JP2007301168A - 人工皮膚 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の人工皮膚における、把持する物体に当接する表皮部が、物体の重量等により歪んだり捩れたりするため、物体に揺れやふらつきが生じ、安定して把持することができないという問題を解決した人工皮膚の提供。
【解決手段】シート状部材にて構成される皮膚底部２と、該皮膚底部２の表面上に部分的に配置される第１の柔軟部材１１、および前記皮膚底部２の表面上における、前記第１の柔軟部材１１が配置されていない部分に配置される第２の柔軟部材１２により構成される表皮部３とを備え、前記第１の柔軟部材１１は、前記第２の柔軟部材１２よりも摩擦係数が大きく、かつ、硬度が低く構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロボットハンドや義肢の表面を覆う部材として用いられる人工皮膚に関する。

従来からロボットハンドや義肢の表面、特にロボットハンドや義肢が物体を把持する部分の表面を覆う人工皮膚が考案されている。
この人工皮膚は、ロボットハンド等による把持動作を確実に行う（物体を確実に把持する）ために、高い摩擦係数および柔軟性を備えた部材にて構成されることが多く、例えば、シリコン樹脂やウレタン樹脂やゴムが人工皮膚の素材として用いられている。

また、把持する物体との間に生じる摩擦力を適度な大きさにするために、例えば物体を緩く把持したとき（物体と人工皮膚との接触圧力が小さいとき）には生じる摩擦力が比較的小さく、物体を強く把持したとき（物体と人工皮膚との接触圧力が大きいとき）には生じる摩擦力が比較的大きくなるように、摩擦係数の異なる２種類の素材を用いて人工皮膚を構成した例がある。例えば、特許文献１および特許文献２に示す人工皮膚のごとくである。
特開２００４−３３７３０７号公報 特開２００４−２３００４１号公報

しかし、前述のごとく、シリコン樹脂等の柔軟性を備えた部材により人工皮膚を構成した場合、把持した物体に接触している人工皮膚は柔軟性を備えているため、物体の重さにより歪みや捩れが生じ、把持した物体が揺れたりふらついたりして安定した把持ができないという問題がある。
特に、ロボットハンド等の把持面よりも大きな物体を、その物体の重心点が把持領域外に存在するように把持した場合は、把持した物体により前記把持面にモーメントが発生するが、そのモーメントにより人工皮膚に著しい歪みや捩れが生じ、把持した物体の揺れやふらつきが大きくなる。

また、前記特許文献１に記載される人工皮膚は、シリコン樹脂やウレタン樹脂やゴム等の柔軟部材からなる第１表皮部の外周面に、比較的硬い部材にて構成される第２表皮部を網の目状に配置して構成されている。
この人工皮膚により物体を緩く把持した場合は、比較的硬い部材にて構成される第２表皮部が物体と接触することとなるが、該第２表皮部の下層に柔軟な第１表皮部が配置されているため、把持した物体の重量等により第１表皮部が歪んだり捩れたりして、該物体を安定して把持することが困難である。

さらに、前記特許文献２に記載される人工皮膚は、シリコン樹脂製の表皮膜に押圧ピンを挿通するとともに、該押圧ピンの下層にスポンジ部材を配置して、押圧ピンを表皮膜より突出させた構成となっている。
この人工皮膚により物体を緩く把持した場合は、比較的硬い部材にて構成される押圧ピンが物体と接触することとなるが、該押圧ピンの下層には柔軟なスポンジ部材が配置され、周囲には柔軟な表皮膜が配置されているため、把持した物体の重量等により押圧ピンが歪んだり捩れたりして、該物体を安定して把持することが困難である。

このように、従来の人工皮膚では、物体を安定して把持することが困難であった。
そこで、本発明においては、物体に揺れやふらつきを生じさせることなく安定して把持することができる人工皮膚を提供するものである。

上記課題を解決する人工皮膚は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載の如く、シート状部材にて構成される皮膚底部と、該皮膚底部の表面上に部分的に配置される第１の柔軟部材、および前記皮膚底部の表面上における、前記第１の柔軟部材が配置されていない部分に配置される第２の柔軟部材により構成される表皮部とを備え、前記第１の柔軟部材は、前記第２の柔軟部材よりも摩擦係数が大きく、かつ、硬度が低く構成される。
これにより、柔軟で大きな摩擦係数を有する第１の柔軟部材により物体を確実に把持しつつ、第１の柔軟部材の周囲に存在し、比較的高い硬度を有する第２の柔軟部材により該第１の柔軟部材を支持し、第１の柔軟部材が、把持した物体の重さやモーメントにより歪んだり捩れたりすることを防止して、物体を安定して把持することが可能となる。

