JP2020032509A - 関節装置 - Google Patents

Abstract

【課題】関節剛性を変更する際の応答性を向上させることのできる関節装置を提供する。【解決手段】関節装置は、第１部材１０と、第１部材１０に対して関節３０を介して相対変位可能に接続された第２部材２０と、第１部材１０に固定された第１端面、及び第２部材２０に固定された第２端面を有し、関節３０の周囲に設けられる２つのＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂとを備える。各ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂは、電圧が印加されることに伴って変形することで第１端面と第２端面との距離を可変しようとするものである。【選択図】図１

Description

本発明は、第１部材と、第１部材に対して関節を介して相対変位可能に接続された第２部材とを備える関節装置に関する。

例えば特許文献１には、棒状の第１構造体と、第１構造体に対して回転関節を介して相対運動可能に接続された第２構造体と、第１構造体に一方の端部が固定され、且つ第２構造体に他方の端部が固定された複数のアクチュエータとを備える関節駆動装置が開示されている。複数のアクチュエータは、空気圧によって伸縮する弾性体アクチュエータである。各アクチュエータには、空気圧を調整するための空気圧調整ユニットが接続されている。

特許第３９８４６４１号

ところで、特許文献１に記載の関節駆動装置の場合、空気圧を用いてアクチュエータを伸縮させるものであるため、関節剛性を変更する際の応答性において改善の余地を残すものとなっている。

本発明の目的は、関節剛性を変更する際の応答性を向上させることのできる関節装置を提供することにある。

上記目的を達成するための関節装置は、第１部材と、前記第１部材に対して関節を介して相対変位可能に接続された第２部材と、前記第１部材に固定された第１端面、及び前記第２部材に固定された第２端面を有し、前記関節の周囲に設けられる電場応答性高分子アクチュエータと、を備え、前記電場応答性高分子アクチュエータは、電圧が印加されることに伴って変形することで前記第１端面と前記第２端面との距離を可変しようとするものである。

上記構成によれば、電場応答性高分子アクチュエータに対して電圧が印加されると、電場応答性高分子アクチュエータが変形することで第１端面と第２端面との距離が変更される。これにより、電圧が印加されていないときに比べて、第１部材と第２部材との距離を変更するように関節に対して外力が作用する。そして、こうした外力に伴って関節の摺動部に作用する摩擦抵抗が増大されることで関節剛性が高められるようになる。特に、電場応答性高分子アクチュエータは、空気圧を用いたアクチュエータに比べて応答性に優れることから、関節剛性を変更する際の応答性を向上させることができる。また、電場応答性高分子アクチュエータは電圧の印加に伴って変形するものであるため、空気圧を用いたアクチュエータに比べて関節の周囲にアクチュエータを設けるためのスペースが少なくて済む。したがって、関節剛性を変更する際の応答性を向上させることができる。

上記関節装置において、前記電場応答性高分子アクチュエータは、前記関節を中心とする周方向に複数設けられていることが好ましい。
上記構成によれば、関節を中心とする周方向に複数設けられた電場応答性高分子アクチュエータに対して選択的に電圧を印加すると、電圧が印加された電場応答性高分子アクチュエータについては電場応答性高分子アクチュエータが変形することで第１端面と第２端面との距離が変更される。一方、電圧が印加されない電場応答性高分子アクチュエータについては電場応答性高分子アクチュエータが変形しないために第１端面と第２端面との距離が変更されない。このように複数の電場応答性高分子アクチュエータを選択的に変形させることによって、関節が駆動され、第１部材と第２部材とのなす角度が変更される。したがって、拮抗駆動型の関節を実現することができる。

上記関節装置において、前記電場応答性高分子アクチュエータは、筒状をなしており、前記関節の周囲を取り囲んでいることが好ましい。
上記構成によれば、電場応答性高分子アクチュエータに対して電圧が印加されると、筒状の電場応答性高分子アクチュエータ全体が変形することで関節を中心とする周方向の全体にわたって第１端面と第２端面との距離が変更される。これにより、関節剛性をより確実に高めることができる。

上記関節装置において、前記電場応答性高分子アクチュエータは、誘電エラストマーからなるシート状の誘電部と、導電エラストマーからなり、誘電部の厚さ方向の両側に積層された正極電極及び負極電極とを有する誘電エラストマーアクチュエータであることが好ましい。

