JP2018003888A - ソフトアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】用途に応じて簡易に連結可能なソフトアクチュエータを提案する。【解決手段】互いに離間して配置された同一又は異なる機能を有する継手手段に接続可能なソフトアクチュエータ１であって、圧力の印加により伸縮する伸縮体と、伸縮体の伸縮方向端部に設けられ、同一又は異なる機能を有する継手手段に共通して接続可能なソケットとを備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータに関し、特に柔軟に変形可能なソフトアクチュエータに関する。

近年、特許文献１に示すようなソフトアクチュエータの一例としての人工筋肉が開示されている。当該人口筋肉は、空気圧等の圧力の印加によって伸縮動作するアクチュエータであり、伸縮動作前後において常に柔軟性を有する点で優れ、例えば人体に取り付ける装具としての転用や当該アクチュエータを複数連結したモジュール等、多様な用途の開発が望まれている。

特開２０１２−１７６１２４号公報

しかしながら、上記ソフトアクチュエータを汎用的に連結可能とし、多様な用途への転用を可能とする機構は未だ提案されていないのが現状である。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、用途に応じて簡易に連結可能なソフトアクチュエータを提案する。

上記課題を解決するための構成として、互いに離間して配置された同一又は異なる機能を有する継手手段に接続可能なソフトアクチュエータであって、圧力の印加により伸縮する伸縮体と、伸縮体の伸縮方向端部に設けられ、同一又は異なる機能を有する継手手段に共通して接続可能なソケットとを備えた構成とした。
本構成によれば、伸縮体の伸縮方向端部に同一又は異なる機能を有する継手手段に共通して接続可能なソケットを備えたことにより、その用途に応じてソフトアクチュエータを継手手段間に簡易に連結することができる。

実施形態に係るソフトアクチュエータの概略図である。 実施形態に係るソケットの概略断面図である。 実施形態に係る継手部材の概略図である。 実施形態に係る継手部材の概略図である。 実施形態に係る中間継手部材の概略図である。 複数のソフトアクチュエータの構成例を示す概略図である。 複数のソフトアクチュエータを装具とした構成を示す概略図である。

以下、実施の形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでなく、また、実施の形態の中で説明される特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、ソフトアクチュエータ１の概要を示す概略図である。同図に示すように、ソフトアクチュエータ１は、円筒状に形成された伸縮性や可撓性を有する柔軟な筒部１０と、当該筒部１０の軸方向（伸縮方向）の両端部に配設された金属製や樹脂製のソケット２０Ａ；２０Ｂとを備える。図１（ｂ）に示すように、筒部１０は、例えば低アンモニア天然ラテックスゴムから成るゴム部材と、当該ゴム部材に介挿された繊維層１２を有してなる。当該繊維層１２は、径方向に沿って積層される複数の炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維などからなる高弾性繊維によって構成される。また、繊維層１２を構成する高弾性繊維の延長方向は、筒部１０の軸方向と一致している。よって、筒部１０内に圧力媒体の一例としての空気が導入された場合、筒部１０は、径方向外側に膨張すると共に、繊維層１２によって軸方向への伸長が拘束される結果、その全体が軸方向に収縮し、空気が排出された場合、軸方向に伸長する。このように、ソフトアクチュエータ１は、ゴム部材により構成される筒部１０を備えるため、伸縮前後を通じて柔軟性を有しており、軸方向と交差するあらゆる方向に容易に湾曲させることができ、その形状を変化させることが可能である。
なお、本実施形態係るソフトアクチュエータにあっては、繊維層によって軸方向への伸長を規制することによって、筒部１０を径方向に膨張させると共に軸方向に収縮させる構成を採用したが、これに限られるものではなく、筒状のゴムをスリーブ状に編みこんだ繊維コードで覆うことによって軸方向への伸長を規制する所謂マッキベン型の構成を採用しても良い。

