(57)【要約】【課題】  アームの長さやアクチュエータ特性に応じた設計が容易で、アームの長さに応じてトルクが増加する特性を持った、伸縮するアクチュエータを用いた関節駆動装置を提供する。【解決手段】  第１アーム２となす角度が一定のまま第１アームと相対運動可能に可動部材４が配置され、第１アームと可動部材を連結するように伸縮可能なアクチュエータ７が配置され、アクチュエータの伸縮に伴い第１アームと可動部材が相対運動して、第１アームと可動部材とに連結された第２アーム３の第１アームとなす角度が変化する。【選択図】図１Ａ
2006192529.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１アームと、
前記第１アームとなす角度が一定のまま前記第１アームと相対運動可能に配置された可動部材と、
前記第１アームと前記可動部材とに連結され、前記第１アームに対する前記可動部材の相対運動に伴い前記第１アームとなす角度が変化するように配置された第２アームと、
前記第１アームと前記可動部材を連結するように配置された伸縮可能なアクチュエータとを備えて、
前記アクチュエータの伸縮に伴い前記第１アームと前記可動部材が相対運動することにより、前記第２アームの前記第１アームとなす角度が変化することを特徴とする関節駆動装置。
【請求項２】
前記第１アームと前記可動部材が平行リンクで接続されていることを特徴とする請求項１に記載の関節駆動装置。
【請求項３】
前記第１アームと前記可動部材が、相対的に摺動する摺動機構を介して接続されていることを特徴とする請求項１に記載の関節駆動装置。
【請求項４】
前記アクチュエータには、電流を流すことにより伸縮するアクチュエータが含まれることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の関節駆動装置。
【請求項５】
前記電流を流すことにより伸縮するアクチュエータが、導電性高分子又は形状記憶合金を用いたアクチュエータであることを特徴とする請求項４に記載の関節駆動装置。
【請求項６】
前記アクチュエータには膜状又は線状のアクチュエータが含まれることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の関節駆動装置。
【請求項７】
前記アクチュエータには、前記第１アームと前記可動部材とを複数回連結する折り返し構造のアクチュエータが含まれることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の関節駆動装置。
【請求項８】
前記アクチュエータには同一形状の複数のアクチュエータが含まれることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の関節駆動装置。
【請求項９】
前記アクチュエータには平行に配置された複数のアクチュエータが含まれることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の関節駆動装置。
【請求項１０】
前記アクチュエータと、前記第１アームもしくは前記可動部材の少なくとも一ヶ所は円柱状の部材を介して接続されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の関節駆動装置。
【請求項１１】
前記円柱状の部材は、前記第１アームもしくは前記可動部材に対して回転可能であることを特徴とする請求項１０に記載の関節駆動装置。
【請求項１２】
前記円柱状の部材が、導電性を有して、駆動時に前記アクチュエータに電流が流れることを特徴とする請求項１０〜１１のいずれか一つに記載の関節駆動装置。
【請求項１３】
前記第１アームが、導電性を有して、駆動時に前記アクチュエータに電流が流れることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一つに記載の関節駆動装置。
【請求項１４】
前記可動部材が、導電性を有して、駆動時に前記アクチュエータに電流が流れることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の関節駆動装置。
【請求項１５】
前記第１アームと前記可動部材は、前記アクチュエータの収縮により発生する相対変位を復元する方向に弾性力を発生させる弾性部材によって連結されていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一つに記載の関節駆動装置。
【請求項１６】
前記第１アームと前記可動部材は、前記アクチュエータの収縮により発生する相対変位を復元する方向に収縮力を発生させる別のアクチュエータによっても連結されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一つに記載の関節駆動装置。
【請求項１７】
前記第１アームと前記第２アームのなす角に応じて前記アクチュエータの伸縮を制御する制御装置を備えることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一つに記載の関節駆動装置。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか一つに記載の前記関節駆動装置の第２アームと請求項１〜１７のいずれか一つに記載の前記関節駆動装置の第１アームもしくは第２アームとを連結することにより、前記２つの関節駆動装置を複数連結して構成されることを特徴とする関節駆動ユニット。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか一つに記載の関節駆動装置により駆動されるロボットアームを有するロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アームの長さに応じてトルクが増加する特性を持った、伸縮するアクチュエータを用いた関節駆動装置、前記関節駆動装置を複数連結された関節駆動ユニット、及び該関節駆動装置により駆動されるロボットアームを有するロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
家庭用ロボットなど人間に近い場所において動作する機械に対する要求の高まりに伴い、人間の筋肉のような役割を果たす人工筋肉への応用を目指して、様々なアクチュエータの方式が研究されている。このようなアクチュエータの例として、導電性高分子を利用したものや形状記憶合金を利用したもの等がある。これらは、電気的な刺激により伸縮するアクチュエータであり、現時点において発生歪みは生体筋に及ばないものの、発生応力では生体筋を上回る性能を実現している。これらのアクチュエータは、複数束ねることで大きな発生力が得られるようになり、そのように構成したアクチュエータによってロボット関節の回転が行われることになる。
【０００３】
