JP2009257573A - Linear motion expandable actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、長軸方向に伸縮する直動伸縮アクチュエータに関する。 The present invention relates to a linear motion expansion / contraction actuator that expands and contracts in the long axis direction.
直動伸縮アクチュエータとして、マッキベン型アクチュエータが知られている。マッキベン型アクチュエータは、代表的な空気圧ソフトアクチュエータであり、マッキベン型ゴム人工筋とも呼ばれる。マッキベン型ゴム人工筋は、繊維コードを網状に編んだスリーブと、このスリーブによって覆われたゴムチューブとを備えている。このゴムチューブの内圧を上げることによって発生する半径方向の膨張力が、繊維コードによりゴムチューブの軸方向の収縮力に変換される。
このようなマッキベン型アクチュエータは、収縮性を持つ直動アクチュエータである。このため、マッキベン型アクチュエータの長軸方向の歪を検出するために、ロータリーエンコーダなど回転式センサを用いることはできない。
図７は、直動伸縮アクチュエータの歪を直動型ポテンショメータにより測定する方法を説明するための図である。直動伸縮アクチュエータ９２と平行に直動型ポテンショメータ９１を取り付けることによって、直動伸縮アクチュエータ９２の長軸方向に沿った歪を検出することが可能である。
A McKibben type actuator is known as a linear motion expansion / contraction actuator. The McKibben actuator is a typical pneumatic soft actuator and is also called a McKibben rubber artificial muscle. The McKibben-type rubber artificial muscle includes a sleeve in which fiber cords are knitted in a net shape and a rubber tube covered with the sleeve. The radial expansion force generated by increasing the internal pressure of the rubber tube is converted into the contraction force in the axial direction of the rubber tube by the fiber cord.
Such a McKibben actuator is a linear motion actuator having contractility. For this reason, a rotary sensor such as a rotary encoder cannot be used to detect distortion in the long axis direction of the McKibben actuator.
FIG. 7 is a diagram for explaining a method of measuring the strain of the linear motion expansion / contraction actuator using a linear motion potentiometer. By attaching the linear motion type potentiometer 91 in parallel with the linear motion expansion / contraction actuator 92, it is possible to detect distortion along the major axis direction of the linear motion expansion / contraction actuator 92.
図８は、直動伸縮アクチュエータの歪を導電性ゴムを用いた長軸方向直接計測により測定する方法を説明するための図である。図８に示すように、導電性ゴムをアクチュエータの側面に貼り付け，導電性ゴムの抵抗値変化によってアクチュエータの長軸方向の変位を計測するセンサが開発されている（非特許文献１）。 FIG. 8 is a diagram for explaining a method of measuring the strain of the linear motion extendable actuator by direct measurement in the long axis direction using a conductive rubber. As shown in FIG. 8, a sensor has been developed in which conductive rubber is attached to the side surface of an actuator, and the displacement in the major axis direction of the actuator is measured by a change in the resistance value of the conductive rubber (Non-Patent Document 1).
また、アクチュエータの周囲にリニアエンコーダを巻きつけて、アクチュエータの周方向の変位を計測する構成が知られている（非特許文献６）。
しかしながら、上記図７に示す従来技術の構成では、直動型ポテンショメータ９１には柔軟性がないので、直動伸縮アクチュエータ９２が本来有している柔軟性を著しく損なってしまうという問題が生じる。また、直動型ポテンショメータ９１は形状が大きいので、スペース上の効率も悪くなるという問題も生じる。 However, in the configuration of the prior art shown in FIG. 7, the direct acting potentiometer 91 does not have flexibility, so that the flexibility inherent in the direct acting telescopic actuator 92 is significantly impaired. Further, since the direct acting potentiometer 91 is large in shape, there is a problem that the efficiency in space is also deteriorated.
また、図８に示す従来技術の構成では、導電性ゴムは一般的に伸張性を持ち，収縮性を持つアクチュエータに取り付けるには、あらかじめ引っ張り方向のプリテンションを導電性ゴムに作用させることが必要になる。その結果、導電性ゴムをアクチュエータに取り付ける際に張力を維持する必要があるという取り付けの困難さに起因して計測精度が悪化したり、定常的な張力保持のためセンサ（導電性ゴム）の寿命が著しく悪化するおそれがあるという問題がある。また、導電性ゴムの抵抗値は一般的に非常に高いので、良好な信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を得られないという問題もある。この信号対雑音比を改善するために導電性ゴムの厚みを増して抵抗値を減少させると、今度は導電性ゴムの剛性が増して、取り付けが一層困難になるという問題がある。 In the configuration of the prior art shown in FIG. 8, the conductive rubber is generally stretchable, and it is necessary to apply a pretension in the pulling direction to the conductive rubber in advance in order to attach it to the actuator having contractibility. become. As a result, the measurement accuracy deteriorates due to the difficulty of attaching the conductive rubber to the actuator, and it is necessary to maintain the tension, and the life of the sensor (conductive rubber) is kept constant to maintain the tension. There is a problem that there is a possibility that it may deteriorate significantly. In addition, since the resistance value of the conductive rubber is generally very high, there is a problem that a good signal-to-noise ratio (S / N ratio) cannot be obtained. If the resistance value is decreased by increasing the thickness of the conductive rubber in order to improve the signal-to-noise ratio, there is a problem that the rigidity of the conductive rubber is increased and the attachment becomes more difficult.
