JP5987224B2 - 流体圧アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、流体圧によって屈曲、伸展する流体圧アクチュエータに関する。

従来から、駆動エネルギーとして気体や液体等の流体を用いて作動させる流体圧式のアクチュエータが様々提案されている。

このようなアクチュエータの素材としては、例えば、金属材料やゴム等の弾性材料等を用いたもの等がある。しかしながら、金属材料を用いた場合には、屈曲動作等がなされると、塑性変形が起こってしまうため、耐久性が低下する。また、硬い材料で且つ質量も重くなるため、人と直接触れるような部分に用いる場合には、安全性を保証するために運動速度等の厳密な制御が必要となる。

一方、ゴム材料は、柔らかいため、人と直接触れるような生活機器やリハビリ機器等の分野において多く利用されている。ゴム材料を用いたアクチュエータとしては、例えば、片側を蛇腹形状に形成した袋状構造のアクチュエータの内部チャンバーに流体圧を印加することによって、伸長量の差を利用して屈曲動作を実現させるものがある（例えば、非特許文献１参照）。

また、一定圧の流体を封入して形成した構造骨格の接続部分に、内圧が低く折れ曲がった状態から加圧することにより、形状回復力に起因する折れ曲がり部のトルクを駆動力として利用するアクチュエータを複数配置した機械システムが開示されている（例えば、非特許文献２参照）。

また、折り紙を用いて形成した立体構造の内部に流体圧を印加することによって、折り目に沿うように伸長させるアクチュエータも開示されている（例えば、非特許文献３参照）。

Shuichi Wakimoto, Keiko Ogura, Koichi Suzumori, Yasutaka Nishioka,"Miniature Soft Hand with Curling Rubber Pneumatic Actuators", 2009 IEEEInternational Conference on Robotics and Automation, pp.556-561, 2009. 丸山大輔、木村仁、小関道彦、伊能教夫、「水力学的骨格を利用した柔軟な機械システム（非線形有限要素解析に基づいた応力集中の回避と駆動力特性の比較）」、日本フルードパワーシステム学会論文集、Vol.41、no.3、pp.1-9、2010． Ramses V. Martinez, Carina R. Fish, Xin Chen, andGeorge M. Whitesides, "Elastomeric Origami: Programmable Paper-ElastomerComposites as Pneumatic Actuators", Advanced Functional Materials, Vol.22,Issue 7, pp.1376-1384, 2012.

しかしながら、非特許文献１のようなゴム材料からなるアクチュエータでは、ゴム材料を伸長させることによって変位を発生させるため、その圧力に耐えるだけの耐久性を持たせる必要がある。そのため、アクチュエータを作製する場合には、アクチュエータの大きさに応じてゴム材料の厚みを増やす必要があるため、自重だけで重くなる。また、ゴム材料の場合には弾性が高いため、低圧での駆動が難しく、比較的大きな流体圧を印加するためのポンプ等が必要となる。また、非特許文献２では、屈曲動作を実現するために、多数の袋状構造のアクチュエータが必要となるので、構造が複雑になるとともに製造コストも高くなる。また、非特許文献３では、折り紙を用いてアクチュエータを作製しているため、そのままでは、流体が外部に漏れないようシールすることが困難であり、ゴム材料等のシール材を別途用いる必要がある。また、折り紙で形成されているため、比較的大きなアクチュエータを構成することが困難である。

本発明は、上記のような種々の課題に鑑みてなされたものであって、軽量且つ簡易な構成であるとともに、低圧で駆動させることができる流体圧アクチュエータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の流体圧アクチュエータは、薄膜状のプラスティック材料により形成される第１シート部材と、薄膜状のプラスティック材料により形成され、且つ前記第１シート部材より長さ方向及び幅方向の寸法が長い第２シート部材とを用いて、内部に作動流体を収納可能な流体室を形成した袋状構造の流体圧アクチュエータであって、前記流体室へ作動流体を給排するための給排孔を備え、前記第２シート部材は、外側に位置する外側プリーツ部と内側に折り込まれてなる内側プリーツ部とから構成されるプリーツ部が前記長さ方向に複数形成されており、前記外側プリーツ部の前記長さ方向の寸法は、前記内側プリーツ部の前記長さ方向の寸法よりも長く形成されていることを特徴としている。

