JP6659453B2 - アクチュエータ、アクチュエータシステム及び流路構成部 - Google Patents

アクチュエータ、アクチュエータシステム及び流路構成部 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、アクチュエータ、アクチュエータシステム及び流路構成部に関する
。
従来の人工筋は、パワーアシストや産業ロボットの分野で多く使用されており、マッキ
ベンに代表される太い径の人工筋が、汎用的に用いられている。
ここ数年で新たに、人工筋直径が１．３〜４ｍｍの細径人工筋が開発され、生体模倣や
、アシストスーツなどへの応用が期待されている。
細径人工筋を用いることにより、モーター駆動に比べ設置自由度が効き、これまで実現
が困難であった手の筋肉をすべて模倣した超多自由度ハンドの作製等が期待される。また
、人工筋の構成素材自体が柔軟材で構成されているため、装置全体を軽く柔らかく作製す
ることが可能になる。これにより軽量かつ人間親和性の高い装置実現に役立つ。
現在、人工筋の制御方法は、人工筋を構成する筋線維に同圧力を印加し各筋線維を同等
量伸縮させる方法がとられている。この方法では、筋線維の圧力を段階的に変化させるこ
とができず、手などの複雑な筋肉の動きを模倣することが困難であった。
特開２０１０−１５５２８３号公報
本発明が解決しようとする課題は、複数の作動要素のうち作動する作動要素を選択し、
作動要素群全体が発生する収縮力を段階的に変化することができるアクチュエータを提供
することである。
実施形態のアクチュエータは、流体を流入する第一ポートと、前記流体を流出する第二ポートと、を有する複数の流路部材を備え、前記複数の流路部材は結合されており、前記複数の流路部材の数をｎ個（ｎは、２以上の整数）としたとき、ｎ番目の流路部材の前記第二ポートの数が、２ ｉ 個（ただし、ｉは０以上ｎ−１以下の各整数）である。
実施形態のアクチュエータシステムは、複数の上記アクチュエータと、流体を供給する
流体供給源と、前記流体供給源からの流体の流量を制御する制御弁と、前記制御弁からの
流体を前記流路部材のそれぞれに供給するか否かを切り替える複数の切替弁と、を備える
。
実施形態の流路構成部は、流体が流入する第一ポートと前記流体を流出する第二ポートを有する複数の流路部材を備え、前記複数の流路部材は結合されており、前記複数の流路部材の数をｎ個（ｎは、２以上の整数）としたとき、ｎ番目の流路部材の前記第二ポートの数が、２ ｉ 個（ただし、ｉは０以上ｎ−１以下の各整数）である。
第１の実施形態にかかるアクチュエータの概略図である。 切替弁のＯＮ／ＯＦＦ状態の組み合わせにより駆動する作動要素の本数と出力値を示す。 第２の実施形態にかかるアクチュエータの概略図である。 切替弁のＯＮ／ＯＦＦ状態の組み合わせにより駆動する作動要素の本数と出力値を示す。 直方体形状の複数の流路部材を示す図である。 複数の流路部材をらせん状に配置した流路構成部の一例を示す図である。 複数の流路部材を円環状に配置した流路構成部の一例を示す図である。 各流路部材を円筒形状で形成し、側面に第一ポートと第二ポートを設けた流路構成部を示す図である。 ３つの流路部材を結合すると六角柱形状となる流路構成部を示す図である。 図９の流路構成部の変形例を示す図である。 図９若しくは図１０の流路構成部を３つ接して配置した一例を示す図である。 図９若しくは図１０の流路構成部を直列に接して配置した一例を示す図である。 第４の実施形態にかかるアクチュエータの概略図を示す図である。 流路ブロックに接続された作動要素群の配置の一例を示す図である。 第５の実施形態にかかるアクチュエータの概略図を示す図である。 駆動方法１の流体供給箇所の構成の一例を示す図である。 駆動方法２の流体供給箇所の構成の一例を示す図である。 作動要素の数が７本である場合の駆動角度の変更量を示す図である。 駆動方法３の流体供給箇所の構成の一例を示す図である。
以下、図面を参照して、実施形態のアクチュエータおよび流路構成部について説明する
。
ここで、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間
の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す
場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。なお、以
下の説明では、同一または類似の機能を有する構成に同一の符号を付す。そして、それら
構成の重複する説明は省略する場合がある。
（第１の実施形態）
図１及び図２を参照して、第１の実施形態にかかるアクチュエータ１について説明する
。
図１は、アクチュエータ１の概略図である。図１に示すように、アクチュエータ１は、
複数の流路部材２を有している。複数の流路部材２を含んだ構成を流路構成部３と称する
。
流路部材２のそれぞれは、流体を流入する第一ポート２ａと流体を流出する複数の第二
ポート２ｂを有している。第一ポート２ａと第二ポート２ｂは流路部材２の内部で繋がる
。
流路部材２の第二ポート２ｂには、複数の作動要素４がそれぞれ並列してつながる。流
路部材２の第二ポート２ｂに繋がる少なくとも１つ以上の作動要素４の組を作動部４０（
４１〜４４）と称される。また、流路構成部３の第二ポート２ｂに繋がる複数の作動要素
４は、作動要素群４００と称される。
流路部材２から流出された流体は、作動要素４の内部に流入する。作動要素４は、流体
が供給された供給状態において所定の出力値が得られる作動状態となり、流体の供給が停
止されたり流体が排出されたりした非供給状態となる。作動要素４は、チューブ状のもの
