(57)【要約】      （修正有）【課題】繊維状アクチュエータを用いて大きな回動角度が得られる能動マニピュレータ装置を提供する。【解決手段】円弧状の接触部２２ｂ、２４ｂをそれぞれ備える第１の部材２２および第２の部材２４と、それぞれの接触部２２ｂ、２４ｂの円弧の中心軸間に配置され、接触部２２ｂ、２４ｂを対向して当接させながら、第１の部材２２と第２の部材２４を相互に回動可能に支持するキャリア２６と、キャリア２６に固定され、第１の部材２２の軸と同芯に設けられたプーリ２８と、プーリ２８と連繋して設けられ、通電を制御することにより伸縮する繊維状アクチュエータ３０ａ、３０ｂとを備えることを特徴とする。【選択図】図８
2018140463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円弧状の接触部をそれぞれ備える第１の部材および第２の部材と、
前記それぞれの接触部の円弧の中心軸間に配置され、前記接触部を対向して当接させながら、前記第１の部材と第２の部材を相互に回動可能に支持するキャリアと、
前記キャリアに固定され、第１の部材の軸と同芯に設けられたプーリと、
前記プーリに連繋して設けられ、加熱・冷却により伸縮駆動される熱駆動型のアクチュエータとを備えることを特徴とする能動マニピュレータ装置。
【請求項２】
円弧状の接触部をそれぞれ備える第１の部材および第２の部材と、
前記それぞれの接触部の円弧の中心軸間に配置され、前記接触部を対向して当接させながら、前記第１の部材と第２の部材を相互に回動可能に支持するキャリアと、
前記キャリアに固定され、第１の部材の軸と同芯に設けられたプーリと、
前記プーリに連繋して設けられ、通電を制御することにより伸縮駆動される通電型のアクチュエータとを備えることを特徴とする能動マニピュレータ装置。
【請求項３】
前記熱駆動型のアクチュエータまたは通電型のアクチュエータとして、導電性の繊維状アクチュエータを備えることを特徴とする請求項１または２記載の能動マニピュレータ装置。
【請求項４】
前記接触部が、ギヤ部として形成されている請求項１〜３のいずれか一項記載の能動マニピュレータ装置。
【請求項５】
前記第１の部材が円形ギヤであり、前記第２の部材が円形ギヤである請求項４記載の能動マニピュレータ装置。
【請求項６】
前記第１の部材が基板の一端側に円弧状のギヤ部を設けたものであり、前記第２の部材が基板の一端側に円弧状のギヤ部を設けたものである請求項４記載の能動マニピュレータ装置。
【請求項７】
前記プーリを介して、伸縮力が拮抗する配置に一対の熱駆動型のアクチュエータあるいは通電型のアクチュエータが設けられている請求項１〜６のいずれか一項記載の能動マニピュレータ装置。
【請求項８】
前記第１の部材と前記第２の部材のそれぞれ単体を組み合わせた駆動ユニットであり、
一対の前記熱駆動型のアクチュエータまたは通電型のアクチュエータが、前記第１の部材の基板に取り付けられている請求項６記載の能動マニピュレータ装置。
【請求項９】
前記駆動ユニットが複数個連結された多関節型に形成され、
隣接する一方の駆動ユニットの基板と他方の駆動ユニットの基板とが、基板の向きを一致させた直列形または基板の向きを交差させた交差形として連結されている請求項８記載の能動マニピュレータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は繊維状アクチュエータを駆動源として使用する能動マニピュレータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、合成繊維をコイル状にツイストしたSCP(super-coiled polymer)アクチュエータ（繊維状アクチュエータ）や形状記憶合金を用いたSMA(shape memory alloy)アクチュエータに代表される収縮型高トルクアクチュエータが開発されている。SCPアクチュエータは合成繊維をコイル状にツイストしたもので、コイル（繊維）を加熱することにより収縮し、冷やすと元の長さに復帰する特性を有する。このようなアクチュエータは高い出力重量比と応答性を有しており、合成繊維であるため低コストで作製することができ、低コストロボットに用いられるアクチュエータとして応用されつつある（非特許文献１〜４）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Michael C. Yip and G¨unter Niemeyer, “High-PerformanceRobotic Muscles from Conductive Nylon Sewing Thread”, Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, (2015), pp.2313-2318.
【非特許文献２】Yonas Tadesse, Lianjun Wu and Lokesh K. Saharan,“Musculoskeletal System for Bio-inspired Robotic Systems”,FOCUS ON DYNAMIC SYSTEMS & CONTROL,(2016), pp.11-16.
