(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランク軸の周りで回転可能なクランク部材と、
第一ピストンを有し、第一シリンダ回転軸の周りで回転可能な第一シリンダと、
第二ピストンを有し、第二シリンダ回転軸の周りで回転可能な第二シリンダを備える回転駆動装置であって、
前記クランク部材と前記第一ピストンは、前記クランク軸から離間した第一ピストン回転軸の周りで回転可能に連結され、
前記クランク部材と前記第二ピストンは、前記クランク軸から離間した第二ピストン回転軸の周りで回転可能に連結され、
前記第一ピストンは、前記クランク軸と相補的な湾曲部を有することを特徴とする回転駆動装置。
【請求項２】
前記クランク軸と前記第一ピストン回転軸を結ぶ直線と、前記クランク軸と前記第二ピストン回転軸を結ぶ直線の成す角度が３０〜６０°である、請求項１の回転駆動装置。
【請求項３】
前記クランク軸と前記第一シリンダ回転軸を結ぶ直線と、前記クランク軸と前記第二シリンダ回転軸を結ぶ直線の成す角度が３０〜６０°である、請求項１又は２の回転駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、回転駆動装置に関し、例えば、人型ロボット等の駆動に使用可能な回転駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  多くの大企業や有能な研究者が少なくとも５０年以上に渡ってロボットの研究を行ってきたが、災害現場や介護現場、家庭等で実際に人間の代わりに作業できる実用的な人型ロボットは未だに実現されていない。【０００３】［人型ロボット実現の条件］  人型ロボットを実現するには、関節数に応じた多数のアクチュエータとその関連部品を人間と同程度の重量で設計するとともに、人間と同程度の体積に収容することが必要であり、しかも、個々のアクチュエータには、作業に応じた強力なパワーが求められる。【０００４】［アクチュエータの方式］  アクチュエータの方式は、電気、油圧、空圧の三種類であるが、以下に述べる理由から、いずれの方式においても上記の条件を満たすアクチュエータは実現されていない。【０００５】［電気サーボモーター制御技術］  最も進化した制御技術であり、産業界で広く使用されている。電気サーボモーターを用いた人型ロボットも多くの研究者が開発を行っており、ＡＩ等を駆使することで、人に近いパフォーマンスを行うロボットも開発されている。その一方、モーターや減速器が非常に重く、アクチュエータ単位体積あたりのパワーが小さい問題がある。パワーを大きくしようとするとアクチュエータが更に大きく重くなり、その効果を相殺してしまう。パワーを出すため、小型のアクチュエータに大電流を流すと、発熱量が増加して破損を生じる。これを防ぐには、冷却が必要となり、結局重量・体積が増加してしまう。このように重量と体積の問題のみを考えても、電気サーボモーターを多用する人型ロボットは実現不可能である。その上、動作制御にはサーボアンプが必要であり、過負荷、反力が掛かったときの破損防止のためにトルク検出や保護回路が必要であり、構造が複雑になる問題がある。【０００６】［油圧サーボ制御技術］  電気サーボモーター制御技術と同様に産業界で広く使用されており、工作機械や産業用機械に欠かせない技術である。最大の利点は、アクチュエータ単位体積あたりのパワーが大きいことである。制御機器も豊富で、油圧のサーボ技術も高度に進化している。その一方、人型ロボットへの適用の観点では、油圧源を搭載しなくてはならないことが最大の欠点である。油圧源はモーターやエンジンで駆動するため、重量・体積が非常に大きくなる。サーボアンプも必要である。従って、油圧駆動方式で人型ロボットを実現するのは非常に難しい。また、油圧は圧縮性に乏しく過負荷により周囲の物や人に被害を及ぼす危険や油漏れで周りを汚す可能性もあり、対人用途の利用は困難である。【０００７】［空圧サーボ制御技術］  空圧シリンダ（空圧式アクチュエータ）は、主要部品にアルミを採用できるために軽量化が可能であり、単位体積あたりのパワーが大きい利点があり、様々な分野で駆動源として広く利用されている。しかし、空圧シリンダのサーボ制御は非常に難しい技術である。サーボの目的はピストン位置及び／又は速度の制御であるが、基本的に空圧シリンダの駆動には圧縮性と摩擦が伴うため、電気や油圧方式と比較すると、正確な制御は難しい。【０００８】  図７に従来の空圧サーボ制御のブロック図を示す。このブロック図は電気サーボ、油圧サーボにおいても基本的に同じである。