JP2642024B2 - Fiber assembly type actuator - Google Patents

Fiber assembly type actuator

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JP2642024B2
JP2642024B2 JP28297992A JP28297992A JP2642024B2 JP 2642024 B2 JP2642024 B2 JP 2642024B2 JP 28297992 A JP28297992 A JP 28297992A JP 28297992 A JP28297992 A JP 28297992A JP 2642024 B2 JP2642024 B2 JP 2642024B2
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明 平岩
典佳 内田
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義政 木村
利夫 近藤
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、フォールトトレランス
性に優れた、信頼性が高く、安全な繊維集合型アクチュ
エータに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fiber assembly type actuator having excellent fault tolerance, high reliability and safety.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、ロボットや、建設機械等の腕や手
指関節の駆動に利用されるアクチュエータとしては、従
来、直流、交流、パルス制御等の電動モータ、ソレノイ
ド、油圧アクチュエータ、空気圧アクチュエータ等があ
るが、いずれも、1関節に対し、1個ないし、少数を配
置し、駆動するものであって、アクチュエータの故障時
に対して腕部や、制御用コンピュータシステムにメカニ
カルなバックアップや、故障対策用制御装置を組み込ま
ないと、充分信頼性の高い、安全なシステムではなかっ
た。特に、1関節に1アクチュエータでバックアップシ
ステムがないと、該アクチュエータが壊れた時、物の把
持の場合には、物を落としてしまいかねないという問題
があった。さらに、形状記憶合金を用いたワイヤによる
関節駆動装置や、モータ回転に接続するワイヤや蛇管に
よる駆動装置があったが、いずれも、1関節の駆動に1
本のワイヤもしくは複数の少数のワイヤによる駆動であ
り、1本もしくは、全てのワイヤが破断すると、関節が
機能しなくなるという欠点があった。
2. Description of the Related Art Conventionally, actuators used for driving arms and finger joints of robots and construction machines include electric motors such as direct current, alternating current and pulse control, solenoids, hydraulic actuators, pneumatic actuators, and the like. However, in each case, one or a small number is arranged and driven for one joint. In the event of a failure of the actuator, a mechanical backup is provided to the arm or the control computer system, or a countermeasure for failure. Without a built-in controller, the system was not sufficiently reliable and safe. In particular, if there is no backup system with one actuator per joint, there is a problem that when the actuator is broken, the object may be dropped in the case of gripping the object. Further, there are joint drive devices using wires using a shape memory alloy, and drive devices using wires or coiled tubes connected to motor rotation.
It is driven by a single wire or a plurality of wires, and if one or all of the wires are broken, the joint will not function.

【0003】さらに上記のアクチュエータのうち、電気
的に駆動されるものは、通電されていないとメカニカル
なコンプライアンスが充分にないという問題があった。
Further, among the above-mentioned actuators, those which are electrically driven have a problem that if they are not energized, the mechanical compliance is not sufficient.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の事情に
鑑みてなされたもので、アクチュエータ全体でコンプラ
イアンスを有し、アクチュエータの一部が破断しても残
存する他のアクチュエータによって機能し、万一アクチ
ュエータ全てが破断しても、アクチュエータ全体の構造
が保持されるという、フォールトトレランス性に優れ、
信頼性が高く、例えば人間相手の作業においても相手に
危害を与えにくく、さらに、各アクチュエータそれぞれ
に異なる制御信号を与えることによって、アクチュエー
タ全体が単体として曲ったりたわんだりすることができ
る繊維集合型アクチュエータを提供することを目的とす
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and has a compliance with the whole actuator. Even if all of the actuator breaks, the entire structure of the actuator is maintained.
A fiber-assembly type actuator that has high reliability, for example, is unlikely to cause harm even when working with a human, and furthermore, by giving different control signals to each actuator, the entire actuator can bend or flex as a single unit. The purpose is to provide.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、複数の伸縮する繊維状アクチュエータを並
行にならべ、その間隙をゲル物質で充填し、前記複数の
繊維状アクチュエータの両端を構造部材で接合したこと
を特徴とするものである。
According to the present invention, in order to solve the above-mentioned problems, a plurality of expanding and contracting fibrous actuators are arranged in parallel, a gap therebetween is filled with a gel substance, and both ends of the plurality of fibrous actuators are closed. It is characterized by being joined by a structural member.

