(57)【要約】【課題】各種の機械、装置、特にロボット関連機器の駆動源として使用できる電磁力ソフトアクチュエータを提供する。【解決手段】カバーコードを基幹とし、カバーコードの両端部分を連結部と、中間部分を作動部とする、作動部腔内に充填する磁場の変化刺激に応じて体積形状が変化する材料（柔軟性磁気材料）、作動部の外周に設けるソフトコイルから基本単位を構成する。ソフトコイルに電圧を印加し、発生した電磁力によって柔軟性磁気材料の半径方向に変形する力を、作動部軸方向の変形する力に変換させる手段を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カバーコードを基幹とし、前記カバーコードの両端部分を連結部と、中間部分を作動部とする、前記作動部腔内に充填する磁場の変化刺激に応じて体積形状が変化する材料（柔軟性磁気材料）と、前記作動部の外周に設けるソフトコイルから基本単位を構成され、前記ソフトコイルに電圧を印加し、発生した電磁力によって前記柔軟性磁気材料の半径方向に変形する力を、前記作動部軸方向の変形する力に変換させる手段を有することを特徴とする電磁力ソフトアクチュエータ。
【請求項２】
前記作動部腔内に充填する柔軟性磁気材料の物性を調整することにより、作動パターンを調整できることを特徴とする請求項１の電磁力ソフトアクチュエータ。
【請求項３】
前記多数の基本単位を軸方向に直列、または、並列に連結し、或いは直列、並列を同時に連結することにより、作動ストローク、作動パターン、作動出力強度を増やす手段を有することを特徴とする請求項１、２の電磁力ソフトアクチュエータの集合体。
【請求項４】
前記集合体内各基本単位の連結方法及びそれぞれのソフトコイルに印加する駆動電圧の位相、頻度等を変更することにより、作動ストローク、作動パターンを調整できることを特徴とする請求項３の電磁力ソフトアクチュエータの集合体。
【請求項５】
一部或いは全部がエラストマー材料の中に埋設されている前記請求項１、２、３、４の電磁力ソフトアクチュエータ及び其の集合体。
【請求項６】
請求項１、２、３、４、５の電磁力ソフトアクチュエータ及び其の集合体を有する装置、機器。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、電気エネルギーを運動エネルギーに変換するアクチュエータに関し、詳しくは、電磁力ソフトアクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来、種々の機器、装置、特にロボット関連用のアクチュエータ（人工筋肉ともいう）として、電磁モーター、空気圧チューブ（マッキベン型アクチュエータともいう、例えば、下記特許文献１、非特許文献１）などが使われている、しかしこれらの伝統的なアクチュエータは諸問題があり、例えば、電磁モーターの場合は変速機構は必要で構造が複雑、更に、重い、振動、ノイズの問題点もある。マッキベン型アクチュエータの場合は空気などの流体をチューブに圧入するためコンプレッサー、給配気ホース、バルブ、バルブを制御する電気系統など大かかりの装置は不可欠であり、つまり、電気系統と流体系統の二重系統は必要で、構造が煩雑、携帯困難、微細動作の制御が難しい問題点もある。一方長年来、介護機器、リハビリ機器、アミューズメント機器等用のアクチュエータとしては機能上、性能上非剛性で、構造簡単、軽量、ノイズフリー運転、繊細な動作を易く制御できる、等の要請はあった。【０００３】  上記電磁モーター、マッキベン型等のアクチュエータの諸問題点を解決するために、長年静電力、イオン力、電磁力を利用するソフトアクチュエータの研究開発がなされ、電気駆動型高分子（Ｅｌｅｃｔｏｒ−Ａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ，ＥＡＰ）、導電性高分子薄膜（Ｉｏｎｉｃ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｆｉｌｍ，ＩＣＰＦ））と呼ばれるイオン導電性高分子をベースとしたソフトアクチュエータ、エラストマー系材料に粉体磁気性物質を混合した材料を用いた電磁式ソフトアクチュエータなどが開発されている。