JP2018179276A - アクチュエータ - Google Patents
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Abstract
【課題】トグル機構を備えたアクチュエータの変位量と発生力とを独立して制御することを特徴とするアクチュエータを得る。
【解決手段】第一リンクと、第一リンクの一端に一端が連結部で回転可能に連結されている第二リンクとを有するトグル機構であって、一のトグル機構の第二リンクの他端と他のトグル機構の第一リンクの他端とが結合部で回転可能に連結され、一方向に直列に連結されている複数のトグル機構が備えられている。そして、制御部は、複数の連結部を個別に移動させるようになっている。
【選択図】図1
【解決手段】第一リンクと、第一リンクの一端に一端が連結部で回転可能に連結されている第二リンクとを有するトグル機構であって、一のトグル機構の第二リンクの他端と他のトグル機構の第一リンクの他端とが結合部で回転可能に連結され、一方向に直列に連結されている複数のトグル機構が備えられている。そして、制御部は、複数の連結部を個別に移動させるようになっている。
【選択図】図1
Description
本発明は、アクチュエータに関する。
ロボットアームには、モータなどの電磁力による駆動装置やシリンダーなどの油圧や空気圧による駆動装置などが用いられている。また、モータやシリンダーなどの金属で構成された駆動装置に対して、McKibben型人工筋肉などゴムや繊維などの柔軟体で構成された駆動装置もある。
これらの駆動装置では、目的の駆動速度や駆動力を得るために倍力装置や変速装置などが用いられている。これらの駆動装置は構造上、小型化や軽量化を行う上での限界があり、ロボットアームや人体装着機器の小型・軽量化を図る上での障害となる場合がある。
特許文献1では、導電性高分子を含むアクチュエータ及びその駆動方法が開示されており、導電性高分子を用いることにより軽量化が図られ、また、導電性高分子の伸縮量を増大するための機構が備えられている。この機構は、膜状の導電性高分子に電圧が印加されて押圧部が直線運動をすることにより、導電性高分子の収縮量よりも長い距離の上下運動を行うことができるとされている。また、膜状導電性高分子は、膜状であれば、円形、四角形及び長方形でも良いが、伸縮による力を押圧部に均等に掛けるには円形が好ましいとされている。一方、押圧部は、力を分散させないために、貴金属、カーボン及び硬化プラスチックなどで形成されることが望ましいとされている。また、形状は特に限定はされないが、アクチュエータ自体の大きさを小さくするには、長い棒状、円筒状及び柱状が好ましいとされている。
特許文献2では、特許文献1においてアクチュエータの変位方向である厚み方向に対して、変位拡大機構のサイズ以下への薄型化が困難であるとし、板状の基盤部材と導電性高分子を含む伸縮部材と可動部材と電極と伸縮部材と電極の間に挟まれた電解質托体層とを備え、基盤部材と伸縮部材と可動部材はそれぞれを一辺とする三角形を形成し、基盤部材と可動部材とのなす角度の変化が可能であるように配置され、かつ伸縮部材と電極との間に電圧を印加することで生じる伸縮部材の伸縮により基盤部材と可動部材の角度が変化する高分子アクチュエータが開示されている。変位拡大機構により、特許文献1の高分子アクチュエータと比較して、変位方向の厚みを薄くすることが可能であるとされている。
特許文献3では、例えば、従来の人体装着駆動装置では、肘屈曲や伸展を行うことは可能であるが、前腕をねじる動作(手のひらの向きを変える動作)や上腕を軸にして前腕を旋回させる動作(腕相撲の際の動作)などをアシストすることができない課題があるとしている。これは、従来の人体装着駆動装置の動作補助装置が使用者の種々の動作のうちの1つの動作のみを補助・補強するものであり、複雑な動作をアシストする際には複数の動作補助装置を組み合わせて用いなければならず、身体への動作補助装置の装着が困難であるためである。このような課題に鑑み、テンセグリティ構造体による動作補助装置を提供することにより、使用者の身体の屈曲や伸展、ねじれ、収縮や伸長等の動作、及びより複雑な動作を十分にアシストすることが可能になるとした。
特開2005−39996号公報
特開2007−0159222号公報
特開2009−189468号公報
人工筋肉として、2つのリンクとスライダーとから構成されているトグル機構を備えたアクチュエータを用いることが考えられる。
しかし、トグル機構を備えたアクチュエータでは、アクチュエータの変位量と発生力とを独立して制御することができなかった。つまり、変位量が決まると、発生力が一義的に決まっていた。
本発明の課題は、トグル機構を備えたアクチュエータの変位量と発生力とを独立して制御することである。
本発明の請求項1に係るアクチュエータは、第一リンクと、前記第一リンクの一端に一端が連結部で回転可能に連結されている第二リンクとを有するトグル機構であって、一のトグル機構の第二リンクの他端と他のトグル機構の第一リンクの他端とが結合部で回転可能に連結され、一方向に直列に連結されている複数のトグル機構と、前記一方向において、最も一側に配置されている前記トグル機構の前記第一リンクの他端を回転可能に連結し、複数の前記トグル機構が前記一方向に伸縮するように前記結合部、及び前記一方向において、最も他側に配置されている前記トグル機構の前記第二リンクの他端を支持する支持部材と、前記連結部を保持し、前記第一リンクの一端と前記第二リンクの一端との回転軸方向から見て、前記一方向に対して交差する交差方向に前記連結部を移動させる複数の移動部と、前記移動部を制御し、複数の前記連結部を個別に移動させる制御部と、を備えることを特徴とする。
上記構成によれば、制御部によって制御される移動部が、夫々のトグル機構の連結部を交差方向に個別に移動させる、又はその位置で維持させる。これにより、一方向に直列に連結された複数のトグル機構の一方向における長さが変位する。換言すると、一方向におけるアクチュエータの長さが変位する。