請求項２記載の流体圧アクチュエータは、前記第１シート部材及び前記第２シート部材が、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）又はポリプロピレン（ＰＰ）により形成されていることを特徴としている。

請求項３記載の流体圧アクチュエータは、前記プリーツ部を形成するためのプリーツ折り線が、前記幅方向に対して所定角度傾いた方向に沿って設けられていることを特徴としている。

請求項１記載のアクチュエータは、第１シート部材と、該第１シート部材より長さ方向及び幅方向の寸法が長く、且つプリーツ部が前記長さ方向に複数形成されている第２シート部材とを用いて、内部に流体室が設けられるように袋状構造に形成されているので、給排孔から作動流体を流体室へと供給して加圧すれば、各プリーツ部が広がって第２シート部材が膨らむことにより、容易に屈曲動作を実現することができる。このように請求項１記載のアクチュエータによれば、簡易な形状設計で屈曲動作を実現することができるので、製造コストを軽減することができる。また、プリーツ部を構成する外側プリーツと内側プリーツの長さ方向の寸法をそれぞれ調整することで、容易に様々な屈曲動作を実現することができるので、様々な用途に対応することができる。また、薄膜状のプラスティック材料により第１シート部材及び第２シート部材は、形成されているので、軽量化を図ることができるとともに、流体室に供給される作動流体の圧力に対しても十分な強度を持たせることができる。従って、比較的大きなアクチュエータを作製する際にも重量を抑えることができる。また、プラスティック材料は、ゴム材料のような弾性を示さないため、比較的低い流体圧で屈曲動作を行わせることができるので、省エネルギー化及び小型化を図ることができる。

請求項２記載の流体圧アクチュエータによれば、第１シート部材及び第２シート部材は、ヤング率がゴム材料程は低くなく、ゴム材料のような弾性を示さない低密度ポリエチレン又はポリプロピレンにより形成されているので、より効率的に軽量化を図ることができるとともに、流体室に供給される作動流体の圧力に対しても十分な強度を持たせることができる。

請求項３記載の流体圧アクチュエータによれば、プリーツ部を形成するためのプリーツ折り線は、幅方向に対して所定角度傾いた方向に沿って設けられているので、給排孔から作動流体を流体室へと供給して加圧した際に、傾き角度に応じて螺旋状に屈曲させることができる。

本発明の実施形態に係る流体圧アクチュエータの一例を示す概略側面図である。 第１シート部材及びプリーツ部形成前の第２シート部材の一例について説明するための概略平面図である。 第１シート部材及びプリーツ部形成後の第２シート部材の一例について説明するための概略斜視図である。 図１のA−A線断面図である。 流体圧アクチュエータの加圧時におけるプリーツ部の動作の一例について説明するための概略説明図である。 流体圧アクチュエータの屈曲動作の一例を示す概略側面図である。 第２シート部材の他の一例について説明するための概略平面図である。 流体圧アクチュエータによる物体の把持動作の一例を示す図である。 第２シート部材の更に他の一例について説明するための概略平面図である。 図９の第２シート部材を用いた場合の流体圧アクチュエータの屈曲動作の一例を示す概略側面図である。 本発明の実施形態に係る流体圧アクチュエータを用いた拮抗駆動アームの一例を示す概略側面図である。

以下、本発明に係る流体圧アクチュエータ１について、図面を参照しつつ説明する。本発明に係る流体圧アクチュエータ１は、図１から図４に示すように、第１シート部材２と第２シート部材３とを用いて、内部に作動流体を収納可能な流体室４が設けられるように袋状構造に形成されたものである。この流体圧アクチュエータ１には、流体室４に作動流体を給排できるよう給排孔５が設けられている。

作動流体としては、例えば、空気等の気体を用いることができるが、これに限定されるものではなく、水等の液体を用いることも可能である。作動流体は、詳しくは図示しないが、作動流体の供給源である流体ポンプ等から給排孔５に接続されているチューブ６を介して流体室４へと適宜供給及び流体室４から排出できるように制御されている。

