JP4450908B2 - バイラテラル位置・力伝達装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は相補性に優れたバイラテラル位置・力伝達装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、ロボットのアクチュエータとして位置・力伝達機構としての操作側(マスター)シリンダと制御側(スレーブ)シリンダが使用されている。かかる位置・力伝達機構においては、マスター側シリンダとスレーブ側シリンダ間で相補性に欠けるものであった。
【0003】
現在、病院、施設、または、在宅において、麻痺患者に対する動作補償や、高齢者に対する介護動作を行う場合には、一般には、介護者が必要となり介護者・患者ともに日常動作補助には負担となる。
【0004】
また、専門の介護者は、現在、人的に不足しているのが現状であり、そのため、このような作業を行う際の省人化、省力化が望まれている状態である。
【0005】
従来、義肢、装具の開発は局部的な患部(肘、膝等)に対する動作補償にとどまっており、腕全体、脚全体といった症状の患者に対しては、人的な介助を必要とするリハビリテーションに依存してきた。しかし今後、省力化、省人化の望まれる社会背景より、腕全体、脚全体の機能回復を目的とする動力化された装具の開発が望まれている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
1.患者の患部に直接装着するため安全であること。
【0007】
対象の一つである動力装具は、対象者が麻痺患者、高齢者である。また、機械が直接、使用者に接触することを考慮しても安全性は絶対条件である。
2.小型、移動可能であること。
【0008】
動力装具の使用場所は病院のリハビリテーション室、高齢者の在宅看護が考えられる。このような場所では、大型装置を置くことは困難であり、病院で使用する際、在宅で使用する際においても移動可能なことが望ましい。そのため、車椅子搭載型の動力装具とし、車椅子に搭載するため可能な限り小型で容易に移動の可能なものが要求される。
3.使用者の負担とならぬよう軽量であること。
【0009】
動力装具は使用者が簡単に使用できる必要がある。また使用用途がリハビリテーション、動作補助であるため、使用者に加わる負担を極力抑える必要がある。4.人の腕の形状に類似していること。
【0010】
動力装具は使用者の腕に直接装着するため、極端に人の腕と異なる形状のものは不備である。
5.簡単な入力を行うことができる。
【0011】
従来、外部コマンド入力に加え、更に、使用者にとって簡易的で、感覚的入力方法が必要となる。また、使用者の行う訓練、利用目的、到達度を考える上でも複数の入力方法が必要である。また、患者側の入力だけでなく、介護側からの入力もでき、双方向である。
6.人の腕の動作に類似し、滑らかな動作が行えること。
【0012】
使用者の動作補償、介助動作の最終目的は機能復元である。ユーザに対する介助動作・動作補償を行う際、ユーザの動作に違和感や、無理な動作を動力装具に与えるべきではない。
【0013】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、マスター側シリンダの作用とスレーブ側シリンダの作用の相補性に優れ、小型軽量化が可能なバイラテラル位置・力伝達装置を提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のバイラテラル位置・力伝達装置は、
マスター側のアクチュエータである第1のアクチュエータと、スレーブ側のアクチュエータである第2のアクチュエータと、前記第1のアクチュエータと第2のアクチュエータ間に力及び位置を伝達させ、該第1と第2のアクチュエータを動作させる位置及び力伝達手段と、前記位置及び力伝達手段による前記第1と第2のアクチュエータの動作を検出する位置及び力動作検出手段と、前記位置及び力動作検出手段の動作検出信号を基に演算して前記第1と第2のアクチュエータの動作偏差信号を得る演算手段、および前記動作偏差信号を基に前記第1と第2のアクチュエータの動作を制御する動作制御手段、によって構成され、前記第1のアクチュエータが、ピストンを有し、第1の圧縮室と第2の圧縮室を形成する第1のシリンダであり、前記第2のアクチュエータが、前記第1のシリンダに対応する一対の第2のピストンと第3のピストンを有し、第3の圧縮室と第4の圧縮室および第5の圧縮室を形成するシリンダであり、前記位置及び力伝達手段が、前記第1の圧縮室と第3の圧縮室に連通する第1の管体と、第1の圧縮室と第4の圧縮室に連通する第2の管体と、第2の圧縮室と第5の圧縮室に連通する第3の管体、によって構成されている、ことを特徴とする。
