(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マスター側のアクチュエータである第１のアクチュエータと、
スレーブ側のアクチュエータである第２のアクチュエータと、
前記第１のアクチュエータと第２のアクチュエータ間に力及び位置を伝達させ、該第１と第２のアクチュエータを動作させる位置及び力伝達手段と、
前記位置及び力伝達手段による前記第１と第２のアクチュエータの動作を検出する位置及び力動作検出手段と、
前記位置及び力動作検出手段の動作検出信号を基に演算して前記第１と第２のアクチュエータの動作偏差信号を得る演算手段、および
前記動作偏差信号を基に前記第１と第２のアクチュエータの動作を制御する動作制御手段、によって構成され、
前記第１のアクチュエータが、ピストンを有し、第１の圧縮室と第２の圧縮室を形成する第１のシリンダであり、
前記第２のアクチュエータが、前記第１のシリンダに対応する一対の第２のピストンと第３のピストンを有し、第３の圧縮室と第４の圧縮室および第５の圧縮室を形成するシリンダであり、
前記位置及び力伝達手段が、前記第１の圧縮室と第３の圧縮室に連通する第１の管体と、第１の圧縮室と第４の圧縮室に連通する第２の管体と、第２の圧縮室と第５の圧縮室に連通する第３の管体、によって構成されている、
ことを特徴とする、バイラテラル位置・力伝達装置。
【請求項２】
前記位置及び力動作検出手段における力動作検出手段が、前記第１の管体に設けられ前記第１の圧縮室と第３の圧縮室との圧力差を検出する第１の圧力センサと、前記第２の管体に設けられ前記第１の圧縮室と第４の圧縮室の圧力差を検出する第２の圧力センサと、前記第３の管体に設けられ前記第２の圧縮室と第５の圧縮室の圧力差を検出する第３の圧力センサ、によって構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のバイラテラル位置・力伝達装置。
【請求項３】
さらに、前記位置及び力伝達手段における力伝達手段の力伝達動作を制御する力伝達制御手段によって構成され、該力伝達制御手段は、前記第１の管体と第２の管体および第３の管体にそれぞれ設けられ、該第１の管体と第２の管体および第３の管体を開閉制御する電磁弁によって構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のバイラテラル位置・力伝達装置。
【請求項４】
前記位置及び力動作検出手段における位置動作検出手段が、前記第１のアクチュエータのシリンダの第１のピストンの動きを検出する第１の変位センサと、前記第２のアクチュエータのシリンダの第２のピストンの動きを検出する第２の変位センサと、前記第２のアクチュエータのシリンダの第３のピストンの動きを検出する第３の変位センサによって構成されている、ことを特徴とする、請求項２に記載のバイラテラル位置・力伝達装置。
【請求項５】
前記演算手段が前記力動作検出手段の第１の圧力センサの圧力差検出信号と第２の圧力センサの圧力差検出信号および第３の圧力センサの圧力差検出信号を入力として比較し、圧力差偏差信号を出力する第１の演算回路と、前記位置動作検出手段の第１の変位センサの変位検出信号と第２の変位センサの変位検出信号と第３の変位センサの変位検出信号を入力として比較し、変位検出偏差信号を出力する第２の演算回路によって構成されている、ことを特徴とする、請求項４に記載のバイラテラル位置・力伝達装置。
【請求項６】
前記動作制御手段が、前記第１の演算回路の圧力差偏差信号を基に前記第１のアクチュエータのピストンを制御する第１のコントローラと、第２の演算回路の変位検出偏差信号を基に前記第１のアクチュエータのピストンを制御する第２のコントローラによって構成されている、ことを特徴とする、請求項５に記載のバイラテラル位置・力伝達装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は相補性に優れたバイラテラル位置・力伝達装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ロボットのアクチュエータとして位置・力伝達機構としての操作側（マスター）シリンダと制御側（スレーブ）シリンダが使用されている。かかる位置・力伝達機構においては、マスター側シリンダとスレーブ側シリンダ間で相補性に欠けるものであった。
【０００３】
現在、病院、施設、または、在宅において、麻痺患者に対する動作補償や、高齢者に対する介護動作を行う場合には、一般には、介護者が必要となり介護者・患者ともに日常動作補助には負担となる。
【０００４】
また、専門の介護者は、現在、人的に不足しているのが現状であり、そのため、このような作業を行う際の省人化、省力化が望まれている状態である。
【０００５】
