特許 6163646 アクチュエータ装置、ヒューマノイド型ロボットおよびパワーアシスト装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6163646

(24)【登録日】2017年6月30日

(45)【発行日】2017年7月19日

(54)【発明の名称】アクチュエータ装置、ヒューマノイド型ロボットおよびパワーアシスト装置

(51)【国際特許分類】

   H02K 33/00 20060101AFI20170710BHJP

   F15B 15/14 20060101ALI20170710BHJP

   B25J 5/00 20060101ALI20170710BHJP

   B25J 11/00 20060101ALI20170710BHJP

   F15B 15/12 20060101ALI20170710BHJP

【ＦＩ】

   H02K33/00 A

   F15B15/14 345Z

   B25J5/00 F

   B25J11/00 Z

   F15B15/12 A

   F15B15/12 B

   F15B15/14 340Z

【請求項の数】18

【全頁数】35

(21)【出願番号】特願2016-138811(P2016-138811)

(22)【出願日】2016年7月13日

(62)【分割の表示】特願2014-266466(P2014-266466)の分割

【原出願日】2014年12月26日

(65)【公開番号】特開2016-191467(P2016-191467A)

(43)【公開日】2016年11月10日

【審査請求日】2016年9月15日

(31)【優先権主張番号】特願2014-109213(P2014-109213)

(32)【優先日】2014年5月27日

(33)【優先権主張国】JP

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 １）平成２６年９月１４日に、ＩＥＥＥ／ＲＳＪ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｒｏｂｏｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｗｏｒｋｓｈｏｐ：Ｆｒｏｍ Ａｃｔｉｖｅ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｔｏ Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｌｉａｎｔ ａｎｄ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ：Ｐｒｏｓ，Ｃｏｎｓ ａｎｄ Ｔｒａｄｅ−ｏｆｆｓに発表 ２）平成２６年９月１４日に、ＩＥＥＥ／ＲＳＪ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｒｏｂｏｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｗｏｒｋｓｈｏｐ：Ｆｒｏｍ Ａｃｔｉｖｅ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｔｏ Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｌｉａｎｔ ａｎｄ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ： Ｐｒｏｓ， Ｃｏｎｓ ａｎｄ Ｔｒａｄｅ−ｏｆｆｓ の ウ ェ ブ サ イ ト ｈｔｔｐ：／／ｍｅｃｈ．ｖｕｂ．ａｃ．ｂｅ／ＩＲＯＳＷＳＡｃｔｕａｔｏｒｓ／ｓｃｈｅｄｕｌｅ．ｈｔｍに公表 ３）平成２６年１０月２１日に、「第１回フューチャーセッション 〜ロボット技術とセンサ技術〜」にて公表 ４）平成２６年１２月８日に、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ Ｎｅｕｒｏｓｃｉｅｎｃｅ Ｒｏｂｏｔｉｃｓにて公表

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】393031586

【氏名又は名称】株式会社国際電気通信基礎技術研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(74)【代理人】

【識別番号】100109162

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 將行

(72)【発明者】

【氏名】野田 智之

(72)【発明者】

【氏名】仲田 佳弘

(72)【発明者】

【氏名】石黒 浩

(72)【発明者】

【氏名】森本 淳

【審査官】 森山 拓哉

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１９３６４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１３６７２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 独国特許出願公開第１９８４６７１１（ＤＥ，Ａ１）

【文献】 特開昭６４−０１５５０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１５３１０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００７／１３９１３５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２０１０−５１３７７９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｋ ３３／００−３３／１８

Ｆ１５Ｂ １５／１４

Ｂ２５Ｊ ５／００

Ｂ２５Ｊ １１／００

Ｆ１５Ｂ １５／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体圧を外部から内部に印加可能に構成された気密容器と、
前記気密容器内に格納され、前記気密容器内において前記流体圧に応じて摺動可能な可動子と、
前記可動子の駆動力を前記気密容器の外部に伝達するための駆動部材と、
前記可動子の可動経路に沿って前記気密容器の外部に設けられた第１磁力部材とを備え、
前記第１磁力部材は、電磁コイル部材を含み、
前記第１磁力部材は、前記気密容器内部と前記第１磁力部材側との間の前記気密容器の隔壁を介して、前記気密容器内において前記可動子を駆動するために前記流体圧が供給される領域と対向し、
前記可動子は、第２磁力部材を有し、前記第１磁力部材または第２磁力部材の励磁により前記第１磁力部材に対して相対運動し、
前記気密容器は、前記気密容器内の第１内面と前記可動子の一側面との間の空間である第１チャンバと、前記気密容器内の第２内面と前記可動子の他側面との間の空間である第２チャンバとを含み、
前記第１チャンバと、前記第２チャンバとに、それぞれ、前記流体圧を供給する流体圧供給手段をさらに備え、
前記流体圧供給手段は、前記第１磁力部材または第２磁力部材の励磁により前記可動子を相対運動させる際に同一の方向へ前記可動子を駆動するように前記流体圧の供給を制御する、アクチュエータ装置。

【請求項2】

流体圧を外部から内部に印加可能に構成された気密容器を備え、
前記気密容器は、軸方向に第１端部および第２端部をそれぞれ有し、
前記気密容器内に格納され、前記気密容器内において前記流体圧に応じて摺動可能な可動子と、
前記可動子の駆動力を前記気密容器の外部に伝達するための駆動部材と、
前記可動子の可動経路に沿って前記気密容器の外部に設けられた電磁コイル部材である第１磁力部材とをさらに備え、
前記第１磁力部材の前記可動経路に沿う長さは、前記可動子自身の前記可動経路に沿う長さよりも長く、
前記可動子は、第２磁力部材を有し、前記第１磁力部材の励磁により前記第１磁力部材に対して相対運動し、
前記気密容器は、前記第１端部の気密容器内面と前記可動子の一側面との間の空間である第１チャンバと、前記第２端部の気密容器内面と前記可動子の他側面との間の空間である第２チャンバとを有し、
前記第１磁力部材は、前記第１および第２チャンバの領域と前記気密容器の側壁を介して対向する位置に設けられ、
前記第１チャンバと、前記第２チャンバとに、それぞれ、前記流体圧を供給する流体圧供給手段をさらに備え、
前記流体圧供給手段は、前記第１磁力部材または第２磁力部材の励磁により前記可動子を相対運動させる際に同一の方向へ前記可動子を駆動するように前記流体圧の供給を制御する、アクチュエータ装置。

【請求項3】

前記気密容器は、軸方向に第１端部および第２端部をそれぞれ有するシリンダであり、
前記第１および第２内面は、それぞれ、前記第１および前記第２端部のシリンダ内面であり、
前記可動子は、前記シリンダ内を摺動可能なピストンを含み、
前記駆動部材は、前記ピストンの往復運動を前記シリンダの外部に伝達する、請求項１または２記載のアクチュエータ装置。

【請求項4】

前記第１磁力部材は、前記シリンダ外周に設けられた電磁コイル部材であり、
前記可動子の相対運動のために前記電磁コイル部材が励磁される、請求項３記載のアクチュエータ装置。

【請求項5】

前記電磁コイル部材は、前記シリンダ外周に所定幅にわたって設けられ、独立に励磁される複数個のコイルを有し、
前記第２磁力部材は、複数個の永久磁石を含み、前記複数の永久磁石間には、軟磁性材料が設けられ、
前記永久磁石は、それぞれの極性が前記軸方向に交互に逆極性となるように配置される、請求項４記載のアクチュエータ装置。

【請求項6】

前記流体圧供給手段および前記複数個のコイルの励磁を制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、流体圧による発生力が、所望の駆動力に到達するまでの期間は、電磁力により発生する力が、流体圧による発生力を補うように制御する、請求項５記載のアクチュエータ装置。

【請求項7】

前記流体圧供給手段および前記複数個のコイルの励磁を制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、定常状態となった後には、制御目標からの偏差を補償するように、前記コイルの励磁を制御する、請求項５記載のアクチュエータ装置。

【請求項8】

前記流体は、気体である、請求項４〜７のいずれか１項に記載のアクチュエータ装置。

【請求項9】

前記流体は、水または油のいずれかである、請求項４〜７のいずれか１項に記載のアクチュエータ装置。

【請求項10】

前記可動子は、
前記気密容器内において前記流体圧に応じて摺動可能なピストン部と、
前記気密容器の内面との間に所定の隙間を空けて設けられて前記ピストン部と結合し、前記第２磁力部材を有する磁力部材部と、を含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載のアクチュエータ装置。

【請求項11】

前記シリンダは、湾曲した形状を有する、請求項３記載のアクチュエータ装置。

【請求項12】

前記気密容器は、気密状態を維持可能な円筒であり、
前記駆動部材は、前記可動子の回転運動を前記円筒の外部に伝達する出力軸であり、
前記可動子は、前記円筒内を前記出力軸と一体となって回転するロータであり、
前記円筒内には、前記出力軸から前記円筒の内周にまで延在する隔壁が設けられ、
前記第１および第２内面は、それぞれ、前記隔壁の一方面および他方面である、請求項１記載のアクチュエータ装置。

【請求項13】

前記第１磁力部材は、前記円筒の底面側に設けられた電磁コイル部材であり、
前記ロータの相対運動のために前記電磁コイル部材が励磁される、請求項１２記載のアクチュエータ装置。

【請求項14】

前記電磁コイル部材は、前記円筒の底面側に円周方向に設けられ、独立に励磁される複数個のコイルを有し、
前記第２磁力部材は、前記ロータ内に相互に隣接して配置される複数個の扇型の永久磁石を含み、
前記永久磁石は、隣合うそれぞれの極性が前記出力軸の方向であって交互に逆極性となるように配置される、請求項１３記載のアクチュエータ装置。

【請求項15】

前記第１磁力部材は、前記円筒の外周に沿って設けられ、独立に励磁される複数個のコイルを有し、
前記第２磁力部材は、前記ロータ内に相互に隣接して配置される複数個の扇型の永久磁石を含み、
前記永久磁石は、隣合うそれぞれの極性が前記出力軸の法線方向で交互に逆極性となるように配置される、請求項１２記載のアクチュエータ装置。

