JP2009005764A - ダンパー機能付回転型アクチュエータおよびそれを用いた動作補助装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単純な構造で駆動軸のトルクを柔軟に従動軸へ伝達することができ、しかもそのダンパー効果が可変の回転型アクチュエータおよびそれを用いた動作補助装置を提供する。
【解決手段】駆動源により回転駆動される駆動軸と、駆動軸と一体に回転するポンプ羽根車と、駆動されるべき系への入力である従動軸と、従動軸と一体に回転するタービン羽根車と、ポンプ羽根車からタービン羽根車へ動力を伝達する流体、ポンプ羽根車およびタービン羽根車を収容するハウジングとを備え、ポンプ羽根車および／またはタービン羽根車が可変ピッチ機構を有することを特徴とするダンパー機能付回転型アクチュエータおよびそれを用いた動作補助装置。
【選択図】図１

Description

この発明は、ダンパー機能付の回転型アクチュエータおよびそれを用いた動作補助装置に関する。この発明の回転型アクチュエータは、ダンパー機能を有するので、高齢者用あるいは障害者用の動作補助装置に適用することが特に好ましい。

近年、人間に代わって作業を行うロボットの研究および開発が盛んに行われているが、それと共に、人間の身体能力あるいは作業能力を補助する機器の研究および開発も進んでいる。いわゆるロボットスーツあるいはパワーアシストスーツと呼ばれるものである。それらの用途としては、重量物の保持および運搬、リハビリテーション動作あるいは介護用機器として被介護者の立ち上がり、座り、歩行、階段昇降などの動作を補助が考えられている。

これらの機器に使用されるアクチュエータとしては、電磁モータを用いる方式や空気圧駆動方式、油圧駆動方式が採用されている。被補助者の動作の意思を検出する手法としては、被補助者の筋肉の緊張度に応じて発生する筋肉電位（表面筋電位あるいは生体電位差ともいう）を検出したり、筋肉の硬さを圧力センサで検出したりする手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
さらに、スーツという形態ではなく補助アームといった形態のより簡易な補助機器も提案されている（例えば、特許文献２および３参照）。長寿命化の傾向に伴い、このような動作補助機器の重要性は今後一層増すと考えられる。
特開２００４−１０５２６１号公報 特開平７−１６３６０７号公報 特開２００７−２９１１３号公報

このような動作補助機器に用いられるアクチュエータは、使用者の意思に対する適格な反応が求められる。特に被補助者の身体に装着するものは、被補助者の意思に反する不測の動作をしたり、過敏に反応したりするとかえって危険をもたらしかねない。しかし、被補助者の動作意思を外部から正確かつ瞬時に検出し、自身の筋肉同様に忠実に反応させるように制御することは、理想ではあっても実現はかなりむずかしい。従って、被補助者の意思と補助機器の動作に多少のズレがあることを前提として、被補助者自身の力で補正可能な程度の柔軟な補助動作が提供されることが好ましい。即ち、動力伝達部がダンパー機能をゆうすることが好ましい。一方、力が必要とされる場面では十分な力で被補助者を補助することのできる機器が望ましい。

一般に、モータや一般的な油圧方式のアクチュエータでは、被補助者がアクチュエータの動きに反して動作することは許容されない。空気圧方式のアクチュエータは柔軟性を有する利点があるが、構造が複雑になり簡易な補助機器には適さない。そこで、モータ等の駆動源と出力部との間にダンパー機能を持たせることが好ましい。

自動車等の分野では、変速機構の衝撃を吸収して柔軟に動力を伝達するための湿式クラッチやトルクコンバータなどが知られている。トルクコンバータは、ポンプで流体を駆動しタービンで力を取り出すものである。しかし、ポンプやタービンブレードはピッチ角が固定されておりその伝達特性を変えることは出来ない。また、駆動軸の回転方向が同一であれば、従動側も一定方向にしか回転しない。従って、トルクコンバータの機構を前述の動作補助機器にそのまま適用することはできない。

