CN112166257A - 旋转驱动装置和其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有较大的旋转驱动范围、例如0°～180°的旋转驱动范围的旋转驱动装置。旋转驱动装置(100)包括：曲柄构件(2)，其能够绕曲柄轴(3)旋转；第一工作缸(6a)，其具有第一活塞(7a)，该第一工作缸(6a)能够绕第一工作缸旋转轴(5a)旋转；以及第二工作缸(6b)，其具有第二活塞(7b)，该第二工作缸(6b)能够绕第二工作缸旋转轴(5b)旋转。将曲柄构件(2)和第一活塞(7a)以能够绕与曲柄轴(3)分离的第一活塞旋转轴(4a)旋转的方式连结起来，将曲柄构件(3)和第二活塞(7b)以能够绕与曲柄轴(3)分离的第二活塞旋转轴(4b)旋转的方式连结起来。

Description

旋转驱动装置和其控制方法
技术领域
本发明涉及一种旋转驱动装置，例如涉及一种能够使用于人型机器人等的驱动的旋转驱动装置。
背景技术
很多大企业、有才能的研究者对机器人进行了至少50年以上的研究，但尚未实现能够在灾害现场、护理现场、家庭等处可实际上替代人类进行作业的实用性的人型机器人。
[实现人型机器人的条件]
为了实现人型机器人，需要以与人类相同程度的重量来设计与关节数量相应的多个驱动器和其关联部件且将它们容纳于与人类相同程度的体积中，并且，要求各个驱动器具有与作业相应的强大的功率。
[驱动器的方式]
驱动器的方式存在电动、液压、气压这三种，但出于以下叙述的理由，在任一方式中均未实现满足上述条件的驱动器。
[电动伺服马达控制技术]
电动伺服马达控制技术是最先进的控制技术，其在工业领域广泛使用。很多研究者也对使用有电动伺服马达的人型机器人进行研发，还在研发通过运用AI等技术来进行接近人类的举止的机器人。另一方面，存在马达、减速器非常重驱动器每单位体积的功率较小的问题。若欲增大功率，则驱动器会进一步变大变重，从而抵消了功率增大的效果。当为了发出功率而使大电流流过小型的驱动器时，发热量会增加而产生破损。为了防止这种情况，需要进行冷却，其结果，重量、体积增加。如此，即使仅考虑到重量和体积的问题，也不可能实现大量使用电动伺服马达的人型机器人。而且，动作控制需要伺服放大器，为了防止施加有过载、反作用力时的破损，需要检测扭矩、保护电路，从而存在构造变得复杂的问题。
[液压伺服控制技术]
液压伺服控制技术与电动伺服马达控制技术同样地在工业领域中广泛使用，是在机床、工业用机械中不可或缺的技术。最大优点是驱动器每单位体积的功率较大。控制设备也众多，液压的伺服技术也高度发展。另一方面，从对人型机器人的应用的观点看，必须搭载液压源是最大的缺点。由于液压源由马达、发动机来驱动，因此重量、体积变得非常大。还需要伺服放大器。因而，难以利用液压驱动方式来实现人型机器人。另外，对于液压，缺乏压缩性，存在因过载而对周围的物体、人造成损害的危险，有可能因漏油而将周围污染，难以在对人的用途中使用。
[气压伺服控制技术]
气压缸(气压式驱动器)的主要部件能够采用铝，因此气压缸能够实现轻量化，存在每单位体积的功率较大的优点，在各种领域中作为驱动源被广泛利用。但是，气压缸的伺服控制是非常难的技术。伺服的目的是活塞位置和/或速度的控制，但基本上，在气压缸的驱动中会伴随压缩性和摩擦，因此与电动方式、液压方式相比，难以进行精准的控制。
图7示出以往的气压伺服控制的框图。该框图在电动伺服、液压伺服中也基本相同。在此，位置传感器的输出信号可以是数字信号也可以是模拟信号。通常，指令信号一般为数字信号。