従来、義肢、装具の開発は局部的な患部（肘、膝等）に対する動作補償にとどまっており、腕全体、脚全体といった症状の患者に対しては、人的な介助を必要とするリハビリテーションに依存してきた。しかし今後、省力化、省人化の望まれる社会背景より、腕全体、脚全体の機能回復を目的とする動力化された装具の開発が望まれている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
１．患者の患部に直接装着するため安全であること。
【０００７】
対象の一つである動力装具は、対象者が麻痺患者、高齢者である。また、機械が直接、使用者に接触することを考慮しても安全性は絶対条件である。
２．小型、移動可能であること。
【０００８】
動力装具の使用場所は病院のリハビリテーション室、高齢者の在宅看護が考えられる。このような場所では、大型装置を置くことは困難であり、病院で使用する際、在宅で使用する際においても移動可能なことが望ましい。そのため、車椅子搭載型の動力装具とし、車椅子に搭載するため可能な限り小型で容易に移動の可能なものが要求される。
３．使用者の負担とならぬよう軽量であること。
【０００９】
動力装具は使用者が簡単に使用できる必要がある。また使用用途がリハビリテーション、動作補助であるため、使用者に加わる負担を極力抑える必要がある。４．人の腕の形状に類似していること。
【００１０】
動力装具は使用者の腕に直接装着するため、極端に人の腕と異なる形状のものは不備である。
５．簡単な入力を行うことができる。
【００１１】
従来、外部コマンド入力に加え、更に、使用者にとって簡易的で、感覚的入力方法が必要となる。また、使用者の行う訓練、利用目的、到達度を考える上でも複数の入力方法が必要である。また、患者側の入力だけでなく、介護側からの入力もでき、双方向である。
６．人の腕の動作に類似し、滑らかな動作が行えること。
【００１２】
使用者の動作補償、介助動作の最終目的は機能復元である。ユーザに対する介助動作・動作補償を行う際、ユーザの動作に違和感や、無理な動作を動力装具に与えるべきではない。
【００１３】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、マスター側シリンダの作用とスレーブ側シリンダの作用の相補性に優れ、小型軽量化が可能なバイラテラル位置・力伝達装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のバイラテラル位置・力伝達装置は、
マスター側のアクチュエータである第１のアクチュエータと、スレーブ側のアクチュエータである第２のアクチュエータと、前記第１のアクチュエータと第２のアクチュエータ間に力及び位置を伝達させ、該第１と第２のアクチュエータを動作させる位置及び力伝達手段と、前記位置及び力伝達手段による前記第１と第２のアクチュエータの動作を検出する位置及び力動作検出手段と、前記位置及び力動作検出手段の動作検出信号を基に演算して前記第１と第２のアクチュエータの動作偏差信号を得る演算手段、および前記動作偏差信号を基に前記第１と第２のアクチュエータの動作を制御する動作制御手段、によって構成され、前記第１のアクチュエータが、ピストンを有し、第１の圧縮室と第２の圧縮室を形成する第１のシリンダであり、前記第２のアクチュエータが、前記第１のシリンダに対応する一対の第２のピストンと第３のピストンを有し、第３の圧縮室と第４の圧縮室および第５の圧縮室を形成するシリンダであり、前記位置及び力伝達手段が、前記第１の圧縮室と第３の圧縮室に連通する第１の管体と、第１の圧縮室と第４の圧縮室に連通する第２の管体と、第２の圧縮室と第５の圧縮室に連通する第３の管体、によって構成されている、ことを特徴とする。
【００１６】
本発明によるバイラテラル位置・力伝達機構は、アクチュエータとしてシリンダを用い、操作側（マスター）と制御対象側（スレーブ）との力伝達及び、位置が双方向に作用する機構であり、マスター側のシリンダとスレーブ側のシリンダの径を任意に選択することで位置及び力の伝達が増幅または、縮小することのできる機構である。
【００１７】
更に、圧力変化をマスター側にフィードバックすることにより、制御対象側のスレーブのピストンを直接変位させれば、マスター側は、スレーブ側の変化に追従する。即ち、スレーブ側の変化は、小さな力でも動作することができる。これらの機能は、特に福祉機器には有効なアクチュエータシステムとして利用できる。
【００１８】
この新しい構想のアクチュエータは、バイラテラル油圧伝達機構と当研究室で呼称されるアクチュエータである。アクチュエータの構成は、バイラテラルサーボと油圧伝達機構を組み合わせた構造をしており、特徴として、小型・軽量・高出力が期待できることである。制御システムは、バイラテラルサーボシステムとなり、位置決め圧力制御系を簡単に組むことができる。以上のようなアクチュエータシステムを構成することにより、バイラテラルサーボの特性を生かした、位置決め／圧力制御が行え、人の動作に近い円滑な動作および、操作が可能となる、ロボットの基本から応用に至るシステム化である。