また、上記非特許文献６に開示された構成は、アクチュエータの周方向の変位を計測するものであって、本願発明のように、アクチュエータの長軸方向に沿った歪を計測する構成を示唆するものではない。また、上記非特許文献６に開示されたリニアエンコーダは、歪を計測するものではなく、歪センサによって歪を計測する本願発明を示唆するものではない。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、歪センサの取り付けが容易で、信号雑音比が改善された直動伸縮アクチュエータを実現することにある。
Further, the configuration disclosed in Non-Patent Document 6 measures the displacement in the circumferential direction of the actuator, and suggests a configuration for measuring strain along the long axis direction of the actuator as in the present invention. It is not a thing. Further, the linear encoder disclosed in Non-Patent Document 6 does not measure distortion, and does not suggest the present invention in which distortion is measured by a strain sensor.
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to realize a linear motion expansion / contraction actuator in which a strain sensor can be easily attached and a signal-to-noise ratio is improved.
本発明に係る直動伸縮アクチュエータは、長軸方向に伸縮可能な伸縮部材と、前記伸縮部材の周方向の伸縮歪を検出するために前記伸縮部材の外周面を周方向に沿って覆う弾性体を有する歪センサとを備えたことを特徴とする。 A linear motion expansion / contraction actuator according to the present invention includes an expansion / contraction member that can expand / contract in a long axis direction, and an elastic body that covers an outer peripheral surface of the expansion / contraction member along the circumferential direction in order to detect a circumferential expansion / contraction strain of the expansion / contraction member. And a strain sensor.
この特徴により、伸縮部材の外周面を周方向に沿って覆う弾性体が、伸縮部材の周方向の伸縮歪を検出するので、歪センサの取り付けが容易で、信号雑音比が改善された直動伸縮アクチュエータを実現することができる。 Due to this feature, the elastic body that covers the outer circumferential surface of the elastic member along the circumferential direction detects the elastic strain in the circumferential direction of the elastic member, so that the strain sensor can be easily attached and the linear motion with improved signal to noise ratio A telescopic actuator can be realized.
本発明に係る直動伸縮アクチュエータでは、前記弾性体は、ゴムによって構成されていることが好ましい。 In the linear motion extendable actuator according to the present invention, it is preferable that the elastic body is made of rubber.
上記構成によれば、２０％程度の伸長歪を許容することができ、かつ、電気的に比較的簡単に計測することができる。 According to the above configuration, an elongation strain of about 20% can be allowed and can be measured electrically relatively easily.
本発明に係る直動伸縮アクチュエータでは、前記弾性体は、導電性材料によって構成されていることが好ましい。 In the linear motion extendable actuator according to the present invention, the elastic body is preferably made of a conductive material.
上記構成によれば、２０％程度の伸長歪を許容することができ、かつ、電気的に比較的簡単に計測することができる。 According to the above configuration, an elongation strain of about 20% can be allowed and can be measured electrically relatively easily.
本発明に係る直動伸縮アクチュエータでは、前記伸縮部材は、チューブであることが好ましい。 In the linear motion expansion / contraction actuator according to the present invention, the expansion / contraction member is preferably a tube.
上記構成によれば、空気圧によって直動伸縮アクチュエータを駆動することができる。 According to the above configuration, the direct acting telescopic actuator can be driven by air pressure.
本発明に係る直動伸縮アクチュエータでは、前記チューブは、圧縮流体の流入及び流出によって長軸方向に伸縮することが好ましい。 In the linear motion expansion / contraction actuator according to the present invention, it is preferable that the tube expands and contracts in a major axis direction by inflow and outflow of a compressed fluid.
上記構成によれば、マッキベン型空気圧アクチュエータに適用することができる。 According to the said structure, it can apply to a McKibben type pneumatic actuator.
