JPH09217704A - 機械の制御方法及びその制御方法を用いた機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ロボット等の可動部の駆動源として空気圧シリ
ンダを採用できるようにすること。 【解決手段】バランサ機構１は、空気圧シリンダ２を駆
動源とし、容器2A，2B内の空気圧を、制御装置10により
制御される三方弁９を介して調整することでロッド３を
上下方向に動作させる。一方、ロッド３を停止させると
きには、電磁ブレーキ5A，5Bに電流を印加し、摩擦板７
との間で制動力を発生させる。なお、ロードセル８によ
り、空気圧シリンダ２の出力と負荷（フック11に吊るさ
れる重り）との間のアンバランス分を検出し、制御装置
10では、その検出値が０になるように、空気圧シリンダ
２の出力を三方弁９を介して調整する。これにより、制
御が困難で従来採用できなかった空気圧シリンダを用い
ても、ロッド３を任意の位置に高精度に停止させつつ良
好なバランス制御が行えるので、ロボット等の可動部の
駆動源として空気圧シリンダを採用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロボット等の機械
の可動部を任意の位置に制御するための制御方法、及び
その制御方法を利用して制御されるロボット等の機械に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ロボット等を含む機械の可動部の
動作を制御する場合の制御理論は、可動部の駆動のみを
制御して可動部に任意の動作（停止も含む）をさせるも
のであり、図１２に示すように、例えば、フィードバッ
ク制御により、所望の動作（目標値）が得られるよう
に、可動部を駆動するための駆動装置（アクチュエータ
等の制御対象）の操作量（出力）を制御するものとされ
ていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の制御理論では、例えば、フィードバック制御により
目標停止位置でロボット可動部の動作を停止させようと
した場合、制御遅れ等によってロボット可動部が目標停
止位置に収束するまでには、目標停止位置を中心として
ロボット可動部が変動する等の惧れがある。なお、流体
（空気や油等）圧を駆動源とする流体圧アクチュエータ
を駆動装置として用いた場合には、一旦停止できてもそ
の後に外乱等により流体圧アクチュエータ出力と負荷と
のバランスが崩れたりすると、アクチュエータを構成す
るシリンダとピストンとの間の摩擦状態が微妙に変化し
て静摩擦状態と動摩擦状態との間を行ったり来たりして
摩擦係数が大きく変化することになり、可動部を目標停
止位置に一定に保持することが困難となり、所謂ステッ
ク・スリップを発生させる等の惧れがある。

【０００４】更に、停止している間においても、常にフ
ィードバック制御を継続し続けなければ、その状態を維
持することができず、また外乱等に対して応答性よく対
応できない。従って、従来の制御理論に基づく制御方法
では、例えば空気圧アクチュエータを駆動装置としてバ
ランサ機構等に用いようとした場合、空気の圧縮性や非
線形性などの影響で安定した位置決めの制御がより一層
困難となるため、ある任意の位置における力のバランス
動作を容易には行うことができず、これまで空気圧アク
チュエータを用いたバランサ機構（ロボット可動部）と
いうものは実現されていない。

【０００５】このため、例えばロボット可動部（例えば
バランサ機構等）のアクチュエータとしては、電気式や
油圧式によるものが採用されて来たが、電気式のもので
は出力が小さく、油圧式のものは油洩れ等の際に周囲を
汚染する等の惧れがあり、繊維，食品，精密機械製造，
医療用等のロボット可動部のアクチュエータとしては適
さないため、大きな負荷に適用でき、かつ、周囲の汚染
等の心配の無いクリーンなアクチュエータを持つロボッ
トの実現は、広く産業界において依然強く切望されてい
るのが実情である。

【０００６】なお、従来から、人間の腕や脚等の動作
は、従来の制御理論と同様、引張側の筋肉（アクチュエ
ータ）と、伸び側の筋肉（アクチュエータ）と、の力の
バランスにより制御されているとされ、このため人間同
様の動作を行わせるロボット可動部（バランサ機構等）
の各アクチュエータの制御理論も、アクチュエータ（駆
動装置）の出力を制御するという従来の制御理論をその
まま踏襲して来ており、この従来の制御理論をそのまま
に、空気圧アクチュエータの採用の実現化ための各種改
良がなされて来ている。

【０００７】即ち、空気圧アクチュエータの採用の実現
化のための種々の改良は、何れも制御装置の制御精度・
応答性の改良，アクチュエータの構造自体の改良や製品
精度の向上，或いは各種センサの改良・検出精度の向上
等に力を注いでいるものであり、これらにより幾分の改
良は望めるとしても自ずと限界があるものであり、未だ
空気圧アクチュエータをバランサ機構に実際に採用でき
るには至っていないと言うのが実情なのである。

【０００８】一方、本願の発明者等は、人間の腕・脚等
の動作の研究を重ねるうちに、例えば人間の腕や脚の動
作は、引張側の筋肉と、伸び側の筋肉と、の力の調整に
よりなされるという従来の制御理論からでは説明できな
いものであることに想到するに至った。具体的には、例
えば、腕で重りを水平に支持させた状態で急速落下を試
みると、腕は必ず一期に落下方向とは逆の上方へ伸ばさ
れるという研究結果が得られたのである。この結果を詳
細に解析してみると、人間の腕の動作は、引張側の筋肉
と、伸び側の筋肉と、の力の調整によりなされているだ
けではなく、腕をある位置に固定しているような場合に
は、ある許容値（不感帯）を持って筋肉に“動くな”と
いう停止指令を送っている（力のバランスで固定してい
るのではない）のであると判断するに至ったのである。

【０００９】つまり、この停止指令のかかった状態では
引張側の筋肉と伸び側の筋肉との力の調整が常に継続的
に実行されているわけではないので、急速落下させたこ
とで腕への負荷が急増し前記許容値（不感帯）を越えて
停止指令が解かれた状態となってしまうと、一期に腕が
落下方向と逆の上方へ伸ばされてしまうものと考えられ
る。これに対し、従来の制御理論によれば、引張側の筋
肉と伸び側の筋肉との力がバランスするような調整が常
に継続的に実行されているはずであり、このため急速落
下させても、人間の応答能力をもってすれば重力変化に
応じて引張側の筋肉と伸び側の筋肉との力の調整がある
程度良好に行われるはずであるので、一期に腕が上方へ
伸ばされてしまうということは考え難いのである。な
お、当該落下に慣れると、人間は学習するので、前記許
容値（不感帯）の幅を大きく設定するようになり、一期
に腕が上方へ伸ばされることは抑制されるようになるも
のと考えられる。

【００１０】また、他の例としては、ボールを蹴る際に
は、蹴る瞬間の反力を吸収しうる許容値（不感帯）で脚
の形を維持するように筋肉に“動くな”という停止指令
が送られ、これにより良好にボールを蹴ることが可能と
なるものと考えられる。即ち、従来の制御理論からすれ
ば、如何に制御応答性を高くしても、蹴る瞬間にはその
反力により筋肉のバランスが崩れ必ず脚の形が崩れるこ
とになるが、このようなことが発生しないのは、蹴る瞬
間の反力を吸収し得る許容値（不感帯）で脚の形を維持
するように筋肉に“動くな”という停止指令が送られて
いることに他ならないと考えられるのである。

【００１１】つまり、本願の発明者等は、人間の動作に
は、従来の制御工学上の理論からだけでは説明できない
現象があることを確認し、その現象を解析した結果、ロ
ボット等の機械の可動部の動作を制御するための新たな
制御理論として、従来の制御理論（所望の動作の実現に
当たり、駆動装置の出力を制御するという制御理論）
に、駆動装置とは別の手段により可動部の動作を停止
（制動）させる制動理論を取り入れる必要があるという
ことに想到したのである。