【００１９】
さらに、本発明の装置の特徴は、アクチュエータとして、バイラテラル油圧伝達機構を使用していることである。バイラテラル油圧伝達機構をリハビリテーションロボットに搭載することにより、複数の入力方法が可能となることから、使用者（患者）の能力に応じて訓練が行え、汎用性のあるリハビリテーションロボットとなる。また、以上のリハビリテーションロボットを開発する副産物として、医療現場の重労働を補えるバイラテラル油圧伝達機構（大出力アクチュエータ）も併せて見込まれる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例について、図１〜図８を参照しながら説明する。
【００２１】
図１〜図６は本発明の実施例によるバイラテラル位置・力伝達装置を示す。
【００２２】
図１において、１Ｍはマスター側のアクチュエータである第１のシリンダ、２はシリンダ１Ｍの第１のピストン、３はシリンダ１Ｍのピストンロッドである。シリンダ１Ｍにおいてピストン２の両側には第１の圧縮室である圧縮室４ａと第２の圧縮室である圧縮室４ｂが形成される。１Ｓはスレーブ側のアクチュエータである第２のシリンダ、５ａおよび５ｂはシリンダ１Ｓ内に対向配置された第２および第３のピストン、６ａ，６ｂはピストンロッドである。シリンダ１Ｓにおいて、ピストン５ａのロッド側には第３の圧縮室である圧縮室７ａが形成され、ピストン５ｂのロッド側には第４の圧縮室である圧縮室７ｂが形成され、ピストン５ａと５ｂとの間には第５の圧縮室である圧縮室７ｃが形成される。８ａはシリンダ１Ｍの圧縮室４ａとシリンダ１Ｓの圧縮室７ｂを連通する第１の管体であるチューブ、８ｂはシリンダ１Ｍの圧縮室４ａとシリンダ１Ｓの圧縮室７ｂを連通する第２の管体であるチューブ、８ｃはシリンダ１Ｍの圧縮室４ｂとシリンダ１Ｓの圧縮室７ｃを連通する第３の管体であるチューブである。１４はシリンダ１Ｍのピストンロッド３に機械的に連結された直動機構であって、この直動機構１４はモータ１５と送りねじ１６によって構成される。
【００２３】
図７はアクチュエータの原理を示すもので、図７において３０はマスター側シリンダ、３０ａはマスター側シリンダのピストンロッド、４０はスレーブがシリンダ、４０ａはスレーブ側シリンダの４０のピストンロッドである。マスターシリンダで発生した力がスレーブシリンダに油圧を使用して伝達される。すなわち、シリンダから入出力される体積流量により位置、体積移動の際の圧力により力が伝達される。
【００２４】
マスターシリンダで入力される力Ｆ1は、マスターシリンダの断面積Ａ1により、圧力に変換され、スレーブシリンダの断面積Ａ2により、増幅され、マスター側シリンダで出力される。スレーブ側シリンダで入力される力Ｆ2は、スレーブ側シリンダの断面積Ａ2により、圧力に変換され、マスター側シリンダの断面積Ａ1により、増幅され、マスター側シリンダで出力される。このとき、次の（１）式から（３）式が得られる。
【００２５】
Ｆ1＝Ａ1・（Ｐ1−Ｐ2）  ………（１）
Ｆ2＝Ａ2・（Ｐ1−Ｐ2）  ………（２）
Ｆ2＝（Ａ2／Ａ1）・Ｆ1  ………（３）
ここで、Ｆ1が入力の場合、直動機構であるため、力は特定できる。ここでは、モータに台形ねじを使用した際の直動機構を考える。
【００２６】
モータによる入力トルクをＴ、ねじ効率をη、リードをＬとすると、直動機構の発生推力は次の（４）式となる。
【００２７】
Ｆ1＝（２ηｎ／Ｌ・１０-3）・Ｔ  ………（４）
よって、式（４）を式（３）に代入すると以下の式（５）、
Ｆ2＝（Ａ2／Ａ1）・（２ηｎ／Ｌ・１０-3）・Ｔ………（５）
となる。
【００２８】
また、位置の関係は、体積流量の移動量がマスター・スレーブでおよそ等しいことから、マスターシリンダのストローク変位を△ｘ、スレーブシリンダを△ｙとすると、
Ａ1・△ｘ＝Ａ2・△ｙ  ………（６）
と近似でき、よって△ｘ、△ｙには以下の近似関係式が成り立つ。
【００２９】
△ｘ＝（Ａ2／Ａ1）・△ｙ  ………（７）
以上の式を参考に、以下の表１の関係が成り立ち、マスタ・スレーブ両シリンダ、直動機構の選択を行う。
【００３０】
【表１】
0004450908.tif 000002
【００３１】
このバイラテラル油圧伝達機構の特徴は、機構的に、すでに、対象形バイラテラルサーボが成立することにある。
【００３２】
図１に示すように、センサを取り付けることにより、サーボ系となり、力帰還形バイラテラルサーボシステムとすることが可能である。
【００３３】