【0016】
本発明によるバイラテラル位置・力伝達機構は、アクチュエータとしてシリンダを用い、操作側(マスター)と制御対象側(スレーブ)との力伝達及び、位置が双方向に作用する機構であり、マスター側のシリンダとスレーブ側のシリンダの径を任意に選択することで位置及び力の伝達が増幅または、縮小することのできる機構である。
【0017】
更に、圧力変化をマスター側にフィードバックすることにより、制御対象側のスレーブのピストンを直接変位させれば、マスター側は、スレーブ側の変化に追従する。即ち、スレーブ側の変化は、小さな力でも動作することができる。これらの機能は、特に福祉機器には有効なアクチュエータシステムとして利用できる。
【0018】
この新しい構想のアクチュエータは、バイラテラル油圧伝達機構と当研究室で呼称されるアクチュエータである。アクチュエータの構成は、バイラテラルサーボと油圧伝達機構を組み合わせた構造をしており、特徴として、小型・軽量・高出力が期待できることである。制御システムは、バイラテラルサーボシステムとなり、位置決め圧力制御系を簡単に組むことができる。以上のようなアクチュエータシステムを構成することにより、バイラテラルサーボの特性を生かした、位置決め/圧力制御が行え、人の動作に近い円滑な動作および、操作が可能となる、ロボットの基本から応用に至るシステム化である。
【0019】
さらに、本発明の装置の特徴は、アクチュエータとして、バイラテラル油圧伝達機構を使用していることである。バイラテラル油圧伝達機構をリハビリテーションロボットに搭載することにより、複数の入力方法が可能となることから、使用者(患者)の能力に応じて訓練が行え、汎用性のあるリハビリテーションロボットとなる。また、以上のリハビリテーションロボットを開発する副産物として、医療現場の重労働を補えるバイラテラル油圧伝達機構(大出力アクチュエータ)も併せて見込まれる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例について、図1〜図8を参照しながら説明する。
【0021】
図1〜図6は本発明の実施例によるバイラテラル位置・力伝達装置を示す。
【0022】
図1において、1Mはマスター側のアクチュエータである第1のシリンダ、2はシリンダ1Mの第1のピストン、3はシリンダ1Mのピストンロッドである。シリンダ1Mにおいてピストン2の両側には第1の圧縮室である圧縮室4aと第2の圧縮室である圧縮室4bが形成される。1Sはスレーブ側のアクチュエータである第2のシリンダ、5aおよび5bはシリンダ1S内に対向配置された第2および第3のピストン、6a,6bはピストンロッドである。シリンダ1Sにおいて、ピストン5aのロッド側には第3の圧縮室である圧縮室7aが形成され、ピストン5bのロッド側には第4の圧縮室である圧縮室7bが形成され、ピストン5aと5bとの間には第5の圧縮室である圧縮室7cが形成される。8aはシリンダ1Mの圧縮室4aとシリンダ1Sの圧縮室7bを連通する第1の管体であるチューブ、8bはシリンダ1Mの圧縮室4aとシリンダ1Sの圧縮室7bを連通する第2の管体であるチューブ、8cはシリンダ1Mの圧縮室4bとシリンダ1Sの圧縮室7cを連通する第3の管体であるチューブである。14はシリンダ1Mのピストンロッド3に機械的に連結された直動機構であって、この直動機構14はモータ15と送りねじ16によって構成される。
【0023】
図7はアクチュエータの原理を示すもので、図7において30はマスター側シリンダ、30aはマスター側シリンダのピストンロッド、40はスレーブがシリンダ、40aはスレーブ側シリンダの40のピストンロッドである。マスターシリンダで発生した力がスレーブシリンダに油圧を使用して伝達される。すなわち、シリンダから入出力される体積流量により位置、体積移動の際の圧力により力が伝達される。
【0024】
マスターシリンダで入力される力F1は、マスターシリンダの断面積A1により、圧力に変換され、スレーブシリンダの断面積A2により、増幅され、マスター側シリンダで出力される。スレーブ側シリンダで入力される力F2は、スレーブ側シリンダの断面積A2により、圧力に変換され、マスター側シリンダの断面積A1により、増幅され、マスター側シリンダで出力される。このとき、次の(1)式から(3)式が得られる。
【0025】
F1=A1・(P1−P2) ………(1)
F2=A2・(P1−P2) ………(2)
F2=(A2/A1)・F1 ………(3)
ここで、F1が入力の場合、直動機構であるため、力は特定できる。ここでは、モータに台形ねじを使用した際の直動機構を考える。
