JP6660448B2 - アクチュエータ限界コントローラ - Google Patents

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Description

[0001] 関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年９月１８日に出願された「Ａｃｔｕａｔｏｒ Ｌｉｍｉｔ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ」という名称の米国特許出願第１４／４８９，７７８号、および２０１４年７月２４日に出願された「Ｐｏｓｉｔｉｏｎ−Ｆｏｒｃｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａｎ Ａｃｔｕａｔｏｒ」という名称の米国特許仮出願第６２／０２８，５４６号の優先権を主張するものである。これらの出願は、その全体が、参照によって本明細書に組み込まれている。
[0002] 政府の権利
本発明は、ＤＡＲＰＡによって与えられた契約第ＨＲ０００１１−１０−Ｃ−００２５号の下、米国政府の支援によってなされたものである。米国政府は、本発明に関して一定の権利を有することができる。
[0003] 液圧システムは、ポンプなどの作動流体源から供給された作動流体によって動力が供給されるアクチュエータを含むことがある。アクチュエータへの作動流体の流れおよびアクチュエータからの作動流体の流れを制御するために弁を使用することができる。例えば、この弁は、ポンプからアクチュエータへの流れおよびアクチュエータからタンクまたはリザーバへの流れを制御することができる。この弁は、流れに対する抵抗を変動させてアクチュエータの運動のスピードおよび方向を制御するように制御される。
[0004] 本開示は、アクチュエータの位置−力制御に関する実施形態を記述する。一態様では、本開示が方法を記述する。この方法は、液圧アクチュエータのピストンを所与のスピードで所与の方向に移動させる指令をコントローラにおいて受け取ることを含む。この液圧アクチュエータは、第１のチャンバおよび第２のチャンバを含む。弁アセンブリが、加圧された作動流体の源を第１のチャンバに結合し、第２のチャンバを戻り管路に結合する。この方法はさらに、加圧された作動流体を第１のチャンバに提供するように、また、第２のチャンバ内の作動流体が第２のチャンバから戻り管路に流れることを許すように弁アセンブリを動作させて、ピストンが前記所与のスピードで前記所与の方向に運動するようにする信号を、前記指令に基づいてコントローラが提供することを含む。この方法はさらに、液圧アクチュエータのエンドストップから第１のしきい距離のところに位置する第１の位置にピストンが到達したことを示す位置情報を受け取ること、および応答して、弁アセンブリへの前記信号を、ピストンのスピードを低減させるように変更することを含む。この方法はさらに、液圧アクチュエータのエンドストップにより近い第２のしきい距離のところに位置する第２の位置にピストンが到達したことを示す位置情報を受け取ること、および応答して、弁アセンブリへの前記信号を、第２のチャンバ内の作動流体が、エンドストップから遠ざかる方向の力を、ピストンに加えるようにさらに変更することを含む。
[0005] 他の態様では、本開示が、コントローラによって実行されたときにそのコントローラに機能を実施させる実行可能命令がその上に記憶された非一時的コンピュータ可読媒体を記述する。これらの機能は、液圧アクチュエータのピストンを所与のスピードで所与の方向に移動させる指令を受け取ることを含む。この液圧アクチュエータは、第１のチャンバおよび第２のチャンバを含む。これらの機能はさらに、第１のチャンバへの作動流体の流れを制御し、第２のチャンバからの作動流体の流れを制御する弁アセンブリを動作させて、ピストンが前記所与のスピードで前記所与の方向に運動するようにする信号を、前記指令に基づいて提供することを含む。これらの機能はさらに、液圧アクチュエータのエンドストップから第１のしきい距離のところに位置する第１の位置にピストンが到達したことを示す位置情報を受け取ること、および、応答して、弁アセンブリへの前記信号を、ピストンのスピードを低減させるように変更する、第１の変更を行うことを含む。これらの機能はさらに、液圧アクチュエータのエンドストップにより近い第２のしきい距離のところに位置する第２の位置にピストンが到達したことを示す位置情報を受け取ること、および、応答して、弁アセンブリへの前記信号を、第２のチャンバ内の作動流体が、エンドストップから遠ざかる方向の力を、ピストンに加えるように変更する、第２の変更を行うことを含む。
[0006] 他の態様では、本開示がシステムを記述する。このシステムは、加圧された作動流体の源と、戻り管路と、液圧アクチュエータシリンダとを含む。この液圧アクチュエータシリンダは、液圧アクチュエータシリンダ内に摺動可能に収容されたピストンを有し、このピストンは、ピストンヘッド、およびピストンヘッドから中心軸方向に沿って延びるロッドを含み、このピストンヘッドによって、液圧アクチュエータシリンダの内側は、第１のチャンバと第２のチャンバとに分割されている。このシステムはさらに、加圧された作動流体の源を第１のチャンバに結合し、第２のチャンバを戻り管路に結合する弁アセンブリを含む。このシステムはさらに、少なくとも１つのプロセッサと、この少なくとも１つのプロセッサによって実行されたときにこの少なくとも１つのプロセッサに機能を実施させる実行可能命令がその上に記憶されたメモリとを含む。これらの機能は、ピストンを所与のスピードで所与の方向に移動させる指令を受け取ることを含む。これらの機能はさらに、加圧された作動流体を第１のチャンバに提供するように、また、第２のチャンバ内の作動流体が第２のチャンバから戻り管路に流れることを許すように弁アセンブリを動作させて、ピストンが前記所与のスピードで前記所与の方向に運動するようにする信号を、前記指令に基づいて提供することを含む。これらの機能はさらに、液圧アクチュエータシリンダのエンドストップから第１のしきい距離のところに位置する第１の位置にピストンが到達したことを示す位置情報を受け取ること、および、応答して、弁アセンブリへの前記信号を、エンドストップから遠ざかる方向の第１の力をピストンに加えてピストンのスピードを低減させるように変更する、第１の変更を行うことを含む。これらの機能はさらに、液圧アクチュエータシリンダのエンドストップにより近い第２のしきい距離のところに位置する第２の位置にピストンが到達したことを示す位置情報を受け取ること、および、応答して、弁アセンブリへの前記信号を、エンドストップから遠ざかる方向の第２の力をピストンに加えてピストンのスピードをさらに低減させるように変更する、第２の変更を行うことを含む。
[0007] 上記の概要は、例として示しただけであり、いかなる形であれ限定を意図したものではない。図および以下の詳細な説明を参照することによって、上に記載された例示的な態様、実施形態および特徴だけでなく、その他の態様、実施形態および特徴も明白になる。
[0008]直線的に移動するように構成されたスプールを有する弁を含む、例示的な実施形態に基づく液圧回路を示す図である。 [0009]例示的な実施形態に基づく例示的な液圧アクチュエータ制御システムのブロック図である。 [0010]例示的な実施形態に基づく位置−力制御システムを示す図である。 [0011]例示的な実施形態に基づくロボット装置４００を示す図である。 [0012]液圧アクチュエータを制御する、例示的な実施形態に基づく方法の流れ図である。 [0013]例示的な実施形態に基づく、液圧アクチュエータのアクチュエータ限界制御を示す図である。 [0014]例示的な実施形態に基づく、図３に示された位置−力制御システムの変更を示す図である。 [0015]例示的な実施形態に基づく、アクチュエータ限界制御を段階的に導入するための重みの変動を示す図である。 [0016]例示的な実施形態に基づく、スプールの機械的に結合された開口を示す図である。 [0017]例示的な実施形態に基づく個別調量を示す図である。
[0018] 以下の詳細な説明は、添付図を参照して、開示されたシステムおよび方法のさまざまな特徴および機能を説明する。添付図では、そうでないことが文脈から明らかである場合を除いて、類似の記号が類似の構成要素を識別する。本明細書に記載された例示的なシステムおよび方法の実施形態は、限定を意味するものではない。開示されたシステムおよび方法のある種の態様を、多種多様な異なる構成で配置することおよび組み合わせることができることは容易に理解することができ、それらの配置および組合せは全て、本明細書において企図される。
[0019] Ｉ．大要
液圧弁は、作動流体が液圧アクチュエータにどのように運ばれるのかを制御する電動式の弁であることがある。そのような弁は、変化するアナログまたはディジタル入力信号を、液圧アクチュエータ内での滑らかな一組の運動に変換することによって動作させることができる。
[0020] 図１は、直線的に移動するように構成されたスプール１０２を有する弁１００を含む、例示的な実施形態に基づく液圧回路を示す。図１は、液圧アクチュエータ（またはシリンダ）１０６への流れおよび液圧アクチュエータ（またはシリンダ）１０６からの流れを制御して、液圧アクチュエータ１０６のピストン１０８の運動を制御する弁１００を示す。ピストン１０８は、液圧アクチュエータ１０６内に摺動可能に収容されており、このピストンは、ピストンヘッド１０９Ａ、およびピストンヘッド１０９Ａから中心軸方向に沿って延びるロッド１０９Ｂを含む。したがって、ピストンヘッド１０９Ａによって、液圧アクチュエータ１０６の内側は、第１のチャンバ１１２と第２のチャンバ１１４とに分割されている。
