(57)【要約】      （修正有）【課題】各種の機器・装置の駆動源として使用できるソフトでフレキシブルを流体圧シリンダを提供する。【解決手段】流体を給排できる二つの給排口が形成された弾性材からなるエラストマーチューブの外周にカバーコードを被覆した弾性体チューブと、給排口の間に設けられ、弾性体チューブ内の流体の流通は不能にするが、弾性体チューブの摺動は可能にするステージとから構成されることを特徴とするソフトシリンダ。【選択図】図１
2007040365.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を給排できる二つの給排口が形成された弾性材からなるエラストマーチューブの外周にカバーコードを被覆した弾性体チューブと、給排口の間に設けられ、弾性体チューブ内の流体の流通は不能にするが、弾性体チューブの摺動は可能にするステージとから構成されることを特徴とするソフトシリンダ。
【請求項２】
カバーコードがチューブの中に埋設されている請求項１のソフトシリンダ。
【請求項３】
ステージが、弾性体チューブを外部から押圧する回転可能なローラで構成される請求項１又は２のソフトシリンダ。
【請求項４】
請求項１〜３いずれかのソフトシリンダを二本以上並列させ、各ソフトシリンダの両端をそれぞれ連結板で連結したことを特徴とするソフトシリンダを用いたソフトアクチュエータ。
【請求項５】
請求項１〜３いずれかのソフトシリンダにおいて、ステージを固定して次のａ〜ｄのステップをとることで、ソフトシリンダをアクチュエータとして作動させることを特徴とするソフトシリンダの出力発生方法。
ａ．ステージの一方側の弾性体チューブを加圧する
ｂ．ステージの他方側の弾性体チューブを加圧する
ｃ．ステージの他方側の弾性体チューブを減圧する
ｄ．ｂ→ｃを繰り返す
【請求項６】
請求項１〜３いずれかのソフトシリンダにおいて、弾性体チューブを固定し、ステージの一方側の弾性体チューブを加圧することで、ステージをアクチュエータとして作動させることを特徴とするソフトシリンダの出力発生方法。
【請求項７】
請求項４のソフトアクチュエータにおいて、ステージを固定して次のａ〜ｅのステップをとることで、連結板をアクチュエータとして作動させることを特徴とするソフトアクチュエータの出力発生方法。
ａ．ステージの一方側の弾性体チューブの各々を加圧する
ｂ．ステージの他方側の弾性体チューブの一方を加圧する
ｃ．ステージの他方側の弾性体チューブの一方を減圧するとともに、他方を減圧する
ｄ．ステージの他方側の弾性体チューブの他方を減圧するとともに、一方を加圧する
ｅ．ｃ→ｄを繰り返す
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マッキベン形アクチュエータを利用したソフトシリンダ及びソフトシリンダを用いたソフトアクチュエータ並びにソフトシリンダ及びソフトアクチュエータの出力発生方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ゴム等の弾性材からなるチューブの外周に繊維等からなるカバーコードを被覆した弾性体チューブの中にエアー等の流体を流入させて大きな力を発生させる流体圧によるソフトシリンダは、人工筋肉等に適用されるマッキベン形アクチュエータとして知られており（非特許文献１）、これに関して特許出願もされている（特許文献１及び２）。これは、ソフトシリンダの中を流体で加圧すると、弾性体チューブが膨らみ、それによって発生した半径方向の膨張力がカバーコードによって軸方向の収縮力に変換されて力を発生させる仕組みを利用したものである。
【０００３】
このソフトシリンダは、弾性体チューブが膨張することでボアが拡がり、剛体で構成される同径の流体圧シリンダに比べて約１０倍の力が出せること、軟質部材で可撓的（フレキシブル）に構成されることから、人体等に触れても安全であること、シリンダに必要なロッドが不要であることから（ロッドレス）、構造が簡単で、軽量及びコンパクトになること、直線的でない移動も可能である、といった数多くの利点を有しており、人工筋肉だけでなく、ロボット等の産業機械のアクチュエータ（駆動源）としての利用が期待されている。
【０００４】
