アクチュエータ、繰り出し推進アクチュエータおよび足首の底屈・背屈運動支援装置
【課題】多様な方向の変位を発生可能なアクチュエータを提供する。
【解決手段】繰り出し推進アクチュエータ４は、複数のリニアアクチュエータ２＿１〜２＿３を備える。各リニアアクチュエータ２の偏平チューブ１０は可撓性を有し、非加圧状態において偏平断面形状となり、加圧状態において略円形断面形状となる。スライダ２０は、偏平チューブ１０の屈曲部１４を形成し、偏平チューブ１０に沿って移動可能である。複数のリニアアクチュエータ２＿１〜２＿３それぞれの偏平チューブ１０は、それぞれの軸が略平行に配置されるともに、それぞれに対する圧力が独立に制御可能である。
【解決手段】繰り出し推進アクチュエータ４は、複数のリニアアクチュエータ２＿１〜２＿３を備える。各リニアアクチュエータ２の偏平チューブ１０は可撓性を有し、非加圧状態において偏平断面形状となり、加圧状態において略円形断面形状となる。スライダ２０は、偏平チューブ１０の屈曲部１４を形成し、偏平チューブ１０に沿って移動可能である。複数のリニアアクチュエータ２＿１〜２＿３それぞれの偏平チューブ１０は、それぞれの軸が略平行に配置されるともに、それぞれに対する圧力が独立に制御可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈曲、伸展するアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
災害により倒壊した家屋の下敷きになった要救助者を探査する方法として、現在はボーカメやファイバースコープが用いられている。しかし、ボーカメやファイバースコープでは狭く複雑な瓦礫内を奥深くまで侵入し探査することが困難であった。そのため、ボーカメやファイバースコープでは侵入できない狭隘地形内を探査することができるレスキューロボットの開発が求められている。
【０００３】
このような瓦礫に対してクローラや車輪を用いて踏破するロボットや瓦礫内の隙間をホース全体が移動していくロボットが開発されているが、これらはケーブルや本体の一部が突起物に引っかかることで全体の推進が妨げられる可能性がある。
【０００４】
タコの腕にみられる繰り出し動作のように、アクチュエータの先端を繰り出すことを「繰り出し推進」という。この方法は自ら繰り出したアクチュエータに対して推力を生成する駆動方式であり、経路内部の状態や管路径の変化に影響されにくい推進が期待できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２９３６５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
アクチュエータの可動部を複雑な経路に沿って移動させる場合、経路に沿う方向に推進力を発生する必要がある。繰り出し推進アクチュエータに限らず、多様な変位を発生可能なアクチュエータが要求される。
【０００７】
本発明は係る状況におい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、多様な方向の変位を発生可能なアクチュエータの提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様は、アクチュエータに関する。アクチュエータは、複数のリニアアクチュエータを備える。複数のリニアアクチュエータはそれぞれ、非加圧状態において偏平断面形状となり、加圧状態において略円形断面形状となる可撓性の偏平チューブと、偏平チューブの屈曲部を形成し、偏平チューブに沿って移動可能なスライダと、を含む。複数のリニアアクチュエータそれぞれの偏平チューブは、それぞれの軸が略並行に配置されるともに、それぞれに対する圧力が独立に制御可能である。
【０００９】
この態様によれば、偏平チューブそれぞれに異なる圧力を与えることにより、複数のリニアアクチュエータそれぞれに異なるストローク量（変位）を発生させることができる。それにより、可動部を、各リニアアクチュエータそれぞれのストローク量に応じた方向に変位させることができる。
【００１０】
なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のある態様によれば、多様な変位を発生できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施の形態に係るリニアアクチュエータの基本構成を示す図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施の形態に係る繰り出し方向を制御可能な繰り出し推進アクチュエータの構成を示す図である。
【図３】人間の足首を示す図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、第２の実施の形態に係るアクチュエータの構成を示す図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｃ）は、図４（ａ）、（ｂ）のアクチュエータの動作を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
（第１の実施の形態）
図１（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施の形態に係るリニアアクチュエータ２の基本構成を示す図である。このリニアアクチュエータ２は、蛸の足のように繰り出して推進することから、以下では繰り出し推進アクチュエータとも称する。
【００１５】
たとえばリニアアクチュエータ２は、災害により倒壊した家屋をはじめとして、人間が立ち入ることが難しい狭小空間内に、カメラが取り付けられたヘッドを送り出す用途に利用される。
【００１６】