[0021] スプール１０２の軸方向位置が、圧力源１１０から、供給管路を通って、液圧アクチュエータ１０６の２つのチャンバ１１２および１１４のうちの一方のチャンバに流れる流れを制御し、もう一方のチャンバから押し出されて低圧リザーバまたはタンク１１６に流れる流体の流れを制御する。例えば、図１に示されているように、スプール１０２は、所与の直線位置まで動かされて、圧力源１１０から開口１１８を通ってチャンバ１１４へ流れる流れを許し、開口１２０を通してチャンバ１１２から押し出された流体が、戻り管路を通ってリザーバ１１６に流れることを許す。スプール１０２を移動させる目的には、電気ソレノイド、ステッパモータ、液圧アクチュエータまたは任意の他の作動装置を使用することができる。
[0022] したがって、スプール１０２を図１に示された位置に移動させたことに応答して、ピストン１０８は（左へ）移動することができる。開口１１８および１２０の対応するそれぞれのサイズは、スプール１０２の軸方向位置によって決まる。すなわち、スプール１０２の軸方向位置が、弁１００を通過する流れの量、および弁１００を通過している間に流れが受ける絞りの程度を決定する。このようにして、スプール１０２の軸方向位置は、ピストン１０８の運動のスピードに影響を与え、ピストン１０８の運動のスピードを制御する。
[0023] 例示的ないくつかの用途では、ピストン１０８が、ハイスピードで移動するように構成されることがある。ピストン１０８がハイスピードで動作するときには、ピストン１０８が突然に止まった場合、例えば、ピストン１０８が、液圧アクチュエータ１０６のエンドストップ１２２に到達した場合、またはピストン１０８が運動方向を変化させた場合に、大きな力が生み出されることがある。それらの力は大きいことがあり、その結果、機械的構成要素内に大きな応力が生じることがあり、そのことが構成要素の破損もしくは故障、もしくは摩耗の加速につながることがあり、または、その結果、液圧構成要素内の圧力が急変することがあり、そのことが構成要素の破損および故障につながることがある。
[0024] いくつかの例では、液圧アクチュエータ１０６のエンドストップ１２２に到達する前にピストン１０８を減速させることによって、液圧システムに対するこれらの応力の影響および負の影響を低減させる。一例として、液圧アクチュエータ１０６のコントローラは、ピストン１０８を所与のスピードで所与の方向に移動させる指令を受け取る。この指令に応答して、圧力源１１０および弁１００に信号を送って、指令されたスピードでピストン１０８を移動させるように、コントローラを構成することができる。コントローラは、閉ループフィードバック速度制御を実現することができる。この閉ループフィードバック速度制御では、センサが、ピストン１０８のスピードに関連した情報をコントローラに提供し、この速度フィードバックに基づいて、コントローラが、指令されたスピードを維持する信号を弁１００に提供する。
[0025] 指令されたスピードでの通常動作は、例えば液圧アクチュエータ１０６のエンドストップ１２２から第１のしきい距離のところに位置する第１の位置にピストンヘッド１０９Ａが到達するまで続く。第１の位置に到達すると、コントローラは、このスピード指令を、ピストン１０８の運動を減衰させ、ピストン１０８を減速させるように変更、補足またはオーバライドすることができる。この第１の位置および第１のしきい距離は、液圧アクチュエータ１０６のサイズおよびストローク長（例えば液圧アクチュエータ１０６の一端から他端までピストン１０８が運行する距離）に基づくことができる。例えば、ストロークが８０ミリメートル（mm）である場合には、第１のしきい距離を６ｍｍとして、ピストン１０８がエンドストップ１２２から６ｍｍ離れているときに、コントローラが、弁１００への指令を、ピストン１０８を減速させるように変更することができるようにすることができる。他の例として、ストロークが４５ｍｍである場合には、第１のしきい距離を６ｍｍとすることができる。
[0026] この減衰モードでの動作（例えば低減されたスピードでピストン１０８を動作させること）は、エンドストップ１２２から第２のしきい距離のところに位置するエンドストップ１２２により近い第２の位置にピストンヘッド１０９Ａが到達するまで続けることができる。例えば、ストロークが８０ｍｍまたは４５ｍｍである場合には、第２のしきい距離を４ｍｍとすることができる。これらの数値は、例示だけを目的とした単なる例であり、アクチュエータが使用される用途のタイプおよびストローク長に基づく他のしきい距離も企図される。
[0027] ピストンヘッド１０９Ａが第２の位置（例えばエンドストップ１２２から４ｍｍ離れた位置）に到達すると、コントローラはさらに、弁１００への信号を、縮小しているチャンバ１１２内の作動流体が、エンドストップ１２２から遠ざかる方向の力を、ピストン１０８に力を加えるように、変更することができる。加える力は、ばねのような力（すなわち、あたかもばねがピストン１０８を押しているかのような力）とすることができ、この力は、ピストンがエンドストップ１２２にどれくらい近いのかに基づくことができる。このようにすると、ピストン１０８をさらに減速させることができ、コントローラは、ピストン１０８がエンドストップ１２２に到達したときに任意の衝撃力が生じることを防ぐことができる。
[0028] ＩＩ．例示的な液圧アクチュエータ制御システム
図２は、一実施形態に基づく例示的な液圧アクチュエータ制御システム２００のブロック図を示す。システム２００は監視コントローラ２０１を含む。監視コントローラ２０１は、位置−力制御モジュール２０２、位置−力制御モジュール２０２と通信する速度フィードフォワードモジュール２０４、速度フィードフォワードモジュール２０４と通信するアクチュエータ限界制御モジュール２０６、アクチュエータ限界制御モジュール２０６と通信する圧力解放モジュール２０８を含む。いくつかの例では、全てのモジュール２０２、２０４、２０６および２０８が互いに通信することができる。例えば、速度フィードフォワードモジュール２０４、アクチュエータ限界制御モジュール２０６および圧力解放モジュール２０８は、位置−力制御モジュール２０２と通信することができる。
[0029] 液圧アクチュエータ１０６のピストン１０８を所与のスピードで所与の方向に移動させる指令２１０を受け取るように、監視コントローラ２０１を構成することができる。この指令に基づいて、監視コントローラ２０１は、弁１００を動作させる信号２１２を提供する。いくつかの例では、監視コントローラ２０１がさらに、加圧された作動流体を弁１００に提供する（例えば特定の量の流れを特定の圧力で提供する）ように圧力源１１０を動作させる信号２１６を提供する。弁１００は、信号２１２に基づいて作動して、液圧アクチュエータ１０６に作動流体の流れを提供する。したがって、弁１００は、（例えば開口１１８を通した）圧力源１１０から液圧アクチュエータ１０６への流れ、および（例えば開口１２０を通した）液圧アクチュエータ１０６からタンクまたはリザーバ１１６への流れを制御する。具体的には、弁１００へのこの信号は、スプール１０２の位置を決定することができる。スプールの位置は、開口１１８および１２０の対応するそれぞれのサイズを決定する。開口１１８または１２０を通したこの流れは、下式によって決定することができる。
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上式で、Ｑは、所与の開口（すなわち開口１１８または開口１２０）を通過する流れ、Ｋは、所与の開口のサイズによって決まる変数、ΔＰは、所与の開口の前後の圧力差（すなわち、所与の開口を通過する前の作動流体の圧力から、その所与の開口を通過した後の作動流体の圧力を引いた値）である。弁１００に提供されるこの信号は、スプール１０２の位置を規定し、それに従って、開口１１８および１２０のサイズ、ならびにそれぞれの開口に対する変数Ｋを規定する。すなわち、弁１００に提供されるこの信号と変数Ｋとの間には直接的な関係がある。したがって、弁１００への信号は、開口１１８および１２０を横切る流れの量を決定する。一例では、圧力が補償された弁において、所与の開口の前後のΔＰを一定に保つことができ、このようにすると、弁１００に提供される信号（すなわち変数Ｋ）と所与の開口を横切る流れの量との間の関係が直線関係または比例関係になる。したがって、監視コントローラ２０１は、ピストン１０８を所与のスピードで所与の方向に移動させる指令を受け取り、それに従って、開口１１８および１２０のサイズを規定するために弁１００に提供する信号を決定する。
[0030] 位置−力制御モジュール２０２は、ピストン１０８の位置および速度を制御する閉ループフィードバック制御を実現するように構成することができる。ピストン１０８が外部環境に加える力を制御する閉ループフィードバック制御を実現するように、位置−力制御モジュール２０２を構成することもできる。位置−力制御モジュールの詳細については後に図３で説明する。
[0031] 速度フィードフォワードモジュール２０４は、速度フィードフォワード制御構造に基づく弁１００への出力を提供するように構成することができる。例えば、アクチュエータが力制御モードで動作している場合、速度フィードフォワードモジュール２０４は、弁１００を開いて、速度推定値および所望の力に基づく抵抗（制動が所望の場合）または助力（正の仕事が所望の場合）を有する流れを可能にする出力信号を提供することができる。他の例では、アクチュエータが位置制御モードで動作している場合に、所望の速度および力ならびに液圧アクチュエータ１０６のモデルに基づいて、弁１００に対するフィードフォワード指令をセットするように、速度フィードフォワードモジュール２０４を構成することができる。
