JP2001162576A - アクチュエータ、バルブ装置、関節機構装置及びロボット装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡易な構成でかつ格段と軽量化を図ることが
できるアクチュエータ、関節機構装置及びロボット装置
を実現する。 【解決手段】 アクチュエータは、内部の圧力変化に応
じて伸縮する伸縮手段と、当該伸縮手段の伸縮方向を決
定する方向決定手段とで構成される。関節機構装置及び
ロボット装置において、内部の圧力変化に応じて伸縮す
る伸縮手段と、一端及び他端が第１及び第２の構成ユニ
ットにそれぞれ固定され、伸縮手段の伸縮に応じて第１
の構成ユニットを第２の構成ユニットに対して回転させ
る回転伝達手段とを設けるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はアクチュエータ、関
節機構装置及びロボット装置に係り、例えば、関節型の
複数の脚部を有する歩行ロボットに好適に適用すること
ができるアクチュエータ、関節機構装置及びロボット装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気的若しくは磁気的な作用を用いて人
間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボッ
ト」という。ロボットの語源は、スラブ語のＲＯＢＯＴ
Ａ(奴隷機械)に由来すると言われている。わが国では、
ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からである
が、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人
化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなど
の産業用ロボット（industrial robot）であった。

【０００３】最近では、イヌやネコのように４足歩行の
動物の身体メカニズムやその動作を模したペット型ロボ
ット、あるいは、ヒトやサルなどの２足直立歩行を行う
動物の身体メカニズムや動作を模した「人間形」若しく
は「人間型」のロボットなど、脚式移動ロボットやその
安定歩行制御に関する研究開発が進展し、実用化への期
待も高まってきている。これら脚式移動ロボットは、ク
ローラ式ロボットに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が
難しくなるが、階段の昇降や障害物の乗り越え等、柔軟
な歩行・走行動作を実現できるという点で優れている。

【０００４】アーム式ロボットのように、ある特定の場
所に植設して用いるような据置きタイプのロボットは、
部品の組立・選別作業など固定的・局所的な作業空間で
のみ活動する。これに対し、移動式のロボットは、作業
空間は非限定的であり、所定の経路上または無経路上を
自在に移動して、所定の若しくは任意の人的作業を代行
したり、ヒトやイヌあるいはその他の生命体に置き換わ
る種々のサービスを提供することができる。

【０００５】脚式移動ロボットは、産業活動・生産活動
等における各種の難作業の代行に適用することができ
る。例えば、原子力発電プラントや火力発電プラント、
石油化学プラントにおけるメンテナンス作業、製造工場
における部品の搬送・組立作業、高層ビルにおける清
掃、火災現場その他における救助といったような危険作
業・難作業の代行である。

【０００６】また、脚式移動ロボットの他の用途とし
て、アミューズメント目的など、人間の生活に密着し共
生するという用途が挙げられる。この種のロボットは、
ヒトやイヌなどの歩行を行う動物が本来持つ、全身協調
型の動作メカニズムを忠実に再現し、その自然に円滑な
動作を実現することを至上の目的とする。また、比較的
知性の高い直立動物をエミュレートする以上、四肢を用
いた動作が生体として自然であり、且つ、動作が持つ表
現力が豊かであることが望ましい。さらに、予め入力さ
れた動作パターンを単に忠実に実行するだけではなく、
対話する相手の言葉や態度（「褒める」とか「叱る」、
「叩く」など）に呼応した、生き生きとした動作表現を
実現することも要求される。

【０００７】従来、これら脚式歩行ロボットとしては、
ロボット本体内に組み込まれたアクチュエータの出力段
に各脚部が間接的に係合された構成のものが提案されて
おり、当該アクチュエータの駆動力を各脚部の推力とし
て伝えることによって歩行ロボットを歩行動作させるよ
うになされている。

【０００８】かかるアクチュエータとしては、電動モー
タに減速機構やリンク機構を組み合わせたもの、空気圧
シリンダや油圧シリンダにリンク機構を組み合わせたも
の、ゴム等の袋状の物を内圧の変化に応じて伸縮させて
駆動力を取り出すようになされたものなどが用いられて
いる。

【０００９】ところが、上述のような構成からなるアク
チュエータは比較的構成が複雑でかつ重量が重いため、
当該アクチュエータを家庭内で人間の傍らで動作するア
ミューズメント用のロボットに組み込んだ場合には、当
該ロボット自体も構成が煩雑でかつ高重量化するため
に、実用上未だ不充分な問題があった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、簡易
な構成で且つ格段と軽量化を図ることができる、優れた
アクチュエータ、空気圧制御装置関節機構装置及びロボ
ット装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段及び作用】かかる課題を解
決するため本発明においては、アクチュエータにおい
て、内部の圧力変化に応じて伸縮する伸縮手段と、当該
伸縮手段の伸縮方向を決定する方向決定手段とを設ける
ようにした。

【００１２】この結果、このアクチュエータでは、供給
される流体の圧力変化に応じた伸縮手段の伸縮力を、そ
の伸縮方向を方向決定手段によって決定しながら、駆動
力として得ることができるように構成したことにより、
従来の例えば電動モータや油圧シリンダ等のようなアク
チュエータと比較して、簡易な構成でかつ格段と軽量化
を図ることができる。

【００１３】また本発明においては、第１及び第２の構
成ユニット間に設けられ、第１の構成ユニットを第２の
構成ユニットに対して回転自在に支持する関節機構装置
において、内部の圧力変化に応じて伸縮する伸縮手段
と、一端及び他端が第１及び第２の構成ユニットにそれ
ぞれ固定され、伸縮手段の伸縮に応じて第１の構成ユニ
ットを第２の構成ユニットに対して回転させる回転伝達
手段とを設けるようにした。

【００１４】この結果、この関節機構装置では、供給さ
れる流体の圧力変化に応じた伸縮手段の伸縮力を、その
伸縮方向を回転伝達手段によって第２の構成ユニットに
対する第１の構成ユニットの回転方向としながら、駆動
力として得ることができるアクチュエータを設けたこと
により、従来の例えば電動モータや油圧シリンダ等のよ
うなアクチュエータを用いた場合と比較して、簡易な構
成でかつ格段と軽量化を図ることができる。

【００１５】さらに本発明においては、第１及び第２の
構成ユニット間に設けられ、第１の構成ユニットを第２
の構成ユニットに対して回転自在に支持する関節機構部
を有するロボット装置において、関節機構部は、内部の
圧力変化に応じて伸縮する伸縮手段と、一端及び他端が
第１及び第２の構成ユニットにそれぞれ固定され、伸縮
手段の伸縮に応じて第１の構成ユニットを第２の構成ユ
ニットに対して回転させる回転伝達手段とを設けるよう
にした。

【００１６】この結果、このロボット装置では、供給さ
れる流体の圧力変化に応じた伸縮手段の伸縮力を、その
伸縮方向を回転伝達手段によって第２の構成ユニットに
対する第１の構成ユニットの回転方向としながら、駆動
力として得ることができるアクチュエータを関節機構部
内に設けたことにより、従来の例えば電動モータや油圧
シリンダ等のようなアクチュエータを用いた場合と比較
して、簡易な構成で且つ格段と軽量化を図ることができ
る。

【００１７】また、本発明の他の側面においては、アク
チュエータにおいて内部の圧力県下に応じて伸縮する複
数の伸縮手段を並列配置するようにした。

【００１８】この結果、このアクチュエータでは、供給
される空気の圧力変化に応じた複数の伸縮手段の伸縮力
の釣り合いで動作方向を決定しながら、駆動力として得
ることができるように構成したことにより、従来の例え
ばモータや空気圧、油圧知りリンダなどのようなアクチ
ュエータと比較して簡易な構成で且つ格段と軽量化を図
ることができる。

【００１９】また、本発明のさらに他の側面において
は、空気圧制御バルブにおいて、側壁に穴が穿設された
一端を閉じた第１のパイプの内部を第２のパイプが移動
するように構成した。

【００２０】この結果、この空気圧制御バルブでは、従
来のバルブと比較して小さな駆動力で開閉することがで
きるので、簡易な構成で且つ格段と小型軽量化を図るこ
とができる。

【００２１】また、本発明のさらに他の側面において
は、アクチュエータにおける固定側に対する駆動側の角
度変化を検出する角度検出手段を設けるように構成し
た。

【００２２】この結果、このアクチュエータでは、供給
される空気の圧力変化に応じた複数の伸縮手段の伸縮力
の釣り合いによる動作方向を外部に特別な機構を設ける
ことなしに検出することができるので、従来のアクチュ
エータと比較して、簡易な構成で且つ格段と軽量化を図
ることができる。

【００２３】本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、
後述する本発明の実施例や添付する図面に基づくより詳
細な説明によって明らかになるであろう。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施例を詳解する。

