JP2015017633A - 伸縮アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】軸長方向に柔軟性を有し、軸を曲げてもモータなどの回転運動を軸方向の運動に変換することが可能であり、且つ安定な動作をするサービスロボットの駆動源として適宜な伸縮アクチュエータを提供する。
【解決手段】回転駆動手段と、該回転駆動手段に駆動されて軸方向の長さが変わる回転・軸長変換手段と、前記回転・軸長変換手段を中に収め前記回転駆動手段の筐体に接合されて回転に伴う前記回転・軸長変換手段の全体形状の変形を規制する規制手段とを備え、前記回転・軸長変換手段が、前記回転駆動手段に接合されて回転駆動される第１部材を有する固定部と前記第１部材に係合して軸方向に移動する第２部材を有する移動部からなり、
前記第１部材と前記第２部材のうち少なくとも一つの部材が軸方向に螺旋形状を有すると共に他の部材がこれに係合する形状を有し、前記回転駆動手段の回転数又は回転駆動力が所定の値を超えないように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸方向に伸縮する伸縮アクチュエータに関するものである。さらに詳しくはサービスロボットに使われることを想定した柔らかな動作が可能なように、軸長方向にバネ状の柔軟性を備え、且つ伸縮する軸が曲げられても軸方向の長さを変えることができる伸縮アクチュエータに関するものである。

人に直に接するサービスロボットは、オフィス、家庭、公共空間など我々の生活に密着して付加価値を提供してくれるロボットである。サービスロボットは介護などの現場でのニーズが見込まれるものの、求められる機能を実現するための部品，特にロボットを動かすアクチュエータの性能と価格がまだ十分でないという問題がある。

ロボットを多様に駆動するには多数のアクチュエータが必要になる。人型あるいは動物型のロボットでは手足を動かすために動物の筋肉に相当する伸縮動作をするアクチュエータが必要である。

従来アクチュエータの駆動源として実用化されているものとして、パワードスーツなどで使われているエアポンプによる空気圧などの流体圧を用いるアクチュエータが報告されている（特許文献１を参照）。

流体圧を用いるものは発火などの危険性がないものの応答性に乏しく、加圧装置を別に用意する必要があり装置が大掛かりになるという問題がある。

制御の容易性からは電動式のものが望まれることからリニアモータを用いた人工筋肉が報告されている（特許文献２を参照）。

リニアモータで大きな伸縮距離を得ようとすると永久磁石やコイルを伸縮距離に応じて配置する必要があるので全体を容易に曲げられる可撓性を持たせることは難しい。そこで多数の磁石を可撓性材料を挟んで直列に接続して構成することで可撓性を持たせる発明が開示されている（特許文献３を参照）。

上述のようにリニアモータを使う場合は多数の磁石やコイルを使うことになり部品点数が増えコスト面の制限が厳しくなる。そこで駆動源として簡便な電気モータを使い電気モータの軸の回転運動を軸方向の伸縮運動に変換することで伸縮アクチュエータを作ることが考えられる。

従来、回転運動を伸縮運動に変換するにはねじを切ったスクリュー軸を回転させこれに螺合する部材がスクリュー軸の回転に伴い軸方向に移動する装置が公開されている（特許文献４、５を参照）。

上記の問題を解決するべく発明者達は伸縮アクチュエータを試作を繰り返し、おもちゃなどに適用して動作を確認した（特許文献６を参照）。しかしながら、実験を繰り返す中で、螺旋形状の部材が互いに噛み合って動かなくなったり螺旋形状が外れるという問題点が出てきた。

特開２００２−１０３２７０号公報 特開２００９−３６６号公報 特開２００５−５８３５１号公報 特開平６−７９５８３号公報 特開２００９−２８３０２３号公報 特開２０１２−１１７６１７号公報

従来技術で説明したように、流体圧を用いたり、リニアモータを使う伸縮アクチュエータは装置が複雑になるという問題がある。また、従来技術で開示されているモータを駆動源として軸方向に駆動する装置は直線的な精密な位置決めを目的とするものなので回転軸を曲げたり、軸方向に柔軟性を持たせて柔らかな動作をさせるサービスロボットの駆動源としては不適当である。そこで、本発明の課題は上記の問題を解決して軸長方向にバネ状の柔軟性を備え、且つ軸を曲げてもモータなどの回転運動を軸方向の運動に変換しほぼ自身長の倍近くまで伸びることが可能であり、且つ安定な動作をする、サービスロボットの駆動源として適宜な伸縮アクチュエータを提供することにある。

請求項１に記載された伸縮アクチュエータは、回転駆動手段と、該回転駆動手段の回転駆動力が伝達されて軸方向の長さが変わる回転・軸長変換手段と、前記回転・軸長変換手段を中に収め前記回転駆動手段の筐体に接合されて回転に伴う前記回転・軸長変換手段の全体形状の変形を規制する規制手段と、を備え、前記回転・軸長変換手段が、前記回転駆動手段に接合されて回転駆動される第１部材を有する固定部と前記第１部材に係合して軸方向に移動する第２部材を有する移動部からなり、前記第１部材及び前記第２部材のうち少なくとも一方の部材が軸方向に螺旋形状を有すると共に他方の部材がこれに係合する形状を有する伸縮アクチュエータにおいて、（イ）前記螺旋形状の１周期の間隔は、前記一方の部材の軸方向の寸法、及び前記他方の部材の係合部の軸方向の寸法の和よりも大きくされ、前記第１部材と前記第２部材が係合した状態で曲げられたときに前記第２部材が移動可能にされ、（ロ）前記回転駆動手段の回転数又は回転駆動力が所定の値を超えないように構成され、（ハ）前記回転駆動手段に駆動される前記第１部材の回転に伴い、前記螺旋形状に沿って前記第２部材が軸方向に移動して前記回転・軸長変換手段の軸方向の長さが変わることを特徴としている。

