液压致动器及使用该液压致动器的关节驱动单元的制作方法

专利名称：液压致动器及使用该液压致动器的关节驱动单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及动作效率优良的液压致动器及使用该液压致动器的关节驱动单元。
背景技术：
近年来，对医疗用机器人、家庭用服务机器人及工厂内的作业辅助机器人等在和 人接近的区域内工作的机器人的期望不断提高。这样的机器人和工业用机器人不同，确保 和人接触时的安全性非常重要。为此，要求实施作业的功率和轻量及低惯性并存，对于关节 驱动用致动器，也要求高的功率重量比。作为对应这样的要求的致动器的例子，存在油压致 动器(例如参照非专利文献1、专利文献1、专利文献2)。油压致动器由于使用非压缩性流 体，利用高压进行驱动，因此能够获得高的功率重量比。专利文献1 日本特开昭60-164677号公报；专利文献2 :USP4, 903, 578号公报；非专利文献1 生物机械论协会发行，论文集「生物机械论」(K 4才乂力二 < A学 会発行、論文集「才乂力二 < Λ」)，1975年发行，Vol. 3的104 114页。油压致动器是使用非压缩性流体的油作为动作流体，因此用于产生压力的加压装 置成为必需。作为加压装置，使用油压泵进行加压的方法被普遍采用，但是，为了连续产生 压力，必须使泵连续运转。因此，在需要力而不需要位移的保持动作那样的情况下，即使不 伴随向外部的能量传递，也必须持续进行泵的能量消耗。为了回避这种状态，公认利用蓄能 器等蓄压装置较为有效，但是，来自蓄能器的能量消耗依赖于油的消耗量。在工作缸型或者 叶片型油压致动器中，为了调节速度而使用了节流结构，但是在使用节流结构的结构中，越 是以低速动作，蓄能器内的能量越会作为损失白白地被消耗。因此，对于工作缸型或者叶片 型的油压致动器而言，在家庭用机器人所要求的那样的低速及高扭矩的条件下，存在油压 泵及蓄能器变为大型，且用于抑制因损失产生的放热的冷却机构也成为必需等问题点，存 在无法将作为系统的功率重量比提高的课题。另一方面，在可变容量的轴向活塞型油压致动器中，能够通过使摆动板的角度变 化来调节输出，因此，能够使油以定压进行动作，使蓄压器中的能量消耗和输出容易联动。 但是，因为轴向活塞型油压致动器为利用有限个活塞的动作，所以为了使摆动板的角度变 化，需要非常大的力，存在控制性方面有问题之类的课题。

发明内容
因此，鉴于上述的问题点，本发明的目的在于提供一种实现加压装置轻量化，并且 控制性也非常优良的液压致动器及使用该致动器的关节驱动单元。为了实现上述目的，本发明如下构成。本发明的第一实施方式提供一种能够进行旋转动作的液压致动器，其特征在于， 具备基座部件；
摆动部件，其相对于所述基座部件由万向接头机构保持，能够相对于以所述基座 部件为基准并含有所述万向接头机构的接头中心的第一轴摆动；第一旋转部件，其相对于所述摆动部件被保持为能够绕以所述摆动部件为基准并 含有所述万向接头机构的接头中心的第二轴旋转；第二旋转部件，其相对于所述第一旋转部件被保持为能够绕与所述第二轴垂直且 含有所述万向接头机构的所述接头中心的第三轴旋转，并且相对于所述基座部件也被保持 为能够绕所述第一轴旋转；高压配管部，其由通过蓄压机构加压后的非压缩性流体充满；低压配管部，其由所述非压缩性流体以压力被保持为比所述高压配管部内的所述 非压缩性流体低的状态充满；泵机构，其向所述高压配管部移送所述低压配管部的所述非压缩性流体；多个摆动扭矩发生机构，其连接所述基座部件和所述摆动部件，并分别连接所述 高压配管部、所述低压配管部以及所述泵机构，在所述非压缩性流体的驱动下，对所述摆动 部件产生摆动扭矩；控制阀装置，其控制所述摆动扭矩发生机构与所述高压配管部及所述低压配管部 之间的所述非压缩性流体的连接；以及摆动角调节装置，其使所述第一旋转部件和所述第二旋转部件的绕所述第三轴的 相对角度变化，所述控制阀装置进行控制，使得通过所述摆动扭矩发生机构，绕与所述第一轴以 及所述第三轴垂直的第四轴产生相对于所述摆动部件的摆动扭矩。本发明的第十一方面提供一种关节驱动单元，其通过第一 第十方式中任一方式 所述的液压致动器进行驱动。因此，根据本发明，能够获得实现了摆动扭矩发生机构及蓄压机构等加压装置的 轻量化，并且控制性也优良的液压致动器及使用该液压致动器的关节驱动单元。即，作用于 第二旋转部件的旋转扭矩由作用于摆动部件的绕第四轴的摆动扭矩以及通过摆动角调节 装置调节的第一旋转部件和第二旋转部件间的相对角度来决定，因此，即使在使高压配管 部的非压缩性流体的压力直接作用于摆动扭矩发生机构，且使对于摆动部件的绕第四轴的 摆动扭矩最大限度地持续产生的状态下，也能够与绕第四轴的摆动扭矩无关地通过摆动角 调节装置控制作用于第二旋转部件的旋转扭矩。此时，除用于作用于摆动部件的绕第三轴 的摆动扭矩的调节的一部分摆动扭矩发生机构以外，能够通过高压配管部的非压缩性流体 进行直接驱动，因此，对高压配管部加压的蓄压机构损失的能量和对液压致动器的外部做 功的能量联动，蓄压机构不会无效地消耗能量，从而能够实现泵机构及蓄压机构的小型化。 再者，在从外部对本发明的液压致动器做功的情况下，其能量伴随高压配管部的非压缩性 流体的移动而相对于蓄压机构再生，因此，蓄压机构消耗的能量进一步减少，能够实现泵机 构的小型化。另外，由于通过控制阀装置以摆动角调节装置的动作负荷降低的方式控制绕 第三轴的摆动扭矩，因此，摆动角调节装置的响应性也提高，从而提高了控制性。


