JP2018179276A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】トグル機構を備えたアクチュエータの変位量と発生力とを独立して制御することを特徴とするアクチュエータを得る。
【解決手段】第一リンクと、第一リンクの一端に一端が連結部で回転可能に連結されている第二リンクとを有するトグル機構であって、一のトグル機構の第二リンクの他端と他のトグル機構の第一リンクの他端とが結合部で回転可能に連結され、一方向に直列に連結されている複数のトグル機構が備えられている。そして、制御部は、複数の連結部を個別に移動させるようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータに関する。

ロボットアームには、モータなどの電磁力による駆動装置やシリンダーなどの油圧や空気圧による駆動装置などが用いられている。また、モータやシリンダーなどの金属で構成された駆動装置に対して、ＭｃＫｉｂｂｅｎ型人工筋肉などゴムや繊維などの柔軟体で構成された駆動装置もある。

これらの駆動装置では、目的の駆動速度や駆動力を得るために倍力装置や変速装置などが用いられている。これらの駆動装置は構造上、小型化や軽量化を行う上での限界があり、ロボットアームや人体装着機器の小型・軽量化を図る上での障害となる場合がある。

特許文献１では、導電性高分子を含むアクチュエータ及びその駆動方法が開示されており、導電性高分子を用いることにより軽量化が図られ、また、導電性高分子の伸縮量を増大するための機構が備えられている。この機構は、膜状の導電性高分子に電圧が印加されて押圧部が直線運動をすることにより、導電性高分子の収縮量よりも長い距離の上下運動を行うことができるとされている。また、膜状導電性高分子は、膜状であれば、円形、四角形及び長方形でも良いが、伸縮による力を押圧部に均等に掛けるには円形が好ましいとされている。一方、押圧部は、力を分散させないために、貴金属、カーボン及び硬化プラスチックなどで形成されることが望ましいとされている。また、形状は特に限定はされないが、アクチュエータ自体の大きさを小さくするには、長い棒状、円筒状及び柱状が好ましいとされている。

特許文献２では、特許文献１においてアクチュエータの変位方向である厚み方向に対して、変位拡大機構のサイズ以下への薄型化が困難であるとし、板状の基盤部材と導電性高分子を含む伸縮部材と可動部材と電極と伸縮部材と電極の間に挟まれた電解質托体層とを備え、基盤部材と伸縮部材と可動部材はそれぞれを一辺とする三角形を形成し、基盤部材と可動部材とのなす角度の変化が可能であるように配置され、かつ伸縮部材と電極との間に電圧を印加することで生じる伸縮部材の伸縮により基盤部材と可動部材の角度が変化する高分子アクチュエータが開示されている。変位拡大機構により、特許文献１の高分子アクチュエータと比較して、変位方向の厚みを薄くすることが可能であるとされている。

特許文献３では、例えば、従来の人体装着駆動装置では、肘屈曲や伸展を行うことは可能であるが、前腕をねじる動作（手のひらの向きを変える動作）や上腕を軸にして前腕を旋回させる動作（腕相撲の際の動作）などをアシストすることができない課題があるとしている。これは、従来の人体装着駆動装置の動作補助装置が使用者の種々の動作のうちの１つの動作のみを補助・補強するものであり、複雑な動作をアシストする際には複数の動作補助装置を組み合わせて用いなければならず、身体への動作補助装置の装着が困難であるためである。このような課題に鑑み、テンセグリティ構造体による動作補助装置を提供することにより、使用者の身体の屈曲や伸展、ねじれ、収縮や伸長等の動作、及びより複雑な動作を十分にアシストすることが可能になるとした。
特開２００５−３９９９６号公報 特開２００７−０１５９２２２号公報 特開２００９−１８９４６８号公報

人工筋肉として、２つのリンクとスライダーとから構成されているトグル機構を備えたアクチュエータを用いることが考えられる。

しかし、トグル機構を備えたアクチュエータでは、アクチュエータの変位量と発生力とを独立して制御することができなかった。つまり、変位量が決まると、発生力が一義的に決まっていた。

本発明の課題は、トグル機構を備えたアクチュエータの変位量と発生力とを独立して制御することである。

本発明の請求項１に係るアクチュエータは、第一リンクと、前記第一リンクの一端に一端が連結部で回転可能に連結されている第二リンクとを有するトグル機構であって、一のトグル機構の第二リンクの他端と他のトグル機構の第一リンクの他端とが結合部で回転可能に連結され、一方向に直列に連結されている複数のトグル機構と、前記一方向において、最も一側に配置されている前記トグル機構の前記第一リンクの他端を回転可能に連結し、複数の前記トグル機構が前記一方向に伸縮するように前記結合部、及び前記一方向において、最も他側に配置されている前記トグル機構の前記第二リンクの他端を支持する支持部材と、前記連結部を保持し、前記第一リンクの一端と前記第二リンクの一端との回転軸方向から見て、前記一方向に対して交差する交差方向に前記連結部を移動させる複数の移動部と、前記移動部を制御し、複数の前記連結部を個別に移動させる制御部と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、制御部によって制御される移動部が、夫々のトグル機構の連結部を交差方向に個別に移動させる、又はその位置で維持させる。これにより、一方向に直列に連結された複数のトグル機構の一方向における長さが変位する。換言すると、一方向におけるアクチュエータの長さが変位する。

例えば、アクチュエータが一のトグル機構と他のトグル機構とを備える場合に、一のトグル機構に対しては、アクチュエータの発生力を変化させるために、制御部が、移動部を制御して、一のトグル機構の連結部を移動させて保持させる。また、他のトグル機構に対しては、アクチュエータが使用される使用範囲以上の力で、一のトグル機構を移動させて保持させるために、制御部が、移動部を制御して、他のトグル機構の連結部を移動させて保持させる。