本発明に係る直動伸縮アクチュエータでは、前記チューブは、媒体の流入によって拡大することが好ましい。 In the linear motion expansion / contraction actuator according to the present invention, it is preferable that the tube is enlarged by inflow of a medium.
上記構成によれば、チューブの周方向の歪が軸方向の歪よりも大きくなり、周方向の歪を検出する本発明のＳ／Ｎ比が向上する。 According to the said structure, the distortion of the circumferential direction of a tube becomes larger than the distortion of an axial direction, and the S / N ratio of this invention which detects the distortion of the circumferential direction improves.
本発明に係る直動伸縮アクチュエータでは、前記弾性体は、断面環状に形成されていることが好ましい。 In the linear motion expansion / contraction actuator according to the present invention, the elastic body is preferably formed in an annular cross section.
上記構成によれば、弾性体を伸縮部材に嵌め込むように安定的に取り付けることができる。 According to the said structure, an elastic body can be stably attached so that it may fit in an expansion-contraction member.
本発明に係る直動伸縮アクチュエータでは、前記歪センサは、前記伸縮部材の周方向の伸縮歪を表す信号を伝達するために前記弾性体に接続された導線をさらに有することが好ましい。 In the linear motion expansion / contraction actuator according to the present invention, it is preferable that the strain sensor further includes a conductive wire connected to the elastic body in order to transmit a signal representing expansion / contraction strain in the circumferential direction of the expansion / contraction member.
上記構成によれば、伸縮部材の周方向の伸縮歪を表す信号を、周方向の伸縮歪に基づいて伸縮部材の長軸方向の伸縮歪を推定する推定手段に送信することができる。 According to the said structure, the signal showing the expansion-contraction strain of the circumferential direction of an expansion-contraction member can be transmitted to the estimation means which estimates the expansion-contraction distortion of the major axis direction of an expansion-contraction member based on the expansion-contraction strain of the circumferential direction.
本発明に係る直動伸縮アクチュエータでは、前記歪センサによって検出された伸縮部材の周方向の伸縮歪に基づいて、前記伸縮部材の長軸方向の伸縮歪を推定する推定手段をさらに備えることが好ましい。 In the linear motion expansion / contraction actuator according to the present invention, it is preferable that the linear motion expansion / contraction actuator further includes an estimation unit that estimates the expansion / contraction strain in the major axis direction of the expansion / contraction member based on the expansion / contraction strain in the circumferential direction of the expansion / contraction member detected by the strain sensor. .
上記構成によれば、伸縮部材の周方向の伸縮歪を歪センサにおって検出することによって、伸縮部材の長軸方向の伸縮歪を検出することができる直動伸縮アクチュエータを得ることができる。 According to the said structure, the linear motion expansion-contraction actuator which can detect the expansion-contraction distortion of the longitudinal direction of an expansion-contraction member can be obtained by detecting the expansion-contraction distortion of the circumferential direction of an expansion-contraction member with a strain sensor.
本発明に係る直動伸縮アクチュエータは、伸縮部材の周方向の伸縮歪を検出するために伸縮部材の外周面を周方向に沿って覆う弾性体を歪センサに設けたので、歪センサの取り付けが容易で、信号雑音比が改善された直動伸縮アクチュエータを実現することができる。 In the linear motion expansion / contraction actuator according to the present invention, the strain sensor is provided with an elastic body that covers the outer peripheral surface of the expansion / contraction member along the circumferential direction in order to detect the expansion / contraction strain in the circumferential direction of the expansion / contraction member. It is easy to realize a linear motion extendable actuator having an improved signal to noise ratio.
本発明の一実施形態について図１ないし図１４（ｂ）に基づいて説明すると以下の通りである。図１は、実施の形態に係る直動伸縮アクチュエータ１の外観を示す図である。図２は、直動伸縮アクチュエータ１に設けられたチューブ２の外観を示す図である。図３は、チューブ２に設けられた歪センサ３を示す図である。図４（ａ）はチューブ２に設けられた歪センサ３を模式的に示す正面図であり、図４（ｂ）はその断面図である。 An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 14B. FIG. 1 is a diagram illustrating an appearance of a linear motion extendable actuator 1 according to an embodiment. FIG. 2 is a view showing the appearance of the tube 2 provided in the linear motion extendable actuator 1. FIG. 3 is a view showing the strain sensor 3 provided in the tube 2. 4A is a front view schematically showing the strain sensor 3 provided in the tube 2, and FIG. 4B is a cross-sectional view thereof.
