JP2015211577A - Actuator, laminated actuator and auxiliary tool - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アクチュエータ、積層型アクチュエータおよび補助具に関する。 The present invention relates to an actuator, a stacked actuator, and an auxiliary tool.
陽極と陰極との間に、誘電性高分子からゲルが介装され、陽極と陰極との間に電圧を印加することにより厚さ方向に収縮するゲルアクチュエータが知られている。(例えば、特許文献1参照)。
[特許文献1]特開2012−23843号公報
A gel actuator is known in which a gel is interposed from a dielectric polymer between an anode and a cathode, and contracts in the thickness direction when a voltage is applied between the anode and the cathode. (For example, refer to Patent Document 1).
[Patent Document 1] Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2012-23843
上記技術においては、ゲルアクチュエータの出力を、ゲルに印加する電圧を変化させてゲルアクチュエータの出力を調整していた。しかしながら、ゲルに印加する電圧の大きさとそれにより生じる出力の大きさとは必ずしも比例関係にないので、得ようとする出力の大きさに対応する電圧を印加することが難しかった。 In the above technique, the output of the gel actuator is adjusted by changing the voltage applied to the gel. However, since the magnitude of the voltage applied to the gel and the magnitude of the output generated thereby are not necessarily proportional, it is difficult to apply a voltage corresponding to the magnitude of the output to be obtained.
本発明の第一態様として、互いに間隔をおいて配置された二つの陰極と、前記二つの陰極の間に配置された凹部を有する陽極と、前記二つの陰極と前記陽極との間にそれぞれ配置され、誘電性高分子材料を含む弾性変形可能な二つの誘電体と、を備え、前記陽極と前記二つの陰極との間に電圧を印加した場合に、前記陽極の前記凹部に前記誘電体が入り込むことにより厚さ方向に収縮するアクチュエータであって、前記二つの誘電体のうち、いずれの誘電体に電圧を印加するかを選択する選択部を更に備えるアクチュエータが提供される。 As a first aspect of the present invention, two cathodes disposed at a distance from each other, an anode having a recess disposed between the two cathodes, and each disposed between the two cathodes and the anode And two elastically deformable dielectrics including a dielectric polymer material, and when the voltage is applied between the anode and the two cathodes, the dielectric is in the recess of the anode. There is provided an actuator that is contracted in the thickness direction by entering and further includes a selection unit that selects which one of the two dielectrics is to be applied with voltage.
上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これら特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。 The above summary of the present invention does not enumerate all of the features of the present invention. A sub-combination of these feature groups can also be an invention.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the invention.
図1は、使用者28に装着された補助具10の正面図である。図1に矢印で示す上下左右を補助具10の上下左右方向とする。また、使用者28から見て前後を、補助具10の前後方向とする。本実施形態においては、補助具10は、使用者28の下半身に装着されて、使用者28の脚部の動作を補助する。
FIG. 1 is a front view of the
補助具10は、ズボン部11と、第1アクチュエータ12と、第2アクチュエータ14と、第3アクチュエータ16と、第4アクチュエータ18と、制御部20と、電源部22と、配線24と、検出部26とを備える。なお、以後の説明において、第1アクチュエータ12と、第2アクチュエータ14と、第3アクチュエータ16と、第4アクチュエータ18と、をまとめて第1アクチュエータ12等と呼ぶことがある。
The assisting
ズボン部11は、右足及び左足を挿入可能なズボン形状である。ズボン部11は、伸縮可能な化学繊維等からなる。ズボン部11は、使用者28の下半身を一定の束縛力で締め付けて密着する。これにより、ズボン部11は、装着された状態では、使用者28の脚部に対してすべり難くなる。
The
