JP2006326802A

JP2006326802A - 凝着・離脱装置、及びその離脱方法

Info

Publication number: JP2006326802A
Application number: JP2005157279A
Authority: JP
Inventors: Kunio Takahashi; 高橋邦夫; Shigenori Saito; 齋藤滋規; Oriol Lopez Berengueres Jose; ホセオリオルロペスベレンゲレス; Kenichi Ohata; 尾畑賢一
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2005-05-30
Filing date: 2005-05-30
Publication date: 2006-12-07

Abstract

【目的】物体面に付着し、物体面から素早く離脱する凝着・離脱装置及び方法を提供すること。
【構成】物体面２１に追従可能で物体面２１に凝着する凝着面１１を有する凝着部１と、物体面２１に凝着している凝着面１１の凝着力を可変にする凝着可変手段３と、を備え、凝着可変手段３により、凝着面１１の凝着力の合力を弱め、凝着部１を物体から離脱させる、凝着・離脱装置、又は、その離脱方法。

【選択図】図１

Description

本発明は、凝着により物体に付着する凝着・離脱装置、及びその離脱方法に関するものである。

従来、分子間力による固体間凝着現象を用いることで物体間を相互に付着させているが、凝着している物体を素早く離脱することが難しかった。

（１）本発明は、物体面に付着し、物体面から素早く離脱する凝着・離脱装置及び方法を提供することにある。
（２）また、本発明は、凝着部のコンプライアンスを可変にして、物体面から素早く離脱できる凝着・離脱装置及び方法を提供することにある。
（３）また、本発明は、物体面に凝着している凝着面に回転モーメントを作用して物体面から素早く離脱できる凝着・離脱装置及び方法を提供することにある。

（１）本発明は、物体面に追従可能で物体面に凝着する凝着面を有する凝着部と、物体面に凝着している凝着面の凝着力を可変にする凝着可変手段と、を備え、凝着可変手段により、凝着面の凝着力の合力を弱め、凝着部を物体から離脱させる、凝着・離脱装置にある。
（２）また、本発明は、物体面に追従可能で物体面に凝着する凝着面を有する凝着部を備える凝着・離脱装置において、物体面に凝着している凝着面の凝着力の合力を弱め、凝着部を物体から離脱させる、凝着・離脱装置の離脱方法にある。

（１）凝着・離脱装置
凝着・離脱装置は、物体の面、即ち物体面に凝着力により付着し、その付着状態から素早く離れること、即ち離脱できるものである。凝着・離脱装置を利用することにより、ロボットなどの移動装置が床面を素早く移動することができる。更に、壁や天井などの様々な面を素早く移動することができる。凝着力は、固体同士の接触面で、お互いの表面の原子が及ぼし合う結合力である。固体同士が素早く離脱するためには、凝着力が作用している接触面全面の凝着力の合力を弱めることにより行うことができる。凝着・離脱装置は、例えば図１及び図２に示すように、物体面２１に付着する凝着部１と、凝着部１の凝着力の合力を減少し又は増加する凝着可変手段３と、を備えている。