例えば、アクチュエータが一のトグル機構と他のトグル機構とを備える場合に、一のトグル機構に対しては、アクチュエータの発生力を変化させるために、制御部が、移動部を制御して、一のトグル機構の連結部を移動させて保持させる。また、他のトグル機構に対しては、アクチュエータが使用される使用範囲以上の力で、一のトグル機構を移動させて保持させるために、制御部が、移動部を制御して、他のトグル機構の連結部を移動させて保持させる。
このように、制御部が移動部を制御して複数の連結部を個別に移動させることで、トグル機構を用いたアクチュエータの変位量と発生力とを独立して制御することができる。
本発明の請求項2に係るアクチュエータは、請求項1に記載のアクチュエータにおいて、前記移動部は、一端が前記連結部に回転可能に連結されている第三リンクと、前記第三リンクの他端に一端が係合部で回転可能に連結されている第四リンクとを有し、前記交差方向に伸縮するように支持されている補助トグル機構と、前記係合部を保持し、前記一方向に前記係合部を移動させる補助移動部と、を備え、前記制御部は、前記補助移動部を制御することを特徴とする。
上記構成によれば、制御部によって制御される補助移動部が第三リンクと第四リンクとを回転可能に連結している係合部を一方向に移動させることで、トグル機構の連結部が交差方向に移動する。
例えば、第三リンクと第四リンクとの回転軸方向から見て、第三リンクと第四リンクとの成す角度を予め定められた角度以上とする。これにより、連結部に予め決められた以上の力を付与しなければならない場合に、係合部が存在しない構成と比して、付与する力を軽減することができる。
本発明の請求項3に係るアクチュエータは、請求項1に記載のアクチュエータにおいて、前記移動部は、一端が前記連結部に回転可能に連結されている第三リンクと、前記第三リンクの他端に一端が係合部で回転可能に連結されている第四リンクとを有し、前記交差方向に伸縮するように支持されている複数の補助トグル機構と、前記一方向に延びる長尺部材と、夫々の前記係合部に取り付けられ、前記長尺部材を把持及び解放する把持部材と、前記長尺部材を保持し、前記長尺部材を前記一方向に移動させることで、把持状態の前記係合部を前記一方向に移動させる補助移動部と、を備え、前記制御部は、前記補助移動部、及び複数の把持部材を制御することを特徴とする。
上記構成によれば、制御部によって制御される把持部材が長尺部材を把持している把持状態で、制御部によって制御される補助移動部が長尺部材を一方向に移動させることで、トグル機構の連結部が交差方向に移動する。
これに対して、把持部材が長尺部材を解放している解放状態で、補助移動部が長尺部材を一方向に移動させても、トグル機構の連結部は交差方向に移動しない。
このように、把持部材を把持状態又は解放状態とすることで、一個の補助移動部によって、連結部を個別に移動させることができる。
本発明によれば、トグル機構を用いたアクチュエータの変位量と発生力とを独立して制御することができる。
<第1実施形態>
本発明の第1実施形態に係るアクチュエータの一例について説明する。なお、各図に示す矢印Y方向は、アクチュエータが伸縮する伸縮方向を示し、矢印X方向は、伸縮方向に対して直交する方向であってアクチュエータの高さ方向(以下「高さ方向」)を示す。さらに、矢印Z方向は、伸縮方向及び高さ方向に対して直交する方向であってアクチュエータの厚さ方向(以下「厚さ方向」)を示す。
本発明の第1実施形態に係るアクチュエータの一例について説明する。なお、各図に示す矢印Y方向は、アクチュエータが伸縮する伸縮方向を示し、矢印X方向は、伸縮方向に対して直交する方向であってアクチュエータの高さ方向(以下「高さ方向」)を示す。さらに、矢印Z方向は、伸縮方向及び高さ方向に対して直交する方向であってアクチュエータの厚さ方向(以下「厚さ方向」)を示す。
(全体構成)
本第1実施形態に係るアクチュエータ10は、図4(A)(B)に示されるように、外装部14と、機構部38とを備えている。
本第1実施形態に係るアクチュエータ10は、図4(A)(B)に示されるように、外装部14と、機構部38とを備えている。
〔外装部14〕
外装部14は、基体16と、基体16によって伸縮方向に移動可能に支持されている伸縮部22とを備えている。
外装部14は、基体16と、基体16によって伸縮方向に移動可能に支持されている伸縮部22とを備えている。
基体16は、伸縮方向に延びる断面円状で、両端部が半球状とされている本体18と、伸縮方向に延びる断面円状のロッド20とを備えている。ロッド20は、本体18に対して小径化されており、本体18の伸縮方向の一端に取り付けられている。
また、本体18の内部には、伸縮方向に延びる円柱状の空洞部18Aが形成されており、この空洞部18Aの伸縮方向の他端は、外部に開口している。
伸縮部22は、伸縮方向に延びる円柱状とされている本体24と、伸縮方向に延びる断面円状のロッド26とを備えている。ロッド26は、本体24に対して小径化されており、本体24の伸縮方向の他端に取り付けられている。
また、本体24の直径は、基体16の本体18に形成されている空洞部18Aの直径に対して小さくされ、本体24の一部が、空洞部18Aの内部に配置されている。
〔機構部38〕
機構部38は、本体18の空洞部18Aに配置されている2個のトグル機構40A、40Bと、トグル機構40A、40Bを支持している支持部材50と、移動部60A、60Bと、制御部64(図6参照)とを備えている。
機構部38は、本体18の空洞部18Aに配置されている2個のトグル機構40A、40Bと、トグル機構40A、40Bを支持している支持部材50と、移動部60A、60Bと、制御部64(図6参照)とを備えている。
−トグル機構40A、40B−
