JP5457112B2

JP5457112B2 - 流体圧アクチュエータ

Info

Publication number: JP5457112B2
Application number: JP2009208932A
Authority: JP
Inventors: 寛則和井田; 洋五味
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-09-10
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2029-09-10
Also published as: JP2011058564A

Description

本発明は、第１の流体圧シリンダにより生成された流体圧を第２の流体圧シリンダに付与することにより第２の流体圧シリンダから駆動力を出力する流体圧アクチュエータに関する。

例えば、人間の手を模倣したハンド装置等においては、屈伸機能を有する複数の指機構を備えている。そして、従来、各指機構の屈伸動作を駆動するために、流体圧アクチュエータを用いたものが知られている（例えば下記特許文献１参照）。この流体圧アクチュエータは、第１の流体圧シリンダにより生成された流体圧を第２の流体圧シリンダに付与し、第２の流体圧シリンダから出力された駆動力により指機構の屈曲動作を行う。即ち、第１の流体圧シリンダと第２の流体圧シリンダとを流体圧伝達管を介して接続し、第２の流体圧シリンダを指機構が備える関節に付設させる。そして、第１の流体圧シリンダをハンド装置の外部に配設することにより、ハンド装置をコンパクトに構成している。

また、第１の流体圧シリンダは、ピストンの後端に連設されたボールねじと、このボールねじに螺合するナットとを備え、モータでナットを回転駆動することによりボールねじと共にピストンが往復動するように構成されている。

特開平８−１２６９８４号公報

ところで、第１の流体圧シリンダは、ピストンによりシリンダ本体内部に形成される圧力室で流体圧を効率良く発生させるため、シリンダ本体内面に対してピストンを気密に摺接させて圧力室への外気の侵入等を防止する必要がある。そこで、ピストンの長さを大とし、ピストンの外径を略全長にわたってシリンダ本体の内径に対応させ、シリンダ本体の内面へのピストンの接触面積を大とすることで圧力室の気密性を得ることが考えられる。そして、ピストンの長さは、少なくともシリンダ本体内部の全長と同等とすることが好ましい。

しかし、上記従来のようにピストンの後端にボールねじを連設した構成では、ピストンの長さをシリンダ本体内部の全長と同等とした場合に、ボールねじが極めて長い距離にわたってピストンの後方に延出する。このため、第１の流体圧シリンダをコンパクトに構成することができない。

本発明は、かかる課題に鑑み、第１の流体圧シリンダにおいて流体圧を効率良く発生させることができ、しかも第１の流体圧シリンダをコンパクトに構成することができる流体圧アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明は、第１の流体圧シリンダにより生成された流体圧を第２の流体圧シリンダに付与することにより第２の流体圧シリンダから駆動力を出力する流体圧アクチュエータにおいて、前記第１の流体圧シリンダは、第１のシリンダ本体と、該第１のシリンダ本体の一方端から挿入されて進退自在の中空の第１のピストンと、該第１のピストンの進退移動を許容しつつ前記第１のシリンダ本体を閉塞するシール部材と、該第１のピストンの軸線に沿って該ピストン内に挿入されるボールねじと、該ボールねじに螺合し且つ前記第１のピストンに固設されたナットと、前記ボールねじを回転駆動することにより前記ナットを介して前記第１のピストンを進退させる回転駆動手段とを備え、前記第２の流体圧シリンダは、前記第１の流体圧シリンダからの作動用流体が供給される第２のシリンダ本体と、該第２のシリンダ本体内を往復動自在の第２のピストンと、該第２のピストンに連設され、該第２のピストンの往復動に伴う進退動作を駆動力として出力するピストンロッドとを備え、液状流体を前記作動用流体として用いてこの液状流体を貯留する流体貯留タンクを設け、前記第１の流体圧シリンダを、前記第１のシリンダ本体の前記一方端を上方として前記第１のピストンの後退方向が上方向となる姿勢に設け、該第１のシリンダ本体の上端部に、後退した前記第１のピストンの先端を非接触状態で収容する収容部を設け、該収容部に、前記流体貯留タンクに接続されて液状流体を導通させる導通孔と、該導通孔の上方に形成されて前記第１のシリンダ本体内部のエアを導出するエア抜き孔とを設けたことを特徴とする。

上記構成により、回転駆動手段がボールねじを回転駆動すると、ボールねじの回転方向に応じてナットが移動する。ナットは第１のピストンに固設されているので、ナットと共に第１のピストンが移動する。第１のピストンの移動により第１のシリンダ本体で流体圧が生成され、この流体圧が前記第２の流体圧シリンダの第２のシリンダ本体に供給されて第２のピストンが作動する。