（２）凝着部
凝着部１は、物体面２１に追従可能で物体面２１に凝着して付着する凝着面１１を有する。凝着部１は、凝着面１１が物体面２１の粗さ、凹凸に対応して容易に変形して、相互の原子が凝着し易くなるものである。凝着部１は、例えば図３（Ａ）のように、変形可能な中実構造を有している。又は、凝着部１は、図３（Ｂ）のように、束構造を有している。中実構造は、内部が密に詰まっているもの、又はスポンジのように空間が形成されているものでもよい。束構造は、変形可能な複数本が束になったものであり、例えば、弾性を有する線状のものが、束になった線状の束構造である。線状の束構造は、電線のような線状のもの、毛のようなもの、棒状のものなどが束になった構造である。線状の束構造の場合、線状の束の先端部が、凝着面１１を形成し、線状の先端部の凝着面１１が物体面２１の凹凸の面に接して、凝着面１１と物体面１２とが密に接触する。なお、図３では、凝着面１１は、多くの箇所で物体面２１と接しており、境界線が見え難いが、図２に示す構造を取っている。また、図３（Ｂ）では、線状の束の密度が十分に表現されていないが、線状の束は密度が高く、密度が高いほど、大きな凝着力を得ることができる。線状の束構造において、線状のものが細く接触して密になり、接触部分が相互に緩く結合している場合、線状の束構造は一種の中実構造と見ることができる。線状のものは、例えば図４（Ａ）に示すように、先端部が面積の大きなコンタクト部１３を有し、コンタクト部１３から線状の弾性を有する弾性部１２が伸びている。コンタクト部１３は、物体面２１と凝着する部分であり、コンタクト部１３の集まりが凝着面１１を形成することになる。コンタクト部１３は、球形、扁平な球形など塊であり、好ましくは、物体面と凝着する箇所が曲率の小さな部分や平らな部分であると、物体面２１と凝着すると凝着面積が大きく取れて凝着力が大きくなる。弾性部１２は、線状であり、コンプライアンスを有している。線状の弾性部１２は、例えば、凝着面１１に対して鋭角を有し、物体面の凹凸に追従して撓むようにすると、コンタクト部１３が物体面２１の凹部にも凸部にも接して大きな凝着力が発生する。凝着部１は、コンタクト部１３が凝着面を形成するように、保持部１２で保持されているとよい。保持部１２は、中実構造や束構造を保持できるものであれば良い。保持部１２は、保持部１２に作用した力が、凝着面１１に十分に伝達するものがよい。保持部１２は、凝着部１より変形し難く、保持部１２の変位が凝着部１との接触面全体に伝達する硬い性質を有している。

（３）凝着可変手段
凝着可変手段３は、凝着面１１と物体面２１間の凝着力の合計の力、即ち合力を可変にするものである。凝着可変手段３は、例えば図１に示すように、電場を変化させて凝着部１のコンプライアンス１／ｋを変えて、物体面２１に接している凝着面１１の合力を可変とするもの、又は、例えば図２に示すように、力伝達手段３２により物体面２１に接している凝着面全面に回転モーメントを作用させて、物体面２１に接している凝着面１１の合力を可変とするものなどがある。コンプライアンス１／ｋは、柔軟性を示しており、剛性ｋ（弾性率ｋ）の逆数である。図２の構造つまり線状のもの単体に回転モーメントを負荷してもトータルの力は変化しない。図５（Ｄ）にあるように凝着部の応力分布が変わるだけで，分布応力を積分するともともと付加されている力と等しくなってしまう。応力分布のうちの一番応力が大きいところが凝着力（の限界値）よりも大きくなると、その線状のもの単体は凝着できなくなって離れてしまう。線状のものは、図３（Ｂ）の様にまとまって沢山あって離れているものと凝着しているものの割合を変えることで、トータルの力（合力）を変化させることができる。

（４）凝着部のコンプライアンスを可変にする凝着可変手段
凝着部１のコンプライアンス１／ｋを可変にする凝着可変手段３は、図１に示すような凝着部１に電極３１を取り付け、電極３１と物体２間に電圧を印加して電場を発生する電場発生装置（スイッチ３１１と電源３１２）、磁場をかける磁場発生装置、電気を流す電源、凝着部を加熱する加熱装置、冷却する冷却装置、又は、これらを組み合わせた装置などがある。例えば電気を流す電源の場合、凝着部を人工筋肉で利用するような導電性高分子とし、凝着部に一対の電極を取り付ける。凝着可変手段３は、電極間に電圧を付与し、又は電流を流して、導電性高分子のコンプライアンスを素早く変動させる。凝着部１に付与する電圧を高めると、凝着面１１の凝着力の合力を急速に低下でき、凝着部１を物体面２１から素早く離脱することができる。素早い離脱は、以下のように考えられる。例えば、凝着・離脱装置が天井に付着している場合、凝着面１１の凝着力の合力が、凝着面１１の変形を戻す弾性力と、凝着部１を物体面２１から離そうとする外力（凝着・離脱装置の荷重）との全合力より上回っている状態で、凝着部のコンプライアンス１／ｋを小さくすると、凝着面１１の変形を戻す弾性力が大きくなる。その結果、前記全合力が、凝着力の合力より大きくなり、凝着面１１が物体面２１から素早く離脱することになる。

