JPH02304202A - 空気圧駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は圧縮空気源を駆動源として動作を行う空気圧駆
動装置に関するものである。

従来の技術 空気圧駆動装置は、動作部の出力重量比が高いため小型
・軽量化が容易で、駆動源から動作部への伝達も配管に
より容易にかつ自由にできる。さらに、安価で、環境を
汚すこともなく、力を保持したり圧力エネルギーとして
保存できる等の長所を生かして、近年、産業分野等で広
く利用されている。

しかし、前記のような長所を持つ反面、空気の持つ圧縮
性やシリンダのシール部の摩擦等の要因で、空気圧駆動
方式での任意の位置での位置決め動作は困難であった。

そのため、機械的なストッパーを用いて１点あるいは数
点のみの位置決めしかできなかった。ところが、弁部の
開口面積を指令値に応じて変化させる機能を有する制御
弁が進歩したため、空気室内の圧力の制御が可能となり
、空気の圧縮性の影響を状態フィードバック制御により
補償することで、任意の位置で位置決め可能となってき
た。

また、空気圧駆動装置の位置決めを困難としているもう
１つの要因であるシール部の摩擦の影響は、該摩擦を外
乱推定オブザーバにより推定し、状態フィードバックゲ
インから外乱力補償ゲインを求めて、各制御弁への指令
値に加えることで、高精度かつ高速に位置決めが可能と
なった。（発明者らにより特許出願中） 発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記のような空気圧駆動装置では、外乱
力補償ゲインを状態フィードバックゲインから求める際
、外乱に条件を加えなければならず、外乱によっては外
乱力補償ゲインを補正しなければならなかった。従って
、動作状態によって外乱力補償ゲインを変更する必要が
あり、任意の位置で位置決めを行おうとすると、外乱力
補償ゲインを個々に定めなければならず、設計が困難で
汎用性に欠けるという課題があった。

本発明は上記課題に鑑み、前記流体力基準値を外乱に応
じて変化させることにより前記外乱力補償ゲインを求め
る必要はなく、任意の外乱が前記動作部に作用しても、
任意の目標位置に対する位置決め等の動作を高速、高精
度かつ容易に実現する空気圧駆動装置を提供するもので
ある。

課題を解決するための手段 前記課題を解決するために、本発明の空気圧駆動装置は
、空気室と該空気室内を機密性を保ちながら移動可能な
動作部とを有する空気圧アクチュエータと、前記動作部
により分割された空気室群のそれぞれに指令値に応じた
空気を流入あるいは流出させることができる制御弁群と
、前記空気室群の前記動作部に加わるそれぞれの流体力
を検出する流体力検出部と、前記動作部の動作状態を検
出する動作状態検出部と、前記動作状態検出部と前記流
体力検出部の出力信号、及び目標動作状態と流体力基準
値を入力として前記動作部が前記目標動作状態に従って
移動するために必要な指令値を前記制御弁群に出力する
動作制御部と、前記動作部に加わる外乱力を推定し、該
外乱力を補償するために必要な補償流体力を前記推定外
乱力を用いて求め、前記補償流体力を用いて前記流体力
基準値を変化させることにより必要な指令値を前記制御
弁群に出力する外乱力補償部を備えたものである。

作用 本発明は前記した構成によって、流体力基準値を制御に
用いることにより、該流体力基準値を変化させて、容易
に外乱を打ち消すことができ、従って、任意の目標位置
に対する位置決め等の動作を高速、高精度かつ容易に実
現することができる。

実施例 以下本発明の一実施例の空気圧駆動装置について、図面
を参照しながら説明する。

第１図は本発明の一実施例における空気圧駆動装置の構
成を示す全体図である。

第１図において１は空気室を有する揺動型シリンダ、４
は圧縮空気源、５ａ、５ｂは空気室に空気を流入、流出
させるために弁部の開口面積を指令値に応じて変化させ
る機能を有する制御弁、６ａ、６ｂはそれぞれ空気室の
内部圧力を検出する圧力センサ、７は動作部の位置を検
出する位置センサ、８は負荷、９ａ、９ｂはそれぞれ制
御弁５ａ、５ｂを駆動するコントローラ、１０は動作制
御部、１１は外乱力補償部である。

