JP2005155764A - アクチュエータおよび全方向移動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、新規なアクチュエータを提供することを目的とする。
【解決手段】 アクチュエータ１は、作動体２、プレート３，４、注入管を有している。作動体２は袋体からなっている。袋体からなる作動体２は、その空気を抜いてつぶした空の形状が、例えば長方形である。作動体２は、屈曲部２ａを有している。屈曲部２ａは、作動体２の中央部を折り曲げた部分である。屈曲部２ａでは、隙間が存在しており、作動体２の中の空気は流通することができる。作動体２の材料としては、例えば消防ホースを利用することができる。アクチュエータ１は、作用流体として圧縮空気を用いることができる。プレート３，４は、作動体２を挟む板状の部材である。プレート３，４の端部は、ジョイント５により回転自在に支持されている。注入管は、作動体２に固定されている。注入管は、圧縮空気を作動体２に注入するための機能を有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アクチュエータに関する。
また、本発明は、このアクチュエータを用いる全方向移動車両に関する。

様様な用途に容易に用いることが可能である軽量で高出力なアクチュエータが実環境において望まれている。プレートやロッドの角度を変えるアクチュエータとしては、種々のものが開発されている。アクチュエータの動力源となる空圧の作動体としては、ピストン、ベローズ、人口筋肉、チューブなどが用いられている。以下、従来のアクチュエータについて説明する。

図１３は、ピストンを作動体とするアクチュエータの従来例を示すものである。このアクチュエータ１７は、自動車１６の後部ドアの開閉などに用いられている。図１４および１５は、ピストンを作動体とするアクチュエータの動きを示す図である。図１４はアクチュエータが閉じた状態である。図１５はアクチュエータが開いた状態である。ピストン１８の押し上げ力によりプレート１９が押し上げられる。この結果アクチュエータ１７が開くのである。

図１６は、ベローズを作動体とするアクチュエータの従来例を示す図である。ベローズ２１に圧縮空気が注入されると、ベローズ２１は、伸縮方向に伸びる。このベローズの伸びによりプレート２２が押し上げられ、アクチュエータ２０は開く。ベローズ２１の中の空気を排気すると、反対の動きによりアクチュエータ２０は閉じる。

図１７は、１つの人工筋肉を作動体とするアクチュエータの従来例（Ａ）とその動き（Ｂ）を示す図である。人工筋肉２４は、袋体からなる。人工筋肉２４に空気が入っていないと、図１７のＡに示すように、人工筋肉２４は横方向に伸びた状態にある。人工筋肉に圧縮空気が注入されると、図１７のＢに示すように、人工筋肉２４は膨らむ。人工筋肉２４は、膨らむことにより、横方向に縮む。この結果、ワイヤ２６が引っ張られ、ロッド２７を反時計回りに回転させる。これにより、アクチュエータ２３は開く。

図１８は、２つの人工筋肉を作動体とするアクチュエータの従来例を示す図である。人工筋肉２４，２５に空気が入っていないと、図１８に示すように、人工筋肉２４，２５は横方向に伸びた状態にある。

図１９および２０は、２つの人工筋肉を作動体とするアクチュエータの動きを示す図である。人工筋肉２４に圧縮空気が注入されると、図１９に示すように、人工筋肉２４は膨らむ。人工筋肉２４は、膨らむことにより、横方向に縮む。この結果、ワイヤ２６が引っ張られ、ロッド２７は時計回りに回転する。

人工筋肉２５に圧縮空気が注入されると、図２０に示すように、人工筋肉２５は膨らむ。人工筋肉２５は、膨らむことにより、横方向に縮む。この結果、ワイヤ２８が引っ張られ、ロッド２７は反時計回りに回転する。このように人工筋肉が２つあると、ロッド２７を時計回り及び反時計回りに回転させることができる。

図２１は、チューブを作動体とするアクチュエータの従来例（Ｂ）とその動き（Ａ）を示す図である。図２１のＢに示すように、作動体３０はチューブがねじれた状態にある。作動体３０に圧縮空気を注入すると、作動体３０は膨らみ、ねじれが戻る。このねじれの戻りにより、図２１のＡに示すように、ロッド３２は、矢印のいずれかの方向に傾く。作動体３１がねじれているときに、圧縮空気を注入すると、上述と反対の動きをする。

一方、アクチュエータを設置した全方向移動車両が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。アクチュエータを用いて駆動部を傾けることにより、段差を乗り越えようとするものである。アクチュエータの作動体としてはベローズが提案させている。

