JP2009257580A - Adjustment device of mechanical impedance, control method therefor, standing assisting chair and rocking arm using adjustment device of mechanical impedance - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ロボット等の駆動機構における機械的インピーダンスの調節装置と、それを用いた立ち上がり補助椅子および揺動アーム、更には機械的インピーダンス調節装置の制御方法に関するものである。 The present invention relates to a mechanical impedance adjusting device in a driving mechanism such as a robot, a stand-up auxiliary chair and a swing arm using the same, and a control method of the mechanical impedance adjusting device.
良く知られているように、ロボット等の機械装置において、例えば腕部骨格などの駆動部材を駆動せしめるには、サーボモータ等の駆動源を各関節部分に設けたり、関節から離れた本体に近い位置に駆動源を配設して、ワイヤ等を介して駆動源の駆動力を駆動部材に伝達するようにされている。 As is well known, in order to drive a drive member such as an arm skeleton in a mechanical device such as a robot, a drive source such as a servo motor is provided at each joint part or close to the main body away from the joint. A drive source is disposed at the position, and the drive force of the drive source is transmitted to the drive member via a wire or the like.
ところで、このような機械装置の可動部分には、適当なコンプライアンスを要求されることが多い。例えばロボットの腕部に適当なコンプライアンスが付与されていないと、物を掴む際に、対象物と手指との僅かな位置ズレも吸収出来ず、物を巧く掴めなかったり、可動部分が障害物に衝突した際に、衝突の衝撃を吸収出来ず、骨格などの駆動部材を損傷したり、衝突の衝撃が駆動源にそのまま伝達されることによって駆動源に過負荷を及ぼすこととなり、駆動源を損傷するおそれがあるからである。 By the way, in many cases, appropriate compliance is required for the movable part of such a mechanical device. For example, if appropriate compliance is not given to the arm part of the robot, when the object is grasped, even a slight misalignment between the object and fingers cannot be absorbed, the object cannot be grasped skillfully, or the movable part is an obstacle. When a collision occurs, the impact of the collision cannot be absorbed, driving members such as the skeleton are damaged, or the impact of the collision is transmitted to the drive source as it is, and the drive source is overloaded. This is because there is a risk of damage.
そこで、可動部分の機械的なインピーダンスを調節して、可動部分に適当なコンプライアンスを付与する工夫がなされている。例えば特許文献１乃至特許文献３には、可動部分にコイルスプリングや空気バネなどのバネ部材によって構成された機械的インピーダンス制御機構を設けることによって、可動部分に所定のコンプライアンスを与える構造が開示されている。
In view of this, a device has been devised to adjust the mechanical impedance of the movable part to give an appropriate compliance to the movable part. For example,
ところが、特許文献１乃至特許文献３に記載のインピーダンス制御機構においては、バネ部材の弾性によって、予め定められた所定のコンプライアンスを付与することしか出来ない。それ故、所定値（バネ定数）以下の入力に対してはコンプライアンス性を発揮することが出来ない。一方、所定値に比して過大な入力に対しては十分に緩衝することが出来ないという問題があった。
However, in the impedance control mechanisms described in
ここにおいて、本発明は上述の如き事情を背景として為されたものであって、その解決課題とするところは、ロボット等の機械装置において、可動部分の機械的インピーダンスを調節することの出来る、従来に無い機械的インピーダンスの調節装置とその制御方法、機械的インピーダンスの調節装置を用いた立ち上がり補助椅子および揺動アームを提供することにある。 Here, the present invention has been made in the background as described above, and the problem to be solved is that in a mechanical device such as a robot, the mechanical impedance of a movable part can be adjusted. An object of the present invention is to provide a mechanical impedance adjusting device and a control method thereof, and a stand-up auxiliary chair and a swing arm using the mechanical impedance adjusting device.
以下、前述の如き課題を解決するために為された本発明の態様を記載する。なお、以下に記載の各態様において採用される構成要素は、可能な限り任意の組み合わせで採用可能である。 Hereinafter, embodiments of the present invention made to solve the above-described problems will be described. In addition, the component employ | adopted in each aspect as described below is employable by arbitrary combinations as much as possible.
すなわち、本発明の第一の態様は、駆動源と、該駆動源によって駆動せしめられる駆動部材との動力伝達経路上に配設される機械的インピーダンスの調節装置において、誘電体エラストマーによって形成された誘電膜の両面に電極層を形成した誘電体素子を前記動力伝達経路上に配設し、該電極層への印加電圧を調節することによって機械的インピーダンスを調節出来るようにしたことを、特徴とする。 That is, the first aspect of the present invention is a mechanical impedance adjusting device disposed on a power transmission path between a driving source and a driving member driven by the driving source, and is formed of a dielectric elastomer. A dielectric element having electrode layers formed on both sides of a dielectric film is disposed on the power transmission path, and a mechanical impedance can be adjusted by adjusting a voltage applied to the electrode layer. To do.
本態様に従う構造とされた機械的インピーダンスの調節装置においては、誘電体素子の電極層への印加電圧を大きくすると、両電極層間の静電引力が大きくなる。これにより、両電極層間に介在せしめられた誘電膜は膜厚方向から圧縮されて、誘電膜の厚さ寸法が小さくされると共に、面寸法が大きくされる。一方、電極層への印加電圧を小さくすると、両電極間の静電引力が小さくなる。これにより、両電極層間の静電引力が小さくされて、両電極間に介在せしめられた誘電膜は、自身の復元力によって厚さ寸法が大きくされると共に、面寸法が小さくされる。 In the mechanical impedance adjusting device structured according to this aspect, when the voltage applied to the electrode layer of the dielectric element is increased, the electrostatic attractive force between both electrode layers is increased. As a result, the dielectric film interposed between the two electrode layers is compressed from the film thickness direction to reduce the thickness dimension of the dielectric film and increase the surface dimension. On the other hand, when the voltage applied to the electrode layer is reduced, the electrostatic attractive force between both electrodes is reduced. As a result, the electrostatic attractive force between the two electrode layers is reduced, and the thickness of the dielectric film interposed between the two electrodes is increased by its own restoring force, and the surface dimension is reduced.
したがって、かかる誘電膜と電極層から形成された誘電体素子の複数を動力伝達経路上に配設して、誘電体素子の電極層への印加電圧を調節することによって、各誘電体素子の伸張を調節することが出来て、以て、駆動部材の機械的インピーダンスを調節することの出来る調節装置が実現可能とされるのである。 Accordingly, a plurality of dielectric elements formed from such a dielectric film and electrode layers are disposed on the power transmission path, and the applied voltage to the electrode layers of the dielectric elements is adjusted, thereby expanding each dielectric element. Therefore, an adjusting device that can adjust the mechanical impedance of the driving member can be realized.
すなわち、例えば駆動源としての電気モータと駆動部材を動力伝達経路としてのワイヤで連結して、かかるワイヤ上に本発明に係る機械的インピーダンスの調節装置の適用した場合を想定する。そこにおいて、駆動部材が障害物への打ち当たり等の外力の作用によって急激に変位せしめられると、ワイヤに過大な引張力が及ぼされることがある。かかる場合に、電極層への印加電圧を増大せしめて、調節装置をワイヤの引張方向に伸張せしめれば、ワイヤの引張力を調節装置の変形で吸収することが出来て、電気モータに過大な負荷が及ぼされることを回避乃至は軽減することが出来る。また、かかる駆動部材がロボットの手指の場合には、物を掴む直前に印加電圧を大きくすると、調節装置がワイヤの延出方向に伸張せしめられて、実質的にワイヤが伸張せしめられる結果、手指の駆動速度を低下せしめることが出来る。これにより、物を柔らかく掴むことも実現可能となる。加えて、調節装置が伸張せしめられることによって適当なコンプライアンスが付与されることから、手指と対象物との多少の位置ズレを吸収すること等も可能となる。要するに、本発明における機械的インピーダンス調節装置を用いれば、実質的に動力伝達経路の長さ寸法を状況に応じて変化せしめることが可能とされるのであり、これにより、駆動源への過負荷の防止効果および適当なコンプライアンスの付与が実現されるのである。 That is, for example, it is assumed that an electric motor as a driving source and a driving member are connected by a wire as a power transmission path, and the mechanical impedance adjusting device according to the present invention is applied to the wire. In this case, if the driving member is suddenly displaced by the action of an external force such as hitting an obstacle, an excessive tensile force may be exerted on the wire. In such a case, if the voltage applied to the electrode layer is increased and the adjusting device is extended in the wire pulling direction, the tensile force of the wire can be absorbed by the deformation of the adjusting device, and the electric motor is excessive. It is possible to avoid or reduce the load. When the driving member is a robot finger, increasing the applied voltage immediately before grasping the object causes the adjustment device to extend in the wire extending direction, thereby substantially extending the wire. The driving speed can be reduced. This also makes it possible to grasp an object softly. In addition, since an appropriate compliance is given by extending the adjusting device, it is possible to absorb a slight positional deviation between the finger and the object. In short, the use of the mechanical impedance adjusting device of the present invention makes it possible to substantially change the length of the power transmission path according to the situation. The prevention effect and the provision of appropriate compliance are realized.
なお、本発明にかかる調節装置によって機械的インピーダンスが変化せしめられる理由としては、上述の如き動力伝達経路の実質的な長さ寸法の変化の他にも、様々な理由が考えられるが、調節装置のバネ定数が変化することも理由の一つと推考される。即ち、電極層への印加電圧に応じて、各誘電体素子の動力伝達経路方向と直交する方向の断面積が変化せしめられる。これにより、それら複数の誘電体素子から構成された調節装置のバネ定数が変化せしめられて、機械的インピーダンスが変化せしめられるのである。 The reason why the mechanical impedance is changed by the adjusting device according to the present invention may be various reasons other than the substantial change in the length of the power transmission path as described above. One of the reasons is that the spring constant of s. That is, the cross-sectional area of each dielectric element in the direction orthogonal to the power transmission path direction is changed according to the voltage applied to the electrode layer. As a result, the spring constant of the adjusting device composed of the plurality of dielectric elements is changed, and the mechanical impedance is changed.
そこにおいて、特に本発明における調節装置によれば、動力伝達経路方向の長さ寸法やバネ定数を、電極層への印加電圧を調節することによって所期の大きさに調節することが可能とされている。その結果、機械的インピーダンスを所期の大きさに調節設定することが可能とされるのであり、周囲の環境や使用状況に応じて、機械的インピーダンスを変化させることが出来るのである。即ち、上述の如き従来構造に従うバネ部材を用いた機械的インピーダンス制御装置が予め定められた特定のコンプライアンスを付与するのみのものであるのに対して、本発明に従う調節装置を用いれば、コンプライアンスを積極的に変化せしめることが出来るのである。これにより、例えばバネ部材を用いた従来構造に従う機械的インピーダンス制御装置が駆動部材を一定の速度で駆動せしめるのみであるのに比して、本発明によれば、例えば駆動部材が障害物と接触するおそれのない領域を駆動せしめられている間はコンプライアンスを低めに設定して安定した駆動を行なう一方、障害物と接触するおそれのある領域ではコンプライアンスを高めに設定して、障害物との接触した場合でも駆動部材や駆動源、および障害物を損傷するおそれを回避乃至は低減することも可能となるのである。 In particular, according to the adjusting device of the present invention, it is possible to adjust the length dimension and the spring constant in the direction of the power transmission path to an intended size by adjusting the voltage applied to the electrode layer. ing. As a result, it is possible to adjust and set the mechanical impedance to a desired size, and the mechanical impedance can be changed according to the surrounding environment and usage conditions. That is, the mechanical impedance control device using the spring member according to the conventional structure as described above only gives a predetermined specific compliance, whereas the adjustment device according to the present invention is used for compliance. It can be actively changed. Thus, according to the present invention, for example, the driving member is in contact with an obstacle, as compared with a mechanical impedance control device according to a conventional structure using, for example, a spring member, which only drives the driving member at a constant speed. While driving an area where there is no risk of failure, the compliance is set low and stable driving is performed, while in an area where there is a risk of contact with an obstacle, compliance is set higher and contact with the obstacle is performed. Even in such a case, it is possible to avoid or reduce the risk of damaging the driving member, the driving source, and the obstacle.
また、誘電体素子は小さく形成することが容易であることから、調節装置をコンパクト且つ軽量に構成することも容易である。それ故、ロボットなどの機械装置の駆動力伝達経路上に容易に配設することが出来る。そして、部品点数もコンパクトに抑えられることから、良好な耐久性を確保することも出来る。加えて、誘電体素子の伸縮が誘電膜の変形によって行なわれることから、駆動音も殆どなく、優れた静粛性を得ることも出来る。 In addition, since the dielectric element can be easily formed small, it is easy to configure the adjusting device to be compact and lightweight. Therefore, it can be easily arranged on the driving force transmission path of a mechanical device such as a robot. And since a number of parts can also be suppressed compactly, favorable durability can also be ensured. In addition, since the expansion and contraction of the dielectric element is performed by the deformation of the dielectric film, there is almost no driving sound and excellent quietness can be obtained.
なお、電極層への印加電圧を調節する態様としては、本発明の第二の態様として、前記電極層への印加電圧の大きさを調節することによって機械的インピーダンスを調節出来るようにした態様が好適に採用されるが、かかる第二の態様に加えて、或いは代えて、本発明の第三の態様として、電圧を印加する電極層の数を調節することによって機械的インピーダンスを調節出来るようにした態様も、好適に採用され得る。要するに、例えば全ての誘電体素子の電極層に同じ電圧を印加して、かかる印加電圧を増減せしめても良いし、印加時の電圧は一定にしておいて、電圧を印加する誘電体素子の数を増減せしめる等しても良い。勿論、上記両態様を組み合わせて、各誘電体素子の電極層への印加電圧の大きさを個別に制御する等しても良い。 As an aspect for adjusting the voltage applied to the electrode layer, as a second aspect of the present invention, an aspect in which the mechanical impedance can be adjusted by adjusting the magnitude of the voltage applied to the electrode layer. Although preferably employed, in addition to or instead of the second aspect, as a third aspect of the present invention, the mechanical impedance can be adjusted by adjusting the number of electrode layers to which a voltage is applied. The aspect which carried out can also be employ | adopted suitably. In short, for example, the same voltage may be applied to the electrode layers of all the dielectric elements to increase or decrease the applied voltage, or the number of dielectric elements to which the voltage is applied is kept constant at the time of application. May be increased or decreased. Of course, the magnitude of the voltage applied to the electrode layer of each dielectric element may be individually controlled by combining both the above aspects.