このように、制御部が移動部を制御して複数の連結部を個別に移動させることで、トグル機構を用いたアクチュエータの変位量と発生力とを独立して制御することができる。

本発明の請求項２に係るアクチュエータは、請求項１に記載のアクチュエータにおいて、前記移動部は、一端が前記連結部に回転可能に連結されている第三リンクと、前記第三リンクの他端に一端が係合部で回転可能に連結されている第四リンクとを有し、前記交差方向に伸縮するように支持されている補助トグル機構と、前記係合部を保持し、前記一方向に前記係合部を移動させる補助移動部と、を備え、前記制御部は、前記補助移動部を制御することを特徴とする。

上記構成によれば、制御部によって制御される補助移動部が第三リンクと第四リンクとを回転可能に連結している係合部を一方向に移動させることで、トグル機構の連結部が交差方向に移動する。

例えば、第三リンクと第四リンクとの回転軸方向から見て、第三リンクと第四リンクとの成す角度を予め定められた角度以上とする。これにより、連結部に予め決められた以上の力を付与しなければならない場合に、係合部が存在しない構成と比して、付与する力を軽減することができる。

本発明の請求項３に係るアクチュエータは、請求項１に記載のアクチュエータにおいて、前記移動部は、一端が前記連結部に回転可能に連結されている第三リンクと、前記第三リンクの他端に一端が係合部で回転可能に連結されている第四リンクとを有し、前記交差方向に伸縮するように支持されている複数の補助トグル機構と、前記一方向に延びる長尺部材と、夫々の前記係合部に取り付けられ、前記長尺部材を把持及び解放する把持部材と、前記長尺部材を保持し、前記長尺部材を前記一方向に移動させることで、把持状態の前記係合部を前記一方向に移動させる補助移動部と、を備え、前記制御部は、前記補助移動部、及び複数の把持部材を制御することを特徴とする。

上記構成によれば、制御部によって制御される把持部材が長尺部材を把持している把持状態で、制御部によって制御される補助移動部が長尺部材を一方向に移動させることで、トグル機構の連結部が交差方向に移動する。

これに対して、把持部材が長尺部材を解放している解放状態で、補助移動部が長尺部材を一方向に移動させても、トグル機構の連結部は交差方向に移動しない。

このように、把持部材を把持状態又は解放状態とすることで、一個の補助移動部によって、連結部を個別に移動させることができる。

本発明によれば、トグル機構を用いたアクチュエータの変位量と発生力とを独立して制御することができる。

（Ａ）（Ｂ）本発明の第１実施形態に係るアクチュエータの機構部を示した動作図である。 （Ａ）（Ｂ）本発明の第１実施形態に係るアクチュエータの機構部を示した動作図である。 （Ａ）（Ｂ）本発明の第１実施形態に係るアクチュエータを示した動作図である。 （Ａ）（Ｂ）本発明の第１実施形態に係るアクチュエータを示した動作図である。 （Ａ）（Ｂ）本発明の第１実施形態に係るアクチュエータを装着者の腕に装着した状態を示した状態図である。 本発明の第１実施形態に係るアクチュエータの制御部の制御系を示したブロック図である。 本発明の第１実施形態に係るアクチュエータの力倍率と変位量との関係をグラフで示した図面である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）本発明の第１実施形態に係るアクチュエータに備えられた１個のトグル機構の動作を示した動作図である。 本発明の第１実施形態に係るアクチュエータに備えられた１個のトグル機構の力倍率と変位量との関係をグラフで示した図面である。 本発明の第２実施形態に係るアクチュエータの機構部を示した構成図である。 本発明の第２実施形態に係るアクチュエータの制御部の制御系を示したブロック図である。 本発明の第３実施形態に係るアクチュエータの機構部を示した構成図である。 本発明の第３実施形態に係るアクチュエータの制御部の制御系を示したブロック図である。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係るアクチュエータの一例について説明する。なお、各図に示す矢印Ｙ方向は、アクチュエータが伸縮する伸縮方向を示し、矢印Ｘ方向は、伸縮方向に対して直交する方向であってアクチュエータの高さ方向（以下「高さ方向」）を示す。さらに、矢印Ｚ方向は、伸縮方向及び高さ方向に対して直交する方向であってアクチュエータの厚さ方向（以下「厚さ方向」）を示す。

（全体構成）
本第１実施形態に係るアクチュエータ１０は、図４（Ａ）（Ｂ）に示されるように、外装部１４と、機構部３８とを備えている。

〔外装部１４〕
外装部１４は、基体１６と、基体１６によって伸縮方向に移動可能に支持されている伸縮部２２とを備えている。

基体１６は、伸縮方向に延びる断面円状で、両端部が半球状とされている本体１８と、伸縮方向に延びる断面円状のロッド２０とを備えている。ロッド２０は、本体１８に対して小径化されており、本体１８の伸縮方向の一端に取り付けられている。

また、本体１８の内部には、伸縮方向に延びる円柱状の空洞部１８Ａが形成されており、この空洞部１８Ａの伸縮方向の他端は、外部に開口している。

伸縮部２２は、伸縮方向に延びる円柱状とされている本体２４と、伸縮方向に延びる断面円状のロッド２６とを備えている。ロッド２６は、本体２４に対して小径化されており、本体２４の伸縮方向の他端に取り付けられている。

また、本体２４の直径は、基体１６の本体１８に形成されている空洞部１８Ａの直径に対して小さくされ、本体２４の一部が、空洞部１８Ａの内部に配置されている。

〔機構部３８〕
機構部３８は、本体１８の空洞部１８Ａに配置されている２個のトグル機構４０Ａ、４０Ｂと、トグル機構４０Ａ、４０Ｂを支持している支持部材５０と、移動部６０Ａ、６０Ｂと、制御部６４（図６参照）とを備えている。

