JP2008087110A - ロボットの関節構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 人工筋肉を利用したアクチュエータによって、大きな機械エネルギを必要とする部位を駆動することを可能とする。
【解決手段】 このロボット１０の関節構造は、フィルム状のＥＰＡＭ型人工筋肉を複数枚積層した２個のアクチュエータ１８ａ，１８ｂを備える。各アクチュエータ１８ａ，１８ｂは出力シャフト２６ａ，２６ｂを備えており、アクチュエータ１８ａ，１８ｂが作動するとシャフト２６ａ，２６ｂが進退動する。複数枚の人工筋肉を積層することによって、アクチュエータ１８ａ，１８ｂの個々の人工筋肉から得られる機械エネルギを累積して増大させることができる。人工筋肉を利用したアクチュエータでありながら、脚部等の大きな機械エネルギを必要とする部位を十分に駆動することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明はロボットの関節構造に関する。特に、人工筋肉を利用したロボットの関節構造に関する。

ロボットの関節を駆動するアクチュエータには、低価で大きな機械エネルギ（トルク）が得られるという理由から、電気モータ等を利用することが多い。しかしながら、電気モータ等を利用したロボットは、その剛性が強すぎるため、人と直接接触する可能性のある用途には用い難い。また、電気モータを用いると、騒音等の発生も問題となる。
これらの問題を解消するべく、電気モータ等のアクチュエータに替わって、特許文献１に記載されているような人工筋肉をアクチュエータとして利用したロボットの開発が検討されている。
特表２００３−５０５８６５号公報

人工筋肉を利用したアクチュエータでは、騒音等を抑えることができ、また、電気モータ等を用いる場合と比較して剛性が弱いため、人と直接接触する可能性のある用途にも好適に用いることができる。しかしながら、それ故に、人工筋肉の変形を機械動作に変換したときに得られる機械エネルギは小さい。従って、移動ロボットの脚部や、重い物体を把持するロボットハンド等のように、大きな機械エネルギを必要とする駆動部位のアクチュエータとして人工筋肉を利用することは困難であった。
本発明は、上記の問題に鑑みて創作されたものであり、人工筋肉を利用したロボットの関節構造において、大きな機械エネルギを発生させることができる技術を提供することを目的とする。

本発明のロボットの関節構造は、複数のフィルム状の人工筋肉が積層された人工筋肉群と、この人工筋肉群の変形に伴って進退動するシャフトと、シャフトの進退動によって駆動される駆動部とを備えている。そして、シャフトが各人工筋肉の変形に応じて進退動するように、各人工筋肉の変形が制御可能に構成されている。
このロボットの関節構造では、変形制御可能なフィルム状の人工筋肉を複数枚積層し、その人工筋肉群の変形に応じてシャフトを進退動させる。このため、個々の人工筋肉から得られる機械エネルギが累積され、その累積された機械エネルギによってシャフトが進退動される。したがって、大きな機械エネルギで駆動部を駆動することができる。

上記のロボットの関節構造においては、人工筋肉群を構成する各人工筋肉はその変形方向が同一となる状態で積層されており、シャフトが進退動する方向は人工筋肉群の変形方向に一致していることが好ましい。
このような構成によると、各人工筋肉から得られる機械エネルギが効率的に累積され、累積された機械エネルギはシャフトを駆動するために効率的に使用される。

また、上記のロボットの関節構造においては、前記人工筋肉群は、複数のフィルム状の人工筋肉が積層された第１人工筋肉群と、複数のフィルム状の人工筋肉が積層された第２人工筋肉群を有することができる。この場合、第１人工筋肉群を構成する各人工筋肉は変形する方向が同一となる状態で積層されており、かつ、第２人工筋肉群を構成する各人工筋肉は変形する方向が同一となる状態で積層されている。そして、シャフトの進退動する方向は第１及び第２人工筋肉群の変形方向と一致しており、第１人工筋肉群に電圧が印加されない状態で第２人工筋肉群に電圧が印加されるとシャフトが進動し、第２人工筋肉群に電圧が印加されない状態で第１人工筋肉群に電圧が印加されるとシャフトが退動することができる。
このような構成によっても、複数の人工筋肉のそれぞれから得られる機械エネルギが増大され、その増大された機械エネルギによってシャフトが進退動（伸縮）される。これによって、大きな機械エネルギで駆動部を駆動することができる。
また、第１人工筋肉群に電圧を印加したときにシャフトが退動（収縮）し、第２人工筋肉群に電圧を印加したときにシャフトが進動（伸張）する。このため、第１及び第２人工筋肉群への電圧の印加をＯＮ／ＯＦＦによって速やかにシャフトを進退動させることができる。また、第１及び第２人工筋肉群へ印加する電圧を制御することによって、シャフトから駆動部に伝達される駆動力を好適に制御することができる。

