油圧アクチュエータのモーションコントロール

埼玉大学
境野 翔

自己紹介
• 2011年3月慶應義塾大学大学院後期博士課程修了
指導教員：大西公平教授• 2011年4月より埼玉大学工学部電気電子シス
テム工学科助教• 研究テーマ：
油圧アクチュエータ、機能的電気刺激、電動二輪車
2015年10月19日

2序論
極限環境下で作業を行う遠隔操作システムの検討*（災害現場，宇宙，海底，原子力施設etc.）

 安全に接触を行う，細かな作業を行う場合視・聴覚情報（画像・音声）に加えて，力覚情報の知覚が必要**

電動ロボットと油圧ロボットに（マスタ）（スレーブ）

位置・力覚
位置・力覚を再現できる
力覚を再現できる
バイラテラル制御を適用

T-53援竜の公開訓練の様子（上：遠隔操縦機，下：T-53援竜）
北九州市戸畑区の戸畑消防署より* 石井啓範「建設機械の遠隔操作と双腕作業機」 ロボット学会誌, Vol. 30, No. 6, pp. 582-584 (2012)** 2015年10月19日
黄ら「力覚呈示機能を有する遠隔操作ロボットシステムの操作性評価(仮想空間を用いた操作システムに対する力覚提示機能の有用性)」 日本フルードパワーシステム学会論文集, Vol. 42, No. 3, pp. 53-59 (2011)3

油圧開回路の構成
Hydraulic cylinder

方向切換弁が特に遅い切り替えに200ms近くかかることもPosition
sensorDirectional
control
圧力制御弁は圧力変化に1s
valve

Pressure
sensor

Personalcomputer

Flow
controlvalve

Pressurecontrol
valve

Controller
Hydraulic power unit
2015年10月19日

以上かかるのであくまで一定値に固定するために使用する流量制御弁はピンキリ
よく使われる比例制御弁だと流量0%to100%に40msほどかかる

ポンプは電気モータで駆動
定速モータ
4油圧制御弁流量制御弁ポンプから

方向切替弁ポンプから弁シリンダへタンクへ

油の流量タンクへ
弁
管路・流量制御弁と方向切替弁を使用
・切替弁の周期 200ms・流量（速度）を制御

2015年10月19日

進行方向

5サーボ弁・弁1つで流量,方向を制御
・ステップ応答 2ms

制御入力

サーボ弁

圧力を制御できる

高精度,高価弁の位置を制御し流量を制御

q = kq x − k p p

弁の位置 xk q , k p ：係数 p ：圧力差 [rev / min]q ：流量 [L/min]
2015年10月19日

6

サーボ弁
 各制御弁のステップ応答比較（0⇔100%）[4]

30ms

6ms

2ms

(ELDFG-01)(SVD-F11)(LSVG-03)

高い応答性を有する制御弁により力制御を実現

2015年10月19日[4] 油研工業株式会社HPより

7

実験装置
マスタ（電気モータ）

スレーブ（油圧モータ）
第1関節

第1関節

リンク1

リンク1

第2関節

第2関節

リンク2

第3関節
(不使用)

リンク2
2015年10月19日

モデル

第3関節
(不使用)
8

制御系設計 4ch型バイラテラル制御のブロック線図• 各関節のモータごと，関節空間で制御• マスタとスレーブの慣性モーメントの大小を考慮[5]θ ： 角度߬ ： トルクn ： ノミナル値 m ： マスタ‫ ܯ‬： 慣性モーメントs ： スレーブ

ߙ ： スケーリングゲイン
i ： 関節[5] S.2015年10月19日
Sakaino, T. Sato, and K. Ohnishi : Oblique coordinate control for advanced motion control applied to micro-macro bilateral control," IEEEInternational Conference on Mechatronics, ICM ’Malaga pp. 14-17 (2009)9制御系設計
制御弁まで主な関係式①圧力-トルク

τ=Dthηtp
2πq = kx x − k p p②流量特性

角度まで

2015年10月19日③電圧-制御弁⇔x=kpkx

p−1qkxkvωn2x= 2V ≈ kvVs + 2ζω n s + ωn2‫ ݌‬： 圧力差
߬ ： トルク‫ܦ‬௧௛ ： 押しのけ容量
ߟ௧ ： トルク効率‫ ݔ‬： 弁の開度
q ： 流量݇௫ ： 開度-圧力係数
݇௣ ： 圧力-トルク係数
ܸ ： 電圧߱௡ ： 固有角周波数10ζ ： 減衰係数反力推定