トグル機構40A、40Bは、図2(A)に示されるように、伸縮方向(一方向の一例)に直列に互いに連結されている。そして、伸縮方向の一側から他側(図中左側から右側)に、トグル機構40Aとトグル機構40Bとがこの順番で並んでいる。なお、以下の説明でトグル機構40A及びトグル機構40Bを特に区別しない場合は、トグル機構40A及びトグル機構40Bの各構成部材も含めて、末尾のA、Bを省略することがある。
トグル機構40A、40Bは、図2(A)に示されるように、伸縮方向(一方向の一例)に直列に互いに連結されている。そして、伸縮方向の一側から他側(図中左側から右側)に、トグル機構40Aとトグル機構40Bとがこの順番で並んでいる。なお、以下の説明でトグル機構40A及びトグル機構40Bを特に区別しない場合は、トグル機構40A及びトグル機構40Bの各構成部材も含めて、末尾のA、Bを省略することがある。
トグル機構40Aは、第一リンク42Aと、第一リンク42Aの一端に一端が連結部44Aで回転可能に連結されている第二リンク46Aとを有している。また、連結部44Aによって支持されている第一リンク42Aの一端と第二リンク46Aの一端の回転軸方向は、厚さ方向(回転軸方向の一例)とされている。そして、本実施形態では、一例として、第一リンク42Aの長さは、10〔mm〕とされ、第二リンク46Aの長さは、40〔mm〕とされている。
また、トグル機構40Bは、第一リンク42Bと、第一リンク42Bの一端に一端が連結部44Bで回転可能に連結されている第二リンク46Bとを有している。さらに、第一リンク42Bの他端は、トグル機構40Aの第二リンク46Aの他端に結合部48で回転可能に連結されている。
また、連結部44Bによって支持されている第一リンク42Bの一端と第二リンク46Bの一端の回転軸方向は、厚さ方向(回転軸方向の一例)とされている。さらに、結合部48によって支持されている第一リンク42Bの他端と、トグル機構40Aの第二リンク46Aの他端の回転軸方向は、厚さ方向(回転軸方向の一例)とされている。そして、本実施形態では、一例として、第一リンク42Bの長さ(軸間距離)は、10〔mm〕とされ、第二リンク46Bの長さ(軸間距離)は、40〔mm〕とされている。
ここで、第一リンク42の他端を回転可能に連結し、第二リンク46の他端を伸縮方向に移動可能に支持した場合の1個のトグル機構40の特性について説明する。具体的には、第二リンク46の他端の変位量ΔSと、第二リンク46の他端に生じる発生力Fとについて説明する。
図8(A)に示されるように、第一リンク42の長さをrとし、第二リンク46の長さをmとする。また、第一リンク42の他端と第二リンク46の他端とを通る直線Pと連結部44との高さ方向の距離を高さhとする。また、第一リンク42の他端と第二リンク46の他端との距離を距離Sとする。
また、図8(A)に示されるように、伸縮方向における連結部44と第一リンク42の他端との距離を距離kとし、伸縮方向における連結部44と第二リンク46の他端との距離を距離nとする。さらに、高さ方向に対する第一リンク42の角度を角度αとし、高さ方向に対する第二リンク46の角度を角度βとする。
そうすると、下記式(1)、及び式(2)が成り立つ。
k=√(r2−h2)、 n=√(m2−h2)、 S=k+n・・・・(1)
α=cos−1(h/r)、 β=cos−1(h/m)・・・・・・・(2)
さらに、高さ方向において連結部44に付与する力を付与力f(保持力)とし、伸縮方向において第二リンク46の他端に生じる発生力Fとする。付与力fと発生力Fとの関係については、前述した式(1)、(2)から下記式(3)が成り立つ。なお、発生力Fとは、第二リンク46が静止している状態では、伸縮方向において、第二リンク46の他端を保持する保持力であり、第二リンク46が移動(回転移動)している状態では、第二リンク46の他端に発生する押圧力である。
α=cos−1(h/r)、 β=cos−1(h/m)・・・・・・・(2)
さらに、高さ方向において連結部44に付与する力を付与力f(保持力)とし、伸縮方向において第二リンク46の他端に生じる発生力Fとする。付与力fと発生力Fとの関係については、前述した式(1)、(2)から下記式(3)が成り立つ。なお、発生力Fとは、第二リンク46が静止している状態では、伸縮方向において、第二リンク46の他端を保持する保持力であり、第二リンク46が移動(回転移動)している状態では、第二リンク46の他端に発生する押圧力である。
F/f=(sinα・sinβ)/sin(α+β)・・・・・・・(3)
ここで、式(3)で求められたF/fをトグル機構40の力倍率とする。さらに、長さrが10〔mm〕で、長さmが40〔mm〕で、高さhが8〔mm〕のときの第一リンク42の他端と第二リンク46の他端との距離を距離S(図8(A)参照)として、図8(B)(C)に示されるように、高さhを減少させることで、距離Sが変位した変位量を変位量ΔSとする。
ここで、式(3)で求められたF/fをトグル機構40の力倍率とする。さらに、長さrが10〔mm〕で、長さmが40〔mm〕で、高さhが8〔mm〕のときの第一リンク42の他端と第二リンク46の他端との距離を距離S(図8(A)参照)として、図8(B)(C)に示されるように、高さhを減少させることで、距離Sが変位した変位量を変位量ΔSとする。
そうすると、力倍率F/fと、変位量ΔSとの関係は、図9のグラフに示す実線J1のようになる。具体的には、グラフの縦軸を力倍率F/fとし、グラフの横軸を変位量ΔSとする。実線J1から分かるように、変位量ΔSが増加するに従って、力倍率F/fの増加率が高くなっている。さらに、1個のトグル機構40を用いるだけでは、変位量ΔSが決まると、一義的に力倍率F/fが決まるようになっている。
例えば、変位量ΔSが2.0〔mm〕のときに、力倍率F/fは、1となる。また、変位量ΔSが3.9〔mm〕のときに、力倍率F/fは、2となる。
