专利名称：高分子促动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及即使从外部施加强制变位时也能抑制劣化的高分子促动器(polymer actuator)、由该高分子调节器驱动的机械手(robot arm)、具有该机械手的机器人。
背景技术：
随着对家用机器人等在靠近人的场所动作的机械的要求的提高，对如人类的肌肉那样进行柔软动作的人工肌肉促动器的期待也在提高。作为人工肌肉促动器的候选方案，至今为止提供了各种方式的促动器，其中提出了利用导电性高分子的促动器、利用电介质高分子的促动器等。
作为利用了导电性高分子的人工肌肉促动器的一例，提出了如图5A、图5B、图5C所示的产生挠曲变形的促动器。该促动器采用在作为导电性高分子膜的聚苯胺膜体35a、35b中掺入固体电解质成形体32的构造。通过接通开关37，在电源36中设定的电位差施加到聚苯胺膜体35a、35b之间，如图5B所示，在一侧的聚苯胺膜体35b中插入阴离子而伸展，而阴离子从另一侧的聚苯胺膜体35a中脱离，使其缩小，结果产生挠曲变形(例如，参照专利文献1)。
在该构成中，根据起到电极作用的两个导电性高分子膜35a、35b的变位量的差而产生挠曲变形，但另一方面还已知采用如下构成的促动器通过使电解质托体层为液体或凝胶(gel)状的物质，从而使两电极的变形不会相互影响，仅取出单方的导电性高分子膜35a、35b的变位来进行伸缩变形。在该情况下，不利用其变位的电极无需为导电性高分子，主要使用金属电极，不过还表示了在金属电极上设置导电性高分子来增加变位的情况(例如，参照非专利文献1)。
这样的导电性高分子促动器在2～3V的低电压下产生相当于肌肉那样的应变，因此期待其作为人工肌肉的实用化。
另外，作为利用了电介质高分子的人工肌肉促动器的一例，提出了如图6A、图6B所示的利用了高分子的弹性变形的促动器。该促动器的构成包括平板状的电介质高分子42；设置于其两面的由石墨、碳黑等碳粒子或金属构成的薄膜状的柔软电极41、43；连接于两电极41、43之间的电源46；开关47。通过接通开关47而向两电极41、43之间施加由电源46设定的电位差，从而如图6B所示，电介质高分子构件42被压缩而沿横向膨胀。通过断开开关47，电介质高分子42恢复到图6A的状态。
这样的促动器使用硅橡胶或丙烯酸作为电介质高分子42，从而能产生100％以上的应变，因此期待其作为人工肌肉的实用化(例如，参照非专利文献2)。
但是，这些利用了高分子的伸缩变形的促动器由于高分子为膜状，因此无法在该状态下产生向伸展方向的驱动力，因此例如图7所示的构成那样，由产生向伸展方向的弹性力的弹性体59a、59b连接高分子膜52的两端所具备的终端构件55a、55b之间，从而在施加了向伸展方向的预压的状态下进行利用。
专利文献1特开平11-169393号公报非专利文献1Proceedings of SPIE，Vol.4695的8～16页非专利文献2SCIENCE，Vol.287，No.5454的836～839页另一方面，在所述构成的促动器中，存在从外部施加强制变位时产生性能劣化的课题。例如，当向图8A所示的由一片高分子膜52构成的促动器施加收缩方向的强制变位时，膜状的高分子无法承受该强制变位，如图8B那样高分子膜52会产生弯折。图8A、图8B中的参照符号表示与图7的参照符号相同的构件。高分子膜52的弯折尤其容易发生在其与终端构件55a、55b的连接部、或高分子膜52的中间部分。若该情况反复发生，则在该发生了弯折的部位会出现高分子膜52的强度降低等的影响，从而引起促动器的性能劣化。另外，层叠化的高分子促动器由于会在电极或电解质托体层从高分子膜剥离的方向上施加负荷，因此各层间的结合变弱，产生启动效率的降低。
反之，当向促动器施加伸展方向的强制变位时，在高分子膜中会产生不可逆的变形。尽管高分子膜本身具有一定程度的弹性，但高分子膜在一定以上的负荷下被拉伸时，产生在拉伸的状态下不会恢复的不可逆变形，最差的情况会导致断裂。若发生不可逆变形，则高分子促动器的可动范围相应程度偏移，无法进行与发生不可逆变形前相同的动作。