[0032] アクチュエータ限界制御モジュール２０６は、ピストン１０８が物理的な限界の近くにあるとき、すなわちピストン１０８がエンドストップ１２２の近くにあるときに衝突を低減させまたは防ぐために、他のモジュールからの指令を変更またはオーバライドするように構成することができる。
[0033] 圧力解放モジュール２０８は、液圧アクチュエータ１０６の一方または両方のチャンバ１１２および１１４内の圧力が危険なレベルにまで高まっていることを、例えば圧力センサを介して検出するように構成することができる。応答して、圧力解放モジュール２０８は、圧力を逃がし、損傷を防ぐために、弁１００への指令を変更またはオーバライドすることができる。
[0034] したがって、指令２１０に基づいて弁１００を制御する信号を決定するように位置−力制御モジュール２０２を構成することができ、速度フィードフォワードモジュール２０４、アクチュエータ限界制御モジュール２０６および圧力解放モジュール２０８のうちの１つまたは複数のモジュールによってこの信号を変更して、弁１００への信号２１２を生成することができる。液圧アクチュエータ制御システム２００の優先順位を決定し、それぞれのモジュール２０４、２０６および２０８に重みを割り当てるように、監視コントローラ２０１を構成することができる。一例では、この優先順位付けが、特定の液圧システムの安全要件または性能要件に基づく。例えば、液圧アクチュエータ１０６のピストン１０８がハイスピードでエンドストップ１２２に当たることを防ぐことの方が、チャンバ１１２と１１４のうちの一方のチャンバ内の圧力が増大して、所与の時間、しきい値を超えたことに応答することよりも優先順位が高い場合には、位置−力制御モジュール２０２によって生成された信号を変更する際に、圧力解放モジュール２０８による変更よりも、アクチュエータ限界制御モジュール２０６による変更に、より大きな重みを割り当てることができる。
[0035] このようにすると、この優先順位付けに基づいて、監視コントローラ２０１は、液圧アクチュエータ１０６の動作モード、圧力レベルの突然の増大、エンドストップ１２２までの近さなどの因子を考慮しつつ、ピストン１０８を作動させる弁１００への信号２１２（および場合によっては圧力源１１０への信号２１６）を提供することができる。
[0036] システム２００の構成要素は、互いに相互接続され、かつ／または対応するそれぞれのシステムに結合された他の構成要素と相互接続された形で機能するように構成することができる。監視コントローラ２０１の記載された機能または構成要素のうちの１つまたは複数の機能または構成要素を分割して、追加の機能構成要素または物理構成要素を提供することができ、または、そのような１つまたは複数の機能または構成要素を組み合わせて、より少数の機能構成要素または物理構成要素にすることができる。他のいくつかの例では、図２によって示された例に、追加の機能構成要素および／または物理構成要素を追加することができる。さらに、位置−力制御モジュール２０２、速度フィードフォワードモジュール２０４、アクチュエータ限界制御モジュール２０６および圧力解放モジュール２０８はいずれも、本明細書に記載された論理機能を実現する１つもしくは複数の命令を含むプログラムコードを実行するように構成されたプロセッサ（例えばマイクロプロセッサ、ディジタル信号処理プロセッサ（DSP）など）を含むことができ、または、これらのモジュールはいずれも、本明細書に記載された論理機能を実現する１つもしくは複数の命令を含むプログラムコードを実行するように構成されたプロセッサ（例えばマイクロプロセッサ、ディジタル信号処理プロセッサ（DSP）など）の形態で提供することができる。監視コントローラ２０１はさらに、そのプログラムコードを記憶するため、例えばディスクドライブまたはハードドライブを含む記憶装置など、任意のタイプのコンピュータ可読媒体（非一時的媒体）またはメモリを含むことができる。一例では、システム２００が、他のシステムに含まれている。
[0037] ＩＩＩ．例示的な位置−力制御システム
図３は、例示的な実施形態に基づく位置−力制御システム３００を示す。位置−力制御システム３００は例えば、図２に記載された位置−力制御モジュール２０２によって実現することができる。図３が示すように、位置−力制御システム３００は、３つの制御ループ、すなわち位置制御ループ３０２、速度制御ループ３０４および力制御ループ３０６を含むことができる。
[0038] 位置制御ループ３０２は、液圧アクチュエータ１０６のピストン１０８の所望の位置とピストン１０８の測定された位置との差に基づいて指令を生成するように構成されている。例えば、ピストン１０８（例えばピストンヘッド１０９Ａまたはロッド１０９Ｂ）に位置センサを結合することができ、その位置センサを、ピストン１０８の位置を示す情報を監視コントローラ２０１に提供するように構成することができる。この差は、接合点３０８で決定され、位置の誤り３０９を表す。位置の誤り３０９は、比例ゲイン３１０によってゲイン調整されて、調整された信号３１１を形成する。さらに、位置の誤り３０９は、ブロック３１２で積分されて、積分された誤り信号３１３を形成する。誤り信号３１３は、比例ゲイン３１４によってゲイン調整されて、調整された信号３１５を形成する。信号３１１と信号３１４は、求和接合点３１６で求和されて、信号３１７を形成する。
[0039] 速度制御ループ３０４は、ピストン１０８の所望の速度とピストン１０８の測定または推定された速度との差に基づいて指令を生成するように構成されている。一例では、ピストン１０８（例えばピストンヘッド１０９Ａまたはロッド１０９Ｂ）に速度センサが結合されており、その速度センサが、ピストン１０８の速度を示す情報を監視コントローラ２０１に提供するように構成されている。他の例では、ピストン１０８の結合された位置センサから得られたピストン１０８の測定された位置を微分することによってピストン１０８の速度を推定するように、監視コントローラ２０１が構成されている。この速度差は、接合点３１８で決定され、速度の誤り３１９を表す。速度の誤り３１９は、比例ゲイン３２０によってゲイン調整されて、調整された信号３２１を形成する。さらに、所望の速度が、フィードフォワードゲイン３２２によってゲイン調整されて、信号３２３を形成する。推定された速度は、比例ゲイン３２４によってゲイン調整されて、調整された信号３２５を形成する。信号３２１、信号３２３および信号３２５は、求和接合点３２６で求和されて、信号３２７を形成する。
[0040] 力制御ループ３０６は、ピストン１０８が外部環境に加える所望の力とピストン１０８の測定された力との差に基づいて指令を生成するように構成されている。一例では、ロッド１０９Ｂの一端に力センサ（例えばロードセル）を結合することができ、その力センサは、ピストン１０８が受けた力を示す情報を監視コントローラ２０１に提供するように構成することができる。このピストン１０８が受けた力は、ピストン１０８が外部環境に加えた力（すなわちピストン１０８が外部環境に加えた力の反作用）を示す。他の例では、液圧アクチュエータ１０６のチャンバ１１２および１１４に圧力センサが結合されることがある。この圧力センサから受け取った情報に基づいて、ピストン１０８が加えた力を決定するように、監視コントローラ２０１または位置−力制御モジュール２０２を構成することができる。例えば、チャンバ１１２内の圧力がＰＣ、チャンバ１１４内の圧力がＰＲ、ピストンヘッド１０９Ａの面積がＡＣ、ロッド１０９Ｂの断面積がＡｒｏｄであると仮定し、ピストン１０８が引っ込んでいる（すなわちチャンバ１１２が縮小しており、チャンバ１１４が拡大している）と仮定すると、ピストン１０８が加える力は、下式によって推定することができる。
力＝ＰＲ（ＡＣ−Ａｒｏｄ）−ＰＣＡＣ （２）
上式で、ＡＣ−Ａｒｏｄは、チャンバ１１４内のピストン１０８の環形の面積を表す。ピストン１０８が突き出ている（すなわちチャンバ１１２が縮小しており、チャンバ１１４が拡大している）場合、ピストンが外部環境に加える力は、下式によって推定することができる。
力＝ＰＣＡＣ−ＰＲ（ＡＣ−Ａｒｏｄ） （３）
[0041] この力の差は、接合点３２８で決定され、力の誤り３２９を表す。力の誤り３２９は、比例ゲイン３３０によってゲイン調整されて、調整された信号３３１を形成する。
[0042] 力制御ループ３０６によって生成された信号３３１、速度制御ループ３０４によって生成された信号３２７および位置制御ループ３０２によって生成された信号３１７は、求和接合点３３２で求和されて、信号３３３を形成する。信号３３３の最大変化率を規定するスルーレート制限ブロック３３４によって、信号３３３を制限することができる。スルーレート制限ブロック３３４はしたがって、弁１００に送られる信号の突然の変化を防ぐことができる。このようにすると、ピストン１０８の運動が滑らかになることがあり、ピストン１０８の運動がぎくしゃくした振舞いを示さないことがある。信号３３３の変化率が、スルーレート制限ブロック３３４によって規定された最大変化率を超えていない場合、信号３３３は、スルーレート制限ブロック３３４によって変更されない。したがって、指令３３５は、信号３３３と同じであることがあり、または、指令３３５が、スルーレート制限ブロック３３４による信号３３３の変更を表すこともある。
