圧縮性流体圧アクチュエータ及びそれを用いた関節駆動ユニット
【課題】動作効率に優れた圧縮性流体圧アクチュエータ及びそれを用いた関節駆動ユニットを提供する。
【解決手段】ベース部材にユニバーサルジョイント機構で保持され、その機構の中心を含む３つの直交軸中の２つの軸の夫々に対して、夫々、揺動可能な揺動部材と第１及び第２の回転部材と、圧縮性流体を蓄えるタンク部材に圧縮性流体を補充する圧力源と、ベース部材と揺動部材を連結しタンク部材内の圧縮性流体により駆動され揺動部材に対して揺動トルクを発生させる複数の揺動トルク発生機構とタンク部材における圧縮性流体の接続を制御する制御弁装置と、２つの回転部材の相対角度を変化させる揺動角調節手段とを備える。
【解決手段】ベース部材にユニバーサルジョイント機構で保持され、その機構の中心を含む３つの直交軸中の２つの軸の夫々に対して、夫々、揺動可能な揺動部材と第１及び第２の回転部材と、圧縮性流体を蓄えるタンク部材に圧縮性流体を補充する圧力源と、ベース部材と揺動部材を連結しタンク部材内の圧縮性流体により駆動され揺動部材に対して揺動トルクを発生させる複数の揺動トルク発生機構とタンク部材における圧縮性流体の接続を制御する制御弁装置と、２つの回転部材の相対角度を変化させる揺動角調節手段とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動作効率に優れた圧縮性流体圧アクチュエータ及びそれを用いた関節駆動ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療用ロボット、家庭用サービスロボット、及び、工場内での作業支援ロボット等、人と近い領域で動作するロボットへの期待が高まっている。このようなロボットでは、産業用ロボットとは異なり、人と接触した時の安全性確保が重要となる。そのためには、関節駆動用アクチュエータに対しても、軽量性が求められるとともに、関節剛性を必要に応じて変化させること等が求められるようになる。そのような要求に対応するアクチュエータの一例として、空圧アクチュエータがある（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。空圧アクチュエータは、気体の圧力を用いて駆動することから軽量化が容易であるとともに、内部圧力の制御により剛性を変化させることもできる。
【０００３】
【非特許文献１】電子情報通信学会発行、「電子情報通信学会誌Ａ」，２００５年発行，Ｖｏｌ．Ｊ８８−Ａ，Ｎｏ．１１の１３１８〜１３２５ページ
【非特許文献２】日本ロボット学会発行、「Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ」，２００２年発行，Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．２の２１３〜２３２ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
空圧アクチュエータを関節駆動用アクチュエータとして用いる場合、動作状況に応じて関節トルク又は関節剛性を制御するために、内部圧力を頻繁に変化させる必要がある。よって、空圧アクチュエータでは、圧力源から供給される圧縮空気の圧力を減圧させたり、アクチュエータ内の圧縮空気をそのまま排気することが頻繁に生じ、圧縮空気を大量に消費することになる。このため、関節駆動のような用途に対して空圧アクチュエータを用いるのは、消費する圧縮空気が内包するエネルギーに比べると、アクチュエータの外部になす仕事が小さくなるので、動作効率が悪くなるという課題を有することになる。
【０００５】
従って、本発明の目的は、かかる点に鑑み、動作効率に優れた圧縮性流体圧アクチュエータ及びそれを用いた関節駆動ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【０００７】
本発明の第１態様によれば、ベース部材と、
前記ベース部材に対してユニバーサルジョイント機構を介して保持され、前記ベース部材を基準とした前記ユニバーサルジョイント機構のジョイント中心を含む第１の軸に対して揺動可能である揺動部材と、
前記揺動部材を基準とした前記ユニバーサルジョイント機構の前記ジョイント中心を含む第２の軸回りに前記揺動部材に対して回転可能に保持される第１の回転部材と、
前記第１の回転部材に対して、前記第２の軸に垂直かつ前記ユニバーサルジョイント機構の前記ジョイント中心を含む第３の軸回りに回転可能に保持されるとともに、前記ベース部材に対しても前記第１の軸回りに回転可能に保持される第２の回転部材と、
圧縮性流体を蓄えるタンク部材と、
前記タンク部材と接続されて前記タンク部材に前記圧縮性流体を補充する圧力源と、
前記ベース部材と前記揺動部材を連結し、前記タンク部材に接続されて前記タンク部材内の前記圧縮性流体により駆動されることで、前記揺動部材に対して揺動トルクを発生させる複数の揺動トルク発生機構と、
前記揺動トルク発生機構と前記タンク部材との間の前記圧縮性流体の接続を制御する制御弁装置と、
前記第１の回転部材と前記第２の回転部材との前記第３の軸回りの相対角度を変化させる揺動角調節手段とを備え、
前記制御弁装置は、前記揺動トルク発生機構により、前記第１の軸と前記第３の軸に垂直な第４の軸回りに前記揺動部材に対する揺動トルクが発生するように制御することを特徴とする回転動作可能な圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
【０００８】
本発明の第１１態様によれば、第１〜１０のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータにより駆動される関節駆動ユニットを提供する。
【発明の効果】
【０００９】
よって、本発明によれば、動作効率に優れた圧縮性流体圧アクチュエータ及びそれを用いた関節駆動ユニットを得ることができる。すなわち、第２の回転部材に作用する回転トルクは、揺動部材に作用する第４の軸回りの揺動トルクと、揺動角調節手段により調整される第１の回転部材と第２の回転部材との相対角度により決定されるので、揺動トルク発生機構にタンク部材内の圧縮性流体の圧力をそのまま作用させ、揺動部材に対する第４の軸回りの揺動トルクを最大限発生させ続けた状態でも、第４の軸回りの揺動トルクに関係なく、揺動角調節手段によって第２の回転部材に作用する回転トルクを制御することが可能になる。この際、揺動部材に作用する第３の軸回りの揺動トルク調節に用いられる一部の揺動トルク発生機構以外は、タンク部材内の圧縮性流体により直接駆動することができるので、圧縮性流体が失うエネルギーと圧縮性流体圧アクチュエータの外部になされるエネルギーは連動し、動作効率が向上することになる。さらに、本発明による圧縮性流体圧アクチュエータに対して外部から仕事がなされる場合には、そのエネルギーはタンク部材内の圧縮性流体に対して回生されることになるので、さらなる動作効率の向上が図れることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
以下、図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。
【００１２】
本発明の第１態様によれば、ベース部材と、
前記ベース部材に対してユニバーサルジョイント機構を介して保持され、前記ベース部材を基準とした前記ユニバーサルジョイント機構のジョイント中心を含む第１の軸に対して揺動可能である揺動部材と、
前記揺動部材を基準とした前記ユニバーサルジョイント機構の前記ジョイント中心を含む第２の軸回りに前記揺動部材に対して回転可能に保持される第１の回転部材と、
前記第１の回転部材に対して、前記第２の軸に垂直かつ前記ユニバーサルジョイント機構の前記ジョイント中心を含む第３の軸回りに回転可能に保持されるとともに、前記ベース部材に対しても前記第１の軸回りに回転可能に保持される第２の回転部材と、
圧縮性流体を蓄えるタンク部材と、
前記タンク部材と接続されて前記タンク部材に前記圧縮性流体を補充する圧力源と、
前記ベース部材と前記揺動部材を連結し、前記タンク部材に接続されて前記タンク部材内の前記圧縮性流体により駆動されることで、前記揺動部材に対して揺動トルクを発生させる複数の揺動トルク発生機構と、
前記揺動トルク発生機構と前記タンク部材との間の前記圧縮性流体の接続を制御する制御弁装置と、
前記第１の回転部材と前記第２の回転部材との前記第３の軸回りの相対角度を変化させる揺動角調節手段とを備え、
前記制御弁装置は、前記揺動トルク発生機構により、前記第１の軸と前記第３の軸に垂直な第４の軸回りに前記揺動部材に対する揺動トルクが発生するように制御することを特徴とする回転動作可能な圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
【００１３】
このような構成によれば、第２の回転部材に作用する回転トルクは、揺動部材に作用する第４の軸回りの揺動トルクと、揺動角調節手段により調整される第１の回転部材と第２の回転部材との相対角度により決定されるので、揺動トルク発生機構にタンク部材内の圧縮性流体の圧力をそのまま作用させ、揺動部材に対する第４の軸回りの揺動トルクを最大限発生させ続けた状態でも、第４の軸回りの揺動トルクに関係なく、揺動角調節手段によって第２の回転部材に作用する回転トルクを制御することが可能になる。この際、揺動部材に作用する第３の軸回りの揺動トルク調節に用いられる一部の揺動トルク発生機構以外は、タンク部材内の圧縮性流体により直接駆動することができるので、圧縮性流体が失うエネルギーと外部になされるエネルギーは連動し、動作効率が向上することになる。さらに、本発明による圧縮性流体圧アクチュエータに対して外部から仕事がなされる場合には、そのエネルギーはタンク部材内の圧縮性流体に対して回生されることになるので、さらなる動作効率の向上が図れることになる。従って、動作効率に優れた圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
【００１４】
本発明の第２態様によれば、前記ユニバーサルジョイント機構が、等速ジョイント機構であることを特徴とする第１の態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
【００１５】
このような構成によれば、第２の回転部材の角度による特性のばらつきが少なくなり、揺動角調節手段による第２の回転部材に作用する回転トルクの制御、又は、制御弁装置による第３の軸回り揺動トルクの調節が容易になるので、より制御性に優れた圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
【００１６】
本発明の第３態様によれば、前記複数の揺動トルク発生機構のそれぞれが、前記第２の軸回りの円周上に等間隔で配置されていることを特徴とする第１〜２のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
【００１７】
このような構成によれば、第２の回転部材の角度による特性のばらつきが少なくなり、揺動角調節手段による第２の回転部材に作用する回転トルクの制御、又は、制御弁装置による第３の軸回り揺動トルクの調節が容易になるので、より制御性に優れた圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
【００１８】
本発明の第４態様によれば、前記揺動トルク発生機構が、前記揺動部材に対して双方向の揺動トルクを与えることを特徴とする第１〜３のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
【００１９】
このような構成によれば、揺動部材に作用する第４の軸回りのトルクを、揺動部材を押圧することにより発生できる領域と、揺動部材を引張することにより発生できる領域の、何れの領域に位置する揺動トルク発生機構も用いて発生させることができるようになるので、より、高出力な圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
【００２０】
本発明の第５態様によれば、前記揺動トルク発生機構を、３以上の奇数個備えることを特徴とする第４の態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
【００２１】
このような構成によれば、揺動トルク発生機構を配置する間隔のばらつきを大きくしなくても、各揺動トルク発生機構をジョイント中心に対して非対称な位置に配置することができる。これにより、第２の回転部材の角度による揺動トルクのばらつきを小さくすることができるようになるので、より性能の安定した圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
【００２２】
本発明の第６態様によれば、前記揺動トルク発生機構に作用する前記圧縮性流体の圧力が、前記第４の軸に最も接近した前記揺動トルク発生機構を除き、前記タンク部材における前記圧縮性流体の圧力若しくは前記揺動トルク発生機構の周辺圧力であることを特徴とする第５の態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
【００２３】
このような構成によれば、１つを除いた揺動トルク発生機構にはタンク部材内の圧縮性流体の圧力を直接作用させることができるので、圧縮性流体のエネルギー変化と外部とのエネルギー授受との差が小さくなり、より動作効率に優れた圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
【００２４】
本発明の第７態様によれば、前記揺動トルク発生機構が、ピストンシリンダ機構であることを特徴とする第１〜６のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
【００２５】
このような構成によれば、変位にかかわらず揺動トルク発生機構の発生力を一定にすることでできるので、より性能の安定した圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
【００２６】
本発明の第８態様によれば、前記ピストンシリンダ機構が、両ロッド形のピストンを用いた機構であることを特徴とする第７の態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
【００２７】
このような構成によれば、タンク部材内の圧縮性流体の圧力により揺動トルク発生機構を動作させた場合における、ピストン動作方向による揺動トルクの大きさの違いを抑えることができるので、より性能の安定した圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
【００２８】
本発明の第９態様によれば、前記揺動トルク発生機構と前記揺動部材は球ジョイント機構にて連結され、前記球ジョイント機構のジョイント中心が前記第２の軸に垂直かつ前記第３の軸を含む平面上にあることを特徴とする第１〜８のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
