JPS60234105A - 弾性収縮体による駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は例えば空気圧ロボットのアーム部の角度制御を
行なうサーボ機構に用いる弾性収縮体による駆動装置に
関するものである〇 （従来の技術） 放射性物質の貯蔵、詰め替え、配分、その他実験や加工
に際し放射能汚染からの防ＨＩ壁で囲まれた、いわゆる
ホットセルの遮蔽壁を介した操作に利用するために開発
されたマニプレータ（マジックハンド）は、その後ロボ
ット技術の発展により、人力作業の代替を含む広範用途
においてその使途の拡大はめざましい。このようなマニ
プレータを操作するアクチュエータとしては種々のもの
があるが、モータ特に電気　のものは、スパークが不可
避なので防爆上の必要ある時、好んで空気式が用いられ
、この場合に使途はもちろん汎用でめる口従米の空気式
アクチュエータは、いわゆるエアシリンダタイプのもの
が多いが、そのシリンダーピストン組立体は金属製とす
るのが通例であるので操作力の割りに自重が重くなる欠
点がめった。一方エアバツクタイプの空気圧アクチュエ
ータとして知られている弾性収縮体は内部に空洞を有す
る弾性部材の外周を高張力材料より成る編組み構造に与
り包囲したものであり、弾性部材の内部空洞に圧力を加
えることにより膨径する吸縮組み構造のバンクグラフ作
用により軸方向に収縮する作用を利用し皮ものである。

このような弾性収縮体は軽量でおる上、摺動部分を含ま
ず摩擦力の影響やエヤー洩れの心配もなく、かつエアー
シリンダタイプの空気式アクチュエータの１０倍程度の
作用力全得ることができる利点がある。

このため最近ではマニプレータ全駆動するサーボ機構に
用いる駆動装置として弾性収縮体による駆動装置が多く
用いられている０従米の弾性収縮体による駆動装置では
例えば回転角を制御する場合にはそれぞれ一端全固定し
た２個の弾性収縮体の他端をプーリに巻付けたワイヤに
より連結し、２個の弾性収縮体に加える圧力の差により
プーリを回動させ、プーリに連結したアーム等全所定位
ｆｉｔまで回動させるようにしていた０この場合プーリ
の回転角は位置センサにより回転位置全検出しフィード
バック制御して所定位置に正確に停止するようにしてい
る。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら従来の弾性収縮体による駆動装置はその剛
性が低く、弾性収縮体が作動する際に生じる振動がおさ
まり、プーリが所定の位置に停止するまでにおる程匿時
間がかかる。また作動速度を速くした場合やブーりに連
結するアーム等の長さを長くシ′ｆ′ｃ場合にはこの時
間がさらに長くなること［なる。このプーリが所定の位
置に停止するまでの時間全短縮するため従来は位置フィ
ードバックゲインを高めることでサーボ機構の剛性を高
めていたが、これにもある程度の限界があった。

（問題点全解決するための手段） 本発明の目的は上述した従来の問題点を解決することの
できる弾性収縮体による駆動装ｆｆｉ’に得ることでお
り、この目的を達成するため本発明では弾性収縮体によ
る駆動装置の固有振動数を高めることに着目し、これに
より駆動装置の振動が減衰する時間を短縮しようとする
ものであり、このた（　４　） め本発明の弾性収縮体による駆動装置はそれぞれ一端全
固定した２個の弾性収縮体と、これらの弾性収縮体の他
端同志を連結する連結部材と、この連結部材により駆動
される被駆動部材とを具え、前記２個の弾性収縮体の内
圧変化による伸縮により前記被駆動部材全駆動するよう
にした駆動装置において、それぞれ反対方向に作用する
２個のばねを前記弾性収縮体の一方から他方へ至る駆動
経路に設けたこと全特徴とするもので弗る。

（作　用） このそれぞれ反対方向に作用する２個のばねによりこの
駆動装置の個有振動数全高くすることができ、駆動装置
の振動が減衰する時間が早くなる。

（央　施　例） 以下に図面全参照して本発明の弾性収縮体による駆動装
［を詳述する。

第１図は本発明の第１夾施例を示す図でおる。

２個の弾性収縮体ｌは連結部材であるワイヤ２により連
結し、このワイヤ２？被駆動部材でおるプーリ８に巻付
け、弾性収縮体ｌの作動をワイヤ２を介してプーリ８に
伝えるようにしている。４はプーリ８に連結したアーム
であり、５はアーム番の先端に取付けた所定の部材でお
る。

第２図は第１図に示した弾性収縮体ｌの構成を示す断面
図でめる〇 第２図において、１は弾性収縮体全体を示し１１１は管
状体、１２はその外周の編組み補強構造、１Ｂは両端の
閉鎖部材、１４はかしめキャップでおる０ 管状体１１は、ゴム又はゴム状弾性材料がエアー不透過
性、可撓性の面で重宝に活用され得るが、均等材料・た
とえば各種のプラスチックで代替しおける慣用に準じる
が、その場合にいわゆる静止角（５４°４４’　）　Ｋ
近い編組み角とされるのに反して管状体１１の内圧光て
んによる最大膨径において上記静止角に至るように、の
ぞましくは機組み角度初期値θ。を、２０°程度におい
て、常用の歪みεがほぼ０．１〜０．２程度に至るよう
に使用条件を定める。

