JP2007032743A - アクチュエータシステム、ロボットアームおよびリハビリテーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 人間の腕や脚と同等の関節屈曲角度を得ることができるアクチュエータシステム、ロボットアームおよびリハビリテーションシステムを提供する。
【解決手段】 本発明のアクチュエータシステムは、中空円筒状の弾性体と、弾性体の長手方向に沿って該弾性体内に埋設され、弾性体に比較して低弾性の補強材とから構成され、加圧流体の供給により長手方向に収縮可能な複数のアクチュエータ１０をオフセット配置し、互いを接続して直列に構成したことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、人間の腕や脚と同等の関節屈曲角度を得ることを可能にするアクチュエータシステム、該アクチュエータシステムを備えるロボットアーム、該アクチュエータシステムを備え、腕を補助し、筋力を回復させるために使用されるリハビリテーションシステムに関する。

近年、国際的に高齢化が進行しており、介護や福祉の分野における人材確保および人材育成が急務になっている。しかしながら、この分野では、２４時間労働や高齢者の動作補助等の体力的負担が大きいことから、人材確保が難しく、また、近年の労働人口の減少により、いっそう人材確保が困難になっている。そこで、これらの体力的負担が大きい作業を代替することができるロボットの活用が期待されている。

介護や福祉の分野で採用されるロボットは、人と共存する環境に対して安全でなければならず、特に、ロボットのアームは、複雑な動作および広い作業範囲が必要であるため、安全性という面で、人間と同等の柔軟性を持つことが望ましい。これを実現するために、高い収縮力と柔軟性とを持つ空気圧人工筋が注目され、この人工筋をアクチュエータに組み込んだロボットアームの開発が行われている。

例えば、ベースとエンドエフェクタとの間に、中間部材を配置し、ベースと中間部材との間を６つの動作部、エンドエフェクタと中間部材との間を６つの動作部によってそれぞれ連結したロボットアームが提案されている（特許文献１参照）。このロボットアームは、動作部が、ユニバーサルジョイントを介して接続されており、伸縮自在で、それぞれが独立して動作可能とされている。

上記ロボットアームは、中間部材を介し、エアシリンダを直列に配置し、また、複数のエアシリンダの連結を可能にすることで、発生力および収縮量を増加させることができ、ねじり動作も可能とされている。

しかしながら、直列に配置したエアシリンダでは、アームの長さに対して約１０％〜約２０％と収縮量が小さく、人間の肘に相当する中間部材において、人間と同等の曲げ角度を得ることができないといった問題があった。収縮量を大きくすることはできないが、収縮率を増大させるため、エアシリンダを多く連結することができる。しかしながら、この場合、人間の腕に比較してアームが長くなり、作業性およびアーム強度が低下するといった問題があった。

また、従来のロボットアームは、互いに相反する運動を行う一対の人工筋を構成する拮抗型であるため、一方が破損すればアームを曲げることができないといった問題もあった。

人工筋には弾性体を用いるが、弾性体は、伸縮を繰り返すことにより、非線形弾性を示すようになる。非線形弾性では、供給する加圧流体の供給量、すなわち弾性体内の圧力を変化させなければ、同じアームの屈曲角度を得ることができない。このため、弾性体を補強する補強材を備えるものが提案されている（例えば、参考文献２〜参考文献５参照）。これらは、ゴムチューブと、このゴムチューブ表面に設けられる補強層とから構成されるものである。このように弾性体の表面に補強層が設けられることで、線形弾性を維持することができる。

しかしながら、補強層が設けられた人工筋は、伸縮を繰り返すにつれ、剥がれたり、ずれを生じたりして、長期間、線形弾性を維持することができないといった問題があった。
特開２００３−３１１６６７号公報 特開平７−７１４０６号公報 特開平８−１６６００３号公報 特開平８−１７０６０３号公報 特開平８−１７０６０４号公報

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、人間の腕や脚の長さで、人間の腕や脚と同等の屈曲角度を得ることを可能にするアクチュエータシステムを提供することを目的とし、さらに、該アクチュエータシステムを備えるロボットアーム、該アクチュエータシステムを備え、腕を補助し、筋力を回復させるために使用されるリハビリテーションシステムも提供する。

本発明者等は、上記課題に鑑みて鋭意検討を加えてきたところ、複数のアクチュエータをオフセット配置し、互いを接続して直列に構成したアクチュエータシステムを採用することで、人間の腕や脚と同等の屈曲角度が得られることを見出すことによりなされたものである。

すなわち、本発明のアクチュエータシステムは、中空円筒状の弾性体と、弾性体の長手方向に沿って該弾性体内に埋設され、弾性体に比較して低弾性の補強材とから構成され、加圧流体の供給により長手方向に収縮可能な複数のアクチュエータをオフセット配置し、互いを接続して直列に構成したことを特徴とする。

