WO2006106985A1

WO2006106985A1 - 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

Info

Publication number: WO2006106985A1
Application number: PCT/JP2006/306968
Authority: WO
Inventors: Ichiro Kawabuchi; Kiyoshi Hoshino
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2006-10-12
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Abstract

　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を提供する。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とを備えている。第１のチョークバルブ装置３を流体圧源と第１のチャンバ９との間に配置し、第２のチョークバルブ装置５を流体圧源と第２のチャンバ１１との間に配置する。チョークバルブ装置３及び５の排出バルブ機構１５のバルブの開度を、それぞれ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１５のバルブの開度とが逆比例の関係になるように設定する。

Description

明細書

流体シリンダを用いたァクチユエータ及びその制御方法

技術分野

[0001] 本発明は、流体シリンダを用いたァクチユエータ及びその制御方法に関するものである。

背景技術

[0002] 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ァクチユエータとしては、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'重量ィ匕し易い問題がある。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、ロボット用のァクチユエータとして有用なものと考えられている。

特許文献 1：特開 2003— 311667公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] し力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、と、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、ためであり、ピストンの位置を保っ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。し力しながら、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、な、。

[0004] 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ァクチユエータ及びその制御方法を提供することにある。

[0005] 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ァクチユエータを提供することにある。

[0006] 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ァクチユエータを提供することにある。

課題を解決するための手段

[0007] 本発明は、二つのチャンバを持つ流体シリンダを用いたァクチユ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ヤ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、制御パラメータでの剛性調整が可能となる。

[0008] そしてより具体的な本発明の流体シリンダを用いたァクチユエータは、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、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ァクチユエータは、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、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力ゝぅ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、チャンバ側力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、る。

[0009] さらに本発明の流体シリンダを用いたァクチユエータは、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!/、る。

[0010] 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

[0011] 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、排出ノレ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ノレブを閉じる。

[0012] 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。

[0013] 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 (ダンバ効果）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、この抗カ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カを有効に発生し、この抗カ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)。

[0014] 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力の流体の供給量 (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。

[0015] 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。

[0016] 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。

[0017] 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力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、排出流路の断面積力基数 a (ただし a> l)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 (a¹¹ X 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さる。

[0018] 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、ァクチユ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に近ぐ反対に、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、断面積のわず力な変化が流体の流路抵抗の大きな変化をもたらす力もである。反対に、最小断面積が十分に大き!、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!、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。

[0019] 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ょ、。

[0020] 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、実用的なァクチユエータの制御を行うことができる。

[0021] 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、。

[0022] 本発明のァクチユ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。

図面の簡単な説明

[図 1]本発明の流体シリンダを用いたァクチユエ一タの第 1の実施の形態の概念図である。

[図 2]図 1の流体シリンダを用いたァクチユエータを制御する一つの方法のァルゴリズムを示すフローチャートである。

[図 3]図 1の流体シリンダを用いたァクチユ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。

[図 4]本発明の流体シリンダを用いたァクチユエ一タの第 2の実施の形態の概念図である。

[図 5] (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 6]図 4の流体シリンダを用いたァクチユエータを制御する一つの方法のァルゴリズムを示すフローチャートである。

[図 7]図 4の流体シリンダを用いたァクチユ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。発明を実施するための最良の形態

[0024] 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ァクチユエ一タの第 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ァクチユエータは、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。し力し流体シリンダ 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、ることができるのは当然である。

[0025] 第 1のチョークノレブ装置 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力供給する流体の圧力よりも大きくなつたときには、第 1のチャンバ 9側力も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、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。

[0026] 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。し力しながら、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。

[0027] 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力対応する第 1のチャンバ 9側に向力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。

[0028] 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ァクチユエータ 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ァクチユエータ 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ァクチユエータ 33とを備えている。連続可変式ァクチユエータ 29と、バルブ位置検出手段 31と、ァクチユエータ 33とにより、ノ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ァクチユエータ 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。