本実施の形態は、空気圧で駆動されるマッキベン型アクチュエータの軸方向変位量計測を高精度に行う検出機構に関する。本実施の形態では、マッキベン型空気圧アクチュエータの変位を測定するセンサを提案する。マッキベン型空気圧アクチュエータは、圧縮空気の流入によって長軸方向に収縮する機構を有する。駆動対象物の精密な制御のため、アクチュエータの変位測定は重要である。しかしながら、アクチュエータが柔軟性を持つため、その変位の測定は容易でない。本実施の形態は、柔軟性を持つ歪センサを用いて、マッキベン型アクチュエータの周方向の歪を計測し、軸方向歪を推定するものである。周方向の伸張歪は軸方向の収縮歪よりも大きいため、軸方法変位を直接計測するよりも優れた信号対雑音比が得られる。
直動伸縮アクチュエータ１は、長軸方向に伸縮可能な複数本のチューブ２を備えている。このチューブ２は、圧縮流体の流入及び流出によって長軸方向に伸縮するマッキベン型ゴム人工筋であり得る。
The present embodiment relates to a detection mechanism that performs high-precision measurement of the amount of axial displacement of a McKibben actuator driven by air pressure. In this embodiment, a sensor for measuring the displacement of a McKibben type pneumatic actuator is proposed. The McKibben type pneumatic actuator has a mechanism that contracts in the long axis direction by inflow of compressed air. Measuring the displacement of the actuator is important for precise control of the driven object. However, since the actuator has flexibility, it is not easy to measure the displacement. In the present embodiment, the strain in the circumferential direction of the McKibben actuator is measured using a flexible strain sensor, and the axial strain is estimated. Since the circumferential extension strain is larger than the axial shrinkage strain, a signal-to-noise ratio superior to that obtained by directly measuring the axial displacement is obtained.
The linear motion expansion / contraction actuator 1 includes a plurality of tubes 2 that can expand and contract in the long axis direction. The tube 2 can be a McKibben type rubber artificial muscle that expands and contracts in the longitudinal direction by inflow and outflow of a compressed fluid.
各チューブ２には、チューブ２の長軸方向の伸縮歪を検出するための歪センサ３が設けられている。歪センサ３は、チューブ２の周方向の伸縮歪を検出するためにチューブ２の外周面を周方向に沿って覆う断面環状の弾性体４を有している。この弾性体４は、導電性ゴムによって構成されている。歪センサ３には、チューブ２の周方向の伸縮歪を表す信号を伝達するために弾性体４に接続された導線５が設けられている。この導線５は、歪センサ３の弾性体４によって検出されたチューブ２の周方向の伸縮歪に基づいて、チューブ２の長軸方向の伸縮歪を推定する図示しない推定器に接続されている。 Each tube 2 is provided with a strain sensor 3 for detecting the stretching strain in the major axis direction of the tube 2. The strain sensor 3 has an annular cross-section elastic body 4 that covers the outer peripheral surface of the tube 2 along the circumferential direction in order to detect the expansion and contraction strain in the circumferential direction of the tube 2. The elastic body 4 is made of conductive rubber. The strain sensor 3 is provided with a conducting wire 5 connected to the elastic body 4 in order to transmit a signal representing the stretching strain in the circumferential direction of the tube 2. The conducting wire 5 is connected to an estimator (not shown) that estimates the stretching strain in the long axis direction of the tube 2 based on the stretching strain in the circumferential direction of the tube 2 detected by the elastic body 4 of the strain sensor 3.
直動伸縮アクチュエータ１は、柔軟かつ軽量であるため、装着型パワーアシスト装具として使用することができる。また、ホイスト、介護ベッド、遊具等にも直動伸縮アクチュエータ１を使用することができる。この直動伸縮アクチュエータ１の性能を向上させるためには、精度の高い変位量計測が必須である。歪センサ３は、チューブ２（アクチュエータ）の変位を計測するセンサであり、電磁モータにおける光学式エンコーダに相当する。アクチュエータとして動作するチューブ２が柔軟性を有しており、長軸方向に沿って数十ｃｍの長さを有しているため、従来適切なセンサが存在しなかった。 Since the direct acting telescopic actuator 1 is flexible and lightweight, it can be used as a wearable power assist device. Further, the direct acting telescopic actuator 1 can be used for hoists, nursing beds, playground equipment, and the like. In order to improve the performance of the linear motion extendable actuator 1, highly accurate displacement measurement is essential. The strain sensor 3 is a sensor that measures the displacement of the tube 2 (actuator), and corresponds to an optical encoder in an electromagnetic motor. Since the tube 2 operating as an actuator has flexibility and has a length of several tens of centimeters along the long axis direction, there has been no suitable sensor conventionally.