アクチュエータの伸縮を関節の回転に変換するための構成としては、通常、生体筋と同様に拮抗構造が用いられている。拮抗構造は、二つのアクチュエータがそれぞれ反対方向へのトルクを発生するように配置した構造である。拮抗構造の一例を図８Ａ〜図８Ｃを用いて簡単に説明する。アーム４１には回転体４３が軸４６を中心に回転自由に接続され、回転体４３にはアーム４２が固定されている。更に、伸縮するアクチュエータ４４、４５は、回転体４３の外周に巻き付きながらとアーム４１とアーム４２を接続している。このように構成することで、アクチュエータ４４が収縮、アクチュエータ４５が伸長することで、アーム４２はアクチュエータ４４の側に回転するようになる。逆に、アクチュエータ４４が伸長、アクチュエータ４５が収縮することで、アーム４２はアクチュエータ４５の側に回転するようになる。このような拮抗構造は、導電性高分子アクチュエータ（例えば、非特許文献１参照）や形状記憶合金アクチュエータ（例えば、特許文献１参照）などのように、収縮方向には駆動力を発生できるが、伸長方向には駆動力を発生させることができないアクチュエータに適した構成である。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３９４８号公報
【非特許文献１】Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．４６９５の８〜１６ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方で、前述したような構成にはいくつかの課題がある。一つは、生体筋と伸縮するアクチュエータの特性の違いによるものである。例えば導電性高分子アクチュエータの特性は、生体筋に比べると発生歪みが約１／１０、発生応力が約１０倍となる。このアクチュエータをそのまま用いて人間と同じ寸法のアームを拮抗構造で駆動することを考えると、変位拡大を行うために関節の回転中心からアクチュエータが接続される位置までの距離を生体筋の１／１０としたり、折り返し等の工夫により断面積を１／１０にしてでもアーム内に１０倍の長さのアクチュエータを配置したりする必要があり、設計に困難が生じることになる。
【０００６】
また、関節駆動という目的からは、関節の回転角度は有限でよく、アームが長くなる場合にはトルクが増加することが望ましい。一方、アームに沿ってアクチュエータを配置させる場合、アクチュエータの変位はアームが長くなるにつれて増加するが、駆動力は変化しない。そのため、アームの長さに応じて回転中心からアクチュエータを接続する位置までの距離を変化させるか、駆動力を増加させるために、アクチュエータの積層枚数を増やす必要がある。よって、導電性高分子や形状記憶合金等を用いたアクチュエータによって関節駆動を行う場合、従来の拮抗構造ではアームの長さと厚みを独立して考えることができず、設計に困難が生じることになる。
【０００７】
従って、本発明の目的は、かかる点に鑑み、アームの長さやアクチュエータ特性に応じた設計が容易で、アームの長さに応じてトルクが増加する特性を持った、伸縮するアクチュエータを用いた関節駆動装置、前記関節駆動装置を複数連結された関節駆動ユニット、及び該関節駆動装置により駆動されるロボットアームを有するロボットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【０００９】
本発明の第１態様によれば、第１アームと、前記第１アームとなす角度が一定のまま前記第１アームと相対運動可能に配置された可動部材と、前記第１アームと前記可動部材とに連結され、前記第１アームに対する前記可動部材の相対運動に伴い前記第１アームとなす角度が変化するように配置された第２アームと、前記第１アームと前記可動部材を連結するように配置された伸縮可能なアクチュエータとを備えて、前記アクチュエータの伸縮に伴い前記第１アームと前記可動部材が相対運動することにより、前記第２アームの前記第１アームとなす角度が変化することを特徴とする関節駆動装置を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
よって、本発明によれば、アームの長さやアクチュエータ特性に応じた設計が容易で、アームの長さに応じてトルクが増加する特性を持った、伸縮するアクチュエータを用いた関節駆動装置が得られるようになる。すなわち、アクチュエータの伸縮が可動部材の相対運動を介して、第１アームと第２アームの角度変化に変換されることから、アクチュエータの伸縮による可動部材の変位量に合わせて第１アーム、第２アーム及び可動部材の位置関係を決定することで、必要とされる関節角度変化とアクチュエータの伸縮量とを対応させることが可能になる。さらに、アクチュエータを複数にすることで可動部材を相対運動させる力が増すことになり、トルクが増加するようになる。このような構成では、アームが長くなるほど配置できるアクチュエータの数が増えることになるので、アームの長さに応じてトルクを増加させることができるようになる。また、アームの長さが変化するときにも、アクチュエータ数の増減のみで対応できるとともに、厚み方向に対する変更が必要ないことから、設計も容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。
【００１２】
本発明の第１態様によれば、第１アームと、前記第１アームとなす角度が一定のまま前記第１アームと相対運動可能に配置された可動部材と、前記第１アームと前記可動部材とに連結され、前記第１アームに対する前記可動部材の相対運動に伴い前記第１アームとなす角度が変化するように配置された第２アームと、前記第１アームと前記可動部材を連結するように配置された伸縮可能なアクチュエータとを備えて、前記アクチュエータの伸縮に伴い前記第１アームと前記可動部材が相対運動することにより、前記第２アームの前記第１アームとなす角度が変化することを特徴とする関節駆動装置を提供する。
【００１３】
このような構成によれば、アクチュエータの伸縮が可動部材の相対運動を介して、第１アームと第２アームの角度変化に変換されることから、アクチュエータの伸縮による可動部材の変位量に合わせて第１アーム、第２アーム及び可動部材の位置関係を決定することで、アクチュエータの伸縮量と必要となる関節角度変化とを対応させることできるようになる。さらに、アクチュエータを複数にすることで可動部材を相対運動させる力が増すことになり、トルクが増加するようになる。このような構成では、アームが長くなるほど配置できるアクチュエータの数が増えることになり、アームの長さに応じてトルクを増加させることができるようになる。また、アームの長さが変化するときにも、アクチュエータ数の増減のみで対応できるとともに、厚み方向に対する変更が必要ないことから、設計も容易になる。よって、アームの長さやアクチュエータ特性に応じた設計が容易で、アームの長さに応じてトルクが増加する特性を持った、伸縮するアクチュエータを用いた関節駆動装置が得られるようになる。
【００１４】
本発明の第２態様によれば、前記第１アームと前記可動部材が平行リンクで接続されていることを特徴とする第１態様に記載の関節駆動装置を提供する。
【００１５】
