WO2007058107A1 - 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

流体圧式アクチュエータ及びそれを用いた運動装置 Download PDF

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fluid pressure
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expansion
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Inventor
Taisuke Matsushita
Yutaka Sato
Original Assignee
Hitachi Medical Corporation
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/08—Characterised by the construction of the motor unit
    • F15B15/10—Characterised by the construction of the motor unit the motor being of diaphragm type
    • F15B15/103—Characterised by the construction of the motor unit the motor being of diaphragm type using inflatable bodies that contract when fluid pressure is applied, e.g. pneumatic artificial muscles or McKibben-type actuators

Definitions

  • the present invention relates to a fluid pressure actuator driven by supply and discharge of a fluid such as air, and an exercise device using the same.
  • a conventional fluid pressure actuator has a net-like sheath that is not stretchable on the outer periphery of a rubber tube.
  • the diameter of the covering is increased.
  • An increase in the diameter of the covering is converted into a reduction in length, and a driving force can be obtained by this reduction (see, for example, Patent Document 1).
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-301807
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a hydraulic actuator that can increase the operation speed and an exercise device using the same. To do.
  • both ends are sealed with a plug member, and an expansion / contraction body that expands and contracts by supplying and discharging a fluid, and covers the outer periphery of the expansion / contraction body, and the plug member
  • a fluid pressure type actuator comprising a net-like film body whose ends of the navel are fastened and fixed, and a fluid supply / exhaust port provided to the plug member, wherein the space in the expansion / contraction body is small. It has a space reduction body that fills at least a part. Further, the space contraction body disposed in the expansion / contraction body becomes the first space contraction body and the second space contraction body force, and the first space contraction body and the second space contraction body are respectively applied to the plug member.
  • the expansion and contraction bodies are connected to each other and spaced apart from each other in the major axis direction.
  • the proximal end force is gradually reduced toward the distal end portion.
  • the tips of the first space reduction body and the second space reduction body are spherical.
  • the length at which the expansion / contraction body expands / contracts is equal to the length between the first space contraction body and the second space contraction body when the expansion / contraction body expands.
  • first frame body, the second frame body rotatable with respect to the first frame body, and the second frame body relative to the first frame body A fluid pressure type actuator that rotates the second frame body with respect to the first frame body, and exercises a part of the human body. is there.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a contracted state of a hydraulic actuator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an expanded state of the fluid pressure type actuator shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a contracted state of a hydraulic actuator according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 4 is a sectional view showing a contracted state of a hydraulic actuator according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a contracted state of a hydraulic actuator according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a contracted state of a hydraulic actuator according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a contracted state of a hydraulic actuator according to Embodiment 6 of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a contracted state of a hydraulic actuator according to Embodiment 7 of the present invention.
  • FIG. 9 is a sectional view showing a contracted state of a fluid pressure actuator according to an eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a contracted state of a hydraulic actuator according to Embodiment 9 of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing an exercise device of the present invention.
  • FIG. 1 is a sectional view showing a contracted state of an inner tube 1 of a fluid pressure type actuator according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 2 is a sectional view showing an expanded state of the inner tube 1 of the fluid pressure type actuator of FIG.
  • both end portions of an inner tube 1 as an expansion / contraction body are sealed with first and second rubber plugs 2 and 3 having a circular cross section. At least one of the rubber plugs 2 and 3 has a fluid supply / discharge rod.
  • the inner tube 1 is made of an elastic body such as butyl rubber.
  • the first and second rubber plugs 2 and 3 are integrally provided with first and second space contractors 4 and 5, respectively.
  • the first and second space contractors 4 and 5 are located in the inner tube 1 and fill a part of the space in the inner tube 1 to reduce the space of the inner tube 1 when contracted. That is, the space contractors 4 and 5 reduce the substantial volume of the inner tube 1 when contracted.
  • first and second space contractors 4 and 5 are arranged with a distance from each other in the major axis direction of the inner tube 1 so as to avoid contact with each other when the actuator contracts. Yes. Furthermore, the cross-sectional areas of the first and second space reduction bodies 4 and 5 are gradually reduced from the base end portion toward the tip end portion. Therefore, when the inner tube 1 contracts, the inner tube 1 follows the space contracting body 11, and the space in the center of the inner tube 1 can be reduced.
