特開 2024-145500 モジュール式液圧ジョイントシステム、モジュール式液圧ジョイントシステムの制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024145500

(43)【公開日】2024-10-15

(54)【発明の名称】モジュール式液圧ジョイントシステム、モジュール式液圧ジョイントシステムの制御方法

(51)【国際特許分類】

   F15B 11/08 20060101AFI20241004BHJP

   F15B 11/22 20060101ALI20241004BHJP

   F15B 11/02 20060101ALI20241004BHJP

   B25J 9/14 20060101ALI20241004BHJP

【ＦＩ】

F15B11/08 Z

F15B11/22 N

F15B11/02 F

B25J9/14

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023057878

(22)【出願日】2023-03-31

(71)【出願人】

【識別番号】507250427

【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】ダメートリ アシュリー

(72)【発明者】

【氏名】小田井 正樹

(72)【発明者】

【氏名】平野 克彦

(72)【発明者】

【氏名】長井 隆浩

【テーマコード（参考）】

3C707

3H089

【Ｆターム（参考）】

3C707HS13

3C707HT08

3C707KS16

3C707KS20

3C707KS21

3C707KS22

3C707KS24

3C707KS33

3C707KS35

3C707KW03

3C707KW05

3C707KW06

3C707KW07

3C707KX10

3H089AA20

3H089AA22

3H089AA23

3H089AA50

3H089BB15

3H089BB17

3H089CC01

3H089CC06

3H089CC12

3H089DA02

3H089DA07

3H089DA14

3H089DB05

3H089DB43

3H089DB45

3H089DB49

3H089DB63

3H089EE36

3H089FF06

3H089FF07

3H089FF12

3H089GG01

3H089GG02

3H089JJ06

(57)【要約】      （修正有）

【課題】アクチュエータの液圧駆動装置において、用途に応じて機能の変更や拡張が容易なモジュール式液圧ジョイントシステムを提供。
【解決手段】液圧アクチュエータ６と、液圧アクチュエータ６に設けられた状態センサ１０と、を有するアクチュエータユニット２と、アクチュエータユニット２の駆動力を伝達する伝達機構と、伝達機構に設けられた姿勢センサ９とを有するジョイントユニット３と、液圧アクチュエータ６の流体を制御する操作弁１２と、流体の物理量を検出する流体センサ１１とを有する流体ドライバユニット４と、状態センサ１０の情報に基づいて液圧アクチュエータ６の状態を制御するアクチュエータ状態コントローラ１４と、姿勢センサ９の情報に基づいて伝達機構の姿勢を制御するジョイント姿勢コントローラ１５と、流体ドライバユニット４の流体を制御する流体ドライバコントローラ１３とが分割可能に構成されたコントローラユニット５を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液圧アクチュエータと、前記液圧アクチュエータの駆動部に設けられた状態センサ、または状態推定ユニットと、を有するアクチュエータユニットと、
前記アクチュエータユニットと、前記アクチュエータユニットの駆動力を伝達する伝達機構と、前記伝達機構に設けられた姿勢センサ、または姿勢推定ユニットと、を有するジョイントユニットと、
前記液圧アクチュエータの流体を制御する操作弁と、前記流体の物理量を検出する流体センサと、を有する流体ドライバユニットと、
前記状態センサまたは状態推定ユニットの情報に基づいて前記液圧アクチュエータの状態を制御するアクチュエータ状態コントローラと、前記姿勢センサまたは姿勢推定ユニットの情報に基づいて前記伝達機構の姿勢を制御するジョイント姿勢コントローラと、前記流体ドライバユニットの流体を制御する流体ドライバコントローラと、が分割可能に構成されたコントローラユニットと、
を備えることを特徴とするモジュール式液圧ジョイントシステム。

【請求項2】

請求項１に記載のモジュール式液圧ジョイントシステムであって、
前記ジョイントユニットは、前記アクチュエータユニットを複数有し、
前記流体ドライバユニットは、前記複数のアクチュエータユニットの各々の流体を制御する操作弁を複数有し、
前記コントローラユニットは、前記複数の操作弁の各々を制御する前記アクチュエータ状態コントローラおよび前記流体ドライバコントローラをそれぞれ複数有することを特徴とするモジュール式液圧ジョイントシステム。