図１（ａ）は、リニアアクチュエータ２の斜視図を、図１（ｂ）はリニアアクチュエータ２の断面図を示す。リニアアクチュエータ２は、偏平チューブ１０およびヘッドユニットであるスライダ２０を備える。偏平チューブ１０は可撓性を有し、その内部の流路１２が非加圧状態において、図１（ｃ）に示すようにその断面が偏平形状となり、流路１２に加圧した状態において、図１（ｄ）に示すようにその断面が略円形となるように変形する。
【００１７】
スライダ２０は、偏平チューブ１０の屈曲部１４を形成し、かつ偏平チューブ１０に沿って移動可能となっている。具体的にスライダ２０は、屈曲部１４を形成するためのストッパー２２を有する。偏平チューブ１０はストッパー２２を支点として折り返される。スライダ２０の先端には、カメラ３０が取り付けられる。
【００１８】
ローラー２４は、偏平チューブ１０を繰り出す際の摺動摩擦を低減するために設けられる。ローラー２６は、スライダ２０が移動する際に、移動経路との間の摩擦を低減するために設けられる。
【００１９】
以上がリニアアクチュエータ２の構成である。続いて図１（ｂ）を参照してリニアアクチュエータ２の動作を説明する。偏平チューブ１０の第１端１１を加圧すると、偏平チューブ１０の第１端１１と屈曲部１４の間の部分の断面が略円形状に変形する。このとき偏平チューブ１０の第２端１３は開放されている。ここでは便宜的に、屈曲部１４と加圧される第１端１１の間の部分を上流側チューブ、屈曲部１４と開放されている第２端１３の間の部分を下流側チューブと称する。加圧を続けると、下流側チューブがストッパー２２を跨いで上流チューブ側に巻き込まれていき、上流側チューブの長さＬが延びることにより可動部であるストッパー２２が繰り出される。
【００２０】
図１（ａ）、（ｂ）のリニアアクチュエータ２は、偏平チューブ１０の軸方向Ｚに対してのみ推力が発生するため、自由空間では、軸方向Ｚにのみスライダ２０を繰り出すことができる。狭い配管内では、管の内壁からの抗力により、スライダ（ヘッド）２０を受動的に配管に沿って繰り出すことができる。しかしながら配管が蛇行している場合や、より複雑な経路内にヘッドを繰り出すためには、リニアアクチュエータ２自体に、繰り出し方向を能動的に変化させる機構が必要となる。
【００２１】
図２（ａ）〜（ｃ）は、繰り出し方向を制御可能な繰り出し推進アクチュエータ４の構成を示す図である。図２（ａ）は繰り出し推進アクチュエータ４の斜視図であり、図２（ｂ）は右側面図、図２（ｃ）は正面図である。
【００２２】
繰り出し推進アクチュエータ４は、複数、具体的には３個のリニアアクチュエータ２＿１〜２＿３を備える。図２のリニアアクチュエータ２は、ローラー２４やローラー２６の配置は図１（ａ）、（ｂ）のそれと異なっているが、基本的な構成および動作原理は図１と同じである。
【００２３】
リニアアクチュエータ２＿１〜２＿３それぞれの偏平チューブ１０＿１〜１０＿３は、それぞれの軸が略並行に配置される。また、偏平チューブ１０＿１〜１０＿ｃそれぞれに対する圧力が、独立に制御可能となっている。
【００２４】
また、リニアアクチュエータ２＿１〜２＿３それぞれのスライダ２０＿１〜２０＿３は、互いに接続されており、ひとつのヘッドユニット６を形成している。スライダ２０＿１〜２０＿３は、隣接する偏平チューブ１０がなす角度が６０度となるように固定される。
【００２５】
以上が繰り出し推進アクチュエータ４の構成である。続いてその動作を説明する。
上述のように、偏平チューブ１０それぞれは、独立に圧力が制御可能となっている。したがって、ストッパー２２＿１〜２２＿３に与えられる推進力を、それぞれに対応する偏平チューブ１０に与えられる圧力によって制御することができる。
【００２６】
偏平チューブ１０＿１〜１０＿３に加圧する際には、偏平チューブ１０の外側が上流側チューブ、内側が下流側チューブとなるように、外側の第１端１１を加圧することが望ましい。なぜなら外側のチューブは障害物等と接触する一方、内側のチューブは、障害物と直接接触しないため摩擦による抗力が小さく、したがって外側を上流側チューブとすることにより、内側の下流側チューブを進行方向Ｚに低摩擦で繰り出すことができるからである。
【００２７】
なお、摩擦の影響が無視しうる場合には、偏平チューブ１０の内側の第２端１３側を加圧してもよい。あるいは、状況に応じて、第１端１１側、第２端１３側を切りかえて加圧してもよい。
【００２８】
（第１の制御）
いずれかひとつの偏平チューブ１０（ここでは１０＿１とする）の第１端１１のみ加圧し、その他の偏平チューブ１０＿２、１０＿３を加圧しない場合、ストッパー２２＿１のみがＺ方向に推力を受け、ストッパー２２＿２、２２＿３はもとの位置にとどまろうとする。その結果、ストッパー２２＿２、２２＿３を支点軸として、ヘッドユニット６を下向き（θ＝２７０°）に傾けることができる。
【００２９】
同様に、偏平チューブ１０＿２にのみ加圧した場合には、ヘッドユニット６をθ＝３０°の方向に傾けることができ、偏平チューブ１０＿３にのみ加圧した場合には、θ＝１５０°の方向に傾けることができる。
【００３０】
（第２の制御）
複数の偏平チューブ１０＿１〜１０＿３のうち、２つ１０＿１、１０＿２を等しく加圧し、残りの１０＿３を加圧しない場合、ヘッドユニット６を、加圧しないリニアアクチュエータ２＿３のストッパー２２＿３を支点軸として、θ＝２１０°の方向に傾けることができる。
同様に、偏平チューブ１０＿１のみ加圧しない場合、ヘッドユニット６をθ＝９０°の方向に、偏平チューブ１０＿２のみ加圧しない場合、θ＝３３０°の方向に傾けることができる。
【００３１】
当業者であれば、２つの偏平チューブを加圧する際に、それらに圧力差を与えることにより、θ＝９０°、２１０°、３３０°のみでなく、それらの中間的な方向にヘッドユニット６を傾けることが可能であることが理解される。
【００３２】
（第３の制御）
各偏平チューブ１０＿１〜１０＿３の外側の一端を均等に加圧し、内側の他端を開放する。これにより、スライダ２０＿１〜２０＿３それぞれのストッパー２２＿１〜２２＿３が等速で軸方向Ｚに進むため、ヘッドユニット６を直進させることができる。この場合、最も強い推進力が得られる。
【００３３】
