WO2024048300A1 - アクチュエータ把持力推定装置、アクチュエータ把持力推定方法 - Google Patents

アクチュエータ把持力推定装置、アクチュエータ把持力推定方法 Download PDF

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WO2024048300A1
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gripping force
actuator
length
main body
fluid pressure
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PCT/JP2023/029707
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French (fr)
Inventor
信吾 大野
哲郎 宮嵜
健嗣 川嶋
海斗 沓名
Original Assignee
株式会社ブリヂストン
国立大学法人東京大学
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/08—Characterised by the construction of the motor unit
    • F15B15/10—Characterised by the construction of the motor unit the motor being of diaphragm type

Definitions

  • the present invention relates to an actuator gripping force estimating device and an actuator gripping force estimating method for a fluid pressure actuator.
  • a McKibben type actuator is known as a fluid pressure actuator, which has a rubber tube and a sleeve (woven with high-tensile fibers) that covers the outer surface of the rubber tube.
  • a McKibben-type fluid pressure actuator can change the length of the rubber tube and sleeve along the axial direction.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2021-88999 proposes that a plurality of such fluid pressure actuators be combined to be used as fingers that grip objects through curved deformation. In this case, it is necessary to determine the force with which the fluid pressure actuator grips the object.
  • the present disclosure aims to provide an actuator gripping force estimating device and an actuator gripping force estimating method that easily estimate the force acting in a direction orthogonal to the cylinder axis on a fluid pressure actuator. purpose.
  • the actuator gripping force estimating device has a cylindrical main body that is curved by shortening one side of the cylinder periphery in the cylinder axis direction due to an increase in internal pressure in the cylinder.
  • Actuator gripping force estimation in which the force acting in the direction orthogonal to the cylinder axis when not bent due to curving of a fluid pressure actuator whose shaft base end side is fixed to a base body and whose tip side moves relative to the base body is estimated as the gripping force.
  • the apparatus includes: a pressure sensor that acquires the cylinder pressure of the main body; a length acquisition section that acquires the length from one end of the side surface of the main body that is shortest to the other end; and the length
  • the length obtained by the acquisition unit is L
  • the internal pressure in the cylinder obtained by the pressure sensor is P
  • the gripping force is F
  • the parameters set based on the basic characteristics of the fluid pressure actuator are ⁇ 1 and ⁇ . 2 and a constant based on the geometrical characteristics of the fluid pressure actuator is L min
  • the gripping force of the fluid pressure actuator is estimated using the above equation.
  • the gripping force can be easily estimated using the internal pressure in the cylinder and the length from one end to the other end of the side surface of the main body where the contraction is the largest.
  • the length acquisition section is a wire member whose one end side is attached to the base body and whose intermediate part is arranged so as to follow the curved deformation on the curved side of the main body part. and a wire holding member that holds the wire member at a position along the main body portion, and a measuring portion that applies tension to the wire member and measures the amount of change in length of the wire member.
  • the intermediate portion of the wire member is arranged on the curved side of the main body of the fluid pressure actuator so as to follow the curved deformation.
  • the actuator gripping force estimation method of the third aspect has a cylindrical main body that is curved by shortening one side of the cylinder periphery in the direction of the cylinder axis due to an increase in internal pressure in the cylinder, and the base end side of the cylinder axis is fixed to the base body.
  • An actuator gripping force estimating method for estimating, as a gripping force, a force acting in a direction orthogonal to the cylinder axis when the fluid pressure actuator is not bent due to bending and whose tip moves relative to the base body, the main body portion
  • L be the length from one end to the other end of the side surface with the largest shortening amount
  • P be the internal pressure in the cylinder
  • F be the gripping force
  • ⁇ be the parameter set based on the basic characteristics of the fluid pressure actuator. 1 and ⁇ 2
  • L min is a constant based on the geometrical characteristics of the fluid pressure actuator
  • the gripping force of the fluid pressure actuator is estimated using the above equation.
  • the gripping force can be easily estimated using the internal pressure in the cylinder and the length from one end to the other end of the side surface of the main body where the contraction is the largest.
  • the length from one end to the other end of the side surface of the main body part having the largest contraction is such that one end side is attached to the base body and the middle part is curved of the main body part. It is obtained by holding a wire member arranged along the side and cylinder axis direction at a position along the main body, applying tension to the wire member, and measuring the amount of change in the length of the wire member.
  • the actuator gripping force estimation method of the fourth aspect since the intermediate portion of the wire member is disposed on the curved side of the main body of the fluid pressure actuator so as to follow the bending deformation, the amount of change in length of the wire member is By measuring, even in a curved state, the length of the fluid pressure actuator on the inside of the curve can be easily obtained.
  • FIG. 2 is a side view of a fluid pressure actuator as a measurement target of the actuator gripping force estimating device according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a partially exploded perspective view of the fluid pressure actuator. It is a sectional view of a fluid pressure actuator. It is a figure showing the state (non-curved state) where a fluid pressure actuator is attached to an actuator gripping force estimating device. It is a figure showing the state (curved state) where a fluid pressure actuator is attached to an actuator gripping force estimating device. It is a graph showing estimated gripping force and measured gripping force in time series as test results, and is a case where the length L1 is 0.074 m at a target pressure of 200 kPa. It is a graph showing estimated gripping force and measured gripping force in time series as test results, and is a case where the length L1 is 0.072 m at a target pressure of 200 kPa.
  • FIG. 1 shows a fluid pressure actuator 20 as a measurement target of an actuator gripping force estimating device 10 of the present disclosure.
  • the fluid pressure actuator 20 includes an actuator main body 22 and sealing members 30A and 30B.
  • the actuator main body 22 includes a tube 24, a sleeve 26, and a restraining member 28.
  • the tube 24 has a cylindrical shape that can be expanded and contracted by elastic deformation, and expands and contracts according to changes in the pressure of the internal fluid.
