JP7560876B2 - Artificial muscle actuator and its operating method - Google Patents
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Description
本発明は、人工筋アクチュエータ及びその作動方法に関する。 The present invention relates to an artificial muscle actuator and its actuation method.
人体装着式の歩行支援装置又はパワーアシスト装置を駆動するためなどの目的で、人工筋アクチュエータ(例えば特許文献1参照)が用いられている。人工筋アクチュエータは、圧力室に面する、弾性筒部と、圧力室内の流体によって弾性筒部が軸方向に変形するように弾性筒部を拘束する、拘束部材と、を有する。 Artificial muscle actuators (see, for example, Patent Document 1) are used for purposes such as driving a wearable walking assistance device or power assist device. The artificial muscle actuator has an elastic tubular portion facing the pressure chamber, and a restraining member that restrains the elastic tubular portion so that the elastic tubular portion is deformed in the axial direction by the fluid in the pressure chamber.
上記のような従来の人工筋アクチュエータは、軽量、高出力、高柔軟性などの点で優れるが、応答性の点で改善の余地がある。 Conventional artificial muscle actuators such as those described above are excellent in terms of light weight, high output, and high flexibility, but there is room for improvement in terms of responsiveness.
そこで、本発明は、応答性に優れる人工筋アクチュエータ及びその作動方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide an artificial muscle actuator with excellent responsiveness and a method for operating the same.
本発明の人工筋アクチュエータは、燃焼室に面する、弾性筒部と、前記燃焼室内で燃料と空気の混合気に点火する、点火装置と、前記燃焼室内の燃焼ガスの膨張によって前記弾性筒部が軸方向に変形するように前記弾性筒部を拘束する、拘束部材と、を有する、人工筋アクチュエータである。 The artificial muscle actuator of the present invention is an artificial muscle actuator having an elastic cylindrical portion facing a combustion chamber, an ignition device that ignites a mixture of fuel and air in the combustion chamber, and a restraining member that restrains the elastic cylindrical portion so that the elastic cylindrical portion deforms in the axial direction due to the expansion of the combustion gas in the combustion chamber.
本発明の人工筋アクチュエータは、上記構成において、前記拘束部材が、前記燃焼室内の燃焼ガスの膨張によって前記弾性筒部が前記軸方向に収縮変形するように前記弾性筒部を拘束する、人工筋アクチュエータであることが好ましい。 In the above configuration, the artificial muscle actuator of the present invention is preferably an artificial muscle actuator in which the restraining member restrains the elastic tubular portion so that the elastic tubular portion contracts and deforms in the axial direction due to the expansion of the combustion gas in the combustion chamber.
本発明の人工筋アクチュエータは、上記構成において、前記拘束部材が、複数の長尺体を編み込んで形成される、編み込み筒部を有する、人工筋アクチュエータであることが好ましい。 In the above configuration, the artificial muscle actuator of the present invention is preferably an artificial muscle actuator in which the restraining member has a braided tubular portion formed by braiding multiple elongated bodies.
本発明の人工筋アクチュエータは、上記構成において、前記拘束部材が、前記軸方向にそれぞれ延びるとともに周方向に並ぶ複数の長尺体で形成される、長尺体群を有する、人工筋アクチュエータであることが好ましい。 In the above configuration, the artificial muscle actuator of the present invention is preferably an artificial muscle actuator having a group of elongated bodies in which the restraining member is formed of a plurality of elongated bodies each extending in the axial direction and aligned in the circumferential direction.
本発明の人工筋アクチュエータは、上記構成において、前記拘束部材が前記弾性筒部よりも径方向外側に設けられる、人工筋アクチュエータであることが好ましい。 In the above configuration, the artificial muscle actuator of the present invention is preferably an artificial muscle actuator in which the restraining member is provided radially outward from the elastic tubular portion.
本発明の人工筋アクチュエータは、上記構成において、前記拘束部材が前記弾性筒部に埋設される、人工筋アクチュエータであることが好ましい。 In the above configuration, the artificial muscle actuator of the present invention is preferably an artificial muscle actuator in which the restraining member is embedded in the elastic tubular portion.
