JP2017078506A - Linear actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、屈曲性に富んだ容器内に充填された物質の体積を変化させることで、所望の駆動力を得る事が出来るリニアアクチュエータに関する。The present invention relates to a linear actuator that can obtain a desired driving force by changing the volume of a substance filled in a container having high flexibility.
自立動作支援用ロボットやロボットスーツなどの活用が進む中、これらを人間の動作に近い自然な動作で駆動するニーズが高まっている。
各種ロボットの駆動方法として、文献1に記載のモータの回転運動を基本動作として、カムと組み合わせることで、掴む、歩行する、物を動かすなどの所望の動作を実行する方法が考案されている。As the use of robots and robot suits for self-supporting movements advances, there is an increasing need to drive them with natural movements that are close to human movements.
As a driving method of various robots, a method has been devised in which a desired operation such as grasping, walking, moving an object, etc. is executed by combining with a cam based on the rotational motion of the motor described in
一方、人間の動作により近い駆動を可能とする、人工筋肉やリニアアクチュエータの開発が進められている。人工筋肉は、古くは1960年代に考案された圧搾空気を用い、ナイロン繊維で出来た袋を膨らませて引張力を得るMckibben型人工筋肉(RAMs)が最初とされ、実用化まで至った。その後圧電素子、静電素子、バイメタルなどの方式が研究、開発されて来た。最近では電場応答性高分子(EAP)、イオン導電性高分子ゲル(ICPA)などの高分子を用いた方式の開発が進み、バッキーゲル型などの構造を有するリニアアクチュエータの開発が進められている。この他に、ナイロン糸を寄り合わせ、これを冷却、加熱する事で人間の筋肉の100倍もの力を得られる事が報告されている。On the other hand, development of artificial muscles and linear actuators that can be driven closer to human movements is underway. As the artificial muscle, McKibben type artificial muscles (RAMs), which used compressed air devised in the 1960s to obtain a tensile force by inflating a bag made of nylon fiber, have been put into practical use. Since then, methods such as piezoelectric elements, electrostatic elements, and bimetal have been researched and developed. Recently, development of a method using a polymer such as an electric field responsive polymer (EAP) and an ion conductive polymer gel (ICPA) has progressed, and development of a linear actuator having a bucky gel type structure has been advanced. . In addition, it has been reported that a nylon thread can be brought close together, cooled and heated to obtain 100 times the strength of human muscles.
リニアアクチュエータは、電磁駆動式モータと歯車を組み合わせた方式が広く用いられている。電磁駆動式モータを駆動原としたリニアアクチュエータは、信頼性、駆動力、低コスト、回転制御性など優れた特長を有している反面、課題も有している。
回転モータを用いた駆動方式では、信頼性、汎用性、低コスト、回転制御性など優れた特長を有している反面、回転以外の動作には歯車、カムなどの機械的な駆動変換器が必用で柔軟な動作が難しい課題があった。As the linear actuator, a system in which an electromagnetic drive motor and a gear are combined is widely used. A linear actuator using an electromagnetic drive motor as a driving source has excellent features such as reliability, driving force, low cost, and rotation controllability, but also has problems.
The drive system using a rotary motor has excellent features such as reliability, versatility, low cost, and rotation controllability, while mechanical drive converters such as gears and cams are used for operations other than rotation. There was a problem that it was necessary and flexible operation was difficult.
一方、人工筋肉においては、文献2のリニアモータを用いた方法が提案されている。しかしながら、電磁界力を活用する方法でるため、マグネットとコイルの体積、重量が嵩むと同時に電気的ノイズを伴う。また、機械駆動部のダスト、砂塵、水没耐性、腐食性ガス、振動衝撃、放射線などの耐環境性にも制限を有する課題があった。On the other hand, for an artificial muscle, a method using the linear motor of
これに対して、文献3の蛇腹状筒状体に圧縮空気を送り込んで伸縮させる方法や、文献4の圧縮空気を使ったPAMsを改良した方法などが開示されている。これらの方式は、人間の動作に近い柔軟性に優れた動作が可能で、人工筋肉単体における重量も小さいメリットはあるものの、圧縮空気を発生させるためのコンプレッサが必要となること、圧縮空気の制御のために、電磁弁が必要なこと等で、装置全体としてのサイズ、重量が嵩む、騒音が発生するなどの問題を抱えている。On the other hand, the method of sending compressed air to the bellows-like cylindrical body of
一方、駆動源としてレーザ光を用い、レーザ照射された物質の相転移を利用して屈曲動作する方法が文献5に開示されている。この方式を用いれば、駆動音の極小化と装置全体の軽量、小型化が可能となる。しかしながら、相転移の屈曲動作ではリニアアクチュエータとしての充分な駆動力と駆動量が得られないとともに、外光の影響で屈曲動作が生じてしまうほか、機械的靭性が低いなどの問題を抱えている。On the other hand,
これに対して、光ファイアを囲むように配置された形状記憶合金製パイプに、光ファイバから漏光したレーザ光を照射することで機械的靭性を確保しながら屈曲動作する方法が非特許文献1に開示されている。この方法においてもリニアアクチュエータとしての充分な駆動力と駆動量の両立が得られないとともに、形状記憶合金の材質に依存した駆動温度範囲の制限などの課題を有している。On the other hand, Non-Patent
本発明はこれらの課題を解決し、特に柔軟で高い駆動力を確保しながら、軽量かつ低騒音で、さらに耐環境性に優れたリニアアクチュエータを提供することを目的とする。An object of the present invention is to solve these problems, and to provide a linear actuator that is light and low in noise and further excellent in environmental resistance while securing a particularly flexible and high driving force.
上記課題を解決するため、本発明にかかるリニアアクチュエータは、袋の内部に、外部要素で体積が変化する素材を封入し、袋の外部から前記素材の体積を変化させるために供する、光エネルギー源を供給することからなることを特徴とする。ここで、本明細書で言う「リニアアクチュエータ」とは、生体の筋肉のように柔軟性に富み、伸縮量を制御することで駆動力を得る構造のものを含むものとする。また、「袋」とは、伸縮性には乏しいながらも、その体積を変化しうる、形状自由度に富んだ容器を含むものとする。In order to solve the above problems, a linear actuator according to the present invention encloses a material whose volume is changed by an external element inside a bag, and serves to change the volume of the material from the outside of the bag. It is characterized by consisting of supplying. Here, the “linear actuator” referred to in the present specification includes a structure that is highly flexible and obtains a driving force by controlling the amount of expansion and contraction like a muscle of a living body. In addition, the “bag” includes a container having a high degree of freedom in shape, which has a poor elasticity but can change its volume.
この構成によると、PAMsや蒸気機関のように、外部から駆動に必要な気体の供給と排出に関わる機構を必要とせず、あるいは内燃機関のように、燃料などの材料を噴霧供給後点火する機構を必要とせずに、自己完結的に反復繰り返し動作が可能なリニアアクチュエータを得ることができる。According to this configuration, a mechanism for supplying and discharging a gas necessary for driving from the outside is not required unlike PAMs and steam engines, or a mechanism for igniting a material such as fuel after spray supply as in an internal combustion engine Therefore, it is possible to obtain a linear actuator that can perform repeated operations in a self-contained manner.
さらに本発明によるリニアアクチュエータの駆動力は、主に前記袋の強度と袋内部の体積変化に供する前記素材のヤング率および/あるいはその体積に依存するとともに、本発明によるリニアアクチュエータの駆動速度は、主に前記素材の膨張/収縮速度および/あるいは単位時間あたりの光エネルギー供給量に依存するため、適切な材料と構造を選択することにより、高い駆動力と駆動速度の両立が可能となる。Furthermore, the driving force of the linear actuator according to the present invention mainly depends on the strength of the bag and the Young's modulus of the material used for the volume change inside the bag and / or its volume, and the driving speed of the linear actuator according to the present invention is as follows: Since it mainly depends on the expansion / contraction speed of the material and / or the amount of light energy supplied per unit time, it is possible to achieve both high driving force and driving speed by selecting an appropriate material and structure.
