JP6892073B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、流体圧を利用したアクチュエータに関する。

産業分野、医療分野等において、さまざまなアクチュエータが使用されている。アクチュエータのなかでも、空気圧を利用したものが注目されている。空気圧は軽量かつ柔軟であるという特徴を有しており、高出力を有する点から、用途によっては非常に有用である。

空気圧を利用するアクチュエータとして一般的にMcKibben（マッキベン）型ゴム人工筋肉が知られている。このアクチュエータは，加圧することで人間の筋肉のように収縮するといった特徴があり、マニピュレータなどへの適用が多く試みられている。

Tondu, B., Boitier, V., Lopez, P., "Naturally compliant robot-arms actuated by McKibben artificial muscles", Systems, Man, and Cybernetics, 1994. 'Humans, Information and Technology', Vol.3, (1994), pp.2635-2640

マッキベン人工筋肉をはじめとする多くの流体圧アクチュエータは、長さ方向（軸方向）に収縮する動作、あるいは径方向に膨張する動作を提供するが、それ以外の動作を提供できていない。

しかしマッキベン人工筋肉の収縮率は約２０％程度と小さいため、アームの可動範囲が狭いといった課題がある。また、空気圧駆動の人工筋肉として軸方向繊維強化型人工筋肉が知られているが、その収縮率も約３０％程度となっており、収縮方向への大きな変位を発生させることが難しくなっている。

本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、従来と異なる動作を提供可能なアクチュエータの提供にある。

本発明のある態様はアクチュエータに関する。アクチュエータは、加圧により膨張するチューブを備え、チューブの側面は周方向に対して複数の領域に分割され、領域ごとに、伸びやすい方向または伸びにくい方向が異なっている。

この態様によると、領域の数、領域の形状、領域毎の各方向の伸びやすさに応じて、さまざまな動作を提供できる。

チューブの側面は、第１領域と第２領域に分割され、第１領域は、全方向に等しく伸びにくく、第２領域は、第１方向に伸びやすく、第１方向と垂直な第２方向に伸びにくくてもよい。これにより、螺旋状に変形する動作を提供できる。

第２方向は、チューブの軸方向に対して、０〜１０°または８０〜９０°傾いていてもよい。これにより、収縮率を高めることができ、または径方向に大きく膨張させることができる。

第１領域と第２領域は、チューブの側面を実質的に半周ずつに分割した領域であってもよい。

本発明の別の態様は、移動体に関する。移動体は、上述のアクチュエータを備えてもよい。

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、従来と異なる動作を提供できる。

図１（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係るアクチュエータの基本構成を示す図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、各領域の伸びやすい方向を説明する図である。 図３（ａ）〜（ｃ）は、θ＝９０°のアクチュエータの動作を説明する図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、θ＜９０°のアクチュエータの動作を説明する図である。 図５（ａ）、（ｂ）は、ねじり変形を説明する図である。 図６（ａ）、（ｂ）は、アクチュエータの解析に用いたモデルを示す図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、アクチュエータの構成例を示す図である。 図８（ａ）は、図７のアクチュエータのオフセット角θと螺旋角度γの関係の測定結果を示す図である。 図９（ａ）、（ｂ）は、管路内のグリップを示す図である。 図１０（ａ）、（ｂ）は、変形例に係るアクチュエータを示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係るアクチュエータ２の基本構成を示す図である。図１（ａ）にはアクチュエータ２の斜視図が、図１（ｂ）にはチューブ４の断面図が示される。なお図面に示される各部材の寸法は、理解の容易化、説明の簡潔化のため適宜拡大縮小されている。

アクチュエータ２は、加圧により膨張するチューブ４を備える。チューブ４は、圧力コントローラ２０と接続されており、内部の圧力が制御可能となっている。圧力コントローラ２０は、空気圧源を含んでもよいし、水圧源を含んでもよく、何らかの流体圧を用いてチューブ４の内部の圧力を制御できればよい。チューブ４の側面６は周方向に対して複数の領域８に分割される。チューブ４は、領域８ごとに、伸びやすい方向または伸びにくい方向が異なっている。

分割数は任意であるが、一実施形態においてチューブ４の側面は、２つの領域、すなわち第１領域８＿１と第２領域８＿２に分割される。第１領域８＿１と第２領域８＿２は、チューブ４の側面を実質的に半周ずつに分割したものである。

図２（ａ）、（ｂ）は、各領域の伸びやすい方向（伸びにくい方向）を説明する図である。第１領域８＿１は、全方向に等しく伸びにくくなっている。具体的には図２には、第１領域８＿１のある微小領域１０＿１が示されており、軸方向（Ｌ）にも、周方向にも伸びにくくなっている。