ここで、���置センサーの出力信号はデジタルでもアナログでも良い。通常、指令信号はデジタル信号が一般的であろう。【０００９】  空圧サーボアンプは一般的に、指令信号と位置センサー情報の差を検出し、最適制御であるＰＩＤ等のデジタル演算処理に基づいて空圧サーボ弁を制御する。しかし、現在通常入手可能な空圧サーボ弁はアナログ方式に限られている。現在利用可能な空圧サーボ弁としては、スプール式サーボ弁（特許文献１）とフラッパ式サーボ弁（特許文献２）が主であるが、いずれもアナログ式である。【００１０】  図８は、特許文献１のスプール式サーボ弁であり、供給流路４０，排気ポート４２及び負荷流路４４を有するスリーブ１６と３つのランド部２０，２２，２４を有するスプール１４を備え、ソレノイド式のリニアモーター５０によりスプール１４がＸ方向に駆動される。ランド２２を負荷流路４４と一致させた状態から＋Ｘ方向に移動させると空圧源Ｐｓから空圧シリンダ（不図示）に空気Ｐａが供給され、−Ｘ方向に移動させると空圧シリンダから空気が排気され、ランド２２を負荷流路４４と一致させると、給排気は停止する。空圧シリンダの位置又は速度は、ランド２２の移動による負荷流路４４の開度により調整される。【００１１】  図９は、特許文献２のフラッパ式サーボ弁であり、ソレノイド式のリニアモーター１４によるフラッパ２２のＸ方向移動により排気ポート３２が開閉され、排気ポート３２の開度に応じて減圧された背圧Ｐａを空圧シリンダ２に供給することで可動体６が位置制御される。【００１２】  いずれのサーボ弁も、ソレノイドによってスプール１４又はフラッパ２２を制御することで弁開度を調整するアナログ方式であり、サーボアンプが必須である。また、弁開度を精密に制御しなければならないため、非常に高度な加工技術と制御技術が要求される。さらに、いずれのサーボ弁も、摩擦軽減等のために空気をブリードさせながら動作させる必要があることから、サーボ弁の数が増えると圧縮空気の使用量が膨大となる。人型ロボットなどの一定以上の精度で位置制御が要求される分野でこれまで空圧シリンダが殆ど検討されてこなかったのは、これらが理由と思われる。【００１３】  上記した電気サーボと油圧サーボの欠点は根源的なものであり、どんなに努力しても避けられない原理的なものである。精密制御の容易性等から、今後も電気サーボ制御を使用した人型ロボットが検討され続けるであろうが、莫大な予算と大勢の人材を投入しても、実現は不可能であると本発明者は考えている。電気サーボの場合は、まずコイルの作用で磁力に変換した後、磁力と磁力の反発によってモーターを回転させる。この時、流れている電流値そのものが出力パワーの源泉である。電流が流れると発熱して一部が熱エネルギーとなり、更に高速で回転させた回転エネルギーを再び減速するのであるが、そのため力を出そうとして減速すればするほど加速度的にエネルギー効率が落ちる。発熱でパワーを落とし、更に減速すればするほど利用できるエネルギーは減っていくのである。【００１４】  人工筋肉と呼び得るハイパワーのアクチュエータが開発されれば、新しい展開があると考える。人間の筋肉が現に存在するのだから、同等のものをやがて人工的に造ること���できるようになるはずである。しかし、そのようなアクチュエータが存在しない現状では、空圧サーボ制御方式が人型ロボット実現のための唯一の選択肢であると本発明者は考えている。【００１５】  圧縮空気は、電気モーターで圧縮機を一定時間回転させて造られる。この時、電気モーターと圧縮機の大きさとパワーの上限に制限は無い。つまり圧縮空気は高密度のエネルギーそのものであり、シリンダの駆動に対して直接作用する。それ故、体積・重量を増加させることなく人型ロボットに必要なパワーを発生させることが可能なのである。空圧方式の欠点は上述の通りであるが、いずれも、根元的なものではない。空圧サーボにおいて圧縮性は避けられないが、シリンダの摩擦は設計次第で極限まで下げられる。また、人型ロボットにおいて、工作機械や産業用機械のような正確な制御は必要ない。何故なら、人間はそのような正確な動きを全くしていないからである。従来の空圧サーボ弁において、サーボアンプや極めて高度な加工技術が必要であったのは、アナログ式で空圧を制御する方式だからである。【００１６】  本願発明者は、上記考察に基づき、上記諸問題を解決し、上記［人型ロボット実現の条件］を達成できるサーボ弁ユニットを発明し、国際特許出願（ＰＣＴ／ＪＰ２０１９／００２９７１）を行った。