JP4385091B2 - Linear motion artificial muscle actuator and method for manufacturing linear motion artificial muscle actuator - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば、イオン導電性高分子を用いた直動人工筋アクチュエータおよびこの直動人工筋アクチュエータを製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
今日、機械は人間にはできない高速で高出力、高精度な動作を実現し、社会や産業に大きく貢献している。最近では、新たに小型化や柔軟さといった別の側面も要求されている。とくに、人間や人間の生活環境に共存するロボットには、安全でやわらかさを備えたアクチュエータが望ましい。
【0003】
こうした中で注目されているアクチュエータの1つに、高分子アクチュエータがある。高分子アクチュエータは、生物的な柔らかい動作が可能であり、人工筋アクチュエータとして期待されている。
【0004】
1980年代より日本を中心として刺激応答性高分子ゲルの研究が広く行われ、医療、福祉、ロボット、ホビー産業などから大きな関心がもたれている。高分子アクチュエータシステムの駆動方法としては、熱、pH、溶媒交換、電場など様々である。その中でも電場応答性の高分子アクチュエータは制御が容易であり、応答性の高いものとして考えられている。
【0005】
そこで、今日、高分子アクチュエータの1つとして、フッ素系イオン交換樹脂膜の両面に金や白金などの貴金属を無電解メッキ法を用いて接合したIPMC(Ionic Polymer-metal Composites)アクチュエータが提案されている。
【0006】
このIPMCアクチュエータは、1991年には、それまで燃料電池の材料として研究されていたイオン交換樹脂と貴金属の接合体が、1V程度の低電圧に応答して高速に屈曲する現象が発見されている。図10に、その接合体を屈曲させる実験例を示す。図10(中央)の状態で接合体の両側の電極に電圧が加えられると、同図(左側)、(右側)に示したように、接合体は+側に高速に屈曲する。
【0007】
IPMCには、つぎの特性がある。すなわち、
▲1▼低電圧で駆動する(1〜2V程度)。
▲2▼応答速度が速い(>100Hz)。
▲3▼耐久性・化学安定性がある(10万回以上の連続使用可)。
▲4▼柔軟性がある。
▲5▼水中での動作が可能である。
▲6▼動作音がない。
【0008】
IPMCアクチュエータにおいては、膜自体がアクチュエータであるため、小型化および軽量化が可能である。また、膜が乾燥してしまうと、動作しないが、膨潤していて導電性があれば作動させることが可能である。
【0009】
【非特許文献1】
安積欣志、小黒啓介「複合化による刺激応答機能の発見」ケミカルエンジニアリング、2001年、Vol.46、No.10、第20−24頁
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上述したIPMCアクチュエータは、現在までに能動カテーテルや生体動作を模倣した小型ロボットに応用されており、実用的なソフトアクチュエータとして期待されている。ところが、上述したIPMCアクチュエータは膜1枚では屈曲運動しかできず、アクチュエータとして発生すべき力は小さくなる。
【0011】
そこで、IPMCアクチュエータにかける電圧を大きくすると、発生する力は大きくなるが、高分子膜が電気分解を発生しない範囲で動作させなければならないといなどの課題がある。
【0012】
本発明の目的は、高分子アクチュエータを構成する膜の組み合わせにより屈曲運動を直動運動に変換することで、アクチュエータとしての変位を大きくとり、かつアクチュエータとして発生する力を大きくすることが可能な直動人工筋アクチュエータを提供することにある。
【0013】
さらに、本発明の他の目的は、ロボットへの適用において、通電による直動運動時と非通電による開放時の組み合わせにより効率的運動を実現し、その際に、メカ的な構造を配置せずに高分子アクチュエータの柔軟性により開放時の動作を実現することが可能な直動人工筋アクチュエータを提供することにある。
【0014】
さらに、本発明の他の目的は、上述した目的を達成できる膜の組み合わせから成る直動人工筋アクチュエータを容易に製造することか可能な直動人工筋アクチュエータの製造方法を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、上記目的を達成するため、請求項1の発明に係る直動人工筋アクチュエータは、直動人工筋アクチュエータであって、イオン導電性を有する一対の薄状樹脂膜を長手方向に直列に配置させ、該薄状樹脂膜間を柔軟に接続させてなる一対の高分子アクチュエータと、前記一対の高分子アクチュエータを長手方向に対して並列に配置させ、前記一対の高分子アクチュエータ同士について各々の両端部を絶縁状態で固定する一対の絶縁固定手段と、を備え、前記並列に配置した一対の高分子アクチュエータを通電させた際に、前記各薄状樹脂膜が外側に反りあがるように屈曲し、該薄状樹脂膜間の接続部分で折れ曲がることによって、前記一対の絶縁固定手段の間隔を狭めるよう動作することを特徴とする。
【0016】
請求項2の発明は、上記請求項1の発明において、前記一対の高分子アクチュエータの接続部分は、前記一対の薄状樹脂膜より薄く構成したイオン導電性を有する接続用薄状樹脂膜からなる柔軟材により接続させた構造であってもよい。
【0017】
また、請求項3の発明に係る直動人工筋アクチュエータは、直動人工筋アクチュエータであって、イオン導電性を有するm(mは2以上の自然数)個の薄状樹脂膜を長手方向に直列に配置させ、各一対の薄状樹脂膜間毎にイオン導電性を有する接続用薄状樹脂膜からなる柔軟材で接続させてなるn(nは2以上の自然数)個の高分子アクチュエータと、前記n個の高分子アクチュエータを長手方向に対して並列に配置させ、長手方向に対して隣り合う2つの高分子アクチュエータ毎に、対面する前記薄状樹脂膜同士の中央部分を絶縁状態で固定する絶縁固定手段と、を備え、前記各高分子アクチュエータを通電させた際に、前記各高分子アクチュエータの各薄状樹脂膜が外側に反りあがるように屈曲し、前記柔軟材が折れ曲がることによって、長手方向に配置された前記各絶縁固定手段の間隔を狭めるよう動作することを特徴とする。
