(57)【要約】【課題】変位部の位置と剛性とを独立して調節することができるアクチュエータを提供する。【解決手段】アクチュエータ１Ａは、変位部２５ａと、人工筋２ａ〜２ｄと、人工筋２ａ、２ｂ内に充填された流体の圧力を変化させる圧力調整部２０ａと、人工筋２ｃ、２ｄの内部の流体を出入りさせる開閉弁２１ａと、圧力調整部２０ａの駆動および開閉弁２１ａを制御する制御部２２ａとを備える。人工筋２ａ〜２ｄのそれぞれは、コイル状に巻回された弾性を有する筒体を備え、筒体の外周面には、筒体の軸心を中心軸として螺旋状に溝が設けられ、筒体の内部には流体が充填され、人工筋２ａは、筒体のコイル状の巻回し方向が溝の螺旋状の巻回し方向と逆であり、人工筋２ｂ〜２ｄは、筒体のコイル状の巻回し方向が溝の螺旋状の巻回し方向と同じである。【選択図】図１
2018035936.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１部材と第２部材を含む変位部と、
第１人工筋と、
第２人工筋を含み、
前記第１人工筋および前記第２人工筋を用いて発生された力は、前記第１部材を用いて前記第２部材に伝達され、前記伝達された力は前記第２部材を第１方向または前記第１方向と反対方向である第２方向に変位させ、
前記第１人工筋は、コイル状に巻回された、弾性を有する第１の筒体を備え、
前記第１の筒体は前記第１の筒体の外周面上に設けられた螺旋状の第１の溝と前記第１の筒体の内周面上に設けられた螺旋状の第２の溝の少なくとも一方を有し、
前記第１の溝の螺旋の中心軸と前記第２の溝の螺旋の中心軸は、前記第１の筒体の軸心であり、
前記第１の筒体の内部には第１流体が充填され、
前記第２人工筋は、コイル状に巻回された、弾性を有する第２の筒体を備え、
前記第２の筒体は前記第２の筒体の外周面上に設けられた螺旋状の第３の溝と前記第２の筒体の内周面上に設けられた螺旋状の第４の溝の少なくとも一方を有し、
前記第３の溝の螺旋の中心軸と前記第４の溝の螺旋の中心軸は、前記第２の筒体の軸心であり、
前記第２の筒体の内部には第２流体が充填され、
前記第１の筒体のコイル状の巻回し方向が、前記第１の溝の螺旋状の巻回し方向及び前記第２の溝の螺旋状の巻回し方向と逆であり、
前記第２の筒体のコイル状の巻回し方向が、前記第３の溝の螺旋状の巻回し方向及び前記第４の溝の螺旋状の巻回し方向と同じである
アクチュエータ。
【請求項２】
前記第１人工筋は、前記第２人工筋と同じ材料、同じコイル巻回径および自然長が同じコイルピッチで形成され、
前記第１の筒体および前記第２の筒体のそれぞれを直線状にした場合、前記第１の筒体は、前記第２の筒体と同一形状を有する、または、前記第２の筒体に対して面対称な形状を有する
請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
さらに、
前記第１流体の圧力および前記第２流体の圧力を変化させる圧力調整部と、
制御部と
を備え、
前記制御部は、前記第２部材を前記第１方向に変位させる時、前記圧力調整部に前記第１流体の圧力及び前記第２流体の圧力を増加させる指示をし、これにより前記第１人工筋を伸長および前記第２人工筋を収縮させ、
前記制御部は、前記第２部材を前記第２方向に変位させる時、前記圧力調整部に前記第１流体の圧力及び前記第２流体の圧力を減少させる指示をし、これにより前記第１人工筋を収縮および前記第２人工筋を伸長させる
請求項１または２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
さらに、
前記第１人工筋および前記第２人工筋から前記第１部材を介して力が加えられる第３人工筋および第４人工筋と、
前記第３人工筋と前記第４人工筋を繋ぐ配管中に設けられた開閉弁と
を備え、
前記第３人工筋は、コイル状に巻回された、弾性を有する第３の筒体を備え、
前記第３の筒体は前記第３の筒体の外周面上に設けられた螺旋状の第５の溝と前記第３の筒体の内周面上に設けられた螺旋状の第６の溝の少なくとも一方を有し、
前記第５の溝の螺旋の中心軸と前記第６の溝の螺旋の中心軸は、前記第３の筒体の軸心であり、
前記第４人工筋は、コイル状に巻回された、弾性を有する第４の筒体を備え、
前記第４の筒体は前記第４の筒体の外周面上に設けられた螺旋状の第７の溝と前記第４の筒体の内周面上に設けられた螺旋状の第８の溝の少なくとも一方を有し、
前記第７の溝の螺旋の中心軸と前記第８の溝の螺旋の中心軸は、前記第４の筒体の軸心であり、
前記第３の筒体のコイル状の巻回し方向は、前記第５の溝の螺旋状の巻回し方向及び前記第６の溝の螺旋状の巻回し方向と同じ、あるいは、逆であり、
前記第４の筒体のコイル状の巻回し方向は、前記第３の筒体のコイル状の巻き回し方向と同じであり、かつ、前記第７の溝の螺旋状の巻回し方向、及び、前記第８の溝の螺旋状の巻回し方向は、前記第５の溝の螺旋状の巻き回し方向と同じであり、又は、前記第４の筒体のコイル状の巻回し方向は、前記第３の筒体のコイル状の巻き回し方向と逆であり、かつ、前記第７の溝の螺旋状の巻回し方向、及び、前記第８の溝の螺旋状の巻回し方向は、前記第５の溝の螺旋状の巻き回し方向と逆であり、
前記第３の筒体の内部には第３流体が充填され、および前記第４の筒体の内部には第４流体が充填され、
前記配管は前記第３流体の前記第４の筒体への流路であり、かつ、前記第４流体の前記第３の筒体への流路であり、
前記制御部は、前記開閉弁に前記開閉弁の開閉状態を制御させ、これにより前記第３人工筋から前記第４人工筋への前記第３流体の移動量、及び、前記第４人工筋から前記第３人工筋への前記第４流体の移動量を制御する
請求項３に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記第３人工筋および前記第４人工筋は、互いに、同じ材料かつ同じ形状である
請求項４に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記第３の筒体のコイル状の巻回し方向は、前記第３の溝の螺旋状の巻き回し方向と同じである
請求項４または５に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記変位部は、回転軸を有し、前記第１部材及び前記第２部材は、前記回転軸を中心に回転可能であり、
前記第１方向の変位は、前記回転軸を中心とする前記第１方向への回転であり、
前記第２方向の変位は、前記回転軸を中心とする前記第１方向と反対方向への回転であり、
前記開閉弁を用いて前記変位部の回転動作に対する抵抗の大きさを制御する
請求項４〜６のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記第１人工筋と前記第３人工筋とが並行に延在するように並んで配置され、かつ、前記第２人工筋と前記第４人工筋とが並行に延在するように並んで配置されている
請求項４〜７のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記第１人工筋と前記第３人工筋とが直線状に配置され、かつ、前記第２人工筋と前記第４人工筋とが直線状に配置されている
請求項４〜７のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
前記変位部の可動範囲における前記第１人工筋の最小長が前記第１人工筋の自然長である
請求項４〜９のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
さらに、
前記第３流体の第１圧力を計測する第１の圧力計測部と、前記第４流体の第２圧力を計測する第２の圧力計測部とを備え、
前記制御部は、前記第１圧力または前記第２圧力が、所定圧力範囲を逸脱した場合に前記開閉弁を開放する、
請求項４〜１０のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
アクチュエータの駆動方法であって、
前記アクチュエータは、
第１部材、第２部材、第３部材を含む変位部と、
第１人工筋と、
第２人工筋と、
前記第１部材及び前記第３部材を使用して、前記第１人工筋および前記第２人工筋の力が加えられる第３人工筋および第４人工筋と
を備え、
前記第１部材は、前記第１人工筋と前記第２人工筋とを繋ぐ経路上、および、前記第３部材は前記第３人工筋と前記第４人工筋とを繋ぐ経路上に配置され、
前記第１人工筋は、コイル状に巻回された、弾性を有する第１の筒体を備え、
前記第１の筒体は前記第１の筒体の外周面上に設けられた螺旋状の第１の溝と前記第１の筒体の内周面上に設けられた螺旋状の第２の溝の少なくとも一方を有し、
前記第１の溝の螺旋の中心軸と前記第２の溝の螺旋の中心軸は、前記第１の筒体の軸心であり、
前記第１の筒体の内部には第１流体が充填され、
前記第２人工筋は、コイル状に巻回された、弾性を有する第２の筒体を備え、
前記第２の筒体は前記第２の筒体の外周面上に設けられた螺旋状の第３の溝と前記第２の筒体の内周面上に設けられた螺旋状の第４の溝の少なくとも一方を有し、
前記第３の溝の螺旋の中心軸と前記第４の溝の螺旋の中心軸は、前記第２の筒体の軸心であり、
前記第２の筒体の内部には第２流体が充填され、
前記第３人工筋は、コイル状に巻回された、弾性を有する第３の筒体を備え、
前記第３の筒体は前記第３の筒体の外周面上に設けられた螺旋状の第５の溝と前記第３の筒体の内周面上に設けられた螺旋状の第６の溝の少なくとも一方を有し、
前記第５の溝の螺旋の中心軸と前記第６の溝の螺旋の中心軸は、前記第３の筒体の軸心であり、
前記第３の筒体の内部には第３流体が充填され、
前記第４人工筋は、コイル状に巻回された、弾性を有する第４の筒体を備え、
前記第４の筒体は前記第４の筒体の外周面上に設けられた螺旋状の第７の溝と前記第４の筒体の内周面上に設けられた螺旋状の第８の溝の少なくとも一方を有し、
前記第７の溝の螺旋の中心軸と前記第８の溝の螺旋の中心軸は、前記第４の筒体の軸心であり、
前記第４の筒体の内部には第４流体が充填され、
前記第１の筒体のコイル状の巻回し方向が、前記第１の溝の螺旋状の巻回し方向及び前記第２の溝の螺旋状の巻回し方向と逆であり、
前記第２の筒体のコイル状の巻回し方向が、前記第３の溝の螺旋状の巻回し方向及び前記第４の溝の螺旋状の巻回し方向と同じであり、
前記第３の筒体のコイル状の巻回し方向は、前記第５の溝の螺旋状の巻回し方向及び前記第６の溝の螺旋状の巻回し方向と同じ、あるいは、逆であり、
前記第４の筒体のコイル状の巻回し方向は、前記第３の筒体のコイル状の巻き回し方向と同じであり、かつ、前記第７の溝の螺旋状の巻回し方向、及び、前記第８の溝の螺旋状の巻回し方向は、前記第５の溝の螺旋状の巻き回し方向と同じであり、又は、前記第４の筒体のコイル状の巻回し方向は、前記第３の筒体のコイル状の巻き回し方向と逆であり、かつ、前記第７の溝の螺旋状の巻回し方向、及び、前記第８の溝の螺旋状の巻回し方向は、前記第５の溝の螺旋状の巻き回し方向と逆であり、
前記アクチュエータは、さらに、
前記第１流体の圧力および前記第２流体の圧力を変化させる圧力調整部と、