図１に示すバイラテラル位置・力伝達装置においては、マスター側シリンダ１Ｍの圧縮室４ａとスレーブ側シリンダ１Ｓの圧縮室７ａを連通するチューブ８ａに圧力センサ９ａと電磁弁１０ａが設けられ、シリンダ１Ｍの圧縮室４ａとシリンダ１Ｓの圧縮室７ｂを連通するチューブ８ｂに圧力センサ９ｂと電磁弁１０ｂが設けられている。また、シリンダ１Ｍの圧縮力圧縮室４ｂとシリンダ１Ｓの圧縮室７ｃを連通するチューブ８ｃには圧力センサ９ｃと電磁弁１０ｃが設けられている。圧力センサ９ａ，９ｂ，９ｃは、それぞれ、各チューブのシリンダ１Ｓ側に配置され、電磁弁１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、それぞれ、各チューブのシリンダ１Ｍ側に配置されている。
【００３４】
シリンダ１Ｍのピストンロッド３の変位を検出する第１の変位センサ１１ａと、シリンダ１Ｓのピストンロッド６ａの変位を検出する第２の変位センサ１１ｂが設けられていると共に、シリンダ１Ｓのピストンロッド６ｂの変位を検出する第３の変位センサ１１ｃが設けられている。シリンダ１Ｍのピストンロッド３には送りねじ１６を介してモータ１５が接続されており、直動機構としてのリニアモーションモータが形成される。また、圧力センサ９ａと９ｂおよび９ｃの圧力検出信号Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を入力として比較する第１の突合せ回路１２ａ，変位センサ１１ｂおよび１１ｃの変位検出信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を入力として比較する第２の突合せ回路１２ｂが設けられているとともに、突合せ回路１２ａの圧力差検出偏差信号Ｐ４を入力とする第１のコントローラ１３ａと、突合せ回路１２ｂの変位検出偏差信号Ｓ４を入力とする第２のコントローラ１３ｂが設けられている。
【００３５】
図２はマスター側シリンダ１Ｍの機能を示す。シリンダ１Ｍは通常のシリンダと同じ構造であるが、図１に示すように、圧縮室４ａには２つのポート１ａ，１ｂがついており、他方の圧縮室４ｂにはポート１ｃがついている。いま、ピストンの動作方向と吐出圧力（Ｐａ＋Ｐｂ），Ｐｃに対して動作条件を図２の（ａ）から（ｄ）として表せば、ピストン２は左右の内圧により図において左右に動く。ピストンロッド２の延長上にモータが結合されており、ピストン動作は、モータの回転を直進運動に変換するメカニズムを経て、行われる。したがって、ピストン２の動く方向は、モータの回転方向によって決まる。
【００３６】
図２において（ａ）の場合は、ピストン２が左から右へ移動する様子を示している。この場合、吐出状態としては圧縮室４ｂは加圧状態であり、圧縮室４ａは減圧状態を示している。（ｂ）の場合はシリンダ１Ｍの圧縮室４ａの内圧（Ｐａ＋Ｐｂ）が加圧されたときである。ここで、チューブ８ａに電磁弁１０ａを取り付け、また、チューブ８ｂに電磁弁１０ｂを取り付け、電磁弁１０ｂを閉ざしておけば圧縮室４ａの内圧は、電磁弁１０ａを通り、シリンダ１Ｓの圧縮室７ｂにＰａとして加圧される。このときの動作が図２の（ｃ）である。（ｄ）の場合は、ピストン２が右からひだりに移動し、シリンダ１の圧縮室４ｂの内圧が加圧され、図２（ｄ）のＰｂに押圧力が加えられる。ただし、電磁弁１０ａを閉ざしておけばシリンダ１Ｓの圧縮室７ｃから減圧された流体流がマスタ側シリンダ１Ｍの圧縮室４ｂに流れる。
【００３７】
図３はスレーブ側シリンダの機能を示すもので、スレーブ側シリンダ１Ｓ内にピストン５ａと５ｂが内挿されている。圧力Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃに対して動作条件は図３の（ａ）から（ｄ）の動作条件となる。すなをち、Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃの条件は、加圧時は上向きの矢印である示され、減圧時（非加圧時）では、下向きの矢印で示される。一例として、図３の（ａ）の条件では、単純に圧縮室７ｃが内圧Ｐｃに加圧されれば、ピストン５ａ，５ｂは左右方向に移動する。（ｂ）の条件では圧縮室７ａ，７ｂがＰａ，Ｐｂに加圧されるとピストン５ａ，５ｂは中央に向かって移動する。（ｃ）の場合は、圧縮室７ａがＰａに加圧されるとピストン５ａがシリンダ１Ｓの中央に向かって移動する。これらの条件は、マスター側シリンダ１Ｍとの接合条件による。
【００３８】
図２の動作条件と図３の動作条件を結合することは、図１のシリンダ１Ｍと１Ｓとを３本のチューブで結合することである。チューブのスレーブ側シリンダ１Ｓ側に圧力センサ９ａ，９ｂ，９ｃを付けることで内圧Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃを測定する。いま、マスター側の動作状態を図２の（ａ）から（ｄ）とすると、スレーブ側の各動作は、以下のようになる。
【００３９】
図２の（ａ）の場合は、シリンダ１Ｍの圧縮室４ｂを内圧Ｐに加圧することになる。ピストン２を右側へ動かすことによって圧縮室４ｂが加圧され、その圧力はそのままチューブ８ｃを通りスレーブ側シリンダ１Ｓの圧縮室７ｃの内圧Ｐｃとして加圧される。その時の圧縮室４ａの内圧Ｐａ，Ｐｂは、電磁弁１０ａ，１０ｂを開口しておけば、容積流量は、圧縮室４ａに戻される。