【請求項3】

請求項１に記載のモジュール式液圧ジョイントシステムであって、
前記アクチュエータユニットは、マルチポートの液圧アクチュエータを１つ有し、
前記流体ドライバユニットは、前記マルチポート液圧アクチュエータの各ポートの流体を制御する操作弁をそれぞれ有し、
前記コントローラユニットは、各操作弁を制御する前記流体ドライバコントローラをそれぞれ有することを特徴とするモジュール式液圧ジョイントシステム。

【請求項4】

請求項２に記載のモジュール式液圧ジョイントシステムであって、
前記複数のアクチュエータユニットの各々は、前記複数の操作弁を介してそれぞれ異なるポンプにより流体が供給されることを特徴とするモジュール式液圧ジョイントシステム。

【請求項5】

請求項３に記載のモジュール式液圧ジョイントシステムであって、
前記流体ドライバユニットは、前記各操作弁の各々の出口側の流体の物理量を検出する前記流体センサをそれぞれ有することを特徴とするモジュール式液圧ジョイントシステム。

【請求項6】

請求項４に記載のモジュール式液圧ジョイントシステムであって、
前記複数のアクチュエータユニットの各々は、複数のポンプにより流体が供給され、
前記複数のポンプの各々は、前記コントローラユニットにより制御されることを特徴とするモジュール式液圧ジョイントシステム。

【請求項7】

請求項１に記載のモジュール式液圧ジョイントシステムであって、
前記ジョイントユニットは、前記アクチュエータユニットを複数有し、
前記複数のアクチュエータユニットの各々は、マルチポートの液圧アクチュエータをそれぞれ有し、
前記流体ドライバユニットは、複数の前記マルチポート液圧アクチュエータの各ポートの流体を制御する操作弁をそれぞれ有し、かつ、前記操作弁の各々の出口側の流体の物理量を検出する前記流体センサをそれぞれ有することを特徴とするモジュール式液圧ジョイントシステム。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか１項に記載のモジュール式液圧ジョイントシステムであって、
前記流体センサの検出値に基づいて前記伝達機構の姿勢を推定するジョイント姿勢推定器を備え、
前記ジョイント姿勢コントローラは、前記ジョイント姿勢推定器の推定値に基づいて前記伝達機構の姿勢を制御することを特徴とするモジュール式液圧ジョイントシステム。

【請求項9】

請求項１から７のいずれか１項に記載のモジュール式液圧ジョイントシステムであって、
前記状態センサの検出値に基づいて前記伝達機構の姿勢を推定するジョイント姿勢推定器を備え、
前記ジョイント姿勢コントローラは、前記ジョイント姿勢推定器の推定値に基づいて前記伝達機構の姿勢を制御することを特徴とするモジュール式液圧ジョイントシステム。

【請求項10】

請求項１から７のいずれか１項に記載のモジュール式液圧ジョイントシステムであって、
前記流体センサの検出値に基づいて前記アクチュエータユニットの状態を推定するアクチュエータ状態推定器を備え、
前記アクチュエータ状態コントローラは、前記アクチュエータ状態推定器の推定値に基づいて前記アクチュエータユニットの状態を制御することを特徴とするモジュール式液圧ジョイントシステム。

【請求項11】

請求項８に記載のモジュール式液圧ジョイントシステムであって、
前記流体センサの検出値に基づいて前記アクチュエータユニットの状態を推定するアクチュエータ状態推定器を備え、
前記流体センサの検出値及び、前記アクチュエータ状態推定器の推定値に基づいて前記ジョイントユニットの姿勢を推定する前記ジョイント姿勢推定器を備えることを特徴とするモジュール式液圧ジョイントシステム。

【請求項12】

請求項１から７のいずれか１項に記載のモジュール式液圧ジョイントシステムであって、
前記流体センサは、前記流体の流量を検出する流量センサと、前記流体の圧力を検出する圧力センサと、前記流体の体積を検出する体積センサのうち、少なくとも１種を有することを特徴とするモジュール式液圧ジョイントシステム。

