(57)【要約】【課題】低圧のポンプを用いて油圧アクチュエータの高圧駆動を行うと共に、油圧エネルギーの熱損失を抑えて、油圧アクチュエータの性能を高める。【解決手段】油圧発生装置によって生成された圧力によって油圧駆動装置を駆動させる油圧アクチュエータにおいて、前記油圧発生装置は、直列に接続された複数の油圧ポンプと、各油圧ポンプをそれぞれ駆動する複数のモータと、各モータの制御によって各油圧ポンプで生成される圧力を制御する圧力制御手段と、を備え、前記圧力制御手段は、各油圧ポンプの内部漏れ抵抗に応じて各油圧ポンプの圧力を制御する。【選択図】図６
2019008558.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
油圧発生装置によって生成された圧力によって油圧駆動装置を駆動させる油圧アクチュエータにおいて、
前記油圧発生装置は、
直列に接続された複数の油圧ポンプと、
各油圧ポンプをそれぞれ駆動する複数の電動モータと、
各電動モータの制御によって各油圧ポンプで生成される圧力を制御する圧力制御手段と、
を備え、
前記圧力制御手段は、各油圧ポンプの内部漏れ抵抗に応じて各油圧ポンプの圧力を制御する、
油圧アクチュエータ。
【請求項２】
各油圧ポンプの圧力は、各油圧ポンプの内部漏れ抵抗の平方根に比例するように制御される、請求項１に記載の油圧アクチュエータ。
【請求項３】
各油圧ポンプの圧力は、各油圧ポンプの内部漏れ抵抗に比例するように制御される、請求項１に記載の油圧アクチュエータ。
【請求項４】
油圧アクチュエータの作動時に各油圧ポンプの内部漏れ抵抗を推定する手段を備え、推定された各内部漏れ抵抗に応じて各油圧ポンプの圧力を制御する、請求項１〜３いずれか１項に記載の油圧アクチュエータ。
【請求項５】
前記油圧ポンプの内部漏れ抵抗を推定する手段は、油圧ポンプi（i=1,2,..）の内部漏れ抵抗kLiを、
2019008558.tif 000053
によって算出するものである、請求項４に記載の油圧アクチュエータ。
ここで、
kLiは、油圧ポンプiの内部漏れ抵抗、
piは、油圧ポンプiの差圧、
kdiは、油圧ポンプiの単位移動量あたりの押しのけ容積、  
2019008558.tif 000054
は、油圧ポンプiの移動速度、
kdcは、油圧駆動装置の単位移動量あたりの押しのけ容積、
2019008558.tif 000055
は、油圧駆動装置の移動速度、である。
【請求項６】
各油圧ポンプの内部漏れ抵抗を一定と仮定して各油圧ポンプの圧力を制御する、請求項１〜３いずれか１項に記載の油圧アクチュエータ。
【請求項７】
前記内部漏れ抵抗は、油圧駆動装置を固定した状態で一つずつ油圧ポンプを駆動させた時の当該油圧ポンプの差圧、当該油圧ポンプの単位移動量あたりの押しのけ容積、当該油圧ポンプの移動速度、を用いて算出される、請求項６に記載の油圧アクチュエータ。
【請求項８】
前記圧力制御手段は、油圧ポンプの内部漏れ抵抗に応じて各油圧ポンプの目標差圧を設定し、前記目標差圧を出力するように各電動モータを制御して対応する油圧ポンプを駆動する、請求項１〜７いずれか１項に記載の油圧アクチュエータ。
【請求項９】
各油圧ポンプの圧力制御は、電動モータの速度制御によって行われる、請求項１〜８いずれか１項に記載の油圧アクチュエータ。
【請求項１０】
各油圧ポンプの圧力制御は、電動モータの電流制御によって行われる、請求項１〜８いずれか１項に記載の油圧アクチュエータ。
【請求項１１】
直列に接続された複数の油圧ポンプを備えた油圧発生装置によって生成された圧力によって油圧駆動装置を駆動させる油圧アクチュエータにおいて、
各油圧ポンプの内部漏れ抵抗が得られており、
各油圧ポンプの内部漏れ抵抗に応じて各油圧ポンプの圧力を制御する、
油圧アクチュエータの圧力制御方法。
【請求項１２】
各油圧ポンプの圧力は、各油圧ポンプの内部漏れ抵抗の平方根に比例するように制御される、請求項１１に記載の油圧アクチュエータの圧力制御方法。
【請求項１３】
各油圧ポンプの圧力は、各油圧ポンプの内部漏れ抵抗に比例するように制御される、請求項１１に記載の油圧アクチュエータの圧力制御方法。
【請求項１４】
各油圧ポンプの内部漏れ抵抗は、油圧アクチュエータの作動時に推定され、
推定された各内部漏れ抵抗に応じて各油圧ポンプの圧力を制御する、請求項１１〜１３いずれか１項に記載の油圧アクチュエータの圧力制御方法。
【請求項１５】
前記油圧ポンプの内部漏れ抵抗を推定する手段は、油圧ポンプi（i=1,2,..）の内部漏れ抵抗kLiを、
2019008558.tif 000056
によって算出するものである、請求項１４に記載の油圧アクチュエータの圧力制御方法。
ここで、
kLiは、油圧ポンプiの内部漏れ抵抗、
piは、油圧ポンプiの差圧、
kdiは、油圧ポンプiの単位移動量あたりの押しのけ容積、  
2019008558.tif 000057
は、油圧ポンプiの移動速度、
kdcは、油圧駆動装置の単位移動量あたりの押しのけ容積、
2019008558.tif 000058
は、油圧駆動装置の移動速度、である。
【請求項１６】
各油圧ポンプの内部漏れ抵抗を一定と仮定して各油圧ポンプの圧力を制御する、請求項１１〜１３いずれか１項に記載の油圧アクチュエータの圧力制御方法。
【請求項１７】
前記内部漏れ抵抗は、油圧駆動装置を固定した状態で一つずつ油圧ポンプを駆動させた時の当該油圧ポンプの差圧、当該油圧ポンプの単位移動量あたりの押しのけ容積、当該油圧ポンプの移動速度、を用いて算出される、請求項１６に記載の油圧アクチュエータの圧力制御方法。
【請求項１８】
