JP5234410B2 - Actuator device and motor control method - Google Patents
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Description
本発明は、オペレータが操作部材を操作してアクチュエータを所定の状態に動作させる際に、電動機の駆動力が上記操作部材に供給されるパワーアシスト機能を有するアクチュエータ装置及び電動機の制御方法に関する。 The present invention relates to an actuator device having a power assist function and a motor control method for supplying a driving force of an electric motor to the operation member when an operator operates the operation member to operate the actuator in a predetermined state.
従来、パワーアシストと称される技術が知られている。パワーアシストは、操作部材に加えられたオペレータの操作力を測定し、その操作力に応じた駆動力を上記操作部材に補助的に加えて、オペレータの操作力と電動機（モータ）の駆動力とによってアクチュエータを動作させる技術である。例えば、特許文献１には、スライドドアのパワーアシスト装置が開示されている。このパワーアシスト装置は、センサーによって測定された操作力に応じて電動機の駆動力を制御する。また、特許文献２及び３には、水門開閉機が開示されている。この水門開閉機は、手動ハンドルのトルクが設定値以上のときに電動機を駆動させて、手動ハンドルのトルクを補助するための駆動力を手動ハンドルに加える。このようなパワーアシスト機能を有する上記各装置によれば、オペレータは、実際にアクチュエータにかかる負荷よりも軽い負荷で操作部材を操作することができる。かかるパワーアシスト機能は、スライドドアや水門開閉機に限られず、ロボット分野や自動車分野等において様々な用途に用いられている。
Conventionally, a technique called power assist is known. The power assist measures the operator's operating force applied to the operating member, and supplementarily applies a driving force corresponding to the operating force to the operating member, so that the operator's operating force and the motor (motor) driving force This is a technique for operating the actuator. For example,
パワーアシスト機能を有する装置においては、インピーダンスマッチング法に基づく制御（以下「インピーダンス制御」という。）が採用されている。非特許文献１には、オペレータの前腕が装着可能な１リンクアームに上記インピーダンス制御を適用したシステムが開示されている。非特許文献１のシステムでは、駆動制御部で用いられる制御パラメータが以下のようにして設定されている。まず、１リンクアームが任意に設定された制御パラメータを用いて１リンクアームがインピーダンス制御される。このインピーダンス制御において、上記１リンクアームの角速度（角周波数とも言う）と制御パラメータ（インピーダンスパラメータζ及びω）の最適値との相関関係が事前に取得される。そして、実際に操作力が入力されると、入力された操作力に応じた上記１リンクアームの角速度が予測されて、上記予測された角速度（予測角速度）に応じた設定値が上記相関関係から同定される。その後、上記同定された設定値が制御パラメータとして設定される。
In an apparatus having a power assist function, control based on an impedance matching method (hereinafter referred to as “impedance control”) is employed. Non-Patent
上記非特許文献１に記載の従来のシステムは、角速度と操作力との相関を示す近似式（同文献のfig.11.参照）に基づいて上記１リンクアームの角速度を予測するものである。詳細には、１リンクアームに入力された操作力が測定され、その測定値に対応する角速度が上記近似式から求められる。しかしながら、上記操作力の測定値は、同じタイミングで測定されたとしても、オペレータの力の入れ具合や１リンクアームの摺動部の抵抗などが影響して異なる場合がある。したがって、オペレータが上記１リンクアームに対して同じ動作を繰り返し行ったとしても、操作する度に操作力の測定値が異なり、ひいては、操作する度に角速度の予測値や制御パラメータが異なる。そのため、オペレータが１リンクアームを操作する度に、電動機の駆動力が変わるため、パワーアシストが不安定となり、操作性が悪い。
The conventional system described in Non-Patent
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、オペレータの操作意志に沿った安定したパワーアシストを実現するとともに、操作性を向上させることが可能なアクチュエータ装置及び電動機の制御方法を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is an actuator capable of realizing stable power assist in accordance with the operator's intention to operate and improving operability. It is providing the control method of an apparatus and an electric motor.
(1) 本発明は、操作部材を操作してアクチュエータを所定の状態に動作させる際に、電動機の駆動力を上記操作部材に供給するパワーアシスト機能を有するアクチュエータ装置として構成されている。このアクチュエータ装置は、測定手段と、サンプリング手段と、第１記憶手段と、予測手段と、パラメータ設定手段と、制御手段とを具備する。測定手段は、上記操作部材に入力された操作力を電気的に測定する。サンプリング手段は、上記測定手段によって測定された操作力を周期的にサンプリングする。第１記憶手段は、上記サンプリング手段によってサンプリングされた複数の操作力をサンプリングデータとして記憶する。予測手段は、上記第１記憶手段に記憶されたサンプリングデータに基づいて、上記アクチュエータが上記所定の動作を完結するのに要するであろう予定動作時間を予測する。パラメータ設定手段は、上記所定の動作が上記予定動作時間で完結されるように上記電動機を制御するための上記アクチュエータ装置の動特性を規定するインピーダンスパラメータを上記予定動作時間に基づいて設定する。制御手段は、上記パラメータ設定手段によって設定されたインピーダンスパラメータを用いてインピーダンス制御法に基づき上記電動機を制御する。 (1) The present invention is configured as an actuator device having a power assist function for supplying a driving force of an electric motor to the operation member when the operation member is operated to operate the actuator in a predetermined state. The actuator device includes measurement means, sampling means, first storage means, prediction means, parameter setting means, and control means. The measuring means electrically measures the operating force input to the operating member. The sampling means periodically samples the operating force measured by the measuring means. The first storage means stores a plurality of operation forces sampled by the sampling means as sampling data. The predicting means predicts a scheduled operation time that will be required for the actuator to complete the predetermined operation based on the sampling data stored in the first storage unit. The parameter setting means sets an impedance parameter that defines dynamic characteristics of the actuator device for controlling the electric motor based on the scheduled operation time so that the predetermined operation is completed in the scheduled operation time. The control means controls the electric motor based on the impedance control method using the impedance parameter set by the parameter setting means.
ここで、サンプリングとは、時々刻々と変化する信号（例えば、操作力を電気的に示す信号）が、ある時点でどの程度の瞬間値をとっているかを周期的に次々に数値化することをいう。換言すれば、所定のサンプリング周期毎に上記信号の瞬間値を数値化することをいう。 Here, sampling means that the signal that changes from moment to moment (for example, a signal that electrically indicates the operating force) is periodically digitized one after another to determine how much instantaneous value it takes at a certain point in time. Say. In other words, the instantaneous value of the signal is digitized every predetermined sampling period.
アクチュエータを動作させる場合、オペレータは、アクチュエータを所定状態にさせるために所定の強さの操作力を操作部材に入力する。このとき、オペレータは、アクチュエータが所望の動作をするようにその動作に応じた操作力を操作部材に入力する。そのため、操作部材に入力される操作力には、オペレータの操作意志が反映されている。したがって、操作部材に加えられる操作力が分かれば、オペレータが所望するアクチュエータの動作及びその動作にかかる動作時間が予測可能である。上記操作力は、オペレータの操作次第によって変動するものである。したがって、本発明のサンプリング手段は、複数の操作力を周期的にサンプリングする。予測手段は、複数の操作力からなるサンプリングデータに基づいて予定動作時間を予測する。上記サンプリングデータから予定動作時間が予測されるため、或る時点における操作力の瞬間値に基づいて予測する場合に比べて、予測動作時間は信頼性が高い。このように高い信頼性を有する予定動作時間は、オペレータの操作意志が正確に反映されたものであり、オペレータの所望するアクチュエータの動作時間である。このように予定動作時間に基づいて電動機の制御に用いられるインピーダンスパラメータが設定され、設定されたインピーダンスパラメータに基づいて電動機が制御手段によって制御される。 When operating the actuator, the operator inputs an operation force having a predetermined strength to the operation member in order to bring the actuator into a predetermined state. At this time, the operator inputs an operation force corresponding to the operation to the operation member so that the actuator performs a desired operation. Therefore, the operator's intention to operate is reflected in the operating force input to the operating member. Therefore, if the operation force applied to the operation member is known, the operation of the actuator desired by the operator and the operation time required for the operation can be predicted. The operating force varies depending on the operation of the operator. Therefore, the sampling means of the present invention samples a plurality of operating forces periodically. The prediction means predicts the scheduled operation time based on sampling data composed of a plurality of operation forces. Since the scheduled operation time is predicted from the sampling data, the predicted operation time is more reliable than when the prediction is performed based on the instantaneous value of the operating force at a certain time. Thus, the scheduled operation time having high reliability accurately reflects the operator's intention to operate, and is the operation time of the actuator desired by the operator. Thus, the impedance parameter used for controlling the electric motor is set based on the scheduled operation time, and the electric motor is controlled by the control unit based on the set impedance parameter .