【００２５】［実施例１］ （１）歩行ロボットの全体構成 図１には、本発明の第１の実施例に係る脚式歩行ロボッ
ト１の外観を示している。この歩行ロボットは、アミュ
ーズメント用のロボットであるが、本発明に係るアクチ
ュエータを適用し、胴体フレーム２の上面２Ａの前端に
首部３を介して頭部４が配設されると共に、胴体フレー
ム２の下面２Ｂの前後左右の４隅にそれぞれ太股部５、
脛部６及び足部７からなる左前脚部８Ａ、右前脚部８
Ｂ、左後脚部８Ｃ及び右後脚部８Ｄ（以下、これらをま
とめて各脚部８Ａ〜８Ｄと呼ぶ）が配設されることによ
り構成されている。この場合、各脚部８Ａ〜８Ｄにおけ
る各足部７の先端にはそれぞれ路面に対する着床などを
検知するための接触センサ（図示しない）が取り付けら
れている。

【００２６】また胴体フレーム２の上面２Ａの中央部及
び後端部には電源部９及び受信部１０が対応して配設さ
れると共に、胴体フレーム２の下面２Ｂの中央部には制
御部１１が配設されている。電源部９は、制御部１１の
制御に基づいて、各構成ユニット（頭部４、首部３、胴
体フレーム２、各太股部５、各脛部６及び各足部７）を
連結する各関節機構部１２（後述する図２）内のアクチ
ュエータ１３に対して所定の駆動電圧を供給する。

【００２７】例えば、歩行ロボット１を操縦するオペレ
ータは、遠隔操作装置（図示しない）を用いて外部から
遠隔操作することにより、歩行ロボット１に対して所望
の動作及び姿勢を行わせ得るようになされている。この
とき遠隔操作装置から発信される遠隔指令信号が、受信
部１０を介して制御部１１に入力されると、当該制御部
１１は遠隔指令信号に基づいて、各構成ユニット２〜７
を連結する各関節機構部１２（図２）内のアクチュエー
タ１３を必要に応じて駆動させる。

【００２８】歩行ロボット１は、このような遠隔操作装
置を介したオペレータの遠隔指令に応じて各脚部８Ａ〜
８Ｄを自在に駆動し得ることから、オペレータが所望す
る動作（歩行動作）や姿勢（伏臥姿勢、座り姿勢、作業
姿勢及び立ち姿勢等）を自由に行うことができる。

【００２９】（２）関節機構部の構成 ここで、図２〜図４を参照しながら、太股部５及び脛部
６間を連結する関節機構部１２の構成について説明す
る。本実施例に係る関節機構部１２は、その他の構成ユ
ニット２〜７間を連結する関節機構部（図示せず）と共
に全て同様に構成されている。

【００３０】この関節機構部１２は、太股部５及び脛部
６間を支持する支持軸１４と、当該支持軸１４に係合す
るように設けられたアクチュエータ１３とで構成されて
いる（図２（Ａ）及び図２（Ｂ）を参照のこと）。

【００３１】このアクチュエータ１３は、例えばプラス
チック材等の可撓材からなる薄板を略コ字状に折り曲げ
て加工した部材（以下、これを「可撓部」と呼ぶ）１５
の内側面１５Ａに伸縮自在な蛇腹１６が接着されると共
に、当該可撓部１５における太股部５側の一端に形成さ
れた貫通穴１５Ｈを介して合成ゴム材からなるチューブ
２０の一端が当該蛇腹１６内に連通して挿入されること
により構成されている（図３（Ａ）〜図３（Ｃ）を参照
のこと）。

【００３２】このチューブ２０の他端は、太股部５の外
壁を貫通して外部に引き出されており、当該チューブ２
０を介して空気を蛇腹１６内に供給し、並びに蛇腹１６
外に排出し得るようになされている。

【００３３】これによりアクチュエータ１３は、通常時
（すなわち無圧時）には蛇腹１６の内部が大気圧と等し
いため（以下、これを通常状態と呼ぶ）、可撓部１５が
成形時と同じ状態にある（図４（Ａ）を参照のこと）。
また加圧時には、チューブ２０を介して空気が蛇腹１６
の内部に印加されることによって当該蛇腹１６が膨張す
るため（以下、これを膨張状態と呼ぶ）、可撓部１５が
外側に反り返るように湾曲する（図４（Ｂ）を参照のこ
と）。さらに減圧時には、チューブ２０を介して蛇腹１
６の内部から空気が抜き取られることによって当該蛇腹
１６が収縮するため（以下、これを収縮状態と呼ぶ）、
可撓部１５が内側に反り返るように湾曲する（図４
（Ｃ）を参照のこと）。

【００３４】この関節機構部１２では、アクチュエータ
１３の可撓部１５の外側面１５Ｂにおける中央部及び両
端部に、同一形状の軸受け１７Ａ〜１７Ｃがそれぞれ固
着されている。このうち中央部の軸受け１７Ａには上述
した支持軸１４によって回転自在に支持されており、ま
た両端部の軸受けにはそれぞれ構成ユニット５、６の内
部に支持軸１４と軸方向が平行となるように固定された
固定軸１８Ａ、１８Ｂが回転自在に支持されている。こ
れら軸受け１７Ａ〜１７Ｃは、それぞれ板状のプラスチ
ック材を略コ字状に折り曲げて両側の立上り部分に同軸
中心となるように穴空け加工を施したものである。

【００３５】また、支持軸１４は、脛部６にのみ固定さ
れ、太股部５に対して回転自在に取り付けられている。
さらに、支持軸１４の一端には、当該支持軸１４の回転
方向に応じた回転量を検出するためのポテンショメータ
１９が設けられており、当該ポテンショメータ１９は太
股部５に固定されている。

【００３６】かくして、太股部５及び脛部６が支持軸１
４を回転中心として開閉動作したとき、脛部６の開閉動
作に連動して支持軸１４が一体となって回転することに
より、当該回転方向に応じた支持軸１４の回転量を、太
股部５に固定されたポテンショメータ１９によって検出
し得るようになされている。

【００３７】このような関節機構部１２は、実際には、
図１に示す歩行ロボット１の各脚部８Ａ〜８Ｄにおける
太股部５と脛部６との連結部位に設けられており、歩行
動作時に、アクチュエータ１３の駆動に応じて、太股部
５に対して脛部６を開閉自在に可動し得るようになされ
ている。

【００３８】まず通常時（すなわち無圧時）には、図５
（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、アクチュエータ１３内
の蛇腹１６が通常状態にあり、可撓部１５は成形時とほ
ぼ同じ状態に保っている。このとき可撓部１５の両端に
支持された脛部６及び太股部５は互いに閉じた状態にあ
る。

【００３９】蛇腹１６は、実際には、図６（Ａ）に示す
ようなプラスチック材からなるフィルムを、点線に沿っ
て谷折り且つ２点鎖線に沿って山折りする折り畳み作業
を順次繰り返すことにより、図６（Ｂ）に示すような長
手方向に沿って伸縮自在な断面が略Ｕ字形状のものとし
て容易に作製し得るようになされている。

【００４０】ここで、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示すよう
に、太股部５に対して脛部６を開く場合には、図示しな
いエア・タンクから電磁弁（図示しない）及びチューブ
２０を介してアクチュエータ１３内の蛇腹１６に空気を
流入しながら、当該蛇腹１６の内部を加圧させることに
より、当該蛇腹１６が次第に膨張状態になるに連れて、
成形時とほぼ同じ状態にある可撓部１５が支持軸１４を
中心として外側に反り返るように湾曲して、脛部６が支
持軸１４と一体となって太股部５に対して開く方向に回
転駆動される。

【００４１】このとき、太股部５に固定されたポテンシ
ョメータ１９が、脛部６と一体となって回転する支持軸
１４の回転方向及び回転量を検出することにより、当該
ポテンショメータ１９による検出結果に基づいて、蛇腹
１６の内部の圧力をフィードバック制御することがで
き、かくして太股部５に対する脛部６の開き状態を所望
の状態に制御し得るようになされている。

【００４２】一方、太股部５に対して開いた状態にある
脛部６を元の閉じた状態に戻す場合には、アクチュエー
タ１３内の蛇腹１６からチューブ２０及び電磁弁（図示
しない）を介して空気が抜き出しながら、当該蛇腹１６
の内部を減圧させることにより、当該蛇腹１６が次第に
収縮状態となるに連れて、外側に反り返るような湾曲状
態にある可撓部１５が成形時と同じ状態に戻ろうと付勢
して、脛部６が支持軸１４と一体となって太股部５に対
して閉じる方向に回転駆動される（図５（Ａ）及び図５
（Ｂ）を参照のこと）。

