(57)【要約】【課題】ロボット装置の把持機構の把持方法及び把持力にかかわらず、安定したすべり特性を持つ皮膚部材を設け、操作時の対象物の落下を防止する。【解決手段】対象物の操作を行う場合、まず２本以上のフィンガ２、３で対象物を把持した状態で、外力を加えることによって各フィンガ２、３間で対象物を移動させる。このためには、移動の回転中心をフィンガの先端部の中央に持ってくることで、対象物がフィンガから離脱して落下することを防ぐことが可能である。例えば、フィンガの先端部に設けられた多層構造の皮膚部材の層間部に同心円状の凹凸形状を設け、皮膚部材のせん断弾性に方向特性を持たせることによって、回転中心がフィンガの先端部の中央に来るようフィンガ表面のすべり特性を設計する。【選択図】  図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物を操作するロボット装置において、
対象物に接触する皮膚部材が複数の柔軟材層を積層して形成され、相互に重なり合う各柔軟材層表面に複数の凹凸がそれぞれ繰り返し形成され、該各柔軟材層表面の凹凸が相互に嵌合されたことを特徴とするロボット装置。
【請求項２】
前記皮膚部材の各柔軟材層表面の凹凸は、このロボット装置のフィンガの腹側に設けられることを特徴とする請求項１記載のロボット装置。
【請求項３】
前記各柔軟材層表面の凹凸の凸部は、該凸部の中心を通る前記皮膚部材表面の法線を対称軸とすると、該各柔軟材層表面の凹凸を繰り返す方向で対称であることを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項４】
前記各柔軟材層表面の凹凸の凸部は、該凸部の中心を通る前記皮膚部材表面の法線を対称軸とすると、該各柔軟材層表面の凹凸を繰り返す方向で非対称であることを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項５】
前記各柔軟材層表面の凹凸が前記対称軸に対して傾斜することを特徴とする請求項４に記載のロボット装置。
【請求項６】
前記各柔軟材層表面の凹凸は、溝状の凹部とうね状の凸部を繰り返し平行に設けたものであることを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項７】
前記各柔軟材層表面の凹凸を繰り返す方向は、このロボット装置のフィンガの長手方向であることを特徴とする請求項６に記載のロボット装置。
【請求項８】
前記各柔軟材層表面の凹凸は、円状の凹部と凸部を繰り返し同心円状に設けたものであることを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項９】
溝状の凹部とうね状の凸部を繰り返し平行に設けて、前記各柔軟材層表面の凹凸を形成した第１領域と、円状の凹部と凸部を繰り返し同心円状に設けて、前記各柔軟材層表面の凹凸を形成した第２領域とを有することを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項１０】
前記第１領域を囲むように複数の前記第２領域を配置したことを特徴とする請求項９に記載のロボット装置。
【請求項１１】
前記各柔軟材層表面の凹凸は、相互の接触面の全体を接着されたことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項１２】
前記各柔軟材層表面の凹凸は、相互の接触面の一部を接着されたことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項１３】
前記各柔軟材層表面の凹凸間に、気体もしくは液体を封入した封入室を設けたことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項１４】
前記各柔軟材層が３層以上であり、該各柔軟材層の１つの層間における各柔軟材層表面の凹凸を繰り返す方向と他の１つの層間における各柔軟材層表面の凹凸を繰り返す方向とが異なることを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項１５】
前記各柔軟材層表面の凹凸の凸部もしくは凹部は、該各柔軟材層表面の凹凸を繰り返す方向の断面が台形形状であることを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項１６】
前記各柔軟材層表面の凹凸の凸部もしくは凹部は、該各柔軟材層表面の凹凸を繰り返す方向の断面が曲線で描かれる波形形状であることを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項１７】
前記波形形状は、正弦波形状であることを特徴とする請求項１６に記載のロボット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物を把持もしくは操作するフィンガ等の把持機構を持つロボット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のロボット装置のフィンガ等の把持機構には、対象物を把持及び操作する機能が求められる。ここで、把持とは、対象物を確実に保持する動作であり、操作とは、対象物を把持した状態で該対象物に外力を加えてその姿勢を変化させる動作である。これらの動作に対する要件は、それぞれ異なる。把持の場合は、外力により対象物が落下しないように、該対象物を確実に把持する必要がある。一方、操作の場合は、外力により滑らかに対象物の姿勢が変更されかつ対象物が落下しないように、該対象物を把持する必要がある。
【０００３】
