JP2022047782A - ロボット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体の供給を受けて作動すると共に関節を介して連結された２つのリンクを相対的に回動させる一対の人工筋肉に適正に液体を供給して当該人工筋肉を含むロボット装置の効率を向上させる。【解決手段】本開示のロボット装置は、関節を介して連結された２つのリンクと、それぞれ液体の供給を受けて作動すると共に互いに対をなして当該２つのリンクを相対的に回動させる第１および第２人工筋肉と、液体供給装置とを含み、当該液体供給装置は、第１および第２人工筋肉のうち、重力の作用によりロボット装置に加えられる力に抗して収縮力を発生する一方に液体を供給する第１ポンプと、第１および第２人工筋肉の他方に液体を供給する第２ポンプとを含む。【選択図】図３

Description

本開示は、それぞれ液体の供給を受けて作動すると共に関節を介して連結された２つのリンクを相対的に回動させる一対の人工筋肉を含むロボット装置に関する。

従来、マッキベン型の人工筋肉（流体圧アクチュエータ）として、流体の圧力によって膨張および収縮する円筒状のチューブと、所定方向に配向されたコードを編み込んだ構造体であって当該チューブの外周面を覆うスリーブとを含むアクチュエータ本体部と、アクチュエータ本体部の軸方向において当該アクチュエータ本体部の端部を封止する封止機構とを含むものが知られている（例えば、特許文献１参照）。かかる人工筋肉によれば、チューブ内に流体を供給して当該チューブを径方向に膨張させると共に軸方向に収縮させて引張力を得ることができる。

また、従来、両端部が栓体で閉じられたゴムチューブおよび当該ゴムチューブを覆う網体を含む２つのゴム人工筋を含む関節装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。この関節装置は、２つのゴム人工筋に加えて、基台と、支持部材を介して基台により支持されたプーリと、プーリに固定されたアームと、プーリの回転中立に対して両側に位置するように基台に取り付けられると共にゴム人工筋の一端がそれぞれ連結される２つの係止ブラケットと、２つのゴム人工筋の他端に連結されると共にプーリに巻き掛けられるロープとを含む。

特開２０１８－３５９３０号公報 特開昭６３－２１６６９１号公報

上述のように対をなす２つの人工筋肉を用いることで、関節を介して連結された２つのリンクを相対的に回動させることができる。ただし、人工筋肉を含む装置の構造によっては、重力の作用により当該装置に加えられる力が一対の人工筋肉の一方の出力に対して抵抗となり、当該一対の人工筋肉に適正に液体を供給しないと装置全体の効率が悪化するおそれがある。

そこで、本開示は、液体の供給を受けて作動すると共に関節を介して連結された２つのリンクを相対的に回動させる一対の人工筋肉に適正に液体を供給して当該人工筋肉を含むロボット装置の効率を向上させることを主目的とする。

本開示のロボット装置は、関節を介して連結された２つのリンクと、それぞれ液体の供給を受けて作動すると共に互いに対をなして前記２つのリンクを相対的に回動させる第１および第２人工筋肉とを含むロボット装置であって、前記第１および第２人工筋肉のうち、重力の作用により前記ロボット装置に加えられる力に抗して収縮力を発生する一方に前記液体を供給する第１ポンプと、前記第１および第２人工筋肉の他方に前記液体を供給する第２ポンプとを含む液体供給装置を含むものである。

本開示のロボット装置において、関節を介して連結された２つのリンクを相対的に回動させる第１および第２人工筋肉の一方は、重力の作用によりロボット装置に加えられる力に抗して収縮力を発生し、当該第１および第２人工筋肉の一方では、収縮力を発生させるのに要求される液体の圧力または流量が増加する傾向となる。これに対して、第１および第２人工筋肉の他方では、上記一方に比べて、収縮力を発生させるのに要求される液体の圧力または流量が減少する傾向となる。従って、第１ポンプから第１および第２人工筋肉の一方に液体を供給すると共に、第１ポンプとは異なる第２ポンプから第１および第２人工筋肉の他方に液体を供給すれば、第１および第２人工筋肉の一方に要求される液体の圧力または流量を良好に確保しつつ、第１および第２人工筋肉の他方に対応した第２ポンプからの液体の圧力または流量を低下させることが可能となる。これにより、第１および第２人工筋肉に単一のポンプから液体を供給する場合に比べて、漏れ量を含むロボット装置における液体の消費流量を低減化し、第２ポンプの消費エネルギを削減することができる。この結果、液体の供給を受けて作動すると共に関節を介して連結された２つのリンクを相対的に回動させる対をなす第１および第２人工筋肉に適正に液体を供給して当該第１および第２人工筋肉を含むロボット装置の効率を向上させることが可能となる。

本開示のロボット装置を示す概略構成図である。 本開示のロボット装置を示す拡大図である。 本開示のロボット装置の液体供給装置を示す概略構成図である。 目標圧力設定マップを例示する説明図である。 本開示のロボット装置に適用可能な他の液体供給装置を示す概略構成図である。 本開示のロボット装置に適用可能な更に他の液体供給装置を示す概略構成図である。 本開示のロボット装置に適用可能な他の液体供給装置を示す概略構成図である。

次に、図面を参照しながら、本開示の発明を実施するための形態について説明する。

図１は、本開示のロボット装置１を示す概略構成図であり、図２は、ロボット装置１を示す拡大図である。これらの図面に示すロボット装置１は、ロボットアーム（ロボット本体）２と、液体供給装置１０と、装置全体を制御する制御装置１００とを含む。ロボットアーム２は、複数（本実施形態では、３つ）の関節（ピン結合部）Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３と、複数（本実施形態では、３つ）のアーム（リンク）３と、関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３ごとに例えば偶数個（本実施形態では、４つ）ずつ設けられる人工筋肉としての複数の液圧アクチュエータＭと、先端側のアーム３の手先に取り付けられる把持部としてのハンド部（ロボットハンド）４とを含む多関節アームである。ハンド部４は、対象となる物体（以下、「把持対象」という。）を把持するように制御装置１００により制御される。また、液体供給装置１０は、制御装置１００により制御されて各液圧アクチュエータＭに液体としての作動油（作動流体）を給排する。これにより、ロボットアーム２を油圧（液圧）により駆動してハンド部４を所望の位置に移動させることができる。