そして、本発明においては、第１のピストンが中空に形成されていてその内部にボールねじが挿入するようになっているので、第１のピストンが後退したときにはボールねじが第１のピストンの内部に収容される。これによって、従来のようにボールねじをピストンに連設した構成とは異なり、第１の流体圧シリンダをコンパクトに構成しながら、第１のピストンを第１のシリンダ本体内部の全長と同等とすることができる。しかも、前記シール部材が設けられていることによって、第１のピストンが進退する際に、前記第１のシリンダ本体を閉塞した状態を確実に維持することができ、第１のシリンダ本体の気密性を向上して流体圧を効率良く発生させることができる。

なお、前記作動用流体として採用されるものとして、エア等の気体や油等の液状流体が挙げられるが、第１の流体圧シリンダに対する第２の流体圧シリンダの応答性を考慮すると、非圧縮性流体である油等の液状流体を前記作動用流体として採用するのが望ましい。

ここで、前記作動用流体として液状流体を採用した場合に、第１のシリンダ本体内部の液状流体にエアが混入していると、第１の流体圧シリンダに対する第２の流体圧シリンダの応答性が低下するおそれがある。第１のシリンダ本体は、前記シール部材により閉塞されているためエアの混入は防止できる反面、万一他部から侵入したエアが液状流体に混入した場合には第１のシリンダ本体の内部からエアを抜くことが困難となる。

さらに、本発明によれば、万一作動用流体たる液状流体に混入したエアが第１のシリンダ本体の内部に侵入しても、第１のピストンを後退させてその先端を前記収容部に収容するだけで、容易にエアを抜くことができる。即ち、前記第１のシリンダ本体がその一方端（第１のピストンの挿入側）を上方として前記第１のピストンの後退方向が上方向となる姿勢に設けられていることにより、第１のシリンダ本体内部のエアは上方側に向かう。第１のピストンを上方に後退させて、前記第１のシリンダ本体の上端部にある収容部に第１のピストンの先端を収容すると、収容部と第１のピストンの先端との間にエアが入り込む。そして、収容部と第１のピストンの先端との間に入り込んだエアは収容部に形成された前記エア抜き孔から第１のシリンダ本体の外部に導出される。

また、収容部には前記流体貯留タンクに接続された導通孔が形成されている。これによれば、第１のピストンを下方に前進させてその先端が前記収容部から脱出する際に、収容部が負圧となって流体貯留タンクの液状流体が収容部内に引き込まれるので、収容部のエアと液状流体とを置換して収容部に液状流体を充填することができる。従って、エアが抜けたことによる第１のシリンダ本体内部の液状流体の充填量の減少を防止することができる。

本発明の流体圧アクチュエータを採用した実施形態を示す説明図。本実施形態の流体圧アクチュエータにより駆動する指機構を示す説明的断面図。流体圧アクチュエータの要部の説明的断面図。流体圧アクチュエータの作動を模式的に示す説明図。

図１は、本発明の流体圧アクチュエータを駆動手段として採用したハンド装置１を示している。ハンド装置１は、人間の手を模倣したハンド本体２と、ハンド本体２を駆動する流体圧アクチュエータ３とにより構成され、所謂ヒューマノイドロボットに好適に用いることができるものである。

ハンド本体２は、基部４と、５本の指に夫々対応する屈伸機能を有した５つの指機構である拇指機構５、示指機構６、中指機構７、環指機構８、及び小指機構９とを備えている。基部４は、各指機構を連結支持するフレーム１０を備え、基部４の表側が手の甲とされ裏側が手の平とされる。図１においては、ハンド本体２の手の平側を示している。各指機構は、各関節を露出させて指表皮部材１１により被覆され、基部４は基部表皮部材１２により被覆されている。

流体圧アクチュエータ３は、拇指機構５、示指機構６、中指機構７、環指機構８、及び小指機構９の屈伸動作を駆動する。

ここで、示指機構６の構成について説明する。示指機構６は、図２に示すように、指先側から順に、ＤＩＰ関節１３（遠位指節間関節）、ＰＩＰ関節１４（近位指節間関節）、ＭＰ１関節１５、及びＭＰ２関節１６を備えて、各関節毎に回動自在とされている。

ＤＩＰ関節１３は１軸で回動し、ＰＩＰ関節１４はＤＩＰ関節１３と平行の軸線回りに１軸で回動する。ＭＰ１関節１５及びＭＰ２関節１６は２軸で回動する中手指節関節を構成するものであって、ＭＰ１関節１５はＰＩＰ関節１４と平行の軸線回りに回動し、ＭＰ２関節１６はＭＰ１関節１５に交差する軸線回りに回動する。

