(57)【要約】【課題】小型で作動範囲の拡大が可能な蛇腹型アクチュエータを構成する。【解決手段】筒状となる作動部材１１と、この作動部材１１の長手方向に沿う一側部において、作動部材１１の外方に張り出す複数の蛇腹体１２とを備えている。蛇腹体１２が、作動部材１１の外面から外方に張り出す一対の受圧壁１２ａを作動部材１１の長手方向に沿う位置で並列し、一対の受圧壁１２ａの間に作動部材１１の内部空間と連通する受圧空間を形成する。流体の圧力が作用しない状況での一対の受圧壁１２ａの間隔が、作動部材１１から離間するほど拡大するように受圧壁１２ａの姿勢を設定した。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状となる作動部材と、
前記作動部材の長手方向に沿う一側部において、前記作動部材の外方に張り出す袋状の複数の蛇腹体と、を備え、
前記蛇腹体が、前記作動部材の外面から外方に張り出す一対の受圧壁を並設し、一対の前記受圧壁の間に、前記作動部材の内部空間と連通する受圧空間を形成しており、
流体の圧力が作用しない状況での一対の前記受圧壁の間隔が、前記作動部材から離間するほど拡大するように前記受圧壁の姿勢が設定されている蛇腹型アクチュエータ。
【請求項２】
前記作動部材は、複数の前記蛇腹体が形成された一側部の反対側である他側部に配置された平坦なベース壁を含み、前記長手方向に沿う方向視おいて、前記蛇腹体の外周壁と、前記ベース壁とが周方向で連設され、
前記長手方向に沿う方向視おいて、前記外周壁が、前記ベース壁の厚み方向での中央より外側の位置に接合している請求項１に記載の蛇腹型アクチュエータ。
【請求項３】
前記長手方向に沿う方向視おいて、前記ベース壁の肉厚が、前記蛇腹体の前記外周壁の肉厚より大きく設定されている請求項２に記載の蛇腹型アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の圧力により湾曲する蛇腹型アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
上記構成の蛇腹型アクチュエータとして特許文献１には、文献中の図１７等に示されるように一側部がアコーデオン状で、他側部が平滑な構造を有し、内部に流体が供給されることにより一側部が、他側部より大きく伸長することにより全体が湾曲するアクチュエータの技術が記載されている。
【０００３】
また、特許文献２には、蛇腹状の伸縮部を有し、屈曲内側の蛇腹の山の全てまたは一部を拘束する構成を備えること、あるいは、屈曲内側の蛇腹の山の数を屈曲外側の山の数より小さくすることにより、流体が供給された際には全体を屈曲させるアクチュエータの技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１７−５３００１８号公報
【特許文献２】特開２０１７−１４５８７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１、あるいは、特許文献２に記載されるように流体の給排によって湾曲作動が行われるアクチュエータは、例えば電動モータあるいは電磁ソレノイドの駆動力を用いる装置と比較してギヤやワイヤのように駆動力を伝える部材を必要とせず、小型化も容易である。
【０００６】
しかしながら、例えば、空気圧で湾曲する蛇腹型アクチュエータを用いて小型のマニピュレータを製造することを考えると、小型であるほど蛇腹部位の受圧面積が狭小化するため、対象物を掴む力が低下するものであった。更に、小型であるほど蛇腹部位での作動量が縮小する不都合に繋がるものであった。
【０００７】
尚、対象物を掴む力を増大するため、蛇腹型アクチュエータに供給する空気の圧力を高めることも考えられるが、ポンプの容量の増大を必要とするだけでなく、流体を供給する流路での流体のリークを抑制する必要もあるため、シールの高性能化を必要とする等の不都合を招くものであった。
【０００８】
