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JP2010025218A - Compressible fluid pressure actuator and joint drive unit using the same - Google Patents

Compressible fluid pressure actuator and joint drive unit using the same Download PDF

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JP2010025218A
JP2010025218A JP2008186803A JP2008186803A JP2010025218A JP 2010025218 A JP2010025218 A JP 2010025218A JP 2008186803 A JP2008186803 A JP 2008186803A JP 2008186803 A JP2008186803 A JP 2008186803A JP 2010025218 A JP2010025218 A JP 2010025218A
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JP
Japan
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swing
axis
fluid pressure
compressible fluid
pressure actuator
Prior art date
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Pending
Application number
JP2008186803A
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Japanese (ja)
Inventor
Katsuhiko Asai
勝彦 浅井
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Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】動作効率に優れた圧縮性流体圧アクチュエータ及びそれを用いた関節駆動ユニットを提供する。
【解決手段】ベース部材にユニバーサルジョイント機構で保持され、その機構の中心を含む3つの直交軸中の2つの軸の夫々に対して、夫々、揺動可能な揺動部材と第1及び第2の回転部材と、圧縮性流体を蓄えるタンク部材に圧縮性流体を補充する圧力源と、ベース部材と揺動部材を連結しタンク部材内の圧縮性流体により駆動され揺動部材に対して揺動トルクを発生させる複数の揺動トルク発生機構とタンク部材における圧縮性流体の接続を制御する制御弁装置と、2つの回転部材の相対角度を変化させる揺動角調節手段とを備える。
【選択図】図1A
A compressible fluid pressure actuator excellent in operation efficiency and a joint drive unit using the same are provided.
A swing member that is held by a universal joint mechanism on a base member and is swingable with respect to each of two of three orthogonal axes including the center of the mechanism, and first and second A rotating member, a pressure source for replenishing the compressive fluid to the tank member that stores the compressible fluid, and a base member and the swing member connected to each other and driven by the compressive fluid in the tank member to swing relative to the swing member A plurality of swing torque generating mechanisms for generating torque, a control valve device for controlling the connection of the compressible fluid in the tank member, and a swing angle adjusting means for changing the relative angle between the two rotating members.
[Selection] Figure 1A

Description

本発明は、動作効率に優れた圧縮性流体圧アクチュエータ及びそれを用いた関節駆動ユニットに関する。   The present invention relates to a compressible fluid pressure actuator excellent in operation efficiency and a joint drive unit using the same.

近年、医療用ロボット、家庭用サービスロボット、及び、工場内での作業支援ロボット等、人と近い領域で動作するロボットへの期待が高まっている。このようなロボットでは、産業用ロボットとは異なり、人と接触した時の安全性確保が重要となる。そのためには、関節駆動用アクチュエータに対しても、軽量性が求められるとともに、関節剛性を必要に応じて変化させること等が求められるようになる。そのような要求に対応するアクチュエータの一例として、空圧アクチュエータがある(例えば、非特許文献1、非特許文献2参照)。空圧アクチュエータは、気体の圧力を用いて駆動することから軽量化が容易であるとともに、内部圧力の制御により剛性を変化させることもできる。   In recent years, there are increasing expectations for robots that operate in areas close to humans, such as medical robots, home service robots, and work support robots in factories. In such robots, unlike industrial robots, it is important to ensure safety when in contact with people. For this purpose, the joint driving actuator is required to be lightweight and to change the joint rigidity as necessary. One example of an actuator that meets such a requirement is a pneumatic actuator (see, for example, Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). The pneumatic actuator can be easily reduced in weight because it is driven using gas pressure, and the rigidity can be changed by controlling the internal pressure.

電子情報通信学会発行、「電子情報通信学会誌A」,2005年発行,Vol.J88−A,No.11の1318〜1325ページPublished by IEICE, “Journal of IEICE A”, 2005, Vol. J88-A, no. 11 pages 1318-1325 日本ロボット学会発行、「Advanced Robotics」,2002年発行,Vol.20,No.2の213〜232ページPublished by the Robotics Society of Japan, “Advanced Robotics”, 2002, Vol. 20, no. 2 pages 213-232

空圧アクチュエータを関節駆動用アクチュエータとして用いる場合、動作状況に応じて関節トルク又は関節剛性を制御するために、内部圧力を頻繁に変化させる必要がある。よって、空圧アクチュエータでは、圧力源から供給される圧縮空気の圧力を減圧させたり、アクチュエータ内の圧縮空気をそのまま排気することが頻繁に生じ、圧縮空気を大量に消費することになる。このため、関節駆動のような用途に対して空圧アクチュエータを用いるのは、消費する圧縮空気が内包するエネルギーに比べると、アクチュエータの外部になす仕事が小さくなるので、動作効率が悪くなるという課題を有することになる。   When the pneumatic actuator is used as a joint driving actuator, it is necessary to frequently change the internal pressure in order to control the joint torque or the joint rigidity according to the operation state. Therefore, in the pneumatic actuator, the pressure of the compressed air supplied from the pressure source is frequently reduced or the compressed air in the actuator is exhausted as it is, so that a large amount of compressed air is consumed. For this reason, the use of pneumatic actuators for applications such as joint drive is less efficient than the energy contained in the compressed air that is consumed, resulting in less work efficiency and lower operating efficiency. Will have.

従って、本発明の目的は、かかる点に鑑み、動作効率に優れた圧縮性流体圧アクチュエータ及びそれを用いた関節駆動ユニットを提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a compressible fluid pressure actuator excellent in operation efficiency and a joint drive unit using the same in view of the above point.

前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。   In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.

本発明の第1態様によれば、ベース部材と、
前記ベース部材に対してユニバーサルジョイント機構を介して保持され、前記ベース部材を基準とした前記ユニバーサルジョイント機構のジョイント中心を含む第1の軸に対して揺動可能である揺動部材と、
前記揺動部材を基準とした前記ユニバーサルジョイント機構の前記ジョイント中心を含む第2の軸回りに前記揺動部材に対して回転可能に保持される第1の回転部材と、
前記第1の回転部材に対して、前記第2の軸に垂直かつ前記ユニバーサルジョイント機構の前記ジョイント中心を含む第3の軸回りに回転可能に保持されるとともに、前記ベース部材に対しても前記第1の軸回りに回転可能に保持される第2の回転部材と、
圧縮性流体を蓄えるタンク部材と、
前記タンク部材と接続されて前記タンク部材に前記圧縮性流体を補充する圧力源と、
前記ベース部材と前記揺動部材を連結し、前記タンク部材に接続されて前記タンク部材内の前記圧縮性流体により駆動されることで、前記揺動部材に対して揺動トルクを発生させる複数の揺動トルク発生機構と、
前記揺動トルク発生機構と前記タンク部材との間の前記圧縮性流体の接続を制御する制御弁装置と、
前記第1の回転部材と前記第2の回転部材との前記第3の軸回りの相対角度を変化させる揺動角調節手段とを備え、
前記制御弁装置は、前記揺動トルク発生機構により、前記第1の軸と前記第3の軸に垂直な第4の軸回りに前記揺動部材に対する揺動トルクが発生するように制御することを特徴とする回転動作可能な圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
According to a first aspect of the present invention, a base member;
A swing member that is held with respect to the base member via a universal joint mechanism and is swingable with respect to a first axis including a joint center of the universal joint mechanism with respect to the base member;
A first rotating member that is rotatably held with respect to the swinging member around a second axis including the joint center of the universal joint mechanism with respect to the swinging member;
The first rotating member is held so as to be rotatable about a third axis perpendicular to the second axis and including the joint center of the universal joint mechanism, and also to the base member. A second rotating member held rotatably about the first axis;
A tank member for storing a compressible fluid;
A pressure source connected to the tank member to replenish the compressive fluid in the tank member;
The base member and the swing member are coupled, connected to the tank member, and driven by the compressive fluid in the tank member, thereby generating swing torque on the swing member. A swing torque generating mechanism;
A control valve device for controlling connection of the compressive fluid between the swing torque generating mechanism and the tank member;
Rocking angle adjusting means for changing a relative angle of the first rotating member and the second rotating member around the third axis;
The control valve device controls the swing torque generation mechanism to generate swing torque for the swing member about a fourth axis perpendicular to the first shaft and the third shaft. A compressible fluid pressure actuator capable of rotating operation is provided.

本発明の第11態様によれば、第1〜10のいずれか1つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータにより駆動される関節駆動ユニットを提供する。   According to an eleventh aspect of the present invention, there is provided a joint drive unit driven by the compressive fluid pressure actuator according to any one of the first to tenth aspects.

よって、本発明によれば、動作効率に優れた圧縮性流体圧アクチュエータ及びそれを用いた関節駆動ユニットを得ることができる。すなわち、第2の回転部材に作用する回転トルクは、揺動部材に作用する第4の軸回りの揺動トルクと、揺動角調節手段により調整される第1の回転部材と第2の回転部材との相対角度により決定されるので、揺動トルク発生機構にタンク部材内の圧縮性流体の圧力をそのまま作用させ、揺動部材に対する第4の軸回りの揺動トルクを最大限発生させ続けた状態でも、第4の軸回りの揺動トルクに関係なく、揺動角調節手段によって第2の回転部材に作用する回転トルクを制御することが可能になる。この際、揺動部材に作用する第3の軸回りの揺動トルク調節に用いられる一部の揺動トルク発生機構以外は、タンク部材内の圧縮性流体により直接駆動することができるので、圧縮性流体が失うエネルギーと圧縮性流体圧アクチュエータの外部になされるエネルギーは連動し、動作効率が向上することになる。さらに、本発明による圧縮性流体圧アクチュエータに対して外部から仕事がなされる場合には、そのエネルギーはタンク部材内の圧縮性流体に対して回生されることになるので、さらなる動作効率の向上が図れることになる。   Therefore, according to the present invention, it is possible to obtain a compressible fluid pressure actuator excellent in operation efficiency and a joint drive unit using the same. That is, the rotational torque that acts on the second rotating member includes the swinging torque about the fourth axis that acts on the swinging member, and the first and second rotating members that are adjusted by the swinging angle adjusting means. Since the pressure is determined by the relative angle to the member, the pressure of the compressive fluid in the tank member is directly applied to the swing torque generating mechanism to continuously generate the swing torque around the fourth axis with respect to the swing member. Even in this state, the rotational torque acting on the second rotating member can be controlled by the swing angle adjusting means regardless of the swing torque around the fourth axis. At this time, except for a part of the oscillating torque generating mechanism used for adjusting the oscillating torque around the third axis acting on the oscillating member, it can be directly driven by the compressive fluid in the tank member, The energy lost by the compressive fluid and the energy generated outside the compressive fluid pressure actuator are linked to improve the operation efficiency. Furthermore, when work is performed from the outside on the compressive fluid pressure actuator according to the present invention, the energy is regenerated with respect to the compressive fluid in the tank member. It will be planned.

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。   Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

以下、図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described before detailed description of embodiments of the present invention with reference to the drawings.