【0018】
請求項4の発明は、上記請求項3の発明において、前記隣り合う2つの高分子アクチュエータ毎に、対面する前記薄状樹脂膜同士の中央部分が前記絶縁固定手段で固定された高分子アクチュエータ列の長手方向に対し、直交方向に隣接する高分子アクチュエータ列同士の組み合わせについて、長手方向に対して一方と他方の前記高分子アクチュエータ列における前記接続用薄状樹脂膜の位置関係をずらして配置させてもよい。
【0019】
また、請求項5の発明に係る直動人工筋アクチュエータは、直動人工筋アクチュエータであって、イオン導電性を有する一対の薄状樹脂膜を長手方向に直列に配置させ、該薄状樹脂膜間を柔軟に接続させてなる一対の高分子アクチュエータと、前記一対の高分子アクチュエータを長手方向に対して並列に配置させ、前記一対の高分子アクチュエータ同士について各々の両端部を絶縁状態で固定する一対の絶縁固定手段と、前記並列に配置した一対の高分子アクチュエータを通電させた際に、前記各薄状樹脂膜が外側に反りあがって屈曲するように通電させる通電手段と、を備えたことを特徴とする。
【0020】
請求項6の発明は、上記請求項5の発明において、前記通電手段は、前記並列に配置した一対の高分子アクチュエータの外面と内面の極性を相違させてもよい。
【0021】
請求項7の発明は、上記請求項6の発明において、前記通電手段は、前記並列に配置した一対の高分子アクチュエータの外面をプラス極とし、内面をマイナス極としてもよい。
【0022】
また、請求項8の発明に係る直動人工筋アクチュエータは、直動人工筋アクチュエータであって、イオン導電性を有するm(mは2以上の自然数)個の薄状樹脂膜を長手方向に直列に配置させ、各一対の薄状樹脂膜間毎にイオン導電性を有する接続用薄状樹脂膜からなる柔軟材で接続させてなるn(nは2以上の自然数)個の高分子アクチュエータと、前記n個の高分子アクチュエータを長手方向に対して並列に配置させ、長手方向に対して隣り合う2つの高分子アクチュエータ毎に、対面する前記薄状樹脂膜同士の中央部分を絶縁状態で固定する絶縁固定手段と、前記並列に配置した各高分子アクチュエータを通電させた際に、前記各薄状樹脂膜が外側に反りあがって屈曲するように通電させる通電手段と、を備えたことを特徴とする。
【0023】
請求項9の発明は、上記請求項8の発明において、前記通電手段は、前記並列に配置した各高分子アクチュエータの外面と内面の極性を相違させてもよい。
【0024】
請求項10の発明は、上記請求項9の発明において、前記通電手段は、前記並列に配置した各高分子アクチュエータの外面をプラス極とし、内面をマイナス極としてもよい。
【0025】
請求項11の発明は、上記請求項8〜10のいずれか一つに記載の発明において、前記隣り合う2つの高分子アクチュエータ毎に、対面する前記薄状樹脂膜同士の中央部分が前記絶縁固定手段で固定された高分子アクチュエータ列の長手方向に対し、直交方向に隣接する高分子アクチュエータ列同士の組み合わせについて、長手方向に対して一方と他方の前記高分子アクチュエータ列における前記接続用薄状樹脂膜の位置関係をずらして配置させてもよい。
【0026】
また、請求項12の発明に係る直動人工筋アクチュエータ製造方法は、直動人工筋アクチュエータ製造方法であって、矩形状であり、かつ第1の厚みを有する複数の第1薄状樹脂膜を一方向に一定の間隔で配列させ、前記配列された前記複数の第1薄状樹脂膜を前記一方向に2段に配置させ、矩形状であり、かつ前記第1の厚みよりも薄い第2の厚みを有する複数の第2薄状樹脂膜をそれぞれ前記一方向に対して上下に重なり合う2段の前記第1薄状樹脂膜の間におけるエッジ部位で挟持させ、その挟持状態でプレス加工により接合し、その接合体をメッキ処理する工程を含んだことを特徴とする。
【0027】
請求項13の発明は、上記請求項12の発明において、前記直動人工筋アクチュエータを前記一方向に対して直交する方向に所定の幅で切断してもよい。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る好適な実施の形態について詳述する。
【0029】
まず、原理について説明する。図1は本発明の一実施の形態による直動人工筋アクチュエータの原理を説明する概略構成図であり、同図(A),(B)において、1は直動人工筋アクチュエータを示している。
【0030】
直動人工筋アクチュエータ1は、たとえばIPMC膜からなる4枚のエレメント2a,2b,2c,2dと、長手方向に一定の距離だけ離間して並ぶ一対のエレメント2a,2b、その下(2段目)に配置されるもう一対のエレメント2c,2dをそれぞれ接合した柔軟材3a,3bと、2段に配置される一対のエレメント2c,2dともう一対の一対のエレメント2a,2bの長手方向の両端をそれぞれ接合した絶縁固定手段としての絶縁部材4a,4bとにより構成される。なお、上述した柔軟材3a,3bは必須の構成ではない。すなわち、1段目と2段目のエレメント間は電場の状態で短絡しないので、直接接触するように接続させたり、クリップ手段により挟持させるようにしてもよい。
【0031】
上記IPMC膜は、フッ素系イオン交換樹脂膜の両面に金や白金などの貴金属を無電解メッキ法で接合した構造を有している。Naflon(登録商標)117(デュポン社)に金を10[mg/cm2]程度メッキしたIPMC膜が好適であるが、同様の機能を有していれば本発明はこれに限定されるものではない。また、柔軟材3a,3bは、たとえばエレメント2a,2b,2c,2dと同機能の材質もしくは同材質であり、エレメント2a,2b,2c,2dよりも薄状に設けられていることが好ましい。
【0032】
図1(A)の状態において、一対のエレメント2a,2b、もう一対のエレメント2c,2dに対してそれぞれ外側がプラス(+)極、内側がマイナス(−)極となるように電場が加えられると、同図(B)に示したように、エレメント2a,2b,2c,2dはそれぞれ外側に反りあがるように屈曲する。この屈曲により、直動人工筋アクチュエータ1は、その長手方向において、電場を加える前の状態(図1(A))よりもたとえば距離Sだけ縮小する(同図(B))。このとき、接合部位を構成する柔軟材3a,3aは、エレメント2a,2bとエレメント2c,2dとを柔軟に接続する役割を果たし、エレメント2a,2b,2c,2dは、IPMC膜の性質に伴って収縮することが可能となる。
