JP4310438B2 - 流体圧式アクチュエータ - Google Patents

Description

この発明は、例えば空気等の流体の給排により駆動される流体圧式アクチュエータに関するものである。

例えば特開２００２−１０３２７０号公報では、チューブ形エアアクチュエータによりロボットや人体の関節を動かす駆動装置が提案されている。チューブ形エアアクチュエータは、空気の供給により長さが縮小され、駆動力（引張力）を発生するアクチュエータである。チューブ形エアアクチュエータへの空気の供給・排出は、空気給排部により行われる。また、空気給排部は、制御部によって制御される。

しかし、従来のチューブ形エアアクチュエータでは、空気給排部から供給される空気の圧力を制御部によって制御するだけであるため、チューブ形エアアクチュエータを用いて駆動装置を構成した場合、発生する駆動力・長さを十分に正確に制御することができなかった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、発生する駆動力・アクチュエータ長さをより正確に制御することができる流体圧式アクチュエータを得ることを目的とする。

この発明に係る流体圧式アクチュエータは、流体の供給・排出により伸縮して駆動力を発生するアクチュエータ本体と、アクチュエータ本体の状態を検出するセンサと、アクチュエータ本体に対して給排される流体の圧力を調節する流体レギュレータを、センサからの検出信号に基づいて制御する制御部とを備え、センサは、アクチュエータ本体に搭載されている。

この発明の実施の形態１によるエアアクチュエータシステムを示す構成図である。 図１の要部を拡大して示す構成図である。 図２の回路基板をさらに具体的に示す構成図である。 図２の長さセンサの第１の例を示す構成図である。 図２の長さセンサの第２の例を示す構成図である。 図２の長さセンサの第３の例を示す構成図である。 この発明の実施の形態２によるチューブ形エアアクチュエータを示す構成図である。

以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるエアアクチュエータシステムを示す構成図である。この例では、人体に装着することにより、人体の関節を動かすエアアクチュエータシステムを示している。図において、人体に装着される装着部１０には、流体圧式アクチュエータ（空気圧式アクチュエータ）としての複数本のチューブ形エアアクチュエータ１が設けられている。

各チューブ形エアアクチュエータ１は、アクチュエータ本体２と、アクチュエータ本体２に内蔵された回路基板３とを有している。各アクチュエータ本体２は、ゴムチューブ（図示せず）と、このゴムチューブの外周に被覆された網状スリーブ（図示せず）とを有している。また、アクチュエータ本体２は、空気の供給・排出により、その長さが縮小・伸長する。即ち、アクチュエータ本体２は、空気を供給されることにより膨張し、その長さが縮小される。このようなアクチュエータ本体２の縮小時に、駆動力（引張力）が発生する。

各アクチュエータ本体２には、共通のコンプレッサ４から空気が供給される。コンプレッサ４と各アクチュエータ本体２との間には、アクチュエータ本体２に対して給排される空気の圧力を調節する流体レギュレータとしての電空レギュレータ５が介在されている。電空レギュレータ５には、対応するチューブ形エアアクチュエータ１の回路基板３からの指令信号が入力される。また、各回路基板３には、ホストコンピュータ６からの指令信号が入力される。

図２は図１の要部を拡大して示す構成図である。図２において、回路基板３には、アクチュエータ本体２内の圧力を検出する圧力センサ１１と、アクチュエータ本体２の長さを検出する長さセンサ１２と、圧力センサ１１及び長さセンサ１２からの検出信号に基づいて電空レギュレータ５を制御する制御部１３とが設けられている。回路基板３は、圧力センサ１１及び長さセンサ１２がアクチュエータ本体２内に臨むように、アクチュエータ本体２に搭載されている。また、回路基板３としては、ＨＩＣ（ハイブリッドＩＣ）を用いることができる。さらに、回路基板３は、アクチュエータ本体２内の最大圧力（例えば０．７ＭＰａ）に耐えるように構成されている。

長さセンサ１２は、センサ本体１４と、センサ本体１４とアクチュエータ本体２との間に接続された長さ測定用スプリング１５とを有している。長さ測定用スプリング１５としては、アクチュエータ本体２の伸縮の妨げとならない程度の弱い引張ばねが用いられる。センサ本体１４としては、引張センサ（引張荷重センサ）が用いられる。また、引張センサとしては、圧力センサ１１とは特性の異なる圧力センサを用いることができる。

アクチュエータ本体２内の空気を排出した状態では、長さ測定用スプリング１５による引張力がアクチュエータ本体２に作用している。この状態からアクチュエータ本体２内に空気を供給すると、アクチュエータ本体２の長さが縮小し、長さ測定用スプリング１５による引張力はさらに小さくなる。この引張力の変化をセンサ本体１４で検出することにより、Ｆ＝ｋｘ（Ｆ：ばね力、ｋ：ばね係数、ｘ：ばね長さ）の関係から、アクチュエータ本体２の長さを測定することができる。