これにより、最適値に設定されたインピーダンスパラメータに基づいて電動機が制御されるため、電動機によるパワーアシストが安定し、その結果、操作部材の操作性が向上する。また、インピーダンスパラメータが設定されると、アクチュエータが所定の動作を完結するまでインピーダンスパラメータは変更されないため、制御中にインピーダンスパラメータが頻繁に変更される従来制御に比べて制御に要する処理負担が軽減される。 Thereby, since the electric motor is controlled based on the impedance parameter set to the optimum value, the power assist by the electric motor is stabilized, and as a result, the operability of the operating member is improved. Further, the impedance parameter is set, the actuator is because impedance parameter is not changed until complete a predetermined operation, the processing burden of the control compared to the conventional control the impedance parameter is frequently changed is reduced in the control The
(2) 上記予測手段は、時間に対する上記操作力の変化率に基づいて上記予定動作時間を予測することが好ましい。 (2) It is preferable that the prediction means predicts the scheduled operation time based on a change rate of the operation force with respect to time.
これにより、アクチュエータの予定動作時間をより正確に予測することができる。 Thereby, the estimated operation time of the actuator can be predicted more accurately.
(3) 本発明のアクチュエータ装置は、上記アクチュエータが上記所定の動作に要した実動作時間と該実動作時間に対応する上記インピーダンスパラメータの最適値との相関関係を記憶する第２記憶手段を更に備える。この場合、上記パラメータ設定手段は、上記第２記憶手段に記憶された相関関係から上記予定動作時間に対応する上記インピーダンスパラメータの設定値を求め、この設定値に上記インピーダンスパラメータを設定する。 (3) The actuator device according to the present invention further includes second storage means for storing a correlation between an actual operation time required for the predetermined operation of the actuator and an optimum value of the impedance parameter corresponding to the actual operation time. Prepare. In this case, the parameter setting means obtains a setting value of the impedance parameter corresponding to the scheduled operation time from the correlation stored in the second storage means, and sets the impedance parameter to this setting value.
(4) 本発明のアクチュエータ装置は、上記測定手段によって測定された操作力が所定値以上であるかどうかを判定する判定手段を更に備える。この場合、上記サンプリング手段は、上記判定手段によって上記操作力が上記所定値以上であると判定されたことを条件にサンプリングを開始する。 (4) The actuator device according to the present invention further includes a determination unit that determines whether or not the operation force measured by the measurement unit is greater than or equal to a predetermined value. In this case, the sampling unit starts sampling on the condition that the operation force is determined to be greater than or equal to the predetermined value by the determination unit.
オペレータが操作部材を操作し始めた初期段階では、操作部材に入力される操作力は小さく、しかも不安定である。そのため、操作力が安定し始める所定値を予め同定しておき、この所定値以上の操作力が入力された場合に、サンプリング手段がサンプリングを開始して、そのサンプリングデータに基づいて予定動作時間を予測するようにすれば、予定動作時間の予測精度が向上する。 At the initial stage when the operator starts operating the operating member, the operating force input to the operating member is small and unstable. Therefore, a predetermined value at which the operation force starts to stabilize is identified in advance, and when an operation force greater than the predetermined value is input, the sampling means starts sampling, and the scheduled operation time is determined based on the sampling data. If the prediction is performed, the prediction accuracy of the scheduled operation time is improved.
(5) 上記アクチュエータは、１つのリンクを介して上記操作部材と連動可能に連結され、流体が移動する流路を遮断するコックである。 (5) The actuator is a cock that is connected to the operation member via one link so as to be interlocked, and blocks a flow path through which the fluid moves.
本発明は、このようなコックを開閉させる場合に好ましく適用される。 The present invention is preferably applied when opening and closing such a cock.
(6) 上記制御手段は、減衰率ζ及び固有角周波数ωを上記インピーダンスパラメータとした場合に、下記のインピーダンス制御式に基づいて上記電動機をインピーダンス制御することが好ましい。 (6) It is preferable that the control means impedance-controls the electric motor based on the following impedance control equation when the attenuation factor ζ and the natural angular frequency ω are the impedance parameters .
(7) 本発明は、上述のアクチュエータ装置に適用いられる電動機の制御方法として捉えてもよい。つまり、本発明は、操作部材と、操作部材が操作されることにより所定の動作を行うアクチュエータと、操作部材に入力された操作力をアシストする電動機とを備えたアクチュエータ装置に適用される電動機の制御方法である。この制御方法は、第１ステップ乃至第６ステップを有する。第１ステップは、上記操作部材に入力された操作力を電気的に測定する。第２ステップは、上記第１ステップで測定された操作力を周期的にサンプリングする。第３ステップは、上記サンプリングされた複数の操作力をサンプリングデータとして所定の記憶媒体に記憶する。第４ステップは、上記所定の記憶媒体に記憶されたサンプリングデータに基づいて、上記アクチュエータが上記所定の動作を完結するのに要するであろう予定動作時間を予測する。第５ステップは、上記所定の動作が上記予定動作時間で完結されるように上記電動機を制御するための上記アクチュエータ装置の動特性を規定するインピーダンスパラメータを上記予定動作時間に基づいて設定する。第６ステップは、上記第５ステップで設定されたインピーダンスパラメータを用いてインピーダンス制御法に基づき上記電動機を制御する。 (7) The present invention may be regarded as a method for controlling an electric motor applied to the actuator device described above. That is, the present invention relates to an electric motor applied to an actuator device including an operating member, an actuator that performs a predetermined operation when the operating member is operated, and an electric motor that assists the operating force input to the operating member. It is a control method. This control method has first to sixth steps. In the first step, the operation force input to the operation member is electrically measured. In the second step, the operation force measured in the first step is periodically sampled. In the third step, the plurality of sampled operation forces are stored as sampling data in a predetermined storage medium. The fourth step predicts a scheduled operation time that the actuator will take to complete the predetermined operation based on the sampling data stored in the predetermined storage medium. In the fifth step, an impedance parameter that defines dynamic characteristics of the actuator device for controlling the electric motor is set based on the scheduled operation time so that the predetermined operation is completed in the scheduled operation time. In the sixth step, the electric motor is controlled based on the impedance control method using the impedance parameter set in the fifth step.
(8) 上記第４ステップは、時間に対する上記操作力の変化率に基づいて上記予定動作時間を予測するものである。 (8) In the fourth step, the scheduled operation time is predicted based on the rate of change of the operating force with respect to time.
(9) 上記第５ステップは、上記アクチュエータが上記所定の動作に要した実動作時間と該実動作時間に対応する上記インピーダンスパラメータの最適値との相関関係から上記予定動作時間に対応する上記インピーダンスパラメータの設定値を求め、この設定値に上記インピーダンスパラメータを設定するものである。 (9) the fifth step, the impedance which the actuators corresponding to the expected operation time from the correlation between the optimum values of the impedances parameters corresponding to the actual operation time and said actual operating time taken in the predetermined operation A parameter setting value is obtained, and the impedance parameter is set to this setting value.
このような制御方法であっても、上述のアクチュエータ装置と同様の効果が奏される。 Even with such a control method, the same effects as those of the actuator device described above can be obtained.
本発明によれば、オペレータの操作位置に沿った安定したパワーアシストを実現することができ、且つ操作部材の操作性を向上させることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the stable power assistance along an operator's operation position can be implement | achieved, and the operativity of an operation member can be improved.
以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。なお、以下の実施形態は本発明が具体化された一例にすぎず、本発明の要旨を変更しない範囲で、各実施形態が適宜変更され得ることは言うまでもない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on preferred embodiments with appropriate reference to the drawings. In addition, the following embodiment is only an example in which the present invention is embodied, and it is needless to say that each embodiment can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention.
