JP5692781B2

JP5692781B2 - アクチュエータ

Info

Publication number: JP5692781B2
Application number: JP2010230201A
Authority: JP
Inventors: 塚越　秀行; 秀行塚越; アントニオコンヴェルソ; 北川　能; 能北川
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2010-10-13
Filing date: 2010-10-13
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2030-10-13
Also published as: JP2012082907A

Description

本発明は、屈曲、伸展するアクチュエータに関する。

脳疾患や整形外科疾患の患者にとって、筋肉の拘縮予防は重要な課題である。拘縮予防のために、定期的に関節を曲げ伸ばしするストレッチ動作が有効であるとされている。このようなストレッチ動作にともなう関節の屈曲、伸展運動を生成するために、アクチュエータが必要となる。その他、人工ハンドをはじめとするさまざまなアプリケーションにおいて、関節の屈曲、伸展運動を生成するアクチュエータが要望されている。こうしたアクチュエータとして、チューブの内部に流体を導通させ、チューブにトルクを発生させるものが提案されている（たとえば特許文献１）。

特開２００７−１５５１１１号公報

チューブおよび流体を用いたアクチュエータの多くは、チューブに拘束素材を加えることによって、屈曲形状ではなく、湾曲形状を生成するものが一般的であった。このため、このアクチュエータを関節を有する構造に適用すると、本来必要な屈曲形状と、アクチュエータで実現される湾曲形状の不適合から、負荷が局所的に集中するなどの不具合が問題となっていた。また、一部にベローズ構造を用いて屈曲動作を生成させるアクチュエータも提案されているが、突出度を容易に小さくできる構造ではなかった。また、複数の関節への接続方法や、関節角度の調整など、複雑化する傾向にあった。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、簡素な構成で屈曲運動を生成可能なアクチュエータの提供にある。

本発明のある態様のアクチュエータは、その内部に流路を有するチューブと、チューブが湾曲するようにチューブを束ねるとともに、束ねた箇所におけるチューブの厚みを所定値にて制限する固定手段と、チューブの流路に流体を供給する圧力源と、を備える。

この態様によると、チューブを加圧することにより、チューブを固定手段の位置にて屈曲させることができる。また最大屈曲角を、湾曲部の長さ、および／またはチューブ厚みの制限値に応じて制御できる。

チューブは、その内部への加圧がない状態において偏平な形状を有しており、固定手段は、チューブの一方の偏平面の２箇所が向き合うようにクランプしてもよい。
偏平チューブを用いることにより、アクチュエータの突出部分を抑制して小型化できるとともに、屈曲方向に対するチューブの復元力、あるいは抗力を小さくできる。

ある態様のアクチュエータは、チューブの流路内に設けられたガイド用のケーブルをさらに備えてもよい。ケーブルを用いることにより、湾曲部においてチューブが完全にふさがるのを防止でき、チューブ先端まで均一に加えることができる。

固定手段は、環状部材と、環状部材の中央付近に固定して、あるいはスライド可能に取り付けられた中軸と、を有するバックルであってもよい。
バックル（コキ）を用いることにより、屈曲部分の位置の変更が容易となり、また屈曲部分のチューブの高さの調節が容易となる。

ある態様のアクチュエータは、チューブの異なる複数の箇所に設けられた複数の固定手段を備えてもよい。固定手段の個数を増やせば、屈曲運動を生成する位置の数を増やすことができる。

本発明の別の態様もまた、アクチュエータである。このアクチュエータは、チューブと対向して設けられ、その内部に流路を有する第２のチューブと、第２のチューブの流路に流体を供給する第２の圧力源と、をさらに備える。
この態様によると、屈曲方向に加えて伸展方向のトルクを発生できる。

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、簡素な構成で屈曲運動を生成可能なアクチュエータを提供できる。

図１（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係るアクチュエータの基本構成を示す図である。偏平チューブを示す正面図および平面図である。チューブを加圧したときのアクチュエータの状態を示す図である。図４（ａ）、（ｂ）は、アクチュエータの回転角φと、長さｈ、制限幅ｄ、チューブの直径Ｗの関係を示す図である。図５（ａ）〜（ｅ）は、アクチュエータの構成例を示す図である。図６（ａ）〜（ｃ）は、アクチュエータのトルクを示す図である。図７（ａ）〜（ｄ）は、固定手段として利用可能なバックルの構成を示す図である。図８（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態に係るアクチュエータを備えた指の屈曲をサポートするアクチュエータ器具を示す図である。図９（ａ）、（ｂ）は、ＦＴＡの動作を示す図である。図１０（ａ）は、親指の屈曲の方向を示す図であり、図１０（ｂ）は、親指の屈曲に対応する第１アクチュエータの構成を示す図である。図８（ａ）〜（ｃ）のＦＴＡの制御システムの一例を示すブロック図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係るアクチュエータ１００の基本構成を示す図である。アクチュエータ１００は、主としてチューブ１０、固定手段２０、圧力源３０を備える。

