JP7203379B2

JP7203379B2 - Actuator system

Info

Publication number: JP7203379B2
Application number: JP2019038184A
Authority: JP
Inventors: 允啓亀▲崎▼; 健史郎大槻; 裴之 ▲張▼; 重樹菅野
Original assignee: Waseda University
Current assignee: Waseda University
Priority date: 2019-03-04
Filing date: 2019-03-04
Publication date: 2023-01-13
Anticipated expiration: 2039-03-04
Also published as: JP2020143686A

Description

本発明は、作動流体の流体圧により駆動力を発生させるアクチュエータシステムに係り、更に詳しくは、摺動部分に介装されたシールの耐圧性や摩擦力を調整可能にするアクチュエータシステムに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an actuator system that generates a driving force by the hydraulic pressure of a working fluid, and more particularly to an actuator system that enables adjustment of the pressure resistance and frictional force of a seal interposed in a sliding portion.

人間の生活空間で共存するヒューマノイドロボットや介護支援用ロボット、或いは手術支援ロボット等は、その動作中に人間との間で予期しない衝突や接触が発生した際に、これら状況を考慮した駆動を行うコンプライアンス性能（柔軟性）が要求される。従来では、当該コンプライアンス性能を確保するために、サーボシステムが適用されたアクチュエータが用いられている（例えば、特許文献１等参照）。 Humanoid robots, care support robots, surgery support robots, etc. that coexist in human living spaces will drive in consideration of these situations when unexpected collisions or contact with humans occur during their operation. Compliance performance (flexibility) is required. Conventionally, an actuator to which a servo system is applied is used in order to ensure the compliance performance (see, for example, Patent Document 1, etc.).

しかしながら、前記サーボシステムにあっては、システムの複雑性や、制御器固有の周波数応答の限界により、突然の衝撃的入力への対応が不十分である。このため、人間と共存するロボットについては、予期しない外力の付与に対して迅速に応答可能な柔軟性を有する新たなアクチュエータが要請されている。そこで、本発明者らは、このような要請に基づき、流体圧シリンダを用いた直動型のコンプライアントアクチュエータと、ベーン型のロータリアクチュエータを用いた回転型のコンプライアントアクチュエータとを既に提案している（特許文献２、３参照）。 However, in the servo system, due to the complexity of the system and the limitations of the frequency response inherent in the controller, it does not adequately cope with sudden and impulsive inputs. Therefore, robots that coexist with humans are required to have new flexible actuators that can quickly respond to unexpected application of external forces. Accordingly, the present inventors have already proposed a direct acting compliant actuator using a fluid pressure cylinder and a rotary compliant actuator using a vane type rotary actuator based on such a demand. (See Patent Documents 2 and 3).

前記直動型のコンプライアントアクチュエータは、磁場強度に応じて粘性が変化する磁気機能性流体の圧力により駆動力を発生させる動作部となる流体圧シリンダと、流体圧シリンダの内部に磁気機能性流体を供給する流体供給手段と、流体圧シリンダの作動を制御するとともに、流体供給手段による流体圧シリンダへの磁気機能性流体の供給を制御する制御手段とを備えている。流体圧シリンダは、中空のシリンダチューブと、シリンダチューブの内部空間を移動可能に配置され、当該移動によって前記駆動力を発生させるピストンとを有する。ここで、シリンダチューブの内部空間は、ピストンにより、それぞれ磁気機能性流体が充填された第１及び第２の室空間に仕切られる。更に、ピストンには、第１及び第２の室空間を連通する連通流路が形成されるとともに、当該連通流路の内部に磁場を発生させる電磁石が設けられている。また、制御手段では、流体供給手段により各室空間内に供給される磁気機能性流体の流量制御を行うとともに、連通流路内の磁場の状態を制御し、磁気機能性流体の粘性を変化させて連通流路を通過する磁気機能性流体の流量調整を行うことにより、ピストンの駆動状態を変化させる。 The direct-acting compliant actuator includes a fluid pressure cylinder, which is an operating part that generates a driving force by the pressure of a magnetic functional fluid whose viscosity changes according to the magnetic field strength, and a magnetic functional fluid inside the fluid pressure cylinder. and control means for controlling the operation of the fluid pressure cylinder and controlling the supply of the magnetic functional fluid to the fluid pressure cylinder by the fluid supply means. The fluid pressure cylinder has a hollow cylinder tube and a piston that is arranged to be movable in the internal space of the cylinder tube and that moves to generate the driving force. Here, the internal space of the cylinder tube is partitioned by the piston into first and second chamber spaces each filled with a magnetic functional fluid. Furthermore, the piston is formed with a communication passage that communicates the first and second chamber spaces, and is provided with an electromagnet that generates a magnetic field inside the communication passage. In addition, the control means controls the flow rate of the magnetic functional fluid supplied into each chamber space by the fluid supply means, controls the state of the magnetic field in the communication channel, and changes the viscosity of the magnetic functional fluid. The driving state of the piston is changed by adjusting the flow rate of the magnetic functional fluid passing through the communication channel.