この発明は、以上のような事情を考慮してなされたものであって、単純な構造で駆動軸のトルクを柔軟に従動軸へ伝達することができ、しかもそのダンパー効果が可変の回転型アクチュエータおよびそれを用いた動作補助装置を提供するものである。

この発明は、駆動源により回転駆動される駆動軸と、駆動軸と一体に回転するポンプ羽根車と、駆動されるべき系への入力である従動軸と、従動軸と一体に回転するタービン羽根車と、ポンプ羽根車からタービン羽根車へ動力を伝達する流体、ポンプ羽根車およびタービン羽根車を収容するハウジングとを備え、ポンプ羽根車および／またはタービン羽根車が可変ピッチ機構を有することを特徴とするダンパー機能付回転型アクチュエータを提供する。

また、前記アクチュエータとヒンジ部とが配置される基アーム部と、前記ヒンジ部を軸として回動可能に取り付けられ、前記アクチュエータの従動軸の回転に応じて回動する従アーム部と、被補助者の関節部に前記アクチュエータのヒンジ部を位置させるための装着部と、前記アクチュエータの駆動軸を駆動する駆動源と、前記アクチュエータの可変ピッチ機構を調節するピッチ調節部とを備える動作補助装置を提供する。

この発明のアクチュエータは、ポンプ羽根車からタービン羽根車へ動力を伝達する流体、ポンプ羽根車およびタービン羽根車を収容するハウジングを備え、ポンプ羽根車および／またはタービン羽根車が可変ピッチ機構を有するので、単純な構造で駆動軸のトルクを柔軟に従動軸へ伝達することができる。流体の粘性によりダンパー効果が生じるからである。しかも、可変ピッチ機構によりそのダンパー効果を変えることができる。

また、この発明の動作補助装置は、前記アクチュエータと前記アクチュエータの可変ピッチ機構を調節するピッチ調節部とを備えるので、駆動源からの駆動を柔軟に伝達でき、さらに被補助者の動作に応じてポンプ羽根車および／またはタービン羽根車のピッチを調節することにより、駆動を調節することができる。

たとえば、ダンパー効果の減衰係数を被補助者の動作に適した値に瞬時に変化させることができる。一般にアクチュエータの駆動源であるモータの回転数や方向を瞬時に変化させることは慣性が大きいために困難であるが、この発明に係るポンプ羽根車および／またはタービン羽根車のピッチ角の調節は、駆動源の回転を変える場合に比べて慣性が小さく、小さな力で素早く調節することができる。したがって、人の動作補助など、動作の速さ、方向および力の大きさが瞬時に刻々と変化する用途に適している。

以下、この発明の好ましい態様について説明する。
この発明によるアクチュエータにおいて、前記ハウジングは、前記流体がポンプ羽根車からタービン羽根車を経て還流するように流路を形成し、可変ピッチ機構は、前記ピッチ角を変えて従動軸の回転方向および／または回転トルクを変化させてもよい。

また、前記ポンプ羽根車およびタービン羽根車がいずれも可変ピッチ機構を備え、前記可変ピッチ機構は、ポンプ羽根車のピッチ角とタービン羽根車のピッチ角とを連動させてダンパー機能の減衰特性を変化させてもよい。

この発明による動作補助装置は、被補助者の動作の意思を検出する動作意思検出部と、検出された動作意思に応じて前記駆動源の駆動と前記ピッチ調節部の動作を制御する制御部とをさらに備えていてもよい。

前記動作意思検出部は、前記関節部を動かそうとする筋肉の緊張度または前記関節部を動かそうとする際に生じる生体電位差を検出し、前記制御部は、前記緊張度または生体電位差の大きさに応じてピッチ調節部を調節してもよい。

また、前記制御部は、被補助者が力を入れたことを動作意思検出部が検出したときにダンパー効果を大きくするようにピッチ調整部を調節してもよい。
ここで示した種々の好ましい態様は、それら複数を組み合わせることもできる。