【0033】
ここで、直動人工筋アクチュエータ1の特性について説明する。図2は本実施の形態による直動人工筋アクチュエータの特性を説明するための実験例を示す概略構成図であり、100は実験装置を示している。
【0034】
実験装置100は、たとえば、水槽101、支持部102、移動台103、負荷部104、レーザ変位計測器106、コンピュータ107などにより構成される。
【0035】
水槽101は、所定の水位まで水を溜めている。支持部102は、水槽101に固定されるとともに直動人工筋アクチュエータ1の長手方向の一端を支持する。移動台103は、直動人工筋アクチュエータ1の長手方向の他端を支持するとともに水槽101に浮かべられる。負荷部104は、移動台103に線材の一端を接続させてその他端に一定の負荷を与える。レーザ変位計測器106は、移動台103上に載置された指標105に対して直動人工筋アクチュエータ1の長手方向での変位を計測する。コンピュータ107は、直動人工筋アクチュエータ1に対して電場を与えて長手方向の屈曲運動をさせ、レーザ変位計測器106から変位の位置情報を取得して直動人工筋アクチュエータ1の特性を解析する。
【0036】
ここでは、ステップ電圧やステップ状の負荷を加えたときの応答に関する実験例を説明する。図3は本実施の形態において入力電圧に対するステップ応答の実験結果の一例を示すグラフであり、図4、図5はそれぞれ本実施の形態において負荷に対するステップ応答の実験結果の一例を示すグラフである。
【0037】
まず、電圧値に対する応答変化について図3を用いて説明する。無負荷の状態で1.5、2.0、2.5[V]の順に電圧値を変えてステップ入力を加えて変位および電流値を計測する。入力電圧を大きくすると、変位のピーク値も大きくなっていることが確認できる。
【0038】
エレメント2a,2b,2c,2d(IPMC膜)は電圧を加えると、プラス(+)極側へ高速に屈曲する。また、電流は電圧を加えた瞬間に大きな電流が流れ、その後、指数関数的に減衰していることが確認できる。電流のピーク値も入力電圧を大きくすると、大きくなっていることが確認できる。
【0039】
つづいて負荷に対する応答変化について図4および図5を用いて説明する。図4において、負荷が加えられている状態から、2.5[V]のステップ入力を加える。負荷が大きくなると、変位が小さくなっていることが確認できる。電流値は負荷を加えてもほとんど変わらない。
【0040】
図5において、1.5[V]の入力電圧が加えられている状態で、時刻1[s]のときに負荷を加える。負荷が大きくなると、ほぼ比例して変位が大きくなっていることが確認できる。
【0041】
このように、直動人工筋アクチュエータ1は、適度な入力電圧に応じて変位を調整することが可能である。
【0042】
つぎに、図1に示した直動人工筋アクチュエータ1の原理に基づく応用例について説明する。図6は本実施の形態による直動人工筋アクチュエータの一応用例を示す概略構成図であり、同図において、200は応用例による直動人工筋アクチュエータを示している。
【0043】
直動人工筋アクチュエータ200は、たとえば、長手方向に4つの直動人工筋アクチュエータを接続させ、その列を4つ設け、両端をそれぞれ支持部材201,202に固持させた構造を有している。本実施の形態では、一例として1列当たり4つの直動人工筋アクチュエータとし、その列を4列設けているが、本発明はこれに限定されるものではなく、その用途すなわち直動人工筋アクチュエータを設ける場所や必要とされる力に応じてその数を任意に設定できるものとする。
【0044】
また、直動人工筋アクチュエータ1の配置においては、図6に示したように、隣り合う列との関係でたとえば半分程度ずれた配置とすれば、各直動人工筋アクチュエータの伸縮に伴う柔軟材部分のw2方向の膨らみを絶縁部材部分の領域で吸収することができる。これにより、w2方向で直動人工筋アクチュエータ同士の干渉が生じることは無く、全体のスペース効率を向上させることが可能である。なお、上記柔軟材部分には柔軟材を適用しなくてもよい。すなわち、図1の説明ですでに説明したように、1段目と2段目のエレメント間は電場の状態で短絡しないので、直接接触するように接合したり、クリップ手段により挟持させるようにしてもよい。
【0045】
このように、直動人工筋アクチュエータ1を直列、並列に接続させた組み合わせ構造にすることで、W1方向の伸縮率を変更させたり、W1方向の伸縮時の力を変更させることが可能となる。
【0046】
つぎに、歩行ロボットへの適用例について説明する。図7は本実施の形態による応用例を示す外観斜視図であり、図8は本実施の形態による応用例のヒップジョイントを説明する図である。
【0047】
図7に歩行ロボット300を示す。この歩行ロボット300は、小型のコンパス型2足歩行ロボットを対象としている。この歩行ロボット300は、内側と外側の2本ずつが繋がれており、同期して動くものである。ここでは、2次元平面(サジタル平面)内の運動のみを考える。また、シミュレーションでは、脚と床とは点接点であるとし、床との接地は完全非弾性衝突であると仮定する。そして、この歩行ロボット300は、受動歩行を実現するモデルであり、動力無しに緩やかな傾斜面を歩行することが可能である。
【0048】
この歩行ロボット300の腰関節部301,302には、前述の直動人工筋アクチュエータ1を長手方向に対して直列接続数m(mは自然数)、並列数n(nは自然数)で構成される部位が設けられている。
【0049】
歩行ロボット300について、その腰関節部301,302で駆動させ、斜面や平地で歩行させることを考える。歩行ロボット300の腰関節部301,302の駆動は、半径をrとして、滑車のように収縮の力を腰関節のトルクVhへと変換することにより得られる。
【0050】