前記袋内部に封入された素材の体積変化に供するための光エネルギー源として、光導光路または導光線を経由して供給されるレーザ光が代表的である。前記袋内部に封入される前記素材として、樹脂、金属加工物、液体、液体と気体の混合物が代表的である。
また、導入された光エネルギー源による前記袋内部の前記素材の体積膨張を促進するために触媒を用いることもできる。また、前記袋の体積縮小を促進する目的で、冷却管、媒体などを前記袋の内部に配置、および/あるいは、前記袋の外部に配置することも可能である。As a light energy source for providing a volume change of the material enclosed in the bag, laser light supplied via an optical light guide or a light guide line is typical. Typical examples of the material enclosed in the bag include resin, metal workpiece, liquid, and a mixture of liquid and gas.
A catalyst can also be used to promote the volume expansion of the material inside the bag by the introduced light energy source. Further, for the purpose of promoting the volume reduction of the bag, it is also possible to arrange a cooling pipe, a medium, etc. inside the bag and / or outside the bag.
以上の手段を用いることで、前記袋の端部が保持され、応力が負荷された状態において、前記袋の体積膨張による本発明によるリニアアクチュエータの応力を伴う引っ張り方向への駆動と、前記袋の体積縮小による本発明によるリニアアクチュエータの伸展方向への駆動が可逆的になされる。前記袋は、カーボンファイバからなる組紐レース、金属箔、樹脂箔およびそれらの張り合わせが代表的である。By using the above means, in the state where the end portion of the bag is held and stress is applied, the linear actuator according to the present invention is driven in the pulling direction due to the volume expansion of the bag, and the bag is The linear actuator according to the present invention is reversibly driven in the extending direction by volume reduction. The bag is typically a braided lace made of carbon fiber, a metal foil, a resin foil, and a laminate thereof.
さらに、前記袋の端部または/および中間部に、前記袋と連接した腱を有しており、前記袋を保持している1つ以上の関節を有する構造物に設けられたガイドに沿って、腱が摺動する。本明細書でいう「腱」とは、前記袋と連続した構造体からなる、紐状の部位をさし、前記袋と同一材料あることが好ましいが、前記袋とは異なる材質を接合した構成を用いることも可能である。Furthermore, along the guide provided on the structure having one or more joints holding the bag at the end or / and the middle of the bag, and having a tendon connected to the bag The tendon slides. As used herein, the term “tendon” refers to a string-like portion made of a continuous structure with the bag, and is preferably made of the same material as that of the bag, but is composed of a material different from that of the bag. It is also possible to use.
本案の構成には、前記袋内部の前記素材に対して良好な光吸収特性が得られる特定領域の波長を放出する光源と、放出された光を前記袋内部に導入する導光手段が含まれる。さらに、前記袋内部の前記素材を袋の外部から冷却する手段が含まれる。前記導光手段は、光ファイバが代表的である。光ファイバには、本発明によるリニアアクチュエータの動作制御に用いる各種センサ信号や本発明によるリニアアクチュエータ以外の各種光信号およびエネルギー光を多重することができる。前記多重方法として、波長分割多重、偏光分割多重、時分割多重、符号分割多重などが代表的である。The configuration of the present plan includes a light source that emits a wavelength in a specific region that provides good light absorption characteristics with respect to the material inside the bag, and a light guide means that introduces the emitted light into the bag. . Furthermore, means for cooling the material inside the bag from the outside of the bag is included. The light guide means is typically an optical fiber. Various sensor signals used for operation control of the linear actuator according to the present invention and various optical signals and energy light other than the linear actuator according to the present invention can be multiplexed on the optical fiber. Typical examples of the multiplexing method include wavelength division multiplexing, polarization division multiplexing, time division multiplexing, and code division multiplexing.
また、前記袋内部に充填されている前記素材を形状自由度の高い柔軟な材料とし、前記袋を複数個連結する手段を用いる事で、本発明によるリニアアクチュエータの柔軟性を確保でき、かつ前記袋の個別の体積膨張を抑えつつ、全体として充分な駆動量を得られるので、生体を構成する筋肉と同等の配置が可能となる。Further, the material filled in the bag is a flexible material having a high degree of freedom in shape, and by using means for connecting a plurality of the bags, the flexibility of the linear actuator according to the present invention can be ensured, and the Since a sufficient driving amount can be obtained as a whole while suppressing individual volume expansion of the bag, it is possible to arrange the same as the muscles constituting the living body.
本発明のひとつの駆動手段として、前記エネルギー光の吸収体としてのホスト材料と熱膨張体としてのマトリックスとからなる手段とが含まれる。前記ホスト材料は前記マトリックス材料中に分散している。前記エネルギー光が前記ホスト材料に吸収され、その温度が急速に上昇する。この時に発生する熱量が前記マトリックス材料に伝導して前記マトリックス材料が効果的に加熱されて体積膨張を引き起こし、本発明によるリニアアクチュエータの駆動力に変換される。One driving means of the present invention includes means comprising a host material as the energy light absorber and a matrix as the thermal expansion body. The host material is dispersed in the matrix material. The energy light is absorbed by the host material and its temperature rises rapidly. The amount of heat generated at this time is conducted to the matrix material, and the matrix material is effectively heated to cause volume expansion, which is converted into the driving force of the linear actuator according to the present invention.
また、この手段を用いることで、前記光エネルギーの吸収率の高い前記ホスト材料と、熱膨張率の高い前記マトリックス材料とを分離して配置可能となり、材料の選択自由度が向上するとともに、駆動効率を高める事が出来る。前記マトリックス材料中に分散している前記ホスト材料は、前記エネルギー光の強度分布状態に応じてその分散密度を選択的に配置することが好ましい。In addition, by using this means, the host material having a high light energy absorption rate and the matrix material having a high coefficient of thermal expansion can be separated and arranged, so that the degree of freedom in selecting the material is improved and driving is performed. Efficiency can be increased. It is preferable that the host material dispersed in the matrix material is selectively arranged in the dispersion density according to the intensity distribution state of the energy light.
本発明のひとつの駆動手段として、前記袋の内部に溶媒とともに、この溶媒の光化学反応を促進する触媒とを封入する手段が含まれる。前記袋内部に導入された前記エネルギー光は前記触媒を介して前記溶媒の化学反応を生じせしめ、分解、気化反応を引き起こし、前記袋内部の体積を拡大せしめ、本発明によるリニアアクチュエータの駆動力に変換される。上記の手段で分解、気化した前記気体は、前記袋の気体と液体を分離可能なメッシュを用いることで、生成した前記気体のみを前記袋の外部に排出できる。As one driving means of the present invention, there is included means for enclosing the inside of the bag together with a solvent and a catalyst for promoting a photochemical reaction of the solvent. The energy light introduced into the bag causes a chemical reaction of the solvent through the catalyst, causes decomposition and vaporization reaction, enlarges the volume of the bag, and increases the driving force of the linear actuator according to the present invention. Converted. For the gas decomposed and vaporized by the above means, only the generated gas can be discharged out of the bag by using a mesh capable of separating the gas and liquid in the bag.
本発明のひとつの駆動手段として、前記触媒とは異なる素材からなる第2の触媒または/および媒体を袋の内部に配置する手段および/または、前記光化学反応に用いた波長とは異なる波長を前記袋の内部に導入する手段が含まれる。これにより上記手段で前記溶媒から分解、生成した前記気体を凝縮または/および液化することができる。この手段を用いることで、体積膨張した前記袋の体積を縮小することが可能となり、前記袋の膨張と収縮が可逆的になされる。As one driving means of the present invention, a means for disposing a second catalyst or / and medium made of a material different from the catalyst in the bag and / or a wavelength different from the wavelength used for the photochemical reaction is used. Means for introducing into the bag are included. Thereby, the gas decomposed and generated from the solvent by the above means can be condensed or / and liquefied. By using this means, it is possible to reduce the volume of the bag that has been volume-expanded, and the bag can be expanded and contracted reversibly.
本発明のひとつの駆動手段として、前記袋内に導入されたエネルギー光を吸収して温度上昇することにより膨張する第1の素材と、第1の素材に密着して一体化した、第1の素材よりも膨張係数の小さな第2の素材からなる、一つ以上の屈曲対を前記袋の内部に挿入する手段が含まれる。この手段を用いることで、エネルギー光により加熱された前記屈曲対が変形し、前記袋の体積を拡大させることで、本発明によるリニアアクチュエータの駆動力に変換される。As one driving means of the present invention, a first material that expands by absorbing energy light introduced into the bag and rising in temperature, and a first material that is in close contact with and integrated with the first material, Means are included for inserting one or more bent pairs of second material having a smaller expansion coefficient than the material into the bag. By using this means, the bending pair heated by the energy light is deformed, and the volume of the bag is enlarged, so that the driving force of the linear actuator according to the present invention is converted.