上記弾性体は、弾性体基材と、弾性体被覆材とから構成され、弾性体基材の表面に、補強材を長手方向に張着し、その後、弾性体被覆材で被覆して一体成形されることを特徴とする。これにより、長期間にわたって線形弾性を維持することができる。補強材の弾性率と弾性体の弾性率との比が、１：１０〜１：１００００であることが好ましい。補強材は、具体的には、編み上げ構造を有するプラスチック繊維またはカーボン繊維が好ましい。

また、アクチュエータシステムは、一方の面の中央に凹部が形成され、その一方の面の裏面の中央に凸部が形成された複数の円盤を備え、複数の円盤は、互いの凹部と凹部、凸部と凸部が対向して配置され、アクチュエータは、凹部と凹部が対向して配置される円盤間には、凹部と凹部とに接続され、凸部と凸部が対向して配置される円盤間には、凸部間に比較して離間した、それぞれの凸部に連続する縁部に接続されることにより、複数のアクチュエータをオフセットに配置することができる。

本発明では、上記アクチュエータシステムを備えるロボットアームを提供することができる。このロボットアームは、上記アクチュエータシステムと、そのアクチュエータシステムの一端に接続され、挿通孔を有する可動部材と、そのアクチュエータシステムの他端に接続され、アクチュエータシステムに並行して延び、その挿通孔に挿通される第１の軸を備える基端部材と、その第１の軸と第２の軸とを接続し、その第１の軸とその第２の軸との間に角度を与える屈曲手段とを備える。

ロボットアームは、アクチュエータをオフセット配置する上記複数の円盤を用いることができ、この円盤は、第１の軸を挿通させる貫通孔を備えることができる。これは、アクチュエータの伸縮に伴い、アクチュエータに接続される円盤を移動可能、具体的には第１の軸に対してスライド可能にするためである。

上記屈曲手段は、滑車を備え、上記可動部材がその滑車に接続される。また、上記第１の軸と可動部材とが、滑車を介して、一部に弾性体を有するワイヤで接続される。これは、各アクチュエータの伸縮運動を、回転運動に変換するものである。また、一部に弾性体を有することで、この弾性体を有するワイヤと、アクチュエータシステムとに、アームの曲げ、および伸びを分担させることができる。この分担により、伸屈動作の力や速度などを細かく制御することが可能となる。

ロボットアームは、２つの上記可動部材、２つの上記基端部材を備え、２つの基端部材が、上記第１の軸を備える基端部材と上記第２の軸を備える基端部材であり、１つの可動部材と第１の軸を備える基端部材との間、および、もう１つの可動部材と第２の軸を備える基端部材との間のそれぞれに、１以上の上記アクチュエータシステムを備える。このように、屈曲手段により分離された両方に、アクチュエータシステムを備えることで、それぞれのアームの曲げ、および伸びを分担させることができ、その一方に、複数のアクチュエータシステムを備えることで、アクチュエータの収縮により発生する発生力を増大させることができる。

また、本発明では、腕を補助し、筋力を回復させるために使用されるリハビリテーションシステムを提供することもできる。このシステムは、上記アクチュエータシステムと、上記可動部材と、上記基端部材と、上記屈曲手段とを備え、腕に取り付けられるロボットアームに加え、複数のアクチュエータに加圧流体を供給する供給手段と、加圧流体の供給量を制御する制御手段と、第１の軸と第２の軸との間の角度を計測する角度計測手段とを備える。

本発明のアクチュエータシステムを提供することにより、人間の腕や脚と同等の屈曲角度を得ることが可能になる。また、本発明のロボットアームおよびリハビリテーションシステムを提供することにより、大きい屈曲角度を達成でき、軽量で、高出力を発揮することができる。屈曲手段を介して両方に、アクチュエータシステムを備えることで、伸屈動作の力や速度などを細かく制御することが可能となり、人との親和性を向上させることができる。

