JP5244383B2 - 流体シリンダを用いたアクチュエータ及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体シリンダを用いたアクチュエータ及びその制御方法に関するものである。

特開２００３−３１１６６７公報に示されるように、ロボットの関節を動かすためのアクチュエータとしては、従来からサーボモータ等の電動モータが用いられている。これはモータであれば、比較的手軽に入手できるためである。しかしながらモータを用いることは、ロボット全体が大型化・重量化し易い問題がある。エアシリンダ等の流体シリンダは、モータと比較して、小形軽量であり、また構造が単純でメンテナンスも容易である等の利点があるため、ロボット用のアクチュエータとして有用なものと考えられている。
特開２００３−３１１６６７公報

しかしながらエアシリンダのような流体シリンダの適用を阻む最も大きな欠点としては、任意の位置においてピストンを動かしにくくする性能すなわち剛性を発揮させることが難しいという欠点がある。これはモータと異なり力発生の応答性が低いためであり、ピストンの位置を保つために外力へ抗する力をすばやく発生できないことが主な原因であると考えられている。これを解消するために、摩擦ブレーキやラッチなどを付加する方法が存在するが、それらを付加するのであれば、モータのみを使う方が合理的である。したがって、極力単純な機構でこの剛性を与える方法が必要である。しかしながら、従来はこの要求に応えることができる技術は提案されていない。

本発明の目的は、簡単な構成でエアシリンダ等の流体シリンダに剛性を与えことができる流体シリンダを用いたアクチュエータ及びその制御方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、剛性の調整が容易な流体シリンダを用いたアクチュエータを提供することにある。

本発明の他の目的は、単純な構造と部品構成により剛性の調整が可能な流体シリンダを用いたアクチュエータを提供することにある。

本発明は、二つのチャンバを持つ流体シリンダを用いたアクチュエータを対象とする。そして本発明においては、チャンバ内の目標圧力と逆比例の関係になるようにチャンバの排出バルブ機構のバルブの開度を設定する。このように排出バルブ機構の開度を設定すると、目標圧力と所望の剛性とのあいだに対応関係が見出されるため、少ない制御パラメータでの剛性調整が可能となる。

そしてより具体的な本発明の流体シリンダを用いたアクチュエータは、シリンダ室と、このシリンダ室を第１のチャンバと第２のチャンバとに仕切るようにシリンダ室内にスライド自在に配置されたピストンとを有する流体シリンダとを備えている。ここで流体シリンダとは、エアシリンダやオイルシリンダ等のように流体の圧力を駆動源として動作するシリンダを意味する。また本発明の流体シリンダを用いたアクチュエータは、流体圧源と第１のチャンバとの間に配置されて第１のチャンバ内の流体圧を調整する第１のチョークバルブ装置と、流体圧源と第２のチャンバとの間に配置されて第２のチャンバ内の流体圧を調整する第２のチョークバルブ装置とを備えている。ここで流体圧源は、第１及び第２のチョークバルブ装置に対してそれぞれ別個に設けてもよいが、第１及び第２のチョークバルブ装置に対して共通の１つの流体圧源を用いてもよいのは勿論である。第１のチョークバルブ装置及び第２のチョークバルブ装置は、それぞれ流体圧源側から対応するチャンバ側に向かう入方向に流体が流れるのを許容する遠隔制御可能な供給バルブ機構と、チャンバ側から大気または低圧源側に向かう出方向に流体を流すことを許容する遠隔制御可能な排出バルブ機構と、供給バルブ機構及び排出バルブ機構の開閉を遠隔制御するための制御指令及び排出バルブ機構のバルブの開度（すなわち流体の排出し易さ）を設定する開度設定指令を出力するバルブ機構制御装置とを備えて構成されている。前述の低圧源としては、条件により流体圧源が含まれてもよいのは勿論である。なお、具体的なバルブ機構制御装置は、供給バルブ機構及び排出バルブ機構の開閉を遠隔制御するための制御指令及び排出バルブ機構のバルブの開度（すなわち流体の排出し易さ）を設定する開度設定指令を出力するように構成されている。

さらに本発明の流体シリンダを用いたアクチュエータは、チャンバ内の実際圧力を測定する圧力測定手段を備えている。

なおチョークバルブ装置に設ける供給バルブ機構及び排出バルブ機構は、それぞれ別個の構造物として構成されたものを用いてもよいが、供給バルブ機構及び排出バルブ機構が一つの構造物の中に併存した複合形バルブ機構を用いることもできる。

本発明においては、排出バルブ機構として、開度設定指令に応じてバルブの開度が設定されるように構成されたものを用いる。そして、バルブ機構制御装置は、チョークバルブ装置により圧力を調整するチャンバ内の目標圧力と排出バルブ機構のバルブの開度とが逆比例の関係になるようにバルブの開度を設定するように構成されている。すなわち目標圧力が実際圧力よりも大きいときには供給バルブ機構のバルブを開く。その際、排出バルブ機構のバルブを閉じても良い。そして目標圧力が実際圧力よりも小さいときには、供給バルブ機構のバルブを閉じ且つ目標圧力の大きさに逆比例の関係になるように排出バルブ機構のバルブの開度を設定するようにバルブ機構制御装置は構成されている。そして実際圧力が目標圧力に達すると、排出バルブ機構のバルブを閉じる。

