JPWO2005021980A1 - 圧縮性流体圧アクチュエータ - Google Patents

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Abstract

圧力源（１００）と接続された内部空間（５ａ）と、気体の流れに対する圧力損失部（４１ａ）を介して接続される内部空間（５ｂ）を設けることで、圧力源の圧力を急速に変化させる場合には、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積を少なくしたのと同等の効果が得られ、外部から静的な荷重が加えられる場合には、内部空間全体が一つの空間である場合と同等の効果が得られるようになる。

Description

本発明は圧縮性流体圧アクチュエータに関するものである。
家庭用ロボットなど安全性が重視される分野に適したアクチュエータの一つとして、圧縮性流体を用いた空気圧アクチュエータが提案、実用化されている。空気圧アクチュエータの一例として、図９に示すマッキベン型の空気圧アクチュエータが提案されている。マッキベン型の空気圧アクチュエータは、ゴム材料で構成された管状弾性体３０２ａの外表面に繊維コードで構成された拘束手段３０３ａが配設され、管状弾性体３０２ａの両端部を内側封止部品３２１ａ、３２２ａ、固定手段３３１ａ、３３１ｂで気密封止する構造となっている。管状流体注入出部材３１１ａ、管路を備えた内側封止部品３２１ａを通じて空気等の圧縮性流体により内圧を管状弾性体３０２ａの内部空間３０５ａに与えると、管状弾性体３０２ａが主に半径方向に膨張しようとするが、拘束手段３０３ａの作用により、管状弾性体３０２ａの中心軸方向の運動に変換され、全長が収縮する。このマッキベン型のアクチュエータは主に弾性体で構成されるため、柔軟性があり、安全で軽量なアクチュエータである（例えば、特開昭５９−１９７６０５号公報参照）。
このような空気圧アクチュエータの発生力や変位を大きくすることは、空気圧アクチュエータを大型化することにより実現できるが、その場合、内部空間の容積が大きくなるため圧縮性流体の消費量が多くなり、空気圧アクチュエータの応答性が低下するという問題点がある。また、特公平５−６７３９７号公報にも類似する空気圧アクチュエータが開示されているが、内部空間の容積が変化するため、空気圧アクチュエータの応答性が低下するという同様な問題点がある。そのような問題点を解消するためには、内部空間において圧縮性流体が占める容積を減らす必要がある。このような空気圧アクチュエータの一例として、図１０に示す空気圧アクチュエータが提案されている。この空気圧アクチュエータは、図９に示した空気圧アクチュエータを二重構造としたものであり、管状弾性体３０２ａの内部で拘束手段３０３ｂを備えた管状弾性体３０２ｂが固定手段３３１ｃ、３３１ｄによって管路を備えた内側封止部品３２１ｂ、３２１ｃに固定されている。これにより、内部空間は二つの内部空間３０５ｂ、３０５ｃに分割される。管状弾性体３０２ｂの内部空間３０５ｃには管状流体注入出部材３１１ｂ、管路を備えた内側封止部品３２１ｃを通じて外部から流体が供給される。二つの内部空間のどちらかに非圧縮性流体を供給すれば、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積が少なくなるので、空気圧アクチュエータの応答性向上が図れるようになる（例えば、特公平６−８０３２１号公報、特公平５−４８３６２号公報参照）。
しかしながら、前述した図１０の空気圧アクチュエータは、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積が小さくなることで応答性の向上は図れるが、一方で空気圧アクチュエータの特徴である柔軟性が失われるという問題点があった。
従って、本発明の目的は、かかる点に鑑み、柔軟性を保ちながら応答性の向上を実現する圧縮性流体圧アクチュエータを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第１態様によれば、圧力源から供給される圧縮性流体の圧力によって内部に設けられた空間内の圧力が変化し、それに応じて変位もしくは力を発生させる圧縮性流体圧アクチュエータにおいて、
上記圧力源と接続された第１内部空間を有する第１筒状伸縮部材と、上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部を介して接続される、上記第１内部空間の圧力に依存しない１以上の内部空間を有する筒状部材とを備えることを特徴とする圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
本発明の第５態様によれば、圧力源から供給される圧縮性流体の圧力によって内部に設けられた空間内の圧力が変化し、それに応じて変位もしくは力を発生させる圧縮性流体圧アクチュエータにおいて、
上記圧力源と接続された第１内部空間を有する第１筒状伸縮部材と、
上記圧力源と上記第１筒状伸縮部材を介して接続されかつ上記第１内部空間の圧力に依存しない第２内部空間を有する第２筒状伸縮部材と、
上記第１内部空間と上記第２内部空間を接続する上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部とを備えることを特徴とする圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
本発明の第９態様によれば、圧力源から供給される圧縮性流体の圧力によって内部に設けられた空間内の圧力が変化し、それに応じて変位もしくは力を発生させる圧縮性流体圧アクチュエータにおいて、
上記圧力源と内部空間とを接続する流路に、上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部を介して接続されかつ上記内部空間の圧力に依存しない１以上の空間を有することを特徴とする圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
よって、本発明によれば、応答性が求められる高加速度の動きに対して応答性を向上でき、安全性を重視した低加速度の動きに対して柔軟性を保つ圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。すなわち、本発明によれば、圧力源と接続された内部空間と、圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部を介して接続される、上記第１内部空間の圧力に依存しない（言い換えれば、上記第１内部空間の圧力によって容積変化しない）１以上の内部空間を設けることで、圧力源の圧力を急速に変化させる場合には、実際には内部空間の容積が変化していないにもかかわらず、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積を少なくしたのと同等の効果が得られ、外部から静的な荷重が加えられる場合には、内部空間全体が一つの空間である場合と同等の効果が得られるようになり、応答性が求められる高加速度の動きに対して応答性を向上でき、安全性を重視した低加速度の動きに対して柔軟性を保つ圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
より詳しくは、圧力源と接続された内部空間内の圧力に対して、圧力損失部を介して接続された内部空間の圧力は、流入する圧縮性流体が少ないため遅れて追従するようになる。そのため、圧力源の圧力を急速に変化させる場合には、圧力損失部を介して接続された内部空間の影響は小さくなり、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積を少なくしたのと同等の効果が得られるようになる。一方、外部から静的な荷重が加えられる場合には、圧力は徐々に変化するので、圧力源と接続された内部空間と、それに圧力損失部を介して接続された内部空間の圧力はほぼ等しくなり、内部空間全体が一つの空間である場合と同等の効果が得られるようになる。
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、本発明の第１実施形態による空気圧アクチュエータの概略を示す断面図であり、 本発明の第２実施形態による空気圧アクチュエータの概略を示す断面図であり、 本発明の第２実施形態による空気圧アクチュエータにおいて封止手段に設けた圧力損失部を示す図であり、 本発明の第２実施形態による空気圧アクチュエータにおいて封止手段に設けた圧力損失部の効果を可変にしたものを示す図であり、 本発明の第３実施形態による空気圧アクチュエータの概略を示す断面図であり、 本発明の第４実施形態による空気圧アクチュエータの概略を示す断面図であり、 本発明の第５実施形態による空気圧アクチュエータの概略を示す断面図であり、 本発明の第６実施形態による空気圧アクチュエータの概略を示す断面図であり、 従来構成の空気圧アクチュエータの概略を示す断面図であり、 従来構成の空気圧アクチュエータの概略を示す断面図であり、 （Ａ），（Ｂ）はそれぞれ空気圧アクチュエータの減圧状態での動作及び加圧状態での動作を示す概略断面図であり、 本発明の第１実施形態による空気圧アクチュエータにおける他の構成例を示す概略断面図であり、 （Ａ），（Ｂ）は本発明の第１実施形態による空気圧アクチュエータにおける圧力の周波数応答を示すグラフであり、 本発明の第１実施形態による空気圧アクチュエータにおける圧力の関係を説明するためのブロック線図であり、 本発明の第２実施形態における空気圧アクチュエータを用いたロボットハンドの概略図であり、 本発明の上記実施形態における空気圧アクチュエータを用いたロボットハンドを移動台車に組み付けた自走式ロボットの概略図である。
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。
本発明の第１態様によれば、圧力源から供給される圧縮性流体の圧力によって内部に設けられた空間内の圧力が変化し、それに応じて変位もしくは力を発生させる圧縮性流体圧アクチュエータにおいて、
上記圧力源と接続された第１内部空間を有する第１筒状伸縮部材と、上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部を介して接続される、上記第１内部空間の圧力に依存しない１以上の内部空間を有する筒状部材とを備えることを特徴とする圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
このような構成によれば、圧力源と接続された内部空間内の圧力に対して、圧力損失部を介して接続されかつ上記圧力源と接続された内部空間の圧力に依存しない（言い換えれば、上記圧力源と接続された内部空間の圧力によって容積変化しない）内部空間の圧力は、流入する圧縮性流体が少ないため遅れて追従するようになるので、圧力源の圧力を急速に変化させる場合には、圧力損失部を介して接続された内部空間の影響は小さくなり、実際には内部空間の容積が変化していないにもかかわらず、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積を少なくしたのと同等の効果が得られるようになる。一方、外部から静的な荷重が加えられる場合には、圧力は徐々に変化するので、圧力源と接続された内部空間と、それに圧力損失部を介して接続された内部空間の圧力はほぼ等しくなり、内部空間全体が一つの空間である場合と同等の効果が得られるようになるので、応答性が求められる高加速度の動きに対して応答性を向上でき、安全性を重視した低加速度の動きに対して柔軟性を保つ圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
本発明の第２態様によれば、上記圧力損失部は、上記内部空間同士を接続する細孔である第１の態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
本発明の第３態様によれば、上記筒状部材が、上記第１筒状伸縮部材の内面との間に形成されかつ上記第１筒状伸縮部材の上記第１内部空間と上記圧力損失部を介して接続されかつ上記第１内部空間の圧力に依存しない第２内部空間を有する第１筒状部材と、上記第１筒状部材内に同軸に配置され、かつ、上記第１筒状部材の内面との間に形成されかつ上記第２内部空間と別の圧力損失部を介して接続されかつ上記第２内部空間の圧力に依存しない第３内部空間を有する第２筒状部材である、第１又は２の態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
このような構成によれば、第３内部空間内の圧力は第２内部空間内の圧力よりさらに遅れて第１内部空間内の圧力に追従するようになるので、中間的な加速度の動きに対する応答性、柔軟性のバランスをより細かく設定した圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
本発明の第４態様によれば、上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部を介して複数個連結する第１〜３のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
このような構成によれば、高加速度の動きに対しては変位を少なくしてより応答性を向上させ、低加速度の動きに対しては変位を大きくしてより柔軟性を向上させた圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
本発明の第５態様によれば、圧力源から供給される圧縮性流体の圧力によって内部に設けられた空間内の圧力が変化し、それに応じて変位もしくは力を発生させる圧縮性流体圧アクチュエータにおいて、
上記圧力源と接続された第１内部空間を有する第１筒状伸縮部材と、
上記圧力源と上記第１筒状伸縮部材を介して接続されかつ上記第１内部空間の圧力に依存しない第２内部空間を有する第２筒状伸縮部材と、
上記第１内部空間と上記第２内部空間を接続する上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部とを備えることを特徴とする圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
このような構成によれば、圧力源と接続された圧縮性流体圧アクチュエータの内圧に対して、圧力損失部を介して接続された圧縮性流体圧アクチュエータの内圧は、流入する圧縮性流体が少ないため遅れて追従するようになるので、圧力源の圧力を急速に変化させる場合には、圧力損失部を介して接続された圧縮性流体圧アクチュエータの効果は小さくなり、実際には内部空間の容積が変化していないにもかかわらず、圧縮性流体圧アクチュエータの長さを短くして内部空間の容積を小さくしたのと同等の効果が得られるようになる。よって、高加速度の動きに対しては変位が小さく応答性に優れた圧縮性流体圧アクチュエータと同等な、低加速度の動きに対しては変位が大きく柔軟性に優れた圧縮性流体圧アクチュエータと同等な特性を示す圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
本発明の第６態様によれば、上記圧力損失部は、同一の流量に対する圧力損失で比較した場合、上記圧力源に対して上流側の圧力損失部よりも下流側の圧力損失部が常に圧力損失が大きくなるように構成されている第１〜５のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
このような構成によれば、圧力源と複数の圧力損失部を介して接続されるために、上流側の内部空間に比べて流量変化が少なくなる下流側の内部空間においても、圧力変化の時間遅れを大きくすることができ、高加速度の動きから低加速度の動きの間でより段階的に応答性と柔軟性を変化できる圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
本発明の第７態様によれば、上記圧力損失部は、上記圧力損失部における圧力損失が圧縮性流体圧アクチュエータの変位に応じて変化するように構成されている第１〜６のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。具体的には、例えば、上記圧力損失部は、上記内部空間のうちの上流側の内部空間と連通する細孔（４１ｃ，４１ｋ−１）と、上記細孔（４１ｃ，４１ｋ−１）と上記内部空間のうちの下流側の内部空間とを連通させる複数の貫通孔（４１ｋ−２）と、下流側の内部空間を構成する第２管状弾性体（２ｃ）の変位に応じて移動して上記複数の貫通孔（４１ｋ−２）を選択的に覆う閉鎖部材（２２ｃ−１）とを備えるように構成してもよい。
このような構成によれば、アクチュエータの変位に応じて圧力損失部による圧力損失が変化することにともなう圧縮性流体圧アクチュエータの圧力の時間応答特性も調整可能になる。
本発明の第８態様によれば、上記圧力損失部は、上記圧力損失部における圧力損失が圧縮性流体圧アクチュエータの圧力に応じて変化するように構成されている第１〜６のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
このような構成によれば、アクチュエータの圧力に応じて圧力損失部による圧力損失が変化することにともなう圧縮性流体圧アクチュエータの変位の時間応答特性も調整可能になる。
本発明の第９態様によれば、圧力源から供給される圧縮性流体の圧力によって内部に設けられた空間内の圧力が変化し、それに応じて変位もしくは力を発生させる圧縮性流体圧アクチュエータにおいて、
上記圧力源と内部空間とを接続する流路に、上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部を介して接続されかつ上記内部空間の圧力に依存しない１以上の空間を有することを特徴とする圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
このような構成によれば、低加速度の動きに対してより柔軟性が向上した圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
本発明の第１０態様によれば、上記圧力損失部は、圧力損失部における圧力損失量が外部から調整可能であるように構成されている第１〜９のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
本発明の第１１態様によれば、第１態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータによりロボットアームを構成するロボットを提供する。
このような構成によれば、応答性と柔軟性のバランスを調整可能な圧縮性流体圧アクチュエータ、及び、圧縮性流体圧アクチュエータによりロボットアームを構成するロボットを得ることができる。