使用時に、本発明に係る伸縮アクチュエータは両端を外部材に接続されて外部材の間隔を変える。アクチュエータに備えられた回転駆動手段の回転軸の回転で回転駆動される第１部材に係合する第２部材は螺旋形状に沿って軸方向に移動する。この螺旋形状は第１部材又は第２部材の片方に形成されていても両方に形成されていてもよい。ただし、螺旋形状が片方に形成されている場合は、他方にはこの螺旋形状に係合する形状を有する必要がある。ここで、規制手段は回転駆動手段の筐体に接続されているので第１部材が曲がった状態で回転しても全体として大きく回転することを妨げる。そして、第１部材と第２部材が係合した状態で曲がったときに、曲がりにより変形した螺旋形状に挟まれて第２部材の移動が妨げられることがないように、前記螺旋形状の１周期の間隔は、前記一方の部材の軸方向の寸法、及び前記他方の部材の係合部の軸方向の寸法の和よりも大きくしているので、曲がった状態でも第１部材が回転して第２部材は第１部材の回転に伴い軸方向に移動することができる。以下の説明で、例えば螺旋形状が第１部材に有る場合は第１部材の螺旋形状を案内部材６５と言い、これに係合する第２部材が有する部材を被案内部材６６と言う。また、第２部材が螺旋形状６５１を有し、これに係合する部材６６１が第１部材に有る場合は、第１部材にある形状を駆動部材と言い、第２部材にある螺旋形状を被駆動部材と言う。

請求項２に記載された伸縮アクチュエータは、請求項１に記載の伸縮アクチュエータにおいて、前記移動部の外部と接続する部分の近傍に固定滑り部材が設けられ、これに対向して第２部材の端部に回転滑り部材が設けられ、前記回転駆動手段の回転駆動力が前記所定の値未満では両者が一体となり、前記所定の値以上では両者が互いに滑ることを特徴とする。

移動部の外部と接続する部分に固定滑り部材が設けられ、これに対向して第２部材の端部に回転滑り部材が設けられている。固定滑り部材は外部と間接的に接続されるので回転が固定される。負荷が小さい場合は、固定滑り部材と、これに対向する第２部材の端部の回転滑り部材が一体となり回転が固定される。負荷が増えて所定の値を超えると固定滑り部材と回転滑り部材間ですべりが起こり第１部材から第２部材への回転駆動回転力が制限される。

請求項３に記載された伸縮アクチュエータは、請求項１又は２に記載の伸縮アクチュエータにおいて、前記回転駆動手段の駆動電流を監視する電流監視手段が設けられ、該電流監視手段で監視される電流値が所定の値以上になると前記駆動電流を減少もしくは停止もしくは短時間逆転させる。

モータのトルク（回転力）回転力はモータへ流入する駆動電流に比例する。従ってモータへ流入する電流を監視して、所定の電流値以上になると減少もしくは停止もしくは短時間逆転させることで、することで回転力無理な伸縮動作を抑制することができる。

請求項４に記載された伸縮アクチュエータは、請求項１乃至３の何れかに記載の伸縮アクチュエータにおいて、前記第１部材および前記第２部材が同一のピッチを有する弦巻バネであることを特徴としている。

軸方向に螺旋形状を有する、２つのバネ材料の軸方向の寸法の和よりも大きな間隔で螺旋状に形成されている弦巻バネを第１部材および第２部材に使用する。この弦巻バネはバネ材料の軸方向の寸法の和よりも大きな間隔で螺旋状に形成されているので第１部材及び第２部材の弦巻バネが係合しても両者のバネ材料間に隙間が確保できる。この隙間があることでバネが曲げられても第１部材のバネ材料に第２部材のバネ材料が挟まれて移動を妨げられることなく、第１部材バネの回転に伴って第２部材のバネが軸方向に移動することができると共に、軸長方向にはバネによる柔軟性を与えることができる。

請求項５に記載された伸縮アクチュエータは、請求項４に記載の伸縮アクチュエータにおいて、少なくとも一のバネを形成する部材の他のバネに接する部分が略平面状であり、一のバネの内径が他のバネの内径よりも小さく且つ一のバネの外径が他のバネの外径よりも大きく形成されていることを特徴としている。

２本のバネの内中、少なくとも一のバネのバネ材の他のバネに接する部分が略平面状であり、一のバネの内径が他のバネの内径よりも小さく且つ一のバネの外径が他のバネの外径よりも大きいので、２本のバネが係合された状態で全体が曲げられても他のバネが一のバネから外れることが無くなり係合が確実となる。ここで、両方のバネの互いに接する部分を略平面状にしてもよい。

請求項６に記載されたて伸縮アクチュエータは、請求項１乃至３の何れかに記載の伸縮アクチュエータにおいて、前記第１部材と前記第２部材のうち一の部材が筒状の外部材であり他の部材が前記外部材の中に収まる内部材であって、少なくとも前記外部材の内側又は前記内部材の外側に前記螺旋形状が形成されていることを特徴としている。

２つの部材のうち、一つの部材が他の部材を中に収める筒型であり、一の部材の中を他の部材が軸方向に相対的に移動する。ここで、螺旋形状は筒の内側に設けてもよく、筒に収まる他の部材の外側に設けても良い。また、両方に螺旋形状を設けてもよい。また、外部材となる筒型の部材を第１部材とし、その中に入る内部材を第２部材とするか、又は外部材となる筒型の部材を第２部材とし、その中に入る内部材を第１部材としてもよい。

