(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の骨材が列状に配置された平板状の骨材層部材を成し、上記複数の骨材を平板状の連結部で可動自在に連結するとともに、上記骨材層部材の対象物に対する接触面側及び接触面側と対向する非接触面側の少なくとも一方に上記連結部をまたがるように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体を備え、
上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、上記隣接する複数の骨材間の上記連結部を関節として屈曲駆動し、少なくとも上記平板状の骨材層部材と上記弾性膨脹収縮体とを平面的に配置した層構造とする多関節駆動機構。
【請求項２】
上記連結部の自由度が回転自由度のみであって、少なくとも先端に近い上記連結部の自由度が、上記骨材層部材の列方向に直交する軸周りの１自由度に拘束されている請求項１に記載の多関節駆動機構。
【請求項３】
上記連結部が、薄板バネによりなるヒンジで構成している請求項２に記載の多関節駆動機構。
【請求項４】
上記連結部が、上記骨材の一部を細らせることにより骨材自体よりなるヒンジを構成している請求項２に記載の多関節駆動機構。
【請求項５】
上記連結部の変形量を検出する変形量センサーを接続する信号配線と、電気的に上記弾性膨張収縮体を駆動する場合の駆動配線を備えるフレキシブル配線基板を、上記連結部の曲げ部近傍に配置する請求項１に記載の多関節駆動機構。
【請求項６】
上記フレキシブル配線基板が、薄板バネによりなるヒンジを兼ねている請求項５に記載の多関節駆動機構。
【請求項７】
上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させる装置をさらに備え、上記装置は、ゴム弾性体への空気圧印加により駆動する装置、又は形状記憶材料への加熱冷却により駆動する装置、又はエレクトロアクティブポリマーへの電界印加により駆動する装置である請求項１〜６のいずれか１つに記載の多関節駆動機構。
【請求項８】
上記弾性膨張収縮体をゴム弾性体より構成するとともに、上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させる装置が、上記ゴム弾性体への空気圧印加により駆動する装置であり、上記ゴム弾性体への空気圧印加するための配管を有する積層型空圧配管層部材をさらに備える請求項７に記載の多関節駆動機構。
【請求項９】
複数の骨材が列状に配置された平板状の骨材層部材を成し、上記複数の骨材を可動自在に平板状の連結部で連結するとともに、上記骨材層部材の対象物に対する接触面側及び接触面側と対向する非接触面側の少なくとも一方に上記連結部をまたがるように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体を備え、上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、上記隣接する複数の骨材間の上記連結部を関節として屈曲駆動し、少なくとも上記平板状の骨材層部材と上記弾性膨脹収縮体とを平面的に配置した層構造とする多関節駆動機構の製造方法であって、
少なくとも、上記複数の骨材が平面的に配置された上記骨材層部材を一括して形成し、
上記複数の弾性膨張収縮体が一体化された弾性膨張収縮体層部材を、上記骨材層部材の隣接面でかつ上記骨材層部材の対象物に対する接触面側及び接触面側と対向する非接触面側の少なくとも一方に連結することを含む多関節駆動機構の製造方法。
【請求項１０】
複数の骨材が列状に配置された平板状の骨材層部材を成し、上記複数の骨材を可動自在に平板状の連結部で連結するとともに、上記骨材層部材の対象物に対する接触面側及び接触面側と対向する非接触面側の少なくとも一方に上記連結部をまたがるように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体を備え、上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、上記隣接する複数の骨材間の上記連結部を関節として屈曲駆動し、少なくとも上記平板状の骨材層部材と上記弾性膨脹収縮体とを平面的に配置した層構造とする多関節駆動機構より構成される指機構を複数対向して備えて、
上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、上記指機構を駆動して対象物の把持動作を行う把持ハンド。
【請求項１１】
上記把持ハンドは、上記複数対向する指機構により対象物を把持可能とし、少なくとも上記把持ハンドの把持面側に、触覚センサー又は上記連結部の変位センサー又はタグ情報検知用アンテナを備えて、該センサー又はアンテナにより検出した情報に基づいて把持動作を制御する請求項１０に記載の把持ハンド。
【請求項１２】
少なくとも上記把持ハンドの上記把持面側の一部を、ゴムで覆う請求項１０又は１１に記載の把持ハンド。
【請求項１３】
上記把持ハンドの外側面側に上記弾性膨脹収縮体を備え、この弾性膨張収縮体として、膨脹型及び収縮型の両者を備え、両者の拮抗作用で把持動作を駆動する請求項１０又は１１に記載の把持ハンド。
【請求項１４】
把持ハンドの根本部に、把持対象物検出センサー又はカメラ、又はタグ情報検知用アンテナの把持対象物情報検出装置を備えて、上記把持対象物情報検出装置により検出された把持対象物情報に基づいて把持動作を制御する請求項９又は１１に記載の把持ハンド。
【請求項１５】
複数の骨材が列状に配置された平板状の骨材層部材を成し、上記複数の骨材を平板状の連結部で可動自在に連結するとともに、上記骨材層部材の対象物に対する接触面側及び接触面側と対向する非接触面側の少なくとも一方に上記連結部をまたがるように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体を備え、上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、上記隣接する複数の骨材間の上記連結部を関節として屈曲駆動し、少なくとも上記平板状の骨材層部材と上記弾性膨脹収縮体とを平面的に配置した層構造とする多関節駆動機構を複数個具備した把持ハンドと、
上記把持ハンドに触覚センサー又は連結部材の変位センサーを備えて、該センサー又はアンテナにより検出した情報に基づいて上記把持ハンドの把持動作を制御するロボット。
【請求項１６】
把持対象物検出センサー又はカメラ、又はタグ情報検知用アンテナの把持対象物情報検出装置を備えて、上記把持対象物情報検出装置により検出された把持対象物情報に基づいて上記把持ハンドの把持動作を計画して制御する請求項１５に記載のロボット。
【請求項１７】
上記骨材層部材は、上記複数の骨材が列状に且つ平面的に配置されている請求項１に記載の多関節駆動機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、多関節駆動機構及びその製造方法、それを用いた把持ハンドとロボットに関し、特に、多様な対象物を把持できるとともに、構造が簡便で安価に製造できる多関節駆動機構及びその製造方法、それを用いた把持ハンドとロボットに関する。
【０００２】
（背景技術）
従来の産業用ロボットの把持ハンドは、工場内で製品の生産に使われ、特定の部品を精度良く取り扱うものが多く提案されている。これに対して、家庭やオフィス、病院などで家事支援や仕事支援、高齢者や障害者の介護支援などに活躍することが期待されるロボットの把持ハンドは、把持ハンド自体が小型軽量かつ柔軟で、安全であるとともに、多様な対象物を器用に把持できることが求められる。
【０００３】
多様な対象物を器用に把持することを目的に、機械学会論文集、６６，６５１Ｃ、３６７２／３６７８（２０００）に、研究用の人間型ロボットハンドが示されている。このロボットハンドは、４関節４自由度の母指１本と４関節３自由度の指４本を持ち、４本指の先端の関節はリンク機構で、その他の関節には小型のサーボモータを組み込んだもので、分布型圧力センサーを備えている。このロボットハンドは研究用に商用されているが、多数の部品の組み立て体であるため高価で、その用途が限定されている。
【０００４】
