JP6863562B2 - 回転型コンプライアント駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、ベーン型のロータリアクチュエータを利用し、外力に応じた柔軟な駆動を可能にする回転型コンプライアント駆動装置に関する。

人間の生活空間で共存するヒューマノイドロボットや介護支援用ロボット、或いは手術支援ロボット等は、その動作中に人間との間で予期しない衝突や接触が発生した際に、これら状況を考慮した駆動を行うコンプライアンス性能（柔軟性）が要求される。従来では、当該コンプライアンス性能を確保するために、サーボシステムが適用されたアクチュエータが用いられている（例えば、特許文献１等参照）。

しかしながら、前記サーボシステムにあっては、システムの複雑性や、制御器固有の周波数応答の限界により、突然の衝撃的入力への対応が不十分である。このため、人間と共存するロボットについては、予期しない外力の付与に対して迅速に応答可能な柔軟性を有する新たなアクチュエータが要請されている。そこで、本発明者らは、このような要請に基づき、ピストンを用いた直動型のアクチュエータとなるコンプライアントアクチュエータを既に提案している（特許文献２参照）。

このコンプライアントアクチュエータは、磁性流体の圧力によりピストンに駆動力を発生させる流体圧シリンダと、ピストンの前後に位置する第１及び第２のチャンバに磁性流体を供給する流体供給手段と、流体圧シリンダの作動を制御するとともに、流体供給手段による流体圧シリンダへの磁性流体の供給を制御する制御手段とを備えている。ピストンには、第１及び第２のチャンバを連通する連通流路が形成されるとともに、当該連通流路の内部に磁場を発生させる電磁石が設けられている。制御手段では、流体供給手段により各チャンバ内に供給される磁性流体の流量制御を行うとともに、連通流路内の磁場の状態を制御し、磁性流体の粘性を変化させて連通流路を通過する磁性流体の流量調整を行うことによって、ピストンの駆動状態を変化させる。

特開２０１３−２１２５６４号公報 特開２０１６−１４２３２０号公報

ところで、アクチュエータとしては、前述の直動型の他には、回転運動による駆動力を取り出す回転型も存在する。ところが、現存の回転型のアクチュエータには、前述のコンプライアントアクチュエータのような迅速な応答性と柔軟性を有するものがない。そこで、直動型のアクチュエータに係る前述のコンプライアントアクチュエータの仕組みを回転型のアクチュエータに適用する際に、回転型のアクチュエータでは、直動型のアクチュエータと異なって、中心の駆動軸の周りを磁性流体が流れる関係で、生成した磁場が、連通流路を通過する磁性流体以外にも影響を及ぼし易く、意図した駆動状態の制御が難しくなるという課題がある。

本発明は、このような課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、回転型のアクチュエータとしての機能を有しながら、応答時間の短縮化を図るとともに、比較的簡易な構成で柔軟性を発揮させることができる回転型コンプライアント駆動装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、主として、外力に応じた柔軟な回転駆動を可能にする回転型コンプライアント駆動装置において、
作動流体の流体圧により駆動力を発生させるロータリアクチュエータと、当該ロータリアクチュエータに前記作動流体を供給する流体供給手段と、前記ロータリアクチュエータの作動及び前記流体供給手段による前記ロータリアクチュエータへの前記作動流体の供給を制御する制御手段とを備え、
前記ロータリアクチュエータは、前記流体供給手段に繋がって前記作動流体が収容される作動流体室と、当該作業流体室を複数の室空間に分割するとともに、前記作動流体室内で回転可能な回転ユニットと、前記室空間に対する前記作動流体の供給及び排出を行う複数のポートとを備え、
前記作動流体室には、作用する磁場の強さに応じて粘性が変化する磁性流体が前記作動流体として収容され、
前記回転ユニットは、前記各室空間を連通する連通流路と、当該連通流路に磁場を発生させる磁場発生手段とを有するとともに、前記磁性流体が前記連通流路を通過する際に当該磁性流体に磁場を集中的に作用させる磁場集中構造をなし、
前記制御手段では、前記流体供給手段により何れかの前記室空間に供給される前記磁性流体の流量制御を行うとともに、前記連通流路内の磁場の強さを制御することにより、前記磁性流体の粘性を変化させて前記連通流路を通過する前記磁性流体の流量調整を行う、という構成を採っている。

本発明によれば、連通流路内の磁場制御によって、連通流路内の磁性流体の粘性を可変にし、各室空間の間を流れる磁性流体の流量を調整することができる。加えて、流体供給手段による各室空間への磁性流体の供給流量の制御も行われるため、様々なバリエーションの柔軟性をアクチュエータに発揮させることができる。この際、各室空間の間を流れる磁性流体の流量は、連通流路内の磁場制御により行われるため、複雑な制御回路、流体回路、バルブ等の機器を多く設ける必要がなく、比較的簡単な構成で、駆動の柔軟性を発揮させることができる。また、本発明によれば、駆動特性を変化させるために、磁場の付与による磁性流体の粘性変化が利用されるため、バックドライバブル性能の向上、低出力慣性、高い操作帯域幅、トルク−質量比の向上、応答時間の短縮化、及び、出力トルクの正確な制御性等の種々の特性を駆動装置に保有させることができ、人間の生活空間で共存するロボット等の駆動装置として好適となる。

