(57)【要約】【課題】非常に小さいエネルギーによる変位を力に変換することができる変位−力変換装置、および、それを利用したグリッパ装置を提供する。【解決手段】作用手段１１が、対象物１に力を作用可能に設けられている。作用手段１１は、その力の反力がかかると共に、その反力の方向に沿って往復移動して、対象物１に作用する力の大きさを変更可能に設けられた操作部１１ａを有している。支持手段１２が、作用手段１１を支持するよう設けられている。支持手段１２は、操作部１１ａの移動と共に変化する反力と釣り合う力を、操作部１１ａに作用させるよう操作部１１ａに接続されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に力を作用可能に設けられた作用手段と、
前記作用手段を支持する支持手段とを有し、
前記作用手段は、前記力の反力がかかると共に、前記反力の方向に沿って往復移動して、前記力の大きさを変更可能に設けられた操作部を有し、
前記支持手段は、前記操作部の移動と共に変化する前記反力と釣り合う力を、前記操作部に作用させるよう前記操作部に接続されていることを
特徴とする変位−力変換装置。
【請求項２】
前記作用手段は、前記対象物に対して引く力を作用可能に設けられていることを特徴とする請求項１記載の変位−力変換装置。
【請求項３】
前記作用手段は、長さに応じて両端に作用する力が変化する弾性体から成り、一端部が前記対象物に取り付けられ、他端部が前記操作部を成していることを特徴とする請求項１または２記載の変位−力変換装置。
【請求項４】
前記作用手段は、磁石から成り、一方の極を前記対象物側に向け、他方の極に前記操作部を有していることを特徴とする請求項１または２記載の変位−力変換装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の変位−力変換装置と、１対の把持部材とを有し、
一方の把持部材は、前記対象物から成り、前記作用手段から作用する前記力により所定の方向に付勢されており、
他方の把持部材は、前記支持手段に取り付けられ、前記一方の把持部材との間に被把持物を把持可能に、前記一方の把持部材の付勢方向側で前記一方の把持部材に対向するよう配置されていることを
特徴とするグリッパ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位−力変換装置、および、それを利用したグリッパ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄鋼等の磁性体へ吸着する際に、僅かなエネルギーで永久磁石の吸着と剥離とを切り替えるものとして、内部力補償型磁気吸着機構（Internally-Balanced Magnetic Unit）が提案されている（例えば、非特許文献１または２参照）。この機構は、永久磁石の吸着力Ｆｍが、吸着面に接近するほど急激に増大する非線形特性を有するため、この吸着力Ｆｍを、同等の特性を有する非線形バネの復元力Ｆｒで補償するものである。この機構では、永久磁石の内部力Ｆｉｎｔｅｒ（＝Ｆｍ−Ｆｒ）が変位によらず０となるため、永久磁石は常に平衡状態となり、永久磁石の移動には力を要さない。なお、この機構では、永久磁石を吸着面に接触させることにより、非線形バネの反力Ｆａが機構全体を対象面に押し付けるため、吸着状態にすることができる。また、永久磁石を吸着面から離すことにより、非線形バネの反力Ｆａが小さくなるため、吸着面から剥離することができる。このように、永久磁石を小さい力で移動させるだけで、永久磁石の吸着状態を切り替えることができる。
【０００３】
なお、非特許文献１および２では、永久磁石の吸着力を補償する復元力を得るために、その永久磁石の逆特性を有する非線形バネを用いているが、その他にも、線形バネの逆特性を得るための構成として、非円形プーリとバネや錘とを用いる方法や、定荷重バネの幅や剛性を変位毎に調整する方法、カムやリンクを用いる方法などが提案されている。具体的には、非円形プーリを利用するものとして、ロボットアームの自重補償（例えば、非特許文献３参照）や、筋肉トレーニングマシン用の定荷重バネ（例えば、特許文献１参照）がある。また、逆特性バネに近い構造として、弦を引ききると操作力が微小となるコンパウンドボウが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】広瀬、今里、工藤、梅谷、「内部力補償型磁気吸着ユニット」、日本ロボット学会誌、1985年2月、Vol. 3、No. 1、p.10-19
