JPWO2007058107A1 - 流体圧式アクチュエータ及びそれを用いた運動装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、動作を高速化することができる流体圧式アクチュエータ及びそれを用いた運動装置を得ることを目的とするものである。両端が栓部材2，3で封止され、流体が供給・排出されることにより膨張・収縮する膨張収縮体1と、この膨張収縮体1の外周を覆い、栓部材2，3へその両端が締め付け固定された網状の被膜体7と、栓部材2，3へ設けられた流体の給排口とを備える流体圧式アクチュエータであって、膨張収縮体1内の空間の少なくとも一部を埋める空間縮小体4，5を有す。

Description

この発明は、例えば空気等の流体の給排により駆動される流体圧式アクチュエータ及びそれを用いた運動装置に関するものである。

従来の流体圧式アクチュエータにおいては、ゴム製のチューブの外周に伸縮性のない網状の被覆体が被せられており、空気を供給してチューブを膨張させることにより、被覆体の径が増大される。被覆体の径の増大は、長さ寸法の縮小に変換され、この縮小により駆動力が得られる(例えば特許文献1参照)。
特開2003-301807号公報

上記のような従来の流体圧式アクチュエータでは、空気を供給する前のチューブに余分な空間があるため、その空間にも空気を供給してチューブを膨張させなくてはならなかった。そのため、チューブ内への空気の供給を開始してから実際に流体圧式アクチュエータとしての動作が開始するまでの時間が長かった。例えば、この流体圧式アクチュエータをCPM装置(運動装置)に適用した場合、起動してから患者の関節を動かし始めるまでに1分程度の時間を要することがあり、動作スピードの向上が望まれていた。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、動作スピードを高速化することができる流体圧式アクチュエータ及びそれを用いた運動装置を得ることを目的とする。

本目的を達成するため、両端が栓部材で封止され、流体が供給・排出されることにより膨張・収縮する膨張収縮体と、この膨張収縮体の外周を覆い、前記栓部材へその両端が締め付け固定された網状の被膜体と、前記栓部材へ設けられた流体の給排口とを備える流体圧式アクチュエータであって、上記膨張収縮体内の空間の少なくとも一部を埋める空間縮小体を有す。また、上記膨張収縮体内に配置される上記空間縮小体は第1の空間縮小体と第2の空間縮小体からなり、第1の空間縮小体と第2の空間縮小体は、前記栓部材にそれぞれ連結され、上記膨張収縮体の長軸方向に互いに間隔を置いて配置されている。第1の空間縮小体と第2の空間縮小体の断面積は、基端部から先端部に向けて徐々に縮小されている。第1の空間縮小体と第2の空間縮小体の先端部は、球面状になっている。上記膨張収縮体が膨張・収縮する長さは、上記膨張収縮体の膨張時の第1の空間縮小体と第2の空間縮小体の間の長さに等しい。

また、第1のフレーム体と、上記第1のフレーム体に対して回動可能な第2のフレーム体と、上記第1のフレーム体に対して上記第2のフレーム体を相対的に回動させる上記流体圧式アクチュエータとを備え、上記第1のフレーム体に対して上記第2のフレーム体を回動させることにより人体の一部に運動を行わせる運動装置である。

この発明の実施の形態1による流体圧式アクチュエータの収縮状態を示す断面図である。 図1の流体圧式アクチュエータの膨張状態を示す断面図である。 この発明の実施の形態2による流体圧式アクチュエータの収縮状態を示す断面図である。 この発明の実施の形態3による流体圧式アクチュエータの収縮状態を示す断面図である。 この発明の実施の形態4による流体圧式アクチュエータの収縮状態を示す断面図である。 この発明の実施の形態5による流体圧式アクチュエータの収縮状態を示す断面図である。 この発明の実施の形態6による流体圧式アクチュエータの収縮状態を示す断面図である。 この発明の実施の形態7による流体圧式アクチュエータの収縮状態を示す断面図である。 この発明の実施の形態8による流体圧式アクチュエータの収縮状態を示す断面図である。 この発明の実施の形態9による流体圧式アクチュエータの収縮状態を示す断面図である。 この発明の運動装置を示す図である。