【０００４】  たとえば下記特許文献２に示すイオン交換樹脂型アクチュエータは、イオン交換樹脂膜とそのイオン交換樹脂膜の両面に接合した電極とからなり、イオン交換樹脂膜の含水状態においてイオン交換樹脂膜に電位差をかけてイオン交換樹脂膜に湾曲および変形を生じさせるアクチュエータである。【０００５】  また、たとえば下記特許文献３に示す電磁式アクチュエータは、磁気性粉体を配合したエラストマー材料にコイルを埋入し、与える電流の方向及びコイルの構成によってエラストマー材料に変形を生じさせるアクチュエータである。【０００６】  更に、例えば下記特許文献４に示す導電性高分子アクチュエータはバイモルフ構造を有する積層体において、２つの樹脂層を備えた積層体であり、第１の樹脂層が導電性樹脂を基体樹脂とする樹脂層であって、アニオンの取込み及び放出することにより伸縮可能な樹脂層であり、第２の樹脂層が導電性樹脂を基体樹脂とする樹脂層であって、カチオンの取込み及び放出することにより積層体全体としての伸縮運動が可能なアクチュエータである。【０００７】  更に、下記非特許文献２に示す人工筋肉型アクチュエータは伸縮性材料のチューブに磁性流体を充填し、電磁石の吸引力によって磁性流体の移動によるチューブの変形で伸縮力を得るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−４０３６５号
【特許文献２】特開平４−２７５０７８号
【特許文献３】ＰＣＴ／ＪＰ２００８／０７２２４９
【特許文献４】特開２００９−１０７３４２
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｐａｎａｓｏｎｉｃ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  Ｖｏｌ．５６  Ｎｏ．３  Ｏｃｔ．２０１０「ロボット特集：人に対して安全な多自由度／空気圧人工筋肉ロボットアームの開発」
【非特許文献２】小山工業高等専門学校研究紀要  第４２号（２０１０）７３−７８「磁性流体を用いた人工筋肉型アクチュエータの基礎開発」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】  公知の通り、一般的に脊髄動物の体の動きは関節を跨がる一対の骨格筋（随意筋、拮抗筋ともいうが、組織学では横紋筋という）の収縮によって行われる。典型的な骨格筋の構造は、両端の腱部分が、一方は骨に仲介物として連結し、もう一方は細胞レベルで多数の筋原繊維と結合され、腱自体は変形することはない、多数の筋原繊維からなる筋腹が脳からの作動信号により収縮し、関節の角度を変える。つまり、骨格筋は骨に連結するための腱の部分と収縮するための筋腹部分が別々の役割を分担し、更に、筋腹部分は固有形状を有しなく、可動範囲内で任意の状態を保持でき、同一時間において、動作する側の筋肉だけは脳からの作動信号によって収縮し、反対側の筋肉は被動的に伸ばされる。そして、動作方向によって、収縮状態と馳緩状態は随時変換できる。このような構造（本発明ではこれを、「骨格筋型アクチュエータ構造」と名付ける）の利点は、構造がシンプルで、連結機能と収縮機能は分離され、筋肉の収縮力を最大限に活かせ、より大きな出力、制動性を得られる、そして、脳による制御は単一でよく、迅速、正確に作動でき、且つエネルギーを効率的に利用できると考えられる。【００１１】  しかし、特許文献及び非特許文献を含め、自身が固有形状を有する材料をベースとするソフトアクチュエータであれば、駆動電圧を印加される間に作動（収縮若しくは伸長）するが、駆動力と材料自身の固有形状に戻る復元力が常に対立状態にあるため、所望の動作位置に達するための制御はむずかしい、更に、駆動電圧を取り去れば、変形した材料自身の固有形状に戻る復元力の働きで、任意位置で止まることはできない問題点を内包する。よって、自身の固有形状を有する材料で構成されるソフトアクチュエータは、骨格筋型アクチュエータの構築に適さない。【００１２】  更に、上記特許文献３のようなエラストマー系材料からなるソフトアクチュエータは材料を直接作動部分に連結するので、材質自身が柔らかいため、得られる収縮力は原理的に材料自身の引張破裂強度及び連結強度の弱い方の以上になれない、言い換えると、作動と連結二つの機能を同一材料で担えば、作動力の強さは材料自身の引張破裂強度及び連結強度以上に達すると、材料自身は断裂してしまい、得られる作動力は自ずと制限されている問題点もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】  そこで、本発明は、カバーコードに柔軟性磁気性材料及びソフトコイルを組みあわせることで、上記した問題点の解消を期したものである。