JP2004090193A - Actuator and hand device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所要の作動を行うアクチュエータに関し、特に、弾性体の弾性力を一方向の作動に利用することで簡易な構造で種々の作動形態を実現したアクチュエータ及びハンド装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、産業用及び福祉介護用等のロボットのハンド装置は、モータ及びシリンダ等のアクチュエータを電気的に制御することで作動される。一方、昨今、このような装置に比べてメカニカルな部分を削減して簡易な構造で各種作動を実現したアクチュエータが登場している。
【0003】
図18(a)のアクチュエータ1は、湾曲形状の筒状弾性体1aにぜんまい状ばね1bを密着させると共に両端部に封止部材1cを夫々取り付けて内部を密閉し、筒状弾性体1aの内部に空気を供給することで筒状弾性体1aを伸長させている(特許文献1参照。)。
また、図18(b)の把持装置2は、一端を封止部材2cで閉鎖したホース2aの内部にばね鋼又は形状記憶合金からなる弾性部材2bを挿通し、ホース2aの内部に流体を供給することで、弾性部材2bの弾性力に抗してホース2aを変形させている(特許文献2参照。)。
【0004】
さらに、図18(c)のアクチュエータ3は、複数の把持部材3aをばね3bで連結すると共に、各把持部材3aを貫通するように形状記憶合金管3cを取り付けている。アクチュエータ3は、形状記憶合金管3cの内部に温液が流入させることで湾曲され、冷液を流入させることで直線状に伸長させる作動を行う(特許文献3参照。)。
【0005】
【特許文献1】
特開平5−164110号公報
【特許文献2】
特開平8−168989号公報
【特許文献3】
特開平6−339887号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
図18(a)のアクチュエータ1は、硬度のある金属製のぜんまい状ばね1bを表出させているので、金属が直接人体に触れる場合が生じるので福祉介護用のロボットのハンド装置に適用するのは好適でないと云う問題がある。また、筒状弾性体1aの伸長状態と巻回状態に変形させる作動は、空気の供給及びぜんまい状ばね1bの弾性力に依存するので、複雑な動作を行えない問題もある。さらに、筒状弾性体1aは封止部材1cを取り付けて内部を密閉するため、封止部材1cの取付後にシール性等を確認する必要があり製作に手間を要すると云う問題がある。
【0007】
図18(b)の把持装置2は、細いホース2a自体を把持部材として使用しているので、小片等の小さい物体等を把持する場合に適用するのが困難になる問題がある。また、把持装置2も、作動を流体の供給及び弾性部材2bの弾性力に依存しているため、一様な作動しか行えない問題がある。
【0008】
図18(c)のアクチュエータ3は、把持部材3aをばね3bで連結する構成であるため、部品点数も多く組立に手間を要する問題がある。また、一本の形状記憶合金管3cの変形に追従させて作動させるため、単純な動作しか行えない問題がある。さらに、把持部材3a、ばね3b及び形状記憶合金管3c等の硬度のある部材が表面に露出しているので、アクチュエータ3を福祉介護に用いるのは適切でない問題もある。
【0009】
本発明は、斯かる問題に鑑みてなされたものであり、弾性の作動体の内部に直接、可撓性管又は形状記憶合金部材を貫通配置することで、表面がソフトであると共に一段と簡易な構造で種々の作動を行うアクチュエータを提供することを目的とする。
また、本発明は、作動体の形状を棒状又は板状にすることで、様々な用途に適用できるアクチュエータを提供することを目的とする。
【0010】
さらに、本発明は、作動体を複数の弾性部材を組み合わせて構成することにより、多様な動作を可能にしたアクチュエータを提供することを目的とする。
さらに、また、本発明は、可撓性管又は形状記憶合金部材を複数配置することにより、複雑な作動にも対応可能にしたアクチュエータを提供することを目的とする。
また、本発明は、各種アクチュエータを組み合わせることで、簡易な構造で人体の手と近似した作動を行うことができるハンド装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、第1発明に係るアクチュエータは、弾性曲状体と、該弾性曲状体の内部を貫通しており、一端が閉鎖してある可撓性管と、該可撓性管の他端から管内に流体を供給することで、前記弾性曲状体を伸長させる伸長手段とを備えることを特徴とする。
【0012】
第1発明にあっては、可撓性管を弾性曲状体の内部に貫通させた簡易な構造にしており、可撓性管の内部に気体又は液体等の流体を供給することで、可撓性管が直線状に伸長させる。このように可撓性管を伸長させることで可撓性管は剛体となり、その結果、曲がり形状の弾性曲状体を追従させて直線状に伸長させることができる。また、流体の供給を停止すると、可撓性管の剛性が弱まり弾性曲状体が有する弾性力が優勢となり、自然と元の曲がり形状に戻る。よって、アクチュエータは、伸長側の動作は流体の供給で行い、曲がり側の動作は弾性力で行うことにより、簡易な構造で所要の作動を実現できる。
【0013】
また、変形する弾性曲状体には表面がソフトで所要の弾性力を具備する天然ゴム及び合成ゴム等の各種ゴム、ポリオレフィン及びブロック共重合体ポリマー等の合成樹脂、並びに、発泡樹脂等の適用が可能である。なお、弾性曲状体の曲がり具合は、アクチュエータが適用される対象に応じて形状にすることが好ましく、湾曲形状及び屈曲形状等の様々な曲がり形状に形成してもよい。また、伸長手段は、流体の供給量及び供給圧を調節可能にして、伸長の速度及び伸長する程度等を調整することが好適である。
【0014】
第2発明に係るアクチュエータは、前記弾性曲状体が、伸長させた状態で棒状となることを特徴とする。
第2発明にあっては、弾性曲状体を伸長させた状態で棒状に形成することで、物体を把持する用途、及び、物体を押す用途等にアクチュエータを適用できる。また、これら各用途に対して、弾性曲状体の表面がソフトであるため作業対象となる物体を優しく取り扱うことができる。
【0015】
第3発明に係るアクチュエータは、前記弾性曲状体が、伸長させた状態で板状となることを特徴とする。
第3発明にあっては、弾性曲状体を伸長させた状態で板状に形成することで、物体を広い面で把持する動作、及び、広い面で物体を押す動作等に対応可能となり、アクチュエータの適用用途を広げることができる。
【0016】
第4発明に係るアクチュエータは、前記可撓性管が、複数であり、該各可塑性管の一端は、前記弾性曲状体の内部の相違する箇所に夫々配置してあることを特徴とする。
【0017】
第4発明にあっては、複数の可撓性管を、一端が一致しないように配置することで、多様な伸長作動を実現できる。例えば、一本目の可撓性管を一端が可撓性管の先端付近に位置するように配置させると共に、2本目の可撓性管を一端が長手方向の湾曲している中間箇所に位置するように配置させることで、各可撓性管に流体を供給した場合、直線状になる範囲が相違し、それに伴い弾性曲状体を部分的に変形させることが可能になる。即ち、1本目の可撓性管のみに流体を供給した場合、弾性曲状体の先端付近のみが直線状に伸長し、2本目の可撓性管のみに流体を供給した場合は、中間箇所のみが伸長するので、各可撓性管への流体の供給を調節することで多様な変形動作を実現できる。
【0018】
第5発明に係るアクチュエータは、前記弾性曲状体の内部に複数の芯材が配置してあることを特徴とする。
第5発明にあっては、複数の芯材を内部に配置することで、弾性曲状体に所要の剛性を持たせることができ、物体の把持時及び押圧時等に弾性曲状体が弾性変形する程度を抑制して、把持力及び押圧力等を増強できる。なお、各芯材は、可撓性管の貫通方向を考慮して弾性曲状体の伸長を妨げないように配置することが重要である。また、各芯材同士は間隔を隔てて配置することで、変形時に節となる箇所を弾性曲状体に形成でき、節を変形支点とした作動を実現できる。
【0019】
第6発明に係るアクチュエータは、前記弾性曲状体が、複数の弾性部材を組み合わせてなることを特徴とする。
第6発明にあっては、複数の弾性部材を組み合わせて弾性曲状体を形成することで、内部に可撓性管を配置した弾性曲状体を容易に形成できる。例えば、棒状の弾性曲状体を形成する場合、可撓性管に各弾性部材を串刺し状に連続して取り付けていくことで、可撓性管を貫通させた弾性曲状体を簡単に形成できる。
【0020】
また、これら各弾性部材同士は、加熱による融着又は接着剤等による接着で連結一体化することが好ましく、このような弾性部材の連結箇所が伸縮動作における節として機能し、節毎に屈曲するような変形動作を実現できる。さらに、各弾性部材は弾性力が相違するものを組み合わせることで、部分的に弾性力が相違する弾性曲状体を形成でき、弾性体の弾性力を利用して元の状態に復元させる場合、弾性力の強弱に応じて複雑な戻り動作を行うことができる。
【0021】
第7発明に係るアクチュエータは、前記可撓性管が、複数であり、前記弾性曲状体は、複数の弾性部材を組み合わせてなり、該各弾性部材の内部に芯材を夫々配置しており、該各芯材に前記各可撓性管の一端が夫々当接してあることを特徴とする。
【0022】
第7発明にあっては、各弾性部材の内部に芯材を配置することで、複数の芯材により形成される節と各弾性部材の連結により形成される節とが一致し、なめらかな動作及び所要の剛性の確保を両立できる。また、複数の可撓性管の一端を各芯材に当接させることで、可撓性管が直線状に変形する場合、当接する一端で各芯材を押圧することになり、変形に係る作動力を芯材へ直接的に伝達でき、それに伴い弾性曲状体の変形に対する応答性も向上し、迅速で且つ力強い作動が可能になる。
【0023】
第8発明に係るアクチュエータは、弾性体と、昇温時の変形方向が、前記弾性体を変形させた場合に生じる弾性力の方向の反対方向となるように前記弾性体の内部に貫通配置してある形状記憶合金部材と、該形状記憶合金部材を昇温することで、前記弾性体を変形させる変形手段とを備えることを特徴とする。
【0024】
第8発明にあっては、弾性体の内部に形状記憶合金部材を貫通配置することで、形状記憶合金部材に対する昇温を制御するだけで、表面がソフトな弾性体を所要形状に変形できる。また、アクチュエータは、天然ゴム及び合成ゴム等の各種ゴム、ポリオレフィン及びブロック共重合体ポリマー等からなる弾性体の内部に形状記憶合金部材を配置するだけの簡易な構造であるため、機械的な回転部及び摺動部等は皆無にでき良好な製作性及びメンテナンス性等も確保できる。