図５は、チューブ２の伸縮を説明するための図である。図６は、チューブ２の長軸方向収縮率と円周方向収縮率との間の関係を示すグラフである。チューブ２は、長軸方向に収縮するときは、円周方向（直径方向）には伸長する。図６のグラフにおいて、横軸はチューブ２の長軸方向収縮率を示しており、縦軸はチューブ２の円周方向伸長率を示している。図６より、直動伸縮アクチュエータ１のチューブ２は、長軸方向収縮率よりも円周方向伸長率が大きいことが判る。例えば、長軸方向収縮率が８０．５％のときに円周方向収縮率は１４９．５％であり、
実効歪は、（（１４９．５−１００）／（１００−８０．５））
＝（４９．５／１９．５）
＝約２．５
となり、本実施の形態に係るチューブ２の実効歪は、約２．５になる。
FIG. 5 is a view for explaining expansion and contraction of the tube 2. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the major axis direction shrinkage rate and the circumferential direction shrinkage rate of the tube 2. When the tube 2 contracts in the major axis direction, the tube 2 extends in the circumferential direction (diameter direction). In the graph of FIG. 6, the horizontal axis indicates the contraction rate in the long axis direction of the tube 2, and the vertical axis indicates the expansion rate in the circumferential direction of the tube 2. From FIG. 6, it can be seen that the tube 2 of the linear motion expansion / contraction actuator 1 has a larger circumferential expansion rate than the major axis direction contraction rate. For example, when the contraction rate in the long axis direction is 80.5%, the contraction rate in the circumferential direction is 149.5%.
The effective strain is ((149.5-100) / (100-80.5))
= (49.5 / 19.5)
= 2.5
Thus, the effective strain of the tube 2 according to the present embodiment is about 2.5.
このように、本実施の形態に係る直動伸縮アクチュエータ１には、チューブ２の周方向歪を検出することによってチューブ２の軸方向に沿った歪を推定するための導電性ゴム性の弾性体４を有する歪センサ３を設けている。導電性ゴム性の弾性体４をチューブ２に取り付けるときに、従来技術の構成のようにプリテンションをかける必要がない。直動伸縮アクチュエータ１のチューブ２は、駆動時に、軸方向に収縮すると、周方向に伸長するが、導電性ゴム性の弾性体４も同様に周方向に伸長するからである。従って、歪センサの取り扱いが、従来技術よりも容易になり、歪センサの寿命が向上する。また、マッキンベン型アクチュエータは、長軸方向収縮率よりも円周方向伸長率が大きく、本実施の形態の直動伸縮アクチュエータ１は、長軸方向収縮率ではなく、円周方向伸長率を検出するので、長軸方向収縮率を検出する従来技術の構成よりも、Ｓ／Ｎ比が向上する。 Thus, the linear motion telescopic actuator 1 according to the present embodiment includes a conductive rubber-like elastic body for estimating the strain along the axial direction of the tube 2 by detecting the circumferential strain of the tube 2. 4 is provided. When the conductive rubber elastic body 4 is attached to the tube 2, it is not necessary to apply pretension as in the configuration of the prior art. This is because the tube 2 of the linear motion expansion / contraction actuator 1 expands in the circumferential direction when contracted in the axial direction at the time of driving, but the conductive rubber-like elastic body 4 similarly extends in the circumferential direction. Accordingly, handling of the strain sensor becomes easier than in the prior art, and the life of the strain sensor is improved. In addition, the McKinben type actuator has a larger circumferential expansion rate than the long-axis direction contraction rate, and the linear motion expansion / contraction actuator 1 of the present embodiment detects not the long-axis direction contraction rate but the circumferential direction expansion rate. Therefore, the S / N ratio is improved as compared with the configuration of the prior art that detects the contraction rate in the long axis direction.
図９はチューブ２の伸縮歪の計測結果を示すグラフであり、図１０はチューブ２の伸縮歪のローパスフィルタ通過後の計測結果を示すグラフである。図９及び図１０に示すグラフの横軸は時間を示し、縦軸は計測電圧を示す。
図９には、本実施の形態の弾性体４によって計測された電圧波形Ｃ３と、図８に示す導電性ゴムによる長軸方向直接計測によって計測された電圧波形Ｃ２と、図７に示す直動型ポテンショメータによって計測された電圧波形Ｃ４とが示されている。電圧波形Ｃ３によるＳ／Ｎ比は、１４．４（ｄＢ）であり、電圧波形Ｃ２によるＳ／Ｎ比は、３．１（ｄＢ）であり、電圧波形Ｃ４によるＳ／Ｎ比（参考）は、４３．８（ｄＢ）である。このように、チューブの円周方向の歪を検出する導電性ゴム製弾性体４によるＳ／Ｎ比１４．４ｄＢは、軸方向の歪を検出する従来の導電性ゴム製弾性体によるＳ／Ｎ比３．１ｄＢよりも改善されたことが判る。
FIG. 9 is a graph showing the measurement result of the expansion / contraction strain of the tube 2, and FIG. 10 is a graph showing the measurement result of the expansion / contraction strain of the tube 2 after passing through the low-pass filter. 9 and 10, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates measurement voltage.
