JP7002544B2 - 人工筋肉アクチュエータの改良 - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に従って、２０１６年１２月８日に出願された米国仮特許出願第６２／４３１，７１７号及び２０１７年２月２３日に出願された米国仮特許出願６２／４６２，５４４号の優先権を主張するものであり、参照によりその全体が本明細書に援用される。
撚りポリマー及びカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）繊維及び糸に基づく、熱駆動式ねじりアクチュエータは、幅広い用途を有する。撚り及び／またはコイル状のポリマーを含む人工筋肉アクチュエータは、低コスト、高生産量、及び設計の単純性という利点を有する。人工筋肉アクチュエータは、非常に単純化されたエンジニアリング及びより低い製品コストにより、小型モータを上回る利点を有し得る。
一態様では、本開示によるヒンジ型アクチュエータデバイスは、第１及び第２のパドルと、第１及び第２の人工筋肉アクチュエータセグメントと、複数の接点とを含み得て、第１及び第２の人工筋肉アクチュエータセグメントは接点を介して作動され、第１の人工筋肉アクチュエータセグメントの作動により、第１及び第２のパドルがヒンジ型アクチュエータを開き、第２の人工筋肉アクチュエータセグメントの作動により、第１及び第２のパドルがヒンジ型アクチュエータを閉じる。
別の態様では、本開示による直線変位デバイスは、少なくとも１つの人工筋肉アクチュエータと、少なくとも１つの人工筋肉に取り付けられたアームと、直線に沿って動くように制限されている本体と、本体の動きを直線的な動きに制限する静止チャンネルとを含み得て、少なくとも１つの人工筋肉アクチュエータが、本体を直線に沿って移動させ、本体はアームの表面に沿って移動するようにさらに制限され、少なくとも１つの人工筋肉アクチュエータは、回転式筋肉アクチュエータであり、アームは、少なくとも１つの人工筋肉アクチュエータと協調して回転する。
別の態様では、本開示による直線変位デバイスは、少なくとも１つの人工筋肉アクチュエータと、直線に沿って移動するように制限された本体とを含み得て、少なくとも１つの人工筋肉アクチュエータが、本体を直線に沿って移動させ、少なくとも１つの人工筋肉アクチュエータのうちの１つは作動時に拡張し、少なくとも１つの人工筋肉アクチュエータのうちの１つは作動時に後退し、人工筋肉アクチュエータのそれぞれの第１の端部は、基部に取り付けられ、人工筋肉アクチュエータのそれぞれの第２の端部は、本体に取り付けられる。
別の態様では、本開示による機械的アキュムレータは、少なくとも１つの回転式人工筋肉と、少なくとも１つの人工筋肉に取り付けられたアームと、所定量の力が少なくとも１つの回転式人工筋肉によって加えられない限り、機械的機構の初期位置を維持するラッチ機構とを含み得て、アームは、少なくとも１つの回転式人工筋肉アクチュエータと協調して回転する。
特許請求される主題の他の態様及び利点は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。
本開示の特定の実施形態は、添付の図面を参照して以下に説明され、同様の参照番号は同様の要素を示す。しかし、添付の図面は、本明細書に記載されている様々な実施態様を示しており、本明細書に記載されている様々な技術の範囲を限定することを意味するものではないことを理解されたい。
本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、ヒンジ型アクチュエータの概略図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、ヒンジ型アクチュエータの別の概略図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、回転式人工筋肉アクチュエータを含む直線変位デバイスの概略図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、直線人工筋肉アクチュエータを含む直線変位デバイスの概略図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、直線人工筋肉アクチュエータを含むピストンモジュールとしての直線変位デバイスの概略図である。図５は平面図及び側面図を有する。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、直線変位デバイスの概略図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、機械的アキュムレータ、またはカタパルトの概略図である。