第1アクチュエータ12は、左足の膝部を覆うズボン部11の前面の右上から左下にわたって設けられている。第1アクチュエータ12は、弾性変形可能であって、帯状に形成されている。第1アクチュエータ12は、全長にわたって、ズボン部11に貼り付けられて密着している。
The
第1アクチュエータ12の一例は、積層型アクチュエータであって、電圧が印加されると長手方向に収縮し、電圧の印加が解除されると元の長さまで伸長する。第1アクチュエータ12は、伸長または収縮することにより、歩行時のユーザの左足の膝部の屈伸動作を補助する。
An example of the
第2アクチュエータ14は、左足の膝部を覆うズボン部11の前面の左上から右下にわたって設けられている。従って、第1アクチュエータ12と第2アクチュエータ14は、左足の膝部の前面で交差する。第3アクチュエータ16は、右足の膝部を覆うズボン部11の前面の左上から右下にわたって設けられている。第4アクチュエータ18は、右足の膝部を覆うズボン部11の前面の右上から左下にわたって設けられている。第3アクチュエータ16と第4アクチュエータ18は、右足の膝部の前面で交差する。第2アクチュエータ14、第3アクチュエータ16および第4アクチュエータ18のその他の構成は、第1アクチュエータ12と同様なので説明を省略する。
The
配線24は、電源部22と、第1アクチュエータ12、第2アクチュエータ14、第3アクチュエータ16および第4アクチュエータ18のそれぞれと個別に電気的に接続する。電源部22は、ズボン部11の上部に設けられている。電源部22は、ズボン部11の上部に設けられている。電源部22は、4本の配線24を介して、第1アクチュエータ12、第2アクチュエータ14、第3アクチュエータ16および第4アクチュエータ18のそれぞれに個別に電圧を印加する。
The
制御部20は、補助具10の制御全般を司る。検出部26は、使用者28の状況を検出する。制御部20は、検出部26が検出した検出値に基づいて使用者28の状況を判断する。制御部20は、制御部20が判断した使用者28の状況に対して最適な補助力を与えるべく、第1アクチュエータ12等を制御する。
The
図2は、ゲルアクチュエータ40の構成を説明する断面模式図である。ゲルアクチュエータ40は、第1アクチュエータ12等の積層型アクチュエータを構成する、基本単位となる。ゲルアクチュエータ40は、互いに間隔を置いて配置されたステンレスからなる二枚の薄膜46と、二枚の薄膜46の間に配置された導電材からなるメッシュ体42と、二枚の薄膜46とメッシュ体42との間に配置された二枚のゲル44と、電源部22とを備える。メッシュ体42は、電源部22の正極と接続されることによって陽極として機能する。二枚の薄膜46は、電源部22の負極とそれぞれ接続されることによって、陰極として機能する。なお、ゲルアクチュエータ40における陽極と陰極は、それぞれ逆に設けられてもよい。その場合に、ゲルアクチュエータ40は、薄膜46を挟んで配置された二枚のメッシュ体42と、二枚のメッシュ体42と薄膜46との間にそれぞれ配置された二枚のゲル44と、電源部22とを備える。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of the
ゲル44は、電気刺激によって屈曲変形や、クリープ変形をなすポリ塩化ビニル(PVC)等の誘電性高分子から作成される。なお、ゲル44は、ポリメタクリル酸メチル、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ナイロン6、ポリビニルアルコール、ポリカーボネイト、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリロニトリル等の誘電性高分子材料を用いて作成してもよく、誘電性高分子材料にアジピン酸ブチル(DBP)等の可塑剤を添加してゲルを作成してもよい。なお、ゲルは誘電体の一例であり、ゲルアクチュエータは、アクチュエータの一例である。
The
メッシュ体42と薄膜46との間に電圧を印加すると、ゲル44の一部がメッシュ体42のメッシュ穴に入り込むことによって、ゲルアクチュエータ40は、厚さ方向に収縮する。また、メッシュ体42と薄膜46との間に印加した電圧を解除すると、ゲル44は、メッシュ体42から離間し、ゲルアクチュエータ40は、伸びて元の厚さに戻る。このように、ゲルアクチュエータ40は、メッシュ体42と、薄膜46によるゲル44への電圧の印加操作により、厚さ方向に変位する。
When a voltage is applied between the
本実施形態で用いたメッシュ体42の大きさの一例は、線形0.2mm、メッシュ孔1.1mm×1.1mm、厚さ0.4mmのステンレス製のメッシュである。また、薄膜46の厚みは、0.01mmであり、ゲル44の厚みは、0.6mmから1.0mmである。なお、メッシュ体42に代えて、凹部を設けたステンレス薄膜を用いてもよく、パンチにて穴を開けたステンレス薄膜を用いてもよい。
An example of the size of the
図3は、ゲルアクチュエータ40を積層した積層型アクチュエータの模式図である。図3に示すように、積層型アクチュエータは、矩形の基本単位のゲルアクチュエータ40を厚さ方向に複数個積み重ねて作成される。なお、積層されたゲルアクチュエータを作成する場合に、下側に設けられた薄膜46と、上側に設けられた薄膜46とを共通化して、一枚の薄膜46としてよい。この場合においては、図3に示すように、積層されたゲルアクチュエータは、複数の薄膜46と複数のメッシュ体42とが交互に配され、その間にゲル44が配される。
FIG. 3 is a schematic diagram of a stacked actuator in which
積層されたゲルアクチュエータの伸縮による変位である変位出力および当該伸縮により対象物を押す力である応力出力は、積層されたゲルアクチュエータ40の個数に比例する。例えば、5個のゲルアクチュエータ40を厚み方向に積層した場合の変位出力および応力出力は、ゲルアクチュエータ40の5倍となる。ゲルアクチュエータを積層した積層型アクチュエータにおいて、駆動するゲルアクチュエータ40の個数を選択することによって、ゲル44に印加する電圧を変えることなく、積層型アクチュエータの変位出力および応力出力を制御できる。ゲルアクチュエータ40の個数を選択することに加えて、選択したゲルアクチュエータ40のゲル44に印加する電圧を変えることで積層型アクチュエータの変位出力および応力出力をさらに細かく変えてもよい。