【請求項16】

請求項１または２に記載のアクチュエータ装置を用いて骨格を駆動する、ヒューマノイド型ロボット。

【請求項17】

対象となる人間の筋骨格系運動のアシストを行うためのパワーアシスト装置であって、
アシスト対象となる関節ごとに設けられ、前記関節の運動をアシストする力を発生するためのアクチュエータ装置を備え、
前記アクチュエータ装置は、
第１端部および第２端部を有するシリンダと、
前記シリンダ外周に所定幅にわたって設けられた電磁コイル部材と、
前記シリンダ内に格納され、前記シリンダ内をピストンとして摺動可能な可動子とを含み、
前記可動子は、磁力部材を有し、前記電磁コイル部材の励磁により前記電磁コイル部材に対して相対運動し、
前記シリンダの前記第１端部と前記可動子の一方端との間の空間である第１チャンバと、前記シリンダの前記第２端部と前記可動子の他方端との間の空間である第２チャンバとに、それぞれ、流体を供給する流体圧供給手段をさらに含み、
前記電磁コイル部材は、前記シリンダ内部と前記電磁コイル部材側との間の前記シリンダの隔壁を介して、前記シリンダ内において前記可動子を駆動するために前記流体により流体圧が供給される領域と対向し、
前記アクチュエータ装置を駆動する駆動手段をさらに備え、
前記駆動手段は、前記電磁コイル部材の励磁により前記可動子を相対運動させる際に、前記流体圧供給手段により同一の方向へ前記可動子を駆動するように前記流体の供給を制御する、パワーアシスト装置。

【請求項18】

対象となる人間の筋骨格系運動のアシストを行うためのパワーアシスト装置であって、
アシスト対象となる関節ごとに設けられ、前記関節の回転運動をアシストする力を発生するためのアクチュエータ装置を備え、
前記アクチュエータ装置は、
流体圧を外部から内部に印加可能に構成された円筒形状の気密容器と、
前記気密容器内で発生する駆動力を前記気密容器の外部に伝達する出力軸と、
前記気密容器内に格納され、前記気密容器内において前記流体圧に応じて摺動可能で前記気密容器内を前記出力軸と一体となって回転する可動子と、
前記気密容器内で、前記出力軸から前記円筒の内周にまで延在する隔壁と、
前記可動子の可動経路に沿って前記気密容器の外部に設けられた第１磁力部材とを含み、
前記可動子は、第２磁力部材を有し、前記第１磁力部材または第２磁力部材の励磁により前記第１磁力部材に対して相対運動し、
前記気密容器は、前記気密容器内の前記隔壁の一方面と前記可動子の一方端との間の空間である第１チャンバと、前記隔壁の他方面と前記可動子の他方端との間の空間である第２チャンバとを有し、
前記アクチュエータ装置は、前記第１チャンバと、前記第２チャンバとに、それぞれ、前記流体圧を供給する流体圧供給手段をさらに含み、
前記第１磁力部材は、電磁コイル部材を含み、
前記電磁コイル部材は、前記気密容器内部と前記電磁コイル部材側との間の前記気密容器の隔壁を介して、前記気密容器内において前記可動子を駆動するために前記流体圧が供給される領域と対向し、
前記アクチュエータ装置を駆動する駆動手段をさらに備え、
前記駆動手段は、前記励磁により前記可動子を相対運動させる際に、前記流体圧供給手段により同一の方向へ前記可動子を駆動するように前記流体の供給を制御する、パワーアシスト装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電磁力および流体圧を利用したアクチュエータ装置、ならびに、これを用いた使用者の行う運動を支援するパワーアシスト装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

電磁力を利用したリニアアクチュエータ（リニアモータ）が知られており、様々な分野で応用されている（たとえば、特許文献１を参照）。

【0003】

また、異種のアクチュエータを組み合わせるハイブリッド化のアプローチとして、これまで、回転電磁モータ，ボイスコイルモータやボールねじなどに、マッキベン型空気圧アクチュエータ、エアシリンダやベーンモータなどの作動流体アクチュエータを組み合わせたアクチュエータが提案・研究されている（非特許文献１〜３）。

【0004】

さらに、たとえば、エンジンの吸排気バルブの駆動などの用途では、電磁アクチュエータに空気バネを使用する技術がある。この技術では、電磁アクチュエータにおいて使用される機械的なバネの代わりに、空気バネを使用する（特許文献２を参照）。

【0005】

ただし、この場合の空気バネと電磁アクチュエータとの組合せは、あくまでも、単に、弁の開閉ができる程度の可動域を前提とした技術である。また、空気バネは、可動体がストロークエンドに到達する際に反発力を与えて、衝撃を緩和することを目的とするものである。

【0006】

一方で、たとえば、日本をはじめ多くの国で少子高齢化社会が問題になる中、ロボティクス技術を応用したアシスト機器への要望が高まっている。一方、バランスや歩行が可能なロボットが開発されてきている。例えば、運動に必要な作用力を空間上の任意の複数接触点に最適に配分し，ヒトと同じように各関節のトルクを発生できるロボットが存在する（特許文献３参照）。

【0007】

また、近年では、下肢・体幹運動の支援をめざした外骨格型ロボットのようなリハビリテーションを支援するロボットの開発をますます要求することとなってきている。たとえば、外骨格型ロボットは、患者の自立生活を促進するリハビリテーションにおいて、脊髄損傷患者のために使用される（特許文献４を参照）。

【0008】

そして、特許文献４では、このような用途で使用者のパワーアシストを行うロボットとして、モータの駆動力と、エアーマッスルによる駆動力とを連携させた、いわゆる「空電ハイブリッド式のアクチュエータ」を使用した技術が提案されている。

【0009】

また、ロボットのマニピュレータとして、ＤＣモータによる駆動とエアーマッスルとを組み合わせたハイブリッド駆動については、非特許文献４にも開示がある。

【0010】

一方で、回転運動を駆動するアクチュエータとして、空気圧アクチュエータを電磁アクチュエータとをそれぞれ個別に設けて並列配置し、これらを協働して駆動することにより、低発熱および高トルクと、高速応答性および高精度位置決め制御性とを両立させるロータリーアクチュエータについても提案がある（特許文献５を参照）。

【0011】

さらに、空圧のみまたは空気と燃料の混合気体により、連続回転可能なピストンエンジンについても、提案がある（特許文献６を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】特開２０１１−２１４６２４号公報

【特許文献2】特開２００２−１４７２０９号公報

【特許文献3】ＷＯ２００７／１３９１３５号公報

【特許文献4】特開２０１２−０４５１９４号公報

【特許文献5】特開２０１０−１９６７７７号公報

【特許文献6】米国特許公報第６，８６８，８２２号公報

【非特許文献】

【0013】

【非特許文献1】James K. Mills, ”Hybrid actuator for robot manipulators: design, control and performance，” Proc. of ICRA1990, pp.1872-1878 (1990)

【非特許文献2】H. Higo et al.， ”Dynamic Characteristic and Power Consumption on an Electro-Pneumatic Hybrid Positioning System，” Proc. of the 6th JFPS International Symposium on Fluid Power, pp.363-368 (2005)

【非特許文献3】吉岡ら，「ハイブリッドアクチュエータを用いた高トルク高精度回転機構の開発」，第7回生産加工・工作機械部門講演会，pp.207-208 (2008)

【非特許文献4】I,Sardelliti, J.Park, D.Shin and O.Khatib，”Air Muscle Controller Design in the Distributed Macro-Mini(DM2-) Actuation Approach，” Proceedings of the 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems San Diego, CA, USA, Oct 29-Nov 2, 2007, WeB 2.1 p.1822-1827

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

しかしながら、上述したような一般的な電磁アクチュエータでは、高出力にしようとすると、アクチュエータを大型化することが必要となる。

【0015】

また、従来のハイブリッド型のアクチュエータの場合、２種のアクチュエータをリンクやギアを用いて組み合わせており、用いた機構により応答性や堅牢性が損なわれたり、小型軽量化が困難、または、可動範囲が限られる、などの問題がある。

【0016】

また、従来の電磁アクチュエータを外骨格型ロボットのような用途に使用する場合、アクチュエータの運動の可逆性が大きいため、逆に、重力補償などの静的な力制御にも電流励磁が必要となり、発熱が問題となる。

【0017】

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、小型・高出力で力制御が可能なアクチュエータ装置を提供することである。

【0018】

本発明の他の目的は、小型・高出力で力制御が可能なアクチュエータ装置を用いたパワーアシスト装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0019】

この発明の１つの局面に従うと、アクチュエータ装置であって、流体圧を外部から内部に印加可能に構成された気密容器と、気密容器内に格納され、気密容器内において流体圧に応じて摺動可能な可動子と、可動子の駆動力を気密容器の外部に伝達するための駆動部材と、可動子の可動経路に沿って気密容器の外部に設けられた第１磁力部材とを備え、第１磁力部材は、電磁コイル部材を含み、第１磁力部材は、気密容器内部と第１磁力部材側との間の気密容器の隔壁を介して、気密容器内において可動子を駆動するために流体圧が供給される領域と対向し、可動子は、第２磁力部材を有し、第１磁力部材または第２磁力部材の励磁により第１磁力部材に対して相対運動し、気密容器は、気密容器内の第１内面と可動子の一側面との間の空間である第１チャンバと、気密容器内の第２内面と可動子の他側面との間の空間である第２チャンバとを含み、第１チャンバと、第２チャンバとに、それぞれ、流体圧を供給する流体圧供給手段をさらに備え、流体圧供給手段は、第１磁力部材または第２磁力部材の励磁により可動子を相対運動させる際に同一の方向へ可動子を駆動するように流体圧の供給を制御する。
この発明の他の局面に従うと、流体圧を外部から内部に印加可能に構成された気密容器を備え、気密容器は、軸方向に第１端部および第２端部をそれぞれ有し、気密容器内に格納され、気密容器内において流体圧に応じて摺動可能な可動子と、可動子の駆動力を気密容器の外部に伝達するための駆動部材と、可動子の可動経路に沿って気密容器の外部に設けられた電磁コイル部材である第１磁力部材とをさらに備え、第１磁力部材の可動経路に沿う長さは、可動子自身の可動経路に沿う長さよりも長く、可動子は、第２磁力部材を有し、第１磁力部材の励磁により第１磁力部材に対して相対運動し、気密容器は、第１端部の気密容器内面と可動子の一側面との間の空間である第１チャンバと、第２端部の気密容器内面と可動子の他側面との間の空間である第２チャンバとを有し、第１磁力部材は、第１および第２チャンバの領域と気密容器の側壁を介して対向する位置に設けられ、第１チャンバと、第２チャンバとに、それぞれ、流体圧を供給する流体圧供給手段をさらに備え、流体圧供給手段は、第１磁力部材または第２磁力部材の励磁により可動子を相対運動させる際に同一の方向へ可動子を駆動するように流体圧の供給を制御する。

