WO2023203662A1 - ソフトアクチュエータ固定方法及びソフトアクチュエータユニット - Google Patents

Abstract

ソフトアクチュエータ固定方法は、ソフトアクチュエータ１を土台２に固定するソフトアクチュエータ固定方法であって、ソフトアクチュエータ１は、軸方向及び周方向の伸縮性を有する筒１１と、筒１１に螺旋状に巻かれ、筒１１の拡径を抑制し、筒１１内の圧力の増減に起因する筒１１の軸方向への伸縮に伴って当該軸方向へ伸縮するコイル１５と、を備え、筒１１の軸方向の端部には、フランジ部１４が設けられ、土台２には、当該端部を受け入れる凹部２１が設けられ、凹部２１には、フランジ部１４を係着させる溝２２が設けられ、フランジ部１４と溝２２とを係着させることによりソフトアクチュエータ１を土台２に固定する。

Description

ソフトアクチュエータ固定方法及びソフトアクチュエータユニット

　本開示は、ソフトアクチュエータ固定方法及びソフトアクチュエータユニットに関する。

　従来、材料そのものが変形する性質を利用した動力源であるソフトアクチュエータが開発されている。例えば、特許文献１には、従来の空気圧シリンダの代用が可能なソフトアクチュエータが開示されている。このソフトアクチュエータは、シリコーンチューブの外周に巻かれた金属バネにより当該シリコーンチューブの径方向への膨張を規制しつつ、シリコーンチューブの内部空間の圧力を増減させることにより、当該シリコーンチューブを軸方向へ伸縮させる仕組みとなっている。

特開２０１９－２０７０１７号公報

　上記特許文献１に開示されているソフトアクチュエータは、柔軟性を有する部材のみで構成されているため、機械部品として利用するためには、剛体の土台に固定する必要がある。しかしながら、上記特許文献１ではソフトアクチュエータの固定方法については言及がなされておらず、当該固定方法が確立されていない。

　本開示は、上記課題に鑑みてなされたもので、ソフトアクチュエータを土台に強固に固定することができるソフトアクチュエータ固定方法及びソフトアクチュエータユニットを提供することを目的とする。

　上記課題を解決するため、本開示のソフトアクチュエータ固定方法は、
　ソフトアクチュエータを土台に固定するソフトアクチュエータ固定方法であって、
　前記ソフトアクチュエータは、
　軸方向及び周方向の伸縮性を有する筒と、
　前記筒に螺旋状に巻かれ、前記筒の拡径を抑制し、前記筒内の圧力の増減に起因する前記筒の軸方向への伸縮に伴って当該軸方向へ伸縮するコイルと、
　を備え、
　前記筒の軸方向の端部には、フランジ部が設けられ、
　前記土台には、前記端部を受け入れる凹部が設けられ、
　前記凹部には、前記フランジ部を係着させる溝が設けられ、
　前記フランジ部と前記溝とを係着させることにより前記ソフトアクチュエータを前記土台に固定する。

　また、上記課題を解決するため、本開示のソフトアクチュエータユニットは、
　ソフトアクチュエータと、
　前記ソフトアクチュエータを固定する土台と、
　を備え、
　前記ソフトアクチュエータは、
　軸方向及び周方向の伸縮性を有する筒と、
　前記筒に螺旋状に巻かれ、前記筒の拡径を抑制し、前記筒内の圧力の増減に起因する前記筒の軸方向への伸縮に伴って当該軸方向へ伸縮するコイルと、
　を備え、
　前記筒の軸方向の端部には、フランジ部が設けられ、
　前記土台には、前記端部を受け入れる凹部が設けられ、
　前記凹部には、前記フランジ部を係着させる溝が設けられている。

　本開示によれば、土台へのソフトアクチュエータの固定を強固にすることができる。

ソフトアクチュエータユニットの構成を示す側面図である。 図１に示すソフトアクチュエータの筒及びコイル、並びに、土台を破断した状態の側断面図である。 図１に示すソフトアクチュエータが軸方向へ膨張した状態を示す側面図である。 ソフトアクチュエータの固定方法を説明するための図である。 土台にソフトアクチュエータを固定する手順を示すフローチャートである。

　以下、実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下で参照する各図は、説明の便宜上、実施形態を説明する上で必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。

〔ソフトアクチュエータユニットの構成〕
　まず、ソフトアクチュエータユニットＵの構成を説明する。図１は、ソフトアクチュエータユニットＵの構成を示す側面図である。

　図１に示すように、ソフトアクチュエータユニットＵは、ソフトアクチュエータ１と、土台２と、を備える。

　ソフトアクチュエータ１は、駆動対象を駆動する装置である。具体的には、ソフトアクチュエータ１は、例えば、流体（気体又は液体）の圧力によって、駆動対象を直動させる装置である。したがって、ソフトアクチュエータ１は、エアシリンダーと同様の用途に用いることができる。