ＤＩＰ関節１３と、ＰＩＰ関節１４と、ＭＰ１関節１５とは、基部４の手の平側に向かう方向に回動して握り動作等の屈伸運動が行えるようになっている。ＭＰ２関節１６は、各指機構同士が近接・離間する方向に各指機構を揺動させ、例えば手を広げる動作等が行えるようになっている。

図２に示すように、示指機構６は、ＭＰ１関節１５の回動軸１５１を回動させる第１の従動流体圧シリンダ２３（第２の流体圧シリンダ）と、ＰＩＰ関節１４の回動軸１４１を回動させる第２の従動流体圧シリンダ２４（第２の流体圧シリンダ）とを備えている。

第１の従動流体圧シリンダ２３のシリンダ本体２３１（第２のシリンダ本体）は、人間の中手骨に相当し、ＭＰ２関節１６の回動軸１６１により回動自在に前記基部４のフレーム１０（図１参照）に支持されている。第２の従動流体圧シリンダ２４のシリンダ本体２４１（第２のシリンダ本体）は、人間の基節骨に相当し、ＭＰ１関節１５の回動軸１５１を介して第１の従動流体圧シリンダ２３に回動自在に連結されている。

第２の従動流体圧シリンダ２４のシリンダ本体２４１に作動用流体である作動油を供給する配管２４４は、ＭＰ１関節１５の回動軸１５１の内部に収容されている。これにより、ＭＰ１関節１５の回動時に配管２４４が邪魔にならず、示指機構６の屈伸動作を円滑に行うことができる。

また、第２の従動流体圧シリンダ２４のシリンダ本体２４１を示指機構６の長手方向に沿ってＭＰ１関節１５とＰＩＰ関節１４との間に配設することにより、示指機構６をコンパクトに構成することができる。

ＰＩＰ関節１４には、人間の中節骨に相当する連結部材２５を介してＤＩＰ関節１３が連結されている。ＤＩＰ関節１３の回動軸１３１には、指先部材２２が回動自在に連結されている。連結部材２５は、その一端がＰＩＰ関節１４の回動軸１４１に回動自在に連結され、他端がＤＩＰ関節１３の回動軸１３１に連結されている。更に、ＰＩＰ関節１４とＤＩＰ関節１３との間には、リンク部材２７が設けられている。リンク部材２７は、第２の従動流体圧シリンダ２４のシリンダ本体２４１と指先部材２２とを連結する。

第１の従動流体圧シリンダ２３は、シリンダ本体２３１内部に作動油が供給されることによりピストン２３２（第２のピストン）が摺動し、ピストンロッド２３３が伸縮してＭＰ１関節１５を回動させる。これにより、示指機構６がＭＰ１関節１５を介して屈伸する。

第２の従動流体圧シリンダ２４は、シリンダ本体２４１内部に作動油が供給されることによりピストン２４２（第２のピストン）が摺動し、ピストンロッド２４３が伸縮してＰＩＰ関節１４を回動させる。このとき、ＰＩＰ関節１４とＤＩＰ関節１３とが、連結部材２５とリンク部材２７とにより連結されているので、第２の従動流体圧シリンダ２４によるＰＩＰ関節１４の回動に追従してＤＩＰ関節１３が回動する。

ＤＩＰ関節１３は、第２の従動流体圧シリンダ２４によるＰＩＰ関節１４の回動に連動するように構成されているので、人間の指の動きに近い動作が得られるだけでなく、ＤＩＰ関節１３を駆動するためのシリンダ等が不要となり、示指機構６を軽量に構成することができる。

以上の構成により、示指機構６は、第１の従動流体圧シリンダ２３及び第２の従動流体圧シリンダ２４のピストンロッド２３１，２４１を伸長させることにより折り曲げ状態となり、ピストンロッド２３１，２４１を収縮させることにより延ばし状態となる。なお、示指機構６のＭＰ２関節１６は、図外の第３の従動流体圧シリンダにより回動される。

以上、示指機構６の構成を詳しく述べたが、他の指機構も略同様の構成を備えているのでその説明を省略する。

流体圧アクチュエータ３は、図１に示すように、ハンド本体２の外部に設けられた駆動シリンダユニット３５と、この駆動シリンダユニット３５を介してハンド本体２を制御するコントローラ３６と、前述した示指機構６の従動流体圧シリンダ２３，２４を従動流体圧シリンダ含む各指機構の従動流体圧シリンダにより構成される。