当業者であれば、第１〜第３制御それぞれの間に、中間的な状態が存在することが理解できる。すなわち、偏平チューブ１０＿１〜１０＿３それぞれに与える圧力、ならびに各偏平チューブ１０＿１〜１０＿３の間の圧力差を適切に制御することにより、ヘッドユニット６を、θ＝０〜３６０°の任意の方向に操舵できることができる。
【００３４】
実施の形態では、リニアアクチュエータ２を３個連結して繰り出し推進アクチュエータ４を構成する例を説明したが、リニアアクチュエータ２の個数は特に限定されない。
【００３５】
（第２の実施の形態）
高齢者や術後間もない看者など臥床状態の生活を長時間強いられる人々には、尖足や血栓をはじめとするさまざまな身体的問題が生ずる。尖足は、足関節を長時間放置することによりアキレス腱が萎縮し、足首が底屈位のまま硬直する症状であり、歩行を困難にする。あるいは足関節の放置は、足の血流量を低下させ、血栓を生じやすくする。この血栓が肺などに流れると肺梗塞などを引き起こしかねない。
【００３６】
現在病院では、これらの症状に対してさまざまな対策を施している。尖足の対策としては、足首を曲げた状態で足底に箱を押し当てるなどして足が伸びないようにし、血栓の対策としては、空圧のマッサージ機能を有する器具により血行を促進している。しかしながら、現状のこれらの対策をもってもなお運動量が不十分とされており、改善した運動量をもたらすために、足関節に双方向屈曲運動を促すアクチュエータが望まれている。
【００３７】
図３は、人間の足首を示す図である。歩行支援を目的として足首動作を支援するアクチュエータがいくつか提案されている。しかしながらそれらの多くは、矢状面５０に対して垂直な固定回転軸をもつ外骨格構造を基本としている。一方、人間の足関節はこの矢状面５０に垂直な方向５２から傾いた生理軸５４を中心に回転を行うため、外骨格構造のアクチュエータを用いると使用中のずれが生ずる。このことから、内骨格に基づいた運動を促すアクチュエータが望まれている。
【００３８】
第２の実施の形態では、内骨格に基づいた運動を可能とするアクチュエータについて説明する。
【００３９】
図４（ａ）、（ｂ）は、第２の実施の形態に係るアクチュエータ８の構成を示す図である。アクチュエータ８は、人間の足首に装着され、足首の双方向屈曲運動を支援する底屈・背屈運動支援装置である。アクチュエータ８には、足首の屈曲角θを、７０°〜１３５°の範囲においてゆっくりと双方向に屈曲運動させる性能が要求される。
【００４０】
アクチュエータ８は、第１装着部６０、第２装着部６２、第１リニアアクチュエータ６４、第２リニアアクチュエータ６６、ポンプ６８備える。
【００４１】
第１装着部６０は、生理軸５４が存在するくるぶしよりも上側のすねの周辺に装着され、第２装着部６２は、くるぶしよりもつま先側に装着される。第１装着部６０と第２装着部６２は、一体に形成されてもよい。アクチュエータ８が足首を底屈、背屈させる際には、第１装着部６０は実質的に変位せず、第２装着部６２が変位する。このことから、第１装着部６０を固定部、第２装着部６２を可動部とも称する。
【００４２】
第１リニアアクチュエータ６４は足の内側に、第２リニアアクチュエータ６６は足の外側に設けられる。第１リニアアクチュエータ６４および第２リニアアクチュエータ６６は、足を挟んで互いに略並行に設けられる。
【００４３】
第１リニアアクチュエータ６４および第２リニアアクチュエータ６６の基本構成は、第１の実施の形態で説明した通りであり、偏平チューブ１０とスライダ２０を備える。第１リニアアクチュエータ６４のスライダ２０は、第１装着部６０の内側に固定されている。スライダ２０は、第１装着部６０と垂直な軸に対して回動可能に固定されることが望ましい。このように、第１リニアアクチュエータ６４のスライダ２０は、偏平チューブ１０に対して相対的に移動するが、第１装着部６０に対して固定されるため、図１（ａ）、（ｂ）で説明したローラー２６は不要であり、構成が簡略化されている。
【００４４】
第１リニアアクチュエータ６４の偏平チューブ１０の第１端１１は、第２装着部６２の内側に固定されている。第１端１１も、第２装着部６２と垂直な軸に対して回動可能に肯定されることが望ましい。反対に第１リニアアクチュエータ６４の第２端１３は特に拘束する必要はない。偏平チューブ１０は、第１端１１、第２端１３それぞれがポンプ６８と接続され、加減圧が可能となっている。偏平チューブ１０の長さは、必要な屈曲角θ（７０°〜１３５°）が得られるように決めればよい。
【００４５】
第２リニアアクチュエータ６６は、第１リニアアクチュエータ６４と同様に構成される。また、第１リニアアクチュエータ６４側の偏平チューブ１０と、第２リニアアクチュエータ６６側の偏平チューブ１０は、独立に圧力が制御可能となっている。
【００４６】
以上がアクチュエータ８の構成である。続いてその動作を説明する。まずはじめに、第１リニアアクチュエータ６４および第２リニアアクチュエータ６６それぞれの偏平チューブ１０に対して、同様の圧力を加えた場合を説明する。
【００４７】
図５（ａ）〜（ｃ）は、図４（ａ）、（ｂ）のアクチュエータ８の動作を示す図である。上段はアクチュエータ８の動作を、下段はそれに対応する足首の動作を示す。
【００４８】
図５（ａ）は、第１端１１および第２端１３がともに非加圧の状態を示す。この状態でアクチュエータ８は何の力も発生させない。
【００４９】
図５（ｂ）は、第１端１１側を加圧し、第２端１３側を非加圧とした状態を示す。この状態では、偏平チューブ１０のストッパー２２と第１端１１の間の断面が略円形に変形し、その結果、偏平チューブ１０の非加圧側の部分がストッパー２２から第１端１１側に引きこまれていく。その結果、足首が延びる方向に力が加わり、底屈動作を実現することができる。
【００５０】
図５（ｂ）は、第１端１１側を非加圧とし、第２端１３側を加圧した状態を示す。この状態では、偏平チューブ１０のストッパー２２と第２端１３の間の断面が略円形に変形し、その結果、偏平チューブ１０の非加圧側の部分がストッパー２２から第２端１３側に引きこまれていく。その結果、足首が曲がる方向に力が加わり、背屈動作を実現することができる。
