JP2000346008A - 油・空気圧ハイブリッドアクチュエータ及びそれを組み合わせた２自由度油・空気圧ハイブリッドアクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 空気圧シリンダと油圧シリンダとを用いて、
時間遅れを低減できると共に、急激な速度増加及び停止
位置での振れを軽減できる高出力の油・空気圧ハイブリ
ッドアクチュエータを提供する。 【解決手段】 空気圧シリンダ１、３、及び油圧シリン
ダ２が、それぞれ、上プレート４に並列に取り付けられ
ている。空気圧制御バルブ７Ａ、７Ｂは、コントローラ
Ｃからの制御信号に基づいて空気圧シリンダ１、３のチ
ャンバ１Ａ、３Ａの作動空気の給気と排気とを制御す
る。コントローラＣから制御バルブ１１に制御信号が送
られると、制御バルブ１１の開度が制御されて、作動油
の流量が制限される、あるいは、通路が完全に閉鎖さ
れ、作動油の流れが阻止される。制御バルブ１１の開度
を変化させてダンピング係数を変え、油圧シリンダ２を
ダンパとして用いることができると共に、通路を完全に
閉鎖することで油圧シリンダ２をブレーキとして用いる
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロボットなどのメ
カトロニクスシステムに用いられる油・空気圧ハイブリ
ッドアクチュエータに係り、特に、福祉及び農業などの
分野におけるロボットのための、空気圧シリンダと油圧
シリンダとを用いた油・空気圧ハイブリッドアクチュエ
ータ及びそれを組み合わせた２自由度油・空気圧ハイブ
リッドアクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、メカトロニクスシステムにおける
アクチュエータとして油圧シリンダ及び空気圧シリンダ
が用いられている。油圧シリンダは、圧縮性が小さく、
潤滑性がよく、しかも粘性が大きい作動油を用いてお
り、安定した運動で速度を微動調節することが可能であ
る。この油圧シリンダに対して、空気圧シリンダの方
は、圧縮性の大きい作動空気を用いており、短時間内に
高速で大きな出力を得ることができると共に、空圧機器
が軽量で安価であるという利点がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、現在、人口
の高齢化及び後継者不足から、福祉及び農業などの分野
で用いられるロボットのための、従来の産業用ロボット
ほど高い精度を必要としないが、安価で軽量であって、
軟らかく対象物を取り扱える高出力のアクチュエータの
開発が必要とされている。

【０００４】しかしながら、このようなアクチュエータ
として、空気圧シリンダおよび油圧シリンダを用いるに
は、それぞれ以下のような問題がある。すなわち、空気
圧シリンダは、圧縮性の大きい空気を用いることで、時
間的遅れと、急激な速度増加及び停止位置での振れとい
う瞬間的変動とがある。このため、空気圧シリンダは、
速応性が低く、安定性に欠け、さらに制御精度もよくな
いという問題がある。また、応答性を上げるために比例
ゲインを大きくすると、安定性と制御精度とはさらに悪
くなってしまう。そのため、空気圧シリンダは、そのほ
とんどがプッシュ・プルの簡単な動作で使用されてい
る。

【０００５】一方、油圧シリンダでは、アクチュエータ
として用いる場合に、作動油管の配管構成が複雑にな
り、油圧機器の軽量化を図ることができず、高価である
という問題がある。

【０００６】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その第１の目的は、空気圧シリンダと油圧シリン
ダとを用いて、時間遅れを低減できると共に、急激な速
度増加及び停止位置での振れを軽減できる高出力の油・
空気圧ハイブリッドアクチュエータを提供することにあ
る。

【０００７】また、本発明の第２の目的は、安価で軽量
であり、軟らかく対象物を取り扱える油・空気圧ハイブ
リッドアクチュエータを提供することにある。

【０００８】更に、本発明の第３の目的は、福祉及び農
業などの分野で用いられるロボットのための、安価で軽
量であって、時間遅れ及び瞬間的な変動が軽減され、軟
らかく対象物を取り扱うことができる高出力の２自由度
油・空気圧ハイブリッドアクチュエータを提供すること
にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の油・空気
圧ハイブリッドアクチュエータは、シリンダを有する本
体と、シリンダ内を摺動するピストンに固定されたピス
トンロッドとを備えてなる油圧シリンダと、シリンダを
有する本体と、シリンダ内を摺動するピストンに固定さ
れたピストンロッドとを備えてなる空気圧シリンダと、
油圧シリンダの本体と前記空気圧シリンダの本体とを並
列して取付ける取付部材と、油圧シリンダのピストンロ
ッドの先端部と空気圧シリンダのピストンロッドの先端
部とを連結する連結部材とを備え、空気圧シリンダのピ
ストンロッドの動きを、連結部材を介して、油圧シリン
ダによって規制してなることを特徴とするものである。

【００１０】この油・空気圧ハイブリッドアクチュエー
タでは、油圧シリンダのピストンロッドの先端部と空気
圧シリンダのピストンロッドの先端部とが連結部材で連
結され、空気圧シリンダのピストンロッドの動きが油圧
シリンダの作動油の抵抗力で規制される。

【００１１】請求項２記載の油・空気圧ハイブリッドア
クチュエータは、請求項１記載のものにおいて、油圧シ
リンダが、この油圧シリンダのピストンの両サイドに形
成されるチャンバに作動油を供給するポートを有し、こ
れらのポートがその途中に通路の面積を変化させる変化
手段を有する作動油管によって連結されてなるものであ
る。

【００１２】この油・空気圧ハイブリッドアクチュエー
タでは、油圧シリンダのポート間が、その面積を変化さ
せる変化手段を介した作動油管で連結され、アクチュエ
ータとしての空気圧シリンダにダンパあるいはブレーキ
としての油圧シリンダとが組み合わされる。

【００１３】請求項３記載の油・空気圧ハイブリッドア
クチュエータは、請求項２記載のものにおいて、空気圧
シリンダのピストンの両サイドに形成されたチャンバで
の作動空気の給気・排気を制御する制御手段を有してな
るものである。