駆動シリンダユニット３５は、図１に示すように、複数の駆動流体圧シリンダ３７を備えている。駆動シリンダユニット３５の各駆動流体圧シリンダ３７は、ハンド本体２に内蔵されている前述の従動流体圧シリンダ２３，２４に、１つずつ対応して設けられ、駆動シリンダユニット３５の各駆動流体圧シリンダ３７とハンド本体２の各従動流体圧シリンダ２３，２４とは夫々が流体圧伝達管４５を介して各別に接続される。即ち、駆動流体圧シリンダ３７は本発明の第１の流体圧シリンダであり、従動流体圧シリンダ２３，２４は本発明の第２の流体圧シリンダである。

駆動流体圧シリンダ３７は、図３に示すように、内部に作動用流体としての作動油を収容するシリンダ本体３７１（第１のシリンダ本体）と、シリンダ本体３７１の内部に作動油による圧力室３７ａを形成して往復動自在のピストン３７２（第１のピストン）とを備えている。ピストン３７２は、先端が閉塞され、基端が開放された中空の胴部３７２ａを備えている。胴部３７２ａは、シリンダ本体３７１の全長に相当する長さを有し、その周壁がシリンダ本体３７１の内径に摺接する外径に形成されている。胴部３７２ａの先端には、ゴム製のガスケット３７２ｂが設けられている。

また、ピストン３７２の胴部３７２ａの開放された一方端からは、胴部３７２ａの軸線に沿ってボールねじ３８が挿入され、ボールねじ３８に螺合するナット３９が胴部３７２ａに固設されている。ボールねじ３８は、モータ４０（回転駆動手段）により回転駆動され、これによりナット３９を介してピストン３７２が進退される。また、モータ４０には、作動量を検出するためのエンコーダ４１が設けられている。

モータ４０は、プーリ４２，４３に掛けわたされたベルト４４を介してボールねじ３８を回転駆動する。これにより、モータ４０の出力軸４０１とピストン３７２の胴部３７２ａとの軸線が平行となり、モータ４０をシリンダ本体３７１に隣設することができてコンパクトに形成される。

駆動流体圧シリンダ３７は、シリンダ本体３７１の前記一方端を上方としてのピストン３７２の後退方向が上方向となる姿勢（即ち、圧力室３７ａが下側に位置する姿勢）に設けられている。駆動流体圧シリンダ３７には、上方に後退したピストン３７２を回転不能の状態で上下方向に案内するガイド部材３７３が連設され、ガイド部材３７３の上端にはベアリング４５を介してボールねじ３８を回転自在に支持する支持部材４６が連設されている。

ガイド部材３７３とシリンダ本体３７１との間には、ピストン３７２の外周に接してシールする環状のシール部材４７を備えてガイド部材３７３とシリンダ本体３７１とを連結する連結ブロック３７４が一体に設けられている。こうすることにより、ピストン３７２の進退動作時であってもシール部材４７によりシリンダ本体３７１の閉塞された状態が確実に維持され、シリンダ本体３７１の気密性を向上して作動油圧を効率良く発生させることができる。

また、連結ブロック３７４の内周面には、シリンダ本体３７１よりも内径が大とされてシリンダ本体３７１の上端側に後退したピストン３７２の先端部を収容する収容部３７４ａが形成されており、シリンダ本体３７１の上端にはシリンダ本体３７１の圧力室３７ａから次第に各径して収容部３７４ａに連続するテーパ部３７ｂが形成されている。収容部３７４ａは、ピストン３７２との間に空隙ｓを形成し、収容部３７４ａにピストン３７２の先端部が収容されたときには、シリンダ本体３７１の圧力室３７ａがテーパ部３７ｂを介して収容部３７４ａとピストン３７２との間の空隙ｓに連通する。

また、駆動シリンダユニット３５は、各駆動流体圧シリンダ３７に接続される流体貯留タンク４８を備えている。流体貯留タンク４８は、作動用流体として用いる作動油（液状流体）を貯留する。そして、前記収容部３７４ａには、流体貯留タンク４８に第１配管４８１を介して接続されて作動油を導通させる導通孔３７４ｂと、該導通孔３７４ｂの上方に形成されてシリンダ本体３７１内部のエアを収容部３７４ａから導出するエア抜き孔３７４ｃとが形成されている。エア抜き孔３７４ｃは、第２配管４８２を介して流体貯留タンク４８に接続されている。なお、第１配管４８１は流体貯留タンク４８内の作動油の貯留位置に接続され、第２配管４８２は流体貯留タンク４８の作動油上のエア溜まりの位置に接続されている。