以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
［実施の形態１］
図1はこの発明の実施の形態1による流体圧式アクチュエータのインナチューブ1の収縮状態を示す断面図、図2は図1の流体圧式アクチュエータのインナチューブ1の膨張状態を示す断面図である。図において、膨張収縮体としてのインナチューブ1の両端部は、断面円形の第1及び第2のゴム栓2，3により封止されている。このゴム栓2，3の少なくとも一方は流体の給排口を有している。インナチューブ1は、例えばブチルゴム等の弾性体により構成されている。

第1及び第2のゴム栓2，3には、第1及び第2の空間縮小体4，5がそれぞれ一体に設けられている。第1及び第2の空間縮小体4，5は、インナチューブ1内に位置し、インナチューブ1内の空間の一部を埋めることにより収縮時のインナチューブ1の空間を縮小させる。即ち、空間縮小体4，5は、収縮時のインナチューブ1の実質的な容積を減少させる。
また、第1及び第2の空間縮小体4，5は、アクチュエータの収縮時に互いに当接するのを避けるように、インナチューブ1の長軸方向に互いに間隔をおいて配置されている。さらに、第1及び第2の空間縮小体4，5の断面積は、基端部から先端部へ向けて徐々に縮小されている。よって、インナチューブ1の収縮時にインナチューブ1が空間縮小体11に沿うようになり、インナチューブ1の中央部の空間を小さくすることができる。
また、空間縮小体4，5の先端面は球面状になっている。よって、インナチューブ1と空間縮小体11とが接触することによるインナチューブ1の損傷を防止することができる。

第1のゴム栓2には、流体である空気をインナチューブ1内に対して供給・排出するための給排管6が挿通されている。給排管6には、空気給排装置(図示せず)が接続される。
インナチューブ1の外周は、網状の被覆体であるメッシュスリーブ7により覆われている。メッシュスリーブ7は、例えば高張力繊維等の線材により構成されている。インナチューブ1及びメッシュスリーブ7の長軸方向の両端部は、それぞれ重ね合わせられ、複数の締め付け具(図示せず)とゴム栓2，3で挟持され、固定されている。
このような流体圧式アクチュエータでは、インナチューブ1に対して圧縮空気を供給することによりインナチューブ1が膨張するが、メッシュスリーブ7の素材は伸長されず、インナチューブ1の径の増大は流体圧式アクチュエータの全長の縮小に変換される。また、インナチューブ1から空気を排出することにより、インナチューブ1の径が小さくなり、流体圧式アクチュエータの全長は元に戻る。

インナチューブ1に流体を供給することにより、インナチューブ1内の圧力を均等に増加させ、インナチューブ1を膨張させる。また、インナチューブ1から流体を排出することにより、インナチューブ1内の圧力を均等に減少させ、インナチューブ1を収縮させる。
このとき、インナチューブ1内には、空間縮小体4，5が設けられているので、インナチューブ1内の圧力の増減を要する体積を小さくすることができる。そのため、インナチューブ1に供給・排出する流体の量を少なくすることができる。よって、起動時にインナチューブ1内の圧力を上昇させるのに必要な時間を短縮することができ、流体圧式アクチュエータの動作を高速化することができる。また、動作時に必要な流体の量を削減することができ、コンプレッサの小型化、消費電力の削減を図ることができる。

例えば、インナチューブ1に十分に圧縮空気が供給されたとき、流体圧式アクチュエータの可動部の軸方向への収縮量は可動部の3割程度であるため、空間縮小体4，5の軸方向の合計の長さを可動部の7割程度の長さにしておけば、インナチューブ1の膨張時に第1及び第2の空間縮小体4，5が互いに干渉することはない。そして、アクチュエータの駆動に必要な圧縮空気の量は、従来に比べて７割程度削減することができる。

