JP2011164741A - 受動アクチュエータ制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 機能性材料を用いた受動的なアクチュエータに対して、最小限のセンサ数に低減可能とすることで、低コストで信頼性の高い制御システムを提供する。
【解決手段】 操作部２１、操作部２１の作動状態を検出する検出部２３及び操作部２１の操作感覚を変化させる機能性材料部２９を有する受動アクチュエータ２と、受動アクチュエータ２に影響する外乱を推定し受動アクチュエータ２への印加信号にフィードバックすることで外乱を補償する外乱オブザーバ３と、受動アクチュエータ２に入力された操作入力値を推定する操作入力推定オブザーバ４と、検出部２３の検出した操作部２１の作動状態に応じて受動アクチュエータ２の機能性材料部２９の粘弾性特性を制御する指令信号と、操作入力推定オブザーバ４からの推定操作入力信号とを加算した印加信号を出力するコントローラー５と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、機能性材料を用いた受動的なアクチュエータの特性を制御する受動アクチュエータ制御システムに関する。

従来から、ＥＲ流体、ＥＲゲル及びＭＲ流体等の電場や磁場で粘弾性を変化させることが可能な機能性材料を用いたデバイスが開発され、力センサや位置センサ等の複数のセンサを用いて装置の特性を制御する研究が行われている（非特許文献１〜非特許文献４参照）。

"Speed Control of DC Motor using Electrorheological Brake System" , Choi S B et al, J Intelligent Mater Syst Struct, vol.18, no.12, 2007, pp1191-1196. "Design, Control and Human Testing of an Active Knee Rehabilitation Orthotic Device", Weinberg B et al, Proc IEEE Int Conf Rob Autom,Vol.2007,vol.9,2007,pp4126-4133. "Viscous control of Homogeneous ER Fluid Using a Variable Structure Control", Nakamura T et al, IEEE/ASME Trans Mechatron,vol.10,no.2,2005,pp154-160. 「電気粘性クラッチと力覚提示への応用」柿沼康弘，渡邊拡昭，青山藤詞郎，安齊秀伸，日本機械学会論文集Ｃ編，Vol.75,No755,(2009),188-194.

しかしながら、外的な力を受けることで機能を発揮する受動的な機能性材料を用いた各種デバイスの特性を制御するためには、力センサや位置センサ等の複数のセンサが必要であった。センサを多用することは、高コスト化を招くと共に、故障率が高くなりデバイスの信頼性の低下を招いてしまう。

本発明は、上記課題を解決するためのものであって、機能性流体や機能性材料を用いた受動的なアクチュエータに対して、最小限のセンサ数に低減可能とすることで、低コストで信頼性の高い制御システムを提供することを目的とする。

そのために本発明の受動アクチュエータ制御システムは、操作部、前記操作部の作動状態を検出する検出部及び前記操作部の操作感覚を変化させる機能性材料を有する受動アクチュエータと、前記受動アクチュエータに影響する外乱を推定し前記受動アクチュエータへの印加信号にフィードバックすることで外乱を補償する外乱オブザーバと、前記受動アクチュエータに入力された操作入力値を推定する操作入力推定オブザーバと、前記検出部の検出した前記操作部の作動状態に応じて前記受動アクチュエータの機能性材料の粘弾性特性を制御する指令信号と、前記操作入力推定オブザーバからの推定操作入力信号との差分から印加信号を出力するコントローラーと、を備えることを特徴とする。

本発明の受動アクチュエータ制御システムにより、力センサやトルクセンサ等を用いることなくセンサ数を最小限に低減することが可能となり、低コストで信頼性の高いシステムを実現することができる。また、簡単な構造で粘性係数を変化させることができるので、ハンドルの操作感覚を自由に設定することが可能となる。

受動アクチュエータ制御システムを示す図である。 ＥＲＧ多板ディスクブレーキの斜視図である。 ＥＲＧ多板ディスクブレーキの構造を示す図である。 ＥＲＧ多板ディスクブレーキを備えた受動アクチュエータ制御システムを示す図である。 受動アクチュエータ制御システムのハンドルの操作角、角速度及び操作トルクの関係を示すグラフである。 受動アクチュエータ制御システムのハンドルの角速度、操作トルク及び印加電圧の関係を示すグラフである。 受動アクチュエータ制御システムの粘性係数を変化させた場合の操作トルクを示すグラフである。 受動アクチュエータ制御システムに与えた各粘性係数に対する、角速度と操作トルクの関係を示すグラフである 受動アクチュエータ制御システムの粘性係数を時間経過と共に変化させた場合を示すグラフである。 受動アクチュエータ制御システムにトルクセンサを取り付け、制御系で推定された操作トルク量と測定されたトルクの実測値を比較したグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