第１シート部材２及び第２シート部材３は、それぞれ薄膜状のプラスティック材料によって形成されている。第１シート部材２及び第２シート部材３に用いられるプラスティック材料としては、例えば、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）又はポリプロピレン（ＰＰ）を用いることが好適である。低密度ポリエチレン及びポリプロピレンは、従来用いられていたゴム材料に比べてヤング率が若干高く、またゴム材料のような弾性を示さないので、流体室４に供給される作動流体の圧力に対しても十分な強度を持たせつつ、低い流体圧で屈曲動作を実現させることができる。

第１シート部材２及び第２シート部材３は、図２及び図３に示すように、ｘ−ｙ平面視において略長方形状をなすシート部材からなるものであって、第２シート部材３の長さ方向（ｘ軸方向）の寸法ｌ_１は、第１シート部材２の長さ方向の寸法ｌ_０より長く、第２シート部材３の幅方向（ｙ軸方向）の寸法ｗ_１は、第１シート部材の幅方向の寸法ｗ_０より長く形成されている。尚、ここでは、第１シート部材２及び第２シート部材３の長さ方向をｘ軸方向、幅方向をｙ軸方向、厚み方向をｚ軸方向に対応させている。

第２シート部材３は、図１及び図３に示すように、長さ方向に複数のプリーツ部７が形成されている。このプリーツ部７は、外側に位置する外側プリーツ部７１と内側に折り込まれている内側プリーツ部７２とにより構成されている。外側プリーツ部７１及び内側プリーツ部７２は、図２及び図３に示すように、プリーツ部７の山部となるプリーツ折り線L１と谷部となるプリーツ折り線L２で折り返されることにより形成される。プリーツ折り線Ｌ１及びプリーツ折り線Ｌ２は、プリーツ部７が形成される際に、外側プリーツ部７１の長さ方向の寸法ａが内側プリーツ部７２の長さ方向の寸法ｂよりも長くなるように設けられている。

第２シート部材３がｎ個のプリーツ部７で構成されているような場合には、図３に示すように、第２シート部材３の長さ方向の寸法ｌ_１は、ｌ_１＝（ａ＋ｂ）ｎで表わされ、第１シート部材２の長さ方向の寸法ｌ_０は、ｌ_０＝（ａ−ｂ）（ｎ−１）＋ａで表わされる。但し、ｌ_１＞ｌ_０である。尚、外側プリーツ部７１の長さ方向の寸法ａと内側プリーツ部７２の長さ方向の寸法ｂは、各プリーツ部７において全て同じ寸法である必要はなく、図７に示す第２シート部材３ａのように、プリーツ部７ａを構成する外側プリーツ部７１ａの長さ方向の寸法ａ_１と内側プリーツ部７２ａの長さ方向の寸法ｂ_１が、それぞれ他のプリーツ部７ｂ、７ｃを構成する外側プリーツ部７１ｂ、７１ｃの長さ方向の寸法ａ_２、ａ_３と内側プリーツ部７２ｂ、７２ｃの長さ方向の寸法ｂ_２、ｂ_３と異なっていても良い。但し、それぞれのプリーツ部７ａ、７ｂ、７ｃにおいては、ａ_１＞ｂ_１、ａ_２＞ｂ_２、ａ_３＞ｂ_３である必要がある。このような外側プリーツ部７１の長さ方向の寸法ａ、内側プリーツ部７２の長さ方向の寸法ｂ、及びプリーツ部７の数ｎという各パラメータを調整することで、様々な屈曲動作を容易に実現することができる。

また、このような表面積がそれぞれ異なる第１シート部材２と第２シート部材３を用いて袋状構造を形成する場合には、内部に作動流体を収納するための空間（流体室４）ができるように、図２及び図３に斜線で示している第１シート部材２の隅部（溶着部）２１に第２シート部材３の隅を合わせた状態で熱溶着させる。この際、第１シート部材２の溶着部２１に合わせられた第２シート部材３の外側プリーツ部７１の長さ方向の寸法ａと内側プリーツ部７２ａの長さ方向の寸法ｂが重なる部分も熱溶着される。これにより、作動流体を流体室４から外部に漏れないようにすることができる。尚、図２及び図３では、給排孔５を設けるために、第１シート部材２と第２シート部材３とを熱溶着しない非溶着部２２を設けているが、第１シート部材２又は第２シート部材３の一部を貫通させて予め給排孔５を設けておき、第１シート部材２の隅と第２シート部材３の隅を全て熱溶着するようにしても良い。また、第１シート部材２と第２シート部材３を用いて袋状構造を形成するための方法は、熱溶着に限定されるものではなく、作動流体が内部に設けられる流体室４から外部に漏れないように第１シート部材２と第２シート部材３とを密着できる方法であれば良い。