9 shows the voltage waveform C3 measured by the elastic body 4 of the present embodiment, the voltage waveform C2 measured by the long-axis direction direct measurement using the conductive rubber shown in FIG. 8, and the linear motion shown in FIG. A voltage waveform C4 measured by a type potentiometer is shown. The S / N ratio by the voltage waveform C3 is 14.4 (dB), the S / N ratio by the voltage waveform C2 is 3.1 (dB), and the S / N ratio by the voltage waveform C4 (reference) is , 43.8 (dB). Thus, the S / N ratio of 14.4 dB by the conductive rubber elastic body 4 that detects the strain in the circumferential direction of the tube is S / N by the conventional conductive rubber elastic body that detects the strain in the axial direction. It can be seen that the ratio was improved from 3.1 dB.
図１０には、本実施の形態の弾性体４によって計測されたローパスフィルタ通過後の電圧波形Ｃ６と、図８に示す導電性ゴムによる長軸方向直接計測によって計測されたローパスフィルタ通過後の電圧波形Ｃ５と、図７に示す直動型ポテンショメータによって計測された電圧波形Ｃ７とが示されている。電圧波形Ｃ６によるＳ／Ｎ比は、２８．０（ｄＢ）であり、電圧波形Ｃ５によるＳ／Ｎ比は、１７．１（ｄＢ）であり、電圧波形Ｃ７によるＳ／Ｎ比（参考）は、５１．３（ｄＢ）である。このように、チューブの円周方向の歪を検出する導電性ゴム製弾性体４によるＳ／Ｎ比２８．０ｄＢは、軸方向の歪を検出する従来の導電性ゴム製弾性体によるＳ／Ｎ比１７．１ｄＢよりも改善されたことが判る。 FIG. 10 shows the voltage waveform C6 after passing through the low-pass filter measured by the elastic body 4 of the present embodiment and the voltage after passing through the low-pass filter measured by long-axis direction direct measurement using the conductive rubber shown in FIG. A waveform C5 and a voltage waveform C7 measured by the direct acting potentiometer shown in FIG. 7 are shown. The S / N ratio by the voltage waveform C6 is 28.0 (dB), the S / N ratio by the voltage waveform C5 is 17.1 (dB), and the S / N ratio by the voltage waveform C7 (reference) is 51.3 (dB). Thus, the S / N ratio of 28.0 dB by the conductive rubber elastic body 4 that detects the strain in the circumferential direction of the tube is S / N by the conventional conductive rubber elastic body that detects the strain in the axial direction. It can be seen that the ratio is improved from 17.1 dB.
図１１（ａ）、図１２（ａ）及び図１３（ａ）は、それぞれ歪センサ３の製造方法を示す正面図であり、図１１（ｂ）、図１２（ｂ）及び図１３（ｂ）は、それぞれその平面図である。図１４（ａ）は歪センサ３の構成を示す断面図であり、図１４（ｂ）は歪センサ３に設けられた導電性柔軟材料８ａ（８ｂ）を示す斜視図である。 11 (a), 12 (a) and 13 (a) are front views showing a method of manufacturing the strain sensor 3, respectively. FIG. 11 (b), FIG. 12 (b) and FIG. 13 (b). Is a plan view thereof. 14A is a cross-sectional view showing the configuration of the strain sensor 3, and FIG. 14B is a perspective view showing the conductive flexible material 8a (8b) provided in the strain sensor 3. FIG.
まず、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、扁平帯状の導電性柔軟材料８ａの表面上に、２本の導線５の先端を載せる。２本の導線５の１本は、導電性柔軟材料８ａの一端から、導電性柔軟材料８ａの横長の約３分の１の距離の位置に載せる。２本の導線５の他の１本は、導電性柔軟材料８ａの他端から、導電性柔軟材料８ａの横長の約３分の１の距離の位置に載せる。 First, as shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b), the tips of the two conducting wires 5 are placed on the surface of the flat strip-like conductive flexible material 8a. One of the two conducting wires 5 is placed at a distance of about one third of the laterally long length of the conductive flexible material 8a from one end of the conductive flexible material 8a. The other one of the two conducting wires 5 is placed at a distance of about one third of the laterally long length of the conductive flexible material 8a from the other end of the conductive flexible material 8a.