【００４３】このとき、太股部５に固定されたポテンシ
ョメータ１９が、脛部６と一体となって回転する支持軸
１４の回転方向及び回転量を検出することにより、当該
ポテンショメータ１９による検出結果に基づいて、蛇腹
１６の内部の圧力をフィードバック制御することがで
き、かくして太股部５に対して脛部６が開閉状態を所望
の状態に制御し得るようになされている。

【００４４】因みに、この状態において、さらにアクチ
ュエータ１３内の蛇腹１６からチューブ２０及び電磁弁
（図示しない）を介して空気が抜き出しながら、当該蛇
腹１６の内部を減圧させた場合には、成形時と同じ状態
にある可撓部１５は、支持軸１４を中心として内側に縮
むように湾曲して、脛部６が支持軸１４と一体となって
太股部５に対して閉じる方向に回転駆動される。この結
果、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように太股部５に
対して脛部６は交差するような閉じた状態となる。

【００４５】（３）アクチュエータ駆動部の構成 実際上、図９に示すように、各構成ユニット２〜７を連
結する関節機構部１３を駆動するアクチュエータ駆動部
３０は、空気が充填されたエア・タンク３１を有し、当
該エアタンク３１から引き出された配管３２が、歩行ロ
ボット１内の関節機構部１２の数（Ｎ）分だけ分岐さ
れ、それぞれ個別駆動部３３Ｘ1 〜３３ＸN を介して対
応する関節機構部１２から引き出されたチューブ２０と
連通接続されている。

【００４６】このエア・タンク３１は、圧力センサ３４
による測定結果に基づいてモータ３５をフィードバック
制御することにより、当該モータ３５の駆動に応じて作
動するポンプ３６によって、内部に充填された空気の圧
力を所定の状態に保ち得るようになされている。

【００４７】各個別駆動部３３Ｘ1 〜３３ＸN は、エア
・タンク３１から分岐して引き出された配管３２が加圧
用電磁弁３７を介してアクチュエータ１３内の蛇腹１６
から引き出されたチューブ２０と連通接続されており、
当該加圧用電磁弁３７の出力段の配管３８から分岐して
減圧用電磁弁３９の入力段に連通接続されている。

【００４８】加圧用電磁弁３７及び減圧用電磁弁３９
は、制御部１１（図１を参照のこと）からＩ／Ｏ（Inpu
t and Output）ポート４０を介して与えられる制御信号
Ｓ１に基づいて開閉動作して、エア・タンク３１から供
給される空気の流入出量を制御することにより、アクチ
ュエータ１３内の蛇腹１６内部の圧力を所望の状態にフ
ィードバック制御し得るようになされている。

【００４９】また、各関節機構部１２のアクチュエータ
１３内にポテンショメータ１９から引き出された配線４
１は、それぞれ個別駆動部３３Ｘ1 〜３３ＸN 内のＡ／
Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器４２を介して制御部
１１と導通接続されている。制御部１１は、ポテンショ
メータ１９から得られる支持軸１４の回転方向及び回転
量を検出して、当該検出結果に基づいて上述の制御信号
Ｓ１を生成するようになされている。

【００５０】（４）本実施の形態による動作及び効果 以上詳解した構成において、この歩行ロボット１では、
各構成ユニット２〜７を上述のようなアクチュエータ１
３を含む関節機構部１２を用いて連結しておき、オペレ
ータが所望する動作や姿勢に応じて、当該各アクチュエ
ータ１３の蛇腹１６内に供給する空気圧をそれぞれ変化
（加圧又は減圧）させることにより、当該蛇腹１６を可
撓部１５の湾曲状態に沿った方向に所望状態に膨張又は
伸縮させる。

【００５１】このとき、各関節機構部１２では、供給さ
れる空気の圧力変化に応じて蛇腹１６が膨張又は収縮す
る伸縮力を、その伸縮方向が可撓部１５によって一方の
構成ユニットに対する他方の構成ユニットの回転方向と
なるように規制しながら、駆動力として得ることができ
るアクチュエータ１３を構築することができる。

【００５２】この結果、アクチュエータ１３を蛇腹１６
の一部にその伸縮方向に沿って可撓自在な可撓部１５を
固着するようにして構築した分だけ比較的構成を簡易に
し得ることができる。また、当該蛇腹１６及び可撓部１
５をプラスチック材から形成した分だけ比較的軽量化を
図ることができる。

【００５３】以上詳解したように、歩行ロボット１にお
いて、各構成ユニット２〜７を連結する関節機構部１２
を、供給される空気の圧力変化に応じて膨張又は収縮す
る蛇腹１６と、当該蛇腹１６の伸縮方向を決定する可撓
部１５とからなるアクチュエータ１３を用いて構成する
ようにしたことにより、従来のような電動モータや油圧
シリンダ等からなるアクチュエータを用いた場合と比較
して、構成を簡易に且つ格段と軽量化を図ることができ
る。

【００５４】［実施例２］上述した実施例１において
は、関節機構部１２に設けられたアクチュエータ１３
を、内部の圧力変化に応じて伸縮する蛇腹（伸縮手段）
１６と、当該蛇腹１６が膨張又は収縮する方向（伸縮方
向）を決定する可撓部（方向決定手段又は回転伝達手
段）１５とから構成するようにした場合について述べた
が、本発明はこれに限らず、要は、供給される流体の圧
力変化に応じた伸縮力を、その伸縮方向を決定しながら
駆動力として得ることができれば、この他種々の構成か
らなるアクチュエータに広く適用することができる。

【００５５】また上述の実施例１にように、歩行ロボッ
ト１のそれぞれの脚部８Ａ〜８Ｄが体重を支えている場
合など常に関節を閉じる方向に外力が加わっている場合
には必要ないが、各構成ユニット２〜７を閉じる際にア
クチュエータ１３の駆動力だけでは駆動力が不足する場
合には、例えば図１０に示すように、関節機構部５０に
ついて、アクチュエータ（図示しない）内の可撓部１５
の外側面１５Ｂの両端部に固着された軸受１８Ａ、１８
Ｂ同士を架け渡すようにコイルばね（弾性部材）５１の
一端及び他端を取り付けるようにしてもよい（但し、図
１０では、図５（Ａ）との対応部分に同一符号を付して
いる）。この結果、各構成ユニット２〜７をコイルばね
５１の付勢力に応じて支持軸１４を回転中心として閉じ
る方向に付勢させることができる。

【００５６】さらに、弾性部材としては、蛇腹１６の伸
縮方向に沿った一端及び他端間に弾力性を以って架け渡
し、又は、第１及び第２の構成ユニット間に弾力性を以
って架け渡すことができれば、コイルばね５１以外にも
ゴム材などこの他種々の構造及び材質からなる部材を広
く適用することができる。

【００５７】また、上述の実施例１においては、図６
（Ｂ）のような蛇腹状に折り畳んで形成されたプラスチ
ック材のフィルムからなる蛇腹１６を伸縮手段として適
用すると共に、蛇腹状のフィルム材に形成された開口部
１６Ａを閉塞し、且つ当該フィルム材の伸縮に応じて所
定方向に湾曲するプラスチック材の薄板からなる可撓部
１５を方向決定手段又は回転伝達手段として適用した場
合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えばブ
ロー成型法（すなわち金型の中で樹脂等を風船のように
膨らませる成型法）を用いて伸縮手段と方向決定手段と
を一体に成形するようにしてアクチュエータを構成する
ようにしてもよい。

【００５８】さらに、上述の実施の形態においては、ア
クチュエータ１３を構成する蛇腹１６の素材としてプラ
スチック材を適用した場合について述べたが、本発明は
これに限らず、プラスチック材以外を適用してもよい。
例えば、金属薄板をプレスしたものを適用した場合に
は、蛇腹１６内の耐圧力が向上する分だけ伸縮力を格段
と向上させることができ、この結果、アクチュエータ１
３の駆動力を格段と向上させることができる。さらに蛇
腹１６の断面形状としては図６（Ｂ）に示す形状以外に
も、例えば半月状や長方形状など種々の形状に広く適用
してもよく、この他種々の構造からなる蛇腹を広く適用
することができる。

【００５９】さらに、上述の実施例１においては、アク
チュエータ１３の蛇腹１６内に空気を供給するようにし
て当該蛇腹１６内の空気圧を変化させるようにした場合
について述べたが、本発明はこれに限らず、蛇腹１６内
に水又は油のような液体を供給して当該蛇腹１６内の水
圧又は油圧を変化させるようにしてもよい。この場合、
空気圧よりも水圧又は油圧の方が、外部環境（温度や大
気圧等）の影響を受けずに済む分だけ、蛇腹１６内の圧
力を正確且つ確実にフィードバック制御することができ
る。