【００５１】
足首を屈曲させるために必要な力は、屈曲角θの増加にともない増大する一方、従来の一般的なチューブアクチュエータは、変位（ストローク量）の増加にともない力が減少する傾向があり、足首の屈曲運動の支援には不都合であった。これに対してアクチュエータ８は、変位によらずに、言い換えれば足首の屈曲角θによらずに、均等な力を発生させることができるという利点を有する。
【００５２】
人間の足関節は、足の裏を体の外側に向ける状態（回外）を保つ筋力に比べて、足の裏を内側に向ける状態（回内）を保つ筋力の方が１ｋｇ程度大きい。そのため、足は徐々に回外方向に拘縮していく。したがってより効果的な尖足の予防のためには、底屈、背屈運動に加えて、回内、回外方向のストレッチ動作の実現が重要となる。
【００５３】
上述のように、第１リニアアクチュエータ６４と第２リニアアクチュエータ６６は、並行に設けられており、かつそれぞれの偏平チューブ１０は独立に圧力が調節可能となっているため、アクチュエータ８の自由度は２となる。この自由度２を利用することにより、回内運動、回外運動を実現できる。
【００５４】
すなわち、第１リニアアクチュエータ６４では第１端１１側を加圧し、第２リニアアクチュエータ６６では第２端１３側を加圧する。そうすると、第１リニアアクチュエータ６４によって足の内側が延び、第２リニアアクチュエータ６６によって足の外側が曲がる方向に力が発生する。これは足首を軸Ｙを中心として外側（Ｉ）ねじる向きに作用し、回外運動が実現できる。
【００５５】
反対に、第１リニアアクチュエータ６４では第２端１３側を加圧し、第２リニアアクチュエータ６６では第１端１１側を加圧する。そうすると、第１リニアアクチュエータ６４によって足の内側が曲がり、第２リニアアクチュエータ６６によって足の外側が延びる方向に力が発生し、これは足首を軸Ｙを中心として内側（II）にねじる向き作用し、回内運動が実現できる。以上が第２の実施の形態に係るアクチュエータ８の動作である。
【００５６】
第２の実施の形態によれば、内骨格に基づいた運動が可能となり、生理軸５４を中心として足関節を双方向に底屈、背屈させるとともに、回外、回内させることができる。これにより、従来の装置に比べて、尖足や血栓を好適に予防することが可能となる。
【００５７】
図４（ａ）、（ｂ）では、スライダ２０が第１装着部６０側に、偏平チューブ１０の第１端１１が第２装着部６２側に固定されているが、それとは反対に、スライダ２０を第２装着部（可動部）６２側に、偏平チューブ１０の第１端１１を第１装着部（固定部）６０側に固定してもよい。
【００５８】
なお、アクチュエータ８の用途は、足首の底屈・背屈支援装置には限定されず、その他にも、第１の軸（５４）を中心とするθ方向の回転と、第２の軸Ｙを中心とするねじれ方向の回転（ねじれ運動）が必要なさまざまな用途に利用できる。また第１リニアアクチュエータ６４、第２リニアアクチュエータ６６に加えて、さらに多くのリニアアクチュエータを追加し、より多様な運動を発生させることも可能である。
【００５９】
第１、第２の実施の形態では、いずれも偏平チューブ１０およびスライダ２０を有するリニアアクチュエータ２が複数利用されるとともに、それらが略並行に配置され、かつ各リニアアクチュエータの偏平チューブ１０に対する圧力が独立に制御可能である点で共通している。これにより、従来なしえなかったさまざまな方向の運動を実現できる。
【００６０】
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。
【符号の説明】
【００６１】
２…リニアアクチュエータ、４…繰り出し推進アクチュエータ、６…ヘッドユニット、８…アクチュエータ、１０…偏平チューブ、１１…第１端、１２…流路、１３…第２端、１４…屈曲部、２０…スライダ、２２…ストッパー、２４，２６…ローラー、３０…カメラ、６０…第１装着部、６２…第２装着部、６４…第１リニアアクチュエータ、６６…第２リニアアクチュエータ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈曲、伸展するアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
災害により倒壊した家屋の下敷きになった要救助者を探査する方法として、現在はボーカメやファイバースコープが用いられている。しかし、ボーカメやファイバースコープでは狭く複雑な瓦礫内を奥深くまで侵入し探査することが困難であった。そのため、ボーカメやファイバースコープでは侵入できない狭隘地形内を探査することができるレスキューロボットの開発が求められている。
【０００３】
このような瓦礫に対してクローラや車輪を用いて踏破するロボットや瓦礫内の隙間をホース全体が移動していくロボットが開発されているが、これらはケーブルや本体の一部が突起物に引っかかることで全体の推進が妨げられる可能性がある。
【０００４】
タコの腕にみられる繰り出し動作のように、アクチュエータの先端を繰り出すことを「繰り出し推進」という。この方法は自ら繰り出したアクチュエータに対して推力を生成する駆動方式であり、経路内部の状態や管路径の変化に影響されにくい推進が期待できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２９３６５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
アクチュエータの可動部を複雑な経路に沿って移動させる場合、経路に沿う方向に推進力を発生する必要がある。繰り出し推進アクチュエータに限らず、多様な変位を発生可能なアクチュエータが要求される。
【０００７】