[0043] 制御ループ３０２、３０４および３０６は、例示だけを目的とした単なる例であり、弁１００に信号を提供し、液圧アクチュエータ１０６を制御する他の制御戦略を実現することもできる。さらに、いくつかの例では、所与の時点において、図３に示された制御構造の全ての構成要素が活動中であるわけでない。液圧アクチュエータ１０６の条件および液圧アクチュエータ１０６によって制御されている物体の条件に基づいて、いくつかの構成要素は活動中であることがあり、他のいくつかの構成要素は活動中でないことがある。
[0044] 図４は、例示的な実施形態に基づくロボット装置４００を示す。ロボット装置４００は、四つ足の動物の運動をまねる。ロボット装置４００は、ロボット装置４００の胴体４０４に接続された脚４０２Ａ、脚４０２Ｂ、脚４０２Ｃ、脚４０２Ｄを含む。ロボット装置４００はさらに、ロボット装置４００のコンピューティングシステム（例えば監視コントローラ２０１）にセンサデータを提供するように構成されたセンサを含むことができる。例示的な他の実施態様では、ロボット装置４００が、より多数の、またはより少数の構成要素を含むことができ、図４に示されていない構成要素を含むことができる。
[0045] ロボット装置４００は、伸ばすことができる４本の脚４０２Ａ〜４０２Ｄを有するように示されている。他の例では、ロボット装置４００が、それよりも多数の、またはそれよりも少数の脚を含むことができる。さらに、脚４０２Ａ〜４０２Ｄの構成、位置および／または構造は、例示的な実施態様によって変動することがある。脚４０２Ａ〜４０２Ｄは、ロボット装置４００が移動することを可能にする。さまざまな運行技法を実施することを可能にするため、多数の自由度で動作するように脚４０２Ａ〜４０２Ｄを構成することができる。
[0046] ロボット装置４００は、さまざまなタイプのインタフェースを介して、１人もしくは数人のユーザおよび／または他のロボット装置と通信することができる。例示的な１つの実施態様では、ロボット装置４００が、ジョイスティックまたは類似のタイプのインタフェースを介してユーザから入力を受け取ることができる。脚４０２Ａ〜４０２Ｄを制御するアクチュエータへの力指令、位置指令および速度指令を、ジョイスティックインタフェースから受け取った入力を介して受け取るように、コンピューティングシステムを構成することができる。同様に、ロボット装置４００は、モバイル装置などの他のタイプのインタフェースを介して入力を受け取り、ユーザと通信することもできる。他の例では、ロボット装置４００が自律装置であり、特定の方式で移動し特定の作業を実施するように脚４０２Ａ〜４０２Ｄを制御するようロボット装置４００が構成されることがある。
[0047] 一例では、ロボット装置４００の４本の脚４０２Ａ〜４０２Ｄがそれぞれ、液圧アクチュエータ１０６などの対応するそれぞれの液圧アクチュエータによって制御されることがある。例えば、所与の液圧アクチュエータは、対応する脚を胴体４０４に接続する関節を制御することができる。所与の液圧アクチュエータのピストンが突き出たり、引っ込んだりすると、関節が回転し、対応する脚が動く。
[0048] 異なる歩行の機構に従って脚４０２Ａ〜４０２Ｄを機械的に制御することによって、脚４０２Ａ〜４０２Ｄは、ロボット装置４００がさまざまなスピードで運行することを可能にすることができる。歩行は、動物、ロボット装置または他の機械構造体の肢の移動のパターンである。さまざまな歩行を実施するように脚４０２Ａ〜４０２Ｄを動作させることによって、ロボット装置４００は歩き回ることができる。歩行の例には、ウォーク、トロット、ギャロップ、バウンド、ランなどがある。ロボット装置４００は、さまざまな歩行を使用して環境内を運行することができ、このことは、スピード、地形、操作の必要性および／またはエネルギー効率に基づいて歩行を選択することを含むことができる。複数の歩行を切り換えるように、ロボット装置４００を構成することができる。
[0049] 一例では、脚４０２Ａ〜４０２Ｄのうちの１本の脚の状態に基づいて、図３に示された制御システムのいくつかの構成要素が活動中であり、別の構成要素が活動中でない。例えば、ロボット装置４００の図４に示された姿勢では、脚４０２Ｄが地面に接しており、脚４０２Ｄは「スタンス」モードにあると言うことができる。脚４０２Ａは地面に接しておらず、空中でスイングしている。脚４０２Ａは「スイング」モードにあると言うことができる。例示のための一例として、脚４０２Ｄ脚が「スタンス」モードにある間、脚４０２Ａを制御するアクチュエータを制御する制御システムの積分ブロック３１２、ゲインブロック３１４、フィードフォワードゲインブロック３２２およびゲインブロック３２０は非活動中であり、残りの構成要素は活動中である。脚４０２Ａ脚が「スイング」モードにある間、積分ブロック３１２、ゲインブロック３１４およびゲインブロック３２４は非活動中であることができ、残りの構成要素は活動中であることができる。これらの例は例示だけが目的であり、本明細書では他の構成も企図される。ロボット装置４００が、ウォークしているのか、トロットしているのか、ギャロップしているのか、バウンドしているのか、ランしているのかなどに基づいて、脚４０２Ａ〜４０２Ｄの他のいくつかの動作モードが可能である。これらのそれぞれのモードで、脚４０２Ａ〜４０２Ｄは、異なる動作モードを経ることができる。図３に示された制御システムの構成要素は、所与の時点において所与の脚が経験している特定のモードに基づいて、活動中であること、または非活動中であることがある。
[0050] さらに、図２に関して上で説明したとおり、速度フィードフォワードモジュール２０４、アクチュエータ限界制御モジュール２０６および圧力解放モジュール２０８のうちの１つまたは複数のモジュールによって、指令３３５を変更することができ、変更された信号は弁１００に提供される。一例では、速度フィードフォワードモジュール２０４、アクチュエータ限界制御モジュール２０６および圧力解放モジュール２０８のうちの１つまたは複数のモジュールによって指令３３５を変更することが、図３に示された制御システムに構成要素を追加すること、図３に示された制御システムの構成要素を活動化すること、および／または図３に示された制御システムの構成要素を非活動化することを含む。例えば、ピストン１０８が物理的な限界の近くにあるときに、次に図５〜図８で説明するようにして衝突を低減させまたは防ぐために、図３に示された制御システムに構成要素を追加するように、アクチュエータ限界制御モジュール２０６を構成することができる。
[0051] ＩＶ．例示的な方法
図５は、液圧アクチュエータを制御する、例示的な実施形態に基づく方法５００の流れ図である。方法５００は、ブロック５０２〜５１２のうちの１つまたは複数のブロックによって示された１つまたは複数の動作、機能または作用を含むことができる。これらのブロックは逐次的な順序で示されているが、いくつかの場合には、これらのブロックを、並行して実施することができ、かつ／または本明細書に記載された順序とは異なる順序で実施することができる。さらに、所望の実施態様に基づいて、これらのさまざまなブロックを組み合わせてより少数のブロックにすること、これらのさまざまなブロックを分割して追加のブロックを提供すること、および／またはこれらのさまざまなブロックを省くこともできる。
[0052] 加えて、方法５００ならびに本明細書に開示された他のプロセスおよび方法に関して、この流れ図は、本発明の実施形態の１つの可能な実施態様の機能および動作を示す。この点に関して、それぞれのブロックは、そのプロセスの特定の論理機能または論理工程を実現するためのプロセッサによって実行可能な１つまたは複数の命令を含む、プログラムコードのモジュール、セグメントまたは部分を表すことがある。このプログラムコードは、例えばディスクドライブまたはハードドライブを含む記憶装置などの任意のタイプのコンピュータ可読媒体またはメモリに記憶されていることがある。このコンピュータ可読媒体は例えば、データを短期間記憶する、レジスタメモリ、プロセッサキャッシュおよびランダムアクセスメモリ（RAM）のようなコンピュータ可読媒体などの非一時的コンピュータ可読媒体を含むことができる。このコンピュータ可読媒体はさらに、例えばリードオンリーメモリ（ROM）、光学または磁気ディスク、コンパクトディスクリードオンリーメモリ（CD-ROM）のような２次記憶装置または永続的長期記憶装置などの非一時的媒体またはメモリを含むことができる。このコンピュータ可読媒体を、任意の他の揮発性または不揮発性記憶システムとすることもできる。このコンピュータ可読媒体は、例えばコンピュータ可読記憶媒体、有形の記憶装置または他の製品と考えることができる。これらのコンピュータ可読媒体、プロセッサ、プログラムコードは全て、液圧システムまたは弁のコントローラに含めることができる。加えて、方法５００ならびに本明細書に開示された他のプロセスおよび方法に関して、図５のそれぞれのブロックは、そのプロセスの特定の論理機能を実施するように配線された回路を表すことがある。
[0053] ブロック５０２で、方法５００は、液圧アクチュエータのピストンを所与のスピードで所与の方向に移動させる指令をコントローラにおいて受け取ることを含み、この液圧アクチュエータは、第１のチャンバおよび第２のチャンバを含み、弁アセンブリが、加圧された作動流体の源を第１のチャンバに結合し、第２のチャンバを戻り管路に結合する。