为了应对上述状况，考虑如下方法以劣化为前提使性能具有余量、与促动器串联地配置弹性元件、或设置针对促动器变位的阻止器等。但是，以劣化为前提使性能具有余量的方法从效率方面考虑并不优选。另外，当与促动器串联地配置弹性元件时，为了抑制通过强制变位施加到促动器的力而需要使用柔软的弹性元件。但是，在该情况下，促动器产生的输出也不会传递到外部，因此并不希望采用该方法。进而，当采用针对促动器变位的阻止器时，由于高分子表现出粘弹性的行为，因此在由本身的启动等引起的低速的伸缩和由外力引起的高速的强制变位中，可容许的变形量不同，针对两者复合而出现的促动器的变位，仅单纯地设置阻止器，还无法使高分子的保护和促动器的性能均得以实现。
发明内容
本发明鉴于上述情况而实现，目的在于提供一种能抑制对促动器施加了来自外部的强制变位时的性能劣化而不会抑制促动器的性能的高分子促动器、由该高分子促动器驱动的机械手、具有该机械手的机器人。
为了实现所述目的，本发明采用如下构成。
根据本发明的第一形式，提供一种高分子促动器，通过由电刺激引起的高分子的伸缩来驱动，其中，具备高分子膜构件，其由所述高分子构成；第一终端构件，其连接在所述高分子膜构件的一端；第二终端构件，其连接在所述高分子膜构件的另一端；和移动体，其通过第一弹性体与所述第二终端构件连接，并且可按压到所述第一终端构件侧，将由所述高分子膜构件的伸缩而产生的变位通过所述移动体取出，所述移动体通过所述第一弹性体与连接在所述高分子膜构件的所述另一端的所述第二终端构件连接，并且在所述第一弹性体的弹性力作用下按压到连接在所述高分子膜构件的所述一端的所述第一终端构件。
根据本发明的第17形式，提供一种由第一形式所述的高分子促动器驱动的机械手。
根据本发明的第18形式，提供一种具有第17形式所述的机械手的机器人。
(发明效果)因此，根据本发明，可获得能抑制对促动器施加了来自外部的强制变位时的性能劣化而不会抑制促动器的性能的高分子促动器。即，通过移动体取出促动器的变位，所述移动体通过弹性体与连接在高分子的一端的固定侧的第二终端构件连接，并且在该弹性体的弹性力作用下按压到连接在高分子的另一端的可动侧的第一终端构件，由此，只要不向促动器施加从第一终端构件朝向第二终端构件的方向的外力，即，使促动器向收缩方向变位的外力，则移动体与第一终端构件连动，移动相同程度。因此，与从第一终端构件直接取出促动器的输出的情况同等。进而，当对促动器施加了向收缩方向的强制变位时，移动体可与第一终端构件独立地向第二终端构件的方向移动，因此高分子不会发生弯折，从而可抑制促动器的性能劣化。
本发明的这些与其它目的和特征，从关于附图的优选实施方式所关联的以下的记述可以明确。在附图中图1A是表示本发明的第一实施方式的人工肌肉促动器的概略立体图；图1B是表示本发明的第一实施方式的人工肌肉促动器的概略立体图；图2A是表示本发明的第一实施方式的人工肌肉促动器的动作的主视图；图2B是表示本发明的第一实施方式的人工肌肉促动器的动作的主视图；图2C是表示本发明的第一实施方式的人工肌肉促动器的动作的主视图；图3A是表示本发明的第一实施方式的人工肌肉促动器的动作的侧视图；图3B是表示本发明的第一实施方式的人工肌肉促动器的动作的侧视图；图3C是表示本发明的第一实施方式的人工肌肉促动器的动作的侧视图；图4A是表示从外部对本发明的第一实施方式的人工肌肉促动器施加强制变位时的动作的主视图；图4B是表示从外部对本发明的第一实施方式的人工肌肉促动器施加强制变位时的动作的主视图；图4C是表示从外部对本发明的第一实施方式的人工肌肉促动器施加强制变位时的动作的主视图；图5A是表示现有构成的人工肌肉促动器的概略图；图5B是表示现有构成的人工肌肉促动器的概略图；图5C是表示现有构成的人工肌肉促动器的概略图；图6A是表示与图5A不同的现有构成的人工肌肉促动器的概略图；图6B是表示与图5A不同的现有构成的人工肌肉促动器的概略图；图7是表示现有构成的人工肌肉促动器的构成的立体图；图8A是表示针对现有构成的人工肌肉促动器的课题的侧视图；图8B是表示针对现有构成的人工肌肉促动器的课题的侧视图；图9是表示在本发明的第一实施方式的人工肌肉促动器中使用了多个高分子膜构件时的概略立体图；图10是采用了本发明的第一实施方式中的人工肌肉促动器的机械手的概略图；图11是在本发明的第一实施方式的人工肌肉促动器中追加了第三弹性体时的主视图。
具体实施例方式
在继续本发明的记述之前，在附图中对相同零件标注相同参照符号。
以下，在基于附图对本发明的实施方式进行详细说明之前，对本发明的各种方式进行说明。