圧力センサ１１で検出されたアクチュエータ本体２内の圧力の情報、及び長さセンサ１２で検出されたアクチュエータ本体２の長さの情報は、制御部１３にフィードバックされる。また、これらの情報は、必要に応じてホストコンピュータ６にフィードバックすることもできる。制御部１３は、フィードバックされた情報と、ホストコンピュータ６からの指令信号とに応じて電空レギュレータ５を制御する。

電空レギュレータ５は、給気用比例制御弁１６及び排気用比例制御弁１７を有している。給気用比例制御弁１６及び排気用比例制御弁１７としては、比例電磁弁が用いられている。比例電磁弁は、その内部のコイルに電流を流すことにより、電流値に応じた流量の空気を流す弁である。給気用比例制御弁１６及び排気用比例制御弁１７は、制御部１３からの指令信号により制御される。

図３は図２の回路基板３をさらに具体的に示す構成図である。制御部１３は、処理手段であるＣＰＵ１８、Ａ／Ｄコンバータ１９、Ｄ／Ａコンバータ２０、記憶手段であるＲＯＭ２１、給気側電流増幅器としてのトランジスタ２２、排気側電流増幅器としてのトランジスタ２３、及びシリアルＩ／Ｏポート２４を有している。ＲＯＭ２１には、制御部１３が搭載されたチューブ形エアアクチュエータ１の固有のアドレス（ＩＤ情報）が記憶されている。さらに、ＲＯＭ２１には、電空レギュレータ５の制御プログラム、及びホストコンピュータ６との通信プログラム等が記憶されている。制御部１３は、シリアルＩ／Ｏポート２４を介してホストコンピュータ６に接続されている。ＣＰＵ１８では、ホストコンピュータ６からの圧力制御信号のうち、対応するアドレスの信号のみが演算処理される。

圧力センサ１１及び長さセンサ１２からの信号は、Ａ／Ｄコンバータ１９でＡ／Ｄ変換されてＣＰＵ１８に入力される。ＣＰＵ１８では、電空レギュレータ５の出力圧力が圧力制御信号による目標圧力となるように指令信号を生成し出力する。この指令信号は、Ｄ／Ａコンバータ２０によりＤ／Ａ変換され、トランジスタ２２，２３を介して給気用比例制御弁１６や排気用比例制御弁１７に出力される。

また、アクチュエータ本体２の一端部には、端部封止部材（ゴム栓）２５が固定されている。電空レギュレータ５とアクチュエータ本体２とを接続する空気の給排管は、端部封止部材２５を通してアクチュエータ本体２内に挿入されている。回路基板３は、一例として、その一部が端部封止部材２５に埋め込まれて固定されている。また、回路基板３に接続される電気配線（信号線及び電源線等）は、端部封止部材２５を通してアクチュエータ本体２外へ引き出されている。

図４は図２の長さセンサ１２の第１の例を示す構成図、図５は図２の長さセンサ１２の第２の例を示す構成図、図６は図２の長さセンサ１２の第３の例を示す構成図である。第１の例では、円柱状のセンサ本体１４内にセンサ素子（圧電素子）１４ａが埋設されている。また、第２の例では、楕円ボール状のセンサ本体１４内にセンサ素子１４ａが埋設されている。さらに、第３の例では、円筒状のセンサ本体１４内にセンサ素子１４ａが配置されており、センサ本体１４内に挿入された接続部材１４ｂを介して長さ測定用スプリング１５がセンサ素子１４ａに接続されている。

このようなチューブ形エアアクチュエータ１では、圧力センサ１１がアクチュエータ本体２内に配置されているため、アクチュエータ本体２内の圧力を、空気配管を介さずに直接検出でき、負荷や圧力損失等の影響を低減して動的状態でもアクチュエータ本体２内の圧力をより正確に検出することができる。これにより、発生する駆動力をより正確に制御することができる。
また、長さセンサ１２がアクチュエータ本体２内に配置されているため、負荷の変動により制御対象の位置がずれても、アクチュエータ本体２の長さをより正確に把握することができ、アクチュエータ長さをより正確に制御することができる。

さらに、圧力センサ１１、長さセンサ１２及び制御部１３が共通の回路基板３に設けられているため、負荷や使用の状況によらず自己の状態に関する情報を制御部１３で解析・演算し、制御対象の状態情報をより正確に把握することができ、チューブ形エアアクチュエータ１のより高度な制御が可能となる。また、圧力センサ１１及び長さセンサ１２と制御部１３との間の距離が短いため、制御タイミングの遅れを防止し、より高速の制御を行うことができる。
さらにまた、図３に示すように、回路基板３は、アクチュエータ本体２において空気の給排口が形成された端部封止部材５に設けられている。これによって、回路基板３上のセンサ１１，１２と給気用比例制御弁１６及び排気用比例制御弁１７との接続用配線の長さを短縮することができる。