前記第３人工筋および前記第４人工筋を繋ぐ配管中に設けられ開閉弁と、前記配管は前記第３流体の前記第４の筒体への流路であり、かつ、前記第４流体の前記第３の筒体への流路であり、
前記圧力調整部の駆動、および、前記開閉弁の開閉状態を制御する制御部と
を含み、
前記駆動方法は、
前記第２部材の位置を目標位置へ移動させる位置指令に応じ、前記圧力調整部を用いて、前記第１流体の圧力および前記第２流体の圧力を変更する工程と、
前記位置指令と、前記変位部の剛性を目標剛性とするための剛性指令とに基づき、前記第３流体と前記第４流体との目標圧力差を算出する工程と、
前記第３流体および前記第４流体の実測圧力差と前記目標圧力差とを比較し、前記開閉弁の開閉状態を制御することで、前記実測圧力差を前記目標圧力差に近づける工程と
を含むアクチュエータの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、複数の人工筋を備えるアクチュエータおよびその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
家庭用ロボットなど人間に近い場所において動作する機械に対する要求の高まりに伴い、人間の筋肉のように軽量かつ柔軟な特徴を備える人工筋肉アクチュエータへの期待も大きくなっている。人工筋肉アクチュエータと呼ばれるアクチュエータには様々な種類があるが、多くは軽量かつ柔軟という特徴に適合しやすいゴム状弾性材料の変形を用いたアクチュエータである。
【０００３】
ゴム状弾性材料の変形を用いたアクチュエータの一つとして、流体の圧力により伸縮するマッキベン型のアクチュエータが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１に記載されたマッキベン型のアクチュエータは、編み組構造で補強されたゴムチューブにより構成され、ゴムチューブの内部を流体で加圧し、編み組の角度をパンタグラフのように変化させながら径方向の膨張を軸方向の収縮に変換することで、アクチュエータを伸縮させている。
【０００５】
このようなアクチュエータに回転円板やアームなどの変位部を取り付け、変位部を動かす場合には、安定した双方向動作を実現するために拮抗駆動アクチュエータが使用される（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５９−１９７６０５号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】山下  忠、外３名、“拮抗駆動関節による剛性とトルクの制御：空気圧アクチュエータによる実験的検討”、日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．５、ｐｐ．６６６〜６７３、１９９５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載されたマッキベン型のアクチュエータは、圧力が高いほど剛性が増加する非線形な特性を有している。したがって、２つのマッキベン型のアクチュエータを用いて拮抗駆動アクチュエータを構成した場合、アクチュエータの圧力を変化させ、変位部の位置（例えば角度）を変えると、変位部の移動方向の剛性（アクチュエータの剛性）も変化してしまうという問題がある。
【０００９】
そこで、本開示の非限定的で例示的な一態様は、変位部の位置と剛性とを独立して調節する、または、剛性を変えずに変位部の位置を調節することができるアクチュエータを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の一態様に係るアクチュエータは、第１部材と第２部材を含む変位部と、第１人工筋と、第２人工筋を含み、前記第１人工筋および前記第２人工筋を用いて発生された力は、前記第１部材を用いて前記第２部材に伝達され、前記伝達された力は前記第２部材を第１方向または前記第１方向と反対方向である第２方向に変位させ、前記第１人工筋は、コイル状に巻回された、弾性を有する第１の筒体を備え、前記第１の筒体は前記第１の筒体の外周面上に設けられた螺旋状の第１の溝と前記第１の筒体の内周面上に設けられた螺旋状の第２の溝の少なくとも一方を有し、前記第１の溝の螺旋の中心軸と前記第２の溝の螺旋の中心軸は、前記第１の筒体の軸心であり、前記第１の筒体の内部には第１流体が充填され、前記第２人工筋は、コイル状に巻回された、弾性を有する第２の筒体を備え、前記第２の筒体は前記第２の筒体の外周面上に設けられた螺旋状の第３の溝と前記第２の筒体の内周面上に設けられた螺旋状の第４の溝の少なくとも一方を有し、前記第３の溝の螺旋の中心軸と前記第４の溝の螺旋の中心軸は、前記第２の筒体の軸心であり、前記第２の筒体の内部には第２流体が充填され、前記第１の筒体のコイル状の巻回し方向が、前記第１の溝の螺旋状の巻回し方向及び前記第２の溝の螺旋状の巻回し方向と逆であり、前記第２の筒体のコイル状の巻回し方向が、前記第３の溝の螺旋状の巻回し方向及び前記第４の溝の螺旋状の巻回し方向と同じである。
【００１１】
また、本開示の一態様に係るアクチュエータの駆動方法は、前記アクチュエータは、第１部材、第２部材、第３部材を含む変位部と、第１人工筋と、第２人工筋と、前記第１部材及び前記第３部材を使用して、前記第１人工筋および前記第２人工筋の力が加えられる第３人工筋および第４人工筋とを備え、前記第１部材は、前記第１人工筋と前記第２人工筋とを繋ぐ経路上、および、前記第３部材は前記第３人工筋と前記第４人工筋とを繋ぐ経路上に配置され、前記第１人工筋は、コイル状に巻回された、弾性を有する第１の筒体を備え、前記第１の筒体は前記第１の筒体の外周面上に設けられた螺旋状の第１の溝と前記第１の筒体の内周面上に設けられた螺旋状の第２の溝の少なくとも一方を有し、前記第１の溝の螺旋の中心軸と前記第２の溝の螺旋の中心軸は、前記第１の筒体の軸心であり、前記第１の筒体の内部には第１流体が充填され、前記第２人工筋は、コイル状に巻回された、弾性を有する第２の筒体を備え、前記第２の筒体は前記第２の筒体の外周面上に設けられた螺旋状の第３の溝と前記第２の筒体の内周面上に設けられた螺旋状の第４の溝の少なくとも一方を有し、前記第３の溝の螺旋の中心軸と前記第４の溝の螺旋の中心軸は、前記第２の筒体の軸心であり、前記第２の筒体の内部には第２流体が充填され、前記第３人工筋は、コイル状に巻回された、弾性を有する第３の筒体を備え、前記第３の筒体は前記第３の筒体の外周面上に設けられた螺旋状の第５の溝と前記第３の筒体の内周面上に設けられた螺旋状の第６の溝の少なくとも一方を有し、前記第５の溝の螺旋の中心軸と前記第６の溝の螺旋の中心軸は、前記第３の筒体の軸心であり、前記第３の筒体の内部には第３流体が充填され、前記第４人工筋は、コイル状に巻回された、弾性を有する第４の筒体を備え、前記第４の筒体は前記第４の筒体の外周面上に設けられた螺旋状の第７の溝と前記第４の筒体の内周面上に設けられた螺旋状の第８の溝の少なくとも一方を有し、前記第７の溝の螺旋の中心軸と前記第８の溝の螺旋の中心軸は、前記第４の筒体の軸心であり、前記第４の筒体の内部には第４流体が充填され、前記第１の筒体のコイル状の巻回し方向が、前記第１の溝の螺旋状の巻回し方向及び前記第２の溝の螺旋状の巻回し方向と逆であり、前記第２の筒体のコイル状の巻回し方向が、前記第３の溝の螺旋状の巻回し方向及び前記第４の溝の螺旋状の巻回し方向と同じであり、前記第３の筒体のコイル状の巻回し方向は、前記第５の溝の螺旋状の巻回し方向及び前記第６の溝の螺旋状の巻回し方向と同じ、あるいは、逆であり、前記第４の筒体のコイル状の巻回し方向は、前記第３の筒体のコイル状の巻き回し方向と同じであり、かつ、前記第７の溝の螺旋状の巻回し方向、及び、前記第８の溝の螺旋状の巻回し方向は、前記第５の溝の螺旋状の巻き回し方向と同じであり、又は、前記第４の筒体のコイル状の巻回し方向は、前記第３の筒体のコイル状の巻き回し方向と逆であり、かつ、前記第７の溝の螺旋状の巻回し方向、及び、前記第８の溝の螺旋状の巻回し方向は、前記第５の溝の螺旋状の巻き回し方向と逆であり、前記アクチュエータは、さらに、前記第１流体の圧力および前記第２流体の圧力を変化させる圧力調整部と、前記第３人工筋および前記第４人工筋を繋ぐ配管中に設けられ開閉弁と、前記配管は前記第３流体の前記第４の筒体への流路であり、かつ、前記第４流体の前記第３の筒体への流路であり、前記圧力調整部の駆動、および、前記開閉弁の開閉状態を制御する制御部とを含み、前記駆動方法は、前記第２部材の位置を目標位置へ移動させる位置指令に応じ、前記圧力調整部を用いて、前記第１流体の圧力および前記第２流体の圧力を変更する工程と、前記位置指令と、前記変位部の剛性を目標剛性とするための剛性指令とに基づき、前記第３流体と前記第４流体との目標圧力差を算出する工程と、前記第３流体および前記第４流体の実測圧力差と前記目標圧力差とを比較し、前記開閉弁の開閉状態を制御することで、前記実測圧力差を前記目標圧力差に近づける工程とを含む。
【００１２】
なお、これらの包括的または具体的な態様は、装置、システム、方法で実現されてもよく、装置、システム、方法の任意の組み合わせにより実現してもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本開示によれば、アクチュエータは、変位部の位置と剛性とを独立して調節する、または、剛性を変えずに変位部の位置を調節することができる。本開示の一態様の付加的な恩恵及び有利な点は本明細書及び図面から明らかとなる。この恩恵及び／又は有利な点は、本明細書及び図面に開示した様々な態様及び特徴により個別に提供され得るものであり、その１以上を得るために全てが必要ではない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１に係るアクチュエータを模式的に示す図である。
【図２Ａ】実施の形態１に係るホモキラル構造を有する人工筋の一部を示す図である。
【図２Ｂ】実施の形態１に係るヘテロキラル構造を有する人工筋の一部を示す図である。
【図３】実施の形態１に係るホモキラル構造の人工筋の筒体の横断面図である。
【図４】実施の形態１に係るホモキラル構造の人工筋の筒体を直線状にして正面から見た図である。
【図５】図４に示す人工筋の筒体の縦断面図である。
【図６】実施の形態１に係る人工筋の継手および配管の一例を示す図である。
【図７Ａ】実施の形態１における人工筋であって、内部の流体を加圧する前の、第１の弾性部材の骨部を示す断面図である。
【図７Ｂ】実施の形態１における人工筋であって、内部の流体を加圧した後の、第１の弾性部材の骨部の変形を示す断面図である。
【図８Ａ】実施の形態１におけるホモキラル構造の人工筋であって、内部の流体を加圧する前の状態を示す模式図である。
【図８Ｂ】実施の形態１におけるホモキラル構造の人工筋であって、内部の流体を加圧した後の伸縮状態を示す模式図である。
【図９Ａ】実施の形態１におけるヘテロキラル構造の人工筋であって、内部の流体を加圧する前の状態を示す模式図である。
【図９Ｂ】実施の形態１におけるヘテロキラル構造の人工筋であって、内部の流体を加圧した後の伸縮状態を示す模式図である。
【図１０Ａ】実施の形態１における位置可変部の初期状態を示す模式図である。
