Ayumu Ono

Nasir Abdul

Shujiro Dohta

Tetsuya Akagi

アカギ テツヤ

アブドル ナシル

オオノ アユム

ドウタ シュウジロウ

堂田 周治郎

大野 歩

赤木 徹也

大野, 歩

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オオノ, アユム

Ono, Ayumu

赤木, 徹也

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アカギ, テツヤ

Akagi, Tetsuya

堂田, 周治郎

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ドウタ, シュウジロウ

Dohta, Shujiro

アブドル, ナシル

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Abdul, Nasir

AROUS Academic Repository of Okayama University of Science / 岡山理科大学学術リポジトリ

岡山理科大学紀要第50号ＡｐＰ６１－６５(2014）チューブの屈曲を利用した低コストサーボ弁の静特性の改善大野歩．赤木徹也＊・堂田周治郎＊・アブドルナシル＊＊岡山理科大学大学院工学ｲｦf究科知能機械工学専攻＊岡山理科大学工学部知能機械工学科＊＊岡山理科大学大学院工学研究科システム科学専攻（2014年９月30日受付、2014年11月６日受理）を保持するためのアクリル製の円板とチューブを保持する治具から構成される｡図l左の側面写真に示すように、チューブを屈曲した状態から、図1右の正面写真のように直角方向にねじることで､屈曲部分に３次元的なねじれを生じ、流路面積を変えることができる。この方法は、単純に屈曲方向にチューブを動かす方法に比べ、小さな力でチューブを動かすことができ、コンパクトな弁が構成できる。また、サーボモータを挟んだ両側に屈曲したチューブを2本設置することで、給気、排気の流量調節と保持が可能である｡3ポート弁のサイズは46×40×３２ｍ、質量は２０ｇである。１．緒言空気圧駆動システムにおいて、発生力が必要となる空気圧アクチュエータの小型化は難しいものの、周辺機器の小型化は可能である。特に、生産技術において駆動システムの小型化は有効な手段である。その周辺機器として制御弁の小型化は大きな課題である。現在主流の制御弁は、圧力差による大きな力が加わったポペットをソレノイドで駆動するため、大きなソレノイドが必要となり、弁の容積や重量が大きくなるという問題点がある。これは容積を大きくするだけでなく、弁のコストを高くするという問題につながる｡実際に、空気圧システムにおいてアクチュエータに比べて弁のコストは大きなウェイトを占める。そこで、以前の研究で安価な振動モータでチューブ内のチェック弁のボールを駆動し、開閉する低コストな弁')を試作した。また、サーボ弁としてチューブ内に設定したチェック弁を複数個用いて流量を離散的に制御する安価な小型デジタルサーボ弁の開発を行った2)。しかし、流量を細かく調整するためには、チェック弁の数を増やす必要があり、弁が大きくなり、コストが増えるという問題点があった。著者らは、以前に屈曲したチューブのねじれ角度を調整することにより開口面積を連続的に変える小型サーボ弁を開発した3)。また、チューブにねじれを加えるモータ角度と出力流量のヒステリシス特性を改善するため、圧力センサを用いた圧力フィードバック制御を行う弁を安価な組込みコントローラを用いて実現した4)。本論文では、この弁の静特性であるモータ回転角に対する出力流量のヒステリシス特性やその弁を用いたゴム人工筋の位置決め制御性能の改善について述べる。■ごロ■■■■Ⅱ岸図１低コストサーボ弁の構造２．低コストサーボ弁試作弁の外観を図1に示す｡試作弁は、空気圧配管用のポリウレタンチューブ(㈱SMCTUSO425:内径2.5ｍ、外径4.0ｍ)、小型のラジコン用サーボモータ(㈱GWSPICO/STD/F、速度500deg.／s、質量５．４９)、チューブ図２低コストサーボ弁の出力流量特性大野歩・赤木徹也・堂田周治郎・アブドルナシル6２図2に試作弁のモータ回転角と出力流量の関係を示す。弁への供給圧力は500kPaである。