  • the first rubber plug 2 is inserted with a supply / exhaust pipe 6 for supplying and discharging air, which is a fluid, into the inner tube 1.
  • An air supply / discharge device (not shown) is connected to the supply / discharge pipe 6.
  • the outer periphery of the inner tube 1 is covered with a mesh sleeve 7 which is a net-like covering.
  • the mesh sleeve 7 is made of a wire material such as high-tensile fiber, for example. Both ends of the inner tube 1 and the mesh sleeve 7 in the major axis direction are overlapped, and are sandwiched and fixed by a plurality of fastening tools (not shown) and rubber plugs 2 and 3.
  • the inner tube 1 is expanded by supplying compressed air to the inner tube 1, but the material of the mesh sleeve 7 is not expanded, and the increase in the diameter of the inner tube 1 is caused by the fluid pressure type actuator. Is converted to a reduction of the total length of. Further, by discharging air from the inner tube 1, the diameter of the inner tube 1 is reduced, and the overall length of the fluid pressure type actuator is restored.
  • the space contractors 4 and 5 are provided in the inner tube 1, the volume required to increase or decrease the pressure in the inner tube 1 can be reduced. Therefore, the amount of fluid supplied to and discharged from the inner tube 1 can be reduced. Therefore, the time required to increase the pressure in the inner tube 1 at the time of activation can be shortened, and the operation of the fluid pressure actuator can be speeded up. In addition, the amount of fluid required during operation can be reduced, and the compressor can be reduced in size and power consumption can be reduced.
  • the contraction amount in the axial direction of the movable part of the fluid pressure actuator is about 30% of the movable part. If the total length in the axial direction is about 70% of the movable portion, the first and second space contractors 4 and 5 do not interfere with each other when the inner tube 1 is expanded. The amount of compressed air required to drive the actuator can be reduced by about 70% compared to the conventional method.
  • the length of the inner tube 1 may be set so that when the compressed air is sufficiently supplied to the inner tube 1, the space contractors 4 and 5 are in contact with each other.
  • the space between the space contracting body 4 and the space contracting body 5 in the contracted state of the fluid pressure type actuator is 3 cm.
  • the outer shape of the space contractors 4 and 5 is tapered in accordance with the shape of the inner tube 1 when contracted, the inner tube 1 is efficiently prevented without preventing the inner tube 1 from contracting.
  • the space inside can be filled.
  • the space contractors 4 and 5 are provided integrally with the rubber plugs 2 and 3, an increase in the number of parts can be prevented.
  • by making the outer shapes of the first and second space contractors 4 and 5 the same they can be manufactured using the same mold, and an increase in cost can be suppressed.
  • FIG. 3 is a sectional view showing a contracted state of the inner tube 1 of the fluid pressure type actuator according to the second embodiment of the present invention.
  • the first and second rubber plugs 2 and 3 are integrally provided with hemispherical first and second space contractors 8 and 9, respectively (second rubber plugs 3 and 2
  • the space reduction body 9 shows a side surface, not a cross section). Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment.
  • the inner tube 1 has contractibility
  • the first and second rubber plugs 2 and 3 at both ends of the fluid pressure type actuator do not have contractibility. Therefore, when the inner tube 1 of the fluid pressure type actuator is contracted, The inner tube 1 is recessed inward. Since unnecessary space was created near both ends of the fluid pressure actuator, the pressurization time was longer.
  • the pressure in the inner tube 1 is increased or decreased in order to fill the space with the hemispherical first and second space contractors 8 and 9 in the contracted state formed near both ends of the fluid pressure type actuator.
  • the required volume can be reduced. For this reason, the amount of fluid supplied to and discharged from the inner tube 1 can be reduced. Therefore, the time required to increase the pressure in the inner tube 1 at the time of start-up can be shortened, and the fluid pressure type The operation of the user can be speeded up.
  • the shape and size of the space contractors 8 and 9 and the amount of protrusion into the inner tube 1 are not particularly limited. Sometimes the time required to increase the pressure in the inner tube 1 can be shortened, and the operation can be speeded up.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a fluid pressure type actuator according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the second rubber plug 3 is provided with a rod-shaped space reducing body 10 having a circular cross section.