またバルブ機構制御装置は、次のように開度設定指令と制御指令とを出力するように構成されている。バルブ機構制御装置は、チョークバルブ装置により圧力を調整するチャンバ内の目標圧力と排出バルブ機構のバルブの開度とが逆比例の関係になるようにバルブの開度を設定する開度設定指令を出力する。この開度設定指令を受けて、排出バルブ機構のバルブの開度は、目標圧力に応じて最初に定められる。そして目標圧力が実際圧力よりも大きいときには供給バルブ機構のバルブを開く制御指令を出力し、かつ実際圧力が目標圧力に達したら排出バルブ機構のバルブを閉じる制御指令を出力する。また目標圧力が実際圧力よりも小さいときには供給バルブ機構のバルブを閉じかつ排出バルブ機構のバルブを開く制御指令を出力する。そして実際圧力が目標圧力に達すると、排気バルブ機構のバルブを閉じる制御指令を出力する。

流体シリンダへの流体の入出を止めたり、また流体シリンダに接続された流体の流路を細めたりすれば、圧縮される流体の反発力（スプリング効果）や、入出する流体の流量抵抗（ダンパ効果）によって、ピストンの運動の抵抗となる受動的な抗力が生じる。本発明はこの受動的な効力の発生に着目し、この抗力を流体シリンダの剛性として利用する。すなわち、流体シリンダにおける第１のチャンバと第２のチャンバから排出される流体が流れる流路において、流体の流れを適切に絞る（チョーク）ことにより、ピストンの運動に対する抗力を有効に発生し、この抗力を利用して流体シリンダに剛性を付与する（所定の位置でピストンが停止してピストンが外力によって動きにくくなる状態にする）。

例えば、ピストンをある運動方向に移動させた後に所定の位置で剛性を付与するためには、次のようにする。まずピストンを移動させる際に内部圧力を上昇させる必要のある側のチャンバに対して設けられた一方のチョークバルブ側の流体圧源からの流体の供給量（流体圧）を高める。次に、ピストンが移動して来る側のチャンバから流出する流体が流れるチョークバルブ装置により流体の流れを適宜に絞ることにより流体シリンダに剛性を付与する。この流体の流れを絞ることは、対応するチョークバルブ装置に設けられた排出バルブ機構のバルブの開度を変えることにより実現できる。

本発明では、対象とするチャンバ内の目標圧力に基づいて、排出バルブ機構のバルブ開度を決定する。具体的には、バルブ機構制御装置は、チョークバルブ装置により圧力を調整するチャンバ内の目標圧力と排出バルブ機構のバルブの開度とが逆比例の関係になるようにバルブの開度を設定する開度設定指令を出力する。すなわち目標圧力が高ければ排出バルブ機構の開度が小さく設定され、目標圧力が低ければ排出バルブ機構の開度が大きく設定される関係になるように排出バルブ機構のバルブの開度を定める。これは目標圧力が高いということが、高い剛性を得ようとしている現れであり、目標圧力が低いということが、低剛性を得ようとしている現れであると推定できることを根拠にしている。排出バルブ機構の開度が小さくなるほど、チャンバ内の実際圧力の低下は遅くなり、高い剛性を維持しながら実際圧力を目標圧力に到達させることが可能になる。逆に、排出バルブ機構の開度を大きくしておくと、チャンバ内の実際圧力は早期に低下して、チャンバ内の実際圧力を低剛性を得るために必要な目標圧力まで早期に低下させることが可能になる。

なお排出バルブ機構の開度を小さくするまたは大きくするとは、相対的なものであり、使用する排出バルブ機構の開度が大と小の２段階しか選択できない場合であれば、開度を小さくするとは小の開度を選ぶことであり、開度を大きくするとは大の開度を選ぶことを意味する。また排出バルブ機構の開度が複数段階選択できる機構であれば、目標圧力をその段階の数の区画に分割し、それぞれの目標圧力の区画に一対一で対応するバルブの開度の段階を予め設定することができる。こうすることにより、排出バルブ機構の開度の選択が極めて単純となる。

段階的に開度を選択でできる排出バルブ機構としては、並列接続された、排出流路の断面積が異なる複数種類の開閉バルブと、開度設定指令に応じて複数種類の開閉バルブから排出流路の断面積の総和が目標の断面積に最も近くなる組み合わせとなる開閉バルブを選択し、制御指令が入力されると選択した開閉バルブを開状態にすることを制御するバルブ選択制御手段とから構成されたものを用いることができる。このような排出バルブ機構を用いると、複数種類の開閉バルブの選択の仕方のみによって多段階の開度を実現することが可能になる。なお使用する複数種類の開閉バルブとして、排出流路の断面積が、基数ａ（ただしａ＞１）のｎ乗（ｎ＝０，１，２，３，…）に最小断面積を乗算した断面積が一つずつ割り振られた複数種類の開閉バルブを用意する。すなわち複数種類の開閉バルブは排出流路の断面積が異なるものを用意する。そして、一つの開閉バルブは排出流路の断面積が最小断面積Ｓを有しているものとする。そして残りの他の開閉バルブは、１より大きい値の基数ａのｎ乗（ｎ＝１，２，３，…）に最小断面積Ｓを掛けた断面積（ａ^ｎ×Ｓ）をそれぞれ有しているものとする。このようにすると、配置する開閉バルブの数に対して最多の開度段階を得ることができる。

その際、基数ａを１に近い値に取ると開度の刻みは全範囲にわたってほぼ等間隔となる。反対に、基数ａを大きな値にするほど局所的な範囲での細かい開度の刻みと、他の局所的な範囲での大きな刻み変化を得ることができる。基数の大きさは、アクチュエータに所望する制御特性に合わせて適宜定めることができる。例えば、最小断面積が極めて小さい場合は１に近く、反対に、十分に大きい場合は２や３のように大きな値を用いると良い。なぜなら最小断面積が極めて小さい場合は、断面積のわずかな変化が流体の流路抵抗の大きな変化をもたらすからである。反対に、最小断面積が十分に大きい場合には、断面積の変化が流体の流路抵抗の変化をもたらし難いので、流体の流路抵抗の違いを効率的に生むために個々の断面積が大きく異なるバルブを用意するのが得策である。