本発明の第四の態様は、前記第一乃至第三の何れか一つの態様に係る機械的インピーダンスの調節装置において、前記誘電体素子が、前記電極層を備えた前記誘電膜が丸められて形成された筒形状を有すると共に該電極層への電圧の印加に応じて軸方向に伸縮せしめられる筒型誘電体素子とされており、該筒型誘電体素子の軸方向が前記動力伝達経路の方向と等しくされていることを、特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the mechanical impedance adjusting device according to any one of the first to third aspects, the dielectric element is formed by rounding the dielectric film including the electrode layer. The cylindrical dielectric element has a formed cylindrical shape and can be expanded and contracted in the axial direction in response to application of a voltage to the electrode layer, and the axial direction of the cylindrical dielectric element is the axis of the power transmission path. It is characterized by being equal to the direction.
本態様によれば、誘電体素子が筒形状とされていることから、電極層への印加電圧を大きくした場合には、誘電膜の伸張が軸方向に発現せしめられる。これにより、誘電体素子の駆動力を軸方向に取り出すことが出来て、調節装置の伸縮方向をより安定せしめることが出来る。そして、筒型誘電体素子の軸方向が動力伝達経路の方向と等しくされていることによって、筒型誘電体素子、延いては調節装置の伸縮方向を動力伝達経路の方向と略一致せしめることが出来て、動力伝達経路の実質的な長さ寸法の変化をより安定して発現せしめることが出来る。なお、本態様における筒形状とは、周方向に途切れることなく連続する円筒形状のみならず、シート状の誘電膜を渦巻状に丸めたもの等も含む。更に、誘電膜の重ね合わせの枚数も何等限定されるものではなく、周方向に連続する円筒形状の誘電膜を複数枚重ね合わせても良いし、シート状の誘電膜を複数周に亘って渦巻状に丸めたりしても良い。また、筒型誘電体素子の軸方向は、動力伝達経路の方向と厳密に一致せしめられている必要は無いのであって、駆動源の動力の伝達を阻害しない程度に一致せしめられていれば良い。 According to this aspect, since the dielectric element has a cylindrical shape, when the voltage applied to the electrode layer is increased, the expansion of the dielectric film is caused to appear in the axial direction. Thereby, the driving force of the dielectric element can be extracted in the axial direction, and the expansion / contraction direction of the adjusting device can be further stabilized. Further, by making the axial direction of the cylindrical dielectric element equal to the direction of the power transmission path, the expansion / contraction direction of the cylindrical dielectric element, and thus the adjusting device, can be made substantially coincident with the direction of the power transmission path. As a result, the substantial change in the length of the power transmission path can be expressed more stably. In addition, the cylindrical shape in this aspect includes not only a cylindrical shape that is continuous without being interrupted in the circumferential direction but also a sheet-like dielectric film that is rolled into a spiral shape. Further, the number of overlapping dielectric films is not limited, and a plurality of cylindrical dielectric films continuous in the circumferential direction may be overlapped, or a sheet-like dielectric film may be spirally wound over a plurality of circumferences. It may be rolled into a shape. Further, the axial direction of the cylindrical dielectric element does not need to be strictly matched with the direction of the power transmission path, and may be matched to the extent that the power transmission of the drive source is not hindered. .
本発明の第五の態様は、前記第四の態様に係る機械的インピーダンスの調節装置において、前記筒型誘電体素子が、軸方向に弾性変形可能な芯材に前記電極層を備えた前記誘電膜が巻回せしめられて形成されていることを、特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the mechanical impedance adjusting device according to the fourth aspect, the cylindrical dielectric element includes the electrode layer provided on a core material that is elastically deformable in an axial direction. It is characterized in that the film is formed by being wound.
本態様によれば、芯材によって誘電体素子の伸縮方向を軸方向により安定せしめることが出来る。そして、芯材の弾性力を利用することによって、より速やかな伸縮作動を行なうことも可能となる。なお、本態様における芯材は何等限定されるものではないが、コイルスプリングやエラストマー等が好適に採用され得る。 According to this aspect, the expansion / contraction direction of the dielectric element can be stabilized in the axial direction by the core material. And it becomes possible to perform a more rapid expansion-contraction operation | movement by utilizing the elastic force of a core material. In addition, although the core material in this aspect is not limited at all, a coil spring, an elastomer, etc. can be employ | adopted suitably.
本発明の第六の態様は、前記第一乃至第三の何れか一つの態様に係る機械的インピーダンスの調節装置において、前記誘電体素子がシート状の板型誘電体素子とされており、該板型誘電体素子の複数が前記誘電膜の厚さ方向で積層せしめられて形成されていることを、特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the mechanical impedance adjusting device according to any one of the first to third aspects, the dielectric element is a sheet-shaped plate dielectric element, A plurality of plate-type dielectric elements are formed by being laminated in the thickness direction of the dielectric film.
本態様によれば、誘電膜の厚さ方向乃至は面の広がり方向の伸縮を利用して調節装置を構成することが出来る。そこにおいて、より好適には、本発明の第七の態様として、前記第六の態様に係る機械的インピーダンスの調節装置において、前記板型誘電体素子の積層方向が前記動力伝達経路と直交せしめられている態様、換言すれば、前記板型誘電体素子の面の広がり方向が前記動力伝達経路と等しくされている態様が採用され得る。 According to this aspect, the adjusting device can be configured using expansion and contraction in the thickness direction of the dielectric film or in the spreading direction of the surface. Therefore, more preferably, as a seventh aspect of the present invention, in the mechanical impedance adjusting device according to the sixth aspect, the stacking direction of the plate-type dielectric elements is made orthogonal to the power transmission path. In other words, in other words, a mode in which the surface spreading direction of the plate-type dielectric element is made equal to the power transmission path can be employed.
すなわち、板型誘電体素子は、電極層に電圧を印加すると、面の広がり方向に伸張せしめられる。従って、面の広がり方向が動力伝達経路の方向と等しくされることによって、板型誘電体素子、延いては調節装置の伸縮方向を動力伝達経路の方向と略一致せしめることが出来て、動力伝達経路の実質的な長さ寸法の変化をより安定して発現せしめることが出来る。なお、板型誘電体素子の面の広がり方向は、動力伝達経路の方向と厳密に一致せしめられている必要は無いのであって、駆動源の動力の伝達を阻害しない程度に一致せしめられていれば良い。換言すれば、板型誘電体素子の積層方向は、動力伝達経路の方向に対して厳密に直交せしめられている必要は無い。 In other words, the plate-type dielectric element is expanded in the surface spreading direction when a voltage is applied to the electrode layer. Therefore, the expansion direction of the surface is made equal to the direction of the power transmission path, so that the expansion and contraction direction of the plate-type dielectric element, and thus the adjusting device, can be made substantially coincident with the direction of the power transmission path. The change in the substantial length dimension of the path can be expressed more stably. It should be noted that the plane direction of the plate-type dielectric element does not have to be exactly matched with the direction of the power transmission path, and is matched to the extent that the power transmission of the driving source is not hindered. It ’s fine. In other words, the stacking direction of the plate dielectric elements does not have to be strictly orthogonal to the direction of the power transmission path.
一方、本発明の第八の態様として、前記第六の態様に係る機械的インピーダンスの調節装置において、前記板型誘電体素子の積層方向が前記動力伝達経路に対して平行とされている態様、換言すれば、前記板型誘電体素子の面の広がり方向が前記動力伝達経路に略直交せしめられている態様も採用され得る。 On the other hand, as an eighth aspect of the present invention, in the mechanical impedance adjusting device according to the sixth aspect, an aspect in which the laminating direction of the plate dielectric elements is parallel to the power transmission path, In other words, a mode in which the spreading direction of the surface of the plate-type dielectric element is substantially orthogonal to the power transmission path may be employed.
すなわち、板型誘電体素子は、電極層に電圧を印加すると、面の広がり方向に伸張せしめられると同時に、面の広がり方向に直交する方向に収縮せしめられる。従って、面の広がり方向が動力伝達経路の方向と直交せしめられることによっても、板型誘電体素子、延いては調節装置の伸縮方向を動力伝達経路の方向と略一致せしめることが出来て、動力伝達経路の実質的な長さ寸法の変化を安定して発現せしめることが出来るのである。また、本態様では、積層された複数の板型誘電体素子の変形量の総和によって、動力伝達経路の実質的な長さ寸法の変化をより有効に得ることが出来る。また、前記第七の態様に示された構造の機械的インピーダンスの調節装置と併用すれば、単一の電圧制御で、動力伝達経路上において収縮と伸長を同時に生ぜしめることも可能となる。なお、本態様においても、板型誘電体素子の積層方向は、動力伝達経路の方向と厳密に一致せしめられている必要は無い。 That is, when a voltage is applied to the electrode layer, the plate-type dielectric element is expanded in the surface spreading direction and simultaneously contracted in the direction perpendicular to the surface spreading direction. Therefore, even if the surface spreading direction is made perpendicular to the direction of the power transmission path, the expansion and contraction direction of the plate-type dielectric element, and thus the adjusting device, can be made substantially coincident with the direction of the power transmission path. A substantial change in the length of the transmission path can be expressed stably. Moreover, in this aspect, the substantial change in the length of the power transmission path can be obtained more effectively by the sum of the deformation amounts of the plurality of stacked plate dielectric elements. Further, when used together with the mechanical impedance adjusting device having the structure shown in the seventh aspect, it becomes possible to simultaneously cause contraction and extension on the power transmission path with a single voltage control. Also in this embodiment, the stacking direction of the plate type dielectric elements does not have to be exactly matched with the direction of the power transmission path.
本発明の第九の態様は、前記第一乃至第三の何れか一つの態様に係る機械的インピーダンスの調節装置において、前記誘電膜に対する前記電極層の重ね合わせ方向が前記動力伝達経路と斜交されていることを、特徴とする。 According to a ninth aspect of the present invention, in the mechanical impedance adjusting device according to any one of the first to third aspects, an overlapping direction of the electrode layer with respect to the dielectric film is obliquely crossed with the power transmission path. It is characterized by being.
このように、誘電体素子が、動力伝達経路に対して、直交および平行とならない所定角度で傾斜せしめられていることにより、電極層への電圧印加によって誘電膜に発生する変形方向が、動力伝達経路の方向およびその直交方向とは異なる方向とされる。その結果、設計自由度の拡大が図られる。特に、駆動部材に対して及ぼされた外力が機械的インピーダンス調節装置に伝達されて、誘電膜に弾性変形が惹起される場合に、圧縮成分および引張成分だけでなく、剪断成分を持たせるような設計も可能となる。これにより、誘電膜や電極層の圧縮歪および引張歪を小さく抑えつつ、誘電膜における力点間の相対距離変化量を大きく確保して、弾性変形に伴う動力伝達経路の実質的な長さの変化量を大きく設定することが出来る。 As described above, since the dielectric element is inclined at a predetermined angle that is not perpendicular to or parallel to the power transmission path, the deformation direction generated in the dielectric film due to the voltage application to the electrode layer is changed. The direction is different from the direction of the route and its orthogonal direction. As a result, the degree of design freedom can be expanded. In particular, when an external force exerted on the drive member is transmitted to the mechanical impedance adjusting device to cause elastic deformation of the dielectric film, not only a compressive component and a tensile component but also a shear component is provided. Design is also possible. As a result, while keeping the compressive strain and tensile strain of the dielectric film and the electrode layer small, the relative distance change between the power points in the dielectric film is ensured, and the substantial change in the length of the power transmission path due to elastic deformation The amount can be set large.
なお、本態様において、誘電体素子は、動力伝達経路に対して常時傾斜せしめられていなくても良く、動力伝達経路に対して予め傾斜した状態で配されていても良いし、動力伝達経路に対して直交又は平行に配されており、外力の作用や電極層への電圧印加等によって誘電膜が弾性変形せしめられることにより、動力伝達経路に対して斜交せしめられるようになっていても良い。また、誘電体素子の複数を積層した態様を併せて採用することも出来て、より好適には、それら複数の誘電体素子が厚さ方向（誘電膜に対する電極層の重ね合わせ方向）に積層されていることが望ましい。これによれば、前記第九の態様に係る機械的インピーダンス調節装置における作用効果を何れも確保しつつ、動力伝達経路の実質的な長さ寸法の変化をより安定して発現せしめることが出来る。 In this aspect, the dielectric element may not always be inclined with respect to the power transmission path, may be disposed in a state of being inclined in advance with respect to the power transmission path, or may be disposed on the power transmission path. It may be arranged orthogonally or in parallel to the power transmission path so that the dielectric film is elastically deformed by the action of an external force or voltage application to the electrode layer, etc. . In addition, it is possible to adopt a mode in which a plurality of dielectric elements are stacked together, and more preferably, the plurality of dielectric elements are stacked in the thickness direction (the overlapping direction of the electrode layer with respect to the dielectric film). It is desirable that According to this, the substantial change of the length dimension of a power transmission path can be expressed more stably, ensuring all the operation effects in the mechanical impedance adjusting device concerning the 9th mode.
そこにおいて、より好適には、本発明の第十の態様として、前記第九の態様に係る機械的インピーダンスの調節装置において、前記誘電体素子がシート状の板型誘電体素子とされており、該板型誘電体素子の一対が前記動力伝達経路に対して平行となる方向に積層されて、それら一対の板型誘電体素子の外周縁部が相互に固定されていると共に、該一対の板型誘電体素子の中央部分に積層方向外側への引張力を及ぼすことにより該一対の板型誘電体素子がそれぞれテーパ状に変形せしめられている態様も採用され得る。 Therefore, more preferably, as a tenth aspect of the present invention, in the mechanical impedance adjusting device according to the ninth aspect, the dielectric element is a sheet-like plate dielectric element, A pair of the plate type dielectric elements are stacked in a direction parallel to the power transmission path, and the outer peripheral edges of the pair of plate type dielectric elements are fixed to each other, and the pair of plates A mode in which the pair of plate-type dielectric elements are each deformed in a tapered shape by applying a tensile force to the center portion of the mold-type dielectric element outward in the stacking direction may be employed.