ロボットアーム２の各液圧アクチュエータＭは、図２に示すように、作動油の圧力によって膨張および収縮するチューブＴと、当該チューブＴを覆う編組スリーブＳとを含む、いわゆるマッキベン型の人工筋肉である。チューブＴは、高い耐油性をもった例えばゴム材等の弾性材により円筒状に形成されており、当該チューブＴの両端部は、封止部材Ｃにより封止されている。チューブＴの基端側（液体供給装置１０側、図２中下端側）の封止部材Ｃには、作動油の出入口ＩＯが形成されている。編組スリーブＳは、所定方向に配向された複数のコードを互いに交差するように編み込むことにより円筒状に形成されており、軸方向および径方向に収縮可能である。編組スリーブＳを形成するコードとしては、繊維コード、高強度繊維、極細のフィラメントによって構成される金属製コード等を採用することができる。かかる液圧アクチュエータＭのチューブＴ内に上記出入口ＩＯから作動油を供給してチューブＴ内の作動油の圧力を高めることで、チューブＴは、編組スリーブＳの作用により径方向に膨張すると共に軸方向に収縮し、内部の作動油の圧力に応じた収縮力を発生する。

図１および図２に示すように、複数のアーム３のうち、最基端側（最も液体供給装置１０側）のアーム３は、関節Ｊ１を介してリンクとしての支持部材５により回動自在に支持される。また、２つのアーム３同士が、関節Ｊ２またはＪ３を介して互いに回動自在に連結される。更に、各アーム３の先端部（手先側の端部）には、連結部材６が固定されている。図示するように、支持部材５は、最基端側の関節Ｊ１に対応した複数（４つ）の液圧アクチュエータＭの基端側の封止部材Ｃを回動自在に支持する。また、各アーム３の連結部材６は、基端側に位置する関節Ｊ１またはＪ２に対応した複数（４つ）液圧アクチュエータＭの先端側（手先側）の封止部材Ｃを回動自在に支持する。更に、各連結部材６は、先端側に位置する関節Ｊ２またはＪ３に対応した複数（４つ）液圧アクチュエータＭの基端側の封止部材Ｃを回動自在に支持する。

より詳細には、支持部材５は、関節Ｊ１に対応した２つの液圧アクチュエータＭの基端側の封止部材Ｃを第１の連結軸を介して回動自在に支持する。また、最基端側のアーム３の連結部材６は、関節Ｊ１に対応した当該２つの液圧アクチュエータＭの先端側の封止部材Ｃを第２の連結軸を介して回動自在に支持する。更に、支持部材５は、関節Ｊ１に対応した残り２つの液圧アクチュエータＭの基端側の封止部材Ｃを上記第１の連結軸と平行に延びる第３の連結軸を介して回動自在に支持する。また、最基端側のアーム３の連結部材６は、関節Ｊ１に対応した当該残り２つの液圧アクチュエータＭの先端側の封止部材Ｃを上記第２の連結軸と平行に延びる第４の連結軸を介して回動自在に支持する。同様に、関節Ｊ２またはＪ３を介して互いに連結される２つのアーム３の連結部材６も、上述のような複数の連結軸を介して、当該関節Ｊ２またはＪ３に対応した複数（４つ）の液圧アクチュエータＭの対応する封止部材Ｃを回動自在に支持する。

これにより、関節Ｊ１－Ｊ３の関節軸から手先側（ハンド部４側）に延びる各アーム３の両側には、液圧アクチュエータＭが本実施形態では２つずつ対応するアーム３と平行に配列される。そして、各アーム３の一側に配置される２つの液圧アクチュエータＭは、１つの関節Ｊ１，Ｊ２またはＪ３に対応した第１の人工筋肉（一方の拮抗筋）ＡＭ１（図３参照）を構成し、各アーム３の他側に配置される２つの液圧アクチュエータＭは、当該第１の人工筋肉ＡＭ１と対をなす１つの関節Ｊ１，Ｊ２またはＪ３に対応した第２の人工筋肉（他方の拮抗筋）ＡＭ２（図３参照）を構成する。ただし、第１の人工筋肉ＡＭ１を構成する液圧アクチュエータＭの数と、第２の人工筋肉ＡＭ２を構成する液圧アクチュエータＭの数とが異なっていてもよい。また、本実施形態において、１つの関節Ｊ１，Ｊ２またはＪ３に対して設けられる複数（４つ）の液圧アクチュエータＭは、互いに同一の諸元を有する。ただし、１つの関節Ｊ１，Ｊ２またはＪ３に対応した複数の液圧アクチュエータＭの諸元は、必ずしも同一である必要はなく、例えば、第１の人工筋肉ＡＭ１を構成する液圧アクチュエータＭの諸元と、第２の人工筋肉ＡＭ２を構成する液圧アクチュエータＭの諸元とが異なっていてもよい。更に、各アーム３は、中空に形成されており、各アーム３の内部には、液体供給管としての複数のホースＨ（図２における破線参照）が配置される。各ホースＨは、対応する液圧アクチュエータＭの基端側の封止部材Ｃに形成された出入口ＩＯに接続され、各液圧アクチュエータＭのチューブＴ内には、ホースＨを介して液体供給装置１０からの作動油（油圧）が供給される。

従って、制御装置１００により液体供給装置１０を制御することで、第１の人工筋肉ＡＭ１を構成する２つの液圧アクチュエータＭのチューブＴ内の油圧と、第１の人工筋肉ＡＭ１と対をなす第２の人工筋肉ＡＭ２を構成する２つの液圧アクチュエータＭのチューブＴ内の油圧とを互いに異ならせることができる。これにより、４つの液圧アクチュエータＭすなわち対をなす（一組の）第１および第２の人工筋肉ＡＭ１，ＡＭ２から連結部材６を介して各アーム３に力（回転トルク）を伝達し、支持部材５または基端側のアーム３に対して各アーム３を回動させて関節Ｊ１－Ｊ３の関節角度を変化させることが可能となる。本実施形態において、第１の人工筋肉ＡＭ１を構成する２つの液圧アクチュエータＭと、第１の人工筋肉ＡＭ１と対をなす第２の人工筋肉ＡＭ２を構成する２つの液圧アクチュエータＭとは、チューブＴが所定量（例えば、自然長の１０％程度）だけ軸方向に収縮した状態を初期状態として液体供給装置１０からの油圧により拮抗駆動される。