以下、本発明を図面に示した具体的な実施の形態をもって説明するが、本発明は、後述する実施の形態に限定されるものではない。

図１は、本発明のアクチュエータシステムを例示した図である。図１に示すアクチュエータシステムは、中空円筒状の弾性体と、弾性体の長手方向に沿って、弾性体内に埋設され、弾性体に比較して低弾性の補強材とから構成され、圧縮空気や高圧窒素などの加圧流体の供給により長手方向に収縮可能な複数のアクチュエータ１０をオフセット配置し、互いを接続して直列に構成したものである。図１に示す実施形態では、一方の面の中央に凹部１１ａ、１１ｂ、１１ｃが形成され、その一方の面の裏面の中央に凸部１２ａ、１２ｂ、１２ｃが形成された複数の円盤１３をさらに備えており、互いの凹部１１ｂと凹部１１ｃ、凸部１２ａと凸部１２ｂが対向して配置され、アクチュエータ１０は、凹部１１ｂと凹部１１ｃが対向して配置される円盤１３ｂ、１３ｃの間には、凹部１１ｂと凹部１１ｃとに接続され、凸部１２ａと凸部１２ｂが対向して配置される円盤１３ａ、１３ｂの間には、凸部１２ａと凸部１２ｂとの間に比較して離間した、凸部１２ａに連続する縁部１４ａ、凸部１２ｂに連続する縁部１４ｂに接続されることにより、複数のアクチュエータ１０がオフセットに配置されている。

図１に示すように、長手方向に、各アクチュエータ１０の位置を相対的にずらしてオフセット配置することにより、所定長さとされるロボットアームなどにおいて、より多くのアクチュエータ１０を直列接続することができ、これにより、より大きい伸縮を得ることができる。また、弾性体の長手方向に沿って、補強材を埋設することで、剥がれることもなく、ずれることもなく、各アクチュエータ１０が線形弾性を維持することができる。

アクチュエータ１０に用いる弾性体は、弾性を有する材料であればいかなる材料であってもよく、天然ゴム、ブチルゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ウレタンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、エチレンプロピレンゴム、フッ素ゴム、シリコンゴムなどのゴム材料が好ましい。介護や福祉の分野、医療の分野においては、人体に悪影響を及ぼさない、人間の皮膚に近い弾力性および柔軟性を有するシリコンゴムが好ましい。

アクチュエータ１０に用いる補強材は、弾性体と同様、弾性を有する材料とされるが、弾性体に比較して低弾性とされる。例えば、補強材の弾性率と、弾性体の弾性率との比は、１：１０〜１：１００００とすることができ、１：１００〜１：１０００が好ましい。補強材は、一方に延びた棒状またはひも状のものとされ、弾性体の長手方向に張った状態で埋設される。また、補強材は、弾性体に比較して高い強度を有する材料とされる。

補強材は、弾性体の約１／１０〜約１／１０００の弾性率を有する編み上げ構造を有するプラスチック繊維やカーボン繊維とすることができる。プラスチック繊維は、ポリアミド繊維、アラミド繊維などを挙げることができる。編み上げ構造は、２本のひも状繊維を、互いに螺旋状に巻き上げた構造である。また、補強材は、棒状またはひも状の繊維を押しつぶし、平板状にしたものを用いることもできる。

ここで、図２に、アクチュエータの断面図を例示する。図２（ａ）は、弾性体２０の長手方向に延びるように補強材２１が埋設されているアクチュエータ２２の断面図を示し、図２（ｂ）は、切断線Ａ−Ａで切断した断面図を示す。図２（ａ）に示すように、補強材２１は、複数本が等間隔に離間して弾性体２０に埋設され、アクチュエータ２２の伸縮を均一なものにしている。また、補強材２１は、図２（ｂ）に示すように、アクチュエータ２２の長手方向に延びるように配置され、張った状態を保持しつつ、弾性体２０で被覆され、弾性体２０と補強材２１とが一体成形されている。

このアクチュエータ２２は、例えば、シリコンゴムからなる外側面に凹凸が連続する、断面が中空歯車状の弾性体基材を製作し、その弾性体基材の溝部に、補強材２１を長手方向に両端を接着剤で接着して張った状態を保持させつつ、シリコンゴムからなる弾性体被覆材で被覆してチューブ状に製造することができる。接着剤には、シリコンからなる接着剤を用いることができる。これにより、補強材２１を長手方向に張った状態で埋設することができ、また、補強材２１を除いて、シリコンのみで製作することができるため、線形弾性を維持させることができる。アクチュエータ２２は、例えば、内径９ｍｍ、外径１２ｍｍで、長さ１００ｍｍのシリコンゴムチューブに、１０本のカーボン繊維を等間隔に埋設したものとすることができる。

再び、図１を参照してアクチュエータシステムを説明する。円盤１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、アクチュエータ１０をオフセット配置するために、中央に凹部１１ａ、１１ｂ、１１ｃとその裏面に凸部１２ａ、１２ｂ、１２ｃとを備えている。図１に示す実施形態では、アクチュエータシステムをロボットアームなどに使用するため、凹部１１ａ、１１ｂ、１１ｃおよび凸部１２ａ、１２ｂ、１２ｃの中央に、後述する軸を通す貫通孔１５が設けられている。また、直列に接続されたアクチュエータシステムの一端が、挿通孔１６を有する可動部材１７に接続され、直列に接続されたアクチュエータシステムの他端が、挿通孔１６に挿通される第１の軸１８を備える基端部材１９に接続されている。アクチュエータシステムは、他端が基端部材１９に固定されるものの、一端に接続される可動部材１７に設けられる挿通孔１６に、基端部材１９に接続される第１の軸１８が挿通されるため、可動部材１７を、アクチュエータ１０の伸縮によってスライドさせることができる。