まず、受動アクチュエータ制御システムの実施形態について説明する。図１は受動アクチュエータ制御システムを示す図である。

受動アクチュエータ制御システム１は、操作部２１、操作部２１の作動状態を検出する検出部２３及び操作部２１の操作感覚を変化させる機能性材料部２９を有する受動アクチュエータ２と、受動アクチュエータ２に影響する外乱を推定し受動アクチュエータ２への印加信号にフィードバックすることで外乱を補償する外乱オブザーバ３と、受動アクチュエータ２に入力された操作入力値を推定する操作入力推定オブザーバ４と、検出部２３が検出した操作部２１の作動状態に応じて受動アクチュエータ２の機能性材料部２９の粘弾性特性を制御する指令信号と、操作入力推定オブザーバ４からの推定操作入力信号とを差分して印加信号を出力するコントローラー５と、を備える。

受動アクチュエータ２は、電場や磁場等により粘弾性特性が変化する粘性流体等の機能性材料を用いたブレーキ、クラッチ又はダンパ等の力又はトルク変換素子からなり、操作者が受動アクチュエータ２の操作部２１を操作する状況に応じて機能性材料部２９の粘弾性特性が制御され操作者の操作感覚が変化するものである。

外乱オブザーバ３は、受動アクチュエータ２に入力される振動要素や不安定要素等を推定しフィードバックすることで外乱を補償するものである。また、操作入力推定オブザーバ４は、操作者が受動アクチュエータ２の操作部２１を操作する力又はトルク等の操作入力値を推定するものである。

コントローラー５は、操作入力推定オブザーバ４により推定された推定操作入力信号と受動アクチュエータ２の操作部２１の操作状況に応じた粘弾性特性により求めた指令信号とから仮入力信号を求めるものである。仮入力信号は、外乱オブザーバ３により推定された外乱値で補償された後、印加信号として受動アクチュエータ２に入力される。

次に、受動アクチュエータ制御システム１の実施形態について説明する。本実施形態の受動アクチュエータ制御システム１は、受動アクチュエータ２として電気的に粘着力が変化する電気粘性ゲル（ERG）を組み込んだＥＲＧ多板ディスクブレーキ装置２を用いる。

図２はＥＲＧ多板ディスクブレーキ装置の斜視図、図３はＥＲＧ多板ディスクブレーキの構造を示す図である。

ＥＲＧ多板ディスクブレーキ装置２は、操作部としてのハンドル２１と、ハンドル２１に連結され陰極に接続されたシャフト２２と、ハンドル２１及びシャフト２２の回転した回転角を計測する検出部としてのエンコーダ２３と、シャフト２２の外周に離間した状態で配置され陽極に接続されたケース２４と、シャフト２２を支持する１組のベアリング２５と、ベアリング２５をケース２４に対して絶縁する絶縁部材２６と、ケース２４に当接した少なくとも１枚の固定ディスク２７と、固定ディスク２７とは離間しシャフト２２に固定された少なくとも１枚の回転ディスク２８と、固定ディスク２７と回転ディスク２８にそれぞれ当接した機能性材料部としてのＥＲＧ層２９と、を有する。

本実施形態では、図３に示すように、固定ディスク２７上にＥＲＧ層２９を載置し、さらにＥＲＧ層２９の上に回転ディスク２８を載置する構造を１組として３組の多板ディスク構造とした。なお、各組間の固定ディスク２７と回転ディスク２８は絶縁されている。

したがって、シャフト２２とケース２４間に電場を印加すると、ＥＲＧ層２９に電圧が印加されることになり、電気粘性ゲルの粘着力が印加電圧に応じて変化する。

次に、受動アクチュエータ制御システム１の制御について説明する。図４は、受動アクチュエータ制御システム１のブロック図である。

受動アクチュエータ制御システム１は、ハンドル２１の操作を入力として、ＥＲＧ層２９に印加される電圧を調整し、発生する粘着力を制御し、ハンドル２１の操作感覚を変化させるものである。

まず、ＥＲＧ多板ディスクブレーキ装置２のハンドル２１を操作トルクＴhumで操作すると、エンコーダ２３によりハンドル２１の回転角度θが求められる。この角度θをコントローラー５で微分し仮想的に与えた粘性係数Ｃを乗算することで指令トルクＴｃとなる。ここで、仮想粘性係数Ｃを変化させることにより、ハンドル２１の操作感覚を変化させることが可能となる。

また、コントローラー５には、操作入力推定オブザーバ４によって推定された推定操作トルクＴｅhumも入力される。そして、コントローラー５で指令トルクＴｃと推定操作トルクＴｅhumの差より、指令電圧Ｖcmdを出力する。指令電圧Ｖcmdは、外乱オブザーバ３からの補償電圧Ｖcmpを加算され、印加電圧ＶとなってＥＲＧ多板ディスクブレーキ装置２に印加される。

なお、図４におけるＴ_fは初期摩擦トルク、Ｔ_fハットは摩擦トルクの推定値、Ｋ_tは比例定数、Ｊは慣性モーメント、ＬＰＦはローパスフィルタ、Ｃ_Eは機能性流体や機能性材料の基底粘性係数、Ｋ_pは比例ゲイン、を示し、ｎはノミナル値を表す。