上記のロボットの関節構造においては、第１人工筋肉群と第２人工筋肉群は変形方向に並んで配置されており、第１人工筋肉群と第２人工筋肉群の間にはシャフトに連結された仕切り板が配置されており、その仕切り板は第１人工筋肉群と第２人工筋肉群によって挟持されており、第１人工筋肉群に電圧が印加されない状態で第２人工筋肉群に電圧が印加されると、第２人工筋肉群の変形に伴って仕切り板が変位してシャフトが進動し、第２人工筋肉群に電圧が印加されない状態で第１人工筋肉群に電圧が印加されると、第１人工筋肉群の変形に伴って仕切り板が変位してシャフトが退動することが好ましい。
このような構成によると、第１及び第２人工筋肉群の変形が仕切り板を介してシャフトに伝達される。仕切り板を設けることで、人工筋肉群の端部にシャフトを固定する必要はなく、また、人工筋肉群にシャフトを直接固定する必要もない。このため、人工筋肉群の変形を効率的にシャフトの運動に変換することができる。

本発明のロボットの関節構造では、人工筋肉を利用しながら、大きな機械エネルギを発生することができる。これによって、大きな機械エネルギを必要とする部位（駆動部）を駆動することができる。

本発明の好ましい実施形態について列挙する。
（形態１）第１部材と、第１部材に対して移動可能に取付けられている第２部材と、この第２部材を駆動するアクチュエータを備えている。アクチュエータは、複数のフィルム状の人工筋肉が積層された人工筋肉群と、この人工筋肉群の変形に伴って進退動するシャフトを有しており、このシャフトを進退動させることで第２部材を駆動する。
（形態２）形態１において、複数のアクチュエータを備えており、各アクチュエータはシャフトの進退動する方向が同一方向となるように配置されており、各アクチュエータのシャフトの一端同士を連結する連結部材をさらに有し、各アクチュエータのシャフトの動きが連結部材を介して第２部材に伝達される。
（形態３）形態１又は２において、シャフトの進退動に伴って弛緩／引張するワイヤを備えており、アクチュエータはこのワイヤを弛緩／引張することで第２部材を駆動する。
（形態４）形態１〜３のいずれかにおいて、第２部材が脚式ロボット用の脚部である。
（形態５）形態１において、第１部材に対して移動可能に取り付けられた第３部材と、この第３部材を駆動するアクチュエータをさらに有しており、第３部材を駆動するアクチュエータは、複数のフィルム状の人工筋肉が積層された人工筋肉群と、この人工筋肉群の変形に伴って進退動するシャフトを有しており、このシャフトを進退動させることで第３部材を駆動する。
（形態６）形態５において、第２部材と第３部材との間で物体を把持する。

（実施例１）
本発明を具現化した第１実施例を図を参照して説明する。本実施例は、脚式ロボットの脚部として利用可能な脚ロボット１０である。なお、以下の説明では図１を脚ロボット１０の正面とする。
図１，２に示すように脚ロボット１０は、駆動装置１２と、リンク機構１４と、ベース１６を備えている。ベース１６は、脚ロボット１０の足部であり、脚ロボット１０を支持している。リンク機構１４は、複数のリンク部材３０ａ〜３０ｆと垂直ガイド部材３６によって構成されている。リンク機構１４の一端はベース１６に接続されている。リンク機構１４の他端には駆動装置１２が接続されている。駆動装置１２は、リンク機構１４を駆動し、リンク機構１４を図の上下方向に伸縮させる。

図１と図２に示すように、リンク機構１４は、６本の細長い板状リンク部材３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆと、１本の垂直ガイド部材３６を有している。
図３に示すように、板状リンク部材３０ａの一端は、接続部３２ａにおいて連結シャフト２８の後端と回転可能に接続されている。板状リンク部材３０ｂの一端は、接続部３２ｂにおいて連結シャフト３８の後端と回転可能に接続されている。図２に示すように、板状リンク部材３０ａと板状リンク部材３０ｂはＸ字状に重ねられており、これらの交差部３４ａは回転可能に結合されている。板状リンク部材３０ａの他端は、接続部３２ｃにおいて板状リンク部材３０ｃの一端と回転可能に接続されている。板状リンク部材３０ｂの他端は、接続部３２ｄにおいて板状リンク部材３０ｄの一端と回転可能に接続されている。板状リンク部材３０ｃと板状リンク部材３０ｄもＸ字状に重ねられており、これらの交差部３４ｂは回転可能に結合されている。板状リンク部材３０ｃの他端は、接続部３２ｅにおいて板状リンク部材３０ｅの一端と回転可能に接続されている。板状リンク部材３０ｄの他端は、接続部３２ｆにおいて板状リンク部材３０ｆの一端と回転可能に接続されている。板状リンク部材３０ｅの他端と板状リンク部材３０ｆの他端は、交差部３４ｃにおいて回転可能に結合されている。