本発明の第1態様によれば、ベース部材と、
前記ベース部材に対してユニバーサルジョイント機構を介して保持され、前記ベース部材を基準とした前記ユニバーサルジョイント機構のジョイント中心を含む第1の軸に対して揺動可能である揺動部材と、
前記揺動部材を基準とした前記ユニバーサルジョイント機構の前記ジョイント中心を含む第2の軸回りに前記揺動部材に対して回転可能に保持される第1の回転部材と、
前記第1の回転部材に対して、前記第2の軸に垂直かつ前記ユニバーサルジョイント機構の前記ジョイント中心を含む第3の軸回りに回転可能に保持されるとともに、前記ベース部材に対しても前記第1の軸回りに回転可能に保持される第2の回転部材と、
圧縮性流体を蓄えるタンク部材と、
前記タンク部材と接続されて前記タンク部材に前記圧縮性流体を補充する圧力源と、
前記ベース部材と前記揺動部材を連結し、前記タンク部材に接続されて前記タンク部材内の前記圧縮性流体により駆動されることで、前記揺動部材に対して揺動トルクを発生させる複数の揺動トルク発生機構と、
前記揺動トルク発生機構と前記タンク部材との間の前記圧縮性流体の接続を制御する制御弁装置と、
前記第1の回転部材と前記第2の回転部材との前記第3の軸回りの相対角度を変化させる揺動角調節手段とを備え、
前記制御弁装置は、前記揺動トルク発生機構により、前記第1の軸と前記第3の軸に垂直な第4の軸回りに前記揺動部材に対する揺動トルクが発生するように制御することを特徴とする回転動作可能な圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
According to a first aspect of the present invention, a base member;
A swing member that is held with respect to the base member via a universal joint mechanism and is swingable with respect to a first axis including a joint center of the universal joint mechanism with respect to the base member;
A first rotating member that is rotatably held with respect to the swinging member around a second axis including the joint center of the universal joint mechanism with respect to the swinging member;
The first rotating member is held so as to be rotatable about a third axis perpendicular to the second axis and including the joint center of the universal joint mechanism, and also to the base member. A second rotating member held rotatably about the first axis;
A tank member for storing a compressible fluid;
A pressure source connected to the tank member to replenish the compressive fluid in the tank member;
The base member and the swing member are coupled, connected to the tank member, and driven by the compressive fluid in the tank member, thereby generating swing torque on the swing member. A swing torque generating mechanism;
A control valve device for controlling connection of the compressive fluid between the swing torque generating mechanism and the tank member;
Rocking angle adjusting means for changing a relative angle of the first rotating member and the second rotating member around the third axis;
The control valve device controls the swing torque generation mechanism to generate swing torque for the swing member about a fourth axis perpendicular to the first shaft and the third shaft. A compressible fluid pressure actuator capable of rotating operation is provided.

このような構成によれば、第2の回転部材に作用する回転トルクは、揺動部材に作用する第4の軸回りの揺動トルクと、揺動角調節手段により調整される第1の回転部材と第2の回転部材との相対角度により決定されるので、揺動トルク発生機構にタンク部材内の圧縮性流体の圧力をそのまま作用させ、揺動部材に対する第4の軸回りの揺動トルクを最大限発生させ続けた状態でも、第4の軸回りの揺動トルクに関係なく、揺動角調節手段によって第2の回転部材に作用する回転トルクを制御することが可能になる。この際、揺動部材に作用する第3の軸回りの揺動トルク調節に用いられる一部の揺動トルク発生機構以外は、タンク部材内の圧縮性流体により直接駆動することができるので、圧縮性流体が失うエネルギーと外部になされるエネルギーは連動し、動作効率が向上することになる。さらに、本発明による圧縮性流体圧アクチュエータに対して外部から仕事がなされる場合には、そのエネルギーはタンク部材内の圧縮性流体に対して回生されることになるので、さらなる動作効率の向上が図れることになる。従って、動作効率に優れた圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。   According to such a configuration, the rotational torque acting on the second rotating member is the first rotation adjusted by the swinging torque around the fourth axis acting on the swinging member and the swinging angle adjusting means. Since it is determined by the relative angle between the member and the second rotating member, the pressure of the compressive fluid in the tank member is applied to the swing torque generating mechanism as it is, and the swing torque about the fourth axis with respect to the swing member. Even in a state where the maximum rotation is continuously generated, the rotational torque acting on the second rotating member can be controlled by the swing angle adjusting means regardless of the swing torque around the fourth axis. At this time, except for a part of the oscillating torque generating mechanism used for adjusting the oscillating torque around the third axis acting on the oscillating member, it can be directly driven by the compressive fluid in the tank member, The energy lost by the sexual fluid and the energy made outside are linked to improve the operating efficiency. Furthermore, when work is performed from the outside on the compressive fluid pressure actuator according to the present invention, the energy is regenerated with respect to the compressive fluid in the tank member. It will be planned. Therefore, a compressible fluid pressure actuator having excellent operating efficiency can be obtained.

本発明の第2態様によれば、前記ユニバーサルジョイント機構が、等速ジョイント機構であることを特徴とする第1の態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。   According to a second aspect of the present invention, there is provided the compressible fluid pressure actuator according to the first aspect, wherein the universal joint mechanism is a constant velocity joint mechanism.

このような構成によれば、第2の回転部材の角度による特性のばらつきが少なくなり、揺動角調節手段による第2の回転部材に作用する回転トルクの制御、又は、制御弁装置による第3の軸回り揺動トルクの調節が容易になるので、より制御性に優れた圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。   According to such a configuration, variation in characteristics due to the angle of the second rotating member is reduced, and the control of the rotational torque acting on the second rotating member by the swing angle adjusting means, or the third by the control valve device. Therefore, it is possible to obtain a compressible fluid pressure actuator with better controllability.

本発明の第3態様によれば、前記複数の揺動トルク発生機構のそれぞれが、前記第2の軸回りの円周上に等間隔で配置されていることを特徴とする第1〜2のいずれか1つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。   According to the third aspect of the present invention, each of the plurality of swing torque generating mechanisms is arranged at equal intervals on a circumference around the second axis. A compressible fluid pressure actuator according to any one aspect is provided.

このような構成によれば、第2の回転部材の角度による特性のばらつきが少なくなり、揺動角調節手段による第2の回転部材に作用する回転トルクの制御、又は、制御弁装置による第3の軸回り揺動トルクの調節が容易になるので、より制御性に優れた圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。   According to such a configuration, variation in characteristics due to the angle of the second rotating member is reduced, and the control of the rotational torque acting on the second rotating member by the swing angle adjusting means, or the third by the control valve device. Therefore, it is possible to obtain a compressible fluid pressure actuator with better controllability.

本発明の第4態様によれば、前記揺動トルク発生機構が、前記揺動部材に対して双方向の揺動トルクを与えることを特徴とする第1〜3のいずれか1つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。   According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the swing torque generating mechanism applies a bidirectional swing torque to the swing member. A compressible fluid pressure actuator is provided.

このような構成によれば、揺動部材に作用する第4の軸回りのトルクを、揺動部材を押圧することにより発生できる領域と、揺動部材を引張することにより発生できる領域の、何れの領域に位置する揺動トルク発生機構も用いて発生させることができるようになるので、より、高出力な圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。   According to such a configuration, any of a region where the torque around the fourth axis acting on the swinging member can be generated by pressing the swinging member and a region where the torque can be generated by pulling the swinging member is selected. Therefore, it is possible to generate the compressive fluid pressure actuator with higher output.

本発明の第5態様によれば、前記揺動トルク発生機構を、3以上の奇数個備えることを特徴とする第4の態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。   According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the compressible fluid pressure actuator according to the fourth aspect, wherein the swing torque generating mechanism is provided with an odd number of three or more.

このような構成によれば、揺動トルク発生機構を配置する間隔のばらつきを大きくしなくても、各揺動トルク発生機構をジョイント中心に対して非対称な位置に配置することができる。これにより、第2の回転部材の角度による揺動トルクのばらつきを小さくすることができるようになるので、より性能の安定した圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。   According to such a configuration, each swing torque generating mechanism can be disposed at an asymmetric position with respect to the joint center without increasing the variation in the interval at which the swing torque generating mechanism is disposed. As a result, variation in the swinging torque due to the angle of the second rotating member can be reduced, and a compressible fluid pressure actuator with more stable performance can be obtained.

本発明の第6態様によれば、前記揺動トルク発生機構に作用する前記圧縮性流体の圧力が、前記第4の軸に最も接近した前記揺動トルク発生機構を除き、前記タンク部材における前記圧縮性流体の圧力若しくは前記揺動トルク発生機構の周辺圧力であることを特徴とする第5の態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。   According to the sixth aspect of the present invention, the pressure of the compressive fluid acting on the swing torque generating mechanism is the tank member except for the swing torque generating mechanism closest to the fourth shaft. A compressible fluid pressure actuator according to a fifth aspect is provided, wherein the compressive fluid pressure is a pressure of a compressive fluid or a pressure around the oscillation torque generating mechanism.

このような構成によれば、1つを除いた揺動トルク発生機構にはタンク部材内の圧縮性流体の圧力を直接作用させることができるので、圧縮性流体のエネルギー変化と外部とのエネルギー授受との差が小さくなり、より動作効率に優れた圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。   According to such a configuration, the pressure of the compressible fluid in the tank member can be directly applied to the oscillation torque generating mechanism except for one, so that the energy change of the compressive fluid and the external energy transfer And a compressible fluid pressure actuator having more excellent operation efficiency can be obtained.

本発明の第7態様によれば、前記揺動トルク発生機構が、ピストンシリンダ機構であることを特徴とする第1〜6のいずれか1つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。   According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the compressible fluid pressure actuator according to any one of the first to sixth aspects, wherein the swing torque generating mechanism is a piston cylinder mechanism.

このような構成によれば、変位にかかわらず揺動トルク発生機構の発生力を一定にすることでできるので、より性能の安定した圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。   According to such a configuration, since the generated force of the swing torque generating mechanism can be made constant regardless of the displacement, a compressible fluid pressure actuator with more stable performance can be obtained.

本発明の第8態様によれば、前記ピストンシリンダ機構が、両ロッド形のピストンを用いた機構であることを特徴とする第7の態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。   According to an eighth aspect of the present invention, there is provided the compressible fluid pressure actuator according to the seventh aspect, wherein the piston cylinder mechanism is a mechanism using a double rod type piston.

このような構成によれば、タンク部材内の圧縮性流体の圧力により揺動トルク発生機構を動作させた場合における、ピストン動作方向による揺動トルクの大きさの違いを抑えることができるので、より性能の安定した圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。   According to such a configuration, when the swing torque generating mechanism is operated by the pressure of the compressive fluid in the tank member, the difference in swing torque depending on the piston operating direction can be suppressed. A compressible fluid pressure actuator having stable performance can be obtained.

本発明の第9態様によれば、前記揺動トルク発生機構と前記揺動部材は球ジョイント機構にて連結され、前記球ジョイント機構のジョイント中心が前記第2の軸に垂直かつ前記第3の軸を含む平面上にあることを特徴とする第1〜8のいずれか1つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。   According to a ninth aspect of the present invention, the swing torque generating mechanism and the swing member are connected by a ball joint mechanism, and the joint center of the ball joint mechanism is perpendicular to the second axis and the third shaft. The compressible fluid pressure actuator according to any one of the first to eighth aspects is provided on a plane including an axis.

このような構成によれば、第1の回転部材と第2の回転部材との相対角度を変化させる際に揺動角調節手段が行う仕事を小さくすることができるので、より制御性に優れた圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。   According to such a configuration, since the work performed by the swing angle adjusting means when changing the relative angle between the first rotating member and the second rotating member can be reduced, the controllability is further improved. A compressible fluid pressure actuator can be obtained.

