JP4892671B2 - 動作検出センサ及びアクチュエータシステム - Google Patents

Description

この発明は、動作検出センサ及びアクチュエータシステムに関する。

アクチュエータにおける姿勢や動作量などの動作情報や、アクチュエータが対象物に接触したことついての接触情報を知る手段として、当該アクチュエータにセンサを組み込んで観測する手段が考えられる。このようなセンサとしては、例えば特許文献１に示しているように、アクチュエータの動作に応じて生じる金属のひずみ抵抗の変化を利用したものがある。特許文献１のセンサでは、ダイアフラムにセンサチップが固定されており、作用する力に応じてダイアフラムがひずみ、このダイアフラムのひずみ量をセンサチップによって電気信号に変換し、この電気信号を処理することによってダイアフラムのひずみ量を検出し、検出したひずみ量から作用した力を検出している。

特開２００６−１０５６４５号公報

例えば前記アクチュエータを体内駆動型の医療機器であるマニピュレータとした場合、体内に挿入する部分に電気的なセンサを取り付けることとなる。このような体内駆動型の医療機器においては、体内に挿入する部分について電気的な構成をできるだけ少なくするのが好ましいとされている。
そこでこの発明は、従来の電気的なセンサとは異なる構造によってアクチュエータ（動作部）の動作を検出できる新たな技術的手段を提供することを目的とする。

前記目的を達成するためのこの発明の動作検出センサは、変形動作する動作部に設けられ当該動作部の変形動作に応じて変形することで通過させる流体の流路抵抗が変化する検出用流路と、前記流路抵抗の変化による前記検出用流路を通る流体の状態の変化を測定する測定手段とを備え、前記検出用流路は、Ｕターン部と、このＵターン部の流体の流れ方向の前後にそれぞれ連通している直線部とを有しているものである。
この構成によれば、動作部の変形動作に応じて検出用流路が変形することによって当該検出用流路における流路抵抗が変化する。そして、測定手段が、この流路抵抗の変化による検出用流路を通る流体の状態の変化を測定することで動作部の動作を検出できる。このように、動作部に設けた検出用流路を通る流体に基づいて当該動作部の動作状態を検出できる。そして、前記検出用流路は、Ｕターン部と、このＵターン部の流体の流れ方向の前後にそれぞれ連通している直線部とを有しているので、検出用流路において流路抵抗が変化する部分（流路抵抗の有効長）を長くでき、検出用流路を通る流体の状態の変化量を大きくできる。

また、この発明の動作検出センサは、変形動作する動作部に設けられ当該動作部の変形動作に応じて変形することで通過させる流体の流路抵抗が変化する検出用流路と、前記流路抵抗の変化による前記検出用流路を通る流体の状態の変化を測定する測定手段とを備え、前記測定手段は、前記動作部が無負荷で動作した際の動作量の情報と、その動作量に応じて生じる前記検出用流路を通る流体の状態の情報との関係についての無負荷時データを記憶する記憶手段と、所定の動作量について動作させるべく前記動作部が負荷を有して動作した際の前記検出用流路を通る流体の状態を測定した情報と、前記無負荷時データにおいて前記所定の動作量に対応する前記検出用流路を通る流体の状態の情報との間の変化を求める演算手段とを有している。
この構成によれば、動作部の変形動作に応じて検出用流路が変形することによって当該検出用流路における流路抵抗が変化する。そして、測定手段が、この流路抵抗の変化による検出用流路を通る流体の状態の変化を測定することで動作部の動作を検出できる。このように、動作部に設けた検出用流路を通る流体に基づいて当該動作部の動作状態を検出できる。そして、所定の動作量について動作させるべく動作部が負荷を有して動作した際の検出用流路を通る流体の状態を測定手段が測定し、その測定した情報と、無負荷時データにおいて前記所定の動作量に対応する検出用流路を通る流体の状態の情報との間の変化を、演算手段が求めることによって、前記負荷の強弱などについての接触情報を検出することができる。

また、この発明の動作検出センサは、変形動作する動作部に設けられ当該動作部の変形動作に応じて変形することで通過させる流体の流路抵抗が変化する検出用流路と、前記流路抵抗の変化による前記検出用流路を通る流体の状態の変化を測定する測定手段と、前記検出用流路に通す流体の圧力、流速、流量の内の一つを一定とする調整手段とを備え、前記測定手段は、前記検出用流路に通す流体の圧力、流速、流量の内の他の一つを前記流体の状態として測定する。
この構成によれば、動作部の変形動作に応じて検出用流路が変形することによって当該検出用流路における流路抵抗が変化する。そして、測定手段が、この流路抵抗の変化による検出用流路を通る流体の状態の変化を測定することで動作部の動作を検出できる。このように、動作部に設けた検出用流路を通る流体に基づいて当該動作部の動作状態を検出できる。そして、測定手段は、検出用流路を通る流体の状態として、流体の圧力、流速、流量の内の前記他の一つを測定することができ、これに基づいて動作部の動作状態を検出できる。