また、図9のグラフには、長さrが10〔mm〕で、長さmが10〔mm〕の場合の力倍率F/fと変位量ΔSとの関係が、一点鎖線J2で示されている。さらに、長さrが10〔mm〕で、長さmが20〔mm〕の場合の力倍率F/fと変位量ΔSとの関係が、二点鎖線J3で示され、長さrが10〔mm〕で、長さmが30〔mm〕の場合の力倍率F/fと変位量ΔSとの関係が、点線J4で示されている。また、長さrが10〔mm〕で、長さmが50〔mm〕の場合の力倍率F/fと変位量ΔSとの関係が、破線J5で示されている。
このように、長さrと長さmとの比率を変えることで、トグル機構の特性が変化するのが分かる。
−支持部材50−
支持部材50は、図2(A)に示されるように、伸縮方向に延びるレール54と、トグル機構40Aの第一リンク42Aの他端を回転可能に支持する支持部56と、トグル機構40Bの第二リンク46Bの他端を回転可能に支持する支持部58とを備えている。
支持部材50は、図2(A)に示されるように、伸縮方向に延びるレール54と、トグル機構40Aの第一リンク42Aの他端を回転可能に支持する支持部56と、トグル機構40Bの第二リンク46Bの他端を回転可能に支持する支持部58とを備えている。
レール54は、前述したように、伸縮方向に延びており、伸縮方向においてレール54の一端(図中左端)は、基体16の本体18に形成された円柱状の空洞部18Aの底部19に取り付けられている。そして、このレール54は、トグル機構40Aの第二リンク46Aとトグル機構40Bの第一リンク42Bとを結合する結合部48と、第二リンク46Bの他端を回転可能に支持する支持部58とを、伸縮方向に移動可能に支持している。
また、第一リンク42Aの他端を支持している支持部56は、伸縮方向においてレール54の一端に配置されている。そして、支持部56によって支持されているトグル機構40Aの第一リンク42Aの他端の回転軸方向は、厚さ方向とされている。
さらに、第二リンク46Aの他端を支持している支持部58は、図4(A)に示されるように、伸縮部22の本体24の空洞部18A側を構成する底板24Aに取り付けられている。また、この底板24Aには、図示せぬ貫通孔が形成され、前述したレール54は、この貫通孔を貫通している。
この構成において、トグル機構40A、40Bが伸縮することで、図4(A)(B)に示されるように、アクチュエータ10が伸縮する(変位する)ようになっている。
−移動部60A、60B−
移動部60Aは、所謂直動型ステッピングモータであって、図2(A)に示されるように、トグル機構40Aの連結部44Aに配置されており、連結部44Aを高さ方向(交差方向の一例)に移動させるようになっている。さらに、移動部60Aは、連結部44Aを移動させた位置で保持するようになっている。本実施形態では、一例として、移動部60Aは、連結部44Aに50〔N〕の力を付与して連結部44Aを保持するようになっている。なお、この連結部44Aに付与された力が、前述の式(3)で説明した付与力fである。
移動部60Aは、所謂直動型ステッピングモータであって、図2(A)に示されるように、トグル機構40Aの連結部44Aに配置されており、連結部44Aを高さ方向(交差方向の一例)に移動させるようになっている。さらに、移動部60Aは、連結部44Aを移動させた位置で保持するようになっている。本実施形態では、一例として、移動部60Aは、連結部44Aに50〔N〕の力を付与して連結部44Aを保持するようになっている。なお、この連結部44Aに付与された力が、前述の式(3)で説明した付与力fである。
移動部60Bは、所謂直動型ステッピングモータであって、トグル機構40Bの連結部44Bに配置されており、連結部44Bを高さ方向に移動させ、かつ、連結部44Bを移動させた位置で保持するようになっている。本実施形態では、一例として、移動部60Bは、連結部44Bに50〔N〕の力を付与して連結部44Bを保持するようになっている。なお、この連結部44Bに付与された力が、前述の式(3)で説明した付与力fである。
−制御部64・スイッチ68−
制御部64とスイッチ68とは電気的に接続されており、制御部64は、図6に示されるように、スイッチ68から受け取った信号に基づいて移動部60A、60Bを制御するようになっている。
制御部64とスイッチ68とは電気的に接続されており、制御部64は、図6に示されるように、スイッチ68から受け取った信号に基づいて移動部60A、60Bを制御するようになっている。
スイッチ68は、操作可能な操作部を備えており、操作部が操作されることで制御部64に第一信号、第二信号、又は第三信号を出力するようになっている。
また、本実施形態では、制御部64は、トグル機構40A(図2(A)参照)の力倍率F/fが2以上となる範囲(図9に示す範囲T1)となるように、移動部60Aを制御するようになっている。さらに、制御部64は、トグル機構40Bの力倍率F/fが1以上2以下の範囲(図9に示す範囲T2)となるように、移動部60Bを制御するようになっている。
換言すれば、図9のグラフに示されるように、制御部64は、トグル機構40Aの変位量ΔSが3.9〔mm〕以上4.8〔mm〕以下の範囲(図9に示す範囲T3)になるように、移動部60Aを制御するようになっている。また、制御部64は、トグル機構40Bの変位量ΔSが2.0〔mm〕以上3.9〔mm〕以下の範囲(図9に示す範囲T4)になるように、移動部60Bを制御するようになっている。なお、変位量ΔSが2〔mm〕のときは、高さhは6.4〔mm〕であって、変位量ΔSが3.9〔mm〕のときは、高さhは3.7〔mm〕であって、変位量ΔSが4.8〔mm〕のときは、高さhは0.1〔mm〕である。
ここで、前述したように、連結部44は、50〔N〕の力で保持されるようになっている。つまり、トグル機構40Aの発生力Fは、100〔N〕以上で、トグル機構40Bの発生力Fは、50〔N〕以上100〔N〕以下である。本実施形態では、アクチュエータ10が使用される使用力は、100〔N〕以下である。