そして、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示すように、導電性柔軟材料８ａの上の２本の導線５の１本の先端を覆って導電性接着剤７を塗布する。次に、導線５の他の１本の先端を覆って導電性接着剤７を塗布する。 Then, as shown in FIGS. 12A and 12B, the conductive adhesive 7 is applied so as to cover one tip of the two conductive wires 5 on the conductive flexible material 8a. Next, the conductive adhesive 7 is applied so as to cover the other tip of the conductive wire 5.
その後、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示すように、導電性柔軟材料８ａの上に、導電性接着剤７が塗布された２本の導線５を挟んで導電性柔軟材料８ｂを載せる。そして、図１４（ａ）に示すように、導電性柔軟材料８ａ・８ｂの一端と他端とを接着させて、断面環状の弾性体４及び導線５を有する歪センサが完成する。 Thereafter, as shown in FIGS. 13A and 13B, the conductive flexible material 8b is sandwiched between the two conductive wires 5 coated with the conductive adhesive 7 on the conductive flexible material 8a. Put it on. Then, as shown in FIG. 14A, one end and the other end of the conductive flexible materials 8a and 8b are bonded to complete a strain sensor having an elastic body 4 and a conducting wire 5 having an annular cross section.
本実施の形態によれば、伸張性の導電性ゴムを、同じく伸張性を有するマッキベン型アクチュエータの周方向変位計測に用い、プリテンションを不要にする。結果的に、取り付けが容易になり、かつ寿命も向上する。加えて、マッキベン型アクチュエータの周方向の伸張歪は軸方向の収縮歪よりも大きいことを利用し、軸方法変位の直接計測よりも優れた信号対雑音比を得る。加えて、アクチュエータ周方向を覆うように導電性ゴムで閉断面を構成すると、伸張歪に対して耐え易くなると同時に抵抗値が半分になり、信号対雑音比も改善する。 According to the present embodiment, the extensible conductive rubber is used for the circumferential displacement measurement of the McKibben actuator that also has the extensibility, and pre-tension is not required. As a result, the mounting becomes easy and the lifetime is improved. In addition, by utilizing the fact that the circumferential extension strain of the McKibben actuator is larger than the contraction strain in the axial direction, a signal-to-noise ratio superior to direct measurement of the axial method displacement is obtained. In addition, when the closed cross section is formed of conductive rubber so as to cover the circumferential direction of the actuator, it becomes easy to withstand the extension strain, and at the same time, the resistance value is halved and the signal-to-noise ratio is improved.
マッキベン型アクチュエータの軸方向変位を計測するためには、より歪の大きい周方向変位を計測したほうが信号対雑音比で有利である。導電性ゴムを使用した変位計測センサは、伸張性を有する周方向の変位計測に用いるほうが、取り扱いの点で有利である。周方向変位の計測のため導電性ゴムで閉断面を構成すると、抵抗値を１／２にすることができ、さらなる信号対雑音比の向上が見込める。さらに、閉断面の構成により、伸長歪に対しても頑健性が向上する。 In order to measure the axial displacement of the McKibben actuator, it is more advantageous in terms of the signal-to-noise ratio to measure the circumferential displacement with greater distortion. A displacement measuring sensor using conductive rubber is more advantageous in terms of handling if it is used for measuring a circumferential displacement having extensibility. If the closed cross section is made of conductive rubber for measuring the circumferential displacement, the resistance value can be halved and further improvement in the signal-to-noise ratio can be expected. Furthermore, the construction of the closed cross section improves robustness against elongation strain.
なお、本実施の形態では、弾性体４を導電性ゴムによって構成する例を示したが、本発明はこれに限定されない。導電性ゴムであれば、２０％程度の伸長歪を許容することができ、かつ、電気的に比較的簡単に計測することができる点で好ましい。しかしながら、歪を電気信号に変換する材料であって、周方向の伸長歪を計測することができる材料であれば、導電性ゴムに限定されない。例えば、ピエゾ素子によって弾性体４を構成してもよい。 In the present embodiment, an example in which the elastic body 4 is made of conductive rubber has been shown, but the present invention is not limited to this. A conductive rubber is preferable in that it can allow an elongation strain of about 20% and can be measured electrically relatively easily. However, the material is not limited to conductive rubber as long as it is a material that converts strain into an electrical signal and can measure the circumferential extension strain. For example, the elastic body 4 may be configured by a piezo element.
