WO2005045259A1 - 流体圧式アクチュエータ - Google Patents

Abstract

　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ている。また、センサは、アクチュエータ本体に搭載されている。

Description

明 細 書

流体圧式ァクチユエータ

技術分野

[0001] 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ァクチユエータ に関するものである。

背景技術

[0002] 例えば特開 2002— 103270号公報では、チューブ形エアァクチユエータによりロボ ットゃ人体の関節を動かす駆動装置が提案されている。チューブ形エアァクチユエ一 タは、空気の供給により長さが縮小され、駆動力（引張力）を発生するァクチユエータ である。チューブ形エアァクチユ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。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] しかし、従来のチューブ形エアァクチユエータでは、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、チューブ形エアァクチユエータ 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 ことができな力 た。

[0004] 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 ·ァクチユ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ァクチユエータを 得ることを目的とする。

課題を解決するための手段

[0005] この発明に係る流体圧式ァクチユエータは、流体の供給'排出により伸縮して駆動 力を発生するァクチユエータ本体と、ァクチユエータ本体の状態を検出するセンサと、 ァクチユ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ユレータを、 センサ力も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、ァクチユエ一 タ本体に搭載されている。 図面の簡単な説明 [0006] [図 1]この発明の実施の形態 1によるエアァクチユエータシステムを示す構成図である

[図 2]図 1の要部を拡大して示す構成図である。

[図 3]図 2の回路基板をさらに具体的に示す構成図である。

[図 4]図 2の長さセンサの第 1の例を示す構成図である。

[図 5]図 2の長さセンサの第 2の例を示す構成図である。

[図 6]図 2の長さセンサの第 3の例を示す構成図である。

[図 7]この発明の実施の形態 2によるチューブ形エアァクチユエータを示す構成図で ある。

発明を実施するための最良の形態

[0007] 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によるエアァクチユ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ァクチユエ一 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、流体圧式ァ クチユエータ（空気圧式ァクチユエータ）としての複数本のチューブ形エアァクチユエ ータ 1が設けられている。

[0008] 各チューブ形エアァクチユエータ 1は、ァクチユエータ本体 2と、ァクチユエータ本体 2に内蔵された回路基板 3とを有している。各ァクチユエータ本体 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、ァクチユエータ本体 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、ァクチユエータ本体 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。このようなァクチユエータ本体 2の縮小時に、駆動力（引張力）が発 生する。

[0009] 各ァクチユエータ本体 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と各ァクチユエータ本体 2との間には、ァクチユエータ本体 2に対して給排される 空気の圧力を調節する流体レギユレータとしての電空レギユレータ 5が介在されてい る。電空レギユレータ 5には、対応するチューブ形エアァクチユエータ 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。

[0010] 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、ァ クチユエータ本体 2内の圧力を検出する圧力センサ 11と、ァクチユエータ本体 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 ヽて電空レギユレータ 5を制御する制御部 13とが設けられて 、る。回路基板 3は、 圧力センサ 11及び長さセンサ 12がァクチユエータ本体 2内に臨むように、ァクチユエ 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、ァクチユエータ本体 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。

[0011] 長さセンサ 12は、センサ本体 14と、センサ本体 14とァクチユエータ本体 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 、ァクチユエータ本体 2の伸縮の妨げとならな 、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。

[0012] ァクチユエータ本体 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 る弱い引張力がァクチユエータ本体 2に作用して 、る。この状態カもァクチユエータ 本体 2内に空気を供給すると、ァクチユエータ本体 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、ァクチュ エータ本体 2の長さを測定することができる。

[0013] 圧力センサ 11で検出されたァクチユエータ本体 2内の圧力の情報、及び長さセン サ 12で検出されたァクチユエータ本体 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ユレータ 5を制御する。

[0014] 電空レギユレータ 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。

[0015] 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 ROM 21、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 IZO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ァクチユエータ 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、電空レギユレータ 5の制御プログラム、及びホストコンビユー 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 IZO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。 CPU 18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。