また、把持ハンド自体が柔軟な構造の把持ハンドとして、特許第３２２６２１９号に、内部が隔壁によって３室に分離された筒状の弾性体よりなる把持用のアクチュエータが開示されている。このアクチュエータは、あらゆる方向に柔軟に動かすことができる反面、骨格構造がないため比較的重いものを確実に把持したり、また、把持動作の制御が難しい難点がある。
【０００５】
これら既報の把持ハンドの従来例には、本出願に係わる、列状に配置された、複数の骨材よりなる平面型の多関節駆動機構により駆動され、多様な対象物を把持できると共に、構造が簡便で安価に製造できる把持ハンドと、これを用いたロボットは開示されていない。
【０００６】
家庭内での家事支援等のパーソナルロボットを実現し普及させるには、これに用いる把持ハンドとして、ハンド自体が小型軽量かつ柔軟で、安全であるとともに、多様な対象物を器用に把持できるという性能を持ち、かつ簡便な構成で安価に製造できる把持ハンドを実現することが重要な課題である。
【０００７】
本発明の目的は、上記課題を解決し、その駆動機構として製造の容易さを含めて実用レベルの具体的構成を備えた多関節駆動機構及びその製造方法、それを用いた把持ハンドとロボットを提供することにある。
【０００８】
（発明の開示）
本発明は、上記目的を達成するため、以下のように構成している。
【０００９】
本発明によれば、複数の骨材が列状に配置された骨材層部材を成し、上記複数の骨材を連結部で可動自在に連結するとともに、上記骨材層部材の対象物に対する接触面側又は／及び接触面側と対向する非接触面側に上記連結部をまたがるように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体を備え、
上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、上記隣接する複数の骨材間の上記連結部を関節として屈曲駆動する多関節駆動機構を提供する。
【００１０】
また、本発明によれば、複数の骨材が列状に配置された骨材層部材を成し、上記複数の骨材を可動自在に連結部で連結するとともに、上記骨材層部材の対象物に対する接触面側又は／及び接触面側と対向する非接触面側に上記連結部をまたがるように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体を備え、上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、上記隣接する複数の骨材間の上記連結部を関節として屈曲駆動する多関節駆動機構の製造方法であって、
少なくとも、上記複数の骨材がほぼ平面的に配置された上記骨材層部材を一括して形成し、
上記複数の弾性膨張収縮体が一体化された弾性膨張収縮体層部材を、上記骨材層部材の隣接面でかつ上記骨材層部材の対象物に対する接触面側又は／及び接触面側と対向する非接触面側に連結することを含む多関節駆動機構の製造方法を提供する。
【００１１】
また、本発明によれば、複数の骨材が列状に配置された骨材層部材を成し、上記複数の骨材を可動自在に連結部で連結するとともに、上記骨材層部材の対象物に対する接触面側又は／及び接触面側と対向する非接触面側に上記連結部をまたがるように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体を備え、上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、上記隣接する複数の骨材間の上記連結部を関節として屈曲駆動する多関節駆動機構より構成される指機構を複数対向して備えて、
上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、上記指機構を駆動して対象物の把持動作を行う把持ハンドを提供する。
【００１２】
また、本発明によれば、複数の骨材が列状に配置された骨材層部材を成し、上記複数の骨材を連結部で可動自在に連結するとともに、上記骨材層部材の対象物に対する接触面側又は／及び接触面側と対向する非接触面側に上記連結部をまたがるように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体を備え、上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、上記隣接する複数の骨材間の上記連結部を関節として屈曲駆動する多関節駆動機構を複数個具備した把持ハンドと、
上記把持ハンドに感圧センサー、摩擦センサーなどの触覚センサー又は連結部材の変位センサーを備えて、該センサー又はアンテナにより検出した情報に基づいて上記把持ハンドの把持動作を制御するロボットを提供する。
【００１３】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。
【００１４】
以下、図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。
【００１５】
本発明の第１態様によれば、複数の骨材が列状に配置された平板状の骨材層部材を成し、上記複数の骨材を平板状の連結部で可動自在に連結するとともに、上記骨材層部材の対象物に対する接触面側及び接触面側と対向する非接触面側の少なくとも一方に上記連結部をまたがるように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体を備え、
上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、上記隣接する複数の骨材間の上記連結部を関節として屈曲駆動し、少なくとも上記平板状の骨材層部材と上記弾性膨脹収縮体とを平面的に配置した層構造とする多関節駆動機構を提供する。
【００１６】
本発明の第２態様によれば、上記連結部の自由度がほぼ回転自由度のみであって、少なくとも先端に近い上記連結部の自由度が、上記骨材層部材の列方向にほぼ直交する軸周りの１自由度に拘束されている第１の態様に記載の多関節駆動機構を提供する。
【００１７】
本発明の第３態様によれば、上記連結部が、薄板バネによりなるヒンジで構成している第２の態様に記載の多関節駆動機構を提供する。
【００１８】
本発明の第４態様によれば、上記連結部が、上記骨材の一部を細らせることにより骨材自体よりなるヒンジを構成している第２の態様に記載の多関節駆動機構を提供する。
【００１９】
本発明の第５態様によれば、上記連結部の変形量を検出する変形量センサーを接続する信号配線と、電気的に上記弾性膨張収縮体を駆動する場合の駆動配線を備えるフレキシブル配線基板を、上記連結部の曲げ部近傍に配置する第１の態様に記載の多関節駆動機構を提供する。
【００２０】
本発明の第６態様によれば、上記フレキシブル配線基板が、薄板バネによりなるヒンジを兼ねている第５の態様に記載の多関節駆動機構を提供する。
【００２１】
本発明の第７態様によれば、上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させる装置をさらに備え、上記装置は、ゴム弾性体への空気圧印加により駆動する装置、又は形状記憶材料への加熱冷却により駆動する装置、又はエレクトロアクティブポリマーへの電界印加により駆動する装置である第１〜６のいずれか１つの態様に記載の多関節駆動機構を提供する。
【００２２】
本発明の第８態様によれば、上記弾性膨張収縮体をゴム弾性体より構成するとともに、上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させる装置が、上記ゴム弾性体への空気圧印加により駆動する装置であり、上記ゴム弾性体への空気圧印加するための配管を有する積層型空圧配管層部材をさらに備える第７の態様に記載の多関節駆動機構を提供する。
【００２３】
本発明の第９態様によれば、複数の骨材が列状に配置された平板状の骨材層部材を成し、上記複数の骨材を可動自在に平板状の連結部で連結するとともに、上記骨材層部材の対象物に対する接触面側及び接触面側と対向する非接触面側の少なくとも一方に上記連結部をまたがるように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体を備え、上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、上記隣接する複数の骨材間の上記連結部を関節として屈曲駆動し、少なくとも上記平板状の骨材層部材と上記弾性膨脹収縮体とを平面的に配置した層構造とする多関節駆動機構の製造方法であって、
少なくとも、上記複数の骨材が平面的に配置された上記骨材層部材を一括して形成し、