で内部の圧力が増すことにより膨張、伸縮する素材で形成される。例えば、流体が供給さ
れた状態で、径方向（短手方向）に膨らむとともに軸方向に縮み、軸方向の両端を引く引
張力（収縮力）を発生する（作動状態）。逆に流体が排出された非供給状態では、チュー
ブ等の弾性力に応じて径方向に縮むとともに軸方向に伸び、元の形状に戻る（非作動状態
）。作動要素４の出力値は、例えば、引張力（収縮力）である。
図１に示されるように、複数の作動要素４は、並列に配置されている。アクチュエータ
１では、作動要素４が並行して作動する数が切り替わることにより、作動要素群４００の
出力値が変化する。本実施形態のアクチュエータ１は、作動要素群４００の出力値が切り
替わるよう、複数の作動要素４の作動状態と非作動状態とを切り替える。
アクチュエータ１は、流路構成部３および複数の作動要素４に流体を供給するための装
備として、例えば、流体供給源５、圧力制御弁６、切替弁７を有する。
図１に示すように、流体供給源５は、圧力制御弁６と流路７１を介して繋がる。そして
、圧力制御弁６は、複数の切替弁７と流路７１を介して繋がる。複数の切替弁７は、流路
部材２の第一ポート２ａに流路７２を介してそれぞれ繋がる。切替弁７は、流路部材２の
数と同数存在する。つまり、図１では、流路部材２（２１〜２４）は４つであるため、切
替弁７（７ａ〜７ｄ）も４つ存在する。これは、流体の供給を流路部材毎に制御するため
である。言い換えると、作動部４０毎に出力値を制御するためである。
流体供給源５は、流路構成部３および作動要素４に供給される流体の供給源である。流
体供給源５は、例えば、ポンプや、高圧タンク、ボンベ、アキュムレータ、コンプレッサ
等である。なお、流体供給源５の上流には、タンクや、リザーバ、ドレンパン等が設けら
れてもよい。ここで流体とは、空気であることが好ましいが、その他、ガス等の気体、水
や油等の液体も含む。
圧力制御弁６は、流路構成部３および作動要素４に供給される流体の圧力を制御する。
圧力制御弁６は、流体の圧力を所定圧の近傍に維持することができる。圧力制御弁６は、
例えば、リリーフ弁や、減圧弁、シーケンス弁、カウンタバランス弁、アンロード弁等で
ある。圧力制御弁６は、制御弁と称されうる。
切替弁７は、電気信号に応じて流路の開閉や複数の流路の接続状態を切り替えることが
できる電磁弁である。これにより流路部材２への流体の供給を制御する。切替弁７は、例
えば、供給ポート、アクチュエータポート、および排出ポート（リターンポート）の三つ
のポート（不図示）が設けられた電磁三方弁である。この場合、供給ポートは圧力が調整
された流路７１と繋がり、アクチュエータポートは作動要素４までの流路７２と繋がり、
排出ポートはドレイン（低圧流路）と繋がる。切替弁７は、電気信号に応じて、アクチュ
エータポートが供給ポートと接続され、一方排出ポートとは遮断された第一の状態と、ア
クチュエータポートが排出ポートと接続され、一方供給ポートとは遮断された第二の状態
とを切り替える。第一の状態において、作動要素４は流路７２および切替弁５を介して圧
力制御弁６によって圧力が調整された流路７１（高圧流路）と繋がる。よって、作動要素
４に流体が供給される。第二の状態において、作動要素４は流路７２および切替弁７を介
してドレインと繋がるとともに流路７１とは遮断される。よって、作動要素４には流体が
供給されず作動要素４から流体が排出される。すなわち、切替弁７における第一状態と第
二状態との切替により、作動要素４への流体の供給状態と非供給状態、すなわち、作動要
素４の作動状態と非作動状態とが切り替わる。以下では、第一状態はＯＮ状態、第二状態
はＯＦＦ状態と称される。なお、切替弁７や流路７１，７２はここに開示された構成には
限定されない。
次に、流路部材２、作動要素４および切替弁７の構成について詳細に説明する。
本実施形態の複数の流路部材２は、第二ポート２ｂの数がそれぞれ異なる構成である。
図１に示すように、４つの流路部材２の第二ポート２ｂの数はそれぞれ、１、２、４、８
と異なる数となっている。ここでは、簡単のため流路部材２（２１〜２４）の数は４個と
しているが流路部材の数は、これ以上であっても良い。例えば、流路部材２の数がｎ個で
ある場合、それぞれの第二ポートの数は２ｉ個となる（ただし、ｉは０以上ｎ−１以下の
各整数）。第一ポート２ａは、流路部材２のそれぞれに１つずつ存在するのが好ましい。
流路部材２の内部には、流路７２ｉが設けられている。流路７２ｉは、切替弁７と１つ
以上の作動要素４との間の流路７２の少なくとも一部である。流路７２ｉは第一ポート２
ａから出て内部で分岐され第二ポート２ｂに繋がる。
複数の作動要素４の一端は、第二ポート２ｂにそれぞれ並列して繋がる。
図１に示すように、各流路部材２に繋がる作動要素４の本数は、それぞれ１、２、４，
８本となる。作動要素４が、例えば同一仕様である場合など、同一の条件下で同一の出力
値を与える場合にあっては、当該複数の作動要素４を含む作動部４０や作動要素群４００
の出力値は、１つの作動要素４の出力値と作動する作動要素４の数（作動数）との乗算値
となる。つまり、２つの作動要素４が並行して作動した場合の出力値は、１つの作動要素
４が単独で作動した場合の出力値の２倍の出力値が得られ、ｎ個（ｎ：整数）の作動要素
４が並行して作動した場合の出力値は、１つの作動要素４が単独で作動した場合の出力値
のｎ倍の出力値が得られる。
図１の場合は、作動要素４の数が１本である作動部４１が出力値の基準となるので、作
動部４２〜４４は、作動部４１の２倍、４倍、８倍の出力値となる。以下、作動要素４の
出力値をベース出力値と称する。