図５は受動アクチュエータ制御システム１のハンドル２１の操作角θ、角速度θ’及び操作トルクＴhumの関係を示すグラフである。図５に示すように、受動アクチュエータ制御システム１は、ハンドル２１の操作角θに応じた角速度θ’を求めることが可能であり、求めた角速度θ’に応じて制御された操作トルクＴhumが発生することがわかる。

図６は受動アクチュエータ制御システム１のハンドル２１の角速度θ’、操作トルクＴhum及び印加電圧Ｖの関係を示すグラフである。図６に示すように、受動アクチュエータ制御システム１は、ハンドル２１の角速度θ’に応じた印加電圧Ｖを出力し、角速度θ’が増加すると操作トルクＴhumが増加することがわかる。つまり、ハンドル２１を速く動かすと感じるトルクが大きくなる。

図７は、受動アクチュエータ制御システム１の仮想粘性係数Ｃを変化させた場合の角速度θ’と操作トルクの関係を示すグラフで、時間軸は同一である。図７（ａ）に示した通り、仮想粘性係数Ｃを変更しても、操作する角速度の最大値は一定として実験を行っている。図７（ｂ）は受動アクチュエータ制御システム１の粘性係数を変化させた場合の操作トルクＴhumを示すグラフである。

図７に示すように、受動アクチュエータ制御システム１は、仮想粘性係数Ｃを調整することで感じるトルクも変化する。すなわち、異なる仮想
粘性係数Ｃを制御系内で設定することで、受動アクチュエータ制御システム１においては、ハンドル２１を同一の角速度θ’で操作した場合でも人が感じる操作トルクＴhumが変化する。例えば、粘性係数Ｃ＝１よりも大きい仮想粘性係数Ｃ＝２を設定した場合の方が、操作トルクＴhumは大きくなり感じるトルクも大きくなる。また、粘性係数Ｃ＝２よりも大きい粘性係数Ｃ＝３を設定した場合の方が、操作トルクＴhumはさらに大きくなり感じるトルクもさらに大きくなる。したがって、粘性係数Ｃ＝１，Ｃ＝２，Ｃ＝３の順に感じるトルクは大きくなる。

図８は仮想粘性係数Ｃに対する角速度θ’と操作トルクＴhumの関係を示すグラフである。図８に示すように、角速度θ’と操作トルクＴhumは比例する関係で制御できる。ただし、仮想粘性定数Ｃの値によりグラフの傾きは異なる。したがって、仮想粘性係数Ｃの値のみを制御系で調整することで様々な粘性の感覚を操作者に提示することができる。

図９は受動アクチュエータ制御システム１の仮想粘性係数を時間経過と共に変化させた場合を示すグラフである。図９に示すように、受動アクチュエータ制御システム１は、仮想粘性係数Ｃを時間経過と共に変化することも可能である。例えば、仮想粘性係数Ｃを時間経過と共に大きくした場合、操作トルクＴhumも時間経過と共に大きくなり、感じるトルクも時間経過と共に大きくなる。

図１０は、推定操作トルクＴｅhumと実際の操作トルクＴhumの追従関係を示すものである。追従関係を得るために、図２に示したシャフト２２に一時的にトルクセンサーを取り付け、シャフト２２で発生している操作トルクＴhumと推定操作トルクＴｅhumを比較した。その結果、推定操作トルクＴｅhumと実際の操作トルクＴhumはほぼ一致し、良好な追従関係を有することがわかる。

このように、本実施形態の受動アクチュエータ制御システム１により、力センサやトルクセンサ等を用いることなくセンサ数を最小限に低減することが可能となり、低コストで信頼性の高いシステムを実現することができる。また、簡単な構造で粘性係数Ｃを変化させることができるので、ハンドル２１の操作感覚を自由に設定することが可能となる。

１…受動アクチュエータ制御システム、２…受動アクチュエータ、３…外乱オブザーバ、４…操作入力推定オブザーバ、５…コントローラー、２１…ハンドル（操作部）、２２…シャフト、２３…エンコーダ（検出部）、２４…ケース、２５…ベアリング、２６…絶縁部材、２７…固定ディスク、２８…回転ディスク、２９…ＥＲＧ層（機能性材料部）

Claims (1)

1. 操作部、前記操作部の作動状態を検出する検出部及び前記操作部の操作感覚を変化させる機能性材料部を有する受動アクチュエータと、
   前記受動アクチュエータに影響する外乱を推定し前記受動アクチュエータへの印加信号にフィードバックすることで外乱を補償する外乱オブザーバと、
   前記受動アクチュエータに入力された操作入力値を推定する操作入力推定オブザーバと、
   前記検出部の検出した前記操作部の作動状態に応じて前記受動アクチュエータの機能性材料部の粘弾性特性を制御する指令信号と、前記操作入力推定オブザーバからの推定操作入力信号とを加算した印加信号を出力するコントローラーと、
   を備えたことを特徴とする受動アクチュエータ制御システム。

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