上記複数の弾性膨張収縮体が一体化された弾性膨張収縮体層部材を、上記骨材層部材の隣接面でかつ上記骨材層部材の対象物に対する接触面側及び接触面側と対向する非接触面側の少なくとも一方に連結することを含む多関節駆動機構の製造方法を提供する。
【００２４】
本発明の第１０態様によれば、複数の骨材が列状に配置された平板状の骨材層部材を成し、上記複数の骨材を可動自在に平板状の連結部で連結するとともに、上記骨材層部材の対象物に対する接触面側及び接触面側と対向する非接触面側の少なくとも一方に上記連結部をまたがるように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体を備え、上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、上記隣接する複数の骨材間の上記連結部を関節として屈曲駆動し、少なくとも上記平板状の骨材層部材と上記弾性膨脹収縮体とを平面的に配置した層構造とする多関節駆動機構より構成される指機構を複数対向して備えて、
上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、上記指機構を駆動して対象物の把持動作を行う把持ハンドを提供する。
【００２５】
本発明の第１１態様によれば、上記把持ハンドは、上記複数対向する指機構により対象物を把持可能とし、少なくとも上記把持ハンドの把持面側に、感圧センサー、摩擦センサーなどの触覚センサー又は上記連結部の変位センサー又はタグ情報検知用アンテナを備えて、該センサー又はアンテナにより検出した情報に基づいて把持動作を制御する第１０の態様に記載の把持ハンドを提供する。
【００２６】
本発明の第１２態様によれば、少なくとも上記把持ハンドの上記把持面側の一部を、ゴムなどの高摩擦柔軟材料で覆う第１０又は１１の態様に記載の把持ハンドを提供する。
【００２７】
本発明の第１３態様によれば、上記把持ハンドの外側面側に上記弾性膨脹収縮体を備え、この弾性膨張収縮体として、膨脹型及び収縮型の両者を備え、両者の拮抗作用で把持動作を駆動する第１０又は１１の態様に記載の把持ハンドを提供する。
【００２８】
本発明の第１４態様によれば、把持ハンドの根本部に、超音波式又は撮像式などの把持対象物検出センサー又はカメラ、又はタグ情報検知用アンテナの把持対象物情報検出装置を備えて、上記把持対象物情報検出装置により検出された把持対象物情報に基づいて把持動作を制御する第９又は１１の態様に記載の把持ハンドを提供する。
【００２９】
本発明の第１５態様によれば、複数の骨材が列状に配置された平板状の骨材層部材を成し、上記複数の骨材を平板状の連結部で可動自在に連結するとともに、上記骨材層部材の対象物に対する接触面側及び接触面側と対向する非接触面側の少なくとも一方に上記連結部をまたがるように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体を備え、上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、上記隣接する複数の骨材間の上記連結部を関節として屈曲駆動し、少なくとも上記平板状の骨材層部材と上記弾性膨脹収縮体とを平面的に配置した層構造とする多関節駆動機構を複数個具備した把持ハンドと、
上記把持ハンドに触覚センサー又は連結部材の変位センサーを備えて、該センサー又はアンテナにより検出した情報に基づいて上記把持ハンドの把持動作を制御するロボットを提供する。
【００３０】
本発明の第１６態様によれば、超音波式又は撮像式などの把持対象物検出センサー又はカメラ、又はタグ情報検知用アンテナの把持対象物情報検出装置を備えて、上記把持対象物情報検出装置により検出された把持対象物情報に基づいて上記把持ハンドの把持動作を計画して制御する第１５の態様に記載のロボットを提供する。
【００３１】
本発明の第１７態様によれば、上記骨材層部材は、上記複数の骨材が列状に且つほぼ平面的に配置されている第１の態様に記載の多関節駆動機構を提供する。
【００３２】
以下に、図面を参照して本発明における種々の実施形態を詳細に説明する。
【００３３】
（第１実施形態）
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の第１実施形態における面型（ここでは平面型）の関節駆動機構１００，１００の平面図及び断面図を示す。図１Ａ〜図１Ｄに示す関節駆動機構１００，１００は、空気圧を印加することで膨脹する空気圧アクチュエータを駆動源とするものである。
【００３４】
図１Ａ，図１Ｂにおいて、複数の骨材１例えば４個の長方形板状の骨材１（場所を特定する場合には参照符号１−１，１−２，１−３，１−４を使用し、特定しない場合には総称的に参照符号１を使用する。）を１つの長尺な長方形板状の連結部材２によって連結し、各隣接する骨材１と骨材１同士を連結部材２の各連結部２Ａ（言い換えれば、上記多関節駆動機構１００の関節として機能する部分）で可動自在にし、これらの連結部２Ａ，…，２Ａをまたがって弾性膨脹収縮体３（場所を特定する場合には参照符号３−１，３−２，３−３を使用し、特定しない場合には総称的に参照符号３を使用する。）を骨材１−１，１−２，１−３，１−４に固定部４，…，４で固定する。この各固定部４は、弾性膨脹収縮体３が膨脹収縮した際に骨材１に力を及ぼす部分にあたり、この力を伝達するために、この部位で固定する必要があることから、たとえば、弾性膨脹収縮体３に設けた凸部を骨材１に設けた凹部１ａに嵌め合わせて固定する構造より構成されている。
【００３５】
ここでは、４つの骨材１（１−１，１−２，１−３，１−４）は、先端（図１Ａの左端）の骨材１−１と基端（図１Ａの右端）の骨材１−４が大略同じ長さで、２番目の骨材１−２と３番目の骨材１−３とが大略同じ長さでかつ先端の骨材１−１より長くして、人間の腕に近い構造としている。図１Ａでは、２列に関節駆動機構１００，１００を配置しているように図示されているが、実際には、対向して配置することにより、把持動作などができるようにしてもよい。また、各基端側の骨材１−４の基端部は各多関節駆動機構１００の固定部１０に固定されている。
【００３６】
骨材１−１，１−２，１−３，１−４としては、ポリエチレンあるいはその発砲体などの、剛性は高いが、軽量なプラスチック製の平板を用い、複数の骨材１−１，１−２，１−３，１−４は、その長手方向（列方向）沿いに列状に一直線状に配置されるとともに、複数の骨材１−１，１−２，１−３，１−４は全体としてほぼ平面的に配置された骨材層部材１０１を成している。
【００３７】
連結部材２としては、リン青銅若しくはステンレスなどの金属、又は、ポリプロピレン若しくはポリエチレンテレフタレートなどのプラスチック製の薄板バネを用い、この連結部材２の各端部を、隣接する骨材１，１のそれぞれの凹部１ａ，１ａに接着剤でそれぞれ貼り合わせ、それぞれの連結部２Ａの部分で弾性ヒンジを隣接する２つの骨材１，１間に構成して、各連結部２Ａの長手方向と直交する方向（図１Ａの上下方向）の１軸周りの回転自由度を持たせている。
【００３８】
弾性膨脹収縮体３（３−１，３−２，３−３）としては、該弾性膨張収縮体３を膨張又は収縮させる装置を内蔵するものであり、外形がおおよそ平板形状に近いネオプレン又はシリコンなどのラバー製で、内部に空気圧導入通路５（場所を特定する場合には参照符号５−１，５−２，５−３を使用し、特定しない場合には総称的に参照符号５を使用する。）に連通した空気圧動作室を有して、空気圧動作室に空気圧導入通路５−１，５−２，５−３から空気圧が導入されて空気圧の印加により長さ方向に伸びる空気圧アクチュエータ３−１，３−２，３−３を内蔵するように構成している。また、これらの各アクチュエータ３−１，３−２，３−３は、逆に空気圧を大気圧より減圧にすることにより、その長さ方向に縮む。これら複数の空気アクチュエータ３−１，３−２，３−３のうち隣接する空気アクチュエータ同士は、同じ材質のラバー製の弾性膨脹収縮体連結部３Ａ（場所を特定する場合には参照符号３Ａ−２，３Ａ−３を使用し、特定しない場合には総称的に参照符号３Ａを使用する。）で連結され、全体として一体化されている。骨材層部材１０１に対してこの一体化された弾性膨脹収縮体層部材１０３を一括して積層するために、必要に応じて弾性膨脹収縮体連結部３Ｂ，３Ｂでも連結しておき、全体構造を形成した後、切り離してもよい。
【００３９】