【請求項13】

以下のステップを含むモジュール式液圧ジョイントシステムの制御方法：
（ａ）液圧アクチュエータの駆動部に設けられた状態センサまたは状態推定ユニットの情報に基づいてアクチュエータユニットの状態を検出するステップ、
（ｂ）前記アクチュエータユニットの駆動力を伝達する伝達機構に設けられた姿勢センサまたは姿勢推定ユニットの情報に基づいて前記伝達機構の姿勢を検出するステップ、
（ｃ）前記（ａ）ステップで検出した前記アクチュエータユニットの状態情報および前記（ｂ）ステップで検出した前記伝達機構の姿勢情報に基づいて前記アクチュエータユニットへ供給する流体を制御するステップ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液圧でアクチュエータを駆動制御する液圧駆動装置の構成とその制御方法に係り、特に、用途に応じて機能の変更や拡張が容易なモジュール式液圧駆動装置に関する。

【背景技術】

【0002】

水や油などの流体の液圧によって駆動される動力伝達機構は、比較的簡単な制御で高出力特性が得られるため、土木建設機械や産業機械、農業機械等、様々な分野で広く利用されている。これらの用途の１つに、重い物体を持ち上げることができるロボットマニピュレータがある。

【0003】

液圧駆動による従来のロボットシステムの多くは、ある特定の目的を果たすために設計される場合が多く、用途や動作に様々な制約をもたらすことがある。一方、交換可能な複数の機能単位、部品を組み合わせて構成するモジュラーロボットシステムでは、様々な機能を統合させることで広く柔軟性を確保することができ、かつそれぞれを再構成することも可能である。モジュラーロボットシステムは、タスク要求に適合し、環境変化に対応し、単一のプラットフォームを使用して様々な機能を容易に拡張できるため、ロボットアプリケーションにおいて有用である。

【0004】

また、モジュラーロボットシステムを実現するためには、アクチュエータやセンサを含むジョイントシステム（関節システム）のモジュール設計が必要である。システムのモジュール設計は、システム開発サイクルを加速するのにも有用である。

【0005】

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には、ロボットエンドエフェクタのためのモジュール式プラットフォームが開示されている。

【0006】

また、特許文献２には、再構成可能なモジュラージョイント及びそれを用いたロボットが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１９／０３６６５５３号明細書

【特許文献2】米国特許第６０８４３７３号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ところで、ロボットシステムにモジュール設計を適用した場合、モジュール構成に基づいてジョイント特性とフィードバック応答が劇的に変化するため、制御性の複雑さが増す。

【0009】

また、液圧駆動のロボットシステムは、基本的に非線形性であり、複雑性が性能を低下させるといった課題もある。

【0010】

さらに、液圧駆動のロボットシステムの多くは、過酷な環境下で使用されるため、容易に分解して機能の変更や拡張することが求められ、その開発サイクルにも迅速さが要求される。

【0011】

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術は、上述したようなモジュール設計が十分に考慮されておらず、ジョイント作動には不向きである。

【0012】

また、上記特許文献２に記載の技術は、回転型ジョイントや光学機器のジョイントモジュールのみが考慮されており、過酷な環境下で使用した場合、ロボットシステムが破損するリスクが高く、コスト増加が懸念される。

【0013】

そこで、本発明の目的は、液圧でアクチュエータを駆動制御する液圧駆動装置において、用途に応じて機能の変更や拡張が容易なモジュール式液圧ジョイントシステム及びその制御方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上記課題を解決するために、本発明は、液圧アクチュエータと、前記液圧アクチュエータの駆動部に設けられた状態センサ、または状態推定ユニットと、を有するアクチュエータユニットと、前記アクチュエータユニットと、前記アクチュエータユニットの駆動力を伝達する伝達機構と、前記伝達機構に設けられた姿勢センサ、または姿勢推定ユニットと、を有するジョイントユニットと、前記液圧アクチュエータの流体を制御する操作弁と、前記流体の物理量を検出する流体センサと、を有する流体ドライバユニットと、前記状態センサまたは状態推定ユニットの情報に基づいて前記液圧アクチュエータの状態を制御するアクチュエータ状態コントローラと、前記姿勢センサまたは姿勢推定ユニットの情報に基づいて前記伝達機構の姿勢を制御するジョイント姿勢コントローラと、前記流体ドライバユニットの流体を制御する流体ドライバコントローラと、が分割可能に構成されたコントローラユニットと、を備えることを特徴とする。

