JPH04157203A - 弾性収縮体を用いたアクチュエータの制御方法 - 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） この発明は加圧流体の給排により膨径変形し軸線方向に
収縮力を生起する弾性収縮体を具えるアクチュエータを
制御する制御方法に関するものである。

（従来の技術） 弾性収縮体は、ゴム又はゴム状弾性材料よりなる管状体
の外周に、例えば、芳香族ポリアミド繊維の如き耐張力
に優れた繊維をｗ１組んだ補強構造体を設け、それら管
状体及び補強構造体の両端を封止部材にて封止合着する
と共に、少なくとも一方の封止部材に管状体の内部空間
に連通ずる連通孔を形成した構造をしており、当該内部
空間への加圧流体の適用に際しての編組み補強構造体の
パンダグラフ運動に伴う管状体の膨径により、その軸線
方向に収縮力を生起し得るエアーバッグタイプのもので
ある。

このような弾性収縮体は、従来装置に比して小型軽量で
あり、加圧流体の有するエネルギーを効率良く運動に変
換することができる等の多くの利点を有するが、実質的
に収縮方向にだけ有為な力を発生し得るものであること
から、通例、アクチュエータに適用される場合には、同
等の構成をした弾性収縮体を対に配設すると共に、それ
らの−端を被駆動部材に直接的又は間接的に連結する一
方、他端を固定部にそれぞれ取付け、対をなす一方の弾
性収縮体に加圧流体を適用して収縮させ、他方の弾性収
縮体から加圧流体を排出して復元伸張させることにより
、被駆動部材に所望の回転又は並進運動を付与し得る構
造が取られてきた。

（発明が解決しようとする課Ｍ） しかしながら、このようなアクチュエータは、対をなす
各弾性収縮体に生起されるそれぞれの収縮力を互いに拮
抗させて用いるもので、各弾性収縮体の収縮力の差に対
応する力が被駆動部材を駆動させる出力して得られるだ
けであり、流体圧シリンダーなどの既知の装置に比して
、弾性収縮体の自重に対するその出力の割合が大きいと
いう特徴を十分に発揮し得す、また、対をなす弾性収縮
体に適用される加圧流体を同時に調整して一方は加圧し
他方は減圧させるため、特別な圧力調整装置を必要とす
る他、圧力調整装置を含めたアクチュエータの形状寸法
が大きくならざるを得ず、小型で軽量であるという弾性
収縮体の利点を十分に生かしえないという問題があった
。

更に、従来のアクチュエータにあっては、被駆動部材の
実際の変位量を検出する変位検出手段からの検出信号を
フィードバックして、当該検出信号と被駆動部材に対す
る指令変位量との差を求め、その差がが成る範囲内に収
まるよう制御する方法が取られてきたが、被駆動部材を
所望位置まで変位させるのに上記演算を繰り返して行う
ことから、従来の制御方法では応答性が低いという問題
もあった。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、
小型・軽量で自重に対する出力の割合が大きいという弾
性収縮体の特徴を損なうことなく、しかも応答性に優れ
た制御方法を提供することをその目的とする。

（課題を達成するための手段） この目的を達成するため、本発明にあっては、相対運動
可能な部材にそれぞれ一端が直接的又は間接的に取付け
られ、加圧流体の給排により膨径変形し軸線方向に収縮
力を生起する弾性収縮体と、弾性収縮体の実収縮量を検
出する変位検出手段と、弾性収縮体に対する指令収縮信
号及び変位検出手段からの変位信号の差信号に比例・積
分・微分演算処理を施して、差信号に対応する制御信号
を出力する演算手段と、演算手段からの制御信号に対応
して弾性収縮体に適用される加圧流体の圧力を調整する
圧力調整手段とを具えるアクチュエータを制御するに際
し、弾性収縮体の収縮力を検出する力検出手段を設け、
弾性収縮体に適用される加圧流体の圧力（Ｐ）と収縮力
（Ｆ）と収縮率（ε）との関係を示す予め求められた関
係式を用いて、弾性収縮体に対する指令収縮信号及び力
検出手段からの検出信号とから、弾性収縮体に適用すべ
き加圧流体の圧力を求め、この圧力に対応する制御信号
を圧力調整手段にフィードフォワードすることを特徴と
する。

