JP5214365B2 - Actuator device and power assist device - Google Patents
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Description
本発明は、流体が供給されることによって駆動するアクチュエータを備えたアクチュエータ装置およびそれを搭載したパワーアシスト装置に関する。 The present invention relates to an actuator device including an actuator that is driven when a fluid is supplied, and a power assist device equipped with the actuator device.
例えば、人の力を増幅させて出力するアクチュエータ装置として、油圧シリンダ等の流体圧シリンダと、流体圧シリンダに流体を供給するポンプと、ポンプを駆動するモータと、を備えたアクチュエータ装置が知られている(例えば、特許文献1〜3参照)。
For example, an actuator device that includes a fluid pressure cylinder such as a hydraulic cylinder, a pump that supplies fluid to the fluid pressure cylinder, and a motor that drives the pump is known as an actuator device that amplifies and outputs human force. (For example, refer to
図7に、そのようなアクチュエータ装置の一例を示す。このアクチュエータ装置100は、油圧シリンダ101と、油圧ポンプ102と、油圧ポンプ102を駆動するモータ103とを備えている。油圧シリンダ101はシリンダ本体101aとピストンロッド101bとを備えている。シリンダ本体101aの内部は、ピストンロッド101bによって第1圧力室111と第2圧力室112とに区画されている。油圧ポンプ102と第1圧力室111とは、管路104を介して連通している。油圧ポンプ102と第2圧力室112とは、管路105を介して連通している。
FIG. 7 shows an example of such an actuator device. The
モータ103は双方向に回転可能である。モータ103が図7における時計回り方向に回転すると、第1圧力室111内の油が管路104を通じて油圧ポンプ102に吸入される一方、油圧ポンプ102から管路105を通じて第2圧力室112に油が供給される。その結果、第2圧力室112の推力(なお、推力=受圧面積×圧力である。)が第1圧力室111の推力よりも高くなり、ピストンロッド101bは左方向に移動し、収縮する。逆に、モータ103が図7における反時計回り方向に回転すると、第2圧力室112内の油が管路105を通じて油圧ポンプ102に吸入される一方、油圧ポンプ102から管路104を通じて第1圧力室111に油が供給される。その結果、第1圧力室111の推力が第2圧力室112の推力よりも大きくなり、ピストンロッド101bは右方向に移動し、伸長する。なお、モータ103の回転方向とピストンロッド101bの移動方向の関係は上記関係に限定されるわけではなく、上記関係と逆の関係であってもよい。すなわち、モータ103が時計回り方向に回転するとピストンロッド101bが右方向に移動し、逆に、モータ103が反時計回り方向に回転するとピストンロッド101bが左方向に移動してもよい。
The
上記アクチュエータ装置100では、ピストンロッド101bの伸縮の速度は、油圧ポンプ102の回転速度によって定まり、油圧ポンプ102の回転速度は、モータ103の回転速度に依存する。したがって、ピストンロッド101bは、モータ103を制御することによって制御される。
In the
ところで、例えば、慣性が大きくなりがちな大型の装置や、機敏な操作が行われる装置等においては、人もしくはコントローラからの操作入力とピストンロッド101bの動作との間に何らかの応答遅れが生じ、人もしくはコントローラが指示する方向と逆向きにピストンロッド101bが移動してしまう状況が発生する場合がある。上記アクチュエータ装置100では、そのような場合には、モータ103を制御することによって、ピストンロッド101bの移動を減衰させることとしていた。すなわち、速度情報のフィードバックなどにより、モータ103に対して逆方向に回転する成分の駆動信号を付加することによって、ピストンロッド101bの移動をソフトウェア的にかつアクティブに減衰させることとしていた。
しかしながら、上述の方式では、制御の不安定化を招くおそれがある。例えば、モータ103へ駆動信号を付加したとしても、実際にピストンロッド101bの駆動力が発生するまでに遅れがある場合などに、不安定化を引き起こすおそれがある。次に、図8を参照しながら、そのような不安定現象について説明する。
However, the above-described method may cause control instability. For example, even if a drive signal is added to the
図8において、符号V1、S1、D1は、ピストンロッド101bの速度、モータ103へ付加される駆動信号、ピストンロッド101bに発生する駆動力をそれぞれ表している。図8(a)に示すように、例えばピストンロッド101bが正の方向に動いているときに、人もしくはコントローラがこれを止めようと操作する場合、人若しくはコントローラは負の方向の駆動信号S1をモータ103に付加することとなる。これにより、ピストンロッド101bは減速していく。しかし、図8(b)に示すように、速度V1が0に達して駆動信号S1の付加を止めても、遅れが生じると、ピストンロッド101bの負の方向への駆動力D1が出続けて、ピストンロッド101bは減速状態から負の方向への加速へと転じることになる(図8(b)の領域DL1参照)。これを受け、人もしくはコントローラは、今度は反対に正の方向の駆動信号S1をモータ103へ付加し、負の方向の速度を減速させ、速度が0になるまで加速するが、やはりピストンロッド101bの駆動力の遅れによって、正の方向への加速に転じてしまう(領域DL2参照)。このようなことを繰り返すことにより、不安定な振動現象が発生することがある。
In FIG. 8, symbols V1, S1, and D1 represent the speed of the
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、アクチュエータの動作を減衰させる機能と共に振動現象の発生を抑制する機能を有するアクチュエータ装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of this point, and an object of the present invention is to provide an actuator device having a function of attenuating the operation of the actuator and a function of suppressing the occurrence of a vibration phenomenon.