【図１０Ｂ】実施の形態１における位置可変部の人工筋の流体に圧力をかけた状態を示す模式図である。
【図１１Ａ】実施の形態１における剛性可変部の中立状態を示す模式図である。
【図１１Ｂ】実施の形態１における剛性可変部に外力が作用した状態を示す模式図である。
【図１２】実施の形態１に係るアクチュエータの駆動方法を示すフローチャートである。
【図１３】実施の形態２に係るアクチュエータを模式的に示す図である。
【図１４】実施の形態３に係るアクチュエータを模式的に示す平面図である。
【図１５】実施の形態４に係るアクチュエータを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（本開示の基礎となった知見）
本発明者は、「背景技術」の欄において記載した、マッキベン型のアクチュエータを用いた拮抗駆動アクチュエータに関し、以下の問題が生じることを見出した。
【００１６】
マッキベン型のアクチュエータは、圧力が高いほど剛性が増加する非線形な特性を有している。したがって、マッキベン型のアクチュエータを用いて拮抗駆動アクチュエータを構成すると、２つのマッキベン型のアクチュエータの圧力差により関節角度（位置）が変化するだけでなく、２つのマッキベン型のアクチュエータの圧力を共に変化させることで、関節剛性も変化してしまう。
【００１７】
このような特性は、状況に応じて関節剛性を変化させるロボットの関節などで有用だが、関節角度を変化させずに関節剛性を変化させたい場合には、２つのマッキベン型のアクチュエータの圧力を関節角度が変化しないようにバランスを取りながら上昇させていく必要があり、制御が複雑になるという問題がある。また、関節剛性を変化させずに関節角度を変化させたい場合には、２つのマッキベン型のアクチュエータの圧力を関節剛性が変化しないようにバランスを取りながら変化させていく必要があり、制御が複雑になるという問題がある。
【００１８】
例えば、アクチュエータを歩行アシスト用のウェアラブル器機として用いる場合、脚を前後に振り動かす際はアクチュエータの剛性を低く、脚を地面に付けて踏ん張る際はアクチュエータの剛性を高くすることが望まれる。本開示のアクチュエータによれば、変位部の位置とアクチュエータの剛性とを独立して調節することができ、上記ウェアラブル器機として利用することが可能となる。
【００１９】
本開示のアクチュエータは、第１部材と第２部材を含む変位部と、第１人工筋と、第２人工筋を含み、前記第１人工筋および前記第２人工筋を用いて発生された力は、前記第１部材を用いて前記第２部材に伝達され、前記伝達された力は前記第２部材を第１方向または前記第１方向と反対方向である第２方向に変位させ、前記第１人工筋は、コイル状に巻回された、弾性を有する第１の筒体を備え、前記第１の筒体は前記第１の筒体の外周面上に設けられた螺旋状の第１の溝と前記第１の筒体の内周面上に設けられた螺旋状の第２の溝の少なくとも一方を有し、前記第１の溝の螺旋の中心軸と前記第２の溝の螺旋の中心軸は、前記第１の筒体の軸心であり、前記第１の筒体の内部には第１流体が充填され、前記第２人工筋は、コイル状に巻回された、弾性を有する第２の筒体を備え、前記第２の筒体は前記第２の筒体の外周面上に設けられた螺旋状の第３の溝と前記第２の筒体の内周面上に設けられた螺旋状の第４の溝の少なくとも一方を有し、前記第３の溝の螺旋の中心軸と前記第４の溝の螺旋の中心軸は、前記第２の筒体の軸心であり、前記第２の筒体の内部には第２流体が充填され、前記第１の筒体のコイル状の巻回し方向が、前記第１の溝の螺旋状の巻回し方向及び前記第２の溝の螺旋状の巻回し方向と逆であり、前記第２の筒体のコイル状の巻回し方向が、前記第３の溝の螺旋状の巻回し方向及び前記第４の溝の螺旋状の巻回し方向と同じである。
【００２０】
この構成によれば、例えば、第１の筒体および第２の筒体の内部の流体が加圧されることで第１人工筋は伸張し、第２人工筋は収縮する。これにより、アクチュエータにおいて、拮抗状態を保ったまま変位部を所定の圧力で変位させることができる。その際に、第１人工筋の張力および第２人工筋の張力の合計値は変化しないので、アクチュエータの剛性を変えずに変位部の位置を調節することができる。
【００２１】
例えば、前記第１人工筋は、前記第２人工筋と同じ材料、同じコイル巻回径および自然長が同じコイルピッチで形成され、前記第１の筒体および前記第２の筒体のそれぞれを直線状にした場合、前記第１の筒体は、前記第２の筒体と同一形状を有する、または、前記第２の筒体に対して面対称な形状を有していてもよい。
【００２２】
この構成によれば、例えば、第１人工筋の変位量（伸長長さ）と、第２人工筋の変位量（収縮長）さとが同程度になるので、拮抗状態を保ったまま変位部を所定の圧力で変位することができる。
【００２３】
アクチュエータは、さらに、前記第１流体の圧力および前記第２流体の圧力を変化させる圧力調整部と、制御部とを備え、前記制御部は、前記第２部材を前記第１方向に変位させる時、前記圧力調整部に前記第１流体の圧力及び前記第２流体の圧力を増加させる指示をし、これにより前記第１人工筋を伸長および前記第２人工筋を収縮させ、前記制御部は、前記第２部材を前記第２方向に変位させる時、前記圧力調整部に前記第１流体の圧力及び前記第２流体の圧力を減少させる指示をし、これにより前記第１人工筋を収縮および前記第２人工筋を伸長させてもよい。
【００２４】
この構成によれば、例えば、圧力調整部を用いて第１の筒体および第２の筒体の内部の流体が加圧されることで第１人工筋は伸張し、第２人工筋は収縮する。これにより、アクチュエータにおいて、拮抗状態を保ったまま変位部を圧力調整部から供給される所定の圧力で変位させることが可能となる。
【００２５】
アクチュエータは、さらに、前記第１人工筋および前記第２人工筋から前記第１部材を介して力が加えられる第３人工筋および第４人工筋と、前記第３人工筋と前記第４人工筋を繋ぐ配管中に設けられた開閉弁とを備え、前記第３人工筋は、コイル状に巻回された、弾性を有する第３の筒体を備え、前記第３の筒体は前記第３の筒体の外周面上に設けられた螺旋状の第５の溝と前記第３の筒体の内周面上に設けられた螺旋状の第６の溝の少なくとも一方を有し、前記第５の溝の螺旋の中心軸と前記第６の溝の螺旋の中心軸は、前記第３の筒体の軸心であり、前記第４人工筋は、コイル状に巻回された、弾性を有する第４の筒体を備え、前記第４の筒体は前記第４の筒体の外周面上に設けられた螺旋状の第７の溝と前記第４の筒体の内周面上に設けられた螺旋状の第８の溝の少なくとも一方を有し、前記第７の溝の螺旋の中心軸と前記第８の溝の螺旋の中心軸は、前記第４の筒体の軸心であり、前記第３の筒体のコイル状の巻回し方向は、前記第５の溝の螺旋状の巻回し方向及び前記第６の溝の螺旋状の巻回し方向と同じ、あるいは、逆であり、前記第４の筒体のコイル状の巻回し方向は、前記第３の筒体のコイル状の巻き回し方向と同じであり、かつ、前記第７の溝の螺旋状の巻回し方向、及び、前記第８の溝の螺旋状の巻回し方向は、前記第５の溝の螺旋状の巻き回し方向と同じであり、又は、前記第４の筒体のコイル状の巻回し方向は、前記第３の筒体のコイル状の巻き回し方向と逆であり、かつ、前記第７の溝の螺旋状の巻回し方向、及び、前記第８の溝の螺旋状の巻回し方向は、前記第５の溝の螺旋状の巻き回し方向と逆であり、前記第３の筒体の内部には第３流体が充填され、および前記第４の筒体の内部には第４流体が充填され、前記配管は前記第３流体の前記第４の筒体への流路であり、かつ、前記第４流体の前記第３の筒体への流路であり、前記制御部は、前記開閉弁に前記開閉弁の開閉状態を制御させ、これにより前記第３人工筋から前記第４人工筋への前記第３流体の移動量、及び、前記第４人工筋から前記第３人工筋への前記第４流体の移動量を制御してもよい。
【００２６】
この構成によれば、第３人工筋および第４人工筋は、変位部の位置変化に伴って一方が収縮し、他方が伸張する。開閉弁を開いた状態において、変位部の位置変化に伴う第３人工筋および第４人工筋の内容積変化は、一方の容積が減少した分、他方の容積が増加して、全体の容積は変化せず、内圧は変化しない。それに対し開閉弁を閉じた状態では、容積が減少する人工筋の内圧は上昇し、容積が増加する人工筋の内圧は減少するので、変位部の位置変化に対する剛性を高められる。これにより、圧力調整部により変位を調節し、また、開閉弁により剛性を調節し、それぞれを独立して調節することができる。
【００２７】
例えば、前記第３人工筋および前記第４人工筋は、互いに、同じ材料かつ同じ形状であってもよい。
【００２８】
この構成によれば、開閉弁を用いて容易に剛性を調節することができる。
【００２９】
例えば、前記第３の筒体のコイル状の巻回し方向は、前記第３の溝の螺旋状の巻き回し方向と同じであってもよい。
【００３０】
この構成によれば、第３の筒体のコイル状の巻回し方向が第３の溝の螺旋状の巻回し方向と逆である場合に比べて、第３人工筋および第４人工筋にかかる負荷を低減することができる。
【００３１】
例えば、前記変位部は、回転軸を有し、前記第１部材及び前記第２部材は、前記回転軸を中心に回転可能であり、前記第１方向の変位は、前記回転軸を中心とする前記第１方向への回転であり、前記第２方向の変位は、前記回転軸を中心とする前記第１方向と反対方向への回転であり、前記開閉弁を用いて前記変位部の回転動作に対する抵抗の大きさを制御してもよい。
【００３２】
この構成によれば、回転動作する変位部の、回転位置と回転方向の剛性とを独立して調節することができる。「回転方向の剛性」は、「回転動作に対する抵抗の大きさ」とも称される。
【００３３】
例えば、前記第１人工筋と前記第３人工筋とが並行に延在するように並んで配置され、かつ、前記第２人工筋と前記第４人工筋とが並行に延在するように並んで配置されていてもよい。
【００３４】
この構成によれば、例えば、圧力調整部により変位部の位置を調節しつつ、開閉弁を閉鎖することで、第１人工筋、第２人工筋、第３人工筋および第４人工筋が備える固有の剛性以上に剛性を高めることができる。
【００３５】
例えば、前記第１人工筋と前記第３人工筋とが直線状に配置され、かつ、前記第２人工筋と前記第４人工筋とが直線状に配置されていてもよい。
【００３６】
この構成によれば、例えば、圧力調整部により変位部の位置を調節しつつ、開閉弁を閉鎖することで、第１人工筋、第２人工筋、第３人工筋および第４人工筋の組み合わせによる剛性を、第１人工筋の剛性および第２人工筋の組み合わせによる剛性に近づけることができる。
【００３７】
例えば、前記変位部の可動範囲における前記第１人工筋の最小長が前記第１人工筋の自然長であってもよい。
【００３８】
この構成によれば、例えば、変位部の変位範囲において、第１人工筋は自然長を含む伸張した状態で利用されることになり、第１人工筋や第２人工筋に対して必要以上の張力が作用することを抑制できる。
【００３９】
例えば、さらに、前記第３流体の第１圧力を計測する第１の圧力計測部と前記第４流体の第２圧力を計測する第２の圧力計測部とを備え、  前記制御部は、前記第１圧力または前記第２圧力が、所定圧力範囲を逸脱した場合に前記開閉弁を開放してもよい。