マスタ（電気モータ側）
反力推定オブザーバ(RFOB)[6]を使用



スレーブ（油圧モータ側）
圧力差からトルクを算出し，重力分を減算

τres

Dη
= th t p res
2πres（ p は圧力センサにより測定）‫ ݌‬： 圧力差
߬ ： トルク‫ܦ‬௧௛ ： 押しのけ容量
ߟ௧ ： トルク効率

τ res = τ env + τ dis − τˆ dis
イートン株式会社HPより

τ env ・・・環境からの反力トルク disτ・・・摩擦やパラメータ変動，重力により生じるトルクτˆ dis・・・同定した重力トルク
[6] T.2015年10月19日
Murakami, F. Yu and K. Ohnishi: “Torque Sensorless Control in Multidegree-of-Freedom Manipulator‘’, IEEE Transaction on Industrial Electronics,11Vol. 40, No. 2, (1993)

実験設定
 第３関節は不使用
 右図のパラメータを使用
 自由動作と物体操作の２種類（5kgの物体）
マスタ（電気モータ）

スレーブ（油圧モータ）モデル

2015年10月19日

12

実験結果


自由動作（スケーリングゲイン0.5）
マスタ
スレーブ
準備段階

(a)第1関節(a)第1関節2015年10月19日

位置応答(b)第2関節力応答(b)第2関節
13

実験結果


物体操作（スケーリングゲイン 0.5，5kg物体)
マスタ
スレーブ
準備段階
物体操作中
(a)第1関節(a)第1関節2015年10月19日

位置応答

力応答

(b)第2関節(b)第2関節
14

まとめ 重力方向動作のためにロボットアーム製作を行い，スケーリングゲインと慣性モーメントの違いを考慮した4ch型バイラテラル制御を実装した。

 実験結果より，スケーリングゲインの導入した状態で，バイラテラル制御の目標である位置の同期，及び，作用反作用の法則の成立を確認した。

2015年10月19日

15油圧の詳細なモデル
 3次系になる流量

2015年10月19日

断面積×角速度

油のリーク

油の圧縮

16

油圧の制御系
 3次系の油圧制御系（外乱オブザーバ）

2015年10月19日

17バイラテラル制御系の種類

 操作者に力覚呈示可能なバイラテラル制御の手法
4ch型

力帰還型*

電気アクチュエータ間のバイラテラル制御との相違点
油圧アクチュエータ（スレーブ）が3次遅れ系でモデル化** G. Mingde etc… : “Force Feedback Model of Electro-hydraulic Servo Tele-Operation Robot Based on Velocity Control," in Proceedings of 2008
IEEE Conference on Robotics, Automation, and Mechatronics, pp. 912-915 (2008)** I. Lee, T. Kim, and S. Choi: “Hydraulic Servo System Using a Feedback Linearization Controller and Disturbance Observer - Sensitivity of System
Parameters -,” in Proceedings of the 7th JFPS International Symposium on Fluid Power, pp. 1-10 (2008)2015年10月19日

18

提案手法
 電気-油圧アクチュエータ用に拡張した4ch型バイラテラル制御系→疑似微分により3次遅れ系を2次遅れ系に近似

疑似微分‫݃ݏ‬‫ݏ‬+݃

油圧システム3次遅れ系
1‫ݏ‬ଷ

݃を十分高く設定できると…
2次遅れ系1‫ݏ‬ଶ
2015年10月19日

19実験概要実験• マスタ，スレーブを1自由度マニピュレータとして使用• 自由動作と接触動作を検証• 極配置による考察
実験パラメータ

マスタ（電気モータ）2015年10月19日

スレーブ（油圧モータ）20

実験結果① 0.1Hz（上）と0.5Hz（下）の自由動作

マスタ
スレーブ

位置
応答

4ch型

時間[s]

角度[rad]角度[rad]時間[s]2015年10月19日

誤差

角度[rad]角度[rad]

提案手法

時間[s]

時間[s]

21

実験結果
② 0.5Hzの自由動作
提案手法

2015年10月19日

4ch型

22

実験結果
③ 接触動作（５kg吊下げ）

マスタ
スレーブ

4ch型

2015年10月19日

時間[s]トルク[Nm]トルク[Nm]

時間[s]

力
応答

誤差

角度[rad]位置応答角度[rad]

提案手法

時間[s]

時間[s]

23

実験結果
提案手法

従来手法(力帰還型)

マスタ
スレーブ

角度[rad]位置応答角度[rad]誤差

時間[s]2015年10月19日トルク[Nm]