円盤１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、可動部材１７、第１の軸１８、基端部材１９はいずれも、伸縮を必要としないものの、所定の強度を要し、介護や福祉の分野において軽量であることが好ましいため、アルミニウム、アルミニウム合金から製作されることが好ましい。可動部材１７は中心に挿通孔１６を備える円板、基端部材１９は円板とすることができる。第１の軸１８は、１本に限らず、複数本であってもよい。この場合、可動部材１７に設けられる挿通孔は第１の軸１８の数に対応した数、また、円盤１３ａ、１３ｂ、１３ｃに設けられる貫通孔１５も対応した数とされる。

また、図１に示す実施形態では、アクチュエータシステムが２列に構成されている。これらのアクチュエータシステムは、図１に示すように、同じ円盤１３ａ、１３ｂ、１３ｃを用いて、第１の軸１８を介して２列に構成されている。本発明では、１列、２列に限らず、３列以上とすることができる。なお、列数を増加させることにより、発生力を増大させることができる。

図３は、アクチュエータシステムを用いたロボットアームの１つの実施形態を示した図である。図３に示すロボットアームは、図１に示すようなアクチュエータシステム３０と、アクチュエータシステム３０の一端に接続され、挿通孔を有する可動部材３１と、アクチュエータシステム３０の他端に接続され、アクチュエータシステム３０に並行して延び、挿通孔に挿通される第１の軸３２を備える基端部材３３と、第１の軸３２と第２の軸３４とを接続し、第１の軸３２と第２の軸３４との間に角度を与える屈曲手段３５とを備えている。アクチュエータシステム３０、可動部材３１、第１の軸３２、基端部材３３については、上述したので、ここでは、第２の軸３４、屈曲手段３５を説明する。

第２の軸３４は、第１の軸３２と同様、屈曲手段３５と基端部材３６とに接続される。図３に示す実施形態では、第２の軸３４に並行して、アクチュエータシステム３７が設けられている。屈曲手段３５は、人間の腕の関節に相当する部分で、第１の軸３２と第２の軸３４とを接続し、第１の軸３２と第２の軸３４との間に角度を与える。アクチュエータシステム３０、３７の各アクチュエータは、図示しない圧縮機等から加圧流体が供給され、長手方向に収縮し、その長手方向に垂直な垂直方向へは膨張する。図３に示す実施形態では、可動部材３１と基端部材３３との間に、４つのアクチュエータを、長手方向に位置をずらしてオフセットに配置して構成されたアクチュエータシステム３０が２列に並設されていて、同様に、基端部材３６と可動部材との間にもアクチュエータシステム３７が２列に並設されている。図３に示すロボットアームは、この４つのアクチュエータシステムによってアームの曲げ、伸びを分担している。４つのアクチュエータシステムからなるロボットアームは、１つのアクチュエータシステムからなるロボットアームに比較して、４倍の発生力を付与することができる。

以下、ロボットアームの別の実施形態を、理解を容易にするために、アクチュエータを単に直列に配列したアクチュエータを備えるロボットアームとした図面を参照して説明するが、本発明は、図１に示すようなアクチュエータ１０がオフセット配置されたアクチュエータシステム３０を採用するものである。

図４は、ロボットアームの第２の実施形態を示した図である。図４に示す実施形態では、屈曲手段４０が、滑車４１を備えていて、第１の軸４２に並行するアクチュエータシステム４３が接続される可動部材４４が、滑車４１に、ワイヤ４５によって接続されている。また、第２の軸４６に並行するアクチュエータシステム４７が接続される可動部材４８が、滑車４１に、ワイヤ４９によって接続されている。

図４（ａ）では、水平に伸びたロボットアームを示していて、アクチュエータシステム４３の各アクチュエータ４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄは収縮した状態で、アクチュエータシステム４７の各アクチュエータ４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄは伸びた状態となっている。アクチュエータ４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄに加圧流体を供給すると、図４（ｂ）に示すように、アクチュエータ４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄの収縮に伴って滑車４１がワイヤ４９によって引っ張られ、滑車４１が回転し、滑車４１の回転に伴って屈曲手段４０により角度が与えられる。この場合、アクチュエータシステム４３では、滑車４１の回転に伴ってワイヤ４５に接続される可動部材４４が引っ張られ、アクチュエータ４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄが長手方向に膨張する。

