JP6292580B2 - アクチュエータ - Google Patents

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Description

本発明は、弾性チューブを有する複数本の人工筋肉を束ねて形成したアクチュエータに関する。
中空屈曲性のゴム等からなるエンクロージャつまり弾性チューブと、その外側に設けられる管状網状体とを有するロボット用のアクチュエータが、特許文献１に記載されている。このアクチュエータは、例えば、ピン結合された腕部材を揺動するために使用される。また、介護用機器やリハビリ用機器として、複数本の人工筋肉を束ねて組み立てられるアクチュエータが開発されている。
特許文献２には、複数の管状体を束ねた湾曲可能なアクチュエータが記載されている。それぞれの管状部材は、ゴム等からなる中空の弾性伸長体とその外側に囲繞される網組み構造体とにより形成されている。網組み構造体はポリエステル繊維により形成され、それぞれの弾性伸長体の両端部内には封止部材が固定され、封止部材には弾性伸長体の内部に連通する接続孔が設けられている。特許文献３は、ゴムチューブとその外側に被せられる組紐レースとからなる膨張体と、組紐レースよりも短い長さの外周長の組紐レースからなる収縮体とからなる人工筋肉部材を開示している。ゴムチューブとしては、断面円形部材や断面星型のものが使用され、組紐レースは、ポリエステル製の糸が使用される。
特開昭６０−１３２１０３号公報 特開平３−２８５０７号公報 特開２０１０−２７９６８９号公報
特許文献１に記載されるアクチュエータは、弾性チューブとその外側に設けられる管状網状体とからなる１本の人工筋肉により形成されている。このため、腕部材を所定の揺動角度まで揺動させるには、弾性チューブの径方向の膨張収縮量を大きくする必要があり、弾性チューブの耐久性に限度がある。
これに対し、特許文献２に記載されるように、複数の管状体を束ねてアクチュエータを形成すると、各々の管状体の膨張収縮量を大きくすることなく、アクチュエータの軸方向の伸長量を大きくすることができる。しかしながら、特許文献２に記載されるアクチュエータは、各々の管状体の両端部内に封止部材を挿入して固定し、複数の管状部材の両端部が締結ベルトにより結束され、さらに締結ベルトと封止部材とがボルトにより締結されている。このため、小径の管状体を使用することができず、アクチュエータの小型化を達成することができない。
本発明の目的は、アクチュエータの小型化を達成することにある。
本発明のアクチュエータは、弾性チューブと前記弾性チューブの外側に設けられる組紐チューブとを備えた複数本の人工筋肉により形成されるアクチュエータ本体と、前記アクチュエータ本体の端部に装着される外側筒体と、前記外側筒体の内部に設けられ、前記弾性チューブと前記組紐チューブとを接着し、かつ前記第外側筒体と前記人工筋肉とを接着する接着部と、を有する。
アクチュエータは複数本の人工筋肉により形成されるアクチュエータ本体の端部に外側筒体が設けられ、外側筒体内に設けられる接着部により外側筒体と人工筋肉とが接着されるようにしたので、流体を供給するための部材を弾性チューブの内部に挿入することなく、弾性チューブ内に直接流体を供給することができる。これにより、小径の人工筋肉によりアクチュエータを構成することができ、アクチュエータを小型化することができる。