第２図は第１図における空気圧駆動揺動型シリンダの詳
細説明図である。１は空気室を有する揺動型シリンダ、
２はシリンダ１内を機密性を保ちながら移動できるベー
ン、３ａ、３ｂはベーン２によって分割された空気室、
４は圧縮空気源、５ａ、５ｂは空気室に空気室３ａ、３
ｂに空気を流入、流出させるために弁部の開口面積を指
令値に応じて変化させる機能を有する制御弁、６ａ、６
ｂはそれぞれ空気室３ａ、３ｂの内部圧力を検出する圧
力センサである。

第３図は第１図における動作制御部ＩＯ及び外乱力補償
部１１の詳細説明図である。第３図において１２は微分
器、１３　ａ　、　１３　ｂは増幅器、１４は外乱力推
定部である。１３ａ、１３ｂはそれぞれ動作部の目標位
置に対する位置偏差、動作部の速度、空気室３ａ、３ｂ
の基準圧力からの圧力偏差のフィードバックゲイン成分
であり、これらは、揺動型シリンダ１、ベーン２、負荷
８を含む空気圧駆動系の状態フィードバック制御系を構
成している。

空気室３ａ、３ｂ内のそれぞれの圧力をｐｔ。

ｐ２、ベーン２と負荷全体の慣性モーメントをＪ、粘性
摩擦係数をｂ、ベーンの受圧面積をＡ、ベーンの受圧部
の外半径と内半径との中心半径をｒＯ、ベーンの回転変
位量をθ、ベーンに作用する外乱をｄとすると、 Ｊ’＆＋ｂ／７＋ｄ＝Ａ・ｒＯ（ｐｌ　　ｐ２）−・・
・・（１） の関係が成り立つ、ここで、ｉはθの時間に関する２回
微分、ｂはθの時間に関する１回微分を表わす、圧力ｐ
ｉ　（ｉ＝１．２）と制御弁の開口面積ｓ　ｉ　（ｉ＝
１．２）との関係は、制？１１弁の上流側圧力と下流側
圧力との差が十分あると仮定し、平衡点（基準圧力ｐｏ
）まわりで線形化を行うと、−一−−−−・・（２） −・−（３） という関係が得られる。ここで、ｐｓは供給圧力、ｋｌ
、に２はベーンの形状や温度等に関係する定数である。

まず、空気の圧縮性等の影響を補償するための状態フィ
ードバック制御系を構成するため、外乱のない次式のシ
、ステムを考える。。

Ｊ’ｅ＋ｂ　０＝Ａ−ｒ　Ｏ・（ｐ　１−ｐ　２）−−
−−・−・（４） このとき、この空気圧駆動装置の状態方程式は、ｕ＝（
ｓｌ　　ｓ２） となる。なお、Ｔは転置行列を意味する。現代制御理論
に基づき第３図に示す状態フィードバックを行なうと、
指令値Ｕは、 ｕ＝−ｋ　ｃ　、ｅ　　　　　　　　　　　−−−−・
−（６）となる。ただし、θｄは動作部の回転変位量θ
の目標軌道、ｋｃは状態フィードバックゲイン行列１３
ａ、１３ｂである。この状態フィードバック制御により
空気の圧縮性が位置決め動作に及ぼす影響を抑制して動
作部の任意の位置で位置決め動作を実現できる。