【非特許文献３】Lokesh Saharan and Yonas Tadesse, “Robotic Hand with Locking Mechanism Using TCP Muscles for Applications in Prosthetic Hand and Humanoids”, Proceedings of SPIE, Vol. 9797(2016), p.97970V.
【非特許文献４】Lianjun Wu, Monica Jung de Andrade, Tarang Brahme, Yonas Tadesse and Ray H. Baughman, “A reconfigurable robot with tensegrity structure using nylon artificial muscles”, Proceedings of SPIE, Vol. 9799(2016), p.97993K.
【０００４】
上述したSCPアクチュエータは、加熱すると長さ方向に収縮し、冷却すると長さ方向に伸長して元の状態に復帰する、いわゆる熱駆動型のアクチュエータである。熱駆動型のアクチュエータとしては、導電性ナイロン繊維をツイストしてコイル状に形成したものが知られている。導電性の繊維状アクチュエータの両端間に電圧を印加すると、ジュール熱により繊維状アクチュエータが加熱されて収縮し、電圧印加を解除すると繊維状アクチュエータは元の状態に復帰する。このように、導電性の繊維状アクチュエータは、両端間に印加する電圧をON-OFF制御することにより、長さ方向に伸縮するアクチュエータとして使用することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、熱駆動型として作用する繊維状アクチュエータの収縮率は10〜20％程度であり、プーリやピンを用いた回転関節機構では関節を十分に駆動させることができない。
また、繊維状アクチュエータを加熱して得られるアクチュエータ単体の発生力は1N程度であるため、ロボットの関節機構に実装するような場合には、大きな発生力を得るためにアクチュエータを集積する必要がある。しかしながら、繊維状アクチュエータを集積するとアクチュエータの収縮率が単体で使用した場合よりもさらに低下するため、長いアクチュエータを使用しなければならない。
本発明は、加熱・冷却を制御することにより伸縮駆動される熱駆動型の繊維状アクチュエータを利用して大きな回動角度を得ることを可能とし、ロボット装置等の種々の用途に好適に利用することができる能動マニピュレータ装置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】
【０００６】
本発明に係る能動マニピュレータ装置は、円弧状の接触部をそれぞれ備える第１の部材および第２の部材と、前記それぞれの接触部の円弧の中心軸間に配置され、前記接触部を対向して当接させながら、前記第１の部材と第２の部材を相互に回動可能に支持するキャリアと、前記キャリアに固定され、第１の部材の軸と同芯に設けられたプーリと、前記プーリに連繋して設けられ、加熱・冷却により伸縮駆動される熱駆動型のアクチュエータとを備えることを特徴とする。
また、本発明に係る能動マニピュレータ装置としては、加熱・冷却により伸縮駆動される熱駆動型のアクチュエータと同様に、通電により伸縮駆動される通電型のアクチュエータを使用することができる。
【０００７】
熱駆動型のアクチュエータは、加熱・冷却作用にともなって伸縮するように構成（たとえば繊維をコイル状にツイストする）されたものであり機能部分（可動部分：伸縮部分）の加熱・冷却を制御することにより伸縮作用を制御することができる。機能部分を加熱・冷却する方法は、ヒータ等により加熱するといった適宜方法を利用することができるが、通電を利用して加熱・冷却する方法が有効であり、とくに導電性を付与した繊維状のアクチュエータは、その両端に電極を接続して通電をON-OFF制御することにより、ジュール熱の発生を制御することができ、容易に加熱・冷却作用をすることができるという利点がある。
また、通電を制御することにより伸縮駆動される通電型のアクチュエータとしては、加熱・冷却により伸縮駆動されるアクチュエータが有効であり、導電性を付与した繊維状のアクチュエータが好適に利用できる。
【０００８】
なお、前記接触部は、ギヤ部として形成することにより第１の部材と第２の部材とが確実に係合し、安定した回動動作が可能になる。
また、前記第１の部材が円形ギヤ、前記第２の部材が円形ギヤとして構成することもできるし、前記第１の部材が基板の一端側に円弧状のギヤ部を設けたもの、前記第２の部材が基板の一端側に円弧状のギヤ部を設けたものとして構成することもできる。
