JP3248821B2 - アクチュエータの作動方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、油圧シリンダ等のアク
チュエータの作動方法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】油圧シリンダ等のアクチュエータは、そ
のサイズに比べて大きな出力を取り出すことができるの
で、建設等の重量物を扱う場面で広く用いられている。
これらの機械では、パワーショベル等の土木機器に見ら
れるような開ループ型の制御や、流量制御弁を用いた速
度制御に用いられるものがほとんどで、アクチュエータ
の発生する力を高精度で制御することはなされていな
い。

【０００３】近年、クローズドループ制御を用いて高精
度で位置決め制御と速度制御が行える電気・油圧サーボ
アクチュエータ（ディジタルサーボシリンダ）が開発さ
れ、位置制御に用いられるようになってきている。

【０００４】この電気・油圧サーボアクチュエータは、
図８に示すように、油圧シリンダ１０のポート１１，１
２に油圧制御弁１３が接続され、その油圧制御弁１３の
ソレノイド１４に、図示していないサーボドライバから
前進及び後進のパルス信号１５を入力することで、油圧
ポンプ１６からの圧油を、前進側シリンダ室１７Ｆや後
進側シリンダ室１７Ｂに供給してロッド１８をパルス信
号１５に応じて進退させるものである。

【０００５】アクチュエータ１０のロッド１８の位置
は、アブソリュート式測長センサ１９とディジタル測長
センサ２０とで検出され、このセンサ１９，２０の検出
信号を基にしてアクチュエータ１０の位置制御と速度制
御を高精度で行えるようになっており、また前進側シリ
ンダ室１７Ｆや後進側シリンダ室１７Ｂの圧力は、それ
ぞれ圧力センサ２１Ｆ，２１Ｂで検出され、その検出値
を基に、アクチェータ１０が設定された押圧（引張）力
を発揮できるようになっている。

【０００６】この電気・油圧サーボアクチュエータは、
種々の環境に使用され、例えば、射出成形機やアルミダ
イキャスト成形機、薄膜成形装置、シールド掘進機のセ
グメント組立装置等で位置決めと力制御に使用されてい
る。また、使用する環境に応じて、単独（シリアルリン
ク機構）で、或いは複数本同時に駆動（パラレルリンク
機構）するように作動される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来アクチ
ュエータによる位置制御系と力制御系とは別々に構成さ
れ、環境条件に応じてどちらか一方を切り換えて使用し
ていた。

【０００８】すなわち、位置制御においては、変位セン
サにより目標位置との変位を制御系にフィードバックし
て速度指令を出力して目標位置になるように、アクチュ
エータに圧油を供給する流量弁を制御し、力制御におい
ては、力センサで、環境に作用している力を検出し、そ
の検出値を基にして設定した力が得られるようにアクチ
ュエータを制御するように構成したものであり、制御系
が相違するため、それぞれ別個に制御する必要がある。
従って、制御を切り換えるには、先ず、位置制御でアク
チュエータを目標位置の近くまで作動（微調位置決め作
業）した後に、位置制御を停止して、力制御に切り換え
アクチュエータで設定の力で押圧（押付作業）するよう
に制御している。これを図９により説明する。

【０００９】図９において、電気・油圧サーボアクチュ
エータ１０は、そのロッド１８でセグメントなどのワー
ク２４をその軸方向に外部環境２５と接する位置まで移
動した後、所定の力でワーク２４を外部環境２５に押圧
する場合、先ず速度指令生成部２６が速度サーボアンプ
２７に速度指令を出力し、その指令に基づいて速度サー
ボアンプ２７はアクチュエータ１０にロッド１８が速度
Ｘ' で伸長するように油圧を制御するように出力２８す
る。このストローク変位は、上述したアブソリュート式
測長センサ１９とディジタル測長センサ２０からなる変
位センサ２９で検出され、その位置信号３０が速度指令
生成部２６と速度サーボアンプ２７にフィードバックさ
れて、指令した速度Ｘ' となるように出力２８が制御さ
れる。

【００１０】次に、ワーク２４が外部環境２５に接する
位置まで移動したならば、速度制御から力制御に切り換
え、外部環境２５からの反力（−Ｆ）を圧力センサ３１
で検出して所定の押圧力でアクチュエータ１０が外部環
境２５を押圧するように力制御する。

【００１１】しかしながら、位置制御系と力制御系を切
り換える際には、外部環境に応じた切り換え位置の情報
が必要であり、そのためのセンシングや制御が別途必要
となる。また、これらの情報で切り換えるようにしても
外部環境の位置情報が常に得られる保障はなく、例えば
速度制御中にワークが外部環境に当たって、それ以上移
動できない状況でも位置制御を続けるなどの不具合を生
じ、このため、ワークを破損するなどの問題がある。

