JP2006203982A - Polymer actuator and articulated hand robot - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer actuator that is small in size, light in weight, can be accommodated into a limited space, and is increased in deformation amount, and to provide an articulated hand robot that is small in size, light in weight, high in the flexibility of shape, and can be operated flexibly and handily. <P>SOLUTION: The polymer actuator 1 is increased in deformation amount, by accommodating a polymer membrane 11 longer than the length of the accommodating space 4 into space by winding, for example, one end of the polymer membrane 11 and/or folding the membrane into a meandering shape or a bellows shape. The articulated hand robot can accommodate the polymer actuator in its fingers and hands, can increase the folding angle at a joint while being small in size and light in weight, can be operated flexibly and dextrously, and can effectively especially be adapted to hands of a robots for support for living and entertainment robots, in particular. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、電圧の印加によって機能する高分子アクチュエータおよびそれを備えた多関節ハンドロボットに関する。   The present invention relates to a polymer actuator that functions by applying a voltage and an articulated hand robot including the same.

従来の電圧印加により機能するアクチュエータとしては、電磁式のほかにも、静電式、圧電式、超音波式、形状記憶合金式、高分子伸縮式などがあるが、高分子伸縮式は柔軟かつ軽量という特長がある。
高分子アクチュエータは、電極を備えた高分子膜に電圧を印加することにより、膜体を伸縮させることができ、アクチュエータとして使用できる。
この高分子アクチュエータの構造および動作原理について、図４を用い説明する。図４において、１１１は高分子膜、１１２は制御部である。制御部１１２にて電極を備えた高分子膜１１１に電圧を印加することにより、高分子膜１１１が伸縮し、高分子アクチュエータとなる。
従来の高分子アクチュエータは、例えば金属膜上に導電性ポリマ（高分子）膜と電解質膜を積層してなり、電圧の印加により生じる導電性ポリマ膜と電解質膜との間でのイオンの授受により、導電性ポリマ膜が体積変化し、その体積変化により金属膜が導電性ポリマ膜とともにたわみ変形するので、そのたわみ変形力を他の物体の駆動などに利用することができる（例えば、特許文献１参照）。
この従来の高分子アクチュエータの構造を図５に示す。図５において、２１１は金属膜、２１２は導電性ポリマ膜、２１３は電解質膜、２１４は電極である。制御部２１５にて金属膜２１１と電極２１４の間に電圧を印加することにより、導電性ポリマ膜２１２と電解質膜２１３との間でイオンの授受が生じ、導電性ポリマ膜２１２が体積変化し、その体積変化により金属膜２１１が導電性ポリマ膜２１２とともにたわみ変形する。従来の高分子アクチュエータは、このたわみ変形を他の物質の駆動などに利用するものである。
また、高分子膜を長手方向に直列に接続した一対の高分子アクチュエータを並列に配置し、各々の両端部を絶縁状態で接続させ、長手方向に対して屈曲する高分子アクチュエータがある（例えば、特許文献２参照）。
この高分子アクチュエータを図６に示す。図６において、３０２は高分子膜（特許文献２ではエレメント）、３０３は接合のための柔軟材、３０４は接合のための絶縁部材である。図示していない制御部にて高分子膜３０２に電圧を印可することにより、各高分子膜がたわみ変形し、図６のように全体として伸縮変形する。
また、表面に金属電極を有する複合成型品が２個以上連結することにより、変位量を大きくした高分子アクチュエータがある（例えば、特許文献３参照）。
この高分子アクチュエータを図７に示す。図７）において、４２１は金属表面、４５１は金属電極、４９７は制御部である。イオン交換樹脂成型品の表面に、相互に絶縁状態で形成された金属電極４５１を備え、制御部４９７にてその金属電極に電圧を印加することにより、湾曲や変位を得ることができる。
このように、従来の高分子アクチュエータは、高分子膜に電圧を印加すると、圧電効果により、たわみ変形するのでアクチュエータとして利用できる。
また、従来の多関節ハンドロボットの駆動源としては、電磁モータが用いられていた。各関節に電磁モータを配置し、回転角度を制御することで、対象物の把持動作などを行っていた。
特開平０９−２９３９１３号公報（第２−４頁、図１） 特開２００４−３１４２１９号公報（第５−８頁、図１） 特開２００４−２８９９９４号公報（第４−５頁、図９） Conventional actuators that function by applying voltage include electrostatic, piezoelectric, ultrasonic, shape memory alloy, and polymer expansion / contraction types. It is lightweight.
The polymer actuator can be expanded and contracted by applying a voltage to a polymer film having electrodes, and can be used as an actuator.
The structure and operating principle of this polymer actuator will be described with reference to FIG. In FIG. 4, 111 is a polymer film, and 112 is a control unit. When the controller 112 applies a voltage to the polymer film 111 having electrodes, the polymer film 111 expands and contracts to become a polymer actuator.
A conventional polymer actuator is formed, for example, by laminating a conductive polymer (polymer) film and an electrolyte film on a metal film, and by exchanging ions between the conductive polymer film and the electrolyte film generated by applying a voltage. Since the volume of the conductive polymer film changes and the metal film is bent and deformed together with the volume of the conductive polymer film due to the volume change, the bending deformation force can be used for driving other objects (for example, Patent Document 1). reference).