本発明の第10態様によれば、第1〜9のいずれか1つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを複数備え、各圧縮性流体圧アクチュエータの前記タンク部材及び前記圧力源が互いに共有される構成であることを特徴とする多軸圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。   According to a tenth aspect of the present invention, a plurality of the compressible fluid pressure actuators according to any one of the first to ninth aspects are provided, and the tank member and the pressure source of each compressive fluid pressure actuator are shared with each other. A multi-axis compressible fluid pressure actuator is provided.

このような構成によれば、複数の圧縮性流体圧アクチュエータの使用するタンク部材における圧力変動が平均化されるので、各圧縮性流体圧アクチュエータの動作の連動性が低いほどタンク部材の内圧の変動を小さくすることができ、より性能の安定した多軸圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。   According to such a configuration, the pressure fluctuations in the tank members used by the plurality of compressible fluid pressure actuators are averaged. And a multiaxial compressible fluid pressure actuator with more stable performance can be obtained.

本発明の第11態様によれば、関節部を介して連結された2つの腕の前記関節部に第1〜10のいずれか1つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータが配置され、前記圧縮性流体圧アクチュエータにより、前記2つの腕のうちの一方の腕に対して他方の腕が駆動される関節駆動ユニットを提供する。   According to an eleventh aspect of the present invention, the compressive fluid pressure actuator according to any one of the first to tenth aspects is disposed at the joint portion of two arms connected via a joint portion, and the compression There is provided a joint drive unit in which the other arm is driven with respect to one of the two arms by a sexual fluid pressure actuator.

このような構成によれば、前記第1〜10のいずれか1つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータにより駆動される関節駆動ユニットを構成することができて、前記圧縮性流体圧アクチュエータの作用効果を奏することができる関節駆動ユニットを得ることができる。   According to such a configuration, the joint drive unit driven by the compressible fluid pressure actuator according to any one of the first to tenth aspects can be configured, and the action of the compressible fluid pressure actuator can be configured. It is possible to obtain a joint drive unit capable of producing an effect.

以下、本発明の種々の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(第1実施形態)
図1Aは、本発明にかかる第1実施形態の圧縮性流体圧アクチュエータの一例としての回転アクチュエータ1の概略を示した正面断面図であり、その部分拡大図が図1Bである。また図1Cには回転アクチュエータ1の右側面断面図を示し、図1Dには図1AにおけるA−A線の断面図を示している。この第1実施形態の回転アクチュエータにおける直交座標軸として、図1Aの上向きをZ軸、左向きをX軸、紙面手前側をY軸と定義する。
(First embodiment)
FIG. 1A is a front sectional view showing an outline of a rotary actuator 1 as an example of a compressible fluid pressure actuator according to a first embodiment of the present invention, and a partially enlarged view thereof is FIG. 1B. 1C shows a right side cross-sectional view of the rotary actuator 1, and FIG. 1D shows a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1A. As the orthogonal coordinate axes in the rotary actuator of the first embodiment, the upward direction in FIG.

図1A〜図1Dにおいて、ベース部材の一例である円筒状のフレーム11の上面中央部に、中心軸が第1の軸(仮想軸)の一例として機能する固定軸12が固定されている。固定軸12には、ユニバーサルジョイント機構の一例である等速ジョイント13を介して、中心軸が第2の軸(仮想軸)の一例として機能する揺動軸14が接続されている。等速ジョイント13としては、例えば特開2002−349593号公報にて開示されているような等速ジョイントが利用可能である。このような等速ジョイントを用いることは、揺動軸14が傾く方向による違いがないので望ましい。さらに、揺動軸14の下端には、揺動部材の一例でありかつ5角形の平面形状を有する椀状部材15の中央板部15aの開口15bが固定されており、等速ジョイント13のジョイント中心を基準に、揺動軸14と椀状部材15とが一体的に揺動動作が可能なようになっている。また、椀状部材15は、椀状部材15の中央板部15aの上面に配置しかつラジアル荷重及びスラスト荷重を保持できるベアリング機構16を介して、第1の回転部材の一例である円形の板状部材17を中央板部15aと平行に保持するようになっており、板状部材17は、椀状部材15に対して揺動軸14の中心軸と同軸に相対回転できるようになっている。ベアリング機構16としては、例えばクロスローラ軸受又は組合せアンギュラ玉軸受などが利用可能である。板状部材17には、揺動軸14の中心軸回りに180度間隔をあけて二つの板状突起部38a、38bがあり、板状突起部38a、38bには、それぞれ軸18a、18bが固定されている。軸18a、18bは、同軸上に配置されるとともに、軸18a、18bの中心軸が、等速ジョイント13のジョイント中心を通過する位置に配置されている。   1A to 1D, a fixed shaft 12 whose center axis functions as an example of a first axis (virtual axis) is fixed to a central portion of an upper surface of a cylindrical frame 11 that is an example of a base member. A rocking shaft 14 whose central axis functions as an example of a second axis (virtual axis) is connected to the fixed shaft 12 via a constant velocity joint 13 which is an example of a universal joint mechanism. As the constant velocity joint 13, for example, a constant velocity joint as disclosed in JP-A-2002-349593 can be used. Use of such a constant velocity joint is desirable because there is no difference depending on the direction in which the swing shaft 14 is inclined. Furthermore, an opening 15b of a central plate portion 15a of a bowl-shaped member 15 which is an example of a swinging member and has a pentagonal planar shape is fixed to the lower end of the swinging shaft 14, and the joint of the constant velocity joint 13 is fixed. With the center as a reference, the swing shaft 14 and the bowl-shaped member 15 can swing integrally. Further, the bowl-shaped member 15 is a circular plate that is an example of a first rotating member via a bearing mechanism 16 that is disposed on the upper surface of the central plate portion 15a of the bowl-shaped member 15 and can hold a radial load and a thrust load. The plate-like member 17 is held in parallel with the central plate portion 15 a, and the plate-like member 17 can rotate relative to the flange-like member 15 coaxially with the central axis of the swing shaft 14. . As the bearing mechanism 16, for example, a cross roller bearing or a combined angular ball bearing can be used. The plate-like member 17 has two plate-like protrusions 38a and 38b spaced by 180 degrees around the central axis of the swing shaft 14, and the plate-like protrusions 38a and 38b have shafts 18a and 18b, respectively. It is fixed. The shafts 18 a and 18 b are disposed on the same axis, and the central axes of the shafts 18 a and 18 b are disposed at positions that pass through the joint center of the constant velocity joint 13.

一方で、固定軸12には、その中間段部に配置されかつラジアル荷重及びスラスト荷重を保持できるベアリング機構21を介して、第2の回転部材の一例である回転体20が、固定軸12の中心軸回りに回転可能なように保持されている。ベアリング機構21は、ベアリング押さえ22により回転体20に固定されている。また、回転体20は、ラジアル軸受19a、19b、19c、19dを介して軸18a、18bとも連結されており、回転体20は、椀状部材15に対して、中心軸が第3の軸(仮想軸)の一例として機能する軸18a、18bの中心軸回り(X軸回り)に相対回転できるようになっている。さらに、回転体20の回転は、回転体20の上端に設けられた傘歯車部39と直交するように噛み合った傘歯車27を介して、傘歯車27と一体に回転する回転軸28に伝達されるようになっている。回転軸28は、フレーム11の上端突起部11aの貫通口11bを回転自在に貫通し、かつ、X軸回りに回転可能なように、ベアリング機構29a、29bを介してフレーム11の上面に保持され、フレーム11を基準とした回転軸28の回転角度は、エンコーダ57により計測されるようになっている。エンコーダ57は、後述する制御コントローラ(制御手段又は制御部の一例)52に接続されており、制御コントローラ52で、エンコーダ57で計測した回転軸28の回転角度から、回転軸28と連動する回転体20の回転角度を求めるようにしている。   On the other hand, the rotating body 20, which is an example of a second rotating member, is connected to the fixed shaft 12 via a bearing mechanism 21 that is disposed at the intermediate step portion and can hold a radial load and a thrust load. It is held so that it can rotate around the central axis. The bearing mechanism 21 is fixed to the rotating body 20 by a bearing retainer 22. The rotating body 20 is also connected to shafts 18a and 18b via radial bearings 19a, 19b, 19c and 19d. The rotating body 20 has a central axis with respect to the bowl-shaped member 15 and a third axis ( It can be relatively rotated around the central axis (around the X axis) of the axes 18a and 18b functioning as an example of the (virtual axis). Furthermore, the rotation of the rotating body 20 is transmitted to a rotating shaft 28 that rotates integrally with the bevel gear 27 via a bevel gear 27 that is meshed with the bevel gear portion 39 provided at the upper end of the rotating body 20. It has become so. The rotary shaft 28 is held on the upper surface of the frame 11 via bearing mechanisms 29a and 29b so as to freely rotate through the through hole 11b of the upper end protrusion 11a of the frame 11 and to rotate around the X axis. The rotation angle of the rotary shaft 28 with respect to the frame 11 is measured by the encoder 57. The encoder 57 is connected to a control controller (an example of a control means or a control unit) 52 to be described later, and the rotating body interlocked with the rotation shaft 28 from the rotation angle of the rotation shaft 28 measured by the encoder 57 with the control controller 52. The rotation angle of 20 is obtained.

また、軸18a、18bには、それぞれの端面にそれぞれ歯車23a、23bが固定されている。回転体20の側面に一端が固定されたL字状の支持部材26a、26bの他端に、揺動角調節手段の一例であるサーボモータ25a、25bがそれぞれ保持されている。サーボモータ25a、25bの回転軸にそれぞれ固定された歯車24a、24bは、歯車23a、23bとそれぞれかみ合っている。これにより、サーボモータ25a、25bを駆動してそれぞれの回転軸及び歯車24a、24bを歯車23a、23bに対して回転させることで、回転体20と椀状部材15との相対角度を変化させることが可能になっている。回転体20と椀状部材15との相対角度が変化すると、図1Cに示される状態(回転体20の回転軸芯と板状部材17の回転軸芯とが平行な状態(すなわち、椀状部材15の中央板部15aが水平面沿いに位置した水平状態))が、例えば図1Eに示される状態(回転体20の回転軸芯に対して板状部材17の回転軸芯が傾斜した状態(すなわち、椀状部材15の中央板部15aが水平面沿いから傾斜した傾斜状態))に変化することになる。なお、サーボモータ25a、25bの回転情報は制御コントローラ52に入力されるようにしている。   Further, gears 23a and 23b are fixed to the end surfaces of the shafts 18a and 18b, respectively. Servo motors 25a and 25b, which are examples of swing angle adjusting means, are respectively held at the other ends of L-shaped support members 26a and 26b whose one ends are fixed to the side surfaces of the rotating body 20. The gears 24a and 24b fixed to the rotation shafts of the servo motors 25a and 25b respectively mesh with the gears 23a and 23b. Accordingly, the relative angle between the rotating body 20 and the bowl-shaped member 15 is changed by driving the servo motors 25a and 25b to rotate the respective rotation shafts and the gears 24a and 24b with respect to the gears 23a and 23b. Is possible. When the relative angle between the rotating body 20 and the bowl-shaped member 15 changes, the state shown in FIG. 1C (the state where the rotation axis of the rotating body 20 and the rotation axis of the plate-like member 17 are parallel (that is, the bowl-shaped member) 15 is a state in which the central plate portion 15a is positioned along the horizontal plane), for example, as shown in FIG. 1E (the state in which the rotational axis of the plate member 17 is inclined with respect to the rotational axis of the rotating body 20 (that is, The central plate portion 15a of the bowl-shaped member 15 is changed to an inclined state in which the central plate portion 15a is inclined along the horizontal plane)). The rotation information of the servo motors 25a and 25b is input to the controller 52.