ロボット装置１の液体供給装置１０は、図１に示すように、作動油貯留部（液体貯留部）を画成するタンク１１と、当該タンク１１を上下方向に延びる回動軸（図１における一点鎖線参照）の周りに回動自在に支持するベース部１２とを含む。タンク１１は、例えば上端および下端が閉鎖された筒体であり、内部に作動油を貯留可能なものである。本実施形態において、ロボットアーム２の支持部材５は、図２に示すように、タンク１１の上壁部１１ｕに図示しないボルト等を介して固定される。すなわち、ロボットアーム２は、液体供給装置１０のタンク１１（上壁部１１ｕ）により支持される。

ベース部１２は、ロボットアーム２およびタンク１１の下方に位置するようにロボット装置１の設置箇所に固定されるか、あるいは図示しない無人搬送車（ＡＧＶ）に搭載（固定）される。また、ベース部１２は、タンク１１を上記回動軸の周りに回動させる図示しない回動ユニットを支持している。これにより、回動ユニットを作動させることで、ロボットアーム２およびタンク１１を当該回動軸の周りに一体に回動させることが可能となる。回動ユニットは、液体供給装置１０から供給される油圧により駆動される揺動モータであってもよく、電動モータ等を含むものであってもよい。

更に、液体供給装置１０は、図３に示すように、タンク１１およびベース部１２に加えて、液体供給源としての第１ポンプ１３１および第２ポンプ１３２と、タンク１１内に配置される図示しないバルブボディと、第１レギュレータバルブ（第１元圧生成バルブ）１４１と、第２レギュレータバルブ（第２元圧生成バルブ）１４２と、それぞれ複数の調圧弁（調圧装置）としての第１および第２リニアソレノイドバルブ１５１，１５２とを含む。第１および第２ポンプ１３１，１３２、第１および第２レギュレータバルブ１４１，１４２、並びに第１および第２リニアソレノイドバルブ１５１，１５２は、何れも制御装置１００により制御される。また、第１および第２リニアソレノイドバルブ１５１，１５２は、関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３ごとにそれぞれ１つずつ設けられる。

第１および第２ポンプ１３１，１３２は、何れも電動ポンプであり、タンク１１内に配置されるポンプ部と、電動モータおよび減速ギヤ機構とを有すると共にタンク１１内またはタンク１１外に配置される駆動部とをそれぞれ含む。第１および第２ポンプ１３１，１３２は、それぞれタンク１１内に貯留された作動油を吸引して吐出口から吐出する。本実施形態において、第１ポンプ１３１（高圧ポンプ）は、ロボット装置１の複数の液圧アクチュエータＭに要求される最大油圧に応じた最大吐出圧力を有するものである。これに対して、第２ポンプ１３２（低圧ポンプ）は、第１ポンプ１３１の最大吐出圧力よりも低い最大吐出圧力を有するものである。

第１レギュレータバルブ１４１は、信号圧生成バルブＳＬ１からの信号圧に応じて第１ポンプ１３１から吐出される作動油の一部をドレン（調圧）して第１の元圧を生成し、当該第１の元圧をバルブボディに形成された油路（液体通路）Ｌ１に供給する。第１レギュレータバルブ１４１の信号圧生成バルブＳＬ１は、制御装置１００による通電制御されるリニアソレノイドバルブである。第２レギュレータバルブ１４２は、信号圧生成バルブＳＬ２からの信号圧に応じて第２ポンプ１３２から吐出される作動油の一部をドレン（調圧）して第１の元圧以下の第２の元圧を生成し、当該第２の元圧をバルブボディに形成された油路（液体通路）Ｌ２に供給する。第２レギュレータバルブ１４２の信号圧生成バルブＳＬ２も、制御装置１００による通電制御されるリニアソレノイドバルブである。

第１および第２リニアソレノイドバルブ１５１，１５２は、制御装置１００により通電制御される電磁部１５ｅやスプール１５ｓ、スプール１５ｓを電磁部１５ｅ側（図３中上側）に付勢するスプリングＳＰ等を含み、バルブボディ内に配置される。また、第１および第２リニアソレノイドバルブ１５１，１５２は、入力ポート１５ｉと、入力ポート１５ｉと連通可能な出力ポート１５ｏと、出力ポート１５ｏに連通するフィードバックポート１５ｆと、出力ポート１５ｏと連通可能なドレンポート１５ｄとを含む。

本実施形態において、第１および第２リニアソレノイドバルブ１５１，１５２は、電磁部１５ｅに電流が供給される際に開弁する常閉弁であり、各電磁部１５ｅは、印加される電流に応じてスプール１５ｓを軸方向に移動させる。また、第１リニアソレノイドバルブ（第１調圧バルブ）１５１の入力ポート１５ｉは、バルブボディの油路Ｌ１に連通し、第２リニアソレノイドバルブ（第２調圧バルブ）１５２の入力ポート１５ｉは、バルブボディの油路Ｌ２に連通する。これにより、電磁部１５ｅ（コイル）への給電により当該電磁部１５ｅからスプール１５ｓに付与される推力と、スプリングＳＰの付勢力と、出力ポート５ｏからフィードバックポート５ｆに供給された油圧によりスプール５ｓに作用する電磁部５ｅ側への推力とをバランスさせることで、第１または第２レギュレータバルブ１４１，１４２（第１または第２ポンプ１３１，１３２）から入力ポート１５ｉに供給されて出力ポート１５ｏから流出する作動油を所望の圧力に調圧することができる。図３に示すように、第１および第２リニアソレノイドバルブ１５１，１５２のドレンポート１５ｄは、それぞれ油路Ｌ３を介してタンク１１内の作動油貯留部に連通する。

ここで、ロボット装置１のロボットアーム２の手先には、ハンド部４に作用する重力による鉛直下方への力Ｆｇ（図１参照）が加えられ、ハンド部４が把持対象を把持している際には、ロボットアーム２の手先に加えられる鉛直下方への力は更に大きくなる。また、ロボット装置１の作動中、ハンド部４は、図１に示すように、すべてのアーム３およびすべての液圧アクチュエータＭの水平方向における片側（図１における左側）に常時位置する。このため、本実施形態のロボット装置１では、各アーム３の一側に配置される２つの液圧アクチュエータＭ、すなわち第１人工筋肉ＡＭ１が、ハンド部４（および把持対象）への重力の作用によりロボット装置１に加えられる力Ｆｇに抗して収縮力を発生する。これに対して、各アーム３の他側に配置される２つの液圧アクチュエータＭ、すなわち第２人工筋肉ＡＭ２は、ハンド部４への重力の作用によりロボット装置１に加えられる力Ｆｇに抗することなく収縮力を発生する。