即ち、構造はシンプルで、軽量、ノイズフリー運転、制御は容易にでき、携行に便利な電磁力ソフトアクチュエータを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】  以上の課題の下、本発明は、請求項１に記載した、カバーコードを基幹とし、カバーコードの両端部分を連結部と、中間部分を作動部とする、前記作動部腔内に充填する磁場の変化刺激に応じて体積形状が変化する材料（以下、”柔軟性磁気材料”という）、作動部の外周に設けるソフトコイルから基本単位を構成され、ソフトコイルに電圧を印加し、発生した電磁力によって柔軟性磁気材料の半径方向に変形する力を、作動部軸方向の変形する力に変換させる手段を、有することを特徴とする電磁力ソフトアクチュエータを提供したものである。【００１５】  更に、本発明は、請求項２に記載した、柔軟性磁気材料の物性を調整することにより、電磁力ソフトアクチュエータの作動パターンを調整する手段を提供するものである。【００１６】  そして、本発明は、請求項３に記載した、多数の基本単位を軸方向に直列、または、並列に連結し、或いは直列、並列を同時に連結することにより、作動ストローク、作動パターン、作動の出力強さを増やす手段を有することを特徴と電磁力ソフトアクチュエータの集合体を提供するものである。【００１７】  そして更に、本発明は、請求項４、５に記載した、集合体内各基本単位の連結方法及びそれぞれのソフトコイルに印加する駆動電圧の位相、頻度、作動環境等を変更することにより、作動ストローク、作動パターンを調整できることを特徴とする電磁力ソフトアクチュエータの集合体を提供するものである。
【発明の効果】
【００１８】  請求項１の発明によれば、本件の電磁力ソフトアクチュエータは、構造はシンプルで直接駆動電気信号を電磁力を介して、作動部に充填する柔軟性磁性体材料の半径方向の変形力をカバーコードの軸方向の変形力に変えることができる。尚、軽量、ノイズフリー運転、制御は容易にでき、携行に便利な長所ある。【００１９】  そして、請求項２、３、４、５の発明によれば、作動ストロークと作動力の多様化を具現できる。従って、種々の機器、装置、特にロボット関連のアクチュエータとして利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第一実施形態を説明するためのイメージ図である。
【図２】本発明の第一実施形態に従った実施例１を説明するためのイメージ図である。
【図３】本発明の第二実施形態を説明するためのイメージ図である。
【図４】本発明の第二実施形態に従った実施例２を説明するためのイメージ図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】  以下、図面を参照しながら本発明を説明する。図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の電磁力ソフトアクチュエータの第一実施形態の一基本単位２０を説明するためのイメージ図であり、図１（ａ）は基本単位２０の側面図であり、図中カバーコード１はナイロン系繊維の縦糸で丸編みした筒状（丸編みチューブとも、筒編みスリーブとも言う）のものを基幹とし、その編成は多数の縦糸がスパイラル状で軸方向に伸び、互いに編み、特徴は軸方向にのみ拘束力があるから腔内半径方向の膨張力を軸方向の収縮力に変換できる。即ち、カバーコード１の軸方向の長さの変化は腔内半径の変化に反比例する。基本単位２０は適宜な長さのカバーコード１の両端を縄状に束ね、樹脂で固めて連結部２とする。カバーコード１の中間部分を作動部３とし、その腔内にソフトカプセル化された粉体フィライトとスライム状材料を混合した柔軟性磁性体４（以下材料４という）が充填されて、本例で充填の度合いは作動部３の可動範囲を最短時より最大１．２５倍程度伸長できるとする。作動部３中央の外周に柔軟性導線を用いて縦糸に交差して、ソフトコイル５を織り込み、ソフトコイル５の特徴は作動部３の外周長の変化に合わせて、縦糸に交差する各部分が曲げたり、伸びたりして変化できる。