以下、本発明の種々の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明にかかる第１実施形態の圧縮性流体圧アクチュエータの一例としての空気圧アクチュエータ１の概略を示した断面図である。図１において、２ａは内部に空間を有しかつゴム又はゴム状弾性体で構成された、第１筒状伸縮部材の一例として機能する第１管状弾性体である。３ａは材料的には伸びにくい樹脂又は金属の繊維コードを網目状に編んで、第１管状弾性体２ａの膨張による半径方向の変形が軸方向の長さの収縮に変換される一方、第１管状弾性体２ａの収縮による半径方向の変形が軸方向の長さの膨張に変換される変形方向規制部材であり、第１管状弾性体２ａの外表面を覆うように配設されている。２１ａ、２２ｂは第１管状弾性体２ａの一端を封止する金属又は硬質プラスチックなどの剛体の封止手段の一例として機能する内側封止部品であり、固定手段の一例として機能する外側封止部品３１ａ及び３１ｂとの間で第１管状弾性体２ａの両端部をそれぞれ挟み込むことにより封止する。すなわち、内部が流体の流路２１ｘになっている内側封止部品２１ａ及び内側封止部品２１ａと共働して封止を行う外側封止部品３１ａにより第１管状弾性体２ａの一端部を挟み込むことにより封止するとともに、内部には流体の流路が無い内側封止部品２２ｂ及び内側封止部品２２ｂと共働して封止を行う外側封止部品３１ｂにより第１管状弾性体２ａの他端部を挟み込むことにより封止する。１１ａは管状流体注入出部材であり、内部の管路が内側封止部品２１ａの流路２１ｘに連通するように内側封止部品２１ａに配設されている。管状流体注入出部材１１ａは、外部圧力源１００の圧力を制御可能な制御装置１１０の制御下で、所定の管路を経てコンプレッサー等の外部圧力源１００と接続され、圧縮性流体は管状流体注入出部材１１ａと管路を備えた内側封止部品２１ａを通して外部圧力源１００と第１管状弾性体２ａの内部空間との間を流れるようになる。圧縮性流体としては、空気や、ヘリウムなどの不活性ガスが利用できる。特に空気は、供給が容易な点で望ましい。第１管状弾性体２ａの内部には、同軸にそれぞれ配置されかつ好ましくは空気などの圧縮性流体で膨張せずかつ外部の圧力によっても容積変化しない程度の剛性を有する剛体としてそれぞれ形成されかつ各固定端側に開口を有し各自由端側に底部を有し、筒状部材の一例の第１筒状部材及び第２筒状部材の一例としてそれぞれ機能する第１及び第２円筒状カバー８ａ、８ｂが設けられている。第１及び第２円筒状カバー８ａ、８ｂの各固定端は内側封止部品２２ｂに嵌合固定されている。第１及び第２円筒状カバー８ａ、８ｂにより、第１管状弾性体２ａの内部を第１、第２、第３内部空間５ａ、５ｂ、５ｃに分割している。すなわち、第１管状弾性体２ａと第１円筒状カバー８ａとの間に円筒状の第１内部空間５ａが形成され、第１円筒状カバー８ａと第２円筒状カバー８ｂとの間に円筒状の第２内部空間５ｂが形成され、第２円筒状カバー８ｂ内に第３内部空間５ｃが形成されている。
第１及び第２内部空間５ａと５ｂ、第２及び第３内部空間５ｂと５ｃは、それぞれ流れに対する圧力損失部４１ａ、４１ｂによって接続されている。圧力損失部としては例えば細孔４１ａ、４１ｂなどが利用できる。細孔４１ａ、４１ｂは加工が容易な点で望ましい。第１細孔４１ａは、第１カバー８ａの固定端側の近傍の側面に貫通形成された細孔であり、内側封止部品２１ａの通路２１ｘの開口２１ｅから、できるかぎり離れた位置に配置するほうが、圧力損失機能を発揮する上で好ましい。また、第２細孔４１ｂは、第２カバー８ｂの自由端側の端面の大略中央に貫通形成された細孔であり、第１カバー８ａの第１細孔４１ａからできるかぎり離れた位置に配置するほうが、圧力損失機能を発揮する上で好ましい。また、細孔４１ａ、４１ｂのそれぞれの内径は大略同一であり、かつ、流路２１ｘの内径より小さくなっている。
上記細孔の一例としては、例えば、圧力損失部として機能するように最大内径１ｍｍ程度以下の大きさで、かつ、使用する空気中のゴミで細孔が詰まらない程度の最小内径の範囲内で適宜選択すればよい。具体的には、内径０．１〜２ｍｍ程度で、より好ましくは０．５〜１ｍｍ程度とする。この内径の大きさは、弾性体や第１及び第２円筒状カバーの長さや空気の清浄度によって変わる。具体的な例としては、変形方向規制部材３ａの全長が３０〜４０ｃｍで外径が３０〜４０ｍｍのときに、細孔の内径０．１〜２ｍｍ程度とするのが好ましい。
次に、この空気圧アクチュエータ１の作用を説明する。空気圧アクチュエータ１は内圧に応じて変位又は力を発生する。図１１（Ａ）に示す減圧状態と比較して、外力が作用しない場合には、図１１（Ｂ）に示すように加圧状態において第１管状弾性体２ａが径方向に膨張し、空気圧アクチュエータ１は長さ方向に寸法ｔだけ収縮するようになる。内圧は、空気圧アクチュエータ１の内部に蓄えられた圧縮性流体の量によって決まる。管状流体注入出部材１１ａから空気圧アクチュエータ１に流入する圧縮性流体の量は、圧縮性流体の供給側（外部圧力源１００側）の圧力と空気圧アクチュエータ１の内圧との差によって決まるため、空気圧アクチュエータ１の内圧は圧縮性流体の供給側の圧力に対して一次遅れ系に近い応答を示すことが分かっている。圧縮性流体の供給側と空気圧アクチュエータ１の間（より具体的には、第１内部空間５ａと第２内部空間５ｂとの間、及び、第２内部空間５ｂと第３内部空間５ｃとの間）に、圧縮性流体の流れに対する圧力損失部４１ａ、４１ｂを備える場合、圧力損失部４１ａ、４１ｂがない場合と比べて圧力損失が大きくなるため、同じ圧力差における圧縮性流体の流量が減ることになる。そのため、空気圧アクチュエータ１の内圧が圧縮性流体の供給側の圧力と等しくなるために必要な時間が長くなる。これは、一次遅れ系における時定数が大きくなるということである。本発明の第１実施形態の空気圧アクチュエータ１では、外部圧力源１００の圧力を制御装置１１０により変化させる場合、第１内部空間５ａの圧力に対して第２内部空間５ｂの圧力は遅れて変化するようになり、同様に第２内部空間５ｂの圧力に対して第３内部空間５ｃの圧力は遅れて変化するようになる。
ここで、外部圧力源１００の圧力に対する第１内部空間５ａの圧力応答の時定数をＴ１、第１内部空間５ａの圧力に対する第２内部空間５ｂの圧力応答の時定数をＴ２、第２内部空間５ｂの圧力に対する第３内部空間５ｃの圧力応答の時定数をＴ３と置く。ただし、他の内部空間における影響は考えないものとする。Ｔ１≪Ｔ２＜Ｔ３となるように圧力損失部４１ａ、４１ｂを設けると、制御装置１１０により外部圧力源１００の圧力を急激に変化させるとき、第１内部空間５ａの圧力が外部圧力源１００の圧力と近くなっても、第２及び第３内部空間５ｂ、５ｃの圧力はほとんど変化しない状態になる。この場合、空気圧アクチュエータ１の特性は、第１内部空間５ａのみが存在する場合とほぼ同等になる。この状態は、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積を少なくした場合と同じであるので、従来例よりも応答性に優れることになる。時定数については、外部圧力源１００から見て下流になるほど大きくするのが圧力損失部４１ａ、４１ｂの効果を発揮させるためには望ましい。そのためには、下流になるほど同一流量で比較したときの圧力損失が大きくなるようにする必要がある。一例として、具体的には、細孔４１ａよりも細孔４１ｂの内径を小さくして、下流になるほど同一流量で比較したときの圧力損失が大きくなるようにする。
また、外部圧力源１００の圧力を徐々に変化させる場合や、外部から静的な荷重が加えられる場合などには、圧力損失部４１ａ、４１ｂを通過する圧縮性流体の流量が少ないため、圧力損失部４１ａ、４１ｂの影響は少なくなり、第１〜第３内部空間５ａ、５ｂ、５ｃが一つの内部空間である場合とほぼ同等の特性を示すことになり、従来例と同等の柔軟性が得られることになる。さらに、適度な時間をかけて外部圧力源１００の圧力を制御装置１１０により変化させる場合には、第１及び第２内部空間５ａ、５ｂのみが存在する場合とほぼ同等の特性を示すようになるので、中間的な動きにおける柔軟性と応答性を設定することができる。
以上のように、第１実施形態によれば、外部圧力源１００と接続された第１内部空間５ａと、圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部４１ａ，４１ｂを介して接続されかつ第１内部空間５ａの圧力に依存しない（言い換えれば、第１内部空間５ａの圧力によって容積変化しない）１以上の第２及び第３内部空間５ｂ，５ｃを設けることで、外部圧力源１００の圧力を急速に変化させる場合には、実際には内部空間の容積が変化していないにもかかわらず、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積を少なくしたのと同等の効果が得られ、外部から静的な荷重が加えられる場合には、内部空間全体が一つの空間である場合と同等の効果が得られるようになり、応答性が求められる高加速度の動きに対して応答性を向上でき、安全性を重視した低加速度の動きに対して柔軟性を保つ空気圧アクチュエータ１を得ることができる。
なお、第１実施形態では内部空間を三分割した場合について説明したが、三分割に限られるわけではなく、二分割以上であれば、同様な効果を発揮することができる。一例として、図１において第２円筒状カバー８ｂを省略して内部空間を二分割にした場合における断面図を図１２に示す。また、この構成において、外部圧力源１００の圧力に対するアクチュエータ１の内圧の周波数応答を計算した例を図１３（Ａ），（Ｂ）に示す。図１３（Ａ）が位相差の計算結果であり、図１３（Ｂ）が倍率の計算結果である。また、横軸の周波数については、外部圧力源１００の圧力を変化させる角周波数ωと前記時定数Ｔ１の積であるωＴ１にて示している。この図において、「５ａのみ」の細かい点線で示される応答は、圧力損失部４１ａが存在せず、第２内部空間５ｂに対して圧縮性流体の出入りが生じない場合における応答であり、応答性に優れるが柔軟性に劣るアクチュエータの応答である。また、「５ａ＋５ｂ」の最も細かい点線で示される応答は、図９に示した従来例のように第１内部空間５ａと第２内部空間５ｂを隔てる第１円筒状カバー８ａが存在しない場合における応答であり、柔軟性に優れるが応答性に劣るアクチュエータの応答である。一方、「５ａ」の実線で示される応答、及び、「５ｂ」の点線で示される応答は、図１２の上記実施形態における第１内部空間５ａ、第２内部空間５ｂの圧力の応答をそれぞれ示している。この計算は、第１内部空間５ａの圧力に対する第２内部空間５ｂの圧力応答の時定数Ｔ２が、外部圧力源１００の圧力に対する第１内部空間５ａの圧力応答の時定数Ｔ１の２０倍であり、第２内部空間５ｂの容積が第１内部空間５ａの容積の２倍であるという条件において行っている。ただし、圧力による容積変化は全体の容積に比べて無視できるほど小さいものとしている。この場合、外部圧力源１００における圧力の大気圧との差圧をΔｐ１、第１内部空間５ａにおける圧力の大気圧との差圧をΔｐ２、第２内部空間５ｂにおける圧力の大気圧との差圧をΔｐ３とおくと、これらの関係は図１４に示すブロック線図で表されることになる。ここで、Ｖ１、Ｖ２はそれぞれ第１及び第２内部空間５ａ、５ｂの容積であり、Ｔ１、Ｔ２は前記時定数である。また、ｓはラプラス変換式における複素パラメータである。図１３から、第１内部空間５ａの周波数応答は「５ａのみ」の場合とほぼ一致することがわかる。また、第２内部空間５ｂの周波数応答は周波数が低くなるほど、第１内部空間５ａの応答に近づくことがわかる。すなわち、ωＴ１＞０．５のような高い周波数で駆動するとき、「５ａのみ」の空気圧アクチュエータに匹敵する応答性に優れた空気圧アクチュエータが得られることがわかる。また、ωＴ１＜０．０１のような低い周波数で駆動するとき、第１及び第２内部空間５ａ、５ｂの圧力はほぼ等しいことから、「５ａ＋５ｂ」の空気圧アクチュエータに匹敵する柔軟性に優れた空気圧アクチュエータ１が得られることがわかる。
また、第１実施形態では、複数の内部空間を直列に接続しているが、分割された内部空間の一部を並列に接続した場合についても本発明に含まれる。
（第２実施形態）
図２は、本発明による空気圧アクチュエータの第２実施形態の概略を示した断面図である。なお、前述した第１実施形態と同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。第２実施形態では、第１管状弾性体２ａを含む空気圧アクチュエータに対して、上記第１管状弾性体２ａの両端を封止手段の一例として機能する内側封止部品２１ａ、２３ａと固定手段の一例として機能する外側封止部品３１ａ、３１ｅを用いて封止する一方、外表面が変形方向規制部材３ａと同様な変形方向規制部材３ｃで覆われた、第２筒状伸縮部材の一例として機能する第２管状弾性体２ｃの両端を封止手段の一例として機能する内側封止部品２２ａ、２３ｂと固定手段の一例として機能する外側封止部品３１ｂ、３１ｆを用いて封止し、かつ、上記第１管状弾性体２ａの内側封止部品２３ａの端面の凹部に第２管状弾性体２ｃの内側封止部品２３ｂの端面の凸部を嵌合固定させて直列に接続している。第２管状弾性体２ｃは第１管状弾性体２ａと大略同一外径及び内径を有するが、第２管状弾性体２ｃは第１管状弾性体２ａよりも長尺なものとなっている。上記内側封止部品２３ａ、２３ｂには、それぞれ圧力損失部の一例として機能する細孔４１ｃ、４１ｄが同軸で大略中心にそれぞれ貫通しかつ互いに連通するように設けられ、これらの細孔４１ｃ、４１ｄを通じて第１及び第２内部空間５ａ、５ｄは接続されている。また、細孔４１ｃ、４１ｄのそれぞれの内径は大略同一であり、かつ、流路２１ｘの内径より小さくなっている。
次に、この空気圧アクチュエータの作用を説明する。本発明の第２実施形態の空気圧アクチュエータでは、外部圧力源１００の圧力を制御装置１１０の制御により変化させる場合、第１内部空間５ａの圧力に対して第２内部空間５ｄの圧力は遅れて変化するようになる。外部圧力源１００の圧力を制御装置１１０の制御により急激に変化させるとき、第１内部空間５ａの圧力が外部圧力源１００の圧力に近くなっても、第２内部空間５ｄの圧力はほとんど変化しない状態になる。この場合、空気圧アクチュエータの特性は、第１管状弾性体２ａのみの空気圧アクチュエータとほぼ同等になり、変位は少ないものの、内部空間の容積が少なく、応答性に優れた空気圧アクチュエータとなる。また、外部圧力源１００の圧力を徐々に変化させる場合や、外部から静的な荷重が加えられる場合などには、圧力損失部としての細孔４１ｃ，４１ｄを通過する圧縮性流体の流量が少ないため、圧力損失部の影響は少なくなり、第１及び第２内部空間５ａ、５ｄが一つの内部空間である場合とほぼ同等の特性を示すことになる。この場合、柔軟で変位の大きい空気圧アクチュエータをして振る舞うようになる。
また、一例として、図２では、内側封止部品２３ａ、２３ｂに設けた圧力損失部４１ｃ、４１ｄは細孔であり、内側封止部品２３ａの側面図の中心部分は図３のようになる。この場合、加工精度で決まる空気圧アクチュエータの特性を変化させることはできないが、図４に示すように内側封止部品２３ａ側に、１つの細孔４１ｃの代わりに、圧力損失部の別の例として機能する複数の細孔４１ｅ，…，４１ｅを設け、内側封止部品２３ｂに複数の細孔４１ｅ，…，４１ｅとすべて連通可能な範囲まで延びた円弧状の穴４１ｘをあけると、複数の細孔である４１ｅと円弧状の穴４１ｘとを重ね合わせる角度を変化させるように、内側封止部品２３ａと内側封止部品２３ｂとを（又は、第１管状弾性体２ａと第２管状弾性体２ｃとを）相対的に回転可能とすることで、圧力損失部としての効果を変化させることができるようになる。このようにすることで、空気圧アクチュエータの特性を自由に変化させることができるようになる。すなわち、上記圧力損失部は、圧力損失部における圧力損失量が外部から調整可能であるように構成されているので、応答性と柔軟性のバランスを調整可能な空気圧アクチュエータを得ることができる。なお、ここでは、有効な圧力損失部の一例として機能する複数の細孔４１ｅの数を変化させることで特性を変化させる方法を示したが、圧力損失部の断面積を変化させることや、形状を変化させることで特性を変化させる方法も用いることができ、また、それらを組み合わせてもよい。
以上のように第２実施形態によれば、外部圧力源１００と接続された第１内部空間５ａと、圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部４１ｃ，４１ｄを介して接続されかつ第１内部空間５ａの圧力に依存しない（言い換えれば、第１内部空間５ａの圧力によって容積変化しない）第２内部空間５ｄを直列的に設けることで、外部圧力源１００の圧力を急速に変化させる場合には、実際には内部空間の容積が変化していないにもかかわらず、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積を少なくしたのと同等の効果が得られ、外部から静的な荷重が加えられる場合には、内部空間全体が一つの空間である場合と同等の効果が得られるようになり、高加速度の動きに対しては変位が小さく応答性に優れた空気圧アクチュエータと同等な、低加速度の動きに対しては変位が大きく柔軟性に優れた空気圧アクチュエータと同等な特性を示す空気圧アクチュエータを得ることができる。さらに、第１実施形態と比較した場合、高加速度の動きに対して変位が小さくなるので、より精密な変位制御が行えるようになる。
なお、第２実施形態では第１及び第２管状弾性体２ａ，２ｃを二つ用いた場合について説明したが、二つに限られるわけではなく、二つ以上であれば効果を発揮することができる。また、第２実施形態では管状弾性体２ａ，２ｃを直列に接続しているが、管状弾性体の一部を並列に接続した場合についても本発明に含まれる。
また、第２実施形態における空気圧アクチュエータを用いたロボットハンドの構成例を図１５に示す。第２実施形態における空気圧アクチュエータに相当する空気圧アクチュエータ１ａ〜１ｈを２本１組として拮抗筋構造とする。２本１組の空気圧アクチュエータにそれぞれ外部圧力源１００が接続され、かつ、各外部圧力源１００の圧力を制御装置１１０で制御可能とし、かつ、２本１組の空気圧アクチュエータのうちの片方の空気圧アクチュエータを減圧、もう片方の空気圧アクチュエータを加圧するようにそれぞれの外部圧力源１００の圧力を制御装置１１０で制御することで、２本１組の空気圧アクチュエータ間に位置する軸に回転運動を発生させることができる。図１５の構成では、２本１組の空気圧アクチュエータ１ａ、１ｂによって軸１０１が回転し、以下同様に、２本１組の空気圧アクチュエータ１ｃ、１ｄによって軸１０２が、２本１組の空気圧アクチュエータ１ｅ、１ｆによって軸１０３が、２本１組の空気圧アクチュエータ１ｇ、１ｈによって軸１０４が回転するようになっている。このような構成とすることで、ハンドを高加速度に動かす場合には制御性に優れた特性を示し、また、ハンドが人体などに接触するなどして低加速度な外力が加わった場合には柔軟な特性を示すロボットハンドが得られる。これにより、特に家庭用途に適したロボットハンドを実現することができる。なお、図１５では、第２実施形態における空気圧アクチュエータを用いたロボットハンドの構成例を示したが、これに限られるものではなく、上記第２実施形態における空気圧アクチュエータに代えて、他の実施形態における空気圧アクチュエータを適宜使用することにより、それぞれの実施形態特有の効果を奏することができるロボットハンドを構成することもできる。
（第３実施形態）
図５は、本発明による空気圧アクチュエータの第３実施形態の概略を示した断面図である。なお、前述した第２実施形態と同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。第３実施形態では、第２実施形態における第１及び第２管状弾性体２ａ，２ｃの代わりに第１及び第２蛇腹状弾性体４ａ、４ｂを用いている。管状弾性体は内圧が高まることで全長が短くなるが、第１及び第２蛇腹状弾性体４ａ、４ｂは内圧が高まることで全長が長くなる。しかし、第１及び第２蛇腹状弾性体４ａ、４ｂを用いた空気圧アクチュエータもほぼ一次遅れ系の応答を同様に示すので、圧力損失部を設けることによる効果には大きな違いはない。このように、本発明は空気圧アクチュエータの方式に関わらず適用可能である。例えば、空気圧シリンダにバネなどの反発機構を組み合わせたものも利用可能である。これらは第３実施形態に限らず、他の実施形態においても適用可能である。
また、第３実施形態では、圧力損失部として、多孔質材料による多孔質板４１ｆと、細孔４１ｇと、管路断面積の急変による広幅管路４１ｈと、曲がり部を含んだ細管４１ｉとを組み合わせている。なお、多孔質板４１ｆと細孔４１ｇとは、封止手段の一例として機能しかつ内側封止部品２３ａに対応する内側封止部品２３ｃに設けられており、広幅管路４１ｈと細管４１ｉとは、封止手段の一例として機能しかつ内側封止部品２３ｂに対応する内側封止部品２３ｄに設けられている。また、細孔４１ｇと細管４１ｉのそれぞれの内径は大略同一であり、かつ、流路２１ｘの内径より小さくなっている。このように本発明では、圧力損失部としては様々なものが利用可能であり、圧力損失部としてそれらを任意に組み合わせた場合についても本発明に含まれる。これらの圧力損失部は他の実施形態についても適用可能である。