【００１４】この油・空気圧ハイブリッドアクチュエー
タでは、制御手段が、空気圧シリンダのチャンバの作動
空気の給気・排気を制御して、空気圧シリンダのピスト
ンロッドの動作を制御する。

【００１５】請求項４記載の油・空気圧ハイブリッドア
クチュエータは、その周面に螺旋状の溝を設けた中心ロ
ッドと、この中心ロッドの先端部に対して溝を介した位
置で、回転のみ可能に挿通された取付部材と、この取付
部材と対向し、中心ロッドの先端部にて回転のみ可能に
支持された回転部材と、取付部材と回転部材とを連結
し、一体とする枠組部材と、回転部材に回転可能に支持
されたレバーと、取付部材に、その本体にて固定された
油圧シリンダのピストンロッドの先端部、及びその本体
にて固定された空気圧シリンダのピストンロッドの先端
部を連結する連結部材に突設された突部を溝に嵌入して
なる第１の油・空気圧ハイブリッドアクチュエータと、
取付部材に、その本体にて回転可能に支持された油圧シ
リンダのピストンロッドの先端部、及びその本体にて回
転可能に支持された空気圧シリンダのピストンロッドの
先端部を連結する連結部材が、レバーを回転可能に支持
してなる第２の油・空気圧ハイブリッドアクチュエータ
とを備え、第１の油・空気圧ハイブリッドアクチュエー
タ及び第２の油・空気圧ハイブリッドアクチュエータの
油圧シリンダと空気圧シリンダとが、請求項３記載の油
・空気圧ハイブリッドアクチュエータの油圧シリンダと
空気圧シリンダとによってそれぞれ構成されてなるもの
である。

【００１６】この油・空気圧ハイブリッドアクチュエー
タでは、レバーは、第１の油・空気圧ハイブリッドアク
チュエータにおける空気圧シリンダのピストンロッドの
伸縮動作、即ち油圧シリンダに規制された伸縮動作に基
づく突部の溝内での移動によって、中心ロッドの回転中
心線を中心として回転されると共に、第２の油・空気圧
ハイブリッドアクチュエータにおける空気圧シリンダの
ピストンロッドの伸縮動作、即ち油圧シリンダに規制さ
れた伸縮動作に基づく連結部材の移動によって、回転部
材のレバー支点を中心として回転される。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００１８】図１は、本発明の一実施の形態に係る２自
由度油・空気圧ハイブリッドアクチュエータを示す概略
構成図である。図２は、図１の２自由度油・空気圧ハイ
ブリッドアクチュエータを構成する基本となる油・空気
圧ハイブリッドアクチュエータを示す概略構成図であ
る。

【００１９】まず、図２を参照して、油・空気圧ハイブ
リッドアクチュエータについて説明する。

【００２０】この油・空気圧ハイブリッドアクチュエー
タは、空気圧シリンダ１、油圧シリンダ２及び空気圧シ
リンダ３を備えている。これら空気圧シリンダ１、油圧
シリンダ２及び空気圧シリンダ３は、それぞれ、空気圧
シリンダ１の本体１ａ、油圧シリンダ２の本体２ａ、空
気圧シリンダ３の本体３ａの各基端部おいて、取付部材
としての上プレート４に並列に取り付けられている。空
気圧シリンダ１は、本体１ａのシリンダ１ｂ内を摺動す
るピストン１ｃと、このピストン１ｃに固定されたピス
トンロッド１ｄとを有している。空気圧シリンダ１のシ
リンダ１ｂの両端部近傍には、図示しない上下ポートが
それぞれ設けられており、これらの上下ポートには、図
示しない空圧源から作動空気管５，６が空気圧制御バル
ブ７Ａ，７Ｂを介して接続されている。なお、シリンダ
１ｂ内はピストン１ｃによって上側チャンバ１Ａと下側
チャンバ１Ｂとに区画されている。

【００２１】同様に、空気圧シリンダ３は、本体３ａの
シリンダ３ｂ内を摺動するピストン３ｃと、このピスト
ン３ｃに固定されたピストンロッド３ｄとを有してい
る。空気圧シリンダ３のシリンダ３ｂの両端部近傍に
は、図示しない上下ポートがそれぞれ設けられており、
これらの上下ポートには、図示しない空圧源から作動空
気管５，６が空気圧制御バルブ７Ａ，７Ｂを介して接続
されている。なお、シリンダ３ｂ内はピストン３ｃによ
って上側チャンバ３Ａと下側チャンバ３Ｂとに区画され
ている。

【００２２】油圧シリンダ２は、本体２ａのシリンダ２
ｂ内を摺動するピストン２ｃと、このピストン２ｃに固
定されたピストンロッド２ｄとを有している。また、シ
リンダ２ｂの両端部近傍には、図示しない上下ポートが
それぞれ設けられており、これらの上下ポートには、作
動油管９，１０が、その途中に油圧制御バルブ１１を介
して接続されている。なお、シリンダ２ｂ内はピストン
２ｃによって上側チャンバ２Ａと下側チャンバ２Ｂとに
区画されている。

【００２３】油圧シリンダ２のピストンロッド２ｄの先
端部と空気圧シリンダ１，３のピストンロッド１ｄ，３
ｄの先端部とは、連結部材としての連結板１２に固定さ
れている。

