(57)【要約】【課題】  小形軽量で、限られた空間に収納でき、変形量の大きな高分子アクチュエータと、小形軽量で、形状自由度が高く、柔軟で器用な動作が可能な多関節ハンドロボットを提供する。【解決手段】  高分子アクチュエータ１は、例えば高分子膜１１の一端を巻き取る、および／または、つづら折りや蛇腹状に折るなどして、収納空間４の長さよりも長い高分子膜１１を納めることにより、変形量を大きくする。多関節ハンドロボットは、指や掌部に高分子アクチュエータを収納でき、小形軽量でありながら、関節部の折り曲げ角を大きくでき、柔軟で器用な動作が可能となり、生活支援ロボットやエンターテイメントロボットなどのハンドへの適用が特に有効である。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子化合物からなる高分子膜と、前記高分子膜に電圧を印加する電極と、前記高分子膜と前記電極を収納する収納空間と、前記電極への電圧を制御する制御部とを備えた高分子アクチュエータにおいて、
前記収納空間の伸長方向の長さよりも長い前記高分子膜が収納部を形成したことを特徴とする高分子アクチュエータ。
【請求項２】
前記高分子膜の前記収納部が巻き取り部からなることを特徴とする請求項１記載の高分子アクチュエータ。
【請求項３】
前記高分子膜の前記収納部がつづら折り状または蛇腹状に折り部からなることを特徴とする請求項１記載の高分子アクチュエータ。
【請求項４】
折り曲げる機能を持つ関節部を有する多関節ハンドロボットにおいて、
前記関節部に、収納空間の長さよりも長い収納部を形成した高分子膜と、前記高分子膜に電圧を印加する電極とからなることを特徴とする多関節ハンドロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧の印加によって機能する高分子アクチュエータおよびそれを備えた多関節ハンドロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電圧印加により機能するアクチュエータとしては、電磁式のほかにも、静電式、圧電式、超音波式、形状記憶合金式、高分子伸縮式などがあるが、高分子伸縮式は柔軟かつ軽量という特長がある。
高分子アクチュエータは、電極を備えた高分子膜に電圧を印加することにより、膜体を伸縮させることができ、アクチュエータとして使用できる。
この高分子アクチュエータの構造および動作原理について、図４を用い説明する。図４において、１１１は高分子膜、１１２は制御部である。制御部１１２にて電極を備えた高分子膜１１１に電圧を印加することにより、高分子膜１１１が伸縮し、高分子アクチュエータとなる。
従来の高分子アクチュエータは、例えば金属膜上に導電性ポリマ（高分子）膜と電解質膜を積層してなり、電圧の印加により生じる導電性ポリマ膜と電解質膜との間でのイオンの授受により、導電性ポリマ膜が体積変化し、その体積変化により金属膜が導電性ポリマ膜とともにたわみ変形するので、そのたわみ変形力を他の物体の駆動などに利用することができる（例えば、特許文献１参照）。
この従来の高分子アクチュエータの構造を図５に示す。図５において、２１１は金属膜、２１２は導電性ポリマ膜、２１３は電解質膜、２１４は電極である。制御部２１５にて金属膜２１１と電極２１４の間に電圧を印加することにより、導電性ポリマ膜２１２と電解質膜２１３との間でイオンの授受が生じ、導電性ポリマ膜２１２が体積変化し、その体積変化により金属膜２１１が導電性ポリマ膜２１２とともにたわみ変形する。従来の高分子アクチュエータは、このたわみ変形を他の物質の駆動などに利用するものである。
また、高分子膜を長手方向に直列に接続した一対の高分子アクチュエータを並列に配置し、各々の両端部を絶縁状態で接続させ、長手方向に対して屈曲する高分子アクチュエータがある（例えば、特許文献２参照）。
この高分子アクチュエータを図６に示す。図６において、３０２は高分子膜（特許文献２ではエレメント）、３０３は接合のための柔軟材、３０４は接合のための絶縁部材である。図示していない制御部にて高分子膜３０２に電圧を印可することにより、各高分子膜がたわみ変形し、図６のように全体として伸縮変形する。
また、表面に金属電極を有する複合成型品が２個以上連結することにより、変位量を大きくした高分子アクチュエータがある（例えば、特許文献３参照）。
この高分子アクチュエータを図７に示す。図７）において、４２１は金属表面、４５１は金属電極、４９７は制御部である。イオン交換樹脂成型品の表面に、相互に絶縁状態で形成された金属電極４５１を備え、制御部４９７にてその金属電極に電圧を印加することにより、湾曲や変位を得ることができる。