前記回転型のコンプライアントアクチュエータは、前記磁気機能性流体の圧力により駆動力を発生させる動作部となるロータリアクチュエータと、ロータリアクチュエータに磁気機能性流体を供給する流体供給手段と、ロータリアクチュエータの作動を制御するとともに、流体供給手段によるロータリアクチュエータへの磁気機能性流体の供給を制御する制御手段とを備えている。ロータリアクチュエータは、磁気機能性流体が収容される作動流体室を内部に有するハウジングと、作動流体室内で回転可能に設けられた回転ユニットと、作動流体室内に固定配置されるとともに、回転ユニットの回転を規制するストッパとを備えている。ここで、回転ユニットは、ハウジング内で回転可能に配置されて駆動力を発生させる駆動軸と、駆動軸と一体回転可能に駆動軸に固定され、作動流体室を２つの第１及び第２の室空間に分割するとともに、これら室空間を連通する連通流路が設けられたベーンと、連通流路の内部に集中して磁場を発生させる磁場発生手段とを備えている。また、制御手段では、流体供給手段により各室空間内に供給される磁気機能性流体の流量制御を行うとともに、連通流路内の磁場の状態を制御し、磁気機能性流体の粘性を変化させて連通流路を通過する磁気機能性流体の流量調整を行うことにより、回転ユニットの駆動状態を変化させる。 The rotary compliant actuator comprises a rotary actuator as an operating part that generates a driving force by the pressure of the magnetic functional fluid, fluid supply means for supplying the magnetic functional fluid to the rotary actuator, and operation of the rotary actuator. a control means for controlling and controlling the supply of the magnetic functional fluid to the rotary actuator by the fluid supply means. The rotary actuator includes a housing having a working fluid chamber in which a magnetic functional fluid is accommodated, a rotating unit rotatably provided in the working fluid chamber, a fixed arrangement in the working fluid chamber, and rotation of the rotating unit. and a stopper that regulates the Here, the rotating unit includes a drive shaft that is rotatably arranged in the housing and generates a driving force, and is fixed to the drive shaft so as to be rotatable integrally with the drive shaft, and the working fluid chamber is divided into two first and second chambers. It is divided into chamber spaces and has vanes provided with communication passages for communicating these chamber spaces, and magnetic field generating means for generating a magnetic field concentrated inside the communication passages. In addition, the control means controls the flow rate of the magnetic functional fluid supplied into each chamber space by the fluid supply means, controls the state of the magnetic field in the communication channel, and changes the viscosity of the magnetic functional fluid. The driving state of the rotating unit is changed by adjusting the flow rate of the magnetic functional fluid passing through the communication channel.

特開２０１３－２１２５６４号公報JP 2013-212564 A 特開２０１６－１４２３２０号公報JP 2016-142320 A 特開２０１８－７１７７６号公報JP 2018-71776 A

特許文献１で提案した直動型のコンプライアントアクチュエータでは、シリンダチューブの内部空間をピストンが移動するが、機械効率を高める上で、シリンダチューブの内周面とピストンの外周面との間の摺動部分には、当該摺動部分からの磁気機能性流体の漏れを阻止するために、ゴム等からなるシール材やリング類等の固体シールが介装されている。同様に、特許文献２で提案した回転型のコンプライアントアクチュエータにおいても、ハウジングの内壁部分やストッパの外面部分と回転ユニットとの間の摺動部分に固体シールが介装され、摺動部分からの磁気機能性流体の漏れが阻止される。 In the direct-acting compliant actuator proposed in Patent Document 1, the piston moves in the internal space of the cylinder tube. In order to prevent leakage of the magnetic functional fluid from the sliding portion, the moving portion is provided with a sealing material made of rubber or the like, or a solid seal such as a ring. Similarly, in the rotary compliant actuator proposed in Patent Document 2, a solid seal is interposed in the sliding portion between the inner wall portion of the housing, the outer surface portion of the stopper, and the rotating unit, so that the sliding portion is prevented from Leakage of the magnetic functional fluid is prevented.

しかしながら、アクチュエータの作動流体となる磁気機能性流体を高圧環境下で使用する際に、摺動部分からの磁気機能性流体の漏れを阻止するために設計された固体シールを用いると、ピストンや回転ユニットが動作時における固体シールの大きな摺動抵抗が生じてしまう。この場合、大きいレンジでの出力用として適用する場合にはさほど問題はないが、人間共存ロボットや、環境適用性が必要となる作業支援ロボット等では、このような大きな摺動抵抗が安全性や制御性を低下させる原因となる。また、アクチュエータの動作部に小さな外力が作用した際に、前述の大きな摺動抵抗によってバックドライバビリティが低下する。これらの問題は、連通流路のサイズや当該連通流路に発生させる磁場を調整しても改善されない。 However, when the magnetic functional fluid, which is the working fluid of the actuator, is used in a high-pressure environment, using a solid seal designed to prevent leakage of the magnetic functional fluid from the sliding parts causes damage to the piston and rotation. A large sliding resistance of the solid seal occurs when the unit is in motion. In this case, there is not much problem if it is applied for output in a large range, but in human coexistence robots and work support robots that require environmental applicability, such a large sliding resistance is a safety issue. It causes a decrease in controllability. In addition, when a small external force acts on the operating portion of the actuator, back drivability is reduced due to the large sliding resistance described above. These problems cannot be improved even by adjusting the size of the communication channel or the magnetic field generated in the communication channel.

本発明は、このような課題に基づいて案出されたものであり、その目的は、従来の固体シールに対して低い摺動抵抗を実現しつつ、摺動抵抗を変化させてバックドライバビリティをアクティブに調整することで、所望のコンプライアンス性能を得ることができる低摺動型のアクチュエータシステムを提供することにある。 The present invention has been devised based on such a problem, and its object is to change the sliding resistance to improve backdrivability while realizing low sliding resistance compared to conventional solid seals. To provide a low-sliding actuator system capable of obtaining desired compliance performance by active adjustment.