請求項７に記載の伸縮アクチュエータは請求項１乃至ないし６の何れか１項に記載のアクチュエータにおいて、前記第１部材、前記第２部材及び前記規制手段が可撓性を有し、前記規制手段の曲げ剛性が前記第１部材と前記第２部材の曲げ剛性の和よりも大きいことを特徴としている。

前記第１部材、前記第２部材および前記規制手段が可撓性を有するので軸の全体を大きく曲げることができるとともに前記規制手段の曲げ剛性が前記第１部材と前記第２部材の曲げ剛性の和よりも大きいので、前記規制手段によって第１部材の全体としての回転が規制されて第１部材は規制された状態で回転することになる。

請求項８に記載の伸縮アクチュエータは請求項１乃至ないし７の何れかに記載のアクチュエータにおいて、前記第１部材及び前記第２部材が係合している長さが所定の長さを下回らないようにする係合長さ制限手段が設けられていることを特徴とする。

前記第１部材及び前記第２部材が係合している長さが所定の長さを下回らないようにする係合長さ制限手段が設けられているので、第２部材が第１部材から外れることが無くなる。

請求項９に記載の伸縮アクチュエータは請求項８に記載のアクチュエータにおいて、前記移動部が前記第２部材を覆う筒状部材を備え、その筒状部材に軸方向に溝が形成され、前記固定部の前記回転駆動手段にの設けられた端と逆側部分に前記溝に差し込まれる突部が設けられることを特徴とする。

駆動部が第２部材を覆う筒状部材を備え、その筒状部材に軸方向に溝が形成され、前記固定部の前記回転駆動手段にの設けられた端と逆側部分に前記溝に差し込まれる突部が設けられるので、移動部は溝とこれに差し込まれた突部で制限される範囲でのみ移動が可能になり、第２部材が第１部材から外れることが無くなる。

本発明の伸縮アクチュエータは、回転駆動手段と、該回転駆動手段に駆動されて軸方向の長さが変わる回転・軸長変換手段と、前記回転・軸長変換手段を中に収め前記回転駆動手段の筐体に接合されて回転に伴う前記回転・軸長変換手段の全体形状の変形を規制する規制手段と、を備え、前記回転・軸長変換手段が、前記回転駆動手段に接合されて回転駆動される第１部材を有する固定部と前記第１部材に係合して軸方向に移動する第２部材を有する移動部からなり、前記第１部材と前記第２部材のうち少なくとも一つの部材が軸方向に螺旋形状を有すると共に他の部材がこれに係合する形状を有する伸縮アクチュエータにおいて、（イ）前記螺旋形状の１周期の間隔は、前記一方の部材の軸方向の寸法、及び前記他方の部材の係合部の軸方向の寸法の和よりも大きくされ、前記他の部材を受け入れて係合する軸方向に繰り返し現れる前記螺旋形状の軸方向の単位部分の寸法が、前記螺旋形状を形成する部材の軸方向の寸法及び前記単位部分に係合する他の部材の形状の軸方向の寸法に、前記第１部材と前記第２部材が係合した状態で曲げられたときに前記第２部材が移動可能なようにさらに軸方向の隙間を加えたものにされ、（ロ）前記回転駆動手段の回転数又は回転駆力が所定の値を超えないように構成され、（ハ）前記回転駆動手段に駆動される前記第１部材の回転に伴い、前記螺旋形状に沿って前記第２部材が軸方向に移動して前記回転・軸長変換手段の軸方向の長さが変わることを特徴としているので、軸が曲がった状態でも伸縮動作が可能になり、第１部材と第２部材が噛み合ったり、移動部が固定部から外れることもなく、サービスロボットのように軸方向にも柔軟な動きをすることが求められる用途に安心して幅広く適用することができる。

第１実施例の伸縮アクチュエータの断面図。（ａ）伸縮アクチュエータが伸びた状態の断面図。（ｂ）伸縮アクチュエータが縮んだ状態の断面図。 規制手段の働きを説明する図。（ａ）曲がった軸が回転する状態を示す図。（ｂ）規制手段で全体の回転を抑制された状態で軸を回転する様子を示す図。 ボルトとナットのかみ合わせの図。 第１部材と第２部材の係合の様子を示す図。（ａ）軸が直線の場合を示す図。（ｂ）軸が曲がった場合を示す図。（ｃ）軸の曲がり具合と隙間の関係を説明する図。 軸が曲がった状態の伸縮アクチュエータ１０の様子を示す図。 第２実施例のアクチュエータの説明図。（ａ）螺旋形状の案内部材６５に被案内部材６６が係合している様子を示す図。（ｂ）回転する第１部材６４の螺旋状の案内部材６５により駆動される被案内部材６６を有する第２部材６３が移動して伸縮動作をする様子を示す図。（ｃ）回転する第１部材６３１の駆動部材６６１により駆動される螺旋状の被駆動部材６５１を有する第２部材６４１が軸方向に移動して伸縮動作をする様子を示す図。 直流モータの特性。 モータ駆動についての説明図。 電流制限及び回転数制限のフローチャート。 固定滑り部材と回転滑り部材の説明図。 移動部の移動距離を制限する説明図。 関節に伸縮アクチュエータを取り付けた様子を示す図。（ａ）関節を曲げたときの図。（ｂ）関節を伸ばしたときの図。 ３個の伸縮アクチュエータを並列にした様子を示す図。 ４脚の動物ロボットへの伸縮アクチュエータを適用した様子を示す図。

（実施例１）以下に図面を用いて本発明の内容を説明する。図面１（ａ）には伸びた状態の伸縮アクチュエータ、図面１（ｂ）には縮んだ状態の伸縮アクチュエータを示している。共通する部材は同じ符号が付されている。図1の中で、Ｌｋはアクチュエータの機能を確保するために必要な最少限の係合長さを示している。

