JP6354052B2 - 複合流体圧アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は複合流体圧アクチュエータに関し、特に、流体圧アクチュエータを複数結合する複合流体圧アクチュエータに関する。

流体圧アクチュエータとは、例えばエアシリンダや人工筋等、流体圧の変化を用いて駆動するものである。これらは、電磁アクチュエータ等と比べて、重量に対する出力が大きい。例えば、空気圧を用いた弾性収縮体としては、特許文献１がある。特許文献１に開示の弾性収縮体は、所謂マッキベン人工筋と呼ばれるものである。これは、中空の弾性管状体と、弾性管状体を覆う補強層である編組被覆体とを有する構造からなる。このような構造のマッキベン人工筋にコンプレッサから空気を導入すると、弾性管状体が径方向に誇張し、長さ方向には収縮して収縮力が発生する。

このようなマッキベン人工筋等の流体圧アクチュエータでは、出力が大きいとはいえ、１本だけでは十分な出力が得られない場合があった。また、出力を高めるために太く大きい流体圧アクチュエータとした場合には、柔軟性に欠け、形状の自由度も無く、使い勝手の良いものとは成り難かった。このため、流体圧アクチュエータを複数結合した複合流体圧アクチュエータの開発が望まれていた。

そこで、本願発明者による非特許文献１や非特許文献２に記載のように、細いマッキベン人工筋を複数束ねて柔軟性や設計の自由度を挙げた複合流体圧アクチュエータも研究されていた。これは、複数のマッキベン人工筋を束ねて送気口を有するポリテトラフルオロエチレンチューブに開放端側を差し込んでシリコーン接着剤で固定した構造を有していた。

特開昭４８−２４１７５号

高岡真幸ら、「生体模倣ロボット機構実現に向けた多繊維造マキベン人工筋」、第１４回システムインテグレーション部門講演会、２０１３年１２月、ｐ．１７６７−１７７０ 鈴森康一ら、「多繊維構造マッキベン人工筋の開発と筋骨格ロボットへの適用」、第３２回日本ロボット学会学術講演会、２０１４年０９月

しかしながら、非特許文献１や非特許文献２の複合流体圧アクチュエータでは、開放端部をポリテトラフルオロエチレンチューブで固定するものであり、十分な強度を有するものではなかった。また、開放端側に十分なスペースも設けられず、複数のマッキベン人工筋に均一に送気することが難しかった。さらに、ポリテトラフルオロエチレンチューブに差し込んでシリコーン接着剤で固定する際に、マッキベン人工筋の開放端から内部に接着剤が入り込んでしまい、マッキベン人工筋が詰まってしまう場合もあった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、柔軟性や形状の自由度も高く、流体を斑なく各マッキベン人工筋に送気可能で、さらに端部を強固に固定しつつ開放端が詰まることもない複合流体圧アクチュエータを提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明による複合流体圧アクチュエータは、中空の筒状に形成される弾性体からなる弾性チューブと、糸状体を弾性チューブの外壁の上に移動自在に縒り合わて袋編みしてなる編組チューブと、からなる複数のマッキベン人工筋と、複数のマッキベン人工筋の開放端を密閉するように覆い、送気口を有するドーム状開放端部材と、複数のマッキベン人工筋の閉端を覆う閉端部材と、を具備するものである。

ここで、複数のマッキベン人工筋は、１本のマッキベン人工筋を所定の長さで折り返して複数回巻回し、開放端側となる端部を切断して形成されるものであれば良い。

また、複数のマッキベン人工筋は、弾性チューブ内部が中空に保たれつつ、弾性チューブ外部が各々固着されるように、端部を切断して形成される開放端が接着剤により各々固着され、弾性チューブ内部に流入し固着される接着剤の位置と、弾性チューブ外部に固着される接着剤の位置との間の所定位置が再度切断されるものであれば良い。

また、弾性チューブ外部に固着される接着剤は、開放端側が先太となるように形成される抜け止め防止部を有し、ドーム状開放端部材は、抜け止め防止部を覆うように設けられるものであっても良い。