また、インナチューブ1に十分に圧縮空気が供給されたとき、空間縮小体4，5が接する位置になるように、インナチューブ1の長さを設定してもよい。具体的には、インナチューブ1の膨張で流体圧式アクチュエータの全長が3cm収縮すると仮定すると、流体圧式アクチュエータの収縮状態時の空間縮小体4と空間縮小体5の間が3cmとしてなるように、インナチューブ1の長さを設定する。つまり、インナチューブ1が収縮する長さと、インナチューブ1膨張時の空間縮小体4と空間縮小体5の間の長さが等しくなるように設定する。

また、空間縮小体4，5の外形は、インナチューブ1の収縮時の形状に合わせて先細りの形状となっているため、インナチューブ1の収縮を妨げず、効率良くインナチューブ1内の空間を埋めることができる。さらに、空間縮小体4，5は、ゴム栓2，3に一体に設けたので、部品点数の増加を防ぐことができる。さらにまた、第1及び第2の空間縮小体4，5の外形を同じにすることにより、それらを同一の金型を用いて製造することができ、コストアップを抑制することができる。

［実施の形態２］
次に、図3はこの発明の実施の形態2による流体圧式アクチュエータのインナチューブ1の収縮状態を示す断面図である。第1及び第2のゴム栓2，3には、半球状の第1及び第2の空間縮小体8，9がそれぞれ一体に設けられている(第2のゴム栓3及び第2の空間縮小体9は、断面ではなく側面を示している)。他の構成及び動作は、実施の形態1と同様である。

インナチューブ1は収縮性を持つが、流体圧式アクチュエータの両端部の第1及び第2のゴム栓2，3は収縮性を持たないため、流体圧式アクチュエータのインナチューブ1の収縮時は、インナチューブ1は内側に凹んだ状態となる。流体圧式アクチュエータの両端部付近で不必要な空間が生まれるため、その分昇圧時間が長くなっていた。この実施の形態では、流体圧式アクチュエータの両端部付近で形成される収縮状態時に空間を半球状の第1及び第2の空間縮小体8，9で埋めるため、インナチューブ1内の圧力の増減を要する体積を小さくすることができる。そのため、インナチューブ1に供給・排出する流体の量を少なくすることができる。よって、起動時にインナチューブ1内の圧力を上昇させるのに必要な時間を短縮することができ、流体圧式アクチュエータの動作を高速化することができる。
このように、空間縮小体8，9の形状、大きさ、インナチューブ1内への突出量等は特に限定されるものではなく、図3に示すような空間縮小体8，9によっても、起動時にインナチューブ1内の圧力を上昇させるのに必要な時間を短縮することができ、動作を高速化することができる。

［実施の形態３］
次に、図4はこの発明の実施の形態３による流体圧式アクチュエータを示す断面図である。第2のゴム栓3には、断面円形の棒状の空間縮小体10が一体に設けられている。また、第1のゴム栓2には、空間縮小体は設けられていない。他の構成及び動作は、実施の形態1と同様である。
このように、一方のゴム栓3のみに空間縮小体10を設けてもよく、起動時にインナチューブ1内の圧力を上昇させるのに必要な時間を短縮することができ、動作を高速化することができる。なお、膨張収縮体の端部を封止する栓に空間縮小体を一体に設ける場合において、栓及び空間縮小体の材料はゴムに限定されるものではない。

［実施の形態４］
次に、図5はこの発明の実施の形態4による流体圧式アクチュエータを示す断面図である。インナチューブ1内には、断面円形の棒状の空間縮小体11が収容されている。空間縮小体11は、第1及び第2のゴム栓2，3から切り離されており、インナチューブ1内でインナチューブ1の軸方向に変位可能である。また、空間縮小体11は、例えばポリアセタール(POM)又はポリウレタン等の樹脂により構成されている。他の構成及び動作は、実施の形態1と同様である。
このように、インナチューブ1内で変位可能な空間縮小体11を用いてもよく、起動時にインナチューブ1内の圧力を上昇させるのに必要な時間を短縮することができ、動作を高速化することができる。