次に、外乱ｄの影響を補償する方式について説明する。

いま、外乱ｄをなんらかの手段で推定、あるいは測定で
きたとする。（例えば、外乱推定オブザーバ）このとき
、基準圧力ｐＯを変化させて外乱ｄを補償するために、 Ａ−ｒＯ・　（ｐｉ−ｐ２） ＝Ａ−ｒＯ・（ｐｉ−ｐ２）十ｄ　　−−−−−１７）
となるｐｉ、ｐ２を考える。すると、式（１）、（力よ
り、 Ｊθ＋ｂθ＝Ａ−ｒＯ−（ｐｉ−ｐ２）という関係式か
えられ、ｐｉ、ｐ２を用いることにより外乱のない式（
４）と同等となる。従って、制御弁への指令値Ｕは、 ｕ　＝　−ｋ　ｃ　−ｅ　　　　　　　　　　−−−−
−−−−（９）ｅ＝（９−１？ｄ　ｌｌ　ｐｌ　　ｐＯ
ｐ２　　ｐｏ）となる。ここで、式（７）より、外乱力
の補償を圧力ｐ１．ｐ２に均等に分配することにすると
、−ｒ　０ 一−−−−−−−θω となるので、各制御弁への指令値Ｕは、・・−（Ｉ＋） となる。従って、外乱力補償部１１により圧力ｐ１の基
準圧力ｐｏは、 に、変更し、圧力ｐ２の基準圧力ｐＯは、に変更するこ
とで、外乱ｄを補償できる。

以上のように本実施例によれば、基準圧力を変更するこ
とで、任意の外乱が前記動作部に作用しでも、任意の目
標位置に対する位置決め等の動作を高速、高精度かつ容
易に実現することができる。

なお、本実施例において外乱力の補償を圧力ｐ１．Ｐ２
に均等に分配したが、分配の方式は任意である。外乱力
を供給側圧力と初ｐ、１１基準圧力との差と、排気側圧
力と初期基準圧力との差の比に分配し、初期基準圧力よ
り高圧になる側の空気室の基準圧力は供給側圧力と初期
基準圧力との差に対応する補償流体力を、初期基準圧力
より低圧になる側の空気室の基準圧力は排気側圧力と初
期基準圧力との差に対応する補償流体力を用いて変化さ
せて補償すると、外乱力を最大限に補償できる。

また、本実施例において制御則をＰＤ動作としたが、制
御則はＰＩＤ動作や、ＩＰＤ動作、さらに、ＰＩ動作等
でも容易に実現できる。

さらに、本実施例において１自由度のシステムを扱った
が、多自由度のシステムでもよい。その時、外乱ｄは動
作部の摩擦に加えて、他の動作部からの干渉力、そして
、コレオリ力、遠心力、さらには慣性変動やモデル誤差
によって生ずるものも含まれる。

