WO2020044913A1 - 関節装置 - Google Patents

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responsive polymer
face
polymer actuator
dielectric
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陽一 森田
藤原　武史
雅俊 島田
駿一 車谷
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豊田合成株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J17/00—Joints
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N11/00—Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means

Definitions

  • the present disclosure relates to a joint device including a first member and a second member connected to the first member via a joint so as to be relatively displaceable.
  • Patent Literature 1 discloses a joint driving device including a rod-shaped first structure, a second structure connected to the first structure via a rotary joint so as to be relatively movable, and a plurality of actuators.
  • Each actuator is an elastic actuator that has one end fixed to the first structure and the other end fixed to the second structure, and expands and contracts by air pressure.
  • An air pressure adjusting unit for adjusting the air pressure is connected to each actuator.
  • the joint driving device described in Patent Literature 1 is configured to expand and contract the actuator using air pressure. Therefore, there is room for improvement in responsiveness when changing joint stiffness.
  • An object of the present disclosure is to provide a joint device that can improve responsiveness when changing joint stiffness.
  • a joint device for achieving the above object includes a first member, a second member connected to the first member via a joint so as to be relatively displaceable, and a first end face fixed to the first member. And at least one electro-responsive polymer actuator provided around the joint, the electro-responsive polymer actuator having a second end face fixed to the second member. It is intended to change the distance between the first end face and the second end face by being deformed by being applied.
  • the distance between the first end surface and the second end surface is changed by the deformation of the electric field responsive polymer actuator.
  • an external force acts on the joint so as to change the distance between the first member and the second member as compared with when no voltage is applied.
  • the frictional resistance acting on the sliding portion of the joint is increased with the external force, so that the joint rigidity is increased.
  • the electric field responsive polymer actuator has better responsiveness than the actuator using the air pressure, the responsiveness when changing the joint rigidity can be improved.
  • the electric field responsive polymer actuator is deformed in response to the application of a voltage, a space for providing the actuator around the joint is smaller than that of an actuator using air pressure. Therefore, the responsiveness when changing the joint stiffness can be improved.
  • the at least one electric field responsive polymer actuator is a plurality of electric field responsive polymer actuators provided along a circumferential direction around the joint.
  • the voltage-applied field-responsive polymer actuator is The distance between the first end face and the second end face is changed by deforming the electric field responsive polymer actuator.
  • the distance between the first end face and the second end face is not changed for the field-responsive polymer actuator to which no voltage is applied since the field-responsive polymer actuator does not deform.
  • the at least one electric field responsive polymer actuator is one electric field responsive polymer actuator, and the one electric field responsive polymer actuator has a cylindrical shape, and the periphery of the joint is formed. Preferably, it surrounds.
  • the electric field responsive polymer actuator includes a sheet-shaped dielectric portion made of a dielectric elastomer, and a positive electrode and a negative electrode made of a conductive elastomer and stacked on both sides in the thickness direction of the dielectric portion.
  • it is a dielectric elastomer actuator.
  • DEA Dielectric Elastomer Actuator
  • the dielectric part when a DC voltage is applied between a positive electrode and a negative electrode, the dielectric part is oriented in the thickness direction, that is, the dielectric part according to the magnitude of the applied voltage. , While being compressed in the laminating direction of the positive electrode and the negative electrode, it is deformed to expand in the plane direction along the plane of the dielectric part.
  • the DEA is arranged such that the first end face and the second end face are located on both sides in the thickness direction of the dielectric portion, that is, on both sides in the stacking direction of the dielectric portion, the positive electrode, and the negative electrode.
  • the distance between the first end face and the second end face can be changed.
  • the dielectric portion when a direction in which the first member and the second member extend in a state where the first member and the second member are located on the same axis is referred to as an extending direction, the dielectric portion, It is preferable that the laminating direction of the positive electrode and the negative electrode coincides with the extending direction.
  • the dielectric portion when a direction in which the first member and the second member extend in a state where the first member and the second member are located on the same axis is referred to as an extending direction, the dielectric portion, It is preferable that the laminating direction of the positive electrode and the negative electrode is a direction orthogonal to the extending direction.
  • the DEA compresses and deforms in a direction orthogonal to the extending direction, and expands and deforms in the extending direction, thereby causing the first end face and the second end face to be deformed.
