(57)【要約】【課題】  大きな伸縮量を備え、応答性および動作安定性に優れるとともにコンパクトで動作自由度が高い人工筋肉を提供する。【解決手段】  本発明にかかる人工筋肉は、相対直線運動を行う二つの要素の双方に可撓性を持たせたリニアモータからなることを特徴とする。これによれば、二つの要素がリニアモータの駆動によって相対直線運動を行うため、モータ全体では生物の筋繊維と同等の伸縮運動が得られ、かつ非常に大きなストロークと高い応答性および動作安定性を得ることができる。また、二つの要素の双方に可撓性を持たせたことから、動作の自由度を高めて、単一の機構で人間等の動作に近い自然な運動を実現することができる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対直線運動を行う二つの要素の双方に可撓性を持たせたリニアモータからなる人工筋肉。
【請求項２】
二つの要素の少なくとも一方の可撓性が、両者の相対移動方向に間欠配置した可撓性材料によって与えられる請求項１に記載の人工筋肉。
【請求項３】
二つの要素の少なくとも一方の可撓性が、両者の相対移動方向に連続配置した可撓性材料によって与えられる請求項１に記載の人工筋肉。
【請求項４】
リニアモータが、二つの要素の何れか一方をロッド状、他方をその外周に配置したチューブ状とした円筒型リニアモータである請求項１に記載の人工筋肉。
【請求項５】
外側の要素が、可撓性の円筒部材およびこれと同軸に配置したコイルを有する請求項４に記載の人工筋肉。
【請求項６】
内側の要素が、複数の磁石および磁石間に介在させた可撓性部材を有する請求項４または５に記載の人工筋肉。
【請求項７】
二つの要素間に固体潤滑被膜を介在させた請求項１または４に記載の人工筋肉。
【請求項８】
請求項１〜７の何れかに記載したリニアモータを複数束ねて構成した人工筋肉束。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニアモータを利用した人工筋肉に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
人工筋肉には、主に外部からの信号に基づき伸縮運動を行う機構が要求される。その一例として、磁石間の引力あるいは斥力を伸縮運動に利用した人工筋肉が特開平１１−２１５７９３号公報に開示されている（特許文献１参照）。
【０００３】
この人工筋肉は、互いに離間して配置された複数の電磁石と、前記複数の電磁石の間に介装されたシリコンゴム等からなる伸縮パッドとを備えるものであり、上記電磁石に電流を流すことで、電磁石間に引力あるいは斥力を発生させ、上記電磁石および伸縮パッドの配列方向における一方の端部に設けられた支点と、他方の端部に設けられた作用点との間を収縮又は伸長させるものである。
【０００４】
しかし、この機構では、筋肉の伸縮量が相対向する磁石間の離間幅に依存するため、伸縮量の増大には限度がある。また、伸縮動作が伸縮パットの弾性変形で行われるため、応答性が懸念され、かつ使用温度や使用期間等の外部要因によってその剛性が変化し、動作安定性が低下するおそれもある。
【０００５】
一方、特開２００２−１４４２７４号公報には、リニアモータを利用した関節駆動装置が開示されている（特許文献２参照）。この装置はリニアモータからなる駆動部と、ゴムやスプリング等の弾性体からなる変形部とが別体に設けられているので、変形部の他に駆動部の設置スペースも確保する必要があり、スペース効率が悪い。また、この駆動装置は、結局のところ油圧シリンダ等のアクチュエータを用いた関節構造と等価なものに過ぎず、得られる動作はパワーショベルのアームの如き機械的なものに限られる。従って、動作の自由度は低く、これを人工筋肉として使用しても人間らしいスムーズな動作を得ることは難しい。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２１５７９３号公報（第４頁、第１図〜第４図）
【０００７】
