JP2006255872A - ロボットハンドの指ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】
従来のロボット用多指ハンドは、金属やプラスチック等のリジッドな機構をモータおよびベルトなどで駆動する方式である。柔軟物や壊れやすい物を把持する場合、把持する物を壊したり潰さないようにするためには、トルクセンサや触覚センサ等を用いた柔軟制御を行う必要がある。
【解決手段】
伸縮性を有する外皮１１と、外皮１１内に設置され、１つ以上の可動ジョイント部１３を有する骨格１２と、外皮１１と骨格１２の間に配置され、伸縮により骨格１２を可動方向に動かすことができるように配置された２つ以上のエレクトロアクティブポリマー１４と、エレクトロアクティブポリマー１４の両端部に接続されたリード線１５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、壊れやすい物体を掴むことができるロボットハンドに用いるのに適した指ユニットに関する。

従来のロボットハンドとして、物体を把持するためにベルトで各関節を連結する機構が開示されている（例えば、特許文献１参照）。図４に指ユニットの構成を示す。以下、簡単に図面を用いて説明する。
図４において、基台１に対し、複数の指杆７１、７２、７３、７４、７５が互いに関節２１、２２、２３、２４、２５を介して直列に連結され、各関節２１、２２、２３、２４、２５には、各指杆７１、７２、７３、７４、７５の基端部に固定したシャフト６に対し、プーリ６１が回転自由に嵌まっている。又、各シャフト６とプーリ６１の間には、シャフト６の回転駆動負荷が所定トルク以下のときは係合し、所定トルクを上回るときは離脱するクラッチ機構５を介在せしめる。各関節２１、２２、２３、２４、２５のプーリ６１は互いにベルト６４によって連結されると共に、基台１に最も近い第１関節２１のプーリ６１に駆動モータ４が連繋している。回転駆動源の回転トルクは、基台１に最も近い関節２１の回転体からハンド最先端の関節２５の回転体へ順次伝達される。ロボットハンドが物体に接触するまでの無負荷状態では、各関節２１、２２、２３、２４、２５のクラッチ機構５は係合状態にあって、基台１に最も近い関節２１(第１関節)の回転体が回転駆動されることによって、該関節２１より先端側の各指杆７５は一体となって回転する。
また、ロボットハンドは、種々の物体を把持して所定の作業を自動的に行うロボットとして用いられる（例えば、非特許文献１参照）。把持する物体が卵のような壊れやすい物体である場合には、その物体を把持した時にそれを壊さないようにする必要があり、そのため、従来は、指先に力覚センサを装着したり、指腹部や掌に触覚センサを装着して、センサ情報をフィードバックしながら柔軟把持をするための制御を行っていた。
特開平５−３０１１９１号公報（第２−３頁 図１） 川崎他「人間型ロボットハンドGifu Hand III」日本ロボット学会誌、２００４年（第２２巻）１月号、ｐ．５５−５６

ところが、従来のロボットハンドは、各指および掌にセンサを装着する必要があるのでロボットハンドの構成が複雑で高価になり、また、ノイズなどによりセンサが誤動作すると物体を潰したり、落下させて破損する場合があった。
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、壊れやすい物体であっても破損することなく確実に把持することができる簡素な構造のロボットハンドの指ユニットを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、伸縮性を有する外皮と、前記外皮内に設置された骨格と、前記外皮と前記骨格の間に少なくとも１つ配置されたエレクトロアクティブポリマーと、前記エレクトロアクティブポリマーの両端部に接続されたリード線とからなるものである。
また、請求項２に記載の発明は、前記骨格が少なくとも１つの可動ジョイント部を具備するものである。
また、請求項３に記載の発明は、前記骨格が可撓性のある弾性体からなるものである。
また、請求項４に記載の発明は、前記可動ジョイント部は、前記骨格の一端が円柱状と中空円柱状の構造が嵌め合うことにより回動自在に支持されているものである。
また、請求項５に記載の発明は、前記エレクトロアクティブポリマーがフッ化ビニリデンなどの電歪ポリマーからなるものである。
また、請求項６に記載の発明は、前記エレクトロアクティブポリマーがアクリルやシリコーンなどの誘電型ポリマーからなるものである。
また、請求項７に記載の発明は、伸縮性を有する外皮と、前記外皮内に設置された骨格と、前記外皮内に、伸縮により前記骨格を可動方向に動かすことができるように配置されたエレクトロアクティブポリマーと、前記エレクトロアクティブポリマーの両端部に接続されたリード線とからなり、前記エレクトロアクティブポリマーは、前記外皮内の関節に複数個配置され、各々の前記エレクトロアクティブポリマーは独立して伸縮する構成としたものである。
また、請求項８に記載の発明は、前記関節に、屈曲または旋回運動するジョイント部を具備した支柱と、前記支柱の周囲に配置された前記エレクトロアクティブポリマーとからなるものである。
また、請求項９に記載の発明は、前記エレクトロアクティブポリマーが、前記支柱を支点として梃子の原理が働くように配置されるものである。