一方、第２領域８＿２は、第１方向（ストレッチ方向Ｓという）に伸びやすく、第１方向と垂直な第２方向に伸びにくくなっている。具体的には図２には、第２領域８＿２のある微小領域１０＿２が示されており、第１方向（図中、実線の矢印Ｓ）に伸びやすく、それと垂直な方向（破線の矢印）には伸びにくい。本明細書において第２領域８＿２の特性を、１方向ストレッチ（1-way stretch）と称する。

図２（ｂ）に示すように、チューブ４の軸方向（Ｌ）に対する第２領域８＿２における第２方向（ストレッチ方向Ｓと垂直方向）の傾き（オフセット角という）をθとする。オフセット角θは０〜９０°の範囲をとることができる。

以上がアクチュエータ２の構成である。続いてその動作を説明する。はじめに簡単のため、θ＝９０°のアクチュエータを考える。図３（ａ）〜（ｃ）は、θ＝９０°のアクチュエータの動作を説明する図である。θ＝９０°は、後述する湾曲変形が支配的となり、理論的にはねじり変形は生じない。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順で圧力が強くなっている。チューブ４を加圧すると、チューブ４が膨張しようとする。このとき、左側の第１領域８＿１側は伸びることができず、したがってチューブ４の第１領域８＿１側の側面の長さｌ_１は実質的に一定である（ｌ_１＝ｌ_１’＝ｌ_１”）。一方、チューブ４の第２領域８＿２側の側面の長さｌ_２はチューブ４の圧力が高くなるほど、長くなる（ｌ_２＜ｌ_２’＜ｌ_２”）。すなわちθ＝９０°の場合、アクチュエータ２は、スパイラル状に変形する。

図４（ａ）、（ｂ）は、θ＞０°のアクチュエータ２の動作を説明する図である。図４（ａ）は非加圧状態、図４（ｂ）は加圧状態を表す。アクチュエータ２を加圧すると、チューブ４には軸方向（Ｌ方向）に伸びる力と径方向に広がる力が働く。これにともない半側面である第１領域８＿１は伸びずに、残りの半側面である第２領域８＿２が、第１方向（Ｓ方向）に伸びようとする。このとき第２領域８＿２において、ねじり変形と湾曲変形が発生している。ねじり変形と湾曲変形が同時に発生することにより、チューブ４は図３（ｂ）に示すようにヘリカル状に変形する。γを、螺旋角度と称する。

θ＝０°は、円周方向に伸びやすい状態であり、後述するねじり変形が支配的となり、理論的には湾曲変形は生じない。

以下、ねじり変形と湾曲変形を説明する。
・ねじり変形
上述のように第２領域８＿２は、第１方向に伸びやすく、それと直交する第２方向に伸びにくい。つまり第２領域８＿２の第１方向のヤング率Ｅ_ｆは、第２方向のヤング率Ｅ_Ｔに比べて大きい。このように物理的性質が方向によって異なる材料を異方性材料という。

ねじり変形は、第２領域８＿２の異方性材料の特異な性質により生ずる（小林英男、轟章、”固体の弾塑性力学−基礎から複合材料への展開”、ｐｐ１１８−１２２）。図５（ａ）、（ｂ）は、ねじり変形を説明する図である。図５（ａ）に示すように、異方性材料は、構造主軸のｘ−ｙ座標系と材料主軸のＬ−Ｔ座標系がθ回転している場合、ひずみと応力の関係は式（１）で表される。

ここで、式（１）のコンプライアンス行列の係数Ｓ_ｉｊは２方向へのヤング率Ｅ_ｆ，Ｅ_Ｔ、
それぞれの方向に対するポアソン比ν_ＬＴ，ν_ＴＬおよび角度θによって決定される。式（１）より、せん断ひずみγ_ｘｙは式（２）で表される。

つまり異方性材料は、図５（ｂ）に示すように、せん断応力τを与えることなく、２方向への応力σ_ｘ、σ_ｙを与えることによって、せん断変形を引き起こす。せん断変形の角度γは、図４（ｂ）の螺旋角度γに対応する。

以上のことから図４（ｂ）の螺旋角度γは、オフセット角θに応じて規定されることが分かる。

・湾曲変形
湾曲変形については、図３（ａ）〜（ｃ）を参照して説明した通りである。湾曲する際の曲率半径は、軸方向のヤング率から計算することができる。図６（ａ）、（ｂ）は、アクチュエータ２の解析に用いたモデルを示す図である。チューブ４、領域８＿１、８＿２それぞれの部材を添え字の１，２，３で表すとする。