[0054] このコントローラは例えば、１つまたは複数のプロセッサを備えるコンピューティングデバイスであって、この１つまたは複数のプロセッサが、コンピューティングデバイス（例えばコンピューティングデバイス内のメモリ）に記憶されたプログラム命令を実行するように構成された、コンピューティングデバイスとすることができる。このコントローラは、ジョイスティックなどの入力装置、または任意の他のタイプの入力装置と通信することができる。
[0055] 一例では、液圧機械のユーザが、入力装置を通してコントローラに指令を提供する。このコントローラは、この指令に基づいて、チャンバ１１２および１１４を有する液圧アクチュエータ１０６などの液圧アクチュエータを動かす制御信号を、液圧システム（例えばポンプ、弁、アクチュエータ、タンクなど）に提供する。例えば、この指令は、液圧アクチュエータ１０６のピストン１０８を所与の方向に所与のスピードで移動させる命令を含むことができる。いくつかの例では、この指令がさらに、ピストン１０８の所望の速度、およびピストン１０８が発揮する所望の力を指定することができる。
[0056] 他の例では、ロボット装置４００の運動を制御するように構成された液圧システムを含むロボット装置４００などの自律ロボット装置が、この指令を生成する。特定の作業を実行する移動指令を自律的に生成するように、ロボット装置４００を構成することができる。それらの移動指令は、液圧システムのコントローラに提供することができる。このコントローラは例えば、図２に関して説明した監視コントローラ２０１を含むことができる。
[0057] 弁アセンブリは、例えば弁１００などの弁を含むことができるが、（例えばスプール弁、ポペット弁、ロータリ弁など）任意の他の弁構成を含むこともできる。例えば、弁アセンブリは、少なくとも４つの弁、すなわち、チャンバ１１２にポンプを接続する第１の弁、このポンプをチャンバ１１４に接続する第２の弁、チャンバ１１２をタンクまたはリザーバに接続する第３の弁、およびこのタンクにチャンバ１１４を接続する第４の弁を含むことができる。したがって、弁アセンブリは、圧力源から液圧アクチュエータへの流体の流れを制御し、液圧アクチュエータから戻り管路に押し出された流体の流れを制御する１つまたは複数の弁を含むことができる。
[0058] いくつかの例では、圧力源がポンプであり、戻り管路が、リザーバまたはタンクに接続されることがある。しかしながら、液圧アクチュエータ１０６のチャンバ１１２とチャンバ１１４とが供給管路または戻り管路を介して互いに接続された再生モードでは、圧力源を、チャンバ１１２または１１４のうちの一方のチャンバとすることができ、戻り管路を、チャンバ１１２とチャンバ１１４とを互いに接続する管路とすることができる。例えば、ハイサイド再生モードでは、高圧供給管路（すなわちポンプに接続された管路）によってチャンバ１１２とチャンバ１１４とを互いに接続することができる。この場合には、この供給管路から、チャンバ１１２とチャンバ１１４のうちの第１のチャンバに流れが供給され、第２のチャンバから押し出された流れが、タンクまたはリザーバにフローバックされる代わりに、第１のチャンバにフィードバックまたは再生されることがある。この場合、戻り管路は、２つのチャンバを互いに接続する管路であり、この管路は、第２のチャンバをタンクに接続する管路とは対照をなす。同様に、他の例では、液圧アクチュエータ１０６が、ローサイド再生モードで動作し、重力によって助力されている間にピストン１０８が引っ込むことがある（図１では、チャンバ１１４が拡大し、チャンバ１１２が縮小するにつれて左に移動する）。この場合には、ピストン１０８を移動させるポンプからの高圧流体が必要ないことがある。チャンバ１１２から押し出された流体は、チャンバ１１４に送られて再生される。この場合、チャンバ１１４から見た圧力源はチャンバ１１２である。チャンバ１１２からの戻り管路は、チャンバ１１２をチャンバ１１４に接続する液圧管路とすることができる。
[0059] ブロック５０４で、方法５００は、加圧された作動流体を第１のチャンバに提供するように、また、第２のチャンバ内の作動流体が第２のチャンバから戻り管路に流れることを許すように弁アセンブリを動作させて、ピストンが前記所与のスピードで前記所与の方向に運動するようにする信号を、前記指令に基づいてコントローラが提供することを含む。図１および図２に記載されているように、アクチュエータ１０６のピストン１０８を所与の方向に所与のスピードで移動させる指令に基づいて、コントローラ、例えば位置−力制御モジュール２０２は、弁１００への信号を生成することができる。この信号を、弁１００を作動させる（例えばスプール１０２を移動させる）電気アクチュエータ（例えばモータ、ソレノイド、ロータリアクチュエータなど）に提供して、圧力源１１０から液圧アクチュエータ１０６へ流れる流れを許し、液圧アクチュエータ１０６から押し出された流れがリザーバ１１６に流れることを許す。具体的には、一例として図１を参照すると、弁１００の開口１１８を通ってチャンバ１１４に流れる流れが許されて、ピストン１０８を左へ押す。さらに、チャンバ１１２から流体が押し出され、弁１００の開口１２０を通ってリザーバ１１６に流れる。しかしながら、上の図２で説明したとおり、位置−力制御モジュール２０２によって生成された信号は、他のモジュールによって変更されることがある。例えば、ピストン１０８が液圧アクチュエータ１０６のエンドストップ１２２の近くにあるときに衝突を低減させまたは防ぐために、この信号、または位置−力制御モジュール２０２の制御構造が、アクチュエータ限界制御モジュール２０６によって変更されることがある。
[0060] ブロック５０６で、方法５００は、液圧アクチュエータのエンドストップから第１のしきい距離のところに位置する第１の位置にピストンが到達したことを示す位置情報を受け取ることを含む。
[0061] 図６は、例示的な実施形態に基づく、液圧アクチュエータ１０６のアクチュエータ限界制御を示す。図６に示されているように、ピストン１０８は左に動いている。したがって、チャンバ１１４は拡大しており、チャンバ１１２は縮小している。ピストン１０８に位置センサを結合し、またはピストン１０８（例えばピストンヘッド１０９Ａまたはピストンロッド１０９Ｂ）に位置センサを埋め込むことができる。この位置センサを、ピストン１０８の位置を示す情報をコントローラに提供するように構成することができる。一例では、この位置センサが、チャンバ１１２内におけるピストンヘッド１０９Ａの表面６０２の位置をコントローラに知らせることができる。
[0062] 一例では、表面６０２が領域６０４内にある間は、すなわち液圧アクチュエータ１０６のエンドストップ１２２から第１のしきい距離６０８のところに位置する第１の位置６０６に表面６０２が到達する前に、位置−力制御モジュール２０２によって生成された信号を、アクチュエータ限界制御モジュール２０６による変更なしで使用して、弁を制御する。いくつかの例では、第１の位置６０６および第１のしきい距離６０８が、液圧アクチュエータ１０６のサイズおよびストローク長（例えば液圧アクチュエータ１０６の一端から他端までピストン１０８が運行する距離）に基づいてよい。例えば、ストロークが８０ｍｍである場合、第１のしきい距離は約６ｍｍとすることができる。
[0063] 図５を再び参照する。ブロック５０８で、方法５００は、応答して、コントローラが、弁アセンブリへの前記信号を、ピストンのスピードを低減させるように変更することを含む。ピストン１０８（具体的には表面６０２）が第１の位置６０６に到達すると、アクチュエータ限界制御モジュール２０６は、位置−力制御モジュール２０２によって生成された信号を、ピストン１０８のスピードを低減させるように変更することができる。例えば、アクチュエータ限界制御モジュール２０６は、位置−力制御モジュール２０２によって生成された信号を、ピストン１０８の運動を「減衰させ」、ピストン１０８を減速させるように、変更、補足またはオーバライドすることができる。
[0064] 図７は、例示的な実施形態に基づく、図３に示された位置−力制御システムの変更を示す。ピストン１０８の運動を減衰させるため、比例ゲイン７０２を追加しまたは活動化して、誤り信号３１９を調整する。例示のための一例として、比例ゲイン７０２は、値（１−ｗｄ）を有することができる。ｗｄは、減衰重みと呼ばれることがある。したがって、ブロック７０２は、誤り信号３１９に比例ゲイン７０２が乗じられて信号７０３を形成するような態様で、誤り信号３１９の調整を変更する。信号７０３は、比例ゲイン３２０によって調整される。減衰重みｗｄの値が０と１の間である場合、誤り信号３１９の調整の程度は低減され、したがって速度フィードバックの効果も低減される。速度フィードバックを低減させることは、ピストン１０８を押してエンドストップ１２２により近づける弁指令の一部分を減少させ、したがって弁１００の開口１１８を小さくし、ピストン１０８のスピードを低減させる。したがって、速度フィードバックのこのような低減はピストン０１８の運動を減衰させる。このようにすると、ピストン１０８は、エンドストップ１２２に向かって依然として移動して、エンドストップ１２２に近い指令された特定の位置に到達するが、エンドストップに近づくスピードは低減する。
[0065] いくつかの例では、エンドストップ１２２に向かって移動しているピストン１０８のスピードが大きいほど、ピストン１０８をより迅速に減速させるために、アクチュエータ限界制御モジュール２０６によって実現される信号の変更の程度も大きくなる。このような変更は、ピストン１０８に加えられる、エンドストップから離れる方向の力を効果的にシミュレートし、その力は、ピストン１０８のスピードに基づく。ピストン１０８の運動のこのような変更または減衰は、図６に示されたチャンバ１１２の領域６１０内に表面６０２がある間、続く。
