JPH0599206A - 柔軟性圧力変形素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マイクロアクチュエータとしての使用に適
し、小型化が可能であり、変形を単純な解析により予測
でき、大量生産向きの柔軟性圧力変形素子を提供する。 【構成】 弾性伸縮可能な素材より成る管１の両端を閉
鎖して作動流体を収容可能な室１０を画定し、管壁１１
に沿って周方向に管１の径方向の膨張を制限する径方向
変位制限部材４を設け、管壁１１に沿って軸方向に管１
の軸方向の伸張を制限する軸方向変位制限部材５を設け
る。管室１０内の作動流体を加圧すると、制限部材４，
５が配設されていない部分の管壁１１が変形し、管全体
として特定の変形動作が生じる。また、管室１０内の作
動流体を除圧すると、自身の弾性により原型に復帰す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、柔軟性圧力変形素子に
関し、特に、ロボットのアクチュエータや圧力計などに
用いるに適した、圧力の負荷及び解放による柔軟な変形
及び原型復帰動作が可能な柔軟性圧力変形素子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、柔軟な動作が要求されるロボット
のフレキシブルアクチュエータとして次の２種類の提案
がなされている。その１つのものは、ゴム製のチューブ
をその管軸に対して傾斜した方向に延びる強化繊維によ
り被覆したもので、このような管は、その中に圧縮空気
を送り込むと、内圧により径方向に膨張するため管軸方
向に収縮し、空気を吐き出させると逆に管軸方向に伸張
する挙動を示す。このような性質を利用すべく、管の両
端を保持具に固定し、内圧の給排により収縮、伸張それ
ぞれの変形を行わせると、両端の保持具に引張力又は圧
縮力を働かせることができる。そこで、２本の管を並行
に配置し、それらの一端側を定点に固定し、他方の自由
端側にそれぞれ両端を固定したワイヤの中間部を定点回
りに回転可能なプーリに巻掛けると、両管の収縮及び膨
張変位をワイヤを介してプーリの回転力に変換すること
ができる。こうした配置を採ることによって、ゴムのチ
ューブは、ロボットの関節を動かすための駆動力発生ア
クチュエータに応用されている（「オートメーション」
第３１巻第１０号、Ｐ８５−９０参照）。

【０００３】一方、繊維強化ゴム製の管の内部を放射方
向に延びる壁で仕切って３室に分割し、管軸方向に長い
３つの圧力室を形成したものもある。このような管は、
３室それぞれに異なる圧力の圧縮空気を送り込むことに
より、湾曲、軸方向の伸張、軸回りのねじりなど多自由
度の柔軟な変形動作が可能である。このような管につい
てはマイクロアクチュエータとしての利用法が研究され
つつある（「機械設計」第３４巻第１５号、１９９０年
１１月、Ｐ６２−６５参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
アクチュエータは、高負荷のロボットを駆動させる目的
で制作されたものであるため、それ自体では伸縮動作の
みを行う構造となっている。したがって、このアクチュ
エータで微小な機器の取扱いに適した曲げ、ねじりなど
の変形動作を行わせるには特別の工夫をしなければなら
ない。

【０００５】一方、後者のマイクロアクチュエータは、
この点で改良されているが、円周方向を３室に分割した
構成を採るため、ゴム管の制作が困難であり、大量生産
には不向きである。特に、微小径で長寸法のマイクロア
クチュエータを実現するには不利な構造である。このた
め、アクチュエータを使い捨てにできるほど安価な物と
はしにくい。また、自由な変形動作を可能とすべく、３
室それぞれに異なる圧力の空気を供給するには、複雑な
圧力制御を必要とし、そのためのかなり困難な技術が要
求される。さらに、形状が複雑なため、アクチュエータ
駆動設計に当り変形を正しく予測するには、有限要素法
による３次元解析を要する。このことは使用者にとって
大きな負担となる。

【０００６】このような事情に鑑み、本発明は、マイク
ロアクチュエータとしての使用に適し、小型化が可能で
あり、かつ、変形を単純な解析により予測でき、大量生
産向きの柔軟性圧力変形素子を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明の柔軟性圧力変形素子は、弾性伸縮可能な素
材より成り、両端を閉鎖されて内部に作動流体を収容可
能な室を画定された管と、該管の管壁に沿って周方向に
延在し、前記管の径方向の膨張を制限する径方向変位制
限部材と、前記管の管壁に沿って軸方向に延在し、前記
管の軸方向の伸張を制限する軸方向変位制限部材とから
成り、前記作動流体の加圧による柔軟な変形動作と除圧
による原型復帰動作を可能としたことを構成とする。

