JP2005230957A

JP2005230957A - 直動人工筋アクチュエータ

Info

Publication number: JP2005230957A
Application number: JP2004042001A
Authority: JP
Inventors: Masatake Yamakita; 昌毅山北; Norihiro Kamado; 紀浩釜道; Shii Ra; 志偉羅; Kinshi Azumi; 欣志安積
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research; Rikogaku Shinkokai
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research; Rikogaku Shinkokai
Priority date: 2004-02-18
Filing date: 2004-02-18
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】作業目的に応じた伸縮動作を実現可能な直動人工筋アクチュエータを得ること。
【解決手段】本発明にかかる直動人工筋アクチュエータは、当該アクチュエータを構成するＩＰＭＣ膜を組み合わせることにより屈曲運動を直動運動に変換してアクチュエータとしての能力を高めつつ、さらに、適応的にカウンターイオンを調整（ドーピング）することにより、作業目的に合わせてＩＰＭＣ膜の屈曲応答を変化させるような動作を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、イオン導電性高分子・貴金属接合体（Ionic Polymer-Metal Composite：ＩＰＭＣ）を用いた直動人工筋アクチュエータに関するものであり、特に、カウンターイオンの変化による特性の変化を利用した直動人工筋アクチュエータに関するものである。

近年、機械は人間にはできない高速で高出力，高精度な動作を実現し、社会や産業に大きく貢献している。一方で、最近は、新たに小型化や柔軟さといった別の側面も要求されている。特に、人間の生活環境に共存するロボットには、安全でやわらかさを備えたアクチュエータが望ましい。

このような状況の中で注目されているアクチュエータの１つに、高分子アクチュエータがある。高分子アクチュエータは、生物的な柔らかい動作が可能であり、人工筋アクチュエータとして期待されている（非特許文献１参照）。１９８０年代より日本を中心として刺激応答性高分子ゲルの研究が広く行われ、医療，福祉，ロボット，ホビー産業などから大きな関心がもたれている。高分子アクチュエータシステムの駆動方法としては、熱，ｐＨ，溶媒交換，電場など様々であるが、その中でも電場応答性の高分子アクチュエータは制御が容易であり、応答性の高いものとして考えられている。

また、上記高分子アクチュエータの１つとして、フッ素系イオン交換樹脂膜の両面に金や白金などの貴金属を無電解メッキ法により接合したＩＰＭＣを用いたＩＰＭＣアクチュエータが提案されている。なお、１９９１年には、それまで燃料電池の材料として研究されていたイオン交換樹脂と貴金属との接合体が、１Ｖ程度の低電圧に応答して高速に屈曲する現象が発見されている。図６は、上記接合体を屈曲させている実験例を示す図である。図示の中央の状態で接合体の両側の電極に電圧を付加すると、同図左側，右側に示すように、接合体は＋側に高速に屈曲する。

上記ＩＰＭＣアクチュエータには、つぎの特性がある。
（１）低電圧で駆動する（１〜２Ｖ程度）。
（２）応答速度が速い（＞１００Ｈｚ）。
（３）耐久性・化学安定性がある（１０万回以上の連続使用可）。
（４）柔軟性がある。
（５）水中での動作が可能である。
（６）動作音がない。

また、上記ＩＰＭＣアクチュエータにおいては、膜自体がアクチュエータであるため、小型化および軽量化が可能である。また、膜が乾燥してしまうと、動作しないが、膨潤していて導電性があれば作動させることが可能である。このような従来のＩＰＭＣアクチュエータは、現在までに能動カテーテルや生体動作を模倣した小型ロボットに応用されており、実用的なソフトアクチュエータとして期待されている。

安積欣志、小黒啓介「複合化による刺激応答機能の発現」ケミカルエンジニアリング、２００１年、Ｖｏｌ．４６、Ｎｏ．１０、第２０−２４頁

しかしながら、上述した従来のＩＰＭＣアクチュエータにおいては、屈曲運動しかできず、また膜１枚ではアクチュエータとして発生すべき力が小さい、という問題があった。一方で、ＩＰＭＣアクチュエータにかける電圧を大きくすると、発生する力を大きくできるが、この電圧は、高分子膜が電気分解を発生しない範囲で動作させなければならない、という問題があった。すなわち、大きな電圧を加えると、水の電気分解により、膜の耐用年数が減少する、という問題があった。