（５）凝着面に回転モーメントを作用する凝着可変手段
凝着面１１に回転モーメントを作用する凝着可変手段３は、例えば図２に示すように、凝着部１に力を伝達する力伝達部材３２がある。力伝達部材３２は、保持部１２に接続し、又は、保持部１２と一体となり、凝着部１に接続している。力伝達部材３２に力を付与することにより、凝着面に回転モーメントを作用し、凝着面と物体面間の凝着力の合力を弱め、凝着部を物体面に対して素早く離脱することができる。物体面２１に凝着している状態で凝着面１１に回転モーメントを作用すると、凝着面１１にかかるストレス分布が図５（Ｄ）のように傾斜状（破線σ_ｎ、又はσ_ｎ＋ｔ）になる。なお、図５（Ｄ）において、回転モーメントが作用していないストレス分布は、実線（σ_０）である。凝着面１１の回転モーメントにより、凝着面１１と物体面２１間の凝着力の合力が弱められる。なお、上に書いたように、σ_ｎの合力はσ_０の合力と同じである。束になった沢山の線状ユニットのうち一部が離れると、合力が弱められたことになる。力伝達部材３２に力を作用する力付与装置３２１を配置する。力付与装置３２１が与える力は、凝着面１１に平衡な力である。凝着面１１に平衡な力なのに、凝着面１１に垂直な方向の凝着力の合力が変えられる点が重要である。力付与装置３２１は、力伝達部材３２に力を作用できるものであれば良く、モータなどの駆動装置が使用できる。力伝達部材３２は、例えば棒状部材であり、棒状部材の一端部を保持部１２に固定し、他端部（必要に応じて中間部）に力を作用する。力を作用する箇所を力作用部とする。棒状部材は、凝着部に対して種々の角度で固定することができる。棒状部材は、弾性を有し、凝着面に対して鋭角α（９０度より小さく）なるように固定すると良い。又は、棒状部材は、弾性を有し、凝着面側に接近するように曲折していると良い。図５には、棒状部材が、凝着面１１に対して傾斜している状態を示している。図５（Ａ）は、力伝達手段の力作用部に力が働いていない状態を示している。図５（Ｂ）は、力作用部に上向きの力（凝着面に直交する力Ｆ_ｎ）が働いている状態を示している。図５（Ｃ）は、力作用部に上向きの力（凝着面に直交する力Ｆ_ｎ）と水平の力（凝着面に平行する力Ｆ_ｔ）が働いている状態を示している。凝着面１１に垂直な力が力作用部に作用している状態（図５（Ｂ）の状態）で、図５（Ｃ）のように力作業部に横方向の力（Ｆ_ｔ）を作用すると、図５（Ｄ）のように回転モーメントの大きさを小さくすることができる（破線σ_ｎから破線σ_ｎ＋ｔに変化する）。このように、弾性の力伝達部材を緩くカーブさせると、より弱い力で垂直凝着力を大きく変動させることができる。上に書いたように、線状のものを束にすることにより、合力を変化させることができる。

（６）凝着・離脱装置による移動
凝着・離脱装置は、複数個使用して、ロボットなどの脚に利用することができる。凝着部１のコンプライアンス１／ｋを変化させる凝着・離脱装置の場合、一方の脚では、凝着・離脱装置のコンプライアンス１／ｋを大きくして、凝着面１１の凝着力の合力を強め、床面や壁面を保持すると共に、他方の脚では、凝着・離脱装置のコンプライアンス１／ｋを小さくして、凝着力の合力を弱め、床面や壁面から離脱し、凝着・離脱装置を前方に移動する。次に、前方に移動した他方の脚の凝着・離脱装置のコンプライアンス１／ｋを大きくして、凝着力の合力を大きくして、床面や壁面を保持する。この動作を繰り返すことにより、ロボットを素早く前進することができる。また、凝着面１１に回転モーメントを作用する凝着可変手段の場合も、各凝着・離脱装置の力伝達部材３に力を作用して、床面や壁面に対して、凝着面１１の凝着力の合力を変えて、素早く凝着と離脱を繰り返し、ロボットを移動することができる。以上、凝着・離脱装置による移動方法の例を示してあるが、凝着力により物体と付着し、離間する動作が必要な状態があれば、どのような状態でも、本発明の凝着・離脱装置を適用でき、例えば、物体の運搬のように、物体を持ち上げ、保持し、移動し、離す操作にも適用できる。

