(57)【要約】【課題】  小形軽量で、形状自由度が高く、柔軟で静粛な動作を保ったまま、長期にわたり安定して動作し、メンテナンス性に優れた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で、信頼性が高くメンテナンス性に優れた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、分離配置し交換可能な容器４により水や電解質などの溶液を必要に応じて供給されることにより、減少や劣化する溶液を常にリフレッシュさせる。ハンドロボット８は、水や電解質などの溶液を必要に応じて供給する容器４を掌部や手首部、腕部、胴体部などに分離配置し、交換可能とする。【選択図】    図１
2006204009.tif 000002
【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、
水や電解質などの溶液を前記高分子膜に供給する容器は、前記高分子アクチュエータと導管を通じて分離配置されたことを特徴とする高分子アクチュエータ。
【請求項２】
前記容器は、着脱可能であ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】
前記高分子膜は、水や電解質などの溶液を含んだまたは膨潤した状態であることを特徴とする請求項１記載または請求項２記載の高分子アクチュエータ。
【請求項４】
前記導管の一部に前記高分子アクチュエータ内部のイオン濃度や圧力等の内部溶液の状態を検出するセンサが具備されたことを特徴とする請求項１記載または請求項２記載の高分子アクチュエータ。
【請求項５】
前記高分子アクチュエータが、筐体により水や電解質などの溶液に封入されている請求項１記載または請求項２記載の高分子アクチュエータ。
【請求項６】
高分子アクチュエータを駆動源とするハンドロボットにおいて、
水や電解質などの溶液を必要に応じて前記高分子アクチュエータに供給する容器を、前記ハンドロボットの掌部または手首部または腕部または胴体部に分離配置したことを特徴とするハンドロボット。
【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。
従来の高分子アクチュエータでは、２つの提案がされている。第１は、例えば高分子膜とこの高分子膜の両面に接合した電極とからなり、高分子膜の含水状態において、高分子膜に電圧を印加することにより、湾曲および変形を生じ、その変形力を他の物体の駆動などに利用するものである（例えば、特許文献１参照）。
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、１０１は高分子アクチュエータ、１０２は高分子膜（特許文献１ではイオン交換膜）、１０３は電極、１０５は制御部である。高分子膜１０２は、陽イオンに交換した含水状態にあり、制御部１０５（特許文献１では電源）にて電極を備えた高分子膜１０２に電圧を印加することにより、高分子膜１０２が伸縮し、高分子アクチュエータとなる。すなわち、高分子膜を電圧印加により伸縮させるためには、高分子膜中でのイオン移動を可能にする必要があり、水や電解質などの溶液を含んだまたは膨潤した状態でなければいけない。
【０００３】
また、第２は、作動部、対極および溶液（電解質）を備え筐体で封入した高分子アクチュエータがある（例えば、特許文献２参照）。
高分子アクチュエータの構造を図６に示す。図６において、２０１は高分子アクチュエータ、２０２は作動部、２０３は対極、２０４は筐体、２０８は制御部（特許文献２では電源）、２０９は溶液（特許文献２では電解質）である。ここで、作動部２０２は高分子膜を有し、制御部２０８はリード線２５１で作動部２０２と対極２０３結線され、溶液（電解質）２０９を介して電圧を印加することができ、高分子膜を伸縮させ、作動部２０２を伸縮でき、高分子アクチュエータとなる。すなわち、高分子膜を電圧印加により伸縮させるために、高分子膜を水や電解質などの溶液中で動作させるものである。
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溶液を介してイオンが移動することにより、高分子膜が伸縮するのでアクチュエータとして利用できる。
また、従来の高分子アクチュエータを備えたハンドロボットは、溶液を含んだまたは膨潤した状態の高分子膜からなる高分子アクチュエータや、溶液中に浸漬させた高分子アクチュエータを用いるものである。また、電磁モータを用いた多関節ハンドロボットでは、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０６−００６９９１号公報（第２−３頁、図１）
【特許文献２】特開２００４−２５４４９７号公報（第３−４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、従来の高分子アクチュエータは、高分子膜に水や電解質などの溶液が十分に供給される状態にする必要があった。しかし、高分子膜に溶液を含ませたり膨潤させたり、または、溶液中に浸漬させた場合、特に長期間での使用においては、溶液の蒸発や漏洩などによる減少や、イオン濃度の低下などの特性劣化を避けることはできず、高分子アクチュエータの性能低下や動作停止などという問題があった。また、溶液の減少や劣化分をあらかじめ高分子アクチュエータ内に過剰の溶液として準備しておくと、高分子アクチュエータの小形軽量の長所が損なわれるという問題が生じていた。