すなわち、空圧シリンダのピストンの位置に応じた第一及び第二の電気パルスに従って動作するサーボ弁ユニットであって、共通流路と、前記第一の電気パルスに従ってパルス式に開閉する第一弁部を介して前記共通流路に接続された供給ポートと、前記第二の電気パルスに従ってパルス式に開閉する第二弁部を介して前記共通流路に接続された排気ポートと、駆動空気ポートを有し、前記駆動空気ポートの一端は、前記共通流路に接続され、前記駆動空気ポートの他端に、前記空圧シリンダに接続するための接続部が形成されていることを特徴とするサーボ弁ユニットである。【００１７】  しかし、人間の持つ肩の回転範囲は、体側に沿って１８０°以上あり、体側に垂直に約９０°あるのに対し、従来のシリンダ駆動方式の回転駆動装置では、９０°〜１２０°程度の範囲でしか回転駆動ができない問題がある。【００１８】  図１０は、１つのシリンダ６でクランク部材（アーム）２を回転させる従来の回転駆動装置１００Ｐを示す。図のように、回転駆動装置１００Ｐは、クランク回転軸３の周りで回転可能なクランク部材２とシリンダ回転軸５の周りで回転可能なシリンダ６を有し、シリンダ６とクランク部材２は、クランク回転軸３から離間したピストン回転軸４の周りで回転可能に連結されている。【００１９】  この構造では、回転軸３，４，５のすべてをベアリングで支えることができるため、摩擦を最小限にすることができる。またシリンダ６の摺動シール部を適正にシールし、摺動部の金属表面を適切に表面処理することで、静摩擦と動摩擦をかなり低減することが可能である。【００２０】  しかし、シリンダ６の推力をＦ、クランク回転軸３とシリンダ回転軸５の距離をＬ、シリンダ６の傾きをαとしたときに得られるトルクＴは、Ｔ＝Ｆ×Ｌ×ｓｉｎαである。角θ＝０°のとき、α＝０°でありＴ＝０である。同様にθ＝１８０°のとき、α＝０°でありＴ＝０である。トルクＴ��最大になるのはシリンダ中心線８が図に示す円の接線になる時であり、θが０°又は１８０°に近づくとトルクは限りなく０に近づく。このため、回転駆動が可能な範囲は実用的には９０〜１２０°程度であり、例えば、０〜１８０°などの広い範囲でアームを駆動することはできない。そのため、ＰＣＴ／ＪＰ２０１９／００２９７１の技術のみでは、人間と同様の動作を行うロボットは実現できなかった。【００２１】  回転運動を発生させる空気圧駆動のロータリーアクチュエータは既にいろいろと存在する。ローターに複数の羽状の板を伸縮自在に埋め込み、偏芯した内壁をシールしながら回転するものや、ラックピニオンとエアシリンダーを組み合わせたものや、エンジンのような構造もある。しかしながら、これらは、ロボット制御用のアクチュエータとしては使用できない。ロータリーアクチュエータ方式は摩擦が大きく、速度制御や位置制御が自在にし、エンジン方式は、一方向の回転しかできず、正転したり反転したり、更に任意の位置で停止させることは構造上できないためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開２００７−１８７２９６号公報
【特許文献２】特開２００６−０５７７１９号公報
【特許文献３】特開２０１１−１２７５６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】  一態様の本発明は、従来よりも大きい回転駆動範囲、好ましくは１５０°、より好ましくは１７０°、さらに好ましくは１８０°、特に好ましくはそれ以上の回転駆動範囲を有する回転駆動装置、及び／又は、摩擦力を極限まで低減できる回転駆動装置、及び／又は、位置制御及び／又は速度制御も可能な回転駆動装置、及び／又は、及び／又は、人間と同様の動作が可能なロボットを駆動するための回転駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】  好ましい態様では、クランク軸の周りで回転可能なクランク部材と、  第一ピストンを有し、第一シリンダ回転軸の周りで回転可能な第一シリンダと、  第二ピストンを有し、第二シリンダ回転軸の周りで回転可能な第二シリンダを備える回転駆動装置であって、  前記クランク部材と前記第一ピストンは、前記クランク軸から離間した第一ピストン回転軸の周りで回転可能に連結され、  前記クランク部材と前記第二ピストンは、前記クランク軸から離間した第二ピストン回転軸の周りで回転可能に連結されていることを特徴とする回転駆動装置が開示される。【００２５】  上記回転駆動装置では、前記第一及び／又は第二シリンダが空圧式シリンダであることが好ましい。【００２６】  上記回転駆動装置では、出力空気圧をパルス式にオン／オフ切換可能なサーボ弁ユニットをさらに有し、  前記第一及び／又は第二シリンダが前記サーボ弁ユニットにより駆動されることが好ましい。