JP2009284924A - 物体把持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】円筒形状体を用いていたので、関節駆動用アクチュエータの装着バンドとして用いた場合に、関節に通しづらかった。また、把持力制御は大型システムで高製造コストで行っていた。
【解決手段】平板形状体１１は複数の剛体１１１よりなり、これらの両端をヒンジ結合１１１ａによって接続してあり、従って、湾曲可能になっている。偏平アクチュエータ１２においては、偏平チューブ１２１を複数個並列接続する。さらに、偏平アクチュエータ１２においては、帆布よりなる柔軟体１２２を一定間隔で剛体１１１に貼り付けてある。剛体１１１の中点に貼り付けてある。この柔軟体１２２と剛体１１１との間の各空隙に１つの偏平チューブ１２１が挿入されている。非把持状態（非湾曲状態）において、偏平チューブ１２１に空気を供給すると、把持状態（湾曲状態）において、各偏平チューブ１２１から半径方向の力f_rが発生する。
【選択図】 図４

Description

本発明は物体把持装置、たとえば身体関節部に運動を促す関節駆動用アクチュエータを自動的に装着するための装着バンドとして作用する物体把持装置に関する。

関節駆動用アクチュエータを人体の上肢に装着する場合、装着バンドによって自動的に装着する。従来、このような装着バンドとして作用する物体把持装置は自動的に伸縮する円筒形状体を備えている。

しかしながら、上述の従来の物体把持装置は、屈曲姿勢を取る関節には通しづらいという課題があった。

また、上述の従来の物体把持装置においては、たとえば関節駆動用アクチュエータの装着バンドとして用いた場合、装着部品に関連する関節の動作に伴う装着部位の物体（身体）の変化する大きさあるいは太さに応じて適度の把持力を発揮させる必要がある。しかしながら、そのためには、有機的に接続された感圧センサ、制御用マイクロコンピュータ、電容レギュレータ等を必要とし、制御システムが大型化し、かつ製造コストが高いという課題があった。

上述の課題を解決するために、本発明に係る物体把持装置は、物体を把持するための湾曲自在の平板形状体と、この平板形状体を湾曲させるための複数の偏平チューブを含む偏平アクチュエータとを具備するものである。

また、偏平アクチュエータは平板形状体の湾曲側に設けられ、複数の偏平チューブは並列に配列され、各偏平チューブの偏平方向は平板形状体に平行である。これにより、全体は湾曲方向つまり半径方向の力によって偏平アクチュエータ側に湾曲する。この際の各偏平チューブの力は湾曲方向つまり半径方向に作用するので、半径隆起型の物体把持装置と呼ぶことができる。

さらに、偏平アクチュエータは平板形状体の非湾曲側に設けられ、複数の偏平チューブは並列に配列され、各偏平チューブの偏平方向は平板形状体に垂直である。これにより、全体は湾曲方向に垂直な接線方向の力によって偏平アクチュエータと反対側に湾曲する。この際の各偏平チューブの力は湾曲方向に垂直な接線方向に作用するので、接線伸張型の物体把持装置と呼ぶことができる。

さらに、装置の把持力を制御する把持力制御ユニットを具備する。これにより、把持力制御が簡易化し、その制御システムも低製造コストとなる。
また、装置の湾曲側に設けられたゲル状マットを具備する。これにより、物体との接触面積が増加する。

本発明によれば、平板形状体を用いているので、関節駆動用アクチュエータの装着バンドとして用いた場合に、関節に通し易くなる。また、把持力制御を簡易化かつ低製造コストで行うことができる。

図１は本発明に係る物体把持装置を装着バンドとして用いた場合を説明する図であって、（Ａ）は装着前、（Ｂ）は装着後を示す。

図１においては、物体（人体）１０１の上肢である前腕、上腕に関節駆動用アクチュエータ１０２を装着するために、物体把持装置１０３−１、１０３−２が関節駆動用アクチュエータ１０２に固定されている。図１の（Ａ）の装着前状態では、物体把持装置１０３−１、１０３−２の平板形状体（図示せず）が非湾曲状態にある。次に、片手のボタン操作を行うと、図１の（Ｂ）の装着後状態に移り、物体把持装置１０３−１、１０３−２の平板形状体が湾曲し、この結果、関節駆動用アクチュエータ１０２は物体（人体）に自動的に装着されることになる。