根据与针对附图的最佳实施方式相关的以下记述能够明确本发明的上述目的和其他目的以及特征。在附图中，图IA是表示本发明第一实施方式的旋转致动器的概略的主视剖面图；图IB是表示本发明上述第一实施方式的上述旋转致动器的概略的主视剖面图的 局部放大图；图IC是表示本发明上述第一实施方式的上述旋转致动器的概略的右侧面剖面 图，图ID是表示本发明上述第一实施方式的上述旋转致动器的概略的图IA中的A-A 线剖面图；图IE是表示本发明上述第一实施方式的上述旋转致动器驱动时的概略的右侧面 剖面图；图2是表示本发明上述第一实施方式的上述旋转致动器的阀机构的内部结构的 配管图；图3是表示本发明上述第一实施方式的上述旋转致动器的上述阀机构中的调节 控制器和各部分间的连接关系的图；图4A是表示通过本发明上述第一实施方式的上述旋转致动器的上述调节控制器 控制的油压缸30a的发生力变化的图；图4B是表示通过本发明上述第一实施方式的上述旋转致动器的上述调节控制器 控制的油压缸30b的发生力变化的图；图4C是表示通过本发明上述第一实施方式的上述旋转致动器的上述调节控制器 控制的油压缸30c的发生力变化的图；图4D是表示通过本发明上述第一实施方式的上述旋转致动器的上述调节控制器 控制的油压缸30d的发生力变化的图；图4E是表示通过本发明上述第一实施方式的上述旋转致动器的上述调节控制器 控制的油压缸30e的发生力变化的图；图5是表示使用本发明上述第一实施方式的上述旋转致动器的关节驱动单元的 概略的立体图；图6A是表示使用本发明上述第一实施方式的上述旋转致动器的上述关节驱动单 元的概略的侧视图；图6B是表示使用本发明上述第一实施方式的上述旋转致动器的上述关节驱动单 元的概略的侧视图；图7是表示使用多个本发明上述第一实施方式的上述旋转致动器且共用油压泵 的结构的图。
具体实施例方式下面，根据附图对本发明的实施方式进行详细说明。下面，在参照附图对本发明的实施方式进行详细说明之前，对于本发明的各种方 式进行说明。根据本发明的第一方式，提供一种能够进行旋转动作的液压致动器，其特征在于， 具备
基座部件；摆动部件，其相对于所述基座部件由万向接头机构保持，能够相对于以所述基座 部件为基准并含有所述万向接头机构的接头中心的第一轴摆动；第一旋转部件，其相对于所述摆动部件被保持为能够绕以所述摆动部件为基准并 含有所述万向接头机构的接头中心的第二轴旋转；第二旋转部件，其相对于所述第一旋转部件被保持为能够绕与所述第二轴垂直且 含有所述万向接头机构的所述接头中心的第三轴旋转，并且相对于所述基座部件也被保持 为能够绕所述第一轴旋转；高压配管部，其由通过蓄压机构加压后的非压缩性流体充满；低压配管部，其由所述非压缩性流体以压力被保持为比所述高压配管部内的所述 非压缩性流体低的状态充满；泵机构，其向所述高压配管部移送所述低压配管部的所述非压缩性流体；多个摆动扭矩发生机构，其连接所述基座部件和所述摆动部件，并分别连接所述 高压配管部、所述低压配管部以及所述泵机构，在所述非压缩性流体的驱动下，对所述摆动 部件产生摆动扭矩；控制阀装置，其控制所述摆动扭矩发生机构与所述高压配管部及所述低压配管部 之间的所述非压缩性流体的连接；以及摆动角调节装置，其使所述第一旋转部件和所述第二旋转部件的绕所述第三轴的 相对角度变化，所述控制阀装置进行控制，使得通过所述摆动扭矩发生机构，绕与所述第一轴以 及所述第三轴垂直的第四轴产生相对于所述摆动部件的摆动扭矩。根据这样的构成，作用于第二旋转部件的旋转扭矩由作用于摆动部件的绕第四轴 的摆动扭矩以及通过摆动角调节装置调节的第一旋转部件和第二旋转部件间的相对角度 来决定，因此，即使在使高压配管部的非压缩性流体的压力直接作用于摆动扭矩发生机构， 且使对于摆动部件的绕第四轴的摆动扭矩最大限度地持续产生的状态下，也能够与绕第四 轴的摆动扭矩无关地通过摆动角调节装置控制作用于第二旋转部件的旋转扭矩。此时，除 用于作用于摆动部件的绕第三轴的摆动扭矩的调节的一部分摆动扭矩发生机构以外，能够 通过高压配管部的非压缩性流体进行直接驱动，因此，对高压配管部加压的蓄压机构损失 的能量和对外部做功的能量联动，蓄压机构不会无效地消耗能量，从而能够实现泵机构及 蓄压机构的小型化。再者，在从外部对本发明的液压致动器做功的情况下，其能量伴随高压 配管部的非压缩性流体的移动而相对于蓄压机构再生，因此，蓄压机构消耗的能量进一步 减少，能够实现泵机构的小型化。另外，由于通过控制阀装置以摆动角调节装置的动作负荷 降低的方式控制绕第三轴的摆动扭矩，因此，摆动角调节装置的响应性也提高，从而提高了 控制性。因而，能够获得加压装置实现轻量化且控制性也优良的液压致动器。根据本发明的第二方式，提供一种如第一方式所述的液压致动器，其特征在于，所 述万向接头机构为等速接头机构。根据这样的构成，第二旋转部件的角度引起的特性偏差变小，摆动角调节装置对 作用于第二旋转部件的旋转扭矩的控制、或者控制阀装置对绕第三轴的摆动扭矩的调节变 得容易，因此，能够获得控制性更加出色的液压致动器。