図中の実線はモータ回転角度を増加させた場合、破線は減少させた場合を示す。横軸は、図1に示す状態のモータの角度をOdegとした際のモータの相対的回転角である．また、サーボモータの可動角度範囲は、供給チューブがねじれない範囲である±30.e9.とした．図を見ると、弁の開閉方向に対してヒステリシスを有しているものの、－３～８deg・の範囲で保持が可能なオーバーラップを有していることがわかる｡またこのヒステリシスの原因は、チューブのねじれ動作に伴いチューブがスライドすることによる摩擦の影響や圧力や流体の運動量によるチューブの膨張によって生じるものと考えられる。つまり、チューブを固定し、スライドを防ぐことによってヒステリシス特性は改善できるものと考えられる。また、保持のオーバーラップ部分はこのヒステリシス特性のため、多少大きくする必要があったが、ヒステリシス特性が改善されれば、このデッドゾーン部分を小さく設定でき、弁の速応性の改善につながるものと考える。〃(j)＝Ｋ)R,)＋Ｋｂ(e(,)－e(ﾉｰ,))/Ａｒ（１）ここで､ｅのは目標値入力用のポテンショメータの変位からゴム人工筋に接続されたポテンショメータの変位を引いた偏差[mm]、ｕのはサーボモータへ入力されるPWM信号のデューティ比の変化分である制御入力[%]、４tは制御のサンプリング周期[s]を示す。制御パラメータである比例ゲイン幻と微分ゲインノW’はそれぞれ試行錯誤的に求め0.088％/nm、２．４×10~5％s/mlnとした。制御ではモータに入力されるデューテイ信号は図1に示す初期状態を基準位置とするため次式で与えられる。‘/b)＝"ぃ＋7.5（２）ここで、ｄのはサーボモータへの入カデューテイ比[%］である。制御では目標値付近での振動を防ぐため、目標値の±O51nlnの範囲でデッドゾーンを設けている。また、サンプリング周期はＬ９ｍｓである。図4から、ゴム人工筋は多少の偏差を有するものの、オーバーシュートの少ない良好な応答が得られることがわかる。また図5に追従制御実験結果の例を示す｡追従制御では目標値付近のデッドゾーンを設けずに制御を行った。この結果より、比較的よく追従できているものの給気と排気が切り替わる際に0.4ｓ程度の遅れが生じているのがわかる。この遅れは弁の保持状態のためのオーバーラップ範囲の大きさに依存し、この弁の場合、ヒステリシス特性が存在するためデッドゾーンを大きくする必要があった。３．ウェアラブルサーボ弁を用いた位置決め制御前述の弁を用いたゴム人工筋の位置決め制御システムの構成図を図3に示す。システムは試作弁、目標値入力用と制御量である人工筋変位を測定するための2つのポテンショメータ(㈱MIDORILP-50F)、自然長254ｍ、内径10mmのゴム人工筋(㈱FESTOMXAM-10-AA)、制御器となるマイクロコンピュータ(㈱RenesasH8/3664F)から構成される。制御の流れは以下の通りである。目標値入力用のポテンショメータとゴム人工筋に接続されたポテンショメータからの出力電圧をマイコン内の１０bitのA/D変換器を介して検出し、偏差を求め、ＰＤ制御則に基づいて試作弁を駆動し、ゴム人工筋の位置決め制御を行う。そのステップ応答結果を図4に示す。図中の破線は目標変位、実線は制御結果を示す。実験では目標値をほぼステップ状に２０Inln変化させ、制御には次式のPD制御則を用いた。これは、単純なＰ制御ではオーバーシュートが生じたためである。 図４ゴム人工筋の位置決め制御結果襟｡樋nti《Xv漸廓鰍｡露､竃dZX簿itiCn〃CconvevterPc8entio＃Y1eter[墓菫ｉｌＲＦ壷=F三雲鰯';;i;:;i:『；岬》冊屋肛己２図３ゴム人工筋の位置決め制御システム 図５ゴム人工筋の追従制御結果チューブの屈曲を利用した低コストサーボ弁の静特性の改善 6３４．改良弁そこで、ヒステリシス特'性の改善とデッドゾーンの最小化をめざし､新たに改良した弁を図6に示す｡弁は、図1の弁(従来弁とよぶことにする）と同様に空気圧配管用のポリウレタンチューブ、小型ラジコン用サーボモータ、チューブを保持するためのアクリル製の円板とチューブを保持する治具から構成される。従来弁との構造上の違いは、座屈チューブにねじれを加えることなく直接座屈角度を調整するようにした点である。これにより、以前に比べモータに加わる負荷が大きくなるため、チューブの初期座屈角を同じ(63deg.）