[0029] 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 (ダンバ効果)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カを生じさせることができる。本発明の実施の形態は、この抗カ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、この抗カを利用して流体シリンダ 1に高、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《なる状態)と低い剛性 (所定の位置でピストン 12が停止する力ピストン 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。 [0030] 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 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（

D

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 に逆比例の関係になるように

D

設定される。この設定は、バルブ機構制御装置 21から連続可変式ァクチユエータ 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ァクチユエータ 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ァクチユエータ 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。したがってァクチユエータ 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 に対して逆比例の関係になる

D

開度に設定されている。

[0031] 具体的に、第 1のチャンバ 9内の目標圧力 P に基づいて、排出バルブ機構 15のバ

D

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 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

D

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 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

D

力 P 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

D

に排出バルブ機構 15のノレブ 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段階し力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。

[0032] 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の大きさを基準圧力 Prと比較して、その大小の程度

D

により開度を設定するようにしてもょ、。

[0033] 図 2は、図 1のァクチユ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ヤートである。この例では、まず目標圧力 P 力コントローラ 23からバルブ機構制御装

D

置 21に入力される。バルブ機構制御装置 21は、目標圧力 Pの大きさに逆比例の関

D

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 が大きければ排出バルブ機構 15のバルブ 25の

D

開度を小さくし、目標圧力 P 力、さければ排出バルブ機構 15のバルブ 25の開度を

D

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を圧力測定手段 35によ

R

り測定し、目標圧力 P が実際圧力 Pよりも大きいときには、供給バルブ機構 13のバ

D R

ルブを開く制御指令をバルブ機構制御装置 21からァクチユエータ 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の大きさに応じて設定され

D

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が目標圧力 P になる

R D

とバルブ機構制御装置 21からはァクチユエータ 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 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

D

のバルブは特に閉じていない。これによつてチャンバ 9内の実際圧力は速やかに目標圧力 P 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。

D

[0034] 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のチヤンバ 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ょ、。

[0035] 図 3は図 1のァクチユ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ヤートである。この例では、まず目標圧力 P 力コントローラ 23からバルブ機構制御装

D

置 21に入力される。バルブ機構制御装置 21は、目標圧力 Pの大きさを基準圧力 Pr

D

と比較して、目標圧力 P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

D

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の

D

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 として取り得る圧力

D

の中間値を基準圧力 Prとして、目標圧力 P が基準圧力 Prより高いか否かにより判断

D

することができる。目標圧力 P が基準圧力 Prより高いときには、排出バルブ機構 15

D

のバルブの開度を目標圧力 p と逆比例の関係になるように小さくすればよい。制御

D

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を圧

R

力測定手段 35により測定し、目標圧力 P が実際圧力 Pよりも大きいときには、供給

D R

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からァクチユエ一タ 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、排出ノレブ機構 15のバルブは閉じている。ァクチユエータ 20が供給バルブ機構 1 3のバルブを開き、チャンバ 9内の実際圧力 Pが目標圧力 P になると、バルブ機構

R D

制御装置 21は、ァクチユエータ 20に供給バルブ機構 13のノレ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。

[0036] 目標圧力 P が実際圧力 Pより小さいときには、排出バルブ機構 15の開閉バルブ 2

D R

7を開く制御指令がバルブ機構制御装置 21からァクチユエータ 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からはァクチユエータ 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 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

D

ヤンバ 9から排出バルブ機構 15を通して流体が排出される。

[0037] すなわち目標圧力 P 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

D

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 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 2 5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が目標圧力 P にな

R D

るとバルブ機構制御装置 21は、ァクチユエータ 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。これによつてチャンバ 9内の実際圧力は速やかに目標圧力 P 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。

D

[0038] なお目標圧力 P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

D

力べ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。

[0039] 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のチヤンバ 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ょ、。

[0040] 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〖こ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の開閉を制御するァクチユエータ 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、ァクチユエータ 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。