【0025】
形状記憶合金部材に対する昇温の制御は、通電加熱又は温液加熱で対応できる。通電加熱を行う場合は、形状記憶合金部材を電流量の調節が可能な電源回路に接続し、通電させる電流量を調節することで形状記憶合金部材を所要の温度に加熱してアクチュエータの作動を制御できる。さらに、この電流量を調節する程度及び早さを適宜調節することで、アクチュエータの作動量及び作動速度等も制御可能になる。
【0026】
一方、温液加熱を行う場合は、形状記憶合金部材を全体がU字のように循環した管形状に形成し、一端部を温液供給側、他端部を温液排出側として温液供給器に接続すると共に、温液供給手段で供給する温液の温度を適宜調節することで、形状記憶合金部材を所要温度に加熱し、アクチュエータの作動を制御できる。また、温液を加熱する程度、加熱する早さ、及び、温液の供給速度等を適宜制御することで、アクチュエータの作動量及び作動速度等の制御も実現できる。
【0027】
なお、形状記憶合金部材には昇温時と常温時の各形状が様々なものを適用でき、例えば、常温時は直線状であり昇温時に曲線状に変形するもの、又は、逆に常温時は曲線状であり昇温時は直線状に変形するもの等を適用できる。また、弾性体は上述した形状記憶合金部材の常温時の形状で形成することで、弾性力の方向が形状記憶合金部材の変形方向と反対方向になり、降温時に形状記憶合金部材が元の形状に戻る変形を弾性力で補助することになり、アクチュエータの戻り側のスムーズな作動に貢献できる。
【0028】
第9発明に係るアクチュエータは、前記弾性体が、変形の前後いずれかの状態で棒状となることを特徴とする。
第9発明にあっては、第2発明と同様に弾性体を棒状にすることで、種々の用途に適用できる。
【0029】
第10発明に係るアクチュエータは、前記弾性体が、変形の前後いずれかの状態で板状となることを特徴とする。
第10発明にあっては、第3発明と同様に、弾性体を板状にすることで、用途範囲を広げることができる。
【0030】
第11発明に係るアクチュエータは、前記形状記憶合金部材が、複数であり、該各形状記憶合金部材の一端は、前記弾性体の内部の相違する箇所に夫々配置してあることを特徴とする。
第11発明にあっては、第4発明と同様に、複数の形状記憶合金部材により多様な作動形態を実現できる。
【0031】
第12発明に係るアクチュエータは、前記弾性体の内部に複数の芯材が配置してあることを特徴とする。
第12発明にあっては、第5発明と同様に、複数の芯材を配置することで、弾性体の剛性を向上できる。
【0032】
第13発明に係るアクチュエータは、前記弾性体が、複数の弾性部材を組み合わせてなることを特徴とする。
第13発明にあっては、第6発明と同様に、複数の弾性部材を組み合わせることで、形状記憶合金部材を貫通配置した弾性体を容易に形成できる。
【0033】
第14発明に係るアクチュエータは、前記形状記憶合金部材が、複数であり、前記弾性体は、複数の弾性部材を組み合わせてなり、該各弾性部材の内部に芯材を夫々配置しており、該各芯材に前記各形状記憶合金部材の一端が夫々当接してあることを特徴とする。
第14発明にあっては、第7発明と同様に、応答性が高く迅速で且つ力強い変形作動を実現できる。
【0034】
第15発明に係るハンド装置は、前記アクチュエータの板状となる弾性曲状体又は弾性体に、前記アクチュエータの棒状の弾性曲状体又は弾性体が取り付けてあることを特徴とする。
第15発明にあっては、板状の弾性曲状体又は弾性体に棒状の弾性曲状体又は弾性体を取り付けているので、簡易な構造で人体の手と同様な作動を行うハンド装置を形成できる。即ち、板状の弾性曲状体又は弾性体を含むアクチュエータを手のひら及び甲として機能させると共に、棒状の弾性曲状体又は弾性体を含むアクチュエータを指として機能させることで全体として手と同様な作動形態を実現できる。
【0035】
よって、各指に相当するアクチュエータと、手のひら及び甲に相当するアクチュエータとを個別に制御することで、物体の把持及び押圧以外に、じゃんけん、手文字と云った人体の手と同様な複雑な動きも行うことができ、表面がソフトであることも含めて福祉介護用等に対して好適に導入できる。
【0036】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。
図1(a)は本発明の第1の実施形態に係るアクチュエータ10の全体構成図である。アクチュエータ10は弾性曲状体である作動体11の内部に可撓性管であるチューブ12を貫通しており、このチューブ12の内部に流体として液体を供給する伸長手段の操作制御器13を接続している。
【0037】
作動体11は、図2にも示すように、合成ゴムを材質に用いてJ字状で成形されており、図中の一点鎖線に示すように直線の棒状に変形させると、元のJ字状に復元しようとする弾性力(図中、矢印で示す)が先端11aを含む作動体11の湾曲した中間部11cに発生する。なお、作動体11は、成形用の型内にチューブ12を配置した状態で成形をすることで、内部にチューブ12を貫通させており、その結果、チューブ12は作動体11の先端11aから他端11bへと配置されると共に他端11bから外方へ延出されている。
【0038】
チューブ12は、一端12aが閉鎖された所要の形状に撓むことが可能な細径のチューブ(本実施形態ではφ3mm)であり、内部に液体が充填されていない場合は、作動体11と同等のJ字状になり、内部に液体が供給されて内部全体が液体で充填された場合、直線状の剛体になる。本実施形態のチューブ12には、J字状から直線状に変形する際の変形力が作動体11の弾性力より大きいものを適用している。
【0039】
また、操作制御器13は、図1(a)、図3に示すように、制御器14、切換バルブ15、操作部16、作動源部17及び圧力センサ18を具備している。制御器14は、操作部16の操作と圧力センサ18の検知信号に基づいて切換バルブ15を切り換える制御及び後述する作動源部17のモータ17bの制御を行うものである。切換バルブ15は、制御器14の制御に応じてチューブ12と作動源部17とを流通させた状態(図3に示す状態)とチューブ12と作動源部17との間を遮断した状態に切り換えるものである。
【0040】
操作部16は、作動体11を作動させる所要の操作を受け付けるものである。さらに、作動源部17は、液体の供給及び吸い出しを行うポンプ17a、ポンプ17aを駆動するモータ17b及びチューブ12に供給する液体を蓄えるタンク17cを内蔵している。
【0041】
モータ17bは、回転、回転停止及び回転方向が制御器14により制御されており、チューブ12及び作動源部17が流通している状態で、モータ17を一方向に回転させることでチューブ12へ液体を供給すると共に他方向に回転させることでチューブ12内の液体をタンク17cへ吸い出すようにしている。
【0042】
また、圧力センサ18は、チューブ12の他端12bと接続されており、チューブ12が直線状に変形する際の基準圧力値を設定可能にしており、チューブ12内の現在の圧力を検知し、検知された圧力値が設定された基準圧力値と同等になると検知信号を制御器14へ出力している。なお、制御器14は、出力された検知信号を受け付けると切換バルブ15がチューブ12と作動源部17が遮断するような制御を行う。
【0043】
次に、上述した構成のアクチュエータ10における作動体11の作動状況を説明する。
作動体11は、チューブ12に液体が供給されていない状態では、作動体11自身の弾性力で図1(a)に示すJ字状の形状になり、この状態を作動体11の先端11aの原点位置にし、弾性力で物体P1の把持を可能にしている。
【0044】
上記状態から、作動体11の作動操作を操作部16で行うことで、制御器14がモータ17bを液体の供給側へ回転させると共に切換バルブ15を流通側へ移動させることで、チューブ12に液体を供給する。チューブ12は液体が供給されることで、作動体11の弾性力に抗して徐々に直線状に変形していく。また、この変形により把持されている物体P1は解放されることになる。
【0045】
作動体11は、上述したチューブ12の変形に伴い、図1(b)に示すように、先端11a付近の部分の曲がりが徐々に緩和され、最終的に直線状態に伸長する。この直線状態では、チューブ12の内部の圧力が基準圧力値に達し、圧力センサ18から検知信号が制御器14へ出力されると共に、制御機14は検知信号を受けて切換バルブ15を遮断側へ移動させる。このような制御を行うことで作動体11は直線状態の形状が維持される。
【0046】
また、作動体11の先端11aを原点位置に戻すには、原点に戻す操作を操作部16で行うことにより、制御器14がモータ17bを吸い出し側へ回転させると共に切換バルブ15を流通側へ移動させることで、チューブ12に充填されている液体をタンク17cへ吸い出している。この液体の吸い出しに伴い、チューブ12の剛性が徐々に低下して、作動体11の弾性力が優勢になり始め、先端11aを含む箇所の曲率が強くなり、最終的にチューブ12内の液体が全て吸い出されると、作動体11の弾性力により元のJ字状になり、先端11aが原点位置に戻る。
【0047】
このように第1の実施形態に係るアクチュエータ10の作動体11は、メカニカル的な部分を持たない構造で、J字状態と直線状態との間を自由に変形でき、しかも、作動体11は弾性を有する表面がソフトな合成ゴム製であるため、壊れやすい物体の把持及び福祉介護用等に好適に導入できる。
【0048】
なお、第1の実施形態に係るアクチュエータ10は、上述した形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、作動体11は、合成ゴム以外にも、天然ゴムのような各種ゴム、発泡樹脂、ポリオレフィン及びブロック共重合体ポリマー等の合成樹脂を適用して形成されるようにしてもよく、また形成される形状もJ字状以外の他の湾曲及び屈曲形状等にしてもよい。さらに、チューブ12に供給する流体には気体を適用することも可能である。
【0049】
図4(a)(b)は、第1の実施形態の変形例に係るアクチュエータ20である。変形例のアクチュエータ20は、作動体21の変形を形状記憶合金部材の変形により作動変形させる点がアクチュエータ10と相違している。即ち、アクチュエータ20は、弾性体である作動体21の内部に線状の形状記憶合金部材22を貫通配置している。この貫通配置の状況は、常温で図4(a)に示す作動体21と同等のJ字状である形状記憶合金部材22の昇温時の変形方向が、作動体21の変形時に生じる弾性力の方向(図中、矢印方向で示す)の反対方向となるようにしている。なお、形状記憶合金部材22は昇温により直線状に変形し、この変形力は作動体21の弾性力より大きくなるようにしている。