さらに、椀状部材15には、椀状部材15の側面に椀状部材15の回転軸芯回りの円周上に等間隔に(72度毎の位置に)配置された球ジョイント32a、32b、32c、32d、32eを介して、揺動トルク発生機構の一例であるピストンシリンダ機構の一例としてのエアシリンダ30a、30b、30c、30d、30eの両ロッド形のピストン31a、31b、31c、31d、31eの上側のロッドの上端が、それぞれ、固定軸12の中心軸に対して回転対称となる位置(具体的には固定軸12の中心軸周りの同一円周上の72度毎の位置に)に回動自在に連結されている。エアシリンダは、変位に対して力が変化しない点で望ましい。さらに、両ロッド形のピストンを用いることは、駆動方向による発生力の違いが生じない点で望ましく、回転対称の位置に配置することは、回転体20の角度が変化する際の特性のばらつきを最も小さくできるので望ましい。また、球ジョイント32a、32b、32c、32d、32eのジョイント中心は、揺動軸14の中心軸に垂直でかつ軸18a、18bの中心軸を含む平面上に位置している。このようにすることは、回転体20の回転軸芯に対して板状部材17の回転軸芯の傾きが変化しても、球ジョイント32a、32b、32c、32d、32eのジョイント中心を通る円の中心位置が一定となり、余計なアンバランスが椀状部材15に生じないので望ましい。さらに、エアシリンダ30a、30b、30c、30d、30eの下部は、それぞれの下端部に球状部33qを設けかつ中心部にピストン31a、31b、31c、31d、31eの下側のロッドが通過するための貫通穴33pをそれぞれ備えたシリンダ支持部材33a、33b、33c、33d、33eの上端に固定されており、シリンダ支持部材33a、33b、33c、33d、33eの下端の球状部33qは、フレーム11の下端の底面に固定されたボールホルダ34a、34b、34c、34d、34eによりそれぞれ回転自由に支持され、球ジョイントを構成している。   Further, the bowl-shaped member 15 includes spherical joints 32a, 32b arranged on the side surface of the bowl-shaped member 15 on the circumference around the rotation axis of the bowl-shaped member 15 at equal intervals (positions every 72 degrees), Double rod-shaped pistons 31a, 31b, 31c, 31d of air cylinders 30a, 30b, 30c, 30d, 30e as an example of a piston cylinder mechanism which is an example of a swing torque generating mechanism through 32c, 32d, 32e, Positions at which the upper ends of the upper rods of 31e are rotationally symmetric with respect to the central axis of the fixed shaft 12 (specifically, at positions of 72 degrees on the same circumference around the central axis of the fixed shaft 12) Is pivotally connected to the motor. The air cylinder is desirable in that the force does not change with respect to the displacement. Furthermore, it is desirable to use a double rod type piston in that a difference in generated force does not occur depending on the driving direction, and disposing it at a rotationally symmetric position causes variations in characteristics when the angle of the rotating body 20 changes. This is desirable because it can be minimized. The joint centers of the ball joints 32a, 32b, 32c, 32d, and 32e are located on a plane that is perpendicular to the central axis of the swing shaft 14 and includes the central axes of the shafts 18a and 18b. In this way, even if the inclination of the rotational axis of the plate-like member 17 changes with respect to the rotational axis of the rotating body 20, a circle that passes through the joint centers of the ball joints 32 a, 32 b, 32 c, 32 d, and 32 e. This is desirable because the center position of the head is constant, and no excessive imbalance occurs in the bowl-shaped member 15. Further, the lower portions of the air cylinders 30a, 30b, 30c, 30d, and 30e are provided with spherical portions 33q at the respective lower end portions, and the lower rods of the pistons 31a, 31b, 31c, 31d, and 31e pass through the central portions. Are fixed to the upper ends of cylinder support members 33a, 33b, 33c, 33d, and 33e each having a through hole 33p. The spherical portion 33q at the lower ends of the cylinder support members 33a, 33b, 33c, 33d, and 33e The ball holders 34a, 34b, 34c, 34d, and 34e fixed to the bottom surface of the lower end of each of them are rotatably supported and constitute a ball joint.

一方で、エアシリンダ30a、30b、30c、30d、30eの上部側面及び下部側面には、圧縮性流体の一例である乾燥空気を供給するための上側の接続配管36a、36b、36c、36d、36e及び下側の接続配管37a、37b、37c、37d、37eがそれぞれ接続され、制御弁装置の一例であるバルブ機構35とエアシリンダ30a、30b、30c、30d、30eとを上側の接続配管36a、36b、36c、36d、36e及び下側の接続配管37a、37b、37c、37d、37eで接続している。バルブ機構35の内部構成は、図2で示す配管図示すような構成となっている。さらに、バルブ機構35には制御コントローラ52が備えられており、制御コントローラ52と図2で示される各要素とは、図3に示すような接続関係にある。   On the other hand, upper connection pipes 36a, 36b, 36c, 36d, 36e for supplying dry air, which is an example of a compressive fluid, are provided on the upper and lower side surfaces of the air cylinders 30a, 30b, 30c, 30d, 30e. And the lower connection pipes 37a, 37b, 37c, 37d, and 37e are respectively connected, and the valve mechanism 35 that is an example of the control valve device and the air cylinders 30a, 30b, 30c, 30d, and 30e are connected to the upper connection pipe 36a, 36b, 36c, 36d, 36e and lower connection pipes 37a, 37b, 37c, 37d, 37e are connected. The internal structure of the valve mechanism 35 is as shown in the piping diagram shown in FIG. Further, the valve mechanism 35 is provided with a control controller 52, and the control controller 52 and each element shown in FIG. 2 are connected as shown in FIG.

図2において、上側の接続配管36a、36b、36c、36d、36e及び下側の接続配管37a、37b、37c、37d、37eには、それぞれ、5ポート弁41a、41b、41c、41d、41eが接続されており、エアシリンダ30a、30b、30c、30d、30eと、タンク部材の一例である空圧タンク40及び大気開放部48との接続を切り替えるようになっている。空圧タンク40には、圧力源の一例である空圧源53が接続されて、空圧源53により供給された高圧の乾燥空気が空圧タンク40に蓄えられている。また、上側の接続配管36a、36b、36c、36d、36eは、大気開放部48に至る低圧配管51に対して、それぞれ、ON−OFF弁42a、42b、42c、42d、42eを介して接続されるとともに、空圧タンク40に至る高圧配管50に対しても、それぞれ、ON−OFF弁43a、43b、43c、43d、43e及び逆止弁46a、46b、46c、46d、46eを介して接続されている。同様に、下側の接続配管37a、37b、37c、37d、37eは、大気開放部48に至る低圧配管51に対して、それぞれ、ON−OFF弁44a、44b、44c、44d、44eを介して接続されるとともに、空圧タンク40に至る高圧配管50に対しても、それぞれ、ON−OFF弁45a、45b、45c、45d、45e及び逆止弁47a、47b、47c、47d、47eを介して接続されている。低圧配管51は、高圧配管50内の乾燥空気より低圧に保持された乾燥空気で満たされている。制御コントローラ52は、5ポート弁41a、41b、41c、41d、41eと、ON−OFF弁42a、42b、42c、42d、42eと、ON−OFF弁43a、43b、43c、43d、43eと、ON−OFF弁44a、44b、44c、44d、44eと、ON−OFF弁45a、45b、45c、45d、45eとにそれぞれ接続されて、それぞれのON−OFF弁の動作を制御コントローラ52でそれぞれ制御できるようにしている。   In FIG. 2, the upper connection pipes 36a, 36b, 36c, 36d, and 36e and the lower connection pipes 37a, 37b, 37c, 37d, and 37e have 5-port valves 41a, 41b, 41c, 41d, and 41e, respectively. The air cylinders 30a, 30b, 30c, 30d, and 30e are connected to the pneumatic tank 40, which is an example of a tank member, and the atmosphere release unit 48. An air pressure source 53, which is an example of a pressure source, is connected to the air pressure tank 40, and high-pressure dry air supplied from the air pressure source 53 is stored in the air pressure tank 40. Further, the upper connection pipes 36a, 36b, 36c, 36d, and 36e are connected to the low-pressure pipe 51 that reaches the atmosphere opening section 48 via ON-OFF valves 42a, 42b, 42c, 42d, and 42e, respectively. In addition, the high-pressure pipe 50 reaching the pneumatic tank 40 is also connected through ON-OFF valves 43a, 43b, 43c, 43d, 43e and check valves 46a, 46b, 46c, 46d, 46e, respectively. ing. Similarly, the lower connection pipes 37a, 37b, 37c, 37d, and 37e are respectively connected to the low-pressure pipe 51 that reaches the atmosphere opening portion 48 via ON-OFF valves 44a, 44b, 44c, 44d, and 44e. The high-pressure pipe 50 connected to the pneumatic tank 40 is also connected to the high-pressure pipes 50 through ON-OFF valves 45a, 45b, 45c, 45d, 45e and check valves 47a, 47b, 47c, 47d, 47e, respectively. It is connected. The low pressure pipe 51 is filled with dry air held at a lower pressure than the dry air in the high pressure pipe 50. The controller 52 includes 5-port valves 41a, 41b, 41c, 41d, 41e, ON-OFF valves 42a, 42b, 42c, 42d, 42e, ON-OFF valves 43a, 43b, 43c, 43d, 43e, and ON. -Connected to the OFF valves 44a, 44b, 44c, 44d, 44e and the ON-OFF valves 45a, 45b, 45c, 45d, 45e, respectively, the operation of each ON-OFF valve can be controlled by the controller 52, respectively. I am doing so.

さらに、高圧配管50は、リリーフ弁49を介して低圧配管51と接続されており、空圧タンク40の圧力が一定の圧力以上にならないように空圧タンク40を保護している。また、上側の接続配管36a、36b、36c、36d、36eの途中には、それぞれ圧力センサ54a、54b、54c、54d、54eが設けられ、上側の接続配管内の圧力を計測できるようになっている。同様に、下側の接続配管37a、37b、37c、37d、37eの途中には、それぞれ圧力センサ55a、55b、55c、55d、55eが設けられ、高圧配管50の途中にも圧力センサ56が設けられ、それぞれの配管内の圧力をそれぞれ計測できるようになっている。制御コントローラ52は、圧力センサ54a、54b、54c、54d、54eと、圧力センサ55a、55b、55c、55d、55eと、圧力センサ56とにそれぞれ接続されて、それぞれのセンサで計測されたそれぞれの配管内の圧力の情報が制御コントローラ52に入力されるようになっている。   Further, the high-pressure pipe 50 is connected to the low-pressure pipe 51 via a relief valve 49, and protects the pneumatic tank 40 so that the pressure of the pneumatic tank 40 does not exceed a certain pressure. Further, pressure sensors 54a, 54b, 54c, 54d, and 54e are provided in the middle of the upper connection pipes 36a, 36b, 36c, 36d, and 36e, respectively, so that the pressure in the upper connection pipe can be measured. Yes. Similarly, pressure sensors 55a, 55b, 55c, 55d, and 55e are respectively provided in the middle of the lower connection pipes 37a, 37b, 37c, 37d, and 37e, and a pressure sensor 56 is also provided in the middle of the high-pressure pipe 50. Therefore, the pressure in each pipe can be measured. The controller 52 is connected to the pressure sensors 54a, 54b, 54c, 54d, 54e, the pressure sensors 55a, 55b, 55c, 55d, 55e, and the pressure sensor 56, and the respective sensors measured by the respective sensors. Information on the pressure in the pipe is input to the controller 52.