しかし、ストロークが自然長の２５％程度と小さいこと、ストロークと共に出力が低下し、殊に、ストロークエンド付近になると極端に低下すること、速度及び位置制御が難しい、といった問題があり、現実には、人工筋肉等に適用されている以外には、一般的な機器・装置のアクチュエータとして採用されるまでには至っていない。
【非特許文献１】長田  義仁他著「ソフトアクチュエータ開発の最前線」株式会社双文社印刷所  ２００４年
【特許文献１】特開昭４８−０９８２７９号公報
【特許文献２】特開昭６０−１９０９４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、弾性体チューブにステージと呼ばれる部材を組み合わせることで、上記した欠点の解消を期したものである。すなわち、ストロークの間中、安定して大きな力を発揮でき、しかも、弾性体チューブの長さにほぼ匹敵する長いストロークを確保できるようにしたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題の下、本発明は、請求項１に記載した、流体を給排できる二つの給排口が形成された弾性材からなるエラストマーチューブの外周にカバーコードを被覆した弾性体チューブと、給排口の間に設けられ、弾性体チューブ内の流体の流通は不能にするが、弾性体チューブの摺動は可能にするステージとから構成されることを特徴とするソフトシリンダを提供したものである。
【０００７】
そして、ステージの具体的構成として、請求項３に記載した、ステージが、弾性体チューブを外部から押圧する回転可能なローラで構成される手段を提供するとともに、このソフトシリンダを用いてソフトアクチュエータを構成する具体的手段として、請求項４に記載した、ソフトシリンダを二本以上並列させ、各ソフトシリンダの両端をそれぞれ連結板で連結した手段を提供するものである。
【０００８】
加えて、本発明は、以上のソフトシリンダの出力発生方法として、請求項５に記載した、ステージを固定して次のａ〜ｄのステップをとることで、ソフトシリンダをアクチュエータとして作動させる手段を提供する。
ａ．ステージの一方側の弾性体チューブを加圧する
ｂ．ステージの他方側の弾性体チューブを加圧する
ｃ．ステージの他方側の弾性体チューブを減圧する
ｄ．ｂ→ｃを繰り返す
【０００９】
この他、請求項６に記載した、弾性体チューブを固定し、ステージの一方側の弾性体チューブを加圧することで、ステージをアクチュエータとして作動させることを特徴とするソフトアクチュエータの出力発生方法を提供する。
【００１０】
さらに、本発明は、上記したソフトアクチュエータの出力発生方法として、請求項７に記載した、ステージを固定して次のａ〜ｅのステップをとることで、連結板をアクチュエータとして作動させる手段を提供する。
ａ．ステージの一方側の弾性体チューブの各々を加圧する
ｂ．ステージの他方側の弾性体チューブの一方を加圧する
ｃ．ステージの他方側の弾性体チューブの一方を減圧するとともに、他方を加圧する
ｄ．ステージの他方側の弾性体チューブの他方を減圧するとともに、一方を加圧する
ｅ．ｃ→ｄを繰り返す
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によると、このソフトシリンダは、ロッドレス、フレキシブルという上記した長所を保持した上で、大きな力を発生させて長いストロークをとることができる。また、請求項４の発明によると、負荷に対して戻り等が規制されて力を一方向に出力するアクチュエータを具現できる。したがって、種々の機器・装置のアクチュエータとして利用できる。加えて、この出力は、請求項５〜７の方法によって効率的に制御することができ、求める動きに対応できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明に係るアクチュエータの説明図であるが、このアクチュエータは、流体シリンダの形態をしており、弾性体チューブ（以下、チューブ）１と、チューブ１に取り付けられるステージ２とからなる。これにおいて、チューブ１は、十分な弾性と強度を有する各種のゴムを主体とするエラストマーチューブ３と、その外周に被覆される金属、樹脂、植物繊維等の単体又は複合したものの成形品や編成品からなる網目状又は格子状をしたカバーコード４からなるものである。
【００１３】