【0050】
また、形状記憶合金部材22は、作動体21の先端21a側に対応する一端22aに第1電線29aを接続し、作動体21の後端21b側の他端22bには第2電線29bを接続している。これら第1及び第2電線29a、29bは作動体21の後端21bより外方へ延出して操作制御器23と接続されている。操作制御器23は、作動スイッチ24及び直流電源25を具備しており、直流電源25の陰極側に第1電線29aを接続すると共に、作動スイッチ24に第2電線29bを接続している。
【0051】
アクチュエータ20の作動体21を変形作動させるには、図4(b)に示すように、操作制御器23の作動スイッチ24をオフからオンにして、形状記憶合金部材22に直流電源25の電流を通電させる。形状記憶合金部材22は通電されることで自身の内部抵抗により発生するジュール熱により加熱されて昇温し、作動体21の弾性力に抗して、昇温に伴いJ字状の湾曲状態から直線状態に変形する。なお、この直線状態は通電を継続することで維持される。
【0052】
また、作動体21を図4(b)の直線状態から図4(a)のJ字状態に戻すには、作動スイッチ24をオンからオフにして、形状記憶合金部材22への通電を停止することで行う。形状記憶合金部材22は通電を停止されることでジュール熱が発生しなくなり徐々に降温し、その結果、作動体21の弾性力に従いながら常温時の形状のJ字状態に戻る。
【0053】
なお、変形例のアクチュエータ20は、図4(b)に示す直線の棒状である作動体の内部に、常温で直線状態であり昇温時にJ字状に変形する形状記憶合金部材を配置するようにしてもよい。このような構成にすることで、常温時は図4(b)の直線状態で、昇温時は図4(b)のJ字状態に作動体が変形するアクチュエータを構成することもできる。また、操作制御器23における電源には直流以外にも交流電源を用いることも可能である。さらに、アクチュエータ20の作動形態によっては、形状記憶合金部材22の昇温時の変形方向を弾性体の弾性力の方向と反対方向ではなく同方向にしてもよい。例えば、常温時が直線状態で昇温時にJ字状に変形する形状記憶合金をJ字状の弾性体に貫通配置することで、昇温させて物体を把持する場合、形状記憶合金の変形力を弾性体の同方向の弾性力で増強でき把持力を向上できる。また、形状記憶合金部材は上述した通電加熱を用いるのではなく、形状記憶合金部材自体を内部に液体を流通させることができる管状に形成し、昇温させる時は、管内に高温の液体を循環させて、管状の形状記憶合金部材を加熱変形させることも可能である。
【0054】
図5(a)(b)は、本発明の第2の実施形態に係るアクチュエータにおける作動体31を示している。作動体31は、第1実施形態と同様に弾性曲状体であり、合成ゴムで形成されているが、伸長時に板状になるように形成されている。なお、形成状態では側面方向からの形状が「へ」の字状になるように形成されており、板状に変形させた場合、「へ」の字状に戻るように弾性力(図5(a)で示す矢印方向の力)が生じる。
【0055】
また、作動体31の内部には可撓性管であるチューブ32が貫通している。上述した箇所以外は、第1の実施形態のアクチュエータ10と同様の構成であり、チューブ32を操作制御器(図示せず)に接続して液体を供給することで、図5(a)の屈曲状態から図5(b)の伸長状態に作動体31を変形させることができる。第2の実施形態のアクチュエータは作動体31が幅広であるため、弾性力も大きくなり、大きな寸法の物体を把持するような場合に好適である。
【0056】
なお、第2の実施形態のアクチュエータも第1の実施形態と同様の各種変形を適用することが可能であり、例えば、作動をチューブ32に液体を供給して行う以外にも、内部に形状記憶合金部材を貫通配置して昇温により形状記憶合金部材を変形させて作動体を変形させるようにしてもよい。
【0057】
図6は、本発明の第3の実施形態に係るアクチュエータ40の全体構成を示す液体供給回路図である。アクチュエータ40は作動体41に可撓性管であり一端が閉鎖された2本の第1チューブ421及び第2チューブ422を貫通させており、第1及び第2チューブ421、422の他端は操作制御器43に接続している。
【0058】
第1及び第2チューブ421、422は、図7(a)に示すように、各一端421a、422aを作動体41の内部の相違する箇所に夫々配置している。即ち、第1チューブ421の一端421aは作動体41の先端41aの近傍に配置しており、第2チューブ422の一端422aは作動体41の湾曲した中間部41cに配置している。
【0059】
また、操作制御器43は、図6に示すように、第1チューブ421の他端を第1圧力センサ481を介して第1切換バルブ451に接続しており、第2チューブ422の他端を第2圧力センサ482を介して第2切換バルブ452に接続している。また、操作制御器43は、操作部46の操作、第1及び第2圧力センサ481、482の検知信号を受けて、別個に第1切換バルブ451と第2切換バルブ452を制御できるようにしている。なお、上述した箇所以外は、第1の実施の形態のアクチュエータ10と同様の構成にしているので説明を省略する。
【0060】
次にアクチュエータ40の作動体41の作動例を図7(a)(b)(c)に基づいて説明する。
先ず、図7(a)に示すJ字状に湾曲した状態から、図7(b)に示すように第2チューブ422にのみ液体を供給した場合、湾曲していた第2チューブ422は、直線状に変形して剛性を増し、それに伴い、湾曲していた中間部41cも直線状態に変形する。なお、第2チューブ422内が所要の圧力値になると、第1の実施形態で説明した制御により、直線状態の変形は維持される。また、この状態では、作動体41の先端41a付近は、作動体41の弾性力により湾曲したままである。
【0061】
次に、図7(c)に示すように、第1チューブ421にも液体を供給した場合、第1チューブ421も全体が直線状に変形し、作動体41の先端41a付近も直線状に変形し、作動体41全体が直線状態の棒状になる。よって、第3の実施形態に係るアクチュエータ40は、作動体41を二段階で変形させることができ、複雑な作動にも対応可能にしている。
【0062】
なお、作動体41の作動に関しては、先に第1チューブ421に液体を供給してから第2チューブ422に液体を供給するようにしてもよく、このように液体の供給順序を適宜制御することで様々な作動形態を行うことができる。さらに、液体を吸い出す順番も適宜制御することで、作動体41の弾性力により元に戻る変形も様々な形態で行うことができる。なお、第3の実施形態のアクチュエータ40も第1の実施形態における各種変形の適用が可能であり、また、変形させる形態によっては、3本以上のチューブを貫通させてもよい。
【0063】
図8は、第3の実施形態の一変形例のアクチュエータ50の全体の構成を示す概略図であり、アクチュエータ50は、作動体51を2本の第1及び第2形状記憶合金部材521、522により作動変形可能にしている。第1形状記憶合金部材521は、一端521aを作動体51の先端51aの近傍に配置する一方、第2形状記憶合金部材522は、一端522aを作動体51の中間部51cに配置している。
【0064】
また、第1形状記憶合金部材521は、操作制御器53の直流電源55の負極側と第1電線591aを介して接続すると共に、第1作動スイッチ541に第2電線591bを介して接続している。同様に、第2形状記憶合金部材522は、操作制御器53の直流電源55の負極側と第3電線592aを介して接続すると共に、第2作動スイッチ542に第4電線592bを介して接続している。
【0065】
よって、アクチュエータ50では、第1作動スイッチ541、第2作動スイッチ542のオンとオフを切り換えて操作することで、第1形状記憶合金部材521と第2形状記憶合金部材522が個別に通電加熱され、作動体51の先端51a付近及び中間部51cを独立して作動させることができる。その結果、作動体51の作動形態を一段と細やかに制御できる。なお、アクチュエータ50も、第1の実施形態のアクチュエータ20と同様に各種変形を適用できる。
【0066】
図9(a)〜(c)は、上述したアクチュエータ50の作動体51に更に2本の第3及び第4形状記憶合金部材623、624を配置している作動体61の概略図である。なお、図9(a)〜(c)は図8を側面図とした場合、正面図に相当する方向からの視図である。図9(a)に示すように、作動体61は、第1及び第2形状記憶合金部材621、622の左右に第3及び第4形状記憶合金部材623、624を配置している。
【0067】
第3及び第4形状記憶合金部材623、624は、通電加熱により長さ方向が収縮する変形を行うものであり、図8に示す操作制御器53と同様な回路構成の第3作動スイッチ及び第4作動スイッチに接続されて、第3及び第4形状記憶合金部材623、624を個別に通電加熱可能にしている。
【0068】
また、図9(a)に示すように、第1及び第2形状記憶合金部材621、622を通電加熱させて作動体61を伸長させた場合、作動体61には新たな弾性力が生じ、図中の左右何れかの方向に変形させる外力を付加すると、中心の位置に戻ろうとする弾性力が生じている。よって、図9(b)に示すように、第3形状記憶合金部材623を通電加熱すると、第3形状記憶合金部材623は作動体61の新たに生じた弾性力(図中、ハッチング矢印で示す)に抗して縮小変形することで、作動体61は全体が左(図中、白矢印で示す)に傾く変形を行う。
【0069】
さらに、図9(b)に示すように、第4形状記憶合金部材624を通電加熱すると、第4形状記憶合金部材624は作動体61の新たに生じた弾性力(図中、ハッチング矢印で示す)に抗して縮小変形することで、作動体61は全体が右(図中、白矢印で示す)に傾く変形を行う。上述したように計4本の形状記憶合金部材621〜624を作動体61の内部に配置するので、一段と複雑な変形作動を行うことができる。
【0070】
図10(a)(b)は、本発明の第4の実施形態のアクチュエータにおける作動体71の斜視図であり、図10(b)に示すように伸長させた状態で板状となる作動体71に2本の第1及び第2チューブ721、722を配置している。作動体71は、図10(a)に示すように伸長させない通常の状態では、側方からの形状が略U字状の曲形状となるように形成された弾性曲状体であり、中央に平面方向からの形状が略三角形の固定部711を設けると共に、左右に第1及び第2変形部712、713を設けている。