  • the axial direction of the tube 24 is referred to as "axial direction S.”
  • the tube 24 can be made of an elastic material such as butyl rubber. Air can be used as the fluid supplied to the tube 24, and in this case, the fluid pressure actuator 20 is a pneumatic actuator.
  • the fluid pressure actuator 20 when the fluid pressure actuator 20 is hydraulically driven, it should be made of NBR (nitrile rubber), which has high oil resistance, or at least one selected from the group consisting of hydrogenated NBR, chloroprene rubber, and epichlorohydrin rubber. is preferred.
  • NBR nitrile rubber
  • the sleeve 26 has a cylindrical shape that covers the outer periphery of the tube 24.
  • the sleeve 26 is a stretchable structure in which fiber cords oriented in a predetermined direction are woven, and the oriented cords intersect with the axial direction S at a predetermined angle ⁇ . Having such a shape, the sleeve 26 deforms like a pantograph that changes the angle ⁇ , and follows the contraction and expansion of the tube 24 while regulating the contraction and expansion.
  • the cord constituting the sleeve 26 it is preferable to use a fiber cord of aromatic polyamide (aramid fiber) or polyethylene terephthalate (PET).
  • aromatic polyamide aromatic polyamide
  • PET polyethylene terephthalate
  • the present invention is not limited to these types of fiber cords, and may also be cords of other high-strength fibers such as PBO fibers (polyparaphenylenebenzobisoxazole).
  • the restraining member 28 is provided between the tube 24 and the sleeve 26.
  • the restraint member 28 is shaped like a long plate, and its longitudinal direction is arranged along the axial direction of the tube 24.
  • the restraint member 28 covers a part of the outer periphery of the tube 24, and is arranged from one end of the tube 24 to the other end. ing.
  • the restraining member 28 is made of a material that does not expand/contract when pressurized, and can be bent in a direction in which the ends approach each other.
  • a so-called leaf spring can be used as the restraining member 28, a so-called leaf spring can be used.
  • the dimensions of the leaf spring are determined depending on the size of the fluid pressure actuator 20, the required gripping force, and the like.
  • the material of the leaf spring is not particularly limited, but typically any material such as metal such as stainless steel that is easily deformed and is resistant to compression may be used. Alternatively, it may be formed from a thin plate of carbon fiber reinforced plastic (CFRP).
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • the sealing member 30A includes a sealing connector 32, a locking ring 34, and a caulking member 36.
  • the sealed connector 32 has a lid portion 32A and an insertion portion 32B that are integrally molded.
  • the lid portion 32A has a hexagonal column shape with a diameter larger than the outer diameter of the tube 24, and an insertion portion 32B is formed extending in the axial direction S from the center of one end side of the lid portion 32A.
  • the insertion portion 32B has a so-called bamboo saw shape and is inserted into one end of the tube 24 inside the sleeve 26.
  • a mounting portion 33 is formed on the opposite side of the lid portion 32A from the insertion portion 32B.
  • the mounting portion 33 is formed with a mounting hole 33A that penetrates in a direction perpendicular to the axial direction S.
  • a metal such as stainless steel can be suitably used, but it is not limited to such a metal, and a hard plastic material or the like may also be used.
  • the sealed connector 32 has a flow path R.
  • the flow path R is formed to extend in the axial direction at the radially central portion of the insertion portion 32B, and communicates with the connection hole H on the side surface of the lid portion 32A.
  • An air supply hose 50 is connected to the connection hole H, and compressed air is supplied thereto.
  • the air supply hose 50 is provided with a servo valve 54 that controls the supply air pressure to a desired value.
  • the locking ring 34 has a ring shape and is disposed outside the sleeve 26 so as to sandwich the sleeve 26 between it and the insertion portion 32B, and locks the sleeve 26 to the sealing connector 32.
  • the sleeve 26 is folded back to the outer periphery via the locking ring 34.
  • the locking ring 34 can be made of metal, hard plastic, fiber, rubber, or other materials.
  • the caulking member 36 is arranged to cover the outer periphery of the actuator body 22 where the insertion portion 32B is inserted, and caulks the actuator body 22 to the sealing connector 32. Thereby, the actuator main body portion 22 is fixed to the sealed connector 32.
  • the caulking member 36 metals such as aluminum alloy, brass, and iron can be used.
  • the sealing member 30B has a sealing connector 32, a locking ring 34, and a caulking member 36 similar to the sealing member 30A.
  • the sealing connector 32 does not have a connection hole H or a flow path R, and has an R-shaped tip.
  • the fluid pressure actuator 20 is used such that the sealing member 30A on one end side is fixed and the sealing member 30B on the other end side is a free end.
  • the actuator main body 22 When compressed air is introduced from the connection hole H through the air supply hose 50, the pressure within the fluid pressure actuator 20 increases. Due to the increase in internal pressure, the tube 24 is elastically deformed and expanded, the sleeve 26 is deformed so that the angle ⁇ becomes larger, and a force is applied in a direction that shortens the length L0 (length when not shortened) of the actuator main body 22. act. At this time, since the outer peripheral side wall of the actuator main body 22 on which the restraining member 28 is arranged is restricted from being shortened, the actuator main body 22 has an outer peripheral wall ( (hereinafter referred to as "curved inner wall 22A") is shortened.
  • curved inner wall 22A outer peripheral wall
  • L1 be the length from one end of the curved inner wall 22A where the shortest amount is the greatest to the other end.
  • the force exerted by the sealing member 30B in a direction perpendicular to the axial direction S (hereinafter referred to as the "axis perpendicular direction X") is defined as the gripping force F.
  • the actuator gripping force estimating device 10 includes a base 12, a wire winding section 14, a measuring section 15, a wire member 16, a wire holding member 18, a pressure sensor 52, and a controller 40.
