KR20060123737A - 유압 액츄에이터 - Google Patents

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다이스께 마쯔시따
유따까 사또
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Abstract

유압 액츄에이터는 유체의 공급ㆍ배출에 의해 신축하여 구동력을 발생하는 액츄에이터 본체와, 액츄에이터 본체의 상태를 검출하는 센서와, 액츄에이터 본체에 대해 공급ㆍ배출되는 유체의 압력을 조절하는 유체 레귤레이터를 센서로부터의 검출 신호를 기초로 하여 제어하는 제어부를 구비하고 있다. 또한, 센서는 액츄에이터 본체에 탑재되어 있다.
액츄에이터, 유체 레귤레이터, 전공 레귤레이터, 압력 센서, 호스트 컴퓨터

Description

유압 액츄에이터{FLUID PRESSURE ACTUATOR}
본 발명은 예를 들어 공기 등의 유체의 공급ㆍ배출에 의해 구동되는 유압 액츄에이터에 관한 것이다.
예를 들어 일본 특허 공개 제2002-103270호 공보에서는 튜브형 공압 액츄에이터에 의해 로봇이나 인체의 관절을 움직이게 하는 구동 장치가 제안되어 있다. 튜브형 공압 액츄에이터는 공기의 공급에 의해 길이가 축소되어 구동력(인장력)을 발생시키는 액츄에이터이다. 튜브형 공압 액츄에이터로의 공기의 공급ㆍ배출은 공기 공급ㆍ배출부에 의해 행해진다. 또한, 공기 공급ㆍ배출부는 제어부에 의해 제어된다.
그러나, 종래의 튜브형 공압 액츄에이터에서는 공기 공급ㆍ배출부로부터 공급되는 공기의 압력을 제어부에 의해 제어할 뿐이므로, 튜브형 공압 액츄에이터를 이용하여 구동 장치를 구성한 경우, 발생하는 구동력ㆍ길이를 충분히 정확하게 제어할 수 없었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 발생하는 구동력ㆍ액츄에이터 길이를 보다 정확하게 제어할 수 있는 유압 액츄에이터를 얻는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 유압 액츄에이터는 유체의 공급ㆍ배출에 의해 신축하여 구동력을 발생하는 액츄에이터 본체와, 액츄에이터 본체의 상태를 검출하는 센서와, 액츄에이터 본체에 대해 공급ㆍ배출되는 유체의 압력을 조절하는 유체 레귤레이터를 센서로부터의 검출 신호를 기초로 하여 제어하는 제어부를 구비하고, 센서는 액츄에이터 본체에 탑재되어 있다.
도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 공압 액츄에이터 시스템을 도시하는 구성도이다.
도2는 도1의 주요부를 확대하여 도시하는 구성도이다.
도3은 도2의 회로 기판을 더 구체적으로 도시하는 구성도이다.
도4는 도2의 길이 센서의 제1 예를 나타내는 구성도이다.
도5는 도2의 길이 센서의 제2 예를 나타내는 구성도이다.
도6은 도2의 길이 센서의 제3 예를 나타내는 구성도이다.
도7은 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 튜브형 공압 액츄에이터를 도시하는 구성도이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 최량의 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
제1 실시 형태
도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 공압 액츄에이터 시스템을 도시하는 구성도이다. 본 예에서는 인체에 장착함으로써, 인체의 관절을 움직이는 공압 액츄에이터 시스템을 나타내고 있다. 도면에 있어서, 인체에 장착되는 장착부(10)에는 유압 액츄에이터(공압 액츄에이터)로서의 복수개의 튜브형 공압 액츄에이터(1)가 설치되어 있다.
각 튜브형 공압 액츄에이터(1)는 액츄에이터 본체(2)와, 액츄에이터 본체(2)에 내장된 회로 기판(3)을 갖고 있다. 각 액츄에이터 본체(2)는 고무 튜브(도시하지 않음)와, 이 고무 튜브의 외주에 피복된 그물 형상 슬리브(도시하지 않음)를 갖고 있다. 또한, 액츄에이터 본체(2)는 공기의 공급ㆍ배출에 의해 그 길이가 축소ㆍ신장한다. 즉, 액츄에이터 본체(2)는 공기를 공급함으로써 팽창하여 그 길이가 축소된다. 이와 같은 액츄에이터 본체(2)의 축소시에 구동력(인장력)이 발생한다.
각 액츄에이터 본체(2)에는 공통의 압축기(4)로부터 공기가 공급된다. 압축기(4)와 각 액츄에이터 본체(2) 사이에는 액츄에이터 본체(2)에 대해 공급ㆍ배출되는 공기의 압력을 조절하는 유체 레귤레이터로서의 전공 레귤레이터(5)가 개재되어 있다. 전공 레귤레이터(5)에는 대응하는 튜브형 공압 액츄에이터(1)의 회로 기판(3)으로부터의 지령 신호가 입력된다. 또한, 각 회로 기판(3)에는 호스트 컴퓨터(6)로부터의 지령 신호가 입력된다.