また、請求項２記載の如く、前記第１の柔軟部材は、前記皮膚底部に固着されている。
これにより、第１の柔軟部材は、例えば該第１の柔軟部材の下層にスポンジ等の柔軟な部材を配置した場合に比べて、力や圧力がかかった場合の変形に対する強度が高くなり、物体を安定的に把持することが可能となる。

また、請求項３記載の如く、前記人工皮膚は、前記表皮部の周囲を囲む外枠をさらに備え、前記第２の柔軟部材は前記外枠に連結されている。
これにより、第２の柔軟部材の、力や圧力がかかった場合の変形に対する強度を高くすることができ、把持した物体からの力や圧力が第１の柔軟部材にかかった場合に、第２の柔軟部材により該第１の柔軟部材を確実に支持して、第１の柔軟部材の変形を防止して姿勢を維持することができるため、物体を安定して把持することが可能となる。

また、請求項４記載の如く、前記第１の柔軟部材は、前記第２の柔軟部材よりも表皮側に突出している。
これにより、物体を把持したときに第１の柔軟部材のみが高い面圧で物体に当接することとなるため、物体を軽く把持した場合でも高い把持力を生じさせることができ、物体を確実に安定して把持することができる。

また、請求項５記載の如く、前記第１の柔軟部材を円柱形状に形成した。
これにより、把持される物体が第１の柔軟部材に圧接した場合でも、該第１の柔軟部材の表面側のエッジ部での応力集中を緩和することができ、第１の柔軟部材が破損することを防止することができ、物体を長期にわたって安定的に把持することが可能となる。

本発明によれば、柔軟で大きな摩擦係数を有する第１の柔軟部材により物体を確実に把持しつつ、第１の柔軟部材の周囲に存在し、比較的高い硬度を有する第２の柔軟部材により該第１の柔軟部材を支持し、第１の柔軟部材が、把持した物体の重さやモーメントにより歪んだり捩れたりすることを防止して、物体を安定して把持することが可能となる。

次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。

図１および図２に示す人工皮膚１は、ロボットハンドや義肢等において、物体を把持する把持部の表面を覆う部材であり、把持部の表面形状に沿う程度の柔軟なシート状部材にて構成される皮膚底部２と、該皮膚底部２の表面上に部分的に配置される第１の柔軟部材１１と、前記皮膚底部２の表面上における、前記第１の柔軟部材１１が配置されていない部分に配置される第２の柔軟部材１２とを備えている。

前記人工皮膚１においては、皮膚底部２上に配置される第１の柔軟部材１１および第２の柔軟部材１２にて表皮部３が構成されており、該人工皮膚１は前記表皮部３の周囲を囲む外枠４を、さらに備えている。該外枠４は、その底部を前記皮膚底部２に接着固定されている。
なお、本実施形態では説明を簡単化するために、平面視において方形状に形成された人工皮膚１について説明を行うが、該人工皮膚１は、実際にはロボットハンドや義肢の把持部の形状に応じて適宜形状に形成することができる。

図１、図２に示す本実施形態の人工皮膚１においては、前記第２の柔軟部材１２は格子状に形成されており、その端部（外周側端部）は前記外枠１４に連結され固定されている。
また、前記第１の柔軟部材１１は、格子状に形成される第２の柔軟部材１２における格子空間１２ａに略隙間なく挿通されており、該第１の柔軟部材１１の底面は前記皮膚底部２に接着固定され、固着している。

そして、前記第１の柔軟部材１１は、その高さ寸法ｈ１が、第２の柔軟部材１２の高さ寸法ｈ２よりも大きくなるように構成されており、該第１の柔軟部材１１は第２の柔軟部材１２よりも表面側（図２における上側）に突出している。
逆に言えば、第２の柔軟部材１２は、第１の柔軟部材１１よりも皮膚底部２側へ埋没している。

前記第１の柔軟部材１１は、例えばシリコン樹脂やウレタン樹脂やゴム等の柔軟な弾性部材にて構成されており、前記第２の柔軟部材１２は、ポリイミド樹脂やフッ素系樹脂等の、第１の柔軟部材１１の硬度よりも高い硬度を有する部材にて構成されている。
また、前記第１の柔軟部材１１が有する摩擦係数は、第２の柔軟部材１２が有する摩擦係数よりも大きく構成されている。
すなわち、第１の柔軟部材１１と第２の柔軟部材１２とは、「第１の柔軟部材１１の摩擦係数＞第２の柔軟部材１２の摩擦係数」となる関係、および「第１の柔軟部材１１の硬度＜第２の柔軟部材１２の硬度」となる関係を有している。