両端部に外側筒体が装着されたアクチュエータ本体を示す一部省略断面図である。 （Ａ）はアクチュエータ本体の一部を示す拡大断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の横断面図である。 図２（Ａ）のＡ部の拡大断面図である。 人工筋肉の一部を示す斜視図である。 （Ａ）は揺動部材に取り付けられた伸長状態のアクチュエータを示す正面図であり、（Ｂ）は収縮状態のアクチュエータを示す正面図である。 両端部に継手部材が装着されたアクチュエータを示す一部省略断面図である。 アクチュエータの一端部に装着される第１の継手部材の変形例を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本発明のアクチュエータ１０は図１に示されるようにアクチュエータ本体１１を有する。アクチュエータ本体１１は、図２〜図４に示されるように、束ねられた状態となって並列に配置される複数本の人工筋肉１２により形成される。
それぞれの人工筋肉１２は、図４に示されるように、横断面形状が円形である弾性チューブ１３を備え、圧縮空気等の流体が供給される貫通孔１４を有している。弾性チューブ１３は、軸方向に伸縮自在かつ径方向に膨張収縮自在である。弾性チューブ１３としては、高分子シリコーンを主成分とするシリコーン樹脂つまりケイ素樹脂が使用されている。ただし、弾性変形する材料であれば、他の合成樹脂、合成ゴム等により弾性チューブ１３を形成するようにしても良い。組紐チューブ１５が弾性チューブ１３の外側に設けられている。組紐チューブ１５はテトロン製の糸を管状に編み上げて形成される網状構造体であり、弾性チューブ１３の外側は組紐チューブ１５により覆われて補強される。組紐チューブ１５の素材としては、テトロン製に限らず、ポリエステル繊維などの種々のものを使用することができる。図４に示されるように、組紐チューブ１５を構成する糸の間の隙間を介して、弾性チューブ１３は外部に露出される。なお、図４に示すように、弾性チューブ１３の外側には１層の組紐チューブ１５が設けられているが、複数層の組紐チューブで弾性チューブ１３を覆うようにしても良い。
図１に示されるように、第１の外側筒体２１がアクチュエータ本体１１の一端部に装着され、第２の外側筒体２２がアクチュエータ本体１１の他端部に装着される。それぞれの外側筒体２１，２２は金属または樹脂により形成される。第１の外側筒体２１の内部には接着部２３が設けられ、第２の外側筒体２２の内部には接着部２４が設けられる。接着部２３，２４は、熱硬化性の樹脂であり、弾性チューブ１３と組紐チューブ１５を接着するとともに、人工筋肉１２を相互に固定し、それぞれの外側筒体２１，２２と人工筋肉１２とを接着する。図３に示されるように、接着部２３を形成する熱硬化性の樹脂を、加熱硬化前の流動状態で外側筒体２１と人工筋肉１２との間の隙間に注入した後に加熱硬化すると、組紐チューブ１５を構成する糸の間の隙間に入り込んで弾性チューブ１３と組紐チューブ１５とを接着する。接着部２４も、同様に、組紐チューブ１５を構成する糸の間の隙間に入り込んで弾性チューブ１３と組紐チューブ１５とを接着する。
アクチュエータ本体１１を構成する人工筋肉１２の数は、任意に設定される。図２（Ｂ）に示されるように、複数本の人工筋肉１２を隙間を隔てて配置するように束ねても良く、それぞれの人工筋肉１２の外周面を接触させるように束ねても良い。人工筋肉１２を外周面を接触させるように束ねても、接着部２３，２４を構成する流動性を有する熱硬化性樹脂をそれぞれの外側筒体２１，２２の内部に注入すると、各々の人工筋肉１２の組紐チューブ１５の隙間内に熱硬化性樹脂が入り込む。外側筒体２１，２２の内部に注入された熱硬化性樹脂を加熱硬化すると、接着部２３，２４が形成され、隣り合う人工筋肉１２が接着される。接着部２３，２４の端面からの深さつまり軸方向長さＤは、外側筒体２１，２２の軸方向長さよりも短くなっている。ただし、接着部２３，２４を外側筒体２１，２２と同一の軸方向長さとしても良い。
このように、熱硬化性樹脂はそれぞれの人工筋肉１２の両端部の外側に注入され、複数の人工筋肉１２と外側筒体２１，２２は熱硬化性樹脂により固定される。従って、接続孔が形成された封止部材を弾性チューブ１３の内部に挿入することなく、貫通孔１４がアクチュエータ１０の端面に開口される。封止部材をそれぞれの弾性チューブ１３の内部に挿入することがないので、小径の人工筋肉１２を用いてアクチュエータ本体１１を製造することができ、アクチュエータ１０を小型化することができる。