また、前記熱駆動型または通電型のアクチュエータを設ける場合には、前記プーリを介して、伸縮力が拮抗する配置に一対の熱駆動型のアクチュエータあるいは通電型のアクチュエータを設けることにより、部材の回動動作が安定し回動動作の精度を向上させることができる。
【０００９】
また、前記第１の部材と前記第２の部材のそれぞれの単体を組み合わせ、前記一対の熱駆動型または通電型のアクチュエータが前記第１の部材の基板に取り付けられた構成を備える駆動ユニットとして構成された能動マニピュレータ装置は、ロボット装置等を構成する際の基本ユニットとして好適に利用することができる。
また、前記駆動ユニットが複数個連結された多関節型に形成され、隣接する一方の駆動ユニットの基板と他方の駆動ユニットの基板とが、基板の向きを一致させた直列形または基板の向きを交差させた交差形として連結された能動マニピュレータ装置は、多関節型の能動マニピュレータ装置として好適に利用することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る能動マニピュレータ装置は、収縮率が小さい繊維状アクチュエータを使用して大きな回動角度が得られる関節機構（屈曲機構）として提供することができ、ロボット等に小型で容易に使用することができる装置として提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】能動マニピュレータ装置の基本構成とその作用を示す図である。
【図２】プーリの半径および、ギヤの半径比と、目標関節角度を達成するための繊維状アクチュエータの収縮量との関係を示すグラフである。
【図３】試作した能動マニピュレータ装置の外観写真である。
【図４】実験装置の外観写真である。
【図５】実験装置のブロック図である。
【図６】各試行ごとの定常状態時の回転角度θと関節角度qの値を示すグラフである。
【図７】3試行目における回転角度θと関節角度qの挙動を示すグラフである。
【図８】駆動ユニットの構成と作用を示す斜視図である。
【図９】駆動ユニットを２個連結した能動マニピュレータ装置の斜視図である。
【図１０】駆動ユニットを３個連結した能動マニピュレータ装置の斜視図である。
【図１１】駆動ユニットを用いて構成した歩行ロボットの斜視図である。
【図１２】駆動ユニットを用いて構成した把持型のロボットの斜視図である。
【図１３】駆動ユニットを用いて構成した内視鏡ロボットの斜視図である。
【図１４】内視鏡ロボットの使用例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（能動マニピュレータ装置の構成例）
本発明に係る能動マニピュレータ装置においては、収縮率が小さな繊維状アクチュエータを利用して大きな回動角度を得ることを可能にするため、関節部分（屈曲部分）の機構として、転動関節機構を採用する。
図１は能動マニピュレータ装置の基本となる構成を示す。この能動マニピュレータ装置では、太陽ギヤ１０と遊星ギヤ１２とがキャリア１４を介して中心軸間で相互に連繋して支持され、太陽ギヤ１０と遊星ギヤ１２とが歯合しながら、太陽ギヤ１０の周囲を遊星ギヤ１２が自在に転動する構成となっている。
この例では、太陽ギヤ１０が本発明の第１の部材に相当し、遊星ギヤ１２が第２の部材に相当する。
【００１３】
太陽ギヤ１０の中心には同芯状にプーリ１６が軸支され、プーリ１６の軸１６ａとキャリア１４とは連結されている。すなわち、プーリ１６が回動すると、キャリア１４はプーリ１６とともに軸１６ａを支点として回動する。
プーリ１６には繊維状アクチュエータ１８が掛け渡され、繊維状アクチュエータ１８が伸縮することにより、プーリ１６が軸１６ａを中心として回動し、キャリア１４を介してプーリ１６とともに遊星ギヤ１４が回動する（太陽ギヤ１０の周上を遊星ギヤ１２が転動する）。
【００１４】
遊星ギヤ１２にはアーム１９が連結され、遊星ギヤ１２が太陽ギヤ１０上を転動することにより、遊星ギヤ１２とともにアーム１９が回動する。
図１では、繊維状アクチュエータ１８が収縮することにより、太陽ギヤ１０の周上を遊星ギヤ１２が（右方向に）回動し、アーム１９が上位置から右方位置に回動する作用を示す。
【００１５】
なお、繊維状アクチュエータは、加熱することで長さ方向に収縮し、冷却すると長さ方向に伸長して元の状態に復帰する特性を備えるものであり、導電性ナイロン繊維をツイストしてコイル状に形成したものが知られている。