［実施の形態５］
次に、図6はこの発明の実施の形態5による流体圧式アクチュエータを示す断面図である。インナチューブ1内には、空間縮小体12が収容されている。空間縮小体12は、実施の形態4の空間縮小体11を中空としたものである。他の構成及び動作は、実施の形態1と同様である。このような構成によれば、空間縮小体12を軽量化することができ、アクチュエータ全体の重量化を抑制することができる。

［実施の形態６］
次に、図7はこの発明の実施の形態6による流体圧式アクチュエータを示す断面図である。インナチューブ1内には、空間縮小体13が収容されている。空間縮小体13は、可撓性を有する軟質の樹脂により構成され、インナチューブ1と一体に湾曲可能である。他の構成及び動作は、実施の形態1と同様である。このような構成によれば、空間縮小体13がアクチュエータ全体の湾曲を妨げることがなく、アクチュエータの用途を広げることができる。

［実施の形態７］
次に、図8はこの発明の実施の形態7による流体圧式アクチュエータを示す断面図である。インナチューブ1内には、空間縮小体14が収容されている。空間縮小体14は、例えば水等の流体を袋に封入することにより構成されている。他の構成及び動作は、実施の形態1と同様である。このような構成によれば、インナチューブ1の膨張・収縮による形状変化に対応して空間縮小体14を変形させることができ、インナチューブ1内の空間をより効率良く埋めることができる。例えば、インナチューブ1の初期状態(収縮状態)の寸法をφ20mm×300mm、膨張状態の寸法をφ50mm×210mmとすると、それぞれの体積は30πcm³、131.25πcm³となる。この初期状態のインナチューブ1内の空間のほぼ全てを空間縮小体14で満たすことにより、アクチュエータの起動から動作開始までに必要な圧縮流体をほぼゼロとすることができる。なお、空間縮小体は、例えばゲル状の材料、粉体又は粒子等を袋に封入したものであってもよい。

［実施の形態８］
次に、図9はこの発明の実施の形態8による流体圧式アクチュエータを示す断面図である。インナチューブ1内には、インナチューブ1の内径よりも十分に小径の粒子状の固体からなる多数の空間縮小体15が収容されている。他の構成及び動作は、実施の形態1と同様である。このように、粒子状の空間縮小体15を用いた場合も、インナチューブ1内の空間をより効率良く埋めることができる。

［実施の形態９］
次に、図10はこの発明の実施の形態9による流体圧式アクチュエータを示す断面図である。インナチューブ1内には、空間縮小体11が収容されている。空間縮小体11とインナチューブ1との間には、インナチューブ1に対する摩擦係数が空間縮小体11よりも小さい低摩擦体16が設けられている。この例では、袋状の低摩擦体16内に空間縮小体11が収容されている。言い換えれば、空間縮小体11は、低摩擦体16により覆われている。低摩擦体16の材料としては、例えばストッキング等に使用される伸縮可能な布材を用いることができる。また、このような布材は、例えばポリウレタンの芯繊維にナイロン繊維を組み合わせた合成繊維により構成されている。他の構成及び動作は、実施の形態1と同様である。
このような構成によれば、インナチューブ1が膨張・収縮する際に、インナチューブ1と空間縮小体11とが直接接触することによるインナチューブ1の損傷を防止することができる。なお、空間縮小体を低摩擦体で覆うという点は、前述の実施の形態1〜8にも適用することができる。

また、上記の例では、流体圧式アクチュエータとして空気圧式アクチュエータを示したが、膨張収縮体に供給される流体は、空気に限定されるものではなく、用途に応じて種々の気体又は液体を用いることができる。さらに、上記の例では、細長いチューブ状のアクチュエータのみを示したが、膨張収縮体の形状を変えることにより、種々の流体圧式アクチュエータを実現することができ、それらの流体圧式アクチュエータについてもこの発明を適用することができる。
さらにまた、この発明の流体圧式アクチュエータは、リハビリ用機器(例えばCPM装置)等の医療機器及び介護機器等のアクチュエータとして使用することができる。また、人間が着用する着用形のロボットを駆動するためのアクチュエータ、即ち人工筋肉として使用することもできる。さらに、産業用ロボットや建設機械等を駆動するためのアクチュエータとしても使用することができる。即ち、この発明の流体圧式アクチュエータは、あらゆる分野の機器に適用することができる。