（７）凝着・離脱作用
図４（Ａ）の束構造の棒の１本１本を図４（Ｂ）のような球（コンタクト部１３）とバネ（弾性部１２）のモデルとみなすと、１本１本に対するフォースカーブ（力−変位曲線）は、図６のようになる。バネが柔らかくなると（＝コンプライアンス１／ｋが大きくなる＝弾性率ｋが小さくなると）、このフォースカーブが横向きに寝てくる。しかし、最大凝着力の大きさ（規格化Ｆ＝約−１．５）は変わらないことが分かる。

ここで、ｆ_Ｔは、力を無次元化する際のパラメーターでｆ_Ｔ＝πΔγＲである。ここでΔγは凝着仕事と呼ばれ凝着する二つの物質の表面エネルギーがγ_ｓ１、γ_ｓ２および、界面エネルギーγ_ｉを用いてΔγ＝γ_ｓ１＋γ_ｓ２−γ_ｉと定義できる。凝着仕事は物質の組み合わせを決めれば自然に決まる物性値である。Ｒは凝着部の曲率半径である。また、ｈ_Ｔは、凝着面に垂直な方向の距離を無次元化する際のパラメーターであり、下記の数１の式で表される。ここでＥおよびνは物質のヤング率とポアソン比である。規格化した距離Ｚ_tは、保持部の変位であり、面から離れる方向を正にとっている。図６では右方向が圧縮方向なので−Ｚ_tと表している。コンタクト部分が表面に接触する箇所（二重丸印）に於いて凝着現象により接触半径が増加して黒丸印の箇所で示す凝着力が発生する。その後、さらに変位を圧縮方向に加えるとＥの点で凝着力は零となる。さらに変位を加えると圧縮応力になる。逆に、引き離し方向の変位を与えると白丸印で示すところで凝着部は離脱する。Ｚ_ａは、Ｅ点から白丸印で示す離脱点までの距離である。この間の変位では凝着力が引力として働く。なお、凝着の説明、記号など詳細は、下記の２つの論文に示されている。

上記考え方は、本発明者の高橋の理論（Kunio TAKAHASHI、 Ryoji MIZUNO and Tadao ONZAWA、"Influence of
the stiffness of the measurement system on the elastic adhesional contact"、Journal
of Adhesion Science and Technology、 Vol.9、 No.11、 pp.1451-1464 (1995)参照）である。最大凝着力の大きさｆは、厳密に数２の式で示される。Δγは、凝着仕事であり、物体面２１と凝着面１１の物性で決まるものである。Ｒは、コンタクト部１３の半径である。

離れた表面間に長距離相互作用が働いても、この最大凝着力はそれ程大きく変わらない。それは、論文（Kunio TAKAHASHI and Tadao ONZAWA、 "Effect of the stiffness of
the measurement system on adhesion force curves in the elastic continuum
limit"、Journal of Adhesion Science and Technology、 Vol.10、 No.1、 pp.17-31
(1996)）に記載されている。とにかく、球−バネ構造を図７（Ａ）の様に並べると図７（Ｂ）のような平らな面に対して、合計の凝着力によって発生できる圧力は図８の様になる。接触半径が小さくなると真空チャックの力（約１０^５Ｎ／ｍ^２）よりも強くなることがわかる。しかし、現実の物体面には表面粗さが有るので（図７（Ｃ）のように）、図９のような表面高さ分布関数Ｐ_ｈ．ｄ．（ｚ）を用いる。粗さが全く無い表面に対しては、図１０の実線の曲線のようなフォースカーブになり、それにより発生する凝着力は先の図８のようになるが、表面粗さがあってその高さ分布関数が図１０のパターンＡ（急峻な山）や図１１のパターンＢ（なだらかな山）の様な表面に触ると、合計の凝着力（合力）は分布関数とフォースカーブのコンボリューションで表される。要するに図１０のパターンＡのような粗さよりも図１１のパターンＢの粗さの方が、凝着力が弱くなることが分かる。