【００４０】
図２の（ｂ）の場合は、圧縮室４ａの内圧を加圧することになる。電磁弁１０ａ，１０ｂを開口しておけば、加圧力はシリンダ１Ｓの圧縮室７ａ，７ｂへそのまま加圧され、ピストン５ａ，５ｂは図３の（ｂ）のように動く。その時の容積流量はシリンダ１Ｍの圧縮室４ｂに戻される。
【００４１】
図２の（ｃ）の場合は、電磁弁１０ａを開口にしておき，電磁弁１０ｂを閉じておけば、マスター側シリンダ１Ｍのピストン２を左側に移動させると、圧縮室４ａの内圧は高くなり圧力Ｐａは、電磁弁１０ａを通してシリンダ１Ｓの圧縮室７ａの内圧Ｐａに加圧される。Ｐａはチューブ８ｃを通りシリンダ１Ｍの圧縮室４ｂへ戻される。シリンダ１Ｓにおいてはピストン５ａのみ戻されるが、電磁弁１０ｃと電磁弁１０ｂを閉鎖しておけば、圧縮室７ｃの内圧Ｐｃによってピストン５ｂが右へ移動されることがない。
【００４２】
図１のバイラテラル位置・力伝達装置において、シリンダ１Ｍの圧縮室４ａとシリンダ１Ｓの圧縮室７ａの圧力差が第１の圧力センサ９ａによって検出され、シリンダ１Ｍの圧縮室４ｂとシリンダ１Ｓの圧縮室７ｂの圧力差が第２の圧力センサ９ｂによって検出され、かつシリンダ１Ｍの圧縮室４ｂとシリンダ１Ｓの圧縮室７ｃの圧力差が第３の圧力センサ９ｃによって検出される。圧力センサ９ａの圧力差検出信号Ｐ１と、圧力センサ９ｂの圧力差検出信号Ｐ２および圧力センサ９ｃの圧力差検出信号Ｐ３は第１の突合せ回路１２ａに入力され、突合せ回路１２ａで圧力差検出偏差信号Ｐ４が得られ、この圧力差検出差偏差信号Ｐ４は第１のコントローラ１３ａに入力される。コントローラ１３ａは圧力差偏差信号Ｐ４を基にモータ１５を制御する。このとき、シリンダ１Ｍと１Ｓの圧力の基準値を予めコンピュータ内に設定しておけば、コントローラはシリンダ１Ｍの圧力と１Ｓの圧力の差と基準値を比較して、モータを制御する。
【００４３】
第１の変位センサ１１ａは、ピストンロッド３の変位を検出し、変位検出信号Ｓ１を出力する。第２の変位センサ１１ｂは、ピストンロッド６ａの変位を検出し、変位検出信号Ｓ２を出力する。第３の変位センサ１１ｃは、ピストンロッド６ｂの変位を検出し、変位検出信号Ｓ３を出力する。変位センサ１１ａの変位検出信号Ｓ１と変位センサ１１ｂの変位検出信号Ｓ２および変位センサ１１ｃの変位検出信号Ｓ３は、突合せ回路１２ｂに入力され、変位検出偏差信号Ｓ４が得られる。コントローラ１３ｂは変位検出偏差信号Ｓ４をもとにモータ１５を制御し、送りねじ１６を介してシリンダ１Ｍのピストンロッド３のストロークを制御する。すなわち、図１のバイラテラル位置・力伝達装置において、マスター側シリンダ１Ｍのピストン２の動きはモータ１５と直動機構１６によって制御される。ここで、ピストンロッド６ａと６ｂの動きに差がある場合は、コントローラ１３ｂは、基準値とそれぞれの変位の差を見ながら、例えば平均値をとってその差分をフィードバクする。また、電磁弁１０ａ，１０ｂ，１０ｃはコントローラ内のマイコンにて予めシーケンシャルに開閉制御される。
【００４４】
いま、電磁弁１０ａを閉じ、電磁弁１０ｂ，１０ｃを開いておき、マスター側シリンダのピストン２を矢印Ａ１の方向に動かせば、シリンダ１Ｓの圧縮室７ｂが加圧状態になり、ピストン５ｂとピストンロッド６ｂが矢印Ａ３の方向に移動される。これにより、スレーブ側シリンダ１Ｓの圧縮室７ｃからマスター側シリンダ１Ｍの圧縮室４ｂに容積流量が戻される。このとき、突き合わせ回路１２ａは圧力センサ９ｂ，９ｃの圧力差検出信号Ｐ２，Ｐ３を入力として比較し、その圧力差偏差信号Ｐ４をコントローラ１３ａに入力する。コントローラ１３ａは圧力差偏差信号Ｐ４を基にモータ１５を回転制御する。また、変位センサ１１ａはピストンロッド３の変位を検出して変位検出信号Ｓ１を出力し、変位センサ１１ｂはピストンロッド６ｂの変位検出して変位検出信号Ｓ３を出力する。突合せ回路１２ｂは、変位検出信号Ｓ１と変位検出信号Ｓ３を入力として比較し、変位検出偏差信号Ｓ４を得る。コントローラ１３ｂは変位検出偏差信号Ｓ４を基にモータ１５を回転制御する。
【００４５】
電磁弁１０ｂが閉じ、電磁弁１０ａ，１０ｃが開いていると、シリンダ１Ｍの圧縮室４ａとシリンダ１Ｓの圧縮室７ａが連通すると共に、シリンダ１Ｍの圧縮室４ａとシリンダ１Ｓの圧縮室７ｃが連通する。このとき、ピストン２を矢印Ａ１の方向に動かせば、ピストン５ａは矢印Ａ４の方向に動く。ピストン５ａの動きにより、容積流量は、圧縮室７ｃから圧縮室４ｂに戻される。圧力センサ９ａは圧縮室４ａと７ａとの圧力差を検出して圧力差信号Ｐ１を出力すると共に、圧力センサ９ｃは圧縮室４ｂと７ｃの圧力差を検出して圧力差信号Ｐ３を出力する。突合せ回路１２ａは、圧力差信号Ｐ１とＰ３を入力として比較し、圧力差偏差信号Ｐ４を出力する。変位センサ１１ａは、ピストンロッド３の変位を検出して、変位検出信号Ｓ１を出力する。変位センサ１１ｂは、ピストンロッド６ａの変位を検出して変位検出信号Ｓ２を出力する。第２の突合せ回路１２ｂは、変位検出信号Ｓ１とＳ２を入力として比較し、変位検出偏差信号Ｓ４を出力する。