气压伺服放大器通常检测指令信号与位置传感器信息的差，根据作为最优控制的PID(Proportional Integral Derivative：比例积分微分)等数字运算处理来控制气压伺服阀。但是，目前通常可获得的气压伺服阀限于模拟方式。作为目前可使用的气压伺服阀，主要是滑阀式伺服阀(专利文献1)和挡板式伺服阀(专利文献2)，但它们都是模拟方式。
图8是专利文献1的滑阀式伺服阀，该滑阀式伺服阀包括具有供给流路40、排气口42和负荷流路44这三者的套筒16和具有3个台肩部20、22、24的滑阀14，通过螺线管式的直线马达50，从而滑阀14被沿X方向驱动。当在使台肩部22与负荷流路44对齐的状态起使台肩部22向+X方向移动时，从气压源Ps向气压缸(未图示)供给空气Pa，当使台肩部22向－X方向移动时，从气压缸排出空气，当使台肩部22与负荷流路44对齐时，供排气停止。气压缸的位置或速度通过基于台肩部22的移动的负荷流路44的开度来调整。
图9是专利文献2的挡板式伺服阀，通过利用螺线管式的直线马达14使挡板22沿X方向移动，从而排气口32进行开闭，向气压缸2供给根据排气口32的开度而相应地减压了的背压Pa，由此对可动体6进行位置控制。
以上任一伺服阀都是通过利用螺线管来控制滑阀14或挡板22而调整阀开度的模拟方式，伺服放大器是必须的。另外，由于必须精密地控制阀开度，因此要求非常高度的加工技术和控制技术。并且，对于任一伺服阀而言，为了减轻摩擦等，都需要一边放出空气一边进行动作，因此，当伺服阀的数量增加时，压缩空气的使用量变得巨大。能够认为，由于上述原因，在人型机器人等要求以一定精度以上的精度进行位置控制的领域中至今几乎没有研究过气压缸。
上述电动伺服和液压伺服的缺点是根源性的，是无论怎样努力都无法避免的原理性的缺点。本发明人认为，从易于精密控制等观点考虑，今后恐怕仍会继续研究使用有电动伺服控制的人型机器人，但即使投入庞大的预算和众多的人材，也不可能实现使用有电动伺服控制的人型机器人。在电动伺服的情况下，首先在线圈的作用下转换为磁力，之后，通过磁力与磁力的排斥来使马达旋转。此时，流动的电流值本身是输出功率的源泉。电流流动时发热而一部分成为热能，进而使以高速进行旋转的旋转能量再次减速，因此，越是欲发出力而减速，能量效率越是加速地降低。因发热而使功率降低，进而，越是减速，所能够利用的能量越减少。
本发明人认为，若研发出可被称作人工肌肉的大功率的驱动器，则会有新的发展。但由于人类的肌肉现实存在，因此应该最终能够以人工方式造出同等的人工肌肉。但是，本发明人认为，在不存在那样的驱动器的目前情况下，气压伺服控制方式是为了实现人型机器人的唯一选项。
通过利用电动马达使压缩机旋转一定时间，从而制造压缩空气。此时，电动马达和压缩机这两者的大小和功率没有上限限制。也就是说，压缩空气本身就是高密度的能量，其直接作用于工作缸的驱动。故此，能够在不增加体积、重量的情况下产生人型机器人所需的功率。气压方式的缺点如上所述，但均不是根本性的缺点。在气压伺服的情况下，无法回避压缩性，但工作缸的摩擦能够根据设计而降低至极限。另外，在人型机器人的情况下，不需要如机床、工业用机械那样的精准控制。这是因为人类完全不做那样精准的动作。在以往的气压伺服阀的情况下，需要伺服放大器、极其高度的加工技术的原因是，该气压伺服阀是利用模拟方式来控制气压的方式的。
本发明人基于上述研究，解决了上述诸多问题，发明了能够达成上述[人型机器人实现的条件]的伺服阀单元，并进行了国际专利申请(PCT/JP2019/002971)。即，一种伺服阀单元，其基于与气压缸的活塞的位置相应的第一电脉冲和第二电脉冲而做动作，该伺服阀单元的特征在于，该伺服阀单元具有：共用流路；供给口，其经由基于所述第一电脉冲脉冲式地进行开闭的第一阀部而与所述共用流路连接；排气口，其经由基于所述第二电脉冲而脉冲式地进行开闭的第二阀部而与所述共用流路连接；以及驱动空气口，所述驱动空气口的一端与所述共用流路连接，在所述驱动空气口的另一端形成有用于与所述气压缸连接的连接部。