【0071】
また、第1チューブ721は、第1変形部712及び固定部711を貫通するように配置されており、第2チューブ722は、第2変形部713及び固定部71を貫通するように配置されている。また、第1及び第2チューブ721、722は、図示していないが、図5に示す構成と同等の操作制御器に接続されて、夫々個別に液体が供給されるようにしている。
【0072】
第1チューブ721に液体が供給されると、第1チューブ721が直線状に変形することで、屈曲形状の第1変形部712は、伸長して固定部711に対して平坦となるように自身の弾性力に抗して変形する。また、第2チューブ722に液体が供給されると、第2チューブ721が直線状に変形することで、屈曲形状の第2変形部713は、伸長して固定部711に対して平坦となるように自身の弾性力に抗して変形する。
【0073】
よって、第1及び第2チューブ721、722への液体の供給具合及び液体の吸い出し具合を適宜操作することで、作動体71も複雑な種々の伸縮動作を行うことができる。なお、第4の実施形態のアクチュエータにおける作動体71にも第1の実施形態と同様の各種変形の適用が可能であり、また、第1及び第2チューブ721、722の代わりに2本の形状記憶合金部材を配置して、昇温により作動体71を変形させることも可能である。
【0074】
図11は、本発明の第5の実施形態のアクチュエータにおける作動体81の側方断面図である。作動体81は、第1の実施形態の作動体11に4個の第1芯材891、第2芯材892、第3芯材893及び第4芯材894を配置した構成にしている。各芯材891〜894は、弾性曲状体の作動体81に比べて剛性の高い材質で形成されており、例えば、合成樹脂のような材質を適用できる。
【0075】
また、第1芯材891は作動体81の先端部81aの内部に配置され、以下、第2芯材892は第1中間部81bに、第3芯材893は第2中間部81cに、第4芯材894は後端部81dの夫々内部に配置されている。また、各芯材891〜894の間は接続しておらず、各芯材891〜894に比べて剛性の低い節81e、81f、81gが生じている。
【0076】
作動体81の内部を貫通するチューブ82に液体を供給すると、チューブ82が直線状に変形するにつれて、作動体81は各節81e〜81gを支点として伸長されていき、丁度、人体の指における間接を支点とした動きと同様な作動を実現している。また、作動体81の弾性力により物体を把持する場合等も、表面がソフトであっても内部の各芯材81a〜81dで剛性が向上するため、一段としっかりとした把持が行われる。
【0077】
なお、第5の実施形態のアクチュエータにおける作動体81も第1の実施形態における各種変形を適用でき、また、形状記憶合金部材の昇温作動も適用可能である。さらに、第5の実施形態のアクチュエータは、第2の実施形態のように、作動体81の内部に複数のチューブ又は形状記憶合金部材を配置させて複雑な作動を行うようにしてもよい。さらに、また、板状である作動体にも第5の実施形態は適用可能である。
【0078】
図12(a)(b)は、本発明の第6の実施形態のアクチュエータにおける作動体91の概略の斜視図であり、作動体91は複数の弾性部材911〜914を組み合わせて湾曲状に形成されている。各弾性部材911〜914は、第1の実施形態において述べた作動体11の材質に適用できるものと同等な材質で形成されている。また、各弾性部材911〜914は、周囲の一方側の長手方向の寸法を反対側と相違させることで端面911a〜914bを斜めに形成し、組み合わせた際に、全体が湾曲した形状になるようにしている。
【0079】
作動体91を形成するには、図12(a)に示すように、チューブ92に第4弾性部材914から第1弾性部材911までを順次、串刺し状に刺していくと共に、各弾性部材911〜914の間を接着剤で接着することで、図12(b)に示す内部にチューブ92を貫通させた湾曲状の作動体91を完成させている。このような組立構成にすることで、内部にチューブ92を貫通させた作動体91を容易に製作している。また、各弾性部材911〜914の接着箇所は、弾性が変化することから作動に対して節91e〜91gとなる。なお、各弾性部材911〜914の間の接合は融着で行うことも可能である。
【0080】
このような構造の作動体91のチューブ92に液体を供給すると、チューブ92が直線状に変形するにつれて、作動体91も追従して直線状に変形するが、この際、節91e〜91gを支点とした変形形態になり、また、液体を吸い出して復元する場合は節91e〜91gで屈折して元に戻るようになる。
【0081】
なお、第6の実施形態のアクチュエータにおける作動体91は上述した形態に限定されるものではなく、例えば、組み合わせる各弾性部材911〜914の弾性力を相違させて、復元させる場合の作動を一様ではなく、様々な状態で元に戻るようにさせてもよい。即ち、弾性力の強い弾性部材は早く元の湾曲状態に戻り、弾性力の弱い弾性部材は遅く元の状態に戻るため、部分的に復元形態を変化させることができる。
【0082】
また、第6の実施形態においても第1の実施形態における各種変形例の適用が可能であり、形状記憶合金部材による昇温作動も適用できる。さらに、第3の実施形態のように複数のチューブ又は形状記憶合金部材を作動体内部に配置してもよく、第5の実施形態のように複数の芯材を配置することも可能である。
【0083】
図13は、本発明の第7の実施形態のアクチュエータにおける作動体101の分解状態の概略図であり、作動体101は複数の弾性部材111〜113を組み合わせて湾曲状に形成されており、伸長状態では板状になる。作動体101には第1チューブ102a及び第2チューブ102A、102Bが貫通しており、中央の弾性部材111に第1及び第2チューブ102bを貫通させてから第1チューブ102Aには左側の弾性部材112を突き刺し、第2チューブ102Bには右側の弾性部材113を突き刺した後、各弾性部材11〜113を接着剤又は融着で接合することで作動体101を形成している。
【0084】
このように大きな形状で内部に第1及び第2チューブ102A、102Bを貫通させる作動体101も、複数の弾性部材111〜113を各チューブ102A、102Bに突き刺していくことで容易に形成することができる。なお、第7の実施形態のアクチュエータにおける作動体101にも図12に示す第6の実施形態の作動体91と同様の各種変形例の適用が可能である。
【0085】
図14は、本発明の第8の実施形態のアクチュエータ120における作動体121の概略断面を示す全体構成図である。第8の実施形態の作動体121は、図6、7、8に示す第3実施形態における作動体41(51)、図11に示す第5の実施形態における作動体81、図12に示す第6の実施形態における作動体91を組み合わせたような構成にしている。
【0086】
即ち、先端側の先端弾性部材131、第1中間弾性部材132、第2中間弾性部材133及び後端弾性部材134を組み合わせて、接着剤で接着することで湾曲状の作動体121を構成し、各弾性部材131〜134の接合部を節121a〜122cにして、直線状に変形させると湾曲する向きに弾性力が生じる弾性体を形成している。また、各弾性部材131〜134の内部には第1芯材151から第4芯材154が配置されており、これら各芯材151〜154に一端が夫々当接するように計4本の第1形状記憶合金部材141から第4形状記憶合金部材144が作動体121の内部に貫通配置してある。
【0087】
即ち、第1形状記憶合金部材141は、一端141aを先端弾性部材131内に配置された第1芯材151に当接させている。また、以下同様に、第2形状記憶合金部材142の一端142aは第1中間弾性部材132内の第2芯材152に、第3形状記憶合金部材143の一端143aは第2中間弾性部材133内の第3芯材153に、第4形状記憶合金部材144の一端144aは後端弾性部材134内の第4芯材154に、夫々当接させている。
【0088】
なお、第1及び第2形状記憶合金部材141、142は、昇温時に図中の湾曲した形状から直線状に変形するものであり、第3及び第4形状記憶合金部材143、144は、昇温時に直線状態から一端143a、144a側が上昇する向きに湾曲するものである。また、各形状記憶合金部材141〜144は複数の電線dを介して操作制御器122に接続されている。
【0089】
操作制御器122は、4個の作動スイッチ122a〜122dが設けられており、各形状記憶合金部材141〜144毎に独立して通電加熱できるようにしている。なお、上述した箇所以外の構成は、上述した各実施形態と同様の構成にしている。
【0090】
図15(a)〜(d)は作動体121の作動例の状況を示しており、図15(a)は、第1形状記憶合金部材141のみを通電加熱した場合の作動状況である。通電加熱により第1形状記憶合金部材141は直線状に変形するが、第1中間弾性部材152、第2中間弾性部材153及び後端部材154内を貫通する第2形状記憶合金部材142は依然として湾曲形状であるため、第1形状記憶合金部材141のみの配置となる先端弾性部材131だけが節121aを支点として直線状に変形する。
【0091】
また、第1形状記憶合金部材141が変形する際は、一端141aが第1芯材151に当接しているので、変形に係る力が硬度のある第1芯材151へ直接的に伝達されて、作動効率が向上すると共に第1形状記憶合金部材141の変形に対する追従性も高まり一段と敏捷な作動を実現できる。
【0092】
図15(b)は、図15(a)の状態から、第2形状記憶合金部材142を通電加熱して直線状に変形させた状態を示しており、第1中間部132は節122bを支点として直線状に変形している。また、この変形時も第2形状記憶合金部材142の一端142aが第2芯材152を押圧して第1中間部132を直線状にしており、ダイレクト感のある動きを達成している。なお、第1中間部132が節122bを支点として作動するのは、第1中間部132の第2芯材152のみが押圧され、第2中間部133の第3芯材153は押圧されていないためである。
【0093】
図15(c)は、図15(b)の状態から、第3形状記憶合金部材143を通電加熱して上方に湾曲変形させた状態を示しており、この変形に追従して第2中間部133も上方に作動変形し、その結果、作動体121が棒状の直線状態になる。また、この変形時も第3形状記憶合金部材143の一端143aが第3芯材を押圧するため、追従性の高いスムーズな作動が実現される。