中立軸９の曲率半径を導出する。中立軸９を、第１領域８＿１の表面の中央（図３の長さｌ_１の部分に相当）であるとする。中立軸９からそれぞれの部材の重心までの距離をｙ_ｉ、それぞれの部材の断面積をＡ_ｉとする。流路の断面積をＳとすると、軸方向の力のつり合いより、式（３）を得る。式（３）から曲率半径Ｒを求めると、式（４）を得る。

以上のことから、図４（ｂ）の螺旋変形の曲率半径Ｒは、チューブ４を構成する部材の軸方向のヤング率および圧力に応じて規定されることが分かる。

以上がアクチュエータ２の動作である。このように実施の形態に係るアクチュエータ２によれば、螺旋変形の動作を提供できる。螺旋角度γは、オフセット角θに応じて設計可能であり、また曲率半径Ｒも、材料のヤング率などに応じて設計することができる。すなわち任意の螺旋変形（スパイラルも含む）を実現できる。

続いてアクチュエータ２の具体的な構成例を説明する。
図７（ａ）、（ｂ）は、アクチュエータ２の構成例を示す図である。図７（ａ）に示すようにアクチュエータ２は、チューブ４と、２枚の拘束シート３０，３２を備える。第１拘束シート３０は図１の第１領域８＿１に対応する範囲を覆うように設けられ、第２拘束シート３２は図１の第２領域８＿２に対応する範囲を覆うように設けられる。２枚の拘束シート３０，３２は、チューブ４の表面に貼付けてもよい。あるいはチューブ４を成形する際に、２枚の拘束シート３０，３２をチューブ４の表層あるいは内部に埋め込むように一体成形してもよい。

あるいは、２枚の拘束シート３０，３２の両端同士を貼り合わせて筒状とした上で、筒の内部にチューブ４を挿通してもよい。

第１拘束シート３０は、第１方向、第２方向いずれにも伸びにくい布であってもよい。第２拘束シート３２は、第１方向に伸びやすく、第２方向に伸びにくい布であってもよい。図７（ｂ）は第２拘束シート３２の構成例を示す。第２拘束シート３２は、たとえば第１方向、第２方向に等方的に伸びやすい布３４に、第２方向に向かって伸びにくい繊維３６を織り込むことにより形成することができる。繊維３６が織り込まれた布３４は、第１方向に伸びやすく、第２方向に伸びにくくなる。

図７のアクチュエータ２を作製し、その特性を評価した。以下、評価結果を説明する。オフセット角θを０〜９０°の範囲で１５°刻みで、７個のアクチュエータを作製した。チューブの内径は４ｍｍ、外径は５．８ｍｍである。図８（ａ）は、図７のアクチュエータ２のオフセット角θと螺旋角度γの関係の測定結果を示す図である。θ＝９０°において理論的には螺旋角度γはゼロであるが、干渉があるためゼロにはならない。図８（ａ）の測定結果により、オフセット角θに応じて螺旋角度γを設計できることが裏付けられる。

図８（ｂ）は、収縮率と引っ張り力の関係の測定結果を示す図である。収縮率は、非加圧時の長さ（図４（ａ）のｍ）に対する加圧時の長さ（図４（ｂ）のｎ）の比率である。図８（ｂ）の測定は、オフセット角θ＝０°，３０°，６０°，９０°のサンプルについて行った。駆動圧は０．３５Ｍｐａ、アクチュエータのチューブ４の内径は４ｍｍ、外径は５．８ｍｍである。比較のためにマッキベン人工筋肉についても測定を行った。

サンプルに用いた第２拘束シート３２は、伸び率が最小の方向（第２方向）に対して、伸び率が最大の方向（第１方向）に約６０倍の伸びを有する特性を有する。また、第２拘束シート３２は、伸び率が最小の方向（第２方向）においても、第１拘束シート３０よりも４倍の伸びを有している。これによりθ＝０°においても湾曲動作が生じている。

図８（ｂ）から明らかなように、θ＝０°，６０°，９０°のサンプルにおいて、マッキベン人工筋肉よりの２倍以上の収縮率が実現できていることが分かる。特に、θ＝９０°のサンプルでは、収縮率が６０％を超えている。高い収縮率を得るためには、θ＝８０〜９０°あるいは０〜１０°の範囲とすることが好ましい。

