JP4121919B2

JP4121919B2 - 膨張収縮構造体及び膨張収縮構造体の制御装置

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Publication number: JP4121919B2
Application number: JP2003315038A
Authority: JP
Inventors: 安直岡▲崎▼; 正樹山本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-09-08
Filing date: 2003-09-08
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2023-09-08
Also published as: JP2005083447A

Description

本発明は、ロボットアーム等の機械構造を駆動する柔軟性を有する直動駆動アクチュエータとして使われる膨張収縮構造体及び膨張収縮構造体の制御装置に関する。

近年、ペットロボットなどの家庭用ロボットの開発が盛んに行われており、将来は家事支援ロボットなどより実用的な家庭用ロボットが実用化されるものと期待されている。家庭用ロボットは、家庭内に入り人間と共生する必要があるため、従来の産業用ロボットなどとは必要とされる仕様が異なる。

産業用ロボットでは、電気モータや減速器が用いられ、高ゲインのフィードバック制御により繰り返し精度０．１ｍｍ等といった高い手先位置精度が実現されている。しかしながら、このような電気モータにより駆動される機構は、剛性が高く、柔らかさに欠ける場合が多く、安全性という面で問題が多い。

これに対し、家庭用ロボットでは、繰り返し精度０．１ｍｍ等といった高い精度は必ずしも必要とせず、人間との接触時に危害を与えないなど安全性が重視される。したがって、従来の産業用ロボットのように電気モータによる駆動される機構は、家庭用ロボットなど安全性が重視される分野に適しているとは言えず、柔軟で安全な駆動機構が必要とされている。

こうした課題に対し、図１４に示すマッキベン型の空気圧アクチュエータが提案されている。マッキベン型の空気圧アクチュエータは、ゴム材料で構成された管状弾性体５３の外表面に繊維コードで構成された拘束部材５４が配設され、管状弾性体５３の両端部を封止部材５５でそれぞれ気密封止する構造となっている。管状の流体通過部材５６をそれぞれ通じて空気等の圧縮性流体を供給することにより内圧を管状弾性体５３の内部空間に与えると、管状弾性体５３が主に半径方向に膨張しようとするが、拘束部材５４の作用により、管状弾性体５３の中心軸方向の運動に変換され、全長が収縮する。このマッキベン型のアクチュエータは主に弾性体で構成されるため、柔軟性があり、安全で軽量なアクチュエータであるという特徴を有する（例えば、特許文献１参照）。

特開昭５９−１９７６０５号公報

しかしながら、マッキベン型のアクチュエータは、圧縮性流体を管状弾性体５３に注入・注出することにより変位を発生させるため、圧縮性流体の注入・注出の時間がかかるため、応答性が悪いという問題を有しており、内部流体圧と変位の関係の線形性が悪かったり、ヒステリシスがある等、非線形性が存在し、高精度駆動が困難であるという問題を有している。

本発明の目的は、上記従来構造の課題を解決し、柔軟性を持ちつつ、大変位が可能で、高速応答可能であり、かつ、高精度に制御可能な膨張収縮構造体を実現する膨張収縮構造体及び膨張収縮構造体の制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

また、本発明によれば、中空弾性体と、
上記中空弾性体の両端部の気密封止を行う封止部材と、
上記中空弾性体と直列に配設されて流体の加圧による変位量が上記中空弾性体とは異なる流体圧駆動シリンダと、
上記流体が通過する流路を有して、上記流体が上記流路を通過することにより、上記中空弾性体及び上記流体駆動シリンダに対する流体の注入あるいは注出が可能となる管状の流体通過部材とを備える膨張収縮構造体を提供する。

また、本発明によれば、直列に配設されて加圧による変位量が互いに異なる複数の駆動部を有する膨張収縮構造体と、
上記膨張収縮構造体のフィードバック制御を行うフィードバック補償器と、
上記フィードバック補償器からの信号を受けて高周波成分を除去したのち、上記膨張収縮構造体の直列に配設された複数の駆動部のうち長さが長い駆動部に信号を出力するローパスフィルタと、
上記フィードバック補償器からの信号を受けて低周波成分を除去したのち、上記膨張収縮構造体の直列に配設された複数の駆動部のうち長さが短い駆動部に信号を出力するハイパスフィルタとを備える膨張収縮構造体の制御装置を提供する。

また、本発明によれば、直列に配設されて加圧による変位量が互いに異なる複数の駆動部を有する膨張収縮構造体と、
上記膨張収縮構造体の直列に配設された複数の駆動部のうち長さが長い駆動部のフィードフォワード制御を行うフィードフォワード補償器と、
上記膨張収縮構造体の直列に配設された複数の駆動部のうち長さが短い駆動部のフィードバック制御を行うフィードバック補償器とを備える膨張収縮構造体の制御装置を提供する。

本発明の弾性膨張収縮構造体によれば、上記中空弾性体と流体圧駆動シリンダとを直列に配設することにより、柔軟かつ大変位が可能で、さらに高速応答可能なアクチュエータが実現でき、高精度な位置決めや軌道追従が可能な柔軟で安全なロボットが実現可能となる。

また、本発明の弾性膨張収縮構造体の制御装置によれば、ローバスフィルタ及びハイパスフィルタが配設されていることにより、制御信号の不要な高周波成分あるいは低周波成分が除去されるため、管状弾性構造体の動作の応答遅れや飽和が抑制され高精度な制御か可能となる。

また、本発明の弾性膨張収縮構造体の制御装置によれば、フィードフォワード補償器によるフィードフォワード制御及びフィードバック補償器によるフィードバック制御を行うことで、全長が長い方の管状弾性体はフィードフォワード補償器により、位置誤差に関係なく大まかに目標軌道に追従すよう動作し、短い方の管状弾性体はフィードバック制御により応答良く目標軌道に追従するよう動作すため、全長が長い方の管状弾性体の大まかな動きを短い方の管状弾性体が補償するよう動作し、全体として高精度な制御が可能となる。

以下に、本発明にかかる実施の形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の態様についして説明する。

本発明の第１態様によれば、直列に配設されて加圧による変位量が互いに異なる複数の中空弾性体と、
上記直列に配設された複数の中空弾性体を互いに連結し、かつ、連結部分での気密封止を行う連結封止部材と、
上記直列に配設された複数の中空弾性体の両端部を封止する１組の封止部材と、
流体が通過する流路を有して、上記流体が上記流路を通過することにより、上記直列に配設された複数の中空弾性体のそれぞれの中空内部に対する上記流体の注入あるいは注出が可能となる管状の流体通過部材とを備える膨張収縮構造体を提供する。

本発明の第２態様によれば、上記直列に配設された中空弾性体のうち少なくとも１つは管状であり、かつ、その管状中空弾性体の外周部に、半径方向の伸びて軸方向に縮む一方、半径方向の収縮して軸方向に伸びるように軸方向の変形を規制する変形方向規制部材が備えられている第１の態様に記載の膨張収縮構造体を提供する。

本発明の第３態様によれば、上記直列に配設された複数の中空弾性体のうち少なくとも１つは蛇腹状中空弾性体である第１の態様に記載の膨張収縮構造体を提供する。

本発明の第４態様によれば、中空弾性体と、
上記中空弾性体の内部空間を異なる容積の２つ以上の空間に分断する隔壁と、
上記中空構造体の両端を封止する一組の封止部材と、
流体が通過する流路を有して、上記流体が上記流路を通過することにより、上記隔壁により分断された上記中空構造体の上記２つ以上の空間のそれぞれに対する流体の注入あるいは注出が可能となる管状の流体通過部材とを備える膨張収縮構造体を提供する。

本発明の第５態様によれば、上記中空弾性体は、上記隔壁により分断される部分のうち少なくとも１つは管状であり、かつ、変形方向を規制する変形方向規制部材が配設されている第４の態様に記載の膨張収縮構造体を提供する。

本発明の第６態様によれば、上記中空弾性体は、上記隔壁により分断される部分のうち少なくとも１つは蛇腹状である第４の態様に記載の膨張収縮構造体を提供する。

本発明の第７態様によれば、中空弾性体と、
上記中空弾性体の両端部の気密封止を行う封止部材と、
上記中空弾性体と直列に配設されて流体の加圧による変位量が上記中空弾性体とは異なる流体圧駆動シリンダと、
上記流体が通過する流路を有して、上記流体が上記流路を通過することにより、上記中空弾性体及び上記流体駆動シリンダに対する流体の注入あるいは注出が可能となる管状の流体通過部材とを備える膨張収縮構造体を提供する。

本発明の第８態様によれば、上記流体は圧縮性流体である第１の態様、第４の態様、あるいは第７の態様に記載の膨張収縮構造体を提供する。

本発明の第９態様によれば、直列に配設されて加圧により変位量が異なる複数の駆動部を有する膨張収縮構造体と、
上記膨張収縮構造体の直列に配設された複数の駆動部のうち長さが長く大変位用の駆動部のフィードバック制御を行う第１フィードバック補償器と、
上記膨張収縮構造体の直列に配設された複数の駆動部のうち長さが短く小変位用の駆動部のフィードバック制御を行う第２フィードバック補償器とを備える膨張収縮構造体の制御装置を提供する。

