JP7398739B2 - 空圧シリンダを利用した駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、可撓性線状ロッドを有する空圧シリンダを利用した駆動装置に関する。

従来、回転物を回転させる一般的な方法としては、サーボモータを用いた駆動装置が知られている。サーボモータシステムを構成するためには、サーボモータ、制御部等が必要となる。サーボモータは、位置制御、速度制御、トルク制御等がそれぞれ可能である。

一方、可撓性のあるロッドを有する空圧シリンダを利用した駆動装置は知られている（例えば、特許文献１～３参照）。また、特許文献４のように、近年の高齢化に伴う要求に沿ったリハビリテーション装置として、圧縮空気を用いたアクチュエータを利用した歩行支援装置が知られている。

特開平１－９８３０３号公報 特開２００２－２２７８０５号公報 特開２００２－２３５８５５号公報 特開２０１９－１４１５２０号公報

上記サーボモータシステムでは、各構成部品の重量が大きく、用途によっては出力が大きくなりすぎるため、軽量及び小型化という点で問題があり、また、コスト面でも問題がある。また、サーボモータは、コンピュータにより制御する必要があるため、多くの知識を有し、出力の微調整が困難である。人体に使用する機器としては、個人の感覚に合わせた制御が必要不可欠であるため、出力の微調整が困難であることは欠点となる。

特許文献４のものでは、２本の平行シリンダを用いてワイヤの拮抗駆動とし、ワイヤと反対側のシリンダ室を負圧に調整していたため、発生できるトルクに限界がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、可撓性線状ロッドを有する空圧シリンダにおいて、軽量及び簡易な構成により、容易により大きなトルクが得られるようにすることにある。

上記の目的を達成するために、第１の発明では、
空圧シリンダを利用した駆動装置を対象とし、この駆動装置は、
空圧源と、
空圧源からの圧縮エアの供給及び排出を制御する制御バルブと、
上記制御バルブからの圧縮エアを導入及び排出可能な密閉状のチューブと、
上記チューブの内部を両方向に移動可能なピストンと、
上記ピストンの両側に連結された可撓性線状ロッドと、
上記チューブの両端にそれぞれ設けられ、上記可撓性線状ロッドを移動可能に且つ密閉状に覆うシール部と、
上記可撓性線状ロッドが掛けられる複数のプーリと、
上記複数のプーリの間に設けられ、上記可撓性線状ロッドの移動に伴って回転又は揺動する被駆動部と、
上記制御バルブを制御する制御装置とを備えている。

上記の構成によると、制御装置によって制御バルブを制御することで、空圧源からの圧縮エアがチューブに送られ、それにより移動したピストンにより、可撓性線状ロッドが移動し、プーリを介して被駆動部の駆動力として伝えられ、被駆動部が回転し、又は揺動する。可撓性線状ロッドが移動しても、シール部によってチューブ内から圧縮エアが漏れるのが防止される。可撓性線状ロッドは、棒状ロッドに比べて取り回しが自由で、機器サイズを小さくできる。ここで、可撓性線状ロッドは、ワイヤ、ケーブルなど特に限定されないが、シール部との間で空気が漏れないような構成が望ましい。

第２の発明では、第１の発明において、
上記制御装置は、外力によって上記被駆動部に加わるトルクを推定し、推定結果を基に制御バルブを制御して上記被駆動部に加わるトルクを調整するように構成されている。

上記の構成によると、例えば、装着者の足首に設けた被駆動部に加わる装着者からのトルクを推定し、それを適切に補助するために圧縮エアを用いて被駆動部に加わるトルクを増やし、装着者の動きをアシストすることができる。

第３の発明では、第２の発明において、
上記制御装置は、上記外力によって上記被駆動部に加わるトルクを該被駆動部の回転角度及び上記チューブの内部の圧力から推定するように構成されている。

上記の構成によると、被駆動部の回転角度及びシリンダの圧力を検出し、外力によって加わるトルクを推定できるので、高価で場所をとりやすいトルクセンサを設けて直接トルクを検出する必要がなくなる。