【0026】
モータによる入力トルクをT、ねじ効率をη、リードをLとすると、直動機構の発生推力は次の(4)式となる。
【0027】
F1=(2ηn/L・10-3)・T ………(4)
よって、式(4)を式(3)に代入すると以下の式(5)、
F2=(A2/A1)・(2ηn/L・10-3)・T………(5)
となる。
【0028】
また、位置の関係は、体積流量の移動量がマスター・スレーブでおよそ等しいことから、マスターシリンダのストローク変位を△x、スレーブシリンダを△yとすると、
A1・△x=A2・△y ………(6)
と近似でき、よって△x、△yには以下の近似関係式が成り立つ。
【0029】
△x=(A2/A1)・△y ………(7)
以上の式を参考に、以下の表1の関係が成り立ち、マスタ・スレーブ両シリンダ、直動機構の選択を行う。
【0030】
【表1】
【0031】
このバイラテラル油圧伝達機構の特徴は、機構的に、すでに、対象形バイラテラルサーボが成立することにある。
【0032】
図1に示すように、センサを取り付けることにより、サーボ系となり、力帰還形バイラテラルサーボシステムとすることが可能である。
【0033】
図1に示すバイラテラル位置・力伝達装置においては、マスター側シリンダ1Mの圧縮室4aとスレーブ側シリンダ1Sの圧縮室7aを連通するチューブ8aに圧力センサ9aと電磁弁10aが設けられ、シリンダ1Mの圧縮室4aとシリンダ1Sの圧縮室7bを連通するチューブ8bに圧力センサ9bと電磁弁10bが設けられている。また、シリンダ1Mの圧縮力圧縮室4bとシリンダ1Sの圧縮室7cを連通するチューブ8cには圧力センサ9cと電磁弁10cが設けられている。圧力センサ9a,9b,9cは、それぞれ、各チューブのシリンダ1S側に配置され、電磁弁10a,10b,10cは、それぞれ、各チューブのシリンダ1M側に配置されている。
【0034】
シリンダ1Mのピストンロッド3の変位を検出する第1の変位センサ11aと、シリンダ1Sのピストンロッド6aの変位を検出する第2の変位センサ11bが設けられていると共に、シリンダ1Sのピストンロッド6bの変位を検出する第3の変位センサ11cが設けられている。シリンダ1Mのピストンロッド3には送りねじ16を介してモータ15が接続されており、直動機構としてのリニアモーションモータが形成される。また、圧力センサ9aと9bおよび9cの圧力検出信号P1,P2,P3を入力として比較する第1の突合せ回路12a,変位センサ11bおよび11cの変位検出信号S1,S2,S3を入力として比較する第2の突合せ回路12bが設けられているとともに、突合せ回路12aの圧力差検出偏差信号P4を入力とする第1のコントローラ13aと、突合せ回路12bの変位検出偏差信号S4を入力とする第2のコントローラ13bが設けられている。
【0035】
図2はマスター側シリンダ1Mの機能を示す。シリンダ1Mは通常のシリンダと同じ構造であるが、図1に示すように、圧縮室4aには2つのポート1a,1bがついており、他方の圧縮室4bにはポート1cがついている。いま、ピストンの動作方向と吐出圧力(Pa+Pb),Pcに対して動作条件を図2の(a)から(d)として表せば、ピストン2は左右の内圧により図において左右に動く。ピストンロッド2の延長上にモータが結合されており、ピストン動作は、モータの回転を直進運動に変換するメカニズムを経て、行われる。したがって、ピストン2の動く方向は、モータの回転方向によって決まる。
【0036】
図2において(a)の場合は、ピストン2が左から右へ移動する様子を示している。この場合、吐出状態としては圧縮室4bは加圧状態であり、圧縮室4aは減圧状態を示している。(b)の場合はシリンダ1Mの圧縮室4aの内圧(Pa+Pb)が加圧されたときである。ここで、チューブ8aに電磁弁10aを取り付け、また、チューブ8bに電磁弁10bを取り付け、電磁弁10bを閉ざしておけば圧縮室4aの内圧は、電磁弁10aを通り、シリンダ1Sの圧縮室7bにPaとして加圧される。このときの動作が図2の(c)である。(d)の場合は、ピストン2が右からひだりに移動し、シリンダ1の圧縮室4bの内圧が加圧され、図2(d)のPbに押圧力が加えられる。ただし、電磁弁10aを閉ざしておけばシリンダ1Sの圧縮室7cから減圧された流体流がマスタ側シリンダ1Mの圧縮室4bに流れる。
【0037】