このような構成によれば、前記第１アームと前記可動部材のなす角度は一定となるとともに、前記第２アームを平行リンクの一辺とする等の方法で、前記可動部材の相対運動の伴う前記第１アームと前記第２アームのなす角の変化を容易に実現可能な関節駆動装置を得ることができる。
【００１６】
本発明の第３態様によれば、前記第１アームと前記可動部材が、相対的に摺動する摺動機構を介して接続されていることを特徴とする第１態様に記載の関節駆動装置を提供する。
【００１７】
このような構成によれば、前記第１アームと前記可動部材のなす角度は一定となる。更に、前記第２アームを前記第１アーム及び前記可動部材との組み合わせにおいて、摺動機構の一例としてスライダクランク機構が構成されるように配置する等の方法で、前記可動部材の相対運動の伴う前記第１アームと前記第２アームのなす角の変化を容易に実現可能な関節駆動装置を得ることができる。
【００１８】
本発明の第４態様によれば、前記アクチュエータには、電流を流すことにより伸縮するアクチュエータが含まれることを特徴とする第１〜３態様のいずれか一つに記載の関節駆動装置を提供する。
【００１９】
このような構成によれば、他の刺激において駆動するアクチュエータに比べて容易に駆動を行うことができる。また、それぞれのアクチュエータは第１アームと可動部材を連結していることから、アクチュエータの長さはアームの長さに依存しないことになる。この場合、電流を流すなどの電気刺激により伸縮するアクチュエータにおいて問題となる内部抵抗の影響は、アームの長さが長くなっても増加しないことになる。よって、アームの長さに応じてトルクが増加する特性に加えて、電流を流すことにより伸縮するアクチュエータにおいて問題となる内部抵抗による影響も増加しないという特徴も備えた関節駆動装置を得ることができる。
【００２０】
本発明の第５態様によれば、前記電流を流すことにより伸縮するアクチュエータが、導電性高分子又は形状記憶合金を用いたアクチュエータであることを特徴とする第４態様に記載の関節駆動装置を提供する。
【００２１】
このような構成によれば、導電性高分子に電流を流すことによって引き起こされる酸化還元反応に伴う伸縮を利用した関節駆動装置を得ることができる。又は、形状記憶合金に電流を流すことによって引き起こされる温度変化に伴う伸縮を利用した関節駆動装置を得ることができる。
【００２２】
本発明の第６態様によれば、前記アクチュエータには膜状又は線状のアクチュエータが含まれることを特徴とする第１〜５態様のいずれか一つに記載の関節駆動装置を提供する。
【００２３】
このような構成によれば、アクチュエータを高密度に配置することが可能になり、より発生トルクを向上させた関節駆動装置を得ることができる。
【００２４】
本発明の第７態様によれば、前記アクチュエータには、前記第１アームと前記可動部材とを複数回連結する折り返し構造のアクチュエータが含まれることを特徴とする第１〜６態様のいずれか一つに記載の関節駆動装置を提供する。
【００２５】
このような構成によれば、アクチュエータを固定する必要がある端部が少なくなることから、全体としてアクチュエータを高密度に配置することが可能になり、より発生トルクを向上させた関節駆動装置を得ることができる。
【００２６】
本発明の第８態様によれば、前記アクチュエータには同一形状の複数のアクチュエータが含まれることを特徴とする第１〜７態様のいずれか一つに記載の関節駆動装置を提供する。
【００２７】
このような構成によれば、複数のアクチュエータの性能を均一化することができるようになり、アクチュエータの増加分に応じて駆動性能が向上する関節駆動装置を得ることができる。
【００２８】
本発明の第９態様によれば、前記アクチュエータには平行に配置された複数のアクチュエータが含まれることを特徴とする第１〜８態様のいずれか一つに記載の関節駆動装置を提供する。
【００２９】
このような構成によれば、複数のアクチュエータを無駄なく積層することが可能になり、より発生トルクを向上させた関節駆動装置を得ることができる。
【００３０】
本発明の第１０態様によれば、前記アクチュエータと、前記第１アームもしくは前記可動部材の少なくとも一ヶ所は円柱状の部材を介して接続されていることを特徴とする第１〜９態様のいずれか一つに記載の関節駆動装置を提供する。
【００３１】
このような構成によれば、前記第１アームと前記可動部材を連結するアクチュエータを容易に折り返すことができることから、全体としてアクチュエータを高密度に配置することが可能になり、より発生トルクを向上させた関節駆動装置を得ることができる。
【００３２】
本発明の第１１態様によれば、前記円柱状の部材は、前記第１アームもしくは前記可動部材に対して回転可能であることを特徴とする第１０態様に記載の関節駆動装置を提供する。
【００３３】
このような構成によれば、アクチュエータの伸縮時において円柱状部材によるアクチュエータの折り返し部分で発生するアンバランスを吸収することができるようになり、アクチュエータの発生力が確実に前記可動部材の駆動に使用できるようになる。よって、アクチュエータの発生力をより確実に発生トルクに変換できる関節駆動装置を得ることができる。
【００３４】
本発明の第１２態様によれば、前記円柱状の部材が、導電性を有して、駆動時に前記アクチュエータに電流が流れることを特徴とする第１０〜１１態様のいずれか一つに記載の関節駆動装置を提供する。
【００３５】
このような構成によれば、アクチュエータに通電するための配線を別に用意する必要が無くなり、空間的に無駄の無い構成の関節駆動装置を得ることができる。
【００３６】
本発明の第１３態様によれば、前記第１アームが、導電性を有して、駆動時に前記アクチュエータに電流が流れることを特徴とする第１〜１２態様のいずれか一つに記載の関節駆動装置を提供する。
【００３７】
このような構成によれば、アクチュエータに通電するための配線を別に用意する必要が無くなり、空間的に無駄の無い構成の関節駆動装置を得ることができる。
【００３８】
本発明の第１４態様によれば、前記可動部材が、導電性を有して、駆動時に前記アクチュエータに電流が流れることを特徴とする第１〜１３態様のいずれか一つに記載の関節駆動装置を提供する。
【００３９】
このような構成によれば、アクチュエータに通電するための配線を別に用意する必要が無くなり、空間的に無駄の無い構成の関節駆動装置を得ることができる。
【００４０】
本発明の第１５態様によれば、前記第１アームと前記可動部材は、前記アクチュエータの収縮により発生する相対変位を復元する方向に弾性力を発生させる弾性部材によっても連結されていることを特徴とする第１〜１４態様のいずれか一つに記載の関節駆動装置を提供する。
【００４１】
このような構成によれば、前記アクチュエータが収縮方向の力しか発生しない場合でも、前記アクチュエータの駆動力を減少させるだけで前記可動部材の相対変位が復元することから、前記第２アームの往復動作が実現可能な関節駆動装置を得ることができる。
【００４２】
本発明の第１６態様によれば、前記第１アームと前記可動部材は、前記アクチュエータの収縮により発生する相対変位を復元する方向に収縮力を発生させる別のアクチュエータによっても連結されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一つに記載の関節駆動装置を提供する。