チューブ１０は、その内部に流路（中空部）１２を有する。チューブ１０は、柔軟な樹脂等の材料で形成される。チューブ１０の材料は特に限定されないが、変形可能であるが伸縮しないものを選択するとよく、言い換えれば流路１２の周長が一定であることが望ましい。

さらにチューブ１０は、その内部への加圧がない状態において偏平な形状を有する偏平チューブであることが望ましい。図２は、偏平チューブを示す正面図および平面図である。上段は、圧力がゼロの状態（Ｐ＝０）の形状を、下段は加圧した状態（Ｐ＞０）の形状を示す。偏平チューブは無加圧状態で断面がフラットであり、加圧すると丸くなる性質を有する。無加圧状態において平面をなすチューブ１０の面を偏平面１４という。

図１（ａ）、（ｂ）に戻る。固定手段２０は、チューブ１０が湾曲するように、チューブ１０の偏平面１４をつまみ上げてチューブ１０を束ねるとともに、束ねた箇所におけるチューブ１０の厚みを所定の制限幅ｄにて制限する。言い換えれば固定手段２０は、チューブ１０の一方の偏平面１４の２箇所が向き合うようにクランプする。固定手段２０によってつまみ上げられた部分を湾曲部分１６と称する。固定手段２０は、糸であってもよいし、ゴムバンド、結束バンド、角カン、あるいは後述するバックルであってもよい。あるいは、湾曲部分１６に沿った形状を有するプレートであってもよい。固定手段２０によりチューブ１０を湾曲させて固定した状態において、湾曲部分において束ねられたチューブ１０の長さ（高さ）をｈとする。

圧力源３０は、チューブ１０の流路１２に流体を供給し、チューブ１０の内壁に与える圧力を制御する。流体はたとえば空気を用いることができるが、特に限定されず、水や油を用いてもよい。湾曲部分１６の流路１２内には、ガイド用のケーブル（ワイヤ）１８を挿入しておくことが望ましい。このケーブル１８によって、湾曲により流路１２が完全にふさがるのを防止することができ、チューブ１０の内壁全体に均一な圧力をかけることができる。ケーブル１８は柔軟な材質であることが好ましい。なお、圧力源３０そのものが圧力もしくは流体の流量を制御する機能を備えてもよいし、一定の圧力源からの流体の経路上に、圧力あるいは流量を制御するための制御弁を設けてもよい。

以上がアクチュエータ１００の基本構成である。続いてその動作を説明する。図３は、チューブ１０を加圧したときのアクチュエータ１００の状態を示す図である。チューブ１０を加圧すると、湾曲したチューブ１０が真っ直ぐに復元しようとするため、屈曲のトルクが発生し、角度φ°まで屈曲する。このアクチュエータ１００の最大屈曲角αは、１８０°−φ°で与えられる。φおよびαは、チューブ１０を束ねる長さｈ、束ねた箇所におけるチューブ１０の制限幅ｄによって制御可能である。

図４（ａ）、（ｂ）は、アクチュエータ１００の回転角φと、長さｈ、制限幅ｄ、チューブの直径Ｗの関係を示す図である。図４（ａ）に示すように、制限幅ｄが、チューブ１０の加圧により正円に変形したときの直径Ｗの２倍より大きいとき（ｄ＞２Ｗ）、アクチュエータ１００はα＝１８０°、φ＝０°の状態まで屈曲する。

図４（ｂ）に示すように、制限幅ｄをチューブ１０の直径Ｗの２倍より小さくすると（ｄ＜２Ｗ）、角度φの半分の角度は、底辺の長さｈ、高さｄ／２の直角三角形の頂角に相当するものと近似できる。この近似が成り立つとき、式（１）が成り立つ。
（ｄ／２）／ｈ≒ｔａｎ（φ／２） …（１）
したがって、角度φ°は、式（２）で与えられる。
φ≒２×ｔａｎ^−１（ｄ／（２ｈ）） …（２）