  • the base body 12 is a portion that fixes one end of the fluid pressure actuator 20, and a sealing member 30A of the fluid pressure actuator 20 is fixed to the lower surface via a mounting portion 33.
  • An air supply hose 50 is connected to the connection hole H of the sealing member 30A.
  • the pressure sensor 52 detects the pressure on the downstream side of the servo valve 54 of the air supply hose 50, and outputs the detected pressure to the AD board 42 of the controller 40, which will be described later.
  • the pressure sensor 52 detects the internal pressure of the actuator body 22 .
  • the wire winding section 14 is provided on the support section 12C and is rotatable around the winding shaft M.
  • the wire winding unit 14 applies a biasing force to wind the other end of the wire member 16 so that the wire member 16 does not become loose.
  • the biasing force is set smaller than the restoring force that causes the pressure inside the fluid pressure actuator 20 to return to atmospheric pressure and return from the curved state to the straight state.
  • the other end of the wire member 16 is fixed by a fixture 31C at a position facing the restraining member 28 on the outer periphery of the sealing member 30B (on the curved inner wall 22A side).
  • One end side of the wire member 16 is attached to the wire winding section 14.
  • the wire member 16 is formed of a long wire that can be wound up, and can be made of a metal cord or a string made of fiber. The wire member 16 is inserted into the wire holding member 18 from the other end until it is wound up by the wire winding section 14 .
  • the wire holding member 18 has a tube shape and is arranged at a position facing the restraining member 28 on the outer periphery of the sealing member 30B (on the curved inner wall 22A side).
  • the wire holding member 18 has a length (longer than the actuator body 22) that covers from one end to the other end of the actuator body 22 in an uncompressed state.
  • the wire holding member 18 is arranged along the axial direction S.
  • a locking portion 31A is formed in the sealing member 30A at a position corresponding to the curved inner wall 22A side in the circumferential direction.
  • the locking portion 31A has a hole 31B opened in the axial direction S through which the wire holding member 18 can be inserted, and the wire member 16 is inserted through the hole 31B.
  • the locking portion 31 restricts movement of the wire holding member 18 in the circumferential direction and the radial direction with respect to the sealing member 30A. Note that in the axial direction S, relative movement between the wire holding member 18 and the sealing member 30A is allowed. Thereby, the wire holding member 18 is disposed along the curved inner wall 22A of the actuator body 22 from one end to the other, and follows the movement of the actuator body 22.
  • the measuring unit 15 is formed of a rotary encoder that detects a signal according to the rotation of the wire winding unit 14 around the winding axis M, and transmits the detection signal to a counter board 44 of the controller 40, which will be described later.
  • the counter board 44 counts the signals sent from the measuring section 15 to obtain the winding length LR of the wire member 16.
  • the length L1 of the curved inner wall 22A is a length L0 when the fluid pressure actuator 20 is in a non-curved state, and decreases when the pressure inside the fluid pressure actuator 20 increases. Due to this shortening, the wire member 16 disposed along the curved inner wall 22A is wound up by the wire winding section 14 so as not to become loose. The other end side of the wire member 16 is fixed to the curved inner wall 22A side of the tip (sealing member 30B) of the fluid pressure actuator 20, and the one end side is attached to the wire winding part 14. Therefore, the length of the wire member 16 extending from the wire winding section 14 can be measured in accordance with the winding rotation of the wire member 16 by the wire winding section 14 .
  • the wire member 16 is inserted through the wire holding member 18 and is arranged along the curved inner wall 22A of the actuator main body 22, so that the winding length LR, which is the amount of change in the wire member 16, and the actuator main body
  • the shortened length of the portion 22 is approximately the same. Therefore, the length L1 of the curved inner wall 22A is a length obtained by subtracting the winding length LR of the wire member 16 from the length L0 when the actuator main body 22 is in a non-curved state. By subtracting the length LR from the length L0, the length L1 of the curved inner wall 22A can be calculated.
  • the controller 40 has a computer function including a CPU, ROM, RAM, storage unit, etc. (not shown). Further, the controller 40 is provided with a counter board 44, an AD board 42, and a DA board 46.
  • the counter board 44 is connected to the measuring section 15, and a signal is input from the measuring section 15.
  • the counter board 44 counts the input signals, obtains the winding length LR of the wire member 16, and sends information on the length LR to the storage section.
  • the AD board 42 is connected to a pressure sensor 52, and a pressure signal detected by the pressure sensor 52 is input.
  • the AD board 42 digitally converts the input pressure signal into pressure data and sends it to the storage section.
  • the pressure data is used to calculate the gripping force F, which will be described later. Further, the pressure data may be fed back to the servo valve 54 via the DA board 46 to adjust the opening degree of the servo valve 54.
  • the storage unit of the controller 40 stores various data such as the length L0, a grip force estimation model to be described later, the input length LR, and pressure data.
  • the gripping force estimation model is a model for estimating the gripping force F of the fluid pressure actuator 20.
  • L1 (m) is the curved inner wall 22A, which is the length from one end of the side surface of the actuator body 22 where the contraction is the largest to the other end
  • P (Pa) is the internal pressure of the actuator body 22
  • the gripping force is F(N)
  • parameters set based on the basic characteristics of the fluid pressure actuator 20 are ⁇ 1 (m), ⁇ 2 (N)
  • the geometric characteristics of the fluid pressure actuator 20 related to the length L0 (m) are
  • the gripping force F(N) is determined by the following equation (1), with the based constant being L min (m).
  • the parameters ⁇ 1 and ⁇ 2 are determined from measured values obtained by measuring the basic characteristics of the fluid pressure actuator 20. For example, the pressure of the fluid pressure actuator 20 is controlled, and the length L1 and the gripping force F are measured at a plurality of different pressures.
  • the gripping force F can be measured by a gripping force sensor 60 shown in FIG. 4 .