[0066] 図５を再び参照する。ブロック５１０で、方法５００は、液圧アクチュエータのエンドストップにより近い第２のしきい距離のところに位置する第２の位置にピストンが到達したことを示す位置情報を受け取ることを含む。ピストン１０８に結合された位置センサは、液圧アクチュエータ１０６のエンドストップ１２２から第２のしきい距離６１４のところにある第２の位置６１２（図６に示されている）にピストンヘッド１０９Ａの表面６０２が到達したことをコントローラに知らせることができる。例えば、ストローク長が８０ｍｍ、第１のしきい距離が約６ｍｍである場合、第２のしきい距離は約４ｍｍとすることができる。これらの数値は、例示だけを目的とした単なる例であり、これらの距離は、液圧アクチュエータ１０６の特性（サイズ、ストローク長など）に基づいて変化することがある。
[0067] ブロック５１２で、方法５００は、応答して、コントローラがさらに、弁アセンブリへの前記信号を、第２のチャンバ内の作動流体が、エンドストップから遠ざかる方向の力を、ピストンに加えるように変更することを含む。ブロック５０８で説明した変更は、第１の変更と考えることができる。ピストン１０８（具体的には表面６０２）が第２の位置６１２に到達したときに、弁１００に提供される信号を、ピストン１０８のスピードをさらに低減させるように変更する第２の変更を行うように、アクチュエータ限界制御モジュール２０６を構成することができる。ピストン１０８の運動のこのような変更または減衰は、図６に示されたチャンバ１１２の領域６１６内に表面６０２がある間、続く。一例として、変更された信号は、スプール１０２の位置を変化させて、ピストン１０８（具体的には表面６０２）に力を加えてピストン１０８の運動に対抗するチャンバ１１２内の特定の圧力レベルをセットする。一例では、加えられる力が、表面６０２がエンドストップ１２２に近いほどピストン１０８を押すこの加えられる力が大きくなるような態様の、ばねのような力（すなわち、あたかもばねがピストン１０８の表面６０２を押しているかのような力）である。このようにすると、加えられる力が、表面６０２とエンドストップ１２２との間の距離に反比例することがある。したがって、ピストン１０８をさらに減速させることができ、コントローラは、ピストン１０８がエンドストップ１２２に到達した場合に任意の衝撃力が生じることを防ぐことができる。
[0068] 図７を参照する。第２の変更を行うため、アクチュエータ限界制御モジュール２０６はさらに、図３に示された制御システムに比例ゲイン７０４を追加し、または比例ゲイン７０４を活動化することができる。例示のための一例として、比例ゲイン７０４は、値（１−ｗｓ）を有することができる。ｗｓは、ばね重みと呼ばれることがある。比例ゲイン７０４は、信号３３３を変更して信号７０５を形成する。ｗｓの値が０と１の間である場合、信号３３３の値は小さくなり、したがって３つの制御ループ３０２、３０４および３０６の効果も低減することがある。
[0069] アクチュエータ限界制御モジュール２０６はさらに、図３に示された制御システムに比例ゲイン７０６を追加し、または比例ゲイン７０６を活動化することができる。推定された（または測定された）速度が、比例ゲイン７０６によって調整されて、調整された信号７０７を形成する。
[0070] アクチュエータ限界制御モジュール２０６はさらに、図３に示された制御システムに比例ゲイン７０８を追加し、または比例ゲイン７０８を活動化することができる。一例では、比例ゲイン７０８の値はｗｓとすることができる。比例ゲイン７０８には、ピストン１０８が発揮することができる最大力が乗じられて、信号７０９を形成する。この最大力は例えば、供給圧力Ｐｓ（圧力源１１０からの最大圧力）にこの圧力が作用する面積を乗じることによって決定することができる。例えば、図１および図６に示された構成では、供給圧力が、チャンバ１１４内のピストン１０８の環形のエリアに作用することになる。したがって、最大力は、下式によって決定することができる。
最大力＝Ｐｓ（ＡＣ−Ａｒｏｄ） （４）
式（２）および（３）に関して上で述べたとおり、ＡＣは、チャンバ１１２内のピストンヘッド１０９Ａの面積、Ａｒｏｄは、ロッド１０９Ｂの断面積である。
[0071] 他の例において、チャンバ１１２が拡大しチャンバ１１４が縮小するような態様で、ピストン１０８の運動方向が反転された場合、最大力は、下式によって決定することができる。
最大力＝ＰｓＡＣ （５）
[0072] 測定された力は、接合点７１０において信号７０９から引かれて、信号７１１を形成し、信号７１１は、比例ゲイン７１２によってさらに調整されて、信号７１３を形成する。信号７０７は、接合点７１４において信号７１３から引かれて、信号７１５を形成し、信号７１５は、比例ゲイン７１６によって調整されて、信号７１７を形成する。比例ゲイン７１６の値は例えばｗｓとすることができる。信号７１７と信号７０５は、求和接合点７１８において求和されて、信号７１９を形成する。スルーレート制限ブロック３３４によって信号７１９を変更し、または変更せずに、弁への指令である指令７２０を生成する。指令７２０は、指令３３５とは異なる。
[0073] 一例では、重みｗｄおよびｗｓが一定の値を有することができる。しかしながら、他の例では、重みｗｄおよびｗｓが変動する。例えば、ピストン１０８がエンドストップ１２２に近づくにつれて、ゲインｗｄおよびｗｓを変動させることができる。
[0074] 図８は、例示的な実施形態に従ってアクチュエータ限界制御を段階的に導入するための重みｗｄおよびｗｓの変動を示す。図８に示されているように、ピストンヘッド１０９Ａの表面６０２が第１の位置６０６に到達する前（すなわち表面６０２が領域６０４内にある間）、これらのゲインの値はともにゼロである。表面６０２が第１の位置６０６に到達し、さらに位置６１２まで移動するとき（すなわち表面６０２が領域６１０内にある間）、減衰重みｗｄは、線８０２に沿って値ゼロから値１まで増大し、その間、ばね重みｗｓの値はゼロのままである。このようにすると、減衰重みｗｄがゼロから１まで増大するにつれて、値（１−ｗｄ）を有する比例ゲイン７０２は小さくなり、誤り信号３１９の値も徐々に小さくなり、したがって、速度フィードバックの効果も徐々に小さくなる。このような低下の結果、ピストン１０８の運動のスピードが減衰または低減することがある。重みｗｄの値が１に到達すると、比例ゲイン７０２の値（値１−ｗｄを有する）はゼロになり、したがって、速度フィードバックは、弁１００に提供される信号に対して効果を持つことができない。
[0075] 領域６１０では、ｗｄがゼロから１に増大する間、重みｗｓの値はゼロであり、信号７１７の値はゼロである。これは、比例ゲイン７１６の値がｗｓであるためである。したがって、比例ゲイン７０６、７０８および７１２は無効である（すなわち弁１００への指令を変化させない）。同様に、（ｗｓ＝０のときに１となる値１−ｗｓを有する）比例ゲイン７０４も、信号３３３に影響を及ぼさない。
[0076] 表面６０２が第２の位置６１２に到達し、エンドストップ１２２に向かってさらに移動するとき（すなわち表面６０２が領域６１６内にある間）、減衰重みｗｄは値１を維持し、ばね重みｗｓは、線８０４に沿って値ゼロから値１まで増大する。このようにすると、比例ゲイン７０２の値はゼロのままであり（速度フィードバックは無効のままでありまたは除去される）、比例ゲイン７０４、７０６、７０８、７１２および７１６を追加したことに起因するばねのような力が、ますます効果を発揮し始め、ピストン１０８を逆方向に押してピストン１０８をさらに減速させる。
[0077] 具体的には、ばね重みｗｓがゼロから１に増大するにつれて、比例ゲイン７０４は値１から値ゼロに低下し、したがって、制御ループ３０２、３０４および３０６の効果は小さくなる。同時に、比例ゲイン７１６はゼロから１に増大し、したがって、制御ループ３０２、３０４および３０６の効果が小さくなる一方で、比例ゲイン７０６、７０８、７１２および７１６が優勢になり（または支配的になり）、弁１００への指令７２０を決定する。その結果、領域６１６では、弁１００への指令が、推定された（または測定された）速度、測定された力およびアクチュエータの最大力に基づく。
[0078] さらに、ピストン１０８がエンドストップ１２２に向かって進むにつれて、弁１００への指令７２０を決定する際の最大力および信号７１５の寄与は増大する。これは、比例ゲイン７０８および比例ゲイン７１６（値はともにｗｓである）の対応するそれぞれの値がゼロから１に増大するためである。したがって、ピストン１０８がエンドストップ１２２に近づくと、ピストン１０８に作用する反対向きの力が増大する。例えば、ピストン１０８がエンドストップ１２２に近づくにつれて、弁１００への指令７２０は、開口１２０をより小さくして（チャンバ１１２からリザーバへの経路を絞って）、チャンバ１１２内の圧力を増大させ、ピストン１０８を減速させることができる。この制御構造の結果は、エンドストップ１２２に向かうピストン１０８の運動に対抗する力であり、この力は、ピストン１０８がエンドストップ１２２に近づくにつれて大きくなる。これは、比例ゲイン７０８および７１６が増大するためである。この力は、事実上、エンドストップ１２２に向かうピストン１０８の運動に対抗する非線形のばねのような力である。一例では、この制御構造に起因する弁指令への変更によって、圧力源１１０がチャンバ１１２に接続され、チャンバ１１４が戻り管路に接続されるような態様で、スプール１０２がもう一方の方向に移動する。このようにすると、圧力源１１０から送られた流体が、エンドストップ１２２から離れる方向の圧力をピストン１０８に加えて、ピストン１０８を減速させる。