本発明の実施形態の以下の詳細な説明では、本発明のより完全な理解を提供するために、多くの具体的な詳細が述べられている。しかしながら、本発明がこれらの具体的な詳細なしに実施され得ることは、当業者には明らかであろう。他の例では、説明を不必要に複雑にすることを避けるために、周知の特徴は詳細には説明されていない。
本開示の実施形態は、添付の図面を参照して詳細に説明される。様々な図の同様の要素は、一貫性のために同様の参照番号で示され得る。さらに、本明細書に開示される実施形態は、特許請求される主題のより完全な理解を可能にするために提供された特定の詳細なしに実施され得ることは、当業者には明らかであろう。さらに、当業者であれば、添付の図面での要素の縮尺が本開示の範囲から逸脱することなく異なり得ることを、容易に認識するであろう。
用語「または」は、他に明示的に述べられていない限り、「包含的なまたは」であると理解される。「包含的なまたは」の定義の下では、表現「ＡまたはＢ」は、「Ａ単独、Ｂ単独、またはＡとＢの両方」を意味すると理解される。同様に、「Ａ、Ｂ、またはＣ」は、「Ａ単独、Ｂ単独、Ｃ単独、Ａ及びＢの両方、Ａ及びＣの両方、Ｂ及びＣの両方、またはＡ及びＢ及びＣ」を意味すると理解される。
人工筋肉アクチュエータは、任意の種類の人工筋肉で構成され得る。人工筋肉材料は、ポリマー、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、または任意の他の適切な材料を含み得る。１つまたは複数の実施形態では、ナイロン繊維は、導電性を提供するためにナイロンの周りに巻かれた小さな銅線を用いてコイル状に撚られ得る。ナイロンは比較的豊富で安価である。他の材料は、そのより大きな作動速度、温度、耐久性、精度、または他の有用な特性のために望まれ得る。
本明細書に開示される実施形態によれば、互いの上に積み重ねられた複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）シートを含むカーボンナノチューブアクチュエータを使用し得る。１つまたは複数の実施形態では、複数のＣＮＴシートは、それ自体の上に複数回巻き付けられた単一のシートを含み得る。そのようなＣＮＴシートは、本明細書に開示される実施形態による、等方性と考えられ得る。１つまたは複数の実施形態では、これらのＣＮＴシートは、互いの上に積み重ねられると、本質的に分離不可能になり、巻き付けを解くことができない。場合によっては、ＣＮＴ層は、５０枚のＣＮＴシート、１００枚のＣＮＴシート、またはそれ以上を含み得る。
筋肉アクチュエータは、材料に電圧を印加することによって供給される熱を加えて作動させ得る。他の可能性としては、化学反応に基づく人工筋肉アクチュエータ及び印加電圧以外の手段によって加熱される熱活性化筋肉アクチュエータがある。他の加熱手段としては、誘導加熱、磁気ヒステリシス、直接加熱などがある。さらに他の可能性には、吸収活性化及び光活性化人工筋肉アクチュエータがある。
人工筋肉は、シート状の筋肉、ハイブリッドナノファイバー人工筋肉、ハイブリッド筋肉、ハイブリッドアクチュエータ、人工筋肉アクチュエータなどとも呼ばれ得る。
ハイブリッドという用語は、ＣＮＴシートにゲスト作動材料を浸透させて、１つまたは複数のＣＮＴ層を形成すること、さらに、ＣＮＴ層が他の材料も含み得ることを示すのに使用される。例えば、材料は、エラストマー（例えば、シリコーン系ゴム、ポリウレタン、スチレン－ブタジエンコポリマー、天然ゴムなど）、フッ素化プラスチック（例えば、ペルフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）など）、アラミド（例えば、ケプラー、ノメックスなど）、エポキシ、ポリイミド、パラフィンワックスなどを含み得る。
本明細書に開示される実施形態では、糸は１本または複数の繊維の長い、連続した長さである。ＣＮＴ糸では、繊維はＣＮＴであり、コア繊維はＣＮＴ層が周りに巻き付けられている繊維であり得る。
概して、本発明の実施形態は、筋繊維アクチュエータ技術の進歩に関する。例えば、本開示の１つまたは複数の実施形態は、人工筋肉アクチュエータに関する。１つまたは複数の実施形態は、ヒンジ型アクチュエータを含む。１つまたは複数の実施形態は、直線変位、またはボタン型のアクチュエータを含む。１つまたは複数の実施形態は、機械的アキュムレータ、またはカタパルト型のアクチュエータを含む。本明細書に開示される実施形態が、他の実施形態と組み合わせて使用され得るか、または上記の参照によって組み込まれたものなどの、他の既存のアクチュエータ技術に組み込まれ得ることを、当業者なら認識するであろう。