A displacement output, which is a displacement due to expansion / contraction of the stacked gel actuators, and a stress output, which is a force pushing the object by the expansion / contraction, are proportional to the number of the stacked
図4および図5は、第1アクチュエータ12の構成および動作を説明する断面模式図である。図4および図5において、図1および図2および図3と共通の要素には、同じ参照番号を付して重複する説明を省く。図4は、ゲル44に電圧が印加されていない状態の第1アクチュエータ12を示しており、図5は、ゲル44に電圧が印加されて、複数のゲルアクチュエータ40が厚み方向に収縮した状態の積第1アクチュエータ12を示している。
4 and 5 are schematic cross-sectional views for explaining the configuration and operation of the
第1アクチュエータ12は、電源部22と、複数のゲルアクチュエータ40と、筐体50と、出力部材52と、バネ54と、シャフト56と、測定部58とを備える。複数のゲルアクチュエータ40は、ゲルアクチュエータ40の厚み方向に積層されている。中空の直方体形状の筐体50は、積層されたゲルアクチュエータ40を囲むように構成される。筐体50は、ポリスチレン等の絶縁性の樹脂により形成される。直方体形状の出力部材52は、第1アクチュエータ12の最上に位置する薄膜46に接続して設けられ、ゲルアクチュエータ40の伸縮と共に厚み方向に移動して、積層されたゲルアクチュエータ40の伸縮を筐体50の外部に出力する。
The
円柱形状のシャフト56は、第1アクチュエータ12の左右の側面に設けられる。シャフト56の両端には、中央部の径よりも大きな直径を有する係止部57が設けられている。シャフト56の一端側の係止部57は、筐体50の底面に固定される。シャフト56の他端側の係止部57は、バネ54を介して最上に位置する薄膜46に係止されている。シャフト56は、複数のメッシュ体42、複数のゲル44および複数の薄膜46を貫通するとともに、これらを摺動自在に係止する。
The
シャフト56は、少なくとも複数のメッシュ体42と複数のゲル44および複数の薄膜46を支える剛性を有し、導電性を有さない絶縁材料で作成される。シャフト56は、絶縁材料で作成されるので、シャフト56を介してメッシュ体42と薄膜46とが通電することはない。なお、シャフト56とメッシュ体42およびシャフト56と薄膜46のいずれか一方との接点が絶縁されていれば、シャフト56は、導電性を有する金属等の導電材料で作成してもよい。剛性を有する材料から作成されたシャフト56を設けることによって、第1アクチュエータ12の伸縮は、シャフト56に沿った方向にガイドされる。これにより、第1アクチュエータ12の伸縮方向が一定となり、第1アクチュエータ12の出力方向を一定に維持できる。
The
バネ54は、シャフト56の係止部57と最上に位置する薄膜46に挟まれる領域に設けられ、薄膜46を第1アクチュエータ12の収縮方向に付勢する。最上に位置する薄膜46は、収縮方向である下方に付勢力を受け、下に位置する複数の薄膜46と複数のメッシュ体42とがそれぞれ近づけられる。なお、シャフト56およびバネ54は、プリロード部材の一例である。シャフト56およびバネ54で、複数の薄膜46と複数のメッシュ体42とをそれぞれ近づける。これにより、第1アクチュエータ12において、ゲル44と薄膜46の剥離を防止し、ゲル44を、メッシュ体42と薄膜46とで挟むように配置したゲルアクチュエータ40における位置関係を維持できる。
The
図5は、ゲル44に電圧が印加された状態の第1アクチュエータ12を示しているが、第1アクチュエータ12が厚み方向に収縮した場合であっても、シャフト56は移動しない。一方、バネ54は、下方向に薄膜46を付勢するが、ゲルアクチュエータ40の収縮により、薄膜46と係止部57との距離が長くなるので、バネ54は、自身の付勢力により、第1アクチュエータ12の厚み方向に延びた状態となっている。この状態から、ゲル44に印加している電圧を解除すると、ゲル44が伸びて第1アクチュエータ12は、図4に示した状態に戻る。
FIG. 5 shows the
測定部58は、出力部材52の位置を検出する。測定部58の一例は、ホール素子である。出力部材52のホール素子に対向する位置に、第1アクチュエータ12の厚み方向の寸法に対応付けて磁束密度を変えた領域を形成する。ホール素子は磁束密度の変化を検出できるので、電圧を印加する前と、電圧を印加した後との出力部材52の磁束密度の変化を検出することによって、出力部材52の位置の変化量を測定できる。出力部材52の位置の変化量は、第1アクチュエータ12の変位出力であるので、測定部58は、積層型アクチュエータの変位出力を測定できる。なお、測定部58は、画像センサであってもよい。測定部58が画像センサである場合においては、出力部材52の目盛を設け、当該目盛を画像センサで撮像し、撮像画像を解析することによって、変位出力を測定してもよい。
The
電源部22は、電源48とスイッチ回路49を有する。スイッチ回路49において、選択部64によって選択されたゲルを挟むメッシュ体42および薄膜46スイッチがONとされる。これにより、選択部64に選択されたゲルを挟むメッシュ体42および薄膜46に電源が接続されて当該ゲルに電圧が印加される。このように、第1アクチュエータ12は、スイッチ回路49を用いて選択部64により選択された個別のゲルに対して電圧を印加できる。なお、図5に示した第1アクチュエータ12は、全てのゲル44に電圧を印加した状態を示している。
The
このように、第1アクチュエータ12は、個別のゲル44に対して電圧を印加できるので、測定部58は、個別のゲル44の変位出力および変位出力の径時変化も測定できる。予め定められた時間ごとに、ゲル44に電圧を印加して、ゲル44を収縮させる。測定部58は、ゲル44の収縮時の変位を測定することで、個別のゲルの変位出力が測定できる。また、変位出力の径時変化は、予め測定して記録された初期の変位出力と、測定した変位出力とを比較することによって、個別のゲル44の径時的な変位出力の変化が測定できる。
As described above, since the
図4および図5に示した例において、第1アクチュエータ12を構成する複数のゲル44は、同一の材料から構成されるゲル44を複数用いてもよく、異なる材料からなるゲル44を複数用いてもよい。同一の材料から構成されるゲル44を用いることによって、ゲルアクチュエータ40および第1アクチュエータ12の製造が容易となる。また、上述したように、駆動するゲルアクチュエータ40の個数によって、第1アクチュエータ12の変位出力または応力出力を制御できるので、出力させたい変位出力または応力出力に応じて、駆動するゲルアクチュエータ40の個数を選択することによって、印加する電圧を変化させることなく、第1アクチュエータ12の変位出力または応力出力を制御できる。