図3はスレーブ側シリンダの機能を示すもので、スレーブ側シリンダ1S内にピストン5aと5bが内挿されている。圧力Pa,Pb,Pcに対して動作条件は図3の(a)から(d)の動作条件となる。すなをち、Pa,Pb,Pcの条件は、加圧時は上向きの矢印である示され、減圧時(非加圧時)では、下向きの矢印で示される。一例として、図3の(a)の条件では、単純に圧縮室7cが内圧Pcに加圧されれば、ピストン5a,5bは左右方向に移動する。(b)の条件では圧縮室7a,7bがPa,Pbに加圧されるとピストン5a,5bは中央に向かって移動する。(c)の場合は、圧縮室7aがPaに加圧されるとピストン5aがシリンダ1Sの中央に向かって移動する。これらの条件は、マスター側シリンダ1Mとの接合条件による。
【0038】
図2の動作条件と図3の動作条件を結合することは、図1のシリンダ1Mと1Sとを3本のチューブで結合することである。チューブのスレーブ側シリンダ1S側に圧力センサ9a,9b,9cを付けることで内圧Pa,Pb,Pcを測定する。いま、マスター側の動作状態を図2の(a)から(d)とすると、スレーブ側の各動作は、以下のようになる。
【0039】
図2の(a)の場合は、シリンダ1Mの圧縮室4bを内圧Pに加圧することになる。ピストン2を右側へ動かすことによって圧縮室4bが加圧され、その圧力はそのままチューブ8cを通りスレーブ側シリンダ1Sの圧縮室7cの内圧Pcとして加圧される。その時の圧縮室4aの内圧Pa,Pbは、電磁弁10a,10bを開口しておけば、容積流量は、圧縮室4aに戻される。
【0040】
図2の(b)の場合は、圧縮室4aの内圧を加圧することになる。電磁弁10a,10bを開口しておけば、加圧力はシリンダ1Sの圧縮室7a,7bへそのまま加圧され、ピストン5a,5bは図3の(b)のように動く。その時の容積流量はシリンダ1Mの圧縮室4bに戻される。
【0041】
図2の(c)の場合は、電磁弁10aを開口にしておき,電磁弁10bを閉じておけば、マスター側シリンダ1Mのピストン2を左側に移動させると、圧縮室4aの内圧は高くなり圧力Paは、電磁弁10aを通してシリンダ1Sの圧縮室7aの内圧Paに加圧される。Paはチューブ8cを通りシリンダ1Mの圧縮室4bへ戻される。シリンダ1Sにおいてはピストン5aのみ戻されるが、電磁弁10cと電磁弁10bを閉鎖しておけば、圧縮室7cの内圧Pcによってピストン5bが右へ移動されることがない。
【0042】
図1のバイラテラル位置・力伝達装置において、シリンダ1Mの圧縮室4aとシリンダ1Sの圧縮室7aの圧力差が第1の圧力センサ9aによって検出され、シリンダ1Mの圧縮室4bとシリンダ1Sの圧縮室7bの圧力差が第2の圧力センサ9bによって検出され、かつシリンダ1Mの圧縮室4bとシリンダ1Sの圧縮室7cの圧力差が第3の圧力センサ9cによって検出される。圧力センサ9aの圧力差検出信号P1と、圧力センサ9bの圧力差検出信号P2および圧力センサ9cの圧力差検出信号P3は第1の突合せ回路12aに入力され、突合せ回路12aで圧力差検出偏差信号P4が得られ、この圧力差検出差偏差信号P4は第1のコントローラ13aに入力される。コントローラ13aは圧力差偏差信号P4を基にモータ15を制御する。このとき、シリンダ1Mと1Sの圧力の基準値を予めコンピュータ内に設定しておけば、コントローラはシリンダ1Mの圧力と1Sの圧力の差と基準値を比較して、モータを制御する。
【0043】
第1の変位センサ11aは、ピストンロッド3の変位を検出し、変位検出信号S1を出力する。第2の変位センサ11bは、ピストンロッド6aの変位を検出し、変位検出信号S2を出力する。第3の変位センサ11cは、ピストンロッド6bの変位を検出し、変位検出信号S3を出力する。変位センサ11aの変位検出信号S1と変位センサ11bの変位検出信号S2および変位センサ11cの変位検出信号S3は、突合せ回路12bに入力され、変位検出偏差信号S4が得られる。コントローラ13bは変位検出偏差信号S4をもとにモータ15を制御し、送りねじ16を介してシリンダ1Mのピストンロッド3のストロークを制御する。すなわち、図1のバイラテラル位置・力伝達装置において、マスター側シリンダ1Mのピストン2の動きはモータ15と直動機構16によって制御される。ここで、ピストンロッド6aと6bの動きに差がある場合は、コントローラ13bは、基準値とそれぞれの変位の差を見ながら、例えば平均値をとってその差分をフィードバクする。また、電磁弁10a,10b,10cはコントローラ内のマイコンにて予めシーケンシャルに開閉制御される。
【0044】