また排出バルブ機構としては、連続的に開度が調整可能な開度調整機構付きバルブと、開度調整機構付きバルブに対して直列に配置されて開閉制御される開閉バルブと、開度設定指令により開度調整機構付きバルブの開度を設定し、制御指令により開閉バルブを制御するバルブ制御手段とから構成されたものを用いてもよい。

より具体的なバルブ機構制御装置は、次のように排出バルブ機構のバルブの開度を設定するための開度設定指令を出力するように構成することもできる。まず、目標圧力について基準圧力を特定し、排出バルブ機構の開度について基準開度を特定する。そして、目標圧力が実際圧力より高いときには、排出バルブ機構の前記バルブの開度を０とする。そして目標圧力が実際圧力より低く基準圧力より高いときには排出バルブ機構のバルブの開度を基準開度よりも小さくする。また目標圧力が実際圧力よりも低く且つ基準圧力よりも低いときには、排出バルブ機構のバルブの開度を基準開度よりも大きくする。さらに、目標圧力が０のときには排出バルブ機構のバルブの開度を最大にする。このようにすると予め用意する開度の段階が少ない場合でも、実用的なアクチュエータの制御を行うことができる。

なお制御の確実性のためには、バルブ機構制御装置は、バルブの開閉を指示する制御指令を排出バルブ機構に出力する前に、開度設定指令を排出バルブ機構に出力するように構成するのが好ましい。

本発明のアクチュエータの制御方法おいては、供給バルブ機構を通して流体を供給するチャンバ内の目標圧力と前記実際圧力とを対比する。そして目標圧力が実際圧力より高いとき、等しいとき、あるいは低いときの何れの場合にも、圧力を調整するチャンバ内の目標圧力と排出バルブ機構のバルブの開度とが逆比例の関係になるようにバルブの開度を設定する。 そして目標圧力が実際圧力より高いときには、排出バルブ機構のバルブの開度を０とした後に供給バルブ機構にバルブを開く制御指令を出力する。目標圧力が実際圧力より低く基準圧力より高いときには排出バルブ機構のバルブの開度を基準開度よりも小さくした後に、排出バルブ機構にバルブを開く制御指令を出力する。また目標圧力が実際圧力よりも低く且つ基準圧力よりも低いときには、排出バルブ機構のバルブの開度を基準開度よりも大きくした後に、排出バルブ機構にバルブを開く制御指令を出力し且つ前記供給バルブ機構にバルブを閉じる前記制御指令を出力する。さらに目標圧力が０のときには排出バルブ機構のバルブの開度を最大にする開度設定指令を出力した後に、排出バルブ機構を開く制御指令を出力し且つ前記供給バルブ機構にバルブを閉じる前記制御指令を出力する。そして実際圧力が目標圧力に達したときに供給バルブ機構および排気バルブ機構のバルブを閉じる制御指令を出力する。このようにすると流体シリンダに所望の高剛性または低剛性を、簡単な構成で確実に付与することができる。

本発明の流体シリンダを用いたアクチュエータの第１の実施の形態の概念図である。 図１の流体シリンダを用いたアクチュエータを制御する一つの方法のアルゴリズムを示すフローチャートである。 図１の流体シリンダを用いたアクチュエータを制御する別の方法のアルゴリズムの一例を示すフローチャートである。 本発明の流体シリンダを用いたアクチュエータの第２の実施の形態の概念図である。 （Ａ）乃至（Ｃ）は、１以上の基数のべき乗倍を最小の排出流路の断面積に乗算した断面積を持つ開閉バルブを複数種類用意した場合の排気開度の概念を説明するために用いるべき乗数と排出流路の断面積との関係を示す図である。 図４の流体シリンダを用いたアクチュエータを制御する一つの方法のアルゴリズムを示すフローチャートである。 図４の流体シリンダを用いたアクチュエータを制御する別の方法のアルゴリズムの一例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の流体シリンダを用いたアクチュエータの第１の実施の形態の構成を概念的に示す概念図である。第１の実施の形態の流体シリンダを用いたアクチュエータは、流体シリンダ１、第１のチョークバルブ装置３及び第２のチョークバルブ装置５を備えている。流体シリンダ１は、シリンダ室７と、シリンダ室７を第１のチャンバ９と第２のチャンバ１１とに仕切るようにシリンダ室７内にスライド自在に配置されたピストン１２とを有する。この例では、流体シリンダ１としてエアシリンダを用いるものとして説明する。しかし流体シリンダ１としては流体の圧力を駆動源として動作するシリンダであればオイルシリンダ等を用いることができるのは当然である。

第１のチョークバルブ装置３は、図示しない流体圧源と第１のチャンバ９との間に配置されて第１のチャンバ９内へ入出する流体の流量を調整する。ここで流体圧源は、第１のチャンバ９内の圧力が流体圧源から供給する流体の圧力よりも大きくなったときには、第１のチャンバ９側から流出した流体を受け入れるように構成されている。また第２のチョークバルブ装置５は、図示しない流体圧源と第２のチャンバ１１との間に配置されて第２のチャンバ１１内へ入出する流体の流量を調整する。なお、第２のチョークバルブ装置５は、第１のチョークバルブ装置３と同じ構造を有し同一の機能を発揮するため、詳細を省略した単なるブロック図として示してある。そこで以下の説明では、第１のチョークバルブ装置３の構成を説明することによって、第２のチョークバルブ装置５の説明は省略する。