【００４３】
このような構成によれば、前記アクチュエータが収縮方向の力しか発生しない場合でも、二つのアクチュエータを交互に縮小させることで前記可動部材が往復運動するようになるので、前記第２アームの往復動作が実現可能な関節駆動装置を得ることができる。
【００４４】
本発明の第１７態様によれば、前記第１アームと前記第２アームのなす角に応じて前記アクチュエータの伸縮を制御する制御装置を備えることを特徴とする第１〜１６態様のいずれか一つに記載の関節駆動装置を提供する。
【００４５】
このような構成によれば、前記第１アームと前記第２アームのなす角を正確に調整できるようになるので、位置決め精度に優れた関節駆動装置を得ることができる。
【００４６】
本発明の第１８態様によれば、第１〜１７態様のいずれか一つに記載の前記関節駆動装置の第２アームと請求項１〜１７のいずれか一つに記載の前記関節駆動装置の第１アームもしくは第２アームとを共用することにより、前記２つの関節駆動装置を複数連結して構成されることを特徴とする関節駆動ユニットを提供する。
【００４７】
このような構成によれば、共用される第２アームの両側に、それぞれ関節駆動装置を構成することでより大きな角度変化を生み出したり、共用される第２アームの片側に複数の関節駆動装置を構成し、それぞれの第１アーム同士を接続することでより大きなトルクを生み出せるようになるので、単独の関節駆動装置よりも優れた特性の関節駆動ユニットを得ることができる。
【００４８】
本発明の第１９態様によれば、第１〜１８態様のいずれか一つに記載の関節駆動装置により駆動されるロボットアームを有するロボットを提供する。
【００４９】
このような構成によれば、前記第１〜１８態様のいずれか一つの態様に記載の関節駆動装置により駆動されるロボットアームを有するロボットを構成することができて、前記関節駆動装置の作用効果を奏することができるロボットを得ることができる。
【００５０】
以下、本発明の種々の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【００５１】
（第１実施形態）
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明にかかる第１実施形態の関節駆動装置１の概略を示した図である。図１Ａ及び図１Ｂにおいて、２は長手軸方向とは直交する方向（図１Ａでは上向き）に両端部が屈曲した長尺な第１アーム（例えば基準側アーム又は固定側アーム）の一例もしくは第１アームの骨材である第１棒状部材であり、３は第２アーム（例えば基準側アーム又は固定側アームに対して駆動されて所定の動作を行う被駆動側アーム）もしくは第２アームの骨材である短尺な棒状部材であり、４は第１棒状部材２と相対運動する可動部材（例えば基準側アーム又は固定側アームに対して可動する可動側アーム）の一例であって長手軸方向とは直交する方向（図１Ａでは下向き）に両端部が屈曲した長尺な第２棒状部材である。第１棒状部材２と作用側棒状部材３と第２棒状部材４と連結部材５とは、それぞれ、金属などより構成される。
【００５２】
第１棒状部材２の一方の屈曲端部は、第１棒状部材２の長手方向及び屈曲端部の屈曲方向とは直交する方向沿いの軸１１を介して作用側棒状部材３の基端と回転可能に接続され、同様に第２棒状部材４の一方の屈曲端部も、第２棒状部材４の長手方向及び屈曲端部の屈曲方向とは直交する方向沿いの軸１２を介して作用側棒状部材３の基端と回転可能に接続されている。また、作用側棒状部材３と接続する側と反対側では、第１棒状部材２の他方の屈曲端部は、第１棒状部材２の長手方向及び屈曲端部の屈曲方向とは直交する方向沿いの軸１３を介して短尺な連結部材５の一端と回転可能に接続され、同様に第２棒状部材４の他方の屈曲端部も、第２棒状部材４の長手方向及び屈曲端部の屈曲方向とは直交する方向沿いの軸１４を介して連結部材５の他端と回転可能に接続されている。軸１１〜軸１４は互いに平行に配置され、平行リンクの頂点をそれぞれ構成する位置に配置されて、第１棒状部材２と作用側棒状部材３と第２棒状部材４と連結部材５とにより平行リンク機構を構成しており、第１棒状部材２と第２棒状部材４は互いに平行を保ったまま相対運動するようになっている。
【００５３】
なお、ここでは、一例として、第１棒状部材２を固定側アーム、第２棒状部材４を可動側アームとして取り扱っているが、逆に、第２棒状部材４を固定側アーム、第１棒状部材２を可動側アームとして取り扱うことも可能である。
【００５４】
また、電流を流すことにより伸縮する１つの長尺な膜状のアクチュエータである導電性高分子膜７が、第２棒状部材４に等間隔で設けられた円柱状の部材である支持棒６ａ〜６ｇ、及び第１棒状部材２に等間隔で設けられた円柱状の部材である支持棒６ｈ〜６ｎを介して、第１棒状部材２と第２棒状部材４を連結している。導電性高分子膜７は一端が支持棒６ａに固定されその他端が支持棒６ｎに固定されており、支持棒６ａから、支持棒６ｈに接触して、支持棒６ｉに掛け回され、次いで支持棒６ｂに掛け回され、支持棒６ｃに接触して、支持棒６ｊに接触して、支持棒６ｋに掛け回され、支持棒６ｄに掛け回され、支持棒６ｅに接触して、支持棒６ｌに接触して、支持棒６ｍに掛け回され、支持棒６ｆに掛け回され、支持棒６ｇに接触して、支持棒６ｎに固定されるといった順に前記多数の支持棒と接触する折り返し構造となっている。このような構成とすることで、折り返された導電性高分子膜７は等間隔かつ平行な積層構造になるとともに、支持棒６ａと６ｈ、支持棒６ｉと６ｂ、支持棒６ｃと６ｊ、支持棒６ｋと６ｄ、支持棒６ｅと６ｌ、支持棒６ｍと６ｆ、支持棒６ｇと６ｎ間を跨ぐ導電性高分子膜７のそれぞれの掛け渡し部分の長さは等しくなる。すなわち、導電性高分子膜７の折り返された各部分（掛け渡し部分）は高密度に配置された状態で一様に変形するようになる。なお、第１実施形態では一枚の導電性高分子膜７を折り返し構造としたものをアクチュエータとして用いているが、折り返すことなくアクチュエータ１つ１つをそのままそれぞれの両端を第１及び第２棒状部材２、４に固定してもよいし、後述する第２実施形態のように環状としたものの両端を支持棒に掛ける構造としてもよい。また、それらを複数枚用いても、様々な形状のアクチュエータを組み合わせて用いてもよい。
【００５５】
導電性高分子を利用するアクチュエータに利用可能な導電性高分子としては、ポリピロール、ポリアニリン、又はポリメトキシアニリン等が利用可能であるが、ポリピロールは変位が大きい点で望ましい。また、導電性高分子アクチュエータの膜厚はそれぞれ数μｍ〜数十μｍ程度であるのが望ましい。それより薄いと強度的に弱く、それより厚いと導電性高分子膜７の内部まで十分にイオンが出入りできなくなり、性能が低下するので望ましくない。
【００５６】
