(57)【要約】【課題】  小型で簡素な屈曲機構を有し、大きな発生力するアクチュエータ、壊れやすい物体であっても破損することなく確実に把持することができる指ユニットおよび把持ハンドを得る。  【解決手段】  本発明のアクチュエータは、リンク部を有する骨格5a,5bと、骨格に設けられたエレクトロアクティブポリマーからなる伸縮部1aと、骨格と伸縮部を被覆する被覆部4とを備え、伸縮部へ電圧を印加して伸縮部を伸縮させることにより骨格を屈曲運動させるものであり、被覆部を伸縮度の大きい弾性体とし、リンク部は骨格の一方5aを伸縮部を挟むコ字状とし、骨格の一方と骨格の他方5bとをクランクアーム6により屈曲自在に結合したものである。【選択図】    図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リンク部を有する骨格と、前記骨格に設けられたエレクトロアクティブポリマーからなる伸縮部と、前記骨格と前記伸縮部を被覆する被覆部とを備え、前記伸縮部へ電圧を印加して前記伸縮部を伸縮させることにより前記骨格を屈曲運動させるアクチュエータにおいて、
前記被覆部は伸縮度の大きい弾性体とし、前記リンク部は前記骨格の一方を前記伸縮部を挟むコ字状とし、前記骨格の一方と前記骨格の他方とをクランクアームにより屈曲自在に結合したことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
リンク部を有する骨格と、前記骨格に設けられたエレクトロアクティブポリマーからなる伸縮部と、前記骨格と前記伸縮部を被覆する被覆部とを備え、前記伸縮部へ電圧を印加して前記伸縮部を伸縮させることにより前記骨格を屈曲運動させるアクチュエータにおいて、
前記被覆部は伸縮度の大きい弾性体とし、前記伸縮部を第１と第２の２個とし、前記リンク部は前記骨格の一方を前記第１の伸縮部を挟むコ字状とし、前記骨格の一方と前記骨格の他方とをクランクアームにより屈曲自在に結合し、前記クランクアームと前記骨格の他方との間に前記第１の伸縮部の屈曲方向に対して９０°異なる方向に屈曲するように前記第２の伸縮部を設け２方向に屈曲できるようにしたことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項３】
前記クランクアームは、断面がコ字状のコ字部材とし、前記伸縮部の一方端に軸支され回転自由に結合するジョイントと、前記骨格の一方の開放端に軸支され回転自由に結合する回転軸とを有することを特徴とする請求項１または２記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記他方の骨格を前記第２の伸縮部を挟むコ字部材とし、前記クランクアームに設けた支柱と、前記他方の骨格と前記支柱とを屈曲自在に結合するジョイントと、前記第２の伸縮部で発生した力を伝達する力伝達部とを設け、前記クランクアームと前記他方のコ字部材からなる骨格とを屈曲自在に結合し、前記第２の伸縮部が前記支柱を支点として梃子の原理が働くように配置されていることを特徴とする請求項２記載のアクチュエータ。
【請求項５】
請求項１から４記載のアクチュエータを少なくとも１個用いたことを特徴とする指ユニット。
【請求項６】
請求項５記載の指ユニットを少なくとも１個用いて構成したことを特徴とする把持ハンド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトロアクティブポリマーを変位部に用いた屈曲または旋回運動を行うアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
柔軟な動作が可能であるエレクトロアクティブポリマーは、一般にバイアス機構が必要であり、従来のエレクトロアクティブポリマーとバイアス機構を一体化した構成として、図１１に示すような屈曲機構をもつアクチュエータが提案されている(特許文献１)。