【００２７】  好ましい他の態様では、上記回転駆動装置の制御方法であって、  前記第一又は第二シリンダの下死点及び／又は上死点付近で前記第一又は第二シリンダを無負荷状態にするステップを有することを特徴とする制御方法が開示される。【００２８】  上記制御方法では、クランク部材を一方向に回転させる過程で、前記第一又は第二シリンダの下死点を境にして、前記第一又は第二ピストンの移動方向を逆転させるステップをさらに有することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明の１実施形態の回転駆動装置１００を示す。メインシリンダ６ａは下死点にある。（ａ）は正面図であり、（ｂ）は側面図である。
【図２】図２は、メインシリンダ６ａが下死点と上死点の中間にある回転駆動装置１００を示す。
【図３】図３は、メインシリンダ６ａが上死点にある回転駆動装置１００を示す。
【図４】図４は、回転駆動装置１００における角度θ，βとトルクＴ１，Ｔ２の関係を示す。
【図５】図５は、シリンダ６ａ，６ｂを駆動可能なサーボ弁ユニット６０及びその制御システム２００の好ましい形態を示す。
【図６】図６は、他の形態のサーボ弁ユニット６０Ａ及びその制御システム２００Ａを示す。
【図７】図７は、従来の空圧サーボ制御のブロック図を示す。
【図８】図８は、従来技術のスプール式サーボ弁を示す。
【図９】図９は、従来技術のフラッパ式サーボ弁を示す。
【図１０】図１０は、１つのシリンダ６でアーム２を回転させる従来の回転駆動装置１００Ｐを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】  図１〜３は、本発明の１実施形態の回転駆動装置１００を示す。図１及び図３では、メインシリンダ６ａがそれぞれ下死点及び上死点にあり、図２では、メインシリンダ６ａはその中間の位置にある。
【００３１】  回転駆動装置１００は、クランク部材２と、メインシリンダ（第一シリンダ）６ａと、サブシリンダ（第二シリンダ）６ｂを有する。メインシリンダ６ａは、直線方向に進退動作するメインピストン（第一ピストン）７ａを有し，サブシリンダ６ｂは、直線方向に進退動作するサブピストン（第二ピストン）７ｂを有する。本例のシリンダ６ａ，６ｂは空圧式であるが、油圧式のシリンダでもよい。ピストン７ａ，７ｂ（或いは任意形状の駆動部材）を直線方向に進退移動させることができる他方式のアクチュエータでもよい。一般のシリンダでは、ピストンとピストンロッドは一体で移動する。本願の「ピストン」は、ピストンロッド、又は、ピストンとピストンロッドを意味し得る。
【００３２】  クランク部材２は、クランク回転軸３の周りで回転可能である。メインシリンダ６ａは、メインシリンダ回転軸（第一シリンダ回転軸）５ａの周りで回転可能であり、サブシリンダ６ｂは、サブシリンダ回転軸（第二シリンダ回転軸）５ｂの周りで回転可能である。
【００３３】  メインピストン７ａとクランク部材２は、クランク回転軸３から離間したメインピストン回転軸（第一ピストン回転軸）４ａで回転可能に連結され、サブピストン７ｂとクランク部材２は、クランク回転軸３から離間したサブピストン回転軸（第二ピストン回転軸）４ｂで回転可能に連結されている。したがって、メインシリンダ６ａとサブシリンダ６ｂとクランク部材２は、回転軸５ａ，５ｂを固定端、回転軸４ａ，４ｂを自由端とするリンク構造（４節リンク構造）を形成する。図では、円盤形状のクランク部材２を示すが、上記リンク構造を構成可能であれば、クランク部材２の形状・構造等は任意である。各回転軸３，５ａ，５ｂは共通のベース１に固定し、回転軸４ａ，４ｂはクランク部材２に固定することができる。
【００３４】  クランク部材２は、クランク部材２と一体に回転するアーム２ａを有し得る。アーム２ａは、例えば、ロボットの四肢等として利用し得る。アーム２ａの取り付け角度は任意である。図１〜３の例では、アーム２ａとクランク部材２は、メインピストン７ａが下死点（図１参照）及び上死点（図３参照）のときに、クランク回転角（アーム２ａが鉛直方向と成す角度）θが０及び１８０°となるように固定されている。図では、クランク部材２とアーム２ａの間にボス２ｂが配置され、ボス２ｂの開口にクランク回転軸３が支承されているが、ボス２ｂの外側にベアリングを介してクランク回転軸３を支承してもよい。
【００３５】  アーム２ａ（クランク部材２）を１８０°若しくはそれ以上回転させたときにメインピストン７ａがクランク回転軸３に干渉しないよう、ピストン７ａは、湾曲部８を有し得る。湾曲部８は、クランク回転軸３と相補的な形状、例えば、１８０°程度の円環形状（円弧形状）を有し得る。円環形状は、クランク回転軸３又はボス２ｂの外径よりも大きい内径を有し得る。