前記圧力制御は、油圧ポンプの内部漏れ抵抗に応じて各油圧ポンプの目標差圧を設定し、前記目標差圧を出力するように油圧ポンプの圧力を制御する、請求項１１〜１７いずれか１項に記載の油圧アクチュエータの圧力制御方法。
【請求項１９】
各油圧ポンプは、それぞれ対応する電動モータによって駆動され、各油圧ポンプで生成される圧力は、各電動モータによって制御される、請求項１１〜１８いずれか１項に記載の油圧アクチュエータの圧力制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧アクチュエータ及び油圧アクチュエータの圧力制御方法に係り、主として、電気静油圧アクチュエータ（EHA:Electro-Hydrostatic Actuator）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
油圧アクチュエータは、一般に、油圧発生装置（油圧ポンプ）と、油圧発生装置により生成された油圧によって駆動される油圧駆動装置（油圧シリンダ、油圧モータ等）と、を備えている。歯車ポンプは、小型の油圧発生装置として有用性が高い。特に、トロコイドポンプは低摩擦で吐出流量を大きくできるが、内部漏れが大きく高圧化が難しいという課題がある。油圧ポンプにおいて、低摩擦を得るためにはある程度の内部漏れを許容する必要があり、このような内部漏れは高圧化には不利に働く。
【０００３】
本発明者らは油圧駆動システムを利用して高いバックドライバビリティを持ち、力に敏感な制御が可能である電気静油圧アクチュエータ（EHA）を開発している（非特許文献１〜４）。非特許文献２には、モータの電流制御によるEHAの力制御が開示されており、非特許文献４には、モータの速度制御によるEHAの力制御が開示されている。また、本発明者らは、直動型EHAによって駆動するヒューマノイドロボットの開発を進めており、このヒューマノイドでは、各直動型EHAを全て同一のポンプ、シリンダから構成するようにしている。EHAの構成要素を共通化することは、設計コスト・製造コストの低減に寄与する。
【０００４】
しかしながら、大きなトルクを必要とする関節においては、1組のシリンダ・ポンプユニットの推力では目標とする関節トルクに到達できない場合が生じた。複数のシリンダ・ポンプユニットを用いて必要とされるトルクを得ることも考えられるが、スペースの圧迫や重量の増加が問題となる。そこで、省スペース化・軽量化を図るべく、油圧ポンプを直列に２つ繋ぐタンデムポンプ方式を採用してEHAの圧力を高圧化することが検討された。EHAの構成する各要素（油圧ポンプや油路等）の耐圧が十分であれば、高圧化された所望の圧力を得ることができると考えられる。
【０００５】
冒頭で述べたように、油圧アクチュエータ、例えば電気静油圧アクチュエータ、で用いられる油圧ポンプは内部漏れを許容することによって低摩擦を実現するものであるが、油圧ポンプにおける内部漏れによって生じるエネルギー損失は発熱の原因となる。この熱は、作動油の温度上昇及び粘度低下を引き起こし、圧力の維持にさらにエネルギーが必要となってEHAの性能を低下させることになる。また、関節位置を保持し続けるような場合には、外への仕事がなく入力されたエネルギーはすべて熱となることに加え、生じた熱が搬送されないため特に問題となる。このような状態はドライバ素子やモータの焼損につながり、ロボットに長時間の作業を行わせる際に問題となる。とりわけ大きな力を必要とする関節においてこの損失を低減させることは重要である。ここで、同一の油圧ポンプを用いてタンデムポンプ方式を構成した場合であっても、漏れは隙間の３乗に比例するため、実際には、ポンプの加工や組立ての精度によるポンプの個体差の影響を無視することができず、内部漏れ抵抗はポンプ毎に異なる。この各ポンプの内部漏れ抵抗のばらつきにより性能が十分発揮できないことがある。さらに、ポンプ駆動時には、高圧力下における部品の変形によって隙間が増大するほか、内部漏れ損失からの発熱によって作動油の粘度は低下する。そのため内部漏れ抵抗は一定でなく、個々のポンプや駆動条件、時間 経過により変化する。 
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】神永拓, 田中宏和, 甘利友也, 丹羽大和, 中村仁彦，“度関数増大によるアシスト制御を行う静油圧駆動膝用パワーアシストの開発”，日本ロボット学会誌, Vol. 29, No. 7, pp. 47−56, 2011.
【非特許文献２】Tanaka, H., Kaminaga, H., and Nakamura, Y., “Pressure feedback control based on singular perturbation method of an electro-hydrostatic actuator for an exoskeletal power-assist system,” J. of Robotics and Mechatronics, Vol. 24, No. 2, pp.354−362, 2012.
【非特許文献３】Kaminaga, H., Ono, J., Nakashima, Y., and Nakamura, Y.,“Development of Backdrivable Hydraulic Joint Mechanism for Knee Joint of Humanoid Robots,” In Proc. of IEEE Int'l Conf.on Robotics and Automations, pp. 1577−1582, 2009.