−トグル機構４０Ａ、４０Ｂ−
トグル機構４０Ａ、４０Ｂは、図２（Ａ）に示されるように、伸縮方向（一方向の一例）に直列に互いに連結されている。そして、伸縮方向の一側から他側（図中左側から右側）に、トグル機構４０Ａとトグル機構４０Ｂとがこの順番で並んでいる。なお、以下の説明でトグル機構４０Ａ及びトグル機構４０Ｂを特に区別しない場合は、トグル機構４０Ａ及びトグル機構４０Ｂの各構成部材も含めて、末尾のＡ、Ｂを省略することがある。

トグル機構４０Ａは、第一リンク４２Ａと、第一リンク４２Ａの一端に一端が連結部４４Ａで回転可能に連結されている第二リンク４６Ａとを有している。また、連結部４４Ａによって支持されている第一リンク４２Ａの一端と第二リンク４６Ａの一端の回転軸方向は、厚さ方向（回転軸方向の一例）とされている。そして、本実施形態では、一例として、第一リンク４２Ａの長さは、１０〔ｍｍ〕とされ、第二リンク４６Ａの長さは、４０〔ｍｍ〕とされている。

また、トグル機構４０Ｂは、第一リンク４２Ｂと、第一リンク４２Ｂの一端に一端が連結部４４Ｂで回転可能に連結されている第二リンク４６Ｂとを有している。さらに、第一リンク４２Ｂの他端は、トグル機構４０Ａの第二リンク４６Ａの他端に結合部４８で回転可能に連結されている。

また、連結部４４Ｂによって支持されている第一リンク４２Ｂの一端と第二リンク４６Ｂの一端の回転軸方向は、厚さ方向（回転軸方向の一例）とされている。さらに、結合部４８によって支持されている第一リンク４２Ｂの他端と、トグル機構４０Ａの第二リンク４６Ａの他端の回転軸方向は、厚さ方向（回転軸方向の一例）とされている。そして、本実施形態では、一例として、第一リンク４２Ｂの長さ（軸間距離）は、１０〔ｍｍ〕とされ、第二リンク４６Ｂの長さ（軸間距離）は、４０〔ｍｍ〕とされている。

ここで、第一リンク４２の他端を回転可能に連結し、第二リンク４６の他端を伸縮方向に移動可能に支持した場合の１個のトグル機構４０の特性について説明する。具体的には、第二リンク４６の他端の変位量ΔＳと、第二リンク４６の他端に生じる発生力Ｆとについて説明する。

図８（Ａ）に示されるように、第一リンク４２の長さをｒとし、第二リンク４６の長さをｍとする。また、第一リンク４２の他端と第二リンク４６の他端とを通る直線Ｐと連結部４４との高さ方向の距離を高さｈとする。また、第一リンク４２の他端と第二リンク４６の他端との距離を距離Ｓとする。

また、図８（Ａ）に示されるように、伸縮方向における連結部４４と第一リンク４２の他端との距離を距離ｋとし、伸縮方向における連結部４４と第二リンク４６の他端との距離を距離ｎとする。さらに、高さ方向に対する第一リンク４２の角度を角度αとし、高さ方向に対する第二リンク４６の角度を角度βとする。

そうすると、下記式（１）、及び式（２）が成り立つ。

ｋ＝√（ｒ^２−ｈ^２）、 ｎ＝√（ｍ^２−ｈ^２）、 Ｓ＝ｋ＋ｎ・・・・（１）
α＝ｃｏｓ^−１（ｈ／ｒ）、 β＝ｃｏｓ^−１（ｈ／ｍ）・・・・・・・（２）
さらに、高さ方向において連結部４４に付与する力を付与力ｆ（保持力）とし、伸縮方向において第二リンク４６の他端に生じる発生力Ｆとする。付与力ｆと発生力Ｆとの関係については、前述した式（１）、（２）から下記式（３）が成り立つ。なお、発生力Ｆとは、第二リンク４６が静止している状態では、伸縮方向において、第二リンク４６の他端を保持する保持力であり、第二リンク４６が移動（回転移動）している状態では、第二リンク４６の他端に発生する押圧力である。

Ｆ／ｆ＝（ｓｉｎα・ｓｉｎβ）／ｓｉｎ（α＋β）・・・・・・・（３）
ここで、式（３）で求められたＦ／ｆをトグル機構４０の力倍率とする。さらに、長さｒが１０〔ｍｍ〕で、長さｍが４０〔ｍｍ〕で、高さｈが８〔ｍｍ〕のときの第一リンク４２の他端と第二リンク４６の他端との距離を距離Ｓ（図８（Ａ）参照）として、図８（Ｂ）（Ｃ）に示されるように、高さｈを減少させることで、距離Ｓが変位した変位量を変位量ΔＳとする。

そうすると、力倍率Ｆ／ｆと、変位量ΔＳとの関係は、図９のグラフに示す実線Ｊ１のようになる。具体的には、グラフの縦軸を力倍率Ｆ／ｆとし、グラフの横軸を変位量ΔＳとする。実線Ｊ１から分かるように、変位量ΔＳが増加するに従って、力倍率Ｆ／ｆの増加率が高くなっている。さらに、１個のトグル機構４０を用いるだけでは、変位量ΔＳが決まると、一義的に力倍率Ｆ／ｆが決まるようになっている。

