茨城県工業技術センター研究報告第 16 号

空気圧サーボによる位置制御の研究
新技術応用部

1.

藤沼良夫

緒 言

産業用ロボットの動力源としては,従来から電気モータ・油圧・空気圧の 3 種類が主に使用されてきた。これらの動力源はそれぞれ特微があり,用途に応じて使い分けられている。空気圧の場合には,①位置精度が良くない。②出力は中程度である。③摩擦などの非線形要素が大きい。などの欠点がある
ため,簡単な動作の簡易型ロボットとして利用され,サーボ機構としてはあまり使用されていない。しかし,空気圧には①清浄である。②保守が容易である。③出力/重力比が電気に比べ高くなる。④空気の圧縮性のため動きがなめらかである。⑤力制御が可能である。またバイラテラルサーボ系を構成しやすい。などの長所がある。 1)
近年,上述の長所に着目して,空気圧機器をロボット用アクチュエータとして使用することへの関心が高まり,空気圧ピストンシリンダを高精度で位置決めする研究が報告されている。ピストンを高精度で位置決めする方法として,①機械的にブレーキをかける方法 2) ,②パルス駆動による方法 3) ,③圧力を制御する方法 4) ,④
電気空気圧力制御弁やサーボ弁による方法 5)6)7)8) などが研究されている。
本研究では ,電気空気圧力制御弁 (電空変換器)を用いて空気圧サーボ系を構成し,空気圧駆動 2 自由度マニピ
ュレータの第 1 関節の位置制御を試みたので報告する。

2.

図1

電空変換器の基本原理 9)

図2

電空変換器 9)電空変換器の基本原理

電空変換器の基本部の原理は図 1 に示すように,空気圧マイクロメータと同じ原理を利用しており, ノズル,フラッパ及び上流側の固定オリフィスより成り立っている。供給空気 Ps は固定オリフィスを通過して圧力 PL のノズル背圧どなり,一部は管路を通ってシリンダ内に流入してピストンを変位させ,その他はノズルとフラッパの間に形成される絞りを通過して,大気中に排出され大気圧 Po となる。

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ここで使用した電空変換器は図 2 に示すように,空芯コイルに電流を流すと永久磁石との間に吸引力または反発力が生じ,このカに応じてフラッパの支点は右または左に動き ,入力信号に比例して圧力あるいは流量を制御している。 9)
電空変換器の入出力特性を図 3 に示す。図 3 よりわかるように ,入力電流の上昇時と下降時にヒ
図3

ステリシスがあり,使用時にはこの非線形特性を補電空変換器の入出力特性 9)償してやる必要がある。
電空変換器の周波数応答を図 4 に示す。この図から一次遅れ系に近似できることがわかる。

3.

空気圧ピストンシリンダの位置制御の基本原理

空気圧ピストンシリンダの位置制御の基本部だけ

図4

電空変換器の周波数応答 9)を取り出せば図 5 のように表わせる。ピストンシリンダのロッド側とヘッド側に 2 個の電空変換器を取り付け,この 2 つの電空変換器の絞りと開きを互いに逆動作ずるように電気的に連動させることによって,即ち,それぞれの電空変換器に供給する電圧を互いに連動させることにより,出力圧を制御し,位置制御を行うことができる。

4.

図5

空気圧ピストンシリンダの位置制御の基本原理

図6

空気圧駆動 2 自由度マニピュレータ

空気圧サーボ実験装置

空気圧シリンダを用いた 2 自由度マニピュレー
タを図 6 に示す。このマニピュレータは 2 軸のスカラー型アームを持ち,腕の長さはそれぞれ300mm であり,2 個の空気圧ピストンシリンダにより駆動される。関節角度は各関節に取り付けたポテンショメータにより検出できる。今回の実験は,肘関節に相当する第 2 関節は固定し,肩関節に相当ずる第 1 関節のみの位置制御を行った。
−10−

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第 16 号制御システムの構成
Kp:比例ゲイン
K :電気一空気変換ゲイン
Tv:電空変換器の時定数
P :シリンダ内圧力
A :ピストン面積
F :ピストンに加えられ
図7