図11は、実施の形態1〜9で説明した流体アクチュエータを適用した運動装置を示す。使用者の腕が載置される運動装置21は、第1のフレーム体22、第1のフレーム体22に対して相対的に回動可能(屈曲可能)な第2のフレーム体23、及び第1のフレーム体22と第2のフレーム体23との間に配置されている関節部24とを有している。第1及び第2のフレーム体22，23は、布製の外装材25と、外装材25内に配置された複数のエアチューブ26とを有している。

各エアチューブ26は、ゴム又はビニール等の可撓性材料により構成され、互いに平行に配列されている。また、運動装置21の厚さ方向へのエアチューブ26の配置層数は、運動装置21の幅方向の中央よりも幅方向の両端部で多くなっている。即ち、運動装置21の幅方向の両端部では、エアチューブ26が2層ずつ配置されており、他の箇所ではエアチューブ26は1層ずつ配置されている。全てのエアチューブ26は接続管(図示せず)により互いに接続されており、共通の供給口から空気を供給・排出できるようになっている。

関節部24は、布製の外装材25と、外装材25内に埋設されたクッション部材27とを有している。クッション部材27は、例えばスポンジ等から構成されている。使用時には、使用者の上腕が第1のフレーム体22に当てられ、使用者の前腕が第2のフレーム体23に当てられ、使用者の肘が関節部24に当てられる。

第1及び第2のフレーム体22，23は、エアチューブ26内に所定の圧力で空気が供給されることにより所定の剛性を持つ状態となり、エアチューブ26から空気を排出した状態ではフレキシブルである。所定の剛性とは、駆動対象となる人体部分の荷重、ここでは腕の荷重を十分に支持し、その荷重により変形しない程度の剛性(強度)である。
第1のフレーム体22と第2のフレーム体23との間には、第1のフレーム体22に対して第2のフレーム体23を相対的に回動させるための駆動力を発生するアクチュエータとして一対の流体圧式アクチュエータ28が設けられている。この流体圧式アクチュエータは実施の形態1〜実施の形態9で記載したものである。具体的には、流体圧式アクチュエータ28は、第1及び第2のフレーム体22，23の幅方向の両側に配置されている。

流体圧式アクチュエータ28は、空気の供給・排出により、その長さが縮小・伸長するものであり、縮小時に駆動力(引張力)を発生する。流体圧式アクチュエータ28の一端部は第1のフレーム体22に固定され、流体圧式アクチュエータ28の他端部は第2のフレーム体２３に固定されている。
エアチューブ26及び流体圧式アクチュエータ28には、可搬タイプの制御ボックス29がケーブル30を介して接続されている。制御ボックス29には、空気供給部、圧力制御器、出力選択器及び制御コンピュータ等が内蔵されている。
空気供給部からエアチューブ26及び流体圧式アクチュエータ28に供給される空気の圧力や供給・排出のタイミングは、制御コンピュータにより制御される。制御コンピュータには、1つ又は複数の動作プログラムが記憶されている。

制御ボックス29は、上記実施の形態で説明した空間縮小体の大きさによって、流体圧式アクチュエータ28に供給する空気の圧力や供給・排出の量を可変する。具体的には、実施の形態1において、インナチューブ1の膨張で流体圧式アクチュエータの全長が3cm収縮し、流体圧式アクチュエータの収縮状態時の空間縮小体4と空間縮小体5の間が2.5cmの時、制御ボックス29は、空間縮小体4と空間縮小体5が接触しないよう、流体圧式アクチュエータが2.5cm以内に収縮するように空気の圧力や供給・排出の量を可変する。また、制御ボックス29は、複数の流体圧式アクチュエータ28に供給する空気の圧力や量をそれぞれ設定する。複数の流体圧式アクチュエータ28に設置される空間縮小体が異なる場合、空間縮小体4と空間縮小体5が接触しないよう、それぞれの流体圧式アクチュエータ28に供給する空気の圧力や量を可変する。

