(57)【要約】【課題】上記技術においては、ゲルアクチュエータの出力を、ゲルに印加する電圧を変化せてゲルアクチュエータの出力を調整していた。【解決手段】アクチュエータであって、互いに間隔をおいて配置された二つの陰極と、前記二つの陰極の間に配置された凹部を有する陽極と、前記二つの陰極と前記陽極との間にそれぞれ配置され、誘電性高分子材料を含む弾性変形可能な二つの誘電体とを備え、前記陽極と前記二つの陰極との間に電圧を印加した場合に、前記陽極の前記凹部に前記誘電体が入り込むことにより厚さ方向に収縮するアクチュエータであって、前記二つの誘電体のうち、いずれの誘電体に電圧を印加するかを選択する選択部を更に備える。【選択図】図３
2015211577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに間隔をおいて配置された二つの陰極と、
前記二つの陰極の間に配置された凹部を有する陽極と、
前記二つの陰極と前記陽極との間にそれぞれ配置され、誘電性高分子材料を含む弾性変形可能な二つの誘電体と、
を備え、  前記陽極と前記二つの陰極との間に電圧を印加した場合に、前記陽極の前記凹部に前記誘電体が入り込むことにより厚さ方向に収縮するアクチュエータであって、
前記二つの誘電体のうち、いずれの誘電体に電圧を印加するかを選択する選択部を更に備えるアクチュエータ。
【請求項２】
凹部を有する陰極と、
前記陰極を挟んで配置された二つの陽極と、
前記二つの陽極と前記陰極との間にそれぞれ配置され、誘電性高分子材料を含む弾性変形可能な二つの誘電体と、
を備え、
前記陰極と前記二つの陽極との間に電圧を印加した場合に、前記陽極の前記凹部に前記誘電体が入り込むことにより厚さ方向に収縮するアクチュエータであって、
前記二つの誘電体のうち、いずれの誘電体に電圧を印加するかを選択する選択部を更に備えるアクチュエータ。
【請求項３】
複数の陰極と、
凹部を有する複数の陽極と、
誘電性高分子材料を含む弾性変形可能な複数の誘電体と、
を備え、
前記複数の陰極と前記複数の陽極は、交互に配され、
前記複数の誘電体の各々は、前記複数の陰極の各々と、前記複数の陽極の各々との間に配され、
前記複数の陽極と前記複数の陰極との間に電圧を印加した場合に、前記複数の陽極の各々の前記凹部に前記複数の誘電体の各々が入り込むことにより厚さ方向に収縮し、前記複数の誘電体のうち、いずれの誘電体に電圧を印加するかを選択する選択部を更に備える積層型アクチュエータ。
【請求項４】
前記複数の誘電体は、同一の高分子材料からなる請求項３に記載の積層型アクチュエータ。
【請求項５】
前記選択部は、前記積層型アクチュエータの出力の大きさに応じて、電圧を印加する前記複数の誘電体の個数を選択する請求項４に記載の積層型アクチュエータ。
【請求項６】
前記複数の誘電体のうち、少なくとも何れか１つは、他の少なくとも１つと、電圧を印加した場合の力と変位との関係が互いに異なる請求項３に記載の積層型アクチュエータ。
【請求項７】
前記選択部は、前記積層型アクチュエータの出力の特性に応じて、電圧を印加する前記複数の誘電体の各々を選択する請求項６に記載の積層型アクチュエータ。
【請求項８】
前記複数の誘電体の各々には、一定電圧が印加される請求項３から７の何れか１項に記載の積層型アクチュエータ。
【請求項９】
前記選択部は、前記複数の誘電体のそれぞれの電圧を印加した累積回数に応じて、電圧を印加する前記複数の誘電体の各々を選択する請求項３から８の何れか１項に記載の積層型アクチュエータ。
【請求項１０】
前記選択部は、前記誘電体の径時的な変化に応じて、電圧を印加する前記複数の誘電体の各々を選択する請求項３から９の何れか１項に記載の積層型アクチュエータ。
【請求項１１】
前記複数の誘電体の各々の径時的な変化を測定する測定部を更に有し、前記測定部の測定に基づいて、前記選択部は、電圧を印加する複数の誘電体の各々を選択する請求項１０に記載の積層型アクチュエータ。
【請求項１２】
前記複数の陽極および前記複数の陰極の何れか一方は、それぞれが互いに電気的に接続されている請求項３から１１のいずれか１項に記載の積層型アクチュエータ。
【請求項１３】
予め定められた数の前記複数の陽極および前記複数の陰極は、それぞれが互いに電気的に接続されている請求項３から１２の何れか１項に記載の積層型アクチュエータ。
【請求項１４】
前記複数の陰極を近づける方向に付勢するプリロード部材を更に有する請求項３から１３の何れか１項に記載の積層型アクチュエータ。
【請求項１５】
前記プリロード部材は導電性を有し、少なくとも近接する前記複数の陽極同士および前記複数の陰極同士を電気的に接続する弾性部材である請求項１４に記載の積層型アクチュエータ。
【請求項１６】
前記プリロード部材は、前記複数の陰極および前記複数の陽極および前記複数の誘電体のいずれかを貫通する貫通部材と、前記積層型アクチュエータの収縮方向に付勢する付勢部材から構成される請求項１４に記載の積層型アクチュエータ。
【請求項１７】
請求項３から１６の何れか１項に記載の積層型アクチュエータを有する生体の動作を補助する補助具。
【請求項１８】
前記補助具は、さらに前記生体の状況を判断する状況判断部を有し、前記選択部は、前記状況判断部の判断に基づいて、電圧を印加する前記複数の誘電体の各々を選択する請求項１７に記載の補助具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータ、積層型アクチュエータおよび補助具に関する。