本実施形態では、図１に示すように、給排孔５の位置が流体圧アクチュエータ１の端部側に設けられているが、給排孔５の位置は特に限定されるものではなく、流体室４内に作動流体が供給できるように設けられていれば良く、この給排孔５の位置を変えることで流体圧アクチュエータ１の屈曲動作の仕方を調整することができる。また、給排孔５の数も１つに限定されるものではなく、複数箇所に設けられていても良い。また、本実施形態では、チューブ６は給排孔５と接続されている例を示しているが、チューブ６を給排孔５から流体室４内へと通して設けるようにしても良い。

以下、図１に示す流体圧アクチュエータ１の屈曲動作の一例について、図５及び図６を参照しつつ説明する。通常、流体室内４に作動流体が供給されていない場合には、図１に示すように流体圧アクチュエータ１は、各プリーツ部７が広がっておらず伸展している状態である。

このような状態において、流体ポンプ（不図示）からチューブ６及び給排孔５を介して流体室４に作動流体が供給されて加圧されると、第１シート部材２と第２シート部材３は、表面積が異なるため、２枚のシート部材２，３に発生する力に差が生じる。そして、第１シート部材２より表面積が大きい第２シート部材３の長さ方向に複数形成されている各プリーツ７がそれぞれ広がることにより、流体圧アクチュエータ１は、図６に示すように、内側に第１シート部材２が位置し、外側に第２シート部材３が位置するような状態で屈曲する。尚、図６に示す屈曲状態の流体圧アクチュエータ１の流体室４から作動流体を給排孔５を介して排出することにより、流体圧アクチュエータ１を図１に示すような伸展状態に戻すことができる。

図５は、図６に示すように流体圧アクチュエータ１を屈曲させるために流体室４に作動流体を供給して加圧させた際のプリーツ部７の動作の一例を示すものである。図５に示すように、プリーツ部７のＡ_０，Ｂ_０，Ｃ_０，Ｄ_０は、熱溶着によって拘束される点であり、Ａ_１，Ｂ_１，Ｃ_１，Ｄ_１は幅方向中央部の拘束されていない点である。Ｂ_０は、プリーツ部７のプリーツ折り線Ｌ１（山部）上の点であり、このＢ_０と重なる点がＤ_０である。また、Ｃ_０は、プリーツ部７のプリーツ折り線Ｌ２（谷部）上の点であり、このＣ_０と重なる点がＡ_０である。作動流体が流体室４に供給されていない加圧前の状態では、Ｂ_１とＤ_１、及び、Ｃ_１とＡ_１もそれぞれ重なっている。

このような状態から流体室４に作動流体が供給されて加圧されると、図５に示すように、Ａ_１，Ｂ_１，Ｃ_１，Ｄ_１の各点は移動する。この際、各点Ａ_１，Ｂ_１，Ｃ_１，Ｄ_１は、Ａ_０，Ｂ_０，Ｃ_０，Ｄ_０が溶着されていることによりｙ軸方向に距離の拘束があるため、ｘ−ｚ平面においては円弧軌道上を移動する。このように、１つのプリーツ部７の広がりによって、ｄθ分屈曲することが可能となるので、複数のプリーツ部７が形成されることで、図６に示すように、大きな屈曲動作を実現することができる。