このような理由から、小型で強力に作動し作動量の拡大も可能な蛇腹型アクチュエータが求められる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る蛇腹型アクチュエータの特徴構成は、筒状となる作動部材と、前記作動部材の長手方向に沿う一側部において、前記作動部材の外方に張り出す袋状の複数の蛇腹体と、を備え、前記蛇腹体が、前記作動部材の外面から外方に張り出す一対の受圧壁を並設し、一対の前記受圧壁の間に、前記作動部材の内部空間と連通する受圧空間を形成しており、流体の圧力が作用しない状況での一対の前記受圧壁の間隔が、前記作動部材から離間するほど拡大するように前記受圧壁の姿勢が設定されている点にある。
【００１０】
この特徴構成によると、作動部材の内部空間に流体を供給した場合には、この流体が複数の蛇腹体の内部の受圧空間に供給され、流体圧により複数の受圧空間の受圧壁の間隔を拡大するため、作動部材の一側部を他方より大きく伸長させ、作動部材全体を湾曲させる。
【００１１】
特に、流体からの圧力が作用しない状況での一対の受圧壁の間隔が作動部材から離間するほど拡大するように受圧壁の姿勢が設定されているため、流体圧の作用による受圧空間の膨張に伴い一対の受圧壁のうち作動部材に近い位置の間隔が、作動部材から離間する位置の間隔より大きく拡大し、これにより作動部材を大きい曲率で湾曲させることも可能となる。また、受圧空間に流体が供給された場合には、一対の受圧壁が互いに平行する方向に姿勢が変化するため、各々の受圧壁に直交する方向からの圧力を受け、大きい作動力を得ることも可能となる。
従って、小型で強力に作動し作動量の拡大も可能な蛇腹型アクチュエータが構成された。
【００１２】
他の構成として、前記作動部材は、複数の前記蛇腹体が形成された一側部の反対側である他側部に配置された平坦なベース壁を含み、前記長手方向に沿う方向視において、前記蛇腹体の外周壁と、前記ベース壁とが周方向で連設され、前記長手方向に沿う方向視おいて、前記外周壁が、前記ベース壁の厚み方向での中央より外側の位置に接合しても良い。
【００１３】
これによると、流体の供給に伴い蛇腹領域が伸長する際には平坦なベース壁を曲げる形態となるため蛇腹型アクチュエータの曲げ方向が安定する。また、作動部材の長手方向に沿う方向視において蛇腹体の外周壁が、ベース壁に対し、このベース壁の厚み方向での中央より外側に接合するため、蛇腹体の外周壁の全長を長くすることになり、流体の供給に伴い蛇腹体が変形する際に、この変形に抗する力が抑制され蛇腹体の変形を容易に行わせる。
【００１４】
他の構成として、前記長手方向に沿う方向視おいて、前記ベース壁の肉厚が、前記蛇腹体の前記外周壁の肉厚より大きく設定されても良い。
【００１５】
この構成では、作動部材の内部空間に流体が供給された場合には、この流体の圧力がベース壁の内面と、蛇腹体の内部の受圧空間とに作用するものの、ベース壁の肉厚が、蛇腹体の外周壁の肉厚より大きいため、ベース壁が外方に膨張する現象を抑制し、エネルギーロスを低減しつつ、蛇腹型アクチュエータの湾曲を容易に行わせることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】マニピュレータの側面図である。
【図２】非作動状態のフィンガー部の側面図である。
【図３】作動状態のフィンガー部の側面図である。
【図４】非作動状態のフィンガー部の断面図である。
【図５】作動状態のフィンガー部の断面図である。
【図６】非作動状態の蛇腹型アクチュエータの部分断面図である。
【図７】作動状態の蛇腹型アクチュエータの部分断面図である。
【図８】図４のVIII−VIII線断面図である。
【図９】図４のIX−IX線断面図である。
【図１０】作動状態の一対のフィンガー部を示す側面図である。
【図１１】別実施形態（ａ）のマニピュレータの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔全体構成〕
図１に示すように、支持フレーム１に３つのフィンガー部Ａｆを備え、支持フレーム１の上下方向への作動と横方向への作動を可能にする作動機構２を備えてマニピュレータＡが構成されている。
【００１８】