図１１は、従来のエレクトロアクティブポリマーを用いたアクチュエータの側断面図である。図１１において、このアクチュエータは、エレクトロアクティブポリマーからなる伸縮部１と、伸縮部（エレクトロアクティブポリマー）１に電圧を印加するためのリード２から成り、伸縮部１にバネ等のバイアス機構３を設けている。リード２の一方から正電位を、他方からは負電位を印加することで伸縮部１が伸張しようとするが、このときバイアス機構３ により伸縮部１ を伸張する方向の力が発生し、これにより伸張方向の力を発現する。また、上記伸張時と逆の電位をリード２に印加して伸縮部１が収縮する際には、バイアス機構３の力に抗して伸縮部１が収縮し、収縮方向の力を発現していた。
【０００３】
また、従来のロボットハンドの指ユニットにおいては物体を把持するために電磁モータを駆動源として、１関節あたり１自由度の指ユニットを構成している。その構成は、指ユニットの各関節にあるシャフトに対し回転自由に嵌まっているプーリがあり、各関節のプーリは互いにベルトによって連結され、電磁モータにより駆動していた（特許文献２(図１)）。また、把持する物体が卵のような壊れやすい物体である場合には、その物体を把持した時にそれを壊さないように、指先に力覚センサを装着し、センサ情報をフィードバックしながら柔軟把持をするための制御を行っていた（例えば、非特許文献１(表２)）。
【特許文献１】特開２０００−８３３８９号（８頁、図１）
【特許文献２】特開平５−３０１１９１号（２〜３頁、図１）
【非特許文献１】川崎他「人間型ロボットハンドGifu Hand III」日本ロボット学会誌、２００４年（第２２巻）１月号、ｐ．５５−５６（５６頁、表２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１のようなエレクトロアクティブポリマーを用いた場合は、バイアス機構が一体化しているため、装置が大型化するという問題があった。また、特許文献２のような従来のやり方では、関節の螺旋運動を行うことができず、把持するときに物体を潰したり、落下させて破損する場合や、物体を把持することが困難であるという問題点もあった。さらに、非特許文献１のようにセンサを多用する場合には、センサを配置することによるセンサ自身の大きさやセンサケーブルなどにより、ユニットが大きくなるという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、小型で簡素な屈曲機構を有し、大きな発生力するアクチュエータを提供することを目的とする。さらに、螺旋運動を行うことで、壊れやすい物体であっても破損することなく確実に把持することができる指ユニットおよび把持ハンド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】
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、リンク部を有する骨格と、前記骨格に設けられたエレクトロアクティブポリマーからなる伸縮部と、前記骨格と前記伸縮部を被覆する被覆部とを備え、前記伸縮部へ電圧を印加して前記伸縮部を伸縮させることにより前記骨格を屈曲運動させるアクチュエータにおいて、前記被覆部は伸縮度の大きい弾性体とし、前記リンク部は前記骨格の一方を前記伸縮部を挟むコ字状とし、前記骨格の一方と前記骨格の他方とをクランクアームにより屈曲自在に結合したものである。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、リンク部を有する骨格と、前記骨格に設けられたエレクトロアクティブポリマーからなる伸縮部と、前記骨格と前記伸縮部を被覆する被覆部とを備え、前記伸縮部へ電圧を印加して前記伸縮部を伸縮させることにより前記骨格を屈曲運動させるアクチュエータにおいて、前記被覆部は伸縮度の大きい弾性体とし、前記伸縮部を第１と第２の２個とし、前記リンク部は前記骨格の一方を前記第１の伸縮部を挟むコ字状とし、前記骨格の一方と前記骨格の他方とをクランクアームにより屈曲自在に結合し、前記クランクアームと前記骨格の他方との間に前記第１の伸縮部の屈曲方向に対して９０°異なる方向に屈曲するように前記第２の伸縮部を設け２方向に屈曲できるようにしたものである。