一般の歩行ロボットでは、関節部位にはクラッチなどの構成が組み込まれるため、構造的に大きくなる。これは、クラッチにより歩行動作の制御が必要となるためである。これに対して、本実施の形態による直動人工筋アクチュエータによれば、その伸縮自在の特性からクラッチ制御は不要となる。すなわち、人間が歩行する場合には、一方の脚で地面に踏ん張りをきかせて、他方の脚を振り子のように前方に突き出す状態で関節部位が自然に伸びる特性があるが、これと同等の特性を直動人工筋アクチュエータから得ることができるためである。
【0051】
以上説明したように本実施の形態によれば、高分子のアクチュエータを構成するIPMC膜の組み合わせにより、屈曲運動を直動運動に変換してアクチュエータとしての能力を高め、かつアクチュエータとして発生する力を高めることが可能である。
【0052】
また、歩行ロボットへの適用において、通電による直動運動時と非通電による開放時の組み合わせにより効率的運動を実現し、その際に、メカ的な構造を配置せずに高分子のアクチュエータの柔軟性により開放時の動作を実現することが可能である。
【0053】
つぎに、本実施の形態の直動人工筋アクチュエータ製造方法について説明する。図9は本実施の形態による直動人工筋アクチュエータ製造方法を説明する図である。
【0054】
まず、矩形状であり、かつ第1の厚みを有するIPMC膜401,402,403,404を一方向に一定の間隔で配列させ(図9(A))、その配列された4枚のIPCM膜401,402,403,404をIPMC膜401と408の組み合わせやIPCM膜402と409の組み合わせのように一方向に2段に配置させる(図9(B))。
【0055】
そして、矩形状であり、かつ第1の厚みよりも薄い第2の厚みを有する3枚のIPMC膜405,406,407をそれぞれIPCM膜の重なり合うエッジ部位で挟持させ(図9(A),(B))、この積層中間部材をプレス加工で接合する。さらに、その接合体をメッキ処理した後、一方向に対して直交する方向Xに所定の幅で切断する(図9(C))。
【0056】
このようにして得られた接合体を2枚用意して2段に重ね合わせる。そして、矩形状であり、かつ第3の厚みを有する絶縁部材を2段に重なり合う一対の接合体においてたとえばIPMC膜405と406の中間位置、IPMC膜406と407の中間位置に長手方向に直交するように取り付ければよい。
【0057】
このような製造過程を踏むことにより、同素材のIPMC膜間の接着作業が簡略化され、一部分が薄い接続体を備えた直動人工筋アクチュエータの製造が容易になる。また、並列に並び各列をなす直動人工筋アクチュエータの片側からの配線のみで駆動(屈曲運動)を実現することが可能となる。
【0058】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、高分子アクチュエータを構成する膜の組み合わせにより、屈曲運動を直動運動に変換してアクチュエータとしての能力を高め、かつアクチュエータとして発生する力を高めることが可能な直動人工筋アクチュエータを提供できるという効果を奏する。
【0059】
また、ロボットへの適用において、通電による直動運動時と非通電による開放時の組み合わせにより歩行を実現し、その際に、メカ的な構造を配置せずに高分子アクチュエータの柔軟性により開放時の動作を実現することが可能な直動人工筋アクチュエータを提供できるという効果を奏する。
【0060】
さらに、屈曲運動を直動運動に変換してアクチュエータとしての能力を高め、かつアクチュエータとして発生する力を高める直動人工筋アクチュエータを容易に製造することが可能な直動人工筋アクチュエータの製造方法を提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態による直動人工筋アクチュエータの原理を説明する概略構成図である。
【図2】本実施の形態による直動人工筋アクチュエータの特性を説明するための実験例を示す概略構成図である。
【図3】本実施の形態において入力電圧に対するステップ応答の実験結果の一例を示すグラフである。
【図4】本実施の形態において負荷に対するステップ応答の実験結果の一例を示すグラフである。
【図5】本実施の形態において負荷に対するステップ応答の実験結果の一例を示すグラフである。
【図6】本実施の形態による直動人工筋アクチュエータの一応用例を示す概略構成図である。
【図7】本実施の形態による応用例を示す外観斜視図である。
【図8】本実施の形態による応用例のヒップジョイントを説明する図である。
【図9】本実施の形態による直動人工筋アクチュエータ製造方法を説明する図である。
【図10】従来例を説明する図である。
【符号の説明】
1 直動人工筋アクチュエータ
2a,2b,2c,2d エレメント
3a,3b 柔軟材
4a,4b 絶縁部材
100 実験装置
101 水槽
102 支持部
103 移動台
104 負荷部
105 指標
106 レーザ変位計測器
107 コンピュータ
200 直動人工筋アクチュエータ
201,202 支持部材
300 歩行ロボット
301,302 腰関節部
401,402,403,404,405 IPMC膜
406,407,408,409 IPMC膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to, for example, a linear motion artificial muscle actuator using an ion conductive polymer and a method of manufacturing the linear motion artificial muscle actuator.
[0002]
[Prior art]
Today, machines realize high-speed, high-output, high-precision operations that humans cannot do, and contribute greatly to society and industry. Recently, other aspects such as downsizing and flexibility are also required. In particular, a safe and soft actuator is desirable for humans and robots that coexist in human living environments.