作動要素４への流体の供給は、流路部材２のそれぞれに繋がる切替弁７により制御され
る。
切替弁７のそれぞれは、流路部材２毎に繋がり、弁の開閉動作により流路部材毎に流体
を供給するか否かを決める。言い換えると、切替弁７は、作動部毎に流体を供給するか否
かを決める。図１に示すように、切替弁７ａ〜７ｄは流路部材２１〜２４にそれぞれ繋が
る。
図１では、切替弁７ａのＯＮ状態により作動する作動要素４の数は「１」であり、切替
弁７ｂのＯＮ状態により作動する作動要素４の数は「２」であり、切替弁７ｃのＯＮ状態
により作動する作動要素４の数は「４」であり、切替弁７ｄのＯＮ状態により作動する作
動要素４の数は「８」である。
図２の表は、切替弁７ａ〜７ｄまでの弁のＯＮ状態とＯＦＦ状態の組み合わせにより駆
動する作動要素の本数と出力値を纏めたものである。表中では、ＯＮ状態を“１”として
ＯＦＦ状態を“０”としている。弁のＯＮ／ＯＦＦ状態のパターンとしては、（０００１
）〜（１１１１）までの１５通り得られる。切替弁７の動作により、駆動する作動要素４
の本数を１〜１５まで一段階ずつ切り替えることができる。言い換えると、作動要素群４
００の出力値を、ベース出力値の１倍〜１５倍の範囲で１倍（ベース出力値）刻ずつ切り
替えることができる。
流路部材２の数が４以上ある場合でも同一である。例えば流路部材２と切替弁７がそれ
ぞれｎ個ある場合は、弁のＯＮ／ＯＦＦのパターンとして、（２ｎ−１）通り得られる。
切替弁７の動作により、駆動する作動要素４の本数を１〜（２ｎ−１）まで変えることが
でき、作動要素群４００の出力値をベース出力値の１倍〜（２ｎ−１）倍の範囲で１倍（
ベース出力値）刻みに切り替えることができる。
２進数の各桁（各ビット）の「０」と「１」との切り替えにより１０進数の全ての数を
表せることを考えれば、このような制御が可能となることが理解できよう。
アクチュエータ１は、切替弁７へ制御信号（電気信号）を入力する制御系の装備として
、制御装置８および駆動回路９を備える。制御装置８は、指示信号は、センサ（不図示）
の検出結果や、外部装置（不図示）からの指令、操作部（不図示）におけるオペレータ等
による操作入力等に基づいて、駆動回路９への指示信号を生成する。制御装置８は、例え
ばＥＣＵ（electronic control unit）等のコンピュータである。この場合、制御装置
８は、例えば、コントローラや、主記憶装置、補助記憶装置等を有することができる。コ
ントローラは、インストールされたプログラム（アプリケーション、ソフトウエア）にし
たがって演算処理を実行することにより、制御装置８としての機能を実現することができ
る。なお、制御装置８の少なくとも一部の機能は、ＡＳＩＣ（application specific i
ntegrated circuit）や、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）、ＤＳＰ（dig
ital signal processor）等のハードウエアによって実現されてもよい。
駆動回路９は、制御装置８から指示信号を受け取り、当該指示信号に応じて、複数の切
替弁７のそれぞれの状態を切り替える制御信号（電気信号）を出力する。駆動回路９は、
例えば、電源回路やスイッチング素子等を有し、指示信号に応じてスイッチング素子の開
閉を切り替えることにより、切替弁７の駆動部を作動させる制御信号を出力する。
本実施形態では、流路部材２毎に別個の切替弁７を取り付けることにより、作動要素群
４００に供給する流体を細かく制御できる。
また、例えば、作動要素４はマッキベン型人工筋肉であり、複数の作動部４０は、複数
の流体の供給に応じて収縮し、出力値は、作動部４０の収縮によって生じる引張力である
。すなわち、本実施形態のアクチュエータ１は、人工筋肉システムに適用することができ
る。本実施形態では、各作動要素４は比較的細径の筋繊維として機能し、作動要素群４０
０が筋繊維群、すなわち筋束を模擬する人工筋肉として機能することができる。
（第１の実施形態の変形例１）
第１の実施形態にかかるアクチュエータ１の変形例１について説明する。
第１の実施形態では、作動部に属する作動要素４の数を２の冪乗とすることにより、作
動要素群４００の出力値を１倍（ベース出力値）刻みで変化できる構成とした。
本実施形態では、作動部に属する作動要素４の数が２の冪乗以外の構成について説明す
る。その他の構成は第１の実施形態のアクチュエータと同様である。
例えば、流路部材２の個数が６つであり、それぞれに作動要素４が繋がれ作動部４１〜
４６を構成したとする。作動部４１、４２、４３の作動要素４の数をそれぞれ、１、２、
３本とする。この場合、作動部４４、４５，４６の作動要素４の数は７、１４、２８本と
なる。
作動部４１〜４６のそれぞれの作動要素４の数を上記とすることにより、切替弁７のＯ
ｎ／Ｏｆｆによりベース出力値の１〜５５倍の範囲で１倍刻みに作動要素群４００の出力
値を変化することができる。
一般化すると、作動部の数をｉ＝１、２、３、・・・、ｍとし、作動要素の数をＰ（ｉ
）＝１、２、３・・・、ｍとする場合、ｉ＝ｍ＋１以上の作動要素の数Ｐ（ｉ）は以下の
式（１）となる。
これにより、例えば、ｍ＝３の場合は、Ｐ（ｉ）＝１、２、３、７、１４、２８、５６
、…となる。例えば、ｍ＝４の場合は、Ｐ（ｉ）＝１、２、３、４、１１、２２、４４、
…となる。
作動要素４の本数を２の冪乗としなくても上述した構成とすることにより、作動要素群
４００の出力値をベース基準値に対して１倍刻みで変化することができる。
（第２の実施形態）
図３を参照して第２の実施形態にかかるアクチュエータ１について説明する。
本実施形態は、複数の作動要素４のうち、径の異なる作動要素４Ａを含めた構成である