【００１２】本発明は、かかる新たな知見を取り入れた
機械の制御方法を提供すること、及びこの制御方法によ
って制御される機械を提供すること、例えば従来ロボッ
ト等の駆動源として採用できなかった空気圧アクチュエ
ータを簡単かつ安価な構成で採用できるようにすること
を目的とする。また、より一層制御の高精度化を図るこ
と、更に本発明に係る機械の適用領域を拡げること、作
業者に対する安全性を向上させること等も目的とするも
のである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１に記
載の発明に係る機械の制御方法は、機械の可動部を任意
の位置に制御する制御方法であって、前記可動部の駆動
と、前記可動部の制動と、を別経路で制御して、前記可
動部を任意の位置に制御するようにした。

【００１４】このようにして、従来のように可動部の駆
動のみを制御して可動部の動作を制御していた従来の制
御方法に比べ、極めて簡単な構成で、かつ、応答性良く
高精度に、可動部を任意の位置に安定して制動（延いて
は停止）させることができるようにすると共に、これと
は別の経路で制御される可動部の駆動状態を任意の状態
に制御させておくことができるようにする。

【００１５】そして、請求項２に記載の発明に係る機械
では、図１に示すように、機械の可動部を駆動するため
の駆動手段と、前記駆動手段とは別経路で前記可動部の
動作を制動する制動手段と、を備え、前記駆動手段と前
記制動手段とを介して、前記可動部を任意の位置に制御
するようにした。

【００１６】このようにして、従来のように可動部の駆
動のみを制御して可動部の動作を制御していた従来の制
御方法を利用した機械に比べ、極めて簡単な構成で、か
つ、応答性良く高精度に、制動手段を介して可動部を任
意の位置に安定して制動（延いては停止）させることが
できるようにすると共に、これとは別の経路で設けた駆
動手段により可動部の駆動状態を任意の状態に制御させ
ておくことができるようにする。

【００１７】請求項３に記載の発明では、図１に破線で
示す部分を加えて、機械の可動部に作用する負荷と、当
該負荷に抗する前記駆動手段の出力と、の偏差が無くな
るように、前記駆動手段の出力を制御する制御手段を含
んで構成するようにした。このようにして、機械の可動
部に作用する負荷と、当該負荷に抗する前記駆動手段の
出力と、の偏差（アンバランス力）を無くすようにすれ
ば、制動手段の制動力で前記偏差（アンバランス力）を
吸収する必要性が減少されることになるので、例えば、
前記制動手段と相俟って制動性能（制動速度や制動力
等）を高めることができるようになり、以って任意の位
置に制動，停止させる際の制動精度の向上や制動維持能
力の向上、延いては前記制動手段の容量を小容量化する
ことが可能となる。また、前記制動手段による制動を解
除したときに、前記偏差（アンバランス力）あると、急
激に可動部が動き出すような惧れがあるが、これを確実
に抑制することができるようになる。

【００１８】請求項４に記載の発明では、機械の可動部
に作用する負荷と、当該負荷に抗する前記駆動手段の出
力と、の偏差を、前記可動部と、前記可動部を制動する
前記制動手段の制動部と、の間に介装した偏差検出手段
により検出するようにした。このようにすれば、簡単か
つ安価な構成により、高い信頼性で実際の前記偏差（ア
ンバランス力）を検出することができるので、前記制御
手段による制御の信頼性や制御精度の向上が図れるよう
になる。

【００１９】請求項５に記載の発明では、前記制動手段
の制動力を、可変に設定できるようにした。このように
すれば、所望の（例えば可動部に作用する負荷に見合っ
た）制動力が得られるようになり、例えば、制動性能
（制動速度や制動力等）を高めることができるようにな
り、以って任意の位置に制動，停止させる際の制動精度
の向上や制動維持能力の向上が図れ、また、請求項６に
記載の発明のように、前記制動手段の制動力を、要求す
る機構のこわさに応じて変更するようにすれば、容易に
コンプライアンス制御を行わせることができるようにな
る。

【００２０】請求項７に記載の発明では、前記制動手段
に機械の可動部に対する制動力を発生させて、機械の可
動部に作用する負荷振動を制振させる制振装置として機
能させるようにした。このようにすれば、本発明の適用
範囲をより一層拡張させることができることになる。

【００２１】請求項８に記載の発明では、前記駆動手段
を、空気圧アクチュエータとした。即ち、産業界等にお
いて、空気圧アクチュエータを産業用ロボット等の可動
部の駆動手段として採用できるようにすることが強く望
まれてきたが、これに応えることができ、大きな負荷に
適用でき、かつ、周囲の汚染等の心配の無いクリーンな
アクチュエータを持つロボット等の機械を提供すること
が可能となる。

【００２２】請求項９に記載の発明では、所定の安全条
件が確認できないときに、機械の可動部の動作を強制停
止させる安全装置として前記制動手段を機能させるよう
にした。即ち、安全でない条件が成立したときに、前記
制動手段を安全装置として機能させるようにすれば、別
個独立した安全装置を設けなくて済むので、構成の簡略
化、低コスト化等を図ることができることとなる。

【００２３】請求項10に記載の発明では、前記制動手段
を、入力される制御信号が低エネルギ状態のときに前記
可動部の動作を制動するように構成した。即ち、入力さ
れる制御信号が、高エネルギ状態のときに可動部に対し
制動力が作用するような構成とすると、制動手段（電磁
ブレーキ等）が故障等していると制動できなくなり作業
者に対する安全性を確保できなくなる惧れがあるが、低
エネルギ状態で制動力を発生させるようにしておけば、
制動手段（電磁ブレーキ等）が故障等している場合に
は、常に制動力が与えられることになるので、作業者の
安全性等を一層向上させることができ、フェールセーフ
機能を格段に向上させることができる。

【００２４】

【発明の効果】請求項１に記載の発明に係る機械の制御
方法によれば、従来のように可動部の駆動のみを制御し
て可動部の動作を制御していた従来の制御方法に比べ、
極めて簡単な構成で、かつ、応答性良く高精度に、可動
部を任意の位置に安定して制動（延いては停止）させる
ことができると共に、これとは別の経路で制御される可
動部の駆動状態を任意の状態に制御させることができ
る。従って、例えば、作業者への安全性を向上できた
り、一旦停止後の再動作開始時に所望の駆動状態に制御
しておくことができるので可動部の円滑かつ応答性の良
い動作等を実現すること等も可能である。また、可動部
の駆動とは別経路で可動部を制動させるので、例えば、
可動部の駆動側の制御を極言して暴走状態等としておい
ても、良好に可動部を任意の位置に高精度に制御するこ
とができ、制御ロジックの簡略化を図れる等の各種の効
果を奏することができるものである。

【００２５】請求項２に記載の発明に係る機械によれ
ば、請求項１に記載の発明と同様の効果を奏することが
できる。請求項３に記載の発明によれば、機械の可動部
に作用する負荷と、当該負荷に抗する前記駆動手段の出
力と、の偏差を無くすようにしたので、制動手段の制動
力で前記偏差を吸収する必要性が減少されることになる
ので、制動性能（制動速度や制動力等）を高めることが
できるようになり、以って任意の位置に制動，停止させ
る際の制動精度の向上や制動維持能力の向上、延いては
前記制動手段の容量を小容量化することもできる。ま
た、前記制動手段による制動を解除したときに、急激に
可動部が動き出すような惧れも確実に抑制することがで
き、以って安全性等を向上させることができる。

【００２６】請求項４に記載の発明によれば、簡単かつ
安価な構成により、高い信頼性で実際の前記偏差を検出
することができ、前記制御手段による制御の信頼性や制
御精度の向上が図れる。請求項５に記載の発明によれ
ば、所望の制動力が適宜得られるので、例えば、前記可
動部に作用する負荷に見合った制動性能（制動速度や制
動力等）を無駄なく容易に達成させることができる。

【００２７】請求項６に記載の発明によれば、簡単な制
御ロジックでコンプライアンス制御を行わせることがで
きる。請求項７に記載の発明によれば、本発明の適用範
囲をより一層拡張させることができる。請求項８に記載
の発明によれば、産業界等において、空気圧アクチュエ
ータを産業用ロボット等の可動部の駆動手段として採用
できるようにすることが強く望まれてきたが、これに応
えることができ、大きな負荷に適用でき、かつ、周囲の
汚染等の心配の無いクリーンなロボット等の機械を提供
することができる。

