(57)【要約】【課題】小型の物体において形状や大きさが異なるものでも確実に把持できる構造に容易に構成できる把持機構である。【解決手段】複数の指１、２からなり、その中の少なくとも１つの指１が移動可能であり、可動指１を移動する事による開閉動作により物体を把持、解放する把持機構である。把持する物体と指が接触する指の接触面が、少なくとも１つは弾性体部材３、８で形成され、その中の少なくとも１つの弾性体部材３は、外部からのエネルギーの供給の制御によりその柔軟性を可逆的に変化できる。【選択図】    図１
2004345043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の指からなり、その中の少なくとも１つの指が移動可能であり、該可動指を移動する事による開閉動作により物体を把持、解放する把持機構であって、把持する物体と前記指が接触する前記指の接触面が、少なくとも１つは弾性体部材で形成され、また、その中の少なくとも１つの前記弾性体部材は、外部からのエネルギーの供給の制御によりその柔軟性を可逆的に変化できる様に構成されていることを特徴とする物体の把持機構。
【請求項２】
前記柔軟性の変化が、外部からの電磁気的エネルギーの供給により可能である様に構成されている請求項１記載の物体の把持機構。
【請求項３】
前記可動指が閉動作をしている途中で、前記弾性体部材の柔軟性を変化できる様に構成されている請求項１または２記載の物体の把持機構。
【請求項４】
前記可動指の移動機構は、少なくとも２段階の開閉移動が可能であり、第１段の閉じる動作の移動は比較的大きく、第１段の動作後の第２段の閉じる動作は比較的小さく、第１段の動作と第２段の動作の間で前記弾性体部材の柔軟性を変化できる様に構成されている請求項１乃至３のいずれかに記載の物体の把持機構。
【請求項５】
前記柔軟性を変化できる弾性体部材は、流動性ある状態にできる物質を含み、前記指の接触面の近くから前記物質が可逆的に退避できる退避用サブタンクを有する請求項１乃至４のいずれかに記載の物体の把持機構。
【請求項６】
前記柔軟性を変化できる弾性体部材は電気粘性流体を含む請求項１乃至５のいずれかに記載の物体の把持機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マニピュレータやロボットハンドなどによる物体の把持機構に関するものであり、特に、小型の物体において形状や大きさが異なるものでも同一の把持機構により確実に把持できる構成を有する機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、製品の小型化や携帯化が進み、ますます軽薄短小の製品化の方向が重要になってきており、部品の小型化、多様化が進んでいる。また、この様な製品のコストダウンの傾向も著しく、部品の組み立ては、組み立てロボットで行う方法が主流である。特に、製品サイクルが短くなるにつれ、組み立てロボットの簡略化、コストダウンも重要である。また、世の中のマイクロマシンへの期待も大きく、それに伴って新しいサイズや種類、形状の組み立て方法が必要となる可能性がある。また、部品の小型化に伴い、その部品の剛性、強度は小さくなり、把持する力は、小さく最適な大きさに設定することが必要となり、さらに、部品の小型化、製品の小型化により、その部品を組み立てるときの周囲への干渉等を考慮した組み立て性を考えると、把持機構も大幅に小型化する必要がある。
【０００３】
従来、部品のハンド機構ではグリッパー型ハンドや多関節型ハンド機構が提案されている。グリッパー型ハンドはハンド構成が簡単であるという特徴があり、多関節型ハンドは把持する物体への自由度が高いと言う特徴がある。しかしながら、多様な物体を保持するためには、グリッパー型のロボットハンドを用いる方法の場合、１つのロボットハンドで多種多様な形状のワークを安定に把持することができなかった。これに対し、多関節型のロボットハンドを用いる方法では、１つのロボットハンドで多種多様な形状のワークを安定に把持できるが、この方法の場合、ロボットハンドの自由度の多さから物体の把持点を同定することが困難であるという問題がある。また、このロボットハンドは自由度を多く必要とするため、その機構が複雑となり、多数のアクチュエータを協調させて制御する必要があると言う課題もある。
【０００４】