도2는 도1의 주요부를 확대하여 도시하는 구성도이다. 도2에 있어서, 회로 기판(3)에는 액츄에이터 본체(2) 내의 압력을 검출하는 압력 센서(11)와, 액츄에이터 본체(2)의 길이를 검출하는 길이 센서(12)와, 압력 센서(11) 및 길이 센서(12) 로부터의 검출 신호를 기초로 하여 전공 레귤레이터(5)를 제어하는 제어부(13)가 설치되어 있다. 회로 기판(3)은 압력 센서(11) 및 길이 센서(12)가 액츄에이터 본체(2) 내를 향하도록 액츄에이터 본체(2)에 탑재되어 있다. 또한, 회로 기판(3)으로서는, HIC(하이브리드 IC)를 이용할 수 있다. 또한, 회로 기판(3)은 액츄에이터 본체(2) 내의 최대 압력(예를 들어 0.7 ㎫)에 견디도록 구성되어 있다.
길이 센서(12)는 센서 본체(14)와, 센서 본체(14)와 액츄에이터 본체(2) 사이에 접속된 길이 측정용 스프링(15)을 갖고 있다. 길이 측정용 스프링(15)으로서는, 액츄에이터 본체(2)의 신축의 방해가 되지 않을 정도의 약한 인장 스프링이 이용된다. 센서 본체(14)로서는, 인장 센서(인장 하중 센서)가 이용된다. 또한, 인장 센서로서는, 압력 센서(11)와는 특성이 다른 압력 센서를 이용할 수 있다.
액츄에이터 본체(2) 내의 공기를 배출한 상태에서는, 길이 측정용 스프링(15)에 의한 약한 인장력이 액츄에이터 본체(2)에 작용하고 있다. 이 상태로부터 액츄에이터 본체(2) 내에 공기를 공급하면, 액츄에이터 본체(2)의 길이가 축소되어 길이 측정용 스프링(15)에 의한 인장력은 더욱 작아진다. 이 인장력의 변화를 센서 본체(14)에서 검출함으로써, F ＝ kx(F : 스프링력, k : 스프링 계수, x : 스프링 길이)의 관계로부터 액츄에이터 본체(2)의 길이를 측정할 수 있다.
압력 센서(11)에서 검출된 액츄에이터 본체(2) 내의 압력의 정보, 및 길이 센서(12)에서 검출된 액츄에이터 본체(2)의 길이의 정보는 제어부(13)에 피드백된다. 또한, 이들 정보는 필요에 따라서 호스트 컴퓨터(6)에 피드백할 수도 있다. 제어부(13)는 피드백된 정보와, 호스트 컴퓨터(6)로부터의 지령 신호에 따라서 전 공 레귤레이터(5)를 제어한다.
전공 레귤레이터(5)는 급기용 비례 제어 밸브(16) 및 배기용 비례 제어 밸브 (17)을 갖고 있다. 급기용 비례 제어 밸브(16) 및 배기용 비례 제어 밸브(17)로서는, 비례 전자기 밸브가 이용되고 있다. 비례 전자기 밸브는 그 내부의 코일에 전류를 흐르게 함으로써, 전류치에 따른 유량의 공기를 흐르게 하는 밸브이다. 급기용 비례 제어 밸브(16) 및 배기용 비례 제어 밸브(17)는 제어부(13)로부터의 지령 신호에 의해 제어된다.
도3은 도2의 회로 기판(3)을 더 구체적으로 도시하는 구성도이다. 제어부(13)는 처리 수단인 CPU(18), A/D 컨버터(19), D/A 컨버터(20), 기억 수단인 ROM(21), 급기측 전류 증폭기로서의 트랜지스터(22), 배기측 전류 증폭기로서의 트랜지스터(23), 및 시리얼 I/O 포트(24)를 갖고 있다. ROM(21)에는 제어부(13)가 탑재된 튜브형 공압 액츄에이터(1)의 고유의 어드레스(ID 정보)가 기억되어 있다. 또한, ROM(21)에는 전공 레귤레이터(5)의 제어 프로그램 및 호스트 컴퓨터(6)와의 통신 프로그램 등이 기억되어 있다. 제어부(13)는 시리얼 I/O 포트(24)를 거쳐서 호스트 컴퓨터(6)에 접속되어 있다. CPU(18)에서는 호스트 컴퓨터(6)로부터의 압력 제어 신호 중, 대응하는 어드레스의 신호만이 연산 처리된다.