【００２４】この油・空気圧ハイブリッドアクチュエー
タはコントローラＣを備えている。このコントローラＣ
は、空気圧制御バルブ７Ａ，７Ｂ及び制御バルブ１１に
接続されており、コントローラＣから空気圧制御バルブ
７Ａ，７Ｂ及び制御バルブ１１にそれぞれ制御信号を送
るようになっている。空気圧制御バルブ７Ａは、制御信
号に基づいて空気圧シリンダ１のチャンバ１Ａ及び空気
圧シリンダ３のチャンバ３Ａの作動空気の給気と排気と
を制御するようになっている。また、空気圧制御バルブ
７Ｂは、コントローラＣから送られた制御信号に基づき
空気圧シリンダ１のチャンバ１Ｂ及び空気圧シリンダ３
のチャンバ３Ｂの作動空気の給気と排気とを制御するよ
うになっている。また、コントローラＣから制御バルブ
１１に制御信号が送られると、制御バルブ１１の開度が
制御されて、作動油の流量が制限される、あるいは、通
路が完全に閉鎖され、作動油の流れが阻止されるように
なっている。このように、制御バルブ１１の開度を変化
させてダンピング係数を変え、油圧シリンダ２をダンパ
として用いることができると共に、通路を完全に閉鎖す
ることで油圧シリンダ２をブレーキとして用いることが
できる。なお、空気センサ８ａ，８ｂは圧力を制御する
ためのものである。これら空気センサ８ａ，８ｂは、位
置のみを制御するのであれば特に必要としないが、コン
プライマンス（やわらかさ）を制御するために、両チャ
ンバ内の空気圧を制御するために用いられる。また、空
気センサ８ａ，８ｂで検出される圧力を中心にコントロ
ーラＣのフィードバック信号として使用すると、制御性
も安定化する。

【００２５】次に、図１に示した２自由度油・空気圧ハ
イブリッドアクチュエータについて説明する。

【００２６】この２自由度油・空気圧ハイブリッドアク
チュエータは、中心ロッド１３を有しており、この中心
ロッド１３には、螺旋状の溝１３ａが設けられいる。取
付部材としての上プレート１４は、略長方形で、その略
中央部には中心ロッド１３の径よりやや大きい径の穴が
設けられている。中心ロッド１３の溝１３ａの上方位置
には、上プレート１４が挿通され、回転のみ可能に支持
されている。この上プレート１４には、枠組部材として
の支持ロッド１５，１６が平行に設けられ、これらのロ
ッド１５，１６の自由端には、回転部材としての下プレ
ート１７が固定されている。この下プレート１７には、
上プレート１４の穴と略同じ径の穴が設けられている。
中心ロッド１３の下端部には、下プレート１７が挿通さ
れ、回転可能に支持されている。下プレート１７には、
回転部材としてのコ字状支持部１８が固定されており、
この支持部１８の両側部１８ａにはピン支持穴が穿設さ
れている。

【００２７】レバー２０の一端には、プレート２１がプ
レート面に略垂直になるように固定されている。このプ
レート２１には、ピン支持穴を有する支持部材２２が固
定されている。この支持部材２２の左右幅で略中央部に
は、支持板２１ａがレバー２０の軸方向に略一致して突
設されている。この支持板２１ａの自由端側には、図示
しないピン挿通用穴が設けられている。支持板２１ａの
自由端側の穴には、支持部１８の両側部１８ａの穴から
通されたピン２３が挿通されており、レバー２０が回転
方向Ｒ、あるいは回転方向Ｓに回転すると、ピン２３も
共に回転するようになっている。なお、支持部１８の両
側部１８ａの一側には、ピン２３の端部に接続されたエ
ンコーダ２４が配設されている。このエンコーダ２４は
コントローラＣに接続されており、レバー２０がピン２
３の回転中心線を回転中心として回転する回転角度を検
出して、検出結果をコントローラＣに送るようになって
いる。

【００２８】上プレート１４には、油圧シリンダ２５と
空気圧シリンダ２６とが並列され、それぞれの本体２５
ａ，２６ａの基端部で固定されている。油圧シリンダ２
５は、油圧シリンダ２と同様の構造になっている。油圧
シリンダ２５は、本体２５ａのシリンダ２５ｂ内を摺動
するピストン２５ｃ（図示せず）と、このピストン２５
ｃに固定されたピストンロッド２５ｄとを有している。
シリンダ２５ｂの両端部近傍には、図示しない上下ポー
トがそれぞれ設けられている。これらの上下ポートに
は、作動油管９，１０が、その途中に油圧制御バルブ１
１を介して接続されている。なお、シリンダ２５ｂ内は
ピストン２５ｃによって図示しない上側チャンバ２５Ａ
と下側チャンバ２５Ｂとに区画されている。

【００２９】空気圧シリンダ２６は、空気圧シリンダ１
と同様の構造になっており、本体２６ａのシリンダ２６
ｂ内を摺動するピストン２６ｃ（図示せず）と、このピ
ストン２６ｃに固定されたピストンロッド２６ｄとを有
している。空気圧シリンダ２６のシリンダ２６ｂの両端
部近傍には、図示しない上下ポートがそれぞれ設けられ
ている。これらの上下ポートには、図示しない空圧源か
ら作動空気管５，６が空気圧制御バルブ７Ａ，７Ｂを介
して接続されている。なお、シリンダ２６ｂ内はピスト
ン２６ｃによって図示しない上側チャンバ２６Ａと下側
チャンバ２６Ｂとに区画されている。油圧シリンダ２５
のピストンロッド２５ｄの先端部と空気圧シリンダのピ
ストンロッド２６ｄの先端部とは連結部材２７に固定さ
れている。この連結部材２７には、その先端が折曲され
た係合突部２７ａが突設されており、係合突部２７ａが
ロッド１３の溝１３ａに係合されている。

【００３０】上プレート１４の他側には、一対の支持板
２８，２８が突設されており、これらの支持板２８，２
８には、ピン支持穴が穿設されている。取付部材として
の取付板２９に突設された支持部２９ａ，２９ａは、支
持板２８，２８のピン支持穴に挿通されたピン３０で回
動可能に支持されている。取付板２９には、空気圧シリ
ンダ３１、油圧シリンダ３２及び空気圧シリンダ３３が
並列され、それぞれ本体３１ａ，３２ａ，３３ａの基端
部で固定されている。空気圧シリンダ３１，３３は、図
２に示した空気圧シリンダ１と同様の構造になってお
り、本体３１ａ，３３ａのシリンダ３１ｂ，３３ｂ内を
摺動するピストン３１ｃ，３３ｃ（図示せず）と、この
ピストン３１ｃ，３３ｃに固定されたピストンロッド３
１ｄ，３３ｄとを有している。シリンダ３１ｂ，３３ｂ
の両端部近傍には、図示しない上下ポートがそれぞれ設
けられており、これらの上下ポートには、図示しない空
圧源から作動空気管３５，３６（図示せず）が空気圧制
御バルブ３７Ａ，３７Ｂ（図示せず）を介してそれぞれ
接続されている。なお、シリンダ３１ｂ内はピストン３
１ｃによって図示しない上側チャンバ３１Ａと下側チャ
ンバ３１Ｂとに区画され、シリンダ３３ｂ内はピストン
３３ｃによって図示しない上側チャンバ３Ａと下側チャ
ンバ３３Ｂとに区画されている。