【0015】

また、本発明は、（ａ）液圧アクチュエータの駆動部に設けられた状態センサまたは状態推定ユニットの情報に基づいてアクチュエータユニットの状態を検出するステップ、（ｂ）前記アクチュエータユニットの駆動力を伝達する伝達機構に設けられた姿勢センサまたは姿勢推定ユニットの情報に基づいて前記伝達機構の姿勢を検出するステップ、（ｃ）前記（ａ）ステップで検出した前記アクチュエータユニットの状態情報および前記（ｂ）ステップで検出した前記伝達機構の姿勢情報に基づいて前記アクチュエータユニットへ供給する流体を制御するステップ、を含むことを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、液圧でアクチュエータを駆動制御する液圧駆動装置において、用途に応じて機能の変更や拡張が容易なモジュール式液圧ジョイントシステム及びその制御方法を実現することができる。

【0017】

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の実施例１に係るモジュール式液圧ジョイントシステムの概略構成を示す図である。

【図2】本発明の実施例２に係るモジュール式液圧ジョイントシステムの概略構成を示す図である。

【図3】本発明の実施例３に係るモジュール式液圧ジョイントシステムの概略構成を示す図である。

【図4】本発明の実施例４に係るモジュール式液圧ジョイントシステムの概略構成を示す図である。

【図5】本発明の実施例５に係るモジュール式液圧ジョイントシステムの概略構成を示す図である。

【図6】本発明の実施例６に係るモジュール式液圧ジョイントシステムの概略構成を示す図である。

【図7】本発明の実施例７に係るモジュール式液圧ジョイントシステムの概略構成を示す図である。

【図8】本発明の実施例８に係るモジュール式液圧ジョイントシステムの概略構成を示す図である。

【図9】本発明の実施例９に係るモジュール式液圧ジョイントシステムの概略構成を示す図である。

【図10】本発明の実施例１０に係る液圧駆動システムの概略構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成要素については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

【実施例0020】

図１を参照して、本発明の実施例１に係るモジュール式液圧ジョイントシステム及びその制御方法について説明する。図１は、本実施例のモジュール式液圧ジョイントシステム１の概略構成を示す図である。

【0021】

図１に示すように、本実施例のモジュール式液圧ジョイントシステム１は、主要な構成として、アクチュエータユニット２と、ジョイントユニット３と、流体ドライバユニット４と、コントローラユニット５と、インターフェース２０とを備えている。

【0022】

アクチュエータユニット２は、液圧アクチュエータ６と、液圧アクチュエータ６の駆動部に設けられたセンサ１０（状態センサ）を有している。図１では、液圧アクチュエータ６として、バネが内蔵された単動式の１ポートシリンダの例を示している。

【0023】

液圧アクチュエータ６は、ポート８を介して水や油などの液体（作動流体）が供給されることで動作し、その動作をセンサ１０で検出する。ここで、液圧アクチュエータ６は、図１に例示したシリンダに限るものではない。例えば、水車などでもよい。

【0024】

ジョイントユニット３は、アクチュエータユニット２と、アクチュエータユニット２の駆動力を伝達する伝達機構と、伝達機構に設けられたセンサ９（姿勢センサ）を有している。ジョイントユニット３は、アクチュエータユニット２の動作がロッド７を介して伝達され、伝達機構が動作する。そして、その伝達機構の動作をセンサ９で検出する。

【0025】

流体ドライバユニット４は、液圧アクチュエータ６の流体を制御する操作弁１２と、流体の物理量を検出するセンサ１１（流体センサ）を有している。センサ１１（流体センサ）は、液圧アクチュエータ６の流体の流量や体積、圧力などの物理量を検出する。流体ドライバユニット４は、操作弁の開度を操作し、流体の供給方向や流体の物理量を制御する。ここで、操作弁は、液圧アクチュエータ６を制御できる弁で構成する。図１に例示した１ポートシリンダは、二方向弁で駆動できる。また、この時操作弁は、２方向に分岐する継手と比例弁２つで構成することもできる。

【0026】

コントローラユニット５は、流体ドライバコントローラ１３と、アクチュエータ状態コントローラ１４と、ジョイント姿勢コントローラ１５を有しており、それぞれが分割可能に構成されている。

【0027】

流体ドライバコントローラ１３は、センサ１１（流体センサ）の情報に基づいて流体ドライバユニット４の流体を制御する。アクチュエータ状態コントローラ１４は、センサ１０（状態センサ）の情報に基づいて液圧アクチュエータ６の状態を制御する。ジョイント姿勢コントローラ１５は、センサ９（姿勢センサ）の情報に基づいて伝達機構の姿勢を制御する。センサ９（姿勢センサ）は、伝達機構の角度や位置、角速度、線速度、角加速度、直線加速度、力、トルクなどの情報を検出して、ジョイント姿勢コントローラ１５へ伝達する。