本発明の第１０態様によれば、直列に配設されて加圧による変位量が互いに異なる複数の駆動部を有する膨張収縮構造体と、
上記膨張収縮構造体のフィードバック制御を行うフィードバック補償器と、
上記フィードバック補償器からの信号を受けて高周波成分を除去したのち、上記膨張収縮構造体の直列に配設された複数の駆動部のうち長さが長い駆動部に信号を出力するローパスフィルタと、
上記フィードバック補償器からの信号を受けて低周波成分を除去したのち、上記膨張収縮構造体の直列に配設された複数の駆動部のうち長さが短い駆動部に信号を出力するハイパスフィルタとを備える膨張収縮構造体の制御装置を提供する。

本発明の第１１態様によれば、直列に配設されて加圧による変位量が互いに異なる複数の駆動部を有する膨張収縮構造体と、
上記膨張収縮構造体の直列に配設された複数の駆動部のうち長さが長い駆動部のフィードフォワード制御を行うフィードフォワード補償器と、
上記膨張収縮構造体の直列に配設された複数の駆動部のうち長さが短い駆動部のフィードバック制御を行うフィードバック補償器とを備える膨張収縮構造体の制御装置を提供する。

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態における弾性膨張収縮構造体１の構成を示す図である。図１において、２はゴム材料で構成されて駆動部として機能する第１管状弾性体である。３は材料的には伸びにくい樹脂又は金属の繊維コードを網目状に編んで、第１管状弾性体２の膨張による半径方向の変形が軸方向の長さの収縮に変換される一方、第１管状弾性体２の収縮による半径方向の変形が軸方向の長さの膨張に変換される変形方向規制部材であり、第１管状弾性体２の外表面を覆うように配設されている。４はゴム材料で構成されて駆動部として機能しかつ第１管状弾性体２より軸方向長さが短い第２管状弾性体である。５は材料的には伸びにくい樹脂又は金属の繊維コードを網目状に編んで、第２管状弾性体４の膨張による半径方向の変形が軸方向の長さの収縮に変換される一方、第２管状弾性体４の収縮による半径方向の変形が軸方向の長さの膨張に変換される変形方向規制部材であり、第２管状弾性体４の外表面を覆うように配設されている。６は第１管状弾性体２の一端を封止する第１封止部材であり、２つの部品、すなわち、内部が流体の流路になっている内側封止部品６ａ及び内側封止部品６ａと共働して封止を行う外側封止部品６ｂにより第１管状弾性体２の端部を挟み込むことにより封止する。７は第２管状弾性体４の一端を封止する第２封止部材であり、２つの部品、すなわち、内部が流体の流路になっている内側封止部品７ａ及び内側封止部品７ａと共働して封止を行う外側封止部品７ｂにより第２管状弾性体４の端部を挟み込むことにより封止する。８は第１管状弾性体２と第２管状弾性体４を直列に連結し、かつ、第１管状弾性体２と第２管状弾性体４の端部を封止する連結封止部材であり、４つの部品、すなわち、内部が流体の流路になっている内側封止部品８ａ、内側封止部品８ａと共働して封止を行う外側封止部品８ｂ、内側封止部品８ｄと共働して封止を行う外側封止部品８ｃ、及び内部が流体の流路になっている内側封止部品８ｄにより構成されており、第１管状弾性体２及び第２管状弾性体４の端部を挟み込むことにより封止する。９ａ、９ｂは管状の流体通過部材であり、その内部は流体が通過する流体の流路になっており、上記直列に配設された第１管状弾性体２と第２管状弾性体４のそれぞれの中空内部に対する上記流体の注入あるいは注出が可能となり、第１封止部材６の内側封止部品６ａ及び第２封止部材７の内側封止部品７ａに配設されている。なお、第１管状弾性体２と第２管状弾性体４とは、内側封止部品８ａの凹部に内側封止部品８ｄの凸部が嵌合することにより互いに軸方向に直列的に連結されている。

図２は、本発明の第１実施形態における弾性膨張収縮構造体１を圧縮性流体である空気により駆動するための空気圧供給系の構成を示す図である。なお、他の実施形態においても、弾性膨張収縮構造体に対して同様な空気圧供給系を必要とするが、図２と同様であるため、図示及び説明を省略する。

図２において、１０は例えばコンプレッサー等の空気圧源、１１は空気圧フィルタ１１ａ、空気圧減圧弁１１ｂ、及び空気圧用ルブリケータ１１ｃが１組になった空気圧調整ユニットである。１２ａ及びは１２ｂは例えば電磁石の力でスプール弁などを駆動することで流量を制御する３ポート流量比例電磁弁である。１３は例えば一般的なパーソナルコンピュータにより構成された制御コンピュータであり、Ｄ／Ａボード１３ａが搭載されており、３ポート流量比例電磁弁１２ａ及び１２ｂに電圧指令値をそれぞれに独立して出力することにより、流体通過部材９ａ，９ｂを流れるそれぞれの空気の流量を独立して制御可能とする。もちろん、３ポート流量比例電磁弁１２ａ及び１２ｂに電圧指令値を同期して出力することにより、流体流体通過部材９ａ，９ｂを流れるそれぞれの空気の流量を同期して制御することもできる。

次に、図１に示す弾性膨張収縮構造体１の動作について、図２に示す空気圧供給系を構成した場合を例に説明する。空気圧源１０により生成された高圧空気は、空気圧調整ユニット１１により減圧され、例えば６気圧といった一定圧力に調整され、３ポート流量比例電磁弁１２ａ及び１２ｂに供給される。３ポート流量比例電磁弁１２ａ及び１２ｂのそれぞれの開度は、制御コンピュータ１３よりＤ／Ａボード１３ａを介して出力される電圧指令値に比例して制御される。３ポート流量比例電磁弁１２ａ及び１２ｂのそれぞれにおいて、正の電圧指令値がＤ／Ａボード１３ａから入力された場合には、空気圧回路記号のＡで示した状態になり、空気圧源１０側から弾性膨張収縮構造体１側への流路が開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気が弾性膨張収縮構造体１側に供給される。一方、３ポート流量比例電磁弁１２ａ及び１２ｂのそれぞれにおいて、負の電圧指令値がＤ／Ａボード１３ａから入力された場合には、空気圧回路記号のＢで示した状態になり、弾性膨張収縮構造体１側から大気圧側への流路が開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気流が弾性膨張収縮構造体１側から大気中へ排気される。３ポート流量比例電磁弁１２ａ及び１２ｂから弾性膨張収縮構造体１側に供給された空気流は、流体通過部材９により第１封止部材６及び第２封止部材７を通過し、第１管状弾性体２及び第２管状弾性体４の内部に到達し、第１管状弾性体２及び第２管状弾性体４の内圧を発生させる。第１管状弾性体２及び第２管状弾性体４は発生した内圧により膨張するが、変形方向規制部材３及び変形方向規制部材５の網目状に組まれた繊維コードの拘束作用（規制作用）により、膨張による半径方向の変形が規制されて軸方向の長さの収縮に変換され、図３に示すように弾性膨張収縮構造体１の全長が短くなる。一方、３ポート流量比例電磁弁１２ａ及び１２ｂから空気を大気中に排気し、第１管状弾性体２及び第２管状弾性体４の内圧を減ずれば、第１管状弾性体２及び第２管状弾性体４の弾性力により復元して膨張が解消されて、弾性膨張収縮構造体１の全長は伸張する。この結果、図３において、内側封止部品８ａと外側封止部品８ｂとの境界線Ｒで固定されていると考えると、上記伸縮により、第２管状弾性体４の右端では距離ｄ_１の差があるのに対して、第１管状弾性体２の左端では距離ｄ_１より大きく距離ｄ_２の差がある。

したがって、本第１実施形態における弾性膨張収縮構造体１は、空気圧を供給制御することにより直動変位のアクチュエータとして機能させることが可能である。伸張・短縮量は弾性膨張収縮構造体１の内圧に概ね比例するので、図２のように制御コンピュータ１３で３ポート流量比例電磁弁１２ａ及び１２ｂを制御して弾性膨張収縮構造体１に供給される空気流量を制御すれば、弾性膨張収縮構造体１の全長を制御できることになる。