本発明の実施の形態では、流体圧源は、第１及び第２のチョークバルブ装置３及び５に対してそれぞれ別個に設けられている。しかしながら、第１及び第２のチョークバルブ装置３及び５に対して共通の１つの流体圧源を用いることもできる。

図１に示すように第１のチョークバルブ装置３は、それぞれ図示しない流体圧源側から対応する第１のチャンバ９側に向かう入方向に流体が流れるのを許容する供給バルブ機構１３と、第１のチャンバ９側から大気または低圧源側に向かう出方向に流体を流すことを許容する排出バルブ機構１５とを備えている。供給バルブ機構１３および排出バルブ機構１５は、流体の入出を行う供給口１７および排出口１９をそれぞれ有する。供給バルブ機構１３および排出バルブ機構１５のバルブは、バルブ機構制御装置２１からの指令により開閉する。バルブ機構制御装置２１には上位のコントローラ２３から目標圧力等の制御条件が入力される。

バルブ機構制御装置２１は、排出バルブ機構１５に対しては、バルブの開度を設定する開度設定指令も出力する。供給バルブ機構１３は、バルブ機構制御装置２１からの制御指令を受けて動作状態となるアクチュエータ２０によってバルブを開閉する。排出バルブ機構１５は、連続的に開度が調整可能な開度調整機構付きバルブ２５と、開度調整機構付きバルブ２５に対して直列に配置されて開閉制御される開閉バルブ２７と、開度設定指令により開度調整機構付きバルブ２５の開度を設定するための連続可変式アクチュエータ２９と、バルブの位置を検出するバルブ位置検出手段３１と、開閉バルブ２７のバルブの開閉を制御するアクチュエータ３３とを備えている。連続可変式アクチュエータ２９と、バルブ位置検出手段３１と、アクチュエータ３３とにより、バルブ制御手段が構成されている。開度調整機構付きバルブ２５の開度を可変にするために、バルブ機構制御装置２１は、バルブ位置検出手段３１の出力に基づいて連続可変式アクチュエータ２９をフィードバック制御する。符号３５で示した部材は第１のチャンバ９内の実際圧力を測定する圧力測定手段である。

後に説明するように、コントローラ２３から与えられる目標圧力に逆比例の関係で、排出バルブ機構１５の開度調整機構付きバルブ２５の開度を設定することにより、流体シリンダ１に接続された流体の流路を細めたり広げたり（開度を小さくしたり大きくしたり）することにより、圧縮される流体の反発力（スプリング効果）や、入出する流体の流量抵抗（ダンパ効果）を生じさせて、ピストン１２の運動の抵抗となる受動的な抗力を生じさせることができる。本発明の実施の形態は、この抗力を流体シリンダの剛性として利用している。すなわち、流体シリンダ１における第１のチャンバ９と第２のチャンバ１１から排出される流体が流れる流路において、排出される流体の流れを適切に絞る（チョーク）ことにより、ピストン１２の運動に対する抗力が有効に発生し、この抗力を利用して流体シリンダ１に高い剛性（所定の位置でピストン１２が停止してピストン１２が外力によって動きにくくなる状態）と低い剛性（所定の位置でピストン１２が停止するが、ピストン１２が弱い外力によって動き得る状態）とを付与することができる。

例えば、第２のチョークバルブ装置５を動作させて、ピストン１２を第２のチャンバ１１側から第１のチャンバ９側方向に移動させた後に所定の位置で剛性を付与するためには、コントローラ２３は、バルブ機構制御装置２１に第１のチャンバ９側の目標圧力Ｐ_Ｄを指示する。次に第２のチョークバルブ装置５側の流体圧源からの流体の供給量（流体圧）を高めて、第２のチャンバ１１の内部圧力を上昇させる。ピストン１２の移動方向にある第１のチャンバ９から流出する流体が流れる第１のチョークバルブ装置３の排出バルブ機構１５のバルブ２５の開度は、目標圧力Ｐ_Ｄに逆比例の関係になるように設定される。この設定は、バルブ機構制御装置２１から連続可変式アクチュエータ２９に開度設定指令を出力することにより実施される。この実施の形態では、開閉バルブ２７のバルブの開閉を制御するアクチュエータ３３にバルブを開く制御指令がバルブ機構制御装置２１から出力される前に連続可変式アクチュエータ２９には、バルブ機構制御装置２１から開度設定指令が入力されている。したがってアクチュエータ３３に開閉バルブ２７を開く制御指令が入力されて開閉バルブ２７が開いたときには、すでに開度調整機構付きバルブ２５の開度は、目標圧力Ｐ_Ｄに対して逆比例の関係になる開度に設定されている。

具体的に、第１のチャンバ９内の目標圧力Ｐ_Ｄに基づいて、排出バルブ機構１５のバルブ開度を決定する方法について図２のフローチャートを参照して説明する。バルブ機構制御装置２１は、供給バルブ機構１３を通して流体を供給するチャンバ９の目標圧力Ｐ_Ｄと排出バルブ機構１５のバルブの開度とが相対的に逆比例の関係になるように排出バルブ機構１５のバルブの開度を設定する開度設定指令を出力する。すなわち目標圧力Ｐ_Ｄが高ければ排出バルブ機構１５のバルブ２５の開度を小さくし、目標圧力Ｐ_Ｄが低ければ排出バルブ機構１５のバルブ２５の開度を大きくする関係になるように排出バルブ機構１５のバルブ２５の開度を定める。排出バルブ機構１５の開度を小さくするまたは大きくするとは、相対的なものであり、使用する排出バルブ機構１５のバルブの開度が大と小の２段階しか選択できない場合であれば、開度を小さくするとは小の開度を選ぶことであり、開度を大きくするとは大の開度を選ぶことを意味する。