前記目的を達成するため、本発明は、主として、作動流体の流体圧により駆動力を発生させるアクチュエータ本体と、当該アクチュエータ本体に前記作動流体を供給する流体供給手段とを備えたアクチュエータシステムにおいて、前記アクチュエータ本体は、前記流体供給手段に繋がって前記作動流体が収容される作動流体室と、当該作動流体室を複数の室空間に分割するとともに、前記作動流体室内への前記作動流体の供給による前記各室空間の圧力差により、前記駆動力を外部に伝達する動作部と、磁場を発生させる磁場発生手段とを備え、前記動作部は、前記作動流体室に対して隙間を介して摺動可能に設けられ、前記隙間には、前記磁場が作用するとともに、磁場強度に応じて粘性が変化する磁気機能性流体が介装され、前記磁場発生手段は、前記磁場強度を調整可能に設けられ、前記隙間内の前記磁気機能性流体の粘性を変化させることで、前記作動流体室に対する前記動作部の摺動抵抗を可変にする、という構成を採っている。 In order to achieve the above object, the present invention mainly provides an actuator system comprising an actuator body for generating a driving force by the hydraulic pressure of a working fluid, and fluid supply means for supplying the working fluid to the actuator body, The actuator body is connected to the fluid supply means and divides the working fluid chamber into a working fluid chamber in which the working fluid is stored, and divides the working fluid chamber into a plurality of chamber spaces. It comprises an operating section that transmits the driving force to the outside by the pressure difference between the chamber spaces, and a magnetic field generating means that generates a magnetic field, and the operating section is slidable with respect to the working fluid chamber through a gap. is provided in the gap, the magnetic field acts on the gap, and a magnetic functional fluid whose viscosity changes according to the magnetic field strength is interposed, and the magnetic field generating means is provided so as to be able to adjust the magnetic field strength, By changing the viscosity of the magnetic functional fluid in the gap, the sliding resistance of the operating portion with respect to the working fluid chamber is made variable.

本発明では、磁気機能性流体が流動性を有する流体シールとして機能することで、従来の固体シールを使用した場合に比べ、当該シールを介した摺動部材間の摩擦抵抗を大幅に低減させ、従来構造よりも高いバックドライバビリティを得ることができる。また、磁気機能性流体に作用する磁場の強さを変化させることで、磁気機能性流体からなるシール部分の耐圧性や摩擦力をアクティブに調整できる。これにより、例えば、動作部に繋がるロボットアーム等の外部の部材を通じたダイレクトティーチング時に、シール部分に磁場を作用させないようにし、当該シール部分の摺動抵抗を少なくしてバックドライバビリティを高めることができる。また、人間協調ロボットに実装するような場合には、磁気機能性流体に作用する磁場強度を変化させて磁気機能性流体の降伏応力を調整し、メカニカルシール等のリリーフ機構のように、前記降伏応力を超える外力が動作部に作用したときに、当該外力に応じて動作部を動作させるコンプライアンス制御が可能となる。この際、弁やタンク等を含む複雑なリリーフ機構や回路構成等が不要となり、システム全体の小型化が可能になり、アクチュエータの配置自由度の向上が期待できる。また、本発明者らの実証実験によれば、本発明では、磁界制御を主とした摺動抵抗の調整によりコンプライアンス性能が制御されるため。ポンプを使った作動流体の供給制御を主としたコンプライアンス性能の制御に比べ、高い応答性を有することにもなる。 In the present invention, the magnetic functional fluid functions as a fluid seal with fluidity, so that the frictional resistance between the sliding members via the seal is greatly reduced compared to the case where a conventional solid seal is used, Back drivability higher than that of the conventional structure can be obtained. In addition, by changing the strength of the magnetic field acting on the magnetic functional fluid, it is possible to actively adjust the pressure resistance and frictional force of the sealing portion made of the magnetic functional fluid. As a result, for example, during direct teaching through an external member such as a robot arm connected to the operating part, it is possible to prevent the magnetic field from acting on the seal portion, reduce the sliding resistance of the seal portion, and improve the backdrivability. can. In addition, when it is implemented in a human-collaborative robot, the yield stress of the magnetic functional fluid is adjusted by changing the strength of the magnetic field acting on the magnetic functional fluid, and the yield stress is adjusted like a relief mechanism such as a mechanical seal. When an external force exceeding the stress acts on the moving part, it becomes possible to perform compliance control to operate the moving part according to the external force. In this case, a complicated relief mechanism including a valve, a tank, etc., a complicated circuit configuration, etc. are not required, the size of the entire system can be reduced, and an improvement in the degree of freedom in arranging the actuator can be expected. Further, according to the demonstration experiments by the inventors, in the present invention, the compliance performance is controlled by adjusting the sliding resistance mainly by controlling the magnetic field. It also has higher responsiveness than compliance performance control that mainly controls the supply of working fluid using a pump.

本実施形態に係るアクチュエータシステムの概略構成を表したブロック図。1 is a block diagram showing a schematic configuration of an actuator system according to this embodiment; FIG. アクチュエータ本体の概略斜視図。4 is a schematic perspective view of an actuator body; FIG. カバーを外した状態のアクチュエータ本体の内部構造を他の一部構成とともに表した概略正面図。FIG. 4 is a schematic front view showing the internal structure of the actuator body with the cover removed, along with other partial configurations. ベースの概略断面正面図。Schematic cross-sectional front view of the base. 図３に対して磁場の移動状態を表す線図を模式的に付した説明図。FIG. 4 is an explanatory view schematically attaching a diagram showing a moving state of a magnetic field to FIG. 3 ;

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１には、本実施形態に係るアクチュエータシステムの概略構成を表したブロック図が示されている。この図において、前記アクチュエータシステム１０は、作動流体の流体圧により駆動力を発生させるアクチュエータ本体１１と、アクチュエータ本体１１に作動流体を供給する流体供給手段１２と、アクチュエータ本体１１の作動状態を制御する制御手段１３とを備えている。 FIG. 1 shows a block diagram showing a schematic configuration of an actuator system according to this embodiment. In this figure, the actuator system 10 includes an actuator body 11 that generates a driving force by the fluid pressure of working fluid, a fluid supply means 12 that supplies the working fluid to the actuator body 11, and controls the operating state of the actuator body 11. A control means 13 is provided.