また、ドーム状開放端部材は、閉端側に向かって広くなるようなラッパ状のスリーブを有するものであっても良い。

さらに、本発明による複合流体圧アクチュエータ製造方法は、中空の筒状に形成される弾性体からなる弾性チューブと、糸状体を弾性チューブの外壁の上に移動自在に縒り合わて袋編みしてなる編組チューブと、からなるマッキベン人工筋を、所定の長さで折り返して複数回巻回する過程と、巻回されたマッキベン人工筋の一方の端部を切断する第１切断過程と、切断された端部を接着剤漕に所定の深さまで浸漬させ、弾性チューブ内部の所定の位置まで接着剤を流入させ固着させる第１浸漬過程と、切断された端部を接着剤漕に第１浸漬過程よりもさらに深く浸漬させ、弾性チューブ内部に流入し固着した接着剤の位置よりも切断された端部から見て遠い位置の弾性チューブ外部に接着剤を固着させる第２浸漬過程と、弾性チューブ内部が中空に保たれつつ、弾性チューブ外部が各々固着されるように、弾性チューブ内部に流入し固着した接着剤の位置と、弾性チューブ外部に固着した接着剤の位置との間の所定位置を切断する第２切断過程と、第２切断過程により切断された端部を密閉するように、送気口を有するドーム状開放端部材で覆う開放端被覆過程と、巻回されたマッキベン人工筋の他方の端部を閉端部材で覆う閉端被覆過程と、を具備するものであれば良い。

ここで、第２浸漬過程において、弾性チューブ外部に固着させる接着剤は、開放端側が先太となるように形成される抜け止め防止部を有するように形成され、開放端被覆過程は、抜け止め防止部を覆うように設けられれば良い。

本発明の複合流体圧アクチュエータには、柔軟性や形状の自由度も高く、流体を斑なく各マッキベン人工筋に送気可能で、さらに端部を強固に固定しつつ開放端が詰まることもないという利点がある。

図１は、本発明の複合流体圧アクチュエータを説明するための概略一部断面側面図である。 図２は、本発明の複合流体圧アクチュエータのドーム状開放端部材周辺の概略拡大一部断面側面図である。 図３は、本発明の複合流体圧アクチュエータの製造方法を説明するための概略一部断面側面流れ図である。 図４は、本発明の複合流体圧アクチュエータの抜け止め防止部の製造方法を説明するための概略一部断面側面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明の複合流体圧アクチュエータを説明するための概略一部断面側面図である。図示の通り、本発明の流体圧により伸縮する流体圧アクチュエータを複数結合する複合流体圧アクチュエータは、複数のマッキベン人工筋１０と、ドーム状開放端部材２０と、閉端部材３０とから主に構成されている。なお、図示例のマッキベン人工筋の本数や縦横比等については、あくまでも概略図であるため、これらの図示例に限定されるものではない。例えば、複合流体圧アクチュエータの形状は、円柱状であっても良いし、板状でも分岐したものであっても良く、使用用途等に応じて種々適用可能である。また、本発明の複合流体圧アクチュエータは、複数のマッキベン人工筋を束ねて両端部を固定するものであり、中央部分のマッキベン人工筋は固定される必要はなく、それぞればらばらの状態であれば良い。

複数のマッキベン人工筋１０は、マッキベン人工筋１１を複数束ねたものである。マッキベン人工筋１１は、弾性チューブ１２と編組チューブ１３とからなるものである。弾性チューブ１２は、中空の筒状に形成される弾性体からなる。編組チューブ１３は、糸状体を弾性チューブ１２の外壁の上に移動自在に縒り合わて袋編みしてなるものである。マッキベン人工筋１１は、従来から用いられる基本的構造であれば良いが、今後開発されるべきあらゆるものが適用可能である。このように構成されたマッキベン人工筋１１を、図示例ではＵ字形に複数束ね、開放端１５側が弾性チューブ１２が開放しており、閉端１６側が弾性チューブ１２が折り返されているものを示した。ここで、複数のマッキベン人工筋１１は、Ｕ字形のものを複数本を束ねても良いし、１本のマッキベン人工筋を所定の長さで折り返して複数回巻回し、開放端１５側となる端部を切断して形成しても良い。

また、開放端１５は、複数のマッキベン人工筋１０の弾性チューブ１２内部が中空に保たれつつ、弾性チューブ１２外部が各々固着されるように、接着剤により各々固着されれば良い。例えば、弾性チューブ１２内部に流入し固着される接着剤の位置と、弾性チューブ１２外部に固着される接着剤の位置との間の所定位置でマッキベン人工筋１１が切断され、弾性チューブ１２内部は中空に保たれ開放された状態としつつ、外部は個々に接着された状態とすれば良い。