例えば、変位量ΔＳが２．０〔ｍｍ〕のときに、力倍率Ｆ／ｆは、１となる。また、変位量ΔＳが３．９〔ｍｍ〕のときに、力倍率Ｆ／ｆは、２となる。

また、図９のグラフには、長さｒが１０〔ｍｍ〕で、長さｍが１０〔ｍｍ〕の場合の力倍率Ｆ／ｆと変位量ΔＳとの関係が、一点鎖線Ｊ２で示されている。さらに、長さｒが１０〔ｍｍ〕で、長さｍが２０〔ｍｍ〕の場合の力倍率Ｆ／ｆと変位量ΔＳとの関係が、二点鎖線Ｊ３で示され、長さｒが１０〔ｍｍ〕で、長さｍが３０〔ｍｍ〕の場合の力倍率Ｆ／ｆと変位量ΔＳとの関係が、点線Ｊ４で示されている。また、長さｒが１０〔ｍｍ〕で、長さｍが５０〔ｍｍ〕の場合の力倍率Ｆ／ｆと変位量ΔＳとの関係が、破線Ｊ５で示されている。

このように、長さｒと長さｍとの比率を変えることで、トグル機構の特性が変化するのが分かる。

−支持部材５０−
支持部材５０は、図２（Ａ）に示されるように、伸縮方向に延びるレール５４と、トグル機構４０Ａの第一リンク４２Ａの他端を回転可能に支持する支持部５６と、トグル機構４０Ｂの第二リンク４６Ｂの他端を回転可能に支持する支持部５８とを備えている。

レール５４は、前述したように、伸縮方向に延びており、伸縮方向においてレール５４の一端（図中左端）は、基体１６の本体１８に形成された円柱状の空洞部１８Ａの底部１９に取り付けられている。そして、このレール５４は、トグル機構４０Ａの第二リンク４６Ａとトグル機構４０Ｂの第一リンク４２Ｂとを結合する結合部４８と、第二リンク４６Ｂの他端を回転可能に支持する支持部５８とを、伸縮方向に移動可能に支持している。

また、第一リンク４２Ａの他端を支持している支持部５６は、伸縮方向においてレール５４の一端に配置されている。そして、支持部５６によって支持されているトグル機構４０Ａの第一リンク４２Ａの他端の回転軸方向は、厚さ方向とされている。

さらに、第二リンク４６Ａの他端を支持している支持部５８は、図４（Ａ）に示されるように、伸縮部２２の本体２４の空洞部１８Ａ側を構成する底板２４Ａに取り付けられている。また、この底板２４Ａには、図示せぬ貫通孔が形成され、前述したレール５４は、この貫通孔を貫通している。

この構成において、トグル機構４０Ａ、４０Ｂが伸縮することで、図４（Ａ）（Ｂ）に示されるように、アクチュエータ１０が伸縮する（変位する）ようになっている。

−移動部６０Ａ、６０Ｂ−
移動部６０Ａは、所謂直動型ステッピングモータであって、図２（Ａ）に示されるように、トグル機構４０Ａの連結部４４Ａに配置されており、連結部４４Ａを高さ方向（交差方向の一例）に移動させるようになっている。さらに、移動部６０Ａは、連結部４４Ａを移動させた位置で保持するようになっている。本実施形態では、一例として、移動部６０Ａは、連結部４４Ａに５０〔Ｎ〕の力を付与して連結部４４Ａを保持するようになっている。なお、この連結部４４Ａに付与された力が、前述の式（３）で説明した付与力ｆである。

移動部６０Ｂは、所謂直動型ステッピングモータであって、トグル機構４０Ｂの連結部４４Ｂに配置されており、連結部４４Ｂを高さ方向に移動させ、かつ、連結部４４Ｂを移動させた位置で保持するようになっている。本実施形態では、一例として、移動部６０Ｂは、連結部４４Ｂに５０〔Ｎ〕の力を付与して連結部４４Ｂを保持するようになっている。なお、この連結部４４Ｂに付与された力が、前述の式（３）で説明した付与力ｆである。

−制御部６４・スイッチ６８−
制御部６４とスイッチ６８とは電気的に接続されており、制御部６４は、図６に示されるように、スイッチ６８から受け取った信号に基づいて移動部６０Ａ、６０Ｂを制御するようになっている。

スイッチ６８は、操作可能な操作部を備えており、操作部が操作されることで制御部６４に第一信号、第二信号、又は第三信号を出力するようになっている。

また、本実施形態では、制御部６４は、トグル機構４０Ａ（図２（Ａ）参照）の力倍率Ｆ／ｆが２以上となる範囲（図９に示す範囲Ｔ１）となるように、移動部６０Ａを制御するようになっている。さらに、制御部６４は、トグル機構４０Ｂの力倍率Ｆ／ｆが１以上２以下の範囲（図９に示す範囲Ｔ２）となるように、移動部６０Ｂを制御するようになっている。

換言すれば、図９のグラフに示されるように、制御部６４は、トグル機構４０Ａの変位量ΔＳが３．９〔ｍｍ〕以上４．８〔ｍｍ〕以下の範囲（図９に示す範囲Ｔ３）になるように、移動部６０Ａを制御するようになっている。また、制御部６４は、トグル機構４０Ｂの変位量ΔＳが２．０〔ｍｍ〕以上３．９〔ｍｍ〕以下の範囲（図９に示す範囲Ｔ４）になるように、移動部６０Ｂを制御するようになっている。なお、変位量ΔＳが２〔ｍｍ〕のときは、高さｈは６．４〔ｍｍ〕であって、変位量ΔＳが３．９〔ｍｍ〕のときは、高さｈは３．７〔ｍｍ〕であって、変位量ΔＳが４．８〔ｍｍ〕のときは、高さｈは０．１〔ｍｍ〕である。

ここで、前述したように、連結部４４は、５０〔Ｎ〕の力で保持されるようになっている。つまり、トグル機構４０Ａの発生力Ｆは、１００〔Ｎ〕以上で、トグル機構４０Ｂの発生力Ｆは、５０〔Ｎ〕以上１００〔Ｎ〕以下である。本実施形態では、アクチュエータ１０が使用される使用力は、１００〔Ｎ〕以下である。