前記作動流体としては、作用する磁場の強さに応じて粘性（粘度）が変化する磁気機能性流体としての磁気粘性流体（ＭＲ流体）が利用される。このＭＲ流体は、粒子径が数十ナノメートルオーダとなるフェライト粒子等の強磁性を有する磁性粒子を非コロイド有機溶液に分散させてなる機能性流体の一種であり、当該磁性粒子が磁場の影響下で拘束されることで、液体の見かけ上の粘性を変えるようになっている。このＭＲ流体は、ある程度のせん断力を与えないと流れが発生せず、一旦流れが生じると、ニュートン流体のようにせん断応力とせん断速度が比例関係となる性質を有する。なお、流れ始めに影響を与えるＭＲ流体の降伏応力は、所定の磁場強度までの範囲において、磁場が強くなる程増大する。 As the working fluid, a magneto-rheological fluid (MR fluid) is used as a magnetic functional fluid whose viscosity changes according to the strength of the acting magnetic field. This MR fluid is a type of functional fluid made by dispersing magnetic particles having ferromagnetism such as ferrite particles with particle diameters on the order of several tens of nanometers in a non-colloidal organic solution. Being constrained underneath changes the apparent viscosity of the liquid. The MR fluid does not flow unless a certain amount of shearing force is applied, and once the flow is generated, the shear stress and the shear rate have a proportional relationship like a Newtonian fluid. Note that the yield stress of the MR fluid, which affects the beginning of flow, increases as the magnetic field becomes stronger within a range up to a predetermined magnetic field strength.

前記アクチュエータ本体１１は、ベーン型のロータリアクチュエータとして構成されており、図２及び図３に示されるように、平面視方形状をなすベース１５と、ベース１５の内部に埋設される埋設部材１６と、ベース１５の内部で回転動作可能に配置される回転ユニット１７と、ベース１５の側方に付設されたコイルユニット１８とを備えている。 The actuator body 11 is configured as a vane-type rotary actuator, and as shown in FIGS. , a rotating unit 17 arranged to be rotatable inside the base 15 , and a coil unit 18 attached to the side of the base 15 .

前記ベース１５は、図３及び図４に示されるように、中央付近に形成された平面視ほぼ扇形の外形をなす凹部２０と、凹部２０の内部空間の２箇所から外部に開放してコイルユニット１８に繋がる溝部２１と、凹部２０の内部空間の他の２箇所から外部に開放して流体供給手段１２に繋がる第１及び第２のポート２２，２３とが形成されている。このベース１５における凹部２０の開放側の表面には、図２に示されるように、凹部２０を被うようにカバー２４が取り付けられる。 As shown in FIGS. 3 and 4, the base 15 has a recess 20 formed in the vicinity of the center and having a generally fan-shaped outer shape in a plan view, and an internal space of the recess 20 which is open to the outside to form a coil unit. 18, and first and second ports 22 and 23 that open to the outside from other two locations in the internal space of the recess 20 and are connected to the fluid supply means 12 are formed. A cover 24 is attached to the surface of the base 15 on the open side of the recess 20 so as to cover the recess 20, as shown in FIG.

前記埋設部材１６は、図３に示されるように、凹部２０の内部空間を形成する内縁部分のうち円弧状の外周領域に沿って固定配置される外周埋設部材２６と、凹部２０の内部空間のうち扇型の中心付近に固定配置される中心埋設部材２７と、外周埋設部材２６及び中心埋設部材２７に当接するとともに、コイルユニット１８に当接するように各溝部２１内に固定配置される接続埋設部材２８とからなる。 As shown in FIG. 3, the embedding member 16 consists of an outer peripheral embedding member 26 fixedly arranged along the arc-shaped outer peripheral region of the inner edge portion forming the inner space of the recess 20, and an inner space of the recess 20. Among them, a central embedded member 27 fixedly arranged near the center of the sector, and a connection embedded fixedly arranged in each groove 21 so as to contact the outer peripheral embedded member 26 and the central embedded member 27 and contact the coil unit 18. and a member 28 .

ここで、凹部２０の内部空間のうち、外周埋設部材２６及び中心埋設部材２７を配置した状態で形成された残りの空間は、流体供給手段１２からのＭＲ流体が充填される作動流体室３０となっている。ここで、作動流体室３０には、前記第１及び第２のポート２２，２３が常時連通するようになっており、流体供給手段１２による作動流体室３０に対するＭＲ流体の供給及び排出が可能となっている。 Here, of the internal space of the recess 20, the remaining space formed with the peripheral embedded member 26 and the central embedded member 27 arranged serves as a working fluid chamber 30 filled with the MR fluid from the fluid supply means 12. It's becoming Here, the first and second ports 22 and 23 are always in communication with the working fluid chamber 30, so that the MR fluid can be supplied to and discharged from the working fluid chamber 30 by the fluid supply means 12. It's becoming

前記回転ユニット１７は、作動流体室３０内に配置され、外周埋設部材２６と中心埋設部材２７に対し、作動流体室３０内で回転摺動しながら駆動力を外部に伝達する動作部として機能する。この回転ユニット１７は、中心埋設部材２７を軸受けとして中心埋設部材２７付近で回転可能にベース１５の取付穴１５Ａ（図４参照）に一端側が嵌め込まれた駆動軸３２と、駆動軸３２に一体的に固定されて駆動軸３２を中心に回転可能に設けられるとともに、作動流体室３０を２つの第１及び第２の室空間３０Ａ，３０Ｂに分割する回転部材３３とを備えている。 The rotating unit 17 is arranged in the working fluid chamber 30 and functions as an operating part that transmits driving force to the outside while rotating and sliding in the working fluid chamber 30 with respect to the peripheral embedded member 26 and the central embedded member 27 . . The rotary unit 17 includes a drive shaft 32 whose one end is fitted in a mounting hole 15A (see FIG. 4) of the base 15 so as to be rotatable near the central embedded member 27 using the central embedded member 27 as a bearing, and a drive shaft 32 integral with the drive shaft 32. and a rotary member 33 which is fixed to and rotatable about a drive shaft 32 and which divides the working fluid chamber 30 into two first and second chamber spaces 30A and 30B.