【００２８】請求項９に記載の発明によれば、前記制動
手段を安全装置としても機能させることができるので、
別個独立に安全装置を設けなくて済むので、以って構成
の簡略化、低コスト化等を図ることができる。請求項10
に記載の発明によれば、作業者の安全性等を一層向上さ
せることができ、フェールセーフ機能を格段に向上させ
ることができる。

【００２９】

【実施形態】以下に、本発明の一実施形態を図面に基づ
いて説明する。図２（Ａ），図２（Ｂ）は、本実施形態
におけるバランサ機構１を示している。このバランサ機
構１は、一例として複動型空気圧シリンダ２をアクチュ
エータ（本発明で言う駆動手段）としたものである。空
気圧シリンダ２内をロッド３に取り付けられた摺動自由
なピストン４により２つの容器２Ａ，２Ｂに画成し、こ
れら容器２Ａ，２Ｂ内の空気圧を、三方弁９を介して調
整することで、固定された空気圧シリンダ２に対してロ
ッド３（延いてはフック１１）等を、図２（Ａ）〔図２
（Ｂ）〕中上下方向に動作させるようになっている。な
お、前記三方弁９は、マイクロコンピュータ等からなる
制御装置１０により制御信号が送られて駆動制御される
ようになっている。

【００３０】ところで、前記空気圧シリンダ２には、本
発明に係る制動手段としての２つの電磁ブレーキ５Ａ，
５Ｂ（これに限らず、所定の制動能力が得られれば１つ
でも良いし３つ以上であっても良い）が、図２（Ａ）
〔図２（Ｂ）〕中上下方向に並んで取り付けられている
（勿論、これに限らず例えば左右方向でも良い）。ま
た、前記ロッド３と略平行に、かつ、前記電磁ブレーキ
５Ａ，５Ｂと対面して、摩擦板７が配設されている。こ
の摩擦板７は、支持部材６Ａ，６Ｂを介してロッド３と
略一体的に取付けられている。なお、前記ロッド３，支
持部材６Ａ，６Ｂ，摩擦板７等が、本発明に係る“機械
の可動部”に相当することになる。

【００３１】そして、前記電磁ブレーキ５Ａ，５Ｂ内の
コイルに電流を印加すると、摩擦板７と電磁ブレーキ５
Ａ，５Ｂとの間に制動力が発生し、摩擦板７（延いては
ロッド３）と空気圧シリンダ２とが接続されるようにな
っている。この電磁ブレーキ５Ａ，５Ｂは、前記制御装
置１０からの制御信号により駆動制御されるようになっ
ている。

【００３２】ところで、本実施形態では、前記摩擦板７
の端部と支持部材６Ａとの間には、ロードセル８が介装
されており、このロードセル８では、摩擦板７（延いて
はロッド３）が前記電磁ブレーキ５Ａ，５Ｂにより制動
（延いては停止）された場合に摩擦板７に対して作用す
る荷重を検出することができるようになっている。な
お、ロードセル８が、本発明に係る偏差検出手段として
機能することになる。

【００３３】ここで、このロードセル８の利用方法につ
いて説明する。前記ロッド３を、図２（Ａ）〔図２
（Ｂ）〕中上下方向に移動させる際には、電磁ブレーキ
５Ａ，５Ｂに電流は印加されず摩擦板７と空気圧シリン
ダ２との接続は開放され、摩擦板７には荷重が掛からな
い。従って、ロードセル８では荷重０が検出される。

【００３４】一方、前記ロッド３を所定位置で停止させ
たいときには（例えば、制御装置１０に設けたレバー１
０Ａの操作により停止指示することができる。なお、制
御装置１０とレバー１０Ａとは、後述する第２の実施形
態に係る図７の如く、例えば支持板６Ｂの下方に取り付
けるようにしても良い）、制御装置１０を介して摩擦ブ
レーキ５Ａ，５Ｂに電流を印加させて摩擦板７を空気圧
シリンダ２と接続させるが、このとき空気圧シリンダ２
の出力（容器２Ａ内圧力と容器２Ｂ内圧力との差）と負
荷（例えば、フック１１に吊るされる重り）との間で力
のバランスが取れていないと、そのアンバランス力が、
摩擦板７と空気圧シリンダ２との間に発生する。そし
て、このアンバランス力（荷重）がロードセル８によっ
て検出されることになる。

【００３５】なお、制御装置１０では、このロードセル
８の検出荷重が０になるように、空気圧シリンダ２の各
容器２Ａ，２Ｂ内の圧力を、前記三方弁９を介して調整
することができるようになっている（以下、単にバラン
ス制御とも言う）。従って、当該制御装置１０や前記三
方弁９等が、本発明に係る制御手段として機能すること
になる。

【００３６】また、ロードセル８は、摩擦板７を介して
ロッド３と略一体的に連結されており、ロッド３と伴に
移動を行うため、ロッド３が任意の位置に移動してもそ
の位置でのバランス制御が可能である。ところで、本実
施形態では、前述したように制御装置１０によりバラン
ス制御を行なわせるようになっているので、電磁ブレー
キ５Ａ，５Ｂで空気圧シリンダ２に対してロッド３を停
止保持している間にも、アクチュエータ（空気圧シリン
ダ２）の出力と負荷（重り）との間の力がバランスされ
ることになるので、電磁ブレーキ５Ａ，５Ｂが制動力を
失ったとき（作業者の意思で制動力を解除したときや何
らかの原因で電磁ブレーキが故障したとき等）でも、空
気圧シリンダ２に対してロッド３延いては負荷（重り）
が急激に移動するようなことを回避できるようになって
いる。

【００３７】なお、ロッド３は、摩擦板７を介して電磁
ブレーキ５Ａ，５Ｂにより空気圧シリンダ２に対する制
動力を受けているので、空気圧制御系の偏差（各容器２
Ａ，２Ｂ内の圧力偏差）により生じる空気圧シリンダ２
の出力や負荷（重り）の変動が、前記制動力よりも小さ
ければ、ロッド３は動き出すことはない。このため、空
気圧制御系の偏差により生じる空気圧シリンダ２の出力
や、負荷（重り）の変動分より大きな制動能力を、電磁
ブレーキ５Ａ，５Ｂは有していれさえすれば、停止位置
を維持しようとする制御を極めて簡単に行わせることが
できるものである。

【００３８】従って、従来の制御理論により停止位置を
維持しようとした場合のように、空気圧制御系の偏差と
負荷（重り）とのバランスの変化に追従して空気圧を微
妙かつ高精度に制御し続けなくても良くなるので、例え
ばＯＮ・ＯＦＦ動作の三方弁を用いた簡単かつ安価な構
成で、極めて確実に停止位置を維持することができ、以
って振動や不安定な動作のない良好なバランス動作が可
能となる。言い換えれば、空気圧制御系の偏差が小さ
く、かつ負荷の変動も小さければ、電磁ブレーキ５Ａ，
５Ｂにより発生される静摩擦力（制動力）は、これを抑
えるだけの大きさがあれば十分であるとも言える。

【００３９】このように、本実施形態によれば、空気圧
シリンダ２の出力を制御することでロッド３（延いては
フック１１）を任意位置に移動させる（重りを吊り上げ
たり吊り下げる）ことができると共に、電磁ブレーキ５
Ａ，５Ｂの制動力を介して任意の位置でロッド３（延い
てはフック１１）を極めて高精度（実験結果によれば、
数〜数十μｍオーダーの精度が得られることが確認され
ている）かつ確実に停止維持できるようにしたので、大
きな負荷に対して強くクリーンな駆動源である空気圧を
用いたアクチュエータでのバランス動作を著しく安定し
たものとすることができ、以って従来採用が困難であっ
た空気圧アクチュエータのバランサ機構（延いてはロボ
ット可動部）への採用を極めて簡単な構成で実現するこ
とができる。