。その他の構成は、第１の実施形態のアクチュエータと同様である。ここで、作動要素４
Ａの径は、作動要素４Ａの出力値が作動要素４のベース出力値の２倍になるように設定す
る。たとえば、作動要素４及び作動要素４Ａの人工筋長が等しく、スリーブ巻き付け角が
等しい場合、ベース出力値の２倍にするためには、径を√２倍程度に設定する。図３では
、流路部材２４のすべての第二ポート２ｂに作動要素４Ａを繋いでいる。
作動要素４Ａは、流路部材２毎に適用しても良いし、流路部材２に繋がる複数の作動要
素のうちの数本分に適用しても良い。
図４の表は、切替弁７ａ〜７ｄまでの弁のＯＮ状態とＯＦＦ状態の組み合わせにより駆
動する作動要素の本数と出力値を纏めたものである。
図４の表に示すように切替弁７ｄがＯＮ状態になり流路部材２４に流体が供給されてか
ら急激に出力値が増しているのがわかる。切替弁７への指令値を（０００１）〜（１１１
１）まで変化させる時、作動要素群４００の出力値を非線形的に変化することができる。
第１の実施形態と同様、切替弁７により作動部４０毎に流体の供給を制御するため、流
路部材２に接続する作動要素のすべての径を変更する必要はなく、１本だけでも径の異な
る作動要素が含まれていれば同様な効果が得られる。
また、作動要素の長さが等しく、スリーブ巻き付け角が等しい場合、作動要素の径を√
Ｎ倍に設定すると、ベース出力値のＮ倍の出力値を得ることができる。
また、作動要素に流入する流体の流量が同一とすると、径の太さにより作動要素４の応
答速度が変化するため、早い動きを実現したい場合は、細い径の作動要素を駆動し、応答
速度は遅いが負荷がかかる動きをしたい場合は、太い径の作動要素を駆動することで、応
答速度を加味した動作が可能となる。例えば、本作動要素を人工筋肉として利用する場合
、人間の速筋や遅筋に対応した動作を再現することができる。例えば、ボール等をつかむ
際の手の力や動きを再現することができる。
また、作動要素の応答速度を考慮しない場合は、例えば、作動要素２本分と、径の√２
倍の作動要素１本分の出力値がほぼ同一である時は、径の太い作動要素で代用することも
できる。
また、切替弁７、流路部材２、作動部４０は４つずつの場合について説明したが、これ
らは４つに限定されず複数あっても良い。その場合でも、上記結果と同様の効果を得るこ
とができる。
また、本実施形態では、作動要素４の径が√２倍のものについて説明したが、作動要素
４Ａの径は、√２倍に限定されずそれ以上でも良いし、作動要素４より細くても良い。
（第３の実施形態）
図５〜図１２を参照して、第３の実施形態にかかるアクチュエータについて説明する。
ここでは、複数の流路部材２の配置方法についてであり、それ以外の構成については第
１の実施形態と同様である。
上述したように流路部材２の第二ポート２ｂに複数の作動要素４がそれぞれ繋がり作動
部４０を構成する。また、作動部４０は、作動要素群４００を構成する。
作動要素群４００を構成するために、流路部材２はスペース的に効率よく配置されてい
ること、あるいは一体として構成されていることが好ましい。
図５は、直方体若しくは立方体形状の複数の流路部材２を示している。各流路部材２１
〜２４を第二ポート２ｂ側から図示したものである。また、流路部材２２の斜視図を一例
として示した。
直方体若しくは立方体の一方の面には１つの第一ポート２ａを有し、一方の面に対向す
る他方の面に第二ポート２ｂを有する。流路部材２の数がｎ個である場合、各流路部材２
の第二ポートの数は、２ｉ個（ただし、ｉは０以上ｎ−１以下の各整数）でそれぞれ異な
る。上述したが、流路部材２の第一ポートから出る流路は、途中で分岐して、すべての第
二ポートに繋がる。
流路部材２を直方体若しくは立方体形状とすることで、各流路部材２を接して配置して
流路構成部３を形成する場合、スペース的に無駄なく作動要素群を配置できる。各流路部
材２の接し方としては、例えば、各流路部材２の第一ポート及び第二ポートが形成されて
いない側面同士が互いに接していることであり、全面が接していても良いし、面の一部が
接していても良い。
図６は、複数の流路部材２をらせん状に配置した一例を示す。各流路部材を第二ポート
２ｂ側から図示したものである。
流路部材２のうち、第二ポート２ｂの数の少ない流路部材が中心位置から配置され、第
二ポート２ｂの数が増えるにつれて外側にらせん状に配置される。流路部材２は角柱形状
を有し、隙間なく配置されるのが好ましい。各流路部材２の底面には第一ポート２ａが形
成され、それに対向する面に第二ポート２ｂが形成される。各流路部材２の第二ポート２
ｂの数は、流路部材２の数がｎ個である場合、２ｉ個（ただし、ｉは０以上ｎ−１以下の
各整数）でそれぞれ異なる。らせん状に配置することを前提に各流路部材２を形成するこ
とで、流路構成部３を形成する際、スペース的に無駄のない配置が可能となる。
図７は、各流路部材２を円環状に配置した一例である。各流路部材を第二ポート２ｂ側
から図示したものである。図６の場合と同様に、第二ポート２ｂの数が１つの流路部材２
が中心に配置され、流路部材２の第二ポート２ｂの数が増えるにつれて外側に配置されて
いく。第二ポートが１つの流路部材２は円筒形状である。それ以外の流路部材２は円環形
状で形成され、円筒形状の外側にそれぞれ配置されていく。各流路部材２の底面には第一
ポート２ａが形成され、それに対向する面に第二ポート２ｂが形成される。各流路部材２
の第二ポート２ｂの数は、流路部材２の数がｎ個である場合、２ｉ個（ただし、ｉは０以
上ｎ−１以下の各整数）でそれぞれ異なる。円環状の流路部材２に形成される第二ポート
２ｂは、等間隔で形成されるのが好ましい。