【0094】
図15(d)は、図15(c)の状態から、第4形状記憶合金部材144を通電加熱して、直線状から上方に湾曲させた状態を示しており、この変形に追従して作動体121全体が後端122dを支点として上方に変形している。よって、第4形状記憶合金部材144を変形させると、作動体121全体を上昇させることができる。なお、この変形も同様に第4芯材が第4形状記憶合金部材144の一端144aに押圧されて敏捷な動きとなる。
【0095】
また、作動体121が図15(a)に示す状態、又は、図15(b)に示す状態でも、第4形状記憶合金部材144を通電加熱することで、このような各種形状の状態である作動体121全体を上昇できる。なお、作動体121の作動は上述した形態に限定されるものではなく、各形状記憶合金部材141〜144の通電順序および通電状況等を適宜制御することで、複雑な作動を実現できる。
【0096】
さらに、第8の実施形態のアクチュエータ120は、上述した各実施形態における各変形例の適用が可能であり、各形状記憶合金部材141〜144の代わりにチューブを用いて、各チューブの一端を各芯材151〜154に当接させて、流体の供給により作動させることも可能である。
【0097】
図16(a)(b)は、本発明の第9の実施形態に係るハンド装置200の概略図である。ハンド装置200は、図16(a)に示すように、図13に示す第7の実施形態に係る作動体101に略同等の構成の作動体202に、図14に示す第8の実施形態に係る作動体121と略同等の構成の計5本の作動体210、220、230、240、250を取り付けてハンド部201を形成している。また、各作動体202、210、220、230、240、250の内部に配置された各形状記憶合金部材206、207、214等は操作制御器208に接続されている。なお、ハンド部201は、人体の左手に近似したものであり、図16(a)(b)は手のひら側からの視図である。
【0098】
手のひらに相当する板状の作動体202は、固定部203に2つの変形部204、205を接着剤により取り付けると共に、2本の形状記憶合金部材206、207を内部に貫通配置して、通電加熱しない場合、側方からの形状が略U字状になるようにしている。
【0099】
また、作動体202の一方の変形部205に接着剤で取り付けられる計4本の作動体210〜240は夫々同等の構成であり、人差し指、中指、薬指及び小指に夫々相当する。代表して作動体210で構成を説明すると、先端側の先端部211、中間部212及び後端部213を接着して組み合わせることで作動体210が形成されており、各部211〜213の内部に一端が夫々位置するように計3本の形状記憶合金部材214〜216を配置している。なお、上述した以外の箇所は、図14の作動体121と同様の構成にしている。
【0100】
さらに、手のひらに相当する作動体202の他方の変形部204に接着剤で取り付けられる作動体250は、親指に相当するものであり、先端部251及び後端部252を接着して組み合わせることで形成されると共に、一端が各部251、252の内部に夫々位置するように2本の形状記憶合金部材253、254が貫通配置されている。また、作動体250も、上述した以外の箇所は、図14の作動体121と同様の構成にしている。
【0101】
なお、上述した各指に相当する作動体210、220、230、240、250は、手のひらに相当する作動体202の湾曲する側と同方向に湾曲するように形成されており、直線状に変形させると湾曲状態に戻るように弾性力が生じる。また、各形状記憶合金部材206、207等を接続する操作制御器208は、各形状記憶合金部材206、207等毎に通電加熱できるようにしており、これにより、各作動体202、210等を個別に又は連動させて種々の形態で変形できるようにしている。
【0102】
図17(a)は、各形状記憶合金部材206、207等を通電加熱せずに、ハンド部201の各作動体202〜250の弾性力及び湾曲した状態の形状記憶合金部材の剛性力により小片の物体P2を把持している状態を示す。
【0103】
また、図17(b)は、手のひらに相当する作動体202の変形部204を伸長させて開くように作動させると共に、人差し指、中指及び親指に相当する作動体210、220、250を直線状に伸長させるように作動させた状態を示している。さらに、上述した状態以外にも、ハンド装置200はハンド部201を各形状記憶合金部材206、207等の通電加熱を適宜制御することで、人体の手と略同等に種々の状態に変形させることができ、各種形状及び様々な寸法の物体の把持及びボタン、スイッチ等の操作、手文字の形成等種々の用途に適用できる。しかも、ハンド部201はソフトな表面であるため、従来のハンド装置へ適用が困難であった福祉介護用等にも容易に導入できる。
【0104】
なお、第9の実施形態に係るハンド装置200は、上述した形態に限定されるものではなく、板状の作動体に取り付ける棒状の作動体の本数を5本以外にすることも可能であり、また、板状の作動体も別の変形作動ができるようなものを適用してもよい。さらに、各作動体には、上述した各実施形態におけるいずれのものを適用するようにしてもよい。また、変形を行う作動源には、形状記憶合金部材の昇温による方式及びチューブに流体を供給する方式のいずれを適用してもよく、混在させることも可能である。
【0105】
【発明の効果】
以上に詳述した如く、第1発明にあっては、可撓性管を弾性曲状体の内部に貫通させることで、表面がソフトな簡易な構造で所要の作動を実現できる。
第2発明及び第9発明にあっては、作動に係る弾性曲状体又は弾性体を棒状することで、種々の用途に適用できる。
第3発明及び第10発明にあっては、弾性曲状体又は弾性体を板状にすることで、用途範囲を広げることができる。
【0106】
第4発明及び第11発明にあっては、複数の可撓性管又は形状記憶合金部材の配置により多様な作動形態を実現できる。
第5発明及び第12発明にあっては、複数の芯材を内部に配置することで、弾性曲状体又は弾性体の剛性を向上できる。
第6発明及び第13発明にあっては、複数の弾性部材を組み合わせることで、可撓性管又は形状記憶合金部材を貫通配置した弾性曲状体又は弾性体を容易に形成できる。
【0107】
第7発明及び第14発明にあっては、応答性が高く迅速で且つ力強い変形作動を実現できる。
第8発明にあっては、弾性体の内部に形状記憶合金部材を貫通配置することで、形状記憶合金部材に対する昇温を制御するだけで、表面がソフトな弾性体を所要形状に変形させることができる。
第15発明にあっては、板状の弾性曲状体又は弾性体に棒状の弾性曲状体又は弾性体を取り付けているので、人体の手と同様な作動を行うハンド装置を簡易な構成で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係るアクチュエータであり、(a)は作動体の湾曲状態の斜視図、(b)は作動体の伸長時の斜視図である。
【図2】第1の実施形態の作動体の断面図である。
【図3】第1の実施形態のアクチュエータの液体供給回路図である。
【図4】第1の実施形態の変形例のアクチュエータであり、(a)は作動体の湾曲状態の概略図、(b)は作動体の伸長時の概略図である。
【図5】本発明の第2の実施形態に係る作動体であり、(a)は作動体の屈曲状態の斜視図、(b)は伸長時の斜視図である。
【図6】本発明の第3の実施形態に係るアクチュエータの液体供給回路図である。
【図7】(a)(b)(c)は第3の実施形態の作動体の作動状況の概略図である。
【図8】第3の実施形態の変形例に係るアクチュエータの概略図である。
【図9】(a)(b)(c)は、第3の実施形態の別の変形例に係る作動体の作動状況を示す概略図である。
【図10】第4の実施形態に係る作動体であり、(a)は湾曲状態の斜視図、(b)は伸長時の斜視図である。
【図11】第5の実施形態に係る作動体の側方断面図である。
【図12】第6の実施形態に係る作動体であり、(a)は製作状態を示す斜視図、(b)は完成状態を示す斜視図である。
【図13】第7の実施形態に係る作動体の分解斜視図である。
【図14】第8の実施形態に係るアクチュエータの全体構成図である。
【図15】(a)(b)(c)(d)は、第8の実施形態に係る作動体の作動状況を示す概略図である。
【図16】第9の実施形態に係るハンド装置であり、(a)は分解状態のハンド部を示す概略図、(b)は完成状態のハンド部を示す概略図である。
【図17】(a)(b)は第9の実施形態に係るハンド部の作動状況を示す概略斜視図である。
【図18】(a)は従来のアクチュエータの斜視図、(b)は従来の把持装置の斜視図、(c)は別の従来のアクチュエータの斜視図である。
【符号の説明】
10 アクチュエータ
11 作動体
12 チューブ
13、23 操作制御器
22 形状記憶合金部材
891〜894 芯材
911〜914 弾性部材
200 ハンド装置
201 ハンド部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an actuator that performs a required operation, and more particularly to an actuator and a hand device that realize various operation modes with a simple structure by using an elastic force of an elastic body for an operation in one direction.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, hand devices of robots for industrial use, welfare care, and the like are operated by electrically controlling actuators such as motors and cylinders. On the other hand, recently, an actuator has been developed which realizes various operations with a simple structure by reducing a mechanical part compared to such an apparatus.