本発明は係る状況におい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、多様な方向の変位を発生可能なアクチュエータの提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様は、アクチュエータに関する。アクチュエータは、複数のリニアアクチュエータを備える。複数のリニアアクチュエータはそれぞれ、非加圧状態において偏平断面形状となり、加圧状態において略円形断面形状となる可撓性の偏平チューブと、偏平チューブの屈曲部を形成し、偏平チューブに沿って移動可能なスライダと、を含む。複数のリニアアクチュエータそれぞれの偏平チューブは、それぞれの軸が略並行に配置されるともに、それぞれに対する圧力が独立に制御可能である。
【０００９】
この態様によれば、偏平チューブそれぞれに異なる圧力を与えることにより、複数のリニアアクチュエータそれぞれに異なるストローク量（変位）を発生させることができる。それにより、可動部を、各リニアアクチュエータそれぞれのストローク量に応じた方向に変位させることができる。
【００１０】
なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のある態様によれば、多様な変位を発生できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施の形態に係るリニアアクチュエータの基本構成を示す図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施の形態に係る繰り出し方向を制御可能な繰り出し推進アクチュエータの構成を示す図である。
【図３】人間の足首を示す図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、第２の実施の形態に係るアクチュエータの構成を示す図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｃ）は、図４（ａ）、（ｂ）のアクチュエータの動作を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
（第１の実施の形態）
図１（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施の形態に係るリニアアクチュエータ２の基本構成を示す図である。このリニアアクチュエータ２は、蛸の足のように繰り出して推進することから、以下では繰り出し推進アクチュエータとも称する。
【００１５】
たとえばリニアアクチュエータ２は、災害により倒壊した家屋をはじめとして、人間が立ち入ることが難しい狭小空間内に、カメラが取り付けられたヘッドを送り出す用途に利用される。
【００１６】
図１（ａ）は、リニアアクチュエータ２の斜視図を、図１（ｂ）はリニアアクチュエータ２の断面図を示す。リニアアクチュエータ２は、偏平チューブ１０およびヘッドユニットであるスライダ２０を備える。偏平チューブ１０は可撓性を有し、その内部の流路１２が非加圧状態において、図１（ｃ）に示すようにその断面が偏平形状となり、流路１２に加圧した状態において、図１（ｄ）に示すようにその断面が略円形となるように変形する。
【００１７】
スライダ２０は、偏平チューブ１０の屈曲部１４を形成し、かつ偏平チューブ１０に沿って移動可能となっている。具体的にスライダ２０は、屈曲部１４を形成するためのストッパー２２を有する。偏平チューブ１０はストッパー２２を支点として折り返される。スライダ２０の先端には、カメラ３０が取り付けられる。
【００１８】
ローラー２４は、偏平チューブ１０を繰り出す際の摺動摩擦を低減するために設けられる。ローラー２６は、スライダ２０が移動する際に、移動経路との間の摩擦を低減するために設けられる。
【００１９】
以上がリニアアクチュエータ２の構成である。続いて図１（ｂ）を参照してリニアアクチュエータ２の動作を説明する。偏平チューブ１０の第１端１１を加圧すると、偏平チューブ１０の第１端１１と屈曲部１４の間の部分の断面が略円形状に変形する。このとき偏平チューブ１０の第２端１３は開放されている。ここでは便宜的に、屈曲部１４と加圧される第１端１１の間の部分を上流側チューブ、屈曲部１４と開放されている第２端１３の間の部分を下流側チューブと称する。加圧を続けると、下流側チューブがストッパー２２を跨いで上流チューブ側に巻き込まれていき、上流側チューブの長さＬが延びることにより可動部であるストッパー２２が繰り出される。
【００２０】
図１（ａ）、（ｂ）のリニアアクチュエータ２は、偏平チューブ１０の軸方向Ｚに対してのみ推力が発生するため、自由空間では、軸方向Ｚにのみスライダ２０を繰り出すことができる。狭い配管内では、管の内壁からの抗力により、スライダ（ヘッド）２０を受動的に配管に沿って繰り出すことができる。しかしながら配管が蛇行している場合や、より複雑な経路内にヘッドを繰り出すためには、リニアアクチュエータ２自体に、繰り出し方向を能動的に変化させる機構が必要となる。
【００２１】
図２（ａ）〜（ｃ）は、繰り出し方向を制御可能な繰り出し推進アクチュエータ４の構成を示す図である。図２（ａ）は繰り出し推進アクチュエータ４の斜視図であり、図２（ｂ）は右側面図、図２（ｃ）は正面図である。
【００２２】
繰り出し推進アクチュエータ４は、複数、具体的には３個のリニアアクチュエータ２＿１〜２＿３を備える。図２のリニアアクチュエータ２は、ローラー２４やローラー２６の配置は図１（ａ）、（ｂ）のそれと異なっているが、基本的な構成および動作原理は図１と同じである。
【００２３】
リニアアクチュエータ２＿１〜２＿３それぞれの偏平チューブ１０＿１〜１０＿３は、それぞれの軸が略並行に配置される。また、偏平チューブ１０＿１〜１０＿ｃそれぞれに対する圧力が、独立に制御可能となっている。
【００２４】
また、リニアアクチュエータ２＿１〜２＿３それぞれのスライダ２０＿１〜２０＿３は、互いに接続されており、ひとつのヘッドユニット６を形成している。スライダ２０＿１〜２０＿３は、隣接する偏平チューブ１０がなす角度が６０度となるように固定される。
【００２５】