[0016] 圧力センサ 11及び長さセンサ 12からの信号は、 AZDコンバータ 19で AZD変換 されて CPU18に入力される。 CPU18では、電空レギユレータ 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、 DZAコンバータ 20により DZA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。

[0017] また、ァクチユエータ本体 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。電空レギユレータ 5とァクチユエータ本体 2とを接続する空気の給排管は、端部 封止部材 25を通してァクチユエータ本体 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を通してァ クチユエータ本体 2外へ引き出されて!/、る。

[0018] 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。

[0019] このようなチューブ形エアァクチユエータ 1では、圧力センサ 11がァクチユエータ本 体 2内に配置されているため、ァクチユエータ本体 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ァクチユエータ 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がァクチユエータ本体 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、ァクチユエータ本体 2の長さをより正確に把握す ることができ、ァクチユエータ長さをより正確に制御することができる。

[0020] 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、チューブ形ェ ァァクチユエータ 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、ァクチユエータ本体 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。これによつて、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さる。

[0021] 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ァクチユエータを示す 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をァクチユエ 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 電空レギユレータ 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がァクチユエータ本体 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のみをァクチユエータ本体 2内に配置することも可能である。 [0022] 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!/、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、了クチ ユエータ本体 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ょ ヽ。

[0023] さらにまた、実施の形態 1、 2では、流体圧式ァクチユエータとしてチューブ形エアァ クチユエータ 1を示した力 他の形状、方式の流体圧式ァクチユ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力 流体は空気以外 の気体や油等の液体であってもよ 、。

さらに、この発明の流体圧式ァクチユエータは、関節駆動用だけではなぐあらゆる 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 力 センサはこれらに限定されるものではない。

Claims

請求の範囲

[1] 流体の供給'排出により伸縮して駆動力を発生するァクチユエータ本体と、

上記ァクチユエータ本体の状態を検出するセンサと、

上記ァクチユ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ユレ一 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、上記ァクチユエータ本体に搭載されて ヽることを特徴とする流体圧 式ァクチユエータ。

[2] 上記センサは、上記ァクチユ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記載の流体圧式ァクチユエータ。

[3] 上記センサは、上記ァクチユ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記載の流体圧式ァクチユエータ。

[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ァクチユエータ本体との 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記載の流体圧式ァクチユエータ。

[5] 上記ァクチユエータ本体には、上記ァクチユエータ本体内の圧力を検出する圧力 センサ、及び上記ァクチユ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記載の流体圧式ァクチユエータ。

[6] 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、上記センサが上記ァクチユエータ本体内に臨むように上記ァクチユエータ本体に 搭載されていることを特徴とする請求項 1一請求項 5のいずれかに記載の流体圧式 ァクチユエータ。

[7] 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 6記 載の流体圧式ァクチユエータ。

[8] 上記ァクチユ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 7に記載の流体圧式ァクチユエータ。

[9] 上記制御部は、ホストコンピュータ力も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ユレータを制御することを特徴とする請求項 1一請求項 8の

Vヽずれかに記載の流体圧式ァクチユエータ。

[10] 上記制御部は、流体レギユ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 9記載の流体圧式ァクチユエータ。

[11] 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 AZD 変換して上記 CPUに入力する AZDコンバータと、上記 CPUからの指令信号を DZ

A変換して上記流体レギユレータに出力する DZAコンバータとを有していることを特 徴とする請求項 10記載の流体圧式ァクチユエータ。

[12] 上記制御部は、上記ホストコンピュータ力もの圧力制御信号を受ける IZOポートを 有して 、ることを特徴とする請求項 9一請求項 11の 、ずれかに記載の流体圧式ァク チユエータ。

[13] 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 9一請求項 12のいずれかに記 載の流体圧式ァクチユエータ。

[14] 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 9一請求項 13のいずれかに記載の流体圧式ァクチ ユエータ。

[15] 上記制御部は、流体レギユレータに設けられていることを特徴とする請求項 1一請 求項 5の 、ずれかに記載の流体圧式ァクチユエータ。