る力

位置サーボ機構

T :関節トルクJ :慣性モーメント
C :粘性摩擦係数
r .モーメントの長さ
θ:出力角度
図8Ps:供給空気圧

位置サーボ機構ブロック図

空気圧ピストンシリンダの位置サーボ機構を図 7 に示す。またこの雪空変換器の特性は図 4 に示すように一次遅れ系で近似できるから,この位置サーボ機構のブロック線図は図 8 のように表わすことができる。ただし,ピストンに加わる外力は考えないものとする。

角度指令値θr は電圧の形で与え, フィードバック信号と比較されて動作信号となる。動作信号は比例ゲイン Kp を経て 2 個の電空変換器の入力となる。 2 個の電空変換器はシリンダ内のピストンに両側から圧力を及ぼし,これによりピストンには,のカが加わり,マニピュレータを動かす関節トルクは,で表わすことができ,の関係がある。
J は関節の慣性モーメントであり,C は粘性摩擦係数であり関節部の摩擦とピストンシリンダ間の動摩擦もここに含まれる。
関節角度θはポテンショメータによりフィードバックされる。

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茨城県工業技術センター研究報告6.

第 16 号

実験結果

マニピュレータは真直ぐに伸ばした状態を初期状態とし,関節角度θ=0 である。実験はこの状態から目標値θ=30゜へのステップ応答を試みた。その結果を図 9 に示す。
図 9 より,空気の圧縮性のため立ち上がりまでに時間遅れがあるが,目標値 30゜までに 0.6秒で収束していることがわかる。比例ゲイン Kp
は応答を速めようと大きくするとピストンが図9位置制御のステップ応答振動を起こし,小さくするとオフセットを生じる。
このため,電空変換ゲインを Kv=6.09 に固定し,比例ゲイン Kp=0.181 のとき最も良い応答を示し,その結果が図 9 である。また,図 9 は 2 回繰り返したときの応答であり,再現性も良いことを示している。
なお,図８のブロック図の破線で囲った部分はソフトウェアにて行っている。

7.

結 言

電気空気圧力制御弁を用いて,空気圧サーボ系を構成し,空気圧駆動 2 自由度マニピュレータの第 1関節の位置制御を行ったところ,概ね良好な応答特性を得ることができた。
今後の課題は次のとおりである。
1)

1 つの関節に 2 個の電空変換器を使用しだが, ピストンロッド側を一定圧力に保ち,ヘッド側の圧力を制御する手法をとれば,系がもっと簡素化できる。
2)

比例ゲイン Kp,電空変換ゲイン Kv を大きくすると,即ち剛性を高めると不安定となり振動的になる。これは速度フィードバックを行うことにより改善が可能である。
3)

更に高精度に行うには,圧力のマイナーフィードバックも必要となる。

4)

今回,外力項を無視したが,今後検討する必要がある。

5)

空気圧の特微である柔らかさを実現するには,力制御すなわち圧力制御を行い,コンプライアントな機能を有する制御実験を行う必要がある。

参考文献
1)中野栄二:ロボット工学入門 P−432)山 藤 ら:スプリングブレーキによる空気圧シリンダの位置決め,油圧と空気圧, 10−3,147 (昭和 54)−12−

第 16 号茨城県工業技術センター研究報告

3)則 次 ら:マイコン制御による PCM 方式ディジタル空気圧サーボの構成,計測自動制御学会
論文集,23‑ 3,

253 (昭和 62)4)田中裕久:圧力比例弁による電気空気圧制御,油圧と空気圧,15‑ 7,552 (昭和 56)

5)小 山 ら:電気空気圧サーボ方式によるビストンシリンダの位置決め,油圧と空気圧,16−4,
275 (昭和 60)6)杉本

旭:空気圧サーボによるマニプレータの開発に関する研究, 日本機械学会論文集
53−495(昭和 62)7)吉本堅一:空気圧サーボ機構の特性改善,日本産業用ロボット工業会,ロボット No.30
8)山 藤 ら:空気圧シリンダの最適制御,日本機械学会論文集

53−487(昭和 62)9)(株)インターナショナル・サーボ・データー:電空変換器カタログより−13−