　土台２は、ソフトアクチュエータ１を固定するための土台である。土台２は、例えば、樹脂材料からなる剛体で構成されており、この土台２に固定されたソフトアクチュエータ１を、対象となる機械装置（例えば、ロボット装置）の筐体等に取り付けるアダプタとしての機能を有する。なお、土台２は、金属材料からなる剛体で構成されていてもよい。

〔ソフトアクチュエータの構成〕
　次に、ソフトアクチュエータ１の構成を説明する。図２は、図１に示すソフトアクチュエータ１の筒１１及びコイル１５、並びに、土台２を破断した状態の側断面図である。図３は、図１に示すソフトアクチュエータ１が軸方向へ膨張した状態を示す側面図である。

　ソフトアクチュエータ１は、筒１１と、コイル１５と、流体機器１６と、チューブ１７と、を備える。

　筒１１は、軸方向の両側の端面が閉塞した円筒状の筒であり、その内側に空間部１２を有する。ただし、筒１１の一方の端面には、空間部１２に流体（気体又は液体）を流入させるための流入口１３が形成されている。なお、軸方向に垂直な断面における筒１１の内周及び外周の形状は円形に限るものではなく、四角形又は六角形等の多角形又はオーバル状であってもよい。

　筒１１は、柔軟性を有する軟質材料で形成されている。具体的には、筒１１は、ゴム弾性を有するゴム材料、例えばシリコーンゴムで形成されている。筒１１自体は、軸方向及び周方向の伸縮性を有する。

　筒１１は、流入口１３を通じて流体を空間部１２に流入させることで、空間部１２の圧力が外圧よりも高い状態となり、筒１１が軸方向に伸長する。このとき、筒１１には、径方向に伸長する力が加わるが、コイル１５が、周方向における筒１１の伸びと筒１１の拡径を抑制する。筒１１の拡径とは、筒１１が周方向に伸びて、筒１１の径が拡大することをいう。コイル１５は、軸方向における筒１１の伸縮を許容する。

　筒１１は、流入口１３が形成されている側の端部にフランジ部１４が形成されている。フランジ部１４は、筒１１の径方向に張り出している。フランジ部１４は、筒１１の外周に巻かれたコイル１５の外周面よりも径方向外方に張り出している。フランジ部１４は、円板状に形成されている。このフランジ部１４は、土台２に形成された溝２２と係着させることで土台２にソフトアクチュエータ１を固定させる機能を有している。

　コイル１５は、筒１１の内周よりも径方向外方において、軸方向に沿う筒１１の中心軸の回りの螺旋状に筒１１に巻かれている。具体的には、コイル１５は、軸方向に沿う筒１１の中心軸の回りの螺旋状に筒１１の外周に巻かれるとともに、筒１１の外周に接触する。コイル１５の一部、具体的にコイル１５の内周部は、筒１１の外周から内方に食い込んで、筒１１に埋め込まれている。したがって、コイル１５の外周部は、筒１１の外周において露出する。

　なお、コイル１５の全体が筒１１の内周と外周の間に埋め込まれて、コイル１５が筒１１の内周及び外周において露出していなくてもよい。この場合、筒１１を、コイル１５を絶縁する絶縁膜として機能させることができる。

　コイル１５は、導電性を有する。例えば、コイル１５は、導電性を有する材料として銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼又は導電性樹脂で形成されている。コイル１５は、絶縁性樹脂膜又は金属酸化膜等の絶縁膜によって被覆された導線である。

　コイル１５は、周方向における筒１１の伸びと筒１１の拡径を抑制する。これは、コイル１５が筒１１の中心軸の回りの螺旋状に筒１１に巻かれているためである。

　筒１１が空間部１２の圧力の上昇により軸方向に伸びると、コイル１５のピッチが広がり、コイル１５が軸方向に伸びる（図３参照）。筒１１が空間部１２の圧力の下降により軸方向に縮むと、コイル１５のピッチが狭まり、コイル１５が軸方向に縮む（図１参照）。なお、コイル１５はスプリングとして機能し、コイル１５が自然状態から軸方向に伸縮した場合、自然状態に復元しようとする弾性力を発生させる。

　コイル１５の内周部が筒１１の外周から内方に食い込んでいるため、筒１１に対するコイル１５の軸方向の滑りが抑制される。特に、筒１１が軸方向に伸縮しても、コイル１５が筒１１に対して軸方向に滑らないため、コイル１５が筒１１と共に軸方向に伸縮する。