【０００８】

【発明の作用及び効果】このような構成を採った本発明
に係る柔軟性圧力変形素子では、管室内の作動流体を加
圧すると、内圧による管の径方向の膨張は径方向変位制
限部材により規制され、管の軸方向の伸張は軸方向変位
制限部材により規制されるため、前記制限部材が配設さ
れていない部分の管壁が変形し、管全体として特定の変
形動作が生じる。また、管室内の作動流体を除圧する
と、管自体の弾性により原型に復帰する。

【０００９】したがって、本発明によれば、径方向変位
制限部材と軸方向変位制限部材の配設形態を種々に選択
することにより、変形挙動を様々に設定した柔軟性圧力
変形素子を提供することができる。

【００１０】

【実施例】以下、図面に沿い、本発明の実施例を説明す
る。図１はその基本実施例の上半部を断面で示す側面図
である。この柔軟性圧力変形素子（以下「素子」と略称
する）Ａは、図１に示すように、両端をチューブホルダ
２及びプラグ３により閉鎖され、この例では外部に設け
られた図示しない作動流体の供給源からチューブホルダ
２に設けられた供給兼排出孔２１を介して内部に加圧作
動流体を供給及び排出可能な閉鎖された室１０を画定さ
れた母材管１と、母材管１の管壁１１に沿って円周方向
に周回配置され、母材管１の径方向の膨張を制限する径
方向変位制限部材４と、母材管１の管壁１１に沿って同
様に配設され、図１に示すように軸方向に所定角度αだ
け傾斜して延在し、母材管１の軸方向の伸張を制限する
軸方向変位制限部材５とから構成されている。

【００１１】母材管１の素材は、シリコンゴム、生ゴム
等の柔軟な変形が可能な弾性材質とする。径方向変位制
限部材４には、母材管１径の１／１００程度の太さの伸
長しない繊維を用い、母材管１の管壁１１の外周に密に
周回巻付けし、母材管１と同質の接合剤で接合する。軸
方向変位制限部材５にも同様の伸長しない繊維を用い、
周回巻付けした径方向変位制限部材４の外周側に同様の
接合剤で接合するが、この場合は、母材管１の中心軸に
対して所定の接合角度α（０≦α＜９０°）だけ傾斜し
た配置とする。

【００１２】このような基本構成からなる素子におい
て、図２は接合角度α＝０即ち母材管１の図示下部に管
軸に並行（α＝０）するように軸方向変位制限部材５の
配設方向を特定した場合の第１実施例の圧力の印加によ
る変形挙動を示す。この場合、素子Ａ１は径方向の膨張
を径方向変位制限部材４により規制され、かつ、軸方向
変位制限部材５配設側の伸長を規制されるため、軸方向
変位制限部材５配設側が内側となるように円弧状に変形
する。そして、円弧の内側曲率半径Ｒｉは印加される圧
力Ｐに反比例する。このような変形は、アクチュエータ
に用いて対象物をアクチュエータ軸に対して直角方向
（図示Ｆ方向）に動かす操作に利用できる。その場合の
直角方向の力Ｆは、印加される圧力Ｐと管径の３乗に比
例し、管の長さＬに逆比例する。

【００１３】図３は接合角度α＝０で母材管１の図示両
側部に交互に管軸に並行（α＝０）する軸方向変位制限
部材５を配設した場合の第２実施例の変形挙動を示す。
この場合、軸方向変位制限部材５配設側が交互に内側と
外側に位置するようになるため、素子Ａ２は蛇のような
波動変形をなす。このような変形は、アクチュエータと
して２個の対象物Ｗ２間に位置させて、対象物Ｗ２相互
の間隔を押し広げる操作に適用することができる。