【００３６】  各回転軸３，４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂは、メインピストン７ａがクランク部材２に発生させる回転トルクＴ１が小さくなる上死点又は下死点付近でサブピストン７ｂがクランク部材２に発生させるトルクＴ２が大きくなるよう配置することが望ましい。さらに、シリンダ６ａ，６ｂ同士が干渉しないこと、各部材をコンパクトに配置する（装置１００の占有体積を小さくする）ことも重要である。これらを考慮すると、５ａ−３−５ｂの成す角度Ａ、及び／又は、４ａ−３−４ｂの成す角度Ｂは、３０〜６０°、より好ましくは、４０〜５０°が望ましい。図１〜３は１つの最適例であり、角度Ａ及びＢが４５°で、メインピストン回転軸４ａがθ＝０〜１８０°の範囲で回転するとき、サブピストン回転軸４ｂはβ＝−９０〜＋９０°の範囲で回転する。ただし、回転駆動装置１００の設置スペースの体積・形状等に応じて他の配置も可能である。例えば、角度Ａを９０°付近とし、角度Ｂを０°付近とすることも可能である。ピストン回転軸４ａ，４ｂは、共通の軸としてもよい。
【００３７】  回転駆動装置１００では、角度θ，βとトルクＴ１，Ｔ２の関係は図４のようになる。トルクＴ１，Ｔ２は、ピストン７ａ，７ｂがそれぞれ回転軸４ａ，４ｂの軌跡である円の接線となるときに最大になるから、図のように、トルクＴ１は、θ＜９０°の９０°付近で最大となり、トルクＴ２は、−９０°＜β＜９０°の±９０°の付近で最大となる。
【００３８】  本例では、角度θ，β間の位相差が約９０°であり、メインシリンダ６ａのトルクＴ１が小さくなるθ＝０又は１８０°付近の領域Ｍｂ，Ｍｃにサブシリンダ６ｂのトルクＴ２が大きくなるβ＝±９０°付近の領域Ｓａ，Ｓｂが対応する。そのため、従来の回転駆動装置１００Ｐで十分なトルクＴを得ることができなかったθ＝０又は１８０°付近でも十分大きいトルクＴ２を得ることができる。これにより、θ＝０〜１８０°又はそれ以上の回転角度範囲でクランク部材２（アーム２ａ）を駆動することが可能である。さらに、合成トルクＴ１＋Ｔ２を平準化できるため、回転駆動の安定性、自在性が向上する。角度θ，β間の位相差は、８０〜１００°が好ましく、８５〜９５°が特に好ましい。シリンダ６ａ，６ｂの出力や各回転軸３，４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂの位置関係等を最適化することで、合成トルクＴ１＋Ｔ２の一層の平準化を図ることが可能である。
【００３９】  回転駆動装置１００では、アーム２ａを一定方向に回転させるとき、β＝０°付近を境としてサブシリンダ６ｂの駆動方向を逆転させ、同様に、θ＝０°又は１８０°付近を境としてメインシリンダ６ａの駆動方向を逆転させる制御（制御１）が望ましい。トルクＴ１，Ｔ２が逆方向に作用することを防止するためである。
【００４０】  領域Ｍｂ，Ｍｃでメインシリンダ６ａを無負荷状態（両方のピストン室を排気状態）とし、及び／又は、領域Ｓｃでサブシリンダ６ｂを無負荷状態（両方のピストン室を排気状態）とする制御（制御２）も可能である。例えば、両方のピストン室を大気圧に開放とすることで、シリンダ６ａ，６ｂを無負荷状態にすることができる。これにより、各領域Ｍｂ，Ｍｃ，Ｓｃにおける各シリンダ６ａ，６ｂの出力（抵抗）がゼロ又はほぼゼロとなるため、トルクＴ１，Ｔ２が逆方向に作用する問題は解消できる。また、駆動方向を逆転させるタイミングに厳密性が要求されないため、制御が容易である。
【００４１】  なお、シリンダ６ａ，６ｂが空圧式のシリンダの場合は、空気に圧縮性があり、領域Ｍｂ，ＭｃのトルクＴ１及び領域ＳｃのトルクＴ２が微小である。そのため、制御１のタイミングの厳密性は要求されず、制御２は行わなくてもさほど大きな問題は生じない。これに対し、シリンダ６ａ,６ｂが油圧式のシリンダやボールネジ式アクチュエータ等である場合は、逆方向のトルクＴ１，Ｔ２により出力損失や過負荷による破損等を生じる可能性が高いため、制御１はより厳密に行う必要があり、制御２の有用性も高い。
【００４２】  図５は、回転駆動装置１００のシリンダ６ａ，６ｂの駆動に好適に使用できる空気圧サーボ弁ユニット６０及びその制御システム２００の好ましい形態を示す。制御システム２００は、サーボ弁ユニット６０と、空圧シリンダ４０（メインシリンダ６ａ又はサブシリンダ６ｂに対応）と、コントローラ５０を有する。サーボ弁ユニット６０は、共通流路１１、供給ポート（供給流路）１２、排気ポート（排気流路）１３、駆動空気ポート（駆動空気流路）１４等の中空空間が形成されたバルブボディ１０を有する。バルブボディ１０は、金属やプラスチック等からなる複数のパーツの組立体であり得る。