  • the gripping force sensor 60 is provided with a force receiving part 62 and a moving leg part 64, and measures the actual gripping force F by pressing the force receiving part 62 with the tip of the fluid pressure actuator 20. Then, ⁇ 1 and ⁇ 2 are determined by the least squares method using P(LL min ) as an explanatory variable.
  • the controller 40 subtracts the input length LR from the pre-stored length L0 to obtain the length L1, and applies this length L1 and the input pressure data P to equation (1). , calculate the gripping force F.
  • the calculated gripping force F is output upon request. The output may be displayed on a display unit, or may be an output for feedback for the next process.
  • the wire member 16 is arranged by the wire holding member 18 so as to follow the curved deformation of the curved inner wall 22A of the actuator main body 22 of the fluid pressure actuator 20. Therefore, by measuring the length LR, which is the amount of change in the wire member 16, it is possible to easily measure the length of the fluid pressure actuator 20 on the curved side even in a curved state.
  • the gripping force F can be easily estimated using equation (1) that includes only two variables, the length L1 and the pressure data P.
  • the length L1 is determined by the amount of change in the wire member 16, but the length L1 may be determined by other methods. For example, it is also possible to use a sensor that can measure the curved length.
  • FIG. 6 shows the results of the estimated gripping force FG and the measured gripping force F.
  • the dotted line is the measured value (grip force FR)
  • the solid line is the grip force F obtained from the equation of the grip force estimation model. It is assumed that the external force that the tip of the fluid pressure actuator 20 receives is always in the direction of the reaction force, and in this test, if the estimated gripping force F is 0N (zero newton) or less, the gripping force F is set to 0N (zero newton). Threshold processing was performed.
  • the estimated gripping force FG has a maximum error of about 1N with respect to the peak of the measured gripping force FR of about 15N, and the estimation accuracy near the peak is particularly improved.

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Abstract

筒内の内圧上昇により筒周の一方側が筒軸方向に短縮して湾曲する筒状の本体部を有し、筒軸の基端側が基体に固定され、先端が前記基体と相対移動する流体圧アクチュエータの、湾曲により非湾曲時における筒軸と直交する方向に作用する力を把持力として推定する、アクチュエータ把持力推定方法であって、　前記本体部の最も収縮が大きい側面の一端から他端部までの長さをＬ、前記筒内の内圧をＰ、前記把持力をＦとし、前記流体圧アクチュエータの基礎特性に基づき設定されるパラメータをω１、ω２とし、前記流体圧アクチュエータの幾何特性に基づく定数をＬｍｉｎをとすると、Ｆ＝ω１Ｐ（Ｌ－Ｌｍｉｎ）＋ω２　の式により、前記把持力を推定する。

Description

アクチュエータ把持力推定装置、アクチュエータ把持力推定方法
　本発明は、流体圧アクチュエータについての、アクチュエータ把持力推定装置、及び、アクチュエータ把持力推定方法、に関する。