【００６０】さらに、上述の実施例１においては、各関
節機構部１２を駆動するアクチュエータ駆動部３０内に
設けられた二方弁でなる加圧用電磁弁３７及び減圧用電
磁弁３９を用いて、エアタンク３１から供給される空気
の流入出量を調整するようにした場合について述べた
が、本発明はこれに限らず、三方弁でなる単一の加減圧
用電磁弁（図示しない）を用いて、同様にエアタンク３
１から供給される空気の流入出量を調整するようにして
もよい。

【００６１】さらに、上述の実施例１においては、歩行
ロボット１の脚部８Ａ〜８Ｄとしてそれぞれ第１及び第
２の構成ユニットを適用すると共に、当該第１及び第２
の構成ユニット間を連結する関節機構部（関節機構装
置）１２内にアクチュエータ１３を設けるようにした場
合について述べたが、本発明はこれに限らず、この他の
例えば首部及び頭部からなる頭部機構の関節機構部や、
腕部を有するロボットであれば腕機構の関節機構部にも
それぞれアクチュエータ１３を設けるようにしてもよ
い。要は、アクチュエータ１３を有する関節機構部（関
節機構装置）１２は、ロボット装置の第１及び第２の構
成ユニット間に設けられ、第１の構成ユニットを第２の
構成ユニットに対して回転自在に支持するこの他種々の
機構部（膝機構部及び腕機構部等）に広く適用すること
ができる。

【００６２】［実施例３］ （１）脚式歩行ロボットの全体構成 図１１には、本発明の第３の実施例に係る脚式歩行ロボ
ット５０の外観構成を示している。この歩行ロボット
は、アミューズメント用のロボットであるが、本発明に
係るアクチュエータを適用し、胴体フレーム５２の前後
左右の四隅にそれぞれ大腿部５４、脛部５５、足部５６
からなる脚部５３Ａ〜５３Ｄが配設されることにより構
成されている。さらに、各足部５６の接地部分（足裏）
には、図示しない接触センサが取り付けられており、路
面に対する着床を検出できるようになっている。

【００６３】また、胴体フレーム５２の前方上面には、
首部５７を介して頭部５８が、後上面には尾部５９が取
り付けられている。

【００６４】また、胴体フレーム５２内には、マイクロ
コンピュータやその他の電子部品で実装される制御回路
６０、並びに、図示のロボット・システム全体に駆動電
力を供給するためのバッテリ６１が搭載されている。こ
れにより、歩行ロボット５０は、後述するアクチュエー
タを必要に応じて駆動することによって、あらかじめプ
ログラムされた動作を実現することができる。

【００６５】（２）アクチュエータの構成 図１２には、本実施例に係る拮抗蛇腹式アクチュエータ
本体の構成を、３面図で図解している。

【００６６】蛇腹６２は、例えばプラスチック材からな
るフィルムを折り畳むことで構成されており、蛇腹６２
内部の圧力（空気圧）が外部に対して変化することによ
り、長手方向に伸縮するように構成されている。

【００６７】蛇腹６２とは対峙して配設された蛇腹６３
も、同様に構成されており、例えばプラスチック薄板か
らなる可撓部材６４を挟んで対称的に配置されている。
可撓部材６４は、外力の印加により撓むことができる
が、伸縮作用はほとんどない。後述するように蛇腹６２
と蛇腹６３は互いに拮抗して作動することによってアク
チュエータを変形させることができる。

【００６８】図示のアクチュエータの両端には、蛇腹内
部の気密を保つとともに被駆動部材を固定するための底
部６５、並びに、内部の加圧減圧を行うためのチューブ
取り付け部６６，６７を持ったアクチュエータを固定す
るための底部６８が取り付けられている。

【００６９】図１３には、拮抗蛇腹式アクチュエータ本
体が変形する様子を示している。一方の蛇腹６２の内部
が大気に解放されて、他方の蛇腹６３の内部の圧力が高
くなると、蛇腹６３が長手方向に伸張しようとするが、
可撓部材６４はほとんど伸びないので、アクチュエータ
全体としては、図示のように、可撓部材６４に対して蛇
腹６３の反対側に撓む形で変形する。この動きをアクチ
ュエータの駆動力として利用することができる。

【００７０】蛇腹６２と蛇腹６３は、可撓部材６４を挟
んで拮抗動作するように構成されているので、各蛇腹６
２及び６３の内部圧力の組合せにより、様々な状態を実
現することができる。実際には、各蛇腹６２，６３に圧
力を印加することによって発生する力と、アクチュエー
タ全体の弾性による値が釣り合った位置でアクチュエー
タの形状が安定する。それぞれの内圧が高い状態で安定
すれば、剛性が高く、片方の内部が大気に対して解放さ
れているときが最も剛性が低くなる。

【００７１】蛇腹６２及び６３は、図６を参照しながら
既に説明したように、プラスチックのフィルム材１６を
図中の点線に沿って谷折り且つ２点鎖線に沿って山折り
する折り畳み作業を順次繰り返すことで、長手方向に対
して容易に伸張自在な、断面が略Ｕ字形状の蛇腹２０を
製作することができる。また、可撓部６４及び底部６
５，６８とは、接着により組み立てることができる。

【００７２】（３）アクチュエータ駆動部の構成 図１４には、本実施例に係る蛇腹アクチュエータの伸張
動作をコントロールするためのバルブの基本型の外観を
示している。

【００７３】また、図１５には、蛇腹アクチュエータの
内部構造を説明するために、その断面の斜視図を示して
いる。より具体的には、図１５（ａ）には、バルブの内
部構造を説明するためにその断面斜視図を示している。
シリンダ７１は、例えば真鍮パイプの片端を塞いで側面
に排気穴７２を穿設したものであり、その内部には、同
様に真鍮パイプで形成されたピストン７３が摺動自在に
嵌め込まれている。

【００７４】非動作時には、ピストン７３はリターン・
スプリング７４により、図中左端に移動させられている
ので、シリンダ７１の側面の排気穴７２はピストン７３
により塞がれていて、バルブの右端に接続されたゴム管
７５より流入した空気はバルブ内部を通過することはな
い。

【００７５】さらに、ピストン７３は、例えば、高温で
記憶した形状に復元可能な形状記憶合金で形成されたス
プリング（以下では、「ＳＭＡスプリング」と呼ぶ）２
６により、図中右方向に引張られている。このＳＭＡス
プリング２６は、図１５（ａ）に示すよりも短い長さを
記憶させておき、常温では軟らかいので、リターン・ス
プリング７４のバネ復元力による伸ばされている。

【００７６】ＳＭＡスプリング７６の両端には、固定具
と電極を兼ねたハトメ７７，７８が嵌合されている。し
たがって、ハトメ７７，７８を介してＳＭＡスプリング
７６に電流を流すことにより、抵抗発熱により加熱され
る結果として、あらかじめ記憶しておいた短い長さに戻
ろうとする復元力が発生する。この復元力は、リターン
・スプリング７４の復元力よりも大きく設定しておくこ
とにより、ピストン７３は、図１５（ｂ）に示すよう
に、図中右方に移動して、シリンダ７１の側面の排気穴
７２が開放され、バルブ内を空気が通過できるようにな
る。

【００７７】このとき電流が流れる経路は、端子７９か
らシリンダ７１、ピストン７３を介して、ＳＭＡスプリ
ング７６、さらに入り側パイプ８０の端子８１に至る。
あるいはその逆でもよい。

【００７８】入り側パイプ８０は、絶縁スペーサ８２及
び絶縁チューブ８３によってシリンダ７１側とは電気的
に絶縁されている。ＳＭＡスプリング７６は、大きな電
流が通過すれば速く且つ大きく収縮する性質があるの
で、短時間でバルブを開成することができる。逆に、Ｓ
ＭＡスプリング７６の通過電流が小さいときは、動作が
緩やかであり、ピストン７３を途中で止めて流量をコン
トロールすることもできる。

【００７９】バルブ内を流れる空気はＳＭＡスプリング
７６に沿って流れるので、バルブ内の冷却作用を期待す
ることができ、一般に遅いといわれている形状記憶合金
の冷却方向の速度を速め、短時間でバルブを閉成するこ
とができる。

【００８０】また、ＳＭＡスプリング７６に電流を流す
ための端子７９，８１は、電子部品の用に配線基板など
の上への取り付けも兼ねている。

【００８１】かくして、入り側パイプ８０に配管（ゴム
管７５）を接続すれば、バルブに電流を流すことで排気
のコントロールを行うことができる。

【００８２】図１６に示すように、シリンダ７１の排気
穴７２にパイプ８４を取り付けることで、バルブを配管
の途中に入れられるようにして空気の流量をコントロー
ルすることができる。

【００８３】ピストンの駆動は、従来同様、電磁力を利
用して実現することもできる。図１７には、電磁作用を
利用して駆動するピストンの外観を斜視した様子を示
し、また、図１８には、その内部の断面構成を斜視した
様子を示している。