【００１２】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、位置制御と力制御とを切り換えるにおいて、外部環
境の位置情報がなくても負荷に応じて適切に切り換える
ことができるアクチュエータの作動方法及び装置を提供
することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、変位センサと圧力センサを備
え、油圧で作動するアクチュエータで、ワークを外部環
境と接する目標位置まで移動した後、所定の力でワーク
を外部環境に押圧するアクチュエータの作動方法におい
て、ワークを目標位置まで移動する目標速度をｘr'、外
部環境からの外力Ｆに対する上記圧力センサの検出圧力
から変換したアクチュエータ発生力をｆ、アクチュエー
タ発生力ｆを速度に変換するアドミッタンスをＢとした
とき、実アクチュエータ速度Ｘ’に対するアクチュエー
タ指令速度ｘ' が、ｘ' ＝ｘr'＋Ｂｆとなるようにア
クチュエータの速度を制御し、かつ、そのアクチュエー
タ指令速度ｘ' で所望のフィードフォワード速度信号ｖ
r を作ると共にアクチュエータ指令速度ｘ' に基づく位
置信号とアクチュエータの変位センサからの位置信号に
基づく偏差でフィードバック速度信号を作り、これら速
度信号でアクチュエータの速度をフィードフォワード制
御すると共にフィードバック制御を行うことを特徴とす
るアクチュエータの作動方法である。

【００１４】請求項２の発明は、変位センサと圧力セン
サを備え、油圧で作動する複数本のアクチュエータでベ
ースとプラットフォームを連結してパラレルリンク機構
を構成し、そのプラットフォームで、ワークを外部環境
と接する目標位置まで移動した後、所定の力でワークを
外部環境に押圧するためのアクチュエータの作動方法に
おいて、上記プラットフォームの目標軌道における目標
速度ベクトルｘd'を定め、外部環境からの外力ベクトル
Ｆに対する上記圧力センサの検出圧力から変換したプラ
ットフォーム発生力（ベクトル）Ｆ _P を速度に変換す
るアドミッタンスをＢとしたとき、プラットフォーム指
令速度ベクトルｘp'が、ｘp'＝ｘd'＋ＢＦ _P となるよ
うに各アクチュエータの速度を制御し、かつ、そのプラ
ットフォーム指令速度ベクトルｘp'で所望のフィードフ
ォワード速度信号ｖr を作ると共にプラットフォーム指
令速度ベクトルｘp' に基づく位置信号とアクチュエー
タ の変位センサからの位置信号の偏差でフィードバック
速度信号を作り、これら速度信号で、プラットフォーム
速度をフィードフォワード制御すると共にフィードバッ
ク制御を行うことを特徴とするアクチュエータの作動方
法である。

【００１５】請求項３の発明は、プラットフォーム座標
における位置制御と力制御を行う制御方向を予め選択
し、位置制御方向では、位置制御用の目標速度ベクトル
をプラットフォーム指令速度ベクトルとし、その指令速
度ベクトルに対して、制御方向を選択した運動ベクトル
成分に基づいて各アクチュエータを位置制御し、力制御
方向では、力制御用のプラットフォーム指令速度ベクト
ルｘp'が、ｘp' ＝ｘd'＋ＢＦ _P となるように制御方向
を選択した運動ベクトル成分に基づいて各アクチュエー
タを力制御する請求項２記載のアクチュエータの作動方
法である。

【００１６】請求項４の発明は、油圧で作動するアクチ
ュエータでワークを外部環境と接する目標位置まで移動
した後、所定の力でワークを外部環境に押圧するアクチ
ュエータの作動装置において、油圧シリンダと油圧制御
弁を有するアクチュエータと、アクチュエータの変位を
検出する変位センサと、アクチュエータの油圧力を検出
する圧力センサと、ワークを目標位置まで移動する目標
速度ｘr'を生成すると共に圧力センサからの圧力信号よ
り、外部環境からの外力Ｆに対する上記圧力センサの検
出圧力から変換したアクチュエータ発生力をｆ、アクチ
ュエータ発生力ｆを速度に変換するアドミッタンスをＢ
としたとき、実アクチュエータ速度Ｘ’に対するアクチ
ュエータ指令速度ｘ' が、ｘ' ＝ｘr'＋Ｂｆとなる速度
指令を出力する速度指令生成部と、速度指令生成部から
のアクチュエータ指令速度ｘ'からフィードフォワード
速度信号ｖr を作ると共に、変位センサの検出値が入力
され、その検出値と速度指令生成部からのアクチュエー
タ指令速度に基づく位置信号の偏差からフィードバック
速度信号を作り、これら速度信号でフィードフォワード
制御とフィードバック制御すべくアクチュエータの油圧
制御弁を制御する速度サーボ部とを備えたことを特徴と
するアクチュエータの作動装置である。

