JP2002303303A - 螺旋チューブアクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構成で効率よく円滑な曲げ動作ができ
るとともに大きなトルクが得られ、身体に装着したとき
に、違和感なく円滑に関節動作を補助することができ、
各種曲げ動作のアクチュエータやバネ手段として適用可
能な螺旋チューブアクチュエータを提供する。 【解決手段】 螺旋状チューブ２の所定の位置に該チュ
ーブの断面形状変化を抑えるための拘束部材７を取付
け、該チューブ内の流体圧力を変えることにより、該チ
ューブの螺旋の中心軸Ｃを曲げる螺旋チューブアクチュ
エータ１であって、螺旋１巻きのチューブ２について前
記拘束部材７の長さは、円周の長さの半分以下とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、螺旋チューブを用
いた流体圧駆動のアクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】身体の肘や膝等に取付けて関節動作を補
助するための福祉機器として空圧アクチュエータやラバ
ーアクチュエータ等を用いた身体装着型のアクチュエー
タが開発されている。しかしながら、これらはいずれ人
間の動作に馴染まず関節動作に充分追従して円滑な補助
動作ができず、また取付けた場合にも違和感を生じ装着
感が悪かった。

【０００３】一方、震災地等において瓦礫内を進行して
被災者の捜索救助活動に使用可能なアクチュエータとし
て、柔軟で自由に屈曲できる流体圧駆動の能動ホースが
本願発明者等により開発されている。

【０００４】この能動ホースは、柔らかく伸びのない３
本のチューブを３条の螺旋状に巻いて円筒形状のホース
を形成したものである。各チューブには、それぞれ螺旋
１巻きごとにその円周上の所定の位置で所定の長さにわ
たって拘束部が設けられる。この拘束部は、空気が遮断
されない程度にチューブを潰して膨らみを防止する部分
である。このチューブに空気を供給することにより、拘
束部以外の自由部が膨張して螺旋の中心軸を曲げて螺旋
チューブ全体を湾曲させる。３本のチューブの拘束部の
位置をずらせることにより、空気を供給するチューブを
選択してホース全体の曲り方向を変えることができる。

【０００５】従来開発された３本の螺旋チューブを用い
たアクチュエータにおいては、拘束部の位置を円周上で
各チューブごとに１２０度ずつ位相をずらせて各チュー
ブの屈曲方向を変えるとともに、各チューブの拘束部の
長さを円周の３分の２とし、自由部の長さを残りの３分
の１として膨張させたときに各チューブの自由部同士の
干渉防止を図っていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記螺
旋チューブアクチュエータにおいては、螺旋チューブの
拘束部の長さが螺旋１巻きの円周の３分の２を占め、自
由膨張部の長さが３分の１と短いため、空気を供給した
ときの膨張による曲り度合いが小さく、屈曲角度を大き
くするには螺旋巻き回数を多くしなければならず形状が
大型化するとともに、動作速度低下の要因となる。ま
た、隣接する自由膨張部同士の圧接面積が小さいため、
空気圧を供給したときに大きな押付け力が得られずアク
チュエータの曲げトルクが小さかった。逆に、大きな屈
曲トルクを得ようとすれば空気圧を大きくしなければな
らず装置が大型化する。

【０００７】本発明は上記従来技術を考慮したものであ
って、簡単な構成で効率よく円滑な曲げ動作ができると
ともに大きなトルクが得られ、身体に装着したときに、
違和感なく円滑に関節動作を補助することができ、各種
曲げ動作のアクチュエータやバネ手段として適用可能な
螺旋チューブアクチュエータの提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明においては、螺旋状チューブの所定の位置に
該チューブの断面形状変化を抑えるための拘束部材を取
付け、該チューブ内の流体圧力を変えることにより、該
チューブの螺旋の中心軸を曲げる螺旋チューブアクチュ
エータであって、螺旋１巻きのチューブについて前記拘
束部材の長さは、円周の長さの半分以下であることを特
徴とする螺旋チューブアクチュエータを提供する。

【０００９】この構成によれば、螺旋チューブを用いた
簡単な構成で、チューブの拘束部の長さを短くして膨張
する部分を長くし、チューブ内に圧縮空気等の流体を導
入して螺旋の円周の半分以上の範囲を膨らませることに
より、効率よく螺旋中心軸を大きく曲げることができる
とともに、チューブの膨張部分の接触面積が大きくなる
ため、空気等の流体圧力による押付け力が大きくなり大
きな曲げトルクが得られる。