【非特許文献４】神永拓. 康天毅. 中村仁彦. モータの速度制御を用いた電気静油圧アクチュエータの力制御、日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会, pp.1A1‐I04, 5月2014.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、低圧のポンプを用いて油圧アクチュエータの高圧駆動を行うと共に、油圧エネルギーの熱損失を抑えて、油圧アクチュエータの性能を高めることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明が採用した技術手段は、
油圧発生装置によって生成された圧力によって油圧駆動装置を駆動させる油圧アクチュエータにおいて、
前記油圧発生装置は、
直列に接続された複数の油圧ポンプと、
各油圧ポンプをそれぞれ駆動する複数のモータと、
各モータの制御によって各油圧ポンプで生成される圧力を制御する圧力制御手段と、
を備え、
前記圧力制御手段は、各油圧ポンプの内部漏れ抵抗に応じて各油圧ポンプの圧力を制御する、
油圧アクチュエータ、である。
【０００９】
典型的には、複数の油圧ポンプは同一のポンプとして製造された同一（形状・寸法同一）のポンプである。実際には、製造誤差によって内部漏れにばらつきが生じ得る。
なお、本発明は、形状・寸法が異なるポンプの組み合わせを排除するものではない。
典型的には、油圧発生装置は、２つの油圧ポンプを直列に接続してなるタンデムポンプを備えているが、油圧ポンプの個数は３つ以上であってもよい。
典型的には、前記油圧アクチュエータは、電気静油圧アクチュエータである。
【００１０】
１つの態様では、各油圧ポンプの圧力は、各油圧ポンプの内部漏れ抵抗の平方根に比例するように制御される。
例えば、所望の合計の目標差圧が設定さている時に、この合計の目標差圧を、内部漏れ抵抗の平方根に比例させて、各油圧ポンプ毎の目標差圧に配分する。
なお、理論上、各油圧ポンプの圧力を、各油圧ポンプの内部漏れ抵抗の平方根に比例するように制御することが望ましいと考えられるが、「各油圧ポンプの内部漏れ抵抗に応じて各油圧ポンプの圧力を制御すること」は限定的に解釈されるものではなく、各油圧ポンプの内部漏れ抵抗の比をそのまま用いる場合や、内部漏れ抵抗の平方根の数値と実質的に等価とみなされるような数値（例えば近似値、桁の一部を切り上げ、切り捨て、四捨五入するような場合等）を用いる場合、内部漏れ抵抗の値と内部漏れ抵抗の平方根の値の間の任意の値を用いる場合等が含まれ得る。
【００１１】
１つの態様では、各油圧ポンプの内部漏れ抵抗は、油圧アクチュエータの作動時に各油圧ポンプの内部漏れ抵抗を推定する手段によって推定され、推定された各漏れ抵抗に応じて各油圧ポンプの圧力を制御する。こうすることで、油圧アクチュエータの作動時にリアルタイムで圧力制御を行うことができる。
【００１２】
各油圧ポンプの内部漏れ抵抗は、予め取得した値を用いてもよい。この場合、各ポンプの内部漏れ抵抗を一定と仮定して各油圧ポンプの圧力を制御する。
【００１３】
１つの態様では、前記圧力制御手段は、油圧ポンプの内部漏れ抵抗に応じて各油圧ポンプの目標差圧を設定し、前記目標差圧を出力するように各電動モータを制御して対応する油圧ポンプを駆動する。
例えば、前記圧力制御手段は、各油圧ポンプで生成された圧力を加算した合計圧力を、各油圧ポンプの内部漏れ抵抗に応じて各油圧ポンプの圧力に配分する。
【００１４】
１つの態様では、各油圧ポンプの圧力制御は、電動モータの速度制御によって行われる。
【００１５】
１つの態様では、各油圧ポンプの圧力制御は、電動モータの電流制御によって行われる。
【００１６】
本発明は、直列に接続された複数の油圧ポンプを備えた油圧発生装置によって生成された圧力によって油圧駆動装置を駆動させる油圧アクチュエータにおいて、
各油圧ポンプの内部漏れ抵抗が得られており、
各油圧ポンプの内部漏れ抵抗に応じて各油圧ポンプの圧力を制御する、
油圧アクチュエータの圧力制御方法、としても提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、複数台の油圧ポンプを直列に接続することで、各１台で得られる圧力差を加算して、高圧を得ることができ、複数の低圧ポンプを用いて高圧・高パワー駆動系を実現する上で有用な技術手段を提供する。本発明は、低圧ポンプを複数用いることで高圧化を図ることによって、油圧機器の設計をモジュール化し、設計コストを低減する。
【００１８】
本発明は、各ポンプの内部漏れ抵抗に基づいて各ポンプの圧力を協調制御することで、油圧エネルギーの熱損失を抑えて、油圧アクチュエータの性能を高める。冗長駆動される油圧システムを本発明を用いて協調制御することで駆動エネルギーを低減することができる。さらに、損失の原因である内部漏れの状態をオンラインで計算し、その状況に応じて冗長駆動EHAのそれぞれのポンプに目標差圧を配分することで、内部漏れによる損失をより低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】EHAの概略図である。
【図２】本実施形態に係るEHAの概念図である。
【図３】電気制御によるEHAの力制御を示す図である。
【図４】速度制御によるEHAの力制御系のブロック線図である。
【図５】速度制御によるEHAの力制御を示す図である。
【図６】本実施形態に係るタンデムポンプを備えた油圧アクチュエータのブロック図である。
【図７】本実施形態に係るタンデムポンプを備えた電気静油圧アクチュエータの概念図である。
【図８】本実施形態に係るタンデムポンプを備えた電気静油圧アクチュエータの概念図である。
【図９】実験に用いたタンデムポンプを備えた電気静油圧アクチュエータの概念図である。
【図１０】油圧モータにおける圧力と内部漏れ量との関係を示す図である。
【図１１】条件２における予備実験（内部漏れ抵抗の推定）の結果を示す図である。
【図１２】条件１における実験結果を示す図である。上段、中段、下段はそれぞれ各ポンプにおける圧力、モータ回転速度、ポンプケーシング温度の時間推移を表す。
