(57)【要約】【課題】軽量化及び装着感の向上を図り、上肢以上にトルクが必要となる下肢の運動支援を実現するための扇状チューブアクチュエータおよびその下肢駆動装置を提供する。【解決手段】扇状チューブアクチュエータであって、断面が中空かつ無加圧状態で扁平形状をなすチューブ１をＶ字形に折り曲げ、このＶ字形に折り曲げられたチューブの一端を小刻みにジグザグ状に数回折り曲げた後、前記Ｖ字形に折り曲げられたチューブのもう一端と連結することによって扇を閉じた形状に形成し、前記チューブ内の流体圧力を高めることによって扇が開かれた形状に変形させる。【選択図】図１
2006000347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面が中空かつ無加圧状態で扁平形状をなすチューブをＶ字形に折り曲げ、該Ｖ字形に折り曲げられたチューブの一端を小刻みにジグザグ状に数回折り曲げた後、前記Ｖ字形に折り曲げられたチューブのもう一端と連結することによって扇を閉じた形状に形成し、前記チューブ内の流体圧力を高めることによって扇が開かれた形状に変形させる扇状チューブアクチュエータ。
【請求項２】
請求項１記載の扇状チューブアクチュエータにおいて、前記Ｖ字形に折り曲げられたチューブとジグザグ状の折り曲げ部を拘束する弾性を有する紐を備えることを特徴とする扇状チューブアクチュエータ。
【請求項３】
請求項１記載の扇状チューブアクチュエータにおいて、前記チューブのジグザグ状の折り曲げ部において、流体経路を封じないように前記チューブ内部に流体経路を確保するためのスペーサを挿入することを特徴とする扇状チューブアクチュエータ。
【請求項４】
請求項１、２又は３記載の扇状チューブアクチュエータが装着される本体と、該本体に固定されるとともに、膝関節部を中心として上脚部に固定される第１のバーと、下脚部に固定される第２のバーと、前記第２のバーに固定されるアームと、該アームと第２のバーが一体に枢着される軸とを備え、前記扇状チューブアクチュエータを前記アームに対応し配置することを特徴とする下肢駆動装置。
【請求項５】
請求項４記載の下肢駆動装置において、前記扇状チューブアクチュエータを前記アームを挟んで左右に一対装着することを特徴とする下肢駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、扇状チューブアクチュエータに係り、特に下肢（膝関節）運動支援に適した下肢駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
治療のための過度の安静・臥床は、逆に関節拘縮・筋力低下・骨粗鬆症などといった廃用症候群（ｄｉｓｕｓｅ  ｓｙｎｄｒｏｍｅ）という二次的障害をもたらす。
【０００３】
この廃用症候群の予防策の一つとして、自在に動かすことのできない患部に無理のない外力を与えて身体運動を生成する装着型アクチュエータが有効と思われる。
【０００４】
さらに、上記したような用途以外にも、上級者のスポーツスキルを他者に直接伝達できる装置として、あるいは高齢者の健康維持のためのパワートレーニング装置としてなど、使用者の目的や能力に応じて負荷を変えられる装着型アクチュエータの必要性が今後高まると予想される。
【０００５】
そこで、本願発明者らはこれまでに、独自に開発したＷＴＡ（Ｗｏｕｎｄ  Ｔｕｂｅ  Ａｃｔｕａｔｏｒ）（下記特許文献１参照）を用いた駆動可能な上肢駆動系Ｔａｉｌ−ａｒｍを提案してきた（下記非特許文献１参照）。
【０００６】
また、弓状チューブアクチュエータおよびそれを用いた関節運動支援装置を提案している（下記特許文献２参照）。
【０００７】
以下、装着型アクチュエータの構造とその特性について説明する。
【０００８】
装着型アクチュエータを設計する上でその装着感は非常に重要である。そのため、アクチュエータ設計上の重要項目として、（ｉ）重さ、（ii）可動範囲、（iii ）機械的柔軟性の３点に着目し、各パラメータを可能な限り装着前の状態に近づけられるようする。
【０００９】
（ｉ）の重さに関しては、他のものと比較して現状では空圧アクチュエータが最も出力／重量比を大きくすることができる。また、空圧アクチュエータを用いることで（iii ）の機械的柔軟性に関しても望ましい構造となり得る。
