JP2006200652A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 被駆動体に対する駆動力及び速度を無段階に変更し制御できるようにしたアクチュエータを提供する。
【解決手段】 流体ポンプ１１の両吸吐口１１１，１１２と駆動モータ１３の両流出入口１３６，１３７との間を流体供給チューブ１７，１８により連結し、この状態で制御回路１４から被駆動体１９の動作指令パターンに応じた直流電圧を電動機１２に供給して電動機１２の回転を制御することにより流体ポンプ１１を駆動し、この流体ポンプ１１による流体の吸入と吐出作用で流体ポンプ１１と駆動モータ１３との間で流体を循環させ、この循環による流体の運動エネルギーで駆動モータ１３を駆動するように構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、二足歩行する人間型ロボットや四足歩行する動物型ロボット等の各関節部を構成するロール軸、ピッチ軸、ヨー軸などの駆動に用いられるアクチュエータに関し、さらに詳しくは、流体のエネルギーを用いて機械的な仕事をするのに適したアクチュエータに関するものである。

従来、二足歩行する人間や四足歩行する犬等のおける生体のメカニズムや動作を模した構造を有するロボットにおいて、腕、腰、脚等の関節部に用いられるアクチュエータとしては、電動モータに減速機構やリンク機構を組み合わせたもの、空気圧シリンダや油圧シリンダにリンク機構を組み合わせ、この空気圧シリンダや油圧シリンダを吐出ポンプ、流路切換弁、アキュムレータ、リリーフ弁及び逆止弁等からなる流体制御回路により制御できるようにしたものなどが用いられている（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−１６２５７７号公報

しかし、電動モータに減速機構やリンク機構を組み合わせたアクチュエータは構成が比較的複雑で小型化が困難となり、コストも上昇するという問題がある。また、空気圧シリンダや油圧シリンダを流体制御回路により制御する方式のアクチュエータにおいては、吐出ポンプの他に、空気圧シリンダや油圧シリンダへの流路切換弁やアキュムレータ、リリーフ弁及び逆止弁等が必要になるため、構造が複雑で大形化し、高コストになるという問題がある。さらに、空気圧シリンダや油圧シリンダを急速送り、減速反転、急速戻りなどのように動作速度を制御しようとすると、流体制御回路に減速弁や流量制御弁等を組み込まなければならず、流体制御回路が更に複雑化し大形化してしまうほか、流体制御回路の制御システムも複雑となり、動作速度を変化させながらロボットの腕や腰、脚等を動作させるようなアクチュエータには不向きである。

本発明は上記のような従来の問題点を解決するためになされたもので、ロボットの腕や腰、脚等の被駆動体に対する駆動力及び速度を無段階に変更し制御できるようにしたアクチュエータを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明のアクチュエータは、流体の吸入と吐出を兼ねた一対の吸吐口を有し該吸吐口から流体を可逆的に吸入または吐出する流体ポンプと、前記流体ポンプを駆動する正逆転可能な電動機と、前記流体ポンプの各吸吐口に別々に連通される一対の流入出口を有し前記流体ポンプによる流体の吸入及び吐出作用により前記流入出口を通して流入または流出される流体の運動エネルギーを機械的な力に変換して被駆動体の駆動力を発生させる駆動モータと、前記被駆動体を動作させるのに必要な駆動力が前記駆動モータから発生されるように前記電動機の回転速度を制御するとともに該電動機の正逆転切り換え制御を行う制御手段とを備え、前記流体ポンプと前記駆動モータの内部及び該流体ポンプと駆動モータとの間を連通する流路内には流体が充満状態に封入されていることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載のアクチュエータにおいて、前記流体ポンプは、可逆式の回転ポンプであることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１記載のアクチュエータにおいて、前記電動機は、サーボモータまたはステッピングモータであることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１記載のアクチュエータにおいて、前記駆動モータは、流体の運動エネルギーを直線運動に変換する流体圧シリンダまたは流体の運動エネルギーを３６０度以内の回転運動に変換する揺動モータであることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１記載のアクチュエータにおいて、前記流体ポンプの一対の吸吐口と前記駆動モータに設けた一対の流体の流出入口との間は流体供給チューブを介して連通されていることを特徴とする。