［図面の説明］
図１は、本発明の実施形態に係るアクチュエータ装置１０の構成を示す外観図である。図２は、アクチュエータ装置１０を上方から見た平面図である。図３は、駆動制御部１００の構成を示すブロック図である。図４及び図５は、駆動制御部１００によるパワーアシスト制御に伴う一連の処理手順の一例を示すフローチャートである。図６は、駆動制御部１００によるパワーアシスト処理の手順の一例を示すフローチャートである。
[Explanation of drawings]
FIG. 1 is an external view showing a configuration of an
［アクチュエータ装置１０の概略構成］
アクチュエータ装置１０は、消火活動に用いられる消防車に搭載されている。消防車は、放水により消火活動を行うべく、放水用のホースと、ポンプとを備えている。アクチュエータ装置１０は、上記ポンプに取り付けられており、ポンプから放出される消火用の水を遮断或いは開放するためのものである。アクチュエータ装置１０は、主として、放水用コック１２（本発明のアクチュエータの一例）と、減速機３２と、モータ３５（本発明の電動機の一例）と、ロータリーエンコーダ３８と、駆動制御部１００（図３参照）とにより構成されている。以下、アクチュエータ装置１０の各構成要素について説明される。
[Schematic Configuration of Actuator Device 10]
The
図１に示されるように、アクチュエータ装置１０は、放水用コック１２を有する。放水用コック１２は、コック本体１４と、バルブ２３と、レバー２５（本発明の操作部材の一例）とを有する。コック本体１４には、消火用の水が流れる流路１６が形成されている。流路１６は、図１において、横向き円筒状に形成されている。コック本体１４は、フランジ２０と口金２１とを有する。フランジ２０はコック本体１４の一方の開口縁に設けられており、口金２１はコック本体１４の他方の開口縁に設けられている。フランジ２０がポンプの本体にボルトなどで締結されることにより、放水用コック１２がポンプに固定される。口金２１はホースが接続可能に構成されている。ホースが口金２１に接続されることにより、ポンプからホースに至る流路が形成される。
As shown in FIG. 1, the
バルブ２３は、流路１６内に設けられている。バルブ２３は、流路１６内で回転可能な円筒状の弁体２８と、流路１６の内周面に形成された弁座２９とから構成されている。図１に示されるように、弁体２８は、その回転軸４０が流路１６の延出方向に直交するように配置されている。弁座２９は、弁体２８の上端及び下端それぞれに対応する位置に設けられている。弁座２９と弁体２８との隙間にはシール部材３６が設けられている。シール部材３６は、摺動抵抗の小さい樹脂で構成されており、消火用の水が漏れないように上記隙間をシールするとともに、弁体２８を円滑に回転させる役割を担う。弁体２８は、レバー２５が操作されることによって回転軸４０を中心に回転される。弁体２８は、流路１６を完全に閉鎖する位置（以下「全閉位置」という。）から流路１６を完全に開放する位置（以下「全開位置」という。）まで回転可能である。弁体２８によって流路１６が閉鎖されることにより、ポンプからの水の放出が遮断される。また、弁体２８によって流路１６が開放されることにより、図１の流水方向１８（破線矢印参照）へ向けて、ポンプからホースへ水が流れる。なお、本実施形態では、全閉位置から全開位置までの回転角が９０°（π／２ラジアン）に設定されている。
The
コック本体１４の上部に筒状の挿通部１５が設けられている。挿通部１５は、コック本体１４の上部に設けられた開口４２に嵌め入れられている。挿通部１５は、流路１６に対して垂直に交差しており、且つ、弁体２８の軸方向と同方向（図１において鉛直上方）へ延びている。ステム１９は挿通部１５の内孔に挿通されており、挿通部１５内で回転可能に設けられている。挿通部１５の内面とステム１９との隙間にＯ型リング等のシール部材が設けられており、消火用の水が漏れないように隙間がシールされている。
A
ステム１９の下端は、流路１６近傍に達している。ステム１９の下端はバルブ２３の弁体２８に連結されている。したがって、ステム１９が回転すると、弁体２８もステム１９の回転方向と同方向へ回転する。ステム１９の上端はレバー２５のシャフト２６に連結されている。シャフト２６は、ステム１９に対して垂直となるように連結されている。このように弁体２８、ステム２９、レバー２６が連結されることによって、シャフト２６からステム２９に渡って、１つのリンクからなるリンク機構が構成される。
The lower end of the
シャフト２６の先端に把手２４が設けられている。把手２４は、オペレータによって把持される部分である。レバー２５がオペレータによって操作されると、レバー２５は、ステム１９を回動中心として、図２に示される開方向４４又は閉方向４５へ回動する。レバー２５が回動すると、ステム１９を介してバルブ２３の弁体２８が連動して同方向へ回転する。つまり、放水用コック１２は、レバー２５と連動して動作する。
A
レバー２５は、バルブ２３によって流路１６が全開される開位置Ｐ１（図２において破線で示される位置）と、バルブ２３によって流路１６が全閉される閉位置Ｐ２（図２において実線で示される位置）との間で回動可能である。なお、本実施形態では、開位置Ｐ１と閉位置Ｐ２とのなす角が９０°（π／２ラジアン）に設定されている。
The
シャフト２６に金属抵抗式の歪みゲージ２７が設けられている。歪みゲージ２７は、被測定物の歪みを測定するためのセンサーである。この歪みゲージ２７と後述される駆動制御部１００とによって本発明の測定手段が具現化される。歪みゲージ２７は、絶縁体からなるベースと、ベースに形成された抵抗泊と、抵抗泊から引き出されたリード線とから構成されている。歪みゲージ２７のリード線は、後述される駆動制御部１００の歪み変換部１１０（図３参照）に接続されている。レバー２５に操作トルク（操作力）が加えられると、レバー２５のシャフト２６が歪み、歪みゲージ２７の抵抗泊の電気抵抗値が変化する。この電気抵抗値の変化量がシャフト２６の歪みとして測定される。上記電気抵抗値の変化量とレバー２５に加えられた操作トルクとの間には相関関係があることが知られている。本実施形態では、後述されるように、シャフト２６の歪みによる電気抵抗値の変化量に基づいてレバー２５に加えられた操作トルクが求められる。なお、歪みゲージ２７としては、金属抵抗式のものに限られず、半導体式や圧電素子式などのものを採用することが可能である。また、本実施形態では、レバー２５に加えられた操作トルクを測定する測定手段が歪みゲージ２７と駆動制御部１００とによって実現されるが、例えば、歪みゲージ２７と駆動制御部１００の歪み変換器１１０とが一体に構成されたアンプ内蔵型のトルクセンサが採用されてもよい。また、操作トルクが加えられることによってシャフト２６が変位した場合のその変位量を測定可能なセンサであれば、歪みゲージ２７に代えて採用されてもかまわない。
A metal resistance
図２に示されるように、２つの歪みゲージ２７Ａ，２７Ｂがシャフト２６の外周面に設けられている。歪みゲージ２７Ａ，２７Ｂは、シャフト２６の外周面において、互いに対向するように配置されている。シャフト２６の外周面において、歪みゲージ２７Ａは閉方向４５の外側に設けられており、歪みゲージ２７Ｂは開方向４４の外側に設けられている。２つの歪みゲージ２７Ａ，２７Ｂを用いることにより、シャフト２６の歪み、ひいては、レバー２５に加えられた操作トルクを正確に測定することができる。
As shown in FIG. 2, two
このように放水用コック１２が構成されているため、レバー２５が操作されると、放水用コック１２は以下の如く動作する。図２に示されるように、オペレータによってレバー２５が閉位置Ｐ２から開位置Ｐ１まで操作されると、レバー２５に加えられた操作トルクが回転トルクとしてステム１９に伝達される。これにより、ステム１９が軸周りを開方向４４へ回転する。ステム１９の回転に連動してバルブ２３がステム１９の回転方向と同方向に回転する。具体的には、オペレータによってレバー２５が閉位置Ｐ２から開位置Ｐ１まで操作されると、バルブ２３は流路１６を完全に閉鎖する全閉位置から流路１６を開放する全開位置まで回転する。一方、オペレータによってレバー２５が開位置Ｐ１から閉位置Ｐ２まで操作されると、バルブ２３は全開位置から全閉位置まで回転する。
Since the
レバー２５にアダプター３０が設けられている。アダプター３０は、モータ３５の駆動力を減速機３２を介してレバー２５に伝達するためのものである。アダプター３０は、上方からステム１９の上端を覆うように設けられている。レバー２５はアダプター３０に支持されている。アダプター３０は、ステム１９と同軸方向に延びる軸３３を有する。この軸３３と減速機３２の軸３４とがカップリング３１によって連結されている。
An
モータ３５は、電力を受けて所定方向へ回転する電磁モータである。このモータ３５は、２つの出力軸を有する。一方の出力軸に減速機３２が連結されている。減速機３２は、モータ３５の回転を減速させるものであり、所定の減速比に設定されたギヤなどで構成されている。モータ３５は、減速機３２、カップリング３１及びアダプター３０を介してレバー２５に連結されている。したがって、後述される駆動制御部１００（図３参照）によってモータ３５が回転駆動されると、その駆動力（駆動トルク）がレバー２５に付与される。本実施形態では、レバー２５がオペレータによって操作された際にモータ３５の駆動力がレバー２５に補助的に付与されて、オペレータによるレバー２５の操作がモータ３５によってアシストされるように、アクチュエータ装置１０が制御される。なお、かかる制御の詳細については、後述される。
The
モータ３５の他方の出力軸に、ロータリーエンコーダ３８が連結されている。ロータリーエンコーダ３８は、モータ３５の出力軸の回転変位量をパルス信号に変換するセンサである。ロータリーエンコーダ３８から３つのリード線４７が引き出されている。これらのリード線４７は後述する駆動制御部１００のエンコーダボード１０８（図３参照）に接続されている。駆動制御部１００は、ロータリーエンコーダ３８から出力されるパルスをカウントすることにより、モータ３５の回転量や回転速度を検出する。また、ロータリーエンコーダ３８は、上記出力軸の回転に合わせて位相の異なる２つのパルスを出力する。各パルスの位相差は、上記出力軸の時計廻りと反時計廻りとで異なっている。駆動制御部１００は、この位相差を判別することにより、モータ３５の回転方向を検出する。