連結部２の左端を固定物６に固着し、右端を出力端とする。連結部２と作動部３はそれぞれ連結と作動の役割を分担するので、連結部２を多様な方法で強固に関連部材と連結できる、よって、連結部２の連結強度及び作動部３の出力の強さは材料４の強度と無関係である。尚、材料４はスライム状無定形物質なので復元力はなく、作動部３の作動状態に応じて、可動範囲内で任意の状態を保てる。これらの特徴は本発明の核心である。【００２２】  図１（ｂ）は、作動部３の腔内の断面図であり、ソフトコイル５に駆動電圧を印加すれば（電気回路等の表示は省略、以下同）、回りに磁場が発生し、作動部３の腔内にある材料４は磁化され、材料４全体は互いの吸引力（凝縮力）で作動部３の中心部に向かって膨張変形する、この膨張変形力は、カバーコード１の構造によって作動部３の軸方向の収縮力に変換され、作動部３は短くなる。結果として、図１（ｃ）に示すように、出力端２０２で相応の収縮力と作動ストロークを得られる。
【実施例１】
【００２３】  図２は、本発明の第一実施形態に従った実施例１を説明するためのイメージ図である、実施例１は上述基本単位２０を人工筋肉として人間の上肢を模擬したロボットアーム３０を構成し、図２中パーツ１０は上腕骨、パーツ１１は前腕骨、パーツ１２は上腕二頭筋、パーツ１３は上腕三頭筋とそれぞれ見立てる。パーツ１０とパーツ１１はジョイント１４で連結される。パーツ１２は前述第一実施形態基本単位２０の５個分（長尺のカバーコード１を５つに分離してよい）を直列に連結した集合体を一つの作動デバイスとして機能し、その一端１２１はパーツ１０の上端に固着され、もう一端１２２は図のようにパーツ１１に固着される。パーツ１３も同様前述基本単位２０の５個分を直列に連結した集合体を一つの作動デバイスとして機能し、図２に示すようにパーツ１０を隔ててパーツ１２の反対側に装着され、その一端１３１はパーツ１０の上端反面に固着され、もう一端１３２は図２のようにパーツ１１に固着される。【００２４】パーツ１２とパーツ１３を水平作動するように設置し、パーツ１２だけに通電すれば、５つの基本単位２０は同時に縮み、パーツ１１は曲げられる方向に動き、同時にパーツ１３は被動的に伸ばされる。パーツ１３だけに通電すれば、５つの基本単位２０は同時に縮み、パーツ１１は開くる方向に動き、同時にパーツ１２は被動的に伸ばされる。パーツ１２とパーツ１３はともに通電しなければ、外力で両者の可動範囲内の任意位置に設定することはできる。また、ロボットアーム３０を軟質シリコンゴムに埋設しても良い。【００２５】  上述実施例でわかるように、第一実施形態基本単位２０の５個分を直列に連結したことにより、基本単位２０の５倍の作動ストロークを得ることができる。なお、パーツ１１を所望の動きをさせるには、パーツ１２とパーツ１３に別々に通電すればよく、なお、作動後にそのままの状態を保つことができる。つまり、第一実施形態で、骨格筋型アクチュエータを構築することができる【００２６】  図３（ａ）、（ｂ）は、本発明の電磁力ソフトアクチュエータの第二実施形態を説明するためのイメージ図であり、第一実施形態と同じ部分には同じ符号を付し、重複する説明は省略する（以下同）、第二実施形態の基本単位４０の構成は第一実施形態の基本単位２０とほぼに同じであるが違うところは、作動部３の腔内にソフトカプセル化された粉体フィライトを混入した軟質シリコンゴム４１（以下材料４１という）が充填される。【００２７】  図３（ａ）は基本単位４０の自然状態の長さを示す側面図であり、左端４０１を固定端として、固定物６に固定され、右端４０２を出力端とする。ソフトコイル５に駆動電圧を印加すれば、図３（ｂ）に示すように、作動部３の腔内にある材料４１は磁化され、材料全体は吸引力（凝縮力）で作動部３の中心部に向かって変形する、よって、作動部３の中心部は半径方向に膨張し、結果として、出力端４０２から相応の収縮力と作動ストロークを得られる。なお、材料４１は固有形状を有する物質なので復元力があり、通電が止れば、基本単位４０は図３（ａ）の自然状態の長さに戻る。また、外力で基本単位４０の両端を引っ張れば、軸方向に伸長するが、外力がなくなれば材料４１の復元���で自然長に戻る。
【実施例２】