【0006】[0006]

【作用】本発明は、アクチュエータとして、複数の伸縮
する繊維状アクチュエータをたばね、かつ、前記アクチ
ュエータの間隙をゲル物質で充填するもので、ゲル物質
の充填によってアクチュエータ全体でコンプライアンス
を有し、前記繊維状アクチュエータの一部が破断しても
残存する他の繊維状アクチュエータによって機能し、万
一繊維状アクチュエータ全てが破断しても、ゲル物質に
よってアクチュエータ全体の構造が保持されるという、
フォールトトレランス性に優れ、信頼性が高く、例えば
人間相手の作業においても相手に危害を与えにくいアク
チュエータを提供することにある。さらに、各繊維状ア
クチュエータそれぞれに異なる制御信号を与えることに
よって、アクチュエータ全体が単体として曲ったりたわ
んだりすることができるものである。
According to the present invention, as an actuator, a spring having a plurality of expandable and contractible fibrous actuators is filled, and a gap between the actuators is filled with a gel substance. Even if a part of the fibrous actuator breaks, it functions by the remaining fibrous actuator that remains, and even if all the fibrous actuator breaks, the structure of the entire actuator is retained by the gel substance.
An object of the present invention is to provide an actuator which has excellent fault tolerance and high reliability, and which is hardly harmful even when working with a human. Further, by giving different control signals to each of the fibrous actuators, the entire actuator can be bent or bent as a single unit.

【0007】[0007]

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0008】図1,図2,図3は本発明の一実施例を説
明する図であり、図1,図2は本発明に係る繊維集合型
アクチュエータを示す図であって、図1(a)は正面
図、図1(b)は断面図である。図において、1は伸縮
する繊維状アクチュエータ、2はコンプライアンスを有
するゲル物質、3は前記複数の繊維状アクチュエータ1
の両端を接合する構造部材である。
FIGS. 1, 2 and 3 are views for explaining an embodiment of the present invention, and FIGS. 1 and 2 are views showing a fiber assembly type actuator according to the present invention. ) Is a front view, and FIG. 1B is a cross-sectional view. In the figure, 1 is a fibrous actuator that expands and contracts, 2 is a gel material having compliance, and 3 is the plurality of fibrous actuators 1.
Is a structural member that joins both ends.

【0009】図3は本発明に係る繊維集合型アクチュエ
ータをロボットの関節の駆動に用いる例であって、4は
繊維集合型アクチュエータ、5は繊維集合型アクチュエ
ータ4とロボットの骨格6を接合する接合部材、6はロ
ボットの骨格、7はロボットの関節で例えば既知のポー
ルジョイント、8は繊維集合型アクチュエータ4の制御
装置であって、例えば並列型コンピュータである。
FIG. 3 shows an example in which the fiber assembly type actuator according to the present invention is used to drive a joint of a robot. Reference numeral 4 denotes a fiber assembly type actuator. Reference numeral 6 denotes a skeleton of the robot, 7 denotes a joint of the robot, for example, a known pole joint, and 8 denotes a control device of the fiber assembly type actuator 4, for example, a parallel computer.

【0010】以下、図1,図2で本発明の繊維集合型ア
クチュエータの構造について、図3で本発明を関節駆動
に用いる実施例について説明する。
The structure of the fiber assembly type actuator of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 and 2, and an embodiment in which the present invention is used for driving a joint will be described with reference to FIG.