本態様によれば、一対の板型誘電体素子が外力の作用によってテーパ状に変形せしめられることにより、各板型誘電体素子が動力伝達経路に対して傾斜せしめられるようになっている。これにより、製造が容易な板型の誘電体素子を用いて、前記第十の態様に係る機械的インピーダンス調節装置を実現することが出来る。なお、板型誘電体素子の複数対を、動力伝達経路と平行な方向に重ね合わせて、中央部分を相互に連結することで、全体として機械的インピーダンス調節装置を構成することも出来る。 According to this aspect, the pair of plate type dielectric elements are deformed into a taper shape by the action of an external force, so that each plate type dielectric element is inclined with respect to the power transmission path. Thus, the mechanical impedance adjusting apparatus according to the tenth aspect can be realized using a plate-type dielectric element that is easy to manufacture. Note that the mechanical impedance adjusting device can be configured as a whole by overlapping a plurality of pairs of plate-type dielectric elements in a direction parallel to the power transmission path and connecting the central portions to each other.
本発明の第十一の態様は、前記第一乃至第十の何れか一つの態様に係る機械的インピーダンスの調節装置において、前記駆動源と前記駆動部材との間に架け渡されるワイヤによって構成された前記動力伝達経路上に配設されることを、特徴とする。 An eleventh aspect of the present invention is the mechanical impedance adjusting device according to any one of the first to tenth aspects, wherein the mechanical impedance adjusting apparatus includes a wire that spans between the driving source and the driving member. Further, the power transmission path is disposed on the power transmission path.
上述のように、本発明に従う構造とされた調節機構はコンパクト且つ軽量に構成出来ることから、例えばワイヤ駆動機構にも好適に採用することが出来る。そこにおいて、より好適には、本発明の第十二の態様として、前記第十一の態様に係る機械的インピーダンスの調節機構において、前記誘電体素子の弾性中心が、前記ワイヤの延長線上に位置せしめられて配設される態様が採用され得る。このようにすれば、調節機構の伸縮に際して調節機構にモーメントが生じてワイヤに不要な振動を与えるようなおそれも軽減することが出来る。なお、本態様において、誘電体素子の複数が併設状態で配設されている場合には、それら複数の誘電体素子によって合成される弾性中心が、ワイヤの延長線上に位置せしめられる。 As described above, the adjusting mechanism having the structure according to the present invention can be configured to be compact and lightweight, and thus can be suitably employed in, for example, a wire driving mechanism. More preferably, as a twelfth aspect of the present invention, in the mechanical impedance adjusting mechanism according to the eleventh aspect, the elastic center of the dielectric element is positioned on an extension line of the wire. A mode in which the components are arranged and arranged can be adopted. In this way, it is possible to reduce the possibility that a moment is generated in the adjusting mechanism when the adjusting mechanism is extended and contracted, and unnecessary vibration is applied to the wire. In addition, in this aspect, when a plurality of dielectric elements are arranged side by side, the elastic center synthesized by the plurality of dielectric elements is positioned on the extension line of the wire.
本発明の第十三の態様は、前記第一乃至第十二の何れか一つの態様に係る機械的インピーダンスの調節装置において、前記誘電体素子の複数が前記動力伝達経路上に併設状態で配設されることを、特徴とする。本態様によれば、例えば、コンプライアンスを高めに設定した状態で障害物と接触する場合等において、接触による外力が、複数の誘電体素子に分散して作用することにより、各誘電体素子の破損を回避し、耐久性の向上を実現することが出来る。更に、動力伝達経路方向と直交する方向の断面積が、それら複数の誘電体素子の変形の総和として大きく変化せしめられることから、バネ定数の変化がより大きく生ぜしめられて、機械的インピーダンスの調節範囲を大きく確保することも出来る。 A thirteenth aspect of the present invention is the mechanical impedance adjusting apparatus according to any one of the first to twelfth aspects, wherein a plurality of the dielectric elements are arranged side by side on the power transmission path. It is characterized by being installed. According to this aspect, for example, when the contact is made with an obstacle in a state where the compliance is set to be high, the external force due to the contact acts in a distributed manner on the plurality of dielectric elements, so that each dielectric element is damaged. Can be achieved and durability can be improved. Furthermore, since the cross-sectional area in the direction perpendicular to the direction of the power transmission path is greatly changed as the sum of the deformations of the plurality of dielectric elements, the change in the spring constant is further increased, and the mechanical impedance is adjusted. A large range can be secured.
本発明の第十四の態様は、前記第一乃至第十三の何れか一つの態様に係る機械的インピーダンスの調節装置において、機械的インピーダンスを調節することにより緩衝作用を発揮する緩衝手段を構成することを、特徴とする。 According to a fourteenth aspect of the present invention, in the mechanical impedance adjusting device according to any one of the first to thirteenth aspects, a buffer means that exhibits a buffering action by adjusting the mechanical impedance is configured. It is characterized by doing.
すなわち、機械的インピーダンスの調節装置が備えたバネ定数の調節作用をより積極的に利用することで、衝突等による衝撃を吸収するショックアブソーバとして本発明に係る調節装置を用いることも出来る。特に、印加電圧を調節することにより、衝突初期にはバネ定数を小さく設定して衝撃を柔らかく受け止めると共に、バネ定数を徐々に増加させることで衝突エネルギーの減衰を高めて、有効なストッパ作用をも発揮させることが出来る。 In other words, the adjustment device according to the present invention can be used as a shock absorber that absorbs an impact caused by a collision or the like by more positively using the adjustment function of the spring constant provided in the adjustment device for mechanical impedance. In particular, by adjusting the applied voltage, the spring constant is set small at the initial stage of the collision and the impact is softly received, and by gradually increasing the spring constant, the collision energy is attenuated and effective stopper action is achieved. It can be demonstrated.
一方、本発明の第十五の態様は、前記第一乃至第十三の何れか一つに係る機械的インピーダンスの調節装置において、機械的インピーダンスを調節することにより外部から入力されるエネルギーを蓄積すると共に蓄積されたエネルギーを放出する蓄力手段を構成することを、特徴とする。 On the other hand, according to a fifteenth aspect of the present invention, in the mechanical impedance adjusting device according to any one of the first to thirteenth aspects, energy input from the outside is stored by adjusting the mechanical impedance. And a power storage means for releasing the stored energy.
例えば、外部からエネルギーが入力される段階でバネ定数を小さく設定して、外部エネルギーに対する変形量を大きく確保すると共に、外部へのエネルギー出力時には、バネ定数を大きく設定することにより、誘電体素子の弾性に基づく反発力を大きく確保して、大きな力を出力することが出来る。このように、本発明に係る機械的インピーダンスの調節装置が有する、電圧印加によるバネ定数の変化という特徴を利用することにより、外部から作用する力に対して効率良くエネルギーを蓄積し、放出し得る、高効率の蓄力手段を実現することが出来る。 For example, by setting the spring constant small when energy is input from the outside to ensure a large amount of deformation with respect to external energy, and setting the spring constant large when outputting energy to the outside, A large repulsive force based on elasticity can be secured and a large force can be output. As described above, by utilizing the characteristic of the spring constant change caused by voltage application that the mechanical impedance adjusting device according to the present invention has, it is possible to efficiently accumulate and release energy with respect to externally acting force. Highly efficient energy storage means can be realized.
本発明の第十六の態様は、前記駆動部材としての座部と、該座部を支持するフレームとを、有すると共に、該座部をアクチュエータによって該フレームに対して相対的に駆動変位可能とした立ち上がり補助椅子であって、前記アクチュエータとして前記第一乃至第十五の何れか一つの態様に係る機械的インピーダンスの調節装置を用いて、該アクチュエータにおける出力方向の一方の端部を前記座部に取り付けると共に、他方の端部を前記フレームに取り付けたことを、特徴とする。 A sixteenth aspect of the present invention includes a seat portion as the drive member and a frame that supports the seat portion, and the seat portion can be driven and displaced relative to the frame by an actuator. A standing-up auxiliary chair, wherein the actuator uses the mechanical impedance adjusting device according to any one of the first to fifteenth aspects, and the one end portion in the output direction of the actuator is the seat portion. And the other end is attached to the frame.
本態様によれば、アクチュエータとして本発明に係る機械的インピーダンスの調節装置を採用することにより、使用者の着座状態から起立状態への移行を有効に補助し得る立ち上がり補助椅子を提供することが出来る。例えば、先ず、使用者の着座によって座部に及ぼされる力学的なエネルギーを、電圧の印加によるバネ定数の低減によってアクチュエータの変形量として効率的に蓄積する。次に、使用者の立ち上がり時には、電圧の印加を停止することにより、誘電膜のバネ定数を増加させて、誘電膜の復元力に基づくアクチュエータの出力を増大せしめることで、蓄積したエネルギーによる座部の変位を効率的に惹起させる。これらによって、着座時には座部の容易な変位による着座のし易さを実現出来ると共に、起立時には座部の変位による立ち上がりの効果的な補助を実現出来る。このように、機械的インピーダンス調節装置のバネ定数を使用者の状態（着座段階と起立段階）に応じて調節することで、誘電膜の弾性力を利用する簡易且つ小型のアクチュエータによって、着座の容易さと立ち上がりの充分な補助を両立することが出来る。 According to this aspect, by employing the mechanical impedance adjusting device according to the present invention as an actuator, it is possible to provide a stand-up assisting chair that can effectively assist the user in shifting from the sitting state to the standing state. . For example, first, the mechanical energy exerted on the seat portion by the user's seating is efficiently accumulated as the deformation amount of the actuator by reducing the spring constant by applying a voltage. Next, when the user starts up, by stopping the application of voltage, the spring constant of the dielectric film is increased, and the output of the actuator based on the restoring force of the dielectric film is increased, so that the seat by the accumulated energy This effectively induces displacement. By these, it is possible to realize the ease of seating due to the easy displacement of the seat portion when sitting, and it is possible to realize effective assistance of rising due to the displacement of the seat portion when standing. In this way, by adjusting the spring constant of the mechanical impedance adjusting device according to the user's state (sitting stage and standing stage), the simple and small actuator using the elastic force of the dielectric film makes it easy to sit down. It is possible to achieve both a sufficient assistance for getting up.
なお、本態様において、アクチュエータは、座部やフレームに対して直接に取り付けられていても良いし、例えば、座部とフレームを連結するリンク機構を構成するリンクロッドに取り付けられて、アクチュエータによってリンクロッドを伸縮させることで、座部をフレームに対して相対変位させるようになっていても良い。要するに、アクチュエータは、座部やフレームに対して、他の部材を介して間接的に取り付けられていても良い。 In this aspect, the actuator may be directly attached to the seat or the frame. For example, the actuator is attached to a link rod that constitutes a link mechanism that connects the seat and the frame, and is linked by the actuator. The seat portion may be relatively displaced with respect to the frame by expanding and contracting the rod. In short, the actuator may be indirectly attached to the seat portion or the frame via another member.
本発明の第十七の態様は、基端部と該基端部に対して関節部を介して連結された揺動部とを有すると共に、該揺動部を該基端部に対して揺動変位せしめるアクチュエータを備えた揺動アームであって、前記アクチュエータとして前記第一乃至第十五の何れか一つの態様に係る機械的インピーダンスの調節装置を用いて、該アクチュエータにおける出力方向一方の端部を前記駆動部材を構成する前記揺動部に取り付けると共に、他方の端部を前記基端部に取り付けたことを、特徴とする。 The seventeenth aspect of the present invention includes a base end portion and a swinging portion connected to the base end portion via a joint portion, and swings the swinging portion with respect to the base end portion. An oscillating arm provided with an actuator for dynamically displacing, wherein the mechanical impedance adjusting device according to any one of the first to fifteenth aspects is used as the actuator, and one end in the output direction of the actuator A part is attached to the swinging part constituting the drive member, and the other end part is attached to the base end part.
本態様によれば、アクチュエータとして本発明に係る機械的インピーダンスの調節装置を採用することにより、大きな駆動力を効率的に発揮させて、揺動部を基端部に対して揺動変位させることが出来る。それ故、揺動アームによる大質量の物体の持上げや物体の安定した把持等を実現することが出来る。例えば、先ず、電圧を印加してバネ定数を低減した状態で、揺動部に外力を及ぼして、揺動部を基端部に対して揺動変位させることにより、アクチュエータに対して外力によるエネルギーが蓄積される。次に、電圧の印加を停止してバネ定数を増大させることにより、アクチュエータに大きな復元力が生ぜしめられて、揺動部が基端部に対する初期状態に復帰する方向に、大きな力で揺動せしめられる。 According to this aspect, by adopting the mechanical impedance adjusting device according to the present invention as an actuator, a large driving force can be efficiently exhibited, and the swinging portion can be swung and displaced with respect to the base end portion. I can do it. Therefore, it is possible to realize lifting of a large mass object or stable gripping of the object by the swing arm. For example, in the state where the spring constant is reduced by applying a voltage, the external force is applied to the swinging portion, and the swinging portion is swingingly displaced with respect to the base end portion, whereby the energy by the external force is applied to the actuator. Is accumulated. Next, by stopping the application of voltage and increasing the spring constant, a large restoring force is generated in the actuator, and the swinging part swings with a large force in a direction to return to the initial state with respect to the base end part. I'm damned.
そこにおいて、より好適には、本発明の第十八の態様として、前記第十七の態様に係る揺動アームにおいて、前記アクチュエータにおける出力方向一方の端部にワイヤを取り付ける一方、前記揺動部に電気モータを配設すると共に、該電気モータの回転軸にプーリを取り付けて、該プーリに該ワイヤを巻き掛けた構造も、採用出来る。 More preferably, as an eighteenth aspect of the present invention, in the swing arm according to the seventeenth aspect, a wire is attached to one end portion in the output direction of the actuator, while the swing portion It is also possible to employ a structure in which an electric motor is disposed on the pulley, a pulley is attached to the rotating shaft of the electric motor, and the wire is wound around the pulley.
本態様によれば、本発明に係る機械的インピーダンスの調節装置によって構成されたアクチュエータに加えて、電気モータを併設することにより、例えば、質量の大きな物体を持ち上げる場合にはアクチュエータによる大出力を利用すると共に、質量の小さな物体を持ち上げる場合には、電気モータによる繊細なワイヤ操作によって、持上げ対象物の精密な取扱いが可能になる。また、アクチュエータによる揺動部の駆動を、電気モータで補助することにより、より大きな駆動力を発揮させることも可能である。 According to this aspect, in addition to the actuator configured by the mechanical impedance adjusting device according to the present invention, an electric motor is also provided so that, for example, when a large object is lifted, a large output from the actuator is used. At the same time, when lifting an object having a small mass, it is possible to handle the object to be lifted precisely by delicate wire operation using an electric motor. Further, it is possible to exert a greater driving force by assisting the drive of the swinging portion by the actuator with an electric motor.
