JPH04165110A

JPH04165110A - アクチュエータ

Info

Publication number: JPH04165110A
Application number: JP29074190A
Authority: JP
Inventors: Takafumi Matsumaru; 松丸　隆文
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-10-30
Filing date: 1990-10-30
Publication date: 1992-06-10

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は流体の圧力エネルギによって駆動するアクチュ
エータに関する。

（従来の技術）従来、隔壁によって内部が複数の圧力室に分離された筒
状弾性体からなり、この筒状弾性体の圧力室に流体圧を
供給することによって湾曲・伸縮などの任意の動作を行
うアクチュエータとして、例えば第４図に示すアクチュ
エータが知られている。同図（ａ）はアクチュエータの
分解斜視図、同図（ｂ）は内部構造を示す断面図である
。

同図に示すように、アクチュエータ１は外壁を形成する
筒状弾性体８、先端封止部９、根元封止部１０．チュー
ブ１１　ａ　、　　１　ｌ　ｂ　、　　１１　ｃから構
成されている。そして、同図からもわかるように、筒状
弾性体８は同一形状からなる３つの単位筒状弾性体１３
　ａ、　　１３　ｂ、　　１３　ｃをその軸方向に並列
に接着することにより一体成形したものである。

このため、接着された部位により筒状弾性体８の軸方向
に弾性隔壁５，６．７が延設され、これら弾性隔壁５，
６．７により３つの圧力室１４，１５．１６が形成され
る。前記単位筒状弾性体１３ａ、］、３１ン、１３ｃは
、アクチュエータ１の中心線を軸としてそれぞれ間隔を
密にして螺旋状に巻装された繊維１７を、弾性材料であ
るシリコーンゴムにより被覆して形成されている。この
ため筒状弾性体８は繊維１７とゴムとの複合による異方
性弾性祠料によって形成されることにより弾性係数の小
さい方向は筒状弾性体８の軸方向１８と略−・致し、こ
の軸方向１８には伸びやすくなっているものである。ま
た軸方向Ｊ８と直交する方向］９にはｍＩｆＰＪ７によ
り弾性係数が大きいため伸びにくくなっている。

前記先端封止部９は金属などにより形成され、前記単位
筒状弾性体１３　ａ　、　　１．３　ｂ　、　　１３　
ｃに形成された圧力室１４，１５．１６を封止する扇形
状の上蓋９ａ、９ｂ、９ｃの−・端を単位筒状弾性体１
３　ａ、　　１３　ｂ、　　１３　ｃに挿入して接着材
＋ｌ°することにより構成されている。

前記根元封止部１０は、先端封１１一部９と同様なる扇
形状の下蓋１０ａ、１０ｂ、ｌＯｅと、コノ下蓋１０ａ
、１０ｂ、１．Ｏｃの一端を単位筒状弾性体１３ａ、１
３ｂ、１３ｃに挿入して接着封市することにより構成さ
れている。

また、下蓋１０ａ、１０ｂ、ＬＯｃには、前記チューブ
１１　ａ　、　　１１１）　、　　１−１　ｃが挿入固
着される挿入穴２０ａ、２０ｂ、２０ｃがそれぞれ設け
られている。前記チューブ１１．　ａ、　　１．１．１
）、　　１．１−Ｃは接着剤により挿入穴２０ａ、２０
＋）、２０Ｃに密封状に固着されるものである。チュー
ブ１１−ａ、ｌｌｂ、ｌｌｃの他端は、ここでは図示し
ない圧力制御装置（例えば空気源およびバルブなど）に
接続しており、作動流体の圧力を自在に調整できるよう
になっている。

このように構成されたアクチュエータ１は、筒状弾性体
８の内部に形成される圧力室１．４，１５゜１６の任意
の１つに大きな圧力を加えるとその圧力室が伸長する。

各圧力室に加える圧力を適宜調整することにより、各単
位筒状弾性体の伸長する大きさを適宜調整することがで
きる。そこで、各圧力室に加える圧力の差によって、筒
状弾性体８を任意の方向に湾曲させることができる。ま
た、各圧力室の月ｚ力を同時に大きくすれば筒状弾性体
８は伸長し、小さくすれば縮小する。そこで、各圧力室
に同時に加える圧力の大きさによって、筒状弾性体８を
任意の方向に伸縮させることができる。