但是，人类具有的肩部的旋转范围在沿着身体侧的方向上是180°以上，在垂直于身体侧的方向上是大约90°，与此相对，在以往的工作缸驱动方式的旋转驱动装置中，存在只能在90°～120°左右的范围内进行旋转驱动的问题。
图10示出利用1个工作缸6使曲柄构件(臂)2旋转的以往的旋转驱动装置100P。如图所示，旋转驱动装置100P具有能够绕曲柄旋转轴3旋转的曲柄构件2和能够绕工作缸旋转轴5旋转的工作缸6，工作缸6和曲柄构件2以能够绕与曲柄旋转轴3分离的活塞旋转轴4旋转的方式连结起来。
在该构造中，由于能够利用轴承支承全部旋转轴3、4、5，因此能够使摩擦为最小限度。另外，通过适当地密封工作缸6的滑动密封部，并对滑动部的金属表面适当地进行表面处理，能够大大降低静摩擦和动摩擦。
但是，将工作缸6的推力设为F、将曲柄旋转轴3与工作缸旋转轴5之间的距离设为L、将工作缸6的倾斜度设为α时得到的扭矩T是：T＝F×L×sinα。角θ＝0°时，α＝0°且T＝0。同样地，θ＝180°时，α＝0°且T＝0。扭矩T达到最大的时候是工作缸中心线8成为图所示的圆的切线时，当θ接近0°或180°时，扭矩无限接近0。因此，能够进行旋转驱动的范围在实用上为90°～120°左右，例如，无法在0°～180°等较大范围内对臂进行驱动。因此，仅靠PCT/JP2019/002971的技术，无法实现进行与人类相同的动作的机器人。
已经存在产生旋转运动的气压驱动的各种旋转驱动器。还存在将多个叶片状的板伸缩自如地埋入转子的、在将偏心的内壁密封的情况下进行旋转的构造、将齿条齿轮和气缸组合起来的构造、如发动机那样的构造。然而，它们都无法用作机器人控制用的驱动器。其原因在于，旋转驱动器方式的摩擦较大，能够自如地进行速度控制、位置控制，而发动机方式只能单向旋转，或正转或反转，并且在构造上无法实现在任意的位置停止。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007－187296号公报
专利文献2：日本特开2006－057719号公报
专利文献3：日本特开2011－127560号公报
发明内容
发明要解决的问题
一技术方案的本发明的目的在于，提供具有比以往大的旋转驱动范围、优选具有150°，更优选具有170°，进一步优选具有180°，特别优选具有180°以上的旋转驱动范围的旋转驱动装置和/或能够将摩擦力降低至极限的旋转驱动装置和/或还能够进行位置控制和/或速度控制的旋转驱动装置和/或用于对能够进行与人类相同的动作的机器人进行驱动的旋转驱动装置。
用于解决问题的方案
在优选技术方案中，公开一种旋转驱动装置，其特征在于，该旋转驱动装置包括：曲柄构件，其能够绕曲柄轴旋转；第一工作缸，其具有第一活塞，该第一工作缸能够绕第一工作缸旋转轴旋转；以及第二工作缸，其具有第二活塞，该第二工作缸能够绕第二工作缸旋转轴旋转，所述曲柄构件和所述第一活塞以能够绕与所述曲柄轴分离的第一活塞旋转轴旋转的方式连结起来，所述曲柄构件和所述第二活塞以能够绕与所述曲柄轴分离的第二活塞旋转轴旋转的方式连结起来。
在上述旋转驱动装置中，优选的是，所述第一工作缸和/或第二工作缸是气压式工作缸。
在上述旋转驱动装置中，优选的是，该旋转驱动装置还具有伺服阀单元，该伺服阀单元能够对输出气压脉冲式地进行ON/OFF切换，所述第一工作缸和/或第二工作缸被所述伺服阀单元驱动。
在优选的另一技术方案中，公开一种上述旋转驱动装置的控制方法，其特征在于，该控制方法具有在所述第一工作缸或第二工作缸的下止点附近和/或上止点附近使所述第一工作缸或第二工作缸为无负荷状态的步骤。