垂直ガイド部材３６の下端はベース１６に垂直に固定されている。垂直ガイド部材３６には上下方向に伸びる案内溝３６ａが形成されている。案内溝３６ａには交差部３４ａと交差部３４ｂが上下方向にスライド可能に取付けられている。垂直ガイド部材３６の下部には交差部３４ｃが固定されている。垂直ガイド部材３６と駆動装置１２は板状リンク部材群３０ａ〜３０ｆを介して間接的に接続されている。

図３〜５によく示されるように駆動装置１２は、２つのアクチュエータ１８ａ，１８ｂを備えている。アクチュエータ１８ａ，１８ｂは、進退両方向（押し／引き両方向）に駆動される誘電エラストマー型人工筋肉（Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｍｕｓｃｌｅｓ、以下ＥＰＡＭ）アクチュエータである。
アクチュエータ１８ａとアクチュエータ１８ｂは、前板２０と後板２２によって前面と後面を挟まれた状態で固定されている。前板２０と後板２２は略矩形形状であり、対向する互いの角部が、前後方向に伸びる４本の棒状部材２４，２４・・・によって接続されて固定されている。前板２０は透明の部材であり、内側に配置されているアクチュエータ１８ａを視認することができる。後板２２の左右方向の片端部（正面向かって左側の端部）にはフランジ２２ａが形成されている。フランジ２２ａには、連結シャフト３８の一端が連結されている。

図３に示すように、アクチュエータ１８ａの左側の側面（正面向かって右側の側面）から出力シャフト２６ａの一端が取り出されており、アクチュエータ１８ｂの左側の側面（正面向かって右側の側面）から出力シャフト２６ｂの一端が取り出されている。すなわち、出力シャフト２６ａ，２６ｂは、共に水平方向に平行に配置されている。出力シャフト２６ａ，２６ｂの先端は、連結シャフト２８の連結部２８ａ，２８ｂにそれぞれ連結されている。出力シャフト２６ａ，２６ｂと連結シャフト２８は、アクチュエータ１８ａ，１８ｂの変形に伴って左右方向にスライドする。

次に、アクチュエータ１８ａ，１８ｂについて詳細に説明する。なお、アクチュエータ１８ａとアクチュエータ１８ｂは同一構成であるため、ここではアクチュエータ１８ａについてのみ説明する。
図６〜８に示すように、アクチュエータ１８ａは、第１人工筋肉群２７ａと第２人工筋肉群２９ａとシャフト２６ａを備えている。第１人工筋肉群２７ａは、同形同大のフィルム状のＥＰＡＭ型人工筋肉が複数枚（例えば、８０枚）積層されて形成されている。ＥＰＡＭ型人工筋肉には、公知の人工筋肉（例えば、アクリル等）を用いることができる。各ＥＰＡＭ型人工筋肉には図示しない電源が接続され、電圧が印加されるようになっている。各ＥＰＡＭ型人工筋肉は、電圧が印加されると上下方向（図６〜８における上下方向）に伸張するように積層されている。すなわち、各ＥＰＡＭ型人工筋肉は、その変形方向が同一となるように積層されている。第１人工筋肉群２７ａを構成する各ＥＰＡＭ型人工筋肉は同形同大とされているため、電圧を印加したときの各ＥＰＡＭ型人工筋肉の変形量も略同一となっている。
第２人工筋肉群２９ａは、第１人工筋肉群２７ａと同様に構成されている。第２人工筋肉群２９ａは、第１人工筋肉群２７ａの伸張方向（変形方向）に並んで配置されている。第２人工筋肉群２９ａの伸張方向（変形方向）も、第１人工筋肉群２７ａの伸張方向（変形方向）と同一となっている。第１人工筋肉群２７ａと第２人工筋肉群２９ａは、図示しないケース内に収容されている。
第１人工筋肉群２７ａと第２人工筋肉群２９ａの間には仕切り板２３ａが配置されている。仕切り板２３ａは、第１人工筋肉群２７ａと第２人工筋肉群２９ａによって挟持されている。仕切り板２３ａにはシャフト２６ａの基端が固定されている。シャフト２６ａは、仕切り板２３ａより垂直上方に伸び、その先端は第１及び第２人工筋肉群２７ａ，２９ａを収容するケースの外側に位置している。シャフト２６ａは、ケースに対して進退動可能に案内されている。