また、回転ユニットには、磁性流体のうち連通流路を通過する部分に磁場を集中的に作用させる磁場集中構造が設けられているため、連通流路を除く部分を流れる磁性流体への磁場の影響を阻止若しくは抑制することができる。従って、連通流路内のみで磁場制御による磁性流体の粘性調整が行われる一方、各室空間に存在する磁性流体については、磁場の影響を受けにくくなるため、当該磁場の影響を考慮した流体供給手段の制御が不要となり、柔軟性を考慮した駆動制御を簡単に行うことができる。

第１実施形態に係る回転型コンプライアント駆動装置の概略構成図。 第１実施形態に係る回転ユニットの分解斜視図。 第１実施形態に係る回転ユニットの軸線に沿う方向の断面図。 磁場の状態を説明するための図３の部分拡大図。 制御装置における制御モードを説明するための表。 第２実施形態に係る回転型コンプライアント駆動装置の概略構成図。 第２実施形態に係る回転ユニットの分解斜視図。 第２実施形態に係る回転ユニットの軸線に沿う方向の断面図。 磁場の状態を説明するための図８の部分拡大図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）

図１には、本実施形態に係る回転型コンプライアント駆動装置（以下、単に「駆動装置」と称する）の概略構成図が示されている。この図において、駆動装置１０は、作動流体の流体圧により駆動力を発生させるベーン型のロータリアクチュエータ１１と、当該ロータリアクチュエータ１１に作動流体を供給する流体供給手段１２と、ロータリアクチュエータ１１の作動を制御するとともに、流体供給手段１２によるロータリアクチュエータ１１への作動流体の供給を制御する制御手段１３とを備えており、外力に対応した種々のバリエーションでの駆動が可能となっている。

前記作動流体としては、作用する磁場の強さに応じて粘性（粘度）が変化する磁性流体（ＭＲ流体）が利用される。この磁性流体は、表面が界面活性剤で覆われた高濃縮の強磁性を有する磁性粒子等を水若しくは油中に分散させてなる機能性流体の一種であり、当該磁性粒子が磁場の影響下で拘束されることで、液体の見かけ上の粘性を変えるようになっている。なお、特に限定されるものではないが、本実施形態では、磁性流体として、非磁化状態での最小抵抗力を低減するため、前記磁性粒子の直径を約１３０ｎｍとし、当該磁性粒子の濃度を１５％としたナノＭＲ流体が用いられている。

前記ロータリアクチュエータ１１は、磁性流体が収容されるほぼ円筒状の作動流体室１５を内部に有するハウジング１７と、作動流体室１５内で回転可能に設けられた軸状体からなる回転ユニット１９と、作動流体室１５内に固定配置されるとともに、回転ユニット１９の回転を規制するストッパ２０とを備えている。

前記ハウジング１７には、作動流体室１５から外部に開放して流体供給手段１２に繋がる第１及び第２のポート２１，２２が、ストッパ２０の近傍となる図１中左右両側位置に設けられている。

前記回転ユニット１９は、ハウジング１７の中央位置で回転可能に配置され、駆動力を発生させる駆動軸２４と、駆動軸２４と一体回転可能に駆動軸２４の外周の一部分に固定され、作動流体室１５を２つの第１及び第２の室空間１５Ａ，１５Ｂに分割するとともに、これら室空間１５Ａ，１５Ｂを連通する連通流路２６が設けられたベーン２８とを備えている。ここで、作動流体室１５のうち、図１左上側の第１の室空間１５Ａには、前記第１のポート２１が繋がっており、同図中右側の第２の室空間１５Ｂには、前記第２のポート２２が繋がっている。なお、図１で表された回転ユニット１９の断面は、図３のＡ−Ａ線に沿う方向の断面である。

この回転ユニット１９は、各室空間１５Ａ，１５Ｂの間で磁性流体の流体圧に差を生じさせることにより、ベーン２８がハウジング１７の中央を中心としてハウジング１７内を回転させることで、ベーン２８と一体回転する駆動軸２４から回転駆動力を外部に取り出すようになっている。

前記駆動軸２４は、図２及び図３に示されるように、延出方向両端側に一対設けられた主軸３０と、これら主軸３０の間に配置されたコア軸３１とからなる。

前記コア軸３１は、延出方向の両端部分が、各主軸３０の端部に設けられた角穴３２に嵌め込まれる角柱状の取付部３１Ａとなり、各主軸３０の間に架け渡された状態で保持される。一方、取付部３１Ａを除く中央部分が、コイル３４（図２では図示省略）が多重に巻回される円柱状のコイル巻回部３１Ｂとなる。

ここで、コイル３４は、ハウジング１７の外部に配置された電力供給装置３７（図１、図３参照）から外部電力が供給され、コイル３４の通電によって磁場を発生させるようになっている。従って、コイル３４及び電力供給装置３７は、後述する構造により連通流路２６の内部に集中して磁場を発生させる磁場発生手段として機能する。

なお、主軸３０とコア軸３１の中心には、コイル３４からの電線Ｃ（図３等参照）が通る配線用穴３８が形成されており、主軸３０におけるコア軸３１の反対側の端部から電力供給装置３７に繋がるようになっている。