図５（ａ）〜（ｅ）は、アクチュエータ１００の構成例を示す図である。図５（ａ）のアクチュエータ１００ａは、チューブ１０の湾曲部分が略直線状であることから、Ｉ型アクチュエータと称する。図５（ｂ）のアクチュエータ１００ｂは、チューブ１０の湾曲部分を押しつぶして変形したものであり、湾曲部分がＴ字状であることから、Ｔ型アクチュエータと称する。Ｔ型アクチュエータ１００ｂは、Ｉ型アクチュエータ１００ａに比べてコンパクトであるという利点を有する。図５（ｃ）、（ｄ）は、ｄ＞２Ｗが成り立つα＝１８０°のアクチュエータ１００ｃ、１００ｄであり、それぞれ、Ｃ型、Ｏ型のアクチュエータと称する。図５（ｅ）のアクチュエータ１００ｅは、湾曲部分がＶ字型のアクチュエータである。

続いてアクチュエータ１００の動作特性を説明する。図６（ａ）〜（ｃ）は、アクチュエータ１００のトルクを示す図である。図６（ａ）は、アクチュエータ１００のトルクの回転角（θ）依存性を、圧力源３０からの圧力Ｐをパラメータとしてプロットしたものである。実験に用いたアクチュエータは、Ｗ＝１２ｍｍ、ｄ＝５ｍｍ、ｈ＝２０ｍｍであり、最大屈曲角度はおよそα＝１２０°である。

圧力源３０からの圧力Ｐを一定として考えると、アクチュエータ１００のトルクは、回転角θが大きくなるにしたがい減少していき、最大屈曲角度αに達するとゼロとなる。またある回転角θにおいてアクチュエータ１００が発生するトルクは、圧力Ｐにほぼ比例することがわかる。

図６（ｂ）は、Ｉ型およびＯ型のアクチュエータのトルクを示す図である。Ｉ型のアクチュエータは、Ｗ＝１２ｍｍ、ｄ＝５ｍｍ、ｈ＝２０ｍｍ、Ｏ型のアクチュエータはＷ＝１２ｍｍ、ｄ＝２５ｍｍ、ｈ＝２０ｍｍである。同じ圧力Ｐを印加した状態では、制限幅ｄを大きくすることにより、可動範囲を１２０°から１８０°近くまで広げることができることが示されている。

図６（ｃ）は、アクチュエータ１００のトルクの、チューブ径依存性を示す。測定は、ｄ＝４ｍｍ、ｈ＝２０ｍｍとして、直径Ｗを変化させながら行った。図６（ｃ）から、チューブ径Ｗを大きくするほど、トルクが大きくなることがわかる。

以上がアクチュエータ１００の動作である。このアクチュエータ１００は、以下の利点を有する。
１．実施の形態に係るアクチュエータ１００によれば、屈曲運動を生成することができ、最大屈曲角度αを湾曲部分１６の長さｈや、固定手段２０による制限幅ｄに応じて、制御することができる。

２．またアクチュエータ１００の可動部の構成は、チューブ１０と固定手段２０のみで足りるため、従来のアクチュエータに比べて、サイズをコンパクトにし、および／または軽量にできるという利点がある。

３．さらに、固定手段２０の位置を変更し、チューブ１０を湾曲させる位置を変化させることにより、屈曲運動を発生させる可動箇所を自在に変更できる。これは、チューブそのものに加工を施したアクチュエータでは得られない利点である。

４．さらに単一のチューブ１０の複数の箇所に、複数の固定手段２０を設けることにより、単一の圧力源３０によって、チューブ１０を複数の箇所で屈曲させることができる。この点については後述する。

図７（ａ）〜（ｄ）は、固定手段２０として利用可能なバックル２０ａの構成を示す図である。図７（ａ）および（ｂ）は、バックル２０ａの正面図および側面図である。バックル２０ａは、コキあるいはアジャスタとも称され、環状部材（角カン）２２と、角カン２２の中央付近をスライド可能に設けられた中軸２４を備える。なお、中軸２４は角カン２２の中央に固定されてもよい。図７（ｃ）、（ｄ）に示すように、チューブ１０がバックル２０ａに挿通された状態で、中軸２４はチューブ１０の束ねられた２箇所の間に位置することになる。固定手段２０としてバックル２０ａを用いることにより、可動箇所の変更および湾曲部分１６の長さｈの調節が容易となる。