また、前記動作検出センサにおいて、前記動作部の変形動作により、前記検出用流路の断面積、長さ、曲がり角度の少なくとも１つが変化することで、当該検出用流路における流路抵抗が変化する構成とすることができる。この場合、動作部が変形動作することで検出用流路の断面積、長さ、曲がり角度の少なくとも１つが変化し、検出用流路の流路抵抗が変化する。
また、前記動作部は曲がり動作を行い、この曲がり動作に応じて前記検出用流路も曲がる方向に設定されて当該検出用流路は設けられている構成とすることができる。これにより、動作部の曲がり動作に応じて検出用流路も曲がり、流路抵抗が変化する。
また、前記測定手段は、前記動作部の動作量の情報と、その動作量に応じて生じる前記検出用流路を通る流体の状態の情報との関係についてのデータを記憶する記憶手段を備えているのが好ましい。これにより、測定手段が検出用流路を通る流体の状態を測定し、その測定情報に基づいて、測定手段は、記憶手段に記憶している前記関係についてのデータから動作部の動作量を求めることができる。

この発明のアクチュエータシステムは、動力源と、この動力源の動力により動作する動作部と、この動作部の動作状態を検出する動作検出センサとを備え、前記動作検出センサが、前記動作部に設けられ当該動作部の動作に応じて変形することで通過させる流体の流路抵抗が変化する検出用流路と、前記流路抵抗の変化による前記検出用流路を通る流体の状態を測定する測定手段とを有し、前記検出用流路は、Ｕターン部と、このＵターン部の流体の流れ方向の前後にそれぞれ連通している直線部とを有している。
この構成によれば、動作部の動作に応じて検出用流路が変形することによって当該検出用流路における流路抵抗が変化する。そして、測定手段が、この流路抵抗の変化による検出用流路を通る流体の状態の変化を測定することで動作部の動作を検出できる。このように、動作部を動作させることができるとともに、この動作部に設けた検出用流路を通る流体に基づいて当該動作部の動作状態を検出できる。そして、前記検出用流路は、Ｕターン部と、このＵターン部の流体の流れ方向の前後にそれぞれ連通している直線部とを有しているので、検出用流路において流路抵抗が変化する部分（流路抵抗の有効長）を長くでき、検出用流路を通る流体の状態の変化量を大きくできる。

また、この発明のアクチュエータシステムは、動力源と、この動力源の動力により動作する動作部と、この動作部の動作状態を検出する動作検出センサとを備え、前記動作検出センサが、前記動作部に設けられ当該動作部の動作に応じて変形することで通過させる流体の流路抵抗が変化する検出用流路と、前記流路抵抗の変化による前記検出用流路を通る流体の状態を測定する測定手段とを有し、前記測定手段は、前記動作部が無負荷で動作した際の動作量の情報と、その動作量に応じて生じる前記検出用流路を通る流体の状態の情報との関係についての無負荷時データを記憶する記憶手段と、所定の動作量について動作させるべく前記動作部が負荷を有して動作した際の前記検出用流路を通る流体の状態を測定した情報と、前記無負荷時データにおいて前記所定の動作量に対応する前記検出用流路を通る流体の状態の情報との間の変化を求める演算手段とを有している。
この構成によれば、動作部の動作に応じて検出用流路が変形することによって当該検出用流路における流路抵抗が変化する。そして、測定手段が、この流路抵抗の変化による検出用流路を通る流体の状態の変化を測定することで動作部の動作を検出できる。このように、動作部を動作させることができるとともに、この動作部に設けた検出用流路を通る流体に基づいて当該動作部の動作状態を検出できる。そして、所定の動作量について動作させるべく動作部が負荷を有して動作した際の検出用流路を通る流体の状態を測定手段が測定し、その測定した情報と、無負荷時データにおいて前記所定の動作量に対応する検出用流路を通る流体の状態の情報との間の変化を、演算手段が求めることによって、前記負荷の強弱などについての接触情報を検出することができる。

また、この発明のアクチュエータシステムは、動力源と、この動力源の動力により動作する動作部と、この動作部の動作状態を検出する動作検出センサとを備え、前記動作検出センサが、前記動作部に設けられ当該動作部の動作に応じて変形することで通過させる流体の流路抵抗が変化する検出用流路と、前記流路抵抗の変化による前記検出用流路を通る流体の状態を測定する測定手段と、前記検出用流路に通す流体の圧力、流速、流量の内の一つを一定とする調整手段とを有し、前記測定手段は、前記検出用流路に通す流体の圧力、流速、流量の内の他の一つを前記流体の状態として測定する。
この構成によれば、動作部の動作に応じて検出用流路が変形することによって当該検出用流路における流路抵抗が変化する。そして、測定手段が、この流路抵抗の変化による検出用流路を通る流体の状態の変化を測定することで動作部の動作を検出できる。このように、動作部を動作させることができるとともに、この動作部に設けた検出用流路を通る流体に基づいて当該動作部の動作状態を検出できる。そして、測定手段は、検出用流路を通る流体の状態として、流体の圧力、流速、流量の内の前記他の一つを測定することができ、これに基づいて動作部の動作状態を検出できる。

また、前記動作部は、流体の供給によって動作するエアアクチュエータとすることができる。
これにより、動作部及び動作検出センサ共に流体を利用した構成とできる。
また、この場合において、前記エアアクチュエータは内部に流体を供給することで表面の膜体が膨張するバルーンアクチュエータであり、前記検出用流路は前記膜体に形成されているのが好ましい。
これにより、バルーンアクチュエータを形成する工程において検出用流路を形成でき、製造工数を低減できる。さらに、バルーンアクチュエータを構成する膜体に検出用流路を形成していることから、検出用流路を形成するために別の部材が不要となる。また、バルーンアクチュエータと検出用流路とを一体として形成できることから、検出用流路の存在によるバルーンアクチュエータの動作の影響を小さくできる。