力応答

トルク[Nm]

時間[s]

時間[s]

時間[s]

24

実験結果
提案手法

2015年10月19日

従来手法(力帰還型)

25

入出力関係
 フィードバック制御系へ変換
境野らの座標変換によるバイラテラル制御系の設計法*を参考* S. Sakaino, T. Sato, and K. Ohnishi: "Multi-DOF Micro-Macro Bilateral Controller Using Oblique Coordinate Control," IEEE Transactions onIndustrial Informatics, Vol. 7, No. 3, pp. 446-454 (2011)2015年10月19日

26

提案手法と従来手法の比較
既知パラメータ
ߙ：位置のスケーリングゲイン
ߚ：力のスケーリングゲイン
݉：慣性モーメント
g：疑似微分のカットオフ周波数

未知パラメータܼ௛ ：人のインピーダンス
ܼ௘ ：環境のインピーダンス

提案手法
αg 1
1 − A12 = 2sαm+βms+g

MS 
βg 
A = 1mZ−mZ21ShMe2sαm+βms+g
MS 

gが十分高いとA12が0になる
2015年10月19日

従来手法(力帰還型)1
 A12′ = m s 2M
 A′ = − βZ e
 21
s3

自由動作時にA’21が0になる
27

極配置

＊ 自由動作＊ 接触動作提案手法

従来手法(力帰還型)• 接触動作時に減衰比1以上の極• 接触動作時に減衰比1未満の極減衰比0.8→オーバーシュートにより接触非接触を繰り返す動作が起こる
2015年10月19日

28

極配置
 接触動作時の極配置（力制御ゲインを0.002~500）＊ 接触動作
減衰比0.8

提案手法

2015年10月19日

従来手法(力帰還型)

29

先行研究
電気-油圧アクチュエータ間のバイラテラル制御
サーボ弁を用いた油圧開回路
問題点 :バックドライバビリティが低い

開回路構成の油圧システム

スレーブ(油圧アクチュエータ)30

ロボットのバックドライバビリティ
ロボットアームに外力を加え，モータの出力軸を回転させる[3]
バックドライブの行いやすさ
バックドライブ

伝達機構(ギア等)

モータ

ロボットアーム

・外力に対し柔軟に反応可能
・衝撃等の速い力の変化に追従可能
人間の存在を想定した環境において望まれる[3]中村中村 仁彦：バックドライバビリティを備えたアクチュエータの仁彦：バックドライバビリティを備えたアクチュエータの開発を備えたアクチュエータの開発 2011

スライドスレッジ HEAVY EQUIPMENTより引用
EQUIPMENTより引用

31

研究目的
災害現場での作業や，建築作業の効率を高めるロボット

バックドライバビリティを備えた油圧駆動スレーブロボットと電気駆動マスタロボット間のバイラテラル制御を実現

32

本研究内容高バックドライバビリティを実現可能な油圧システム

サーボポンプを用いた油圧閉回路[4]油圧閉回路(本研究本研究)
本研究

油圧開回路(先行研究先行研究)
先行研究

バックドライバビリティ○高×低効率

○高×低

油タンク

○小×大

油圧閉回路

バイラテラル制御における実装例は少なく、バックドライバビリティの観点から十分な議論はされていない
本研究内容■油圧閉回路を用いた1リンクスレーブロボットを開発し，バイラテラル制御を実現する．
■スレーブロボットのバックドライバビリティを確認する．
[4]神永 拓(東京大学)：油圧動力伝達を用いたロボットの新アクチュエータ 2007

33

実験装置
サーボポンプで作動油の流量を制御し，ロボットアームを駆動
油圧閉回路

サーボポンプマスタロボット
電気アクチュエータ
電気

ロボットアーム

スレーブロボット
油圧アクチュエータ
油圧34

制御系
4ch型バイラテラル制御[5]位置と力の制御目標

センシング方法
位置情報(角度
位置情報 角度θ)角度

力情報(トルク
力情報 トルクτ)トルク

エンコーダで計測

反力推定オブザーバ[6]で推定[5]Y. Matsumoto, S. Katsura, and K. Ohnishi: “An Analysis and Design of Bilateral Control Based on Disturbance Observer,” in Proceedings of IEEE
International Conference on Industrial Technology, Vol. 2, pp. 802-807 (2003)[6]村上 俊之:多自由度力センサレスバイラテラルシステムの作業空間における制御設計法と性能評価 Vol. 7, pp. 755-763 (2012)