（第４実施形態）
図６は、本発明による空気圧アクチュエータの第４実施形態の概略を示した断面図である。なお、前述した第１実施形態と同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。第４実施形態では、空気圧アクチュエータの外部にカバー８ｃによって囲まれた内部空間５ｅを設け、内側封止部品２１ａと同様に封止手段の一例として機能する内側封止部品２１ｄ内の管路と圧力損失部の一例として機能する細孔４１ｊを介して接続されている。また、細孔４１ｊの内径は流路２１ｘの内径より小さくなっている。カバー８ｃは、第１管状弾性体２ａと同軸に配置され、かつ、好ましくは空気などの圧縮性流体で膨張せずかつ外部の圧力によっても容積変化しない程度の剛性を有する剛体として形成され、かつ、内側封止部品２１ｄに固定される固定端側に開口を有し自由端側に底部を有するような、筒状部材の一例として機能する円筒状カバーである。
第４実施形態の構成では、高加速度の動きに対しては従来の空圧アクチュエータと同等であるが、低加速度の動きに対しては、内部空間５ｅの分だけ全体の内部空間が大きくなったのと同等の特性を示すようになる。すなわち第４実施形態によれば、上記圧力源１００と内部空間５ａとを接続する流路２１ｘに、上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部４１ｊを介して接続されかつ内部空間５ｅの圧力に依存しない（言い換えれば、内部空間５ｅの圧力によって容積変化しない）１以上の空間を有するようにしたので、低加速度の動きに対してより柔軟性を向上させた空気圧アクチュエータを得ることができる。
なお、第４実施形態では追加した内部空間は一つだけであるが、二つ以上の場合についても同様の効果が得られる。それらの場合についても本発明に含まれる。
（第５実施形態）
図７は、本発明による空気圧アクチュエータの第５実施形態の概略を示した断面図である。なお、前述した第２実施形態と同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。第５実施形態では封止手段の一例として機能する内側封止部品２３ｅに設けた、圧力損失部の例としての機能する圧力損失機構４１ｋの多数の貫通孔４１ｋ−２，…，４１ｋ−２を内側封止部品２２ｃによって一部覆っている。
より具体的には、図７において、内側封止部品２３ｅの右端の中央部に、内部に管路４１ｋ−１を有する第１円筒状突出部２３ｅ−１を有し、第１円筒状突出部２３ｅ−１の先端に、管路４１ｋ−１と連通して径方向に貫通した多数の貫通孔４１ｋ−２，…，４１ｋ−２を形成している。一方、第１円筒状突出部２３ｅ−１の外面に摺動して嵌合可能でかつ多数の貫通孔４１ｋ−２，…，４１ｋ−２を開閉可能な複数の長穴開口２２ｃ−２，…，２２ｃ−２を有する、閉鎖部材の一例としての第２円筒状突出部２２ｃ−１を、内側封止部品２２ｃの左端の中央部に有している。また、細孔４１ｃと管路４１ｋ−１と各貫通孔４１ｋ−２のそれぞれの内径は大略同一であり、かつ、流路２１ｘの内径より小さくなっている。そして、第２管状弾性体２ｃの初期状態では、第２管状弾性体２ｃの長穴開口２２ｃ−２，…，２２ｃ−２の無い部分で第１円筒状突出部２３ｅ−１の多数の貫通孔４１ｋ−２，…，４１ｋ−２のごく一部の貫通孔４１ｋ−２を除きほとんどを閉鎖させている。そして、外部圧力源１００の圧力を制御装置１１０の制御により急激に変化させるとき、第１内部空間５ａの圧力が外部圧力源１００の圧力に近くなっても、第２内部空間５ｄの圧力はほとんど変化しない状態になる。この場合、空気圧アクチュエータの特性は、第１管状弾性体２ａのみの空気圧アクチュエータとほぼ同等になり、変位は少ないものの、内部空間の容積が少なく、応答性に優れた空気圧アクチュエータとなる。また、外部圧力源１００の圧力を徐々に変化させる場合や、外部から静的な荷重が加えられる場合などには、圧力損失部としての細孔４１ｃ及び管路４１ｋ−１を通過する圧縮性流体の流量が少ないため、圧力損失部の影響は少なくなり、第１及び第２内部空間５ａ、５ｄが一つの内部空間である場合とほぼ同等の特性を示すことになる。このとき、第５実施形態の構成では、第２内部空間５ｄの圧力が高まることで、空気圧アクチュエータの全長が短くなると、言い換えれば、第２管状弾性体２ｃの長さが短くなると、第２円筒状突出部２２ｃ−１と第１円筒状突出部２３ｅ−１とが互いに摺動して重なり合う部分が大きくなり、第１円筒状突出部２３ｅ−１の多数の貫通孔４１ｋ−２，…，４１ｋ−２と、第２円筒状突出部２２ｃ−１の複数の長穴開口２２ｃ−２，…，２２ｃ−２とが対向して多数の貫通孔４１ｋ−２，…，４１ｋ−２を開口する部分が増加して、多数の貫通孔４１ｋ−２に対する覆いが少なくなっていく。すなわち、空気圧アクチュエータの変位に応じて圧力損失部による圧力損失が変化するようになっている。圧力損失が変化すると、同一の圧力差に対しても流量が変化するので、第２内部空間５ｄの圧力の時間応答特性が変化するようになる。このように、変位によって圧力損失を変化させることで、圧力の時間応答特性をある程度調整することが可能になる。
なお、第５実施形態では空気圧アクチュエータの全長が短くなるほど圧力損失が減少するような構成になっているが、これは必要に応じて自由に変化させることができる。いずれ場合についても本発明に含まれる。
（第６実施形態）
図８は、本発明による空気圧アクチュエータの第６実施形態の概略を示した断面図である。なお、前述した第１実施形態と同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。第６実施形態では、カバー８ｄに設けた、圧力損失部の一例としての複数の細孔４１ｌをスライドロッド１０の胴部１０ａによって一部覆っている。カバー８ｄは、第１管状弾性体２ａと同軸に配置され、かつ、好ましくは空気などの圧縮性流体で膨張せずかつ内部空間５ｆの圧力によっても容積変化しない程度の剛性を有する剛体として形成され、かつ、封止手段の一例として機能する内側封止部品２２ｄに固定される固定端側に開口を有し自由端側の開口にゴム膜などの弾性体９を固定配置するような、筒状部材の一例として機能する円筒状カバーである。カバー８ｄの内周面を摺動可能なスライドロッド１０は、中心に位置する軸部１０ｂと、軸部１０ｂの端部近傍に配置されてカバー８ｄの内周面を摺動案内する胴部１０ａと、軸部１０ｂと胴部１０ａとを連結しかつ貫通口１０ｃを有するフランジ部１０ｄとより大略構成されている。スライドロッド１０の軸部１０ｂの先端は上記弾性体９の中央部に接続されている。また、カバー８ｄの弾性体９の近傍には、軸部１０ｂが摺動可能に貫通した円板状の剛体の仕切板３００が固定され、細孔４１ｌ，…，４１１からカバー８ｄ内に流れ込む空間の容積（すなわち、第４内部空間５ｇの容積）は、弾性体９の変動にかかわらず、仕切板３００とカバー８ｄによって規定されるため、第４内部空間５ｇの容積が不変となるようにして、応答性を向上させるようにしている。よって、第１管状弾性体２ａの内面とカバー８ｄ及び弾性体９の外面との間に形成された第３内部空間５ｆと、カバー８ｄ及び仕切板３００の内面に形成された第４内部空間５ｇとの圧力差によって、流路２１ｘの内径より小さい内径をそれぞれ有する複数の細孔４１ｌ，…，４１１に対する覆いが変化するようになっている。すなわち、空気圧アクチュエータの圧力に応じて圧力損失部による圧力損失が変化するようになっている。圧力損失が変化すると、同一の圧力差に対しても流量が変化するので、第４内部空間５ｇの圧力の時間応答特性が変化するようになる。このように、内部空間の圧力によって圧力損失を変化させることで、変位の時間応答特性をある程度調整することが可能になる。内側封止部品２２ｄは第１実施形態の空気圧アクチュエータの内側封止部品２２ｂに相当する。
なお、第６実施形態では空気圧アクチュエータの圧力差が小さくなるほど圧力損失が減少するような構成になっているが、これは必要に応じて自由に変化させることができる。いずれ場合についても本発明に含まれる。
本発明の上記実施形態における空気圧アクチュエータを用いかつ家庭用途に適したロボットハンドを走行車に組み付けた自走式ロボットに適用する場合について説明する。図１６に示すように、自走式ロボット２００は、制御装置１１０の制御により制御可能な、駆動モータなどの駆動装置に連結された４つの走行車輪２０６を移動台車２０４に備え、移動台車２０４の側面には人や物体を検出するカメラやセンサ２０５を設けている。移動台車２０４の上面には、図１５の軸１０１からアーム先端のハンド２０３までの部分が装着され、第２アーム２０１内には２本１組の空気圧アクチュエータ１ｅ、１ｆが配置され、第１アーム２０２内には２本１組の空気圧アクチュエータ１ｇ、１ｈが配置されている。このような構成によれば、制御装置１１０の制御の下に、移動台車２０４が移動して、第１アーム２０２と第２アーム２０１とハンド２０３を適宜使用して所望の動作を行わせるとともに、カメラやセンサ２０５により移動台車２０４の周囲の環境を検出して、人や物体が移動台車２０４の周囲にあるか無いかも検出して上記所望の動作の制御に利用することができる。よって、例えば、人が自走式ロボット２００の周囲に居れば（自走式ロボット２００の居る部屋に人が入ってきた場合には）、第１アーム２０２と第２アーム２０１とハンド２０３と移動台車２０４をゆっくり動作させて安全性を確保するとともに、人が自走式ロボット２００の周囲に居ない場合には、第１アーム２０２と第２アーム２０１とハンド２０３と移動台車２０４を迅速にきびきび動作させるといった２つのモードで適宜切り替えて動作させることができる。より具体的には、人から離れた位置で洗濯物を畳むときは迅速に動作させ、畳まれた洗濯物を人に渡すときは、ゆっくり動作させて渡すといった、２つのモードの使い分けを行うことができ、柔軟性を保ちながら応答性の向上を実現するといった、家庭用途に適したロボットを実現することができる。
また、本発明は上記第１〜第６の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらも本発明に含まれる。例えば、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本発明にかかる圧縮性流体圧アクチュエータは、応答性が求められる高加速度の動きに対して応答性を向上でき、安全性を重視した低加速度の動きに対して柔軟性を保つ圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができるものであり、空気圧アクチュエータ等として有用である。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
本発明は圧縮性流体圧アクチュエータに関するものである。
家庭用ロボットなど安全性が重視される分野に適したアクチュエータの一つとして、圧縮性流体を用いた空気圧アクチュエータが提案、実用化されている。空気圧アクチュエータの一例として、図９に示すマッキベン型の空気圧アクチュエータが提案されている。マッキベン型の空気圧アクチュエータは、ゴム材料で構成された管状弾性体３０２ａの外表面に繊維コードで構成された拘束手段３０３ａが配設され、管状弾性体３０２ａの両端部を内側封止部品３２１ａ、３２２ａ、固定手段３３１ａ、３３１ｂで気密封止する構造となっている。管状流体注入出部材３１１ａ、管路を備えた内側封止部品３２１ａを通じて空気等の圧縮性流体により内圧を管状弾性体３０２ａの内部空間３０５ａに与えると、管状弾性体３０２ａが主に半径方向に膨張しようとするが、拘束手段３０３ａの作用により、管状弾性体３０２ａの中心軸方向の運動に変換され、全長が収縮する。このマッキベン型のアクチュエータは主に弾性体で構成されるため、柔軟性があり、安全で軽量なアクチュエータである（例えば、特許文献１参照）。
このような空気圧アクチュエータの発生力や変位を大きくすることは、空気圧アクチュエータを大型化することにより実現できるが、その場合、内部空間の容積が大きくなるため圧縮性流体の消費量が多くなり、空気圧アクチュエータの応答性が低下するという問題点がある。また、特許文献２にも類似する空気圧アクチュエータが開示されているが、内部空間の容積が変化するため、空気圧アクチュエータの応答性が低下するという同様な問題点がある。そのような問題点を解消するためには、内部空間において圧縮性流体が占める容積を減らす必要がある。このような空気圧アクチュエータの一例として、図１０に示す空気圧アクチュエータが提案されている。この空気圧アクチュエータは、図９に示した空気圧アクチュエータを二重構造としたものであり、管状弾性体３０２ａの内部で拘束手段３０３ｂを備えた管状弾性体３０２ｂが固定手段３３１ｃ、３３１ｄによって管路を備えた内側封止部品３２１ｂ、３２１ｃに固定されている。これにより、内部空間は二つの内部空間３０５ｂ、３０５ｃに分割される。管状弾性体３０２ｂの内部空間３０５ｃには管状流体注入出部材３１１ｂ、管路を備えた内側封止部品３２１ｃを通じて外部から流体が供給される。二つの内部空間のどちらかに非圧縮性流体を供給すれば、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積が少なくなるので、空気圧アクチュエータの応答性向上が図れるようになる（例えば、特許文献３、特許文献４参照）。
特開昭５９−１９７６０５号公報 特公平５−６７３９７号公報 特公平６−８０３２１号公報 特公平５−４８３６２号公報
しかしながら、前述した図１０の空気圧アクチュエータは、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積が小さくなることで応答性の向上は図れるが、一方で空気圧アクチュエータの特徴である柔軟性が失われるという問題点があった。
従って、本発明の目的は、かかる点に鑑み、柔軟性を保ちながら応答性の向上を実現する圧縮性流体圧アクチュエータを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第１態様によれば、圧力源から供給される圧縮性流体の圧力によって内部に設けられた空間内の圧力が変化し、それに応じて変位もしくは力を発生させる圧縮性流体圧アクチュエータにおいて、
上記圧力源と接続された第１内部空間を有する第１筒状伸縮部材と、上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部を介して接続される、上記第１内部空間の圧力に依存しない１以上の内部空間を有する筒状部材とを備えることを特徴とする圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
本発明の第５態様によれば、圧力源から供給される圧縮性流体の圧力によって内部に設けられた空間内の圧力が変化し、それに応じて変位もしくは力を発生させる圧縮性流体圧アクチュエータにおいて、
上記圧力源と接続された第１内部空間を有する第１筒状伸縮部材と、
上記圧力源と上記第１筒状伸縮部材を介して接続されかつ上記第１内部空間の圧力に依存しない第２内部空間を有する第２筒状伸縮部材と、
上記第１内部空間と上記第２内部空間を接続する上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部とを備えることを特徴とする圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
本発明の第９態様によれば、圧力源から供給される圧縮性流体の圧力によって内部に設けられた空間内の圧力が変化し、それに応じて変位もしくは力を発生させる圧縮性流体圧アクチュエータにおいて、
上記圧力源と内部空間とを接続する流路に、上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部を介して接続されかつ上記内部空間の圧力に依存しない１以上の空間を有することを特徴とする圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
よって、本発明によれば、応答性が求められる高加速度の動きに対して応答性を向上でき、安全性を重視した低加速度の動きに対して柔軟性を保つ圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。すなわち、本発明によれば、圧力源と接続された内部空間と、圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部を介して接続される、上記第１内部空間の圧力に依存しない（言い換えれば、上記第１内部空間の圧力によって容積変化しない）１以上の内部空間を設けることで、圧力源の圧力を急速に変化させる場合には、実際には内部空間の容積が変化していないにもかかわらず、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積を少なくしたのと同等の効果が得られ、外部から静的な荷重が加えられる場合には、内部空間全体が一つの空間である場合と同等の効果が得られるようになり、応答性が求められる高加速度の動きに対して応答性を向上でき、安全性を重視した低加速度の動きに対して柔軟性を保つ圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
より詳しくは、圧力源と接続された内部空間内の圧力に対して、圧力損失部を介して接続された内部空間の圧力は、流入する圧縮性流体が少ないため遅れて追従するようになる。そのため、圧力源の圧力を急速に変化させる場合には、圧力損失部を介して接続された内部空間の影響は小さくなり、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積を少なくしたのと同等の効果が得られるようになる。一方、外部から静的な荷重が加えられる場合には、圧力は徐々に変化するので、圧力源と接続された内部空間と、それに圧力損失部を介して接続された内部空間の圧力はほぼ等しくなり、内部空間全体が一つの空間である場合と同等の効果が得られるようになる。
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。
本発明の第１態様によれば、圧力源から供給される圧縮性流体の圧力によって内部に設けられた空間内の圧力が変化し、それに応じて変位もしくは力を発生させる圧縮性流体圧アクチュエータにおいて、
上記圧力源と接続された第１内部空間を有する第１筒状伸縮部材と、上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部を介して接続される、上記第１内部空間の圧力に依存しない１以上の内部空間を有する筒状部材とを備えることを特徴とする圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
このような構成によれば、圧力源と接続された内部空間内の圧力に対して、圧力損失部を介して接続されかつ上記圧力源と接続された内部空間の圧力に依存しない（言い換えれば、上記圧力源と接続された内部空間の圧力によって容積変化しない）内部空間の圧力は、流入する圧縮性流体が少ないため遅れて追従するようになるので、圧力源の圧力を急速に変化させる場合には、圧力損失部を介して接続された内部空間の影響は小さくなり、実際には内部空間の容積が変化していないにもかかわらず、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積を少なくしたのと同等の効果が得られるようになる。一方、外部から静的な荷重が加えられる場合には、圧力は徐々に変化するので、圧力源と接続された内部空間と、それに圧力損失部を介して接続された内部空間の圧力はほぼ等しくなり、内部空間全体が一つの空間である場合と同等の効果が得られるようになるので、応答性が求められる高加速度の動きに対して応答性を向上でき、安全性を重視した低加速度の動きに対して柔軟性を保つ圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