本発明の人工筋アクチュエータは、上記構成において、前記燃料の飽和蒸気圧が1MPa以下である、人工筋アクチュエータであることが好ましい。 In the above configuration, the artificial muscle actuator of the present invention is preferably an artificial muscle actuator in which the saturated vapor pressure of the fuel is 1 MPa or less.
本発明の人工筋アクチュエータは、上記構成において、前記燃料がジメチルエーテルを含む、人工筋アクチュエータであることが好ましい。 In the above configuration, the artificial muscle actuator of the present invention is preferably an artificial muscle actuator in which the fuel contains dimethyl ether.
本発明の人工筋アクチュエータ作動方法は、弾性筒部に面する燃焼室内で燃料と空気の混合気に点火する、点火ステップと、前記燃焼室内の燃焼ガスの膨張によって前記弾性筒部が軸方向に変形するように拘束部材によって前記弾性筒部を拘束する、拘束ステップと、を有する、人工筋アクチュエータ作動方法である。 The artificial muscle actuator operation method of the present invention includes an ignition step of igniting a mixture of fuel and air in a combustion chamber facing the elastic cylindrical portion, and a restraint step of restraining the elastic cylindrical portion with a restraint member so that the elastic cylindrical portion is deformed in the axial direction by the expansion of the combustion gas in the combustion chamber.
本発明によれば、応答性に優れる人工筋アクチュエータ及びその作動方法を提供することができる。 The present invention provides an artificial muscle actuator with excellent responsiveness and a method for operating the same.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を例示説明する。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings.
図1に示す本発明の一実施形態に係る人工筋アクチュエータ1は、燃焼室2に面する、弾性筒部3と、燃焼室2内で燃料と空気の混合気に点火する、点火装置4と、燃焼室2内の燃焼ガスの膨張によって弾性筒部3が軸方向に変形するように弾性筒部3を拘束する、拘束部材5と、を有する。
The artificial muscle actuator 1 according to one embodiment of the present invention shown in FIG. 1 has an elastic cylindrical portion 3 facing the
より具体的に、拘束部材5は、燃焼室2内の燃焼ガスの膨張によって弾性筒部3が軸方向に収縮変形するように弾性筒部3を拘束する。なお、図1において、二点鎖線は、作動前の状態の人工筋アクチュエータ1を示し、実線は、作動後の状態の人工筋アクチュエータ1を示す。
More specifically, the
なお、本実施形態では、弾性筒部3の中心軸線Oに沿う方向を軸方向といい、中心軸線Oに直交する直線に沿う方向を径方向といい、中心軸線Oを周回する方向を周方向という。 In this embodiment, the direction along the central axis O of the elastic tubular portion 3 is referred to as the axial direction, the direction along the straight line perpendicular to the central axis O is referred to as the radial direction, and the direction going around the central axis O is referred to as the circumferential direction.