【００３１】油圧シリンダ３２は、図２に示した油圧シ
リンダ２と同様の構造になっており、本体３２ａのシリ
ンダ３２ｂ内を摺動するピストン３２ｃ（図示せず）
と、このピストン３２ｃに固定されたピストンロッド３
２ｄとを有している。また、シリンダ３２ｂの両端部近
傍には、図示しない上下ポートがそれぞれ設けられてお
り、これらの上下ポートには、図示しない作動油管３
９，４０が、その途中に油圧制御バルブ４１を介して接
続されている。なお、シリンダ３２ｂ内はピストン３２
ｃによって図示しない上側チャンバ３２Ａと下側チャン
バ３２Ｂとに区画されている。

【００３２】油圧シリンダ３２のピストンロッド３２ｄ
の先端部と空気圧シリンダ３１，３３のピストンロッド
３１ｄ，３３ｄの先端部とは、連結部材３４に固定され
ている。この連結部材３４の穴には、プレート２１の支
持部材２２の支持穴から通されたピン２２ａが挿通され
て、プレート２１がピン２２ａの回転中心線を回転中心
として回転可能となっている。

【００３３】なお、上プレート１４には、エンコーダ４
２が中心ロッド１３の近傍に配設されており、このエン
コーダ４２はコントローラＣに接続されている。エンコ
ーダ４２は、レバー２０が中心ロッド１３の回転中心線
を中心として回転する回転角度を検出して、検出結果を
コントローラＣに送るようになっている。

【００３４】次に、この２自由度油・空気圧ハイブリッ
ドアクチュエータの動作について説明する。

【００３５】先に、比較例として、２自由度油・空気圧
ハイブリッドアクチュエータから油圧シリンダ２５、及
び油圧シリンダ３２を取り外してＰＩＤ制御した場合の
作用について説明する。

【００３６】なお、中心ロッド１３の回転基準位置は、
空気圧シリンダ２６のピストンロッド２６ｄの位置がス
トロークの中間位置にある場合とし、ピン２３の回転基
準位置は空気圧シリンダ３１，３３のピストンロッド３
１ｄ，３３ｄの位置がストロークの中間位置にある場合
とする。中心ロッド１３とピン２３とがそれぞれ回転基
準位置にあるとき、レバー２０は基準位置となってい
る。

【００３７】レバー２０を基準位置から回転方向Ｐに所
定角度θ回転させると共に、回転方向Ｓに所定角度χ回
転させる場合の作用について説明する。

【００３８】まず、コントローラＣは、空気圧制御バル
ブ７Ａ，７Ｂ及び空気圧制御バルブ３７Ａ，３７Ｂに目
標回転角度に基づく初期制御信号を送る。空気圧制御バ
ルブ７Ａ，７Ｂは、初期制御信号に基いて空気圧シリン
ダ２６の上側チャンバ２６Ａから作動空気を排気すると
共に、下側チャンバ２６Ｂに作動空気を給気し、かつ、
空気圧制御バルブ３７Ａ，３７Ｂは、初期制御信号に基
いて空気圧シリンダ３１，３３の上側チャンバ３１Ａ，
３３Ａから作動空気を排気すると共に、下側チャンバ３
１Ｂ，３３Ｂに作動空気を給気する。

【００３９】これにより、第１の油・空気圧ハイブリッ
ドアクチュエータの空気圧シリンダ２６では、ピストン
２６ｃが上昇し、ピストンロッド２６ｄが中間位置から
上方向に移動して、連結部材２７の突部２７ａが、中心
ロッド１３の溝１３ａ内を上方に移動する。これによ
り、レバー２０は、中心ロッド１３の回転中心線を中心
として矢印方向Ｐに角度Δθ１だけ回転する。また、第
２の油・空気圧ハイブリッドアクチュエータでは、空気
圧シリンダ３１，３３のピストン３１ｃ，３３ｃが上昇
し、ピストンロッド３１ｄ，３３ｄが中間位置から上方
向に移動して、プレート２１を上方向に引き上げる。こ
れにより支持板２１ａとレバー２０とがピン２３の回転
中心線を中心として矢印方向Ｓに角度Δχ１だけ回転す
る。

【００４０】そして、エンコーダ４２がレバー２０の回
転角度Δθ１を検出し、その結果をコントローラＣに送
ると共に、エンコーダ２４がレバー２０の回転角度Δχ
１を検出し、その結果をコントローラＣに送ると、コン
トローラＣは、空気圧制御バルブ７Ａ，７Ｂ及び空気圧
制御バルブ３７Ａ，３７Ｂに制御停止信号を送る。これ
により、空気圧制御バルブ７Ａ，７Ｂは、空気圧シリン
ダ２６のチャンバ２６Ａからの作動空気の排気を止める
と共に、チャンバ２６Ｂへの作動空気の給気を止め、か
つ、空気圧制御バルブ３７Ａ、３７Ｂは、空気圧シリン
ダ３１，３３のチャンバ３１Ａ，３３Ａからの作動空気
の排気を止めると共に、チャンバ３１Ｂ，３３Ｂへの作
動空気の給気を止める。