ｌ・、記アクチュエータ１は弾性部材からなっているの
で、柔らかい物体や比較的環れやすい物体に対しても安
定な接触状態を保つことができる。このため、アクチュ
エータの湾曲動作を利用して物体を把持するような作業
に適し、ており、ロボットの指などへの応用が期待され
ている。

−／Ｉ　　　−− ところがこのようなアクチュエータ１においては、３室
を均等に加圧すると伸長の動作のみを行う。そして、物
体の把持などに必要なアクチュエータの湾曲動作を実現
させるためには、任意の１または２の圧力室のみを加圧
する必要がある。したがって、」−記アクチュエータを
用いて湾曲動作を実現するためには、少なくとも１つの
圧力室に対して他の圧力室とは異なる圧力に調整（制御
）しなければならなかった。特に、ある所定の方向へ頻
繁に湾曲動作させるような用途へ適用する場合であって
も、アクチュエータ１を湾曲させるためには、各圧力室
ごとに複雑な圧力の調整（制御）が必要であった。

一方、第５図に示されるように、単一・の圧力室からな
り、外面に薄い金属板などを固定してなるアクチュエー
タが知られている。このアクチュエータ２によれば、弾
性係数の大きな金属板９を固定しているために加圧時に
この部分が伸長せずに他の部分のみが伸び変形するため
、各部の伸び量に差が生じ、結果としてアクチュエータ
２は前記金属板９の固定部方向（図中３の方向）に湾曲
することになる。この方式のアクチュエータは、定めら
れた一定の方向のみに湾曲動作させるような場合に利用
されるものであって、単なる一室の加圧により湾曲動作
を実現することができるので、アクチュエータを湾曲さ
せるための圧力制御則が極めて容易となる。

ところがこのようなアクチュエータ２においては、物体
との接触面が硬い金属板９となってしまう。したがって
、柔らかい物体や比較的壊れやすい物体との接触を嶌え
た場合、」二記アクチュエータ２では接触面が柔らかく
ないので、柔らかい物体や比較的壊れやすい物体の把持
という点からは不都合な場合もあった。

（発明が解決しようとする課題）以」一のように、従来の複数の圧力室を持つアクチュエ
ータでは、ある所定の方向へ頻繁に湾曲動作させるよう
な用途へ適用する場合であっても、各圧力室に供給する
作動流体に圧力差を生じさせる必要があり、アクチュエ
ータを湾曲させるための圧力調整・制御則を単純にする
ことはできなかった。また、単一の圧力室からなり、外
面に薄い金属板などを固定したアクチュエータを用いれ
ば、定められた一定の方向のみに極めて単純な圧力調整
・制御則によって湾曲させることができるが、物体との
接触面が硬い金属面となってしまい、物体の把持という
点からは不都合な場合もあった。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
あり、物体との接触面の剛性を大きくすることなく、極
めて単純な圧力調整・制御則によって所定方向への湾曲
動作を実現するアクチュエータの提供を目的とするもの
である。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）上記の目的を達成するために本発明においては、■隔壁
によって内部が複数の圧力室に分離された筒状弾性体か
らなり、前記圧力室の各々の圧力を調整することにより
動作するアクチュエータにおいて、前記圧力室間の剛性
が異なるアクチュエータとした。

例えば、圧力室間に配置される隔壁の厚さを変えること
によって剛性を変えることができる。また、 ■隔壁によって内部が複数の圧力調整室および複数の非
圧力調整室に分舗された筒状弾性体からなり、前記圧力
調整室の内部圧力を調整する手段を具備するとともに、
少なくとも一の非圧力調整室の弾性が、他の非圧力調整
室の弾性と異なるように、内部に予め所定の流体を供給
してなるアクチュエータとした。

（作用）に記■の構成とすれば、各圧力室に同時に一定の圧力を
与えた場合、厚い隔壁は変形しにくく薄い隔壁は変形し
やすいものとなる。そのため、全ての圧力室に同一圧力
を付与するという最も単純な圧力制御則を用いても、ア
クチュエータ全体は厚い隔壁の存在する方向に湾曲する
ことになる。