筒部１０の外周には、節用リング１４が配設される。節用リング１４は、筒部１０の軸方向中央部に配置された円環体であって、筒部１０の径方向外側への膨張を規制する部材である。図１（ａ）に示すように、節用リング１４が軸方向中央部に配置された場合にあっては、筒部１０の軸方向に沿って膨張範囲が複数の範囲（図示では２つ）に分割され、あたかも複数の瘤を有した状態で膨張する。なお、必ずしも節用リング１４を設ける必要はなく、また、節用リング１４の数は所望の分割数に応じて適宜設定可能である。

次に、図２を参照しつつ、ソケット２０Ａ；２０Ｂについて説明する。図２は、筒部１０の一端部側を示す概略断面図である。ソケット２０Ａ；２０Ｂは同一構成であるため、ソケット２０Ａを例として説明する。ソケット２０Ａは、筒部１０の中央側に位置する基体３０と、筒部１０の端部側に位置し、基体３０と螺合することによって筒部１０の端部を挟み込んだ状態で固定する接続体４０とから構成される。

基体３０は、内筒１０の軸方向に延長する中空の筒状体であって、径方向断面が円環状に形成された円環部３０Ａと、当該円環部３０Ａよりも大径とされ、外周面が六角状に形成され、内周面にねじ部３４が形成された螺合部３０Ｂとを有する。同図に示すように、円環部３０Ａの内周面は、筒部１０の端部から中央側に向けて内径方向に傾斜するテーパ面として形成されており、接続体４０に形成された後述の挟持部４８との間で、筒部１０の端部を強固に挟持，固定する。また、螺合部３０Ｂの内周面には、軸方向に沿ってねじ部（雄ねじ）３４が形成されており、内周側に挿入される接続体４０のねじ部（雌ねじ）４６と螺合する。

接続体４０は、基体３０と同様に内筒１０の軸方向に延長する中空の筒状体であって、内周側に後述の多様な継手部材１００と螺合するねじ部（雌ねじ）４２Ａを有する接続端部４２と、内径方向への段部を介して筒部１０の中央方向へ延長する螺入部４４と、当該螺入部４４から内径方向への段部を介してさらに筒部１０の中央方向へ延長する挟持部４８とを有する。接続端部４２は、後述の継手部材１００を受け入れる受け部（凹部）として形成されると共に、当該継手部材１００と螺合するねじ部４２Ａを有しており、当該接続端部４２を介して、ソフトアクチュエータ１が他の部材と連結される。

螺入部４４の外周面には、上述の螺合部３０Ｂの内周面に形成されたねじ部３４と螺合するねじ部４６（雌ねじ）が形成されており、ねじ部３４とねじ部４６との螺合により基体３０と接続体４０とが強固に一体化される。挟持部４８における筒部１０の中央側に向かう先端部には、径方向外側に突出する挟持突部４８Ａが形成される。当該挟持突部４８Ａは、テーパ面として形成された円環部３０Ａの内周面との間で、筒部１０の端部を強固に挟み込む部位である。基体３０と接続体４０との間で筒部１０の端部を固定するには、基体３０と接続体４０との螺合を緩めた状態で、筒部１０の端部を基体３０の円環部３０Ａと接続体４０の挟持部４８との間に挿通する。そして、筒部１０の端部を挿通した状態で外周面が六角状に形成された螺合部３０Ｂと対応する工具等を用いて、ねじ部３４；４６同士を回転させる。同図に示すように、上記回転によって基体３０と接続体４０との距離が近づくと、テーパ面として形成された円環部３０Ａの内周面と挟持突部４８Ａとの径方向距離が縮まるため、筒部１０の端部がより強固に挟持されることとなる。

このように、筒部１０の両端部に取り付けられたソケット２０Ａ；２０Ｂは、筒部１０の端部に対して容易に着脱可能であり、繰り返しの伸縮動作によって筒部１０の耐久性やソケット２０Ａ；２０Ｂ自体の耐久性が低下した場合であっても、筒部１０又はソケット２０Ａ；２０Ｂのみを新たな部材に容易に交換することができる。