根据本发明的第一形式，提供一种高分子促动器，通过由电刺激引起的高分子的伸缩来驱动，其中，具备高分子膜构件，其由所述高分子构成；第一终端构件，其连接在所述高分子膜构件的一端；第二终端构件，其连接在所述高分子膜构件的另一端；和移动体，其通过第一弹性体与所述第二终端构件连接，并且可按压到所述第一终端构件侧，将由所述高分子膜构件的伸缩而产生的变位通过所述移动体取出，所述移动体通过所述第一弹性体与连接在所述高分子膜构件的所述另一端的所述第二终端构件连接，并且在所述第一弹性体的弹性力作用下按压到连接在所述高分子膜构件的所述一端的所述第一终端构件。
根据这样的构成，只要不向促动器施加从第一终端构件朝向第二终端构件的方向的外力，即，使促动器向收缩方向变位的外力，则移动体与第一终端构件连动，移动相同程度。因此，与从第一终端构件直接取出促动器的输出的情况同等。进而，当对促动器施加了向收缩方向的强制变位时，移动体可与第一终端构件独立地向第二终端构件的方向移动，因此高分子不会发生弯折，从而可抑制促动器的性能劣化。因此，可获得能抑制对促动器施加了来自外部的强制变位时的性能劣化而不会抑制促动器的性能的高分子促动器。
根据本发明的第2形式，提供一种根据第1形式的高分子促动器，所述高分子促动器包括两个电极和配置于所述两个电极间的电介质高分子的所述高分子膜构件，通过向所述电极间施加电位差而由所述电介质高分子产生的伸缩来驱动。
根据这样的构成，可获得由施加到设置在电介质高分子的所述高分子膜构件的两侧的电极的电刺激所引起的电介质高分子的伸缩来驱动的高分子促动器。
根据本发明的第3形式，提供一种根据第1或第2形式的高分子促动器，所述高分子促动器包括具备导电性的高分子的所述高分子膜构件、通过电解质托体层与所述具备导电性的高分子连接的电极，通过向所述具备导电性的高分子与所述电极间施加电位差而由所述具备导电性的高分子产生的伸缩来驱动。
根据这样的构成，可获得由施加到具备导电性的高分子的所述高分子膜构件与经由电解质托体层和其连接的电极之间的电刺激所引起的具备导电性的高分子的所述高分子膜构件的伸缩来驱动的高分子促动器。
根据本发明的第4形式，提供一种根据第3形式的高分子促动器，所述移动体包括通过所述电解质托体层与所述具备导电性的高分子的所述高分子膜构件连接的所述电极。
根据这样的构成，由于可利用促动器原本包含的电极作为移动体的构造材，因此可减少仅为移动体使用的空间，从而可获得提高了作为促动器整体的体积利用效率的高分子促动器。
根据本发明的第5形式，提供一种根据第3或第4形式的高分子促动器，所述具备导电性的高分子是包括有机导电性高分子的高分子。
根据这样的构成，可获得由施加到有机导电性高分子与经由电解质托体层和其连接的电极之间的电刺激所引起的氧化还原所伴随的有机导电性高分子的伸缩来驱动的高分子促动器。
根据本发明的第6形式，提供一种根据第3～5的任一形式的高分子促动器，所述具备导电性的高分子包括具有导电性的碳原料。
根据这样的构成，可获得由施加到包括具有导电性的碳原料的高分子构造体与经由电解质托体层和其连接的电极之间的电刺激所引起的高分子构造体的伸缩来驱动的高分子促动器。
根据本发明的第7形式，提供一种根据第3～6形式的任一形式的高分子促动器，所述电解质托体层是凝胶状物质。
根据这样的构成，与电解质托体层为液体时相比，不需要密封构造等，可获得进一步提高了体积利用效率的高分子促动器。
根据本发明的第8形式，提供一种根据第1～7形式的任一形式的高分子促动器，所述第一终端构件与所述移动体的接触通过第二弹性体进行。
根据这样的构成，对于促动器的向伸长方向的强制变位，第一终端构件通过第二弹性体接受该影响，因此可降低伴随伸长方向的强制变位而施加到高分子的外力。因此，对于伸长方向的强制变位，可获得能抑制向促动器施加了来自外部的强制变位时的性能劣化的高分子促动器。
根据本发明的第9形式，提供一种根据第8形式的高分子促动器，位于所述第一终端构件与所述移动体之间的所述第二弹性体，可与所述移动体自由分离。
根据这样的构成，由于在对促动器施加了收缩方向的强制变位时移动体与第一终端构件侧的第二弹性体分离，因此可获得向促动器的伸长方向和收缩方向的任意方向施加了强制变位时都能抑制性能劣化的高分子促动器。