以下、図面を用いてこの発明をさらに詳述する。なお、以下の説明は、すべての点で例示であって、この発明を限定するものと解されるべきではない。

図１は、この発明による回転型アクチュエータの構造を示す説明図である。図１で、回転型アクチュエータ１は、駆動源であるモータ１１の軸に直結された駆動軸１３、駆動軸の一端にあって駆動軸１３と共に回転するポンプ羽根車１７、ポンプ羽根車と対向して配置されるタービン羽根車４７、タービン羽根車の回転軸である従動軸４３を含んでいる。従動軸４３の回転は、出力ギア４１を介して負荷へ伝達される。

ポンプ羽根車１７は羽根のピッチ角が可変である。各羽根は、クランプピンリング１８の回転に伴ってピッチ角が変わる。クランプピンリングは、駆動軸１３の内部でプッシュロッド１９の一端とリンクしている。プッシュロッド１９の他端には、リニアアクチュエータ２１に接続されており、アクチュエータ２１の作動によって各羽根のピッチ角が変わる。以上のようなポンプ羽根車のピッチ可変機構は、タービン羽根車４７にも設けられている。タービン羽根車４７は、アクチュエータ５１の作動によって各羽根のピッチ角が変わる。

駆動軸１３、ポンプ羽根車１７、タービン羽根車４７、従動軸４３は、ハウジング３１の内部に収容されており、ハウジング３１の内部にはオイルが充填されている。ハウジング３１と駆動軸１３との間にはシールドベアリング１５が設けられている。また、ハウジング３１と従動軸４３との間にはシールドベアリング４５が設けられている。さらに、駆動軸１３とクランクピンリング１８との間にもシールドベアリングが設けられている。タービン羽根車４７のクランクピンリングと従動軸４３との間にもシールドベアリングが設けられている。従って、ハウジング内に充填されたオイルは封止された状態にあり、ハウジング３１の内部にはオイル室３７が形成されている。

また、ハウジング３１には、オイル整流リング３３と、整流リング３３を支持する支持リング３５が配置されている。支持リング３５にはオイルを通過させる開口が設けられており、ポンプ羽根車１７が回転すると、矢印Ｆの方向にオイルが還流する。そして、オイル流の抵抗を受けてタービン羽根車４７が回転し、駆動軸１３の回転は従動軸４３に伝達される。このとき、オイルの粘性に起因するダンパー効果が発生する。従って、駆動軸１３から従動軸４３への動力の伝達は柔軟に行われる。

ポンプ羽根車１７の各羽根のピッチ角とタービン羽根車４７の各羽根のピッチ角を変えることにより、ダンパー効果を変化させることができる。また、モータ１１の回転速度を変えることにより、従動軸４３の回転数を調節できる。

ハウジング３１の形状は、オイルの流れを損なわない滑らかな形状が好ましい。そこで、ハウジング３１内に整流用の整流リング３３を配置してオイルが効率よく還流するように流路を形成し、力の伝達効率を高めている。なお、必要に応じてモータ１１と駆動軸１３との間、あるいは従動軸４３と負荷との間にギアボックスを取り付けて、軸回転速度が適切な範囲になるようにすればよい。

図２は、この実施の形態においてポンプ羽根車１７の可変ピッチ機構を示す説明図である。図２に示すように、駆動軸１３の内部には、プッシュロッド１９が挿入されており、その先端部にはヘッド部２３が設けられている。ヘッド部２３の側壁には溝部が設けられており、その溝部は、ポンプ羽根車１７の羽根の一つ１７ａのクランクピンリング１８に設けられたピン部１８ａと係合している。プッシュロッド１９は、リニアアクチュエータ２１の作動に伴い、矢印Ａ方向に動く。