図２は図１の物体把持装置１０３−１、１０３−２に用いられる偏平チューブを示す断面図であり、（Ａ）は偏平状態、（Ｂ）は非偏平状態を示す。

偏平チューブはたとえば直径10mmの熱可塑性チューブたとえばウレタンチューブを加熱した状態で偏平させ、そのまま冷却させることによって得られる。偏平チューブの内圧を高めないと、図２の（Ａ）に示すごとく、偏平状態となり、他方、偏平チューブの内圧を高めると、図２の（Ｂ）に示すごとく、外周長を変化しないまま膨張状態となり、この結果、偏平方向と垂直方向に力ｆが発生する。

図３は本発明に係る物体把持装置の第１の実施の形態を示す概略図であって、（Ａ）は非把持状態（非湾曲状態）、（Ｂ）は把持状態（湾曲状態）を示す。

図３の物体把持装置は、物体を把持するための湾曲可能な平板形状体１１と、この平板形状体１１の湾曲側に設けられた、平板形状体を湾曲させるための偏平アクチュエータ１２とによって構成されている。偏平アクチュエータ１２においては、平板形状体１１に平行に偏平方向を有する複数の偏平チューブ１２１が並列に設けられ、また、複数の偏平チューブ１２１は１つの結合チューブ（図示せず）に接続されている。

図３の物体把持装置の動作を説明する。

始めに、結合チューブから空気を送入しない場合、偏平チューブ１２１は偏平状態となり、この結果、図３の（Ａ）に示すごとく、平板形状体１１は非湾曲状態となり、非把持状態となる。

次に、結合チューブを介して偏平チューブ１２１に空気を送入してその内圧を高めると、偏平チューブ１２１は非偏平状態（膨張状態）となり、この結果、図３の（Ｂ）に示すごとく、各偏平チューブ１２１から半径方向の力f_rが発生すると共に、平板形状体１１の接線方向に縮む力が作用する。従って、平板形状体１１は湾曲状態となり、把持状態となる。

図３の物体把持装置の湾曲状態は、平板形状体１１の半径方向の力f_rによる隆起によって行われるので、半径隆起型物体把持装置と呼ぶことにする。

図３の半径隆起型物体把持装置の詳細を図４を参照して説明する。図４に示すように、平板形状体１１はたとえばアルミニウム製の複数の剛体１１１よりなり、これらの両端をヒンジ結合１１１ａによって接続してあり、従って、湾曲可能になっている。また、偏平アクチュエータ１２においては、長さ50mmの偏平チューブ１２１をたとえば１３個（図４においては、５個）並列接続する。つまり、偏平アクチュエータ１２においては、幅50mm、厚さ11mm、長さ210mmとなる。さらに、偏平アクチュエータ１２においては、帆布よりなる柔軟体１２２を一定間隔で剛体１１１に貼り付けてある。好ましくは、柔軟体１２２は剛体１１１の中点に貼り付けてある。この柔軟体１２２と剛体１１１との間の各空隙に１つの偏平チューブ１２１が挿入されている。図４の（Ａ）の非把持状態（非湾曲状態）において、１つの結合チューブ（図示せず）より偏平チューブ１２１に0.4MPaの空気を供給すると、図４の（Ｂ）の把持状態（湾曲状態）において、各偏平チューブ１２１から半径方向の力f_rが発生し、この結果、各折り部の変位量は約30°、末端把持力は約20Nとなる。尚、末端把持力とは物体把持装置の先端が物体（身体）に垂直にかける押付力をいう。