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、前記クランクアームがコ字状のコ字部材であり、前記伸縮部の一方端に軸支され回転自由に結合するジョイントと、前記骨格の一方の開放端に軸支され回転自由に結合する回転軸とを有するものである。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、前記他方の骨格を前記第２の伸縮部を挟むコ字部材とし、前記クランクアームに設けた支柱と、前記他方の骨格と前記支柱とを屈曲自在に結合するジョイントと、前記第２の伸縮部で発生した力を伝達する力伝達部とを設け、前記クランクアームと前記他方のコ字部材からなる骨格とを屈曲自在に結合し、前記第２の伸縮部が前記支柱を支点として梃子の原理が働くように配置されたものである。
請求項５に記載の発明は、請求項１から４記載のアクチュエータを少なくとも１個用いた指ユニットである。
請求項６に記載の発明は、請求項５記載の指ユニットを少なくとも１個用いて構成した把持ハンドである。
ものである。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載の発明によると、エレクトロアクティブポリマーに対し被覆部の伸縮性によりバイアスをかけるので、小型で簡素な屈曲機構を有するアクチュエータを実現することができる。
【００１１】
請求項２、３に記載の発明によると、螺旋運動を行うことができるので、壊れやすい物体を柔軟に把持することができ、センサを必要としないため単純な構成で安価な指ユニットを構成することができる。また、モータやギアを用いないので、動作音が静かで、対人用途にも適している。
【００１２】
請求項４に記載の発明によると、梃子の原理を利用して、大きな発生力を得ることができる。
【００１３】
請求項５、６に記載の発明によると、単純な構成で安価な指ユニットおよび把持ハンドを構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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】
【００１５】
図１は、本発明の第１実施例を示す屈曲機構をもつアクチュエータの側断面図、図２は図１のＡ-Ａ‘における断面図である。図において、１はエレクトロアクティブポリマーからなる伸縮部、２はリード、４は伸縮性を有するゴム製の被覆部、５ａおよび５ｂはプラスティック製の骨格、６はクランクアーム、７は回転軸、８ａおよび８ｂはジョイントである。伸縮部（エレクトロアクティブポリマー）１にはリード２が接続されている。また、伸縮部１はジョイント８ａおよびジョイント８ｂにより、骨格５ａとクランクアーム６とにそれぞれ結合されている。さらに、クランクアーム６の先端には骨格５ｂが結合されている。また、骨格５aおよび骨格５ｂの片端は、それぞれ被覆部４と結合している。
【００１６】
本発明が特許文献１と異なる部分は、エレクトロアクティブポリマーのバイアス機構を被覆部にもたせ小型化を可能としたことと、被覆部が伸縮性を有していることである。
【００１７】
つぎに、本実施例の動作について、図３を用いて説明する。
図３は本発明のアクチュエータの動作を示す側断面図である。
（１）まず、図３（イ）に示すように伸縮部１を制御しない状態では、被覆部４の伸縮力により伸縮部１に対するバイアスとなり、屈曲していない状態となる。
（２）次に、図３（ロ）に示すように、伸縮部１を制御器（図示していない）により制御することにより、屈曲することができる。この動作は伸縮部１にリード２より通電し伸長させ、伸縮部１がクランクアーム６を骨格５ｂの在る方向へ押すことで、被覆部４の伸縮力に打ち勝ち回転軸７を中心にして屈曲動作させる。このとき、回転軸７を中心として回転できるように、ジョイント８ａおよびジョイント８ｂは自由に回転できるようになっている。
（３）さらに、図３（ハ）に示すように、伸縮部１に通電する電圧の大きさを増すことにより屈曲度を大きく制御することができる。
【実施例２】
【００１８】