【００１７】請求項５の発明は、油圧で作動する複数本
のアクチュエータでベースとプラットフォームを連結し
てパラレルリンク機構を構成し、そのプラットフォーム
で外部環境を目標位置に移動するためのアクチュエータ
の作動装置において、パラレルリンク機構を構成すべく
ベースとプラットフォーム間に連結される複数の油圧シ
リンダとその各油圧シリンダに設けられた油圧制御弁と
からなる複数のアクチュエータと、各アクチュエータの
変位を検出する変位センサと、各アクチュエータの油圧
力を検出する圧力センサと、上記プラットホームの目標
軌道を定め、その目標軌道に対してプラットフォーム目
標速度ベクトルｘd ’を生成すると共に、各圧力センサ
からの圧力信号より、外部環境からの外力ベクトルＦに
対する上記圧力センサの検出圧力から変換したプラット
フォーム発生力（ベクトル）Ｆ _P を速度に変換するアド
ミッタンスをＢとしたとき、位置制御と力制御を行うべ
くプラットフォーム指令速度ベクトルｘp'が、ｘp ’＝
ｘd'＋ＢＦ _P となる速度指令を出力する速度指令生成
部と、速度指令生成部からの速度指令を基に各アクチュ
エータの目標軌道に対して運動ベクトルに分解する運動
分解部と、その運動分解部の各運動ベクトルからフィー
ドフォワード速度信号ｖr を作ると共に、変位センサの
検出値が入力され、その検出値と上記運動ベクトルに基
く位置信号の偏差からフィードバック速度信号を作り、
これら速度信号でフィードフォワード制御とフィードバ
ック制御すべくアクチュエータの油圧制御弁を制御する
速度サーボアンプとを備えたことを特徴とするアクチュ
エータの作動装置である。

【００１８】

【作用】上記の構成によれば、ｘ' ＝ｘr'＋Ｂｆ（ｘp'
＝ｘd'＋ＢＦ_P ）となるようにアクチュエータを制御す
ることで、ワークが外部環境と接していない時には位置
制御が実践され、ワークが外部環境に接触するとアクチ
ュエータ速度がゼロとなるため、アドミッタンスＢを適
宜設定すれば、外部環境からアクチュエータにかかる圧
力のみで力制御が行えるので、従来のように位置をセン
シングすることなく、目標速度をセットするだけで位置
制御から力制御への切換制御が可能となる。またこの
際、フィードフォワード制御を行うことで、応答性の良
い制御が行える。さらにアクチュエータの作動をパラレ
ルリンク機構に適用することで、１軸方向の制御のみな
らず６軸方向に自在な制御が行える。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て詳述する。

【００２０】図１、図２は本発明の基本構成を示したも
ので、図１は装置の概略構成を示し、図２は制御ブロッ
ク図を示したものである。

【００２１】図１、図２において、アクチュエータ１０
の構成は図８で説明した通りである。

【００２２】このアクチュエータ１０には、アブソリュ
ート式測長センサとディジタル測長センサからなる変位
センサ２９が設けられると共に圧力センサ２１が設けら
れる。

【００２３】アクチュエータ１０は、ワーク２４を、外
部環境２５の位置まで移動した後、所定の力で外部環境
２５に押圧（引張）するもので、例えばシールド掘進機
でトンネルを構築する際のセグメントを、先に取り付け
たセグメントに接合するように移動した後、所定の力で
押圧して、そのセグメント同士を接続する際に使用され
る。

【００２４】さて図１、図２において、変位センサ２９
は、アクチュエータ１０のロッド１８の進退位置を検出
し、これを位置信号３５として速度指令生成部４０に送
ると共に速度サーボ部４１にフィードバック信号として
送る。また圧力センサ２１の検出圧力信号３６は速度指
令生成部４０に入力される。

【００２５】速度指令生成部４０は、変位センサ２９か
らの位置信号３５を基に軌道生成部４２で目標速度信号
ｘr'を生成し、同時に、外部環境２５からの反力Ｆに対
する圧力センサ２１の検出圧力から変換したアクチュエ
ータ発生力をｆ、アクチュエータ発生力ｆを基にアドミ
ッタンス設定部４３で、そのアクチュエータ発生力ｆ
を、アドミッタンスＢで速度信号Ｂｆに変換すると共
に、これらを加算器４４にて、実際のアクチュエータ速
度Ｘ’に対応するアクチュエータ指令速度ｘ' を、 ｘ' ＝ｘr'＋Ｂｆ となるようにして速度サーボ部４１に出力する。

【００２６】この設定部４３でのアドミッタンスＢは、
そのアクチュエータの最大押し付け力の逆数と最大速度
の乗算値を基に設定され、圧力センサ２１の検出圧に応
じて速度信号Ｂｆを作り出すようになっている。