【００８４】ピストン８５をステンレス等の磁性材料で
形成し、シリンダ８６の周囲に電磁石８７を配設する。
ピストン８５は、リターン・スプリング８８により、図
中左端に移動させられているので、排気穴８９は閉成し
た状態となる。次いで、電磁石８７に通電すると、磁場
の発生によりピストン８５は図中右方向に吸い寄せられ
るので、排気穴８９が開成する。電磁石の端子９０は、
ボビン９１のフランジ部分に付けられて、バルブを固定
する機能も果たす。

【００８５】前述した拮抗蛇腹式アクチュエータをコン
トロールする場合、一方の蛇腹に対して加圧及び減圧す
るために２つのバルブが必要である。そこで、小型化や
配管の簡略化を目的として、図１４などに示した２つの
バルブを連結して一体化することが好ましい。図１９に
は、加圧及び減圧のためのバルブを一体化して構成した
例の外観を斜視した様子を示し、また、図２０には、そ
の内部の断面構造を斜視した様子を示している。

【００８６】加圧側のバルブ１０１の排気穴を覆う形で
減圧（排気）側のバルブ４２を連結する。そして、後述
するように、図２３に示すエア・タンクとアクチュエー
タの配管の途中に挿入する。

【００８７】加圧時は、加圧側バルブ１０１のみに通電
することで、図２０（ａ）に示すようにバルブを開成す
ると、図中矢印方向にバルブ内を空気が流れるので、ア
クチュエータ内の圧力が上昇する。

【００８８】また、減圧（排気）時には、減圧側バルブ
１０２のみに通電して、図２０（ｂ）に示すようにバル
ブを開成すると、図中矢印方向に空気が流れるので、ア
クチュエータ内の圧力が下がる。

【００８９】各バルブ１０１，１０２に流す電流を調節
することで、加圧、減圧の速度をコントロールすること
もできる。また、アクチュエータ加圧後に両方のバルブ
１０１，１０２を同時に閉じれば、アクチュエータ内部
の圧力を保持することができる。両方のバルブ１０１，
１０２を同時に開成すれば、アクチュエータ及びエア・
タンク内部は大気に解放されるので、システム停止時や
非常時において有効である。

【００９０】（４）関節機構部及び制御部の構成 図２１は、本実施例に係るアクチュエータとバルブを組
み合わせるとともに、位置制御をして、ロボットの関節
などに応用できるように構成した例の斜視図である。

【００９１】第１の蛇腹１０３と第２の蛇腹１０４は、
可撓部材１０５を挟んで拮抗して配置されている。ま
た、それぞれの蛇腹１０３，１０４には加圧用と減圧用
を組み合わせた第１のバルブ１０６と第２のバルブ１０
７が合成ゴムの配管１０８により接続され、さらにバル
ブ入り側配管１０９は一本にまとめて、図示しないエア
・タンクより空気圧が供給されるように接続されてい
る。

【００９２】また、アクチュエータの角度位置を知るた
めのポテンショメータ１１０は、ピアノ線によるレバー
１１１で対向する底板１１２，１１３の角度変化に従っ
て回転する。ポテンショメータ１１０の回転軸を図中横
方向に貫通したレバー１１１は、長手方向に摺動するの
で、アクチュエータの変形などにより不要な力が発生す
ることはない。

【００９３】図中参照番号１１４で示されるモジュール
は、アクチュエータの駆動をサーボ制御する制御回路で
ある。図２１に示す例では、バルブ１０６，１０７、ポ
テンショメータ１１０、並びに制御回路１１４を実装し
たプリント基板を拮抗蛇腹アクチュエータの底板１１２
上に搭載することができ、構造が簡略化する。

【００９４】図２２には、本実施例に係る拮抗蛇腹アク
チュエータの動作状態を示している。図２２（ａ）に示
す例では、第１の蛇腹１０３と第２の蛇腹１０４内の圧
力が等しい（本実施例では大気圧とする）状態であり、
アクチュエータは真直ぐな姿勢を維持している。

【００９５】また、図２２（ｂ）に示す例では、第１の
蛇腹１０３内部の圧力を上げることで、第１の蛇腹１０
３が膨張するとともに第２の蛇腹１０４側に湾曲してい
る。このような場合、レバー１１１がポテンショメータ
１１０を回転させることになり、アクチュエータの動作
量が検出される。

【００９６】次いで、本実施例に係る拮抗蛇腹アクチュ
エータの制御方式について、図２３を参照しながら説明
する。

【００９７】エア・タンク１１５内には、図示しないポ
ンプや圧力制御装置によって常時一定圧力の空気が充填
されている。この空気圧は、配管１１６、第１のバルブ
１０６、配管１１７を介して第１の蛇腹１０３に供給さ
れるとともに、配管１１６、第２のバルブ１０７、配管
１１８を介して第２の蛇腹１０４に供給されており、各
蛇腹１０３，１０４内部の空気圧をコントロールするよ
うになっている。

【００９８】制御回路１１４では、位置情報をパルス幅
（例えば約０．５〜１．５ｍｓｅｃ）の制御信号に変調
し、この入力されたパルス信号１１９をトリガとしてポ
テンショメータ１１０の抵抗値を時定数とした比較パル
ス１２０を発生する。

【００９９】パルス幅比較回路１２１は、比較パルス１
２０を比較して、ドライブ回路１２２を駆動する。直流
モータの駆動用にデザインされたドライブ回路１２２の
出力を利用する場合には、図示の例ではダイオードをた
すきがけ状に挿入して、モータでは正転、逆転となると
ころを、一方のバルブは加圧、他方のバルブは減圧と成
るように電流が流れるように回路を構成した。すなわ
ち、入力パルス１１９に対してポテンショメータ１１０
の時定数で発生した比較パルス１２０が長いときには短
くなるように、又はその逆になるように、バルブを駆動
して、それぞれの蛇腹１０３，１０４を変形させる。そ
して、パルス幅が一致したところで、バルブの駆動をや
めてアクチュエータの動きを停止させる。

【０１００】図２４には、拮抗蛇腹アクチュエータの他
の構成例を示している（但し、内部構成が分かるよう
に、一部を透明に描いている）。図示の通り、この拮抗
蛇腹アクチュエータは、固定側底部１１２の側面に固定
側の腕１２４を固定して、アクチュエータの側面略中央
部分に回転軸１２５を設定して、被駆動側の腕１２６を
取り付けている。このような構成により、関節の剛性を
高めるとともに、回転中心を明確に定義することができ
る。

【０１０１】拮抗蛇腹アクチュエータ自身の撓みによる
回転中心は定かでないので、回転中止の不一致に起因す
る不要な内力の発生を防ぐために、腕側に長穴１２７を
設けて、被駆動側底部１１３の側面に取り付けた２本の
ピン１２８で駆動するように構成している。図示しない
が、動作安定のため、同一の機構を反対側の側面にも設
けてある。回転軸１２５にはポテンショメータ１１５を
取り付け、腕１２４，１２６のなす角度を検出すること
ができる。この拮抗蛇腹アクチュエータの制御方式は、
図２３に示した制御ブロックと同様でよいので、ここで
は説明を省略する。

【０１０２】図２５には、図２４に示した拮抗蛇腹アク
チュエータの動作状態を描写している。図２５（ａ）に
示す例では、第１の蛇腹１０３と第２の蛇腹１０４内の
圧力が等しい（本実施例では大気圧とする）状態であ
り、アクチュエータは真直ぐな姿勢を維持している。

【０１０３】また、図２５（ｂ）に示す例では、第１の
蛇腹１０３内部の圧力を上げることで、第１の蛇腹１０
３が膨張させるとともに第２の蛇腹１０４側に湾曲させ
ている。このような場合、レバー１１１がポテンショメ
ータ１１０を回転させることになる。関節の剛性が高め
られているとともに、回転中心が明確に定義されてい
る、という点を充分理解されたい。

【０１０４】本発明の第３の実施例によれば、脚式歩行
ロボット５０において、胴体フレーム５２より大腿部５
４、さらに脛部５５を、また首部５７、頭部５８、尾部
５９を、図１１あるいは図２４に示す拮抗蛇腹アクチュ
エータを含む関節機構部を用いて連結しておき、あらか
じめプログラミングされた所望の動作や姿勢に応じて制
御回路６０は各アクチュエータ制御部に信号（パルス）
を送り、アクチュエータ制御部のバルブが所定のタイミ
ングで開閉動作することによって、アクチュエータを変
形させることができる。