以上が繰り出し推進アクチュエータ４の構成である。続いてその動作を説明する。
上述のように、偏平チューブ１０それぞれは、独立に圧力が制御可能となっている。したがって、ストッパー２２＿１〜２２＿３に与えられる推進力を、それぞれに対応する偏平チューブ１０に与えられる圧力によって制御することができる。
【００２６】
偏平チューブ１０＿１〜１０＿３に加圧する際には、偏平チューブ１０の外側が上流側チューブ、内側が下流側チューブとなるように、外側の第１端１１を加圧することが望ましい。なぜなら外側のチューブは障害物等と接触する一方、内側のチューブは、障害物と直接接触しないため摩擦による抗力が小さく、したがって外側を上流側チューブとすることにより、内側の下流側チューブを進行方向Ｚに低摩擦で繰り出すことができるからである。
【００２７】
なお、摩擦の影響が無視しうる場合には、偏平チューブ１０の内側の第２端１３側を加圧してもよい。あるいは、状況に応じて、第１端１１側、第２端１３側を切りかえて加圧してもよい。
【００２８】
（第１の制御）
いずれかひとつの偏平チューブ１０（ここでは１０＿１とする）の第１端１１のみ加圧し、その他の偏平チューブ１０＿２、１０＿３を加圧しない場合、ストッパー２２＿１のみがＺ方向に推力を受け、ストッパー２２＿２、２２＿３はもとの位置にとどまろうとする。その結果、ストッパー２２＿２、２２＿３を支点軸として、ヘッドユニット６を下向き（θ＝２７０°）に傾けることができる。
【００２９】
同様に、偏平チューブ１０＿２にのみ加圧した場合には、ヘッドユニット６をθ＝３０°の方向に傾けることができ、偏平チューブ１０＿３にのみ加圧した場合には、θ＝１５０°の方向に傾けることができる。
【００３０】
（第２の制御）
複数の偏平チューブ１０＿１〜１０＿３のうち、２つ１０＿１、１０＿２を等しく加圧し、残りの１０＿３を加圧しない場合、ヘッドユニット６を、加圧しないリニアアクチュエータ２＿３のストッパー２２＿３を支点軸として、θ＝２１０°の方向に傾けることができる。
同様に、偏平チューブ１０＿１のみ加圧しない場合、ヘッドユニット６をθ＝９０°の方向に、偏平チューブ１０＿２のみ加圧しない場合、θ＝３３０°の方向に傾けることができる。
【００３１】
当業者であれば、２つの偏平チューブを加圧する際に、それらに圧力差を与えることにより、θ＝９０°、２１０°、３３０°のみでなく、それらの中間的な方向にヘッドユニット６を傾けることが可能であることが理解される。
【００３２】
（第３の制御）
各偏平チューブ１０＿１〜１０＿３の外側の一端を均等に加圧し、内側の他端を開放する。これにより、スライダ２０＿１〜２０＿３それぞれのストッパー２２＿１〜２２＿３が等速で軸方向Ｚに進むため、ヘッドユニット６を直進させることができる。この場合、最も強い推進力が得られる。
【００３３】
当業者であれば、第１〜第３制御それぞれの間に、中間的な状態が存在することが理解できる。すなわち、偏平チューブ１０＿１〜１０＿３それぞれに与える圧力、ならびに各偏平チューブ１０＿１〜１０＿３の間の圧力差を適切に制御することにより、ヘッドユニット６を、θ＝０〜３６０°の任意の方向に操舵できることができる。
【００３４】
実施の形態では、リニアアクチュエータ２を３個連結して繰り出し推進アクチュエータ４を構成する例を説明したが、リニアアクチュエータ２の個数は特に限定されない。
【００３５】
（第２の実施の形態）
高齢者や術後間もない看者など臥床状態の生活を長時間強いられる人々には、尖足や血栓をはじめとするさまざまな身体的問題が生ずる。尖足は、足関節を長時間放置することによりアキレス腱が萎縮し、足首が底屈位のまま硬直する症状であり、歩行を困難にする。あるいは足関節の放置は、足の血流量を低下させ、血栓を生じやすくする。この血栓が肺などに流れると肺梗塞などを引き起こしかねない。
【００３６】
現在病院では、これらの症状に対してさまざまな対策を施している。尖足の対策としては、足首を曲げた状態で足底に箱を押し当てるなどして足が伸びないようにし、血栓の対策としては、空圧のマッサージ機能を有する器具により血行を促進している。しかしながら、現状のこれらの対策をもってもなお運動量が不十分とされており、改善した運動量をもたらすために、足関節に双方向屈曲運動を促すアクチュエータが望まれている。
【００３７】
図３は、人間の足首を示す図である。歩行支援を目的として足首動作を支援するアクチュエータがいくつか提案されている。しかしながらそれらの多くは、矢状面５０に対して垂直な固定回転軸をもつ外骨格構造を基本としている。一方、人間の足関節はこの矢状面５０に垂直な方向５２から傾いた生理軸５４を中心に回転を行うため、外骨格構造のアクチュエータを用いると使用中のずれが生ずる。このことから、内骨格に基づいた運動を促すアクチュエータが望まれている。
【００３８】
第２の実施の形態では、内骨格に基づいた運動を可能とするアクチュエータについて説明する。
【００３９】
図４（ａ）、（ｂ）は、第２の実施の形態に係るアクチュエータ８の構成を示す図である。アクチュエータ８は、人間の足首に装着され、足首の双方向屈曲運動を支援する底屈・背屈運動支援装置である。アクチュエータ８には、足首の屈曲角θを、７０°〜１３５°の範囲においてゆっくりと双方向に屈曲運動させる性能が要求される。
【００４０】
アクチュエータ８は、第１装着部６０、第２装着部６２、第１リニアアクチュエータ６４、第２リニアアクチュエータ６６、ポンプ６８備える。
【００４１】
第１装着部６０は、生理軸５４が存在するくるぶしよりも上側のすねの周辺に装着され、第２装着部６２は、くるぶしよりもつま先側に装着される。第１装着部６０と第２装着部６２は、一体に形成されてもよい。アクチュエータ８が足首を底屈、背屈させる際には、第１装着部６０は実質的に変位せず、第２装着部６２が変位する。このことから、第１装着部６０を固定部、第２装着部６２を可動部とも称する。
【００４２】