前記ベーン２８は、コア軸３１の延出方向両端側に取り付けられる一対の外側サイドカバー３９，３９と、これら外側サイドカバー３９の間となるコア軸３１の部分に取り付けられる一対の内側サイドカバー４１，４１と、これら内側サイドカバー４１の間に配置されるブロック状のベーン本体４３と、コイル巻回部３１Ｂに巻回されたコイル３４を内部に収容するように配置される円筒状のコイルプロテクタ４４と、ピン４５を介して各内側サイドカバー４１、ベーン本体４３の図２中下側の位置に取り付けられるベーンカバー４７とを備えている。

前記外側サイドカバー３９は、図２に示されるように、コア軸３１の取付部３１Ａに挿通される中心穴Ｈが形成された円盤状部３９Ａと、当該円盤状３９Ａの同図中下側に連なる方形状部３９Ｂとからなる。

前記内側サイドカバー４１は、外側サイドカバー３９に近似する正面形状をなし、コア軸３１の取付部３１Ａに挿通される中心穴Ｈが形成された円盤状部４１Ａと、当該円盤状４１Ａの図２中下側に連なる方形状部４１Ｂとからなる。なお、この方形状部４１Ｂは、外側サイドカバー３９の方形状部３９Ｂよりも図２中上下方向の寸法が大きくなっているともに、同図中下寄りの部分にピン４５が挿通される穴４１Ｃが形成されている。

前記ベーン本体４３は、各内側サイドカバー４１の方形状部４１Ｂ，４１Ｂとの間にそれぞれ隙間を確保した状態で、ピン４５及びベーンカバー４７によって固定されており、これら隙間が、前記連通流路２６となる。

前記コイルプロテクタ４４は、コイル巻回部３１Ｂに巻回されたコイル３４を連通流路２６から保護するように形成及び配置されており、連通流路２６を通過する磁性流体のコイル３４への侵入を防止するようになっている。

前記回転ユニット１９において、コア軸３１、内側サイドカバー４１、及びベーン本体４３は、鉄、パーメンジュール、電磁ステンレス鋼等の透磁率の高い磁性材料で形成されており、その他の部材は、アルミニウムや樹脂等、透磁率の低い材料によって形成されている。従って、コイル３４の通電によって発生する磁場は、図４中破線で示されるように、コア軸３１、内側サイドカバー４１、及びベーン本体４３を通るルートのみとなり、内側サイドカバー４１，４１及びベーン本体４３の間の２箇所の連通流路２６を通過する磁性流体のみに集中して磁場を作用させることができ、各室空間１５Ａ，１５Ｂ内に存在する磁性流体への磁場の影響を無くすことができる。従って、駆動軸２４及びベーン２８は、磁性流体が連通流路２６を通過する際に当該磁性流体に磁場を集中的に作用させる磁場集中構造を有していることになる。ここで、コア軸３１、内側サイドカバー４１、及びベーン本体４３は、磁場が通過する磁場通過部を構成し、主軸３０、外側サイドカバー３９、コイルプロテクタ４４、ピン４５、及びベーンカバー４７は、磁場通過部の周囲に設けられ、磁場通過部の外側への磁場の発生を阻止若しくは抑制する磁場閉じ込め部を構成する。

なお、図示省略しているが、回転ユニット１９には、連通流路２６に生じた磁場の大きさを検出可能なホール効果センサ等の磁気センサと、回転ユニット１９の回転角度を検出可能な角度センサ等と、駆動軸５２に対して回転方向に作用する外力の状態を検出するための力センサとが設けられている。

以上のように構成されたロータリアクチュエータ１１は、流体供給手段１２から第１及び第２のポート２１，２２の何れか一方に磁性流体が供給されると、第１及び第２の室空間１５Ａ，１５Ｂの間で磁性流体の流体圧に差が生じ、ベーン２８がハウジング１７内を回転し、当該回転に伴って駆動軸２４から駆動力が取り出されるとともに、第１及び第２のポート２１，２２の何れか他方から磁性流体が排出される。ここで、第１及び第２の室空間１５Ａ，１５Ｂは、前述したように、ベーン２８に設けられた連通流路２６で連通しており、以下のように、連通流路２６内の磁場の状態を変化させることにより、連通流路２６を通過する磁性流体の流れ状態を変化させることができる。

すなわち、コイル３４への電力供給によって磁場が生成されると、当該磁場が連通流路２６に集中して作用し、磁場の強さに応じて連通流路２６を通過する磁性流体の粘度が変化する。この磁性流体は、磁場が強いほど、粘性が高くなって剪断応力が増大し、連通流路２６の通過が妨げられる。従って、磁場の強さを調節することで、連通流路２６を通過する磁性流体の流量、流速を調節することができる。特に、ここでの磁性流体としては、所定値を越える強さの磁場が発生すると、このときの磁性流体の粘度により、連通流路２６内の磁性流体の通過を阻止する性質のものが利用される。従って、所定値を越える強さの磁場が発生すると、連通流路２６が、あたかも弁で閉塞されたかのような閉塞状態になり、第１及び第２の室空間１５Ａ，１５Ｂが独立した空間となって、それらの間での磁性流体の移動が無くなる。なお、このときの磁場の強さは、磁性流体の性能や種類等によって定められる。つまり、連通流路２６は、磁場制御によって、磁性流体の通過を許容する解放状態と、当該通過を不能にする閉塞状態との切り換えが可能であり、通過する磁性流体の流量や流速の調整も可能な可変流量弁として機能することになる。