The structure of this conventional polymer actuator is shown in FIG. In FIG. 5, 211 is a metal film, 212 is a conductive polymer film, 213 is an electrolyte film, and 214 is an electrode. By applying a voltage between the metal film 211 and the electrode 214 in the control unit 215, exchange of ions occurs between the conductive polymer film 212 and the electrolyte film 213, and the volume of the conductive polymer film 212 changes. Due to the volume change, the metal film 211 is bent and deformed together with the conductive polymer film 212. Conventional polymer actuators utilize this bending deformation for driving other substances.
In addition, there is a polymer actuator in which a pair of polymer actuators in which polymer films are connected in series in the longitudinal direction are arranged in parallel, and both end portions thereof are connected in an insulating state and bent with respect to the longitudinal direction (for example, Patent Document 2).
This polymer actuator is shown in FIG. In FIG. 6, 302 is a polymer film (element in Patent Document 2), 303 is a flexible material for bonding, and 304 is an insulating member for bonding. When a voltage is applied to the polymer film 302 by a control unit (not shown), each polymer film is bent and deformed and stretched and deformed as a whole as shown in FIG.
In addition, there is a polymer actuator in which the amount of displacement is increased by connecting two or more composite molded products having metal electrodes on the surface (see, for example, Patent Document 3).
This polymer actuator is shown in FIG. In FIG. 7), 421 is a metal surface, 451 is a metal electrode, and 497 is a control unit. Curves and displacements can be obtained by providing metal electrodes 451 formed in an insulated state on the surface of the ion exchange resin molded product, and applying a voltage to the metal electrodes by the control unit 497.
Thus, the conventional polymer actuator can be used as an actuator because it is deformed by the piezoelectric effect when a voltage is applied to the polymer film.
In addition, an electromagnetic motor has been used as a drive source for a conventional articulated hand robot. An electromagnetic motor is disposed at each joint, and the object is gripped by controlling the rotation angle.
JP 09-293913 (page 2-4, FIG. 1) Japanese Patent Laying-Open No. 2004-314219 (page 5-8, FIG. 1) JP 2004-289994 A (page 4-5, FIG. 9)

ところが、従来の高分子アクチュエータは、高分子膜の伸縮率が十分に大きくないので、必要な変形量を確保するために高分子膜を十分に長くする必要があった。しかし、限られた空間に収納する必要がある場合には、高分子膜を長くすることができず、十分な変形量を有する高分子アクチュエータを得ることができないという問題があった。
電磁モータを用いた多関節ハンドロボットは、電磁モータの形状や配置に自由度がないため、多関節ハンドロボットの形状に制約があるという問題があった。また、動作音や振動、電磁ノイズが発生するという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、高分子膜の長さが収納空間よりも長くすることにより、変形量の大きな高分子アクチュエータおよびそれを備えた多関節ハンドロボットを提供することを目的とする。 However, in the conventional polymer actuator, since the expansion / contraction rate of the polymer film is not sufficiently large, it is necessary to make the polymer film sufficiently long in order to secure a necessary deformation amount. However, when it is necessary to store in a limited space, there is a problem that the polymer film cannot be lengthened and a polymer actuator having a sufficient amount of deformation cannot be obtained.
An articulated hand robot using an electromagnetic motor has a problem in that the shape of the articulated hand robot is limited because the shape and arrangement of the electromagnetic motor are not flexible. There is also a problem that operation noise, vibration, and electromagnetic noise are generated.
The present invention has been made in view of such problems. By making the length of the polymer film longer than the storage space, a polymer actuator having a large deformation amount and an articulated hand robot including the same can be obtained. The purpose is to provide.