【００１４】図４は若干の接合角度αを付与すると共
に、母材管１の径に対してその長さを十分長くした場合
の第３実施例の変形挙動を示す。このようにすると、素
子Ａ３は完全な円弧あるいは多重の円弧を描くように螺
旋変形する。このような変形は、アクチュエータとして
対象物Ｗ３に絡みつけ、巻き締める動作に利用すること
ができる。その場合、加圧による曲げモーメントは管軸
方向に一様であるが、保持力による曲げモーメントは保
持点からの距離に比例して大きくなるから、管のたわみ
が一様になるようにするには、管の半径が先端からの距
離の３乗根に比例するようにすればよい。

【００１５】図５は接合角度αを径方向変位制限部材４
の周回角度より若干大きくなる程度まで傾斜させた場合
の第４実施例の変形挙動を示す。このようにすると素子
Ａ４は圧力の印加により螺旋状に変形する。このような
変形は、アクチュエータとして圧力を印加しない状態で
管状の対象物Ｗ４の内部に挿入し、その後の加圧による
螺旋変形で管の内周に圧接する操作に用いることができ
る。

【００１６】図６は上記第１実施例のロボットへの適用
を示すもので、この例では、４本の素子Ａ１を接合角度
α＝０の軸方向変位制限部材５が内向きに対向するよう
に配置し、それらのチューブホルダ２をロボットのアー
ムに固定された共通のブロック２２とし、図示しない共
通の作動流体供給源からチューブ６を介して加圧流体を
供給し、自由端で対象物Ｗ１を把持する構成とする。こ
のようなつかみ動作は人工の手として利用できる。

【００１７】また、複数の素子Ａを並列配置すれば、操
作力の倍増が可能となり、それらをユニバーサルジョイ
ント部分に取付ければ、ジョイントを所望の角度に傾斜
させる人工筋肉とすることもできる。

【００１８】このように、上記実施例の素子Ａでは、軸
方向変位制限部材５の接合角度αを変えることにより、
単純な円弧状曲げ変形から、蛇行、うねり、螺旋、巻き
付き変形など多様な変形を実現するとができる。また、
母材管１の断面形状と管径を軸方向に変えたり、軸方向
変位制限部材５の配置と本数を変えることにより、さら
に、素子数を増やすことにより、より多くの組み合せ変
形が可能であり、人工筋肉、手などへの幅広い応用が可
能である。しかも、この素子により発生し得る保持力は
加圧力に比例し、管径のほぼ３乗に比例する。したがっ
て、保持力の制御も可能であり、特に、従来のアクチュ
エータに比し微小な力の制御の面で有利である。このよ
うな特性は小ネジの締付け、貴金属類の取扱いへの応用
に適し、さらに、素材が柔軟であることから、より壊れ
やすいもの、例えば、果物、野菜、ガラス器等の取扱
い、介護用ロボットのハンド類への応用に適する。

【００１９】以上、本発明の素子をアクチュエータとし
て使用する例につき詳説したが、力と変形の関係を逆に
利用して、内圧による変形の大きさ（たわみ量）を知る
ことにより、圧力値を計測する計器（圧力指示計）とし
ての利用も可能である。また、母材管径と同程度のマイ
クロ加圧機を実現できれば、その母材管内への配設によ
りアクチュエータ内の流体を直接加圧する構成を採り、
電気結線のみによる素子の制御が可能となるため、ロボ
ットの小型化に役立てることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を上半部を断面で示す側面図
である。

【図２】第１実施例の変形挙動を示す動作説明斜視図で
ある。

【図３】第２実施例の変形挙動を示す動作説明斜視図で
ある。

【図４】第３実施例の変形挙動を示す動作説明斜視図で
ある。

【図５】第４実施例の変形挙動を示す動作説明斜視図で
ある。

【図６】第１実施例のロボットへの適用を示す斜視図で
ある。

【符号の説明】

Ａ 柔軟性圧力変形素子 １ 管（母材管） ４ 径方向変位制限部材 ５ 軸方向変位制限部材 １０ 室 １１ 管壁

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性伸縮可能な素材より成り、両端を閉
   鎖されて内部に作動流体を収容可能な室を画定された管
   と、該管の管壁に沿って周方向に延在し、前記管の径方
   向の膨張を制限する径方向変位制限部材と、前記管の管
   壁に沿って軸方向に延在し、前記管の軸方向の伸張を制
   限する軸方向変位制限部材とから成り、前記作動流体の
   加圧による柔軟な変形動作と除圧による原型復帰動作を
   可能としたことを特徴とする柔軟性圧力変形素子。