7
本发明的第三方式提供一种如第一 第二方式中任一方式所述的液压致动器，其 特征在于，所述多个摆动扭矩发生机构分别在绕所述第二轴的圆周上等间隔配置。根据这样的构成，第二旋转部件的角度引起的特性偏差变小，摆动角调节装置对 作用于第二旋转部件的旋转扭矩的控制、或者控制阀装置对绕第三轴的摆动扭矩的调节变 得容易，因此，能够获得控制性更加出色的液压致动器。本发明的第四方式提供一种如第一 第三方式中任一方式所述的液压致动器，其 特征在于，所述摆动扭矩发生机构对所述摆动部件给予双方向的摆动扭矩。根据这样的构成，可以使用位于下述区域中的任一区域的摆动扭矩发生机构来产 生作用于摆动部件的绕第四轴的扭矩，所述区域是指通过按压摆动部件能够产生作用于摆 动部件的绕第四轴的扭矩的区域和通过拉伸摆动部件能够产生作用于摆动部件的绕第四 轴的扭矩的区域，因此，能够获得输出更高的液压致动器。本发明的第五方式提供一种如第四方式所述的液压致动器，其特征在于，具备3 以上的奇数个所述摆动扭矩发生机构。根据这样的构成，不增大配置摆动扭矩发生机构的间隔的偏差，也能够将各摆动 扭矩发生机构配置在相对接头中心非对称的位置。由此，能够减小第二旋转部件的角度引 起的摆动扭矩的偏差，从而能够获得性能更加稳定的液压致动器。本发明的第六方式提供一种如第五方式所述的液压致动器，其特征在于，作用于 所述摆动扭矩发生机构的所述非压缩性流体的压力，除去与所述第四轴最接近的所述摆动 扭矩发生机构，为所述高压配管部中的所述非压缩性流体的压力或者所述低压配管部中的 所述非压缩性流体的压力。根据这样的构成，能够将高压配管部的非压缩性流体的压力直接作用于除一个以 外的摆动扭矩发生机构，因此，对高压配管部进行加压的蓄压机构的能量变化和外部的能 量授受之差变小，能够获得动作效率更加出色的液压致动器。本发明的第七方式提供一种如第一 第六方式中任一方式所述的液压致动器，其 特征在于，所述摆动扭矩发生机构为活塞筒机构。根据这样的构成，不论位移如何，都能够使摆动扭矩发生机构的发生力固定，因 此，能够获得性能更加稳定的液压致动器。本发明的第八方式提供一种如第七方式所述的液压致动器，其特征在于，所述活 塞筒机构为使用双杆型活塞的机构。根据这样的构成，能够在通过高压配管部的非压缩性流体的压力使摆动扭矩发生 机构动作的情况下，抑制因活塞动作方向而产生的摆动扭矩的大小差异，因此，能够获得性 能更加稳定的液压致动器。本发明的第九方式提供一种如第一 第八方式中任一方式所述的液压致动器，其 特征在于，所述摆动扭矩发生机构和所述摆动部件通过球接头机构连接，所述球接头机构 的接头中心位于与所述第二轴垂直且包含所述第三轴的平面上。根据这样的构成，在改变第一旋转部件和第二旋转部件间的相对角度时，减小了 摆动角调节装置所作的功，因此能够获得控制性更加出色的液压致动器。本发明的第十方式提供一种多轴液压致动器，其特征在于，为具备多个第一 第 九方式中任一方式所述的液压致动器，各液压致动器的所述泵机构相互共有。
根据这样的构成，对于多个液压致动器的高压配管部，由于通过单一的泵机构从 低压配管部移送非压缩性流体，因此，所需的非压缩性流体的移送量的偏差被平均化，各液 压致动器的动作的联动性越低，越能够减小泵机构的做功量的变动。由此，作为整体结构能 实现泵机构的小型化，从而能够获得加压装置更轻量的液压致动器。本发明的第十一方式提供一种关节驱动单元，其特征在于，在通过关节部连接的 两个臂部的上述关节部，配置有第一 第十方式中任一方式所述的液压致动器，通过所述 液压致动器，相对于所述两个臂部中的一个臂部驱动另一个臂部。根据这样的构成，能够构成利用上述第一 第十方式中任一方式所述的液压致动 器进行驱动的关节驱动单元，可获得能够起到上述液压致动器的作用效果的关节驱动单兀。下面根据附图对本发明的各种实施方式进行详细说明。(第一实施方式)图IA是表示作为本发明第一实施方式的液压致动器的一例的旋转致动器1的概 略的主视剖面图，其局部放大图为图1B。另外，图IC表示旋转致动器1的右侧面剖面图，图 ID表示图IA中的A-A线的剖面图。作为该第一实施方式的旋转致动器中的正交坐标轴，定 义图IA的向上方向为Z轴、向左方向为X轴、靠纸面前侧为Y轴。在图IA 图ID中，在作为基座部件的一例的圆筒状的框架11的上面中央部，固 定有中心轴作为第一轴(假想轴)的一例起作用的固定轴12。在固定轴12上，通过作为 万向接头机构的一例的等速接头13，连接有中心轴作为第二轴(假想轴)的一例起作用的 摆动轴14。作为等速接头13，可以利用例如在日本特开2002-349593号公报中公开的那样 的等速接头。使用这样的等速接头，旋转扭矩不会因摆动轴14倾斜的方向而变动，因此优 选。在摆动轴14的下端，固定有作为摆动部件的一例且具有五边形形状的碗状部件15的 中央板部15a的开口 15b，以等速接头13的接头中心为基准，摆动轴14和碗状部件15能够 进行一体的摆动动作。另外，碗状部件15通过配置在碗状部件15的中央板部15a的上面 且可保持径向负荷及轴向负荷的轴承机构16，将作为第一旋转部件的一例的圆形的板状部 件17保持为与中央板部15a平行，板状部件17能够与摆动轴14的中心轴同轴地相对于碗 状部件15相对旋转。