図３は、この実施の形態において、可変ピッチ機構に係るヘッド部２３とピン部１８ａとの係合の様子を示す説明図である。図３に示すように、ヘッド部２３は、円柱状の部材であり、側壁の周囲に溝部２５ａおよび２５ｂが設けられている。図３に示す羽根１７ａのピン部１８ａの先端は、溝部２５ａの凹部と係合する。なお、溝部２５ｂは、図３に図示しない他の羽根のピン部と係合する。クランプリング１８は、その周縁が駆動軸１３の側部に設けられたシールドベアリング２７ａ（図２参照）に取り付けられており、矢印Ｐの方向に回動可能である。クランプリング１８は、プッシュロッドロッド１９の矢印Ａ方向の往復運動を、羽根１７ａの矢印Ｐ方向の回転運動に変換する。タービン羽根車４７も、図２および図３と同様の可変ピッチ機構を有する。
リニアアクチュエータ２１としては、モータを駆動源とする精密位置決め用の小型のものが知られている。市販のアクチュエータを用いてもよいし、その機構を流用してもよい。

駆動軸１３、従動軸４３、ポンプ羽根車１７、タービン羽根車４７、ハウジング３１、整流リング３３および支持リング３５の材質としては、金属、例えば、鉄、アルミニウム、マグネシウムあるいはチタンを主成分とする合金を用いることができる。また、カーボン繊維などを含む複合材を適用してもよい。それらの材料を組み合わせて構成してもよい。

図４は、この発明の回転型アクチュエータを備えた動作補助機器の一例を示す説明図である。図４は、この発明の動作補助装置の機構的な構成を示している。図４の動作補助装置７１は、被補助者の腕７０に装着される。ただし、この発明の回転型アクチュエータを備える動作補助装置はこれに限定されず、他の部位の関節、例えば、脚部や腰部の動作を補助する装置や、前述のパワーアシストスーツにも適用可能である。

図４で、動作補助装置７１は、主としてヒンジ軸６１を一端に有する基アーム部７３、ヒンジ軸６１を介して基アーム部７３に対して回動可能に取り付けられた従アーム部７５から構成されている。基アーム７３には、図１の回転型アクチュエータ１とモータ１１が取り付けられている。回転型アクチュエータの従動軸４３は、負荷としてのヒンジ軸６１を回転させる。

従アーム部７５は、ヒンジ軸６１と一体に回動する。基アーム部７３、従アーム部７５の材質としては、樹脂、例えば、ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、フッ素樹脂、ポリエステル樹脂、カーボン繊維などを含む複合材や金属、例えば、アルミニウム、マグネシウムあるいはチタンを主成分とする合金を単独で、もしくは組み合わせて構成することができる。
また、オイルとしては、市販のトルクコンバータ用オイルやシリコンオイルなどが考えられる。

さらに、基アーム部７３には、基アーム部７３を被補助者の腕７０に装着するための固定ベルト７９ａ、腕７０のうち肩と肘との間筋肉の緊張を検出する圧力センサ７７ａが設けられている。また、図４には図示しないが、圧力センサ７７ａ等の検出信号に基づきモータ１１および回転型アクチュエータ１の羽根車のピッチ角を調節するコントローラ（制御部）が設けられている。コントローラおよびモータ１１、リニアアクチュエータ２１、５１は図示しない外部のバッテリーから電源が供給される。

また、従アーム部７５には、固定ベルト７９ｂおよび圧力センサ７７ｂが設けられている。固定ベルト７９ａおよび７９ｂは、請求項にいう装着部として機能する。固定ベルトとしては、マジックテープ（登録商標）などが適用可能である。圧力センサ７７ｂの検出信号は、腕７０の先の方にある筋肉の緊張を検出するためのセンサである。基アーム部７３にある前記コントローラへ入力される。なお、センサ７７の配置位置と種類とは図４に図示したものに限らない。被補助者の動作の意思を検出する手法については背景技術で述べたように種々の提案がなされており、部位や用途に応じて適宜決定すればよい。各センサは、請求項にいう動作意思検出部として機能する。