【００４３】  供給ポート１２の一端は、第一の電気パルスＳ１に従うパルス式の開閉動作が可能な第一弁部２０Ｒを介して共通流路１１に接続されている。他端は、高圧空気Ｓを供給するためのコンプレッサやボンベ等の高圧空気源に接続するための接続部（ジョイント等）１２ａを有し得る。排気ポート１３の一端は、第二の電気パルスＳ２に従うパルス式の開閉動作が可能な第二弁部２０Ｌを介して共通流路１１に接続されている。排気ポート１３の他端は、バルブボディ１０の外壁１０ａの開口１３ａを経て外部（例えば、大気圧）に接続する。駆動空気ポート１４の一端は、共通流路１１と常時接続されている。駆動空気ポート１４の他端は、空圧シリンダ４０の一方のシリンダ室４１に接続するための接続部（ジョイント等）１４ａを有し得る。図では、共通流路１１、供給ポート１２及び排気ポート１３は、バルブボディ１０の軸方向に延伸し、駆動空気ポート１４は、共通流路１１の適宜個所から半径方向に引き出されている。他の態様も可能である。
【００４４】  本実施形態の第一弁部２０Ｒ及び第二弁部２０Ｌは左右対称（線対称）の同一構造を有する。図では、簡略のため、第二弁部２０Ｌの一部部材の符号は省略されている。以下では、第一弁部２０Ｒ及び第二弁部２０Ｌを区別する必要が無い場合、単に弁部２０と言う。本実施形態の弁部２０は、供給ポート１２及び排気ポート１３の先端に形成されたノズル２１と、ノズル２１の先端に当接することでノズル２１を閉塞可能な弁座２２と、弁座２２と一体に軸方向に移動可能な磁性体２３と、弁座２２及び磁性体２３を軸方向に付勢するバネ等の付勢部材２４と、ノズル２１から軸方向に離間して配置された固定磁心２５と、固定磁心２５を励磁するソレノイド２６を有する。磁性体２３は、磁性体２３の軸方向移動を案内するため、ノズル２１の外形に相補的な側壁２３ａを有するとよい。
【００４５】  ソレノイド２６に通電しない状態では、付勢部材２４の力で弁座２２がノズル２１に当接するので弁部２０はＯＦＦ（閉じた状態）であり、ソレノイド２６に通電すると、固定磁心２５の磁力で弁座２２がノズル２１から離間して弁部２０はＯＮ（開いた状態）になる。
【００４６】  第一弁部２０Ｒの弁座２２周囲のノズル空間１１ａと第二弁部２０Ｌの弁座２２周囲のノズル空間１１ａの間の空間は、共通流路１１により常に接続されている。すなわち、ノズル空間１１ａと固定磁心２５周囲の外周空間１１ｂは、ノズル２１側面に形成した軸方向の通溝１１ｃを介して接続され、外周空間１１ｂと付勢部材２４を収容するバネ空間１１ｄは、径方向の通孔１１ｅで連絡されている。通溝１１ｃ及び通孔１１ｅは、ノズル２１の周方向に間隔を空けて複数形成し得る。左右の弁部２０Ｒ，２０Ｌのバネ空間１１ｄ同士は、連絡通路１１ｆで接続されている。
【００４７】  以下、サーボ弁ユニット６０の左半分及び右半分の部分をサーボ弁素子３０Ａ，３０Ｂと称する場合がある。
【００４８】  空圧シリンダ４０は、シリンダ室４１，４２とピストン４３（メインピストン７ａ又はサブピストン７ｂに対応）とピストン４３を付勢するバネ等の付勢手段４４を有し、ピストン４３の軸方向位置は、位置センサー４５により検出可能である。シリンダ室４１，４２の形状は任意であり、円筒形以外の形状でもよい。コントローラ５０は、第一及び第二の電気パルス（ＤＣパルス）Ｓ１，Ｓ２を発生させる。第一及び第二の電気パルスＳ１，Ｓ２は、ピストン４３の位置、所望の速度等に応じた信号であり得る。第一及び第二の電気パルスＳ１，Ｓ２は、ピストン４３の位置又は速度に応じたデューティー比を有し得る。コントローラ５０は、例えば、コンピュータで構成できる。
【００４９】  電気パルスＳ１をＯＮ・電気パルスＳ２をＯＦＦにすると、第一弁部２０ＲがＯＮ・第二弁部２０ＬがＯＦＦとなり、高圧空気Ｓが供給ポート１２から共通流路１１及び駆動空気ポート１４を経てシリンダ室４１に供給され、ピストン４３を左方に移動させることができる。電気パルスＳ１をＯＦＦ・電気パルスＳ２をＯＮにすると、第一弁部２０ＲがＯＦＦ・第二弁部２０ＬがＯＮとなり、シリンダ室４１の空気が駆動空気ポート１４、共通流路１１及び排気ポート１３を経て開口１３ａから外部に排出され、付勢手段４４の力でピストン４３が右方に移動する。両方の電気パルスＳ１，Ｓ２をＯＦＦにするとシリンダ室４１への給排気は停止状態になる。