伸縮アクチュエータ１０は、電動の回転モータ（以後、単に「モータ」という）１、モータの軸に接合部材６を介して接合されている弦巻バネ３、モータ１とバネ３を収めた筒型の容器２、バネ３に係合する別の弦巻バネ４から構成されている。バネ３が第１請求項の第１部材、バネ４が第２部材に相当する。両者が係合したものが回転・軸長変換手段に相当する。モータは回転駆動手段の一例である。筒型の容器２は、後述する規制手段である。筒の断面形状は特に問わないが、軸対称象であることから円形が望ましい。

モータの回転軸はモータの筺体に保持されて回転し、筒型の容器２は筺体に接続されているので回転しない固定部である。また筒型の容器２はアクチュエータにより駆動される外の部材Ａに接続され、弦巻バネ４も外の部材Ｂに接続される。使用時に伸縮アクチュエータは外の部材に接続されるので、その接続により回転運動が規制され、外の部材に接続された部材は回転する事がない。従って、第１部材が回転しても第２部材は回転しないで軸方向に移動することになる。

ここでバネ３とバネ４はそれぞれ係合した状態でも軸方向のバネ部材の間に隙間があるものを使用する。係合するこの隙間は、螺旋形状の他の部材を受け入れて係合する軸方向に繰り返し現れる部分（バネ部材間の間隔）の軸方向の寸法が、前記部分に嵌りこんで係合する他の部材（バネ部材）の形状の軸方向の寸法よりも意図して大きく取られることで得られるものである。この隙間は後述する軸の曲がりに備えると共に軸長方向に柔軟性を与えるためである。

この状態でモータが回転すると接合部材６を介してバネ３が回転して、回転しないバネ４との係合部分の長さがモータの回転に伴って変化する。図１のバネは左巻きなので、モータが反時計方向に回転すると互いの接合部分が互いに入り込んでバネ同士の重なりが大きくなり、伸縮アクチュエータ１の全長が短くなる。この係合部分の長さ（図１のＬ）を所定の値以上にすることや、モータの回転数制御により、弦巻バネ４が弦巻バネ３から外れることが防止される。

モータ１は容器２を通して部材Ａに接続されている。また、バネ４のモータと反対側の端部が部材Ｂに接続されている。この状態でモータの回転に伴って伸縮アクチュエータの全長が伸縮すると部材Ａおよび部材Ｂの距離が伸縮する。係合する２本のバネを組み合わせたものが回転・伸縮変換手段となり、モータの軸に接合されたバネが第１部材であり、これに係合するバネが第２部材に相当する。

尚、以下の伸縮アクチュエータの図面では、モータが規制手段、例えば円筒の中に入っているが、モータは規制手段の外に有っても良く、モータ１の回転軸とこれに駆動される第１部材手段との間にギヤなどの減速機などが入っても良い。

外部材Ａへの接続は図面では規制手段２が接続されているが、規制手段２に穴を開けて、モータ１の外筺を直接接続してもよい。また、外部材Ｂへの接続は第２部材の第１部材と係合している部分から離れた端で行われる。

次に図面１の筒２の機能について説明する。図２（ａ）に軸が曲がった状態で部材２２が回転軸２１の回転に伴って回転するときの様子を示す。部材２２の全体が曲がった状態で回転する様子を横から見ると図２（ａ）の実線２２と点線２３の間をバネが行き来するように見える。

次に、バネ２２にモータの筺体のような固定部に接続されて回転しない規制手段２４を被せて軸を回転すると曲がったバネの全体としての回転は規制され、回転駆動手段２１からの回転駆動によりバネ２２は規制手段２４の中で変形しながら回転することになる。つまり、規制手段２４によりバネの全体としての回転が規制されていることになり、図１の筒２がこの規制手段２４に相当する。ここで、第１部材の曲げ剛性が規制手段の曲げ剛性よりも小さいと第１部材は規制手段の形に倣った形で回転することになる。第２部材が係合した状態でも全体回転を規制するために規制手段の曲げ剛性は第１部材と第２部材の曲げ剛性の和よりも大きくする。

曲げ剛性は、ヤング率と断面二次モーメントの積で決まるので、第１部材、第２部材と規制手段と間の曲げ剛性の違いを作るには、断面形状を変えたり材料を変えることで多様に対応することができる。

本発明において、案内部材に軸方向の隙間を設けるようになっていることについて以下に説明する。図３は通常のボルト３１にナット３２が係合している様子を示す。ここでボルトの中心軸３３が下へ凸に曲がると、ボルト３１の軸３３に近い谷の部分が伸び、軸から遠い山の部分の間隔が縮んで狭くなる。そうするとボルトの山の面に接しているナット３２の谷の部分との圧力が高くなり摩擦が増えてナット３２の回転が妨げられることになる。従って、通常のボルトとナットの組み合わせでボルトを曲げるとナットが回らなくなりナットが移動し難くなる。つまり従来技術として特許文献４、５で開示されている精密駆動を目的とする回転運動を軸方向の運動に変換するものは、原理的に軸を曲げて使用することが出来ない。

ここで軸方向に螺旋形状を有する部材とこれに係合する形状を有する部材において係合時にも軸方向の隙間が残るように螺旋形状の他の部材を受け入れて係合する軸方向に繰り返し現れる部分を形成することにより、軸が曲がった状態でも伸縮動作が可能になることを説明する。

以下に、図４を用いて、螺旋形状の隙間について説明する。この図において、回転駆動手段に係接合されて駆動する部材に螺旋形状が設けられている場合で説明する。駆動側に螺旋形状が有る場合にこれを案内部材と言う。以下の説明は、螺旋形状が被駆動側に有る場合にも適用され、また第１部材、第２部材の両方に有る場合にも適用される。