なお、カバーコード４は、網目や格子といった結節を有するものに限らず、独立したものであってもよい。要は、エラストマーチューブ４の径方向の拡幅に応じて変形し、軸方向の力を出現させるものであればよい。また、最近では、カバーコード４をエラストマーチューブ３の中に埋没させているものもあるから、それによってもよい。そして、チューブ１の両端には、圧力媒体となるエアーやオイルといった流体を給排できる給排口５、６を形成している。
【００１４】
ステージ２は、チューブ１の中の流体の流通は不能にするが、チューブ１との相対的移動は可能にする機能を有するもので、この機能を有する限り、どのような構成のものであってもよい。要するに、流体の流動を遮断する堰が移動できる移動堰のようなものであればよい。本例では、チューブ１の外周に二つの回転可能なローラ７、８を対向して設置したもので構成している。これによると、チューブ１がローラ７、８の間に位置するときには、チューブ１が押し潰され、中の流体（本例では、エアーを用いているが、これに限定されるものではない）の流通を不能にするが、チューブ１のみは、ローラ７、８が転動して移動できるものになる。
【００１５】
図２は以上のソフトシリンダの動きの説明図であるが、今、ステージ２を給排口５、６の間のある位置に固定して両側のチューブ１をフリーにし、かつ、圧力をかけない状態にしておく（イ）。次に、ステージ２に対して一方Ａのチューブ１に給気して加圧すると（図示は省略するが、給排口５、６には配管が接続されている）、こちら側が膨らみ、これにより、一方Ａのフリー端はステージ２側に移動し、チューブ１の他方Ｂもステージ２の部分で引き込まれ、そのフリー端もステージ側に移動する（ロ）。このとき、一方Ａ及び他方Ｂとも、そのフリー端では力を発生するが、他方Ｂ側の力は、チューブ１の引張力に依存するのみであるから、あまり大きな力は出ない。
【００１６】
そこで、今度は、他方Ｂ側に給気して加圧すると、こちら側が膨らみ、そのフリー端はステージ２側に移動する（ハ）。このとき、他方Ｂ側は、カバーコード４の膨張力が軸方向の引張力に変換される（もちろん、チューブ１自身の膨張力も引張力に変換される）マンキベン形アクチュエータとして作用し、非常に大きな力を発生する。次いで、他方Ｂ側を排気して減圧すると、こちら側が萎むが、このとき、一方Ａ側を加圧したままにしておくと、その力によってステージ２の部分で引き込まれ、一方Ａ側は、ステージ２から離れる方向に移動する（ニ）。このような動作を繰り返させることで、チューブ１は、その長さ（口金の部分は除く）からステージ２の幅を減じた非常に大きなストロークで移動できることになる。
【００１７】
このときの他方Ｂ側の動きは、加圧と減圧の切換えに応じた間欠的な動きになるが、この切換えのタイミングを短くすることで、近似的には連続的な動きにすることもできる。そして、他方Ｂ側のストロークに基づく力は、マッキベン形アクチュエータの作用によって非常に大きな（同径のシリンダに比べて約１０倍）ものとなり、アクチュエータとして利用できる。ところで、他方Ｂ側には負荷をかけているのが通常であるが、こちら側を減圧したとき、チューブ１の延び分だけは引き戻されるものの、一方Ａ側が加圧されたままであるので、それ以上戻されることはない。この点で、チューブ１は、逆動しないようにロックが効いているといえる。
【００１８】
また、発生する力そのものは、図３のチューブ１の加圧圧力と発生する力との関係を示す特性に示すとおり、チューブ１への加圧圧力と対応している。特に、他方Ｂ側の圧力を高くするほど、大きな力が出せることがわかる。一方、チューブ１を固定してステージ２をフリーにする方法もある。この場合は、いずれか一方のチューブ１を加圧して行くことで、ステージ２は、連続的に等速度で動くアクチュエータとして作用する。
【００１９】
以上のソフトシリンダを複数用いることで、負荷に影響されない安定した力を発揮できるソフトアクチュエータを具現できる。図４はこの構成を示す説明図であるが、このソフトシリンダを二本並列に並べ、各々の両端をそれぞれ連結板９、１０で連結しておくと、連結板９、１０は、アクチュエータとして作動する。本例では、ソフトシリンダを縦に向けてステージ２、２を固定しておき、下方の連結板１０に負荷１１を取り付けている。その動きは、両方のチューブ１が減圧状態から出発し（イ）、次に、両方のチューブ１のステージ２、２より上方Ａ1 、Ａ2 側を加圧する。すると、こちら側が膨らみ、上方Ａ1 、Ａ2 によるステージ２、２の部分での引込みにより、下方Ｂ、Ｃ側が若干持ち上がる（ロ）。
【００２０】