【００２７】速度指令生成部４０で生成されたアクチュ
エータ指令速度ｘ' が、速度サーボ部４１に入力される
と、先ず、速度サーボ部４１は、アクチュエータ指令速
度ｘ’に基づいて、図には示していないが変換器にてフ
ィードフォワード速度信号ｖr を作り、これを加算器４
５を介して速度指令値４６をサーボアンプ４７に出力
し、サーボアンプ４７が制御電流４８を作ってこれをア
クチュエータ１０に出力するようになっている。

【００２８】次に、アクチュエータ指令速度ｘ' は、積
分器４９で、位置信号ｘr にされて比較器５０に入力さ
れ、そこで変位センサ２９からフィードバックされた位
置（ｘ）信号３５と比較されてその偏差が位置補償制御
部５１に入力され、その位置補償制御部５１にて偏差に
基づいたフィードバック速度信号５２にされ、加算器４
５にてフィードフォワード速度信号（ｖr ）と加算され
てアクチュエータ１０を作動する速度指令値４６が作ら
れる。

【００２９】以上において、速度指令生成部４０では、
アクチュエータ指令速度ｘ' が、 ｘ' ＝ｘr'＋Ｂｆ となるように制御する。

【００３０】ここで、ｆは、力制御を行っている座標に
加わる力であり、Ｂは、アドミッタンスである。

【００３１】このように制御を行うことを考えると、自
由空間では、外力はアクチュエータに働かないので、ｆ
＝０が成り立ち、 ｘ' ＝ｘr' が成り立つので、アクチュエータは、与えられた目標速
度で運動することがわかる。

【００３２】また拘束されたときには、ｘ' ＝０となる
ので、 ｘr'＝−Ｂｆ ｆ＝−ｘr'／Ｂ となり、目標速度ｘr ’を変えることによりアクチュエ
ータ１０に発生する力を制御することができる。

【００３３】このアドミッタンスＢは、アクチュエータ
最大指令速度をｘ'max、最大押し付け力をｆmax とする
と、アクチュエータの能力を十分に利用するためには、
アクチュエータが、自由に運動が可能で、その方向に拘
束されていない時、つまりｆ＝０の時にその指令速度
ｘ' が最大指令速度ｘ'maxになり、力学的に拘束された
時、すなわち指令速度ｘ’＝０になったときの拘束力ｆ
が、アクチュエータの発生させることのできる最大押し
付け力ｆmax となるようにアドミッタンスを設定すれば
よいと考えられる。よって、 ｘ'max＝ｘr' ０＝ｘr' ＋Ｂｆmax から、 Ｂ＝−（１／ｆmax ）・ ｘ'max となり、アドミッタンスＢを求めることができる。最大
指令速度をｘ'maxからアドミッタンスＢを設定し、その
アドミッタンスＢと目標速度ｘr'（＝ｘ'max）とが外力
ｆからアクチュエータ指令速度ｘ' を作りだし、これを
速度サーボ部４１及びサーボアンプ４７を介してアクチ
ュエータ１０を制御することで位置制御と力制御の双方
を自動的に切り換えて制御することができる。

【００３４】また、位置制御の際に、速度サーボ部４１
では、アクチュエータ指令速度ｘ'から任意のフィード
フォワード速度信号ｖr を作り、フィードフォワード制
御でアクチュエータ１０を作動することで、立ち上がり
速度が良好なものが得られると共にアクチュエータ１０
の位置信号とアクチュエータ指令速度ｘ' に基づく位置
信号との偏差でフィードバック速度信号を作りフィード
バック制御も同時に行うことで、立ち上がり速度が良好
で、しかも正確な位置制御と力制御の双方の制御を良好
に行うことが可能となる。

【００３５】このように、本制御は、ダンピング制御系
を基にした位置決め制御のため、位置決め制御を行って
いる最中にもダンピングが働いているため、負荷条件が
変わった場合でも即座に目標となる力制御を行うことが
できる。またフィードバックループ及びフィードフォワ
ードの双方を取り入れることで、応答性の良い制御が可
能となる。

【００３６】図３は、図１、図２に示した制御系で制御
したときの軸荷重の経時変化を示したもので、アクチュ
エータの目標速度（５ｃｍ／ｓｅｃ）、アドミッタンス
Ｂ＝（１／６０）ｃｍ／ｋｇｆ・ｓｅｃ、アクチェータ
の押し付け力を３００ｋｇｆに設定して実験したときの
例を示したものである。

【００３７】図３より、制御開始から、３．２秒まで
は、軸荷重が０で、位置制御がなされ、アクチュエータ
１０が目標位置まで進んだ時点で、力制御に切り換り、
ほぼ瞬時に設定の３００ｋｇｆの軸荷重を加えることが
できた。

【００３８】次にパラレルリンク機構の実施例を説明す
る。

【００３９】先ず、パラレルリンク機構は、本出願人が
提案したパラレルリンク機構の運動姿勢演算装置（特願
平４−５２６４５号）と同じであり、図６に示すよう
に、固定側のベース６０とプラットフォーム６１間に複
数本のアクチュエータ１０，１０が連結されてパラレル
リンク機構６２が構成され、各アクチュエータ１０の進
退でプラットフォーム６１を、６自由度方向（ｘ，ｙ，
ｚ，α，β，γ）に移動できるようになっている。

