JP4296232B2 - 圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットアーム等の機械装置の駆動機構に応用可能な圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構に関する。

近年、ペットロボットなどの家庭用ロボットの開発が盛んに行われており、将来は家事支援ロボットなど、より実用的な家庭用ロボットが実用化されるものと期待されている。家庭用ロボットは、家庭内に入り人間と共生する必要があるため、従来の産業用ロボットなどとは必要とされる仕様が異なる。

産業用ロボットでは、電気モータや減速器が用いられ、高ゲインのフィードバック制御により、繰り返し精度０．１ｍｍ等といった高い手先位置精度が実現されている。しかしながら、このような電気モータにより駆動される機構は、剛性が高く、柔らかさに欠ける場合が多く、安全性という面で問題が多い。

これに対し、家庭用ロボットでは、繰り返し精度０．１ｍｍ等といった高い精度は必ずしも必要とせず、人間との接触時に危害を与えないなど安全性が重視される。したがって、従来の産業用ロボットのように電気モータによる駆動される機構は、家庭用ロボットなど安全性が重視される分野に適しているとは言えず、柔軟で安全な駆動機構が必要とされている。

こうした課題に対し、従来技術としては、マッキベン型の空気圧アクチュエータで駆動される駆動機構が提案されている。特公平７−２７４１１号公報（特許文献１）において、空気圧アクチュエータ駆動回路に同相の外乱信号を入力することでディザ効果を得、制御特性を向上するとともに、サーボ弁駆動信号等よりサーボ構成要素の異常を検出した場合、動力源を遮断するとともに、駆動装置のブレーキを動作させ暴走を防ぐ駆動装置を開示している。

特公平７−２７４１１号公報

しかしながら、上記特許文献１の構成では、空気が圧縮性を有することから空気圧駆動系は応答性が悪く、動力源を遮断するのみでは緊急の停止は難しく、例えば衝突発生時に衝突対象に大きなダメージを与える等の可能性がある。

また、ブレーキ装置では減速のみしかできず、急速に加速して衝突の回避を行う等の動作はできない。

また、ブレーキ装置を設けることは、機構の複雑化につながり、重量も増加することから駆動装置の運動エネルギーが増加し、安全性も低下する。

本発明の目的は、上記従来の関節駆動機構の課題を解決し、関節の運動を制御する主流体圧制御手段の流体圧制御動作よりも早く応答可能な、圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構を提供することにある。

上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。

本発明の第１態様によれば、複数の圧縮性流体圧アクチュエータの拮抗駆動により関節の運動が駆動される圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構であって、
上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータに加圧あるいは減圧制御動作を行って上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータのそれぞれの流体圧を制御することにより上記関節の運動を制御する主流体圧制御手段と、
上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータの近傍に近接して配設され、上記圧縮性流体圧アクチュエータに対して、上記関節の運動を制御する上記主流体圧制御手段の流体圧制御動作よりも早く加圧あるいは減圧制御動作を行って上記圧縮性流体圧アクチュエータを急加速又は急減速させるように制御する近接流体圧高速制御手段とを有するとともに、
上記近接流体圧高速制御手段が開状態を一定時間継続した後、閉状態になり流路を閉じるように上記近接流体圧高速制御手段を動作制御して、時間により上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータに対する加圧あるいは減圧の制御を行う関節急加減速制御手段をさらに備える圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構を提供する。

本発明の第４態様によれば、複数の圧縮性流体圧アクチュエータの拮抗駆動により関節の運動が駆動される圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構であって、
上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータに加圧あるいは減圧制御動作を行って上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータのそれぞれの流体圧を制御することにより上記関節の運動を制御する主流体圧制御手段と、
上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータの近傍に近接して配設され、上記圧縮性流体圧アクチュエータに対して、上記関節の運動を制御する上記主流体圧制御手段の流体圧制御動作よりも早く加圧あるいは減圧制御動作を行って上記圧縮性流体圧アクチュエータを急加速又は急減速させるように制御する近接流体圧高速制御手段とを有するとともに、
さらに、生体情報を検出する生体情報検出手段と、上記生体情報検出手段で検出された上記生体情報を認識する生体情報認識手段とを有して、上記生体情報認識手段により認識された情報が動作指令の場合に上記近接流体圧高速制御手段を動作させる圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構を提供する。

本発明によれば、圧縮性流体圧アクチュエータの近傍に近接して配設され、上記圧縮性流体圧アクチュエータに対し、上記主流体圧制御手段の流体圧制御動作よりも高速に加圧あるいは減圧を行う近接流体圧高速制御手段を有することにより、関節の運動を制御する主流体圧制御手段の流体圧制御動作よりも早く近接流体圧高速制御手段が圧縮性流体圧アクチュエータに対して加圧あるいは減圧を行うため、関節の運動の急減速や急加速が可能になる。

したがって、衝突発生時に急制動をかけたり、障害物接近時の緊急に衝突回避のための急加速を行なうなどの緊急衝突回避動作するなど高速応答の必要な動作に対する性能が向上し、安全な、圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構を実現することができる。

また、関節の運動の急減速や急加速させるように制御することができるため、構造体で高速に移動し落下する物体を捕捉することができる圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構を実現することもできる。

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前に、本発明の種々の態様について説明する。

本発明の第１態様によれば、複数の圧縮性流体圧アクチュエータの拮抗駆動により関節の運動が駆動される圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構であって、
上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータに加圧あるいは減圧制御動作を行って上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータのそれぞれの流体圧を制御することにより上記関節の運動を制御する主流体圧制御手段と、
上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータの近傍に近接して配設され、上記圧縮性流体圧アクチュエータに対して、上記関節の運動を制御する上記主流体圧制御手段の流体圧制御動作よりも早く加圧あるいは減圧制御動作を行って上記圧縮性流体圧アクチュエータを急加速又は急減速させるように制御する近接流体圧高速制御手段とを有することを特徴とする圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構を提供する。

本発明の第２態様によれば、さらに、上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータのそれぞれに流体を供給して上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータをそれぞれに加圧可能な流体供給手段を有し、上記近接流体圧高速制御手段は、上記流体供給手段の供給する流体により上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータのそれぞれを急加圧可能とすることを特徴とする第１態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構を提供する。

本発明の第３態様によれば、上記近接流体圧高速制御手段は、上記拮抗する複数の圧縮性流体圧アクチュエータ同士をバイパスするバイパス手段であり、上記バイパス手段を開閉することにより、上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータのそれぞれに対して、上記関節の運動を制御する上記主流体圧制御手段の流体圧制御動作よりも早く加圧および減圧を行うことを特徴とする第１態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構を提供する。

本発明の第４態様によれば、上記近接流体圧高速制御手段は、上記圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構に外部からかかる力が一定値を越えると、減圧制御動作するリリーフ弁であることを特徴とする第１態様または第２態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構を提供する。

本発明の第５態様によれば、さらに、衝突を検知する衝突検知手段を有し、上記衝突検知手段で衝突を検知したときに上記近接流体圧高速制御手段を減圧制御動作させることを特徴とする第１態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構を提供する。

本発明の第６態様によれば、上記近接流体圧高速制御手段が開状態を一定時間継続した後、閉状態になり流路を閉じるように上記近接流体圧高速制御手段を動作制御して、時間により上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータに対する加圧および減圧の制御を行う関節急加減速制御手段をさらに備えることを特徴とする第１態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構を提供する。

本発明の第７態様によれば、上記圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構に外部からかかる力の大きさに基づいて上記近接流体圧高速制御手段の開状態を継続する時間の長さを決定して上記近接流体圧高速制御手段を動作制御する関節急加減速制御手段をさらに備えることを特徴とする第６態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構を提供する。

本発明の第８態様によれば、上記圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の動作速度の大きさに基づいて上記近接流体圧高速制御手段の開状態を継続する時間の長さを決定して上記近接流体圧高速制御手段を動作制御する関節急加減速制御手段をさらに備えることを特徴とする第６態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構を提供する。

本発明の第９態様によれば、上記流体供給手段は上記圧縮性流体圧アクチュエータの近傍に、上記流体供給手段から上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータのそれぞれに供給する上記流体を蓄積する流体蓄積手段を有することを特徴とする第２態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構を提供する。