一方、導電性高分子アクチュエータを動作させるためには、伸縮する導電性高分子膜以外に、導電性高分子膜に出入りするイオンを供給する電解質托体層と対極が必要となる。これは、導電性高分子アクチュエータが、導電性高分子膜とその導電性高分子膜に対して電解質托体層を介して接続された対極との間に電圧を印加することにより生じる導電性高分子膜の酸化還元現象を利用しているためである。図１Ａ及び図１Ｂでは、電解質托体層と対極とを省略しているが、電解質托体層と対極は折り返された導電性高分子膜７の隙間に配置されている。その積層の様子を図２に示す。図２は導電性高分子膜７を図１Ａ及び図１Ｂの左上から右下に向かって見たときの断面図である。ただし、導電性高分子膜７の三層分についてのみ示している。ここで、三層分とは、導電性高分子膜７の隣接した３つの掛け渡し部分を意味し、例えば、支持棒６ａから支持棒６ｈまでを１層目の導電性高分子膜部７ａ、支持棒６ｉから支持棒６ｂまでを２層目の導電性高分子膜部７ｂ、支持棒６ｃから支持棒６ｊまでを３層目の導電性高分子膜部７ｃとすることを意味する。このように等間隔に配置された導電性高分子膜７の掛け渡し部７ａ、７ｂの間には、電解質托体層の一例であるゲル状電解質８ａ、８ｂを介して、対極である金属電極９ａが導電性高分子膜７の掛け渡し部７ａ、７ｂの概略中間の位置にて接続されている。同様に、導電性高分子膜７の掛け渡し部７ｂ、７ｃの間には、ゲル状電解質８ｃ、８ｄを介して、対極である金属電極９ｂが導電性高分子膜７の掛け渡し部７ｂ、７ｃの概略中間の位置にて接続されている。このように構成することで、それぞれの導電性高分子膜７のそれぞれの掛け渡し部での伸縮の一様性が高まることになる。なお、図２では外側の導電性高分子膜７の掛け渡し部７ａ、７ｃの外側にはゲル状電解質と金属電極が存在していないが、伸縮の一様性をより高めるために、導電性高分子膜７の掛け渡し部７ａ、７ｃの外側にもゲル状電解質と金属電極を設けてもよい。金属電極の材質としては、白金、チタン、ニッケル、又はステンレス等の金属が利用可能であるが、白金は信頼性の点で、ステンレスは安価な点で望ましい。なお、第１実施形態では対極を金属電極としているが、導電性高分子やカーボンなどの金属以外の導体や、それらと金属との複合材料を利用してもよい。また、導電性高分子膜７の掛け渡し部７ａ、７ｂ、７ｃと金属電極９ａ、９ｂは、駆動電源２０とスイッチ２１を間に挟んだ状態で電気的に接続されている。駆動電源２０とスイッチ２１は制御装置２２によって、第１棒状部材２と作用側棒状部材３のなす角が所定の角度となるように導電性高分子膜７の掛け渡し部７ａ、７ｂ、７ｃの伸縮が制御される。
【００５７】
なお、以上の第１実施形態では、電解質托体層を一例としてゲル状電解質８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄとしたが、電解液を用いて周囲をシールするような構造としてもよい。また、導電性高分子膜と金属電極の間に、両者の導通を妨げつつ、イオンの移動を妨げないセパレータを設けてもよい。また、金属電極を導電性高分子膜の間に挟むだけでなく、第１及び第２棒状部材２、４と接続して、両者の相対運動に伴って角度が変化するような構成としてもよい。
【００５８】
次に、この関節駆動装置の動作について説明する。制御装置２２の制御の下にスイッチ２１を閉じ、電源２０の電圧を変化させることで、導電性高分子膜７が伸縮するようになる。導電性高分子膜７が伸張した状態を、図１Ａに示す。図１Ａの導電性高分子膜７が伸張した状態において導電性高分子膜７が収縮すると、平行リンクが構成された状態で支持棒６ａ〜６ｇと支持棒６ｈ〜６ｎとの距離が近づくように、第２棒状部材４は第１棒状部材２に対して右方向に相対運動し、それに伴って軸１２，１４も右方向に動くようになる。その状態を示したのが図１Ｂである。これにより、軸１１、１２と接続された作用側棒状部材３は軸１１を中心に回転するとともに、軸１３、１４と接続された連結部材５は軸１３を中心に回転し、作用側棒状部材３と第１棒状部材２とのなす角が変化するようになる。
【００５９】
なお、図１Ａ及び図１Ｂでは、作用側棒状部材３は第１棒状部材２と平行の状態（図１Ａ）から直角の状態（図１Ｂ）まで回転しているが、回転する角度は０度を越えて１８０度以下の任意の角度であっても良い。必要な回転角度と軸１１、１２間の距離及び軸１３、１４間の距離が決定すれば、軸１１及び軸１３と連動して動く支持棒６ａ〜６ｇの移動量が決まることになる。この移動量が導電性高分子膜７の伸縮量と一致するように支持棒６ｈ〜６ｎの位置を決定すれば、導電性高分子膜７を最大限動作させたときに第１棒状部材２と作用側棒状部材３のなす角は必要な角度だけ回転することになる。この関係は第１棒状部材２の長さ及び導電性高分子膜７の積層枚数に依存しないので、第１棒状部材２の長さに応じて導電性高分子膜の積層枚数が増えるように構成することができる。また、第１棒状部材２の長さにより関節駆動装置１の厚みを変更する必要もないことになる。すなわち、アームの長さに応じて回転角度が一定のまま発生トルクだけを増加させる関節駆動装置が容易に実現できるようになる。
【００６０】
ちなみに、回転する前に第１棒状部材２と作用側棒状部材３とがなす角についても自由に設定しても良い。これは作用側棒状部材３と軸１１、１２を結んだ線とがなす角を変化させることで容易に変更することができる。また、導電性高分子膜７が伸縮するとき、支持棒６ｂ〜６ｍとの接触部において若干の歪みが発生するので、それを吸収するために支持棒６ｂ〜６ｍはそれぞれ第１及び第２棒状部材２、４に対して回転可能であることが望ましい。
【００６１】
さらにこのような構成によれば、アームが長くなるときのポテンシャルドロップの影響が増加しないという効果も得られる。ポテンシャルドロップとは、内部抵抗の影響により電位の変化が減少してしまうことである。導電性高分子アクチュエータのように酸化還元反応により動作するアクチュエータでは、反応が発生する条件としてアクチュエータに作用する電位が重要となる。今、導電高分子膜７の端部に反応が起こる一定の電位を印加したときを考えると、端部においては反応が発生し、電流が流れることになる。この場合、端部から離れたところでの電位の変化は内部抵抗の影響により流れた電流の分だけ減少することになる。そのため、端部から離れたところでは反応が起こらなくなり、アクチュエータ全体としての性能は低下することになる。もちろん、時間とともに端部における反応は収束するようになるので、いずれは端部から離れたところの電位も印加した電位に近づいていくが、導電性高分子膜７全体が反応するためには多くの時間がかかることになる。また、ポテンシャルドロップを見越して与える電位の変化を大きくすることも考えられるが、その場合端部において、溶媒の分解、導電性高分子膜７における不可逆な化学反応などの望ましくない反応がおこるようになり、信頼性の低下を招くことになる。そのため、ポテンシャルドロップの影響を低減するためには、導電性高分子膜７の内部抵抗を減少させるとともに、長さをできるだけ短くする必要がある。第１実施形態における構成では、導電性高分子膜７は第１棒状部材２と第２棒状部材４との間を接続していることから、支持棒６ａ〜６ｎを介して導電性高分子膜７に電位を印加することで、第１棒状部材２の長さに関わりなくポテンシャルドロップの影響を一定にすることができるようになる。また、第１及び第２棒状部材２、４及び支持棒６ａ〜６ｎを全て導体などより構成して導電性を有するようにしかつ作用側棒状部材３と連結部材５は絶縁体などより構成するか、金属体の表面を絶縁体で覆うなどして絶縁性を有するようにして、第１棒状部材２、第２棒状部材４が配線を兼ねるようにすれば、支持棒の数だけ配線を行う必要が無くなり、配線を配置するために空間を確保する必要も無くなることになる。