図４は、本発明の第２実施例を示すアクチュエータの側断面図、図５は図４のＢ-Ｂ‘における断面図である。図において、１ａはエレクトロアクティブポリマーからなる第１の伸縮部、１ｂはエレクトロアクティブポリマーからなる第２の伸縮部、９は支柱、１０は固定体、１１は発生した力を伝達する力伝達部、１２は屈曲ユニット、１３は内外転ユニットである。その他の符号は、第１実施例と同じである。
屈曲ユニット１２は、第１の伸縮部１ａ、リード２ａ、プラスティック製の骨格５ａ、クランクアーム６、回転軸７、ジョイント８ａおよび８ｂで構成されており、第１の伸縮部１ａはジョイント８ａおよびジョイント８ｂにより、骨格５ａとクランクアーム６とにそれぞれ結合されている。また、第１の伸縮部１ａにはリード２ａが接続されている。内外転ユニット１３は、第２の伸縮部１ｂ、リード２ｂ、プラスティック製の骨格５ｂ、支柱６、ジョイント８ｃ、８ｄおよび８ｅ、固定体１０、力伝達部１１で構成されており、第２の伸縮部１ｂの片端は骨格５ｂに結合している固定体１０に固定され、第２の伸縮部１ｂにはリード２ｂが接続されている。また、屈曲ユニット１２と内外転ユニット１３は、内外転ユニット１３の第２の伸縮部１ｂの片端に、ジョイント８ｄを介し取り付けられた力伝達部１１が、屈曲ユニット１２のクランクアーム６にジョイント８ｅを介して取り付けられることで結合されている。また、屈曲ユニット１２の骨格５aおよび内外転ユニット１３の骨格５ｂの片端は、それぞれ被覆部４と結合している。
【００１９】
本発明が特許文献１および特許文献２と異なる部分は、エレクトロアクティブポリマーのバイアス機構を被覆部にもたせ小型化を可能としたこと、螺旋運動ができること、梃子の原理を利用して確実に物体を把持することと、エレクトロアクティブポリマーが柔軟性のある物体であることである。
【００２０】
つぎに、本実施例の動作を、図４のＢ-Ｂ‘断面の二つの方向について説明する。
まず、図４のＢ-Ｂ‘断面に対して垂直方向へ屈曲動作する屈曲ユニット１２について、図６を用いて説明する。
（１）図６（イ）に示すように第１の伸縮部１ａを制御しない状態では、被覆部４の伸縮力により第１の伸縮部１ａに対するバイアスとなり、屈曲していない状態となる。
（２）次に、図６（ロ）に示すように、第１の伸縮部１ａを制御器（図示していない）により制御することにより、屈曲することができる。この動作は第１の伸縮部１ａにリード２ａより通電し伸長させ、第１の伸縮部１ａがクランクアーム６を支柱６が在る方向へ押すことで、被覆部４の伸縮力に打ち勝ち回転軸７を中心にして屈曲動作させる。このとき、回転軸７を中心として回転できるように、ジョイント８ａおよびジョイント８ｂは自由に回転できるようになっている。
（３）さらに、図３（ハ）に示すように、エレクトロアクティブポリマー１に通電する電圧の大きさを増すことにより屈曲度を大きく制御することができる。
【００２１】
つぎに、図４のＢ-Ｂ‘断面内での屈曲動作する内外転ユニット１３について、図７を用いて説明する。
（１）図７（イ）に示すように第２の伸縮部１ｂを制御しない状態では、被覆部４の伸縮力により第２の伸縮部１ｂに対するバイアスとなり、屈曲していない状態となる。
（２）次に、図７（ロ）および（ハ）に示すように、第２の伸縮部１ｂを制御器により制御することにより、屈曲することができる。この動作は第２の伸縮部１ｂにリード２ｂより通電し伸長もしくは収縮させ、第２の伸縮部１ｂが力伝達部１１をクランクアーム方向へ押すもしくは引くことで、被覆部４に伸縮力に打ち勝ちジョイント８ｃを中心にして屈曲動作させる。このとき、ジョイント８ｃを中心として回転できるように、ジョイント８ｄおよびジョイント８ｅは自由に回転できるようになっている。
【００２２】
さらに、上記の屈曲ユニット１２および内外転ユニット１３の屈曲動作を組み合わせること、すなわち第１の伸縮部１ａおよび第２の伸縮部１ｂを同時に制御することで、屈曲ユニット１２に対して内外転ユニット１３が旋廻動作する。
【実施例３】
【００２３】
図８は、本発明の第３実施例を示す側断面図である。内外転ユニット１３の支柱６は、クランクアーム６の中央より力伝達部１１と反対側に片寄って配置されている。この状態で、第２の伸縮部１ｂに通電し伸縮させることで、ジョイント８ｃを中心にしてＡ-Ａ‘断面内で屈曲動作する。このとき、支柱６が力伝達部１１と反対側に片寄っているので、梃子の原理により第２の伸縮部１ｂの発生力を拡大し、大きな屈曲する力を得る。