【００４０】
この構成によれば、第３人工筋や第４人工筋が、負圧になったり過剰な圧力がかかった状態になることを抑制することができる。
【００４１】
本開示のアクチュエータの駆動方法は、前記アクチュエータは、第１部材、第２部材、第３部材を含む変位部と、第１人工筋と、第２人工筋と、前記第１部材及び前記第３部材を使用して、前記第１人工筋および前記第２人工筋の力が加えられる第３人工筋および第４人工筋とを備え、前記第１部材は、前記第１人工筋と前記第２人工筋とを繋ぐ経路上、および、前記第３部材は前記第３人工筋と前記第４人工筋とを繋ぐ経路上に配置され、前記第１人工筋は、コイル状に巻回された、弾性を有する第１の筒体を備え、前記第１の筒体は前記第１の筒体の外周面上に設けられた螺旋状の第１の溝と前記第１の筒体の内周面上に設けられた螺旋状の第２の溝の少なくとも一方を有し、前記第１の溝の螺旋の中心軸と前記第２の溝の螺旋の中心軸は、前記第１の筒体の軸心であり、前記第１の筒体の内部には第１流体が充填され、前記第２人工筋は、コイル状に巻回された、弾性を有する第２の筒体を備え、前記第２の筒体は前記第２の筒体の外周面上に設けられた螺旋状の第３の溝と前記第２の筒体の内周面上に設けられた螺旋状の第４の溝の少なくとも一方を有し、前記第３の溝の螺旋の中心軸と前記第４の溝の螺旋の中心軸は、前記第２の筒体の軸心であり、前記第２の筒体の内部には第２流体が充填され、前記第３人工筋は、コイル状に巻回された、弾性を有する第３の筒体を備え、前記第３の筒体は前記第３の筒体の外周面上に設けられた螺旋状の第５の溝と前記第３の筒体の内周面上に設けられた螺旋状の第６の溝の少なくとも一方を有し、前記第５の溝の螺旋の中心軸と前記第６の溝の螺旋の中心軸は、前記第３の筒体の軸心であり、前記第３の筒体の内部には第３流体が充填され、前記第４人工筋は、コイル状に巻回された、弾性を有する第４の筒体を備え、前記第４の筒体は前記第４の筒体の外周面上に設けられた螺旋状の第７の溝と前記第４の筒体の内周面上に設けられた螺旋状の第８の溝の少なくとも一方を有し、前記第７の溝の螺旋の中心軸と前記第８の溝の螺旋の中心軸は、前記第４の筒体の軸心であり、前記第４の筒体の内部には第４流体が充填され、前記第１の筒体のコイル状の巻回し方向が、前記第１の溝の螺旋状の巻回し方向及び前記第２の溝の螺旋状の巻回し方向と逆であり、前記第２の筒体のコイル状の巻回し方向が、前記第３の溝の螺旋状の巻回し方向及び前記第４の溝の螺旋状の巻回し方向と同じであり、前記第３の筒体のコイル状の巻回し方向は、前記第５の溝の螺旋状の巻回し方向及び前記第６の溝の螺旋状の巻回し方向と同じ、あるいは、逆であり、
前記第４の筒体のコイル状の巻回し方向は、前記第３の筒体のコイル状の巻き回し方向と同じであり、かつ、前記第７の溝の螺旋状の巻回し方向、及び、前記第８の溝の螺旋状の巻回し方向は、前記第５の溝の螺旋状の巻き回し方向と同じであり、又は 、前記第４の筒体のコイル状の巻回し方向は、前記第３の筒体のコイル状の巻き回し方向と逆であり、かつ、前記第７の溝の螺旋状の巻回し方向、及び、前記第８の溝の螺旋状の巻回し方向は、前記第５の溝の螺旋状の巻き回し方向と逆であり、前記アクチュエータは、さらに、前記第１流体の圧力および前記第２流体の圧力を変化させる圧力調整部と、前記第３人工筋および前記第４人工筋を繋ぐ配管中に設けられ開閉弁と、前記配管は前記第３流体の前記第４の筒体への流路であり、かつ、前記第４流体の前記第３の筒体への流路であり、前記圧力調整部の駆動、および、前記開閉弁の開閉状態を制御する制御部とを含み、前記駆動方法は、前記第２部材の位置を目標位置へ移動させる位置指令に応じ、前記圧力調整部を用いて、前記第１流体の圧力および前記第２流体の圧力を変更する工程と、前記位置指令と、前記変位部の剛性を目標剛性とするための剛性指令とに基づき、前記第３流体と前記第４流体との目標圧力差を算出する工程と、前記第３流体および前記第４流体の実測圧力差と前記目標圧力差とを比較し、前記開閉弁の開閉状態を制御することで、前記実測圧力差を前記目標圧力差に近づける工程を含む。
【００４２】
この構成によれば、アクチュエータの変位と剛性とを確実に変化させることができる。
【００４３】
以下、アクチュエータの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４４】
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００４５】
（実施の形態１）
［１．１  アクチュエータの構成］
アクチュエータは、変位部に対して、一対のアクチュエータを拮抗配置し、一対のアクチュエータの力を相互に作用させながら、変位部を動かすアクチュエータである。
【００４６】
図１は、実施の形態１に係るアクチュエータ１Ａを模式的に示す図である。
【００４７】
まず、アクチュエータ１Ａの概略構成について説明する。
【００４８】
アクチュエータ１Ａは、互いに並行して延在し、並んで配置されている第１人工筋２ａおよび第３人工筋２ｃと、互いに並行して延在し、並んで配置されている第２人工筋２ｂおよび第４人工筋２ｄとを備えている。第１人工筋２ａおよび第２人工筋２ｂも互いに並行して延在し、第３人工筋２ｃおよび第４人工筋２ｄも互いに並行して延在している。以下、第１人工筋２ａ、第２人工筋２ｂ、第３人工筋２ｃおよび第４人工筋２ｄのそれぞれを人工筋２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄと呼ぶ。
【００４９】
人工筋２ａ〜２ｄは、それぞれ筒状（管状）であり、内部に流体が充填されている。人工筋２ａ〜２ｄは、内部の流体の圧力を変えることで、収縮または伸長する。人工筋２ａはヘテロキラル構造をしており、人工筋２ｂ、２ｃ、２ｄはホモキラル構造をしている。このヘテロキラル構造およびホモキラル構造については、後述する。
【００５０】
アクチュエータ１Ａは、変位部２５ａの位置を可変する位置可変部２６ａと、変位部２５ａの移動方向の剛性を可変する剛性可変部２７ａとを備えている。
【００５１】
変位部２５ａは、一体的に回転移動する円板６ａ、６ｂ、シャフト７ａおよびアーム９ａにより構成されている。変位部２５ａは、人工筋２ａと人工筋２ｂとを繋ぐ経路上、および、人工筋２ｃと人工筋２ｄとを繋ぐ経路上に配置され、人工筋２ａ、２ｂにより円板６ａの接線方向に力が加えられることで、所定方向（回転方向）に変位可能となっている。位置可変部２６ａは、人工筋２ａ、２ｂ、連結ワイヤ４ａ、４ｂ、巻付けワイヤ５ａ、継手１６ａ、１６ｂ、配管１７ａ、１７ｂ、および、圧力調整部２０ａを備えている。剛性可変部２７ａは、人工筋２ｃ、２ｄ、連結ワイヤ４ｃ、４ｄ、巻付けワイヤ５ｂ、継手１６ｃ、１６ｄ、配管１７ｃ、１７ｄ、および、開閉弁２１ａを備えている。
【００５２】
アクチュエータ１Ａは、さらに、圧力調整部２０ａの駆動、および、開閉弁２１ａの開閉状態を制御する制御部２２ａを備えている。
【００５３】
次に、アクチュエータ１Ａの各構成について説明する。
【００５４】
人工筋２ａの一端は、継手１６ａおよび連結ワイヤ４ａを介してベース板３ａに連結されている。人工筋２ｂの一端は、継手１６ｂおよび連結ワイヤ４ｂを介してベース板３ａに連結されている。人工筋２ａ、２ｂの他端は、巻付けワイヤ５ａの両端にそれぞれ連結されている。巻付けワイヤ５ａは、円板（スプロケット）６ａの外周に巻付けられている。円板６ａの中心には、シャフト（回転軸）７ａが固定されている。円板６ａは、シャフト７ａとともに、シャフト７ａの軸を中心に回転可能となっている。シャフト７ａは、支柱８ａに対して回転自由に支持され、支柱８ａはベース板３ａに固定されている。人工筋２ａ、２ｂのそれぞれは、初期張力が発生するように引っ張られた状態で、ベース板３ａと円板６ａとの間に設置されている。円板６ａは、人工筋２ａ、２ｂの伸縮に伴う巻付けワイヤ５ａの動きに応じて回転する。
【００５５】
人工筋２ｃの一端は、継手１６ｃおよび連結ワイヤ４ｃを介してベース板３ａに連結されている。人工筋２ｄの一端は、継手１６ｄおよび連結ワイヤ４ｄを介してベース板３ａに連結されている。人工筋２ｃ、２ｄの他端は、巻付けワイヤ５ｂの両端にそれぞれ連結されている。巻付けワイヤ５ｂは、円板６ｂの外周に巻付けられている。円板６ａおよび円板６ｂは、互いに同じ直径で、かつ、同じ厚みである。円板６ｂの中心には、シャフト７ａが固定されている。円板６ｂは、円板６ａおよびシャフト７ａとともに、シャフト７ａの軸を中心に回転可能となっている。人工筋２ｃ、２ｄのそれぞれは、初期張力が発生するように引っ張られた状態で、ベース板３ａと円板６ｂとの間に設置されている。
【００５６】
円板６ｂには、アーム９ａが連結されている。円板６ｂは、円板６ａの回転に伴って回転し、アーム９ａは、シャフト７ａおよび円板６ａ、６ｂと一体に回転する。アクチュエータ１Ａでは、人工筋２ａ、２ｂにて発生した力を、アーム９ａを介して外部に出力できる構成となっている。
【００５７】
位置可変部２６ａを構成する人工筋２ａ、２ｂには、内部に充填された流体の圧力を変化させる圧力調整部２０ａが接続されている。具体的には、人工筋２ａは、継手１６ａおよび配管１７ａを介して圧力調整部２０ａに接続され、人工筋２ｂは、継手１６ｂおよび配管１７ｂを介して圧力調整部２０ａに接続されている。
【００５８】
制御部２２ａは、圧力調整部２０ａを用いて流体の圧力を増加させることで人工筋２ａを伸長および人工筋２ｂを収縮し、変位部２５ａを所定方向に変位させる。また逆に、制御部２２ａは、圧力調整部２０ａを用いて流体の圧力を減少させることで人工筋２ａを収縮および人工筋２ｂを伸長し、変位部２５ａを所定方向とは反対方向に変位させる。これにより、制御部２２ａは、変位部２５ａの回転位置を制御する。
【００５９】
圧力調整部２０ａとしては、例えば、シリンジポンプ（往復ポンプ）などが用いられる。シリンジポンプは、注射器のような円筒形のシリンジおよび可動式の押子と、押子の位置を制御する制御部とを有するポンプであり、シリンジ内を押子で加圧して流体を送り出し、また、シリンジ内を押子で減圧して流体を回収する。シリンジポンプを作動することで、人工筋２ａ、２ｂの内部に充填される流体の量や圧力を調節することができる。本実施の形態で用いられる流体は、例えば、水などの液体である。
【００６０】
人工筋２ａ、２ｂには、１つのシリンジポンプを用いて、同じ圧力または同じ流量の流体が同時に流出入される。ただし、複数のシリンジポンプを用いて、同じ圧力または同じ流量の流体を、人工筋２ａ、２ｂにそれぞれ流出入させてもよい。
【００６１】
一方、剛性可変部２７ａを構成する人工筋２ｃ、２ｄには、人工筋２ｃ、２ｄに充填された流体同士を繋ぐ経路の開閉状態を調節する開閉弁２１ａが接続されている。具体的には、人工筋２ｃは、継手１６ｃおよび配管１７ｃを介して開閉弁２１ａに接続され、人工筋２ｄは、継手１６ｄおよび配管１７ｄを介して開閉弁２１ａに接続されている。すなわち、開閉弁２１ａは、人工筋２ｃ、２ｄ間を繋ぎ、人工筋２ｃ、２ｄの内部に充填されている流体を出入りさせる配管経路上に配置され、経路の開閉状態を調節する。