また、相対運動可能な部材にそれぞれ一端が直接的又は
間接的に取付けられ、加圧流体の給排により膨径変形し
軸線方向に収縮力を生起する弾性収縮体と、弾性収縮体
の収縮力を検出する力検出手段と、弾性収縮体に対する
指令力信号及び力検出手段からの力信号の差信号に比例
・積分・微分演算処理を施して、差信号に対応する制御
信号を出力する演算手段と、演算手段からの制御信号に
対応して弾性収縮体に適用される加圧流体の圧力を調整
する圧力調整手段とを具えるアクチュエータを制御する
に際し、弾性収縮体の収縮量を検出する変位検出手段を
設け、弾性収縮体に適用される加圧流体の圧力（Ｐ）と
収縮力（Ｆ）と収縮率（ε）との関係を示す予め求めら
れた関係式を用いて、弾性収縮体に対する指令力信号及
び変位検出手段からの検出信号とから、弾性収縮体に適
用すべき加圧流体の圧力を求め、この圧力に対応する制
御信号を圧力調整手段にフィードフォワードすることを
特徴とする。

（作　用） 適用される加圧流体の圧力（Ｐ）と収縮力（Ｆ）と収縮
率（ε）との予め求められた弾性収縮体の関係式と弾性
収縮体に対する指令収縮信号及び力検出手段からの検出
信号とから、弾性収縮体の指令収縮信号（ε、、）に対
応する圧力（Ｐｏ）を求め、当該圧力に対応した制御信
号を圧力調整手段にフィードフォワードしたので、プロ
セスの伝達遅れと関係なく応答性の良い制御が可能とな
る。

そして、変位検出手段からの検出信号を演算手段にフィ
ードバックしてその差信号に比例・積分・微分演算処理
を施し、当該差信号に対応する制御信号を、弾性収縮体
への加圧流体の給排を司る圧力調整手段におくり、検出
信号と指令収縮信号との差が所定範囲内に収まるよう、
適用される加圧流体の圧力を調整するので、ひいてはア
クチュエータに所望の運動を付与することかできる。

これに対し、弾性収縮体に対し予め求められた関係式と
弾性収縮体に対する指令力信号及び変位検出手段からの
検出信号とから、弾性収縮体の指令力信号（Ｆｌ）に対
応する圧力（Ｐｏ）を求め、当該圧力に対応した制御信
号を圧力調整手段にフィードフォワードする一方、収縮
力検出手段からの検出信号を演算手段にフィードバック
すれば、弾性収縮体の収縮力を制御することもできる。

そして、何れの場合にあっても、弾性収縮体を対にして
用いることなく、単体で制御し得るので、自重に対する
出力の割合が大きいという弾性収縮体の特徴を十分に生
かしたアクチュエータを得ることができる。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明方法について詳述する。

第１図は、本発明を適用してアクチュエータの位置制御
を行う方法を示すブロック線図であり、そのアクチュエ
ータは模式的に第２図に示す構造をしている。

第２図においてアクチュエータ１０は、軸１２にその軸
線周りに相対回転可能に一端が取付けられたアーム部材
１４と、当該軸１２に一端が固着された他のアーム部材
１６と、それらアームのそれぞれの自由端に各端部がそ
れぞれ連結さた弾性収縮体１８とを具え、弾性収縮体１
８への図示しない操作圧力源からの加圧流体の給排に伴
う収縮力の発生により、アーム部材１４が他のアーム部
材１６に対して相対運動するものである。それゆえ、従
来のアクチュエータのように、弾性収縮体を対にして各
弾性収縮体に生起される収縮力を相互に拮抗させるもの
でないことから、自重に対するその出力の割合が大きい
という弾性収縮体の特徴を十分に発揮し得るものである
。