本発明に係るアクチュエータ装置は、流体が供給されることによって駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータに流体を供給するポンプと、前記ポンプと前記アクチュエータとをつなぐ管路と、前記ポンプを駆動するモータと、前記管路に設けられ、前記管路を流れる前記流体の流量を低減させる絞り状態と前記管路を流れる前記流体の流量を実質的に低減させない非絞り状態とに切り換え自在な絞り機構と、前記アクチュエータの動作を検出するセンサと、前記モータへ指令を与えることで前記ポンプを介して前記アクチュエータを操作するための操作装置と、前記操作装置から前記モータに与えられる指令と前記アクチュエータの動作とに基づいて前記絞り機構を前記絞り状態もしくは前記非絞り状態に設定する制御装置と、を備えている。前記操作装置から正の指令が与えられたときに前記アクチュエータに発生すべき駆動力の方向を正方向とし、前記操作装置から負の指令が与えられたときに前記アクチュエータに発生すべき駆動力の方向を負方向としたときに、前記制御装置は、前記操作装置が与えようとしている指令(以下、当初指令という。)の符号と前記センサによって検出される前記アクチュエータの速度の符号とを比較し、前記当初指令と前記アクチュエータの速度との符号が異なっている場合には、前記操作装置から前記モータに実際に与えられる指令の絶対値を0または前記当初指令の絶対値よりも小さくするとともに、前記絞り機構を前記絞り状態に設定し、前記当初指令と前記アクチュエータの速度との符号が同じである場合には、前記当初指令を前記操作装置から前記モータに実際に与えられる指令とし、前記絞り機構を前記非絞り状態に設定する。 An actuator device according to the present invention includes an actuator that is driven when fluid is supplied, a pump that supplies fluid to the actuator, a conduit that connects the pump and the actuator, a motor that drives the pump, provided in the conduit, and freely stop mechanism switched between a non-aperture state which does not substantially reduce the flow rate of the fluid and the diaphragm state flow through the conduit to reduce the flow rate of the fluid flowing through the conduit, wherein A sensor for detecting the operation of the actuator, an operating device for operating the actuator via the pump by giving a command to the motor, a command given to the motor from the operating device, and an operation of the actuator And a control device for setting the diaphragm mechanism to the throttle state or the non-throttle state based on To have. The direction of the driving force that should be generated in the actuator when a positive command is given from the operating device is the positive direction, and the direction of the driving force that should be generated in the actuator when a negative command is given from the operating device. When the direction is the negative direction, the control device compares the sign of the command (hereinafter referred to as the initial command) that the operating device is giving with the sign of the speed of the actuator detected by the sensor. When the sign of the initial command and the speed of the actuator is different, the absolute value of the command actually given to the motor from the operating device is 0 or smaller than the absolute value of the initial command, When the aperture mechanism is set to the aperture state and the signs of the initial command and the speed of the actuator are the same, the initial command is It was actually given command from the device to the motor, to set the diaphragm mechanism to the non-stop state.
上記アクチュエータ装置によれば、絞り機構が前記管路を流れる流体の流量を低減させることにより、アクチュエータの動作を減衰させる減衰機能を発揮することができる。また、前記絞り機構は、モータの制御を工夫することによってアクチュエータの動作を速度情報のフィードバックなどによりソフトウェア的かつアクティブに減衰させる従来技術と異なり、アクチュエータをアクティブに作動させるものではない。そのため、アクチュエータを減衰させるつもりが振動させてしまうといったおそれはない。したがって、アクチュエータに振動現象を発生させることなく減衰させることができる。また、上記アクチュエータ装置によれば、当初指令とアクチュエータの速度との符号が異なっている場合には、操作装置からモータに実際に与えられる指令の絶対値を0または当初指令の絶対値よりも小さくするとともに、絞り機構が絞り状態に設定されることにより、管路を流れる油の流量が低減される。これにより、アクチュエータの動作が減衰され、それに伴い不安定動作も抑えられる。一方、当初指令とアクチュエータの速度との符号が同じである場合には、当初指令を操作装置からモータに実際に与えられる指令とし、絞り機構が非絞り状態に設定されることにより、管路を流れる油の流量は実質的に低減されない。これにより、アクチュエータの動作に関して、絞り機構がない場合と同等の性能が得られる。 According to the actuator device described above, the throttle mechanism can exhibit a damping function that attenuates the operation of the actuator by reducing the flow rate of the fluid flowing through the pipe. Further, the diaphragm mechanism does not activate the actuator actively unlike the conventional technique in which the operation of the actuator is damped in software and actively by feedback of speed information by devising the control of the motor. Therefore, there is no risk that the actuator will vibrate if it is intended to attenuate. Therefore, the actuator can be damped without causing a vibration phenomenon. Further, according to the actuator device described above, when the signs of the initial command and the actuator speed are different, the absolute value of the command actually given to the motor from the operating device is 0 or smaller than the absolute value of the initial command. In addition, the flow rate of the oil flowing through the pipeline is reduced by setting the throttle mechanism to the throttle state. As a result, the operation of the actuator is attenuated, and the unstable operation is suppressed accordingly. On the other hand, when the signs of the initial command and the actuator speed are the same, the initial command is actually given to the motor from the operating device, and the throttle mechanism is set to the non-throttle state, so that The flow rate of the flowing oil is not substantially reduced. Thereby, with respect to the operation of the actuator, the same performance as in the case where there is no diaphragm mechanism can be obtained.