図５は、ロボットアームの第３の実施形態を示した図である。図５に示すロボットアームは、アクチュエータシステム５０が一方のみに設けられていて、屈曲手段５１を介して他方は第２の軸５２のみとされ、一部に弾性体５３を有するワイヤ５４によって、可動部材５５と第１の軸５６とが、滑車５７を介して接続されている。弾性体５３は、アクチュエータシステム５０を構成する弾性体と同様のゴム材料のほか、コイルばね、板ばね等のばねにすることもできる。弾性体５３は、第１の軸５６と滑車５７との間に設けられ、第１の軸５６に直接取り付けられていてもよい。この弾性体５３は、ワイヤ５４に弾性を与えるものであり、アクチュエータシステム５０とこのワイヤ５４とによって、アームの曲げ、および伸びを分担させている。

図６は、ロボットアームの第４の実施形態を示した図である。図６に示すロボットアームは、図４に示すロボットアームのワイヤ４５、４９が共に、一部に弾性体６０、６２を有するワイヤ６１、６３とされ、滑車６４を介してそれぞれ、可動部材６５と第１の軸６６とが、また、可動部材６７と第２の軸６８とが接続されている。

図６（ａ）では、アクチュエータ７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ、アクチュエータ７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄがすべて伸びた状態とされていて、弾性体６０、６２として使用されているコイルばねが伸びていない状態になっている。図６に示す実施形態では、第１の軸６６と弾性体６０との間、第２の軸６８と弾性体６２との間に、各軸から突出する接続部７２、７３が設けられ、それら接続部７２、７３に弾性体６０、６２が接続されている。図６（ｂ）では、アクチュエータ７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ、アクチュエータ７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄのすべてに加圧流体が供給され、アクチュエータ７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ、アクチュエータ７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄの収縮に伴って、可動部材６５、６７がワイヤ６１、６３を引っ張り、弾性体６０、６２が伸びて滑車６４を回転させ、滑車６４の回転に伴って、屈曲手段７４によってアームに角度が与えられる。これにより、アームが屈曲している。このように、弾性体６０、６２を有するワイヤ６１、６３およびアクチュエータ７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ、アクチュエータ７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄを用いることで、アームの曲げ、および伸びを分担させることができる。

図７は、腕を補助し、筋力を回復させるために使用されるリハビリテーションシステムを例示した図である。リハビリテーションシステムは、図１に示すようなアクチュエータシステムと、図３〜図６に示すような可動部材と、基端部材と、屈曲手段とを備えるロボットアーム８０と、複数のアクチュエータ８０ａに加圧流体を供給する供給手段８１と、第１の軸と第２の軸との間の角度を計測する角度計測手段８２と、加圧流体の供給量を制御する制御手段８３とを備えるものである。角度計測手段８２は、屈曲角度に対応した電圧等の電気信号をロボットアーム８０に設けられるセンサ８０ｂなどから受け取り、その電気信号から対応する角度を算出する。制御手段８３は、各アクチュエータ８０ａの内部圧が所定圧力になるように加圧流体の供給量を制御する。具体的には、制御手段８３は、三方弁８４に電気信号を与えて、供給手段８１から供給される加圧流体の各アクチュエータへの供給量を制御することで、内部圧を制御する。

このシステムは、リハビリテーションを行う者の腕に、固定バンドなどを使用して固定し、その者の腕の曲げに伴って、加圧流体を供給して各アクチュエータを収縮させ、屈曲手段によって角度を与えることができる。各アクチュエータの内部圧が所定の圧力になるように加圧流体の供給量を制御することで、適切な屈曲角度に保持することができる。このように制御することで、当該者の腕を支えつつ、腕の筋力を回復させるリハビリテーションを行うことができる。このシステムは、上述したように、屈曲角度を、人間の腕と同等にすることができるため、効果的にリハビリテーションを行うことができる。

本発明では、供給手段８１として空気圧縮機を用いることができ、制御手段８３としては、三方弁８４と、その三方弁８４に空気を送り込み、動作させるためのレギュレータと、レギュレータでの圧力を検出する圧力センサと、検出した圧力を受け取り、レギュレータに、圧力が低い場合には三方弁８４において外部に排出させる加圧流体の流量を減少させ、各アクチュエータに供給する供給量を増加させ、圧力が高い場合には反対に、排出させる流量を増加させ、供給量を減少させる信号を与えるコンピュータとから構成することができる。圧力センサは、アナログ信号であり、レギュレータもアナログ信号を扱うため、アナログ−デジタル変換器、デジタル−アナログ変換器を含むことができる。また、コンピュータは、センサ８０ｂから信号を受け、角度を算出することもでき、上記角度計測手段８２として使用することもできる。