In the example shown in FIGS. 4 and 5, the plurality of
ゲル44の材料が異なる場合において、ゲル44が硬い場合、ゲルアクチュエータ40の変位出力は小さいが、応力出力は大きくなる。また、ゲル44が柔らかい場合、ゲルアクチュエータ40の変位出力は大きいが、応力出力は小さくなる。したがって、ゲルが硬い場合と柔らかい場合とでは、力と変位との関係が互いに異なる。このように、出力特性の異なる硬いゲルを備えたゲルアクチュエータ40、および柔らかいゲルを備えたゲルアクチュエータ40をそれぞれ積層して、第1アクチュエータ12を構成してもよい。そして、要求される応力出力および変位出力に合わせて、電圧を印加するゲルアクチュエータを、硬いゲルを備えるゲルアクチュエータ40、および柔らかいゲルを備えるゲルアクチュエータ40の中から選択する。これにより、印加する電圧を変化させることなく、要求される応力出力および変位出力に合致させるように第1アクチュエータ12の出力を制御できる。
When the material of the
図6は、生体の動作を補助する補助具10の機能ブロック図である。補助具10は、積層型アクチュエータからなる第1アクチュエータ12等と、制御部20と、電源部22と、検出部26と、測定部58とを有する。なお、他の図と共通の要素には、同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
FIG. 6 is a functional block diagram of the assisting
制御部20は、補助具10の制御全般を行う。制御部20は、処理部60と、格納部66とを有する。処理部60の一例は、CPUである。処理部60は、格納部66に格納された補助プログラムを読み込むことによって、状況判断部62および選択部64として機能する。状況判断部62は、検出部26が検出した検出値に基づいて、使用者28の状況を判断する。
The
選択部64は、状況判断部62による使用者28の状況判断に基づいて、第1アクチュエータ12等の駆動を制御する。選択部64は、電源部22のスイッチ回路49を制御することによって、積層型アクチュエータにおける電圧を印加するゲル44の個数および種類を選択する。例えば、状況判断部62により、使用者28の状況を判断し、当該状況に合致した補助力の大きさ、または補助力の特性が判断できた場合に、選択部64は、当該補助力の大きさに応じて、必要な個数のゲル44を選択する。また、第1アクチュエータ12が出力特性の異なるゲルを有する場合に、選択部64は、使用者28の状況に合致した補助力の特性に応じて、必要なゲルを、出力特性の異なるゲルの中から選択する。
The
検出部26は、使用者28の状況を検出する。検出部26の一例は、三軸の加速度センサであるが、気圧センサであってもよく、これらを組み合わせたセンサであってもよい。測定部58は、第1アクチュエータ12等の変位出力を測定する。
The
格納部66は、第1アクチュエータ12等を構成するゲルデータベース70および補助具10を制御するプログラムを格納する。電源部22は、電源48と、スイッチ回路49とを有する。電源48は、第1アクチュエータ12等を構成するそれぞれのゲル44に電圧を印加する電源である。スイッチ回路49には、第1アクチュエータ12等を構成する個別のゲル44に対応したスイッチがそれぞれ設けられている。選択部64は、当該スイッチのON−OFFを制御することによって、電圧を印加するゲル44の個数および種類を選択する。
The
図7は、ゲルデータベースの一例を示す。ゲルデータベース70には名称欄と、ID欄と、応力欄と、変位欄と、アドレス欄と、印加回数欄と、径時変化欄とが設けられている。名称欄には、ゲル44を識別するゲルの名称が記録される。ID欄には、ゲル44を識別するID番号が記録される。なお、ID番号があれば、名称は特に必要ないが、図の説明のために、ゲルの名称欄を表記した。
FIG. 7 shows an example of a gel database. The gel database 70 is provided with a name field, an ID field, a stress field, a displacement field, an address field, an application frequency field, and a diameter change field. In the name column, the name of the gel for identifying the
応力欄および変位欄には、予め定められた電圧を印加した場合における初期および現在の応力出力および変位出力が記録される。なお、現在の変位出力は、測定部58により測定されて、状況判断部62により記録される。また、応力出力は、変位出力に基づいて予め測定された変位と応力の関係から算出される。
In the stress column and the displacement column, initial and current stress output and displacement output when a predetermined voltage is applied are recorded. The current displacement output is measured by the
アドレス欄には、ID欄に記録されたゲルに電圧を印加する二枚の薄膜46およびメッシュ体42のスイッチ回路49におけるアドレスが記録される。スイッチ回路のアドレスとは、例えば、図4および図5に示したスイッチ回路49におけるS1、S2であり、スイッチ回路のスイッチを識別するアドレスである。印加回数欄には、ゲルに電圧が印加された累積回数が記録される。
In the address field, addresses in the
径時変化欄には、予め定められた間隔で、測定したゲルの変位出力が、変位欄に記録された変位に対し予め定められた割合以下である場合に、フラグ「1」が記録される。なお、補助具の出荷時においては「0」が記録されており、予め定められた割合以上である場合は「0」が表示される。なお、予め定められた間隔の一例は、24時間であり、予め定められた割合の一例は、9割である。図9に示した例においては、ゲル1、ゲル3、ゲル4およびゲルnは、初期の応力出力、変位出力に対し、現在の出力がともに9割以上であるので、「0」のままとなっている。一方、ゲル2は、初期の応力出力、変位出力に対し、現在の出力がともに9割より小さいので、フラグ「1」が記録されている。