[0003]
The
The
[0004]
Further, in the
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-5-164110
[Patent Document 2]
JP-A-8-168989
[Patent Document 3]
JP-A-6-339887
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Since the
[0007]
Since the
[0008]
Since the
[0009]
The present invention has been made in view of such a problem, and by arranging a flexible tube or a shape memory alloy member directly inside an elastic working body, the surface is soft and further simpler. It is an object of the present invention to provide an actuator that performs various operations with a structure.
Another object of the present invention is to provide an actuator that can be applied to various uses by changing the shape of an operating body into a rod shape or a plate shape.
[0010]
A further object of the present invention is to provide an actuator that can perform various operations by configuring an operating body by combining a plurality of elastic members.
Still another object of the present invention is to provide an actuator capable of coping with complicated operations by arranging a plurality of flexible tubes or shape memory alloy members.
Another object of the present invention is to provide a hand device that can perform an operation similar to a human hand with a simple structure by combining various actuators.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an actuator according to a first aspect of the present invention includes an elastic curved body, a flexible tube penetrating the inside of the elastic curved body, and having one end closed. An extension means for extending the elastic curved body by supplying a fluid into the pipe from the other end of the pipe is provided.
[0012]
In the first invention, the flexible tube has a simple structure in which the flexible tube is penetrated into the inside of the elastic curved body, and is supplied by supplying a fluid such as gas or liquid into the inside of the flexible tube. A flexible tube extends linearly. By extending the flexible tube in this manner, the flexible tube becomes rigid, and as a result, the flexible tube can be extended linearly by following the curved elastic curved body. Further, when the supply of the fluid is stopped, the rigidity of the flexible tube is weakened, the elastic force of the elastic curved body becomes dominant, and the flexible tube naturally returns to the original bent shape. Therefore, the actuator can perform the required operation with a simple structure by performing the operation on the extension side by supplying the fluid and performing the operation on the bending side by the elastic force.
[0013]
In addition, various types of rubber such as natural rubber and synthetic rubber having a soft surface and a required elasticity, synthetic resins such as polyolefin and block copolymer polymers, and foamed resins are used for the deformed elastic curved body. Is possible. In addition, it is preferable that the bending degree of the elastic bending body is formed in accordance with an object to which the actuator is applied, and the elastic bending body may be formed in various bending shapes such as a curved shape and a bent shape. Further, it is preferable that the extension means can adjust the supply amount and the supply pressure of the fluid, and adjust the extension speed, extension degree, and the like.
[0014]
An actuator according to a second aspect of the present invention is characterized in that the elastic curved body has a rod shape in an extended state.
According to the second aspect of the invention, by forming the elastic curved body into a rod shape in an extended state, the actuator can be applied to a purpose of gripping an object, a purpose of pushing an object, and the like. Further, for each of these uses, the surface of the elastic curved body is soft, so that the object to be worked can be handled gently.
[0015]
An actuator according to a third aspect is characterized in that the elastic curved body has a plate shape in an extended state.
According to the third aspect, by forming the elastic curved body into a plate shape in a stretched state, it becomes possible to cope with an operation of gripping an object on a wide surface and an operation of pushing the object on a wide surface, and the like. The application of the actuator can be expanded.
[0016]
An actuator according to a fourth aspect of the present invention is characterized in that a plurality of the flexible tubes are provided, and one end of each of the flexible tubes is disposed at a different position inside the elastic curved body.