本発明の実施形態は、電気的、光学的、熱的、化学的、吸収により、または他の手段によって駆動されたとき、ねじり及び／または引張作動を生成する、撚紡績ナノ繊維糸及び撚りポリマー繊維を含む、アクチュエータ材料または人工筋肉を含む。本発明の実施形態は、コイル状糸またはポリマー繊維を利用するアクチュエータを含み、ニートであり得るかゲストを含み得る。
１つまたは複数の実施形態では、人工筋肉アクチュエータはヒンジ型構造として機能し得る。
図１は、本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、ヒンジ型アクチュエータの概略図である。図１では、２つの人工筋肉アクチュエータ１０６、１０８が互いに平行に配置され、反対方向に回転作動するように設計されている。図１はまた、人工筋肉アクチュエータ１０６、１０８とパドル１２２、１２４との間の電気的及び／または物理的接点１１０、１１２、１１４、１１６、１１８、１２０を含む。したがって、１つまたは複数の実施形態では、電気接続は、パドルから人工筋肉アクチュエータへの機械的接続として機能し得る。これらの実施形態では、人工筋肉アクチュエータ１０６、１０８は対角位置に強固に保持されているのではなく、可撓性である。また、各人工筋肉アクチュエータ１０６、１０８は、両方のパドル１２２、１２４に接続されており、これは所望の動きを容易にするために必要である。さらに、人工筋肉アクチュエータ１０６、１０８のうちの１つがヒンジを閉じるために作動されると、ヒンジは、人工筋肉アクチュエータ１０６、１０８が互いに衝突して動きを妨げることなく閉じることができる。
これらの実施形態では、接点１１０、１１２、１１４、１１６、１１８、１２０は電気的であり得て、追加の物理的接点は、人工筋肉アクチュエータ１０６、１０８とパドル１２２、１２４との間に設けられ得る。これに関連して、物理的接点は、作動によりパドルが移動するように、人工筋肉アクチュエータにパドルを物理的に接続する。電気接点は、作動のために人工筋肉アクチュエータに電流を加えることを可能にする。
例えば、図１を参照すると、電流は、接点１１０を通り人工筋肉アクチュエータ１０６を通って他の接点１１４、１１８に流れ得る。電流は、人工筋肉アクチュエータを加熱して作動させ、パドル１２２、１２４を結合させる。同様に、接点１１２を通じて接点１１６、１２０に供給される電流は、人工筋肉アクチュエータ１０８内で作動を引き起こし、パドル１２２、１２４を分離させる。したがって、各人工筋肉アクチュエータ１０６、１０８は、互いに独立して動作し得て、双安定システムとして動作し得る。
図１の実施形態では、人工筋肉繊維１０６、１０８は、各パドル１２２、１２４上で互いに結合される。コネクタ１１４、１１６（及びコネクタ１１８、１２０）は互いに電気的に接続し得て、接地接続、ならびに人工筋肉繊維１０６、１０８とパドル１２２、１２４との間の物理的接続として機能し得る。
図２は、本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、別のヒンジ型アクチュエータの概略図である。図２に示す実施形態は、直線的に整列し、反対方向に作動するように構成された２つの人工筋肉アクチュエータ２０６、２０８を含む。図２はまた、図１を参照して説明した実施形態のように、電気的及び／または物理的接点２１０、２１２、２１４、２１６を含む。直線アクチュエータ２０６、２０８は、人工筋肉アクチュエータ２０６と人工筋肉アクチュエータ２０８との間の差を画定する電気接点を有する、単一の人工筋肉繊維から構成され得る。接点２１２、２１６のうちの２つは、２つの人工筋肉アクチュエータ２０６、２０８の接合部に配置され、一方、接点２１０、２１４は、それぞれ人工筋肉アクチュエータ２０６、２０８のそれぞれの端部に配置される。
これらの実施形態では、電流は、接点２１０を通り人工筋肉アクチュエータ２０６を通って他の接点２１２に流れ得る。電流は、人工筋肉アクチュエータ２０６を加熱してそれを作動させ、パドル２１８、２２０を結合させる。同様に、接点２１４、２１６を通して供給される電流は、人工筋肉アクチュエータ２０８の作動を引き起こし、パドル２１８、２２０を分離させる。
図２に記載の実施形態は、図１の実施形態よりも小型であり得る。しかし、図１の実施形態は、作動中により多くのトルクを提供し得る。構成は、特定の用途に応じて選択または修正され得ることを、当業者なら認識するであろう。