【００２９】
このような構成によれば、第１の回転部材と第２の回転部材との相対角度を変化させる際に揺動角調節手段が行う仕事を小さくすることができるので、より制御性に優れた圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
【００３０】
本発明の第１０態様によれば、第１〜９のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを複数備え、各圧縮性流体圧アクチュエータの前記タンク部材及び前記圧力源が互いに共有される構成であることを特徴とする多軸圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
【００３１】
このような構成によれば、複数の圧縮性流体圧アクチュエータの使用するタンク部材における圧力変動が平均化されるので、各圧縮性流体圧アクチュエータの動作の連動性が低いほどタンク部材の内圧の変動を小さくすることができ、より性能の安定した多軸圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
【００３２】
本発明の第１１態様によれば、関節部を介して連結された２つの腕の前記関節部に第１〜１０のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータが配置され、前記圧縮性流体圧アクチュエータにより、前記２つの腕のうちの一方の腕に対して他方の腕が駆動される関節駆動ユニットを提供する。
【００３３】
このような構成によれば、前記第１〜１０のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータにより駆動される関節駆動ユニットを構成することができて、前記圧縮性流体圧アクチュエータの作用効果を奏することができる関節駆動ユニットを得ることができる。
【００３４】
以下、本発明の種々の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【００３５】
（第１実施形態）
図１Ａは、本発明にかかる第１実施形態の圧縮性流体圧アクチュエータの一例としての回転アクチュエータ１の概略を示した正面断面図であり、その部分拡大図が図１Ｂである。また図１Ｃには回転アクチュエータ１の右側面断面図を示し、図１Ｄには図１ＡにおけるＡ−Ａ線の断面図を示している。この第１実施形態の回転アクチュエータにおける直交座標軸として、図１Ａの上向きをＺ軸、左向きをＸ軸、紙面手前側をＹ軸と定義する。
【００３６】
図１Ａ〜図１Ｄにおいて、ベース部材の一例である円筒状のフレーム１１の上面中央部に、中心軸が第１の軸（仮想軸）の一例として機能する固定軸１２が固定されている。固定軸１２には、ユニバーサルジョイント機構の一例である等速ジョイント１３を介して、中心軸が第２の軸（仮想軸）の一例として機能する揺動軸１４が接続されている。等速ジョイント１３としては、例えば特開２００２−３４９５９３号公報にて開示されているような等速ジョイントが利用可能である。このような等速ジョイントを用いることは、揺動軸１４が傾く方向による違いがないので望ましい。さらに、揺動軸１４の下端には、揺動部材の一例でありかつ５角形の平面形状を有する椀状部材１５の中央板部１５ａの開口１５ｂが固定されており、等速ジョイント１３のジョイント中心を基準に、揺動軸１４と椀状部材１５とが一体的に揺動動作が可能なようになっている。また、椀状部材１５は、椀状部材１５の中央板部１５ａの上面に配置しかつラジアル荷重及びスラスト荷重を保持できるベアリング機構１６を介して、第１の回転部材の一例である円形の板状部材１７を中央板部１５ａと平行に保持するようになっており、板状部材１７は、椀状部材１５に対して揺動軸１４の中心軸と同軸に相対回転できるようになっている。ベアリング機構１６としては、例えばクロスローラ軸受又は組合せアンギュラ玉軸受などが利用可能である。板状部材１７には、揺動軸１４の中心軸回りに１８０度間隔をあけて二つの板状突起部３８ａ、３８ｂがあり、板状突起部３８ａ、３８ｂには、それぞれ軸１８ａ、１８ｂが固定されている。軸１８ａ、１８ｂは、同軸上に配置されるとともに、軸１８ａ、１８ｂの中心軸が、等速ジョイント１３のジョイント中心を通過する位置に配置されている。
【００３７】
一方で、固定軸１２には、その中間段部に配置されかつラジアル荷重及びスラスト荷重を保持できるベアリング機構２１を介して、第２の回転部材の一例である回転体２０が、固定軸１２の中心軸回りに回転可能なように保持されている。ベアリング機構２１は、ベアリング押さえ２２により回転体２０に固定されている。また、回転体２０は、ラジアル軸受１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄを介して軸１８ａ、１８ｂとも連結されており、回転体２０は、椀状部材１５に対して、中心軸が第３の軸（仮想軸）の一例として機能する軸１８ａ、１８ｂの中心軸回り（Ｘ軸回り）に相対回転できるようになっている。さらに、回転体２０の回転は、回転体２０の上端に設けられた傘歯車部３９と直交するように噛み合った傘歯車２７を介して、傘歯車２７と一体に回転する回転軸２８に伝達されるようになっている。回転軸２８は、フレーム１１の上端突起部１１ａの貫通口１１ｂを回転自在に貫通し、かつ、Ｘ軸回りに回転可能なように、ベアリング機構２９ａ、２９ｂを介してフレーム１１の上面に保持され、フレーム１１を基準とした回転軸２８の回転角度は、エンコーダ５７により計測されるようになっている。エンコーダ５７は、後述する制御コントローラ（制御手段又は制御部の一例）５２に接続されており、制御コントローラ５２で、エンコーダ５７で計測した回転軸２８の回転角度から、回転軸２８と連動する回転体２０の回転角度を求めるようにしている。
【００３８】
また、軸１８ａ、１８ｂには、それぞれの端面にそれぞれ歯車２３ａ、２３ｂが固定されている。回転体２０の側面に一端が固定されたＬ字状の支持部材２６ａ、２６ｂの他端に、揺動角調節手段の一例であるサーボモータ２５ａ、２５ｂがそれぞれ保持されている。サーボモータ２５ａ、２５ｂの回転軸にそれぞれ固定された歯車２４ａ、２４ｂは、歯車２３ａ、２３ｂとそれぞれかみ合っている。これにより、サーボモータ２５ａ、２５ｂを駆動してそれぞれの回転軸及び歯車２４ａ、２４ｂを歯車２３ａ、２３ｂに対して回転させることで、回転体２０と椀状部材１５との相対角度を変化させることが可能になっている。回転体２０と椀状部材１５との相対角度が変化すると、図１Ｃに示される状態（回転体２０の回転軸芯と板状部材１７の回転軸芯とが平行な状態（すなわち、椀状部材１５の中央板部１５ａが水平面沿いに位置した水平状態））が、例えば図１Ｅに示される状態（回転体２０の回転軸芯に対して板状部材１７の回転軸芯が傾斜した状態（すなわち、椀状部材１５の中央板部１５ａが水平面沿いから傾斜した傾斜状態））に変化することになる。なお、サーボモータ２５ａ、２５ｂの回転情報は制御コントローラ５２に入力されるようにしている。
【００３９】
さらに、椀状部材１５には、椀状部材１５の側面に椀状部材１５の回転軸芯回りの円周上に等間隔に（７２度毎の位置に）配置された球ジョイント３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅを介して、揺動トルク発生機構の一例であるピストンシリンダ機構の一例としてのエアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅの両ロッド形のピストン３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅの上側のロッドの上端が、それぞれ、固定軸１２の中心軸に対して回転対称となる位置（具体的には固定軸１２の中心軸周りの同一円周上の７２度毎の位置に）に回動自在に連結されている。エアシリンダは、変位に対して力が変化しない点で望ましい。さらに、両ロッド形のピストンを用いることは、駆動方向による発生力の違いが生じない点で望ましく、回転対称の位置に配置することは、回転体２０の角度が変化する際の特性のばらつきを最も小さくできるので望ましい。また、球ジョイント３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅのジョイント中心は、揺動軸１４の中心軸に垂直でかつ軸１８ａ、１８ｂの中心軸を含む平面上に位置している。このようにすることは、回転体２０の回転軸芯に対して板状部材１７の回転軸芯の傾きが変化しても、球ジョイント３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅのジョイント中心を通る円の中心位置が一定となり、余計なアンバランスが椀状部材１５に生じないので望ましい。さらに、エアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅの下部は、それぞれの下端部に球状部３３ｑを設けかつ中心部にピストン３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅの下側のロッドが通過するための貫通穴３３ｐをそれぞれ備えたシリンダ支持部材３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅの上端に固定されており、シリンダ支持部材３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅの下端の球状部３３ｑは、フレーム１１の下端の底面に固定されたボールホルダ３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、３４ｅによりそれぞれ回転自由に支持され、球ジョイントを構成している。
【００４０】
一方で、エアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅの上部側面及び下部側面には、圧縮性流体の一例である乾燥空気を供給するための上側の接続配管３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ、３６ｅ及び下側の接続配管３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ、３７ｅがそれぞれ接続され、制御弁装置の一例であるバルブ機構３５とエアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅとを上側の接続配管３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ、３６ｅ及び下側の接続配管３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ、３７ｅで接続している。バルブ機構３５の内部構成は、図２で示す配管図示すような構成となっている。さらに、バルブ機構３５には制御コントローラ５２が備えられており、制御コントローラ５２と図２で示される各要素とは、図３に示すような接続関係にある。
【００４１】
図２において、上側の接続配管３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ、３６ｅ及び下側の接続配管３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ、３７ｅには、それぞれ、５ポート弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅが接続されており、エアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅと、タンク部材の一例である空圧タンク４０及び大気開放部４８との接続を切り替えるようになっている。空圧タンク４０には、圧力源の一例である空圧源５３が接続されて、空圧源５３により供給された高圧の乾燥空気が空圧タンク４０に蓄えられている。また、上側の接続配管３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ、３６ｅは、大気開放部４８に至る低圧配管５１に対して、それぞれ、ＯＮ−ＯＦＦ弁４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅを介して接続されるとともに、空圧タンク４０に至る高圧配管５０に対しても、それぞれ、ＯＮ−ＯＦＦ弁４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ及び逆止弁４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ、４６ｅを介して接続されている。同様に、下側の接続配管３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ、３７ｅは、大気開放部４８に至る低圧配管５１に対して、それぞれ、ＯＮ−ＯＦＦ弁４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅを介して接続されるとともに、空圧タンク４０に至る高圧配管５０に対しても、それぞれ、ＯＮ−ＯＦＦ弁４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄ、４５ｅ及び逆止弁４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄ、４７ｅを介して接続されている。低圧配管５１は、高圧配管５０内の乾燥空気より低圧に保持された乾燥空気で満たされている。制御コントローラ５２は、５ポート弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅと、ＯＮ−ＯＦＦ弁４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅと、ＯＮ−ＯＦＦ弁４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅと、ＯＮ−ＯＦＦ弁４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅと、ＯＮ−ＯＦＦ弁４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄ、４５ｅとにそれぞれ接続されて、それぞれのＯＮ−ＯＦＦ弁の動作を制御コントローラ５２でそれぞれ制御できるようにしている。
【００４２】