【0020】

好ましくは、気密容器は、軸方向に第１端部および第２端部をそれぞれ有するシリンダであり、第１および第２内面は、それぞれ、第１および第２端部のシリンダ内面であり、可動子は、シリンダ内を摺動可能なピストンを含み、駆動部材は、ピストンの往復運動をシリンダの外部に伝達する。

【0021】

好ましくは、第１磁力部材は、シリンダ外周に設けられた電磁コイル部材であり、可動子の相対運動のために電磁コイル部材が励磁される。

【0022】

好ましくは、電磁コイル部材は、シリンダ外周に所定幅にわたって設けられ、独立に励磁される複数個のコイルを有し、第２磁力部材は、複数個の永久磁石を含み、複数の永久磁石間には、軟磁性材料が設けられ、永久磁石は、それぞれの極性が軸方向に交互に逆極性となるように配置される。

【0023】

好ましくは、流体供給手段および複数個のコイルの励磁を制御する制御部をさらに備え、制御部は、流体圧による発生力が、所望の駆動力に到達するまでの期間は、電磁力により発生する力が、流体圧による発生力を補うように制御する。

【0024】

好ましくは、流体供給手段および複数個のコイルの励磁を制御する制御部をさらに備え、制御部は、定常状態となった後には、制御目標からの偏差を補償するように、コイルの励磁を制御する。

【0025】

好ましくは、流体は、気体である。

【0026】

好ましくは、流体は、水または油のいずれかである。
好ましくは、可動子は、気密容器内において流体圧に応じて摺動可能なピストン部と、気密容器の内面との間に所定の隙間を空けて設けられてピストン部と結合し、第２磁力部材を有する磁力部材部と、を含む。

【0027】

好ましくは、シリンダは、湾曲した形状を有する。

【0029】

好ましくは、気密容器は、気密状態を維持可能な円筒であり、駆動部材は、可動子の回転運動を円筒の外部に伝達する出力軸であり、可動子は、円筒内を出力軸と一体となって回転するロータであり、円筒内には、出力軸から円筒の内周にまで延在する隔壁が設けられ、第１および第２内面は、それぞれ、隔壁の一方面および他方面である。

【0030】

好ましくは、第１磁力部材は、円筒の底面側に設けられた電磁コイル部材であり、ロータの相対運動のために電磁コイル部材が励磁される。

【0031】

好ましくは、電磁コイル部材は、円筒の底面側に円周方向に設けられ、独立に励磁される複数個のコイルを有し、第２磁力部材は、ロータ内に相互に隣接して配置される複数個の扇型の永久磁石を含み、永久磁石は、隣合うそれぞれの極性が出力軸の方向であって交互に逆極性となるように配置される。

【0032】

好ましくは、第１磁力部材は、円筒の外周に沿って設けられ、独立に励磁される複数個のコイルを有し、第２磁力部材は、ロータ内に相互に隣接して配置される複数個の扇型の永久磁石を含み、永久磁石は、隣合うそれぞれの極性が出力軸の法線方向で交互に逆極性となるように配置される。

【0036】

この発明の他の局面に従うと、ヒューマノイド型ロボットであって、上記アクチュエータ装置を用いて骨格を駆動する。

【0037】

この発明の他の局面にしたがうと、対象となる人間の筋骨格系運動のアシストを行うためのパワーアシスト装置であって、アシスト対象となる関節ごとに設けられ、関節の運動をアシストする力を発生するためのアクチュエータ装置を備え、アクチュエータ装置は、第１端部および第２端部を有するシリンダと、シリンダ外周に所定幅にわたって設けられた電磁コイル部材と、シリンダ内に格納され、シリンダ内をピストンとして摺動可能な可動子とを含み、可動子は、磁力部材を有し、電磁コイル部材の励磁により電磁コイル部材に対して相対運動し、シリンダの第１端部と可動子の一方端との間の空間である第１チャンバと、シリンダの第２端部と可動子の他方端との間の空間である第２チャンバとに、それぞれ、流体を供給する流体圧供給手段をさらに含み、電磁コイル部材は、シリンダ内部と電磁コイル部材側との間のシリンダの隔壁を介して、シリンダ内において可動子を駆動するために流体により流体圧が供給される領域と対向し、アクチュエータ装置を駆動する駆動手段をさらに備え、駆動手段は、電磁コイル部材の励磁により可動子を相対運動させる際に、流体圧供給手段により同一の方向へ可動子を駆動するように流体の供給を制御する。

【0038】

この発明のさらに他の局面にしたがうと、対象となる人間の筋骨格系運動のアシストを行うためのパワーアシスト装置であって、アシスト対象となる関節ごとに設けられ、関節の回転運動をアシストする力を発生するためのアクチュエータ装置を備え、アクチュエータ装置は、流体圧を外部から内部に印加可能に構成された円筒形状の気密容器と、気密容器内で発生する駆動力を気密容器の外部に伝達する出力軸と、気密容器内に格納され、気密容器内において流体圧に応じて摺動可能で気密容器内を出力軸と一体となって回転する可動子と、気密容器内で、出力軸から円筒の内周にまで延在する隔壁と、可動子の可動経路に沿って気密容器の外部に設けられた第１磁力部材とを含み、可動子は、第２磁力部材を有し、第１磁力部材または第２磁力部材の励磁により第１磁力部材に対して相対運動し、気密容器は、気密容器内の隔壁の一方面と可動子の一方端との間の空間である第１チャンバと、隔壁の他方面と可動子の他方端との間の空間である第２チャンバとを有し、アクチュエータ装置は、第１チャンバと、第２チャンバとに、それぞれ、流体圧を供給する流体圧供給手段をさらに含み、第１磁力部材は、電磁コイル部材を含み、電磁コイル部材は、気密容器内部と電磁コイル部材側との間の気密容器の隔壁を介して、気密容器内において可動子を駆動するために流体圧が供給される領域と対向し、アクチュエータ装置を駆動する駆動手段をさらに備え、駆動手段は、励磁により可動子を相対運動させる際に、流体圧供給手段により同一の方向へ可動子を駆動するように流体の供給を制御する。

【発明の効果】

【0039】

本発明のアクチュエータ装置およびパワーアシスト装置によれば、小型・高出力かつ高応答の力制御が可能である。

【図面の簡単な説明】

【0040】

【図1】本実施の形態の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１０００の断面構造を説明するための図である。

【図2】空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１０００のシリンダの手前上部の１／４を取り除いて、内部構造を示した斜視図である。

【図3】可動子２００における磁力部材２０２の配置を説明するための図である。

【図4】電磁アクチュエータとしての駆動方式を説明するための概念図である。

【図5】単相駆動の場合のコイル電流を説明するための概念図である。

【図6】制御部の制御の構成の一例を説明するための機能ブロック図である。

【図7】制御部の制御の構成の他の例を説明するための機能ブロック図である。

【図8】図７の制御により発生する力の時間変化を示す図である。

【図9】制御部の制御の構成のさらに他の例を説明するための機能ブロック図である。

【図10】実施の形態１の変形例の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１０００´断面構造を説明するための図である。

【図11】本実施の形態における外骨格型ロボット１の構成事例を示す図である。

【図12】外骨格型ロボット１の自由度の構成を示す図である。

【図13】下肢に対する外骨格型ロボットに対する人工筋肉（アクチュエータ装置）の配置の他の例を示す図である。

【図14】上肢に対する外骨格型ロボットに対する人工筋肉（アクチュエータ装置）の配置の例を示す図である。

【図15】電磁アクチュエータの駆動方式の変形例を示す断面図である。

【図16】単相駆動の場合のコイル電流を説明するための概念図である。

【図17】コイルの発生磁場を説明するための概念図である。

【図18】実施の形態２の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１１００の断面構造を説明するための図である。

【図19】同種のアクチュエータ装置を、複数個、骨格に対して配置した場合の空気の供給経路を説明するための図である。

【図20】実施の形態３の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１２００の断面構造を説明するための図である。

【図21】実施の形態４の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１３００の外観を示す図である。

【図22】固定子１５０の内部を説明するための概念図である。

【図23】空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１３００の構成を説明するための斜視図である。

【図24】空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１３００の動作を説明するための概念図である。

【図25】電磁コイル１１２ａ〜１１２ｌとロータ２００との配置の関係を説明するための図である。

【図26】電磁コイル１１２ａ〜１１２ｌおよびロータ２００内の磁束の流れを説明するための図である。

【図27】実施の形態４の変形例１の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１３００´の構成を説明するための概念図である。

【図28】実施の形態４の変形例１の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１３００´の回転軸に対して垂直な断面の構造を説明するための図である。

【図29】実施の形態４の変形例２の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１３０２の構成を説明するための図である。

【図30】実施の形態５の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１４００の構成を説明するための概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0041】

以下、本発明の実施の形態の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置の構成について、図に従って説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素および処理工程は、同一または相当するものであり、必要でない場合は、その説明は繰り返さない。

【0042】

なお、以下では、アクチュエータを駆動する流体として空気を例にとって説明する。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１０００の断面構造を説明するための図である。

【0043】

また、図２は、空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１０００のシリンダの手前上部の１／４を取り除いて、内部構造を示した斜視図である。

【0044】

以下、図１および図２を参照して、空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１０００は、シリンダ１００と、シリンダ１００内に摺動可能に格納された可動子２００とを含む。

【0045】

シリンダ１００は、電磁アクチュエータの可動案内部および空圧アクチュエータのシリンダとして機能する。可動子２００は、電磁アクチュエータの可動子および空圧アクチュエータのピストンとして機能する。すなわち、空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１０００では、電磁相互作用を出力軸へ伝達する要素である可動子と可動子の可動空間とが、空気圧力を出力軸へ伝達する要素であるピストンとピストンの可動空間とに、それぞれ、一体化されている。