この編組み補強構造１２に用いる耐張強化素子は、有機
又は無機質高張力繊維類、たとえば芳香族ポリアミド繊
維（ケプラー：商品名）や、極細金属ワイヤの如きフィ
ラメントの撚り又は無撚りの束などが適合する。

上記初期値２０°のようにかなりに低い角度配列の］・
では、管状体１１の外周における編上げ操作が必ずしも
容易でないけれども、たとえば通常のゴムホース用ブレ
ード編上げ機にて得られる編組み体を上記初期値に適合
するように軸方向に延伸した状Ｍにて、管状体１１の外
周にはめかぶせると＜簡便でおり、この際、管状体１１
の外周に適宜接着を施してもよい。

さらにこの編組み補強構造１２の外周には、適宜、耐候
性、耐外傷性保獲被膜の外皮を設けてもよい０ 閉鎖部材１Ｂは１管状体１１０両端開口に緊密に、好着
しぐは接層剤を用い得る封止合着に供するニップル１５
と、位置定め？司るフランジ１０、さらには連結ビン孔
に６けたアイ又はクレビス端１７とから′ｆＸ！ｌ１１
ニップル１５の外周には、その先端に向う酸テーパーを
、反対向きの急チー・く−とともに形成する、抜は止め
用の環状突条１８を設ける？可とするＯ閉鎖部材１８の
一方は少くとモ片側で、ニップル１５の長さ方向に形成
した孔１９’（ｒ介し管状体１１の内部空洞２０と連通
ずる接続孔２１全４け、ここにフィンティング２２を取
付ケる。ニップル１５の内端において孔１９ｉ横切るよ
うに設けた掛止棒２８にばばね２４を掛合させ、このは
ね２４により管状体１１が収縮する方向にばね力を作用
させる。

かしめキャップ１４は、フランジ１６と係合して管状体
１１の端部外周にかぶさり、とくに端縁にフレアー２５
を形成した円筒状金物より成り、ニップル１５に向けて
半径方向に局部押圧して閉鎖部材１８を管状体１１に封
止合着する。

次に作用全説明する。

（？） 弾性収縮体ｌはフィッティング２２に図示しなイ操作圧
力源、例えばエアーコンプレッサヲ、８万弁を含む管路
により接続し、管状体１１の内部空洞１８内に制御圧力
を適用することにより、編組み構造１２の編組み角θ。

のθ工に至る拡大つまり、パンタグラフ運動によって、
管状体１１の膨径と、それに由来し交軸方向の収縮すな
わち閉鎖部材１８の連結ビン孔間距離の縮少をも九らす
。

一方上記制御圧力の解放にて、内部空洞中のエアーは８
方弁を通して大気中に放散され、管状体ｌは、編組み補
強構造１２の編組み角の減少の下に復元伸長するのはい
うまでもない０ 次にこのような弾性収縮体ｌを用いた駆動装置全体のサ
ーボ機構としての作用を説明する。まず弾性収縮体ＩＫ
ばねが設けてない場合を考えて見るとその運動方程式は
次式のようになるＯＪ＃＋０＞＋ｋｓθ＝ｋｐΔＰ　・
・・・・・・　（１）Ｊ：部材５における慣性モーメン
ト、ｏ：プーリ８の等価粘性係数、ｋｓ　：弾性収縮体
の弾性に（８） よるばね効果、ｋｐ：定数 この駆動装置をサーボ機構として高速で安定して位置制
御するためにはｋｓを大きくし、Ｃ全適正に保つ必要が
ある。そのためにはプーリ８の位置と速度をフィードバ
ックすれば良い。すなわち位置のフィードバックゲイン
ｉｋ□とし速度のフィードバックゲインをに２とし、プ
ーリ３の角度の目標ヲ（１）式に代入すると次式のよう
になるＣＪθ＋（Ｇ十に２ｋｐ）θ＋（ｋ８＋に１ｋｐ
）θ＝ｋｐ　ｋ　、θ　−−−−＜２）上式から明らか
なようＶｒ−に工、に２により粘性係数およびばね定数
音質えることが出来るが、圧力制御の遅れ等のために１
ｔ−大きくするには限界がらるＯ 次に本発明に基づいて弾性収縮体ｌにばねを設けた状態
におけるサーボ機構の運動方程式ケ求めると次式のよう
になる。