根据本发明的第10形式，提供一种根据第8或第9形式的高分子促动器，连接所述第二终端构件和所述移动体的所述第一弹性体的刚性比配置在所述第一终端构件和所述移动体之间的所述第二弹性体的刚性小。
根据这样的构成，连接第二终端构件和移动体的第一弹性体的向高分子的伸长方向施加最低限度的预压的作用、和配置于第一终端构件和移动体之间的第二弹性体的进行可限制变位的最低限度的变位的作用更为明确，从而可获得作用效果更为显著的高分子促动器。
根据本发明的第11形式，提供一种根据第1～10形式的任一形式的高分子促动器，所述第一终端构件和所述第二终端构件通过所述移动体连接，并且所述第一终端构件和所述第二终端构件通过第三弹性体直接连接。
根据这样的构成，即使向促动器施加收缩方向的强制变位而移动体和第一终端构件分离的情况下，第一终端构件也会被保持，不存在因第一终端构件的自重等而在高分子中发生弯折等的可能性。因此，可获得进一步抑制了性能劣化的高分子促动器。
根据本发明的第12形式，提供一种根据第1～11形式的任一形式的高分子促动器，具备将作用于所述第一终端构件和所述移动体之间的力限制在一定值以下的保护机构。
根据这样的构成，由于可与第一终端构件和移动体之间的弹性无关地限制向促动器施加伸长方向的强制变位时对高分子施加的外力，因此可获得能抑制对促动器施加了来自外部的强制变位时的性能劣化而不会抑制促动器的性能的高分子促动器。
根据本发明的第13形式，提供一种根据第8～12形式的任一形式的高分子促动器，具备将作用于所述第一终端构件和所述移动体之间的力限制在一定值以下的保护机构，所述保护机构是将配置于所述第一终端构件和所述移动体之间的所述第二弹性体的变形量限制在一定值以下的机构。
根据这样的构成，可通过限制变位来实现向促动器施加伸长方向的强制变位时对高分子施加的外力的限制，因此可获得能更容易地抑制对促动器施加了来自外部的强制变位时的性能劣化的高分子促动器。
根据本发明的第14形式，提供一种根据第13形式的高分子促动器，还具备连接所述第一终端构件和所述移动体的连杆机构，所述保护机构是限制连接所述第一终端构件和所述移动体的所述连杆机构的变形的机构。
根据这样的构成，能够容易地限制向促动器施加伸长方向的强制变位时对高分子施加的外力，以简易的构造即可获得能抑制对促动器施加了来自外部的强制变位时的性能劣化的高分子促动器。
根据本发明的第15形式，提供一种根据第12～14形式的任一形式的高分子促动器，由所述保护机构允许的作用于所述第一终端构件和所述移动体之间的力，根据所述移动体和所述第二终端构件的距离而变化。
根据这样的构成，能够使根据高分子促动器的伸缩量而允许的外力变化，可获得抑制性能劣化，并且进一步降低了对性能的限制的高分子促动器。
根据本发明的第16形式，提供一种根据第1～15形式的任一形式的高分子促动器，还具备控制装置，所述控制装置根据所述移动体和所述第二终端构件的距离控制施加到所述促动器的电刺激。
根据这样的构成，通过控制装置能正确调整高分子促动器的变位量，因此可获得定位精度优异的高分子促动器。
根据本发明的第17形式，提供一种由第1～16形式的任一形式所述的高分子促动器驱动的机械手。
根据这样的构成，可构成由所述第1～16的任一形式所述的高分子促动器驱动的机械手，因此可获得能发挥所述高分子促动器的作用效果的机械手。
根据本发明的第18形式，提供一种具有第17形式所述的机械手的机器人。
根据这样的构成，可构成具有所述第17形式所述的由高分子促动器驱动的机械手的机器人，可获得能发挥所述高分子促动器的作用效果的机器人。
以下，基于附图对本发明的各种实施方式进行详细说明。
(第一实施方式)图1A和图1B是表示作为本发明的第一实施方式的高分子促动器的一例的人工肌肉促动器1的概略立体图。另外，图1B和图2A～图2C表示卸除了密封构件11a、11b的全部或一部分后的状态的立体图。