さらに、高圧配管５０は、リリーフ弁４９を介して低圧配管５１と接続されており、空圧タンク４０の圧力が一定の圧力以上にならないように空圧タンク４０を保護している。また、上側の接続配管３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ、３６ｅの途中には、それぞれ圧力センサ５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ、５４ｅが設けられ、上側の接続配管内の圧力を計測できるようになっている。同様に、下側の接続配管３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ、３７ｅの途中には、それぞれ圧力センサ５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、５５ｅが設けられ、高圧配管５０の途中にも圧力センサ５６が設けられ、それぞれの配管内の圧力をそれぞれ計測できるようになっている。制御コントローラ５２は、圧力センサ５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ、５４ｅと、圧力センサ５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、５５ｅと、圧力センサ５６とにそれぞれ接続されて、それぞれのセンサで計測されたそれぞれの配管内の圧力の情報が制御コントローラ５２に入力されるようになっている。
【００４３】
次に、バルブ機構３５内に備えられた制御コントローラ５２の下で行われる、この回転アクチュエータ１の作用を説明する。
【００４４】
回転アクチュエータ１の回転軸２８に作用する力は、エアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅの発生力と、回転体２０の回転軸芯に対する板状部材１７の回転軸芯の傾きの大きさとによって決定される。すなわち、図１Ｃにおいて、エアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅの発生力が椀状部材１５に作用したとき、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方向への変位及びＺ軸回りの回転については、椀状部材１５が、揺動軸１４と、等速ジョイント１３を介して固定軸１２とに連結されているので、規制されることになる。椀状部材１５に作用するＸ軸回りの回転トルクについては、ベアリング機構１６、板状部材１７及び板状部材１７と一体に回転する板状突起部３８ａ、３８ｂと、軸１８ａ、１８ｂと、歯車２３ａ、２３ｂと、そして歯車２４ａ、２４ｂを介してサーボモータ２５ａ、２５ｂとに伝達されることになる。また、椀状部材１５に作用するＹ軸回りの回転トルクについては、ベアリング機構１６と、板状部材１７と、軸１８ａ、１８ｂを介して回転体２０とに伝達されることになる。図１Ｃの状態では、椀状部材１５の中央板部１５ａが水平状態を保っているので、回転体２０にはＹ軸回りの回転トルクのみが作用することになる。回転体２０のＹ軸回りの回転は、ベアリング機構２１によって拘束されているので、図１Ｃの状態では回転体２０の状態は変化しないことになる。
【００４５】
一方、椀状部材１５の中央板部１５ａが水平状態から傾いた図１Ｅの傾斜状態では、椀状部材１５に作用したＹ軸回りの回転トルク（揺動トルクの一例としてのトルク）は、回転体２０に対するＹ軸回りの回転トルクとＺ軸回りの回転トルクに分解されることになる。椀状部材１５は、等速ジョイント１３のジョイント中心を揺動中心とした揺動動作のみが可能であり、図１Ｅのように椀状部材１５がＸ軸回りに傾いた傾斜状態からＹ軸回りの回転を与えることは、椀状部材１５の傾く方向をＺ軸回りに回転させることと等しいことになる。一方で、軸１８ａ、１８ｂの中心軸は、回転体２０による拘束のため、等速ジョイント１３のジョイント中心を含むＸ−Ｙ平面上にしか存在できないので、椀状部材１５の傾く方向が変化すると、それにつれて軸１８ａ、１８ｂ及び回転体２０は、Ｚ軸回りに回転することになる。そのため、椀状部材１５に作用するＹ軸回りの回転トルクにより、回転体２０に対するＺ軸回りの回転トルクが得られるようになる。すなわち、サーボモータ２５ａ、２５ｂにより板状部材１７の傾きを固定し、軸１８ａ、１８ｂの中心軸とＸ−Ｙ平面上で垂直な軸（第３の軸に垂直な第４の軸の一例としての仮想軸）回り（以下、Ｙ’軸回りと表す）に一定のトルクが椀状部材１５に発生するように、バルブ機構３５が、エアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅのそれぞれの発生力をコントロールすることで、回転体２０には、Ｚ軸回りに一定のトルクが発生するようになる。この回転体２０に作用するＺ軸回りのトルクは、板状部材１７の傾きにより変化し、図１Ｃのように傾きがない水平状態では０となり、図１Ｅの示されるような傾斜状態に板状部材１７の傾きが増えるに従って、増加していくことになる。ちなみに、回転体２０に作用するＺ軸回りのトルクは、回転体２０の傘歯車部３９と、傘歯車２７を介して回転軸２８とに伝達されることになり、これが回転アクチュエータ１の発生トルクとなる。
【００４６】
次に、バルブ機構３５の動作について説明する。バルブ機構３５は、図３に示すように、複数のセンサの情報に基づいてバルブをコントロールし、エアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅのそれぞれの発生力を制御する機構である。制御コントローラ５２では、エンコーダ５７で計測した回転軸２８の回転角度から、回転軸２８と連動する回転体２０の回転角度を求めるとともに、サーボモータ２５ａ、２５ｂの回転情報から板状部材１７及び椀状部材１５の傾きに関する情報を得ている。図４Ａ〜図４Ｅに制御コントローラ５２によって制御される、回転体２０の角度と、エアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅの発生力との関係の一例をそれぞれ示す。図４Ａ〜図４Ｅにおいて、横軸の角度θは回転体２０の回転角を度数（°）単位で示しており、図１Ｅの状態をθ＝０度として、Ｚ軸方向右ネジ回りを正としている。縦軸はエアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅのそれぞれの発生力を示しており、Ｚ軸方向を正としている。また、縦軸における「＋Ｆ」とは、下側の接続配管３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ、３７ｅのそれぞれに空圧タンク４０の圧力を加えた状態、すなわち、図２において５ポート弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅのそれぞれが左方向に移動した状態を表している。同様に、縦軸における「−Ｆ」とは、上側の接続配管３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ、３６ｅのそれぞれに空圧タンク４０の圧力を加えた状態、すなわち、図２において５ポート弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅのそれぞれが右方向に移動した状態を表している。また、エアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅのそれぞれの発生力が「＋Ｆ」と「−Ｆ」の中間にある場合は、５ポート弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅのそれぞれは図２の位置にあり、ＯＮ−ＯＦＦ弁４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅのそれぞれと、ＯＮ−ＯＦＦ弁４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅのそれぞれによる圧力制御が行われている状態となる。図１Ｅの状態において、図４Ａ〜図４Ｅのようにエアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅのそれぞれの発生力が変化する場合、回転体２０にはＺ軸方向左ネジ回りの回転トルクが作用することになる。椀状部材１５の傾きが一定だと、椀状部材１５に作用するＹ’軸回りのトルクは５％程度の変動はあるものの、回転体２０の角度にかかわらず略一定となる。一方で、椀状部材１５に作用する軸１８ａ、１８ｂの中心軸周りのトルクは略０となり、サーボモータ２５ａ、２５ｂには負荷がかからないようになる。軸１８ａ、１８ｂの中心軸周りのトルクについては、図４Ａ〜図４Ｅのように直線状に変化させても良いが、±Ｆ×ｔａｎ（Δθ）／ｔａｎ（１８０°／（ｎ×２））のように変化させる方がより軸１８ａ、１８ｂの中心軸周りのトルクを０に近づけることができるので望ましい。ただし、Δθは図４Ａ〜図４Ｅにおいて発生力が０となる角度からの差分であり、ｎはシリンダの本数であり、第１実施形態ではｎ＝５となる。符号は、図４Ａ〜図４Ｅにおいて右上がりに発生力が変化する場合に＋であり、右下がりに発生力が変化する場合が−である。ちなみに、図４Ａのエアシリンダ３０ａの場合に望ましいのは、θ＝７２°〜１０８°の範囲で−Ｆ×ｔａｎ（θ−９０°）／ｔａｎ（１８°）であり、θ＝２５２°〜２８８°の範囲でＦ×ｔａｎ（θ−２７０°）／ｔａｎ（１８°）である。この第１実施形態では、ｎ＝５の奇数本のエアシリンダを双方向動作させているが、これは椀状部材１５に対して５方向の双方向トルク（双方向の揺動トルク）を発生できる点で望ましい。例えば、均等に配置された６本のエアシリンダの場合、双方向動作させても３方向からの双方向トルクしか発生することができない。また、第１実施形態ではｎ＝５としているが、これを増やすことで、Ｙ’軸回りのトルクの変動をより小さくすることができる。しかし、ｎの数値が大きすぎると構造が複雑になるので、３以上の奇数、好ましくは、ｎ＝５，７，９，１１程度の奇数が望ましい。
【００４７】
以上のようにバルブ機構３５がエアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅのそれぞれの発生力を制御している状態において、サーボモータ２５ａ、２５ｂを動作させ、板状部材１７の傾きを変化させることで、回転アクチュエータ１の発生トルクを、方向変化を含めて、自由に変化させることができる。サーボモータ２５ａ、２５ｂの動作に必要なトルクは、エアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅの発生力による軸１８ａ、１８ｂの中心軸周りのトルクの影響を受けるが、バルブ機構３５による制御で軸１８ａ、１８ｂの中心軸周りのトルクを抑制することで、サーボモータ２５ａ、２５ｂの必要トルクを低減する（すなわち、揺動角調節手段の一例であるサーボモータ２５ａ、２５ｂの動作負荷を低減する）ことができる。なお、回転体２０の角度が、図４Ａ〜図４Ｅにおける３６°、７２°、１０８°等のように、バルブ機構３５による圧力制御が行われていない角度である場合、サーボモータ２５ａ、２５ｂが動作しても圧力制御に伴うエネルギー消費が必要ないので、可能な限りこのような角度にある時にサーボモータ２５ａ、２５ｂを動作させるようにすることが、回転アクチュエータ１の動作効率の面で望ましい。
【００４８】
一方で、回転アクチュエータ１の発生トルクは、椀状部材１５に作用するＹ’軸回りのトルクに依存することになるが、Ｙ’軸回りのトルクはそのほとんどが空圧タンク４０の圧力が直接加わったエアシリンダにより発生されることになる。すなわち、図４Ａ〜図４Ｅのようにエアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅのそれぞれの発生力が変化する場合、圧力制御された状態にあるのは、Ｙ’軸に最も接近したエアシリンダ（例えば、θ＝０°〜３６°の場合はエアシリンダ３０ｅ）のみとなり、このエアシリンダによる発生力がＹ’軸回りのトルクに与える影響は、Ｙ’軸に最も接近していることからもわずかとなる。よって、回転アクチュエータ１がトルク発生方向（回転軸２８がＸ軸方向左ネジ回り）に回転して回転アクチュエータ１の外部に仕事をなす場合、外部に出力したエネルギーと同等のエネルギーが、そのまま、空圧タンク４０に内包されるエネルギーから消費されることになる。逆に、回転アクチュエータ１がトルク発生方向と逆方向（回転軸２８がＸ軸方向右ネジ回り）に回転して回転アクチュエータ１の外部から仕事がなされる場合、外部から入力されたエネルギーと同等のエネルギーが、そのまま、空圧タンク４０に内包されるエネルギーに補充されることになる。このように、回転アクチュエータ１は、その回転方向に応じて自動的に駆動と回生を切り替えることができるので、動作効率の高い駆動を実現することができる。また、回転アクチュエータ１の動作により、空圧タンク４０から失われるエネルギーについては、空圧源５３から補充されることになる。このとき、回転アクチュエータ１の動作において、回生が効果的に働き、出力のピークパワーに比べて平均パワーが大きく減少する場合には、短期的に放出した空圧タンク４０内のエネルギーの補充を時間をかけて行えるようになるので、空圧源５３に要求される能力は小さくても良いことになる。
【００４９】
よって、前記第１実施形態によれば、動作効率に優れた圧縮性流体圧アクチュエータ及びそれを用いた関節駆動ユニットを得ることができる。すなわち、第２の回転部材の一例である回転体２０に作用する回転トルクは、揺動部材の一例である椀状部材１５に作用する第４の軸回りの揺動トルクと、揺動角調節手段の一例であるサーボモータ２５ａ、２５ｂにより調整される第１の回転部材の一例である板状部材１７と回転体２０との相対角度により決定されるので、揺動トルク発生機構の一例であるエアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅにタンク部材の一例である空圧タンク４０内の圧縮性流体の一例である乾燥空気の圧力をそのまま作用させ、椀状部材１５に対する第４の軸回りの揺動トルクを最大限発生させ続けた状態でも、第４の軸回りの揺動トルクに関係なく、サーボモータ２５ａ、２５ｂによって回転体２０に作用する回転トルクを制御することが可能になる。この際、椀状部材１５に作用する第３の軸（一例として、軸１８ａ、１８ｂの中心軸）回りの揺動トルク調節に用いられる一部のエアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ以外は、空圧タンク４０内の乾燥空気により直接駆動することができるので、空圧タンク４０内から失われるエネルギーと外部になされるエネルギーは連動し、動作効率が向上することになる。さらに、第１実施形態にかかる圧縮性流体圧アクチュエータ１に対して外部から仕事がなされる場合には、そのエネルギーは空圧タンク４０内の乾燥空気が内包するエネルギーとして回生されることになるので、さらなる動作効率の向上が図れることになる。
【００５０】
なお、この第１実施形態では、揺動角調節手段としてサーボモータ２５ａ、２５ｂを用いているが、これに限るものではなく、通常の電磁モータ若しくは超音波モータ等の他の方式のモータとエンコーダを組み合わせたもの、又は、ステッピングモータ等のオープンループで動作できる回転アクチュエータ等も利用可能である。また、エンコーダによる角度計測の代わりに、回転体２０又は回転軸２８に作用するトルクの計測値を用いるようにしても良い。これは、空圧タンク４０内の圧力変動、又は、Ｙ’軸回りのトルク変動が、回転アクチュエータ１の出力トルクに与える影響を低減できる点で望ましい。