ここで、作動流体室３０のうち、図３中右上側の第１の室空間３０Ａは、前記第１のポート２２に繋がっており、同図中左下側の第２の室空間３０Ｂは、前記第２のポート２３に繋がっている。そこで、流体供給手段１２から何れか一方のポート２２，２３にＭＲ流体が供給されると、当該ポート２２，２３に繋がる一方の室空間３０Ａ，３０Ｂの圧力が増大する。そして、これら室空間３０Ａ，３０Ｂの圧力差により、当該一方の室空間３０Ａ，３０Ｂの容積を増大させる方向に回転部材３３を回転駆動させ、容積が減少する他方の室空間３０Ａ，３０Ｂから、ＭＲ流体を外部に排出するようになっている。 Here, of the working fluid chamber 30, the first chamber space 30A on the upper right side in FIG. 3 is connected to the first port 22, and the second chamber space 30B on the lower left side in It is connected to the second port 23 . Therefore, when the MR fluid is supplied to one of the ports 22, 23 from the fluid supply means 12, the pressure in the one chamber space 30A, 30B connected to the port 22, 23 increases. The pressure difference between the chamber spaces 30A and 30B causes the rotating member 33 to rotate in the direction of increasing the volume of one of the chamber spaces 30A and 30B. The fluid is discharged outside.

前記駆動軸３２は、回転部材３３の回転に伴って自転するとともに、図２に示されるように、ベース１５にカバー２４が取り付けられた状態でカバー２４から外部に突出し、当該突出部分に接続された部材等（図示省略）に対して、アクチュエータ本体１１の出力となる回転駆動力を伝達する。 The drive shaft 32 rotates along with the rotation of the rotating member 33, and as shown in FIG. The rotary driving force, which is the output of the actuator main body 11, is transmitted to other members (not shown).

前記回転部材３３は、図３に示されるように、外周埋設部材２６と中心埋設部材２７の間に形成された僅かな隙間３５を介して摺動可能に配置されており、当該隙間３５には、各室空間３０Ａ，３０Ｂ内に対するＭＲ流体の流出入が可能となっている。 As shown in FIG. 3, the rotary member 33 is slidably arranged through a small gap 35 formed between the outer peripheral embedded member 26 and the central embedded member 27. , the MR fluid can flow into and out of the respective chamber spaces 30A and 30B.

前記コイルユニット１８は、各溝部２１内に埋設された接続埋設部材２８にそれぞれ当接するように配置された側面視ほぼコ字状のコア部材３７と、当該コア部材３７に巻回されるコイル３８とからなる。コイル３８は、アクチュエータ本体１１の外部に配置された電力供給装置３９から外部電力が供給され、コイル３８の通電によって任意の強さの磁場を発生させるようになっている。従って、コア部材３７、コイル３８及び電力供給装置３９は、後述する構造により、隙間３５内に磁場を発生させる磁場発生手段として機能する。 The coil unit 18 includes a substantially U-shaped core member 37 in a side view, which is disposed so as to abut on the connection embedded member 28 embedded in each groove 21 , and a coil 38 wound around the core member 37 . Consists of The coil 38 is supplied with external power from a power supply device 39 arranged outside the actuator body 11, and energizes the coil 38 to generate a magnetic field of arbitrary strength. Therefore, the core member 37, the coil 38, and the power supply device 39 function as magnetic field generating means for generating a magnetic field within the gap 35 by a structure described later.

以上の構成のアクチュエータ本体１１において、ベース１５は、アルミニウム等の透磁率の低い非磁性材料によって形成されており、埋設部材１６、回転ユニット１７及びコア部材３７は、電磁ステンレス鋼、鉄等の透磁率の高い磁性材料で形成されている。従って、コイル３８の通電によって発生する磁場は、図５中に破線で示されるように、コア部材３７、接続埋設部材２８、外周埋設部材２６、回転部材３３、中心埋設部材２７を通るルートのみとなり、これら部材により磁気回路が形成されることになる。この際、回転部材３３と、外周埋設部材２６及び中心埋設部材２７との間の摺動部分にそれぞれ形成された隙間３５には、ＭＲ流体が介装された状態となり、隙間３５に交わる方向から磁場が作用する。従って、前記磁場発生手段で磁場強度を変化させ、隙間３５に介装された状態のＭＲ流体の粘性を変化させることで、回転部材３３が回転する際に、外周埋設部材２６と中心埋設部材２７に対する摺動抵抗が可変となる。 In the actuator body 11 configured as described above, the base 15 is made of a non-magnetic material with low magnetic permeability such as aluminum, and the embedded member 16, the rotating unit 17 and the core member 37 are made of magnetic material such as electromagnetic stainless steel and iron. It is made of a magnetic material with high magnetic permeability. Therefore, the magnetic field generated by energization of the coil 38 has only a route passing through the core member 37, the connecting embedded member 28, the peripheral embedded member 26, the rotating member 33, and the central embedded member 27, as indicated by the dashed lines in FIG. , a magnetic circuit is formed by these members. At this time, the gaps 35 formed in the sliding portions between the rotating member 33 and the outer peripheral embedded member 26 and central embedded member 27 are filled with the MR fluid. A magnetic field acts. Therefore, by changing the magnetic field intensity with the magnetic field generating means and changing the viscosity of the MR fluid interposed in the gap 35, when the rotating member 33 rotates, the outer peripheral embedded member 26 and the central embedded member 27 Sliding resistance against is variable.