そこで、一方の下方Ｃ側を加圧すると、こちら側がマッキベン形アクチュエータとして作用し、連結板１０は、負荷１１を強い力で引き上げる。この状態のとき、他方の下方Ｂ側は減圧されたままであるから、若干弛むが、上方Ａ1 側は、加圧されたままであるので、ステージ２の部分での引込みを行って更に膨らみ（上昇し）、連結板９を傾けた状態で押し上げ、同時に下方Ｂ側の弛みを吸収する（ハ）。次いで、他方の下方Ｂ側を加圧すると、こちら側がマッキベン形アクチュエータとして作用し、負荷１１を強い力でもって引き上げる。この状態のとき、他方の下方Ｃ側は減圧されたままであるから、若干弛むが、上方Ａ2 側は、加圧されたままであるので、ステージ２の部分での引込みによって更に膨らみ（上昇し）、連結板９を前と逆に傾けた状態で押し上げ、同時に下方Ｃ側の弛みを吸収する（ニ）。
【００２１】
このような動作を繰り返させることにより、負荷１１は、大きな力によって順々に引き上げられるが、その引上げ範囲は、ソフトシリンダの長さにほぼ匹敵するものになる。ところで、このときの運動は、間欠的な首振り運動であるが、下方の連結板１０は、ソフトシリンダがそれぞれフレキシブルであることと、負荷１１が存在することによってほぼ水平な状態で上昇する。また、加圧、減圧の切換えのタイミングを早くすることで、近似的には連続的な動きにさせることができるのは上記したとおりである。
【００２２】
このアクチュエータの特徴は、ステージ２の下方Ｂ、Ｃ側は、常にどちらかが加圧されて引上力を保持していることから、負荷１１が下がることがない点である。すなわち、負荷１１のずり下がり等を完全に防止するロックが働いているのが大きな特徴である。なお、上方の連結板９を押上げ用のアクチュエータとして利用することもでき、この点で、プッシュアンドプル方式のアクチュエータとなるものである。 さらに、上記の例は、ソフトシリンダを二本並列にしたものであるが、三本以上を用いてもよい。これによると、首振りの程度が小さくなって動きが滑らかになる利点がある。
【００２３】
図５は、以上の動きを自動的に行う場合の説明図であるが、それぞれのチューブ１の両端の給排口５、５、６、６に配管１２〜１５を接続しておき、それぞれの配管１２〜１５を流動する流体を制御装置１６の制御によって自動方向切換弁１７〜２０で切り換えるようにしたものである。これにより、自動方向切換弁１７〜２０の切換えとそのタイミングを調整することで、その動きを様々に制御できる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
以上のソフトシリンダ及びソフトアクチュエータは、ロッドレスで、フレキシブルであるといった長所を有して非常に大きな力が出せてチューブ１の長さに近い大きなストロークで移動できることから、以下に記すような種々の分野に適用できる。
１）パワーアシスト装置、義手、義足用アクチュエータ、入浴介助支援機器といった医療、福祉分野
２）各種ロボット用アクチュエータ、生産ラインの駆動装置、水中、宇宙空間作業用アクチュエータといった工業分野
３）バーチャルリアリティ用フィードバック装置、体感アミューズメントゲーム機器、トレーニング機器といった情報、娯楽分野
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】ソフトシリンダの説明図である。
【図２】ソフトシリンダの動きを示す説明図である。
【図３】ソフトシリンダの加圧圧力と発生力との関係を示す特性である。
【図４】ソフトアクチュエータの動きを示す説明図である。
【図５】ソフトアクチュエータを自動で動かすための説明図である。
【符号の説明】
【００２６】
１    弾性体チューブ
２    ステージ
３    エラストマーチューブ
４    カバーコード
５    給排口
６    給排口
７    ローラ
８    ローラ
９    連結板
１０  連結板
１１  負荷
１２  配管
１３  配管
１４  配管
１５  配管
１６  制御装置
１７  自動方向切換弁
１８  自動方向切換弁
１９  自動方向切換弁
２０  自動方向切換弁
【図１】
2007040365.tif 000003
【図２】
2007040365.tif 000004
【図３】
2007040365.tif 000005
【図４】
2007040365.tif 000006
【図５】
2007040365.tif 000007