【0028】

センサ１０（状態センサ）は、液圧アクチュエータ６や駆動部の角度や位置、角速度、線速度、角加速度、直線加速度、力、トルクなどの情報を検出して、アクチュエータ状態コントローラ１４へ伝達する。

【0029】

センサ１１（流体センサ）は、流体ドライバユニット４を流れる流体の流量や体積、圧力などの物理量を検出して、流体ドライバコントローラ１３へ伝達する。

【0030】

タンク１６ｂの水や油などの液体（作動流体）は、モータ１８により駆動されるポンプ１７により、リリーフ弁１９を介して、流体ドライバユニット４へ供給される。一方、流体ドライバユニット４から排出された水や油などの液体（作動流体）は、タンク１６ａに貯留される。ここで、タンク１６ａおよびタンク１６ｂは、同一のタンクでもよい。

【0031】

ジョイント姿勢コントローラ１５は、インターフェース２０からの制御信号、及びセンサ９（姿勢センサ）からの情報に基づいて、制御信号を生成し、アクチュエータ状態コントローラ１４へ伝達する。

【0032】

アクチュエータ状態コントローラ１４は、ジョイント姿勢コントローラ１５からの制御信号、及びセンサ１０（状態センサ）からの情報に基づいて、制御信号を生成し、流体ドライバコントローラ１３へ伝達する。

【0033】

流体ドライバコントローラ１３は、アクチュエータ状態コントローラ１４からの制御信号、及びセンサ１１（流体センサ）からの情報に基づいて、制御信号を生成し、流体ドライバユニット４の操作弁１２を操作する。

【0034】

インターフェース２０は、オペレータや上位システムからの指示に基づいて、伝達機構の姿勢指令などの制御信号を、ジョイント姿勢コントローラ１５に伝達する。また、同様にオペレータや上位システムからの指示に基づいてモータ１８の駆動・停止信号を伝達する。

【0035】

ここで、本実施例および以降の実施例で示す「姿勢」は、伝達機構の角度や位置のみを示すものではなく、角速度や線速度、各加速度、直線加速度、力、トルクなどセンサ９（姿勢センサ）の検出情報を示している。ジョイント姿勢コントローラ１５は、伝達機構の角度や位置、角速度、線速度、角加速度、直線加速度、力、トルクの内少なくともひとつの状態を「姿勢」制御する。

【0036】

以上説明したように、本実施例のモジュール式液圧ジョイントシステム１によれば、ジョイントユニット３の姿勢を制御するためのコントローラユニット５を、分割可能な３つのユニット、流体ドライバコントローラ１３，アクチュエータ状態コントローラ１４，ジョイント姿勢コントローラ１５で構成しており、用途に応じて容易に機能の変更や拡張を行うことができる。

【0037】

また、アクチュエータユニット２及びジョイントユニット３の状態及び姿勢を検出するセンサを複数設置することで（本実施例ではセンサ９，１０の２つ）、動作安全性を向上させるための冗長なセンシングが可能となる。

【実施例0038】

図２を参照して、本発明の実施例２に係るモジュール式液圧ジョイントシステム及びその制御方法について説明する。図２は、本実施例のモジュール式液圧ジョイントシステム１の概略構成を示す図である。

【0039】

図２に示すように、本実施例のモジュール式液圧ジョイントシステム１は、ジョイントユニット３を、ダブルシリンダすなわち２つのアクチュエータユニット２で駆動するシングルジョイントとして構成している点において、実施例１（図１）と異なっている。また、ダブルシリンダに合わせて、流体ドライバユニット４及びコントローラユニット５も二重化している。

【0040】

つまり、本実施例（図２）では、ジョイントユニット３は、アクチュエータユニットを複数（２ａ，２ｂ）有しており、流体ドライバユニット４は、複数のアクチュエータユニット２ａ，２ｂの各々の流体を制御する操作弁を複数（１２ａ，１２ｂ）有しており、コントローラユニット５は、複数の操作弁１２ａ，１２ｂの各々を制御するアクチュエータ状態コントローラ１４及び流体ドライバコントローラ１３をそれぞれ複数有している。

【0041】

本実施例のような構成とすることで、高パワーかつ高トルクの制御が可能となる。