前記流体供給手段１２は、図示省略しているが、第１及び第２のポート２１，２２に繋がる管路と、当該管路の途中に適宜配置されたバルブ類と、管路内に磁性流体を供給するポンプユニットと、ロータリアクチュエータ１１に供給される磁性流体の流量を検出する流量センサと、第１及び第２のポート２１，２２の差圧を検出する圧力センサ等を含んで構成されている。前記ポンプユニットや前記バルブ類の作動は、前記制御手段１３によって制御され、この制御に基づき、前記ポンプユニットが駆動すると、第１若しくは第２のポート２１，２２の何れか一方から、磁性流体が何れか一方の室空間１５Ａ，１５Ｂに供給され、他方の室空間１５Ａ，１５Ｂの磁性流体が、第１若しくは第２のポート２１，２２の何れか他方を通じてロータリアクチュエータ１１の外部に排出される。また、前記ポンプユニットが停止しているときは、外部からロータリアクチュエータ１１内に磁性流体が流入されず、また、ロータリアクチュエータ１１の外部に磁性流体が排出されないことになる。

前記制御手段１３では、予め要求される駆動装置１０の性能や仕様と、前述した各種センサからの検出結果に基づいて、流体供給手段１２の前記ポンプユニットの作動が制御され、ロータリアクチュエータ１１に供給される磁性流体の流量調整がされる。それに加えて、制御手段１３では、連通流路２６内の磁場の強さを変化させるように磁場制御が行われ、連通流路２６を通過する磁性流体に対し、粘性を変化させて流量や流速が調整される。

この制御手段１３では、以下に詳述する各モードに応じ、流体供給手段１２からロータリアクチュエータ１１に供給される磁性流体の流量制御と、コイル３４への供給電流の調整による連通流路２６内の磁場制御とがなされる。前記モードとしては、図５の記載のように制御される受動保持モード、受動バックドライブモード、クローズドベーンモード、オープンベーンモード、エクストラフローモードがある。次に、これらモードについて説明する。

１）受動保持モード
このモードでは、流体供給手段１２によるロータリアクチュエータ１１への磁性流体の供給を行わずに、ベーン２８を同一の位置に保持する。すなわち、このモードでは、連通流路２６が、磁性流体の通過を不能にする閉塞状態となるように、コイル３４に供給される電流調整で磁場の強さを所定値に制御することにより、外部からの磁性流体の供給を行わずに、ベーン２８を同一の位置に保持する。このモードにおいては、駆動軸２４を回転させる方向に外力が作用した場合、その回転方向にベーン２８が回転して第１若しくは第２の室空間１５Ａ，１５Ｂの何れか一方が圧縮され、圧縮された側の室空間１５Ａ，１５Ｂに存在する磁性流体は、連通流路２６を通じて反対側の室空間１５Ａ，１５Ｂに流れようとする。ところが、このときの磁性流体は、磁場の制御による粘度の増加によって、連通流路２６を流れない状態になっているともに、外部からロータリアクチュエータ１１に磁性流体が供給されないため、第１及び第２の室空間１５Ａ，１５Ｂは、それぞれ磁性流体の流出入が行われない独立した状態となり、ベーン２８が同一の位置に保持され、駆動軸２４が回転不能となる。なお、このモードが選択されると、回転ユニット１９の摩擦力を考慮し、予め設定された外力の想定値、若しくは、前記力センサによって検出される駆動軸２４への作用外力の大きさに応じて、磁場制御が行われる。すなわち、このモードでは、当該外力に抗して連通流路２６を閉塞状態にするための磁性流体の最低限の粘度が得られるように、当該粘度調整がなされ、コイル３４への供給電流が必要最小限とされる。

このモードによれば、駆動軸２４による駆動力が発生していない状態で、当該駆動軸２４を回転する方向に衝撃力等の外力が突然作用したときでも、ベーン２８を一定位置に保持して駆動軸２４の回転を阻止し、駆動軸２４に繋がる被駆動部分が不測の動作をしてしまう等の事態を回避することができ、人間とのインタラクションの安全性確保が期待できる。また、流体供給手段１２を作動させない状態であるため、駆動軸２４の非回転状態の保持を省エネルギ下で行うことができる。

２）受動バックドライブモード
このモードでは、流体供給手段１２によるロータリアクチュエータ１１への磁性流体の供給を行わずに、連通流路２６に磁性流体が流れるようにして、外力による駆動軸２４の回転を許容する。すなわち、このモードでは、連通流路２６が、磁性流体の通過を許容する解放状態となるように、磁場を発生させず、或いは、外力の大きさに応じてコイルに供給される電流を調整することで、連通流路２６への磁性流体の流れを許容する粘度となるように磁場制御される。従って、このモードでは、外力が駆動軸２４に作用した場合、その回転方向に応じて、ベーン２８を介して第１若しくは第２の室空間１５Ａ，１５Ｂの何れかが圧縮され、圧縮された側の室空間１５Ａ，１５Ｂの磁性流体は、連通流路２６を通じて反対側の室空間１５Ａ，１５Ｂに流れることで、外力の作用方向への駆動軸２４の回転が許容される。