  • the first rubber plug 2 is not provided with a space reduction body.
  • Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment.
  • the space reducing body 10 only in one rubber plug 3, so that the time required to increase the pressure in the inner tube 1 at the time of start-up can be shortened, and the operation can be speeded up. Can do.
  • the material of the plug and the space reducing body is not limited to rubber when the space reducing body is provided integrally with the plug that seals the end of the expansion / contraction body.
  • FIG. 5 is a sectional view showing a fluid pressure type actuator according to Embodiment 4 of the present invention.
  • a bar-shaped space reduction body 11 having a circular cross section is accommodated in the inner tube 1.
  • the space reduction body 11 is separated from the first and second rubber stoppers 2 and 3 and can be displaced in the inner tube 1 in the axial direction of the inner tube 1.
  • the space contraction body 11 is made of a resin such as polyacetal (POM) or polyurethane. Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment.
  • POM polyacetal
  • Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment.
  • FIG. 6 is a sectional view showing a fluid pressure type actuator according to Embodiment 5 of the present invention.
  • a space reduction body 12 is accommodated in the inner tube 1.
  • the space reduction body 12 is a hollow space reduction body 11 of the fourth embodiment.
  • Other configurations and operations are implemented This is the same as Form 1. According to such a configuration, the space reduction body 12 can be reduced in weight, and the weight of the entire actuator can be suppressed.
  • FIG. 7 is a sectional view showing a fluid pressure type actuator according to Embodiment 6 of the present invention.
  • a space reduction body 13 is accommodated in the inner tube 1.
  • the space reduction body 13 is made of flexible soft resin and can be bent integrally with the inner tube 1.
  • Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment. According to such a configuration, it is possible to widen the use of the actuator in which the space contractor 13 does not hinder the bending of the entire actuator.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a fluid pressure type actuator according to Embodiment 7 of the present invention.
  • a space reduction body 14 is accommodated in the inner tube 1.
  • the space reduction body 14 is configured by enclosing a fluid such as water in a bag, for example. Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment. According to such a configuration, the space contracting body 14 can be deformed in response to the shape change due to the expansion and contraction of the inner tube 1, and the space in the inner tube 1 can be filled more efficiently.
  • the inner tube 1 has an initial state (contracted state) of ⁇ 20 mm ⁇ 300 mm and an expanded state of ⁇ 50 mm ⁇ 210 mm, the respective volumes are 30 ⁇ cm 3 and 131.25 ⁇ cm 3 .
  • the space reduction body may be, for example, a gel material, powder or particles sealed in a bag.
  • FIG. 9 is a sectional view showing a fluid pressure type actuator according to Embodiment 8 of the present invention.
  • the inner tube 1 a large number of space reduction bodies 15 that are particulate solid forces having a diameter sufficiently smaller than the inner diameter of the inner tube 1 are accommodated.
  • Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment. In this way, even when the particulate space reduction body 15 is used, the space in the inner tube 1 can be filled more efficiently.
  • FIG. 10 is a sectional view showing a fluid pressure type actuator according to Embodiment 9 of the present invention.
  • a space reduction body 11 is accommodated in the inner tube 1.
  • a low friction body 16 having a friction coefficient with respect to the inner tube 1 smaller than that of the space contracting body 11 is provided.
  • the space reduction body 11 is accommodated in a bag-like low friction body 16.
  • the space reduction body 11 is covered with the low friction body 16.
  • a material of the low friction body 16 for example, a stretchable cloth material used for stockings or the like can be used.
  • Such a cloth material is made of, for example, synthetic fibers in which nylon fibers are combined with polyurethane core fibers. Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment.
  • the pneumatic actuator is shown as the fluid pressure actuator.
  • the fluid supplied to the expansion / contraction body is not limited to air, but various gases or liquids may be used depending on the application. Can be used.
  • various fluid pressure type actuators can be realized by changing the shape of the force expansion / contraction body that shows only the elongated tube-like actuators. Can be applied.