　従来、流体圧アクチュエータとして、ゴムチューブと、その外面を覆うスリーブ（高張力繊維を編み込んだもの）とを有する、マッキベン型のものが知られている。このようなマッキベン型の流体圧アクチュエータは、ゴムチューブ及びスリーブの軸方向に沿った長さを変化させることができる。
　また、ゴムチューブの軸方向における一端側から他端側に亘って、周方向の一部に拘束部材を設けることにより、流体圧アクチュエータの拘束部材が設けられていない側を短縮させ、湾曲変形させる技術が提案されている（特開２０２１－８８９９９号公報参照）。
　特開２０２１－８８９９９号公報では、このような流体圧アクチュエータについて、複数組み合わせることにより、湾曲変形により物を把持する指として利用することも提案されている。この場合、流体圧アクチュエータで物を把持する力を求める必要が生じる。
　本開示は、上記事実に鑑みて、容易に、流体圧アクチュエータにおける、筒軸と直交する方向に作用する力を推定する、アクチュエータ把持力推定装置、及び、アクチュエータ把持力推定方法を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、第１の態様のアクチュエータ把持力推定装置は、筒内の内圧上昇により筒周の一方側が筒軸方向に短縮して湾曲する筒状の本体部を有し、筒軸の基端側が基体に固定され、先端が前記基体と相対移動する流体圧アクチュエータの、湾曲により非湾曲時における筒軸と直交する方向に作用する力を把持力として推定する、アクチュエータ把持力推定装置であって、前記本体部の筒内圧を取得する圧力センサと、前記本体部の最も短縮量が大きい側面の一端から他端部までの長さを取得する長さ取得部と、前記長さ取得部で得られた長さをＬ、前記圧力センサで得られた筒内の内圧をＰ、前記把持力をＦとし、前記流体圧アクチュエータの基礎特性に基づき設定されるパラメータをω１、ω２とし、前記流体圧アクチュエータの幾何特性に基づく定数をＬｍｉｎをとすると、Ｆ＝ω１Ｐ（Ｌ－Ｌｍｉｎ）＋ω２、の式により、前記把持力を推定する把持力推定部と、を備えている。
　第１の態様のアクチュエータ把持力推定装置では、流体圧アクチュエータの把持力を上記の式で推定する。これにより、筒内の内圧、及び、本体部の最も収縮が大きい側面の一端から他端部までの長さを用いて、容易に把持力を推定することができる。
　第２の態様のアクチュエータ把持力推定装置は、前記長さ取得部は、一端側が前記基体に取り付けられ、中間部が前記本体部の湾曲する側に湾曲変形に追従するように配置されたワイヤ部材と、前記ワイヤ部材を前記本体部に沿った位置に保持するワイヤ保持部材と、前記ワイヤ部材に張力を付し、前記ワイヤ部材の長さ変化量を測る測定部と、を有する。
　第２の態様のアクチュエータ把持力推定装置では、ワイヤ部材の中間部が流体圧アクチュエータの本体部の湾曲する側に湾曲変形に追従するように配置されている。測定部によりワイヤ部材に張力を付し、ワイヤ部材の長さ変化量を測ることにより、湾曲した状態でも、容易に流体圧アクチュエータの湾曲内側の長さを取得することができる。
　第３の態様のアクチュエータ把持力推定方法は、筒内の内圧上昇により筒周の一方側が筒軸方向に短縮して湾曲する筒状の本体部を有し、筒軸の基端側が基体に固定され、先端が前記基体と相対移動する流体圧アクチュエータの、湾曲により非湾曲時における筒軸と直交する方向に作用する力を把持力として推定する、アクチュエータ把持力推定方法であって、前記本体部の最も短縮量が大きい側面の一端から他端部までの長さをＬ、前記筒内の内圧をＰ、前記把持力をＦとし、前記流体圧アクチュエータの基礎特性に基づき設定されるパラメータをω１、ω２とし、前記流体圧アクチュエータの幾何特性に基づく定数をＬｍｉｎとすると、Ｆ＝ω１Ｐ（Ｌ－Ｌｍｉｎ）＋ω２、の式により、前記把持力を推定する。
　第３の態様のアクチュエータ把持力推定方法では、流体圧アクチュエータの把持力を上記の式で推定する。これにより、筒内の内圧、及び、本体部の最も収縮が大きい側面の一端から他端部までの長さを用いて、容易に把持力を推定することができる。
　第４の態様のアクチュエータ把持力推定方法は、前記本体部の最も収縮が大きい側面の一端から他端部までの長さは、一端側が前記基体に取り付けられ、中間部が前記本体部の湾曲する側と筒軸方向に沿うように配置されたワイヤ部材を、前記本体部に沿った位置に保持し、前記ワイヤ部材に張力を付し、前記ワイヤ部材の長さ変化量を測ることにより得る。
　第４の態様のアクチュエータ把持力推定方法では、ワイヤ部材の中間部が流体圧アクチュエータの本体部の湾曲する側に湾曲変形に追従するように配置しているので、ワイヤ部材の長さ変化量を測ることにより、湾曲した状態でも、容易に流体圧アクチュエータの湾曲内側の長さを取得することができる。
　本開示によれば、容易に、流体圧アクチュエータにおける、筒軸と直交する方向に作用する力を推定することができる。
本実施形態に係るアクチュエータ把持力推定装置の測定対象としての流体圧アクチュエータの側面図である。 流体圧アクチュエータの一部分解斜視図である。 流体圧アクチュエータの断面図である。 アクチュエータ把持力推定装置に流体圧アクチュエータが取り付けられた状態（非湾曲状態）を示す図である。 アクチュエータ把持力推定装置に流体圧アクチュエータが取り付けられた状態（湾曲状態）を示す図である。 試験結果として推定把持力と測定把持力を時系列で示すグラフであり、目標圧力２００ｋＰａでの長さＬ１が０．０７４ｍの場合である。 試験結果として推定把持力と測定把持力を時系列で示すグラフであり、目標圧力２００ｋＰａでの長さＬ１が０．０７２ｍの場合である。
　以下、図面を参照して本開示の技術を実現する実施形態を詳細に説明する。
　なお、作用、機能が同じ働きを担う構成要素及び処理には、全図面を通して同じ符合を付与し、重複する説明を適宜省略する場合がある。また、本開示は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。
　＜流体圧アクチュエータの構成＞