つまり、トグル機構40Aの発生力Fは、アクチュエータ10が使用される使用範囲以上である。すなわち、トグル機構40Aは、伸縮方向におけるトグル機構40Bの位置を変位するために用いられる。
以上説明したように、制御部64が、トグル機構40Bに対して、力倍率F/fが1以上2以下の範囲で制御することで、トグル機構40Bによって生じる力倍率F/fと変位量ΔSとの関係は、図7のグラフに示す実線J10となる。さらに、制御部64が、トグル機構40Aに対して、力倍率F/fが2以上の範囲で制御することで、変位量ΔSが3.9〔mm〕以上4.8〔mm〕以下の範囲となる。
このように、制御部64がトグル機構40Aの変位量ΔSを変化させることで、トグル機構40Bが、トグル機構40Aに押し引きされて伸縮方向に移動する。
これにより、制御部64がトグル機構40Aの変位量ΔSを3.9〔mm〕にした場合には、トグル機構40Bによって生じる力倍率F/fと変位量ΔSとの関係は、図7のグラフに示す実線J10となる。一方、制御部64がトグル機構40Aの変位量ΔSを4.8〔mm〕にした場合には、トグル機構40Bによって生じる力倍率F/fと変位量ΔSとの関係は、図7のグラフに示す実線J11となる。
そして、制御部64が、トグル機構40Aとトグル機構40Bとを個別に移動させることで、図7のグラフに示す斜線部の範囲で、アクチュエータ10の変位量ΔSと発生力Fとが独立して制御されるようになっている。
また、制御部64は、スイッチ68が出力する信号に対して、移動部60Aと移動部60Bとをどのように制御するかを定めたマップを記憶している。なお、制御部64によるトグル機構40A、40Bに対する詳細な制御については、後述する作用と共に説明する。
(作用)
次に、アクチュエータ10の作用について、2個のアクチュエータ10を人工筋肉(人間の筋力を補助する部材)に用いた場合を例にとって説明する。
次に、アクチュエータ10の作用について、2個のアクチュエータ10を人工筋肉(人間の筋力を補助する部材)に用いた場合を例にとって説明する。
先ず、2個のアクチュエータ10を、装着者に装着する装着方法について説明する。
図5(A)に示されるように、一方のアクチュエータ10を装着者の上腕二頭筋U1に沿うように装着する。さらに、他方のアクチュエータ10を装着者の上腕三頭筋U2に沿うように装着する。なお、以下の説明では便宜上、一方のアクチュエータ10を「アクチュエータ10A」と称し、他方のアクチュエータ10を「アクチュエータ10B」と称する。なお、アクチュエータ10A、10Bにスイッチ68から信号が入力されていない状態では、アクチュエータ10A、10Bの高さhは、8〔mm〕となっている。
以下、装着方法について具体的に説明する。
先ず、スイッチ68の操作部を操作して、スイッチ68から第一信号を制御部64に出力させる。
第一信号が入力された制御部64は、予め記憶しているマップに基づいてアクチュエータ10A、10Bを制御する。
制御部64は、図1(A)、図3(A)に示されるように、アクチュエータ10Aのトグル機構40Aの移動部60Aを制御して連結部44Aを移動させて、高さhを0.1〔mm〕としてこの位置で連結部44Aを保持させる。さらに、制御部64は、トグル機構40Bの移動部60Bを制御して連結部44Bを移動させて、高さhを3.7〔mm〕としてこの位置で連結部44Bを保持させる。なお、移動部60Aが連結部44Aを保持する力は、前述したように、50〔N〕である。
そして、アクチュエータ10Aは、図7のグラフに示す点V1の状態となっている。また、伸縮方向におけるアクチュエータ10Aの発生力Fは、100〔N〕となっている。
さらに、第一信号が入力された制御部64は、図2(A)、図4(A)に示されるように、アクチュエータ10Bのトグル機構40Aの移動部60Aを制御して連結部44Aを移動させて、高さhを3.7〔mm〕としてこの位置で連結部44Aを保持させる。また、制御部64は、トグル機構40Bの移動部60Bを制御して連結部44Bを移動させて、高さhを6.4〔mm〕としてこの位置で連結部44Bを保持させる。
そして、アクチュエータ10Bは、図7のグラフに示す点V2の状態となっている。また、伸縮方向におけるアクチュエータ10Bの発生力Fは、50〔N〕となっている。
この状態で、アクチュエータ10A、10Bを、図5(A)に示されるように、延した状態の装着者の腕に、湾曲状に形成された板バネ材である一対の固定具100を用いて夫々装着する。
アクチュエータ10A、10Bのロッド20には、ワイヤ101の一端が接続されており、ワイヤ101の他端は、回転体102の回転軸102Bに接続されている。そして、ロッド20の移動によって回転軸102Bが回転するようになっておいる。回転軸102Bには、前腕を支持するアーム102Aの一端が接続されており、回転軸102Bの回転に伴ってアーム102Aが回転することで、前腕の動作補助が行われるようになっている。
以下、図5(A)(B)に示されるように、装着者が延した腕を曲げて重い荷物を持ち上げる場合と、装着者が延した腕を曲げて軽い荷物を持ち上げる場合について説明する。
−重い荷物を持ち上げる場合−
重い荷物を持ち上げるときには、装着者は、スイッチ68の操作部を操作して、スイッチ68から第二信号を制御部64に出力させる。
重い荷物を持ち上げるときには、装着者は、スイッチ68の操作部を操作して、スイッチ68から第二信号を制御部64に出力させる。
第二信号が入力された制御部64は、予め記憶しているマップに基づいてアクチュエータ10A、10Bを制御する。