【特許文献２】特開２００２−１４４２７４号公報（第３頁〜第４頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、大きな伸縮量を備え、応答性および動作安定性に優れるとともにコンパクトで動作自由度が高い人工筋肉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】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明にかかる人工筋肉は、相対直線運動を行う二つの要素の双方に可撓性を持たせたリニアモータからなることを特徴とする（請求項１）。ここで「リニアモータ」とは、対象に直線的な運動をさせる力を与える駆動装置で、基本的には円筒状の回転形モータを直線状に展開した構造のものを意味する。
【００１０】
上記構成によれば、リニアモータの駆動により二つの要素が相対直線運動を行うため、モータ全体で見れば生物の筋繊維と同等の伸縮運動が得られる。従って、二つの要素を二部材にそれぞれ固定することにより、両部材間で相対運動が得られる。この場合、リニアモータの特性から、非常に大きなストロークと高い応答性および動作安定性を得ることができ、かつストローク調整も自在となる。また、リニアモータ自体が伸縮可能な筋繊維として機能するので、駆動部と変形部を別構造とする場合に比べ、スペース効率の面でも有利となる。
【００１１】
加えて、二つの要素の双方に可撓性を持たせているので、上記人工筋肉を任意の非直線形状に変形させた状態で設置することができる。この場合、二次元平面上だけでなく三次元空間上にも任意形状で設置することもでき、実現可能な動作の多様化が可能となる。従って、動作の自由度を高めて、単一の機構で人間等の動作に近い自然な運動を実現することができる（請求項１）。
【００１２】
リニアモータの可撓性は、種々の手法によって与えることができる。例えば二つの要素の少なくとも一方の可撓性を、両者の相対移動方向に間欠配置した可撓性材料によって与え、あるいは、少なくとも一方の可撓性を、両者の相対移動方向に連続配置した可撓性材料によって与えることが考えられる（請求項２および３）。前者は界磁手段として永久磁石等の剛体を使用する場合に、後者は巻線（コイル）等の軟体を使用する場合の可撓性付与手法として適合する。可撓性材料としては、樹脂やゴムが代表的である。
【００１３】
リニアモータは、一般にその形状面から平面型と円筒型に大別される。本発明では基本的に何れのタイプも使用可能であるが、可撓性確保の容易性、あるいは複数束ねて筋肉束として使用する場合のスペース効率等を考えると、二つの要素のいずれか一方をロッド状、他方をその外側に配置したチューブ状とした円筒型リニアモータを使用するのが好ましい（請求項４）。この他にも、円筒型リニアモータは、その構成材料として樹脂等を使用することにより、何れの要素も押出し加工や引き抜き加工といった公知の連続成形方法により能率よくかつ低コストに製作できるという利点も有する。
【００１４】
この円筒型リニアモータを使用する場合、外側の要素は、例えば可撓性の円筒部材とこれと同軸に配置したコイルとで構成することができる（請求項５）。これは外側の要素をリニアモータの一次側（電源供給側）とするものであり、これにより、電源からの配線が相対スライドする内側の要素と干渉する事態を防止することができる。なお、コイルは、円筒部材の外周に配置する他、内周に配置することもでき、さらには円筒部材の肉部に埋め込む形で配置することもできる。
【００１５】
また、内側の要素は、例えば複数の磁石と磁石間に介在させた可撓性部材とで構成することができる。なお、ここで「磁石」とは界磁極を有するものを指し、永久磁石のみならず電磁石も「磁石」に含まれる。但し、電磁石を使用する場合は、これへの給電配線が相対スライド運動によって外側の要素と干渉するおそれがあるので、この対策を不要とする意味で永久磁石を使用するのが好ましい。
【００１６】
リニアモータは基本的に非接触駆動であるので、二要素の相対移動時に両者間で接触摩擦が生じることはない。しかしながら、本発明のように人工筋肉として使用する場合、個々のリニアモータの直径寸法を微小サイズ（数十μｍ〜数ｍｍ程度）とすることが求められる場合があり、その場合、成形誤差や熱膨張差等によって二つの要素間で滑り摩擦を生じる可能性がある。また、微小サイズとしない場合でも、人工筋肉を曲げたり、たわませたりした状態で使用すると、特に曲率が大きい箇所で二つの要素が接触する可能性がある。かかる観点から、二つの要素間に固体潤滑被膜を介在させ、両者の接触摩擦を軽減するのが望ましい（請求項７）。固体潤滑被膜としては、二硫化モリブデン等の無機系、ＰＴＦＥ等の有機系を問わず使用することができる。