ドーム状開放端部材２０は、複数のマッキベン人工筋１０の開放端１５を密閉するように覆うものである。また、ドーム状開放端部材２０は、送気口２１を有する。送気口２１は、送気チューブ２３を介してコンプレッサやバルブ（図示せず）に接続されている。コンプレッサからの送気により、ドーム状開放端部材２０内部に空気等の流体が送り込まれる。図示の通り、ドーム状開放端部材２０は、内部に所定の空間を有するドーム状部２２を有している。ドーム状部２２は、送気口２１からの空気を複数のマッキベン人工筋１０に均一に送るための空間である。ドーム状開放端部材２０は、マッキベン人工筋１０の収縮動作に伴い大きな力が加わるため、これに耐えられるような機械的強度を有するものであれば良い。例えば、ドーム状開放端部材２０は、合成樹脂やゴム等により形成されれば良い。そして、ドーム状開放端部材２０には、外部に力を伝えるための取付紐２４等が必要により設けられれば良い。

図２に、本発明の複合流体圧アクチュエータのドーム状開放端部材周辺の概略拡大一部断面側面図を示す。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表している。図示の通り、ドーム状開放端部材２０は、複数のマッキベン人工筋１０の開放端１５をドーム状部２２により密閉するように覆っている。このとき、弾性チューブ１２の外部に固着される接着剤で、抜け止め防止部２５を形成しても良い。抜け止め防止部２５は、開放端１５側が先太となるように形成されるものである。そして、ドーム状開放端部材２０は、抜け止め防止部２５を覆うように設けられれば良い。これにより、マッキベン人工筋１０の収縮時に強い力が加わっても、ドーム状開放端部材２０が開放端１５から抜けることを防止できる。

また、ドーム状開放端部材２０には、閉端１６側に向かって広くなるようなラッパ状のスリーブ２６を設けても良い。これにより、ドーム状開放端部材２０の端部における複数のマッキベン人工筋１０の急激な変形（曲げ角度等）を和らげることが可能となり、耐久性が増す。

そして、閉端部材３０は、複数のマッキベン人工筋１０の閉端１６を覆うものである。閉端部材３０については、特にドーム状開放端部材２０のようなドーム状部２２を有するものである必要はなく、閉端１６側を束ねて固定し、外部に力を伝えるための取付紐２４等が必要により設けられるものであれば良い。さらに、開放端１５側は複数のマッキベン人工筋１０を１つに束ね、閉端１６側はいくつかに分岐させた上で、分岐端をそれぞれ複数の閉端部材３０を用いて束ねた分岐形状とすることも可能である。

以下、このように構成された本発明の複合流体圧アクチュエータの動作について説明する。複合流体圧アクチュエータの収縮動作時には、コンプレッサからの空気が送気チューブ２３を介してドーム状開放端部材２０の送気口２１に送られる。送気口２１からドーム状開放端部材２０のドーム状部２２の内部に空気が送られると、複数のマッキベン人工筋１０の開放端１５に均一に空気が送られることになる。そして、複数のマッキベン人工筋１０の弾性チューブ１２が径方向に膨張し、編組チューブ１３より動きが制限されることで、軸方向に短くなる方向に収縮する。

そして、複合流体圧アクチュエータの弛緩動作には、バルブを開放して排気するか、さらに吸気することで強制的に膨張した弾性チューブ１２を元の状態に戻し、軸方向の長さが元に戻る。

本発明の複合流体圧アクチュエータは、複数のマッキベン人工筋を用いるため大きな力を得ることが可能でありながら、柔軟性や形状の自由度も高く構成できる。即ち、個々のマッキベン人工筋は細径であるためしなやかであり、束状になっていても柔軟性が保たれる。そして、柔軟性が高いため、例えば湾曲した部分に沿って配置することも可能となるため、形状の自由度も高い。また、ドーム状開放端部材により各マッキベン人工筋に流体を斑なく送気可能となり、均一に各マッキベン人工筋を収縮させることが可能となる。

次に、本発明の複合流体圧アクチュエータの製造方法について説明する。図３は、本発明の複合流体圧アクチュエータの製造方法を説明するための概略一部断面側面流れ図である。図中、図１や図２と同一の符号を付した部分は同一物を表している。まず、図３（ａ）に示されるように、マッキベン人工筋を所定の長さで折り返して複数回巻回する。マッキベン人工筋１１は、上述の図示例と同様に、中空の筒状に形成される弾性体からなる弾性チューブ１２と、糸状体を弾性チューブ１２の外壁の上に移動自在に縒り合わて袋編みしてなる編組チューブ１３とからなる。折り返す所定の長さは、複合流体圧アクチュエータの使用用途に応じて決定されれば良い。