導電性の繊維状アクチュエータの両端間に電圧を印加すると、ジュール熱により繊維状アクチュエータが加熱されて収縮し、電圧印加を解除すると繊維状アクチュエータは元の長さに復帰する。このように、導電性の繊維状アクチュエータは、両端間に印加する電圧をON-OFF制御することにより、長さ方向に伸縮するアクチュエータとして使用することができる。実験では、繊維状アクチュエータとして導電性ナイロン繊維を使用したが、繊維状アクチュエータの素材および形態が限定されるものではない。
【００１６】
（関節角度の設定）
図1に示す能動マニピュレータ装置の関節角度は、遊星ギヤ１２が太陽ギヤ１０上を転動したときにおける太陽ギヤ１０の中心線と遊星ギヤ１２の中心線とのなす角q[rad]である。プーリ１６およびキャリア１４の回転角度をθ[rad]とすると、関節角度qとプーリ１６およびキャリア１４の回転角度θとの幾何学的関係は以下の式で表される。
q = (1 + ｒsg/ｒpg)θ      (1)
ここで、rsg[m]およびrpg[m]はそれぞれ太陽ギヤ１０と遊星ギヤ１２の各基準ピッチ円半径を表す。
（１）式より、関節角度qはプーリ１６およびキャリア１４の回転角度θの(1+ｒsg/ｒpg)倍となる。したがって、半径比ｒsg/ｒpgを変化させることで角度の増幅率を変化させることができる。
【００１７】
繊維状アクチュエータ１８の収縮量とプーリ１６およびキャリア１４の回転量との関係は繊維状アクチュエータ１８の収縮量をlc[m]、プーリ１６の半径をrp[m]とすると、
lc = rp θ      (2)
である。式(1)および式(2)より、繊維状アクチュエータの収縮量と関節角度qとの関係は
lc =  rp／(1 + ｒsg/ｒpg)・qd 
となる。
ここで、目標関節角度をq = qd とすれば、目標関節角度を達成するために必要な繊維状アクチュエータ１８の最小収縮量lcmin [m]は、
lcmin = rp／(1 + ｒsg/ｒpg)・qd       (3)
【００１８】
式(3)より、目標関節角度を達成するために必要な繊維状アクチュエータの最小長さは太陽ギヤ１０および遊星ギヤ１２の半径比とプーリ１６の半径により変化することがわかる。
図２にさまざまなプーリ１６の半径における各ギヤの半径比と目標関節角度を達成するために必要な繊維状アクチュエータ１８の収縮量との関係を目標関節角度qd = π／2 radとした場合にて示す。
図２は、各歯車の半径比が増大するにつれて繊維状アクチュエータ１８の最小収縮量が減少していくことを示す。また、プーリ１６の半径が小さいほど繊維状アクチュエータ１８の収縮量も小さくなる。
【００１９】
（実験方法）
以上の関係を踏まえて能動マニピュレータ装置を設計し、実験により検証した。
表１に能動マニピュレータ装置の設計例のパラメータ値を示す。本設計例では、各ギヤの半径比を2として設計した。図３に試作した能動マニピュレータ装置を示す。
【表１】
2018140463.tif 000003
表1に示す各ギヤおよびプーリ１６の半径の値より、目標関節角度をπ／2 radとしたときの目標角度達成に必要な繊維状アクチュエータの最小収縮量は約4.7×10-3 m となる。したがって、5.0×10-3 m 以下という非常に小さな収縮量でπ／2 radの関節角度を達成することが可能である。
【００２０】
図４に実験装置の外観、図５に信号の流れを示す。本実験では繊維状アクチュエータとして導電性ナイロン繊維（AGposs：登録商標 100/3、ミツフジ株式会社）を使用し、非特許文献１に示されている方法に基づいてコイル状に繊維状アクチュエータを作製した。
この繊維状アクチュエータに電圧を印加することで、ジュール熱により繊維状アクチュエータが加熱され、収縮動作を行う。
能動マニピュレータ装置に繊維状アクチュエータを実装し、制御用PC(MDV-ASG8310B、Linux（登録商標）、3.5 GHz)からの指令電圧をDA変換器（PCI-3346A，株式会社インタフェース）および直流電源装置（AD-8735D，株式会社エー・アンド・デイ）を介して繊維状アクチュエータに印加する。
【００２１】
能動マニピュレータ装置の関節角度は、まず太陽ギヤ１０の中心軸に取り付けたポテンショメータ（CP-2FBJ、株式会社緑測器）でプーリ１６およびキャリア１４の回転角度θを計測し、AD変換器（PEX-321416、株式会社インタフェース）を介してサンプリング周期1 ms で制御用PC に保存する。そして式(1)に基づいて関節角度qを計算する。
【００２２】
実験では、繊維状アクチュエータ単体では発生力が弱く、試作した能動マニピュレータ装置を駆動できなかったため、プーリの片側に2本の長さの等しい繊維状アクチュエータを集積し、ねじれないよう並列に配置して実験を行った。並列に配置した理由は、繊維状アクチュエータをねじるようにして集積させると、コイル同士の摩擦により収縮率に影響が出る場合があるためである。