In the diameter change column, a flag “1” is recorded when the measured displacement output of the gel is equal to or less than a predetermined ratio with respect to the displacement recorded in the displacement column at a predetermined interval. . Note that “0” is recorded at the time of shipment of the auxiliary tool, and “0” is displayed when the ratio is equal to or greater than a predetermined ratio. An example of the predetermined interval is 24 hours, and an example of the predetermined ratio is 90%. In the example shown in FIG. 9, since the current output of
図8は、アクチュエータの駆動処理を説明するフローチャートである。第1アクチュエータ12の駆動処理の説明を、格納部66に格納されるゲルデータベース70を用いて説明する。第1アクチュエータ12の駆動処理は、検出部26が検出値を出力した後に開始する。
FIG. 8 is a flowchart for explaining actuator drive processing. The drive process of the
まず、状況判断部62が、検出部26が検出した検出値に基づいて、使用者28が必要としている補助具10の出力値を算出する(S101)。例えば、検出部26が三軸の加速度センサである場合に、検出部26は、使用者28の状況に関連した加速度の変化に関する信号を制御部20に出力する。例えば、検出部26は、使用者28の左右の脚部に設けた加速度センサの加速度が変化した時間当たりの回数を検出し、当該時間あたりの回数を示す信号を制御部20に出力する。
First, the
状況判断部62は、時間当たりの回数を取得すると、予め測定した走り時の時間当たりの加速度変化の回数と比較して、検出部26が検出した回数が、予め測定された回数を越えている場合に、使用者28は走っている状況であると判断する。格納部66には、走っている状況に対応した補助力および歩いている状況に対応した補助力が、予め測定されて格納されている。状況判断部62は、走っている状況に対応した補助具10の出力を格納部66から読み出す。一方、検出部26が検出した回数が、予め測定された回数を越えない場合は、使用者28は、歩いている状況であると判断して、歩いている状況に対応した補助具10の出力を格納部66から読み出す。そして、状況判断部62は、算出した補助具の出力に対応した第1アクチュエータ12等の出力値を算出して、選択部64に出力する。
When the
また、検出部26が三軸の加速度センサである場合に、検出部26を使用者28の背中に設けて、使用者28の背中の重力方向に対する角度を検出してもよい。状況判断部62は、検出した角度から、使用者28の姿勢を判断する。格納部66には、姿勢に対応した補助力が、予め測定されて格納されている。状況判断部62は、判断した使用者28の姿勢に対応した補助具10の出力を格納部66から読み出す。そして、状況判断部62は、算出した補助具の出力に対応した第1アクチュエータ12等の出力値を算出して、選択部64に出力してもよい。
When the
また、例えば、検出部26が気圧センサである場合に、検出部26は、気圧信号を出力する。状況判断部62は、取得した気圧信号から使用者28の高度を算出する。状況判断部62は、算出した高度から使用者28の高度変化のプロファイルを作成する。状況判断部62は、高度変化のプロファイルが、なだらかに上昇している場合に、使用者28が階段を上っている状況であると判断する。格納部66には、階段を上っている状況に対応した補助力が、予め測定されて格納されている。状況判断部62は、階段を上っている状況に対応した補助具10の出力を格納部66から読み出す。そして、状況判断部62は、算出した補助具の出力に対応した第1アクチュエータ12等の出力値を算出して、選択部64に出力してもよい。
For example, when the
選択部64は、取得した第1アクチュエータ12等の出力値を出力するのに必要なゲル44の個数を算出する(S102)。積層型アクチュエータの出力値は、電圧を印加するゲルの個数に比例するので、選択部64は、取得した第1アクチュエータ12等の出力値を、1つのゲル44で出力できる出力値で除することで、電圧を印加するゲル44の個数を算出する。選択部64は、ゲル44の個数を算出すると、格納部66に格納されているゲルデータベース70を参照して、電圧印加回数の少ないゲル44から算出した個数のゲルを選択する(S103)。
The
ステップS103において、電圧が印加された累積回数に応じて電圧を印加するゲル44を選択する。選択部64は、ゲルデータベース70の印加回数欄を参照して、電圧が印加された累積回数の最小値のゲル44を選択する。なお、最小値のゲル44の個数が算出した個数に満たない場合は、最小値の次に小さい累積回数のゲル44を選択する。また、最小値のゲル44が算出した個数以上ある場合には、ID番号が小さいゲル44が選択される。
In step S103, the
ゲルアクチュエータ40において、ゲル44に複数回電圧を印加すると、ゲル44に永久圧縮歪みが生じて、応力出力および変位出力が低下する。したがって、積層型アクチュエータにおいて、電圧を印加した回数を平均化することで、特定のゲル44の永久圧縮歪みが大きくなって使用できなくなることを防ぐことができる。
In the
なお、印加回数の少ないゲルを選択する場合において、選択部64は、径時変化に応じて電圧を印加するゲル44を選択してもよい。例えば、選択部64は、径時変化欄を参照して、フラグ「1」が記録されたゲルを除いて選択する。このように、径時変化に応じて電圧を印加するゲル44を選択することで、経時変化により応力出力または変位出力が低下したゲルの使用を避けることができ、第1アクチュエータ12の出力低下を避けることができる。選択部64は、電圧を印加するゲル44を選択すると、選択したゲル44における印加回数欄の値を消去して、元の値に1を加えた数を新たに記録する(S104)。