上述したアクチュエータ１８ａでは、第１人工筋肉群２７ａに電圧を印加しない状態で第２人工筋肉群２９ａに電圧を印加すると、第２人工筋肉群２９ａが図の上下方向に伸張する（図７に示す状態）。第１及び第２人工筋肉群２７ａ，２９ａはケース内に収容されているため、第２人工筋肉群２９ａが図７の上下方向に伸張すると、その分だけ第１人工筋肉群２７ａが圧縮される。第２人工筋肉群２９ａが上下方向に伸張し、第１人工筋肉群２７ａが上下方向に圧縮されるため、第１及び第２人工筋肉群２７ａ，２９ａ間の仕切り板２３ａは上方向に移動する。これによって、シャフト２６ａがケースより押し出される（すなわち、シャフト２６ａが伸張する）。
一方、第２人工筋肉群２９ａに電圧を印加しない状態で第１人工筋肉群２７ａに電圧を印加すると、第１人工筋肉群２７ａが図の上下方向に伸張する（図８に示す状態）。第１人工筋肉群２７ａが図の上下方向に伸張すると、先程と同様に、その分だけ第２人工筋肉群２９ａが圧縮される。第１人工筋肉群２７ａが上下方向に伸張し、第２人工筋肉群２９ａが上下方向に圧縮されると、仕切り板２３ａは下方向に移動する。これによって、シャフト２６ａがケース内に引き込まれる（すなわち、シャフト２６ａが収縮する）。
上記したことから明らかなように、アクチュエータ１８ａは、第１人工筋肉群２７ａと第２人工筋肉群２９ａに選択的に電圧を印加することで、シャフト２６ａを進退動することができる。また、第１人工筋肉群２７ａに電圧を印加することによってシャフト２６ａを収縮し、第２人工筋肉群２９ａに電圧を印加することによってシャフト２６ａを伸張するため、シャフト２６ａの伸縮動作を素早く行うことができる。また、各人工筋肉群２７ａ，２９ａに印加する電圧を制御することによって、シャフト２６ａの駆動力を好適に制御することができる。さらに、第１及び第２人工筋肉群２７ａ，２９ａの変形を仕切り板２３ａを介してシャフト２６ａに伝達するため、人工筋肉群２７ａ，２９ａにシャフト２６ａを直接固定する必要はなく、これによって、人工筋肉群２７ａ，２９ａの変形が拘束されることもない。このため、人工筋肉群２７ａ，２９ａの変形を効率的にシャフト２６ａの運動に変換することができる。

次に、アクチュエータ１８ａ，１８ｂに電圧を印加したときの脚ロボット１０の動作について説明する。図９に示すように、アクチュエータ１８ａ，１８ｂ（詳しくは、アクチュエータ１８ａ，１８ｂの反シャフト側の人工筋肉群）に電圧が印加されると、シャフト２６ａ，２６ｂはそれぞれ図中右方向に伸張する。シャフト２６ａ，２６ｂが右方向に伸張すると、連結シャフト２８が右方向に移動し、接続部３２ａが駆動装置１２から遠ざかる。この動作に伴って、交差部３４ａが案内溝３６ａに案内されて上昇する。交差部３４ａが上昇すると、接続部３２ｃと接続部３２ｄが上昇するとともに、接続部３２ｄ，３２ｃが垂直ガイド部材３６からそれぞれ遠ざかる方向に移動する（すなわち、接続部３２ｄは図中右方向に移動し、接続部３２ｃは図中左方向に移動する）。この動作に伴って、交差部３４ｂが案内溝３６ａに案内されて上昇する。交差部３４ｂが上昇すると、接続部３２ｅと接続部３２ｆが上昇するとともに、接続部３２ｅ、３２ｆが垂直ガイド部材３６からそれぞれ遠ざかる方向に移動する。この動作に伴って、交差部３４ｃを上昇させようとする力が発生する。ただし、交差部３４ｃは垂直ガイド部材３６に固定されているため、交差部３４ｃと垂直ガイド部材３６とベース１６が一体となって上昇する。以上のように、アクチュエータ１８ａ，１８ｂに電圧が印加されると、アクチュエータ１８ａ，１８ｂのシャフト２６ａ、２６ｂが伸張し、リンク機構１４が上下方向に収縮し、ベース１６が駆動装置１２に近づく（図１０に示す状態）。
一方、上記の状態のときにアクチュエータ１８ａ，１８ｂの他方の人工筋肉群（シャフト側の人工筋肉群）に電圧が印加されると、シャフト２６ａ，２６ｂは収縮する。シャフト２６ａ，２６ｂが収縮すると、連結シャフト２８は図中左方向に移動し、接続部３２ａが駆動装置１２に近づく。この動作に伴って、交差部３４ａが案内溝３６ａに案内されて下降する。交差部３４ａが下降すると、接続部３２ｃと接続部３２ｄが下降するとともに、接続部３２ｃ，３２ｄが垂直ガイド部材３６に近づく方向に移動する。この動作に伴って、交差部３４ｂが案内溝３６ａに案内されて下降する。交差部３４ｂが下降すると、接続部３２ｅと接続部３２ｆが下降するとともに、接続部３２ｅ，３２ｆが垂直ガイド部材３６に近づく方向に移動する。交差部３４ｃは垂直ガイド部材３６に固定されているため、交差部３４ｄが下降すると、垂直ガイド部材３６とベース１６が一体となって下降する。以上のように、アクチュエータ１８ａ，１８ｂの他方の人工筋肉群へ電圧が印加されると、シャフト２６ａ，２６ｂが収縮し、リンク機構１４が上下方向に伸長する（図９に示す状態）。
このようにアクチュエータ１８ａ，１８ｂのシャフト２６ａ，２６ｂの横方向の変位が、リンク機構１４によって縦方向の機械動作に変換される。