【背景技術】
【０００２】
陽極と陰極との間に、誘電性高分子からゲルが介装され、陽極と陰極との間に電圧を印加することにより厚さ方向に収縮するゲルアクチュエータが知られている。（例えば、特許文献１参照）。
［特許文献１］特開２０１２−２３８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記技術においては、ゲルアクチュエータの出力を、ゲルに印加する電圧を変化させてゲルアクチュエータの出力を調整していた。しかしながら、ゲルに印加する電圧の大きさとそれにより生じる出力の大きさとは必ずしも比例関係にないので、得ようとする出力の大きさに対応する電圧を印加することが難しかった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第一態様として、互いに間隔をおいて配置された二つの陰極と、前記二つの陰極の間に配置された凹部を有する陽極と、前記二つの陰極と前記陽極との間にそれぞれ配置され、誘電性高分子材料を含む弾性変形可能な二つの誘電体と、を備え、前記陽極と前記二つの陰極との間に電圧を印加した場合に、前記陽極の前記凹部に前記誘電体が入り込むことにより厚さ方向に収縮するアクチュエータであって、前記二つの誘電体のうち、いずれの誘電体に電圧を印加するかを選択する選択部を更に備えるアクチュエータが提供される。
【０００５】
上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これら特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】使用者に装着された補助具の正面図である。
【図２】ゲルアクチュエータ４０の構成を説明する断面模式図である。
【図３】ゲルアクチュエータ４０を積層した積層型アクチュエータの模式図である。
【図４】第１アクチュエータ１２の構成および動作を説明する断面模式図である。
【図５】第１アクチュエータ１２の構成および動作を説明する断面模式図である。
【図６】生体の動作を補助する補助具の機能ブロック図である。
【図７】ゲルデータベースの一例を示す。
【図８】アクチュエータ駆動処理を説明するフローチャートである。
【図９】ゲルデータベースの他の例を示す。
【図１０】特性の異なるゲルを備えるアクチュエータの駆動処理を説明するフローチャートである。
【図１１】スイッチ回路の一例を示す。
【図１２】他の第１アクチュエータの構成を説明する断面模式図である。
【図１３】他の第１アクチュエータの構成を説明する斜視模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００８】
図１は、使用者２８に装着された補助具１０の正面図である。図１に矢印で示す上下左右を補助具１０の上下左右方向とする。また、使用者２８から見て前後を、補助具１０の前後方向とする。本実施形態においては、補助具１０は、使用者２８の下半身に装着されて、使用者２８の脚部の動作を補助する。
【０００９】
補助具１０は、ズボン部１１と、第１アクチュエータ１２と、第２アクチュエータ１４と、第３アクチュエータ１６と、第４アクチュエータ１８と、制御部２０と、電源部２２と、配線２４と、検出部２６とを備える。なお、以後の説明において、第１アクチュエータ１２と、第２アクチュエータ１４と、第３アクチュエータ１６と、第４アクチュエータ１８と、をまとめて第１アクチュエータ１２等と呼ぶことがある。
【００１０】
ズボン部１１は、右足及び左足を挿入可能なズボン形状である。ズボン部１１は、伸縮可能な化学繊維等からなる。ズボン部１１は、使用者２８の下半身を一定の束縛力で締め付けて密着する。これにより、ズボン部１１は、装着された状態では、使用者２８の脚部に対してすべり難くなる。
【００１１】
第１アクチュエータ１２は、左足の膝部を覆うズボン部１１の前面の右上から左下にわたって設けられている。第１アクチュエータ１２は、弾性変形可能であって、帯状に形成されている。第１アクチュエータ１２は、全長にわたって、ズボン部１１に貼り付けられて密着している。
【００１２】
第１アクチュエータ１２の一例は、積層型アクチュエータであって、電圧が印加されると長手方向に収縮し、電圧の印加が解除されると元の長さまで伸長する。第１アクチュエータ１２は、伸長または収縮することにより、歩行時のユーザの左足の膝部の屈伸動作を補助する。
【００１３】
第２アクチュエータ１４は、左足の膝部を覆うズボン部１１の前面の左上から右下にわたって設けられている。従って、第１アクチュエータ１２と第２アクチュエータ１４は、左足の膝部の前面で交差する。第３アクチュエータ１６は、右足の膝部を覆うズボン部１１の前面の左上から右下にわたって設けられている。第４アクチュエータ１８は、右足の膝部を覆うズボン部１１の前面の右上から左下にわたって設けられている。第３アクチュエータ１６と第４アクチュエータ１８は、右足の膝部の前面で交差する。第２アクチュエータ１４、第３アクチュエータ１６および第４アクチュエータ１８のその他の構成は、第１アクチュエータ１２と同様なので説明を省略する。
【００１４】
配線２４は、電源部２２と、第１アクチュエータ１２、第２アクチュエータ１４、第３アクチュエータ１６および第４アクチュエータ１８のそれぞれと個別に電気的に接続する。電源部２２は、ズボン部１１の上部に設けられている。電源部２２は、ズボン部１１の上部に設けられている。電源部２２は、４本の配線２４を介して、第１アクチュエータ１２、第２アクチュエータ１４、第３アクチュエータ１６および第４アクチュエータ１８のそれぞれに個別に電圧を印加する。