図４（ａ）は直線状の軸４３を持つ螺旋状の案内部材４１に係合した被案内部材４２が案内部材４１の回転に伴って軸方向に移動する様子を説明する模式的な説明図である。案内部材４１は軸に沿って螺旋状に形成されているので案内部材４１に係合している被案内部材４２を案内部材４１の回転により軸方向に移動させる。ここで、案内部材４１とこれに係合する被案内部材４２の間に隙間ｄが設けられている。

図４（ａ）の白抜きの矩形の間の部分が、螺旋形状の他の部材を受け入れて係合する軸方向に繰り返し現れる部分であり、その寸法の決め方を以下に説明する。ハッチのついた矩形が前記螺旋形状の他の部材を受け入れて係合する軸方向に繰り返し現れる部分に嵌りこんで係合する他の部材の形状になる。図４に示すように白抜きの矩形間の部分である凹パターンの中にハッチの矩形の凸パターンが入りさらに隙間ｄが設けられている。つまり、螺旋形状の他の部材を受け入れて係合する軸方向に繰り返し現れる部分（白抜きの矩形間の部分）の寸法は、前記螺旋形状の他の部材を受け入れて係合する軸方向に繰り返し現れる部分に嵌りこんで係合する他の部材（ハッチの矩形）の形状の軸方向の寸法に隙間ｄを加えたものになる。ここで凹凸の表現はそれぞれ凹凸パターンの設けられた母材に対しての凹凸である。また、弦巻バネのように母材が無い場合はバネ材料の空間部分が凹であり、バネ材料の有る部分が凸であると把握できる。

次に図４（ｂ）は曲がった軸４３の案内部材４１に係合した被案内部材４２が軸４３の回転に伴って軸方向に移動する様子を説明する模式的な説明図である。軸４３が曲がると案内部材４１とこれに係合する被案内部材４２の間の隙間ｄはｄ’になりその距離が短くなる。ｄからｄ’への変化量は軸４３の曲がりの曲率半径が小さくなると変化量が大きくなるので、必要な曲がり量に応じて隙間の大きさを決めればよい。

ここで、曲がりの程度を表す曲率半径と隙間の関係を図４（ｃ）を用いて説明する。曲率半径をＲとして全体を曲げると図４（ｃ）の右側の案内部材４１の中心からΔＳ離れた左側の案内部材４１が持ち上がり、軸との間に角度Δθが生じる。ここで案内部材４１の軸方向への高さをｈとすると、左側の駆動部材がΔθ傾くことで、隙間ｄがｈΔθの大きさだけ縮んでｄ’になる。

ここで、曲率半径Ｒ＝ΔＳ／Δθとすると、Δｄ＝ｄ−ｄ’＝ｈΔＳ／Ｒとなる。曲がった状態で隙間が確保されるためにはｄ’＞０が必要になることからｄ’＝ｄ−ｈΔＳ／Ｒ＞０であり、これから最初に確保されるべき隙間ｄの大きさがｄ＞ｈΔＳ／Ｒとなる。

隙間の大きさｄの軸方向の駆動部材間の距離ΔＳ（ねじのピッチに相当）に対する割合は、ｄ／ΔＳ＞ｈ／Ｒとなり、駆動部材の高さが高いほど、所要の曲率半径が小さいほど大きな割合の隙間が必要になる。

必要な曲率半径Ｒを定め、螺旋形状の高さ（ｈ）とピッチΔＳを適宜に決めて、螺旋形状の他の部材を受け入れて係合する軸方向に繰り返し現れる部分の寸法において所定の隙間ｄを確保することで、図４（ｂ）にあるように軸が曲がっても隙間ｄ’が確保されて軸が曲がった状態での伸縮動作が可能となる。

具体的な寸法を以下に検討する。所望の曲率半径Ｒ＝１００ｍｍ、螺旋形状のピッチΔＳ＝５ｍｍ、螺旋形状の凹凸パターンの高さｈ＝３ｍｍとすると、少なくとも隙間ｄは０．１５ｍｍよりも大きいことが必要になる。ここで曲率半径を半分のＲ＝５０ｍｍとして他のパラメータをそのままにすると最低必要な隙間ｄは０．３ｍｍとなる。このように大きな隙間は、従来のボルトとナットを組み合わせた精密な駆動系では到底考えられない。

図５は、第１部材と第２部材に弦巻バネを用いた伸縮アクチュエータで軸を曲げた状態での伸縮動作を示す図である。弦巻バネは軸方向のバネ部材間の間隔をバネ部材の太さ以上に取って軸方向に隙間を設けることで軸が曲がっても第１部材の回転により第２部材との係合部分の長さが変化して伸縮アクチュエータとなる。図５に示すように、伸縮アクチュエータが接続されているＡ部材とＢ部材が平行でなくなっても両部材間の距離を変えることができる。

バネ材料の形状は広く使われている円状でもよいが、係合する際に互いに接するバネ材料の軸方向の断面形状を略平面状にすることで曲面状の断面形状に比べて係合が確実になる。また、略平面状にしたバネの内径をこれに接するバネの内径よりも小さくし、略平面状にしたバネの外径をこれに接するバネの外径より大きくすることで、曲げたときにも確実な係合が得られる。また、バネ材同士の摩擦を減らすためにグリースなどの潤滑材をバネの接触面の間に置くことが好ましい。

（第２実施例）図６において、モータの回転軸に接合された部材が第１部材であり、この第１部材に係合する部材が第２部材であって、両者により回転・軸長変換手段が構成される。ここで、モータの回転軸と第１部材の間にギヤなどによる変速機を設けても良い。伸縮アクチュエータ６０、６０１は外部の部材ＡとＢに接続されて、外部材Ａと外部材Ｂの間の距離をモータ１の回転により変える。