図５は、この発明の動作補助装置の主として電気的な構成の一例を示すブロック図である。図５に示すように、この発明の動作補助装置７１は、主としてセンサ７７、コントローラ８０、モータ駆動部８１、駆動源としてのモータ１１、回転型アクチュエータ１、駆動軸側リニアアクチュエータ駆動部８３および従動軸側リニアアクチュエータ駆動部８４からなる。センサ７７は、被補助者の腕７０の筋肉の緊張を検出する。なお、被補助者の腕は動作補助装置７１に含まれないことを明示するために、その枠を破線で示している。

センサ７７からの検出信号は、コントローラ８０に入力される。コントローラ８０は、検出信号に基づいて被補助者の動きを判断する。その判断結果に基づいて、モータ駆動部８１へモータの制御信号（指示）を出力する。また、駆動軸側リニアアクチュエータ駆動部８３および従動軸側リニアアクチュエータ駆動部８４へ各アクチュエータへの制御信号（指示）をそれぞれ出力する。モータ駆動部８１は、コントローラ８０からの制御信号に応じた駆動信号を生成し、モータ１１へ供給する。これによって、モータ１１は、コントローラの指示に応じた回転速度および回転方向で動作する。

また、リニアアクチュエータ２１および５１は、コントローラ８０からのそれぞれの指示に応じて作動する。従って、ポンプ羽根車１７およびタービン羽根車４７の各羽根は、コントローラの指示に応じたピッチ角にそれぞれ変位する。その結果、ヒンジ軸６１は、コントローラ８０の判断結果に応じた駆動力およびダンパー特性で変位し、被補助者の動作を補助する。

例えば、コントローラ８０は、重い荷物を持つときなど、被補助者が大きな力を入れようとして筋肉を緊張させるとき、センサ７７からの検出信号に基づいて被補助者の動きを判断する。その結果、被補助者が大きな力を入れようとしていると判断すると、コントローラ８０は、ポンプ羽根車のピッチ角およびタービン羽根車のピッチ角をいずれも大きな揚力係数を発生させるような角度に調節する。

一方、前述の場合に比べて軽い荷物を持つときなど、被補助者が比較的小さな力を入れようとしているとき、コントローラ８０は、ポンプ羽根車のピッチ角およびタービン羽根車のピッチ角を前述の場合に比べて大きな揚抗比を発生させるような角度に調節する。その結果、駆動源から負荷への力の伝達効率が向上する。

また、タービン羽根車のピッチ角をより大きくするとダンパー機能の減衰係数がより大きくなる。そこで、コントローラ８０は、被補助者の能力に応じて適切な減衰係数が設定されるようにタービン羽根車のピッチ角を調節する。適切な減衰係数を決定するために、コントローラ８０は、動作補助装置が使用される前に、図示しない操作部を用いて被補助者自身、あるいは装置の管理者等に被補助者の能力を入力させてもよい。前記操作部は、装置と一体に設けられていてもよく、あるいは、装置と別体になっており必要に応じて装置に接続され、コントローラ８０との間で信号をやり取りできるようになっていてもよい。

ここで、被補助者の意思と動作補助装置の動きにズレが生じた場合、基アーム部７３および／または従アーム部７５に外力が加わる。その結果、ヒンジ軸６１を介して従動軸４３の負荷トルクが変化する。負荷トルクの変化に応じてタービン羽根車４７の回転速度が変化するが、オイルの粘性により、付加トルクの変化量に比例した反力が発生する。比例係数は、タービン羽根車４７のピッチ角に依存する。

以上のように、動作補助装置にこの発明の回転型アクチュエータを適用した場合、被補助者がアクチュエータの動きに反して動作することが許容される。また、被補助者の動作速度に比例した反力が発生する。即ち、複雑なセンシングや制御を行うことなく、オーソリティを人に持たせた動作補助制御が可能になる。

前述した実施の形態の他にも、この発明について種々の変形例があり得る。それらの変形例は、この発明の範囲に属さないと解されるべきものではない。この発明には、請求の範囲と均等の意味および前記範囲内でのすべての変形とが含まれるべきである。