流路部材２を互いに接して配置して流路構成部３を形成する際、流路構成部３を円筒形
状として構成することができる。
図８は、各流路部材２を円筒形状で形成して側面に第一ポート２ａと第二ポート２ｂを
設けた形状である。各流路部材２は上下面に重ねて配置される。複数の流路部材２が接し
て配置されて流路構成部３を形成する際、第二ポート２ｂの数が増加するにつれて流路構
成部３が平面的に広がるのを防止できる。
図９は、流路部材２が３つの場合（流路部材２のそれぞれの第二ポート数が１、２、４
の場合）の流路構成部３の中で最もコンパクトな形状を示す。３つの流路部材２を接して
配置すると流路構成部３が六角柱形状となるようにそれぞれの流路部材２の形状を形成す
る。
各流路部材２の構成は、たとえば中心に第二ポート２ｂが１個の流路部材２１が配置さ
れ、その形状は六角柱形状で構成される。その周りに第二ポート２ｂの数が２個の流路部
材２２と第二ポート２ｂの数が４つの流路部材２３が配置される。２ビット目と３ビット
目の流路部材はそれぞれ、五角柱形状を結合した形状となる。流路部材２２は五角柱の形
状を２つ結合した形状であり、流路部材２３は五角柱の形状を４つ結合した形状である。
３つの流路部材を接して配置すると六角柱形状の流路構成部３となる。六角柱形状の流路
構成部３は３つの第一ポート２ａを有し、７つの第二ポート２ｂを有する。
第二ポート２ｂをこのような配置とすることにより、近接する第二ポート２ｂをそれぞ
れ繋ぐと正三角形を形成する最密充填の配置が可能となる。また、流路構成部３を六角柱
形状とすることで、この流路構成部３が複数個ある場合にスペース的に無駄のない配置が
可能となる。
図１０は図９の流路構成部３の変形例であり流路部材２２と流路部材２３の第二ポート
２ｂをそれぞれ分離して配置した一例である。つまり、流路部材２２は、１つの第二ポー
ト毎に分離され、流路部材２１を挟むように配置される。流路部材２３は２つのポート毎
に分離され、流路部材２１を挟むように配置される。流路部材２２、２３の構成として、
例えば流路部材２３の場合、第二ポート側では２つのポート毎に分離しているが、第一ポ
ート側では繋がった形状であっても良い。
流路構成部３の中心を軸とした場合、作動部に流体を供給した際の軸中心での出力値の
偏りを防止することができる。
図１１は、図９若しくは図１０の流路構成部３を３つ接して配置した一例を示す。各流
路構成部３の中心を繋ぐと三角形となるように配置される。２１個の第二ポート２ｂには
それぞれ作動要素が接続される。このように流路構成部３を最密充填に配置することによ
り、作動要素群を集約して形成できるため一点に大きな出力値を発生することができる。
また、ここでは流路構成部３が３つの場合について説明したが、この流路構成部３は多数
であっても良い。流路構成部３を多数配置することで、線形的または非線形的に作動要素
の出力値を増すことができる。
図１２は、図９若しくは図１０の流路構成部３を直列に接して配置した一例を示す。各
流路構成部の中心を繋ぐと直線状となるように配置される。本配置は、各流路構成部３の
列に対して物体を並進方向に駆動させたいときに有効である。また、各流路構成部３の作
動要素群４００にかかる出力値をそれぞれ異なる出力値とすることにより、角度をつけて
物体を駆動することもできる。また、径の異なる作動要素４を作動要素群４００の中に含
むことにより、作動要素群４００の出力値を急激に変化でき、出力値を非線形的に変化す
ることができる。
図５乃至図１２の流路構成部３は、複数の流路部材２を接着材等で接着することにより
形成しても良い。接着剤は、安定して流路部材２を接着できるものであれば何でもよい。
また、流路部材２に凹凸を設けて嵌合することにより形成しても良い。
また、本実施形態の流路構成部３は、金型等により一体として形成しても良い。このと
き、複数の流路部材２は、一体に結合して形成される。これは後述する流路ブロックに該
当する。
流路部材２および流路構成部３の材質は、樹脂材でも良いしアルミ等の金属材でも良い
。
本実施形態のように流路部材２を配置することにより作動部の配置もスペース的に無駄
のない配置が可能となる。
（第４の実施形態）
図１３を参照して第４の実施形態にかかるアクチュエータについて説明する。
図１３に示すように、各流路部材２は一体に結合されて１つの流路ブロック３００を形
成している。複数の作動部４１〜４４に属する作動要素４はすべて流路ブロック３００の
第二ポート２ｂにそれぞれ繋がる。流路ブロック３００には、作動部４１〜４４のそれぞ
れに対応する流路７２ｉを有する。流路７２ｉは、各作動部に存在する第一ポート２ａか
ら出て第二ポート２ｂに分岐して繋がる。流路ブロック３００は、流路構成部３の一例で
ある。その他の構成は第１の実施形態のアクチュエータと同様である。
図１４は、流路ブロック３００に接続された複数の作動要素４による作動要素群４００
の配置を、作動要素４の軸方向に見た図である。複数の作動要素４は、作動要素４の軸方
向と直交する仮想平面内で最密充填された複数の単位正三角形の頂点となる位置に配置さ
れている。円内の数字は、作動要素４が属する作動部４１〜４４の符号を示す。図１４で
は、作動要素４を最密充填した場合を示したが、作動要素４の配置は複数の単位正方形あ
るいは長方形の頂点となるように配置されても良いし、上述した円環状に配置されても良
い。流路ブロックに作動要素群４００を効率よく配置できれば、どのような構成でも良い
。
本実施形態によれば、複数の流路部材２が統合されたことにより、例えば、アクチュエ
ータがよりコンパクトにあるいはより軽量に構成されたり、部品点数が減るためコストが
より低減されたりする効果が得られる。