誘電エラストマーアクチュエータ（ＤＥＡ：Dielectric Elastomer Actuator）では、正極電極と負極電極との間に対して直流電圧が印加されると、ＤＥＡは、印加電圧の大きさに応じて、誘電部が厚さ方向、すなわち誘電部、正極電極、及び負極電極の積層方向において圧縮される一方、誘電部の面に沿った面方向において伸張するように変形する。

上記構成によれば、誘電部の厚さ方向、すなわち誘電部、正極電極、及び負極電極の積層方向の両側にそれぞれ第１端面及び第２端面が位置するようにＤＥＡを配置することで、第１端面と第２端面との距離を変更することができる。

上記関節装置において、前記第１部材及び前記第２部材が同一軸線上に位置する状態における前記第１部材及び前記第２部材の延在する方向を延在方向とするとき、前記誘電部、前記正極電極、及び前記負極電極の積層方向は、前記延在方向であることが好ましい。

上記構成によれば、ＤＥＡに対して電圧が印加されると、ＤＥＡが延在方向において圧縮変形することで第１端面と第２端面との距離が小さくなる。これにより、電圧が印加されていないときに比べて、第１部材と第２部材との距離が小さくなるように関節に対して外力が作用する。そして、こうした外力に伴って関節の摺動部に作用する摩擦抵抗が増大されることで関節剛性が高められるようになる。

上記関節装置において、前記第１部材及び前記第２部材が同一軸線上に位置する状態における前記第１部材及び前記第２部材の延在する方向を延在方向とするとき、前記誘電部、前記正極電極、及び前記負極電極の積層方向は、前記延在方向に直交する方向であることが好ましい。

同構成によれば、ＤＥＡに対して電圧が印加されると、ＤＥＡが延在方向に直交する方向において圧縮変形する一方、延在方向において伸張変形することで第１端面と第２端面との距離が大きくなる。これにより、電圧が印加されていないときに比べて、第１部材と第２部材との距離が大きくなるように関節に対して外力が作用する。そして、こうした外力に伴って関節の摺動部に作用する摩擦抵抗が増大されることで関節剛性が高められるようになる。

本発明によれば、関節剛性を変更する際の応答性を向上させることができる。

一実施形態の関節装置の斜視図。 一実施形態の関節装置の分解斜視図。 一実施形態の電気的構成を示すブロック図。 一実施形態のＤＥＡの断面図。 一実施形態の関節装置の関節駆動を説明する図。 変形例の関節装置の分解斜視図。 他の変形例の関節装置の斜視図。 他の変形例のＤＥＡの斜視図。

以下、本発明の関節装置の一実施形態について説明する。本実施形態の関節装置は、ロボットアームの関節部分に適用される。
図１及び図２に示すように、関節装置は、第１部材１０と、第１部材１０に対して関節３０を介して相対変位可能に接続された第２部材２０とを備えている。

第１部材１０は、軸部１１と、軸部１１の端部に接続された軸受け部１３と、軸部１１の一部が拡径されたフランジ１２とを有している。
図２に示すように、軸受け部１３は、軸部１１の中心軸線を挟んで互いに間隔をおいて配置され、軸部１１の軸線方向に沿って延在する一対の支持部１４を有している。各支持部１４には、円形状の支持孔１４ａが形成されている。

図１及び図２に示すように、第２部材２０は、軸部２１と、軸部２１の端部に接続された軸状部２３と、軸部２１の一部が拡径されたフランジ２２とを有している。軸状部２３は、軸部２１の端部から、軸部２１の軸線方向と直交する方向の両側に向かって突出しており、各支持部１４（軸受け部１３）の支持孔１４ａに挿入されて支持孔１４ａの内周面によって回動可能に支持されている。

軸受け部１３と軸状部２３とによって軸関節としての関節３０が構成されている。以降において、第１部材１０の軸部１１及び第２部材２０の軸部２１が同一軸線上に位置する状態における第１部材１０及び第２部材２０の延在する方向を延在方向Ｌということがある。

関節３０の周囲には、電場応答性高分子アクチュエータ４０が設けられている。本実施形態では、電場応答性高分子アクチュエータ４０として、関節３０を中心とする周方向に２つの誘電エラストマーアクチュエータ（ＤＥＡ：Dielectric Elastomer Actuator）４０Ａ，４０Ｂが設けられている。

各ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂは、半割円筒状をなしている。各ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂの第１端面４０ａは、第１部材１０のフランジ１２の対向面（図１、図２の下面）に固定されている。また、各ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂの第２端面４０ｂは、第２部材２０のフランジ２２の対向面（図１、図２の上面）に固定されている。本実施形態では、各ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂと各フランジ１２，２２とが接着剤を介して固定されている。

図４に示すように、ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂは、誘電エラストマーからなるシート状の誘電部４１と、導電エラストマーからなり、誘電部４１の厚さ方向の両側に積層された正極電極４２及び負極電極４３とを有する多層構造体である。ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂの表面は、絶縁部４４によって覆われている。ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂの正極電極４２と負極電極４３との間に直流電圧が印加されると、ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂは、印加電圧の大きさに応じて、誘電部４１が厚さ方向、すなわち誘電部４１、正極電極４２、及び負極電極４３の積層方向において圧縮されるとともに誘電部４１の面に沿った面方向Ａにおいて伸張するように変形する。

誘電部４１を構成する誘電エラストマーは特に限定されるものではなく、公知のＤＥＡに用いられる誘電エラストマーを用いることができる。上記誘電エラストマーとしては、例えば、架橋されたポリロタキサン、シリコーンエラストマー、アクリルエラストマー、ウレタンエラストマーが挙げられる。これら誘電エラストマーのうちの一種を用いてもよいし、複数種を併用してもよい。誘電部４１の厚さは、例えば、２０〜２００μｍである。

正極電極４２及び負極電極４３を構成する導電エラストマーは特に限定されるものではなく、公知のＤＥＡに用いられる導電エラストマーを用いることができる。上記導電エラストマーとしては、例えば、絶縁性高分子及び導電性フィラーを含有する導電エラストマーが挙げられる。

上記絶縁性高分子としては、例えば、架橋されたポリロタキサン、シリコーンエラストマー、アクリルエラストマー、ウレタンエラストマーが挙げられる。これら絶縁性高分子のうちの一種を用いてもよいし、複数種を併用してもよい。上記導電性フィラーとしては、例えば、ケッチェンブラック（登録商標）、カーボンブラック、銅や銀等の金属粒子が挙げられる。これら導電性フィラーのうちの一種を用いてもよいし、複数種を併用してもよい。正極電極４２及び負極電極４３の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

絶縁部４４を構成する絶縁エラストマーは特に限定されるものではなく、公知の誘電エラストマーアクチュエータの絶縁部分に用いられる公知の絶縁エラストマーを用いることができる。上記絶縁エラストマーとしては、例えば、架橋されたポリロタキサン、シリコーンエラストマー、アクリルエラストマー、ウレタンエラストマーが挙げられる。これら絶縁エラストマーのうちの一種を用いてもよいし、複数種を併用してもよい。

本実施形態のＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂの誘電部４１、正極電極４２、及び負極電極４３の積層方向は、延在方向Ｌである。このことにより、ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂは、電圧が印加されることに伴って延在方向Ｌに圧縮変形することで第１端面４０ａと第２端面４０ｂとの距離を可変しようとする。

図３に示すように、各ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂには、導線を介して制御部５０及び電源５１が電気的に接続されている。制御部５０は、電源５１からＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂに印加される電圧を制御する。

次に、本実施形態の作用について説明する。
制御部５０を通じて、ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂに対して所定の電圧を印加すると、ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂは、誘電部４１、正極電極４２、及び負極電極４３の積層方向（延在方向Ｌ）において圧縮変形することで第１端面４０ａと第２端面４０ｂとの距離が小さくなる。これにより、電圧が印加されていないときに比べて、第１部材１０と第２部材２０との距離が小さくなるように関節３０に対して外力が作用する。そして、こうした外力に伴って関節３０の摺動部に作用する摩擦抵抗が増大されることで関節剛性が高められるようになる。