【0046】

シリンダ１００の外周には、シリンダ１００の軸方向に所定幅にわたって配置された電磁コイル部材１１０が設けられる。電磁コイル部材１１０は、内部に、複数個のコイル１１２ａ〜１１２ｌを有する。複数個のコイル１１２ａ〜１１２ｌは、それぞれ、独立に供給される電流で、独立な極性の方向に励磁される。より特定的には、複数個のコイル１１２ａ〜１１２ｌは、それぞれ、互いに位相の異なる交流電流が流れるように構成されている。たとえば、複数個のコイル１１２ａ〜１１２ｌを、３組に分け、各組ついては、互いに（２π／３）だけ位相のずれた交流電流（対称三相交流）を流すなどして、可動子２００に推進力を与える。なお、電磁コイル部材１１０に与えられる交流としては、可動子を駆動できるものであれば、このような「対称三相交流」に限定されるものではない。

【0047】

また、複数個のコイル１１２ａ〜１１２ｌの間には、図示されるように、軟磁性材料が挟み込まれ、これにより、軟磁性体材料に磁力線が集中し磁力を高めることができる。なお、ここで、軟磁性材料を挟み込むことは必ずしも必須ではなく、軟磁性体材料を挟まない場合は推力が低下するものの、電流を流さない場合に、推力の脈動が発生しないという利点がある。

【0048】

また、コイルの周囲は、軟磁性体のケースで覆われる。このような構成により、コイル・軟磁性体を通過した磁束はケースを通って再び可動子に帰っていく。ケースにより、周囲への磁束の漏れを抑制し、推力を向上できる。

【0049】

シリンダ１００の一方の端部には、中央に開口部１０２が設けられ、可動子２００に接続された出力軸２０４は、開口部１０２に挿入される。出力軸２０４が、可動子２００が駆動されることによる駆動力を外部に伝える。また、開口部１０２と出力軸２０４とは、摺動可能な状態で、かつ、流体（空気）の気密を保持できるようなシール構造を有している。

【0050】

可動子２００は、出力軸２０４の接続される面とは反対側に、複数個のコイル１１２ａ〜１１２ｌと対向して配置される複数個の磁力部材２０２ａ〜２０２ｄを有し、複数個のコイル１１２ａ〜１１２ｌの励磁により電磁コイル部材１１０に対して相対移動する。

【0051】

ここで、「磁力部材」とは、コイルからの磁力に応じて、駆動力を生じるような部材であればよく、典型的には、永久磁石であるが、磁性材料であればよい。以下では、特に断らない限り、「磁力部材」が永久磁石であるものとして説明する。

【0052】

磁力部材２０２ａ〜２０２ｄは、それぞれの極性が軸方向に交互に逆極性となるように配置される。したがって、可動子２００と複数個のコイル１１２ａ〜１１２ｌとで、リニアモータが構成される。

【0053】

図３は、可動子２００における磁力部材２０２の配置を説明するための図である。

【0054】

なお、磁力部材２０２ａ〜２０２ｄを総称するときは、磁力部材２０２と呼ぶ。

【0055】

図１および図２に加えて、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、極性が対抗する磁力部材２０２ａ〜２０２ｄの間には、中間部材２０３ａ〜２０３ｃが挿入されて配置される。中間部材２０３ａ〜２０３ｃは、磁力部材２０２ａ〜２０２ｄの永久磁石より透磁率が高い軟磁性材料である。透磁率が永久磁石よりも高いため、対抗する永久磁石同士の磁束は、中間部材内において、永久磁石のみで構成された場合よりも高い磁束密度を有する磁場として、中間部材から可動子の中心軸に対して略垂直に抜け、または、その方向に入ることになる。これにより、電磁コイル部材１１０の位置での磁場の強度を強くすることができる。

【0056】

また、このように構成することで、中間部材２０３ａ〜２０３ｃおよび磁力部材（永久磁石）２０２ａ〜２０２ｄを全て、同一半径の円盤状またはリング状の部品で構成することで製作が容易になる。さらに、中間部材２０３ａ〜２０３ｃおよび磁力部材（永久磁石）２０２ａ〜２０２ｄの厚さを調整することで、高い磁束密度を容易に実現することが可能となる。

【0057】

このようなリニアモータとしての駆動の構成については、たとえば、特許第５４２２１７５号に詳しい開示がある。

【0058】

なお、リニアモータとしての駆動の構成については、たとえば、特開２０１２−２４４６８８号公報に記載されているような「リニアバーニアモータ」の構成とすることも可能である。

【0059】

チャンバ１０６ａは、シリンダ２００の一方端と可動子２００の出力軸２０４が接続する一方端面側との間の空間である。チャンバ１０６ｂは、シリンダ２００の他方端と可動子２００の他方端面との間の空間である。チャンバ１０６ａには、制御弁を有する配管１０８ａを介して、所定の圧力の空気が供給され、または、空気の排気が行われる。チャンバ１０６ｂには、制御弁を有する配管１０８ｂを介して、所定の圧力の空気が供給され、または、空気の排気が行われる。

【0060】

以上のようなリニアモータとしての駆動と、チャンバ１０６ａおよびチャンバ１０６ｂへの空気の吸排気は、図示しない制御部により制御される。制御部は、目標方向へ可動子を駆動する際には、複数個のコイル１１２ａ〜１１２ｌの励磁により可動子２００が相対移動するのと同一の方向へ可動子２００を駆動する駆動力を与えるように空気の吸排気を制御する。

【0061】

なお、図１〜３では、出力軸２０４が、シリンダ１００の片側のみに設けられる構成を例示しているが、出力軸２０４は、可動子２００の両端に設けられ、シリンダ１００の両端部から外部に突き出る構成としてもよい。

【0062】

また、流体として、圧縮空気のような気体だけではなく、水、油や磁性流体アクチュエータの適用が可能である。水や油を用いればコイル冷却効率が高まり、磁性流体を用いれば、ハードウェアの特性として粘性の制御が実現できる。

【0063】

図４は、電磁アクチュエータとしての駆動方式を説明するための概念図である。

【0064】

図１〜３では、電磁コイル部材１１０に与えられる交流としては、対称三相交流を例として説明した。図４（ａ）は、このような三相交流での駆動を示す。

【0065】

これに対して、図４（ｂ）に示すように、可動子２００には、磁力部材２０２ａが１つ設けられ、電磁コイル部材１１０には、コイル１１２ａおよび１１２ｂが、直列に接続され、かつ互い巻き方向が逆向きになるように設けられて、単相で駆動する構成とすることも可能である。

【0066】

図５は、図４（ｂ）での単相駆動の場合のコイル電流を説明するための概念図である。

【0067】

図５（ａ）、図５（ｂ）において、クロスの記号（○にＸ）は、紙面の表側から裏側に向く電流を示し、ドットの記号（○に黒丸）は、紙面の裏側から表側に向く電流を示す。

【0068】

図５（ａ）に示すように、コイル２１２ａおよびコイル２１２ｂに電流を流し、単相で駆動すると、可動子は右方向に駆動され、図５（ｂ）に示すように、電流の向きを逆転すると、可動子は左方向に駆動される。

【0069】

図６は、制御部の制御の構成の一例を説明するための機能ブロック図である。

【0070】

図６は、出力軸に発生する力が目標の大きさとなるように制御する力制御の場合の制御部の機能ブロック図である。

【0071】

なお、エアシリンダからの出力については、事前に、圧力指令と出力との関係を計測しておき、これに基づいて算出することが可能である。たとえば、エアシリンダの出力はシリンダ内の圧力から摩擦を引き算して推定することが可能である。

【0072】

図６を参照して、制御部は、目標となる出力（力）Ｆ^*を出力指令として受けて、所定のゲイン（１／μＳ）で変換して、シリンダ１００に供給する圧力に対する圧力指令Ｐ^*を生成するアンプ３１２を含む。

【0073】

ここで、Ｓはシリンダの断面積を、μは、エアシリンダ要素の効率を表す。

【0074】

制御部は、さらに、圧力指令Ｐ^*に応じて、エアシリンダ要素３１４から出力されるエアシリンダ出力（力）Ｆpと、出力指令Ｆ^*との差分をとる差分要素３１６と、差分要素３１６の出力である出力指令Ｆe^*を所定のゲイン（１／Ｋ）で変換して、リニアモータを駆動する電流値を示す電流指令Ｉ^*を生成するアンプ３１８と、電磁アクチュエータを制御する電流制御ループ３２０とを含む。最終的な出力Ｆとして、空電ハイブリッド型アクチュエータ装置からは、エアシリンダ出力（力）Ｆpと電磁アクチュエータの出力（力）Ｆeとを合成したものが生成される。ここでも、Ｋは、電磁アクチュエータ要素の推力定数を表す。

【0075】

なお、電磁アクチュエータの発生力は、励磁電流に比例するので、電流を制御するだけで良い。ただし，電流を励磁しなくでも発生する力の脈動がある場合があり、この脈動は事前にモデル化しておき、指令電流に補正値として加算する構成とすることも可能である。

【0076】

図７は、制御部の制御の構成の他の例を説明するための機能ブロック図である。

【0077】

図７も、出力軸に発生する力が目標の大きさとなるように制御する力制御の場合の制御部の機能ブロック図である。図６の構成と異なる点は、最終的な出力Ｆが、入力側にフィードバックされる構成となっている点である。

【0078】

なお、エアシリンダからの出力については、図６と同様に、事前に、圧力指令と出力との関係を計測しておき、これに基づいて算出することが可能である。最終的な出力Ｆは、これを計測するセンサが設けられているものとする。このようなセンサとしては、たとえば、ロードセルなどを用いることができる。

【0079】

図８を参照して、制御部では、目標となる出力（力）Ｆ^*を出力指令として受けて、差分要素３３２により、最終的な出力（力）Ｆとの差分をとり、差分要素３３２の出力をＰＩＤ制御部３３４に入力して、このＰＩＤ制御部３３４の出力を、アンプ３３６が、所定のゲイン（１／μＳ）で変換して、シリンダ１００に供給する圧力に対する圧力指令Ｐ^*を生成する。ここでも、Ｓはシリンダの断面積を、μは、エアシリンダ要素の効率を表す。

【0080】

制御部は、さらに、圧力指令Ｐ^*に応じて、エアシリンダ要素３３８から出力されるエアシリンダ出力（力）Ｆpと、出力指令Ｆ^*との差分をとる差分要素３４０と、差分要素３４０の出力である出力指令Ｆe^*を所定のゲイン（１／Ｋ）で変換して、リニアモータを駆動する電流値を示す電流指令Ｉ^*を生成するアンプ３４２と、電磁アクチュエータを制御する電流制御ループ３４４とを含む。最終的な出力Ｆとして、空電ハイブリッド型アクチュエータ装置からは、エアシリンダ出力（力）Ｆpと電磁アクチュエータの出力（力）Ｆeとを合成したものが生成される。ここでも、Ｋは、電磁アクチュエータ要素の推力定数を表す。