なお、第２の柔軟部材１２の摩擦係数は、第１の柔軟部材１１の摩擦係数よりも低く構成されるが、該第２の柔軟部材１もある程度の摩擦係数を有することが好ましい。例えば、一対の第２の柔軟部材１２を物体の両側から圧接させることで、該第２の柔軟部材１２と物体との間に生じる摩擦力により物体を把持することができる程度の摩擦係数を有することが好ましい。

また、第２の柔軟部材１２の硬度は、第１の柔軟部材１１の硬度よりも高く構成されているが、該第２の柔軟部材１もある程度の柔軟性を有することが好ましい。
また、前記外枠４は、第２の柔軟部材１２の硬度よりも高い硬度または同程度の硬度を有する部材にて構成されている。

このように構成される人工皮膚１は、例えば図３に示すように、ロボットハンドに備えられる一対の把持アーム６・６の把持面６ａ・６ａに貼設され、該把持アーム６・６にて物体Ｗを把持する際には、人工皮膚１の表皮部３が物体Ｗに当接することとなる。
詳しくは、把持アーム６・６が物体Ｗを把持する場合、人工皮膚１の表皮部３のうち、少なくとも第１の柔軟部材１１が物体Ｗに当接して、主に柔軟部材１１が有する摩擦力により物体Ｗが把持される。

また、第１の柔軟部材１１の周囲に存在する第２の柔軟部材１２は、該第１の柔軟部材１１に接触する状態で配置され、該第１の柔軟部材１１よりも高い硬度を有する部材にて構成されており、第１の柔軟部材１１に物体Ｗからの圧力が加わった場合に、該第１の柔軟部材１１を支持する役割を果たしている。これにより、物体Ｗを把持した場合に、第１の柔軟部材１１が歪んだり捩れたりすることが防止され、該第１の柔軟部材１１の姿勢が維持される。

このように、本人工皮膚１においては、表皮部３のうち、主に第１の柔軟部材１１が物体Ｗを把持するための役割を果たし、主に第２の柔軟部材１２が前記第１の柔軟部材１１を支持して姿勢を維持する役割を果たしている。
すなわち、人工皮膚１においては、柔軟で大きな摩擦係数を有する第１の柔軟部材１１により物体Ｗを確実に把持しつつ、第１の柔軟部材１１の周囲に存在し、比較的高い硬度を有する第２の柔軟部材１２により該第１の柔軟部材１１を支持し、第１の柔軟部材１１が把持した物体Ｗの重さやモーメントにより歪んだり捩れたりすることを防止して、物体Ｗを安定して把持するように構成している。

特に、本人工皮膚１では、第１の柔軟部材１１の方が第２の柔軟部材１２よりも表面側に突出していて、物体Ｗを把持したときに第１の柔軟部材１１のみが高い面圧で物体Ｗに当接することとなるため、物体Ｗを軽く把持した場合でも高い把持力を生じさせることができ、物体Ｗを確実に安定して把持することができる。

また、第２の柔軟部材１２は、該第２の柔軟部材１２よりも高い硬度または同程度の硬度を有する部材にて構成される外枠４に接着固定されており、該外枠４は皮膚底部２に接着固定されているので、力や圧力がかかった場合の変形に対する強度が高くなっており、把持した物体Ｗからの力や圧力が第１の柔軟部材１１にかかった場合には、第２の柔軟部材１２により該第１の柔軟部材１１を確実に支持して、第１の柔軟部材１１の変形を防止して姿勢を維持することができる。

さらに、第１の柔軟部材１２自身も、その底部が皮膚底部２に接着固定されているため、例えば第１の柔軟部材１２の下層にスポンジ等の柔軟な部材を配置した場合に比べて、力や圧力がかかった場合の変形に対する強度が高くなっており、物体Ｗを安定的に把持することが可能となっている。

なお、物体Ｗを把持アーム６・６により比較的緩やかに把持した場合には、前述のように第１の柔軟部材１１のみで物体Ｗを把持することとなるが、把持アーム６・６が大きな把持力で物体Ｗを把持した場合には、図４に示すように、第１の柔軟部材１１が沈み込んで該第１の柔軟部材１１と第２の柔軟部材１２との高さが略同じとなり、第１の柔軟部材１１と第２の柔軟部材１２との両方が物体Ｗと当接した状態で物体Ｗを把持することとなる。
つまり、この場合、物体Ｗは、主に第１の柔軟部材１１により把持されつつ、第２の柔軟部材１２によっても補助的に把持されることになる。