また、上記従来のＩＰＭＣアクチュエータにおいては、たとえば、ロボットを動作させる場合に、作業目的に合わせて適応的に屈曲の特性を変化させるような動作、が考慮されていない、という問題があった。すなわち、上記範囲でしか動作を行えないので、電圧の変化によって特性を変えることには限界がある、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高分子アクチュエータを構成する膜の組み合わせにより屈曲運動を直動運動に変換することで、アクチュエータとしての変位を増大でき、かつアクチュエータとして発生する力を増大可能な直動人工筋アクチュエータを提供することを目的とする。

また、本発明は、歩行ロボットへの適用において、通電による直動運動時と非通電による開放時の組み合わせにより効率的運動を実現し、また、メカ的な構造を配置せずに高分子アクチュエータの柔軟性により、ロボットの歩行を実現可能な直動人工筋アクチュエータを提供することを目的とする。

また、本発明は、たとえば、ロボットを動作させる場合に、作業目的に合わせて適応的に屈曲特性を変化させるような動作、を実現可能な直動人工筋アクチュエータを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる直動人工筋アクチュエータは、ＩＰＭＣ（Ionic Polymer-Metal Composite）膜を組み合わせた構成により屈曲運動を直動運動に変換する直動人工筋アクチュエータであって、たとえば、適当な濃度の水溶液に浸すことにより、適応的にカウンターイオンを交換（ドーピング）するための構成を備え、前記カウンターイオンの交換によりＩＰＭＣ膜の屈曲応答を変更することによって、作業目的に応じた伸縮動作を行うことを特徴とする。

また、本発明にかかる直動人工筋アクチュエータは、たとえば、前記適応的なカウンターイオンの交換処理を歩行ロボットに対して適用する場合、歩行周期に対する移動速度が最も速くなるカウンターイオンをドーピングすることを特徴とする。

また、本発明にかかる直動人工筋アクチュエータは、たとえば、前記適応的なカウンターイオンの交換処理を歩行ロボットに対して適用する場合、所望の歩行速度を満たす最も消費電力の小さいカウンターイオンをドーピングすることを特徴とする。

また、本発明にかかる直動人工筋アクチュエータは、たとえば、一定電圧を加えたときの応答速度（最大変位に到達する速さ）に基づいて、適応的にカウンターイオンをドーピングすることを特徴とする。

また、本発明にかかる直動人工筋アクチュエータは、たとえば、単位電荷あたりの応答効率（変位量）に基づいて、適応的にカウンターイオンをドーピングすることを特徴とする。

本発明にかかる直動人工筋アクチュエータにおいては、当該アクチュエータを構成するＩＰＭＣ膜のカウンターイオンを、適応的に調整（ドーピング）することとした。これにより、作業目的に合わせて適応的に屈曲応答を変化させるような動作、すなわち、作業目的に応じた伸縮動作、を実現できる、という効果を奏する。また、大きな電圧変化によって屈曲応答を変えるものではないので、アクチュエータの耐久性を損なうことなく伸縮動作を実現できる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかる直動人工筋アクチュエータの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明にかかる直動人工筋アクチュエータの原理を説明するための概略構成を示す図であり、上部，下部において、１は直動人工筋アクチュエータを示している。

この直動人工筋アクチュエータ１は、たとえば、ＩＰＭＣ膜からなる４枚のエレメント２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと、長手方向に一定の距離だけ離して並べたエレメント２ａと２ｂとを接合する柔軟材３ａと、その下（２段目）に同様に並べたエレメント２ｃと２ｄとを接合する柔軟材３ｂと、柔軟材３ａが接合されていない側のエレメント２ａの一端および柔軟材３ｂが接合されていない側のエレメント２ｃの一端を接合する絶縁部材４ａと、柔軟材３ａが接合されていない側のエレメント２ｂの一端および柔軟材３ｂが接合されていない側のエレメント２ｄの一端を接合する絶縁部材４ｂと、から構成されている。

なお、上記柔軟材３ａ，３ｂは必須の構成ではない。すなわち、１段目と２段目のエレメント間は電場の状態で短絡しないので、直接接触するように接続させてもよいし、クリップ手段により挟持させるようにしてもよい。また、上記直動人工筋アクチュエータ１を直列および並列に接続させた組み合わせ構造にすることで、伸縮率や伸縮時の力を変更することとしてもよい（図２参照）。

また、上記ＩＰＭＣ膜は、フッ素系イオン交換樹脂膜の両面に金や白金などの貴金属を無電解メッキ法で接合した構造を有している。また、柔軟材３ａ，３ｂは、たとえばエレメント２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと同機能の材質もしくは同材質であり、エレメント２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄよりも薄状に設けられていることが好ましい。