図６において、外部材Ａへの接続は規制手段６２、６２１で行われているが、モータ１を規制手段６２、６２１の外へ出して外部材Ａへの接続をモータ１の外筺で行っても良い。また、外部材Ｂへの接続は第２部材の第１部材と係合している部分から離れた端で行われる。

図６（ａ）において、螺旋形状である案内部材６５を有する駆動する部材である第１部材６４と、これに係合する被案内部材６６を有し、第１部材６４の回転に伴って軸方向に駆動されて移動する第２部材６３を示す。ここで、第１部材及び第２部材共に、軸に直角方向に柔軟性を持たせる。第１部材６４が図６（ａ）に示す方向に回転するとこれに備えられた螺旋形状である案内部材６５に係合した被案内部材６６が軸方向に移動するように駆動され第２部材６３が図６（ａ）に示す方向へ移動する。

逆に、図６（ａ）において螺旋形状を有する部材６４を被駆動部材である第２部材とし、螺旋形状に係合する矩形のこま６６を駆動部材とすることもできる。この場合は、棒６３に支えられた駆動部材６６が回転して、これに係合する螺旋形状６５が軸方向に駆動され螺旋形状を有する部材６４が軸方向に移動する。

以下に、図６（ａ）で説明した原理を適用した実施例を説明する。図６（ｂ）にモータ１と第１部材６４を規制手段となる筒状の容器６２に収め、容器６２の内側に収まる筒状の第２部材６３の側面に被案内部材６６を形成して、軸を曲げた状態でモータを回転させたときの様子を示す。第２部材は規制手段である筒６２の内側に入る円筒形の部材又は複数本の棒状の部材などでその内側の側面に案内部材に係合する被案内部材６６を有している。第１部材６４の回転に伴い案内部材６５に係合した被案内部材６６に軸方向の力が加わり、モータ１の回転駆動力により伸縮アクチュエータの全長が伸縮する。また外部の部材Ａ及び部材Ｂが傾くとそれに応じて伸縮アクチュエータの全体が曲がる。ここで規制部材の断面形状は問わないが軸対称象の観点から円形が好ましい。

ここで、案内部材６５と被案内部材６６が係合した状態で、軸が曲がった場合でも案内部材６５と被案内部材６６の間に図４で説明した隙間があるので伸縮動作が可能になる。

次に、図６（ｂ）の第１部材と第２部材を入れ替えて、螺旋状の部材が被駆動側にある場合を図６（ｃ）を用いて説明する。

モータ１により接合部材６を介して回転する軸と直角方向に柔軟性を有する第１部材６３１の側面に形成された駆動部材６６１が、軸と直角方向に柔軟性を有する螺旋状の被駆動部材６５１に係合して回転することで第２部材６４１を軸方向に駆動する。

ここで、図６において、案内部材又は被駆動部材としての螺旋形状を内向きに設け、これに係合する被案内部材又は駆動部材を外向きに形成しても良いことはもちろんある。何れの場合も螺旋形状の凹部に相手部材の凸部の寸法に加えて隙間が形成されているので曲げた状態でも伸縮動作が可能となる。

以上の説明において、モータ１は規制手段２の中に収められているが、規制手段２の外部に置かれても良い。

さらに、本発明において使用する材料に可撓性の材料を用いることで大きく曲がる状態でも伸縮動作をする伸縮アクチュエータを実現することができる。そして、前記規制手段の曲げ剛性が前記第１部材と前記第２部材の曲げ剛性の和よりも大きいので、全体回転が規制された状態で第１部材が回転することができる。

ここで、モータの制御について説明する。図７にトルク基準様式での直流モータの特性図を示す。横軸は回転力（トルク）、縦軸は実線で表される回転速度（Ｎ）及び破線で表される駆動電流（Ｉ）である。無負荷で外部へのトルクが０の状態（Ｔｏ）では回転速度が最も高くなり、その回転速度は無負荷回転速度Ｎｏであり、このときに流れる駆動電流は無負荷電流（Ｉｏ）である。また、負荷が大きくなって回転が止まったとき（Ｎｓ）のトルクは停動トルク（Ｔｓ）であり、そのときに流れる電流は停動電流（Ｉｓ）である。このモータの回転数・トルク特性は、ＴｏとＴｓを結ぶ実線で表わされ、電流・トルク特性は無負荷駆動電流Ｉｏと停動電流Ｉｓを結ぶ破線で表わされる。

図７の回転速度に時間を掛ければ回転数を求めることができる。また、負荷が増えると電流が増えるので弦巻バネが変形しないトルクとしてＴｋを想定してすると、Ｔｋを与える電流としてＩｋが図７の破線との交点として求めることができる。

図８にモータの駆動についての説明図を示す。モータ１はモータ駆動回路８２から給電されて回転する。回転方向は給電の極性に依存して、正回転と逆回転をする。モータ駆動回路には、回転制御回路からモータの回転についての指示が与えられる。また、モータ駆動回路からはモータへ給電されるモータ駆動電流の値がモータ電流モニタの値として回転制御回路へ送られる。モータ電流モニタの値は、モータ駆動電流が流れる抵抗の両端電圧のようなアナログ値でもよいし、これをＡ／Ｄ変換器でデジタル化した値でも良い。

また、モータにはモータの回転を検出する回転数モニタを付けることも有用である。回転数モニタは、ホール素子や感磁半導体などと小さな磁石の組み合わせで簡便に用意することができる。回転数モニタがモータの回転数に応じたパルスを発生することで、回転数を監視することができる。

モータの駆動は、駆動電流Ｉｍと回転数Ｒｍを監視することで制御を行う。駆動電流はモータに流れる電流を流す際に小さな抵抗を介して行い、抵抗に発生する電圧を監視することで、知ることができる。また、モータの回転数はモータの軸に付けられた回転数モニタから得ることができる。固定部が移動部を一番引き込んだ状態を始点として回転数をリセットし、そこからの回転数の増加分を知ることで移動部の位置を知ることができる。