　また、コイル１５は、電気回路におけるインダクタとして利用可能である。コイル１５がインダクタである場合、コイル１５のインダクタンスは軸方向におけるコイル１５の長さと相関関係にあり、コイル１５の長さ及びその変化量はコイル１５のインダクタンス及びその変化量から換算可能である。そのため、コイル１５は、筒１１の伸び及びその変化量を計測するセンサとして利用できる。

　流体機器１６は、コンプレッサーや弁等により構成され、チューブ１７を介して筒１１の空間部１２に流体を供給するとともに、その供給圧を制御する。チューブ１７は、その一端部が筒１１の流入口１３に接続され、他端部が流体機器１６に接続されている。

〔土台の構成〕
　次に、土台２の構成を説明する。
　土台２は、フランジ部１４の径よりも大きい径であり、且つ、フランジ部１４の厚みよりも肉厚が大きい円板形状をなしている。土台２は、その上面に筒１１の軸方向の端部を受け入れる凹部２１（図４参照）が設けられている。また、土台２は、凹部２１の内側面にフランジ部１４を係着可能な溝２２（図４参照）が設けられている。また、土台２は、例えば、その下面にチューブ１７を挿通可能な挿通孔２３（図４参照）が設けられており、土台２にソフトアクチュエータ１が固定された状態であっても、チューブ１７を介して筒１１の空間部１２に流体を供給可能となっている。また、土台２は、対象の機械装置に当該土台２をネジ止めするためのネジ孔などが設けられている。なお、土台２は、金属材料により構成されていてもよい。

〔ソフトアクチュエータの固定方法〕
　次に、土台２へのソフトアクチュエータ１の固定方法について説明する。図４は、ソフトアクチュエータ１の固定方法を説明するための図である。図４では、ソフトアクチュエータ１を側面図で表し、土台２を側断面図で表している。図５は、土台２にソフトアクチュエータ１を固定する手順を示すフローチャートである。なお、土台２にソフトアクチュエータ１を固定する際の当該ソフトアクチュエータ１は、流体機器１６及びチューブ１７を取り付ける前の状態のものである。

　図４及び図５に示すように、土台２にソフトアクチュエータ１を固定するにあたり、まず、筒１１の土台２との接着面を改質する表面処理工程（Ｓ１）を行う。具体的には、後述の組付け工程（Ｓ３）において、筒１１のフランジ部１４と土台２の溝２２とを係着させたときに土台２と接する筒１１の端部にプライマー（例えば、ｎ－ヘプタン）を塗布する。なお、筒１１の土台２との接着面を改質する方法は、プライマーを塗布する方法に限られず、例えば、当該接着面を加熱する方法や、当該接着面に対してプラズマ照射やイオン照射を行う方法であってもよい。また、上記の改質は、筒１１側だけではなく、土台２側に対しても行うようにしてもよいし、土台２側にのみ行うようにしてもよい。

　次いで、筒１１と土台２とのそれぞれに接着剤を塗布する接着剤塗布工程（Ｓ２）を行う。具体的には、筒１１と土台２との互いの接着面に接着剤（例えば、シアノアクリレート系接着剤）を塗布する。

　次いで、土台２にソフトアクチュエータ１を組付ける組付け工程（Ｓ３）を行う。具体的には、接着剤塗布工程（Ｓ２）において接着剤が塗布された筒１１の端部を、土台２の凹部２１に嵌合させ、フランジ部１４と溝２２とを係着させる。
　以上の各工程を経ることにより、図２に示すように、土台２にソフトアクチュエータ１が強固に固定される。なお、上記の固定方法では、土台２に対して筒１１を単体で組付けた後、当該筒１１にコイル１５を装着させるようにしてもよい。

〔効果〕
　以上のように、本実施形態に係るソフトアクチュエータ固定方法は、ソフトアクチュエータ１を土台２に固定するソフトアクチュエータ固定方法であって、ソフトアクチュエータ１は、軸方向及び周方向の伸縮性を有する筒１１と、筒１１に螺旋状に巻かれ、筒１１の拡径を抑制し、筒１１内の圧力の増減に起因する筒１１の軸方向への伸縮に伴って当該軸方向へ伸縮するコイル１５と、を備え、筒１１の軸方向の端部には、フランジ部１４が設けられ、土台２には、当該端部を受け入れる凹部２１が設けられ、凹部２１には、フランジ部１４を係着させる溝２２が設けられ、フランジ部１４と溝２２とを係着させることによりソフトアクチュエータ１を土台２に固定する。これにより、ソフトアクチュエータ１が土台２から外れ難くすることができるので、土台２へのソフトアクチュエータ１の固定を強固にすることができる。