本発明のアクチュエータによれば、流体ポンプの両吸吐口と駆動モータの両流出入口とを連通し、この状態で電動機の回転速度を制御手段で制御して流体ポンプを駆動することにより、流体ポンプによる流体の吸入と吐出作用で流体ポンプと駆動モータとの間で流体を循環させ、この循環による流体の運動エネルギーで駆動モータを駆動するように構成したので、電動機の回転速度を制御手段により変えるだけで被駆動体の動作に必要な駆動モータの動作速度と駆動力を無段階に制御することができる。そして、アクチュエータは流体ポンプと電動機と駆動モータとを組み合わせたものから構成されるため、その構成が簡単になって低コスト化が可能になるとともに、流体ポンプ、駆動モータ及び電動機に小型なものを用いることにより、ロボットなどに適した小型で軽量なアクチュエータを容易に実現できる。

また、本発明によれば、流体ポンプに可逆式の回転ポンプを用いることにより、電動機を正逆方向に起動してポンプを回転するだけで駆動モータの駆動に必要な流体の運動エネルギーを容易に発生させることができる。
また、本発明によれば、電動機にサーボモータまたはステッピングモータを用いることによって、駆動モータの動作速度および駆動力の制御を容易にかつ正確に行うことができる。

また、本発明によれば、駆動モータに直動式の流体圧シリンダまたは揺動モータを用いることにより、共通の流体ポンプで駆動される直動型または揺動型のアクチュエータを簡単に選択することができる。
また、本発明によれば、流体ポンプの吸吐口と駆動モータの流体流出入口との間はチューブで連結したので、駆動モータを流体ポンプから離間して配置でき、駆動モータの配置の自由度を向上できる。

本実施の形態によるアクチュエータの特徴は、流体ポンプの両吸吐口と駆動モータの両流出入口とを連通し、電動機の回転速度を制御手段で制御して流体ポンプを駆動することにより、流体ポンプによる流体の吸入と吐出作用で流体ポンプと駆動モータとの間で流体を循環させ、この循環による流体の運動エネルギーで駆動モータを駆動するように構成する。
この構成により、電動機の回転速度と回転トルクを制御手段で制御するだけで駆動モータの動作速度と駆動力を無段階に調整することができる。

次に、本発明にかかるアクチュエータの実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本実施例１におけるアクチュエータの一例を示す全体の斜視図、図２は図１に示す流体ポンプと電動機部分の分解斜視図、図３は図１に示す駆動モータの分解斜視図、図４は本実施例１におけるアクチュエータの回路図である。
図１及び図４において、アクチュエータ１０は、流体ポンプ１１、電動機１２、駆動モータ１３、制御回路（特許請求の範囲に記載した制御手段に相当する）１４を備える。

流体ポンプ１１は歯車形や羽根形の可逆転式の回転ポンプなどから構成されるもので、図１および図２に示すように、エアー、油などの流体の吸入と吐出を兼ねた一対の吸吐口１１１，１１２を有し、流体ポンプ１１が駆動されるに伴い吸吐口１１１，１１２から流体を可逆的に吸入または吐出させることにより、駆動モータ１３との間で流体を可逆的に流動させるように構成されている。これにより、流体ポンプ１１の駆動に伴う流体の運動エネルギーは駆動モータ１３の機械的駆動力に変換される。

電動機１２は流体ポンプ１１を駆動するもので、この電動機１２は、これに供給される電力（電圧または電流）を制御することによって、容易に動力を制御でき、精密に機械量（位置、速度、力など）が得られるように、直流モータから構成される。
前記電動機１２は、図１および図２に示すように、基板１５１と、この基板１５１の左右両側縁に鉛直に設けた左右の側板１５２，１５３と、左右の側板１５２と１５３間に差し渡し状態に設けた第１の取付板１５４からなるハウジング１５内に収容され、第１の取付板１５４に固定されている。また、電動機１２の収容側と反対のハウジング１５端には第２の取付板１５５が左右の側板１５２と１５３間に差し渡し状態に設けられ、この第２の取付板１５５の外側面には流体ポンプ１１が固定されている。また、電動機１２の回転軸１２ａは第１の取付板１５４を貫通して第２の取付板１５５側へ出され、さらに、流体ポンプ１１の駆動軸１１ａは第２の取付板１５５を貫通して第１の取付板１５４側へ出され、この流体ポンプ１１の駆動軸１１ａと電動機１２の回転軸１２ａとは継手１６により連結されている。