【0081】

このような構成によっても、図６の場合と同様の効果を奏することが可能である。

【0082】

図８は、図６または図７の制御により発生する力の時間変化を示す図である。

【0083】

図６または図７で説明したような制御を行うと、図８に示すように、時間応答が遅い空気圧による発生力が、所望の駆動力に到達するまでの期間は、電磁力によるリニアモータから発生する力が、空気圧による発生力（駆動力）を補うことが可能となる。

【0084】

すなわち、アクチュエータ装置１０００では、力制御の場合、空気圧制御の遅れを改善するため、ハイブリッド型アクチュエータ装置の全体の目標出力とエアシリンダ要素による出力の差分を出力指令とし、空気圧制御よりもより時間応答性の高い電磁アクチュエータ要素の出力を調整する。十分に時間が経てば，エアシリンダ要素の出力が安定するため、電磁アクチュエータ要素は外乱によるエアシリンダ要素の出力変化に対して即座に対応する役割のみを担う。その結果，コイルの励磁電流が小さくてすみ、発熱が抑制される。
また、定常状態となった後にも、制御目標からの偏差の補償には、空気圧制御よりもより時間応答性の高い電磁アクチュエータ要素の出力を用いることができる。

【0085】

すなわち、定常状態になった後に外力が加わってエアシリンダの圧力センサの値に変化があった場合には、電磁アクチュエータへの出力指令が変化し、直ちに電磁アクチュエータの出力が変化する。

【0086】

この結果、アクチュエータ装置１０００においては、力制御の場合も、電磁力による駆動力の発生機構と空気圧による駆動力の発生機構とを一体化することで小型化を実現しつつ、時間応答性に優れた高出力を実現することができる。

【0087】

図９は、制御部の制御の構成の他の例を説明するための機能ブロック図である。

【0088】

図９は、出力軸の位置を目的位置となるように制御する位置制御の場合の制御部の機能ブロック図である。

【0089】

なお、可動子２００の位置については、たとえば、出力軸２０４の位置を検出するセンサなどにより検知されるものとする。このようなセンサとしては、たとえば、ホール素子を用いる磁気式のセンサや、スリットの入った板を用いる光学式のセンサを用いることができる。

【0090】

図９を参照して、制御部は、可動部２００の現在位置ｘと、駆動する目標位置を示す位置指令ｘ^*との差分に基づいて、ＰＩＤ制御により目標となる駆動力を指示する出力指令Ｆ^*を生成するＰＩＤ制御部３００と、出力指令Ｆ^*を所定のゲイン（１／μＳ）で変換して、シリンダ１００に供給する圧力に対する圧力指令Ｐ^*を生成するアンプ３０２とを含む。

【0091】

ここで、Ｓはシリンダの断面積を、μは、エアシリンダ要素の効率を表す。

【0092】

制御部は、さらに、シリンダ１００内の可動子２００に加える圧力による駆動力Ｆpと、出力指令Ｆ^*との差分である出力指令Ｆe^*を所定のゲイン（１／Ｋ）で変換して、リニアモータを駆動する電流値を示す電流指令Ｉ^*を生成するアンプ３０４と、電磁アクチュエータを制御する電流制御ループ３０４とを含む。ここで、Ｋは、電磁アクチュエータ要素の推力定数を表す。

【0093】

すなわち、アクチュエータ装置１０００では、位置制御の場合に、空気圧制御の遅れを改善するため、ハイブリッド型アクチュエータ装置の全体の目標出力とエアシリンダ要素による出力の差分を出力指令とし、空気圧制御よりもより時間応答性の高い電磁アクチュエータ要素の出力を調整する。十分に時間が経てば、エアシリンダ要素の出力が安定するため、電磁アクチュエータ要素は外乱によるエアシリンダ要素の出力変化に対して即座に対応する役割のみを担う。その結果，コイルの励磁電流が小さくてすみ、発熱が抑制される。また、定常状態となった後にも、制御目標からの偏差の補償には、空気圧制御よりもより時間応答性の高い電磁アクチュエータ要素の出力を用いることができる。

【0094】

この結果、アクチュエータ装置１０００においては、電磁力による駆動力の発生機構と空気圧による駆動力の発生機構とを一体化することで小型化を実現しつつ、時間応答性に優れた高出力を実現することができる。
（実施の形態１の変形例）
図１に示した空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１０００では、可動子２００において、複数個の磁力部材２０２ａ〜２０２ｄと中間部材２０３ａ〜２０３ｃとが、シリンダ１００の内面を摺動するピストンとしても機能する構成であった。

【0095】

図１０は、実施の形態１の変形例の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１０００´断面構造を説明するための図である。

【0096】

図１０においては、複数個の磁力部材２０２ａ〜２０２ｄと中間部材２０３ａ〜２０３ｃとを総称して、磁力部材２００−１と呼ぶことにする。

【0097】

図１０に示すように、可動子２００において、シリンダ１００の内面を摺動するピストン２００−２を別途設けて、このピストン２００−２により、チャンバ１０６ａとチャンバ１０６ｂとを分離する構成であってもよい。この場合は、複数個の磁力部材２０２ａ〜２０２ｄおよび中間部材２０３ａ〜２０３ｃと、シリンダ１００の内面との間には、隙間があってもよい。
（パワーアシスト装置）
次に、以上説明したようなアクチュエータ装置１０００を外骨格型ロボットの関節を駆動するためのアクチュエータとして使用したパワーアシスト装置の構成について説明する。

【0098】

すなわち、以下、本実施の形態において、歩行・姿勢リハビリテーションのためのハイブリッド型のアクチュエータによる外骨格型ロボットについて説明する。

【0099】

ただし、本発明のハイブリッド型外骨格型ロボットは、下肢の運動をアシストするための外骨格型ロボットに対してだけでなく、上肢の運動をアシストする外骨格型ロボットとしても使用することが可能である。

【0100】

また、以下の説明では、下肢の対としての運動をアシストする外骨格型ロボットについて説明するが、下肢のうちのいずれか一方、または、上肢のうちのいずれか一方の運動をアシストする外骨格型ロボットとして使用することも可能である。

【0101】

さらに、本発明のハイブリッド型外骨格型ロボットは、対象となる人間の筋骨格系の運動をアシストするのであれば、上述したような「下肢のうちの少なくともいずれか一方、または、上肢のうちの少なくともいずれか一方の運動」に限定されるものではなく、たとえば、対象となる人間の腰の運動のみをアシストするものであってもよいし、歩行または走行時において下肢の運動と連動して腰の運動をアシストするものであってもよい。本明細書では、このような対象となる人間の運動のアシストを総称して、「対象となる人間の筋骨格系運動の支援（アシスト）」と呼ぶことにする。

【0102】

本実施の形態の外骨格型ロボットは、外骨格を有する。「外骨格」とは、人間の骨格構造に対応してロボットが有する骨格構造のことである。より特定的には、「外骨格」とは、外骨格型ロボットを装着する人間の体の一部を、外部から支えるフレーム（枠組み）構造のことをいう。

【0103】

このフレーム構造には、さらに、フレーム構造の各部を人間の骨格構造に基づく運動に応じて動かすための関節が設けられる。

【0104】

特に、下肢の運動をアシストする外骨格型ロボットは、ベースと下半身とを有し、足首、膝、腰の左右の位置に、能動６自由度の関節を有するロボットである。また、当該６つの関節は、空電ハイブリッド型のアクチュエータを人工の筋肉としてすることで駆動される関節である。以下、このように、外骨格型ロボットにおいて、ユーザの関節に対してサポート力を与えるためにアクチュエータにより駆動される関節のことを「能動関節」と呼ぶ。

【0105】

図１１は、本実施の形態における外骨格型ロボット１の構成事例を示す図である。本外骨格型ロボット１は、１０自由度である。

【0106】

なお、このような外骨格型ロボットの構成事例については、類似の構成が、上述した特許文献３にも開示されている。

【0107】

図１１において、外骨格型ロボット１は、両脚に対応したフレーム構造、バックパック１０１、柔軟シート１０２、ＨＡＡ拮抗筋１０３、ＨＦＥ伸筋１０４、ＨＦＥモータ１１１、ＫＦＥ伸筋１０５、 ＫＦＥモータ１０６、ＡＦＥ伸筋・ＡＡＡ拮抗筋１０７、ＡＦＥ屈筋１０８、関節１０９、フレーム構造に設けられた関節１１０を備える。

【0108】

なお、図１１では、バックパック１０１が運動を支援する構造に直接とりつけられているが、バックパック１０１は、この構造から取り外されていてもよい。

【0109】

バックパック１０１には、外骨格型ロボットの駆動制御するための制御装置が設けられる。

【0110】

また、関節１０９には、たとえば、光学式エンコーダを回転軸に取り付け、関節角度を計測する。関節１１０も同様に光学式エンコーダを取り付ける。光学式エンコーダは、軸に取り付けるのではなく、軸に巻かれたベルトの移動方向と移動量を読み取る構成としてもよい。バックパック１０１の制御装置は、読み取られた関節角に応じて、人工筋肉（アクチュエータ）の駆動力を制御する。

【0111】

なお、エンコーダとしては、シャフトに内蔵する構成とすることも可能である。

【0112】

また、図１２は、外骨格型ロボット１の自由度の構成を示す図である。

【0113】

図１２において、各関節において、「Ｒ＿」との表示は、右側の関節であることを示し、「Ｌ＿」との表示は、左側の関節であることを示す。

【0114】

図１１および図１２を参照して、全１０自由度のうち、左右のＡＦＥ関節は伸筋と屈筋による拮抗駆動を採用している。拮抗駆動以外の関節は、パッシブな駆動である。ただし、より多くの関節を拮抗駆動としてもよい。

【0115】

図１１において、両脚が接続する胴体部には姿勢センサを搭載してベース部の姿勢を検出している。また、全ての関節にワイヤ式エンコーダ（またはモータ付属のエンコーダ）を取り付け、関節角度を計測できるようにしている。関節角度ならびに、たとえば、下肢の筋電位を検出することで、各関節に発生させる目標トルクが算出する構成としてもよい。

【0116】

また、足底部には、床反力センサを搭載し、接触を想定する足底部が実際に接触しているかどうかを判定したり、ヤコビ行列に含まれるモデル誤差を修正するために補助的に使用する構成としてもよい。