【００５０】  このように、電気パルスＳ１，Ｓ２の制御によって弁部２０Ｒ，２０Ｌをパルス式に開閉するシリンダ室４１への出力空気圧をパルス式にオン／オフ切替（給気／停止の切換、排気／停止の切換）することができる。切り替えを高速化することにより、ピストン４３の位置制御を精密化・円滑化することができる。基本的には、電気パルスＳ１又はＳ２のデューティー比を大きくするとピストン４３の駆動力が大きくなり、デューティー比を小さくするとピストン４３の駆動力が小さくなる。よって、ピストン４３の現在位置と目標位置の差Δｄが大きいときにはデューティー比を大きくしてピストン４３を高速移動させ、差Δｄが小さくなるとデューティー比を小さくしてピストン４３を減速させ、デューティー比ゼロ（信号停止）にすることでピストン４３を停止させることができる。しかし、迅速な位置決めや追従制御のためには、移動開始は速度が遅く、徐々に加速し、減速して停止する等の制御が必要である。また、ロボットの作業内容等に応じて速度を自在に変化させる制御が必要である。これらの制御には、給排気切換の高速化が必須であり、給排気切換の最大周波数は、１００Ｈｚ以上、好ましくは３００Ｈｚ以上、更に好ましくは５００Ｈｚ以上、特に好ましくは１０００Ｈｚ以上であることが望ましい。本実施形態のサーボ弁ユニット６０では、試作段階で３００〜５００Ｈｚの高速切換を実現しており、サーボ弁ユニット６０で駆動される空圧シリンダを内蔵した人型ロボットの腕ユニットの試作機において人間に近い動作を実現できることを確認している。本願発明者は、今後の改良により１０００Ｈｚも達成可能と考えている。
【００５１】  サーボ弁ユニット６０は、排気音を軽減するための消音板１６を更に有し得る。消音板１６は、開口１３ａと重なる位置（開口１３ａを塞ぐ位置）で外壁１０ａから隙間Ｇを空けてバルブボディ１０に取り付けられる。消音板１６は、開口１３ａより十分に面積が大きく、外壁１０ａと平行であることが望ましい。排気ポート１３は、開口１３ａ側に、断面積の大きい空洞部１３ｂを有し得る。ノズル２１から空洞部１３ｂを経て隙間Ｇの外周に行くに従い排気される空気が徐々に膨張するため、大気解放時の破裂音を効果的に緩和できる。空洞部１３ｂの円周長をＬ、隙間をＧ、ノズル２１の開口面積をＳＡ１としたとき、Ｌ×ＧがＳＡ１と概略等しいことが望ましい。ノズル２１から開口１３ａに向けて排気ポート１３の断面積を多段階又は連続的に増加させてもよい。バネ性を有する弾性体１６ａで消音板１６を固定するなどによって排気圧力に応じて隙間Ｇが増減するようにすれば、更に排気圧力を平準化して消音効果を向上する。上記構成は、１００％の消音ではないが、本発明の大きな目的である省スペースを達成しながらかなりの消音効果を達成できる。
【００５２】  図６は、他の態様のサーボ弁ユニット６０Ａ及びその制御システム２００Ａを示す。サーボ弁ユニット６０Ａは、供給ポート１２同士が対向するように２つのサーボ弁ユニット６０Ｒ，６０Ｌを配置して単一のバルブボディ１０に収容した構造であり、４つのサーボ弁素子３０ＡＬ，３０ＡＲ，３０ＢＬ，３０ＢＲで構成される。サーボ弁ユニット６０Ｒ，６０Ｌは、サーボ弁ユニット６０と同様の構成を有するが、２つの供給ポート１２は中央で連結されてバルブボディ１０の側面から引き出されている。駆動空気ポート１４は、それぞれバルブボディ１０の側面から引き出され、空圧シリンダ４０の各シリンダ室に接続される。供給ポート１２と駆動空気ポート１４の接続部１２ａ，１４ａをバルブボディ１０の同一側面及び／又は隣接する位置に設けることが好ましい。
【００５３】  コントローラ５０は、空圧シリンダ４０のピストン位置、所望のピストン速度等に応じた電気パルスＳ１，Ｓ２を左右のサーボ弁ユニット６０Ｒ，６０Ｌに印加する。本例では、電気パルスＳ１がサーボ弁素子３０ＡＬ及び３０ＢＲに印可され、電気パルスＳ２がサーボ弁素子３０ＢＬ及び３０ＡＲに印可される。これにより、サーボ弁ユニット６０Ｒ，６０Ｌがサーボ弁ユニット６０と同様に動作してピストン４３を左右に駆動する。なお、図の配線では、サーボ弁素子３０ＡＬとサーボ弁素子３０ＢＲ、サーボ弁素子３０ＢＬとサーボ弁素子３０ＡＲが同時に励磁されるが、それぞれ独立に励磁してもよく、各サーボ弁素子３０ＡＬ，３０ＡＲ，３０ＢＬ，３０ＢＲへの各電気パルスのパルス数を変えてもよい。