압력 센서(11) 및 길이 센서(12)로부터의 신호는 A/D 컨버터(19)에서 A/D 변환되어 CPU(18)에 입력된다. CPU(18)에서는 전공 레귤레이터(5)의 출력 압력이 압력 제어 신호에 의한 목표 압력이 되도록 지령 신호를 생성하여 출력한다. 이 지령 신호는 D/A 컨버터(20)에 의해 D/A 변환되어, 트랜지스터(22, 23)를 거쳐서 급 기용 비례 제어 밸브(16)나 배기용 비례 제어 밸브(17)에 출력된다.
또한, 액츄에이터 본체(2)의 일단부에는 단부 밀봉 부재(고무 마개)(25)가 고정되어 있다. 전공 레귤레이터(5)와 액츄에이터 본체(2)를 접속하는 공기의 공급ㆍ배출관은 단부 밀봉 부재(25)를 통해 액츄에이터 본체(2) 내에 삽입되어 있다. 회로 기판(3)은, 일예로서, 그 일부가 단부 밀봉 부재(25)에 매립되어 고정되어 있다. 또한, 회로 기판(3)에 접속되는 전기 배선(신호선 및 전원선 등)은 단부 밀봉 부재(25)를 통해 액츄에이터 본체(2) 밖으로 인출되어 있다.
도4는 도2의 길이 센서(12)의 제1 예를 나타내는 구성도, 도5는 도2의 길이 센서(12)의 제2 예를 나타내는 구성도, 도6은 도2의 길이 센서(12)의 제3 예를 나타내는 구성도이다. 제1 예에서는, 원기둥 형상의 센서 본체(14) 내에 센서 소자(압전 소자)(14a)가 매설되어 있다. 또한, 제2 예에서는, 타원 볼 형상의 센서 본체(14) 내에 센서 소자(14a)가 매설되어 있다. 또한, 제3 예에서는, 원통 형상의 센서 본체(14) 내에 센서 소자(14a)가 배치되어 있고, 센서 본체(14) 내에 삽입된 접속 부재(14b)를 거쳐서 길이 측정용 스프링(15)이 센서 소자(14a)에 접속되어 있다.
이와 같은 튜브형 공압 액츄에이터(1)에서는, 압력 센서(11)가 액츄에이터 본체(2) 내에 배치되어 있으므로, 액츄에이터 본체(2) 내의 압력을 공기 배관을 거치지 않고 직접 검출할 수 있고, 부하나 압력 손실 등의 영향을 저감시켜 동적 상태라도 액츄에이터 본체(2) 내의 압력을 보다 정확하게 검출할 수 있다. 이에 의해, 발생하는 구동력을 보다 정확하게 제어할 수 있다.
또한, 길이 센서(12)가 액츄에이터 본체(2) 내에 배치되어 있으므로, 부하의 변동에 의해 제어 대상의 위치가 어긋나도 액츄에이터 본체(2)의 길이를 보다 정확하게 파악할 수 있어, 액츄에이터 길이를 보다 정확하게 제어할 수 있다.
또한, 압력 센서(11), 길이 센서(12) 및 제어부(13)가 공통의 회로 기판(3)에 설치되어 있으므로, 부하나 사용의 상황에 상관없이 자기 상태에 관한 정보를 제어부(13)에서 해석ㆍ연산하여, 제어 대상의 상태 정보를 보다 정확하게 파악할 수가 있어, 튜브형 공압 액츄에이터(1)의 보다 고도의 제어가 가능해진다. 또한, 압력 센서(11) 및 길이 센서(12)와 제어부(13) 사이의 거리가 짧아지기 때문에, 제어 타이밍의 지연을 방지하여 보다 고속의 제어를 행할 수 있다.
또한, 도3에 도시한 바와 같이, 회로 기판(3)은 액츄에이터 본체(2)에 있어서 공기의 공급ㆍ배출구가 형성된 단부 밀봉 부재(5)에 설치되어 있다. 이에 의해, 회로 기판(3) 상의 센서(11, 12)와 급기용 비례 제어 밸브(16) 및 배기용 비례 제어 밸브(17)와의 접속용 배선의 길이를 단축할 수 있다.
[제2 실시 형태]
다음에, 도7에 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 튜브형 공압 액츄에이터를 도시하는 구성도이다. 제1 실시 형태에서는 제어부(13)가 탑재된 회로 기판(3)을 액츄에이터 본체(2) 내에 배치하였지만, 제2 실시 형태에서는 제어부(13)를 탑재한 회로 기판(3a)이 전공 레귤레이터(5)에 설치되어 있다. 그리고, 압력 센서(11) 및 길이 센서(12)를 탑재한 기판(3b)이 액츄에이터 본체(2) 내에 배치되어 있다.
이와 같이, 압력 센서(11) 및 길이 센서(12)와 제어부(13)를 제거하고, 센 서(11, 12)만을 액츄에이터 본체(2) 내에 배치하는 것도 가능하다.