次に、図３乃至図５を参照しつつ、上記ソケット２０Ａ；２０Ｂの接続体４０に対して容易に接続可能な継手部材１００の多様な形態について説明する。図３（ａ）は、複数のソフトアクチュエータ１Ａ；１Ｂ同士を連結すると共に、各アクチュエータ１Ａ；１Ｂ同士を相互に回転可能とする機能を有する回転継手１００Ａ；１００Ｂを示す概要図である。

同図に示すようにソフトアクチュエータ１Ａの一端部に設けられたソケット２０Ａには、雄型の回転継手１００Ａが接続され、ソフトアクチュエータ１Ａと連結される他のソフトアクチュエータ１Ｂの一端部に設けられたソケット２０Ｂには、雌型の回転継手１００Ｂが接続される。当該回転継手１００Ａ；１００Ｂは共に、外周面にソケット２０Ａ；２０Ｂの接続体４０が有する接続端部４２の内周面に形成されたねじ部４２Ａと螺合可能なねじ部（雄ねじ）を有する軸部１０５を有し、各軸部１０５がソケット２０Ａ；２０Ｂに対して螺合され、一体化される。各軸部１０５の周囲には、ソケット２０Ａ；２０Ｂの中空部及び筒部１０内と連通する圧力導入孔１１０が開設されており、当該圧力導入孔１１０を介してチューブＣが接続されることにより、各ソフトアクチュエータ１Ａ；１Ｂに空気を導入し、伸縮動作させることが可能である。

回転継手１００Ａにおける軸部１０５と反端側には、円筒の中央部から軸方向へ突出する平板状の第一係合片１１２が形成される。第一係合部１１２の中央部にはピン等の中心軸となる部材を挿通可能な円孔１１２Ａが設けられる。一方、回転継手１００Ｂにおける軸部１０５と反端側には、円筒の外周縁から軸方向へ突出する一対の第二係合片１１４；１１４が形成される。各第二係合片１１４には、上記円孔１１２Ａと同様な円孔１１４Ａが設けられている。また、一対の第二係合片１１４同士の離間寸法は、第一係合片１１２の厚さ寸法と対応している。そして、このような回転継手１００Ａ；１００Ｂ同士の連結は、第一係合片１１２を一対の第二係合片１１４間に挿入して円孔１１２Ａ；１１４Ａ同士が重なるように位置決めした後、ピン等を挿入して加締めることにより実現される。当該回転継手１００Ａ；１００Ｂを介したソフトアクチュエータ１Ａ；１Ｂ同士の連結によれば、ソフトアクチュエータ１Ａ；１Ｂ同士を相互に回転可能とすることができる。

図３（ｂ）は、複数のソフトアクチュエータ１Ａ；１Ｂ；１Ｃを３方向に分岐した状態で相互に連結する機能を有するＴ字型継手１００Ｃを示す概要図である。同図に示すようにＴ字型継手１００Ｃは、平面視３方向に延長する上述と同様の複数の軸部１０５を有しており、各軸部１０５が、ソケット２０Ａ；２０Ｂの接続体４０が有する接続端部４２の内周面に形成されたねじ部４２Ａと螺合することにより、ソフトアクチュエータ１Ａ；１Ｂ；１Ｃの軸がそれぞれ互いに直交する３方向に向いた状態で相互に連結される。また、Ｔ字型継手１００Ｃの内部は中空となっており、ソケット２０Ａ；２０Ｂの中空部及び筒部１０内と連通することによって、空気等を導入可能となっている。

図４（ａ）は、複数のソフトアクチュエータ１Ａ；１Ｂを直線的に連結する機能を有するねじ型継手１００Ｄを示す概要図である。同図に示すようにねじ型継手１００Ｄは、円筒体の両端部がそれぞれ上述と同様の軸部１０５として形成されており、一方の軸部１０５をソフトアクチュエータ１Ａのソケット２０Ａ；２０Ｂいずれかのねじ部４２Ａと螺合し、他方の軸部１０５をソフトアクチュエータ１Ｂのソケット２０Ａ；２０Ｂいずれかのねじ部４２Ａと螺合することにより、ソフトアクチュエータ１Ａ；１Ｂの軸が直線的に延長する状態で連結される。また、ねじ型継手１００Ｄの中間部には、図外の空気供給口が開設されており、当該空気供給口を介して、各ソフトアクチュエータ１Ａ；１Ｂを伸縮動作させることが可能である。