【００４６】
次に、電磁弁１０ａ、１０ｂ，１０ｃの全てが開いているとき、シリンダ１Ｍの圧縮室４ａとシリンダ１Ｓの圧縮室７ａが連通し、圧縮室４ａと圧縮室７ｂが連通すると共に、圧縮室４ｂと圧縮室７ｃが連通する。このときピストン２を矢印Ａ１の方向に動かせば、スレーブ側のピストンロッド６ａは矢印Ａ４の方向に移動し、ピストンロッド６ｂは矢印Ａ３の方向に移動する。変位センサ１１ａはピストンロッド３の変位を検出し、変位センサ１１ｂはピストンロッド６ａの変位を検出し、変位センサ１１ｃはピストンロッド６ｂの変位を検出する。圧力センサ９ａはマスター側シリンダ１Ｍの圧縮室４ａとスレーブ側シリンダ１Ｓの圧縮室７ａの圧力差を検出し、圧力センサ９ｂは圧縮室４ａと圧縮室７ｂの圧力差を検出し、圧力センサ９ｃは圧縮室４ｂと圧縮室７ｃの圧力差を検出する。突合せ回路１２ａは各圧力センサ９ａ，９ｂ，９ｃの圧力差検出信号Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を入力として比較し、その圧力差偏差信号Ｐ４をコントローラ１２ａに導く。突合せ回路１２ｂは各変位センサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃの変位検出信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を入力として比較し、その圧力差偏差信号Ｓ４をコントローラ１２ｂに導く。
【００４７】
上記実施例のバイラテラル位置・力伝達装置において、バイラテラル油圧位置・力伝達機構用シリンダは、通常のシリンダと違い、リハビリテーションロボット専用の構想に基づくシリンダである。また、シリンダはリンク機構により力伝達がなされる。また、バイラテラル油圧位置・力伝達機構は、リハビリテーションロボットに最適なバイラテラル油圧位置・力伝達機構であってマスター・スレーブによる双方向の指令と動作が容易に切り替えられるサーボ機構である。特に切り替えはマイコンにより行われる。さらに、リハビリテーションロボットとしての効果として、バイラテラル油圧位置・力伝達機構を使用したリハビリテーションロボットの効果は第一に安全面のシステムであることである。第二には、他の油圧ユニットを必要としないためメンテナンスが少なく簡単に移動できる。
【００４８】
図４は本発明の第４実施例によるバイラテラル位置・力伝達装置を示すもので、図４において図１の部材と同一または相当部分には同一符号が付されている。図４において、１ＭＡはマスター側のアクチュエータである第１のアクチュエータシリンダであって、このシリンダ１ＭＡは、油圧を供給するポートがピストンの両側にある。１７ａはシリンダ１ＭＡの第１の圧縮室である圧縮室４ａに連通する第１の管体、１７ｂは第２の圧縮室である圧縮室４ｂに連通する第２の管体、２０はスレーブ側アクチュエータであるスレーブ側ロータリアクチュエータであって、このロータリアクチュエータ２０は、回転軸２１と、回転軸２１に固定して取り付けられこの回転軸から放射状に伸びる回動子２２ａと、回動子２２ａの一方の側に位置し回転軸２１に取り付けられた第１の中空回動体２３ａと、回動子２２ａの他方の側に位置し回転軸２１に取り付けられた第２の中空回動体２３ｂによって構成される。２４ａは中空回動体２３ａ、２３ｂの回動に伴う回転軸２１の回転角度を検出する角度センサ例えばポテンショメータである。
【００４９】
一例として、ピストン２が図４において矢印Ａ５の方向に移動すると、圧縮室４ａの内圧Ｐａと圧縮室４ｂの内圧Ｐｂとの間にはＰａ＜Ｐｂが成立する。Ｐａ＜Ｐｂであると、内圧差（Ｐｂ−Ｐａ）により中空回動体２３ｂと回動子２２ａおよび中空回動体２３ａは矢印Ａ６の方向に回転する。
【００５０】
圧力センサ９ａは、中空回動体２３ａの内圧と圧縮室４ａの内圧との圧力差を検出して、圧力差検出信号Ｐ１を出力する、圧力センサ９ｂは圧縮室４ｂの内圧と中空回動体２２ｂの圧力差を検出して、圧力差検出信号Ｐ２を出力する。変位センサ１１ａはロッド３の変位を検出して、変位検出信号Ｓ１を出力する。角度センサ２４ａは、中空回動体２３ａと２３ｂおよび回動子２２ａの回動に伴う回転軸２１の回転角度を検出して、変位検出信号Ｓ２を出力する。
【００５１】
第１の突合せ回路１２ａは、圧力差検出信号Ｐ１とＰ２を入力として比較し、圧力差偏差信号Ｐ４を第１のコントローラ１３ａに導く。コントローラ１３ａは圧力差検出信号Ｐ４をもとにモータ１５を回転制御する。第２の突合せ回路１２ｂは変位検出信号Ｓ１とＳ２を入力として比較し、変位検出偏差信号Ｓ４を第２のコントローラ１３ｂに導く。
【００５２】