このように、従来の高分子アクチュエータは、高分子膜に電圧を印加すると、圧電効果により、たわみ変形するのでアクチュエータとして利用できる。
また、従来の多関節ハンドロボットの駆動源としては、電磁モータが用いられていた。各関節に電磁モータを配置し、回転角度を制御することで、対象物の把持動作などを行っていた。
【特許文献１】特開平０９−２９３９１３号公報（第２−４頁、図１）
【特許文献２】特開２００４−３１４２１９号公報（第５−８頁、図１）
【特許文献３】特開２００４−２８９９９４号公報（第４−５頁、図９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、従来の高分子アクチュエータは、高分子膜の伸縮率が十分に大きくないので、必要な変形量を確保するために高分子膜を十分に長くする必要があった。しかし、限られた空間に収納する必要がある場合には、高分子膜を長くすることができず、十分な変形量を有する高分子アクチュエータを得ることができないという問題があった。
電磁モータを用いた多関節ハンドロボットは、電磁モータの形状や配置に自由度がないため、多関節ハンドロボットの形状に制約があるという問題があった。また、動作音や振動、電磁ノイズが発生するという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、高分子膜の長さが収納空間よりも長くすることにより、変形量の大きな高分子アクチュエータおよびそれを備えた多関節ハンドロボットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、高分子化合物からなる高分子膜と、前記高分子膜に電圧を印加する電極と、前記高分子膜と前記電極を収納した収納空間と、前記電極への電圧を制御する制御部とを備えた高分子アクチュエータにおいて、前記収納空間の伸長方向の長さよりも長い前記高分子膜が収納部を形成したものである。
請求項２に記載の発明は、前記高分子膜の前記収納部が巻き取り機構からなるものである。
請求項３に記載の発明は、前記高分子膜の前記収納部がつづら折り状または蛇腹状に折り機構からなるものである。
請求項４に記載の発明は、折り曲げる機能を持つ関節部を有する多関節ハンドロボットにおいて、前記関節部に、収納空間の長さよりも長い収納部を形成した高分子膜と、前記高分子膜に電圧を印加する電極とからなるものである。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１に記載の発明によると、高分子膜の長さを収納空間よりも長くすることから、小さな伸縮率の高分子アクチュエータでも変形量を大きくすることができる。
また、請求項２または３に記載の発明によると、限られた空間に長さの長い高分子膜を収納できるので、高分子アクチュエータの変形量を大きくできる。
また、請求項４に記載の発明によると、変形量の大きな高分子アクチュエータを備えることにより、小形軽量の多関節ハンドロボットで関節部の折り曲げ角を大きくできる。また、動作音や振動、電磁ノイズも極めて小さくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１は、本発明の実施例１を示す高分子アクチュエータの構造および動作を示す図である。図１において、１は高分子アクチュエータ、１０は収納部（１２は巻き取り機構）、１１は高分子膜、２は制御部、４は収納空間、５は電極である。高分子アクチュエータ１は巻き取り部１２と電極５を備えた高分子膜１１からなっており、高分子膜１１の一端を巻き取ることにより、収納空間４の長さの３倍の長さの高分子膜１を収納している。
本発明が特許文献１、２および３と異なる部分は、高分子膜１１の一端を巻き取ることにより、収納空間４の長さよりも長い高分子膜を収納した部分である。
つぎに、本実施例の動作を図１を用いて説明する。
高分子膜１１に備えた電極５に、制御部２により電圧を印加すると、高分子膜１１に伸縮力が生じ、アクチュエータとして機能することができる。その際、高分子膜の一端を巻き取ることにより、収納空間４の長さの３倍の長さの高分子膜を収納しているため、収納空間４の長さの高分子膜の場合と比較して、約３倍の変形量を得ることができた。
【実施例２】
【０００８】
図２は、本発明の実施例２を示す高分子アクチュエータの構造および動作を示す図である。図２において、１は高分子アクチュエータ、１１は高分子膜、１２はつづら折り機構、２は制御部、４は収納空間である。高分子アクチュエータ１はつづら折り機構１３と電極５を備えた高分子膜１１と制御部２からなっており、高分子膜１１をつづら折りにすることにより、収納空間４の長さの４倍の長さの高分子膜１１を収納している。
本発明が特許文献１、２および３と異なる部分は、高分子膜１１をつづら折りにすることにより、収納空間４の長さよりも長い高分子膜を収納した部分である。