　図１には、本開示のアクチュエータ把持力推定装置１０の測定対象としての流体圧アクチュエータ２０が示されている。流体圧アクチュエータ２０は、アクチュエータ本体部２２、封止部材３０Ａ、３０Ｂを備えている。
　図２にも示されるように、アクチュエータ本体部２２は、チューブ２４、スリーブ２６、及び拘束部材２８を有している。チューブ２４は、弾性変形による伸縮可能な円筒状であり、内部の流体の圧力変化によって膨張及び収縮する。チューブ２４の軸方向を「軸方向Ｓ」とする。チューブ２４は、ブチルゴムなどの弾性材料によって構成することができる。チューブ２４へ供給する流体としては、空気を用いることができ、この場合には、流体圧アクチュエータ２０は空気式アクチュエータとなる。なお、流体圧アクチュエータ２０を油圧駆動とする場合には、耐油性が高いＮＢＲ（ニトリルゴム）、または水素化ＮＢＲ 、クロロプレンゴム、及びエピクロロヒドリンゴムからなる群より選択される少なくとも一種とすることが好ましい。
　スリーブ２６は、チューブ２４の外周を覆う円筒状とされている。スリーブ２６は、所定方向に配向された繊維コードを編み込んだ伸縮性を有する構造体であり、配向されたコードが軸方向Ｓに対して所定の角度θで交差されている。スリーブ２６は、このような形状を有することによって、角度θを変えるパンタグラフのように変形し、チューブ２４の収縮及び膨張を規制しつつこの収縮及び膨張に追従する。
　スリーブ２６を構成するコードとしては、芳香族ポリアミド（アラミド繊維）やポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）の繊維コードを用いることが好ましい。但し、このような種類の繊維コードに限定されるものではなく、例えば、ＰＢＯ繊維（ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール）などの他の高強度繊維のコードでもよい。
　拘束部材２８は、チューブ２４とスリーブ２６との間に設けられている。拘束部材２８は、長尺板状とされ、長手方向がチューブ２４の軸方向に沿った方向に配置され、チューブ２４の外周の一部を覆い、チューブ２４の一端から他端に渡って配置されている。
　拘束部材２８は、加圧により膨張／収縮のない材料で形成されており、端部同士が近づく方向に撓み変形可能とされている。拘束部材２８としては、所謂、板バネ（leaf spring）を用いることができる。板バネの寸法は、流体圧アクチュエータ２０のサイズや要求
される把持力などに応じて決定される。また、板バネの材料についても特に限定されないが、典型的には、ステンレス鋼などの金属など、撓み変形し易く、圧縮に強い材料であればよい。他に、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）の薄板などによって形成されてもよい。
　封止部材３０Ａは、封止コネクタ３２ 、係止リング３４、及びかしめ部材３６を有している。
　封止コネクタ３２は、一体成形された蓋部３２Ａ及び挿入部３２Ｂを有している。蓋部３２Ａは、チューブ２４の外径よりも大径とされた六角柱状とされ、蓋部３２Ａの一端側の中央から、挿入部３２Ｂが軸方向Ｓに延出形成されている。挿入部３２Ｂは、所謂タケノコ形状とされ、スリーブ２６の内側のチューブ２４の一端側に挿入される。蓋部３２Ａの挿入部３２Ｂと反対側には、取付部３３が形成されている。取付部３３には、軸方向Ｓと直交する方向に貫通する取付孔３３Ａが形成されている。封止部材３０Ａとしては、ステンレス鋼などの金属を好適に用い得るが、このような金属に限定されず、硬質プラスチック材料などを用いてもよい。
　図３に示されるように、封止コネクタ３２は、流路Ｒを有している。流路Ｒは、挿入部３２Ｂの径方向中央部に軸方向に延出形成されると共に、蓋部３２Ａの側面の接続孔Ｈと連通されている。接続孔Ｈには、空気供給ホース５０が接続され、圧縮空気が供給される。空気供給ホース５０には、供給空気圧を所望の値に制御するサーボバルブ５４が設けられている。
　係止リング３４は、リング状とされ、挿入部３２Ｂとの間にスリーブ２６を挟み込むように、スリーブ２６の外側に配置され、スリーブ２６を封止コネクタ３２に係止する。スリーブ２６は、係止リング３４を介して外周へ折り返される。係止リング３４としては、金属、硬質プラスチックや、繊維 、ゴムなどの材料を用いることができる。
　かしめ部材３６は、アクチュエータ本体部２２の外周で挿入部３２Ｂが挿入された部分を覆うように配置され、アクチュエータ本体部２２を封止コネクタ３２にかしめる。これにより、アクチュエータ本体部２２は、封止コネクタ３２に固定される。かしめ部材３６としては、アルミニウム合金、真鍮、及び鉄などの金属を用いることができる。
　封止部材３０Ｂは、封止部材３０Ａと同様の、封止コネクタ３２ 、係止リング３４、及びかしめ部材３６を有している。但し、封止コネクタ３２には、接続孔Ｈ及び流路Ｒは形成されておらず、先端がＲ形状とされている。
　＜流体圧アクチュエータの動作＞
　図４に示されるように、流体圧アクチュエータ２０は、一端側の封止部材３０Ａが固定され、他端側の封止部材３０Ｂが自由端となるようにして使用される。
　空気供給ホース５０を介して接続孔Ｈから圧縮空気を流入させると、流体圧アクチュエータ２０内の圧力が上昇する。内圧上昇により、チューブ２４が弾性変形して膨張し、スリーブ２６は角度θが大きくなるように変形し、アクチュエータ本体部２２の長さＬ０（非短縮時の長さ）が短縮する方向に力が作用する。このとき、アクチュエータ本体部２２の拘束部材２８が配置された外周側壁は短縮が規制されているため、アクチュエータ本体部２２は、軸方向Ｓからみて拘束部材２８が配置されていない側の外周壁（以下「湾曲内側壁２２Ａ」という）が短縮する。これにより、拘束部材２８が撓み変形し、図５に示されるように、アクチュエータ本体部２２の全体が湾曲する。湾曲内側壁２２Ａの最も短縮量が大きい一端から他端部までの長さをＬ１とする。
　このように、アクチュエータ本体部２２が湾曲するとき、封止部材３０Ｂが軸方向Ｓと直交する方向（以下「軸直方向Ｘ」と称する）に作用させる力を、把持力Ｆとする。
　＜アクチュエータ把持力推定装置＞