【００４０】更に、ロードセル８の検出値が０となるよ
うに、空気圧シリンダ２の出力を制御するようにしてい
るので、電磁ブレーキ５Ａ，５Ｂが制動力を失ったとき
（作業者の意思で制動力を解除したときや何らかの原因
で電磁ブレーキが故障したとき等）でも、ロッド３延い
ては負荷（重り）が急激に移動するようなことを回避す
ることができる。

【００４１】なお、本実施形態のような制動理論を取り
入れていなった従来の制御理論においては、コンプライ
アンス制御（機構のこわさ制御）を行わせる場合には、
空気圧制御系に供給する空気圧をフィードバック制御す
る際の制御ゲインを変化させることで行わせるという複
雑な制御ロジックが必要であったが、本実施形態によれ
ば、電磁ブレーキ５Ａ，５Ｂの制動力を変化させるとい
う極めて簡単な構成により、容易にコンプライアンス制
御を行わせることができるという利点もある。即ち、要
求されるコンプライアンス（機構のこわさ）に応じて電
磁ブレーキ５Ａ，５Ｂのうち何れか一方のみを停止時に
作動させたり、或いは電磁ブレーキ５Ａ，５Ｂに印加す
る電流を変化させるようにすれば、容易にコンプライア
ンス制御を可能とすることができるものである。なお、
各電磁ブレーキ５Ａ，５Ｂの制動力の大きさを各々異な
らせておくことも可能で、これにより簡単な構成でコン
プライアンス（機構のこわさ）の設定自由度を一層拡大
させることができるものである。

【００４２】なお、アクチュエータの出力のみを制御し
て可動部の動作を制御するという従来の制御理論に基づ
いて、空気圧アクチュエータをバランサ機構のアクチュ
エータに用いると、重りを簡単かつ良好に停止維持させ
ることができず、また、例え一旦停止できたとしても、
外乱等によって容器２Ａ，２Ｂの圧力偏差が生じる等し
てピストン４とシリンダ２との間の摩擦状態が静摩擦・
動摩擦を繰り返すこととなり摩擦係数が大きく変化する
こととなって、所謂スティック・スリップ等によりハン
チング等が発生することになるので、簡単でかつ良好な
バランサ機構が実現できないことは既述した通りであ
る。

【００４３】ところで、本実施形態では、往復動させる
アクチュエータについて説明したが、図３に示すよう
に、容器２Ａ，２Ｂ内の空気圧を制御することで、支点
２Ｃを中心にアーム３Ａを回動させるアクチュエータ等
においても同様に、本発明を適用、換言すれば電磁ブレ
ーキ５Ａ，５Ｂを用いてアーム３Ａを任意の位置に制御
する制御理論を適用することができるものである。

【００４４】ここで、本発明の制御方法について、適
宜、図２を参照しつつ、図４，図５に示す制御ブロック
図に従って、以下により詳細に説明することにする。図
４は、加減速過程（換言すれば、フック１１等の上昇・
下降過程）における制御システムを示している。今、フ
ック１１に質量Ｗの荷重（重量Ｗｇ）が吊り下げられて
おり、初期状態として力（空気圧シリンダ２の出力と荷
重Ｗｇと）がバランスし、位置Ｘ₀ で停止しているもの
とする。この時の力のバランスは次式で示される。

【００４５】 Ｗｇ＝（Ｐ_d1−Ｐ_d2）Ａ （；ａｔ Ｘ₀ ） … ここに、ｇは重力加速度，Ｐ₁ は上昇側（容器２Ｂ側）
圧力，Ｐ₂ は下降側（容器２Ａ側）圧力であり、初期バ
ランス状態では、Ｐ₁ ＝Ｐ_d1、Ｐ₂ ＝Ｐ_d2となる。ま
た、Ａはシリンダ内径で、ロッド側とシリンダ側では実
際には多少異なるが、ここでは理解し易いように同じ断
面積として説明することにする。

【００４６】レバー１０Ａには、操作スイッチ（図示せ
ず）が取り付けられており、レバー１０Ａを上昇位置に
セットすると、レバー１０Ａの上昇スイッチがＯＮとな
るようになっている。ここで、実際にレバー１０Ａを上
昇位置にセットして上昇スイッチをＯＮにすると、図４
に示すように、上昇速度＋Ｖ₀ として上昇速度の目標を
設定して制御を開始したことになる。但し、信号＋Ｖ₀
は、上昇方向を＋とし速度をＶ₀ で表している。

【００４７】更に、この信号＋Ｖ₀ は、三方弁９に入力
され、その結果、弁が開いて元圧（例えば、エアコンプ
レッサ）から上昇側シリンダ（容器２Ｂ）に空気が供給
される一方で、下降側シリンダ（容器２Ａ）の空気は大
気に開放されて圧力が減少される。図４の制御ブロック
図中の空気圧力制御部のＣ₁(S)、Ｃ₂(S)はそれぞれ上昇
側、下降側の弁を開くための電気信号の処理回路を示
し、また、Ｐ₁(S)、Ｐ₂(S)はそれぞれ上昇側、下降側の
弁の動作を示す三方弁９の伝達関数である。

【００４８】実際の三方弁９は、図６の模式図に示すよ
うに、２つの信号入力部があり、Ｓ ₁ の側のソレノイド
に通電すると、プランジャ（図示せず）が移動し、ポー
トＡと元圧Ｐとが接続され、同時にポートＢは自動的に
排気（大気連通）ポートＲ₂に接続されるように機械的
に連動されるようになっている。一方、Ｓ₂ の側のソレ
ノイドに通電すると、ポートＢが元圧Ｐに接続され、ポ
ートＡが排気（大気連通）ポートＲ₁ に接続されるよう
になっている。また、何れのソレノイドにも通電しない
と、各ポート間の接続は断たれ、三方弁９は閉弁状態と
なり、ポートＡ，ポートＢの圧力が維持されるようにな
っている。

【００４９】なお、図４の制御ブロック図では、２つの
弁として独立に表しているが、実際には図６で説明した
ような三方弁９を用いることができるものである。つま
り、三方弁９に信号＋Ｖ₀ が印加されると、上昇側（容
器２Ｂ）の圧力が増加し、同時に下降側（容器２Ａ）の
圧力が減少して、荷重（重量Ｗｇ）が上昇方向に動き出
すことになる。

【００５０】更に、図４の目標値＋Ｖ₀ の信号は、三方
弁９へ向かうラインの他に、更に他のラインＸにも送ら
れるようになっている。かかるラインＸは、本発明の特
徴部分であり、＋Ｖ₀ →０に変化（即ち停止）させる際
に有効となるフィードフォワード制御部分を構成するも
のである。即ち、ラインＸ上のＥ_F は、＋Ｖ₀ が０に変
化するときに、電磁ブレーキ５Ａ，５Ｂに電流を供給す
るスイッチング電源であり、これは要求する制動力に応
じて電流を調整できる構成とすることができる。そし
て、ロッド３（フック１１延いては荷重Ｗｇ）が上昇移
動中、つまりレバー１０Ａの上昇スイッチがＯＮ（＋Ｖ
₀ ≠０）のときは、Ｅ_F は０となって電磁ブレーキ５
Ａ，５Ｂに電流が供給されないので制動係数ｅ_f は０で
あり、ロードセル８の出力Ｖ_L は０となるので、フィー
ドバックがないまま、ロッド３（フック１１延いては荷
重）は上昇し続けることになる。但し、ここに制動係数
ｅ_f とは、制動力ｆ_D の速度の影響を示す関数で、ダン
パのように粘性負荷の場合は、制動力が速度に比例する
関係を示す関数であるが、本実施形態のような摩擦ブレ
ーキを用いる場合には、速度が０でない（ｄｘ／ｄｔ＞
０）ときは、速度の大きさに無関係に一定の制動力ｆ_DS
を生ずるという特性を示すことになる。つまり、制動力
ｆ_D は次式で表される。