つぎに、本実施例の動作を図２を用いて説明する。
高分子膜１１に備えた電極５に、制御部２により電圧を印加すると、高分子膜１１に伸縮力が生じ、アクチュエータとして機能することができる。その際、つづら折りとすることにより、収納空間４の長さの４倍の長さの高分子膜を収納しているため、収納空間４の長さの高分子膜の場合と比較して、約４倍の変形量を得ることができた。
なお、ここではつづら折りの場合について図２を用い説明したが、蛇腹状に折り込むことによっても同様の効果が得られる。また、その一端の巻き取りとつづら折りや蛇腹状に折り込むことを組み合わせても本発明は有効である。すなわち、本発明は、収納空間の長さよりも長い高分子膜を納めることにより、変形量を大きくするという効果が得られるのであり、収納させるための方法に限定されるものではない。
【実施例３】
【０００９】
図３は、本発明の実施例３を示す多関節ハンドロボットの関節の動作を説明する図である。図３において、１は高分子アクチュエータ、３は関節部である。高分子膜の一端を巻き取った高分子アクチュエータ１を多関節ハンドロボットの指の空間に収納し、もう一端を関節部３に接続している。
本発明が従来の多関節と異なる部分は、小形軽量で変形量の大きな高分子アクチュエータを指の部分に収納していることである。
つぎに、本実施例の動作を図３を用いて説明する。
高分子アクチュエータ１に備えた図示していない電極に、図示していない制御部２により電圧を印加すると、高分子膜に伸縮力が生じ、アクチュエータとして機能する。高分子アクチュエータ１の一端を関節部３に接続し、高分子アクチュエータ１の伸縮力が、関節部３の回転力に変換される。この関節部３の動きが指を動かし、その指を備えた多関節ハンドロボットが手として動作することができる。
ここでは、図３を用い、高分子膜の一端を巻き取った高分子アクチュエータを備えた多関節ハンドロボットについて説明したが、これは一例に過ぎず、実施例２のように高分子膜をつづら折りや蛇腹状に折った場合でも同様の効果が得られる。また、収納空間の長さよりも長い高分子膜を納めることにより、高分子アクチュエータの変形量が大きくできる。それを備えた多関節ハンドロボットは、指や掌部に高分子アクチュエータを収納でき、小形軽量でありながら、関節部の折り曲げ角を大きくでき、柔軟で器用な動作が可能となる。
したがって、本発明の多関節ハンドロボットは、高分子アクチュエータの本来有する柔軟かつ軽量で、形状や配置の自由度が高いといった長所と合わせると、例えば生活支援ロボットやエンターテイメントロボットのハンドなど、人と接する機会の多い部分への適用などで特に有効である。
【産業上の利用可能性】
【００１０】
本発明の高分子アクチュエータは、限られた空間であっても変形量を大きくできるので、従来は困難であった超小形の機器や、収納空間が限られた機器、および、曲面や球面など平面以外の場所への設置などにも適用できる。
また、本発明の多関節ハンドロボットは、小形、軽量かつ柔軟で、形状の自由度が高いので、手としての動作に制約を与えることなく、しなやかで柔軟な動作が実現でき、産業用ロボット以外にも、生活支援ロボットやエンターテイメントロボットなどに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１を示す高分子アクチュエータの構造と動作の説明図
【図２】本発明の実施例２を示す高分子アクチュエータの構造と動作の説明図
【図３】本発明の実施例３を示す多関節ロボットハンドの構造と動作の説明図
【図４】従来の高分子アクチュエータの構造と動作の説明図
【図５】従来の高分子アクチュエータの構造を示す正面図
【図６】従来の高分子アクチュエータの構造と動作の説明図
【図７】従来の高分子アクチュエータの構造を示す斜視図
【符号の説明】
【００１２】
１  高分子アクチュエータ
１０  収納部
１１  高分子膜
１２  巻き取り部
１３  つづら折り部
２  制御部
３  関節部
４  収納空間
５  電極
１１１  高分子膜
１１２  制御部
２１１  金属膜
２１２  導電性ポリマ膜
２１３  電解質膜
２１４  電極
２１５  制御部
３０２  高分子膜
３０３  柔軟接合材
３０４  絶縁部材
４２１  金属表面
４５１  金属電極
４９７  制御部
【図１】
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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７】
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