次に、バルブ機構35内に備えられた制御コントローラ52の下で行われる、この回転アクチュエータ1の作用を説明する。   Next, the operation of the rotary actuator 1 performed under the control controller 52 provided in the valve mechanism 35 will be described.

回転アクチュエータ1の回転軸28に作用する力は、エアシリンダ30a、30b、30c、30d、30eの発生力と、回転体20の回転軸芯に対する板状部材17の回転軸芯の傾きの大きさとによって決定される。すなわち、図1Cにおいて、エアシリンダ30a、30b、30c、30d、30eの発生力が椀状部材15に作用したとき、X軸、Y軸、Z軸の各方向への変位及びZ軸回りの回転については、椀状部材15が、揺動軸14と、等速ジョイント13を介して固定軸12とに連結されているので、規制されることになる。椀状部材15に作用するX軸回りの回転トルクについては、ベアリング機構16、板状部材17及び板状部材17と一体に回転する板状突起部38a、38bと、軸18a、18bと、歯車23a、23bと、そして歯車24a、24bを介してサーボモータ25a、25bとに伝達されることになる。また、椀状部材15に作用するY軸回りの回転トルクについては、ベアリング機構16と、板状部材17と、軸18a、18bを介して回転体20とに伝達されることになる。図1Cの状態では、椀状部材15の中央板部15aが水平状態を保っているので、回転体20にはY軸回りの回転トルクのみが作用することになる。回転体20のY軸回りの回転は、ベアリング機構21によって拘束されているので、図1Cの状態では回転体20の状態は変化しないことになる。   The force acting on the rotary shaft 28 of the rotary actuator 1 includes the generated force of the air cylinders 30 a, 30 b, 30 c, 30 d, 30 e and the magnitude of the inclination of the rotary shaft core of the plate member 17 with respect to the rotary shaft core of the rotating body 20. Determined by. That is, in FIG. 1C, when the generated force of the air cylinders 30a, 30b, 30c, 30d, and 30e acts on the bowl-shaped member 15, the displacement in each direction of the X axis, the Y axis, and the Z axis and the rotation around the Z axis Since the hook-shaped member 15 is connected to the fixed shaft 12 via the swing shaft 14 and the constant velocity joint 13, it is restricted. Regarding the rotational torque around the X-axis acting on the bowl-like member 15, the bearing mechanism 16, the plate-like member 17, the plate-like protrusions 38a and 38b that rotate integrally with the plate-like member 17, the shafts 18a and 18b, and the gears 23a, 23b, and the servo motors 25a, 25b via the gears 24a, 24b. Further, the rotational torque about the Y axis acting on the bowl-shaped member 15 is transmitted to the rotating body 20 via the bearing mechanism 16, the plate-shaped member 17, and the shafts 18a and 18b. In the state of FIG. 1C, since the central plate portion 15a of the bowl-shaped member 15 is maintained in a horizontal state, only the rotational torque around the Y axis acts on the rotating body 20. Since the rotation of the rotating body 20 around the Y axis is restrained by the bearing mechanism 21, the state of the rotating body 20 does not change in the state of FIG. 1C.

一方、椀状部材15の中央板部15aが水平状態から傾いた図1Eの傾斜状態では、椀状部材15に作用したY軸回りの回転トルク(揺動トルクの一例としてのトルク)は、回転体20に対するY軸回りの回転トルクとZ軸回りの回転トルクに分解されることになる。椀状部材15は、等速ジョイント13のジョイント中心を揺動中心とした揺動動作のみが可能であり、図1Eのように椀状部材15がX軸回りに傾いた傾斜状態からY軸回りの回転を与えることは、椀状部材15の傾く方向をZ軸回りに回転させることと等しいことになる。一方で、軸18a、18bの中心軸は、回転体20による拘束のため、等速ジョイント13のジョイント中心を含むX−Y平面上にしか存在できないので、椀状部材15の傾く方向が変化すると、それにつれて軸18a、18b及び回転体20は、Z軸回りに回転することになる。そのため、椀状部材15に作用するY軸回りの回転トルクにより、回転体20に対するZ軸回りの回転トルクが得られるようになる。すなわち、サーボモータ25a、25bにより板状部材17の傾きを固定し、軸18a、18bの中心軸とX−Y平面上で垂直な軸(第3の軸に垂直な第4の軸の一例としての仮想軸)回り(以下、Y’軸回りと表す)に一定のトルクが椀状部材15に発生するように、バルブ機構35が、エアシリンダ30a、30b、30c、30d、30eのそれぞれの発生力をコントロールすることで、回転体20には、Z軸回りに一定のトルクが発生するようになる。この回転体20に作用するZ軸回りのトルクは、板状部材17の傾きにより変化し、図1Cのように傾きがない水平状態では0となり、図1Eの示されるような傾斜状態に板状部材17の傾きが増えるに従って、増加していくことになる。ちなみに、回転体20に作用するZ軸回りのトルクは、回転体20の傘歯車部39と、傘歯車27を介して回転軸28とに伝達されることになり、これが回転アクチュエータ1の発生トルクとなる。   On the other hand, in the inclined state of FIG. 1E in which the central plate portion 15a of the bowl-shaped member 15 is tilted from the horizontal state, the rotational torque around the Y-axis (torque as an example of the swinging torque) acting on the bowl-shaped member 15 is rotated. That is, the body 20 is decomposed into a rotational torque about the Y axis and a rotational torque about the Z axis. The hook-shaped member 15 can only swing about the joint center of the constant velocity joint 13 as a swing center. As shown in FIG. 1E, the hook-shaped member 15 rotates around the Y axis from the tilted state. Giving this rotation is equivalent to rotating the tilting direction of the bowl-shaped member 15 around the Z axis. On the other hand, since the central axes of the shafts 18a and 18b can only exist on the XY plane including the joint center of the constant velocity joint 13 due to the restraint by the rotating body 20, the tilting direction of the bowl-shaped member 15 changes. Accordingly, the shafts 18a and 18b and the rotating body 20 rotate around the Z axis. Therefore, the rotational torque about the Z axis with respect to the rotating body 20 can be obtained by the rotational torque about the Y axis acting on the bowl-shaped member 15. That is, the inclination of the plate member 17 is fixed by the servo motors 25a and 25b, and the axis perpendicular to the central axis of the shafts 18a and 18b on the XY plane (as an example of the fourth axis perpendicular to the third axis). The valve mechanism 35 generates each of the air cylinders 30a, 30b, 30c, 30d, and 30e so that a constant torque is generated in the bowl-shaped member 15 around the imaginary axis) (hereinafter referred to as the Y ′ axis). By controlling the force, the rotating body 20 generates a constant torque around the Z axis. The torque around the Z-axis acting on the rotating body 20 changes depending on the inclination of the plate-like member 17, and becomes 0 in the horizontal state where there is no inclination as shown in FIG. 1C, and the plate-like state in the inclined state as shown in FIG. 1E. As the inclination of the member 17 increases, it will increase. Incidentally, the torque around the Z-axis acting on the rotating body 20 is transmitted to the rotating shaft 28 via the bevel gear portion 39 of the rotating body 20 and the bevel gear 27, and this is the torque generated by the rotary actuator 1. It becomes.

次に、バルブ機構35の動作について説明する。バルブ機構35は、図3に示すように、複数のセンサの情報に基づいてバルブをコントロールし、エアシリンダ30a、30b、30c、30d、30eのそれぞれの発生力を制御する機構である。制御コントローラ52では、エンコーダ57で計測した回転軸28の回転角度から、回転軸28と連動する回転体20の回転角度を求めるとともに、サーボモータ25a、25bの回転情報から板状部材17及び椀状部材15の傾きに関する情報を得ている。図4A〜図4Eに制御コントローラ52によって制御される、回転体20の角度と、エアシリンダ30a、30b、30c、30d、30eの発生力との関係の一例をそれぞれ示す。図4A〜図4Eにおいて、横軸の角度θは回転体20の回転角を度数(°)単位で示しており、図1Eの状態をθ=0度として、Z軸方向右ネジ回りを正としている。縦軸はエアシリンダ30a、30b、30c、30d、30eのそれぞれの発生力を示しており、Z軸方向を正としている。また、縦軸における「+F」とは、下側の接続配管37a、37b、37c、37d、37eのそれぞれに空圧タンク40の圧力を加えた状態、すなわち、図2において5ポート弁41a、41b、41c、41d、41eのそれぞれが左方向に移動した状態を表している。同様に、縦軸における「−F」とは、上側の接続配管36a、36b、36c、36d、36eのそれぞれに空圧タンク40の圧力を加えた状態、すなわち、図2において5ポート弁41a、41b、41c、41d、41eのそれぞれが右方向に移動した状態を表している。また、エアシリンダ30a、30b、30c、30d、30eのそれぞれの発生力が「+F」と「−F」の中間にある場合は、5ポート弁41a、41b、41c、41d、41eのそれぞれは図2の位置にあり、ON−OFF弁42a、42b、42c、42d、42eのそれぞれと、ON−OFF弁43a、43b、43c、43d、43eのそれぞれによる圧力制御が行われている状態となる。図1Eの状態において、図4A〜図4Eのようにエアシリンダ30a、30b、30c、30d、30eのそれぞれの発生力が変化する場合、回転体20にはZ軸方向左ネジ回りの回転トルクが作用することになる。椀状部材15の傾きが一定だと、椀状部材15に作用するY’軸回りのトルクは5%程度の変動はあるものの、回転体20の角度にかかわらず略一定となる。一方で、椀状部材15に作用する軸18a、18bの中心軸周りのトルクは略0となり、サーボモータ25a、25bには負荷がかからないようになる。軸18a、18bの中心軸周りのトルクについては、図4A〜図4Eのように直線状に変化させても良いが、±F×tan(Δθ)/tan(180°/(n×2))のように変化させる方がより軸18a、18bの中心軸周りのトルクを0に近づけることができるので望ましい。ただし、Δθは図4A〜図4Eにおいて発生力が0となる角度からの差分であり、nはシリンダの本数であり、第1実施形態ではn=5となる。符号は、図4A〜図4Eにおいて右上がりに発生力が変化する場合に+であり、右下がりに発生力が変化する場合が−である。ちなみに、図4Aのエアシリンダ30aの場合に望ましいのは、θ=72°〜108°の範囲で−F×tan(θ−90°)/tan(18°)であり、θ=252°〜288°の範囲でF×tan(θ−270°)/tan(18°)である。この第1実施形態では、n=5の奇数本のエアシリンダを双方向動作させているが、これは椀状部材15に対して5方向の双方向トルク(双方向の揺動トルク)を発生できる点で望ましい。例えば、均等に配置された6本のエアシリンダの場合、双方向動作させても3方向からの双方向トルクしか発生することができない。また、第1実施形態ではn=5としているが、これを増やすことで、Y’軸回りのトルクの変動をより小さくすることができる。しかし、nの数値が大きすぎると構造が複雑になるので、3以上の奇数、好ましくは、n=5,7,9,11程度の奇数が望ましい。   Next, the operation of the valve mechanism 35 will be described. As shown in FIG. 3, the valve mechanism 35 is a mechanism that controls the valve based on information from a plurality of sensors and controls the generated force of each of the air cylinders 30a, 30b, 30c, 30d, and 30e. In the controller 52, the rotation angle of the rotating body 20 interlocked with the rotation shaft 28 is obtained from the rotation angle of the rotation shaft 28 measured by the encoder 57, and the plate member 17 and the bowl-shaped member are obtained from the rotation information of the servo motors 25a and 25b. Information on the inclination of the member 15 is obtained. 4A to 4E show examples of the relationship between the angle of the rotating body 20 and the generated force of the air cylinders 30a, 30b, 30c, 30d, and 30e, which are controlled by the control controller 52, respectively. 4A to 4E, the angle θ on the horizontal axis indicates the rotation angle of the rotating body 20 in units of degrees (°). The state of FIG. Yes. The vertical axis indicates the generated force of each of the air cylinders 30a, 30b, 30c, 30d, and 30e, and the Z-axis direction is positive. Further, “+ F” on the vertical axis means a state in which the pressure of the pneumatic tank 40 is applied to each of the lower connection pipes 37a, 37b, 37c, 37d, and 37e, that is, the 5-port valves 41a and 41b in FIG. , 41c, 41d, and 41e each represent a state of moving leftward. Similarly, “−F” on the vertical axis means a state in which the pressure of the pneumatic tank 40 is applied to each of the upper connection pipes 36a, 36b, 36c, 36d, and 36e, that is, in FIG. Each of 41b, 41c, 41d, and 41e represents a state of moving in the right direction. Further, when the generated force of each of the air cylinders 30a, 30b, 30c, 30d, and 30e is between “+ F” and “−F”, each of the 5-port valves 41a, 41b, 41c, 41d, and 41e is illustrated in FIG. The pressure control is performed by the ON-OFF valves 42a, 42b, 42c, 42d, and 42e, and the ON-OFF valves 43a, 43b, 43c, 43d, and 43e, respectively. In the state of FIG. 1E, when the generated force of each of the air cylinders 30a, 30b, 30c, 30d, and 30e changes as shown in FIGS. 4A to 4E, the rotating body 20 has a rotational torque around the left-hand screw in the Z-axis direction. Will work. When the inclination of the hook-shaped member 15 is constant, the torque around the Y ′ axis acting on the hook-shaped member 15 varies approximately by 5%, but is substantially constant regardless of the angle of the rotating body 20. On the other hand, the torque around the central axis of the shafts 18a and 18b acting on the bowl-shaped member 15 is substantially zero, so that no load is applied to the servo motors 25a and 25b. The torque around the central axis of the shafts 18a and 18b may be changed linearly as shown in FIGS. 4A to 4E, but ± F × tan (Δθ) / tan (180 ° / (n × 2)) It is desirable to change the angle because the torque around the central axis of the shafts 18a and 18b can be made closer to zero. However, Δθ is a difference from an angle at which the generated force becomes 0 in FIGS. 4A to 4E, n is the number of cylinders, and n = 5 in the first embodiment. The sign is + when the generated force changes to the right in FIGS. 4A to 4E, and − when the generated force changes to the right. Incidentally, in the case of the air cylinder 30a in FIG. 4A, it is desirable that −F × tan (θ−90 °) / tan (18 °) in the range of θ = 72 ° to 108 °, and θ = 252 ° to 288. F × tan (θ-270 °) / tan (18 °) in the range of °. In this first embodiment, an odd number of air cylinders with n = 5 are operated bidirectionally, which generates bidirectional torque (bidirectional swing torque) in five directions with respect to the bowl-shaped member 15. This is desirable because it can be done. For example, in the case of six air cylinders arranged evenly, even if they are operated bidirectionally, only bidirectional torque from three directions can be generated. Further, in the first embodiment, n = 5, but by increasing this, torque fluctuation around the Y ′ axis can be further reduced. However, since the structure becomes complicated if the numerical value of n is too large, an odd number of 3 or more, preferably an odd number of about n = 5, 7, 9, 11 is desirable.

