JP4923239B2

JP4923239B2 - 流体アクチュエータ

Info

Publication number: JP4923239B2
Application number: JP2005355518A
Authority: JP
Inventors: 秀行塚越; 能北川; 久美子山本
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2025-12-09
Also published as: JP2007155111A

Description

本発明は、流体を駆動源として指圧マッサージ等の動作を行う流体アクチュエータに関する。

マッサージ器として電動マッサージ装置が各種開発されている。しかし、従来の電動マッサージ装置では、人間の手による指圧のような微妙なマッサージ効果は得られない。これは、電動駆動では微妙な力制御の実現が難しいからであり、電動マッサージ装置による人間の指圧に近いマッサージ効果は再現できていない。

また、電気を駆動源とする場合、浴室などの水気の多い場所での使用に適さない。したがって、浴槽内での指圧マッサージなどはできない。
また、従来の電動マッサージ機器は、安全上の問題のためペースメーカー使用者に適用することはできなかった。これに対し、後述のように本発明の流体アクチュエータは、家庭用水道圧のみでも駆動可能なため、ペースメーカー使用者に適用しても一切問題はない。
また、従来よりロボットアーム等の先端部にハンドを備え、掘削、採取、検査などの各種動作を行うハンド型ロボットが開発されている。しかし、従来のハンド型ロボットのハンドは、物を掴む動作をさせた場合、把持する力の微妙な制御が的確にできず、人間の手に近似した柔軟かつ微妙な力操作で脆弱物品を壊さずに把持することは非常に困難であった。

一方、従来より液体圧力を制御する液体減圧弁が開発されている（例えば特許文献１参照）。しかし、液体用減圧弁を用いて指圧マッサージ等のハンドを構成するアクチュエータを駆動しても、ハンド自体の構成が複雑であったり、充分に軽く微妙な力での制御ができるハンドが開発されていないため、人間の手による指圧マッサージ効果に近い効果が得られるハンドは実現されていない。

特開２００２−０２３８５６号公報

本発明は上記従来技術を考慮したものであって、電気を使用することなく、流体を駆動源として微妙な力制御を可能とし、人間の手による把持動作に近い柔軟かつ微妙な力操作で物を掴む動作を可能とし、例えば人間の手による指圧マッサージ効果に近い効果を再現可能な流体アクチュエータの提供を目的とする。

請求項１の発明は、切込みを有し、該切込みの両側に相互に接近離間するとともに弾性復帰力を有する作動片を有する本体と、該切込み内に挿入され、作動流体が流通する扁平チューブと、該作動流体の流量又は圧力制御により前記扁平チューブを広げることにより前記切込みを押し広げて前記作動片を離間動作させる手段と、を備え、前記切込みの切込み方向と該切込み内での前記扁平チューブの扁平断面の長手方向とが略一致することを特徴とする流体アクチュエータを提供する。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記本体は複数の並列する切込みを有し、各切込み内の扁平チューブが広がることにより、前記本体が湾曲することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記扁平チューブは、折返して前記複数の切込み内に挿入された１本の連続した扁平チューブであることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記扁平チューブ内に設けられた空間形成手段を有し、該空間形成手段は、扁平チューブ内に挿入された針金又は金属製の導線からなることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか１項の発明において、前記扁平チューブは、伸縮性を有さないことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか１項の発明において、自動的に振動を起こさせて前記流体アクチュエータを駆動する自励振動式駆動回路をさらに有し、前記自励振動式駆動回路は、前記流体アクチュエータを圧力供給源に接続する切換え弁と、可変オリフィス及び逆止弁からなり、振動子を振動させる励振装置とを有し、前記振動子の振動によって前記切換え弁が自動的に交互に切り替えられるように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、本体に例えばＶ字状に形成した切込み内に扁平チューブを挿入し、この扁平チューブを流体圧により加圧して円形に近づけ、切込みを押し広げるという簡単な機構により、切込みの両側の作動片が微妙な軽い力で開く。これにより、電気を使用することなく、流体を駆動源として作動片の動作を軽い力で微妙に制御することができる。
このような流体アクチュエータを用いてロボットハンドを構成すれば、人間の手に近い微妙な力制御が可能になり、脆弱物品を壊すことなく柔軟にかつ安定して確実に把持できる。