本発明に係るアクチュエータ装置は、流体が供給されることによって駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータに流体を供給するポンプと、前記ポンプと前記アクチュエータとをつなぐ管路と、前記ポンプを駆動するモータと、前記管路に設けられ、前記管路を流れる前記流体の流量を低減させる絞り状態と前記管路を流れる前記流体の流量を実質的に低減させない非絞り状態とに切り換え自在な絞り機構と、前記アクチュエータの動作を検出するセンサと、前記モータへ指令を与えることで前記ポンプを介して前記アクチュエータを操作するための操作装置と、前記操作装置から前記モータに与えられる指令と前記アクチュエータの動作とに基づいて前記絞り機構を前記絞り状態もしくは前記非絞り状態に設定する制御装置と、を備えている。前記制御装置は、前記操作装置から前記モータに与えられる指令と前記アクチュエータの動作とに基づいて前記アクチュエータの動作が安定か否かを判定し、安定している場合には前記絞り機構を前記非絞り状態に設定し、安定していない場合には前記絞り機構を前記絞り状態に設定する。An actuator device according to the present invention includes an actuator that is driven when fluid is supplied, a pump that supplies fluid to the actuator, a conduit that connects the pump and the actuator, a motor that drives the pump, A throttling mechanism provided in the pipe and capable of switching between a throttling state in which the flow rate of the fluid flowing through the pipe is reduced and a non-throttling state in which the flow rate of the fluid flowing through the pipe is not substantially reduced; A sensor for detecting the operation of the actuator, an operating device for operating the actuator via the pump by giving a command to the motor, a command given to the motor from the operating device, and an operation of the actuator And a control device for setting the diaphragm mechanism to the throttle state or the non-throttle state based on To have. The control device determines whether or not the operation of the actuator is stable based on a command given to the motor from the operating device and the operation of the actuator. If the aperture state is not stable, the aperture mechanism is set to the aperture state.
上記アクチュエータ装置によれば、絞り機構が前記管路を流れる流体の流量を低減させることにより、アクチュエータの動作を減衰させる減衰機能を発揮することができる。また、前記絞り機構は、モータの制御を工夫することによってアクチュエータの動作を速度情報のフィードバックなどによりソフトウェア的かつアクティブに減衰させる従来技術と異なり、アクチュエータをアクティブに作動させるものではない。そのため、アクチュエータを減衰させるつもりが振動させてしまうといったおそれはない。したがって、アクチュエータに振動現象を発生させることなく減衰させることができる。また、上記アクチュエータ装置によれば、アクチュエータの動作が安定していない場合には、絞り機構が絞り状態に設定されることにより、管路を流れる油の流量が低減される。これにより、アクチュエータの動作が減衰され、それに伴い不安定動作も抑えられる。一方、アクチュエータの動作が安定している場合には、絞り機構が非絞り状態に設定されることにより、管路を流れる油の流量は実質的に低減されない。これにより、アクチュエータの動作に関して、絞り機構がない場合と同等の性能が得られる。According to the actuator device described above, the throttle mechanism can exhibit a damping function that attenuates the operation of the actuator by reducing the flow rate of the fluid flowing through the pipe. Further, the diaphragm mechanism does not activate the actuator actively unlike the conventional technique in which the operation of the actuator is damped in software and actively by feedback of speed information by devising the control of the motor. Therefore, there is no risk that the actuator will vibrate if it is intended to attenuate. Therefore, the actuator can be damped without causing a vibration phenomenon. Also, according to the actuator device, when the operation of the actuator is not stable, the throttle mechanism is set to the throttle state, whereby the flow rate of the oil flowing through the pipeline is reduced. As a result, the operation of the actuator is attenuated, and the unstable operation is suppressed accordingly. On the other hand, when the operation of the actuator is stable, the flow rate of oil flowing through the pipeline is not substantially reduced by setting the throttle mechanism to the non-throttle state. Thereby, with respect to the operation of the actuator, the same performance as in the case where there is no diaphragm mechanism can be obtained.
前記アクチュエータは、シリンダ本体と、前記シリンダ本体内を第1圧力室と第2圧力室とに区画すると共に、前記第2圧力室内を通って前記シリンダ本体外に延びるピストンロッドと、を有する流体圧シリンダからなり、前記管路は、前記ポンプと前記第1圧力室とを連通する第1管路と、前記ポンプと前記第2圧力室とを連通する第2管路とを有し、前記ピストンロッドが伸びると、前記ポンプから前記第1圧力室に向かって流体が流れる前記第1管路に流体を補給し、前記ピストンロッドが縮むと、前記ポンプから前記第2圧力室に向かって流れる前記第2管路の流体の一部を回収する貯留手段をさらに備えていてもよい。 The actuator includes a cylinder body, a fluid pressure having a cylinder body and a piston rod that divides the inside of the cylinder body into a first pressure chamber and a second pressure chamber and extends outside the cylinder body through the second pressure chamber. The cylinder includes a first pipe that communicates the pump and the first pressure chamber, and a second pipe that communicates the pump and the second pressure chamber. When the rod is extended, the fluid is supplied to the first conduit through which the fluid flows from the pump toward the first pressure chamber, and when the piston rod is contracted, the fluid flows from the pump toward the second pressure chamber. You may further provide the storage means which collect | recovers some fluids of a 2nd pipe line.
このことにより、管路における流体の過不足がなくなり、アクチュエータとしていわゆる片ロッド型の流体圧シリンダを用いた場合であっても、円滑な動作を行うことができる。 This eliminates excess or deficiency of fluid in the pipe line, and smooth operation can be performed even when a so-called single rod type fluid pressure cylinder is used as the actuator.