また−１−記■の構成とすれば、一の非圧力調整室と他
の非圧力調整室がとその弾性を異にすることになるので
、結果的に■と同様の効果が得られる。

したがって、物体との接触面の剛性を大きくすることな
く、極めて単純な圧力調整・制御則によって所定方向へ
湾曲動作するアクチュエータが実現する。

（実施例）以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。なお、
第４図、第５図に示した従来技術と同一の構成要素には
同一番号を付し、説明を省略する。

第１図は本発明の第１の実施例を示すアクチュエータの
断面図である。同図に示すように本実施例のアクチュエ
ータ１０１は、３つの圧力室１４゜１５．１６を有する
点で従来のものと同じであるが、各圧力室１４，１５．
１６を形成する隔壁５と隔壁６．７の厚さが異なるとい
う点が特徴となっている。

つまり本実施例では、隔壁５の厚さがＡ、隔壁６の厚さ
がＢ、隔壁７の厚さがＢとなっており、これらの間にＡ
＞Ｂが成り立っている。

このアクチュエータ１０１を製作する際には、各ＪＥ圧
力室、４，１５，１．６の形状とほぼ等しい形状を有す
る中子を用意し、この中子を用いてシリコーンゴムの押
出し成型によって筒状弾性体８を形成する。次に筒状弾
性体８の表面に繊維１７を巻装し、さらにそのトからシ
リコーンゴムにて被覆を行う。筒状弾性体８の端部は、
金属による封ＩＩ−蓋を固定することによって封１１−
シても良い］２、あるいはシリコーンゴムを同化するこ
とによって封１１・しても良い。なお、隔壁５，６．７
は同・の材料からなっている。

このようなアクチュエータ１０」とした場合の動作につ
いて説明する。まず、ここでは図示しない圧力源（高圧
空気源）からの空気がチューブ１］、ａ、１１．ｂ、ｌ
ｉｅを介して３つの圧力室１４゜１５．１６に均等に供
給されたとする。月：力の増加によって３つの圧力室１
．４．１５，１．６はその軸方向に仲直し、軸方向長さ
が長くなる。ここで、厚さ八を（Ｔする隔壁５は厚さＢ
を何する隔壁６゜７に比へて剛性が高いので変形しにく
い。しだがって、圧力室１４の伸びに比べて圧力室１５
．Ｊ６の伸びが抑制されるので、結果としてアクチ。

エータ１０１は隔壁５の存在するＤ方向に湾曲すること
になる。

一般のロボットにおいては物体の把持動作は頻繁に行わ
れ、このような場合にはロボットの名指を一定の方向に
駆動する必要がある。１−記の構造をなすアクチュエー
タ１０１を複数本用いてロボットの指を構成した場合、
把持方向を前記り方向に一致させるようにすれば、ＩＥ
力室１／ｌ、］、５゜１６に同一の圧力制御を適用する
ことによって把持動作が可能となる。

また、物体との接触面はアクチュエータ表面であり剛性
が小さいので、把持力の微妙な制御なしに柔らかい物体
や比較的壊れやすい物体を確実に把持することができる
。

なお、第２図に示す第２の実施例のように、隔壁５の厚
さがＢ、隔壁６の厚さがＡ、隔壁７の厚さがＡのアクチ
ュエータ１０２とすれば、３つの圧力室１４，１５．１
６が均等に供給された場合にＥ方向に湾曲することにな
る。こういった構成とすると、アクチュエータ１０２と
物体との接触面は圧力室１４の外壁□となるので、弾性
に富み、柔らかい物体や比較的壊れやすい物体の把持に
特に適したものとなる。

なお、これらの実施例では１つの隔壁の厚さだけが異な
るアクチュエータとしたが、隔壁の厚さがそれぞれ異な
るアクチュエータとしてもよい。

また、隔壁の厚さは変えずに、隔壁を構成する材料の選
択によって隔壁の剛性を変化させてもよい。

いずれの場合であっても−に記の実施例と同等の効果を
（！することかできる。

さらにまた、隔壁の厚みを全体的に厚くしたり薄くした
り、あるいは隔壁を構成する材料を全体的に硬く【たり
柔らかくしたり（材料として硬度の異なるものを選択し
たり）することにより、筒状弾性体に異方性がなくても
アクチュエータ全体の機械的剛性を調整することができ
る。