このため、グリッパー型のハンドで多種多様なワークを安定して把持可能にするための提案がされている（特許文献１、特許文献２参照）。１つの提案は、独立に移動可能な複数の芯により構成された多芯ブロックを指に有し、各芯が移動して、把持する物体に指の形状を合わせることにより多種多様な物体を把持することを特徴としている。また、他の提案は、指で把持する力を指に内蔵したセンサーで測定し、アクチュエータで把持力を制御することを特徴としている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−１６９３８７号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開２０００−２５４８８４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記提案では、機構や制御方法が複雑になり、小型な物体を把持するための把持機構の小型化には、課題がある。そこで、本発明は、グリッパー型ハンドなどの把持機構の小型化可能で構成、制御が比較的簡単であるという特徴を活かし、小型の物体において形状や大きさが異なるものでも確実に把持できる構造に容易に構成できる把持機構を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のマニピュレータ等の把持機構は、複数の指からなり、その中の少なくとも１つの指が移動可能であり、該可動指を移動する事による開閉動作により物体を把持、解放する把持機構であって、把持する物体と前記指が接触する前記指の接触面が、少なくとも１つは弾性体部材で形成され、また、その中の少なくとも１つの前記弾性体部材は、外部からのエネルギーの供給の制御によりその柔軟性を可逆的に変化できる様に構成されている（すなわち、外部からのエネルギーの供給の制御によりその柔軟性を可逆的に変化できる弾性体部材が、少なくとも１つの前記指の接触面に設けられている）ことを特徴としている。
【０００９】
上記基本構成に基づいて、以下の様な態様の把持機構が可能である。
前記柔軟性の変化は、たとえば、外部からの電磁気的エネルギー指令値（ＯＮ、ＯＦＦなど）により可能である様に構成され得る。また、前記可動指が閉動作をしている途中で、前記弾性体部材の柔軟性を変化できる様に構成され得る。これにより、把持する物体と接触する指の接触面の形状を物体形状に近似させた状態で把持できる。
【００１０】
さらに、前記可動指の移動機構（開閉機構）は、少なくとも２段階の開閉移動が可能であり、第１段の閉じる動作の移動は比較的大きく、第１段の動作後の第２段の閉じる動作は比較的小さく、第１段の動作と第２段の動作の間で前記弾性体部材の柔軟性を変化できる様に構成され得る。また、前記柔軟性を変化できる弾性体部材は、流動性ある状態にできる物質を含み、前記指の接触面の近くから前記物質が可逆的に退避できる退避用サブタンクを有する構成にもできる。これにより、把持する物体の形状や大きさの自由度を更に広げられる。
【００１１】
【作用】
本発明によれば、物体と接触する部分の弾性体部材の粘性などによる柔軟性を外部から制御できて該接触部分の形を物体に合わせて調整できるので、小型の物体において形状や大きさの異なるものでも確実に把持することが可能となり、しかも制御方法なども比較的簡単にできるので把持機構の小型、簡略化が可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施例を挙げて本発明の実施の形態を具体的に説明する。
【００１３】
（実施例１）
本発明の実施例１を図１、図２に基づいて説明する。図１は実施例１のマニピュレータなどの把持機構部分の概略図である。図中の１、２は、物体を把持する指であり、指１が開閉動作を行い、指２は固定である。可動指１の先端部には、本発明の特徴である粘性などによる柔軟性を変化できる弾性体部材３があり、弾性体部材３は、電気粘性流体４、電気粘性流体４を密閉している袋５、電気粘性流体４の粘性を変更するための電極６からなっている。７は、電極６に外部から電圧を印加するケーブルである。また、固定指２の先端部には、物体を把持しやすいようにゴムなどの弾性体８が固定されている。
【００１４】
さらに、９は、指１の開閉動作を行うための弾性ヒンジガイド、１０は、可動指１を開閉動作するための形状記憶合金である形状記憶ワイヤー、１１は、指１が閉じる方向に力を与える与圧ばねである。可動指１の開閉機構は、弾性ヒンジガイド９の一番薄い部分を中心に円弧動作し（図２（ａ）参照）、指１が固定指２に近づく閉動作は、与圧ばね１１の力で行い、指１の開動作は、形状記憶ワイヤー１０の温度を上昇させることで形状記憶ワイヤー１０が縮んで与圧ばね１１の力に打ち勝つことにより、指１が開く機構である。
【００１５】