換言すると、前記磁気回路は、隙間３５に介装された状態のＭＲ流体に対し、回転部材３３の摺動方向に対してほぼ直交する方向に磁場を作用させる構造になっている。このため、当該磁場が作用すると、その作用方向に沿ってＭＲ流体中の磁性粒子が配置されることで、隙間３５での前記摺動方向に沿うＭＲ流体の流れが規制される。従って、この際の磁性粒子の配置密度を磁場強度で調整することにより、前記隙間内の前記ＭＲ流体は、回転部材３３を回転動作させる作動流体とは別に、摺動部分の耐圧性や摩擦力を可変とする流体シールとして機能する。 In other words, the magnetic circuit is structured to apply a magnetic field to the MR fluid interposed in the gap 35 in a direction substantially perpendicular to the sliding direction of the rotating member 33 . Therefore, when the magnetic field acts, the magnetic particles in the MR fluid are arranged along the acting direction, and the flow of the MR fluid along the sliding direction in the gap 35 is restricted. Therefore, by adjusting the arrangement density of the magnetic particles at this time with the strength of the magnetic field, the MR fluid in the gap is controlled by the pressure resistance and frictional force of the sliding portion separately from the working fluid that rotates the rotating member 33 . It functions as a fluid seal that makes the

なお、前記磁気回路としては、前記磁場発生手段から前記各室空間３０Ａ，３０Ｂへの磁場の漏れを抑制し、隙間３５内に集中して磁場を作用させる構造にすることが好ましい。例えば、回転部材３３の外周面に、その外側への磁気放出を抑制する非磁性材料からなるカバーを設けると良い。これにより、隙間３５に所望の強さの磁場を集中的に作用させることができる他、回転部材３３の摺動抵抗を変化させるための磁場強度の調整の際に、第１及び第２の室空間３０Ａ，３０Ｂ内のＭＲ流体に与える影響を低減できる。 The magnetic circuit preferably has a structure in which magnetic field leakage from the magnetic field generating means to the chamber spaces 30A and 30B is suppressed, and the magnetic field is concentrated in the gap 35 to act. For example, it is preferable to provide a cover made of a non-magnetic material on the outer peripheral surface of the rotating member 33 to suppress magnetic emission to the outside. As a result, a magnetic field having a desired strength can be applied intensively to the gap 35, and the magnetic field strength can be adjusted to change the sliding resistance of the rotating member 33 by adjusting the first and second chambers. The influence on the MR fluid in the spaces 30A, 30B can be reduced.

前記流体供給手段１２は、図示省略しているが、第１及び第２のポート２２，２３に繋がる管路と、当該管路の途中に適宜配置されたバルブ類と、管路内にＭＲ流体を供給するポンプユニットと、アクチュエータ本体に供給されるＭＲ流体の流量を検出する流量センサと、第１及び第２のポート２２，２３の差圧を検出する圧力センサ等を含んで構成されている。前記ポンプユニットや前記バルブ類の作動は、前記制御手段１３によって制御され、この制御に基づき、前記ポンプユニットが駆動すると、第１若しくは第２のポート２２，２３の何れか一方から、ＭＲ流体が何れか一方の室空間３０Ａ，３０Ｂに供給され、他方の室空間３０Ａ，３０ＢのＭＲ流体が、第１若しくは第２のポート２２，２３の何れか他方を通じてアクチュエータ本体１１の外部に排出される。また、前記ポンプユニットが停止しているときは、外部からアクチュエータ本体１１内にＭＲ流体が流入されず、また、アクチュエータ本体１１の外部にＭＲ流体が排出されないことになる。 Although not shown, the fluid supply means 12 includes pipelines connected to the first and second ports 22 and 23, valves appropriately arranged in the pipelines, and MR fluid in the pipelines. , a flow sensor for detecting the flow rate of the MR fluid supplied to the actuator body, and a pressure sensor for detecting the differential pressure between the first and second ports 22 and 23. . The operation of the pump unit and the valves is controlled by the control means 13, and when the pump unit is driven based on this control, the MR fluid is discharged from either the first or second port 22, 23. The MR fluid supplied to one of the chamber spaces 30A and 30B and discharged to the outside of the actuator body 11 through the other of the first and second ports 22 and 23 is the MR fluid in the other chamber space 30A and 30B. Further, when the pump unit is stopped, the MR fluid does not flow into the actuator main body 11 from the outside, and the MR fluid is not discharged to the outside of the actuator main body 11 .

前記制御手段１３では、予め要求されるアクチュエータ本体１１の性能や仕様と、前述した各種センサからの検出結果に基づいて、流体供給手段１２の前記ポンプユニットの作動が制御され、アクチュエータ本体１１に供給されるＭＲ流体の流量調整により、回転ユニット１７を通じて出力される駆動力が調整される。加えて、制御手段１３では、前記磁気回路を流れる磁場強度を変化させる磁場制御が行われ、隙間３５に介装されたＭＲ流体の粘性を変化させて、回転部材３３の摺動抵抗が調整される。 The control means 13 controls the operation of the pump unit of the fluid supply means 12 based on the previously required performance and specifications of the actuator body 11 and the detection results from the various sensors described above, and supplies the fluid to the actuator body 11 . The driving force output through the rotation unit 17 is adjusted by adjusting the flow rate of the MR fluid. In addition, the control means 13 performs magnetic field control to change the strength of the magnetic field flowing through the magnetic circuit, changes the viscosity of the MR fluid interposed in the gap 35, and adjusts the sliding resistance of the rotating member 33. be.