（第５の実施形態）
図１５を参照して、第５の実施形態にかかるアクチュエータシステム１０について説明
する。
本実施形態のアクチュエータシステム１０は第１乃至第４の実施形態にかかる流路ブロ
ック３０１と３０２を２つ並べて、それらの第二ポート２ｂに複数の作動要素４の一端を
それぞれ繋ぎ作動要素群４０１と４０２を形成する。そして作動要素群４０１と４０２を
並列し拮抗配置とした構成である。
図１５に示すように、アクチュエータシステム１０の駆動箇所である円柱状の回転体１
１は、作動要素群４０１、４０２の間に配置される。回転体１１は中心に軸を有し、軸ま
わりに回転する。回転体１１には棒状体１１ａが設置される。作動要素群４０１、４０２
の他端は纏められ先端にそれぞれワイヤ１２、１３が接続される。ワイヤ１２、１３は回
転体１１の円周面にそれぞれ接続される。ワイヤ１２、１３は、作動要素群４０１、４０
２と回転体１１を繋ぐために用いられる。ワイヤ１２、１３が回転体１１に接続された状
態で作動要素群４０１、４０２は弛みないことが好ましい。
次に、本実施形態のアクチュエータシステム１０の駆動方法１について説明する。
ここでは、作動要素群４０１と４０２の作動要素の本数及び径が同一であり、作動要素
群４０１への流体の供給圧力をＰ１、作動要素群４０２への流体の供給圧力をＰ２とし、
切替弁７のＯｎ／Ｏｆｆ指令値が同一の場合について説明する。
図１６は、駆動方法１の場合の流体供給箇所の構成を示す。本駆動方法では、Ｐ１、Ｐ
２の圧力を生成するために圧力制御弁６は２つとなる。圧力制御弁６には、それぞれ複数
の切替弁７が繋がる。切替弁７は電磁三方弁で良い。図１６に示すように、各圧力制御弁
６には、切替弁７ａ〜７ｄが４つずつ繋がる。切替弁７ａ〜７ｄには、流路部材２１〜２
４がそれぞれ繋がる。流路部材２１〜２４は、流路ブロック３０１及び３０２を形成する
。また、流路ブロック３０１及び３０２は流路構成部３１及び３２であっても良い。２つ
の流路ブロックには、それぞれ作動要素群４０１及び４０２が繋がる。
このとき、作動要素群４０１と４０２の作動要素の稼働本数ｍが同じ（稼働する作動要
素の本数比が１：１）であるため、回転体１１の回転角度θは、２つの圧力制御弁６の圧
力Ｐ１、Ｐ２により制御する。
圧力がＰ１＞Ｐ２の場合は、回転体１１と棒状体１１ａは反時計回りに稼働する。逆に
Ｐ１＜Ｐ２の場合は、回転体１１と棒状体１１ａは時計回りに稼働する。
駆動方法１では、２つの圧力制御弁６の圧力を制御することにより回転体１１の回転角
度を制御できる。
さらに、稼働する作動要素の本数ｍを変化させることにより容易に回転体１１の関節剛
性を変化できる。具体的には、作動要素本数１本の関節剛性のｍ倍となる。
例えば、剛性が不明な物体まで近づき移動させる作業の場合、角度制御時は、素早い動
きを実現するため稼働する作動要素の本数を減らして駆動し、物体に柔らかい回転体剛性
で衝突する。その後、徐々に稼働する作動要素の本数を増やしながら物体に見合う回転体
剛性まで高める。このような動きを取り入れることにより柔らかい物体の運搬も可能にな
る。
次に、本実施形態のアクチュエータシステム１０の駆動方法２について説明する。
ここでは、作動要素群４０１と作動要素群４０２で稼働する作動要素の比を変化する。作
動要素群４０１と作動要素群４０２の作動要素の数が同一（Ｎ本）とし、作動要素群４０
１、４０２への流体の供給圧力をＰ３とする。作動要素群４０１の稼働する作動要素の数
をｍ、作動要素群４０２の稼働する作動要素の数をｎとした場合、回転体１１の角度は、
作動要素群４０１と４０２の稼働する作動要素の数ｍとｎの比率に応じて制御可能となる
。ｍ＞ｎの場合は、回転体１１と棒状体１１ａは、反時計回りに稼働する。逆にｍ＜ｎの
場合は、回転体１１と棒状体１１ａは、時計回りに稼働する。具体的には、回転体１１の
角度θは、作動要素群４０１の稼働する作動要素の数ｍ、作動要素群４０２の稼働する作
動要素の数ｎを用いて式（２）で表される。
ここで、αは回転軸の半径Ｒや作動要素の特性や供給圧力Ｐ３より決定される定数であ
る。また、関節剛性は、供給圧力Ｐ３での作動要素１本の関節剛性をβとした場合、（ｍ
＋ｎ）×βとなる。以上から、関節剛性をＫｍ、角度をθｍと設定したい場合、以下の式
（３）及び式（４）の本数を決定すればよい。

例えば、θｍ＝α／５、Ｋｍ＝５β とする場合、ｍ＝３、ｎ＝２とすればよい。この
状態から角度をθｍ＝３α／５に変更する場合、ｍ＝４、ｎ＝１とすればよい。また、θ
ｍ=α／５、Ｋｍ＝１０βと関節剛性を変えたい場合、ｍ＝６、ｎ＝４とすればよい。こ
のように、関節剛性と関節角を稼働する本数ｍ、ｎで設定可能なことがわかる。この場合
の駆動方法は、図１７に示すものである。圧力制御弁６が１つになった以外は、図１６の
構成と同一である。図１６では、圧力制御弁６を２つ用いていたが、それを１つにするこ
とで供給圧力Ｐ３を作動要素群４０１、４０２に対し共通にする。これにより、圧力制御
弁の数を減らすことができる。ただし、この駆動方法では、ｍ、ｎが関節剛性Ｋｍ、角度
θｍによっては、整数にならないため、設定しにくい課題がある。
上記課題を解決する方法として、ｍ＋ｎ＝Ｎ とし、作動要素群４０１の稼働する作動
要素の数ｍ、作動要素群４０２の稼働する作動要素の数ｎの和を一定にする。これにより
、式（２）で表せるため、例えば、作動要素群４０１と作動要素群４０２の作動要素の数
が同一で７本の場合、図１８に示す通り段階的に駆動角度を変更可能となる。
この場合、回転体１１の剛性は稼働する作動要素の比率によらないため、回転体１１の
関節剛性を変える場合は供給圧力Ｐを変化させる。