このマニピュレータＡは、小型の機械部品や、少量の食料品を掴んで移動させる作業や、パーツ類を掴んで所定の位置に配置する作業等を可能にするものである。このような作業を可能にするため、各々のフィンガー部Ａｆが、２つの作動体７を支軸８で成る関節部で屈曲自在に連結し、この２つの作動体７の内部に１つの蛇腹型アクチュエータ１０を収容して構成されている。２つの作動体７は、硬質の樹脂や金属で形成され、蛇腹型アクチュエータ１０は、ゴムや柔軟に変形し得る樹脂等のエラストマーで形成されている。
【００１９】
作動機構２は、支持フレーム１の上面に連結された第１作動部２ａと、この第１作動部２ａに対して縦向き姿勢の回転軸芯Ｙを中心に回転自在に連結された第２作動部２ｂと、第２作動部２ｂに対して連結されたリンク機構やアーム等を備えている。尚、図面にはリンク機構やアーム等は示していない。
【００２０】
このマニピュレータＡは、蛇腹型アクチュエータ１０の各々に連通するチューブ３が支持フレーム１の内部に配置され、支持フレーム１の外面にはチューブ３に接続されたエアー給排管４が備えられ、エアー給排管４に対してエアー（流体の一例）を給排する制御チューブ５が備えられている。そして、制御チューブ５に対するエアーの給排によりフィンガー部Ａｆで対象物を掴む作動と、放す作動との制御が実現する。
【００２１】
このフィンガー部Ａｆでは、対象物を掴む作動を行う際に、対象に向かう部位を内壁部と称し、この反対側の面を外壁部と称し、これらに直交する側を側壁部と称する。
【００２２】
〔フィンガー部〕
図１〜図５、図８、図９に示すように、作動体７は、全体的に筒状に成形された第１作動体７ａと、先端部が閉じる有底筒状に成形された第２作動体７ｂとを一対の支軸８で屈曲自在に連結して構成されている。第１作動体７ａは、基端部（図１で上端）が支持フレーム１に対してビス９により固定されている。
【００２３】
第１作動体７ａは、先端側の外壁部と内壁部とを取り除くことにより一対の側壁が下向きに突出する第１フォーク状部７ａｆが形成されている。また、第２作動体７ｂは、支持端部（図１で上端）の外壁部と内壁部とを取り除くことにより一対の側壁が上向きに突出する第２フォーク状部７ｂｆに形成されている。
【００２４】
支軸８は、図２、図３に示すように第１作動体７ａの第１フォーク状部７ａｆを構成する一対の側壁と、第２作動体７ｂの第２フォーク状部７ｂｆを構成する一対の側壁との各々に亘る位置に備えられている。一対の支軸８は、図２〜図４に示すように、作動面に直交する方向視でフィンガー部Ａｆの折れ曲がり方向に偏位した位置に配置されている。
【００２５】
この実施形態の支軸８は、第２フォーク状部７ｂｆを構成する側壁の外面から外方に突出しており、この支軸８を第１フォーク状部７ａｆに形成された貫通孔に挿通することで第１作動体７ａと第２作動体７ｂとの折れ曲がりを可能にしている。尚、支軸８は、この構成に限るものではなく、第１フォーク状部７ａｆを構成する側壁と、第２フォーク状部７ｂｆを構成する側壁とに形成された貫通孔に挿通する軸体によって構成されるものでも良い。
【００２６】
〔蛇腹型アクチュエータ〕
図４〜図９に示すように、蛇腹型アクチュエータ１０は、全体的に筒状となる作動部材１１と、この作動部材１１の長手方向に沿う一側部において外方に張り出す複数の袋状の蛇腹体１２とを備えている。また、作動部材１１は、複数の袋状の蛇腹体１２が形成された蛇腹領域１０ａと対向する他側部となるベース領域１０ｂに平坦なベース壁１３が形成されることにより、全体的に筒状に形成されている。
【００２７】
この蛇腹型アクチュエータ１０では、蛇腹領域１０ａの両端部において、蛇腹体１２より外端側に作動部材１１から外方に突出する押圧体１４が形成されている。第１作動体７ａの基端側には、基端側の押圧体１４の圧力を受ける第１受圧部７ａｓが、第１作動体７ａと一体的に形成され、これと同様に、第２作動体７ｂの先端側には先端側の押圧体１４の圧力を受ける第２受圧部７ｂｓが、第２作動体７ｂと一体的に形成されている。
【００２８】
特に、図４に示すように、蛇腹体１２は、その内部に、作動部材１１の内部空間とスリット１１ａを介して連通する受圧空間１２ｃが形成されると共に、この受圧空間１２ｃにおいて、エアー（流体の一例）の圧力を受ける一対の受圧壁１２ａ，１２ａが長手方向に沿う方向で並列されている。また、エアーの圧力が作用しない状況で一対の受圧壁１２ａ，１２ａの間隔が、作動部材１１から離間するほど拡大するように姿勢が設定されている。つまり、受圧空間１２ｃは、作動部材１１の近い部位ほど受圧壁１２ａが狭まるように、受圧壁１２ａの各々の姿勢が設定されている。また、外周壁１２ｂは蛇腹体１２を周方向に取り囲んでいる。蛇腹体１２は一対の受圧壁１２ａ，１２ａと外周壁１２ｂにより構成されており、これらに囲まれた空間が受圧空間１２ｃである。