続いて、上述のアクチュエータの好適なアプリケーションを説明する。
図８（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態に係るアクチュエータ１００を備えた指の屈曲をサポートする指関節動作支援装置（以下、ＦＴＡ（Finger Tube Actuator）とも称する）２を示す図である。このＦＴＡ２は、脳疾患や整形外科疾患の患者（以下、ユーザともいう）により使用され、筋肉の拘縮予防を目的として定期的なストレッチ動作などのリハビリテーションを支援する。

図８（ａ）を参照する。ＦＴＡ２は、人間の手に装着され、指が不自由なユーザが手を握る動作、および手を開く動作をサポートする。ＦＴＡ２は、第１アクチュエータ４および第２アクチュエータ６を備える。第１アクチュエータ４は、ユーザの指の屈曲運動を支援するために設けられる。これは上述のアクチュエータ１００に相当しており、手の内側（掌側）もしくは外側（甲側）にユーザの指に沿って装着される。チューブ１０の一端１１には、図示しない圧力源３０が接続され、チューブ１０の他端１３は閉じられている。チューブ１０のユーザが手に装着した状態で関節と重なるべき箇所には、複数の固定手段２０_１〜２０_３が設けられている。固定手段２０_１〜２０_３はそれぞれ、指の第１関節〜第３関節に対応しており、固定手段２０_１〜２０_３の間隔ｌ_１、ｌ_２は、ユーザの指の長さに応じて定められる。各関節ごとに最大屈曲角は異なっているため、固定手段２０_１〜２０_３により形成される湾曲部分１６_１〜１６_３の長さｈ_１〜ｈ_３は個別に調節される。

一方、第２アクチュエータ６は、指の延伸運動を支援するために設けられる。第２アクチュエータ６は、第２のチューブ１０ｂと、図示しない第２の圧力源を備える。第２のチューブ１０ｂは柔軟な材料で形成され、たとえば偏平チューブであってもよい。第２のチューブ１０ｂの一端１１ｂには第２の圧力源が接続され、第２のチューブ１０ｂの他端１３ｂは閉じられている。第２アクチュエータ６は、ユーザの指に沿って、手の内側（掌側）もしくは外側（甲側）に装着される。第２の圧力源によって第２のチューブ１０ｂを加圧すると、第２のチューブ１０ｂが延びる。

図８（ｂ）、（ｃ）は、ＦＴＡ２をユーザの手に装着した状態を示す。これらの図８（ｂ）では、第１アクチュエータ４がユーザの手３の甲側に、第２アクチュエータ６（不図示）が掌側に装着されるＦＴＡ２ａを示す。第１アクチュエータ４および第２アクチュエータ６は、指ごとに独立に設けられる。指ごとの第１アクチュエータ４は、共通の圧力源に接続される。指ごとの第２アクチュエータ６も同様である。これにより、手を握る動作と、手を開く動作をサポートすることができる。

なお、指ごとの第１アクチュエータ４は、独立の圧力源に接続されてもよい。第２アクチュエータ６も同様である。この場合、指ごとに独立した曲げ伸ばしをする運動をサポートできる。

図８（ｃ）は、第１アクチュエータ４および第２アクチュエータ６の両方が重ねて手３の甲側に装着されるＦＴＡ２ｂを示す。

なお、複数の指に対してひとつの第１アクチュエータ４を装着してもよい。第２アクチュエータ６も同様である。また、第１アクチュエータ４および第２アクチュエータ６を装着するための手段は特に限定されない。

図９（ａ）、（ｂ）は、ＦＴＡ２の動作を示す図である。図９（ａ）に示すように第１アクチュエータ４に加圧し、第２アクチュエータ６を無加圧とすると、手を握るようにトルクが発生する。反対に、図９（ｂ）に示すように第１アクチュエータ４を無加圧とし、第２アクチュエータ６に加圧すると、手を開くようにトルクが発生する。

親指以外の４本の指は、複数の関節が同じ方向に屈曲するのに対して、親指は特異な屈曲をする。図１０（ａ）は、親指の屈曲の方向を示す図である。具体的には親指の付け根である第３関節は、その第１、第２関節とは異なる方向に屈曲する。図１０（ｂ）は、親指の屈曲に対応する第１アクチュエータ４ｂの構成を示す図である。固定手段２０_１〜２０_３は上述したバックル２０ａであり、第１、第２関節に対応する固定手段２０_１、２０_２は、それぞれの中心に設けられた中軸２４が、チューブ１０の長さ方向に垂直に配置される。これに対して、親指の第３関節に対応する固定手段２０_３は、その中軸２４がチューブ１０に対して斜めとなるように配置される。これにより、固定手段２０_３の箇所では、斜め方向の屈曲運動が実現できる。