本実施の形態のように、排出バルブ機構１５が連続的にバルブの開度を調整することが可能な開度調整機構付きバルブ２５と、開度調整機構付きバルブ２５に対して直列に配置されて開閉制御される開閉バルブ２７とを備えている場合でも、例えばバルブの開度を２段階に設定することも可能である。例えば、開度を小さくする必要があるときには開度調整機構付きバルブの開度が最小の開度となるようにし、開度を大きくする必要があるときには、開度調整機構付きバルブ２の開度が最大の開度となるようにすればよい。また目標圧力Ｐ_Ｄの大きさを基準圧力Ｐｒと比較して、その大小の程度により開度を設定するようにしてもよい。

図２は、図１のアクチュエータを制御する方法の一例のアルゴリズムを示すフローチャートである。この例では、まず目標圧力Ｐ_Ｄがコントローラ２３からバルブ機構制御装置２１に入力される。バルブ機構制御装置２１は、目標圧力Ｐ_Ｄの大きさに逆比例の関係になるように排出バルブ機構１５のバルブ２５の開度を決定する。すなわち逆比例の関係にすることとは、目標圧力Ｐ_Ｄが大きければ排出バルブ機構１５のバルブ２５の開度を小さくし、目標圧力Ｐ_Ｄが小さければ排出バルブ機構１５のバルブ２５の開度を大きくすることを意味する。そしてチャンバ９内の実際圧力Ｐ_Ｒを圧力測定手段３５により測定し、目標圧力Ｐ_Ｄが実際圧力Ｐ_Ｒよりも大きいときには、供給バルブ機構１３のバルブを開く制御指令をバルブ機構制御装置２１からアクチュエータ２０に出力する。事前に開度調整機構付きバルブ２５の開度が、目標圧力Ｐ_Ｄの大きさに応じて設定されているので、その開度により定まった絞り状態で、チャンバ９から排出バルブ機構１５を通して流体が排出される。そしてチャンバ９内の実際圧力Ｐ_Ｒが目標圧力Ｐ_Ｄになるとバルブ機構制御装置２１からはアクチュエータ２０に供給バルブ機構１３のバルブを閉じる制御指令が出力される。このときバルブ機構制御装置２１からは、排出バルブ機構１５に対しても開閉バルブ２７のバルブを閉じる制御指令を出力してもよいが、連続的に目標圧力Ｐ_Ｄを変化させる場合を想定して、この制御方法では開閉バルブ２７のバルブは特に閉じていない。これによってチャンバ９内の実際圧力は速やかに目標圧力Ｐ_Ｄとなり、高い剛性または低い剛性を確実に得ることができる。

なお、上記の制御を行うときには、第２のチョークバルブ装置５においても、第２のチャンバ１１に対して同様の制御が行われている。コントローラ２３は、第１のチョークバルブ装置３及び第２のチョークバルブ装置５に対して設けるようにしてもよい。

図３は図１のアクチュエータの制御方法の別の方法のアルゴリズムを示すフローチャートである。この例では、まず目標圧力Ｐ_Ｄがコントローラ２３からバルブ機構制御装置２１に入力される。バルブ機構制御装置２１は、目標圧力Ｐ_Ｄの大きさを基準圧力Ｐｒと比較して、目標圧力Ｐ_Ｄの大きさが基準圧力Ｐｒ以上あるときには、排出バルブ機構１５のバルブ２５の開度を小さくする。逆にバルブ機構制御装置２１は、目標圧力Ｐ_Ｄの大きさが基準圧力Ｐｒより小さければ、排出バルブ機構１５のバルブ２５の開度を大きくする。基準圧力Ｐｒの定め方は任意である。例えば、目標圧力Ｐ_Ｄとして取り得る圧力の中間値を基準圧力Ｐｒとして、目標圧力Ｐ_Ｄが基準圧力Ｐｒより高いか否かにより判断することができる。目標圧力Ｐ_Ｄが基準圧力Ｐｒより高いときには、排出バルブ機構１５のバルブの開度を目標圧力Ｐ_Ｄと逆比例の関係になるように小さくすればよい。制御を簡単にするために、この例では、予め設定可能な範囲内において小さい開度と大きい開度を２段階で定めているものとして説明する。チャンバ９内の実際圧力Ｐ_Ｒを圧力測定手段３５により測定し、目標圧力Ｐ_Ｄが実際圧力Ｐ_Ｒよりも大きいときには、供給バルブ機構１３のバルブを開く制御指令をバルブ機構制御装置２１からアクチュエータ２０に出力する。このとき排出バルブ機構１５のバルブを閉じる制御指令も出力され、排出バルブ機構１５のバルブは閉じている。アクチュエータ２０が供給バルブ機構１３のバルブを開き、チャンバ９内の実際圧力Ｐ_Ｒが目標圧力Ｐ_Ｄになると、バルブ機構制御装置２１は、アクチュエータ２０に供給バルブ機構１３のバルブを閉じる制御指令を出力する。この工程で、排出バルブ機構１５が開かれることはない。

目標圧力Ｐ_Ｄが実際圧力Ｐ_Ｒより小さいときには、排出バルブ機構１５の開閉バルブ２７を開く制御指令がバルブ機構制御装置２１からアクチュエータ３３に出力され、開閉バルブ２７が開かれる。このときバルブ機構制御装置２１からはアクチュエータ２０に供給バルブ機構１３のバルブを閉じる制御指令が出力されており、供給バルブ機構１３のバルブは閉じられている。事前に開度調整機構付きバルブ２５の開度が、目標圧力Ｐ_Ｄの大きさに応じて設定されているので、その開度により定まった絞り状態で、チャンバ９から排出バルブ機構１５を通して流体が排出される。