本実施例の脚ロボット１０では、駆動装置１２としてフィルム状のＥＰＡＭ型人工筋肉を複数枚積層した２個のアクチュエータ１８ａ，１８ｂを用い、これらアクチュエータ１８ａ，１８ｂのシャフト２６ａ，２６ｂの出力をリンク機構１４に伝達する。複数枚の人工筋肉を積層することによって、個々の人工筋肉から得られる機械エネルギを累積して増大させるため、各アクチュエータ１８ａ，１８ｂから出力される機械エネルギを大きくすることができる。また、各アクチュエータ１８ａ，１８ｂのシャフト２６ａ，２６ｂを連結シャフト２８に固定するため、各アクチュエータ１８ａ，１８ｂから出力される機械エネルギを加算することもできる。これによって、駆動装置１２から大きな機械エネルギを取り出すことができ、リンク機構１４（すなわち、脚ロボット１０の脚部）を駆動することが可能となる。
また、本実施例の脚ロボット１０では、上下方向に伸縮するリンク機構１４の下端にベース１６が固定されており、リンク機構１４の上端に、アクチュエータ１８ａ，１８ｂの出力を伝達するシャフト２６ａ，２６ｂが取り付けられている。アクチュエータ１８ａ，１８ｂがシャフト２６ａ，２６ｂを進退動させ、この進退動をリンク機構１４に伝達させることによってリンク機構１４を伸縮させて、駆動装置１２に対してベース１６を上下させることができる（すなわち、ベース１６が床面に接地した状態では、駆動装置１２側を床面に対して上下に移動させることができる）。すなわち、アクチュエータ１８ａ，１８ｂの小さな運動を、リンク機構１４によって大きな機械動作に増幅することができる。

（実施例２）
本発明を具現化した第２実施例を図を参照して説明する。本実施例のロボットは、物体を把持するロボットハンド５０である。図１１から図１３に示すロボットハンド５０は、駆動装置５２と、把持部５４と、ベース５６を備えている。なお、以下では図１１の図中下側をロボットハンド５０の前側とし、図中上側をロボットハンド５０の後側とする。

図１１から図１３に示すように、駆動装置５２は、２つのアクチュエータ５８ａ，５８ｂを備えている。アクチュエータ５８ａ，５８ｂは、第１実施例と同様にＥＰＡＭ型アクチュエータである。アクチュエータ５８ａ，５８ｂは、フィルム状のＥＰＡＭ型人工筋肉を上下方向に複数枚積層されて形成されており、第１実施例のアクチュエータ１８ａ，１８ｂと同一構成を有している。図１２と図１３に示すように、２つのアクチュエータ５８ａ，５８ｂは上下方向に重ねられて配置されている。上側に配置されたアクチュエータ５８ａのシャフト６６ａは左側（図１１の左側）に配置されており、下側に配置されたアクチュエータ５８ｂのシャフト６６ｂは右側（図１１の右側）に配置されている。

図１１に示すように、アクチュエータ５８ａ，５８ｂは、支持部材６０ａ，６０ｂによってそれぞれ前端と後端を支持されている。支持部材６０ｂには、駆動装置５２と把持部５４を支持するベース５６が固定されている。図１２と図１３に示すように、ベース５６は、板部材５６ａと、これを補強する板部材５６ｂから構成されている。板部材５６ａは、駆動装置５２の後側から下方に垂直に伸びる垂直部と、その垂直部から前方に伸びる水平部とを有している。
支持部材６０ａの左右両側には、それぞれ支持シャフト６２ａ，６２ｂがスライド可能に挿入されており、支持部材６０ｂの左右両側には、それぞれ支持シャフト６２ｃ，６２ｄがスライド可能に挿入されている。