【００１０】
そこで、本願発明者らは、まず、従来技術として示したＴａｉｌ−ａｒｍの遊星歯車機構の減速比およびＷＴＡのサイズをそれぞれ大きく設定し、上肢以上にトルクの必要な下肢運動を支援する下肢駆動系Ｔａｉｌ−ｌｅｇの開発を試みた。
【００１１】
しかし、実際に製作したＴａｉｌ−ｌｅｇを人体に装着したところ、供給圧力０．４ＭＰａ時に最大で５Ｎｍ程度のトルクしか生成できておらず、予定していたほどの大きな出力は得られなかった。これは、上肢に比べると、下肢運動には非常に大きな負荷がかかるため、ＷＴＡの変位を回転運動に変換するために用いたワイヤによる摩擦損失が予想以上に大きくなったためだと考えられる。
【００１２】
そこで、下肢運動支援には、Ｔａｉｌ−ｌｅｇのようにアクチュエータの変位をワイヤを介して回転運動に変換するのではなく、トルクを直接生成できるアクチュエータを使用することでエネルギー損失を大幅に軽減するのが望ましい。
【００１３】
直接トルクを生成できるアクチュエータに関しては、布製アクチュエータ（下記非特許文献２）、揺動型空気圧アクチュエータ（下記非特許文献３）といった加圧時に扇形に変形するものがすでに提案されている。
【特許文献１】特開２００２−３０３３０３号公報
【特許文献２】特開２００４−００８４４９号公報
【非特許文献１】塚越，北川：“装着感を重視した様々なチューブ型アクチュエータ”，日本フルードパワーシステム学会論文集  Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．５（２００３）
【非特許文献２】川村：“ウェアラブル・ロボット”，日本フルードパワーシステム学論文集  Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．５（２００３）
【非特許文献３】則次：“ソフトアクチュエータ”，日本ロボット学会誌  Ｖｏｌ．１７，Ｎｏ．６（１９９９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、上記した従来のアクチュエータは、直接トルクを生成でき、かつ収納時に小さくできる反面、加圧時には負荷をかけると側面が膨んでしまい駆動効率が落ちるという欠点がある。
【００１５】
そこで本願発明者らは、先に開発したＷＴＡを一部拘束することで湾曲動作をするアクチュエータに着目した。
【００１６】
このアクチュエータは目標方向にのみ膨らむため、効率よく湾曲動作を行うことが可能である。しかし、このアクチュエータにも螺旋構造であるため中央が空洞で接触面積が小さく、駆動力が小さいという欠点がある。
【００１７】
本発明は、上記状況に鑑みて、軽量化及び装着感の向上を図り、十分な駆動力で上肢以上にトルクが必要となる下肢の運動支援を実現することができる扇状チューブアクチュエータおよびその下肢駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕扇状チューブアクチュエータであって、断面が中空かつ無加圧状態で扁平形状をなすチューブをＶ字形に折り曲げ、このＶ字形に折り曲げられたチューブの一端を小刻みにジグザグ状に数回折り曲げた後、前記Ｖ字形に折り曲げられたチューブのもう一端と連結することによって扇を閉じた形状に形成し、前記チューブ内の流体圧力を高めることによって扇が開かれた形状に変形させるようにしたものである。
【００１９】
〔２〕上記〔１〕記載の扇状チューブアクチュエータにおいて、前記Ｖ字形に折り曲げられたチューブとジグザグ状の折り曲げ部を拘束する弾性を有する紐を備えることを特徴とする。
【００２０】
〔３〕上記〔１〕記載の扇状チューブアクチュエータにおいて、前記チューブのジグザグ状の折り曲げ部において、流体経路を封じないように前記チューブ内部に流体経路を確保するためのスペーサを挿入することを特徴とする。
【００２１】
〔４〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載の扇状チューブアクチュエータが装着される本体と、この本体に固定されるとともに、膝関節部を中心として上脚部に固定される第１のバーと、下脚部に固定される第２のバーと、前記第２のバーに固定されるアームと、このアームと第２のバーが一体に枢着される軸とを備え、前記扇状チューブアクチュエータを前記アームに対応し配置することを特徴とする。