【００６２】
図６は、人工筋の継手および配管の一例を示す図である。図６では、人工筋２ｃの下部を例示している。人工筋２ｃは、ベース板３ａと連結する一端側において、継手１６ｃに連結されている。継手１６ｃには、開閉弁２１ａに接続される配管１７ｃと、第１の圧力計測部１８とが接続されている。第１の圧力計測部１８は、人工筋２ｃの内部の流体の圧力を計測する。同様に、人工筋２ｄは、ベース板３ａと連結する一端側において、継手１６ｄに連結されている。継手１６ｄには、開閉弁２１ａに接続される配管１７ｄと、第２の圧力計測部１８とが接続されている（図示省略）。第２の圧力計測部は、人工筋２ｄの内部の流体の圧力を計測する。
【００６３】
制御部２２ａは、第１の圧力計測部１８により人工筋２ｃ内の流体の圧力を検出し、第２の圧力計測部１８により人工筋２ｄ内の流体の圧力を検出する。また、制御部２２ａは、開閉弁２１ａの開閉状態を制御することで、人工筋２ｃ内および人工筋２ｄ内の流体の互いの出入量を制御する。これにより、制御部２２ａは、人工筋２ｃ、２ｄの剛性、すなわち、変位部２５ａの回転方向の剛性を制御する。
【００６４】
これらの構造により、本実施の形態に係るアクチュエータ１Ａでは、圧力調整部２０ａにより変位部２５ａの位置を調節し、また、開閉弁２１ａにより変位部２５ａの移動方向の剛性を調節し、それぞれを独立して調節することができる。
【００６５】
［１．２  人工筋の構成］
次に、本実施の形態に係る人工筋２ａ〜２ｄについて説明する。
【００６６】
図２Ａは、ホモキラル構造を有する人工筋２ｂ〜２ｄの一部を示す図である。図２Ｂは、ヘテロキラル構造を有する人工筋２ａの一部を示す図である。
【００６７】
まず、ホモキラル構造を有する人工筋２ｂ〜２ｄについて説明する。
【００６８】
人工筋２ｂ〜２ｄは、図２Ａに示すように、弾性を有する中空の筒体１０Ｂが、コイル状に巻回された形状をしている。筒体１０Ｂは、人工筋２ｂ〜２ｄの長軸方向の軸Ａ１を中心に巻回されている。筒体１０Ｂの外周面１０ｂには、筒体１０Ｂの軸心Ａ２を中心軸として、螺旋状に溝ｃが複数設けられている。人工筋２ｂ〜２ｄのそれぞれは、筒体１０Ｂのコイルの巻方向は軸Ａ１に対して右巻きであり、溝ｃの螺旋は軸心Ａ２に対して右巻きである。すなわち、筒体１０Ｂのコイルの巻方向と溝ｃの螺旋の巻方向とが一致している。このような構造をホモキラル構造と呼ぶ。
【００６９】
一方、人工筋２ａは、溝ｃの螺旋が軸心Ａ２に対して左巻きになり、筒体１０Ａのコイルの巻方向と溝ｃの螺旋の巻方向とが逆の構造となっている。このような構造をヘテロキラル構造と呼ぶ。
【００７０】
本実施の形態では、筒体１０Ａは、第１の筒体に相当し、筒体１０Ｂは、第２の筒体、第３の筒体または第４の筒体に相当する。また、本実施の形態では、第１の筒体の溝ｃは第１の溝に、第２の筒体の溝ｃは第２の溝に、第３の筒体の溝ｃは第３の溝に、第４の筒体の溝ｃは第４の溝に相当する。
【００７１】
さらに、人工筋２ａ〜２ｄの詳細構造について、筒体１０Ｂを例に挙げて説明する。
【００７２】
図３は、ホモキラル構造の人工筋２ｂ〜２ｄの筒体１０Ｂの横断面図である。
【００７３】
筒体１０Ｂは、図３に示すように、円筒状の第１の弾性部材１１と、第１の弾性部材１１よりも柔軟性の高い、円筒状（管状）の第２の弾性部材１２とにより構成されている。第２の弾性部材１２は中空であり、この中空部分（内周面１２ａの内側）に流体１５が充填される。
【００７４】
第１の弾性部材１１には、その内周面１１ａと外周面１１ｂを貫通する複数の貫通穴１１ｃが設けられている。第２の弾性部材１２は、第１の弾性部材１１の内側に接して配置されて、貫通穴１１ｃを塞いでいる。したがって、溝ｃは、第１の弾性部材１１の貫通穴１１ｃの側面と、第２の弾性部材１２の表面（外周面１２ｂ）により形成される。なお、第１の弾性部材１１と第２の弾性部材１２は、接着されていない。
【００７５】
また、第１の弾性部材１１は、その周方向に隣り合う溝ｃの間に位置する複数の骨部ｂを有している。骨部ｂは、断面が円弧状で、周方向に互いに間隔をあけて設けられている。骨部ｂは、４つの骨部ｂにより構成され、これらの骨部ｂが、軸心Ａ２を中心に螺旋状に巻回されることで、４つの溝ｃが螺旋状に設けられている。
【００７６】
また、第１の弾性部材１１は第２の弾性部材１２の外側に配置されており、第１の弾性部材１１の内周面１１ａと溝ｃ（貫通穴１１ｃ）の側面とにより形成される稜線が、面取りされている。本実施の形態では、稜線が丸みを帯びて形成されているが、テーパ状に形成することも可能である。
【００７７】
前述したとおり、第２の弾性部材１２としては、第１の弾性部材１１よりも柔軟性の高い部材が用いられる。柔軟性が高い部材とは、素材として柔らかい部材、または、構造的に柔らかい部材、例えば、薄く形成したり、波状に形成したりして変形しやすくなっている部材を含む意味である。
【００７８】
第１の弾性部材１１の材料としては、例えばナイロンが用いられ、第２の弾性部材１２の材料としては、例えばシリコンゴムが用いられている。ただし、これらの材料に限られず、各種樹脂材料及び／または金属材料を用いることができる。これら弾性部材１１、１２は、必要とされる耐圧性、柔軟性、流体１５に対する耐性（耐薬品性、耐溶剤性、耐油性）などを考慮して適宜選択される。例えば、弾性部材１１、１２に樹脂材料を用いることで、軽量な人工筋２ｂ〜２ｄが得られる。また、剛性の高いエンジニアリングプラスチック及び／または金属材料を用いることで、人工筋２ｂ〜２ｄの動作を高圧、低流量で行うことができ、流体１５の流れに伴う損失を低減できる。
【００７９】
図４は、ホモキラル構造の人工筋２ｂ〜２ｄの筒体１０Ｂを直線状にして正面から見た図である。図５は、図４に示す人工筋２ｂ〜２ｄの筒体１０Ｂの縦断面図である。
【００８０】
図４および図５に示すように、筒体１０Ｂは、多条溝構造であり、具体的には、４つの溝ｃ（ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４）と４つの骨部ｂ（ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４）とを有している。溝ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４は互いに平行で、それぞれの幅は一定である。隣り合う溝ｃの間隔（例えば、溝ｃ１と溝ｃ２の間隔）は、溝ｃの条数に応じて適宜設計される。骨部ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４も互いに平行で、それぞれの幅ｗｂは一定である。骨部ｂの厚みｔｂは、骨部ｂの幅ｗｂよりも小さい。
【００８１】
筒体１０Ｂの直径（外径）ｄは例えば３．６ｍｍであり、溝ｃの螺旋ピッチｐ２は例えば１０ｍｍである。
【００８２】
図７Ａは、人工筋２ｂ〜２ｄであって、内部の流体１５を加圧する前の、第１の弾性部材１１の骨部ｂを示す断面図である。図７Ｂは、人工筋２ｂ〜２ｄであって、内部の流体１５を加圧した後の、第１の弾性部材１１の骨部ｂの変形を示す断面図である。
【００８３】
図７Ａおよび図７Ｂはいずれも、骨部ｂの一巻分を軸心Ａ２方向から見た図である。
【００８４】
流体１５を加圧する前は、図７Ａに示すように、骨部ｂの半径はｒである。流体１５を加圧すると、筒体１０Ｂの第２の弾性部材１２を介して伝えられる圧力により、筒体１０Ｂの第１の弾性部材１１が径方向に膨張（変形）し、それにともない、図７Ｂに示すように、骨部ｂの半径がｒ＋Δｒとなる。このとき、骨部ｂには、一巻きあたり、角度φ＝２πΔｒ／（ｒ＋Δｒ）のねじれが発生する。そして、このねじれが第１の弾性部材１１を主体とする筒体１０Ｂ全体を軸心Ａ２中心にねじれさせる。
【００８５】
図８Ａは、ホモキラル構造の人工筋２ｂ〜２ｄであって、内部の流体１５を加圧する前の状態を示す模式図である。図８Ｂは、ホモキラル構造の人工筋２ｂ〜２ｄであって、内部の流体１５を加圧した後の伸縮状態を示す模式図である。
【００８６】
ホモキラル構造を有する人工筋２ｂ〜２ｄは、筒体１０Ｂの溝ｃが軸心Ａ２に対して右巻きであり、人工筋２ｂ〜２ｄが軸Ａ１に対して右巻きであるので、筒体１０Ｂに発生するねじれが、図８Ｂに示すように、人工筋２ｂ〜２ｄを軸Ａ１方向に縮ませるように作用する。
【００８７】
すなわち、筒体１０Ｂには加圧による膨張に伴って全体的に軸心Ａ２を中心に左巻方向のねじれが発生する。人工筋２ｂ〜２ｄは、軸Ａ１を中心に右巻きであるので、図８Ｂに示す人工筋２ｂ〜２ｄの右側に着目すると、筒体１０Ｂは、奥側から手前側を見た場合に、手前側が実線矢印の方向に回転するよう左巻方向にねじられる。一方、人工筋２ｂ〜２ｄの左側に着目すると、筒体１０Ｂは、奧側が破線矢印の方向に回転するよう左巻方向にねじられる。したがって、筒体１０Ｂの全長にわたって発生するねじれは、筒体１０Ｂのピッチ角αを小さくする（筒体１０Ｂのコイルピッチｐ１を小さくする）ように作用し、人工筋２ｂ〜２ｄの長さが短くなる。
【００８８】
そして、流体１５の加圧を解除すると、第１の弾性部材１１と第２の弾性部材１２の弾性力により、筒体１０Ｂの径方向の変形やねじれが元に戻り、人工筋２ｂ〜２ｄの長さも元に戻る。
【００８９】
本実施の形態のアクチュエータ１Ａにおいて、人工筋２ｃ、２ｄは、互いに同じ材料かつ同じ形状である。すなわち、人工筋２ｃ、２ｄは、同じコイル巻回径、および、自然長が同じコイルピッチを有し、また、同じ筒体１０Ｂから構成されている。
【００９０】
一方、軸Ａ１を中心に左巻きに巻回した筒体１０Ａについて説明する。
【００９１】
ヘテロキラル構造を有する人工筋２ａの場合、筒体１０Ａの溝ｃが軸心Ａ２に対して左巻きであり、人工筋２ａが軸Ａ１に対して右巻きである。これにより、筒体１０Ａの内部の流体１５が加圧された場合に、筒体１０Ａに対して右巻方向のねじり力が発生し、人工筋２ａを軸Ａ１方向に伸ばすように作用する。
【００９２】
図９Ａは、ヘテロキラル構造の人工筋２ａであって、内部の流体１５を加圧する前の状態を示す模式図である。図９Ｂは、ヘテロキラル構造の人工筋２ａであって、内部の流体１５を加圧した後の伸縮状態を示す模式図である。なお、図９Ａおよび図９Ｂでは、溝ｃの図示を省略している。
【００９３】
この人工筋２ａでは、溝ｃの螺旋の巻方向が左巻きであるので、加圧による膨張に伴って筒体１０Ａの軸心Ａ２を中心に右巻方向のねじれが筒体１０Ａ全体に発生する。筒体１０Ａは、軸Ａ１を中心に右巻きに巻回されているので、図９Ｂに示す人工筋２ａの右側に着目すると、筒体１０Ａは、奥側から手前側を見た場合に、手前側が実線矢印の方向に回転するよう右巻方向にねじられる。一方、人工筋２ａの左側に着目すると、筒体１０Ａは、奧側が破線矢印の方向に回転するよう右巻方向にねじられる。したがって、筒体１０Ａの全長にわたって発生するねじれは、筒体１０Ａのピッチ角αを大きくする（筒体１０Ａのコイルピッチｐ１を大きくする）ように作用し、人工筋２ａの長さが長くなる。
【００９４】
本実施の形態のアクチュエータ１Ａでは、人工筋２ａ、２ｂは、同じ材料、同じコイル巻回径および自然長が同じコイルピッチで形成されている。また、人工筋２ａの筒体１０Ａおよび人工筋２ｂの筒体１０Ｂのそれぞれを直線状にした場合に、互いに面対称となる形状を有している。