制御部64は、図1(B)、図3(B)に示されるように、アクチュエータ10Aのトグル機構40Aの移動部60Aを制御して連結部44Aを移動させて、高さhを3.7〔mm〕としてこの位置で連結部44Aを保持させる。さらに、制御部64は、トグル機構40Bの移動部60Bを制御して連結部44Bの高さhを3.7〔mm〕の状態で維持させてこの位置で連結部44Bを保持させる。このように、連結部44Aの高さhを0.1〔mm〕から3.7〔mm〕へ移動させることで、アクチュエータ10Aの伸縮量(変位量)は、−1〔mm〕(図3参照)となる。
そして、アクチュエータ10Aは、図7のグラフに示す点V3の状態となっている。また、伸縮方向におけるアクチュエータ10Aの発生力Fは、100〔N〕となっている。
さらに、第二信号が入力された制御部64は、図2(B)、図4(B)に示されるように、アクチュエータ10Bのトグル機構40Aの移動部60Aを制御して連結部44Aを移動させて、高さhを0.1〔mm〕としてこの位置で連結部44Aを保持させる。また、制御部64は、トグル機構40Bの移動部60Bを制御して連結部44Bの高さhを6.4〔mm〕の状態で維持させてこの位置で連結部44Bを保持させる。このように、連結部44Aの高さhを3.7〔mm〕から0.1〔mm〕へ移動させることで、アクチュエータ10Aの伸縮量(変位量)は、1〔mm〕(図4参照)となる。
そして、アクチュエータ10Bは、図7のグラフに示す点V4の状態となっている。また、伸縮方向におけるアクチュエータ10Bの発生力Fは、50〔N〕となっている。
−軽い荷物を持ち上げる場合−
軽い荷物を持ち上げるときには、装着者は、スイッチ68の操作部を操作して、スイッチ68から第三信号を制御部64に出力させる。
軽い荷物を持ち上げるときには、装着者は、スイッチ68の操作部を操作して、スイッチ68から第三信号を制御部64に出力させる。
第三信号が入力された制御部64は、予め記憶しているマップに基づいてアクチュエータ10A、10Bを制御する。
第三信号が入力された制御部64は、図2(B)、図4(B)に示されるように、アクチュエータ10Aのトグル機構40Aの移動部60Aを制御して連結部44Aの高さhを0.1〔mm〕の状態で維持させてこの位置で連結部44Aを保持させる。また、制御部64は、トグル機構40Bの移動部60Bを制御して連結部44Bを移動させて、高さhを6.4〔mm〕としてこの位置で連結部44Bを保持させる。このように、連結部44Bの高さhを3.7〔mm〕から6.4〔mm〕へ移動させることで、アクチュエータ10Aの伸縮量は、−2〔mm〕となる。
そして、アクチュエータ10Aは、図7のグラフに示す点V4の状態となっている。また、伸縮方向におけるアクチュエータ10Bの発生力Fは、50〔N〕となっている。つまり、重い荷物を持ち上げる場合と比して、発生力Fが弱くなっている。
さらに、第三信号が入力された制御部64は、図2(B)、図4(B)に示されるように、アクチュエータ10Bのトグル機構40Aの移動部60Aを制御して連結部44Aを移動させて、高さhを0.1〔mm〕としてこの位置で連結部44Aを保持させる。また、制御部64は、トグル機構40Bの移動部60Bを制御して連結部44Bの高さhを6.4〔mm〕の状態で維持させてこの位置で連結部44Bを保持させる。このように、連結部44Aの高さhを3.7〔mm〕から0.1〔mm〕へ移動させることで、アクチュエータ10Aの伸縮量は、1〔mm〕(図4参照)となる。
そして、アクチュエータ10Bは、図7のグラフに示す点V4の状態となっている。また、伸縮方向におけるアクチュエータ10Bの発生力Fは、50〔N〕となっている
(まとめ)
以上説明したように、制御部64が、予め記憶しているマップに基づいてアクチュエータ10A、10Bを個別に制御することで、トグル機構40を備えたアクチュエータの変位量ΔSと発生力Fとを独立して制御することができる。
(まとめ)
以上説明したように、制御部64が、予め記憶しているマップに基づいてアクチュエータ10A、10Bを個別に制御することで、トグル機構40を備えたアクチュエータの変位量ΔSと発生力Fとを独立して制御することができる。
また、目的の駆動力や駆動速度を得るために倍力装置や変速装置などが用いられている従来の人工筋肉(アクチュエータ)と比して、トグル機構を複数連結させるだけの構成であるため、アクチュエータを小型・軽量で薄型にすることができる。
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態に係るアクチュエータの一例について図10、図11を用いて説明する。なお、第1実施形態と同一部材等については、同一符号を付してその説明を省略し、第1実施形態と異なる部分を主に説明する。
次に、本発明の第2実施形態に係るアクチュエータの一例について図10、図11を用いて説明する。なお、第1実施形態と同一部材等については、同一符号を付してその説明を省略し、第1実施形態と異なる部分を主に説明する。
第2実施形態のアクチュエータ110の機構部138は、図10に示されるように、2個のトグル機構40A、40Bと、トグル機構40A、40Bを支持している支持部材50と、移動部160A、160Bと、制御部164(図11参照)とを備えている。
移動部160Aは、トグル機構40Aの連結部44Aを高さ方向に移動させ、かつ、連結部44Aを移動させた位置で保持するようになっている。移動部160Bは、トグル機構40Bの連結部44Bを高さ方向に移動させ、かつ、連結部44Bを移動させた位置で保持するようになっている。
移動部160Aは、一端が連結部44Aに回転可能に連結されている第三リンク142Aと、第三リンク142Aの他端に一端が係合部144Aで回転可能に連結されている第四リンク146Aとを有している。さらに、移動部160Aは、第四リンク146Aの他端を回転可能に支持する支持部158Aと、高さ方向に延びており、支持部158Aを高さ方向に移動可能に支持しているレール154Aと、係合部144Aを伸縮方向に移動させる補助移動部162Aとを有している。