  • the fluid pressure actuator of the present invention can be used as an actuator for medical equipment such as rehabilitation equipment (for example, CPM equipment) and nursing care equipment. It can also be used as an actuator for driving a wearable robot worn by humans, that is, an artificial muscle. Furthermore, it can be used as an actuator for driving industrial robots and construction machines. That is, the fluid pressure type actuator according to the present invention can be applied to devices in various fields.
  • FIG. 11 shows an exercise device to which the fluid actuator described in the first to ninth embodiments is applied.
  • the exercise device 21 on which the user's arm is placed includes a first frame body 22, a second frame body 23 that is rotatable (bendable) relative to the first frame body 22, and First frame It has a joint 24 arranged between the body 22 and the second frame body 23.
  • the first and second frame bodies 22 and 23 each have a cloth exterior member 25 and a plurality of air tubes 26 arranged in the exterior member 25.
  • the air tubes 26 are made of a flexible material such as rubber or vinyl, and are arranged in parallel to each other. Further, the number of layers of the air tubes 26 in the thickness direction of the exercise device 21 is larger at both ends in the width direction than in the center of the exercise device 21 in the width direction. That is, two layers of air tubes 26 are arranged at both ends in the width direction of the exercise device 21, and the air tubes 26 are arranged one layer at other locations. All the air tubes 26 are connected to each other by a connecting pipe (not shown), so that a common supply loca can also supply and discharge air.
  • a connecting pipe not shown
  • the joint portion 24 includes a cloth exterior material 25 and a cushion member 27 embedded in the exterior material 25.
  • the cushion member 27 is also configured with, for example, a sponge isotropic force.
  • the user's upper arm is applied to the first frame body 22, the user's forearm is applied to the second frame body 23, and the user's elbow is applied to the joint 24.
  • the first and second frame bodies 22, 23 have a predetermined rigidity when air is supplied into the air tube 26 at a predetermined pressure, and the air is discharged from the air tube 26. So it is flexible.
  • the predetermined rigidity is a rigidity (strength) enough to support the load of the human body part to be driven, here the arm load, and not to be deformed by the load.
  • an actuator that generates a driving force for rotating the second frame body 23 relative to the first frame body 22.
  • a pair of fluid pressure actuators 28 is provided! This fluid pressure type actuator is the one described in the first to ninth embodiments. Specifically, the hydraulic actuator 28 is disposed on both sides of the first and second frame bodies 22 and 23 in the width direction.
  • the fluid pressure type actuator 28 is reduced in length due to supply / discharge of air, and generates a driving force (tensile force) at the time of reduction.
  • One end of the fluid pressure actuator 28 is fixed to the first frame body 22, and the other end of the fluid pressure actuator 28 is fixed to the second frame body 23.
  • a portable control box 29 is connected to the air tube 26 and the fluid pressure actuator 28 via a cable 30.
  • the control box 29 contains an air supply unit, a pressure controller, an output selector, a control computer, and the like.
  • the pressure of the air supplied from the air supply unit to the air tube 26 and the fluid pressure actuator 28 and the timing of supply and discharge are controlled by a control computer.
  • the control computer stores one or more operation programs.
  • the control box 29 varies the pressure of the air supplied to the fluid pressure actuator 28 and the amount of supply 'discharge according to the size of the space contractor described in the above embodiment. Specifically, in the first embodiment, the expansion of the inner tube 1 causes the total length of the fluid pressure type actuator to contract by 3 cm, and the space between the space contraction body 4 and the space contraction body 5 when the fluid pressure type actuator is contracted is 2.5 cm. At this time, the control box 29 varies the air pressure and the amount of supply / discharge so that the fluid pressure actuator contracts within 2.5 cm so that the space contracting body 4 and the space contracting body 5 do not contact each other. The control box 29 sets the pressure and amount of air supplied to the plurality of fluid pressure type actuators 28, respectively. When the space contractors installed in a plurality of fluid pressure actuators 28 are different, the pressure and amount of air supplied to each fluid pressure actuator 28 are varied so that the space contractors 4 and 5 do not contact each other. .
  • the operation of the exercise device 21 can be performed at high speed. Further, by setting the pressure and amount of air supplied to the fluid pressure actuator 28 in the control box 29, the motion function of the motion device 21 can be maximized.