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、高分子化合物からなる高分子膜と、前記高分子膜に電圧を印加する電極と、前記高分子膜と前記電極を収納した収納空間と、前記電極への電圧を制御する制御部とを備えた高分子アクチュエータにおいて、前記収納空間の伸長方向の長さよりも長い前記高分子膜が収納部を形成したものである。
請求項２に記載の発明は、前記高分子膜の前記収納部が巻き取り機構からなるものである。
請求項３に記載の発明は、前記高分子膜の前記収納部がつづら折り状または蛇腹状に折り機構からなるものである。
請求項４に記載の発明は、折り曲げる機能を持つ関節部を有する多関節ハンドロボットにおいて、前記関節部に、収納空間の長さよりも長い収納部を形成した高分子膜と、前記高分子膜に電圧を印加する電極とからなるものである。 In order to solve the above problems, the present invention is configured as follows.
The invention according to claim 1 is a polymer film made of a polymer compound, an electrode for applying a voltage to the polymer film, a storage space for storing the polymer film and the electrode, and a voltage to the electrode. In the polymer actuator provided with a control unit that controls the storage space, the polymer film that is longer than the length of the storage space in the extending direction forms the storage portion.
According to a second aspect of the present invention, the storage portion of the polymer film is composed of a winding mechanism.
According to a third aspect of the present invention, the storage portion of the polymer film includes a folding mechanism in a zigzag or bellows shape.
According to a fourth aspect of the present invention, in the multi-joint hand robot having a joint part having a bending function, a polymer film in which a storage part longer than a storage space is formed in the joint part, and the polymer film And an electrode to which a voltage is applied.

請求項１に記載の発明によると、高分子膜の長さを収納空間よりも長くすることから、小さな伸縮率の高分子アクチュエータでも変形量を大きくすることができる。
また、請求項２または３に記載の発明によると、限られた空間に長さの長い高分子膜を収納できるので、高分子アクチュエータの変形量を大きくできる。
また、請求項４に記載の発明によると、変形量の大きな高分子アクチュエータを備えることにより、小形軽量の多関節ハンドロボットで関節部の折り曲げ角を大きくできる。また、動作音や振動、電磁ノイズも極めて小さくできる。 According to the first aspect of the present invention, since the length of the polymer film is made longer than the storage space, the amount of deformation can be increased even with a polymer actuator having a small expansion / contraction rate.
According to the invention described in claim 2 or 3, since a long polymer film can be stored in a limited space, the deformation amount of the polymer actuator can be increased.
According to the invention described in claim 4, by providing the polymer actuator with a large deformation amount, the bending angle of the joint portion can be increased by a small and light multi-joint hand robot. In addition, operation noise, vibration, and electromagnetic noise can be extremely reduced.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、本発明の実施例１を示す高分子アクチュエータの構造および動作を示す図である。図１において、１は高分子アクチュエータ、１０は収納部（１２は巻き取り機構）、１１は高分子膜、２は制御部、４は収納空間、５は電極である。高分子アクチュエータ１は巻き取り部１２と電極５を備えた高分子膜１１からなっており、高分子膜１１の一端を巻き取ることにより、収納空間４の長さの３倍の長さの高分子膜１を収納している。
本発明が特許文献１、２および３と異なる部分は、高分子膜１１の一端を巻き取ることにより、収納空間４の長さよりも長い高分子膜を収納した部分である。
つぎに、本実施例の動作を図１を用いて説明する。
高分子膜１１に備えた電極５に、制御部２により電圧を印加すると、高分子膜１１に伸縮力が生じ、アクチュエータとして機能することができる。その際、高分子膜の一端を巻き取ることにより、収納空間４の長さの３倍の長さの高分子膜を収納しているため、収納空間４の長さの高分子膜の場合と比較して、約３倍の変形量を得ることができた。 FIG. 1 is a diagram showing the structure and operation of a polymer actuator showing Example 1 of the present invention. In FIG. 1, 1 is a polymer actuator, 10 is a storage unit (12 is a winding mechanism), 11 is a polymer film, 2 is a control unit, 4 is a storage space, and 5 is an electrode. The polymer actuator 1 is composed of a polymer film 11 having a winding part 12 and an electrode 5, and by winding up one end of the polymer film 11, the polymer actuator 1 has a height three times the length of the storage space 4. The molecular film 1 is accommodated.
The part where the present invention is different from Patent Documents 1, 2, and 3 is a part that accommodates a polymer film longer than the length of the accommodation space 4 by winding up one end of the polymer film 11.
Next, the operation of this embodiment will be described with reference to FIG.
When a voltage is applied to the electrode 5 provided in the polymer film 11 by the control unit 2, a stretching force is generated in the polymer film 11 and can function as an actuator. At this time, since one end of the polymer film is wound up to store the polymer film having a length three times the length of the storage space 4, the case of the polymer film having the length of the storage space 4 In comparison, a deformation amount about three times as large could be obtained.