ここで、アクチュエータシステムに用いられるアクチュエータの初期長さと収縮量との関係を、図８に示し、初期長さと収縮率との関係を、図９に示す。これらは、アクチュエータの弾性体として上記のシリコンゴムチューブを用い、弾性体に内挿する補強材として、カーボン繊維を用い、初期長さを５ｍｍずつ長くしていき、弾性体の内部圧を０．１ＭＰａから０．２ＭＰａまで、０．０２ＭＰａずつ変化させた場合のそれぞれの関係を示したものである。なお、シリコンチューブは、上述したサイズのものを使用した。収縮量は、シリコンゴムチューブがその長手方向に収縮した長さであり、収縮率は、初期長さに対する収縮した長さを百分率で表した値である。縦軸はそれぞれ、収縮量（ｍｍ）、収縮率（％）を示し、横軸は、初期長さ（ｍｍ）を示す。

図８および図９では、下側から、０．１ＭＰａ（下側に正方形で表される）、０．１２ＭＰａ（ひし形で表される）、０．１４ＭＰａ（三角で表される）、０．１６ＭＰａ（長方形で表される）、０．１８ＭＰａ（丸で表される）、０．２ＭＰａ（上側に正方形で表される）の順となっている。図８および図９を参照すると、初期長さ５０ｍｍ以下では、内部圧０．１ＭＰａの条件で収縮率が約４％と低く、初期長さ８０ｍｍ以上では、内部圧０．２ＭＰａの条件で収縮率が減少することが見出された。すなわち、アクチュエータは、初期長さが短い場合、低圧力条件で収縮率が低く、初期長さが増加するにつれて、高圧力条件で収縮率が減少していく。

次に、収縮率と収縮力との関係を、図１０に示す。任意の収縮量とし、アクチュエータの内部圧を０．１ＭＰａ（下側に正方形で表される）、０．１２ＭＰａ（ひし形で表される）、０．１４ＭＰａ（三角で表される）、０．１６ＭＰａ（丸で表される）、０．１８ＭＰａ（上側に正方形で表される）にし、その場合の収縮力を、ロードセルを用いて計測した。図１０は、縦軸が収縮力（Ｎ）を示し、横軸が圧縮率（％）を示す。アクチュエータは、自然長で最大収縮力を発揮し、収縮率が高くになるにつれて収縮力が減少することが見出された。アクチュエータの内部圧が、０．１６ＭＰａ、０．１８ＭＰａの場合、初期トルクが、２００Ｎを超える高出力を発揮できる。なお、このアクチュエータは、シリコンゴムおよびカーボン繊維からなり、上述したように約４５ｇしかないものである。これにより、アクチュエータをロボットアームなどに使用した場合、初期トルクを有効に活用することができ、このアクチュエータが軽量であるため、軽量で、高出力を発揮できるアームを提供することが可能となる。

図１に示すオフセット配置したアクチュエータを互いに接続してなるアクチュエータシステムを、１〜４本並列に配置して構成したロボットアームの各アクチュエータの内部圧と収縮量との関係を、図１１に示す。アクチュエータの内部圧を０ＭＰａから０．２ＭＰａまで、０．０２ＭＰａずつ変化させた場合の収縮量の計測結果を示す。図１１の縦軸には、収縮量（ｍｍ）を、横軸には、内部圧（ＭＰａ）を示す。１本をひし形で表し、２本を正方形で表し、３本を三角で表し、４本をばつ印で表す。図１１に示すように、いずれも内部圧０．０８ＭＰａから収縮し始め、０．２ＭＰａまで増加している。２本、３本、４本と本数が増加するにつれて、収縮量が２倍、３倍、４倍となっており、線形的に増加することが見出された。

上記の１〜４本並列に配置して構成したロボットアームの各アクチュエータの内部圧とアームの屈曲角度との関係を、図１２に示す。上記と同様、０ＭＰａから０．２ＭＰａまで０．０２ＭＰａずつ変化させた場合の屈曲角度の計測結果を示す。１本をひし形で表し、本を正方形で表し、３本を三角で表し、４本をばつ印で表す。図１２の縦軸は、屈曲角度（°）を示し、横軸は、各アクチュエータの内部圧（ＭＰａ）を示す。いずれも内部圧０．０８ＭＰａから屈曲し始め、屈曲角度は内部圧の増加につれて増加している。この屈曲角度も、人工筋アクチュエータの本数の増加につれて、線形的に増加することが見出された。また、図１２に示すように、人工筋アクチュエータ４本で、内部圧０．２ＭＰａにした場合、屈曲角度が約１１８°となり、人間の腕とほぼ同等の屈曲角度を得ることができた。このことから、さらに多くのアクチュエータシステムを並列に接続することで、さらに大きい屈曲角度を得ることができる。