本実施例の形状記憶ワイヤー１０は、２種類のワイヤーを直列的に繋げた構成であり、異なる温度において２段階の変位を発生し、初期状態を入れると３段階の変位を発生する。第１段の形状記憶ワイヤーは大きく伸縮し、第２段の形状記憶ワイヤーは微小な伸縮を行う。形状記憶ワイヤー１０の変位は、熱をかけても良いが、ワイヤー１０に電流を流しジュール発熱させる方法が簡単である。ここでは、電流をＯＦＦするか、２段階の電流の何れかを流すことで、上記３段階の変位を発生させる。
【００１６】
本実施例では、可動指１の開閉動作アクチュエータに、形状記憶ワイヤー１０と与圧ばね１１を用い、開閉動作のガイドに弾性ヒンジガイド９を用いているが、これは把持機構部分を小さくするためである。小型化が可能であれば、開閉動作アクチュエータに、空気圧や電磁力を用いたシリンダー、ベロフラム、ソレノイド、ボイスコイルモータなどを用い、ガイドに、小さいベアリングやピンを用いた転がりや滑りガイドを用いる構成でも良い。
【００１７】
次に、電気粘性流体４について説明する。電気粘性流体は、外部からの電界の大きさによってその流体の粘性が変化する流体であり、また、その変化は可逆性であるため、外部的にその粘性を制御することができる。また、その応答性についても非常に速いという特性を持っている。電気粘性流体の粘度変化は、電圧印加により正負電荷が移動して粒子に分極が生じ、その分極により粒子同士が引き合うことにより粘度が上昇すると言われている。
【００１８】
この電気粘性流体は、一般的には、分散粒子を適当な分散媒体に混ぜた電気粘性流体であるが、流体自身の粘性が変化する特性を持つ純粋単一相電気粘性流体もある。粘度変化は、分散粒子を用いた電気粘性流体の方が大きい。分散粒子は、誘電性の固体微粒子であり、代表的な分散粒子としては、シリカ、アルミナ、珪酸ソーダ酸化鉄、澱粉などがあり、分散媒体は、電気絶縁性の媒体であり、代表的なものとしては、シリコーン油、石油エーテル、灯油、ケロシンなどがある。純粋単一相電気粘性流体は、シリコーンのようなフレキシブルな分子鎖に液晶性化合物を結合したものがある。
【００１９】
本発明では、把持する物体の形状、大きさが変化することや、把持力を得るために必要な弾性体部材３の圧縮量を小さくして把持機構を小さくするのが好ましいため（すなわち、弾性体部材３が少し変形するだけで十分な把持力が得られる様にするため）、粘度変化の大きい分散粒子を用いた電気粘性流体が望ましい。
【００２０】
次に、電気粘性流体４を密閉する袋５について説明する。袋５に必要な機能は、電気粘性流体の密閉性は言うまでもなく、把持する物体形状に対し、電気粘性流体４の流動性ないし柔軟性を損なわずに該形状に追従するための柔軟性が必要であり、また、電気粘性流体４に電圧を印加するため、電気絶縁性も必要である。この様な電気絶縁性と柔軟性を満足する物質としては、水密性ゴム、塩化ビニル系樹脂、ポリエチレン、ポリウレタン等がある。電気粘性流体４の粘性変化に追従して十分柔軟に変形することが好ましい場合には、エラストマーのように低い弾性率の材料が使用され、また、あまり大きな変形が好ましくない場合には、合成樹脂フィルムのような高い弾性率の材料が使用される。
【００２１】
次に、電気粘性流体４に電圧を印加するための電極６は、電極面以外を絶縁した金属を用いても良いが、上記袋５の絶縁物質の必要な部分に、銅、金、アルミニウムなどを蒸着、化学めっき、塗布などの方法により形成しても良い。
【００２２】
次に、図２を用いて本実施例の把持機構の開閉動作と電気粘性流体４の制御について説明する。図２（ａ）は、比較的高い第１段の温度まで形状記憶ワイヤー１０を暖めて（たとえば、ワイヤー１０に比較的大きい第１段の電流を流す）２種類の形状記憶ワイヤー１０の両方が縮み、指１が開いた状態を示す。この状態で、不図示の駆動機構により、把持する物体２０の位置に把持機構を移動し、比較的低い第２段の温度に温度を変更して（たとえば、ワイヤー１０に比較的小さい第２段の電流を流す）、第１段の形状記憶ワイヤーが伸び、第２段の形状記憶ワイヤーが縮んだ状態になるように形状記憶ワイヤー１０を制御する。ここまでの動作では電極６に電圧印加はされていない。こうして、図２（ｂ）に示すように、電気粘性流体４が柔らかい状態（粘度の小さい状態）で物体２０を挟む。
【００２３】
さらに、物体２０を挟んだ状態で、電気粘性流体４に電圧を印加して電気粘性流体の粘度を高める。また、第２段の伸縮量が小さい形状記憶ワイヤー１０を初期の温度にし（たとえば、ワイヤー１０に流す電流をＯＦＦする）、指１を所定量移動させて一番閉じた状態にし、図２（ｃ）に示すように、粘度の大きくなった弾性体部材３を押し込んで把持力を得る。この一連の動作により、物体２０の大きさが変化しても、同じような把持力で把持することが可能となる。すなわち、図２（ｂ）の状態での電気粘性流体４の流動変化で、把持する物体２０の大きさに弾性体部材３の形状を合わせ、さらに、電気粘性流体４の粘度を高めることにより、第２段目の形状記憶ワイヤー１０の変化量と該高まった粘度により、物体２０の大きさが変化しても同じような把持力で把持することが可能となる。物体２０を解放するときは、比較的高い第１段の温度まで形状記憶ワイヤー１０を暖めて指１が開いた状態にすればよい。