【０１０５】このようにして、脚式歩行ロボット５０が
あらかじめプログラムされた所望の動作を実現すること
ができる。

【０１０６】本発明の第３の実施形態によれば、従来の
ような電動モータや油圧シリンダなどからなるアクチュ
エータを用いた場合と比較して、簡単な構成で且つ格段
と軽量化を図ることができる。

【０１０７】（５）エンタテイメント・ロボット装置へ
の応用 図２６には、本実施例に係るアクチュエータやバルブを
エンタテイメント・ロボット装置に適用した例を３面図
の形式で示している。また、図２７には、このエンタテ
イメント用にデザインされたロボット装置の全体構成を
斜視した様子を示している。

【０１０８】各図に示すように、このエンタテイメント
・ロボット装置は、４足歩行型の脚式ロボットである。
エア・タンクを兼ねた胴体１５４の左右の各側面には２
本ずつ前述した構成を備えたロボットの脚１５５が取り
付けられている。

【０１０９】胴体１５４は、ボトルなどの中空の容器を
適用することができない。各アクチュエータのバルブに
は、図示しない配管がエア・タンクから接続されてい
る。

【０１１０】エア・ポンプ１５６は、そのエア出力管が
胴体１５４に挿入されるとともに固定されている。圧力
センサも同様に固定されている。

【０１１１】制御回路１５７は、胴体１５４内の圧力を
制御するとともに、あらかじめプログラムされた動作に
従って４本の脚１５５のアクチュエータに取り付けられ
ているバルブにバッテリ１５８からの電流を供給する。

【０１１２】このようなロボット・システムの動作がス
タートした後、エア・ポンプを作動させ、胴体１５４内
部の圧力が所定の最大値に到達するのを待ってから歩行
動作を開始することができる。また、胴体１５４内部の
圧力が所定の最小値に降下するまで、歩行動作を継続す
ることができる。その後、再びエア・ポンプ１５６を作
動させることで、歩行動作をさらに継続することができ
るが、圧力が充分に上昇しないときには、歩行動作を一
時中断するしかない。

【０１１３】歩行の基本パターンは、後方に向かって蹴
る動作（前述）を対角に位置する各２本の脚、すなわち
左前脚と右後脚、右前脚と左後脚の組で交互に行うこと
で実現する。

【０１１４】本実施例に係るアクチュエータを頭部（図
示しない）及び尾部（図示しない）の駆動に適用するこ
ともできるが、上述と同様の構成及び動作特性でよいの
でここでは説明を省略する。

【０１１５】［他の実施形態］上述した本発明の各実施
例では、図６に示すような、プラスチックのフィルム材
１６を図中の点線に沿って谷折り且つ２点鎖線に沿って
山折りする折り畳み作業を順次繰り返すことで形成され
た蛇腹、あるいは２個の蛇腹を拮抗させたものを伸縮手
段として適用する。また、第３の実施例では、プラスチ
ック材の薄板からなる可撓部材１０５、蛇腹内部を気密
にするとともに駆動すべき腕などを取り付ける底板１１
２，１１３を接着により構成する。

【０１１６】但し、本発明はこれらに限定されず、例え
ばブロー成形法を用いたり合成ゴムなどによる一体成
形、又は、一部分だけ一体成形するようにして、伸縮が
他のアクチュエータを構成するようにしてもよい。

【０１１７】また、上述した各実施例では、アクチュエ
ータを構成する蛇腹の素材としてプラスチック材を適用
する点について言及したが、本発明はこれに限定され
ず、たとえば金属の薄板をプレス成形して蛇腹を形成す
るようにしてもよい。

【０１１８】さらに、アクチュエータを構成する蛇腹の
断面構成については、本発明は図６に示した略Ｕ字形状
に限定されず、長方形、円形、半円形などを適用するこ
ともできる。要するに、蛇腹内部の圧力変化に従ってそ
の長手方向に伸縮自在な蛇腹であれば、本発明のアクチ
ュエータとして適用することができる。

【０１１９】また、上述した第３の実施例では、形状記
憶合金あるいは電磁石で駆動される小型の空気バルブを
用いて蛇腹アクチュエータの伸縮動作を制御する点につ
いて説明したが、本発明はこれに限定されず、他の様々
な形式の制御バルブを適用することができる。さらに、
バルブの制御回路についても、既存の様々な制御回路
（サーボ回路）を適用できることは言うまでもない。

【０１２０】［追補］以上、特定の実施例を参照しなが
ら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や
代用を成し得ることは自明である。

【０１２１】上述した各実施例では、図１並びに図１１
に示すように４足の脚式歩行ロボットに対して本発明を
適用した場合について述べたが、本発明はこれに限ら
ず、この他種々の構成のロボット装置に広く適用するこ
とができる。

【０１２２】また、本発明の要旨は、必ずしも「ロボッ
ト」と称される製品には限定されない。すなわち、電気
的若しくは磁気的な作用を用いてヒトやイヌなどの動物
の動作に似せた運動を行う機械装置であるならば、例え
ば玩具等のような他の産業分野に属する製品であって
も、同様に本発明を適用することができる。

【０１２３】要するに、例示という形態で本発明を開示
してきたのであり、限定的に解釈されるべきではない。
本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許
請求の範囲の欄を参酌すべきである。

【０１２４】

【発明の効果】上述のように、本発明に係るアクチュエ
ータは、内部の圧力変化に応じて伸縮する伸縮手段と、
当該の伸縮方向を決定する方向決定手段とを設け、供給
される流体の圧力変化に応じた伸縮手段の伸縮力を、そ
の伸縮方向を方向決定手段によって決定しながら、駆動
力として得るようにした。したがって、従来から用いら
れているアクチュエータと比較して、簡易な構成でかつ
格段と軽量化を図ることができるアクチュエータを実現
し得る。

【０１２５】また本発明によれば、第１及び第２の構成
ユニット間に設けられ、第１の構成ユニットを第２の構
成ユニットに対して回転自在に支持する関節機構装置に
おいて、内部の圧力変化に応じて伸縮する伸縮手段と、
一端及び他端が第１及び第２の構成ユニットにそれぞれ
固定され、伸縮手段の伸縮に応じて第１の構成ユニット
を第２の構成ユニットに対して回転させる回転伝達手段
とを設け、供給される流体の圧力変化に応じた伸縮手段
の伸縮力を、その伸縮方向を回転伝達手段によって第２
の構成ユニットに対する第１の構成ユニットの回転方向
としながら、アクチュエータの駆動力として得るように
構成した。したがって、従来から用いられているアクチ
ュエータを用いた場合と比較して、簡易な構成でかつ格
段と軽量化を図ることができる関節機構装置を実現し得
る。

【０１２６】また本発明によれば、第１及び第２の構成
ユニット間に設けられ、第１の構成ユニットを第２の構
成ユニットに対して回転自在に支持する関節機構部を有
するロボット装置において、関節機構部は、内部の圧力
変化に応じて伸縮する伸縮手段と、一端及び他端が第１
及び第２の構成ユニットにそれぞれ固定され、伸縮手段
の伸縮に応じて第１の構成ユニットを第２の構成ユニッ
トに対して回転させる回転伝達手段とを設け、供給され
る流体の圧力変化に応じた伸縮手段の伸縮力を、その伸
縮方向を回転伝達手段によって第２の構成ユニットに対
する第１の構成ユニットの回転方向としながら、アクチ
ュエータの駆動力として得るように構成した。かくして
従来から用いられているアクチュエータを用いた場合と
比較して、簡易な構成で且つ格段と軽量化を図ることが
できるロボット装置を実現することができる。

【０１２７】また、本発明に係るアクチュエータは、内
部の圧力変化に応じて伸縮する第１及び第２の伸縮し手
段を拮抗動作するように並列配置し、それぞれの内部の
圧力に応じて湾曲させることで駆動力を得るように構成
したので、従来から用いられているアクチュエータと比
較して、簡易な構成で且つ格段と軽量化を図ることがで
きる。

【０１２８】また、本発明に係るバルブ装置によれば、
側壁に穴が穿設された第１のパイ部と、内部を長手方向
に摺動自在に嵌め込まれた第２のパイプと、上記第２の
パイプを第１のパイプに対し移動させる駆動手段を備え
て、空気の流れを制御できるように構成した。この結
果、従来から用いられている制御バルブと比較して、簡
易な構成で且つ格段と軽量化を図ることができる。

【０１２９】また、本発明に係る関節駆動機構によれ
ば、第１及び第２の腕固定部を有し、上記アクチュエー
タの湾曲による変形を用いた第１の腕に対する第２の腕
の角度を変化させる駆動手段を備えることで、関節の駆
動力として得るように構成した。この結果、従来から用
いられている関節駆動機構と比較して、簡易な構成で且
つ格段と軽量化を図ることができる。