請求項１から５に記載の発明によると、壊れやすい物体を柔軟に把持することができ、センサを必要としないため単純な構成で安価なロボットハンドを構成することができる。また、モータやギアを用いないので、動作音が静かで、対人用途にも適している。
請求項６から９に記載の発明によると、螺旋運動を行うことができるので、壊れやすい物体を柔軟に把持することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明のロボットハンドの指ユニットの側断面図である。図において、１１は指ユニット全体を覆うゴム製の外皮、４２は指ユニットの芯となるステンレス製板バネの骨格、１４はフッ化ビニリデンなどの電歪ポリマー製のエレクトロアクティブポリマーとなっている。また１５は、エレクトロアクティブポリマーの両面に接続されたリード線となっている。リード線は図示しない制御部に接続されており、エレクトロアクティブポリマー１４に通電できるようになっている。エレクトロアクティブポリマー１４は外皮１１内のＡ側およびＢ側に配置され、それぞれ単独に通電できるようになっている。
本発明が特許文献１および非特許文献１と異なる部分は、外皮と外皮の内側にあるエレクトロアクティブポリマーが柔軟性のある物体であることと、駆動のためのモータやベルトがないことと、力覚センサ、触覚センサなどのセンサを装着していない簡素な構造である点である。

その動作を、図１および図２を用いて説明する。エレクトロアクティブポリマー１４に通電しない状態では図１（ａ）に示すように、指ユニット３１はまっすぐな状態である。次に、図１の（ｂ）に示すように、Ａ側にあるエレクトロアクティブポリマー１４に通電すると、電歪効果によりエレクトロアクティブポリマー１４が長さ方向に伸張する。一方、通電しないＢ側のエレクトロアクティブポリマー１４は変化せずそのままである。外皮１１は伸縮性があるので、Ａ側にあるエレクトロアクティブポリマー１４が伸張すると、長手方向に伸びるが、Ｂ側のエレクトロアクティブポリマー１４は変化せずそのままであるため、指ユニット３１全体としてはＢ側に屈曲する。図２は前記指ユニット３１を組み合わせたロボットハンドの構成図である。図２において、３１は指ユニット、３２はゴム製の掌部、３３は被把持物である。各指ユニット３１はそれぞれ根本部分が掌部３２に固定されており、図示しない制御部からエレクトロアクティブポリマーに通電できるようになっている。エレクトロアクティブポリマーに通電しない状態では、図２（ａ）のようにロボットハンドは開いた状態である。エレクトロアクティブポリマーに通電すると、図２（ｂ）のように各指ユニット３１が屈曲し、被把持物３３を把持することができる。図２に示すようにこの指ユニット３１を５本組み合わせることにより、物体を把持することができるロボットハンドを構成できる。各指ユニット３１の表面は柔軟性のあるゴムで、内部のエレクトロアクティブポリマーも同様に柔軟性のある電歪ポリマーであるので、指ユニット３１が物体の形状にならって接触するので、物体を傷つけたり損傷することなく、かつ確実に把持することができる。
本実施例では、Ａ、Ｂ両側ともにエレクトロアクティブポリマーを用い、通電できるようにしているので、通電する側を変えることで、指ユニット３１の関節はどちらの方向にも曲げることができるが、片側だけに通電するようにすれば、人間の指のように一方向だけの屈曲になる。この場合、通電しない側はエレクトロアクティブポリマーである必要がないことは明らかである。
本実施例では、骨格１２を繋ぐ可動ジョイント１３を各指ユニット３１に２箇所配置しているが、用途によって１箇所あるいは３箇所以上にすることもできる。
本実施例では、指ユニット３１を５本組み合わせてロボットハンドを構成しているが、指ユニット３１を４本、あるいは３本で構成しても同様に物体を把持できることは明らかである。また、指ユニット３１を６本以上で構成することも可能である。
本実施例では、掌部３２をゴム製にしているが、被把持物３３に損傷を与えない材料であればよいことは明らかである。