【図１３】条件２における実験結果を示す図である。上段、中段、下段はそれぞれ各ポンプにおける圧力、モータ回転速度、ポンプケーシング温度の時間推移を表す。各縦軸の単位は図１２と同じである。
【図１４】条件３における実験結果を示す図である。上段、中段、下段はそれぞれ各ポンプにおける圧力、モータ回転速度、ポンプケーシング温度の時間推移を表す。各縦軸の単位は図１２と同じである。
【図１５】条件３で実験時の内部漏れ抵抗値とその比の推移である。
【図１６】条件１、２、３に対するElossの推移である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［Ａ］電気静油圧アクチュエータの基本構成
電気静油圧アクチュエータ(EHA)はハイドロ・スタティック・トランスミッション(HST)を、サーボモータを駆動することで油圧モータやピストンを駆動する閉回路型油圧システムである。サーボ弁を用いた抵抗制御型の油圧システムに対してEHAは容積制御型油圧システムと呼ばれ、効率やバックドライバビリティが高い特徴がある。一般的な油圧システムではサーボバルブにより単一のポンプで複数のアクチュエータを駆動しているが、EHAではアクチュエータに専属のポンプがつくことで力を遮断するバルブ要素を排除でき、バックドライバビリティに富む。さらに油圧系は面で力を受ける構造のため衝撃力に強い。こうした特長を持つEHAはロボットのアクチュエータに適していると考えられる。
【００２１】
典型的なEHAの構成を図１に示す。ハイドロ・スタティック・トランスミッションの入力側には油圧ポンプ、出力側には油圧シリンダが設けてあり、油圧ポンプはサーボモータによって駆動され、油圧シリンダの出力はロボットのリンクに伝達される。サーボモータには、モータの回転角度ないし速度の検出手段（エンコーダ）が設けてあり、油圧シリンダには出力軸の位置ないし速度の検出手段（エンコーダ）が設けてある。エンコーダで検出された位置情報を微分することで速度情報（及び加速度情報）を取得することができる。実際の回路では回路が負圧になることを防ぐチャージポンプや過大な圧力から油圧回路を保護するリリーフ弁などを備えている。
【００２２】
図２に示すように、電気静油圧アクチュエータ(EHA)は、油圧ポンプによって生成された油圧によって油圧シリンダを駆動させる静油圧伝達系１と、油圧ポンプ２を駆動し、油圧ポンプ２の出力を制御可能なポンプ駆動用の電動モータ４と、油圧シリンダ３の位置もしくは速度を検出するセンサ（エンコーダ）５と、電動モータ４の角度もしくは速度を検出するセンサ（エンコーダ）６と、制御部７と、を備え、制御部７は、油圧シリンダ３の速度情報（出力軸３０の位置情報の時間微分）を入力として、油圧シリンダ３から出力される力の目標値を達成するように、ポンプ駆動モータ４を介して油圧ポンプ２の出力を制御する。また、電動モータ４の速度情報が制御部７に入力され、フィードバック制御が行われる。電気静油圧アクチュエータは、他の様々な検出情報（油圧シリンダに印加される差圧、油圧シリンダの出力軸に作用する力等）を制御部に入力させてフィードバック制御され得ることが当業者に理解される。静油圧伝達系の出力側の動作は、典型的には、回転運動、直進運動であるが、これ以外の動作であってもよい。油圧駆動装置（油圧シリンダや油圧モータ）の高圧側、低圧側にそれぞれ圧力センサを搭載することで、その差圧から発揮する力(回転型EHAではトルク、直動型EHAでは推力) を推定することができる。
【００２３】
［Ｂ］電気静油圧アクチュエータの力制御
［Ｂ−１］記号の説明
本セクションの説明ないし図３〜図５に用いられる記号は以下の通りである。
【表１】
2019008558.tif 000003
【表２】
2019008558.tif 000004
本明細書において、各要素を表す記号は各セクションごとに独立して用いられる点に留意されたい。同様に、数式番号は、各セクションごとに独立して付されることに留意されたい。
本セクションで述べる電気静油圧アクチュエータの力制御は、本実施形態における損失最小化圧力制御に用い得るものである。
【００２４】
［Ｂ−２］EHAのダイナミクス
油圧回路には必ず高圧側から低圧側に至る内部漏れが存在する。この内部漏れを許容したEHAは粘性を結合項として次式により与えられる運動方程式で表現される（非特許文献３参照）。
2019008558.tif 000005
ただし、θiは位置、Jiは質量、τiは外力、kijは定数であり、添字i＝1はポンプ、i＝2は油圧アクチュエータ部を表すものとする。また、ここでは摩擦項は省略して考える。
【００２５】
ポンプ、シリンダの速度と圧力の間には次式の関係がある。
2019008558.tif 000006
【００２６】
［Ｂ−３］電流制御によるEHAの力制御（非特許文献２）
EHAにおける力の制御は、τ2を希望の値にするようにτ1を制御することである。いま、
2019008558.tif 000007
の場合を考えると、
2019008558.tif 000008
となるため、
2019008558.tif 000009
の関係が成立する。ポンプとシリンダを結ぶ管路の抵抗が無視できる場合はp1＝p2であるので、k23／k13は減速比に相当する量である。さらに、この場合τi＝ki3piであるので、(7)の第一項は0になる。(7)の関係を用いるとτ1の制御によりτ2を操作できる。τ1はモータの電流制御により実現することができる。
【００２７】
電流制御による力制御を図３に示す。図３に示すように、希望する力・トルク−τ2dが定義され、(7)を変形した近似式でτ1dを用いて近似される。モータ電圧への変換式（既知の関係）、モータ駆動回路（既知の関係であり、PWMによりデューティ比の調節でモータに印加する電圧を近似的に調節することができる装置である）、ＥＨＡのダイナミクス（既知の関係であり、(1)、(2)式に示す）を用いて、発生する力・トルク−τ2を得る。
【００２８】
［Ｂ−４］速度制御を用いたEHAの力制御（非特許文献４）
次いで速度制御を用いた力制御について説明する。(2)の関係を陽に用いて力制御を行うことを考える。
【００２９】
τ2とp2の間にはτ2＝k23p2の関係があるため、p2を制御する。
いま、ある速度
2019008558.tif 000010
で出力軸が移動しているとき、希望の圧力pd2を実現する速度