本発明の第１０態様によれば、上記流体蓄積手段は圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の構造体の内部に空洞を設け、上記空洞に流体を蓄積することを特徴とする第９態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構を提供する。

本発明の第１１態様によれば、上記流体供給手段は上記圧縮性流体圧アクチュエータの加圧可能限度圧を越える流体を供給することを特徴とする第２態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構を提供する。

本発明の第１２態様によれば、上記近接流体圧高速制御手段は、上記圧縮性流体圧アクチュエータに連通して上記圧縮性流体圧アクチュエータの加圧あるいは減圧制御動作を行うための流路の開閉動作のみを行いかつ上記主流体圧制御手段の流体圧制御動作よりも早く開閉動作を行う高速ＯＮ−ＯＦＦ弁であることを特徴とする第１態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構を提供する。

本発明の第１３態様によれば、さらに、生体情報を検出する生体情報検出手段と、上記生体情報検出手段で検出された上記生体情報を認識する生体情報認識手段とを有して、上記生体情報認識手段により認識された情報が動作指令の場合に上記近接流体圧高速制御手段を動作させることを特徴とする第１態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構を提供する。

本発明の第１４態様によれば、圧縮性流体圧アクチュエータの拮抗駆動により関節の運動が駆動され、上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータに加圧あるいは減圧制御動作を行って上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータのそれぞれの流体圧を制御することにより上記関節の運動を制御する主流体圧制御手段と、上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータの近傍に近接して配設され、上記圧縮性流体圧アクチュエータに対して、上記関節の運動を制御する上記主流体圧制御手段の流体圧制御動作よりも早く加圧あるいは減圧制御動作を行って上記圧縮性流体圧アクチュエータを急加速又は急減速させるように制御する近接流体圧高速制御手段とを有する圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の制御装置であって、
上記関節の上記運動の情報を基に、上記主流体圧制御手段を動作制御することにより上記関節の運動を制御する関節制御手段と、
上記近接流体圧高速制御手段を動作制御することにより上記関節の急減速あるいは急加速動作を制御する関節急加減速制御手段とを有することを特徴とする圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の制御装置を提供する。

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。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態にかかる圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の構造を示す全体図である。図１において、１は第１構造体、２は第２構造体である。第１構造体１と第２構造体２は、回転関節３により結合されており、相対的に回動可能である。回転関節３には、例えばエンコーダなどの角度センサー７０が配設されており、図６中に示した第１構造体１の中心軸と第２構造体２の中心軸とのなす関節角度θが計測可能となっている。

第１構造体１には、互いに対向するようにアクチュエータ支持部材４ａおよび４ｂが第１構造体１の長手方向とは直交する方向に配設されており、第２構造体２には、アクチュエータ駆動力伝達部材５が第２構造体２の長手方向とは直交する方向に配設されている。

６ａおよび６ｂは圧縮性流体圧アクチュエータの一例である空気圧人工筋であり、第１構造体１と略平行に、かつ、第１構造体１を間に挟むように配設されている。空気圧人工筋６ａおよび６ｂのそれぞれの一端は、回転ジョイント７ａおよび７ｂによりアクチュエータ支持部材４ａおよび４ｂと、それぞれ回転可能に接続されている。また、空気圧人工筋６ａおよび６ｂのそれぞれの他端は、回転ジョイント７ｃおよび７ｄによりアクチュエータ駆動力伝達部材５と、それぞれ回転可能に接続されている。

８は高圧流体蓄積手段の一例としての高圧タンクであり、第１構造体１の内部に配設されおり、第１構造体１の内部に設けた空洞８ａに高圧流体を蓄積するとともに、空気圧人工筋６ａおよび６ｂ、後述する空気圧供給駆動系と空圧配管１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄにより接続されている。すなわち、高圧タンク８の一端に空圧配管１０ａの一端が接続され、空圧配管１０ａの他端は、空気圧人工筋６ａおよび６ｂ側にそれぞれ向けて分岐した空圧配管１０ｂ、１０ｃと接続され、空圧配管１０ｂ、１０は空気圧人工筋６ａおよび６ｂにそれぞれ接続されている。また、空圧配管１０ａの他端には、空圧配管１０ｄの一端も接続されており、空圧配管１０ｄの他端が第１構造体１の長手方向に延びて、後述する空気圧供給駆動系と接続されるようになっている。一方、９ａおよび９ｂは近接流体圧高速制御手段の一例である高速ＯＮ−ＯＦＦ弁であり、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａ，９ｂの動作は、後述する制御コンピュータ２４により制御される。また、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａ，９ｂは、高圧タンク８から空気圧人工筋６ａおよび６ｂにそれぞれつながる空圧配管１０ｂ、１０ｃにそれぞれ配設され、空圧配管１０ｂ、１０ｃの流路の開閉動作をそれぞれ制御する。

１１ａ、１１ｂは人や物等の衝突対象が第２構造体２に衝突したことを検知する衝突検知手段の一例としての衝突検知センサーであり、衝突検知センサー１１ａ、１１ｂは、それぞれ、例えば感圧センサーで構成され、第２構造体２の表面に配設されている。衝突検知センサー１１ａ、１１ｂで衝突を検知したとき、後述するように、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａ，９ｂを減圧制御動作させることができる。図２は、第２構造体２の長手方向沿いでかつ図１の中で矢印Ｘで示した方向から見た図である。ここでは、衝突検知センサー１１ａ、１１ｂの配設位置は第２構造体２に対して対称になっており、空気圧人工筋６ａが収縮する時に回転関節３の回りに発生する回転運動方向側（図１において時計回り）に衝突検知センサー１１ａが配設され、空気圧人工筋６ｂが収縮する時に回転関節３の回りに発生する回転運動方向側（図１において反時計回り）に衝突検知センサー１１ｂが配設されている。

図３Ａ及び図３Ｂは、空気圧人工筋６ａ，６ｂの一例である１つの空気圧人工筋の構造を示す図である。空気圧人工筋６ａ，６ｂは、それぞれ、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、ゴム材料で構成された管状弾性体１２の外表面に繊維コードで構成された拘束部材１３が配設され、管状弾性体１２の両端部を封止部材１４でそれぞれ気密封止する構造となっている。流体注入出部材１５を通じて空気等の圧縮性流体を管状弾性体１２内に供給することにより管状弾性体１２の内部空間に内圧を与えると、管状弾性体１２が主に半径方向に膨張しようとするが、拘束部材１３の拘束作用により、管状弾性体１２の中心軸方向の運動に変換され、全長が収縮する。この空気圧人工筋は主に弾性体で構成されるため、柔軟性があり、安全で軽量なアクチュエータであるという特徴を有する。

図４は、空気圧人工筋６ａ，６ｂとその空気圧人工筋６ａ，６ｂを駆動するための空気圧供給駆動系の構成を示す図である。図４において、２１は例えばコンプレッサー等の空気圧源、２２は空気圧調整ユニットである。空気圧調整ユニット２２は、空気圧源２１の空気圧フィルタ２２ａ、空気圧減圧弁２２ｂ、および空気圧用ルブリケータ２２ｃが１組になって構成されている。これらの空気圧源２１と空気圧調整ユニット２２と高圧タンク８とより、空気圧人工筋６ａ，６ｂのそれぞれに流体を供給して上記空気圧人工筋６ａ，６ｂをそれぞれ加圧可能な高圧流体供給手段の一例を構成するようにしている。

２３は主流体圧制御手段の一例であり、電磁石の力でスプールを進退駆動することで流量を制御する５ポートの流量制御電磁弁であり、その進退駆動動作は、後述する制御コンピュータ２４により制御される。

図５Ａ〜図５Ｃに流量制御電磁弁２３の構成を示す。４７はスプールであり、円柱状でかつその外周面上に溝５５ａ，５５ｂが掘られた構造であり、電磁石で動作するリニアサーボアクチュエータ４８によりスプール４７の長手軸方向沿いにスプール４７が進退駆動され、図５Ａ〜図５Ｃの紙面上で左右方向に（スプール４７の長手軸方向沿いに）スプール４７が運動する。また、スプール４７を納める筐体４９には、空気圧源２１側と連通した吸気口５０、空圧配管１０ｃと連通した第１供給口５１、空圧配管１０ｂと連通した第２供給口５２、大気圧側と連通した第１排気口５３、大気圧側と連通した第２排気口５４が、それぞれ、配設されている。