【非特許文献２】鈴木、広瀬、「内部力補償型磁気吸着ッユニットのための非線形スプリングと機構の設計」、日本ロボット学会誌、2009年5月、Vol. 27、No. 4、p.460-469
【非特許文献３】遠藤、山田、矢島、尾形、広瀬、「非円形プーリ−バネ形による自重補償機構と４節平行リンク型アームへの適用」、日本ロボット学会誌、2010年1月、Vol. 28、No. 1、p.77-84
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４２３１５６８号明細書
【特許文献２】米国特許第３４８６４９５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１および２記載の内部力補償型磁気吸着機構は、永久磁石の吸着力を非線形バネの復元力で補償することにより、僅かなエネルギーで永久磁石を移動させて、その吸着と剥離とを切り替えるものであるが、永久磁石の変位（移動）を力に変換するものではなかった。また、非特許文献１および２以外にも、非常に小さいエネルギーによる変位を力に変換するものは存在しなかった。
【０００７】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、非常に小さいエネルギーによる変位を力に変換することができる変位−力変換装置、および、それを利用したグリッパ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】
【０００８】
本発明者等は、非特許文献１および２記載の内部力補償型磁気吸着機構の原理を拡張して一般化し、さらに検討を行った結果、本発明に想到した。すなわち、本発明に係る変位−力変換装置は、対象物に力を作用可能に設けられた作用手段と、前記作用手段を支持する支持手段とを有し、前記作用手段は、前記力の反力がかかると共に、前記反力の方向に沿って往復移動して、前記力の大きさを変更可能に設けられた操作部を有し、前記支持手段は、前記操作部の移動と共に変化する前記反力と釣り合う力を、前記操作部に作用させるよう前記操作部に接続されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る変位−力変換装置は、以下の原理により、変位を力に変換することができる。まず、図１に示すように、永久磁石に対応する要素「ｇ（ｘ）」と、その逆特性を有する非線形バネに対応する要素「−ｇ（ｘ）」とを直列に配置し、「ｇ（ｘ）」により対象物に力が作用しているとする。また、「−ｇ（ｘ）」は、「ｇ（ｘ）」とは反対側で、支持体に取り付けられ、常に「ｇ（ｘ）」と釣り合うようになっている。ここで、「ｇ（ｘ）」が作用手段に、「−ｇ（ｘ）」および支持体が支持手段に対応している。また、「ｇ（ｘ）」と「−ｇ（ｘ）」との釣り合い点が、操作部に対応している。また、「−ｇ（ｘ）」が「ｇ（ｘ）」の逆特性を有するとは、任意の操作部の位置に対して、「−ｇ（ｘ）」により操作部に作用する力が、「ｇ（ｘ）」により操作部に作用する力と同じ大きさで、向きが逆であることをいう。
【００１０】
このとき、釣り合い点である操作部を、非常に小さいエネルギーで、「ｇ（ｘ）」と「−ｇ（ｘ）」との間を往復移動させることができるとともに、その操作部の変位（所定の位置からの移動距離）により、「ｇ（ｘ）」により対象物に作用する力を変化させることができる。このように、本発明に係る変位−力変換装置は、非常に小さいエネルギーによる操作部の変位を、対象物に作用する力に変換することができる。
【００１１】
本発明に係る変位−力変換装置で、前記作用手段は、前記対象物に対して引く力を作用可能に設けられていることが好ましい。作用手段は、線形バネや、他の弾性体、磁石などであることが好ましい。例えば、前記作用手段は、長さに応じて両端に作用する力が変化する弾性体から成り、一端部が前記対象物に取り付けられ、他端部が前記操作部を成していてもよい。また、前記作用手段は、磁石から成り、一方の極を前記対象物側に向け、他方の極に前記操作部を有していてもよい。