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

明 細 書
流体圧式ァクチユエータ及びそれを用いた運動装置
技術分野
[0001] 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ァクチユエータ 及びそれを用 、た運動装置に関するものである。
背景技術
[0002] 従来の流体圧式ァクチユエータにお!/、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)。
特許文献 1：特開 2003-301807号公報
[0003] 上記のような従来の流体圧式ァクチユエータでは、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 らな力つた。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 ァクチユエータとしての動作が開始するまでの時間が長力つた。例えば、この流体圧 式ァクチユエータを CPM装置 (運動装置)に適用した場合、起動して力 患者の関節 を動力し始めるまでに 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。
[0004] 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 を高速ィ匕することができる流体圧式ァクチユ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。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] 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ァクチユエータであって、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の空間縮小体力 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、基端部力も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。
[0006] 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 記流体圧式ァクチユエ一タとを備え、上記第 1のフレーム体に対して上記第 2のフレ 一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。
図面の簡単な説明
[0007] [図 1]この発明の実施の形態 1による流体圧式ァクチユエータの収縮状態を示す断面 図である。
[図 2]図 1の流体圧式ァクチユエータの膨張状態を示す断面図である。
[図 3]この発明の実施の形態 2による流体圧式ァクチユエータの収縮状態を示す断面 図である。
[図 4]この発明の実施の形態 3による流体圧式ァクチユエータの収縮状態を示す断面 図である。
[図 5]この発明の実施の形態 4による流体圧式ァクチユエータの収縮状態を示す断面 図である。
[図 6]この発明の実施の形態 5による流体圧式ァクチユエータの収縮状態を示す断面 図である。
[図 7]この発明の実施の形態 6による流体圧式ァクチユエータの収縮状態を示す断面 図である。
[図 8]この発明の実施の形態 7による流体圧式ァクチユエータの収縮状態を示す断面 図である。 [図 9]この発明の実施の形態 8による流体圧式ァクチユエータの収縮状態を示す断面 図である。
[図 10]この発明の実施の形態 9による流体圧式ァクチユエータの収縮状態を示す断 面図である。
[図 11]この発明の運動装置を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
[0008] 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による流体圧式ァクチユ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の流体圧式ァクチユ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ロを有している。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 、る。
[0009] 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、ァクチユ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!/、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、インナチユーブ 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 [0010] 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 ユーブ 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ァクチユエータでは、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ァクチユ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、流体圧式ァクチユエータの全長は元に戻る。
[0011] 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、起動時にィ 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 式ァクチユエータの動作を高速ィ匕することができる。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。
[0012] 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、流体圧式ァクチュ 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、ァ クチユ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。 [0013] 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の膨張で流体圧式ァクチユエータの全長が 3cm収縮すると仮定すると、流 体圧式ァクチユ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。
[0014] 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、効率良くインナチユー 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。
[0015] [実施の形態 2]
次に、図 3はこの発明の実施の形態 2による流体圧式ァクチユエータのインナチユー 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 、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。
[0016] インナチューブ 1は収縮性を持つが、流体圧式ァクチユ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、流体圧式ァクチユエータのインナチユー 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。流体圧式ァクチユエ 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つてい た。この実施の形態では、流体圧式ァクチユ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、インナチユー 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、インナチユー 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、流体圧式ァクチ ユエータの動作を高速ィ匕することができる。
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ぐ図 3に示すような空間縮小体 8, 9によっても、起動時にィ 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 高速ィ匕することができる。
[0017] [実施の形態 3]
次に、図 4はこの発明の実施の形態 3による流体圧式ァクチユ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がー体に設けられてい 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を設けてもよぐ起動時にインナチ ユーブ 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 ける場合にぉ 、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 、。
[0018] [実施の形態 4]
次に、図 5はこの発明の実施の形態 4による流体圧式ァクチユ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榭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を用いてもよぐ起動時 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。
[0019] [実施の形態 5]