第１リニアアクチュエータ６４は足の内側に、第２リニアアクチュエータ６６は足の外側に設けられる。第１リニアアクチュエータ６４および第２リニアアクチュエータ６６は、足を挟んで互いに略並行に設けられる。
【００４３】
第１リニアアクチュエータ６４および第２リニアアクチュエータ６６の基本構成は、第１の実施の形態で説明した通りであり、偏平チューブ１０とスライダ２０を備える。第１リニアアクチュエータ６４のスライダ２０は、第１装着部６０の内側に固定されている。スライダ２０は、第１装着部６０と垂直な軸に対して回動可能に固定されることが望ましい。このように、第１リニアアクチュエータ６４のスライダ２０は、偏平チューブ１０に対して相対的に移動するが、第１装着部６０に対して固定されるため、図１（ａ）、（ｂ）で説明したローラー２６は不要であり、構成が簡略化されている。
【００４４】
第１リニアアクチュエータ６４の偏平チューブ１０の第１端１１は、第２装着部６２の内側に固定されている。第１端１１も、第２装着部６２と垂直な軸に対して回動可能に肯定されることが望ましい。反対に第１リニアアクチュエータ６４の第２端１３は特に拘束する必要はない。偏平チューブ１０は、第１端１１、第２端１３それぞれがポンプ６８と接続され、加減圧が可能となっている。偏平チューブ１０の長さは、必要な屈曲角θ（７０°〜１３５°）が得られるように決めればよい。
【００４５】
第２リニアアクチュエータ６６は、第１リニアアクチュエータ６４と同様に構成される。また、第１リニアアクチュエータ６４側の偏平チューブ１０と、第２リニアアクチュエータ６６側の偏平チューブ１０は、独立に圧力が制御可能となっている。
【００４６】
以上がアクチュエータ８の構成である。続いてその動作を説明する。まずはじめに、第１リニアアクチュエータ６４および第２リニアアクチュエータ６６それぞれの偏平チューブ１０に対して、同様の圧力を加えた場合を説明する。
【００４７】
図５（ａ）〜（ｃ）は、図４（ａ）、（ｂ）のアクチュエータ８の動作を示す図である。上段はアクチュエータ８の動作を、下段はそれに対応する足首の動作を示す。
【００４８】
図５（ａ）は、第１端１１および第２端１３がともに非加圧の状態を示す。この状態でアクチュエータ８は何の力も発生させない。
【００４９】
図５（ｂ）は、第１端１１側を加圧し、第２端１３側を非加圧とした状態を示す。この状態では、偏平チューブ１０のストッパー２２と第１端１１の間の断面が略円形に変形し、その結果、偏平チューブ１０の非加圧側の部分がストッパー２２から第１端１１側に引きこまれていく。その結果、足首が延びる方向に力が加わり、底屈動作を実現することができる。
【００５０】
図５（ｂ）は、第１端１１側を非加圧とし、第２端１３側を加圧した状態を示す。この状態では、偏平チューブ１０のストッパー２２と第２端１３の間の断面が略円形に変形し、その結果、偏平チューブ１０の非加圧側の部分がストッパー２２から第２端１３側に引きこまれていく。その結果、足首が曲がる方向に力が加わり、背屈動作を実現することができる。
【００５１】
足首を屈曲させるために必要な力は、屈曲角θの増加にともない増大する一方、従来の一般的なチューブアクチュエータは、変位（ストローク量）の増加にともない力が減少する傾向があり、足首の屈曲運動の支援には不都合であった。これに対してアクチュエータ８は、変位によらずに、言い換えれば足首の屈曲角θによらずに、均等な力を発生させることができるという利点を有する。
【００５２】
人間の足関節は、足の裏を体の外側に向ける状態（回外）を保つ筋力に比べて、足の裏を内側に向ける状態（回内）を保つ筋力の方が１ｋｇ程度大きい。そのため、足は徐々に回外方向に拘縮していく。したがってより効果的な尖足の予防のためには、底屈、背屈運動に加えて、回内、回外方向のストレッチ動作の実現が重要となる。
【００５３】
上述のように、第１リニアアクチュエータ６４と第２リニアアクチュエータ６６は、並行に設けられており、かつそれぞれの偏平チューブ１０は独立に圧力が調節可能となっているため、アクチュエータ８の自由度は２となる。この自由度２を利用することにより、回内運動、回外運動を実現できる。
【００５４】
すなわち、第１リニアアクチュエータ６４では第１端１１側を加圧し、第２リニアアクチュエータ６６では第２端１３側を加圧する。そうすると、第１リニアアクチュエータ６４によって足の内側が延び、第２リニアアクチュエータ６６によって足の外側が曲がる方向に力が発生する。これは足首を軸Ｙを中心として外側（Ｉ）ねじる向きに作用し、回外運動が実現できる。
【００５５】
反対に、第１リニアアクチュエータ６４では第２端１３側を加圧し、第２リニアアクチュエータ６６では第１端１１側を加圧する。そうすると、第１リニアアクチュエータ６４によって足の内側が曲がり、第２リニアアクチュエータ６６によって足の外側が延びる方向に力が発生し、これは足首を軸Ｙを中心として内側（II）にねじる向き作用し、回内運動が実現できる。以上が第２の実施の形態に係るアクチュエータ８の動作である。
【００５６】
第２の実施の形態によれば、内骨格に基づいた運動が可能となり、生理軸５４を中心として足関節を双方向に底屈、背屈させるとともに、回外、回内させることができる。これにより、従来の装置に比べて、尖足や血栓を好適に予防することが可能となる。
【００５７】
図４（ａ）、（ｂ）では、スライダ２０が第１装着部６０側に、偏平チューブ１０の第１端１１が第２装着部６２側に固定されているが、それとは反対に、スライダ２０を第２装着部（可動部）６２側に、偏平チューブ１０の第１端１１を第１装着部（固定部）６０側に固定してもよい。
【００５８】
なお、アクチュエータ８の用途は、足首の底屈・背屈支援装置には限定されず、その他にも、第１の軸（５４）を中心とするθ方向の回転と、第２の軸Ｙを中心とするねじれ方向の回転（ねじれ運動）が必要なさまざまな用途に利用できる。また第１リニアアクチュエータ６４、第２リニアアクチュエータ６６に加えて、さらに多くのリニアアクチュエータを追加し、より多様な運動を発生させることも可能である。