この発明によれば、動作部の変形動作に応じて検出用流路が変形することによって当該検出用流路における流路抵抗が変化し、この変化による検出用流路を通る流体の状態の変化を測定することで動作部の動作を検出できる。従来のように電気的なセンサによらずに、動作部に設けた検出用流路を通る流体に基づいて当該動作部の動作状態を検出できる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１はこの発明の動作検出センサ１、及びこの動作検出センサ１を備えたアクチュエータシステムの実施の一形態を示す概略構成図であり、図２はこのアクチュエータシステム（マニピュレータシステム）が有するマニピュレータ１１を示す平面図であり、図３はこのマニピュレータ１１による動作を説明する側面断面図である。このマニピュレータ１１は、人間の指に類似した構造を有し、人間の指の動作に類似した動作を行うことができる。すなわち、このマニピュレータ１１は、人間の指に見立てたフィンガー部１３を有しており、フィンガー部１３に設けた関節部１４において屈曲することができ（図３（ｂ）参照）、例えば人間の指のように物体の把持などを行うことができる。関節部１４は、供給される流体の圧力（流体圧）によって曲がり運動を行う動作部であり、この動作部をバルーンアクチュエータ１２によって構成している。なお、以下において、前記流体を気体として説明する。そして、流体を気体とした場合では、その気体を空気、酸素ガス、窒素ガスなどとできる。

図１において、この発明のアクチュエータシステムは、コンプレッサ、ポンプ又はボンベなどの動力源３１と、この動力源３１からマニピュレータ１１へ供給する気体の圧力、流量を調整することができるレギュレータ３２とを備えている。そして、この動力源３１からの気体の圧力によってバルーンアクチュエータ１２が動作し、マニピュレータ１１は動くことができる。なお、動力源３１及びレギュレータ３２はマニピュレータ１１の外部に設けられており、気体供給用の流路としてのパイプ４０を介してこれらはマニピュレータ１１（供給ポート１６）と接続されている。

マニピュレータ１１は、本体部１５と、本体部１５から延びるフィンガー部１３とを有している。本体部１５は、パイプ４０を取り付けるための供給ポート１６を有している。この供給ポート１６は、本体部１５及びフィンガー部１３の基端部に形成したチャネル部（供給流路）１７を介してバルーンアクチュエータ１２に連通しており、バルーンアクチュエータ１２へ動力源３１からの気体を供給することができる。

図３（ａ）において、フィンガー部１３及び本体部１５は複数の膜体を積層して構成しており、具体的には、フィンガー部１３においては、シリコーンラバーフィルムからなる第１膜体１８と、同じくシリコーンラバーフィルムからなる第２膜体１９とを積層して構成し、フィンガー部１２における全体の厚さが１ｍｍ以下であり薄く柔軟な構造である。第１膜体１８と第２膜体１９との間には、前記チャネル部１７の一部と、このチャネル部１７よりも断面が拡大している空間部２０とが形成されている。この空間部２０の周囲にある第１膜体１８と第２膜体１９とがバルーンアクチュエータ１２を構成しており、空間部２０にチャネル部１７を通じて気体が供給される。この空間部２０により第１膜体１８と第２膜体１９との一部がバルーンアクチュエータ１２として機能する。空間部２０及びチャネル部１７は、第２膜体１９に凹溝を形成することによって構成できる。第１膜体１８は平面状に形成されている。また、本体部１５においては、さらに他のフィルムを積層し、フィンガー部１３よりも剛性を高め、供給ポート１６（図１、図２参照）を形成している。

第１膜体１８及び第２膜体１９は、シリコーンラバーの一種であるＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）薄膜によって構成されている。これによりフィンガー部１３はＰＤＭＳのみで形成されているため全体が柔軟であり、（把持する）対象物の損傷を防止することができる。第１膜体１８と第２膜体１９はともに伸縮自在なシリコーンラバーによって形成されているため、図３（ｂ）に示しているように、両膜体１８，１９のうちバルーンアクチュエータ１２を構成している部分は、供給された気体の圧力によって風船のようにその表面積を拡げつつ伸びて膨張することができる。なお、図示している空間部２０は閉塞空間としている。

このバルーンアクチュエータ１２では、第１膜体１８が、第２膜体１９よりも薄く柔らかいため、同じ圧力下でも、第１膜体１８は第２膜体１９よりも大きく膨張することができる。換言すると、第２膜体１９は、第１膜体１８よりも厚く硬度が高いため、同じ圧力下では第１膜体１８よりも小さく膨張することしかできない。これにより、図３に示しているように、バルーンアクチュエータ１２が膨張することによってフィンガー部１３は下方への曲がり運動を行うことができる。また、バルーンアクチュエータ１２の内圧の変化によって動作量（曲がり角度θ）を自由に変えることができる。

そして、このアクチュエータシステムは、バルーンアクチュエータ１２に供給される気体の圧力を検出する圧力センサ（図示せず）と、この圧力センサで検出した圧力値に基づきバルーンアクチュエータ１２に供給される流体の圧力を前記レギュレータ３２と協同して制御する制御装置３３とを備えている。この制御手段３３の機能によりバルーンアクチュエータ１２の動作量を自在に調整し制御することができる。この制御装置３３は、図示しないがマイクロコンピュータ、メモリなどを有するコンピュータから構成することができる。