[0041] 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ノレブは、 1より大きい値の基数 aのべき乗 [aの n乗 (n= l , 2, 3, · ··) ]に最小断面積 Sを掛けた断面積 (aⁿ X 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〖こすると、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。

[0042] 図 5 (A)乃至 (C)は、 1以上の基数 aのべき乗倍 (すなわち a¹¹)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、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、ァクチユ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、場合は流体の流路抵抗の違、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。

[0043] 図 6は、図 4のァクチユ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ヤートである。この例では、まず目標圧力 P 力コントローラ 123からバルブ機構制御

D

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の大きさに逆比

D

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の中力選択して決定する。目標圧力 P が大きけれ

D

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ノレブ 115a〜115cのすベてを閉じることもある。そして目標圧力 P 力、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

D

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を圧力測

R

定手段 135により測定し、目標圧力 P が実際圧力 Pよりも大きいときには、供給バル

D R

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からァクチユエータ 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 の

D

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 力排出バルブ機構 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が目標圧力 P になるとバルブ機構制御装置 121からはァクチユエータ 120に供給

R D

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。これによつてチャンバ 9内の実際圧力は速やかに目標圧力 P となり、高い剛性または低い剛性を確実に得ることがで

D

きる。

[0044] 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のチヨークバルブ装置 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。

[0045] 図 7には、図 4に示したァクチユ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 の例えば 1Z2の圧力を基準圧力 Prとす

D

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のァ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 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

D

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 が実際圧力 P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

D R

目標圧力 P 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

D

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 力^のときには排出バルブ機構 115の

D

バルブの開度を最大にする。すなわち開閉バルブ 115a〜 115cをすベ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、実用的なァクチユ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 に逆比例の関係で排出バルブ機構 115のバ

D

ルブの開度を細力べ設定することが可能である。 [0046] 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 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

D

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ァクチユエータを用いれば、流体シリンダをロボット等の制御機器の駆動用ァクチユエータとして現実的に利用することが可能になる。

産業上の利用可能性

[0047] 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

請求の範囲

[1] 二つのチャンバを持つ流体シリンダを用いたァクチユエータにおいて、

前記チャンバ内の目標圧力と逆比例の関係になるように前記チャンバの排出バルブ機構のバルブの開度が設定されていることを特徴とする流体シリンダを用いたァクチユエータ。

[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ヽる請求項 1に記載の流体シリンダを用いたァクチユエータ。

[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、る請求項 1に記載の流体シリンダを用いたァクチユエータ。

[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ァクチユエータ。

[5] 前記 1より大き、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ァクチユエータ。

[6] 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のチャンノ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力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、前記チョークバルブ装置により圧力を調整する前記チヤ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請求項 1に記載の流体シリンダを用いたァクチユエータ。

[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を有しており、

前記バルブ機構制御装置は、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所望の前記開度を設定するように構成されて!、る請求項 6に記載の流体シリンダを用いたァクチユエータ。

[8] 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 7に記載の流体シリンダを用いたァクチユエータ。

[9] 前記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、前記チョークバルブ装置により圧力を調整する前記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、る請求項

6に記載の流体シリンダを用いたァクチユエータ。

[10] 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、る請求項 9に記載の流体シリンダを用いたァクチユエータ。

[11] 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、る請求項 9に記載の流体シリンダを用いたァクチユエータ。

[12] 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!、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、る請求項 9に記載の流体シリンダを用いたァクチユエータ。

[13] 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ァクチユエータ。

[14] 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酉己置されたピストンとを有する流体シリンダと、

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ものを用いる流体シリンダを用いたァクチユエータの制御方法であって

前記バルブ機構制御装置が、

前記チョークバルブ装置により圧力を調整する前記チャンバ内の目標圧力と前記実際圧力とを対比し、

前記チョークバルブ装置により圧力を調整する前記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ァクチユエータの制御方法。

[15] 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力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 14に記載の流体シリンダを用いたァクチユエータの制御方法。