スプール４７には溝５５ａおよび溝５５ｂが掘られているため、制御コンピュータ２４の制御により駆動されたリニアサーボアクチュエータ４８により、図５Ａの状態から図５Ｂの状態のように図５Ａ又は図５Ｂの紙面左側に移動したときには、溝５５ａにより吸気口５０から第１供給口５１への経路が開通するとともに、溝５５ｂにより第２供給口５２から第２排気口５４への経路が開通する。

一方、スプール４７が、制御コンピュータ２４の制御により駆動されたリニアサーボアクチュエータ４８により、図５Ａの状態又は図５Ｂの状態から図５Ｃの状態のように図５Ａ又は図５Ｂの紙面右側に移動したときには、溝５５ｂにより吸気口５０から第２供給口５２への経路が開通するとともに、溝５５ａにより第１供給口５１から第１排気口５３への経路が開通する。

また、以上の開通経路の流量は、スプール４７の移動量に比例して大きくなる。

以上のように、流量制御電磁弁２３は、制御コンピュータ２４から流量制御電磁弁２３に入力される電圧指令値に応じてスプール弁（スプール）４７の位置をサーボ制御により正確に制御することで、流量制御電磁弁２３の各ポートを流れる空気の流量を連続的かつ微細に制御可能である。この結果、空気圧人工筋６ａ，６ｂに加圧あるいは減圧制御動作を行って上記空気圧人工筋６ａ，６ｂのそれぞれの流体圧を制御することにより、上記関節３の運動を制御することが可能となる。

図４に戻り、２４は例えば一般的なパーソナルコンピュータにより構成されかつ制御装置の一例として機能する制御コンピュータである。制御コンピュータ２４上では、関節制御手段１７と関節急加減速制御手段１８がプログラムとして実装されており、それぞれ独立して動作している。

関節制御手段１７は、関節３の運動の情報、例えば、角度センサー７０からの情報を基に、第１構造体１と第２構造体２の揺動運動すなわち、図６中のθで表される関節角度の制御を行う。制御コンピュータ２４にはＤ／Ａボード２４ａが搭載されており、関節制御手段１７は、Ｄ／Ａボード２４ａを介して流量制御電磁弁２３に電圧指令値を出力することにより、それぞれの流体注入出部材１５を流れるそれぞれの空気の流量を連続的かつ微細に制御し、関節角度θを制御する。

関節急加減速制御手段１８は、第１構造体１と第２構造体２の揺動運動すなわち関節角度θの運動に対する制動を制御する。制御コンピュータ２４にはＡ／Ｄボード２４ｂが搭載されており、衝突検知センサー１１ａまたは１１ｂからの信号がＡ／Ｄボード２４ｂを通じて関節急加減速制御手段１８に入力される。また、Ｄ／Ａボード２４ａは高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａおよび９ｂにも接続されており、関節急加減速制御手段は１８は、Ｄ／Ａボード２４ａを通じて電圧指令値を高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａおよび９ｂにそれぞれ出力することにより、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａおよび９ｂの弁の開閉状態をそれぞれ制御可能し、関節角度θの運動に対する制動を制御する。

図７Ａ及び図７Ｂに高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａおよび９ｂのそれぞれの構成と動作を示す。高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａおよび９ｂのそれぞれは導入口４０および排出口４１の２ポートを有するように構成し、この２つのポート４０，４１間の開通及び非開通が、図７Ａ及び図７Ｂにおけるプランジャ４２の上下運動により、制御される。

電磁石４３に通電されていないとき、プランジャ４２はバネ４４の付勢力によりオリフィス４５に押しつけられているため、導入口４０から排出口４１への流路は閉状態となる。

一方、電磁石４３に通電されると、コア４６が磁化し、プランジャ４２がバネ４４の付勢力に抗してコア４６に磁力により吸着され、プランジャ４２が上昇する。したがって、プランジャ４２はオリフィス４５から離れ、導入口４０から排出口４１への流路は開通する。

高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａおよび９ｂはそれぞれ２ポートを有するように構成し、流量制御電磁弁２３とは異なり、図８に示す空圧回路記号のＣ（閉）およびＤ（開）の２状態のみ取ることができる。電磁石４３の力によりプランジャ４２を駆動し、流路の開閉動作のみを制御する。流量制御電磁弁２３と比べると、可動部であるプランジャ４２の慣性が小さく、動作も２つの状態のみのため、高速に開閉動作を切り換えられる点が特徴である。また、サーボ制御系を持たず、ポート数も少ないため、小型・軽量であり、機構の可動部分等への搭載が容易である点も特徴である。そこで、この明細書では、流量制御電磁弁２３よりもＯＮ−ＯＦＦ弁９ａ，９ｂの切換動作速度が速いことから、「高速」をＯＮ−ＯＦＦ弁９ａ，９ｂに付けて、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａ，９ｂと呼んでいる。

図４に示す空気圧供給駆動系によれば、空気圧源２１により生成された高圧空気は、空気圧調整ユニット２２により減圧されて、空気圧人工筋６ａ，６ｂの加圧可能限度圧である（例えば６００ｋＰａといった）一定圧力に調整され、５ポート流量制御電磁弁２３に供給される。５ポート流量制御電磁弁２３の開度は、制御コンピュータ２４よりＤ／Ａボード２４ａを介して出力される電圧指令値に比例して制御される。上記したように、５ポート流量制御電磁弁２３には、一対の空気圧人工筋６ａ，６ｂのそれぞれの管状弾性体１２の流体注入出部材１５がそれぞれ接続されている。一対の空気圧人工筋６ａ，６ｂは第１構造体１の長手方向沿いに大略平行に配置され、それぞれの管状弾性体１２の流体注入出部材１５側の端部が、第１構造体１の端部に固定されたアクチュエータ支持部材４ａ，４ｂにそれぞれ固定されている。一対の空気圧人工筋６ａ，６ｂのそれぞれの管状弾性体１２の他方の端部側には、第１構造体１に回転関節３で回転自在に支持されたアクチュエータ駆動力伝達部材５が支持され、このアクチュエータ駆動力伝達部材５に一対の空気圧人工筋６ａ，６ｂのそれぞれの管状弾性体１２の他方の端部がそれぞれ回転自在に支持されている。したがって、以下に述べるように、一対の空気圧人工筋６ａ，６ｂのそれぞれの管状弾性体１２が伸縮することにより、アクチュエータ駆動力伝達部材５が回転関節３の回りに正逆回転駆動され、第２構造体２が回転関節３の回りに正逆回転駆動される。なお、図４中に矢印で示した右回転を正方向、矢印とは逆の左回転を逆方向とする。

制御コンピュータ２４より正の電圧指令値がＤ／Ａボード２４ａから５ポート流量制御電磁弁２３に入力された場合には、図４に示すように空気圧回路記号のＡで示した状態になり、空気圧源２１側から空気圧人工筋６ａの管状弾性体１２の流体注入出部材１５側への流路が５ポート流量制御電磁弁２３を介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気が空気圧人工筋６ａ側に供給される。また、空気圧人工筋６ｂ側は、管状弾性体１２の流体注入出部材１５から大気圧側への流路が５ポート流量制御電磁弁２３を介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気流が空気圧人工筋６ｂ側から大気中へ排気される。したがって、図４に示すように、空気圧人工筋６ａの全長が縮み、空気圧人工筋６ｂの全長が伸びることにより、電圧指令値の絶対値に比例した速度で、回転関節３は、図４に矢印Ｙで示されるように右回転運動を行う。

一方、制御コンピュータ２４より負の電圧指令値がＤ／Ａボード２４ａから５ポート流量制御電磁弁２３に入力された場合には、５ポート流量制御電磁弁２３が切り替えられて、空気圧回路記号のＡで示した状態からＢで示した状態になり、空気圧人工筋６ａの動作は逆となり、回転関節３は左回転運動を行う。すなわち、空気圧源２１側から空気圧人工筋６ｂの管状弾性体１２の流体注入出部材１５側への流路が５ポート流量制御電磁弁２３を介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気が空気圧人工筋６ｂ側に供給される。また、空気圧人工筋６ａ側は、管状弾性体１２の流体注入出部材１５から大気圧側への流路が５ポート流量制御電磁弁２３を介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気流が空気圧人工筋６ａ側から大気中へ排気される。したがって、空気圧人工筋６ｂの全長が縮み、空気圧人工筋６ａの全長が伸びることにより、電圧指令値の絶対値に比例した速度で、関節軸回転関節３は、図４の矢印Ｙとは逆方向で示される左回転運動を行う。