図４（ｂ）は、複数のソフトアクチュエータ１Ａ；１Ｂをゴムチューブ等の軟質部材を介して連結する機能を有するチューブ継手１００Ｅを示す概要図である。同図に示すようにチューブ継手１００Ｅは、円筒体の一端部が上記同様の軸部１０５として形成される一方、その他端部にはゴムや樹脂等のチューブを挿入可能なチューブ挿入孔１１５が形成されている。ソフトアクチュエータ１Ａ；１Ｂにそれぞれ取り付けられたチューブ継手１００Ｅのチューブ挿入孔１１５には、チューブ継手１００Ｅ内の中空部と連通するチューブＣの端部が挿入され、ソフトアクチュエータ１Ａ；１Ｂ同士が柔軟なチューブによって変位自在に連結されると共に、チューブＣを介して相互間における空気等の導入が可能となる。

図４（ｃ）は、複数のソフトアクチュエータ１Ａ；１Ｂをワンタッチで簡易に連結する機能を有するワンタッチ継手１００Ｆ；１００Ｇを示す概要図である。同図に示すように、ワンタッチ継手１００Ｆ；１００Ｇは共に円筒体であって、その一端部には前述の軸部１０５を有している。ワンタッチ継手１００Ｆの他端部には、雄型の外周形状を呈し、中央部から先端部にかけて複数の段部を有すると共に先細りとなる係合軸部１１６が形成される。一方、ワンタッチ継手１００Ｇの他端部には、上記雄型に対応する雌型の外周形状を呈し、ワンタッチ継手１００Ｆの他端部よりも大径に形成されると共に、複数の段部と相補する複数の段部を有する係合受部１１８が形成される。そして、上記構成からなるワンタッチ継手１００Ｆ；１００Ｇ同士を軸方向に押し込むことにより、ソフトアクチュエータ１Ａ；１Ｂの軸が直線的に延長する状態で容易に連結される。なお、ワンタッチ継手１００Ｆ；１００Ｇが内部に中空部を有し、ソケット２０Ａ；２０Ｂの中空部及び筒部１０内と連通する点は上記各形態に係る継手部材と同様である。

以上のとおり、本実施形態に係るソフトアクチュエータ１は、圧力の印加により伸縮する伸縮体としての筒部１０と、当該筒部１０の伸縮方向の両端部に設けられたソケット２０Ａ；２０Ｂとを備え、当該ソケット２０Ａ；２０Ｂは、伸縮方向に互いに離間して配置された同一の機能、或いは、異なる機能を有する継手手段としての上記各継手部材１００に対して共通して接続可能な接続端部４２を有した構成であるため、複数のソフトアクチュエータ１を連結する場合における汎用性、及び、その連結構成の自由度を向上させることができる。以下、複数の例を用いて複数のソフトアクチュエータ１を連結する場合の具体的構成について説明する。

図５は、複数のソフトアクチュエータ１をより多様な連結構成とするための中間継手２００の概要を示す図である。同図に示す各中間継手は、前述図４（ａ）に示すねじ型継手１００Ｄの軸部１０５と螺合可能な中空の筒状体であり、当該ねじ型継手１００Ｄが取り付けられた複数のソフトアクチュエータ１同士をより多様な形態で連結させる機能を有する。

図５（ａ）は、複数のソフトアクチュエータ１同士を平面視十字方向に相互に連結可能とするクロス型中間継手２００Ａの概要図である。同図に示すように、クロス型中間継手２００Ａは、四方に向けて開口する複数の接続口２０２が開設された中空筒であって、接続口２０２の内周面側には、ソケット２０Ａ；２０Ｂの接続端部４２の内周面に形成されたねじ部４２と同様のねじ部２０４が形成されている。そして、当該ねじ部２０４とねじ型継手１００Ｄの一方の軸部１０５を螺合することにより、複数のソフトアクチュエータ１Ａ乃至１Ｄを平面視十字方向に延長した状態で相互に連結することが可能となる。