  • the distance between them increases.
  • an external force acts on the joint so that the distance between the first member and the second member is larger than when no voltage is applied.
  • joint resistance is increased by increasing the frictional resistance acting on the sliding portion of the joint with the external force.
  • responsiveness when changing joint stiffness can be improved.
  • FIG. 14 is a perspective view of a joint device according to another modification.
  • FIG. 14 is a perspective view of a DEA according to another modification.
  • the joint device according to the present embodiment is applied to a joint portion of a robot arm.
  • the joint device includes a first member 10 and a second member 20 connected to the first member 10 via a joint 30 so as to be relatively displaceable.
  • the first member 10 includes a shaft 11, a bearing 13 connected to an end of the shaft 11, and a flange 12 in which a part of the shaft 11 is enlarged.
  • the bearing portion 13 has a pair of support portions 14 extending along the axial direction of the shaft portion 11.
  • the pair of support portions 14 are arranged at an interval from each other with the center axis of the shaft portion 11 interposed therebetween.
  • Each support part 14 has a circular support hole 14a.
  • the second member 20 includes a shaft 21, a shaft 23 connected to an end of the shaft 21, and a flange 22 in which a part of the shaft 21 is enlarged in diameter.
  • the shaft 23 protrudes from the end of the shaft 21 toward both sides in a direction orthogonal to the axial direction of the shaft 21.
  • the shaft portion 23 is inserted into the support hole 14a of each support portion 14 (the bearing portion 13) and is rotatably supported by the inner peripheral surface of the support hole 14a.
  • a joint 30 as an axial joint is constituted by the bearing 13 and the shaft 23.
  • the direction in which the first member 10 and the second member 20 extend in a state where the shaft 11 of the first member 10 and the shaft 21 of the second member 20 are located on the same axis is referred to as an extending direction L. There is.
  • An electric field responsive polymer actuator 40 is provided around the joint 30.
  • two dielectric elastomer actuators (DEA: Dielectric Elastomer Actuator) 40A and 40B are provided along the circumferential direction around the joint 30 as the electric field responsive polymer actuator 40.
  • Each DEA 40A, 40B has a half-cylindrical shape.
  • the first end face 40a of each of the DEAs 40A and 40B is fixed to the facing surface of the flange 12 of the first member 10 (the lower surface in FIGS. 1 and 2).
  • the second end surface 40b of each of the DEAs 40A and 40B is fixed to the facing surface of the flange 22 of the second member 20 (the upper surface in FIGS. 1 and 2).
  • each DEA 40A, 40B and each flange 12, 22 are fixed via an adhesive.
  • the DEAs 40A and 40B each include a sheet-shaped dielectric portion 41 made of a dielectric elastomer, and a positive electrode 42 and a negative electrode 43 made of a conductive elastomer and laminated on both sides of the dielectric portion 41 in the thickness direction. It is a multilayered structure having: The surfaces of the DEAs 40A and 40B are covered with an insulating portion 44.
  • the dielectric part 41 when a DC voltage is applied between the positive electrode 42 and the negative electrode 43, the dielectric part 41 is compressed in the thickness direction according to the magnitude of the applied voltage, and the surface of the dielectric part 41 is compressed. Is deformed so as to be stretched in the plane direction A along. Note that the thickness direction of the dielectric part 41 matches the laminating direction of the dielectric part 41, the positive electrode 42, and the negative electrode 43.
  • the dielectric elastomer constituting the dielectric portion 41 is not particularly limited, and a known dielectric elastomer used for DEA can be used.
  • the dielectric elastomer include a crosslinked polyrotaxane, silicone elastomer, acrylic elastomer, and urethane elastomer. One of these dielectric elastomers may be used, or a plurality of them may be used in combination.
  • the thickness of the dielectric portion 41 is, for example, 20 to 200 ⁇ m.
  • the conductive elastomer forming the positive electrode 42 and the negative electrode 43 is not particularly limited, and a conductive elastomer used for a known DEA can be used.
  • Examples of the conductive elastomer include a conductive elastomer containing an insulating polymer and a conductive filler.
  • Examples of the insulating polymer include cross-linked polyrotaxane, silicone elastomer, acrylic elastomer, and urethane elastomer. One of these insulating polymers may be used, or a plurality of them may be used in combination.