また、前述の人工皮膚１では、第２の柔軟部材１２を格子状に形成し、該第２の柔軟部材１２の格子空間１２ａに第１の柔軟部材１１を配置して表皮部３を構成していたが、該表皮部３の構成はこれに限るものではなく、次のように構成することもできる。
つまり、図５に示すように、第１の柔軟部材１１と第２の柔軟部材１２とを、略同じ大きさの矩形状に形成して、市松模様のごとく互いに千鳥状に配置することもできる。
この場合も、外枠４に隣接してい配置されている第２の柔軟部材１２は、該外枠４と接着固定されている。

また、図６に示すように、第１の柔軟部材１１および第２の柔軟部材１２を、共に直線状に形成して交互に配置し、縞模様状の表皮部３に構成することもできる。
この場合も、各第２の柔軟部材１２の端部は外枠４に接着固定されている。

さらに、図７に示すように、円柱形状に形成した複数の第１の柔軟部材１１を皮膚底部２上に立設し、皮膚底部２上の第１のその他の部分に第２の柔軟部材１２を配置することもできる。
この場合も、第２の柔軟部材１２の外枠４と接する部分は、該外枠４に接着固定されている。また、円柱形状に形成される第１の柔軟部材１１の径寸法は、全ての第１の柔軟部材１１について同じに構成することもでき、各第１の柔軟部材１１によって適宜異なる寸法に設定することも可能である。
このように、第１の柔軟部材１１および第２の柔軟部材１２は、格子状、市松模様状、および縞模様状等に配置することができ、さらにはハニカム構造状等の幾何学模様状に配置することができる。

また、通常、第１の柔軟部材１１を平面視において矩形状に形成した場合、物体Ｗが第１の柔軟部材１１の先端面に圧接すると、物体Ｗからかかる圧力によって、前記先端面のエッジ部やコーナー部に応力が集中し、該第１の柔軟部材１１におけるエッジ部やコーナー部が破損し易くなる。
しかし、本例の場合、第１の柔軟部材１１を円柱形状に形成されているので、把持される物体Ｗが第１の柔軟部材１１に圧接した場合でも、該第１の柔軟部材１１の表面側のエッジ部での応力集中を緩和することができ、第１の柔軟部材１１が破損することを防止することができ、物体Ｗを長期にわたって安定的に把持することが可能となっている。

また、前述の図２等に示した人工皮膚１では、第２の柔軟部材１１は皮膚底部２から表皮部３の表面側まで貫通している（すなわち、第２の柔軟部材１２の底部は皮膚底部２に接しており、先端部は表皮部３の表面側に露出している）が、第２の柔軟部材１２は必ずしも皮膚底部２から表面側まで貫通している必要はない。
例えば、図８、図９に示すように、第１の柔軟部材１１を、第２の柔軟部材１２の先端面を覆うようにして配置し、該第２の柔軟部材１２が第１の柔軟部材１１に埋没するように構成することも可能である。
なお、第２の柔軟部材１２の端部は外枠４に接着固定されている。

この場合、人工皮膚１の表皮部３の表面全体を第１の柔軟部材１１が覆っているため、物体Ｗを把持するときには、該表皮部３の全面が該物体Ｗに接触することとなるが、表皮部３の内部では第２の柔軟部材１２が第１の柔軟部材１１を支持して変形を防いでいるため、把持した物体Ｗが揺れたりふらついたりすることはなく、安定して把持することができる。
また、第２の柔軟部材１２の先端部を球面状に形成することで、物体Ｗを把持した際に、第２の柔軟部材１２先端部の近傍に位置する、第１の柔軟樹脂１１に応力が集中することを防止することができ、該第１の柔軟樹脂１１の破損２を防ぐことができる。

また、人工皮膚１は、図１０に示すように、第２の柔軟部材１２を、その底部が皮膚底部２に連結されずに離れた状態となるように配置して構成することもできる。
この場合も、第２の柔軟部材１２の端部は外枠４に接着固定されている。
また、図１０に示した例では、例えば、第１の柔軟部材１１と第２の柔軟部材１２との高さが同じ高さに設定されている。
なお、本例では、第２の柔軟部材１２の底部を球状に形成して、物体Ｗを把持した際に、該第２の柔軟部材１２の底部近傍に位置する第１の柔軟部材１１に応力が集中して破損してしまうことを防いでいる。