すなわち目標圧力Ｐ_Ｄが基準圧力Ｐｒより大きければ（高い剛性を得ようとしている場合には）必要とする予め定めた小さい開度が事前に開度調整機構付きバルブ２５の開度として設定されており、目標圧力Ｐ_Ｄが基準圧力Ｐｒより小さければ（低い剛性を得ようとしている場合には）予め定めた大きい開度が事前に開度調整機構付きバルブ２５の開度として設定されている。そしてチャンバ９内の実際圧力Ｐ_Ｒが目標圧力Ｐ_Ｄになるとバルブ機構制御装置２１は、アクチュエータ３３に開閉バルブ２７のバルブを閉じる制御指令を出力する。これによってチャンバ９内の実際圧力は速やかに目標圧力Ｐ_Ｄとなり、高い剛性または低い剛性を確実に得ることができる。

なお目標圧力Ｐ_Ｄの大きさに応じて、開度調整機構付きバルブ２５の開度を更に細かく設定するようにすれば、より精密な剛性をシリンダ１に付与することが可能になる。

なお、上記の制御を行うときには、第２のチョークバルブ装置５においても、第２のチャンバ１１に対して同様の制御が行われている。コントローラ２３は、第１のチョークバルブ装置３及び第２のチョークバルブ装置５に対して設けるようにしてもよい。

図４は、本発明の第２の実施の形態の構成を概念的に示す概念図である。図４に示した実施の形態の構成で、図１に示した実施の形態と同様の構成部分には、図１に示した符号の数に１００の数を加えた数の符号を付して詳細な説明を省略する。この実施の形態では、排出バルブ機構１１５として、その開度を複数段階選択できる構成のものを用いている。この段階的に開度を選択でできる排出バルブ機構１１５は、並列接続された、排出流路の断面積が異なる３種類の開閉バルブ１１５ａ〜１１５ｃと、３種類の開閉バルブ１１５ａ〜１１５ｃの開閉を制御するアクチュエータ１３３ａ〜１３３ｃと、開度設定指令に応じて排出時に３種類の開閉バルブ１１５ａ〜１１５ｃから少なくとも１以上の開閉バルブを選択し、制御指令が入力されると選択した開閉バルブを開状態にすることを制御するバルブ選択制御手段とから構成されたものを用いる。なおこのバルブ選択制御手段は、アクチュエータ１３３ａ〜１３３ｃとバルブ機構制御装置１２１とによって構成されている。

このような排出バルブ機構１１５を用いると、複数種類の開閉バルブの選択の仕方によって多段階の開度を実現することが可能になる。なお使用する排出流路の断面積の異なる複数種類の開閉バルブのうち、一つの開閉バルブは排出流路の断面積が最小断面積Ｓを有している。そして残りの他の開閉バルブは、１より大きい値の基数ａのべき乗［ａのｎ乗（ｎ＝１，２，３，…）］に最小断面積Ｓを掛けた断面積（ａ^ｎ×Ｓ）をそれぞれ有している。なおｎ＝０の場合が、最小断面積となる。このようにすると、配置する開閉バルブの数に対して最多の開度段階を得ることができる。

図５（Ａ）乃至（Ｃ）は、１以上の基数ａのべき乗倍（すなわちａ^ｎ）を最小の排出流路の断面積に乗算した断面積を持つ開閉バルブを複数種類用意した場合の、基数ａの大小による排出流路の断面積の変化即ち開度変化の概念図である。図５（Ａ）乃至（Ｃ）において横軸はべき（ｎ）を示し、縦軸は相対的な断面積（すなわち排気開度）示している。基数ａを１に近い値に取ると開度の刻みは全範囲にわたってほぼ等間隔となり、反対に、基数ａを大きな値にするほど局所的な範囲での細かい開度の刻みを得ることができる。基数の大きさは、アクチュエータに所望する制御特性に合わせて適宜定める。例えば、最小断面積が極めて小さい場合は、断面積のわずかな変化が流体の流路抵抗の大きな変化をもたらすため、１に近い値に設定する。反対に、十分に大きい場合は流体の流路抵抗の違いを効率的に生むために、２や３のような大きな値を用いる。

図６は、図４のアクチュエータを制御する方法の一例のアルゴリズムを示すフローチャートである。この例では、まず目標圧力Ｐ_Ｄがコントローラ１２３からバルブ機構制御装置１２１に入力される。バルブ機構制御装置１２１は、目標圧力Ｐ_Ｄの大きさに逆比例するように排出開度の総和を算出し、排出バルブ機構１１５内で開くべき開閉バルブを開閉バルブ１１５ａ〜１１５ｃの中から選択して決定する。目標圧力Ｐ_Ｄが大きければ排出バルブ機構１１５内の比較的断面積の小さい開閉バルブを０個以上開放する。すなわち場合によっては開閉バルブ１１５ａ〜１１５ｃのすべてを閉じることもある。そして目標圧力Ｐ_Ｄが小さければ排出バルブ機構１１５内の比較的断面積の大きい開閉バルブを一つまたは複数種類開放する。そしてチャンバ９内の実際圧力Ｐ_Ｒを圧力測定手段１３５により測定し、目標圧力Ｐ_Ｄが実際圧力Ｐ_Ｒよりも大きいときには、供給バルブ機構１１３のバルブを開く制御指令をバルブ機構制御装置１２１からアクチュエータ１２０に出力する。事前に排出バルブ機構１１５の排出開度の総和が、目標圧力Ｐ_Ｄの大きさに応じて設定されているので、その開度により定まった絞り状態で、チャンバ９から排出バルブ機構１１５を通して流体が排出される。そしてチャンバ９内の実際圧力Ｐ_Ｒが目標圧力Ｐ_Ｄになるとバルブ機構制御装置１２１からはアクチュエータ１２０に供給バルブ機構１１３のバルブを閉じる制御指令が出力される。このときバルブ機構制御装置１２１からは、排出バルブ機構１１５に対しても開閉バルブ１１５ａ〜１１５ｃを閉じる制御指令を出力してもよいが、この制御方法においては、図２と同じように開閉バルブ１１５ａ〜１１５ｃを閉じる制御指令は出していない。これによってチャンバ９内の実際圧力は速やかに目標圧力Ｐ_Ｄとなり、高い剛性または低い剛性を確実に得ることができる。