A
［駆動制御部１００］
次に、図３が参照されて、駆動制御部１００の構成について説明される。
[Drive control unit 100]
Next, the configuration of the
駆動制御部１００は、入力された種々の信号やデータに基づいてモータ３５をインピーダンス制御する。ここで、インピーダンス制御とは、インピーダンスマッチング法に基づく制御手法のことである。詳細には、インピーダンス制御は、アクチュエータ等の機械系が有する動作特性に関する種々のインピーダンスパラメータを実測或いは実験によって予め取得しておき、モータ３５を制御するための制御式に用いられるインピーダンスパラメータ（本実施形態ではパラメータζ及びω）をアクチュエータ（本実施形態では放水用コック１２）の動作に応じた最適値に設定するものである。インピーダンスマッチング法やこの手法を利用したインピーダンス制御、インピーダンスパラメータの最適値の定め方については、非特許文献１に詳しく記載されている。したがって、本明細書ではこれらの詳細な説明が省略される。
The
また、駆動制御部１００は、入力された種々の信号やデータに基づいてモータ３５をＰＩＤ制御する。ここで、ＰＩＤ制御とは、フィードバック制御の一種であって、バルブ２３の目標角度と実際の角度との偏差（角度差）に比例ゲインを乗じて入力値を変化させる比例動作（Ｐ動作）と、上記偏差の累積値に積分ゲインを乗じて入力値を変化させる積分動作（Ｉ動作）と、上記偏差の変化（つまり偏差の微分）に微分ゲインを乗じて入力値を変化させる微分動作（Ｄ動作）とを組み合わせた制御方法のことをいう。本実施形態では、バルブ２３の回転角度に加え、バルブ２３の回転速度についてもモータ３５がＰＩＤ制御される。なお、ＰＩＤ制御は周知の制御手法であるため、本明細書ではＰＩＤ制御の詳細な説明が省略される。
In addition, the
駆動制御部１００は、主として、各種演算を行うＣＰＵ１０１と、ＲＯＭ１０２（本発明の第２記憶手段の一例）と、ＲＡＭ１０３（本発明の第１記憶手段の一例）と、ＥＥＰＲＯＭ１０４と、Ｄ／Ａ変換器１０６と、モータドライバ１０７と、エンコーダボード１０８と、歪み変換器１１０と、Ａ／Ｄ変換器１１１とを有する。駆動制御部１００は、これら各構成要素が基板に実装された制御ボートとして構成されている。各構成要素は、後述される固有機能を実現するように、トランジスタや抵抗、コンデンサ、ダイオードなどの電子デバイスが集積配置されたロジック回路として構成されている。
The
ＲＯＭ１０２には、ＣＰＵ１０１がモータ３５をインピーダンス制御及びＰＩＤ制御するための制御プログラムやインピーダンス制御に必要な各種データが格納されている。制御プログラムには、インピーダンス制御に用いられる下記の式（１）で示される制御式（インピーダンス制御式）が組み込まれている。ＣＰＵ１０１は、式（１）の制御式に基づいて、モータ３５を制御する。なお、増力比αとは、オペレータがレバー２５に加えた操作トルクとモータ３５の出力トルクとの比率のことである。この増力比αは任意に設定可能である。本実施形態では、操作トルクτｈと同じ大きさの駆動力をモータ３５に出力させるため、増力比αは１．０に設定されている。
The
式（１）に示されるように、インピーダンス制御では、増力比、コックの目標角度、目標角速度、目標角加速度が定まると、減衰率ζ、及び固有角周波数ωの２つのインピーダンスパラメータによって制御内容が決定される。一般に、インピーダンス制御における上記パラメータζ及びωは、インピーダンス制御の対象となるアクチュエータ（本実施形態では放水用コック１２）の動作時間によって変化する。すなわち、上記パラメータζ及びωは、本実施形態の放水用コック１２のバルブ２３が、流路１６を完全に閉鎖する全閉位置から流路１６を完全に開放する全開位置まで回転するのに実際に要した時間（本発明の実動作時間に相当、以下「実開時間」という。）Ｔによって変化する要素である。本実施形態では、上記パラメータζと実開時間Ｔとの相関関係を近似的に示す下記の式（２）、及び上記パラメータωと実開時間Ｔとの相関関係を近似的に示す下記の式（３）がＲＯＭ１０２に記憶されている。なお、上記実開時間Ｔは、レバー２５を閉位置Ｐ２から開位置Ｐ１に回動させるのに要する時間に概ね一致する。
As shown in the equation (1), in the impedance control, when the boost ratio, the target angle of the cock, the target angular velocity, and the target angular acceleration are determined, the control content is determined by two impedance parameters of the damping rate ζ and the natural angular frequency ω. It is determined. In general, the parameters ζ and ω in impedance control vary depending on the operating time of the actuator (in this embodiment, the water discharge cock 12) that is the target of impedance control. That is, the parameters ζ and ω are actually used when the
上記の式（２）及び（３）に示される関係は、放水用コック１２が持つ固有の特性であり、放水用コック１２の仕様（大きさや重量、バルブ２３の摺動摩擦等）によって異なる。したがって、本実施形態では、放水用コック１２が持つ固有の特性として、上記パラメータζ及びωそれぞれと上記実開時間Ｔとの相関関係が実験によって事前に取得される。パラメータζ及びωそれぞれと実開時間Ｔとの相関関係は、以下の要領で事前に取得することができる。例えば、実開時間Ｔのサンプル値としてＴ＝｛０．５ｓ，０．７５ｓ，１．０ｓ，１．２５ｓ，１．５ｓ｝を用いる。同様にして、パラメータζのサンプル値としてζ＝｛０．０，０．４，０．８｝を用い、パラメータωのサンプル値としてω＝｛１，２，３，４｝を用いる。パラメータζ及びωの各サンプル値の組み合わせは６０通りある。この６０通りのサンプル値のパターンを上記式（１）に当てはめ、実開時間Ｔとなるようにレバー２５を閉位置Ｐ２から開位置Ｐ１まで回動させたときに、モータ３５のインピーダンス制御が適切に行われたかどうか、つまり、モータ３５によるパワーアシストが適切に行われたかどうかを評価する。かかる評価は、実開時間Ｔについて用意された５つのサンプル値毎に行う。かかる評価の結果から、評価値の最も高いパラメータζ及びωを実開時間Ｔ毎に特定する。このように特定されたパラメータζ及びωは、各実開時間Ｔに応じたパワーアシストに最も適した値（最適値）である。上述の如く特定されたパラメータζの最適値と実開時間Ｔとの間に相関関係を見出して近似式で表したものが式（２）であり、パラメータωの最適値と実開時間Ｔとの間に相関関係を見出して近似式で表したものが式（３）である。
The relationship shown in the above formulas (2) and (3) is a characteristic characteristic of the
評価方法としては、操作トルクの平均値を用いた評価方法を用いる。かかる評価方法は、ノーアシスト状態における操作トルクの平均値に対するアシスト状態における操作トルクの平均値の比率に基づいてモータ３５のインピーダンス制御を評価する。かかる比率が小さいほどアシスト時の操作トルクが小さいため、評価は高い。なお、この評価方法は非特許文献１に記載されているため、ここでは詳細な説明が省略される。
As an evaluation method, an evaluation method using an average value of the operation torque is used. This evaluation method evaluates the impedance control of the
また、視覚追従試験による評価方法を用いることも可能である。ここで、視覚追従試験とは、レバー２５を操作する被験者に対して予め定められた設定時間通りにレバーを操作させる際に、所定の視覚情報を用いる試験である。例えば、被験者は、パソコンなどの画面に表示される角度指示値或いは角度指示値を示すインジケータなどを見ながら、その指示値となるようにレバー２５を動かす。かかる試験の結果、ノーアシスト状態では、上記設定時間が短いほど実際に要した実開時間Ｔとのタイムラグが大きく、上記設定時間が長いほど実際に要した実開時間Ｔとのタイムラグが小さい。このような試験による評価方法においては、ノーアシスト状態におけるタイムラグの平均値に対するアシスト状態におけるタイムラグの平均値の比率に基づいてモータ３５のインピーダンス制御を評価する。かかる比率が小さいほどアシスト時のタイムラグが小さいため、評価は高い。なお、上記視覚追従試験及びこの視覚追従試験を用いた評価方法は、非特許文献１に記載されているため、ここでは詳細な説明が省略される。
It is also possible to use an evaluation method based on a visual follow-up test. Here, the visual follow-up test is a test that uses predetermined visual information when the subject who operates the
なお、評価方法は、上述の２つの評価方法に限られず、様々な評価方法を採用することができる。また、操作トルクの平均値を用いた評価方法及び視覚追従試験の双方による評価方法の双方を用いてモータ３５のインピーダンス制御を評価してもよい。