にし、チューブの屈曲による反発力を相殺するようにしている。また、モータの回転角度に対して、線形に出力流量が変化するように、試行錯誤的にチューブの座屈位置を求め、さらに、保持のためのデッドゾーンを小さくするため、初期の座屈角も検討した。これらチューブの最適配置は今後、弁の解析モデルの構築、シミュレーション等を行い最適設計を行う必要がある。以上の検討を行った弁形状を図6に示す｡弁の動作原理は従来弁と同じであるが、チューブを屈曲方向に曲げることができるように円板についた壁により押さえながら角度を調整できるようにしている。この弁も従来弁と同様に、給気、排気の両方の操作を同時に行うことが可能である。弁のサイズは46×47×28ｍ、質量は22.59と従来弁とほぼ同じサイズと質量である。図７改良弁の出力流量特性図7に改良弁のモータの相対回転角と出力流量の関係を示す。図中の実線はモータ回転角度を増加させた場合、破線は減少させた場合を示す。図から、以前のチューブのねじりを利用した弁に比べヒステリシスが少なく線形な特性を有し、さらに、オーバーラップの範囲も－１～２．e9.の範囲と小さく設定できていることがわかる。５．改良弁を用いたゴム人工筋の位置決め制御前述の改良弁を用いてゴム人工筋の位置決め制御を行う。図8に人工筋の追従制御結果を示す。実験では、ポテンショメータを用いて変位がO～251nmの範囲で約0.2Ｈｚの周期で変化するように目標値を手動で変えた。この図から、目標値入力に対してゴム人工筋の変位が良好に追従していることがわかる。鰍…ﾙ…、：恩Ⅲ②ﾛ図８ゴム人工筋の追従制御結果Ⅱ⑭111 jllM エⅡⅡⅡ＿丘MlLilillBI1wIXWIwilii1ilM:>'厳図６改良弁の構造図９ゴム人工筋の追従変位誤差の応答大野歩・赤木徹也・堂田周治郎・アブドルナシル6４参考文献1）Ｔ・AkagietaL,"DevelopmentofSmaU-sizedF1exibleContlOlValveUsingVibmtionMotor，，,JFPSInternationalJoumalofF1uidPowerSystem,ＶＯＬ2,No.2,(2010),pp45-50.2）SDohtact.a1,"DevelopmentofSmalI-SizedDigitalServoValvefbrWcarablcPneumaticAcmator,，,JoumalofProcediaEngmeering,ＶＯＬ41,(2012),pp､97-104.3）ANasir,Ｔ､Akagi,SDohtaandAOno,"DevelopmcntofSmall-SizedServoValveContlD11edbyUsingBuckledTilbeandItsAppUcation,,,JoumalofSystemDesi印andDynamics，ＶＯＬ7,Ｎ04,(2013),pp516-527,4)大野歩・赤木徹也・堂田周治郎・正子祐輔・アブドルナシル:チューブの屈曲を利用した低価格ウェアラブルサーボ弁の試作，岡山理科大学紀要,第49号，（2013)，ｐｐ29-33.5）Ａ・Ono,TAkagi,Ｓ・Dohta,ANasirandY・Masago，“DevelopmentofLow-CostPressureContMTypeWeambleServoValveUsingBuckledTnbe，，,PIDceedmgsoflntemationalResea１℃hConferenceonEngineeringandTechnology,(2013),pp64-7Lまた従来弁との比較として追従制御における偏差の過渡応答結果を図9に示す。ここで赤線は改良弁(曲げ型サーボ弁)を用いた場合、青線は従来弁(ねじれ型サーボ弁)を用いた結果である｡これらの応答結果における追従誤差の標準偏差は改良弁を使用した場合は0.9ｍ､従来弁の場合は2.0ｍと約45％に低減できている。これはモータ回転角に対するデットゾーンを小さくすることでむだ時間が低減できたためと、弁の静特性の線形性が良くなったため、制御`性能が改善されたものと考えられる。６．結言サーボモータを用いて屈曲チューブのねじれ角を変えることで連続的な流量調節を行っていた従来弁を改良し、屈曲角を直接調整するサーボ弁を提案し、試作した。その結果、モータ回転角に対する出力流量のヒステリシス特性を低減することができた。