続いて本発明の第３の実施例について説明する。

第３図は本発明の第３の実施例を示すアクチコエ一層の
断面図である。同図に示すように本実施例のアクチュエ
ータ１０３は、３つの圧力室１４゜１５．１６を有する
点て従来のものと同じであるが、各圧力室１４，１５．
１６の間に別室（非圧力調整室）２１，２２．２３が形
成されている点が異なっている。そして、別室２１，２
２．２３にはそれぞれ異なる方法で圧力がり、えられて
いる。

別室２１には水が充填され密封されている。別室２２に
は空気が充填され密封されている。別室２３はその端部
が開放されており、大気中で動作させることにより大気
が流通可能となる。水、空気などの流体を充填する方法
としては、まず筒状弾性体８を形成した後にその−・方
の端部を封止し、他方の端部を封止する時点で別室に流
体を供給する方法がある。

また、本実施例では圧力室ＩＣ１，５，１６と別室２１
．．２２．２３は同一の形状・容積となるように形成さ
れており、製造方法に関しては第１の実施例と同様に押
出し成型を採用することができる。

このように別室２１，２２．２３を設けた構造のアクチ
ュエータ１０３とすれば、第１および第２の実施例で隔
壁の厚さを変えたものと同様の効果を得ることができる
。つまり、水は非圧縮性流体、空気は圧縮性流体である
ので、これら流体を充填した場合、水を充填した方が別
室全体の弾性が小さくなる。（剛性が大きくなる。）　
−１−記実施例では別室２１よりも別室２２の方が弾性
が大きくなる。また、別室２３は加圧されていない状態
なので、別室２１．２２に比べて弾性が大きい。

したがって、別室２１．別室２２．別室２３の順に弾性
が小さく、圧力室１４，１５．１６を均等に加圧した場
合、アクチュエータ１０３は第３図Ｆ方向に湾曲するこ
とになる。

なお、別室の容積や別室に充填する流体の種類や量は任
意に選択することができ、これによって圧力室間の弾性
状態を変えることができる。

さらにまた、全ての別室２１，２２．２３に同じ物質が
充填、密封されていても、その密封状態（密封時の加圧
状態）を変化させることによって湾曲動作を発生させる
こともできる。例えば別室１１には１気圧の空気を密封
し、別室１２には２気圧の空気を密封し、別室１３には
３気圧の空気を密封する。こうすれば、別室１３より別
室１２、別室１２より別室１１の方が弾性が大きくなる
ので、」１記の実施例と同様の効果を得ることができる
ようになる。

続いて本発明の第４の実施例について説明する。

第４図（ａ）は本発明の第４の実施例を示すアクチュエ
ータの断面図、第４図（ｂ）は同アクチュエータの斜視
図である。同図に示すように本実施例のアクチュエータ
１０４は、やはり３つの圧力室１４，１５．１６を有す
る点で従来のものと同じであるが、各圧力室１４，１５
．１６の間に予備室（非圧力調整室）２４，２５．２６
が形成されている点が異なっている。予備室２４，２５
゜２６には作動流体を供給するチューブ１１．ａ、１゜
ｌｂ、ｌｉｅは連通されていないが、同図（ｂ）に示す
ように、アクチュエータ１０４の端部付近において隣接
する圧力室との間に連結管２７，２−１６　＝８．２９が設けられている。そして、ここでは図示しな
い制御部によって弁装置３１，３２．３３に制御信号を
与え、連結管２７，２８．２９の開閉制御を行うことが
できるようになっている。

このように予備室２４，２５．２６を設けた構造のアク
チュエータ１０４とすれば、弁装置３１゜３２．３３の
開閉制御によって圧力室１４．１．５゜１６の実質的な
容積を変化させることができる。

つまり、弁装置３１，３２．３３を閉じた状態で圧力室
１４，１５．１６を均等に加圧すると、アクチュエータ
１０４はその軸方向に伸直するだけであるが、例えば弁
装置３１のみを開いた状態とすれば、圧力室１４への加
圧力は予備室２４にも及び、結果としてアクチュエータ
１０４はＧ方向へ湾曲することになる。