在图1A和图1B中，4是包括电极的侧面为T字形状的筒状的移动体，该移动体4通过作为电解质托体层的一例的液体电解质3而与作为具备导电性的高分子膜构件的一例的有机导电性高分子的伸缩板2连接。作为有机导电性高分子的伸缩板2在移动体4内贯通配置，且为矩形例如长方形的伸缩体即膜状的伸缩板，通过对其与移动体4所包含的电极之间施加电位差，会产生伴随氧化还原反应的膨胀收缩变形。构成作为有机导电性高分子的伸缩板2的有机导电性高分子可利用聚吡咯、聚苯胺、或聚甲氧基苯胺等，但聚吡咯因变位大而优选。另外，有机导电性高分子的伸缩板2的厚度希望分别在数十μm左右。若比此薄则强度弱，若比此厚则离子无法充分地进出有机导电性高分子的伸缩板2的内部，因此并不优选。对于液体电解质3而言，可使用水溶液系、有机溶剂系、或离子性液体系等各种电解质，但离子性液体系具有不挥发性的特征因而优选。另外，与作为有机导电性高分子的伸缩板2之间被施加电位差的电极未必要包含于移动体4，但通过使两者成为一体，无需与移动体4所占的空间独立地准备电极用的空间因而优选。尤其是，如图9所示，当由多个作为有机导电性高分子的伸缩板2a～2c和多个电极13a～13d构成人工肌肉促动器1时，由移动体4包含了电极13a～13d的构造体带来的空间利用效率提高的效果显著。其中，在图9中，省略了说明中不需要的构成要素。
在作为有机导电性高分子的伸缩板2的两端，分别连接有按照与作为有机导电性高分子的伸缩板2一体地动作的方式固定的长方体形状的第一和第二终端构件(可动侧终端构件和固定侧终端构件)5a、5b。并且，第二终端部5b和移动体4通过作为第一弹性体的一例的弹簧内置活塞9a、9b连接。即，在第二终端构件5b的两端部附近立设的弹簧内置活塞9a、9b的活塞杆9a-1、9b-1的上端分别与移动体4的上部的突出部4a连结。该弹簧内置活塞9a、9b通过内置于活塞的弹簧而产生向活塞杆9a-1、9b-1的伸长方向的驱动力，相对于第二弹性体的一例的圆柱状的橡胶构件10a、10b按压移动体4。橡胶构件10a、10b配置于移动体4的上部的突出部4a与第一终端构件5a的两端部附近之间，优选与弹簧内置活塞9a、9b的活塞杆9a-1、9b-1配置在同轴上。弹簧内置活塞9a、9b在无负荷状态下的自然长度大致为始终将移动体4按压到橡胶构件10a、10b程度的长度。橡胶构件10a、10b相对于第一终端构件5a被固定，但并不固定于移动体4，当移动体4与构件10a、10b沿相反的方向移动时，可自由地分离。
此外，对于连接第二终端构件5b和移动体4的第一弹性体而言，并不限定于弹簧内置活塞9a、9b，只要是螺旋弹簧等柔软构造体单体或将它们进行组合后的结构等发挥同样的功能的结构则均可使用。同样，对于位于第一终端构件5a和移动体4之间的第二弹性体而言，并不限定于橡胶构件10a、10b，只要是发挥同样功能的结构则均可使用。另外，连接第二终端构件5b和移动体4的第一弹性体的刚性达到可发挥当促动器伸长时必须的最小限度的驱动力的程度为好，另一方面，位于第一终端构件5a和移动体4之间的第二弹性体的刚性，无需使其在可限制向后述的拉伸方向的外力的程度的变位能够实现的刚性以下，因此希望连接第二终端构件5b和移动体4的第一弹性体的刚性比位于第一终端构件5a和移动体4之间的第二弹性体的刚性低。
另外，移动体4和第一以及第二终端构件5a、5b分别由筒状的密封构件11a、11b连接，以使液体电解质3不会溢出。对于密封构件11a、11b而言，希望是不会被液体电解质3的电解液侵蚀、不会妨碍移动体4的移动的柔软的原材料，例如可使用聚乙烯或氟树脂等树脂材料。
进而，第一终端构件5a的两端部的前后面和移动体4的上部的突出部4a的前后面，分别通过将两块连杆板相互可摆动地连结成“V”字状的连杆机构8a～8d连结，连杆机构8a～8d根据第一终端构件5a和移动体4的间隔而一齐变形。并且，在连杆机构8a～8d的外侧，设置有大致U字状的止动构件12(在图1A和图1B中省略，在图4A～图4C中图示)，该止动构件12用于限制连杆机构8a～8d的变形，起到保护机构的一个例子的功能。
并且，来自电源6和开关7的布线其一方经由第一终端构件5a与作为有机导电性高分子的伸缩板2连接，其另一方与移动体4所包含的电极连接，由电源6施加的电位差施加到作为有机导电性高分子的伸缩板2与移动体4所包含的电极之间，通过电刺激作为有机导电性高分子的伸缩板2伸缩。
下面，对该人工肌肉促动器1的作用进行说明。
作为导电性高分子的伸缩板2收缩的原因，有阴离子(anion)的进出、阳离子(cation)的进出、高分子构造的变化等，但在基于图3A、图3B和图3C的动作原理的说明中，在聚吡咯等的材料系中，阴离子的掺杂(dope)、不掺杂(undope)作为主要的变形的机理，因此对阴离子的进出进行叙述。图2A、图2B和图2C表示导电性高分子的伸缩板2收缩时的人工肌肉促动器1的状态变化的主视图，图3A、图3B和图3C表示从侧面观察导电性高分子的伸缩板2收缩时的人工肌肉促动器1的状态变化的剖面图。每一个剖面图均是在人工肌肉促动器1的主视图中的中央切断的剖面图，例如，图3A是在图2A的III-III线切断的剖面图。