本発明によれば、複数の切込みを有する本体が人間の手に似たハンドを構成して、電気を使用することなく流体の制御により微妙な力の調整を行って、人間の指圧マッサージ効果に近似したマッサージ効果が得られるとともに、浴室内などの水気の多い場所での使用に適した流体アクチュエータが実現できる。
なお、本発明は、指圧マッサージ動作の他に人間の手に近似した各種把持動作が可能である。

さらに、例えば親指に近似したフィンガーを付加することも可能であり、ハンドとしてより人間の手に近づけることができる。このようなハンドは、１）人間の手より軽量・柔軟構造ながら同等の握力を発揮でき、２）電気エネルギーが一切不要のため感電や磁気的作用の懸念もなく、３）手動圧力制御弁により自在に指圧を制御できる、などの利点を有している。これにより、一般家庭でも理学療法士によるマッサージと同等の医療を再現できる可能性が広がる。

本発明によれば、１本の連続した扁平チューブを用いるため構造が簡単になるとともに、流体の圧力制御が容易になる。

本発明によれば、１本の連続扁平チューブを折り返して用いた場合に、扁平チューブ内に常に連続した空間が形成されるため、扁平チューブの折返し部で高圧側の流体が閉塞されることがなく、確実に扁平チューブ内を流通してアクチュエータの駆動制御の信頼性が高まる。

本発明によれば、扁平チューブ内にチューブ長手方向に沿って導線その他の線材を挿入しておくことにより、折れ曲がり部においても確実に扁平チューブ内を挿通する空間が確保される。

本発明によれば、扁平チューブの内面側にチューブ長手方向に沿って連続する溝を形成しておくことにより、折れ曲がり部においても確実に扁平チューブ内を挿通する空間が確保される。

図１は、本発明実施例の基本構成図である。（Ａ）は扁平チューブが閉じた状態、（Ｂ）は扁平チューブが広がった状態を示し、（Ｃ）は（Ｂ）の状態の上面図である。
本体１に切込み３が形成され、切込み３内に扁平チューブ２が挿入される。本体１はそれ自体で弾性復帰力を有する適度な発泡性を有する例えば塩化ビニル等のプラスチック材料で構成することが構成の簡素化の点で好ましい。切込み３の両側に相互に接近・離間する作動片４，４が形成される。扁平チューブ２は、例えば伸縮性のないウレタンチューブからなり、扁平状態から広がってもチューブの材料自体は伸びない。

（Ａ）の状態から扁平チューブ２に作動流体を流して圧力を高めると、（Ｂ）に示すように、扁平チューブ２が広がって円形になり、両側の作動片４，４を押し開く。扁平チューブ２に流す流体を絞って圧力を弱めれば（Ａ）の状態に戻る。

図２は、本発明の実施例の構成図である。
この例は、例えば指圧器のハンドを構成する本体５に複数の並列する切込み３を形成し、各切込み３内に扁平チューブ２を挿入したものである。（Ａ）の状態から扁平チューブ２を広げると、（Ｂ）に示すように、各切込み３の両側の作動片４を押し広げて本体５を湾曲させる。

図３は、本発明の別の実施例の構成図である。
この例は、１本の連続した扁平チューブ２を折返して本体５の切込み３内に配設したものである。扁平チューブ２は、圧力調整可能な減圧バルブ７を介して水圧供給源となる例えば家庭用水道の蛇口６に接続される。

図４は、図３の実施例のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図である。（Ａ）の状態から水道の蛇口６を開いて扁平チューブ２内に水（請求項でいう作動流体）を流してこの扁平チューブ２を広げて膨らませると、（Ｂ）に示すように、各切込み３の両側の作動片４を押し広げて本体５を湾曲させる。水道の蛇口６の開度あるいはバルブ７の減圧量に応じて扁平チューブ２内を流れる水の流量又は圧力が変わりこれに応じて本体５が湾曲する。蛇口６を閉じれば圧力が遮断され扁平チューブ２が閉じるとともに、本体５はその弾性復帰力により作動片４が閉じて（Ａ）の状態に戻る。