内径８ｍｍ、θ＝９０°、無加圧時の長さ２６０ｍｍのアクチュエータのサンプルに対して、０．２５ＭＰａで加圧した場合、加圧時の長さは８０．１ｍｍ、収縮率は６９．２％であった。同じサンプルを０．３ＭＰａで加圧した場合、加圧時の長さは７１．６ｍｍ、収縮率は７８．０％であった。このように、収縮率は、圧力に応じて制御可能である。

続いてアクチュエータ２の用途を説明する。

ある側面から見ると、実施の形態に係るアクチュエータ２は、無加圧時の軸方向に対して収縮するアクチュエータとして捉えることができる。この観点において、アクチュエータ２は、従来のマッキベン人工筋肉の代替として、マニピュレータをはじめとするさまざまな用途に利用できる。

別の側面からみると、実施の形態に係るアクチュエータ２は、無加圧時の径方向に対して膨張するアクチュエータとして捉えることができる。この特徴を利用して、管路内のグリップを構成できる。図９（ａ）、（ｂ）は、管路内のグリップを示す図である。図９（ａ）は無加圧状態を示しており、アクチュエータ２の直径φ_１は、管路の内径φ_２よりも十分に小さい。図９（ｂ）は加圧状態を示しており、アクチュエータ２は、管路の内壁に沿った螺旋形状に変形し、管路の内壁を外側に押すことにより、グリップする。グリップとして使用する際は、収縮時の螺旋半径が大きい方が望ましいため、オフセット角θを０°近傍に設定するとよい。

また、アクチュエータ２は螺旋状に収縮するという従来にない変形を実現するものであるから、その特有の変形を利用した新たな用途の開拓も期待される。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

図１０（ａ）、（ｂ）は、変形例に係るアクチュエータ２を示す図である。
実施の形態ではチューブ４の側面を２つの領域に分割する場合を説明したがその限りでない。チューブ４の側面を３つ以上の領域に分割してもよい。図１０（ａ）に示すように、第１領域８＿１と第２領域８＿２の間に、それらの中間的な伸びやすさを有する領域８＿３，８＿４を設けてもよい。これにより、より滑らかな変形動作を実現しうる。

また実施の形態では、複数の領域の境界を、軸方向と平行としたがその限りでない。図１０（ｂ）に示すように境界を蛇行させてもよい。あるいは複数の領域を、螺旋状に形成してもよい。

アクチュエータ２の具体的な構成は、図７のような拘束シート３０、３２を用いたものに限定されない。拘束シート３２は、伸びにくい繊維３６を布３４に織り込んだものであったが、チューブ４の第２領域８＿２に、繊維３６を、θ方向に直接、貼り付け、あるいは埋め込んでもよい。

第１領域８＿１に関しても同様である。すなわち繊維３６を、チューブ４の第１領域８＿１に、格子状に貼り付け、あるいは埋め込んでもよい。

実施の形態では、螺旋状に収縮するアクチュエータを例としたが、複数の領域の形状、領域の数、各領域の伸びやすさ（伸びにくさ）の方向性の組み合わせによって、さまざまな変形を実現でき、そうしたものも本発明の範囲に含まれる。

たとえば第１領域を、第１方向への伸びやすさが軸方向の位置に応じて変化し、第２領域を第１方向への伸びやすさが軸方向の位置に対して一様なもので形成してもよい。この場合、渦巻き状の形状に変形しうる。

実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

２…アクチュエータ、４…チューブ、６…側面、８…領域、２０…圧力コントローラ、３０…第１拘束シート、３２…第２拘束シート、３４…布、３６…繊維。

Claims (4)

1. 加圧により膨張するチューブを備え、
   前記チューブの側面は周方向に対して第１領域と第２領域に分割され、前記第１領域は、全方向に等しく伸びにくく、前記第２領域は、第１方向に伸びやすく、前記第１方向と垂直な第２方向に伸びにくく、
   前記第１方向と前記チューブの軸方向のなす角度をθとするとき、０°＜θ＜９０°であり、
   加圧に応じてヘリカル状に変形することを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記第１方向と前記チューブの軸方向のなす角度θは、０°＜θ＜１０°または８０°＜θ＜９０°であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記第１領域と前記第２領域は、前記チューブの側面を実質的に半周ずつに分割した領域であることを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。
4. 前記第１領域を覆い、前記チューブを全方向に等しく伸びにくくなるように拘束する第１拘束シートと、
   前記第２領域を覆い、前記チューブを、前記第１方向に伸びやすく前記第２方向に伸びにくくなるように拘束する第２拘束シートと、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のアクチュエータ。

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