【００１７】
上述の各リニアモータを一本の筋繊維と見なし、これら複数のリニアモータを束ねて人工筋肉束を構成すれば、より大きな伸縮力を得ることが可能となり、人工筋肉の用途拡大に寄与することができる。この場合、束ねる本数を調整することにより、容易に人工筋肉束の伸縮力を制御することが可能となる（請求項８）。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、本発明にかかる人工筋肉によれば、高速応答性と大きな伸縮量を備え、コンパクトかつ動作自由度の高い人工筋肉を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態例を図１〜図３に基づいて説明する。
【００２０】
図１は、本発明にかかる人工筋肉１の一例を示すもので、リニアモータとして円筒型リニアモータを使用した場合を例示している。このリニアモータは、外側に配置された長尺チューブ状の第一要素９と、第一要素９の内周に挿入される長尺ロッド状の第二要素１０とを主体に構成される。通常のリニアモータでは、いずれか一方の要素が他方に比べて極端に短く形成されるが、本発明においては両要素９、１０はほぼ同じ長さに形成される。
【００２１】
チューブ状の第一要素９は、樹脂やゴム等の可撓性材料からなる円筒部材２と、その外周の軸方向複数箇所に定ピッチδ１で同軸形成したコイル３とで構成される。各コイル３は連絡配線６で接続され、さらに制御装置７を介して三相交流等の電源８に接続されている。この第一要素９は、例えば、上記可撓性材料を素材とする押出しあるいは引き抜き加工等の連続成形によって円筒部材２を形成し、成形機出口に配したコイル巻付け機で成形後の円筒部材２の外周にコイル３および連絡配線６を配し、さらにこれらを可撓性の熱可塑性樹脂等で円筒部材２に封埋した上で適当な長さに切断することで製作することができる。
【００２２】
ロッド状の第二要素１０は、中実円筒状の複数の永久磁石４と、同じく中実円筒状で樹脂等の可撓性材料からなる可撓性部材５とで構成される。各永久磁石４は、磁極の向きを揃えて軸方向に等ピッチδ２で配列され、隣接する磁石４間に可撓性部材５が介在している。この第二要素１０は、例えば可撓性部材５を構成する樹脂材料の押出しあるいは引き抜き加工等で連続形成することができる。磁石４と可撓性部材５は、第二要素１０の変形時に作用するせん断力で分離しないよう強固に密着固定させ、望ましくは磁石４および可撓性部材５の全体を可撓性の熱可塑性樹脂等で封埋する等の手段で一体化させる。
【００２３】
電源８から電流を供給すると、第一要素９側に各コイル３の作用で移動磁界が発生する。この移動磁界と第二要素１０の界磁極との間に生じる電磁力により相対的な推力が発生し、両要素９、１０が軸方向に相対スライドする結果、リニアモータ全体では伸縮運動が行われる。この際、制御装置７は、入力信号に基づき、電圧・電流制御や周波数制御を行って伸縮速度を制御し、さらには第一要素９と第二要素１０間の相対位置を検出するセンサ（図示省略）からの位置情報に基づいて両要素９、１０の相対位置を管理する。
【００２４】
以上の構成から、両要素９、１０の例えば反対側の端部９ａ，１０ａをそれぞれ別部材に取付ければ、両部材を相対運動させることができ、人工筋肉としての利用が可能となる。この場合、リニアモータの特性から、大きな伸縮ストロークおよび高い応答性・動作安定性を得ることができ、かつストローク調整も自在となる。また、リニアモータ自体が筋繊維として機能するので、駆動部と変形部を別構造とする場合に比べ、全体をコンパクト化して設置個所の制約を少なくすることができる。
【００２５】
また、リニアモータに可撓性を持たせたことから、任意の非直線形状に変形させた状態で使用することができる。この場合、二次元平面上だけでなく三次元空間上にも任意形状で設置することもでき、実現可能な動作の多様化が可能となる。従って、動作の自由度が高まり、単一の機構で人間等の動作に近い自然な運動を実現することができる。
【００２６】