そこで、凝着部１のコンプライアンス１／ｋを大きくしてやると、図１１のパターンＢの様な粗さに対しても、凝着力はそれ程減少しない。長方形型の高さ分布を仮定して、粗さとコンプライアンスの影響をプロットしたものが図１２である。コンプライアンスを変えることができれば凝着力をコントロールできる。図１３の表面粗さとコンプライアンスの関係が線の十分右側にあれば十分大きな凝着力が発生し、線の十分左側にあれば、凝着応力が粗さの影響で小さくなってしまう限界の関係である。これを使って凝着部１をデザインすれば、いろいろな装置が作れる。その限界の関係式（実線）は複雑な関数であるが、コンプライアンスが十分に大きい極限において厳密に１次式に漸近する（波線）。

表面粗さのある物体に図４（Ｂ）のユニットが束になったものが接触する場合、表面粗さ（高さ分布）がＺ_ａの範囲内にあれば、凝着による合力は引力として作用する。表面粗さ（高さ分布）が少ないほど合力は大きくなり、平均の凝着力はユニットあたり数２の式のｆの理想値に漸近する。逆に、高さ分布がＺ_ａよりも大きければ、一部分しか凝着しないことになるので、凝着力は減少する。

凝着部の弾性率を変化させる凝着・離脱装置の模式図凝着面に回転モーメントを付与する凝着・離脱装置の模式図中実構造と束構造の凝着部の模式図束構造のコンタクト部と弾性部の説明図凝着面に回転モーメントＭを付与した凝着・離脱装置の説明図複数のコンプライアンス１／ｋに対応するフォースカーブの説明図束構造の凝着部の模式図コンタクト部の半径と凝着応力の関係を示す説明図表面粗さの分布を示す説明図表面粗さ分布Ａとフォースカーブの関係図表面粗さ分布Ｂとフォースカーブの関係図表面粗さと最大凝着力との関係を示す説明図コンプライアンスと付着力の説明図

符号の説明

１・・・凝着部
１１・・凝着面
１２・・弾性部
１３・・コンタクト部
２・・・物体
２１・・物体面
３・・・凝着可変手段
３１・・電極
３１１・スイッチ
３１２・電源
３２・・力伝達部材
３２１・力付与装置

Claims

物体面に追従可能で物体面に凝着する凝着面を有する凝着部と、
物体面に凝着している凝着面の凝着力を可変にする凝着可変手段と、を備え、
凝着可変手段により、凝着面の凝着力の合力を弱め、凝着部を物体から離脱させる、凝着・離脱装置。
請求項１に記載の凝着・離脱装置において、
凝着部は、中実構造、又は束構造である、凝着・離脱装置。
請求項１に記載の凝着・離脱装置において、
凝着可変手段は、凝着部のコンプライアンスを変化させるものであり、
凝着可変手段により、凝着部のコンプライアンスを小さくして、凝着面の凝着力の合力を弱め、凝着部を物体から離脱させる、凝着・離脱装置。
請求項１に記載の凝着・離脱装置において、
凝着可変手段は、凝着部に力を作用する力伝達部材を有し、
力伝達部材に力が付与され、物体面に凝着している凝着面に回転モーメントが作用して、凝着面の凝着力の合力を弱め、凝着部を物体から離脱させる、凝着・離脱装置。
請求項４に記載の凝着・離脱装置において、
力伝達部材は、弾性の棒状部材であり、一端部が凝着部に取り付けられている、凝着・離脱装置。
請求項４に記載の凝着・離脱装置において、
力伝達部材は、弾性の棒状の部材であり、凝着面側に接近するように曲折し、一端部が凝着部に取り付けられている、凝着・離脱装置。
物体面に追従可能で物体面に凝着する凝着面を有する凝着部を備える凝着・離脱装置において、物体面に凝着している凝着面の凝着力の合力を弱め、凝着部を物体から離脱させる、凝着・離脱装置の離脱方法。
請求項７に記載の凝着・離脱装置の離脱方法において、
凝着部のコンプライアンスを小さくして、凝着面の凝着力の合力を弱め、凝着部を物体から離脱させる、凝着・離脱装置の離脱方法。
請求項７に記載の凝着・離脱装置の離脱方法において、
凝着部に力伝達部材を形成し、力伝達部材に力を付与し、物体面に凝着している凝着面に回転モーメントを作用して、凝着面の凝着力の合力を弱め、凝着部を物体から離脱させる、凝着・離脱装置の離脱方法。