【００４１】次いで、コントローラＣは、目標角度とエ
ンコーダ４２の検出した角度Δθ１との偏差に基づく制
御信号を空気圧制御バルブ７Ａ，７Ｂへ送信すると共
に、目標角度とエンコーダ２４から検出した角度Δχ１
との偏差に基づく制御信号を空気圧制御バルブ３７Ａ，
３７Ｂへ送る。これにより、空気圧制御バルブ７Ａ，７
Ｂは、制御信号に基づいて空気圧シリンダ２６のチャン
バ２６Ａから作動空気を排気すると共に、チャンバ２６
Ｂに作動空気を給気する。また、空気圧制御バルブ３７
Ａ，３７Ｂは、制御信号に基づいて空気圧シリンダ３
１，３３のチャンバ３１Ａ，３３Ａから作動空気を排気
すると共に、チャンバ３１Ｂ，３３Ｂに作動空気を給気
する。これにより、第１の油・空気圧ハイブリッドアク
チュエータでは、空気圧シリンダ２６のピストン２６ｃ
が上昇し、ピストンロッド２６ｄが上方向に移動すると
共に、連結部材２７の突部２７ａが中心ロッド１３の溝
１３ａ内を上方に移動する。それに伴い、レバー２０
は、中心ロッド１３の回転中心線を回転中心として矢印
方向Ｐに角度Δθ２だけ回転する。また、第２の油・空
気圧ハイブリッドアクチュエータでは、空気圧シリンダ
３１，３３のピストン３１ｃ，３３ｃが上昇し、ピスト
ンロッド３１ｄ，３３ｄが上方向に移動して、プレート
２１を上方向に引き上げる。これにより、支持板２１ａ
とレバー２０とがピン２３の回転中心線を中心として矢
印方向Ｓに角度Δχ１だけ回転する。

【００４２】同様にして、コントローラＣは、目標角度
と検出角度との偏差に基づく制御信号を空気圧制御バル
ブ７Ａ，７Ｂ及び空気圧制御バルブ３７Ａ，３７Ｂに順
次送信して、第１の油・空気圧ハイブリッドアクチュエ
ータの空気圧シリンダ２６のピストンロッド２６ｄを上
方向に移動させると共に、第２の油・空気圧ハイブリッ
ドアクチュエータの空気圧シリンダ３１，３３のピスト
ンロッド３１ｄ，３３ｄを上方向に移動させる。このよ
うにして、レバー２０を、中心ロッド１３の回転中心線
を中心として基準位置から回転方向Ｐに、Δθ１，Δθ
２，…，Δθｎと順次回転させて、所定角度θまで回転
させると共に、ピン２３の回転中心線を中心として基準
位置から回転方向Ｓに、Δχ１，Δχ２，…，Δχｎと
順次回転させて、所定角度χまで回転させる。

【００４３】なお、レバー２０が、基準位置から回転方
向Ｐに角度θ回転し、かつ、回転方向Ｓに角度χ回転し
たとき、空気圧シリンダ２６のピストンロッド２６ｄ、
及び空気圧シリンダ３１，３３のピストンロッド３１
ｄ，３３ｄの位置を上端位置とする。

【００４４】次に、レバー２０を基準位置から回転方向
Ｑに角度θ回転させると共に、回転方向Ｒに角度χ回転
させる場合の作用について説明する。

【００４５】コントローラＣは、空気圧制御バルブ７
Ａ，７Ｂ及び空気圧制御バルブ３７Ａ，３７Ｂに目標回
転角度に基づく初期制御信号を送る。空気圧制御バルブ
７Ａ，７Ｂは、初期制御信号に基づいて空気圧シリンダ
２６のチャンバ２６Ａに作動空気を給気すると共に、チ
ャンバ２６Ｂから作動空気を排気する。また、空気圧制
御バルブ３７Ａ，３７Ｂは、初期制御信号に基づいて空
気圧シリンダ３１，３３のチャンバ３１Ａ，３３Ａに作
動空気を給気すると共に、チャンバ３１Ｂ，３３Ｂから
作動空気を排気する。これにより、第１の油・空気圧ハ
イブリッドアクチュエータでは、空気圧シリンダ２６の
ピストン２６ｃが下降し、ピストンロッド２６ｄが下方
向に移動して、連結部材２７の突部２７ａが、中心ロッ
ド１３の溝１３ａ内を下方向に移動する。これにより、
レバー２０は、中心ロッド１３のの回転中心線を中心と
して矢印方向Ｑに角度Δθ１だけ回転する。第２の油・
空気圧ハイブリッドアクチュエータでは、空気圧シリン
ダ３１，３３のピストン３１ｃ，３３ｃが下降し、ピス
トンロッド３１ｄ，３３ｄが下方向に移動して、プレー
ト２１を下方向に押し下げる。これにより、支持板２１
ａとレバー２０とが、ピン２３の回転中心線を中心とし
て回転方向Ｒに角度Δχ１だけ回転する。

【００４６】そして、エンコーダ４２がレバー２０の回
転角度Δθ１を検出し、その結果をコントローラＣに送
ると共に、エンコーダ２４がレバー２０の回転回転方向
Ｒの角度Δχ１を検出し、その結果をコントローラＣに
送る。これにより、コントローラＣは、空気圧制御バル
ブ７Ａ，７Ｂ及び空気圧制御バルブ３７Ａ，３７Ｂへ制
御停止信号を送り、空気圧シリンダ２６のチャンバ２６
Ａへの作動空気の給気を止めると共に、チャンバ２６Ｂ
からの作動空気の排気を止めま。また、空気圧制御バル
ブ３７Ａ、３７Ｂは、空気圧シリンダ３１，３３のチャ
ンバ３１Ａ，３３Ａへの作動空気の給気を止めると共
に、チャンバ３１Ｂ，３３Ｂからの作動空気の排気を止
める。