ここで、本発明にかかる第１実施形態における弾性膨張収縮構造体１の特徴は、第１管状弾性体２及び第２管状弾性体４の複数の管状弾性体が直列に配設されている点にある。第１管状弾性体２のように全長が長い場合、その内容積が大きいことから流体の注入出に時間がかかるため応答性が悪く、全長が長いことから、それだけ非線形性が大きいという欠点を有するが、大きな変位を得ることができ、内容積が大きいことから空気の圧縮効果が大きく外力に対する柔軟性が大きいという利点を有する。一方、第２管状弾性体４のように全長が短い場合、変位は小さく、柔軟性も低いが、内容積が小さいことから流体の注入出に時間がかからず応答性が良く、高速駆動が可能であり、非線形性も小さく、高精度駆動可能であるという利点を有する。したがって、第１管状弾性体２及び第２管状弾性体４の複数の管状弾性構造体が直列に配設された、本発明にかかる第１実施形態における弾性膨張収縮構造体１は、それぞれの利点が生かされ、大変位で、柔軟性が高く、応答性も良く、かつ、高精度であるという特性を有することになる。例えば、高い応答性が要求される場合には、第２管状弾性体４内に空気を供給して素早く変位を行わせる一方、大きな変位が要求される場合には、第１管状弾性体２内に空気を供給して大きく変位させることが可能となる。

図４は本発明にかかる第１実施形態における弾性膨張収縮構造体を１自由度のロボットアームの駆動に応用した場合の構成を示す図である。図４において、１５は一端部である固定端部が固定された第１リンクであり、１６は第１リンクの固定端部とは反対側の自由端部にその一端部が連結された第２リンクである。第１リンク１５の自由端部と第２リンク１６の一端部は関節部１７において回転ベアリングで回動自在に接続されており、相対的な回転が可能となっている。関節部１７には、回転角度センサであるエンコーダ１８が配設されており、回転角θが計測可能となっている。１９及び２０は弾性膨張収縮構造体１と同様な構造をそれぞれ有して同様な作用効果をそれぞれ行う第１弾性膨張収縮構造体及び第２弾性膨張収縮構造体である。第１弾性膨張収縮構造体１９及び第２弾性膨張収縮構造体２０は、球面ジョイント２１ａ〜２１ｄにより、第１リンク１５の固定端部に両側に張り出して直交して固定された棒状支持体２２ａ及び２２ｂと、第２リンク１６の一端部に中央部が回動自在に直交して固定された棒状支持体２２ｃとの間にそれぞれ固定されている。第１弾性膨張収縮構造体１９及び第２弾性膨張収縮構造体２０には、図２の３ポート流量比例電磁弁１２ａ及び１２ｂとそれぞれ同様な、第１及び第２流量比例電磁弁２４ａ及び２４ｂ、並びに、第３及び第４流量比例電磁弁２４ｃ及び２４ｄが接続されており、第１弾性膨張収縮構造体１９及び第２弾性膨張収縮構造体２０への高圧空気の供給・排気を行う。すなわち、第１弾性膨張収縮構造体１９のうちの長い方でかつ駆動部として機能する管状弾性体１９ａには第１流量比例電磁弁２４ａが接続され、第１弾性膨張収縮構造体１９のうちの短い方でかつ駆動部として機能する管状弾性体１９ｂには第２流量比例電磁弁２４ｂが接続されるとともに、第２弾性膨張収縮構造体２０のうちの長い方でかつ駆動部として機能する管状弾性体２０ａには第３流量比例電磁弁２４ｃが接続され、第２弾性膨張収縮構造体２０のうちの短い方でかつ駆動部として機能する管状弾性体２０ｂには第４流量比例電磁弁２４ｄが接続されて、それぞれの収縮伸張動作が制御される。図４の構造は、第１〜第４流量比例電磁弁２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、及び２４ｄの作用により、第１弾性膨張収縮構造体１９あるいは第２弾性膨張収縮構造体２０のどちらか一方が収縮し他方が伸張すると、支持体２２ｃを介して力が作用して関節部１７が回転する拮抗型駆動構造となっている。例えば、図４では、第１弾性膨張収縮構造体１９側が伸張し２弾性膨張収縮構造体２０側が収縮することにより、第１弾性膨張収縮構造体１９と球面ジョイント２１ａで連結される支持体２２ｃの上端部側が関節部１７に対して右方向に移動する一方、２弾性膨張収縮構造体２０と球面ジョイント２１ｃで連結される支持体２２ｃの下端部側が関節部１７に対して左方向に移動する結果、支持体２２ｃが関節部１７回りに反時計方向に回転し、支持体２２ｃに固定された第２リンク１６が、第１リンク１５の軸方向沿いの原点位置に対して、左下向きに位置するように移動する。逆に、第１弾性膨張収縮構造体１９側が収縮し２弾性膨張収縮構造体２０側が伸張すれば、第１弾性膨張収縮構造体１９と球面ジョイント２１ａで連結される支持体２２ｃの上端部側が関節部１７に対して左方向に移動する一方、２弾性膨張収縮構造体２０と球面ジョイント２１ｃで連結される支持体２２ｃの下端部側が関節部１７に対して右方向に移動する結果、支持体２２ｃが関節部１７回りに時計方向に回転し、支持体２２ｃに固定された第２リンク１６が、第１リンク１５の軸方向沿いの原点位置に対して、左上向きに位置するように移動する。

図５は、図４の拮抗型駆動構造の動きを制御する制御系のブロック線図である。２６は上記制御コンピュータ１３に対応する制御コンピュータであり、この制御コンピュータ２６により実現される機能を示している。制御コンピュータ２６により、目標軌道生成手段１２５から得られた関節角の目標値θｄと、エンコーダ１８による関節角の測定値θとの差をとることにより関節角誤差θｅが得られ、関節角誤差θｅは、ＰＤ補償器２５ａ及び２５ｂに入力され、ＰＤ補償器２５ａ及び２５ｂからは制御出力が第１〜第４流量比例電磁弁２４ａ〜２４ｄに出力されるというフィードバック制御系を構成している。ＰＤ補償器２５ａからの制御出力は、制御コンピュータ２６のＤ／Ａ出力により電圧指令値として、第１弾性膨張収縮構造体１９の長い方の管状弾性体１９ａ用の第１流量比例電磁弁２４ａに印加され、符号を反転した電圧指令値が、第２弾性膨張収縮構造体２０の長い方の管状弾性体２０ａ用の第３流量比例電磁弁２４ｃに印加される。また、ＰＤ補償器２５ｂからの制御出力は、制御コンピュータ２６のＤ／Ａ出力により電圧指令値として、第１弾性膨張収縮構造体１９の短い方の管状弾性体１９ｂ用の第２流量比例電磁弁２４ｂに印加され、符号を反転した電圧指令値が、第２弾性膨張収縮構造体２０の短い方の管状弾性体２０ｂ用の第４流量比例電磁弁２４ｄに印加される。このようにＰＤ補償器２５ａ，２５ｂからの制御出力の符号を反転させて、他の弾性膨張収縮構造体である第２弾性膨張収縮構造体２０を駆動する第３及び第４流量比例電磁弁２４ｃ，２４ｄに入力することにより、第１弾性膨張収縮構造体１９及び第２弾性膨張収縮構造体２０の収縮・伸張は逆になり、拮抗駆動が実現する。

目標軌道生成手段１２５において実行されるθｄの生成の仕方としては、メモリに予め記憶させておく方法がある。上記メモリに予め記憶させておく方法としては、数値で座標値を与えておく方法や、動作のティーチングにより記録する方法などがある。また、記憶させるデータは、すべてのθｄを記憶する方法や、すべてのθｄを記憶するのではなく、不連続的に記憶し、その間は補間計算により生成する方法などがある。

また、目標軌道生成手段１２５において実行されるθｄの生成の別の仕方としては、メモリに記憶せずに、自律ロボット等において、センサ等により外部環境の状態を認識し、その結果に応じて、自ら動作軌道θｄを生成する方法がある。メモリに記憶させておく場合は、計画通りの動きしかできないが、この方法では状況に応じた柔軟な動きが可能となる。

ここで、図５に示す制御系は、ＰＤ補償器２５ａの制御出力に基づき、第１流量比例電磁弁２４ａにより第１弾性膨張収縮構造体１９のうちの長い方の管状弾性体１９ａが制御されるとともに、第３流量比例電磁弁２４ｃにより第２弾性膨張収縮構造体２０のうちの長い方の管状弾性体２０ａが制御される一方、ＰＤ補償器２５ｂの制御出力に基づき、第３流量比例電磁弁２４ｃにより第１弾性膨張収縮構造体１９の短い管状弾性体１９ｂが制御されるとともに、第４流量比例電磁弁２４ｄにより第２弾性膨張収縮構造体２０の短い管状弾性体２０ｂが制御されることが特徴である。このように、長い管状弾性体１９ａ及び２０ａ用のＰＤ補償器２５ａ及び短い管状弾性体１９ｂ及び２０ｂ用のＰＤ補償器２５ｂを配設し、長い管状弾性体１９ａ及び２０ａと短い管状弾性体１９ｂ及び２０ｂとを独立してそれぞれ制御できる構造とすることにより、長い管状弾性体１９ａ及び２０ａと短い管状弾性体１９ｂ及び２０ｂのそれぞれの特性を生かした制御が可能となる。ＰＤ補償器２５ａ及びＰＤ補償器２５ｂのゲイン値を適切に決定すれば、関節部１７回りの第１リンク１６の第２リンク１５の軸方向に対する屈曲角度θの大きな動きに対しては、管状弾性体１９，２０の長い部分１９ａ及び２０ａの大変位が可能という特性が効果を発揮し、角度目標値θｄへの大まかな追従を実現し、残りの角度誤差θｅの補償は、管状弾性体１９，２０の短い部分１９ｂ及び２０ｂの高速応答、高精度という特性が効果を発揮し、より細かく精度の良い追従を実現する。