なお、発明者は、本発明に関連する技術内容を開示している（例えば、非特許文献２〜４参照。）。
多田隈 建二郎，多田隈 理一郎，廣瀬茂男：ホロノミック全方向移動車VmaxCarrierの段差乗り越え性能，第20回 日本ロボット学会学術講演会予稿集 3Ｋ25（2002） 多田隈建二郎，廣瀬茂男：段差踏破型全方向移動車両のためのOmni-Discの開発 ロボティクス・メカトロニクス講演会2003 講演論文集1P1-1F-F1 (2003) 多田隈 建二郎, 萩原 哲夫,廣瀬茂男：軽量・高出力な屈曲型空圧アクチュエータの開発,第21回 日本ロボット学会学術講演会予稿集 3D35（2003） 多田隈 建二郎，廣瀬茂男：空圧システムを用いた段差踏破型全方向移動車両の開発，第21回 日本ロボット学会学 術講演会予稿集 3G25（2003）

上述した従来のアクチュエータでは、以下のような問題点がある。
ピストンによってリンク機構を作動させて屈曲運動を生成するアクチュエータは、アクチュエータを閉じた状態では通常リンク機構は特異姿勢に近くなり開き始めるときに大きな力を出すことができないという問題がある。また、金属製シリンダーを通常使用するためアクチュエータをコンパクトで軽量にすることに限界がある。

ベローズを作動体とするアクチュエータは、ベローズの可動範囲が狭く、また内圧を大きくすることができないという問題がある。内圧を大きくするために、耐圧性を向上させようとすると、頑丈なリングをベローズに設置する必要があり、さらに可動範囲が制限され、またアクチュエータの重量が大きくなってしまうという問題がある。

人工筋肉を作動体とするアクチュエータは、構造が複雑になるという問題がある。また、人工筋肉を膨らませると大きなスペースが必要であり、アクチュエータをコンパクトにすることができないという問題がある。人工筋肉の断面積を大きくすることに限界があるので、大きな力を発生させることができないという問題がある。

チューブの捩れを作動体とするアクチュエータは、大きな力を出すことができない、耐久性がないという問題がある。

一方、従来のアクチュエータを設置して車輪部を傾けさせる全方向移動車両には、次のような問題点がある。すなわち、可動範囲が狭い、耐圧性がない、機構がかさばり厚みが増加する。ベローズを使用する場合には耐圧性を向上させようとすると頑丈なリングが必要であり、アクチュエータの重量が大きくなってしまう。また、ベローズは空気を抜いても、ある程度の厚みが残ってしまうので、アクチュエータをコンパクトにすることができない。また、ベローズの断面積を大きくするには限界があるので、アクチュエータに大きな力を発生させるのに限界があるという問題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、新規な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、新規な全方向移動車両を提供することを目的とする。

本発明のアクチュエータは、作動体を有するアクチュエータにおいて、作動体が、袋体からなり、１または複数の屈曲部を有するものである。

ここで、作動体として屈曲したものを用いることができる。また、アクチュエータを、作動体を挟む複数の部材と、部材を回転自在に支持するジョイントを有するものとすることができる。

本発明の全方向移動車両は、複数の小車輪を有する駆動部と、駆動部に支持される基板を有する全方向移動車両において、この駆動部とこの基板との間に、アクチュエータを設け、このアクチュエータが、作動体を有し、この作動体が、袋体からなり、１または複数の屈曲部を有するものである。

ここで、作動体として屈曲したものを用いることができる。また、アクチュエータを、作動体を挟む複数の部材と、この部材を回転自在に支持するジョイントを有するものとすることができる。

本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
本発明は、作動体を有するアクチュエータにおいて、作動体が、袋体からなり、１または複数の屈曲部を有するので、新規なアクチュエータを提供することができる。

本発明は、複数の小車輪を有する駆動部と、駆動部に支持される基板を有する全方向移動車両において、この駆動部とこの基板との間に、アクチュエータを設け、このアクチュエータが、作動体を有し、この作動体が、袋体からなり、１または複数の屈曲部を有するので、新規な全方向移動車両を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
まず、アクチュエータにかかる発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明のアクチュエータの例を示す斜視図である。図２は、本発明のアクチュエータを示す断面図である。アクチュエータ１は、作動体２、プレート３，４、注入管７を有している。