【００１２】
本発明に係るグリッパ装置は、本発明に係る変位−力変換装置と、１対の把持部材とを有し、一方の把持部材は、前記対象物から成り、前記作用手段から作用する前記力により所定の方向に付勢されており、他方の把持部材は、前記支持手段に取り付けられ、前記一方の把持部材との間に被把持物を把持可能に、前記一方の把持部材の付勢方向側で前記一方の把持部材に対向するよう配置されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係るグリッパ装置は、本発明に係る変位−力変換装置を利用しているため、非常に小さいエネルギーで操作部を移動させるだけで、１対の把持部材の間で、大きな把持力を得ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、非常に小さいエネルギーによる変位を力に変換することができる変位−力変換装置、および、それを利用したグリッパ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る変位−力変換装置の原理を示す正面図である。
【図２】本発明の実施の形態の変位−力変換装置を示す正面図である。
【図３】本発明の実施の形態の変位−力変換装置の変形例を示す正面図である。
【図４】本発明の実施の形態のグリッパ装置を示す正面図である。
【図５】本発明の実施の形態の変位−力変換装置の、実験用の変形例を示す正面図である。
【図６】図５に示す変位−力変換装置の、操作部の変位に対する操作力および発生力の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図２および図３は、本発明の実施の形態の変位−力変換装置を示している。
図２に示すように、変位−力変換装置１０は、作用手段１１と支持手段１２とを有している。
【００１７】
作用手段１１は、長さに応じて両端に作用する力が変化する、線形バネから成っている。作用手段１１は、対象物１に対して引く力を作用可能に、一端が対象物１に取り付けられている。また、作用手段１１は、他端に操作部１１ａを有している。操作部１１ａは、対象物１に作用する力の反力がかかると共に、反力の方向に沿って往復移動することにより、対象物１に作用する力の大きさを変更可能になっている。
【００１８】
支持手段１２は、作用手段１１を支持するよう設けられている。支持手段１２は、操作部１１ａに接続されており、操作部１１ａに作用する反力と釣り合う力を、操作部１１ａに作用させるようになっている。すなわち、支持手段１２は、作用手段１１の線形バネの逆特性を有しており、操作部１１ａの移動と共に変化する反力と釣り合う力を、操作部１１ａに作用させるようになっている。
【００１９】
図２に示す具体的な一例では、支持手段１２は、作用手段１１の線形バネの逆特性を有し、長さに応じて両端に作用する力が変化する逆特性要素１２ａと、逆特性要素１２ａの一端が接続された支持体１２ｂとを有している。支持手段１２は、逆特性要素１２ａの他端が操作部１１ａに接続されており、操作部１１ａに作用する反力と釣り合う力を、操作部１１ａに作用可能になっている。
【００２０】
なお、支持手段１２は、線形バネの逆特性を有していればいかなる構成であってもよく、例えば、非特許文献３や、特許文献１、２に記載のように、非円形プーリとバネや錘とを用いる構成や、定荷重バネの幅や剛性を変位毎に調整する構成、カムやリンクを用いる構成などであってもよい。
【００２１】
次に、作用について説明する。
図２に示すように、変位−力変換装置１０は、操作部１１ａを作用手段１１の側に移動させると、対象物１に作用する力が小さくなり、操作部１１ａを支持手段１２の側に移動させると、対象物１に作用する力が大きくなる。このとき、操作部１１ａは、作用手段１１の線形バネと支持手段１２の逆特性要素１２ａとの釣り合い点であるため、非常に小さい力で操作部１１ａを往復移動させることができる。また、作用手段１１として線形バネを利用しているため、対象物１に作用する力がゼロとなる位置からの操作部１１ａの変位と、対象物１に作用する力との間には線形の関係が得られる。このように、変位−力変換装置１０は、非常に小さいエネルギーによる操作部１１ａの変位を、対象物１に作用する力に変換することができる。