2019008558.tif 000011
は
2019008558.tif 000012
で与えられる。
K21は、油圧シリンダ（油圧モータ）の差圧に対する油圧ポンプの速度の影響を示す定数、
K22は、油圧シリンダ（油圧モータ）の差圧に対する油圧シリンダ（油圧モータ）の速度の影響を示す定数、
である。
これら定数k21、k22には、設計値や、同定実験を行うことで取得される値を用いることができる。
【００３０】
この項に、目標値からの圧力偏差を考慮し、圧力を実現する速度
2019008558.tif 000013
の制御則を次式で定義する。
2019008558.tif 000014
ただし、C(s)はフィードバックゲインを表す演算子であり、C(s)＝Kpならば比例制御、C(s)＝Kp＋Ki1/sならばPI制御である。
【００３１】
(9)で求められた速度の目標値は、適切な速度制御器により、速度
2019008558.tif 000015
に追従するものとする。制御系のブロック線図を図４に示す。図４において、＊は、パラメータの推定値である。
【００３２】
速度制御を用いた力制御を図５に示す。図５に示すように、希望する力・トルク−τ2dが定義され、希望する圧力p2d、k23を用いた近似式で近似される。この近似式は既知の関係を用いるものであるが、油圧シリンダ（ないし油圧モータ）の加速度の補償によってより厳密に近似することができる。そして、上述のように、(8)が設定され、モータ電圧への変換式（既知の関係）、モータ駆動回路（既知の関係であり、PWMによりデューティ比の調節でモータに印加する電圧を近似的に調節することができる装置である）、ＥＨＡのダイナミクス（既知の関係であり、(1)、(2)式に示す）を用いて、発生する力・トルク−τ2を得る。
【００３３】
本実施形態に係るバックドライバブルなハイドロ・スタティック・トランスミッションは、油圧ポンプと、油圧シリンダ（ないし油圧モータ）の速度差に比例した力を伝達する。これを利用すると、出力したい力に対応したポンプ回転数を導出することができ、ポンプの速度を制御することでシリンダの推力（油圧モータの出力トルク）を制御できる。さらに、シリンダの推力（油圧モータの出力トルク）を測定するセンサ、もしくはシリンダ（油圧モータの出力トルク）の圧力を計測するセンサを用いることで閉ループ制御が可能となる。
【００３４】
［Ｃ］タンデムポンプを備えた電気静油圧アクチュエータ
［Ｃ−１］背景
本発明者等は、直動型EHA によって駆動するヒューマノイドロボットの開発を進めており、直動型EHAを全て同一のポンプ、シリンダから構成するようにしている。しかしながら、大きなトルクを必要とする関節においては、１組のシリンダ・ポンプユニットの推力では目標とする関節トルクに到達できない場合が生じた。１つの関節に対して複数のシリンダ・ポンプユニットを用いることも考えられるが、スペースの圧迫や、重量の増加が大きな問題となる。
【００３５】
シリンダ推力は油圧ポンプが発生させる圧力によって生み出される。油圧ポンプを直列に２つ繋ぐタンデムポンプ方式を採用することで、理論的には１つのポンプが生成することができる差圧の２倍の圧力を得られ、重量の増加やスペースの圧迫をポンプ1つ分に抑えつつ、関節トルクを２倍に増やすことができる。開発中のヒューマノイドでは、膝関節、肘関節では油圧シリンダ1つに対しポンプを直列に２つ繋いで利用するタンデムポンプ方式を採用している。EHAの各ユニットの耐圧が十分であれば、タンデムポンプ方式をとることで、油圧ポンプ・油圧モータを２セット使用することに比べて省スペース化・軽量化を図ることが可能となる。さらに、ポンプ１個あたりの漏れ抵抗が変わらないならば、ポンプ１個でモータを大型化することで高圧を得るよりもポンプ２個で高圧を得るほうがエネルギー損失が少ない。
【００３６】
ここで、ポンプを直列に２台接続することで、ポンプ１台で得られる差圧を加算して高圧を得ることができるが、このとき各ポンプの内部漏れ抵抗のばらつきにより性能が十分発揮できないことがある。本実施形態では、内部漏れ抵抗に基づいて各ポンプの圧力を協調制御することで、油圧エネルギーの熱損失を抑えて、油圧アクチュエータの性能を高めるようにした。すなわち、本実施形態に係るタンデムポンプを備えた電気静油圧アクチュエータは、低圧ポンプを用いて油圧アクチュエータの高圧駆動を行うこと、及び、油圧エネルギーの熱損失を抑えて、油圧アクチュエータの性能を高めること、を目的としたものである。
【００３７】
［Ｃ−２］タンデムポンプを備えた電気静油圧アクチュエータの構成
図６に、本実施形態に係るタンデムポンプを備えた油圧アクチュエータのブロック図を示す。油圧アクチュエータは、油圧発生装置によって生成された圧力によって油圧駆動装置を駆動させるものであって、前記油圧発生装置は、直列に接続された第１油圧ポンプ、第２油圧ポンプと、第１油圧ポンプを駆動する第１モータと、第２油圧ポンプを駆動する第２モータと、第１モータ、第２モータを介して第１油圧ポンプ、第２油圧ポンプを制御する制御部と、を備えている。制御部はコンピュータから構成することができる。制御部は、第１モータ、第２モータを介して第１油圧ポンプ、第２油圧ポンプで生成される圧力をそれぞれ制御する圧力制御手段を含んでいる。また、制御部は、油圧アクチュエータの作動時に、第１油圧ポンプ、第２油圧ポンプの内部漏れ抵抗を推定する手段を含んでいる。内部漏れ抵抗の算出については後述する。
【００３８】
第１モータの回転速度は、第１速度検出手段によって取得され、制御部に入力される。第２モータの回転速度は、第２速度検出手段によって取得され、制御部に入力される。第１油圧ポンプが生成する差圧は、第１圧力検出手段によって取得され、制御部に入力される。第２油圧ポンプが生成する差圧は、第２圧力検出手段によって取得され、制御部に入力される。第１圧力検出手段、第２圧力検出手段は、複数（例えば、２つ）の圧力センサから構成され得る。油圧駆動装置の速度は、速度検出手段によって取得され、制御部に入力される。第１油圧ポンプの速度は、当該第１油圧ポンプを駆動する第１モータの回転速度から見積もることができる。第２油圧ポンプの速度は、当該第１油圧ポンプを駆動する第２モータの回転速度から見積もることができる。なお、別途検出手段を設けて、第１油圧ポンプ、第２油圧ポンプの回転速度を直接検出するようにしてもよい。