本発明のひとつの駆動手段として、前記光導光線または光導光体に複数の光分岐手段が含まれており、分岐後のそれぞれの前記光導光線または光導光体と本発明によるリニアアクチュエータが光学的に接続されている。さらに光源光は複数の波長を出力する手段を有しており、それぞれの波長光に対応するように配置された本発明によるリニアアクチュエータを独立あるいは同時に駆動することが可能となる。As one driving means of the present invention, the light beam or light guide includes a plurality of light branching means, and each of the branched light beams or light guide and the linear actuator according to the present invention are optically connected. It is connected. Furthermore, the light source light has means for outputting a plurality of wavelengths, and the linear actuators according to the present invention arranged to correspond to the respective wavelength lights can be driven independently or simultaneously.
本発明のひとつの駆動制御手段として、センサからの信号を駆動制御プロセッサに伝達するために、センサ信号を光信号に変換する手段および、前記光導光線または光導光体を用いる手段とを含む。センサの駆動エネルギーについては、前記光導光線または光導光体を通じて光エネルギーとして送信する手段および、センサ近傍で電気信号に変換する手段とを含む。これにより、ひとつの前記光導光線または光導光体で、複数の本発明によるリニアアクチュエータ駆動エネルギー、複数のセンサの駆動エネルギーおよび情報信号を多重して伝送可能となる。前記多重方法として、波長多重、偏光多重、時分割多重などの手段が用いられる。One drive control means of the present invention includes means for converting a sensor signal into an optical signal and means for using the light beam or light guide to transmit a signal from the sensor to the drive control processor. The driving energy of the sensor includes means for transmitting as light energy through the light beam or light guide and means for converting it into an electrical signal in the vicinity of the sensor. Accordingly, a plurality of linear actuator driving energies according to the present invention, driving energies of a plurality of sensors, and information signals can be multiplexed and transmitted by one light beam or light guide. As the multiplexing method, means such as wavelength multiplexing, polarization multiplexing, and time division multiplexing are used.
本発明のひとつの駆動制御手段として、センサに光センサを用い、光センサへの光源供給およびセンサ光信号情報を前記光導光線または光導光体を用いる手段とを含む。複数の光センサを扱う場合は、波長多重、偏光多重、時分割多重などの各種多重手段を用いることで、複数の光センサを独立に扱うことが可能となる。As one drive control means of the present invention, an optical sensor is used as a sensor, and a light source supply to the optical sensor and sensor optical signal information using the optical beam or the optical light guide are included. When handling a plurality of photosensors, it is possible to handle a plurality of photosensors independently by using various multiplexing means such as wavelength multiplexing, polarization multiplexing, and time division multiplexing.
本発明のひとつの駆動手段として、前記光導光線または光導光体に複数の光分岐手段および、分岐後のそれぞれの前記光導光線または光導光体と前記リニアアクチュエータおよび光電変換器とを接続する手段とを含む。As one driving means of the present invention, a plurality of light branching means to the light beam or light guide, and a means for connecting the light beam or light guide after branching to the linear actuator and photoelectric converter, including.
これにより、ひとつの前記光導光線または光導光体により、複数の本発明によるリニアアクチュエータと複数の電動アクチュエータを同時並行して活用する事が出来る。それぞれの本発明によるリニアアクチュエータの駆動制御は、前記波長多重、偏光多重、時分割多重などの手段により、それぞれ独立して扱うことが可能となる。Accordingly, a plurality of linear actuators according to the present invention and a plurality of electric actuators can be used in parallel by one light beam or light guide. The drive control of each linear actuator according to the present invention can be handled independently by means such as wavelength multiplexing, polarization multiplexing, and time division multiplexing.
本発明によれば、屈曲柔軟性に富んだリニアアクチュエータを構成する袋に収納された素材を、袋の外部からエネルギーを供給することで膨張、収縮させて駆動することにより、高精度で大きな駆動力を得ることができる、配置自由度高い、小型、軽量かつ低騒音で耐環境性に優れたリニアアクチュエータを提供することが可能となる。 According to the present invention, a material stored in a bag constituting a linear actuator rich in bending flexibility is driven by being expanded and contracted by supplying energy from the outside of the bag, thereby driving with high accuracy and large drive. It is possible to provide a linear actuator that can obtain force, has a high degree of freedom in arrangement, is small, lightweight, has low noise, and is excellent in environmental resistance.
さらに外部からのエネルギー供給路として、光導光線や導光体を用いることで、リニアアクチュエータの駆動エネルギーとリニアアクチュエータの制御に関わる光信号とを多重送受信でき、複数のリニアアクチュエータと複数のセンサをひとつ導光線、導光体で一括制御が可能となる。このことは、本発明によるリニアアクチュエータを用いた人型ロボットシステムの小型軽量化に寄与するとともに、駆動エネルギー源と制御システムを人型ロボットから分離して配置することを可能とし、極限環境における人型ロボットの作業を容易ならしめる効果も有している。Furthermore, by using a light beam or a light guide as an external energy supply path, the drive energy of the linear actuator and the optical signal related to the control of the linear actuator can be multiplexed and transmitted. Collective control is possible with a light guide line and a light guide. This contributes to the reduction in size and weight of the humanoid robot system using the linear actuator according to the present invention, and also enables the drive energy source and the control system to be separated from the humanoid robot, thereby enabling humans in extreme environments. This also has the effect of facilitating the work of the robot.
以下に本発明に係る実施形態について説明する。
この記載は、本発明を具体的な事例を用いて発明の詳細に記載されている内容を確認するものであり、発明の詳細に記載されているが、本発明の構成要件に対応する実施の形態として、ここに記載されていない実施の形態があったとしても、その実施形態が、その構成要件に対応しないことを意味するものでは無い。また、記載されている実施形態が、その構成要件以外の構成要件には対応しないことを意味するものでもない。Embodiments according to the present invention will be described below.
This description is intended to confirm the contents of the present invention by using specific examples, and is described in the details of the invention. Even if there is an embodiment which is not described here as a form, it does not mean that the embodiment does not correspond to the constituent requirements. Further, this does not mean that the described embodiment does not correspond to configuration requirements other than the configuration requirements.
図1は本発明によるリニアアクチュエータの一側面の駆動原理を示している。
伸縮性に乏しいながらも屈曲性に富んだ材料からなる袋1の内部に素材2が封入されている。袋1が許容できる体積一杯まで素材2で満たされている場合は球体となる。これに対して、容器の充填率が球体形成時のそれよりも小さくなると、容器は変形して楕円体となる。たとえば充填率が図1(a)に示すように50%よりも小さな状態で、容器の両端に一定の引張り応力Fを加えると容器は変形し、容器内部の充填量に応じて、全長がL1の楕円状に変形する。この状態から容器内部の素材2が体積膨張すると、体積膨張率に応じて楕円体の断面積が増大する。FIG. 1 shows the driving principle of one aspect of a linear actuator according to the present invention.