本発明の第２態様によれば、上記圧力損失部は、上記内部空間同士を接続する細孔である第１の態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
本発明の第３態様によれば、上記筒状部材が、上記第１筒状伸縮部材の内面との間に形成されかつ上記第１筒状伸縮部材の上記第１内部空間と上記圧力損失部を介して接続されかつ上記第１内部空間の圧力に依存しない第２内部空間を有する第１筒状部材と、上記第１筒状部材内に同軸に配置され、かつ、上記第１筒状部材の内面との間に形成されかつ上記第２内部空間と別の圧力損失部を介して接続されかつ上記第２内部空間の圧力に依存しない第３内部空間を有する第２筒状部材である、第１又は２の態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
このような構成によれば、第３内部空間内の圧力は第２内部空間内の圧力よりさらに遅れて第１内部空間内の圧力に追従するようになるので、中間的な加速度の動きに対する応答性、柔軟性のバランスをより細かく設定した圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
本発明の第４態様によれば、上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部を介して複数個連結する第１〜３のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
このような構成によれば、高加速度の動きに対しては変位を少なくしてより応答性を向上させ、低加速度の動きに対しては変位を大きくしてより柔軟性を向上させた圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
本発明の第５態様によれば、圧力源から供給される圧縮性流体の圧力によって内部に設けられた空間内の圧力が変化し、それに応じて変位もしくは力を発生させる圧縮性流体圧アクチュエータにおいて、
上記圧力源と接続された第１内部空間を有する第１筒状伸縮部材と、
上記圧力源と上記第１筒状伸縮部材を介して接続されかつ上記第１内部空間の圧力に依存しない第２内部空間を有する第２筒状伸縮部材と、
上記第１内部空間と上記第２内部空間を接続する上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部とを備えることを特徴とする圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
このような構成によれば、圧力源と接続された圧縮性流体圧アクチュエータの内圧に対して、圧力損失部を介して接続された圧縮性流体圧アクチュエータの内圧は、流入する圧縮性流体が少ないため遅れて追従するようになるので、圧力源の圧力を急速に変化させる場合には、圧力損失部を介して接続された圧縮性流体圧アクチュエータの効果は小さくなり、実際には内部空間の容積が変化していないにもかかわらず、圧縮性流体圧アクチュエータの長さを短くして内部空間の容積を小さくしたのと同等の効果が得られるようになる。よって、高加速度の動きに対しては変位が小さく応答性に優れた圧縮性流体圧アクチュエータと同等な、低加速度の動きに対しては変位が大きく柔軟性に優れた圧縮性流体圧アクチュエータと同等な特性を示す圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
本発明の第６態様によれば、上記圧力損失部は、同一の流量に対する圧力損失で比較した場合、上記圧力源に対して上流側の圧力損失部よりも下流側の圧力損失部が常に圧力損失が大きくなるように構成されている第１〜５のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
このような構成によれば、圧力源と複数の圧力損失部を介して接続されるために、上流側の内部空間に比べて流量変化が少なくなる下流側の内部空間においても、圧力変化の時間遅れを大きくすることができ、高加速度の動きから低加速度の動きの間でより段階的に応答性と柔軟性を変化できる圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
本発明の第７態様によれば、上記圧力損失部は、上記圧力損失部における圧力損失が圧縮性流体圧アクチュエータの変位に応じて変化するように構成されている第１〜６のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。具体的には、例えば、上記圧力損失部は、上記内部空間のうちの上流側の内部空間と連通する細孔（４１ｃ，４１ｋ−１）と、上記細孔（４１ｃ，４１ｋ−１）と上記内部空間のうちの下流側の内部空間とを連通させる複数の貫通孔（４１ｋ−２）と、下流側の内部空間を構成する第２管状弾性体（２ｃ）の変位に応じて移動して上記複数の貫通孔（４１ｋ−２）を選択的に覆う閉鎖部材（２２ｃ−１）とを備えるように構成してもよい。
このような構成によれば、アクチュエータの変位に応じて圧力損失部による圧力損失が変化することにともなう圧縮性流体圧アクチュエータの圧力の時間応答特性も調整可能になる。
本発明の第８態様によれば、上記圧力損失部は、上記圧力損失部における圧力損失が圧縮性流体圧アクチュエータの圧力に応じて変化するように構成されている第１〜６のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
このような構成によれば、アクチュエータの圧力に応じて圧力損失部による圧力損失が変化することにともなう圧縮性流体圧アクチュエータの変位の時間応答特性も調整可能になる。
本発明の第９態様によれば、圧力源から供給される圧縮性流体の圧力によって内部に設けられた空間内の圧力が変化し、それに応じて変位もしくは力を発生させる圧縮性流体圧アクチュエータにおいて、
上記圧力源と内部空間とを接続する流路に、上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部を介して接続されかつ上記内部空間の圧力に依存しない１以上の空間を有することを特徴とする圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
このような構成によれば、低加速度の動きに対してより柔軟性が向上した圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
本発明の第１０態様によれば、上記圧力損失部は、圧力損失部における圧力損失量が外部から調整可能であるように構成されている第１〜９のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
本発明の第１１態様によれば、第１態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータによりロボットアームを構成するロボットを提供する。
このような構成によれば、応答性と柔軟性のバランスを調整可能な圧縮性流体圧アクチュエータ、及び、圧縮性流体圧アクチュエータによりロボットアームを構成するロボットを得ることができる。
以下、本発明の種々の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明にかかる第１実施形態の圧縮性流体圧アクチュエータの一例としての空気圧アクチュエータ１の概略を示した断面図である。図１において、２ａは内部に空間を有しかつゴム又はゴム状弾性体で構成された、第１筒状伸縮部材の一例として機能する第１管状弾性体である。３ａは材料的には伸びにくい樹脂又は金属の繊維コードを網目状に編んで、第１管状弾性体２ａの膨張による半径方向の変形が軸方向の長さの収縮に変換される一方、第１管状弾性体２ａの収縮による半径方向の変形が軸方向の長さの膨張に変換される変形方向規制部材であり、第１管状弾性体２ａの外表面を覆うように配設されている。２１ａ、２２ｂは第１管状弾性体２ａの一端を封止する金属又は硬質プラスチックなどの剛体の封止手段の一例として機能する内側封止部品であり、固定手段の一例として機能する外側封止部品３１ａ及び３１ｂとの間で第１管状弾性体２ａの両端部をそれぞれ挟み込むことにより封止する。すなわち、内部が流体の流路２１ｘになっている内側封止部品２１ａ及び内側封止部品２１ａと共働して封止を行う外側封止部品３１ａにより第１管状弾性体２ａの一端部を挟み込むことにより封止するとともに、内部には流体の流路が無い内側封止部品２２ｂ及び内側封止部品２２ｂと共働して封止を行う外側封止部品３１ｂにより第１管状弾性体２ａの他端部を挟み込むことにより封止する。１１ａは管状流体注入出部材であり、内部の管路が内側封止部品２１ａの流路２１ｘに連通するように内側封止部品２１ａに配設されている。管状流体注入出部材１１ａは、外部圧力源１００の圧力を制御可能な制御装置１１０の制御下で、所定の管路を経てコンプレッサー等の外部圧力源１００と接続され、圧縮性流体は管状流体注入出部材１１ａと管路を備えた内側封止部品２１ａを通して外部圧力源１００と第１管状弾性体２ａの内部空間との間を流れるようになる。圧縮性流体としては、空気や、ヘリウムなどの不活性ガスが利用できる。特に空気は、供給が容易な点で望ましい。第１管状弾性体２ａの内部には、同軸にそれぞれ配置されかつ好ましくは空気などの圧縮性流体で膨張せずかつ外部の圧力によっても容積変化しない程度の剛性を有する剛体としてそれぞれ形成されかつ各固定端側に開口を有し各自由端側に底部を有し、筒状部材の一例の第１筒状部材及び第2筒状部材の一例としてそれぞれ機能する第１及び第２円筒状カバー８ａ、８ｂが設けられている。第１及び第２円筒状カバー８ａ、８ｂの各固定端は内側封止部品２２ｂに嵌合固定されている。第１及び第２円筒状カバー８ａ、８ｂにより、第１管状弾性体２ａの内部を第１、第２、第３内部空間５ａ、５ｂ、５ｃに分割している。すなわち、第１管状弾性体２ａと第１円筒状カバー８ａとの間に円筒状の第１内部空間５ａが形成され、第１円筒状カバー８ａと第２円筒状カバー８ｂとの間に円筒状の第２内部空間５ｂが形成され、第２円筒状カバー８ｂ内に第３内部空間５ｃが形成されている。
第１及び第２内部空間５ａと５ｂ、第２及び第３内部空間５ｂと５ｃは、それぞれ流れに対する圧力損失部４１ａ、４１ｂによって接続されている。圧力損失部としては例えば細孔４１ａ、４１ｂなどが利用できる。細孔４１ａ、４１ｂは加工が容易な点で望ましい。第１細孔４１ａは、第１カバー８ａの固定端側の近傍の側面に貫通形成された細孔であり、内側封止部品２１ａの通路２１ｘの開口２１ｅから、できるかぎり離れた位置に配置するほうが、圧力損失機能を発揮する上で好ましい。また、第２細孔４１ｂは、第２カバー８ｂの自由端側の端面の大略中央に貫通形成された細孔であり、第１カバー８ａの第１細孔４１ａからできるかぎり離れた位置に配置するほうが、圧力損失機能を発揮する上で好ましい。また、細孔４１ａ、４１ｂのそれぞれの内径は大略同一であり、かつ、流路２１ｘの内径より小さくなっている。
上記細孔の一例としては、例えば、圧力損失部として機能するように最大内径１ｍｍ程度以下の大きさで、かつ、使用する空気中のゴミで細孔が詰まらない程度の最小内径の範囲内で適宜選択すればよい。具体的には、内径０．１〜２ｍｍ程度で、より好ましくは０．５〜１ｍｍ程度とする。この内径の大きさは、弾性体や第１及び第２円筒状カバーの長さや空気の清浄度によって変わる。具体的な例としては、変形方向規制部材３ａの全長が３０〜４０ｃｍで外径が３０〜４０ｍｍのときに、細孔の内径０．１〜２ｍｍ程度とするのが好ましい。
次に、この空気圧アクチュエータ１の作用を説明する。空気圧アクチュエータ１は内圧に応じて変位又は力を発生する。図１１（Ａ）に示す減圧状態と比較して、外力が作用しない場合には、図１１（Ｂ）に示すように加圧状態において第１管状弾性体２ａが径方向に膨張し、空気圧アクチュエータ１は長さ方向に寸法ｔだけ収縮するようになる。内圧は、空気圧アクチュエータ１の内部に蓄えられた圧縮性流体の量によって決まる。管状流体注入出部材１１ａから空気圧アクチュエータ１に流入する圧縮性流体の量は、圧縮性流体の供給側（外部圧力源１００側）の圧力と空気圧アクチュエータ１の内圧との差によって決まるため、空気圧アクチュエータ１の内圧は圧縮性流体の供給側の圧力に対して一次遅れ系に近い応答を示すことが分かっている。圧縮性流体の供給側と空気圧アクチュエータ１の間（より具体的には、第１内部空間５ａと第２内部空間５ｂとの間、及び、第２内部空間５ｂと第３内部空間５ｃとの間）に、圧縮性流体の流れに対する圧力損失部４１ａ、４１ｂを備える場合、圧力損失部４１ａ、４１ｂがない場合と比べて圧力損失が大きくなるため、同じ圧力差における圧縮性流体の流量が減ることになる。そのため、空気圧アクチュエータ１の内圧が圧縮性流体の供給側の圧力と等しくなるために必要な時間が長くなる。これは、一次遅れ系における時定数が大きくなるということである。本発明の第１実施形態の空気圧アクチュエータ１では、外部圧力源１００の圧力を制御装置１１０により変化させる場合、第１内部空間５ａの圧力に対して第２内部空間５ｂの圧力は遅れて変化するようになり、同様に第２内部空間５ｂの圧力に対して第３内部空間５ｃの圧力は遅れて変化するようになる。
ここで、外部圧力源１００の圧力に対する第１内部空間５ａの圧力応答の時定数をＴ１、第１内部空間５ａの圧力に対する第２内部空間５ｂの圧力応答の時定数をＴ２、第２内部空間５ｂの圧力に対する第３内部空間５ｃの圧力応答の時定数をＴ３と置く。ただし、他の内部空間における影響は考えないものとする。Ｔ１≪Ｔ２＜Ｔ３となるように圧力損失部４１ａ、４１ｂを設けると、制御装置１１０により外部圧力源１００の圧力を急激に変化させるとき、第１内部空間５ａの圧力が外部圧力源１００の圧力と近くなっても、第２及び第３内部空間５ｂ、５ｃの圧力はほとんど変化しない状態になる。この場合、空気圧アクチュエータ１の特性は、第１内部空間５ａのみが存在する場合とほぼ同等になる。この状態は、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積を少なくした場合と同じであるので、従来例よりも応答性に優れることになる。時定数については、外部圧力源１００から見て下流になるほど大きくするのが圧力損失部４１ａ、４１ｂの効果を発揮させるためには望ましい。そのためには、下流になるほど同一流量で比較したときの圧力損失が大きくなるようにする必要がある。一例として、具体的には、細孔４１ａよりも細孔４１ｂの内径を小さくして、下流になるほど同一流量で比較したときの圧力損失が大きくなるようにする。
また、外部圧力源１００の圧力を徐々に変化させる場合や、外部から静的な荷重が加えられる場合などには、圧力損失部４１ａ、４１ｂを通過する圧縮性流体の流量が少ないため、圧力損失部４１ａ、４１ｂの影響は少なくなり、第１〜第３内部空間５ａ、５ｂ、５ｃが一つの内部空間である場合とほぼ同等の特性を示すことになり、従来例と同等の柔軟性が得られることになる。さらに、適度な時間をかけて外部圧力源１００の圧力を制御装置１１０により変化させる場合には、第１及び第２内部空間５ａ、５ｂのみが存在する場合とほぼ同等の特性を示すようになるので、中間的な動きにおける柔軟性と応答性を設定することができる。
以上のように、第１実施形態によれば、外部圧力源１００と接続された第１内部空間５ａと、圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部４１ａ，４１ｂを介して接続されかつ第１内部空間５ａの圧力に依存しない（言い換えれば、第１内部空間５ａの圧力によって容積変化しない）１以上の第２及び第３内部空間５ｂ，５ｃを設けることで、外部圧力源１００の圧力を急速に変化させる場合には、実際には内部空間の容積が変化していないにもかかわらず、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積を少なくしたのと同等の効果が得られ、外部から静的な荷重が加えられる場合には、内部空間全体が一つの空間である場合と同等の効果が得られるようになり、応答性が求められる高加速度の動きに対して応答性を向上でき、安全性を重視した低加速度の動きに対して柔軟性を保つ空気圧アクチュエータ１を得ることができる。
なお、第１実施形態では内部空間を三分割した場合について説明したが、三分割に限られるわけではなく、二分割以上であれば、同様な効果を発揮することができる。一例として、図１において第２円筒状カバー８ｂを省略して内部空間を二分割にした場合における断面図を図１２に示す。また、この構成において、外部圧力源１００の圧力に対するアクチュエータ１の内圧の周波数応答を計算した例を図１３（Ａ），（Ｂ）に示す。図１３（Ａ）が位相差の計算結果であり、図１３（Ｂ）が倍率の計算結果である。また、横軸の周波数については、外部圧力源１００の圧力を変化させる角周波数ωと前記時定数Ｔ１の積であるωＴ１にて示している。この図において、「５ａのみ」の細かい点線で示される応答は、圧力損失部４１ａが存在せず、第２内部空間５ｂに対して圧縮性流体の出入りが生じない場合における応答であり、応答性に優れるが柔軟性に劣るアクチュエータの応答である。また、「５ａ＋５ｂ」の最も細かい点線で示される応答は、図９に示した従来例のように第１内部空間５ａと第２内部空間５ｂを隔てる第１円筒状カバー８ａが存在しない場合における応答であり、柔軟性に優れるが応答性に劣るアクチュエータの応答である。一方、「５ａ」の実線で示される応答、及び、「５ｂ」の点線で示される応答は、図１２の上記実施形態における第１内部空間５ａ、第２内部空間５ｂの圧力の応答をそれぞれ示している。この計算は、第１内部空間５ａの圧力に対する第２内部空間５ｂの圧力応答の時定数Ｔ２が、外部圧力源１００の圧力に対する第１内部空間５ａの圧力応答の時定数Ｔ１の２０倍であり、第２内部空間５ｂの容積が第１内部空間５ａの容積の２倍であるという条件において行っている。ただし、圧力による容積変化は全体の容積に比べて無視できるほど小さいものとしている。この場合、外部圧力源１００における圧力の大気圧との差圧をΔｐ１、第１内部空間５ａにおける圧力の大気圧との差圧をΔｐ２、第２内部空間５ｂにおける圧力の大気圧との差圧をΔｐ３とおくと、これらの関係は図１４に示すブロック線図で表されることになる。ここで、Ｖ１、Ｖ２はそれぞれ第１及び第２内部空間５ａ、５ｂの容積であり、Ｔ１、Ｔ２は前記時定数である。また、ｓはラプラス変換式における複素パラメータである。図１３から、第１内部空間５ａの周波数応答は「５ａのみ」の場合とほぼ一致することがわかる。また、第２内部空間５ｂの周波数応答は周波数が低くなるほど、第１内部空間５ａの応答に近づくことがわかる。すなわち、ωＴ１＞０．５のような高い周波数で駆動するとき、「５ａのみ」の空気圧アクチュエータに匹敵する応答性に優れた空気圧アクチュエータが得られることがわかる。また、ωＴ１＜０．０１のような低い周波数で駆動するとき、第１及び第２内部空間５ａ、５ｂの圧力はほぼ等しいことから、「５ａ＋５ｂ」の空気圧アクチュエータに匹敵する柔軟性に優れた空気圧アクチュエータ１が得られることがわかる。
また、第１実施形態では、複数の内部空間を直列に接続しているが、分割された内部空間の一部を並列に接続した場合についても本発明に含まれる。
（第２実施形態）