在上述控制方法中，优选的是，该控制方法还具有在使曲柄构件向一个方向旋转的过程中以所述第一工作缸或第二工作缸的下止点为界来使所述第一活塞或第二活塞的移动方向反转的步骤。
附图说明
图1表示本发明的一实施方式的旋转驱动装置100。主工作缸6a位于下止点。图1的(a)是主视图，图1的(b)是侧视图。
图2表示主工作缸6a位于下止点与上止点的中间的旋转驱动装置100。
图3表示主工作缸6a位于上止点的旋转驱动装置100。
图4表示旋转驱动装置100的角度θ、β与扭矩T1、T2之间的关系。
图5表示能够对工作缸6a、6b进行驱动的伺服阀单元60和其控制系统200的优选方式。
图6表示另一方式的伺服阀单元60A和其控制系统200A。
图7表示以往的气压伺服控制的框图。
图8表示以往技术的滑阀式伺服阀。
图9表示以往技术的挡板式伺服阀。
图10表示利用1个工作缸6使臂2旋转的以往的旋转驱动装置100P。
具体实施方式
图1～图3表示本发明的一实施方式的旋转驱动装置100。在图1中，主工作缸6a处于下止点，在图3中，主工作缸6a处于上止点，在图2中，主工作缸6a处于下止点与上止点的中间的位置。
旋转驱动装置100具有曲柄构件2、主工作缸(第一工作缸)6a和副工作缸(第二工作缸)6b。主工作缸6a具有沿直线方向进行进退动作的主活塞(第一活塞)7a，副工作缸6b具有沿直线方向进行进退动作的副活塞(第二活塞)7b。本例子的工作缸6a、6b是气压式，但也可以是液压式的工作缸。也可以是使活塞7a、7b(或者任意形状的驱动构件)沿直线方向进行进退移动的其他方式的驱动器。在通常的工作缸中，活塞和活塞杆一体地移动。本申请的“活塞”能够指活塞杆或者活塞和活塞杆这两者。
曲柄构件2能够绕曲柄旋转轴3旋转。主工作缸6a能够绕主工作缸旋转轴(第一工作缸旋转轴)5a旋转，副工作缸6b能够绕副工作缸旋转轴(第二工作缸旋转轴)5b旋转。
主活塞7a和曲柄构件2通过与曲柄旋转轴3分离的主活塞旋转轴(第一活塞旋转轴)4a可旋转地连结起来，副活塞7b和曲柄构件2通过与曲柄旋转轴3分离的副活塞旋转轴(第二活塞旋转轴)4b可旋转地连结起来。因此，主工作缸6a、副工作缸6b和曲柄构件2形成以旋转轴5a、5b为固定端且以旋转轴4a、4b为自由端的连杆构造(4节连杆构造)。在图中，示出圆盘形状的曲柄构件2，但若能够构成上述连杆构造，则曲柄构件2的形状、构造等是任意的。各旋转轴3、5a、5b固定于共同的基座1，旋转轴4a、4b能够固定于曲柄构件2。
曲柄构件2可具有与曲柄构件2一体地旋转的臂2a。臂2a例如能够用作机器人的四肢等。臂2a的安装角度是任意的。在图1～图3的例子中，臂2a和曲柄构件2以主活塞7a位于下止点(参照图1)时曲柄旋转角(臂2a与铅直方向所成的角度)θ为0°，主活塞7a位于上止点(参照图3)时曲柄旋转角θ为180°的方式固定。在图中，在曲柄构件2与臂2a之间配置有凸台2b，曲柄旋转轴3支承于凸台2b的开口，但也可以是，在凸台2b的外侧借助轴承来支承曲柄旋转轴3。
活塞7a可具有弯曲部8，以便在使臂2a(曲柄构件2)旋转180°或者180°以上时主活塞7a不会与曲柄旋转轴3干扰。弯曲部8可具有与曲柄旋转轴3互补的形状、例如180°左右的圆环形状(圆弧形状)。圆环形状可具有比曲柄旋转轴3或凸台2b的外径大的内径。
各旋转轴3、4a、4b、5a、5b期望配置为，在主活塞7a作用于曲柄构件2的旋转扭矩T1变小的上止点或下止点附近，副活塞7b作用于曲柄构件2产生的扭矩T2变大。并且，工作缸6a、6b彼此不干扰和将各构件紧凑地配置(减小装置100的占有体积)也很重要。若考虑这些情况，则5a－2－5b所成的角度A和/或4a－2－4b所成的角度B优选为30°～60°，更优选为40°～50°。图1～图3是1个最优例，在角度A和角度B为45°且主活塞旋转轴4a在θ＝0°～180°的范围内旋转时，副活塞旋转轴4b在β＝－90°～+90°的范围内旋转。但是，也能够根据旋转驱动装置100的设置空间的体积、形状等而相应地进行其他配置。例如，也能够将角度A设在90°附近，将角度B设在0°附近。活塞旋转轴4a、4b也可以是共同的轴。