弾性筒部3は、中心軸線Oを中心とする円筒状をなしてもよいし、円筒状以外の筒状(例えば楕円筒状、角筒状など)をなしてもよい。弾性筒部3の内周面は、燃焼室2に面する。弾性筒部3はゴム又はエラストマー製である。
The elastic tube portion 3 may be cylindrical about the central axis O, or may be a tube other than a cylindrical shape (e.g., an elliptical tube or a rectangular tube). The inner peripheral surface of the elastic tube portion 3 faces the
本実施形態では、人工筋アクチュエータ1は、弾性筒部3の軸方向の両端部3aにそれぞれ固着される、2つの蓋部材6を有する。弾性筒部3の一方の端部3aは、一方の蓋部材6に固着され、弾性筒部3の他方の端部3aは、他方の蓋部材6に固着される。したがって、両端部3aは、それぞれ、対応する蓋部材6によって径方向の変形が拘束される。各々の蓋部材6は、燃焼室2に面する。
In this embodiment, the artificial muscle actuator 1 has two
本実施形態では、一方の蓋部材6に点火装置4が設けられている。点火装置4は、例えばスパークプラグで構成することができる。点火装置4は、燃焼室2内に設けられる。
In this embodiment, the ignition device 4 is provided on one of the
本実施形態では、拘束部材5は、複数の長尺体を編み込んで形成される、編み込み筒部を有する。また、本実施形態では、拘束部材5が弾性筒部3よりも径方向外側に設けられる。したがって、人工筋アクチュエータ1は、マッキベン(Mckibben)型である。このような構成によれば、拘束部材5の拘束により、弾性筒部3の軸方向中間部が径方向外側に膨張変形(図1中の白抜き矢印参照)するのに伴って弾性筒部3を軸方向に収縮変形(図1中の太線矢印参照)させることができる。
In this embodiment, the
しかし、人工筋アクチュエータ1は、マッキベン型に限らず、例えば、軸方向繊維強化型であってもよい。すなわち、人工筋アクチュエータ1は、拘束部材5が、軸方向にそれぞれ延びるとともに周方向に並ぶ複数の長尺体で形成される、長尺体群を有し、長尺体群が弾性筒部3に埋設される、軸方向繊維強化型人工筋アクチュエータ1であってもよい。このような構成によっても、拘束部材5の拘束により、弾性筒部3の軸方向中間部が径方向外側に膨張変形するのに伴って弾性筒部3を軸方向に収縮変形させることができる。すなわち、拘束部材5により、燃焼室2内の燃焼ガスの膨張によって弾性筒部3が軸方向に収縮変形するように弾性筒部3を拘束することができる。
However, the artificial muscle actuator 1 is not limited to the McKibben type, and may be, for example, an axial fiber reinforced type. That is, the artificial muscle actuator 1 may be an axial fiber reinforced type artificial muscle actuator 1 in which the restraining
なお、燃焼室2内を混合気を含む状態にするための構成は特に限定されない。混合気を燃焼室2内に導入する構成としてもよいし、燃焼室2内に燃料と空気を別々に導入する構成としてもよい。燃焼室2内に燃料と空気を別々に導入する構成とする場合には、燃料は液体状態で導入してもよいし、気体状態で導入してもよい。
The configuration for creating a state in the
燃料の飽和蒸気圧は、1MPa以下であることが好ましい。このような構成によれば、燃料を収容するための容器の大きさと重量を抑制し易くすることができる。 The saturated vapor pressure of the fuel is preferably 1 MPa or less. With this configuration, it is easier to reduce the size and weight of the container for storing the fuel.
また、燃料は、ジメチルエーテルを含むことが好ましい。このような構成によれば、優れた環境適合性を確保することができる。また、ジメチルエーテルの飽和蒸気圧は、0.62MPaであり、上記の1MPa以下の条件も満たすことができる。 The fuel preferably contains dimethyl ether. This configuration ensures excellent environmental compatibility. The saturated vapor pressure of dimethyl ether is 0.62 MPa, which satisfies the above condition of 1 MPa or less.
人工筋アクチュエータ1は、燃焼室2内と人工筋アクチュエータ1の外部の空間である外部空間とを連通させる、1つ以上の通気口を有してもよい。1つ以上の通気口を設ける位置は特に限定されず、例えば、弾性筒部3に設けてもよいし、蓋部材6に設けてもよい。また、1つ以上の通気口は、燃焼室2内と外部空間とを常時連通させる構成であってもよいし、燃焼室2内の圧力が所定値以上となった時に開いて燃焼室2内と外部空間とを連通させる構成であってもよい。このような構成によれば、燃焼ガスによって人口筋アクチュエータを作動させた後に、燃焼ガスをその圧力によって1つ以上の通気口を介して外部空間に受動的に排出させることができるので、燃焼室2内から燃焼ガスを能動的に排出するための構成や制御を不要にすることができる。
The artificial muscle actuator 1 may have one or more vents that communicate between the inside of the
本実施形態に係る人工筋アクチュエータ1によれば、燃焼ガスの膨張によって弾性筒部3を軸方向に変形させることで、人工筋アクチュエータ1を作動させることができるので、優れた応答性を得ることができる。すなわち、作動開始のための入力(点火装置4による点火)から作動開始までにかかる時間の短縮を図ることができる。 According to the artificial muscle actuator 1 of this embodiment, the artificial muscle actuator 1 can be operated by deforming the elastic tube portion 3 in the axial direction due to the expansion of the combustion gas, so excellent responsiveness can be obtained. In other words, the time required from the input for starting operation (ignition by the ignition device 4) to the start of operation can be shortened.