つまり、トグル機構４０Ａの発生力Ｆは、アクチュエータ１０が使用される使用範囲以上である。すなわち、トグル機構４０Ａは、伸縮方向におけるトグル機構４０Ｂの位置を変位するために用いられる。

以上説明したように、制御部６４が、トグル機構４０Ｂに対して、力倍率Ｆ／ｆが１以上２以下の範囲で制御することで、トグル機構４０Ｂによって生じる力倍率Ｆ／ｆと変位量ΔＳとの関係は、図７のグラフに示す実線Ｊ１０となる。さらに、制御部６４が、トグル機構４０Ａに対して、力倍率Ｆ／ｆが２以上の範囲で制御することで、変位量ΔＳが３．９〔ｍｍ〕以上４．８〔ｍｍ〕以下の範囲となる。

このように、制御部６４がトグル機構４０Ａの変位量ΔＳを変化させることで、トグル機構４０Ｂが、トグル機構４０Ａに押し引きされて伸縮方向に移動する。

これにより、制御部６４がトグル機構４０Ａの変位量ΔＳを３．９〔ｍｍ〕にした場合には、トグル機構４０Ｂによって生じる力倍率Ｆ／ｆと変位量ΔＳとの関係は、図７のグラフに示す実線Ｊ１０となる。一方、制御部６４がトグル機構４０Ａの変位量ΔＳを４．８〔ｍｍ〕にした場合には、トグル機構４０Ｂによって生じる力倍率Ｆ／ｆと変位量ΔＳとの関係は、図７のグラフに示す実線Ｊ１１となる。

そして、制御部６４が、トグル機構４０Ａとトグル機構４０Ｂとを個別に移動させることで、図７のグラフに示す斜線部の範囲で、アクチュエータ１０の変位量ΔＳと発生力Ｆとが独立して制御されるようになっている。

また、制御部６４は、スイッチ６８が出力する信号に対して、移動部６０Ａと移動部６０Ｂとをどのように制御するかを定めたマップを記憶している。なお、制御部６４によるトグル機構４０Ａ、４０Ｂに対する詳細な制御については、後述する作用と共に説明する。

（作用）
次に、アクチュエータ１０の作用について、２個のアクチュエータ１０を人工筋肉（人間の筋力を補助する部材）に用いた場合を例にとって説明する。

先ず、２個のアクチュエータ１０を、装着者に装着する装着方法について説明する。

図５（Ａ）に示されるように、一方のアクチュエータ１０を装着者の上腕二頭筋Ｕ１に沿うように装着する。さらに、他方のアクチュエータ１０を装着者の上腕三頭筋Ｕ２に沿うように装着する。なお、以下の説明では便宜上、一方のアクチュエータ１０を「アクチュエータ１０Ａ」と称し、他方のアクチュエータ１０を「アクチュエータ１０Ｂ」と称する。なお、アクチュエータ１０Ａ、１０Ｂにスイッチ６８から信号が入力されていない状態では、アクチュエータ１０Ａ、１０Ｂの高さｈは、８〔ｍｍ〕となっている。

以下、装着方法について具体的に説明する。

先ず、スイッチ６８の操作部を操作して、スイッチ６８から第一信号を制御部６４に出力させる。

第一信号が入力された制御部６４は、予め記憶しているマップに基づいてアクチュエータ１０Ａ、１０Ｂを制御する。

制御部６４は、図１（Ａ）、図３（Ａ）に示されるように、アクチュエータ１０Ａのトグル機構４０Ａの移動部６０Ａを制御して連結部４４Ａを移動させて、高さｈを０．１〔ｍｍ〕としてこの位置で連結部４４Ａを保持させる。さらに、制御部６４は、トグル機構４０Ｂの移動部６０Ｂを制御して連結部４４Ｂを移動させて、高さｈを３．７〔ｍｍ〕としてこの位置で連結部４４Ｂを保持させる。なお、移動部６０Ａが連結部４４Ａを保持する力は、前述したように、５０〔Ｎ〕である。

そして、アクチュエータ１０Ａは、図７のグラフに示す点Ｖ１の状態となっている。また、伸縮方向におけるアクチュエータ１０Ａの発生力Ｆは、１００〔Ｎ〕となっている。

さらに、第一信号が入力された制御部６４は、図２（Ａ）、図４（Ａ）に示されるように、アクチュエータ１０Ｂのトグル機構４０Ａの移動部６０Ａを制御して連結部４４Ａを移動させて、高さｈを３．７〔ｍｍ〕としてこの位置で連結部４４Ａを保持させる。また、制御部６４は、トグル機構４０Ｂの移動部６０Ｂを制御して連結部４４Ｂを移動させて、高さｈを６．４〔ｍｍ〕としてこの位置で連結部４４Ｂを保持させる。

そして、アクチュエータ１０Ｂは、図７のグラフに示す点Ｖ２の状態となっている。また、伸縮方向におけるアクチュエータ１０Ｂの発生力Ｆは、５０〔Ｎ〕となっている。

この状態で、アクチュエータ１０Ａ、１０Ｂを、図５（Ａ）に示されるように、延した状態の装着者の腕に、湾曲状に形成された板バネ材である一対の固定具１００を用いて夫々装着する。

アクチュエータ１０Ａ、１０Ｂのロッド２０には、ワイヤ１０１の一端が接続されており、ワイヤ１０１の他端は、回転体１０２の回転軸１０２Ｂに接続されている。そして、ロッド２０の移動によって回転軸１０２Ｂが回転するようになっておいる。回転軸１０２Ｂには、前腕を支持するアーム１０２Ａの一端が接続されており、回転軸１０２Ｂの回転に伴ってアーム１０２Ａが回転することで、前腕の動作補助が行われるようになっている。