图2A、图3A表示在开关断开的状态下导电性高分子的伸缩板2与移动体4所包含的电极之间未产生电位差的状态，图2B、图3B表示对导电性高分子的伸缩板2施加正的电位，对移动体4所包含的电极施加负的电位时的情况。另外，图2C、图3C表示对导电性高分子的伸缩板2施加负的电位，对移动体4所包含的电极施加正的电位时的情况。如图3A、图3B以及图3C所示，导电性高分子的伸缩板2因阴离子进入到内部而伸展，且因从内部释放阴离子而收缩。
当导电性高分子的伸缩板2伸缩时，第一终端构件5a和橡胶构件10a、10b连动动作，伴随于此，通过弹簧内置活塞9a、9b按压在橡胶构件10a、10b上的移动体4也连动动作。此时，橡胶构件10a、10b的刚性比弹簧内置活塞9a、9b的刚性高，在第一终端构件5a和移动体4的间隔几乎不变的状态下移动。同时，连杆机构8a～8d也几乎不会变形。
下面，利用图4A、图4B以及图4C，说明从外部对人工肌肉促动器1施加强制变位的情况。图4A表示未施加来自外部的强制变位的状态，图4B表示如箭头所示施加了向收缩方向的强制变位的情况，并且图4C表示如箭头所示施加了向伸长方向的强制变位的情况。在图4B的情况下，移动体4随着强制变位而沿收缩方向移动。此时，移动体4不再被按压到橡胶构件10a、10b，第一终端构件5a和移动体4仅通过连杆机构8a～8d连接。由于连杆机构8a～8d变形自如，因此即使移动体4因强制变位而移动，外力也不会传递到第一终端构件5a。因此，导电性高分子的伸缩板2也不会受到由强制变位带来的影响，不会发生弯折等。但是，在该情况下，由于移动体4未与橡胶构件10a、10b接触，所以因重力的趋向而在第一终端构件5a的自重等的作用下，导电性高分子的伸缩板2可能会发生若干弯折，因此如图11所示，希望预先用作为第三弹性体的一例的弹簧内置活塞9c、9d将第一和第二终端构件5a、5b直接连结。这样，导电性高分子的伸缩板2始终处于伸展的状态，不会发生弯折。另外，对于第三弹性体而言，并不限定于弹簧内置活塞9c、9d，只要是螺旋弹簧等柔软构造体单体或将它们进行组合后的结构等发挥同样功能的结构均可使用。
另外，在图4C的情况下，移动体4随着强制变位而沿伸长方向移动。此时，移动体4被按压到橡胶构件10a、10b上，橡胶构件10a、10b被压缩与外力相对应的量。伴随于此，第一终端构件5a和移动体4之间的距离变近，连杆机构8a～8d变形。当与外力对应的橡胶构件10a、10b的压缩量达到一定值时，连杆机构8a～8d的各自连杆的弯曲部分与止动构件12接触，因此在此之上的外力不会传递到第一终端构件5a(换而言之，作用于所述第一终端构件5a和所述移动体4之间的力可限制在一定值以下)。即，配置在所述第一终端构件5a和所述移动体4之间的作为所述第二弹性体的一例的橡胶构件10a、10b的变形量可限制在一定值以下。因此，即使在对移动体4施加强制变位的情况下，施加到导电性高分子的伸缩板2的外力也被限定在一定值以下，因此可防止因强制变位引起的导电性高分子的伸缩板2的不可逆变形。此外，由止动构件12限制的连杆机构8a～8d的变形量无需完全一定，可根据导电性高分子的伸缩板2的长度而变化。例如，导电性高分子的伸缩板2越是处于伸长状态，越是考虑减少允许的变形量等的调整，这种调整通过如下构成可容易地实现使止动构件12的与连杆机构8a～8d接触的面之间的距离在图4A～图4C的任一图中从左侧越向右侧越窄。
另外，在第一实施方式中，作为电解质托体层的一例使用了液体电解质3，但该电解质托体层不必一定是液体，也可以是凝胶状的电解质。凝胶状的电解质由于不需要如罩11a、11b那样的用于密封的构成，因而优选。另外，具备导电性的高分子也不必一定是有机导电性高分子，也可以是包含碳纳米管或碳纳米粒子(particle)等碳原料或金属粒子等具备导电性的物质的凝胶状或固体状的高分子体。这种结构也可获得同样的效果。进而，这种原料在易于独立调整其作为导电性和构造体的特性的方面考虑优选。