【００２２】
〔５〕上記〔４〕記載の下肢駆動装置において、前記扇状チューブアクチュエータを前記アームを挟んで左右に一対装着することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００２４】
（１）軽量化及び装着感の向上を実現することができる。
【００２５】
（２）上肢以上にトルクが必要となる下肢の運動支援を実現することができる。
【００２６】
特に、軽量構造で大きな湾曲動作を広範囲に生成できるため、それらを身体に装着することにより膝の運動支援、ならびに歩行支援に大きな効果を発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
扇状チューブアクチュエータであって、断面が中空かつ無加圧状態で扁平形状をなすチューブをＶ字形に折り曲げ、このＶ字形チューブ部分の一端を小刻みにジグザグ状に数回折り曲げた後、前記Ｖ字形チューブ部分のもう一端と連結することによって扇を閉じた形状に形成し、チューブ内の流体圧力を高めることによって扇を開くように変形させる。よって、軽量化を図り、かつ装着感の向上を図ることができる。
【００２８】
また、上肢以上にトルクが必要となる下肢の運動支援を行うことができる。
【実施例】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３０】
図１は本発明の扇状チューブアクチュエータ〔ＺＴＡ（Ｚ−Ｔｕｂｅ  Ａｃｔｕａｔｏｒ）ともいう〕の駆動原理の説明図であり、図１（ａ）は扇が閉じた状態を示す側面図、図１（ｂ）は扇が開いた状態を示す側面図である。図２はその駆動状態（扇が開いた状態）を示す図面の代用写真、図３はその扇状チューブアクチュエータの基本モーションを示す図であり、図３（ａ）は扇状チューブアクチュエータを折り曲げた状態を示す図、図３（ｂ）はそれを膨らました状態を示す図、図３（ｃ）はそれを直線状に延ばした図である。
【００３１】
図３に示すように、この扇状チューブアクチュエータは、ウレタンで作製された一本の扁平チューブ１からなるが、ＷＴＡのように螺旋状に巻くのではなく、チューブ１に折り目２をつけジグザグ状に折り曲げた部材３の状態で使用する。ここで、何も拘束せずに、この扁平チューブ１内部を空気で加圧していくと、図３（ａ）の初期状態から、図３（ｂ）の中間状態を経て、図３（ｃ）の最終状態のように大きいストロークで伸長する。
【００３２】
そこで、これを、図１（ａ）に示すように、チューブ１を延長しジグザグ状に折り曲げた部材３とし、その折り曲げた部材３をチューブのくの字部５の先端部６，６の間に挟み込み、Ａ−Ａ線部を弾性を有する紐７で縛り、隣り合うチューブ同士が広がらないように拘束することで、図１（ｂ）に示すように湾曲方向にのみ膨らむ構造となる。この扇状チューブアクチュエータは、同スペースに配置する際、ＷＴＡよりも接触面積が大きく取れるため、従来の湾曲型ＷＴＡよりも大きなトルクを生成することができる。
【００３３】
以下、この扇状チューブアクチュエータについて検討する。
【００３４】
この扇状チューブアクチュエータのチューブ幅および長さより、扇状チューブアクチュエータの理論上の最大生成トルクを算出する。
【００３５】
図４は本発明の扇状チューブアクチュエータの模式図であり、図４（ａ）はその扇状チューブアクチュエータの正面図、図４（ｂ）はその扇状チューブアクチュエータの側面図である。
【００３６】
図４に示すように、チューブ幅をａ、折り曲げ部分の長さをｂ、扇状チューブアクチュエータ側面部の弧の半径をｒ、回転中心からの距離をｘ、供給圧力をＰとすると、扇状チューブアクチュエータの最大生成トルクＴmax は、下記式のように表される。
【００３７】
【数１】
2006000347.tif 000003
ただし、扇状チューブアクチュエータの折り曲げ部分はそれぞれ全接触しているものとし、トルクを与えるのはこの折り曲げ部分のみとする。
【００３８】
次に、試作した扇状チューブアクチュエータの動作特性について説明する。
【００３９】