図１１に示すように、アクチュエータ５８ａの正面向かって左側（図１１中左側）の側面の中央からはシャフト６６ａの一端が取り出されており、アクチュエータ５８ｂの正面向かって右側（図８中右側）の側面からはシャフト６６ｂの一端が取り出されている。シャフト６６ａ，６６ｂの他端は、把持部材６８ａ，６８ｂにそれぞれ固定されている。把持部材６８ａは、アクチュエータ５８ａ，５８ｂの左側面から前面の中央近傍までに沿うように伸びており、アクチュエータ５８ａ，５８ｂの中央近傍からさらに前方に伸びている。把持部材６８ｂは、把持部材６８ａと鏡対称の形状であり、アクチュエータ５８ａ，５８ｂの右側面から前面の中央近傍までに沿うように伸びており、アクチュエータ５８の中央近傍からさらに前方に伸びている。把持部材６８ａ，６８ｂの前端部には樹脂製のクッション材７０が取り付けられており、これらの水平位置は等しい。
把持部材６８ａには、２つの支持シャフト６２ａ，６２ｃの一端がそれぞれ固定されており、把持部材６８ｂには、２つの支持シャフト６２ｂ，６２ｄの一端がそれぞれ固定されている。アクチュエータ５８ａのシャフト６６ａが進退動すると、把持部材６８ａは左右方向にスライドする。また、アクチュエータ５８ｂのシャフト６６ｂが進退動すると、把持部材６８ｂは右左方向にスライドする。このとき、支持シャフト６２ａ，６２ｃは把持部材６８ａが水平にスライドするように案内し、支持シャフト６２ｂ，６２ｄは把持部材６８ｂが水平にスライドするように案内する。

アクチュエータ５８ａ，５８ｂに電圧を印加したときの動作について説明する。アクチュエータ５８ａ，５８ｂ（詳細には、アクチュエータ５８ａ，５８ｂの反シャフト側の人工筋肉群）に電圧が印加されると、シャフト６６ａは正面向かって左方向（図１１中左方向）に伸張し、シャフト６６ｂは正面向かって右方向（図１１中右方向）に伸張する。これによって、把持部材６８ａは正面向かって左方向に移動し、把持部材６８ｂは正面向かって右方向に移動する。この動作によって、把持部材６８ａの前端部と把持部材６８ｂの前端部とが左右方向に遠ざかる。
上記の状態となった後に、アクチュエータ５８ａ，５８ｂの他方の人工筋肉群に電圧を印加すると、アクチュエータ５８ａのシャフト６６ａは正面向かって右方向（図１１中右方向）に収縮し、アクチュエータ５８ｂのシャフト６６ｂは正面向かって左方向（図１１中左方向）に収縮する。シャフト６６ａ，６６ｂが収縮すると、把持部材６８ａは正面向かって右方向に移動し、把持部材６８ｂは正面向かって左方向に移動する。この動作によって、把持部材６８ａの前端部と把持部材６８ｂの前端部が左右方向に近づく。
以上のように、アクチュエータ５８ａ，５８ｂに電圧を印加することで、把持部材６８ａ，６８ｂの前端部間の距離を変化させることができる。これによって、把持部材６８ａの前端部と把持部材６８ｂの前端部との間で物体を掴んだり、掴んでいる物体を開放したりすることができる。

本実施例のロボットハンド５０では、フィルム状のＥＰＡＭ型人工筋肉を複数枚積層したアクチュエータ５８ａ，５８ｂによって把持部材６８ａ，６８ｂを駆動するため、把持部材６８ａ，６８ｂとの間に充分な押圧力や把持力を発生させることができる。これによって、比較的重量のある物体であっても、その物体を２つの把持部材６８ａ，６８ｂ間に把持することができる。