【００５１】
加えて、この第１実施形態では、回転軸２８の回転角度から回転体２０の回転角度を制御コントローラ５２により求めているが、回転体２０の回転角度を直接計測するような構成としても良い。さらに、第１実施形態では、軸１８ａ、１８ｂの中心軸周りのトルクを常に０に近づけているが、サーボモータ２５ａ、２５ｂの能力に余裕がある場合には、圧力制御を行う角度範囲を図４Ａ〜図４Ｅの場合よりも狭めても良い。このようにすると、圧力制御に伴うエネルギー消費を抑制することができるので望ましい。
【００５２】
さらに、第１実施形態における回転アクチュエータ１を用いた関節駆動ユニット７１の構成例を図５〜図６Ｂに示す。回転アクチュエータ１の下方に第１腕６０が配置されるとともに上方に第２腕６１が配置され、かつ、回転アクチュエータ１のフレーム１１が第１腕６０に固定されているとともに、回転軸２８に第２腕６１が直接固定されている（具体的には、回転軸２８の両端部が第２腕６１の張出し部６１ａに固定されている）。すなわち、下側の腕である第１腕６０に対して、上側の腕である第２腕６１を、回転アクチュエータ１により回転駆動するための駆動ユニットとして、関節駆動ユニット７１を使用している。
【００５３】
このような構成とすることで、図６Ａの状態（第１腕６０の中心軸と第２腕６１の中心軸とが大略同一直線状に位置した状態）から回転アクチュエータ１を動作させ、回転軸２８を反時計回りに回転させることで第２腕６１が第１腕６０に対して反時計回りに回転動作を行うようになり、図６Ｂの状態（第１腕６０の中心軸に対して第２腕６１の中心軸が傾斜した状態）となる。逆に、回転軸２８を時計回りに回転させることで、第２腕６１が第１腕６０に対して前記とは逆方向へ（すなわち、時計回りに）回転させることも可能となる。
【００５４】
よって、このような構成とすることで、回転アクチュエータ１の有する特徴、すなわち、動作効率に優れるという特徴をそのまま引き継ぐ関節駆動ユニット７１が得られ、特に家庭用途に適したロボットアームにおける関節駆動ユニットを実現することができる。すなわち、前記図５の例では、関節部を介して連結されるロボットアームの２つの腕が前記第１腕６１と第２腕６０として、前記関節部に前記圧縮性流体圧アクチュエータ１が配置され、前記圧縮性流体圧アクチュエータ１により、前記２つの腕のうちの一方の腕（例えば、第２腕６０）に対して他方の腕（例えば、第１腕６１）が関節駆動ユニット７１で駆動されるようにしている。
【００５５】
また、図７のように複数の（例えば、４個の）回転アクチュエータ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄのそれぞれの空圧タンク及び空圧源を単一の空圧タンク４０及び単一の空圧源５３で共用するようにしても良い。このようにすることで、特に各回転アクチュエータ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの動作が非連動的に行われる場合における、空圧タンク４０の内圧変動を小さくすることができ、空圧源５３を共用することで、全体構成をコンパクトにすることが可能になる。
【００５６】
なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明にかかる圧縮性流体圧アクチュエータ及びそれを用いた関節駆動ユニットは、力制御が容易で、動作効率に優れたものであり、ロボットの関節駆動用アクチュエータ等及びそれを用いた関節駆動ユニット等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１Ａ】本発明の第１実施形態による回転アクチュエータの概略を示す正面断面図である。
【図１Ｂ】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータの概略を示す正面断面図の部分拡大図である。
【図１Ｃ】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータの概略を示す右側面断面図である。
【図１Ｄ】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータの概略を示す、図１ＡのＡ−Ａ線断面図である。
【図１Ｅ】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータの駆動時の概略を示す右側面断面図である。
【図２】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータのバルブ機構の内部構成を示す配管図である。
【図３】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータの前記バルブ機構における制御コントローラと各部との接続関係を示す図である。
【図４Ａ】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータの前記制御コントローラにより制御されたエアシリンダ３０ａの発生力変化を示す図である。
【図４Ｂ】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータの前記制御コントローラにより制御されたエアシリンダ３０ｂの発生力変化を示す図である。
【図４Ｃ】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータの前記制御コントローラにより制御されたエアシリンダ３０ｃの発生力変化を示す図である。
【図４Ｄ】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータの前記制御コントローラにより制御されたエアシリンダ３０ｄの発生力変化を示す図である。
【図４Ｅ】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータの前記制御コントローラにより制御されたエアシリンダ３０ｅの発生力変化を示す図である。
【図５】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータを用いた関節駆動ユニットの概略を示す斜視図である。
【図６Ａ】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータを用いた関節駆動ユニットの概略を示す側面図である。
【図６Ｂ】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータを用いた関節駆動ユニットの概略を示す側面図である。
【図７】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータを複数個使用しかつ空圧タンクを共用した構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ 回転アクチュエータ
１１ フレーム
１１ａ 上端突起部
１１ｂ 貫通口
１２ 固定軸
１３ 等速ジョイント
１４ 揺動軸
１５ 椀状部材
１６ ベアリング機構
１７ 板状部材
１８ａ、１８ｂ 軸
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ ラジアル軸受
２０ 回転体
２１ ベアリング機構
２２ ベアリング押さえ
２３ａ、２３ｂ 歯車
２４ａ、２４ｂ 歯車
２５ａ、２５ｂ サーボモータ
２６ａ、２６ｂ 支持部材
２７ 傘歯車
２８ 回転軸
２９ａ、２９ｂ ベアリング機構
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ エアシリンダ
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ 両ロッド形ピストン
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ 球ジョイント
３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅ シリンダ支持部材
３３ｐ シリンダ支持部材の貫通穴
３３ｑ シリンダ支持部材の下端の球状部
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、３４ｅ ボールホルダ
３５ バルブ機構
３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ、３６ｅ 上側の接続配管
３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ、３７ｅ 下側の接続配管
３８ａ、３８ｂ 板状突起部
３９ 傘歯車部
４０ 空圧タンク
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅ ５ポート弁
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅ ＯＮ−ＯＦＦ弁
４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ ＯＮ−ＯＦＦ弁
４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅ ＯＮ−ＯＦＦ弁
４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄ、４５ｅ ＯＮ−ＯＦＦ弁
４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ、４６ｅ 逆止弁
４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄ、４７ｅ 逆止弁
４８ 大気開放部
４９ リリーフ弁
５０、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ 高圧配管
５１ 低圧配管
５２ 制御コントローラ
５３ 空圧源
５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ、５４ｅ 圧力センサ
５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、５５ｅ 圧力センサ
５６ 圧力センサ
５７ エンコーダ
６０、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ 腕
６１、６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ 腕
７１ 関節駆動ユニット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動作効率に優れた圧縮性流体圧アクチュエータ及びそれを用いた関節駆動ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療用ロボット、家庭用サービスロボット、及び、工場内での作業支援ロボット等、人と近い領域で動作するロボットへの期待が高まっている。このようなロボットでは、産業用ロボットとは異なり、人と接触した時の安全性確保が重要となる。そのためには、関節駆動用アクチュエータに対しても、軽量性が求められるとともに、関節剛性を必要に応じて変化させること等が求められるようになる。そのような要求に対応するアクチュエータの一例として、空圧アクチュエータがある（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。空圧アクチュエータは、気体の圧力を用いて駆動することから軽量化が容易であるとともに、内部圧力の制御により剛性を変化させることもできる。
【０００３】
【非特許文献１】電子情報通信学会発行、「電子情報通信学会誌Ａ」，２００５年発行，Ｖｏｌ．Ｊ８８−Ａ，Ｎｏ．１１の１３１８〜１３２５ページ
【非特許文献２】日本ロボット学会発行、「Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ」，２００２年発行，Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．２の２１３〜２３２ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
空圧アクチュエータを関節駆動用アクチュエータとして用いる場合、動作状況に応じて関節トルク又は関節剛性を制御するために、内部圧力を頻繁に変化させる必要がある。よって、空圧アクチュエータでは、圧力源から供給される圧縮空気の圧力を減圧させたり、アクチュエータ内の圧縮空気をそのまま排気することが頻繁に生じ、圧縮空気を大量に消費することになる。このため、関節駆動のような用途に対して空圧アクチュエータを用いるのは、消費する圧縮空気が内包するエネルギーに比べると、アクチュエータの外部になす仕事が小さくなるので、動作効率が悪くなるという課題を有することになる。
【０００５】
従って、本発明の目的は、かかる点に鑑み、動作効率に優れた圧縮性流体圧アクチュエータ及びそれを用いた関節駆動ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【０００７】
本発明の第１態様によれば、ベース部材と、
前記ベース部材に対してユニバーサルジョイント機構を介して保持され、前記ベース部材を基準とした前記ユニバーサルジョイント機構のジョイント中心を含む第１の軸に対して揺動可能である揺動部材と、
前記揺動部材を基準とした前記ユニバーサルジョイント機構の前記ジョイント中心を含む第２の軸回りに前記揺動部材に対して回転可能に保持される第１の回転部材と、
前記第１の回転部材に対して、前記第２の軸に垂直かつ前記ユニバーサルジョイント機構の前記ジョイント中心を含む第３の軸回りに回転可能に保持されるとともに、前記ベース部材に対しても前記第１の軸回りに回転可能に保持される第２の回転部材と、
圧縮性流体を蓄えるタンク部材と、
前記タンク部材と接続されて前記タンク部材に前記圧縮性流体を補充する圧力源と、
前記ベース部材と前記揺動部材を連結し、前記タンク部材に接続されて前記タンク部材内の前記圧縮性流体により駆動されることで、前記揺動部材に対して揺動トルクを発生させる複数の揺動トルク発生機構と、
前記揺動トルク発生機構と前記タンク部材との間の前記圧縮性流体の接続を制御する制御弁装置と、
前記第１の回転部材と前記第２の回転部材との前記第３の軸回りの相対角度を変化させる揺動角調節手段とを備え、
前記制御弁装置は、前記揺動トルク発生機構により、前記第１の軸と前記第３の軸に垂直な第４の軸回りに前記揺動部材に対する揺動トルクが発生するように制御することを特徴とする回転動作可能な圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