【０１３０】また、本発明に係るロボット装置によれ
ば、上記関節機構と、上記バルブと、空気圧発生装置
と、制御装置とを備えることにより、従来から用いられ
ているアクチュエータを用いた場合と比較して、簡易な
構成で且つ寒暖と軽量化を図ることができるとともに、
安全で低コストなロボット装置を実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態による歩行ロボットの構成を示す
略線図である。

【図２】図２（Ａ）は本実施形態による関節機構部の構
成を示す斜視図、図２（Ｂ）は当該関節機構部の内部構
成を部分的に断面をとって示す斜視図である。

【図３】図３（Ａ）はアクチュエータの構成を示す正面
図、図３（Ｂ）は当該アクチュエータの構成を示す側面
図、図３（Ｃ）は当該アクチュエータの構成を示す端面
図である。

【図４】図４（Ａ）〜（Ｃ）は、アクチュエータの構成
を示す斜視図である。

【図５】図５（Ａ）は通常時の関節機構部の構成を示す
斜視図、図５（Ｂ）は当該関節機構部の内部構成を部分
的に断面をとって示す斜視図である。

【図６】図６（Ａ）は作製前の蛇腹の元になるフィルム
材を示す平面図、図６（Ｂ）は作製後の蛇腹の構成を示
す略線的な斜視図である。

【図７】図７（Ａ）はアクチュエータの加圧時の関節機
構部の構成を示す斜視図、図７（Ｂ）は当該関節機構部
の内部構成を部分的に断面をとって示す斜視図である。

【図８】図８（Ａ）はアクチュエータの過度の減圧時の
関節機構部の構成を示す斜視図、図８（Ｂ）は当該関節
機構部の内部構成を部分的に断面をとって示す斜視図で
ある。

【図９】アクチュエータ駆動部の構成を示すブロック図
である。

【図１０】他の実施の形態による関節機構部の構成を示
す斜視図である。

【図１１】本発明の第３の実施例に係る脚式歩行ロボッ
ト１の外観構成を示した図である。

【図１２】本発明の第３の実施例に係る拮抗蛇腹式アク
チュエータ本体の構成を示した３面図である。

【図１３】本発明の第３の実施例に係る拮抗蛇腹式アク
チュエータ本体が変形する様子を示した図である。

【図１４】本実施例に係る蛇腹アクチュエータの伸張動
作をコントロールするためのバルブの基本型の外観を示
した斜視図である。

【図１５】蛇腹アクチュエータの内部構造を説明するた
めの断面斜視図であり、より具体的には、図１５（ａ）
はバルブ内部の構造を説明するための断面斜視図であ
り、図１５（ｂ）は通電状態のバルブ内部の構造を説明
するための断面斜視図である。

【図１６】バルブの変形例の外観を示した斜視図であ
る。

【図１７】電磁力を用いた場合のバルブの外観を示した
斜視図である。

【図１８】電磁力を用いた場合のバルブ内部の構造を示
す断面の斜視図である。

【図１９】加圧及び減圧用の２つのバルブを一体化した
例の外観の斜視図である。

【図２０】加圧及び減圧用の２つのバルブを一体化した
例の内部の断面構造の斜視図であり、より具体的には、
図２０（ａ）は加圧側バルブのみを通電した状態を示す
断面斜視図であり、図２０（ｂ）は減圧側バルブのみを
通電した状態を示す断面斜視図である。

【図２１】アクチュエータとバルブを組み合わせるとと
もに、位置制御をして、ロボットの関節などに応用でき
るように構成した例の斜視図である。

【図２２】拮抗蛇腹アクチュエータの動作状態を示した
図であり、より具体的には、図２２（ａ）は各蛇腹１０
３，１０４内の圧力が等しい場合の動作状態を示した図
であり、図２２（ｂ）は一方の蛇腹を膨張させてアクチ
ュエータが湾曲した動作状態を示した図である。

【図２３】拮抗蛇腹アクチュエータの制御部の構成を示
したブロック図である。

【図２４】関節の剛性を高めるとともに回転中心を明確
に定義した拮抗蛇腹アクチュエータの外観構成を示した
図である。

【図２５】図２４に示した拮抗蛇腹アクチュエータの動
作状態を示した図であり、より具体的には、図２５
（ａ）は各蛇腹１０３，１０４内の圧力が等しい場合の
動作状態を示した図であり、図２５（ｂ）は一方の蛇腹
を膨張させてアクチュエータが湾曲した動作状態を示し
た図である。

【図２６】本発明の第３の実施例に係るアクチュエータ
やバルブをエンタテイメント・ロボット装置に適用した
例を３面図の形式で示した図である。

【図２７】本発明の第３の実施例に係るアクチュエータ
やバルブを適用したエンタテイメント・ロボット装置の
斜視図である。

【符号の説明】

１…歩行ロボット ２〜７…構成ユニット，８Ａ〜８Ｄ…脚部，９…電源部 １０…受信部，１１…制御部 １２，５０…関節機構部 １３…アクチュエータ １４…支持軸，１５…可撓部，１６…蛇腹 １７Ａ〜１７Ｃ…軸受け １８Ａ，１８Ｂ…固定軸 １９…ポテンショメータ，２０…チューブ ３０…アクチュエータ駆動部，３１…エア・タンク ３２，３８…配管 ３３Ｘ1 〜３３ＸN…個別駆動部 ３４…圧力センサ，３５…モータ，３６…ポンプ ３７…加圧用電磁弁，３９…減圧用電磁弁 ４０…Ｉ／Ｏポート，４２…Ａ／Ｄ変換器 ５０…脚式歩行ロボット ５２…胴体フレーム ５３Ａ〜５３Ｄ…脚部 ５４…大腿部，５５…脛部，５６…足部 ５７…首部，５８…頭部，５９…尾部 ６０…制御回路，６１…バッテリ ６２…蛇腹 ６４…可撓部材 ６５，６８…底部 ６６，６７…チューブ取り付け部 ７１…シリンダ，７２…排気穴，７３…ピストン ７４…リターン・スプリング，７５…ゴム ７６…形状記憶合金スプリング ７７，７８…ハトメ ７９，８１…端子 ８０…入り側パイプ ８２…絶縁スペーサ，８３…絶縁チューブ，８４…パイ
プ ８５…ピストン，８６…シリンダ，８７…電磁石 ８８…リターン・スプリング，８９…排気穴 ９０…端子，９１…ボビン １０１…加圧側バルブ，１０２…減圧側バルブ １０３…第１の蛇腹，１０４…第２の蛇腹，１０５…可
撓部材 １０６…第１のバルブ，１０７…第２のバルブ，１０８
…配管 １０９…バルブ入り側配管，１１０…ポテンショメー
タ，１１１…レバー １１２，１１３…底板 １１４…制御回路，１１５…エア・タンク １１６，１１７，１１８…配管 １２１…パルス幅比較回路，１２２…ドライブ回路 １２４…腕（固定側），１２５…回転軸，１２６…腕
（被駆動側） １２７…長穴，１２８…ピン １５４…胴体，１５５…脚，１５６…エア・ポンプ １５７…制御回路，１５８…バッテリ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ１５Ｂ 15/10 Ｆ１５Ｂ 15/10 Ｇ Ｆ１６Ｊ 3/04 Ｆ１６Ｊ 3/04 Ｂ Ｆターム(参考） 2C150 CA01 CA02 DA24 DA26 DA27 DA28 DE03 EB11 EH07 EH27 3F060 AA00 BA10 CA14 GA00 GA03 GA16 GC01 GD06 GD14 3H081 AA17 BB03 CC01 CC23 DD18 DD26 DD37 FF02 FF26 GG06 HH10 3J045 AA06 AA20 CB01 EA02