従って、このような実施形態によれば、外周埋設部材２６及び中心埋設部材２７と、それらに対して摺動する回転部材３３との間に僅かな隙間３５を設け、当該隙間３５にＭＲ流体を介装し、このＭＲ流体に作用する磁場強度を可変とする構造になっているため、固体シールを用いた場合に比べて摺動抵抗を低くしつつ、当該摺動抵抗の調整が可能となる。例えば、隙間３５内に磁場が作用していないときには、駆動軸３２に外力が働いた際に回転部材３３がほぼフリーで回転可能になり、高いバックドライバビリティを発揮できる。一方、隙間３５内に作用させる磁場の強さを調整することで、回転部材３３の摺動時におけるＭＲ流体の降伏応力が調整され、当該降伏応力未満の外力が駆動軸３２に作用した際には、当該外力の影響で回転部材３３が動作することがなく、使用状況に応じた所望のコンプライアンス性能を得ることができる。以上により、固体シールを採用した場合に比べ低摺動状態で回転部材３３を回転させることが可能になり、安全性や制御性の向上に資するとともに、流体供給手段１２から作動流体室３０内へのＭＲ流体の供給制御を併せることで、比較的簡単な装置構成で所望のコンプライアンス性能を得ることができる。 Therefore, according to this embodiment, a slight gap 35 is provided between the peripheral embedded member 26 and the central embedded member 27 and the rotating member 33 sliding against them, and the MR fluid is introduced into the gap 35. Since the structure is such that the strength of the magnetic field acting on the MR fluid is variable, it is possible to adjust the sliding resistance while lowering the sliding resistance compared to the case where a solid seal is used. . For example, when no magnetic field acts in the gap 35, the rotary member 33 can rotate almost freely when an external force acts on the drive shaft 32, and high back drivability can be exhibited. On the other hand, by adjusting the strength of the magnetic field acting in the gap 35, the yield stress of the MR fluid when the rotating member 33 slides is adjusted, and when an external force less than the yield stress acts on the drive shaft 32, , the rotating member 33 does not move under the influence of the external force, and a desired compliance performance can be obtained according to the usage conditions. As described above, it becomes possible to rotate the rotating member 33 in a less sliding state than in the case of adopting a solid seal, which contributes to the improvement of safety and controllability, and the flow from the fluid supply means 12 into the working fluid chamber 30. In addition to controlling the supply of the MR fluid, desired compliance performance can be obtained with a relatively simple device configuration.

なお、前記磁場発生手段で磁場が発生したときには、前記回転ユニット１７内に常時磁場が存在することになるため、例えば、凹部２０の外周に沿って散点的となるベース１５の位置に、ホール効果センサ等の磁気センサを設けることで、別途角度センサを設けることなく、回転ユニット１７の回転角度の検出が可能となる。 When a magnetic field is generated by the magnetic field generating means, the magnetic field always exists in the rotating unit 17. Therefore, for example, hole By providing a magnetic sensor such as an effect sensor, the rotation angle of the rotation unit 17 can be detected without providing a separate angle sensor.

また、前記磁場発生手段として、永電磁石を使った構造を採用することもでき、このようにすることで、エネルギー効率の向上が期待でき、停電時においても、駆動軸３２に接続された部材等を所定姿勢で保持可能になる。 In addition, as the magnetic field generating means, a structure using a permanent magnet can be adopted, and by doing so, improvement in energy efficiency can be expected, and members connected to the drive shaft 32 and the like can be used even in the event of a power failure. can be held in a predetermined posture.

更に、前記実施形態では、アクチュエータ本体１１をベーン型のロータリアクチュエータとした場合について図示説明したが、本発明はこれに限らず、直動型の液圧アクチュエータ等に適用し、駆動力を発生させる際の摺動部分に隙間を設けてＭＲ流体を介装し、当該ＭＲ流体に付加する磁界強度を調整することで、摺動抵抗を可変にする構造としてもよい。 Furthermore, in the above-described embodiment, the case where the actuator main body 11 is a vane-type rotary actuator has been illustrated and explained, but the present invention is not limited to this, and can be applied to a direct-acting hydraulic actuator or the like to generate a driving force. A structure may be employed in which sliding resistance is made variable by providing a gap in the sliding portion, inserting the MR fluid, and adjusting the strength of the magnetic field applied to the MR fluid.

また、本発明では、前述と同様の作用効果を奏する限りにおいて、ＭＲ流体（ＭＲＦ）に代えて、磁性流体（ＭＦ）や磁気混合流体（ＭＣＦ）等の他の磁気機能性流体を適用することも可能である。 In addition, in the present invention, other magnetic functional fluids such as magnetic fluids (MF) and magnetic mixed fluids (MCF) may be applied instead of MR fluids (MRF) as long as the same effects as those described above are achieved. is also possible.

その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。 In addition, the configuration of each part of the device in the present invention is not limited to the illustrated configuration example, and various modifications are possible as long as substantially the same action is exhibited.