[0079] 一例では、ピストン１０８の運動方向を変化させる入力指令をコントローラが受け取った場合、領域６１０内または領域６１６内に表面６０２がある場合でも、コントローラは、弁１００に提供される信号に対する一切の変更を停止することができる。この例では、比例ゲイン７０２、７０４、７０６、７０８、７１２および７１６を非活動化することができ、位置−力制御システムは、図３に示された構造に戻る。
[0080] いくつかの例では、領域６１０および領域６１６に加えて、領域６１６の終端とエンドストップ１２２との間に第３の領域（図６および図８には示されていない）を画定することができる。この第３の領域は、「安全」領域と呼ばれることがあり、この領域では、ｗｄとｗｓがともに１である。この第３の領域は例えば、エンドストップ１２２から第３のしきい距離である第３の位置（例えば領域６１６の終端）によって画定することができる。例えば、液圧アクチュエータ１０６のストロークが８０ｍｍである場合、第３のしきい距離は１ｍｍとすることができる。他の例では、液圧アクチュエータ１０６のストロークが４５ｍｍである場合、第３のしきい距離を２ｍｍとすることができる。
[0081]Ｖ．個別調量
図１に示された例では、弁１００がスプール弁を表し、このスプール弁では、スプール１０２の直線位置が、そこを通って圧力源１１０からチャンバ１１４に流体が流れる開口１１８と、そこを通ってチャンバ１１２からリザーバ１１６に流体が流れる開口１２０の両方を決定する。
[0082] 図９Ａは、例示的な実施形態に基づく、スプール１０２の機械的に結合された開口１１８および１２０を示す。スプール１０２（図１に示されている）が移動すると、開口１１８および１２０のサイズが変化し、このことを、図９Ａに示されている可変の流れ絞りによって表すことができる。スプール１０２の所与の位置が、開口１１８と開口１２０の両方を画定するため、図９Ａは、仮想のリンク９００によって機械的に結合された開口１１８および１２０を示す。このようなリンクを有することは、開口１１８と開口１２０が互いに独立していないことを示している。すなわち、１つの開口のサイズを画定すると、もう一方の開口のサイズも画定される。この場合、弁１００は、単一自由度（DOF）システムである。これは、弁１００への指令がスプール１０２の位置を決定し、スプール１０２の位置が、両方の開口１１８および１２０を画定するためである。コントローラは、スプール１０２の位置を制御して、開口１１８の特定のサイズを画定し、チャンバ１１４に流入する流れを調量し、ピストン１０８のスピードを制御することができる。コントローラは、開口１１８のサイズを画定して、チャンバ１１４内の圧力レベルを制御することもできる。例えば、コントローラは、圧力源１１０から到来する流体の供給圧力Ｐｓを示す情報を有することができる。コントローラはさらに、開口１１８を通過している流れの量を示す情報を有することができる。例えば、ピストンのスピードがＶである場合、開口１１８を通過する流れＱは、
Ｑ＝Ｖ（ＡＣ−Ａｒｏｄ） （６）
として推定することができる。式（１）を再び参照し、チャンバ１１４の所望の圧力レベルがＰＲであると仮定すると、開口１１８の変数Ｋは、
Figure 0006660448
として決定することができる。開口１１８のＫが決定されると、コントローラは、開口１１８のＫの値に対応する位置までスプール１０２を作動させる信号を、弁１００に提供することができる。
[0083] しかしながら、開口１１８と開口１２０とは機械的に結合されているため、コントローラは、開口１２０のサイズを独立して画定することはせず、したがって、コントローラは例えば、ピストン１０８のスピードまたはチャンバ１１４内の圧力レベルを制御する間に、チャンバ１１２内の圧力レベルを制御しないことがある。
[0084] あるいは、コントローラは、スプール１０２の位置を制御して、特定のサイズの開口１２０を画定し、それによってチャンバ１１２内の圧力レベルを制御することもできる。例えば、コントローラは、タンクまたはリザーバ１１６に通じる戻り管路内の圧力ＰＴを示す情報を有することができる。コントローラはさらに、開口１２０を通過する流れの量を示す情報を有することができる。例えば、ピストンのスピードがＶである場合、開口１２を通過する流れＱは、
Ｑ＝ＶＡＣ （８）
として推定することができる。式（１）を再び参照し、チャンバ１１２の所望の圧力レベルがＰＣであると仮定すると、開口１２０の変数Ｋは、
Figure 0006660448
として決定することができる。
[0085] 開口１２０８のＫが決定されると、コントローラは、開口１２０のＫの値に対応する位置までスプール１０２を作動させる信号を、弁１００に提供することができる。
[0086] しかしながら、この場合、コントローラは、開口１１８を独立して画定することはせず、チャンバ１１４に流入する流れの量（またはチャンバ１１４内の圧力レベル）を制御しないことがある。このように、コントローラは、（ｉ）ピストン１０８のスピード、（ｉｉ）チャンバ１１４内の圧力または（ｉｉｉ）チャンバ１１２内の圧力のうちの１つを制御することができる。仮想のリンク９００を破壊するため、１つのスプール弁の代わりに独立した２つの弁を使用することができる。
[0087] 図９Ｂは、例示的な実施形態に基づく個別調量を示す。図９Ｂは、機械的に結合されていない２つの別個のまたは独立した絞り９０２および９０４を示す。これらの独立した絞り９０２および９０４を形成するために２つの別個の弁を使用することができる。一方の弁は、圧力源１１０からチャンバ１１４への流れを制御する絞り９０２を形成し、第２の弁は、チャンバ１１２からリザーバ１１６への流れを制御する絞り９０４を形成する。ピストン１０８がもう一方の方向に移動する場合には、圧力源１１０からチャンバ１１２へ流れおよびチャンバ１１４からリザーバ１１６への流れを制御するために、第３の弁および第４の弁を使用することができる。一例では、４つの全ての弁を組み合わせてまたは統合して、弁アセンブリとすることができる。
[0088] 開口９０４から独立して開口９０２を制御するように、コントローラを構成することができる。第１の弁が開口９０２を制御し、第２の弁が開口９０４を制御すると仮定すると、第１の弁および第２の弁はそれぞれ、コントローラからの対応するそれぞれの信号によって制御することができる。それらの対応するそれぞれの信号は、対応するそれぞれの制御システムによって生成することができる。例えば、図７に示された制御システムなどの制御システムが、第１の弁に対する信号を生成することができ、別の制御システムが、第２の弁に対する信号を生成することができる。このようにすると、図９Ｂの構成は２ＤＯＦシステムである。コントローラは、チャンバ１１４に流入する流体を調量し、ピストン１０８のスピードを制御し、またはチャンバ１１４内の圧力レベルを決定する信号を、開口９０２を画定する第１の弁に提供することができる。同様に、コントローラは、チャンバ１１２内の圧力レベルを決定する信号を、開口９０４を画定する第２の弁に独立して提供することができる。この配置は、エンドストップにおける圧力衝撃または力衝撃を防ぐ、アクチュエータの運動の強化された制御を提供することができる。例えば、コントローラは、ピストン１０８のスピードを（特定の量の流体を調量するように開口９０２を制御することによって）制御し、それと同時に、縮小しているチャンバ１１２内の圧力レベルを制御することができる。チャンバ１１２内の圧力を制御することによって、コントローラは、ピストン１０８のスピードに基づき（方法５００のブロック５０８に記載されている）、かつ／または表面６０２とエンドストップ１２２との間の距離に反比例する（方法５００のブロック５１２に記載されている）反対向きの力を加えることにより、ピストン１０８のスピードを効果的に低減させることができる。
[0089] ＶＩ．結び
本明細書に記載された配置は、例示だけが目的であることを理解すべきである。そのため、所望の結果に応じて、他の配置および他の要素（例えば機械、インタフェース、機能、順序および機能のグループ化など）を代わりに使用することができること、ならびにいくつかの要素を全体として省略することができることを当業者は理解するであろう。さらに、記載された要素の多くは、離散もしくは分散した構成要素として、または他の構成要素とともに、適当な任意の組合せで、適当な任意の場所に実現することができる機能エンティティである。
[0090] さまざまな態様および実施形態を本明細書に開示したが、当業者には、他の態様および実施形態が明白である。本明細書に開示されたさまざまな態様および実施形態は、例示が目的であり、限定を意図したものではなく、真の範囲および趣旨は、以下の特許請求の範囲によって示されており、そのような特許請求の範囲が権利を有する均等物の完全な範囲も示されている。本明細書で使用されている用語は、特定の実施形態を記述することだけが目的であり、限定することは意図されていないことも理解すべきである。

Claims (16)

  1. 第１のチャンバおよび第２のチャンバを備える液圧アクチュエータのピストンを指令されたスピードで指令された方向に移動させる指令を、コントローラにおいて受け取ること、