【００１０】さらに好ましい構成例では、前記拘束部材
の取付け位置の位相が異なる複数の螺旋状チューブを、
それぞれの螺旋の中心軸を整合させて結合したことを特
徴としている。

【００１１】この構成によれば、前述のように円周上で
短い範囲を拘束する拘束部材の位置をずらせてそれぞれ
独立して流体が供給される複数本の螺旋チューブを、各
中心軸同士が一致するように結合しているため、流体を
供給するチューブを選択することにより、拘束部材の位
置に応じて曲り方向を変えることができる。

【００１２】別の構成例では、前記チューブが縮んだ状
態で円周方向の位相がずれた２位置同士を連結部材で連
結し、該チューブを伸ばすことにより前記連結部材に引
張り力を作用させて前記２位置の位相が整合するように
螺旋チューブをねじれ動作させることを特徴としてい
る。

【００１３】この構成によれば、チューブが縮んだ状態
で、螺旋チューブの螺旋の中心軸に対し連結部材を斜め
に取付け、この状態から圧縮空気等をチューブ内に供給
して螺旋チューブ全体を軸方向（螺旋の中心軸方向）に
引き伸ばすことにより、連結部材が引張られて軸に対し
真直ぐになるように力が作用するため、螺旋チューブが
その螺旋中心軸廻りにねじれ動作する。

【００１４】さらに本発明では、螺旋状チューブ内の空
気圧を変えることにより、該チューブを螺旋の中心軸方
向に伸縮させる螺旋チューブアクチュエータであって、
該螺旋状チューブを螺旋バネとして用いたことを特徴と
する螺旋チューブアクチュエータを提供する。

【００１５】この構成によれば、本来バネ定数は、バネ
を構成する材料の固有値として定まっているが、このバ
ネ定数を螺旋チューブ内に供給する流体圧力に応じて変
えることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態について説明する。図１は、本発明に係る螺旋チ
ューブアクチュエータの基本構成図である。このアクチ
ュエータ１は、螺旋チューブ２とその端部に接続された
切換機構３により構成される。切換機構３は２つの電磁
弁４，５により構成される。一方の電磁弁４は圧縮空気
源６に接続され、他方の電磁弁５大気に開放される。螺
旋チューブ２の他方の端部は封止されている。切換機構
３の操作により螺旋チューブ２に空気圧を供給したり螺
旋チューブ２の空気圧を抜いて大気に開放することによ
り、この螺旋チューブ２をその中心軸Ｃ方向に伸縮させ
る。

【００１７】図２は、図１のアクチュエータ１の基本動
作説明図である。加圧前の状態（図１の電磁弁４が閉じ
て空気圧を遮断し、電磁弁５が閉じて外部と遮断又は開
いて大気に開放している状態）では、（Ａ）に示すよう
に、螺旋チューブ２は、扁平に縮んだ状態である。この
状態から図１の電磁弁４を開いて圧縮空気源６に連通
し、電磁弁５を閉じる。これにより、（Ｂ）に示すよう
に、螺旋チューブ２が膨らんで螺旋チューブ全体が螺旋
の中心軸Ｃ方向に伸びる。螺旋チューブ２が所定の圧力
に達したら電磁弁４を閉じて該螺旋チューブ２内を所定
の圧力に維持する。なお、螺旋チューブは、柔軟性があ
り、かつ圧力を作用させても殆ど延びない例えばウレタ
ン樹脂等の合成樹脂材料により構成される。

【００１８】このようにアクチュエータ１を螺旋の中心
軸Ｃ方向に伸縮させることにより、このアクチュエータ
１を例えば螺旋バネとして用いることができる。

【００１９】図３は、アクチュエータ１を空圧の螺旋バ
ネとして用いた場合のバネ定数の説明図である。圧力Ｐ
の空気圧が導入された状態で、螺旋チューブ２は、断面
形状が半径Ｒの円形である。この状態で、押付け力Ｆが
作用すると螺旋チューブ２の断面は、扁平形状となる。
この場合、断面形状が変わっても円周長さは変わらない
から、 ２πＲ＝２ｙ＋２πｒ であり、したがって、 ｙ＝π（Ｒ−ｒ）＝πｘ となる。ただしｘは力Ｆによる変位量、ｙは扁平部分の
長さである。