【０００８】
本発明の第１１態様によれば、第１〜１０のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータにより駆動される関節駆動ユニットを提供する。
【発明の効果】
【０００９】
よって、本発明によれば、動作効率に優れた圧縮性流体圧アクチュエータ及びそれを用いた関節駆動ユニットを得ることができる。すなわち、第２の回転部材に作用する回転トルクは、揺動部材に作用する第４の軸回りの揺動トルクと、揺動角調節手段により調整される第１の回転部材と第２の回転部材との相対角度により決定されるので、揺動トルク発生機構にタンク部材内の圧縮性流体の圧力をそのまま作用させ、揺動部材に対する第４の軸回りの揺動トルクを最大限発生させ続けた状態でも、第４の軸回りの揺動トルクに関係なく、揺動角調節手段によって第２の回転部材に作用する回転トルクを制御することが可能になる。この際、揺動部材に作用する第３の軸回りの揺動トルク調節に用いられる一部の揺動トルク発生機構以外は、タンク部材内の圧縮性流体により直接駆動することができるので、圧縮性流体が失うエネルギーと圧縮性流体圧アクチュエータの外部になされるエネルギーは連動し、動作効率が向上することになる。さらに、本発明による圧縮性流体圧アクチュエータに対して外部から仕事がなされる場合には、そのエネルギーはタンク部材内の圧縮性流体に対して回生されることになるので、さらなる動作効率の向上が図れることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
以下、図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。
【００１２】
本発明の第１態様によれば、ベース部材と、
前記ベース部材に対してユニバーサルジョイント機構を介して保持され、前記ベース部材を基準とした前記ユニバーサルジョイント機構のジョイント中心を含む第１の軸に対して揺動可能である揺動部材と、
前記揺動部材を基準とした前記ユニバーサルジョイント機構の前記ジョイント中心を含む第２の軸回りに前記揺動部材に対して回転可能に保持される第１の回転部材と、
前記第１の回転部材に対して、前記第２の軸に垂直かつ前記ユニバーサルジョイント機構の前記ジョイント中心を含む第３の軸回りに回転可能に保持されるとともに、前記ベース部材に対しても前記第１の軸回りに回転可能に保持される第２の回転部材と、
圧縮性流体を蓄えるタンク部材と、
前記タンク部材と接続されて前記タンク部材に前記圧縮性流体を補充する圧力源と、
前記ベース部材と前記揺動部材を連結し、前記タンク部材に接続されて前記タンク部材内の前記圧縮性流体により駆動されることで、前記揺動部材に対して揺動トルクを発生させる複数の揺動トルク発生機構と、
前記揺動トルク発生機構と前記タンク部材との間の前記圧縮性流体の接続を制御する制御弁装置と、
前記第１の回転部材と前記第２の回転部材との前記第３の軸回りの相対角度を変化させる揺動角調節手段とを備え、
前記制御弁装置は、前記揺動トルク発生機構により、前記第１の軸と前記第３の軸に垂直な第４の軸回りに前記揺動部材に対する揺動トルクが発生するように制御することを特徴とする回転動作可能な圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
【００１３】
このような構成によれば、第２の回転部材に作用する回転トルクは、揺動部材に作用する第４の軸回りの揺動トルクと、揺動角調節手段により調整される第１の回転部材と第２の回転部材との相対角度により決定されるので、揺動トルク発生機構にタンク部材内の圧縮性流体の圧力をそのまま作用させ、揺動部材に対する第４の軸回りの揺動トルクを最大限発生させ続けた状態でも、第４の軸回りの揺動トルクに関係なく、揺動角調節手段によって第２の回転部材に作用する回転トルクを制御することが可能になる。この際、揺動部材に作用する第３の軸回りの揺動トルク調節に用いられる一部の揺動トルク発生機構以外は、タンク部材内の圧縮性流体により直接駆動することができるので、圧縮性流体が失うエネルギーと外部になされるエネルギーは連動し、動作効率が向上することになる。さらに、本発明による圧縮性流体圧アクチュエータに対して外部から仕事がなされる場合には、そのエネルギーはタンク部材内の圧縮性流体に対して回生されることになるので、さらなる動作効率の向上が図れることになる。従って、動作効率に優れた圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
【００１４】
本発明の第２態様によれば、前記ユニバーサルジョイント機構が、等速ジョイント機構であることを特徴とする第１の態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
【００１５】
このような構成によれば、第２の回転部材の角度による特性のばらつきが少なくなり、揺動角調節手段による第２の回転部材に作用する回転トルクの制御、又は、制御弁装置による第３の軸回り揺動トルクの調節が容易になるので、より制御性に優れた圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
【００１６】
本発明の第３態様によれば、前記複数の揺動トルク発生機構のそれぞれが、前記第２の軸回りの円周上に等間隔で配置されていることを特徴とする第１〜２のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
【００１７】
このような構成によれば、第２の回転部材の角度による特性のばらつきが少なくなり、揺動角調節手段による第２の回転部材に作用する回転トルクの制御、又は、制御弁装置による第３の軸回り揺動トルクの調節が容易になるので、より制御性に優れた圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
【００１８】
本発明の第４態様によれば、前記揺動トルク発生機構が、前記揺動部材に対して双方向の揺動トルクを与えることを特徴とする第１〜３のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
【００１９】
このような構成によれば、揺動部材に作用する第４の軸回りのトルクを、揺動部材を押圧することにより発生できる領域と、揺動部材を引張することにより発生できる領域の、何れの領域に位置する揺動トルク発生機構も用いて発生させることができるようになるので、より、高出力な圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
【００２０】
本発明の第５態様によれば、前記揺動トルク発生機構を、３以上の奇数個備えることを特徴とする第４の態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
【００２１】
このような構成によれば、揺動トルク発生機構を配置する間隔のばらつきを大きくしなくても、各揺動トルク発生機構をジョイント中心に対して非対称な位置に配置することができる。これにより、第２の回転部材の角度による揺動トルクのばらつきを小さくすることができるようになるので、より性能の安定した圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
【００２２】
本発明の第６態様によれば、前記揺動トルク発生機構に作用する前記圧縮性流体の圧力が、前記第４の軸に最も接近した前記揺動トルク発生機構を除き、前記タンク部材における前記圧縮性流体の圧力若しくは前記揺動トルク発生機構の周辺圧力であることを特徴とする第５の態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
【００２３】
このような構成によれば、１つを除いた揺動トルク発生機構にはタンク部材内の圧縮性流体の圧力を直接作用させることができるので、圧縮性流体のエネルギー変化と外部とのエネルギー授受との差が小さくなり、より動作効率に優れた圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
【００２４】
本発明の第７態様によれば、前記揺動トルク発生機構が、ピストンシリンダ機構であることを特徴とする第１〜６のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
【００２５】
このような構成によれば、変位にかかわらず揺動トルク発生機構の発生力を一定にすることでできるので、より性能の安定した圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
【００２６】
本発明の第８態様によれば、前記ピストンシリンダ機構が、両ロッド形のピストンを用いた機構であることを特徴とする第７の態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
【００２７】
このような構成によれば、タンク部材内の圧縮性流体の圧力により揺動トルク発生機構を動作させた場合における、ピストン動作方向による揺動トルクの大きさの違いを抑えることができるので、より性能の安定した圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
【００２８】
本発明の第９態様によれば、前記揺動トルク発生機構と前記揺動部材は球ジョイント機構にて連結され、前記球ジョイント機構のジョイント中心が前記第２の軸に垂直かつ前記第３の軸を含む平面上にあることを特徴とする第１〜８のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
【００２９】
このような構成によれば、第１の回転部材と第２の回転部材との相対角度を変化させる際に揺動角調節手段が行う仕事を小さくすることができるので、より制御性に優れた圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
【００３０】
本発明の第１０態様によれば、第１〜９のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを複数備え、各圧縮性流体圧アクチュエータの前記タンク部材及び前記圧力源が互いに共有される構成であることを特徴とする多軸圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
【００３１】
このような構成によれば、複数の圧縮性流体圧アクチュエータの使用するタンク部材における圧力変動が平均化されるので、各圧縮性流体圧アクチュエータの動作の連動性が低いほどタンク部材の内圧の変動を小さくすることができ、より性能の安定した多軸圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
【００３２】
本発明の第１１態様によれば、関節部を介して連結された２つの腕の前記関節部に第１〜１０のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータが配置され、前記圧縮性流体圧アクチュエータにより、前記２つの腕のうちの一方の腕に対して他方の腕が駆動される関節駆動ユニットを提供する。
【００３３】
このような構成によれば、前記第１〜１０のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータにより駆動される関節駆動ユニットを構成することができて、前記圧縮性流体圧アクチュエータの作用効果を奏することができる関節駆動ユニットを得ることができる。
【００３４】
以下、本発明の種々の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【００３５】
（第１実施形態）
図１Ａは、本発明にかかる第１実施形態の圧縮性流体圧アクチュエータの一例としての回転アクチュエータ１の概略を示した正面断面図であり、その部分拡大図が図１Ｂである。また図１Ｃには回転アクチュエータ１の右側面断面図を示し、図１Ｄには図１ＡにおけるＡ−Ａ線の断面図を示している。この第１実施形態の回転アクチュエータにおける直交座標軸として、図１Ａの上向きをＺ軸、左向きをＸ軸、紙面手前側をＹ軸と定義する。
【００３６】
図１Ａ〜図１Ｄにおいて、ベース部材の一例である円筒状のフレーム１１の上面中央部に、中心軸が第１の軸（仮想軸）の一例として機能する固定軸１２が固定されている。固定軸１２には、ユニバーサルジョイント機構の一例である等速ジョイント１３を介して、中心軸が第２の軸（仮想軸）の一例として機能する揺動軸１４が接続されている。等速ジョイント１３としては、例えば特開２００２−３４９５９３号公報にて開示されているような等速ジョイントが利用可能である。このような等速ジョイントを用いることは、揺動軸１４が傾く方向による違いがないので望ましい。さらに、揺動軸１４の下端には、揺動部材の一例でありかつ５角形の平面形状を有する椀状部材１５の中央板部１５ａの開口１５ｂが固定されており、等速ジョイント１３のジョイント中心を基準に、揺動軸１４と椀状部材１５とが一体的に揺動動作が可能なようになっている。また、椀状部材１５は、椀状部材１５の中央板部１５ａの上面に配置しかつラジアル荷重及びスラスト荷重を保持できるベアリング機構１６を介して、第１の回転部材の一例である円形の板状部材１７を中央板部１５ａと平行に保持するようになっており、板状部材１７は、椀状部材１５に対して揺動軸１４の中心軸と同軸に相対回転できるようになっている。ベアリング機構１６としては、例えばクロスローラ軸受又は組合せアンギュラ玉軸受などが利用可能である。板状部材１７には、揺動軸１４の中心軸回りに１８０度間隔をあけて二つの板状突起部３８ａ、３８ｂがあり、板状突起部３８ａ、３８ｂには、それぞれ軸１８ａ、１８ｂが固定されている。軸１８ａ、１８ｂは、同軸上に配置されるとともに、軸１８ａ、１８ｂの中心軸が、等速ジョイント１３のジョイント中心を通過する位置に配置されている。
【００３７】
一方で、固定軸１２には、その中間段部に配置されかつラジアル荷重及びスラスト荷重を保持できるベアリング機構２１を介して、第２の回転部材の一例である回転体２０が、固定軸１２の中心軸回りに回転可能なように保持されている。ベアリング機構２１は、ベアリング押さえ２２により回転体２０に固定されている。また、回転体２０は、ラジアル軸受１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄを介して軸１８ａ、１８ｂとも連結されており、回転体２０は、椀状部材１５に対して、中心軸が第３の軸（仮想軸）の一例として機能する軸１８ａ、１８ｂの中心軸回り（Ｘ軸回り）に相対回転できるようになっている。さらに、回転体２０の回転は、回転体２０の上端に設けられた傘歯車部３９と直交するように噛み合った傘歯車２７を介して、傘歯車２７と一体に回転する回転軸２８に伝達されるようになっている。回転軸２８は、フレーム１１の上端突起部１１ａの貫通口１１ｂを回転自在に貫通し、かつ、Ｘ軸回りに回転可能なように、ベアリング機構２９ａ、２９ｂを介してフレーム１１の上面に保持され、フレーム１１を基準とした回転軸２８の回転角度は、エンコーダ５７により計測されるようになっている。エンコーダ５７は、後述する制御コントローラ（制御手段又は制御部の一例）５２に接続されており、制御コントローラ５２で、エンコーダ５７で計測した回転軸２８の回転角度から、回転軸２８と連動する回転体２０の回転角度を求めるようにしている。