なお、上記の制御を行うときには、第２のチョークバルブ装置１０５においても、第２のチャンバ１１に対して同様の制御が行われている。コントローラ１２３は、第１のチョークバルブ装置１０３及び第２のチョークバルブ装置１０５に対して設けるようにしてもよい。

図７には、図４に示したアクチュエータの別の制御方法のアルゴリズムの例を示してある。この例では、設定可能な目標圧力Ｐ_Ｄの例えば１／２の圧力を基準圧力Ｐｒとする。図３のアルゴリズムとを比べて図７のアルゴリズムは、バルブの開度の選択が段階的になっている点で図３のアルゴリズムとは相違し、その他の点は、図３のアルゴリズムと実質的に同じである。排出バルブ機構１１５の実質的な開度は、開くことを選択したバルブ個々の開度の総和であり、総合開度とよぶことにする。このアルゴリズムでは、目標圧力Ｐ_Ｄが実際圧力より高いときには、排出バルブ機構の総合開度を小さな値とする。なおここで小さな値には総合開度を０にする場合を含んでいる。そして目標圧力Ｐ_Ｄが実際圧力Ｐ_Ｒより低いときには排出バルブ機構１１５のバルブの総合開度を目標圧力Ｐ_Ｄと逆比例の関係になるように設定する。例えば開閉バルブ１１５ａ〜１１５ｃの開度がそれぞれ１，２，４の比例とすると、それらの一つ以上を開くことで、排出バルブ機構の総合開度は、１，２，３，４，５，６，７の７種類を選択することができる。例えば総合開度２の場合は、開閉バルブ１１５ｂを開く。例えば総合開度５の場合は、開閉バルブ１１５ａと１１５ｃを開く。さらに、目標圧力Ｐ_Ｄが０のときには排出バルブ機構１１５のバルブの開度を最大にする。すなわち開閉バルブ１１５ａ〜１１５ｃをすべて開くことを選択するものとする。このようにすると予め用意する開閉バルブの個数（開度の段階）が少ない場合でも、実用的なアクチュエータの制御を行うことができる。なお開閉バルブの個数を増やせば、目標圧力Ｐ_Ｄに逆比例の関係で排出バルブ機構１１５のバルブの開度を細かく設定することが可能である。

上記各実施の形態によれば、チョークバルブ装置の排出バルブ機構のバルブの開度を目標圧力Ｐ_Ｄと逆比例の関係で設定することにより、簡単に且つ早期に流体シリンダに所望の剛性を付与することができる。そのため本実施の形態のアクチュエータを用いれば、流体シリンダをロボット等の制御機器の駆動用アクチュエータとして現実的に利用することが可能になる。

本発明によれば、流体シリンダに所望の高剛性または低剛性を、簡単な構成で確実に付与することができる。

Claims (12)