図１１は、図８（ａ）〜（ｃ）のＦＴＡ２の制御システムの一例を示すブロック図である。リモコン４０はユーザ自身、もしくはリハビリ運動の管理者によって制御される。リモコン４０によって、屈曲運動、伸展運動が切りかえられる。リモコン４０からの無線制御信号は、受信部４２で受信されマイコン４４に入力される。
第１アクチュエータ４と圧力源３０の間、第２アクチュエータ６と圧力源３０の間には、ソレノイドバルブ４６が設けられる。第１アクチュエータ４側のバルブ４６ａと、第２アクチュエータ６側のバルブ４６ｂはマイコン４４からの制御信号に応じて独立に制御可能となっている。バルブ４６ａによって、第１アクチュエータ４と圧力源３０の間が全開の状態と、第１アクチュエータ４が大気圧に開放される状態とが、連続的に、あるいは段階的に切りかえられる。これにより第１アクチュエータ４のチューブに印加される圧力が制御される。同様にバルブ４６ｂの制御に応じて、第２アクチュエータ６のチューブに印加される圧力が制御される。

バルブ４６ａ、４６ｂの制御は、ソレノイドバルブ４６のインタフェースに適合した形式で行えばよい。たとえばマイコン４４によって、第１アクチュエータ４または第２アクチュエータ６に印加すべき圧力に応じたデューティ比を有するパルス制御信号を生成し、それをソレノイドバルブ４６に供給してもよい。あるいは、マイコンから、圧力に応じたデジタル値を出力し、それをＤ／Ａ変換器によってアナログ電圧に変換して、ソレノイドバルブ４６に出力してもよい。

以上が制御システムの構成例である。このシステムによれば、指の曲げ伸ばし運動をユーザが自在に制御できる。なお、ソレノイドバルブ４６に対する制御信号は、プログラムに応じてマイコン４４により自動生成されてもよい。

このＦＴＡ２によれば、圧力源３０を含めたシステム全体が非常に軽量、コンパクトであるため、医療施設のみでなく、看者の自宅の利用にも適している。また、固定手段２０の位置を変更することで、屈曲部分の位置を看者の指の長さに応じて容易に変更できるため、看者ごとにＦＴＡ２を作成する必要がないという利点もある。また、屈曲部分にモータなどを用いていないため、リハビリを行わないときに装着しても、自然な動きが妨げられないという利点もある。

実施の形態では、アクチュエータ１００の用途としてリハビリテーション用のＦＴＡ２を説明したが、その用途は特に限定されず、屈曲運動が要求されるさまざまなデバイス、機構、システムに利用可能である。

実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１００…アクチュエータ、１０…チューブ、１２…流路、１４…偏平面、１６…湾曲部分、１８…ケーブル、２０…固定手段、３０…圧力源、２…ＦＴＡ、４…第１アクチュエータ、６…第２アクチュエータ。

Claims

その内部に流路を有し、その内部への加圧がない状態において偏平な形状を有するチューブと、
前記チューブの一方の偏平面の前記チューブの端部から離れた所定の２箇所が向き合うように、前記チューブを束ねて前記チューブに湾曲部位を形成するとともに、束ねた箇所における前記チューブの厚みを所定値にて制限する固定手段と、
前記チューブの前記流路に流体を供給する圧力源と、
を備え、
前記チューブの圧力に応じて、前記チューブの前記束ねた箇所よりも一端側の部分と他端側の部分それぞれが、前記チューブの湾曲部位に対して相対的に変位することを特徴とするアクチュエータ。
前記チューブの前記流路内に設けられたガイド用のケーブルをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
前記固定手段は、
環状部材と、
前記環状部材の中央付近に固定して、あるいはスライド可能に取り付けられた中軸と、
を有するバックルであることを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。
前記チューブの異なる複数の箇所に設けられた複数の固定手段を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のアクチュエータ。
前記チューブと対向して設けられ、その内部に流路を有する第２のチューブと、
前記第２のチューブの前記流路に流体を供給する第２の圧力源と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のアクチュエータ。