これまでのロボットの把持機能としては、対象物を堅固に把持する能力のみを追求したものが多かった。この把持能力を高める構成としては、例えば特許文献１に記載されているものがある。ここでは、靴底や手袋表面等に人間の皮膚の指紋等を模した表面パターンを設け、これにより人間の皮膚と同等の摩擦係合力を得ている。この様な技術から、ロボット装置の把持機構においても人間の皮膚を模することの有益性が容易に想定される。
【０００４】
また、特許文献２では、ロボットのフィンガの皮膚部材に指紋等を模した表面パターンを設けるだけではなく、この皮膚部材を２つの柔軟層を積層して形成し、外側の柔軟層として硬度の高い材料を用いて、外側表面の傷を受け難くし、かつ内側の柔軟層として硬度の低い材料を用いて、この皮膚部材に人間の皮膚のような柔軟性を持たせている。
【特許文献１】特表平９−５０６５３２号公報
【特許文献２】特開２００４−１７４６２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、これまではロボット装置における対象物の操作に関しては、あまり注目されておらず、対象物のころがり操作に関して、把持制御の観点からの研究が報告されているのみである。対象物の操作は、対象物を把持して、対象物の姿勢を変化させるので、単なる把持と比較すると、厳密な解析が難しく、制御方法が確立されていない。このため、ロボット装置の制御に任意の対象物の操作を組み込むことが殆どない。
【０００６】
しかし、人間の動作においては、対象物の操作は、対象物を持ったときに頻繁に行われる。例えば、ペンやハシ等の対象物を使用するときには、対象物を把持してから持ち替えることが多い。人間は、対象物を持ったまま、片手で対象物を操作して持ち替えることができる。
【０００７】
このため、やはりロボット装置における対象物の操作の制御は、不可欠なものと考えられ、実現の可能性を探求する必要がある。仮に、この様な操作を行わずに、対象物を持ち替えようとすると、両手が必要となり操作手順が多くなって、その制御も極めて困難になる。
【０００８】
更に、特許文献１、２のようにロボット装置の把持機構の皮膚部材に指紋等を模した表面パターンを設けるだけでは、対象物の把持方法及び把持力により表面パターンが大きく変形して、把持機構表面のすべり特性が大きく変化するので、対象物の操作に関する制御がより困難になる。あるいは、人間の皮膚の指紋等が蘇生されるのに対して、ロボット装置の把持機構の皮膚部材の表面パターンは蘇生されることがないので、表面パターンが磨耗すると、対象物の操作の制御を維持することができなくなる。
【０００９】
そこで、本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、対象物の操作が容易になるような特性の皮膚部材を持つロボット装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は、対象物を操作するロボット装置において、対象物に接触する皮膚部材が複数の柔軟材層を積層して形成され、相互に重なり合う各柔軟材層表面に複数の凹凸がそれぞれ繰り返し形成され、該各柔軟材層表面の凹凸が相互に嵌合されている。
【００１１】
この様な本発明のロボット装置は、例えば２本以上のフィンガにより対象物を持つものであり、この対象物を把持したまま、対象物に他のフィンガもしくは外部機構により外力を加えて、対象物の姿勢を変化させる操作を行うことを前提とする。
【００１２】
この様な操作は、例えば人間がペン等を用いる際に、ペンを親指と人差し指に挟んでから、中指によりペンの一部を押して、ペンの姿勢を変化させるという片手での操作に相当し、人間の日常に多く見られる。
【００１３】
しかし、２本のフィンガにより対象物を挟み持つ際に、センサ等を用いて、該各フィンガによる把持位置を細かく検出することは困難である。このため、初期の把持位置が目標位置からずれていたとしても、そのまま対象物の操作を継続することが考えられる。この場合、対象物の姿勢が変化した際に、対象物が落下しない様にしなければならない。
【００１４】
本発明の皮膚部材は、相互に重なり合う各柔軟材層表面に複数の凹凸をそれぞれ繰り返し形成し、該各柔軟材層表面の凹凸を相互に嵌合させたものである。このため、各柔軟材層間においては、各柔軟材層表面の凹凸を繰り返す方向と、そうでない他の方向とでは、せん断弾性係数が異なり、この凹凸を繰り返す方向のせん断弾性係数の方が他の方向のものよりも小さくなる。この皮膚部材表面でのすべり特性は、そのせん断弾性係数に依存し、せん断弾性係数が大きいほど、小さな変位で皮膚部材表面上の対象物をすべらせることが可能であり、すべりが生じ易くなる。対象物に加えられた強制変位に対して、各柔軟材層表面の凹凸を繰り返す方向では、せん断弾性係数が小さくて、すべりが生じ難く、他の方向では、せん断弾性係数が大きくて、すべりが生じ易い。
【００１５】
従って、各柔軟材層表面の凹凸を繰り返す方向には、皮膚部材表面に接触する対象物がすべり移動し難く、他の方向には、該対象物がすべり移動し易くなる。これにより、ロボット装置により操作される対象物の移動方向が略特定され、対象物の操作が容易になる。
【００１６】
例えば、後で述べる様に各柔軟材層表面の凹凸を繰り返す方向を適宜に設定すれば、各フィンガによる対象物の初期の把持位置が目標位置からずれた状態で、そのまま対象物の操作を継続しても、この対象物の回転運動の中心点が異なれば、かつ各フィンガから対象物が落下し難くなる。すなわち、対象物の操作制御が容易になる。
【００１７】
また、各柔軟材層表面の凹凸を相互に嵌合させているので、この凹凸が磨耗することはなく、この皮膚部材表面の特性を維持することができる。あるいは、対象物の把持方法及び把持力により各柔軟材層表面の凹凸が大きく変形してしまうことがなく、安定したすべり特性を維持することができる。これによっても、対象物の操作制御が容易になる。