【００１５】
制御部２０は、補助具１０の制御全般を司る。検出部２６は、使用者２８の状況を検出する。制御部２０は、検出部２６が検出した検出値に基づいて使用者２８の状況を判断する。制御部２０は、制御部２０が判断した使用者２８の状況に対して最適な補助力を与えるべく、第１アクチュエータ１２等を制御する。
【００１６】
図２は、ゲルアクチュエータ４０の構成を説明する断面模式図である。ゲルアクチュエータ４０は、第１アクチュエータ１２等の積層型アクチュエータを構成する、基本単位となる。ゲルアクチュエータ４０は、互いに間隔を置いて配置されたステンレスからなる二枚の薄膜４６と、二枚の薄膜４６の間に配置された導電材からなるメッシュ体４２と、二枚の薄膜４６とメッシュ体４２との間に配置された二枚のゲル４４と、電源部２２とを備える。メッシュ体４２は、電源部２２の正極と接続されることによって陽極として機能する。二枚の薄膜４６は、電源部２２の負極とそれぞれ接続されることによって、陰極として機能する。なお、ゲルアクチュエータ４０における陽極と陰極は、それぞれ逆に設けられてもよい。その場合に、ゲルアクチュエータ４０は、薄膜４６を挟んで配置された二枚のメッシュ体４２と、二枚のメッシュ体４２と薄膜４６との間にそれぞれ配置された二枚のゲル４４と、電源部２２とを備える。
【００１７】
ゲル４４は、電気刺激によって屈曲変形や、クリープ変形をなすポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）等の誘電性高分子から作成される。なお、ゲル４４は、ポリメタクリル酸メチル、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ナイロン６、ポリビニルアルコール、ポリカーボネイト、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリロニトリル等の誘電性高分子材料を用いて作成してもよく、誘電性高分子材料にアジピン酸ブチル（ＤＢＰ）等の可塑剤を添加してゲルを作成してもよい。なお、ゲルは誘電体の一例であり、ゲルアクチュエータは、アクチュエータの一例である。
【００１８】
メッシュ体４２と薄膜４６との間に電圧を印加すると、ゲル４４の一部がメッシュ体４２のメッシュ穴に入り込むことによって、ゲルアクチュエータ４０は、厚さ方向に収縮する。また、メッシュ体４２と薄膜４６との間に印加した電圧を解除すると、ゲル４４は、メッシュ体４２から離間し、ゲルアクチュエータ４０は、伸びて元の厚さに戻る。このように、ゲルアクチュエータ４０は、メッシュ体４２と、薄膜４６によるゲル４４への電圧の印加操作により、厚さ方向に変位する。
【００１９】
本実施形態で用いたメッシュ体４２の大きさの一例は、線形０．２ｍｍ、メッシュ孔１．１ｍｍ×１．１ｍｍ、厚さ０．４ｍｍのステンレス製のメッシュである。また、薄膜４６の厚みは、０．０１ｍｍであり、ゲル４４の厚みは、０．６ｍｍから１．０ｍｍである。なお、メッシュ体４２に代えて、凹部を設けたステンレス薄膜を用いてもよく、パンチにて穴を開けたステンレス薄膜を用いてもよい。
【００２０】
図３は、ゲルアクチュエータ４０を積層した積層型アクチュエータの模式図である。図３に示すように、積層型アクチュエータは、矩形の基本単位のゲルアクチュエータ４０を厚さ方向に複数個積み重ねて作成される。なお、積層されたゲルアクチュエータを作成する場合に、下側に設けられた薄膜４６と、上側に設けられた薄膜４６とを共通化して、一枚の薄膜４６としてよい。この場合においては、図３に示すように、積層されたゲルアクチュエータは、複数の薄膜４６と複数のメッシュ体４２とが交互に配され、その間にゲル４４が配される。
【００２１】
積層されたゲルアクチュエータの伸縮による変位である変位出力および当該伸縮により対象物を押す力である応力出力は、積層されたゲルアクチュエータ４０の個数に比例する。例えば、５個のゲルアクチュエータ４０を厚み方向に積層した場合の変位出力および応力出力は、ゲルアクチュエータ４０の５倍となる。ゲルアクチュエータを積層した積層型アクチュエータにおいて、駆動するゲルアクチュエータ４０の個数を選択することによって、ゲル４４に印加する電圧を変えることなく、積層型アクチュエータの変位出力および応力出力を制御できる。ゲルアクチュエータ４０の個数を選択することに加えて、選択したゲルアクチュエータ４０のゲル４４に印加する電圧を変えることで積層型アクチュエータの変位出力および応力出力をさらに細かく変えてもよい。
【００２２】
図４および図５は、第１アクチュエータ１２の構成および動作を説明する断面模式図である。図４および図５において、図１および図２および図３と共通の要素には、同じ参照番号を付して重複する説明を省く。図４は、ゲル４４に電圧が印加されていない状態の第１アクチュエータ１２を示しており、図５は、ゲル４４に電圧が印加されて、複数のゲルアクチュエータ４０が厚み方向に収縮した状態の積第１アクチュエータ１２を示している。
【００２３】
第１アクチュエータ１２は、電源部２２と、複数のゲルアクチュエータ４０と、筐体５０と、出力部材５２と、バネ５４と、シャフト５６と、測定部５８とを備える。複数のゲルアクチュエータ４０は、ゲルアクチュエータ４０の厚み方向に積層されている。中空の直方体形状の筐体５０は、積層されたゲルアクチュエータ４０を囲むように構成される。筐体５０は、ポリスチレン等の絶縁性の樹脂により形成される。直方体形状の出力部材５２は、第１アクチュエータ１２の最上に位置する薄膜４６に接続して設けられ、ゲルアクチュエータ４０の伸縮と共に厚み方向に移動して、積層されたゲルアクチュエータ４０の伸縮を筐体５０の外部に出力する。