【００２２】
なお、図３に示すように、変位−力変換装置１０は、作用手段１１が永久磁石から成り、一方の極を対象物１の側に向け、他方の極側に操作部１１ａを有していてもよい。このとき、支持手段１２の逆特性要素１２ａは、作用手段１１の永久磁石の逆特性を有する非線形バネの特性を有している。この場合にも、非常に小さい力で操作部１１ａを往復移動させることができ、その操作部１１ａの変位を、対象物１に作用する力に変換することができる。
【００２３】
図４は、本発明の実施の形態のグリッパ装置を示している。
図４に示すように、グリッパ装置２０は、図２に示す変位−力変換装置１０と、１対の把持部材２１，２２とを有している。
【００２４】
変位−力変換装置１０は、支持体１２ｂがフレーム状を成し、内側に作用手段１１、操作部１１ａ、逆特性要素１２ａが配置されている。変位−力変換装置１０は、作用手段１１の一端が、フレーム状の支持体１２ｂに設けられた貫通孔１２ｃを通って、支持体１２ｂの外側まで伸びている。
【００２５】
また、変位−力変換装置１０は、第１送りネジ１５と第１モータ１６とナット１７とを有している。第１送りネジ１５は、支持体１２ｂの内側に配置され、操作部１１ａの移動方向に沿うよう、一端が支持体１２ｂに取り付けられている。第１モータ１６は、第１送りネジ１５を回転可能に、支持体１２ｂの外側に取り付けられている。ナット１７は、第１送りネジ１５に螺合しており、操作部１１ａが取り付けられている。変位−力変換装置１０は、第１モータ１６により第１送りネジ１５を回転させることにより、ナット１７を介して操作部１１ａを第１送りネジ１５に沿って往復移動可能になっている。
【００２６】
一方の把持部材２１は、細長い板状を成し、一方の端部が作用手段１１の一端に取り付けられており、他方の端部の表面に第１把持面２１ａを有している。一方の把持部材２１は、作用手段１１から作用する力により、作用手段１１が引く方向に付勢されている。なお、一方の把持部材２１は、図２の対象物１に対応している。
【００２７】
他方の把持部材２２は、第２送りネジ２２ａと細長い把持板２２ｂと第２モータ２２ｃとナット２２ｄを有している。第２送りネジ２２ａは、操作部１１ａの移動方向に沿って支持体１２ｂの外側に配置されている。把持板２２ｂは、一方の端部の表面に第２把持面２２ｅを有し、一方の把持部材２１の付勢方向側で、第２把持面２２ｅが第１把持面２１ａに対向するよう配置されている。把持板２２ｂは、一方の端部に、第２送りネジ２２ａの一端が取り付けられている。第２モータ２２ｃは、第２送りネジ２２ａを回転可能に、把持板２２ｂの第２送りネジ２２ａとは反対側の面に取り付けられている。ナット２２ｄは、第２送りネジ２２ａに螺合しており、支持体１２ｂに取り付けられている。これにより、把持板２２ｂは、一方の端部が第２送りネジ２２ａおよびナット２２ｄを介して支持体１２ｂに取り付けられている。他方の把持部材２２は、第２モータ２２ｃにより第２送りネジ２２ａを回転させることにより、一方の把持部材２１の付勢方向に沿って、支持体１２ｂに対して把持板２２ｂを往復移動可能になっている。
【００２８】
変位−力変換装置１０は、第１把持面２１ａと第２把持面２２ｅとの間に被把持物２を把持可能になっている。変位−力変換装置１０は、被把持物２を把持する際に、第２送りネジ２２ａで他方の把持部材２２の位置を調節可能、かつ、第１送りネジ１５で把持力を調整可能になっている。
【００２９】
次に、作用について説明する。
グリッパ装置２０は、変位−力変換装置１０を利用しているため、非常に小さいエネルギーで操作部１１ａを移動させるだけで、１対の把持部材２１，２２の間で、大きな把持力を得ることができる。また、その把持力の大きさを調整することもできる。
【００３０】
グリッパ装置２０は、第１送りネジ１５により把持力の制御を行う変位−力変換装置１０と、第２送りネジ２２ａによる被把持物２に対する高速な位置決め機構とを、直列に配置した構成となっている。グリッパ装置２０は、作用手段１１から作用する付勢力により一方の把持部材２１が移動できるよう、第２送りネジ２２ａにより把持板２２ｂの位置を調整して、支持体１２ｂと一方の把持部材２１，２２との間隔（図４中の「ｂ」）をあけた後、第１送りネジ１５により把持力を調整して、第１把持面２１ａと第２把持面２２ｅとの間に被把持物２を把持することができる。