いま、電磁弁10aを閉じ、電磁弁10b,10cを開いておき、マスター側シリンダのピストン2を矢印A1の方向に動かせば、シリンダ1Sの圧縮室7bが加圧状態になり、ピストン5bとピストンロッド6bが矢印A3の方向に移動される。これにより、スレーブ側シリンダ1Sの圧縮室7cからマスター側シリンダ1Mの圧縮室4bに容積流量が戻される。このとき、突き合わせ回路12aは圧力センサ9b,9cの圧力差検出信号P2,P3を入力として比較し、その圧力差偏差信号P4をコントローラ13aに入力する。コントローラ13aは圧力差偏差信号P4を基にモータ15を回転制御する。また、変位センサ11aはピストンロッド3の変位を検出して変位検出信号S1を出力し、変位センサ11bはピストンロッド6bの変位検出して変位検出信号S3を出力する。突合せ回路12bは、変位検出信号S1と変位検出信号S3を入力として比較し、変位検出偏差信号S4を得る。コントローラ13bは変位検出偏差信号S4を基にモータ15を回転制御する。
【0045】
電磁弁10bが閉じ、電磁弁10a,10cが開いていると、シリンダ1Mの圧縮室4aとシリンダ1Sの圧縮室7aが連通すると共に、シリンダ1Mの圧縮室4aとシリンダ1Sの圧縮室7cが連通する。このとき、ピストン2を矢印A1の方向に動かせば、ピストン5aは矢印A4の方向に動く。ピストン5aの動きにより、容積流量は、圧縮室7cから圧縮室4bに戻される。圧力センサ9aは圧縮室4aと7aとの圧力差を検出して圧力差信号P1を出力すると共に、圧力センサ9cは圧縮室4bと7cの圧力差を検出して圧力差信号P3を出力する。突合せ回路12aは、圧力差信号P1とP3を入力として比較し、圧力差偏差信号P4を出力する。変位センサ11aは、ピストンロッド3の変位を検出して、変位検出信号S1を出力する。変位センサ11bは、ピストンロッド6aの変位を検出して変位検出信号S2を出力する。第2の突合せ回路12bは、変位検出信号S1とS2を入力として比較し、変位検出偏差信号S4を出力する。
【0046】
次に、電磁弁10a、10b,10cの全てが開いているとき、シリンダ1Mの圧縮室4aとシリンダ1Sの圧縮室7aが連通し、圧縮室4aと圧縮室7bが連通すると共に、圧縮室4bと圧縮室7cが連通する。このときピストン2を矢印A1の方向に動かせば、スレーブ側のピストンロッド6aは矢印A4の方向に移動し、ピストンロッド6bは矢印A3の方向に移動する。変位センサ11aはピストンロッド3の変位を検出し、変位センサ11bはピストンロッド6aの変位を検出し、変位センサ11cはピストンロッド6bの変位を検出する。圧力センサ9aはマスター側シリンダ1Mの圧縮室4aとスレーブ側シリンダ1Sの圧縮室7aの圧力差を検出し、圧力センサ9bは圧縮室4aと圧縮室7bの圧力差を検出し、圧力センサ9cは圧縮室4bと圧縮室7cの圧力差を検出する。突合せ回路12aは各圧力センサ9a,9b,9cの圧力差検出信号P1,P2,P3を入力として比較し、その圧力差偏差信号P4をコントローラ12aに導く。突合せ回路12bは各変位センサ11a,11b,11cの変位検出信号S1,S2,S3を入力として比較し、その圧力差偏差信号S4をコントローラ12bに導く。
【0047】
上記実施例のバイラテラル位置・力伝達装置において、バイラテラル油圧位置・力伝達機構用シリンダは、通常のシリンダと違い、リハビリテーションロボット専用の構想に基づくシリンダである。また、シリンダはリンク機構により力伝達がなされる。また、バイラテラル油圧位置・力伝達機構は、リハビリテーションロボットに最適なバイラテラル油圧位置・力伝達機構であってマスター・スレーブによる双方向の指令と動作が容易に切り替えられるサーボ機構である。特に切り替えはマイコンにより行われる。さらに、リハビリテーションロボットとしての効果として、バイラテラル油圧位置・力伝達機構を使用したリハビリテーションロボットの効果は第一に安全面のシステムであることである。第二には、他の油圧ユニットを必要としないためメンテナンスが少なく簡単に移動できる。
【0048】
図4は本発明の第4実施例によるバイラテラル位置・力伝達装置を示すもので、図4において図1の部材と同一または相当部分には同一符号が付されている。図4において、1MAはマスター側のアクチュエータである第1のアクチュエータシリンダであって、このシリンダ1MAは、油圧を供給するポートがピストンの両側にある。17aはシリンダ1MAの第1の圧縮室である圧縮室4aに連通する第1の管体、17bは第2の圧縮室である圧縮室4bに連通する第2の管体、20はスレーブ側アクチュエータであるスレーブ側ロータリアクチュエータであって、このロータリアクチュエータ20は、回転軸21と、回転軸21に固定して取り付けられこの回転軸から放射状に伸びる回動子22aと、回動子22aの一方の側に位置し回転軸21に取り付けられた第1の中空回動体23aと、回動子22aの他方の側に位置し回転軸21に取り付けられた第2の中空回動体23bによって構成される。24aは中空回動体23a、23bの回動に伴う回転軸21の回転角度を検出する角度センサ例えばポテンショメータである。