上記ならびに図１及び図２に開示される実施形態は、任意のヒンジ型作動に使用され得る。例えば、自動開閉式ハッチ、ドア、ラップトップ、蓋、本、折り紙など。例えば、可能なデバイスは、電流を加えることで、自動的に開き、再び折り重ねた状態に戻るように構成することができる単純な箱とし得る。本明細書に提示される構成には、２つの筋肉アクチュエータが互いの動きに対抗するため、周囲温度の変化に伴う作動に対する抵抗力がある。
本明細書に開示される実施形態はまた、作動の円滑な反転を含む。例えば、人工筋肉アクチュエータデバイスの１つまたは複数の実施形態は、パドルを円弧状に回転させ、逆の方向にしてから、反対方向に回転させるように構成され得る。いくつかの用途では、感応デバイスがパドル上に取り付けられている場合、作動の停止及び方向の反転ができるだけ円滑に行われることが所望され得る。これらの実施形態では、加えられた電流は、いくつかの段階でゆっくりと減少し、停止して、次いで、逆方向に同様にゆっくりと上昇する。したがって、例えば、取り付けられたデバイスを用いてパドルを作動させると、急な動きをすることなく、滑らかに停止して逆方向に動き得る。
１つまたは複数の実施形態では、人工筋肉アクチュエータは、直線変位、またはボタン型のデバイスであり得る。１つまたは複数の実施形態では、直線変位デバイスは、ばねのような動きを示し得るが、電気的に制御することができる。直線変位デバイスを吊り下げる人工筋肉アクチュエータは、電子機器を使用して制御可能でありながら、ばねと同様の弾性能力を提供することができる。ばねのような動きが望まれない場合、直線変位デバイスは、直線変位デバイスを定位置に保持する、１つまたは複数のラッチ機構、例えば、機械的または磁気的ラッチを有するように構成され得る。ラッチ機構は、直線変位デバイスがわずかに動くことを防ぐために望まれ得る。次いで、直線変位デバイスをラッチ位置から変位させるためには所定量の力が必要となり得る。人工筋肉アクチュエータのばねのような動きは、外力が取り除かれると、直線変位デバイスを安定したラッチ位置に戻す。１つまたは複数の実施形態では、ラッチ機構を有する人工筋肉アクチュエータのための２つ以上の安定位置があり得る。人工筋肉アクチュエータはまた、変位デバイスをこれらの安定位置のうちの１つまたは複数の内または外に移動させるために、電気的に作動し得る。
ラッチ機構は、直線または回転式人工筋肉アクチュエータと共に完全に利用し得て、必要に応じて、双安定人工筋肉アクチュエータの使用と組み合わせ得る。双安定人工筋肉アクチュエータは、作動し続けるためにエネルギーの連続供給を必要とし得ないものである。双安定人工筋肉アクチュエータは、外部のラッチ、ギア、磁石、または熱を発生させるために一定の電流を加えることを必要とせずに、その位置を維持することができる。双安定人工筋肉アクチュエータは、より堅牢な設計を生み出すために、ラッチ、ギア及び磁石と組み合わせて使用され得る。
１つまたは複数の実施形態では、直線変位を提供する直線変位デバイスは、回転式人工筋肉アクチュエータを含む。回転式人工筋肉アクチュエータは、ねじり式人工筋肉アクチュエータとも呼ばれ、作動時に撚れる（または、ほどける）ものである。これらの回転式人工筋肉アクチュエータは、人工筋肉アクチュエータの回転運動を、本体のための直線運動に変換する付属部品またはアームを有し得る。
直線変位デバイスの利点の中には、材料の低コスト、簡単な設計、及びばねの代わりに、制御を可能にし、作動していないときにデバイスを特定の位置に戻すことを必要としないデバイスを使用できることである。さらに、直線変位デバイスは、能動的または受動的に熱的に制御され得る。受動的な熱制御の一例は、周囲温度に基づく作動であり得る。能動的な制御は、電流を用いた人工筋肉アクチュエータの作動を含み得る。さらに、直線変位デバイスを構成する材料は、熱、腐食などに対する必要な耐性を提供するように選択し得る。