前記絞り機構は、絞り量を任意に調整可能に構成されていてもよい。 The aperture mechanism may be configured such that the aperture amount can be arbitrarily adjusted.
このことにより、例えば操作者が絞り機構の絞り量を任意に調整することで、アクチュエータの動作速度を適宜に制限することができる。 Accordingly, for example, the operator can arbitrarily limit the aperture amount of the aperture mechanism, so that the operation speed of the actuator can be appropriately limited.
本発明に係るパワーアシスト装置は、前記アクチュエータ装置を搭載したものである。 A power assist device according to the present invention is equipped with the actuator device.
本発明によれば、アクチュエータの動作を振動させることなく減衰させる機能を有するアクチュエータ装置を実現することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the actuator apparatus which has a function which attenuates the operation | movement of an actuator without vibrating can be implement | achieved.
<実施形態1>
図1は、本実施形態に係るアクチュエータ装置1の構成を示すブロック図である。図1に示すように、アクチュエータ装置1は、アクチュエータとしての油圧シリンダ2と、油圧ポンプ3と、油圧ポンプ3を駆動するモータ4とを備えている。油圧シリンダ2は、シリンダ本体2aと、シリンダ本体2aに挿入されたピストンロッド2bとを有している。シリンダ本体2aの内部は、ピストンロッド2bにより、第1圧力室11と第2圧力室12とに区画されている。ピストンロッド2bは、第2圧力室12内を通ってシリンダ本体2a外に延びている。本油圧シリンダ2は、いわゆる片ロッド型の油圧シリンダである。油圧ポンプ3は双方向に回転可能であり、一端3aから油を吐出しかつ他端3bから油を吸入する運転と、一端3aから油を吸入しかつ他端3bから油を吐出する運転とを実行可能である。モータ4は双方向に回転可能なモータであり、油圧ポンプ3に連結されている。
<
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of an
油圧ポンプ3の一端3aは、第1管路5を介して油圧シリンダ2の第1圧力室11に連通している。一方、油圧ポンプ3の他端3bは、第2管路6を介して油圧シリンダ2の第2圧力室12に連通している。第1管路5には第1絞り機構7が設けられ、第2管路6には第2絞り機構8が設けられている。第1絞り機構7は第1管路5を流れる油の流量を低減可能な機構であり、第2絞り機構8は第2管路6を流れる油の流量を低減可能な機構である。また、絞り機構7,8は、それぞれ管路5,6を流れる油の流量を実質的に低減させない状態にも設定可能である。すなわち、第1絞り機構7および第2絞り機構8は、油の流量を低減させる状態である絞り状態と、油の流量を実質的に低減させない状態である非絞り状態とに切り換え自在である。第1絞り機構7および第2絞り機構8は、絞り量を任意に調整可能に構成されていてもよい。第1絞り機構7および第2絞り機構8の具体的構成は何ら限定されないが、例えば、第1絞り機構7および第2絞り機構8として、比例電磁式流量調整弁、比例電磁式減圧弁等を好適に用いることができる。
One
第1管路5における油圧ポンプ3と第1絞り機構7との間には、第1パイロットチェック弁21を介してタンク23が接続されている。また、第2管路6における油圧ポンプ3と第2絞り機構8との間には、第2パイロットチェック弁22を介してタンク23が接続されている。片ロッド型の油圧シリンダ2と油圧ポンプ3とを第1管路5および第2管路6により接続すると、油圧シリンダ2のロッドの体積差に応じた油の過不足が生じる。そこで、タンク23には、これを補うことができるだけの量の油が貯留されている。
A
アクチュエータ装置1は、操作装置14を備えている。操作装置14は、操作者もしくはコントローラによって操作される装置である。操作装置14の具体的構成は何ら限定されない。操作装置14として、例えば、操作レバーや操作ハンドル等を好適に利用することができる。また、操作装置14として、例えば、パーソナルコンピュータ等からの制御指令が入力できる装置を用いてもよい。
The
また、アクチュエータ装置1は、制御装置15を備えている。制御装置15は、操作装置14に対する操作入力に基づいてモータ4を駆動する。すなわち、操作者が操作装置14を操作すると(言い換えると操作装置14に操作入力が与えられると)、制御装置15が操作装置14の操作入力に応じてモータ4を駆動し、油圧シリンダ2のピストンロッド2bを伸縮させる。
In addition, the
モータ4が図1における時計回り方向に回転すると、油圧ポンプ3の一端3aから油が吸入され、他端3bから油が吐出される。すると、油圧シリンダ2の第1圧力室11内の油は第1圧力室11から流出し、第1管路5を通じて油圧ポンプ3に流入する。その結果、第1圧力室11の油圧は低下する。一方、油圧ポンプ3の他端3bから吐出された油は、第2管路6を通じて第2圧力室12に流れ込む。その結果、第2圧力室12の油圧は増加する。これにより、第2圧力室12の推力は第1圧力室11の推力よりも大きくなり、その推力差によってピストンロッド2bが図1の左側に移動する。つまり、ピストンロッド2bが収縮する。なお、この際、第2管路6から導入されるパイロット圧により第1パイロットチェック弁21が開かれ、余剰の油がタンク23に排出される。
When the