而且，也可取代具备导电性的高分子，而使用在两面具备电极的电介质高分子。在该情况下，只要将电源6和开关7与电介质高分子的两面具备的电极间连接，即可获得同样的效果。其中，图2B、图4B对应于开关断开的状态，图2C、图4C对应于开关接通的状态，不存在因电源的极性引起的影响。本发明包括这些任意情况。
另外，图10表示利用了多个第一实施方式中的人工肌肉促动器1的机械手的构成例。将分别与人工肌肉促动器1相同结构的人工肌肉促动器1a～1h以两个为一组作为拮抗肌结构，构成各机械手的一对驱动部。通过使各机械手的一对驱动部中的一个驱动部伸展而使另一个驱动部收缩，并且使它们与以上相反地动作，从而可使机械手的连结一对驱动部的轴101～104产生正反旋转运动。具体而言，在图10的构成中，通过人工肌肉促动器1a、1b的伸展和收缩动作而使上下轴101正反旋转，以下相同，通过人工肌肉促动器1c、1d的伸展和收缩动作而使轴102正反旋转，通过人工肌肉促动器1e、1f的伸展和收缩动作而使轴103正反旋转，通过人工肌肉促动器1g、1h的伸展和收缩动作而使轴104正反旋转。
详细而言，四个自由度的机械手相对于固定壁301构成为包括沿上下方向轴且在沿横向的平面内正反旋转的第一关节的上下轴101、在沿上下方向的平面内正反旋转的第二关节的轴102、在第二臂308和第一臂311之间相互正反旋转的第三关节的轴103、在第一臂311和手313之间相互正反旋转的第四关节的轴104。
在第一关节101中，圆形支承体302、302旋转自如地连结于旋转轴303的上端部的两侧，该旋转轴303其上下端部在轴承304和305处旋转自如且被沿上下方向支承，并且，人工肌肉促动器1a、1b(其中，由于人工肌肉促动器1b配设于人工肌肉促动器1a的背后，因此未图示。)的各一端部与固定壁301连结，而且各另一端部连结于所述各圆形支承体302的支承轴102(第二关节的轴102)。因此，通过人工肌肉促动器1a、1b的拮抗驱动，能在沿横向的平面内使机械手的第一臂311、第二臂308和手313一体地绕第一关节的上下轴101正反旋转运动。另外，上侧的轴承305由支承杆306支承于固定壁301。
在第二关节中，在固定于旋转轴303的两侧的两个圆形支承体302、302上，固定有第二臂用连杆308的一端。在第二臂用连杆308的圆形支承体302、302和与旋转轴303的一端正交固定的支承体307、307之间，连结人工肌肉促动器1c、1d，通过人工肌肉促动器1c、1d的拮抗驱动，能在沿上下方向的面内使机械手的第一臂311、第二臂308和手313一体地绕第二关节的支承轴102即横轴正反旋转。
在第三关节中，在支承体310和与第二臂308的基端正交固定的支承体309、309之间连结人工肌肉促动器1e、1f，该支承体301沿第二臂308且在第二臂308的前端与第二臂308交叉旋转自如地连结，并且固定有第一臂311的基端，通过人工肌肉促动器1e、1f的拮抗驱动，能在沿上下方向的面内使第一臂311和手313一体地绕第三关节的支承轴103即横轴正反旋转。
在第四关节中，在支承体310和支承体312之间连结人工肌肉促动器1g、1h，该支承体310沿第一臂311且在第二臂308的前端与第一臂311的基端之间与第一臂311交叉并固定在第一臂311的基端，该支承体312在第一臂311的前端与手313的基端之间与第一臂311交叉并固定在手313的基端，通过人工肌肉促动器1g、1h的拮抗驱动，能在沿上下方向的面内使手313绕第三关节的支承轴103即横轴正反旋转。
人工肌肉促动器1a、1b、人工肌肉促动器1c、1d、人工肌肉促动器1e、1f、人工肌肉促动器1g、1h的每一个通过作为控制装置的一例的控制计算机1001，根据各个移动体4与第二终端构件5b的距离，适当控制电源6的电压和开关7的状态，从而控制人工肌肉促动器1a、1b、人工肌肉促动器1c、1d、人工肌肉促动器1e、1f、人工肌肉促动器1g、1h各自的收缩和伸展动作。
通过这样的构成，可获得有效使用多自由度，如人类的手臂那样进行柔软的动作的机械手。由此，可实现尤其适用于家用的机械手。
另外，通过适当组合所述各种实施方式中的任意实施方式，可发挥各自所具有的效果。
(产业上的可利用性)本发明涉及的高分子促动器可获得能抑制对促动器施加了来自外部的强制变位时的性能劣化而不会抑制促动器的性能的高分子促动器，作为人工肌肉促动器等有用。因此，将所述高分子促动器作为驱动装置使用的机械手、具有该机械手的机器人也是有用的。