図３に示すように、１つまたは複数の実施形態では、直線変位デバイス３００は、熱を加えると回転するように設計された少なくとも１つの人工筋肉アクチュエータ３０６（端面図に示す）を含み得る。熱は、受動的または能動的な熱制御によって提供され得る。受動的な熱制御は、周囲温度に対する直接的な反応であり得る。１つまたは複数の実施形態では、能動的な熱制御は、人工筋肉繊維の周りに巻かれたワイヤ（図示せず）を通る電流を通じて提供される。人工筋肉アクチュエータには、筋肉アクチュエータの回転運動を、直線変位デバイスの直線運動に変換するための手段が取り付けられている。手段は、人工筋肉アクチュエータ３０６に取り付けられたギアシステムを含み得る。これは、人工筋肉アクチュエータに取り付けられた単純なアーム３３０を含み得る。１つまたは複数の実施形態では、アーム３３０は直線部品であり得る。アーム３３０は、人工筋肉アクチュエータ３０６の長さの中央またはその付近に取り付けられ得る。人工筋肉アクチュエータ３０６が回転すると、アーム３３０も一緒に回転する。言い換えれば、アーム３３０は、回転式人工筋肉アクチュエータ３０６と協調して回転する。本体３３４は、アーム３３０の表面に配置し得る。
１つまたは複数の実施形態では、アーム３３０は、本体３３４が移動するように拘束され得るチャンネル３３２を含む。さらに、静止チャンネル３４６も、本体３３４の運動が静止チャンネル３４６の方向に沿って直線的になるように拘束または制限するために提供され得る。１つまたは複数の実施形態では、静止チャンネル３４６は、単に別の表面であり得て、一方、別の力、例えば、重力は、本体３３４を静止チャンネル３４６と接触させ続けるための拘束を提供する。
回転式人工筋肉アクチュエータ３０６が回転すると、アーム３３０が本体３３４に回転力を及ぼす。本体３３４とアーム３３０との間の接続部または本体３３４自体は、本体３３４が直線方向にのみ変位し得るように構成されるべきである。
１つまたは複数の実施形態では、ラックアンドピニオンシステムが、回転運動を直線変位に変換するために使用され得る。
１つまたは複数の実施形態では、直線変位デバイス３００は、両方の人工筋肉アクチュエータが、同時に直線変位を生じるように、動作するアームをそれぞれ有する、２つの人工筋肉アクチュエータを含む。１つまたは複数の実施形態では、直線変位デバイスは３つ以上の人工筋肉アクチュエータを含み得る。
直線変位デバイスは、直線変位デバイスを特定の位置に強固に維持するためのラッチ機構を有するようにさらに構成され得る。ラッチ機構は、直線変位デバイスの位置を固定するための機械的、磁気的、または任意の他の適切な方法であり得る。
１つまたは複数の実施形態では、アームは、ゲート方式で弁を開閉するように設計され得る。１つまたは複数の実施形態では、上述のアームはパドルを含み得る。次いで、前記パドルを取り付けた２つ以上の人工筋肉アクチュエータは、それらのパドルが正確に接触し、弁を密封するように構成され得る。受動的または能動的に熱を加えると、人工筋肉アクチュエータが回転して弁を開き得る。弁は、同じ方向に開くように構成され得るか、またはそれぞれ反対方向に開くようにされ得る。それらはまた、互いに独立して動作するように構成され得る。さらに、パドルを取り付けた人工筋肉アクチュエータは端から端まで配置し得るため、これらの多くの人工筋肉アクチュエータによって、広い範囲を制御し得る。本手法は、少数の大きな開口部ではなく、多数の小さな開口部が開口している状態で、パイプ、チューブ、または同様の物体内の流体の流れをより良く制御するために提供され得る。パドルを有する人工筋肉アクチュエータのこの配置は、不均一な流体の流れを防止し得る。
図４に示すように、１つまたは複数の実施形態では、直線作動筋肉アクチュエータ４０６、４０８は、直線変位デバイス４００に使用され得る。直線作動筋肉アクチュエータを使用する１つまたは複数の実施形態では、１つのホモキラル４０６及び１つのヘテロキラル４０８の筋肉アクチュエータを互いのすぐ横に配置し得る。ホモキラル筋肉アクチュエータ４０６は、加熱されると直線的に後退するものであり、撚りの方向は巻く方向と同じである。対照的に、ヘテロキラル筋肉アクチュエータ４０８は、加熱されると直線的に拡張し、撚りの方向は巻く方向と反対である。
直線変位デバイス４００は、他の面一から本体４３４を露出させるために使用され得る。同様に、直線変位デバイス４００は、面一から延びる本体４３４を隠すために使用され得る。力を加えると、本体４３４は、ばねのようにその位置に戻るが、モータに接続されているかのように制御することができる。１つまたは複数の実施形態では、直線変位デバイスは、カメラレンズエクステンダ、点字電子リーダ、質感制御（例えば、ピンの配列）、表面粗さの変更、及び自動吸引カップとして使用し得る。
この直線移動デバイス４００を下位置から上位置に移動させるために、ヘテロキラル筋肉アクチュエータ４０８を作動させて、筋肉アクチュエータ４０８を拡張させ、直線移動デバイス４００を伸長位置に押し出す。１つまたは複数の実施形態では、ラッチ機構４４８を使用して、伸長状態で直線変位デバイス４００の位置を維持する。直線変位デバイス４００をその後退状態に後退させるために、ホモキラル筋肉アクチュエータ４０６が作動され、後退して直線変位デバイス４００をその後退状態に引き込む。