【００４７】次いで、コントローラＣは、目標角度とエ
ンコーダ４２の検出した回転方向Ｑの検出角度Δθ１と
の偏差に基づく制御信号を空気圧制御バルブ７Ａ，７Ｂ
へ送ると共に、目標角度とエンコーダ２４の検出した回
転方向Ｒの検出角度Δχ１との偏差に基づく制御信号を
空気圧制御バルブ３７Ａ，３７Ｂへ送る。これにより、
空気圧制御バルブ７Ａ，７Ｂは、制御信号に基づいて空
気圧シリンダ２６のチャンバ２６Ａに作動空気を給気す
ると共に、チャンバ２６Ｂから作動空気を排気する。ま
た、空気圧制御バルブ３７Ａ、３７Ｂは、制御信号に基
づいて空気圧シリンダ３１，３３のチャンバ３１Ａ，３
３Ａに作動空気を給気すると共に、チャンバ３１Ｂ，３
３Ｂから作動空気を排気する。これにより、第１の油・
空気圧ハイブリッドアクチュエータでは、空気圧シリン
ダ２６のピストン２６ｃが下降し、ピストンロッド２６
ｄが中間位置から下方向に移動して、連結部材２７の突
部２７ａが、中心ロッド１３の溝１３ａ内を下方に移動
する。これにより、レバー２０は中心ロッド１３の回転
中心線を中心として基準位置から回転方向Ｑに角度Δθ
２だけ回転する。また、第２の油・空気圧ハイブリッド
アクチュエータでは、空気圧シリンダ３１，３３のピス
トン３１ｃ，３３ｃが下降し、ピストンロッド３１ｄ，
３３ｄが中間位置から下方向に移動して、プレート２１
を下方向に押し下げる。これにより、支持板２１ａとレ
バー２０とが、ピン２３の回転中心線を中心として回転
方向Ｒに角度Δχ１だけ回転する。

【００４８】同様にして、コントローラＣは、目標角度
と検出角度との偏差に基づく制御信号を空気圧制御バル
ブ７Ａ，７Ｂ及び空気圧制御バルブ３７Ａ，３７Ｂに順
次送り、第１の油・空気圧ハイブリッドアクチュエータ
の空気圧シリンダ２６のピストンロッド２６ｄを下方向
に移動させると共に、第２の油・空気圧ハイブリッドア
クチュエータの空気圧シリンダ３１，３３のピストンロ
ッド３１ｄ，３３ｄを下方向に移動させる。このように
して、レバー２０を、中心ロッド１３の回転中心線を中
心として基準位置から回転方向Ｑに、Δθ１，Δθ２，
…，Δθｎと順次回転させて所定角度θまで回転させる
と共に、ピン２３の回転中心線を中心として基準位置か
ら回転方向Ｒに、Δχ１，Δχ２，…，Δχｎと順次回
転させて所定角度χまで回転させる。

【００４９】上述したように、コントローラＣは空気圧
制御バルブ７Ａ，７Ｂ及び空気圧制御バルブ３７Ａ，３
７Ｂに制御信号を送り、空気圧制御バルブ７Ａ，７Ｂ及
び空気圧制御バルブ３７Ａ，３７Ｂを制御し、空気圧シ
リンダ２６及び空気圧シリンダ３１，３３を作動させ
る。このとき、空気圧シリンダ２６のピストンロッド２
６ｄ、及び空気圧シリンダ３１，３３のピストンロッド
３１ｄ，３３ｄの動作に、空気の圧縮性によって時間遅
れ、急激な速度増加及び停止位置でのふれを生じる。こ
のため、図３に示したように、応答（実線）は、目標
（点線）に比べて、追従性が悪くなっている。なお、図
３、図５及び図７では、同じ比例ゲインを用いている。

【００５０】なお、レバー２０が、基準位置から回転方
向Ｑに角度θ回転し、かつ、回転方向Ｒに角度χ回転し
たとき、空気圧シリンダ２６のピストンロッド２６ｄ、
及び空気圧シリンダ３１，３３のピストンロッド３１
ｄ，３３ｄの位置を下端位置とする。

【００５１】上述したように、空気圧シリンダ２６のピ
ストンロッド２６ｄと、空気圧シリンダ３１，３３のピ
ストンロッド３１ｄ，３３ｄとを上端位置から下端位置
に移動させると、レバー２０は、基準位置から回転方向
Ｐに角度θ回転され、かつ、回転方向Ｓに角度χ回転さ
れている位置から、基準位置から回転方向Ｑに角度θ回
転し、かつ、回転方向Ｒに角度χ回転した位置へと移動
する。従って、空気圧シリンダ２６のピストンロッド２
６ｄと、空気圧シリンダ３１，３３のピストンロッド３
１ｄ，３３ｄとが上端位置と下端位置とを往復動する
と、レバー２０は、基準位置から回転方向Ｐに角度θ回
転され、かつ、回転方向Ｓに角度χ回転された位置と、
基準位置から回転方向Ｑに角度θ回転され、かつ、回転
方向Ｒに角度χ回転された位置との間で往復動する。

【００５２】図５は、空気圧シリンダ２６のピストンロ
ッド２６ｄ及び空気圧シリンダ３１，３３のピストンロ
ッド３１ｄ，３３ｄを、上端位置及び下端位置でいった
ん停止するように上限位置と下端位置との間で往復動し
たときの特性を表している。ここでは、点線の目標に比
べ実線の応答は、追従性が悪くなっている。

【００５３】図７は、図５で説明した空気圧シリンダ２
６のピストンロッド２６ｄ及び空気圧シリンダ３１，３
３のピストンロッド３１ｄ，３３ｄを、上端位置及び下
端位置でいったん停止させることなく上限位置と下端位
置との間で往復動したときの特性を表している。ここで
も、点線の目標に比べ実線の応答は、追従性が悪くなっ
ている。

【００５４】なお、空気圧シリンダ２６のピストンロッ
ド２６ｄ及び空気圧シリンダ３１，３３のピストンロッ
ド３１ｄ，３３ｄが停止位置にあって、空気圧制御バル
ブ７Ａ，７Ｂ及び空気圧制御バルブ３７Ａ，３７Ｂを閉
じている場合、空気の圧縮性によって、ピストン２６ｃ
及びピストン３１ｃ，３３ｃが上下動可能となる。これ
により、レバー２０は、中心ロッド１３の回転中心を中
心として、ピン２３の回転中心を中心としてそれぞれ揺
動可能となる。