弾性膨張収縮体３−１，３−２，３−３である個々の空気圧アクチュエータ３−１，３−２，３−３は、個別に複数の空気圧導入通路５−１，５−２，５−３によって空圧制御機６に接続され、空気圧を制御することにより駆動される。
【００４０】
空圧制御機６は、図１４に示すように、加圧ポンプなどの空圧駆動源６Ｂと、空圧駆動源６Ｂに接続される各空気圧導入通路５−１，５−２，５−３の接続端部に介在された電磁弁などの開閉弁６Ｃ−１，６Ｃ−２，６Ｃ−３と、空圧駆動源６Ｂの駆動制御と各開閉弁６Ｃ−１，６Ｃ−２，６Ｃ−３の開閉制御とを行う制御部６Ａとより大略構成されて、制御部６Ａにより空圧制御機６Ｂを駆動制御しつつ、必要な開閉弁６Ｃ−１，６Ｃ−２，６Ｃ−３を開いて、空圧制御機６Ｂから必要な空気圧導入通路５−１，５−２，５−３に圧縮空気を供給して必要な弾性膨脹収縮体３−１，３−２，３−３をそれぞれ膨張させるようにしている。
【００４１】
空気圧導入通路５−１，５−２，５−３としては、ポリウレタン製の空圧配管チューブを用い、必要に応じてラバー製のアクチュエータ３−１，３−２，３−３と接続ジョイント部品を接着、圧入等の方法で接続する。この空気圧導入通路５−１，５−２，５−３は、弾性膨脹収縮体連結部３Ａ−２，３Ａ−３の内部に形成することもできる。
【００４２】
一つの具体例として、骨材１として、発泡ポリエチレン樹脂製の厚み５ｍｍ、幅１８ｍｍ、長さ２０ｍｍ〜５０ｍｍの４本の骨材を使い、これらに連結部材２として、厚み０．２５ｍｍのポリエチレンテレフタレート樹脂の薄板を貼り合わせ、弾性膨脹収縮体３として、ネオプレンゴム製の外径寸法厚み５ｍｍ、幅１３ｍｍ、長さ１０ｍｍの空洞体を、連結部３Ａとして、φ４ｍｍのポリウレタン樹脂製の空気配管チューブをその配管と連結を兼ねて骨材１に連結した長さ１５０ｍｍの１本指構造の多関節駆動機構を製作したところ、その重さは２０ｇｆと軽量であった。
【００４３】
なお、図１Ａの３２は、骨材列間の基端部分にまたがるように配置された弾性膨脹圧縮体であり、この弾性膨脹圧縮体３２を膨脹させることにより、多関節駆動機構１００，１００の骨材列の間を効率的に大きく広げることもできる。
【００４４】
図１Ｃ及び図１Ｄは、空圧制御機６により、弾性膨脹収縮体３−１，３−２，３−３である、空圧式のラバー製アクチュエータ３−１，３−２，３−３に、空気圧を印加、又は、大気圧より減圧することにより、膨脹あるいは収縮した場合の各関節駆動機構１００の変形する様子を示した断面図である。図１Ｃは、空気圧印加によりアクチュエータ３−１，３−２，３−３がその長手方向に伸び、その結果、連結部材２の各連結部２Ａの部分を弾性ヒンジとして曲がる様子を示す。連結部材２として薄板バネを用いた場合には、バネの弾性により復元力が働くが、空気圧アクチュエータ３−１，３−２，３−３によりこの復元力に抗して十分大きな力を発生することにより、この各関節駆動機構１００をそのヒンジ部分で、図１Ｃの上向き凸に、曲げることができる。図１Ｄは、空気圧の減圧（大気圧より圧力を減ずる）ことにより、アクチュエータ３−１，３−２，３−３をその長手方向に縮めた場合の変形の様子を示す。この場合は、図１Ｃとは逆方向に、すなわち、図１Ｄの下向き凸に曲がるように、変形する。減圧は、加圧ポンプ６Ｂとは別に設けた減圧ポンプ（真空ポンプ）６Ｄ（図１４参照）を空圧制御機６に設けて置き、これを弁で切り替えることにより行うことができる。いずれの場合もその変形量は、加圧又は減圧する圧力を変えることにより容易に変えることができる。尚、図１Ｄでは減圧により逆方向に変形させる場合について説明したが、空気圧アクチュエータ３−１，３−２，３−３を加圧のみで動作させ、加圧を解除することにより、薄板バネの弾性による復元力でこの各関節駆動機構１００を元の姿勢に戻すこともできる。
【００４５】
上記第１実施形態によれば、複数の骨材１−１，１−２，１−３，１−４は、同一の層に平面的に配置され、弾性膨脹収縮体３−１，３−２，３−３もこの層の片面に隣接して構成しており、骨材１−１，１−２，１−３，１−４及び連結部材２及び弾性膨脹収縮体３−１，３−２，３−３よりなる平面型の薄型の駆動機構となっているため、小型軽量の関節駆動機構となっている。
【００４６】
また、製造上も、複数の骨材１−１，１−２，１−３，１−４がほぼ平面的に配置された骨材層部材１０１を一括して形成し、弾性膨張収縮体３−１，３−２，３−３を上記骨材層部材１０１の隣接面に連結することができるので、多くの骨材１−１，１−２，１−３，１−４を連結した構成であっても、大量一括生産性に優れた製造法でもって製造することができ、安価なデバイスを提供できる。
【００４７】
また、多くの骨材１−１，１−２，１−３，１−４が分離された構成の場合でも、これらは同じ骨材層部材１０１に位置しているため、前述の一体化された空気アクチュエータ３−１，３−２，３−３の場合と同様に、平面構造にこれらを配置してダミーの連結部で連結しておき、弾性膨脹収縮体３を隣接面に連結した後、このダミーの連結部で分離することもできる。これらの連結は、骨材１−１，１−２，１−３，１−４に形成したそれぞれの凹部１ａに嵌め合い、圧入、若しくは接着等の方法で簡便に行うことができる。
【００４８】
（第２実施形態）
図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の第２実施形態における平面型の関節駆動機構の平面図及び断面図を示す。第１実施形態で説明した関節駆動機構１００に、センシング機能を付加したものである。これは列状の骨材１−１，１−２，１−３，−４よりなる関節駆動機構１００の１列分のみを表したもので、図１の場合と同様２列に成してもよいし、さらに、多列に成してもよい。さらに、図２Ｃ及び図２Ｄは、弾性膨脹収縮体３−１，３−２，３−３を膨脹又は収縮させることにより、この各関節駆動機構１００を変形させた状態を示す。さらに、図３Ａ，図３Ｂはこの平面型の各関節駆動機構１００を４個及び６個用いた把持ハンドの斜視図をそれぞれ表す。把持ハンドの外側面側には弾性膨脹収縮体３−１，３−２，３−３を備えるとともに、その把持面側には連結部材２が位置するように構成する。
【００４９】
図２Ａ〜図２Ｄにおいて、骨材１−１，１−２，１−３，１−４の連結部２Ａ，…，２Ａは、駆動されることにより大きく曲がるが、これと隣接した位置に、各連結部２Ａの変形量センサー８，…，８などのセンサーを接続する信号配線や、電気的に弾性膨張収縮体３−１，３−２，３−３を駆動する駆動配線などの配線を備えたフレキシブル配線基板７を配置する。フレキシブル配線基板７上にはそれぞれの連結部２Ａ，…，２Ａの変形量を検出する変形量センサー８，…，８や、把持対象物に対する把持ハンドからの作用力言い換えれば把持力を検出するための、感圧センサー、せん断力センサー、若しくは摩擦センサーなどの触覚センサー又はタグ情報検知用アンテナ９，…，９を設け、配線７Ａで電気的に制御部６Ａなどに接続している。
【００５０】
ここで、タグ情報検知用アンテナ９は、把持対象物に添付されているタグからその把持対象物に関する各種情報を検知あるいは記録することができる。特に、把持にあたって把持対象物に最も接近する、指に相当する間接駆動機構部の接触面側にこのアンテナを設けることにより、把持対象物に接近した位置でタグ情報の検知ができるから、その検出確度を高めることができる。好ましい検出情報としては、把持を確実に実行させるための把持対象物の形状情報、重さ、柔らかさ、脆さ、さらには適切な把持力や、どの部位で把持すればよいかなど、把持にあたっての制御を決定するための情報を検知し、把持動作を行なわしめる。さらに、把持動作を行なった結果の情報、たとえば飲料ボトルの残りの重さなどの重量変化、移動させた後の位置や姿勢、把持の成否など再び同じ把持対象物を把持制御するための情報を記録することができる。
【００５１】
上記構成によれば、触覚センサー又はタグ情報検知用アンテナ９，…，９により、把持対象物に対する把持ハンドによる把持力の情報を検出しつつ、制御部６Ａにより空圧制御が行われて、アクチュエータ３−１，３−２，３−３の駆動を制御して、それぞれの関節での屈曲動作を制御する。この結果、把持対象物が把持ハンドで把持され始めると、言い換えれば、各多関節駆動機構１００が把持対象物に接触し始めると、変形量センサー８，…，８で検出されたそれぞれの連結部２Ａ，…，２Ａの変形量が制御部６Ａに入力され、それぞれの連結部２Ａ，…，２Ａの変形量並びに触覚センサー又はタグ情報検知用アンテナ９，…，９による把持力情報を元に、制御部６Ａによるアクチュエータ３−１，３−２，３−３の駆動をさらに制御して、それぞれの関節での屈曲動作をさらに制御して、把持対象物の把持動作をより確実に行う。これにより、把持対象物に対して過度の把持力を把持ハンドにより作用させてしまい、把持対象物を損傷するのを防止したり、把持力の不足による不充分な把持を防止することができる。逆に、把持対象物の把持解除動作を行うときは、制御部６Ａによるアクチュエータ３−１，３−２，３−３の逆駆動により、各多関節駆動機構１００が把持対象物から離れるようにする。