【００９５】
以上の特性は、筒体１０Ａ、１０Ｂのコイルの巻方向と溝ｃの螺旋の巻方向により生じるものであり、図３に示す構造に限定されるものではない。例えば第２の弾性部材１２が、第１の弾性部材１１の外周に設けられたり、第１の弾性部材１１の溝ｃ内に設けられたりしてもよい。また、第２の弾性部材１２が第１の弾性部材１１が一体の構造であってもよい。
【００９６】
また、上記アクチュエータ１Ａでは、人工筋２ａの筒体１０Ａおよび人工筋２ｂの筒体１０Ｂのそれぞれを直線状にした場合に、筒体１０Ａは、筒体１０Ｂに対して面対称な形状を有しているが、それに限られない。人工筋２ａのコイル状の巻き回し方向が人工筋２ｂのコイル状の巻き回し方向に対して逆であるときは、筒体１０Ａおよび筒体１０Ｂのそれぞれを直線状にした場合に、筒体１０Ａは、筒体１０Ｂと同一形状を有していてもよい。
【００９７】
［１．３  アクチュエータの動作と剛性］
次に、アクチュエータ１Ａの動作と剛性について概略説明する。人工筋２ａ〜２ｄの特性は、加圧による軸心Ａ２方向への伸び、第１の弾性部材１１の伸び、第２の弾性部材１２のつぶれなどが無視できるとすると、流体１５にバイアス圧力が印加され、張力が作用しない状態を初期状態として、以下の数１および数２のように表すことができる。
【００９８】
【数１】
2018035936.tif 000003
【数２】
2018035936.tif 000004
【００９９】
ここで、ΔＬは人工筋２ａ〜２ｄの初期状態からの伸び、ΔＶは流体１５が充填されている人工筋２ａ〜２ｄの中空部分の初期状態からの容積変化、ｋはコイル形状である人工筋２ａ〜２ｄの構造体としてのばね定数、Ｆは人工筋２ａ〜２ｄに作用する伸び方向への張力、Δｐはバイアス圧力からの圧力変化、Ａは人工筋２ａ〜２ｄの構造や材質に依存する正の係数である。係数Ａは、ホモキラル構造の人工筋２ｂ〜２ｄの場合は符号が−となり、ヘテロキラル構造の人工筋２ａの場合は符号が＋となる。人工筋２ａ〜２ｄの長さは、張力により伸張すると共に、加圧により、ホモキラル構造の人工筋２ｂ〜２ｄの場合は収縮し、ヘテロキラル構造の人工筋２ａの場合は伸張する。一方で、中空部分は、加圧により膨張するが、張力に対しては、ホモキラル構造の人工筋２ｂ〜２ｄの場合は収縮し、ヘテロキラル構造の人工筋２ａの場合は膨張する。
【０１００】
数１および数２に基づき、人工筋２ａ〜２ｄの剛性を求めると数３のようになる。
【０１０１】
【数３】
2018035936.tif 000005
【０１０２】
容積変化当たりの圧力変化Δｐ／ΔＶについては、流体１５が自由に流出入できる場合は、０であり、Ｆ／ΔＬ＝ｋとなる。この場合、流体１５の影響はなく、人工筋２ｃ、２ｄのばね定数が現れる。また、同じばね定数の人工筋２ｃ、２ｄを連結し、一方に張力を作用させた場合は、Δｐ／ΔＶ＝−ｋ／Ａ２であり、Ｆ／ΔＬ＝２ｋとなる。この場合、流体１５の流出入により連結された人工筋２ｃ、２ｄも変形させることになり剛性が高まる。さらに、流体１５の流出入を完全に遮断する場合は、Δｐ／ΔＶ＝−∞であり、Ｆ／ΔＬ＝∞となる。ただしこれは、加圧による軸心Ａ２方向への伸び、第１の弾性部材１１の伸び、第２の弾性部材１２のつぶれなど無視しているためであり、現実には有限の値となる。このように、流体１５の流出入を完全に遮断することで、剛性を高めることが可能になる。
【０１０３】
次に、人工筋２ａ、２ｂを組み合わせた位置可変部２６ａの動作について説明する。
【０１０４】
図１０Ａは、位置可変部２６ａの初期状態を示す模式図である。図１０Ｂは、位置可変部２６ａの人工筋２ａ、２ｂの流体１５に圧力をかけた状態を示す模式図である。
【０１０５】
図１０Ａに示す状態では、巻付けワイヤ５ａを介して初期張力が作用した状態である。ここで、初期張力の大きさをＦ０とすると、人工筋２ａ、２ｂの伸びΔＬは、両者ともＦ０／ｋとなる。この状態から圧力調整部２０ａを用いて、圧力をΔｐ変化させると、人工筋２ａの伸びはΔＬ＝（Ｆ０＋ＡΔｐ）／ｋとなり、人工筋２ｂの伸びはΔＬ＝（Ｆ０−ＡΔｐ）／ｋとなる。これらの変形により、図１０Ｂに示すように、円板６ａは回転する。張力は、人工筋２ａ、２ｂの伸びの和が一定なので、Ｆ０のまま変化しない。円板６ａおよびそれと一体のアーム９ａの無負荷状態における中立角度（釣り合う角度）は、圧力調整部２０ａを用いて圧力変化Δｐを制御することで調節可能となる。一方で、中立角度の状態からアーム９ａが外力により回転する場合の剛性は、圧力変化Δｐを一定に保つことで、人工筋２ａ、２ｂにおいて流体１５の流出入は自由になり、Ｆ／ΔＬ＝ｋとなるので、中立角度の位置に関わらず一定となる。なお、このとき、巻付けワイヤ５ａが弛まないよう、常にＦ０＞ＡΔｐが満たされる初期張力が人工筋２ａ、２ｂに印加されている。
【０１０６】
次に、人工筋２ｃ、２ｄを組み合わせた剛性可変部２７ａの動作について説明する。
【０１０７】
図１１Ａは、剛性可変部２７ａの中立状態を示す模式図である。図１１Ｂは、剛性可変部２７ａに外力が作用した状態を示す模式図である。
【０１０８】
図１１Ｂに示す状態では、外力により円板６ｂが反時計回りに角度Δθ回転している。これにより、人工筋２ｃのΔＬは増加し、人工筋２ｃのΔＬの増加分だけ人工筋２ｄのΔＬは減少する。開閉弁２１ａが開放された状態では、人工筋２ｃから流出した流体１５はそのまま人工筋２ｄに流入するので、円板６ｂの回転により流体１５の圧力は変化しない。
【０１０９】
ここで、円板６ｂの回転に対する剛性ＫをＴ／Ｒ＝−ＫＲΔθを満たすものとして定義する。ただし、Ｔは円板６ｂに作用するトルク、Ｒは円板６ｂの半径、Δθは中立角度からの角度変位である。開閉弁２１ａが開放された状態では、Ｋ＝２ｋとなる。一方で、開閉弁２１ａが閉鎖された状態では、Ｆ／ΔＬ＝∞であるのでＫ＝∞となる。現実的には、人工筋２ｃ、２ｄの剛性の場合と同様に有限の剛性となる。そこで、流体１５の流出入が遮断された場合における人工筋２ｃ、２ｄの剛性をα１ｋとする。係数α１は例えば１０である。このとき、回転剛性Ｋは、開閉弁２１ａの開閉状態を調節することで、中立角度に関係なく、２ｋ〜２α１ｋの間で変化できることになる。
【０１１０】
次に、図１に示す拮抗駆動アクチュエータ１Ａの動作と剛性について説明する。アクチュエータ１Ａでは、開閉弁２１ａの開閉の調節により、回転剛性Ｋは、人工筋２ａ、２ｂの寄与分２ｋに、人工筋２ｃ、２ｄの寄与分２ｋ〜２α１ｋを足した４ｋ〜（２ｋ＋２α１ｋ）の間で調節できる。例えば、係数α１＝１０の場合、４ｋ〜２２ｋの間で剛性を調節できることになる。
【０１１１】
また、中立角度（位置）の調節については、人工筋２ｃ、２ｄの固有のばね定数ｋの影響があるため、人工筋２ａ、２ｂの構造に比べて圧力変化Δｐを２倍にする必要があるが、圧力調整部２０ａを用いてΔｐを制御することで十分に調節可能となる。これにより、変位と剛性とを独立して調節することができるアクチュエータ１Ａを提供することができる。
【０１１２】
［１．４  アクチュエータの駆動方法］
次に、アクチュエータ１Ａの駆動方法について概略説明する。
【０１１３】
図１２は、アクチュエータ１Ａの駆動方法を示すフローチャートである。
【０１１４】
アクチュエータ１Ａの駆動方法は、以下（Ｓ１１）〜（Ｓ１３）の工程を含む。
【０１１５】
（Ｓ１１）変位部２５ａの位置を目標位置へ移動させる位置指令に応じ、圧力調整部２０ａを用いて、人工筋２ａおよび人工筋２ｂのそれぞれの流体１５の圧力を変更する工程。
【０１１６】
（Ｓ１２）上記位置指令と、変位部２５ａの剛性を目標剛性とするための剛性指令とに基づき、人工筋２ｃの流体１５と人工筋２ｄの流体１５との目標圧力差を算出する工程。
【０１１７】
（Ｓ１３）人工筋２ｃの流体１５および人工筋２ｄの流体１５の実測圧力差と目標圧力差とを比較し、開閉弁２１ａの開閉状態を制御することで、実測圧力差を前記目標圧力差に近づける工程。
【０１１８】
まず、制御部２２ａは、あらかじめ計測しておいた係数Ａ、ばね定数ｋ、半径Ｒを用いて与えられた中立角度指令に合致する圧力Δｐを算出する。例えば、Δｐ＝０における中立角度から反時計回りにΔθ回転した角度を、目標の中立角度として設定する場合は、Δｐ＝２ｋＲΔθ／Ａとなる。
【０１１９】
次に制御部２２ａは、圧力調整部２０ａを制御して、人工筋２ａ、２ｂに圧力変化Δｐを作用させる。
【０１２０】
さらに制御部２２ａは、与えられた中立角度指令（位置指令）と剛性指令より、現在の角度において必要となる人工筋２ｃと人工筋２ｄとの目標圧力差を算出する。
【０１２１】
その後、制御部２２ａは、人工筋２ｃと人工筋２ｄとの実測圧力差と目標圧力差とを比較し、開閉弁２１ａの開閉状態を制御して、実測圧力差が目標圧力差を近づくようにする。例えば、実測圧力差が目標圧力差を下回っている場合には開閉弁２１ａを閉鎖する。逆に実測圧力差が目標圧力差を上回っている場合には開閉弁２１ａを開放する。なお、実測圧力差は、人工筋２ｃに設けられた圧力センサ（第１の圧力計測部１８）、人工筋２ｄに設けられた圧力センサ（第２の圧力計測部１８）を用いて計測している。
【０１２２】
これらのステップＳ１１〜Ｓ１３を繰り返すことで、アクチュエータ１Ａの中立角度と剛性とを指令に応じて変化させる。
【０１２３】
なお、制御部２２ａは、人工筋２ｃ、２ｄの圧力が、負圧等、安定に動作できないほど低圧になる場合及び／または、寿命に影響するほど高圧になる場合には、制御部２２ａを開放して圧力を所定の範囲に収めるようにしてもよい。
【０１２４】
［１．５  アクチュエータの変形例］
以下、本実施の形態の変形例について説明する。
【０１２５】
例えば、アクチュエータ１Ａの配管接続関係を同じ構成とした場合、図１に示す、人工筋２ａと人工筋２ｃとを入れ替えて配置してもよい。また、人工筋２ｂと人工筋２ｄとを入れ替えて配置してもよい。すなわち、アクチュエータ１Ａは、人工筋２ａ、２ｂが変位部２５ａを間に介して互いに拮抗配置され、人工筋２ｃ、２ｄが変位部２５ａを介して互いに拮抗配置されていればよい。
【０１２６】
例えば、本実施の形態では、人工筋２ａの筒体のコイル状の巻回し方向を右巻、溝の螺旋状の巻回し方向を左巻とし、人工筋２ｂの筒体のコイル状の巻回し方向を右巻、溝の螺旋状の巻回し方向を右巻としているが、人工筋２ｂの筒体のコイル状の巻回し方向を左巻、溝の螺旋状の巻回し方向を左巻としてもよい。また、人工筋２ａの筒体のコイル状の巻回し方向を左巻、溝の螺旋状の巻回し方向を右巻とした場合、人工筋２ｂの筒体のコイル状の巻回し方向を左巻、溝の螺旋状の巻回し方向を左巻としてもよいし、人工筋２ｂの筒体のコイル状の巻回し方向を右巻、溝の螺旋状の巻回し方向を右巻としてもよい。
【０１２７】
また、例えば、本実施の形態では、人工筋２ｃ、２ｄの両方をホモキラル構造としているが、人工筋２ｃ、２ｄの両方をヘテロキラル構造としてもよい。
【０１２８】
例えば、本実施の形態では、人工筋２ａ〜２ｄを全て同じ材料、同じ大きさとしているが、これに限るものではなく、人工筋２ａ、２ｂをひとくくりとする組み合わせと、人工筋２ｃ、２ｄをひとくくりとする組み合わせとの間で、材料及び／または大きさを異ならせてもよい。