【0011】即ち、図1に示すように、1の伸縮する繊
維状アクチュエータ、例えば形状記憶合金等からなるも
のを、複数並行にならべて用い、前記複数の繊維状アク
チュエータ1の両端面は、構造部材3に例えば、穴をあ
け、ここに前記繊維状アクチュエータ1を接着、もしく
はかしめるなどして接合する。繊維状アクチュエータ1
と繊維状アクチュエータ1の間隙には、コンプライアン
スと粘性とねばねばしたねばりをもつゲル物質2を、図
1の断面図に示すように充填し、複数の繊維状アクチュ
エータ1をたばね、かつ間隙を埋め、複数の繊維状アク
チュエータ1がからまるのを防ぐ。繊維状アクチュエー
タ1が例えば形状記憶合金で構成される場合、繊維状ア
クチュエータ1への通電をPWM(Pulse Width Modula
tion)もしくはPNM(Pulse Number Modulation )で
行うと、パルス実行幅が大きい、もしくはパルス密度が
大きいと、複数の繊維状アクチュエータ1はそれぞれ縮
み、繊維集合型アクチュエータ4全体で縮む。また、例
えば繊維状アクチュエータ1が形状記憶合金で構成され
た場合、図2に示すように、例えばPNM制御の時、本
発明の繊維集合型アクチュエータ4の上半分Aにパルス
密度を大きく通電し、下半分Bのパルス密度を小さく通
電すれば、上半分Aは下半分Bより大きく縮むので図2
のように繊維集合型アクチュエータ4単体で曲げること
ができる。
That is, as shown in FIG. 1, a plurality of elastic fiber actuators, for example, those made of a shape memory alloy or the like are arranged in parallel, and both end surfaces of the plurality of fibrous actuators 1 are structured. For example, a hole is made in the member 3 and the fibrous actuator 1 is bonded or caulked to the member 3 here. Fibrous actuator 1
A gel material 2 having compliance, viscosity and sticky stickiness is filled in the gap between the fibrous actuator 1 and the fibrous actuator 1 as shown in the cross-sectional view of FIG. This prevents a plurality of fibrous actuators 1 from becoming entangled. When the fibrous actuator 1 is made of, for example, a shape memory alloy, the energization of the fibrous actuator 1 is controlled by PWM (Pulse Width Modula).
) or PNM (Pulse Number Modulation), when the pulse execution width is large or the pulse density is large, the plurality of fibrous actuators 1 shrink, respectively, and the entire fiber-assembled actuator 4 shrinks. For example, when the fibrous actuator 1 is made of a shape memory alloy, as shown in FIG. 2, for example, at the time of PNM control, a large pulse density is applied to the upper half A of the fiber assembly type actuator 4 of the present invention, If the lower half B is energized with a smaller pulse density, the upper half A shrinks more than the lower half B.
Can be bent by the fiber assembly type actuator 4 alone.

【0012】図3は、本発明をロボットの関節の駆動に
用いる例で、ロボットの関節7の両側に繊維集合型アク
チュエータ4をロボットの骨格6に対して、接合部材5
で接合し、繊維集合型アクチュエータ4の伸縮によっ
て、関節の曲げのばしを制御する例である。制御は例え
ば制御装置8に、並列コンピュータを用い、各繊維状ア
クチュエータ1それぞれに、異なるPNMで信号を与
え、伸縮を制御する。
FIG. 3 shows an example in which the present invention is used for driving a joint of a robot. A fiber assembly type actuator 4 is attached to both sides of a joint 7 of the robot with respect to a skeleton 6 of the robot.
This is an example in which the bending of the joint is controlled by the expansion and contraction of the fiber assembly type actuator 4. For the control, for example, a parallel computer is used as the control device 8, and a signal is provided to each of the fibrous actuators 1 with a different PNM to control expansion and contraction.

【0013】尚、上記実施例では、図3に示すように接
合部材5を用いたが、これに限らず例えば図4のように
構造部材3の機能を直接ロボットの骨格6に持たせて併
用することによって、図3の関節7の曲げ伸ばしに加
え、繊維集合型アクチュエータ4の各繊維状アクチュエ
ータ1それぞれに、異なるPNMで信号を与えれば、関
節7の図4の矢印方向の回転の駆動もすることができ
る。
In the above-described embodiment, the joining member 5 is used as shown in FIG. 3. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. In this case, in addition to bending and stretching of the joint 7 in FIG. 3, if a signal is given to each of the fibrous actuators 1 of the fiber assembly type actuator 4 with a different PNM, the rotation of the joint 7 in the direction of the arrow in FIG. can do.