【００６２】
ただし、図１Ａ及び図１Ｂに示した構成だけでは、導電性高分子膜７が伸張したときに作用側棒状部材３が図１Ｂから図１Ａの状態に戻るためには、図１Ａ及び図１Ｂの左下方向に重力が作用している必要がある。そこで、重力方向に関わりなく双方向動作が可能になるように、図１Ｂから図１Ａの状態への復元力を発生させるための手段を備えるようにすれば、なお望ましい。
【００６３】
例えば、図３に示すように、図１Ａ及び図１Ｂにおいて導電性高分子膜７を設けた第１及び第２棒状部材２、４の側面（図３では奥側の側面）とは反対側の側面（図３では手前側の側面）に、復元力を発生させるための導電性高分子アクチュエータである導電性高分子膜２７をその長手方向が導電性高分子膜７の長手方向と交差するように備えるようにしてもよい。この導電性高分子膜２７は、導電性高分子膜７の場合と同様に、支持棒２６ａ〜２６ｎを介して第１及び第２棒状部材２、４を連結している。すなわち、導電性高分子膜２７は一端が支持棒２６ａに固定されその他端が支持棒２６ｎに固定されており、支持棒２６ａから、支持棒２６ｈに接触して、支持棒２６ｉに掛け回され、次いで支持棒２６ｂに掛け回され、支持棒２６ｃに接触して、支持棒２６ｊに接触して、支持棒２６ｋに掛け回され、支持棒２６ｄに掛け回され、支持棒２６ｅに接触して、支持棒２６ｌに接触して、支持棒２６ｍに掛け回され、支持棒２６ｆに掛け回され、支持棒２６ｇに接触して、支持棒２６ｎに固定されるといった順に前記多数の支持棒と接触する折り返し構造となっている。電解質托体層や対極についても、図２の導電性高分子膜７の構造と同様に備えるような構造とする。このような構成によれば、導電性高分子膜７と導電性高分子膜２７の一方を伸張、一方を収縮させるように動作させることで、重力方向に依存しない双方向動作を実現することができる。
【００６４】
なお、導電性高分子膜７と導電性高分子膜２７は同一の形状、構成としているが、これは同一でなくてもよく、さらに、導電性高分子アクチュエータ以外のアクチュエータを用いてもよい。
【００６５】
また、図４に示すように、アクチュエータの代わりに弾性部材の一例である引っ張りバネ２８の弾性力を利用する構成としてもよい。すなわち、支持棒２６ａと２６ｎとの間に、引っ張りバネ２８を、若干引っ張った状態、言い換えれば、支持棒２６ａと２６ｎ間に引っ張りバネ２８が収縮しようとする力が働く状態に架設する。このような構成では、導電性高分子膜７が収縮して図１Ｂの状態になるとき、第１及び第２棒状部材２、４の相対運動により支持棒２６ａと２６ｎ間の間隔が広がるため、引っ張りバネ２８は伸びることになり、弾性力が発生する。そのため、導電性高分子膜７が伸張するときには図１Ａの状態に戻るための復元力が発生するようになる。
【００６６】
なお、ここでは弾性部材の一例として第１及び第２棒状部材２、４を連結する引っ張りバネを用いているが、弾性部材の別の例として、第１及び第２棒状部材２、４の相対運動を復元するように板バネを第１及び第２棒状部材２、４間に配置してもよい。また、弾性部材のさらに別の例として、軸１１〜１４にコイルバネなどのような回転方向の弾性力を発生させる弾性部材をそれぞれ備えるようにしてもよい。弾性部材のさらに別の例として、また、導電性高分子膜７と平行な方向に圧縮バネを備えるようにしてもよい。
【００６７】
さらに、以上の第１実施形態における、例えば図１Ａの関節駆動装置１を２つ用意してそれぞれ第１関節駆動装置１ｆ，第２関節駆動装置１ｇとし、第１関節駆動装置１ｆに一端が軸１１，１２で連結されている作用側連結部材３Ａの他端を、別の軸１１，１２で第２関節駆動装置１ｇの端部に、作用側連結部材３と同様に取り付けることにより図５に示すように複数連結して関節駆動ユニット９００を構成する。このように構成することで、回転角度を増加させることもできる。すなわち、第１関節駆動装置１ｆにより作用側連結部材３Ａが図５の上側の軸１１回りに回転可能であり、第２関節駆動装置１ｇにより作用側連結部材３Ａが図５の下側の軸１１回りに回転可能となっている。逆に、全体としての回転角度を一定とすれば、複数連結することで、それぞれの第１及び第２関節駆動装置１ｆ，１ｇが発生すべき回転角度を小さくすることもできる。この場合、それぞれの第１及び第２関節駆動装置１ｆ，１ｇを小型化したり、より高トルクにすることが可能になる。
【００６８】
なお、複数の前記関節駆動装置を連結するとき、図５に示すように第２アームとして機能する作用側連結部材３同士を共用するように連結するものに限らず、前記関節駆動装置の第２アームと前記関節駆動装置の第１アームとを連結することにより、前記２つの関節駆動装置を複数連結して構成されるようにしてもよい。このような変形例の関節駆動ユニット装置９００ａを図９に示す。この変形例では、一つの関節駆動装置１の第２アームとして機能する作用側連結部材３と、別の関節駆動装置１の第１アームとして機能する第１棒状部材２とを接続することで、より大きな角度変化を生み出せるようになるので、単独の関節駆動装置よりも優れた特性の関節駆動ユニットを得ることができる。
【００６９】
また、第１実施形態における関節駆動装置１を複数本用いたロボットアーム１０００の構成例を図６に示す。ベース部１１０に含まれる関節駆動装置１ａにより軸１０２回りに肩部１１３が正逆回転するようになっている。さらに、第２腕１１１に含まれる関節駆動装置１ｂにより軸１０３回りに肩部１１３に対して第２腕１１１が正逆回転するようになっている。また、同じく第２腕１１１に含まれる関節駆動装置１ｃ及び第１腕１１２に含まれる関節駆動装置１ｄにより軸１０４回りに第２腕１１１に対して第１腕１１２が正逆回転するようになっている。また、第１腕１１２に含まれる関節駆動装置１ｅにより軸１０５回りに第１腕１１２に対して手１１４が正逆回転するようになっている。これらの回転はそれぞれ独立して行うことができる。
【００７０】
詳しくは、５自由度のロボットアーム１０００は、固定壁３０１に対して、上下方向軸沿いに横方向沿いの平面内で正逆回転する第１関節の上下軸１０１と、上下軸１０１に固定されたベース部１１０と肩部１１３を連結し、上下方向沿いの平面内で正逆回転する第２関節の軸１０２と、肩部１１３と第２腕１１１の一端との間で相互に正逆回転とする第３関節の軸１０３と、第２腕１１１の他端と第１腕１１２の一端との間で相互に正逆回転とする第４関節の軸１０４と、第１腕１１２の他端と手１１４との間で相互に正逆回転とする第５関節の軸１０５とより構成されている。
【００７１】