【００３９】
図７にタンデムポンプを備えた電気静油圧アクチュエータを示す。本実施形態に係る電気静油圧アクチュエータは、バックドラバブルなハイドロ・スタティック・トランスミッションを備え、ハイドロ・スタティック・トランスミッションの入力側には油圧発生装置として２つの油圧ポンプ２Ａ、２Ｂが直列で配置され、出力側には油圧駆動装置として油圧シリンダ３が設けてある。
【００４０】
第１油圧ポンプ２Ａは、第１サーボモータ４Ａによって駆動され、第２油圧ポンプ２Ｂは、第２サーボモータ４Ｂによって駆動される。したがって、第１サーボモータ４Ａの制御によって、第１油圧ポンプ２Ａにより生成される圧力を制御することができ、第２サーボモータ４Ｂの制御によって、第２油圧ポンプ２Ｂにより生成される圧力を制御することができる。
【００４１】
第１サーボモータ４Ａには、モータ軸の回転角度ないし速度を検出する第１検出手段としてエンコーダ６Ａが設けてある。第２サーボモータ４Ｂには、モータ軸の回転角度ないし速度を検出する第２検出手段としてエンコーダ６Ｂが設けてある。油圧シリンダ３には出力軸３０の位置ないし速度を検出する検出手段としてリニアエンコーダ５が設けてある。
【００４２】
油路には、第１油圧ポンプ２Ａの差圧を検出する第１圧力検出手段、第２油圧ポンプ２Ｂの差圧を検出する第２圧力検出手段が設けてある。第１圧力検出手段は、第１油圧ポンプ２Ａの吸入側（低圧側）、吐出側（高圧側）にそれぞれ設けた第１圧力センサ、第２圧力センサからなる。第１圧力センサは第１油圧ポンプ２Ａの吸入側の圧力p11を検出し、第２圧力センサは第１油圧ポンプ２Ａの吐出側の圧力p12を検出し、第１圧力検出手段は、p1＝p12−p11から第１油圧ポンプの差圧p1を取得する。第２圧力検出手段は、第２油圧ポンプ２Ｂの吸入側（低圧側）、吐出側（高圧側）にそれぞれ設けた第２圧力センサ、第３圧力センサからなる。第２圧力センサは第２油圧ポンプ２Ｂの吸入側の圧力p12を検出し、第３圧力センサは第２油圧ポンプ２Ｂの吐出側の圧力p13を検出し、第２圧力検出手段は、p2＝p13−p12から第２油圧ポンプ２Ｂの差圧p2を取得する。また、油圧シリンダ３の吸入側、出力側に位置して圧力センサが設けてある。なお、管路内の最低圧力を補償するためのアキュムレータ（図示せず）の吐出側にも圧力センサが設けてある。
【００４３】
電気静油圧アクチュエータは、さらに、制御部（図７では図示せず）を備えている。制御部は、油圧シリンダ３が所望の推力を出力するように、第１サーボモータ４Ａ、第２サーボモータ４Ｂを用いて、第１油圧ポンプ２Ａ、第２油圧ポンプ２Ｂが生成する圧力をそれぞれ制御する。制御部は、第１油圧ポンプ２Ａ、第２油圧ポンプ２Ｂの内部漏れ抵抗に応じて第１油圧ポンプ２Ａ、第２油圧ポンプ２Ｂの圧力を制御する圧力制御手段を含んでいる。
【００４４】
［Ｃ−３］タンデムポンプを備えた電気静油圧アクチュエータの損失低減
静油圧アクチュエータにおいて、ポンプにおける内部漏れによって生じるエネルギー損失は作動油の温度上昇及び粘度低下を引き起こし、EHAの性能を低下させることになるため、大きな力を持続的に出すためには損失の低減が必要である。
【００４５】
油圧駆動装置（油圧シリンダや油圧モータ）がある力を発揮した状態で静止している状況についてエネルギー損失を考察する。油圧ポンプを仮想的に理想ポンプと漏れ抵抗Rの絞りに分離することで油圧ポンプの内部漏れを表現する。油圧ポンプの目標差圧をpとすると、その際の油圧ポンプの内部漏れ量Qlは、式(1)のように表される。
2019008558.tif 000016
理想ポンプの単位角度あたりの押しのけ容積をkpとすると理想ポンプの吐出容量Qpは、油圧ポンプの角速度ωを用いて
2019008558.tif 000017
で表される。油圧駆動装置（油圧シリンダや油圧モータ）が静止している状態において、理想ポンプが吐出する作動油はすべて絞りを通り理想ポンプの入口に戻る。したがって理想ポンプの吐出容量と、絞りを通って理想ポンプ入口に戻る容量、すなわち油圧ポンプの内部漏れ量は等しく以下の関係が成り立つ。
2019008558.tif 000018
したがって差圧p を発生させる際のポンプの角速度は
2019008558.tif 000019
となる。油圧ポンプに印加されるトルクτは、
2019008558.tif 000020
で表され、油圧駆動装置（油圧シリンダや油圧モータ）が静止している状況ではポンプがする仕事τωは全て内部漏れによるエネルギー損失となる。したがって、エネルギー損失Elossは式(4)、(5)を用いて、
2019008558.tif 000021
と表される。
【００４６】
ここで、図８に示す油圧タンデムポンプについて考察すると、油圧ポンプ２Ａの吸入側と油圧ポンプ２Ｂの吐出側の差圧が目標差圧pとなる。油圧ポンプ２Ａ、２Ｂで発生される差圧をそれぞれp1、p2とし、印加トルク・角速度をそれぞれτ1、τ2、ω1、ω2とすると、エネルギー損失の合計は次式のようになる。但し、ここでは全てのポンプにおいてkp、Rは等しいとして扱っている。
2019008558.tif 000022
以上のように、各ポンプの損失は差圧の２乗に比例する。２つのポンプで均等のp/2ずつ差圧を発生させる場合、つまり、p1＝p2＝p/2のとき、
2019008558.tif 000023
となり、損失は最も小さくなる。したがって、同じ差圧を生み出す場合に、タンデムポンプ方式は、ポンプが1つの場合に比べて損失を半分に抑えることができる。また、作動油の温度上昇による粘度低下はアクチュエータの性能に大きく影響することを鑑みるとタンデムポンプ方式をとる利点は大きいと考えられる。
【００４７】
第１油圧ポンプと第２油圧ポンプは、同一のポンプとして製造された同一（形状・寸法同一）のポンプであるが、実際には、製造誤差によって内部漏れにばらつきが生じ得る。実際、漏れは隙間の３乗に比例するため、ポンプの個体差の影響を無視することができず、Rは各ポンプごとに異なる。ここで油圧ポンプ２Ａ、２ＢのRをそれぞれR1、R2とすると式(7)は相加・相乗平均の関係から
2019008558.tif 000024
となる。損失が最小となるときは、