【００２８】  図４（ａ）、（ｂ）は、本発明の電磁力ソフトアクチュエータの第二実施形態に従った実施例２である幼虫形ロボット５０（以下、ロボット５０という）を説明するためのイメージ図である。図４（ａ）は通電していない状態であり、ロボット５０は上述第二実施形態の基本単位４０とその両端５０１と５１１に固着される制動片５０２と５１２から構成される。制動片５０２と５１２のそれぞれの上下面に多数の左向きの返し針状突起物５０３と５１３が設けられる、その役割は制動片５０２と５１２が右へ移動するにはスムーズにできるが、左への移動はできないようにする。ロボット５０を２枚の平滑な板材１００の間にＡ位置に合わせて置く。【００２９】  ソフトコイル５に駆動電圧を印加すれば、図４（ｂ）に示すように、作動部３が収縮変形する、よって、ロボット５０の右端５１１は左方向への力が加えられるので、右端５１１は固定されて動かない、左端５０１は右方向への力が加えられるので、右方向に移動する。結果として、ロボット５０全体が右へ移動することになる。【００３０】  駆動電圧が止めれば、材料４１の復元力で作動部３が自然状態に戻るため伸長し、この時左端５０１は左方向への力が加えられるので、左端５０１は固定されて動かない、右端５１１は右方向への力が加えられるので、右方向に移動する。結果として、ロボット５０全体が右へ移動することになる。このようにソフトコイル５に連続的に駆動電圧を与えれば、ロボット５０は幼虫のように縮伸しながら右へ移動して行く。この原理を活用すれば、ロボット５０に多様な動きをさせることは可能である。【００３１】  本発明は、上述した発明の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更を加え得ることは勿論である。尚、カバーコードの材質、構成においては、十分な強度を有する各種の繊維素材でよく、効率的に半径方向の変形力を軸方向の屈伸力に出現させるものであればよい。ソフトコイルの材質、構成においては、効率的に電気エネルギーを電磁力に変え、作動部の半径方向の変化に伴い変形し、屈折耐久性の高いものでよい。作動部腔内に充填する材料の材質、構成においては、第一実施形態の場合は、固有形状なく、ソフトコイルの発生する電磁力に応じて、効率よく変形するものであればよく、第二実施形態の場合は、固有形状があって、ソフトコイルの発生する電磁力に応じて、効率よく変形し、且つ、ソフトコイルの発生する電磁力がなくなれば、素早く復元力で自然状態に戻れるものであればよい。
【産業上の利用可能性】
【００３２】  以上の電磁力ソフトアクチュエータは、構造はシンプルで、軽量、ノイズフリー運転、制御は容易にでき、携行に便利な長所を有することから、以下に記するような種々の分野に適用できる。
１）各種ロボット関連用アクチュエータ、製造ラインの駆動デバイス、空中、水中作業用アクチュエータといった工業分野。
２）パワーアシスト装置、義足、義手用アクチュエータ、手術用、介護支援用機器と言った医療、福祉分野。
３）バーチャルリアリティ用フィットバック装置、体感アミューズメントゲーム機器、トレーニング機器といった情報、娯楽分野。
【符号の説明】
【００３３】１      カバーコード
２      連結部
３      作動部
４      作動部腔内に充填する材料
５      ソフトコイル
６      固定物
１０    上腕骨に当たるパーツ
１１    前腕骨に当たるパーツ
１２    上腕二頭筋に当たるパーツ
１３    上腕三頭筋に当たるパーツ
１４    ジョイント
２０    第一実施形態の一基本単位
３０    ロボットアーム
４０    第二実施形態の一基本単位
５０    幼虫形ロボット
１００  板材
１２１  パーツ１１の一端
１２２  パーツ１１のもう一端
１３１  パーツ１３の一端
１３２  パーツ１３のもう一端
４０１  ４０の固定端
４０２  ４０の出力端
５０１  幼虫形ロボット５０の左端
５０２  幼虫形ロボット５０の左端に固着する制動片
５０３  制動片５０２上下面に設けられる返し針状突起物
５１１  幼虫形ロボット５０の右端
５１２  幼虫形ロボット５０の右端に固着する制動片
５１３  制動片５１２上下面に設けられる返し針状突起物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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