図５は、本発明の扁平チューブの別の例の構成説明図である。
（Ａ）はジグザグ状に折れ曲がって連続する扁平チューブ２を示す。このような扁平チューブ２を用いると、扁平した状態で流体を流したときに、折れ曲がり部で扁平チューブ２が密閉したまま閉塞され、高圧側の流体がそこで止まってそれ以上流れなくなることがある。

そこで、（Ｂ）に示すように、扁平チューブ２内にチューブ内に連続して隙間を形成する空間形成手段として線材８を挿通しておく。これにより、扁平チューブ２内には常に線材８の径に相当する隙間が形成されるため、ジグザグ状に設けた扁平チューブ２であっても、折れ曲がり部でチューブ内が閉塞されることはなく作動流体が円滑に流通する。

図６は、図５（Ｂ）の扁平チューブの一部斜視図である。
図示したように、扁平チューブ２内に線材８を挿通させることにより、扁平したチューブ内に空間９が形成される。線材８としては、針金、ワイヤその他金属製の導線あるいはプラスチック製の線状材や細いパイプ材などを用いることができる。

図７は、空間形成手段の別の例の説明図である。
この例は、扁平チューブ２の内面側にチューブ長手方向に連続する溝１０を形成したものである。これにより、扁平した状態の扁平チューブ２内に常に空間９が形成される。なお、溝１０は、１本でもよいしあるいは複数本の溝１０をチューブ内面に並列して形成してもよい。

図８は、本発明のさらに具体的な実施例の構成図である。
この例は、２系統の扁平チューブ１１ａ，１１ｂによりアクチュエータとなるハンド１３を構成する。扁平チューブ１１ｂは親指系統であり、扁平チューブ１１ａはその他の指の系統である。両扁平チューブ１１ａ，１１ｂはともに端部が封止され、２位置切換え弁１２を介して圧力供給源となる水道の蛇口６あるいは蛇口に接続された減圧装置に接続される。

このようなハンド１３は、適当なアームあるいはサスペンダーやホルダなどにより使用者の肩にセットされる。セットした状態で切換え弁１２により水道水の圧力を供給すると（図示した状態）、各扁平チューブ１１ａ，１１ｂが広がってハンド１３が湾曲し肩を掴んで指圧効果を与える。続いて切換え弁１２を切換えて圧力を遮断すると、扁平チューブ１１ａ，１１ｂが閉じてハンド１３が開く。これを繰り返すことにより、指圧マッサージ効果が得られる。

図９は、本発明の別の具体的な実施例の構成図である。
この例のハンド１３は、親指を含む全指を１系統の扁平チューブ１４で構成したものである。扁平チューブ１４は、切換え弁１５を介して蛇口６又は減圧装置に接続される。この扁平チューブ１４は端部が封止されず、水は流れたまま外部に流出する。切換え弁１５を交互に切換えることにより、扁平チューブ１４が開閉動作してハンド１３を駆動し指圧マッサージ効果を付与する。

図１０は、本発明のさらに別の実施例の構成説明図である。
この例は、ハンド１９に親指パーツ１６を設けたものである。ハンド１９は、前述の各ハンドと同様に扁平チューブ１７により駆動される。親指パーツ１６の背面にジグザグ状に折り畳んだ扁平チューブ１８が配設される。この扁平チューブ１８は前述の空間形成手段（図５〜図７参照）を備えている。扁平チューブ１８に作動流体を供給することにより、（Ｂ）に示すように、親指パーツ１６を押圧してハンド１９による指圧効果を補助しマッサージ効果を高める。

図１１は、作動流体の圧力制御弁の構成図である。
弁本体２５内に２個のポペット弁２０，２１が上下に装着される。上下の弁２０，２１間にリリーフ絞り２３が形成される。下の弁２１と弁本体２５間に減圧絞り２４が形成される。２６はシール材である。弁２０，２１の断面が流体から受ける力と弁を押す力Ｆのつり合いによって、減圧絞り２４が開閉する。入口ポート２７から作動流体が導入され、Ｆに応じて開く減圧絞り２４を通して減圧された流体が出口ポート２８から流出する。出力側の圧力が高くなると、リリーフ絞り２３が開いてドレンポート２９から高圧流体を逃がす。

図１２は、自励振動式駆動回路の構成図である。
本発明の流体アクチュエータの駆動操作として、手動弁又は電磁弁により開閉する方法も可能であるが、図１２に示すような回路構成とすることにより、弁駆動用エネルギーを新たに加えることなく自動的に振動を起こさせてアクチュエータを駆動することができる。