Claims (29)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部の圧力変化に応じて伸縮する伸縮手段
   と、 上記伸縮手段の伸縮方向を決定する方向決定手段と、を
   具備することを特徴とするアクチュエータ。
2. 【請求項２】上記伸縮手段は蛇腹でなり、 上記方向決定手段は、上記蛇腹の一部に上記伸縮方向に
   沿って固着された可撓部を有することを特徴とする請求
   項１に記載のアクチュエータ。
3. 【請求項３】上記伸縮手段の上記伸縮方向に沿った一端
   及び他端間に架け渡された弾性部材を具備することを特
   徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
4. 【請求項４】第１及び第２の構成ユニット間に設けら
   れ、上記第１の構成ユニットを上記第２の構成ユニット
   に対して回転自在に支持する関節機構装置において、 内部の圧力変化に応じて伸縮する伸縮手段と、 一端及び他端が上記第１及び第２の構成ユニットにそれ
   ぞれ固定され、上記伸縮手段の伸縮に応じて上記第１の
   構成ユニットを上記第２の構成ユニットに対して回転さ
   せる回転伝達手段と、を具備することを特徴とする関節
   機構装置。
5. 【請求項５】上記第１又は第２の構成ユニットと一体と
   なって回転するように当該第１又は第２の構成ユニット
   が固定され、且つ上記第２又は第１の構成ユニットが回
   転自在に支持された支持手段と、 上記支持手段によって回転自在に支持された上記第２又
   は第１の構成ユニットに固定されると共に当該支持手段
   に係合され、上記第１の構成ユニットの上記第２の構成
   ユニットに対する回転量を測定する回転量測定手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の関節
   機構装置。
6. 【請求項６】上記伸縮手段は蛇腹でなり、 上記回転伝達手段は、上記蛇腹の一部に上記伸縮方向に
   沿って固着された可撓部を有することを特徴とする請求
   項４に記載の関節機構装置。
7. 【請求項７】上記第１及び第２の構成ユニット間に架け
   渡された弾性部材を備えることを特徴とする請求項４に
   記載の関節機構装置。
8. 【請求項８】第１及び第２の構成ユニット間に設けら
   れ、上記第１の構成ユニットを上記第２の構成ユニット
   に対して回転自在に支持する関節機構部を有するロボッ
   ト装置において、上記関節機構部は、 内部の圧力変化に応じて伸縮する伸縮手段と、 一端及び他端が上記第１及び第２の構成ユニットにそれ
   ぞれ固定され、上記伸縮手段の伸縮に応じて上記第１の
   構成ユニットを上記第２の構成ユニットに対して回転さ
   せる回転伝達手段と、を具備することを特徴とするロボ
   ット装置。
9. 【請求項９】上記第１又は第２の構成ユニットと一体と
   なって回転するように当該第１又は第２の構成ユニット
   が固定され、かつ上記第２又は第１の構成ユニットが回
   転自在に支持された支持手段と、 上記支持手段によって回転自在に支持された上記第２又
   は第１の構成ユニットに固定されると共に当該支持手段
   に係合され、上記第１の構成ユニットの上記第２の構成
   ユニットに対する回転量を測定する回転量測定手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載のロボ
   ット装置。
10. 【請求項１０】上記伸縮手段は蛇腹でなり、 上記回転伝達手段は、上記蛇腹の一部に上記伸縮方向に
    沿って固着された可撓部を有することを特徴とする請求
    項８に記載のロボット装置。
11. 【請求項１１】上記第１及び第２の構成ユニット間に架
    け渡された弾性部材を備えることを特徴とする請求項８
    に記載のロボット装置。
12. 【請求項１２】それぞれ内部の圧力変化に応じて伸縮す
    る第１の伸縮部及び第２の伸縮部を伸縮方向に略対称に
    配置してなる伸縮手段と、 前記伸縮手段の伸縮方向を決定する方向決定手段と、を
    具備することを特徴とするアクチュエータ。
13. 【請求項１３】前記第１及び第２の伸縮部は蛇腹でな
    り、 前記方向決定手段は、前記第１及び第２の伸縮部の間に
    固着された可撓部を有し、前記第１及び第２の伸縮部の
    内部圧力の相違に基づく該可撓部の撓みにより前記伸縮
    手段の伸縮方向を決定することを特徴とする請求項１２
    に記載のアクチュエータ。
14. 【請求項１４】前記アクチュエータの一端に配設され蛇
    腹内部の気密を保つとともに被駆動部材を固定する第１
    の底部と、 前記アクチュエータの他端に配設され蛇腹内部の加圧減
    圧を行うための配管を取り付けるとともに前記アクチュ
    エータを固定する第２の底部と、を備えることを特徴と
    する請求項１２に記載のアクチュエータ。
15. 【請求項１５】側面に排気穴を含んだシリンダと、 前記シリンダ内部を摺動自在に嵌め込まれ、該摺動位置
    に応じて前記排気穴を開閉するピストンと、 前記ピストンを前記シリンダ内で移動させる駆動手段
    と、を具備することを特徴とするバルブ装置。
16. 【請求項１６】前記シリンダ及びピストンは金属製であ
    り、 前記駆動手段は高温で記憶した形状に復元可能な形状記
    憶合金で形成され、通電に伴う抵抗発熱により前記ピス
    トンを所定方向に付勢する、ことを特徴とする請求項１
    ５に記載のバルブ装置。
17. 【請求項１７】前記ピストンは磁性体であり、 前記駆動手段は電磁作用により前記ピストンを前記シリ
    ンダ内で移動させることを特徴とする請求項１５に記載
    のバルブ装置。
18. 【請求項１８】請求項１５に記載のバルブ装置を２個連
    結してなるバルブ装置であって、一方のバルブ装置の排
    気穴に他方のバルブ装置を通気可能に接続して、各バル
    ブ装置の開閉動作により流路を双方向に切替可能に構成
    したことを特徴とするバルブ装置。
19. 【請求項１９】第１の構成ユニットと第２の構成ユニッ
    トの間に設けられ、前記第１の構成ユニットを前記第２
    の構成ユニットに対して回動可能に支持する関節機構装
    置であって、 それぞれ内部の圧力変化に応じて伸縮する第１の伸縮部
    及び第２の伸縮部を伸縮方向に略対称に配置してなる伸
    縮手段と、 前記伸縮手段の伸縮方向を決定する方向決定手段と、 一端を前記第１の構成ユニットに固定する第１の固定部
    と、 他端を前記第２の構成ユニットに固定する第２の固定部
    と、を具備することを特徴とする関節機構装置。
20. 【請求項２０】さらに、前記第１の固定部に対する前記
    第２の固定部の回転角度を測定する回転角度検出手段を
    備えたことを特徴とする請求項１９に記載の関節機構装
    置。
21. 【請求項２１】前記回転角度検出手段は、前記第１及び
    前記第２の固定部間を連結するレバー部材と、前記レバ
    ー部材の前記第１の固定部に対する回転量を測定する測
    定部とで構成されることを特徴とする請求項２０に記載
    の関節機構装置。
22. 【請求項２２】前記第１及び第２の伸縮部は蛇腹でな
    り、 前記方向決定手段は、前記第１及び第２の伸縮部の間に
    固着された可撓部を有し、前記第１及び第２の伸縮部の
    内部圧力の相違に基づく該可撓部の撓みにより前記伸縮
    手段の伸縮方向を決定することを特徴とする請求項１９
    に記載の関節機構装置。
23. 【請求項２３】前記第１の固定部と前記第２の固定部の
    回転軸を設定する回転軸設定手段をさらに備えることを
    特徴とする請求項１９に記載の関節機構装置。
24. 【請求項２４】第１の構成ユニットと第２の構成ユニッ
    トの間に設けられ、前記第１の構成ユニットを前記第２
    の構成ユニットに対して回動可能に支持する関節機構部
    によって少なくとも１つの関節が構成されたロボット装
    置であって、該関節機構部は、 それぞれ内部の圧力変化に応じて伸縮する第１の伸縮部
    及び第２の伸縮部を伸縮方向に略対称に配置してなる伸
    縮手段と、 前記伸縮手段の伸縮方向を決定する方向決定手段と、 一端を前記第１の構成ユニットに固定する第１の固定部
    と、 他端を前記第２の構成ユニットに固定する第２の固定部
    と、を具備することを特徴とするロボット装置。
25. 【請求項２５】さらに、前記第１及び前記第２の固定部
    間を連結するレバー部材と、前記レバー部材の前記第１
    の固定部に対する回転量を測定する測定部とで構成さ
    れ、該測定部の作動量に応じて前記第１の固定部に対す
    る前記第２の固定部の回転角度を測定する回転角度検出
    手段を備えたことを特徴とする請求項２４に記載のロボ
    ット装置。
26. 【請求項２６】前記第１及び第２の伸縮部は蛇腹でな
    り、 前記方向決定手段は、前記第１及び第２の伸縮部の間に
    固着された可撓部を有し、前記第１及び第２の伸縮部の
    内部圧力の相違に基づく該可撓部の撓みにより前記伸縮
    手段の伸縮方向を決定することを特徴とする請求項２４
    に記載のロボット装置。
27. 【請求項２７】さらに、前記蛇腹に対する空気の流出入
    を制御するために請求項１５に記載のバルブ装置を含む
    ことを特徴とする請求項２６に記載のロボット装置。
28. 【請求項２８】さらに、前記蛇腹に対する空気の流出入
    を制御するために請求項１８に記載のバルブ装置を含む
    ことを特徴とする請求項２６に記載のロボット装置。
29. 【請求項２９】さらに、前記蛇腹に供給する空気圧を発
    生する空気圧発生装置と、前記空気圧発生装置により発
    生した空気圧の前記蛇腹への供給／遮断を行うバルブ装
    置と、前記バルブ装置及び／又は空気圧発生装置の動作
    を制御する制御装置とを備えることを特徴とする請求項
    ２６に記載のロボット装置。