A
伸縮性に乏しいが形状柔軟性に富んだ容器1の表面積は一定であるため、断面積の拡大に伴い、図1(b)に示したように、体膨張率に応じてその全長がL1からL2に縮退する。この容器1の縮退が、リニアアクチュエータの駆動力となる。Since the surface area of the
図2は、本発明によるリニアアクチュエータの駆動エネルギー源として、光源4を用い、導光線3を通じて袋1の内部にエネルギー光を導入して素材2を熱膨張させることでリニアアクチュエータを駆動する原理を示している。導光線3の例として、光ファイバが好ましい。光ファイバの材料として、ガラスとプラスチックが代表的であるが、中空管を用いることもできる。FIG. 2 shows the principle of driving a linear actuator by using a
光源4から放出された光は、導光線3を用いて袋1に導かれ、素材2に照射される。(図2(a))。光源4は、レーザ光を放出するチップが収納された密閉容器と、レンズを介して光学的に結合された導光線3とで構成されたモジュールが代表的である。レーザ光を放出するチップは、複数個並列に並べて出力を増大させること、あるいは、波長の異なるレーザ光放出チップを複数個用いることもできる。このほか、LED光源やキセノン光源など他の光源を用いることも可能である。The light emitted from the
導光線3は、袋1を貫通して袋1の内部に収納されている素材2に導かれている。導光線3の端部から放出された光源光は、レンズなどを介して効率的に素材2に照射される。素材2は導入された光を効率よく吸収する組成を有しており、照射光の強度に応じて素材2の温度が上昇し、体膨張を引き起こす(図2(b))。これにより袋1の断面積が拡大することで袋1の長手方向の全長が縮退し、リニアアクチュエータが駆動する。The
図3は、本発明による素材2の光エネルギーによる体積膨張を用いてリニアアクチュエータを駆動する方式における、袋1内部の一側面の構成について示している。袋1の内部は空洞で、両端部は袋1の素材で閉塞されており、その延長部分がリニアアクチュエータを固定するブッシュ8を備える特徴を有している。袋1は伸縮性に乏しいが引っ張り強度が強く、軽く、熱伝導性に優れるカーボン系繊維を編み込んだ構成が好ましい。FIG. 3 shows a configuration of one side surface inside the
図3(a)で示したように、素材2は、熱膨張率が高く、袋1の柔軟性を確保可能な組成と構成が適しており、袋1の外部に漏れ出さないように封入されている。素材2として、ポリエチレンテレフタレートの繊維状海綿体、コロイド状を呈するポリエチレンテレフタレート小球と溶媒の混合体、および安定化ゲル等が好ましい。As shown in FIG. 3A, the
素材2には、袋1の内部に導入、照射された光に対して、高い吸収特性を有する光吸収体5が分散されている。導光線3は、袋1の内部を貫通するように、コイル状に巻かれた状態で挿入されている。導光線3をコイル状に巻くことにより、その巻き径、導光路の径、光源4の波長などに応じてコイル状部位から、光が漏れ出して周囲に拡散する。この拡散した光源光を光吸収体5で吸収し、光から熱に変換される。In the
光吸収体5として、鎖状配位子からなる、エチレンジアミン、ビピリジン、エチレンジアミン錯体、フェナントロリンの金属キレート複合体、および環状配位子からなる、ポリフィリン、クラウンエーテルの金属キレート複合体が好ましい。金属キレート複合体としてたとえばベンゾピロメテンを用いた場合は、波長540nmから620nmの発光波長帯域を有するレーザ光が適している。The
図3(a)は、コイル状に巻かれた導光線3の中心部を通過するように冷却管6が配置されている状態を示している。冷却管6内の冷却媒は、リニアアクチュエータの伸縮駆動を利用して冷却管内を循環する。冷却管6の途中に熱交換器を配置することで、冷却効果が高まる。冷却管6を構成する素材として、形状記憶合金を用いることで、冷却としての熱伝導性を確保でき、かつ袋1の伸縮動作に連動した、冷却管6の全長の制御が可能となり、好ましい。FIG. 3A shows a state in which the
以上の構成により、導光線3に導入された光はコイル状に巻かれた部分で導光損失が発生し、袋1の内部に漏洩する。漏洩した光は、光吸収体5に効率よく吸収されて熱に変換される。光吸収体5で発生した熱は熱膨張性に優れた素材2に伝導し体膨張する。これにより袋1の断面積が拡大し、袋1の全長が縮退することでニアアクチュエータが縮退駆動する。With the above configuration, light introduced into the
図3(b)は、冷却管6をコイル状に巻くことで袋1の内部をより効率よく冷却できると同時に、袋1の伸縮動作に対応した全長の変化に対応できる例を示している。袋1の端部は空洞が終端され、袋の材料が延長されて紐状に加工されている。この紐状部に挿入されるように、導光線3と冷却管6が配置されている。さらに紐状部の終端部は、リニアアクチュエータを構造体に機械的に係止するためのブッシュ8が取り付けられている。FIG. 3B shows an example in which the inside of the
図3(c)は、導光線3から導出された光を照光モジュール7により袋1の特定部位に照射する構成を例示している。
照光モジュール7は、回折格子やマイクロレンズアレーなどをもちいることで、任意の光ビーム形状に成形され、容器内に照射される。これにより光源光の照射範囲を任意の範囲に集約する事が可能となり、光源光の利用効率が高まる。FIG. 3C illustrates a configuration in which the light derived from the
The
照光モジュール7からの発散光が発光点を起点としたガウシアン分布の形態を取る場合、照射光の強度に反比例するように、光吸収体5の分布密度を設定することで、素材2に対して均一な加熱がなされ、好ましい。光源4からの光供給が停止すると、容器1の膨張は停止し、容器内に導入された冷却管6により素材2が冷却されて、リニアアクチュエータの縮退は停止し、伸展する方向に駆動する。なお、導光線3と冷却管6を、容器の一端から容器外に導出し、次の容器に再び導入することで、光エネルギーを有効に活用する事も出来る。When the divergent light from the
図4は本発明によるリニアアクチュエータの他の一側面の構成例を示している。気密性を有する袋1の内部に溶媒10を封入し、袋1の内部に挿入された導光線3と光学的に結合された照光モジュール7から触媒9に向けて集光、放射することで、触媒9の周囲に光化学反応領域11が形成される。FIG. 4 shows a configuration example of another aspect of the linear actuator according to the present invention. By enclosing the solvent 10 in the
光化学反応領域11では、溶媒10の分解、気化反応が生じ、袋1の体積が急速に拡大して、リニアアクチュエータの駆動力に変換される特徴を有している。気化した溶媒10は、図示はされていないが、袋1の内部に設けられた冷却管により冷却されることで、凝集反応を生じて再び溶媒に戻ることで、リニアアクチュエータの縮退は停止し、外力Fにより袋1は伸展する方向に駆動する。In the
なお、分解した気体は、袋1を構成するメッシュの微細な隙間から、袋1の外部に排出する事も可能である。メッシュの隙間を最適化することで、溶媒10を袋1に封入した状態で、気体のみを排出することが可能となる。また、袋1から排出された気体を排気集合容器に蓄えて冷却し、溶媒10の状態に戻した後に再度袋1の内部に供給して再利用することも可能である。The decomposed gas can be discharged to the outside of the
溶媒10として、エチレングリコールおよび高級アルコールの希釈液が適している。触媒9として、溶媒10にアルコール系の希釈液を用いた場合においては、ニッケル−アルミナの多孔質体が適している。このほか、線状に加工された貴金属のスポンジ体を触媒9とすることで、袋1の柔軟性が維持され、適している。As the solvent 10, a diluted solution of ethylene glycol and higher alcohol is suitable. In the case where an alcohol-based diluent is used as the solvent 10 as the catalyst 9, a nickel-alumina porous body is suitable. In addition, the flexibility of the
図5は、本発明によるリニアアクチュエータの他の一側面の構成例を示している。光源4から導光線3と照光モジュール7を介して放出されたエネルギー光を吸収することで、温度上昇、膨張する接合体14(a)と、接合体14(a)に密着するように配置されかつ、接合体14(a)よりも膨張係数の小さな接合体14(b)とからなる、複数の腕を有するU字状加工体を、袋1の体積拡大のための素材2として用いる特徴を有している。FIG. 5 shows a configuration example of another aspect of the linear actuator according to the present invention. By absorbing the energy light emitted from the
図5(a)は、4本の腕を持つU字状加工体を、ワイヤ13により袋1の両端に設けられたブッシュ8間を繋ぐように固定された構成を有する駆動原理の一側面を示している。ワイヤ13は、4本それぞれの腕に係止され、U字状加工体の根元の部分と、腕の長さとほぼ等距離の長さのワイヤ13の延長部で4本のワイヤ13が1本のワイヤに纏められている。FIG. 5A shows one aspect of a drive principle having a configuration in which a U-shaped workpiece having four arms is fixed so as to connect the
照光モジュール7から放射されたエネルギー光は、接合体14(a)で吸収され、接合体14(a)を加熱膨張させる。一方、接合体14(b)は、接合体14(a)で遮光されており、温度が上昇しにくい構成であることと、接合体14(a)よりも膨張係数が小さいことと相まって、図5(b)に例示したように、U字状に加工された接合体14を開く方向に変形する。The energy light emitted from the
かかる接合体14の変形により、4本の腕の先端部で囲まれた領域の面積が拡大する。接合体14として、バイメタルが代表的であるが、組成の異なる非鉄からなる接合体であってもよい。なお、U字状加工体の腕の数を増加させることにより、リニアアクチュエータとしての駆動力のと、U字状加工体の剛性を増加することができる。また、腕の数を2本とすることで、断面アスペクト比の大きい、薄いリニアアクチュエータとして用いることもできる。Due to the deformation of the joined
また、各U字状加工体間の接合箇所は、屈曲と回転方向に可動自由度を有しているため、立体的な局面を有する構造体に倣ったリニアアクチュエータの伸縮駆動を可能にしている。上記の薄いリニアアクチュエータの応用例として、たとえば、人型ロボットの顔面筋における、オトガイ筋、口輪筋、口角下制筋、下唇下制筋、眼輪筋、前頭筋等に相当する部位への適応が例示できる。In addition, since the joints between the U-shaped workpieces have a degree of freedom of movement in the bending and rotation directions, it is possible to drive the linear actuator to follow the structure having a three-dimensional aspect. . As an application example of the thin linear actuator described above, for example, to a part corresponding to the genital muscle, the muzzle muscle, the lower-angular control muscle, the lower lip control muscle, the ocular muscle, the frontal muscle, etc. in the facial muscle of a humanoid robot Can be exemplified.