【００２４】
円柱形状のシャフト５６は、第１アクチュエータ１２の左右の側面に設けられる。シャフト５６の両端には、中央部の径よりも大きな直径を有する係止部５７が設けられている。シャフト５６の一端側の係止部５７は、筐体５０の底面に固定される。シャフト５６の他端側の係止部５７は、バネ５４を介して最上に位置する薄膜４６に係止されている。シャフト５６は、複数のメッシュ体４２、複数のゲル４４および複数の薄膜４６を貫通するとともに、これらを摺動自在に係止する。
【００２５】
シャフト５６は、少なくとも複数のメッシュ体４２と複数のゲル４４および複数の薄膜４６を支える剛性を有し、導電性を有さない絶縁材料で作成される。シャフト５６は、絶縁材料で作成されるので、シャフト５６を介してメッシュ体４２と薄膜４６とが通電することはない。なお、シャフト５６とメッシュ体４２およびシャフト５６と薄膜４６のいずれか一方との接点が絶縁されていれば、シャフト５６は、導電性を有する金属等の導電材料で作成してもよい。剛性を有する材料から作成されたシャフト５６を設けることによって、第１アクチュエータ１２の伸縮は、シャフト５６に沿った方向にガイドされる。これにより、第１アクチュエータ１２の伸縮方向が一定となり、第１アクチュエータ１２の出力方向を一定に維持できる。
【００２６】
バネ５４は、シャフト５６の係止部５７と最上に位置する薄膜４６に挟まれる領域に設けられ、薄膜４６を第１アクチュエータ１２の収縮方向に付勢する。最上に位置する薄膜４６は、収縮方向である下方に付勢力を受け、下に位置する複数の薄膜４６と複数のメッシュ体４２とがそれぞれ近づけられる。なお、シャフト５６およびバネ５４は、プリロード部材の一例である。シャフト５６およびバネ５４で、複数の薄膜４６と複数のメッシュ体４２とをそれぞれ近づける。これにより、第１アクチュエータ１２において、ゲル４４と薄膜４６の剥離を防止し、ゲル４４を、メッシュ体４２と薄膜４６とで挟むように配置したゲルアクチュエータ４０における位置関係を維持できる。
【００２７】
図５は、ゲル４４に電圧が印加された状態の第１アクチュエータ１２を示しているが、第１アクチュエータ１２が厚み方向に収縮した場合であっても、シャフト５６は移動しない。一方、バネ５４は、下方向に薄膜４６を付勢するが、ゲルアクチュエータ４０の収縮により、薄膜４６と係止部５７との距離が長くなるので、バネ５４は、自身の付勢力により、第１アクチュエータ１２の厚み方向に延びた状態となっている。この状態から、ゲル４４に印加している電圧を解除すると、ゲル４４が伸びて第１アクチュエータ１２は、図４に示した状態に戻る。
【００２８】
測定部５８は、出力部材５２の位置を検出する。測定部５８の一例は、ホール素子である。出力部材５２のホール素子に対向する位置に、第１アクチュエータ１２の厚み方向の寸法に対応付けて磁束密度を変えた領域を形成する。ホール素子は磁束密度の変化を検出できるので、電圧を印加する前と、電圧を印加した後との出力部材５２の磁束密度の変化を検出することによって、出力部材５２の位置の変化量を測定できる。出力部材５２の位置の変化量は、第１アクチュエータ１２の変位出力であるので、測定部５８は、積層型アクチュエータの変位出力を測定できる。なお、測定部５８は、画像センサであってもよい。測定部５８が画像センサである場合においては、出力部材５２の目盛を設け、当該目盛を画像センサで撮像し、撮像画像を解析することによって、変位出力を測定してもよい。
【００２９】
電源部２２は、電源４８とスイッチ回路４９を有する。スイッチ回路４９において、選択部６４によって選択されたゲルを挟むメッシュ体４２および薄膜４６スイッチがＯＮとされる。これにより、選択部６４に選択されたゲルを挟むメッシュ体４２および薄膜４６に電源が接続されて当該ゲルに電圧が印加される。このように、第１アクチュエータ１２は、スイッチ回路４９を用いて選択部６４により選択された個別のゲルに対して電圧を印加できる。なお、図５に示した第１アクチュエータ１２は、全てのゲル４４に電圧を印加した状態を示している。
【００３０】
このように、第１アクチュエータ１２は、個別のゲル４４に対して電圧を印加できるので、測定部５８は、個別のゲル４４の変位出力および変位出力の径時変化も測定できる。予め定められた時間ごとに、ゲル４４に電圧を印加して、ゲル４４を収縮させる。測定部５８は、ゲル４４の収縮時の変位を測定することで、個別のゲルの変位出力が測定できる。また、変位出力の径時変化は、予め測定して記録された初期の変位出力と、測定した変位出力とを比較することによって、個別のゲル４４の径時的な変位出力の変化が測定できる。
【００３１】
図４および図５に示した例において、第１アクチュエータ１２を構成する複数のゲル４４は、同一の材料から構成されるゲル４４を複数用いてもよく、異なる材料からなるゲル４４を複数用いてもよい。同一の材料から構成されるゲル４４を用いることによって、ゲルアクチュエータ４０および第１アクチュエータ１２の製造が容易となる。また、上述したように、駆動するゲルアクチュエータ４０の個数によって、第１アクチュエータ１２の変位出力または応力出力を制御できるので、出力させたい変位出力または応力出力に応じて、駆動するゲルアクチュエータ４０の個数を選択することによって、印加する電圧を変化させることなく、第１アクチュエータ１２の変位出力または応力出力を制御できる。