【００３８】
また、軸１８ａ、１８ｂには、それぞれの端面にそれぞれ歯車２３ａ、２３ｂが固定されている。回転体２０の側面に一端が固定されたＬ字状の支持部材２６ａ、２６ｂの他端に、揺動角調節手段の一例であるサーボモータ２５ａ、２５ｂがそれぞれ保持されている。サーボモータ２５ａ、２５ｂの回転軸にそれぞれ固定された歯車２４ａ、２４ｂは、歯車２３ａ、２３ｂとそれぞれかみ合っている。これにより、サーボモータ２５ａ、２５ｂを駆動してそれぞれの回転軸及び歯車２４ａ、２４ｂを歯車２３ａ、２３ｂに対して回転させることで、回転体２０と椀状部材１５との相対角度を変化させることが可能になっている。回転体２０と椀状部材１５との相対角度が変化すると、図１Ｃに示される状態（回転体２０の回転軸芯と板状部材１７の回転軸芯とが平行な状態（すなわち、椀状部材１５の中央板部１５ａが水平面沿いに位置した水平状態））が、例えば図１Ｅに示される状態（回転体２０の回転軸芯に対して板状部材１７の回転軸芯が傾斜した状態（すなわち、椀状部材１５の中央板部１５ａが水平面沿いから傾斜した傾斜状態））に変化することになる。なお、サーボモータ２５ａ、２５ｂの回転情報は制御コントローラ５２に入力されるようにしている。
【００３９】
さらに、椀状部材１５には、椀状部材１５の側面に椀状部材１５の回転軸芯回りの円周上に等間隔に（７２度毎の位置に）配置された球ジョイント３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅを介して、揺動トルク発生機構の一例であるピストンシリンダ機構の一例としてのエアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅの両ロッド形のピストン３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅの上側のロッドの上端が、それぞれ、固定軸１２の中心軸に対して回転対称となる位置（具体的には固定軸１２の中心軸周りの同一円周上の７２度毎の位置に）に回動自在に連結されている。エアシリンダは、変位に対して力が変化しない点で望ましい。さらに、両ロッド形のピストンを用いることは、駆動方向による発生力の違いが生じない点で望ましく、回転対称の位置に配置することは、回転体２０の角度が変化する際の特性のばらつきを最も小さくできるので望ましい。また、球ジョイント３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅのジョイント中心は、揺動軸１４の中心軸に垂直でかつ軸１８ａ、１８ｂの中心軸を含む平面上に位置している。このようにすることは、回転体２０の回転軸芯に対して板状部材１７の回転軸芯の傾きが変化しても、球ジョイント３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅのジョイント中心を通る円の中心位置が一定となり、余計なアンバランスが椀状部材１５に生じないので望ましい。さらに、エアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅの下部は、それぞれの下端部に球状部３３ｑを設けかつ中心部にピストン３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅの下側のロッドが通過するための貫通穴３３ｐをそれぞれ備えたシリンダ支持部材３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅの上端に固定されており、シリンダ支持部材３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅの下端の球状部３３ｑは、フレーム１１の下端の底面に固定されたボールホルダ３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、３４ｅによりそれぞれ回転自由に支持され、球ジョイントを構成している。
【００４０】
一方で、エアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅの上部側面及び下部側面には、圧縮性流体の一例である乾燥空気を供給するための上側の接続配管３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ、３６ｅ及び下側の接続配管３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ、３７ｅがそれぞれ接続され、制御弁装置の一例であるバルブ機構３５とエアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅとを上側の接続配管３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ、３６ｅ及び下側の接続配管３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ、３７ｅで接続している。バルブ機構３５の内部構成は、図２で示す配管図示すような構成となっている。さらに、バルブ機構３５には制御コントローラ５２が備えられており、制御コントローラ５２と図２で示される各要素とは、図３に示すような接続関係にある。
【００４１】
図２において、上側の接続配管３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ、３６ｅ及び下側の接続配管３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ、３７ｅには、それぞれ、５ポート弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅが接続されており、エアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅと、タンク部材の一例である空圧タンク４０及び大気開放部４８との接続を切り替えるようになっている。空圧タンク４０には、圧力源の一例である空圧源５３が接続されて、空圧源５３により供給された高圧の乾燥空気が空圧タンク４０に蓄えられている。また、上側の接続配管３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ、３６ｅは、大気開放部４８に至る低圧配管５１に対して、それぞれ、ＯＮ−ＯＦＦ弁４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅを介して接続されるとともに、空圧タンク４０に至る高圧配管５０に対しても、それぞれ、ＯＮ−ＯＦＦ弁４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ及び逆止弁４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ、４６ｅを介して接続されている。同様に、下側の接続配管３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ、３７ｅは、大気開放部４８に至る低圧配管５１に対して、それぞれ、ＯＮ−ＯＦＦ弁４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅを介して接続されるとともに、空圧タンク４０に至る高圧配管５０に対しても、それぞれ、ＯＮ−ＯＦＦ弁４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄ、４５ｅ及び逆止弁４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄ、４７ｅを介して接続されている。低圧配管５１は、高圧配管５０内の乾燥空気より低圧に保持された乾燥空気で満たされている。制御コントローラ５２は、５ポート弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅと、ＯＮ−ＯＦＦ弁４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅと、ＯＮ−ＯＦＦ弁４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅと、ＯＮ−ＯＦＦ弁４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅと、ＯＮ−ＯＦＦ弁４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄ、４５ｅとにそれぞれ接続されて、それぞれのＯＮ−ＯＦＦ弁の動作を制御コントローラ５２でそれぞれ制御できるようにしている。
【００４２】
さらに、高圧配管５０は、リリーフ弁４９を介して低圧配管５１と接続されており、空圧タンク４０の圧力が一定の圧力以上にならないように空圧タンク４０を保護している。また、上側の接続配管３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ、３６ｅの途中には、それぞれ圧力センサ５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ、５４ｅが設けられ、上側の接続配管内の圧力を計測できるようになっている。同様に、下側の接続配管３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ、３７ｅの途中には、それぞれ圧力センサ５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、５５ｅが設けられ、高圧配管５０の途中にも圧力センサ５６が設けられ、それぞれの配管内の圧力をそれぞれ計測できるようになっている。制御コントローラ５２は、圧力センサ５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ、５４ｅと、圧力センサ５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、５５ｅと、圧力センサ５６とにそれぞれ接続されて、それぞれのセンサで計測されたそれぞれの配管内の圧力の情報が制御コントローラ５２に入力されるようになっている。
【００４３】
次に、バルブ機構３５内に備えられた制御コントローラ５２の下で行われる、この回転アクチュエータ１の作用を説明する。
【００４４】
回転アクチュエータ１の回転軸２８に作用する力は、エアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅの発生力と、回転体２０の回転軸芯に対する板状部材１７の回転軸芯の傾きの大きさとによって決定される。すなわち、図１Ｃにおいて、エアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅの発生力が椀状部材１５に作用したとき、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方向への変位及びＺ軸回りの回転については、椀状部材１５が、揺動軸１４と、等速ジョイント１３を介して固定軸１２とに連結されているので、規制されることになる。椀状部材１５に作用するＸ軸回りの回転トルクについては、ベアリング機構１６、板状部材１７及び板状部材１７と一体に回転する板状突起部３８ａ、３８ｂと、軸１８ａ、１８ｂと、歯車２３ａ、２３ｂと、そして歯車２４ａ、２４ｂを介してサーボモータ２５ａ、２５ｂとに伝達されることになる。また、椀状部材１５に作用するＹ軸回りの回転トルクについては、ベアリング機構１６と、板状部材１７と、軸１８ａ、１８ｂを介して回転体２０とに伝達されることになる。図１Ｃの状態では、椀状部材１５の中央板部１５ａが水平状態を保っているので、回転体２０にはＹ軸回りの回転トルクのみが作用することになる。回転体２０のＹ軸回りの回転は、ベアリング機構２１によって拘束されているので、図１Ｃの状態では回転体２０の状態は変化しないことになる。
【００４５】
一方、椀状部材１５の中央板部１５ａが水平状態から傾いた図１Ｅの傾斜状態では、椀状部材１５に作用したＹ軸回りの回転トルク（揺動トルクの一例としてのトルク）は、回転体２０に対するＹ軸回りの回転トルクとＺ軸回りの回転トルクに分解されることになる。椀状部材１５は、等速ジョイント１３のジョイント中心を揺動中心とした揺動動作のみが可能であり、図１Ｅのように椀状部材１５がＸ軸回りに傾いた傾斜状態からＹ軸回りの回転を与えることは、椀状部材１５の傾く方向をＺ軸回りに回転させることと等しいことになる。一方で、軸１８ａ、１８ｂの中心軸は、回転体２０による拘束のため、等速ジョイント１３のジョイント中心を含むＸ−Ｙ平面上にしか存在できないので、椀状部材１５の傾く方向が変化すると、それにつれて軸１８ａ、１８ｂ及び回転体２０は、Ｚ軸回りに回転することになる。そのため、椀状部材１５に作用するＹ軸回りの回転トルクにより、回転体２０に対するＺ軸回りの回転トルクが得られるようになる。すなわち、サーボモータ２５ａ、２５ｂにより板状部材１７の傾きを固定し、軸１８ａ、１８ｂの中心軸とＸ−Ｙ平面上で垂直な軸（第３の軸に垂直な第４の軸の一例としての仮想軸）回り（以下、Ｙ’軸回りと表す）に一定のトルクが椀状部材１５に発生するように、バルブ機構３５が、エアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅのそれぞれの発生力をコントロールすることで、回転体２０には、Ｚ軸回りに一定のトルクが発生するようになる。この回転体２０に作用するＺ軸回りのトルクは、板状部材１７の傾きにより変化し、図１Ｃのように傾きがない水平状態では０となり、図１Ｅの示されるような傾斜状態に板状部材１７の傾きが増えるに従って、増加していくことになる。ちなみに、回転体２０に作用するＺ軸回りのトルクは、回転体２０の傘歯車部３９と、傘歯車２７を介して回転軸２８とに伝達されることになり、これが回転アクチュエータ１の発生トルクとなる。
【００４６】