以上の構成により、図４（ａ）及び（ｂ）に模式的に示すように、駆動流体圧シリンダ３７の内部に流体を送出・吸入すれば、それに対応して各従動流体圧シリンダ２３（２４）では流体が圧入・排出され、従動流体圧シリンダ３７による指機構６の駆動が行われる。このとき、コントローラ３６がモータ４０を介して駆動流体圧シリンダ３７における流体の送出量及び吸入量を制御することにより、従動流体圧シリンダ２３（２４）によって指機構６に所望の屈伸作動を行わせることができる。なお、指機構６だけでなく、指機構６と同様の構成を有する他の指機構５，７，８，９においても同様に動作させることができる。

更に、図３に示すように、駆動流体圧シリンダ３７のシリンダ本体３７１は、圧力室３７ａが下側に位置する姿勢に設けられていることにより、万一作動油に混入したエアがシリンダ本体３７１の内部に侵入しても、エアはシリンダ本体３７１の上方に向かう。従って、ピストン３７２を後退させてその先端を収容部３７４ａに収容することによって、シリンダ本体３７１の圧力室３７ａのエアがテーパ部３７ｂを介して収容部３７４ａとピストン３７２との間の空隙ｓに入り込み、エア抜き孔３７４ｃから流体貯留タンク４８のエア溜まりに排出される。

そして、ピストン３７２が下方に移動すると、ピストン３７２の先端がテーパ部３７ｂを経てシリンダ本体３７１の圧力室３７ａに入り、エアが排出された圧力室３７ａにより確実に作動油圧を得ることができる。しかも、ピストン３７２がテーパ部３７ｂから圧力室３７ａに侵入するとき、収容部３７４ａが負圧となって流体貯留タンク４８の作動油が収容部３７４ａ内に引き込まれるので、収容部３７４ａに作動油を充填することができる。従って、エアが抜けたことによるシリンダ３７１本体内部の作動油の充填量の減少を防止することができる。

なお、本実施形態においては、本発明の流体圧アクチュエータを人間の手を模倣した指機構に採用した例を示したが、これに限るものではなく、例えば、他の屈曲機構等の駆動源として本発明の流体圧アクチュエータを好適に採用することができる。

３…流体圧アクチュエータ、２３，２４…従動流体圧シリンダ（第２の流体圧シリンダ）、２３１，２４１…シリンダ本体（第２のシリンダ本体）、２３２，２４２…ピストン（第２のピストン）、２３３，２４３…ピストンロッド、３７…駆動流体圧シリンダ（第１の流体圧シリンダ）、３７１…シリンダ本体（第１のシリンダ本体）、３７２…ピストン（第１のピストン）、３７４ａ…収容部、３７４ｂ…導通孔、３７４ｃ…エア抜き孔、３８…ボールねじ、３９…ナット、４０…モータ（回転駆動手段）、４７…シール部材、４８…流体貯留タンク。

Claims

第１の流体圧シリンダにより生成された流体圧を第２の流体圧シリンダに付与することにより第２の流体圧シリンダから駆動力を出力する流体圧アクチュエータにおいて、
前記第１の流体圧シリンダは、第１のシリンダ本体と、該第１のシリンダ本体の一方端から挿入されて進退自在の中空の第１のピストンと、該第１のピストンの進退移動を許容しつつ前記第１のシリンダ本体を閉塞するシール部材と、該第１のピストンの軸線に沿って該第１のピストン内に挿入されるボールねじと、該ボールねじに螺合し且つ前記第１のピストンに固設されたナットと、前記ボールねじを回転駆動することにより前記ナットを介して前記第１のピストンを進退させる回転駆動手段とを備え、
前記第２の流体圧シリンダは、前記第１の流体圧シリンダからの作動用流体が供給される第２のシリンダ本体と、該第２のシリンダ本体内を往復動自在の第２のピストンと、該第２のピストンに連設され、該第２のピストンの往復動に伴う進退動作を駆動力として出力するピストンロッドとを備え、
液状流体を前記作動用流体として用いてこの液状流体を貯留する流体貯留タンクを設け、
前記第１の流体圧シリンダを、前記第１のシリンダ本体の前記一方端を上方として前記第１のピストンの後退方向が上方向となる姿勢に設け、
該第１のシリンダ本体の上端部に、後退した前記第１のピストンの先端を非接触状態で収容する収容部を設け、
該収容部に、前記流体貯留タンクに接続されて液状流体を導通させる導通孔と、該導通孔の上方に形成されて前記第１のシリンダ本体内部のエアを導出するエア抜き孔とを設けたことを特徴とする流体圧アクチュエータ。