図１９は、駆動方法３の流体供給箇所の構成を示す。図１９に示すように、圧力制御弁
６の数は、１つになる。圧力制御弁６には、切替弁７ａ〜７ｄがそれぞれ繋がる。
例えば、切替弁７ａ〜７ｄのそれぞれは、供給ポート、アクチュエータポート１、アク
チュエータポート２、排出ポート１及び排出ポート２の五つのポート（不図示）が設けら
れた電磁五方弁が好ましい。この場合、電磁五方弁の供給ポートは圧力が調整された流路
７１と繋がり、アクチュエータポート１は作動要素群４０１に属する作動部４１〜４４に
接続する流路７２１と繋がり、アクチュエータポート２は作動要素群４０２に属する作動
部４１〜４４に接続する流路７２２と繋がる。それぞれの排出ポート１と排出ポート２は
ドレインと繋がる。切替弁７ａ〜７ｄのそれぞれは、電気信号に応じて、アクチュエータ
ポート１が供給ポートと接続されるとともに排出ポート１とは遮断され、アクチュエータ
ポート２が排出ポート２と接続されるとともに供給ポートとは遮断される第一の状態と、
アクチュエータポート１が排出ポート１と接続されとともに供給ポートとは遮断され、ア
クチュエータポート２が供給ポートと接続されるとともに排出ポート２とは遮断される第
二の状態を切り替える。つまり、切替弁７ａ〜７ｄは、別個に第一の状態と第二の状態に
切り替えられる。
ここで切替弁７ａに着目して駆動方法３の流体の流れについて詳しく説明する。
第一の状態において、作動要素群４０１に属する作動部２１は、流路７２１及び切替弁
７ａを介して圧力制御弁６によって圧力が調整された流路７１と繋がる。よって、作動要
素群４０１に属する作動部２１に流体が供給される。その際、作動要素群４０２に属する
作動部２１に繋がる流路７２２は切替弁７ａのドレインと繋がり、流路７１とは遮断され
る。よって、作動要素群４０２に属する作動部２１へは流体は供給されない。
一方、第二の状態において、作動要素群４０２に属する作動部２１は、流路７２２及び
切替弁７ａを介して圧力制御弁６によって圧力が調整された流路７１と繋がる。よって、
作動要素群４０２に属する作動部２１に流体が供給される。その際、作動要素群４０１に
属する作動部２１に繋がる流路７２１はドレインと繋がり、流路７１とは遮断される。よ
って、作動要素群４０１に属する作動部２１へは流体は供給されない。
言い換えると、切替弁７ａを第一の状態と第二の状態に切り替えることにより、作動部
材群４０１及び４０２に属する作動部２１のどちらか一方に流体が供給される。
よって、切替弁７ａ〜７ｄそれぞれの第一状態と第二状態の切り替えにより、作動要素
群４０１または４０２に属する作動部２１〜２４への流体の供給状態と非供給状態、すな
わち、作動要素の作動状態と非作動状態とが切り替えられる。
図１９に示すように、作動要素群４０１及び４０２に属する作動部及び作動要素の数や
構成（作動要素の径等）が同様の場合は、作動要素群４０１で駆動する本数ｍと４０２で
駆動する本数ｎをｍ＋ｎ＝Ｎを満たしながら変更可能となる。
駆動方法３では、圧力制御弁６の数を１つにすることができ、電磁弁の個数も半分に減
らせるためコストを低くできる。
また、作動要素群４０１と４０２の稼動する作動要素の比率を変化することにより回転
体１１の回転角度を制御することができる。
また、圧力制御弁６の圧力を変化することにより回転体１１の剛性を変化できる。
図１６、１７、１９に示すアクチュエータシステム１０は、作動要素群４０１と４０２
の作動部及び作動要素の構成を同一としたが、作動部及び作動要素の数及び構成は、作動
要素群４０１と４０２で異なっても良い。また、作動要素群は２つの場合について説明し
たが、２つ以上であっても良い。また、流路ブロックに含まれる流路部材の数は４つの場
合にについて説明したが、それに限定されない。また、本実施形態で説明した拮抗配置し
たアクチュエータシステム１０は複数で構成されても良い。
以上、本発明の実施形態を例示したが、上記実施形態は一例であって、発明の範囲を限
定することは意図していない。実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能
であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行
うことができる。実施形態は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に
記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、実施形態の構成や形状は、部分的に
入れ替えて実施することも可能である。また、各構成や形状等のスペック（構造や、種類
、方向、形状、大きさ、長さ、幅、厚さ、高さ、角度、数、配置、位置、材質等）は、適
宜に変更して実施することができる。
また、例えば、複数の作動部の出力値や、複数の作動部に含まれる作動要素の数（流路
構成部に設けられた出口の数）が異なるアクチュエータ、あるいはアクチュエータシステ
ムにあっては、それら異なる複数の出力値や異なる複数の作動要素の、数や組み合わせの
変更によって、種々の出力値が得られるため、切替弁の数を減らすことが可能となる。す
なわち、アクチュエータには、出力値が互いに異なる複数の作動部が含まれたり、作動要
素の数が互いに異なる複数の作動部が含まれたりすればよく、本発明は、作動部の出力値
がベース出力値の２の冪乗に設定されることや、作動要素の数が２の冪乗に設定されるこ
とには限定されない。
また、本実施形態のアクチュエータ及びアクチュエータシステムは、人工筋肉装置以外
にも適用することが可能であるし、作動要素は、人工筋肉の作動要素とは異なる作動要素
であってもよい。また、実施形態のアクチュエータ及びアクチュエータシステムは、複数