以上示した図４の拮抗駆動構造を複数直列に接続し、図５の制御系を複数の拮抗駆動に対応できるようにすることで、多自由度のロボットアームも実現することができる。図１５は４自由度のロボットアームとした例である。なお、弾性膨張収縮構造体１０５及び１０６、弾性膨張収縮構造体１０７及び１０８、弾性膨張収縮構造体１０９及び１１０、弾性膨張収縮構造体１１１及び１１２のそれぞれは、弾性膨張収縮構造体１９及び２０に対応している。

上記４自由度のロボットアームは、固定壁３０１に対して、上下方向軸沿いに横方向沿いの平面内で正逆回転する第１関節１０１と、上下方向沿いの平面内で正逆回転する第２関節１０２と、第２腕３０８と第１腕３１１との間で相互に正逆回転とする第３関節１０３と、第１腕３１１と手３１３との間で相互に正逆回転とする第４関節１０４とより構成されている。

第１関節１０１では、上下端部が軸受け３０４と３０５で回転自在にかつ上下方向沿いに支持された回転軸３０３の両側に円形支持体３０２，３０２が回転自在に連結され、かつ、弾性膨張収縮構造体１０５及び１０６（ただし、弾性膨張収縮構造体１０６は弾性膨張収縮構造体１０５の背後に配設されるため図示せず。）の各一端部が固定壁３０１に連結されるとともに各他端部が上記各円形支持体３０２の支持軸３１４に連結されている。よって、弾性膨張収縮構造体１０５及び１０６の拮抗駆動により、第１関節１０１の回転軸３０３の上下軸Ｘ_１回りに横方向沿いの平面内でロボットアームの第１腕３１１と第２腕３０８と手３１３とを一体的に正逆回転運動させることができる。なお、上側の軸受け３０５は支持棒３０６で固定壁３０１に支持されている。

第２関節１０２では、回転軸３０３の両側に固定された２つの円形支持体３０２，３０２に、第２腕用リンク３０８の一端が固定されている。第２腕用リンク３０８の円形支持体３０２側には、支持体２２ａ，２２ｂに相当する支持体３０９，３０９が直交して固定されるとともに、第２腕用リンク３０８の先端側には、第１腕用リンク３１１の一端には、支持体２２ｃに相当する支持体３１０が直交して固定されている。第２腕用リンク３０８の支持体３０９，３０９と、第１腕用リンク３１１の一端に固定された支持体３１０との間には、弾性膨張収縮構造体１０７及び１０８が連結されて、弾性膨張収縮構造体１０７及び１０８の拮抗駆動により、第２関節１０２の支持軸３１４の横軸回りに上下方向沿い面内でロボットアームの第１腕３１１と第２腕３０８と手３１３とを一体的に正逆回転させる。

第３関節１０３では、第２腕３０８沿いの支持体３１０と支持体３０９，３０９との間には、弾性膨張収縮構造体１０９及び１１０が連結されて、弾性膨張収縮構造体１０９及び１１０の拮抗駆動により、第３関節１０３の支持軸３１５の横軸回りに上下方向沿い面内で第１腕３１１と手３１３とを一体的に正逆回転させる。

第４関節１０４では、第１腕３１１沿いの支持体３１０と、手３１３の一端に固定された支持体３１２との間には、弾性膨張収縮構造体１１１及び１１２が連結されて、弾性膨張収縮構造体１１１及び１１２の拮抗駆動により、第３関節１０３の支持軸３１５の横軸回りに上下方向沿い面内で手３１３を正逆回転させる。

弾性膨張収縮構造体１０５及び１０６、弾性膨張収縮構造体１０７及び１０８、弾性膨張収縮構造体１０９及び１１０、弾性膨張収縮構造体１１１及び１１２のそれぞれには、先の実施形態と同様に、第１〜第４流量比例電磁弁２４ａ〜２４ｃが接続され、４組の第１〜第４流量比例電磁弁２４ａ〜２４ｃは制御コンピュータ２６に接続されて、制御コンピュータ２６の制御により、４組の第１〜第４流量比例電磁弁２４ａ〜２４ｃを介して、弾性膨張収縮構造体１０５及び１０６、弾性膨張収縮構造体１０７及び１０８、弾性膨張収縮構造体１０９及び１１０、弾性膨張収縮構造体１１１及び１１２のそれぞれの収縮・伸張動作を制御する。

以上のような構造とすれば、多自由度を生かし、物体の把持・運搬など、ロボットアームとして基本的な機能を実現することができる。

次に、本発明にかかる第１実施形態における弾性膨張収縮構造体の性能上の有効性を示すため、動作シミュレーションを行う。第１管状弾性体あるいは第２管状弾性体の個々の特性は近似的に式の２次応答の伝達関数で表すことができる（（香川、藤田、山中、「人工筋アクチュエータを用いたパワーアシスト回路」、日本機械学会論文集（Ｃ編），５９−５６４（１９９３−８）、２３７６−２３８２）。すなわち、管状弾性体の内部圧力Ｐを入力、管状弾性体の収縮率εを出力としたときの伝達関数Ｇ（ｓ）は、
Ｇ（ｓ）＝｛ｆ_ｐ／ＭＬ_０｝／｛ｓ^２＋２ζωｓ＋ω^２｝．．．．（１）
ただし、
ｆ_ｐ＝（δＦ／δＰ）_ε０．．．．（２）
ｆ_ε＝（δＦ／δε）_ε０．．．．（３）
ω＝√（ｆ_ε／ＭＬ_０）．．．．（４）
ζ＝（Ｃ／２ω）．．．．（５）

であり、Ｆは管状弾性体の収縮力、Ｍは負荷荷重、Ｌ_０は管状弾性体の初期長、Ｃは粘性摩擦係数である。s はラプラス演算子である。上記（２）、（３）式の右下の添え字_ε０は、収縮率εが０、すなわち、収縮膨張体が自然長の時における（２）、（３）式のかっこ内の偏微分値（「収縮率ε＝０の時の偏微分値」）である。ωは（４）式で表される値である。

上記式を使用すれば、図１６に示すブロック線図により弾性膨張収縮構造体の動作特性のシミュレーションが可能となる。図１６は、図１の弾性膨張収縮構造体１を図２の制御系構成で長さを制御する場合をシミュレートするブロック線図である。図１６において、２０１及び２０２はフィードバック補償器であり、２０３及び２０４は圧力変換ゲイン、２０５は弾性膨張収縮構造体のうちの長い方の管状弾性構造体Ａの伝達関数、２０６は弾性膨張収縮構造体のうちの短い方の管状弾性構造体Ｂの伝達関数である。２０７及び２０８は管状弾性構造体Ａ及び管状弾性構造体Ｂの収縮率ε_Ａ及びε_Ｂから管状弾性構造体Ａ及び管状弾性構造体Ｂの全長への変換ブロックであり、変換ブロック２０７の出力と変換ブロック２０８の出力を加算した値Ｌが弾性膨張収縮構造体の全長となる。ただし、第１封止部材６、第２封止部材７及び連結封止部材８は長さが変化しないため無視して考える。

図１７は、図１６のブロック線図を使ったシミュレーションの結果である。図１７のシミュレーションにおいて、測定値よりｆ_ｐ＝５．０×１０^−４［Ｎ／Ｐａ］、ｆ_ε＝１０００［Ｎ］、Ｃ＝４５［Ｎｓ／ｍ］とした。また、Ｍ＝１［ｋｇ］、弾性膨張収縮構造体の初期長Ｌ_０＝０．５［ｍ］とした。