　また、本実施形態に係るソフトアクチュエータ固定方法は、フランジ部１４と溝２２とを係着させたときに筒１１と土台２とが互いに接する面のうち筒１１側の面を改質する表面処理工程（Ｓ１）と、筒１１と土台２とが互いに接する面に接着剤を塗布する接着剤塗布工程（Ｓ２）と、を含む。これにより、フランジ部１４と溝２２とを好適に接着することができるので、土台２へのソフトアクチュエータ１の固定をより強固にすることができる。

　また、本実施形態に係るソフトアクチュエータ固定方法は、表面処理工程（Ｓ１）において、筒１１の土台２との接着面にプライマー（例えば、ｎ－ヘプタン）を塗布することで当該接着面を改質する。これにより、筒１１の土台２との接着面に接着剤を馴染み易くすることができるので、筒１１と土台２との接着を適切に行うことができる。

〔その他〕
　なお、上記実施形態における記述は、本開示に係るソフトアクチュエータ固定方法の一例であり、これに限定されるものではない。
　例えば、上記実施形態において、土台２が、上述した凹部２１と溝２２が設けられていない円板形状等である場合、筒１１のフランジ部１４が設けられている側の端面（底面）を改質し、改質された当該端面と、土台２の上面と、のそれぞれに接着剤を塗布し、筒１１と土台２とを接着することで、土台２にソフトアクチュエータ１を固定するようにしてもよい。かかる場合、筒１１にはフランジ部１４が設けられていなくてもよい。なお、上記の改質の方法は、接着剤を塗布する表面にプライマーを塗布する方法や、当該表面を加熱する方法、当該表面に対してプラズマ照射やイオン照射を行う方法などが挙げられる。また、上記の改質は、筒１１側だけではなく、土台２側に対しても行うようにしてもよい。

　また、上記実施形態では、土台２へソフトアクチュエータ１を固定するにあたり、当該ソフトアクチュエータ１の筒１１を介して土台２に固定しているが、当該ソフトアクチュエータ１のコイル１５を介して土台２に固定するようにしてもよい。かかる場合、土台２とコイル１５とが金属材料で形成されているときは、コイル１５と土台２とを、例えば、溶接、半田付け、又は金属用接着剤により接合することで、土台２へコイル１５を固定する。そして、土台２に接合されたコイル１５の部分を所定の型に嵌め込んだ状態で当該所定の型に筒１１の材料（例えばシリコーンゴム）を流し込むことで、当該コイル１５が筒１１の外周から内方に食い込んだ状態のソフトアクチュエータ１を作成する。続けて、土台２の凹部２２及び溝２２に筒１１の材料を流し込むことで、フランジ部１４を有する筒１１を成形し、筒１１のフランジ部１４と土台２の溝２２とが係着した状態のソフトアクチュエータユニットＵを作成する。なお、土台２は上述した凹部２１と溝２２が設けられていない円板形状等で構成されていてもよい。この場合、コイル１５と土台２とを、上述したように溶接、半田付け、又は金属用接着剤により接合することで、土台２へコイル１５を固定する。そして、土台２に接合されたコイル１５の部分を所定の型に嵌め込んだ状態で当該所定の型に筒１１の材料（例えばシリコーンゴム）を流し込むことで、当該コイル１５が筒１１の外周から内方に食い込んだ状態のソフトアクチュエータ１を作成する。なお、かかる場合には、予め作成しておいた筒１１を土台２に固定されたコイル１５に挿着することでソフトアクチュエータ１を作成するようにしてもよい。また、筒１１にはフランジ部１４が設けられていなくてもよい。

　また、土台２にソフトアクチュエータ１を固定するソフトアクチュエータ固定方法としては、以下の方法もある。
　この方法では、まず、コイル１５と土台２とが一体化された構造体を作成する。そして、この構造体のコイル１５の部分を所定の型に嵌め込んだ状態で当該所定の型に筒１１の材料（例えばシリコーンゴム）を流し込むことで、当該コイル１５が筒１１の外周から内方に食い込んだ状態のソフトアクチュエータ１を作成する。続けて、土台２の凹部２１及び溝２２に筒１１の材料を流し込むことで、フランジ部１４を有する筒１１を成形し、筒１１のフランジ部１４と土台２の溝２２とが係着した状態のソフトアクチュエータユニットＵを作成する。ここで、上記の構造体を作成する方法としては、例えば、金属３Ｄプリンタを用いる方法や、所定の材料の塊（円筒材、円柱材など）を削り出す方法などが挙げられる。なお、土台２は上述した凹部２１と溝２２が設けられていない円板形状等で構成されていてもよい。この場合、コイル１５と土台２とが一体化された構造体を作成する。そして、この構造体のコイル１５の部分を所定の型に嵌め込んだ状態で当該所定の型に筒１１の材料（例えばシリコーンゴム）を流し込むことで、当該コイル１５が筒１１の外周から内方に食い込んだ状態のソフトアクチュエータ１を作成する。なお、かかる場合には、予め作成しておいた筒１１を土台２と一体化されたコイル１５に挿着することでソフトアクチュエータ１を作成するようにしてもよい。また、筒１１にはフランジ部１４が設けられていなくてもよい。