【実施例４】
【００２４】
図９は、本発明の第４実施例を示す側断面図である。図９において、１４ａは第１関節、１４ｂは第２関節、１４ｃは第３関節である。第１関節１４ａは、屈曲ユニット１２ａと内外転ユニット１３、第２関節１４ｂは屈曲ユニット１２ｂ、第３関節１４ｃは屈曲ユニット１２ｃでそれぞれ構成されている。
これらの屈曲ユニット１２ａ、１２ｂ、１２ｃをそれぞれ独立に制御器により制御することにより、図９（ロ）および（ハ）に示すように第１関節１４ａ、第２関節１４ｂ、第３関節１４ｃをそれぞれ独立に動かし、屈曲機構を自由に屈曲することができる。また、屈曲ユニット１２ａと内外転ユニット１３を制御器によりそれぞれ独立に制御することにより、第１関節１４ａを旋回運動させることができる。図９では、関節数が３つの構成としたが、屈曲ユニット１２を複数配置し、多関節とすることも可能である。また、図９では内外転ユニット１３は第１関節１４ａのみに配置しているが、この内外転ユニット１３をどの関節に配置してもよく、どの関節においても旋回運動が可能である。さらに、この屈曲機構の旋廻動作を指ユニットに適応することで、単純な構成で安価な指ユニットの構成を可能とした。
【実施例５】
【００２５】
図１０は、本発明の第５実施例を示す側断面図である。図１０において、１５ａは第１指、１５ｂは第２指である。第１指１５ａおよび第２指１５ｂは、屈曲ユニット１２と内外転ユニット１３、および被覆部４で構成されている。
これらの屈曲ユニット１２および内外転ユニット１３をそれぞれ独立に制御器により制御することにより、第１指１５ａおよび第２指１５ｂは屈曲および旋回運動させることができる。
なお、本実施例では、第１指１５ａおよび第２指１５ｂともに関節数を１つの構成としたが、屈曲ユニット１２および内外転ユニット１３を複数配置し、多関節とすることも可能である。また、第１指１５ａおよび第２指１５ｂの２本の指での構成としたが、指を３本以上配置することも可能である。さらに、この指を把持ハンドに適応することで、単純な構成で安価な把持ハンドの構成を可能とした。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施例を示すアクチュエータの側断面図
【図２】図１のＡ−Ａ‘における断面図
【図３】本発明の第１実施例の動作を示す側断面図
【図４】本発明の第２実施例を示すアクチュエータの側断面図
【図５】図４のＢ−Ｂ‘における断面図
【図６】本発明の第２実施例の動作を示す側断面図
【図７】本発明の第２実施例の他の動作を示す側断面図
【図８】本発明の第３実施例を示す側断面図
【図９】本発明の第４実施例を示す側断面図
【図１０】本発明の第５実施例を示す側断面図
【図１１】従来のアクチュエータを示す側断面図
【符号の説明】
【００２７】
１  伸縮部（エレクトロアクティブポリマー）
１ａ  第１の伸縮部
１ｂ  第２の伸縮部１ｂ
２、２ａ、２ｂ  リード
３  バイアス機構
４  被覆部
５ａ、５ｂ  骨格
６  クランクアーム
７  回転軸
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ  ジョイント
９  支柱
１０  固定体
１１  力伝達部
１２、１２ｂ、１２ｃ  屈曲ユニット
１３  内外転ユニット
１４ａ  第１関節
１４ｂ  第２関節
１４ｃ  第３関節
１５ａ  第１指
１５ｂ  第２指
【図１】
2007216332.tif 000003
【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】
2007216332.tif 000009
【図８】
2007216332.tif 000010
【図９】
2007216332.tif 000011
【図１０】
2007216332.tif 000012
【図１１】
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