第４の発明では、第２又は第３の発明において、
上記制御装置は、外乱オブザーバを用いてノミナルモデルを設定し、摺動抵抗によるトルク分を除去して上記トルクを推定するように構成されている。

上記の構成によると、摺動抵抗による誤差を除いてより精度のよいトルクの推定を行えるので、リハビリテーション装置などに適用すれば、最適なアシストを行うことができる。

以上説明したように、本発明によれば、可撓性線状ロッドを有する空圧シリンダにおいて、軽量及び簡易な構成により、容易により大きなトルクを得ることができる。

本発明の実施形態に係る空圧シリンダを利用した駆動装置の概要を示す図である。 制御系統を示す図である。 角速度と印加トルクの関係を示すグラフである。 正弦波状のトルクに対してノミナルモデルＰｎ（ｓ）をかけて得られた角度の推定値とポテンショメータによる角度の計測値との比較を表すグラフであり、（ａ）が０．５Ｈｚのときを示し、（ｂ）が０．２Ｈｚのときを示す。 外乱オブザーバで推定したトルクの推定値と、ピストンの変位をポテンショメータから求め、そこからバネ反力をトルク換算した計測値との比較を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態の空圧シリンダを利用した駆動装置２０を示し、この駆動装置２０は、圧縮エアを駆動力として用いるので、空圧源１を必要とする。空圧源１は、例えば、コンプレッサ、コンプレッサに接続した配管類等よりなる。

そして、駆動装置２０は、空圧源１からの圧縮エアの供給及び排出を制御する制御バルブ２を備えている。制御バルブ２は、例えば、３位置切換電磁弁、エアオペレートバルブ等よりなる。

駆動装置２０は、空圧シリンダ１０を備え、この空圧シリンダ１０は、制御バルブ２からの圧縮エアを導入及び排出可能な密閉状のシリンダチューブ３を備えている。シリンダチューブ３は、例えば、樹脂成形品、ガラス、金属等よりなり、内部に両方向に移動可能なピストン４が設けられている。ピストン４は、シリンダチューブ３内周面との間でピストンシール４ａによりエアがシールされている。このピストン４により、シリンダチューブ３内が２つのシリンダ室Ｓ１，Ｓ２に区画されている。上記制御バルブ２は、供給された圧縮エアをいずれかのシリンダ室Ｓ１，Ｓ２に流入させ、又はシリンダ室Ｓ１，Ｓ２からのエアを排出させる役割を果たす。このため、これら２つのシリンダ室Ｓ１，Ｓ２には、制御バルブ２からの圧縮エアが適宜供給され、供給された圧縮エアから受けた圧力によりピストン４がシリンダチューブ３内を直線運動する力を発生するようになっている。

このピストン４の両側には、可撓性線状ロッド５が連結されている。可撓性線状ロッド５は、ワイヤ、ケーブルなど特に限定されない。

シリンダチューブ３の両端３ａには、可撓性線状ロッド５を移動可能に且つ密閉状に覆うシール部６が設けられている。シール部６は、特に材料は限定されないが、ウレタン樹脂などの弾性材料よりなり、シリンダチューブ３内の圧縮エアが外部に漏れ出すのを防止する役割を果たす。このシール部６でのシール性及び摺動性を確保するには、可撓性線状ロッド５の外周が、滑らかであるなど、シール部６との間で空気が漏れないような可撓性線状ロッド５とシール部６との相性のよい組み合わせが望ましい。

可撓性線状ロッド５は、複数のプーリ７に掛けられている。本実施形態では、例えば４つのプーリ７が設けられているが、この個数は制限されない。プーリ７は、可撓性線状ロッド５の方向転換の役割を果たす。空圧シリンダ１０の両側の一対のプーリ７間の可撓性線状ロッド５は、シール部６の密着性、耐久性等との関係で直線状であるのが望ましい。