３）クローズドベーンモード
このモードでは、流体供給手段１２によるロータリアクチュエータ１１への磁性流体の供給が行われるとともに、受動保持モードと同様に、連通流路２６内に磁場を発生させて連通流路２６を閉塞状態とし、連通流路２６を介した第１及び第２の室空間１５Ａ，１５Ｂの間の磁性流体の移動が阻止される。すなわち、このモードでは、流体供給手段１２から第１若しくは第２の何れか一方の室空間１５Ａ，１５Ｂへの磁性流体の供給により、ベーン２８が、何れか他方の室空間１５Ａ，１５Ｂの体積を減少させる方向に移動する。このモードでのベーン２８の移動速度、すなわち、駆動軸２４の回転速度は、使用目的や使用状態に応じて予め設定された目標速度になるように、ベーン２８の位置を計測する前記角度センサ、流体供給手段１２からの供給流量を計測する前記流量センサの検出値に基づき、制御手段１３により、流体供給手段１２からの磁性流体の供給流量が制御される。また、このモードでは、駆動軸２４に繋がる被駆動部分に伝達される駆動トルクが、使用目的や使用状態に応じて予め設定された所望の大きさ及び方向となるように、駆動軸２４に作用する外力を計測する前記力センサと、連通流路２６内の磁場の大きさを計測する前記磁気センサとの検出値に基づき、制御手段１３により、連通流路２６内に発生する磁場の強さも制御される。すなわち、連通流路２６を通過する磁性流体の流量がゼロとなる磁場の強さの範囲において、磁場が強い程、連通流路２６内の磁性流体の剪断応力が大きくなり、流体供給手段１２から磁性流体が供給される加圧側の室空間１５Ａ，１５Ｂ内の圧力が増大し、駆動軸２４のトルクが大きくなる。

このモードによれば、制御手段１３により、流体供給手段１２からの磁性流体の供給流量と、連通流路２６内に発生する磁場の強さとが制御されることにより、駆動軸２４の回転速度とトルクとの組み合わせを自由に設定できる。例えば、駆動軸２４をゆっくりと力強く動かしたり、逆に、早く柔らかく動かしたり等、柔軟性を可変にした駆動装置１０の様々な挙動を実現可能になる。なお、柔軟性挙動が求められる場合には、駆動軸２４に繋がる図示しない部材への予期しない接触時の安全性確保の観点から、後述するオープンピストンモードに迅速に移行できるように、連通流路２６を通過する磁性流体の流量をゼロとする最低限の磁場の強さにすると良い。一方、駆動装置１０を動力として、建築物の解体、瓦礫撤去、金属の鋳造や打撃を行うような場合、すなわち、駆動装置１０が大きな衝撃を受けても所望の駆動力を得られるような硬い挙動が求められる場合には、連通流路２６を通過する磁性流体の流量をゼロとする最大限の磁場の強さにすると良い。

４）オープンベーンモード
このモードでは、流体供給手段１２によるロータリアクチュエータ１１への磁性流体の供給が行われるとともに、連通流路２６を磁性流体が移動できるように、連通流路２６内の磁場の強さが制御される。すなわち、このモードは、流体供給手段１２からの磁性流体の供給により、駆動軸２４から所望の駆動力が出力されている状態で、当該駆動軸２４に、駆動力の回転方向と反対方向の外力が作用した場合に、当該外力の大きさ及び方向を考慮して、前記駆動力を柔軟に変更する機能を有する。具体的に、このモードには、外力の大きさに応じて調整される次のサブモードが存在する。当該サブモードは、予め設定された前記駆動力の回転方向と逆方向、すなわち、外力の作用方向に駆動軸２４を回転させる能動逆回転と、駆動軸２４を回転させない能動保持と、前記駆動力の回転方向と同一方向に駆動軸２４を回転させる能動正回転とからなる。これらサブモードは、回転ユニット１９の摩擦力を考慮した上で、駆動軸２４への外力を検出する前記力センサ等の検出値に基づき、流体供給手段１２からの流量制御と、連通流路２６内の磁場制御とが行われる。前記能動逆回転では、外力の作用方向に駆動軸２４を回転させるように、前記駆動力を外力より小さくするように制御され、前記能動保持では、駆動軸２４が回転しないように外力と前記駆動力とが釣り合うように制御され、前記能動正回転では、外力の作用方向と反対方向に駆動軸２４を回転させるように、前記駆動力を外力より大きくするように制御される。

このモードによれば、流体供給手段１２から供給される流量制御と、連通流路２６内の磁場制御とによって、外力を加味した柔軟な駆動力を駆動装置１０に発生させることができる。このため、駆動装置１０から駆動力が付与される被駆動部分に対しては、駆動装置１０から受ける衝撃を柔軟に緩衝できることになり、例えば、人間とのインタラクションにおける安全性確保に寄与することが期待される。

また、連通流路２６での磁性流体の移動が許容された状態であるため、弁等の機器や特段の制御手法を行いることなく、磁場制御による迅速な応答が可能となり、高いバックドライブ性能を発揮することができる。

５）エクストラフローモード
このモードでは、前記オープンベーンモードと同様、流体供給手段１２によるロータリアクチュエータ１１への磁性流体の供給が行われるとともに、連通流路２６を磁性流体が移動できるように、連通流路２６内の磁場の強さが制御されるが、このモードは、駆動軸２４の駆動方向と同一方向の外力が作用した場合の制御である。すなわち、このモードでは、磁性流体が連通流路２６を流れるようになっているため、駆動軸２４の回転方向と同一方向の外力が作用した場合に、当該外力の作用によって体積が急激に増大する一方の室空間１５Ａ，１５Ｂ内の磁性流体の不足分が、同体積が減少する他方の室空間１５Ａ，１５Ｂ内の磁性流体で速やかに補充される。従って、このような場合が生じても、流体供給手段１２による外部からの磁性流体の供給流量を増大させずに対応でき、流体供給手段１２における供給流量をパワーアップする必要がなく、省エネルギで素早い対応が可能になる。