    前記コントローラによって、前記指令に基づいて弁アセンブリに指令信号を送出することであって、前記弁アセンブリが、加圧された作動流体の源を、選択的に、前記第１のチャンバに結合するか、または前記第１のチャンバから分離し、前記第２のチャンバを、選択的に、戻り管路に結合するか、または前記戻り管路から分離するように構成され、前記信号が、加圧された作動流体の前記源を前記弁アセンブリに結合し、それによって前記加圧された作動流体を前記第１のチャンバに提供するように構成され、前記信号はまた、前記第２のチャンバを前記戻り管路に結合し、それによって前記第２のチャンバ内の作動流体が前記第２のチャンバから前記戻り管路に流れることを許して、前記ピストンを前記指令されたスピードで前記指令された方向に運動させるように構成されること、
    前記コントローラにおいて、前記液圧アクチュエータのエンドストップに対する前記ピストンの位置を示す位置情報を受け取ること、
    前記弁アセンブリに送出された前記指令信号を、前記コントローラによって前記位置情報に基づいて変更することであって、前記変更された指令信号が、前記ピストンの前記位置が前記液圧アクチュエータの前記エンドストップに近づくように移動するにつれて、前記ピストンの実際のスピードを低減させるように構成されること
    を含み、
    前記変更された指令信号によって、前記弁アセンブリは、前記第２のチャンバ内の前記作動流体が前記ピストンに対して前記液圧アクチュエータの前記エンドストップから遠ざかる方向の力を加えるようにし、前記ピストンの前記位置が前記液圧アクチュエータの前記エンドストップに近づくように移動するにつれて、前記ピストンに対する前記力が増大し、前記ピストンに対する前記力が、前記ピストンの前記実際のスピードに基づく、方法。
  2. 前記ピストンが第１の位置から前記液圧アクチュエータの前記エンドストップにより近い第２の位置に移動するにつれて、前記ピストンに対する前記力が増大する、請求項１に
    記載の方法。
  3. 前記液圧アクチュエータの前記エンドストップに対する前記ピストンの前記位置がしきい距離を満たすかどうか決定すること、
    前記液圧アクチュエータの前記エンドストップに対する前記ピストンの前記位置が前記しきい距離を満たすとき、前記ピストンに対する前記力をしきい力まで増大させること
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記液圧アクチュエータの前記エンドストップまでの前記ピストンの前記距離が前記しきい距離を満たすとき、前記しきい距離を満たす、前記液圧アクチュエータの前記エンドストップまでの前記ピストンの前記距離内における前記ピストンの一切の運動について、前記ピストンに対する最大力を維持することをさらに含む、請求項３に記載の方法。
  5. 前記弁アセンブリがスプールを備え、前記弁アセンブリに送出された前記指令信号によって、前記弁アセンブリが前記スプールを所与の位置に移動させ、前記スプールの前記所与の位置が、前記加圧された作動流体がそこを通って前記第１のチャンバに流れる第１の開口の第１のサイズと、前記第２のチャンバ内の前記作動流体がそこを通って前記第２のチャンバから押し出されて前記戻り管路に流れる第２の開口の第２のサイズとに関連する、請求項１に記載の方法。
  6. 前記弁アセンブリが、
    前記第１のチャンバを加圧された作動流体の前記源に結合する第１の弁と、
    前記第２のチャンバを前記戻り管路に結合する第２の弁であり、前記第１の弁から独立して制御される第２の弁と
    を備え、前記弁アセンブリに送出される前記指令信号が、前記第１の弁に対する第１の弁信号と、前記第２の弁に対する第２の弁信号とを含む、請求項１に記載の方法。
  7. 前記第１の弁信号が、前記加圧された作動流体の指令された量の流れを前記第１の弁を通して前記第１のチャンバに流入させるように構成され、前記ピストンの前記実際のスピードが、前記第１の弁を通って前記第１のチャンバに流入する前記加圧された作動流体の前記流れの量に基づく、請求項６に記載の方法。
  8. 前記第２の弁信号が、前記液圧アクチュエータの前記エンドストップから遠ざかる力を前記ピストンに対して加える指令された圧力レベルを、前記第２のチャンバ内に生じさせるように構成される、請求項６に記載の方法。
  9. 加圧された作動流体の源と、
    戻り管路と、
    液圧アクチュエータと
    を備えるシステムであって、前記液圧アクチュエータが、
    シリンダキャビティおよび中心軸方向を規定するシリンダであって、エンドストップを有するシリンダと、
    前記シリンダの前記シリンダキャビティ内に摺動可能に配置されたピストンであって、前記ピストンが、ピストンヘッド、および前記ピストンヘッドから前記シリンダの前記中心軸方向に沿って伸びるロッドを有し、前記ピストンヘッドが、前記シリンダキャビティを第１のチャンバと第２のチャンバとに分割する、ピストンと
    を備え、前記システムがさらに、
    加圧された作動流体の前記源を、選択的に、前記第１のチャンバに結合するか、または前記第１のチャンバから分離し、前記第２のチャンバを、選択的に、前記戻り管路に結合するか、または前記戻り管路から分離するように構成された弁アセンブリと、
    前記弁アセンブリと通信するコントローラと
    を備え、前記コントローラが、
    前記液圧アクチュエータの前記ピストンを指令されたスピードで指令された方向に移動させる指令を受け取ること、
    前記指令に基づいて前記弁アセンブリに指令信号を送出することであって、前記指令信号が、加圧された作動流体の前記源を前記弁アセンブリに結合し、それによって前記加圧された作動流体を前記第１のチャンバに提供するように構成され、前記指令信号はまた、前記第２のチャンバを前記戻り管路に結合し、それによって前記第２のチャンバ内の作動流体が前記第２のチャンバから前記戻り管路に流れることを許して、前記ピストンを前記指令されたスピードで前記指令された方向に運動させるように構成されること、
    前記液圧アクチュエータの前記エンドストップに対する前記ピストンの位置を示す位置情報を受け取ること、
    前記弁アセンブリに送出された前記指令信号を前記位置情報に基づいて変更することであって、前記変更された指令信号が、前記ピストンの前記位置が前記液圧アクチュエータの前記エンドストップに近づくように移動するにつれて、前記ピストンの実際のスピードを低減させるように構成されること
    を含む動作を実行するように構成され、
    前記変更された指令信号によって、前記弁アセンブリは、前記第２のチャンバ内の前記作動流体が前記ピストンに対して前記液圧アクチュエータの前記エンドストップから遠ざかる方向の力を加えるようにし、前記ピストンの前記位置が前記液圧アクチュエータの前記エンドストップに近づくように移動するにつれて、前記ピストンに対する前記力が増大し、前記ピストンに対する前記力が、前記ピストンの前記実際のスピードに基づく、システム。
  10. 前記ピストンが第１の位置から前記液圧アクチュエータの前記エンドストップにより近い第２の位置に移動するにつれて、前記ピストンに対する前記力が増大する、請求項９に記載のシステム。
  11. 前記コントローラの前記動作が、
    前記液圧アクチュエータの前記エンドストップに対する前記ピストンの前記位置がしきい距離を満たすかどうか決定すること、
    前記液圧アクチュエータの前記エンドストップに対する前記ピストンの前記位置が前記しきい距離を満たすとき、前記ピストンに対する前記力をしきい力まで増大させること
    をさらに含む、請求項９に記載のシステム。
  12. 前記コントローラの前記動作が、前記液圧アクチュエータの前記エンドストップまでの前記ピストンの前記距離が前記しきい距離を満たすとき、前記しきい距離を満たす、前記液圧アクチュエータの前記エンドストップまでの前記ピストンの前記距離内における前記ピストンの一切の運動について、前記ピストンに対する最大力を維持することをさらに含む、請求項１１に記載のシステム。
  13. 前記弁アセンブリがスプールを備え、前記弁アセンブリに送出された前記指令信号によって、前記弁アセンブリが前記スプールを所与の位置に移動させ、前記スプールの前記所与の位置が、前記加圧された作動流体がそこを通って前記第１のチャンバに流れる第１の開口の第１のサイズと、前記第２のチャンバ内の前記作動流体がそこを通って前記第２のチャンバから押し出されて前記戻り管路に流れる第２の開口の第２のサイズとに関連する、請求項９に記載のシステム。
  14. 前記弁アセンブリが、
    前記第１のチャンバを加圧された作動流体の前記源に結合する第１の弁と、
    前記第２のチャンバを前記戻り管路に結合する第２の弁であり、前記第１の弁から独立して制御される第２の弁と
    を備え、前記弁アセンブリに送出される前記指令信号が、前記第１の弁に対する第１の弁信号と、前記第２の弁に対する第２の弁信号とを含む、請求項９に記載のシステム。
  15. 前記第１の弁信号が、前記加圧された作動流体の指令された量の流れを前記第１の弁を通して前記第１のチャンバに流入させるように構成され、前記ピストンの前記実際のスピードが、前記第１の弁を通って前記第１のチャンバに流入する前記加圧された作動流体の前記流れの量に基づく、請求項１４に記載のシステム。
  16. 前記第２の弁信号が、前記液圧アクチュエータの前記エンドストップから遠ざかる力を前記ピストンに対して加える指令された圧力レベルを、前記第２のチャンバ内に生じさせるように構成される、請求項１４に記載のシステム。
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