　図４に示されるように、アクチュエータ把持力推定装置１０は、基体１２、ワイヤ巻取部１４、測定部１５、ワイヤ部材１６、ワイヤ保持部材１８、圧力センサ５２、及びコントローラ４０を備えている。
　基体１２は、流体圧アクチュエータ２０の一端を固定する部分であり、下面に流体圧アクチュエータ２０の封止部材３０Ａが取付部３３を介して固定されている。封止部材３０Ａの接続孔Ｈには、空気供給ホース５０が接続されている。
　圧力センサ５２は、空気供給ホース５０のサーボバルブ５４よりも下流側の圧力を検知し、検知した圧力を、コントローラ４０の後述するＡＤボード４２へ出力する。圧力センサ５２により、アクチュエータ本体部２２の内圧が検知される。
　ワイヤ巻取部１４は、支持部１２Ｃに設けられており、巻き取り軸Ｍを中心に回転可能とされている。ワイヤ巻取部１４は、ワイヤ部材１６に緩みができないように、ワイヤ部材１６の他端側を巻き取るように付勢力を作用させる。当該付勢力は、流体圧アクチュエータ２０内の圧力が大気圧に戻されて湾曲状態から直線状態に戻る復元力よりも小さく設定されている。
　ワイヤ部材１６は、他端側が封止部材３０Ｂの外周の拘束部材２８と対向する位置（湾曲内側壁２２Ａ側）に固定具３１Ｃにより固定されている。ワイヤ部材１６の一端側は、ワイヤ巻取部１４に取り付けられている。ワイヤ部材１６は、巻き取り可能な長尺の線材で形成されており、金属性のコードや繊維などの紐を用いることができる。ワイヤ部材１６は、他端側から、ワイヤ巻取部１４に巻き取られる手前まで、ワイヤ保持部材１８に挿入されている。
　ワイヤ保持部材１８は、チューブ状（管状）とされ、封止部材３０Ｂの外周の拘束部材２８と対向する位置（湾曲内側壁２２Ａ側）に配置されている。ワイヤ保持部材１８は、非圧縮状態におけるアクチュエータ本体部２２の一端から他端をカバーする長さ（アクチュエータ本体部２２よりも長い）とされている。ワイヤ保持部材１８は、軸方向Ｓ方向に沿うように配置されている。ワイヤ保持部材１８としては、可撓性のチューブを用いることができる。封止部材３０Ａには、周方向で湾曲内側壁２２Ａ側に対応する位置に、係止部３１Ａが形成されている。係止部３１Ａは、ワイヤ保持部材１８を挿通可能な軸方向Ｓに開口した孔３１Ｂを有し、孔３１Ｂにワイヤ部材１６が挿通されている。係止部３１により、ワイヤ保持部材１８は、封止部材３０Ａに対し、周方向及び径方向の移動が規制されている。なお、軸方向Ｓにおいて、ワイヤ保持部材１８と封止部材３０Ａとの相対移動は許容されている。これにより、ワイヤ保持部材１８は、一端から他端に架けて、アクチュエータ本体部２２の湾曲内側壁２２Ａに沿って配置され、アクチュエータ本体部２２の動きに追従する。
　測定部１５は、ワイヤ巻取部１４の巻き取り軸Ｍ周りの回転に応じて信号を検出するロータリーエンコーダで形成されており、検出信号をコントローラ４０の後述するカウンターボード４４へ送信する。カウンターボード４４では、測定部１５から送出される信号をカウントし、ワイヤ部材１６の巻き取り長さＬＲを得る。
　ここで、流体圧アクチュエータ２０の動作と湾曲内側壁２２Ａの長さＬ１について説明する。湾曲内側壁２２Ａの長さＬ１は、流体圧アクチュエータ２０が非湾曲状態の時には、長さＬ０であり、流体圧アクチュエータ２０内の圧力が上昇すると短縮する。この短縮により、湾曲内側壁２２Ａに沿って配置されたワイヤ部材１６は、ワイヤ巻取部１４によって緩みができないように巻き取られる。ワイヤ部材１６の他端側は、流体圧アクチュエータ２０の先端（封止部材３０Ｂ）の湾曲内側壁２２Ａ側に固定され、一端側はワイヤ巻取部１４に取り付けられている。したがって、ワイヤ巻取部１４によるワイヤ部材１６の巻き取り回転に応じて、ワイヤ部材１６のワイヤ巻取部１４からの延出長さを測定することができる。
　ワイヤ部材１６は、ワイヤ保持部材１８に挿通されており、アクチュエータ本体部２２の湾曲内側壁２２Ａに沿って配置されているので、ワイヤ部材１６の変化量である巻き取り長さＬＲと、アクチュエータ本体部２２が短縮した長さが略同じとなる。そこで、湾曲内側壁２２Ａの長さＬ１は、アクチュエータ本体部２２が非湾曲状態の時の長さＬ０から、ワイヤ部材１６の巻き取り長さＬＲを減じた長さとなる。長さＬ０から長さＬＲを減じることにより、湾曲内側壁２２Ａの長さＬ１を算出することができる。
　コントローラ４０は、不図示のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、記憶部、等を備えてコンピュータ機能を有している。また、コントローラ４０には、カウンタ-ボード４４、ＡＤボード４２、ＤＡボード４６が設けられている。
　カウンタ-ボード４４は、測定部１５と接続されており、測定部１５から信号が入力される。カウンタ-ボード４４は、入力された信号をカウントして、ワイヤ部材１６の巻き取り長さＬＲを得て、長さＬＲの情報を記憶部へ送る。
　ＡＤボード４２は、圧力センサ５２と接続されており、圧力センサ５２で検知した圧力信号が入力される。ＡＤボード４２は、入力された圧力信号を圧力データへデジタル変換して、記憶部に送る。圧力データは、後述する把持力Ｆの算出に用いられる。また、圧力データは、ＤＡボード４６を介してサーボバルブ５４へフィードバックし、サーボバルブ５４の開度を調整してもよい。
　コントローラ４０の記憶部には、長さＬ０、後述する把持力推定モデル、入力された長さＬＲ、圧力データ等の各種データが格納されている。
　＜把持力推定モデル＞　
　把持力推定モデルは、流体圧アクチュエータ２０の把持力Ｆを推定するモデルである。アクチュエータ本体部２２の本体部の最も収縮が大きい側面の一端から他端部までの長さである湾曲内側壁２２ＡをＬ１（ｍ）、アクチュエータ本体部２２の内圧をＰ（Ｐａ）、把持力をＦ（Ｎ）とし、流体圧アクチュエータ２０の基礎特性に基づき設定されるパラメータをω１（ｍ）、ω２（Ｎ）とし、長さＬ０（ｍ）に関連する流体圧アクチュエータ２０の幾何特性に基づく定数をＬｍｉｎ（ｍ）として、以下の式（１）により把持力Ｆ（Ｎ）を求めるものである。
　Ｆ＝ω１Ｐ（Ｌ１－Ｌｍｉｎ）＋ω２　　（１）