図９にモータ制御の一例となるフロー図を示す。Ｉｍはモータの駆動電流、Ｒｍは始点からのモータの回転数である。モータの駆動電流を第１部材や第２部材がモータによる駆動で互いの移動が阻害されるような変形を起こさない値に制限するために、制限電流を例えばＩｋとする。また、第２部材が第１部材から飛び出すことの無い様に、上限の回転数をＲｋとする。

ステップ１（Ｓ１）で、モータの駆動電流は正転と逆転で電流の向きが反転するので、絶対値｜Ｉｍ｜を制限電流Ｉｋと比較する。｜Ｉｍ｜＞Ｉｋであれば、ステップ２（Ｓ２）で｜Ｉｍ｜を減少させて、｜Ｉｍ｜がＩｋを超えないようにする。

ステップ１３（Ｓ１３）で｜Ｉｍ｜が制限電流Ｉｋと等しいか、小さい場合は、ステップ３（Ｓ３）で回転数Ｒｍを制限回転数Ｒｋと比較する。Ｒｍ＜Ｒｋであれば、スタートへ戻り、駆動を続ける。また、ＲｍがＲｋと等しいか、Ｒｍ以上であれば、ステップ４（Ｓ４）で駆動電流を反転させる。

図９のフロー図は一例であって、回転数Ｒｍが所定の値になったら、モータ駆動を停止して、次の動作を待ったり、始点まで戻したりしてもよい。また、駆動電流｜Ｉｍ｜が所定の値になったら、Ｉｍ＝０としたり、短時間逆転させるなどと、色々なパターンを選択することができる。図８で回転制御回路８１からモータ駆動回路８２へ与えられる回転指示でモータの回転制御のパターンを選択する。

図１０を用いて、移動部に備えられる固定滑り部材と回転滑り部材を説明する。第１部材、第２部材に弦巻バネを使う場合にバネ間の摩擦力が大きくなったり、移動部で駆動された外部からアクチュエータにかかる負荷が大きくなるとバネが変形して駆動に不具合の生じることがある。そこで、第２部材の先端に回転滑り部材７を接続して第２部材へ印加される回転力の上限を制限する。

移動部のモータと逆側の端部付近に回転滑り部材７を収容する空間８を設ける。空間８の回転滑り部材と対向する面が固定滑り部材に相当する。回転滑り部材７は円盤状あるいは円盤に突起をつけた形状をしており、第２部材４が接続されていて回転について第２部材と一体の動きをする。回転滑り部材７と、空間８の壁面に形成される固定滑り部材との互いに対向する面は、適度な摩擦力を生じるように、ゴム、合成樹脂、表面を粗面にした金属等を用いる。適度な摩擦力にすることで弦巻バネが変形したりモータが加熱する前に、二つのバネを連れ回りさせて伸縮アクチュエータの破壊を防止する。なお、第１部材と第２部材の接触面は摩擦力の小さいことが望ましく、接触面への潤滑剤の塗布や筒内の充填も好ましい。

移動部が外部へ伸びて行くときに外部からアクチュエータにかかる負荷が所定の値以下であれば回転滑り部材は滑らずに固定回転部材と一体となっており回転について固定される。外部からアクチュエータにかかる負荷が所定の値を超えると回転滑り部材が固定滑り部材との間で互いに滑り始め、空間８内で回転滑り部材が回転し、第２部材４は第１部材３につれて回転を始める。そうすると、移動部の移動は止まり、第１部材３と第２部材４の変形が防止される。また、移動部が引き込まれる場合も同様である。

次に、図１１に示す移動部の移動長さの制限機構について説明する。移動部には第２部材を収める内筒９が備えられ、側面の軸方向に所定の長さの溝９９が設けられる。また、内部に第１部材を収めた固定部の外筒の、モータと逆側の端部付近にねじなどで突部９８が設けられ、内筒の溝へ挿入される。この突部の幅寸法は溝の幅よりも小さくなっているので、溝の端に突部が当たるまでは内筒は自由に移動することができる。この溝の長さを調節することで図１に示す第１部材と第２部材の係合している最小限の長さＬｋを確保して、移動部の移動距離を自由に定めることができ、移動部が固定部の外へ飛び出すことも無くなる。

また、内筒のモータ側の外側に外部突起９９１と外筒のモータと逆側の内側に内部突起９８１を設け、通常は突起が当たることが無いが、移動部が外部へ伸びた場合に、所定の位置で二つの突起が当たることで、第１部材と第２部材の係合長が所定の値以下にならないようにすることも出来る。それぞれの突起は部材の端部の円周部分の一部を加工することで容易に作ることができる。

第１部材と第２部材の係合している長さは、第１部材と第２部材が導電性の材料で構成されている場合は、その全抵抗を測定することで制御することもできる。第１部材と第２部材が完全に係合して、アクチュエータの軸長が最短の時の電気抵抗値Ｒｓと、第１部材と第２部材が最小限の係合状態であるＬｋの部分のみで係合している時の電気抵抗Ｒｌを予め計っておく。第２部材が移動して係合部の寸法が短くなるほど全抵抗は増加する。そこで、全抵抗がＲｌ以上になった場合、もしくはＲｓ以下になった場合は、駆動を止めることで、第１部材３と第２部材４の変形を防止することができる。

図１２にロボットの関節に接続された伸縮アクチュエータを示す。図１２（ａ）は関節を縮めたとき、図１２（ｂ）は関節を伸ばしたときである。伸縮アクチュエータの伸縮に伴い関節が伸びたり、縮んだりする。