なお、本態様において、アクチュエータは、基端部や揺動部に対して直接に取り付けられていても良いし、例えば、基端部と揺動部を連結するリンク機構を構成するリンクロッド等を介して間接的に取り付けられていても良い。 In this aspect, the actuator may be directly attached to the base end part or the swinging part. For example, a link rod that constitutes a link mechanism that connects the base end part and the swinging part may be used. It may be attached indirectly via.
本発明の第十九の態様は、前記第一乃至第十五の何れか一つの態様に係る機械的インピーダンスの調節装置を制御する方法であって、前記誘電体エラストマーに外力を及ぼしてエネルギーを貯蔵する段階で該誘電体エラストマーの両面に形成された前記電極層に電圧を印加する一方、該誘電体エラストマーに貯蔵されたエネルギーを放出する段階で該電極層への電圧の印加を停止することを、特徴とする。 A nineteenth aspect of the present invention is a method for controlling a mechanical impedance adjusting device according to any one of the first to fifteenth aspects, wherein an energy is applied to the dielectric elastomer by applying an external force. Applying voltage to the electrode layers formed on both sides of the dielectric elastomer in the storing step, and stopping applying voltage to the electrode layers in releasing the energy stored in the dielectric elastomer. Is a feature.
本態様に係る制御方法を採用すれば、電圧の印加による誘電体エラストマーのバネ定数の低減と、電圧の印加停止による誘電体エラストマーのバネ定数の増加（初期値への復帰）を、エネルギーの貯蔵段階と放出段階の変化に対応するように切り替えることにより、入力エネルギーに対して効率的に力を発揮させることが出来る。即ち、外力の入力時には、誘電体エラストマーのバネ定数を低減して、外力による誘電体エラストマーの弾性変形量を大きく確保することで、エネルギーを効率的に貯蔵することが出来る。一方、貯蔵エネルギーの発散時には、誘電体エラストマーのバネ定数を増加させて、誘電体エラストマーの弾性を高めることにより、復元力を増大させて、発揮される駆動力を大きく確保することが出来る。 If the control method according to this aspect is adopted, the energy storage is performed by reducing the spring constant of the dielectric elastomer by applying a voltage and increasing the spring constant of the dielectric elastomer (returning to the initial value) by stopping the application of voltage. By switching so as to correspond to the change between the stage and the release stage, it is possible to efficiently exert power against the input energy. That is, when an external force is input, energy can be efficiently stored by reducing the spring constant of the dielectric elastomer and ensuring a large amount of elastic deformation of the dielectric elastomer due to the external force. On the other hand, when the stored energy diverges, the spring constant of the dielectric elastomer is increased to increase the elasticity of the dielectric elastomer, thereby increasing the restoring force and ensuring a large driving force.
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。 Hereinafter, in order to clarify the present invention more specifically, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
先ず、図１には、本発明の第一の実施形態としての機械的インピーダンスの調節装置に係る調節装置１０が設けられた駆動機構１２を概略的に示す。駆動機構１２は、例えばロボット等の可動部分を構成するものであり、駆動部材としての板状のアーム部材１４が回転軸１６を中心に回動可能に設けられている。アーム部材１４は、コイルスプリング１８によって回転方向の一方向（本実施形態においては、図１中の反時計回り）に付勢されている。
First, FIG. 1 schematically shows a
さらに、アーム部材１４には、ワイヤ２０の一方の端部が連結されており、かかるワイヤ２０の他方の端部が、駆動源としての電動モータ２２の出力軸に設けられたプーリ２４に取り付けられている。そして、電動モータ２２が駆動せしめられて、ワイヤ２０がプーリ２４で巻き上げられることによって、アーム部材１４に対して、コイルスプリング１８からの引張力に抗して、コイルスプリング１８からの引張方向と反対方向（本実施形態においては、図１中の時計回り）の引張力が及ぼされる。これにより、アーム部材１４が、回転軸１６回りにコイルスプリング１８からの引張方向と反対方向（本実施形態においては、図１中の時計回り）に回動せしめられるようになっている。このように、本実施形態においては、ワイヤ２０を介して電動モータ２２の駆動力がアーム部材１４に伝達されるようになっており、ワイヤ２０によって動力伝達経路が構成されている。
Further, one end of a
そして、ワイヤ２０上に、調節装置１０が設けられている。即ち、本実施形態におけるワイヤ２０は、一方の端部がアーム部材１４に連結された第一ワイヤ２０ａと、一方の端部がプーリ２４に連結された第二ワイヤ２０ｂの二本のワイヤによって構成されており、これら第一および第二ワイヤ２０ａ，２０ｂそれぞれの他方の端部が調節装置１０に連結されることによって、調節装置１０が第一および第二ワイヤ２０ａ，２０ｂによって構成されたワイヤ２０上に配設されている。
An
図２に、調節装置１０を概略的に示す。調節装置１０は、複数の筒型誘電体素子としての筒型アクチュエータ２６を備えている。筒型アクチュエータ２６は、図３に概略的に示すように、誘電体シート２８が筒状に丸められた構造とされている。誘電体シート２８は、図４に概略的に示すように、誘電膜３０の両面に電極層３２ａ，３２ｂが形成されると共に、電極層３２ａ，３２ｂの何れか一方（本実施形態においては、電極層３２ａ）における誘電膜３０と反対側の面に絶縁層３４が形成された構造とされている。なお、図３、図４、および後述する図１２、図１８、図１９においては、誘電体シート２８の積層構造の理解を容易とするために、誘電膜３０（２６２）、電極層３２ａ，３２ｂ（２６４）、絶縁層３４の厚さ寸法や変形量等を誇張して示す。
FIG. 2 schematically shows the adjusting
誘電膜３０は、誘電体エラストマーによって形成された矩形薄膜形状を有している。誘電体エラストマーとしては、例えば、シリコンエラストマー、アクリルエラストマー、ポリウレタン、ニトリル系ゴム、水素添加ニトリル系ゴム、天然ゴム、エチレン−プロピレンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム、イソプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、熱可塑性エラストマー、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）を含んだ共重合体、フルオロエラストマー、シリコン成分およびアクリル成分を含む共重合体、シリコンエラストマーおよびアクリルエラストマーを含んだポリマーブレンド等が適宜に採用可能である。なお、誘電膜３０は、高い電圧が印加されることから、絶縁破壊強度の大きいものを採用することが望ましい。本実施形態においては、誘電膜３０は、シリコーンゴムから形成されている。また、誘電膜３０の厚さは特に限定されるものではなく、要求される伸縮量等に応じて適宜に決定され得る。例えば、筒型アクチュエータ２６の小型化、低電位駆動化、および変形量を大きくする等の観点からは誘電膜３０の厚さ寸法は小さい方が好ましく、この場合には、絶縁破壊強度等をも考慮して、誘電膜３０の厚さは、好適には１μｍ以上１０００μｍ（１ｍｍ）以下、より好適には、５μｍ以上２００μｍ以下とされる。
The
電極層３２ａ，３２ｂは、後述する誘電膜３０の伸縮に応じて伸縮可能であることが望ましい。電極層３２ａ，３２ｂとしては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ等の導電性カーボンに、バインダーとしてオイルやエラストマーを混合したペーストまたは塗料から電極を形成することが好ましい。バインダーとなるエラストマーとしては、例えば、シリコーンゴム、アクリルゴム、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体（ＥＰＤＭ）、天然ゴム（ＮＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、ヒドリン系ゴム、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ウレタンゴム等の柔軟なものが好適に採用され得る。また、誘電膜３０の伸縮性をより有利に確保するために、カーボンブラック、カーボンナノチューブ等の導電性微粉体を、誘電膜３０の表面に直接付着させて電極を形成しても良い。本実施形態においては、電極層３２ａ，３２ｂは、カーボンブラックパウダーを誘電膜３０の両面の略全体に塗布することによって形成されている。
It is desirable that the electrode layers 32a and 32b can be expanded and contracted according to the expansion and contraction of the
さらに、一方の電極層３２ａにおける誘電膜３０と反対側の面には、絶縁層３４が設けられている。絶縁層３４としては、誘電体シート２８が巻回された状態で、径方向で互いに隣接せしめられる電極層３２ａと電極層３２ｂ間の導通を防止し得るものであれば何等限定されるものではないが、電極層３２ａ，３２ｂの伸縮に応じて伸縮可能であるものが好適に採用される。例えば、シリコーンゴム、アクリルゴム、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体（ＥＰＤＭ）、天然ゴム（ＮＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、ヒドリン系ゴム、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ウレタンゴム等の柔軟なものが好適に採用される。更に、絶縁層３４を、誘電膜３０と同じ材質で形成すれば、より大きな駆動力を得ることが出来る。本実施形態においては、絶縁層３４は誘電膜３０と同じシリコーンゴムから形成されている。但し、絶縁層３４を誘電膜３０と異なる材質で形成して、例えば絶縁層３４を誘電膜３０よりも誘電率や導電率の低い材料で形成することによって、より大きな絶縁性を得る等することも勿論可能である。
Further, an insulating
このような構造とされた誘電体シート２８は、電極層３２ａ，３２ｂが直流電源３６およびスイッチ３８と電気的に接続される。そして、図４（ａ）に示す電圧印加前の状態から、図４（ｂ）に示すように、電極層３２ａ，３２ｂに直流電圧（以下、単に電圧とする）を印加すると、両電極層３２ａ，３２ｂ間の静電引力によって、誘電膜３０が膜厚方向（図４中、上下方向）に圧縮される。これにより、誘電膜３０の膜厚が小さくなる。そして、膜厚が小さくなるのに応じて、誘電膜３０の面が広くなる。従って、誘電膜３０が電極層３２ａ，３２ｂ，絶縁層３４と共に伸張せしめられて、誘電体シート２８が面の広がり方向に伸張せしめられる。
In the
一方、図４（ａ）に示すように、電極層３２ａ，３２ｂへの印加電圧を除去すると、誘電膜３０の膜厚方向に作用せしめられていた圧縮力が解除される。これにより、誘電膜３０自身の復元力によって、誘電膜３０の膜厚が大きくなる。そして、膜厚が大きくなるのに応じて、誘電膜３０の面が小さくなる。従って、誘電膜３０が電極層３２ａ，３２ｂ，絶縁層３４と共に収縮せしめられて、誘電体シート２８が面の広がり方向で収縮せしめられることとなる。
On the other hand, as shown in FIG. 4A, when the applied voltage to the electrode layers 32a and 32b is removed, the compressive force applied in the film thickness direction of the
このような構造とされた誘電体シート２８によって筒型アクチュエータ２６が構成されている。特に本実施形態においては、誘電体シート２８は、図５および図６に示すピン４０に渦巻状に所定回数だけ巻回されることによって、筒形状が形成されている。
The
ピン４０は例えばアクリル樹脂などによって形成された略ロッド形状とされている。ピン４０の軸方向中央部分には、全周に亘って径方向外方に突出する係止部４２が形成されており、係止部４２を挟んだ一方の側が挿通部４４とされている一方、他方の側が挿通部４４よりも小径の巻回部４６とされている。挿通部４４の軸方向端部側には、所定寸法に亘るネジ４８が形成されている。一方、巻回部４６は、軸方向先端部分が凸状の球面形状とされていると共に、軸方向の適当な位置に、全周に亘って径方向外方に僅かに突出する一対の被着部５０が形成されている。
The
そして、このような構造とされたピン４０の一対が、巻回部４６を互いに向き合わせた状態で、それぞれの被着部５０に誘電体シート２８が渦巻状に所定回数に亘って巻回せしめられて接着等で固定されることによって、筒型アクチュエータ２６が構成されている。なお、図３はあくまでも概略図であり、誘電体シート２８の巻回数は何等限定されるものではない。また、図３に示したように、誘電体シート２８は、ピン４０への巻回状態において、絶縁層３４が、電極層３２ａと電極層３２ｂの間に介在せしめられるようになっている。このようにして、誘電体シート２８が筒形状に丸められており、電極層３２ａ，３２ｂへの電圧印加によって、誘電体シート２８の面寸法の変化が、筒型アクチュエータ２６の軸方向の伸縮として発現せしめられるようになっている。従って、筒型アクチュエータ２６は、電極層３２ａ，３２ｂへの電圧印加によって軸方向に伸張せしめられる一方、電圧印加を解除することによって、軸方向に収縮せしめられるようになっている。