図１上部の状態において、一対のエレメント２ａ，２ｂおよびもう一対のエレメント２ｃ，２ｄに対して、それぞれ外側がプラス（＋）極、内側がマイナス（−）極となるように電場が加えられると、図１下部に示したように、エレメント２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄはそれぞれ外側に反りあがるように屈曲する。この屈曲により、直動人工筋アクチュエータ１は、その長手方向において、電場を加える前の状態（図１上部）よりも、たとえば、距離Ｓだけ縮小する（図１下部）。このとき、接合部位を構成する柔軟材３ａ，３ａは、フリージョイントの役割を果たしている。

つづいて、直動人工筋アクチュエータ１の特性について説明する。ここでは、ステップ電圧を加えたときの応答に関する実験例について説明する。図３−１，図３−２は、入力電圧に対するステップ応答の実験結果の一例を示す図である。

図示のとおり、直動人工筋アクチュエータ１に用いているＩＰＭＣ膜は、膜内のカウンターイオンの違いにより屈曲応答が大きく変化する。図３−１および図３−２は、カウンターイオンがナトリウム（Ｎａ）イオン，セシウム（Ｃｓ）イオン，テトラエチルアンモニウム（ＴＥＡ）イオンのＩＰＭＣ膜に対して、２．５Ｖのステップ電圧を加えたときの結果を示している。この結果からわかるように、ナトリウムイオン，セシウムイオン，ＴＥＡイオンの順に立ち上がりが早いことが確認できる。また、その後の減衰は、ナトリウムイオン，セシウムイオンの場合については大きいが、ＴＥＡイオンの場合については少ないことがわかる。

そこで、本実施例では、上記のような特性を利用して、適当な濃度の水溶液に浸してカウンターイオンを交換（ドーピング）することによって（このイオン交換の過程は可逆的である）、作業目的に応じて屈曲応答を変えて、直動人工筋アクチュエータ１を動作させる。これにより、作業目的に応じた伸縮動作が可能となる。

つづいて、図１に示した直動人工筋アクチュエータ１の原理に基づく応用例として、歩行ロボットへの適用例について説明する。

図４は、本発明にかかる直動人工筋アクチュエータ１を歩行ロボットに適用した場合のシミュレーションモデルを示す図である。図４において、１０は歩行ロボットを表し、この歩行ロボット１０は、小型のコンパス型２足歩行ロボットとする。また、このシミュレーションでは、脚と床とは点接点とし、床との接地は完全非弾性衝突であると仮定する。そして、この歩行ロボット１０は、受動歩行を実現するモデルであり、動力無しに緩やかな傾斜面を歩行可能とする。

また、上記歩行ロボット１０には、長手方向に対して直列接続数ｍ（ｍは自然数）、並列数ｎ（ｎは自然数）で構成される直動人工筋アクチュエータ１が取り付けられている。また、歩行ロボット１０の腰関節部１１は、半径をｒとして、直動人工筋アクチュエータ１の収縮の力を腰関節のトルクＵｈへと変換することにより、駆動する。また、ここでは、ＩＰＭＣ膜の特性変化により歩行の様子がどのように変化するかを確認するために、一定振幅（２．５Ｖ）の矩形波状の信号を加えることとする。

ここで、上記のような前提を満たす歩行ロボット１０の動作を、カウンターイオンがナトリウムの場合とセシウムの場合との間で比較する。

図５−１は、歩行の周期（walking cycle）に対する平均移動速度（speed）を示す図である。上記２種類のイオンでは、図示のとおり交点が存在し、特定周期まではナトリウムイオンを用いた場合の方が速いが、その特定周期を超えるとセシウムイオンを用いた場合の方が速いことがわかる。結果としては、カウンターイオンとしてセシウムイオンを用いた場合の方が、より高速での歩行が可能であることがわかる。なお、脚質量などの物理的なパラメータによっては、上記のような結果が得られない場合もあるので、ドーピング効果を有効にするためには物理的なパラメータ（脚の質量，脚の長さ，腰関節部の駆動半径等）を適切に設計する必要がある。

また、図５−２は、入力の平均パワー（average input power）に対する歩行速度（speed）を示す図であり、図中ｍは脚の質量を表す。上記２種類のイオンでは、電流値の変化は歩行パターンには無関係であり、カウンターイオンとしてナトリウムイオンを用いる場合は、セシウムイオンに比べて電流のピーク値が大きく、単位あたりの消費エネルギーが大きくなっていることがわかる。