（実施例３）
上述した第１実施例及び第２実施例では、ＥＰＡＭ型アクチュエータのシャフトをリンク部材や把持部材に直接連結し、アクチュエータの出力をリンク部材や把持部材に直接伝達する構成を採用していた。しかしながら、本発明はこのような形態に限られず、ＥＰＡＭ型アクチュエータの出力をワイヤを介してロボットの駆動部に伝達するようにしてもよい。
図１４にはＥＰＡＭ型アクチュエータの出力をワイヤを介して関節に伝達するようにした跳躍ロボット７１の概略構成が模式的に示されている。図１４に示すように、跳躍ロボット７１は、胴体７２と、胴体７２に股関節８６を介して回動可能に連結された大腿部８０と、大腿部８０の下端に膝関節８８を介して回動可能に連結された下腿部８２と、下腿部８２の下端に足首関節９０を介して連結された足平部８４を有している。胴体７０には、３つのアクチュエータ７４ａ，７４ｂ，７４ｃが配設されている。アクチュエータ７４ａ，７４ｂ，７４ｃは、上述した実施例と同様に、フィルム状のＥＰＡＭ型人工筋肉を複数枚積層して形成されている。アクチュエータ７４ａ，７４ｂ，７４ｃの出力シャフトには、リンク機構７６ａ，７６ｂ，７６ｃがそれぞれ連結されている。リンク機構７６ａの上端にはワイヤ７８ａの一端が連結され、ワイヤ７８ａの他端は膝関節８８に連結されている。リンク機構７６ｂの上端にはワイヤ７８ｂの一端が連結され、ワイヤ７８ｂの他端は足首関節９０に連結されている。リンク機構７６ｃの上端にはワイヤ７８ｃの一端が連結され、ワイヤ７８ｃの他端は股関節８６に連結されている。

上述した跳躍ロボット７１において、アクチュエータ７４ａに電圧を印加すると、アクチュエータ７４ａのシャフトが進退動する。アクチュエータ７４ａのシャフトが進退動すると、それによってリンク機構７６ａの上端の位置が上下に移動する。リンク機構７６ａの上端が上下に移動すると、ワイヤ７８ａの一端が上下に移動し、それにより膝関節８８が回転する。これによって、大腿部８０と下腿部８２の角度が変化する。同様に、アクチュエータ７４ｂに電圧を印加すると、アクチュエータ７４ｂのシャフトが進退動し、これによって足首関節９０が回転する。また、アクチュエータ７４ｃに電圧を印加すると、アクチュエータ７４ｃのシャフトが進退動し、これによって股関節９０が回転する。
したがって、上述した跳躍ロボット７１では、アクチュエータ７４ａ，７４ｂ，７４ｃを駆動することで、膝関節８８、足首関節９０、股関節８６の関節角を変更することができる。すなわち、胴体７２に対して大腿部８０を回動させることができ、大腿部８０に対して下腿部８２を回動させることができ、下腿部８２に対して足平部８４を回動させることができる。これによって、跳躍ロボット７１に跳躍動作を行わせることができる。本実施例では、ＥＰＡＭ型アクチュエータの出力をワイヤを介して関節に伝達することで、複雑な動作を行うことができるロボットを実現することができる。

（実施例４）
上述した第３実施例はワイヤ駆動型の跳躍ロボットの例であったが、本発明のＥＰＡＭ型アクチュエータはワイヤ駆動型の人型ロボットの脚部に適用することもできる。図１５，１６は、ワイヤ駆動型の人型ロボットの脚部（片方の下肢）を示している。
図１５，１６に示すように、下肢ロボット１１１は、大腿部１１４、下腿部１１６、足平部１１８を備えている。大腿部１１４は、股関節１２６を介して胴体部１１２と接続される。大腿部１１４と下腿部１１６は、膝関節１４０によって接続されている。下腿部１１６と足平部１１８は、足首関節１５３によって接続されている。
大腿部１１４は、アクチュエータ１２２，１２３，１２４，１２５を有している。アクチュエータ１２２、１２３，１２４，１２５は、上述した各実施例と同様、フィルム状のＥＰＡＭ型人工筋肉を複数枚積層して形成されている。アクチュエータ１２２，１２３，１２４，１２５の出力シャフトには、それぞれワイヤ１３０，１３１，１３２，１３３の一端が接続されている。ワイヤ１３０，１３１，１３２の他端はプーリ部１１９を介して足首関節１５３に接続されている。また、ワイヤ１３３の他端は、プーリー部１１９を介して膝関節１４０に接続されている。
アクチュエータ１２２，１２３，１２４，１２５を作動させると、アクチュエータ１２２，１２３，１２４，１２５の出力がワイヤ１３０，１３１，１３２，１３３を介して膝関節１４０及び足首関節１５３に伝達される。これによって、膝関節１４０及び足首関節１５３が駆動され、下肢ロボット１１１は人間の足の動きと同様の動作を行うことができる。なお、図１５，１６に示す下肢ロボット１１１の詳細な機械的構造についての説明は、特開２００６−２６７９７号公報に開示されているので、ここではこれ以上の説明を省略する。
このようにワイヤ駆動型の人型ロボットのアクチュエータにＥＰＡＭ型アクチュエータを用いることで、人型ロボットの各関節をＥＰＡＭ型アクチュエータで駆動することができる。なお、上述した例では、ＥＰＡＭ型アクチュエータを用いて下肢ロボットを駆動する例であったが、本発明はこのような例に限られず、ＥＰＡＭ型アクチュエータを用いてワイヤ駆動による５本指型のロボットハンドを駆動することもできる。なお、５本指型のロボットハンドの機械的構成は、従来公知のものを用いることができる。