実施の形態２．
次に、図７はこの発明の実施の形態２によるチューブ形エアアクチュエータを示す構成図である。実施の形態１では、制御部１３が搭載された回路基板３をアクチュエータ本体２内に配置したが、実施の形態２では、制御部１３を搭載した回路基板３ａが電空レギュレータ５に設けられている。そして、圧力センサ１１及び長さセンサ１２を搭載した基板３ｂがアクチュエータ本体２内に配置されている。
このように、圧力センサ１１及び長さセンサ１２と制御部１３とを切り離し、センサ１１，１２のみをアクチュエータ本体２内に配置することも可能である。

なお、実施の形態１、２では、圧力センサ１１及び長さセンサ１２が互いに別体で構成されているが、圧力センサのセンサ素子と長さセンサのセンサ素子とを共通のボディに埋め込んで一体で構成してもよい。
また、実施の形態１では、回路基板３を端部封止部材２５に直接固定したが、アクチュエータ本体２と回路基板３とを剛体により接続してもよい。
さらに、ホストコンピュータ６と各回路基板３との間の信号の送受信は、シリアル通信（省配線）又は無線で行ってもよい。

さらにまた、実施の形態１、２では、流体圧式アクチュエータとしてチューブ形エアアクチュエータ１を示したが、他の形状、方式の流体圧式アクチュエータであってもよい。
また、上記の例では、流体が空気である場合について示したが、流体は空気以外の気体や油等の液体であってもよい。
さらに、この発明の流体圧式アクチュエータは、関節駆動用だけではなく、あらゆる用途に適用することができる。
さらにまた、実施の形態１、２では、センサとして圧力センサ及び長さセンサを示したが、センサはこれらに限定されるものではない。

Claims (13)

1. 流体の供給・排出により伸縮して駆動力を発生するアクチュエータ本体と、
   上記アクチュエータ本体の状態を検出するセンサと、
   上記アクチュエータ本体に対して給排される流体の圧力を調節する流体レギュレータを、上記センサからの検出信号に基づいて制御する制御部と
   を備え、
   上記センサは、上記アクチュエータ本体に搭載されており、
   上記センサ及び上記制御部は、共通の回路基板に設けられており、
   上記回路基板は、上記センサが上記アクチュエータ本体内に臨むように上記アクチュエータ本体に搭載されていることを特徴とする流体圧式アクチュエータ。
2. 上記センサは、上記アクチュエータ本体内の圧力を検出する圧力センサであることを特徴とする請求項１記載の流体圧式アクチュエータ。
3. 上記センサは、上記アクチュエータ本体の長さを検出する長さセンサであることを特徴とする請求項１記載の流体圧式アクチュエータ。
4. 上記長さセンサは、センサ本体と、上記センサ本体と上記アクチュエータ本体との間に接続された長さ測定用スプリングとを有し、
   上記センサ本体は、上記長さ測定用スプリングによる引張力の変化を検出することを特徴とする請求項３記載の流体圧式アクチュエータ。
5. 上記アクチュエータ本体には、上記アクチュエータ本体内の圧力を検出する圧力センサ、及び上記アクチュエータ本体の長さを検出する長さセンサの両方が上記センサとして搭載されていることを特徴とする請求項１記載の流体圧式アクチュエータ。
6. 上記回路基板は、ハイブリッドＩＣにより構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の流体圧式アクチュエータ。
7. 上記アクチュエータ本体の一端部には、端部封止部材が固定されており、
   上記回路基板は、上記端部封止部材に固定されていることを特徴とする請求項６又は請求項１〜請求項６のいずれかに記載の流体圧式アクチュエータ。
8. 上記制御部は、ホストコンピュータからの圧力制御信号と上記センサからの検出信号とに基づいて流体レギュレータを制御することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の流体圧式アクチュエータ。
9. 上記制御部は、流体レギュレータの出力圧力が上記圧力制御信号による目標圧力となるように指令信号を生成するための処理手段を有していることを特徴とする請求項８記載の流体圧式アクチュエータ。
10. 上記処理手段はＣＰＵであり、上記制御部は、上記センサからの検出信号をＡ／Ｄ変換して上記ＣＰＵに入力するＡ／Ｄコンバータと、上記ＣＰＵからの指令信号をＤ／Ａ変換して上記流体レギュレータに出力するＤ／Ａコンバータとを有していることを特徴とする請求項９記載の流体圧式アクチュエータ。
11. 上記制御部は、上記ホストコンピュータからの圧力制御信号を受けるＩ／Ｏポートを有していることを特徴とする請求項８〜請求項１０のいずれかに記載の流体圧式アクチュエータ。
12. 上記制御部は、固有のアドレスを記憶した記憶手段を有し、
    上記ホストコンピュータからの圧力制御信号のうち、対応するアドレスの信号のみが上記制御部により処理されることを特徴とする請求項８〜請求項１１のいずれかに記載の流体圧式アクチュエータ。
13. 上記制御部は、上記ホストコンピュータとの通信プログラムを記憶した記憶手段を有していることを特徴とする請求項８〜請求項１２のいずれかに記載の流体圧式アクチュエータ。

Images