【００３２】
ゲル４４の材料が異なる場合において、ゲル４４が硬い場合、ゲルアクチュエータ４０の変位出力は小さいが、応力出力は大きくなる。また、ゲル４４が柔らかい場合、ゲルアクチュエータ４０の変位出力は大きいが、応力出力は小さくなる。したがって、ゲルが硬い場合と柔らかい場合とでは、力と変位との関係が互いに異なる。このように、出力特性の異なる硬いゲルを備えたゲルアクチュエータ４０、および柔らかいゲルを備えたゲルアクチュエータ４０をそれぞれ積層して、第１アクチュエータ１２を構成してもよい。そして、要求される応力出力および変位出力に合わせて、電圧を印加するゲルアクチュエータを、硬いゲルを備えるゲルアクチュエータ４０、および柔らかいゲルを備えるゲルアクチュエータ４０の中から選択する。これにより、印加する電圧を変化させることなく、要求される応力出力および変位出力に合致させるように第１アクチュエータ１２の出力を制御できる。
【００３３】
図６は、生体の動作を補助する補助具１０の機能ブロック図である。補助具１０は、積層型アクチュエータからなる第１アクチュエータ１２等と、制御部２０と、電源部２２と、検出部２６と、測定部５８とを有する。なお、他の図と共通の要素には、同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
【００３４】
制御部２０は、補助具１０の制御全般を行う。制御部２０は、処理部６０と、格納部６６とを有する。処理部６０の一例は、ＣＰＵである。処理部６０は、格納部６６に格納された補助プログラムを読み込むことによって、状況判断部６２および選択部６４として機能する。状況判断部６２は、検出部２６が検出した検出値に基づいて、使用者２８の状況を判断する。
【００３５】
選択部６４は、状況判断部６２による使用者２８の状況判断に基づいて、第１アクチュエータ１２等の駆動を制御する。選択部６４は、電源部２２のスイッチ回路４９を制御することによって、積層型アクチュエータにおける電圧を印加するゲル４４の個数および種類を選択する。例えば、状況判断部６２により、使用者２８の状況を判断し、当該状況に合致した補助力の大きさ、または補助力の特性が判断できた場合に、選択部６４は、当該補助力の大きさに応じて、必要な個数のゲル４４を選択する。また、第１アクチュエータ１２が出力特性の異なるゲルを有する場合に、選択部６４は、使用者２８の状況に合致した補助力の特性に応じて、必要なゲルを、出力特性の異なるゲルの中から選択する。
【００３６】
検出部２６は、使用者２８の状況を検出する。検出部２６の一例は、三軸の加速度センサであるが、気圧センサであってもよく、これらを組み合わせたセンサであってもよい。測定部５８は、第１アクチュエータ１２等の変位出力を測定する。
【００３７】
格納部６６は、第１アクチュエータ１２等を構成するゲルデータベース７０および補助具１０を制御するプログラムを格納する。電源部２２は、電源４８と、スイッチ回路４９とを有する。電源４８は、第１アクチュエータ１２等を構成するそれぞれのゲル４４に電圧を印加する電源である。スイッチ回路４９には、第１アクチュエータ１２等を構成する個別のゲル４４に対応したスイッチがそれぞれ設けられている。選択部６４は、当該スイッチのＯＮ−ＯＦＦを制御することによって、電圧を印加するゲル４４の個数および種類を選択する。
【００３８】
図７は、ゲルデータベースの一例を示す。ゲルデータベース７０には名称欄と、ＩＤ欄と、応力欄と、変位欄と、アドレス欄と、印加回数欄と、径時変化欄とが設けられている。名称欄には、ゲル４４を識別するゲルの名称が記録される。ＩＤ欄には、ゲル４４を識別するＩＤ番号が記録される。なお、ＩＤ番号があれば、名称は特に必要ないが、図の説明のために、ゲルの名称欄を表記した。
【００３９】
応力欄および変位欄には、予め定められた電圧を印加した場合における初期および現在の応力出力および変位出力が記録される。なお、現在の変位出力は、測定部５８により測定されて、状況判断部６２により記録される。また、応力出力は、変位出力に基づいて予め測定された変位と応力の関係から算出される。
【００４０】
アドレス欄には、ＩＤ欄に記録されたゲルに電圧を印加する二枚の薄膜４６およびメッシュ体４２のスイッチ回路４９におけるアドレスが記録される。スイッチ回路のアドレスとは、例えば、図４および図５に示したスイッチ回路４９におけるＳ１、Ｓ２であり、スイッチ回路のスイッチを識別するアドレスである。印加回数欄には、ゲルに電圧が印加された累積回数が記録される。
【００４１】
径時変化欄には、予め定められた間隔で、測定したゲルの変位出力が、変位欄に記録された変位に対し予め定められた割合以下である場合に、フラグ「１」が記録される。なお、補助具の出荷時においては「０」が記録されており、予め定められた割合以上である場合は「０」が表示される。なお、予め定められた間隔の一例は、２４時間であり、予め定められた割合の一例は、９割である。図９に示した例においては、ゲル１、ゲル３、ゲル４およびゲルｎは、初期の応力出力、変位出力に対し、現在の出力がともに９割以上であるので、「０」のままとなっている。一方、ゲル２は、初期の応力出力、変位出力に対し、現在の出力がともに９割より小さいので、フラグ「１」が記録されている。
【００４２】