作为轴承机构16，可以使用例如交叉滚子轴承或者组合角接触球轴 承等。在板状部件17上，绕摆动轴14的中心轴隔开180度间隔设有两个板状突起部38a、 38b，在板状突起部38a、38b上分别固定有轴18a、18b。轴18a、18b同轴配置，并且，轴18a、 18b的中心轴被配置于通过等速接头13的接头中心的位置。另一方面，在固定轴12上，通过配置于其中间段部且可保持径向负荷及轴向负荷 的轴承机构21，作为第二旋转部件的一例的旋转体20被保持为绕固定轴12的中心轴可旋 转。轴承机构21通过轴承压盖22固定于旋转体20。另外，旋转体20也通过向心轴承19a、 19b、19c、19d与轴18a、18b连接，旋转体20能够绕中心轴作为第三轴(假想轴)的一例起 作用的轴18a、18b的中心轴(绕X轴)相对于碗状部件15相对旋转。旋转体20的旋转， 通过以和设置在旋转体20的上端的伞齿轮部39正交的方式啮合的伞齿轮27，传递到和伞 齿轮27 —体旋转的旋转轴28上。旋转轴28旋转自如地穿过框架11的上端突起部Ila的 通孔11b，并且以绕X轴可旋转地的方式，通过轴承机构29a、29b保持在框架11的上面，以 框架11为基准的旋转轴28的旋转角度利用编码器57进行测量。编码器57与后述的调节
9控制器(控制装置或者控制部的一例)52连接，在调节控制器52中，根据利用编码器57测 量的旋转体28的旋转角度，求出和旋转轴28联动的旋转体20的旋转角度。另外，在轴18a、18b各自的端面上分别固定有齿轮23a、23b。在一端被固定在旋转 体20的侧面的L字状的支承部件26a、26b的另一端，分别保持有作为摆动角度调节装置的 一例的伺服电动机25a、25b。分别被固定在伺服电动机25a、25b的旋转轴上的齿轮24a、24b 与齿轮23a、23b分别啮合。据此，驱动伺服电动机25a、25b，使各自的旋转轴及齿轮24a、24b 相对于齿轮23a、23b旋转，由此，能够使旋转体20和碗状部件15间的相对角度发生变化。 当旋转体20和碗状部件15间的相对角度发生变化时，图IC所示的状态(旋转体20的旋 转轴心和板状部件17的旋转轴心平行的状态(即，碗状部件15的中央板部15a沿水平面 布置的水平状态))向例如图IE所示的状态(板状部件17的旋转轴心相对于旋转体20的 旋转轴心倾斜的状态(即，碗状部件15的中央板部15a自沿水平面倾斜了的倾斜状态)) 变化。伺服电动机25a、25b的旋转信息被输入调节控制器52。另外，在碗状部件15上，通过在碗状部件15的侧面以等间隔(每隔72度的位置 上)配置在绕碗状部件15的旋转轴心的圆周上的球接头32a、32b、32C、32d、32e，作为摆动 扭矩发生机构的一例的活塞筒机构的一例的油压缸30a、30b、30c、30d、30e的双杆型的活 塞31a、31b、31C、31d、31e的上侧的杆的上端，分别转动自如地被连接在相对于固定轴12的 中心轴成旋转对称的位置(具体而言，在绕固定轴12的中心轴的同一圆周上的每隔72度 的位置)。从力相对于位移不发生变化这一点出发，优选油压缸。从不会因驱动方向而产生 发生力的差异这一点出发，优选使用双杆型的活塞，并且，由于能够使旋转体20的角度变 化时的特性偏差最小，因此优选配置于旋转对称的位置。另外，球接头32a、32b、32c、32d、 32e的接头中心位于与摆动轴14的中心轴垂直且包含轴18a、18b的中心轴的平面上。如 此构成，即使板状部件17的旋转轴心相对于旋转体20的旋转轴心的倾斜发生变化，通过球 接头32a、32b、32C、32d、32e的接头中心的圆的中心位置也固定，不会在碗状部件15中产生 多余的不平衡，因此优选。再有，油压缸30a、30b、30C、30d、30e的下部被固定于在各自的下 端部设置有球状部33q的工作缸支承部件33a、33b、33C、33d、33e的上端，工作缸支承部件 33a、33b、33C、33d、33e的下端的球状部33q分别被固定在框架11的下端底面的球体支架 34a、34b、34C、34d、34e支承且旋转自如，从而构成球接头，其中，所述工作缸支承部件33a、 33b、33c、33d、33e在中心部分别具备用于通过活塞31a、31b、31c、31d、31e的下侧的杆的通 孔 33p。另一方面，在油压缸30a、30b、30C、30d、30e的上部侧面及下部侧面，分别连接用 于供给作为非压缩性流体的一例的油的上侧的连接配管36a、36b、36C、36d、36e及下侧的 连接配管37a、37b、37c、37d、37e，用上侧的连接配管36a、36b、36c、36d、36e及下侧的连接 配管37a、37b、37c、37d、37e连接作为控制阀装置的一例的阀机构35和油压缸30a、30b、 30c、30d、30e。阀机构35的内部结构如图2所示的配管图所示那样的结构。再有，阀机构 35上具备调节控制器52，调节控制器52和图2中所示的各要素存在图3所示的连接关系。