Note that the evaluation method is not limited to the above two evaluation methods, and various evaluation methods can be employed. Moreover, you may evaluate the impedance control of the
また、ＲＯＭ１０２には、オペレータによってレバー２５に加えられた操作トルクτｈと歪みゲージ２７の出力値（つまり、Ａ／Ｄ変換器１１１の出力値）ｖｓとの相関関係を近似的に示す下記の式（４）が記憶されている。本実施形態では、式（４）を用いて歪みゲージ２７の出力値ｖｓから操作トルクτｈが測定される。
Further, the
上記の式（４）に示される関係は、放水用コック１２が持つ固有の特性であり、レバー２５の仕様（シャフト２６の径や長さ等）によって異なる。したがって、本実施形態では、放水用コック１２が持つ固有の特性として、操作トルクτｈと出力値ｖｓとの相関関係が実験によって事前に取得される。操作トルクτｈと出力値ｖｓとの相関関係は、以下の要領で事前に取得することができる。まず、シャフト２６が水平方向となるようにレバー２５単体の一端（把手２４の反対側の端部）を固定し、レバー２５の把手２４に鉛直方向へ既知の大きさの荷重を段階的に付加する。そして、付加された荷重ごとに歪みゲージ２７の出力値ｖｓを測定する。これにより、測定された出力値ｖｓと荷重との相関関係を得ることができる。このとき、レバー２５単体に加えられた荷重は、レバー２５の操作時に加えられる操作トルクτｈと見なすことができる。式（４）は、このようにして得られた相関関係を近似式で表したものである。
The relationship shown in the above equation (4) is a characteristic characteristic of the
また、ＲＯＭ１０２には、放水用コック１２のバルブ２３が全閉位置から全開位置となるまでに実際に回転された時に要した実開時間Ｔと、バルブ２３の回転時におけるトルク勾配ａとの相関関係を近似的に示す下記の式（５）が記憶されている。ここで、トルク勾配ａとは、モータ３５によってアシストがされていない状態（以下「ノーアシスト状態」という。）において、時間に対する操作トルクτｈの変化率のことをいう。本実施形態では、式（５）を用いて、後述される予定開時間（本発明の予定動作時間に相当）が予測される。
The
上記の式（５）に示される関係は、放水用コック１２が持つ固有の特性であり、放水用コック１２の仕様（大きさや重量、バルブ２３の摺動摩擦等）によって異なる。したがって、本実施形態では、放水用コック１２が持つ固有の特性として、実開時間Ｔとトルク勾配ａとの相関関係が実験によって事前に取得される。ノーアシスト状態における実開時間Ｔとトルク勾配ａとの相関関係は、以下の要領で事前に取得することができる。まず、予め定められた設定時間（＝実開時間Ｔ）となるようにレバー２５を閉位置Ｐ２から開位置Ｐ１へ回動させる。このとき、所定時間毎に連続してｎ個の操作トルクτｈをサンプリングする。かかるサンプリングは、例えば、操作トルクτｈが閾値０．２［Ｎｍ］以上となってから開始される。これは、操作トルクτｈが小さすぎる場合は、操作トルクτｈが安定せず、正確なトルク勾配ａを求めることができないからである。上記サンプリングにより取得されたｎ個（本実施形態では１００個）のサンプリングデータからトルク勾配ａが求められる。詳細には、取得されたｎ個のサンプリングデータを最小二乗法を用いて一次方程式に近似し、その傾きに相当する係数をトルク勾配ａとする。かかる作業を、上記設定時間を様々に変化させて行う。これにより、実開時間Ｔとトルク勾配ａとの相関関係を得ることができる。式（５）は、このようにして得られた相関関係を近似式で表したものである。
The relationship expressed by the above formula (5) is a characteristic characteristic of the
また、ＲＯＭ１０２には、後述されるパワーアシスト処理（図６参照）に用いられる下記の式（６）が記憶されている。この式（６）に基づいて、パワーアシストに必要なモータ３５の駆動トルクｔｍｄが算出される。
The
ここで、式（６）におけるＩは、放水用コック１２が有する慣性モーメント、Ｋｐはバルブ２３の回転位置フィードバックゲイン、Ｋｖはバルブ２３の速度フィードバックゲインである。慣性モーメントＩは、回転のしにくさをあらわす量であり、放水用コック１２が持つ固有の特性である。この慣性モーメントＩは、放水用コック１２の仕様（大きさや重量、バルブ２３の摺動摩擦等）によって異なる。本実施形態では、放水用コック１２が持つ固有の特性として、慣性モーメントＩが実験によって事前に取得されている。
Here, I in equation (6) is the moment of inertia of the
ＲＡＭ１０３は、ＣＰＵ１０１がＲＯＭ１０２内のプログラムを実行する際に用いる各種データや各種数値を一時的に記録する記憶領域、或いは所定の演算処理を行うための作業領域として使用される。例えば、パワーアシスト制御の際に測定されたサンプルトルクやトルク勾配ａ等の情報は、ＲＡＭ１０３に一時的に記憶される。
The
ＥＥＰＲＯＭ１０４には、電源オフ後も保持すべきデータや設定フラグ等が格納されている。例えば、インピーダンス制御に用いられるパラメータζ及びωの設定値や、閾値判定に用いられる閾値、ＣＰＵ１０１によってカウントされたカウント値などがＥＥＰＲＯＭ１０４に記憶されている。なお、かかるパラメータζ及びωの設定値は必要に応じて最適値に更新される。
The
バス１１３にＤ／Ａ変換器１０６が接続されている。Ｄ／Ａ変換器１０６は、入力されたデジタル信号をアナログ信号に変換するものである。ＣＰＵ１０１は、モータ３５を制御するための所定のデューティ比の制御信号をＤ／Ａ変換器１０６へ出力する。ＣＰＵ１０１から送られてきた上記制御信号は、Ｄ／Ａ変換器１０６によってアナログ信号に変換される。Ｄ／Ａ変換器１０６によって変換された微電圧のアナログ信号は、モータドライバ１０７へ出力される。このアナログ信号を受けたモータドライバ１０７は、内蔵するアンプによって当該アナログ信号に応じた駆動電流を生成して、モータ３５に送る。これにより、モータ３５が所定の駆動力で回転し、減速機３２及びアダプター３０を介してその駆動力がレバー２５に伝達して、レバー２５がモータ３５の回転方向と同方向へ回転する。
A D /
モータ３５には、ロータリーエンコーダ３８が連結されている。ロータリーエンコーダ３８から、モータ３５の出力軸の回転変位量を示すパルス信号が出力される。このパルス信号は、エンコーダボード１０８に入力される。エンコーダボード１０８は、ロータリーエンコーダ３８から出力されたパルスをカウントすることにより、モータ３５の回転量や回転速度を検出する。また、エンコーダボード１０８は、ロータリーエンコーダ３８から出力された位相の異なる２つのパルスに基づいてモータ３５の回転方向を判断する。モータ３５に関する回転速度や回転量、回転方向などの情報は、デジタル化されてＣＰＵ１０１へ送られる。
A
歪み変換部１１０は、歪みゲージ２７の抵抗の変化量を増幅するものである。歪み変換部１１０は、ブリッジ回路とアンプとを有する。歪みゲージ２７の抵抗変化量は、ブリッジ回路によって電圧に変換され、その後、アンプによって増幅される。増幅された電圧信号は、Ａ／Ｄ変換器１１１へ出力される。
The
バス１１３にＡ／Ｄ変換器１１１が接続されている。Ａ／Ｄ変換器１１１は、入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するものである。歪み変換部１１０から送られてきた電圧信号は、Ａ／Ｄ変換器１１１によってデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器１１１によって変換されたデジタル信号は、ＣＰＵ１０１によって、後述されるトルクを算出するための計算式の導出や、後述されるトルクの測定処理（図４のＳ１３参照）に用いられる。
An A /
ＣＰＵ１０１はＲＡＭ内のデータや設定値、エンコーダボードやＡ／Ｄ変換器から入力された信号、或いはこれらの信号から求められた計算値を用いて、、ＲＯＭ１０２に記憶されたプログラムにしたがった制御処理を行う。かかる制御処理において、モータ３５を制御するための制御信号が生成されて、モータ３５へ送られる。これにより、アクチュエータ装置１０におけるパワーアシスト機能が実現される。
The
［制御処理］
以下、図４から図６のフローチャートが参照されて、駆動制御部１００によるパワーアシスト機能を実現するための制御処理の手順の一例が説明されるとともに、本発明の電動機の制御方法が説明される。なお、本発明のサンプリング手段、予測手段、パラメータ設定手段、制御手段、判定手段は、駆動制御部１００或いは駆動制御部１００のＣＰＵ１０１によって具現化される。
[Control processing]
Hereinafter, with reference to the flowcharts of FIGS. 4 to 6, an example of the procedure of the control process for realizing the power assist function by the
図４に示されるように、ステップＳ１では、ＣＰＵ１０１によって、レバー２５が操作されたかどうかが判断される。かかる判断は、歪みゲージ２７の出力信号の変化に基づいて行われる。具体的には、ＣＰＵ１０１は、歪みゲージ２７の出力信号の変化量が所定量以上の場合に、レバー２５が操作されたと判断する。
As shown in FIG. 4, in step S <b> 1, the
ステップＳ１１においてレバー２５が操作されたと判断されると（Ｓ１１のＹｅｓ）、続いて、バルブ２３の回転角度θがＣＰＵ１０１によって測定される。具体的には、ロータリーエンコーダ３８の出力値に減速機３２の減速比を乗じることによりバルブ２３の回転角度θが測定される。ステップＳ１２における回転角度θの測定処理は、当該制御処理が終了するまで所定時間毎に行われる。例えば、回転角度θは、ＣＰＵ１０１のクロック数に同期して周期的に測定される。なお、バルブ２３とレバー２５とはステム１９で連結されているため、バルブ２３の回転角度θは、機械的ロスが存在しなければレバー２５の回転角度に一致する。