次に、高圧タンク８に対する空圧供給系について説明する。１９は圧力を制御する圧力制御弁であり、圧力制御弁１９によって、圧力制御弁１９から以降の流路の圧力は所定圧力（例えば９００ｋＰａ）に制御される。また、空気圧源２１がコンプレッサーの場合、その圧力は変動するので、空気圧源２１の圧力が所定圧力（例えば９００ｋＰａ）を下回るときには圧力制御弁１９が閉じ、圧力制御弁１９以降の流路の圧力が所定圧力（例えば９００ｋＰａ）を下回らないようにしている。このようにして、高圧タンク８には、空気圧調整ユニット２２の空気圧減圧弁２２ｂにより減圧される前の所定圧力（例えば９００ｋＰａ）の高圧空気が空圧配管１０ｄ及び１０ａを通じて供給され、蓄積される。

高圧タンク８に蓄積された高圧空気は、空圧配管１０ｂ、１０ｃにより空気圧人工筋６ａ、６ｂにそれぞれ供給されるが、空圧配管１０ｂ、１０ｃには高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａおよび９ｂが配設されており、高圧空気の供給は高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａおよび９ｂにより制御される。

高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａおよび９ｂには、Ｄ／Ａボード２４ａより、例えば０Ｖおよび５Ｖの２値の電圧指令値がそれぞれ入力される。高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａおよび９ｂに０Ｖの電圧指令値がそれぞれ入力された場合、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａおよび９ｂはそれぞれ閉状態となり、高圧タンク８から空気圧人工筋６ａおよび６ｂへの流路はそれぞれ開通せず、遮断された状態となる。

一方、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａおよび９ｂに５Ｖの電圧指令値がそれぞれ入力された場合、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａおよび９ｂはそれぞれ開状態となり、高圧タンク８から空気圧人工筋６ａおよび６ｂへの流路がそれぞれ開通し、高圧タンク８に蓄積された高圧空気が空気圧人工筋６ａおよび６ｂにそれぞれ供給される。したがって、例えば高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａに５Ｖの電圧指令値が入力されて高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａが開状態になった場合には、高圧タンク８からの高圧空気により空気圧人工筋６ａが加圧される一方、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｂに５Ｖの電圧指令値が入力されて高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｂが開状態になった場合には、高圧タンク８からの高圧空気により空気圧人工筋６ｂが加圧されることになる。

以上の構成の関節駆動機構の動作について説明する。

上記したように、第１構造体１を挟んでアクチュエータ駆動力伝達部材５に関して、互いに対向するように回転ジョイント７ａおよび７ｂにより接続されている。したがって、図１の上側の空気圧人工筋６ａと下側の別の空気圧人工筋６ｂとの拮抗駆動により、関節３の運動が駆動されることになる。例えば、図１の上側の空気圧人工筋６ａが収縮し、図１の下側の別の空気圧人工筋６ｂが伸張すれば、回転関節３の回転軸回りの時計方向の回転運動が発生する。逆に、図１の上側の空気圧人工筋６ａが伸張し、図１の下側の別の空気圧人工筋６ｂが収縮すれば、回転運動は逆回転すなわち反時計方向の回転となる。

以上のように、空気圧人工筋６ａ，６ｂにより、第１構造体１とアクチュエータ駆動力伝達部材５の正逆回転運動が駆動されることにより、第１構造体１と第２構造体２の揺動運動すなわち角度θの運動が駆動される。

通常の、第１構造体１と第２構造体２の揺動運動すなわち角度θの運動の制御は、流量制御電磁弁２３を電圧指令値で動作させることにより行われる。例えば、流量制御電磁弁２３への電圧指令値ＶをＶ＝Ｋθ（θｄ−θ）で与えれば、関節角度θのサーボ制御が可能となる。ただし、Ｋθは定数ゲインであり、θｄは関節角度θの目標値である。

流量制御電磁弁２３はスプール４７の微妙な位置をサーボ制御することにより、空気圧人工筋６ａおよび６ｂへの空気の流量配分の微妙な調整に対する性能が高く、角度θの運動の細かな制御が可能となる。

しかしながら、開状態から閉状態、あるいは閉状態から開状態という中間状態を問わない高速な応答に関しては、スプール４７の慣性が大きいこと等から、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａ，９ｂに劣る。また、スプール４７の微妙な位置を制御するため、スプール４７を駆動する電磁アクチュエータ（リニアサーボアクチュエータ４８）がある程度の大きさ、複雑さを持つ等、構造的にある程度の大きさとなるため、ロボットアームのアーム部等、可動部分に搭載することは難しく、土台部等に搭載することになる。そのために、流量制御電磁弁２３と空気圧人工筋６ａ，６ｂの配置位置が離れることとなり、流量制御電磁弁２３から空気圧人工筋６ａ，６ｂまでの配管が長く、空圧が伝わるのに時間がかかることになり、高速性が悪くなる。

以上のように、流量制御電磁弁２３を使った空圧制御系では、関節角度の正確な制御等が可能であるが、瞬間的な高速性に劣るため、第２構造体２に人や物等の衝突対象が衝突し、関節３に対して急制動をかけなければならないときに十分な制動効果が得られず、衝突対象に大きなダメージを与える可能性がある。

こうした課題に対し、本発明の第１実施形態の特徴は、高圧タンク８と高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａ，９ｂを配設し、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａ，９ｂにより空気圧人工筋６ａ，６ｂの高速な加圧（急加圧）を可能とした点にある。

一例として、図１の上側の空気圧人工筋６ａが収縮し、図１の下側の別の空気圧人工筋６ｂが伸張して回転関節３の回転軸回りの時計方向の回転運動が発生しているとき、衝突検知センサー１１ａが第２構造体２に対する衝突を検知して、衝突検知センサー１１ａからの信号が関節急加減速制御手段１８に入力される。このように衝突検知センサー１１ａからの信号が関節急加減速制御手段１８に入力されると、関節急加減速制御手段１８はＤ／Ａボード２４ａの電圧指令値を０Ｖから５Ｖに変更し、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｂを開状態にし、ｔ_ｏｎ＝Ｋ_ｆＦ＋Ｋ_ｖｄθ/ｄｔで算出される時間ｔ_ｏｎの間、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｂの開状態を維持し、その後、電圧指令値を５Ｖから０Ｖに変更して高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｂを閉状態にする。ただし、Ｆは衝突検知センサー１１ａが検知した衝撃力の最大値、ｄθ/ｄｔは関節角速度（関節角度θの時間微分値）、Ｋ_ｆ及びＫ_ｖは定数ゲインでありかつ実験的に求めた値である。よって、関節急加減速制御手段１８は、上記圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構に外部からかかる力の大きさ、又は、上記圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の動作速度（例えば関節角速度）の大きさに基づいて、上記近接流体圧高速制御手段９ａ，９ｂの開状態を継続する時間の長さを上記式により決定して上記近接流体圧高速制御手段９ａ，９ｂを動作制御することができるように構成している。すなわち、例えば、関節急加減速制御手段１８は、上記近接流体圧高速制御手段９ａ，９ｂが開状態を一定時間継続した後、閉状態になり流路を閉じるように上記近接流体圧高速制御手段９ａ，９ｂを動作制御して、時間により上記空気圧人工筋６ａ，６ｂに対する加圧あるいは減圧の制御を行うことができるようにしている。

また、関節急加減速制御手段１８は、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｂを開状態にすると同時に、関節制御手段１７における関節角度の目標値の更新を停止する。

なお、上記関節角度の目標値の更新は、関節３を動作させるため、常時行っている。時々刻々に目標値が変化し、それに追従することにより、関節３の動きが生じる。第２構造体２に対する衝突後は、関節３の動きを止めないと、さらに悪い状態に陥る可能性があるので、目標値の更新を停止し、目標値を一定値に保持することで関節３の動きを止める。