【０１２９】
例えば、本実施の形態では、巻付けワイヤ５ａは、円板６ａの外周に巻付けられているが、それに限られず、円板６ａの外縁に直接取付られていてもよい。巻付けワイヤ５ｂおよび円板６ｂについても同様である。また、円板６ａ、６ｂが、異なる直径であってもよい。
【０１３０】
（実施の形態２）
［２．１  アクチュエータの構成］
実施の形態２に係るアクチュエータ１Ｂは、人工筋２ｅ、２ｇが直線状に、人工筋２ｆ、２ｈが直線状に配置されている点で実施の形態１と異なる。
【０１３１】
図１３は、実施の形態２にかかるアクチュエータ１Ｂを模式的に示す図である。
【０１３２】
まず、アクチュエータ１Ｂの概略構成について説明する。
【０１３３】
アクチュエータ１Ｂは、直線状に配置されている第１人工筋２ｅおよび第３人工筋２ｇと、直線状に配置されている第２人工筋２ｆおよび第４人工筋２ｈとを備えている。以下、第１人工筋２ｅ、第２人工筋２ｆ、第３人工筋２ｇおよび第４人工筋２ｈのそれぞれを人工筋２ｅ、２ｆ、２ｇ、２ｈと呼ぶ。人工筋２ｅ〜２ｈは、それぞれ筒状（管状）であり、内部に流体１５が充填されている。人工筋２ｅ〜２ｈは、内部の流体１５の圧力を変えることで、収縮または伸長する。人工筋２ｅは、前述した人工筋２ａと同様のヘテロキラル構造であり、人工筋２ｆ、２ｇ、２ｈは、前述した人工筋２ｂ、２ｃ、２ｄと同様のホモキラル構造である。
【０１３４】
アクチュエータ１Ｂは、変位部２５ｂの位置を可変する位置可変部２６ｂと、変位部２５ｂの移動方向の剛性を可変する剛性可変部２７ｂとを備えている。
【０１３５】
変位部２５ｂは、一体的に回転移動する円板６ｃ、シャフト７ｂおよびアーム９ｂにより構成されている。変位部２５ｂは、人工筋２ｅと人工筋２ｆとを繋ぐ経路上に配置され、人工筋２ｅ、２ｆにより円板６ｃの接線方向に力が加えられることで、所定方向（回転方向）に変位可能となっている。位置可変部２６ｂは、人工筋２ｅ、２ｆ、連結ワイヤ４ｅ、４ｆ、巻付けワイヤ５ｃ、継手１６ｅ、１６ｆ、配管１７ｅ、１７ｆ、および、圧力調整部２０ｂを備えている。剛性可変部２７ｂは、人工筋２ｇ、２ｈ、連結ワイヤ４ｇ、４ｈ、継手１６ｇ、１６ｈ、配管１７ｇ、１７ｈ、および、開閉弁２１ｂを備えている。
【０１３６】
アクチュエータ１Ｂは、さらに、圧力調整部２０ａの駆動、および、開閉弁２１ａの開閉状態を制御する制御部２２ａを備えている。
【０１３７】
次に、アクチュエータ１Ｂの各構成について説明する。
【０１３８】
人工筋２ｅの一端は、継手１６ｅおよび連結ワイヤ４ｅを介して人工筋２ｇに連結されている。人工筋２ｆの一端は、継手１６ｆおよび連結ワイヤ４ｆを介して人工筋２ｈに連結されている。人工筋２ｅ、２ｆの他端は、巻付けワイヤ５ｃの両端にそれぞれ連結されている。巻付けワイヤ５ｃは、円板（スプロケット）６ｃの外周に巻付けられている。円板６ｃの中心には、シャフト（回転軸）７ｂが固定されている。円板６ｃは、シャフト７ｂとともに、シャフト７ｂの軸を中心に回転可能となっている。シャフト７ｂは、支柱８ｂに対して回転自由に支持され、支柱８ｂはベース板３ｂに固定されている。人工筋２ｅ、２ｆのそれぞれは、初期張力が発生するように引っ張られた状態で、人工筋２ｇ、２ｈと円板６ｃとの間に設置されている。円板６ｃは、人工筋２ｅ、２ｆの伸縮に伴う巻付けワイヤ５ｃの動きに応じて回転する。
【０１３９】
人工筋２ｇの一端は、継手１６ｇおよび連結ワイヤ４ｇを介してベース板３ｂに連結されている。人工筋２ｈの一端は、継手１６ｈおよび連結ワイヤ４ｈを介してベース板３ｂに連結されている。人工筋２ｇ、２ｈの他端は、人工筋２ｅ、２ｆの一端にそれぞれ連結されている。人工筋２ｇ、２ｈのそれぞれは、初期張力が発生するように引っ張られた状態で、ベース板３ｂと人工筋２ｅ、２ｆとの間に設置されている。
【０１４０】
円板６ｃには、アーム９ｂが連結されている。アーム９ｂは、シャフト７ｂおよび円板６ｃと一体に回転する。アクチュエータ１Ｂでは、人工筋２ｅ、２ｆにて発生した力を、アーム９ｂを介して外部に出力できる構成となっている。
【０１４１】
位置可変部２６ｂを構成する人工筋２ｅ、２ｆには、内部に充填された流体１５の圧力を変化させる圧力調整部２０ｂが接続されている。具体的には、人工筋２ｅは、継手１６ｅおよび配管１７ｅを介して圧力調整部２０ｂに接続され、人工筋２ｆは、継手１６ｆおよび配管１７ｆを介して圧力調整部２０ｂに接続されている。
【０１４２】
制御部２２ｂは、圧力調整部２０ｂを用いて流体１５の圧力を増加させることで人工筋２ｅを伸長および人工筋２ｆを収縮し、変位部２５ｂを所定方向に変位させる。また逆に、制御部２２ｂは、圧力調整部２０ｂを用いて流体１５の圧力を減少させることで人工筋２ｅを収縮および人工筋２ｆを伸長し、変位部２５ｂを所定方向とは反対方向に変位させる。これにより、制御部２２ｂは、変位部２５ｂの回転位置を制御する。
【０１４３】
圧力調整部２０ｂとしては、例えば、シリンジポンプ（往復ポンプ）などが用いられる。シリンジポンプは、注射器のような円筒形のシリンジおよび可動式の押子と、押子の位置を制御する制御部とを有するポンプであり、シリンジ内を押子で加圧して流体を送り出し、また、シリンジ内を押子で減圧して流体を回収する。シリンジポンプを作動することで、人工筋２ｅ、２ｆの内部に充填される流体の量及び／または圧力を調節することができる。本実施の形態で用いられる流体１５は、例えば、水などの液体である。
【０１４４】
人工筋２ｅ、２ｆには、１つのシリンジポンプを用いて、同じ圧力または同じ流量の流体１５が同時に流出入される。ただし、複数のシリンジポンプを用いて、同じ圧力または同じ流量の流体１５を、人工筋２ｅ、２ｆにそれぞれ流出入させてもよい。
【０１４５】
一方、剛性可変部２７ｂを構成する人工筋２ｇ、２ｈには、人工筋２ｇ、２ｈに充填された流体同士を繋ぐ経路の開閉状態を調節する開閉弁２１ｂが接続されている。具体的には、人工筋２ｇは、継手１６ｇおよび配管１７ｇを介して開閉弁２１ｂに接続され、人工筋２ｈは、継手１６ｈおよび配管１７ｈを介して開閉弁２１ｂに接続されている。すなわち、開閉弁２１ｂは、人工筋２ｇ、２ｈ間を繋ぎ、人工筋２ｇ、２ｈの内部に充填されている流体１５を出入りさせる配管経路上に配置され、経路の開閉状態を調節する。
【０１４６】
制御部２２ｂは、開閉弁２１ｂの開閉状態を制御することで、人工筋２ｇ内および人工筋２ｈ内の流体１５の互いの出入量を制御する。これにより、制御部２２ｂは、人工筋２ｇ、２ｈの剛性、すなわち、変位部２５ｂの回転方向の剛性を制御する。
【０１４７】
本実施の形態に係るアクチュエータ１Ｂでは、圧力調整部２０ｂにより変位部２５ｂの位置を調節し、また、開閉弁２１ｂにより変位部２５ｂの移動方向の剛性を調節し、それぞれを独立して調節することができる。
【０１４８】
［２．２  アクチュエータの動作］
次に、アクチュエータ１Ｂの動作について概略説明する。人工筋２ｅ〜２ｈの特性は、実施の形態１と同様である。実施の形態２では、人工筋２ｅ、２ｆのばね定数はｋであり、人工筋２ｇ、２ｈのばね定数はβ１ｋである。係数β１は例えば０．１である。開閉弁２１ｂの開閉の調節により、回転剛性Ｋは、人工筋２ｅ、２ｆの寄与分２ｋに、人工筋２ｇ、２ｈの寄与分２β１ｋ〜２α１β１ｋを連結した、２β１ｋ／（１＋β１）〜２α１β１ｋ／（１＋α１β１）の間で調節することができる。係数α１＝１０、係数β１＝０．１とした場合、回転剛性Ｋは、０．１８１８ｋ〜ｋの間で調節することができる。
【０１４９】
また、中立角度の調節については、圧力調整部２０ｂを用いて圧力変化Δｐを制御することで、調節可能となる。このときのΔｐは、人工筋２ｅ、２ｆで構成した場合と同じになる。これにより、変位と剛性とを独立して調節することができるアクチュエータ１Ｂを提供することができる。
【０１５０】
［２．３  アクチュエータの変形例］
以下、本実施の形態の変形例について説明する。
【０１５１】
例えば、アクチュエータ１Ｂの配管接続関係を同じ構成とした場合、図１３に示す、人工筋２ｅと人工筋２ｇとを入れ替えて配置してもよい。また、人工筋２ｆと人工筋２ｈとを入れ替えて配置してもよい。すなわち、アクチュエータ１Ｂは、人工筋２ｅ、２ｆが変位部２５ｂを介して互いに拮抗配置され、人工筋２ｇ、２ｈが変位部２５ｂを介して互いに拮抗配置されていればよい。
【０１５２】
例えば、本実施の形態では、人工筋２ｅの筒体１０Ａのコイル状の巻回し方向を右巻、溝の螺旋状の巻回し方向を左巻とし、人工筋２ｆの筒体１０Ｂのコイル状の巻回し方向を右巻、溝の螺旋状の巻回し方向を右巻としているが、人工筋２ｆの筒体のコイル状の巻回し方向を左巻、溝の螺旋状の巻回し方向を左巻としてもよい。また、人工筋２ｅの筒体のコイル状の巻回し方向を左巻、溝の螺旋状の巻回し方向を右巻とした場合、人工筋２ｆの筒体のコイル状の巻回し方向を左巻、溝の螺旋状の巻回し方向を左巻としてもよいし、人工筋２ｆの筒体のコイル状の巻回し方向を右巻、溝の螺旋状の巻回し方向を右巻としてもよい。
【０１５３】
また、例えば、本実施の形態では、人工筋２ｇ、２ｈの両方をホモキラル構造としているが、人工筋２ｇ、２ｈの両方をヘテロキラル構造としてもよい。
【０１５４】
例えば、本実施の形態では、人工筋２ｅ〜２ｈを全て同じ材料、同じ大きさとしているが、これに限るものではなく、人工筋２ｅ、２ｆをひとくくりとする組み合わせと、人工筋２ｇ、２ｈをひとくくりとする組み合わせとの間で、材料及び／または大きさを異ならせてもよい。
【０１５５】
例えば、本実施の形態では、巻付けワイヤ５ｃは、円板６ｃの外周に巻付けられているが、それに限られず、円板６ｃの外縁に直接取付けられていてもよい。
【０１５６】
（実施の形態３）
図１４は、実施の形態３に係るアクチュエータ１Ｃを模式的に示す平面図である。
【０１５７】
まず、アクチュエータ１Ｃの概略構成について説明する。
【０１５８】
アクチュエータ１Ｃは、直線状に配置されている第１人工筋２ｉおよび第２人工筋２ｊと、直線状に配置されている第３人工筋２ｋおよび第４人工筋２ｌとを備えている。以下、第１人工筋２ｉ、第２人工筋２ｊ、第３人工筋２ｋおよび第４人工筋２ｌのそれぞれを人工筋２ｉ、２ｊ、２ｋ、２ｌと呼ぶ。人工筋２ｉ〜２ｌは、それぞれ筒状（管状）であり、内部に流体１５が充填されている。人工筋２ｉ〜２ｌは、内部の流体の圧力を変えることで、収縮または伸長する。人工筋２ｉは、前述した人工筋２ａと同様のヘテロキラル構造であり、人工筋２ｊ、２ｋ、２ｌは、前述した人工筋２ｂ、２ｃ、２ｄと同様のホモキラル構造である。
【０１５９】
アクチュエータ１Ｃは、変位部２５ｃの位置を可変する位置可変部２６ｃと、変位部２５ｃの移動方向の剛性を可変する剛性可変部２７ｃとを備えている。
【０１６０】