これにより、第１人工筋肉ＡＭ１では、チューブＴに収縮力を発生させるのに要求される作動油の圧力（あるいは流量）が増加する傾向となるのに対して、第２人工筋肉ＡＭ２では、チューブＴに収縮力を発生させるのに要求される作動油の圧力（あるいは流量）が低下する傾向となる。これを踏まえて、本実施形態のロボット装置１では、図３に示すように、高圧側の第１ポンプ１３１に対応した第１リニアソレノイドバルブ１５１の出力ポート１５ｏが、バルブボディに形成された油路（液体通路）やホースＨ等を介して対応する第１人工筋肉ＡＭ１を構成する２つの液圧アクチュエータＭの作動油の出入口ＩＯに接続される。また、図３に示すように、低圧側の第２ポンプ１３２に対応した第２リニアソレノイドバルブ１５２の出力ポート１５ｏは、バルブボディに形成された油路（液体通路）やホースＨ等を介して対応する第２人工筋肉ＡＭ２を構成する２つの液圧アクチュエータＭの作動油の出入口ＩＯに接続される。

ロボット装置１の制御装置１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェース等を含むマイクロコンピュータや各種ロジックＩＣ等（何れも図示省略）を含む。制御装置１００は、第１および第２リニアソレノイドバルブ１５１，１５２の下流側で油路Ｌ１またはＬ２における作動油の圧力を検出する図示しない複数の元圧センサ、信号圧生成バルブＳＬ１，ＳＬ２および第１、第２リニアソレノイドバルブ１５１，１５２の電源の電圧を検出する図示しない電圧センサの検出値等を入力する。制御装置１００は、元圧センサにより検出される油路Ｌ１，Ｌ２における油圧が目標値になるように、第１および第２ポンプ１３１，１３２をデューティ制御すると共に、第１および第２レギュレータバルブ１４１，１４２の信号圧生成バルブＳＬ１，ＳＬ２の電磁部に供給される電流を制御する。また、制御装置１００は、第１および第２リニアソレノイドバルブ１５１，１５２から各液圧アクチュエータＭに要求に応じた油圧が供給されるように第１および第２リニアソレノイドバルブ１５１，１５２への電流指令値を設定し、当該電流指令値に基づいて各電磁部１５ｅに供給される電流を制御する。更に、制御装置１００は、第１リニアソレノイドバルブ１５１の電磁部１５ｅを流れる電流を検出する電流検出部と、第２リニアソレノイドバルブ１５２の電磁部１５ｅを流れる電流を検出する電流検出部とを含み（何れも図示省略）、各電流検出部により検出される電流を監視する。

続いて、上述のロボット装置１の動作について説明する。ロボット装置１のハンド部４を把持対象まで移動させ、当該把持対象をハンド部４に把持させて移送させる際、制御装置１００は、油路Ｌ１，Ｌ２における油圧がそれぞれについて予め定められた値になるように、第１および第２ポンプ１３１，１３２をデューティ制御すると共に、第１および第２レギュレータバルブ１４１，１４２の信号圧生成バルブＳＬ１，ＳＬ２を制御する。更に、制御装置１００は、第１および第２リニアソレノイドバルブ１５１，１５２から各液圧アクチュエータＭに要求に応じた油圧が供給されるように第１および第２リニアソレノイドバルブ１５１，１５２への電流指令値を設定し、当該電流指令値に基づいて各電磁部１５ｅに供給される電流を制御する。

より詳細には、制御装置１００は、ロボットアーム２の作動開始に先立って（ハンド部４の移動開始前に）、ハンド部４の把持対象の位置や、ユーザにより与えられるハンド部４の移動中の目標速度および目標加速度に基づいて、当該ハンド部４の最終的な目標位置である目標到達位置（３次元座標）と、ハンド部４の初期位置から目標到達位置までの軌道であって複数の目標位置すなわち経由位置（３次元座標）を含む目標軌道とを設定する。また、制御装置１００は、複数の関節角度センサ７の対応する何れかにより検出される関節Ｊ１－Ｊ３の関節角度θ１，θ２，θ３とロボットアーム２（ロボット装置１）の諸元（アーム３の寸法等）とに基づいて、ハンド部４（予め定められた基準点）の現在位置（３次元座標）を導出する。以下、“ｉ”を関節の番号として（ただし、本実施形態において、ｉ＝１，２，３である。）、ｉ番目の関節を“関節Ｊｉ”といい、関節Ｊｉの関節角度を“θｉ”という。

更に、制御装置１００は、関節Ｊ１－Ｊ３ごとに、関節Ｊｉを介して連結される２つのアーム３（アーム３および支持部材５）を相対的に回動させるための関節トルクの目標値（目標駆動力）である目標トルクＴｔａｇ（ｉ）を設定する。目標トルクＴｔａｇ（ｉ）は、ハンド部４が現在位置から目標位置まで移動するように関節Ｊｉを介して連結された２つのアーム３等を相対的に回動させる関節トルクＴｊ（ｉ）と、ロボットアーム２の姿勢を維持するのに必要な重力補償トルクＴｃ（ｉ）との和として導出される。また、制御装置１００は、少なくともロボット装置１すなわちハンド部４の目標位置に基づいて、関節Ｊ１－Ｊ３ごとに、関節Ｊｉがもつべき剛性、すなわち関節Ｊｉを介して連結される２つのアーム３等（リンク）を単位角度だけ相対的に回動させるのに必要な力（トルク）であって、当該２つのアーム３等を相対的に回動させようとする外力に対する関節Ｊｉの動きにくさを示す目標剛性Ｒ（ｉ）を設定する。