以上の動作によれば、上記衝突発生直後に高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｂが開状態となり、高圧タンク８内の所定圧力（例えば９００ｋＰａ）の高圧空気により空気圧人工筋６ｂが急速に加圧され、空気圧人工筋６ｂは収縮方向に力を発生し、発生した力が、第２構造体２の回転関節３まわりの時計方向の回転運動に対してブレーキをかけるよう働くことになり、衝突の衝撃を緩和することができる。

高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｂの動作が高速であることと、高圧タンク８が空気圧人工筋６ａ，６ｂに近接して配設され、高圧タンク８からの高圧空気の供給流路が短いことから、図９に示すように空気圧人工筋６ｂの内部圧力の上昇が速く、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｂによる空圧制御系の制動効果は、流量制御電磁弁２３による空圧制御系による制動効果より先に発生し、衝撃緩和の効果を高める。なお、図９において、（ａ）のグラフは、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｂでかつ高圧タンク８が加圧可能限度圧を超える高圧（例えば９００ｋＰａ）の場合を示し、（ｂ）のグラフは、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｂでかつ高圧タンク８が加圧可能限度圧（例えば６００ｋＰａ）の場合を示し、（ｃ）のグラフは、流量制御電磁弁の場合を示している。

また、ｔ_ｏｎ＝Ｋ_ｆＦ＋Ｋ_ｖｄθ/ｄｔで算出される時間ｔ_ｏｎに基づき開閉時間を制御するため、制動時間が衝撃力Ｆや関節角速度ｄθ/ｄｔに比例することになり、衝撃力Ｆが大きいときや、関節３の関節角速度ｄθ／ｄｔが大きいときには、時間ｔ_ｏｎが大きく、すなわち、制動時間が長くなり、より確実に制動効果を得ることができる。さらに、時間ｔ_ｏｎ経過後は、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｂが閉状態となり、制動状態が継続し、図９に示すように時間ｔ_ｐ経過後は流量制御電磁弁２３による通常の制御に戻るため、空気圧人工筋６ｂの内圧が高くなりすぎ、関節３が逆回転を開始することもなく、関節３の運動を確実に停止させることができる。

また、高圧タンク８を設けることにより、高圧タンク８を設けず空圧供給系からの供給圧のみを使用する場合に比べて、十分な流量を得ることができ、十分な制動効果を得ることができる。さらに、高圧タンク８に、例えば９００ｋＰａのような空気圧人工筋６ａ，６ｂの加圧可能限度圧を超える高圧の流体を使用することにより、図９の（ａ）で示すグラフに示すように、空気圧の上昇の立ち上がり速度が速く、より空気圧人工筋６ａ，６ｂの加圧速度を高めることができ、より高速な制動が可能となる。しかも、空気圧人工筋６ａ，６ｂの加圧可能限度圧を越える圧力の流体を使用するのは、制御された微小時間ｔ_ｏｎのみであるため、微小時間ｔ_ｏｎの長さを適切に設定すれば、空気圧人工筋６ａ，６ｂの加圧可能限度圧を越えることもなく、空気圧人工筋６ａ，６ｂの破損等の問題を生じないようにできる。

以上のように、本発明の第１実施形態によれば、高圧タンク８と高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａ，９ｂを配設することで、空気圧人工筋６ａ，６ｂの高速な加圧が可能となり、衝突時の急制動等、高速な応答が実現し、機構の安全性を高めることができる。言い換えれば、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａ，９ｂを空気圧人工筋６ａ，６ｂの近傍に近接して配設し、上記空気圧人工筋６ａ，６ｂに対して、上記関節３の運動を制御する上記流量制御電磁弁２３の流体圧制御動作よりも早く加圧あるいは減圧制御動作を行って上記空気圧人工筋６ａ，６ｂを急加速又は急減速させるように制御することができるようにしている。

なお、上記第１実施形態では、衝突検知センサー１１ａ側での衝突を例に取って説明したが、衝突検知センサー１１ｂ側での衝突でも、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａを動作させ、空気圧人工筋６ａを加圧するなど逆の動作をすることで、制動動作は可能となる。

また、上記第１実施形態では、衝突検知センサー１１ａ，１１ｂを設け、衝突検知センサー１１ａ，１１ｂによる衝突の検知後、近接流体圧高速制御手段を動作させて制動動作を行なうように構成している。しかしながら、必ずしも衝突検知センサーは必要ではなく、例えば、図１０Ａに示すように音声コマンドを入力するための音声入力手段２７と、音声入力手段２７から入力されたコマンドを解釈するための音声認識手段２８とを設けるようにしてもよい。このような構成の場合、人間の「止まれ」といった音声が音声入力手段２７から入力されると、上記「止まれ」といった音声が、急停止を行う動作指令として音声認識手段２８により認識されると、その認識されたコマンド（動作指令）に基づき、近接流体圧高速制御手段を動作させて急停止を行う場合などでも、高速な制動の効果を発揮することができる。

また、本発明は、音声コマンドを入力するための音声入力手段２７とコマンドを解釈するための音声認識手段２８などに限定されるものではなく、図１０Ｂに示すように、音声以外の筋電位又は脳波などの生体情報を検出する生体情報検出手段２７Ａと、生体情報検出手段２７Ａで検出された生体情報が動作指令であると生体情報認識手段２８Ａにより認識されると、その認識された動作指令に基づき、近接流体圧高速制御手段を動作させて急停止を行う場合などでも、高速な制動の効果を発揮することができる。

また、第１実施形態は、制動動作に限らず、精度は必要としないが急激な加速動作が必要な場合、例えば、障害物の緊急回避動作や、打撃動作等にも応用することができる。

（第２実施形態）
図１１は、本発明の第２実施形態における圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の構造を示す図である。図１１の圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構は、以下に記述する構成部分が第１実施形態と異なり、他の部分は第１実施形態と同様であり、第１実施形態と共通の構成部分に関しては第１実施形態と同じ番号を付し、詳細な説明は省略する。なお、この第２実施形態では、高圧タンク８も圧力制御弁１９も備えていない例である。

図１１において、１６は上記近接流体圧高速制御手段の別の例として機能するバイパス手段の一例としてのバイパス配管であり、空気圧人工筋６ａと６ｂのアクチュエータ駆動力伝達部材５側のそれぞれの端部の封止部材１４，１４同士を直接接続している。また、９ｃは関節急加減速制御手段１８により開閉制御されるバイパス配管用高速ＯＮ−ＯＦＦ弁であり、バイパス配管用高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｃは、バイパス配管１６の途中に配設されており、バイパス配管１６の開通および遮断を制御する。すなわち、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｃが開状態の時には、バイパス配管１６が開通し、空気圧人工筋６ａと６ｂの内部空間が接続されることになる。図１２に示すように、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｃはＤ／Ａボード２４ａに接続されており、関節急加減速制御手段１８によって高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｃの開閉が制御される。

また、空気圧人工筋６ａ、空気圧人工筋６ｂの封止部材１４，１４にはそれぞれ圧力センサー６２ａ、６２ｂが内蔵されており、空気圧人工筋６ａ、空気圧人工筋６ｂの内部圧力ＰａおよびＰｂが圧力センサー６２ａ、６２ｂにより計測可能となっている。圧力センサー６２ａ、６２ｂにより計測された結果の信号は、Ａ／Ｄボード２４ｂを通じて関節急加減速制御手段１８に入力されて、関節急加減速制御手段１８による高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｃの開閉制御に使用される。

以上の構成の圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の動作について説明する。空気圧人工筋６ａ，６ｂの動作等は上記第１実施形態と同様であるので、第１実施形態と共通構成部分の動作に関しては説明を省略する。

一例として、図１２の上側の空気圧人工筋６ａが収縮するとともに図１２の下側の別の空気圧人工筋６ｂが伸張した結果として回転関節３の回転軸回りの時計方向の回転運動が発生しているとき、衝突検知センサー１１ａが第２構造体２に対する衝突対象の衝突を検知して、衝突検知センサー１１ａからの信号が関節急加減速制御手段１８に入力される。すると、圧力センサー６２ａにより計測した空気圧人工筋６ａの内部圧力Ｐ_ａが、圧力センサー６２ｂにより計測した空気圧人工筋６ｂの内部圧力Ｐ_ｂより高いと関節急加減速制御手段１８が判断した場合に、関節急加減速制御手段１８は、Ｄ／Ａボード２４ａの電圧指令値を０Ｖから５Ｖに変更し、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｃを開状態にし、ｔ_ｏｎ＝Ｋ_Ｐ／（Ｐ_ａ−Ｐ_ｂ）で算出される時間ｔ_ｏｎの間、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｃの開状態を維持し、その後、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｃを閉状態にする。ただし、時間ｔ_ｏｎより短い時間で内部圧力Ｐ_ａ≒Ｐ_ｂとなったと関節急加減速制御手段１８が判断した場合には、その時点で高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｃを閉状態にする。ここで、Ｋ_Ｐは定数ゲインであり、実験的に求めた値である。