If it is determined in step S11 that the
次のステップＳ１３では、オペレータによってレバー２５に加えられた操作トルクτｈがＣＰＵ１０１によって測定される。具体的には、歪みゲージ２７の出力値ｖｓと上式（４）とに基づいて操作トルクτｈが算出される。上記出力値ｖｓが上式（４）に代入されることによって、操作トルクτｈが求められる。ステップＳ１３における操作トルクτｈの測定処理は、当該制御処理が終了するまで所定時間毎に行われる。例えば、操作トルクτｈは、ＣＰＵ１０１のクロック数に同期して周期的に測定される。
In the next step S13, the operation torque τ h applied to the
次のステップＳ１４では、ステップＳ１３で測定された操作トルクτｈが所定の閾値以上であるかどうかが判定される。かかる判定処理は、ステップＳ１３において操作トルクτｈが測定される度に上記閾値と操作トルクτｈとが比較されることによって行われる。上記閾値は、ＥＥＰＲＯＭ１０４に記憶されている。なお、上記閾値は、放水用コック１２の動作特性に応じた任意の値に設定することが可能である。本実施形態では、上記閾値は、静止状態にある放水用コック１２を実際に動作させる際に要する操作トルク（「動作初期トルク」ともいう。）よりも小さい値に設定されている。具体的には、上記閾値は０．２[Ｎｍ]に設定されている。
In the next step S14, it is determined whether or not the operating torque τ h measured in step S13 is greater than or equal to a predetermined threshold value. This determination process is performed by comparing the threshold value with the operating torque τ h every time the operating torque τ h is measured in step S13. The threshold value is stored in the
ステップＳ１４において操作トルクτｈが０．２[Ｎｍ]以上であると判定されると（Ｓ１４のＹｅｓ）、次のステップＳ１５〜Ｓ１９において、上記ステップＳ１３で測定された操作トルクτｈをサンプリングするサンプリング処理が開始される。上記サンプリング処理は、ＣＰＵ１０１が周期的（所定時間毎）に操作トルクτｈをＮ回サンプリングする処理である。つまり、Ｎ個の操作トルクτｈが得られるまで、ＣＰＵ１０１のクロック数に同期して所定のサンプリング周期毎に操作トルクτｈが測定される。
If it is determined in step S14 that the operation torque τ h is 0.2 [Nm] or more (Yes in S14), the operation torque τ h measured in step S13 is sampled in the next steps S15 to S19. Sampling processing is started. The sampling process is a process in which the
上記サンプリング周期は、ＣＰＵ１０１のクロック数などによって定まる値である。本実施形態では、上記サンプリング周期は１．３１［ｍｓ］に設定されている。もちろん、サンプリング周期は１．３１［ｍｓ］であることに限られない。例えば、レバー２５が操作されてから後述されるパワーアシスト処理（Ｓ２３）が行われるまでの応答時間を短縮させるために、上記サンプリング周期が１．３１［ｍｓ］未満に設定されてもよい。
The sampling period is a value determined by the number of clocks of the
また、本実施形態では、操作トルクτｈのサンプリング回数ＮはＮ＝１００に設定されている。つまり、１００個の操作トルクτｈが得られるまで、上記サンプリング周期毎に操作トルクτｈが測定される。測定された１００個の操作トルクτｈは、サンプリングデータとしてＲＡＭ１０３に記憶される。なお、サンプリング回数Ｎは、任意に設定可能である。
In the present embodiment, the number of times N of sampling of the operation torque τ h is set to N = 100. That is, the operating torque τ h is measured at each sampling period until 100 operating torques τ h are obtained. The measured 100 operating torques τ h are stored in the
具体的には、まず、ＥＥＰＲＯＭ１０４内のカウント値ｋがＣＰＵ１０１によってリセットされる（Ｓ１５）。つまり、カウント値ｋが、ＣＰＵ１０１によってｋ＝０に設定される。上記カウント値ｋは、後述されるステップＳ１６において取得される操作トルクτｈのサンプリング回数Ｎをカウントするために用いられる。そして、ステップＳ１３で測定された操作トルクτｈがＣＰＵ１０１によって上記サンプリング周期毎に取得される（Ｓ１６）。ステップＳ１６で取得された操作トルクτｈは、ＲＡＭ１０３に記憶される（Ｓ１７）。その後、カウント値ｋがＣＰＵ１０１によってインクリメントされる（Ｓ１８）。つまり、カウント値ｋが、ｋ＝ｋ＋１に設定される。続いて、カウント値ｋがサンプリング回数Ｎ（＝１００）未満であるかどうかが判定される（Ｓ１９）。ステップＳ１９においてカウント値ｋが上記サンプリング回数Ｎ未満であると判定されると（Ｓ１９のＹｅｓ）、再びステップＳ１６以降の処理が繰り返される。一方、ステップＳ１９においてカウント値ｋがサンプリング回数Ｎ以上であると判定されると（Ｓ１９のＮｏ）、次のステップＳ２０以降の処理（図５参照）が行われる。このように、ステップＳ１５〜Ｓ１９の処理がＣＰＵ１０１によって行われることにより、１００個の操作トルクτｈがサンプリングされて、ＲＡＭ１０３にサンプリングデータとして記憶される。
Specifically, first, the count value k in the
なお、本実施形態では、サンプリング周期が１．３１［ｍｓ］に設定されているため、ステップＳ１５の処理が開始されてからＳ１９においてサンプリング回数Ｎ以上であると判定されるまでに費やされる時間は概ね１３１［ｍｓ］である。この時間は、人間の感覚としては瞬時である。したがって、本実施形態では、上記サンプリングデータは、ユーザによる操作開始直後に、言い換えると、レバー２５の操作の初期段階に得られることになる。
In the present embodiment, since the sampling period is set to 1.31 [ms], the time spent from the start of the process of step S15 until it is determined that the number of samplings is N or more in S19 is It is approximately 131 [ms]. This time is instantaneous as a human sense. Therefore, in the present embodiment, the sampling data is obtained immediately after the user starts the operation, in other words, at the initial stage of the operation of the
続いて、図５に示されるように、ステップ２０及び２１の手順に従って、ＲＡＭ１０３に記憶されたサンプリングデータ（１００個の操作トルクτｈ）に基づいて、放水用コック１２の予定開時間Ｔ′を予測する処理が行われる。ここで、予定開時間Ｔ′とは、放水用コック１２のバルブ２３が、流路１６を完全に閉鎖する全閉位置から流路１６を完全に開放する全開位置まで回転するのに要するであろう予測時間である。予定開時間Ｔ′の予測は、以下の手順にしたがって行われる。まず、ステップＳ２０において、上記サンプリングデータから時間に対する操作トルクτｈの変化率（以下「トルク勾配」という。）ａがＣＰＵ１０１によって算出される。その後、ステップＳ２１において、ＲＯＭ１０２に記憶された式（５）に基づいて予定開時間Ｔ′が算出される。具体的には、予定開時間Ｔ′は、ステップＳ２０で算出されたトルク勾配ａが数式（５）に代入されることにより得られる。
Subsequently, as shown in FIG. 5, the scheduled opening time T ′ of the
予定開時間Ｔ′が算出されると、次のステップＳ２２では、算出された予定開時間Ｔ′に基づいてモータ３５の制御に用いられるパラメータζ及びωの最適値がＣＰＵ１０１によって求められる。詳細には、放水用コック１２のバルブ２３が全閉位置から全開位置までに上記予定開時間Ｔ′で回転されるようにモータ３５を制御するためのパラメータζ及びωの設定値（最適値）が求められる。具体的には、予定開時間Ｔ′と上記式（２）とに基づいてパラメータζの設定値が算出される。かかる設定値は、予定開時間Ｔ′が上記式（２）に代入されることにより算出される。また、予定開時間Ｔ′と上記式（３）とに基づいてパラメータωの設定値が算出される。かかる設定値は、予定開時間Ｔ′が上記式（３）に代入されることにより算出される。そして、パラメータζ及びωは、算出された上記設定値に設定される。つまり、算出されたパラメータζ及びωそれぞれの設定値がインピーダンスパラメータに関する情報を格納するための記憶領域（例えばＣＰＵ１０１のレジスタなど）に記憶される。このように算出された設定値は、上記予定開時間Ｔ′に対応するパラメータζ及びωの最適値である。
When the planned opening time T ′ is calculated, in the next step S22, the