以下、図５（Ａ）（Ｂ）に示されるように、装着者が延した腕を曲げて重い荷物を持ち上げる場合と、装着者が延した腕を曲げて軽い荷物を持ち上げる場合について説明する。

−重い荷物を持ち上げる場合−
重い荷物を持ち上げるときには、装着者は、スイッチ６８の操作部を操作して、スイッチ６８から第二信号を制御部６４に出力させる。

第二信号が入力された制御部６４は、予め記憶しているマップに基づいてアクチュエータ１０Ａ、１０Ｂを制御する。

制御部６４は、図１（Ｂ）、図３（Ｂ）に示されるように、アクチュエータ１０Ａのトグル機構４０Ａの移動部６０Ａを制御して連結部４４Ａを移動させて、高さｈを３．７〔ｍｍ〕としてこの位置で連結部４４Ａを保持させる。さらに、制御部６４は、トグル機構４０Ｂの移動部６０Ｂを制御して連結部４４Ｂの高さｈを３．７〔ｍｍ〕の状態で維持させてこの位置で連結部４４Ｂを保持させる。このように、連結部４４Ａの高さｈを０．１〔ｍｍ〕から３．７〔ｍｍ〕へ移動させることで、アクチュエータ１０Ａの伸縮量（変位量）は、−１〔ｍｍ〕（図３参照）となる。

そして、アクチュエータ１０Ａは、図７のグラフに示す点Ｖ３の状態となっている。また、伸縮方向におけるアクチュエータ１０Ａの発生力Ｆは、１００〔Ｎ〕となっている。

さらに、第二信号が入力された制御部６４は、図２（Ｂ）、図４（Ｂ）に示されるように、アクチュエータ１０Ｂのトグル機構４０Ａの移動部６０Ａを制御して連結部４４Ａを移動させて、高さｈを０．１〔ｍｍ〕としてこの位置で連結部４４Ａを保持させる。また、制御部６４は、トグル機構４０Ｂの移動部６０Ｂを制御して連結部４４Ｂの高さｈを６．４〔ｍｍ〕の状態で維持させてこの位置で連結部４４Ｂを保持させる。このように、連結部４４Ａの高さｈを３．７〔ｍｍ〕から０．１〔ｍｍ〕へ移動させることで、アクチュエータ１０Ａの伸縮量（変位量）は、１〔ｍｍ〕（図４参照）となる。

そして、アクチュエータ１０Ｂは、図７のグラフに示す点Ｖ４の状態となっている。また、伸縮方向におけるアクチュエータ１０Ｂの発生力Ｆは、５０〔Ｎ〕となっている。

−軽い荷物を持ち上げる場合−
軽い荷物を持ち上げるときには、装着者は、スイッチ６８の操作部を操作して、スイッチ６８から第三信号を制御部６４に出力させる。

第三信号が入力された制御部６４は、予め記憶しているマップに基づいてアクチュエータ１０Ａ、１０Ｂを制御する。

第三信号が入力された制御部６４は、図２（Ｂ）、図４（Ｂ）に示されるように、アクチュエータ１０Ａのトグル機構４０Ａの移動部６０Ａを制御して連結部４４Ａの高さｈを０．１〔ｍｍ〕の状態で維持させてこの位置で連結部４４Ａを保持させる。また、制御部６４は、トグル機構４０Ｂの移動部６０Ｂを制御して連結部４４Ｂを移動させて、高さｈを６．４〔ｍｍ〕としてこの位置で連結部４４Ｂを保持させる。このように、連結部４４Ｂの高さｈを３．７〔ｍｍ〕から６．４〔ｍｍ〕へ移動させることで、アクチュエータ１０Ａの伸縮量は、−２〔ｍｍ〕となる。

そして、アクチュエータ１０Ａは、図７のグラフに示す点Ｖ４の状態となっている。また、伸縮方向におけるアクチュエータ１０Ｂの発生力Ｆは、５０〔Ｎ〕となっている。つまり、重い荷物を持ち上げる場合と比して、発生力Ｆが弱くなっている。

さらに、第三信号が入力された制御部６４は、図２（Ｂ）、図４（Ｂ）に示されるように、アクチュエータ１０Ｂのトグル機構４０Ａの移動部６０Ａを制御して連結部４４Ａを移動させて、高さｈを０．１〔ｍｍ〕としてこの位置で連結部４４Ａを保持させる。また、制御部６４は、トグル機構４０Ｂの移動部６０Ｂを制御して連結部４４Ｂの高さｈを６．４〔ｍｍ〕の状態で維持させてこの位置で連結部４４Ｂを保持させる。このように、連結部４４Ａの高さｈを３．７〔ｍｍ〕から０．１〔ｍｍ〕へ移動させることで、アクチュエータ１０Ａの伸縮量は、１〔ｍｍ〕（図４参照）となる。

そして、アクチュエータ１０Ｂは、図７のグラフに示す点Ｖ４の状態となっている。また、伸縮方向におけるアクチュエータ１０Ｂの発生力Ｆは、５０〔Ｎ〕となっている
（まとめ）
以上説明したように、制御部６４が、予め記憶しているマップに基づいてアクチュエータ１０Ａ、１０Ｂを個別に制御することで、トグル機構４０を備えたアクチュエータの変位量ΔＳと発生力Ｆとを独立して制御することができる。

また、目的の駆動力や駆動速度を得るために倍力装置や変速装置などが用いられている従来の人工筋肉（アクチュエータ）と比して、トグル機構を複数連結させるだけの構成であるため、アクチュエータを小型・軽量で薄型にすることができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係るアクチュエータの一例について図１０、図１１を用いて説明する。なお、第１実施形態と同一部材等については、同一符号を付してその説明を省略し、第１実施形態と異なる部分を主に説明する。