１つまたは複数の実施形態では、ホモキラル筋肉アクチュエータ４０６は、長手方向に後退する任意のアクチュエータによって置き換えられ得る。ヘテロキラル筋肉アクチュエータ４０８はまた、長手方向に延びる任意のアクチュエータによって置き換えられ得る。
図５に示すように、１つまたは複数の実施形態では、直線変位デバイスは、ピストンモジュール５００として使用され得る。モジュール５００は、ハウジング５５４内にピストン５５０を含み得る。ピストン５５０の反対側のハウジング面は、人工筋肉アクチュエータ５０６、５０７、及び５０８用の銅下地５５２を含み得る。人工筋肉アクチュエータ５０６、５０７、５０８は、一方の端でハウジングの銅下地面に取り付け、他方の端でピストンに取り付け得る。１つまたは複数の実施形態では、ピストンモジュール５００は、少なくとも１つのプラー人工筋肉アクチュエータ５０６、５０７を含む。プラー人工筋肉アクチュエータ５０６、５０７は、ピストン５５０を銅下地５５２に向かって引き込むために使用され得る。プラー人工筋肉アクチュエータ５０６、５０７は、ホモキラル筋肉アクチュエータであり得る。ピストンモジュール５００はまた、プッシャー人工筋肉アクチュエータ５０８を含み得る。プッシャー人工筋肉アクチュエータ５０８は、ピストン５５０を銅下地５５２から遠ざけるように押し出すために使用され得る。プッシャー人工筋肉アクチュエータ５０８は、ヘテロキラル筋肉アクチュエータであり得る。人工筋肉アクチュエータ５０６、５０７、５０８は、個別にまたは様々な組み合わせで作動させ得る。作動は、電流によっても、または本明細書に開示されるような他の作動手段によってもよい。１つまたは複数の実施形態では、ピストンモジュール５００は、非アクチュエータ及び非金属部品用の高温材料を含み得る。この材料は、例えば、テフロン（登録商標）であり得る。
図６に示すように、１つまたは複数の実施形態では、単一の直線作動筋肉アクチュエータは、直線変位デバイス６００に使用され得る。ピン６６８は、人工筋肉アクチュエータ６０６の中心に固定され得る。作動筋肉アクチュエータ６０６は、ピン６６８によって２つのセグメントに分割されていると考えられ得る。第１のセグメント６７０の一方の端は、中心ピンに取り付けられ得る。第１のセグメントの他方の端は、変位したい本体６３４に取り付けられ得る。第１のセグメント６７０は、電流を流すことによって作動させ得る。電流は、人工筋肉アクチュエータ６０６を拡張させ、本体６３４をその伸長状態に持ち上げ得る。副次的な悪影響は、第２のセグメント６７２が、上撚りして後退することである。上撚りは、圧縮されているコイル状セグメント内の繊維が、コイルから撚りを受けていることを意味する。上撚りは、ホモキラルコイルを圧縮した結果であり得る。本体６３４がその所望の伸長位置に達すると、ラッチまたは他のラッチ機構６４８によってその場所に保持され得る。
本体６３４をその後退状態に引き込むために、第２の人工筋肉アクチュエータセグメント６７２が作動され、拡張されて第１のセグメント６７０が上撚りされる。上撚りは、第１のセグメント６７０を後退させて、本体６３４を強制的に後退位置にさせる。
直線変位デバイスは、多くの方法で動作するように作成され得る。人工筋肉アクチュエータは、任意の構成で、直線変位デバイスを伸長位置に配置するために使用され得る。電流は、本体の直線運動を引き起こす、筋肉アクチュエータを加熱して作動させるために使用され得る。次いで、デバイスは、人工筋肉アクチュエータを連続的に加熱することを必要とせずに、デバイスを伸長位置に保持する一連のラッチまたは磁石を有し得る。十分な外力が加わると、ラッチ機構が外され得て、直線変位デバイスがその後退位置に位置決めされ得る。所望であれば、デバイスは、ラッチ機構を使用して、または筋肉作動を通してその後退位置に維持され得る。あるいは、直線変位デバイスは、筋肉作動を通してデバイスを、その伸長位置に戻すように構成され得る。
１つまたは複数の実施形態では、人工筋肉アクチュエータは、自動的に伸長位置に戻るように双安定モードで動作し得る。この場合、伸長位置にあるラッチ機構は、単に筋肉アクチュエータの小さな振動を防止し、直線変位デバイスを変位させるのに必要な閾値量の力を提供するために使用することができる。このようにして、人工筋肉アクチュエータは、受動的にばねとして機能し得て、直線変位デバイスをその元の状態に戻し、能動的に作動させることができる。