図５は本発明の第３実施例によるバイラテラル位置・力伝達装置を示し、この装置は原理的に図１の装置とほぼ同じである。図５において、図４の部材と同一または相当部分には同一の符号が付されている。２２ｂは回転軸２１に取り付けられた第２の回動子である。２３ｃは第１の回動子２２ａと第２の回動子２２ｂとの間に配置され、回転軸２１に取り付けられた第３の中空回動体であり、２４ｂは回転軸２１の回転角度を検出する第２の角度センサである。
【００５３】
図５の装置において、管体１７ａは圧縮室４ａと中空回動体２３ａに連通し、管体１７ｂは中空回動体２３ｂに連通し、管体１７ｃは圧縮室４ｂと第３の中空回動体２３ｃに連通する。図１の装置と同様に、管体１７ａには圧力センサ９ａと電磁弁１０ａが設けられ、管体１７ｂには圧力センサ９ｂと電磁弁１０ｂが設けられ、管体１７ｃには圧力センサ９ｃと電磁弁１０ｃが設けられている。電磁弁１０ａ，１０ｂ，１０ｃは図１の装置の場合と同様に、コントローラ内のマイコンにてシーケンシャルに開閉制御される。
【００５４】
一例として、電磁弁１０ａを閉じ、電磁弁１０ｂ，１０ｃを開いておき、マスター側シリンダのピストン２を矢印Ａ７の方向に動かせば、シリンダ１Ｍの圧縮室４ａの内圧は加圧状態になり、圧縮室４ｂの内圧は減圧状態になり、第２の中空回動体２３ｂは矢印Ａ６の方向に回転する。このとき、突合せ回路１２ａは圧力センサ９ｂ，９ｃの圧力差検出信号Ｐ２，Ｐ３を入力として比較し、その圧力差偏差信号Ｐ４をコントローラ１３ａに入力する。また、変位センサ１１ａはピストンロッド３の変位を検出して変位検出信号Ｓ１を出力し、角度センサ２４ａは回転軸２１の回転角度を検出して変位検出信号Ｓ２を出力する。突合せ回路１２ｂは、変位検出信号Ｓ１と変位検出信号Ｓ２を入力として比較し、変位検出偏差信号Ｓ４を得る。
【００５５】
電磁弁１０ｂが閉じ、電磁弁１０ａ，１０をが開いておき、ピストン２を矢印Ａ７の方向に動かせば、中空回動体２３ａは矢印Ａ９の方向に回転する。圧力センサ９ａは圧縮室４ａと２３ａとの圧力差を検出して圧力差信号Ｐ１を出力すると共に、圧力センサ９ｃは圧縮室４ｂと中空回動体２３ｃの圧力差を検出して圧力差信号Ｐ３を出力する。突合せ回路１２ａは、圧力差信号Ｐ１とＰ３を入力として比較し、圧力差偏差信号Ｐ４を出力する。変位センサ１１ａは、ピストンロッド３の変位を検出して、変位検出信号Ｓ１を出力する。角度センサ２４ａの回転角度を検出して変位検出信号Ｓ２を出力する。第２の突合せ回路１２ｂは、変位検出信号Ｓ１とＳ２を入力として比較し、変位検出偏差信号Ｓ４を出力する。
【００５６】
次に、電磁弁１０ａ、１０ｂ，１０ｃの全てが開いているとき、ピストン２を矢印Ａ７の方向に動かせば、中空回動体２３ａはは矢印Ａ８の方向に回転し、中空回動体２３ｂは矢印Ａ６の方向に回転する。変位センサ１１ａはピストンロッド３の変位を検出し、角度センサ２４ａは中空回動体２３ａの変位を検出し、角度センサ２４ｂは中空回動体２３ｂの変位を検出する。圧力センサ９ａはマスター側シリンダ１Ｍの圧縮室４ａと中空回動体２３ａの圧力差を検出し、圧力センサ９ｂは圧縮室４ａと中空中空回動体２３ｂの圧力差を検出し、圧力センサ９ｃは圧縮室４ｂと中空中空回動体２３ｃの圧力差を検出する。突合せ回路１２ａは各圧力センサ９ａ，９ｂ，９ｃの圧力差検出信号Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を入力として比較し、その圧力差偏差信号Ｐ４をコントローラ１３ａに導く。突合せ回路１２ｂは各変位センサ１１ａ，角度センサ２４ａ，２４ｂの変位検出信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を入力として比較し、その変位差信号Ｓ４をコントローラ１３ｂに導く。
【００５７】
図６は本発明の第４実施例によるバイラテタル位置・力伝達装置を示し、この装置は図１の装置を応用したものである。すなわち、スレーブ側シリンダ１ＳＡと１ＳＢおよびマスター側シリンダを図６のようにフレキシブルチューブで結合する。スレーブ側シリンダのロッド側の内圧をＰａ，Ｐｂ，Ｐａａ，Ｐｂｂとする。また、中央部の内圧をＰｃ，Ｐｃｃとする。
【００５８】
さらに、マスター側シリンダ１ＭＡから図１の装置のように配管される。ここで図６のようにスレーブ側シリンダの出力軸には、回転関節部２５ａ，２５ｂが、それぞれ、スレーブ側ピストンロッドと結合されている。いま、回転関節部２５ａが右回転の場合、同時に回転関節部２５ｂを左方向に回転させたいとき、スレーブ側シリンダ１ＳＡは、矢印Ａ７，Ａ８の方向に伸び、スレーブ側シリンダ１ＳＢのピストンロッドは、矢印Ａ９，Ａ１０の方向にちじむ。このときの加圧は、マスター側により行われ、マスター側シリンダ１ＭＡより図６のように互い違いに（Ｐａ＋Ｐ）ｂとＰｃｃの組み合わせ、および（Ｐａａ＋Ｐｂｂ）とＰｃとの組み合わせに配管しておけば、マスター側シリンダの操作で２軸の関節の操作が同時に行われる。
【００５９】