図５（Ａ）は揺動アームに取り付けられた伸長状態のアクチュエータ１０を示す正面図であり、図５（Ｂ）は収縮状態のアクチュエータ１０を示す正面図である。
揺動アーム３０は、第１の揺動部材３１と第２の揺動部材３２とを有する。両方の揺動部材３１，３２はピン３３により連結され、相互に揺動自在に連結される。第１のブラケット３４が第１の揺動部材３１に取り付けられ、第２のブラケット３５が第２の揺動部材３２に取り付けられている。第１の継手部材４１がアクチュエータ本体１１の一端部に取り付けられ、第２の継手部材４２がアクチュエータ本体１１の他端部に取り付けられる。第１の継手部材４１は第１のブラケット３４に装着され、第２の継手部材４２は第２のブラケット３５に装着される。このように、第１の揺動部材３１にアクチュエータ本体１１の一端部が装着され、第２の揺動部材３２にアクチュエータ本体１１の他端部が装着される。
第１の継手部材４１には、流体である圧縮空気を供給する供給配管３６が装着され、供給配管３６により供給される圧縮空気は、アクチュエータ本体１１を構成する全ての人工筋肉１２の貫通孔１４に供給される。これに対し、第２の継手部材４２は、閉塞部材により人工筋肉１２の貫通孔１４と外部との連通が遮断される。したがって、図５（Ａ）に示すように、人工筋肉１２内に流体が供給されていない状態のもとでは、２つの揺動部材３１，３２が真っ直ぐな揺動前の状態となる。外部から供給配管３６を介して貫通孔１４内に圧縮空気を供給すると、それぞれの人工筋肉１２は径方向に膨張するとともに長手方向に収縮する。これにより、図５（Ｂ）に示されるように、揺動アーム３０はピン３３を中心に屈曲される。このように、アクチュエータ１０を揺動アーム３０の駆動に適用すると、人工筋肉１２に対する流体の供給と排出とにより、揺動アーム３０を駆動することができる。
図６は両端部に継手部材が装着されたアクチュエータを示す一部省略断面図である。図６に示されるように、第１の継手部材４１と第２の継手部材４２は、同一構造であり、円筒形状の継手本体４３を有する。継手本体４３は金属または硬質樹脂により形成される。継手本体４３には大径孔４４と小径孔４５が形成されており、大径孔４４と小径孔４５の間には径方向の突き当て面４６が設けられている。アクチュエータ本体１１の一端部は第１の継手部材４１に挿入され、第１の外側筒体２１の端面が突き当て面４６に突き当てられる。アクチュエータ本体１１の他端部は第２の継手部材４２に挿入され、第２の外側筒体２２の端面が突き当て面４６に突き当てられる。
外側筒体２１，２２と大径孔４４との間をシールするために、それぞれの継手本体４３の大径孔４４の突き当て面４６側にシール部材４７が設けられる。ガイドリング４８が大径孔４４の開口端部内に設けられ、継手本体４３に係合する係合爪４９がガイドリング４８に設けられている。ロック部材５１がガイドリング４８とシール部材４７の間に装着される。
ロック部材５１は、ステンレス等の弾性を有する金属により形成され、大径孔４４に嵌合する円筒部５１ａと、この円筒部５１ａのガイドリング４８側の端部から径方向内方にシール部材４７に向けて折り曲げられるロック爪５１ｂとを有している。したがって、アクチュエータ本体１１の端部をそれぞれの継手本体４３内に挿入するときには、ロック爪５１ｂの先端が外側筒体２１，２２に押されて径方向外方に広がるようにロック爪５１ｂが弾性変形してアクチュエータ本体１１の挿入動作を許容する。これに対し、アクチュエータ本体１１を継手本体４３から外すように引っ張ると、ロック爪５１ｂが外側筒体２１，２２に押し付けられてロック爪５１ｂの自緊作用によりアクチュエータ本体１１の抜けが防止される。