また、本発明の一実施形態に係る人工筋アクチュエータ作動方法は、前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ1が作動する方法である。 The artificial muscle actuator actuation method according to one embodiment of the present invention is a method for actuating the artificial muscle actuator 1 according to the embodiment described above.
本実施形態に係る人工筋アクチュエータ作動方法は、弾性筒部3に面する燃焼室2内で燃料と空気の混合気に点火する、点火ステップと、燃焼室2内の燃焼ガスの膨張によって弾性筒部3が軸方向に変形するように拘束部材5によって弾性筒部3を拘束する、拘束ステップと、を有する。
The artificial muscle actuator operation method according to this embodiment includes an ignition step in which a mixture of fuel and air is ignited in the
より具体的に、拘束ステップは、燃焼室2内の燃焼ガスの膨張によって弾性筒部3が軸方向に収縮変形するように拘束部材5によって弾性筒部3を拘束する、拘束ステップである。
More specifically, the restraining step is a step in which the elastic cylindrical portion 3 is restrained by the
本実施形態に係る人工筋アクチュエータ作動方法によれば、燃焼ガスの膨張によって弾性筒部3を軸方向に変形させることで、人工筋アクチュエータ1を作動させることができるので、優れた応答性を得ることができる。 According to the artificial muscle actuator operation method of this embodiment, the artificial muscle actuator 1 can be operated by deforming the elastic tube portion 3 in the axial direction by the expansion of the combustion gas, thereby achieving excellent responsiveness.
本発明は、前述した実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible without departing from the spirit of the invention.
したがって、前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ1及びその作動方法は、例えば以下に述べるような種々の変更が可能である。 Therefore, the artificial muscle actuator 1 and its operating method according to the above-described embodiment can be modified in various ways, for example as described below.
前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ1は、燃焼室2に面する、弾性筒部3と、燃焼室2内で燃料と空気の混合気に点火する、点火装置4と、燃焼室2内の燃焼ガスの膨張によって弾性筒部3が軸方向に変形するように弾性筒部3を拘束する、拘束部材5と、を有する、人工筋アクチュエータ1である限り、種々変更可能である。
The artificial muscle actuator 1 according to the embodiment described above can be modified in various ways as long as it is an artificial muscle actuator 1 that has an elastic tubular portion 3 facing the
例えば、前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ1は、拘束部材5が、燃焼室2内の燃焼ガスの膨張によって弾性筒部3が軸方向に伸長変形するように弾性筒部3を拘束する、人工筋アクチュエータ1であってもよい。この場合、拘束部材5は、例えば、中心軸線Oを中心とする、環状体を有してもよいし、中心軸線Oを中心とする環状をそれぞれなすとともに軸方向に並ぶ複数の環状体で形成される、環状体群を有してもよい。燃焼室2内の燃焼ガスの膨張によって弾性筒部3が径方向に変形することを拘束部材5によって拘束することにより、弾性筒部3の軸方向の伸長変形を促進することができる。
For example, the artificial muscle actuator 1 according to the embodiment described above may be an artificial muscle actuator 1 in which the
なお、前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ1は、上記構成において、拘束部材5が、燃焼室2内の燃焼ガスの膨張によって弾性筒部3が軸方向に収縮変形するように弾性筒部3を拘束する、人工筋アクチュエータ1であることが好ましい。
In addition, the artificial muscle actuator 1 according to the embodiment described above is preferably an artificial muscle actuator 1 in which, in the above configuration, the restraining
また、前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ1は、上記構成において、拘束部材5が、複数の長尺体を編み込んで形成される、編み込み筒部を有する、人工筋アクチュエータ1であることが好ましい。
In addition, in the above-described configuration, the artificial muscle actuator 1 according to the embodiment is preferably an artificial muscle actuator 1 in which the restraining