本発明に掛かるアクチュエータは小型なので、伸縮方向の力を増やす場合は並列に接続することで、伸縮方向の力を増やすことができる。図１３に３本の伸縮アクチュエータを並列にした様子を示す。

伸縮アクチュエータをロボットに使用したときの模型図を図１４に示す。点線で囲まれた部分がアクチュエータを使用する部分である。

本発明は軸方向の変位の精密さを求めないが曲がった状態や軸長方向に弾力性が必要な状況での使用を必要とする自身長のほぼ倍近くまで伸びる多様な用途に用いることができる。

１ モータ（回転駆動手段）
２ 円筒の筒（規制手段）
３ 弦巻バネ（第１部材、案内部材）
４ 弦巻バネ（第２部材）
６ 接合部材
７ 回転滑り部
８ 固定滑り部を備える空間
９ 内筒
９８ 突部（ネジ）
９８１ 内部突起
９９ 溝
９９１ 外部突起
１０ 伸縮アクチュエータ
２１ 回転駆動軸
２２ 回転して上部に位置する曲がった軸
２３ 回転して下部に位置する曲がった軸
２４ 曲がった軸を収める筒（規制手段）
３１ ボルト
３２ ナット
３３ 中心軸
４１ 案内部材
４２ 駆動部材に係合して軸方向に駆動されて移動する被案内部材
４３ 案内部材の軸
６０ 螺旋形状を有する部材を駆動部材とした伸縮アクチュエータ
６２ 円筒の規制手段
６３ 第２部材
６４ 第１部材
６５ 案内部材
６６ 被案内部材
６０１ 螺旋形状を有する部材を被駆動部材とした伸縮アクチュエータ
６２１ 規制手段
６３１ 第１部材
６４１ 第２部材
６５１ 螺旋状の被駆動部材
６６１ 駆動部材
７１ 上部関節部材
７２ 下部関節部材
７３ 第１伸縮アクチュエータ
７４ 第２伸縮アクチュエータ
９０ ４つ脚ロボットの模式図
９１ 前脚関節
９２ 後脚関節
９３ 腰関節
９４ 背骨関節
９５ 肩関節

Claims (9)

1. 回転駆動手段と、該回転駆動手段の回転駆動力が伝達されて軸方向の長さが変わる回転・軸長変換手段と、前記回転・軸長変換手段を中に収め前記回転駆動手段の筐体に接合されて回転に伴う前記回転・軸長変換手段の全体形状の変形を規制する規制手段と、を備え、前記回転・軸長変換手段が、前記回転駆動手段に接合されて回転駆動される第１部材を有する固定部と前記第１部材に係合して軸方向に移動する第２部材を有する移動部からなり、前記第１部材及び前記第２部材のうち少なくとも一方の部材が軸方向に螺旋形状を有すると共に他方の部材がこれに係合する形状を有する伸縮アクチュエータにおいて、
   （イ）前記螺旋形状の1周期の間隔は、前記一方の部材の軸方向の寸法、及び前記他方の部材の係合部の軸方向の寸法の和よりも大きくされ、前記第１部材と前記第２部材が係合した状態で曲げられたときに前記第２部材が移動可能にされ、
   （ロ）前記回転駆動手段の回転数又は回転駆動力が所定の値を超えないように構成され、
   （ハ）前記回転駆動手段に駆動される前記第1部材の回転に伴い、前記螺旋形状に沿って前記第２部材が軸方向に移動して前記回転・軸長変換手段の軸方向の長さが変わることを特徴とする伸縮アクチュエータ。
2. 前記移動部の外部と接続する部分の近傍に固定滑り部材が設けられ、これに対向して第２部材の端部に回転滑り部材が設けられ、前記回転駆動手段の回転力が前記所定の値未満では両者が一体となり、前記所定の値以上では両者が互いに滑ることを特徴とする請求項１に記載の伸縮アクチュエータ。
3. 前記回転駆動手段の駆動電流を監視する電流監視手段が設けられ、該電流監視手段で監視される電流値が所定の値以上になると前記駆動電流を減少もしくは停止もしくは短時間逆転させることを特徴とする請求項１又は２に記載の伸縮アクチュエータ。
4. 前記第１部材および前記第２部材が同一のピッチを有する弦巻バネであり、そのピッチは２つのバネ材料の軸方向の寸法の和よりも大きい間隔で形成されていることを特徴とする請求項１乃至３何れかに記載の伸縮アクチュエータ。
5. ２本の前記弦巻バネの中、少なくとも一のバネを形成する部材の他のバネに接する部分が略平面状であり、一のバネの内径が他のバネの内径よりも小さく且つ一のバネの外径が他のバネの外径よりも大きく形成されていることを特徴とする請求項４に記載の伸縮アクチュエータ。
6. 前記第1部材と前記第２部材のうち一つの部材が筒状の外部材であり他の部材が筒の中に入る内部材であって、少なくとも前記外部材の内側又は内部材の外側に前記螺旋形状が形成されると共に前記内部材の外側又は外部材の内側に前記螺旋形状に係合する形状が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３何れかに記載の伸縮アクチュエータ。
7. 前記第１部材、前記第２部材及び前記規制手段が可撓性を有し、前記規制手段の曲げ剛性が前記第1部材と前記第２部材の曲げ剛性の和よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至６何れか１項に記載の伸縮アクチュエータ。
8. 前記第１部材及び前記第２部材が係合している長さが所定の長さを下回らないようにする係合長さ制限手段が設けられている請求項１乃至７何れかに記載の伸縮アクチュエータ。
9. 前記係合長さ制限手段として、前記移動部が前記第２部材を覆う筒状部材を備え、その筒状部材に軸方向に溝が形成され、前記固定部の前記回転駆動手段に設けられた端と逆側部分に前記溝に差し込まれる突部が設けられる請求項８に記載の伸縮アクチュエータ。

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