【００５２】
このように、フレキシブル配線基板７を、連結部２Ａ，…，２Ａの曲げ部近傍の層に配置することにより、この各多関節駆動機構１００が駆動されても、フレキシブル基板７が大きく歪むことはないから、繰り返し動作に対して信頼性の高いデバイスとすることができる。すなわち、薄板状の連結部材２が湾曲した状態は、材料力学によるとその厚み方向の中心位置が、長手方向のひずみが零の中層面であり、この中層面から厚み方向に離れるに従ってひずみが増大する。従って、この連結部材２に近接してフレキシブル配線基板７を配置することにより、このフレキシブル基板７が大きくひずむことはない構成とすることができる。
【００５３】
また、第２実施形態の関節駆動機構１００は平面型の構造であるから、同じく平面構造を基本とするフレキシブル配線基板７を積層化するには適した、プロセス適合性に優れた構成を成している。さらに、この関節駆動機構１００は、全体として平面型の構造であるから、センシング機能を含めても全体として小型軽量のデバイスとすることができる。また、たとえば、多関節駆動機構１００の各骨材１（１−１，１−２，１−３，１−４）上に対応して設けられた触覚センサの一例としての感圧センサーの圧力信号が平均化するよう駆動源のアクチュエータ３−１，３−２，３−３を駆動することにより、多様な形状の把持対象物を、その形状に沿って把持することができ、本把持ハンドを使った把持を、より柔軟な対応力を持ったものとすることができる。
【００５４】
図３Ａ，図３Ｂは、この図２Ａ，図２Ｂの関節駆動機構１００を用いた把持ハンドの斜視図を表し、上記関節駆動機構１００を対向して複数個備えることにより、把持機能を持たせたものである。図３Ａは、上記関節駆動機構１００より構成する指を２本ずつ対向させた４指型の把持ハンドである。図３Ｂは、同じく上記関節駆動機構１００より構成する指を３本ずつ対向させた６指型の把持ハンドである。図３Ｂにおいて、この６指型の把持ハンドは、上記関節駆動機構１００から構成される外側の指関節機構１００ａ，１００ｃに比べて、上記関節駆動機構１００から構成される中側の指関節機構１００ｃの関節間の距離を大きくして関節位置をずらすとともにその長さを長くして、外側の指関節機構１００ａ，１００ｃより中側の指関節機構１００ｃを長くして外側の指関節機構１００ａ，１００ｃより突出するようにしている。このことにより、把持対象物の形状に沿って把持対象物を包み込むごとく柔軟に把持することができる。
【００５５】
図３Ａにおいて、基端側の骨材１−４を多関節駆動機構１００の固定部１０Ａに対向して固定する。基端側の骨材１−４は、隣接する２つの関節駆動機構１００，１００が１つの長方形板状の骨材１−４Ａを共用するように構成している。把持ハンドの把持面側１１には、制御部６Ａなどに接続された、感圧センサー、せん断力センサー、若しくは摩擦センサーなどの触覚センサー又はタグ情報検知用アンテナ１３を設けるとともに、その各連結部２Ａに、制御部６Ａなどに接続されてそれぞれの連結部２Ａ，…，２Ａの変位を検出する変位センサー８を設けている。上記構成によれば、触覚センサー又はタグ情報検知用アンテナ１３，…，１３により、把持対象物に対する把持ハンドによる把持力の情報を検出しつつ、制御部６Ａにより空圧制御が行われて、アクチュエータ３−１，３−２，３−３の駆動を制御して、それぞれの関節での屈曲動作を制御する。この結果、把持対象物が把持ハンドで把持され始めると、言い換えれば、各多関節駆動機構１００が把持対象物に接触し始めると、変形量センサー８，…，８で検出されたそれぞれの連結部２Ａ，…，２Ａの変形量が制御部６Ａに入力され、それぞれの連結部２Ａ，…，２Ａの変形量並びに触覚センサー又はタグ情報検知用アンテナ１３，…，１３による把持力情報を元に、制御部６Ａによるアクチュエータ３−１，３−２，３−３の駆動をさらに制御して、それぞれの関節での屈曲動作をさらに制御して、把持対象物の把持動作をより確実に行う。これにより、把持対象物に対して過度の把持力を把持ハンドにより作用させてしまい、把持対象物を損傷するのを防止したり、把持力の不足による不充分な把持を防止することができる。逆に、把持対象物の把持解除動作を行うときは、制御部６Ａによるアクチュエータ３−１，３−２，３−３の逆駆動により、各多関節駆動機構１００が把持対象物から離れるようにする。
【００５６】
把持ハンドの外側面側１２には弾性膨脹収縮体３−１，３−２，３−３を備え、空気圧導入通路５−１，５−２，５−３から空気圧を加えることにより駆動される。この把持ハンドの把持面側１１は、ゴムなどの高摩擦係数を持った柔軟材料１４を被覆してあり、把持対象物の把持を着実なものとし、さらに、把持ハンドの外側面側１２にも緩衝のための目的で柔軟材料１４を被覆している。なお、この関節駆動機構では、空気圧を印加すると把持方向に駆動され、減圧することにより把持方向とは逆の方向に開く。
【００５７】
この把持ハンドは、前述した関節駆動機構１００を用いているので小型軽量であり、弾性膨脹収縮体３を駆動源としているからコンプライアンスが高く、この両者があいまって人との接触、衝突に対して本質的に安全で人との親和性の高いデバイスである。特に空気圧式のアクチュエータ３を駆動源に用いた場合、空気の圧縮性による高いコンプライアンスがありこの点で望ましい。また、たとえば、多関節駆動機構１００の各骨材１（１−１，１−２，１−３，１−４）上に対応して設けられた触覚センサの一例としての感圧センサーの圧力信号が平均化するよう駆動源のアクチュエータ３−１，３−２，３−３を駆動することにより、多様な形状の把持対象物を、その形状に沿って把持することができ、本把持ハンドを使った把持を、より柔軟な対応力を持ったものとすることができる。
【００５８】
図４Ａは、この把持ハンドを構成している多関節駆動機構１００の関節に当たる弾性ヒンジ機構の力学的性質を説明する斜視図であり、隣接する骨材１，１が連結部材２の薄板バネにより連結されており、連結部材２の連結部２Ａの自由度はＺ軸回りの１回転自由度のみに拘束されている。このため、先端側（図４Ａの左側）の骨材１にかかるＺ軸方向の力１５は、その反力を、基端側（図４Ａの右側）の骨材１の他端部で、長手方向（Ｘ軸方向）回りのモーメント力１６としてしっかり支えることができる。しかも、この力の性質は、弾性ヒンジ部の捩れ剛性が十分高い場合には、連結部２Ａの曲げ角度に関わらず有効であり、関節駆動機構１００の駆動源となるアクチュエータ３−１，３−２，３−３の発生力にも依存しない。
【００５９】
図４Ｂは、円柱状の把持対象物を図３Ａで説明した４指型の把持ハンドで把持している状態を示す斜視図である。上記関節駆動機構１００によって円柱状の把持対象物１７を挟持し、この挟持力による把持面での摩擦力が、把持対象物１７の重力に勝った場合、この把持対象物を落とすことなく保持することができる。このとき、関節駆動機構１００に加わる力１５Ａは、その反力を基端の骨材１−４で図４Ａのモーメント力１６Ａとして支えることができる。このモーメント力１６Ａの性質は、連結部２Ａの曲げ角度に関わらず有効であり、従って把持対象物１７の大きさ、円柱の場合にはその直径、が異なる場合にも、重力と摩擦力を考慮した把持力を加えることで、柔軟かつ安定して把持動作をさせることができる。また、上記モーメント力１６Ａの性質は、関節駆動機構１００の駆動源となるアクチュエータ３−１，３−２，３−３で発生する駆動力にも依存せず、把持力は、重力と摩擦力を考慮した把持力のみで、安定かつ最小限の力で把持することができる。
【００６０】
空気圧アクチュエータ３−１，３−２，３−３としては、例えば、その作用断面積が約１ｃｍ２のアクチュエータを用い、空気圧１気圧を印加することにより、円筒状の把持対象物１７を約２００ｇの把持力で挟むことができた。この把持ハンドは、円筒状容器に水を満たした重さ１Ｋｇの把持対象物１７を持ち上げることができた。
【００６１】