【００４０】このパラレルリンク機構６２で図７に示す
ようにセグメント（ワーク２４）を外部環境２５に押し
当てて組み立てる作業に用いる場合、直交座標系で速度
制御と力制御を行うと、座標軸の各方向について力が干
渉しあう作業では制御系に設計が複雑となる。

【００４１】そこで、セグメント（ワーク２４）で構築
されるトンネルを中心Ｏの円筒座標系として制御系を構
成する方が、ヨーイング、旋回微調、ローリング、ピッ
チング、ヒービング修正などの作業を無理なく記述する
ことができる。

【００４２】さて図４はパラレルリンク機構の装置概略
を示し、図５は制御ブロック図を示したものである。

【００４３】図４において、パラレルリンク機構６２の
各アクチュエータ１０は、プラットフォーム６１を介し
てワーク２４を、目標軌道としてｘ方向（ベクトル成
分）に位置制御すると共にワーク２４が外部環境２５に
当たった時、力制御を行うとする。

【００４４】先ず速度指令生成部７０は、プラットホー
ム６１の目標軌道における目標速度ベクトルｘd'を生成
し、これを運動分解部７１で各アクチュエータ１０ごと
のベクトル成分に分解して各アクチュエータ１０の速度
信号を速度サーボアンプ７２に出力する。

【００４５】ここで、目標軌道に対するプラットフォー
ム指令速度ベクトルｘp'は、プラットフォーム目標速度
ベクトルをｘd ’、外部環境２５に働く力（外力ベクト
ル）をＦとしアドミッタンスをＢとすると、 ｘp'＝ｘd'＋ＢＦ となるように各アクチュエータを制御すれば良い。

【００４６】この場合、目標軌道に対して位置制御（位
置と姿勢）のみ行う方向と、力制御を行う制御方向の運
動ベクトル成分を予め選択し、位置制御方向では、目標
軌道における位置制御用プラットフォーム指令速度ベク
トルとし、その速度ベクトルに対して、位置制御方向を
選択した運動ベクトル成分に基づいて各アクチュエータ
１０を位置制御し、力制御方向では、力制御用プラット
フォーム目標速度ベクトルｘｄ’とプラットフォーム速
度指令ベクトルｘｐ’と、外部環境２５からの外力ベク
トルＦに対する圧力センサから変換したプラットフォー
ム発生力（ベクトル）Ｆ_P を速度に変換するアドミッタ
ンスをＢとしたとき、 ｘｐ’＝ｘｄ’＋ＢＦ_P となるように力制御方向を選択した運動ベクトル成分に
基づいて、各アクチュエータ１０を力制御するようにな
っている。

【００４７】これをさらに詳しく説明すると、作業座標
系において、図１，図２で説明した位置制御と力制御を
設計する場合、実際制御できるのは各アクチュエータ１
０の速度なので、作業座標系における目標速度ベクトル
ｘｄ' を各アクチュエータの速度信号に変換しなければ
ならない。

【００４８】基本的には座標系間の速度関係であるので
ヤコビアンを計算すれば良い。

【００４９】ａ．パラレルリンク機構と運動学 パラレルリンク機構は図６に示したように、ベースとベ
ースに対し相対的に運動するプラットフォーム、ベース
とプラットフォームを結合するアクチュエータから構成
され、各アクチュエータは、油圧シリンダのように、ア
クチュエータが結合されているベース上にある点とプラ
ットフォーム上にある点の相対運動（力も含む）を直接
調整するものや、簡単な機構によって間接的に調整する
ものがある。

【００５０】表現を簡単にするために、ここでは、アク
チュエータによって調節することができる、２点間の距
離を、アクチュエータの長さと呼び、それをまとめて、
ベクトル ｌ＝（ｌ1 ，ｌ2 …ｌ6 ）^T で表すことにする。なお、ここで、Ｔは転置行列であ
る。

【００５１】今プラットフォームの位置・姿勢を表す変
数を６次元ベクトルｘp で表すと、ｌとｘp の間には、 ｌ＝ ｆ（ｘp ）＝ｆ（ｘ，ｙ，ｚ，α，β，γ） の関係が成り立つ。ｆ（ｘp ）は、ｘp の関数で、ｘp
が与えられると、ｌを計算することができる。これを、
逆運動学の計算という。