【００５９】
第１、第２の実施の形態では、いずれも偏平チューブ１０およびスライダ２０を有するリニアアクチュエータ２が複数利用されるとともに、それらが略並行に配置され、かつ各リニアアクチュエータの偏平チューブ１０に対する圧力が独立に制御可能である点で共通している。これにより、従来なしえなかったさまざまな方向の運動を実現できる。
【００６０】
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。
【符号の説明】
【００６１】
２…リニアアクチュエータ、４…繰り出し推進アクチュエータ、６…ヘッドユニット、８…アクチュエータ、１０…偏平チューブ、１１…第１端、１２…流路、１３…第２端、１４…屈曲部、２０…スライダ、２２…ストッパー、２４，２６…ローラー、３０…カメラ、６０…第１装着部、６２…第２装着部、６４…第１リニアアクチュエータ、６６…第２リニアアクチュエータ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のリニアアクチュエータを備え、
前記複数のリニアアクチュエータはそれぞれ、
非加圧状態において偏平断面形状となり、加圧状態において略円形断面形状となる可撓性の偏平チューブと、
前記偏平チューブの屈曲部を形成し、前記偏平チューブに沿って移動可能なスライダと、
を含み、
前記複数のリニアアクチュエータそれぞれの偏平チューブは、それぞれの軸が略平行に配置されるともに、それぞれに対する圧力が独立に制御可能であることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記複数のリニアアクチュエータそれぞれのスライダは、ひとつの可動部に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記複数のリニアアクチュエータは３個であり、
各リニアアクチュエータそれぞれの前記偏平チューブの偏平面が、隣接する偏平チューブの偏平面と略６０度をなすように配置されることを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のアクチュエータを備えることを特徴とする繰り出し推進アクチュエータ。
【請求項５】
請求項２に記載のアクチュエータを備え、
前記複数のリニアアクチュエータそれぞれの偏平チューブの第１端は、ひとつの固定部に取り付けられており、
前記固定部が足のくるぶしより上に装着可能であり、前記可動部が足のくるぶしより下に装着可能であることを特徴とする、足首の底屈・背屈運動支援装置。
【請求項６】
前記複数のリニアアクチュエータそれぞれのスライダは、ひとつの固定部に取り付けられ、前記複数のリニアアクチュエータそれぞれの偏平チューブの第１端は、ひとつの可動部に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
請求項６に記載のアクチュエータを備え、前記固定部が足のくるぶしより上に装着可能であり、前記可動部が足のくるぶしより下に装着可能であることを特徴とする、足首の底屈・背屈運動支援装置。
【請求項１】
複数のリニアアクチュエータを備え、
前記複数のリニアアクチュエータはそれぞれ、
非加圧状態において偏平断面形状となり、加圧状態において略円形断面形状となる可撓性の偏平チューブと、
前記偏平チューブの屈曲部を形成し、前記偏平チューブに沿って移動可能なスライダと、
を含み、
前記複数のリニアアクチュエータそれぞれの偏平チューブは、それぞれの軸が略平行に配置されるともに、それぞれに対する圧力が独立に制御可能であることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記複数のリニアアクチュエータそれぞれのスライダは、ひとつの可動部に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記複数のリニアアクチュエータは３個であり、
各リニアアクチュエータそれぞれの前記偏平チューブの偏平面が、隣接する偏平チューブの偏平面と略６０度をなすように配置されることを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のアクチュエータを備えることを特徴とする繰り出し推進アクチュエータ。
【請求項５】
請求項２に記載のアクチュエータを備え、
前記複数のリニアアクチュエータそれぞれの偏平チューブの第１端は、ひとつの固定部に取り付けられており、
前記固定部が足のくるぶしより上に装着可能であり、前記可動部が足のくるぶしより下に装着可能であることを特徴とする、足首の底屈・背屈運動支援装置。
【請求項６】
前記複数のリニアアクチュエータそれぞれのスライダは、ひとつの固定部に取り付けられ、前記複数のリニアアクチュエータそれぞれの偏平チューブの第１端は、ひとつの可動部に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
請求項６に記載のアクチュエータを備え、前記固定部が足のくるぶしより上に装着可能であり、前記可動部が足のくるぶしより下に装着可能であることを特徴とする、足首の底屈・背屈運動支援装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２４１８５６（Ｐ２０１２−２４１８５６Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１４７４４（Ｐ２０１１−１１４７４４）
【出願日】平成２３年５月２３日（２０１１．５．２３）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２３日（２０１１．５．２３）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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