流体圧アクチュエータ１は、このような屈曲動作によって、例えば、図８に示すように、円筒形状の物体８や円盤形状の物体９等を把持することも可能である。尚、図８に示す流体圧アクチュエータ１は、第１シート部材２及び第２シート部材３の材料として低密度ポリエチレンを使用したものであって、長さ方向の寸法ｌ_０が３００ｍｍ、幅方向の寸法ｗ_０が５０ｍｍ、チューブを含む質量が１３．２ｇのものである。図８では、この流体圧アクチュエータ１に作動流体として空気を用いて約０．１気圧（１０ｋＰａ）の圧力を印加した際の様子を示している。

以上のように、流体圧アクチュエータ１では、簡易な形状設計で屈曲動作を実現することができるので、製造コストを軽減することができる。また、流体圧アクチュエータ１を構成する第１シート部材２及び第２シート部材３は、金属材料よりも比重が小さく、ゴム材料と同程度であり、軽量且つ柔軟な材料であって、比較的高い出力／重量比を実現することができるので、人が使用又は装着するような生活器具や健康機器等にも有効に利用することができる。また、このような流体圧アクチュエータ１では、比較的低い圧力（１気圧以下）で屈曲動作を実現することができるので、作動流体の供給源として小型のポンプ等を用いて全体のシステムを小型化することができる。また、このような軽量な第１シート部材２及び第２シート部材３を用いて流体圧アクチュエータ１を構成しているので、水中下で流体圧アクチュエータ１を用いるような場合に、水を作動流体として用いることにより、水中重量をほぼ中性浮力とすることができる。

図９は、図１０に示すように流体圧アクチュエータ１ａを螺旋状に屈曲させるための第２シート部材３ｂの構成を示すものである。流体圧アクチュエータ１ａを螺旋状に屈曲させる場合には、図９に示すように、幅方向（ｙ軸方向）に対して所定角度α傾いた方向に沿って、プリーツ部７が形成された際に山部となるプリーツ折り線Ｌ３と谷部となるプリーツ折り線Ｌ４とを設けるようにすれば良い。このように設けられたプリーツ折り線Ｌ３及びプリーツ折り線Ｌ４を折り返して形成された第２シート部材３ｂを用いた流体圧アクチュエータ１ａの流体室４に作動流体を供給して加圧することで、図１０に示すような螺旋状の屈曲動作を実現することができる。

図１１は、本発明に係る流体圧アクチュエータ１を拮抗駆動アーム１０に用いた応用例の一例である。図１１に示すように、２つの流体圧アクチュエータ１の第１シート部材２同士が対向する状態で貼り合わせ構成されるものである。図１１に示すように、拮抗駆動アーム１０では、どちらか一方の流体圧アクチュエータ１に作動流体を供給することによって、矢印で示す方向の２方向に屈曲動作を行わせることができる。図１１では、２つの流体圧アクチュエータ１を利用した例を示しているが、このように複数の流体圧アクチュエータ１を組み合わせることで、様々な動作を実現することができる。

尚、本発明の実施の形態は上述の形態に限るものではなく、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。

１、１a 流体圧アクチュエータ
２ 第１シート部材
３、３a、３ｂ 第２シート部材
４ 流体室
５ 給排孔
６ チューブ
７、７a〜７ｄ プリーツ部
７１ 外側プリーツ部
７２ 内側プリーツ部

Claims (3)

1. 薄膜状のプラスティック材料により形成される第１シート部材と、薄膜状のプラスティック材料により形成され、且つ前記第１シート部材より長さ方向及び幅方向の寸法が長い第２シート部材とを用いて、内部に作動流体を収納可能な流体室を形成した袋状構造の流体圧アクチュエータであって、
   前記流体室へ作動流体を給排するための給排孔を備え、
   前記第２シート部材は、外側に位置する外側プリーツ部と内側に折り込まれてなる内側プリーツ部とから構成されるプリーツ部が前記長さ方向に複数形成されており、
   前記外側プリーツ部の前記長さ方向の寸法は、前記内側プリーツ部の前記長さ方向の寸法よりも長く形成されていることを特徴とする流体圧アクチュエータ。
2. 前記第１シート部材及び前記第２シート部材は、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）又はポリプロピレン（ＰＰ）により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流体圧アクチュエータ。
3. 前記プリーツ部を形成するためのプリーツ折り線は、前記幅方向に対して所定角度傾いた方向に沿って設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体圧アクチュエータ。

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