【００１８】
また、本発明においては、各柔軟材層表面の凹凸は、このロボット装置のフィンガの腹側に設けられている。このため、各柔軟材層表面の凹凸を繰り返す方向には、このフィンガにより挟み持たれた対象物をすべり移動させ難くなり、他の方向にはすべり移動させ難くなる。
【００１９】
更に、本発明においては、各柔軟材層表面の凹凸の凸部は、該凸部の中心を通る前記皮膚部材表面の法線を対称軸とすると、該各柔軟材層表面の凹凸を繰り返す方向で対称であっても、非非対称であっても良い。非対象とするには、例えば各柔軟材層表面の凹凸を対称軸に対して傾斜させれば良い。
【００２０】
また、本発明においては、各柔軟材層表面の凹凸は、溝状の凹部とうね状の凸部を繰り返し平行に設けたものである。更に、各柔軟材層表面の凹凸を繰り返す方向は、このロボット装置のフィンガの長手方向である。この場合は、フィンガの長手方向に対象物がすべり難くなり、対象物が落ち難くなる。
【００２１】
更に、本発明においては、各柔軟材層表面の凹凸は、円状の凹部と凸部を繰り返し同心円状に設けたものである。この場合は、この凹凸同心円の部位で対称物を持てば、この凹凸同心円中心から放射状のいずれの方向にも対象物が移動し難くなり、この凹凸同心円中心で対象物が回転し易くなる。例えば、この凹凸同心円中心を各フィンガの腹側に配置すれば、各フィンガにより対象物を挟み持って、この対象物を回転させ、その姿勢を容易に変化させることができ、かつこの凹凸同心円中心から放射状のいずれの方向にも対象物がすべり移動し難くなる。
【００２２】
また、本発明においては、溝状の凹部とうね状の凸部を繰り返し平行に設けて、前記各柔軟材層表面の凹凸を形成した第１領域と、円状の凹部と凸部を繰り返し同心円状に設けて、前記各柔軟材層表面の凹凸を形成した第２領域とを有する。そして、第１領域を囲むように複数の第２領域を配置している。この場合は、第２領域の凹凸同心円で対称物を持てば、この凹凸同心円中心で対象物を回転させ易くなる。また、各第１領域は、第２領域から外への対象物の移動を困難にする。
【００２３】
更に、本発明においては、各柔軟材層表面の凹凸は、相互の接触面の全体を接着されても、相互の接触面の一部を接着されても良い。これにより、各柔軟材層表面の凹凸を繰り返す方向のせん断弾性係数を調節することができる。
【００２４】
また、本発明においては、前記各柔軟材層表面の凹凸間に、気体もしくは液体を封入した封入室を設けても良い。これにより、各柔軟材層表面の凹凸を繰り返す方向のせん断弾性係数を調節することができる。
【００２５】
更に、本発明においては、各柔軟材層が３層以上であり、該各柔軟材層の１つの層間における各柔軟材層表面の凹凸を繰り返す方向と他の１つの層間における各柔軟材層表面の凹凸を繰り返す方向とが異なる。この場合は、複数の方向のせん断弾性係数を調節することができる。
【００２６】
また、本発明においては、各柔軟材層表面の凹凸の凸部もしくは凹部は、該各柔軟材層表面の凹凸を繰り返す方向の断面が台形形状である。あるいは、各柔軟材層表面の凹凸を繰り返す方向の断面が曲線で描かれる波形形状であり、例えば正弦波形状である。この様に断面の形状を設定することにより、せん断弾性係数を変化させることができる。また、金型を用いて、柔軟層表面を成型する場合は、金型から柔軟層が抜き易くなる。
【発明の効果】
【００２７】
この様に本発明のロボット装置においては、例えば皮膚部材をフィンガの腹側に設け、この皮膚部材の各柔軟材層表面の凹凸を繰り返す方向を適宜に設定することにより、フィンガの腹側で対象物のすべり易い方向とすべり難い方向を設定することができる。これにより、対象物の操作に際し、対象物の移動方向が略特定され、対象物の操作が容易になり、対象物の姿勢を変化させつつその落下を防止することが可能になる。このため、初期の把持位置が目標位置からずれた状態で、そのまま対象物の操作を継続し、対象物の姿勢が変化しても、対象物が落下しない。従って、対象物の操作制御が容易になり、これを実現することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２９】
図１は、本発明の一実施形態を適用したロボット装置の把持機構を概略的に示している。図１（ａ）は本実施形態の把持機構Ａを上側から見た平面図であり、図１（ｂ）は把持機構Ａを横から見た側面図であり、図１（ｃ）は把持機構Ａを下側から見た平面図である。また、図２は把持機構Ａの１本のフィンガのみを示す平面図であり、図３は把持機構Ａの他の２本のフィンガを示す平面図である。
【００３０】
本実施携帯の把持機構Ａは、人間の手に類似しており、手のひらに相当するベース１と、ベース１に装着された複数本（本実施形態では５本）のフィンガ２、３、４、５、６と、各フィンガ２、３、４、５、６を駆動する駆動部とを備えている。駆動部は、アクチュエータとして複数のモータ２２ａ〜２２ｄ、２３ａ〜２３ｄ、２４ａ、２４ｂ、２５と、該各モータの駆動力をフィンガ２、３、４、５、６に伝達する動力伝達機構（図示せず）を備えている。
【００３１】
尚、動力伝達機構としては、プーリとワイヤーを組み合わせたもの、リンク機構、及び複数のギヤを組み合わせたもの等が考えられるが、いずれでも構わない。また、各モータを指の節等の他の部位に配置しても良い。
【００３２】
次に、フィンガ２について説明する。フィンガ２は、人間の手の親指に相当し、３つの関節部７ａ、７ｂ、７ｃと、２つのフレーム８ａ、８ｂと、先端部９とからなる。各関節部７ａ、７ｂ、７ｃは、各モータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃの駆動力を動力伝達機構を介して伝達されて作動するものであり、各モータを駆動すると、該各関節部が回転し、フィンガ２が屈曲動作する。