そして図１において、このアクチュエータシステムは、前記バルーンアクチュエータ１２の動作状態を検出する動作検出センサ１を更に備えている。動作検出センサ１は、マニピュレータ１１に設けられている検出用流路２と、この検出用流路２を通る気体の状態を測定する測定手段３とを備えている。さらに、動作検出センサ１は、コンプレッサ、ポンプ又はボンベなどの動力源７と、この動力源７から検出用流路２へ供給する気体の圧力を調整する調整手段としてのレギュレータ８とを備えている。なお、動力源７、レギュレータ８、及び測定手段３はマニピュレータ１１の外部に設けられており、パイプ４１を介してこれらはマニピュレータ１１と接続されている。

検出用流路２はフィンガー部１３に設けられており、このフィンガー部１３における変形量が大きい関節部１４となるバルーンアクチュエータ１２部分に設けられている。つまり、検出用流路２は、マニピュレータ１１を構成する膜体１８，１９のうちのバルーンアクチュエータ１２部分に設けられており、例えば、第２膜体１９に凹溝を形成することによって構成できる。すなわち、検出用流路２はマニピュレータ１１に一体として設けられている。検出用流路２は内部に気体（流体）を通すことのできる構成である。

図２において、検出用流路２はバルーンアクチュエータ１２の空間部２０の左右両側にあり、空間部２０の一側方にある第１検出用流路２ａと、他側方にある第２検出用流路２ｂとからなる。そして、マニピュレータ１１の本体部１５にはセンサ用の供給ポート２１と排出ポート２２とが形成されており、供給ポート２１と第１検出用流路２ａとが第１連結流路２３を介して連通しており、排出ポート２２と第２検出用流路２ｂとが第２連結流路２４を介して連通している。さらに、フィンガー部１３において空間部２０の先端側に第１検出用流路２ａと第２検出用流路２ｂとを連通する第３連結流路２５が形成されている。これにより、供給ポート２１から排出ポート２２までの間に、第１検出用流路２ａと第２検出用流路２ｂとを含む一続きの流路が形成される。したがって、動力源７からの気体は、マニピュレータ１１において供給ポート２１から流入し、検出用流路２ａ，２ｂを通過し排出ポート２２から流出する。排出ポート２２は大気開放させてもよい。また、動作検出センサ１の動力源７から排出ポート２２までの流路は、バルーンアクチュエータ１２を動作させるための流路と独立している。

第１と第２検出用流路２ａ，２ｂは、フィンガー部１３の基端部から先端部へ向かう方向に沿って空間部２０と並行して設けられている。第１と第２検出用流路２ａ，２ｂは空間部２０の両側となる位置において膜体１８，１９間に形成されている。また、第１連結流路２３、第２連結流路２４、及び第３連結流路２５についても膜体１８，１９の間に形成されており、これら流路についても、第２膜体１９に凹溝を形成することによって構成できる。

これにより、バルーンアクチュエータ１２の曲がり動作に応じて検出用流路２ａ，２ｂも曲がる方向に設定されて、当該検出用流路２ａ，２ｂは設けられた構成となり、これら検出用流路２ａ，２ｂは、バルーンアクチュエータ１２の曲がり動作に応じて曲がり変形する。つまり、バルーンアクチュエータ１２が膨張することによってフィンガー部１３が当該バルーンアクチュエータ１２において曲がり変形動作すると、検出用流路２ａ，２ｂは同じように曲がり変形し、検出用流路２ａ，２ｂの曲がり角度が変化することで、当該検出用流路２ａ，２ｂにおける流路抵抗は変化することとなる。すなわち、図３（ａ）のように直線状にあったバルーンアクチュエータ１２が図３（ｂ）のように曲線状となって下向きに変形するのと同じように、検出用流路２ａ，２ｂは直線状から曲線状となって下向きに変形し、フィンガー部１３のバルーンアクチュエータ１２における曲がり角度と、検出用流路２ａ，２ｂの曲がり角度とは同じとなる。これにより、検出用流路２ａ，２ｂは前記変形により内部を通過させる気体の流路抵抗が変化する。これは、曲がった検出用流路２ａ，２ｂ内を気体が通る際にエネルギ損失が生じるためであり、このエネルギ損失の要因としては、曲がり部の流れ方向前後部において気体の流れの剥離が生じることが考えられる。このように、検出用流路２ａ，２ｂの流路抵抗が変化することで、当該検出用流路２ａ，２ｂを通る気体の状態が変化する（例えば流量が変化する）。

また、図２において、検出用流路２ａ，２ｂのそれぞれは、Ｕターン部と、このＵターン部の気体の流れ方向の前後にそれぞれ連通している直線部とを有している。具体的には、２つのＵターン部４ａ，４ｂと、３つの直線部５ａ，５ｂ，５ｃとを有している。これら直線部５ａ，５ｂ，５ｃは空間部２０の側方に位置しており、バルーンアクチュエータ１２の動作に応じてそれぞれが変形する。このように検出用流路２ａ，２ｂのそれぞれを蛇行状とすることで、検出用流路２ａ，２ｂのそれぞれにおいて、バルーンアクチュエータ１２の動作により流路抵抗が変化する部分を長くできる。これにより、検出用流路２ａ，２ｂを通る気体の状態の変化量（例えば流量の変化量）をより一層大きくできる。なお、図４に示しているように、検出用流路２ａ，２ｂの変形例として、検出用流路２ａ，２ｂにおいてＵターン部を有さない構成、つまり、直線状の検出用流路２ａ，２ｂとしてもよい。