次いで、制御装置１００は、関節Ｊ１－Ｊ３ごとに、ハンド部４の現在位置に応じた関節Ｊｉの関節角度θｉに基づいて、当該関節Ｊｉに対応した上記第１人工筋肉ＡＭ１を構成する２つの液圧アクチュエータＭの収縮率Ｃｒ１（ｉ）と、関節Ｊｉに対応した上記第２人工筋肉ＡＭ２を構成する２つの液圧アクチュエータＭの収縮率Ｃｒ２（ｉ）とを設定する。収縮率Ｃｒ１（ｉ），Ｃｒ２（ｉ）は、それぞれ該当する液圧アクチュエータＭのチューブＴの軸方向における自然長に対する収縮したチューブＴの軸長の割合を示す。加えて、制御装置１００は、関節Ｊ１－Ｊ３ごとに、目標トルクＴｔａｇ（ｉ）と目標剛性Ｒ（ｉ）とに基づいて、関節Ｊｉを介して連結された２つのアーム３等を目標トルクＴｔａｇ（ｉ）で相対的に回動させる際に当該関節Ｊｉに対応した複数（一対）の液圧アクチュエータＭに要求される収縮力Ｆｃ１（ｉ），Ｆｃ２（ｉ）を算出する。収縮力Ｆｃ１（ｉ）は、各関節Ｊｉに対応した第１人工筋肉ＡＭ１を構成する２つの液圧アクチュエータＭのチューブＴの収縮により発生させるべき力であり、収縮力Ｆｃ２（ｉ）は、各関節Ｊｉに対応した第２人工筋肉ＡＭ２を構成する２つの液圧アクチュエータＭのチューブＴの収縮により発生させるべき力である。

収縮率Ｃｒ１（ｉ），Ｃｒ２（ｉ）および収縮力Ｆｃ１（ｉ），Ｆｃ２（ｉ）を算出した後、制御装置１００は、図４に例示する目標圧力設定マップから収縮率Ｃｒ１（ｉ）と収縮力Ｆｃ１（ｉ）とに対応した圧力を適宜線形補間を行いながら導出して上記第１人工筋肉ＡＭ１を構成する２つの液圧アクチュエータＭの目標圧力Ｐｔａｇ１（ｉ）に設定する。更に、制御装置１００は、当該目標圧力設定マップから収縮率Ｃｒ２（ｉ）と収縮力Ｆｃ２（ｉ）とに対応した圧力を導出して上記第２人工筋肉ＡＭ２を構成する２つの液圧アクチュエータＭの目標圧力Ｐｔａｇ２（ｉ）に設定する。図５の目標圧力設定マップは、人工筋肉としての液圧アクチュエータＭの静特性を示すものであり、液圧アクチュエータＭに供給される油圧ごとに、チューブＴの収縮率と当該チューブＴが発生する収縮力との関係を規定するように予め実験・解析を経て作成されたものである。このように、チューブＴの収縮率Ｃｒ１（ｉ），Ｃｒ２（ｉ）および収縮力Ｆｃ１（ｉ），Ｆｃ２（ｉ）に対応した圧力を目標圧力Ｐｔａｇ１（ｉ），Ｐｔａｇ２（ｉ）に設定することで、ロボットアーム２への要求に応じて目標圧力Ｐｔａｇ１（ｉ），Ｐｔａｇ２（ｉ）を精度よく設定することが可能となる。

そして、制御装置１００は、設定した目標圧力Ｐｔａｇ１（ｉ）およびＰｔａｇ２（ｉ）を第１および第２リニアソレノイドバルブ１５１，１５２の電磁部１５ｅへの電流指令値（目標電流）に直接変換し、当該電流指令値に基づいて第１および第２リニアソレノイドバルブ１５１，１５２を制御（ＰＷＭ制御）する。これにより、第１および第２リニアソレノイドバルブ１５１，１５２から目標圧力Ｐｔａｇ１（ｉ）またはＰｔａｇ２（ｉ）に応じた油圧が各液圧アクチュエータＭのチューブＴに供給され、人工筋肉としての各液圧アクチュエータＭに供給される油圧を検出するセンサを用いることなく、各液圧アクチュエータＭを要求に対して応答性よく高精度に作動させることが可能となる。この結果、複数の液圧アクチュエータＭにより各アーム３を回動させてロボット装置１のハンド部４を所望の位置に移動させることができる。

また、ロボット装置１において、各第１人工筋肉ＡＭ１を構成する２つの液圧アクチュエータＭは、ハンド部４（および把持対象）への重力の作用によりロボット装置１に加えられる力Ｆｇに抗して収縮力を発生する。これに対して、各第２人工筋肉ＡＭ２を構成する２つの液圧アクチュエータＭは、ハンド部４への重力の作用によりロボット装置１に加えられる力Ｆｇに抗することなく収縮力を発生する。従って、各第１人工筋肉ＡＭ１を構成する２つの液圧アクチュエータＭでは、収縮力を発生させるのに要求される油圧が増加する傾向となり、各第２人工筋肉ＡＭ２を構成する２つの液圧アクチュエータＭでは、第１人工筋肉ＡＭ１に比べて、収縮力を発生させるのに要求される油圧が減少する傾向となる。このため、ロボット装置１では、関節Ｊ１，Ｊ２またはＪ３を介して連結された２つのアーム３等を相対的に回動させる複数（４つ）の液圧アクチュエータＭのうち、一方の第１人工筋肉ＡＭ１を構成する２つの液圧アクチュエータＭに高圧側の第１ポンプ１３１からの作動油が供給される。また、他方の第２人工筋肉ＡＭ２を構成する２つの液圧アクチュエータＭには、低圧側の第２ポンプ１３２からの作動油が供給される。

すなわち、高圧側の第１ポンプ１３１と低圧側の第２ポンプ１３２とを含む液体供給装置１０によれば、第１人工筋肉ＡＭ１に要求される油圧を良好に確保しつつ、第２人工筋肉ＡＭ２に対応した第２ポンプ１３２に出力させるべき油圧を低下させることが可能となる、これにより、第１および第２人工筋肉ＡＭ１，ＡＭ２に単一のポンプから作動油を供給する場合に比べて、漏れ量を含むロボット装置１における作動油の消費流量を低減化し、第２ポンプ１３２の消費電力（消費エネルギ）を削減することができる。この結果、関節Ｊ１－Ｊ３に対応した第１および第２人工筋肉ＡＭ１，ＡＭ２を構成する複数の液圧アクチュエータＭに適正に作動油（油圧）を供給してロボット装置１の効率を向上させることが可能となる。