解放リング５２がガイドリング４８の内側に軸方向に移動自在に装着されている。解放リング５２は、金属または硬質樹脂により形成され、ガイドリング４８に摺動自在に嵌合する円筒部５３を有している。ロック爪５１ｂに当接する爪作動部５３ａが円筒部５３の一端部に設けられ、他端部には径方向外方に突出する操作部５３ｂが設けられている。ガイドリング４８に係合する係合爪５３ｃが解放リング５２に設けられ、係合爪５３ｃとガイドリング４８との係合により解放リング５２の継手本体４３からの抜けが防止される。解放リング５２を図６に示す位置よりもロック部材５１に向けて押し込むと、ロック爪５１ｂが径方向外方に弾性変形して、ロック爪５１ｂは外側筒体２１から離れた状態となる。この状態のもとでアクチュエータ本体１１を継手本体４３から離すように引っ張ると、アクチュエータ本体１１を継手本体４３から取り外すことができる。このように、継手部材４１はクイック継手機構５４となっており、同様に継手部材４２もクイック継手機構５５となっている。これにより、アクチュエータ本体１１の端部を継手本体４３に挿入することによりアクチュエータ本体１１を継手本体４３に締結することができる。また、解放リング５２を押し込むことによりアクチュエータ本体１１を継手本体４３から取り外すことができる。
図６に示されるように、突き当て面４６とロック爪５１ｂとの間の距離、つまりロック部材５１がアクチュエータ本体１１の外側筒体２１，２２に食い込む位置と、アクチュエータ本体１１の端面との軸方向距離をＬとする。また、アクチュエータ本体１１の端面からの、接着部２３，２４の軸方向長さをＤとする。軸方向長さＤは軸方向の距離Ｌよりも長く設定されている（Ｄ＞Ｌ）。このように、接着部２３，２４の接着部深さ、つまり軸方向長さＤをロック部材５１の食い込み位置の距離Ｌよりも大きく設定すると、ロック部材５１の締結力は接着部２３，２４に加わる。これにより、外側筒体２１，２２を薄くしてもアクチュエータ本体１１の端部を変形させることなく、確実にアクチュエータ本体１１の端部を継手本体４３に締結することができる。その結果、外側筒体２１、２２の大きさを変えずにアクチュエータ本体１１を構成する人工筋肉１２の数を増やすことができる。
接着部２３，２４の接着部深さ、つまり軸方向長さＤについては、以下に補足する。アクチュエータ本体１１の端面に対して反対側の、外側筒体２１，２２内部の接着部２３，２４の面は、軸方向に対して垂直に仕上がらないことがある。その場合には、軸方向に対して垂直に仕上がらない面の、アクチュエータ本体１１の端面に対して最短の長さを接着部深さ、つまり軸方向長さＤとする。つまり、ロック部材５１の食い込み位置に対して半径方向内側に、接着剤が満たされていればよい。
アクチュエータ本体１１の一端部に装着される第１の継手部材４１には、小径孔４５に連通する供給配管３６が接続される。供給配管３６により流体供給源３７から供給される流体がそれぞれの弾性チューブ１３の貫通孔１４内に供給される。一方、アクチュエータ本体の他端部に装着される第２の継手部材４２には、弾性チューブ１３内からの流体の流出を防止するための閉塞部材３８が設けられている。第２の継手部材４２としては、小径孔４５が設けられていない形態のものを使用することも可能であるが、第１の継手部材４１と同一の構造のものを使用することにより、アクチュエータ１０の部品点数を低減することができる。
図７はアクチュエータの一端部に装着される第１の継手部材４１の変形例を示す断面図である。この継手部材４１の継手本体４３ａにおいては、軸方向の中央部に小径孔４５が設けられている。継手本体４３ａの一端部には大径孔４４が設けられ、大径孔４４内には図６に示した継手本体４３と同様にクイック継手機構５４が設けられている。継手本体４３ａの他端部には大径孔４４ａが設けられ、大径孔４４ａ内にはクイック継手機構５６が設けられる。クイック継手機構５６はクイック継手機構５４と同様の構造であり、クイック継手機構５４を構成する部材と共通する部材には同一の符号を付して、クイック継手機構５６についての重複した説明を省略する。このクイック継手機構５６により、供給配管３６が継手本体４３ａに取り外し自在に装着される。