また、前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ1は、上記構成において、拘束部材5が、軸方向にそれぞれ延びるとともに周方向に並ぶ複数の長尺体で形成される、長尺体群を有する、人工筋アクチュエータ1であることが好ましい。
In addition, the artificial muscle actuator 1 according to the embodiment described above is preferably an artificial muscle actuator 1 having a group of elongated bodies in which the restraining
また、前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ1は、上記構成において、拘束部材5が弾性筒部3よりも径方向外側に設けられる、人工筋アクチュエータ1であることが好ましい。
In addition, the artificial muscle actuator 1 according to the above-described embodiment is preferably an artificial muscle actuator 1 in which the restraining
また、前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ1は、上記構成において、拘束部材5が弾性筒部3に埋設される、人工筋アクチュエータ1であることが好ましい。
In addition, the artificial muscle actuator 1 according to the above-described embodiment is preferably an artificial muscle actuator 1 in which the restraining
また、前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ1は、上記構成において、燃料の飽和蒸気圧が1MPa以下である、人工筋アクチュエータ1であることが好ましい。 In addition, it is preferable that the artificial muscle actuator 1 according to the above-mentioned embodiment is an artificial muscle actuator 1 in which the saturated vapor pressure of the fuel is 1 MPa or less in the above configuration.
また、前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ1は、上記構成において、燃料がジメチルエーテルを含む、人工筋アクチュエータ1であることが好ましい。 In addition, in the artificial muscle actuator 1 according to the embodiment described above, it is preferable that the artificial muscle actuator 1 in the above configuration is an artificial muscle actuator 1 in which the fuel contains dimethyl ether.
前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ作動方法は、弾性筒部3に面する燃焼室2内で燃料と空気の混合気に点火する、点火ステップと、燃焼室2内の燃焼ガスの膨張によって弾性筒部3が軸方向に変形するように拘束部材5によって弾性筒部3を拘束する、拘束ステップと、を有する、人工筋アクチュエータ作動方法である限り、種々変更可能である。
The artificial muscle actuator operation method according to the above-mentioned embodiment can be modified in various ways as long as it is an artificial muscle actuator operation method that includes an ignition step of igniting a mixture of fuel and air in the
例えば、前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ作動方法は、前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ1以外の人工筋アクチュエータ1が作動する方法であってもよい。 For example, the artificial muscle actuator operation method according to the above-mentioned embodiment may be a method for operating an artificial muscle actuator 1 other than the artificial muscle actuator 1 according to the above-mentioned embodiment.
図1に示す人工筋アクチュエータを製作し、変位応答実験と収縮力応答実験を実施した。いずれの実験においても、燃料としてジメチルエーテルを用い、所定の空燃比の混合気を燃焼室に導入してから点火装置によって点火した。 An artificial muscle actuator as shown in Figure 1 was created, and a displacement response experiment and a contraction force response experiment were carried out. In both experiments, dimethyl ether was used as fuel, and a mixture with a specified air-fuel ratio was introduced into the combustion chamber and then ignited by an ignition device.