図２は、本発明による空気圧アクチュエータの第２実施形態の概略を示した断面図である。なお、前述した第１実施形態と同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。第２実施形態では、第１管状弾性体２ａを含む空気圧アクチュエータに対して、上記第１管状弾性体２ａの両端を封止手段の一例として機能する内側封止部品２１ａ、２３ａと固定手段の一例として機能する外側封止部品３１ａ、３１ｅを用いて封止する一方、外表面が変形方向規制部材３ａと同様な変形方向規制部材３ｃで覆われた、第２筒状伸縮部材の一例として機能する第２管状弾性体２ｃの両端を封止手段の一例として機能する内側封止部品２２ａ、２３ｂと固定手段の一例として機能する外側封止部品３１ｂ、３１ｆを用いて封止し、かつ、上記第１管状弾性体２ａの内側封止部品２３ａの端面の凹部に第２管状弾性体２ｃの内側封止部品２３ｂの端面の凸部を嵌合固定させて直列に接続している。第２管状弾性体２ｃは第１管状弾性体２ａと大略同一外径及び内径を有するが、第２管状弾性体２ｃは第１管状弾性体２ａよりも長尺なものとなっている。上記内側封止部品２３ａ、２３ｂには、それぞれ圧力損失部の一例として機能する細孔４１ｃ、４１ｄが同軸で大略中心にそれぞれ貫通しかつ互いに連通するように設けられ、これらの細孔４１ｃ、４１ｄを通じて第１及び第２内部空間５ａ、５ｄは接続されている。また、細孔４１ｃ、４１ｄのそれぞれの内径は大略同一であり、かつ、流路２１ｘの内径より小さくなっている。
次に、この空気圧アクチュエータの作用を説明する。本発明の第２実施形態の空気圧アクチュエータでは、外部圧力源１００の圧力を制御装置１１０の制御により変化させる場合、第１内部空間５ａの圧力に対して第２内部空間５ｄの圧力は遅れて変化するようになる。外部圧力源１００の圧力を制御装置１１０の制御により急激に変化させるとき、第１内部空間５ａの圧力が外部圧力源１００の圧力に近くなっても、第２内部空間５ｄの圧力はほとんど変化しない状態になる。この場合、空気圧アクチュエータの特性は、第１管状弾性体２ａのみの空気圧アクチュエータとほぼ同等になり、変位は少ないものの、内部空間の容積が少なく、応答性に優れた空気圧アクチュエータとなる。また、外部圧力源１００の圧力を徐々に変化させる場合や、外部から静的な荷重が加えられる場合などには、圧力損失部としての細孔４１ｃ，４１ｄを通過する圧縮性流体の流量が少ないため、圧力損失部の影響は少なくなり、第１及び第２内部空間５ａ、５ｄが一つの内部空間である場合とほぼ同等の特性を示すことになる。この場合、柔軟で変位の大きい空気圧アクチュエータをして振る舞うようになる。
また、一例として、図２では、内側封止部品２３ａ、２３ｂに設けた圧力損失部４１ｃ、４１ｄは細孔であり、内側封止部品２３ａの側面図の中心部分は図３のようになる。この場合、加工精度で決まる空気圧アクチュエータの特性を変化させることはできないが、図４に示すように内側封止部品２３ａ側に、１つの細孔４１ｃの代わりに、圧力損失部の別の例として機能する複数の細孔４１ｅ，…，４１ｅを設け、内側封止部品２３ｂに複数の細孔４１ｅ，…，４１ｅとすべて連通可能な範囲まで延びた円弧状の穴４１ｘをあけると、複数の細孔である４１ｅと円弧状の穴４１ｘとを重ね合わせる角度を変化させるように、内側封止部品２３ａと内側封止部品２３ｂとを（又は、第１管状弾性体２ａと第２管状弾性体２ｃとを）相対的に回転可能とすることで、圧力損失部としての効果を変化させることができるようになる。このようにすることで、空気圧アクチュエータの特性を自由に変化させることができるようになる。すなわち、上記圧力損失部は、圧力損失部における圧力損失量が外部から調整可能であるように構成されているので、応答性と柔軟性のバランスを調整可能な空気圧アクチュエータを得ることができる。なお、ここでは、有効な圧力損失部の一例として機能する複数の細孔４１ｅの数を変化させることで特性を変化させる方法を示したが、圧力損失部の断面積を変化させることや、形状を変化させることで特性を変化させる方法も用いることができ、また、それらを組み合わせてもよい。
以上のように第２実施形態によれば、外部圧力源１００と接続された第１内部空間５ａと、圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部４１ｃ，４１ｄを介して接続されかつ第１内部空間５ａの圧力に依存しない（言い換えれば、第１内部空間５ａの圧力によって容積変化しない）第２内部空間５ｄを直列的に設けることで、外部圧力源１００の圧力を急速に変化させる場合には、実際には内部空間の容積が変化していないにもかかわらず、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積を少なくしたのと同等の効果が得られ、外部から静的な荷重が加えられる場合には、内部空間全体が一つの空間である場合と同等の効果が得られるようになり、高加速度の動きに対しては変位が小さく応答性に優れた空気圧アクチュエータと同等な、低加速度の動きに対しては変位が大きく柔軟性に優れた空気圧アクチュエータと同等な特性を示す空気圧アクチュエータを得ることができる。さらに、第１実施形態と比較した場合、高加速度の動きに対して変位が小さくなるので、より精密な変位制御が行えるようになる。
なお、第２実施形態では第１及び第２管状弾性体２ａ，２ｃを二つ用いた場合について説明したが、二つに限られるわけではなく、二つ以上であれば効果を発揮することができる。また、第２実施形態では管状弾性体２ａ，２ｃを直列に接続しているが、管状弾性体の一部を並列に接続した場合についても本発明に含まれる。
また、第２実施形態における空気圧アクチュエータを用いたロボットハンドの構成例を図１５に示す。第２実施形態における空気圧アクチュエータに相当する空気圧アクチュエータ１ａ〜１ｈを２本１組として拮抗筋構造とする。２本１組の空気圧アクチュエータにそれぞれ外部圧力源１００が接続され、かつ、各外部圧力源１００の圧力を制御装置１１０で制御可能とし、かつ、２本１組の空気圧アクチュエータのうちの片方の空気圧アクチュエータを減圧、もう片方の空気圧アクチュエータを加圧するようにそれぞれの外部圧力源１００の圧力を制御装置１１０で制御することで、２本１組の空気圧アクチュエータ間に位置する軸に回転運動を発生させることができる。図１５の構成では、２本１組の空気圧アクチュエータ１ａ、１ｂによって軸１０１が回転し、以下同様に、２本１組の空気圧アクチュエータ１ｃ、１ｄによって軸１０２が、２本１組の空気圧アクチュエータ１ｅ、１ｆによって軸１０３が、２本１組の空気圧アクチュエータ１ｇ、１ｈによって軸１０４が回転するようになっている。このような構成とすることで、ハンドを高加速度に動かす場合には制御性に優れた特性を示し、また、ハンドが人体などに接触するなどして低加速度な外力が加わった場合には柔軟な特性を示すロボットハンドが得られる。これにより、特に家庭用途に適したロボットハンドを実現することができる。なお、図１５では、第２実施形態における空気圧アクチュエータを用いたロボットハンドの構成例を示したが、これに限られるものではなく、上記第２実施形態における空気圧アクチュエータに代えて、他の実施形態における空気圧アクチュエータを適宜使用することにより、それぞれの実施形態特有の効果を奏することができるロボットハンドを構成することもできる。
（第３実施形態）
図５は、本発明による空気圧アクチュエータの第３実施形態の概略を示した断面図である。なお、前述した第２実施形態と同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。第３実施形態では、第２実施形態における第１及び第２管状弾性体２ａ，２ｃの代わりに第１及び第２蛇腹状弾性体４ａ、４ｂを用いている。管状弾性体は内圧が高まることで全長が短くなるが、第１及び第２蛇腹状弾性体４ａ、４ｂは内圧が高まることで全長が長くなる。しかし、第１及び第２蛇腹状弾性体４ａ、４ｂを用いた空気圧アクチュエータもほぼ一次遅れ系の応答を同様に示すので、圧力損失部を設けることによる効果には大きな違いはない。このように、本発明は空気圧アクチュエータの方式に関わらず適用可能である。例えば、空気圧シリンダにバネなどの反発機構を組み合わせたものも利用可能である。これらは第３実施形態に限らず、他の実施形態においても適用可能である。
また、第３実施形態では、圧力損失部として、多孔質材料による多孔質板４１ｆと、細孔４１ｇと、管路断面積の急変による広幅管路４１ｈと、曲がり部を含んだ細管４１ｉとを組み合わせている。なお、多孔質板４１ｆと細孔４１ｇとは、封止手段の一例として機能しかつ内側封止部品２３ａに対応する内側封止部品２３ｃに設けられており、広幅管路４１ｈと細管４１ｉとは、封止手段の一例として機能しかつ内側封止部品２３ｂに対応する内側封止部品２３ｄに設けられている。また、細孔４１ｇと細管４１ｉのそれぞれの内径は大略同一であり、かつ、流路２１ｘの内径より小さくなっている。このように本発明では、圧力損失部としては様々なものが利用可能であり、圧力損失部としてそれらを任意に組み合わせた場合についても本発明に含まれる。これらの圧力損失部は他の実施形態についても適用可能である。
（第４実施形態）
図６は、本発明による空気圧アクチュエータの第４実施形態の概略を示した断面図である。なお、前述した第１実施形態と同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。第４実施形態では、空気圧アクチュエータの外部にカバー８ｃによって囲まれた内部空間５ｅを設け、内側封止部品２１ａと同様に封止手段の一例として機能する内側封止部品２１ｄ内の管路と圧力損失部の一例として機能する細孔４１ｊを介して接続されている。また、細孔４１ｊの内径は流路２１ｘの内径より小さくなっている。カバー８ｃは、第１管状弾性体２ａと同軸に配置され、かつ、好ましくは空気などの圧縮性流体で膨張せずかつ外部の圧力によっても容積変化しない程度の剛性を有する剛体として形成され、かつ、内側封止部品２１ｄに固定される固定端側に開口を有し自由端側に底部を有するような、筒状部材の一例として機能する円筒状カバーである。
第４実施形態の構成では、高加速度の動きに対しては従来の空圧アクチュエータと同等であるが、低加速度の動きに対しては、内部空間５ｅの分だけ全体の内部空間が大きくなったのと同等の特性を示すようになる。すなわち第４実施形態によれば、上記圧力源１００と内部空間５ａとを接続する流路２１ｘに、上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部４１ｊを介して接続されかつ内部空間５ｅの圧力に依存しない（言い換えれば、内部空間５ｅの圧力によって容積変化しない）１以上の空間を有するようにしたので、低加速度の動きに対してより柔軟性を向上させた空気圧アクチュエータを得ることができる。
なお、第４実施形態では追加した内部空間は一つだけであるが、二つ以上の場合についても同様の効果が得られる。それらの場合についても本発明に含まれる。
（第５実施形態）
図７は、本発明による空気圧アクチュエータの第５実施形態の概略を示した断面図である。なお、前述した第２実施形態と同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。第５実施形態では封止手段の一例として機能する内側封止部品２３ｅに設けた、圧力損失部の例としての機能する圧力損失機構４１ｋの多数の貫通孔４１ｋ−２，…，４１ｋ−２を内側封止部品２２ｃによって一部覆っている。
より具体的には、図７において、内側封止部品２３ｅの右端の中央部に、内部に管路４１ｋ−１を有する第１円筒状突出部２３ｅ−１を有し、第１円筒状突出部２３ｅ−１の先端に、管路４１ｋ−１と連通して径方向に貫通した多数の貫通孔４１ｋ−２，…，４１ｋ−２を形成している。一方、第１円筒状突出部２３ｅ−１の外面に摺動して嵌合可能でかつ多数の貫通孔４１ｋ−２，…，４１ｋ−２を開閉可能な複数の長穴開口２２ｃ−２，…，２２ｃ−２を有する、閉鎖部材の一例としての第２円筒状突出部２２ｃ−１を、内側封止部品２２ｃの左端の中央部に有している。また、細孔４１ｃと管路４１ｋ−１と各貫通孔４１ｋ−２のそれぞれの内径は大略同一であり、かつ、流路２１ｘの内径より小さくなっている。そして、第２管状弾性体２ｃの初期状態では、第２管状弾性体２ｃの長穴開口２２ｃ−２，…，２２ｃ−２の無い部分で第１円筒状突出部２３ｅ−１の多数の貫通孔４１ｋ−２，…，４１ｋ−２のごく一部の貫通孔４１ｋ−２を除きほとんどを閉鎖させている。そして、外部圧力源１００の圧力を制御装置１１０の制御により急激に変化させるとき、第１内部空間５ａの圧力が外部圧力源１００の圧力に近くなっても、第２内部空間５ｄの圧力はほとんど変化しない状態になる。この場合、空気圧アクチュエータの特性は、第１管状弾性体２ａのみの空気圧アクチュエータとほぼ同等になり、変位は少ないものの、内部空間の容積が少なく、応答性に優れた空気圧アクチュエータとなる。また、外部圧力源１００の圧力を徐々に変化させる場合や、外部から静的な荷重が加えられる場合などには、圧力損失部としての細孔４１ｃ及び管路４１ｋ−１を通過する圧縮性流体の流量が少ないため、圧力損失部の影響は少なくなり、第１及び第２内部空間５ａ、５ｄが一つの内部空間である場合とほぼ同等の特性を示すことになる。このとき、第５実施形態の構成では、第２内部空間５ｄの圧力が高まることで、空気圧アクチュエータの全長が短くなると、言い換えれば、第２管状弾性体２ｃの長さが短くなると、第２円筒状突出部２２ｃ−１と第１円筒状突出部２３ｅ−１とが互いに摺動して重なり合う部分が大きくなり、第１円筒状突出部２３ｅ−１の多数の貫通孔４１ｋ−２，…，４１ｋ−２と、第２円筒状突出部２２ｃ−１の複数の長穴開口２２ｃ−２，…，２２ｃ−２とが対向して多数の貫通孔４１ｋ−２，…，４１ｋ−２を開口する部分が増加して、多数の貫通孔４１ｋ−２に対する覆いが少なくなっていく。すなわち、空気圧アクチュエータの変位に応じて圧力損失部による圧力損失が変化するようになっている。圧力損失が変化すると、同一の圧力差に対しても流量が変化するので、第２内部空間５ｄの圧力の時間応答特性が変化するようになる。このように、変位によって圧力損失を変化させることで、圧力の時間応答特性をある程度調整することが可能になる。
なお、第５実施形態では空気圧アクチュエータの全長が短くなるほど圧力損失が減少するような構成になっているが、これは必要に応じて自由に変化させることができる。いずれ場合についても本発明に含まれる。
（第６実施形態）
図８は、本発明による空気圧アクチュエータの第６実施形態の概略を示した断面図である。なお、前述した第１実施形態と同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。第６実施形態では、カバー８ｄに設けた、圧力損失部の一例としての複数の細孔４１ｌをスライドロッド１０の胴部１０ａによって一部覆っている。カバー８ｄは、第１管状弾性体２ａと同軸に配置され、かつ、好ましくは空気などの圧縮性流体で膨張せずかつ内部空間５ｆの圧力によっても容積変化しない程度の剛性を有する剛体として形成され、かつ、封止手段の一例として機能する内側封止部品２２ｄに固定される固定端側に開口を有し自由端側の開口にゴム膜などの弾性体９を固定配置するような、筒状部材の一例として機能する円筒状カバーである。カバー８ｄの内周面を摺動可能なスライドロッド１０は、中心に位置する軸部１０ｂと、軸部１０ｂの端部近傍に配置されてカバー８ｄの内周面を摺動案内する胴部１０ａと、軸部１０ｂと胴部１０ａとを連結しかつ貫通口１０ｃを有するフランジ部１０ｄとより大略構成されている。スライドロッド１０の軸部１０ｂの先端は上記弾性体９の中央部に接続されている。また、カバー８ｄの弾性体９の近傍には、軸部１０ｂが摺動可能に貫通した円板状の剛体の仕切板３００が固定され、細孔４１ｌ，…，４１１からカバー８ｄ内に流れ込む空間の容積（すなわち、第４内部空間５ｇの容積）は、弾性体９の変動にかかわらず、仕切板３００とカバー８ｄによって規定されるため、第４内部空間５ｇの容積が不変となるようにして、応答性を向上させるようにしている。よって、第１管状弾性体２ａの内面とカバー８ｄ及び弾性体９の外面との間に形成された第３内部空間５ｆと、カバー８ｄ及び仕切板３００の内面に形成された第４内部空間５ｇとの圧力差によって、流路２１ｘの内径より小さい内径をそれぞれ有する複数の細孔４１ｌ，…，４１１に対する覆いが変化するようになっている。すなわち、空気圧アクチュエータの圧力に応じて圧力損失部による圧力損失が変化するようになっている。圧力損失が変化すると、同一の圧力差に対しても流量が変化するので、第４内部空間５ｇの圧力の時間応答特性が変化するようになる。このように、内部空間の圧力によって圧力損失を変化させることで、変位の時間応答特性をある程度調整することが可能になる。内側封止部品２２ｄは第１実施形態の空気圧アクチュエータの内側封止部品２２ｂに相当する。
なお、第６実施形態では空気圧アクチュエータの圧力差が小さくなるほど圧力損失が減少するような構成になっているが、これは必要に応じて自由に変化させることができる。いずれ場合についても本発明に含まれる。
本発明の上記実施形態における空気圧アクチュエータを用いかつ家庭用途に適したロボットハンドを走行車に組み付けた自走式ロボットに適用する場合について説明する。図１６に示すように、自走式ロボット２００は、制御装置１１０の制御により制御可能な、駆動モータなどの駆動装置に連結された４つの走行車輪２０６を移動台車２０４に備え、移動台車２０４の側面には人や物体を検出するカメラやセンサ２０５を設けている。移動台車２０４の上面には、図１５の軸１０１からアーム先端のハンド２０３までの部分が装着され、第２アーム２０１内には２本１組の空気圧アクチュエータ１ｅ、１ｆが配置され、第１アーム２０２内には２本１組の空気圧アクチュエータ１ｇ、１ｈが配置されている。このような構成によれば、制御装置１１０の制御の下に、移動台車２０４が移動して、第１アーム２０２と第２アーム２０１とハンド２０３を適宜使用して所望の動作を行わせるとともに、カメラやセンサ２０５により移動台車２０４の周囲の環境を検出して、人や物体が移動台車２０４の周囲にあるか無いかも検出して上記所望の動作の制御に利用することができる。よって、例えば、人が自走式ロボット２００の周囲に居れば（自走式ロボット２００の居る部屋に人が入ってきた場合には）、第１アーム２０２と第２アーム２０１とハンド２０３と移動台車２０４をゆっくり動作させて安全性を確保するとともに、人が自走式ロボット２００の周囲に居ない場合には、第１アーム２０２と第２アーム２０１とハンド２０３と移動台車２０４を迅速にきびきび動作させるといった２つのモードで適宜切り替えて動作させることができる。より具体的には、人から離れた位置で洗濯物を畳むときは迅速に動作させ、畳まれた洗濯物を人に渡すときは、ゆっくり動作させて渡すといった、２つのモードの使い分けを行うことができ、柔軟性を保ちながら応答性の向上を実現するといった、家庭用途に適したロボットを実現することができる。
また、本発明は上記第１〜第６の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらも本発明に含まれる。例えば、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本発明にかかる圧縮性流体圧アクチュエータは、応答性が求められる高加速度の動きに対して応答性を向上でき、安全性を重視した低加速度の動きに対して柔軟性を保つ圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができるものであり、空気圧アクチュエータ等として有用である。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。
本発明の第１実施形態による空気圧アクチュエータの概略を示す断面図である。 本発明の第２実施形態による空気圧アクチュエータの概略を示す断面図である。 本発明の第２実施形態による空気圧アクチュエータにおいて封止手段に設けた圧力損失部を示す図である。 本発明の第２実施形態による空気圧アクチュエータにおいて封止手段に設けた圧力損失部の効果を可変にしたものを示す図である。 本発明の第３実施形態による空気圧アクチュエータの概略を示す断面図である。 本発明の第４実施形態による空気圧アクチュエータの概略を示す断面図である。 本発明の第５実施形態による空気圧アクチュエータの概略を示す断面図である。 本発明の第６実施形態による空気圧アクチュエータの概略を示す断面図である。 従来構成の空気圧アクチュエータの概略を示す断面図である。 従来構成の空気圧アクチュエータの概略を示す断面図である。 （Ａ），（Ｂ）はそれぞれ空気圧アクチュエータの減圧状態での動作及び加圧状態での動作を示す概略断面図である。 本発明の第１実施形態による空気圧アクチュエータにおける他の構成例を示す概略断面図である。 （Ａ），（Ｂ）は本発明の第１実施形態による空気圧アクチュエータにおける圧力の周波数応答を示すグラフである。 本発明の第１実施形態による空気圧アクチュエータにおける圧力の関係を説明するためのブロック線図である。 本発明の第２実施形態における空気圧アクチュエータを用いたロボットハンドの概略図である。 本発明の上記実施形態における空気圧アクチュエータを用いたロボットハンドを移動台車に組み付けた自走式ロボットの概略図である。