【００２４】
本実施例では電気粘性流体４を用いたが、外部からのエネルギー（電磁気的エネルギー、電磁波（光）エネルギー、熱エネルギーなど）により粘性ないし柔軟性が変化する機能性流体であればよく、電気粘性流体に替わる物質としては、電界応答ゲル、磁性流体等でもかまわない。ここで、電界応答ゲルは、電圧の印加により粘弾性を変化できるゲル状物質のことであり、電気粘性流体が流動性の高い絶縁油に粒子を分散させたものに対して、流動性の乏しい電気絶縁性のエラストマーに粒子を高い濃度に分散せた物であり、電圧印加により粘性よりもむしろ弾性率の増大を狙ったものである。
【００２５】
（実施例２）
本発明の実施例２を図３、図４を用いて説明する。実施例２は、把持する物体の大きさの違いが大きいときに好適な把持機構構造を有する。図３（ａ）は、本実施例の構成の概略図であり、図３（ｂ）は、本実施例が物体２０を把持したときの概略図である。図３において、図１、図２の番号と同じ番号は前記実施例１と同じ構成部品を示し、３０は、粘性が変化する弾性体部材であり、３１は、弾性体部材３０の中の電気粘性流体が移動するための流路であり、３２は、余分な電気粘性流体を受け取るサブタンクである。弾性体部材３０とサブタンク３２は、流路３１で繋がっている。
【００２６】
この様な、サブタンク３２を持つことにより、図３（ｂ）のように、大きな物体２０を把持したとき、余分な電気粘性流体がサブタンク３２に流入して、把持する物体２０の形状により近い形状に弾性体部材３０をもたらすことができる。サブタンク３２内の電気粘性流体は、物体を把持する前に弾性体部材３０に移動させておく必要があり、これは次のように行われる。電気粘性流体への電圧印加を止めて、流動性がある状態で不図示のマニピュレータ移動機構で把持機構部分を移動させ、サブタンク３２をどこかの平面に当ててサブタンクに力を加えることにより、弾性体部材３０に電気粘性流体を充填する。その他の点は前記実施例１と同じである。
【００２７】
図４は実施例２の変形例を示す。これは、指１が開いた状態で、弾性体部材３０に電気粘性流体が充填されるように、サブタンク３２の基準壁４０を把持機構に形成したものである。
【００２８】
本実施例では、流路３１に電極を付けていないが、流路３１に電極を設けてもよい。この電極に、弾性体部材３０よりも高い電圧を印加することにより、把持状態でのサブタンク３２への電気粘性流体の移動をさらに小さくし、物体２０の把持力をさらに安定させることが可能となる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、マニピュレータなどの把持機構の指に対し、物体と接触する部分に、粘性などによる柔軟性を外部から制御することが可能な弾性体部材を設けることにより、小型の物体において形状や大きさの異なるものでも確実に把持することが可能となる。また、把持機構を小型、簡略化することが比較的容易にできる。これにより、効率良く、いろいろな物体のハンドリングが可能となり、組み立て部品等の更なる多様化、小型化に対応することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の把持機構を説明する概略図である。
【図２】本発明の実施例１の把持機構の動作を説明する概略図である。
【図３】本発明の実施例２の把持機構を説明する概略図である。
【図４】本発明の実施例２の把持機構の変形例を説明する概略図である。
【符号の説明】
１      可動指
２      固定指
３      粘性などによる柔軟性が変化する弾性体部材
４      電気粘性流体
５      袋
６      電極
７      電圧印加ケーブル
８      弾性体
９      弾性ヒンジガイド
１０    形状記憶ワイヤー
１１    与圧ばね
２０    物体
３０    粘性などによる柔軟性が変化する弾性体部材
３１    流路
３２    サブタンク
４０    サブタンク基準壁
【図１】
2004345043.tif 000003
【図２】
2004345043.tif 000004
【図３】
2004345043.tif 000005
【図４】
2004345043.tif 000006