ここでＫはばね要素を示す。また弾性収縮体１の収縮力
Ｆは次式のようになる Ｐ：圧力、Ｄ＝初期径、θ。：初期コード角度、ε；収
縮率、ε。：ばねが自然長になる時の収縮率Ｏここで収
縮力Ｆと収縮率εとの関係を示すと第８図に示すように
なる。第８図において破線はばねを設けてない弾性収縮
体全示し、実線はばね金設けた弾性収縮体を示す。なお
ａ、　ａ’はｌ陽／♂の空気圧を加えた場合の特性を示
し、ｂ、　ｂ／は２吟／ｃｍ２．０．０′は８呻／α２
の空気圧を加えた場合全それぞれ示している。実線で示
したばねを設けた弾性収縮体ではばねによりアシストし
た分だけ収縮力が増加しており、また収縮力の増加分に
対する収縮率の増加は小さく、このことは弾性収縮体の
移動量に対し作用する力が大きくなるので駆動装置の剛
性を高くすることになる。これにより駆動装置の固有振
動数が高くなるので、駆動装置の駆動時間ｔもプーリ８
の角度θとの関係は第４図に示すようになる。実線は駆
動装置にばねを設けた本発明の特性を示し、破線はばね
？設けてない駆動装置の特性を示している。

このように駆動装ｆ１ｔ、にばね會設けた本発明のもの
では固有振動数が高いため駆動に際して生じる振動の振
幅がおさまる時間が短かいのでプーリ８を高速かつ安定
して位置制御することが可能となる。

次に第５〜７図を参照して本発明の第２実施例を詳述す
る０この実施例の駆動装置はそれぞれ反対方向に作用す
るはね２６．２７’（＋−プーリ８に設けたものである
０ばね２６は固定部材２８にその一端を掛止し１他端全
ブー９８に固着しｔ揚上部材２９に掛止させる。このば
ね２６は第６図（ａ）の矢印方向にばね力を作用させる
。またはね２７は第６図（ｂ）にその詳ａを示すように
固定部材２８にその一端を掛止し、ブーＩＪ８に固層し
た掛止部材８０にその他端を掛止する。第７図はこの実
施例の駆動装置に用いる弾性収縮体ｌの栴成全示す図（
１１） でおるＣ第２図の弾性収縮体より掛止部２８およびばね
２４がないほかは同じ構成となっている。

この実施例においてもこの駆動装置全サーボ機構として
用いる際の運動方程式は前述の（８）式と同じになり、
ばね２６．２７のばね力の分だけ駆動装置の剛性？高く
し、駆動装置の固有振動数を高くすることができるので
、前述の実施例と同様の効果を得ることができる。

（効　果） 以上詳述したように本発明の弾性収縮体による駆動装置
は２個の弾性収縮体の間に連結した所定の部材を２個の
弾性収縮体の内圧差により駆動する駆動装置において、
それぞれ反対方向に作用する２個のばね全弾性収縮体の
一方から他方へ至る駆動経路に設けｆｃ檜成としｆｃｆ
ｃめ・２個のばねによるばね力の分だけ弾性収縮体の剛
性を高くし、固有振動数を増加させることができるので
、駆動の際駆動装置に生じる振動がおさまる時間が短か
いので駆動装置による位置制御が高速で安定して（１２
） 行なえるという利点を有しており、作製の速さと正確さ
とを要求されるマニプレータに用いるのに極めて有効な
駆動装置である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の弾性収縮体による駆動装置の一笑施例
の構成を示す平面図、 第２図は第１図の駆動装置に用いる弾性収縮体の構成を
示す一部断面平面図、 第８図は第２図の弾性収縮体と従来の弾性収縮体との収
縮力と収縮率との関係を示す特性図１第４図は第２図の
弾性収縮体と従来の弾性収縮体との作動時に生じる振動
と時間との関係會示す特性図、 第５図は本発明の他の実施例の構成を示す一部切欠き平
面図、 第６図（ａ）、中）は第５図に示した２個のばねの構成
を詳細に示した図、 第７図はａｇ５．６図の駆動装置に用いる弾性収縮体の
構成を示す一部断面平面図でるる。 ｌ・・・弾性収縮体　２・・・ワイヤ ８・・・プーリ　４・・・アーム ５・・・部材　１１・・・管状体 ■２・・・編組み補強構造　１８・・・閉鎖部材１４・
・・かしめキャップ　１５・・・ニップル１６・・・フ
ランジ　１７・・・クレビス端１８・・・環状突条　１
９・・・孔 ２０・・・内部空洞　２１・・・接続孔２２・・・フィ
ッティング　２８・・・掛止棒２４・・・ｆｆネ２１５
・・・フレアー〇特許出願人　株式会社　ブリヂストン へ　へ 句　ｐ Ｌ−Ｌ　づ電や Φトー３９収聚

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ｌ　それぞれ一端を固定した２個の弾性収縮体と、これ
   らの弾性収縮体の他端同志全連結する連結部材と、この
   連結部材により駆動される被駆動部材とを具え、前記２
   個の弾性収縮体の内圧変化による伸縮により前記被駆動
   部材を駆動するようにした駆動装置において、それぞれ
   反対方向に作用する２個のばねを前記弾性収縮体の一万
   から他方へ至る駆動経路に設けたことを特徴とする弾性
   収縮体による駆動装置。