第２実施形態のアクチュエータ１１０の機構部１３８は、図１０に示されるように、２個のトグル機構４０Ａ、４０Ｂと、トグル機構４０Ａ、４０Ｂを支持している支持部材５０と、移動部１６０Ａ、１６０Ｂと、制御部１６４（図１１参照）とを備えている。

移動部１６０Ａは、トグル機構４０Ａの連結部４４Ａを高さ方向に移動させ、かつ、連結部４４Ａを移動させた位置で保持するようになっている。移動部１６０Ｂは、トグル機構４０Ｂの連結部４４Ｂを高さ方向に移動させ、かつ、連結部４４Ｂを移動させた位置で保持するようになっている。

移動部１６０Ａは、一端が連結部４４Ａに回転可能に連結されている第三リンク１４２Ａと、第三リンク１４２Ａの他端に一端が係合部１４４Ａで回転可能に連結されている第四リンク１４６Ａとを有している。さらに、移動部１６０Ａは、第四リンク１４６Ａの他端を回転可能に支持する支持部１５８Ａと、高さ方向に延びており、支持部１５８Ａを高さ方向に移動可能に支持しているレール１５４Ａと、係合部１４４Ａを伸縮方向に移動させる補助移動部１６２Ａとを有している。

また、係合部１４４Ａによって支持されている第三リンク１４２Ａの一端と第四リンク１４６Ａの一端の回転軸方向は、厚さ方向とされている。さらに、第三リンク１４２Ａの長さと、第四リンク１４６Ａの長さとは同様とされている。この第三リンク１４２Ａと、係合部１４４Ａと、第四リンク１４６Ａとを含んで、補助トグル機構１５０Ａが構成されている。

また、厚さ方向から見て、第三リンク１４２Ａと伸縮方向との成す角度αＡと、第四リンク１４６Ａと伸縮方向との成す角度βＡとは、係合部１４４Ａに付与される付与力が、付与力した力よりも大きな力で連結部４４Ａに伝わるように決められている。例えば、角度αＡ、角度βＡは、共に６４〔度〕以上とされている。

補助移動部１６２Ａは、所謂直動型ステッピングモータであって、係合部１４４Ａに配置されており、係合部１４４Ａを伸縮方向に移動させ、かつ、係合部１４４Ａを移動させた位置で保持するようになっている。なお、係合部１４４Ａについては、高さ方向には移動しないようになっている。

この構成において、補助移動部１６２Ａが、係合部１４４Ａを伸縮方向に移動させるようになっている。これにより、第三リンク１４２Ａ、及び第四リンク１４６Ａが回転することで、連結部４４Ａが、高さ方向に移動するようになっている。

さらに、移動部１６０Ｂは、移動部１６０Ａと同様の構成となっており、第三リンク１４２Ｂと、係合部１４４Ｂと、第四リンク１４６Ｂと、支持部１５８Ｂと、レール１５４Ｂと、補助移動部１６２Ｂを有している。この第三リンク１４２Ｂと、係合部１４４Ｂと、第四リンク１４６Ｂとを含んで、補助トグル機構１５０Ｂが構成されている。

また、第三リンク１４２Ｂと伸縮方向との成す角度αＢと、第四リンク１４６Ｂと伸縮方向との成す角度βＢとは、係合部１４４Ｂに付与される付与力が、付与力した力よりも大きな力で連結部４４Ｂに伝わるように決められている。例えば、角度αＢ、角度βＢは、共に６４〔度〕以上とされている。

そして、制御部１６４は、スイッチ６８が出力する信号に対して移動部１６０Ａ、１６０Ｂをどのように制御するかを定めたマップを記憶しており、補助移動部１６２Ａ、１６２Ｂを制御するようになっている（図１１参照）。

以上説明したように、角度αＡ、αＢと、角度βＡ、βＢとは、係合部１４４Ａ、１４４Ｂに付与される付与力が、付与力した力よりも大きな力で連結部４４Ａ、４４Ｂに伝わるように決められている。このため、連結部に予め決められた以上の力を付与しなければならない場合に、連結部に直接、力を付与する場合と比して、係合部に付与する力を軽減することができる。

第２実施形態の他の作用については、第１実施形態の作用と同様である。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係るアクチュエータの一例について図１２、図１３を用いて説明する。なお、第２実施形態と同一部材等については、同一符号を付してその説明を省略し、第２実施形態と異なる部分を主に説明する。

第３実施形態に係るアクチュエータ２１０の移動部２６０Ａ、２６０Ｂは、係合部１４４Ａ、１４４Ｂに直接力を付与して、係合部１４４Ａ、１４４Ｂを移動させる補助移動部を備えていない。

アクチュエータ２１０の移動部２６０Ａ、２６０Ｂは、図１２に示されるように、伸縮方向に延びる、共通の長尺部材２６８と、長尺部材２６８を伸縮方向に移動させる、共通の補助移動部２６２とを備えている。そして、長尺部材２６８は、厚さ方向から見て、係合部１４４Ａ、及び係合部１４４Ｂを横切るように配置されている。

補助移動部２６２は、所謂直動型ステッピングモータであって、伸縮方向において長尺部材２６８の他側に配置されており、長尺部材２６８を伸縮方向に移動させ、かつ、長尺部材２６８を移動させた位置で保持するようになっている。

また、移動部２６０Ａは、係合部１４４Ａを覆うように係合部１４４Ａに取り付けられ、長尺部材２６８が内部を貫通する把持部材２７０Ａを備えている。この把持部材２７０Ａは、長尺部材２６８を把持することで、係合部１４４Ａと長尺部材２６８とを連結し、長尺部材２６８を解放することで、係合部１４４Ａと長尺部材２６８との連結を解除するようになっている。