また、関節急加減速制御手段１８は、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｃを開状態にすると同時に、関節制御手段１７における関節角度の目標値の更新を停止することにより、関節制御手段１７によっても制動がなされるように動作する。

上記のように微小時間ｔ_ｏｎより短い時間で内部圧力Ｐ_ａ≒Ｐ_ｂとなったと関節急加減速制御手段１８が判断した場合に、その時点で高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｃを閉状態にする理由は、内部圧力Ｐ_ａ≒Ｐ_ｂとなったということは、関節制御手段１７が流量制御電磁弁２３を制御して制動をかけた効果が作用し始めたためであり、これ以上の時間すなわち微小時間ｔ_ｏｎより長い時間、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｃを開状態にしていても、空気圧人工筋６ｂの内部圧力Ｐ_ｂをさらに上昇させることができず、制動効果が弱まるからである。

以上の動作によれば、衝突発生直後に高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｃが開状態となり、圧力が相対的に高い空気圧人工筋６ａから、圧力が相対的に低い空気圧人工筋６ｂへと、バイパス配管１６を通して高圧空気が流れる。この結果、空気圧人工筋６ｂが急速に加圧され、空気圧人工筋６ｂは収縮方向に力を発生し、その発生した力が、第２構造体２の関節３の回りの運動に対してブレーキをかけるように働くことになり、衝突対象の衝突の衝撃を緩和する。言い換えれば、バイパス配管１６を開閉することにより、空気圧人工筋６ａ，６ｂのそれぞれに対して、上記関節３の運動を制御する流量制御電磁弁２３による流体圧制御動作よりも早く加圧および減圧を行うことができて、衝突対象の衝突の衝撃を緩和することができる。

高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｃの動作が高速であることと、バイパス配管１６が空気圧人工筋６ａ，６ｂに近接して配設され、バイパス配管１６の流路が短いことから、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｃによる空圧制御系の制動効果は、流量制御電磁弁２３による空圧制御系による制動効果より先に発生し、衝撃緩和の効果を高めることができる。

また、ｔ_ｏｎ＝Ｋ_Ｐ／（Ｐ_ａ−Ｐ_ｂ）で算出される時間ｔ_ｏｎに基づき高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｃの開閉時間を制御するため、空気圧人工筋６ａと６ｂの圧力差が小さいときには開状態の時間が長くなり、制動効果を高めようと働き、空気圧人工筋６ａと６ｂの圧力差が大きいときには高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｃの開状態の時間が短くなり、関節３の逆回転が起こってしまうのを防ぐことができる。さらに、時間ｔ_ｏｎ経過後は高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｃが閉状態となり、流量制御電磁弁２３による通常の制御に戻るため、空気圧人工筋６ｂの内圧が高くなりすぎ、関節３が逆回転を開始することもなく、関節３の運動を確実に停止させることができる。

また、圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の構成に関しても、通常の空圧制御系とは別の高圧タンク等の加圧のための空圧供給系や空圧制御系が不要で、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｃも１つで済むなど簡潔な構成で高速な応答を得ることができる。

また、衝突検知センサー１１ａ側で第２構造体２に対する衝突対象の衝突が発生して問題となるのは、図１１中の矢印Ｙで示すように関節３が時計回りに回転をしている場合が最も可能性が高く、この場合、関節３の時計回りの回転を発生させるため、空気圧人工筋６ａの内部圧力が空気圧人工筋６ｂの内部圧力がより高い場合が多い（衝突検知センサー１１ｂ側での衝突時は圧力関係が逆となる）。したがって、多くの場合において、バイパス配管１６を使用した制動は効果を発揮することができる。

以上のように、第２実施形態では、バイパス配管１６と高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｃを配設することで、簡潔な構成で空気圧人工筋６ａ，６ｂの高速な加圧が可能となり、衝突対象の衝突時の急制動等、高速な応答が実現し、上記駆動機構の安全性を高めることができる。

なお、上記第２実施形態では、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｃの開時間をｔ_ｏｎ＝Ｋ_Ｐ／（Ｐ_ａ−Ｐ_ｂ）とするとしたが、これに限られるわけではなく、第１実施形態の場合と同様にｔ_ｏｎ＝Ｋ_ｆＦ＋Ｋ_ｖｄθ/ｄｔとした場合でも、同様の効果を発揮することができる。

（第３実施形態）
図１３は本発明の第３実施形態における圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の構造を示す図である。図１３の圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構は、以下に記述する構成部分が第１実施形態と異なり、他の部分は第１実施形態と同様であり、第１実施形態と共通の構成部分に関しては第１実施形態と同じ番号を付し、詳細な説明は省略する。

図１３において、２０ａおよび２０ｂは上記近接流体圧高速制御手段の別の例としてのリリーフ弁であり、両方のリリーフ弁２０ａおよび２０ｂは第２構造体２の関節３の近傍に配設され、大略Ｌ字状板材でそれぞれ構成された衝突検知センサー板３８ａおよび３８ｂとそれぞれ機構的に接続されている。すなわち、衝突検知センサー板３８ａおよび３８ｂの関節３の近傍側の端部が、リリーフ弁２０ａおよび２０ｂに連結されている。また、２５ａおよび２５ｂは空気圧開放配管であり、一方の空気圧開放配管２５ａは、空気圧人工筋６ａのアクチュエータ駆動力伝達部材５側の端部の封止部材１４とリリーフ弁２０ａを接続している。他方の空気圧開放配管２５ｂは、空気圧人工筋６ｂのアクチュエータ駆動力伝達部材５側の端部の封止部材１４とリリーフ弁２０ｂを接続している。リリーフ弁２０ａ，２０ｂは、それぞれ、圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構に外部からかかる力が一定値を越えると、減圧制御動作するように構成されている。

図１４Ａ及び図１４Ｂに、リリーフ弁２０ａおよび２０ｂのうちの１つのリリーフ弁２０の構成の詳細を示す。リリーフ弁２０は、縦断面Ｕ字形状のハウジング３２と、大径基端部３３ａと小径先端部３３ｂとが一体的に連結されかつハウジング３２の凹部３２ａ内で軸方向に進退するスプール３３と、凹部３２ａとスプール３３の大径基端部３３ａとをシールするＯリング３４と、凹部３２ａの底面とスプール３３の大径基端部３３ａの内側端面との間に縮装されるスプールバネ３５とを備えて構成されている。衝突検知センサー板３８ａ，３８ｂのうちの１つの衝突検知センサー板３８とスプール３３は、大略Ｌ字状板材の衝突検知センサー板３８の端部のレバー部３６にスプール３３の小径先端部３３ｂの外側端面が固定されて機構的に連結されている。また、Ｏリング３４の配置箇所より底部側の凹部３２ａに連通しかつ凹部３２ａの軸方向と直交する方向にハウジング３２に形成された空気導入口３７は、空気圧開放配管２５ａ，２５ｂにより、空気圧人工筋６ａ，６ｂと接続されている。なお、スプール３３の小径先端部３３ｂと凹部３２ａとの隙間により、空気排出口３９を形成している。また、衝突検知センサー板３８と第２構造体２との間にはバネ３８ｇが複数個縮装されて、衝突対象が衝突検知センサー板３８に衝突したとき、衝突時の衝撃力をバネ３８ｇで吸収できるようにしている。

以上の構成の圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の動作について、図１４Ａ及び図１４Ｂを使って説明する。空気圧人工筋６ａ，６ｂの動作等は上記第１実施形態と同様であるので、第１実施形態と共通構成部分の動作に関しては説明を省略する。