扇状チューブアクチュエータを試作し、その出力を測定した。その測定結果を図５に示す。図中において、横軸は負荷（ｋｇｆ）、縦軸は出力（Ｗ）である。
【００４０】
この測定の際、供給圧力は０．３ＭＰａとした。また、今回測定するのに使用した扇状チューブアクチュエータを図６に示す。図６において、図６（ａ）はその扇状チューブアクチュエータの側面図、図６（ｂ）はその扇状チューブアクチュエータの上面図の代用写真である。この扇状チューブアクチュエータにおいて、チューブ幅は３７ｍｍ、扇状チューブアクチュエータ側面部の弧の半径は１００ｍｍ、折り曲げ部分の畳まれたチューブの高さは４３ｍｍである。
【００４１】
この測定結果より、扇状チューブアクチュエータの最大出力は、６９Ｗであった。測定に使用した扇状チューブアクチュエータの質量が４４ｇであるので、出力／重量比は、１．６Ｗ／ｇとなった。従来のＴａｉｌ−ｌｅｇに使用したＷＴＡの出力／重量比が１．１Ｗ／ｇであることから、本発明の扇状チューブアクチュエータの方が従来のＷＴＡよりも軽量で高出力な構造であることが分かる。
【００４２】
また、扇状チューブアクチュエータの可動範囲に関しても、ジグザグ状の折り曲げ部の折り目の数を増やすことで大きくすることが可能である。
【００４３】
以上の考察より、扇状チューブアクチュエータは、下肢運動支援用のアクチュエータに適した構造であることが分かる。
【００４４】
そこで、扇状チューブアクチュエータによる下肢駆動機構について説明する。
【００４５】
図７は、本発明の扇状チューブアクチュエータ駆動機構の模式図であり、図７（ａ）はその側面図、図７（ｂ）はその正面図である。
【００４６】
図中、半円筒状の本体１０内に装着される２つの扇状チューブアクチュエータ１１，１２で挟まれたアーム１３は、第２のバー１５と一体化している。また、第１のバー１４は半円筒状の本体１０に固定されている。また、アーム１３と第２のバー１５は、半円筒状の本体１０に固定される軸１６に回転自在に枢着されている。
【００４７】
そのため、片一方の扇状チューブアクチュエータ１１又は１２の内部に空圧を印加し、もう一方の扇状チューブアクチュエータ１２又は１１の内部の空気を排出すると、アーム１３と第２のバー１５が本体１０と第１のバー１４に対して相対的に回転運動する構造になっている。
【００４８】
図８は本発明の扇状チューブアクチュエータ駆動機構の動作を示す図であり、図８（ａ）は第２のバーが第１のバーに対して真っ直ぐな状態を、図８（ｂ）は第２のバーが第１のバーに対して折り曲げられている状態を示している。
【００４９】
図８（ａ）に示すように、第２のバー１５が第１のバー１４に対して真っ直ぐな状態では、扇状チューブアクチュエータ１２に空気が供給されて、扇状チューブアクチュエータ１２の扇が十分に開かれるとともに、扇状チューブアクチュエータ１１の空気は排出し、扇が閉じられるようにする。
【００５０】
その状態から、図８（ｂ）に示すように、第１のバー１４に対して第２のバー１５を曲げるためには、扇状チューブアクチュエータ１１に空気を供給して、扇が開くようにし、その分扇状チューブアクチュエータ１２の空気を排出するようにする。
【００５１】
図９は本発明の扇状チューブアクチュエータ駆動機構の動作状態を示す図面代用写真であり、図９（ａ）は第１のバーに対して第２のバーが真っ直ぐな状態、つまり、膝関節が延びている状態を示し、図９（ｂ）は第１のバーに対して第２のバーが曲げられている状態、つまり、膝関節が曲がっている状態を示している。
【００５２】
これらの図において、２０は半円筒状の本体、２１は上脚部（膝の上部）に固定される第１のバー、２２は下脚部（膝の下部）に固定される第２のバーである。
【００５３】
ここでは、扇状チューブアクチュエータ駆動機構は、チューブ幅３７ｍｍ、折り曲げ部分の長さ５０ｍｍ、扇状チューブアクチュエータの側面の弧の半径８８ｍｍである。また、身体装着用の装具も含めた扇状チューブアクチュエータ駆動機構の重さは１．２ｋｇであり、装着の際にも支障を来さない程度の重さに仕上がった。
【００５４】
図１０は本発明の扇状チューブアクチュエータ駆動機構の生成トルク測定結果を示す図である。
【００５５】