  • Examples of the conductive filler include Ketjen Black (registered trademark), carbon black, and metal particles. Examples of the metal particles include copper and silver. One of these conductive fillers may be used, or a plurality of them may be used in combination.
  • the thickness of the positive electrode 42 and the negative electrode 43 is, for example, 10 to 100 ⁇ m.
  • the insulating elastomer constituting the insulating portion 44 is not particularly limited, and a known insulating elastomer used for an insulating portion of a known dielectric elastomer actuator can be used.
  • the insulating elastomer include a crosslinked polyrotaxane, a silicone elastomer, an acrylic elastomer, and a urethane elastomer.
  • One of these insulating elastomers may be used, or a plurality of them may be used in combination.
  • the laminating direction of the dielectric part 41, the positive electrode 42, and the negative electrode 43 of the DEAs 40A and 40B of the present embodiment matches the extending direction L. Accordingly, the DEAs 40A and 40B are compressed and deformed in the extending direction L in response to the application of a voltage, and the first end face 40a fixed to the first member 10 and the second end face fixed to the second member 20. Attempt to change the distance to the 40b. That is, when a voltage is applied to the DEAs 40A and 40B and the DEAs 40A and 40B are compressed and deformed in the extending direction L, the first member 10 and the second member 20 are provided between the first member 10 and the second member 20. An external force acting to change the distance acts. As a result, an external force acting to change the distance between the first member 10 and the second member 20 acts on the joint 30.
  • the control unit 50 includes one or more processors that operate according to a computer program (software) and 2) one or more dedicated circuits such as an application specific integrated circuit (ASIC) that performs at least a part of various processes. Or a circuit including 3) a combination thereof.
  • the processor includes a CPU and a memory such as a RAM and a ROM, and the memory stores a program code or a command configured to cause the CPU to execute a process.
  • Memory or computer readable media includes any available media that can be accessed by a general purpose or special purpose computer.
  • the control unit 50 controls the voltage applied from the power supply 51 to the DEAs 40A and 40B.
  • the DEAs 40A and 40B compress and deform in the stacking direction (extending direction L) of the dielectric unit 41, the positive electrode 42, and the negative electrode 43.
  • the distance between the first end face 40a and the second end face 40b is reduced.
  • an external force acts on the joint 30 so that the distance between the first member 10 and the second member 20 becomes smaller than when no voltage is applied.
  • the frictional resistance acting on the sliding portion of the joint 30 is increased with the external force, so that the joint rigidity is increased.
  • the DEA 40A to which the voltage is applied is compressed and deformed as shown in FIG.
  • the distance between the first end face 40a and the second end face 40b is reduced.
  • the distance between the first end face 40a and the second end face 40b is not changed because the DEA 40B is not deformed.
  • the joint device includes a first member 10, a second member 20 connected to the first member 10 via a joint 30 so as to be relatively displaceable, and a first end surface 40 a fixed to the first member 10. , And a second end face 40 b fixed to the second member 20, and an electric field responsive polymer actuator 40 (DEA 40 A, 40 B) provided around the joint 30.
  • the electric field responsive polymer actuator 40 (DEA 40A, 40B) is intended to change the distance between the first end face 40a and the second end face 40b by being deformed as a voltage is applied.
  • the electric field responsive polymer actuator 40 (DEA 40A, 40B) has better responsiveness than the actuator using the air pressure, so that the responsiveness when changing the joint rigidity can be improved.
  • the electric field responsive polymer actuator 40 (DEA 40A, 40B) is deformed in response to the application of a voltage, a space for providing the actuator around the joint 30 is smaller than that of an actuator using pneumatic pressure. Therefore, the responsiveness when changing the joint stiffness can be improved.
  • the joint device has two electric field responsive polymer actuators 40 (DEA 40A, 40B), and the two electric field responsive polymer actuators 40 (DEA 40A, 40B) extend in the circumferential direction around the joint 30. It is provided along.
  • a voltage is selectively applied to the two electric field responsive polymer actuators 40 (DEA 40A and 40B) provided along the circumferential direction around the joint 30 so that the two electric field responsive properties are obtained.
  • the polymer actuator 40 By selectively deforming the polymer actuator 40 (DEA 40A, 40B), an antagonistic drive joint 30 can be realized.