以上のようにバルブ機構35がエアシリンダ30a、30b、30c、30d、30eのそれぞれの発生力を制御している状態において、サーボモータ25a、25bを動作させ、板状部材17の傾きを変化させることで、回転アクチュエータ1の発生トルクを、方向変化を含めて、自由に変化させることができる。サーボモータ25a、25bの動作に必要なトルクは、エアシリンダ30a、30b、30c、30d、30eの発生力による軸18a、18bの中心軸周りのトルクの影響を受けるが、バルブ機構35による制御で軸18a、18bの中心軸周りのトルクを抑制することで、サーボモータ25a、25bの必要トルクを低減する(すなわち、揺動角調節手段の一例であるサーボモータ25a、25bの動作負荷を低減する)ことができる。なお、回転体20の角度が、図4A〜図4Eにおける36°、72°、108°等のように、バルブ機構35による圧力制御が行われていない角度である場合、サーボモータ25a、25bが動作しても圧力制御に伴うエネルギー消費が必要ないので、可能な限りこのような角度にある時にサーボモータ25a、25bを動作させるようにすることが、回転アクチュエータ1の動作効率の面で望ましい。   As described above, in the state where the valve mechanism 35 controls the generated force of each of the air cylinders 30a, 30b, 30c, 30d, and 30e, the servo motors 25a and 25b are operated to change the inclination of the plate member 17. Thus, the torque generated by the rotary actuator 1 can be freely changed including the direction change. The torque required for the operation of the servo motors 25a, 25b is affected by the torque around the central axis of the shafts 18a, 18b due to the generated force of the air cylinders 30a, 30b, 30c, 30d, 30e, but is controlled by the valve mechanism 35. By suppressing the torque around the central axis of the shafts 18a, 18b, the required torque of the servo motors 25a, 25b is reduced (that is, the operating load of the servo motors 25a, 25b, which is an example of the swing angle adjusting means). )be able to. In addition, when the angle of the rotating body 20 is an angle at which the pressure control by the valve mechanism 35 is not performed, such as 36 °, 72 °, and 108 ° in FIGS. 4A to 4E, the servo motors 25a and 25b Since energy consumption associated with pressure control is not required even when the actuator is operated, it is desirable in terms of operating efficiency of the rotary actuator 1 to operate the servo motors 25a and 25b at such an angle as much as possible.

一方で、回転アクチュエータ1の発生トルクは、椀状部材15に作用するY’軸回りのトルクに依存することになるが、Y’軸回りのトルクはそのほとんどが空圧タンク40の圧力が直接加わったエアシリンダにより発生されることになる。すなわち、図4A〜図4Eのようにエアシリンダ30a、30b、30c、30d、30eのそれぞれの発生力が変化する場合、圧力制御された状態にあるのは、Y’軸に最も接近したエアシリンダ(例えば、θ=0°〜36°の場合はエアシリンダ30e)のみとなり、このエアシリンダによる発生力がY’軸回りのトルクに与える影響は、Y’軸に最も接近していることからもわずかとなる。よって、回転アクチュエータ1がトルク発生方向(回転軸28がX軸方向左ネジ回り)に回転して回転アクチュエータ1の外部に仕事をなす場合、外部に出力したエネルギーと同等のエネルギーが、そのまま、空圧タンク40に内包されるエネルギーから消費されることになる。逆に、回転アクチュエータ1がトルク発生方向と逆方向(回転軸28がX軸方向右ネジ回り)に回転して回転アクチュエータ1の外部から仕事がなされる場合、外部から入力されたエネルギーと同等のエネルギーが、そのまま、空圧タンク40に内包されるエネルギーに補充されることになる。このように、回転アクチュエータ1は、その回転方向に応じて自動的に駆動と回生を切り替えることができるので、動作効率の高い駆動を実現することができる。また、回転アクチュエータ1の動作により、空圧タンク40から失われるエネルギーについては、空圧源53から補充されることになる。このとき、回転アクチュエータ1の動作において、回生が効果的に働き、出力のピークパワーに比べて平均パワーが大きく減少する場合には、短期的に放出した空圧タンク40内のエネルギーの補充を時間をかけて行えるようになるので、空圧源53に要求される能力は小さくても良いことになる。   On the other hand, the torque generated by the rotary actuator 1 depends on the torque around the Y ′ axis acting on the bowl-shaped member 15, but most of the torque around the Y ′ axis is directly from the pressure of the pneumatic tank 40. It will be generated by the added air cylinder. That is, when the generated force of each of the air cylinders 30a, 30b, 30c, 30d, and 30e changes as shown in FIGS. 4A to 4E, the pressure controlled state is that the air cylinder closest to the Y ′ axis (For example, in the case of θ = 0 ° to 36 °, the air cylinder 30e) only, and the influence of the force generated by the air cylinder on the torque around the Y ′ axis is also because it is closest to the Y ′ axis. Slightly. Therefore, when the rotary actuator 1 rotates in the direction of torque generation (the rotary shaft 28 rotates around the left-hand screw in the X-axis direction) and performs work outside the rotary actuator 1, the energy equivalent to the energy output to the outside remains as it is. The energy contained in the pressure tank 40 is consumed. Conversely, when the rotation actuator 1 rotates in the direction opposite to the direction of torque generation (the rotation shaft 28 rotates around the right screw in the X-axis direction) and work is performed from the outside of the rotation actuator 1, it is equivalent to the energy input from the outside. The energy is replenished to the energy contained in the pneumatic tank 40 as it is. As described above, the rotary actuator 1 can automatically switch between driving and regeneration in accordance with the direction of rotation thereof, and thus can achieve driving with high operating efficiency. Further, energy lost from the pneumatic tank 40 due to the operation of the rotary actuator 1 is supplemented from the pneumatic source 53. At this time, in the operation of the rotary actuator 1, when the regeneration works effectively and the average power is greatly reduced compared to the peak power of the output, it is time to replenish the energy in the pneumatic tank 40 released in a short time. Therefore, the capacity required for the air pressure source 53 may be small.

よって、前記第1実施形態によれば、動作効率に優れた圧縮性流体圧アクチュエータ及びそれを用いた関節駆動ユニットを得ることができる。すなわち、第2の回転部材の一例である回転体20に作用する回転トルクは、揺動部材の一例である椀状部材15に作用する第4の軸回りの揺動トルクと、揺動角調節手段の一例であるサーボモータ25a、25bにより調整される第1の回転部材の一例である板状部材17と回転体20との相対角度により決定されるので、揺動トルク発生機構の一例であるエアシリンダ30a、30b、30c、30d、30eにタンク部材の一例である空圧タンク40内の圧縮性流体の一例である乾燥空気の圧力をそのまま作用させ、椀状部材15に対する第4の軸回りの揺動トルクを最大限発生させ続けた状態でも、第4の軸回りの揺動トルクに関係なく、サーボモータ25a、25bによって回転体20に作用する回転トルクを制御することが可能になる。この際、椀状部材15に作用する第3の軸(一例として、軸18a、18bの中心軸)回りの揺動トルク調節に用いられる一部のエアシリンダ30a、30b、30c、30d、30e以外は、空圧タンク40内の乾燥空気により直接駆動することができるので、空圧タンク40内から失われるエネルギーと外部になされるエネルギーは連動し、動作効率が向上することになる。さらに、第1実施形態にかかる圧縮性流体圧アクチュエータ1に対して外部から仕事がなされる場合には、そのエネルギーは空圧タンク40内の乾燥空気が内包するエネルギーとして回生されることになるので、さらなる動作効率の向上が図れることになる。   Therefore, according to the first embodiment, it is possible to obtain a compressible fluid pressure actuator excellent in operation efficiency and a joint drive unit using the same. That is, the rotational torque that acts on the rotating body 20 that is an example of the second rotating member is the swing torque about the fourth axis that acts on the bowl-shaped member 15 that is an example of the swing member, and the swing angle adjustment. Since it is determined by the relative angle between the plate member 17 as an example of the first rotating member adjusted by the servo motors 25a and 25b as an example of the means and the rotating body 20, it is an example of the swing torque generating mechanism. The air cylinders 30 a, 30 b, 30 c, 30 d, and 30 e are subjected to the pressure of dry air, which is an example of a compressible fluid in the pneumatic tank 40, which is an example of a tank member, as it is, and the fourth axis with respect to the bowl-shaped member 15 It is possible to control the rotational torque acting on the rotating body 20 by the servo motors 25a and 25b regardless of the swing torque around the fourth axis even when the maximum swing torque is continuously generated. It made. At this time, except for some of the air cylinders 30a, 30b, 30c, 30d, and 30e used for adjusting the swing torque around the third shaft (for example, the central axis of the shafts 18a and 18b) acting on the bowl-shaped member 15. Can be directly driven by the dry air in the pneumatic tank 40, the energy lost from the pneumatic tank 40 and the energy made outside are linked to improve the operating efficiency. Furthermore, when work is performed from the outside on the compressible fluid pressure actuator 1 according to the first embodiment, the energy is regenerated as the energy contained in the dry air in the pneumatic tank 40. Thus, the operation efficiency can be further improved.