図１７の弾性膨張収縮構造体（ａ）は、管状弾性構造体Ａの初期長Ｌ_０Ａ＝０．４８［ｍ］、管状弾性構造体Ｂの初期長Ｌ_０Ｂ＝０．０２［ｍ］の場合のステップ応答であり、フィードバックゲインはＫ_ＬＡ＝９００、Ｋ_ｖＡ＝７、Ｋ_ＬＢ＝１０００、Ｋ_ｖＢ＝３とした。図１７の弾性膨張収縮構造体（ｂ）は、管状弾性構造体Ａの初期長Ｌ_０Ａ＝０．４５［ｍ］、管状弾性構造体Ｂの初期長Ｌ_０Ｂ＝０．０５［ｍ］の場合のステップ応答であり、フィードバックゲインはＫ_ＬＡ＝５２０、Ｋ_ｖＡ＝７、Ｋ_ＬＢ＝１０００、Ｋ_ｖＢ＝４とした。図１７の弾性膨張収縮構造体（ｃ）は、管状弾性構造体Ａの初期長Ｌ_０Ａ＝０．３５［ｍ］、管状弾性構造体Ｂの初期長Ｌ_０Ｂ＝０．１５［ｍ］の場合のステップ応答であり、フィードバックゲインはＫ_ＬＡ＝１０００、Ｋ_ｖＡ＝９．５、Ｋ_ＬＢ＝１０００、Ｋ_ｖＢ＝９．５とした。図１７の弾性膨張収縮構造体（ｄ）は、管状弾性構造体Ａの初期長Ｌ_０Ａ＝０．２５［ｍ］、管状弾性構造体Ｂの初期長Ｌ_０Ｂ＝０．２５［ｍ］の場合のステップ応答であり、フィードバックゲインはＫ_ＬＡ＝１０００、Ｋ_ｖＡ＝９、Ｋ_ＬＢ＝１０００、Ｋ_ｖＢ＝９とした。また、図１７の膨張収縮構造体（ｅ）は、図１４の従来例の場合のステップ応答であり、フィードバックゲインはＫ_ＬＡ＝１０００、Ｋ_ｖＡ＝６．５とした。ただし、フィードバック補償器２０２、圧力変換ゲイン２０４、圧力変換ゲイン２０６、変換ブロック２０８のブロックは使用していない。

図１７のシミュレーション結果から分かるように、本発明の第１実施形態による弾性膨張収縮構造体（ａ）〜（ｄ）によれば、従来例の膨張収縮構造体（ｅ）に比べて、立ち上がり時間が短く、応答性に優れる。また、管状弾性構造体Ａと管状弾性構造体Ｂの長さの比率はＬ_０Ａ＝０．４５［ｍ］、Ｌ_０Ｂ＝０．０５［ｍ］の場合の弾性膨張収縮構造体（ｂ）が最も応答性に優れる。例えば、０．０１５［ｓ］の時の位置決め精度は弾性膨張収縮構造体（ｂ）と従来の膨張収縮構造体（ｅ）の場合で約２ｍｍの差がある。図４の構造で考えれば、支点長ｒが５０ｍｍであるとして角度θの誤差に換算すると、約２°程度となる。角度誤差が約２°であるとすると、図１５の４自由度ロボットアームの場合、第１腕３１１のリンク長Ｌａと第２腕３０８のリンク長Ｌｂがともに３００ｍｍであるとすると、手先の位置決め誤差に換算すると２ｃｍのレベルになり、本発明の第１実施形態による弾性膨張収縮構造体（ａ）〜（ｄ）と、従来例の膨張収縮構造体（ｅ）との差は大きい。

以上のように、本発明の第１実施形態にかかる弾性膨張収縮構造体１によれば、全長が長い第１管状弾性体２及び全長が短い第２管状弾性体４の複数の管状弾性構造体を直列に配設することにより、第１管状弾性体２により、応答性が悪いが、大きな変位を得て外力に対する柔軟性を大きくする一方、第２管状弾性体４により、変位は小さく柔軟性も低いが、応答性が良く高速駆動が可能であり、非線形性も小さく、高精度駆動可能とすることができる。この結果、弾性膨張収縮構造体全体として、柔軟かつ大変位が可能で、さらに高速応答可能で高精度駆動可能なアクチュエータが実現でき、高精度な位置決めや軌道追従が可能な柔軟で安全なロボットが実現可能となる。

また、上記弾性膨張収縮構造体の制御装置によれば、長さが長く大変位用の駆動部の制御を行うＰＤ補償器２５ａと、長さが短く小変位用の駆動部の制御を行うＰＤ補償器２５ｂとを配設し、独立して制御できる構造とすることにより、長い管状弾性体１９ａ及び２０ａと短い管状弾性体１９ｂ及び２０ｂのそれぞれの特性を生かした制御が可能となり、ＰＤ補償器２５ａ及びＰＤ補償器２５ｂのゲイン値を適切に決定すれば、角度θの大きな動きに対しては、管状弾性体の長い部分１９ａ及び２０ａの大変位可能という特性が効果を発揮し、角度目標値θｄへの大まかな追従を実現し、残りの角度誤差θｅの補償は、管状弾性体の短い部分１９ｂ及び２０ｂの高速応答、高精度という特性が効果を発揮し、より細かく精度の良い追従を実現する。

（第２実施形態）
図６は本発明の第２実施形態における弾性膨張収縮構造体の動作を制御する制御系のブロック線図である。第２実施形態では、弾性膨張収縮構造体として図１に示す構成を、その応用例として図４に示す１自由度ロボットアームに適用する場合において、弾性膨張収縮構造体の動作を制御する他の制御系の構成について示す。

図６において、２５は１個のＰＤ補償器であり、２７はローパスフィルタ（ＬＰＦ）であり、第１弾性膨張収縮構造体１９及び第２弾性膨張収縮構造体２０のうちの全長が長い方の管状弾性体１９ａ及び２０ａをそれぞれ駆動する第１流量比例電磁弁２４ａ及び第３流量比例電磁弁２４ｃに接続されている。２８はハイパスフィルタ（ＨＰＦ）であり、第１弾性膨張収縮構造体１９及び第２弾性膨張収縮構造体２０のうちの全長が短い方の管状弾性構造体１９ｂ及び２０ｂをそれぞれ駆動する第２流量比例電磁弁２４ｂ及び第４流量比例電磁弁２４ｄに接続されている。この第２実施形態における制御系の構成は、ＰＤ補償器２５が１つである点、ローバスフィルタ２７及びハイパスフィルタ２８が配設されている点を除くと、すでに説明した図５に示す第１実施形態の制御系と同じであるので、図６においては第１実施形態と同じ機能の部材には、図５と同じ符号を付して、その説明を省略する。

図６に示す制御系において、ローバスフィルタ２７は、制御出力信号の高周波成分を除去し、応答性に劣る全長が長い方の管状弾性構造体１９ａ及び２０ａが十分に応答できる低周波成分のみを通過させるように設定されている。一方、ハイパスフィルタ２８は、全長が短い方の管状弾性構造体１９ｂ及び２０ｂの伸縮運動が飽和してしまうような制御出力信号の低周波成分を除去し、高周波成分のみを通過させるよう設定されている。したがって、以上の構成の制御系では、管状弾性構造体の動作の応答遅れや飽和が抑制され高精度な制御が可能となる。

以上のように、第２実施形態の制御系によれば、ローバスフィルタ２７及びハイパスフィルタ２８を配設することにより、制御信号の不要な高周波成分あるいは低周波成分が除去されるため、管状弾性構造体の動作の応答遅れや飽和が抑制されて、高精度な弾性膨張収縮構造体の制御が実現し、高精度な位置決めや軌道追従が可能な柔軟で安全なロボットが実現可能となる。

（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態における弾性膨張収縮構造体の動作を制御する制御系のブロック線図である。第３実施形態では、弾性膨張収縮構造体として図１に示す構成を、その応用例として図４に示す１自由度ロボットアームに適用する場合において、弾性膨張収縮構造体の動作を制御する他の制御系の構成について示す。

図７において、２９はフィードフォワード補償器であり、第１弾性膨張収縮構造体１９及び第２弾性膨張収縮構造体２０のうちの全長が長い方の管状弾性構造体１９ａ及び２０ａを駆動する第１流量比例電磁弁２４ａ及び第３流量比例電磁弁２４ｃに接続されている。また、３０はフィードバック補償器であるＰＤ補償器であり、第１弾性膨張収縮構造体１９及び第２弾性膨張収縮構造体２０のうちの全長が短い方の管状弾性体１９ｂ及び２０ｂを駆動する第２流量比例電磁弁２４ｂ及び第４流量比例電磁弁２４ｄに接続されており、フィードバック制御系を構成している。この第３実施形態における制御系では、その他の構成はすでに説明した図５に示す第１実施形態の制御系と同じであるので、図７においては第１実施形態と同じ機能の部材には、図５と同じ符号を付して、その説明を省略する。

図６に示す制御系では、大変位可能であるが応答性に劣る全長が長い方の管状弾性体１９ａ及び２０ａはフィードフォワード補償器２９によりフィードフォワード制御されるため、位置誤差に関係なく大まかに目標軌道に追従するように動作する。一方、応答性に優れて全長が短い方の管状弾性体１９ｂ及び２０ｂはフィードバック制御により、応答良く目標軌道に追従するように動作する。したがって、全長が長い方の管状弾性体１９ａ及び２０ａの大まかな動きを、短い方の管状弾性体１９ｂ及び２０ｂが補償することにより、全体として高精度な制御が可能となる。