【００３３】
また、フィンガ２の関節部７ｃは、ベース１に取り付けられた回転軸７ｄを有している。この回転軸７ｄは、各関節部７ａ、７ｂ、７ｃの回転中心線と略直交する方向に設けられており、この回転軸７ｄ周りに関節部７ｃが回転する。この関節部７ｃは、モータ２２ｄの駆動力を動力伝達機構を介して伝達されて作動し、この関節部７ｃが回転軸７ｄ周りに回転すると、フィンガ２全体が回転する。
【００３４】
従って、フィンガ２は、３つの各関節部と１つの回転軸の計４自由度を有しており、それぞれ独立して駆動することができる。
【００３５】
次に、フィンガ３について説明する。フィンガ３は、人間の手の人差し指に相当し、３つの関節部１０ａ、１０ｂ、１０ｃと、２つのフレーム１１ａ、１１ｂと、先端部１２とからなる。各関節部１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、各モータ２３ａ、２３ｂ、２３ｃの駆動力を動力伝達機構を介して伝達されて作動するものであり、各モータを駆動すると各関節部が回転し、フィンガ３が屈曲動作を行う。
【００３６】
また、フィンガ３の関節部１０ｃは、ベース１に取り付けられた回転軸１０ｄを有している。この回転軸１０ｄは、フィンガ３の各関節部１０ａ、１０ｂ、１０ｃの回転中心線と略直交する方向に設けられ、フィンガ２の回転軸７ｄと平行であり、この回転軸１０ｄ回りに関節部１０ｃが回転する。この関節部１０ｃは、モータ２３ｄの駆動力を動力伝達機構を介して伝達されて作動し、この関節部１０ｃが回転軸１０ｄ周りに回転すると、フィンガ３全体が回転する。
【００３７】
従って、フィンガ３は、３つの関節部と１つの回転軸の計４自由度を有しており、それぞれ独立して駆動することができる。
【００３８】
次に、フィンガ４について図２を用いて説明する。フィンガ４は、人間の手の中指に相当し、３つの関節部１３ａ、１３ｂ、１３ｃと、２つのフレーム１４ａ、１４ｂと、先端部１５とからなる。２つの関節部１３ｂ、１３ｃは、各モータ２４ａ、２４ｂの駆動力を動力駆動機構を介して伝達されて作動するものであり、各モータを駆動すると各関節部が回転する。また、他の１つの関節部１３ａは、関節部１３ｂに連結されており、関節部１３ｂが回転すると、これに連動して回転する。これにより、フィンガ４が屈曲動作を行う。
【００３９】
従って、フィンガ４は、３つの関節部からなる２自由度を有する。
【００４０】
次に、フィンガ５、６について図３を用いて説明する。フィンガ５、６は、人間の手の薬指及び小指に相当する。各フィンガ５、６は、回転軸１６で連結されており、モータ２５の駆動力を動力伝達機構を介して該回転軸１６に伝達すると、これらのフィンガ５、６が屈曲動作する。一方のフィンガ５は、２つの関節部１７ａ、１７ｂと、２つのフレーム１８ａ、１８ｂと、先端部１９とからなり、各関節部１７ａ、１７ｂが回転軸１６に連結されて、各関節部１７ａ、１７ｂが回転軸１６に連動して回転し、このフィンガ５が屈曲する。また、他方のフィンガ６も、２つの関節部２０ａ、２０ｂと、２つのフレーム２１ａ、２１ｂと、先端部２２とからなり、各関節部２０ａ、２０ｂが回転軸１６に連結されて、各関節部２０ａ、２０ｂが回転軸１６に連動して回転し、フィンガ５と同様に、このフィンガ６が屈曲する。
【００４１】
従って、フィンガ５、６は合わせて１自由度を有する。
【００４２】
上記のようにロボット装置の把持機構Ａは、合計で、１１自由度である。また、各関節部もしくは各回転軸には、それぞれのポテンショメータが取り付けられており、各関節部もしくは各回転軸の回転角度を検出し、これらの回転角度に基づいて把持機構Ａの把持もしくは操作の制御を行う。
【００４３】
尚、ここでは、５本のフィンガを有する把持機構Ａを例示しているが、フィンガの数を増減しても良い。また、把持機構Ａもしくはフィンガとして、如何なる構造のものを適用しても良く、更にその制御方法としても、如何なる方法を適用しても良い。
【００４４】
さて、本実施例の把持機構Ａでは、各フィンガの先端部９、１２、１５、１９、２２の表面を複数の柔軟層を積層してなる皮膚部材により覆っている。
【００４５】
まず、この把持構造Ａによる対象物の把持もしくは操作のときにフィンガの先端部に設けられた皮膚部材が及ぼす影響について説明する。
【００４６】
図４（ａ）、（ｂ）は、把持機構Ａにより対象物３０を操作している様子を示す概略図である。図４（ａ）は、把持機構Ａにより対象物３０を操作する直前の把持状態を示し、図４（ｂ）は、把持機構Ａにより対象物３０を操作している状態を示す。図４（ａ）に示すように各フィンガ２、３間に対象物３０を把持した状態から、図４（ｂ）に示すようにフィンガ４によって対象物３０を強制変位させて、対象物３０の姿勢を変化させる。
【００４７】
このように対象物を把持した状態で、その姿勢を変化させるという操作は、人間の日常生活において片手で対象物を操る際に多く見られる動作である。例えば、平面上に配置されたペンを掴んで書き始めるには、ペンの持ち替えが必要であり、最初にペンを掴み上げた状態が図４（ａ）の状態に相当し、中指でペンを押して姿勢を変化させている状態が図４（ｂ）の状態に相当し、この後に筆記が開始される。
【００４８】
このような対象物の把持及び操作を行うときに重要となるのが、把持対象３０を落下させないことである。この把持及び操作を把持機構Ａにより行うには、まず、２本のフィンガを用いて、平面上に配置された対象物３０を掴み上げる動作が必要である。
【００４９】