次に、バルブ機構３５の動作について説明する。バルブ機構３５は、図３に示すように、複数のセンサの情報に基づいてバルブをコントロールし、エアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅのそれぞれの発生力を制御する機構である。制御コントローラ５２では、エンコーダ５７で計測した回転軸２８の回転角度から、回転軸２８と連動する回転体２０の回転角度を求めるとともに、サーボモータ２５ａ、２５ｂの回転情報から板状部材１７及び椀状部材１５の傾きに関する情報を得ている。図４Ａ〜図４Ｅに制御コントローラ５２によって制御される、回転体２０の角度と、エアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅの発生力との関係の一例をそれぞれ示す。図４Ａ〜図４Ｅにおいて、横軸の角度θは回転体２０の回転角を度数（°）単位で示しており、図１Ｅの状態をθ＝０度として、Ｚ軸方向右ネジ回りを正としている。縦軸はエアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅのそれぞれの発生力を示しており、Ｚ軸方向を正としている。また、縦軸における「＋Ｆ」とは、下側の接続配管３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ、３７ｅのそれぞれに空圧タンク４０の圧力を加えた状態、すなわち、図２において５ポート弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅのそれぞれが左方向に移動した状態を表している。同様に、縦軸における「−Ｆ」とは、上側の接続配管３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ、３６ｅのそれぞれに空圧タンク４０の圧力を加えた状態、すなわち、図２において５ポート弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅのそれぞれが右方向に移動した状態を表している。また、エアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅのそれぞれの発生力が「＋Ｆ」と「−Ｆ」の中間にある場合は、５ポート弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅのそれぞれは図２の位置にあり、ＯＮ−ＯＦＦ弁４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅのそれぞれと、ＯＮ−ＯＦＦ弁４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅのそれぞれによる圧力制御が行われている状態となる。図１Ｅの状態において、図４Ａ〜図４Ｅのようにエアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅのそれぞれの発生力が変化する場合、回転体２０にはＺ軸方向左ネジ回りの回転トルクが作用することになる。椀状部材１５の傾きが一定だと、椀状部材１５に作用するＹ’軸回りのトルクは５％程度の変動はあるものの、回転体２０の角度にかかわらず略一定となる。一方で、椀状部材１５に作用する軸１８ａ、１８ｂの中心軸周りのトルクは略０となり、サーボモータ２５ａ、２５ｂには負荷がかからないようになる。軸１８ａ、１８ｂの中心軸周りのトルクについては、図４Ａ〜図４Ｅのように直線状に変化させても良いが、±Ｆ×ｔａｎ（Δθ）／ｔａｎ（１８０°／（ｎ×２））のように変化させる方がより軸１８ａ、１８ｂの中心軸周りのトルクを０に近づけることができるので望ましい。ただし、Δθは図４Ａ〜図４Ｅにおいて発生力が０となる角度からの差分であり、ｎはシリンダの本数であり、第１実施形態ではｎ＝５となる。符号は、図４Ａ〜図４Ｅにおいて右上がりに発生力が変化する場合に＋であり、右下がりに発生力が変化する場合が−である。ちなみに、図４Ａのエアシリンダ３０ａの場合に望ましいのは、θ＝７２°〜１０８°の範囲で−Ｆ×ｔａｎ（θ−９０°）／ｔａｎ（１８°）であり、θ＝２５２°〜２８８°の範囲でＦ×ｔａｎ（θ−２７０°）／ｔａｎ（１８°）である。この第１実施形態では、ｎ＝５の奇数本のエアシリンダを双方向動作させているが、これは椀状部材１５に対して５方向の双方向トルク（双方向の揺動トルク）を発生できる点で望ましい。例えば、均等に配置された６本のエアシリンダの場合、双方向動作させても３方向からの双方向トルクしか発生することができない。また、第１実施形態ではｎ＝５としているが、これを増やすことで、Ｙ’軸回りのトルクの変動をより小さくすることができる。しかし、ｎの数値が大きすぎると構造が複雑になるので、３以上の奇数、好ましくは、ｎ＝５，７，９，１１程度の奇数が望ましい。
【００４７】
以上のようにバルブ機構３５がエアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅのそれぞれの発生力を制御している状態において、サーボモータ２５ａ、２５ｂを動作させ、板状部材１７の傾きを変化させることで、回転アクチュエータ１の発生トルクを、方向変化を含めて、自由に変化させることができる。サーボモータ２５ａ、２５ｂの動作に必要なトルクは、エアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅの発生力による軸１８ａ、１８ｂの中心軸周りのトルクの影響を受けるが、バルブ機構３５による制御で軸１８ａ、１８ｂの中心軸周りのトルクを抑制することで、サーボモータ２５ａ、２５ｂの必要トルクを低減する（すなわち、揺動角調節手段の一例であるサーボモータ２５ａ、２５ｂの動作負荷を低減する）ことができる。なお、回転体２０の角度が、図４Ａ〜図４Ｅにおける３６°、７２°、１０８°等のように、バルブ機構３５による圧力制御が行われていない角度である場合、サーボモータ２５ａ、２５ｂが動作しても圧力制御に伴うエネルギー消費が必要ないので、可能な限りこのような角度にある時にサーボモータ２５ａ、２５ｂを動作させるようにすることが、回転アクチュエータ１の動作効率の面で望ましい。
【００４８】
一方で、回転アクチュエータ１の発生トルクは、椀状部材１５に作用するＹ’軸回りのトルクに依存することになるが、Ｙ’軸回りのトルクはそのほとんどが空圧タンク４０の圧力が直接加わったエアシリンダにより発生されることになる。すなわち、図４Ａ〜図４Ｅのようにエアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅのそれぞれの発生力が変化する場合、圧力制御された状態にあるのは、Ｙ’軸に最も接近したエアシリンダ（例えば、θ＝０°〜３６°の場合はエアシリンダ３０ｅ）のみとなり、このエアシリンダによる発生力がＹ’軸回りのトルクに与える影響は、Ｙ’軸に最も接近していることからもわずかとなる。よって、回転アクチュエータ１がトルク発生方向（回転軸２８がＸ軸方向左ネジ回り）に回転して回転アクチュエータ１の外部に仕事をなす場合、外部に出力したエネルギーと同等のエネルギーが、そのまま、空圧タンク４０に内包されるエネルギーから消費されることになる。逆に、回転アクチュエータ１がトルク発生方向と逆方向（回転軸２８がＸ軸方向右ネジ回り）に回転して回転アクチュエータ１の外部から仕事がなされる場合、外部から入力されたエネルギーと同等のエネルギーが、そのまま、空圧タンク４０に内包されるエネルギーに補充されることになる。このように、回転アクチュエータ１は、その回転方向に応じて自動的に駆動と回生を切り替えることができるので、動作効率の高い駆動を実現することができる。また、回転アクチュエータ１の動作により、空圧タンク４０から失われるエネルギーについては、空圧源５３から補充されることになる。このとき、回転アクチュエータ１の動作において、回生が効果的に働き、出力のピークパワーに比べて平均パワーが大きく減少する場合には、短期的に放出した空圧タンク４０内のエネルギーの補充を時間をかけて行えるようになるので、空圧源５３に要求される能力は小さくても良いことになる。
【００４９】
よって、前記第１実施形態によれば、動作効率に優れた圧縮性流体圧アクチュエータ及びそれを用いた関節駆動ユニットを得ることができる。すなわち、第２の回転部材の一例である回転体２０に作用する回転トルクは、揺動部材の一例である椀状部材１５に作用する第４の軸回りの揺動トルクと、揺動角調節手段の一例であるサーボモータ２５ａ、２５ｂにより調整される第１の回転部材の一例である板状部材１７と回転体２０との相対角度により決定されるので、揺動トルク発生機構の一例であるエアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅにタンク部材の一例である空圧タンク４０内の圧縮性流体の一例である乾燥空気の圧力をそのまま作用させ、椀状部材１５に対する第４の軸回りの揺動トルクを最大限発生させ続けた状態でも、第４の軸回りの揺動トルクに関係なく、サーボモータ２５ａ、２５ｂによって回転体２０に作用する回転トルクを制御することが可能になる。この際、椀状部材１５に作用する第３の軸（一例として、軸１８ａ、１８ｂの中心軸）回りの揺動トルク調節に用いられる一部のエアシリンダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ以外は、空圧タンク４０内の乾燥空気により直接駆動することができるので、空圧タンク４０内から失われるエネルギーと外部になされるエネルギーは連動し、動作効率が向上することになる。さらに、第１実施形態にかかる圧縮性流体圧アクチュエータ１に対して外部から仕事がなされる場合には、そのエネルギーは空圧タンク４０内の乾燥空気が内包するエネルギーとして回生されることになるので、さらなる動作効率の向上が図れることになる。
【００５０】
なお、この第１実施形態では、揺動角調節手段としてサーボモータ２５ａ、２５ｂを用いているが、これに限るものではなく、通常の電磁モータ若しくは超音波モータ等の他の方式のモータとエンコーダを組み合わせたもの、又は、ステッピングモータ等のオープンループで動作できる回転アクチュエータ等も利用可能である。また、エンコーダによる角度計測の代わりに、回転体２０又は回転軸２８に作用するトルクの計測値を用いるようにしても良い。これは、空圧タンク４０内の圧力変動、又は、Ｙ’軸回りのトルク変動が、回転アクチュエータ１の出力トルクに与える影響を低減できる点で望ましい。
【００５１】
加えて、この第１実施形態では、回転軸２８の回転角度から回転体２０の回転角度を制御コントローラ５２により求めているが、回転体２０の回転角度を直接計測するような構成としても良い。さらに、第１実施形態では、軸１８ａ、１８ｂの中心軸周りのトルクを常に０に近づけているが、サーボモータ２５ａ、２５ｂの能力に余裕がある場合には、圧力制御を行う角度範囲を図４Ａ〜図４Ｅの場合よりも狭めても良い。このようにすると、圧力制御に伴うエネルギー消費を抑制することができるので望ましい。
【００５２】
さらに、第１実施形態における回転アクチュエータ１を用いた関節駆動ユニット７１の構成例を図５〜図６Ｂに示す。回転アクチュエータ１の下方に第１腕６０が配置されるとともに上方に第２腕６１が配置され、かつ、回転アクチュエータ１のフレーム１１が第１腕６０に固定されているとともに、回転軸２８に第２腕６１が直接固定されている（具体的には、回転軸２８の両端部が第２腕６１の張出し部６１ａに固定されている）。すなわち、下側の腕である第１腕６０に対して、上側の腕である第２腕６１を、回転アクチュエータ１により回転駆動するための駆動ユニットとして、関節駆動ユニット７１を使用している。
【００５３】
このような構成とすることで、図６Ａの状態（第１腕６０の中心軸と第２腕６１の中心軸とが大略同一直線状に位置した状態）から回転アクチュエータ１を動作させ、回転軸２８を反時計回りに回転させることで第２腕６１が第１腕６０に対して反時計回りに回転動作を行うようになり、図６Ｂの状態（第１腕６０の中心軸に対して第２腕６１の中心軸が傾斜した状態）となる。逆に、回転軸２８を時計回りに回転させることで、第２腕６１が第１腕６０に対して前記とは逆方向へ（すなわち、時計回りに）回転させることも可能となる。
【００５４】
よって、このような構成とすることで、回転アクチュエータ１の有する特徴、すなわち、動作効率に優れるという特徴をそのまま引き継ぐ関節駆動ユニット７１が得られ、特に家庭用途に適したロボットアームにおける関節駆動ユニットを実現することができる。すなわち、前記図５の例では、関節部を介して連結されるロボットアームの２つの腕が前記第１腕６１と第２腕６０として、前記関節部に前記圧縮性流体圧アクチュエータ１が配置され、前記圧縮性流体圧アクチュエータ１により、前記２つの腕のうちの一方の腕（例えば、第２腕６０）に対して他方の腕（例えば、第１腕６１）が関節駆動ユニット７１で駆動されるようにしている。
【００５５】
また、図７のように複数の（例えば、４個の）回転アクチュエータ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄのそれぞれの空圧タンク及び空圧源を単一の空圧タンク４０及び単一の空圧源５３で共用するようにしても良い。このようにすることで、特に各回転アクチュエータ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの動作が非連動的に行われる場合における、空圧タンク４０の内圧変動を小さくすることができ、空圧源５３を共用することで、全体構成をコンパクトにすることが可能になる。
【００５６】
なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明にかかる圧縮性流体圧アクチュエータ及びそれを用いた関節駆動ユニットは、力制御が容易で、動作効率に優れたものであり、ロボットの関節駆動用アクチュエータ等及びそれを用いた関節駆動ユニット等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１Ａ】本発明の第１実施形態による回転アクチュエータの概略を示す正面断面図である。
【図１Ｂ】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータの概略を示す正面断面図の部分拡大図である。
【図１Ｃ】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータの概略を示す右側面断面図である。
【図１Ｄ】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータの概略を示す、図１ＡのＡ−Ａ線断面図である。
【図１Ｅ】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータの駆動時の概略を示す右側面断面図である。
【図２】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータのバルブ機構の内部構成を示す配管図である。
【図３】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータの前記バルブ機構における制御コントローラと各部との接続関係を示す図である。
【図４Ａ】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータの前記制御コントローラにより制御されたエアシリンダ３０ａの発生力変化を示す図である。