さらに、移動部２６０Ｂは、係合部１４４Ｂを覆うように係合部１４４Ａに取り付けられ、長尺部材２６８が内部を貫通する把持部材２７０Ｂを備えている。この把持部材２７０Ｂは、長尺部材２６８を把持することで、係合部１４４Ｂと長尺部材２６８とを連結し、長尺部材２６８を解放することで、係合部１４４Ｂと長尺部材２６８との連結を解除するようになっている。

さらに、制御部２６４は、スイッチ６８が出力する信号に対して把持部材２７０Ａ、２７０Ｂ、及び補助移動部２６２をどのように制御するかを定めたマップを記憶している。そして、制御部２６４は、把持部材２７０Ａ、２７０Ｂ、及び補助移動部２６２を制御するようになっている（図１３参照）。

以上説明したように、補助移動部２６２が、長尺部材２６８を伸縮方向に移動させるようになっている。そして、把持部材２７０Ａ、２７０Ｂが、長尺部材２６８を把持することで、係合部１４４Ａ、１４４Ｂと長尺部材２６８とを連結するようになっている。また、把持部材２７０Ａ、２７０Ｂが、長尺部材２６８を解放することで、係合部１４４Ｂと長尺部材２６８との連結を解除するようになっている。

そして、把持部材２７０Ａ、２７０Ｂが、長尺部材２６８を把持した把持状態で、係合部１４４Ａ、１４４Ｂが、伸縮方向に移動するようになっている。

このため、一個の補助移動部２６２によって、連結部４４Ａ、４４Ｂを個別に移動させることができる。

なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態をとることが可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、上記実施形態では、スイッチ６８を切り換えることで、制御部６４、１６４、２６４に出力される信号を変えたが、四肢に取り付けた傾斜計、加速度計、又は角速度計による検出結果等によって、制御部６４、１６４、２６４に出力される信号を変えてもよい。

また、上記実施形態では、移動部６０、補助移動部１６２、２６２として直動型ステッピングモータを用いたが、空気や油圧などの流体力による駆動装置等を用いてもよい。

また、上記実施形態では、アクチュエータ１０は、トグル機構を２個備えたが、トグル機構を３個以上備えてもよい。例えば、力倍率Ｆ／ｆが２以上の範囲で制御される複数のトグル機構を、トグル機構４０Ｂに直列に連結させることで、変位量ΔＳの領域を広げることができる。

また、上記実施形態で説明したアクチュエータ１０の変位量ΔＳ、及び発生力Ｆは、一例であって、使用する目的、又は装着者の体型等に応じて、リンクの長さを変えて、アクチュエータ１０の変位量ΔＳ、及び発生力Ｆを変えてもよい。

また、上記実施形態では、特に記載しなかったが、アクチュエータ１０の伸縮量（ストール）を増加させる場合は、各リンクの長さを長くしたり、トグル機構を増やすことで、伸縮量を増加させることができる。

１０Ａ アクチュエータ
１０Ｂ アクチュエータ
４０Ａ トグル機構
４０Ｂ トグル機構
４２Ａ 第一リンク
４２Ｂ 第一リンク
４４Ａ 連結部
４４Ｂ 連結部
４６Ａ 第二リンク
４６Ｂ 第二リンク
４８ 結合部
５０ 支持部材
５６ 支持部
５８ 支持部
６０Ａ 移動部
６０Ｂ 移動部
６４ 制御部
１４２Ａ 第三リンク
１４２Ｂ 第三リンク
１４４Ａ 係合部
１４４Ｂ 係合部
１４６Ａ 第四リンク
１４６Ｂ 第四リンク
１５０Ａ 補助トグル機構
１５０Ｂ 補助トグル機構
１６０Ａ 移動部
１６０Ｂ 移動部
１６２Ａ 補助移動部
１６２Ｂ 補助移動部
２６０Ａ 移動部
２６０Ｂ 移動部
２６２ 補助移動部
２６８ 長尺部材
２７０Ａ 把持部材
２７０Ｂ 把持部材

Claims (3)

1. 第一リンクと、前記第一リンクの一端に一端が連結部で回転可能に連結されている第二リンクとを有するトグル機構であって、一のトグル機構の第二リンクの他端と他のトグル機構の第一リンクの他端とが結合部で回転可能に連結され、一方向に直列に連結されている複数のトグル機構と、
   前記一方向において、最も一側に配置されている前記トグル機構の前記第一リンクの他端を回転可能に連結し、複数の前記トグル機構が前記一方向に伸縮するように前記結合部、及び前記一方向において、最も他側に配置されている前記トグル機構の前記第二リンクの他端を支持する支持部材と、
   前記連結部を保持し、前記第一リンクの一端と前記第二リンクの一端との回転軸方向から見て、前記一方向に対して交差する交差方向に前記連結部を移動させる複数の移動部と、
   前記移動部を制御し、複数の前記連結部を個別に移動させる制御部と、
   を備えるアクチュエータ。
2. 前記移動部は、一端が前記連結部に回転可能に連結されている第三リンクと、前記第三リンクの他端に一端が係合部で回転可能に連結されている第四リンクとを有し、前記交差方向に伸縮するように支持されている補助トグル機構と、前記係合部を保持し、前記一方向に前記係合部を移動させる補助移動部と、を備え、
   前記制御部は、前記補助移動部を制御する請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記移動部は、一端が前記連結部に回転可能に連結されている第三リンクと、前記第三リンクの他端に一端が係合部で回転可能に連結されている第四リンクとを有し、前記交差方向に伸縮するように支持されている複数の補助トグル機構と、前記一方向に延びる長尺部材と、夫々の前記係合部に取り付けられ、前記長尺部材を把持及び解放する把持部材と、前記長尺部材を保持し、前記長尺部材を前記一方向に移動させることで、把持状態の前記係合部を前記一方向に移動させる補助移動部と、を備え、
   前記制御部は、前記補助移動部、及び複数の把持部材を制御する請求項１に記載のアクチュエータ。