[0017]
According to the fourth aspect of the invention, various extension operations can be realized by arranging the plurality of flexible tubes such that one ends do not coincide with each other. For example, the first flexible tube is arranged such that one end is located near the tip of the flexible tube, and the second flexible tube is located at an intermediate position where one end is curved in the longitudinal direction. With this arrangement, when fluid is supplied to each flexible tube, the range of linearity is different, and the elastically curved body can be partially deformed accordingly. That is, when the fluid is supplied only to the first flexible tube, only the vicinity of the tip of the elastic curved body extends linearly, and when the fluid is supplied only to the second flexible tube, an intermediate portion is formed. Since only the extension is performed, various deformation operations can be realized by adjusting the supply of the fluid to each flexible tube.
[0018]
An actuator according to a fifth aspect is characterized in that a plurality of core members are arranged inside the elastic curved body.
According to the fifth aspect of the present invention, by arranging the plurality of core members inside, the elastic curved body can have required rigidity, and the elastic curved body is elastic when the object is gripped and pressed. The degree of deformation can be suppressed, and the gripping force and pressing force can be increased. In addition, it is important that the respective core members are arranged so as not to hinder the extension of the elastic curved body in consideration of the direction in which the flexible tube penetrates. Further, by arranging the respective core members at an interval, a portion serving as a node at the time of deformation can be formed in an elastic curved body, and operation using the node as a deformation fulcrum can be realized.
[0019]
An actuator according to a sixth aspect is characterized in that the elastic curved body is formed by combining a plurality of elastic members.
According to the sixth aspect of the invention, by forming an elastic curved body by combining a plurality of elastic members, an elastic curved body in which a flexible tube is disposed can be easily formed. For example, when forming a rod-shaped elastic curved body, each elastic member is successively attached to the flexible tube in a skewered manner to easily form an elastic curved body penetrating the flexible tube. it can.
[0020]
In addition, it is preferable that these elastic members be connected and integrated by fusion by heating or bonding with an adhesive or the like, and the connecting portions of such elastic members function as nodes in the expansion and contraction operation, and are bent at each node. Such a deformation operation can be realized. Furthermore, each elastic member can form an elastic curved body having a partially different elastic force by combining those having different elastic forces, and when the elastic member is restored to its original state using the elastic force of the elastic body, A complicated return operation can be performed according to the strength of the elastic force.
[0021]
In the actuator according to the seventh aspect, the flexible tube includes a plurality of flexible tubes, and the elastic curved body is formed by combining a plurality of elastic members, and a core material is disposed inside each of the elastic members. One end of each of the flexible tubes is in contact with each of the core members.
[0022]
According to the seventh aspect, by disposing the core material inside each elastic member, the nodes formed by the plurality of core members coincide with the nodes formed by connecting the elastic members, and a smooth operation is performed. And the required rigidity can be ensured. In addition, when the one end of each of the plurality of flexible tubes is brought into contact with each core material, when the flexible tubes are deformed linearly, each of the core materials is pressed by the one end in contact with the core material. The operating force can be directly transmitted to the core material, and accordingly, the responsiveness to the deformation of the elastic curved body is improved, and a quick and powerful operation can be performed.
[0023]
An actuator according to an eighth aspect of the present invention is configured such that the elastic body and the elastic body are penetrated inside the elastic body such that a deformation direction at the time of temperature rise is opposite to a direction of elastic force generated when the elastic body is deformed. And a deforming means for deforming the elastic body by raising the temperature of the shape memory alloy member.
[0024]
According to the eighth aspect, by disposing the shape memory alloy member through the inside of the elastic body, the elastic body having a soft surface can be deformed into a required shape only by controlling the temperature rise with respect to the shape memory alloy member. In addition, the actuator has a simple structure in which a shape memory alloy member is simply arranged inside an elastic body made of various rubbers such as natural rubber and synthetic rubber, polyolefin, block copolymer polymer, etc. The parts and the sliding parts can be eliminated, and good manufacturability and maintainability can be ensured.
[0025]
Control of the temperature rise for the shape memory alloy member can be handled by electric heating or hot liquid heating. When conducting heating, the shape memory alloy member is connected to a power supply circuit capable of adjusting the amount of current, and the amount of current to be applied is adjusted to heat the shape memory alloy member to a required temperature to activate the actuator. Can control. Further, by appropriately adjusting the degree and speed of adjusting the amount of current, the operation amount and operation speed of the actuator can be controlled.
[0026]
On the other hand, when performing hot liquid heating, the shape memory alloy member is formed into a tube shape circulated as a whole in a U-shape, and one end is supplied with hot liquid and the other end is supplied with hot liquid. The shape memory alloy member can be heated to a required temperature by controlling the temperature of the hot liquid supplied by the hot liquid supply means, and the operation of the actuator can be controlled. In addition, by appropriately controlling the degree to which the hot liquid is heated, the heating speed, the supply rate of the hot liquid, and the like, it is possible to realize the control of the operation amount and the operation speed of the actuator.
[0027]
The shape memory alloy member may have various shapes at the time of temperature rise and at room temperature.For example, a shape memory alloy member may be linear at room temperature and deformed into a curve at the time of temperature rise, or conversely, at room temperature. Is a curved shape, and a material which is deformed linearly when the temperature is raised can be applied. Also, by forming the elastic body in the shape at normal temperature of the shape memory alloy member described above, the direction of the elastic force is opposite to the direction of deformation of the shape memory alloy member, and the shape memory alloy member returns to the original shape at the time of cooling. The elastic force assists the deformation that returns to the above, which can contribute to the smooth operation of the return side of the actuator.
[0028]
An actuator according to a ninth aspect is characterized in that the elastic body has a rod shape before or after deformation.
In the ninth invention, by making the elastic body into a rod shape as in the second invention, it can be applied to various uses.
[0029]
An actuator according to a tenth aspect of the present invention is characterized in that the elastic body has a plate shape before or after deformation.
In the tenth invention, as in the third invention, the range of application can be expanded by making the elastic body plate-shaped.
[0030]
An actuator according to an eleventh aspect of the present invention is characterized in that the shape memory alloy member includes a plurality of shape memory members, and one end of each shape memory alloy member is disposed at a different position inside the elastic body.
In the eleventh invention, as in the fourth invention, various operation modes can be realized by the plurality of shape memory alloy members.
[0031]
An actuator according to a twelfth aspect is characterized in that a plurality of cores are arranged inside the elastic body.
In the twelfth invention, the rigidity of the elastic body can be improved by arranging a plurality of core members as in the fifth invention.
[0032]
An actuator according to a thirteenth invention is characterized in that the elastic body is formed by combining a plurality of elastic members.
In the thirteenth invention, as in the sixth invention, by combining a plurality of elastic members, it is possible to easily form an elastic body in which the shape memory alloy member is arranged to penetrate.
[0033]
In the actuator according to a fourteenth aspect, the shape memory alloy member is a plurality, and the elastic body is formed by combining a plurality of elastic members, and a core is disposed inside each of the elastic members. One end of each of the shape memory alloy members is in contact with each of the core members.
According to the fourteenth aspect, as in the seventh aspect, a quick and powerful deformation operation with high responsiveness can be realized.
[0034]
A hand device according to a fifteenth invention is characterized in that a rod-shaped elastic curved body or an elastic body of the actuator is attached to a plate-shaped elastic curved body or an elastic body of the actuator.
According to the fifteenth aspect, since the rod-shaped elastic curved body or the elastic body is attached to the plate-shaped elastic curved body or the elastic body, a hand device that performs the same operation as a human hand with a simple structure is provided. Can be formed. That is, the plate-like elastic curved body or the actuator including the elastic body functions as the palm and the back of the hand, and the rod-shaped elastic curved body or the actuator including the elastic body functions as the finger, so that the same operation as the hand as a whole is performed. The form can be realized.
[0035]
Therefore, by separately controlling the actuator corresponding to each finger and the actuator corresponding to the palm and the back of the hand, in addition to grasping and pressing an object, complicated movement similar to a human hand such as a rock-paper-scissor or handwriting can be performed. It can also be suitably introduced for welfare and nursing care, including that the surface is soft.
[0036]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings showing the embodiments.