本発明は圧縮性流体圧アクチュエータに関するものである。
家庭用ロボットなど安全性が重視される分野に適したアクチュエータの一つとして、圧縮性流体を用いた空気圧アクチュエータが提案、実用化されている。空気圧アクチュエータの一例として、図９に示すマッキベン型の空気圧アクチュエータが提案されている。マッキベン型の空気圧アクチュエータは、ゴム材料で構成された管状弾性体３０２ａの外表面に繊維コードで構成された拘束手段３０３ａが配設され、管状弾性体３０２ａの両端部を内側封止部品３２１ａ、３２２ａ、固定手段３３１ａ、３３１ｂで気密封止する構造となっている。管状流体注入出部材３１１ａ、管路を備えた内側封止部品３２１ａを通じて空気等の圧縮性流体により内圧を管状弾性体３０２ａの内部空間３０５ａに与えると、管状弾性体３０２ａが主に半径方向に膨張しようとするが、拘束手段３０３ａの作用により、管状弾性体３０２ａの中心軸方向の運動に変換され、全長が収縮する。このマッキベン型のアクチュエータは主に弾性体で構成されるため、柔軟性があり、安全で軽量なアクチュエータである（例えば、特許文献１参照）。
このような空気圧アクチュエータの発生力や変位を大きくすることは、空気圧アクチュエータを大型化することにより実現できるが、その場合、内部空間の容積が大きくなるため圧縮性流体の消費量が多くなり、空気圧アクチュエータの応答性が低下するという問題点がある。また、特許文献２にも類似する空気圧アクチュエータが開示されているが、内部空間の容積が変化するため、空気圧アクチュエータの応答性が低下するという同様な問題点がある。そのような問題点を解消するためには、内部空間において圧縮性流体が占める容積を減らす必要がある。このような空気圧アクチュエータの一例として、図１０に示す空気圧アクチュエータが提案されている。この空気圧アクチュエータは、図９に示した空気圧アクチュエータを二重構造としたものであり、管状弾性体３０２ａの内部で拘束手段３０３ｂを備えた管状弾性体３０２ｂが固定手段３３１ｃ、３３１ｄによって管路を備えた内側封止部品３２１ｂ、３２１ｃに固定されている。これにより、内部空間は二つの内部空間３０５ｂ、３０５ｃに分割される。管状弾性体３０２ｂの内部空間３０５ｃには管状流体注入出部材３１１ｂ、管路を備えた内側封止部品３２１ｃを通じて外部から流体が供給される。二つの内部空間のどちらかに非圧縮性流体を供給すれば、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積が少なくなるので、空気圧アクチュエータの応答性向上が図れるようになる（例えば、特許文献３、特許文献４参照）。
特開昭５９−１９７６０５号公報 特公平５−６７３９７号公報 特公平６−８０３２１号公報 特公平５−４８３６２号公報
しかしながら、前述した図１０の空気圧アクチュエータは、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積が小さくなることで応答性の向上は図れるが、一方で空気圧アクチュエータの特徴である柔軟性が失われるという問題点があった。
従って、本発明の目的は、かかる点に鑑み、柔軟性を保ちながら応答性の向上を実現する圧縮性流体圧アクチュエータを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第１態様によれば、圧力源から供給される圧縮性流体の圧力によって内部に設けられた空間内の圧力が変化し、それに応じて変位もしくは力を発生させる圧縮性流体圧アクチュエータにおいて、
上記圧力源と接続された第１内部空間を有する第１筒状伸縮部材と、上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部を介して接続される、上記第１内部空間の圧力に依存しない１以上の内部空間を有する筒状部材とを備えることを特徴とする圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
本発明の第５態様によれば、圧力源から供給される圧縮性流体の圧力によって内部に設けられた空間内の圧力が変化し、それに応じて変位もしくは力を発生させる圧縮性流体圧アクチュエータにおいて、
上記圧力源と接続された第１内部空間を有する第１筒状伸縮部材と、
上記圧力源と上記第１筒状伸縮部材を介して接続されかつ上記第１内部空間の圧力に依存しない第２内部空間を有する第２筒状伸縮部材と、
上記第１内部空間と上記第２内部空間を接続する上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部とを備えることを特徴とする圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
本発明の第９態様によれば、圧力源から供給される圧縮性流体の圧力によって内部に設けられた空間内の圧力が変化し、それに応じて変位もしくは力を発生させる圧縮性流体圧アクチュエータにおいて、
上記圧力源と内部空間とを接続する流路に、上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部を介して接続されかつ上記内部空間の圧力に依存しない１以上の空間を有することを特徴とする圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
よって、本発明によれば、応答性が求められる高加速度の動きに対して応答性を向上でき、安全性を重視した低加速度の動きに対して柔軟性を保つ圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。すなわち、本発明によれば、圧力源と接続された内部空間と、圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部を介して接続される、上記第１内部空間の圧力に依存しない（言い換えれば、上記第１内部空間の圧力によって容積変化しない）１以上の内部空間を設けることで、圧力源の圧力を急速に変化させる場合には、実際には内部空間の容積が変化していないにもかかわらず、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積を少なくしたのと同等の効果が得られ、外部から静的な荷重が加えられる場合には、内部空間全体が一つの空間である場合と同等の効果が得られるようになり、応答性が求められる高加速度の動きに対して応答性を向上でき、安全性を重視した低加速度の動きに対して柔軟性を保つ圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
より詳しくは、圧力源と接続された内部空間内の圧力に対して、圧力損失部を介して接続された内部空間の圧力は、流入する圧縮性流体が少ないため遅れて追従するようになる。そのため、圧力源の圧力を急速に変化させる場合には、圧力損失部を介して接続された内部空間の影響は小さくなり、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積を少なくしたのと同等の効果が得られるようになる。一方、外部から静的な荷重が加えられる場合には、圧力は徐々に変化するので、圧力源と接続された内部空間と、それに圧力損失部を介して接続された内部空間の圧力はほぼ等しくなり、内部空間全体が一つの空間である場合と同等の効果が得られるようになる。
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。
本発明の第１態様によれば、圧力源から供給される圧縮性流体の圧力によって内部に設けられた空間内の圧力が変化し、それに応じて変位もしくは力を発生させる圧縮性流体圧アクチュエータにおいて、
上記圧力源と接続された第１内部空間を有する第１筒状伸縮部材と、上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部を介して接続される、上記第１内部空間の圧力に依存しない１以上の内部空間を有する筒状部材とを備えることを特徴とする圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
このような構成によれば、圧力源と接続された内部空間内の圧力に対して、圧力損失部を介して接続されかつ上記圧力源と接続された内部空間の圧力に依存しない（言い換えれば、上記圧力源と接続された内部空間の圧力によって容積変化しない）内部空間の圧力は、流入する圧縮性流体が少ないため遅れて追従するようになるので、圧力源の圧力を急速に変化させる場合には、圧力損失部を介して接続された内部空間の影響は小さくなり、実際には内部空間の容積が変化していないにもかかわらず、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積を少なくしたのと同等の効果が得られるようになる。一方、外部から静的な荷重が加えられる場合には、圧力は徐々に変化するので、圧力源と接続された内部空間と、それに圧力損失部を介して接続された内部空間の圧力はほぼ等しくなり、内部空間全体が一つの空間である場合と同等の効果が得られるようになるので、応答性が求められる高加速度の動きに対して応答性を向上でき、安全性を重視した低加速度の動きに対して柔軟性を保つ圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
本発明の第２態様によれば、上記圧力損失部は、上記内部空間同士を接続する細孔である第１の態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
本発明の第３態様によれば、上記筒状部材が、上記第１筒状伸縮部材の内面との間に形成されかつ上記第１筒状伸縮部材の上記第１内部空間と上記圧力損失部を介して接続されかつ上記第１内部空間の圧力に依存しない第２内部空間を有する第１筒状部材と、上記第１筒状部材内に同軸に配置され、かつ、上記第１筒状部材の内面との間に形成されかつ上記第２内部空間と別の圧力損失部を介して接続されかつ上記第２内部空間の圧力に依存しない第３内部空間を有する第２筒状部材である、第１又は２の態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
このような構成によれば、第３内部空間内の圧力は第２内部空間内の圧力よりさらに遅れて第１内部空間内の圧力に追従するようになるので、中間的な加速度の動きに対する応答性、柔軟性のバランスをより細かく設定した圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
本発明の第４態様によれば、上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部を介して複数個連結する第１〜３のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
このような構成によれば、高加速度の動きに対しては変位を少なくしてより応答性を向上させ、低加速度の動きに対しては変位を大きくしてより柔軟性を向上させた圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
本発明の第５態様によれば、圧力源から供給される圧縮性流体の圧力によって内部に設けられた空間内の圧力が変化し、それに応じて変位もしくは力を発生させる圧縮性流体圧アクチュエータにおいて、
上記圧力源と接続された第１内部空間を有する第１筒状伸縮部材と、
上記圧力源と上記第１筒状伸縮部材を介して接続されかつ上記第１内部空間の圧力に依存しない第２内部空間を有する第２筒状伸縮部材と、
上記第１内部空間と上記第２内部空間を接続する上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部とを備えることを特徴とする圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
このような構成によれば、圧力源と接続された圧縮性流体圧アクチュエータの内圧に対して、圧力損失部を介して接続された圧縮性流体圧アクチュエータの内圧は、流入する圧縮性流体が少ないため遅れて追従するようになるので、圧力源の圧力を急速に変化させる場合には、圧力損失部を介して接続された圧縮性流体圧アクチュエータの効果は小さくなり、実際には内部空間の容積が変化していないにもかかわらず、圧縮性流体圧アクチュエータの長さを短くして内部空間の容積を小さくしたのと同等の効果が得られるようになる。よって、高加速度の動きに対しては変位が小さく応答性に優れた圧縮性流体圧アクチュエータと同等な、低加速度の動きに対しては変位が大きく柔軟性に優れた圧縮性流体圧アクチュエータと同等な特性を示す圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
本発明の第６態様によれば、上記圧力損失部は、同一の流量に対する圧力損失で比較した場合、上記圧力源に対して上流側の圧力損失部よりも下流側の圧力損失部が常に圧力損失が大きくなるように構成されている第１〜５のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
このような構成によれば、圧力源と複数の圧力損失部を介して接続されるために、上流側の内部空間に比べて流量変化が少なくなる下流側の内部空間においても、圧力変化の時間遅れを大きくすることができ、高加速度の動きから低加速度の動きの間でより段階的に応答性と柔軟性を変化できる圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
本発明の第７態様によれば、上記圧力損失部は、上記圧力損失部における圧力損失が圧縮性流体圧アクチュエータの変位に応じて変化するように構成されている第１〜６のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。具体的には、例えば、上記圧力損失部は、上記内部空間のうちの上流側の内部空間と連通する細孔（４１ｃ，４１ｋ−１）と、上記細孔（４１ｃ，４１ｋ−１）と上記内部空間のうちの下流側の内部空間とを連通させる複数の貫通孔（４１ｋ−２）と、下流側の内部空間を構成する第２管状弾性体（２ｃ）の変位に応じて移動して上記複数の貫通孔（４１ｋ−２）を選択的に覆う閉鎖部材（２２ｃ−１）とを備えるように構成してもよい。
このような構成によれば、アクチュエータの変位に応じて圧力損失部による圧力損失が変化することにともなう圧縮性流体圧アクチュエータの圧力の時間応答特性も調整可能になる。
本発明の第８態様によれば、上記圧力損失部は、上記圧力損失部における圧力損失が圧縮性流体圧アクチュエータの圧力に応じて変化するように構成されている第１〜６のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
このような構成によれば、アクチュエータの圧力に応じて圧力損失部による圧力損失が変化することにともなう圧縮性流体圧アクチュエータの変位の時間応答特性も調整可能になる。
本発明の第９態様によれば、圧力源から供給される圧縮性流体の圧力によって内部に設けられた空間内の圧力が変化し、それに応じて変位もしくは力を発生させる圧縮性流体圧アクチュエータにおいて、
上記圧力源と内部空間とを接続する流路に、上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部を介して接続されかつ上記内部空間の圧力に依存しない１以上の空間を有することを特徴とする圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
このような構成によれば、低加速度の動きに対してより柔軟性が向上した圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができる。
本発明の第１０態様によれば、上記圧力損失部は、圧力損失部における圧力損失量が外部から調整可能であるように構成されている第１〜９のいずれか１つの態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータを提供する。
本発明の第１１態様によれば、第１態様に記載の圧縮性流体圧アクチュエータによりロボットアームを構成するロボットを提供する。
このような構成によれば、応答性と柔軟性のバランスを調整可能な圧縮性流体圧アクチュエータ、及び、圧縮性流体圧アクチュエータによりロボットアームを構成するロボットを得ることができる。
以下、本発明の種々の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明にかかる第１実施形態の圧縮性流体圧アクチュエータの一例としての空気圧アクチュエータ１の概略を示した断面図である。図１において、２ａは内部に空間を有しかつゴム又はゴム状弾性体で構成された、第１筒状伸縮部材の一例として機能する第１管状弾性体である。３ａは材料的には伸びにくい樹脂又は金属の繊維コードを網目状に編んで、第１管状弾性体２ａの膨張による半径方向の変形が軸方向の長さの収縮に変換される一方、第１管状弾性体２ａの収縮による半径方向の変形が軸方向の長さの膨張に変換される変形方向規制部材であり、第１管状弾性体２ａの外表面を覆うように配設されている。２１ａ、２２ｂは第１管状弾性体２ａの一端を封止する金属又は硬質プラスチックなどの剛体の封止手段の一例として機能する内側封止部品であり、固定手段の一例として機能する外側封止部品３１ａ及び３１ｂとの間で第１管状弾性体２ａの両端部をそれぞれ挟み込むことにより封止する。すなわち、内部が流体の流路２１ｘになっている内側封止部品２１ａ及び内側封止部品２１ａと共働して封止を行う外側封止部品３１ａにより第１管状弾性体２ａの一端部を挟み込むことにより封止するとともに、内部には流体の流路が無い内側封止部品２２ｂ及び内側封止部品２２ｂと共働して封止を行う外側封止部品３１ｂにより第１管状弾性体２ａの他端部を挟み込むことにより封止する。１１ａは管状流体注入出部材であり、内部の管路が内側封止部品２１ａの流路２１ｘに連通するように内側封止部品２１ａに配設されている。管状流体注入出部材１１ａは、外部圧力源１００の圧力を制御可能な制御装置１１０の制御下で、所定の管路を経てコンプレッサー等の外部圧力源１００と接続され、圧縮性流体は管状流体注入出部材１１ａと管路を備えた内側封止部品２１ａを通して外部圧力源１００と第１管状弾性体２ａの内部空間との間を流れるようになる。圧縮性流体としては、空気や、ヘリウムなどの不活性ガスが利用できる。特に空気は、供給が容易な点で望ましい。第１管状弾性体２ａの内部には、同軸にそれぞれ配置されかつ好ましくは空気などの圧縮性流体で膨張せずかつ外部の圧力によっても容積変化しない程度の剛性を有する剛体としてそれぞれ形成されかつ各固定端側に開口を有し各自由端側に底部を有し、筒状部材の一例の第１筒状部材及び第2筒状部材の一例としてそれぞれ機能する第１及び第２円筒状カバー８ａ、８ｂが設けられている。第１及び第２円筒状カバー８ａ、８ｂの各固定端は内側封止部品２２ｂに嵌合固定されている。第１及び第２円筒状カバー８ａ、８ｂにより、第１管状弾性体２ａの内部を第１、第２、第３内部空間５ａ、５ｂ、５ｃに分割している。すなわち、第１管状弾性体２ａと第１円筒状カバー８ａとの間に円筒状の第１内部空間５ａが形成され、第１円筒状カバー８ａと第２円筒状カバー８ｂとの間に円筒状の第２内部空間５ｂが形成され、第２円筒状カバー８ｂ内に第３内部空間５ｃが形成されている。