【００５５】次に、２自由度油・空気圧ハイブリッドア
クチュエータに油圧シリンダ２５、及び油圧シリンダ３
２を取り付けてＰＩＤ制御した場合の本実施の形態の作
用について先の図１および図２、並びに図４、図６及び
図８を参照して説明する。なお、図４、図６及び図８
は、同じ比例ゲインを用いた場合の特性図である。

【００５６】本実施の形態の２自由度油・空気圧ハイブ
リッドアクチュエータでは、コントローラＣが、空気圧
制御バルブ７Ａ、７Ｂ及び空気圧制御バルブ３７Ａ，３
７Ｂに制御信号を送り、かつ、制御バルブ１１及び制御
バルブ４１にも制御信号を送る。コントローラＣからの
制御信号に基づいて、制御バルブ１１の開度が制御され
ると共に、制御バルブ４１の開度が制御されて、油圧シ
リンダ２５及び油圧シリンダ３２の作動油が油路を通過
する通過量を制限する。このため、空気圧シリンダ２６
のピストン２６ｃの動きがピストンロッド２６ｄから連
結部材２７及びピストンロッド２５ｄを介して、油圧シ
リンダ２５のピストン２５ｃに伝達されるが、油圧シリ
ンダ２５の作動油の動圧抵抗、粘性などの抵抗力でピス
トン２５ｃの動きは規制される。従って、空気圧シリン
ダ２６のピストン２６ｃの瞬間的な変動が抑制されて、
急激な速度増加及び停止位置での振れが軽減される。

【００５７】同様に、空気圧シリンダ３１，３３のピス
トン３１ｃ，３３ｃの動きがピストンロッド３１ｄ，３
３ｄから連結部材２７を介して、油圧シリンダ３２のピ
ストンロッド３２ｄに伝達されるが、油圧シリンダ３２
の作動油の動圧抵抗、粘性などの抵抗力でピストン３２
ｃの動きは規制される。従って、空気圧シリンダ３１，
３３のピストン３１ｃ，３３ｃの瞬間的な変動が抑制さ
れて、急激な速度増加及び停止位置での振れが軽減され
る。

【００５８】上述のように、本実施の形態では、油圧シ
リンダ２５及び油圧シリンダ３２を取り付けた２自由度
油・空気圧ハイブリッドアクチュエータでは、ＰＩＤ制
御の比例ゲインをあげて、速応性を高くしても、安定性
を向上させ、かつ、制御精度を改善することができる。
これにより、空気圧シリンダ２６及び空気圧シリンダ３
１，３３の時間遅れを減少させることができると共に、
急激な速度増加をなくし、かつ、停止位置での振れをな
くすことができる。よって、図４、図６及び図８に示し
たように、応答は、目標に対して、良好に追従してい
る。

【００５９】なお、上記実施の形態では、油・空気圧ハ
イブリッドアクチュエータを組み合わせて、２自由度油
・空気圧ハイブリッドアクチュエータを構成したが、こ
の２自由度油・空気圧ハイブリッドアクチュエータを組
み合わせて４自由度、更にはそれ以上の自由度の油・空
気圧ハイブリッドアクチュエータを構成することも可能
である。

【００６０】

【発明の効果】以上説明したように請求項１に記載の油
・空気圧ハイブリッドアクチュエータによれば、油圧シ
リンダのピストンロッドの先端部と空気圧シリンダのピ
ストンロッドの先端部とを連結部材で連結し、空気圧シ
リンダのピストンロッドの動きを油圧シリンダの作動油
の抵抗力で規制するようにしたので、比例ゲインを大き
くとって応答性を上げた場合でも、制御精度を高く、か
つ、安定性を良好にできるので、空気圧シリンダの時間
遅れを減少し、急激な速度増加及び停止位置での振れと
いう瞬間的な変動を軽減できる高出力の油・空気圧ハイ
ブリッドアクチュエータを実現できるという効果を奏す
る。

【００６１】また、請求項２記載の油・空気圧ハイブリ
ッドアクチュエータによれば、油圧シリンダのポート間
に、その面積を変化させる変化手段を介して作動油管で
連結し、アクチュエータとしての空気圧シリンダに、ダ
ンパあるいはブレーキとしての油圧シリンダを組み合わ
せるようにしたので、油圧シリンダを作動させるための
油圧機器を必要とせず、油圧シリンダの作動油管の配管
が簡単になると共に、安価で軽量のアクチュエータを実
現できるという効果を奏する。

【００６２】更に、空気圧シリンダのピストンが停止し
ている場合に、油圧シリンダの作動油管の管路を完全に
閉鎖するとき、空気圧シリンダのピストン位置の固定保
持ができ、また、油圧シリンダの作動油管の管路を完全
に閉鎖しないとき、空気の圧縮性を活かしてピストンを
変動可能にできるので、軟らかく対象物を取り扱えるア
クチュエータとすることができるという効果を奏する。

【００６３】また、請求項３記載の油・空気圧ハイブリ
ッドアクチュエータによれば、制御手段が空気圧シリン
ダのチャンバの作動空気の給気・排気を制御して、空気
圧シリンダのピストンロッドの動作を制御できるので、
油圧シリンダによって空気圧シリンダのピストンロッド
の動作を規制することに一層の効果を奏する。

【００６４】また、請求項４記載の２自由度油・空気圧
ハイブリッドアクチュエータによれば、レバーは、第１
の油・空気圧ハイブリッドアクチュエータにおける空気
圧シリンダのピストンロッドの伸縮動作、油圧シリンダ
に規制された伸縮動作に基づく突部の溝内での移動によ
って、中心ロッドの回転中心線を中心として回転される
と共に、第２の油・空気圧ハイブリッドアクチュエータ
における空気圧シリンダのピストンロッドの伸縮動作、
油圧シリンダに規制された伸縮動作に基づく連結部材の
移動によって、回転部材のレバー支点を中心として回転
されるので、安価で軽量であると共に、時間遅れ及び瞬
間的な変動の少ない、軟らかく対象物を取り扱える高出
力のアクチュエータを提供できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る２自由度油・空気
圧ハイブリッドアクチュエータを表す概略構成図であ
る。