図２は、本発明の実施例２を示す高分子アクチュエータの構造および動作を示す図である。図２において、１は高分子アクチュエータ、１１は高分子膜、１２はつづら折り機構、２は制御部、４は収納空間である。高分子アクチュエータ１はつづら折り機構１３と電極５を備えた高分子膜１１と制御部２からなっており、高分子膜１１をつづら折りにすることにより、収納空間４の長さの４倍の長さの高分子膜１１を収納している。
本発明が特許文献１、２および３と異なる部分は、高分子膜１１をつづら折りにすることにより、収納空間４の長さよりも長い高分子膜を収納した部分である。
つぎに、本実施例の動作を図２を用いて説明する。
高分子膜１１に備えた電極５に、制御部２により電圧を印加すると、高分子膜１１に伸縮力が生じ、アクチュエータとして機能することができる。その際、つづら折りとすることにより、収納空間４の長さの４倍の長さの高分子膜を収納しているため、収納空間４の長さの高分子膜の場合と比較して、約４倍の変形量を得ることができた。
なお、ここではつづら折りの場合について図２を用い説明したが、蛇腹状に折り込むことによっても同様の効果が得られる。また、その一端の巻き取りとつづら折りや蛇腹状に折り込むことを組み合わせても本発明は有効である。すなわち、本発明は、収納空間の長さよりも長い高分子膜を納めることにより、変形量を大きくするという効果が得られるのであり、収納させるための方法に限定されるものではない。 FIG. 2 is a diagram showing the structure and operation of a polymer actuator showing Example 2 of the present invention. In FIG. 2, 1 is a polymer actuator, 11 is a polymer film, 12 is a zigzag folding mechanism, 2 is a control unit, and 4 is a storage space. The polymer actuator 1 is composed of a polymer film 11 having a zigzag folding mechanism 13 and an electrode 5 and a control unit 2, and the length of the storage space 4 is four times longer by zigzag folding the polymer film 11. The polymer film 11 is housed.
The part in which the present invention differs from Patent Documents 1, 2, and 3 is a part that accommodates a polymer film longer than the length of the accommodation space 4 by folding the polymer film 11 in a zigzag manner.
Next, the operation of this embodiment will be described with reference to FIG.
When a voltage is applied to the electrode 5 provided in the polymer film 11 by the control unit 2, a stretching force is generated in the polymer film 11 and can function as an actuator. At this time, since the polymer film having a length four times the length of the storage space 4 is stored by being folded in a zigzag manner, compared with the case of the polymer film having the length of the storage space 4, approximately Four times the deformation amount could be obtained.
Here, the case of spell folding has been described with reference to FIG. 2, but the same effect can be obtained by folding in a bellows shape. Further, the present invention is also effective by combining winding of one end thereof and zigzag folding or folding in a bellows shape. That is, the present invention provides an effect of increasing the deformation amount by storing a polymer film longer than the length of the storage space, and is not limited to the method for storing.