在旋转驱动装置100中，角度θ、β与扭矩T1、T2之间的关系如图4所示。在活塞7a、7b分别成为作为旋转轴4a、4b的轨迹的圆的切线时，扭矩T1、T2达到最大，因此，如图所示，扭矩T1在θ＜90°中的90°附近达到最大，扭矩T2在－90°＜β＜90°中的±90°的附近达到最大。
在本例子中，角度θ、β间的相位差约为90°，副工作缸6b的扭矩T2变大的β＝±90°附近的区域Sa、Sb与主工作缸6a的扭矩T1变小的θ＝0°或180°附近的区域Mb、Mc对应。因此，在以往的旋转驱动装置100P中无法得到充分的扭矩T的θ＝0或180°附近，也能够得到足够大的扭矩T2。由此，能够以θ＝0°～180°或这以上的旋转角度范围来驱动曲柄构件2(臂2a)。并且，由于能够使合成扭矩T1+T2均衡化，因此提高了旋转驱动的稳定性、自如性。角度θ、β之间的相位差优选为80°～100°，特别优选为85°～95°。通过使工作缸6a、6b的输出、各旋转轴3、4a、4b、5a、5b的位置关系等最优化，能够实现合成扭矩T1+T2的进一步的均衡化。
在旋转驱动装置100中，期望进行如下控制(控制1)，即，在使臂2a向一定方向旋转时，以β＝0°附近为界使副工作缸6b的驱动方向反转，同样地，以θ＝0°或180°附近为界使主工作缸6a的驱动方向反转。这是为了防止扭矩T1、T2向相反方向作用。
也能够进行如下控制(控制2)，即，在区域Mb、Mc中使主工作缸6a为无负荷状态(使两个活塞室为排气状态)和/或在区域Sc中使副工作缸6b为无负荷状态(使两个活塞室为排气状态)。例如，通过将两个活塞室向大气压开放，能够使工作缸6a、6b为无负荷状态。由此，各区域Mb、Mc、Sc中的各工作缸6a、6b的输出(阻力)成为零或大致零，因此，能够消除扭矩T1、T2向相反方向作用的问题。另外，由于不对使驱动方向反转的时刻做严格性要求，因此易于进行控制。
此外，在工作缸6a、6b为气压式的工作缸的情况下，空气有压缩性，区域Mb、Mc的扭矩T1和区域Sc的扭矩T2微小。因此，不要求控制1的时刻的严格性，不进行控制2，也不会产生大问题。与此相对，在工作缸6a、6b为液压式的工作缸、滚珠丝杠式驱动器等的情况下，因相反方向的扭矩T1、T2而产生输出损失、过载所导致的破损等的可能性较高，因此需要更严格地进行控制1，控制2的有用性也较高。
图5示出能够在旋转驱动装置100的工作缸6a、6b的驱动中较佳地使用的气压伺服阀单元60和其控制系统200的优选方式。控制系统200具有伺服阀单元60、气压缸40(对应于主工作缸6a或副工作缸6b)和控制器50。伺服阀单元60具有阀体10，该阀体10形成有共用流路11、供给口(供给流路)12、排气口(排气流路)13、驱动空气口(驱动空气流路)14等中空空间。阀体10可以是由金属、塑料等构成的多个配件的组装体。
供给口12的一端经由能够进行基于第一电脉冲S1的脉冲式的开闭动作的第一阀部20R与共用流路11连接。供给口12的另一端可具有连接部(接头等)12a，该连接部(接头等)12a用于与用于供给高压空气S的压缩机、储气罐等高压空气源连接。排气口13的一端经由能够进行基于第二电脉冲S2的脉冲式的开闭动作的第二阀部20L与共用流路11连接。排气口13的另一端经由阀体10的外壁10a的开口13a与外部(例如大气压)连接。驱动空气口14的一端与共用流路11始终连接。驱动空气口14的另一端可具有用于与气压缸40的一个工作缸室41连接的连接部(接头等)14a。在图中，共用流路11、供给口12和排气口13沿阀体10的轴线方向延伸，驱动空气口14从共用流路11的适当部位沿径向引出。也能够是其他方式。