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、弾性チューブ１３の断面形状は、円形に限られず、四辺形、多角形、星型等に設定することができる。また、第２の外側筒体２２を設けることなく、第２の外側筒体２２側の弾性チューブ１３の端面を、樹脂で封止してもよい。
１０ アクチュエータ
１１ アクチュエータ本体
１２ 人工筋肉
１３ 弾性チューブ
１４ 貫通孔
１５ 組紐チューブ
２１ 第１の外側筒体
２２ 第２の外側筒体
２３，２４ 接着部
３０ 揺動アーム
３１ 第１の揺動部材
３２ 第２の揺動部材
３４ 第１のブラケット
３５ 第２のブラケット
３６ 供給配管
３７ 流体供給源
３８ 閉塞部材
４１ 第１の継手部材
４２ 第２の継手部材
４３ 継手本体
４４ 大径孔
４５ 小径孔
４６ 突き当て面
４８ ガイドリング
５１ ロック部材
５１ａ 円筒部
５１ｂ ロック爪
５２ 解放リング
５３ 円筒部
５３ａ 爪作動部
５３ｂ 操作部
５４〜５６ クイック継手機構

Claims (8)

  1. 弾性チューブと前記弾性チューブの外側に設けられる組紐チューブとを備えた複数本の人工筋肉により形成されるアクチュエータ本体と、
    前記アクチュエータ本体の端部に装着される外側筒体と、
    前記外側筒体の内部に設けられ、前記弾性チューブと前記組紐チューブとを接着し、かつ前記第外側筒体と前記人工筋肉とを接着する接着部と、
    を有するアクチュエータ。
  2. 請求項１記載のアクチュエータにおいて、前記外側筒体が挿入される継手部材を有するアクチュエータ。
  3. 請求項２記載のアクチュエータにおいて、前記外側筒体と前記継手部材とを締結するロック部材を前記継手部材に設けた、アクチュエータ。
  4. 請求項３記載のアクチュエータにおいて、前記アクチュエータ本体の端面からの前記接着部の軸方向長さは、前記ロック部材が前記外側筒体に食い込む位置と前記アクチュエータ本体の端面との軸方向距離よりも長い、アクチュエータ。
  5. 弾性チューブと前記弾性チューブの外側に設けられる組紐チューブとを備えた複数本の人工筋肉により形成されるアクチュエータ本体と、
    前記アクチュエータ本体の一端部に装着される第１の外側筒体と、
    前記アクチュエータ本体の他端部に装着される第２の外側筒体と、
    前記第１と第２の外側筒体の内部に設けられ、前記弾性チューブと前記組紐チューブとを接着し、かつ前記第１と第２の外側筒体と前記人工筋肉とを接着する接着部と、
    を有するアクチュエータ。
  6. 請求項５記載のアクチュエータにおいて、前記第１の外側筒体が挿入される第１の継手部材と、前記第２の外側筒体が挿入される第２の継手部材とを有するアクチュエータ。
  7. 請求項６記載のアクチュエータにおいて、前記第１の外側筒体と前記第１の継手部材とを締結するロック部材を前記第１の継手部材に設け、前記第２の外側筒体と前記第２の継手部材とを締結するロック部材を前記第２の継手部材に設けた、アクチュエータ。
  8. 請求項７記載のアクチュエータにおいて、前記アクチュエータ本体の端面からの前記接着部の軸方向長さは、前記ロック部材が前記外側筒体に食い込む位置と前記アクチュエータ本体の端面との軸方向距離よりも長い、アクチュエータ。
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