【００２３】
２本の繊維状アクチュエータの末端同士を接続し、繊維状アクチュエータの末端に電極を接続し、電極間に電圧を印加することで2本同時に電圧が印加され、ジュール熱により加熱され収縮する。2本集積した繊維状アクチュエータの収縮率は10%であった。
実験では、2本の繊維状アクチュエータの駆動による関節角度の目標駆動範囲をπ／2 rad と設定した。目標駆動範囲を達成するために必要な繊維状アクチュエータの収縮長さは式(3)から4.7×10-3 m となり、目標駆動範囲を達成するために必要な繊維状アクチュエータの最小長さは、繊維状アクチュエータの収縮率から4.7×10-2 m となる。したがって、4.7×10-2 m の長さの繊維状アクチュエータを実装して実験した。
【００２４】
実験において、能動マニピュレータ装置のキャリアと遊星ギヤに接続されたアームが太陽ギヤの中心線と平行となる状態を初期状態(θ= q = 0) とした。初期状態から関節角度qが定常状態となるまで繊維状アクチュエータに電圧を印加し、定常状態となった後、電圧の印加を止め、十分に時間が経過した後に手動で初期状態までアームを移動させた。印加する電圧は3 V とした。
【００２５】
（実験結果）
上述した方法により15回の動作検証を繰り返し行った。図６に各試行ごとの定常状態時の回転角度θと関節角度qの値を示す。図７に3試行目における回転角度θと関節角度qの挙動を示す。ただし、各図において角度の単位は[deg]で表記している。
図６より、15回の試行における関節角度qの平均値は85.5degとなり、4.7×10-2 m という短い繊維状アクチュエータで大きな関節角度を達成することができた。なお、図６では、第1、5、14試行目において、目標関節角度90degを上回る値を達成しているが、第6、10、12試行目では80degを下回る関節角度となり、定常状態時の関節角度に最大30deg程度の差が生じた。
【００２６】
また、図７に見られるように、すべての試行において電圧印加開始時より約2秒後から角度が増加しており、定常状態になるまでに2回に分けて関節角度が増加していることが確認できた。
試作した能動マニピュレータ装置は慣性モーメントの関係から関節を駆動させるために大きなトルクが必要となる。繊維状アクチュエータはコイル（繊維）の温度上昇にともなって発生力が増加していく。電圧印加開始時から約2秒間は発生力が十分に上昇していないためにプーリを回転させるだけのトルクが得られていなかったためと考えられる。
【００２７】
また、定常状態時の関節角度にばらつきがあった理由としては、各試行における初期状態の繊維状アクチュエータの状態（長さ，コイルの剛性）がわずかに異なっており、電圧印加による繊維状アクチュエータの温度上昇率がわずかに変動したことでトルクが変化し、角加速度に大きな差が生じ、関節の回転速度のばらつきが定常状態時の関節角度に反映されたことと、角度の増幅作用により回転速度のばらつきによる影響が増幅され、関節角度の差が生じたと考えられる。
【００２８】
これらの問題を解消する方法としては、慣性モーメントが大きくなりすぎないように調整した軽量フライホイールを組み込むことによりトルク変動による回転速度のばらつきを安定化させる方法が考えられる。
また、プーリの両側に一対の繊維状アクチュエータを発生力が拮抗するように配置し、繊維状アクチュエータのバネおよびダンパ要素を利用してトルクを調整する方法も有効であると考えられる。ヒトの関節は2つもしくは2つ以上の筋が拮抗するように配置されており、拮抗した各筋が、ある拮抗比および活性度の下で同時に収縮することで拮抗比と関節角度の平衡点が線形関係にあり、かつ活性度が平衡点における剛性と線形関係にあることが指摘されている。したがって、拮抗配置した繊維状アクチュエータを上記のように同時に収縮させる制御方法を取り入れることでより安定した動作を行うことが可能である。
【００２９】
（能動マニピュレータ装置の基本構成）
本発明に係る能動マニピュレータ装置は、繊維状アクチュエータが連繋するプーリとキャリアを介して第２の部材（遊星ギヤ）を転動させる構成としたことを特徴とする。
図１に示した構成例は第１の部材と第２の部材を円形ギヤとした例であるが、第１の部材と第２の部材の形態が円形ギヤに限定されるものではない。第１の部材に対し第２の部材を転動させる作用を満足させる構成としては、たとえば第１の部材と第２の部材が当接する接触部をギヤ部として設けず、単なる円弧状面として設ける方法も可能である。ただし、当接した状態での滑り等を考慮すると、接触部をギヤ部として設ける方法は確実な転動操作を可能にする点で有効である。
【００３０】