図示したように、圧力供給源となる水道の蛇口６が切換え弁３３を介してアクチュエータ３０に接続される。これとともに水道水が、可変オリフィス３４と逆止弁３５からなる励振装置３１に供給され、振動子３２を振動させる。これにより切換え弁３３が自動的に連続して交互に切換えられる。

図１３は、本発明に係る流体アクチュエータを駆動する減圧弁の別の例の構成図である。
弁本体１０１は、上カバー１０２及び下カバー１０３を有する。弁本体１０１の内部に、入力ポート１０４が開口する入力側弁室１０５及び出力ポート１０６が開口する出力側弁室１０７が隔壁１０８を介して形成される。隔壁１０８の中央部に挿通孔が形成される。この挿通孔を通して第１のポペット１１０が装着される。第１のポペット１１０は、円錐状のテーパ部１１０ａとその上部の円柱部１１０ｂとにより構成される。第１のポペット１１０の円柱部１１０ｂが、挿通孔内を摺動する。入力側弁室１０５はスリット１２５を介して出力側弁室１０７と連通する。

第１のポペット１１０のテーパ部１１０ａは、隔壁１０８の挿通孔の下端部周縁に当接又は近接して減圧絞り部１１３を形成する。絞り部１１３は、ポペット１１０の円柱部１１０ｂに設けたスリット１２５を介して出力側弁室１０７に連通する。この挿通孔の下端部周縁には、ポペット側のテーパ部１１０ａに対応する角度のテーパ面が形成される。

入力側弁室１０５内の第１のポペット１１０の下部に第１のベローズ１１４が設けられる。第１のベローズ１１４は、第１のポペット１１０の下側に入力側弁室１０５から水密的に封止された第１の封止スペース１１５を形成する。第１の封止スペース１１５は、下カバー１０３に形成したドレンポート１１６に連通する。

第１のポペット１１０の上部に第２のポペット１１７が連続して設けられる。第２のポペット１１７は、円柱部１１７ａの下端部に円錐状のテーパ凹部１１７ｂを備えたものである。テーパ凹部１１７ｂは、第１のポペット１１０の上端部周縁に当接して両者間にリリーフ絞り部１１８を形成する。リリーフ絞り部１１８は、第１のポペット１１０の円柱部１１０ｂを縦に貫通するリリーフ通路１１９を介して第１の封止スペース１１５及びドレンポート１１６と連通する。第１のポペット１１０の上端部周縁には、第２のポペット１１７のテーパ部１１７ｂに対応する角度のテーパ面が形成される。

第２のポペット１１７は、上カバー１０２を貫通する貫通孔１２０を通して外部に突出する。この突出した部分を覆って第２のベローズ１２１が設けられる。第２のベローズ１２１はその内部側に、第２のポペット１１７の突出部を外部から水密的に封止する第２の封止スペース１２３を形成する。第２のベローズ１２１の上端部にベローズ内部を水密的に封止する押圧板１２２が設けられる。この押圧板１２２の内面側に第２のポペット１１７の端部が固定される。上ポペット１１７の円柱部１１７ａにスリット１２６が設けられ、出力側弁室１０７とベローズ内部の第２の封止スペース１２３とを連通する。

第１のベローズ１１４は、第１のポペット１１０を常に上方に付勢する弾性を有する。第２のベローズ１２１は、最初は弾性が作用しない初期状態より上方に引き伸ばされた状態でセットされる。したがって、最初は第２のベローズ１２１を下方に付勢する。押圧板１２２が押圧されると第２のベローズ１２１が縮んで弾性が初期状態に戻り、さらに押圧されると、押圧力に対抗して上向きの弾性力が発生する。