１つまたは複数の実施形態では、人工筋肉アクチュエータは、双安定ポリマーアクチュエータとして動作するように設計され得る。これにより、人工筋肉アクチュエータは、外部のラッチ、ギア、磁石、または熱を発生させるために一定の電流を加えることを必要とせずに、その位置を維持することが可能になる。１つまたは複数の実施形態では、双安定人工筋肉アクチュエータは、より堅牢な設計を生み出すために、ラッチ、ギア、及び磁石と組み合わせて使用され得る。
図７に示すように、本発明の１つまたは複数の実施形態は、人工筋肉アクチュエータ７０６を利用する、機械的アキュムレータ７００、すなわち、カタパルトを対象とする。１つまたは複数の実施形態では、人工筋肉アクチュエータ７０６は、複数の人工筋肉アクチュエータ７０６、７０８を含み得る。
これらの実施形態では、人工筋肉アクチュエータ７０６、７０８は、ラッチ機構７４８と併せて使用され得る。ラッチ機構７４８は、人工筋肉アクチュエータが最初に作動されたときに、人工筋肉アクチュエータ７０６、７０８の移動が生じないように設計されている。可能なラッチ機構は、とりわけ、磁石、機械的ラッチ、及び他の人工筋肉アクチュエータを含む。筋肉アクチュエータが、ラッチ機構から解放されるのに十分な力を生成することができるまで、筋肉アクチュエータを特定の位置に保持するための任意の手段が使用され得る。本明細書に開示される実施形態に従ってトルクが発生している間、人工筋肉アクチュエータ７０６、７０８の位置を保持するために、別の人工筋肉アクチュエータをラッチ機構７４８として使用することができる。ラッチ機構の人工筋肉アクチュエータは、トルク発生人工筋肉アクチュエータ７０６、７０８が、ラッチ機構を外して迅速に作動できるように解放され得る。
ラッチ機構として人工筋肉アクチュエータを使用することの利点は、ローカルレベルでソフトウェアを使用することによって作動させるのに必要となる正確な張力に対するユーザ制御を可能にすることである。したがって、ラッチ機構人工筋肉アクチュエータを外すのに必要とされる所定量の力は、ユーザによって変化させ得る。単一の製品は、特定の張力で解放するように、ユーザが直線変位デバイスをプログラムすることにより製造され得る。作動手段は、人工筋肉アクチュエータ、または繊維に最初にエネルギーを蓄積させる。蓄積されたエネルギーがラッチ機構７４８を外すのに十分である場合、ラッチ機構は突然解放されて、強制的に作動する。１つまたは複数の実施形態では、人工筋肉繊維の束は、同程度の寸法の単一の人工筋肉アクチュエータと比較して、人工筋肉繊維の束によって生じるトルクが増大するため使用され得る。しかし、本明細書に開示された実施形態はそのように限定されない。
作動手段の例には、限定されないが、ヒーター、すなわち、人工筋肉繊維に電気的に熱を加えることが含まれる。ラッチ機構７４８の例は、限定されないが、磁石、機械的ラッチ、他の人工筋肉アクチュエータ、またはそれらの組み合わせを含む。
筋肉アクチュエータが、ラッチ機構から解放されるのに十分な力を生成することができるまで、人工筋肉繊維を特定の位置に保持するための任意の手段が使用され得る。例えば、別の人工筋肉アクチュエータを使用して、トルクを発生させている間、別のアクチュエータの位置を保持し得る。これらの実施形態では、保持人工筋肉アクチュエータを解放するように作動させ得る。
機械的アキュムレータ７００の１つまたは複数の実施形態では、機械的アキュムレータは、多数の安定位置を与えるために複数のラッチ機構を含み得る。例えば、人工筋肉アクチュエータは、完全に閉じるかまたは完全に開くように設計された弁として機能するために２つの安定位置を有し得る。そのような実施形態では、人工筋肉アクチュエータは、トルクを発生させるために最初に作動し得て、ラッチ機構が非作動状態になると、人工筋肉アクチュエータは、解放され別の安定位置に素早く移動する。これらの実施形態での急速な力の付加は、例えば、弁を通って流れる流体によって、そのような弁でのあらゆる抵抗を外すために有益であり得る。急速な力の付加はまた、弁が開いた状態と閉じた状態の間の中間の状態になるのを防ぎ得る。
ラッチ機構によって安定して保持されている、個々の繊維または束の中の複数の繊維のいずれかである、人工筋肉アクチュエータを加熱するために電流が使用される。筋肉アクチュエータが加熱されている間、それらは通常、人工筋肉アクチュエータの回転運動によって緩和される内部応力を発生させるが、ラッチ機構が回転を防ぎ、筋肉アクチュエータ内にエネルギーを強制的に蓄積させる。内部張力が十分に強いときは、内部張力によりラッチ機構の抵抗が外され、筋肉アクチュエータは急速かつ強制的に作動する。