本实施方式的第一阀部20R和第二阀部20L具有左右对称(线对称)的相同构造。在图中，为了简化，省略了第二阀部20L的一部分构件的附图标记。以下，在不需要区分第一阀部20R和第二阀部20L的情况下，简称为阀部20。本实施方式的阀部20具有在供给口12的顶端和排气口13的顶端形成的喷嘴21、通过与喷嘴21的顶端抵接来使喷嘴21闭塞的阀座22、能够与阀座22一体地沿轴线方向移动的磁性体23、沿轴线方向对阀座22和磁性体23施力的弹簧等施力构件24、在轴线方向上与喷嘴21分离地配置的固定磁芯25和对固定磁芯25进行励磁的螺线管26。为了引导磁性体23的轴线方向移动，磁性体23具有与喷嘴21的外形互补的侧壁23a为宜。
在不对螺线管26通电的状态下，在施力构件24的力的作用下使阀座22抵接于喷嘴21，因此，阀部20为OFF(关闭的状态)，当对螺线管26通电时，在固定磁芯25的磁力的作用下，阀座22离开喷嘴21而阀部20为ON(打开的状态)。
第一阀部20R的阀座22周围的喷嘴空间11a与第二阀部20L的阀座22周围的喷嘴空间11a之间的空间通过共用流路11始终连接。即，喷嘴空间11a和固定磁芯25周围的外周空间11b经由形成于喷嘴21侧面的轴线方向的通槽11c而连接起来，外周空间11b和容纳施力构件24的弹簧空间11d通过径向的通孔11e连络起来。通槽11c和通孔11e能够在喷嘴21的周向上隔开间隔地形成多个。左右的阀部20R、20L的弹簧空间11d彼此通过连络通路11f连接。
以下，有时将伺服阀单元60的左半部分和右半部分称作伺服阀元件30A、30B。
气压缸40具有工作缸室41、42、活塞43(对应于主活塞7a或副活塞7b)和对活塞43施力的弹簧等施力部件44，活塞43的轴线方向位置能够通过位置传感器45检测出来。工作缸室41、42的形状是任意的，可以为圆筒形以外的形状。控制器50产生第一电脉冲(DC脉冲)S1和第二电脉冲(DC脉冲)S2。第一电脉冲S1和第二电脉冲S2可以是与活塞43的位置、期望的速度等相应的信号。第一电脉冲S1和第二电脉冲S2可具有与活塞43的位置或速度相应的占空比。控制器50例如能够由计算机构成。
当使电脉冲S1为ON且使电脉冲S2为OFF时，第一阀部20R为ON，且第二阀部20L为OFF，高压空气S从供给口12经由共用流路11和驱动空气口14向工作缸室41供给，能够使活塞43向左方移动。当使电脉冲S1为OFF且使电脉冲S2为ON时，第一阀部20R为OFF，且第二阀部20L为ON，工作缸室41的空气经由驱动空气口14、共用流路11和排气口13从开口13a向外部排出，在施力部件44的力的作用下，活塞43向右方移动。当使两个电脉冲S1、S2为OFF时，相对于工作缸室41的供排气成为停止状态。
如此，通过电脉冲S1、S2的控制，从而使阀部20R、20L脉冲式地进行开闭，能够对相对于工作缸室41的输出气压脉冲式地进行ON/OFF切换(供气/停止的切换、排气/停止的切换)。通过使切换高速化，能够使活塞43的位置控制精密化、顺畅化。基本上，当增大电脉冲S1或电脉冲S2的占空比时，活塞43的驱动力变大，当减小占空比时，活塞43的驱动力变小。因此，在活塞43的当前位置与目标位置的差Δd较大时，增大占空比而使活塞43高速移动，在差Δd变小时，减小占空比而使活塞43减速，通过使占空比为零(信号停止)，能够使活塞43停止。但是，为了进行迅速的定位、追随控制，需要在开始移动时使速度较慢，然后逐渐加速，之后进行减速并停止等控制。