ステップＳ２２においてパラメータζ及びωが設定されると、次のステップＳ２３では、モータ３５を駆動させてレバー２５に駆動力を付与するパワーアシスト処理がＣＰＵ１０１によって実行される。具体的には、図６に示されるように、まず、ステップＳ３１において、式（１）のインピーダンス制御式に基づいて目標角加速度がＣＰＵ１０１によって求められる。式（１）のインピーダンス制御式を目標角加速度について変形すると、下記の式（５）のように表すことができる。下記式（５）に上記ステップＳ２２で算出されたパラメータζ及びωの設定値が代入されることにより、目標角加速度が算出される。
When the parameters ζ and ω are set in step S22, in the next step S23, the
次のステップＳ３２では、パワーアシストに必要なモータ３５の駆動トルクｔｍｄがＣＰＵ１０１によって算出される。駆動トルクｔｍｄは、式（６）に基づいて算出される。具体的には、ステップＳ１２で測定された実際の回転角度θ及び実際の角加速度が式（６）に代入されることにより、駆動トルクｔｍｄが算出される。ステップＳ３２で算出された算出値は、駆動トルクｔｍｄに関する情報を格納するための記憶領域（例えばＣＰＵ１０１のレジスタなど）に記憶される。つまり、レバー２５に加えられるアシスト力として必要とされるモータ３５の駆動トルクｔｍｄが上記算出値に設定される。
In the next step S32, the
その後、ステップＳ３３において、駆動トルクｔｍｄの設定値に応じた駆動電流を示す所定デューティ比の制御信号がＣＰＵ１０１によって生成されて、該制御信号がＤ／Ａ変換器１０６に出力される。制御信号は、Ｄ／Ａ変換器１０６によってアナログ信号に変換されてからモータドライバ１０７に出力される。モータドライバ１０７は、アナログ信号に応じた駆動電流を生成して、モータ３５に送る。これにより、モータ３５が駆動されて、モータ３５の駆動トルクが減速機３２、カップリング３１及びアダプター３０を介してレバー２５に伝達される。これにより、レバー２５及びバルブ２３がモータ３５の回転方向と同方向へ回転する。
Thereafter, in step S <b> 33, a control signal having a predetermined duty ratio indicating a driving current corresponding to the set value of the driving torque t md is generated by the
ステップＳ２３のパワーアシスト処理は、図５に示されるように、バルブ２３が全閉位置にあるときの角度を０°とすると、回転角度θが９０°（π／２ラジアン）となるまで行われる（Ｓ２４）。つまり、ステップＳ２４において、上記ステップＳ１２で測定された回転角度が９０°未満であるとＣＰＵ１０１によって判定された場合は、ステップＳ２３のパワーアシスト処理が継続して行われる。一方、ステップＳ２４において、バルブ２３の回転角度が９０°以上であると判定されると、アクチュエータ装置１０のパワーアシスト機能を実現するための一連の制御処理が終了する。
As shown in FIG. 5, the power assist process in step S23 is performed until the rotation angle θ becomes 90 ° (π / 2 radians) when the angle when the
上述の如く本実施形態にかかるアクチュエータ装置が構成されているため、放水用コック１２のバルブ２３を全閉位置から全開位置まで動作させるためにオペレータがレバー２５に力を加えると、瞬時的にサンプリングデータが得られて、そのサンプリングデータに基づいてバルブ２３の予定開時間Ｔ′が予測される。そして、パラメータζ及びωが上記予定開時間Ｔ′に応じた最適値に設定される。その後、当該パラメータζ及びωに基づいてモータ３５が駆動される。このように、最適値に設定されたパラメータζ及びωに基づいてモータ３５が制御されるため、モータ３５によるパワーアシストが安定し、その結果、レバー２５の操作性が向上する。また、本実施形態では、１００個の操作トルクτｈからなるサンプリングデータに基づいて予定開時間Ｔ′が予測されるので、予定開時間Ｔ′の信頼性が高い。そのため、パラメータζ及びωは、アクチュエータの実際の動作に必要とされる最適値に設定される。また、パラメータζ及びωの設定は一回限りで済むので、パワーアシスト制御中にパラメータの値を頻繁に変更する従来制御に比べて制御に要するＣＰＵ１０１の処理負担が軽減される。
Since the actuator device according to the present embodiment is configured as described above, when the operator applies a force to the
なお、本実施形態では、操作トルクτｈが閾値０．２［Ｎｍ］以上であると判定された場合に、操作トルクτｈのサンプリング処理が開始されることとしたが、操作トルクτｈが常に安定している場合は、言うまでもなく、上記閾値を設ける必要はない。つまり、上記ステップＳ１１においてレバー２５の操作が開始されたと判断された後に、ステップＳ１４の判定処理を行わすにサンプリング処理が行われてもよい。
In the present embodiment, when the operating torque tau h is determined to be the threshold value 0.2 [Nm] or more, it is assumed that the sampling processing of the operation torque tau h is started, the operating torque tau h Needless to say, it is not necessary to provide the above threshold value when it is always stable. That is, after it is determined in step S11 that the operation of the
また、本実施形態では、放水用コック１２に対して本発明が適用される例が説明されたが、放水用コック１２に限られず、操作部材が操作されることによって所定の動作を行われるアクチュエータ、特に、操作部材からアクチュエータまでに１つのリンク機構を有するアクチュエータに対して本発明は適用可能である。もちろん、１つのリンク機構を有するアクチュエータに限られず、２以上のリンク機構を有するアクチュエータにも本発明は適用可能である
In the present embodiment, an example in which the present invention is applied to the
１０・・・アクチュエータ装置
１２・・・放水用コック
１９・・・ステム
２３・・・バルブ
２５・・・レバー
２６・・・シャフト
２７・・・歪みゲージ
２８・・・弁体
３５・・・モータ
３８・・・ロータリーエンコーダ
４０・・・回転軸
４４・・・開方向
４５・・・閉方向
１００・・・駆動制御部
１０１・・・ＣＰＵ
１０２・・・ＲＯＭ
１０３・・・ＲＡＭ
１０４・・・ＥＥＰＲＯＭ
１０６・・・Ｄ／Ａ変換器
１０７・・・モータドライバ
１０８・・・エンコーダボード
１１０・・・歪み変換し
１１１・・・Ａ／Ｄ変換器
DESCRIPTION OF
102 ... ROM
103 ... RAM
104 ... EEPROM
106 ... D /
Claims (9)
上記操作部材に入力された操作力を電気的に測定する測定手段と、
上記測定手段によって測定された操作力を周期的にサンプリングするサンプリング手段と、
上記サンプリング手段によってサンプリングされた複数の操作力をサンプリングデータとして記憶する第１記憶手段と、
上記第１記憶手段に記憶されたサンプリングデータに基づいて、上記アクチュエータが上記所定の動作を完結するのに要するであろう予定動作時間を予測する予測手段と、
上記所定の動作が上記予定動作時間で完結されるように上記電動機を制御するための上記アクチュエータ装置の動特性を規定するインピーダンスパラメータを上記予定動作時間に基づいて設定するパラメータ設定手段と、
上記パラメータ設定手段によって設定されたインピーダンスパラメータを用いてインピーダンス制御法に基づき上記電動機を制御する制御手段とを具備するアクチュエータ装置。 An actuator device that includes an actuator that has an operation member and performs a predetermined operation when the operation member is operated, and an electric motor that assists the operation force input to the operation member,
Measuring means for electrically measuring the operating force input to the operating member;
Sampling means for periodically sampling the operating force measured by the measuring means;
First storage means for storing a plurality of operating forces sampled by the sampling means as sampling data;
Prediction means for predicting a scheduled operation time that the actuator will take to complete the predetermined operation based on the sampling data stored in the first storage unit;