  • the field-responsive polymer actuator 40 includes a sheet-shaped dielectric part 41 made of a dielectric elastomer, and a positive electrode 42 and a negative electrode 43 made of a conductive elastomer and laminated on both sides of the dielectric part 41 in the thickness direction.
  • DEA 40A (40B) having
  • the DEA 40A (the first end face 40a and the second end face 40b are located on both sides in the thickness direction of the dielectric portion 41, that is, on both sides in the stacking direction of the dielectric portion 41, the positive electrode 42, and the negative electrode 43).
  • the distance between the first end face 40a and the second end face 40b can be changed.
  • the lamination direction of the dielectric portion 41, the positive electrode 42, and the negative electrode 43 is such that the first member 10 and the second member 20 extend in a state where the first member 10 and the second member 20 are located on the same axis. (Extending direction L).
  • the distance between the first end face 40a and the second end face 40b is reduced because the DEAs 40A and 40B are compressed and deformed in the extending direction.
  • an external force acts on the joint 30 so that the distance between the first member 10 and the second member 20 becomes smaller than when no voltage is applied.
  • the frictional resistance which acts on the sliding part of the joint 30 with such external force is increased, so that the joint rigidity is enhanced.
  • the present embodiment can be modified and implemented as follows.
  • the present embodiment and the following modified examples can be implemented in combination with each other within a technically consistent range.
  • a gap may be provided between the DEAs 40A and 40B in the circumferential direction around the joint 30.
  • the joint 30 is not limited to the shaft joint illustrated in the above embodiment, and may be configured as a ball joint, for example.
  • a spherical portion 15 is provided at an end of the shaft portion 11 of the first member 10.
  • a support 25 is provided at an end of the shaft 21 of the second member 20.
  • the support portion 25 has a concave spherical portion 25a that accommodates the spherical portion 15 and supports the spherical portion 15 so as to be relatively displaceable.
  • three DEAs 40A, 40B, and 40C are provided in the circumferential direction around the joint 30. Each DEA 40A, 40B, 40C has a central angle of 120 degrees.
  • one DEA 40W that has a cylindrical shape and is configured to surround the joint 30 may be employed.
  • the entirety of the cylindrical DEA 40W is compressed and deformed, so that the distance between the first end face 40a and the second end face 40b over the entire circumferential direction around the joint 30 is increased. Becomes smaller. Thereby, joint rigidity can be more reliably increased.
  • an actuator for driving the joint may be configured to be built in the joint 30.
  • the stacking direction of the dielectric portion 41, the positive electrode 42, and the negative electrode 43 constituting the DEAs 40A and 40B does not have to coincide with the extending direction L.
  • the laminating direction of the dielectric part 41, the positive electrode 42, and the negative electrode 43 constituting the DEA 40A (40B) may be a direction orthogonal to the extending direction L.
  • the insulating portion is omitted.
  • the DEAs 40A and 40B when a voltage is applied to the DEAs 40A and 40B, the DEAs 40A and 40B are compressed and deformed in a direction orthogonal to the extending direction L, while being expanded and deformed in the extending direction L, so that the first end face is formed.
  • the distance between 40a and the second end face 40b increases.
  • an external force acts on the joint 30 so that the distance between the first member 10 and the second member 20 is larger than when no voltage is applied.
  • the frictional resistance which acts on the sliding part of the joint 30 with such external force is increased, so that the joint rigidity is enhanced.
  • the electric field responsive polymer actuator 40 is not limited to DEA.
  • other electro-responsive polymer actuators such as an ion exchange polymer metal composite (IPMC: Ionic Polymer Metal Composite) may be employed.
  • IPMC ion exchange polymer metal composite
  • Flange Reference numeral 23: shaft portion, 25: support portion, 25a: concave sphere portion, 30: joint, 40: electric field responsive polymer actuator, 40A, 40B, 40C, 40W: DEA (dielectric elastomer actuator, electric field responsive polymer actuator) ), 40a: first end face, 40b: second end face, 41: dielectric section, 42: positive electrode, 43: negative electrode, 44: insulating section, 50: control section, 51: power supply.