作動体２は袋体からなっている。袋体からなる作動体２は、その空気を抜いてつぶした空の形状が、例えば長方形である。作動体２の空の形状は、この長方形に限定されない。このほか設置する場所の形状に対応して楕円形、円形など任意の形状を採用することができる。ただし、そのような任意形状を取る場合でも全体として連続の袋体をなしていることが必要である。

作動体２は、封止部２ｂ、屈曲部２ａ、および空間部２ｃを有している。
封止部２ｂは、円筒形状の作動体２の両端を封止したものである。封止部２ｂは、作動体２の密閉性を確保するものである。封止の方法は、例えば作動体２の両端を折り曲げた状態で金属板により曲げて固定する方法がある。封止の方法はこの方法に限定されない。このほか、袋体を囲む繊維を封止するように編み上げ内部を密閉性のある材質で塗り固めるなどの方法を採用することができる。

屈曲部２ａは、作動体２の中央部を折り曲げた部分である。このように、作動体２は、その中央部で屈曲している。図２からわかるように、屈曲部２ａでは、隙間が存在しており、作動体２の中の空気は流通することができる。このように、屈曲部２ａに隙間があることにより、次のような利点がある。すなわち、注入部（後に詳述する）の個数を最小限にすることができる。また、封止部２ｂの個数を最小限にできる。また、袋体を単一のチューブ状材料で構成できるので空圧機器で問題を発生しやすい部材の連結部分をなくすることが出来て信頼性を著しく向上できる。

空間部２ｃは、袋体からなる作動体２により囲まれた空間である。この中に、圧縮空気が蓄積される。

作動体２の材料としては、例えば消防ホースを利用することができる。消防ホースは、ズック地の内側をゴムでコーティングしてある。作動体２の材質はこれに限定されない。このほか、合成樹脂、金属などの繊維で構成されたチューブや、そのチューブの内部のライニング材としてはやわらかい合成樹脂などを採用することができる。

作動体２は、その伸び率ができるだけ小さい方が好ましい。小さければ、作動体自身を膨張させることによる損失エネルギーを少なくとどめることができるという利点がある。

本発明のアクチュエータ１は、作用流体として圧縮空気を用いることができる。作用流体は、この圧縮空気に限定されない。このほか、水、油などの液体を採用することができる。

プレート３，４は、作動体２を挟む板状の部材である。プレート３，４の端部は、ジョイント５により回転自在に支持されている。

注入管７は、注入部６において、作動体２に固定されている。注入管７は、圧縮空気を作動体２に注入するための機能を有している。注入管７は、図２のように１つではなく、複数個設置しても良い。

排気管（図示していない）を作動体２に固定することができる。また、排気管を設けないで、注入管７を通して、作動体２内の空気を排出しても良い。

つぎに、アクチュエータ１の動きについて説明する。
図２に示すように、外部の圧縮空気源から注入管７を通して、圧縮空気を作動体２の中に導入する。

図３に示すように、作動体２の中に圧縮空気が蓄積されると、作動体２が膨らむ。作動体２の屈曲部２ａの内側には作動体２同士が接触する接触部２ｅができる。この接触部２ｅでは、互いに反発力が発生する。この反発力により、プレート３とプレート４は、ジョイント５を中心に開き始める。

図４に示すように、作動体２の中に圧縮空気を供給すると、フレーと３とプレート４は、さらに大きく開く。

以上が、作動体２の中に圧縮空気を供給した場合の、アクチュエータ１の動きである。
反対に、作動体２の中の圧縮空気を排出すると、作動体２は収縮し、図４から図３の状態を経過して、図２の状態になる。すなわち、アクチュエータ１は閉じる。

つぎに、アクチュエータ１の具体的な例について説明する。
輪切りにした消防ホースの両端を金属製のストッパーで留め、端部からの空気漏れを防いだ。また、輪切りにした消防ホースのほぼ中央部を屈曲させ、2枚のプレートで挟み、その2枚のプレートのジョイントを消防ホースの屈曲部に近接するように配置した。また、プレートの片側に空気注入口を設け、ここから圧縮空気の吸入・排気を行った。屈曲した消防ホースの寸法は、長さ160mm、幅106mm、厚さ16mm、重さは240gである。

作製したアクチュエータについて、出力トルクと角度の関係を測定した。図５は、作製したアクチュエータについての、出力トルクと角度の測定結果を示す図である。本発明のアクチュエータはグラフ形状が縦軸より僅かに離れた位置に漸近するような形状となった。90度を超える広い稼動範囲があり、発生する垂直力を考えると、ストロークが大きくても、強い力を維持できると考えられる。