In addition, when selecting a gel with a small number of application times, the
選択部64は、選択したゲルのアドレス欄に記録されているアドレスを読み出す(S105)。選択部64は、読み出したアドレスをスイッチ回路49に出力して(S106)、選択したゲル44に対応した薄膜46およびメッシュ体42のスイッチをONに変更させる。これにより、電源48から選択したゲル44に電圧が印加され(S107)、第1アクチュエータ12が駆動される(S108)。なお、ゲルアクチュエータ40においては、電圧を印加した状態から電圧を解除した状態で、反発応力を発生する。したがって、電圧を印加した状態から、選択したゲルの電圧を解除する、といった制御を行ってもよい。
The
図9は、ゲルデータベースの他の例を示す。図9に示したゲルデータベース72には、図7に示したゲルデータベース70に対して、更に、Type欄が設けられている。 FIG. 9 shows another example of the gel database. The gel database 72 shown in FIG. 9 further includes a Type column with respect to the gel database 70 shown in FIG.
Type欄は、ゲル44のタイプが記録される。図9に示した例において、TypeAは、応力出力が小さく、変位出力が大きいゲルであり、TypeBは、応力出力が大きく、変位出力が小さいゲルである。応力欄および変位欄には、予め定められた電圧を印加した場合における初期および現在の応力出力および変位出力が記録される。なお、現在の変位出力は、測定部58により測定されて、状況判断部62により記録される。また、応力出力は、TypeAおよびTypeB毎に記録された変位と応力の関係から算出されて記録される。
In the Type column, the type of the
図10は、特性の異なるゲルを備えるアクチュエータの駆動処理を説明するフローチャートである。図10に示したフローチャートにおいて、ステップS101およびステップS104からステップS108までの処理は、図8に示したフローチャートと同じ処理を実行するので説明を省略する。 FIG. 10 is a flowchart illustrating a driving process of an actuator including gels having different characteristics. In the flowchart shown in FIG. 10, the processing from step S101 and step S104 to step S108 executes the same processing as the flowchart shown in FIG.
ステップS201において、状況判断部62は、判断した使用者28の状況に基づいてアクチュエータの出力特性を特定する。状況判断部62は、使用者28が要求する応力出力および変位出力を算出して、その結果を選択部64に出力する。選択部64は、取得した応力出力および変位出力を出力させる異なる特性の有するゲルのそれぞれの個数を算出する。具体的には、ゲルデータベース70に記録されたTypeAの個数とTypeBの個数を変数として、応力出力および変位出力に合致したそれぞれのゲルの個数を算出する。なお、算出できない場合においては、出得した応力出力および変位出力に近い出力となるそれぞれのゲルの個数を選択するとしてもよい。このようにして選択部64は、電圧を印加するTypeAの個数およびTypeBの個数を算出する(S201)。
In step S <b> 201, the
選択部64は、算出したTypeAの個数およびTypeBの個数に基づいて、ゲルデータベース70を参照して、各Typeごとに算出した個数のゲルを選択する(S202)。なお、この場合において、印加回数の少ないゲルを選択するとしてもよいが、印加回数の少ないゲルを選択することよりも、算出したTypeA、TypeBの数を選択することを優先してもよい。これにより、使用者28が要求する応力出力に合せることを優先して出力を制御できる。なお、以降の処理は、図8に示した処理のステップS104以降と同じであるので説明を省略する。
The
以上説明したように、本実施形態に係る第1アクチュエータ12は、使用者28の要求する応力出力または変位出力に対して、ゲルに印加する電圧を変えることなく、駆動するゲルアクチュエータ40の個数を選択することによって、積層型アクチュエータの100変位出力および応力出力を制御できる。これにより、第1アクチュエータ12における電源部22から印加電圧を変更する変圧機構を無くすことができ、電源部の構成を単純にできる。
As described above, the
また、本実施形態において、選択部64は、電圧が印加された累積回数に応じて電圧を印加するゲル44を選択したが、それに代えて選択部64はゲルの現在の出力応力または変位出力に応じて電圧を印加するゲル44を選択してもよい。選択部64は、初期の出力応力に対する変化量の少なさに応じてゲル44を選択する。これにより、応力および変位の出力効率の高いゲルを選択することができ、第1アクチュエータ12の出力効率を向上できる。
In the present embodiment, the
また、本実施形態において、第1アクチュエータ12は、複数のゲルアクチュエータ40を積層して構成されるが、複数のゲルアクチュエータ40とともに、シリコーンゴムまたはアクリルゴム等の誘電性エラストマーを有する誘電性エラストマーアクチュエータを備えてもよい。誘電性エラストマーアクチュエータは、2枚の電極板の間にシリコーンゴムまたはアクリルゴム等の誘電性エラストマーを介在させたアクチュエータであり、電圧印加方向に直交する方向に変位出力および応力出力が生じる。複数のゲルアクチュエータ40とともに複数の誘電性エラストマーを積層させた積層型のアクチュエータを用いることで、積層型アクチュエータの上下方向および左右方向に出力を生じさせるアクチュエータとすることができる。
Further, in the present embodiment, the
図11は、スイッチ回路49の一例を示す。スイッチ回路49は、図11に示すようなマトリックス状の回路としてもよい。図11に示した場合において、ゲル1、ゲル2およびゲル6を同時に駆動する場合には、X1とY1、X2とY1、X2とY2を短時間で切り替えながらそれぞれに電圧を印加する。
FIG. 11 shows an example of the