人工筋肉アクチュエータは、電流を使用して能動的に電力供給され得るか、または環境温度条件から受動的に電力供給され得るのが通例である。
さらに、張力を蓄積するためのラッチ機構の恩恵を受けることなく、同様の急速な作動を達成し得る。厚い人工筋肉アクチュエータに非常に急速に大きな電流を加えると、急速な作動が生じ得る。このように急速に加えられる大電流は、前記大電流に耐えることができるコンデンサ及び導体を必要とする。コンデンサとより耐久性のある導体、例えば、より太いゲージワイヤの両方により、製造の複雑さ及びコストが増大され得る。
機械的アキュムレータは、急速に加えられる大電流の必要性を効果的に減少させ、電気システム及び人工筋肉アクチュエータ自体をサポートする上での相応の負担を防ぎ得る。
本開示を限定された数の実施形態に関してのみ説明したが、本開示の利益を有する当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく他の様々な実施形態が考案され得ることを理解するであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
１０６、１０８ 人工筋肉アクチュエータ
１１０、１１２、１２０ 物理的接点
１１４、１１６、１１８ コネクタ
１２２、１２４ パドル
２０６、２０８ 人工筋肉アクチュエータ
２１０、２１２、２１４、２１６ 物理的接点
２１８、２２０ パドル
３００ 直線変位デバイス
３０６ 人工筋肉アクチュエータ
３３０ アーム
３３２ チャンネル
３３４ 本体
３４６ 静止チャンネル
４００ 直線変位デバイス
４０６ 直線作動筋肉アクチュエータ
４０８ 筋肉アクチュエータ
４３４ 本体
４４８ ラッチ機構
５００ ピストンモジュール
５０６、５０７、５０８ 人工筋肉アクチュエータ
５５０ ピストン
５５２ 銅下地
５５４ ハウジング
６００ 直線変位デバイス
６０６ 人工筋肉アクチュエータ
６３４ 本体
６４８ ラッチ機構
６６８ ピン
６７０ 第１のセグメント
６７２ 第２のセグメント
７００ 機械的アキュムレータ
７０６ 人工筋肉アクチュエータ
７０８ 人工筋肉アクチュエータ
７４８ ラッチ機構

Claims (8)

  1. 第１及び第２のパドルと、
    第１及び第２の人工筋肉アクチュエータセグメントと、
    複数の接点と、を含むヒンジ型アクチュエータデバイスであって、前記第１及び第２の人工筋肉アクチュエータセグメントが、前記接点を介して作動し、
    前記第１の人工筋肉アクチュエータセグメントの作動により、前記第１及び第２のパドルが、前記ヒンジ型アクチュエータデバイスを開き、
    前記第２の人工筋肉アクチュエータセグメントの作動により、前記第１及び第２のパドルが、前記ヒンジ型アクチュエータデバイスを閉じ、
    前記第１及び第２の人工筋肉アクチュエータセグメントが、互いに隣接しかつ互いに平行に配置される、前記ヒンジ型アクチュエータデバイス。
  2. 前記複数の接点が電気的である、請求項１に記載のヒンジ型アクチュエータデバイス。
  3. 前記複数の接点が物理的である、請求項１に記載のヒンジ型アクチュエータデバイス。
  4. 前記複数の接点が電気的及び物理的の両方である、請求項１に記載のヒンジ型アクチュエータデバイス。
  5. 第１及び第２のパドルと、
    第１及び第２の人工筋肉アクチュエータセグメントと、
    複数の接点と、を含むヒンジ型アクチュエータデバイスであって、前記第１及び第２の人工筋肉アクチュエータセグメントが、前記接点を介して作動し、
    前記第１の人工筋肉アクチュエータセグメントの作動により、前記第１及び第２のパドルが、前記ヒンジ型アクチュエータデバイスを開き、
    前記第２の人工筋肉アクチュエータセグメントの作動により、前記第１及び第２のパドルが、前記ヒンジ型アクチュエータデバイスを閉じ、
    前記第１の人工筋肉アクチュエータセグメント及び第２の人工筋肉アクチュエータセグメントが、互いに反対方向に回転するよう構成されている、前記ヒンジ型アクチュエータデバイス。
  6. 前記複数の接点が電気的である、請求項５に記載のヒンジ型アクチュエータデバイス。
  7. 前記複数の接点が物理的である、請求項５に記載のヒンジ型アクチュエータデバイス。
  8. 前記複数の接点が電気的及び物理的の両方である、請求項５に記載のヒンジ型アクチュエータデバイス。
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