駆動モータ１３は、被駆動体を駆動するもので、流体の運動エネルギーを直線運動に変換する直動型の流体圧シリンダから構成されている。この直動型の流体圧シリンダ、すなわち駆動モータ１３は、図１及び図３に示すように、被駆動体の操作に必要な所望長さの円筒体１３１と、この円筒体１３１の相対応する外周面に固着した一対の平行な平板１３２と、円筒体１３１の両端を閉塞する一対の端板１３３と、円筒体１３１内にその長手方向に沿い摺動可能に嵌合されたピストン１３４と、ピストン１３４の中心に一端が結合され他端が一方の端板１３３を気密に貫通して端板１３３外へ突出されたピストンロット１３５とから構成されている。また、駆動モータ１３は、ピストン１３４で区画された円筒体１３１内の左右のチャンバＡ，Ｂ（図４参照）に連通するように設けられた一対の流体流出入口１３６，１３７を有している。この流出入口１３６と流体ポンプ１１の吸吐口１１１との間は可撓性の流体供給チューブ１７により連結されている。さらに、流出入口１３７と流体ポンプ１１の吸吐口１１２との間は可撓性の流体供給チューブ１８により連結されている。また、ピストンロット１３５の外方突出端にはロボットの腕や腰、脚等の被駆動体１９が連結されている。また、被駆動体１９には、その作動位置を検出するポテンショメータ等からなる位置検出器２１が連結されている。
また、流体ポンプ１１の内部及び駆動モータ１３の内部である左右のチャンバＡ，Ｂと流体供給チューブ１７，１８の内部にはエアー、油、液体など流体が単独または混合されて充満状態に封入されている。

制御回路１４は、被駆動体１９を動作させるのに必要な駆動力と速度が駆動モータ１３から得られるように電動機１２に供給される電力を制御するとともに電動機１２の正逆転の切り換え制御を行うものである。
上記制御回路１４は、図４に示すように、被駆動体１９の動作に要求される指令信号、例えばロボットの脚を歩行動作させるのに必要なパターンの指令信号Ｓ１を発生させる指令信号発生装置１４１を備え、この指令信号発生装置１４１からの指令信号Ｓ１は外部から任意に設定できるように構成されている。また、制御回路１４は、図４に示すように、指令信号発生装置２２からの指令信号Ｓ１と上記位置検出器２１からの位置信号Ｓ２とを比較して差信号を出力する比較回路１４２、及び比較回路１４２からの差信号に応じた直流電圧Ｖを出力して電動機１２１に供給する駆動回路１４３を備えている。

次に、本実施例１の動作について説明する。
被駆動体１９の要求動作に応じた指令信号Ｓ１が指令信号発生装置１４１から発生されると、この指令信号Ｓ１は比較回路１４２を通して駆動回路１４３に供給され、指令信号Ｓ１に応じた電圧値で電動機１２を回転駆動すると同時に流体ポンプ１１を駆動する。これにより、流体ポンプ１１及び駆動モータ１３の内部と流体供給チューブ１７，１８の内部に充満状態に封入された流体は流体ポンプ１１による流体の吸入と吐出作用で流体ポンプと駆動モータとの間で循環され、この循環に伴う流体の運動エネルギーで駆動モータ１３、例えば図４に示す流体圧シリンダのピストン１３４を矢印Ｘ１またはＸ２方向に直進動作させる。流体圧シリンダのピストン１３４が矢印Ｘ１またはＸ２方向に動作されると被駆動体１９はその支点１９Aを中心にして揺動回転され、同時に支点１９Aに連結された位置検出器２１から被駆動体１９の揺動角度に応じた位置信号Ｓ２が出力され、比較回路１４２に供給される。比較回路１４２では、位置検出器２１からの位置信号Ｓ２と指令信号発生装置２２からの指令信号Ｓ１とを比較し、その差信号を駆動回路１４３を通して電動機１２に加えることにより、その差信号がゼロとなるように電動機１２の回転速度及び回転数を制御して被駆動体１９を指令パターン通りに動作させる。