本発明のアクチュエータシステムは、アームに限らず、脚にも適用することができ、また、シリコンゴムチューブから構成され、人を傷つけない柔軟構造を有することから、医療機器や福祉機器などの人間との共存、協調が求められる分野において有用である。また、土木・建築における産業ロボットとしても採用することができる。

本発明のアクチュエータシステムを例示した図。 アクチュエータの断面図。 ロボットアームの第１の実施形態を示した図。 ロボットアームの第２の実施形態を示した図。 ロボットアームの第３の実施形態を示した図。 ロボットアームの第４の実施形態を示した図。 リハビリテーションシステムの概略を示した図。 アクチュエータの初期長さと収縮量との関係を示した図。 アクチュエータの初期長さと収縮率との関係を示した図。 アクチュエータの収縮率と収縮力との関係を示した図。 アクチュエータの内部圧と収縮量との関係を示した図。 アクチュエータの内部圧とアームの屈曲角度との関係を示した図。

符号の説明

１０、２２、４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄ、７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ、７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ、８０ａ…アクチュエータ
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ…凹部
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ…凸部
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ…円盤
１４ａ、１４ｂ…縁部
１５…貫通孔
１６…挿通孔
１７、３１、４４、４８、５５、６５、６７…可動部材
１８、３２、４２、５６、６６…第１の軸
１９、３３、３６…基端部材
２０、５３、６０、６２…弾性体
２１…補強材
３０、３７、４３、４７、５０…アクチュエータシステム
３４、４６、５２、６８…第２の軸
３５、４０、５１、７４…屈曲手段
４１、５７、６４…滑車
４５、４９、５４、６１、６３…ワイヤ
７２、７３…接続部
８０…ロボットアーム
８０ｂ…センサ
８１…供給手段
８２…角度計測手段
８３…制御手段
８４…三方弁

Claims (23)