図４Ｄは、たまご状の把持対象物１７を図３Ｂで示した６指型の把持ハンドで把持している状態を示す斜視図である。図３Ｂにおいて、この６指型の把持ハンドは、先にも説明したように、外側の指関節機構１００ａ、１００ｃに比べて中側の指関節機構１００ｃの関節間の距離を大きくして関節位置をずらすとともにその長さを変えて突出させている。このことにより、把持対象物１７の形状に沿って、把持対象物１７を包み込むごとく柔軟に把持することができる。図４Ｄでは、たまご状の把持対象物１７の高さ方向の直径が異なる場所で各指関節機構１００ａ、１００ｃ、１００ｃがそれぞれ最適な直径に変形して把持対象物１７に柔軟に沿っている様子が分かる。骨材１（１−１,１−２,１−３,１−４）の長さ、幅、関節位置、関節数、指関節機構の長さ、方向などを違えて分布させることにより、より対象物１７の形状を選ばず、柔軟に対象物に沿って変形し把持できる把持ハンドとすることができる。
【００６２】
ここで、円柱状の把持対象物２０に鍔２０Ａが付いている場合に、図３Ａ, 図３Ｂで説明した上記把持ハンドで把持する場合について説明する。
【００６３】
図９Ａは、円板状の鍔２０Ａ付きの円柱状の把持対象物２０を、図３Ａ, 図３Ｂで説明した把持ハンドで把持している状態を示す斜視図である。関節駆動機構１００によって鍔２０Ａの付いた円柱状の把持対象物２０を挟持している様子を示す。このとき、図９Ａに示されるように、把持対象物２０の両側のそれぞれの関節駆動機構１００，１００に加わる力１５Ｂ，１５Ｂは、その反力を基端の骨材１−４Ａ，１−４Ａでモーメント力１６Ｂ，１６Ｂとして支えることができる。この場合、鍔２０Ａの下面が、対向する関節駆動機構１００，１００の列のそれぞれの上部に、いわば載ったような状態になるから、挟持力は、把持対象物２０の重力に勝る摩擦力を発生させるまでもなく、把持対象物２０の姿勢を維持するだけの最小限の把持力ですませることができる。このことは、上記のモーメント力１６Ｂ，１６Ｂの性質によるものである。
【００６４】
尚、図９Ａでは、上部に鍔２０Ａの付いた円柱状の把持対象物２０を把持する場合について述べたが、上記多関節駆動機構１００の列を対向して複数設けた把持ハンドによれば、たとえばワイングラスや茶碗など、容器の下部が細った形状の把持対象物を把持する場合、この部分で、上記で説明したのと同様、把持対象物が、いわば一部の関節駆動機構列の上部に載ったような状態になるから、多様な把持対象物を柔軟に把持できるとともに、最小限の把持力で把持することができる。
【００６５】
図９Ｂは、横に寝た姿勢（言い換えれば、長手方向が横方向沿いの姿勢）の円柱状の把持対象物２２を、図３Ａ, 図３Ｂで説明した把持ハンドで把持している状態を示す斜視図である。円柱状の把持対象物２２を把持するにあたって、４個の多関節駆動機構１００，…，１００の先端部１Ｂ，…，１Ｂをより大きく曲げることにより、いわば爪で把持対象物２２を引っかける如く把持対象物２２の重量を着実に支えて把持することができる。図９Ｂにおいて、把持対象物２２の重力と把持に伴う摩擦力により把持ハンドの４個の多関節駆動機構１００，…，１００が受ける力２３，…，２３は、これらの関節駆動機構１００，…，１００の各連結部２Ａでモーメント力として伝達され、この反力は、各多関節駆動機構１００の各基端の骨材１−４Ａの部分でモーメント力２４として支えられる。この各関節駆動機構１００の列状方向の剛性は高いから、この把持に伴って把持ハンドが受ける力をその各関節駆動機構１００の固定部１０Ａでしっかりと支えることができる。
【００６６】
図４Ｃは、図４Ａで説明したヒンジ構造、言い換えれば、連結部の別形態を示すもので、骨材１の一部を細らせることにより、骨材自体よりなるヒンジ１Ａを構成したものである。この場合、別の連結部材を要せず、構造が簡便であるとともに、骨材層部材１０１は予め一体化されているので、その他の層部材を集積化するのに適している。図４Ｃの場合も、図４Ａで示したように、その連結部言い換えればヒンジ１Ａの自由度が、１自由度に拘束されている構造であり、このことにより、各先端側の骨材１（図４Ａの左側に相当する骨材１）にかかるＺ軸方向の力１５は、その反力を、基端側の骨材１（図４Ａの右側に相当する骨材１）の他端部でモーメント力１６としてしっかり支えることができる。このような骨材自体よりなるヒンジを形成するのには、材質としてはポリプロピレンが適している。ポリプロピレンでは、ヒンジ部での大きな繰り返し変形に対して強度劣化が少ない。この場合、第１実施形態や第２実施形態で述べた、薄板バネによりヒンジを構成する場合と異なり、このヒンジ部では弾性復元力は伴わない。弾性復元力が生じる場合、アクチュエータ３−１，３−２，３−３により発生する力が、この弾性変形量に応じて減ずるが、この形式のヒンジでは発生力の減少は伴わないメリットがある。
【００６７】
次に、第２実施形態で述べた把持ハンドを備えたロボットの斜視図を図１０に示す。ロボット本体に当たる移動台車５１から２つのアーム５２，５２により把持ハンド５０が連結されて駆動される。移動台車５１は、その内部に収納された制御装置５６の制御により任意の位置に移動して位置決めできる。各アーム５２は、その両端部で回動可能に支持され、かつ、制御装置５６の制御によりモータ駆動で下側のアーム５２は移動台車５１に対して回動し、上側のアーム５２は下側のアーム５２に対して回動することにより、把持ハンド５０を任意の位置に移動させることができるようにしている。第２実施形態で述べた把持ハンド５０を備えたロボットは、感圧センサー若しくは摩擦センサーなどの触覚センサー、又は、各連結部２Ａの変位センサー、又は、タグ情報検知用アンテナ等のセンサー５３，…，５３をその把持ハンド５０の把持面側に備えているので、この把持ハンド５０を使ったロボットは、把持対象物の把持動作に伴って生じるこれらのセンサー５３，…，５３の信号５４を受けた制御装置５６は、これらの信号５４に基づき、その把持動作を制御する信号５５を用いて、アーム５２及び把持ハンド５０を駆動することができる。たとえば、把持ハンド５０の各多関節駆動機構１００の各骨材１上に対応して設けられた感圧センサー５３，…，５３の圧力信号が平均化するように制御装置５６から把持ハンド５０の動作制御開始信号が入力された制御部６Ａの制御により、駆動源のアクチュエータ３−１，３−２，３−３を駆動することにより、多様な形状の把持対象物を、その形状に沿って把持することができ、本把持ハンド５０を使った把持を、より柔軟な対応力をもったものとすることができる。
【００６８】
さらに、図１０に示されるように、把持ハンドの固定部１０Ａに、超音波式又は撮像式などの把持対象物検出センサー又はカメラ、又はタグ情報検知用アンテナなどのセンサーなどの把持対象物情報検出装置５７を一対備えた把持ハンド５０を使ったロボットでは、このセンサー又はカメラ又はアンテナなどの把持対象物情報検出装置５７からの把持対象物情報検出信号に基づき把持動作を計画し、把持動作に関わるアーム５２やハンド５０の運動軌跡を生成して把持ハンド５０を制御することができる。この場合、前述した連結部の変位センサーから得られる信号を併用することにより、把持ハンドの姿勢を検出しつつ、把持対象物との相対位置をより精度良く把握しつつ把持制御を行うことができる。
【００６９】
（第３実施形態）
図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃは、２軸ないし３軸の回転自由度を、薄板バネによる弾性ヒンジ構成にて平面的に構成する駆動機構である。骨材１の連結部を、漸次その幅を細らせた突き合わせ部１Ｂとなる形状とし、適度な剛性をもつゴム製の薄板バネ３０で連結する。この構成によって、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸まわりの回転が可能なユニバーサルジョイント機構となる。薄板バネ３０の剛性が十分大きい材質を選んだ場合には、薄板バネ３０の面内剛性は、その曲げ剛性及びねじれ剛性に比べて大きいので、Ｚ軸の回転の自由度を拘束することもできる。図５Ｂ及び図５Ｃに示したように、上記弾性膨張収縮体３と同様な構造（例えば、空気圧アクチュエータ）の短冊状の長尺な弾性膨脹収縮体３１を突き合わせ部１Ｂの両側でかつ表裏両面に配置して、両端部を隣接する骨材１，１にそれぞれ固定し、これら４個の弾性膨脹収縮体３１，…，３１の空気圧アクチュエータを拮抗させて駆動することにより、自由な方向に駆動することができる。
【００７０】