第１及び第２内部空間５ａと５ｂ、第２及び第３内部空間５ｂと５ｃは、それぞれ流れに対する圧力損失部４１ａ、４１ｂによって接続されている。圧力損失部としては例えば細孔４１ａ、４１ｂなどが利用できる。細孔４１ａ、４１ｂは加工が容易な点で望ましい。第１細孔４１ａは、第１カバー８ａの固定端側の近傍の側面に貫通形成された細孔であり、内側封止部品２１ａの通路２１ｘの開口２１ｅから、できるかぎり離れた位置に配置するほうが、圧力損失機能を発揮する上で好ましい。また、第２細孔４１ｂは、第２カバー８ｂの自由端側の端面の大略中央に貫通形成された細孔であり、第１カバー８ａの第１細孔４１ａからできるかぎり離れた位置に配置するほうが、圧力損失機能を発揮する上で好ましい。また、細孔４１ａ、４１ｂのそれぞれの内径は大略同一であり、かつ、流路２１ｘの内径より小さくなっている。
上記細孔の一例としては、例えば、圧力損失部として機能するように最大内径１ｍｍ程度以下の大きさで、かつ、使用する空気中のゴミで細孔が詰まらない程度の最小内径の範囲内で適宜選択すればよい。具体的には、内径０．１〜２ｍｍ程度で、より好ましくは０．５〜１ｍｍ程度とする。この内径の大きさは、弾性体や第１及び第２円筒状カバーの長さや空気の清浄度によって変わる。具体的な例としては、変形方向規制部材３ａの全長が３０〜４０ｃｍで外径が３０〜４０ｍｍのときに、細孔の内径０．１〜２ｍｍ程度とするのが好ましい。
次に、この空気圧アクチュエータ１の作用を説明する。空気圧アクチュエータ１は内圧に応じて変位又は力を発生する。図１１（Ａ）に示す減圧状態と比較して、外力が作用しない場合には、図１１（Ｂ）に示すように加圧状態において第１管状弾性体２ａが径方向に膨張し、空気圧アクチュエータ１は長さ方向に寸法ｔだけ収縮するようになる。内圧は、空気圧アクチュエータ１の内部に蓄えられた圧縮性流体の量によって決まる。管状流体注入出部材１１ａから空気圧アクチュエータ１に流入する圧縮性流体の量は、圧縮性流体の供給側（外部圧力源１００側）の圧力と空気圧アクチュエータ１の内圧との差によって決まるため、空気圧アクチュエータ１の内圧は圧縮性流体の供給側の圧力に対して一次遅れ系に近い応答を示すことが分かっている。圧縮性流体の供給側と空気圧アクチュエータ１の間（より具体的には、第１内部空間５ａと第２内部空間５ｂとの間、及び、第２内部空間５ｂと第３内部空間５ｃとの間）に、圧縮性流体の流れに対する圧力損失部４１ａ、４１ｂを備える場合、圧力損失部４１ａ、４１ｂがない場合と比べて圧力損失が大きくなるため、同じ圧力差における圧縮性流体の流量が減ることになる。そのため、空気圧アクチュエータ１の内圧が圧縮性流体の供給側の圧力と等しくなるために必要な時間が長くなる。これは、一次遅れ系における時定数が大きくなるということである。本発明の第１実施形態の空気圧アクチュエータ１では、外部圧力源１００の圧力を制御装置１１０により変化させる場合、第１内部空間５ａの圧力に対して第２内部空間５ｂの圧力は遅れて変化するようになり、同様に第２内部空間５ｂの圧力に対して第３内部空間５ｃの圧力は遅れて変化するようになる。
ここで、外部圧力源１００の圧力に対する第１内部空間５ａの圧力応答の時定数をＴ１、第１内部空間５ａの圧力に対する第２内部空間５ｂの圧力応答の時定数をＴ２、第２内部空間５ｂの圧力に対する第３内部空間５ｃの圧力応答の時定数をＴ３と置く。ただし、他の内部空間における影響は考えないものとする。Ｔ１≪Ｔ２＜Ｔ３となるように圧力損失部４１ａ、４１ｂを設けると、制御装置１１０により外部圧力源１００の圧力を急激に変化させるとき、第１内部空間５ａの圧力が外部圧力源１００の圧力と近くなっても、第２及び第３内部空間５ｂ、５ｃの圧力はほとんど変化しない状態になる。この場合、空気圧アクチュエータ１の特性は、第１内部空間５ａのみが存在する場合とほぼ同等になる。この状態は、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積を少なくした場合と同じであるので、従来例よりも応答性に優れることになる。時定数については、外部圧力源１００から見て下流になるほど大きくするのが圧力損失部４１ａ、４１ｂの効果を発揮させるためには望ましい。そのためには、下流になるほど同一流量で比較したときの圧力損失が大きくなるようにする必要がある。一例として、具体的には、細孔４１ａよりも細孔４１ｂの内径を小さくして、下流になるほど同一流量で比較したときの圧力損失が大きくなるようにする。
また、外部圧力源１００の圧力を徐々に変化させる場合や、外部から静的な荷重が加えられる場合などには、圧力損失部４１ａ、４１ｂを通過する圧縮性流体の流量が少ないため、圧力損失部４１ａ、４１ｂの影響は少なくなり、第１〜第３内部空間５ａ、５ｂ、５ｃが一つの内部空間である場合とほぼ同等の特性を示すことになり、従来例と同等の柔軟性が得られることになる。さらに、適度な時間をかけて外部圧力源１００の圧力を制御装置１１０により変化させる場合には、第１及び第２内部空間５ａ、５ｂのみが存在する場合とほぼ同等の特性を示すようになるので、中間的な動きにおける柔軟性と応答性を設定することができる。
以上のように、第１実施形態によれば、外部圧力源１００と接続された第１内部空間５ａと、圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部４１ａ，４１ｂを介して接続されかつ第１内部空間５ａの圧力に依存しない（言い換えれば、第１内部空間５ａの圧力によって容積変化しない）１以上の第２及び第３内部空間５ｂ，５ｃを設けることで、外部圧力源１００の圧力を急速に変化させる場合には、実際には内部空間の容積が変化していないにもかかわらず、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積を少なくしたのと同等の効果が得られ、外部から静的な荷重が加えられる場合には、内部空間全体が一つの空間である場合と同等の効果が得られるようになり、応答性が求められる高加速度の動きに対して応答性を向上でき、安全性を重視した低加速度の動きに対して柔軟性を保つ空気圧アクチュエータ１を得ることができる。
なお、第１実施形態では内部空間を三分割した場合について説明したが、三分割に限られるわけではなく、二分割以上であれば、同様な効果を発揮することができる。一例として、図１において第２円筒状カバー８ｂを省略して内部空間を二分割にした場合における断面図を図１２に示す。また、この構成において、外部圧力源１００の圧力に対するアクチュエータ１の内圧の周波数応答を計算した例を図１３（Ａ），（Ｂ）に示す。図１３（Ａ）が位相差の計算結果であり、図１３（Ｂ）が倍率の計算結果である。また、横軸の周波数については、外部圧力源１００の圧力を変化させる角周波数ωと前記時定数Ｔ１の積であるωＴ１にて示している。この図において、「５ａのみ」の細かい点線で示される応答は、圧力損失部４１ａが存在せず、第２内部空間５ｂに対して圧縮性流体の出入りが生じない場合における応答であり、応答性に優れるが柔軟性に劣るアクチュエータの応答である。また、「５ａ＋５ｂ」の最も細かい点線で示される応答は、図９に示した従来例のように第１内部空間５ａと第２内部空間５ｂを隔てる第１円筒状カバー８ａが存在しない場合における応答であり、柔軟性に優れるが応答性に劣るアクチュエータの応答である。一方、「５ａ」の実線で示される応答、及び、「５ｂ」の点線で示される応答は、図１２の上記実施形態における第１内部空間５ａ、第２内部空間５ｂの圧力の応答をそれぞれ示している。この計算は、第１内部空間５ａの圧力に対する第２内部空間５ｂの圧力応答の時定数Ｔ２が、外部圧力源１００の圧力に対する第１内部空間５ａの圧力応答の時定数Ｔ１の２０倍であり、第２内部空間５ｂの容積が第１内部空間５ａの容積の２倍であるという条件において行っている。ただし、圧力による容積変化は全体の容積に比べて無視できるほど小さいものとしている。この場合、外部圧力源１００における圧力の大気圧との差圧をΔｐ１、第１内部空間５ａにおける圧力の大気圧との差圧をΔｐ２、第２内部空間５ｂにおける圧力の大気圧との差圧をΔｐ３とおくと、これらの関係は図１４に示すブロック線図で表されることになる。ここで、Ｖ１、Ｖ２はそれぞれ第１及び第２内部空間５ａ、５ｂの容積であり、Ｔ１、Ｔ２は前記時定数である。また、ｓはラプラス変換式における複素パラメータである。図１３から、第１内部空間５ａの周波数応答は「５ａのみ」の場合とほぼ一致することがわかる。また、第２内部空間５ｂの周波数応答は周波数が低くなるほど、第１内部空間５ａの応答に近づくことがわかる。すなわち、ωＴ１＞０．５のような高い周波数で駆動するとき、「５ａのみ」の空気圧アクチュエータに匹敵する応答性に優れた空気圧アクチュエータが得られることがわかる。また、ωＴ１＜０．０１のような低い周波数で駆動するとき、第１及び第２内部空間５ａ、５ｂの圧力はほぼ等しいことから、「５ａ＋５ｂ」の空気圧アクチュエータに匹敵する柔軟性に優れた空気圧アクチュエータ１が得られることがわかる。
また、第１実施形態では、複数の内部空間を直列に接続しているが、分割された内部空間の一部を並列に接続した場合についても本発明に含まれる。
（第２実施形態）
図２は、本発明による空気圧アクチュエータの第２実施形態の概略を示した断面図である。なお、前述した第１実施形態と同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。第２実施形態では、第１管状弾性体２ａを含む空気圧アクチュエータに対して、上記第１管状弾性体２ａの両端を封止手段の一例として機能する内側封止部品２１ａ、２３ａと固定手段の一例として機能する外側封止部品３１ａ、３１ｅを用いて封止する一方、外表面が変形方向規制部材３ａと同様な変形方向規制部材３ｃで覆われた、第２筒状伸縮部材の一例として機能する第２管状弾性体２ｃの両端を封止手段の一例として機能する内側封止部品２２ａ、２３ｂと固定手段の一例として機能する外側封止部品３１ｂ、３１ｆを用いて封止し、かつ、上記第１管状弾性体２ａの内側封止部品２３ａの端面の凹部に第２管状弾性体２ｃの内側封止部品２３ｂの端面の凸部を嵌合固定させて直列に接続している。第２管状弾性体２ｃは第１管状弾性体２ａと大略同一外径及び内径を有するが、第２管状弾性体２ｃは第１管状弾性体２ａよりも長尺なものとなっている。上記内側封止部品２３ａ、２３ｂには、それぞれ圧力損失部の一例として機能する細孔４１ｃ、４１ｄが同軸で大略中心にそれぞれ貫通しかつ互いに連通するように設けられ、これらの細孔４１ｃ、４１ｄを通じて第１及び第２内部空間５ａ、５ｄは接続されている。また、細孔４１ｃ、４１ｄのそれぞれの内径は大略同一であり、かつ、流路２１ｘの内径より小さくなっている。
次に、この空気圧アクチュエータの作用を説明する。本発明の第２実施形態の空気圧アクチュエータでは、外部圧力源１００の圧力を制御装置１１０の制御により変化させる場合、第１内部空間５ａの圧力に対して第２内部空間５ｄの圧力は遅れて変化するようになる。外部圧力源１００の圧力を制御装置１１０の制御により急激に変化させるとき、第１内部空間５ａの圧力が外部圧力源１００の圧力に近くなっても、第２内部空間５ｄの圧力はほとんど変化しない状態になる。この場合、空気圧アクチュエータの特性は、第１管状弾性体２ａのみの空気圧アクチュエータとほぼ同等になり、変位は少ないものの、内部空間の容積が少なく、応答性に優れた空気圧アクチュエータとなる。また、外部圧力源１００の圧力を徐々に変化させる場合や、外部から静的な荷重が加えられる場合などには、圧力損失部としての細孔４１ｃ，４１ｄを通過する圧縮性流体の流量が少ないため、圧力損失部の影響は少なくなり、第１及び第２内部空間５ａ、５ｄが一つの内部空間である場合とほぼ同等の特性を示すことになる。この場合、柔軟で変位の大きい空気圧アクチュエータをして振る舞うようになる。
参考例として、図２の上記説明では、内側封止部品２３ａ、２３ｂに設けた圧力損失部４１ｃ、４１ｄは細孔であり、内側封止部品２３ａの側面図の中心部分は図３のようになる。この場合、加工精度で決まる空気圧アクチュエータの特性を変化させることはできない。これとは異なり、この第２実施形態では、図４に示すように内側封止部品２３ａ側に、上記説明した１つの細孔４１ｃの代わりに、圧力損失部の例として機能する複数の細孔４１ｅ，…，４１ｅを設け、内側封止部品２３ｂに複数の細孔４１ｅ，…，４１ｅとすべて連通可能な範囲まで延びた円弧状の穴４１ｘをあけているため、複数の細孔である４１ｅと円弧状の穴４１ｘとを重ね合わせる角度を変化させるように、内側封止部品２３ａと内側封止部品２３ｂとを（又は、第１管状弾性体２ａと第２管状弾性体２ｃとを）相対的に回転可能とすることで、圧力損失部としての効果を変化させることができるようになる。このようにすることで、空気圧アクチュエータの特性を自由に変化させることができるようになる。すなわち、上記圧力損失部は、圧力損失部における圧力損失量が外部から調整可能であるように構成されているので、応答性と柔軟性のバランスを調整可能な空気圧アクチュエータを得ることができる。なお、ここでは、有効な圧力損失部の一例として機能する複数の細孔４１ｅの数を変化させることで特性を変化させる方法を示したが、圧力損失部の断面積を変化させることや、形状を変化させることで特性を変化させる方法も用いることができ、また、それらを組み合わせてもよい。
以上のように第２実施形態によれば、外部圧力源１００と接続された第１内部空間５ａと、圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部４１ｃ，４１ｄを介して接続されかつ第１内部空間５ａの圧力に依存しない（言い換えれば、第１内部空間５ａの圧力によって容積変化しない）第２内部空間５ｄを直列的に設けることで、外部圧力源１００の圧力を急速に変化させる場合には、実際には内部空間の容積が変化していないにもかかわらず、内部空間全体に対して圧縮性流体が占める容積を少なくしたのと同等の効果が得られ、外部から静的な荷重が加えられる場合には、内部空間全体が一つの空間である場合と同等の効果が得られるようになり、高加速度の動きに対しては変位が小さく応答性に優れた空気圧アクチュエータと同等な、低加速度の動きに対しては変位が大きく柔軟性に優れた空気圧アクチュエータと同等な特性を示す空気圧アクチュエータを得ることができる。さらに、第１実施形態と比較した場合、高加速度の動きに対して変位が小さくなるので、より精密な変位制御が行えるようになる。
なお、第２実施形態では第１及び第２管状弾性体２ａ，２ｃを二つ用いた場合について説明したが、二つに限られるわけではなく、二つ以上であれば効果を発揮することができる。また、第２実施形態では管状弾性体２ａ，２ｃを直列に接続しているが、管状弾性体の一部を並列に接続した場合についても本発明に含まれる。
また、第２実施形態における空気圧アクチュエータを用いたロボットハンドの構成例を図１５に示す。第２実施形態における空気圧アクチュエータに相当する空気圧アクチュエータ１ａ〜１ｈを２本１組として拮抗筋構造とする。２本１組の空気圧アクチュエータにそれぞれ外部圧力源１００が接続され、かつ、各外部圧力源１００の圧力を制御装置１１０で制御可能とし、かつ、２本１組の空気圧アクチュエータのうちの片方の空気圧アクチュエータを減圧、もう片方の空気圧アクチュエータを加圧するようにそれぞれの外部圧力源１００の圧力を制御装置１１０で制御することで、２本１組の空気圧アクチュエータ間に位置する軸に回転運動を発生させることができる。図１５の構成では、２本１組の空気圧アクチュエータ１ａ、１ｂによって軸１０１が回転し、以下同様に、２本１組の空気圧アクチュエータ１ｃ、１ｄによって軸１０２が、２本１組の空気圧アクチュエータ１ｅ、１ｆによって軸１０３が、２本１組の空気圧アクチュエータ１ｇ、１ｈによって軸１０４が回転するようになっている。このような構成とすることで、ハンドを高加速度に動かす場合には制御性に優れた特性を示し、また、ハンドが人体などに接触するなどして低加速度な外力が加わった場合には柔軟な特性を示すロボットハンドが得られる。これにより、特に家庭用途に適したロボットハンドを実現することができる。なお、図１５では、第２実施形態における空気圧アクチュエータを用いたロボットハンドの構成例を示したが、これに限られるものではなく、上記第２実施形態における空気圧アクチュエータに代えて、他の実施形態における空気圧アクチュエータを適宜使用することにより、それぞれの実施形態特有の効果を奏することができるロボットハンドを構成することもできる。
（第１参考形態）
図５は、本発明による空気圧アクチュエータの第１参考形態の概略を示した断面図である。なお、前述した第２実施形態と同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。第１参考形態では、第２実施形態における第１及び第２管状弾性体２ａ，２ｃの代わりに第１及び第２蛇腹状弾性体４ａ、４ｂを用いている。管状弾性体は内圧が高まることで全長が短くなるが、第１及び第２蛇腹状弾性体４ａ、４ｂは内圧が高まることで全長が長くなる。しかし、第１及び第２蛇腹状弾性体４ａ、４ｂを用いた空気圧アクチュエータもほぼ一次遅れ系の応答を同様に示すので、圧力損失部を設けることによる効果には大きな違いはない。このように、本発明は空気圧アクチュエータの方式に関わらず適用可能である。例えば、空気圧シリンダにバネなどの反発機構を組み合わせたものも利用可能である。これらは第１参考形態に限らず、他の実施形態においても適用可能である。
また、第１参考形態では、圧力損失部として、多孔質材料による多孔質板４１ｆと、細孔４１ｇと、管路断面積の急変による広幅管路４１ｈと、曲がり部を含んだ細管４１ｉとを組み合わせている。なお、多孔質板４１ｆと細孔４１ｇとは、封止手段の一例として機能しかつ内側封止部品２３ａに対応する内側封止部品２３ｃに設けられており、広幅管路４１ｈと細管４１ｉとは、封止手段の一例として機能しかつ内側封止部品２３ｂに対応する内側封止部品２３ｄに設けられている。また、細孔４１ｇと細管４１ｉのそれぞれの内径は大略同一であり、かつ、流路２１ｘの内径より小さくなっている。このように本発明では、圧力損失部としては様々なものが利用可能であり、圧力損失部としてそれらを任意に組み合わせた場合についても本発明に含まれる。これらの圧力損失部は他の実施形態についても適用可能である。
（第２参考形態）
図６は、本発明による空気圧アクチュエータの第２参考形態の概略を示した断面図である。なお、前述した第１実施形態と同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。第２参考形態では、空気圧アクチュエータの外部にカバー８ｃによって囲まれた内部空間５ｅを設け、内側封止部品２１ａと同様に封止手段の一例として機能する内側封止部品２１ｄ内の管路と圧力損失部の一例として機能する細孔４１ｊを介して接続されている。また、細孔４１ｊの内径は流路２１ｘの内径より小さくなっている。カバー８ｃは、第１管状弾性体２ａと同軸に配置され、かつ、好ましくは空気などの圧縮性流体で膨張せずかつ外部の圧力によっても容積変化しない程度の剛性を有する剛体として形成され、かつ、内側封止部品２１ｄに固定される固定端側に開口を有し自由端側に底部を有するような、筒状部材の一例として機能する円筒状カバーである。
第２参考形態の構成では、高加速度の動きに対しては従来の空圧アクチュエータと同等であるが、低加速度の動きに対しては、内部空間５ｅの分だけ全体の内部空間が大きくなったのと同等の特性を示すようになる。すなわち第２参考形態によれば、上記圧力源１００と内部空間５ａとを接続する流路２１ｘに、上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部４１ｊを介して接続されかつ内部空間５ｅの圧力に依存しない（言い換えれば、内部空間５ｅの圧力によって容積変化しない）１以上の空間を有するようにしたので、低加速度動きに対してより柔軟性を向上させた空気圧アクチュエータを得ることができる。