ところが、把持機構Ａによる把持に際し、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように初期の把持位置が、目標の把持位置３１ａではなくて、各フィンガ２、３の先端方向３１ｂ又は各フィンガ２、３の根元方向３１ｃにずれてしまうことが多い。このとき、センサ等を用いて、各フィンガ２、３による把持位置を細かく検出することは困難である。このため、初期の把持位置が目標の把持位置からずれていたとしても、そのまま対象物の操作を継続するという制御を行うのが現実的な１つの選択である。
【００５０】
ここで、初期の把持位置が目標の把持位置３１ａよりもフィンガの先端方向３１ｂにずれているものとする。このように対象物を各フィンガ２、３で把持しているときに、対象物に操作の強制変位を加えると、この操作の力の作用位置及と大きさに応じて、対象物が各フィンガ２、３の先端部表面ですべり移動する。このすべり移動は、フィンガの先端部表面での平行移動と回転移動を組み合わせたものであり、この両方の移動を合わせて回転移動に近似することができる。ただし、この回転移動は、フィンガの先端部表面に回転中心を持つとは限らない。
【００５１】
図５（ｃ）の例では、対象物３０のすべり移動（回転移動）の回転中心３２が各フィンガ２、３の先端部表面の中心から離れた位置にあり、対象物３０に操作の強制変位３４が作用すると、対象物３０が把持位置３１ｄから把持位置３１ｅに回転移動され、対象物３０が各フィンガ２、３から離脱して落下してしまう。
【００５２】
これに対して図５（ｄ）の他の例は、対象物３０のすべり移動（回転移動）の回転中心３３が各フィンガ２、３の先端部表面の中心にあり、対象物３０に操作の強制変位３４が作用すると、対象物３０が回転移動するものの、対象物３０の回転中心が各フィンガ２、３の先端部表面から離脱しないため、対象物３０が落下しない。
【００５３】
従って、把持構造Ａにおけるフィンガの先端部の皮膚部材としては、例えばフィンガの先端方向３１ｂで対象物３０をすべり難くし、フィンガの先端部表面での回転方向で対象物３０をすべり易くするというすべり特性を持つものが好ましい。これにより対象物３０を変位させても、対象物３０を落下させないようにすることができる。また、把持機構Ａの制御及びセンサ性能を向上させなくても、把持機構Ａによる対象物の操作が可能になる。
【００５４】
本実施例では、そのような皮膚部材のすべり特性を実現するために、皮膚部材を複数の柔軟層を積層して形成し、相互に重なり合う各柔軟材層表面の凹凸を相互に嵌合させている。
【００５５】
図６は、皮膚部材の一例を拡大して示す断面図である。この皮膚部材４４は、２層の柔軟層４１、４２を積層して形成されている。柔軟層４１は、硬度の高い柔軟層であり、例えばシリコンゴムもしくは合成ゴム等を材料とする。また、柔軟層４２は、硬度の低い柔軟層であり、シリコンゲルもしくはαゲル等を材料とする。相互に重なり合う各柔軟層４１、４２の表面には、凹凸パターン４１ａ、４２ａがそれぞれ形成されており、柔軟層４１の凹凸パターン４１ａと柔軟層４２の凹凸パターン４２ａとを相互に嵌合させて、各柔軟層４１、４２を一体化している。
【００５６】
各柔軟層４１、４２の凹凸パターン４１ａ、４２ａのいずれについても、凹凸パターンの凸部又は凹部の中心を通る皮膚部材４４表面の法線を対称軸とすると、該各柔軟材層表面の凹凸パターンを繰り返す方向で対称である。
【００５７】
ここで、皮膚部材４４の表面４５に、図６のＸ軸方向（紙面に対して垂直）とＹ軸方向（紙面に対して平行）のせん断力を加えて、皮膚部材４４を変形させる。この場合、Ｙ軸方向の方が、すなわち各柔軟層４１、４２の凹凸パターンを繰り返す方向の方が、Ｘ軸方向よりも小さい力で変形させることができる。これは、各柔軟層４１、４２の層間部４３に凹凸パターンを形成したことから、Ｘ軸方向とＹ軸方向での層間部４３のせん断弾性係数を比較すると、Ｙ軸方向の方がＸ軸方向よりもせん断弾性係数が小さくなるためである。
【００５８】
一方、皮膚部材４４の表面４５で対象物３０をすべらせる。例えば、皮膚部材４４の表面４５上の対象物３０にＹ軸方向の強制変位を加えると、皮膚部材４４の表面４５と対象物３０間にはせん断力が作用し、皮膚部材４４がＹ軸方向に変形する。Ｙ軸方向の強制変位が大きくなると、せん断力も次第に大きくなり、このせん断力が皮膚部材４４の表面４５と対象物３０間の最大静止摩擦力を超えたときに、対象物３０が皮膚部材４４の表面４５上ですべって移動する。皮膚部材４４の表面４５上の対象物３０にＸ軸方向の力を加えたときにも、同様のことが言える。
【００５９】
先に述べたように各柔軟層４１、４２の凹凸パターンを形成したことから、Ｙ軸方向の方がＸ軸方向よりもせん断弾性係数が小さい。従って、対象物３０をＹ軸方向にすべらせて移動させるには、対象物３０をＸ軸方向にすべらせるよりも、大きな強制変位を対象物３０に作用させなければならない。
【００６０】
このとき、図７（ａ）に示すように対象物３０を皮膚部材４４の表面４５に押し付けても、各柔軟層４１、４２の凹凸パターンが大きく型崩れしないので、Ｘ軸方向とＹ軸方向間のせん断弾性係数の関係並びに対象物３０のすべり易さの関係が維持される。対象物３０を皮膚部材４４の表面４５に押し付けける力は、把持機構Ａの各フィンガによる対象物３０の把持方法及び把持力に依存する。従って、対象物３０の把持方法及び把持力にかかわらず、そのようなせん断弾性係数の関係並びに対象物３０のすべり易さの関係が維持されると言える。
【００６１】
また、把持機構Ａによる対象物３０の把持もしくは操作に際し、皮膚部材４４の表面４５が対象物３０に接触し、各柔軟層４１、４２の凹凸パターンが接触することはないので、この凹凸パターンが磨耗することはなく、Ｘ軸方向とＹ軸方向間のせん断弾性係数の関係並びに対象物３０のすべり易さの関係を長期間維持することができる。
【００６２】
このため、対象物３０の把持方法及び把持力や、各柔軟層４１、４２の凹凸パターンを考慮せずに、把持機構Ａによる対象物の操作制御を行うことができる。