　パラメータのω１、ω２は、流体圧アクチュエータ２０の基礎特性の計測を実施して得られた計測値から決定する。例えば、流体圧アクチュエータ２０の圧力制御を行い、異なる複数の圧力において、長さＬ１、把持力Ｆを計測する。把持力Ｆの計測は、図４に示される把持力センサ６０により実施することができる。把持力センサ６０には、力受部６２、移動脚部６４が設けられており、流体圧アクチュエータ２０の先端で力受部６２を押圧するようにして実際の把持力Ｆを計測する。そして、Ｐ（Ｌ－Ｌｍｉｎ）を説明変数とした最小二乗法によって、ω１、ω２を決定する。
　コントローラ４０では、入力された長さＬＲを予め記憶しておいた長さＬ０から減じて長さＬ１を求め、この長さＬ１、及び、入力された圧力データＰを式（１）に当てはめて、把持力Ｆを算出する。算出された把持力Ｆは、要求に応じて出力する。当該出力は、表示部への表示であってもよいし、次処理のためのフィードバック用の出力であってもよい。
　本実施形態のアクチュエータ把持力推定装置１０では、ワイヤ保持部材１８により、ワイヤ部材１６が流体圧アクチュエータ２０のアクチュエータ本体部２２の湾曲内側壁２２Ａの湾曲変形に追従するように配置される。したがって、ワイヤ部材１６の変化量である長さＬＲを測ることにより、湾曲した状態でも、容易に流体圧アクチュエータ２０の湾曲内側の長さを測ることができる。
　また、長さＬ１と圧力データＰの２つの変数のみの式（１）により、簡易に把持力Ｆを推定することができる。
　なお、本実施形態では、長さＬ１をワイヤ部材１６の変化量により求めたが、他の方法によりながさＬ１を求めてもよい。例えば、湾曲長さを測定可能なセンサを用いることも可能である。
　＜把持力推定モデルの評価実験＞　
　把持力推定モデルに対し，テストデータを計測し、その評価を行った。流体圧アクチュエータ２０に対し、内圧目標を振幅２００ｋＰａ、平均２００ｋＰａの正弦波で圧縮空気を供給し、圧力データＰ、長さＬ１、実際の把持力ＦＲを計測した。本評価実験で得られたテストデータの圧力データＰ、長さＬ１を把持力推定モデルへ入力して把持力Ｆ求め、実際に計測で得られた把持力ＦＲと比較した。本評価試験では内圧２００ｋＰａの時に流体圧アクチュエータ２０の先端が力受部６２と接触し、長さＬ１が０．０７４ｍと０．０７２ｍとなる二通りの状況について測定を行った。
　流体圧アクチュエータ２０の長さＬ１と屈曲角度の関係は、
　Ｌ１＝－３．２×１０－４θ +０．０８５　　(6)
　であり、Ｌ＝０．０７４ｍに相当する屈曲角度θは約３４deg、Ｌ＝０．０７２ｍでは約４０degであった。
　図６に推定把持力ＦＧ、及び、計測した把持力Ｆの結果を示す。グラフ中、点線は計測値（把持力ＦＲ）、実線は把持力推定モデルの式から得られる把持力Ｆである。流体圧アクチュエータ２０の先端が受ける外力は常に反力方向と仮定し，本試験では推定された把持力Ｆが０Ｎ（ゼロニュートン）以下となった場合、把持力Ｆを０Ｎ（ゼロニュートン）とする閾値処理を行った。計測した把持力ＦＲのピーク約１５Ｎに対し推定把持力ＦＧは最大約１Ｎ程度の誤差であり、ピーク付近における推定精度が、特に向上している。
　２０２２年９月２日に出願された日本国特許出願２０２２-１４００３３号開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。
　本明細書に記載されたすべての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記載された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。　

Claims (4)

  1. 　筒内の内圧上昇により筒壁の一方側が筒軸方向に短縮して湾曲する筒状の本体部を有し、筒軸の基端側が基体に固定され、先端が前記基体と相対移動する流体圧アクチュエータの、湾曲により非湾曲時における筒軸と直交する方向に作用する力を把持力として推定する、アクチュエータ把持力推定装置であって、
    　前記本体部の筒内圧を取得する圧力センサと、
    　前記本体部の最も短縮量が大きい側面の一端から他端部までの長さを取得する長さ取得部と、
    　前記長さ取得部で得られた長さをＬ、前記圧力センサで得られた筒内の内圧をＰ、前記把持力をＦとし、前記流体圧アクチュエータの基礎特性に基づき設定されるパラメータをω１、ω２とし、前記流体圧アクチュエータの幾何特性に基づく定数をＬｍｉｎとすると、
    　Ｆ＝ω１Ｐ（Ｌ－Ｌｍｉｎ）＋ω２
    　の式により、前記把持力を推定する把持力推定部と、
    　を備えた、アクチュエータ把持力推定装置。
  2. 　前記長さ取得部は、一端側が前記基体に取り付けられ、中間部が前記本体部の湾曲する側に湾曲変形に追従するように配置されたワイヤ部材と、前記ワイヤ部材を前記本体部に沿った位置に保持するワイヤ保持部材と、前記ワイヤ部材に張力を付し、前記ワイヤ部材の長さ変化量を測る測定部と、を有する、
    　請求項１に記載のアクチュエータ把持力推定装置。
  3. 　筒内の内圧上昇により筒周の一方側が筒軸方向に短縮して湾曲する筒状の本体部を有し、筒軸の基端側が基体に固定され、先端が前記基体と相対移動する流体圧アクチュエータの、湾曲により非湾曲時における筒軸と直交する方向に作用する力を把持力として推定する、アクチュエータ把持力推定方法であって、
    　前記本体部の最も収縮が大きい側面の一端から他端部までの長さをＬ、前記筒内の内圧をＰ、前記把持力をＦとし、前記流体圧アクチュエータの基礎特性に基づき設定されるパラメータをω１、ω２とし、前記流体圧アクチュエータの幾何特性に基づく定数をＬｍｉｎをとすると、
    　Ｆ＝ω１Ｐ（Ｌ－Ｌｍｉｎ）＋ω２
    　の式により、前記把持力を推定する、アクチュエータ把持力推定方法。
  4. 　前記本体部の最も収縮が大きい側面の一端から他端部までの長さは、
    　一端側が前記基体に取り付けられ、中間部が前記本体部の湾曲する側と筒軸方向に沿うように配置されたワイヤ部材を、前記本体部に沿った位置に保持し、
    　前記ワイヤ部材に張力を付し、前記ワイヤ部材の長さ変化量を測ることにより得る、
    　請求項３に記載のアクチュエータ把持力推定方法。
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