軸１０１では、その上下端部が、固定壁３０１に固定された軸受け１２０と１２１で回転自在にかつ上下方向沿いに支持されており、この軸１０１の側面にベース部１１０が軸方向沿いに固定されている。軸１０２、１０３では、肩部１１３が関節駆動装置１ａ、１ｂにとっての被駆動側アームの役割を果たしており、関節駆動装置１ａ、１ｂによりベース部１１０と第２腕１１１のなす角を大きく変化させることができるようになっている。軸１０４では、関節駆動装置１ｃ、１ｄを有する第２腕１１１と第１腕１１２とがお互いにそれぞれの被駆動側アームとなるように、関節駆動装置１ｃ、１ｄにおける作用側連結部材を共有し、関節駆動装置１ｃ、１ｄが連動して動作することで、単一の関節として動作するように構成している。軸１０５では、手１１４が関節駆動装置１ｅを有する第１腕１１２にとっての被駆動側アームとしての役割を果たしている。
【００７２】
関節駆動装置１ａ〜１ｅのそれぞれは、図２の制御装置２２に相当する制御コンピュータなどの制御装置１００１により、それぞれの電源２０の電圧やスイッチ２１のオンオフ状態が適宜制御され、それぞれの関節角度が独立して制御される。
【００７３】
このような構成とすることで、多自由度を生かし、人間の腕のようにしなやかな動きをするロボットアーム１０００が得られる。これにより、特に家庭用途に適したロボットアームを実現することができる。
【００７４】
（第２実施形態）
図７Ａ及び図７Ｂは、本発明にかかる第２実施形態の関節駆動装置１の概略を示した図である。なお、前述した第１実施形態と同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００７５】
図７Ａ及び図７Ｂにおいて、第１実施形態とは異なって一方の端部にのみ屈曲部がある第１棒状部材２は、金属体３１、３３及び金属体３１、３３間に配置された絶縁性の樹脂層３２により構成されている。第１棒状部材２の一方の屈曲端部は軸１５を介して作用側棒状部材３の基端と回転可能に接続され、第１棒状部材２より相当短尺でかつ屈曲部が無い第２棒状部材４Ａの一端も、軸１７を介して連結部材３４の一端と回転可能に接続され、かつ、連結部材３４の他端は軸１６を介して作用側棒状部材３の基端と回転可能に接続されている。また、第２棒状部材４Ａは、摺動機構の一例である、第１棒状部材２の金属体３１に固定された導電性のリニアガイド３５に長手方向に摺動自在かつ摺動方向と直交する方向に抜け止めされるように係合されて、リニアガイド３５を介して第１棒状部材２と相対的に摺動自在に接続されている。これにより、第１棒状部材２と第２棒状部材４Ａは平行を保ったまま相対運動することになる。第１棒状部材２と第２棒状部材４Ａの相対運動に対する復元力として、弾性部材の一例である圧縮バネ３８が、第２棒状部材４Ａの他端部と、第２棒状部材４Ａとは別に第１棒状部材２に固定された突起部３９との間に設けられて、図７Ｂに示されるように第２棒状部材４Ａがリニアガイド３５沿いに右方向に移動するときは圧縮バネ３８が縮み、第２棒状部材４Ａに圧縮バネ３８が伸長しようとする力が付与される一方、図７Ａに示されるように第２棒状部材４Ａがリニアガイド３５沿いに左方向に移動するときには圧縮バネ３８が伸びるようにしている。復元力を与える手段としては弾性部材に限られるものではなく、アクチュエータを用いても同様に実施可能である。
【００７６】
また、電気刺激、例えば電流を流すことにより伸縮する線状のアクチュエータである形状記憶合金３７ａ、３７ｂが、第２棒状部材４Ａに設けられた円柱状の部材である導電性の支持棒３６ａと第１棒状部材２に設けられた円柱状の部材である導電性の支持棒３６ｃとの間、及び、第２棒状部材４Ａに設けられた円柱状の部材である導電性の支持棒３６ｂと第１棒状部材２に設けられた円柱状の部材である導電性の支持棒３６ｄの間にそれぞれ架設して、第１棒状部材２と第２棒状部材４を連結している。形状記憶合金３７ａ、３７ｂはそれぞれ室温からの温度上昇により収縮し、室温まで温度降下することで伸張する特性を持っている。また、形状記憶合金３７ａ、３７ｂは線状の部材の両端を連結して支持棒３６ａと３６ｃ間及び支持棒３６ｂと３６ｄ間でそれぞれ環状にかつ張り渡された状態となるように構成されている。支持棒３６ａ〜３６ｄは、形状記憶合金３７ａ、３７ｂが平行かつ同じ長さとなるような位置に第１棒状部材２と第２棒状部材４とにそれぞれ配置するのが、形状記憶合金３７ａ、３７ｂの両方の収縮力を有効に利用できるので望ましい。
【００７７】
なお、第２実施形態では二本の形状記憶合金を環状にしたものをアクチュエータとして用いているが、線状のアクチュエータの両端をそのまま第１及び第２棒状部材２、４の支持棒３６ａと３６ｃ及び支持棒３６ｂと３６ｄにそれぞれ固定してもよいし、支持棒３６ａから始まり、支持棒３６ｃ及び支持棒３６ｂを掛け回したのち、支持棒３６ｄに固定されるといった第１実施形態のような折り返し構造としてもよい。また、形状記憶合金を３枚以上用いてもよいし、又は、様々な形状のアクチュエータを組み合わせて用いてもよい。更に、形状記憶合金を支持棒の間に一重に巻き付けるだけでなく、複数回巻き付ける構成としても良い。いずれについても本発明に含まれる。
【００７８】
次に、この関節駆動装置の動作について説明する。制御装置２２の制御の下にスイッチ２１を閉じると、絶縁性の樹脂３２を挟んで配置されたて金属体３１、３３の間に電源２０の発生電圧が印加される。上側の金属体３１は、導電性のリニアガイド３５、第２棒状部材４、導電性の支持棒３６ａ、３６ｂを介して、形状記憶合金３７ａ、３７ｂの支持棒３６ａ、３６ｂに接触した部分とそれぞれ電気的に接続されており、下側の金属体３３は、支持棒３６ｃ、３６ｄを介して形状記憶合金３７ａ、３７ｂの支持棒３６ｃ、３６ｄに接触した部分と電気的に接続されている。これにより、電源２０の発生電圧が、上側の金属体３１と下側の金属体３３とを介して形状記憶合金３７ａ、３７ｂの両端部にそれぞれ印加され、形状記憶合金３７ａ、３７ｂの内部を電流がそれぞれ流れる。それに伴い、内部抵抗のため形状記憶合金３７ａ、３７ｂの温度がそれぞれ室温から上昇し、形状記憶合金３７ａ、３７ｂは収縮するようになる。一方、制御装置２２の制御の下にスイッチ２１を開くと、形状記憶合金３７ａ、３７ｂに電流は流れなくなり、形状記憶合金３７ａ、３７ｂの温度は室温まで下がって伸張するようになる。形状記憶合金３７ａ、３７ｂが伸張して作用側棒状部材３が第２棒状部材４Ａの長手方向沿いに位置した状態（第１棒状部材２と平行な状態）を、図７Ａに示す。この図７Ａの状態から形状記憶合金３７ａ、３７ｂが前記したように収縮すると、支持棒３６ａ、３６ｂと支持棒３６ｃ、３６ｄとの距離が近づくように、図７Ｂに示されるように、第２棒状部材４Ａはリニアガイド３５上を右方向に相対運動する。それに伴って作用側棒状部材３が連結部材３４に引っ張られることになり、軸１５を中心に作用側棒状部材３が第１棒状部材２に対して回転するようになる。回転後の状態すなわち第１棒状部材２に対して作用側棒状部材３が直角方向に屈曲した位置まで作用側棒状部材３が回転した状態を示したのが図７Ｂである。このように、形状記憶合金３７ａ、３７ｂに電流を流すことにより、作用側棒状部材３と第１棒状部材２とのなす角が変化するようになる。
【００７９】