35

実験結果
バイラテラル制御による位置の追従と力覚呈示
151.2

0.8

10Master

0.6

torque[Nm]angle[rad]

Slave

Slave

10.4
0.2
0Master
50-5-0.2-10-0.4
0

51015

2025time[s]マスタにスレーブが追従している

位置応答

30051015time[s]マスタとスレーブで作用反作用の法則が成立し，力覚呈示を確認した

202530

力応答

マスタロボットを操作し，約15秒間自由動作を行った後，スレーブロボットを環境に接触させた．
36

実験結果
バックドライバビリティの確認
スレーブロボットのバックドライブ開始トルクの測定
電源非投入時 力制御時
従来手法(油圧開回路)

15.4Nm

0.38Nm本研究手法(油圧閉回路) 14.0Nm

11.8Nm本研究手法の従来手法のスレーブロボット スレーブロボット

ギア比50の減速器をサーボポンプに搭載したためバックドライバビリティを高めることができなかった．
ポンプによる効率の低下も要因として考えられる．

サーボポンプ37

実験結果
バックドライバビリティの確認
力制御におけるバックドライバビリティ
力制御

従来手法
(サーボ弁を用いた開回路)

制御周期
サーボ弁(2ms)
電気サーボモータ(200μs)

本研究手法(サーボポンプを用いた閉回路)
力情報のセンシングに圧力センサを用いることで外力に対する感度を高めることができる

38

まとめ
■高バックドライバビリティを実現可能な油圧閉回路構成のスレーブロボットを開発した■電気-油圧アクチュエータ間のバイラテラル制御を行い，力覚呈示を確認した■サーボポンプに搭載する減速器の課題を見出した■今後は圧力センサを用いた出力節での制御を実装し，DDモータを搭載したサーボポンプを作成することでバックドライバビリティを改善する
39

油圧アクチュエータの効率
油圧アクチュエータの特性
 零速度付近で効率が激減
 非常に大きな静止摩擦と等価

Angular Velocity (rpm)2015年10月19日

40

EncoderLink

Motor(not used)

静止摩擦の影響
積分器を入れると振動が消えない

Actuator

位置応答

制御入力

0.35

120

command
response

1000.3800.25Torque [Nm]Angle [rad]600.20.15

4020
00.1-200.05-40-60

00246Time [s]2015年10月19日

8100246810Time [s]

41

摩擦補償
摩擦補償制御の要求仕様
 オンライン同定・パラメータ調整が不要
 力制御やバイラテラル制御の時には、モデル化できない外力が制御変数となる。
 高速な応答が求められるため、同定は間に合わない。

 専用の制御系設計論が不要 バイラテラル制御は複数ロボットの協調作業なので他の制御系設計論に影響がないことが重要である。

2015年10月19日

42

制御系
量子化による静止摩擦の回避
量子化なし

量子化有り

最大静止摩擦力(4N)

最大静止摩擦力(4N)
5Input [N]Input [N]

5
42.50

40
Time
アクチュエータは動かない2015年10月19日

Time
アクチュエータは動く

43

制御系
フィードバック変調器
 量子化誤差の影響を抑圧可能 安定性は二次のLPF Q(s) により保証可能

 Ts 
1 − Q( s) =  Ts + 1 

2015年10月19日

244

制御系
PD制御 + 外乱オブザーバ + フィードバック変調器

2015年10月19日

45

実験
Table III. Control Parameters (Experiment)

2015年10月19日

46

実験0.350.4PD

command
response

0.35

PD+FM

0.25

0.3
0.25

Angle [rad]Angle [rad]

0.3

0.2
0.15

command
response

0.2
0.15
0.1

0.1

0.05

0.05

000246801024

Time [s]0.35

PD+DOBcommand
response

Proposed

0.3
0.25

8100.35

command
response

0.3
0.25

0.2

Angle [rad]Angle [rad]6Time [s]

0.15
0.1

0.2
0.15
0.1

0.05

0.05

002

4

6
Time [s]2015年10月19日

81000246810Time [s]47実験
応答0.35command
response

0.35

0.3

0.3
0.25

0.2Angle [rad]Angle [rad]

0.25

0.15
0.1

PD+DOBcommandresponse

0.2
0.15
0.1

Proposed

0.05

0.05

002468010024Time [s]入力

6810Time [s]

120
100

1008050
Torque [Nm]Torque [Nm]

60
40
20
0PD+DOB

0-50-20

Proposed-40-100-60
0246Time [s]2015年10月19日

8100246810Time [s]48