そして、それらアーム部材１４及び１６のなす相対角度
、即ち弾性収縮体の実際の収縮量を検出するため、ロー
タリエンコーダなどの既知の変位検出手段２０をアーム
部材１６に設け、アーム部材１４の軸１２の周りに回転
する部分に一体的に取付けた歯車２２を、ロータリエン
コーダの入力軸に取付けた歯車に噛合させ、更に、弾性
収縮体に対する指令収縮信号を入力する操作盤２４及び
ロータリエンコーダ２０を演算手段２６に接続する。

演算手段２６は、操作盤２４からの指令収縮信号及び変
位検出手段２０からの弾性収縮体の実際の変位に対応し
た変位信号との差信号に対して所定の比例・積分・微分
演算処理を施し、当該差信号に対応した制御信号を圧力
調整手段２８に出力する。この圧力調整手段２８は、操
作圧力源としての、例えば、エアーコンプレーサ３０に
接続されており、演算手段２４からの制御信号に応じて
弾性収縮体１８に適用される加圧流体の圧力を調整し得
るものである。

また、加圧流体の適用により弾性収縮体に生起される収
縮力を検知する、例えば、ひずみゲージを用いたロード
セルなどの既知の力検出手段３２をを設け、演算手段２
６に接続する。

ところで、弾性収縮体１８に適用される加圧流体の圧力
、生起される収縮力そして収縮率との関係は、適用加圧
流体の圧力をパラメータとすると、−船釣に第３図に示
す関係にあり、通用加圧流体の圧力が大きければ生起さ
れる収縮力（Ｆ）が大きく、また、適用圧力を一定とし
た場合に、弾性収縮体の収縮率（ε）を大きなものにす
るとその収縮力（Ｆ）が小さくなり、また、その収縮力
と収縮率との関係は単純な反比例の関係に−なく、非線
形な関係にある。その上、加圧流体の圧力を一定として
、弾性収縮体の収縮率が増大させる方向にある場合と、
減少する方向にある場合とでは、僅かであるが弾性収縮
体の収縮力に差（δＦ）が生ずることが分かる。なお、
当該収縮力の差（δＦ）は、主に管状体及び編組み補強
構造体のヒステリシスに起因するものと思われる。

しかしながら、弾性収縮体に生起される収縮力（Ｆ）は
、管状体及び編組み補強構造体のヒステリシスに起因す
る収縮力の差（δＦ）に比して十分に大きなものである
とすれば、弾性収縮体に適用される加圧流体の圧力（Ｐ
）、生起される収縮力（Ｆ）、そして収縮率（ε）を次
式で近似することができる。

Ｆ＝（ａ−ｂ・ε）・Ｐ−ｇ（ε）（１）但し、ａ、ｂ
は弾性収縮体の構造によって定まる定数であり、ｇ（ε
）はεの 一次以上の多項式である。

ここで、式（１）を加圧流体の圧力Ｐに関して陰な形で
表せば、 Ｐ＝（Ｆ−ｇ（ε））／（ａ−ｂ・ε）（２）この式（
２）は、弾性収縮体の収縮力（Ｆ）及び収縮率（ε）が
与えられれば、それら収縮力及び収縮率を生起するため
に必要な圧力Ｐが一意に定まることを示しており、第１
図に示すような制御を行うことにより、弾性収縮体を対
にすることなく単体として適用したアクチュエータにあ
っても、その位置制御を正確に行うことができる。

即ち、アクチュエータに対する指令位置信号、即ち弾性
収縮体の指令収縮信号ε、に対して、式（２）に基づい
て弾性収縮体に適用すべき加圧流体の圧力Ｐ８を求め、
当該圧力Ｐ、に対応した制御信号を圧力調整手段２６に
フィードフォワードする。

この場合に、式（２）に基づ（当該圧力の演算は、演算
手段２６にて行うことができるが、他の演算手段を別個
に設けても良い。なお、弾性収縮体の初期収縮力（Ｆｉ
　）の値としては、適宜選択することができるが、通例
はＦｉ　＝０とする。