さらに、図示しないが、検出用流路２ａ，２ｂのそれぞれにおいて、当該検出用流路２ａ，２ｂが曲がることによって内部を流れる気体の剥離が生じる部分に、その剥離を促進できる部分（例えば突起部）を設けるのが好ましい。具体的には、曲がっている検出用流路２ａ，２ｂの下流側の径方向内側部、上流側の径方向外径部に、突起部を設けるのが好ましい。これにより、検出用流路２ａ，２ｂのそれぞれが曲がることで、流量の変化量をさらに大きくできる。

そして、検出用流路２ａ，２ｂの流路抵抗が変化することによって、測定手段３が、この流路抵抗の変化による検出用流路２ａ，２ｂを通る気体の状態の変化を測定することができ、この測定結果に基づいてバルーンアクチュエータ１２の動作を検出できる。具体的には、検出用流路２ａ，２ｂの流路抵抗が変化することで、当該検出用流路２ａ，２ｂを通る気体の流速、流量、圧力が変化し、測定手段３がこれらの変化を検出することによって、バルーンアクチュエータ１２の動作を検出できる。

測定手段３について具体的に説明する。なお、この発明では、検出用流路２ａ，２ｂに通す気体の圧力、流速、流量の内の一つを一定とする調整手段を備えていればよく、また、測定手段３は、この検出用流路２ａ，２ｂに通す気体の圧力、流速、流量の内の他の一つを流体の状態として測定する。つまり測定手段３を圧力計、流速計、流量計とできる。そこで図１の形態においては、調整手段として前記のとおり圧力を一定とするレギュレータ８を備えており、検出用流路２ａ，２ｂに対して微小な流量の気体を一定の圧力で供給している。そして、測定手段３によって検出用流路２ａ，２ｂに通す気体の流量を測定している。なお、この流量を測定するために流速の測定を行ってもよい。また、測定手段３は流量計３ｂの他に圧力計３ａも有している。さらに、測定手段３は、測定結果を演算する演算手段１０と、測定結果、演算手段１０のための演算式、及びその演算のための各種データを記憶する記憶手段９とを有している。なお、この検出用流路２ａ，２ｂへの気体の供給は微小であるため、バルーンアクチュエータ１２の動作への影響はほとんど無い。

これにより、検出用流路２ａ，２ｂには一定の圧力の気体が供給され、バルーンアクチュエータ１２が動作する前であってフィンガー部１３が直線状にある状態では、流量計３ｂの測定値は所定値（基準流量値Ｑ１）で一定のままである。この状態から、バルーンアクチュエータ１２が膨張動作しフィンガー部１３はバルーンアクチュエータ１２において曲がった状態になると、検出用流路２ａ，２ｂにおいて流路抵抗が大きくなり、動作検出センサ１全体における流路の流れが阻害され、流量計３ｂの測定値は基準流量値Ｑ１から減少し、動作時流量値Ｑ２となる。したがって、流量計３ｂにおいて測定値が減少（Ｑ１からＱ２へ減少）することによって、フィンガー部１３はバルーンアクチュエータ１２において曲がった状態になったことの検出が可能となる。なお、動作の前後において検出用流路２ａ，２ｂの断面積は一定である。

そして、図５は、前記実施の形態のアクチュエータシステムにおいて、フィンガー部１３の曲がり角度（動作量の情報）と、その曲がり角度に応じて生じる検出用流路２ａ，２ｂを通る気体の流量の変化率（１−Ｑ２／Ｑ１）との関係を示したものである。なお、この気体の流量は、マニピュレータ１１（検出用流路２ａ，２ｂ）外にある前記流量計３ｂにおいて測定される値である。そして、この関係についてのデータは測定手段３が備えている前記記憶手段９に記憶されている。図５において、バルーンアクチュエータ１２における曲がり角度と、これに応じて生じる流量の変化率（１−Ｑ２／Ｑ１）とは略正比例の関係にある（線形性がある）。これにより、測定手段３の流量計３ｂが検出用流路２ａ，２ｂを通る気体の流量を測定し、流量計３ｂからの測定情報に基づいて演算手段１０がこの流量の変化率を求め、記憶手段９に記憶している前記関係についてのデータ（図５）から、フィンガー部１３のバルーンアクチュエータ１２における曲がり角度を求めることができる。

この図５の関係は、バルーンアクチュエータ１２が無負荷で動作した際の情報である。つまり、図３（ａ）（ｂ）に示しているように、フィンガー部１３に対象物が接触しない状態における情報である。また、バルーンアクチュエータ１２に供給される気体の圧力Ｐと、バルーンアクチュエータ１２の動作量（膨張量）に依存するフィンガー部１３の曲がり角度との間には略正比例の関係がある（線形性がある）。これにより、バルーンアクチュエータ１２が無負荷で動作した場合、バルーンアクチュエータ１２に供給される気体の圧力Ｐと、曲がり動作に応じて生じる流量の変化率（１−Ｑ２／Ｑ１）との間についても略正比例の関係を有することとなる。そして、この関係を図７の破線で示している。なお、この気体の圧力Ｐは、測定手段３の圧力計３ａにおいて測定した圧力であり、この圧力Ｐはバルーンアクチュエータ１２の圧力と同じである。

そして、測定手段３の記憶手段９は、このバルーンアクチュエータ１２が無負荷で動作した際の当該バルーンアクチュエータ１２における曲がり角度の情報と、その曲がり角度に応じて生じる検出用流路２ａ，２ｂを通る気体の流量の変化率の情報との関係についてのデータを「無負荷時データ」として記憶している。