【００５４】  上記サーボ弁ユニット６０，６０Ａでは、サーボアンプを用いずに空圧シリンダ４０（６ａ，６ｂ）を高精度で制御可能であり、また、従来の空圧サーボ弁ほどの加工精度は不要であり、空気のブリードも不要である。特に、弁部のＯＮ／ＯＦＦの切換速度、あるいは、空圧シリンダへの給排気の切換速度を１００Ｈｚ以上にすることで、ピストン４３（７ａ，７ｂ）の円滑な移動速度及び停止位置制御が可能になる。切換速度を３００Ｈｚ以上、より好ましくは５００Ｈｚ以上、更に好ましくは１０００Ｈｚ以上とすることで、ピストン移動速度及び停止位置の制御性を一層高めることができる。なお、各シリンダ室や流路に一定の体積があり、ピストンには慣性モーメントや若干の摩擦が作用することから、給排気をパルス状に切り換えてもピストンは支障の無い滑らかさで動作する。
【００５５】  本願発明者は、上記サーボ弁ユニット６０Ａを用いた回転駆動装置１００の試作品を作成した。回転駆動装置１００のシリンダ６ａ，６ｂは、内径６０ｍｍφであり、０．４ＭＰａの高圧空気を使用した。サーボ弁ユニット６０Ａのサイズは、２０×２５×７０ｍｍである。この試作品を用いて６３ｃｍの鉄製アームの先端に最大５．３Ｋｇの重りを固定し、０〜１８０°の範囲で回転速度、停止位置を自在に制御できることを確認した。動作の様子をビデオで撮影し、youtube（URL: https://youtu.be/mAEVIudfmno）に掲載した。さらに、８組の上記試作品を組み込んだ人間サイズの人型ロボットの腕ユニットを作成し、その先端（手掌部）に最大１２．５ｋｇの重りを持たせて自在に上げ下げ動作が可能であることを確認した。動作の様子をyoutube（URL: https://youtu.be/7cVjNuoC_w8, https://youtu.be/FxbWDoIcv_k, https://youtu.be/5XO8cX9oREA, https://youtu.be/0qnxH6PFCwo）に掲載した。この腕ユニットでは、８個のサーボ弁ユニットがすべて上腕部分に収容されている。
【００５６】  本発明の開発の動機は人型ロボット（人型災害ロボット）であるため、人型ロボットへの適用を主として説明したが、本発明は、人型ロボット以外の様々なロボット（例えば、トカゲやムカデ型、あるいは多足ロボット、四つ足の動物ロボットなど）にも適用できる。介護アシスト、作業アシストロボットなど、災害ロボット以外のロボットにも適用可能できる。さらに、本発明は、ロボット以外の分野にも適用可能である。広く、産業用機器や家庭用機器における可動部材（アーム１ａ）の駆動に適用可能である。
【００５７】  本願のシリンダ（第一シリンダ及び第二シリンダ）は、ピストン（又は駆動ロッド）を直線的に進退駆動できるリニアアクチュエータである。本願のシリンダは、シリンダ方式のアクチュエータだけでなく、ボールネジ式アクチュエータ、ボールスプライン式など他の方式のアクチュエータを含む。人型ロボットに使用する場合は、空気の圧縮性により反力を吸収できる空圧式のシリンダが好適である。
【００５８】  上記実施形態に記載した回転駆動装置、サーボ弁ユニット又は制御システム又はこれらを構成する要素の寸法、形状、配置、個数、材料、特性等は例示であり、これらは、請求の範囲に記載した発明の範囲及びその本質を変更しない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００５９】１ ベース２ クランク部材２ａ アーム２ｂ ボス３ クランク回転軸４ａ，４ｂ 第一、第二ピストン回転軸５ａ，５ｂ 第一、第二シリンダ回転軸６ａ，６ｂ 第一、第二シリンダ７ａ，７ｂ 第一、第二ピストン８ 湾曲部１０ バルブボディ１１ 共通流路１２ 供給ポート１３ 排気ポート１４ 駆動空気ポート１６ 消音板５０ コントローラ６０，６０Ａ サーボ弁ユニット１００ 回転駆動装置２００，２００Ａ 制御システム
【要約】広い回転駆動範囲、例えば、０〜１８０°の回転駆動範囲を有する回転駆動装置を提供する。クランク軸（３）の周りで回転可能なクランク部材（２）と、第一ピストン（７ａ）を有する第一シリンダ回転軸（５ａ）の周りで回転可能な第一シリンダ（６ａ）と、第二ピストン（７ｂ）を有する第二シリンダ回転軸（５ｂ）の周りで回転可能な第二シリンダ（６ｂ）を備える回転駆動装置（１００）が開示される。クランク部材（２）と第一ピストン（７ａ）をクランク軸（３）から離間した第一ピストン回転軸（４ａ）の周りで回転可能に連結し、クランク部材（３）と第二ピストン（７ｂ）をクランク軸（３）から離間した第二ピストン回転軸（４ｂ）の周りで回転可能に連結する。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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