以上より、実施の形態1〜9で説明した流体アクチュエータを運動装置21に適用することにより、運動装置21の動作を高速化することができる。また、制御ボックス29で流体圧式アクチュエータ28に供給する空気の圧力や量を設定することにより、運動装置21の運動機能を最大限に引き出すことができる。

Claims (14)

1. 両端が栓部材で封止され、流体が供給・排出されることにより膨張・収縮する膨張収縮体と、この膨張収縮体の外周を覆い、前記栓部材へその両端が締め付け固定された網状の被膜体と、前記栓部材へ設けられた流体の給排口とを備える流体圧式アクチュエータであって、
   上記膨張収縮体内の空間の少なくとも一部を埋める空間縮小体を備えることを特徴とする流体圧式アクチュエータ。
2. 上記膨張収縮体内に配置される上記空間縮小体は第1の空間縮小体と第2の空間縮小体からなり、第1の空間縮小体と第2の空間縮小体は、前記栓部材にそれぞれ連結され、上記膨張収縮体の長軸方向に互いに間隔を置いて配置されていることを特徴とする請求項1記載の流体圧式アクチュエータ。
3. 第1の空間縮小体と第2の空間縮小体の断面積は、基端部から先端部に向けて徐々に縮小されていることを特徴とする請求項2記載の流体圧式アクチュエータ。
4. 第1の空間縮小体と第2の空間縮小体の先端部は、球面状になっていることを特徴とする請求項2記載の流体圧式アクチュエータ。
5. 上記膨張収縮体が膨張・収縮する長さは、上記膨張収縮体の膨張時の第1の空間縮小体と第2の空間縮小体の間の長さに等しいことを特徴とする請求項2記載の流体圧式アクチュエータ。
6. 上記膨張収縮体はチューブ状であり、上記膨張収縮体の端部は第1のゴム栓及び第2のゴム栓により封止されており、上記空間縮小体は上記第1のゴム栓又は第2のゴム栓に一体に設けられていることを特徴とする請求項1記載の流体圧式アクチュエータ。
7. 上記第1のゴム栓又は第2のゴム栓に上記空間縮小体を有していることを特徴とする請求項6記載の流体圧式アクチュエータ。
8. 上記空間縮小体は、上記第1のゴム栓又は第2のゴム栓から切り離されていることを特徴とする請求項6記載の流体圧式アクチュエータ。
9. 上記空間縮小体は、中空であることを特徴とする請求項1記載の流体圧式アクチュエータ。
10. 上記空間縮小体は、可撓性を有し、上記膨張収縮体と一体に湾曲可能であることを特徴とする請求項1記載の流体圧式アクチュエータ。
11. 上記空間縮小体は、流体を袋に封入することにより構成されていることを特徴とする請求項1記載の流体圧式アクチュエータ。
12. 上記空間縮小体は、上記膨張収縮体の内径よりも十分に小さい粒子状の固体であることを特徴とする請求項1記載の流体圧式アクチュエータ。
13. 上記空間縮小体と上記膨張収縮体との間には、上記膨張収縮体に対する摩擦係数が上記空間縮小体よりも小さい低摩擦体が設けられていることを特徴とする請求項1記載の流体圧式アクチュエータ。
14. 第1のフレーム体と、上記第1のフレーム体に対して回動可能な第2のフレーム体と、上記第1のフレーム体に対して上記第2のフレーム体を相対的に回動させる上記請求項1〜13記載の流体圧式アクチュエータとを備え、上記第1のフレーム体に対して上記第2のフレーム体を回動させることにより人体の一部に運動を行わせる運動装置。

Images