なお、第２参考形態では追加した内部空間は一つだけであるが、二つ以上の場合についても同様の効果が得られる。それらの場合についても本発明に含まれる。
（第３実施形態）
図７は、本発明による空気圧アクチュエータの第３実施形態の概略を示した断面図である。なお、前述した第２実施形態と同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。第３実施形態では封止手段の一例として機能する内側封止部品２３ｅに設けた、圧力損失部の例としての機能する圧力損失機構４１ｋの多数の貫通孔４１ｋ−２，…，４１ｋ−２を内側封止部品２２ｃによって一部覆っている。
より具体的には、図７において、内側封止部品２３ｅの右端の中央部に、内部に管路４１ｋ−１を有する第１円筒状突出部２３ｅ−１を有し、第１円筒状突出部２３ｅ−１の先端に、管路４１ｋ−１と連通して径方向に貫通した多数の貫通孔４１ｋ−２，…，４１ｋ−２を形成している。一方、第１円筒状突出部２３ｅ−１の外面に摺動して嵌合可能でかつ多数の貫通孔４１ｋ−２，…，４１ｋ−２を開閉可能な複数の長穴開口２２ｃ−２，…，２２ｃ−２を有する、閉鎖部材の一例としての第２円筒状突出部２２ｃ−１を、内側封止部品２２ｃの左端の中央部に有している。また、細孔４１ｃと管路４１ｋ−１と各貫通孔４１ｋ−２のそれぞれの内径は大略同一であり、かつ、流路２１ｘの内径より小さくなっている。そして、第２管状弾性体２ｃの初期状態では、第２管状弾性体２ｃの長穴開口２２ｃ−２，…，２２ｃ−２の無い部分で第１円筒状突出部２３ｅ−１の多数の貫通孔４１ｋ−２，…，４１ｋ−２のごく一部の貫通孔４１ｋ−２を除きほとんどを閉鎖させている。そして、外部圧力源１００の圧力を制御装置１１０の制御により急激に変化させるとき、第１内部空間５ａの圧力が外部圧力源１００の圧力に近くなっても、第２内部空間５ｄの圧力はほとんど変化しない状態になる。この場合、空気圧アクチュエータの特性は、第１管状弾性体２ａのみの空気圧アクチュエータとほぼ同等になり、変位は少ないものの、内部空間の容積が少なく、応答性に優れた空気圧アクチュエータとなる。また、外部圧力源１００の圧力を徐々に変化させる場合や、外部から静的な荷重が加えられる場合などには、圧力損失部としての細孔４１ｃ及び管路４１ｋ−１を通過する圧縮性流体の流量が少ないため、圧力損失部の影響は少なくなり、第１及び第２内部空間５ａ、５ｄが一つの内部空間である場合とほぼ同等の特性を示すことになる。このとき、第３実施形態の構成では、第２内部空間５ｄの圧力が高まることで、空気圧アクチュエータの全長が短くなると、言い換えれば、第２管状弾性体２ｃの長さが短くなると、第２円筒状突出部２２ｃ−１と第１円筒状突出部２３ｅ−１とが互いに摺動して重なり合う部分が大きくなり、第１円筒状突出部２３ｅ−１の多数の貫通孔４１ｋ−２，…，４１ｋ−２と、第２円筒状突出部２２ｃ−１の複数の長穴開口２２ｃ−２，…，２２ｃ−２とが対向して多数の貫通孔４１ｋ−２，…，４１ｋ−２を開口する部分が増加して、多数の貫通孔４１ｋ−２に対する覆いが少なくなっていく。すなわち、空気圧アクチュエータの変位に応じて圧力損失部による圧力損失が変化するようになっている。圧力損失が変化すると、同一の圧力差に対しても流量が変化するので、第２内部空間５ｄの圧力の時間応答特性が変化するようになる。このように、変位によって圧力損失を変化させることで、圧力の時間応答特性をある程度調整することが可能になる。
なお、第３実施形態では空気圧アクチュエータの全長が短くなるほど圧力損失が減少するような構成になっているが、これは必要に応じて自由に変化させることができる。いずれ場合についても本発明に含まれる。
（第４実施形態）
図８は、本発明による空気圧アクチュエータの第４実施形態の概略を示した断面図である。なお、前述した第１実施形態と同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。第４実施形態では、カバー８ｄに設けた、圧力損失部の一例としての複数の細孔４１ｌをスライドロッド１０の胴部１０ａによって一部覆っている。カバー８ｄは、第１管状弾性体２ａと同軸に配置され、かつ、好ましくは空気などの圧縮性流体で膨張せずかつ内部空間５ｆの圧力によっても容積変化しない程度の剛性を有する剛体として形成され、かつ、封止手段の一例として機能する内側封止部品２２ｄに固定される固定端側に開口を有し自由端側の開口にゴム膜などの弾性体９を固定配置するような、筒状部材の一例として機能する円筒状カバーである。カバー８ｄの内周面を摺動可能なスライドロッド１０は、中心に位置する軸部１０ｂと、軸部１０ｂの端部近傍に配置されてカバー８ｄの内周面を摺動案内する胴部１０ａと、軸部１０ｂと胴部１０ａとを連結しかつ貫通口１０ｃを有するフランジ部１０ｄとより大略構成されている。スライドロッド１０の軸部１０ｂの先端は上記弾性体９の中央部に接続されている。また、カバー８ｄの弾性体９の近傍には、軸部１０ｂが摺動可能に貫通した円板状の剛体の仕切板３００が固定され、細孔４１ｌ，…，４１１からカバー８ｄ内に流れ込む空間の容積（すなわち、第４内部空間５ｇの容積）は、弾性体９の変動にかかわらず、仕切板３００とカバー８ｄによって規定されるため、第４内部空間５ｇの容積が不変となるようにして、応答性を向上させるようにしている。よって、第１管状弾性体２ａの内面とカバー８ｄ及び弾性体９の外面との間に形成された第３内部空間５ｆと、カバー８ｄ及び仕切板３００の内面に形成された第４内部空間５ｇとの圧力差によって、流路２１ｘの内径より小さい内径をそれぞれ有する複数の細孔４１ｌ，…，４１１に対する覆いが変化するようになっている。すなわち、空気圧アクチュエータの圧力に応じて圧力損失部による圧力損失が変化するようになっている。圧力損失が変化すると、同一の圧力差に対しても流量が変化するので、第４内部空間５ｇの圧力の時間応答特性が変化するようになる。このように、内部空間の圧力によって圧力損失を変化させることで、変位の時間応答特性をある程度調整することが可能になる。内側封止部品２２ｄは第１実施形態の空気圧アクチュエータの内側封止部品２２ｂに相当する。
なお、第４実施形態では空気圧アクチュエータの圧力差が小さくなるほど圧力損失が減少するような構成になっているが、これは必要に応じて自由に変化させることができる。いずれ場合についても本発明に含まれる。
本発明の上記実施形態における空気圧アクチュエータを用いかつ家庭用途に適したロボットハンドを走行車に組み付けた自走式ロボットに適用する場合について説明する。図１６に示すように、自走式ロボット２００は、制御装置１１０の制御により制御可能な、駆動モータなどの駆動装置に連結された４つの走行車輪２０６を移動台車２０４に備え、移動台車２０４の側面には人や物体を検出するカメラやセンサ２０５を設けている。移動台車２０４の上面には、図１５の軸１０１からアーム先端のハンド２０３までの部分が装着され、第２アーム２０１内には２本１組の空気圧アクチュエータ１ｅ、１ｆが配置され、第１アーム２０２内には２本１組の空気圧アクチュエータ１ｇ、１ｈが配置されている。このような構成によれば、制御装置１１０の制御の下に、移動台車２０４が移動して、第１アーム２０２と第２アーム２０１とハンド２０３を適宜使用して所望の動作を行わせるとともに、カメラやセンサ２０５により移動台車２０４の周囲の環境を検出して、人や物体が移動台車２０４の周囲にあるか無いかも検出して上記所望の動作の制御に利用することができる。よって、例えば、人が自走式ロボット２００の周囲に居れば（自走式ロボット２００の居る部屋に人が入ってきた場合には）、第１アーム２０２と第２アーム２０１とハンド２０３と移動台車２０４をゆっくり動作させて安全性を確保するとともに、人が自走式ロボット２００の周囲に居ない場合には、第１アーム２０２と第２アーム２０１とハンド２０３と移動台車２０４を迅速にきびきび動作させるといった２つのモードで適宜切り替えて動作させることができる。より具体的には、人から離れた位置で洗濯物を畳むときは迅速に動作させ、畳まれた洗濯物を人に渡すときは、ゆっくり動作させて渡すといった、２つのモードの使い分けを行うことができ、柔軟性を保ちながら応答性の向上を実現するといった、家庭用途に適したロボットを実現することができる。
また、本発明は上記第１〜第４の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらも本発明に含まれる。例えば、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本発明にかかる圧縮性流体圧アクチュエータは、応答性が求められる高加速度の動きに対して応答性を向上でき、安全性を重視した低加速度の動きに対して柔軟性を保つ圧縮性流体圧アクチュエータを得ることができるものであり、空気圧アクチュエータ等として有用である。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。
本発明の第１実施形態による空気圧アクチュエータの概略を示す断面図である。 本発明の第２実施形態による空気圧アクチュエータの概略を示す断面図である。 本発明の第２実施形態による空気圧アクチュエータにおいて封止手段に設けた圧力損失部を示す図である。 本発明の第２実施形態による空気圧アクチュエータにおいて封止手段に設けた圧力損失部の効果を可変にしたものを示す図である。 本発明の第１参考形態による空気圧アクチュエータの概略を示す断面図である。 本発明の第２参考形態による空気圧アクチュエータの概略を示す断面図である。 本発明の第３実施形態による空気圧アクチュエータの概略を示す断面図である。 本発明の第４実施形態による空気圧アクチュエータの概略を示す断面図である。 従来構成の空気圧アクチュエータの概略を示す断面図である。 従来構成の空気圧アクチュエータの概略を示す断面図である。 （Ａ），（Ｂ）はそれぞれ空気圧アクチュエータの減圧状態での動作及び加圧状態での動作を示す概略断面図である。 本発明の第１実施形態による空気圧アクチュエータにおける他の構成例を示す概略断面図である。 （Ａ），（Ｂ）は本発明の第１実施形態による空気圧アクチュエータにおける圧力の周波数応答を示すグラフである。 本発明の第１実施形態による空気圧アクチュエータにおける圧力の関係を説明するためのブロック線図である。 本発明の第２実施形態における空気圧アクチュエータを用いたロボットハンドの概略図である。 本発明の上記実施形態における空気圧アクチュエータを用いたロボットハンドを移動台車に組み付けた自走式ロボットの概略図である。

Claims (11)

  1. 圧力源（１００）から供給される圧縮性流体の圧力によって内部に設けられた空間内の圧力が変化し、それに応じて変位もしくは力を発生させる圧縮性流体圧アクチュエータにおいて、
    上記圧力源と接続された第１内部空間（５ａ）を有する第１筒状伸縮部材（２ａ）と、上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部（４１ａ，４１ｂ）を介して接続される、上記第１内部空間の圧力に依存しない１以上の内部空間（５ｂ，５ｃ）を有する筒状部材（８ａ，８ｂ）とを備える圧縮性流体圧アクチュエータ。
  2. 上記圧力損失部は、上記内部空間同士を接続する細孔（４１ａ，４１ｂ）である請求項１に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。
  3. 上記筒状部材（８ａ，８ｂ）が、上記第１筒状伸縮部材（２ａ）の内面との間に形成されかつ上記第１筒状伸縮部材（２ａ）の上記第１内部空間（５ａ）と上記圧力損失部（４１ａ）を介して接続されかつ上記第１内部空間の圧力に依存しない第２内部空間（５ｂ）を有する第１筒状部材（８ａ）と、上記第１筒状部材（８ａ）内に同軸に配置され、かつ、上記第１筒状部材（８ａ）の内面との間に形成されかつ上記第２内部空間（５ｂ）と別の圧力損失部（４１ｂ）を介して接続されかつ上記第２内部空間の圧力に依存しない第３内部空間（５ｃ）を有する第２筒状部材（８ｂ）である、請求項１に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。
  4. 上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部を介して複数個連結する請求項１に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。
  5. 圧力源（１００）から供給される圧縮性流体の圧力によって内部に設けられた空間内の圧力が変化し、それに応じて変位もしくは力を発生させる圧縮性流体圧アクチュエータにおいて、
    上記圧力源と接続された第１内部空間（５ａ）を有する第１筒状伸縮部材（２ａ）と、
    上記圧力源と上記第１筒状伸縮部材（２ａ）を介して接続されかつ上記第１内部空間の圧力に依存しない第２内部空間（５ｄ）を有する第２筒状伸縮部材（２ｃ）と、
    上記第１内部空間（５ａ）と上記第２内部空間（５ｄ）を接続する上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部（４１ｃ，４１ｄ）とを備える圧縮性流体圧アクチュエータ。
  6. 上記圧力損失部は、同一の流量に対する圧力損失で比較した場合、上記圧力源に対して上流側の圧力損失部よりも下流側の圧力損失部が常に圧力損失が大きくなるように構成されている請求項１に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。
  7. 上記圧力損失部は、上記圧力損失部における圧力損失が圧縮性流体圧アクチュエータの変位に応じて変化するように構成されている請求項１に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。
  8. 上記圧力損失部は、上記圧力損失部における圧力損失が圧縮性流体圧アクチュエータの圧力に応じて変化するように構成されている請求項１に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。
  9. 圧力源（１００）から供給される圧縮性流体の圧力によって内部に設けられた空間内の圧力が変化し、それに応じて変位もしくは力を発生させる圧縮性流体圧アクチュエータにおいて、
    上記圧力源と内部空間（５ａ）とを接続する流路（２１ｘ）に、上記圧縮性流体の流れに対する１以上の圧力損失部（４１ｊ）を介して接続されかつ上記内部空間の圧力に依存しない１以上の空間（５ｅ）を有する圧縮性流体圧アクチュエータ。
  10. 上記圧力損失部は、圧力損失部における圧力損失量が外部から調整可能であるように構成されている請求項１に記載の圧縮性流体圧アクチュエータ。
  11. 請求項１に記載の圧縮性流体圧アクチュエータによりロボットアームを構成するロボット。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1950425A4 (en) * 2005-11-15 2011-06-01 Univ Tokyo Sci Educ Found FLUID PRESSURE ACTUATOR AND EXERCISE DEVICE USING THE SAME
US8127659B2 (en) * 2007-01-22 2012-03-06 Panasonic Corporation Compressible fluid pressure actuator driving mechanism and control apparatus thereof
CN102165185B (zh) * 2008-08-29 2013-07-24 维斯塔斯风力系统有限公司 风轮机叶片中的控制系统
KR101708723B1 (ko) * 2008-09-25 2017-02-21 유틸리큅, 인코포레이티드 유체 동력의 패브릭 실린더
IT1402325B1 (it) * 2010-09-16 2013-08-30 Scuola Superiore Di Studi Universitari E Di Perfez Arto robotico continuo bioispirato
JP6723342B2 (ja) * 2015-03-27 2020-07-15 アザー ラブ リミテッド ライアビリティ カンパニー ポペット弁システム及び方法
US10028855B2 (en) 2015-05-14 2018-07-24 Worcester Polytechnic Institute Variable stiffness devices and methods of use
JP6843355B2 (ja) * 2015-06-26 2021-03-17 スクオーラ スペリオーレ サンタンナ 器官を作動するための空気圧デバイス
JP6854504B2 (ja) * 2016-11-02 2021-04-07 学校法人 中央大学 流体装置

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS51143178A (en) * 1975-06-05 1976-12-09 Kawasaki Heavy Ind Ltd Tensile device using fluid pressure expansion bag
JPS59197605A (ja) 1983-04-25 1984-11-09 Bridgestone Corp ニユ−マチツク・アクチユエ−タ
JPS6048283A (ja) * 1983-08-25 1985-03-15 株式会社ブリヂストン ニユ−マチツク・アクチユエ−タ
DE3444978A1 (de) * 1984-12-10 1986-06-12 Berthold H. Dr. 5630 Remscheid Daimler Vorrichtung zur speicherung bzw. uebertragung von energie
DE3568834D1 (en) * 1984-12-10 1989-04-20 Daimler Berthold Expandable cylinder with elastically variable length
JPH06100206B2 (ja) 1985-04-09 1994-12-12 株式会社ブリヂストン ニユ−マチツク・アクチユエ−タ
JPH0324304A (ja) * 1989-06-20 1991-02-01 Bridgestone Corp 弾性伸長体を用いたアクチュエータ
JPH04145206A (ja) * 1990-10-04 1992-05-19 Bridgestone Corp 中空型弾性伸縮体
DE4033781C1 (ja) 1990-10-24 1992-01-30 Mercedes-Benz Aktiengesellschaft, 7000 Stuttgart, De
JPH0567397A (ja) 1991-07-05 1993-03-19 Toshiba Corp 半導体記憶装置
JPH0548362A (ja) 1991-08-13 1993-02-26 Matsushita Electric Ind Co Ltd リミツタ用増幅器
JPH0680321A (ja) 1992-08-31 1994-03-22 Toshiba Corp エレベーターの群管理制御装置
JP2703165B2 (ja) * 1992-11-13 1998-01-26 シーケーディ株式会社 直進形柔軟アクチュエータ
JPH0976721A (ja) 1995-09-12 1997-03-25 Aisin Seiki Co Ltd エアサスペンション装置
DE19917481A1 (de) * 1999-04-17 2000-10-19 Festo Ag & Co Betätigungseinrichtung
DE19951603B4 (de) * 1999-10-26 2005-07-21 Stoll, Curt-M. Werkzeug

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