次に、図３（ｂ）に示されるように、巻回されたマッキベン人工筋１１の一方の端部を開放端１５とするために切断する（第１切断過程）。これにより、１本だったマッキベン人工筋１１がＵ字形に複数束ねられたことになる。そして、開放端１５側において、弾性チューブ１２が開放することになり、閉端１６側が弾性チューブ１２が折り返された状態となる。なお、Ｉ字形のマッキベン人工筋１１として機能させたい場合には、閉端１６側も必要により切断し端部を密閉しても良い。

次に、図３（ｃ）に示されるように、切断された端部（開放端１５）を接着剤漕４０に所定の深さまで浸漬させる（第１浸漬過程）。接着剤漕４０には、シリコーン接着剤等、弾性チューブ１２や編組チューブ１３が接着されるのに適した接着剤４１が入っている。これにより、切断され開放している開放端１５側の弾性チューブ１２内部の所定の位置まで接着剤４１が流入し、固着する。即ち、弾性チューブ１２の開放端１５側に栓をするように接着剤４１で固着させる。このとき、開放端１５側はバラバラにならずある程度固着することになる。なお、Ｉ字形のマッキベン人工筋の場合、閉端１６側も切断し端部を密閉する場合には、図３（ｃ）と同様に、閉端側の弾性チューブ内部の所定の位置まで接着剤を流入させ固着させて密閉すれば良い。

次に、図３（ｄ）に示されるように、切断された端部（開放端１５側）を接着剤漕４０に、第１浸漬過程よりもさらに深く浸漬させる（第２浸漬過程）。これにより、弾性チューブ１２の内部に流入し固着した接着剤の位置よりも切断された端部から見て遠い位置の弾性チューブ１２の外部に接着剤４１を固着させる。即ち、第１浸漬過程により弾性チューブ１２の開放端１５側に栓がされているので、弾性チューブ１２内部にはこれ以上接着剤４１は流入しない。そして、弾性チューブ１２内部の接着剤４１の位置よりも高い位置まで接着剤４１が付くように、接着剤漕４０に深く浸漬させる。これにより、弾性チューブ１２の開放端１５側の外側がそれぞれ完全に固着することになる。なお、接着剤漕や接着剤については、第１浸漬過程で用いられるものと同じものでも良いし、別のものでも良い。

次に、図３（ｅ）に示されるように、弾性チューブ１２内部に流入し固着した接着剤４１の位置と、弾性チューブ１２外部に固着した接着剤４１の位置との間の所定位置を切断する（第２切断過程）。これにより、弾性チューブ１２内部が中空に保たれつつ、弾性チューブ１２外部が各々固着されるようになる。即ち、開放端１５側を２度接着剤に浸漬させる際の浸漬深度差を利用して、弾性チューブ１２の外側だけを接着剤４１により固着させるような位置を切断している。

次に、図３（ｆ）に示されるように、第２切断過程により切断された端部（開放端１５）を密閉するように、送気口２１を有するドーム状開放端部材２０で覆う（開放端被覆過程）。この際、ドーム状開放端部材２０を必要により加締め材等で開放端１５に加締めて強固に固着させても良い。また、上述した通り、この際にラッパ状のスリーブ等を設けても良い。

最後に、図３（ｇ）に示されるように、巻回されたマッキベン人工筋１１の他方の端部（閉端１６）を閉端部材３０で覆う（閉端被覆過程）。

このように、本発明の複合流体圧アクチュエータの製造方法は、端部を強固に固定しつつ開放端が詰まることもないものである。

ここで、図４を用いて本発明の複合流体圧アクチュエータの抜け止め防止部の製造方法について説明する。図４は、本発明の複合流体圧アクチュエータの抜け止め防止部の製造方法を説明するための概略一部断面側面図である。図３（ｄ）の第２浸漬過程において、弾性チューブ１２外部に固着させる接着剤４１を、開放端１５側が先太となるように形成する。図４に示されるように、接着剤漕４５として、底に行くほど径が太くなるような円錐状の型とする。型を抜くために、例えば図示のように左右に分かれる２個組の型を用意する。そして、開放端１５側が先太となるように接着剤４１を弾性チューブ１２外部に固着させることで、開放端１５側が先太となるように形成された抜け止め防止部２５が形成される。このように、第２浸漬過程で用いる接着剤漕の形状を変えることにより、所望の開放端形状とすることが可能となる。

なお、本発明の複合流体圧アクチュエータは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、本発明の複合流体圧アクチュエータを、さらに複数束ねて使用することも勿論可能である。