另外，需要根据机器人的作业内容等而相应地进行使速度自如变化的控制。在这些控制中，供排气切换的高速化是必须的，供排气切换的最大频率为100Hz以上，优选为300Hz以上，进一步优选为500Hz以上，特别优选为1000Hz以上。在本实施方式的伺服阀单元60的情况下，在试制阶段实现了300Hz～500Hz的高速切换，并确认了，在内置有由伺服阀单元60驱动的气压缸的人型机器人的臂单元的试制机的情况下能够实现接近人类的动作。本发明人认为通过今后的改良还能够达到1000Hz。
伺服阀单元60还可具有用于减轻排气声的消声板16。消声板16在与开口13a重叠的位置(堵塞开口13a的位置)处与外壁10a隔开间隙G地安装于阀体10。期望的是，消声板16相较开口13a具有足够大的面积，消声板16与外壁10a平行。排气口13在开口13a侧可具有截面积较大的空洞部13b。随着从喷嘴21经由空洞部13b向间隙G的外周去而排出的空气逐渐膨胀，因此能够有效地缓和向大气释放时的爆破声。在将空洞部13b的圆周长设为L、将间隙设为G、将喷嘴21的开口面积设为SA1时，期望L×G与SA1大致相等。也可以使排气口13的截面积从喷嘴21朝向开口13a去多级或连续地增加。若通过利用具有弹性的弹性体16a来固定消声板16等方式而使间隙G根据排气压力相应地增减，则能够进一步使排气压力均衡化而提高消声效果。上述结构虽然不是100％的消声，但能够在实现作为本发明的较大目的的省空间的同时实现相当大的消声效果。
图6表示另一方式的伺服阀单元60A和其控制系统200A。伺服阀单元60A是以供给口12彼此相对的方式配置两个伺服阀单元60R、60L并容纳于单个阀体10的构造，其由4个伺服阀元件30AL、30AR、30BL、30BR构成。伺服阀单元60R、60L具有与伺服阀单元60相同的结构，但两个供给口12在中央连结并从阀体10的侧面引出。驱动空气口14分别从阀体10的侧面引出，并与气压缸40的各工作缸室连接。优选的是，将供给口12的连接部12a和驱动空气口14的连接部14a设置在阀体10的同一侧面和/或相邻的位置。
控制器50向左右的伺服阀单元60R、60L施加与气压缸40的活塞位置、期望的活塞速度等相应的电脉冲S1、S2。在本例子中，电脉冲S1施加于伺服阀元件30AL和伺服阀元件30BR，电脉冲S2施加于伺服阀元件30BL和伺服阀元件30AR。由此，伺服阀单元60R、60L与伺服阀单元60同样地动作而左右驱动活塞43。此外，在附图的布线中，伺服阀元件30AL和伺服阀元件30BR被同时励磁，伺服阀元件30BL和伺服阀元件30AR被同时励磁，但它们也可以分别独立地励磁，可以改变对于各伺服阀元件30AL、30AR、30BL、30BR的各电脉冲的脉冲数。
在上述伺服阀单元60、60A中，能够在不使用伺服放大器的情况下高精度地控制气压缸40(6a、6b)，另外，不需要以往的气压伺服阀那样的加工精度，也不需要空气的放出。特别是，通过使阀部的ON/OFF的切换速度或者相对于气压缸的供排气的切换速度为100Hz以上，能够进行活塞43(7a、7b)的顺畅的移动速度和停止位置控制。通过使切换速度为300Hz以上，更优选为500Hz以上，进一步优选为1000Hz以上，能够进一步提高活塞移动速度和停止位置的控制性。此外，由于各工作缸室、流路具有一定的体积，惯性扭矩、一些摩擦会作用于活塞，因此，即使脉冲状地切换供排气，活塞也会以不受影响的顺畅性做动作。