変位部２５ｃは、ベース板３ｃ、３ｄの間に配置され、直動ベアリング（図示省略）により左右にスライド可能となっている。また、変位部２５ｃは、人工筋２ｉと人工筋２ｊとを繋ぐ経路上、および、人工筋２ｋと人工筋２ｌとを繋ぐ経路上に配置され、人工筋２ｉ、２ｊにより人工筋２ｉ、２ｊの伸縮方向に力が加えられることで、所定方向（直線方向）に変位可能となっている。位置可変部２６ｃは、人工筋２ｉ、２ｊ、連結ワイヤ４ｉ、４ｊ、４ｍ、４ｎ、継手１６ｉ、１６ｊ、配管１７ｉ、１７ｊ、および、圧力調整部２０ｃを備えている。剛性可変部２７ｃは、人工筋２ｋ、２ｌ、連結ワイヤ４ｋ、４ｌ、４ｏ、４ｐ、継手１６ｋ、１６ｌ、配管１７ｋ、１７ｌ、および、開閉弁２１ｃを備えている。
【０１６１】
アクチュエータ１Ｃは、さらに、圧力調整部２０ｃの駆動、および、開閉弁２１ｃの開閉状態を制御する制御部２２ｃを備えている。
【０１６２】
次に、アクチュエータ１Ｃの各構成について説明する。
【０１６３】
人工筋２ｉの一端は、継手１６ｉおよび連結ワイヤ４ｉを介してベース板３ｃに連結されている。人工筋２ｊの一端は、継手１６ｊおよび連結ワイヤ４ｊを介してベース板３ｄに連結されている。人工筋２ｉ、２ｊの他端は、連結ワイヤ４ｍ、４ｎを介して変位部２５ｃにそれぞれ連結されている。人工筋２ｉ、２ｊのそれぞれは、初期張力が発生するように引っ張られた状態で、変位部２５ｃとともにベース板３ｃ、３ｄの間に設置されている。
【０１６４】
人工筋２ｋの一端は、継手１６ｋおよび連結ワイヤ４ｋを介してベース板３ｃに連結されている。人工筋２ｌの一端は、継手１６ｌおよび連結ワイヤ４ｌを介してベース板３ｄに連結されている。人工筋２ｋ、２ｌの他端は、連結ワイヤ４ｏ、４ｐを介して変位部２５ｃにそれぞれ連結されている。人工筋２ｋ、２ｌのそれぞれは、初期張力が発生するように引っ張られた状態で、変位部２５ｃとともにベース板３ｃ、３ｄの間に設置されている。
【０１６５】
アクチュエータ１Ｃでは、人工筋２ｉ、２ｊにて発生した力を、変位部２５ｃを介して外部に出力できる構成となっている。
【０１６６】
位置可変部２６ｃを構成する人工筋２ｉ、２ｊには、内部に充填された流体１５の圧力を変化させる圧力調整部２０ｃが接続されている。具体的には、人工筋２ｉは、継手１６ｉおよび配管１７ｉを介して圧力調整部２０ｃに接続され、人工筋２ｊは、継手１６ｊおよび配管１７ｊを介して圧力調整部２０ｃに接続されている。
【０１６７】
制御部２２ｃは、圧力調整部２０ｃを用いて流体１５の圧力を増加させることで人工筋２ｉを伸長および人工筋２ｊを収縮し、変位部２５ｃを所定方向に変位させる。また逆に、制御部２２ｃは、圧力調整部２０ｃを用いて流体１５の圧力を減少させることで人工筋２ｉを収縮および人工筋２ｊを伸長し、変位部２５ｃを所定方向とは反対方向に変位させる。これにより、制御部２２ｃは、変位部２５ｃの位置を制御する。
【０１６８】
圧力調整部２０ｃとしては、例えば、シリンジポンプ（往復ポンプ）などが用いられる。シリンジポンプは、注射器のような円筒形のシリンジおよび可動式の押子と、押子の位置を制御する制御部とを有するポンプであり、シリンジ内を押子で加圧して流体を送り出し、また、シリンジ内を押子で減圧して流体を回収する。シリンジポンプを作動することで、人工筋２ｉ、２ｊの内部に充填される流体の量及び／または圧力を調節することができる。本実施の形態で用いられる流体１５は、例えば、水などの液体である。
【０１６９】
人工筋２ｉ、２ｊには、１つのシリンジポンプを用いて、同じ圧力または同じ流量の流体１５が同時に流出入される。ただし、複数のシリンジポンプを用いて、同じ圧力または同じ流量の流体１５を、人工筋２ｉ、２ｊにそれぞれ流出入させてもよい。
【０１７０】
一方、剛性可変部２７ｃを構成する人工筋２ｋ、２ｌには、人工筋２ｋ、２ｌに充填された流体同士を繋ぐ経路の開閉状態を調節する開閉弁２１ｃが接続されている。具体的には、人工筋２ｋは、継手１６ｋおよび配管１７ｋを介して開閉弁２１ｃに接続され、人工筋２ｌは、継手１６ｌおよび配管１７ｌを介して開閉弁２１ｃに接続されている。すなわち、開閉弁２１ｃは、人工筋２ｋ、２ｌ間を繋ぎ、人工筋２ｋ、２ｌの内部に充填されている流体１５を出入りさせる配管経路上に配置され、経路の開閉状態を調節する。
【０１７１】
制御部２２ｃは、開閉弁２１ｃの開閉状態を制御することで、人工筋２ｋ内および人工筋２ｌ内の流体１５の互いの出入量を制御する。これにより、制御部２２ｃは、人工筋２ｋ、２ｌの剛性、すなわち、変位部２５ｃの移動方向の剛性を制御する。
【０１７２】
本実施の形態に係るアクチュエータ１Ｃにおいても、圧力調整部２０ｃにより変位部２５ｃの位置を調節し、また、開閉弁２１ｃにより変位部２５ｃの移動方向の剛性を調節し、それぞれを独立して調節することができる。
【０１７３】
（実施の形態４）
図１５は、実施の形態４に係るアクチュエータ１Ｄを模式的に示す図である。
【０１７４】
まず、アクチュエータ１Ｄの概略構成について説明する。
【０１７５】
アクチュエータ１Ｄは、互いに並行して延在し、並んで配置されている第１人工筋２ａおよび第２人工筋２ｂを備えている。
【０１７６】
アクチュエータ１Ｄは、変位部２５ｄの位置を可変する位置可変部２６ａを備えている。
【０１７７】
変位部２５ｄは、一体的に回転移動する円板６ａ、シャフト７ａおよびアーム９ａにより構成されている。変位部２５ｄは、人工筋２ａと人工筋２ｂとを繋ぐ経路上に配置され、人工筋２ａ、２ｂにより円板６ａの接線方向に力が加えられることで、所定方向（回転方向）に変位可能となっている。位置可変部２６ａは、人工筋２ａ、２ｂ、連結ワイヤ４ａ、４ｂ、巻付けワイヤ５ａ、継手１６ａ、１６ｂ、配管１７ａ、１７ｂ、および、圧力調整部２０ａを備えている。アクチュエータ１Ｄは、さらに、圧力調整部２０ａの駆動を制御する制御部２２ａを備えている。
【０１７８】
制御部２２ａは、圧力調整部２０ａを用いて流体１５の圧力を増加させることで人工筋２ａを伸長および人工筋２ｂを収縮し、変位部２５ｄを所定方向に変位させる。また逆に、制御部２２ａは、圧力調整部２０ａを用いて流体１５の圧力を減少させることで人工筋２ａを収縮および人工筋２ｂを伸長し、変位部２５ｄを所定方向とは反対方向に変位させる。これにより、制御部２２ａは、変位部２５ｄの回転位置を制御する。
【０１７９】
本実施の形態に係るアクチュエータ１Ｄでは、拮抗状態を保ったまま変位部２５ｄを所定の圧力で変位させることができる。その際、人工筋２ａの張力および人工筋２ｂの張力の合計値は変化しないので、変位部２５ｄの移動方向の剛性を変えずに、変位部２５ｄの位置を調節することができる。
【０１８０】
以上、一つまたは複数の態様に係るアクチュエータ用構造体について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１８１】
本開示のアクチュエータは、人間に近い場所において動作する機械を駆動する人工筋肉アクチュエータとして利用可能であり、衣服のようなウェアラブルなアシスト器機の分野に応用できる。また、本開示のアクチュエータは、外力に対する柔軟性を備えたアクチュエータとして利用可能である。
【符号の説明】
【０１８２】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ  アクチュエータ
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、２ｇ、２ｈ、２ｉ、２ｊ、２ｋ、２ｌ  人工筋
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ  ベース板
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇ、４ｈ、４ｉ、４ｊ、４ｋ、４ｌ、４ｍ、４ｎ、４ｏ、４ｐ  連結ワイヤ
５ａ、５ｂ、５ｃ  巻付けワイヤ
６ａ、６ｂ、６ｃ  円板
７ａ、７ｂ  シャフト
８ａ、８ｂ  支柱
９ａ、９ｂ  アーム
１０Ａ、１０Ｂ  筒体
１０ａ  筒体の内周面
１０ｂ  筒体の外周面
１１    第１の弾性部材
１１ａ  第１の弾性部材の内周面
１１ｂ  第１の弾性部材の外周面
１１ｃ  第１の弾性部材の貫通穴
１２    第２の弾性部材
１２ａ  第２の弾性部材の内周面
１２ｂ  第２の弾性部材の外周面
１５    流体
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇ、１６ｈ、１６ｉ、１６ｊ、１６ｋ、１６ｌ  継手
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅ、１７ｆ、１７ｇ、１７ｈ、１７ｉ、１７ｊ、１７ｋ、１７ｌ  配管
１８    圧力計測部
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ  圧力調整部
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ  開閉弁
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ  制御部
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ  変位部
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ  位置可変部
２７ａ、２７ｂ、２７ｃ  剛性可変部
Ａ１    アクチュエータ用構造体の軸
Ａ２    筒体の軸心
ｂ、ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ５  骨部
ｃ、ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４  溝
ｄ      筒体の外径
ｐ１    筒体のコイルピッチ
ｐ２    溝の螺旋ピッチ
ｔｂ    骨部の厚み
ｗｂ    骨部の幅
θ      溝の傾き
α      ピッチ角
【図１】
2018035936.tif 000006
【図２Ａ】
2018035936.tif 000007
【図２Ｂ】
2018035936.tif 000008
【図３】
2018035936.tif 000009
【図４】
2018035936.tif 000010
【図５】
2018035936.tif 000011
【図６】
2018035936.tif 000012
【図７Ａ】
2018035936.tif 000013
【図７Ｂ】
2018035936.tif 000014
【図８Ａ】
2018035936.tif 000015
【図８Ｂ】
2018035936.tif 000016
【図９Ａ】
2018035936.tif 000017
【図９Ｂ】
2018035936.tif 000018
【図１０Ａ】
2018035936.tif 000019
【図１０Ｂ】
2018035936.tif 000020
【図１１Ａ】
2018035936.tif 000021
【図１１Ｂ】
2018035936.tif 000022
【図１２】
2018035936.tif 000023
【図１３】
2018035936.tif 000024
【図１４】
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【図１５】
2018035936.tif 000026