Then, the pair of
そして、図７に概略的に示すように、複数の筒型アクチュエータ２６が、一対のディスク５２の間に固定される。なお、図７には、理解を容易とするために、調節装置１０を構成する複数の筒型アクチュエータ２６の内、２つのみ図示する。ディスク５２は、図８に示すように、全体として円板形状とされており、その厚さ寸法は、ピン４０の挿通部４４においてネジ４８が形成されていない部分の軸方向長さ寸法と等しくされている。更に、ディスク５２には、ピン４０の挿通部４４と等しい径寸法の挿通孔５４が複数形成されている。
Then, as schematically shown in FIG. 7, a plurality of
特に本実施形態においては、挿通孔５４は、ディスク５２と中心を等しくする２つの同心円上で、周方向に所定間隔をもって形成されており、ディスク５２の中心に近い同心円上に４つ、ディスク５２の中心から遠い同心円上に８つ形成されている。これにより、ディスク５２の中心から遠い同心円上に形成されて、周方向で隣接する挿通孔５４，５４それぞれの中心とディスク５２の中心とを結ぶ直線が形成する角度：α＝４５°、ディスク５２の中心から遠い同心円上に形成された挿通孔５４およびそれと周方向で隣接するディスク５２の中心に近い同心円上に形成された挿通孔５４それぞれの中心とディスク５２の中心とを結ぶ直線が形成する角度：β＝２２．５°とされている。また、ディスク５２の中央には、厚さ方向に貫通するネジ孔５６が形成されている。
In particular, in this embodiment, the insertion holes 54 are formed on two concentric circles having the same center as that of the
そして、図７に示すように、筒型アクチュエータ２６を軸方向両側から一対のディスク５２で挟んで、ピン４０の挿通部４４を、係止部４２で係止されるまでディスク５２の各挿通孔５４に挿し通す。これにより、ピン４０のネジ４８がディスク５２から突出せしめられて、かかるネジ４８がナット５８で固定される。このように、筒型アクチュエータ２６の軸方向両端部に設けられたピン４０，４０がそれぞれディスク５２に固定されることによって、筒型アクチュエータ２６が一対のディスク５２，５２間に配設されることとなる。そして、本実施形態においては、１つのディスク５２に１２個の挿通孔５４が形成されていることから、最大で１２個の筒型アクチュエータ２６がディスク５２間に固定されることとなる。ここにおいて、ディスク５２に固定された各筒型アクチュエータ２６の軸方向は、ディスク５２の径方向に直交する方向に全て揃えられる。なお、詳細な図示は省略するが、各筒型アクチュエータ２６の電極層３２ａ，３２ｂは電源３６と電気的に接続されている。
Then, as shown in FIG. 7, the
また、それぞれのディスク５２の中央に貫設されたネジ孔５６には、連結ロッド６０が固定される。連結ロッド６０は、ロッド状に延びる軸部６２の一方の端部に、円環状の連結部６４が形成される一方、他方の端部にネジ６６が形成された構造とされている。そして、連結ロッド６０のネジ６６が、ディスク５２のネジ孔５６に筒型アクチュエータ２６と反対側から螺合されることによって、連結ロッド６０がディスク５２の中央から調節装置１０の外方に突出するように設けられる。
A connecting
このような構造とされた調節装置１０は、図２に示すように、一方の連結ロッド６０の連結部６４に、一方の端部がアーム部材１４に連結された第一ワイヤ２０ａの他方の端部が連結されると共に、他方の連結ロッド６０の連結部６４に、一方の端部がプーリ２４に連結された第二ワイヤ２０ｂの他方の端部が連結される。なお、本実施形態においては、第一及び第二ワイヤ２０ａ，２０ｂは、その端部が連結部６４に挿通されてかしめ金具６８でかしめられることによって、連結部６４と連結されるようになっている。これにより、調節装置１０がワイヤ２０上に設けられることとなる。
As shown in FIG. 2, the adjusting
かかる調節装置１０のワイヤ２０上への配設状態において、各筒型アクチュエータ２６の軸方向はワイヤ２０の延出方向と等しくされており、複数の筒型アクチュエータ２６が、ワイヤ２０の延出方向に並設状態で配設される。更に、各筒型アクチュエータ２６が、ディスク５２の中心に対する同心円上で周方向に等間隔に配設されていることによって、図１に示すように、各筒型アクチュエータ２６によって合成された調節装置１０の弾性中心：Ｐが、ワイヤ２０の延出方向上に位置せしめられるようになっている。
In the arrangement state of the adjusting
このような構造とされた調節装置１０は、例えば図１（ａ）に示すように、定常状態下では筒型アクチュエータ２６に電圧が印加されることのない状態でワイヤ２０上に配設されている。そして、例えば図１（ｂ）に示すように、アーム部材１４が外力などの作用でプーリ２４から離隔する方向に過大に変位せしめられた場合には、各筒型アクチュエータ２６に電圧を印加することによって、各筒型アクチュエータ２６を軸方向に伸張せしめる。これにより、アーム部材１４の過大変位を調節装置１０の伸張によって吸収することが出来る。従って、プーリ２４に及ぼされる引張力を調節装置１０の伸張によって解消乃至は軽減することが出来て、電動モータ２２に過大な負荷が及ぼされることを回避乃至は軽減することが出来る。
The adjusting
また、筒型アクチュエータ２６への印加電圧を調節することによって、調節装置１０の伸張量を調節することが出来る。これにより、駆動機構１２の機械的インピーダンスを調節することが可能とされる。その結果、例えばアーム部材１４が障害物等に衝突する直前に、調節装置１０に電圧を印加して伸張せしめれば、駆動機構１２のコンプライアンス性を高めることで、アーム部材１４の障害物等への衝突の衝撃を緩衝することが出来て、調節装置１０によって緩衝装置としての機能を発揮させることが可能である。また、コンプライアンス性を与えられることから、例えばアーム部材１４がロボットの手指等の場合には、把持しようとする対象物に当接する直前に調節装置１０を伸張せしめることによって、アーム部材１４の駆動速度を低下せしめて対象物を柔らかく掴むことが出来ると共に、手指と対象物の位置ずれを吸収することも出来る。
Further, by adjusting the voltage applied to the
さらに、特に本実施形態における調節装置１０は、その弾性中心：Ｐがワイヤ２０の延出方向上に位置せしめられていることから、調節装置１０の伸縮に際して調節装置１０にモーメントが生ぜしめられて、調節装置１０の回転によりワイヤ２０に不要な振れを及ぼすようなことも軽減されており、アーム部材１４の作動を阻害するおそれも軽減されている。
Further, particularly, the adjusting
加えて、本実施形態における調節装置１０は、筒型アクチュエータ２６の複数が纏められた簡易な構成とされていることから、コンパクト化及び軽量化が有利に実現され得て、ロボットの可動部分等にも有利に適用される。更に、調節装置１０の伸縮は、筒型アクチュエータ２６における誘電体シート２８の伸縮変形によって行われることから作動音が生じることも殆どなく、優れた静粛性を得ることも出来るのである。
In addition, since the adjusting
このように、本実施形態における調節装置１０を用いれば、調節装置１０の伸張量を調節することによって、駆動機構１２の機械的インピーダンスを調節することが出来る。そこにおいて、調節装置１０の伸張量の調節は、全ての筒型アクチュエータ２６に等しい電圧を印加して、かかる印加電圧の大きさを増減せしめることによって、全ての筒型アクチュエータ２６を同時に伸縮せしめても良いし、或いは、各筒型アクチュエータ２６の電極層３２ａ，３２ｂへの印加電圧を各別に制御して、デューティ制御等によって伸張せしめる筒型アクチュエータ２６の本数を増減せしめる等しても良い。
As described above, by using the adjusting
また、電極層３２ａ，３２ｂに印加する電圧の変化スピードを調節すれば、調節装置１０の伸張スピード、延いては機械的インピーダンスの変化スピードを調節することが出来る。これにより、例えば、障害物への衝突時乃至はその直前には印加電圧値を速やかに増大せしめて、大きなコンプライアンス性を速やかに発現せしめる一方、物を掴む場合には印加電圧値を緩やかに増大せしめて、コンプライアンス性をより長い時間をかけて緩やかに発揮せしめること等も出来る。
Further, by adjusting the change speed of the voltage applied to the electrode layers 32a and 32b, it is possible to adjust the extension speed of the adjusting
また、本実施形態においては、定常状態においては調節装置１０は電圧が印加されていないことによって、消費電力の軽減が図られているが、定常状態においても或る程度の電圧を印加せしめておいて、必要に応じて調節装置１０への印加電圧を増減せしめるなどしても良い。このようにすれば、定常状態において調節装置１０が或る程度の伸張状態とされることから、例えば、調節装置１０への印加電圧を低減せしめることによって、機械的インピーダンスを高くすることも出来る。
In this embodiment, the
次に、図９に、本発明の機械的インピーダンス調節装置に係る第二の実施形態としての調節装置８０を概略的に示す。なお、以下の説明において、前述の第一の実施形態と同様な構造とされた部材及び部位については、それぞれ、図中に、第一の実施形態と同一の符号を付することにより、それらの詳細な説明を省略する。
Next, FIG. 9 schematically shows an adjusting
本実施形態における調節装置８０は、前述の第一の実施形態における調節装置１０と同様に、アーム部材１４とプーリ２４を繋ぐワイヤ２０上に配設される。調節装置８０は、前述の如き誘電膜３０、電極層３２ａ，３２ｂを備えた矩形薄膜形状を有する誘電体シート８２の複数が、厚さ方向に積層されて構成されている。特に本実施形態においては、電極層３２ａ、誘電膜３０、電極層３２ｂ、誘電膜３０、電極層３２ａの順で厚さ方向に積層されており、積層方向で隣り合う誘電体シート８２，８２の間で、電極層３２ａ乃至は電極層３２ｂが共通して用いられている。なお、図示は省略するが、これら電極層３２ａ，３２ｂは、前述の筒型アクチュエータ２６と同様に、電源と電気的に接続されている。このように、本実施形態においては、薄膜形状の誘電体シート８２によって板型誘電体素子が構成されており、誘電体シート８２の複数が積層されることによって調節装置８０が構成されている。
The adjusting
ここにおいて、誘電体シート８２は、前述の誘電体シート２８と同様に、図４に示したように、両電極層３２ａ，３２ｂへの印加電圧を増大せしめると、両電極層３２ａ，３２ｂ間の静電引力によって厚さ寸法が減少せしめられると共に面の広がり方向に伸張せしめられる。一方、両電極層３２ａ，３２ｂの印加電圧を除去すると、誘電膜３０自身の復元力によって、厚さ寸法が増大せしめられると共に面の広がり方向で収縮せしめられる。これにより、本実施形態における調節装置８０は、印加電圧を増大することによって厚さ寸法が減少せしめられて面の広がり方向に伸張せしめられる一方、印加電圧を減少することによって厚さ寸法が増大せしめられて面の広がり方向で収縮せしめられる。
Here, like the above-described
このような構造とされた調節装置８０は、例えば、適当な連結具を用いる等することによってワイヤ２０ａ，２０ｂの端部に連結されるようになっており、二本のワイヤ２０ａ，２０ｂによって構成されるワイヤ２０上に配設される。図９にも示すように、特に本実施形態における調節装置８０は、厚さ方向、即ち、誘電体シート８２の積層方向が、ワイヤ２０の延出方向と直交せしめられるようにワイヤ２０上に配設されるようになっており、複数の各誘電体シート８２が、ワイヤ２０上に並設状態で配設されている。更に、調節装置８０のワイヤ２０への組み付け状態において、調節装置８０の中心がワイヤ２０上に位置せしめられており、複数の誘電体シート８２によって合成される弾性中心が、ワイヤ２０上に位置せしめられるようになっている。
The adjusting
このような調節装置８０は、例えばアーム部材１４がワイヤ２０の引張方向と逆方向（図１における反時計回り方向）に過大に変位せしめられた場合には、電極層３２ａ，３２ｂに電圧を印加せしめることによって、面の広がり方向、即ち、ワイヤ２０の延出方向に伸張せしめることが出来る。これにより、アーム部材１４の過大変位を調節装置８０の伸張で吸収することが出来て、ワイヤ２０を介して電動モータ２２に過大な負荷が及ぼされるおそれを回避乃至は軽減することが出来る。そこにおいて、本実施形態においては、誘電体シート８２の面の広がり方向の伸張を利用することから、調節装置８０の変形量を有利に確保することが出来る。また、調節装置８０の弾性中心がワイヤ２０上に位置せしめられていることから、調節装置８０の伸縮に際して調節装置８０に不要なモーメントが及ぼされることも回避されており、ワイヤ２０の動力伝達効率を阻害するおそれも軽減されている。
Such an adjusting
なお、本実施形態における調節装置８０の伸縮量の調節は、前述の第一の実施形態における調節装置１０と同様に、全ての誘電体シート８２に等しい電圧を印加して、かかる印加電圧を増減せしめても良いし、予め設定した所定の電圧を印加する誘電体シート８２の枚数を調節する等しても良いし、更には、それらを組み合わせて、誘電体シート８２に印加する電圧を各別に制御しても良い。
In addition, the adjustment of the expansion / contraction amount of the adjusting
また、本実施形態においては、積層方向で隣接する誘電体シート８２，８２間で電極層３２ａ乃至は３２ｂが共通して用いられていたが、例えば、前述の第一の実施形態における誘電体シート２８を厚さ方向で積層して、積層方向で隣接する誘電体シート間に絶縁層３４を介在せしめた構造等も採用可能である。
In the present embodiment, the electrode layers 32a to 32b are used in common between the
また、図１０，１１に、本発明の第三の実施形態としての立ち上がり補助椅子１１０（以下、補助椅子１１０と称する場合がある）を示す。補助椅子１１０は、駆動部材としての座部１１２と、フレーム１１４と、補助機構１１６とを、含んで構成されている。なお、以下の説明において、特に説明がない限り、上下方向とは鉛直上下方向となる図１０中の上下方向を、前後方向とは図１０中の右左方向を、左右方向および幅方向とは図１０中の紙面直交方向を、それぞれ言うものとする。
10 and 11 show a standing auxiliary chair 110 (hereinafter sometimes referred to as auxiliary chair 110) as a third embodiment of the present invention. The