この場合において、ゲル44の収縮速度は、復帰速度よりも十分早く、また、電圧切り替え速度もゲル44の復帰速度よりも十分に早いので、ゲル44が復帰する前に電圧の切り替えを行うことで、ゲル1、ゲル2およびゲル6を同時に駆動できる。なお、電圧を印加するゲル44の数が多く、電圧印加時間とゲル44の数を乗じた時間ではゲル44が復帰してしまう場合には、電圧印加時間を短くしてもよい。このように、スイッチ回路49をマトリックス状の回路とすることで、駆動するゲルの数に対して電圧を印加する端子の数を少なくできる。
In this case, the contraction speed of the
図12は、他の第1アクチュエータ120の構成を説明する断面模式図である。図12において、図4および図5と共通の要素には、同じ参照番号を付して重複する説明を省く。第1アクチュエータ120は、上下の薄膜46を接続する接続部材68を有する。接続部材68は導電性しており、三枚の薄膜46を互いに電気的に接続している。接続部材68は、上下の薄膜46を互いに近づける方向に付勢する付勢力を有する。接続部材68は、プリロード部材の一例である。なお、接続部材68は、弾性部材であってもよく、その場合、引っ張った状態で上下の薄膜46と接続させる。これにより、弾性部材の弾性により、上下の薄膜46を近づける方向に力を生じさせることができる。このように、上下の薄膜46を近づける方向に力を生じさせることで、第1アクチュエータ120において、ゲル44と薄膜46の剥離を防止し、ゲル44をメッシュ体42と、薄膜46とで挟むように配置したゲルアクチュエータ40における位置関係を維持できる。なお、導電性を有する弾性部材の一例は、導電性を有するポリウレタン発泡体である。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of another
接続部材68は、三枚の薄膜46を電気的に接続しているが、さらに、接続部材68を用いてゲルアクチュエータ80とゲルアクチュエータ82が有するメッシュ体42同士を電気的に接続してもよい。これにより、ゲルアクチュエータ80とゲルアクチュエータ82を電気的に接続することができる。ゲルアクチュエータ80とゲルアクチュエータ82を電気的に接続することで、三枚の薄膜46の何れか一つと電源とを接続することで、三枚の薄膜46に通電でき、二つのメッシュ体42の何れか一つと電源とを接続することで、二つのメッシュ体42に通電できる。
Although the
このように、第1アクチュエータ12においてはゲル44を個別に選択する例を示したが、これに代えて、複数のゲルアクチュエータ40を電気的に接続して、その接続した複数のゲルアクチュエータ40の単位ごとに個別に選択するとしてもよい。これにより、薄膜46に接続していた配線およびメッシュ体42に接続していた配線を削除でき、部品点数を少なくできる。
Thus, although the example which selects the
なお、図12において、接続部材68を用いて、三枚の薄膜46を電気的に接続する例を示したが、接続部材68を用いて、全ての薄膜46を電気的に接続してもよい。更に、薄膜46を電源の負極と接続して、薄膜46を陰極として機能させる。一方、メッシュ体42はスイッチ回路49により電圧の印加を個別に制御する。薄膜46を陰極として機能させても、メッシュ体42が陽極として機能しなければ、ゲルアクチュエータ40は伸縮しない。このような構成とすることで、駆動するゲルアクチュエータ40の個数を選択できるとともに、複数の薄膜46に接続する配線およびスイッチ回路におけるスイッチを無くすことができ、部品点数を削減できる。なお、接続部材68を用いて接続するのは、薄膜46に限られず、接続部材68を用いて全てのメッシュ体42を電気的に接続してもよい。
In FIG. 12, the example in which the three
図13は、他の第1アクチュエータ120の構成を説明する斜視模式図である。図13に示したように接続部材68は、第1アクチュエータ120の周方向にずらして配置してもよい。これにより、接続部材68同士が互いに干渉することを防ぐことができる。
FIG. 13 is a schematic perspective view illustrating the configuration of another
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。また、上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることが当業者に明らかである。更に、変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることは、特許請求の範囲の記載から明らかである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. In addition, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above embodiment. Furthermore, it is apparent from the description of the scope of claims that the embodiments added with changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。 The order of execution of each process such as operations, procedures, steps, and stages in the apparatus, system, program, and method shown in the claims, the description, and the drawings is particularly “before” or “prior to”. It should be noted that the output can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Regarding the operation flow in the claims, the description, and the drawings, even if it is described using “first”, “next”, etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It is not a thing.