そして、フィンガー部１３を所定の曲がり角度θ（図３（ｂ））とすべく、バルーンアクチュエータ１２を動作させるための気体の圧力を所定の圧力Ｐ１（図７参照）とした場合であっても、図６（ｂ）に示しているように、フィンガー部１３が対象物Ｍに接触し、バルーンアクチュエータ１２が負荷を有した状態で動作すると、当該バルーンアクチュエータ１２及びフィンガー部１３はその動作が制限され、実際の曲がり角度（変形量）が無負荷時よりも小さくなる（θがθ１となる）。これにより、このバルーンアクチュエータ１２と共に変形する検出用流路２ａ，２ｂの変形量も小さくなり、検出用流路２ａ，２ｂにおける流路抵抗の増大が無負荷時よりも小さくなる。これにより、同じ圧力Ｐ１で動作させても、負荷を有している場合の気体の流量の変化率（１−Ｑ２／Ｑ１）は、無負荷時よりも減少する（図７の点ｍから点ｎに減少する）。

すなわち、これを図７によりさらに説明すると、フィンガー部１３を所定の曲がり角度θとすべく気体の圧力を所定の圧力Ｐ１とした場合において、無負荷時では気体の流量の変化率（１−Ｑ２／Ｑ１）が点ｍとなるところ、負荷を有することで気体の流量の変化率（１−Ｑ２／Ｑ１）が点ｎとなる。そして、これは動作検出センサ１の流路における気体の流量（動作時流量値Ｑ２）が変化することとなって表れる。そこで、所定の動作量について動作させるべく気体の圧力を所定の圧力Ｐ１とし、バルーンアクチュエータ１２が負荷を有して動作する前後の検出用流路２ａ，２ｂを通る流体の流量を、流量計３ａが測定し、この測定した流体の流量の変化についての情報と、前記「無負荷時データ」において前記所定の動作量（所定の圧力Ｐ１）に対応する検出用流路２ａ，２ｂを通る流体の流量の変化についての情報との間の変化を、演算手段１０が求める。なお、演算手段１０が求める前記変化は、流量の変化量、変化率（時間当りの変化の割合）がある。

これにより、演算手段１０が気体の流量の変化量を求めることで、フィンガー部１３（バルーンアクチュエータ１２）の動作が無負荷時よりも所定の量について制限されたことを検出でき、その制限量からフィンガー部１３の姿勢（バルーンアクチュエータ１２における曲がり角度）を検出でき、これに基づいて対象物Ｍのおおよその大きさを検出できる。さらに、演算手段１０が気体の流量の変化率を求めることで、フィンガー部１３（バルーンアクチュエータ１２）の動作の制限率、つまり、ゆっくりと動作が制限されたのか、迅速に制限されたのかについて検出でき、その制限率から対象物Ｍのおおまかな硬さを検出できる。つまり、フィンガー部１３が同じ制限量について制限されたとしても、当該フィンガー部１３の動作がゆっくりと制限されて前記制限量に達したことを検出した場合、対象物Ｍは変形しにくく比較的硬いものであると判断でき、動作が迅速に制限されて前記制限量に達したことを検出した場合、対象物Ｍは変形しやすく比較的軟らかいものであると判断できる。

そして図８は、演算手段１０が気体の流量の変化量及び変化率を求める手段を説明したグラフである。このグラフにおいて、破線は、バルーンアクチュエータ１２の気体の圧力を所定の圧力Ｐ１とし無負荷状態でフィンガー部１３が動作した場合であり、実線は、当該圧力Ｐ１により測定開始後５秒から２５秒までの間においてフィンガー部１３が対象物Ｍに接触した場合を示している。このグラフの縦軸はフィンガー部１３の対象物への接触レベルを示しており、具体的には、検出用流路２ａ，２ｂを通る気体の流量の変化率によって表すことができる。この図において、フィンガー部１３が対象物Ｍに接触することで、無負荷と有負荷との間で接触レベルに差が生じ、この接触レベルの大きさ、及び接触レベルの時間変化について演算手段１０が検出することによって、フィンガー部１３による対象物Ｍへの接触情報（触覚情報）を検出できる。

このように、バルーンアクチュエータ１２が負荷を有して所定の動作量について動作した際の検出用流路２ａ，２ｂを通る流体の流量を流量計３ｂが測定し、この測定した情報と、前記「無負荷時データ」において所定の動作量に対応する検出用流路２ａ，２ｂを通る流体の流量の情報との間の変化を、演算手段１０が求めることによって、処理手段３（演算手段１０）は、対象物Ｍの大きさや硬さなどの接触情報を検出することができる。つまり、動作検出センサ１が備えている流路の流量変化を用いて、動作部であるバルーンアクチュエータ１２の動作センシングが可能となる。

以上のアクチュエータシステムの実施の形態によれば、気体を利用した駆動源により、バルーンアクチュエータ１２を関節部１４としてフィンガー部１３を駆動させることができる。このマニピュレータ１１の大きさは、例えばフィンガー部１３の幅が０．５〜１ｍｍ程度、長さが３〜１０ｍｍ程度のいわゆるマイクロフィンガーとすることができ、微小な対象物を取り扱うことができる。このマニピュレータ１１は、例えば、ロボットアーム機構の先端などに取り付けたり、体内駆動型の医療機器に用いたりすることができる。また、接触情報（触覚情報）を検出できることから、このマニピュレータ１１を医療機器に用いることで触診が可能となる。