変位応答実験では、一方の蓋部材のみを固定して点火し、点火時点から他方の蓋部材の軸方向の変位(つまり弾性筒壁の軸方向の収縮)が始まるまでにかかる時間である、変位応答時間を測定した。その結果を図2に示す。図2に示す「変位」の曲線は、他方の蓋部材の変位の測定値を示す。図2に示す「圧力」の曲線は、燃焼室内の圧力の測定値を示す。図2に示されるように、変位応答時間は0.029秒であった。なお、図2に示す0秒の時点が点火時点である。
In the displacement response experiment, only one of the lid members was fixed and ignited, and the displacement response time was measured, which is the time it takes from the time of ignition until the axial displacement of the other lid member (i.e., the axial contraction of the elastic cylinder wall) begins. The results are shown in Figure 2. The "displacement" curve shown in Figure 2 shows the measured displacement of the other lid member. The "pressure" curve shown in Figure 2 shows the measured pressure inside the combustion chamber. As shown in Figure 2, the displacement response time was 0.029 seconds. Note that the
収縮力応答実験では、両方の蓋部材を固定して点火し、点火時点から弾性筒壁の軸方向の収縮力が生じるまでにかかる時間である、収縮力応答時間を測定した。その結果を図3に示す。図3に示す「収縮力」の曲線は、収縮力の測定値を示す。図3に示す「圧力」の曲線は、燃焼室内の圧力の測定値を示す。図3に示されるように、収縮力応答時間は0.015秒であった。なお、図3に示す0秒の時点が点火時点である。
In the contraction force response experiment, both lid members were fixed and ignited, and the contraction force response time was measured, which is the time it takes from the time of ignition until the axial contraction force of the elastic cylinder wall is generated. The results are shown in Figure 3. The "contraction force" curve shown in Figure 3 shows the measured value of the contraction force. The "pressure" curve shown in Figure 3 shows the measured value of the pressure inside the combustion chamber. As shown in Figure 3, the contraction force response time was 0.015 seconds. The
比較のため、バルブを開いて圧縮空気を圧力室内に導入して作動させる従来の人工筋アクチュエータを用いて収縮力応答実験を実施したところ、バルブ開放時点から弾性筒壁の軸方向の収縮力が生じるまでにかかった時間は、0.354秒であった。 For comparison, a contractile force response experiment was conducted using a conventional artificial muscle actuator that operates by opening a valve to introduce compressed air into a pressure chamber. The time it took from the time the valve was opened until a contractile force in the axial direction of the elastic cylinder wall was generated was 0.354 seconds.
1 人工筋アクチュエータ
2 燃焼室
3 弾性筒部
3a 端部
4 点火装置
5 拘束部材
6 蓋部材
O 中心軸線
Reference Signs List 1
Claims (4)
前記燃焼室内で燃料と空気の混合気に点火する、点火装置と、
前記燃焼室内の燃焼ガスの膨張によって前記弾性筒部が軸方向に収縮変形するように前記弾性筒部を拘束する、拘束部材と、
を有し、
前記拘束部材が、複数の長尺体を編み込んで形成される、編み込み筒部を有し、前記弾性筒部よりも径方向外側に設けられる、人工筋アクチュエータ。 an elastic cylindrical portion facing the combustion chamber;
an ignition device for igniting a fuel and air mixture in the combustion chamber;
a restraining member that restrains the elastic cylindrical portion so that the elastic cylindrical portion contracts and deforms in the axial direction due to the expansion of the combustion gas in the combustion chamber;
having
The restraint member has a braided tubular portion formed by braiding a plurality of elongated bodies, and is provided radially outward of the elastic tubular portion .
前記燃焼室内の燃焼ガスの膨張によって前記弾性筒部が軸方向に収縮変形するように拘束部材によって前記弾性筒部を拘束する、拘束ステップと、
を有し、
前記拘束部材が、複数の長尺体を編み込んで形成される、編み込み筒部を有し、前記弾性筒部よりも径方向外側に設けられる、人工筋アクチュエータ作動方法。 an ignition step of igniting a mixture of fuel and air in a combustion chamber facing the elastic tube portion;
a restraining step of restraining the elastic tubular portion by a restraining member so that the elastic tubular portion contracts and deforms in an axial direction due to expansion of the combustion gas in the combustion chamber;
having
The restraining member has a braided tubular portion formed by braiding a plurality of elongated bodies, and is provided radially outward of the elastic tubular portion .
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