また、第１の部材と第２の部材に設ける接触部（当接部）については、円形ギヤのように部材の全周にわたって接触部（当接部）を設ける必要はない。関節機構（屈曲機構）として能動マニピュレータ装置を適用する場合は、回転角度を全周にわたって確保する必要がないからである。すなわち、第１の部材および第２の部材の形態としては、後述する駆動ユニットの構成例と同様に、基板の一端に部分的に接触部（ギヤ部）を設けて、相互に当接（接触）する接触部上で第２の部材が転動するように構成することができる。このような構成も、本発明に係る能動マニピュレータ装置の基本的な構成である。
【００３１】
（駆動ユニット）
図８は、図１に示した能動マニピュレータ装置と同様な機能を備えるとともに、ロボット等を構築する際に小型で使いやすい構成とした駆動ユニット２０の例を示す。
この駆動ユニット２０は、基板２２aの一端にギヤ部２２ｂを設けた第１の部材２２と、基板２４aの一端にギヤ部２２bと歯合するギヤ部２４ｂを設けた第２の部材２４と、第１の部材２２と第２の部材２４とを連繋するキャリア２６とを備える。キャリア２６は、第１の部材２２のギヤ部２２ｂと第２の部材２４のギヤ部２４ｂとが歯合した状態で、第１の部材２２に対して第２の部材２４が遊星ギヤのように転動するように連繋している。
【００３２】
第１の部材２２と第２の部材２４とは略同形に形成され、第１の部材２２のギヤ部２２ｂは基板２２aの端部の円弧状の領域に歯を設け、第２の部材２４のギヤ部２４ｂも基板２４aの端部の円弧状の領域に歯を設けている。この実施形態では、ギヤ部２２ｂとギヤ部２４ｂは同一径としているが、ギヤ部２２ｂとギヤ部２４ｂとが同一径に限定されるものではない。ギヤ部２２ｂとギヤ部２４ｂの径を適宜設定することにより、マニピュレータの回動角度を適宜設定することができる。
キャリア２６の軸支位置をギヤ部２２ｂとギヤ部２４ｂの中心位置に設定することも前述した能動マニピュレータ装置の例と同様である。
【００３３】
キャリア２６には第１の部材２２のギヤ部２２ｂの中心に芯位置を一致させて、キャリア２６と一体にプーリ２８を連結する。プーリ２８には２つの繊維状アクチュエータ３０a、３０ｂによる伸縮作用が拮抗する配置に設ける。すなわち、一方の繊維状アクチュエータ３０aの基端を第１の部材２２の基板２２aの端部に固定し、他方の繊維状アクチュエータ３０ｂの基端を基板２２ａの端部に固定する。こうして、繊維状アクチュエータ３０a、３０ｂをプーリ２８に掛け渡した状態で、繊維状アクチュエータ３０ａ、３０ｂが基板２２の側面に並列にして配置される。このように繊維状アクチュエータ３０ａ、３０ｂを配置することにより、繊維状アクチュエータ３０ａ、３０ｂが第１の部材２２にコンパクトに装着される。
【００３４】
キャリア２６はプーリ２８と基板２２ａ、ギヤ部２２ｂ、ギヤ部２４ｂ等を挟む配置で、第１の部材２２と第２の部材２４の両側面に設ける。こうして第１の部材２２と第２の部材２４による転動動作（回動動作）が安定してなされる。
【００３５】
図８（ｂ）は、繊維状アクチュエータ３０ｂの両端間に電圧を印加して第２の部材２４の先端側を下方に回転させた状態を示す。繊維状アクチュエータ３０ｂに電圧を印加したことにより繊維状アクチュエータ３０ｂが収縮し、プーリ２８が回転し、プーリ２８とともにキャリア２６が回転して第２の部材２４が回転している。他方の繊維状アクチュエータ３０ａには電圧を印加せず、繊維状アクチュエータ３０ｂの収縮力によって繊維状アクチュエータ３０ａが伸びている。
繊維状アクチュエータ３０ｂに印加していた電圧を解除すると、繊維状アクチュエータ３０ｂは元の長さに復帰し、伸びていた他方の繊維状アクチュエータ３０ａも元の長さに復帰し、第２の部材２４も図８（ａ）の状態に復帰する。
なお、繊維状アクチュエータ３０ａに電圧を印加すると、第２の部材２４は上向きに回転する。
【００３６】
こうして駆動ユニット２０は、繊維状アクチュエータ３０ａ、３０ｂに印加する電圧を制御することにより、第２の部材２４を上方向あるいは下方向に回転させる能動マニピュレータ装置として作用する。この駆動ユニット２０は、プーリ２８を介して一対の繊維状アクチュエータ３０ａ、３０ｂの発生力が拮抗する配置に設けたことで、駆動ユニット２０の回動動作を安定させることができる。
なお、第１の部材２２と第２の部材２４の動作は相対的なものであり、第１の部材２２を固定側、第２の部材２４を可動側として、上述したように、第１の部材２２に対し第２の部材２４を回転動作させるように使用することもできるし、第２の部材２４を固定側とし第１の部材２２を可動側として、第１の部材２２を回動させるように使用することもできる。
【００３７】
（構成例１）