1. 中空円筒状の弾性体と、前記弾性体の長手方向に沿って該弾性体内に埋設され、前記弾性体に比較して低弾性の補強材とから構成され、加圧流体の供給により前記長手方向に収縮可能な複数のアクチュエータをオフセット配置し、互いを接続して直列に構成したことを特徴とする、アクチュエータシステム。
2. 前記弾性体は、弾性体基材と、弾性体被覆材とから構成され、前記弾性体基材の表面に、前記補強材を前記長手方向に張着し、前記弾性体被覆材で被覆して一体成形されることを特徴とする、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
3. 前記補強材の弾性率と前記弾性体の弾性率との比が、１：１０〜１：１００００である、請求項１または２に記載のアクチュエータシステム。
4. 前記補強材は、編み上げ構造を有するプラスチック繊維またはカーボン繊維である、請求項３に記載のアクチュエータシステム。
5. 前記アクチュエータシステムは、一方の面の中央に凹部が形成され、該一方の面の裏面の中央に凸部が形成された複数の円盤を備え、前記複数の円盤は、互いの凹部と凹部、凸部と凸部が対向して配置され、前記アクチュエータは、前記凹部と凹部が対向して配置される前記円盤間には、前記凹部と凹部とに接続され、前記凸部と凸部が対向して配置される前記円盤間には、凸部間に比較して離間した、それぞれの該凸部に連続する縁部に接続されることにより、前記複数のアクチュエータがオフセットに配置される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のアクチュエータシステム。
6. 中空円筒状の弾性体と、前記弾性体の長手方向に沿って該弾性体内に埋設され、前記弾性体に比較して低弾性の補強材とから構成され、加圧流体の供給により前記長手方向に収縮可能な複数のアクチュエータをオフセット配置し、互いを接続して直列に構成したアクチュエータシステムと、
   前記アクチュエータシステムの一端に接続され、挿通孔を有する可動部材と、
   前記アクチュエータシステムの他端に接続され、前記アクチュエータシステムに並行して延び、前記挿通孔に挿通される第１の軸を備える基端部材と、
   前記第１の軸と第２の軸とを接続し、前記第１の軸と前記第２の軸との間に角度を与える屈曲手段とを備える、ロボットアーム。
7. 前記弾性体は、弾性体基材と、弾性体被覆材とから構成され、前記弾性体基材の表面に、前記補強材を前記長手方向に張着し、前記弾性体被覆材で被覆して一体成形されることを特徴とする、請求項６に記載のロボットアーム。
8. 前記補強材の弾性率と前記弾性体の弾性率との比が、１：１０〜１：１００００である、請求項６または７に記載のロボットアーム。
9. 前記補強材は、編み上げ構造を有するプラスチック繊維またはカーボン繊維である、請求項８に記載のロボットアーム。
10. 前記アクチュエータシステムは、一方の面の中央に凹部が形成され、該一方の面の裏面の中央に凸部が形成された複数の円盤を備え、前記複数の円盤は、互いの凹部と凹部、凸部と凸部が対向して配置され、前記アクチュエータは、前記凹部と凹部が対向して配置される前記円盤間には、前記凹部と凹部とに接続され、前記凸部と凸部が対向して配置される前記円盤間には、凸部間に比較して離間した、それぞれの該凸部に連続する縁部に接続されることにより、前記複数のアクチュエータがオフセットに配置される、請求項６〜９のいずれか１項に記載のロボットアーム。
11. 前記円盤は、前記第１の軸を挿通させる貫通孔を備える、請求項６〜１０のいずれか１項に記載のロボットアーム。
12. 前記屈曲手段は、滑車を備え、前記可動部材が前記滑車に接続される、請求項６〜１１のいずれか１項に記載のロボットアーム。
13. 前記屈曲手段は、滑車を備え、前記第１の軸と前記可動部材とが、一部に弾性体を有するワイヤで接続される、請求項６〜１１のいずれか１項に記載のロボットアーム。
14. 前記ロボットアームは、２つの前記可動部材、２つの前記基端部材を備え、前記２つの基端部材が、前記第１の軸を備える基端部材と第２の軸を備える基端部材であり、１つの前記可動部材と前記第１の軸を備える基端部材との間、および、もう１つの前記可動部材と前記第２の軸を備える基端部材との間のそれぞれに、１以上の前記アクチュエータシステムを備える、請求項６〜１３のいずれか１項に記載のロボットアーム。
15. 腕を補助し、筋力を回復させるために使用されるリハビリテーションシステムであって、
    中空円筒状の弾性体と前記弾性体の長手方向に沿って該弾性体内に埋設され、前記弾性体に比較して低弾性の補強材とから構成され、加圧流体の供給により前記長手方向に収縮可能な複数のアクチュエータをオフセット配置し、互いを接続して直列に構成したアクチュエータシステムと、前記アクチュエータシステムの一端に接続され、挿通孔を有する可動部材と、前記アクチュエータシステムの他端に接続され、前記アクチュエータシステムに並行して延び、前記挿通孔に挿通される第１の軸を備える基端部材と、前記第１の軸と第２の軸とを接続し、前記第１の軸と前記第２の軸との間に角度を与える屈曲手段とを備え、前記腕に取り付けられるロボットアームと、
    前記複数のアクチュエータに加圧流体を供給する供給手段と、
    前記加圧流体の供給量を制御する制御手段と、
    前記第１の軸と前記第２の軸との間の前記角度を計測する角度計測手段とを含む、リハビリテーションシステム。
16. 前記弾性体は、弾性体基材と、弾性体被覆材とから構成され、前記弾性体基材の表面に、前記補強材を前記長手方向に張着し、前記弾性体被覆材で被覆して一体成形されることを特徴とする、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記補強材の弾性率と前記弾性体の弾性率との比が、１：１０〜１：１００００である、請求項１５または１６に記載のシステム。
18. 前記補強材は、編み上げ構造を有するプラスチック繊維またはカーボン繊維である、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記アクチュエータシステムは、一方の面の中央に凹部が形成され、該一方の面の裏面の中央に凸部が形成された複数の円盤を備え、前記複数の円盤は、互いの凹部と凹部、凸部と凸部が対向して配置され、前記アクチュエータは、前記凹部と凹部が対向して配置される前記円盤間には、前記凹部と凹部とに接続され、前記凸部と凸部が対向して配置される前記円盤間には、凸部間に比較して離間した、それぞれの該凸部に連続する縁部に接続されることにより、前記複数のアクチュエータがオフセットに配置される、請求項１５〜１８のいずれか１項に記載のシステム。
20. 前記円盤は、前記第１の軸を挿通させる貫通孔を備える、請求項１５〜１８のいずれか１項に記載のシステム。
21. 前記屈曲手段は、滑車を備え、前記可動部材が前記滑車に接続される、請求項１５〜２０のいずれか１項に記載のシステム。
22. 前記屈曲手段は、滑車を備え、前記第１の軸と前記可動部材とが、一部に弾性体を有するワイヤで接続される、請求項１５〜２０のいずれか１項に記載のシステム。
23. ２つの前記可動部材、２つの前記基端部材を備え、前記２つの基端部材が、前記第１の軸を備える基端部材と第２の軸を備える基端部材であり、１つの前記可動部材と前記第１の軸を備える基端部材との間、および、もう１つの前記可動部材と前記第２の軸を備える基端部材との間のそれぞれに、１以上の前記アクチュエータシステムを備える、請求項１５〜２２のいずれか１項に記載のシステム。

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