2019008558.tif 000025
となるときであり、p1:p2＝√R1:√R2となるよう圧力を制御することで実現できる。
この関係はｎ個のポンプの直列に一般化することができ、損失エネルギーは
2019008558.tif 000026
であり、
2019008558.tif 000027
のとき最小となる。
ポンプの全吐出圧がｐのとき、ｎ個のポンプへの圧力配分は
2019008558.tif 000028
を解くことで求められる。
【００４８】
［Ｃ−４］タンデムポンプ駆動実験
タンデムポンプ駆動直動型EHAを用いて実験を行った。先ず、漏れ抵抗比測定実験を行った。タンデムポンプを構成する２つのポンプに対して油圧シリンダを固定した状態で、モータを電流制御することで片方ずつポンプを駆動し、それぞれのポンプで差圧及びポンプの角速度を測定することで内部漏れ量に換算する。油圧シリンダを固定しているため油圧回路全体としての流量は0であり、ポンプの吐出流量は内部漏れ量と等しくなる。
【００４９】
図９の油圧回路において、ポンプ２Ａ、ポンプ２Ｂをそれぞれ個別に電動モータ４Ａ、４Ｂの電流制御により駆動した際の、内部漏れ流量と差圧の関係を図１０に示す。図１０における直線はそれぞれのデータの回帰直線であり、この傾きがポンプの漏れ難さ、すなわち漏れ抵抗を表す（Ｒi＝pi/kpωi、ただしωiはポンプiの回転速度）。ポンプ２Ａ、２Ｂの内部漏れに関する漏れ抵抗をそれぞれR1、R2とすると、本実験において計測された漏れ抵抗の比は、√R1/√R2＝1.23となった。２つのポンプそれぞれの内部漏れ量に応じて目標差圧を定めることで効率的な動作が可能となる。
【００５０】
次いで、本実験で得られた漏れ抵抗比を用いてそれぞれの目標差圧を定め、損失最小化差圧制御実験を行った。上記漏れ抵抗の比から、タンデムポンプにおけるエネルギー損失を最小とするように目標差圧をそれぞれに設定し、挙動を確認した。本実験ではタンデムポンプ全体の目標差圧を7[MPa]とし、ポンプ２Ａ、ポンプ２Ｂの目標差圧をそれぞれp1、p2とし、その比を上記漏れ抵抗比を用いて、p1＝3.86[MPa]、p2＝3.14[MPa]として、駆動実験を行った。ポンプ、特に高圧側（下流側）のポンプの剛性が確保されていれば、目標差圧に追従することが確認された。
【００５１】
［Ｄ］内部漏れ状態に応じたタンデムポンプ制御
上記タンデムポンプの制御においては予め推定された漏れ抵抗値を定数として用い、エネルギー損失が最小となるよう各ポンプで発生させる差圧の配分を行っていた。上述のように、漏れ抵抗の推定は、シリンダを固定した状態で片方ずつポンプを駆動させる実験による。
【００５２】
漏れ抵抗は、作動流体の粘度に比例し、隙間の３乗に反比例する。ポンプの加工や組立ての精度によりポンプには内部漏れ抵抗の個体差がある。それに加え、ポンプ駆動時には、高圧力下における部品の変形によって隙間が増大するほか、内部漏れ損失からの発熱によって作動油の粘度は低下する。そのため内部漏れ抵抗は一定でなく、個々のポンプや駆動条件、時間 経過により変化する。したがって、実際は漏れ抵抗は一定でなく、設定した差圧の比は常に最適ではない。そこで、内部漏れの状態を推定し、その状況に応じたタンデムポンプの制御を行うことで、エネルギー損失をさらに低減できることが期待できる。
【００５３】
［Ｄ−１］漏れ抵抗の推定
図７において、油圧ポンプの単位角度あたりの押しのけ容積をkdi[m3/rad]、漏れ抵抗をkLi[Pa・s/m3]、ポンプの回転速度を
2019008558.tif 000029
とおくと、ポンプの理想吐出流量Qi[m3/s]、漏れ流量qi[m3/s]は、式(1)、(2)で表される。ここでpi[Pa]はポンプiにおける差圧であり、
p1＝p12−p11、p2＝p13−p12である。なお添え字i=1,2はそれぞれ第１ポンプ２Ａ、第２ポンプ２Ｂを表す。
2019008558.tif 000030
2019008558.tif 000031
【００５４】
シリンダの受圧面積をkdc[m2]、
ピストン速度を
2019008558.tif 000032
実際に油圧回路に流れる流量をQ[m3/s]、とすると、シリンダの内部漏れは無視できるほど小さいと考えられるから、流量の保存則より
2019008558.tif 000033
が成り立つ。
なお、本実施形態では、油圧駆動装置が油圧シリンダである場合について述べているが、式(3)において、油圧駆動装置が油圧モータの場合は、kdcを単位回転角度あたりの押しのけ容積、
2019008558.tif 000034
を回転速度とすることで一般性を失うことなく議論できる。
【００５５】
油圧ポンプiの漏れ抵抗kLiは、式(3)より以下で計算できる。
2019008558.tif 000035
ここで、
油圧ポンプiの差圧Piは、圧力センサによって取得することができ、
kdiは、ポンプの設計値を用いることができ、
2019008558.tif 000036
は、エンコーダによって取得されたポンプを駆動する電動モータの回転速度から取得することができ、
kdcは、シリンダの設計値を用いることができ、
2019008558.tif 000037
は、エンコーダによって取得された位置情報の微分によって取得することができる。
【００５６】
油圧ポンプの内部漏れ抵抗の算出式(4)において、
kdiを、油圧ポンプiの単位移動量あたりの押しのけ容積、  
2019008558.tif 000038
を、油圧ポンプiの移動速度、
Kdcを、油圧駆動装置の単位移動量あたりの押しのけ容積、
2019008558.tif 000039
を、油圧駆動装置の移動速度、
と定義することで、油圧ポンプや油圧駆動装置の動作が回転であるか直動であるかを問わず、算出式(4)を一般化することができる。
【００５７】
［Ｄ−２］損失最小化圧力制御
損失最小化圧力制御について説明する。内部漏れと管路による損失Elossは、式(5)で表すことができる。Kλ[Pa・s/m3]は、ポンプとシリンダをつなぐ管路全体の流路抵抗であり、kλ＝kλ1＋kλ2である。
2019008558.tif 000040
Elossが最小となるように、各ポンプで発生させる圧力を配分する。A＝p1/p2とおく。Elossが最小のとき、∂Eloss／∂A＝0であるから、これを解くと、