【図２】図１の２自由度油・空気圧ハイブリッドアクチ
ュエータの基本となる油・空気圧ハイブリッドアクチュ
エータを示す概略構成図である。

【図３】図１の２自由度油・空気圧ハイブリッドアクチ
ュエータから油圧シリンダを取り外してＰＩＤ制御した
場合の特性図である。

【図４】図１の２自由度油・空気圧ハイブリッドアクチ
ュエータをＰＩＤ制御した場合の特性図である。

【図５】図１の２自由度油・空気圧ハイブリッドアクチ
ュエータから油圧シリンダを取り外してＰＩＤ制御した
場合の特性図である。

【図６】図１の２自由度油・空気圧ハイブリッドアクチ
ュエータをＰＩＤ制御した場合の特性図である。

【図７】図１の２自由度油・空気圧ハイブリッドアクチ
ュエータから油圧シリンダを取り外してＰＩＤ制御した
場合の特性図である。

【図８】図１の２自由度油・空気圧ハイブリッドアクチ
ュエータをＰＩＤ制御した場合の特性図である。

【符号の説明】

１，３，２６，３１，３３ 空気圧シリンダ １ａ，３ａ，２６ａ，３１ａ，３３ａ 本体 １ｂ，３ｂ，２６ｂ，３１ｂ，３３ｂ シリンダ １ｃ，３ｃ，２６ｃ，３１ｃ，３３ｃ ピストン １ｄ，３ｄ，２６ｄ，３１ｄ，３３ｄ ピストンロッド １Ａ，１Ｂ，３Ａ，３Ｂ，２６Ａ，２６Ｂ チャンバ ３１Ａ，３１Ｂ，３３Ａ，３３Ｂ チャンバ ２，２５，３２ 油圧シリンダ ２ａ，２５ａ，３２ａ 本体 ２ｂ，２５ｂ，３２ｂ シリンダ ２ｃ，２５ｃ，３２ｃ ピストン ２ｄ，２４ｄ，３２ｄ ピストンロッド ２Ａ，２Ｂ，２５Ａ，２５Ｂ，３２Ａ，３２Ｂ チャン
バ ４，１４ 上プレート（取付部材） ７Ａ，７Ｂ，３７Ａ，３７Ｂ 制御手段（空気圧制御バ
ルブ） ９，１０，３９，４０ 作動油管 １１，４１ 変化手段（制御バルブ） １２ 連結板（連結部材） １３ 中心ロッド １５，１６ 支持ロッド（枠組部材） １７ 下プレート（回転部材） １８ 支持部（回転部材） ２０ レバー ２２ 支持部 ２３ ピン ２４，４２ エンコーダ ２７，３４ 連結部材 ２９ 取付板（取付部材） Ｃ コントローラ

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3F060 AA10 EB16 EC13 GA01 GA15 GA16 GB00 GD14 HA40 3H081 AA25 AA33 BB02 BB03 CC15 DD38 FF05 FF19 FF44 FF47 HH10 3H089 AA54 AA65 BB06 BB10 BB13 BB16 CC01 CC11 CC20 DB13 DB43 EE38 GG02 GG03 JJ06

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダを有する本体と、前記シリンダ
   内を摺動するピストンに固定されたピストンロッドとを
   備えてなる油圧シリンダと、 シリンダを有する本体と、前記シリンダ内を摺動するピ
   ストンに固定されたピストンロッドとを備えてなる空気
   圧シリンダと、 前記油圧シリンダの本体と前記空気圧シリンダの本体と
   を並列して取り付ける取付部材と、 前記油圧シリンダのピストンロッドの先端部と前記空気
   圧シリンダのピストンロッドの先端部とを連結する連結
   部材とを備え、 前記空気圧シリンダのピストンロッドの動きを、前記連
   結部材を介して、前記油圧シリンダによって規制してな
   ることを特徴とする油・空気圧ハイブリッドアクチュエ
   ータ。
2. 【請求項２】 前記油圧シリンダは、そのピストンの両
   サイドに形成されるチャンバに作動油を供給するポート
   を有し、これらのポートがその途中に通路の面積を変化
   させる変化手段を有する作動油管によって連結されてな
   ることを特徴とする請求項１記載の油・空気圧ハイブリ
   ッドアクチュエータ。
3. 【請求項３】 前記空気圧シリンダのピストンの両サイ
   ドに形成されたチャンバでの作動空気の給気・排気を制
   御する制御手段を有してなることを特徴とする請求項２
   記載の油・空気圧ハイブリッドアクチュエータ。
4. 【請求項４】 その周面に螺旋状の溝を設けた中心ロッ
   ドと、 この中心ロッドの先端部に対して前記溝を介した位置
   で、回転のみ可能に挿通された取付部材と、 この取付部材と対向し、前記中心ロッドの先端部にて回
   転のみ可能に支持された回転部材と、 前記取付部材と前記回転部材とを連結して一体とする枠
   組部材と、 前記回転部材に回転可能に支持されたレバーと、 前記取付部材に、その本体にて固定された油圧シリンダ
   のピストンロッドの先端部、及びその本体にて固定され
   た空気圧シリンダのピストンロッドの先端部を連結する
   連結部材に突設された突部を前記溝に嵌入してなる第１
   の油・空気圧ハイブリッドアクチュエータと、 前記取付部材に、その本体にて回転可能に支持された油
   圧シリンダのピストンロッドの先端部、及びその本体に
   て回転可能に支持された空気圧シリンダのピストンロッ
   ドの先端部を連結する連結部材が、前記レバーを回転可
   能に支持してなる第２の油・空気圧ハイブリッドアクチ
   ュエータとを備え、 前記第１の油・空気圧ハイブリッドアクチュエータ及び
   前記第２の油・空気圧ハイブリッドアクチュエータの油
   圧シリンダと空気圧シリンダとが、請求項３記載の油・
   空気圧ハイブリッドアクチュエータの油圧シリンダと空
   気圧シリンダとによってそれぞれ構成されてなることを
   特徴とする２自由度油・空気圧ハイブリッドアクチュエ
   ータ。