【００５１】 ｆ_D ＝ｆ_DS ；ｄｘ／ｄｔ＞０（但し、Ｅ_F ＞０） ｆ_D ＝０ ；ｄｘ／ｄｔ＝０ … ここで、上昇動作を停止させるために、例えば人間が、
レバー１０Ａを停止位置（例えば水平位置）に戻すと、
制御システムの目標値は＋Ｖ₀ →０にセットされるよう
になっている。なお、人間に依らず、自動制御を行わせ
る場合には、ポテンショメータの検出信号を受け所定位
置まで上昇したことを検出し、その検出結果に基づき自
動的に目標値を０にセットさせるように構成することも
可能である。

【００５２】この目標値０が三方弁９に入力されると、
ポートＡ，ポートＢ等はすべて閉弁されることになる
が、このままでは空気圧シリンダ２の出力と荷重（Ｗ
ｇ）とのアンバランス分で、ロッド３は上昇し続け、前
記アンバランス分がなくなったところで初めてロッド３
は停止することになる。しかし、これでは、所定位置に
高精度に停止させることができない。実際に、従来の空
気圧シリンダを用いたバランサ機構では、ロッド等の可
動部を上方に動かすために、上昇側容器（例えば２Ｂ）
の内圧を最大にし、下降側容器（例えば２Ａ）の内圧を
最小にするので、止めたいところで三方弁を閉弁させて
もそこで可動部を停止させることができず、例えば、予
め所定位置で停止きるようなタイミングを学習しておい
て、このタイミングで上昇側容器（例えば２Ｂ）の内圧
を低下させ、下降側容器（例えば２Ａ）の内圧を増加さ
せるように、レバー１０Ａを微妙に操作するという熟練
した技能が必要となっていた。しかも、この様な高度な
技能により一旦ロッドを所定位置に停止できたとして
も、その後の外乱等によって僅かでも圧力バランスが崩
れると容易に動き出してしまうので、常に停止状態を監
視して圧力のバランス調整をしていなければならなかっ
た。なお、かかる操作（位置制御と圧力のバランス制御
とを両立させること）を自動制御により行わせてもそれ
は極めて困難なことであり、何れにしても所定位置に高
精度に停止させることやハンチング等発生させることな
く所定位置に高精度に停止維持させることができず、従
って空気圧アクチュエータをバランサ機構に従来採用で
きなかったのである。

【００５３】しかし、本発明では、既述した研究結果に
基づいて根本となる制御理論から見直すこととし、これ
によって得られた新たな制御理論に基づき、簡単な構成
で容易かつ極めて高精度に、位置制御（摩擦ブレーキに
より高精度かつ安定して制動させる制御）とバランス制
御（ロードセル８の検出結果に基づいてアンバランス分
を無くす制御）との両立を図れるようにしたのである。

【００５４】つまり、具体的には、停止操作のために、
レバー１０Ａを停止位置に移動させると、目標値＋Ｖ₀
→０となり、Ｅ_F にスイッチが入って、電磁ブレーキ５
Ａ，５Ｂに電流が供給され、これによって制動係数ｅ_f
＞０となって制動力ｆ_D （＝ｆ_DS）が発生されることに
なる（つまり、ロッド３にブレーキがかかることにな
る）。

【００５５】この制動力ｆ_D は、直接ロッド３（延いて
は荷重Ｗｇ）の動きを止めようとする側に働くが、本実
施形態では、それだけではなく、更に、制動力ｆ_D をロ
ードセル８によって電気信号で検出するようにしてあ
り、この信号に基づいて三方弁９をフィードバックする
ようになっている。その結果、上昇側の圧力は低下し、
下降側の圧力が上昇するようにバランス制御されるよう
になるので、単に電磁ブレーキ５Ａ，５Ｂのみで減速・
停止させる場合に比べて、減速・停止性能を一層強化で
きることになるから、極めて高い応答性でロッド３を減
速・停止させることが可能となるものである。勿論、電
磁ブレーキ５Ａ，５Ｂのみで減速・停止させるだけで
も、従来の空気圧アクチュエータを用いたバランサ機構
に比べれば、格段に減速・停止性能を向上できるもので
ある。

【００５６】なお、図４の加減速過程の制御システム
は、制動力を検出して三方弁９を連動させる減速過程を
示しているが、この過程は停止して制動力が消失するま
で継続されるものである。ところで、図４の加減速過程
は、停止（ｄｘ／ｄｔ＝０）によって、制動力ｆ _D ＝０
になるが、このときの停止状態は、位置Ｘ_STにおいて次
式で表される。

【００５７】 Ｗｇ−（Ｐ_d1−Ｐ_d2）Ａ＋ΔＷ_U −Ｗ_UB＝０ （；at Ｘ_ST） … ここにおいて、ΔＷ_U はバランス状態からの偏差を示
す。本来、停止状態は上式で示したように『Ｗｇ−
（Ｐ_d1−Ｐ_d2）Ａ＝０』であって、アンバランスΔＷ _U
は圧力の偏差として、ほぼ次式で与えられる。 ΔＷ_U ＝｛（Ｐ₁ −Ｐ_d1）−（Ｐ₂ −Ｐ_d2）｝Ａ … 即ち、上式は、アンバランスにも拘わらず、摩擦ブレ
ーキによって強制的にバランス状態が取られていること
を示しており、アンバランス分ΔＷ_U に対して摩擦ブレ
ーキに生じる反力を示していることになる。

【００５８】つまり、電磁ブレーキの静止摩擦Ｗ_UBは、
最大静止摩擦ΔＷ_max を越えない限り、次式で示される
ように、強制的に停止状態を実現することになる。 ΔＷ_U ＝Ｗ_UB＜ΔＷ_max 〔静止摩擦を利用するバランス状態ｆ_B ＝０〕… そして、図４において、＋Ｖ₀ →０に対して、ブレーキ
電流が供給され、更に各容器２Ａ，２Ｂ内の圧力が減速
側にそれぞれ制御されて、減速され停止に至ることにな
るのである。なお、この図４の制御ブロック図（減速過
程）は、電磁ブレーキの最大静止摩擦の範囲内のアンバ
ランス状態でロッド３（荷重Ｗｇ）が停止するまでの状
況を示すものである。ところで、本実施形態では、更
に、停止状態に至った後も、より好ましいバランス状態
を生成するための制御が継続されるようになっている。

【００５９】つまり、電磁ブレーキの静止摩擦は、有限
の速度（相対的滑り状態）に対して一定の制動力を伝達
する特性を有するだけでなく、相対的滑りがないときは
入力する力をそのまま伝達するという特性を持つもので
あり、この粘性摩擦等と根本的に相違する特有の特性を
有効に活かすような制御が本実施形態では行われること
となる。

【００６０】即ち、図５の制御ブロック図は、停止状態
へ移行した後のバランシングの過程を示しているが、上
記のように、移行中の電磁ブレーキによる制動力の特性
と、停止状態移行後の電磁ブレーキの制動力の特性と、
が異なるので、これを考慮した制御ブロック図として表
してある。

【００６１】なお、図４に示した制御状態から、この図
５に示した制御状態への移行は、ロッド３が停止するこ
とによって、即ち前述した摩擦ブレーキ特有の特性によ
って、自動的になされるものであって、故意に制御シス
テムを切り換えるようにしてなされるものではない。ロ
ッド３（荷重Ｗｇ）は、図４の制御システムにより停止
状態とされるが、このときのバランス状態は、静止摩擦
を利用して強制的に行っているので、電磁ブレーキを解
除したら、容易に（不用意に）ロッド３は動きだすこと
になり、作業者等の安全性が害されることにもなり兼ね
ない。

【００６２】そこで、本実施形態では、例え電磁ブレー
キを解除しても、ロッド３が容易に動きださないよう
に、電磁ブレーキが掛かっている間に良好なバランス状
態を生成しておくようにしているのである。つまり、図
４の減速過程を経て、ロッド３（荷重Ｗｇ）が一旦停止
されると、自動的に図５の制御へ移行し、その結果、自
動的に良好なバランス状態が生成されることとなり、上
式が、次式のようなバランス状態とされるのである。