さらに、この動作検出センサ１によれば、マニピュレータ１１を駆動させるための気体を利用して、バルーンアクチュエータ１２の動作状態を検出できる。さらに、この実施の形態では、マニピュレータ１１の動作部として、内部に気体を供給することで表面の膜体が膨張するバルーンアクチュエータ１２としており、そして、この膜体に検出用流路２を形成していることから、バルーンアクチュエータ１２を形成する工程において検出用流路２を形成でき、製造工数を低減でき、小型化が図れる。つまり、センサを別途動作部に組み付ける（貼り付ける）必要がない。さらに、バルーンアクチュエータ１２を構成する膜体に検出用流路２を形成していることから、検出用流路２を形成するために別の部材が不要となる。さらに、微小な流路のみを形成することで検知部として検出用流路２を構成でき、構造が簡単である。また、検出用流路２ａを柔軟な樹脂製やゴム製の当該バルーンアクチュエータ１２の膜体に形成しており、バルーンアクチュエータ１２と検出用流路２とを一体としていることから、検出用流路２の存在によってバルーンアクチュエータ１２の動作は影響を受けにくくできる。つまり、従来のように、動作部に歪みゲージを貼り付けた場合では、この歪みゲージの剛性によってその貼り付け部が硬くなり動作部の動作が阻害されてしまうという問題点があるが、この発明によればこの問題点を防止できる。

また、この発明のアクチュエータシステムは、図示する形態に限らずこの発明の範囲内において他の形態のものであっても良い。例えば、前記実施の形態では、動作検出センサ１において、流路を通過させる気体の圧力を一定として気体の流量の変化について測定したが、これ以外に、気体の流速の変化について測定してもよい。この場合、流量を測定する場合と同じ手段によって、マニピュレータ１１の動作を検出できる。また、流路を通過させる気体の流量を一定として圧力の変化について測定してもよい。この場合、フィンガー部１３の曲がり角度の増大に応じて検出用流路２における流路抵抗が大きくなり、圧力計３ａにおける測定圧力が上昇する。これに基づいて、前記同様の手段によりマニピュレータ１１の動作を検出できる。また利用する流体を気体以外に液体（水）としてもよい。

さらに、前記実施の形態では、動作部としてのバルーンアクチュエータ１２が関節として機能することでフィンガー部１３が曲がる構成を説明したが、この発明の変形動作する動作部としては、流体又は流体以外によって伸縮動作するアクチュエータであってもよい。図示しないが、この場合であっても、前記と同様の検出用流路をこの動作部に設け、動作部が伸張動作することで検出用流路も伸張し、これにより検出用流路の断面積が縮小され流路抵抗が増加する。逆に動作部が短縮動作することで検出用流路も短縮し、これにより検出用流路の断面積が拡大され流路抵抗が減少する。これによりこの検出用流路を有した流路に一定の圧力の気体を通過させ、その流量などを測定することによって動作部の動作の状態を検出できる。このように、この発明の検出用流路は、動作部の変形動作により、当該検出用流路の断面積、長さ、曲がり角度の少なくとも１つが変化することで、流路抵抗が変化する構成とすればよい。

また、この発明の動作検出センサ１を、流体で動作する別の動作部や流体以外で動作する別の動作部に設けてもよい。この場合、図示しないが、一対の膜体間に溝を形成することで前記形態と同様の検出用流路を有したセンサ部を形成し、この検出用流路を通る流体の状態を測定する測定手段を備えた動作検出センサを構成し、前記センサ部を別の変形動作する動作部に取り付ければよい。なお、流体以外で変形動作する別の動作部としては、例えば電動モータによって動作するアームの関節部があり、この機械的な関節部に前記センサ部を取り付ければよい。このように、動作部の変形動作は、アームなどを用いたリンク機構による機械的な関節部のように、曲げ角度が変化してその曲げの状態（姿勢）が変わる動作を含む。

さらに、この発明のマニピュレータの他の形態としては、図１のマニピュレータ１１のフィンガー部１３に、関節部１４として複数のバルーンアクチュエータ１２を直列に繋ぎ、又は並列に配置してもよく、さらには、このフィンガー部１３を複数並列に組み合わせることによって、図９に示しているように人間の手に類似した構造を有し、人間の手の動作に類似した動作を行うことができるものとしてもよい。このマニピュレータは、人の手の親指、人差し指、中指、薬指、小指に相当する５本（複数）のフィンガー部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅを備えている構成となる。フィンガー部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅのそれぞれは各関節部１４において屈曲することができ、人の手のように物体の把持などを行うことができる。この場合、フィンガー部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅのそれぞれに、または、いずれかに前記実施形態の動作検出センサを設けることができ、さらには、各関節部１４（バルーンアクチュエータ１２）に対応させて前記動作検出センサを設けたり、これら関節部１４のいずれかに前記動作検出センサ１を設けたりすることができる。また、前記のように直線状のフィンガー部１３が一方向に向かって曲がる動作を行う構成以外に、他のマニピュレータとして、一方向、及びこの一方向と異なる方向に動作するものであってもよい。この場合、各方向に対応させて動作検出センサをそれぞれ設ければよい。

この発明の動作検出センサ、及びこれを備えたアクチュエータシステムの実施の一形態を示す構成図である。 このアクチュエータシステムが有するマニピュレータを示す平面図である。 このマニピュレータの動作を説明する側面断面図である。 動作検出センサが有している検出用流路の変形例を示す平面図である。 フィンガー部の曲がり角度と、その曲がり角度に応じて生じる検出用流路を通る気体の流量の変化率との関係を示したものである。 このマニピュレータが対象物に接触した場合を説明する側面断面図である。 バルーンアクチュエータに供給される気体の圧力と、フィンガー部の曲がり動作に応じて生じる流量の変化率との関係を示すグラフである。 演算手段が気体の流量の変化を求める手段を説明したグラフである。 マニピュレータの他の実施の形態を示している斜視図である。