図３は、本発明の実施例３を示す多関節ハンドロボットの関節の動作を説明する図である。図３において、１は高分子アクチュエータ、３は関節部である。高分子膜の一端を巻き取った高分子アクチュエータ１を多関節ハンドロボットの指の空間に収納し、もう一端を関節部３に接続している。
本発明が従来の多関節と異なる部分は、小形軽量で変形量の大きな高分子アクチュエータを指の部分に収納していることである。
つぎに、本実施例の動作を図３を用いて説明する。
高分子アクチュエータ１に備えた図示していない電極に、図示していない制御部２により電圧を印加すると、高分子膜に伸縮力が生じ、アクチュエータとして機能する。高分子アクチュエータ１の一端を関節部３に接続し、高分子アクチュエータ１の伸縮力が、関節部３の回転力に変換される。この関節部３の動きが指を動かし、その指を備えた多関節ハンドロボットが手として動作することができる。
ここでは、図３を用い、高分子膜の一端を巻き取った高分子アクチュエータを備えた多関節ハンドロボットについて説明したが、これは一例に過ぎず、実施例２のように高分子膜をつづら折りや蛇腹状に折った場合でも同様の効果が得られる。また、収納空間の長さよりも長い高分子膜を納めることにより、高分子アクチュエータの変形量が大きくできる。それを備えた多関節ハンドロボットは、指や掌部に高分子アクチュエータを収納でき、小形軽量でありながら、関節部の折り曲げ角を大きくでき、柔軟で器用な動作が可能となる。
したがって、本発明の多関節ハンドロボットは、高分子アクチュエータの本来有する柔軟かつ軽量で、形状や配置の自由度が高いといった長所と合わせると、例えば生活支援ロボットやエンターテイメントロボットのハンドなど、人と接する機会の多い部分への適用などで特に有効である。 FIG. 3 is a view for explaining the joint operation of the multi-joint hand robot showing Embodiment 3 of the present invention. In FIG. 3, 1 is a polymer actuator, and 3 is a joint. The polymer actuator 1 wound up on one end of the polymer film is housed in the finger space of the articulated hand robot, and the other end is connected to the joint 3.
The difference between the present invention and the conventional articulated joint is that a small and light polymer actuator having a large deformation amount is accommodated in the finger portion.
Next, the operation of this embodiment will be described with reference to FIG.
When a voltage is applied to an electrode (not shown) provided in the polymer actuator 1 by a control unit 2 (not shown), a stretching force is generated in the polymer film and functions as an actuator. One end of the polymer actuator 1 is connected to the joint 3, and the expansion / contraction force of the polymer actuator 1 is converted into the rotational force of the joint 3. The movement of the joint part 3 moves the finger, and the multi-joint hand robot provided with the finger can operate as a hand.
Here, the multi-joint hand robot provided with the polymer actuator in which one end of the polymer film is wound up has been described with reference to FIG. 3, but this is only an example, and the polymer film is folded as in the second embodiment. The same effect can be obtained even when folded in a bellows shape. Moreover, the amount of deformation of the polymer actuator can be increased by storing the polymer film longer than the length of the storage space. An articulated hand robot equipped with such a device can accommodate a polymer actuator in a finger or palm, and is small and light, but can increase the bending angle of the joint, thereby enabling flexible and dexterous operation.
Therefore, the articulated hand robot of the present invention is in contact with a person such as a life support robot or an entertainment robot hand, when combined with the advantages of the flexible and light weight inherent in polymer actuators and the high degree of freedom in shape and arrangement. This is especially effective when applied to areas with many opportunities.