なお、この第1実施形態では、揺動角調節手段としてサーボモータ25a、25bを用いているが、これに限るものではなく、通常の電磁モータ若しくは超音波モータ等の他の方式のモータとエンコーダを組み合わせたもの、又は、ステッピングモータ等のオープンループで動作できる回転アクチュエータ等も利用可能である。また、エンコーダによる角度計測の代わりに、回転体20又は回転軸28に作用するトルクの計測値を用いるようにしても良い。これは、空圧タンク40内の圧力変動、又は、Y’軸回りのトルク変動が、回転アクチュエータ1の出力トルクに与える影響を低減できる点で望ましい。   In the first embodiment, the servo motors 25a and 25b are used as the swing angle adjusting means. However, the present invention is not limited to this, and other types of motors and encoders such as ordinary electromagnetic motors or ultrasonic motors are used. A rotary actuator that can be operated in an open loop such as a stepping motor or the like can also be used. Further, instead of angle measurement by the encoder, a measured value of torque acting on the rotating body 20 or the rotating shaft 28 may be used. This is desirable in that the influence of the pressure fluctuation in the pneumatic tank 40 or the torque fluctuation around the Y ′ axis on the output torque of the rotary actuator 1 can be reduced.

加えて、この第1実施形態では、回転軸28の回転角度から回転体20の回転角度を制御コントローラ52により求めているが、回転体20の回転角度を直接計測するような構成としても良い。さらに、第1実施形態では、軸18a、18bの中心軸周りのトルクを常に0に近づけているが、サーボモータ25a、25bの能力に余裕がある場合には、圧力制御を行う角度範囲を図4A〜図4Eの場合よりも狭めても良い。このようにすると、圧力制御に伴うエネルギー消費を抑制することができるので望ましい。   In addition, in the first embodiment, the rotation angle of the rotating body 20 is obtained from the rotation angle of the rotating shaft 28 by the controller 52. However, the rotation angle of the rotating body 20 may be directly measured. Furthermore, in the first embodiment, the torque around the central axis of the shafts 18a and 18b is always close to 0. However, when there is a margin in the capacity of the servo motors 25a and 25b, an angle range for performing pressure control is illustrated. You may narrow rather than the case of 4A-FIG. 4E. This is desirable because energy consumption accompanying pressure control can be suppressed.

さらに、第1実施形態における回転アクチュエータ1を用いた関節駆動ユニット71の構成例を図5〜図6Bに示す。回転アクチュエータ1の下方に第1腕60が配置されるとともに上方に第2腕61が配置され、かつ、回転アクチュエータ1のフレーム11が第1腕60に固定されているとともに、回転軸28に第2腕61が直接固定されている(具体的には、回転軸28の両端部が第2腕61の張出し部61aに固定されている)。すなわち、下側の腕である第1腕60に対して、上側の腕である第2腕61を、回転アクチュエータ1により回転駆動するための駆動ユニットとして、関節駆動ユニット71を使用している。   Furthermore, the structural example of the joint drive unit 71 using the rotary actuator 1 in 1st Embodiment is shown to FIGS. 5-6B. A first arm 60 is disposed below the rotary actuator 1, a second arm 61 is disposed above the rotary actuator 1, and the frame 11 of the rotary actuator 1 is fixed to the first arm 60, and The two arms 61 are directly fixed (specifically, both end portions of the rotating shaft 28 are fixed to the overhanging portion 61a of the second arm 61). That is, the joint drive unit 71 is used as a drive unit for rotating the second arm 61, which is the upper arm, by the rotary actuator 1 with respect to the first arm 60, which is the lower arm.

このような構成とすることで、図6Aの状態(第1腕60の中心軸と第2腕61の中心軸とが大略同一直線状に位置した状態)から回転アクチュエータ1を動作させ、回転軸28を反時計回りに回転させることで第2腕61が第1腕60に対して反時計回りに回転動作を行うようになり、図6Bの状態(第1腕60の中心軸に対して第2腕61の中心軸が傾斜した状態)となる。逆に、回転軸28を時計回りに回転させることで、第2腕61が第1腕60に対して前記とは逆方向へ(すなわち、時計回りに)回転させることも可能となる。   With such a configuration, the rotary actuator 1 is operated from the state shown in FIG. 6A (the state where the central axis of the first arm 60 and the central axis of the second arm 61 are positioned substantially on the same straight line), and the rotational axis By rotating 28 in the counterclockwise direction, the second arm 61 rotates counterclockwise with respect to the first arm 60, and is in the state of FIG. 6B (the first arm 60 with respect to the central axis of the first arm 60). The central axis of the two arms 61 is inclined). Conversely, by rotating the rotating shaft 28 in the clockwise direction, the second arm 61 can be rotated in the opposite direction to the first arm 60 (that is, in the clockwise direction).

よって、このような構成とすることで、回転アクチュエータ1の有する特徴、すなわち、動作効率に優れるという特徴をそのまま引き継ぐ関節駆動ユニット71が得られ、特に家庭用途に適したロボットアームにおける関節駆動ユニットを実現することができる。すなわち、前記図5の例では、関節部を介して連結されるロボットアームの2つの腕が前記第1腕61と第2腕60として、前記関節部に前記圧縮性流体圧アクチュエータ1が配置され、前記圧縮性流体圧アクチュエータ1により、前記2つの腕のうちの一方の腕(例えば、第2腕60)に対して他方の腕(例えば、第1腕61)が関節駆動ユニット71で駆動されるようにしている。   Therefore, with such a configuration, a joint drive unit 71 that inherits the characteristics of the rotary actuator 1, that is, the characteristics of excellent operation efficiency, can be obtained, and the joint drive unit in a robot arm particularly suitable for home use can be obtained. Can be realized. That is, in the example of FIG. 5, the two arms of the robot arm connected via the joint portion are the first arm 61 and the second arm 60, and the compressive fluid pressure actuator 1 is disposed at the joint portion. The compressible fluid pressure actuator 1 drives the other arm (for example, the first arm 61) by the joint drive unit 71 with respect to one arm (for example, the second arm 60) of the two arms. I try to do it.

また、図7のように複数の(例えば、4個の)回転アクチュエータ1a、1b、1c、1dのそれぞれの空圧タンク及び空圧源を単一の空圧タンク40及び単一の空圧源53で共用するようにしても良い。このようにすることで、特に各回転アクチュエータ1a、1b、1c、1dの動作が非連動的に行われる場合における、空圧タンク40の内圧変動を小さくすることができ、空圧源53を共用することで、全体構成をコンパクトにすることが可能になる。   In addition, as shown in FIG. 7, a plurality of (for example, four) rotary actuators 1a, 1b, 1c, and 1d have a single pneumatic tank 40 and a single pneumatic pressure source. 53 may be shared. By doing so, it is possible to reduce fluctuations in the internal pressure of the pneumatic tank 40 especially when the operations of the rotary actuators 1a, 1b, 1c, and 1d are performed in an interlocked manner, and the pneumatic pressure source 53 is shared. By doing so, it becomes possible to make the whole structure compact.

なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。   It is to be noted that, by appropriately combining any of the various embodiments, the effects possessed by them can be produced.

本発明にかかる圧縮性流体圧アクチュエータ及びそれを用いた関節駆動ユニットは、力制御が容易で、動作効率に優れたものであり、ロボットの関節駆動用アクチュエータ等及びそれを用いた関節駆動ユニット等として有用である。   The compressible fluid pressure actuator according to the present invention and the joint drive unit using the compressive fluid pressure actuator are easy in force control and excellent in operation efficiency, such as a joint drive actuator for a robot, a joint drive unit using the actuator, and the like Useful as.

本発明の第1実施形態による回転アクチュエータの概略を示す正面断面図である。It is a front sectional view showing the outline of the rotation actuator by a 1st embodiment of the present invention. 本発明の前記第1実施形態による前記回転アクチュエータの概略を示す正面断面図の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of the front sectional view showing the outline of the rotation actuator by the 1st embodiment of the present invention. 本発明の前記第1実施形態による前記回転アクチュエータの概略を示す右側面断面図である。FIG. 3 is a right side cross-sectional view schematically showing the rotary actuator according to the first embodiment of the present invention. 本発明の前記第1実施形態による前記回転アクチュエータの概略を示す、図1AのA−A線断面図である。It is the sectional view on the AA line of FIG. 1A which shows the outline of the said rotation actuator by the said 1st Embodiment of this invention. 本発明の前記第1実施形態による前記回転アクチュエータの駆動時の概略を示す右側面断面図である。FIG. 3 is a right side cross-sectional view showing an outline at the time of driving the rotary actuator according to the first embodiment of the present invention. 本発明の前記第1実施形態による前記回転アクチュエータのバルブ機構の内部構成を示す配管図である。It is a piping diagram which shows the internal structure of the valve mechanism of the said rotation actuator by the said 1st Embodiment of this invention. 本発明の前記第1実施形態による前記回転アクチュエータの前記バルブ機構における制御コントローラと各部との接続関係を示す図である。It is a figure which shows the connection relation of the controller and each part in the said valve mechanism of the said rotary actuator by the said 1st Embodiment of this invention. 本発明の前記第1実施形態による前記回転アクチュエータの前記制御コントローラにより制御されたエアシリンダ30aの発生力変化を示す図である。It is a figure which shows the generated force change of the air cylinder 30a controlled by the said controller of the said rotation actuator by the said 1st Embodiment of this invention. 本発明の前記第1実施形態による前記回転アクチュエータの前記制御コントローラにより制御されたエアシリンダ30bの発生力変化を示す図である。It is a figure which shows the generated force change of the air cylinder 30b controlled by the said controller of the said rotation actuator by the said 1st Embodiment of this invention. 本発明の前記第1実施形態による前記回転アクチュエータの前記制御コントローラにより制御されたエアシリンダ30cの発生力変化を示す図である。It is a figure which shows the generated force change of the air cylinder 30c controlled by the said controller of the said rotation actuator by the said 1st Embodiment of this invention. 本発明の前記第1実施形態による前記回転アクチュエータの前記制御コントローラにより制御されたエアシリンダ30dの発生力変化を示す図である。It is a figure which shows the generated force change of the air cylinder 30d controlled by the said controller of the said rotation actuator by the said 1st Embodiment of this invention. 本発明の前記第1実施形態による前記回転アクチュエータの前記制御コントローラにより制御されたエアシリンダ30eの発生力変化を示す図である。It is a figure which shows the generated force change of the air cylinder 30e controlled by the said controller of the said rotation actuator by the said 1st Embodiment of this invention. 本発明の前記第1実施形態による前記回転アクチュエータを用いた関節駆動ユニットの概略を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the outline of the joint drive unit using the said rotation actuator by the said 1st Embodiment of this invention. 本発明の前記第1実施形態による前記回転アクチュエータを用いた関節駆動ユニットの概略を示す側面図である。It is a side view which shows the outline of the joint drive unit using the said rotation actuator by the said 1st Embodiment of this invention. 本発明の前記第1実施形態による前記回転アクチュエータを用いた関節駆動ユニットの概略を示す側面図である。It is a side view which shows the outline of the joint drive unit using the said rotation actuator by the said 1st Embodiment of this invention. 本発明の前記第1実施形態による前記回転アクチュエータを複数個使用しかつ空圧タンクを共用した構成を示す図である。It is a figure which shows the structure which uses the said rotary actuator by the said 1st Embodiment of this invention in multiple numbers, and shares a pneumatic tank.