【００６３】
これに対して図７（ｂ）に示すように皮膚部材４６の表面に凹凸パターン４６ａを形成した場合は、対象物３０の把持方法及び把持力により凹凸パターン４６ａが大きく変形するので、Ｘ軸方向とＹ軸方向間のせん断弾性係数の関係並びに対象物３０のすべり易さの関係が大きく変化する。
【００６４】
また、皮膚部材４４Ａの表面の凹凸パターン４６ａが磨耗して、Ｘ軸方向とＹ軸方向間のせん断弾性係数の関係並びに対象物３０のすべり易さの関係が大きく変化する。
【００６５】
これらは、把持機構Ａによる対象物の操作制御を困難にする原因となる。
【００６６】
このような各柔軟層４１、４２の凹凸パターンは、皮膚部材４４の表面４５と平行な断面（Ｚ軸に対して垂直なＸＹ平面）に適宜に分布される。これにより、フィンガの先端部表面にその凹凸パターンに応じたすべり特性を持たせることができる。
【００６７】
図８は、フィンガの先端部の腹側に形成された皮膚部材の凹凸パターンの一例を上側から見て示している。ここでは、各柔軟層４１、４２の凹凸パターン４１ａ、４２ａは、溝状の凹部とうね状の凸部をＹ軸方向に繰り返し平行に並べて設けたものである。この場合は、Ｙ軸方向の方がＸ軸方向よりもせん断弾性係数が小さくなるので、皮膚部材４４の表面４５上で、対象物がＸ軸方向にすべり易くかつＹ軸方向にすべり難いというすべり特性が得られる。
【００６８】
このような凹凸パターンの皮膚部材４４を把持機構Ａの各フィンガの先端部の腹側に設けることによって、フィンガの先端部の腹側では対象物をＸ軸方向のみにすべらせ易くなる。これにより、例えば複数の把持機構Ａ間で対象物の受け渡しを行うときには、フィンガの先端部でＸ軸方向に対象物をすべらせるというルールのもとに、対象物の円滑な受け渡しが可能となる。
【００６９】
図９は、フィンガの先端部の腹側に形成された皮膚部材の凹凸パターンの他の例を上側から見て示している。ここでは、各柔軟層４１、４２の凹凸パターン４１ａ、４２ａは、円状の凹部と凸部を繰り返し同心円状に設けたものである。この場合は、円状の凹部と凸部の接線方向で、つまり同心円の中心７１周りの方向で、せん断弾性係数が大きくて、対象物がすべり易く、また円状の凹部と凸部と交差する方向で、つまり同心円の中心から放射状の方向で、せん断弾性係数が小さくて、対象物がすべり難いというすべり特性が得られる。
【００７０】
把持機構Ａの各フィンガ２、３の腹側で対象物を挟み持つと、２つの同心円状の凹凸パターン間に対象物を支持する状態となり、各フィンガ２、３間で対象物を容易に回転移動させて、その姿勢を変化させることができ、しかも、各フィンガ２、３間から対象物が落下し難くなる。
【００７１】
図１０は、フィンガの先端部の腹側に形成された皮膚部材の凹凸パターンの別の例を上側から見て示している。ここでは、各柔軟層４１、４２の凹凸パターン４１ａ、４２ａとして、２種類のものを用いている。一方の凹凸パターン４１ａ、４２ａは、図９と同様に円状の凹部と凸部を繰り返し同心円状に設けたものであり、フィンガの先端部の腹側中央の第２領域９２に配置されている。また、他方の凹凸パターン４１ａ、４２ａは、図８と同様に溝状の凹部とうね状の凸部を繰り返し平行に並べて設けたものであり、フィンガの先端部の腹側の第２領域９２を囲む４つの第１領域９１に配置されている。
【００７２】
同心円状の凹凸パターンの第２領域９２では、図９の同心円状の凹凸パターンと同様に、同心円の中心周りの方向で対象物がすべり易くかつ同心円の中心から放射状の方向で対象物がすべり難いというすべり特性が得られる。また、平行な凹凸パターンの各第1領域９２では、図８の平行な凹凸パターンと同様に、凹凸パターンを繰り返す方向で対象物がすべり難くかつ該方向に直行する方向で対象物がすべり易いという特性が得られる。
【００７３】
各フィンガ２、３の腹側で対象物を挟み持つと、２つの第２領域９２の同心円状の凹凸パターン間に対象物を支持した状態となり、各フィンガ２、３間で対象物を容易に回転移動させることができ、各フィンガ２、３間から対象物が落下し難くなる。同時に、一方のフィンガ２の各第１領域９１の平行な凹凸パターンと他方のフィンガ３の各第１領域９１の平行な凹凸パターンとの間に対象物を支持することにもなり、該各フィンガ２、３から脱落するいずれの方向にも対象物が移動し難くなり、対象物が落下し難くなる。
【００７４】
例えば、図４（ａ）、（ｂ）に示すように各フィンガ２、３間に対象物３０を把持してから、図４（ｂ）に示すようにフィンガ４によって対象物３０を強制変位させて、対象物３０の姿勢を変化させる操作においては、各フィンガ２、３間で対象物３０を容易に回転させることができ、かつ対称物３０を落下させずに済む。
【００７５】
また、図１１（ａ）に示すように各フィンガ２、３により十分に大きな対象物３０ａを床面から掴み上げようとする場合は、各フィンガ２、３の先端部の腹側中央の間に対象物３０ａを挟み持つことができるので、対象物３０ａを確実に把持することができる。そして、引き続いて図４（ａ）、（ｂ）に示すような操作を行うことも可能である。
【００７６】
更に、図１１（ｂ）に示すように対象物３０ｂが小さい場合は、各フィンガ２、３の先端部の腹側中央の間に対象物３０ｂを挟み持つことができないが、各フィンガ２、３の先端部の先側間に対象物３０ｂを挟み持つことができる。このとき、各フィンガ２、３先側の第１領域９１間の平行な凹凸パターンと直交する方向に、つまり各フィンガ２、３の先端部の先側に、対象物３０ｂがすべり難いので、対象物３０ｂの落下を防止することができる。すなわち、対象物が小さくても、各フィンガ２、３の先端部により対象物を確実につまみ上げることができる。
【００７７】