【００５２】上式の両辺を時間で微分することにより次
式を得る。

【００５３】ｌ' ＝Ｊｘp' ただし、Ｊは、 Ｊ＝ｄｆ／ｄｘp で定義される。

【００５４】パラレルリンク機構では、シリアルリンク
機構と違って、逆運動学の計算は容易である。

【００５５】ただし、与えられた、アクチュエータの長
さｌ＝（ｌ1 ，ｌ2 …ｌ6 ）^T から、プラットフォーム
の位置・姿勢ｘp を求める順運動学の計算は、解析的に
は求まらないという性質を持つ。

【００５６】そこで、目標軌道に対して位置制御（位置
と姿勢）のみ行う方向の位置制御用目標速度ベクトル
｛ｘｄ’｝_p を、位置制御用プラットフォーム速度指令
ベクトル｛ｘｐ’｝_p とし、その速度ベクトルに対し
て、制御方向を選択した運動ベクトル成分に基づいて各
アクチュエータ１０を位置制御し、力制御方向では、力
制御用目標速度ベクトル｛ｘｄ’｝_f を、力制御用プラ
ットフォーム速度指令ベクトル｛ｘｐ’｝_f として、運
動ベクトル成分を選択し、目標軌道における力制御用プ
ラットフォーム速度指令ベクトル｛ｘｐ’｝_f と、外部
環境２５からの外力（ベクトル）Ｆに対するプラットフ
ォーム発生力（ベクトル）Ｆ_P 、プラットフォーム発生
力（ベクトル）Ｆ_P を速度に変換するアドミッタンスを
Ｂとしたとき、力制御用プラットフォーム指令速度ベク
トル｛ｘｐ’｝_f が、 ｛ｘｐ’｝_f＝｛ｘｄ’｝_f＋｛ＢＦ_P ｝_f となるように力制御方向を選択した運動ベクトル成分に
基づいて各アクチュエータ１０を力制御すればよい。

【００５７】この与えられたプラットフォームの指令速
度ベクトルｘp'を実現するようなアクチュエータの速度
ｌ' は上記式（ｌ' ＝Ｊｘp'）から計算できるので、制
御系のブロック図は図５のように構成できる。

【００５８】図５において、速度指令生成部７０で生成
されるプラットフォーム目標速度ベクトルｘd'が軌道生
成部７５で生成し、これを位置制御選択行列（Ｉ−Ｓ）
７６と加算器７７を介して力制御行列（Ｓ）７８に出力
する。ここでＩは単位行列、Ｓは選択行列で、それぞれ
その要素が１または０の対角行列であり、１は、それに
対応する座標でアドミッタンス行列（Ｂ）７９を基に力
制御をすることを意味し、０は、位置制御を行うことを
意味している。

【００５９】力制御する座標ｘs は、 ｘs ＝Ｓｘp 位置制御する座標ｘｉ-s（接触する可能性のない方向で
位置制御を精度よく実現したい座標）は、 ｘｉ-s＝（Ｉ−Ｓ）ｘp で与えられる。

【００６０】これらは、加算器８０にて加算され、ヤコ
ビ行列８１にてそれぞれアクチュエータごとの運動ベク
トルに分解される。

【００６１】制御の開始時には、反力Ｆ＝０であり、位
置行列選択７６で生成される座標ｘｉ-sがヤコビ行列８
１より、ゲイン制御器８２にて各アクチュエータ１０の
速度信号ｖr が生成され、加算器８３を介してフィード
フォワード速度信号としてアクチュエータ１０に出力さ
れる。

【００６２】一方ヤコビ行列８１にて分解された運動ベ
クトルは積分器８４で、各アクチュエータのシリンダ位
置信号８５にされて比較器８６に入力され、そこで各ア
クチュエータ１０からフィードバックされたシリンダ変
位信号（Ｉ）８７と比較されて位置補償制御部８８に入
力され、その位置補償制御部８８にてフィードバック速
度信号にされ、加算器８３にてフィードフォワード速度
信号ｖr と加算されて各アクチュエータ１０を作動する
速度指令８９が作られ、その速度指令８９に基づいてプ
ラットフォーム６１が、目標軌道に沿ったプラットフォ
ームの実速度Ｘに対応するプラットフォーム指令速度ベ
クトルｘp'で各アクチュエータ１０が移動して外部環境
２５に接触するまで位置制御する。

【００６３】次に外部環境２５にワーク２４が当たり移
動が停止して、指令速度ベクトルｘp'が０となると、各
アクチュエータ１０の圧力センサからシリンダ発生力
（Ｆｌ）９０が、転置ヤコビ行列９１に送られてプラッ
トフォーム発生力Ｆ_P に変換され、アドミッタンス行列
７９によりプラットフォーム発生力Ｆ_P が速度ベクトル
（ＢＦ_P ）にされ、力制御選択行列７８により力制御に
切り換えられ、プラットフォーム６１に設定の力が加え
られることなる。

【００６４】このようにパラレルリンク機構のアクチュ
エータ作動において、位置制御と力制御のハイブリッド
制御が可能となり、位置制御から力制御の切り換え動作
が不要となり、制御の簡素化が図れる。