图2中，上侧的连接配管36a、36b、36c、36d、36e及下侧的连接配管37a、37b、37c、 37d、37e 分别连接有五通阀 41a、41b、41c、41d、41e，以切换油压紅 30a、30b、30c、30d、30e 和 作为高压配管部的一例的高压配管50及作为低压配管部的一例的低压配管51间的连接。 低压配管51由压力被保持为比高压配管50内的非压缩性流体低的非压缩性流体充满。高压配管50连接有作为蓄压机构的一例的蓄能器40，通过内部蓄积的能量对高压配管50内 的油加压。作为蓄能器40的种类并没有特别的限定，可采用目前公知的各种形式。具体 而言，例如皮囊式蓄能器、活塞式蓄能器或者隔膜式蓄能器等可用作蓄能器40。另外，上侧 的连接配管36a、36b、36C、36d、36e相对于延伸至油箱48的低压配管51，分别通过双位阀 42a、42b、42c、42d、42e连接，并且，相对于高压配管50，也分别通过双位阀43a、43b、43c、 43d、43e及止回阀46a、46b、46c、46d、46e连接。同样，下侧的连接配管37a、37b、37c、37d、 37e相对于延伸至油箱48的低压配管51，分别通过双位阀44a、44b、44C、44d、44e连接，并 且，相对于高压配管50，也分别通过双位阀45a、45b、45c、45d、45e及止回阀47a、47b、47c、 47d、47e连接。调节控制器52分别与五通阀41a、41b、41c、41d、41e，双位阀42a、42b、42c、 42d、42e，双位阀 43a、43b、43c、43d、43e，双位阀 44a、44b、44c、44d、44e，双位阀 45a、45b、 45c、45d、45e连接，从而能够利用调节控制器52分别控制各个双位阀的动作。另外，高压配管50通过减压阀49与低压配管51连接，以蓄能器40及高压配管50 的压力不会达到一定压力以上的方式保护蓄能器40及高压配管50。相反，在低压配管51 和高压配管50之间设置有作为泵机构的一例的具备止回阀的油压泵53，将低压配管51中 的油通过油压泵53向高压配管50输送。另外，在上侧的连接配管36a、36b、36C、36d、36e 的中途，分别设置有压力传感器54a、54b、54C、54d、54e，从而能够测量上侧的连接配管内的 压力。同样地，在下侧的连接配管37a、37b、37C、37d、37e的中途，分别设置有压力传感器 55a、55b、55C、55d、55e，在高压配管50的中途也设置有压力传感器56，从而能够分别测量 各个配管内的压力。调节控制器52分别与压力传感器54a、54b、54C、54d、54e和压力传感 器55a、55b、55C、55d、55e以及压力传感器56连接，用各个传感器测量的各个配管内的压力 信息被输入调节控制器52。接着，对在阀机构35内具备的调节控制器52的控制下进行的该旋转致动器1的 作用进行说明。作用于旋转致动器1的旋转轴28的力由油压缸30a、30b、30C、30d、30e的发生力 和板状部件17的旋转轴心相对于旋转体20的旋转轴心的倾斜的大小决定。即，在图IC中， 当油压缸30a、30b、30C、30d、30e的发生力作用于碗状部件15时，由于碗状部件15与摆动 轴14连接，并通过等速接头13与固定轴12连接，所以能够被限制向X轴、Y轴、Z轴各方向 的位移及绕Z轴的旋转。作用于碗状部件15的绕X轴的旋转扭矩，被传递到轴承机构16、 板状部件17及和板状部件17 —体旋转的板状突起部38a、38b、轴18a、18b、齿轮23a、23b， 然后通过齿轮24a、24b传递到伺服电动机25a、25b。另外，作用于碗状部件15的绕Y轴的 旋转扭矩，被传递到轴承机构16、板状部件17，并通过轴18a、18b传递到旋转体20。在图 IC的状态下，由于碗状部件15的中央板部15a保持水平状态，因此对旋转体20仅作用绕Y 轴的旋转扭矩。由于旋转体20的绕Y轴的旋转被轴承机构21约束，因此，在图IC的状态 下，旋转体20的状态不发生变化。另一方面，在碗状部件15的中央板部15a从水平状态倾斜的图IE的倾斜状态下， 作用于碗状部件15的绕Y轴的旋转扭矩(作为摆动扭矩的一例的扭矩)被分解为相对于 旋转体20的绕Y轴的旋转扭矩和绕Z轴的旋转扭矩。碗状部件15仅能进行以等速接头13 的接头中心为摆动中心的摆动动作，如图IE所示，从碗状部件15绕X轴倾斜的倾斜状态给 出绕Y轴旋转的情况，和使碗状部件15的倾斜方向绕Z轴旋转的情况是等同的。另一方面，由于旋转体20的约束，轴18a、18b的中心轴仅能在含有等速接头13的接头中心的X-Y平 面上存在，因此，当碗状部件15的倾斜方向变化时，轴18a、18b及旋转体20也随之绕Z轴 旋转。因此，利用作用于碗状部件15的绕Y轴的旋转扭矩，能够获得相对于旋转体20的绕 Z轴的旋转扭矩。即，通过伺服电动机25a、25b固定板状部件17的倾斜，阀机构35控制油 压缸30a、30b、30c、30d、30e各自的发生力，使得绕在X-Y平面上与轴18a、18b的中心轴垂 直的轴(作为与第三轴垂直的第四轴的一例的假想轴)(下面表示为绕Y’轴)对碗状部件 15产生固定的扭矩，由此，绕Z轴对旋转体20产生固定的扭矩。作用于该旋转体20的绕Z 轴的扭矩因板状部件17的倾斜而变化，在图IC所示的没有倾斜的水平状态下为0，在图IE 所示的倾斜状态下，随着板状部件17的倾斜的增大而增加。