図６は、上記の図５Ａ〜図５Ｃで示したユニバーサルジョイント機構を、一方の平面型の多関節駆動機構の第３弾性膨張収縮体３−３の代わりに用いた、平面型の多関節駆動機構１００Ｇの一部を表す斜視図である。２本の骨材列が基端側で長方形板状の連結用骨材１Ｃで結合されている。指を構成する多関節駆動機構１００Ｇの基端側の一部に上記ユニバーサル機構を用いることにより、指先をあらゆる方向に動かすことができるから、把持動作の多様化を図ることができる。この多関節駆動機構１００，１００Ｇの骨材列の間を大きく広げるためには、骨材列間の基端部分に弾性膨脹圧縮体３２を設け、これを膨脹させることで効率的に大きく広げることもできる。
【００７１】
この例では、少なくとも駆動部の先端に近い連結部の自由度を、１自由度に拘束しており、第２実施形態の、図４Ａにおいて説明した力の性質を併せ持っており、この関節駆動機構を使用した把持ハンドは、ハンドが受ける力をその骨材の基端部１Ｃでしっかりと支えることができる。
【００７２】
（第４実施形態）
図７Ａ及び図７Ｂは、本発明の第４実施形態における多関節駆動機構１００Ｈを表す断面図及び平面図を示す。図８Ａ及び図８Ｂは、同じく第４実施形態における拮抗駆動型の多関節駆動機構１００Ｈを表す断面図及び平面図を示す。どちらの多関節駆動機構１００Ｈも、形状記憶合金で駆動するタイプのものである。
【００７３】
この第４実施形態は、把持対象物に対してその接触面側に弾性膨張収縮体を設けた場合、及び上記接触面側に対してこれと対向する非接触面側に弾性膨張収縮体を設けた場合の実施形態である。
【００７４】
また、後述するマッキビーン型空気圧式アクチュエータや、電気的に駆動することのできるエレクトロアクティブポリマーを、アクチュエータとして適用する場合には、好ましい。
【００７５】
図７Ａ，図７Ｂにおいて、複数の平板状骨材１をフレキシブル配線基板４０で連結することにより、フレキシブル配線基板４０の弾性を利用して弾性ヒンジ４０Ａを構成している。フレキシブル配線基板４０上には、配線４１により結線された弾性ヒンジ部４０Ａの変形量センサー４２と触覚センサー４６を備え、この関節駆動機構１００Ｈの姿勢及び触覚を検知する機能を備えている。この連結部となるフレキシブル基板４０の弾性ヒンジ部４０Ａにまたがって、形状記憶合金ワイヤ又はコイル４３（４３Ａ，４３Ｂ）を骨材１−１，１−２，１−３，１−４及び固定部１０に固定部４Ａ，…，４Ａ、４Ｂ，…，４Ｂで固定する。形状記憶合金ワイヤ又はコイル４３Ａは指先側の第１骨材１−１に固定部４Ａで固定され、別の第２骨材１−２に設けられた引っかけ部４４Ａを通じてさらに別の第３骨材１−３に固定される。指先側から２番目の第２骨材１−２には、形状記憶合金ワイヤ又はコイル４３Ｂが固定部４Ｂで固定され、第３骨材１−３に設けられた引っかけ部４４Ｂを通じてさらに別の第４骨材１−４に固定される。それぞれの形状記憶合金ワイヤ（又はコイル）４３Ａ及び４３Ｂは、電源４５（４５Ａ及び４５Ｂ）で独立に通電加熱されることにより、この駆動機構が駆動される。形状記憶合金ワイヤ４３Ａ及び４３Ｂの形状記憶合金は、温度が上昇しマルテンサイト変態温度を越えると縮むように形状記憶処理したものを用い、通電を切って放熱冷却することにより元の長さに戻る。
【００７６】
ここで、引っかけ部４４Ａ及び引っかけ部４４Ｂは、形状記憶合金（ＳＭＡ）ワイヤ又はコイル４３Ａが膨張収縮したことに伴う発生力を骨材１に伝えるための力学的支点の役割を果たす部材である。これらの引っかけ部４４Ａ，４４Ｂは、骨材１に取り付けられ、形状記憶合金ワイヤ又はコイル４３Ａを懸架することによりその役目を果たす。
【００７７】
また、固定部４Ａ及び固定部４Ｂは、形状記憶合金ワイヤ又はコイル４３Ａが固定され、同じく、形状記憶合金ワイヤ又はコイル４３Ａが膨張収縮したことに伴う発生力を骨材１に伝えるための力学的支点の役割を果たす部材である。固定部４Ａ及び固定部４Ｂの固定部材として骨材１に取り付けられた段付きピンなどに形状記憶合金ワイヤ又はコイル４３Ａを懸架または巻回して固定する。
【００７８】
図８Ａ，図８Ｂの拮抗駆動型の多関節駆動機構もその構成要素は図７Ａ，図７Ｂと同様である。骨材層部材１０１を挟んでその両側に駆動源となる形状記憶合金ワイヤ又はコイル４３Ｃ及び４３Ｄを取り付けたもので、この両者の駆動の拮抗作用で、把持方向とその逆方向に駆動できる。
【００７９】
上記アクチュエータの一例としての空気圧式アクチュエータの中には、空気圧を加えることによりその長手方向に縮む形式のものがある。
【００８０】
上記アクチュエータの別の例としてのマッキビーン型アクチュエータは、ゴムチューブに円筒状の網をかぶせたもので、空気圧を印加することによりその径方向に膨脹し、この膨脹に伴い網目が引っ張られ、長手方向には縮むものである。このような機能の空気式アクチュエータを駆動源に用いる場合には、図７Ａ，図７Ｂにおいて形状記憶合金ワイヤ又はコイルを、この機能を持った空気圧式アクチュエータに置き換えることで同様の駆動機構を構成することができる。
【００８１】
また、上記アクチュエータのさらに別の例として、電気的に駆動することのできる各種のエレクトロアクティブポリマー材料が、人工筋アクチュエータとして研究開発されている。たとえばシート状の誘電体ポリマーに柔軟電極を設けた多層構造のアクチュエータや、ゲル電歪型、ゲルのイオン駆動型、導電性ポリマー方式などが提案されている。これらを駆動源に使う場合には、膨脹型のものであれば、図１Ａ〜図１Ｄや図２Ａ〜図２Ｄに準じた構成で、収縮型のものであれば、図７Ａ，図７Ｂに準じた構成で、本発明の駆動機構とすることができる。このような人工筋アクチュエータは、ポリマー材料を主体としているから、材料自体が軽量であるとともに、高いコンプライアンスを有するのでこれらがあいまって、人との接触、衝突に対して本質的に安全である。また、人工筋アクチュエータは一般に発生エネルギー密度が高く、これを本発明の多関節駆動機構の駆動源とすることにより、従来型の電磁モータと減速機よりなる多関節駆動機構に比べて格段に省エネルギー型のデバイスとすることができる。
【００８２】
上述したマッキビーン型空気圧アクチュエ一タや、電気的に駆動することのできるエレクトロアクティブポリマーをアクチュエータとして適用する場合、これらのアクチュエータはチューブ状やシート状及びそれらの積層体などの細長の形態であるため、膨張変形に対して挫屈を生じ、膨張変形をアクチュエーションに使用することは難しい。従って、主としてこれらのアクチュエータでは収縮変形による引っ張り状態で作用させることが好ましい。第４実施形態は、このような、アクチュエータを収縮変形により引っ張り状態で作用させるのに適した構造である。
【００８３】
また、図２Ａ〜図２Ｄの構成に加えて図７Ａ，図７Ｂに準じた構成を、把持ハンドの外側面側に組み合わせ、膨脹型及び収縮型の両者の弾性膨脹収縮体の拮抗作用で関節駆動機構を駆動させることもできる。この場合、この関節駆動機構を適用した把持ハンドは、把持方向に駆動する機能に加え把持物を離す方向にも駆動することができ、把持のために対向して設けられた関節駆動機構列の間隔を大きく広げることができる。さらに、このように駆動のアクチュエータを把持ハンドの外側面側にのみ設けた構造とすることにより、関節駆動機構の姿勢を検出するための連結部の変形量センサーや、把持力を制御するための触覚センサー、さらに把持対象物の情報を検出するためのタグ情報検知用アンテナを把持面側に集約して構成することが可能になり、多くの分布したセンサーを集積するのに好都合である。また把持ハンドの把持面側は、把持に伴って把持対象物に接近、接触する必然性があるからこれらのセンサーが把持面側に構成されていると好都合である。把持対象物に貼られたタグに書き込まれた把持対象物に関する形状、把持位置、把持計画などの各種の情報を、近接した位置で感度よく検出することができる。
【００８４】
（第５実施形態）
図１１Ａ及び図１１Ｂは、本発明の第５実施形態における多関節駆動機構を表す断面図及び平面図を示す。第５実施形態は、第１実施形態で述べた多関節駆動機構における空圧配管を、積層型空圧配管層部材６０としたものである。このような構成とすることにより、骨材１よりなる骨材層部材１０１と、積層型空圧配管層６０と弾性膨脹収縮体３−１，３−２，３−３よりなる層が分かれた構造となるため、これらを一括して形成しやすい構造となる。その他の部材は、第１実施形態で述べた内容と同様である。
【００８５】