一方、モータ4が図1における反時計回り方向に回転すると、油圧ポンプ3の一端3aから油が吐出され、他端3bから油が吸入される。すると、油圧シリンダ2の第2圧力室12内の油は第2圧力室12から流出し、第2管路6を通じて油圧ポンプ3に流入する。その結果。第2圧力室12の油圧は低下する。一方、油圧ポンプ3の一端3aから吐出された油は、第1管路5を通じて第1圧力室11に流れ込む。その結果、第1圧力室11の油圧は増加する。これにより、第1圧力室11の推力は第2圧力室12の推力よりも大きくなり、その推力差によってピストンロッド2bが図1の右側に移動する。つまり、ピストンロッド2bが伸長する。なお、この際、第1管路5から導入されるパイロット圧により第2パイロットチェック弁22が開かれ、タンク23内の油が第2管路6に補給される。
On the other hand, when the
本実施形態では、アクチュエータ装置1は、ピストンロッド2bの伸縮動作を検出するセンサ16を備えている。センサ16は、ピストンロッド2bがどれくらい収縮しているのか、あるいはどれくらい伸長しているのかを検出可能である。なお、センサ16の具体的構成は何ら限定されない。例えば、センサ16は、ピストンロッド2bの先端の位置を検出する位置センサ等であってもよい。そして、センサ16により得られた位置情報は、制御装置15によって、ピストンロッド速度に演算されてもよい。
In the present embodiment, the
本実施形態では、制御装置15は、操作装置14に対する操作入力とピストンロッド2bの動作とに基づいて、油圧シリンダ2の動作が安定しているか否かを判定する。なお、ここで安定とは、シリンダ2が操作者もしくはコントローラの意図通りに動作している状態を言い、逆に、不安定とは、シリンダ2が操作者もしくはコントローラの意図していない動作をしている状態を言う。
In the present embodiment, the
制御装置15は、油圧シリンダ2の動作が安定している場合には、第1絞り機構7および第2絞り機構8を非絞り状態に設定する。例えば、第1絞り機構7および第2絞り機構8が流量調整弁によって構成されている場合に、それらの弁を全開状態に設定する。一方、制御装置15は、油圧シリンダ2の動作が安定していない場合には、第1絞り機構7または第2絞り機構8を絞り状態に設定する。例えば、第1絞り機構7および第2絞り機構8が流量調整弁によって構成されている場合、少なくとも一方の弁を所定開度に絞り、第1管路5、第2管路6、またはその両方を流れる油の流量を低減させる。これにより、油圧シリンダ2の第1圧力室11と第2圧力室12とにおける推力差は、緩やかに変化することになる。その結果、第1絞り機構7または第2絞り機構8がいわゆるダンパとして機能し、ピストンロッド2bの収縮動作または伸長動作が緩やかになる。なお、第1管路5と第2管路6とを同時に絞る場合は、図2に示すような回路構成を採用することがより好ましい。図2に示す回路では、チェック弁25を有する通路が絞り機構7,8と並列に配置されている。
When the operation of the
油圧シリンダ2の動作が安定か否かを判定する方法は、何ら限定される訳ではないが、ここでは、いわゆる仮想パワーモニタを備え、当該仮想パワーモニタによって動作の安定性を判断するものを例に示す(特許第3809614号公報参照)。
A method for determining whether or not the operation of the
図3に示すように、本実施形態に係るアクチュエータ装置1は、人の力を増幅して出力するパワーアシスト装置20のアクチュエータ装置である。
As shown in FIG. 3, the
図3において、記号Kusrは力の増幅率(パワーアシストゲイン)を表している。記号Uhは操作者から与えられる操作力(操作入力ともいう)、記号Uusrは増幅後の力をそれぞれ表している。本実施形態では、油圧シリンダ2のピストンロッド2bが上記増幅後の力Uusrを出力するように、モータ4が制御される。
In FIG. 3, symbol Kusr represents a force amplification factor (power assist gain). Symbol Uh represents an operating force (also referred to as an operation input) given by the operator, and symbol Uusr represents an amplified force. In the present embodiment, the
本パワーアシスト装置20では、制御系(以下、単にシステムという)の入出力(なお、ここでは操作者の操作力Uhをシステムの入力とし、センサ16の出力をシステムの出力としている。)を仮想パワーモニタ31で観測し、下記式に示すように、観測結果Pvから計算される仮想エネルギEvによってシステムの安定性を評価する。
不安定挙動(例えば、Ev<0などであるが、不安定/安定の判断基準は、これに限られず、システムの特性などにより任意に決めてよい。)を検知すると、システムにおける重み(本実施形態では第1絞り機構7および第2絞り機構8の絞り具合)を調整し、ピストンロッド2bの動きを減衰させることにより、システムの安定化を図る。安定性の評価は、観測結果Pvから計算される仮想エネルギEvによって行い、仮想パワーリミッタ32が上記仮想エネルギEvに基づいて、第1絞り機構7および第2絞り機構8の重みWv1、Wv2を調整する。すなわち、第1絞り機構7および第2絞り機構8の絞りの程度(言い換えると、第1管路5および第2管路6の油の流量)を調整する。
When an unstable behavior (for example, Ev <0, etc., the criteria for determination of instability / stability is not limited to this, but may be arbitrarily determined according to system characteristics) is detected. In the embodiment, the
仮想パワーモニタ31によりシステムが安定していると判定されると、第1絞り機構7および第2絞り機構8は、油の流量を実質的に低減させない非絞り状態に設定される。例えば、第1絞り機構7および第2絞り機構8が比例電磁式流量調整弁の場合には、全開状態に設定される。一方、仮想パワーモニタ31によりシステムが安定していないと判定されると、安定度合いに応じて第1絞り機構7および第2絞り機構によって油の流量が絞られる。例えば、第1絞り機構7および第2絞り機構8が比例電磁式流量調整弁の場合には、油の流量を低減させるべくそれぞれ所定の開度に設定される。