従って、オープンベーンモード及びエクストラフローモードにあっては、流体供給手段１２からの磁性流体の供給による駆動軸２４の駆動が行われている際に、当該駆動軸２４に外力が付与されることが想定されるような場合、当該外力の大きさや方向に関わらず、当該外力を考慮した所望の駆動装置１０の挙動を素早く得ることができる。

以上で説明した各モードは、駆動装置１０の用途、駆動状態、使用目的、及び接続環境等の各種状況に応じて、所望のモードが自動若しくは手動で選択され、当該モードを実行するための各種制御が制御手段１３によって行われる。以下、各モードの設定例を幾つか例示するが、本発明は、これに限定されるものではない。

前記受動保持モードの際、所定値以上の外力が作用したときに、連通流路２６内の磁場制御によって連通流路２６を解放状態にし、前記受動バックドライブモードに移行する設定を採用できる。これによれば、予期しない事故や故障を素早く回避可能になる。

また、前記クローズドベーンモードの際、駆動力と反対方向に所定値以上の外力が作用したときに、連通流路内の磁場制御によって連通流路２６を解放状態に切り換え、前記オープンベーンモードに移行する設定を採用できる。これによっても、予期しない事故や故障を素早く回避可能になる。

逆に、前記オープンベーンモードの際、瞬間的に大きな駆動力を得るために、連通流路２６内の磁場制御によって連通流路２６を閉塞状態に切り換え、前記クローズドベーンモードに移行する設定を採用できる。これによれば、流体供給手段１２からロータリアクチュエータ１１へ供給される磁性流体の流量を増大するよりも、省エネルギ下で素早い対応が可能になる。

更に、前記能動保持のサブモードは、前記受動保持モードとは異なり、駆動軸２４から駆動力を発生させた状態で、反対方向から作用した外力と相殺する状態であるため、例えば、駆動軸２４からの動力が伝達される物体の状態を変化させずに、当該物体への圧力を変化させる場合等、硬い静的物体への力制御時に適用することができる。

また、前記受動保持モードの際に、想定した外力よりも大きな外力が作用しても、駆動軸２４を同一の状態に保持させたい場合には、連通流路２６を閉塞状態から解放状態に切り換えるとともに、流体供給手段１２からの磁性流体の供給を開始する前記能動保持のサブモードに移行する設定を採用できる。

更に、駆動装置１０に駆動力を発生させる際に、人間が居ない場合は、クローズドベーンモードを選択するが、人間が居る場合は、人間との共存による安全性を確保するために、オープンベーンモードを選択する設定も採用できる。

従って、このような第１の実施形態によれば、制御系統、流体の管路構成及び弁等の機器を用いた複雑な構成を採用せずに、駆動装置１０に対する様々な状況の変化に応じて、硬い状態若しくは柔らかい状態を選択し、任意の大きさの駆動力と駆動速度で動作させたり、停止状態を保持させたりすることができる。このため、ヒューマノイドロボット、介護用ロボット、手術用ロボット等の人間に関わるロボットに対する駆動装置のように、外力に対して柔軟な駆動が要求されるものに好適であるとともに、広範な用途への利用が期待できる。

また、連通流路２６内で発生する磁場の強さを制御することで、駆動装置１０の柔軟性に関する駆動調整を行えるため、特別な流体回路や煩雑な制御系等を別途設ける必要がなく、磁場制御による高い応答速度により、簡単な構成で各モード間の切り換えを迅速に行うことが可能になる。その結果、駆動装置１０に対して発生した外乱に対しても、素早い対応が可能になる。

更に、要求される駆動装置１０の動作に応じて、連通流路２６内で発生する磁場の強さや、ロータリアクチュエータ１１に供給される磁性流体の流量を必要最小限にした状態で所望の制御を行うことができ、駆動装置１０の駆動時における省エネルギ化を促進できる。

また、回転ユニット１９は、コイル３４の通電によって発生した磁場を連通流路２６内に集中させる磁場集中構造を採用しているため、第１及び第２の室空間１５Ａ，１５Ｂに存在する磁性流体に対して、磁場の影響による流速低下等の障害を与えることなく、連通流路２６内の磁場制御のみを行うことができる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、前記第１実施形態と同一若しくは同等の構成部分については同一符号を用いるものとし、説明を省略若しくは簡略にする。
（第２実施形態）

図６に示されるように、本実施形態に係る駆動装置５０では、第１実施形態における駆動装置１０に対して構造の異なる回転ユニット５１を採用したところに主たる特徴を有する。

すなわち、前記回転ユニット５１は、ハウジング１７の中央位置で回転可能に配置され、駆動力を発生させる駆動軸５２と、駆動軸５２と一体回転可能に駆動軸５２に固定され、作動流体室１５を２つの第１及び第２の室空間１５Ａ，１５Ｂに分割するベーン５３とを備えた点は、第１実施形態の回転ユニット１９と同様であるが、本実施形態では、第１及び第２の室空間１５Ａ，１５Ｂを連通する連通流路５６が駆動軸５２の内部に形成されている点が、第１実施形態とは異なる。なお、図６で表された回転ユニット５１の断面は、図８のＡ−Ａ線に沿う方向の断面である。