さらに、人工皮膚１においては、図１１に示すように、第２の柔軟部材１２の底部と先端部とを球状に形成し、該第２の柔軟部材１２の底部を皮膚底部２に接続するとともに、先端部を表皮部３の表面側に露出させ、さらに第１の柔軟部材１１と第２の柔軟部材１２との高さを同じ高さに設定することもできる。
このように構成することで、物体Ｗを把持した際に、該第２の柔軟部材１２の底部近傍および先端部近傍に位置する第１の柔軟部材１１に応力が集中して破損してしまうことを防ぐことができる。
また、本例では、外枠４の先端部（図１１における上端部）を球面状に形成し、外枠４に隣接する部分の第１の柔軟部材１１に応力が集中して破損することを防止することもできる。

また、人工皮膚１においては、図１２に示すように、第２の柔軟部材１２を第１の柔軟部材１１よりも表面側へ突出させて表皮部３を構成することもできる。
このように構成される人工皮膚１を用いて物体Ｗを把持する場合は、第１部材よりも硬い部材にて構成され、その端部が前記外枠４に接着固定されている第２の柔軟部材１２が、物体Ｗに当接することとなるため、該物体Ｗからの圧力を受ける第２の柔軟部材１２が歪みや捩れが生じることがなく、物体Ｗを安定して把持することができる。

このように、第２の柔軟部材１２を第１の柔軟部材１１よりも突出させて表皮部３を構成した場合、第１の柔軟部材１１よりも小さな摩擦係数を有する第２の柔軟部材１２が物体Ｗに当接することとなるので、第１の柔軟部材１１を第２の柔軟部材１２よりも突出させた場合に比べて、小さな摩擦力にて物体Ｗを把持することとなる。

なお、物体Ｗを比較的緩やかに把持した場合には、前述のように第２の柔軟部材１２のみで物体Ｗを把持することとなるが、大きな把持力で物体Ｗを把持した場合には、第２の柔軟部材１２が沈み込んで該第２の柔軟部材１２と第１の柔軟部材１１との高さが略同じとなり、第２の柔軟部材１２と第１の柔軟部材１１との両方が物体Ｗと当接した状態で物体Ｗを把持することとなる。

人工皮膚の第１の実施形態を示す平面図である。 人工皮膚の第１の実施形態を示す側面断面図である。 人工皮膚により把持面を覆った把持アームが物体を把持した状態を示す側面断面図である。 物体を大きな把持力で把持した場合に第１の柔軟部材が沈み込んで、該第１の柔軟部材および第２の柔軟部材の両方が物体に当接した状態を示す側面断面図である。 人工皮膚の第２の実施形態を示す平面図である。 人工皮膚の第３の実施形態を示す平面図である。 人工皮膚の第４の実施形態を示す平面図である。 人工皮膚の第５の実施形態を示す側面断面図である。 人工皮膚の第５の実施形態を示す平面図である。 人工皮膚の第６の実施形態を示す側面断面図である。 人工皮膚の第７の実施形態を示す側面断面図である。 人工皮膚の第８の実施形態を示す側面断面図である。

符号の説明

１ 人工皮膚
２ 皮膚底部
３ 表皮部
４ 外枠
１１ 第１の柔軟部材
１２ 第２の柔軟部材

Claims (5)

1. シート状部材にて構成される皮膚底部と、
   該皮膚底部の表面上に部分的に配置される第１の柔軟部材、および前記皮膚底部の表面上における、前記第１の柔軟部材が配置されていない部分に配置される第２の柔軟部材により構成される表皮部とを備え、
   前記第１の柔軟部材は、前記第２の柔軟部材よりも摩擦係数が大きく、かつ、硬度が低く構成される、
   ことを特徴とする人工皮膚。
2. 前記第１の柔軟部材は、前記皮膚底部に固着されていることを特徴とする請求項１に記載の人工皮膚。
3. 前記人工皮膚は、前記表皮部の周囲を囲む外枠をさらに備え、
   前記第２の柔軟部材は前記外枠に連結されている、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の人工皮膚。
4. 前記第１の柔軟部材は、前記第２の柔軟部材よりも表皮側に突出している、
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の人工皮膚。
5. 前記第１の柔軟部材を円柱形状に形成した、
   ことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の人工皮膚。
   
   
   

Images