図6は、上述したU字状に加工された接合体14を7個連結して、袋1の内部に封入した構成を例示している。接合体14の連結部は、ワイヤ13で連結されており、それぞれの接合体14間で、屈曲方向および回転方向ともに駆動自由度を有しており、袋1の柔軟性が確保されている。FIG. 6 illustrates a configuration in which seven joined
照光モジュール7は、各接合体14に対向するように配置されており、図6(a)に示すように、導光線3から合分波・分岐器15を用いて、各照光モジュール7にエネルギー光が分配される構成を有している。接合体14にエネルギー光が照射され、U字状に加工された接合体14が開く方向に変形すると、袋1の断面積が拡大し、ブッシュ8間の距離が縮退して駆動力に変換される。The
なお、各接合体14に対向するように配置された照光モジュール7と導光線3との配線おいて、合分波・分岐器15を用いることなく、光源4と直接接続することで、U字状に加工された各接合体14をそれぞれ独立して駆動することが可能となる。これにより、たとえば配管内部を袋1の蠕動(ぜんどう)運動により移動するような複雑な動きにも対応できる。In addition, in the wiring of the
図7は、らせん状に加工された接合体14の内側に、導光線3を配置し、導光線3から漏出したエネルギー光により接合体14を加熱することで、らせん状接合体14の巻き径を拡大させ、袋1の断面積が拡大することでリニアアクチュエータの駆動に変換する構成を例示している。熱膨張係数のより大きな接合体14(a)をらせんの内側に配置し、導光線3を接合体14(a)に沿って当接するように配置されている(図7(a))。らせん状接合体14は袋1に封入されており、両端にブッシュ8が取り付けられている。FIG. 7 shows the winding diameter of the spiral bonded
導光線3にエネルギー光が導かれると、導光線3からエネルギー光が漏出して接合体14(a)が吸収、加熱される。接合体14(a)は接合体14(b)よりも熱膨張量が大きいため、らせん径が拡大する方向に変形する。らせん状接合体14の径拡大に伴い袋1の断面積が拡大し、ブッシュ8間の距離を短縮する方向に駆動力が働く。なお、導光線3からのエネルギー光漏出量が充分に得られない場合は、エネルギー光が導波する方向に徐々に導光線3の導光路径を縮小した、テーパー状の導光線3とすることが好ましい。
また、導光線3をらせん状接合体14の異なる部位に、光源4とセットとして独立して配置することで、せん状接合体14の任意の箇所のらせん径を選択的に拡大することができる。When the energy light is guided to the
In addition, by arranging the
図8は、袋1を直列に5個並べた構成を有するエネルギー光を駆動源としたリニアアクチュエータの構成を例示している。それぞれの袋に対応する5本に束ねられた導光線3を経由して各素材2に照射出来る構造を用いており、独立したエネルギー供給形路を有する各袋1は、対応する光源4の駆動条件に応じて、その膨張量が制御され、任意の駆動力と駆動速度が得られる。FIG. 8 illustrates the configuration of a linear actuator that uses energy light having a configuration in which five
たとえばNo2とNo4の容器のみを膨張させた場合(図8(b))、リニアアクチュエータの全長はL1からL2になる。また、No1から5までの容器をすべて膨張させた場合(図8(c))、リニアアクチュエータの全長は、最少長L3まで縮退する。また、各素材2に吸収される波長をそれぞれ異なるように配置し、一つの導光線3にそれぞれ対応する5つの波長を多重することで、各袋1を独立制御する事も可能である。For example, when only the containers No. 2 and No. 4 are expanded (FIG. 8B), the total length of the linear actuator is changed from L1 to L2. When all the containers No. 1 to No. 5 are expanded (FIG. 8C), the total length of the linear actuator is reduced to the minimum length L3. Moreover, it is also possible to control each
以上により、より高精度の駆動制御が可能となるとともに、リニアアクチュエータの単位駆動量に対する袋1の最大断面積を小さく設定することが可能となる。また直列に複数配置された容器を有するリニアアクチュエータを並列に束ねることで、より大きな駆動力が得られる。As described above, more accurate drive control is possible, and the maximum cross-sectional area of the
図9はリニアアクチュエータを構成する容器の体膨張率と、駆動量の関係について計算する時に用いた数式の諸元を説明する図である。図9(a)に示した通り、容器の皮膜が非弾性体である時、容器内部が容器の限界体積まで膨張した場合は球体となる。この時の半径をReとすると、球体の体積Veおよび表面積Seは数式1で表される。FIG. 9 is a diagram for explaining the specifications of the mathematical formula used when calculating the relationship between the body expansion rate of the container constituting the linear actuator and the drive amount. As shown in FIG. 9A, when the coating of the container is an inelastic body, it becomes a sphere when the inside of the container expands to the limit volume of the container. When the radius at this time is Re, the volume Ve and the surface area Se of the sphere are expressed by
ここで、図9(b)に示すように、球体の両端面に引っ張り応力Fを加えた状態で容器内部の体積が縮小すると、体積の縮小量に応じて球体は応力Fの負荷方向を長軸とした楕円体となる。この時の長軸半径をR1、短軸半径をR2とすると、その体積は数式2で表される。但し、引っ張り応力Fによる弾性収縮は無いと仮定する。
この場合、楕円体の表面積は球体と同一であるSeとなる。容器の体積率をαとして、楕円体の表面積SeとR1,R2との関係は数式3で表される。なお、球体の場合はα=1とする。
一方、楕円体の表面積は乗数pを用いて数式4で近似できる。
そこで、体積減少に伴う楕円体の長軸変動の理論計算では、数式4を用いた。
ここで、R1>Re>R2,Vm<Ve,とする。On the other hand, the surface area of the ellipsoid can be approximated by
Therefore,
Here, it is assumed that R 1 > R e > R 2 and Vm <Ve.
一方R2は、容器の体積、表皮の機械特性、重力などの影響を受けるため、厳密には楕円体とはなり得ない。しかし、計算を簡素化するために、R2=R1 nの関係がなり立つと仮定して計算した。R1とnを任意の数値に設定した時の楕円体の面積および楕円体の体積(Vm)の計算結果が球体の各初期値と限りなく一致する数値を、数式5により求めた。
α=0.1の場合のようにリニアアクチュエータを形成する容器の体積が小さい場合、楕円体短軸のα,R1の関係を採用すると、球体初期値に対する面積、体積の誤差が収束しなかった。
このため、R1と関連しない個別の最適数値として求めている。αが0.2以上の場合は、誤差の収束は良好で、α,R1とnの間に一定の相関関係が得られる。When the volume of the container forming the linear actuator is small as in the case of α = 0.1, if the relationship between α and R 1 of the ellipsoidal short axis is adopted, the area and volume errors with respect to the initial value of the sphere do not converge. It was.
For this reason, it is calculated as an individual optimum numerical value not related to R 1 . When α is 0.2 or more, error convergence is good and a constant correlation is obtained between α, R 1 and n.
図10にRe=10mmとした時のαとR1の関係を示す。容器の初期体積を球体Seの25%とし、初期体積から20%体積膨張したと仮定した場合のリニアアクチュエータの全長は、αとR1が累乗近似出来ると仮定すると、体積膨張率とほぼ同一の約19.7%縮むと見込まれる。FIG. 10 shows the relationship between α and R 1 when Re = 10 mm. The initial volume of the vessel was 25% of the sphere S e, substantially the same total length of the linear actuator when it is assumed from the initial volume and was 20% volume expansion, when the α and R 1 is assumed to be power approximation, the volume expansion rate It is expected to shrink about 19.7%.