図１２は、皮膚部材の断面形状の他の例を示す断面図である。この皮膚部材４４Ａでは、各柔軟層４１、４２の凹凸パターン４１ａ、４２ａの凸部又は凹部の中心を通る皮膚部材４４表面の法線を対称軸Ｍとすると、該各柔軟材層表面の凹凸パターンを繰り返す方向で非対称である。この場合は、皮膚部材４４表面に対して、＋Ｙ軸方向のせん断力を加えたときと、−Ｙ軸方向のせん断力を加えたときとでは、各柔軟層４１、４２の凹凸パターンの変形形状が異なることから、＋Ｙ軸方向のせん断弾性係数と−Ｙ軸方向のせん断断係数も異なると言える。よって、対象物３０が一方向だけにすべり易く、逆方向にはすべり難いというすべり特性をフィンガの先端部表面に持たせることができる。
【００７８】
図１３は、皮膚部材の各柔軟層間の接着状態を示す断面図である。図１３に示すように接着剤４７により各柔軟層４１、４２の凹凸パターン全体を相互に完全に接着した場合は、皮膚部材４４の表面４５にＸ軸方向及びＹ軸方向のせん断力が加わっても、各柔軟層４１、４２の凹凸パターン間のすべりが生じることはなく、各柔軟層４１、４２が一体して変形する。このため、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のせん断弾力係数は、相互に異なるが、各柔軟層４１、４２が持つ材料特性の中間の値を示す。
【００７９】
一方、各柔軟層４１、４２の凹凸パターンの凸部先端面４８と凹部底面４９のみを相互に接着した場合は、柔軟層４１の凸部の側面が柔軟層４２の凹部の側面に対してすべることが可能であり、かつ柔軟層４２の凸部の側面が柔軟層４１の凹部の側面に対してすべることが可能であるため、各柔軟層４１、４２の凹凸パターン全体を相互に完全に接着した場合と比較すると、せん断弾力係数が小さくなり、また各柔軟層４１、４２が持つ材料特性の値よりも小さくなる。
【００８０】
図１４（ａ）は、皮膚部材の断面形状の別の例を示す断面図である。この皮膚部材４４Ｂでは、柔軟層４１の凸部先端面５１と柔軟層４２の凹部底面５２間に封入室５３を形成し、この封入室５３に気体もしくは液体からなる流体５４を封入している。また、柔軟層４１の凹部底面５５と柔軟層４２の凸部先端面５６間のみを相互に接着している。
【００８１】
このような皮膚部材４４Ｂに圧縮力５７が加えられた場合、図１４（ｂ）に示すように皮膚部材４４Ｂが変形する。このとき、流体５４は、圧縮力５７によって容易に変形するため、圧縮力が大きくなると、室５３の形状が変化し、柔軟層４１の凸部先端面５１が柔軟層４２の凹部底面５２に接触する。この接触によって層間部４３のせん断弾性係数は、図１４(ｃ)のグラフに示すように段階的に変化する。
【００８２】
図１４（ｃ）のグラフでは、横軸のＦが圧縮力５７を示し、縦軸のＧがせん断弾性係数を示す。ここで、圧縮力５７が値ｐ1に達すると、柔軟層４１の凸部先端面５１が柔軟層４２の凹部底面５２に接触し、この時点より凸部先端面５１と凹部底面５２間の摩擦がせん断弾性係数に影響し始める。さらに、圧縮力５７が大きくなって値ｐ2を超えると、皮膚部材４４Ｂの表面４５にせん断力（最大静止摩擦力まで）が作用しても、凸部先端面５１が凹部底面５２に対して移動しなくなるため、各柔軟層４１、４２の凹凸パターンが接着されているとみなすことができるようになる。
【００８３】
図１５は、皮膚部材の変形例を示す断面図である。この皮膚部材４４Ｃでは、３つ柔軟層６１、６２、６３を積層したものであり、各柔軟層６１、６２の層間部６４の凹凸パターンを繰り返す方向と各柔軟層６２、６３の層間部６５の凹凸パターンを繰り返す方向とが相互に異なる。層間部６４の凹凸パターンは、Ｘ１軸方向のせん断弾性係数が大きく、Ｙ１軸方向のせん断弾性係数が小さくなるように設けられたものである。また、層間部６５の凹凸パターンは、Ｘ２軸方向のせん断弾性係数が大きく、Ｙ２軸方向のせん断弾性係数が小さくなるように設けられたものである。皮膚部材４４Ｃの表面４５のすべり特性は、各層間部６４、６５のせん断弾性係数に応じたものとなる。これにより、Ｘ１軸方向にもＸ２軸方向にもすべり易い特性、もしくはＹ１軸方向にもＹ２軸方向にもすべり難いというすべり特性を実現することができる。
【００８４】
図１６は、各柔軟層の凹凸パターンの他の例を示す断面図である。各柔軟層４１Ａ、４２Ａの凹凸パターンの凸部及び凹部は、凹凸パターン４１ａ、４２ａを繰り返す方向の断面が台形形状である。尚、柔軟層４１Ａが硬度の高い柔軟層であり、柔軟層４２Ａが硬度の低い柔軟層である。
【００８５】
このように台形形状の凸部及び凹部は、これらの側面に勾配があるので、相互に嵌合させ易い。また、各柔軟層４１Ａ、４２Ａの凹凸パターン４１ａ、４２ａを金型で成型する場合は、やはり凸部及び凹部の側面に勾配があるので、金型から柔軟層を抜き易くなり、製造が容易になる。
【００８６】
図１７は、各柔軟層の凹凸パターンの別の例を示す断面図である。各柔軟層４１Ｂ、４２Ｂの凹凸パターンの凸部及び凹部は、凹凸パターン４１ａ、４２ａを繰り返す方向の断面が曲線で描かれる波形形状である。尚、波形形状としては、正弦波がある。また、柔軟層４１Ｂが硬度の高い柔軟層であり、柔軟層４２Ｂが硬度の低い柔軟層である。
【００８７】
このように波形形状の凸部及び凹部も、これらの側面に勾配があるので、相互に嵌合させ易く、また凹凸パターン４１ａ、４２ａを金型で成型する場合は、金型から柔軟層を抜き易くなり、製造が容易になる。
【００８８】
尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、多様に変形することができる。例えば、皮膚部材をフィンガの腹側だけではなく、手の平に設けても良く、対象物に接触する部位であれば、いずれの部位に設けても構わない。あるいは、皮膚部材の凹凸パターンとして、人間の指紋を模したものを適用しても良い。
【００８９】