2019008558.tif 000041
したがって
2019008558.tif 000042
となるように差圧を配分すれば損失を最小化できる。
【００５８】
シリンダ推力をfc[N]とすると、２つのポンプを合わせた差圧pp＝p1＋p2[Pa] は圧力の保存則より、
2019008558.tif 000043
損失を最小化する各ポンプの吐出圧は、
2019008558.tif 000044
となる。
【００５９】
ここで定められた目標差圧pidは、モータの速度制御によって実現させることができる。その手法は非特許文献４、本明細書のセクション［Ｂ−４］に則る。なお、モータの電流制御（非特許文献２、本明細書のセクション［Ｂ−３］参照）によって実現してもよい。
ポンプiの目標速度
2019008558.tif 000045
は、式(1)〜(3)より
2019008558.tif 000046
で与えられる。
なおkdi、kdcは、設計値より求められ、kλは
2019008558.tif 000047
で推定できる。
なおkλは推力fcの算出に用いられるものであって、圧力分配では用いない。
【００６０】
損失を最小にする圧力配分についてより一般化して説明する。ポンプの数がｎ個のとき、内部漏れによる損失Elossは、式(11)で表すことができる。
2019008558.tif 000048
圧力配分比をαiとする。すなわち全てのポンプの合計の目標差圧prefに対して、各ポンプの目標差圧をαiprefと設定する。ただしαiは、Σni=1αi＝1(0≦i≦1)を満たす。この拘束条件のもとでElossをラグランジュの未定乗数法により最小化する。ラグランジュ関数Lを次のように定義する。
2019008558.tif 000049
それぞれの変数で偏微分し連立方程式を解くと、
2019008558.tif 000050
となり、したがって損失を最小化するには内部漏れ抵抗の比で目標差圧を配分してやればよい。これはポンプシリンダユニットを複数対冗長に用いて一つの関節を駆動したときでもポンプの総数がｎであれば同じことが言える。なお、このように内部漏れ抵抗の比によって目標差圧を配分したとき、式(10)にpi＝αiprefを代入して変形すると、以下の式が得られる。
2019008558.tif 000051
よってkdiが等しい場合には、この負荷分散はそれぞれのモータ回転速度を等しくすることと等価である。
【００６１】
［Ｄ−３］負荷分散による損失最小化実験
２段ポンプ式EHAを用い、内部漏れ状態に応じた負荷分散の有効性を確認する実験を行った。出力軸を固定した状態で、以下の各場合について ２つのポンプの合計の目標差圧をシリンダ推力1520Nに相当する5.32MPaに設定し、圧力制御を行った。
［条件１］圧力を1:1に配分した場合
［条件２］予め推定した内部漏れ抵抗値(定数)の比で圧力を配分した場合
［条件３］オンラインで計算した内部漏れ抵抗値の比で圧力を配分した場合
条件２において用いた内部漏れ抵抗値は、予備実験により求めた。予備実験では、出力軸を固定した状態で、一方のポンプのみを駆動する。式(3)において、ピストン速度を0として、差圧を求める。内部漏れ抵抗値は計測した駆動ポンプの差圧とモータ速度から最小２乗回帰により定数として求めることができる。予備実験の結果を図１１に示す。各ポンプのパラメータ及び内部漏れ抵抗の推定値を表３に示す。表３より、内部漏れ抵抗値のポンプ間の個体差を確認できる。推定されたパラメータを用いると、ポンプの目標差圧はそれぞれ1.48MPa，3.84MPaとなった。
【表３】
2019008558.tif 000052
条件３では、内部漏れ抵抗値の初期値は1:1で与え、ノイズの影響を抑えるため、8192ループ(1.64秒)ごとに毎ループ計算される目標圧力の8192ループ分の平均をとった値を目標差圧として更新した。
【００６２】
図１２〜１４は各条件に対する実験の結果である。上段、中段、下段はそれぞれ各ポンプにおける圧力、モータ回転速度、ポンプケーシング温度の時間推移を表す。ポンプ１はポンプ２よりも内部漏れ抵抗が小さいため、同じ圧力を出すのにより速くモータを回さなければならない。それが特に図１２に見られるように条件１においては顕著である。この損失がもたらす油温の上昇は直接計測することができないが、ポンプの温度とほぼ同様の推移をすると考えられる。ポンプ２の温度がほぼ横ばいなのに対しポンプ１は30秒で20度温度が上昇している。図１３に示すように、条件２では、条件１に比べ温度、モータ回転数共になだらかな上昇になっている。また、持続時間も増加している。持続時間の増加はモータドライバ素子の温度が上がりにくいことを意味し、同じ圧力を得るのにモータへの負荷が少ない、つまり損失が低減されているといえる。図１５は条件３で実験時の内部漏れ抵抗値とその比の推移である。時間の経過とともに内部漏れ抵抗の値及び比が変化していることが確認できる。特に高圧力を出しているポンプ２では180秒の間に内部漏れ抵抗は初期値のおよそ7分の1にまで減少している。図１４では内部漏れ抵抗の変化に応じて目標差圧を修正している。条件２と比べても温度、回転数の上昇がよりなだらかになり、持続時間がさらに増加した。また、モータの回転数が両ポンプでおおよそ等しく、式(10)に従っているため内部漏れに応じた圧力配分がなされていることが確認できる。図１６は各条件に対するElossの推移である。オンラインで圧力配分を行った条件３の場合が最も損失を抑えながら推移していることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明に係る油圧アクチュエータは、ロボット、建設機械等の高効率化が求められる装置に利用可能である。
【図１】
2019008558.tif 000059
【図２】
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【図３】
2019008558.tif 000061
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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