なお、図７Ａ及び図７Ｂでは、作用側棒状部材３は、第１棒状部材２と平行な状態から直角の状態まで回転しているが、回転する角度は０度を超えて１８０度以下のいずれであっても良い。必要な回転角度と軸１５、１６間の距離が決定すれば、軸１６を軸１５回りに動かすために必要な支持棒３６ａ、３６ｂの移動量が決まることになる。これが形状記憶合金３７ａ、３７ｂの伸縮量と一致するように支持棒３６ｃ、３６ｄの位置を決定すれば、形状記憶合金３７ａ、３７ｂを最大限動作させたときに第１棒状部材２、３のなす角は必要な角度だけ回転することになる。この関係は、第１棒状部材２の長さ及び形状記憶合金３７ａ、３７ｂの本数に依存しないので、第１棒状部材２の長さに応じて形状記憶合金３７ａ、３７ｂの本数を増やすことにより発生トルクだけを増加させるように構成することができる。また、第１棒状部材２の長さにより関節駆動装置１の厚みを変更する必要もないことになる。すなわち、アームの長さに応じて回転角度が一定のまま発生トルクだけを増加させる関節駆動装置が容易に実現できるようになる。
【００８０】
ちなみに、作用側棒状部材３が回転する前に第１棒状部材２と作用側棒状部材３とがなす角についても任意に設定しても良い。これは作用側棒状部材３の長手方向の線と軸１５、１６を結んだ線とがなす角を変化させるように作用側棒状部材３の形状を選択したり又は軸１５、１６の位置を決定することで容易に変更することができる。また、形状記憶合金３７ａ、３７ｂが伸縮するとき、支持棒３６ａ〜３６ｄとの接触部において滑りが発生するので、それを吸収するために支持棒３６ａ〜３６ｄは回転可能に第２棒状部材４Ａ及び第１棒状部材２に設けることが望ましい。
【００８１】
さらに、このような構成によれば、アームが長くなっても、アームの関節駆動に必要な電圧が上昇しないという効果も得られる。第２実施形態における形状記憶合金３７ａ、３７ｂより構成するアクチュエータのように、内部に電流を流すアクチュエータでは、アクチュエータが長くなるほど一定の電流を流すのに必要な電圧が上昇することになる。そのため、駆動電圧を上昇させないためには、アクチュエータの長さをできるだけ短くする必要がある。第２実施形態における構成では、形状記憶合金３７ａ、３７ｂは第１棒状部材２と第２棒状部材４との間を接続していることから、その長さは第１棒状部材２自体の長さに関わりが無いことになる。すなわち、第１棒状部材２が長くなり、それに応じて形状記憶合金の量（本数又は厚さ又は長さ）を増やしても、アクチュエータの駆動に必要な電圧は上昇しないことになる。
【００８２】
なお、本発明の関節駆動装置に用いるアクチュエータの方式は、導電性高分子アクチュエータや形状記憶合金アクチュエータに限定されるものではなく、伸縮動作するアクチュエータならいずれも実施可能であり、いずれも本発明に含まれる。
【００８３】
なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明にかかる関節駆動装置は、アームの長さやアクチュエータ特性に応じた設計が容易で、アームの長さに応じてトルクが増加する特性が得られるものであり、ロボットアーム等における関節駆動装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１Ａ】本発明の第１実施形態による関節駆動装置の伸張駆動状態での概略を示す図である。
【図１Ｂ】本発明の第１実施形態による前記関節駆動装置の屈曲駆動状態での概略を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態における導電性高分子膜、ゲル状電解質及び金属電極の積層状態を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態の１つの変形例による関節駆動装置における復元力発生用アクチュエータの構成例を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態の別の変形例による関節駆動装置における復元力発生用弾性部材の構成例を示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態による関節駆動装置を複数連結して関節駆動ユニットを構成する構成例を示す図である。
【図６】本発明の第１実施形態による関節駆動装置を複数用いたロボットアームの概略を示す図である。
【図７Ａ】本発明の第２実施形態による関節駆動装置の伸張駆動状態での概略を示す図である。
【図７Ｂ】本発明の第２実施形態による前記関節駆動装置の屈曲駆動状態での概略を示す図である。
【図８Ａ】従来の拮抗構造による関節駆動装置の概略を示す図である。
【図８Ｂ】従来の拮抗構造による関節駆動装置の概略を示す図である。
【図８Ｃ】従来の拮抗構造による関節駆動装置の概略を示す図である。
【図９】本発明の第１実施形態による関節駆動装置を複数連結して別の関節駆動ユニットを構成する構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００８６】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ  関節駆動装置
２  第１棒状部材
３  作用側棒状部材、
４  第２棒状部材
５、３４  連結部材
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ、６ｇ、６ｈ、６ｉ、６ｊ、６ｋ、６ｌ、６ｍ、６ｎ  支持棒
７  導電性高分子膜
７ａ、７ｂ、７ｃ  導電性高分子膜の掛け渡し部
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ  ゲル状電解質
９ａ、９ｂ  金属電極
１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７  軸
２０  駆動電源
２１  スイッチ
２２  制御装置
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ、２６ｆ、２６ｇ、２６ｈ、２６ｉ、２６ｊ、２６ｋ、２６ｌ、２６ｍ、２６ｎ、３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ  支持棒
２７  導電性高分子膜
２８  引っ張りバネ
３１、３３  金属体
３２  樹脂層
３５  リニアガイド
３７ａ、３７ｂ  形状記憶合金
３８  圧縮バネ
３９  突起部
４１、４２  アーム
４３  回転体
４４、４５  アクチュエータ
４６  軸
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５  軸
１１０  ベース部
１１１  第２腕
１１２  第１腕
１１３  肩部
１１４  手
１２０、１２１  軸受け
３０１  固定壁
９００、９００ａ  関節駆動ユニット
１０００  ロボットアーム
１００１  制御コンピュータ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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