この回転ユニット５１にあっても、第１及び第２の室空間１５Ａ，１５Ｂの間で磁性流体の流体圧に差を生じさせることにより、ベーン５３が、ハウジング１７の中央部分を中心としてハウジング１７内を回転することで、駆動軸５２が一体的に回転して回転駆動力を取り出すようになっている。

前記駆動軸５２は、図７及び図８に示されるように、延出方向両端側に一対設けられた主軸５８，５８と、これら主軸５８に取り付けられる２本のコア軸５９，５９と、各主軸５８及び各コア軸５９の間に固定配置され、連通流路５６（図６、図８参照）を形成するための流路形成部材６０とを備えている。

前記コア軸５９は、前記コイル３４（図８参照）が多重に巻回された状態で主軸５８の内部に収容される丸棒状部６２と、当該丸棒状部６２の端部に連なって、主軸５８の外側に配置される円盤状部６３とからなる。ここで、２本のコア軸５９，５９は、それぞれの円盤状部６３，６３が相対する向きで配置される。

前記流路形成部材６０は、コア軸５９の円盤状部６３，６３間に掛け渡される角柱状の中央ブロック６５と、中央ブロック６５に固定されるとともに、外径の異なる大小２種類の第１及び第２の円盤状プレート６６，６７と、中央ブロック６５及び各円盤状プレート６６，６７を内部に収容する円筒状のカバー６９とを備えている。

前記中央ブロック６５は、その延出方向両端側が、コア軸５９の各円盤状部６３に設けられた角穴６３Ａ（図７参照）に嵌め込まれて固定される。

前記第１及び第２の円盤状プレート６６，６７は、それぞれ中央に形成された貫通穴６６Ａ，６７Ａ（図７参照）に中央ブロック６５が挿通された状態で交互に固定される。本実施形態では、大径の方の第１の円盤状プレート６６が２枚、小径の方の第２の円盤状プレート６７が１枚用いられており、各コア軸５９の各円盤状部６３，６３の間には、２枚の第１の円盤状プレート６６，６６が当接した状態で、これら第１の円盤状プレート６６，６６の間に第２の円盤状プレート６７を挟んで重ねた状態で配置される。これにより、各第１の円盤状プレート６６の間には、第２の円盤状プレート６７の外周縁側に隙間が形成されることなり、当該隙間が前記連通流路５６となる。このため、本実施形態での連通流路５６は、図６に示されるように、駆動軸５２の周方向に延びる円形の曲線状となる。

前記カバー６９は、図７に示されるように、その周面の同図中上側部分に形成された角穴７０を備えている。この角穴７０には、ベーン５３の同図中下側部分が嵌め込まれ、その状態で当該下側部分が、各円盤状プレート６６，６７に形成された切欠部６６Ｂ，６７Ｂに係合した状態で固定することにより、ベーン５３、各円盤状プレート６６，６７及びカバー６９が一体的に固定される。また、角穴７０は、ベーン５３が嵌め込まれた状態で、ベーン５３を挟んだ両側が開放し、当該開放部分７０Ａが、連通流路５６に繋がる出入口となる穴形状に設けられている。従って、図６に示されるように、ベーン５３で仕切られる第１及び第２の室空間１５Ａ，１５Ｂは、連通流路５６を介して連通することになる。

前記ベーン５３は、図７及び図８に示されるように、直方体状をなすブロック状に設けられており、第１及び第２の室空間１５Ａ，１５Ｂの間での磁性流体の通過を不能に仕切る面形状となっている。また、ベーン５３の図７中下端側には、各円盤状部６３，６３の端縁側にそれぞれ嵌合する切欠５３Ａが２箇所に設けられており、当該嵌合によって、ベーン５３がコア軸５９に一体的に固定されることになる。

以上の構成の回転ユニット５１において、コア軸５９及び大径の方の第１の円盤状プレート６６は、鉄、パーメンジュール、電磁ステンレス鋼等の透磁率の高い磁性材料で形成されており、その他の部材は、アルミニウムや樹脂等、透磁率の低い材料によって形成されている。従って、コイル３４の通電によって発生する磁場は、図９中破線で示されるように、コア軸５９、第１の円盤状プレート６６，６６、及び第１の円盤状プレート６６，６６の間に形成された連通流路５６を通るルートのみとなり、当該連通流路５６を通過する磁性流体のみに集中して磁界を作用させることができ、各室空間１５Ａ，１５Ｂ内に存在する磁性流体への磁界の影響を無くすことができる。つまり、本実施形態では、磁性流体が連通流路５６を通過する際に当該磁性流体に磁場を集中的に作用させる磁場集中構造が、駆動軸５２に設けられていることになる。このため、本実施形態において、磁場が通過する磁場通過部は、コア軸５９及び第１の円盤状プレート６６により構成される。一方、磁場通過部の周囲に設けられ、磁場通過部の外側への磁場の発生を阻止若しくは抑制する磁場閉じ込め部は、ベーン５３、主軸５８、中央ブロック６５、第２の円盤状プレート６７、及びカバー６９により構成される。