【0049】
一例として、ピストン2が図4において矢印A5の方向に移動すると、圧縮室4aの内圧Paと圧縮室4bの内圧Pbとの間にはPa<Pbが成立する。Pa<Pbであると、内圧差(Pb−Pa)により中空回動体23bと回動子22aおよび中空回動体23aは矢印A6の方向に回転する。
【0050】
圧力センサ9aは、中空回動体23aの内圧と圧縮室4aの内圧との圧力差を検出して、圧力差検出信号P1を出力する、圧力センサ9bは圧縮室4bの内圧と中空回動体22bの圧力差を検出して、圧力差検出信号P2を出力する。変位センサ11aはロッド3の変位を検出して、変位検出信号S1を出力する。角度センサ24aは、中空回動体23aと23bおよび回動子22aの回動に伴う回転軸21の回転角度を検出して、変位検出信号S2を出力する。
【0051】
第1の突合せ回路12aは、圧力差検出信号P1とP2を入力として比較し、圧力差偏差信号P4を第1のコントローラ13aに導く。コントローラ13aは圧力差検出信号P4をもとにモータ15を回転制御する。第2の突合せ回路12bは変位検出信号S1とS2を入力として比較し、変位検出偏差信号S4を第2のコントローラ13bに導く。
【0052】
図5は本発明の第3実施例によるバイラテラル位置・力伝達装置を示し、この装置は原理的に図1の装置とほぼ同じである。図5において、図4の部材と同一または相当部分には同一の符号が付されている。22bは回転軸21に取り付けられた第2の回動子である。23cは第1の回動子22aと第2の回動子22bとの間に配置され、回転軸21に取り付けられた第3の中空回動体であり、24bは回転軸21の回転角度を検出する第2の角度センサである。
【0053】
図5の装置において、管体17aは圧縮室4aと中空回動体23aに連通し、管体17bは中空回動体23bに連通し、管体17cは圧縮室4bと第3の中空回動体23cに連通する。図1の装置と同様に、管体17aには圧力センサ9aと電磁弁10aが設けられ、管体17bには圧力センサ9bと電磁弁10bが設けられ、管体17cには圧力センサ9cと電磁弁10cが設けられている。電磁弁10a,10b,10cは図1の装置の場合と同様に、コントローラ内のマイコンにてシーケンシャルに開閉制御される。
【0054】
一例として、電磁弁10aを閉じ、電磁弁10b,10cを開いておき、マスター側シリンダのピストン2を矢印A7の方向に動かせば、シリンダ1Mの圧縮室4aの内圧は加圧状態になり、圧縮室4bの内圧は減圧状態になり、第2の中空回動体23bは矢印A6の方向に回転する。このとき、突合せ回路12aは圧力センサ9b,9cの圧力差検出信号P2,P3を入力として比較し、その圧力差偏差信号P4をコントローラ13aに入力する。また、変位センサ11aはピストンロッド3の変位を検出して変位検出信号S1を出力し、角度センサ24aは回転軸21の回転角度を検出して変位検出信号S2を出力する。突合せ回路12bは、変位検出信号S1と変位検出信号S2を入力として比較し、変位検出偏差信号S4を得る。
【0055】
電磁弁10bが閉じ、電磁弁10a,10をが開いておき、ピストン2を矢印A7の方向に動かせば、中空回動体23aは矢印A9の方向に回転する。圧力センサ9aは圧縮室4aと23aとの圧力差を検出して圧力差信号P1を出力すると共に、圧力センサ9cは圧縮室4bと中空回動体23cの圧力差を検出して圧力差信号P3を出力する。突合せ回路12aは、圧力差信号P1とP3を入力として比較し、圧力差偏差信号P4を出力する。変位センサ11aは、ピストンロッド3の変位を検出して、変位検出信号S1を出力する。角度センサ24aの回転角度を検出して変位検出信号S2を出力する。第2の突合せ回路12bは、変位検出信号S1とS2を入力として比較し、変位検出偏差信号S4を出力する。
【0056】
次に、電磁弁10a、10b,10cの全てが開いているとき、ピストン2を矢印A7の方向に動かせば、中空回動体23aはは矢印A8の方向に回転し、中空回動体23bは矢印A6の方向に回転する。変位センサ11aはピストンロッド3の変位を検出し、角度センサ24aは中空回動体23aの変位を検出し、角度センサ24bは中空回動体23bの変位を検出する。圧力センサ9aはマスター側シリンダ1Mの圧縮室4aと中空回動体23aの圧力差を検出し、圧力センサ9bは圧縮室4aと中空中空回動体23bの圧力差を検出し、圧力センサ9cは圧縮室4bと中空中空回動体23cの圧力差を検出する。突合せ回路12aは各圧力センサ9a,9b,9cの圧力差検出信号P1,P2,P3を入力として比較し、その圧力差偏差信号P4をコントローラ13aに導く。突合せ回路12bは各変位センサ11a,角度センサ24a,24bの変位検出信号S1,S2,S3を入力として比較し、その変位差信号S4をコントローラ13bに導く。