1. 二つのチャンバを持つエアシリンダから構成される流体シリンダを用いたアクチュエータにおいて、
   前記流体シリンダは、シリンダ室と、前記シリンダ室を第１のチャンバと第２のチャンバとに仕切るように前記シリンダ室内にスライド自在に配置されたピストンとを有しており、
   流体圧源と前記第１のチャンバとの間に配置されて前記第１のチャンバ内の流体圧を調整する第１のチョークバルブ装置と、
   前記流体圧源と前記第２のチャンバとの間に配置されて前記第２のチャンバ内の流体圧を調整する第２のチョークバルブ装置とを備え、
   前記第１のチョークバルブ装置及び前記第２のチョークバルブ装置は、それぞれ前記流体圧源側から対応する前記チャンバ側に向かう入方向に流体が流れるのを許容する遠隔操作可能な供給バルブ機構と、前記チャンバ側から大気または低圧源側に向かう出方向に前記流体を流すことを許容する遠隔操作可能な排出バルブ機構と、前記供給バルブ機構及び前記排出バルブ機構の開閉を制御し、及び前記遠隔操作可能な排出バルブ機構のバルブの開度を設定するバルブ機構制御装置とを備え、
   前記遠隔操作可能な排出バルブ機構が、前記排出バルブ機構であり、
   前記バルブ機構制御装置は、前記第１及び第２のチョークバルブ装置により圧力を調整する前記第１及び第２のチャンバ内の目標圧力と前記排出バルブ機構の前記バルブの開度とが逆比例の関係になるように前記バルブの開度を設定するように構成されていることを特徴とする流体シリンダを用いたアクチュエータ。
2. 前記排出バルブ機構が、並列接続された、排出流路の断面積が異なる複数種類の開閉バルブを有し、
   前記目標圧力に応じて一つまたは複数の前記開閉バルブを選択して排出開度の総和を最適に調節するように構成されている請求項１に記載の流体シリンダを用いたアクチュエータ。
3. 前記排出バルブ機構は、並列接続された、排出流路の断面積が異なる複数種類の開閉バルブを有しており、一つの前記開閉バルブは排出流路の断面積が最小断面積を有しており、残りの前記開閉バルブは、１より大きい値の基数のべき乗を前記最小断面積に掛けた断面積をそれぞれ有している請求項１に記載の流体シリンダを用いたアクチュエータ。
4. 前記複数種類の開閉バルブのうち、一つの前記開閉バルブは排出流路の断面積が最小断面積を有しており、残りの前記開閉バルブは、１より大きい値の基数のべき乗を前記最小断面積に掛けた断面積をそれぞれ有している請求項２に記載の流体シリンダを用いたアクチュエータ。
5. 前記１より大きい値が２であることを特徴とする請求項３または４に記載の流体シリンダを用いたアクチュエータ。
6. 前記第１及び第２のチャンバ内の実際圧力を測定する圧力測定手段をさらに備え、
   前記バルブ機構制御装置は、前記供給バルブ機構及び前記排出バルブ機構の開閉を制御するための制御指令及び前記排出バルブ機構のバルブの開度を設定する開度設定指令を出力するように構成されており、
   前記バルブ機構制御装置は、前記第１及び第２のチョークバルブ装置により圧力を調整する前記第１及び第２のチャンバ内の目標圧力と前記排出バルブ機構の前記バルブの開度とが逆比例の関係になるように前記バルブの開度を設定する前記開度設定指令を出力し、前記目標圧力が前記実際圧力よりも小さいときには、前記排出バルブ機構の前記バルブを開く前記制御指令を出力し、前記目標圧力が前記実際圧力に達すると前記排出バルブ機構の前記バルブを閉じる前記制御指令を出力するように構成されている請求項１に記載の流体シリンダを用いたアクチュエータ。
7. 前記排出バルブ機構は、並列接続された、排出流路の断面積が異なる複数種類の開閉バルブと、
   前記開度設定指令に応じて排出時に前記複数種類の開閉バルブから前記排出流路の断面積の総和が目標の断面積に最も近くなる組み合わせとなる前記開閉バルブを選択し、前記制御指令が入力されると選択した前記開閉バルブを開状態にするバルブ選択制御手段とから構成されている請求項６に記載の流体シリンダを用いたアクチュエータ。
8. 前記排出バルブ機構は、連続的に開度が調整可能な開度調整機構付きバルブと、前記開度調整機構付きバルブに対して直列に配置されて開閉制御される開閉バルブと、前記開度設定指令により前記開度調整機構付きバルブの開度を設定し、前記制御指令により前記開閉バルブを制御するバルブ制御手段とから構成されている請求項６に記載の流体シリンダを用いたアクチュエータ。
9. 前記排出バルブ機構は、排出流路の最小断面積を持つ開閉バルブが一つと、それに加えて、１より大きい値の基数のべき乗を前記最小断面積に掛けた断面積を有する、排出流路の断面積が異なる複数種類の開閉バルブが並列接続された構造を有しており、
   前記開度設定指令に応じて、排出時に前記複数種類の開閉バルブから前記排出流路の断面積の総和が目標の断面積に最も近くなる組み合わせとなる前記開閉バルブを選択し、前記制御指令が入力されると選択した前記開閉バルブを制御するバルブ選択制御手段とから構成されている請求項６に記載の流体シリンダを用いたアクチュエータ。
10. 前記１より大きい値の基数が２である請求項９に記載の流体シリンダを用いたアクチュエータ。
11. シリンダ室と、
    前記シリンダ室を第１のチャンバと第２のチャンバとに仕切るように前記シリンダ室内にスライド自在に配置されたピストンとを有するエアシリンダから構成される流体シリンダと、
    流体圧源と前記第１のチャンバとの間に配置されて前記第１のチャンバ内の流体圧を調整する第１のチョークバルブ装置と、
    前記流体圧源と前記第２のチャンバとの間に配置されて前記第２のチャンバ内の流体圧を調整する第２のチョークバルブ装置とを備え、
    前記第１のチョークバルブ装置及び前記第２のチョークバルブ装置は、それぞれ前記流体圧源側から対応する前記チャンバ側に向かう入方向に流体が流れるのを許容する遠隔制御可能な供給バルブ機構と、前記チャンバ側から大気または低圧源に向かう出方向に前記流体を流すことを許容する遠隔制御可能な排出バルブ機構と、前記供給バルブ機構及び前記排出バルブ機構の開閉を遠隔制御するための制御指令及び前記排出バルブ機構のバルブの開度を設定する開度設定指令を出力するバルブ機構制御装置と、
    前記第１及び第２のチャンバ内の実際圧力を測定する圧力測定手段とを備え
    前記排出バルブ機構として、前記開度設定指令に応じて前記バルブの開度が設定されるように構成されているものを用いる流体シリンダを用いたアクチュエータの制御方法であって
    前記バルブ機構制御装置が、
    前記第１及び第２のチョークバルブ装置により圧力を調整する前記第１及び第２のチャンバ内の目標圧力と前記実際圧力とを対比し、
    前記第１及び第２のチョークバルブ装置により圧力を調整する前記第１及び第２のチャンバ内の目標圧力と前記排出バルブ機構の前記バルブの開度とが逆比例の関係になるように前記バルブの開度を設定することを特徴とする流体シリンダを用いたアクチュエータの制御方法。
12. 前記排出バルブ機構は、複数種類の開閉バルブから構成され、
    前記バルブ機構制御装置が、排出時に前記複数種類の開閉バルブから前記排出流路の断面積の総和が目標の断面積に最も近くなる組み合わせとなる前記開閉バルブを選択することを特徴とする請求項１１に記載の流体シリンダを用いたアクチュエータの制御方法。

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