【００２９】
この蛇腹型アクチュエータ１０では、図８、図９に示すようにベース壁１３の断面形状が矩形であり、ベース壁１３のベース壁肉厚Ｔ１が、外周壁１２ｂの外周壁肉厚Ｔ２より厚く設定されている。また、作動部材１１でベース壁１３を取り囲む領域の作動体肉厚Ｔ３が、外周壁肉厚Ｔ２と等しく設定されている。尚、具体的にはベース壁肉厚Ｔ１が、外周壁肉厚Ｔ２の１．２〜２倍程度に設定される。
【００３０】
更に、図８、図９に示すように、作動部材１１の長手方向に沿う方向視において外周壁１２ｂのうち、作動部材１１の他側部に対応する部位が、ベース壁１３の厚み方向（図８では上下方向）での中央より外側に偏る位置に接合されている。具体的には外周壁１２ｂの外壁面が、ベース壁１３の外壁より外側に変位するように外周壁１２ｂの位置が設定されベース壁１３の外側部を回り込むように接合されている。
【００３１】
図５に示すように、作動部材１１の基端側にコネクタ１５を介してチューブ３が接続されている。尚、この蛇腹型アクチュエータ１０では、３Ｄプリンタを用いた製造も想定され、この製造形態により作動部材１１と蛇腹体１２とを同じ素材で形成し、これより柔軟性が低い素材（作動部材１１と蛇腹体１２とより変形し難い素材）でベース壁１３を形成することが考慮されている。このように柔軟性を異ならせることにより、エアーが供給された場合に、ベース領域１０ｂの伸張する現象と膨らむ現象と、を抑制した状態で蛇腹領域１０ａを伸張させ、蛇腹型アクチュエータ１０の効率的で大きい曲率での湾曲を可能にする。
【００３２】
〔作動形態〕
このように蛇腹型アクチュエータ１０が構成されることにより、作動部材１１の内部空間にエアーが供給されない状況では、３つのフィンガー部Ａｆは、図１、図２、図４に示すように直線状の姿勢に維持される。
【００３３】
そして、制御チューブ５を介して外部から作動部材１１の内部空間にエアーが供給された場合には、蛇腹型アクチュエータ１０の内部空間からスリット１１ａを介して複数の蛇腹体１２の受圧空間１２ｃにエアーが供給される。これにより、図３、図５に示すように受圧空間１２ｃを構成する受圧壁１２ａにエアーの圧力が作用し、作動部材１１に近い位置の間隔が拡大するように弾性変形し、結果として蛇腹型アクチュエータ１０を湾曲させ、マニピュレータＡで対象を掴む作動が実現する。
【００３４】
このように蛇腹型アクチュエータ１０が湾曲する状況では、基端側の押圧体１４が第１作動体７ａの第１受圧部７ａｓに押圧力を作用させると同時に、先端側の押圧体１４が第２受圧部７ｂｓに押圧力を作用させ、第１作動体７ａに対し第２作動体７ｂが支軸８を中心に屈曲させ、第２作動体７ｂは図３、図４に示す作動方向Ｆに向けて作動する。
【００３５】
特に、この構成の蛇腹型アクチュエータ１０では、エアーが供給された場合には、受圧空間１２ｃを構成する一対の受圧壁１２ａが互いに平行となる姿勢に近付くため、一対の受圧壁１２ａの各々に対して垂直方向にエアーの圧力を作用させ、エアーから作用する力のロスを低減し、大きい曲率での湾曲で強力な力を得ることができる。
【００３６】
また、エアー給排管４、制御チューブ５を介してエアーを排出した場合には、自己の復元力により蛇腹型アクチュエータ１０が直線状態に復元し、対象物を放す作動が可能となる。この構成ではエアー給排管４、制御チューブ５に介して負圧を作用させ、作動部材１１の内部空間を減圧することにより、直線状態へ復元させる速度を向上させることや、フィンガー部Ａｆを逆方向に屈曲させることも可能となる。
【００３７】
〔実施形態の作用効果〕
この構成の蛇腹型アクチュエータ１０では、作動部材１１の長手方向に沿う方向視において作動部材１１を取り囲む領域に蛇腹体１２が形成されているため、蛇腹型アクチュエータ１０の大型化を抑制しつつ、受圧壁１２ａの受圧面積を大きくして強い力を得て、大きく湾曲させる作動を可能にしている。また、小型化が可能であるため、小型の作動体７に収容することも容易で、小型のマニピュレータの構成も容易となる。