【００２０】チューブ内圧力はＰだから Ｆ∝Ｐｙ＝πＰｘ となる。バネ定数をｋとすれば、 Ｆ＝ｋｘだからｋｘ∝πＰｘ となる。すなわち、ｋ∝Ｐとなり、バネ定数ｋはチュー
ブ内の圧力Ｐに比例する。

【００２１】したがって、この螺旋チューブ２によるア
クチュエータ１を螺旋空気バネとして用いれば、そのバ
ネ定数を空気圧を調整することにより変えることがで
き、任意の所望弾性力の空気バネが得られる。

【００２２】図４は、本発明の別の実施形態の構成説明
図である。この実施形態のアクチュエータ１では、螺旋
チューブ２の円周の１ヵ所に拘束部材７が取付けられ
る。この拘束部材７は、螺旋チューブ２を扁平状態に保
持するためのものである。この実施形態では、拘束部材
７は、複数回巻かれた螺旋チューブ（図では５回巻き）
の各円周の螺旋チューブ２を扁平状態に拘束するととも
に各螺旋チューブ２が離れて広がらないように全体の長
さを拘束する。

【００２３】図５は拘束部材７の位置説明図である。拘
束部材７は、螺旋チューブ２の円周長さの半分以下、す
なわち半径方向の放射角度αが１８０度以下の範囲で螺
旋チューブ２を拘束する。この拘束部材７の拘束範囲
（長さ）は、空気圧を供給したときの螺旋チューブ２の
屈曲角度をなるべく大きくし且つ屈曲時のトルクを大き
くするためになるべく短いことが望ましい。この拘束部
材として殆ど幅のない線材を用いてもよい。なお、図５
では、切換機構３を構成する一方の電磁弁４を螺旋チュ
ーブ２の入口端部に設け、他方の電磁弁５を出口端部に
設けている。また、このように２つの電磁弁４，５に限
らず、１つの三方弁その他の切換弁機構を用いることも
できる。すなわち、螺旋チューブ２に対し、圧力空気供
給状態と、大気開放状態と、チューブ両端を封止した状
態に切換えることができれば、いかなる切換機構を用い
てもよい。

【００２４】また、拘束部材７は、螺旋チューブを空気
が抜かれた扁平形状に維持する構成に限らず、空気（ま
たは他の流体）が導入された膨張状態に維持する構成と
し、螺旋チューブから流体を抜くことにより螺旋チュー
ブの螺旋中心軸を曲げるように構成してもよい。

【００２５】図６は、上記図４、図５の実施形態の動作
説明図である。螺旋チューブ２に圧縮空気を供給する前
の加圧前の状態では、前述の図２の場合と同様に、
（Ａ）に示すように、螺旋チューブ２は扁平状態であ
る。圧縮空気を供給した加圧状態では、（Ｂ）に示すよ
うに、拘束部材７以外の部分が膨張してチューブの並び
方向（図の縦方向）の長さが伸びるため、螺旋の中心軸
Ｃが曲がる。

【００２６】図７は、本発明のさらに別の実施形態の説
明図である。この実施形態のアクチュエータ１は、螺旋
チューブ２の両端部に円板８ａ，８ｂが取付けられ、両
円板８ａ，８ｂを連結してワイヤまたは細い棒材や帯材
からなる連結部材９が設けられる。連結部材９は、
（Ａ）に示すように、螺旋チューブ２が縮んだ状態で、
円板８ａ，８ｂの円周方向の位相がずれた位置同士を斜
めに連結する。この状態から圧縮空気を供給することに
より、（Ｂ）に示すように、螺旋チューブ２が螺旋中心
軸方向に矢印Ａのように伸びる。これに伴って、連結部
材９に引張り力が作用し、螺旋中心軸方向に真直ぐにな
ろうとする力が発生して両円板８ａ，８ｂを相互にねじ
れ動作させる。したがって、円板８ａが円板８ｂに対し
矢印Ｂのように回転する。