Parameter setting means for setting an impedance parameter defining dynamic characteristics of the actuator device for controlling the electric motor based on the scheduled operation time so that the predetermined operation is completed in the scheduled operation time;
An actuator device comprising: control means for controlling the electric motor based on an impedance control method using the impedance parameter set by the parameter setting means.
時間に対する上記操作力の変化率に基づいて上記予定動作時間を予測する請求項１に記載のアクチュエータ装置。 The prediction means is
The actuator device according to claim 1, wherein the scheduled operation time is predicted based on a change rate of the operation force with respect to time.
上記パラメータ設定手段は、
上記第２記憶手段に記憶された相関関係から上記予定動作時間に対応する上記インピーダンスパラメータの設定値を求め、この設定値に上記インピーダンスパラメータを設定する請求項１又は２に記載のアクチュエータ装置。 The actuator further comprises second storage means for storing a correlation between an actual operation time required for the predetermined operation and an optimum value of the impedance parameter corresponding to the actual operation time;
The parameter setting means is
The calculated set value of the impedance parameter corresponding to the expected operation time from the stored correlation in the second storage means, the actuator device according to claim 1 or 2 for setting the impedance parameter in this setting.
上記サンプリング手段は、
上記判定手段によって上記操作力が上記所定値以上であると判定されたことを条件にサンプリングを開始する請求項１から３のいずれかに記載のアクチュエータ装置。 A determination means for determining whether or not the operating force measured by the measurement means is greater than or equal to a predetermined value;
The sampling means is
4. The actuator device according to claim 1, wherein sampling is started on the condition that the operation force is determined to be equal to or greater than the predetermined value by the determination unit. 5.
減衰率ζ及び固有角周波数ωを上記インピーダンスパラメータとした場合に、下記のインピーダンス制御式に基づいて上記電動機をインピーダンス制御する請求項５に記載のアクチュエータ装置。
6. The actuator device according to claim 5, wherein impedance of the electric motor is controlled based on the following impedance control expression when the attenuation factor ζ and the natural angular frequency ω are the impedance parameters .
上記操作部材に入力された操作力を電気的に測定する第１ステップと、
上記第１ステップで測定された操作力を周期的にサンプリングする第２ステップと、
上記サンプリングされた複数の操作力をサンプリングデータとして所定の記憶媒体に記憶する第３ステップと、
上記所定の記憶媒体に記憶されたサンプリングデータに基づいて、上記アクチュエータが上記所定の動作を完結するのに要するであろう予定動作時間を予測する第４ステップと、
上記所定の動作が上記予定動作時間で完結されるように上記電動機を制御するための上記アクチュエータ装置の動特性を規定するインピーダンスパラメータを上記予定動作時間に基づいて設定する第５ステップと、
上記第５ステップで設定されたインピーダンスパラメータを用いてインピーダンス制御法に基づき上記電動機を制御する第６ステップとを具備する電動機の制御方法。 An electric motor control method applied to an actuator device including an operation member, an actuator that performs a predetermined operation by operating the operation member, and an electric motor that assists an operation force input to the operation member,
A first step of electrically measuring an operating force input to the operating member;
A second step of periodically sampling the operating force measured in the first step;
A third step of storing the plurality of sampled operation forces in a predetermined storage medium as sampling data;
A fourth step of predicting a scheduled operation time that would be required for the actuator to complete the predetermined operation based on the sampling data stored in the predetermined storage medium;
A fifth step of setting an impedance parameter defining dynamic characteristics of the actuator device for controlling the electric motor based on the scheduled operation time so that the predetermined operation is completed in the scheduled operation time;
And a sixth step of controlling the electric motor based on an impedance control method using the impedance parameter set in the fifth step.
時間に対する上記操作力の変化率に基づいて上記予定動作時間を予測する請求項７に記載の電動機の制御方法。 The fourth step is
The motor control method according to claim 7, wherein the scheduled operation time is predicted based on a rate of change of the operating force with respect to time.
上記アクチュエータが上記所定の動作に要した実動作時間と該実動作時間に対応する上記インピーダンスパラメータの最適値との相関関係から上記予定動作時間に対応する上記インピーダンスパラメータの設定値を求め、この設定値に上記インピーダンスパラメータを設定する請求項７又は８に記載の電動機の制御方法。
The fifth step is
The setting value of the impedance parameter corresponding to the scheduled operation time is obtained from the correlation between the actual operation time required by the actuator for the predetermined operation and the optimum value of the impedance parameter corresponding to the actual operation time. The motor control method according to claim 7 or 8, wherein the impedance parameter is set to a value.
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