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Abstract

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ＤＥＡ（４０Ａ，４０Ｂ）とを備える。各ＤＥＡ（４０Ａ，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端面との間の距離を変更しようとするものである。

Description

関節装置
　本開示は、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、複数のアクチュエータとを備えた関節駆動装置が開示されている。各アクチュエータは、第１構造体に固定された一端部と、第２構造体に固定された他端部とを有し、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は、空気圧を用いてアクチュエータを伸縮させるように構成されている。そのため、関節剛性を変更する際の応答性において改善の余地が残されている。
　本開示の目的は、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た少なくとも一つの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端面との間の距離を変更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端面との間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部材との間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、前記少なくとも一つの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沿って設けられた複数の電場応答性高分子アクチュエータであることが好ましい。
　上記構成によれば、関節を中心とする周方向に沿って設けられた複数の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端面との間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第１端面と第２端面との間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、前記少なくとも一つの電場応答性高分子アクチュエータは一つの電場応答性高分子アクチュエータであり、当該一つの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端面との間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、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端面との間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称するとき、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、前記延在方向と一致することが好ましい。
　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端面との間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部材との間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。
　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称するとき、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。
　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端面との間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部材との間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。
　本開示によれば、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。 同実施形態の関節装置の分解斜視図。 同実施形態の電気的構成を示すブロック図。 同実施形態のＤＥＡの断面図。 同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、本開示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。一対の支持部１４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ている。各支持部１４は、円形状の支持孔１４ａを有している。
　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いる。軸状部２３は、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沿って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では、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、印加電圧の大きさに応じて、誘電部４１が厚さ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。なお、誘電部４１の厚さ方向は、誘電部４１、正極電極４２、及び負極電極４３の積層方向と一致する。
　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、及び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、及び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、及び金属粒子が挙げられる。金属粒子としては、例えば、銅及び銀が挙げられる。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、及び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と一致する。したがって、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部材１０に固定された第１端面４０ａと第２部材２０に固定された第２端面４０ｂとの間の距離を変更しようとする。すなわち、ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂに電圧が印加されてＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂが延在方向Ｌに圧縮変形することで、第１部材１０及び第２部材２０には、第１部材１０と第２部材２０との間の距離を変更しようとする外力が作用する。その結果、第１部材１０と第２部材２０との間の距離を変更しようとする外力が関節３０に作用する。
　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、１）コンピュータプログラム（ソフトウェア）に従って動作する一つ以上のプロセッサ、２）各種処理のうち少なくとも一部の処理を実行する特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）等の一つ以上の専用のハードウェア回路、或いは３）それらの組み合わせ、を含む回路（circuitry）として構成し得る。プロセッサは、ＣＰＵ並びに、ＲＡＭ及びＲＯＭ等のメモリを含み、メモリは、処理をＣＰＵに実行させるように構成されたプログラムコードまたは指令を格納している。メモリすなわちコンピュータ可読媒体は、汎用または専用のコンピュータでアクセスできるあらゆる利用可能な媒体を含む。
　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との間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との間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、ＤＥＡ４０Ａに対して電圧を印加する一方、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との間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との間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の周囲に設けられた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との間の距離を変更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）関節装置は２つの電場応答性高分子アクチュエータ４０（ＤＥＡ４０Ａ，４０Ｂ）を有し、当該２つの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沿って設けられている。
　上記構成によれば、関節３０を中心とする周方向に沿って設けられた２つの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）と一致する。
　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との間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との間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が設けられる。第２部材２０の軸部２１の端部には、支持部２５が設けられる。支持部２５は、球状部１５を収容するとともに球状部１５を相対変位可能に支持する凹球部２５ａを有する。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。
　・関節３０を中心とする周方向に必ずしも複数のＤＥＡを設ける必要はない。例えば、図７に示すように、円筒状をなし、且つ関節３０の周囲を取り囲むように構成された一つのＤＥＡ４０Ｗを採用してもよい。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の積層方向が延在方向Ｌと一致しなくてもよい。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、図８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との間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との間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た少なくとも一つの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端面との間の距離を変更しようとするものである、
    　関節装置。
  2. 　前記少なくとも一つの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沿って設けられた複数の電場応答性高分子アクチュエータである、
    　請求項１に記載の関節装置。
  3. 　前記少なくとも一つの電場応答性高分子アクチュエータは一つの電場応答性高分子アクチュエータであり、当該一つの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称するとき、
    　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、前記延在方向と一致する、
    　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称するとき、
    　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。
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