【００６５】なお、本発明は上述の実施例に限定される
ものでなく、例えば外力を圧力センサ２１で検出するよ
うにしたが、ワークとアクチュエータのロッド間に設け
た力センサで検出するようにしてもよい、またパラレル
リンク機構において、図５のブロック図で、プラットフ
ォーム座標に対して位置制御と力制御をする制御方向を
選択して位置制御選択行列と力制御選択行列とに分けた
制御系で説明したが、これらを一緒にして単一の単位行
列で制御するように構成してもよい、さらにパラレルリ
ンク機構のアクチュエータに、図８で説明した電気・油
圧サーボアクチュエータを全て使用する代わりに１部他
の形式のアクチュエータ、例えば電動アクチュエータで
一部を構成するようにしてもよい。

【００６６】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、ｘ' ＝ｘ
r'＋Ｂｆ（ｘp'＝ｘd'＋ＢＦ_P ）となるようにアクチュ
エータを制御することで、ワークが外部環境と接してい
ない時には位置制御が実践され、ワークが外部環境に接
触するとアクチュエータ速度がゼロとなるため、アドミ
ッタンスＢを適宜設定すれば、外部環境からアクチュエ
ータにかかる圧力のみで力制御が行えるので、従来のよ
うに位置をセンシングすることなく、目標速度をセット
するだけで位置制御から力制御への切換制御が可能とな
る。またこの際、フィードフォワード制御を行うこと
で、応答性の良い制御が行える。さらにアクチュエータ
の作動をパラレルリンク機構に適用することで、１軸方
向の制御のみならず６軸方向に自在な制御が行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明において、シリアルリンクの一実施例を
示す装置の概略図である。

【図２】図１の制御ブロックを示す図である。

【図３】図１，図２の実施例における実験例を示す図で
ある。

【図４】本発明において、パラレルリンク機構の一実施
例を示す装置の概略図である。

【図５】図４の制御ブロックを示す図である。

【図６】本発明において、パラレルリンク機構の概略を
示す斜視図である。

【図７】本発明において、パラレルリンク機構の座標系
を説明するための図である。

【図８】本発明に用いるアクチュエータの詳細を示す図
である。

【図９】従来例を示す図である。

【符号の説明】

１０ アクチュエータ ２１ 圧力センサ ２４ ワーク ２５ 外部環境 ２９ 変位センサ ４０ 速度指令生成部 ４１ 速度サーボ部 ４３ アドミッタンス設定部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小菅 一弘 愛知県名古屋市緑区鳴海町黒石２−10 合同宿舎滝ノ水住宅５−103 (72)発明者 村上 弘記 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川 島播磨重工業株式会社 東二テクニカル センター内 (72)発明者 竹内 暢人 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川 島播磨重工業株式会社 東二テクニカル センター内 (72)発明者 北山 仁志 愛知県知多市北浜町11番１号 石川島播 磨重工業株式会社 愛知工場内 (56)参考文献 特開 平６−101394（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−151003（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−94006（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−257922（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−73405（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−80801（ＪＰ，Ａ) 特公 平６−16995（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F15B 11/04 G05B 11/32 G05D 3/12 305 E21D 9/06