高分子アクチュエータを備えたハンドロボットは、溶液の減少や劣化などによる高分子アクチュエータの特性低下や動作停止が生じるという問題があった。また、溶液の減少や劣化を改善するためには、高分子アクチュエータそのものを取り出し交換しなければならず、メンテナンス性に劣るという問題が生じていた。
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、長期間にわたる動作信頼性が高く、メンテナンス性に優れた高分子アクチュエータおよびそれを備えた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】
【０００５】
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を備えた高分子アクチュエータにおいて、水や電解質などの溶液を必要に応じて前記高分子膜に供給する容器を、前記高分子アクチュエータと導管を通じて分離配置したものである。
また、請求項２に記載の発明は、前記容器が着脱可能であるものである。
また、請求項３に記載の発明は、前記高分子膜が、水や電解質などの溶液を含んだまたは膨潤した状態のものである。
また、請求項４に記載の発明は、前記導管の一部に前記高分子アクチュエータ内部のイオン濃度や圧力等の内部溶液の状態を検出するセンサが具備されたものである。
また、請求項５に記載の発明は、前記高分子アクチュエータが、筐体により水や電解質などの溶液に封入されているものである。
また、請求項６に記載の発明は、高分子アクチュエータを駆動源とするハンドロボットにおいて、水や電解質などの溶液を必要に応じて前記高分子アクチュエータに供給する容器を、前記ハンドロボットの掌部または手首部または腕部または胴体部に分離配置したものである。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１に記載の発明によると、水や電解質などの溶液の容器を高分子アクチュエータと分離配置し、必要に応じて高分子膜に供給するので、蒸発や漏洩などにより減少したり、イオン濃度の低下などにより特性劣化する溶液を、新規に常に補給できるので、長期間にわたる厳しい環境下でも、特性の低下や停止などなく高分子アクチュエータを動作できる。
また、請求項２に記載の発明によると、水や電解質などの溶液の容器を交換可能にするので、交換が容易な場所に容器の設置場所を設定でき、必要最小限の容量の容器を必要に応じて交換することができ、高分子アクチュエータおよびその適用機器の大きさや重量を損なうことなく、高分子アクチュエータを動作させることができる。
また、請求項３に記載の発明によると、水や電解質などの溶液を含んだまたは膨潤した状態の高分子膜に、分離配置した容器から必要に応じて追加の溶液を補給できるので、小形軽量という長所を残したまま、長期信頼性を高めることができる。
また、請求項４に記載の発明によると、高分子膜内の水や電解質などの溶液のイオン濃度や圧力を検出できることから、分離配置した容器から必要に応じて追加の溶液を補給でき、小形軽量という長所を残したまま、長期信頼性を高めることができる。
また、請求項５に記載の発明によると、高分子アクチュエータと水や電解質などの溶液を筐体で封入し、分離配置した容器から必要に応じて追加の溶液を補給できるので、より高い信頼性を得ることができる。
また、請求項６に記載の発明によると、水や電解質などの溶液の容器を可動部から分離配置できるので、ハンドロボットの可動部の小形軽量化を実現でき、高速動作が可能となる。また、容器を交換できるので、ハンドロボットのメンテナンス性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
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】
【０００８】
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を示す図である。図において、１は高分子アクチュエータ、２は高分子膜、３は電極、４は容器、９は導管である。
高分子アクチュエータ１は高分子膜２と電極３からなっており、また、図示しない継手を用いて導管９に接続され、容器４と連通している。高分子膜２に含ませたまたは膨潤させた水や電解質などの溶液６は、分離配置した容器４より必要に応じて供給されることにより補給される。また、制御部７は、電極３と電気的に接続されている。
本発明が特許文献１および特許文献２と異なる部分は、水または電解質などの溶液の容器を分離配置した部分である。
次に、本発明の動作について図１を用いて説明する。高分子膜２に備えた電極３に、制御部７により電圧を印加すると、高分子膜２に含まれる水または電解質などの溶液中のイオンが移動し、高分子膜２が伸縮するので、高分子アクチュエータ１として動作させることができる。
動作または保管中に減少したり、劣化すると、溶液が分離配置した容器４から供給されることにより、常に安定した状態で高分子アクチュエータを動作できる。