符号の説明

１ 動作検出センサ
２ 検出用流路
３ 測定手段
４ａ，４ｂ Ｕターン部
５ａ，５ｂ，５ｃ 直線部
７ 動力源
８ レギュレータ
９ 記憶手段
１０ 演算手段
１１ マニピュレータ
１２ バルーンアクチュエータ（エアアクチュエータ、動作部）
１８ 第１膜体
１９ 第２膜体

Claims (10)

1. 変形動作する動作部に設けられ当該動作部の変形動作に応じて変形することで通過させる流体の流路抵抗が変化する検出用流路と、
   前記流路抵抗の変化による前記検出用流路を通る流体の状態の変化を測定する測定手段と、を備え、
   前記検出用流路は、Ｕターン部と、このＵターン部の流体の流れ方向の前後にそれぞれ連通している直線部とを有していることを特徴とする動作検出センサ。
2. 変形動作する動作部に設けられ当該動作部の変形動作に応じて変形することで通過させる流体の流路抵抗が変化する検出用流路と、
   前記流路抵抗の変化による前記検出用流路を通る流体の状態の変化を測定する測定手段と、を備え、
   前記測定手段は、
   前記動作部が無負荷で動作した際の動作量の情報と、その動作量に応じて生じる前記検出用流路を通る流体の状態の情報との関係についての無負荷時データを記憶する記憶手段と、
   所定の動作量について動作させるべく前記動作部が負荷を有して動作した際の前記検出用流路を通る流体の状態を測定した情報と、前記無負荷時データにおいて前記所定の動作量に対応する前記検出用流路を通る流体の状態の情報との間の変化を求める演算手段と、を有している
   ことを特徴とする動作検出センサ。
3. 変形動作する動作部に設けられ当該動作部の変形動作に応じて変形することで通過させる流体の流路抵抗が変化する検出用流路と、
   前記流路抵抗の変化による前記検出用流路を通る流体の状態の変化を測定する測定手段と、
   前記検出用流路に通す流体の圧力、流速、流量の内の一つを一定とする調整手段と、
   を備え、
   前記測定手段は、前記検出用流路に通す流体の圧力、流速、流量の内の他の一つを前記流体の状態として測定することを特徴とする動作検出センサ。
4. 前記動作部の変形動作により、前記検出用流路の断面積、長さ、曲がり角度の少なくとも１つが変化することで、当該検出用流路における流路抵抗が変化する請求項１〜３のいずれか一項に記載の動作検出センサ。
5. 前記動作部は曲がり動作を行い、この曲がり動作に応じて前記検出用流路も曲がる方向に設定されて当該検出用流路は設けられている請求項１〜４のいずれか一項に記載の動作検出センサ。
6. 前記測定手段は、前記動作部の動作量の情報と、その動作量に応じて生じる前記検出用流路を通る流体の状態の情報との関係についてのデータを記憶する記憶手段を備えている請求項１〜５のいずれか一項に記載の動作検出センサ。
7. 動力源と、この動力源の動力により動作する動作部と、この動作部の動作状態を検出する動作検出センサと、を備え、
   前記動作検出センサが、
   前記動作部に設けられ当該動作部の動作に応じて変形することで通過させる流体の流路抵抗が変化する検出用流路と、
   前記流路抵抗の変化による前記検出用流路を通る流体の状態を測定する測定手段と、を有し、
   前記検出用流路は、Ｕターン部と、このＵターン部の流体の流れ方向の前後にそれぞれ連通している直線部とを有していることを特徴とするアクチュエータシステム。
8. 動力源と、この動力源の動力により動作する動作部と、この動作部の動作状態を検出する動作検出センサと、を備え、
   前記動作検出センサが、
   前記動作部に設けられ当該動作部の動作に応じて変形することで通過させる流体の流路抵抗が変化する検出用流路と、
   前記流路抵抗の変化による前記検出用流路を通る流体の状態を測定する測定手段と、を有し、
   前記測定手段は、
   前記動作部が無負荷で動作した際の動作量の情報と、その動作量に応じて生じる前記検出用流路を通る流体の状態の情報との関係についての無負荷時データを記憶する記憶手段と、
   所定の動作量について動作させるべく前記動作部が負荷を有して動作した際の前記検出用流路を通る流体の状態を測定した情報と、前記無負荷時データにおいて前記所定の動作量に対応する前記検出用流路を通る流体の状態の情報との間の変化を求める演算手段と、を有している
   ことを特徴とするアクチュエータシステム。
9. 動力源と、この動力源の動力により動作する動作部と、この動作部の動作状態を検出する動作検出センサと、を備え、
   前記動作検出センサが、
   前記動作部に設けられ当該動作部の動作に応じて変形することで通過させる流体の流路抵抗が変化する検出用流路と、
   前記流路抵抗の変化による前記検出用流路を通る流体の状態を測定する測定手段と、
   前記検出用流路に通す流体の圧力、流速、流量の内の一つを一定とする調整手段と、
   を有し、
   前記測定手段は、前記検出用流路に通す流体の圧力、流速、流量の内の他の一つを前記流体の状態として測定することを特徴とするアクチュエータシステム。
10. 前記動作部は、流体の供給によって動作するエアアクチュエータである請求項７〜９のいずれか一項に記載のアクチュエータシステム。

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