上記減圧弁の減圧制御動作について説明する。
まず、入力ポート１０４から低圧の水道水を入力側弁室１０５に導入する。このとき、本実施例の構成では、減圧絞り部１１３において、第１のポペット１１０のテーパ部１１０ａの上面に当接する隔壁１０８の挿通孔の径と、テーパ部１１０ａの下面に結合された第１のベローズ１１４の径が等しい。したがって、第１のベローズ１１４に対しては、水道水の圧力による力は作用せず、第１のポペット１１０はベローズのバネ力によって上方に押し上げられる。これにより、減圧絞り部１１３が閉じられるとともに、第１のポペット１１０の円柱部１１０ｂ端部が第２のポペット１１７を押し上げる。したがって、円柱部１１０ｂ端部のリリーフ絞り部１１８は閉じる。このように、第２のポペット１１７が最大限上方に突出した初期状態では、第２のベローズ１２１は中立状態（バネ力が作用しない状態）より僅かに引き延ばされた状態であり、バネ力は引っ張り方向（ポペット１１７を下げる方向）に作用する。

ここで、押圧板１２２を介して指（矢印Ｆの力）で第２のポペット１１７とともに第１のポペット１１０を押し下げる。これにより、減圧絞り部１１３が開く。この場合、指の力Ｆに応じて減圧絞り部１１３の開き量が変わる。これにより、水道水の入力圧力が減圧絞り部１１３の開き度合いに応じて減圧され、この減圧された圧力がスリット１２５を介して出力側弁室１０７に導入される。さらに、この減圧された圧力が、出力ポート１０６を通して、図示しないアクチュエータに導入され圧力に応じて各種動作を行う。

本発明は、電気を使わずに水道水などの一般家庭で簡易に利用可能な低圧流体を用いた指圧マッサージ器などの各種機器のアクチュエータとして利用できる。

本発明実施例の基本構成図。本発明の好ましい実施例の構成図。本発明の別の実施例の構成図。図３の実施例のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図。本発明に係る扁平チューブの説明図。線材を用いた扁平チューブの部分斜視図。空間形成手段の別の例の説明図。本発明の具体的実施例の構成図。本発明の別の具体的実施例の構成図。本発明の別の実施例の説明図。作動流体の圧力制御弁の構成図。自励振動式駆動回路の構成図。作動流体の圧力制御弁の別の例の構成図。

符号の説明

１：本体、２：扁平チューブ、３：切込み、４：作動片、５：本体、６：水道の蛇口、７：減圧バルブ、８：線材、９：空間、１０：溝、１１ａ，１１ｂ：扁平チューブ、１２：切換え弁、１３：ハンド、１４：扁平チューブ、１５：切換え弁、１６：親指パーツ、１７：扁平チューブ、１８：扁平チューブ、１９：ハンド、２０，２１：ポペット弁、２３：リリーフ絞り、２４：減圧絞り、２５：弁本体、２６：シール材、２７：入口ポート、２８：出口ポート、２９：ドレンポート、３０：アクチュエータ、３１：励振装置、３２：振動子、３３：切換え弁、３４：可変オリフィス、３５：逆止弁

Claims

切込みを有し、該切込みの両側に相互に接近離間するとともに弾性復帰力を有する作動片を有する本体と、該切込み内に挿入され、作動流体が流通する扁平チューブと、該作動流体の流量又は圧力制御により前記扁平チューブを広げることにより前記切込みを押し広げて前記作動片を離間動作させる手段と、を備え、前記切込みの切込み方向と該切込み内での前記扁平チューブの扁平断面の長手方向とが略一致することを特徴とする流体アクチュエータ。
前記本体は複数の並列する切込みを有し、各切込み内の扁平チューブが広がることにより、前記本体が湾曲することを特徴とする請求項１に記載の流体アクチュエータ。
前記扁平チューブは、折返して前記複数の切込み内に挿入された１本の連続した扁平チューブであることを特徴とする請求項２に記載の流体アクチュエータ。
前記扁平チューブ内に設けられた空間形成手段を有し、該空間形成手段は、扁平チューブ内に挿入された針金又は金属製の導線からなることを特徴とする請求項３に記載の流体アクチュエータ。
前記扁平チューブは、伸縮性を有さないことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の流体アクチュエータ。
自動的に振動を起こさせて前記流体アクチュエータを駆動する自励振動式駆動回路をさらに有し、
前記自励振動式駆動回路は、
前記流体アクチュエータを圧力供給源に接続する切換え弁と、
可変オリフィス及び逆止弁からなり、振動子を振動させる励振装置とを有し、
前記振動子の振動によって前記切換え弁が自動的に交互に切り替えられるように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の流体アクチュエータ。