次に、図７に示す制御系の性能上の有効性を示すため、動作シミュレーションを行う。

図１８は、図１の弾性膨張収縮構造体１を図２の制御系構成で長さを制御する場合をシミュレートするブロック線図である。図１８において、２０９はフィードフォワード補償器であり、その他の構成は図１６の場合と同様であるので説明は省略する。

図１９は図１８のブロック線図を使ったシミュレーションの結果である。図１９のシミュレーションにおいて、測定値よりｆ_ｐ＝５．０×１０−４［Ｎ／Ｐａ］、ｆ_ε＝１０００［Ｎ］、Ｃ＝４５［Ｎｓ／ｍ］とした。また、Ｍ＝１［ｋｇ］、弾性膨張収縮構造体の初期長Ｌ_０＝０．５［ｍ］とした。

図１９の弾性膨張収縮構造体（ａ）は、全長が長い方の管状弾性構造体Ａの初期長Ｌ_０Ａ＝０．４８［ｍ］、全長が短い方の管状弾性構造体Ｂの初期長Ｌ_０Ｂ＝０．０２［ｍ］の場合のステップ応答であり、ゲインはＫ_ＦＦ＝０．０７、Ｋ_ＬＢ＝９５０、Ｋ_ｖＢ＝３．２とした。また、図１９の弾性膨張収縮構造体（ｂ）は図１４の従来例の場合のステップ応答であり、図１７の膨張収縮構造体（ｅ）と同じ結果である。

図１９のシミュレーション結果から分かるように、本発明の第３実施形態による弾性膨張収縮構造体（ａ）によれば、従来例の膨張収縮構造体（ｅ）に比べて、立ち上がり時間が短く、応答性に優れる。

また、本発明の弾性膨張収縮構造体の制御装置によれば、フィードフォワード補償器２９によるフィードフォワード制御及びＰＤ補償器３０によるフィードバック制御を行うことで、全長が長い方の管状弾性体１９ａ，２０ａはフィードフォワード補償器２９により、位置誤差に関係なく大まかに目標軌道に追従すよう動作し、短い方の管状弾性体１９ｂ，２０ｂはフィードバック制御により応答良く目標軌道に追従するよう動作すため、全長が長い方の管状弾性体１９ａ，２０ａの大まかな動きを短い方の管状弾性体１９ｂ，２０ｂが補償するよう動作し、全体として高精度な制御が可能となる。よって、第３実施形態の制御系によれば、フィードフォワード制御とフィードバック制御の効果により、高精度な弾性膨張収縮構造体の制御が実現し、高精度な位置決めや軌道追従が可能な柔軟で安全なロボットが実現可能となる。

（第４実施形態）
図８は本発明の第４実施形態における弾性膨張収縮構造体の構成を示す図である。図８において、３１はゴム材料で構成された管状弾性体である。管状弾性体３１の内部には隔壁３２が配設されており、内部空間は２つの空間すなわち２つの部分３３ａ及び３３ｂに分割されている。３４は繊維コードを網目状に編んだ変形方向規制部材であり、管状弾性体３１の外表面の全体又はほぼ全体を覆うように配設されている。３５、３６は第１実施形態の弾性膨張収縮構造体１の第１封止部材６と第２封止部材７に相当し、管状弾性体３１の端部を封止する封止部材であり、２つの部品３５ａと３５ｂ、すなわち、内部が流体が通過する流体の流路になっている内側封止部品３５ａ及び内側封止部品３５ａと共働して封止を行う外側封止部品３５ｂ、及び、すなわち、内部が流体が通過する流体の流路になっている内側封止部品３６ａ及び内側封止部品３６ａと共働して封止を行う外側封止部品３６ｂにより管状弾性体３１のそれぞれの端部を挟み込むことにより封止する。３７ａ、３７ｂは第１実施形態の弾性膨張収縮構造体１の流体流体通過部材９ａ、９ｂに相当する流体通過部材であり、その内部は流体が通過する流体の流路になっており、封止部材３５の内側封止部品３５ａ及び封止部材３６の内側封止部品３６ａに配設されている。上記中空の管状弾性体３１の上記隔壁３８により分断される２つの部分３３ａ及び３３ｂの外側は、第１実施形態の弾性膨張収縮構造体１の変形方向規制部材３又は５に相当する変形を規制する変形方向規制部材、言い換えれば、材料的には伸びにくい樹脂又は金属の繊維コードを網目状に編んで、管状弾性体３１の膨張による半径方向の変形が軸方向の長さの収縮に変換される一方、管状弾性体３１の収縮による半径方向の変形が軸方向の長さの膨張に変換される変形方向規制部材が配置されている。上記２つの部分３３ａ及び３３ｂは、例えば、弾性膨張収縮構造体１のうちの長い方の管状弾性体２と短い方の管状弾性体４、又は、第１弾性膨張収縮構造体１９のうちの長い方の管状弾性体１９ａと短い方の管状弾性体１９ｂ、又は、第２弾性膨張収縮構造体２０のうちの長い方の管状弾性体２０ａと短い方の管状弾性体２０ｂに相当する。

本発明の第４実施形態における弾性膨張収縮構造体によれば、管状弾性体３１の内部に隔壁３２が配設されることにより内部空間が２つの部分３３ａ及び３３ｂに分割されるため、上記第１実施形態における弾性膨張収縮構造体１；１９；２０と同様に、複数の管状弾性体２，４；１９ａ，１９ｂ；２０ａ，２０ｂが直列に配設された場合と同様な効果を発揮することができる。また、第４実施形態における弾性膨張収縮構造体では、管状弾性体３１と隔壁３２を一体で形成できるため、部品点数が少なく、製造も容易であるという利点も有する。

（第５実施形態）
図９は本発明の第５実施形態における弾性膨張収縮構造体の構成を示す図である。図９において、３８はゴム材料で構成された蛇腹状弾性体である。この第３実施形態における弾性膨張収縮構造体の構造は、第１実施形態の上記弾性膨張収縮構造体１の複数の中空弾性体２，４のうちの一方の中空弾性体４の代わりに、蛇腹状である蛇腹状弾性構造体３８が配設されている点を除くと、すでに説明した図１に示す第１実施形態の弾性膨張収縮構造体１の構造と同じであるので、図９においては第１実施形態と同じ機能の部材には、図１と同じ符号を付して、その説明を省略する。

上記蛇腹状弾性構造体３８は、内部が流体が通過する流体の流路になっている内側封止部品７ａ及び内側封止部品７ａと共働して封止を行う外側封止部品７ｂにより蛇腹状弾性構造体３８の右端部を挟み込むことにより封止するとともに、内部が流体が通過する流体の流路になっている内側封止部品８ｄ及び内側封止部品８ｄと共働して封止を行う外側封止部品８ｃにより蛇腹状弾性構造体３８の左端部を挟み込むことにより封止されており、流体通過部材９ｂを介して空気流が蛇腹状弾性構造体３８内に注入されて蛇腹状弾性構造体３８の内圧が上昇すると、図１０に示すように膨張作用により伸張する。また、蛇腹状弾性構造体３８は、流体通過部材９ｂを介して空気流が排出されてその内圧が減少した場合には、蛇腹状弾性構造体３８の弾性力による復元作用により収縮する。この結果、図１０において、内側封止部品８ａと外側封止部品８ｂとの境界線Ｒで固定されていると考えると、上記伸縮により、蛇腹状弾性構造体３８の右端では距離ｄ_３の差があるのに対して、第１管状弾性体２の左端では距離ｄ_３より大きく距離ｄ_４の差がある。

上記したように、蛇腹状弾性構造体３８の内圧を高めると伸張する点が、第１実施形態の弾性膨張収縮構造体１の管状弾性体２，４と変形方向規制部材３，５による構造とは異なり、その動作が逆である。したがって、図４と同様の１自由度のロボットアームへ応用する場合、第１弾性膨張収縮構造体１９のうちの短い方の管状弾性体１９ｂ
及び第２弾性膨張収縮構造体２０のうちの短い方の管状弾性体２０ｂの代わりに蛇腹状弾性構造体３８，３８を配置し、第２流量比例電磁弁２４ｂ’及び第４流量比例電磁弁２４ｄ’より蛇腹状弾性体３８に空気圧を供給するとすれば、図１１に示すように、ＰＤ補償器３９ｂからの出力は第１実施形態の場合の図５と異なり、反転したものとする。