[0003]
One of the actuators attracting attention in these circumstances is a polymer actuator. The polymer actuator is capable of biological soft operation and is expected as an artificial muscle actuator.
[0004]
Since the 1980s, research on stimuli-responsive polymer gels has been widely conducted mainly in Japan, and has received great interest from the medical, welfare, robot and hobby industries. There are various driving methods for the polymer actuator system, such as heat, pH, solvent exchange, and electric field. Among them, the electric field responsive polymer actuator is easy to control and is considered to be highly responsive.
[0005]
Therefore, an IPMC (Ionic Polymer-metal Composites) actuator in which noble metals such as gold and platinum are bonded to both sides of a fluorine-based ion exchange resin film using an electroless plating method has been proposed as one of polymer actuators today. Yes.
[0006]
In 1991, this IPMC actuator was found to be bent at a high speed in response to a low voltage of about 1 V, in which an ion exchange resin / noble metal joint, which had been studied as a fuel cell material, was discovered. . FIG. 10 shows an experimental example in which the joined body is bent. When a voltage is applied to the electrodes on both sides of the joined body in the state of FIG. 10 (center), the joined body bends to the + side at high speed as shown in FIG. 10 (left side) and (right side).
[0007]
IPMC has the following characteristics. That is,
(1) Drive with low voltage (about 1-2V).
(2) The response speed is fast (> 100 Hz).
(3) Durability and chemical stability (continuous use over 100,000 times)
(4) There is flexibility.
(5) Operation in water is possible.
(6) There is no operation sound.
[0008]
In the IPMC actuator, since the film itself is an actuator, it can be reduced in size and weight. Also, if the membrane dries, it does not operate, but can be activated if it is swollen and conductive.
[0009]
[Non-Patent Document 1]
Satoshi Azumi and Keisuke Oguro “Discovery of stimulus response function by compounding” Chemical Engineering, 2001, Vol. 46, no. 10, pp. 20-24 [0010]
[Problems to be solved by the invention]
The above-mentioned IPMC actuator has been applied to an active catheter or a small robot imitating a biological motion, and is expected as a practical soft actuator. However, the above-described IPMC actuator can only be bent with a single film, and the force to be generated as an actuator is small.
[0011]
Therefore, when the voltage applied to the IPMC actuator is increased, the generated force increases, but there is a problem that the polymer film must be operated within a range where electrolysis does not occur.