When the
本実施形態においても、システムが安定状態にあるときには、第1絞り機構7および第2絞り機構8が非絞り状態に設定されるので、油圧シリンダ2のピストンロッド2bは円滑に伸縮する。一方、システムが不安定状態にあるときには、第1絞り機構7または第2絞り機構8によって、ピストンロッド2bの動作を減衰させることができるとともに、振動現象の発生を抑制することができる。
Also in the present embodiment, when the system is in a stable state, the
本実施形態では、システムが安定しているか否かを仮想パワーモニタ31によって検知することとした。そのため、システムの安定性を、より高度に検知することができる。
In the present embodiment, the
<実施形態2>
実施形態1は、システムが安定か否かに基づいて絞り機構7,8を制御するものであった。しかし、絞り機構7,8の制御は、システムが安定か否かに基づくものに限られる訳ではない。実施形態2は、操作装置14が与えようとしている指令(以下、当初指令という。)とピストンロッド2bの速度との符号が一致するか否かに基づいて、絞り機構7,8を制御するものである。
<
In the first embodiment, the
図4は、本実施形態に係る制御ブロック図である。実施形態1と同様、アクチュエータ装置1は、油圧シリンダ2と、油圧ポンプ3と、モータ4とを備えている。また、油圧ポンプ3と油圧シリンダ2の第1圧力室11とをつなぐ第1管路5には、第1絞り機構7が配置されている。油圧ポンプ3と油圧シリンダ2の第2圧力室12とをつなぐ第2管路6には、第2絞り機構8が配置されている。その他、実施形態1と同様の部分には同様の符号を付し、それらの説明は省略する。
FIG. 4 is a control block diagram according to the present embodiment. Similar to the first embodiment, the
以下の説明では、記号ydは操作入力を表し、記号Uusrは操作装置14がモータ4に与えようとしている電流指令、すなわち当初指令を表す。また、記号uは、判定部30による制御の結果としてモータ4に与えられる電流指令、すなわちモータ4に実際に与えられる電流指令を表す。記号yは、アクチュエータ速度を表す。記号Wuは、判定部30による重みを表し、記号Wv1は第1絞り機構7の重みを表し、記号Wv2は第2絞り機構8の重みを表す。
In the following description, the symbols y d represent the operation input symbol Uusr represents a current command, namely initial
アクチュエータの動作を絞り機構7,8で減衰させるか否かは、例えば、当初指令Uusrの符号とアクチュエータ速度yの符号とを比較し、それらの符号が同じか異なっているかに基づいて判定することができる。具体的には、判定部30は、それらの符号が同符号の場合は、減衰不要と判定することができる。それらの符号が異なっている場合は、減衰させる必要があると判定することができる。
Whether or not the operation of the actuator is attenuated by the
図5は、制御の一例を示すタイミングチャートである。本例では、当初指令Uusrとアクチュエータ速度yとが同符号の場合は、重みWu=1、Wv1=Wv2=0とする。すなわち、当初指令Uusrとアクチュエータ速度yとの符号が同じである場合には、当初指令Uusrを操作装置14からモータ4に実際に与えられる指令とする(u=Uusr)。また、第1絞り機構7および第2絞り機構8を非絞り状態に設定する。一方、当初指令Uusrとアクチュエータ速度yとが異符号の場合は、重みWu=0とする。すなわち、当初指令Uusrとアクチュエータ速度yとの符号が異なっている場合には、モータ4を駆動するための信号を与えない(u=0)。また、第1絞り機構7および第2絞り機構8の少なくとも一方を絞り状態に設定する。具体的には、第1絞り機構7の重みWv1または第2絞り機構8の重みWv2を、当初指令Uusrに見合った値とする。すなわち、0<Wv1≦1、または、0<Wv2≦1とする。なお、ここで1は最大絞り状態を表す。
FIG. 5 is a timing chart showing an example of control. In this example, when the initial command Uusr and the actuator speed y have the same sign, the weights Wu = 1 and Wv1 = Wv2 = 0. That is, when the signs of the initial command Uusr and the actuator speed y are the same, the initial command Uusr is set as a command that is actually given from the
なお、第1絞り機構7または第2絞り機構8は、絞り量をアナログ的に(言い換えると、絞り量を任意に設定可能なように連続的に)変更可能なように構成されていてもよく、絞り量をデジタル的に(言い換えると、絞り量を段階的に設定可能なように非連続的に)変更可能なように構成されていてもよい。
The
このように、本実施形態に係るアクチュエータ装置1によれば、当初指令と油圧シリンダ2の速度との符号が一致していない場合には、第1絞り機構7または第2絞り機構8によって、第1管路5または第2管路6の油の流量を低減させることとしている。よって、当初指令と油圧シリンダ2の速度との符号が一致していないときには、油圧シリンダ2の動作(厳密には、ピストンロッド2bの伸縮動作)を減衰させることができる。また、モータ4の制御を工夫することによってピストンロッド2bの移動をソフトウェア的にかつアクティブに減衰させる従来技術と異なり、第1絞り機構7および第2絞り機構8は、ピストンロッド2bをアクティブに移動させるものではない。そのため、原理的に、ピストンロッド2bを減衰させる動作しか行わない。したがって、従来の問題点であったような、油圧シリンダの動作を減衰させようとして反対方向に加速してしまうことはない。よって、本実施形態によれば、動作を減衰させる機能と共に振動現象の発生を抑制する機能を有するアクチュエータ装置1を得ることができる。
