたEHAの力制御
前述の力制御は、モータの電流制御を必要とするほか、実際にはトルク定数の誤差や油の粘度の変化などの要因によりτ2を(7)のみで制御することは難しい。本実施形態では、(2)の関係を陽に用いて力制御を行うことを考える。

0034

いま、τ2とp2の間にはτ2=k23p2の関係があるため、p2を制御する。
いま、ある速度

で出力軸が移動しているとき、希望の圧力pd2を実現する速度



で与えられる。

0035

この項に、目標値からの圧力偏差を考慮し、圧力を実現する速度

制御則を次式で定義する。

ただし、C(s)はフィードバックゲインを表す演算子であり、C(s)=Kpならば比例制御、C(s)=Kp+Ki1/sならばPI制御である。

0036

(9)で求められた速度の目標値は、適切な速度制御器により、速度

に追従するものとする。制御系のブロック線図を図11に示す。図11において、*は、パラメータの推定値である。

0037

本実施形態に係る力制御を図8(基本形)、図9(現実形)、図10(より厳密な実装形)に示す。図8、9に示すように、希望する力・トルク−τ2dが定義され、希望する圧力p2d、k23を用いた近似式で近似される。この近似式は既知の関係を用いるものであり、また、図10に示すように第2油圧装置の加速度の補償によってより厳密に近似することができる。そして、上述のように、(8)が設定され、モータ電圧への変換式(既知の関係)、モータ駆動回路(既知の関係であり、PWMによりデューティ比の調節でモータに印加する電圧を近似的に調節することができる装置である)、EHAのダイナミクス(既知の関係であり、(1)、(2)式に示す)を用いて、発生する力・トルク−τ2を得る。

0038

提案する手法の利点は、τ1を入力にとる場合に比べ、入力と出力間の不確定要素が少なく、コントローラを分離して設計することができることであり、電流制御を行うことができない安価なシステムにおいても力制御を実現できる。

0039

[G]実験
力制御を行う対象として小型直動EHAを用いた。本実施形態で扱う小型直動EHAの仕様を以下に示す。



このEHAは図12に示す形状をしており、センサとしてシリンダの圧力センサ、モータエンコーダモータ電流センサ、シリンダ位置センサを備えている。

0040

まず、パラメータを求めるための予備実験を行った。今回用いる関係式は(4)であるため、次のデータを取得することで必要なパラメータを計算できる。

0041

1.出力軸を固定し、モータを回転させる。そして、

の時の

と、p2を記録する。

0042

2.ポンプ軸を固定し、シリンダを外力で駆動する。そして、

の時の

と、p2を記録し、

の部分を抽出する。

0043

p1は提案手法では用いない。上記1、2は、それぞれ

の形になるため、最小二乗法を用いることでk2iを求めることができる。

0044

k21とk22の推定実験結果を図13図14にそれぞれ示す。また、導出されたパラメータを以下に示す。

0045

つぎに、異なる目標圧力p2d(0MPaおよび0.6MPa)に対して提案する制御を行った場合と、制御を行わなかった場合の圧力の振る舞いを比較した。いずれの場合も出力軸に外乱を加えその際の圧力追従を評価した。圧力追従はPI制御により行った。

0046

制御を行わなかった場合の結果を図15に、0MPaに追従した場合の結果を図16に、0.6MPaに追従した場合の結果を図17に示す。ここで、圧力に関して図15のみグラフ縦軸スケールが異なることに注意されたい。制御評価の結果をまとめたものを以下に示す。

0047

結果から、制御を行うことで、0MPa追従の際に圧力が非制御時の7.5%に抑制されることがわかった。圧力を0.6MPaで一定に制御する場合、シリンダへの速度外乱がRMSで0.009919m/sのとき圧力の制御誤差はRMSで0.05192MPaに留まった。参考までに、圧力センサの背景雑音はRMSで0.003726MPaである。高いモータ速度のときに誤差が大きく出る傾向があるのはk2iの推定誤差によるほか、モデル非線形性が表れていることに起因すると考えられ、外乱オブザーバなどにより抑制することができると考えられる。

0048

本実験例の結果をまとめると以下の通りとなり、提案した制御系の有効性が確認できた。
(ア)電気静油圧アクチュエータの複雑な振る舞いを考慮せずに単純な制御側で安定した力制御を実現するために、電気静油圧アクチュエータの力制御をモータの速度制御により実現する制御則を提案した。本実験では力制御の根幹となる圧力制御を実装した。
(イ)電気静油圧アクチュエータのパラメータを推定する方法を提案し、k21、k22パラメータを最小二乗法により推定した。使用した小型直動電気静油圧アクチュエータではk12=442.2Pa・s/rad、k22=64.39×106Pa・s/mである。
(ウ)0MPaに追従するPI制御を行うことにより非制御時に比べ圧力変動が7.5%に改善した。このとき、出力軸に印加した速度外乱は非制御時には0.007495m/sであったのに比べ、制御時には0.012485m/sであったことを考えても高い圧力追従能力であることがわかる。
(エ)0.6MPaの一定値に追従する制御により、速度外乱0.009919m/sのときに追従誤差は0.051916MPaであった。

0049

叙上のように、本実施形態ではEHAの圧力と速度の関係を陽に用いることで、モータの速度制御によって力制御を行うことを提案した。この方法ではモータの電流を制御することは必ずしも必要でなくなること、エンコーダという信号雑音比が極めて高いセンサをインナーループに用いることで制御系のゲインを高められること、制御系が単純化されるといった長所がある。加えて、入力の次元が速度であり、弾性を用いたアクチュエータの力制御を行う変位よりも高速に制御が可能である。本実施形態では、力制御をほぼ等価な制御量である圧力制御として実装し評価した結果を報告した。また、本制御は、一般的な油圧機器を組み合わせた静油圧駆動系に対して広く適用可能である。

0050

1ハイドロ・スタティック・トランスミッション
2油圧モータ(第1油圧装置)
3油圧シリンダ(第2油圧装置)
30出力軸
4ポンプ駆動モータ(駆動手段)
5 位置/速度検出センサ(エンコーダ)
6コントローラ(出力制御部)
7 位置/速度検出センサ(エンコーダ)
8圧力センサ
力センサ(ロードセル)

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