リニアアクチュエータの駆動力は容器内部の材料の熱膨張応力が起源となる。なお、容器内の材料のヤング率をEa、体積膨張率A,温度変化量ΔT、容器の体積をVheとすると光アクチュエータ駆動力Σheは数式6で表される。κは容器内材料の熱膨張応力変換効率を示している
図11は、リニアアクチュエータに供給される光源4の接続経路およびリニアアクチュエータの駆動を制御するために用いる各種センサ22および光センサ17の信号回路系とこれらを統合制御するための制御プロセッサ20との接続例を説明するブロック図を例示している。FIG. 11 shows a connection path of the
本発明におけるリニアアクチュエータへのエネルギー光の供給はもとより、制御に用いられる光センサ17や各種センサ22と制御プロセッサ20間との通信は、いずれも導光線3に光信号として多重される。光多重方法として、波長多重、偏波多重、偏向多重や、時分割多重、光符号分割多重などの光通信技術が代表的である。In addition to the supply of energy light to the linear actuator in the present invention, the communication between the
なお、センサ22のように光センサ以外の場合の通信は、光電変換器21により電気信号から光信号に変換されたのち、導光線3に多重されてなされる。これらにより、本発明におけるリニアアクチュエータ駆動用のエネルギー光と複数の光センサ17および複数のセンサ22と接続された光電変換器21からもたらされる光信号を、ひとつの導光線3に多重して、制御プロセッサ20と接続、制御することが可能となる。Note that communication other than the optical sensor, such as the
一方、制御プロセッサ20と接続された本発明におけるリニアアクチュエータ駆動用光源4は、合分波フィルタ16を介して導光線3に導入される。同様に、複数の光センサおよび複数のセンサ22と接続された光電変換器21からもたらされる光信号も、合分波フィルタ16を介して、制御プロセッサ20側の光信号送信光源4や受光モジュール19に対応した信号光に分離され、本発明におけるリニアアクチュエータの制御に供される。On the other hand, the linear actuator driving
センサ22として、磁気センサ、電界センサ、圧電センサ、焦電センサ、レーダ、音波センサ、ジャイロセンサ、機械センサ、音波センサ、放射線センサ、化学反応センサ、イメージセンサが代表的である。光センサ17として、光ファイバ型の音響センサ、圧力センサ、熱センサ、ジャイロセンサ、測距センサ、温度センサ、加速度センサ、速度センサ、角速度センサ、ガスセンサが代表的である。The
また、光源4と光センサ17間で十分な光学的距離を設定できれば、リング干渉によるサニャック効果を活用した光ジャイロスコープ機能を用いて、本発明におけるリニアアクチュエータを3次元空間上で制御可能である。さらに、光パルス試験技術(OTDR)を活用することで、導光線3上のセンシング位置の特定が可能となる。If a sufficient optical distance can be set between the
図12は、関節24を介した1対の骨格23に本発明におけるリニアアクチュエータを応用した例を示している。関節24は、半球状の回転子で構成され、半球の中心を基軸に、1軸方向に傾倒する振り子構成となっており、骨格23には応力Fが負荷されている。さらに、関節24の回転中心に対して、リニアアクチュエータRaとRbとが、関節24を介して対向した2個が、骨格間を繋ぐように配置されている。FIG. 12 shows an example in which the linear actuator according to the present invention is applied to a pair of
上記構成により、Rbを縮退駆動させ、Raを伸展駆動させることにより、骨格24は時計回りに傾倒駆動する(図12(a))。一方、図12(b)に示した通り、骨格23を反時計回りに回転させる場合は、Raを縮退させRbを伸展させることでなされる。図12(c)は、本発明におけるリニアアクチュエータRaとRbを任意のバランスで縮退駆動を継続することで、応力Fの方向が変動しても一定の傾倒角度を維持できる例を示している。With the above-described configuration, the
図13は、本発明におけるリニアアクチュエータを交差するように2個用いることで、骨格23を回転と傾倒の2つの駆動を同時に行う事が可能な構成を例示している。
図13(a)に例示したように、回転方向および傾倒方向に可動自由度有する間接24を介して、骨格23に対して、それぞれの取り付け位置が180度交差するようにリニアアクチュエータRaとRbが配置されている。骨格23は、応力Fとともに骨格23を反時計方向に回転させる回転トルクTfが印可されている。FIG. 13 illustrates a configuration in which two linear actuators according to the present invention are used so as to intersect with each other so that the
As illustrated in FIG. 13A, the linear actuators Ra and Rb are connected to the
ここで、Raが縮退し、Rbが一定の縮退駆動力を維持した場合、骨格23は、間接24に対して反時計方向への傾倒駆動と同時に時計方向への回転駆動力が生じる。
一方、Rbが縮退し、Raが一定の縮退駆動力を維持した場合、骨格23は、間接24に対して時計方向への傾倒駆動と同時に時計方向への回転駆動力が生じる。Here, when Ra degenerates and Rb maintains a constant degenerative driving force, the
On the other hand, when Rb is degenerated and Ra maintains a constant degenerative driving force, the
間接24が球体で全方位に渡って動作する場合は、回転と傾倒を組み合わせた複数の本発明におけるリニアアクチュエータを組み合わせ、それぞれ縮退と伸展量を制御することで任意の方向に駆動制御が可能となる。When the indirect 24 is a sphere and operates in all directions, it is possible to control driving in any direction by combining a plurality of linear actuators according to the present invention that combine rotation and tilt, and controlling the amount of contraction and extension, respectively. Become.
以上記載した通り、リニアアクチュエータRaとRbとを180度交差させて配置することにより、異なる方向への傾倒駆動と、一方向の回転駆動を同時に行うことが可能となる。
図14は、間接24を介して骨格23に取り付けられた本発明におけるリニアアクチュエータRaの縮退量と骨格23の傾倒角度の関係について計算する時に用いた数式の諸元を説明する図である。なおリニアアクチュエータRaには2つの袋1が連結されている構成を例示している。As described above, by arranging the linear actuators Ra and Rb so as to intersect each other by 180 degrees, it is possible to simultaneously perform tilt driving in different directions and rotational driving in one direction.
FIG. 14 is a diagram for explaining the specifications of the mathematical formula used when calculating the relationship between the amount of degeneration of the linear actuator Ra attached to the
本発明におけるリニアアクチュエータが骨格に固定されている両端のポイントをそれぞれB,Cとし、骨格の回転中心をAとする。リニアアクチュエータの固定点Bと骨格の回転中心位置が異なるため、その縮小量δに応じて骨格は角度θ相当の傾きが生じる。
A‐B間の距離をL、AとC間の距離をF、BとC間の距離をR、BとAおよびC間のはさみ角をθk、AとBおよびC間の鋏角をθFとした場合、数式7の関係が成り立つ。
The distance between A and B is L, the distance between A and C is F, the distance between B and C is R, the scissor angle between B, A, and C is θ k, and the depression angle between A, B, and C is θ In the case of F , the relationship of
図15は、前記関係式を用いて、人間の腕と近似したサイズを例として、本発明におけるリニアアクチュエータの縮退量と関節の屈曲角度の関係を試算した結果を示している。
L=30mm、F=250、θF=85度とした場合、リニアアクチュエータの縮退率と屈曲角はほぼ正比例の関係となる。リニアアクチュエータの8%縮退により、関節部でおよそ40度の屈曲角が得られる。FIG. 15 shows the result of a trial calculation of the relationship between the amount of degeneration of the linear actuator and the bending angle of the joint in the present invention, using the relational expression as an example of the size approximated to a human arm.
When L = 30 mm, F = 250, and θ F = 85 degrees, the degeneration rate and the bending angle of the linear actuator have a substantially direct relationship. A bending angle of about 40 degrees can be obtained at the joint by 8% degeneration of the linear actuator.