そして、本実施形態では、空圧シリンダ１０から離れた位置にある一対のプーリ７間には、可撓性線状ロッド５の移動に伴って回転する回転板８が設けられている。回転板８は、中心に回転軸８ａを有し、この回転軸８ａを中心に回転可能となっている。回転板８は、例えば、可撓性線状ロッド５の移動を回転力に変換するための、ワイヤホルダ８ｂが設けられている。ワイヤホルダ８ｂに可撓性線状ロッド５が固定されていてもよいし、滑り止めされた状態で掛けられていてもよい。この可撓性線状ロッド５の固定方法は特に限定されず、ワイヤホルダ８ｂの切欠に可撓性線状ロッド５を引っ掛けてもよいし、ワイヤホルダ８ｂで可撓性線状ロッド５の先端を挟み込んで締結してもよい。

この回転板８は、例えば、上記特許文献４のように、装着者の足首の関節の動きをサポートするためのものとして利用することもできる。

駆動装置２０は、制御バルブ２を制御する、例えば、ＣＰＵを有するパソコン、マイコン等よりなる制御装置９を備えている。制御装置９の構成は特に限定されないが、本実施形態では、この制御装置９は、後述するように、例えば、２つのシリンダ室Ｓ１，Ｓ２のそれぞれの圧力Ｐ１，Ｐ２を測定する圧力センサ１１，１２や、回転板８の回転角度θを測定するポテンショメータ１５からの信号を利用して制御バルブ２を制御できるようになっている。圧力センサ１１，１２やポテンショメータ１５からの信号は、Ａ／Ｄ変換器１３を通して制御装置９に入力されるようになっている。

また、制御装置９は、例えば、装着者の足首などからの外力によって回転板８に加わるトルクを推定し、推定結果を基に制御バルブ２を制御して回転板８に加わるトルクを調整するように構成されている。制御装置９からの電圧ｕは、Ｄ／Ａ変換器１４を通して制御バルブ２に出力されるようになっている。

制御装置９は、外力によって回転板８に加わるトルクを回転板８の回転角度θ及びシリンダチューブ３の内部の圧力Ｐ１，Ｐ２から推定するように構成されている。さらに、後述するように、制御装置９は、外乱オブザーバを用いてノミナルモデルを設定し、摺動抵抗によるトルク分を除去してトルクを推定するように構成されている。

このように、本実施形態では、曲げられないまっすぐな棒状のロッドではなく、可撓性線状ロッド５を用いたことにより、機器配置が自由になり、小型化及び軽量化を実現することができる。

－駆動装置の作動－
次に、本実施形態に係る空圧シリンダ１０を利用した駆動装置２０の作動について説明する。

制御装置９は、制御バルブ２を制御して空圧源１からの圧縮エアをシリンダチューブ３内のいずれかのシリンダ室Ｓ１，Ｓ２に送り込む。

すると、シリンダ室Ｓ１とシリンダ室Ｓ２との圧力差により、ピストン４が移動し、可撓性線状ロッド５が移動する。可撓性線状ロッド５の直線運動は、プーリ７によって方向を変えられる。また、シール部６により、可撓性線状ロッド５が移動してもシリンダチューブ３内から圧縮エアが漏れるのが防止される。

そして、回転板８に設けたワイヤホルダ８ｂにより、可撓性線状ロッド５の引張力Ｆが、回転板８を回転させる回転力Ｒに変換される。

これにより、回転板８が回転軸８ａを中心に所定の角速度及びトルクで回転する。

一方、本実施形態の駆動装置２０をリハビリテーション装置として多機能化するためには、ユーザである装着者から被駆動部である回転板８への印加トルクを求める必要がある。

しかし、別途トルクセンサを導入して上記印加トルクを求めるようにすると、コスト増や大型化を招き、現実的ではない。

そこで、以下のように、外乱オブザーバの推定外乱から可撓性線状ロッド５の摺動抵抗やノミナルモデルからの変動の影響を除くことで、例えば、装着者の装着具が回転板８に与えたトルクを、トルクセンサを設けることなく推定することができる。