10 補助具、11 ズボン部、12、120 第1アクチュエータ、14 第2アクチュエータ、16 第3アクチュエータ、18 第4アクチュエータ、20 制御部、22 電源部、24 配線、26 検出部、28 使用者、40、80、82 ゲルアクチュエータ、42 メッシュ体、44 ゲル、46 薄膜、48 電源、49 スイッチ回路、50 筐体、52 出力部材、54 バネ、56 シャフト、57 係止部、58 測定部、60 処理部、62 状況判断部、64 選択部、66 格納部、68 接続部材、70、72 ゲルデータベース、100、110 積層型アクチュエータ
DESCRIPTION OF
Claims (18)
前記二つの陰極の間に配置された凹部を有する陽極と、
前記二つの陰極と前記陽極との間にそれぞれ配置され、誘電性高分子材料を含む弾性変形可能な二つの誘電体と、
を備え、 前記陽極と前記二つの陰極との間に電圧を印加した場合に、前記陽極の前記凹部に前記誘電体が入り込むことにより厚さ方向に収縮するアクチュエータであって、
前記二つの誘電体のうち、いずれの誘電体に電圧を印加するかを選択する選択部を更に備えるアクチュエータ。 Two cathodes spaced apart from each other;
An anode having a recess disposed between the two cathodes;
Two elastically deformable dielectrics, each disposed between the two cathodes and the anode, comprising a dielectric polymer material;
When the voltage is applied between the anode and the two cathodes, the actuator contracts in the thickness direction by entering the dielectric into the concave portion of the anode,
An actuator further comprising a selection unit that selects which one of the two dielectrics is to be applied with voltage.
前記陰極を挟んで配置された二つの陽極と、
前記二つの陽極と前記陰極との間にそれぞれ配置され、誘電性高分子材料を含む弾性変形可能な二つの誘電体と、
を備え、
前記陰極と前記二つの陽極との間に電圧を印加した場合に、前記陽極の前記凹部に前記誘電体が入り込むことにより厚さ方向に収縮するアクチュエータであって、
前記二つの誘電体のうち、いずれの誘電体に電圧を印加するかを選択する選択部を更に備えるアクチュエータ。 A cathode having a recess;
Two anodes disposed across the cathode; and
Two elastically deformable dielectrics disposed between the two anodes and the cathode, respectively, comprising a dielectric polymer material;
With
When a voltage is applied between the cathode and the two anodes, the actuator contracts in the thickness direction by entering the dielectric into the concave portion of the anode,
An actuator further comprising a selection unit that selects which one of the two dielectrics is to be applied with voltage.
凹部を有する複数の陽極と、
誘電性高分子材料を含む弾性変形可能な複数の誘電体と、
を備え、
前記複数の陰極と前記複数の陽極は、交互に配され、
前記複数の誘電体の各々は、前記複数の陰極の各々と、前記複数の陽極の各々との間に配され、
前記複数の陽極と前記複数の陰極との間に電圧を印加した場合に、前記複数の陽極の各々の前記凹部に前記複数の誘電体の各々が入り込むことにより厚さ方向に収縮し、前記複数の誘電体のうち、いずれの誘電体に電圧を印加するかを選択する選択部を更に備える積層型アクチュエータ。 A plurality of cathodes;
A plurality of anodes having recesses;
A plurality of elastically deformable dielectrics including a dielectric polymer material;
With
The plurality of cathodes and the plurality of anodes are alternately arranged,
Each of the plurality of dielectrics is disposed between each of the plurality of cathodes and each of the plurality of anodes,
When a voltage is applied between the plurality of anodes and the plurality of cathodes, each of the plurality of dielectrics enters the recesses of each of the plurality of anodes and contracts in the thickness direction. A laminated actuator further comprising a selection unit that selects which one of the dielectrics to apply a voltage to.
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JP2014092457A JP2015211577A (en) | 2014-04-28 | 2014-04-28 | Actuator, laminated actuator and auxiliary tool |
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JP2019197421A (en) * | 2018-05-10 | 2019-11-14 | 国立大学法人信州大学 | Touch sense device |
JP2021045818A (en) * | 2019-09-18 | 2021-03-25 | 国立大学法人信州大学 | Waist support wear |
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