図８は、アクチュエータの駆動処理を説明するフローチャートである。第１アクチュエータ１２の駆動処理の説明を、格納部６６に格納されるゲルデータベース７０を用いて説明する。第１アクチュエータ１２の駆動処理は、検出部２６が検出値を出力した後に開始する。
【００４３】
まず、状況判断部６２が、検出部２６が検出した検出値に基づいて、使用者２８が必要としている補助具１０の出力値を算出する（Ｓ１０１）。例えば、検出部２６が三軸の加速度センサである場合に、検出部２６は、使用者２８の状況に関連した加速度の変化に関する信号を制御部２０に出力する。例えば、検出部２６は、使用者２８の左右の脚部に設けた加速度センサの加速度が変化した時間当たりの回数を検出し、当該時間あたりの回数を示す信号を制御部２０に出力する。
【００４４】
状況判断部６２は、時間当たりの回数を取得すると、予め測定した走り時の時間当たりの加速度変化の回数と比較して、検出部２６が検出した回数が、予め測定された回数を越えている場合に、使用者２８は走っている状況であると判断する。格納部６６には、走っている状況に対応した補助力および歩いている状況に対応した補助力が、予め測定されて格納されている。状況判断部６２は、走っている状況に対応した補助具１０の出力を格納部６６から読み出す。一方、検出部２６が検出した回数が、予め測定された回数を越えない場合は、使用者２８は、歩いている状況であると判断して、歩いている状況に対応した補助具１０の出力を格納部６６から読み出す。そして、状況判断部６２は、算出した補助具の出力に対応した第１アクチュエータ１２等の出力値を算出して、選択部６４に出力する。
【００４５】
また、検出部２６が三軸の加速度センサである場合に、検出部２６を使用者２８の背中に設けて、使用者２８の背中の重力方向に対する角度を検出してもよい。状況判断部６２は、検出した角度から、使用者２８の姿勢を判断する。格納部６６には、姿勢に対応した補助力が、予め測定されて格納されている。状況判断部６２は、判断した使用者２８の姿勢に対応した補助具１０の出力を格納部６６から読み出す。そして、状況判断部６２は、算出した補助具の出力に対応した第１アクチュエータ１２等の出力値を算出して、選択部６４に出力してもよい。
【００４６】
また、例えば、検出部２６が気圧センサである場合に、検出部２６は、気圧信号を出力する。状況判断部６２は、取得した気圧信号から使用者２８の高度を算出する。状況判断部６２は、算出した高度から使用者２８の高度変化のプロファイルを作成する。状況判断部６２は、高度変化のプロファイルが、なだらかに上昇している場合に、使用者２８が階段を上っている状況であると判断する。格納部６６には、階段を上っている状況に対応した補助力が、予め測定されて格納されている。状況判断部６２は、階段を上っている状況に対応した補助具１０の出力を格納部６６から読み出す。そして、状況判断部６２は、算出した補助具の出力に対応した第１アクチュエータ１２等の出力値を算出して、選択部６４に出力してもよい。
【００４７】
選択部６４は、取得した第１アクチュエータ１２等の出力値を出力するのに必要なゲル４４の個数を算出する（Ｓ１０２）。積層型アクチュエータの出力値は、電圧を印加するゲルの個数に比例するので、選択部６４は、取得した第１アクチュエータ１２等の出力値を、１つのゲル４４で出力できる出力値で除することで、電圧を印加するゲル４４の個数を算出する。選択部６４は、ゲル４４の個数を算出すると、格納部６６に格納されているゲルデータベース７０を参照して、電圧印加回数の少ないゲル４４から算出した個数のゲルを選択する（Ｓ１０３）。
【００４８】
ステップＳ１０３において、電圧が印加された累積回数に応じて電圧を印加するゲル４４を選択する。選択部６４は、ゲルデータベース７０の印加回数欄を参照して、電圧が印加された累積回数の最小値のゲル４４を選択する。なお、最小値のゲル４４の個数が算出した個数に満たない場合は、最小値の次に小さい累積回数のゲル４４を選択する。また、最小値のゲル４４が算出した個数以上ある場合には、ＩＤ番号が小さいゲル４４が選択される。
【００４９】
ゲルアクチュエータ４０において、ゲル４４に複数回電圧を印加すると、ゲル４４に永久圧縮歪みが生じて、応力出力および変位出力が低下する。したがって、積層型アクチュエータにおいて、電圧を印加した回数を平均化することで、特定のゲル４４の永久圧縮歪みが大きくなって使用できなくなることを防ぐことができる。
【００５０】
なお、印加回数の少ないゲルを選択する場合において、選択部６４は、径時変化に応じて電圧を印加するゲル４４を選択してもよい。例えば、選択部６４は、径時変化欄を参照して、フラグ「１」が記録されたゲルを除いて選択する。このように、径時変化に応じて電圧を印加するゲル４４を選択することで、経時変化により応力出力または変位出力が低下したゲルの使用を避けることができ、第１アクチュエータ１２の出力低下を避けることができる。選択部６４は、電圧を印加するゲル４４を選択すると、選択したゲル４４における印加回数欄の値を消去して、元の値に１を加えた数を新たに記録する（Ｓ１０４）。
【００５１】
選択部６４は、選択したゲルのアドレス欄に記録されているアドレスを読み出す（Ｓ１０５）。選択部６４は、読み出したアドレスをスイッチ回路４９に出力して（Ｓ１０６）、選択したゲル４４に対応した薄膜４６およびメッシュ体４２のスイッチをＯＮに変更させる。これにより、電源４８から選択したゲル４４に電圧が印加され（Ｓ１０７）、第１アクチュエータ１２が駆動される（Ｓ１０８）。なお、ゲルアクチュエータ４０においては、電圧を印加した状態から電圧を解除した状態で、反発応力を発生する。したがって、電圧を印加した状態から、選択したゲルの電圧を解除する、といった制御を行ってもよい。