また、係合部144Aによって支持されている第三リンク142Aの一端と第四リンク146Aの一端の回転軸方向は、厚さ方向とされている。さらに、第三リンク142Aの長さと、第四リンク146Aの長さとは同様とされている。この第三リンク142Aと、係合部144Aと、第四リンク146Aとを含んで、補助トグル機構150Aが構成されている。
また、厚さ方向から見て、第三リンク142Aと伸縮方向との成す角度αAと、第四リンク146Aと伸縮方向との成す角度βAとは、係合部144Aに付与される付与力が、付与力した力よりも大きな力で連結部44Aに伝わるように決められている。例えば、角度αA、角度βAは、共に64〔度〕以上とされている。
補助移動部162Aは、所謂直動型ステッピングモータであって、係合部144Aに配置されており、係合部144Aを伸縮方向に移動させ、かつ、係合部144Aを移動させた位置で保持するようになっている。なお、係合部144Aについては、高さ方向には移動しないようになっている。
この構成において、補助移動部162Aが、係合部144Aを伸縮方向に移動させるようになっている。これにより、第三リンク142A、及び第四リンク146Aが回転することで、連結部44Aが、高さ方向に移動するようになっている。
さらに、移動部160Bは、移動部160Aと同様の構成となっており、第三リンク142Bと、係合部144Bと、第四リンク146Bと、支持部158Bと、レール154Bと、補助移動部162Bを有している。この第三リンク142Bと、係合部144Bと、第四リンク146Bとを含んで、補助トグル機構150Bが構成されている。
また、第三リンク142Bと伸縮方向との成す角度αBと、第四リンク146Bと伸縮方向との成す角度βBとは、係合部144Bに付与される付与力が、付与力した力よりも大きな力で連結部44Bに伝わるように決められている。例えば、角度αB、角度βBは、共に64〔度〕以上とされている。
そして、制御部164は、スイッチ68が出力する信号に対して移動部160A、160Bをどのように制御するかを定めたマップを記憶しており、補助移動部162A、162Bを制御するようになっている(図11参照)。
以上説明したように、角度αA、αBと、角度βA、βBとは、係合部144A、144Bに付与される付与力が、付与力した力よりも大きな力で連結部44A、44Bに伝わるように決められている。このため、連結部に予め決められた以上の力を付与しなければならない場合に、連結部に直接、力を付与する場合と比して、係合部に付与する力を軽減することができる。
第2実施形態の他の作用については、第1実施形態の作用と同様である。
<第3実施形態>
次に、本発明の第3実施形態に係るアクチュエータの一例について図12、図13を用いて説明する。なお、第2実施形態と同一部材等については、同一符号を付してその説明を省略し、第2実施形態と異なる部分を主に説明する。
次に、本発明の第3実施形態に係るアクチュエータの一例について図12、図13を用いて説明する。なお、第2実施形態と同一部材等については、同一符号を付してその説明を省略し、第2実施形態と異なる部分を主に説明する。
第3実施形態に係るアクチュエータ210の移動部260A、260Bは、係合部144A、144Bに直接力を付与して、係合部144A、144Bを移動させる補助移動部を備えていない。
アクチュエータ210の移動部260A、260Bは、図12に示されるように、伸縮方向に延びる、共通の長尺部材268と、長尺部材268を伸縮方向に移動させる、共通の補助移動部262とを備えている。そして、長尺部材268は、厚さ方向から見て、係合部144A、及び係合部144Bを横切るように配置されている。
補助移動部262は、所謂直動型ステッピングモータであって、伸縮方向において長尺部材268の他側に配置されており、長尺部材268を伸縮方向に移動させ、かつ、長尺部材268を移動させた位置で保持するようになっている。
また、移動部260Aは、係合部144Aを覆うように係合部144Aに取り付けられ、長尺部材268が内部を貫通する把持部材270Aを備えている。この把持部材270Aは、長尺部材268を把持することで、係合部144Aと長尺部材268とを連結し、長尺部材268を解放することで、係合部144Aと長尺部材268との連結を解除するようになっている。
さらに、移動部260Bは、係合部144Bを覆うように係合部144Aに取り付けられ、長尺部材268が内部を貫通する把持部材270Bを備えている。この把持部材270Bは、長尺部材268を把持することで、係合部144Bと長尺部材268とを連結し、長尺部材268を解放することで、係合部144Bと長尺部材268との連結を解除するようになっている。
さらに、制御部264は、スイッチ68が出力する信号に対して把持部材270A、270B、及び補助移動部262をどのように制御するかを定めたマップを記憶している。そして、制御部264は、把持部材270A、270B、及び補助移動部262を制御するようになっている(図13参照)。
以上説明したように、補助移動部262が、長尺部材268を伸縮方向に移動させるようになっている。そして、把持部材270A、270Bが、長尺部材268を把持することで、係合部144A、144Bと長尺部材268とを連結するようになっている。また、把持部材270A、270Bが、長尺部材268を解放することで、係合部144Bと長尺部材268との連結を解除するようになっている。
そして、把持部材270A、270Bが、長尺部材268を把持した把持状態で、係合部144A、144Bが、伸縮方向に移動するようになっている。
このため、一個の補助移動部262によって、連結部44A、44Bを個別に移動させることができる。
なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態をとることが可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、上記実施形態では、スイッチ68を切り換えることで、制御部64、164、264に出力される信号を変えたが、四肢に取り付けた傾斜計、加速度計、又は角速度計による検出結果等によって、制御部64、164、264に出力される信号を変えてもよい。
また、上記実施形態では、移動部60、補助移動部162、262として直動型ステッピングモータを用いたが、空気や油圧などの流体力による駆動装置等を用いてもよい。
また、上記実施形態では、アクチュエータ10は、トグル機構を2個備えたが、トグル機構を3個以上備えてもよい。例えば、力倍率F/fが2以上の範囲で制御される複数のトグル機構を、トグル機構40Bに直列に連結させることで、変位量ΔSの領域を広げることができる。
また、上記実施形態で説明したアクチュエータ10の変位量ΔS、及び発生力Fは、一例であって、使用する目的、又は装着者の体型等に応じて、リンクの長さを変えて、アクチュエータ10の変位量ΔS、及び発生力Fを変えてもよい。
また、上記実施形態では、特に記載しなかったが、アクチュエータ10の伸縮量(ストール)を増加させる場合は、各リンクの長さを長くしたり、トグル機構を増やすことで、伸縮量を増加させることができる。
10A アクチュエータ
10B アクチュエータ
40A トグル機構
40B トグル機構
42A 第一リンク
42B 第一リンク
44A 連結部
44B 連結部
46A 第二リンク
46B 第二リンク
48 結合部
50 支持部材
56 支持部
58 支持部
60A 移動部
60B 移動部
64 制御部
142A 第三リンク
142B 第三リンク
144A 係合部
144B 係合部
146A 第四リンク
146B 第四リンク
150A 補助トグル機構
150B 補助トグル機構
160A 移動部
160B 移動部
162A 補助移動部
162B 補助移動部
260A 移動部
260B 移動部
262 補助移動部
268 長尺部材
270A 把持部材
270B 把持部材
10B アクチュエータ
40A トグル機構
40B トグル機構
42A 第一リンク
42B 第一リンク
44A 連結部
44B 連結部
46A 第二リンク
46B 第二リンク
48 結合部
50 支持部材
56 支持部
58 支持部
60A 移動部
60B 移動部
64 制御部
142A 第三リンク
142B 第三リンク
144A 係合部
144B 係合部
146A 第四リンク
146B 第四リンク
150A 補助トグル機構
150B 補助トグル機構
160A 移動部
160B 移動部
162A 補助移動部
162B 補助移動部
260A 移動部
260B 移動部
262 補助移動部
268 長尺部材
270A 把持部材
270B 把持部材
Claims (3)
- 第一リンクと、前記第一リンクの一端に一端が連結部で回転可能に連結されている第二リンクとを有するトグル機構であって、一のトグル機構の第二リンクの他端と他のトグル機構の第一リンクの他端とが結合部で回転可能に連結され、一方向に直列に連結されている複数のトグル機構と、
前記一方向において、最も一側に配置されている前記トグル機構の前記第一リンクの他端を回転可能に連結し、複数の前記トグル機構が前記一方向に伸縮するように前記結合部、及び前記一方向において、最も他側に配置されている前記トグル機構の前記第二リンクの他端を支持する支持部材と、
前記連結部を保持し、前記第一リンクの一端と前記第二リンクの一端との回転軸方向から見て、前記一方向に対して交差する交差方向に前記連結部を移動させる複数の移動部と、
前記移動部を制御し、複数の前記連結部を個別に移動させる制御部と、
を備えるアクチュエータ。 - 前記移動部は、一端が前記連結部に回転可能に連結されている第三リンクと、前記第三リンクの他端に一端が係合部で回転可能に連結されている第四リンクとを有し、前記交差方向に伸縮するように支持されている補助トグル機構と、前記係合部を保持し、前記一方向に前記係合部を移動させる補助移動部と、を備え、
前記制御部は、前記補助移動部を制御する請求項1に記載のアクチュエータ。 - 前記移動部は、一端が前記連結部に回転可能に連結されている第三リンクと、前記第三リンクの他端に一端が係合部で回転可能に連結されている第四リンクとを有し、前記交差方向に伸縮するように支持されている複数の補助トグル機構と、前記一方向に延びる長尺部材と、夫々の前記係合部に取り付けられ、前記長尺部材を把持及び解放する把持部材と、前記長尺部材を保持し、前記長尺部材を前記一方向に移動させることで、把持状態の前記係合部を前記一方向に移動させる補助移動部と、を備え、
前記制御部は、前記補助移動部、及び複数の把持部材を制御する請求項1に記載のアクチュエータ。
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JP2017084856A JP2018179276A (ja) | 2017-04-21 | 2017-04-21 | アクチュエータ |
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---|---|---|---|
JP2017084856A JP2018179276A (ja) | 2017-04-21 | 2017-04-21 | アクチュエータ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Family Applications (1)
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Country | Link |
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