次に、図 6はこの発明の実施の形態 5による流体圧式ァクチユ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を軽量ィ匕することがで き、ァクチユエータ全体の重量ィ匕を抑制することができる。
[0020] [実施の形態 6]
次に、図 7はこの発明の実施の形態 6による流体圧式ァクチユ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榭脂により構成され、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がァクチユエータ全体の湾曲を妨げることがなぐァクチユエータの用途 を広げることができる。
[0021] [実施の形態 7]
次に、図 8はこの発明の実施の形態 7による流体圧式ァクチユ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 φ 20mm X 300mm,膨張状態の寸法を φ 50mm X 210mmとすると、 それぞれの体積は 30 π cm3、 131.25 π cm3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、ァクチユ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 、。
[0022] [実施の形態 8]
次に、図 9はこの発明の実施の形態 8による流体圧式ァクチユ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 の固体力 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 ユーブ 1内の空間をより効率良く埋めることができる。
[0023] [実施の形態 9] 次に、図 10はこの発明の実施の形態 9による流体圧式ァクチユ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 、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。
[0024] また、上記の例では、流体圧式ァクチユエータとして空気圧式ァクチユエータを示し 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ぐ用途に応じ 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 ブ状のァクチユエータのみを示した力 膨張収縮体の形状を変えることにより、種々 の流体圧式ァクチユエータを実現することができ、それらの流体圧式ァクチユエータ 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ァクチユエータは、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ァクチユ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ァクチユエータ、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 ァクチユ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ァクチユエ ータは、あらゆる分野の機器に適用することができる。
[0025] 図 11は、実施の形態 1〜9で説明した流体ァクチユ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 2 2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ェ ァチューブ 26とを有して!/、る。
[0026] 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つている。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!、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、共通の供給ロカも空気を供給'排出できるよ うになつている。
[0027] 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、例えばスポンジ等力も構成されている。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 2 3に当てられ、使用者の肘が関節部 24に当てられる。
[0028] 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ァクチユエータと して一対の流体圧式ァクチユエータ 28が設けられて!/、る。この流体圧式ァクチユエ一 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、流体圧式ァク チユエータ 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
[0029] 流体圧式ァクチユエータ 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。流体圧式ァクチユエータ 28の一端 部は第 1のフレーム体 22に固定され、流体圧式ァクチユエータ 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及び流体圧式ァクチユエータ 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及び流体圧式ァクチユエータ 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。制御コンビュ 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。
[0030] 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 圧式ァクチユエータ 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の膨張で流体圧式ァクチユエータの 全長が 3cm収縮し、流体圧式ァクチユ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、流体圧式ァクチユエータが 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、複数の流体圧式ァクチユエータ 28に 供給する空気の圧力や量をそれぞれ設定する。複数の流体圧式ァクチユエータ 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 、よう 、それぞれの流体圧式ァクチユエータ 28に供給する空気の圧力や量を可変する。
[0031] 以上より、実施の形態 1〜9で説明した流体ァクチユエータを運動装置 21に適用す ることにより、運動装置 21の動作を高速ィ匕することができる。また、制御ボックス 29で 流体圧式ァクチユエータ 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

請求の範囲
[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ァ クチユエータであって、
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 徴とする流体圧式ァクチユエータ。
[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 縮小体力 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!、て配置されて!、ることを特 徴とする請求項 1記載の流体圧式ァクチユエータ。
[3] 第 1の空間縮小体と第 2の空間縮小体の断面積は、基端部力 先端部に向けて徐 々に縮小されて 、ることを特徴とする請求項 2記載の流体圧式ァクチユエータ。
[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記載の流体圧式ァクチユエータ。
[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 圧式ァクチユエータ。
[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記載の流体圧式ァクチユエ一 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記載の流体圧式ァクチユエータ。
[8] 上記空間縮小体は、上記第 1のゴム栓又は第 2のゴム栓力 切り離されていることを 特徴とする請求項 6記載の流体圧式ァクチユエータ。
[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記載の流体圧式ァクチュ ェ1 ~~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記載の流体圧式ァクチユエータ。
[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記載の流体圧式ァクチユエータ。
[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記載の流体圧式ァクチユエータ。
[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!/ヽ低摩擦体が設けられて ヽることを特徴とする請求項
1記載の流体圧式ァクチユエータ。
[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記載の流体圧式ァクチユエ一タとを備え、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。
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