以上の結果から、カウンターイオンとしてセシウムイオンを用いる場合には、低消費電力でより高速な歩行を実現できる。すなわち、直動人工筋アクチュエータ１を歩行ロボットに取り付けた状態で、複数のカウンターイオンを調整（ドーピング）することにより、作業目的に合わせて歩行ロボットを動作させることができる。

なお、本実施例においては、カウンターイオンとしてナトリウムイオンまたはセシウムイオンを用いる場合について記載したが、これに限らず、作業目的に応じて他のカウンターイオンをドーピングすることとしてもよい。たとえば、使用するカウンターイオンについては、下記応答速度（一定電圧をかけたときに最大変位に到達する速さ）および応答効率（単位電荷あたりの変位量）を考慮し、適応的に変更することとしてもよい。
応答速度：Li⁺＞〜Na⁺＞〜K⁺＞〜Ca⁺⁺＞〜MG⁺⁺＞〜Ba⁺⁺＞〜Cs⁺⁺
＞TMA＞TEA＞＞TprA＞＞TBA
応答効率：Li⁺＞Mg⁺⁺＞Ca⁺⁺＞Na⁺＞Ba⁺⁺＞Cs⁺＞K⁺＞H⁺

このように、本実施例においては、直動人工筋アクチュエータを構成するＩＰＭＣ膜を組み合わせることにより、屈曲運動を直動運動に変換してアクチュエータとしての能力を高めることができる。

また、本実施例においては、上記直動人工筋アクチュエータを歩行ロボットへ適用する場合、通電による直動運動時と非通電による開放時の組み合わせにより効率的運動を実現し、その際に、メカ的な構造を配置することなく直動人工筋アクチュエータの柔軟性により、ロボットを動作させることができる。

また、本実施例においては、カウンターイオンを調整（ドーピング）することにより、作業目的に合わせて適応的に屈曲応答を変化させるような動作、すなわち、作業目的に応じた伸縮動作、を実現可能な直動人工筋アクチュエータを得ることができる。また、大きな電圧変化によって屈曲応答を変えるものではないので、アクチュエータの耐久性を損なうことなく伸縮動作を実現できる。

以上のように、本発明にかかる直動人工筋アクチュエータは、伸縮動作を行うアクチュエータとして有用であり、特に、小型ロボット駆動用のアクチュエータとして適している。

本発明にかかる直動人工筋アクチュエータの原理を説明するための概略構成を示す図である。直動人工筋アクチュエータの一例を示す図である。入力電圧に対するステップ応答の実験結果の一例を示す図である。入力電圧に対するステップ応答の実験結果の一例を示す図である。本発明にかかる直動人工筋アクチュエータを歩行ロボットに適用した場合のシミュレーションモデルを示す図である。歩行の周期に対する平均移動速度を示す図である。入力の平均パワーに対する歩行速度を示す図である。接合体を屈曲させている実験例を示す図である。

符号の説明

１直動人工筋アクチュエータ
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄエレメント
３ａ，３ｂ柔軟材
４ａ，４ｂ絶縁部材
１０歩行ロボット
１１腰関節部

Claims

ＩＰＭＣ（Ionic Polymer-Metal Composite）膜を組み合わせた構成により屈曲運動を直動運動に変換する直動人工筋アクチュエータにおいて、
適当な濃度の水溶液に浸すことにより、適応的にカウンターイオンを交換（ドーピング）するための構成を備え、
前記カウンターイオンの交換によりＩＰＭＣ膜の屈曲応答を変更することによって、作業目的に応じた伸縮動作を行うことを特徴とする直動人工筋アクチュエータ。
前記適応的なカウンターイオンの交換処理を歩行ロボットに対して適用する場合、
歩行周期に対する移動速度が最も速くなるカウンターイオンをドーピングすることを特徴とする請求項１に記載の直動人工筋アクチュエータ。
前記適応的なカウンターイオンの交換処理を歩行ロボットに対して適用する場合、
所望の歩行速度を満たす最も消費電力の小さいカウンターイオンをドーピングすることを特徴とする請求項１に記載の直動人工筋アクチュエータ。
一定電圧を加えたときの応答速度（最大変位に到達する速さ）に基づいて、適応的にカウンターイオンをドーピングすることを特徴とする請求項１に記載の直動人工筋アクチュエータ。
単位電荷あたりの応答効率（変位量）に基づいて、適応的にカウンターイオンをドーピングすることを特徴とする請求項１に記載の直動人工筋アクチュエータ。