１０アクチュエータシステム
１１アクチュエータ本体
１２流体供給手段
１７回転ユニット（動作部）
３０作動流体室
３０Ａ第１の室空間
３０Ｂ第２の室空間
３５隙間
３７コア部材（磁場発生手段）
３８コイル（磁場発生手段）
３９電力供給装置（磁場発生手段） REFERENCE SIGNS LIST 10 Actuator system 11 Actuator body 12 Fluid supply means 17 Rotating unit (moving unit)
30 working fluid chamber 30A first chamber space 30B second chamber space 35 gap 37 core member (magnetic field generating means)
38 coil (magnetic field generating means)
39 power supply device (magnetic field generating means)

Claims

磁場強度に応じて粘性が変化する磁気機能性流体からなる作動流体の流体圧により駆動力を発生させるアクチュエータ本体と、当該アクチュエータ本体に前記作動流体を供給する流体供給手段とを備えたアクチュエータシステムにおいて、
前記アクチュエータ本体は、前記流体供給手段に繋がって前記作動流体が収容される作動流体室と、当該作動流体室を複数の室空間に分割するとともに、前記作動流体室内への前記作動流体の供給による前記各室空間の圧力差により、前記駆動力を外部に伝達する動作部と、磁場を発生させる磁場発生手段とを備え、
前記動作部は、前記作動流体室に対して隙間を介して摺動可能に設けられ、
前記隙間には、前記磁場が作用するとともに、前記磁気機能性流体が介装され、前記隙間は、前記各室空間に対して前記磁気機能性流体を流出入可能に設けられ、前記隙間内の前記磁気機能性流体を前記作動流体とは別の流体シールとして機能させ、
前記磁場発生手段は、前記磁場強度を調整可能に設けられ、前記隙間内の前記磁気機能性流体の粘性を変化させることで、前記作動流体室に対する前記動作部の摺動抵抗を可変にすることを特徴とするアクチュエータシステム。 An actuator system comprising an actuator body for generating a driving force by the fluid pressure of a working fluid made of a magnetic functional fluid whose viscosity changes according to the strength of a magnetic field, and fluid supply means for supplying the working fluid to the actuator body ,
The actuator main body includes a working fluid chamber connected to the fluid supply means and containing the working fluid, and dividing the working fluid chamber into a plurality of chamber spaces. An operating unit that transmits the driving force to the outside by the pressure difference between the chamber spaces, and a magnetic field generating means that generates a magnetic field,
the operating portion is provided slidably with respect to the working fluid chamber through a gap,
The magnetic field acts on the gap, and the magnetic functional fluid is interposed in the gap. The gap is provided so that the magnetic functional fluid can flow in and out of each of the chamber spaces. functioning the magnetic functional fluid as a fluid seal separate from the working fluid;
The magnetic field generating means is provided so as to be able to adjust the strength of the magnetic field, and changes the viscosity of the magnetic functional fluid in the gap to vary the sliding resistance of the operating portion with respect to the working fluid chamber. An actuator system characterized by:

作動流体の流体圧により駆動力を発生させるアクチュエータ本体と、当該アクチュエータ本体に前記作動流体を供給する流体供給手段とを備えたアクチュエータシステムにおいて、
前記アクチュエータ本体は、前記流体供給手段に繋がって前記作動流体が収容される作動流体室と、当該作動流体室を複数の室空間に分割するとともに、前記作動流体室内への前記作動流体の供給による前記各室空間の圧力差により、前記駆動力を外部に伝達する動作部と、磁場を発生させる磁場発生手段とを備え、
前記動作部は、前記作動流体室に対して隙間を介して摺動可能に設けられ、
前記隙間には、前記磁場が作用するとともに、磁場強度に応じて粘性が変化する磁気機能性流体が介装され、
前記磁場発生手段は、前記磁場強度を調整可能に設けられ、前記隙間内の前記磁気機能性流体の粘性を変化させることで、前記作動流体室に対する前記動作部の摺動抵抗を可変にし、
前記アクチュエータ本体には、前記動作部の摺動方向にほぼ直交する向きで前記磁場を前記隙間内に作用させる磁気回路を含むことを特徴とするアクチュエータシステム。 An actuator system comprising an actuator body for generating a driving force by the fluid pressure of a working fluid, and fluid supply means for supplying the working fluid to the actuator body,
The actuator main body includes a working fluid chamber connected to the fluid supply means and containing the working fluid, and dividing the working fluid chamber into a plurality of chamber spaces. An operating unit that transmits the driving force to the outside by the pressure difference between the chamber spaces, and a magnetic field generating means that generates a magnetic field,
the operating portion is provided slidably with respect to the working fluid chamber through a gap,
The magnetic field acts on the gap, and a magnetic functional fluid whose viscosity changes according to the magnetic field strength is interposed in the gap,
The magnetic field generating means is provided so as to be able to adjust the strength of the magnetic field, and changes the viscosity of the magnetic functional fluid in the gap to vary the sliding resistance of the operating portion with respect to the working fluid chamber,
An actuator system according to claim 1, wherein the actuator main body includes a magnetic circuit for applying the magnetic field in the gap in a direction substantially perpendicular to the sliding direction of the moving portion .

前記アクチュエータ本体は、前記動作部の摺動方向にほぼ直交する向きで前記磁場を前記隙間内に作用させる磁気回路を含むことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータシステム。 2. The actuator system according to claim 1 , wherein said actuator main body includes a magnetic circuit for applying said magnetic field in said gap in a direction substantially perpendicular to the sliding direction of said moving portion.

前記磁気回路は、前記磁場発生手段から前記室空間への磁場の漏れを抑制し、前記隙間内に集中して磁場を作用させる構造をなすことを特徴とする請求項２又は３記載のアクチュエータシステム。
4. The actuator system according to claim 2 , wherein the magnetic circuit suppresses leakage of the magnetic field from the magnetic field generating means to the room space and concentrates the magnetic field in the gap. .