座部１１２は、使用者が着座する座面を備えた略矩形板形状の部材であって、幅方向の中央部分に第一の係止金具１１８が取り付けられている。第一の係止金具１１８は、鉄等の金属で形成された略板形状の部材であって、板厚方向が幅方向に一致するように座部１１２の下面に固定されている。また、第一の係止金具１１８の下端部には、後方に向かって突出する第一の係止爪１２０が一体形成されている。この第一の係止爪１２０は、上端面が座部１１２と略平行をなしていると共に、下端面が後方に向かって次第に上方に傾斜しており、後方に向かって次第に上下方向で狭幅となっている。
The
また、座部１１２には、運動変換部材１２２が取り付けられている。運動変換部材１２２は、鉄等の金属で形成された略板形状を有する部材の一対を、第一の係止金具１１８を幅方向両側から挟み込むように重ね合わせた構造を有しており、座部１１２に対して下方に突出するように固定されている。また、運動変換部材１２２は、座部１１２に固定される取付部１２４と、取付部１２４から下方に向かって延び出す連結部１２６と、連結部１２６の下端に一体形成された弓形プーリ１２８とを、有している。取付部１２４は、座部１１２の前端部分に固定されて、第一の係止金具１１８に対して幅方向で重ね合わされている。その取付部１２４の後端には、連結部１２６が一体形成されて下方に延び出しており、更に連結部１２６の下端には、円弧状の下端面を有する弓形プーリ１２８が一体形成されている。
A
また、座部１１２には、フレーム１１４が取り付けられている。フレーム１１４は、座部１１２を支持する脚部１３０を有している。脚部１３０は、鉛直上下方向に延びて、一対の前方脚部１３０ａ，１３０ａが座部１１２の前部左右両端に配設されていると共に、一対の後方脚部１３０ｂ，１３０ｂが座部１１２の後部左右両端に配設されており、座部１１２の四隅が脚部１３０で支持されている。また、一対の後方脚部１３０ｂ，１３０ｂは、座部１１２よりも上方に延び出しており、かかる座部１１２よりも上方に延び出す部分の間に架け渡された榻背板１３２によって背凭れが形成されている。
A
また、前後の脚部１３０ａ，１３０ｂは、座部１１２の下側において前後方向に延びる上側補強部材１３４で相互に連結されていると共に、その下端部において前後方向に延びる下側補強部材１３６で相互に連結されている。更に、上側補強部材１３４には、一対の後方脚部１３０ｂ，１３０ｂの中間部分を座部１１２の下側において相互に連結する左右補強部材１３８が上方から重ね合わされており、左右補強部材１３８の左右両端部が一対の後方脚部１３０ｂ，１３０ｂに固定されている。更にまた、下側補強部材１３６には、一対の後方脚部１３０ｂ，１３０ｂの下端部を相互に連結する支持板１４０が下方から重ね合わされており、支持板１４０の左右両端部が一対の後方脚部１３０ｂ，１３０ｂに固定されている。なお、図中には明示されていないが、上側補強部材１３４の前端部上面には、左右補強部材１３８と上下寸法を略同じとされたスペーサが重ね合わされている。
The front and
そして、かくの如き構造とされたフレーム１１４に対して、座部１１２が取り付けられている。即ち、座部１１２の前端がスペーサを介して上側補強部材１３４に重ね合わされていると共に、座部１１２の後端が左右補強部材１３８を介して上側補強部材１３４に重ね合わされている。
A
そこにおいて、上側補強部材１３４の前端部には、左右方向に延びるロッド形状の第一の軸部材１４２が固設されている。そして、フレーム１１４に固定された第一の軸部材１４２が、運動変換部材１２２の取付部１２４に形成された貫通孔に挿通されることにより、運動変換部材１２２に固定された座部１１２が、フレーム１１４に取り付けられていると共に、フレーム１１４に対して第一の軸部材１４２を中心とする相対的な揺動変位を許容されている。
Here, a rod-shaped
また、上側補強部材１３４の前後方向中間には、左右方向に延びるロッド形状の第二の軸部材１４４が固設されている。なお、本実施形態では、第一の軸部材１４２と第二の軸部材１４４が、前後方向に延びる板形状の連結金具１４５によって相互に連結されている。
Further, a rod-shaped
この第二の軸部材１４４には、第二の係止金具１４６が取り付けられている。第二の係止金具１４６は、金属板で形成されており、第二の軸部材１４４を中心として揺動可能に配設されている。また、第二の係止金具１４６の上端部には、前方に向かって突出する第二の係止爪１４８が一体形成されている。この第二の係止爪１４８は、下端面が座部１１２に平行に広がっていると共に、上端面が前方に向かって下傾する傾斜面とされており、前方側に向かって上下方向で狭幅となっている。そして、第一の係止爪１２０の上面と第二の係止爪１４８の下面が互いに重ね合わされて、それら第一，第二の係止爪１２０，１４８が係止されることにより、座部１１２のフレーム１１４に対する揺動変位が規制されるようになっており、それら第一，第二の係止金具１１８，１４６によって、座部１１２のロック機構が構成されている。
The
また、第二の軸部材１４４には、略円板形状の円形プーリ１５０が取り付けられている。この円形プーリ１５０は、第二の軸部材１４４を中心とする回転を許容されている。更に、円形プーリ１５０には、動力伝達経路を構成するワイヤ１５２が巻き掛けられており、その一方の端部が弓形プーリ１２８に対して取り付けられている。
The
そこにおいて、ワイヤ１５２の他方の端部は、機械的インピーダンス調節装置としてのアクチュエータ１５４に取り付けられている。アクチュエータ１５４は、図１２の（ａ）に示すように、略円板形状を有する板型誘電体素子としての誘電体シート１５６の一対を厚さ方向で重ね合わせて、それら誘電体シート１５６，１５６の外周縁部を外周連結部材１５８で相互に連結すると共に、各誘電体シート１５６の径方向中央部分に内周連結部材１６０を取り付けた構造を有している。そして、図１２の（ｂ）に示すように、各誘電体シート１５６に取り付けられた内周連結部材１６０に対して、軸方向で相互に離隔するように外力が及ぼされて、各誘電体シート１５６がテーパ形状に変形せしめられている。これにより、誘電体シート１５６は、予め径方向で延伸せしめられている。なお、誘電体シート１５６は、前記第一の実施形態の誘電体シート２８と同様に、誘電体エラストマーで形成された誘電膜３０と、誘電膜３０の両面に形成された電極層３２ａ，３２ｂとを、含んで形成されている。また、誘電体シート１５６がテーパ形状に変形せしめられることにより、電極層３２ａ，３２ｂの対向方向が、誘電体シート１５６の中心軸方向に対して斜交せしめられている。
The other end of the
本実施形態では、図１０，１１に示すように、上述の如き構造とされたアクチュエータ１５４が、軸方向に二つ重ね合わされて連結されている。即ち、誘電体シート１５６の径方向中央に取り付けられた内周連結部材１６０を重ね合わせて、相互に固定することにより、アクチュエータ１５４，１５４が上下方向で直列的に配設されている。
In this embodiment, as shown in FIGS. 10 and 11, two
そして、アクチュエータ１５４，１５４は、支持板１４０に載置されて、下端に位置する内周連結部材１６０が支持板１４０に固定されることにより、フレーム１１４に対して装着されている。また、アクチュエータ１５４，１５４の上端に位置する内周連結部材１６０には、ワイヤ１５２の他方の端部が取り付けられており、アクチュエータ１５４，１５４がワイヤ１５２を介して座部１１２に取り付けられている。なお、本実施形態では、ワイヤ１５２の張力によって誘電体シート１５６が初期状態で面方向に延伸されており、ワイヤ１５２の延出方向である図１中の上下方向が本実施形態における動力伝達経路方向とされている。また、本実施形態では、弓形プーリ１２８と、円形プーリ１５０と、ワイヤ１５２と、アクチュエータ１５４，１５４とによって、補助機構１１６が構成されている。
The
このような構造とされた立ち上がり補助椅子１１０では、使用者が容易に腰掛けることが出来ると共に、座した状態から立ち上がる際に、座部１１２をフレーム１１４に対してアクチュエータ１５４，１５４で揺動変位させて、使用者の立ち上がりを補助出来るようになっている。以下、図１３に沿って補助椅子１１０の作動を説明する。
With the stand-up
先ず、補助椅子１１０の座部１１２に使用者が着座していない初期状態では、図１１に示すように、第一，第二の係止金具１１８，１４６の係止が解除されており、アクチュエータ１５４，１５４を構成する誘電膜３０の弾性に基づくワイヤ１５２の張力によって、座部１１２が後部を上方に持ち上げられた傾斜状態に保持されている。この状態では、誘電体シート１５６には電圧が印加されておらず、不要な電力消費が防止されている。
First, in the initial state where the user is not seated on the
次に、ステップ（以下、Ｓと称する）１において、アクチュエータ１５４の誘電体シート１５６（電極層３２ａ，３２ｂ）に対して電圧が印加される。これにより、誘電体シート１５６を構成する誘電膜３０のバネ定数が小さくされて、誘電膜３０が弾性変形を生じ易くされる。その結果、誘電膜３０の弾性による抵抗を抑えて、座部１１２の揺動変位が小さな力で容易に生ぜしめられるようになる。
Next, in step (hereinafter referred to as S) 1, a voltage is applied to the dielectric sheet 156 (electrode layers 32 a and 32 b) of the
また、Ｓ２において、座部１１２に使用者が腰掛けて、座部１１２に対して使用者の体重が作用する。これにより、図１０に示すように、座部１１２が略水平に広がる着座状態まで揺動変位せしめられる。同時に、座部１１２に固定された弓形プーリ１２８が前方に揺動変位せしめられて、ワイヤ１５２が弓形プーリ１２８によって引かれる。これにより、アクチュエータ１５４，１５４に対して軸方向への引張力が及ぼされる。本実施形態では、使用者の着座によって座部１１２が駆動されるようになっており、使用者の質量（体重）を利用して駆動源が実現されている。要するに、本実施形態に係る補助椅子１１０においては、座部１１２に外力を及ぼす質量体が駆動源とされている。なお、Ｓ１における電圧の印加と、Ｓ２における着座開始は、同時であることが、消費電力の低減等の観点から望ましく、着座開始後に電圧が印加される（Ｓ１とＳ２の順序が入れ替わる）ようになっていても良い。
In S <b> 2, the user sits on the
また、ワイヤ１５２が弓形プーリ１２８によって引かれることにより、第二の係止金具１４６は、上方に突出するように揺動変位される。そして、使用者の着座完了によって、Ｓ３において、第二の係止金具１４６の第二の係止爪１４８が、第一の係止金具１１８の第一の係止爪１２０に係止されて、座部１１２がフレーム１１４に対して揺動変位不能にロックされる。
Further, when the
次に、使用者の着座完了後に、Ｓ４において、誘電体シート１５６への電圧印加を停止する。これにより、誘電膜３０の弾性が増大して、アクチュエータ１５４，１５４が軸方向に収縮する作用が大きくなる。その結果、ワイヤ１５２に及ぼされる張力が大きくなって、座部１１２に対して後部を上方に持ち上げる力が大きく作用する。一方、ロック機構によって、座部１１２がフレーム１１４に対してロックされていることから、誘電体シート１５６への電圧印加解除によって誘電膜３０の弾性が増大しても、座部１１２は水平方向に広がる着座状態に保持される。
Next, after the user's seating is completed, voltage application to the
次に、Ｓ５において、使用者が、着座状態からの立ち上がりを開始すると、座部１１２に作用する使用者の体重が低減される。更に、Ｓ５において使用者が立ち上がりを開始するのと同時に、Ｓ６において、ロック機構を解除する。即ち、図示しないモータによって第二の係止金具１４６を揺動変位させることで傾斜させて、第一，第二の係止金具１１８，１４６の係止による座部１１２のロックを解除する。なお、第二の係止金具１４６は、例えば、座面に作用する重さを感知するセンサを配設して、重量センサの検出結果に基づいて揺動変位せしめられる。
Next, in S5, when the user starts rising from the seated state, the weight of the user acting on the
座部１１２のロックが解除されると、アクチュエータ１５４，１５４が、貯蔵された力学的エネルギー（アクチュエータ１５４を構成する誘電膜３０の弾性力）によって軸方向に収縮せしめられる。そこにおいて、Ｓ４で予めアクチュエータ１５４，１５４への電圧印加を停止していることから、各誘電膜３０のバネ定数が、伸張時に比べて増大せしめられており、アクチュエータ１５４，１５４において発揮される収縮方向の力が、大きく得られるようになっている。
When the
そして、弓形プーリ１２８が、アクチュエータ１５４，１５４の収縮によって、ワイヤ１５２を介して後方に引かれて揺動変位される。これにより、弓形プーリ１２８に固定された座部１１２は、後部を上方に持ち上げるように揺動変位せしめられる。
Then, the
その結果、使用者は、座部１１２によって斜め前方に押し上げられて、立ち上がり初期に必要な力の一部をアクチュエータ１５４，１５４からの出力によって補助されるようになっている。以上の説明からも明らかなように、本実施形態におけるアクチュエータ１５４は、外力の作用に対して力学的なエネルギーを貯蔵すると共に、貯蔵したエネルギーを放出することで仕事をする、蓄力手段としての機能を備えている。
As a result, the user is pushed up diagonally forward by the
その後、Ｓ７において、使用者が立ち上がりを完了して、座部１１２から離脱することにより、補助椅子１１０は、作動前の非着座状態（初期状態）に復帰する。
Then, in S7, when the user completes the standing up and leaves the
このように、本発明に係る機械的インピーダンスの調節装置を、アクチュエータ１５４に適用して、誘電体シート１５６への電圧印加を制御することにより、アクチュエータ１５４における力学的エネルギーの蓄積と放出を、効率的に実現することが出来る。即ち、外部からアクチュエータ１５４へのエネルギー入力時には、誘電体シート１５６の電極層３２ａ，３２ｂに電圧を印加することで、誘電膜３０を変形し易くして、小さな外力から効率的にエネルギーを蓄積する。一方、アクチュエータ１５４から外部へのエネルギー出力時には、電極層３２ａ，３２ｂへの電圧の印加を停止することで、誘電膜３０の弾性力を大きくして、蓄積したエネルギーから大きな力を座部１１２に作用させる。これらによって、本実施形態に従う構造とされた立ち上がり補助椅子１１０では、着座時の座部１１２のスムーズな揺動変位と、立ち上がり時の充分な補助（使用者に対する大きな力の作用）を、両立して実現することが出来るのである。
As described above, the mechanical impedance adjusting apparatus according to the present invention is applied to the
次に、図１４には、本発明の第四の実施形態としての揺動アームに係る腕部１７０を備えた人型ロボット１７２を概略的に示す。人型ロボット１７２は、胴部１７４と、胴部１７４の上方に取り付けられた頭部１７６と、胴部１７４の下端部分に取り付けられて胴部１７４を支持する脚部１７８と、胴部１７４の上端部分に取り付けられた腕部１７０とを、備えている。なお、人型ロボット１７２の詳細な構造は、本発明の要点ではないことから、ここでは説明を省略する。また、以下の説明において、上下方向とは図１４中の上下方向を、前後方向とは図１４中の左右方向を、それぞれ言うものとする。
Next, FIG. 14 schematically shows a
また、胴部１７４の下端部と、脚部１７８の上端部との連結部分には、駆動源としての腰部モータ１８０が配設されており、腰部モータ１８０の駆動によって、胴部１７４が脚部１７８に対して前後方向に傾動可能とされている。