図５（ｂ）は、複数のソフトアクチュエータ１同士を４方向に相互に連結可能とする４方向型中間継手２００Ｂの概要図である。同図に示すように４方向型中間継手２００Ｂは、平面視Ｔ字方向に向けて３方に開口する接続口２０６と、中間部において鉛直方向に開口する接続口２０８が開設された中空筒であって、各接続口２０６；２０８には上述のねじ部２０４が形成されている。そして、各ねじ部２０４とねじ型継手１００Ｄの一方の軸部１０５を螺合することにより、複数のソフトアクチュエータ１Ａ乃至１Ｄを平面視で３方向、正面視で１方向の計４方向に立体的に延長した状態で連結することが可能となる。

図５（ｃ）は、複数のソフトアクチュエータ１同士を立体的に３方向に相互に連結可能とする３方向型中間継手２００Ｃの概要図である。同図に示すように３方向型中間継手２００Ｃは、平面視で互いに直交する２方向に開口する接続口２１０と、中間部において鉛直方向に開口する接続口２１２が開設された中空筒であって、各接続口２１０；２１２には上述のねじ部２０４が形成されている。そして、各ねじ部２０４とねじ型継手１００Ｄの一方の軸部１０５を螺合することにより、複数のソフトアクチュエータ１Ａ乃至１Ｃを平面視で２方向、正面視で１方向の計３方向に立体的に延長した状態で連結することが可能となる。

図５（ｄ）は、複数のソフトアクチュエータ１同士を例えば４５°の角度を有して相互に連結可能とするエルボ型中間継手２００Ｄの概要図である。同図に示すようにエルボ型中間継手２００Ｄは、平面視で互いに４５°の角度を有して湾曲し、２方向に開口する接続口２１４が開設された中空筒であって、各接続口２１４には、上述のねじ部２０４が形成されている。そして、各ねじ部２０４とねじ型継手１００Ｄの一方の軸部１０５を螺合することにより、複数のソフトアクチュエータ１Ａ；１Ｂ同士を互いに４５°を角度を有して相互に連結することが可能となる。

次に、図６を参照しつつ、ソケット２０（２０Ａ；２０Ｂ）を備えた複数のソフトアクチュエータ１同士を多様な中間継手２００に用いて立体的に連結した例を示す。図６（ａ）は、複数のソフトアクチュエータ１Ａ乃至１Ｄをクロス型中間継手２００Ａ及びチューブ継手１００Ｅを介して４方向に連結した例を示す。同図に示すように、クロス型中間継手２００Ａの各ねじ部２０４には、ソケット２０に対して螺合可能なチューブ継手１００Ｅが螺合されており、当該チューブ継手１００Ｅからは、ソフトアクチュエータ１Ａ乃至１Ｄの一端部に設けられたソケット２０に向けてチューブＣが延長、接続されている。また、ソフトアクチュエータ１Ａ乃至１Ｄの他端部に設けられたソケット２０には、回転継手１００Ａが接続されており、回転継手１００Ｂとの組み合わせにより更なる構成を付加することが可能である。

図６（ｂ）は、両端にねじ型継手１００Ｄが螺合された複数のソフトアクチュエータ１Ａ乃至１Ｌを４方向型中間継手２００Ｂ及び複数の３方向型中間継手２００Ｃを介して立体的に連結した例を示す。同図に示すように、複数のソフトアクチュエータ１Ａ乃至１Ｌは、あたかも６面体を構成するように立体的に連結されており、１の角に位置する４方向型中間継手２００の一部のねじ部２０４には、チューブ継手１００Ｅが螺合されている。当該チューブ継手１００Ｅには図外のチューブが接続され、当該チューブを介して空気等が供給されることによって、ソフトアクチュエータ１Ａ乃至１Ｌが同期して収縮動作することとなる。