As described above, according to the
また、本実施形態によれば、当初指令と油圧シリンダ2の速度との符号が一致している場合には、第1絞り機構7および第2絞り機構8を非絞り状態に設定することとしている。そのため、第1絞り機構7および第2絞り機構8が設けられているにも拘わらず、当初指令と油圧シリンダ2の速度との符号が一致している場合には、第1管路5および第2管路6における油の流動抵抗が抑えられる。したがって、ピストンロッド2bを円滑に伸縮させることができる。また、ピストンロッド2bの動作を不必要に減衰させることはない。
Further, according to this embodiment, when the signs of the initial command and the speed of the
なお、上記実施形態では、当初指令Uusrとアクチュエータ速度yとの符号が異なる場合には、重みWu=0とした(図5参照)。しかし、図6に示すように、当初指令Uusrとアクチュエータ速度yとの符号が異なる場合に、0<Wu<1としてもよい。すなわち、操作装置14からモータ4に実際に与えられる指令uの絶対値を、零よりも大きくかつ当初指令Uusrの絶対値よりも小さな値としてもよい。これにより、省エネルギー化を図ることもできる。なお、この場合にも、第1絞り機構7および第2絞り機構8の少なくとも一方は絞り状態に設定される。
In the above embodiment, when the signs of the initial command Uusr and the actuator speed y are different, the weight Wu = 0 is set (see FIG. 5). However, as shown in FIG. 6, 0 <Wu <1 may be set when the signs of the initial command Uusr and the actuator speed y are different. That is, the absolute value of the command u actually given to the
<変形例>
なお、前記各実施形態において、第1絞り機構7、第2絞り機構8を絞ったときに、それぞれ第1管路5、第2管路6の内部圧力が上昇する場合がある。そこで、第1管路5または第2管路6の内部圧力が予め定めた所定圧力以上になると、モータ4のトルクを規制するようにしてもよい。すなわち、モータ4にトルクリミッタを設けるようにしてもよい。また、第1管路5および第2管路6に、所定圧力以上になると開放されるリリーフ弁を配置するようにしてもよい。
<Modification>
In each of the above-described embodiments, when the
前記各実施形態では、第1管路5に第1絞り機構7を設け、第2管路6に第2絞り機構8を設けていた。しかし、第1絞り機構7および第2絞り機構8のいずれか一方を省略することも可能である。すなわち、油圧ポンプ3と第1圧力室11との間にのみ絞り機構を設けるようにしてもよく、油圧ポンプ3と第2圧力室12との間にのみ絞り機構を設けるようにしてもよい。
In each of the above embodiments, the
前記各実施形態では、アクチュエータとして油圧シリンダ2が用いられていた。しかし、本発明に係るアクチュエータは、油圧シリンダ以外の流体圧シリンダ、例えば、水圧シリンダ、エアシリンダ等であってもよい。また、流体圧シリンダ以外のアクチュエータ、例えば油圧モータ等であってもよい。
In each of the embodiments described above, the
前記各実施形態では、アクチュエータとして片ロッド型の油圧シリンダ2が用いられ、第1管路5および第2管路6には、油圧シリンダ2の伸縮動作に伴う油の過不足を解消するために、貯留手段としてタンク23が設けられていた。しかし、貯留手段は、タンク23に限られず、例えばアキュムレータ等の他の手段であってもよいことは勿論である。貯留手段として、例えば配管内に組み込まれたアキュムレータを用いることとすれば、タンクを配管以外の土台等に固定する場合と異なり、アクチュエータ装置1の姿勢を変更させることが可能となり、ひいてはアクチュエータ装置1に任意の姿勢をとらせることができるようになる。このことにより、アクチュエータ装置1を含む装置を設計する際、取付方向に自由度が大きいため、設計を容易にできるようになる。
In each of the above-described embodiments, the single rod type
アクチュエータの動作の安定性を判定する手法は、前記実施形態1の手法に限定される訳ではなく、他の手法を用いることも可能である。 The method for determining the stability of the operation of the actuator is not limited to the method of the first embodiment, and other methods can be used.
以上のように、本発明は、例えば、機械装置における振動抑制や安全性の確保、パワーアシストシステム等に好適なアクチュエータ装置について有用である。 As described above, the present invention is useful for an actuator device suitable for, for example, suppressing vibrations in a mechanical device, ensuring safety, a power assist system, and the like.