通常の動作時は、それぞれのリリーフ弁２０ａ，２０ｂにおいて、スプールバネ３５の付勢力によってスプール３３が、図１４Ａにおいて上向きに押し上げられ、図１４Ａの状態となり、スプール３３の大径基端部３３ａとＯリング３４が密着することにより、空気導入口３７に導かれた空気圧人工筋６ａを加圧する高圧空気は封止されている。

衝突検知センサー板３８ａ，３８ｂのうちのいずれか一方、例えば衝突検知センサー板３８ａへの衝突対象の衝突が発生すると、衝突対象の衝突による力が、レバー３６によって機構的に接続されているリリーフ弁２０ａのスプール３３に伝わり、スプール３３に伝えられた力により、図１４Ａにおいてスプール３３はハウジング３２の凹部３２ａで押し下げられる。衝突による力（言い換えれば、上記圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構に外部からかかる力）がある値（一定値）を越えると、図１４Ｂの状態となり、スプール３３の大径基端部３３ａと小径先端部３３ｂとの段差部分がＯリング３４の位置より図１４Ｂで下側に位置することになり、空気導入口３７から空気排出口３９への経路が開放され、空気導入口３７に導入されている高圧空気が大気中に放出される。すると、空気圧開放配管２５ａを通じて空気圧人工筋６ａの内部の高圧空気が空気排出口３９へ流出し、空気圧人工筋６ａの内部圧力の減圧が発生し、空気圧人工筋６ａの収縮力が減少する。その結果、回転関節３を回転させようとするトルクが減少し、回転関節３の回転運動に対して制動がかかることになる。

同様に、衝突検知センサー板３８ｂへの衝突対象の衝突が発生した場合には、リリーフ弁２０ｂが動作し、回転関節３の逆回転運動に対して制動がかかることになる。すなわち、第３実施形態では、第１構造体１および第２構造体２の中心軸を対称軸に同じ側に配設された空気圧人工筋６ａとリリーフ弁２０ａを連動させるとともに、空気圧人工筋６ｂとリリーフ弁２０ｂを連動させることにより、回転関節３の回転運動に対する制動効果が発揮される。

以上のように、第３実施形態では、リリーフ弁２０と空気圧開放配管２５を設けることにより、制御プログラムで制御するような系を設けることなく、機構的に動作する簡潔な構造により、回転関節３の回転運動に対する制動を実現することができ、衝突発生時に衝突対象に過大な力を加えてしまうのを防ぐことができる。

（第４実施形態）
図１５は本発明の第４実施形態における圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の構造を示す図である。図１５の圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構は、以下に記述する構成部分が第１実施形態または第３実施形態と異なり、他の部分は第１実施形態または第３実施形態と同様であり、第１実施形態または第３実施形態と共通の構成部分に関しては第１実施形態または第３実施形態と同じ番号を付し、詳細な説明は省略する。

図１５において、８は高圧タンクであり、第１実施形態と同様の空圧供給系により高圧空気が蓄積されている。６１ａ、６１ｂはタンク配管であり、一方のタンク配管６１ａは高圧タンク８とリリーフ弁５６ａを、他方のタンク配管６１ｂは高圧タンク８とリリーフ弁５６ｂを、それぞれ接続している。両方のリリーフ弁６１ａ、６１ｂは、先のリリーフ弁２０ａおよび２０ｂと同様に、第２構造体２の関節３の近傍に配設され、大略Ｌ字状板材でそれぞれ構成された衝突検知センサー板３８ａおよび３８ｂとそれぞれ機構的に接続されている。すなわち、衝突検知センサー板３８ａおよび３８ｂの関節３の近傍側の端部が、リリーフ弁６１ａおよび６１ｂに連結されている。また、２６ａ、２６ｂは加圧配管であり、一方の加圧配管２６ｂはリリーフ弁５６ａと空気圧人工筋６ｂのアクチュエータ駆動力伝達部材５側の端部の封止部材１４を、他方の加圧配管２６ｄはリリーフ弁５６ｂと空気圧人工筋６ａのアクチュエータ駆動力伝達部材５側の端部の封止部材１４を、それぞれ接続している。

図１６Ａ及び図１６Ｂにリリーフ弁５６ａ，５６ｂのうちの１つのリリーフ弁５６の構成の詳細を示す。リリーフ弁５６は、縦断面Ｕ字形状のハウジング５７と、大径基端部５８ａと小径中間部５８ｂと大径先端部５８ｃとが一体的に連結されかつハウジング５７の凹部５７ａ内で軸方向に進退するスプール５８と、凹部５７ａとスプール５８の大径基端部５８ａと大径先端部５８ｃとをそれぞれシールするＯリング５９ａと５９ｂと、凹部５７ａの底面とスプール５８の大径基端部３３ａの内側端面との間に縮装されるスプールバネ３５とを備えて構成されている。衝突検知センサー板３８ａ，３８ｂのうちの１つの衝突検知センサー板３８とスプール５８は、大略Ｌ字状板材の衝突検知センサー板３８の端部のレバー部３６にスプール５８の大径先端部５８ｃの外側端面が固定されて機構的に連結されている。また、Ｏリング５９ａの配置箇所より底部側の凹部５７ａに連通しかつ凹部５７ａの軸方向と直交する方向にハウジング５７に空気導入口３７が形成されている。また、Ｏリング５９ａの配置箇所とＯリング５９ｂの配置箇所との間でかつ凹部５７ａの軸方向と直交する方向にハウジング５７にリターン口６０が配設されている、よって、空気導入口３７は、タンク配管６１ａ，６１ｂにより高圧タンク８と接続されて高圧タンク８からの高圧空気が導入されている。また、リターン口６０は、加圧配管２６ａ，２６ｂにより、空気導入口３７とは接続されていない方の空気圧人工筋６ｂ，６ａとそれぞれ接続されている。

以上の構成の圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の動作について、図１６Ａ及び図１６Ｂを使って説明する。空気圧人工筋６ａ，６ｂの動作等は上記第１実施形態と同様であるので、第１実施形態と共通構成部分の動作に関しては説明を省略する。

通常の動作時は、それぞれのリリーフ弁５６ａ，５６ｂにおいて、スプールバネ３５の付勢力によってスプール５８が、図１６Ａにおいて上向きに押し上げられ、図１６Ａの状態となり、スプール５８の大径基端部５８ａとＯリング５９ａが密着することで、タンク配管６１ａ，６１ｂにより空気導入口３７へと導かれた高圧タンク８からの高圧空気は封止される。

衝突検知センサー板３８ａ，３８ｂのうちのいずれか一方、例えば衝突検知センサー板３８ａへの衝突対象の衝突が発生すると、衝突対象の衝突による力が、レバー３６によって機構的に接続されているリリーフ弁５６ａのスプール５８に力が伝わり、スプール５８に伝えられた力により、図１６Ａにおいてスプール５８はハウジング５７の凹部５７ａで押し下げられる。衝突による力（言い換えれば、上記圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構に外部からかかる力）がある値を越えると、図１６Ｂの状態となり、スプール５８の大径基端部５８ａと小径中間部５８ｂとの段差部分がＯリング５９ａの位置より図１６Ｂで下側に位置することになる。その結果、空気導入口３７からリターン口６０への経路が開放され、高圧タンク８に蓄積された高圧空気が、タンク配管６１ａ、空気導入口３７、リターン口６０、加圧配管２６ａを経由して空気圧人工筋６ｂに充填され、空気圧人工筋６ｂの内部圧力が加圧され、空気圧人工筋６ｂの収縮力が増加する。その結果、回転関節３の回転運動を減少させようとする逆トルクが発生し、回転関節３の回転運動に対して制動がかかることになる。

同様に、衝突検知センサー板３８ｂへの衝突対象の衝突が発生した場合には、リリーフ弁５６ｂが動作し、回転関節３の逆回転運動に対して制動がかかることになる。すなわち、第３実施形態では、第１構造体１および第２構造体２の中心軸を対称軸に反対側に配設された空気圧人工筋６ａとリリーフ弁５６ｂを連動させるとともに、空気圧人工筋６ｂとリリーフ弁５６ａを連動させることにより、回転関節３の回転運動に対する制動効果が発揮される。