顺带说一下，作用于旋转体20 的绕Z轴的扭矩被传递到旋转体20的伞齿轮部39，并通过伞齿轮27传递到旋转轴28，该 扭矩成为旋转致动器1的发生扭矩。 接着，对阀机构35的动作进行说明。如图3所示，阀机构35是根据多个传感器的 信息对阀门进行控制，调节油压缸30a、30b、30C、30d、30e各自的发生力的机构。在调节控 制器52中，根据用编码器57测量的旋转轴28的旋转角度，求出和旋转轴28联动的旋转体 20的旋转角度，同时，根据伺服电动机25a、25b的旋转信息得到有关板材部件17及碗状部 件15的倾斜的信息。图4A 图4E分别示出由调节控制器52控制的旋转体20的角度和油 压缸30a、30b、30C、30d、30e之间的关系的一例。在图4A 图4E中，横轴的角度θ以度数 )单位来表示旋转体20的旋转角，设图IE状态为θ =0度，向Z轴方向右螺旋为正。 纵轴表示油压缸30a、30b、30C、30d、30e各自的发生力，设Z轴方向为正。另外，所谓纵轴上 的“+F”表示对下侧的连接配管37a、37b、37C、37d、37e分别施加高压配管50的压力的状态， 即，图2中五通阀41a、41b、41C、41d、41e分别向左方移动的状态。同样，所谓纵轴上的“-F” 表示对上侧的连接配管36a、36b、36C、36d、36e分别施加高压配管50的压力的状态，即，图 2中五通阀41a、41b、41c、41d、41e分别向右方移动的状态。另外，当油压缸30a、30b、30c、 30d、30e各自的发生力处于“+F”和“-F”中间时，成为五通阀41a、41b、41C、41d、41e分别 处于图2的位置，进行基于各双位阀42a、42b、42c、42d、42e和各双位阀43a、43b、43c、43d、 43e的压力控制的状态。在图IE的状态下，如图4A 图4E所示，当油压缸30a、30b、30c、 30d、30e各自的发生力产生变化时，对旋转体20作用绕Z轴方向左旋的旋转扭矩。当碗状 部件15的倾斜固定时，虽然作用于碗状部件15的绕Y’轴的扭矩产生5%左右的变动，但无 论旋转体20的角度如何，都为大致固定。另一方面，作用于碗状部件15的绕轴18a、18b的 中心轴的扭矩大致为0，对伺服电动机25a、25b不产生负荷。关于绕轴18a、18b的中心轴的 扭矩，也可以如图4A 图4E所示以直线状变化，但是，若以士 FXtan(A e)/tan(180° / (nX2))的方式变化，则能够使绕轴18a、18b的中心轴的扭矩更接近于0，因此优选。其中， Δ θ是在图4Α 图4Ε中与发生力为0的角度的差，η为工作缸的个数，第一实施方式中η =5。对于符号，在图4Α 图4Ε中，发生力向右上变化的情况下，符号为+，发生力向右下 变化的情况下，符号为_。顺便说一下，在图4Α的油压缸30a的情况下优选的是，在θ = 72° 108° 的范围为-FXtan( θ-90° )/tan(18° )，在 θ = 252° 288° 的范围为 FXtan(e-270° )/tan(18° )度。在该第一实施方式中，使η = 5的奇数个油压缸双方向 动作，这在相对于碗状部件15可产生五个方向的双方向扭矩(双方向的摆动扭矩)方面优 选。例如，在均等地配置了 6个油压缸的情况下，即使进行双方向动作也只能产生来自三个
12方向的双方向扭矩。另外，在第一实施方式中，设η = 5，但是通过增大n，能够进一步减小 绕Y’轴的扭矩的变动。但是，当η的数值过大时，结构变得复杂，因此优选3以上的奇数， η = 5、7、9、11左右的奇数更加理想。如上所述，在阀机构35控制了油压缸30a、30b、30c、30d、30e各自的发生力的状 态，使伺服电动机25a、25b动作，使板状部件17的倾斜发生变化，由此，能够使旋转致动器 1的发生扭矩、包括方向变化自由地变化。伺服电动机25a、25b的动作所需的扭矩，受到通 过油压缸30a、30b、30c、30d、30e的发生力而产生的绕轴18a、18b的中心轴的扭矩的影响， 但是，通过利用阀机构35的控制对绕18a、18b的中心轴的扭矩进行抑制，能够减小伺服电 动机25a、25b的必要扭矩(即，减少作为摆动角调节装置的一例的伺服电动机25a、25b的 动作负荷)。另外，当旋转体20的角度为如图4A 图4E中的36°、72°、108°等那样没 有实行阀机构35的压力控制的角度时，即使伺服电动机25a、25b动作，也不需要伴随压力 控制的能量消耗，因此，从旋转致动器1的动作效率方面出发，优选尽可能地在处于这样的 角度时使伺服电动机25a、25b动作。另一方面，旋转致动器1的发生扭矩依存于作用在碗状部件15的绕Y’轴的扭矩， 而绕Y’轴的扭矩的大部分通过直接加压了高压配管50的压力的油压缸产生。S卩，当如图 4A 图4E所示油压缸30a、30b、30C、30d、30e各自的发生力产生变化时，处于压力控制状态 的仅为与Y’轴最接近的油压缸(例如，θ =0° 36°的情况下，为油压缸30e)，该油压 缸的发生力给予绕Y’轴的扭矩的影响也因为与Y’轴最接近而变得很小。