更に、ロボット装置１では、第１ポンプ１３１からの比較的高い油圧を減圧して第２人工筋肉ＡＭ２を構成する液圧アクチュエータＭに供給する必要がなくなり、第２ポンプ１３２として、第１ポンプ１３１よりも低い最大吐出圧力を有するものを採用することができる。これにより、ロボット装置１における作動油の消費流量を良好に低減化しつつ、第２ポンプ１３２を小型化して装置全体の大型化を抑制することが可能となる。

また、ロボット装置１の液体供給装置１０は、第１ポンプ１３１からの作動油の圧力を調圧して第１の元圧を生成する第１レギュレータバルブ１４１と、第２ポンプ１３２からの作動油の圧力を調圧して第２の元圧を生成する第２レギュレータバルブ１４２と、第１レギュレータバルブ１４１からの第１の元圧を調圧して対応する第１人工筋肉ＡＭ１を構成する２つの液圧アクチュエータＭに供給する第１リニアソレノイドバルブ１５１と、第２レギュレータバルブ１４２からの第２の元圧を調圧して対応する第２人工筋肉ＡＭ２を構成する２つの液圧アクチュエータＭに供給する第２リニアソレノイドバルブ１５２とを含む。これにより、第１および第２レギュレータバルブ１４１，１４２により第１および第２ポンプ１３１，１３２からの油圧の脈動を抑えることができるので、第１および第２人工筋肉ＡＭ１，ＡＭ２を構成する複数の液圧アクチュエータＭに供給される作動油の圧力を第１または第２リニアソレノイドバルブ１５１，１５２により要求に応じた目標圧力Ｐｔａｇ１（ｉ），Ｐｔａｇ２（ｉ）に精度よく調圧することが可能となる。

ただし、図５に示す液体供給装置１０Ｂのように、第１および第２レギュレータバルブ１４１，１４２並びに信号圧生成バルブＳＬ１，ＳＬ２が省略されてもよく、第１および第２ポンプ１３１，１３２の吐出口が油路Ｌ１またはＬ２を介して第１または第２リニアソレノイドバルブ１５１，１５２の入力ポート１５ｉに接続されてもよい。かかる液体供給装置１０Ｂでは、第１および第２ポンプ１３１，１３２の回転数を制御して第１および第２の元圧を調整することができる。また、液体供給装置１０Ｂでは、第１ポンプ１３１と第１リニアソレノイドバルブ１５１との間で油路Ｌ１に第１のアキュムレータ（蓄圧器）１６１が接続されてもよく、第２ポンプ１３２と第２リニアソレノイドバルブ１５２との間で油路Ｌ２に第２のアキュムレータ（蓄圧器）１６２が接続されてもよい。

図６は、上記ロボット装置１に適用可能な他の液体供給装置１０Ｃを示す概略構成図である。なお、液体供給装置１０Ｃの構成要素のうち、上述の液体供給装置１０等と同一の要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図６に示す液体供給装置１０Ｃにおいて、第１および第２ポンプ１３１Ｃ，１３２Ｃは、何れも上記第１ポンプ１３１と同一の諸元を有するものである。すなわち、第１および第２ポンプ１３１Ｃ，１３２Ｃの最大吐出圧力は、互いに同一であり、かつ上記第１ポンプ１３１の最大吐出圧力と同一である。かかる態様においても、ハンド部４への重力の作用によりロボット装置１に加えられる力Ｆｇに抗することなく収縮力を発生する第２人工筋肉ＡＭ２に対応した第２ポンプ１３２Ｃからの作動油の圧力を低下させて当該第２ポンプ１３２Ｃの消費電力を低減化することが可能となる。従って、液体供給装置１０Ｃによっても、関節Ｊ１－Ｊ３に対応した第１および第２人工筋肉を構成する複数の液圧アクチュエータＭに適正に作動油（油圧）を供給してロボット装置１の効率を向上させることが可能となる。

また、液体供給装置１０Ｃにおいても、第１および第２レギュレータバルブ１４１，１４２により第１および第２ポンプ１３１Ｃ，１３２Ｃからの油圧の脈動を抑えることができる。従って、液体供給装置１０Ｃによっても、第１および第２人工筋肉ＡＭ１，ＡＭ２を構成する複数の液圧アクチュエータＭに供給される作動油の圧力を第１または第２リニアソレノイドバルブ１５１，１５２により要求に応じた目標圧力Ｐｔａｇ１（ｉ），Ｐｔａｇ２（ｉ）に精度よく調圧することが可能となる。

更に、液体供給装置１０Ｃでは、第１ポンプ１３１Ｃおよび第１レギュレータバルブ１４１（信号圧生成バルブＳＬ１）並びに第２ポンプ１３２Ｃおよび第２レギュレータバルブ１４２（信号圧生成バルブＳＬ２）を制御することで、第１および第２ポンプ１３１Ｃ，１３２Ｃからの油圧を選択的に低下させることができる。従って、液体供給装置１０Ｃによれば、重力の作用によりロボット装置１に加えられる力Ｆｇに抗して収縮力を発生する人工筋肉が、例えばロボット装置１（ロボットアーム２）の状態（姿勢）に応じて第１人工筋肉ＡＭ１と第２人工筋肉ＡＭ２との間で変化する場合であっても、第１および第２人工筋肉ＡＭ１，ＡＭ２に対して要求に応じた油圧を適正に供給してロボット装置１の効率を向上させることが可能となる。

ただし、液体供給装置１０Ｃから、第１および第２レギュレータバルブ１４１，１４２並びに信号圧生成バルブＳＬ１，ＳＬ２が省略されてもよく、第１および第２ポンプ１３１Ｃ，１３２Ｃの吐出口が油路Ｌ１またはＬ２を介して第１または第２リニアソレノイドバルブ１５１，１５２の入力ポート１５ｉに接続されてもよい。この場合、第１および第２ポンプ１３１Ｃ，１３２Ｃの回転数を制御して第１および第２の元圧を調整することができる。また、液体供給装置１０Ｃから第１および第２レギュレータバルブ１４１，１４２等が省略された場合、第１ポンプ１３１Ｃと第１リニアソレノイドバルブ１５１との間で油路Ｌ１に第１のアキュムレータ（蓄圧器）が接続されてもよく、第２ポンプ１３２Ｃと第２リニアソレノイドバルブ１５２との間で油路Ｌ２に第２のアキュムレータ（蓄圧器）が接続されてもよい。