さらに、試作弁を用いてゴム人工筋の位置決め制御を行った結果、デッドソーン領域を小さくできたことで、追従誤差の標準偏差を以前の２０，nmから0.9ｍに改良できた。今後は、弁の解析モデルを構築し、座屈チューブ配置の最適設計などを行う予定である。チューブの屈曲を利用した低コストサーボ弁の静特`性の改善 6５五mprovemento定StaticCharacteristicso缶Low-costServoValveUsingBuckledＴｕｂｅＡｙｕｍｕＯＮＯ,TetsuyaAKAGI*,ShUjiroDOHTA*andAbClulNASIR*＊M3stGr台２℃gmzmnnzはh苫DxmMbchamMEngmeezHmgGmdzJaZeSbhooﾉofYEngmeem2g＊DepamnentofhZBZZIき1antM9chambaﾉⅡngineezmgFhcuhtymfEngineezmg＊*ＤＭＵｍＩＰｍｇｚｍｍｎ６ｂ妬sZemSbZmce,Ｇ２引aduaZeSbhoo/ofZngmeemngOkzZ順ｍａｍｍ'az1siityof1SbienceI-nMai-chq駈頗kzJ,OAZ1yzaznam0-卯肱JZ2pan（ReceivedSeptember3q2014;acceptedNovember6，2014）ThetypicalelectromagneticsolenoidvalvedrivesitsspoolusingasolenoidtoopentheflowpassageThiscomplexconfigurationpreventstofabricatealow-costvalveTherefbre,thecostfbrvalveoccupiesmostofthetotalcostinapenumaticcontrolｓｙｓｔｅｍＴｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｏｕｒｓｔｕｄｙｉｓｔｏdevelopalow-costandsmall-sizedcontrolvalvelnourprevlousstudy,alow-costwearableservovalvethaｔｃａｎｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｏｕｔｐｕｔｆｌｏｗｒａｔｅｂｙchangingthetwistedangleofthebuckledtubemthevalvewasproposedandtestedThepressurecontroltypevalveusingthebuckledtubewasalsｏｄｅｖｅｌｏｐｅｄｓｏａｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｉtshysteresischaracteristicslnthispaper,theimprovedvalveusingthebuckledtUbewithoutbeingtwistedwasredesignedandtestedTherelationbetweenthemotorangleandtlleoutputflowrateofthevalvewasinvestigated・Asaresult,weconfirmedthatthestaticcharacteristicshadalinearrelationshipThepositioncontrolsystemofMcKibbenrubberartificialmuscleusingbothtestedvalvesandembeddedcontronerwasalsoexecuted・Asaresult,wealsoconfimedthatthepositoncintrolperfbrmanceofthemuscleusingtheimprovedvalvewassuperiortotllecaseusingtheprevlousvalve，KeW7orCls:low-costservovalve;buckledtube;hysteresis;embeddedcontroller;staticcharacteris‐tics．

チューブ ノ クッキョク オ リヨウシタ テイ コスト サーボ ベン ノ セイトクセイ ノ カイゼン

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