【0014】[0014]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ア
クチュエータとして、複数の伸縮する繊維状アクチュエ
ータをたばね、かつ、前記アクチュエータの間隙をゲル
物質で充填することによって、ゲル物質の充填によって
アクチュエータ全体でコンプライアンスを有し、前記繊
維状アクチュエータの一部が破断しても残存する他の繊
維状アクチュエータによって機能し、万一繊維状アクチ
ュエータ全てが破断しても、ゲル物質によってアクチュ
エータ全体の構造が保持されるという、フォールトトレ
ランス性に優れ、信頼性が高く、例えば人間相手の作業
においても相手に危害を与えにくいアクチュエータであ
る。さらに、各繊維状アクチュエータそれぞれに異なる
制御信号を与えることによって、アクチュエータ全体が
単体として曲ったりたわんだりすることができる。
As described above, according to the present invention, as the actuator, a spring having a plurality of expandable and contractible fibrous actuators is filled, and the gap between the actuators is filled with a gel substance. It has compliance as a whole, and functions even if all the fibrous actuators are broken, and functions even if all the fibrous actuators are broken. The actuator is excellent in fault tolerance and high in reliability, and is hardly harmful even in the work of a human partner, for example. Further, by giving different control signals to each of the fibrous actuators, the entire actuator can be bent or bent as a single unit.

【0015】応用分野としては、人間に代行するロボッ
トの手指や腕、足等の関節の駆動、人間の日常生活を支
援する福祉機器のアクチュエータ、補装具のアクチュエ
ータ、航空機や船舶の舵やプロペラの可変ピッチ駆動装
置、アクティブ制振型建築物のアクチュエータ等として
の応用が考えられる。
[0015] The field of application includes the drive of fingers, arms, and legs of robots acting on behalf of humans, actuators for assistive devices that assist human daily life, actuators for assistive devices, and steering and propellers for aircraft and ships. It can be applied to a variable pitch driving device, an actuator of an active vibration damping type building, and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】(a)は本発明の一実施例を示す正面図、
(b)は同じく断面図である。
FIG. 1A is a front view showing one embodiment of the present invention,
(B) is a sectional view of the same.

【図2】本発明の繊維集合型アクチュエータが単体で曲
る例を示す構成図である。
FIG. 2 is a configuration diagram showing an example in which the fiber assembly type actuator of the present invention bends alone.

【図3】本発明をロボットの関節に用いる例を示す構成
図である。
FIG. 3 is a configuration diagram showing an example in which the present invention is used for a joint of a robot.

【図4】本発明の構造部材をロボットの骨格に併用させ
た例を示す構成図である。
FIG. 4 is a configuration diagram showing an example in which the structural member of the present invention is used in combination with a robot skeleton.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…繊維状アクチュエータ、2…ゲル物質、3…構造部
材、4…繊維集合型アクチュエータ、5…接合部材、6
…ロボットの骨格、7…ロボットの関節、8…制御装
置。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fibrous actuator, 2 ... Gel substance, 3 ... Structural member, 4 ... Fiber assembly type actuator, 5 ... Joint member, 6
... the skeleton of the robot, 7 ... the joints of the robot, 8 ... the control device.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木村 義政 東京都千代田区内幸町一丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 近藤 利夫 東京都千代田区内幸町一丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平3−149198(JP,A) 特開 昭61−100392(JP,A) 特表 平3−504215(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Yoshimasa Kimura 1-1-6 Uchisaiwaicho, Chiyoda-ku, Tokyo Nippon Telegraph and Telephone Corporation (72) Toshio Kondo 1-1-6 Uchisaiwaicho, Chiyoda-ku, Tokyo Japan (56) References JP-A-3-149198 (JP, A) JP-A-61-100392 (JP, A) JP-T3-504215 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 並行にならべた複数の伸縮する繊維状ア
クチュエータと、 前記複数の繊維状アクチュエータの間隙に充填するゲル
物質と、 前記複数の繊維状アクチュエータの両端を接合する構造
部材とを具備したことを特徴とする繊維集合型アクチュ
エータ。
1. A plurality of elastic actuators arranged in parallel, a gel material filling a gap between the plurality of actuators, and a structural member joining both ends of the actuators. A fiber assembly type actuator characterized by the above-mentioned.
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