この構成において、人工筋肉としての伸縮力は、コイル３の巻数や磁石４の磁束密度等を変更し、あるいはコイル３や磁石４の配設ピッチδ１、δ２を変更することで調節することができる。また、上記配設ピッチδ１、δ２は必ずしも等ピッチとする必要はなく、これらを軸方向で異なるピッチとすることで、伸縮力と電源電圧（電流）との間に非線形な関係を与えることができる。
【００２７】
また、人工筋肉１を大きく変形させて使用する必要がある場合、リニアモータの可撓性を高める必要があるが、これは第一および第二要素９，１０で使用する可撓性材料をより軟質のものに変更したり、あるいはコイル間ピッチδ１や磁石間ピッチδ２を拡大することによって対応することができる。
【００２８】
リニアモータの二つの要素９、１０は基本的に非接触となるが、大きく変形させた部分等では両要素９、１０が接触して接触摩擦を生じる場合がある。その際の接触摩擦を減じるため、第一要素９の内周面と第二要素１０の外周面との間には、ＰＴＦＥ等の固体潤滑被膜を介在させるのが望ましい。この被膜は、第一要素９の内周面および第二要素１０の外周面の双方に形成する他、何れか一方の面に形成するだけでもよい。
【００２９】
図２は、この人口筋肉１の実際の使用例を示すもので、特に筋力が低下した者に対するアシスト装置１２として使用したものである。このアシスト装置１２は、上記人工筋肉１を使用者の関節（図示例では脚関節）を跨いで配置したもので、第一要素９の基端は固定部材１４ａを介して大腿部１３ａに装着され、第二要素９の先端は固定部材１４ｂを介して脛部１３ｂに装着されている。使用者のスイッチ操作あるいは適宜のセンサの検出値に基づいて制御装置７に入力信号を与え、リニアモータを駆動することにより、脚１３を関節部で屈伸させて例えば使用者が椅子等から立ち上がる際、あるいは歩行する際のアシスト効果を得ることができる。この人工筋肉は、その可撓性から三次元的に変形させて脚１３の形状にフィットさせることができるので、使用者の違和感も最小限に抑えることができる。この場合、制御装置７に予め使用者の筋力データを記憶させ、このデータに基づいて最適なアシスト力を算出し、算出値に合わせてリニアモータを駆動することもできる。
【００３０】
この他、義肢や義足等の義装具に上記人工筋肉を組み込むことにより、これら義装具に使用者の意思に応じた動きを与えることもできる。この人工筋肉は、人体に使用するほか、ペット等の動物にも使用することができ、さらにはロボットやマネキン人形における可動部の駆動源としても使用することもできる。
【００３１】
図２では、人工筋肉１を直接脚１３に取付けているが、この人工筋肉１は、衣服越しに取付けてもよく、あるいは衣服に縫い込むことによって取付けることもできる。
【００３２】
以上、本発明の実施形態の一例を示したが、例えば図３に示すように、図１に示す人工筋肉１を一本の筋繊維とみなし、それらを束ねたものを人工筋肉束１ａとして用いることもできる。この場合、個々の人工筋肉１で発生する伸縮力の合力が人工筋肉束１ａ全体の伸縮力となるので、束ねる本数を加減することにより、容易に必要な伸縮力を得ることが可能となる。
【００３３】
以上の説明では、人口筋肉１としてリニア同期モータを使用する場合を例示したが、この他にも二次側の第二要素１０を可撓性の導体で形成することにより、第一要素９の移動磁界で第二要素１０に電流を誘導し、この誘導電流と移動磁界との間で推力を発生するリニア誘導モータも使用できる。この他、ＤＣリニアモータなど他のリニアモータも使用可能である。リニアモータの形態も図示した円筒型に限らず、平面型を使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明にかかる人工筋肉１の断面図である。
【図２】人間の脚関節に取付けられたアシスト装置１２の正面図である。
【図３】人工筋肉１を束ねて形成された人工筋肉束１ａの斜視図である。
【符号の説明】
【００３５】
１      人工筋肉
１ａ    人工筋肉束
２      円筒部材
３      コイル
４      磁石
５      可撓性部材
７      制御装置
９      第一要素
１０    第二要素
１２    アシスト装置
１３    脚
【図１】
2005058351.tif 000003
【図２】
2005058351.tif 000004
【図３】
2005058351.tif 000005