[0012]
An object of the present invention is to convert a bending motion into a linear motion by a combination of membranes constituting a polymer actuator, so that a displacement as an actuator can be increased and a force generated as an actuator can be increased. The object is to provide an artificial muscle actuator.
[0013]
Furthermore, another object of the present invention is to realize an efficient motion by combining a linear motion with energization and a release time with non-energization in application to a robot, and without arranging a mechanical structure. Another object of the present invention is to provide a linear motion artificial muscle actuator capable of realizing an open operation by the flexibility of a polymer actuator.
[0014]
Furthermore, another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a linear motion artificial muscle actuator that can easily manufacture a linear motion artificial muscle actuator comprising a combination of membranes that can achieve the above-described object.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems and achieve the above object, a linear motion artificial muscle actuator according to the invention of
[0016]
The invention of
[0017]
Further, the linear motion artificial muscle actuator according to the invention of
[0018]
The invention according to
[0019]
Further, the linear motion artificial muscle actuator according to the invention of claim 5 is a linear motion artificial muscle actuator, wherein a pair of thin resin films having ionic conductivity are arranged in series in the longitudinal direction, and the thin resin film A pair of polymer actuators that are flexibly connected to each other and the pair of polymer actuators are arranged in parallel in the longitudinal direction, and both ends of the pair of polymer actuators are fixed in an insulated state. A pair of insulating fixing means; and an energizing means for energizing each thin resin film so as to bend and warp outward when the pair of polymer actuators arranged in parallel is energized. It is characterized by.
[0020]
According to a sixth aspect of the present invention, in the fifth aspect of the invention, the energizing means may make the polarities of the outer surface and the inner surface of the pair of polymer actuators arranged in parallel differ.
[0021]
According to a seventh aspect of the present invention, in the sixth aspect of the invention, the energizing means may have the outer surfaces of the pair of polymer actuators arranged in parallel as a positive pole and the inner surface as a negative pole.
[0022]
The linear motion artificial muscle actuator according to the invention of
[0023]
According to a ninth aspect of the present invention, in the above-mentioned eighth aspect of the invention, the energizing means may make the polarities of the outer surface and the inner surface of the polymer actuators arranged in parallel differ.
[0024]
The invention of
[0025]
The invention of claim 11 is the invention according to any one of the above claims 8-10, before Symbol two per polymer actuator adjacent the thin-shaped resin film central portion of each other facing said insulation with respect to the longitudinal direction of the fixed polymer actuator column fixing means, with the allowed Awa set of polymer actuator columns adjacent to each other in the orthogonal direction, for the connection of one and the other of the polymer actuator columns with respect to the longitudinal direction The positional relationship of the thin resin film may be shifted.
[0026]
The linear motion artificial muscle actuator manufacturing method according to the invention of
[0027]
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the twelfth aspect of the present invention, the linear motion artificial muscle actuator may be cut with a predetermined width in a direction orthogonal to the one direction.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Exemplary embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
[0029]
First, the principle will be described. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the principle of a linear motion artificial muscle actuator according to an embodiment of the present invention. In FIGS. 1A and 1B,
[0030]
The linear motion
[0031]
The IPMC film has a structure in which a noble metal such as gold or platinum is bonded to both sides of a fluorine ion exchange resin film by an electroless plating method. An IPMC film obtained by plating Naflon (registered trademark) 117 (DuPont) about 10 [mg / cm 2 ] of gold is suitable, but the present invention is not limited to this if it has a similar function. Absent. The
[0032]
In the state of FIG. 1A, an electric field is applied to the pair of
[0033]
Here, the characteristics of the linear motion
[0034]
The
[0035]
The water tank 101 stores water up to a predetermined water level. The
[0036]
Here, an experimental example relating to a response when a step voltage or a step-like load is applied will be described. FIG. 3 is a graph showing an example of an experimental result of a step response to an input voltage in the present embodiment, and FIGS. 4 and 5 are graphs showing an example of an experimental result of a step response to a load in the present embodiment, respectively. .
[0037]
First, the response change with respect to a voltage value is demonstrated using FIG. In a no-load state, the voltage value is changed in the order of 1.5, 2.0, and 2.5 [V], step input is applied, and the displacement and current value are measured. It can be confirmed that when the input voltage is increased, the peak value of the displacement is also increased.
[0038]
The
[0039]
Next, the response change to the load will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG. In FIG. 4, a step input of 2.5 [V] is applied from a state where a load is applied. It can be confirmed that the displacement decreases as the load increases. The current value hardly changes even when a load is applied.
[0040]
In FIG. 5, a load is applied at time 1 [s] while an input voltage of 1.5 [V] is applied. As the load increases, it can be confirmed that the displacement increases almost proportionally.
[0041]
Thus, the linear motion
[0042]
Next, an application example based on the principle of the linear motion
[0043]
The linear motion
[0044]
Further, in the arrangement of the linear motion
[0045]
Thus, by using a combination structure in which the linear motion
[0046]
Next, an application example to a walking robot will be described. FIG. 7 is an external perspective view showing an application example according to the present embodiment, and FIG. 8 is a diagram for explaining a hip joint of the application example according to the present embodiment.