【００６３】 ΔＷ_U ＝Ｗ_UB＝０ 〔制御によるバランス状態ｆ_B ＝０〕 … 即ち、＋Ｖ₀ ＝０である位置Ｘ_STに停止している状態
は、バランスｆ_B ＝０であるが、静止摩擦Ｗ_UBのおかげ
で停止のためのバランスが維持されている（上式）と
いう状態が、図５の制御システムの初期条件ということ
になる。そして、静止摩擦Ｗ_UBは物理的に（自動的に）
アンバランス分ΔＷ_U ＝Ｗ_UBを実行するので、図５の制
御システムでは、ロードセル８でアンバランス分ΔＷ_U
を検出してこれを無くする方向に、即ちΔＷ_U ＝Ｗ_UB＝
０となるまで空気圧Ｐ₁ ，Ｐ₂ を調整するフィードバッ
ク制御がなされるのである。

【００６４】なお、以上説明してきたような制御によ
り、実際の実験では、作業者の希望する任意の位置で自
由に、かつ安定して速やかにロッド３（荷重Ｗｇ）を停
止させることができ、従来の空気圧アクチュエータを用
いたバランサ機構のような“ぎこちない動き”やハンチ
ング等と言った問題は全く発生しないことが確認され
た。

【００６５】また、停止位置の精度としては、荷重（20
kgf)を高速度で上昇下降させた場合には、略３mm以下の
オーバーシュートで停止させることができ、また繰り返
し精度は略１mm以下であった。勿論、移動速度を抑制す
れば、オーバーシュートは縮小できるものであり、簡単
な装置構成であっても、容易に20μｍの精度を達成でき
ることも確認できている。

【００６６】なお、電磁ブレーキ５Ａ，５Ｂによってロ
ッド３を停止させるだけでなく、本実施形態のようにバ
ランス制御と組み合わせて位置制御を行わせるようにす
れば、電磁ブレーキ５Ａ，５Ｂの制動力としては、アン
バランスを検出するためにロードセル８を結合するだけ
の能力があれば良いことも確認されている。次に、本発
明に係る第２の実施形態について説明する。

【００６７】第２の実施形態は、図７に示すように、オ
ートバランサ機構に関する実施形態である。オートバラ
ンサ機構は、過負荷労働の補助機械として作業現場等に
おいて重量物の運搬，組み付け等に多く用いられるもの
である。しかし、前述したように、従来は空気圧シリン
ダをアクチュエータとすると、その制御の困難さから採
用し難いものとされ、当該オートバランサ機構にあって
も電気式，油圧式のアクチュエータが採用されてきた。
しかし、これらのものでは大きな負荷に対応することが
でき、かつ、周囲を汚染しないという要求に応えること
ができず、以って例えば、繊維，食品，精密機械部品製
造等の現場では採用することが困難となる。

【００６８】そこで、本実施形態では、制動理論を取り
入れた制御理論を採用することで、駆動源として、大き
な負荷に対応することができ、かつ、周囲を汚染しない
という要求に応えることができる空気圧アクチュエータ
を採用できるようにしている。以下に、図７に示すオー
トバランサ機構について説明するが、第１の実施形態と
同様の要素には、同一の符号（或いは同一の名称）を付
すこととし、それについての詳細な説明は省略すること
とする。また、制御方法についても、第１の実施形態で
説明したと同様であるので、詳細な説明は省略する。

【００６９】図７においては、支点２０Ａを中心とする
アーム２０の動き（回動）を規制する（ブレーキを効か
せる）ためのブレーキ機構２１（制動手段）と、支点３
０Ａを中心とする先端アーム３０の動き（回動）を規制
するブレーキ機構３１（制動手段）と、が設けられてい
る。前記ブレーキ機構２１は、第１の実施形態で説明し
たと同様に、空気圧シリンダ２に固定された電磁ブレー
キ５Ａ，５Ｂと摩擦板７とから構成されている。

【００７０】一方、ブレーキ機構３１は、アーム２０に
支点３２Ａを介して回動自由に接続された支持板３２に
固定された電磁ブレーキ３５Ａ，３５Ｂと、この電磁ブ
レーキ３５Ａ，３５Ｂに対向して摺動自在に構成され且
つ先端アーム３０に支点３３Ａを介して回動自由に接続
された摩擦板３３と、により構成されるようになってい
る。

【００７１】従って、アーム２０の動きは空気圧シリン
ダ２により制御される一方で、アーム２０の停止維持
は、ブレーキ機構２１によりなされる。そして、先端ア
ーム３０の動きは空気圧シリンダ３４により制御される
一方で、先端アーム３０の停止維持は、ブレーキ機構３
１によってなされることになる。また、ブレーキ機構２
１側にはロードセル８が、ブレーキ機構３１側にはロー
ドセル３６が設けられており、これらの検出信号に基づ
いて、第１の実施形態と同様に、制御装置１０では、空
気圧シリンダ２，空気圧シリンダ３４の出力を制御する
ようになっている。

【００７２】なお、当該オートバランサ機構は、作業者
が操作レバー３７を適宜操作することによって、アーム
２０や先端アーム３０の移動指令や、ブレーキ機構２１
やブレーキ機構３１に停止指令が発生されるようになっ
ており、これら指令が制御装置１０に送られ、制御装置
１０ではこれらの指令に従って、空気圧シリンダ２，空
気圧シリンダ３４や電磁ブレーキ５Ａ，５Ｂ，電磁ブレ
ーキ３５Ａ，３５Ｂを制御するものである。

【００７３】このように、第２の実施形態によれば、本
発明に係る制御理論に基づいて、アクチュエータの出力
制御に加えて、制動理論を取り入れるようにしたので、
大きな負荷に対して強くクリーンな駆動源である空気圧
を用いたアクチュエータでのバランス動作を著しく安定
したものとすることができ、以って従来採用が困難であ
った空気圧アクチュエータのオートバランサ機構（延い
てはロボット可動部）への採用を実現することができ
る。

【００７４】なお、第１の実施形態と同様に、電磁ブレ
ーキ５Ａ，５Ｂ等で空気圧シリンダ２に対してロッド３
を停止維持している間にも、各空気圧シリンダ（アクチ
ュエータ）の出力をロードセルの検出値が０となるよう
にバランス制御を行うようにしているので、一旦停止さ
せた後に再動作を行わせる場合に再動作開始初期から円
滑な作動が実現できるという利点もある。また、電磁ブ
レーキ５Ａ，５Ｂ等が制動力を失ったとき（作業者の意
思で制動力を解除したときや何らかの原因で電磁ブレー
キが故障したとき等）でも、可動部が急激に移動するよ
うなことを回避できるので、安全性を向上させることが
できる。

【００７５】つづけて、本発明の第３の実施形態につい
て説明する。ここでは、図８（Ａ），図８（Ｂ）に示す
ようなロール巻き込まれ防止用ハンド４０に、第１の実
施形態で説明したバランサ機構１を用いた場合の例であ
る。なお、第１の実施形態と同様の要素には、同一の符
号（或いは同一の名称）を付すこととし、それについて
の詳細な説明は省略することとする。また、制御方法に
ついても、第１の実施形態で説明したと同様であるの
で、詳細な説明は省略する。

【００７６】ところで、ロール巻き込まれ防止用ハンド
４０は、製紙，印刷等の機械のローラ部での作業を行う
際に、作業者の手，衣服等が当該ローラ部５０に巻き込
まれて事故等が発生するのを防止するためのものであ
る。本実施形態に係るロール巻き込まれ防止用ハンド４
０は、支持部４１を介して図８（Ｂ）に示す揺動方向に
揺動自由に支持されると共に、支持部４２により図８
（Ａ）中左右方向に摺動自在に支持されている。そし
て、人間が操作レバー４３を握ってハンド４０を動かす
ことによって、触手４４等を介して作業（例えば、ロー
ラ部５０の拭き取り清掃作業等）を行えるようになって
いる。