【0117】

また、バックパック１０１内には制御装置の他、空圧制御ためのバルブおよびリニアモータのドライバを内蔵している。

【0118】

また、バックパック１０１内に、バッテリーと圧搾した空気ボンベ（またはＣＯ_２ガスボンベでもよい）、レギュレータを搭載し、電源ラインとエア供給が断絶した場合に備え、短時間の自律駆動を可能にする構成であってもよい。

【0119】

あるいは、バックパック１０１は、バッテリーを搭載し、モータ駆動用の電源およびコンプレッサ内蔵する構成であってもよい。

【0120】

図１３は、下肢に対する外骨格型ロボットに対する人工筋肉（アクチュエータ装置）の配置の他の例を示す図である。

【0121】

図１３に示すように、股関節の屈曲を駆動する人工筋肉として、人間の「腸骨筋＋大殿筋」に相当する機能をはたすアクチュエータ装置１００２が骨格に対して設けられる。

【0122】

また、股関節の屈曲や膝関節の伸展を駆動する人工筋肉として、人間の「ハムストリングス＋大腿直筋」に相当する機能をはたすアクチュエータ装置１００４が骨格に対して設けられる。

【0123】

さらに、膝関節の屈曲や膝関節の伸展を駆動する人工筋肉として、人間の「大腿二頭筋短頭＋外側広筋」に相当する機能をはたすアクチュエータ装置１００６が骨格に対して設けられる。

【0124】

また、膝関節の屈曲を駆動する人工筋肉として、人間の「腓腹筋」に相当する機能をはたすアクチュエータ装置１００８が骨格に対して設けられる。

【0125】

図１４は、上肢に対する外骨格型ロボットに対する人工筋肉（アクチュエータ装置）の配置の例を示す図である。

【0126】

図１４に示すように、肘関節の屈曲および伸展を駆動する人工筋肉として、人間の「上腕二頭筋＋上腕三等筋」に相当する機能をはたすアクチュエータ装置１０１２が骨格に対して設けられる。

【0127】

また、前腕の回旋を駆動する人工筋肉として、人間の「腕橈骨筋」に相当する機能をはたすアクチュエータ装置１０１６，１０１８が骨格に対して設けられる。

【0128】

このような構成のより、人間の下肢または上肢の運動をアシストする外骨格型ロボットを構成することが可能である。

【0129】

以上説明したとおり、本実施の形態のアクチュエータ装置によれば、電磁相互作用と流体圧力を出力軸へ伝達する要素と空間を一体化することで、バックドライバブルでありながらも、小型・高出力で力制御が可能である。

【0130】

可動子とピストン（要素）および可動域とチャンバ（空間）の一体化構造により，同体積の高効率の電磁アクチュエータに比べて、高出力を確保できる。
（駆動方式の他の例）
図１５は、電磁アクチュエータの駆動方式の変形例を示す断面図である。

【0131】

図１５（ａ）に示すように、電磁コイル部材１１０としては、コイル２１２ａのみを設け、可動子２００には、シリンダの軸方向に直交する方向に磁場を発生する磁力部材（永久磁石）２０２ａを設ける。単相の交流をコイル２１２ａに励磁することにより駆動する。

【0132】

あるいは、図１５（ｂ）のように、磁力部材として、永久磁石２０２ａの代わりに、軟磁性体２０５を設ける構成とすることも可能である。

【0133】

この場合は、電磁アクチュエータは、ソレノイドアクチュエータとして機能して駆動力を生じることになる。たとえば、磁性体２０５の少なくとも一部がコイル２１２ａの外部にあるときに、コイル２１２ａを励磁することで、コイル内部への引き込み力を生じさせることができる。ここで、コイル２１２ａは、軟磁性体のケースの中に納められる。

【0134】

図１５のような構成の場合も、目標方向へ可動子を駆動する際には、電磁コイル部材の励磁により可動子が相対移動するのと同一の方向へ可動子を駆動するように流体の供給が制御される。

【0135】

図１６は、図１５（ａ）の構成で、単相駆動の場合のコイル電流を説明するための概念図である。

【0136】

図１６（ａ）に示すように、コイル２１２ａに電流を流し、単相で駆動すると、可動子は右方向に駆動され、図１６（ｂ）に示すように、電流の向きを逆転すると、可動子は左方向に駆動される。

【0137】

図１７は、図１５（ｂ）の構成で、コイルの発生磁場を説明するための概念図である。

【0138】

コイルに電流を励磁すると、図中の矢印のように磁束が流れる。この時チャンバ１０６ｂの部分は空気のため透磁率低く、磁気抵抗が高い。この部分の磁気抵抗を小さくするように可動子が右方向に駆動される。

【0139】

これまでの説明は、シリンダの外周にコイルが設けられ、可動子が永久磁石である構成を基本として、説明してきたが、このような構成に必ずしも限定はされない。たとえば、
ｉ）可動子が電磁コイルであり、シリンダ側に配置される固定子が、所定の異なる方向の磁場を発生させる複数の永久磁石が順次配置された構成であってもよい。

【0140】

ｉｉ）また、シリンダも単に単一の円筒の形状であるばかりでなく、外円筒の内部に同一の中心軸を有する内円筒が配置される構成であってもよい。この場合、内円筒の内側および外円筒の外周に所定の異なる方向の磁場を発生させる複数の永久磁石が順次配置され、可動子は、この外円筒と内円筒の間の空間を移動可能な円筒形状の電磁コイルであり、ピストンとしても機能する構成とすることができる。

【0141】

したがって、「磁力部材」との用語は、最も広い意味では、電磁コイルも含むものであってもよい。

【0142】

この構造では、コイルを内外の強力な磁石で挟み込むことで，コイル中に大きな磁束が発生する。また、全てのコイルが常に出力に寄与することができる。さらに、可動子と固定子両方に鉄心を用いるモデルでは電流を励磁しない場合も推力の脈動（ディテント力）が発生するが，可動子がコイルのみであるためこのモデルでは発生しない、という利点がある。

【0143】

本実施の形態のアクチュエータ装置は、電磁・空気圧の両ダイレクトドライブアクチュエータのバックドライバビリティを維持しつつ、電磁力による力制御と作動流体の粘性・コンプライアンス特性とを組み合わせ、外力にやわらかく応答できるリニア駆動のアクチュエータを実現することが可能である。

【0144】

また、本実施の形態の本実施の形態のアクチュエータ装置は、上述したような「対象となる人間の筋骨格系運動の支援（アシスト）」だけでなく、一般的な工業製品の駆動機構への応用することも可能である。

【0145】

また、上述したような「対象となる人間の筋骨格系運動の支援（アシスト）」の構成は、ロボット単体としての利用も可能であり、例えばヒューマノイド型ロボットとしても応用できる。
（実施の形態２）
図１に示した空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１０００では、チャンバ１０６ａには、制御弁を有する配管１０８ａを介して、所定の圧力の空気が供給され、または、空気の排気が行われ、チャンバ１０６ｂには、制御弁を有する配管１０８ｂを介して、所定の圧力の空気が供給され、または、空気の排気が行われる、との構成を説明した。

【0146】

以下に説明する、実施の形態２の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１１００では、チャンバ１０６ａとチャンバ１０６ｂに、流体圧、たとえば、空気圧を供給する構成の点で、実施の形態１の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１０００または１０００´の構成とは異なる。

【0147】

以下に説明するように、実施の形態２においても、流体として空気を例にして説明する。

【0148】

図１８は、実施の形態２の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１１００の断面構造を説明するための図である。図１８は、図１と対比されるべき図である。

【0149】

以下、主として、図１との相違点を説明することとし、同一部分には、同一符号を付して説明を繰り返さない。

【0150】

図１８を参照して、空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１１００では、シリンダ１００および電磁コイル部材１１０とを覆う外筒部４００が設けられる。シリンダ１００および電磁コイル部材１１０の外表面と、外筒部４００との内表面で囲まれる空間は、気密性を有し、外部からの所定の空気圧の空気を伝送する機能を有する。この点で、この囲まれた空間を「流体伝達路４０２」と呼ぶことにする。

【0151】

流体伝達路４０２には、吸入孔４１０より所定の圧力の空気が供給される。また、流体伝達路４０２の排気孔４２０からは、この空気が排出され、後に説明するように、排気孔４２０から排出された所定の圧力の空気が、空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１１００と同様の構成を有する他のアクチュエータ装置１１００´の吸気孔に供給される。

【0152】

制御弁部４５０ａおよび制御弁部４５０ｂは、それぞれ、配管１０８ａおよび配管１０８ｂに対応して設けられる。

【0153】

制御弁部４５０ａは、図示しない制御部に制御されて、所定の空気圧の空気を流体伝達路４０２からチャンバ１０６ａに供給し、あるいは、チャンバ１０６ａからの空気を排気孔４５２ａより排気する。

【0154】

制御弁部４５０ｂも、同様に、図示しない制御部に制御されて、所定の空気圧の空気を流体伝達路４０２からチャンバ１０６ｂに供給し、あるいは、チャンバ１０６ｂからの空気を排気孔４５２ｂより排気する。

【0155】

制御部は、目標方向へ可動子を駆動する際には、複数個のコイル１１２ａ〜１１２ｌの励磁により可動子２００が相対移動するのと同一の方向へ可動子２００を駆動する駆動力を与えるように空気の吸排気を制御する。

【0156】

図１９は、空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１１００と同種のアクチュエータ装置を、複数個、骨格に対して配置した場合の空気の供給経路を説明するための図である。

【0157】

図１９は、図１３と対比される図であり、図１３と同様に、下肢に対する外骨格型ロボットに対する人工筋肉（アクチュエータ装置）の配置の例を示す。

【0158】

図１９に示すように、股関節の屈曲や膝関節の伸展を駆動する人工筋肉として、人間の「ハムストリングス＋大腿直筋」に相当する機能をはたすアクチュエータ装置１００４が骨格に対して設けられ、また、膝関節の屈曲を駆動する人工筋肉として、人間の「腓腹筋」に相当する機能をはたすアクチュエータ装置１００８が骨格に対して設けられる。

【0159】

また、股関節の屈曲を駆動する人工筋肉として、人間の「腸骨筋＋大殿筋」に相当する機能をはたすアクチュエータ装置１００２が骨格に対して設けられ、さらに、膝関節の屈曲や膝関節の伸展を駆動する人工筋肉として、人間の「大腿二頭筋短頭＋外側広筋」に相当する機能をはたすアクチュエータ装置１００６が骨格に対して設けられる。