[0047]
FIG. 7 shows the walking
[0048]
In the
[0049]
Consider that the walking
[0050]
In a general walking robot, a structure such as a clutch is incorporated in a joint part, so that the structure becomes large. This is because the walking motion needs to be controlled by the clutch. On the other hand, according to the linear motion artificial muscle actuator according to the present embodiment, clutch control is not required due to its stretchable characteristics. That is, when a person walks, the joint part naturally stretches with one leg strung on the ground and the other leg protruding forward like a pendulum. Is obtained from the linear motion artificial muscle actuator.
[0051]
As described above, according to the present embodiment, by combining the IPMC film constituting the polymer actuator, the bending motion is converted into the linear motion to enhance the ability as the actuator, and the force generated as the actuator is increased. It is possible to increase.
[0052]
In addition, in the application to walking robots, efficient movement is realized by combining linear motion with energization and opening with de-energization, and at that time, the flexibility of polymer actuators can be reduced without placing a mechanical structure. Depending on the nature, it is possible to realize the operation at the time of opening.
[0053]
Next, a method for manufacturing the linear motion artificial muscle actuator of the present embodiment will be described. FIG. 9 is a view for explaining a method for manufacturing a linear motion artificial muscle actuator according to the present embodiment.
[0054]
First,
[0055]
Then, the three
[0056]
Two joined bodies thus obtained are prepared and overlapped in two stages. Then, in a pair of joined bodies in which the insulating members having a rectangular shape and the third thickness are overlapped in two stages, for example, an intermediate position between the
[0057]
By following such a manufacturing process, the bonding work between the IPMC films of the same material is simplified, and the manufacture of the linear motion artificial muscle actuator having a partially thin connection body is facilitated. In addition, driving (bending motion) can be realized only by wiring from one side of the linear motion artificial muscle actuators arranged in parallel and forming each row.
[0058]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to increase the ability as an actuator by converting the bending motion into the linear motion by the combination of the membranes constituting the polymer actuator, and also increase the force generated as the actuator. It is possible to provide a linear motion artificial muscle actuator.
[0059]
In addition, in the application to robots, walking is realized by a combination of linear motion with energization and opening with non-energization, and at that time it is opened due to the flexibility of the polymer actuator without placing a mechanical structure. It is possible to provide a linear motion artificial muscle actuator capable of realizing the above operation.
[0060]
Furthermore, there is provided a method for manufacturing a linear motion artificial muscle actuator capable of easily manufacturing a linear motion artificial muscle actuator that converts a bending motion into a linear motion to increase the ability as an actuator and increase the force generated as the actuator. There is an effect that it can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating the principle of a linear motion artificial muscle actuator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an experimental example for explaining the characteristics of the linear motion artificial muscle actuator according to the present embodiment.
FIG. 3 is a graph showing an example of an experimental result of a step response to an input voltage in the present embodiment.
FIG. 4 is a graph showing an example of an experimental result of a step response to a load in the present embodiment.
FIG. 5 is a graph showing an example of an experimental result of a step response to a load in the present embodiment.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing an application example of a linear motion artificial muscle actuator according to the present embodiment.
FIG. 7 is an external perspective view showing an application example according to the present embodiment.
FIG. 8 is a diagram illustrating a hip joint of an application example according to the present embodiment.
FIG. 9 is a diagram illustrating a method for manufacturing a linear motion artificial muscle actuator according to the present embodiment.
FIG. 10 is a diagram illustrating a conventional example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (13)
イオン導電性を有する一対の薄状樹脂膜を長手方向に直列に配置させ、該薄状樹脂膜間を柔軟に接続させてなる一対の高分子アクチュエータと、
前記一対の高分子アクチュエータを長手方向に対して並列に配置させ、前記一対の高分子アクチュエータ同士について各々の両端部を絶縁状態で固定する一対の絶縁固定手段と、
を備え、
前記並列に配置した一対の高分子アクチュエータを通電させた際に、前記各薄状樹脂膜が外側に反りあがるように屈曲し、該薄状樹脂膜間の接続部分で折れ曲がることによって、前記一対の絶縁固定手段の間隔を狭めるよう動作することを特徴とする直動人工筋アクチュエータ。A linear motion artificial muscle actuator,
A pair of thin resin films having ionic conductivity arranged in series in the longitudinal direction, and a pair of polymer actuators formed by flexibly connecting the thin resin films ;
A pair of insulation fixing means for arranging the pair of polymer actuators in parallel with each other in the longitudinal direction and fixing both ends of the pair of polymer actuators in an insulated state;
With
When the pair of polymer actuators arranged in parallel is energized, the thin resin films are bent so as to warp outward, and are bent at the connection portion between the thin resin films, thereby A linear motion artificial muscle actuator characterized in that it operates so as to reduce the interval between the insulating fixing means .