図２に、外乱オブザーバを用いた制御系を示す。本実施形態では、例えば、実時間制御が可能な汎用ソフトを用いて構築しており、サンプリング周期は例えば５ｍｓである。ここで、Ｐ（ｓ）、Ｐｎ（ｓ）、Ｑ（ｓ）は、それぞれプラント、プラントのノミナルモデル、ローパスフィルタの伝達関数である。θｒ（ｓ）、θ（ｓ）、τｒ（ｓ）、τ（ｓ）、τｄ（ｓ）、τ^＾（ｓ）は、それぞれ足関節角度目標値、足関節角度、シリンダ発生トルクの目標値、シリンダ発生トルク、外乱トルク、推定外乱トルクである。また、Ｊ、Ｄを慣性、粘性とすると、プラントＰ（ｓ）は、

と表すことができる。また、プラントのノミナルモデルＰｎ（ｓ）は、式（２）と表すことができる。ここで、Ｊｎ、ＤｎはそれぞれＪ、Ｄのノミナル値である。

推定外乱τ^＾（ｓ）は、

と表され、外乱トルクだけでなく、プラントとノミナルモデルによる変動によって発生する影響もまとめて外乱として推定されるので、ノミナルモデルＰｎ（ｓ）が、Ｐ（ｓ）に一致すると、外乱トルクτｄ（ｓ）が、τ^＾（ｓ）として推定される。

ここで、装着者が回転板８に与えたトルク、シリンダチューブの両端３ａにおける可撓性線状ロッド５の摺動抵抗によるトルクをそれぞれτｈ（ｓ）、τｆ（ｓ）とすると、外乱トルクはこれらの和となる。よって、装着者が回転板８に与えたトルクτｈ（ｓ）は、推定外乱τ^＾（ｓ）から摺動抵抗によるトルクτｆ（ｓ）を引くことで求められる。

ノミナルモデルＰｎ（ｓ）をプラントＰ（ｓ）に一致させるには、プラントの慣性Ｊ及び粘性Ｄを正確に同定しておく必要がある。空圧シリンダ１０の発生トルクτ（ｓ）を一定とし、角速度一定で駆動装置２０を駆動すると、発生トルクτ（ｓ）、外乱τｄ（ｓ）、回転板８の角速度θ’（ｓ）の関係は、

となる。図３に角速度θ’と、発生トルクτとの関係を示す。両者の関係は、非線形的な関係となっている。粘性Ｄは、

と表されるので、図３から予め導出しておいた式（５）の関係式ｆ（θ’）に代入して粘性Ｄを求める。ここで、角速度θ’は、ポテンショメータ１５により得た角度情報を元に後退差分で導出した。ピストン４、装具、足の慣性Ｊは、質点として算出した。

図４は、それぞれ異なる角周波数を有する正弦波状の発生トルクに対して、ノミナルモデルを通した角度θの推定値と、ポテンショメータ１５による角度θの計測値との比較を示す。角速度に応じてノミナルモデルの粘性Ｄｎを調整することで、発生トルクを正弦波的に変化させているが、発生トルクの周波数が変わってもポテンショメータで計測したデータとほぼ同じ波形が得られていることがわかる。このことから、ノミナルモデルと実モデルとの間の誤差は小さく、外乱トルクを高い精度で推定できることがわかった。

外乱トルクの推定実験として、シリンダ室Ｓ１，Ｓ２内に圧縮コイルバネ（図示せず）を入れ、ピストン４に変位を与えて圧縮コイルバネを押し込み、そのときのバネ反力を等価的にトルクτｈ（ｓ）に換算して推定した。

ノミナルモデルを通して推定したトルクτｈ（ｓ）の推定値と、ピストン４の変位をポテンショメータ１５から求め、そこからバネ反力をトルク換算した計測値との比較を図５に示す。角速度θ’をポテンショメータで計測した角度θから計算して粘性Ｄを調整しているが、圧縮コイルバネによって生じるトルクに対して定常的に追従できていることがわかる。