この図において、ａは０．１５ＭＰａ、ｂは０．２ＭＰａ、ｃは０．３ＭＰａ、ｄは０．３５ＭＰａの供給圧を加えられた結果を示す曲線である。
【００５６】
かかる測定により扇状チューブアクチュエータ駆動機構は、供給圧力０．３５ＭＰａ時に最大で３４．５Ｎｍのトルクが生成できたことを確認した。
【００５７】
人間の膝を水平まで持ち上げるのに必要なトルクが約８Ｎｍ、人間が立ち上がる際に膝関節に必要なトルクが約５０Ｎｍであることを考えると、本発明の扇状チューブアクチュエータ駆動機構は、膝関節運動支援に有効であるとことが分かった。
【００５８】
上記したように、本発明は、下肢運動支援に適した軽量で高出力な扇状チューブアクチュエータ駆動機構を提供するものである。
【００５９】
また、それを用いた下肢駆動機構を製作し、その生成トルクを測定することにより、この機構が下肢運動支援に有効であることを確認することができた。
【００６０】
さらに、上記実施例においては、膝関節部に対になった扇状チューブアクチュエータを配置したが、１個の扇状チューブアクチュエータによって膝関節部の駆動を行わせるようにしてもよい。その場合には、図１に示したような扇状チューブアクチュエータを本体に装着し、その単一の扇状チューブアクチュエータの扇の開閉を行うのみでよい。
【００６１】
また、図１１に示すように、チューブのジグザグ状の折り曲げ部において、流体経路を封じないようにチューブ内部に流体経路を確保するためのスペーサ３１（ここでは薄膜部材）を挿入するようにしてもよい。
【００６２】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明の扇状チューブアクチュエータ及び下肢駆動装置は、膝関節の増強や膝関節の支援装置、つまり人間の下肢動作をアシストするウェアラブル・アクチュエータとして好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の扇状チューブアクチュエータの駆動原理の説明図である。
【図２】本発明の扇状チューブアクチュエータの駆動状態を示す図面の代用写真である。
【図３】本発明の扇状チューブアクチュエータの基本モーションを示す図である。
【図４】本発明の扇状チューブアクチュエータの模式図である。
【図５】本発明の扇状チューブアクチュエータの出力の測定結果を示す図である。
【図６】本発明の扇状チューブアクチュエータの実例を示す図面代用写真である。
【図７】本発明の扇状チューブアクチュエータによる下肢駆動装置の模式図である。
【図８】本発明の扇状チューブアクチュエータ駆動機構の動作を示す図である。
【図９】本発明の扇状チューブアクチュエータによる下肢駆動装置の動作状態を示す図面代用写真である。
【図１０】本発明の扇状チューブアクチュエータ駆動機構の生成トルク測定結果を示す図である。
【図１１】本発明の扇状チューブアクチュエータのチューブのジグザグ状の折り曲げ部において、挿入されるスペーサを示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１，１′，１″    チューブ（扁平状）
２    折り目
３    ジグザグ状に折り曲げた部材
５    くの字部
６，６′  くの字部の先端部
７    弾性を有する紐
１０，２０    半円筒状の本体
１１，１２    扇状チューブアクチュエータ
１３    アーム
１４    第１のバー
１５    第２のバー
１６    軸
２１    上脚部（膝の上部）に固定される第１のバー
２２    下脚部（膝の下部）に固定される第２のバー
３１    スペーサ
【図１】
2006000347.tif 000004
【図３】
2006000347.tif 000005
【図４】
2006000347.tif 000006
【図５】
2006000347.tif 000007
【図７】
2006000347.tif 000008
【図８】
2006000347.tif 000009
【図１０】
2006000347.tif 000010
【図１１】
2006000347.tif 000011
【図２】
2006000347.tif 000012
【図６】
2006000347.tif 000013
【図９】
2006000347.tif 000014