図７は、上記ロボット装置１に適用可能な更に他の液体供給装置１０Ｄを示す概略構成図である。なお、液体供給装置１０Ｄの構成要素のうち、上述の液体供給装置１０等と同一の要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図７に示す液体供給装置１０Ｄは、図３の液体供給装置１０に対して、信号圧出力バルブとしてのオンオフソレノイドバルブ１７と、切替バルブ１８とが追設されたものに相当する。オンオフソレノイドバルブ１７および切替バルブ１８は、関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３ごとにそれぞれ１つずつ設けられる。オンオフソレノイドバルブ１７は、制御装置１００により通電制御される電磁部と、油路Ｌ１あるいはＬ２に連通する入力ポートと、出力ポートとをそれぞれ含む。オンオフソレノイドバルブ１７は、電磁部への通電に応じて入力ポートに供給される作動油を出力ポートに流出させることにより信号圧を出力する。

切替バルブ１８は、スプール１８０および当該スプール１８０を付勢するスプリング１８１を含むスプールバルブであり、バルブボディ内に配置される。また、切替バルブ１８は、第１入力ポート１８ｉａと、第２入力ポート１８ｉｂと、第１出力ポート１８ｏａと、第２出力ポート１８ｏｂと、信号圧入力ポート１８ｃとを含む。第１入力ポート１８ｉａは、バルブボディに形成された油路を介して第１レギュレータバルブ１４１の出力ポートに連通し、第２入力ポート１８ｉｂは、バルブボディに形成された油路を介して第２レギュレータバルブ１４２の出力ポートに連通する。第１出力ポート１８ｏａは、油路Ｌ１を介して対応する第１リニアソレノイドバルブ１５１の入力ポート１５ｉに連通し、第２出力ポート１８ｏｂは、油路Ｌ２を介して対応する第２リニアソレノイドバルブ１５２の入力ポート１５ｉに連通する。信号圧入力ポート１８ｃは、バルブボディに形成された油路を介して対応するオンオフソレノイドバルブ１７の出力ポートに連通する。

切替バルブ１８のスプール１８０は、対応するオンオフソレノイドバルブ１７からの信号圧が信号圧入力ポート１８ｃに供給されていないときに、スプリング１８１の付勢力により第１入力ポート１８ｉａと第１出力ポート１８ｏａとを連通させると共に第２入力ポート１８ｉｂと第２出力ポート１８ｏｂとを連通させる第１状態（図７における実線参照）を形成する。また、切替バルブ１８のスプール１８０は、電磁部の通電により対応するオンオフソレノイドバルブ１７からの信号圧が信号圧入力ポート１８ｃに供給されるときに、スプリング１８１の付勢力に抗して第１入力ポート１８ｉａと第２出力ポート１８ｏｂとを連通させると共に第２入力ポート１８ｉｂと第１出力ポート１８ｏａとを連通させる第２状態（図７における点線参照）を形成する。

かかる液体供給装置１０Ｄでは、切替バルブ１８（スプール１８０）が第１状態を形成する際に、高圧側の第１ポンプ１３１からの作動油が各第１人工筋肉ＡＭ１を構成する２つの液圧アクチュエータＭに供給され、低圧側の第２ポンプ１３２からの作動油が各第２人工筋肉ＡＭ２を構成する２つの液圧アクチュエータＭに供給される。また、切替バルブ１８（スプール１８０）が第２状態を形成する際には、高圧側の第１ポンプ１３１からの作動油が各第２人工筋肉ＡＭ１を構成する２つの液圧アクチュエータＭに供給され、低圧側の第２ポンプ１３２からの作動油が各第１人工筋肉ＡＭ２を構成する２つの液圧アクチュエータＭに供給される。従って、液体供給装置１０Ｄによれば、重力の作用によりロボット装置１に加えられる力Ｆｇに抗して収縮力を発生する人工筋肉が、例えばロボット装置１（ロボットアーム２）の状態（姿勢）に応じて第１人工筋肉ＡＭ１と第２人工筋肉ＡＭ２との間で変化する場合であっても、オンオフソレノイドバルブ１７を制御することで第１および第２人工筋肉ＡＭ１，ＡＭ２に対して要求に応じた油圧を適正に供給し、ロボット装置１の効率を向上させることが可能となる。

また、液体供給装置１０Ｄから、第１および第２レギュレータバルブ１４１，１４２並びに信号圧生成バルブＳＬ１，ＳＬ２が省略されてもよく、第１および第２ポンプ１３１，１３２の吐出口が油路Ｌ１またはＬ２を介して第１または第２リニアソレノイドバルブ１５１，１５２の入力ポート１５ｉに接続されてもよい。この場合、第１および第２ポンプ１３１，１３２の回転数を制御して第１および第２の元圧を調整することができる。更に、液体供給装置１０Ｄから第１および第２レギュレータバルブ１４１，１４２等が省略された場合、第１ポンプ１３１と第１リニアソレノイドバルブ１５１との間で油路Ｌ１に第１のアキュムレータ（蓄圧器）が接続されてもよく、第２ポンプ１３２と第２リニアソレノイドバルブ１５２との間で油路Ｌ２に第２のアキュムレータ（蓄圧器）が接続されてもよい。

なお、ロボット装置１において、各関節Ｊｉの目標剛性Ｒ（ｉ）は、少なくともロボット装置１すなわちハンド部４の現在位置に基づいて設定されてもよく、収縮率Ｃｒ１（ｉ），Ｃｒ２（ｉ）は、ロボット装置１のハンド部４の目標位置に応じた各関節Ｊｉの目標角度に基づいて設定されてもよい。また、少なくともロボット装置１のハンド部４の目標位置または現在位置に基づいて関節Ｊｉに対応した上記第１および第２人工筋肉ＡＭ１，ＡＭ２の一方を構成する２つの液圧アクチュエータＭに発生させる第１収縮力が設定されてもよく、目標トルクＴｔａｇ（ｉ）と当該第１収縮力とに基づいて当該第１および第２人工筋肉ＡＭ１，ＡＭ２の他方を構成する２つの液圧アクチュエータＭに発生させる第２収縮力が設定されてもよい。更に、ロボット装置１において、目標トルクＴｔａｇ（ｉ）等に応じて、予め定められた一定の圧力が関節Ｊｉに対応した第１および第２人工筋肉ＡＭ１，ＡＭ２の一方を構成する２つの液圧アクチュエータＭの目標圧力である第１目標圧力に設定されてもよく、目標トルクＴｔａｇ（ｉ）と第１目標圧力とに基づいて当該第１および第２人工筋肉ＡＭ１，ＡＭ２の他方を構成する２つの液圧アクチュエータＭの目標圧力である第２目標圧力が設定されてもよい。