図６（ｃ）は、両端にねじ型継手１００Ｄが螺合された複数のソフトアクチュエータ１Ａ乃至１Ｈを複数のエルボ型中間継手２００Ｄを介して八角形の環状に連結した例を示す。同図に示すように１のねじ型継手１００Ｄに開設された上述の空気供給口には、空気供給バルブＢが挿入されており、当該バルブを介して空気が供給されることにより、ソフトアクチュエータ１Ａ乃至１Ｌを同期して収縮動作させることが可能である。なお、他の空気供給口については図外の封止部材によって閉塞されていることは言うまでもない。

次に、図７を参照しつつ、ソケット２０（２０Ａ；２０Ｂ）を備えた複数のソフトアクチュエータ１を人体に装着可能な装具として採用した例を示す。図７に示す装具３００は、例えば人体の肘関節の動作をアシストする装具であって、人体の上腕周りに装着される固定板３１０Ａと、人体の前腕周りに装着される固定板３１０Ｂとを備える。各固定板３１０Ａ；３１０Ｂは、腕周りに沿うように幅方向に沿って湾曲する板体であって、幅方向両端部に上下方向沿って延長するベルト通し孔３１２を有する。同図に示すように、上腕回りに装着される固定板３１０Ａ及び前腕周りに装着される固定板３１０Ｂはそれぞれ、ベルト３３０を介して装着される。

各固定板３１０Ａ；３１０Ｂの板面には、前述の回転継手１００Ａと接続可能な一対の係合片３２０が設けられる。係合片３２０は、前方に突出する一対の板体であって、ソフトアクチュエータ１のソケット２０Ａ；２０Ｂを介して接続された上述の回転継手１００Ａに形成された円孔１１２Ａと同径な円孔３２２を有する。そして、各固定板３１０Ａ；３１０Ｂの係合片３２０には、それぞれ、円孔１１２Ａ及び円孔３２２間に挿通されるピンを介して回転継手１００Ａが設けられている。

上記構成からなり、互いに離間する固定板３１０Ａ；３１０Ｂをソフトアクチュエータ１によって接続するには、固定板３１０Ａ；３１０Ｂにそれぞれ設けられた回転継手１００Ａの軸部１０５をソフトアクチュエータ１の両端部に設けられたソケット２０Ａ；２０Ｂと螺合して接続すればよく、固定板３１０Ａ；３１０Ｂがソフトアクチュエータ１によって互いに接続され、空気等の供給によって伸縮動作することにより、肘関節の曲げ伸ばし動作をアシストすることが可能となる。なお、本例においては肘関節の動作をアシストする装具３００を示したが、これに限られるものではなく、固定板３１０Ａ；３１０Ｂの位置や数を変更することにより、股関節、膝関節、手首の動作をアシストする装具とすることや、その柔軟性を生かして複数のソフトアクチュエータ１を背中周りに巻きつけることにより、背骨の矯正等を行う装具を構成することも可能である。

以上複数の実施形態を通じて説明したとおり、本実施形態に係るソフトアクチュエータ１によれば、互いに離間して配置された同一又は異なる機能を有する継手部材１００に対して共通して接続可能なソケット２０Ａ；２０Ｂを備えた構成であると共に、ソフトアクチュエータ１自体が伸縮前後において柔軟性を有するため、複数のソフトアクチュエータ１同士をその用途に応じて多様な配置、長さ、或いは組み合わせによって連結することが可能となり、図６に示すような立体的な動力モジュールへの転用や、人体の部位に応じた装具への転用等を容易かつ汎用的に行うことが可能となる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に記載の範囲には限定されない。前記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者にも明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲から明らかである。

１ ソフトアクチュエータ、１０ 筒体、２０（２０Ａ；２０Ｂ） ソケット、
３０ 基体、４０ 接続体、４２ 接続端部、
１００（１００Ａ〜１００Ｇ） 継手部材、
２００（２００Ａ〜２００Ｄ） 中間継手、３００ 装具。

Claims (1)

1. 互いに離間して配置された同一又は異なる機能を有する継手手段に接続可能なソフトアクチュエータであって、
   圧力の印加により伸縮する伸縮体と、伸縮体の伸縮方向端部に設けられ、同一又は異なる機能を有する継手手段に共通して接続可能なソケットとを備えたことを特徴とするソフトアクチュエータ。