【００５２】
図９は、ゲルデータベースの他の例を示す。図９に示したゲルデータベース７２には、図７に示したゲルデータベース７０に対して、更に、Ｔｙｐｅ欄が設けられている。
【００５３】
Ｔｙｐｅ欄は、ゲル４４のタイプが記録される。図９に示した例において、ＴｙｐｅＡは、応力出力が小さく、変位出力が大きいゲルであり、ＴｙｐｅＢは、応力出力が大きく、変位出力が小さいゲルである。応力欄および変位欄には、予め定められた電圧を印加した場合における初期および現在の応力出力および変位出力が記録される。なお、現在の変位出力は、測定部５８により測定されて、状況判断部６２により記録される。また、応力出力は、ＴｙｐｅＡおよびＴｙｐｅＢ毎に記録された変位と応力の関係から算出されて記録される。
【００５４】
図１０は、特性の異なるゲルを備えるアクチュエータの駆動処理を説明するフローチャートである。図１０に示したフローチャートにおいて、ステップＳ１０１およびステップＳ１０４からステップＳ１０８までの処理は、図８に示したフローチャートと同じ処理を実行するので説明を省略する。
【００５５】
ステップＳ２０１において、状況判断部６２は、判断した使用者２８の状況に基づいてアクチュエータの出力特性を特定する。状況判断部６２は、使用者２８が要求する応力出力および変位出力を算出して、その結果を選択部６４に出力する。選択部６４は、取得した応力出力および変位出力を出力させる異なる特性の有するゲルのそれぞれの個数を算出する。具体的には、ゲルデータベース７０に記録されたＴｙｐｅＡの個数とＴｙｐｅＢの個数を変数として、応力出力および変位出力に合致したそれぞれのゲルの個数を算出する。なお、算出できない場合においては、出得した応力出力および変位出力に近い出力となるそれぞれのゲルの個数を選択するとしてもよい。このようにして選択部６４は、電圧を印加するＴｙｐｅＡの個数およびＴｙｐｅＢの個数を算出する（Ｓ２０１）。
【００５６】
選択部６４は、算出したＴｙｐｅＡの個数およびＴｙｐｅＢの個数に基づいて、ゲルデータベース７０を参照して、各Ｔｙｐｅごとに算出した個数のゲルを選択する（Ｓ２０２）。なお、この場合において、印加回数の少ないゲルを選択するとしてもよいが、印加回数の少ないゲルを選択することよりも、算出したＴｙｐｅＡ、ＴｙｐｅＢの数を選択することを優先してもよい。これにより、使用者２８が要求する応力出力に合せることを優先して出力を制御できる。なお、以降の処理は、図８に示した処理のステップＳ１０４以降と同じであるので説明を省略する。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態に係る第１アクチュエータ１２は、使用者２８の要求する応力出力または変位出力に対して、ゲルに印加する電圧を変えることなく、駆動するゲルアクチュエータ４０の個数を選択することによって、積層型アクチュエータの１００変位出力および応力出力を制御できる。これにより、第１アクチュエータ１２における電源部２２から印加電圧を変更する変圧機構を無くすことができ、電源部の構成を単純にできる。
【００５８】
また、本実施形態において、選択部６４は、電圧が印加された累積回数に応じて電圧を印加するゲル４４を選択したが、それに代えて選択部６４はゲルの現在の出力応力または変位出力に応じて電圧を印加するゲル４４を選択してもよい。選択部６４は、初期の出力応力に対する変化量の少なさに応じてゲル４４を選択する。これにより、応力および変位の出力効率の高いゲルを選択することができ、第１アクチュエータ１２の出力効率を向上できる。
【００５９】
また、本実施形態において、第１アクチュエータ１２は、複数のゲルアクチュエータ４０を積層して構成されるが、複数のゲルアクチュエータ４０とともに、シリコーンゴムまたはアクリルゴム等の誘電性エラストマーを有する誘電性エラストマーアクチュエータを備えてもよい。誘電性エラストマーアクチュエータは、２枚の電極板の間にシリコーンゴムまたはアクリルゴム等の誘電性エラストマーを介在させたアクチュエータであり、電圧印加方向に直交する方向に変位出力および応力出力が生じる。複数のゲルアクチュエータ４０とともに複数の誘電性エラストマーを積層させた積層型のアクチュエータを用いることで、積層型アクチュエータの上下方向および左右方向に出力を生じさせるアクチュエータとすることができる。
【００６０】
図１１は、スイッチ回路４９の一例を示す。スイッチ回路４９は、図１１に示すようなマトリックス状の回路としてもよい。図１１に示した場合において、ゲル１、ゲル２およびゲル６を同時に駆動する場合には、Ｘ１とＹ１、Ｘ2とＹ１、Ｘ２とＹ２を短時間で切り替えながらそれぞれに電圧を印加する。
【００６１】
この場合において、ゲル４４の収縮速度は、復帰速度よりも十分早く、また、電圧切り替え速度もゲル４４の復帰速度よりも十分に早いので、ゲル４４が復帰する前に電圧の切り替えを行うことで、ゲル１、ゲル２およびゲル６を同時に駆動できる。なお、電圧を印加するゲル４４の数が多く、電圧印加時間とゲル４４の数を乗じた時間ではゲル４４が復帰してしまう場合には、電圧印加時間を短くしてもよい。このように、スイッチ回路４９をマトリックス状の回路とすることで、駆動するゲルの数に対して電圧を印加する端子の数を少なくできる。
【００６２】