또, 제1, 제2 실시 형태에서는 압력 센서(11) 및 길이 센서(12)가 서로 다른 부재로 구성되어 있지만, 압력 센서의 센서 소자와 길이 센서의 센서 소자를 공통의 본체에 매립하여 일체로 구성해도 좋다.
또한, 제1 실시 형태에서는 회로 기판(3)을 단부 밀봉 부재(25)에 직접 고정하였지만, 액츄에이터 본체(2)와 회로 기판(3)을 강체에 의해 접속해도 좋다.
또한, 호스트 컴퓨터(6)와 각 회로 기판(3) 사이의 신호의 송수신은 시리얼 통신[성배선(省配線) 또는 무선으로 행해도 좋다.
또한, 제1, 제2 실시 형태에서는 유압 액츄에이터로서 튜브형 공압 액츄에이터(1)를 나타냈지만, 다른 형상, 방식의 유압 액츄에이터라도 좋다.
또한, 상기한 예에서는, 유체가 공기인 경우에 대해 나타냈지만, 유체는 공기 이외의 기체나 오일 등의 액체라도 좋다.
또한, 본 발명의 유압 액츄에이터는 관절 구동용뿐만 아니라, 모든 용도에 적용할 수 있다.
또한, 제1, 제2 실시 형태에서는, 센서로서 압력 센서 및 길이 센서를 나타냈지만, 센서는 이들에 한정되는 것이 아니다.

Claims (15)

  1. 유체의 공급ㆍ배출에 의해 신축하여 구동력을 발생하는 액츄에이터 본체와,
    상기 액츄에이터 본체의 상태를 검출하는 센서와,
    상기 액츄에이터 본체에 대해 공급ㆍ배출되는 유체의 압력을 조절하는 유체 레귤레이터를 상기 센서로부터의 검출 신호를 기초로 하여 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 센서는 상기 액츄에이터 본체에 탑재되어 있는 것을 특징으로 하는 유압 액츄에이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 센서는 상기 액츄에이터 본체 내의 압력을 검출하는 압력 센서인 것을 특징으로 하는 유압 액츄에이터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 센서는 상기 액츄에이터 본체의 길이를 검출하는 길이 센서인 것을 특징으로 하는 유압 액츄에이터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 길이 센서는 센서 본체와, 상기 센서 본체와 상기 액츄에이터 본체 사이에 접속된 길이 측정용 스프링을 갖고,
    상기 센서 본체는 상기 길이 측정용 스프링에 의한 인장력의 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 유압 액츄에이터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 액츄에이터 본체에는 상기 액츄에이터 본체 내의 압력을 검출하는 압력 센서, 및 상기 액츄에이터 본체의 길이를 검출하는 길이 센서의 양쪽이 상기 센서로서 탑재되어 있는 것을 특징으로 하는 유압 액츄에이터.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 및 상기 제어부는 공통의 회로 기판에 설치되어 있고, 상기 회로 기판은 상기 센서가 상기 액츄에이터 본체 내를 향하도록 상기 액츄에이터 본체에 탑재되어 있는 것을 특징으로 하는 유압 액츄에이터.
  7. 제6항에 있어서, 상기 회로 기판은 하이브리드 IC에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 유압 액츄에이터.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 액츄에이터 본체의 일단부에는 단부 밀봉 부재가 고정되어 있고,
    상기 회로 기판은 상기 단부 밀봉 부재에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 유압 액츄에이터.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는 호스트 컴퓨터로부터의 압력 제어 신호와 상기 센서로부터의 검출 신호를 기초로 하여 유체 레귤레 이터를 제어하는 것을 특징으로 하는 유압 액츄에이터.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제어부는 유체 레귤레이터의 출력 압력이 상기 압력 제어 신호에 의한 목표 압력이 되도록 지령 신호를 생성하기 위한 처리 수단을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 유압 액츄에이터.
  11. 제10항에 있어서, 상기 처리 수단은 CPU이고, 상기 제어부는 상기 센서로부터의 검출 신호를 A/D 변환하여 상기 CPU에 입력하는 A/D 컨버터와, 상기 CPU로부터의 지령 신호를 D/A 변환하여 상기 유체 레귤레이터로 출력하는 D/A 컨버터를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 유압 액츄에이터.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 호스트 컴퓨터로부터의 압력 제어 신호를 받는 I/O 포트를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 유압 액츄에이터.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는 고유의 어드레스를 기억한 기억 수단을 갖고,
    상기 호스트 컴퓨터로부터의 압력 제어 신호 중, 대응하는 어드레스의 신호만이 상기 제어부에 의해 처리되는 것을 특징으로 하는 유압 액츄에이터.
  14. 제9항 내지 13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 호스트 컴퓨터와의 통신 프로그램을 기억한 기억 수단을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 유압 액츄에이터.
  15. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는 유체 레귤레이터에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 유압 액츄에이터.
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