図３は、本発明のロボットハンドの指ユニットの側断面図である。図において、１１は指ユニット全体を覆うゴム製の外皮、１２は指ユニットの芯となるプラスティック製の骨格、１３は指ユニットの関節として作用するプラスティック製の可動ジョイント、１４はアクリルやシリコーンなどの誘電型ポリマーからなるエレクトロアクティブポリマーとなっている。また１５は、エレクトロアクティブポリマーの両面に接続されたリード線となっている。リード線は図示しない制御部に接続されており、エレクトロアクティブポリマー１４に通電できるようになっている。エレクトロアクティブポリマー１４は外皮１１内のＡ側およびＢ側に配置され、それぞれ単独に通電できるようになっている。
その動作は実施例１と同様で、エレクトロアクティブポリマー１４に通電しない状態では図３（ａ）に示すように、指ユニット３１はまっすぐな状態である。次に、図３の（ｂ）に示すように、Ａ側にあるエレクトロアクティブポリマー１４に通電すると、電歪効果によりエレクトロアクティブポリマー１４が長さ方向に伸張する。一方、通電しないＢ側のエレクトロアクティブポリマー１４は変化せずそのままである。外皮１１は伸縮性があるので、Ａ側にあるエレクトロアクティブポリマー１４が伸張すると、長手方向に伸びるが、Ｂ側のエレクトロアクティブポリマー１４は変化せずそのままであるため、可撓性のある骨格４２が撓み、指ユニット３１全体としてはＢ側に屈曲する。この際、骨格１２は可動ジョイント部１３を中心に稼動するので、可動ジョイント部１３は骨格の一端が円柱状と中空円柱状の構造が嵌め合うことにより回動自在に支持されている回動自在の構造をしており、関節の働きをする。
このように、ロボットハンドの指ユニット３１が柔軟な構造をしているので、壊れやすい物体でも傷つけたり、損傷しないように把持することができる。

図４は、本発明のロボットハンドの指ユニットの側断面図である。図において、３１は指ユニット、１１は指ユニット全体を覆うゴム製の外皮、１２は指ユニット３１の芯となるプラスティック製の骨格、３４は人工関節、１５は人工関節に接続されたリード線となっている。リード線１５は図示しない制御部に接続されている。また、図５は、本発明のロボットハンドの人工関節３４の斜視図である。３３１はエレクトロアクティブポリマー、３３２は支持体、３３３は支柱である。さらに、図６は、図５に示す人工関節のA-A’ 断面図である。３３４は、支持体３３２のどちらか一方と、支柱３３３との結合部に構成されるジョイント部である。
本発明が実施例１および２と異なる部分は、エレクトロアクティブポリマーが人工関節に配置され、螺旋運動ができる部分である。

その動作を、図４および図６から図８を用いて説明する。人工関節３４を制御しない状態では図４（ａ）に示すように、外皮１１に伸縮性があるので指ユニット３１はまっすぐな状態である。次に、図４の（ｂ）に示すように、人工関節３４に制御することにより、指ユニット３１を任意の方向に屈曲または旋回できる。このときの人工関節３４の動作は図７に示すように、複数個あるエレクトロアクティブポリマー３３１のいずれかに通電することで伸長させ、残りのエレクトロアクティブポリマー３３１には通電せずにそのままの形状を保たせることで、図３に示してあるジョイント部３３４を中心にして、下部支持体３３２ｂに対し上部支持体３３２aを傾けることにより、指ユニット３１を屈曲または旋回動作させる。図４はエレクトロアクティブポリマー３３１が３本ある場合を示している。図７の場合では、エレクトロアクティブポリマー３３１aは通電せず、エレクトロアクティブポリマー３３１ｂとエレクトロアクティブポリマー３３１ｃに通電し伸長させることで、屈曲させている。伸長させるエレクトロアクティブポリマー３３１の組み合わせをかえることで、指ユニット３１を自由にどちらの方向にも屈曲させることができる。さらに、連続的に屈曲方向を変える動作により、指ユニット３１の旋回運動が可能となる。また、人工関節３４にある各エレクトロアクティブポリマー３３１には、電圧印加側リード線１５１とグランド側リード線１４２が接続されている。この接続は、図８に示すように、各エレクトロアクティブポリマー３３１a、３３１ｂ、３３１ｃの片端には、各電圧印加側リード線３５１a、３４１ｂ、３４１ｃが接続され、各エレクトロアクティブポリマー３３１a、３３１ｂ、３３１ｃの他端にはグランド側リード線１４２が共通に接続されている。伸長させたいエレクトロアクティブポリマー３３１a、３３１ｂ、３３１ｃにつながる各リード線３４１a、３４１ｂ、３４１ｃに選択的に通電することで、各エレクトロアクティブポリマー３３１の伸長を制御することができる。
このとき、各エレクトロアクティブポリマー３３１が通電することにより収縮するタイプを用いても同様に、指ユニット３１の屈曲および旋回動作が可能である。