なお、マスター側のピストンロッド３には、直進機構部１６とその先端には、サーボモータ１５が結合されており、サーボモータの制御により一連の動作が行われる。これらのメカニズムは、回転関節部２５ａ，２５ｂを独立に回転させる場合にも対応でき、基本的には図３の（ｃ），（ｄ）の動作を行うものである。
【００６０】
すなわち、マスター側ピストン２を矢印Ａ１１方向に移動させるようにサーボモータを制御すれば、シリンダ１ＭＡの内圧はＰｃｃ，（Ｐａ＋Ｐｂ）に加圧される。ここで、回転関節部のみを動作させる場合には、電磁弁１０ａ，１０ｄを閉じておけば圧力は、圧縮室７ｂ，７ｃのみに加圧され、スレーブ側シリンダ１ＳＡ，１ＳＢのピストンは矢印（Ａ７、Ａ８），（Ａ９，Ａ１０）方向に動作し、結局、回転関節部２５ｂは矢印で示す方向に回転することになる。以上の動作は、人間の二関節動作に類似するものである。
【００６１】
サーボ機構としてみた場合の利点として、
（１）位置サーボコマンドによる教示ができる。
（２）サーボ制御を行うことにより、力サーボ一定圧を負荷として印加する動作ができる。
（３）［位置サーボ］スレーブ側より教示し、プレイバックする動作が可能。
（４）［位置サーボ＋圧力サーボ］一定負荷と位置決めを行う動作。
（５）［位置サーボ＋圧力サーボ］過負荷異常圧診断による安全停止。
【００６２】
上記実施例によるリハビリテーションロボットによれば、各種入力方法によるリハビリテーションロボットの動作として、コマンド入力による教示動作、一定圧を負荷とする負荷訓練動作、リハビリテーションロボット側からの入力による教示およびプレイバック動作、一定負荷と位置決め動作、および過負荷異常圧診断による安全停止が可能である。その他、リハビリテーションロボットの安全システムの開発、リハビリテーションロボットの正常動作を監視するシステム化と全体の動作が緊急停止した際の安全性が保証される。
【００６３】
【発明の効果】
本発明は、以上の如くであって、バイラテラル位置・力伝達装置にはスレーブ側シリンダのみを設置し、マスタ側シリンダ・直動モータは動力装具から分離するため動力装具の軽量化を計ることができる。また、
（１）動力源と可動箇所の分離により、ロボットの小型化が期待できる。
（２）スレーブ側シリンダとマスタ側シリンダは可撓性パイプにより連結することで、スレーブ側シリンダの設置個所に制限がない。このためロボットを人の腕に類似した形状にすることが可能である。
（３）位置制御・力制御が１つのユニットで行うことができる。
（４）油圧シリンダを使用するため、滑らかな人の腕の動きに近い動作が可能である。
（５）動力装具は、四肢などを保護するため高負荷に対応できなかったが、本システムは可能となった。すなわち、サイボーグ化が可能である。
（６）人間の二関節筋に類似した動作が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による力帰還型バイラテラルサーボの構成ブロック図。
【図２】図１の力帰還型バイラテラルサーボのマスター側シリンダのピストンの機能説明図。
【図３】スレーブ側シリンダの機能説明図。
【図４】本発明の第２実施例による力帰還型バイラテラルサーボの構成ブロック図。
【図５】本発明の第３実施例による力帰還型バイラテラルサーボの構成ブロック図。
【図６】本発明の第４実施例による力帰還型バイラテラルサーボの構成ブロック図。
【図７】バイラテラル油圧伝達部の原理図。
【符号の説明】
１Ｍ，１ＭＡ…マスター側シリンダ
２…第１のピストン
３…ピストンロッド
１Ｓ，１ＳＡ，１ＳＢ…スレーブ側シリンダ
４ａ…第１の圧縮室
４ｂ…第２の圧縮室
５ａ…第２のピストン
５ｂ…第３のピストン
６ａ，６ｂ…ピストンロッド
７ａ…第３の圧縮室
７ｂ…第４の圧縮室
７ｃ…第５の圧縮室
８ａ，８ｂ，８ｃ…チューブ
９ａ，９ｂ，９ｃ…圧力センサ
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…電磁弁
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…変位センサ
１２ａ，１２ｂ…突合せ回路
１３ａ，１３ｂ…コントローラ
１４…直動機構
１５…モータ
１６…送りネジ
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ…管体
２０…スレーブ側ロータリアクチュエータ
２１…回転軸
２２ａ，２２ｂ…回動子
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ…中空回動体
２４ａ，２４ｂ…角度センサ
２５ａ，２５ｂ…回転関節部
【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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