【００２７】図８〜図１１は本発明の別の実施形態を示
し、図８は分解構成図、図９は組合せた状態の斜視図、
図１０は平面構成図、図１１は動作説明図である。この
実施形態は、図８に示すように、螺旋の円周上でそれぞ
れ位相がずれた位置に拘束部材７ａ，７ｂ，７ｃを装着
した３本の螺旋チューブ２ａ，２ｂ，２ｃを、図９に示
すように、螺旋の中心軸Ｃを整合させて３条の螺旋を形
成するように順番に配設して連結したものである。

【００２８】拘束部材７ａ，７ｂ，７ｃは、図１０に示
すように、円周上で位相を１２０度ずつずらせた位置に
設けられる。各螺旋チューブ２ａ，２ｂ，２ｃに前述の
切換機構３ａ，３ｂ，３ｃが接続される。各切換機構３
ａ，３ｂ，３ｃは選択回路１０に接続され、アクチュエ
ータ１を曲げる方向に応じて各螺旋チューブ２ａ，２
ｂ，２ｃに対し空気圧を選択的に供給する。

【００２９】図１１は、螺旋チューブ２ａ，２ｂに空気
圧を供給した状態を示す。各螺旋チューブ２ａ，２ｂ
は、各拘束部材７ａ，７ｂの反対方向に供給圧力の強さ
に応じて曲がろうとする。したがって、アクチュエータ
１は全体として、両方の螺旋チューブ２ａ，２ｂの曲げ
ベクトル（拘束部材の位置による曲り方向と供給圧力に
よる曲げ力からなるベクトル）を合わせた方向に曲が
る。この場合、空気圧を供給したときに、３本の螺旋チ
ューブからなるアクチュエータ１が螺旋の中心軸方向に
伸びないように、アクチュエータ１の両端部に設けた円
板８ａ，８ｂ同士を螺旋の中心軸に沿って設けた拘束ワ
イヤ（不図示）により連結しておくことが望ましい。こ
れにより、各螺旋チューブに空気圧を供給して拘束部材
以外の部分を膨張させたときに、拘束部材同士が離れる
ことなく確実にアクチュエータを曲げることができる。

【００３０】このような構成により、空気圧を供給する
螺旋チューブを選択してその空気圧を制御することによ
り任意の方向にアクチュエータを曲げることができる。

【００３１】図１２および図１３は本発明のさらに別の
実施形態を示す。この実施形態は、前述の図８で示した
３本の螺旋チューブ２ａ，２ｂ，２ｃを図９のように３
条螺旋として入り組ませる構成に代えて、図１２に示す
ように、各螺旋チューブをそれぞれ２ａ，２ｂ，２ｃご
とに連結してこれらを順番に３段に連続させてアクチュ
エータ１を構成したものである。螺旋チューブ２ａ，２
ｂ，２ｃを選択して空気圧を供給することにより、前述
の図８〜図１１の例と同様にアクチュエータ１を任意の
方向に曲げることができる。

【００３２】図１３は螺旋チューブ２ａおよび２ｃに空
気圧を供給した状態を示す。螺旋チューブ２ａ，２ｃの
拘束部材７ａ，７ｃ以外の部分が膨張してこれらの螺旋
チューブがそれぞれ曲がり、全体として前述の実施形態
と同様に螺旋チューブ２ａ，２ｃの曲げベクトルを合わ
せた方向に曲がる。この場合、各螺旋チューブの拘束部
材７ａ，７ｂ，７ｃは、７ａ同士、７ｂ同士および７ｃ
同士でそれぞれ分離しないように連結してアクチュエー
タ全体の軸方向の長さが変わらないようにしておくこと
が望ましい。

【００３３】図１４は、本発明に係る螺旋チューブアク
チュエータの使用例を示す。この例は、前述の図４のア
クチュエータ１を肘に装着して肘の関節動作を補助する
例である。螺旋チューブ２は空圧源（不図示）に接続さ
れている。手の平および／または手首に手および腕の動
作を検出するための検知スイッチ１１，１２を取り付
け、肘を曲げようとする動作が検出されると、前述の切
換機構３またはこの検知スイッチ自体を介して空気圧が
導入される。これにより、アクチュエータ１が曲がり関
節動作を補助する。