符号の説明Explanation of symbols

1、1a、1b、1c、1d 回転アクチュエータ
11 フレーム
11a 上端突起部
11b 貫通口
12 固定軸
13 等速ジョイント
14 揺動軸
15 椀状部材
16 ベアリング機構
17 板状部材
18a、18b 軸
19a、19b、19c、19d ラジアル軸受
20 回転体
21 ベアリング機構
22 ベアリング押さえ
23a、23b 歯車
24a、24b 歯車
25a、25b サーボモータ
26a、26b 支持部材
27 傘歯車
28 回転軸
29a、29b ベアリング機構
30a、30b、30c、30d、30e エアシリンダ
31a、31b、31c、31d、31e 両ロッド形ピストン
32a、32b、32c、32d、32e 球ジョイント
33a、33b、33c、33d、33e シリンダ支持部材
33p シリンダ支持部材の貫通穴
33q シリンダ支持部材の下端の球状部
34a、34b、34c、34d、34e ボールホルダ
35 バルブ機構
36a、36b、36c、36d、36e 上側の接続配管
37a、37b、37c、37d、37e 下側の接続配管
38a、38b 板状突起部
39 傘歯車部
40 空圧タンク
41a、41b、41c、41d、41e 5ポート弁
42a、42b、42c、42d、42e ON−OFF弁
43a、43b、43c、43d、43e ON−OFF弁
44a、44b、44c、44d、44e ON−OFF弁
45a、45b、45c、45d、45e ON−OFF弁
46a、46b、46c、46d、46e 逆止弁
47a、47b、47c、47d、47e 逆止弁
48 大気開放部
49 リリーフ弁
50、50a、50b、50c、50d 高圧配管
51 低圧配管
52 制御コントローラ
53 空圧源
54a、54b、54c、54d、54e 圧力センサ
55a、55b、55c、55d、55e 圧力センサ
56 圧力センサ
57 エンコーダ
60、60a、60b、60c、60d 腕
61、61a、61b、61c、61d 腕
71 関節駆動ユニット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1a, 1b, 1c, 1d Rotary actuator 11 Frame 11a Upper end protrusion part 11b Through-hole 12 Fixed shaft 13 Constant velocity joint 14 Oscillating shaft 15 Gutter-shaped member 16 Bearing mechanism 17 Plate-shaped member 18a, 18b Shaft 19a, 19b, 19c, 19d Radial bearing 20 Rotating body 21 Bearing mechanism 22 Bearing retainer 23a, 23b Gear 24a, 24b Gear 25a, 25b Servo motor 26a, 26b Support member 27 Bevel gear 28 Rotating shaft 29a, 29b Bearing mechanism 30a, 30b, 30c, 30d , 30e Air cylinder 31a, 31b, 31c, 31d, 31e Double rod type piston 32a, 32b, 32c, 32d, 32e Ball joint 33a, 33b, 33c, 33d, 33e Cylinder support member 33p Cylinder support Through-hole of material 33q Spherical portion of lower end of cylinder support member 34a, 34b, 34c, 34d, 34e Ball holder 35 Valve mechanism 36a, 36b, 36c, 36d, 36e Upper connection piping 37a, 37b, 37c, 37d, 37e Bottom Side connection piping 38a, 38b Plate-like projection 39 Bevel gear 40 Pneumatic tank 41a, 41b, 41c, 41d, 41e 5 port valve 42a, 42b, 42c, 42d, 42e ON-OFF valve 43a, 43b, 43c, 43d, 43e ON-OFF valve 44a, 44b, 44c, 44d, 44e ON-OFF valve 45a, 45b, 45c, 45d, 45e ON-OFF valve 46a, 46b, 46c, 46d, 46e Check valve 47a, 47b, 47c 47d, 47e Check valve 48 Air release part 49 Relief valve 50, 0a, 50b, 50c, 50d High pressure piping 51 Low pressure piping 52 Control controller 53 Air pressure source 54a, 54b, 54c, 54d, 54e Pressure sensor 55a, 55b, 55c, 55d, 55e Pressure sensor 56 Pressure sensor 57 Encoder 60, 60a, 60b, 60c, 60d Arm 61, 61a, 61b, 61c, 61d Arm 71 Joint drive unit

Claims (11)

ベース部材と、
前記ベース部材に対してユニバーサルジョイント機構を介して保持され、前記ベース部材を基準とした前記ユニバーサルジョイント機構のジョイント中心を含む第1の軸に対して揺動可能である揺動部材と、
前記揺動部材を基準とした前記ユニバーサルジョイント機構の前記ジョイント中心を含む第2の軸回りに前記揺動部材に対して回転可能に保持される第1の回転部材と、
前記第1の回転部材に対して、前記第2の軸に垂直かつ前記ユニバーサルジョイント機構の前記ジョイント中心を含む第3の軸回りに回転可能に保持されるとともに、前記ベース部材に対しても前記第1の軸回りに回転可能に保持される第2の回転部材と、
圧縮性流体を蓄えるタンク部材と、
前記タンク部材と接続されて前記タンク部材に前記圧縮性流体を補充する圧力源と、
前記ベース部材と前記揺動部材を連結し、前記タンク部材に接続されて前記タンク部材内の前記圧縮性流体により駆動されることで、前記揺動部材に対して揺動トルクを発生させる複数の揺動トルク発生機構と、
前記揺動トルク発生機構と前記タンク部材との間の前記圧縮性流体の接続を制御する制御弁装置と、
前記第1の回転部材と前記第2の回転部材との前記第3の軸回りの相対角度を変化させる揺動角調節手段とを備え、
前記制御弁装置は、前記揺動トルク発生機構により、前記第1の軸と前記第3の軸に垂直な第4の軸回りに前記揺動部材に対する揺動トルクが発生するように制御することを特徴とする回転動作可能な圧縮性流体圧アクチュエータ。
A base member;
A swing member that is held with respect to the base member via a universal joint mechanism and is swingable with respect to a first axis including a joint center of the universal joint mechanism with respect to the base member;
A first rotating member that is rotatably held with respect to the swinging member around a second axis including the joint center of the universal joint mechanism with respect to the swinging member;
The first rotating member is held so as to be rotatable about a third axis perpendicular to the second axis and including the joint center of the universal joint mechanism, and also to the base member. A second rotating member held rotatably about the first axis;
A tank member for storing a compressible fluid;
A pressure source connected to the tank member to replenish the compressive fluid in the tank member;
The base member and the swing member are coupled, connected to the tank member, and driven by the compressive fluid in the tank member, thereby generating swing torque on the swing member. A swing torque generating mechanism;
A control valve device for controlling connection of the compressive fluid between the swing torque generating mechanism and the tank member;
Rocking angle adjusting means for changing a relative angle of the first rotating member and the second rotating member around the third axis;
The control valve device controls the swing torque generation mechanism to generate swing torque for the swing member about a fourth axis perpendicular to the first shaft and the third shaft. A compressible fluid pressure actuator capable of rotating operation.
前記ユニバーサルジョイント機構が、等速ジョイント機構であることを特徴とする請求項1に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。   The compressible fluid pressure actuator according to claim 1, wherein the universal joint mechanism is a constant velocity joint mechanism. 前記複数の揺動トルク発生機構のそれぞれが、前記第2の軸回りの円周上に等間隔で配置されていることを特徴とする請求項1〜2のいずれか1つに記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。   The compressibility according to any one of claims 1 to 2, wherein each of the plurality of swing torque generating mechanisms is arranged at equal intervals on a circumference around the second axis. Fluid pressure actuator. 前記揺動トルク発生機構が、前記揺動部材に対して双方向の揺動トルクを与えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。   The compressible fluid pressure actuator according to any one of claims 1 to 3, wherein the swing torque generating mechanism applies a bidirectional swing torque to the swing member. 前記揺動トルク発生機構を、3以上の奇数個備えることを特徴とする請求項4に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。   The compressible fluid pressure actuator according to claim 4, comprising an odd number of three or more swinging torque generating mechanisms. 前記揺動トルク発生機構に作用する前記圧縮性流体の圧力が、前記第4の軸に最も接近した前記揺動トルク発生機構を除き、前記タンク部材における前記圧縮性流体の圧力若しくは前記揺動トルク発生機構の周辺圧力であることを特徴とする請求項5に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。   The pressure of the compressive fluid or the swing torque in the tank member, except for the swing torque generation mechanism where the pressure of the compressive fluid acting on the swing torque generation mechanism is closest to the fourth shaft. 6. The compressible fluid pressure actuator according to claim 5, wherein the compressive fluid pressure actuator is a pressure around the generating mechanism. 前記揺動トルク発生機構が、ピストンシリンダ機構であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。   The compressible fluid pressure actuator according to claim 1, wherein the swing torque generation mechanism is a piston cylinder mechanism. 前記ピストンシリンダ機構が、両ロッド形のピストンを用いた機構であることを特徴とする請求項7に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。   8. The compressible fluid pressure actuator according to claim 7, wherein the piston cylinder mechanism is a mechanism using a double rod type piston. 前記揺動トルク発生機構と前記揺動部材は球ジョイント機構にて連結され、前記球ジョイント機構のジョイント中心が前記第2の軸に垂直かつ前記第3の軸を含む平面上にあることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。   The swing torque generating mechanism and the swing member are connected by a ball joint mechanism, and a joint center of the ball joint mechanism is on a plane perpendicular to the second axis and including the third axis. The compressible fluid pressure actuator according to any one of claims 1 to 8. 請求項1〜9のいずれか1つに記載の圧縮性流体圧アクチュエータを複数備え、各圧縮性流体圧アクチュエータの前記タンク部材及び前記圧力源が互いに共有される構成であることを特徴とする多軸圧縮性流体圧アクチュエータ。   A plurality of the compressible fluid pressure actuators according to any one of claims 1 to 9, wherein the tank member and the pressure source of each compressive fluid pressure actuator are shared with each other. Axial compressible fluid pressure actuator. 関節部を介して連結された2つの腕の前記関節部に請求項1〜10のいずれか1つに記載の圧縮性流体圧アクチュエータが配置され、前記圧縮性流体圧アクチュエータにより、前記2つの腕のうちの一方の腕に対して他方の腕が駆動される関節駆動ユニット。   The compressible fluid pressure actuator according to any one of claims 1 to 10 is arranged at the joint portion of two arms connected via a joint portion, and the two arms are formed by the compressible fluid pressure actuator. A joint drive unit in which the other arm is driven with respect to one of the arms.
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