また、制御部５０を通じて、一方のＤＥＡ４０Ａに対して電圧を印加する一方、他方のＤＥＡ４０Ｂに対して電圧を印加しないようにすると、図５に示すように、電圧が印加されたＤＥＡ４０ＡについてはＤＥＡ４０Ａが圧縮変形することで第１端面４０ａと第２端面４０ｂとの距離が小さくなる。一方、電圧が印加されないＤＥＡ４０ＢについてはＤＥＡ４０Ｂが変形しないために第１端面４０ａと第２端面４０ｂとの距離が変更されない。このように２つのＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂを選択的に変形させることによって、関節３０が駆動され、第１部材１０の軸部１１と第２部材２０の軸部２１とのなす角度が変更される。

次に、本実施形態の効果について説明する。
（１）関節装置は、第１部材１０と、第１部材１０に対して関節３０を介して相対変位可能に接続された第２部材２０と、第１部材１０に固定された第１端面４０ａ、及び第２部材２０に固定された第２端面４０ｂを有し、関節３０の周囲に設けられる電場応答性高分子アクチュエータ４０（ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂ）とを備える。電場応答性高分子アクチュエータ４０（ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂ）は、電圧が印加されることに伴って変形することで第１端面４０ａと第２端面４０ｂとの距離を可変しようとするものである。

上記構成によれば、電場応答性高分子アクチュエータ４０（ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂ）は、空気圧を用いたアクチュエータに比べて応答性に優れることから、関節剛性を変更する際の応答性を向上させることができる。また、電場応答性高分子アクチュエータ４０（ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂ）は電圧の印加に伴って変形するものであるため、空気圧を用いたアクチュエータに比べて関節３０の周囲にアクチュエータを設けるためのスペースが少なくて済む。したがって、関節剛性を変更する際の応答性を向上させることができる。

（２）電場応答性高分子アクチュエータ４０（ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂ）は、関節３０を中心とする周方向に２つ設けられている。
上記構成によれば、関節３０を中心とする周方向に２つ設けられた電場応答性高分子アクチュエータ４０（ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂ）に対して選択的に電圧を印加して２つの電場応答性高分子アクチュエータ４０（ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂ）を選択的に変形させることによって、拮抗駆動型の関節３０を実現することができる。

（３）電場応答性高分子アクチュエータ４０は、誘電エラストマーからなるシート状の誘電部４１と、導電エラストマーからなり、誘電部４１の厚さ方向の両側に積層された正極電極４２及び負極電極４３とを有するＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂである。

上記構成によれば、誘電部４１の厚さ方向、すなわち誘電部４１、正極電極４２、及び負極電極４３の積層方向の両側にそれぞれ第１端面４０ａ及び第２端面４０ｂが位置するようにＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂを配置することで、第１端面４０ａと第２端面４０ｂとの距離を変更することができる。

（４）誘電部４１、正極電極４２、及び負極電極４３の積層方向は、第１部材１０及び第２部材２０が同一軸線上に位置する状態における第１部材１０及び第２部材２０の延在する方向（延在方向Ｌ）である。

上記構成によれば、ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂに対して電圧が印加されると、ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂが延在方向において圧縮変形することで第１端面４０ａと第２端面４０ｂとの距離が小さくなる。これにより、電圧が印加されていないときに比べて、第１部材１０と第２部材２０との距離が小さくなるように関節３０に対して外力が作用する。そして、こうした外力に伴って関節３０の摺動部に作用する摩擦抵抗が増大されることで関節剛性が高められるようになる。

なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態において、関節３０を中心とする周方向においてＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂ同士の間に隙間を設けることもできる。

・関節３０は上記実施形態において例示した軸関節に限定されず、例えば球体関節として構成されていてもよい。この場合、例えば図６に示すように、第１部材１０の軸部１１の端部には、球状部１５が設けられている。第２部材２０の軸部２１の端部には、球状部１５を収容するとともに相対変位可能に支持する凹球部２５ａを有する支持部２５が設けられている。また、関節３０を中心とする周方向に３つのＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃが設けられている。各ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃは、１２０度の中心角を有している。こうした関節装置において、３つのＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃに対して選択的に電圧を印加すると、電圧が印加されたＤＥＡについてはＤＥＡが圧縮変形することで第１端面４０ａと第２端面４０ｂとの距離が変更される。一方、電圧が印加されないＤＥＡについてはＤＥＡが変形しないために第１端面４０ａと第２端面４０ｂとの距離が変更されない。このように３つのＤＥＡを選択的に変形させることによって拮抗駆動型の関節３０を実現することができる。なお、関節３０を中心とする周方向に４つ以上のＤＥＡを設けることもできる。

・ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂは、関節３０を中心とする周方向に複数設けられているものに限定されない。例えば、図７に示すように、ＤＥＡ４０Ｗは、円筒状をなしており、関節３０の周囲を取り囲むように構成されていてもよい。上記構成によれば、ＤＥＡ４０Ｗに対して電圧が印加されると、円筒状のＤＥＡ４０Ｗ全体が圧縮変形することで関節３０を中心とする周方向全体にわたって第１端面４０ａと第２端面４０ｂとの距離が小さくなる。これにより、関節剛性をより確実に高めることができる。この場合、関節駆動を行うアクチュエータが関節３０に内蔵されるように構成することもできる。

・ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂを構成する誘電部４１、正極電極４２、及び負極電極４３の積層方向は、延在方向Ｌに限定されない。例えば、図８に示すように、ＤＥＡ４０Ａ（４０Ｂ）を構成する誘電部４１、正極電極４２、及び負極電極４３の積層方向は、延在方向Ｌに直交する方向であってもよい。なお、同図においては、絶縁部を省略している。

上記構成によれば、ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂに対して電圧が印加されると、ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂが延在方向Ｌに直交する方向において圧縮変形する一方、延在方向Ｌにおいて伸張変形することで第１端面４０ａと第２端面４０ｂとの距離が大きくなる。これにより、電圧が印加されていないときに比べて、第１部材１０と第２部材２０との距離が大きくなるように関節３０に対して外力が作用する。そして、こうした外力に伴って関節３０の摺動部に作用する摩擦抵抗が増大されることで関節剛性が高められるようになる。

・電場応答性高分子アクチュエータ４０は、ＤＥＡに限定されない。他に例えば、イオン交換ポリマーメタル複合体（ＩＰＭＣ：Ionic Polymer Metal Composite）などの他の電場応答性高分子アクチュエータを採用することもできる。

１０…第１部材、１１…軸部、１２…フランジ、１３…軸受け部、１４…支持部、１４ａ…支持孔、１５…球状部、２０…第２部材、２１…軸部、２２…フランジ、２３…軸状部、２５…支持部、２５ａ…凹球部、３０…関節、４０…電場応答性高分子アクチュエータ、４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｗ…ＤＥＡ（誘電エラストマーアクチュエータ、電場応答性高分子アクチュエータ）、４０ａ…第１端面、４０ｂ…第２端面、４１…誘電部、４２…正極電極、４３…負極電極、４４…絶縁部、５０…制御部、５１…電源。

Claims (6)

1. 第１部材と、
   前記第１部材に対して関節を介して相対変位可能に接続された第２部材と、
   前記第１部材に固定された第１端面、及び前記第２部材に固定された第２端面を有し、前記関節の周囲に設けられる電場応答性高分子アクチュエータと、を備え、
   前記電場応答性高分子アクチュエータは、電圧が印加されることに伴って変形することで前記第１端面と前記第２端面との距離を可変しようとするものである、
   関節装置。
2. 前記電場応答性高分子アクチュエータは、前記関節を中心とする周方向に複数設けられている、
   請求項１に記載の関節装置。
3. 前記電場応答性高分子アクチュエータは、筒状をなしており、前記関節の周囲を取り囲んでいる、
   請求項１に記載の関節装置。
4. 前記電場応答性高分子アクチュエータは、誘電エラストマーからなるシート状の誘電部と、導電エラストマーからなり、誘電部の厚さ方向の両側に積層された正極電極及び負極電極とを有する誘電エラストマーアクチュエータである、
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の関節装置。
5. 前記第１部材及び前記第２部材が同一軸線上に位置する状態における前記第１部材及び前記第２部材の延在する方向を延在方向とするとき、
   前記誘電部、前記正極電極、及び前記負極電極の積層方向は、前記延在方向である、
   請求項４に記載の関節装置。
6. 前記第１部材及び前記第２部材が同一軸線上に位置する状態における前記第１部材及び前記第２部材の延在する方向を延在方向とするとき、
   前記誘電部、前記正極電極、及び前記負極電極の積層方向は、前記延在方向に直交する方向である、
   請求項４に記載の関節装置。