因此，当旋转致 动器1向扭矩发生方向(旋转轴28向X轴方向左螺旋)旋转而向旋转致动器1的外部做 功时，与输出到外部的能量相等的能量随着高压配管50内的油的移动，被直接从蓄能器40 内包含的能量中消耗。与之相反，当旋转致动器1向扭矩发生方向的相反方向(旋转轴28 向X轴方向右螺旋)旋转而被从旋转致动器1的外部做功时，与从外部输入的能量相等的 能量随着高压配管50内的油的移动，直接对蓄能器40内包含的能量进行补充。这样，旋转 致动器1能够按照其旋转方向自动地切换驱动和再生，因此，能够进一步减少蓄能器40消 耗的能量。另外，对于因旋转致动器1的动作而自蓄能器40失去的能量，能够从油压泵53 进行补充。此时，在旋转致动器1的动作中，再生有效地发挥作用，在与输出的峰值功率相 比平均功率大幅减小的情况下，花费时间就能够进行短期放出的蓄能器40内的能量的补 充，因此，油压泵53所要求的能力较小也可以，从而能够实现油压泵的小型化。因此，根据上述第一实施方式，能够实现作为摆动扭矩发生机构的一例的油压缸 30a、30b、30C、30d、30e及作为蓄压机构的一例的蓄能器40等加压装置的轻量化，同时，能 够获得控制性也优良的液压致动器1及使用该液压致动器的关节驱动单元71。S卩，作用于 作为第二旋转部件的一例的旋转体20的旋转扭矩，由作用于作为摆动部件的一例的碗状 部件15的绕第四轴的摆动扭矩、以及通过作为摆动角调节装置的一例的伺服电动机25a、 25b调节的第一旋转部件的一例即板状部件17与旋转体20间的相对角度来决定，因此，在 使高压配管部的一例即高压配管50的作为非压缩性流体的一例的油的压力直接作用在油 压缸30a、30b、30C、30d、30e，最大限度地持续产生相对于碗状部件15的绕第四轴的摆动扭 矩的状态下，也可以与绕第四轴的摆动扭矩无关地通过伺服电动机25a、25b来控制作用于 旋转体20的旋转扭矩。此时，用于作用于碗状部件15的绕第三轴(作为一例如轴18a、18b 的中心轴)的摆动扭矩的调节的一部分油压缸30a、30b、30C、30d、30e以外的油压缸，能够通过高压配管50的油直接驱动，因此，对高压配管50加压的蓄能器40失去的能量和对外 部做功的能量联动，蓄能器40不会无效地消耗能量，从而能够实现作为泵机构的一例的油 压泵53及蓄能器40的小型化。再有，在从外部对第一实施方式的液压致动器1做功的情 况下，其能量伴随高压配管50的油的移动而相对于蓄能器40再生，因此，蓄能器40消耗的 能量进一步减少，从而实现油压泵53的小型化。另外，通过作为控制阀装置的一例的阀机 构35，以伺服电动机25a、25b的动作负荷降低的方式控制绕第三轴的摆动扭矩，因此，伺服 电动机25a、25b的响应性也被提高，从而提高了控制性。另外，在该第一实施方式中，作为摆动角调节装置使用了伺服电动机25a、25b，但 并不仅限于此，也可以利用组合普通的电磁电动机或者超声波电动机等其它形式的电动机 和编码器而成的装置、或者利用通过步进电动机等开环机构而能够动作的旋转致动器等。 另外，也可以代替编码器的角度测量，使用作用于旋转体20或者旋转轴28的扭矩的测量 值。这种操作在可降低蓄能器40内的压力变动或者绕Y’轴的扭矩变动带给旋转致动器1 的输出扭矩的影响方面优选。此外，在该第一实施方式中，由调节控制器52根据旋转轴28的旋转角度求出旋转 体20的旋转角度，但是直接测量旋转体20的旋转角度亦可。再有，在该第一实施方式中， 将绕轴18a、18b的中心轴的扭矩始终保持为接近于0，但是，在伺服电动机25a、25b的能力 有富余的情况下，也可以使进行压力控制的角度范围比图4A 图4E的情况更狭小。这样 一来，能够抑制伴随压力控制的能量消耗，因此优选。图5 图6B表示使用第一实施方式的旋转致动器1的关节驱动单元71的构成例。 在旋转致动器1的下方配置有第一臂部60，在上方配置有第二臂部61，且旋转致动器1的 框架U固定在第一臂部60上，第二臂部61直接固定在旋转轴28上。(具体而言，旋转轴 28的两端部被固定在第二臂部61的突出部61a上)。即，作为用于使上侧臂部即第二臂部 61通过旋转致动器1，相对下侧臂部即第一臂部60旋转驱动的驱动单元，使用关节驱动单 元71。根据这样的构成，自图6A的状态(第一臂部60的中心轴和第二臂部61的中心轴 布置为大致同一直线状的状态)使旋转致动器1动作，使旋转轴28逆时针旋转，由此，第二 臂部61相对于第一臂部60进行逆时针方向的旋转动作，变为图6B的状态(第二臂部61 的中心轴相对第一臂部60的中心轴倾斜的状态)。也可以与之相反，通过使旋转轴28向顺 时针方向旋转，使第二臂部61相对第一臂部60向上述方向的反方向(即顺时针方向)旋 转。因此，根据这样的构成，能够得到直接移接了旋转致动器1所具有的特征、即动作 效率优良的特征的关节驱动单元71，能够实现特别适用于家庭用途的机器人臂的关节驱动 单元。即，在上述图5的例子中，通过关节部连接的机器人臂的两个臂部为第一臂部60和 第二臂部61，在上述关节部设置上述液压致动器1，通过上述液压致动器1，相对于上述两 个臂部中的一个臂部(例如第二臂部60)，另一个臂部(例如第一臂部60)由关节驱动单元 71驱动。另外，也可以如图7那样，利用单一的油压泵53来共用多个(例如4个)旋转致 动器la、lb、lc、Id各自的油压泵。通过这样设计，对于多个高压配管50a、50b、50c、50d，通 过单一的油压泵53从低压配管51 (即分别连接一个油压泵53和旋转致动器la、lb、lc、ld