次に、図１２（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、本発明の上記実施形態の上記多関節駆動機構の製造方法を示すブロック図である。本製造方法は、骨材１がそのヒンジ部１Ａを含んでほぼ面的に配置された骨材層部材１０１を一括して形成する図１２（Ａ）の第１プロセスと、弾性膨脹収縮体３−１，３−２，３−３とその連結部３Ａ，空圧導入通路５−１，５−２，５−３よりなる弾性膨張収縮体層部材１０３を形成する図１２（Ｂ）の第２プロセスと、弾性膨張収縮体層部材１０３を上記骨材層部材１０１の隣接面に連結する図１２（Ｃ）の第３プロセスとより構成されている。図１２（Ａ）の第１プロセスは、たとえばポリプロピレンやポリエチレン、ポリエチレンテレフラレートなどのポリマー又はその発泡体などを、そのヒンジ部１Ａが細った構造となるようインジェクション（射出成形）などにより一括形成することができる。また、骨材１をなすプレート状部材に局部加熱することによりそのヒンジ部１Ａを形成することもできる。図１２（Ｂ）の第２プロセスは、弾性膨脹収縮体として、空気圧で駆動させるラバー空圧型の場合には、ネオプレン又はシリコン又はこれらに繊維を複合させた弾性体を、空気配管としてポリウレタンチューブにて予め連結した構造体を、金型で仮形成し、加硫加熱などにより本形成する。さらに、上記骨材層部材１０１の隣接面にこの構造体を連結する。これらの連結は、各骨材１にそれぞれ形成した凹部１ａに、嵌め合い、圧入、若しくは接着等の方法で行う。
【００８６】
次に、図１３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）は、本発明の上記実施形態の上記多関節駆動機構の別の製造方法を示すブロック図である。本製造方法は、図１３（Ａ）及び（Ｂ）の第１工程として、連結部材２を構成するポリエチレンテテフタレート製の薄板バネＡの上に、ポリエチレン発砲体よりなる各骨材１を、連結部材２の各ヒンジ部２Ａを連結部としてほぼ面的に積層して接着する。これらの骨材列は予め連結されたものを一括して積層接着し、その後切り離すこともできる。次に、図１３（Ｃ）の第２工程として、これらの骨材１の上に積層型空圧配管層部材６０（６０ａ，６０ｂ，６０ｃのように）として低弾性率で軟らかいシリコンゴムよりなる３層構造を積層形成する。すなわち、まず、下地層６０ａを形成し、その下地層６０ａの上に空気導入通路５（５−１，５−２，５−３）を形成した空間部を有する中間層６０ｂを、さらに、その中間層６０ｂの上に空圧アクチュエータへの接続穴を備えた上部層６０ｃを形成する。これら３層の形成は、印刷又は塗布、及び加熱硬化で行うことができる。最後に、図１３（Ｄ）の第３工程として、弾性膨脹収縮体３（３−１，３−２，３−３）である空圧アクチュエータを連結した構造体を接着積層する。各層の形成は一括して形成することができるため、関節自由度数によらず、製造が容易であり、したがって低コストで製造することができる。
【００８７】
以上のように本発明によれば、複数の骨材が列状に配置された骨材層部材を成し、上記複数の骨材を連結部で可動自在に連結するとともに、上記骨材層部材の対象物に対する接触面側又は／及び接触面側と対向する非接触面側に上記連結部をまたがるように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体を備えるように構成して多関節駆動機構を提供できる。
【００８８】
また、多関節駆動機構より構成される指機構を複数対向して備えて、上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、上記指機構を駆動して対象物の把持動作を行う把持ハンドを提供することができる。
【００８９】
また、上記多関節駆動機構を複数個具備した把持ハンドと、上記把持ハンドに感圧センサー、摩擦センサーなどの触覚センサー又は連結部材の変位センサーを備えて、該センサー又はアンテナにより検出した情報に基づいて上記把持ハンドの把持動作を制御するロボットを提供できる。
【００９０】
この結果、把持ハンド自体が小型軽量かつ柔軟で、安全であるとともに、多様な対象物を器用に把持できるという性能を持つ把持ハンドを実現でき、その駆動機構として製造の容易さを含めて実用レベルの具体的構成を備えた多関節駆動機構を提供できる。その結果、家庭やオフィス、病院などで家事支援や仕事支援、高齢者や障害者の介護支援などに活躍することが期待されるロボットの把持ハンドとして好適なものとなる。
【００９１】
また、少なくとも、上記複数の骨材がほぼ平面的に配置された上記骨材層部材を一括して形成し、上記複数の弾性膨張収縮体が一体化された弾性膨張収縮体層部材を、上記骨材層部材の隣接面でかつ上記骨材層部材の対象物に対する接触面側又は／及び接触面側と対向する非接触面側に連結することにより、上記多関節駆動機構を製造することができるので、各層の形成は一括して形成することができるため、関節自由度数によらず、製造が容易であり、したがって低コストで製造することができる。
【００９２】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【００９３】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。
【図１Ａ】本発明の第１実施形態における面型の関節駆動機構の平面図である。
【図１Ｂ】上記第１実施形態の関節駆動機構の断面図である。
【図１Ｃ】上記第１実施形態の関節駆動機構の変形状態を表す断面図である。
【図１Ｄ】上記第１実施形態の関節駆動機構の変形状態を表す断面図である。
【図２Ａ】本発明の第２実施形態における平面型の関節駆動機構の平面図である。
【図２Ｂ】上記第２実施形態の関節駆動機構の断面図である。
【図２Ｃ】上記第２実施形態の関節駆動機構の変形状態を表す断面図である。
【図２Ｄ】上記第２実施形態の関節駆動機構の変形状態を表す断面図である。
【図３Ａ】本発明の第２実施形態における４指型把持ハンドの斜視図である。
【図３Ｂ】本発明の第２実施形態における６指型把持ハンドの斜視図である。
【図４Ａ】本発明の第２実施形態における弾性ヒンジの斜視図である。
【図４Ｂ】本発明の第２実施形態における把持状態を示す把持ハンドの斜視図である。
【図４Ｃ】本発明の第２実施形態の別形態におけるヒンジの斜視図である。
【図４Ｄ】本発明の第２実施形態における別の把持状態を示す把持ハンドの斜視図である。
【図５Ａ】本発明の第３実施形態における多軸回転型弾性ヒンジの斜視図である。
【図５Ｂ】上記第３実施形態における多軸回転型弾性ヒンジの駆動機構の斜視図である。
【図５Ｃ】上記第３実施形態における多軸回転型弾性ヒンジの駆動機構の断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態における多軸回転型弾性ヒンジを用いた多関節駆動機構の一部を表す斜視図である。
【図７Ａ】本発明の第４実施形態における平面型の関節駆動機構の断面図である。
【図７Ｂ】本発明の第４実施形態における平面型の関節駆動機構の平面図である。
【図８Ａ】本発明の第４実施形態における拮抗駆動型の関節駆動機構の断面図である。
【図８Ｂ】本発明の第４実施形態における拮抗駆動型の関節駆動機構の平面図である。
【図９Ａ】本発明の第２実施形態における把持状態を示す把持ハンドの斜視図である。
【図９Ｂ】本発明の第２実施形態における把持状態を示す把持ハンドの斜視図である。
【図１０】本発明の第２実施形態における把持ハンドを備えたロボットの斜視図である。
【図１１Ａ】本発明の第５実施形態における関節駆動機構の断面図である。
【図１１Ｂ】本発明の第５実施形態における関節駆動機構の平面図である。
【図１２】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、それぞれ、本発明の関節駆動機構の製造を示すブロック図である。
【図１３】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）は、それぞれ、本発明の関節駆動機構の別の製造を示すブロック図である。
【図１４】本発明の第１実施形態における面型の関節駆動機構の空圧制御関係の構造を示すブロック図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
0003723818.tif 000026
【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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