ここで、容器から高分子膜へ溶液を供給させる方法としては、例えばポンプのように動力を利用する方法やサイフォンなどの動力を利用しない方法など様々あるが、いずれを用いてもよく、本発明は容器から高分子膜へ溶液を供給する方法には限定されない。  
【実施例２】
【０００９】
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分離配置した容器の交換を説明する図である。図２において、容器４と導管９は図示しない継手で接続されているので、交換用容器４１と簡単に交換できる。このように、容器４を交換可能にすることにより、交換が容易な場所に容器４の設置場所を設定することができ、必要最小限の容量の容器４を必要に応じて交換することができる。
【実施例３】
【００１０】
図３は、本発明の実施例３を示す高分子アクチュエータの構造を示す図である。図３において、高分子アクチュエータ１は筐体５により水や電解質などの溶液６に封入しており、水や電解質などの溶液６の入った筐体５に、分離配置した４溶液より必要に応じて供給する。
次に、本発明の動作について図３を用いて説明する。高分子膜２に備えた電極３に、制御部７により電圧を印加すると、高分子膜２に含まれる水または電解質などの溶液中のイオンが移動し、高分子膜２が伸縮するので、高分子アクチュエータ１として動作させることができる。
動作または保管中に減少したり、劣化した際にイオン濃度や圧力を検出するセンサ１０により検出され、溶液が容器４から供給されることにより、常に安定した状態で高分子アクチュエータ１を動作できる。
【実施例４】
【００１１】
図４は、本発明の実施例４を示すハンドロボット８の構造図である。図４において、指の関節部に高分子アクチュエータ１を配置し、手首部に分離配置した容器４より、水や電解質などの溶液を各高分子アクチュエータ１に供給する。
本発明が従来のハンドロボットと異なる部分は、水や電解質などの溶液を供給する容器４を手首部や掌部、腕部、胴体部などに分離配置していることである。
次に、本実施例の動作について図４を用いて説明する。指の関節部に配置した高分子アクチュエータ１に、図示していない制御部により電圧を印加すると、生じた高分子膜の伸縮力を利用し関節部が折れ曲がり、ハンドロボット８として動作するが、手首部に分離配置した容器４より、水や電解質などの溶液を各高分子アクチュエータに供給することにより、常に安定した動作が可能なハンドロボットなる。また、手首部に分離配置した容器４をカートリッジのように交換することで、高いメンテナンス性を有する。
ここでは、図４を用い、ハンドロボットの指の関節部に高分子アクチュエータ１を配置したロボットハンド８について説明したが、これは一例に過ぎず、例えば高分子アクチュエータ１を掌部に配置し、ワイヤ駆動により指を動作させる場合などにおいても、同じ効果が得られる。同様に、容器４を手首部に配置したロボットハンド８について説明したが、容器４の配置場所は他にも掌部や腕部、胴体部など高分子アクチュエータ１から分離された場所であれば良く、より望ましくは交換などの作業やメンテナンスの容易な場所である。
したがって、高分子アクチュエータ１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のハンドなど、人と接する部分へ適用などで特に有効であり、長期信頼性とメンテナンス性に優れたハンドロボットを提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００１２】
本発明の高分子アクチュエータは、小形軽量で、形状自由度が高く、しなやかで柔軟かつ静粛な動作が可能であり、長期信頼性とメンテナンス性に優れることから、従来は困難であった超小形の機器や、可動部がメンテナンス困難な機器、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】
【００１３】
【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説明図
【図３】本発明の実施例３を示す高分子アクチュエータの構造図
【図４】本発明の実施例４を示すハンドロボットの構造図
【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を示す正面図
【符号の説明】
【００１４】
１  高分子アクチュエータ
２  高分子膜
３  電極
４  容器
４１  交換用容器
５  筐体
６  溶液
７  制御部
８  ハンドロボット
９  導管
１０  センサ
１０１  高分子アクチュエータ
１０２  高分子膜
１０３  電極
１０５  制御部
２０１  高分子アクチュエータ
２０２  作動部
２０３  対極
２０４  筐体
２５１  リード線
２７１  緩衝体
２０８  制御部
２０９  溶液
【図１】
2006204009.tif 000003
【図２】
2006204009.tif 000004
【図３】
2006204009.tif 000005
【図４】
2006204009.tif 000006
【図５】
2006204009.tif 000007
【図６】
2006204009.tif 000008