図９は、上述した駆動ユニット２０を２個連結して組み立てた能動マニピュレータ装置の例を示す。
この能動マニピュレータ装置は、駆動ユニット２０の第２の部材２４の基板２４ａと駆動ユニット２１の第１の部材２２の基板２２ａとを基板の向きが９０度交差する配置として連結したものである。このように２つの駆動ユニット２０、２１を連結することにより、この能動マニピュレータ装置は、駆動ユニット２０による回転動作と駆動ユニット２１による回転動作を組み合わせた移動動作を行うことができる。
【００３８】
図９（ｂ）は、駆動ユニット２０に装着した繊維状アクチュエータ３０ｂに電圧を印加するとともに、駆動ユニット２１に装着した繊維状アクチュエータ３０ａに電圧を印加することによって、駆動ユニット２０の第２の部材２４と駆動ユニット２１の第２の部材２４を回転動作させた状態を示す。
このように駆動ユニット２０と駆動ユニット２１に装着した繊維状アクチュエータ３０ａ、３０ｂに印加する電圧を制御することにより、駆動ユニット２１の第２の部材２４は、一方の駆動ユニット２０による回転と他方の駆動ユニット２１の回転を組み合わせた動作をなすことになる。
【００３９】
図９に示す実施形態では、駆動ユニット２０と駆動ユニット２１とを連結するときの基板の向きを９０度（直交配置）としているが、駆動ユニット２０、２１を連結するときの連結角度は適宜設定することができる。
なお、図９では駆動ユニット２０、２１の繊維状アクチュエータ３０ａ、３０ｂに電圧を印加する構成を省略している。駆動ユニット２０、２１のそれぞれの繊維状アクチュエータ３０ａ、３０ｂには、それぞれの繊維状アクチュエータ３０ａ、３０ｂに個別に電圧を印加する電気回路が接続される。
【００４０】
（構成例２）
図１０は前述した駆動ユニットを３個連結して組み立てた能動マニピュレータ装置の例である。この能動マニピュレータ装置では、３個の駆動ユニット２０、２１、２３を直列に、すなわち駆動ユニット２０の第２の部材の基板２４ａと駆動ユニット２１の第１の部材の基板２２ａの端面を突き合わせて連結し、駆動ユニット２１の第２の部材の基板２４ａと駆動ユニット２３の第１の部材の基板２２ａの端面とを突き合わせて連結している。
このように３個の駆動ユニット２０、２１、２３を直列に連結したことにより、いずれの駆動ユニット２０、２１、２３とも同一の回転面上で回動する。
【００４１】
各々の駆動ユニット２０、２１、２３を回転駆動するため、各々の駆動ユニット２０、２１、２３に装着した繊維状アクチュエータ３０ａ、３０ｂにそれぞれ電圧を印加する制御部を接続することは前述した各実施形態と同様である。
本実施形態の能動マニピュレータ装置は、駆動ユニットを３個連結したことにより、１個あるいは２個の駆動ユニットからなる能動マニピュレータ装置と比較して、より大きな回動角度と回動範囲を得ることができる。
なお、駆動ユニット２０、２１、２３を連結する際に、本例のようにすべて直列に連結せず、構成例１のように、基板の向きが交差するように連結する方法を組み合わせることももちろん可能である。
【００４２】
（構成例３）
図１１は駆動ユニットを利用して歩行ロボットとして作用する能動マニピュレータ装置の例である。
この歩行ロボットは、平面形状がＩ形の躯体部４０の４つのコーナー部のそれぞれに、二つの駆動ユニット２０、２１を連結した複合駆動ユニット４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄを取り付けて構成されている。複合駆動ユニット４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄは、図９に示した二つの駆動ユニット２０、２１を連結した例とは異なり、駆動ユニット２０、２１を直列に連結し、駆動ユニット２０と駆動ユニット２１とが共通の回転面内（回動面内）で回動（屈曲）する。
【００４３】
複合駆動ユニット４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄは繊維状アクチュエータ３０ａ、３０ｂへ印加する電圧を制御することにより、躯体部４０の前後方向に屈曲する。したがって、各々の複合駆動ユニット４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄに装着した繊維状アクチュエータ３０ａ、３０ｂに印加する電圧を制御し、複合駆動ユニット４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄが歩行動作をなす脚部と同様に前後に屈曲動作させることにより歩行動作を行わせることができる。
【００４４】
（構成例４）
図１２は駆動ユニットを利用して把持型（クランプ）のロボットとして作用する能動マニピュレータ装置の例である。