本发明人制作了使用有上述伺服阀单元60A的旋转驱动装置100的试制品。旋转驱动装置100的工作缸6a、6b的内径为60mmφ，使用了0.4MPa的高压空气。伺服阀单元60A的尺寸为20×25×70mm。使用该试制品，在63cm的铁制臂的顶端固定了最大5.3Kg的重物，确认了能够在0°～180°的范围内自如地控制转速、停止位置。视频拍摄了动作的样子，并上传到了youtube(URL：https：//youtu.be/mAEVIudfmno)上。并且，制作了安装有8组上述试制品的人类大小的人型机器人的臂单元，使臂单元的顶端(手掌部)握持最大12.5kg的重物，确认了能够自如地进行举放动作。将动作的样子上传到了youtube(URL：https：//youtu.be/7cVjNuoC_w8，https：//youtu.be/FxbWDoIcv_k，https：//youtu.be/5XO8cX9oREA，https：//youtu.be/0qnxH6PFCwo)上。在该臂单元中，8个伺服阀单元全部容纳于上臂部分。
由于本发明的研发的动机是人型机器人(人型救灾机器人)，因此，主要说明了对人型机器人的应用，但本发明也能够应用于人型机器人以外的各种机器人(例如蜥蜴型、蜈蚣型或多腿机器人、四腿动物机器人等)。还能够应用于护理辅助机器人、作业辅助机器人等除救灾机器人以外的机器人。并且，本发明也能够应用于机器人以外的领域。能够广泛应用于工业用机器、家庭用机器中的可动构件(臂1a)的驱动。
本申请的工作缸(第一工作缸和第二工作缸)是能够驱动活塞(或驱动杆)而使其直线地进退的直线驱动器。本申请的工作缸不仅包含工作缸方式的驱动器，还包含滚珠丝杠式驱动器、滚珠花键式等其他方式的驱动器。在使用于人型机器人的情况下，优选是能够通过空气的压缩性来吸收反作用力的气压式的工作缸。
上述实施方式中记载的旋转驱动装置、伺服阀单元或控制系统或它们的构成要素的尺寸、形状、配置、个数、材料、特性等都是例示，这些能够在权利要求书所记载的发明的范围和不改变其本质的范围内进行适当变更。
附图标记说明
1、基座；2、曲柄构件；2a、臂；2b、凸台；3、曲柄旋转轴；4a、第一活塞旋转轴；4b、第二活塞旋转轴；5a、第一工作缸旋转轴；5b、第二工作缸旋转轴；6a、第一工作缸；6b、第二工作缸；7a、第一活塞；7b、第二活塞；8、弯曲部；10、阀体；11、共用流路；12、供给口；13、排气口；14、驱动空气口；16、消声板；50、控制器；60、60A、伺服阀单元；100、旋转驱动装置；200、200A、控制系统。

Claims (5)

1.一种旋转驱动装置，其特征在于，
该旋转驱动装置包括：曲柄构件，其能够绕曲柄轴旋转；第一工作缸，其具有第一活塞，该第一工作缸能够绕第一工作缸旋转轴旋转；以及第二工作缸，其具有第二活塞，该第二工作缸能够绕第二工作缸旋转轴旋转，
所述曲柄构件和所述第一活塞以能够绕与所述曲柄轴分离的第一活塞旋转轴旋转的方式连结起来，
所述曲柄构件和所述第二活塞以能够绕与所述曲柄轴分离的第二活塞旋转轴旋转的方式连结起来。
2.根据权利要求1的旋转驱动装置，其特征在于，
所述第一工作缸和/或第二工作缸是气压式工作缸。
3.根据权利要求2的旋转驱动装置，其特征在于，
该旋转驱动装置还具有伺服阀单元，该伺服阀单元能够对输出气压脉冲式地进行ON/OFF切换，
所述第一工作缸和/或第二工作缸被所述伺服阀单元驱动。
4.一种权利要求1至3中任一项的旋转驱动装置的控制方法，该控制方法的特征在于，
该控制方法具有在所述第一工作缸或第二工作缸的下止点附近和/或上止点附近使所述第一工作缸或第二工作缸为无负荷状态的步骤。
5.根据权利要求4的控制方法，其特征在于，
该控制方法还具有在使曲柄构件向一个方向旋转的过程中以所述第一工作缸或第二工作缸的下止点为界来使所述第一活塞或第二活塞的移动方向反转的步骤。
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