一方、被駆動体１９の動作において、電動機１２に供給される直流電圧Ｖを低く設定すれば、電動機１２の回転速度は低くなり、駆動トルクが小さくなる。これにより、駆動モータ１３の動作速度は遅くなるとともに被駆動体１９に対する駆動力は小さくなる。また、電動機１２に供給される直流電圧Ｖを高く設定すれば、電動機１２の回転速度は高くなり、駆動トルクが大きくなる。これにより、駆動モータ１３の動作速度は速くなるとともに被駆動体１９に対する駆動力は大きくなる。

したがって、このような実施例１に示すアクチュエータ１０によれば、流体ポンプ１１の両吸吐口１１１，１１２と駆動モータ１３の両流出入口１３６，１３７との間を流体供給チューブ１７，１８により連結し、この状態で制御回路１４から被駆動体１９の動作指令信号Ｓ１に応じた直流電圧を電動機１２に供給して電動機１２の回転を制御することにより流体ポンプ１１を駆動し、この時の流体ポンプ１１による流体の吸入と吐出作用で流体ポンプ１１と駆動モータ１３との間で流体を循環させ、この循環による流体の運動エネルギーで駆動モータ１３を駆動するようにしたので、制御回路１４の指令信号発生装置２２からの指令信号Ｓ１に応じて電動機１２に加えられる電力（電圧または電流）の値を変えるだけで被駆動体１９の動作に必要な駆動モータ１３の動作速度と駆動力を無段階に制御することができる。

また、本実施例１によれば、流体ポンプ１１と駆動モータ１３と電動機１２とを組み合わせることでアクチュエータ１０を構成できるため、その構成が簡単になって低コスト化が可能になるとともに、流体ポンプ１１、駆動モータ１３及び電動機１２に小型なものを用いることにより、ロボットなどに適した小型で軽量なアクチュエータを容易に実現することができる。

本発明にかかるアクチュエータの実施例２について、図５を参照して説明する。
図５に示すアクチュエータ１０において、上記実施例１と同一の構成要素には同一符号を付してその構成説明を省略し、実施例１と異なる部分を重点に述べる。
この実施例２において実施例１と異なる点は、駆動モータに流体の運動エネルギーを３６０度以内の回転運動に変換する揺動モータ２２を用いたところにある。そして、この揺動モータ２２の流出入口２２１と流体ポンプ１１の吸吐口１１１との間は可撓性の流体供給チューブ１７により連結され、揺動モータ２２の流出入口２２２と流体ポンプ１１の吸吐口１１２との間は流体供給チューブ１８により連結されている。また、揺動モータ２２の出力軸２２３にはロボットの腕や腰、脚等の被駆動体（図示せず）が連結されている。さらに、揺動モータ２２の出力軸２２３には、揺動モータ２２の回転位置を検出するポテンショメータ等からなる位置検出器２１が連結されている。また、流体ポンプ１１の内部及び揺動モータ２２の内部と流体供給チューブ１７，１８の内部にはエアー、油、液体など流体が単独または混合されて充満状態に封入されている。

上記のようなアクチュエータ１０において、制御回路１４（）から出力される電圧が電動機１２に供給されると、電動機１２は加えられる電圧値に応じた速度で回転され、流体ポンプ１１を駆動する。これに伴い、流体ポンプ１１及び揺動モータ２２の内部と流体供給チューブ１７，１８の内部に充満状態に封入された流体は流体ポンプ１１による流体の吸入と吐出作用で流体ポンプ１１と揺動モータ２２との間で循環され、この循環に伴う流体の運動エネルギーで揺動モータ２２を駆動し、その出力軸２２３を図５の矢印Ｙ１またはＹ２に示す方向に３６０度以内で回転させることができる。