また、本発明は、把持機構の構成に制限されるものではなく、動力源、その伝達機構、及び制御方法を格別に特定するものではない。更に、フィンガの数、自由度、位置、及び形状等は、その目的等に応じて多様に変形されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態を適用したロボット装置の把持機構を上側から見た平面図であり、（ｂ）は同把持機構を横から見た側面図であり、（ｃ）は同把持機構を下側から見た平面図である。
【図２】図１の把持機構の１本のフィンガを示す平面図であり、
【図３】図１の把持機構の他の２本のフィンガを示す平面図である。
【図４】（ａ）は把持機構により対象物を操作する直前の把持状態を示し、（ｂ）は把持機構により対象物を操作している状態を示す図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は各フィンガにより対象物を把持した状態を示す側面図及び平面図であり、（ｃ）は対象物のすべり移動（回転移動）の回転中心がフィンガの先端部表面の中心から離れた位置にある状態を示す図であり、（ｄ）は対象物のすべり移動（回転移動）の回転中心がフィンガの先端部表面の中心にある状態を示す図である。
【図６】図１の把持機構の皮膚部材の一例を拡大して示す断面図である。
【図７】（ａ）は図６の皮膚部材が対象物に接触したときの変形状態を示す断面図であり、（ｂ）は凹凸パターンを表面に設けた皮膚部材の変形状態を示す断面図である。
【図８】フィンガの先端部の腹側に形成された皮膚部材の凹凸パターンの一例を上側から見て示す平面図である。
【図９】フィンガの先端部の腹側に形成された皮膚部材の凹凸パターンの他の例を上側から見て示す平面図である。
【図１０】フィンガの先端部の腹側に形成された皮膚部材の凹凸パターンの別の例を上側から見て示す平面図である。
【図１１】（ａ）は各フィンガにより十分に大きな対象物を挟み持った状態を示す図であり、（ｂ）は各フィンガの先端部により小さな対象物をつまんだ状態を示す図である。
【図１２】皮膚部材の断面形状の他の例を示す断面図である。
【図１３】皮膚部材の各柔軟層間の接着状態を示す断面図である。
【図１４】（ａ）は皮膚部材の断面形状の別の例を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の皮膚部材が圧縮されたときの変形状態を示す断面図であり、（ｃ）は（ａ）の皮膚部材の圧縮力に対するせん断弾性係数の特性を示すグラフである。
【図１５】皮膚部材の変形例を示す斜視図である。
【図１６】各柔軟層の凹凸パターンの他の例を示す断面図である。
【図１７】各柔軟層の凹凸パターンの別の例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００９１】
１  ベース
２、３、４、５  ６  フィンガ
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ  フィンガ２の回転軸
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ  フィンガ３の回転軸
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ  フィンガ４の回転軸
１６  各フィンガ５、６に共通の回転軸
１７ａ、１７ｂ  フィンガ５の回転軸
２０ａ、２０ｂ  フィンガ６の回転軸
８ａ、８ｂ  フィンガ２のフレーム
１１ａ、１１ｂ  フィンガ３のフレーム
１４ａ、１４ｂ  フィンガ４のフレーム
１８ａ、１８ｂ  フィンガ５のフレーム
２１ａ、２１ｂ  フィンガ６のフレーム
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ  フィンガ２駆動用のモータ
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ  フィンガ３駆動用のモータ
２５ａ、２５ｂ  フィンガ４駆動用のモータ
２６  各フィンガ５、６駆動用のモータ
９、１２、１５、１９、２２  フィンガの先端部
３０、３０ａ、３０ｂ  対象物
３１ａ  対象物の把持位置
３２、３３  対象物の回転中心
３４  操作の力
４１、４２  柔軟層
４３、６４、６５  皮膚部材の層間部
４４、４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ  皮膚部材
４５  皮膚部材の表面
４７  接着剤
４８、５１、５６  凸部先端面
４９、５２、５５  凹部底面
５３  室
６１、６２、６３  柔軟層
９１  第1領域
９２  第２領域
【図１】
2006321018.tif 000003
【図２】
2006321018.tif 000004
【図３】
2006321018.tif 000005
【図４】
2006321018.tif 000006
【図５】
2006321018.tif 000007
【図６】
2006321018.tif 000008
【図７】
2006321018.tif 000009
【図８】
2006321018.tif 000010
【図９】
2006321018.tif 000011
【図１０】
2006321018.tif 000012
【図１１】
2006321018.tif 000013
【図１２】
2006321018.tif 000014
【図１３】
2006321018.tif 000015
【図１４】
2006321018.tif 000016
【図１５】
2006321018.tif 000017
【図１６】
2006321018.tif 000018
【図１７】
2006321018.tif 000019