14的低压配管51a、51b、51c、51d)输送油，因此，所需油的输送量的偏差被平均化，各旋转致 动器la、lb、lc、ld的动作的联动性越低，越能够减少油压泵53的做功量的变动。因此，作 为整体构成，能够实现油压泵53的小型化，并能够使加压装置(例如摆动扭矩发生机构的 例子的油压缸30a、30b、30C、30d、30e及蓄压机构的例子的蓄能器40等加压装置)更加轻 量化。另外，在图7中，也通过单一的蓄能器40来共用蓄能器，在共用的蓄能器40的配置 方面没有问题的情况下，共用化能够将加压装置做得轻量，因此优选。另外，通过将上述各种实施方式中的任意实施方式适当组合，能够发挥各自具有 的效果。本发明的液压致动器及使用该液压致动器的关节驱动单元，力控制容易且功率重 量比优良，作为机器人的关节驱动用致动器等及使用该致动器的关节驱动单元等有用。本发明在参照附图的同时结合最佳实施方式充分地进行了记述，但是，对于熟知 该技术的人们来说，可进行各种变形或者修正。那样的变形或者修正只要不脱离由附加的 权利要求限定的本发明的范围，应该理解为被包含在其中。
权利要求
一种液压致动器，其能够进行旋转动作，具备基座部件；摆动部件，其相对于所述基座部件由万向接头机构保持，能够相对于以所述基座部件为基准并含有所述万向接头机构的接头中心的第一轴摆动；第一旋转部件，其相对于所述摆动部件被保持为能够绕以所述摆动部件为基准并含有所述万向接头机构的所述接头中心的第二轴旋转；第二旋转部件，其相对于所述第一旋转部件被保持为能够绕与所述第二轴垂直且含有所述万向接头机构的所述接头中心的第三轴旋转，并且相对于所述基座部件也被保持为能够绕所述第一轴旋转；高压配管部，其由通过蓄压机构加压后的非压缩性流体充满；低压配管部，其由所述非压缩性流体以压力被保持为比所述高压配管部内的所述非压缩性流体低的状态充满；泵机构，其向所述高压配管部移送所述低压配管部的所述非压缩性流体；多个摆动扭矩发生机构，其连接所述基座部件和所述摆动部件，并分别连接所述高压配管部、所述低压配管部以及所述泵机构，在所述非压缩性流体的驱动下，对所述摆动部件产生摆动扭矩；控制阀装置，其控制所述摆动扭矩发生机构与所述高压配管部及所述低压配管部之间的所述非压缩性流体的连接；以及摆动角调节装置，其使所述第一旋转部件和所述第二旋转部件的绕所述第三轴的相对角度变化，所述控制阀装置进行控制，使得通过所述摆动扭矩发生机构，绕与所述第一轴以及所述第三轴垂直的第四轴产生相对于所述摆动部件的摆动扭矩。
2.如权利要求1所述的液压致动器，其中， 所述万向接头机构为等速接头机构。
3.如权利要求1所述的液压致动器，其中，所述多个摆动扭矩发生机构分别在绕所述第二轴的圆周上等间隔配置。
4.如权利要求1所述的液压致动器，其中，所述摆动扭矩发生机构对所述摆动部件给予双方向的摆动扭矩。
5.如权利要求4所述的液压致动器，其中， 具备3以上的奇数个所述摆动扭矩发生机构。
6.如权利要求5所述的液压致动器，其中，作用于所述摆动扭矩发生机构的所述非压缩性流体的压力，除去与所述第四轴最接近 的所述摆动扭矩发生机构，为所述高压配管部中的所述非压缩性流体的压力或者所述低压 配管部中的所述非压缩性流体的压力。
7.如权利要求1所述的液压致动器，其中， 所述摆动扭矩发生机构为活塞筒机构。
8.如权利要求7所述的液压致动器，其中， 所述活塞筒机构为使用双杆型活塞的机构。
9.如权利要求1所述的液压致动器，其中，所述摆动扭矩发生机构和所述摆动部件通过球接头机构连接，所述球接头机构的接头 中心位于与所述第二轴垂直且包含所述第三轴的平面上。
10.一种多轴液压致动器，其具备多个权利要求1所述的液压致动器，各液压致动器的 所述泵机构相互共有。
11.一种关节驱动单元，在通过关节部连接的两个臂部的所述关节部，配置有权利要求 1 10中任一项所述的液压致动器，通过所述液压致动器，相对于所述两个臂部中的一个 臂部驱动另一个臂部。
全文摘要
本发明提供一种液压致动器及使用该液压致动器的关节驱动单元。该液压致动器具备由万向接头机构(13)保持在基座部件(11)上，并能够相对于包含该机构的中心的3个正交轴中的两个轴的每个轴分别摆动的摆动部件(15)和第一及第二旋转部件(17，20)；泵机构(53)，其向充满了被蓄压机构(40)加压了的高压非压缩性流体的高压配管部(50)输送低压配管(51)中的低压非压缩性流体；控制阀装置(35)，其控制多个摆动扭矩发生机构(30a、30b、30c、30d、30e)与两配管部的连接，所述多个摆动扭矩发生机构(30a、30b、30c、30d、30e)连接基座部件和摆动部件，并通过上述流体驱动而对摆动部件产生摆动扭矩；摆动角调节装置(25a、25b)，其使两个旋转部件的相对角度发生变化。
文档编号F15B21/14GK101970904SQ200980108449
公开日2011年2月9日 申请日期2009年7月9日 优先权日2008年7月18日
发明者浅井胜彦 申请人:松下电器产业株式会社