アクチュエータの屈曲部は、アクチュエータが揺動を行う際に最も変形を強いられる箇所である。よって、本アクチュエータの中でも、この屈曲部を含め、使用に適するほどの耐久性を有しているかどうかを確認するための耐久試験を行った。0〜45°の範囲を一往復約7秒で駆動させ、20,000回以上の実験を実施したが目視した限りではほとんど形状に変化はなく、通常の使用には十分耐えうることが確認された。

つぎに、本発明のアクチュエータの他の例について説明する。
図６の例では、基板８にプレート３がジョイント５により回転自在に支持されている。２つの作動体２に対しては、それぞれ注入部（図示していない）を設ける。基板８とプレート３の間には、２つの作動体２が設置してある。この構成によると、次のような利点がある。２つの作動体２を用いることにより、プレート３を時計回りおよび反時計回りいずれにも回転させることができる。

図７の例では、プレート３とプレート４の間には、複数の屈曲部を有する作動体２が設置されている。この作動体２に対しては、１つの注入部（図示していない）を設ける。この構成によると、次のような利点がある。プレート３とプレート４の角度が大きくなっても、大きなトルクを得ることができる。

以上のことから、本発明を実施するための最良の形態によれば、新規なアクチュエータを提供することができる。このアクチュエータは、閉じている時に薄い形状に出来る、そして開きの角度を大きくすることができる、大きな力を出すことができる、コンパクトにすることができる、軽量にすることができる、スプリングの効果を大きくすることができるなどの利点がある。

なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。

つぎに、上述のアクチュエータを用いる全方向移動車両にかかる発明を実施するための最良の形態について説明する。

図８は、本発明の全方向移動車両の例を示す裏面図である。全方向移動車両８は、基板９と、この基板９に取り付けられた４つの駆動部１０と、この駆動部１０をコントロールする制御系からなっている。基板９は、駆動部１０に支持されている。駆動部１０は、複数の小車輪を有している。駆動部１０は、４つに限定されない。３つ以上であればよい。

図９は、本発明の全方向移動車両の例を示す斜視図である。
プレート３は、矩形の板状の形状を有している。プレート４は、プレート３の下側（図面上）に位置している。プレート４の左端（図面上）にはジョイント５が設けられている。このジョイント５にはプレート３の左端（図面上）の孔がはまり込んでいる。プレート４はジョイント５を介して、プレート３と連結している。構成としては、駆動部１０が取り付けられたプレート４にジョイント５が備え付けられた構造で、このジョイント５を中心に駆動部１０の傾き角を変化させることができる。

作動体２は、プレート３とプレート４の間に配置されている。アクチュエータ１は、上述したものである。

図１０〜１２は、全方向移動車両が段差を乗り越えるときの動きを時系列的に示した側面図である。

図１０では、まず段差１２の高さを検出する。段差１２の高さの検出は、人間の目測によるか、全方向移動車両８の先頭側（段差側）に設けられた距離センサ（図示していない）により計測しても良い。アクチュエータ１，１に空気を供給し、作動体２，２を膨張させる。これにより前後の駆動部１０，１０を同じ大きな角度に傾ける。この結果、基板９は水平を保つことができる。このとき、段差１２に一番近い小車輪１１が段差１２よりも高くなるようにする。駆動部１０，１０を駆動させることにより、全方向移動車両８を段差１２に向かって前進させる。

図１１では、前側の駆動部１０の先頭の小車輪１１が、段差１２の角を通過したときに、作動体２を収縮させる。これにより前側の駆動部１０の傾きの角度は小さくなる。また、駆動部１０を回転軸１３まわりに回転させる。これによりスムーズな段差乗り越えが可能になる。前側の駆動部１０の小車輪１１は順次段差１２の上の走行面１５の上に乗る。後ろ側の駆動部１０を駆動させることにより、全方向移動車両８の前進を続ける。

図１２では、前側の駆動部１０の先頭の小車輪１１が走行面１５に接するまで、駆動部１０を若干傾ける。後ろ側の駆動部１０の先頭の小車輪１１が段差１２の角を通過したときに、作動体２を収縮させる。これにより駆動部１０の傾きの角度は小さくなる。後ろ側の駆動部１０の小車輪１１は順次段差１２の上の走行面１５の上に乗る。後ろ側の駆動部１０の全ての小車輪１１が段差１２の上の走行面１５に乗ったときは、最後尾の小車輪１１が走行面１５に接するように駆動部１０を若干傾ける。段差１２を乗り越えた前後の駆動部１０，１０は通常走行時と同じ向き、同じ傾き角に設定される。