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 変位センサと圧力センサを備え、油圧で
   作動するアクチュエータで、ワークを外部環境と接する
   目標位置まで移動した後、所定の力でワークを外部環境
   に押圧するアクチュエータの作動方法において、ワーク
   を目標位置まで移動する目標速度をｘr'、外部環境から
   の外力Ｆに対する上記圧力センサの検出圧力から変換し
   たアクチュエータ発生力をｆ、アクチュエータ発生力ｆ
   を速度に変換するアドミッタンスをＢとしたとき、実ア
   クチュエータ速度Ｘ’に対するアクチュエータ指令速度
   ｘ' が、ｘ' ＝ｘr'＋Ｂｆとなるようにアクチュエー
   タの速度を制御し、かつ、そのアクチュエータ指令速度
   ｘ' で所望のフィードフォワード速度信号ｖr を作ると
   共にアクチュエータ指令速度ｘ' に基づく位置信号とア
   クチュエータの変位センサからの位置信号に基づく偏差
   でフィードバック速度信号を作り、これら速度信号でア
   クチュエータの速度をフィードフォワード制御すると共
   にフィードバック制御を行うことを特徴とするアクチュ
   エータの作動方法。
2. 【請求項２】 変位センサと圧力センサを備え、油圧で
   作動する複数本のアクチュエータでベースとプラットフ
   ォームを連結してパラレルリンク機構を構成し、そのプ
   ラットフォームで、ワークを外部環境と接する目標位置
   まで移動した後、所定の力でワークを外部環境に押圧す
   るためのアクチュエータの作動方法において、上記プラ
   ットフォームの目標軌道における目標速度ベクトルｘd'
   を定め、外部環境からの外力ベクトルＦに対する上記圧
   力センサの検出圧力から変換したプラットフォーム発生
   力（ベクトル）Ｆ _P を速度に変換するアドミッタンス
   をＢとしたとき、プラットフォーム指令速度ベクトルｘ
   p'が、ｘp'＝ｘd'＋ＢＦ _P となるように各アクチュエ
   ータの速度を制御し、かつ、そのプラットフォーム指令
   速度ベクトルｘp'で所望のフィードフォワード速度信号
   ｖr を作ると共にプラットフォーム指令速度ベクトルｘ
   p' に基づく位置信号とアクチュエータの変位センサか
   らの位置信号の偏差でフィードバック速度信号を作り、
   これら速度信号で、プラットフォーム速度をフィードフ
   ォワード制御すると共にフィードバック制御を行うこと
   を特徴とするアクチュエータの作動方法。
3. 【請求項３】 プラットフォーム座標における位置制御
   と力制御を行う制御方向を予め選択し、位置制御方向で
   は、位置制御用の目標速度ベクトルをプラットフォーム
   指令速度ベクトルとし、その指令速度ベクトルに対し
   て、制御方向を選択した運動ベクトル成分に基づいて各
   アクチュエータを位置制御し、力制御方向では、力制御
   用のプラットフォーム指令速度ベクトルｘp'が、ｘp'
   ＝ｘd'＋ＢＦ _P となるように制御方向を選択した運動ベ
   クトル成分に基づいて各アクチュエータを力制御する請
   求項２記載のアクチュエータの作動方法。
4. 【請求項４】 油圧で作動するアクチュエータでワーク
   を外部環境と接する目標位置まで移動した後、所定の力
   でワークを外部環境に押圧するアクチュエータの作動装
   置において、油圧シリンダと油圧制御弁を有するアクチ
   ュエータと、アクチュエータの変位を検出する変位セン
   サと、アクチュエータの油圧力を検出する圧力センサ
   と、ワークを目標位置まで移動する目標速度ｘr'を生成
   すると共に圧力センサからの圧力信号より、外部環境か
   らの外力Ｆに対する上記圧力センサの検出圧力から変換
   したアクチュエータ発生力をｆ、アクチュエータ発生力
   ｆを速度に変換するアドミッタンスをＢとしたとき、実
   アクチュエータ速度Ｘ’に対するアクチュエータ指令速
   度ｘ' が、ｘ' ＝ｘr'＋Ｂｆとなる速度指令を出力する
   速度指令生成部と、速度指令生成部からのアクチュエー
   タ指令速度ｘ' からフィードフォワード速度信号ｖr
   を作ると共に、変位センサの検出値が入力され、その検
   出値と速度指令生成部からのアクチュエータ指令速度に
   基づく位置信号の偏差からフィードバック速度信号を作
   り、これら速度信号でフィードフォワード制御とフィー
   ドバック制御すべくアクチュエータの油圧制御弁を制御
   する速度サーボ部とを備えたことを特徴とするアクチュ
   エータの作動装置。
5. 【請求項５】 油圧で作動する複数本のアクチュエータ
   でベースとプラットフォームを連結してパラレルリンク
   機構を構成し、そのプラットフォームで外部環境を目標
   位置に移動するためのアクチュエータの作動装置におい
   て、パラレルリンク機構を構成すべくベースとプラット
   フォーム間に連結される複数の油圧シリンダとその各油
   圧シリンダに設けられた油圧制御弁とからなる複数のア
   クチュエータと、各アクチュエータの変位を検出する変
   位センサと、各アクチュエータの油圧力を検出する圧力
   センサと、上記プラットホームの目標軌道を定め、その
   目標軌道に対してプラットフォーム目標速度ベクトルｘ
   d ’を生成すると共に、各圧力センサからの圧力信号よ
   り、外部環境からの外力ベクトルＦに対する上記圧力セ
   ンサの検出圧力から変換したプラットフォーム発生力
   （ベクトル）Ｆ _P を速度に変換するアドミッタンスをＢ
   としたとき、位置制御と力制御を行うべくプラットフォ
   ーム指令速度ベクトルｘp'が、ｘp ’＝ｘd'＋ＢＦ _P
   となる速度指令を出力する速度指令生成部と、速度指令
   生成部からの速度指令を基に各アクチュエータの目標軌
   道に対して運動ベクトルに分解する運動分解部と、その
   運動分解部の各運動ベクトルからフィードフォワード速
   度信号ｖr を作ると共に、変位センサの検出値が入力さ
   れ、その検出値と上記運動ベクトルに基く位置信号の偏
   差からフィードバック速度信号を作り、これら速度信号
   でフィードフォワード制御とフィードバック制御すべく
   アクチュエータの油圧制御弁を制御する速度サーボアン
   プとを備えたことを特徴とするアクチュエータの作動装
   置。