このような実施例２に示すアクチュエータ１０によれば、制御回路１４（指令信号発生装置２２）から指令信号に応じた電力（電圧または電流）を電動機１２に加えて、電動機１２を電圧値に応じた速度で回転して流体ポンプ１１を駆動するとともに、この流体ポンプ１１による流体の吸入と吐出作用で流体ポンプ１１と揺動モータ２２との間で流体を循環させ、この循環による流体の運動エネルギーで揺動モータ２２を駆動するようにしたので、制御回路１４からの指令信号に応じて電動機１２に加えられる電力（電圧または電流）の値を変えるだけで被駆動体の動作に必要な揺動モータ２２の揺動速度と駆動力を無段階に制御することができる。

また、本実施例２によれば、流体ポンプ１１と揺動モータ２２と電動機１２とを組み合わせることでアクチュエータ１０を構成できるため、その構成が簡単になって低コスト化が可能になるとともに、流体ポンプ１１、揺動モータ２２及び電動機１２に小型なものを用いることにより、ロボットなどに適した小型で軽量なアクチュエータを容易に実現することができる。

なお、上記実施例１、２では、流体ポンプ１１の駆動用電動機１２に直流モータを用いた場合についてしたが、本発明はこれに限定されず、電動機１２にサーボモータまたはステッピングモータを用いることができる。サーボモータを用いる場合は、入信号に応じてモータの回転角度や速度を任意に制御できるサーボ用制御回路が用いられる。また、ステッピングモータを用いる場合は、モータ本体に電力を供給するドライブ回路、パルス列を供給する発振回路及びシステムの制御部等から構成される制御回路が用いられる。また、電動機にサーボモータまたはステッピングモータを用いることによって、駆動モータの動作速度および駆動力の制御を容易にかつ正確に行うことができる。
また、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、具体的な構成、機能、作用効果において、他の種々の形態によっても実施することができる。

本発明の実施例１におけるアクチュエータを示す全体の斜視図である。 図１に示す流体ポンプと電動機部分の分解斜視図である。 図１に示す駆動モータの分解斜視図である。 本発明の実施例１におけるアクチュエータの回路図である。 本発明の実施例２におけるアクチュエータの回路図である。

符号の説明

１０ アクチュエータ
１１ 流体ポンプ
１１１，１１２ 吸吐口
１２ 電動機
１３ 駆動モータ
１３６，１３７ 流体流出入口
１４ 制御回路
１４１ 指令信号発生装置
１４２ 比較回路
１４３ 駆動回路
１７，１８ 流体供給チューブ
２１ 位置検出回路。

Claims (5)

1. 流体の吸入と吐出を兼ねた一対の吸吐口を有し該吸吐口から流体を可逆的に吸入または吐出する流体ポンプと、前記流体ポンプを駆動する正逆転可能な電動機と、前記流体ポンプの各吸吐口に別々に連通される一対の流入出口を有し前記流体ポンプによる流体の吸入及び吐出作用により前記流入出口を通して流入または流出される流体の運動エネルギーを機械的な力に変換して被駆動体の駆動力を発生させる駆動モータと、前記被駆動体を動作させるのに必要な駆動力が前記駆動モータから発生されるように前記電動機の回転速度を制御するとともに該電動機の正逆転切り換え制御を行う制御手段とを備え、前記流体ポンプと前記駆動モータの内部及び該流体ポンプと駆動モータとの間を連通する流路内には流体が充満状態に封入されていることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記流体ポンプは、可逆式の回転ポンプであることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
3. 前記電動機は、サーボモータまたはステッピングモータであることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
4. 前記駆動モータは、流体の運動エネルギーを直線運動に変換する流体圧シリンダまたは流体の運動エネルギーを３６０度以内の回転運動に変換する揺動モータであることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
5. 前記流体ポンプの一対の吸吐口と前記駆動モータに設けた一対の流体の流出入口との間は流体供給チューブを介して連通されていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。