Further, a
また、腕部１７０は、基端部としての上腕部１８２と、揺動部としての前腕部１８４とを有しており、上腕部１８２の一方の端部と前腕部１８４の他方の端部が連結された構造とされている。また、上腕部１８２と前腕部１８４の連結部分が関節部としての肘関節とされて、少なくとも一方の側に屈曲可能とされている。更に、腕部１７０は、上腕部１８２の他方の端部が胴部１７４の上端部に対して揺動可能に取り付けられて、取付部分が肩関節とされている。なお、前腕部１８４の一方の端部（先端部）には、ハンド部が取り付けられているが、ここでは説明および図示を省略する。
Further, the
ここにおいて、上腕部１８２と前腕部１８４には、前腕部１８４を上腕部１８２に対して相対的に傾動（屈曲）させる駆動機構１８６が装着されている。駆動機構１８６は、上腕部１８２の一方の端部に固設された第一の取付部材１８８と、前腕部１８４の一方の端部に固設された第二の取付部材１９０を有している。また、それら第一，第二の取付部材１８８，１９０の間には、機械的インピーダンス調節装置としてのアクチュエータ１９２が配設されており、ワイヤ１９４によって第一，第二の取付部材１８８，１９０に取り付けられている。要するに、アクチュエータ１９２は、その出力方向の両端部が、第一，第二の取付部材１８８，１９０を介して、上腕部１８２と前腕部１８４に取り付けられている。
Here, a
アクチュエータ１９２は、前記第一，第二の実施形態に示された調節装置１０，８０や筒型アクチュエータ２６、或いは第三の実施形態に示されたアクチュエータ１５４等、本発明に係る機械的インピーダンスの調節装置を利用して構成されている。そして、アクチュエータ１９２の初期状態において、腕部１７０が屈曲状態（本実施形態では、上腕部１８２と前腕部１８４が略直角をなす状態）に保持されている。
The
このような構造を有する人型ロボット１７２では、アクチュエータ１９２への印加電圧を調節することにより、前腕部１８４が上腕部１８２に対して揺動されるようになっており、前腕部１８４によって対象物１９６を持ち上げることが出来る。以下、人型ロボット１７２による対象物１９６の持上げ作動について、図１５を参照しつつ説明する。
In the
先ず、図１４の（ａ）に示すように、腰部モータ１８０を駆動させて、胴部１７４を脚部１７８に対して所定角度：θ1 だけ前傾させる。そして、Ｓ１１において、腕部１７０の先端にあるハンド部に対して対象物１９６を載置或いは把持させる。この際、アクチュエータ１９２の長さは、ｌ1 とされている。
First, as shown in FIG. 14A, the
次に、Ｓ１２において、アクチュエータ１９２の電極層３２ａ，３２ｂに電圧を印加する。これにより、アクチュエータ１９２を構成する誘電膜３０のバネ定数が小さくなって、弾性変形し易くなる。
Next, in S12, a voltage is applied to the electrode layers 32a and 32b of the
次に、Ｓ１３において、腰部モータ１８０を駆動して、胴部１７４と脚部１７８の成す角度を小さくしていく。これにより、第一の取付部材１８８と第二の取付部材１９０の離隔距離が大きくなって、アクチュエータ１９２が引き伸ばされ、アクチュエータ１９２の長さがｌ2 （ｌ2 ＞ｌ1 ）に変化する。そして、アクチュエータ１９２には、収縮方向に作用する力学的エネルギーが蓄積される。
Next, in S13, the
次に、図１４の（ｂ）に示すように、胴部１７４と脚部１７８の成す角度がθ1 に比べて充分に小さい所定角度：θ2 になった時点で、Ｓ１４において、アクチュエータ１９２の電極層３２ａ，３２ｂへの電圧印加を停止する。これにより、アクチュエータ１９２を構成する誘電膜３０のバネ定数が大きくなって、収縮方向への復元力が増大する。
Next, as shown in FIG. 14B, when the angle formed by the
そして、Ｓ１５において、図１４の（ｃ）に示すように、アクチュエータ１９２が対象物１９６の質量に抗して収縮されて、アクチュエータ１９２の長さがｌ３（ｌ2 ＞ｌ3 ）に変化する。その結果、アクチュエータ１９２によって前腕部１８４が上腕部１８２に対して上方へ揺動されて、対象物１９６が上方に持ち上げられる。
In S15, as shown in FIG. 14C, the
このように、本実施形態に示された人型ロボット１７２では、腰部モータ１８０による上体（胴部１７４）の駆動時に、アクチュエータ１９２への電圧の印加することで、アクチュエータ１９２に対してエネルギーを効率的に蓄積することが出来ると共に、腕部１７０の屈曲時には、アクチュエータ１９２への電圧の印加を停止することで、アクチュエータ１９２において蓄積されたエネルギーを効率的に放出することが出来る。なお、このことからも明らかなように、本実施形態におけるアクチュエータ１９２は、蓄力手段としての機能を有している。
Thus, in the
しかも、図１４の（ｂ）に示すように、対象物１９６を持ち上げる前に人型ロボット１７２の胴部１７４を充分に起き上がらせて、脚部１７８に対する傾斜を小さくしている。それ故、対象物１９６を持ち上げる際に、人型ロボット１７２の重心が前傾姿勢の場合（図１４の（ａ））よりも後方に位置せしめられて、胴部１７４の前方において対象物１９６を持ち上げることによる転倒を回避することが出来る。
In addition, as shown in FIG. 14B, before the
また、本実施形態に示された人型ロボット１７２の腕部１７０では、腕部１７０の関節にモータを設けることなく、上腕部１８２と前腕部１８４の相対的な揺動を実現することが出来る。それ故、腕部１７０の小型化と軽量化を実現することが出来て、腕部１７０の駆動による人型ロボット１７２の重量バランスの変化を抑えることが出来ると共に、腕部１７０の駆動に必要な力を小さく抑えることが出来る。しかも、胴部１７４を揺動させる大出力の腰部モータ１８０の駆動力を、腕部１７０の駆動に利用することで、質量の大きな対象物１９６の腕部１７０による持上げを、特別なモータ等を設けることなく実現することが出来る。
Further, in the
次に、図１６には、本発明の第五の実施形態としての揺動アームに係る腕部２００の要部を概略的に示す。腕部２００は、前腕部１８４が上腕部１８２に対して揺動可能に連結された構造を有している。
Next, FIG. 16 schematically shows a main part of an
また、前腕部１８４の先端部分には、上方に突出する第一の支持部材２０２と、下方に突出する第二の支持部材２０４が固設されている。更に、第一の支持部材２０２には、電気モータ２０６が取り付けられており、電気モータ２０６の回転軸に第一のプーリ２０８が取り付けられている。一方、第二の支持部材２０４には、第二のプーリ２１０が回転可能に取り付けられている。
A
一方、上腕部１８２の前腕部１８４側の端部には、上方に突出する第一の取付部材２１２と、下方に突出する第二の取付部材２１４が固設されている。更に、第一の取付部材２１２には、連結部材２１６が第一のプーリ２０８に向かって突出して揺動可能に取り付けられている。更にまた、連結部材２１６の第一のプーリ２０８側端部には、略有底円筒形状のケース２１８が取り付けられている。更に、ケース２１８の開口部は、略円板形状の蓋部材２２０によって閉塞されている。なお、図１６中では、ケース２１８および蓋部材２２０が断面で描かれている。
On the other hand, a first mounting
また、ケース２１８には、機械的インピーダンス調節装置としてのアクチュエータ２２２が配設されている。アクチュエータ２２２は、全体として略円筒形状乃至は略円柱形状を有しており、前記第一乃至第三の実施形態に示されている調節装置やアクチュエータを採用出来ることから、ここでは詳細な説明を省略するが、誘電膜３０と電極層３２ａ，３２ｂを備えて、電極層３２ａ，３２ｂ印加される電圧を制御することで、バネ定数を変化させることが可能とされている。更に、アクチュエータ２２２は、軸方向一方の端面がケース２１８の底壁部に重ね合わされて固定されていると共に、他方の端面が蓋部材２２０に対して所定距離を隔てて対向せしめられている。
The
また、第一の取付部材２１２とアクチュエータ２２２の間には、ワイヤ２２４が架け渡されている。ワイヤ２２４は、一方の端部が第一の取付部材２１２に取り付けられていると共に、第一，第二のプーリ２０８，２１０に巻き掛けられている。更に、ワイヤ２２４の他方の端部が、蓋部材２２０を貫通してアクチュエータ２２２の軸方向他方の端部に固定されている。なお、アクチュエータ２２２には、ワイヤ２２４によって軸方向の引張力が及ぼされており、アクチュエータ２２２が外力の作用しない初期状態で軸方向に伸長されている。
A
ここにおいて、比較的に質量の小さい軽量物を持ち上げる場合には、電気モータ２０６への通電によるワイヤ２２４の巻取りを制御することにより、前腕部１８４が上腕部１８２に対して揺動変位せしめられる。これにより、前腕部１８４を精密に制御することが出来て、軽量物を繊細に取り扱うことが可能になる。なお、アクチュエータ２２２に初期延伸が施されて軸方向での伸びが制限されており、軽量物の持ち上げ時には、図１６の（ａ）に示すように、アクチュエータ２２２が初期の長さに保持される。
Here, when lifting a lightweight object having a relatively small mass, the
一方、比較的に質量の大きい重量物を持ち上げる場合には、電気モータ２０６への通電を停止して、アクチュエータ２２２によって腕部２００が駆動されるようになっている。即ち、前腕部１８４の先端に設けられた図示しないハンド部に対して重量物が載置或いは把持された状態で、上腕部１８２を上方に移動させると、図１６の（ｂ）に示すように、前腕部１８４が先端側に向かって下傾する。これにより、第一の取付部材２１２と第一のプーリ２０８との離隔距離が長くなる。その結果、アクチュエータ２２２に対して軸方向外側への引張力が及ぼされて、アクチュエータ２２２が初期状態に対してΔｌだけ伸長される。
On the other hand, when lifting a heavy object having a relatively large mass, the energization of the
そこにおいて、上腕部１８２の上方への移動時に、アクチュエータ２２２の電極層３２ａ，３２ｂに対して電圧を印加することにより、アクチュエータ２２２のバネ定数が小さくされて、アクチュエータ２２２が軸方向に伸張変形を生じ易くされる。これにより、外力の作用によるアクチュエータ２２２の伸び：Δｌが、大きく確保される。
Accordingly, when the
次に、アクチュエータ２２２の電極層３２ａ，３２ｂに対する電圧の印加を停止することにより、アクチュエータ２２２のバネ定数を大きくする。これにより、アクチュエータ２２２の収縮方向への復元力が大きくなって、ワイヤ２２４がアクチュエータ２２２によって大きな力で引き込まれる。そして、前腕部１８４が揺動変位されて、前腕部１８４の先端側が上方に変位せしめられる。その結果、前腕部１８４の先端に設けられたハンド部で支持された重量物が、上方に持ち上げられるようになっている。特に本実施形態では、アクチュエータ２２２に初期延伸が施されていることにより、復元力がより大きく発揮されて、重量物の持上げを有利に実現出来る。
Next, by stopping the application of voltage to the electrode layers 32a and 32b of the
このように、アクチュエータ２２２のバネ定数を調節することで、エネルギーの貯蔵と放出を効果的に行うことが出来て、大質量の対象物を持ち上げる大きな駆動力を前腕部１８４に及ぼすことが出来る。なお、本実施形態におけるアクチュエータ２２も、前記実施形態におけるアクチュエータ１５４，１９２と同様に、蓄力手段としての機能を有している。
In this way, by adjusting the spring constant of the
なお、本実施形態に係る腕部２００は、前記第四の実施形態に示されているような人型ロボットの腕部として好適に採用される。このように、腕部２００を人型ロボット１７２に適用する場合には、上述した重量物を持ち上げる際の上腕部１８２の変位が、腰部モータ１８０による胴部１７４の起立によって実現され得る。
In addition, the
次に、図１７には、本発明の第六の実施形態としての機械的インピーダンス調節装置に係るアクチュエータ２３０が設けられた動力伝達機構２３２を概略的に示す。動力伝達機構２３２は、例えば自動車のタイミングベルトのような機構であって、円形とされた主動側プーリ２３４および従動側プーリ２３６に対して、環状のベルト２３８を巻き掛けた構造を有している。
Next, FIG. 17 schematically shows a
また、主動側プーリ２３４と従動側プーリ２３６の間には、テンショナ２４０が配設されている。このテンショナ２４０は、ベルト２３８において主動側プーリ２３４と従動側プーリ２３６の間に架け渡された部位に対して、ベルト２３８の外周側から押し付けられている。
A
また、テンショナ２４０は、支持部材２４２によって回転可能に支持されている。この支持部材２４２は、長手板形状を有しており、一方の端部に貫設された第一の軸部材２４４によってテンショナ２４０が回転可能に支持されていると共に、他方の端部に貫設された第二の軸部材２４６によって図示しないベースに対して揺動可能に取り付けられている。
The
また、支持部材２４２の長手方向中間部分には、アクチュエータ２３０の一方の端部が取り付けられている。また、アクチュエータ２３０の他方の端部は、図示しないベースに固定されている。
Further, one end of the
ここにおいて、本実施形態に係る動力伝達機構２３２では、アクチュエータ２３０への印加電圧を調節して、アクチュエータ２３０のバネ定数を変更設定することにより、テンショナ２４０の位置を支持部材２４２の揺動によって変化させることが出来て、ベルト２３８の弛みを解消することが出来る。それ故、アクチュエータ２３０への電圧印加を停止することにより、テンショナ２４０をベルト２３８に押し付けて、主動側プーリ２３４と従動側プーリ２３６の間でベルト２３８によって動力を伝達させることが出来る一方、アクチュエータ２３０に電圧を印加することにより、テンショナ２４０を上方に変位させて、ベルト２３８によるプーリ２３４，２３６間での動力伝達を解除することが出来る。
Here, in the
このように、本発明に係る機械的インピーダンス調節装置をテンショナ２４０を駆動させるアクチュエータ２３０として利用することにより、動力伝達のＯＮ／ＯＦＦ切替えを簡単な構成で実現することが出来る。しかも、電圧印加時に動力伝達が解除されることから、通電時間を短くすることが出来て、省電力化や、発熱低下による耐久性向上を、実現することも出来得る。
Thus, by using the mechanical impedance adjusting device according to the present invention as the
以上、本発明の幾つかの実施形態について詳述してきたが、これらはあくまでも例示であって、本発明は、かかる実施形態における具体的な記載によって、何等、限定的に解釈されるものではない。 As mentioned above, although several embodiment of this invention has been explained in full detail, these are illustrations to the last, Comprising: This invention is not limited at all by the specific description in this embodiment. .