で構成されても良い。また、作動値は、引張力（収縮力）以外の力であってもよいし、力
以外のディメンジョンの物理量であってもよい。また、本実施形態のアクチュエータは、
気体の他、液体や、流動性を有した物体等にも適用可能である。
１ アクチュエータ
２ 流路部材
２１〜２４ 流路部材
２ａ 第一ポート
２ｂ 第二ポート
３ 流路構成部
３１ 流路構成部
３２ 流路構成部
４ 作動要素（作動要素）
４０〜４６ 作動部
４００〜４０２ 作動要素群
５ 流体供給源
６ 圧力制御弁
７ 切替弁
７ａ〜７ｄ 切替弁
７１ 流路
７２ 流路
７２ｉ 流路
７２１ 流路
７２２ 流路
８ 制御装置
９ 駆動回路
１０ アクチュエータシステム
１１ 回転体
１１ａ 棒状体
１２ ワイヤ
１３ ワイヤ

Claims (19)

  1. 流体を流入する第一ポートと、前記流体を流出する第二ポートと、を有する複数の流路部材を備え、
    前記複数の流路部材は結合されており、前記複数の流路部材の数をｎ個（ｎは、２以上の整数）としたとき、ｎ番目の流路部材の前記第二ポートの数が、２ ｉ 個（ただし、ｉは０以上ｎ−１以下の各整数）であるアクチュエータ。
  2. 前記複数の流路部材のうち少なくとも１つは、前記第二ポートの数が前記第一ポートの数と異なる請求項１に記載のアクチュエータ。
  3. 前記複数の流路部材から流体が供給されて作動する複数の作動部と、を更に備え、
    前記作動部のそれぞれは、前記第二ポートにそれぞれ繋がる複数の作動要素を含む請求項１または２に記載のアクチュエータ。
  4. 前記複数の作動部のうち少なくとも１つの作動部に含まれる前記複数の作動要素は、異なる径を有する作動要素を少なくとも１つ含む請求項３に記載のアクチュエータ。
  5. 前記複数の作動部のうち少なくとも１つは、流体の供給による作動の出力値が異なる請求項３または４に記載のアクチュエータ。
  6. 前記作動要素は、流体が供給されて作動し、前記作動要素のベース出力値は、前記異なる径を有する作動要素の出力値と異なる請求項３乃至５のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
  7. 複数の前記作動部は、流体の供給に応じて収縮し、流体の供給に応じた複数の前記作動部の収縮量は同じであり、前記出力値は、前記作動部の収縮により生じる引張力である請求項３乃至６のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
  8. 前記複数の流路部材のそれぞれは、直方体形状もしくは立方体形状を有する請求項１乃至７のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
  9. 前記複数の流路部材のそれぞれは、らせん状に配置される請求項１乃至８のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
  10. 前記複数の流路部材のそれぞれは、円筒形状あるいは円環形状を有し、前記円筒形状の流路部材を中心に前記円環形状の流路部材が配置される請求項１乃至７のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
  11. 前記複数の流路部材のそれぞれは、円柱形状あるいは多角柱形状を有し、前記円柱形状の流路部材あるいは前記多角柱形状の流路部材は重ねて配置される請求項１乃至７のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
  12. 前記複数の流路部材は、六角柱形状に配置される請求項１乃至７のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
  13. 流体を供給する流体供給源と、
    前記流体供給源からの流体の流量を制御する制御弁と、
    前記制御弁からの流体を前記流路部材のそれぞれに供給するか否かを切り替える複数の切替弁と、を更に備える請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
  14. 請求項３乃至１２のいずれか１項に記載のアクチュエータを複数具備するアクチュエータシステムであって、
    流体を供給する流体供給源と、
    前記流体供給源からの流体の流量を制御する制御弁と、
    前記制御弁からの流体を前記流路部材のそれぞれに供給するか否かを切り替える複数の切替弁と、を備えるアクチュエータシステム。
  15. 流体が流入する第一ポートと前記流体を流出する第二ポートを有する複数の流路部材を備え、
    前記複数の流路部材は結合されており、前記複数の流路部材の数をｎ個（ｎは、２以上の整数）としたとき、ｎ番目の流路部材の前記第二ポートの数が、２ ｉ 個（ただし、ｉは０以上ｎ−１以下の各整数）である流路構成部。
  16. 前記複数の流路部材のうち少なくとも１つは、前記第二ポートの数が前記第一ポートの数と異なる請求項１５に記載の流路構成部。
  17. 前記複数の流路部材のそれぞれは、直方体形状もしくは立方体形状を有する請求項１５または１６に記載の流路構成部。
  18. 前記複数の流路部材のそれぞれは、らせん状に配置される請求項１５乃至１７のいずれか１項に記載の流路構成部。
  19. 前記複数の流路部材のそれぞれは、円筒形状あるいは円環形状を有し、前記円筒形状を中心に前記円環形状が同心円状に配置される請求項１５または１６に記載の流路構成部。
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