【００７７】ここで、ローラ部５０に対して危険とされ
る領域にまでハンド４０（延いては触手４４）を近づけ
ると、これを例えば光センサ（図示せず）等が検出し、
電磁ブレーキ５Ａ，５Ｂ（上下方向停止）やハンドロッ
ク用電磁ブレーキ４５（揺動方向停止）が作動してハン
ド４０が危険領域に進入するのを防ぐことができるよう
になっている。

【００７８】ハンド４０の揺動や左右方向への移動につ
いては、本実施形態の場合、人間の力で動かすが、図８
（Ａ）中上下方向は作業用の治具等を触手４４に取り付
けること等を想定して空気圧シリンダ２によるバランサ
機構１を用いるようにしてある。従って、ハンド４０の
上下方向の動きは、操作レバー４３の操作による空気圧
シリンダ２の出力調整によりなされ、ハンド４０の上下
方向の移動停止は、操作ノブ４３の操作により電磁ブレ
ーキ５Ａ，５Ｂに電流が印加されることによりなされ
る。そして、この停止中にも、第１の実施形態等と同様
に、ロードセル８の検出値が０となるように空気圧シリ
ンダ２の出力（空気圧制御系の偏差）が制御されるよう
になっている。なお、前述したように、ローラ部５０に
対して危険とされる領域にまでハンド４０（延いては触
手４４）が近づくと、電磁ブレーキ５Ａ，５Ｂ，電磁ブ
レーキ４５を介して、ハンド４０が移動するのが規制さ
れるようになっている。

【００７９】ところで、揺動方向や左右方向においても
空気圧アクチュエータによるバランサ機構を用いるよう
にしても良いことは勿論である。このように第３の実施
形態によれば、本発明に係る制御理論に基づいて、アク
チュエータの出力制御に加えて、制動理論を取り入れる
ようにしたので、大きな負荷に対して強くクリーンな駆
動源である空気圧を用いたアクチュエータでのバランス
動作を著しく安定したものとすることができ、以って従
来採用が困難であった空気圧アクチュエータのバランサ
機構を用いたハンド（延いてはロボット可動部）を実現
することができる。更に、危険時等にはハンドの非常停
止も確実に行えるようにしたので、作業の安全性を格段
に向上させることができる。

【００８０】なお、第１の実施形態と同様に、電磁ブレ
ーキ５Ａ，５Ｂで空気圧シリンダ２に対してロッド３を
停止保持している間にも、各空気圧シリンダ（アクチュ
エータ）の出力をロードセルの検出値が０となるように
バランス制御を行うようにしているので、一旦停止させ
た後に再動作を行わせる場合に再動作開始初期から円滑
な作動が実現できるという利点もある。

【００８１】次に、本発明に係る第４の実施形態につい
て説明する。第４の実施形態では、図９に示すようなク
レーン吊り荷ハンドリングマニピュレータ５０に、本発
明の制御理論を取り入れた場合について説明する。な
お、第１の実施形態と同様の要素には、同一の符号（或
いは同一の名称）を付すこととし、それについての詳細
な説明は省略することとする。また、制御理論について
も、第１の実施形態で説明したと同様の部分についての
詳細な説明は省略する。

【００８２】このクレーン吊り荷ハンドリングマニピュ
レータ５０は、オーバークレーン５１に吊るされた荷物
５２の制振と位置決めを行わせるためのものである。即
ち、マニピュレータ５０は、作業者の操作指令によっ
て、各関節に取付けられる空気圧アクチュエータ５３や
電磁ブレーキ５４Ａ，５４Ｂ〔図１０（Ａ），図１０
（Ｂ）参照〕を制御することによって、マニピュレータ
５０の各関節の動きを制御し、先端部に設けられたフッ
ク５６を吊り荷用ワイヤに接続させるようにする。

【００８３】そして、マニピュレータ５０の各関節に取
付けられる電磁ブレーキ５４Ａ，５４Ｂと摩擦板５５
〔図１０（Ａ），図１０（Ｂ）参照〕との間の制動力に
よって、吊り荷５２とクレーン５１のワイヤ５１Ａによ
る振子の復元力から発生する運動エネルギーを熱消散さ
せるようにして、マニピュレータ５０の能動力を用いな
いで、吊り荷５２の振動の停止（制振）作業を行う。

【００８４】その後においては、マニピュレータ５０
は、作業者の操作指令によって、各関節に取付けられる
空気圧アクチュエータ５３や電磁ブレーキ５４Ａ，５４
Ｂを制御することによって、マニピュレータ５０の各関
節の動きを制御し、先端部に設けられたフック５６を介
して吊り荷５２を所定の位置に動かす作業（位置決め作
業）を行えるようになっている。

【００８５】ところで、簡便な駆動源として空気圧アク
チュエータを用いると、空気圧駆動の特性上精密な位置
決めが従来困難であるとされていたが、本実施形態のよ
うに電磁ブレーキを用いたバランサ機構を使用すれば、
容易に空気圧アクチュエータを用いても精密な位置決め
が可能となるものである。なお、本実施形態において
も、図１０（Ａ）に示すように、各関節に取付けられる
摩擦板５５にはロードセル５７が介装されており、制振
作業時等に発生する反力がロードセル５７で検出される
ことになるので、制御装置１０では、この検出される反
力を無くす方向に空気圧アクチュエータ５３の出力を制
御するようにすることも可能である。そして、反力に応
じて空気圧アクチュエータ５３の出力を制御するように
すれば、電磁ブレーキ５４Ａ，５４Ｂの容量を小さくす
ることができるという利点がある。

【００８６】このように、第４の実施形態によれば、本
発明に係る制御理論に基づいて、アクチュエータの出力
制御に、制動理論を取り入れるようにしたので、大きな
負荷に対して強くクリーンな駆動源である空気圧を用い
たアクチュエータでのバランス動作を著しく安定したも
のとすることができ、以って従来採用が困難であった空
気圧アクチュエータを用いたクレーン吊り荷ハンドリン
グマニピュレータを実現することができる。

【００８７】また、電磁ブレーキ５４Ａ，５４Ｂの制動
力を利用して、制振作用も行えることになるので（即
ち、電磁ブレーキを制振装置として機能させるようにし
たので）、容易かつ効率的な制振作用を営むことが可能
となる。そして、電磁ブレーキ５４Ａ，５４Ｂを介し
て、マニピュレータ５０のフック５６の位置制御をする
ことができるので、簡単な構成でも、高い精度で位置決
め作業も行えるようになる。

【００８８】更に、電磁ブレーキ５４Ａ，５４Ｂが制動
力を失ったとき（作業者の意思で制動力を解除したとき
や何らかの原因で電磁ブレーキが故障したとき等）で
も、可動部が急激に移動するようなことを回避できるの
で、安全性を向上させることができる。ところで、上述
してきた各実施形態では、制動手段として電磁ブレーキ
を用いて説明してきたが、これに限らず他のブレーキ装
置（例えば、バンドブレーキ等の摩擦ブレーキ等）を用
いることも可能である。

【００８９】なお、上記各実施形態では、構成の簡略化
等を優先するために、電流を印加したときに（換言すれ
ば、入力される制御信号が高エネルギ状態で）、可動部
に対し制動力が作用するような構成で説明してきたが、
作業者等への安全性を一層高めるためには、電流が印加
されないときに（換言すれば、入力される制御信号が低
エネルギ状態で）、可動部に対し制動力が作用し、高エ
ネルギ状態のときに制動力が解放され可動部の可動が許
可されるように構成するのが好ましい。

【００９０】即ち、高エネルギ状態で可動部に対し制動
力が作用するような構成の場合には、電磁ブレーキが故
障等していると制動できなくなり作業者に対する安全性
を確保できなくなる惧れがあるが、低エネルギ状態で制
動力を発生させるようにしておけば、電磁ブレーキ等が
故障等している場合には、常に制動力が与えられること
になるので、作業者の安全性等を一層向上させることが
でき、フェールセーフ機能を格段に向上させることがで
きる。