以上のように、第４実施形態ではリリーフ弁５６とタンク配管６１、加圧配管２６を設けることにより、制御プログラムで制御するような系を設けることなく、機構的に動作する簡潔な構造により、回転関節３の回転運動に対する制動を実現することができ、衝突発生時に衝突対象に過大な力を加えてしまうのを防ぐことができる。

（第５実施形態）
図１７は本発明の第５実施形態における圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の構造を示す図である。図１７の圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構は、以下に記述する構成部分が第１実施形態と異なり、他の部分は第１実施形態と同様であり、第１実施形態と共通の構成部分に関しては第１実施形態と同じ番号を付し、詳細な説明は省略する。

本第５実施形態は、図１７の紙面の表側から裏側の方向に高速に移動し落下する物体３１を、回転関節３を動かすことにより、第２構造体２で捕捉する場合の実施形態である。

図１７において、２９は例えばＣＣＤカメラのような画像撮像手段であり、画像撮像手段２９の撮像画像領域の中心軸が第１構造体１の中心軸と一致するように配設されている。

３０は画像認識手段であり、画像撮像手段２９の撮影した画像データが入力され、この画像データより物体３１の位置を画像認識手段３０により認識し、画像撮像手段２９の中心軸（光軸）の方向と物体３１の存在する方向のなす角度αを画像認識手段３０により算出して算出結果情報の信号を関節急加減速制御手段１８へ出力する。関節急加減速制御手段１８は、入力された算出結果情報を基に、回転関節３の運動を急加速又は急減速制御することにより、第２構造体２で高速に移動し落下する物体３１を捕捉できるようにしている。なお、物体３１の捕捉の具体例として、物体３１を第２構造体２で受け取ったりする場合には、第２構造体２の先端に、物体３１を受け取り可能なグラブ（ｇｌｏｖｅ）状の物体受取部などを取付ければよい。

以上の構成の圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の動作について、図１８を使って説明する。空気圧人工筋６ａ，６ｂの動作等は上記第１実施形態と同様であるので、第１実施形態と共通構成部分の動作に関しては説明を省略する。

関節急加減速制御手段１８は、時間ｔ＝ｔ_１において画像認識手段３０から角度αの情報を受け取ると、ｔ_ｏｎ＝Ｋ_ααで算出される時間ｔ_ｏｎの間（図１８ではｔ_１からｔ_２までの時間）、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｂを開状態に維持し、その後、時間ｔ＝ｔ_２において高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｂを閉状態にするように制御する。ただし、Ｋ_αは定数ゲインであり、実験的に求めた値である。

関節制御手段１７は、時間ｔ＝ｔ_１において画像認識手段３０から関節急加減速制御手段１８を介して角度αの情報を受け取ると、流量制御電磁弁２３への電圧指令値ＶをＶ＝Ｋ_α（α−θ）で与え、関節角度θのサーボ制御を行う。ただし、Ｋ_αは定数ゲインである。

以上の構成によれば、時間ｔ_２までは高圧タンク８と高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ｂによる空気圧人工筋６ｂの高速な加圧の効果により、第２構造体２は物体３１に急速に接近する。その後、時間ｔ_２以降は、関節制御手段１７の制御下での流量制御電磁弁２３によるサーボ制御による正確な動作に切り替わるため、関節角度θは角度αに収束し、物体３１を確実に捕捉する。

以上のように第５実施形態では、高圧タンク８と高速ＯＮ−ＯＦＦ弁９ａ，９ｂを配設することで、空気圧人工筋６ａ，６ｂの高速な加圧が可能となり、高速に応答することができ、高速に移動する物体を確実に捕捉することができる。

なお、上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。

本発明の圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構およびその制御装置は、多関節ロボットアームの関節駆動機構およびその制御装置として有用である。また、ロボットアームに限らず、生産設備等における回転機構のための関節駆動機構等、機械装置の駆動機構およびその制御装置として適用が可能である。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。
図１は、本発明の第１実施形態における圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の構造を示す図である。 図２は、本発明の第１実施形態における圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の構造を他の方向から見た様子を示す図である。 図３Ａは、空気圧人工筋の構造および動作を示す図である。 図３Ｂは、空気圧人工筋の構造および動作を示す断面図である。 図４は、本発明の第１実施形態における圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構とその圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構を駆動するための空気圧供給駆動系の構成を示す図である。 図５Ａは、流量制御電磁弁の構成および動作を示す図である。 図５Ｂは、流量制御電磁弁の構成および動作を示す図である。 図５Ｃは、流量制御電磁弁の構成および動作を示す図である。 図６は、本発明の第１実施形態における圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の動作を示す図である。 図７Ａは、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁の構成および動作を示す図である。 図７Ｂは、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁の構成および動作を示す図である。 図８は、高速ＯＮ−ＯＦＦ弁の動作を示す空気圧回路記号を示す図である。 図９は、本発明の第１実施形態における圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の空気圧人工筋の内部圧力の上昇を説明する図である。 図１０Ａは、本発明の第１実施形態における圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構のその他の構成を示す図である。 図１０Ｂは、本発明の第１実施形態における圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構のさらにその他の構成を示す図である。 図１１は、本発明の第２実施形態における圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の構造を示す図である。 図１２は、本発明の第２実施形態における圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構を駆動するための空気圧供給駆動系の構成を示す図である。 図１３は、本発明の第３実施形態における圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の構造を示す図である。 図１４Ａは、本発明の第３実施形態における圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構のリリーフ弁の構成および動作を示す図である。 図１４Ｂは、本発明の第３実施形態における圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構のリリーフ弁の構成および動作を示す図である。 図１５は、本発明の第４実施形態における圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の構造を示す図である。 図１６Ａは、本発明の第４実施形態における圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構のリリーフ弁の構成および動作を示す図である。 図１６Ｂは、本発明の第４実施形態における圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構のリリーフ弁の構成および動作を示す図である。 図１７は、本発明の第５実施形態における圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の構成を示す図である。 図１８は、本発明の第５実施形態における圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の動作を説明するタイミングチャートである。

Claims (4)

1. 複数の圧縮性流体圧アクチュエータの拮抗駆動により関節の運動が駆動される圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構であって、
   上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータに加圧あるいは減圧制御動作を行って上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータのそれぞれの流体圧を制御することにより上記関節の運動を制御する主流体圧制御手段と、
   上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータの近傍に近接して配設され、上記圧縮性流体圧アクチュエータに対して、上記関節の運動を制御する上記主流体圧制御手段の流体圧制御動作よりも早く加圧あるいは減圧制御動作を行って上記圧縮性流体圧アクチュエータを急加速又は急減速させるように制御する近接流体圧高速制御手段とを有するとともに、
   上記近接流体圧高速制御手段が開状態を一定時間継続した後、閉状態になり流路を閉じるように上記近接流体圧高速制御手段を動作制御して、時間により上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータに対する加圧あるいは減圧の制御を行う関節急加減速制御手段をさらに備える圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構。
2. 上記圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構に外部からかかる力の大きさに基づいて上記近接流体圧高速制御手段の開状態を継続する時間の長さを決定して上記近接流体圧高速制御手段を動作制御する関節急加減速制御手段をさらに備える請求項１に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構。
3. 上記圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構の動作速度の大きさに基づいて上記近接流体圧高速制御手段の開状態を継続する時間の長さを決定して上記近接流体圧高速制御手段を動作制御する関節急加減速制御手段をさらに備える請求項１に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構。
4. 複数の圧縮性流体圧アクチュエータの拮抗駆動により関節の運動が駆動される圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構であって、
   上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータに加圧あるいは減圧制御動作を行って上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータのそれぞれの流体圧を制御することにより上記関節の運動を制御する主流体圧制御手段と、
   上記複数の圧縮性流体圧アクチュエータの近傍に近接して配設され、上記圧縮性流体圧アクチュエータに対して、上記関節の運動を制御する上記主流体圧制御手段の流体圧制御動作よりも早く加圧あるいは減圧制御動作を行って上記圧縮性流体圧アクチュエータを急加速又は急減速させるように制御する近接流体圧高速制御手段とを有するとともに、
   さらに、生体情報を検出する生体情報検出手段と、上記生体情報検出手段で検出された上記生体情報を認識する生体情報認識手段とを有して、上記生体情報認識手段により認識された情報が動作指令の場合に上記近接流体圧高速制御手段を動作させる圧縮性流体圧アクチュエータ駆動機構。

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