すなわち、図１１は、上記図４と同様の１自由度のロボットアームへ応用する場合の拮抗型駆動構造の動きを制御する制御系のブロック線図である。２６’は上記制御コンピュータ１３，２６に対応する制御コンピュータであり、この制御コンピュータ２６’により実現される機能を示している。制御コンピュータ２６’により、先と同様に目標軌道生成手段１２５から得られた関節角の目標値θｄと、エンコーダ１８による関節角の測定値θとの差をとることにより関節角誤差θｅが得られ、関節角誤差θｅは、ＰＤ補償器３９ａ及び３９ｂに入力され、ＰＤ補償器３９ａ及び３９ｂからは制御出力が第１〜第４流量比例電磁弁２４ａ，２４ｂ’，２４ｃ’，２４ｄ’に出力されるというフィードバック制御系を構成している。ＰＤ補償器３９ａからの制御出力は、制御コンピュータ２６’のＤ／Ａ出力により電圧指令値として、第１弾性膨張収縮構造体１９の長い方の管状弾性体１９ａ用の第１流量比例電磁弁２４ａに印加され、符号を反転した電圧指令値が、第２弾性膨張収縮構造体２０の長い方の管状弾性体２０ａ用の第３流量比例電磁弁２４ｃ’に印加される。また、ＰＤ補償器３９ｂからの制御出力は、制御コンピュータ２６’のＤ／Ａ出力により電圧指令値として、第２弾性膨張収縮構造体２０の蛇腹状弾性体３８用の第４流量比例電磁弁２４ｄ’に印加され、符号を反転した電圧指令値が、第１弾性膨張収縮構造体１９の蛇腹状弾性体３８用の第２流量比例電磁弁２４ｂ’に印加される。このようにＰＤ補償器３９ａ，３９ｂからの制御出力の符号を反転させて、各弾性膨張収縮構造体１９，２０の蛇腹状弾性体３８を駆動する第２及び第３流量比例電磁弁２４ｂ’，２４ｃ’に入力することにより、第１弾性膨張収縮構造体１９の長い方の管状弾性体１９ａ及び第２弾性膨張収縮構造体２０の長い方の管状弾性体２０ａと、第１弾性膨張収縮構造体１９の蛇腹状弾性体３８及び第２弾性膨張収縮構造体２０の蛇腹状弾性体３８の収縮・伸張は逆になり、拮抗駆動が実現する。

なお、本第５実施形態では、蛇腹状弾性体３８の収縮は弾性力によるとしたが、エジェクタ（真空発生器）等を併用し吸引を行えば、より高速な駆動が可能となる。

なお、上記第４実施形態の上記弾性膨張収縮構造体の隔壁により分断される２つの部分のうち少なくとも１つを上記した蛇腹状である蛇腹状弾性構造体３８が配設されるようにしてもよい。

以上のように、本発明の第５実施形態にかかる弾性膨張収縮構造体によれば、全長が長い第１管状弾性体及び全長が短い蛇腹状弾性体の複数の管状弾性構造体を直列に配設することにより、第１管状弾性体により、応答性が悪いが、大きな変位を得て外力に対する柔軟性を大きくする一方、蛇腹状弾性体により、変位は小さく柔軟性も低いが、応答性が良く高速駆動が可能であり、非線形性も小さく、高精度駆動可能とすることができる。この結果、弾性膨張収縮構造体全体として、柔軟かつ大変位が可能で、さらに高速応答可能で高精度駆動可能なアクチュエータが実現でき、高精度な位置決めや軌道追従が可能な柔軟で安全なロボットが実現可能となる。

（第６実施形態）
図１２は本発明の第６実施形態における弾性膨張収縮構造体の構成を示す図である。図１２において、４０は金属円筒により構成されたシリンダチューブ、４１ａ及び４１ｂはシリンダチューブ４０の両端を覆うように配置された封止部材、４２は封止部材４１ａに固定されてシリンダチューブ４０内への流体の供給・排気を行うために流体が通過する流体の流路に内部が構成されている流体通過部材、４３はシリンダチューブ４０内を摺動するピストン、４４ａは封止部材４１ａに配置されてシリンダチューブ４０の一端の外周面と封止部材４１ａとの間で流体の封止を行うＯリング、４４ｂはピストン４３に配置されてシリンダチューブ４０の内周面とピストン４３との間で流体の封止を行うＯリング、４４ｃは封止部材４１ｂに配置されてシリンダチューブ４０の他端の外周面と封止部材４１ｂとの間で流体の封止を行うＯリング、４６は一端がピストン４３に固定されて封止部材４１ｂを進退可能に貫通するピストンロッド、４５はシリンダチューブ４０内でピストン４３と封止部材４１ｂとの間でかつピストンロッド４６の外部に配置された弾性バネ、４４ｄは封止部材４１ｂに配置されてピストンロッド４６の外周面と封止部材４１ｂとの間で流体の封止を行うＯリングである。４７はゴム材料で構成された管状弾性体、４８材料的には伸びにくい樹脂又は金属の繊維コードを網目状に編んで、管状弾性体４７の膨張による半径方向の変形が軸方向の長さの収縮に変換される一方、管状弾性体４７の収縮による半径方向の変形が軸方向の長さの膨張に変換される変形方向規制部材であり、管状弾性体４７の外表面を覆うように配設されている。７’は管状弾性体４７の一端を封止する第１封止部材であり、２つの部品、すなわち、内部が流体が通過する流体の流路になっているとともにピストンロッド４６の他端が固定されている内側封止部品７ｄ及び内側封止部品７ｄと共働して封止を行う外側封止部品７ｃにより管状弾性体４７の端部を挟み込むことにより封止する。４９は管状弾性体４７の他端を封止する第２封止部材であり、２つの部品、すなわち、内部が流体が通過する流体の流路になっている内側封止部品４９ａ及び内側封止部品４９ａと共働して封止を行う外側封止部品４９ｂにより管状弾性体４７の端部を挟み込むことにより封止する。５０ｂは流体通過部材であり、その内部は流体が通過する流体の流路になっており、第２封止部材４９の内側封止部品４９ａに配設されている。シリンダチューブ４０とピストンロッド４６と管状弾性体４７とは同軸に配置されている。この第６実施形態における管状弾性体４７の弾性膨張収縮構造体の構造は、すでに説明した図１に示す第１実施形態の弾性膨張収縮構造体１の管状弾性体の構造と同じであり、図１２における管状弾性体４７、変形方向規制部材４８、第１封止部材７’、内側封止部品７ｄ、外側封止部品７ｃ、第２封止部材４９、内側封止部品４９ａ、外側封止部品４９ｂ、流体通過部材５０ｂは、第１実施形態の第２管状弾性体４、変形方向規制部材５、封止部材８、内側封止部品８ｄ、外側封止部品８ｃ、第２封止部材７、内側封止部品７ａ、外側封止部品７ｂ、流体通過部材９ｂとそれぞれ同じ機能の部材であり、その説明を省略する。

図１２に示した上記部材４０〜４６で構成される駆動部は、単動式の空気圧シリンダと同様の構成の駆動シリンダ３４０となっており、上記中空弾性体４７と直列に配設されて流体の加圧による変位量が上記中空弾性体４７とは異なるものである。そして、駆動シリンダ３４０のシリンダチューブ４０内を流体注入により加圧すると、ピストン４３が押され、ピストンロッド４６が外部へと伸張する。一方、流体注出によりシリンダチューブ４０内を減圧すると、弾性バネ４５の力が打ち勝ち、ピストン４３は押し戻され、ピストンロッド４６は内部へと収縮する。

以上示した第６実施形態における弾性膨張収縮構造体の構成によれば、空気圧シリンダと同様の構成による大変位という効果と、全長の短い管状弾性体４７と変形方向規制部材４８による高速応答という効果により、大変位かつ高速応答可能なアクチュエータを実現できる。

なお、本第６実施形態では、単動式の空気圧シリンダと同様の構成としたが、複動型のシリンダ等、他のシリンダ構造でも同様の効果を発揮する。

（第７実施形態）
図１３は本発明の第７実施形態における弾性膨張収縮構造体の構成を示す図である。図１の第１実施形態における弾性膨張収縮構造体１の短い方の第２管状弾性体４の代わりに
電磁石で構成される駆動部としてものである。

図１３において、３４７は電磁石であり、３４８は電磁石３４７を内部に格納する電磁石ハウジング、３４９は電磁石ハウジング３４８内で電磁石３４７の内側に配置されかつ内側封止部品８ａに連結された磁性材料で構成された固定鉄心である。３５０は電磁石ハウジング３４８内で電磁石３４７の内側に配置されかつ磁性材料で構成された可動鉄心であり、その中心軸は固定鉄心３４９の中心軸と同一軸上に配設され、中心軸方向に可動となっている。３５１は弾性バネであり、固定鉄心３４９と可動鉄心３５０間の間隙に配設されている。３５２は電磁石ハウジング３４８の一端に固定されて可動鉄心３５０が電磁石ハウジング３４８より離脱しないよう規制するストッパである。

この第７実施形態における弾性膨張収縮構造体のその他の構造は、すでに説明した図１に示す第１実施形態の弾性膨張収縮構造体の構造と同じであるので、図１３においては第１実施形態と同じ機能の部材には、図１と同じ符号を付して、その説明を省略する。