【0057】
図6は本発明の第4実施例によるバイラテタル位置・力伝達装置を示し、この装置は図1の装置を応用したものである。すなわち、スレーブ側シリンダ1SAと1SBおよびマスター側シリンダを図6のようにフレキシブルチューブで結合する。スレーブ側シリンダのロッド側の内圧をPa,Pb,Paa,Pbbとする。また、中央部の内圧をPc,Pccとする。
【0058】
さらに、マスター側シリンダ1MAから図1の装置のように配管される。ここで図6のようにスレーブ側シリンダの出力軸には、回転関節部25a,25bが、それぞれ、スレーブ側ピストンロッドと結合されている。いま、回転関節部25aが右回転の場合、同時に回転関節部25bを左方向に回転させたいとき、スレーブ側シリンダ1SAは、矢印A7,A8の方向に伸び、スレーブ側シリンダ1SBのピストンロッドは、矢印A9,A10の方向にちじむ。このときの加圧は、マスター側により行われ、マスター側シリンダ1MAより図6のように互い違いに(Pa+P)bとPccの組み合わせ、および(Paa+Pbb)とPcとの組み合わせに配管しておけば、マスター側シリンダの操作で2軸の関節の操作が同時に行われる。
【0059】
なお、マスター側のピストンロッド3には、直進機構部16とその先端には、サーボモータ15が結合されており、サーボモータの制御により一連の動作が行われる。これらのメカニズムは、回転関節部25a,25bを独立に回転させる場合にも対応でき、基本的には図3の(c),(d)の動作を行うものである。
【0060】
すなわち、マスター側ピストン2を矢印A11方向に移動させるようにサーボモータを制御すれば、シリンダ1MAの内圧はPcc,(Pa+Pb)に加圧される。ここで、回転関節部のみを動作させる場合には、電磁弁10a,10dを閉じておけば圧力は、圧縮室7b,7cのみに加圧され、スレーブ側シリンダ1SA,1SBのピストンは矢印(A7、A8),(A9,A10)方向に動作し、結局、回転関節部25bは矢印で示す方向に回転することになる。以上の動作は、人間の二関節動作に類似するものである。
【0061】
サーボ機構としてみた場合の利点として、
(1)位置サーボコマンドによる教示ができる。
(2)サーボ制御を行うことにより、力サーボ一定圧を負荷として印加する動作ができる。
(3)[位置サーボ]スレーブ側より教示し、プレイバックする動作が可能。
(4)[位置サーボ+圧力サーボ]一定負荷と位置決めを行う動作。
(5)[位置サーボ+圧力サーボ]過負荷異常圧診断による安全停止。
【0062】
上記実施例によるリハビリテーションロボットによれば、各種入力方法によるリハビリテーションロボットの動作として、コマンド入力による教示動作、一定圧を負荷とする負荷訓練動作、リハビリテーションロボット側からの入力による教示およびプレイバック動作、一定負荷と位置決め動作、および過負荷異常圧診断による安全停止が可能である。その他、リハビリテーションロボットの安全システムの開発、リハビリテーションロボットの正常動作を監視するシステム化と全体の動作が緊急停止した際の安全性が保証される。
【0063】
【発明の効果】
本発明は、以上の如くであって、バイラテラル位置・力伝達装置にはスレーブ側シリンダのみを設置し、マスタ側シリンダ・直動モータは動力装具から分離するため動力装具の軽量化を計ることができる。また、
(1)動力源と可動箇所の分離により、ロボットの小型化が期待できる。
(2)スレーブ側シリンダとマスタ側シリンダは可撓性パイプにより連結することで、スレーブ側シリンダの設置個所に制限がない。このためロボットを人の腕に類似した形状にすることが可能である。
(3)位置制御・力制御が1つのユニットで行うことができる。
(4)油圧シリンダを使用するため、滑らかな人の腕の動きに近い動作が可能である。
(5)動力装具は、四肢などを保護するため高負荷に対応できなかったが、本システムは可能となった。すなわち、サイボーグ化が可能である。
(6)人間の二関節筋に類似した動作が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例による力帰還型バイラテラルサーボの構成ブロック図。
【図2】図1の力帰還型バイラテラルサーボのマスター側シリンダのピストンの機能説明図。
【図3】スレーブ側シリンダの機能説明図。
【図4】本発明の第2実施例による力帰還型バイラテラルサーボの構成ブロック図。
【図5】本発明の第3実施例による力帰還型バイラテラルサーボの構成ブロック図。