また、本実施の形態では、弾性体４が断面環状である例を示したが、本発明はこれに限定されない。弾性体４の断面は、環状でなくてもよい。 Moreover, in this Embodiment, although the elastic body 4 showed the example whose cross section is cyclic | annular, this invention is not limited to this. The cross section of the elastic body 4 may not be annular.
また、本実施の形態では、空気圧で駆動されるマッキベン型アクチュエータの例を示したが、本発明のアクチュエータは空気圧に限定されない。例えば、液体圧によって駆動される直動伸縮アクチュエータに対しても本発明を適用することができる。また、ピエゾアクチュエータ、導電性高分子材料、エラストマー、形状記憶合金によって収縮あるいは伸長するアクチュエータであってもよい。ただし、本発明の利点は、空気圧直動伸縮アクチュエータにおいて、より明確に現れる。 In the present embodiment, an example of a McKibben actuator driven by air pressure is shown, but the actuator of the present invention is not limited to air pressure. For example, the present invention can also be applied to a linear motion extendable actuator driven by liquid pressure. Further, it may be an actuator that contracts or extends by a piezoelectric actuator, a conductive polymer material, an elastomer, or a shape memory alloy. However, the advantage of the present invention appears more clearly in the pneumatic direct acting telescopic actuator.
本実施の形態では、
軸方向の歪＜周方向の歪
であることを利用して感度（Ｓ／Ｎ比）を上げているが、このように、周方向の歪が軸方向の歪よりも大きくなるのは、空気が流入することによってチューブの体積が増加するときのみである。
In this embodiment,
The sensitivity (S / N ratio) is increased by utilizing the fact that the strain in the axial direction is smaller than the strain in the circumferential direction. As described above, the strain in the circumferential direction is larger than the strain in the axial direction. Only when the volume of the tube increases due to inflow.
なぜならば、駆動前後でチューブの体積が変化しないのであれば、
（１−（軸方向の歪））×（１−（周方向の歪））２＝１ …（式１）
が成り立たねばならず、
周方向の歪＜軸方向の歪
となってしまうからである。上記（式１）が成り立つときは、周方向の歪は、軸方向の歪の平方根になってしまう。すなわち、すなわち、媒体の流入によってチューブが拡大するときにのみ、「軸方向の歪＜周方向の歪」という利点が生じる。
Because if the volume of the tube does not change before and after driving,
(1- (axial strain)) × (1- (circumferential strain)) 2 = 1 (Expression 1)
Must be established,
This is because the circumferential strain is smaller than the axial strain. When the above (Equation 1) holds, the circumferential strain becomes the square root of the axial strain. That is, only when the tube expands due to the inflow of the medium, the advantage of “axial strain <circumferential strain” occurs.
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims. That is, embodiments obtained by combining technical means appropriately modified within the scope of the claims are also included in the technical scope of the present invention.
本発明は、長軸方向に伸縮する直動伸縮アクチュエータに適用することができ、また、アクティブリンク、福祉医療関連機器、スポーツトレーニング関連機器に適用することができる。さらに本発明は、高齢者向けの筋肉損傷部の選択的トレーニング機器、高齢者向けエクサテイメント機器、片麻痺患者用足関節固定用靴型装具、介護者用動作補助装置に適用することができる。 The present invention can be applied to a linear motion expansion / contraction actuator that expands and contracts in the major axis direction, and can also be applied to active links, welfare medical equipment, and sports training equipment. Further, the present invention can be applied to a selective training device for a muscle damage part for elderly people, an exercise equipment for elderly people, a shoe-type orthosis for ankle joint fixation for hemiplegic patients, and a motion assist device for a caregiver.
１ 直動伸縮アクチュエータ
２ チューブ（伸縮部材）
３ 歪センサ
４ 弾性体
５ 導線
７ 導電性接着剤
８ａ、８ｂ 導電性柔軟材料
1 Direct-motion telescopic actuator 2 Tube (expandable member)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 Strain sensor 4 Elastic body 5 Conductor 7 Conductive adhesive 8a, 8b Conductive flexible material
Claims (9)
前記伸縮部材の周方向の伸縮歪を検出するために前記伸縮部材の外周面を周方向に沿って覆う弾性体を有する歪センサとを備えたことを特徴とする直動伸縮アクチュエータ。 A telescopic member capable of stretching in the long axis direction;
A linear motion expansion / contraction actuator, comprising: a strain sensor having an elastic body that covers an outer peripheral surface of the expansion / contraction member along the circumferential direction in order to detect expansion / contraction strain in the circumferential direction of the expansion / contraction member.
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