そして、指令信号ε、に対する演算手段２６がらの制御
信号を受けた圧力調整手段２日は、当該制御信号に対応
した圧力の加圧流体を弾性収縮体１８に適用する。それ
ゆえ、加圧流体が適用された弾性収縮体１８は収縮して
アーム部材を移動させる。

すると、力検出手段３２から加圧流体の適用を受けて収
縮した弾性収縮体の収縮力（Ｆ）に対応した検知信号を
受けた演算手段２６は、式（２）、指令収縮信号（ε、
）、収縮力Ｆに基づいて、再度、弾性収縮体１８に適用
すべき加圧流体の圧力（Ｐ）を演算し、当該圧力（Ｐ）
に対応する制御信号を圧力調整装置２８にフィードフォ
ワードする。それゆえ、弾性収縮体１８は、その指令収
縮信号ε、に更に近い収縮運動を行うこととなる。

これに対し、変位検出手段２０からの検出信号がフィー
ドバックされた演算手段２６は、指令収縮信号（εｒ）
と検出信号との差信号に対して所定の比例・積分・微分
演算処理施し、いわゆるＰＩＤ補償を行い、当該差信号
に対応する制御信号を圧力調整手段２８に送る。圧力調
整手段は、当該制御信号に対応して、弾性収縮体に適用
される加圧流体の圧力を更に調整し、弾性収縮体の実収
縮量と指令収縮量との差を一段と小さなものとするので
、弾性収縮体の実収縮量と指令収縮量との差を一段と小
さなものとする。

それゆえ、弾性収縮体に関して予め求められた、適用さ
れる加圧流体の圧力（Ｐ）、収縮力（Ｆ）そして収縮率
（ε）の関係式を用いて、アクチュエータの運動量、即
ち弾性収縮体に対する指令収縮信号に対し、適用すべき
加圧流体の圧力が一意に規定されるので、単一の弾性収
縮体を用いても位置制御を行うことができる。しかも、
適用すべき加圧流体の圧力に対応する制御信号を圧力調
整手段にフィードフォワードすることとしたので、アク
チュエータの応答性を向上させることができる。また、
変位検出手段からの検出信号をフィードバックし、指令
収縮信号と実収縮量に対応する検出信号との差が小さく
なるようにしたので、精度良くアクチュエータの位置制
御を行うことができる。

第１図に示した制御方法にあっては、アクチュエータを
位置制御する場合について説明したが、アクチュエータ
の出力、即ち弾性収縮体の収縮力を制御することもでき
、この場合には、第４図に示したように、指令力信号（
Ｆ、）に対し、式（２）、初期収縮率（ε、）に基づい
て弾性収縮体に適用すべき加圧流体の初期圧力（Ｐｌ）
を求め、当該圧力に対応する制御信号を圧力調整手段２
８にフィードフォワードし、弾性収縮体を収縮させる。

そして、変位検出手段２０が弾性収縮体の収縮運動に基
づく実収縮量に対応する検出信号を演算手段２６に送る
と、演算手段２６は、式（２）、指令力信号（Ｆ）そし
て検出収縮率（ε）から、適用すべき加圧流体の圧力（
Ｐ）を求めて、当該圧力に対応する制御信号を圧力調整
手段に送るので、弾性収縮体はその指令収縮力（Ｆ、）
に近い収縮力を生起する。

一方、力検出手段３２からの検出信号は、演算手段２６
にフィードバックされ、位置制御する場合とほぼ同様に
、演算手段２６は指令収縮力信号（Ｆ、）と検出信号と
の差信号に対して所定の積分・演算処理を施し、その差
信号に対応した制御信号を圧力調整手段に送り、弾性収
縮体の実収縮力と指令収縮力との差を更に小さなものす
る。