【００３１】
なお、グリッパ装置２０は、第２送りネジ２２ａにより、高速な位置決めが可能であるが、バックドライバビリティを有するため、把持力が高まると逆回転をおこす可能性がある。このため、図４に示すように、トルクダイオード２３により、逆回転トルクをフレームへ逃がす構成を有していてもよい。また、直動部分にトルクダイオード２３と同じ成分を持つ機構を設けてもよい。
【００３２】
このように、変位−力変換装置１０は、図４に示すグリッパ装置２０に利用することができるが、このようなロボット等のグリッパ機構に限らず、ワイヤ等の引張力に応じて剛性等の物理量の切換えが可能な切換機構、ブレーキ機構、内部構造にバネを用いる調圧バルブ機構などにも利用することができる。
【実施例１】
【００３３】
図５に示す変位−力変換装置１０を用いて、操作部１１ａを移動させる力および対象物１に作用する力を測定する実験を行った。図５に示すように、変位−力変換装置１０は、作用手段１１に引張バネから成る線形バネを用い、支持手段１２として、非特許文献３に従って、非円形プーリ３１と円形プーリ３２と錘３３とを用いている。非円形プーリ３１は、円形プーリ３２と接続されており、回転角度を線形バネの変位に変換している。非円形プーリ３１は、角度θと半径ｒとが比例関係になる形状を成し、θが０°〜３４５°の範囲で、ｒが１０〜４０ｍｍとなるよう設けられている。これにより、支持手段１２は、錘３３（質量：ｍ）により発生する荷重ｍｇを、非円形プーリ３１によって線形バネの逆特性に変換するようになっている。また、錘３３は、１．２７ｋｇとした。
【００３４】
実験では、作用手段１１と支持手段１２との釣り合い点をｂ＝０ｍｍとし、その釣り合い点である操作部１１ａを移動させ、そのときの操作部１１ａの変位（線形バネの自然長を０とする）に対する、操作部１１ａを移動させる力（操作力）および対象物１に作用する力（発生力）の値を測定した。また、作用手段１１の線形バネをあらかじめ１０ｍｍ伸ばして、釣り合い点である操作部１１ａを１０ｍｍずらした位置（ｂ＝１０ｍｍ）としたとき、および、作用手段１１の線形バネをあらかじめ２０ｍｍ伸ばして、釣り合い点である操作部１１ａを２０ｍｍずらした位置（ｂ＝２０ｍｍ）としたときの、それぞれの操作部１１ａの変位に対する操作力および発生力の値も測定した。操作力は、リニアガイドで拘束したフォースゲージを用いて測定し、発生力は、線形バネの一端に取り付けたロードセルにより測定した。なお、ｂは、図４中の「ｂ」に対応している。測定結果を、図６に示す。
【００３５】
図６に示すように、発生力に比べて、非常に小さい力で操作部１１ａを移動可能であることが確認された。また、操作部１１ａの変位が大きくなるに従って、発生力も大きくなるのに対し、操作力はほとんど変化せず、小さいままであることが確認された。例えば、ｂ＝０、１０、２０ｍｍのとき、それぞれ発生力の０．８％、１１％、２０％程度の力で、操作部１１ａを移動させることができ、発生力を制御できることが確認された。このことから、ｂが小さい方が、操作力を小さくできることがわかる。また、操作部１１ａを移動させるために必要な力は、ほぼ一定であるため、モータ等による制御が容易であることがわかる。
【符号の説明】
【００３６】
１  対象物
２  被把持物
１０  変位−力変換装置
１１  作用手段
１１ａ  操作部
１２  支持手段
１２ａ  逆特性要素
１２ｂ  支持体
１２ｃ  貫通孔
１５  第１送りネジ
１６  第１モータ
１７  ナット
２０  グリッパ装置
２１  （一方の）把持部材
２１ａ  第１把持面
２２  （他方の）把持部材
２２ａ  第２送りネジ
２２ｂ  把持板
２２ｃ  第２モータ
２２ｄ  ナット
２２ｅ  第２把持面
２３  トルクダイオード
３１  非円形プーリ
３２  円形プーリ
３３  錘
【図１】
2019209406.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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