【図４Ｂ】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータの前記制御コントローラにより制御されたエアシリンダ３０ｂの発生力変化を示す図である。
【図４Ｃ】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータの前記制御コントローラにより制御されたエアシリンダ３０ｃの発生力変化を示す図である。
【図４Ｄ】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータの前記制御コントローラにより制御されたエアシリンダ３０ｄの発生力変化を示す図である。
【図４Ｅ】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータの前記制御コントローラにより制御されたエアシリンダ３０ｅの発生力変化を示す図である。
【図５】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータを用いた関節駆動ユニットの概略を示す斜視図である。
【図６Ａ】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータを用いた関節駆動ユニットの概略を示す側面図である。
【図６Ｂ】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータを用いた関節駆動ユニットの概略を示す側面図である。
【図７】本発明の前記第１実施形態による前記回転アクチュエータを複数個使用しかつ空圧タンクを共用した構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ 回転アクチュエータ
１１ フレーム
１１ａ 上端突起部
１１ｂ 貫通口
１２ 固定軸
１３ 等速ジョイント
１４ 揺動軸
１５ 椀状部材
１６ ベアリング機構
１７ 板状部材
１８ａ、１８ｂ 軸
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ ラジアル軸受
２０ 回転体
２１ ベアリング機構
２２ ベアリング押さえ
２３ａ、２３ｂ 歯車
２４ａ、２４ｂ 歯車
２５ａ、２５ｂ サーボモータ
２６ａ、２６ｂ 支持部材
２７ 傘歯車
２８ 回転軸
２９ａ、２９ｂ ベアリング機構
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ エアシリンダ
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ 両ロッド形ピストン
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ 球ジョイント
３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅ シリンダ支持部材
３３ｐ シリンダ支持部材の貫通穴
３３ｑ シリンダ支持部材の下端の球状部
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、３４ｅ ボールホルダ
３５ バルブ機構
３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ、３６ｅ 上側の接続配管
３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ、３７ｅ 下側の接続配管
３８ａ、３８ｂ 板状突起部
３９ 傘歯車部
４０ 空圧タンク
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅ ５ポート弁
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅ ＯＮ−ＯＦＦ弁
４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ ＯＮ−ＯＦＦ弁
４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅ ＯＮ−ＯＦＦ弁
４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄ、４５ｅ ＯＮ−ＯＦＦ弁
４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ、４６ｅ 逆止弁
４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄ、４７ｅ 逆止弁
４８ 大気開放部
４９ リリーフ弁
５０、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ 高圧配管
５１ 低圧配管
５２ 制御コントローラ
５３ 空圧源
５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ、５４ｅ 圧力センサ
５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、５５ｅ 圧力センサ
５６ 圧力センサ
５７ エンコーダ
６０、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ 腕
６１、６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ 腕
７１ 関節駆動ユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース部材と、
前記ベース部材に対してユニバーサルジョイント機構を介して保持され、前記ベース部材を基準とした前記ユニバーサルジョイント機構のジョイント中心を含む第１の軸に対して揺動可能である揺動部材と、
前記揺動部材を基準とした前記ユニバーサルジョイント機構の前記ジョイント中心を含む第２の軸回りに前記揺動部材に対して回転可能に保持される第１の回転部材と、
前記第１の回転部材に対して、前記第２の軸に垂直かつ前記ユニバーサルジョイント機構の前記ジョイント中心を含む第３の軸回りに回転可能に保持されるとともに、前記ベース部材に対しても前記第１の軸回りに回転可能に保持される第２の回転部材と、
圧縮性流体を蓄えるタンク部材と、
前記タンク部材と接続されて前記タンク部材に前記圧縮性流体を補充する圧力源と、
前記ベース部材と前記揺動部材を連結し、前記タンク部材に接続されて前記タンク部材内の前記圧縮性流体により駆動されることで、前記揺動部材に対して揺動トルクを発生させる複数の揺動トルク発生機構と、
前記揺動トルク発生機構と前記タンク部材との間の前記圧縮性流体の接続を制御する制御弁装置と、
前記第１の回転部材と前記第２の回転部材との前記第３の軸回りの相対角度を変化させる揺動角調節手段とを備え、
前記制御弁装置は、前記揺動トルク発生機構により、前記第１の軸と前記第３の軸に垂直な第４の軸回りに前記揺動部材に対する揺動トルクが発生するように制御することを特徴とする回転動作可能な圧縮性流体圧アクチュエータ。
【請求項２】
前記ユニバーサルジョイント機構が、等速ジョイント機構であることを特徴とする請求項１に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。
【請求項３】
前記複数の揺動トルク発生機構のそれぞれが、前記第２の軸回りの円周上に等間隔で配置されていることを特徴とする請求項１〜２のいずれか１つに記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。
【請求項４】
前記揺動トルク発生機構が、前記揺動部材に対して双方向の揺動トルクを与えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。
【請求項５】
前記揺動トルク発生機構を、３以上の奇数個備えることを特徴とする請求項４に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。
【請求項６】
前記揺動トルク発生機構に作用する前記圧縮性流体の圧力が、前記第４の軸に最も接近した前記揺動トルク発生機構を除き、前記タンク部材における前記圧縮性流体の圧力若しくは前記揺動トルク発生機構の周辺圧力であることを特徴とする請求項５に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。
【請求項７】
前記揺動トルク発生機構が、ピストンシリンダ機構であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。
【請求項８】
前記ピストンシリンダ機構が、両ロッド形のピストンを用いた機構であることを特徴とする請求項７に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。
【請求項９】
前記揺動トルク発生機構と前記揺動部材は球ジョイント機構にて連結され、前記球ジョイント機構のジョイント中心が前記第２の軸に垂直かつ前記第３の軸を含む平面上にあることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１つに記載の圧縮性流体圧アクチュエータを複数備え、各圧縮性流体圧アクチュエータの前記タンク部材及び前記圧力源が互いに共有される構成であることを特徴とする多軸圧縮性流体圧アクチュエータ。
【請求項１１】
関節部を介して連結された２つの腕の前記関節部に請求項１〜１０のいずれか１つに記載の圧縮性流体圧アクチュエータが配置され、前記圧縮性流体圧アクチュエータにより、前記２つの腕のうちの一方の腕に対して他方の腕が駆動される関節駆動ユニット。
【請求項１】
ベース部材と、
前記ベース部材に対してユニバーサルジョイント機構を介して保持され、前記ベース部材を基準とした前記ユニバーサルジョイント機構のジョイント中心を含む第１の軸に対して揺動可能である揺動部材と、
前記揺動部材を基準とした前記ユニバーサルジョイント機構の前記ジョイント中心を含む第２の軸回りに前記揺動部材に対して回転可能に保持される第１の回転部材と、
前記第１の回転部材に対して、前記第２の軸に垂直かつ前記ユニバーサルジョイント機構の前記ジョイント中心を含む第３の軸回りに回転可能に保持されるとともに、前記ベース部材に対しても前記第１の軸回りに回転可能に保持される第２の回転部材と、
圧縮性流体を蓄えるタンク部材と、
前記タンク部材と接続されて前記タンク部材に前記圧縮性流体を補充する圧力源と、
前記ベース部材と前記揺動部材を連結し、前記タンク部材に接続されて前記タンク部材内の前記圧縮性流体により駆動されることで、前記揺動部材に対して揺動トルクを発生させる複数の揺動トルク発生機構と、
前記揺動トルク発生機構と前記タンク部材との間の前記圧縮性流体の接続を制御する制御弁装置と、
前記第１の回転部材と前記第２の回転部材との前記第３の軸回りの相対角度を変化させる揺動角調節手段とを備え、
前記制御弁装置は、前記揺動トルク発生機構により、前記第１の軸と前記第３の軸に垂直な第４の軸回りに前記揺動部材に対する揺動トルクが発生するように制御することを特徴とする回転動作可能な圧縮性流体圧アクチュエータ。
【請求項２】
前記ユニバーサルジョイント機構が、等速ジョイント機構であることを特徴とする請求項１に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。
【請求項３】
前記複数の揺動トルク発生機構のそれぞれが、前記第２の軸回りの円周上に等間隔で配置されていることを特徴とする請求項１〜２のいずれか１つに記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。
【請求項４】
前記揺動トルク発生機構が、前記揺動部材に対して双方向の揺動トルクを与えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。
【請求項５】
前記揺動トルク発生機構を、３以上の奇数個備えることを特徴とする請求項４に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。
【請求項６】
前記揺動トルク発生機構に作用する前記圧縮性流体の圧力が、前記第４の軸に最も接近した前記揺動トルク発生機構を除き、前記タンク部材における前記圧縮性流体の圧力若しくは前記揺動トルク発生機構の周辺圧力であることを特徴とする請求項５に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。
【請求項７】
前記揺動トルク発生機構が、ピストンシリンダ機構であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。
【請求項８】
前記ピストンシリンダ機構が、両ロッド形のピストンを用いた機構であることを特徴とする請求項７に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。
【請求項９】
前記揺動トルク発生機構と前記揺動部材は球ジョイント機構にて連結され、前記球ジョイント機構のジョイント中心が前記第２の軸に垂直かつ前記第３の軸を含む平面上にあることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１つに記載の圧縮性流体圧アクチュエータを複数備え、各圧縮性流体圧アクチュエータの前記タンク部材及び前記圧力源が互いに共有される構成であることを特徴とする多軸圧縮性流体圧アクチュエータ。
【請求項１１】
関節部を介して連結された２つの腕の前記関節部に請求項１〜１０のいずれか１つに記載の圧縮性流体圧アクチュエータが配置され、前記圧縮性流体圧アクチュエータにより、前記２つの腕のうちの一方の腕に対して他方の腕が駆動される関節駆動ユニット。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図１Ｅ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図４Ｅ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図１Ｅ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図４Ｅ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２５２１８（Ｐ２０１０−２５２１８Ａ）
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８６８０３（Ｐ２００８−１８６８０３）
【出願日】平成２０年７月１８日（２００８．７．１８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月１８日（２００８．７．１８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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