本発明の高分子アクチュエータは、限られた空間であっても変形量を大きくできるので、従来は困難であった超小形の機器や、収納空間が限られた機器、および、曲面や球面など平面以外の場所への設置などにも適用できる。
また、本発明の多関節ハンドロボットは、小形、軽量かつ柔軟で、形状の自由度が高いので、手としての動作に制約を与えることなく、しなやかで柔軟な動作が実現でき、産業用ロボット以外にも、生活支援ロボットやエンターテイメントロボットなどに適用できる。 Since the polymer actuator of the present invention can increase the amount of deformation even in a limited space, it has been difficult to achieve with ultra-small devices, devices with limited storage space, and flat surfaces such as curved surfaces and spherical surfaces. It can also be applied to other locations.
In addition, the articulated hand robot of the present invention is small, lightweight and flexible, and has a high degree of freedom in shape, so it can realize flexible and flexible movement without restricting movement as a hand. In addition, it can be applied to life support robots and entertainment robots.

本発明の実施例１を示す高分子アクチュエータの構造と動作の説明図Explanatory drawing of the structure and operation | movement of a polymer actuator which shows Example 1 of this invention. 本発明の実施例２を示す高分子アクチュエータの構造と動作の説明図Explanatory drawing of the structure and operation | movement of a polymer actuator which shows Example 2 of this invention. 本発明の実施例３を示す多関節ロボットハンドの構造と動作の説明図Explanatory drawing of the structure and operation | movement of an articulated robot hand which shows Example 3 of this invention. 従来の高分子アクチュエータの構造と動作の説明図Explanation of structure and operation of conventional polymer actuator 従来の高分子アクチュエータの構造を示す正面図Front view showing the structure of a conventional polymer actuator 従来の高分子アクチュエータの構造と動作の説明図Explanation of structure and operation of conventional polymer actuator 従来の高分子アクチュエータの構造を示す斜視図A perspective view showing the structure of a conventional polymer actuator

符号の説明Explanation of symbols

１ 高分子アクチュエータ
１０ 収納部
１１ 高分子膜
１２ 巻き取り部
１３ つづら折り部
２ 制御部
３ 関節部
４ 収納空間
５ 電極
１１１ 高分子膜
１１２ 制御部
２１１ 金属膜
２１２ 導電性ポリマ膜
２１３ 電解質膜
２１４ 電極
２１５ 制御部
３０２ 高分子膜
３０３ 柔軟接合材
３０４ 絶縁部材
４２１ 金属表面
４５１ 金属電極
４９７ 制御部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Polymer actuator 10 Storage part 11 Polymer film 12 Winding part 13 Spelling folding part 2 Control part 3 Joint part 4 Storage space 5 Electrode 111 Polymer film 112 Control part 211 Metal film 212 Conductive polymer film 213 Electrolyte film 214 Electrode 215 Control unit 302 Polymer film 303 Flexible bonding material 304 Insulating member 421 Metal surface 451 Metal electrode 497 Control unit

Claims (4)

高分子化合物からなる高分子膜と、前記高分子膜に電圧を印加する電極と、前記高分子膜と前記電極を収納する収納空間と、前記電極への電圧を制御する制御部とを備えた高分子アクチュエータにおいて、
前記収納空間の伸長方向の長さよりも長い前記高分子膜が収納部を形成したことを特徴とする高分子アクチュエータ。 A polymer film made of a polymer compound; an electrode for applying a voltage to the polymer film; a storage space for storing the polymer film and the electrode; and a control unit for controlling the voltage to the electrode. In polymer actuators,
A polymer actuator, wherein the polymer film longer than the length of the storage space in the extending direction forms a storage part. 前記高分子膜の前記収納部が巻き取り部からなることを特徴とする請求項１記載の高分子アクチュエータ。   The polymer actuator according to claim 1, wherein the storage portion of the polymer film is a winding portion. 前記高分子膜の前記収納部がつづら折り状または蛇腹状に折り部からなることを特徴とする請求項１記載の高分子アクチュエータ。   2. The polymer actuator according to claim 1, wherein the storage portion of the polymer film is formed of a folded portion in a zigzag or bellows shape. 折り曲げる機能を持つ関節部を有する多関節ハンドロボットにおいて、
前記関節部に、収納空間の長さよりも長い収納部を形成した高分子膜と、前記高分子膜に電圧を印加する電極とからなることを特徴とする多関節ハンドロボット。 In an articulated hand robot having a joint part with a function of bending,
An articulated hand robot comprising: a polymer film in which a storage part longer than a length of a storage space is formed in the joint part; and an electrode for applying a voltage to the polymer film.

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