次に、図１３に示した上記部材３４７〜３５２で構成される駆動部の動作について説明する。制御コンピュータ１３の制御により電磁石３４７に電流が流れると、電磁石３４７によって発生した磁気により磁性材料である固定鉄心３４９が磁化し、磁性材料である可動鉄心３５０は吸引される。したがって、制御コンピュータ１３の制御により電磁石３４７に流れる電流量が大きくなると、吸引力が弾性バネ３５１に打ち勝ち、部材３４７〜３５２で構成される駆動部の全長は収縮する（言い換えれば、図１３の右端を決定している可動鉄心３５０が図１３の左方向に吸引により移動するため、可動鉄心３５０の右端が左方向に移動する結果として、駆動部の全長は収縮する）。一方、制御コンピュータ１３の制御により電磁石３４７に流れる電流量が小さくなると、弾性バネ３５１の復元力により、部材３４７〜３５２で構成される駆動部の全長は伸張する（言い換えれば、図１３の右端を決定している可動鉄心３５０が弾性バネ３５１の復元力により図１３の右方向に移動するため、可動鉄心３５０の右端が右方向に移動する結果として、駆動部の全長は伸張する）。

以上示した第７実施形態における弾性膨張収縮構造体の構成によれば、部材３４７〜３５２で構成される図１３の右側の駆動部は電磁石３４７による駆動であるため、流体圧で駆動される部材すなわち第１管状弾性体２及び変形方向規制部材３等で構成される図１３の左側の駆動部に比べて高速な応答が可能であり、非線形性も少ない。したがって、全長の長い管状弾性体と変形方向規制部材による大変位という効果と、電磁石駆動による高速応答と高い線形性という効果により、大変位可能で、かつ、高速応答、高精度駆動可能なアクチュエータを実現できる。

なお、本第７実施形態では、電磁石駆動としたが、これに限られるわけではなく、ピエゾ素子を利用した駆動法など、その他の電気による駆動方式でも同様の効果を発揮する。

なお、上記第１〜第６実施形態では圧縮性流体として空気圧を例に採り、説明を行ったが、これに限られるわけではなく、例えば窒素など他の圧縮性流体でも同様の効果を発揮する。

また、上記第１〜第６実施形態では２つの管状弾性体の組み合わせや管状弾性体及び蛇腹状弾性体等、２つの駆動部からなる構成としたが、これに限られるわけではなく、３以上の駆動部からなる構成でも同様の効果が発揮される。

また、本発明にかかる弾性膨張収縮構造体の応用は、ロボットアームに限られるわけではなく、その他の可動機械構造の駆動や力の緩衝機構としても応用可能である。

なお、上記実施形態において、直列に配設されて加圧により変位量が異なる複数の駆動部としての複数の中空弾性体は、内外径が同一（又は内径が同一）で全長が異なるものに限らず、図２０に示される中空弾性体２と４’とのように、全長は同一であるが内径が異なることにより容積が異なり、変位量が異なるようにしてもよい。

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明にかかる膨張収縮構造体及び膨張収縮構造体の制御装置は、第１管状弾性体及び第２管状弾性体の複数の管状弾性構造体を直列に配設することにより、柔軟かつ大変位が可能で、さらに高速応答可能なアクチュエータが実現でき、高精度な位置決めや軌道追従が可能な柔軟で安全なロボットが実現可能となり、ロボットアーム等の機械構造を駆動する柔軟性を有する直動駆動アクチュエータ等として有用である。

本発明の第１実施形態における弾性膨張収縮構造体の構造を示す断面図である。本発明の第１実施形態における空気圧供給系の構成を示す一部断面図である。本発明の第１実施形態における弾性膨張収縮構造体の動作を示す側面図である。本発明の第１実施形態における弾性膨張収縮構造体の応用例を示す側面図である。本発明の第１実施形態における弾性膨張収縮構造体の動作を制御する制御系のブロック線図である。本発明の第２実施形態における弾性膨張収縮構造体の動作を制御する制御系のブロック線図である。本発明の第３実施形態における弾性膨張収縮構造体の動作を制御する制御系のブロック線図である。本発明の第４実施形態における弾性膨張収縮構造体の構造を示す断面図である。本発明の第５実施形態における弾性膨張収縮構造体の構造を示す断面図である。本発明の第５実施形態における弾性膨張収縮構造体の動作を示す側面図である。本発明の第５実施形態における弾性膨張収縮構造体の動作を制御する制御系のブロック線図である。本発明の第６実施形態における弾性膨張収縮構造体の構造を示す断面図である。本発明の第７実施形態における弾性膨張収縮構造体の構造を示す一部断面図である。従来の弾性膨張収縮構造体の構造を示す断面図である。４自由度のロボットアームとした例を示す構成図である。図１の弾性膨張収縮構造体を図２の制御系構成で長さを制御する場合をシミュレートするブロック線図である。図１６のブロック線図を使ったシミュレーションの結果を示すグラフである。図１の弾性膨張収縮構造体を図２の制御系構成で長さを制御する場合をシミュレートするブロック線図である。図１８のブロック線図を使ったシミュレーションの結果を示すグラフである。上記実施形態の変形例にかかる断面図である。

符号の説明

１弾性膨張収縮構造体
２第１管状弾性体
３第１変形方向規制部材
４第２管状弾性体
５第２変形方向規制部材
６第１封止部材
６ａ内側封止部品
６ｂ外側封止部品
７，７’ 第２封止部材
７ａ内側封止部品
７ｂ外側封止部品
８連結封止部材
８ａ内側封止部品
８ｂ外側封止部品
８ｃ外側封止部品
８ｄ内側封止部品
９ａ，９ｂ流体通過部材
１０空気圧源
１１空気圧調整ユニット
１２３ポート流量比例電磁弁
１３制御コンピュータ
１４Ｄ／Ａボード
１５第１リンク
１６第２リンク
１７関節部
１８エンコーダ
１９，１９’ 第１弾性膨張収縮構造体
１９ａ全長が長い方の管状弾性体
１９ｂ全長が短い方の管状弾性体
２０，２０’ 第２弾性膨張収縮構造体
２０ａ全長が長い方の管状弾性体
２０ｂ全長が短い方の管状弾性体
２１ａ〜２１ｄ球面ジョイント
２２支持体
２３支持体
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ；２４ａ，２４ｂ’，２４ｃ’，２４ｄ’ 第１〜第４流量比例電磁弁
２５，２５ａ，２５ｂＰＤ補償器
２６，２６’ 制御コンピュータ
２７ローパスフィルタ
２８ハイパスフィルタ
２９フィードフォワード補償器
３０ＰＤ補償器
３１管状弾性構造体
３２隔壁
３３内部空間
３４変形方向規制部材
３５封止部材
３６封止部材
３７流体通過部材
３８蛇腹状弾性構造体
３９ａ，３９ｂＰＤ補償器
４０シリンダチューブ
４１ａ，４１ｂ封止部材
４２流体通過部材
４３ピストン
４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄＯリング
４５弾性バネ
４６ピストンロッド
４７管状弾性体
４８変形方向規制部材
４９第２封止部材
４９ａ内側封止部品
４９ｂ外側封止部品
５０ｂ流体通過部材
３４７電磁石
３４８電磁石ハウジング
３４９固定鉄心
３５０可動鉄心
３５１弾性バネ
３５２ストッパ
５３管状弾性体
５４拘束部材
５５封止部材
５６流体通過部材

Claims

中空弾性体と、
上記中空弾性体の両端部の気密封止を行う封止部材と、
上記中空弾性体と直列に配設されて流体の加圧による変位量が上記中空弾性体とは異なる流体圧駆動シリンダと、
上記流体が通過する流路を有して、上記流体が上記流路を通過することにより、上記中空弾性体及び上記流体駆動シリンダに対する流体の注入あるいは注出が可能となる管状の流体通過部材とを備える膨張収縮構造体。
直列に配設されて加圧による変位量が互いに異なる複数の駆動部を有する膨張収縮構造体と、
上記膨張収縮構造体のフィードバック制御を行うフィードバック補償器と、
上記フィードバック補償器からの信号を受けて高周波成分を除去したのち、上記膨張収縮構造体の直列に配設された複数の駆動部のうち長さが長い駆動部に信号を出力するローパスフィルタと、
上記フィードバック補償器からの信号を受けて低周波成分を除去したのち、上記膨張収縮構造体の直列に配設された複数の駆動部のうち長さが短い駆動部に信号を出力するハイパスフィルタとを備える膨張収縮構造体の制御装置。
直列に配設されて加圧による変位量が互いに異なる複数の駆動部を有する膨張収縮構造体と、
上記膨張収縮構造体の直列に配設された複数の駆動部のうち長さが長い駆動部のフィードフォワード制御を行うフィードフォワード補償器と、
上記膨張収縮構造体の直列に配設された複数の駆動部のうち長さが短い駆動部のフィードバック制御を行うフィードバック補償器とを備える膨張収縮構造体の制御装置。