以上のように、駆動部１０の傾き角を可変にするメカニズムとすることで、従来の乗り越え可能な段差高さがせいぜい２ｃｍであるに比べて、５〜７ｃｍ程度の段差は難なく乗り越えられるようになる。これは日本の家屋の中で要求される段差乗り越え高さ３ｃｍを十分クリアできる能力である。段差を乗り越えるときには、全方向移動車両８を水平に保ったままのスムーズな乗り越えが可能である。これらの機能を持った車両は数々の段差が存在する実環境において従来よりもより適応的に移動・静止することが可能である。また、アクチュエータ１，１をダンパーとしても併用することができる。

本発明のアクチュエータの用途は、上述の全方向移動車両に限定されない。このほか、空圧機器特有の振動抑制効果を利用した能動的な車輪の姿勢制御系、さらにロボット関節の駆動系などの用途に適用することができる。

なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。

本発明のアクチュエータの例を示す斜視図である。 本発明のアクチュエータを示す断面図である。 本発明のアクチュエータの動きを説明する断面図である。 本発明のアクチュエータの動きを説明する断面図である。 作製したアクチュエータについての、出力トルクと角度の測定結果を示す図である。 本発明のアクチュエータの他の例を示す図である。 本発明のアクチュエータの他の例を示す図である。 本発明の全方向移動車両の例を示す裏面図である。 本発明の全方向移動車両の例を示す斜視図である。 全方向移動車両が段差を乗り越えるときの動きを時系列的に示した側面図である（その１）。 全方向移動車両が段差を乗り越えるときの動きを時系列的に示した側面図である（その２）。 全方向移動車両が段差を乗り越えるときの動きを時系列的に示した側面図である（その３）。 ピストンを作動体とするアクチュエータの従来例を示す図である。 ピストンを作動体とするアクチュエータの動きを示す図である。 ピストンを作動体とするアクチュエータの動きを示す図である。 ベローズを作動体とするアクチュエータの従来例を示す図である。 １つの人工筋肉を作動体とするアクチュエータの従来例（Ａ）とその動き（Ｂ）を示す図である。 ２つの人工筋肉を作動体とするアクチュエータの従来例を示す図である。 ２つの人工筋肉を作動体とするアクチュエータの動きを示す図である。 ２つの人工筋肉を作動体とするアクチュエータの動きを示す図である。 チューブを作動体とするアクチュエータの従来例（Ｂ）とその動き（Ａ）を示す図である。

符号の説明

１‥‥アクチュエータ、２‥‥作動体、２ａ‥‥屈曲部、２ｂ‥‥封止部、２ｃ‥‥空間部、２ｅ‥‥接触部、３，４‥‥プレート、５‥‥ジョイント、６‥‥注入部、７‥‥注入管、８‥‥全方向移動車両、９‥‥基板、１０‥‥駆動部、１１‥‥小車輪、１２‥‥段差、１３，１４‥‥回転軸、１５‥‥走行面、１６‥‥自動車、１７‥‥アクチュエータ、１８‥‥ピストン、１９‥‥プレート、２０‥‥アクチュエータ、２１‥‥ベローズ、２２‥‥プレート、２３‥‥アクチュエータ、２４，２５‥‥人工筋肉、２６‥‥ワイヤ、２７‥‥ロッド、２８‥‥ワイヤ、２９‥‥アクチュエータ、３０，３１‥‥作動体、３２‥‥ロッド、３３‥‥固定体

Claims (6)

1. 作動体を有するアクチュエータにおいて、
   上記作動体は、袋体からなり、１または複数の屈曲部を有する
   ことを特徴とするアクチュエータ。
2. 作動体は屈曲している
   ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
3. 作動体を挟む複数の部材と、
   上記部材を回転自在に支持するジョイントを有する
   ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
4. 複数の小車輪を有する駆動部と、
   上記駆動部に支持される基板を有する全方向移動車両において、
   上記駆動部と上記基板との間に、アクチュエータを設け、
   上記アクチュエータは、作動体を有し、
   上記作動体は、袋体からなり、１または複数の屈曲部を有する
   ことを特徴とする全方向移動車両。
5. 作動体は屈曲している
   ことを特徴とする請求項４記載の全方向移動車両。
6. アクチュエータは、
   作動体を挟む複数の部材と、
   上記部材を回転自在に支持するジョイントを有する
   ことを特徴とする請求項４記載の全方向移動車両。

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