イオン導電性を有するm(mは2以上の自然数)個の薄状樹脂膜を長手方向に直列に配置させ、各一対の薄状樹脂膜間毎にイオン導電性を有する接続用薄状樹脂膜からなる柔軟材で接続させてなるn(nは2以上の自然数)個の高分子アクチュエータと、
前記n個の高分子アクチュエータを長手方向に対して並列に配置させ、長手方向に対して隣り合う2つの高分子アクチュエータ毎に、対面する前記薄状樹脂膜同士の中央部分を絶縁状態で固定する絶縁固定手段と、
を備え、
前記各高分子アクチュエータを通電させた際に、前記各高分子アクチュエータの各薄状樹脂膜が外側に反りあがるように屈曲し、前記柔軟材が折れ曲がることによって、長手方向に配置された前記各絶縁固定手段の間隔を狭めるよう動作することを特徴とする直動人工筋アクチュエータ。A linear motion artificial muscle actuator,
M having ionic conductivity (m is a natural number of 2 or more) is arranged in series with pieces of thin-shaped resin film in the longitudinal direction, the connecting thin resinous film having ionic conductivity for each between each pair of thin-shaped resin film N (n is a natural number of 2 or more) polymer actuators connected by a flexible material comprising:
The n polymer actuators are arranged in parallel to the longitudinal direction, and the central portions of the thin resin films facing each other are fixed in an insulated state for each of the two polymer actuators adjacent to the longitudinal direction. Insulation fixing means;
With
When the respective polymer actuators are energized, the respective thin resin films of the respective polymer actuators are bent so as to bend outward, and the flexible material is bent, whereby the respective insulations arranged in the longitudinal direction are A linear motion artificial muscle actuator characterized by operating to narrow the interval of the fixing means .
イオン導電性を有する一対の薄状樹脂膜を長手方向に直列に配置させ、該薄状樹脂膜間を柔軟に接続させてなる一対の高分子アクチュエータと、
前記一対の高分子アクチュエータを長手方向に対して並列に配置させ、前記一対の高分子アクチュエータ同士について各々の両端部を絶縁状態で固定する一対の絶縁固定手段と、
前記並列に配置した一対の高分子アクチュエータを通電させた際に、前記各薄状樹脂膜が外側に反りあがって屈曲するように通電させる通電手段と、
を備えたことを特徴とする直動人工筋アクチュエータ。A linear motion artificial muscle actuator,
A pair of thin resin films having ionic conductivity arranged in series in the longitudinal direction, and a pair of polymer actuators formed by flexibly connecting the thin resin films ;
A pair of insulation fixing means for arranging the pair of polymer actuators in parallel with each other in the longitudinal direction and fixing both ends of the pair of polymer actuators in an insulated state;
When energizing the pair of polymer actuators arranged in parallel, energization means for energizing each thin resin film so as to bend and bend outward ,
A linear motion artificial muscle actuator comprising:
イオン導電性を有するm(mは2以上の自然数)個の薄状樹脂膜を長手方向に直列に配置させ、各一対の薄状樹脂膜間毎にイオン導電性を有する接続用薄状樹脂膜からなる柔軟材で接続させてなるn(nは2以上の自然数)個の高分子アクチュエータと、
前記n個の高分子アクチュエータを長手方向に対して並列に配置させ、長手方向に対して隣り合う2つの高分子アクチュエータ毎に、対面する前記薄状樹脂膜同士の中央部分を絶縁状態で固定する絶縁固定手段と、
前記並列に配置した各高分子アクチュエータを通電させた際に、前記各薄状樹脂膜が外側に反りあがって屈曲するように通電させる通電手段と、
を備えたことを特徴とする直動人工筋アクチュエータ。A linear motion artificial muscle actuator,
M having ionic conductivity (m is a natural number of 2 or more) is arranged in series with pieces of thin-shaped resin film in the longitudinal direction, the connecting thin resinous film having ionic conductivity for each between each pair of thin-shaped resin film N (n is a natural number of 2 or more) polymer actuators connected by a flexible material comprising:
The n polymer actuators are arranged in parallel to the longitudinal direction, and the central portions of the thin resin films facing each other are fixed in an insulated state for each of the two polymer actuators adjacent to the longitudinal direction. Insulation fixing means;
Energizing means for energizing each thin resin film so as to bend and bend outward when energized to each of the polymer actuators arranged in parallel ;
A linear motion artificial muscle actuator comprising:
矩形状であり、かつ第1の厚みを有する複数の第1薄状樹脂膜を一方向に一定の間隔で配列させ、前記配列された前記複数の第1薄状樹脂膜を前記一方向に2段に配置させ、矩形状であり、かつ前記第1の厚みよりも薄い第2の厚みを有する複数の第2薄状樹脂膜をそれぞれ前記一方向に対して上下に重なり合う2段の前記第1薄状樹脂膜の間におけるエッジ部位で挟持させ、その挟持状態でプレス加工により接合し、その接合体をメッキ処理する工程を含んだことを特徴とする直動人工筋アクチュエータの製造方法。A method for manufacturing a linear motion artificial muscle actuator,
A plurality of first thin resin films that are rectangular and have a first thickness are arranged at a certain interval in one direction, and the arranged first thin resin films are arranged in two directions in the one direction. A plurality of second thin resin films, which are arranged in steps, are rectangular and have a second thickness that is thinner than the first thickness, each of the two stages of the first overlapping each other vertically with respect to the one direction. A method for producing a linear motion artificial muscle actuator, comprising the steps of: clamping at an edge portion between thin resin films ; joining by pressing in the sandwiched state; and plating the joined body.
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