このように、外乱オブザーバの導入により、ノミナルモデルを適切に設定し、摺動抵抗によるトルク分を除去することで、トルクを推定できることがわかった。

これにより、例えば、装着者の足首に設けた回転板８に加わる装着者からのトルクを推定し、それを適切に補助するために圧縮エアを用いて回転板８に加わるトルクを増やしたり、速度を調整したりして、装着者の動きをアシストすることができる。

また、摺動抵抗による誤差を除いてより精度のよいトルクの推定が行えるので、リハビリテーション装置などに適用すれば、速度やトルクを調整して最適なアシストを行うことができる。

したがって、本実施形態に係る空圧シリンダを利用した駆動装置２０によると、可撓性線状ロッド５を有する空圧シリンダ１０において、軽量及び簡易な構成により、容易により大きなトルクを得ることができる。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

すなわち、詳しい説明は省略するが、制御装置９が、回転板８の回転角度及び空圧シリンダ１０の圧力Ｐ１，Ｐ２を検出し、外力によって加わるトルクを推定することもできる。この場合も、高価で場所をとりやすいトルクセンサを設けて直接トルクを検出する必要がなくなる。

また、上記実施形態では、可撓性線状ロッド５の直線運動が、回転板８の回転運動に変換されるようにしているが、例えば、回転板８ではなく、１つの揺動軸を中心に揺動する被駆動部としてのバーを設け、このバーの揺動運動に変換するようにしてもよい。この場合は、バーの揺動軸を中心とする回転角度θや圧力Ｐ１，Ｐ２等を元にバーに加わるトルクを推定するようにすればよい。

さらに、上記駆動装置２０は、人体関節のサポート機器として関節の回転又は揺動運動をサポートするために使用することができる。また、人間用としてだけではなく、多関節の協働ロボット用のアクチュエータとしての使用も可能である。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。

１ 空圧源
２ 制御バルブ
３ シリンダチューブ
３ａ 両端
４ ピストン
４ａ ピストンシール
５ 可撓性線状ロッド
６ シール部
７ プーリ
８ 回転板（被駆動部）
８ａ 回転軸
８ｂ ワイヤホルダ
９ 制御装置
１０ 空圧シリンダ
１１，１２ 圧力センサ
１３ Ａ／Ｄ変換器
１４ Ｄ／Ａ変換器
１５ ポテンショメータ
２０ 駆動装置
Ｐ１，Ｐ２ 圧力
Ｓ１，Ｓ２ シリンダ室

Claims (2)

1. 空圧シリンダを利用した駆動装置であって、
   空圧源と、
   空圧源からの圧縮エアの供給及び排出を制御する制御バルブと、
   上記制御バルブからの圧縮エアを導入及び排出可能な密閉状のチューブと、
   上記チューブの内部を両方向に移動可能なピストンと、
   上記ピストンの両側に連結された可撓性線状ロッドと、
   上記チューブの両端にそれぞれ設けられ、上記可撓性線状ロッドを移動可能に且つ密閉状に覆うシール部と、
   上記可撓性線状ロッドが掛けられる複数のプーリと、
   上記複数のプーリの間に設けられ、上記可撓性線状ロッドの移動に伴って回転又は揺動する被駆動部と、
   上記制御バルブを制御する制御装置とを備え、
   上記制御装置は、外力によって上記被駆動部に加わるトルクを推定し、推定結果を基に制御バルブを制御して上記被駆動部に加わるトルクを調整する際に、外乱オブザーバを用いてノミナルモデルを設定し、予め導出しておいた角速度と発生トルクとの関係から求めた摺動抵抗によるトルク分を除去して上記トルクを推定するように構成されている
   ことを特徴とする空圧シリンダを利用した駆動装置。
2. 請求項１に記載の空圧シリンダを利用した駆動装置において、
   上記制御装置は、上記外力によって上記被駆動部に加わるトルクを該被駆動部の回転角度及び上記チューブの内部の圧力から推定するように構成されている
   ことを特徴とする空圧シリンダを利用した駆動装置。

Images