【0160】

アクチュエータ装置１００４の吸気孔４１０には、チューブＡＳＴ１を介して、圧縮空気源（たとえば、ボンベ）から圧縮空気が供給され、排気孔４２０からチューブＡＳＴ２を介して、アクチュエータ装置１００８の吸気孔４１０に圧縮空気が供給される。たとえば、アクチュエータ装置１００８の排気孔４２０は、封止されているものとする。

【0161】

同様にして、アクチュエータ装置１００２の吸気孔４１０には、チューブＡＳＴ３を介して、圧縮空気源（たとえば、ボンベ）から圧縮空気が供給され、排気孔４２０からチューブＡＳＴ４を介して、アクチュエータ装置１００６の吸気孔４１０に圧縮空気が供給される。たとえば、アクチュエータ装置１００６の排気孔４２０は、封止されているものとする。

【0162】

あるいは、特に限定されないが、たとえば、アクチュエータ装置１００４の排気孔４２０からの空圧を、アクチュエータ装置１００２の吸気孔４１０に供給する構成とし、圧縮空気源からは、チューブＡＳＴ１のみにより、外骨格型ロボットの一方の下肢に圧縮空気が供給される構成としてもよい。

【0163】

以上の構成により、複数のアクチュエータ装置に空圧を供給する場合に、アクチュエータ装置に個別に空圧を供給する構成と比べて、圧縮空気源からの空圧の供給経路を簡略化することが可能となる。

【0164】

また、圧縮空気源からの空気が電磁コイル部材１１０の外部に供給される構成となるため、電磁コイル部材１１０を空冷する効果もある。
（実施の形態３）
図２０は、実施の形態３の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１２００の断面構造を説明するための図である。図２０は、図１と対比されるべき図である。

【0165】

実施の形態３においても、流体として空気を例にして説明する。

【0166】

実施の形態１では、シリンダ１００は、真っ直ぐな円筒形状であるものとして説明した。

【0167】

ただし、シリンダの形状としては、このようなものに限定されず、たとえば、図２０に示すように、シリンダの軸が、円形に湾曲する構成であってもよい。

【0168】

シリンダ形状が湾曲していることを除いては、実施の形態１の構成と同様であるので、同一部分には同一符号を付して、説明は繰り返さない。
（実施の形態４）
図２１は、実施の形態４の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１３００の外観を示す図である。

【0169】

空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１３００は、回転運動を駆動する。

【0170】

図２１を参照して、アクチュエータ装置１３００は、互いに同一の径を有する、円筒形のケース１０１ｂと円筒形のケース１０１ｄとが積層された構成である。ケース１０１ｂと１０１ｄとの中心部分には、ケース１０１ｂの内部の可動子の回転の駆動力を外部に伝達するための出力軸（回転子）２０１が配置されている。

【0171】

下部のケース１０１ｄの内部には、後に説明するように、複数の扇型の芯部材に線材がそれぞれ巻かれた電磁コイルが、出力軸の回りを囲むように配置される。

【0172】

下部のケース１０１ｄの底部は、磁性材料からなり円盤状であるバックヨーク材１０１ｅでふさがれている。また、下部のケース１０１ｄの上部開口と上部のケース１０１ｂの下部開口とは、円盤状の隔壁１０１ｃで隔離されている。上部のケース１０１ｂの上部開口は、上蓋１０１ａでふさがれている。上蓋１０１ａの中心部には、出力軸２０１が貫通するための円形の開口が設けられており、ベアリング１０２により出力軸２０１と開口との間がシールされるとともに、出力軸２０１が回動可能となっている。後に説明するように、ケース１０１ｂ内に配管１０８ａおよび１０８ｂにより、所定の圧力の空気により空圧を印加できるように、ケース１０１ｂ、隔壁１０１ｃおよび上蓋１０１ａにより気密が保たれる構成となっている。

【0173】

上蓋１０１ａ、ケース１０１ｂ、隔壁１０１ｃ、ケース１０１ｄおよびバックヨーク材１０１ｅを総称して、可動子と対比して、固定子１５０と呼ぶ。

【0174】

図２２は、固定子１５０の内部を説明するための概念図である。

【0175】

また、図２３は、空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１３００の構成を説明するための斜視図である。

【0176】

図２３においては、アクチュエータ装置１３００の内部構造が視認しやすいように、仮想的に、上蓋１０１ａが透明であり、隔壁１０１ｃが半透明であるものとして図示している。

【0177】

図２２（ａ）は、バックヨーク材１０１ｅを上面から見た図である。バックヨーク材１０１ｅの中央には、出力軸２０１を回動自在に支持するための軸受け１５２が設けられる。

【0178】

図２２（ｂ）は、ケース１０１ｄの内部を上面から見た図である。

【0179】

図２２（ｂ）および図２３に示されるように、上述したとおり、ケース１０１ｄの内部には、複数の扇型の芯部材に線材がそれぞれ巻かれた電磁コイル１１２ａ〜１１２ｌが、出力軸２０１の回りを囲むように配置される。

【0180】

電磁コイル１１２ａ〜１１２ｌには、特に限定はされないが、たとえば、３相交流ＵＶＷが印加されて励磁され、可動子を駆動する。

【0181】

図２２（ｃ）は、ケース１０１ｂの内部を上面から見た図である。

【0182】

図２２（ｃ）および図２３に示されるように、ケース１０１ｂの内部には、上面から見た形状が扇型である可動子２００（回転運動をすることから、以下「ロータ２００」と呼ぶ）が設けられ、ロータ２００は出力軸２０１と一体となって回転するように構成される。ロータ２００内には、たとえば、２つの扇形の永久磁石２０２ａと２０２ｂが隣り合って設けられる。永久磁石２０２ａと２０２ｂは、たとえば、単一の磁性部材に対して、以下に説明するような磁場方向となるように、領域ごとに着磁することで形成されてもよい。永久磁石２０２ａと２０２ｂは、出力軸２０１に平行であって、互いに逆方向となるように着磁されている。図２２（ｃ）では、永久磁石２０２ａの上面側がＮで、永久磁石２０２ｂの上面側がＳとなるように着磁されているものとする。永久磁石の個数は、隣接するものが互いに逆方向に着磁されている限り、２つより多くてもよい。なお、図２２（ｃ）では、図示省略しているが、図２３に示すように、永久磁石２０２ａと２０２ｂの上部には、これらを覆う磁性部材１５８が設けられている。

【0183】

また、ケース１０１ｂの内部には、隔壁１５４が設けられており、ロータ２００の一端面と隔壁１５４の一方面とで囲まれる空間が、第１のチャンバ１０６ａ（空気室とも呼ぶ）として機能し、可動子２００の他方端面と隔壁１５４の他方面とで囲まれる空間が、第２のチャンバ１０６ｂ（空気室とも呼ぶ）として機能する。

【0184】

図２２（ｄ）は、上蓋１０１ａを上面から見た図である。上蓋１０１ａの中央には、出力軸２０１が貫通する円形の開口１５６が設けられる。

【0185】

図２４は、空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１３００の動作を説明するための概念図である。

【0186】

図２４においても、アクチュエータ装置１３００の内部構造が視認しやすいように、仮想的に、上蓋１０１ａが透明であるものとして図示している。

【0187】

また、図２５は、電磁コイル１１２ａ〜１１２ｌとロータ２００との配置の関係を説明するための図である。

【0188】

図２５においては、ロータ２００と電磁コイルとの位置関係が見やすいように、上蓋１０１ａ、ケース１０１ｂは、仮想的に取り除き、隔壁１０１ｃおよびケース１０１ｄは、半透明であるものとして図示している。

【0189】

まず、図２５を参照して、複数個のコイル１１２ａ〜１１２ｌは、それぞれ、独立に供給される電流で、独立な極性の方向に励磁される。より特定的には、複数個のコイル１１２ａ〜１１２ｌは、それぞれ、互いに位相の異なる交流電流が流れるように構成されている。たとえば、図示するように、３個おきに、複数個のコイル１１２ａ〜１１２ｌを、３組に分け、各組ついては、互いに（２π／３）だけ位相のずれた交流電流（対称三相交流、各位相をＵ，Ｖ，Ｗで表す）を流すなどして、ロータ２００に回転の推進力を与える。

【0190】

一方、図２４を参照して、第１のチャンバ１０６ａは、隔壁１５４の一方面とロータ２００の一方端面との間の空間である。第２のチャンバ１０６ｂは、隔壁１５４の他方面とロータ２００の他方端面との間の空間である。チャンバ１０６ａには、制御弁を有する配管１０８ａを介して、所定の圧力の空気が供給され、または、空気の排気が行われる。チャンバ１０６ｂには、制御弁を有する配管１０８ｂを介して、所定の圧力の空気が供給され、または、空気の排気が行われる。

【0191】

以上のような電磁力による回転の駆動と、チャンバ１０６ａおよびチャンバ１０６ｂへの空気の吸排気は、図示しない制御部により制御される。制御部は、目標方向へロータ２００を駆動する際には、複数個のコイル１１２ａ〜１１２ｌの励磁によりロータ２００が相対移動するのと同一の方向へロータ２００を駆動する駆動力を与えるように空気の吸排気を制御する。

【0192】

なお、流体として、圧縮空気のような気体だけではなく、水、油や磁性流体アクチュエータの適用が可能である。水や油を用いればコイル冷却効率が高まり、磁性流体を用いれば、ハードウェアの特性として粘性の制御が実現できる。

【0193】

図２６は、電磁コイル１１２ａ〜１１２ｌおよびロータ２００内の磁束の流れを説明するための図である。

【0194】

図２６は、図２５において、さらに、電磁コイルおよびロータの一部を切り取った断面を仮想的に示す。

【0195】

電磁コイル１１２ａ〜１１２ｌが励磁され、ロータ２００が回転すると、たとえば、ある時点では、電磁コイル１１２ｃで生成される磁束とロータ２００内の永久磁石２０２ａの磁束とが同方向となり、永久磁石２０２ａから出た磁束は磁性材料１５８内を通り、永久磁石２０２ｂの上面に入り、永久磁石２０２ｂの磁束と電磁コイル１１２ｄで生成される磁束とが同方向となり、電磁コイル１１２ｄから出た磁束は、バックヨーク材１０１ｅを通り、電磁コイル１１２ｃに入るというような、磁束の流れが生じる。