【図6】本発明の第4実施例による力帰還型バイラテラルサーボの構成ブロック図。
【図7】バイラテラル油圧伝達部の原理図。
【符号の説明】
1M,1MA…マスター側シリンダ
2…第1のピストン
3…ピストンロッド
1S,1SA,1SB…スレーブ側シリンダ
4a…第1の圧縮室
4b…第2の圧縮室
5a…第2のピストン
5b…第3のピストン
6a,6b…ピストンロッド
7a…第3の圧縮室
7b…第4の圧縮室
7c…第5の圧縮室
8a,8b,8c…チューブ
9a,9b,9c…圧力センサ
10a,10b,10c…電磁弁
11a,11b,11c…変位センサ
12a,12b…突合せ回路
13a,13b…コントローラ
14…直動機構
15…モータ
16…送りネジ
17a,17b,17c…管体
20…スレーブ側ロータリアクチュエータ
21…回転軸
22a,22b…回動子
23a,23b,23c…中空回動体
24a,24b…角度センサ
25a,25b…回転関節部
Claims (6)
- マスター側のアクチュエータである第1のアクチュエータと、
スレーブ側のアクチュエータである第2のアクチュエータと、
前記第1のアクチュエータと第2のアクチュエータ間に力及び位置を伝達させ、該第1と第2のアクチュエータを動作させる位置及び力伝達手段と、
前記位置及び力伝達手段による前記第1と第2のアクチュエータの動作を検出する位置及び力動作検出手段と、
前記位置及び力動作検出手段の動作検出信号を基に演算して前記第1と第2のアクチュエータの動作偏差信号を得る演算手段、および
前記動作偏差信号を基に前記第1と第2のアクチュエータの動作を制御する動作制御手段、によって構成され、
前記第1のアクチュエータが、ピストンを有し、第1の圧縮室と第2の圧縮室を形成する第1のシリンダであり、
前記第2のアクチュエータが、前記第1のシリンダに対応する一対の第2のピストンと第3のピストンを有し、第3の圧縮室と第4の圧縮室および第5の圧縮室を形成するシリンダであり、
前記位置及び力伝達手段が、前記第1の圧縮室と第3の圧縮室に連通する第1の管体と、第1の圧縮室と第4の圧縮室に連通する第2の管体と、第2の圧縮室と第5の圧縮室に連通する第3の管体、によって構成されている、
ことを特徴とする、バイラテラル位置・力伝達装置。 - 前記位置及び力動作検出手段における力動作検出手段が、前記第1の管体に設けられ前記第1の圧縮室と第3の圧縮室との圧力差を検出する第1の圧力センサと、前記第2の管体に設けられ前記第1の圧縮室と第4の圧縮室の圧力差を検出する第2の圧力センサと、前記第3の管体に設けられ前記第2の圧縮室と第5の圧縮室の圧力差を検出する第3の圧力センサ、によって構成されていることを特徴とする、請求項1に記載のバイラテラル位置・力伝達装置。
- さらに、前記位置及び力伝達手段における力伝達手段の力伝達動作を制御する力伝達制御手段によって構成され、該力伝達制御手段は、前記第1の管体と第2の管体および第3の管体にそれぞれ設けられ、該第1の管体と第2の管体および第3の管体を開閉制御する電磁弁によって構成されていることを特徴とする、請求項1又は2に記載のバイラテラル位置・力伝達装置。
- 前記位置及び力動作検出手段における位置動作検出手段が、前記第1のアクチュエータのシリンダの第1のピストンの動きを検出する第1の変位センサと、前記第2のアクチュエータのシリンダの第2のピストンの動きを検出する第2の変位センサと、前記第2のアクチュエータのシリンダの第3のピストンの動きを検出する第3の変位センサによって構成されている、ことを特徴とする、請求項2に記載のバイラテラル位置・力伝達装置。
- 前記演算手段が前記力動作検出手段の第1の圧力センサの圧力差検出信号と第2の圧力センサの圧力差検出信号および第3の圧力センサの圧力差検出信号を入力として比較し、圧力差偏差信号を出力する第1の演算回路と、前記位置動作検出手段の第1の変位センサの変位検出信号と第2の変位センサの変位検出信号と第3の変位センサの変位検出信号を入力として比較し、変位検出偏差信号を出力する第2の演算回路によって構成されている、ことを特徴とする、請求項4に記載のバイラテラル位置・力伝達装置。
- 前記動作制御手段が、前記第1の演算回路の圧力差偏差信号を基に前記第1のアクチュエータのピストンを制御する第1のコントローラと、第2の演算回路の変位検出偏差信号を基に前記第1のアクチュエータのピストンを制御する第2のコントローラによって構成されている、ことを特徴とする、請求項5に記載のバイラテラル位置・力伝達装置。
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