なお、上述したアクチュエータ１８ａ，１８ｂでは、第１人工筋肉群２７ａと第２人工筋肉群２９ａによってシャフト２６ａを進退動（押し／引き）させていたが、本発明のアクチュエータはこのような形態に限られない。例えば、１つの人工筋肉群を用いてシャフトを進退動することもできる。すなわち、人工筋肉群にシャフトを直接固定し、人工筋肉群に電圧を印加することでシャフトを一方に移動させ、人工筋肉群への電圧の印加を停止することでシャフトを他方に移動させるようにしてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

第１実施例のロボットの正面図。 同ロボットの背面図。 同ロボットの上面図。 同ロボットの右側面図。 同ロボットの左側面図。 アクチュエータの構造を説明するための図。 アクチュエータの動作を説明するための図。 同上 同ロボットの動作を説明するための図（１）。 同ロボットの動作を説明するための図（２）。 第２実施例のロボットの上面図。 同ロボットの左側面図。 同ロボットの右側面図。 第３実施例のロボットの概略構成を示す図。 第４実施例のロボットの側面図。 図１５のXVI−XVI矢視図。

符号の説明

１０：脚ロボット
１２：駆動装置
１４：リンク機構
１６：ベース
１８ａ，１８ｂ：アクチュエータ
２０：前板
２２：後板
２４：棒状部材
２６ａ，２６ｂ：シャフト
２８：連結シャフト、２８ａ：連結部、２８ｂ：連結部
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｆ：板状リンク部材
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅ，３２ｆ：接続部
３４ａ：交差部、３４ｂ：交差部、３４ｃ：交差部
３６：垂直ガイド部材、３６ａ：案内溝
３８：連結シャフト
５０：ロボットハンド
５２：駆動装置
５４：把持部
５６：ベース
５８ａ，５８ｂ：アクチュエータ
６０ａ，６０ｂ：支持部材
６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ：支持シャフト
６６ａ，６６ｂ：シャフト
６８ａ，６８ｂ：把持部材
７０：クッション材

Claims (4)

1. 複数のフィルム状の人工筋肉が積層された人工筋肉群と、この人工筋肉群の変形に伴って進退動するシャフトと、シャフトの進退動によって駆動される駆動部とを備えたロボットの関節構造であって、
   シャフトが各人工筋肉の変形に応じて進退動するように、各人工筋肉の変形が制御可能に構成されていることを特徴とするロボットの関節構造。
2. 人工筋肉群を構成する各人工筋肉はその変形方向が同一となる状態で積層されており、シャフトが進退動する方向は人工筋肉群の変形方向に一致していることを特徴とする請求項１に記載のロボットの関節構造。
3. 前記人工筋肉群は、複数のフィルム状の人工筋肉が積層された第１人工筋肉群と、複数のフィルム状の人工筋肉が積層された第２人工筋肉群を有しており、第１人工筋肉群を構成する各人工筋肉は変形する方向が同一となる状態で積層されており、かつ、第２人工筋肉群を構成する各人工筋肉は変形する方向が同一となる状態で積層されており、
   シャフトの進退動する方向は第１及び第２人工筋肉群の変形方向と一致しており、
   第１人工筋肉群に電圧が印加されない状態で第２人工筋肉群に電圧が印加されるとシャフトが進動し、第２人工筋肉群に電圧が印加されない状態で第１人工筋肉群に電圧が印加されるとシャフトが退動することを特徴とする請求項２に記載のロボットの関節構造。
4. 第１人工筋肉群と第２人工筋肉群は変形方向に並んで配置されており、
   第１人工筋肉群と第２人工筋肉群の間にはシャフトに連結された仕切り板が配置されており、その仕切り板は第１人工筋肉群と第２人工筋肉群によって挟持されており、
   第１人工筋肉群に電圧が印加されない状態で第２人工筋肉群に電圧が印加されると、第２人工筋肉群の変形に伴って仕切り板が変位してシャフトが進動し、
   第２人工筋肉群に電圧が印加されない状態で第１人工筋肉群に電圧が印加されると、第１人工筋肉群の変形に伴って仕切り板が変位してシャフトが退動することを特徴とする請求項３に記載のロボットの関節構造。

Images