【００３８】
図８に示すように作動部材１１の外周壁１２ｂがベース壁１３の外側に偏る位置に接合することにより外周壁１２ｂの周方向での全長を長くし、蛇腹体１２の変形が容易になることから蛇腹型アクチュエータ１０が湾曲する際に、蛇腹体１２の外周壁１２ｂから湾曲に抗する方向に受ける力を小さくしてエネルギーの無駄な消費を抑制している。
【００３９】
作動部材１１の長手方向に対して直交する方向視での１つの蛇腹体１２の外周が平滑であるため、従来からの蛇腹の断面のように外周が鋸歯状になるものと比較して、作動時に蛇腹体１２に作用する応力を低減し、エネルギーの無駄な消費を抑制する。
【００４０】
蛇腹型アクチュエータ１０の蛇腹領域１０ａを、作動体７の内部空間のうちフィンガー部Ａｆが屈曲する作動方向Ｆの反対側（外側）に偏った位置に配置している。また、支軸８を作動体７のうち、フィンガー部Ａｆが屈曲する作動方向Ｆに偏った位置であって蛇腹型アクチュエータ１０より内側に配置することにより支軸８を中心にした、第１作動体７ａに対する第２作動体７ｂとの屈曲を容易に行わせる。
【００４１】
尚、この構成では、供給された流体の圧力の殆ど全てを湾曲力に変換できるため、例えば、ヒンジを有する部材を、直線的に伸縮する構造の蛇腹で屈曲させるものと比較すると、エネルギーにロスがなく効率的な作動を行える。
【００４２】
このマニピュレータＡは、エアーの給排によって作動する蛇腹型アクチュエータ１０でフィンガー部Ａｆを作動させるため、例えば、フィンガー部Ａｆで作業対象を掴む作動を行った際に、作動時の反力で蛇腹型アクチュエータ１０を収縮させ、作業対象をソフトに掴むことも可能となる。
【００４３】
〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い（実施形態と同じ機能を有するものには、実施形態と共通の番号、符号を付している）。
【００４４】
（ａ）図１１に示すように、３つ以上の作動体７を用い、２つ以上の関節部を形成してマニピュレータＡを構成する。このように構成する場合に３つ以上の作動体７の内部に単一の蛇腹型アクチュエータ１０を収容するように構成しても良く、関節部で隣り合う作動体７の間に独立して蛇腹型アクチュエータ１０を収容するように構成しても良い。
【００４５】
このように、単一のフィンガー部Ａｆに複数の蛇腹型アクチュエータ１０を収容する場合には、流体の供給経路を直列に接続する構成や、複数の蛇腹型アクチュエータ１０に流体を供給する経路を個別に形成することも考えられる。
【００４６】
（ｂ）作動体７を用いずに、蛇腹型アクチュエータ１０のみを用いてマニピュレータＡのフィンガー部Ａｆを構成しても良い。
【００４７】
（ｃ）例えば、実施形態における支持フレーム１を、作動機構２に対して着脱自在に構成することにより、作業形態に応じてフィンガー部Ａｆの形態が異なるものと交換できるように構成する。
【００４８】
（ｄ）フィンガー部Ａｆの数は３つに限るものではなく、２つあるいは４つ以上に設定することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、流体の圧力により湾曲する蛇腹型アクチュエータに利用できる。
【符号の説明】
【００５０】
１０ａ      蛇腹領域
１０ｂ      ベース領域
１１        作動部材
１２        蛇腹体
１２ａ      受圧壁
１２ｂ      外周壁
１２ｃ      受圧空間
１３        ベース壁
Ｔ１        ベース壁肉厚（ベース壁の肉厚）
Ｔ２        外周壁肉厚（外周壁の肉厚）
【図１】
2020041607.tif 000003
【図２】
2020041607.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2020041607.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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