【0196】

以上のような構成とすることで、アクチュエータ装置１３００においても、実施の形態１と同様にして、電磁力による駆動力の発生機構と空気圧による駆動力の発生機構とを一体化することで小型化を実現しつつ、空圧のみならず電磁力の駆動力も利用することで、時間応答性に優れた高出力を実現することができる。
（実施の形態４の変形例１）
図２１〜図２６では、ロータ２００側に永久磁石を設け、ケース１０１ｄ内に電磁コイルを設ける構成として説明した。

【0197】

ただし、ロータ２００側に電磁コイルを設け、その上下に、永久磁石を設ける構成とすることも可能である。

【0198】

図２７は、このような実施の形態４の変形例１の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１３００´の構成を説明するための概念図である。

【0199】

また、図２８は、実施の形態４の変形例１の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１３００´の回転軸に対して垂直な断面の構造を説明するための図である。図２８（ｂ）は、図２８（ａ）中の仮想面Ｖでの断面を示す。

【0200】

図２７（ａ）を参照して、最下段には、バックヨークを設けることは、実施の形態４と同様である。

【0201】

次に、図２７（ｂ）に示すように、バックヨーク上の第１のケース内には、出力軸２０１のまわりに、複数の扇型の永久磁石を、磁束方向が出力軸方向であって、隣合う永久磁石で交互に着磁方向が反転するように配置する。図２７（ｂ）では、例示として、８個の永久磁石が交互に並ぶ構成としている。

【0202】

図２７（ｃ）に示すように、この第１のケースのさらに上段の第２のケースには、図２３のケース１０１ｂと同様に、可動子（ロータ）が回動可能なように設けられる。ロータ内には、ＵＶＷの交流が独立に印加可能なように３つの扇型の芯部材にそれぞれ線材を巻いた電磁コイルが設けられている。ただし、電磁コイルの個数は、３個に限られず、より多くの個数であってもよい。

【0203】

第２のケースは、図２３のケース１０１ｂと同様に、気密構造となっており、第１および第２の空気室に所定の圧力の空圧を独立に印加する構成となっている。

【0204】

図２７（ｄ）に示すように、第２のケース上の第３のケース内には、出力軸２０１のまわりに、複数の扇型の永久磁石を、磁束方向が出力軸方向であって、隣合う永久磁石で交互に着磁方向が反転するように配置する。図２７（ｄ）では、図２７（ｂ）の構成に合わせて、８個の永久磁石が交互に並ぶ構成としている。図２７（ｄ）の各永久磁石の着磁方向は、図２８に示すように、第１のケース内の対応する位置にある永久磁石とは、同じ方向に着磁されている。

【0205】

図２７（ｅ）に示すように、最上段にも、バックヨーク材が上蓋として設けられる。上蓋のバックヨーク材には、中央に出力軸２０１が貫通する開口が設けられる。

【0206】

このような構成でも、実施の形態４の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１３００と同様の効果を奏する。
（実施の形態４の変形例２）
実施の形態４の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１３００では、ロータ２００内の永久磁石に対して駆動力を発生させる電磁コイル１１２ａ〜１１２ｌ（総称して電磁コイル１１２と呼ぶことにする）は、ロータ２００の格納されるケース１０１ｂの下層のケース１０１ｄ内に設けられる構成であった。

【0207】

図２９は、実施の形態４の変形例２の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１３０２の構成を説明するための図である。

【0208】

図２９（ａ）は、斜視図であり、上蓋１０１ａを仮想的に半透明として示している。図２９（ｂ）は、図２９（ａ）の構成を上面から見た図である。

【0209】

電磁コイル１１２は、ロータ２００の格納されるケース１０１ｂの外周にそって配置される。これに応じて、ロータ２００内の永久磁石の着磁方向は、回転軸に垂直な方向（ロータの半径方向）とする。

【0210】

実施の形態４の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１３００または実施の形態４の変形例の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１３００´、１３０２は、実施の形態１と同様の制御を行うことで、電磁・空気圧の両ダイレクトドライブアクチュエータのバックドライバビリティを維持しつつ、電磁力による力制御と作動流体の粘性・コンプライアンス特性とを組み合わせ、外力にやわらかく応答できる回転駆動のアクチュエータを実現することが可能である。

【0211】

実施の形態４の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１３００または実施の形態４の変形例の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１３００´、１３０２は、図１３や図１４に示したような外骨格型ロボットの関節部分の回転運動のためのアクチュエータ装置として利用することが可能であり、「対象となる人間の筋骨格系運動の支援（アシスト）」に使用できるだけでなく、一般的な工業製品の駆動機構へ応用することも可能である。

【0212】

また、このような「対象となる人間の筋骨格系運動の支援（アシスト）」の構成は、ロボット単体としての利用も可能であり、例えばヒューマノイド型ロボットとしても応用できる。
（実施の形態５）
実施の形態４では、ロータ２００は円弧状の運動をするものであった。実施の形態５では、ロータ２００が連続回転する構成について、説明する。

【0213】

図３０は、実施の形態５の空電ハイブリッド型アクチュエータ装置１４００の構成を説明するための概念図である。

【0214】

差渡しの幅が常に一定となる図形は、「定幅図形」と呼ばれる。円は典型的な定幅図形であるが、それ以外にも、定幅図形としては、有名なものに、ルーローの多角形などが知られている。

【0215】

特に、ルーローの三角形をロータの断面形状とするローターリーエンジンが、知られている。この場合、ロータは、ロータを格納するロータハウジングのトロコイド曲線に内接する３葉の内包絡線で構成される。ロータの中心にはロータベアリングを介してエキセントリックシャフトがはめられる丸い穴部があり、その縁にはサイドハウジングのギヤ部とかみ合う内歯の歯型（インターナルギヤ）が設けられている。ロータハウジングは、内側面が２ノードのペリトロコイド曲線というまゆ型である。

【0216】

より一般に、定幅図形の断面形状を有するロータは、そのロータの断面形状に適合する内包絡線形状のハウジング内で、常に、ハウジングの内面と接しながら滑らかに回転することが可能なことが知られている。

【0217】

図３０においては、一例として、五角形をもとにする定幅図形の断面形状を有するロータ２００を円回転させた軌道に沿ったペリトロコイド曲線を、その内面の断面形状として有するハウジング１０１ｂ、および、ロータ２００による駆動力を外部に伝達するための回転軸２０１が設けられる。

【0218】

ロータ２００の内部には、永久磁石が複数個設けられ、それぞれの永久磁石は隣接する永久磁石とは、着磁方向が逆となるように配置される。

【0219】

出力軸２０１は、偏心しているため、たとえば、上蓋１０１ａには、出力軸が偏心して回転可能な開口が設けられ、この開口部分ではロータ２００の上面側で気密をシールする構成とする。そして、クランク機構によりロータ２００の回転の駆動力を外部に伝達する構成とすることができる。

【0220】

この結果、ロータ２００の回転方向とは同方向に出力軸２０１は回転することになる。

【0221】

あるいは、上述したロータリーエンジンの場合と同様に、エキセントリックシャフトにより外部に駆動力を伝達する構成とすることも可能である。

【0222】

このロータ２００の回転に合わせて、配管１０８ａ〜１０８ｂから、それぞれ、所定のタイミングで、所定圧力の空気を供給（給気と呼ぶ）し、あるいは、排気することで、電磁力による駆動力に加えて、空圧による駆動力も生じさせることができる。

【0223】

たとえば、図３０では、ハウジング１０１ｂの断面の第１葉に相当する内面とロータ２００の外側面とは、第１接触部分で接触している。また、ハウジング１０１ｂの断面のこの第１葉に隣接する第２葉に相当する内面とロータ２００の外側面とは、第２接触部分で接触している。このようにして、第１接触部分から第２接触部分に至るロータ２００の外側面と、対応するハウジング１０１ｂの内面によって、空気室１０６ａおよび１０６ｂが形成される。このような空気室の体積は、ロータ２００の回転に伴って変化する。空気室１０６ａ〜１０６ｂへ／から、配管１０８ａ〜１０８ｂにより、所定のタイミングで、給気または排気が行われるように制御される。

【0224】

たとえば、図３０に示した時点では、空気室１０６ｂから配管１０８ｂにより排気する（図中白矢印）タイミングで、配管１０８ａから空気室１０６ａへ給気する動作が行なわれる（図中黒矢印）。給排気のタイミングを制御することで、上述のとおり、電磁力による駆動力に加えて、空圧による駆動力も生じさせることができる。

【0225】

ここで、給気および排気を行う配管は、ハウジング１０１ｂの断面の他の葉にも対応して設ける構成としてもよく、図３０のように、２本に限られるわけではない。

【0226】

なお、図３０では、図２２などと同様に、ロータ２００の格納されるハウジング１０１ｂの下段に、電磁コイルを設ける構成とする。

【0227】

ただし、上述した実施の形態４の変形例２のように、ロータ２００の格納されるハウジング１０１ｂの外周に沿って電磁コイルが配置される構成であってもよい。この場合は、ロータ２００内の永久磁石の着磁方向は、実施の形態４の変形例２と同様に、回転軸に垂直な方向となる。

【0228】

以上のような実施の形態５の構成により、空電ハイブリッド型アクチュエータ装置に連続回転動作を行わせ、駆動力を外部に取り出すことが可能である。

【0229】

今回開示された実施の形態は、本発明を具体的に実施するための構成の例示であって、本発明の技術的範囲を制限するものではない。本発明の技術的範囲は、実施の形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲の文言上の範囲および均等の意味の範囲内での変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0230】

１ 外骨格型ロボット、１０ 内部制御装置、１１ Ｉ／Ｆ部、１２ 外骨格、２０ 外部制御装置、１２１ ベース、１２２ 下半身、１２３ 能動関節、１２４ 検出機構、１３１ 記録処理部、１３２ 記憶装置、１３３ 計測装置、１００ シリンダ、１０１ａ 上蓋、１０１ｂ ケース、１０１ｃ 隔壁、１０１ｄ ケース、１０１ｅ バックヨーク材、１０２ 開口部、１０６ａ，１０６ｂ チャンバ、１０８ａ，１０８ｂ 吸排気配管、１１０ 電磁コイル部材、１１２ａ〜１１２ｌ コイル、２００ 可動子、２０２ａ〜２０２ｄ 磁性部材、２０１，２０４ 出力軸、１０００、１１００、１２００、１３００ アクチュエータ装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】