1 アクチュエータ装置
2 油圧シリンダ(アクチュエータ)
2a シリンダ本体
2b ピストンロッド
3 油圧ポンプ
4 モータ
5 第1管路
6 第2管路
7 第1絞り機構
8 第2絞り機構
14 操作装置
15 制御装置
16 センサ
20 パワーアシスト装置
1
Claims (5)
前記アクチュエータに流体を供給するポンプと、
前記ポンプと前記アクチュエータとをつなぐ管路と、
前記ポンプを駆動するモータと、
前記管路に設けられ、前記管路を流れる前記流体の流量を低減させる絞り状態と前記管路を流れる前記流体の流量を実質的に低減させない非絞り状態とに切り換え自在な絞り機構と、
前記アクチュエータの動作を検出するセンサと、
前記モータへ指令を与えることで前記ポンプを介して前記アクチュエータを操作するための操作装置と、
前記操作装置から前記モータに与えられる指令と前記アクチュエータの動作とに基づいて前記絞り機構を前記絞り状態もしくは前記非絞り状態に設定する制御装置と、を備え、
前記操作装置から正の指令が与えられたときに前記アクチュエータに発生すべき駆動力の方向を正方向とし、前記操作装置から負の指令が与えられたときに前記アクチュエータに発生すべき駆動力の方向を負方向としたときに、
前記制御装置は、
前記操作装置が与えようとしている指令(以下、当初指令という。)の符号と前記センサによって検出される前記アクチュエータの速度の符号とを比較し、
前記当初指令と前記アクチュエータの速度との符号が異なっている場合には、前記操作装置から前記モータに実際に与えられる指令の絶対値を0または前記当初指令の絶対値よりも小さくするとともに、前記絞り機構を前記絞り状態に設定し、
前記当初指令と前記アクチュエータの速度との符号が同じである場合には、前記当初指令を前記操作装置から前記モータに実際に与えられる指令とし、前記絞り機構を前記非絞り状態に設定する、アクチュエータ装置。 An actuator that is driven by fluid supply;
A pump for supplying fluid to the actuator;
A conduit connecting the pump and the actuator;
A motor for driving the pump;
A throttling mechanism that is provided in the pipe and can be switched between a throttling state that reduces the flow rate of the fluid flowing through the pipe line and a non-throttle state that does not substantially reduce the flow rate of the fluid flowing through the pipe line ;
A sensor for detecting the operation of the actuator;
An operating device for operating the actuator via the pump by giving a command to the motor;
A control device that sets the diaphragm mechanism to the throttle state or the non-throttle state based on a command given to the motor from the operation device and an operation of the actuator;
The direction of the driving force that should be generated in the actuator when a positive command is given from the operating device is the positive direction, and the direction of the driving force that should be generated in the actuator when a negative command is given from the operating device. When the direction is negative,
The control device includes:
A sign of a command (hereinafter referred to as an initial command) to be given by the operating device is compared with a sign of the speed of the actuator detected by the sensor;
When the signs of the initial command and the speed of the actuator are different, the absolute value of the command actually given to the motor from the operating device is set to 0 or smaller than the absolute value of the initial command, and Set the aperture mechanism to the aperture state,
An actuator that, when the sign of the initial command and the speed of the actuator are the same, sets the initial command as a command that is actually given to the motor from the operating device, and sets the throttle mechanism to the non-throttle state apparatus.
前記アクチュエータに流体を供給するポンプと、
前記ポンプと前記アクチュエータとをつなぐ管路と、
前記ポンプを駆動するモータと、
前記管路に設けられ、前記管路を流れる前記流体の流量を低減させる絞り状態と前記管路を流れる前記流体の流量を実質的に低減させない非絞り状態とに切り換え自在な絞り機構と、
前記アクチュエータの動作を検出するセンサと、
前記モータへ指令を与えることで前記ポンプを介して前記アクチュエータを操作するための操作装置と、
前記操作装置から前記モータに与えられる指令と前記アクチュエータの動作とに基づいて前記絞り機構を前記絞り状態もしくは前記非絞り状態に設定する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記操作装置から前記モータに与えられる指令と前記アクチュエータの動作とに基づいて前記アクチュエータの動作が安定か否かを判定し、安定している場合には前記絞り機構を前記非絞り状態に設定し、安定していない場合には前記絞り機構を前記絞り状態に設定する、アクチュエータ装置。 An actuator that is driven by fluid supply;
A pump for supplying fluid to the actuator;
A conduit connecting the pump and the actuator;
A motor for driving the pump;
A throttling mechanism that is provided in the pipe and can be switched between a throttling state that reduces the flow rate of the fluid flowing through the pipe line and a non-throttle state that does not substantially reduce the flow rate of the fluid flowing through the pipe line;
A sensor for detecting the operation of the actuator;
An operating device for operating the actuator via the pump by giving a command to the motor;
A control device that sets the diaphragm mechanism to the throttle state or the non-throttle state based on a command given to the motor from the operation device and an operation of the actuator;
The control device determines whether or not the operation of the actuator is stable based on a command given to the motor from the operating device and the operation of the actuator. An actuator device that is set to an aperture state and sets the aperture mechanism to the aperture state when it is not stable .
前記管路は、前記ポンプと前記第1圧力室とを連通する第1管路と、前記ポンプと前記第2圧力室とを連通する第2管路とを有し、
前記ピストンロッドが伸びると、前記ポンプから前記第1圧力室に向かって流体が流れる前記第1管路に流体を補給し、前記ピストンロッドが縮むと、前記ポンプから前記第2圧力室に向かって流れる前記第2管路の流体の一部を回収する貯留手段をさらに備えた、
請求項1または2に記載のアクチュエータ装置。 The actuator includes a cylinder body, a fluid pressure having a cylinder body and a piston rod that divides the inside of the cylinder body into a first pressure chamber and a second pressure chamber and extends outside the cylinder body through the second pressure chamber. Consisting of cylinders,
The pipe has a first pipe that communicates the pump and the first pressure chamber, and a second pipe that communicates the pump and the second pressure chamber,
When the piston rod extends, fluid is supplied to the first conduit through which fluid flows from the pump toward the first pressure chamber, and when the piston rod contracts, the pump moves toward the second pressure chamber. A storage means for recovering a part of the fluid in the second pipe flowing;
The actuator device according to claim 1 or 2 .
請求項1〜3のいずれか一つに記載のアクチュエータ装置。 The aperture mechanism is configured to be able to arbitrarily adjust the aperture amount.
The actuator device according to any one of claims 1 to 3 .
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