図１２は、他の第１アクチュエータ１２０の構成を説明する断面模式図である。図１２において、図４および図５と共通の要素には、同じ参照番号を付して重複する説明を省く。第１アクチュエータ１２０は、上下の薄膜４６を接続する接続部材６８を有する。接続部材６８は導電性しており、三枚の薄膜４６を互いに電気的に接続している。接続部材６８は、上下の薄膜４６を互いに近づける方向に付勢する付勢力を有する。接続部材６８は、プリロード部材の一例である。なお、接続部材６８は、弾性部材であってもよく、その場合、引っ張った状態で上下の薄膜４６と接続させる。これにより、弾性部材の弾性により、上下の薄膜４６を近づける方向に力を生じさせることができる。このように、上下の薄膜４６を近づける方向に力を生じさせることで、第１アクチュエータ１２０において、ゲル４４と薄膜４６の剥離を防止し、ゲル４４をメッシュ体４２と、薄膜４６とで挟むように配置したゲルアクチュエータ４０における位置関係を維持できる。なお、導電性を有する弾性部材の一例は、導電性を有するポリウレタン発泡体である。
【００６３】
接続部材６８は、三枚の薄膜４６を電気的に接続しているが、さらに、接続部材６８を用いてゲルアクチュエータ８０とゲルアクチュエータ８２が有するメッシュ体４２同士を電気的に接続してもよい。これにより、ゲルアクチュエータ８０とゲルアクチュエータ８２を電気的に接続することができる。ゲルアクチュエータ８０とゲルアクチュエータ８２を電気的に接続することで、三枚の薄膜４６の何れか一つと電源とを接続することで、三枚の薄膜４６に通電でき、二つのメッシュ体４２の何れか一つと電源とを接続することで、二つのメッシュ体４２に通電できる。
【００６４】
このように、第１アクチュエータ１２においてはゲル４４を個別に選択する例を示したが、これに代えて、複数のゲルアクチュエータ４０を電気的に接続して、その接続した複数のゲルアクチュエータ４０の単位ごとに個別に選択するとしてもよい。これにより、薄膜４６に接続していた配線およびメッシュ体４２に接続していた配線を削除でき、部品点数を少なくできる。
【００６５】
なお、図１２において、接続部材６８を用いて、三枚の薄膜４６を電気的に接続する例を示したが、接続部材６８を用いて、全ての薄膜４６を電気的に接続してもよい。更に、薄膜４６を電源の負極と接続して、薄膜４６を陰極として機能させる。一方、メッシュ体４２はスイッチ回路４９により電圧の印加を個別に制御する。薄膜４６を陰極として機能させても、メッシュ体４２が陽極として機能しなければ、ゲルアクチュエータ４０は伸縮しない。このような構成とすることで、駆動するゲルアクチュエータ４０の個数を選択できるとともに、複数の薄膜４６に接続する配線およびスイッチ回路におけるスイッチを無くすことができ、部品点数を削減できる。なお、接続部材６８を用いて接続するのは、薄膜４６に限られず、接続部材６８を用いて全てのメッシュ体４２を電気的に接続してもよい。
【００６６】
図１３は、他の第１アクチュエータ１２０の構成を説明する斜視模式図である。図１３に示したように接続部材６８は、第１アクチュエータ１２０の周方向にずらして配置してもよい。これにより、接続部材６８同士が互いに干渉することを防ぐことができる。
【００６７】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。また、上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることが当業者に明らかである。更に、変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることは、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００６８】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００６９】
１０  補助具、１１  ズボン部、１２、１２０  第１アクチュエータ、１４  第２アクチュエータ、１６  第３アクチュエータ、１８  第４アクチュエータ、２０  制御部、２２  電源部、２４  配線、２６  検出部、２８  使用者、４０、８０、８２  ゲルアクチュエータ、４２  メッシュ体、４４  ゲル、４６  薄膜、４８  電源、４９  スイッチ回路、５０  筐体、５２  出力部材、５４  バネ、５６  シャフト、５７  係止部、５８  測定部、６０  処理部、６２  状況判断部、６４  選択部、６６  格納部、６８  接続部材、７０、７２  ゲルデータベース、１００、１１０  積層型アクチュエータ
【図１】
2015211577.tif 000003
【図２】
2015211577.tif 000004
【図３】
2015211577.tif 000005
【図４】
2015211577.tif 000006
【図５】
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【図６】
2015211577.tif 000008
【図７】
2015211577.tif 000009
【図８】
2015211577.tif 000010
【図９】
2015211577.tif 000011
【図１０】
2015211577.tif 000012
【図１１】
2015211577.tif 000013
【図１２】
2015211577.tif 000014
【図１３】
2015211577.tif 000015