なお、図示省略しているが、本回転ユニット５１にも、駆動軸５２を回転させる方向に作用する外力の状態を検出するための力センサと、連通流路５６に生じた磁場の大きさを検出可能なホール効果センサ等の磁気センサと、駆動軸５２及びベーン５３の回転角度を検出可能な角度センサ等が設けられており、第１の実施形態と同様に、磁性流体の供給制御や連通流路５６内の磁場制御が行われる。

また、変形例として、透磁率の低い材料によって形成したハウジング１７の周壁内に、駆動軸５２の軸線に沿って延びる棒状の磁性材料からなる吸収部材を径方向に沿う複数箇所に設けると良い。これにより、磁場が回転ユニット５１から外部に出た場合でも、前記吸収部材に磁場を集中させることができ、第１及び第２の室空間１５Ａ，１５Ｂに存在する磁性流体への磁場の影響を抑制することができる。

以上の第２実施形態によれば、限られたスペースで、第１実施形態よりも連通流路５６を長く確保することができ、当該磁性流体を通過する磁場の影響による摩擦力を高めることができ、当該摩擦力に基づく駆動力の硬さのレンジを広げることができる。

なお、前記第１及び第２実施形態では、いわゆるシングルベーン型のロータリアクチュエータ１１に連通流路を形成した態様について図示説明しているが、本発明においては、ベーン２８，５３が２箇所設けられたダブルベーンタイプのロータリアクチュエータについても適用可能となる。

また、前記第１及び第２実施形態の構成例を応用し、第１及び第２の室空間１５Ａ，１５Ｂを連通する連通流路を駆動軸とベーンの双方に設けた構成を採用することもできる。

その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の設計変更が可能である。

１０ 駆動装置
１１ ロータリアクチュエータ
１２ 流体供給手段
１３ 制御手段
１５ 作動流体室
１５Ａ 第１の室空間
１５Ｂ 第２の室空間
１９ 回転ユニット
２４ 駆動軸
２６ 連通流路
２８ ベーン
３０ 主軸（磁場閉じ込め部）
３１ コア軸（磁場通過部）
３４ コイル（磁場発生手段）
３７ 電力供給手段（磁場発生手段）
３９ 外側サイドカバー（磁場閉じ込め部）
４０ 内側サイドカバー（磁場通過部）
４３ ベーン本体（磁場通過部）
４４ コイルプロテクタ（磁場閉じ込め部）
４５ ピン（磁場閉じ込め部）
４７ ベーンカバー（磁場閉じ込め部）
５０ 駆動装置
５１ 回転ユニット
５２ 駆動軸
５３ ベーン（磁場閉じ込め部
５６ 連通流路
５８ 主軸（磁場閉じ込め部）
５９ コア軸（磁場通過部）
６５ 中央ブロック（磁場閉じ込め部）
６６ 第１の円盤状プレート（磁場通過部）
６７ 第２の円盤状プレート（磁場閉じ込め部）
６９ カバー（磁場閉じ込め部）

Claims (2)

1. 外力に応じた柔軟な回転駆動を可能にする回転型コンプライアント駆動装置において、
   作動流体の流体圧により駆動力を発生させるロータリアクチュエータと、当該ロータリアクチュエータに前記作動流体を供給する流体供給手段と、前記ロータリアクチュエータの作動及び前記流体供給手段による前記ロータリアクチュエータへの前記作動流体の供給を制御する制御手段とを備え、
   前記ロータリアクチュエータは、前記流体供給手段に繋がって前記作動流体が収容される作動流体室を内部に有するハウジングと、当該作動流体室を複数の室空間に分割するとともに、前記作動流体室内で回転可能な回転ユニットと、前記ハウジングに設けられ、前記室空間に対する前記作動流体の供給及び排出を行う複数のポートとを備え、
   前記作動流体室には、作用する磁場の強さに応じて粘性が変化する磁性流体が前記作動流体として収容され、
   前記回転ユニットは、前記ハウジングの中央位置で回転可能に配置され、前記駆動力を発生させる駆動軸と、当該駆動軸と一体回転可能にその外周の一部分に固定されるとともに、前記各室空間を仕切り、当該各室空間の体積を変化させるように、前記流体圧により前記作動流体室内を移動可能に設けられたベーンと、前記ベーン若しくは前記駆動軸の少なくとも一方に形成されるとともに、前記各室空間を連通する連通流路と、前記駆動軸の一部分となるコア軸に巻回され、外部電力からの通電によって磁場を発生させるコイルとを備え、
   前記駆動軸及び前記ベーンは、前記磁性流体が前記連通流路を通過する際に当該磁性流体に磁場を集中的に作用させる磁場集中構造をなし、
   前記制御手段では、前記流体供給手段により何れかの前記室空間に供給される前記磁性流体の流量制御を行うとともに、前記連通流路内の磁場の強さを制御することにより、前記磁性流体の粘性を変化させて前記連通流路を通過する前記磁性流体の流量調整を行うことを特徴とする回転型コンプライアント駆動装置。
2. 前記磁場集中構造は、磁場が通過する磁場通過部と、当該磁場通過部の周囲に設けられ、前記磁場通過部の外側への磁場の発生を阻止若しくは抑制する磁場閉じ込め部とからなり、
   前記磁場閉じ込め部は、前記磁場通過部よりも透磁率の低い材料によって形成されることを特徴とする請求項１記載の回転型コンプライアント駆動装置。

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