図16は、前記袋1が10個連結され、骨格23の周囲を囲むように、らせん状に配置されかつ、関節24に近い骨格23の一端に設けられたガイド25に沿って前記腱26が摺動する構成を有する、本発明におけるリニアアクチュエータの応用例を示している。
リニアアクチュエータの一端は、ガイド25とは反対側の骨格23の一端に、ブッシュ8により骨格23に取り付けられている。FIG. 16 shows that ten of the
One end of the linear actuator is attached to the
上記構成により、全長の短い骨格に対してでも、リニアアクチュエータをらせん状に巻きつける事で、リニアアクチュエータの全長を稼ぐことが可能となり、関節24を回転中心とした、骨格23を、より大きな角度で傾倒駆動させることが可能となる。なお、図16に破線で示した位置に、前記の巻き方向とは異なる方向にらせん状に巻かれた、もうひとつのリニアアクチュエータを配置することで、骨格23の傾倒往復駆動が可能となる。With the above configuration, even when a skeleton having a short overall length is wound, the linear actuator can be spirally wound to increase the overall length of the linear actuator. It becomes possible to drive tilting. In addition, by arranging another linear actuator spirally wound in a direction different from the winding direction at the position indicated by a broken line in FIG. 16, the
図17は、3つの関節24と4個の骨格23有するアームに、本発明におけるリニアアクチュエータを複数個配置した応用例を示している。複数のリニアアクチュエータのうち、少なくとも1個は2つの関節24をまたいで骨格23に取り付けられており、中央の関節24近傍に位置する骨格23の一端に設けられたガイド25に沿って腱26が摺動するように配置されている。FIG. 17 shows an application example in which a plurality of linear actuators according to the present invention are arranged on an arm having three
上記構成を用いる事で、1個のリニアアクチュエータにより、2つの関節を同時に駆動することが可能となり、1つの関節24をまたいで配置されているリニアアクチュエータと相まって、図17(a)に示すアーム形態から図17(b)に示すアーム形態への移行で示したような、生体に近い動作が可能となる。By using the above configuration, two linear joints can be simultaneously driven by one linear actuator, and the arm shown in FIG. 17A is coupled with the linear actuator arranged across the single joint 24. An operation close to a living body as shown in the transition from the form to the arm form shown in FIG.
アームをより人体に近い動作とするため、人体の各種筋肉の配置構成を模倣した部位に配置する事が効果的である。具体的には以下の筋肉が候補となる。
胸鎖乳突筋、三角筋、上腕三頭筋、前鋸筋、前腕屈筋群、長内転筋、大腿筋膜張筋、薄筋、内側広筋、前脛骨筋、腓腹筋、大腿直筋、外側広筋、縫工筋、大内転筋、恥骨筋、腸骨筋、外腹斜筋、腹直筋、上腕二頭筋、大胸筋、僧帽筋、棘下筋、広背筋、大臀筋、大腿二頭筋、ヒラメ筋、半腱様筋、脊柱起立筋、大円筋、小円筋、尺側手根屈筋、小指対立筋、小指外転筋、短小指屈筋、虫様筋、浅指屈筋、深指屈筋、長母指屈筋、掌側骨間筋、母指内転筋、短母指外転筋、短母指屈筋、母指対立筋、撓側手根屈筋、長指屈筋の一つまたは複数に対応した箇所。In order to make the arm behave more like a human body, it is effective to place it at a site that imitates the arrangement of various muscles of the human body. Specifically, the following muscles are candidates.
Sternocleidomastoid muscle, deltoid muscle, triceps surae, anterior saw flexor, forearm flexor muscles, long adductor, tensor fascia latae muscle, thin muscle, medial vastus muscle, anterior tibialis, gastrocnemius, rectus femoris, lateral Vastus musculoskeletal muscle, adductor muscle, pubic muscle, iliac muscle, external oblique muscle, rectus abdominis, biceps brachii, great pectoral muscle, trapezius, inferior spinal muscle, latissimus dorsi Muscle, biceps femoris, soleus, semi-tendonoid, spine standing muscle, great circular muscle, small circular muscle, ulnar carpal flexor, little finger allele, little abductor, short finger flexor, wormlike muscle, Superficial flexor, deep flexor, long thumb flexor, palmar interosseous muscle, thumb adductor, short thumb abductor, short thumb flexor, thumb allele, flexor carpal flexor, long finger A location corresponding to one or more flexors.
一方、複数のリニアアクチュエータ用導光線3は、骨格23と、前記ブッシュ8の内部を貫通するように配置されている。この構成により、導光線3は、衝撃や各種のダメージに対して保護され、高い耐久性が得られる。On the other hand, the plurality of linear actuator
上述したように、特に本発明におけるリニアアクチュエータを1つ以上の関節をまたぐように配置されたアーム状構造体に適応する場面において、アームの小型化を保ちながら、複数のリニアアクチュエータを配置でき、それぞれのリニアアクチュエータの独立制御を可能とし、リニアアクチュエータの駆動用光源を導光路径の小さく軽量である光ファイバの集合体を用いて供給できることから、駆動光源とアーム間の距離を大きく設定することができ、大出力を有する光源を用いる場合においても、アームの重量を起因として、アーム駆動時の慣性モーメントを最小にできる。As described above, in particular, in a case where the linear actuator according to the present invention is applied to an arm-like structure arranged so as to straddle one or more joints, a plurality of linear actuators can be arranged while keeping the arm small. Each linear actuator can be controlled independently, and the light source for driving the linear actuator can be supplied using a collection of lightweight optical fibers with a small light guide path diameter, so the distance between the drive light source and the arm must be set large. Even when a light source having a large output is used, the moment of inertia when the arm is driven can be minimized due to the weight of the arm.
図18は、本発明におけるリニアアクチュエータを、人間の腕と手の動作を模した、人型ロボット用ハンドモジュールへ応用した例を示している。
本発明におけるリニアアクチュエータの特徴を生かすことで、小型のリニアアクチュエータ群を必要とする、人間の指を模した機構において必要となる、繊細で複雑な動作に対応できる。FIG. 18 shows an example in which the linear actuator according to the present invention is applied to a humanoid robot hand module simulating the movement of a human arm and hand.
By taking advantage of the characteristics of the linear actuator in the present invention, it is possible to cope with delicate and complicated operations required in a mechanism that imitates a human finger and requires a small group of linear actuators.
一方、人間が苦手としている回転動作が必用な部位においては、適宜電磁モータ27を活用することができる。モータへの給電は、光ファイバで伝送されたエネルギー光を光‐電気変換することでなされる。変換された電気エネルギーは、蓄電池に充電して用いることで、エネルギー光の送信タイミングにかかわらず、安定した電磁モータ25の駆動が可能となる。さらに充電された電気エネルギーを、電気ヒータ方式のリニアアクチュエータの駆動源やセンサの駆動源として活用することもできる。On the other hand, the
指先に相当する部位には、感圧、感熱、測距などのセンサ22のほかに、レーザ加工用の高出力レーザ放出機能を設ける事もできる。また、近赤外レーザ光を生体に向けて照射し、生体から反射したイメージ光を、バンドルファイバを用いたアレー型導光路を通じてイメージセンサに導入し、生体認証や生体の検査が可能となる。A part corresponding to the fingertip can be provided with a high-power laser emission function for laser processing in addition to the
なお、原子炉内や宇宙空間など、放射線濃度が高い環境下でリニアアクチュエータを駆動させる場合、従来の電気―磁気モータ方式では、放射線による高分子の破壊が生じることで潤滑材や電気配線系の劣化を引き起こし、リニアアクチュエータの駆動が出来なくなる課題がある。When driving a linear actuator in an environment where the radiation concentration is high, such as in a nuclear reactor or outer space, the conventional electric-magnetic motor system can cause damage to the lubricant and electrical wiring system due to the destruction of the polymer due to radiation. There is a problem that the linear actuator cannot be driven due to deterioration.