FIG. 1A is an overall configuration diagram of an
[0037]
As shown in FIG. 2, the operating
[0038]
The
[0039]
The
[0040]
The
[0041]
The rotation of the
[0042]
Further, the
[0043]
Next, an operation state of the operating
When the liquid is not supplied to the
[0044]
From the above state, the
[0045]
As shown in FIG. 1B, the bending of the portion near the distal end 11a is gradually alleviated, and the operating
[0046]
In order to return the tip 11a of the operating
[0047]
As described above, the operating
[0048]
Note that the
[0049]
FIGS. 4A and 4B show an
[0050]
Further, the shape
[0051]
In order to deform the
[0052]
Further, in order to return the operating
[0053]
In the
[0054]
FIGS. 5A and 5B show an operating
[0055]
Further, a
[0056]
The actuator according to the second embodiment can apply various modifications similar to those of the first embodiment. For example, besides performing the operation by supplying a liquid to the
[0057]
FIG. 6 is a liquid supply circuit diagram illustrating an overall configuration of an
[0058]
As shown in FIG. 7A, the first and
[0059]
As shown in FIG. 6, the
[0060]
Next, an operation example of the
First, when liquid is supplied only to the
[0061]
Next, as shown in FIG. 7C, when the liquid is also supplied to the
[0062]
Regarding the operation of the operating
[0063]
FIG. 8 is a schematic diagram illustrating an overall configuration of an
[0064]
Further, the first shape
[0065]
Therefore, in the
[0066]
FIGS. 9A to 9C are schematic diagrams of an operating
[0067]
The third and fourth shape
[0068]
Also, as shown in FIG. 9A, when the first and second shape
[0069]
Further, as shown in FIG. 9B, when the fourth shape
[0070]
FIGS. 10A and 10B are perspective views of an
[0071]
Further, the
[0072]
When the liquid is supplied to the
[0073]
Therefore, the operating
[0074]
FIG. 11 is a side sectional view of an operating
[0075]
The
[0076]
When the liquid is supplied to the
[0077]
It should be noted that the
[0078]
12A and 12B are schematic perspective views of an operating
[0079]
In order to form the operating
[0080]
When liquid is supplied to the
[0081]
The operating
[0082]
Also, in the sixth embodiment, various modifications of the first embodiment can be applied, and a temperature raising operation using a shape memory alloy member can also be applied. Further, a plurality of tubes or shape memory alloy members may be arranged inside the operating body as in the third embodiment, and a plurality of core members may be arranged as in the fifth embodiment.
[0083]
FIG. 13 is a schematic view of the disassembled state of the operating
[0084]
The operating
[0085]
FIG. 14 is an overall configuration diagram showing a schematic cross section of an
[0086]
That is, the distal end
[0087]
That is, the first shape
[0088]
Note that the first and second shape
[0089]
The
[0090]
FIGS. 15A to 15D show an operation example of the
[0091]
Further, when the first shape
[0092]
FIG. 15B shows a state in which the second shape
[0093]
FIG. 15 (c) shows a state in which the third shape
[0094]
FIG. 15D shows a state in which the fourth shape
[0095]
In addition, even when the operating
[0096]
Further, in the
[0097]
FIGS. 16A and 16B are schematic diagrams of a
[0098]
A plate-shaped
[0099]
Further, a total of four operating
[0100]
Further, an operating
[0101]
The operating
[0102]
FIG. 17A shows a small piece due to the elastic force of each of the operating
[0103]
FIG. 17B shows a state in which the
[0104]
Note that the
[0105]
【The invention's effect】
As described in detail above, in the first invention, the required operation can be realized with a simple structure having a soft surface by penetrating the flexible tube into the inside of the elastic curved body.
In the second invention and the ninth invention, the elastic curved body or the elastic body relating to the operation is formed in a rod shape, so that it can be applied to various uses.
In the third invention and the tenth invention, the range of application can be expanded by forming the elastic curved body or the elastic body into a plate shape.
[0106]
In the fourth invention and the eleventh invention, various operation modes can be realized by arranging a plurality of flexible tubes or shape memory alloy members.
In the fifth invention and the twelfth invention, the rigidity of the elastic curved body or the elastic body can be improved by disposing the plurality of core members inside.
In the sixth invention and the thirteenth invention, by combining a plurality of elastic members, an elastic curved body or an elastic body in which a flexible tube or a shape memory alloy member is arranged to penetrate can be easily formed.
[0107]
According to the seventh and fourteenth inventions, a quick and powerful deformation operation with high responsiveness can be realized.
According to the eighth aspect, by disposing the shape memory alloy member through the inside of the elastic body, it is possible to deform the elastic body having a soft surface into a required shape only by controlling the temperature rise with respect to the shape memory alloy member. Can be.
In the fifteenth aspect, since the rod-shaped elastic curved body or the elastic body is attached to the plate-shaped elastic curved body or the elastic body, a hand device that performs the same operation as the hand of the human body with a simple configuration. realizable.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B show an actuator according to a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a perspective view of an operating body in a curved state, and FIG.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the operating body according to the first embodiment.
FIG. 3 is a liquid supply circuit diagram of the actuator according to the first embodiment.
4A and 4B show an actuator according to a modified example of the first embodiment, in which FIG. 4A is a schematic view of a curved state of an operating body, and FIG.
FIGS. 5A and 5B show an operating body according to a second embodiment of the present invention, wherein FIG. 5A is a perspective view of the operating body in a bent state, and FIG.
FIG. 6 is a liquid supply circuit diagram of an actuator according to a third embodiment of the present invention.
FIGS. 7 (a), (b) and (c) are schematic diagrams of the operating state of an operating body according to a third embodiment.
FIG. 8 is a schematic diagram of an actuator according to a modification of the third embodiment.
FIGS. 9A, 9B, and 9C are schematic diagrams illustrating an operating state of an operating body according to another modification of the third embodiment.
FIG. 10 is an operating body according to a fourth embodiment, in which (a) is a perspective view in a curved state, and (b) is a perspective view in an extended state.
FIG. 11 is a side sectional view of an operation body according to a fifth embodiment.
FIG. 12 is an operating body according to a sixth embodiment, in which (a) is a perspective view showing a manufactured state, and (b) is a perspective view showing a completed state.
FIG. 13 is an exploded perspective view of an operating body according to a seventh embodiment.
FIG. 14 is an overall configuration diagram of an actuator according to an eighth embodiment.
FIGS. 15 (a), (b), (c) and (d) are schematic diagrams showing operating states of an operating body according to an eighth embodiment.
FIG. 16 is a hand device according to a ninth embodiment, in which (a) is a schematic diagram showing a disassembled hand unit, and (b) is a schematic diagram showing a completed hand unit.
FIGS. 17A and 17B are schematic perspective views showing an operation state of a hand unit according to a ninth embodiment.
18A is a perspective view of a conventional actuator, FIG. 18B is a perspective view of a conventional gripping device, and FIG. 18C is a perspective view of another conventional actuator.
[Explanation of symbols]
10 Actuator
11 Working body
12 tubes
13,23 Operation controller
22 Shape memory alloy members
891-894 core material
911-914 elastic member
200 Hand device
201 Hand part
Claims (15)
該弾性曲状体の内部を貫通しており、一端が閉鎖してある可撓性管と、
該可撓性管の他端から管内に流体を供給することで、前記弾性曲状体を伸長させる伸長手段と
を備えることを特徴とするアクチュエータ。An elastic curved body,
A flexible tube penetrating the inside of the elastic curved body and having one end closed;
An actuator for extending the elastic curved body by supplying a fluid from the other end of the flexible tube into the tube.
該各可塑性管の一端は、前記弾性曲状体の内部の相違する箇所に夫々配置してある請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のアクチュエータ。The flexible tube is plural,
The actuator according to any one of claims 1 to 3, wherein one end of each of the plastic tubes is disposed at a different position inside the elastic curved body.
前記弾性曲状体は、複数の弾性部材を組み合わせてなり、
該各弾性部材の内部に芯材を夫々配置しており、
該各芯材に前記各可撓性管の一端が夫々当接してある請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のアクチュエータ。The flexible tube is plural,
The elastic curved body is formed by combining a plurality of elastic members,
A core material is arranged inside each of the elastic members,
4. The actuator according to claim 1, wherein one end of each of the flexible tubes is in contact with each of the core members.
昇温時の変形方向が、前記弾性体を変形させた場合に生じる弾性力の方向の反対方向となるように前記弾性体の内部に貫通配置してある形状記憶合金部材と、
該形状記憶合金部材を昇温することで、前記弾性体を変形させる変形手段と
を備えることを特徴とするアクチュエータ。An elastic body,
A shape memory alloy member penetratingly disposed inside the elastic body so that a deformation direction at the time of temperature rise is opposite to a direction of an elastic force generated when the elastic body is deformed,
An actuator, comprising: deformation means for deforming the elastic body by raising the temperature of the shape memory alloy member.
該各形状記憶合金部材の一端は、前記弾性体の内部の相違する箇所に夫々配置してある請求項8乃至請求項10のいずれかに記載のアクチュエータ。The shape memory alloy member is plural,
The actuator according to any one of claims 8 to 10, wherein one end of each of the shape memory alloy members is disposed at a different position inside the elastic body.
前記弾性体は、複数の弾性部材を組み合わせてなり、
該各弾性部材の内部に芯材を夫々配置しており、
該各芯材に前記各形状記憶合金部材の一端が夫々当接してある請求項8乃至請求項10のいずれかに記載のアクチュエータ。The shape memory alloy member is plural,
The elastic body is formed by combining a plurality of elastic members,
A core material is arranged inside each of the elastic members,
11. The actuator according to claim 8, wherein one end of each of the shape memory alloy members is in contact with each of the core members.
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