また、液体供給装置１０，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄにおいて、第１および第２リニアソレノイドバルブ１５１，１５２が、電磁部に供給される電流に応じた信号圧を出力するリニアソレノイドバルブ（あるいはオンオフソレノイドバルブ）と、当該信号圧に応じて作動油Ｏｆを調圧するコントロールバルブとで置き換えられてもよい。更に、第１および第２リニアソレノイドバルブ１５１，１５２は、対応する液圧アクチュエータＭに供給される液圧（油圧）が目標圧力になるように制御される流量制御弁で置き換えられてもよい。また、液体供給装置１０は、水等の作動油以外の液体を液圧アクチュエータＭに供給するように構成されてもよい。

更に、上記実施形態において、人工筋肉としての液圧アクチュエータＭは、内部に作動油が供給されると共に当該内部の油圧の上昇に応じて径方向に膨張しながら軸方向に収縮するチューブＴと、当該チューブＴを覆う編組スリーブＳとを含むマッキベン型の人工筋肉であるが、ロボット装置１における液圧アクチュエータＭの構成は、これに限られるものではない。すなわち、液圧アクチュエータＭは、液体が供給された際に径方向に膨張しながら軸方向に収縮するチューブを含むものであればよく、例えば弾性体により形成された内側筒状部材と、弾性体により形成されると共に内側筒状部材の外側に同軸に配置され外側筒状部材と、内側筒状部材と外側筒状部材との間に配置された繊維層とを含む軸方向繊維強化型の液圧アクチュエータ（例えば、特開２０１１－１３７５１６号参照）であってもよい。

そして、ロボット装置１は、少なくとも１つの液圧アクチュエータＭとハンド部４とを有するロボットアーム２を含むものに限られず、少なくとも１つの液圧アクチュエータＭと、例えばドリルビット等の工具や例えばスイッチ等を押圧する押圧部材といったハンド部４以外の要素が手先に取り付けられたロボットアームとを含むものであってもよい。また、ロボット装置１は、歩行ロボットや、ウェアラブルロボット等であってもよい。更に、ロボットアーム２は、１つの関節と、当該関節に対応した第１および第２人工筋肉ＡＭ１，ＡＭ２とを含むものであってもよい。また、関節Ｊｉを介して連結された２つのアーム３等のすべてに必ずしも対をなす複数の液圧アクチュエータ（人工筋肉）Ｍが設けられる必要はなく、何れか１組の２つのアーム３等に、１つまたは複数の液圧アクチュエータＭと、当該液圧アクチュエータＭと拮抗するように配置されるスプリングやゴム材等の弾性体とが連結されてもよい。

また、本開示の発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示の外延の範囲内において様々な変更をなし得ることはいうまでもない。更に、上記実施形態は、あくまで発明の概要の欄に記載された発明の具体的な一形態に過ぎず、発明の概要の欄に記載された発明の要素を限定するものではない。

本開示の発明は、人工筋肉を含むロボット装置の製造産業等において利用可能である。

１ ロボット装置、２ ロボットアーム、３ アーム、４ ハンド部、５ 支持部材、１０，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ 液体供給装置、１３１，１３１Ｃ 第１ポンプ、１３２，１３２Ｃ 第２ポンプ、１４１ 第１レギュレータバルブ、１４２ 第２レギュレータバルブ、１５１ 第１リニアソレノイドバルブ（調圧バルブ）、１５２ 第２リニアソレノイドバルブ（調圧バルブ）、１７ オンオフソレノイドバルブ、１８ 切替バルブ、１００ 制御装置、ＡＭ１ 第１人工筋肉、ＡＭ２ 第２人工筋肉、Ｍ 液圧アクチュエータ、Ｓ 編組スリーブ、ＳＬ１，ＳＬ２ 信号圧生成バルブ、Ｔ チューブ。

Claims (5)

1. 関節を介して連結された２つのリンクと、それぞれ液体の供給を受けて作動すると共に互いに対をなして前記２つのリンクを相対的に回動させる第１および第２人工筋肉とを含むロボット装置であって、
   前記第１および第２人工筋肉のうち、重力の作用により前記ロボット装置に加えられる力に抗して収縮力を発生する一方に前記液体を供給する第１ポンプと、前記第１および第２人工筋肉の他方に前記液体を供給する第２ポンプとを含む液体供給装置を備えるロボット装置。
2. 請求項１に記載のロボット装置において、
   前記第２ポンプの最大吐出圧力は、前記第１ポンプの最大吐出圧力よりも低いロボット装置。
3. 請求項１に記載のロボット装置において、
   前記第２ポンプの最大吐出圧力は、前記第１ポンプの最大吐出圧力と同一であるロボット装置。
4. 請求項２または３に記載のロボット装置において、
   前記液体供給装置は、
   前記第１ポンプからの前記液体の圧力を調圧して第１の元圧を生成する第１レギュレータバルブと、
   前記第２ポンプからの前記液体の圧力を調圧して第２の元圧を生成する第２レギュレータバルブと、
   前記第１レギュレータバルブからの前記第１の元圧を調圧して前記第１および第２人工筋肉の前記一方に供給する第１調圧バルブと、
   前記第２レギュレータバルブからの前記第２の元圧を調圧して前記第１および第２人工筋肉の前記他方に供給する第２調圧バルブと、
   を含むロボット装置。
5. 請求項１から４の何れか一項に記載のロボット装置において、
   前記液体供給装置は、前記第１ポンプからの前記液体を前記第１人工筋肉に供給すると共に前記第２ポンプからの前記液体を前記第２人工筋肉に供給する第１状態と、前記第１ポンプからの前記液体を前記第２人工筋肉に供給すると共に前記第２ポンプからの前記液体を前記第１人工筋肉に供給する第２状態とを選択的に形成する切替バルブを含むロボット装置。

Images