本发明参照附图关于优选实施方式进行了充分地记载，但对本领域技术人员而言很清楚可实施各种变形或修正。这种变形或修正只要不脱离由附加的技术方案确定的本发明的范围，则应理解为包含在本发明的范围内。
权利要求
1.一种高分子促动器，其通过由电刺激引起的高分子的伸缩来驱动，其中，具备高分子膜构件，其由所述高分子构成；第一终端构件，其连接在所述高分子膜构件的一端；第二终端构件，其连接在所述高分子膜构件的另一端；和移动体，其通过第一弹性体与所述第二终端构件连接，且可向所述第一终端构件侧按压，将由所述高分子膜构件的伸缩而产生的变位通过所述移动体取出，所述移动体通过所述第一弹性体与连接在所述高分子膜构件的所述另一端的所述第二终端构件连接，并且在所述第一弹性体的弹性力作用下按压到连接在所述高分子膜构件的所述一端的所述第一终端构件。
2.根据权利要求1所述的高分子促动器，其中，所述高分子促动器包括两个电极和配置于所述两个电极间的电介质高分子的所述高分子膜构件，通过向所述电极间施加电位差而由所述电介质高分子产生的伸缩来驱动。
3.根据权利要求1或2所述的高分子促动器，其中，所述高分子促动器包括具备导电性的高分子的所述高分子膜构件、通过电解质托体层与所述具备导电性的高分子连接的电极，通过向所述具备导电性的高分子与所述电极间施加电位差而由所述具备导电性的高分子产生的伸缩来驱动。
4.根据权利要求3所述的高分子促动器，其中，所述移动体包括通过所述电解质托体层与所述具备导电性的高分子的所述高分子膜构件连接的所述电极。
5.根据权利要求3所述的高分子促动器，其中，所述具备导电性的高分子是包括有机导电性高分子的高分子。
6.根据权利要求3所述的高分子促动器，其中，所述具备导电性的高分子包括具有导电性的碳原料。
7.根据权利要求3所述的高分子促动器，其中，所述电解质托体层是凝胶状物质。
8.根据权利要求1所述的高分子促动器，其中，所述第一终端构件与所述移动体的接触通过第二弹性体进行。
9.根据权利要求8所述的高分子促动器，其中，位于所述第一终端构件与所述移动体之间的所述第二弹性体，可与所述移动体自由分离。
10.根据权利要求8或9所述的高分子促动器，其中，连接所述第二终端构件和所述移动体的所述第一弹性体的刚性比配置在所述第一终端构件和所述移动体之间的所述第二弹性体的刚性小。
11.根据权利要求1所述的高分子促动器，其中，所述第一终端构件和所述第二终端构件通过所述移动体连接，并且所述第一终端构件和所述第二终端构件通过第三弹性体直接连接。
12.根据权利要求1所述的高分子促动器，其中，具备将作用于所述第一终端构件和所述移动体之间的力限制在一定值以下的保护机构。
13.根据权利要求8或9所述的高分子促动器，其中，具备将作用于所述第一终端构件和所述移动体之间的力限制在一定值以下的保护机构，所述保护机构是将配置于所述第一终端构件和所述移动体之间的所述第二弹性体的变形量限制在一定值以下的机构。
14.根据权利要求13所述的高分子促动器，其中，还具备连接所述第一终端构件和所述移动体的连杆机构，所述保护机构是限制连接所述第一终端构件和所述移动体的所述连杆机构的变形的机构。
15.根据权利要求12所述的高分子促动器，其中，由所述保护机构允许的作用于所述第一终端构件和所述移动体之间的力，根据所述移动体和所述第二终端构件的距离而变化。
16.根据权利要求1所述的高分子促动器，其中，还具备控制装置，所述控制装置根据所述移动体和所述第二终端构件的距离控制施加到所述促动器的电刺激。
17.一种机械手，其中，其由权利要求1或2所述的高分子促动器驱动。
18.一种机器人，其中，其具有权利要求17所述的机械手。
全文摘要
一种通过由电刺激引起的高分子的伸缩来驱动的高分子促动器，其采用如下构成将由所述高分子的伸缩而产生的变位通过移动体取出，所述移动体经由第一弹性体与连接在所述高分子的一端的第二终端构件连接，并且在所述第一弹性体的弹性力作用下按压到连接在所述高分子的另一端的第一终端构件。
文档编号A61F2/50GK101053146SQ200680001129
公开日2007年10月10日 申请日期2006年7月19日 优先权日2005年8月23日
发明者浅井胜彦 申请人:松下电器产业株式会社