この発明による回転型アクチュエータの構造の一例を示す説明図である。 この実施の形態において、ポンプ羽根車の可変ピッチ機構を示す説明図である。 この実施の形態において、可変ピッチ機構に係るヘッド部とピン部との係合の様子を示す説明図である。 この発明の回転型アクチュエータを備えた動作補助機器の一例を示す説明図である。 この発明の動作補助装置の主として電気的な構成の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１：回転型アクチュエータ
１１：モータ、駆動源
１３：駆動軸
１５、２７ａ、２７ｂ：シールドベアリング
１７：ポンプ羽根車
１７ａ、１７ｂ：羽根
１８：クランクピンリング
１８ａ：ピン部
１９：ポンプ羽根車用プッシュロッド
２１：プッシュロッド用アクチュエータ
２３：ヘッド部
２５ａ、２５ｂ：溝部
３１：ハウジング
３３：整流リング
３５：支持リング
３７：オイル室
４１：出力ギア
４３：従動軸
４５：シールドベアリング
４７：タービン羽根車
４９：タービン羽根車用プッシュロッド
５１：プッシュロッド用アクチュエータ
６１：ヒンジ軸、駆動負荷
７０：腕、被補助者
７１：動作補助装置
７３：基アーム部
７５：従アーム部
７７、７７ａ、７７ｂ：圧力センサ
７９ａ、７９ｂ：装着部
８０：コントローラ
８１：モータ駆動部
８３：駆動軸側リニアアクチュエータ駆動部
８４：従動軸側リニアアクチュエータ駆動部

Claims (7)

1. 駆動源により回転駆動される駆動軸と、
   駆動軸と一体に回転するポンプ羽根車と、
   駆動されるべき系への入力である従動軸と、
   従動軸と一体に回転するタービン羽根車と、
   ポンプ羽根車からタービン羽根車へ動力を伝達する流体、ポンプ羽根車およびタービン羽根車を収容するハウジングとを備え、
   ポンプ羽根車および／またはタービン羽根車は、可変ピッチ機構を有することを特徴とするダンパー機能付回転型アクチュエータ。
2. 前記ハウジングは、前記流体がポンプ羽根車からタービン羽根車を経て還流するように流路を形成し、
   可変ピッチ機構は、前記ピッチ角を変えて従動軸の回転方向および／または回転トルクを変化させる請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記ポンプ羽根車およびタービン羽根車がいずれも可変ピッチ機構を備え、
   前記可変ピッチ機構は、ポンプ羽根車のピッチ角とタービン羽根車のピッチ角とを連動させてダンパー機能の減衰特性を変化させる請求項１または２に記載のアクチュエータ。
4. 請求項１〜３の何れか一つに記載のアクチュエータとヒンジ部とが配置される基アーム部と、
   前記ヒンジ部を軸として回動可能に取り付けられ、前記アクチュエータの従動軸の回転に応じて回動する従アーム部と、
   被補助者の関節部に前記アクチュエータのヒンジ部を位置させるための装着部と、
   前記アクチュエータの駆動軸を駆動する駆動源と、
   前記アクチュエータの可変ピッチ機構を調節するピッチ調節部とを備える動作補助装置。
5. 被補助者の動作の意思を検出する動作意思検出部と、
   検出された動作意思に応じて前記駆動源の駆動と前記ピッチ調節部の動作を制御する制御部とをさらに備える請求項４記載の動作補助装置。
6. 前記動作意思検出部は、前記関節部を動かそうとする筋肉の緊張度または前記関節部を動かそうとする際に生じる生体電位差を検出し、
   前記制御部は、前記緊張度または生体電位差の大きさに応じてピッチ調節部を調節する請求項５記載の動作補助装置。
7. 前記制御部は、被補助者が力を入れたことを動作意思検出部が検出したときにダンパー効果を大きくするようにピッチ調整部を調節する請求項６記載の動作補助装置。