　その他、上記実施の形態で示したソフトアクチュエータユニットＵの構成及びソフトアクチュエータ固定方法の具体的な細部は、本開示の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

　本開示は、ソフトアクチュエータ固定方法及びソフトアクチュエータユニットに利用することができる。

Ｕ　　ソフトアクチュエータユニット
１　　ソフトアクチュエータ
１１　筒
１２　空間部
１３　流入口
１４　フランジ部
１５　コイル
１６　流体機器
１７　チューブ
２　　土台
２１　凹部
２２　溝
２３　挿通孔

Claims (10)

1. 　ソフトアクチュエータを土台に固定するソフトアクチュエータ固定方法であって、
   　前記ソフトアクチュエータは、
   　軸方向及び周方向の伸縮性を有する筒と、
   　前記筒に螺旋状に巻かれ、前記筒の拡径を抑制し、前記筒内の圧力の増減に起因する前記筒の軸方向への伸縮に伴って当該軸方向へ伸縮するコイルと、
   　を備え、
   　前記筒の軸方向の端部には、フランジ部が設けられ、
   　前記土台には、前記端部を受け入れる凹部が設けられ、
   　前記凹部には、前記フランジ部を係着させる溝が設けられ、
   　前記フランジ部と前記溝とを係着させることにより前記ソフトアクチュエータを前記土台に固定する、
   　ソフトアクチュエータ固定方法。
2. 　前記フランジ部と前記溝とを係着させたときに前記筒と前記土台とが互いに接する面のうち少なくとも一方の面を改質する表面処理工程と、
   　前記少なくとも一方の面に接着剤を塗布する接着剤塗布工程と、
   　を含む請求項１に記載のソフトアクチュエータ固定方法。
3. 　前記表面処理工程では、前記少なくとも一方の面にプライマーを塗布することで当該面を改質する、
   　請求項２に記載のソフトアクチュエータ固定方法。
4. 　前記表面処理工程では、前記少なくとも一方の面を加熱することで当該面を改質する、
   　請求項２に記載のソフトアクチュエータ固定方法。
5. 　前記表面処理工程では、前記少なくとも一方の面に対してプラズマ照射又はイオン照射を行うことで当該面を改質する、
   　請求項２に記載のソフトアクチュエータ固定方法。
6. 　前記土台及び前記コイルは、金属材料で形成されており、
   　前記土台と前記コイルとを、溶接、半田付け、又は金属用接着剤により接合する接合工程を含む、
   　請求項１～５のいずれか一項に記載のソフトアクチュエータ固定方法。
7. 　前記土台と前記コイルとを一体的に成形する成形工程を含む、
   　請求項１～５のいずれか一項に記載のソフトアクチュエータ固定方法。
8. 　前記成形工程では、３Ｄプリンタにより、前記土台と前記コイルとを一体的に成形する、
   　請求項７に記載のソフトアクチュエータ固定方法。
9. 　前記成形工程では、所定の材料の塊を削り出すことにより、前記土台と前記コイルとを一体的に成形する、
   　請求項７に記載のソフトアクチュエータ固定方法。
10. 　ソフトアクチュエータと、
    　前記ソフトアクチュエータを固定する土台と、
    　を備え、
    　前記ソフトアクチュエータは、
    　軸方向及び周方向の伸縮性を有する筒と、
    　前記筒に螺旋状に巻かれ、前記筒の拡径を抑制し、前記筒内の圧力の増減に起因する前記筒の軸方向への伸縮に伴って当該軸方向へ伸縮するコイルと、
    　を備え、
    　前記筒の軸方向の端部には、フランジ部が設けられ、
    　前記土台には、前記端部を受け入れる凹部が設けられ、
    　前記凹部には、前記フランジ部を係着させる溝が設けられている、
    　ソフトアクチュエータユニット。

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