本発明におけるリニアアクチュエータの場合においても、容器内の熱膨張体の劣化とともに、光源光を導入する光ファイバ中の欠陥や不純物がカラーセンターとなり導光特性が劣化することがある。このことから、高放射線下でリニアアクチュエータを用いたロボットアームで作業を行う場合、導光線3として中空導光管を用いる方法が適している。Also in the case of the linear actuator in the present invention, along with deterioration of the thermal expansion body in the container, defects and impurities in the optical fiber into which the light from the light source is introduced may become a color center and the light guide characteristics may deteriorate. Therefore, when working with a robot arm using a linear actuator under high radiation, a method using a hollow light guide tube as the
図19は、人間の腕と手の動作に近似した動作が可能な、人型ロボットのハンドモジュールに本発明におけるリニアアクチュエータを用いた例を示している。関節24を介した2つの骨格23は、筋28で接合されており、関節部の離脱を防止すると同時に、関節24の駆動方向に制限を加えることができる。FIG. 19 shows an example in which the linear actuator according to the present invention is used in a hand module of a humanoid robot that can perform an operation similar to that of a human arm and hand. The two
リニアアクチュエータの縮退量を効率的に関節24の角度に変換する事が可能な骨格23と本発明におけるリニアアクチュエータの配置構成、骨格23の内部に配置されたジャイロおよび間接部に設置された光学式角度センサ17および、リニアアクチュエータへの光エネルギー供給と各種センサから供給される光信号の伝送路となる導光路3と合分波器15で構成されている。The
関節24の動作を滑らかにする潤滑剤30を挟むように接合されている。潤滑剤30は、一定の温度で固化する性質を有しており、関節駆動時の潤滑状態と間接固定時の固化状態とを、関節24に配置された光導波路29から放出されたエネルギー光のコントロールにより選択できる。潤滑30が固化した状態では、関節24が固定される。It is joined so as to sandwich a
導光線3、合分波器15、光センサ17、および光電変換器などの機器、配線は骨格23の内部に収納されており、耐久性の確保と小型化がなされている。リニアアクチュエータは、セラミックスまたは金属からなるブッシュ8で終端され、骨格23の内部に埋め込まれるように固定されている。導光線3は終端部を貫通してリニアアクチュエータ内に導入される。導光線3は、骨格23の内部に設けられた合分波器15により分岐され、各リニアアクチュエータに導入されると共に、光源の配分比率、強度が制御される。Devices such as the
光センサ17の信号は、合分波器15を介して導光線3に導入され、制御プロセッサに到達する。信号が電気信号の場合は、電位信号をセンサ近傍で光信号に変化して導光線3に導入される。光以外のセンサへの電気供給が必要な場合は、導光線3に多重されている、エネルギー光と信号光を合分波器15で分離し、光電変換される。関節24を通過するように配置された導光線3は、関節24の近傍で骨格23から導出され、関節24を迂回するように配置されている。The signal of the
図20は、図19に示したハンドモジュールの外側にハンドモジュールを覆うように配置された、弾力性を有する表皮31を用いた例を示している。表皮31の内部には、リニアアクチュエータを冷却するための溶媒10が充填されている。表皮31の内部に充填されている溶媒10は、ハンドモジュールの駆動による攪拌と、表皮31を介した外部への熱の発散により、本発明におけるリニアアクチュエータの冷却効果を高める事ができる。
なお、表皮31は、ハンドモジュールが置かれる外的条件下に適した、組成、構造を最適化できることは、言うまでもない。FIG. 20 shows an example in which an
In addition, it cannot be overemphasized that the
図21は、本発明におけるリニアアクチュエータを、人間の足裏を中心とした足の動作を模した、人型ロボット用足モジュールに応用した例を示している。
人体において、重量を支えつつ、体のバランスをとりながら上半身の自由な動作を行い、かつ複雑な形状を有する路面での歩行、走行を可能とするために、600を超える全身の筋肉の60%以上を足の筋肉で占められている。
このため、本発明におけるリニアアクチュエータの活用は、人体における足と同等の機能の実現に適している。FIG. 21 shows an example in which the linear actuator according to the present invention is applied to a foot module for a humanoid robot simulating the motion of a foot centered on a human foot.
60% of over 600 whole body muscles to support the weight, balance the body, allow the upper body to move freely, and to walk and run on complex road surfaces The above is occupied by leg muscles.
For this reason, utilization of the linear actuator in the present invention is suitable for realizing a function equivalent to a foot in a human body.
図21(a)は、人体における、下腿筋から足筋に相当する部位をまねた筋肉、筋、骨格構造において、骨格23、関節24、袋1、筋26、ガイド25、リニアアクチュエータ、センサ22、光センサ17、導光線3および合分波器15の配置構成を例示している。なお、筋および表皮は簡略化のために省略されている。FIG. 21A shows a
図21(a)中の、向かって右側に長指伸筋に相当する本発明によるリニアアクチュエータと、長指伸筋鍵に相当する腱26が、足先の末節骨に相当する骨格23でブッシュ8により取り付けられており、長指伸筋相当の腱26は、踵骨、楔状骨および立方骨、第2から第5中足骨、第2から第5基節骨、第2から第5中節骨に相当する骨格26の端部に設けられた、ガイド25に沿って摺動する構成となっている。In FIG. 21A, the linear actuator according to the present invention corresponding to the long finger extensor and the
同様に向かって右側に長母指伸筋に相当する本発明によるリニアアクチュエータと、長母指伸筋相当の腱26が、足先の末節骨に相当する骨格23でブッシュ8により取り付けられており、長母指伸筋相当の腱26は、踵骨、中間楔状骨、内側楔状骨、第1中足骨、第1基節骨に相当する骨格23の端部に設けられた、ガイド25に沿って摺動する構成となっている。なおガイド25は、人体における筋支帯に相当する機能を有している。Similarly, a linear actuator according to the present invention corresponding to the long thumb extensor and a
以上の構成により、人体の拗ねに相当する部位に設けられた袋1の伸縮駆動により、足のつま先を持ち上げる動作が可能となる。一方、図21(a)中の、向かって右側には、下腿三頭筋、腓腹筋および、ヒラメ筋に相当する袋1が、拗ねに相当する部位の骨格23に沿って設けられている。With the above configuration, an operation of lifting the toe of the foot can be performed by the expansion and contraction drive of the
これらの袋1は袋1と連続して設けられている腱26により、足裏屈筋に相当する腱26で第1から第5の末節骨に相当する骨格23でブッシュ8により取り付けられている。なお、前記と同様に腱26がブッシュ8に至るまでの中間部位で、各骨格の端部に設けられたガイド25に沿って摺動する構成となっている。These
特に下腿三頭筋の相当する袋1とこれと連続した腱26は、人体におけるアキレス腱に相当するため、より大きな伸縮駆動力を得られる袋内部の構成と、強い靭性を有する袋1の材質を最適化するのが好ましい。In particular, the
図21(b)は、図21(a)で示した、人体における、下腿筋から足筋に相当する部位を足裏側から見た図を示している。足裏側には、下腿三頭筋、長指伸筋、長母指伸筋や前頸骨筋とは独立した筋肉が配置されており、それらに相当する部位にも、本発明におけるリニアアクチュエータを配置できる。FIG. 21B shows a view of the part corresponding to the leg muscles from the lower leg muscles as seen from the sole side in the human body shown in FIG. Muscles independent of the triceps surae, long finger extensor, long thumb extensor and anterior tibial muscle are arranged on the sole side, and the linear actuator in the present invention is also arranged in the corresponding part it can.
末節骨に相当する骨格23には、おもに圧力を検出するための光センサ17が、袋1を貫通する導光線3の延長部で接続されている。また、非光学式の圧力センサ22が、踵骨にお相当する部位の骨格22に設けられている。センサ22の光電変換器は、脛骨に相当する部位の骨格23の内部に収納されている。An
図21(b)では、母指内転筋横頭が省略されているが、必要とする機能に応じて人体における筋肉配置構成の一部を省略することができる。また、人体における筋肉配置構成を補完するように追加することももちろん可能であり、人体には無い動作を盛り込むことも可能となる。In FIG. 21 (b), the thumb adductor lateral head is omitted, but a part of the muscle arrangement configuration in the human body can be omitted according to the required function. Of course, it is possible to add the muscle arrangement configuration in the human body so as to complement the movement, and it is also possible to incorporate an operation that does not exist in the human body.
1 袋
2 素材
3 導光線
4 光源
5 光吸収体
6 冷却管
7 照光モジュール
8 ブッシュ
9 触媒
10 溶媒
11 光化学反応領域
12 気体
13 ワイヤ
14 接合体
15 合分波・分岐器
16 合分波フィルタ
17 光センサ
18 光センサ信号光
19 受光モジュール
20 制御プロセッサ
21 光電変換器
22 センサ
23 骨格
24 関節
25 ガイド
26 腱
27 電磁モータ
28 筋
29 光導波路
30 潤滑剤
31 表皮DESCRIPTION OF
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ID=58666053
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN108087223A (en) * | 2017-12-28 | 2018-05-29 | 重庆工业职业技术学院 | Three-dimensional motor driver based on marmem |
CN110308514A (en) * | 2019-07-26 | 2019-10-08 | 南京邮电大学 | Microdrive based on optical waveguide structure |
CN113858227A (en) * | 2021-09-28 | 2021-12-31 | 浙江大学 | Robot frogman, shape memory alloy wire driving assembly and manufacturing method thereof |
-
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- 2015-10-19 JP JP2015217065A patent/JP2017078506A/en active Pending
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