【００９１】具体的には、例えば、図１１に示すよう
に、低エネルギ状態の（電流が印加されない）ときに
は、機械的なスプリングブレーキ（例えばリーフ式）６
０に取付けられたブレーキパッド６０Ａを摩擦板６１に
押付けることで確実かつ安定して可動部６２を制動維持
させるようにし、高エネルギ状態（電流を印加したと
き）で、電磁ブレーキ６３を作動させてスプリング力に
抗してスプリングブレーキ６０を矢印方向へ引き付ける
ことで、前記スプリングブレーキ６０のブレーキパッド
６０Ａと摩擦板６１との接続を断ち、可動部６２の可動
を許可するように構成することができる。

【００９２】このことは、本願の発明者等が、既に特開
平４−７３４９７号公報等において提案したロボット可
動部と人間とが協働作業する際の安全理論に基づくもの
である。即ち、作業許可信号（制動解除信号）を高エネ
ルギ状態側の信号とし、この高エネルギ状態に相当する
作業許可信号（制動解除信号）が入力されているときに
のみ、電磁ブレーキの制動を解除させるようにし、それ
以外のときには、即ち低エネルギ状態の信号が入力され
ている限り、電磁ブレーキを制動解除させないようにす
ることで、確実に作業者の安全を確保するというもので
ある。

【００９３】なお、前記スプリングブレーキ６０として
は、コイルバネ式のもの等も使用できることは勿論であ
る。また、例えば、電磁ブレーキとして、永久磁石の磁
束で摩擦板を吸引保持させ（摩擦板と接続維持させ）、
逆に、励磁電流を印加することで前記永久磁石の磁束を
打ち消すようにして摩擦板との接続を断つようにした所
謂釈放型電磁石を用いるようにすることも可能で、この
ようにすれば前記スプリングブレーキ６０等を省略する
ことができ、以って作業者の安全性を高めつつ、構成の
簡略化，小型化，軽量化等を同時に促進することができ
る。

【００９４】ところで、上記各実施形態においては、駆
動手段として空気圧アクチュエータを用いた場合につい
て説明してきたが、他の流体圧（油圧等）のアクチュエ
ータを用いた場合にも本発明を適用できることは勿論で
あり、また電気式アクチュエータ等を駆動手段とした場
合にも、本発明を適用できることは勿論である。更に、
ステップモータ，サーボモータ等のモータ類を駆動手段
として用いる場合にも本発明の理論を適用することがで
きるのは勿論、本発明によれば、これらの比較的高価な
モータ類に置き換えて安価な空気圧アクチュエータ等を
採用することができるようになり、特に、減速機構等の
仲介手段を持たず直接可動部を駆動するようにした低
速，大トルクが要求され高価かつ制御が複雑なダイレク
トドライブモータ等に換えて、安価で制御が容易な空気
圧アクチュエータ等を採用することができるようになる
ので、大巾なコスト低減，小型・軽量化等を図れること
になる。

【００９５】なお、上記各実施形態に限らず、他の産業
用機械や医療用機械等の制御に、延いては全ての機械
（例えば、ロボットの腕，脚，指等の各種可動部）の制
御に、本発明を適用できることは勿論である。ところ
で、上記各実施形態では、空気圧シリンダ（アクチュエ
ータ）の出力をロードセルの検出値が０となるようにバ
ランス制御を行うようにして説明したが、このようなバ
ランス制御を行えば、安全性が向上したり、一旦停止さ
せた後に再動作を行わせる場合に再動作開始初期から円
滑な作動が実現できる等の利点はあるが、かかるバラン
ス制御を行わず、空気圧シリンダの出力を方向性のみ指
定した（伸び側或いは縮み側のみ指定した）状態（極言
すれば暴走状態）としておいても、本発明の駆動装置
（アクチュエータ）とは別個独立した制動手段（例え
ば、摩擦ブレーキ等）を介して駆動装置の動作を制御す
ることができるので、任意の位置で可動部の動作を停止
させることができるものである。

【００９６】つまり、駆動装置の駆動状態を極言して暴
走状態としておいても、可動部の動作を制動させる制動
手段さえ備えれば、ロボット等の機械の可動部を任意の
位置で停止させることができ、また、制動手段の制動力
の調整により可動部の移動速度も容易に調整できるの
で、可動部の動作を任意に制御することができるもので
ある。

【００９７】ところで、上記各実施形態では、偏差検出
手段としてロードセルを用いてアンバランス力（偏差）
を検出するようにしたが、例えば、より安価な歪みゲー
ジ等で代用させることも可能であるし、またある一定の
アンバランス力が発生したときにスイッチが入るような
ものも採用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る機械の構成を説明するブロック
図。

【図２】本発明の第１の実施形態の全体構成図。

【図３】回動式アクチュエータに適用した例を示す図。

【図４】本発明の制御システムを説明する制御ブロック
図（加減速過程）。

【図５】本発明の制御システムを説明する制御ブロック
図（停止状態でのバランシング制御過程）。

【図６】三方弁の模式図。

【図７】本発明の第２の実施形態の全体構成図。

【図８】（Ａ）は、本発明の第２の実施形態の全体構成
図。（Ｂ）は、（Ａ）の側面図。

【図９】本発明の第３の実施形態の全体構成図。

【図１０】（Ａ）は、図９の装置の関節部分の拡大図。
（Ｂ）は、（Ａ）の電磁ブレーキ５４Ａ，５４Ｂ部分の
下面図。

【図１１】低エネルギ状態で制動する電磁ブレーキ（負
作動型ブレーキ）の一例を示す構成図。

【図１２】従来の制御理論を説明する図。

【符号の説明】

１ バランサ機構 ２ 空気圧シリンダ ２Ａ 下降側容器 ２Ｂ 上昇側容器 ３ ロッド ４ ピストン ５ 電磁ブレーキ ７ 摩擦板 ８ ロードセル ９ 三方弁 10 制御装置

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機械の可動部を任意の位置に制御する制御
   方法において、 前記可動部の駆動と、前記可動部の制動と、を別経路で
   制御して、前記可動部を任意の位置に制御するようにし
   たことを特徴とする機械の制御方法。
2. 【請求項２】機械の可動部を駆動するための駆動手段
   と、 前記駆動手段とは別経路で前記可動部の動作を制動する
   制動手段と、 を備え、 前記駆駆動手段と前記制動手段とを介して、前記可動部
   を任意の位置に制御するようにしたことを特徴とする機
   械。
3. 【請求項３】機械の可動部に作用する負荷と、当該負荷
   に抗する前記駆動手段の出力と、の偏差が無くなるよう
   に、前記駆動手段の出力を制御する制御手段を含んで構
   成したことを特徴とする請求項２に記載の機械。
4. 【請求項４】機械の可動部に作用する負荷と、当該負荷
   に抗する前記駆動手段の出力と、の偏差を、前記可動部
   と、前記可動部を制動する前記制動手段の制動部と、の
   間に介装した偏差検出手段により検出するようにしたこ
   とを特徴とする請求項３に記載の機械。
5. 【請求項５】前記制動手段の制動力を、可変に設定でき
   るようにしたことを特徴とする請求項２〜請求項４の何
   れか１つに記載の機械。
6. 【請求項６】前記制動手段の制動力が、要求する機構の
   こわさに応じて可変設定されることを特徴とする請求項
   ５に記載の機械。
7. 【請求項７】前記制動手段に機械の可動部に対する制動
   力を発生させて、機械の可動部に作用する負荷振動を制
   振させる制振装置として機能させることを特徴とする請
   求項２〜請求項６の何れか１つに記載の機械。
8. 【請求項８】前記駆動手段が、空気圧アクチュエータで
   あることを特徴とする請求項２〜請求項７の何れか１つ
   に記載の機械。
9. 【請求項９】所定の安全条件が確認できないときに、機
   械の可動部の動作を強制停止させる安全装置として前記
   制動手段を機能させることを特徴とする請求項２〜請求
   項８の何れか１つに記載の機械。
10. 【請求項10】前記制動手段が、入力される制御信号が低
    エネルギ状態のときに前記可動部の動作を制動するよう
    に構成されたことを特徴とする請求項２〜請求項９の何
    れか１つに記載の機械。