例えば、前述の第一の実施形態における筒型アクチュエータ２６の更に異なる態様として、図１８に概略的に示す筒型アクチュエータ２５０を用いる等しても良い。筒型アクチュエータ２５０は、芯材としてのコイルスプリング２５２に誘電体シート２８が渦巻状に巻回された構造とされている。なお、図示は省略するが、本実施形態における筒型アクチュエータ２５０においても、前述の第一の実施形態における筒型アクチュエータ２６と同様に、軸方向（図１８中、上下方向）両端部にピン４０が設けられている。
For example, as a further different aspect of the
より詳細には、筒型アクチュエータ２５０は、コイルスプリング２５２が予圧縮せしめられた状態で、誘電体シート２８が渦巻状に巻回されることによって構成されている。なお、コイルスプリング２５２と誘電体シート２８との固定は、渦巻状に巻回された誘電体シート２８の内周面をコイルスプリング２５２の外周面と接着等すれば良い。
More specifically, the
このような構造とされた筒型アクチュエータ２５０は、誘電体シート２８に電圧が印加されていない状態では、予圧縮が及ぼされたコイルスプリング２５２が誘電体シート２８で拘束されることによって、圧縮状態に保持される。そして、誘電体シート２８に電圧が印加されると、誘電体シート２８が軸方向に伸張せしめられる。これにより、コイルスプリング２５２の弾性復元力による軸方向の伸張が許容されて、筒型アクチュエータ２５０が軸方向に伸張せしめられる。一方、軸方向に伸張された筒型アクチュエータ２５０の誘電体シート２８への印加電圧を除去すると、誘電体シート２８が軸方向に収縮せしめられることによって、コイルスプリング２５２が軸方向に圧縮変形せしめられる。これにより、筒型アクチュエータ２５０が軸方向で収縮せしめられることとなる。
The
このような筒型アクチュエータ２５０を用いれば、芯材の弾性変形によって、伸縮方向を軸方向により安定して発現せしめることが出来る。また、特に伸張変形時において、コイルスプリング２５２の弾性復元力を利用することによって、より速やかな作動を行なうことも出来る。
By using such a
なお、芯材としては、軸方向に弾性変形可能な部材であれば何等限定されるものではなく、例えば、棒状の弾性部材を用いて芯材を構成しても良い。そのような弾性部材としては、例えば、シリコーンゴム、アクリルゴム、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体（ＥＰＤＭ）、天然ゴム（ＮＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、ヒドリン系ゴム、クロロプレンゴム（ＣＲ）、フッ素ゴム、ウレタンゴム等のエラストマーが好適に採用され得る。 The core material is not limited as long as it is a member that can be elastically deformed in the axial direction. For example, the core material may be configured using a rod-shaped elastic member. Examples of such elastic members include silicone rubber, acrylic rubber, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), natural rubber (NR), butyl rubber (IIR), isoprene rubber (IR), and acrylonitrile-butadiene. Elastomers such as copolymer rubber (NBR), hydrogenated nitrile rubber (H-NBR), hydrin rubber, chloroprene rubber (CR), fluorine rubber, and urethane rubber can be suitably employed.
また、上記筒型アクチュエータ２５０において、芯材を予め伸張せしめた状態で、誘電体シート２８を巻回せしめて、誘電体シート２８の軸方向両端部を接着やかしめ等で芯材に固定する等しても良い。ここにおいて、好適には、上記エラストマー製の棒状の芯材が用いられる。本態様においては、芯材が予め伸張せしめられた状態で誘電体シート２８に拘束される。そして、誘電体シート２８に電圧が印加せしめられると、誘電体シート２８の厚さ寸法が小さくされることによって、芯材への拘束力が低減せしめられる。従って、芯材の弾性復元力による収縮が許容されて、筒型アクチュエータが軸方向で収縮せしめられる。一方、誘電体シート２８への印加電圧が除去されると、誘電体シート２８の厚さ寸法が大きくされることによって、芯材への拘束力が増大せしめられて、芯材が周方向から絞られる。従って、芯材が軸方向に伸張せしめられて、筒型アクチュエータが軸方向に伸張せしめられる。このようにすれば、上記筒型アクチュエータ２５０とは逆に、特に収縮変形時において、コイルスプリング２５２の弾性復元力を利用することによって、より速やかな作動を行なうことが出来る。
Further, in the
更にまた、上記筒型アクチュエータ２６，２５０においては、１枚の誘電体シート２８が渦巻状に丸められることによって筒形状が形成されていたが、図１９に概略的に示す異なる態様の筒型誘電体素子としての筒型アクチュエータ２６０のように、全周に亘って連続する円筒形状の誘電膜２６２と電極層２６４を径方向で交互に積層する等しても良い。なお、このような周方向に連続する誘電膜２６２と電極層２６４は、例えば、電極層２６４を形成するための電極材溶液、誘電膜２６２を形成するための誘電材溶液中に、芯材を交互に浸漬せしめて形成したり、或いは、芯材に電極材溶液、誘電材溶液を交互にスプレーして形成する等しても良い。
Further, in the
また、前記第二の実施形態には、複数の誘電体シート８２の積層方向を、動力伝達経路方向に対して直交せしめた構造の調節装置８０を示したが、図２０に概略的に示すように、複数の誘電体シート８２を動力伝達経路方向（ワイヤ２０の延出方向）に積層させた構造の調節装置２７０も採用され得る。かくの如き構造とされた調節装置２７０では、印加電圧を増大することによって面の広がり方向に伸張せしめられて厚さ寸法が減少せしめられる一方、印加電圧を減少することによって面の広がり方向に収縮せしめられて厚さ寸法が増大せしめられる。これにより、コンプライアンス性の調節や、バネ定数の変化を利用した蓄力等を実現することが出来る。
Further, in the second embodiment, the
特に、調節装置８０と調節装置２７０は、印加電圧の増減によって、動力伝達経路方向で伸縮変形が逆位相で生ぜしめられる構造となっている。それ故、例えば、それら調節装置８０と調節装置２７０を組み合わせることにより、単一の印加電圧制御によって、特定部位或いは特定方向での伸張と、他の特定部位或いは他の特定方向での収縮を、同時に生ぜしめることも可能となる。
In particular, the adjusting
また、前記各実施形態における誘電体シート２８，８２の枚数や大きさ、具体的な形状、積層数等は、配設箇所の状況や目的とする機械的インピーダンス特性等を考慮して適宜に設定され得るものであって、何等限定されるものではないことは、言うまでもない。
In addition, the number and size of the
さらに、前記各実施形態においては、電歪膜の表面の略全体に電極層が形成されていたが、電極層は、電歪膜の表面の一部に設ける等しても良い。また、電極層の具体的な形状も何等限定されるものではなく、例えば、電歪膜の表面にメッシュ状に形成する等しても良い。このようにすれば、電歪膜の変形が電極層で拘束されるおそれを軽減することが出来て、電歪膜の変形量をより大きく確保し得る。 Further, in each of the above embodiments, the electrode layer is formed on substantially the entire surface of the electrostrictive film. However, the electrode layer may be provided on a part of the surface of the electrostrictive film. Further, the specific shape of the electrode layer is not limited at all. For example, the electrode layer may be formed in a mesh shape on the surface of the electrostrictive film. In this way, it is possible to reduce the possibility that deformation of the electrostrictive film is restrained by the electrode layer, and it is possible to secure a larger amount of deformation of the electrostrictive film.
また、本発明に係る機械的インピーダンスの調節装置を、１つの伝達経路上に複数設けることも勿論可能である。このようにすれば、より広い範囲に亘る機械的インピーダンスの調節効果を得ることが出来る。 It is of course possible to provide a plurality of mechanical impedance adjusting devices according to the present invention on one transmission path. In this way, the effect of adjusting the mechanical impedance over a wider range can be obtained.
更に、前記実施形態においては、本発明に係る機械的インピーダンスの調節装置をワイヤ２０を含んで構成されるワイヤ駆動機構上に配設した態様を例示したが、本発明に係る機械的インピーダンスの調節装置が配設される動力伝達経路は必ずしもワイヤに限定されるものではなく、従来公知の動力伝達機構上に適宜に配設して用いることが可能である。例えば、動力伝達機構として油圧シリンダや空気シリンダが用いられた駆動機構において、シリンダと駆動部材との連結部分に本発明に係る調節機構を設けることによって、これらシリンダの実質的な長さ寸法を変化せしめて機械的インピーダンスを変化せしめること等も可能である。
Furthermore, in the said embodiment, although the aspect which arrange | positioned the mechanical impedance adjustment apparatus which concerns on this invention on the wire drive mechanism comprised including the
また、前記第三の実施形態では、アクチュエータ１５４の上端部が座部１１２に対してワイヤ１５２および弓形プーリ１２８を介して間接的に取り付けられていると共に、下端部がフレーム１１４に直接取り付けられているが、アクチュエータ１５４の座部１１２およびフレーム１１４への取付態様は、前記実施形態のものに限定されない。具体的には、例えば、特開平１０−５２３３２号公報に示されているように、リンクロッドを介して座部とフレームが連結されている場合には、リンクロッドに対して本発明に係る機械的インピーダンスの調節装置を利用したアクチュエータが取り付けられて、リンクロッドがアクチュエータによって伸縮されることにより、座部がフレームに対して駆動変位されるようになっていても良い。
In the third embodiment, the upper end of the
また、前記第三の実施形態に示されたアクチュエータ１５４の具体的な構造は、特に限定されるものではなく、例えば、前記第一の実施形態や第二の実施形態に示した調節装置１０や調節装置８０、筒型アクチュエータ２６等を採用することも出来る。なお、第一の実施形態に示された駆動機構１２の筒型アクチュエータ２６に代えて、或いは加えて、前記第三の実施形態に示されたダイヤフラム型アクチュエータ１５４を採用することも可能である。
The specific structure of the
また、前記第一乃至第五の実施形態では、ワイヤの経路上にワイヤの弛みを解消するワイヤテンションを設けても良い。これにより、機械的インピーダンスの調節装置が伸縮することによって動力伝達経路の長さが実質的に変化した場合にも、動力伝達経路を所期の巻掛け状態や架渡し状態に安定して保持することが出来る。 In the first to fifth embodiments, a wire tension for eliminating the slack of the wire may be provided on the wire path. As a result, even when the length of the power transmission path substantially changes due to the expansion and contraction of the mechanical impedance adjusting device, the power transmission path is stably held in the intended winding state or the overhanging state. I can do it.
また、前記第三の実施形態では、使用者の着座による座部１１２への体重の作用を利用して駆動源を実現したが、例えば、座部１１２を揺動させる電気モータ等を設けて、着座時には該電気モータの出力によって座部１１２が着座状態に移行されるようになっていても良い。一方、前記第四，第五の実施形態では、腰部モータ１８０等を利用した上腕部１８２の移動によって、前腕部が駆動されるようにしたが、例えば、前腕部（ハンド部）に対して持上げ対象物の質量を及ぼすことで前腕部が揺動されて、アクチュエータにエネルギーが貯蔵されるようになっていても良い。
Further, in the third embodiment, the drive source is realized by utilizing the action of the body weight on the
１０：調節装置、１４：アーム部材、１６：回転軸、２０：ワイヤ、２２：電動モータ、２４：プーリ、２６：筒型アクチュエータ、２８：誘電体シート、３０：誘電膜、３２ａ，ｂ：電極層、３４：絶縁層、１１０：立ち上がり補助椅子、１１２：座部、１１４：フレーム、１５４，１９２，２２２，２３０：アクチュエータ、１５８：外周連結部材、１６０：内周連結部材、１７０，２００：腕部、１８０：腰部モータ、１８２：上腕部、１８４：前腕部 10: adjusting device, 14: arm member, 16: rotating shaft, 20: wire, 22: electric motor, 24: pulley, 26: cylindrical actuator, 28: dielectric sheet, 30: dielectric film, 32a, b: electrode Layer, 34: insulating layer, 110: auxiliary chair for standing up, 112: seat, 114: frame, 154, 192, 222, 230: actuator, 158: outer peripheral connecting member, 160: inner peripheral connecting member, 170, 200: arm , 180: waist motor, 182: upper arm, 184: forearm
Claims (19)
誘電体エラストマーによって形成された誘電膜の両面に電極層を形成した誘電体素子を前記動力伝達経路上に配設し、該電極層への印加電圧を調節することによって機械的インピーダンスを調節出来るようにしたことを特徴とする機械的インピーダンスの調節装置。 In a mechanical impedance adjusting device disposed on a power transmission path between a driving source and a driving member driven by the driving source,
A dielectric element having electrode layers formed on both sides of a dielectric film formed of a dielectric elastomer is disposed on the power transmission path, and the mechanical impedance can be adjusted by adjusting the voltage applied to the electrode layer. A device for adjusting mechanical impedance, characterized in that
前記アクチュエータとして請求項１乃至１５の何れか一項に記載の機械的インピーダンスの調節装置を用いて、該アクチュエータにおける出力方向の一方の端部を前記座部に取り付けると共に、他方の端部を前記フレームに取り付けたことを特徴とする立ち上がり補助椅子。 A stand-up auxiliary chair having a seat portion as the driving member and a frame that supports the seat portion, the seat portion being capable of being driven and displaced relative to the frame by an actuator,
The mechanical impedance adjusting device according to any one of claims 1 to 15 is used as the actuator, and one end portion in the output direction of the actuator is attached to the seat portion, and the other end portion is attached to the seat portion. A stand-up auxiliary chair characterized by being attached to the frame.
前記アクチュエータとして請求項１に乃至１５の何れか一項に記載の機械的インピーダンスの調節装置を用いて、該アクチュエータにおける出力方向一方の端部を前記駆動部材を構成する前記揺動部に取り付けると共に、他方の端部を前記基端部に取り付けたことを特徴とする揺動アーム。 An oscillating arm having a base end portion and an oscillating portion connected to the base end portion via a joint portion, and an actuator for oscillating and displacing the oscillating portion relative to the base end portion Because
The mechanical impedance adjusting device according to any one of claims 1 to 15 is used as the actuator, and one end portion in the output direction of the actuator is attached to the swinging portion constituting the driving member. A rocking arm having the other end attached to the base end.
前記誘電体エラストマーに外力を及ぼしてエネルギーを貯蔵する段階で該誘電体エラストマーの両面に形成された前記電極層に電圧を印加する一方、該誘電体エラストマーに貯蔵されたエネルギーを放出する段階で該電極層への電圧の印加を停止することを特徴とする機械的インピーダンス調節装置の制御方法。 A method for controlling a mechanical impedance adjusting device according to any one of claims 1 to 15,
In the step of applying an external force to the dielectric elastomer to store energy, a voltage is applied to the electrode layers formed on both sides of the dielectric elastomer, while in the step of releasing the energy stored in the dielectric elastomer. A method for controlling a mechanical impedance adjusting device, wherein application of a voltage to an electrode layer is stopped.
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