図９は、第４実施例の上面図である。図において、支柱３３３が人工関節３４の中央よりエレクトロアクティブポリマー３３１ｃ側に片寄って配置されている。この状態で、エレクトロアクティブポリマー３３１a、３３１ｂに通電し伸長させることで、人工関節３４はエレクトロアクティブポリマー３３１ｃ側に屈曲する。このとき、支柱３３がエレクトロアクティブポリマー３３１ｃ側に片寄っているので、梃子の原理より指ユニット３１の大きな屈曲する力を得ることができる。

ロボットハンドの指ユニットが柔軟な構造をしているので、壊れやすい物体でも傷つけたり、損傷しないように把持する人型ロボットなどにも適用できる。

本発明の第１実施例を示すロボットハンドの指ユニットの側断面図 本発明のロボットハンドの指ユニットの動作を示す断面図 本発明の第２実施例を示すロボットハンドの指ユニットの側断面図 本発明の第３実施例を示すロボットハンドの指ユニットの側断面図 本発明の第３実施例を示す人工関節の斜視図 本発明の第３実施例を示す人工関節の側断面図 本発明の第３実施例を示す人工関節の動作を示す斜視図 本発明の第３実施例を示す人工関節の電気結線図 本発明の第４の人工関節を示す上面図 従来のロボットハンドの指ユニットの側断面図

符号の説明

１１ 外皮
１２ 骨格
１３ 可動ジョイント
１４ エレクトロアクティブポリマー
１５ リード線
３１ 指ユニット
３２ 掌部
３３ 被把持物
３４ 人工関節
３３１ エレクトロアクティブポリマー
３３１a エレクトロアクティブポリマーa
３３１ｂ エレクトロアクティブポリマーｂ
３３１ｃ エレクトロアクティブポリマーｃ
３３２ 支持体
３３２a 上部支持体
３３２b 下部支持体
３３３ 支柱
３３４ ジョイント部
３４１ 電圧印加側リード線
３４１a 電圧印加側リード線a
３４１b 電圧印加側リード線b
３４１c 電圧印加側リード線c
３４２ グランド側リード線

４２ 骨格
１ 基台
４ 駆動モータ
５ クラッチ機構
６ シャフト
２１，２２，２３，２４，２５ 関節
６１ プーリ
６４ ベルト
７２，７３，７４，７５ 指杆

Claims (9)

1. 伸縮性を有する外皮と、前記外皮内に設置された骨格と、前記外皮と前記骨格の間に少なくとも１つ配置されたエレクトロアクティブポリマーと、前記エレクトロアクティブポリマーの両端部に接続されたリード線とからなることを特徴とするロボットハンドの指ユニット。
2. 前記骨格が少なくとも１つの可動ジョイント部を具備することを特徴とする請求項１記載のロボットハンドの指ユニット。
3. 前記骨格が可撓性のある弾性体からなることを特徴とする請求項１記載のロボットハンドの指ユニット。
4. 前記可動ジョイント部は、前記骨格の一端が円柱状と中空円柱状の構造が嵌め合うことにより回動自在に支持されていることを特徴とする請求項２記載のロボットハンドの指ユニット。
5. 前記エレクトロアクティブポリマーがフッ化ビニリデンの電歪ポリマーからなることを特徴とする請求項１記載のロボットハンドの指ユニット。
6. 前記エレクトロアクティブポリマーがアクリルやシリコーンの誘電型ポリマーからなることを特徴とする請求項１記載のロボットハンドの指ユニット。
7. 伸縮性を有する外皮と、前記外皮内に設置された骨格と、前記外皮内に、伸縮により前記骨格を可動方向に動かすことができるように配置されたエレクトロアクティブポリマーと、前記エレクトロアクティブポリマーの両端部に接続されたリード線とからなり、前記エレクトロアクティブポリマーは、前記外皮内の関節に複数個配置され、各々の前記エレクトロアクティブポリマーは独立して伸縮する構成としたことを特徴とするロボットハンドの指ユニット。
8. 前記関節に、屈曲または旋回運動するジョイント部を具備した支柱と、前記支柱の周囲に配置された前記エレクトロアクティブポリマーとからなることを特徴とする請求項７記載のロボットハンドの指ユニット。
9. 前記エレクトロアクティブポリマーが、前記支柱を支点として梃子の原理が働くように配置されることを特徴とする請求項７記載のロボットハンドの指ユニット。

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