この実施例では、圧力室１４，１５．１６を均等に加圧
している場合、弁装置３］、、３２．３３を閉じた状態
では予備室２４，２５．２６の圧力は圧力室１．／１，
１５．１６の圧力よりも低くなる。

また、弁装置３１，３２．３３を開いた状態では予備室
２４，２５．２６の圧力は圧力室１４，１５．１６の圧
力と同じになる。したがって、弁装置３１，３２．３３
の開閉制御によって予備室２４．２５．２６の弾性（剛
性）を変化させることが可能となる。しかも、弁装置３
１，３２．３３を独立して開閉制御することができるの
で、アクチュエータ１０４を所定の方向に湾曲させるこ
とができる。

また、第５図に示す５の実施例のように、２室からなる
アクチュエータ１０５の圧力室１４．１５に連結管３０
を設け、弁装置３４によって連結管３０の開閉制御を行
うように構成することもできる。まず第６図（ａ）のよ
うに、連結管３０を閉鎖して圧力室１４．１５を共に加
圧しない状態を基準状態とする。圧力室１４を加圧する
と、同図（ｂ）のように圧力室１４のみが伸直してアク
チュエータ１０５はＨ方向に湾曲する。圧力室１４を加
圧しながら連結管３０を開放すれば、同図（ｃ）のよう
に圧力室１４．１５に均等な圧力が作用し、アクチュエ
ータ１０５は軸方向に伸直する。ここで再び連結管３０
を閉鎖すると圧力室１−５の１［；力状態は保存され、
例えば圧力室１４の圧力を減ｌＦすることによりアクチ
ュエータ１０５はｒ）ｊ向に湾曲する。そして連結管３
０を開放も開放すればアクチュエータは（ａ）の状態に
復帰する。

このにうなアクチュエータ１０５とすイ１ば、加圧に係
るチコーブの本数をわずか１本に抑えなからも全体を２
方向に湾１１１ｔさせることが可ｔ１トとなる３、なお
、本発明のアクチュエータは、ロボ・ソトの指としてだ
けでなく、アクチュエータ自身をロボットアームとする
などあらゆる用途に適用することができる。

［発明の効果］以１・説明したように本発明のアクチュエータによれば
、物体との接触面の剛性を大きくすることなく、極めて
単純な圧力制御則によって所定方向への湾曲動作が実現
できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係るアク千。エータの断面図、第２図は本発明の第２の実施例に係る
アクチュエータの断面図、第３図は本発明の第３の実施
例に係るアクチュエータの断面図、第４図は本発明の第
４の実施例に係るアクチュエータの断面図および斜視図
、第５図は本発明の第５の実施例に係るアクチュエータ
の断面図、第６図は第５の実施例に係るアクチュエータ
の動作を説明するための図、第７図および第８図は従来
例に係るアクチュエータを示すものであり、第７図は断
面図および斜視図、第８図は斜視図である。５．６．７・・・隔壁８・・・筒状弾性体１１・・・チューブ１４．１．５．１６・・・圧力室１７・・・繊維２１．２２．２３・・・別室（非圧力調整室）２４．２５．２６・・・予備室（非圧力調整室）２７．２８．２９・・・連結管３１．３２．３３・・・弁装置１−０１．、　１．０２．　１０３．　１０４゜１０５
　　　・・・アクチコエータ代理人　弁理士　　則　近　憲　佑合第１図Ｅ第２図Ｚ］第３図（ａ）　　　　　　　　　　　（ｂ）第６図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　隔壁によって内部が複数の圧力室に分離された
筒状弾性体からなり、前記圧力室の各々の圧力を調整す
ることにより動作するアクチュエータにおいて、前記圧力室間の剛性を異なるものとしたことを特徴とす
るアクチュエータ。
（２）　前記圧力室間に設けられる隔壁の剛性が異なる
ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
（３）　隔壁によって内部が複数の圧力調整室および複
数の非圧力調整室に分離された筒状弾性体からなり、前記圧力調整室の内部圧力を調整する手段を具備すると
ともに、少なくとも一の非圧力調整室の弾性が、他の非圧力調整
室の弾性と異なるように、内部に予め所定の流体を供給
してなることを特徴とするアクチュエータ。
（４）　前記非圧力調整室内に供給されている流体の量
を可変とすることを特徴とする請求項３記載のアクチュ
エータ。