【００３４】このような関節動作補助用のアクチュエー
タは、手袋の各指に適用して指の動作を補助したり、あ
るいは膝や足首等の補助動作をさせることができる。こ
のようなアクチュエータは、空気圧の螺旋チューブで構
成されるため、容易に違和感なく身体に装着できるとと
もに装着感も良好である。このような身体に装着するア
クチュエータは、各種スポーツ技術の矯正や関節動作機
能が低下したときのリハビリ運動に用いることができ
る。また、宇宙船外活動における宇宙服を着たときの動
作を円滑にするために用いることもできる。宇宙船外活
動においては、専用の圧縮空気源を準備することなく、
呼吸用の酸素等のガス圧を用いてアクチュエータを駆動
することができる。

【００３５】また、本発明の螺旋チューブアクチュエー
タは、震災現場等において、瓦礫内の狭い隙間を曲りな
がら進行可能で大きなトルクが空気圧により容易に得ら
れるため、倒壊した建物内等で被災者を捜索救出するた
めのロボットの駆動装置として有効に用いることができ
る。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、螺旋
チューブを用いた簡単な構成で、チューブの拘束部の長
さを短くして膨張する部分を長くし、チューブ内に圧縮
空気等の流体を導入して螺旋の円周の半分以上の範囲を
膨らませることにより、効率よく螺旋中心軸を大きく曲
げることができるとともに、チューブの膨張部分の接触
面積が大きくなるため、空気等の流体圧力による押付け
力が大きくなり大きな曲げトルクが得られる。これを利
用して、容易に任意の方向に曲げ動作させて曲げトルク
の大きなアクチュエータが実現可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態の基本構成図。

【図２】 図１の実施形態の動作説明図。

【図３】 本発明の空気バネのバネ力の説明図。

【図４】 本発明の別の実施形態の構成図。

【図５】 図４の実施形態を上面から見た配置説明図。

【図６】 図４の実施形態の動作説明図。

【図７】 本発明の別の実施形態の動作説明図。

【図８】 本発明のさらに別の実施形態の分解構成説明
図。

【図９】 図８の実施形態の組立て状態の斜視図。

【図１０】 図８の実施形態を上から見た配置説明図。

【図１１】 図８の実施形態の動作説明図。

【図１２】 本発明のさらに別の実施形態の構成説明
図。

【図１３】 図１２の実施形態の動作説明図。

【図１４】 本発明の使用例の説明図。

【符号の説明】

１：アクチュエータ、２，２ａ，２ｂ，２ｃ：螺旋チュ
ーブ、３，３ａ，３ｂ，３ｃ：切換機構、４，５：電磁
弁、６：圧縮空気源、７，７ａ，７ｂ，７ｃ：拘束部
材、８ａ，８ｂ：円板、９：連結部材、１０：選択回
路、１１，１２：検知スイッチ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3H081 AA01 AA18 AA22 AA31 BB03 CC23 DD21 HH10

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】螺旋状チューブの所定の位置に該チューブ
   の断面形状変化を抑えるための拘束部材を取付け、該チ
   ューブ内の流体圧力を変えることにより、該チューブの
   螺旋の中心軸を曲げる螺旋チューブアクチュエータであ
   って、 螺旋１巻きのチューブについて前記拘束部材の長さは、
   円周の長さの半分以下であることを特徴とする螺旋チュ
   ーブアクチュエータ。
2. 【請求項２】前記拘束部材の取付け位置の位相が異なる
   複数の螺旋状チューブを、それぞれの螺旋の中心軸を整
   合させて結合したことを特徴とする請求項１に記載の螺
   旋チューブアクチュエータ。
3. 【請求項３】螺旋状チューブ内の流体圧力を変えること
   により、該チューブを螺旋の中心軸方向に伸縮させ又は
   該中心軸を曲げる螺旋チューブアクチュエータであっ
   て、 前記チューブが縮んだ状態で円周方向の位相がずれた２
   位置同士を連結する連結部材を取付け、該チューブを伸
   ばすことにより前記連結部材に引張り力を作用させて前
   記２位置の位相が整合するように螺旋チューブをねじれ
   動作させることを特徴とする螺旋チューブアクチュエー
   タ。
4. 【請求項４】螺旋状チューブ内の流体圧力を変えること
   により、該チューブを螺旋の中心軸方向に伸縮させる螺
   旋チューブアクチュエータであって、 該螺旋状チューブを螺旋バネとして用いたことを特徴と
   する螺旋チューブアクチュエータ。