また、本発明の複合流体圧アクチュエータに用いられるマッキベン人工筋は、編組チューブである編被覆体の条件により、流体印加によって長さ方向に伸長するものや、形状変化が発生せず剛性のみが変化するも等を用いても良い。本発明の複合流体圧アクチュエータは、このようなマッキベン人工筋を用いることで、単に同種のものを複合するだけでなく、異種類のものを混ぜて混合することも勿論可能である。

１０ 複数のマッキベン人工筋
１１ マッキベン人工筋
１２ 弾性チューブ
１３ 編組チューブ
１５ 開放端
１６ 閉端
２０ ドーム状開放端部材
２１ 送気口
２２ ドーム状部
２３ 送気チューブ
２５ 抜け止め防止部
２６ スリーブ
３０ 閉端部材
４０，４５ 接着剤漕
４１ 接着剤

Claims (7)

1. 流体圧により伸縮する流体圧アクチュエータを複数結合する複合流体圧アクチュエータであって、該複合流体圧アクチュエータは、
   中空の筒状に形成される弾性体からなる弾性チューブと、糸状体を前記弾性チューブの外壁の上に移動自在に縒り合わて袋編みしてなる編組チューブと、からなる複数のマッキベン人工筋と、
   前記複数のマッキベン人工筋の開放端を密閉するように覆い、送気口を有するドーム状開放端部材と、
   前記複数のマッキベン人工筋の閉端を覆う閉端部材と、
   を具備することを特徴とする複合流体圧アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の複合流体圧アクチュエータにおいて、前記複数のマッキベン人工筋は、１本のマッキベン人工筋を所定の長さで折り返して複数回巻回し、開放端側となる端部を切断して形成されることを特徴とする複合流体圧アクチュエータ。
3. 請求項２に記載の複合流体圧アクチュエータにおいて、前記複数のマッキベン人工筋は、弾性チューブ内部が中空に保たれつつ、弾性チューブ外部が各々固着されるように、端部を切断して形成される開放端が接着剤により各々固着され、弾性チューブ内部に流入し固着される接着剤の位置と、弾性チューブ外部に固着される接着剤の位置との間の所定位置が再度切断されることを特徴とする複合流体圧アクチュエータ。
4. 請求項３に記載の複合流体圧アクチュエータにおいて、弾性チューブ外部に固着される接着剤は、開放端側が先太となるように形成される抜け止め防止部を有し、ドーム状開放端部材は、抜け止め防止部を覆うように設けられることを特徴とする複合流体圧アクチュエータ。
5. 請求項１乃至請求項４の何れかに記載の複合流体圧アクチュエータにおいて、前記ドーム状開放端部材は、閉端側に向かって広くなるようなラッパ状のスリーブを有することを特徴とする複合流体圧アクチュエータ。
6. 流体圧により伸縮する流体圧アクチュエータを複数結合する複合流体圧アクチュエータの製造方法であって、該複合流体圧アクチュエータ製造方法は、
   中空の筒状に形成される弾性体からなる弾性チューブと、糸状体を前記弾性チューブの外壁の上に移動自在に縒り合わて袋編みしてなる編組チューブと、からなるマッキベン人工筋を、所定の長さで折り返して複数回巻回する過程と、
   巻回されたマッキベン人工筋の一方の端部を切断する第１切断過程と、
   切断された端部を接着剤漕に所定の深さまで浸漬させ、弾性チューブ内部の所定の位置まで接着剤を流入させ固着させる第１浸漬過程と、
   切断された端部を接着剤漕に前記第１浸漬過程よりもさらに深く浸漬させ、弾性チューブ内部に流入し固着した接着剤の位置よりも切断された端部から見て遠い位置の弾性チューブ外部に接着剤を固着させる第２浸漬過程と、
   弾性チューブ内部が中空に保たれつつ、弾性チューブ外部が各々固着されるように、弾性チューブ内部に流入し固着した接着剤の位置と、弾性チューブ外部に固着した接着剤の位置との間の所定位置を切断する第２切断過程と、
   前記第２切断過程により切断された端部を密閉するように、送気口を有するドーム状開放端部材で覆う開放端被覆過程と、
   巻回されたマッキベン人工筋の他方の端部を閉端部材で覆う閉端被覆過程と、
   を具備することを特徴とする複合流体圧アクチュエータ製造方法。
7. 請求項６に記載の複合流体圧アクチュエータ製造方法において、前記第２浸漬過程において、弾性チューブ外部に固着させる接着剤は、開放端側が先太となるように形成される抜け止め防止部を有するように形成され、開放端被覆過程は、抜け止め防止部を覆うように設けられることを特徴とする複合流体圧アクチュエータ製造方法。