それゆえ、アクチュエータの生起すべき指令力信号に対
し、適用すべき加圧流体の圧力を一意に規定されるので
、単一の弾性収縮体を用いて力制御を行うことができる
。また、アクチュエータの応答性を向上させ、しかも精
度良くアクチュエータの力制御を行うことができる。

（発明の効果） かくして、この発明によれば、小型軽量で出力の大きな
弾性収縮体の利点を損なうことなく、弾性収縮体を用い
たアクチュエータを制御することができる。しかも、弾
性収縮体を対にして使用する必要がないので、アクチュ
エータの専有空間を一段と小さなものとすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明を用いて位置制御を行う場合の制御
方法を示すブロック線図、 第２図は、本発明方法を用いたアクチュエータを示す模
式図、 第３図は、弾性収縮体の特性を示す説明図、そして、 第４図は、この発明を用いて力制御を行う場合の制御方
法を示すブロック線図である。 １０−・−アクチュエータ　　１２−・軸１４．１６−
−・−アーム部材　　１８−　弾性収縮体２０−一一一
変位検出手段　　　２２−・−・歯車２４−一一一操作
盤　　　　　　２６・−演算手段２８−・−圧力調整手
段　　　３０−　　操作圧力源３２−一一一力検出手段 特許出願人　　株式会社　ブリデストン代理人　弁理士
　　杉　　村　　暁　　秀同　　　　弁理士　　杉　　
　村　　　興　　　イ乍同　　　弁理士　　佐　　藤　
　安　　捻回　　　弁理士　　冨　　１）　　　　　典
同　　　　弁理士　　梅　　　本　　　政　　　大同　
　　弁理士　　仁　　平　　　　　　孝＠３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、相対運動可能な部材にそれぞれ一端が直接的又は間
   接的に取付けられ、加圧流体の給排により膨径変形し軸
   線方向に収縮力を生起する弾性収縮体と、弾性収縮体の
   実収縮量を検出する変位検出手段と、弾性収縮体に対す
   る指令収縮信号及び変位検出手段からの変位信号の差信
   号に比例・積分・微分演算処理を施して、差信号に対応
   する制御信号を出力する演算手段と、演算手段からの制
   御信号に対応して弾性収縮体に適用される加圧流体の圧
   力を調整する圧力調整手段とを具えるアクチュエータを
   制御するに際し、 弾性収縮体の収縮力を検出する力検出手段を設け、弾性
   収縮体に適用される加圧流体の圧力（Ｐ）と収縮力（Ｆ
   ）と収縮率（ε）との関係を示す予め求められた関係式
   を用いて、弾性収縮体に対する指令収縮信号及び力検出
   手段からの検出信号とから、弾性収縮体に適用すべき加
   圧流体の圧力を求め、この圧力に対応する制御信号を圧
   力調整手段にフィードフォワードすることを特徴とする
   弾性収縮体を用いたアクチュエータの制御方法。 ２、相対運動可能な部材にそれぞれ一端が直接的又は間
   接的に取付けられ、加圧流体の給排により膨径変形し軸
   線方向に収縮力を生起する弾性収縮体と、弾性収縮体の
   収縮力を検出する力検出手段と、弾性収縮体に対する指
   令力信号及び力検出手段からの力信号の差信号に比例・
   積分・微分演算処理を施して、差信号に対応する制御信
   号を出力する演算手段と、演算手段からの制御信号に対
   応して弾性収縮体に適用される加圧流体の圧力を調整す
   る圧力調整手段とを具えるアクチュエータを制御するに
   際し、 弾性収縮体の収縮量を検出する変位検出手段を設け、弾
   性収縮体に適用される加圧流体の圧力（Ｐ）と収縮力（
   Ｆ）と収縮率（ε）との関係を示す予め求められた関係
   式を用いて、弾性収縮体に対する指令力信号及び変位検
   出手段からの検出信号とから、弾性収縮体に適用すべき
   加圧流体の圧力を求め、この圧力に対応する制御信号を
   圧力調整手段にフィードフォワードすることを特徴とす
   る弾性収縮体を用いたアクチュエータの制御方法。