この把持型のロボットは多角形状の支持部材５０の端面に、５個の複合駆動ユニット５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅを取り付けたものである。複合駆動ユニット５２ａ〜５２ｅは、それぞれ３個の駆動ユニット２０、２１、２３を連結したものである。図１０に示す複合駆動ユニットでは駆動ユニット２０、２１、２３を直列に連結しているが、本実施形態の複合駆動ユニット５２ａ〜５２ｅでは、連結位置にある第１の部材と第２の部材を交差させる連結方法を組み込んでいる。
この能動マニピュレータ装置は、駆動ユニット２０、２１、２３に装着した繊維状アクチュエータに印加する電圧を制御することにより、複合駆動ユニット５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅを指のように開閉して物体を把持する（クランプする）操作を行うことができる。
【００４５】
（構成例５）
図１４は駆動ユニットを複数個利用して内視鏡ロボットとして利用する能動マニピュレータ装置の例である。
この能動マニピュレータ装置は、正三角形の枠体状に形成された一対の支持枠６０ａ、６０ｂを、平面方向から見て三角形の辺と頂点とが交差する配置（平面視が星形になる）で上下に離間させて配置し、支持枠６０ａ、６０ｂの一辺上にそれぞれ二つの駆動ユニットの支持位置（軸支）を配置して、支持枠６０ａ、６０ｂ間に駆動ユニットを設置したものである。駆動ユニットは各辺上に２個ずつ、全体で６個設けられる。
それぞれの駆動ユニット２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆは、支持枠６０ａ、６０ｂとの連結位置が球面軸受６２によって連結され、駆動ユニット２０ａ〜２０ｆは任意の方向に傾動可能である。
【００４６】
この能動マニピュレータ装置は、繊維状アクチュエータに印加する電圧を制御して繊維状アクチュエータを伸縮させることにより、駆動ユニット２０ａ〜２０ｆが屈曲し、支持枠６０ａ、６０ｂを揺動させる。したがって、たとえば、下台の支持枠６０ｂを固定支持し、駆動ユニット２０ａ〜２０ｆを選択して屈曲させると、上台の水平支持されていた支持枠６０ａを水平位置から傾斜させ、傾斜方向に倒れるように動作させることができる。
【００４７】
図１４は、上述した能動マニピュレータ装置を内視鏡ロボット７０として使用する例を示す。内視鏡８０の先端部をたとえば腹腔内に差し込み、内視鏡８０の操作ロッドを内視鏡ロボット７０の支持枠７０ａ、７０ｂで支持した状態で駆動ユニット２０を駆動させることにより、内視鏡８０の向きを適宜変えることができる。内視鏡ロボット７０の操作は手術の補助者により、内視鏡ロボット７０に接続する制御部８２を制御することによってなされる。内視鏡を用いる手術では内視鏡の位置を正確に保持するといった必要があり、内視鏡ロボット７０を使用することにより確実で安全な手術を行うことができる。
繊維状アクチュエータを駆動源とする内視鏡ロボットは、従来のようなモータや空圧あるいは流体圧を用いて操作する内視鏡ロボットと比較して、装置構成が簡素化され、装置の軽量化、小型化を図ることができるという利点がある。
【符号の説明】
【００４８】
１０  太陽ギヤ
１２  遊星ギヤ
１４  キャリア
１６  プーリ
１６ａ  軸
１８  繊維状アクチュエータ
１９  アーム
２０、２１、２３  駆動ユニット
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ  駆動ユニット
２２  第１の部材
２２a  基板
２２ｂ  ギヤ部
２４  第２の部材
２４ａ  基板
２４ｂ  ギヤ部
２６  キャリア
２８      プーリ
３０ａ、３０ｂ    繊維状アクチュエータ
４０  躯体部
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ  複合駆動ユニット
５０  支持部材
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅ  複合駆動ユニット
６０ａ、６０ｂ  支持枠
６２  球面軸受
７０  内視鏡ロボット
７０a、７０ｂ  支持枠
８０  内視鏡
８２  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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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