そして、本実施例において揺動型シリンダを用いたが、
直動型シリンダでも同様に実現できる。

発明の効果 以上のように本発明の空気圧駆動装置は、空気室と該空
気室内を機密性を保ちながら移動可能な動作部とを有す
る空気圧アクチュエータと、前記動作部により分割され
た空気室群のそれぞれに指令値に応した空気を流入ある
いは流出させることができる制御弁群と、前記空気室群
の前記動作部に加わるそれぞれの流体力を検出する流体
力検出部と、前記動作部の動作状態を検出する動作状態
検出部と、前記動作状態検出部と前記流体力検出部の出
力信号、及び目標動作状態と流体力基準値を入力として
前記動作部が前記目標動作状態に従って移動するために
必要な指令値を前記空気圧室群のそれぞれの前記制御弁
群に出力する動作制御部を備え、前記動作部に加わる外
乱力を補償するために流体力基準値を外乱に応じて変化
させることにより、任意の外乱が作用しても、空気圧駆
動装置の任意の動作を容易に、かつ高速、高精度に実現
できるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における空気圧駆動装置の全
体図、第２図は同空気圧駆動装置における空気圧駆動揺
動型シリンダの詳細図、第３図は同空気圧駆動装置にお
ける動作制御部及び外乱補償部の詳細図である。 １・・・・・・空気圧揺動型シリンダ、２・・・・・・
ベーン、３ａ、３ｂ・・・・・・空気室、４・・・・・
・圧縮空気源、５ａ。 ５ｂ・・・・・・空気室３ａ、３ｂに対応する制御弁、
６ａ、６ｂ・・・・・・空気室３ａ、３ｂに対応する圧
力センサ、７・・・・・・位置検出センサ、８・・・・
・・負荷、９ａ。 ９ｂ・・・・Ｊ・制御弁５ａ、５ｂのコントローラ、１
０・・・・・・動作制御部、１１・・・・・・外乱力補
償部、１２・・・・・・微分器、１．３ａ、１３ｂ・・
・・・・増幅器、１４・・・・・・外乱力推定部。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名ｍ６ｂ−圧
力＝〉ブ ！　　−２営万鷹Ｊ初ンゾング ど−τ−ン　− ３Ｌ、ｓｂ　−一一き気！ ４−１満１謬気瓦児 第３図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）空気室と前記空気室内を機密性を保ちながら移動
   可能な動作部とを有する空気圧アクチュエータと、前記
   動作部により分割された空気室群のそれぞれに指令値に
   応じた空気を流入あるいは流出させることができる制御
   弁群と、前記空気室群の前記動作部に加わるそれぞれの
   流体力を検出する流体力検出部と、前記動作部の動作状
   態を検出する動作状態検出部と、前記動作状態検出部と
   前記流体力検出部の出力信号、及び目標動作状態と流体
   力基準値を入力として前記動作部が前記目標動作状態に
   従って移動するために必要な指令値を前記制御弁群に出
   力する動作制御部と、前記動作部に加わる外乱力を補償
   する外乱力補償部を備え、前記動作部が前記動作部に作
   用する前記流体力の合力によって駆動され、前記制御部
   は前記動作部が停止状態では前記流体力を流体力基準値
   に設定する空気圧駆動装置であって、前記外乱力補償部
   は前記動作部に加わる外乱力を推定し、前記外乱力を補
   償するために必要な補償流体力を前記推定外乱力を用い
   て求め、前記補償流体力を用いて前記流体力基準値を変
   化させることにより前記外乱力を補償することを特徴と
   する空気圧駆動装置。
2. （２）動作制御部が動作自由度と同数の制御量を計算し
   、前記制御量のうち動作状態により構成される部分の制
   御量については、前記指令値に分配し、流体力により構
   成される部分の制御量については、前記空気圧室群のそ
   れぞれに対応する前記流体力検出部の出力信号と流体力
   基準値との差に基づいて構成する指令値を前記制御弁群
   に出力する空気圧駆動装置であって、前記外乱力補償部
   は前記動作部に加わる外乱力を推定し、前記外乱力を補
   償するために必要な補償流体力を前記推定外乱力を用い
   て求め、前記補償流体力を用いて前記流体力基準値を変
   化させることにより前記外乱力を補償することを特徴と
   する請求項（１）記載の空気圧駆動装置。
3. （３）外乱補償部が流体力基準値を変化させる際、推定
   外乱力を空気室群のそれぞれの補償流体力に分配し、前
   記補償流体力の合力が前記推定外乱力を打ち消すように
   、各々の前記流体力基準値に加えることで変化させるこ
   とを特徴とする請求項（１）または（２）のいずれかに
   記載の空気圧駆動装置。
4. （４）流体力検出部が空気室群のそれぞれの圧力を検出
   する圧力検出装置群によって構成されており、動作制御
   部が基準圧力を入力として制御弁群へ指令値を出力し、
   外乱力補償部が前記基準圧力を変化させることにより外
   乱力を補償することを特徴とする請求項（１）または（
   ２）のいずれかに記載の空気圧駆動装置。
5. （５）外乱力補償部が推定外乱力を空気室群のそれぞれ
   の補償流体力に分配する際、前記推定外乱力を供給側圧
   力と初期基準圧力との差と、排気側圧力と初期基準圧力
   との差の比に分配し、前記初期基準圧力より高圧になる
   側の空気室の基準圧力は供給側圧力と前記初期基準圧力
   との差に対応する補償流体力を、前記初期基準圧力より
   低圧になる側の空気室の基準圧力は前記排気側圧力と前
   記初期基準圧力との差に対応する補償流体力を用いて変
   化させることを特徴とする請求項（３）または（４）の
   いずれかに記載の空気圧駆動装置。
6. （６）外乱力補償部が推定外乱力を空気室群のそれぞれ
   の補償流体力に分配する際、前記推定外乱力を均等に前
   記補償流体力に分配することを特徴とする請求項（３）
   記載の空気圧駆動装置。
7. （７）動作状態検出部が位置、速度、加速度を検出する
   手段のいずれか、あるいはその組合せにより構成されて
   いる請求項（１）または（２）のいずれかに記載の空気
   圧駆動装置。