図５は本発明に係る物体把持装置の第２の実施の形態を示す概略図であって、（Ａ）は非把持状態（非湾曲状態）、（Ｂ）は把持状態（湾曲状態）を示す。

図５の物体把持装置は、物体を把持するための湾曲可能な平板形状体２１と、この平板形状体２１の非湾曲側に設けられ、平板形状体を湾曲させるための偏平アクチュエータ２２とによって構成されている。偏平アクチュエータ２２においては、平板形状体１１に垂直に偏平方向を有する複数の偏平チューブ２２１が並列に設けられ、この場合、各偏平チューブ２２１は図５の下側において平板形状体２１に拘束されている。また、複数の偏平チューブ２２１は後述するように、ジグザグ状に１つのチューブによって構成されている。

図５の物体把持装置の動作を説明する。

始めに、偏平チューブ２２１に空気を送入しない場合、偏平チューブ２２１は偏平状態となり、この結果、図５の（Ａ）に示すごとく、平板形状体２１は非湾曲状態となり、非把持状態となる。

次に、偏平チューブ２２１に空気を送入してその内圧を高めると、偏平チューブ２２１は外周を変化しないまま膨張状態となり、この結果、図５の（Ｂ）に示すごとく、各偏平チューブ２２１から接線方向の力f_tが発生する。このとき、偏平チューブ２２１の底部が平板形状体２１に固定されているので、平板形状体２１は湾曲状態となり、把持状態となる。

図５の物体把持装置の湾曲状態は、平板形状体２１の接線方向の力f_tによる伸張によって行われるので、接線伸張型物体把持装置と呼ぶことにする。

図６は図５の偏平チューブ２２１の構成を説明するための図である。すなわち、図６の（Ａ）に示すように、図５の偏平チューブ２２１は図２の（Ａ）に示す偏平状態の１つのチューブをジグザグに折り畳んで内側の折り目を糸６１で拘束することによって製造できる。この偏平チューブ２２１の内圧を高めると、図６の（Ｂ）に示すごとく、各偏平チューブ２２１は図２の（Ｂ）に示す外周を変えないまま膨張状態に戻ろうとする。このとき、ジグザグに折り畳んだチューブの糸を一方側（拘束側）を拘束すると、非拘束側と拘束側との間で長さの差が生じ、全体として拘束側に湾曲することになる。

図５の接線伸張型物体把持装置の詳細を図７を参照して説明する。図７に示すように、平板形状体２１は帆布２１１よりなり、従って、湾曲可能である。この帆布２１１には所定間隔で穴２１２が設けられている。偏平アクチュエータにおいては、偏平チューブ２２１をたとえば３３個（図７においては、２０個）並列接続する。尚、上述のごとく、３３個の偏平チューブ２２１は１つの偏平チューブを折り曲げて製造する。偏平アクチュエータ２２においては、幅50mm、厚さ15mm、長さ150mmとなる。これら偏平チューブ２１０を糸２２２（図６の糸６１相当）によって帆布２１１に固定（拘束）する。その際には、糸２２２を帆布２１１の穴２１２に通す。図７の（Ａ）の非把持状態（非湾曲状態）において、偏平チューブ２２１に0.3MPaの空気を供給すると、図７の（Ｂ）に示すごとく、各偏平チューブ２２１から接線方向の力f_tが発生し、折り部の変位量は約60°、末端把持力は約30Nとなる。

図８は図３、図５の物体把持装置に把持力制御ユニットを付加した図である。図８において、図３、図５の物体把持装置８０１は物体（人体）８０２を把持する。この物体把持装置８０１に把持力制御ユニット８０３が固定されている。

把持力制御ユニット８０３は、物体把持装置８０１の湾曲方向に設けられたΛバルブ８０３１、物体把持装置８０２の非湾曲方向に設けられたΛバルブ８０３２、Λバルブ８０３１の偏平チューブ（図９参照）の空気排出口とΛバルブ８０３２の偏平チューブ（図９参照）の空気送入口とを接続する管８０３３、及びΛバルブ８０３１の流体袋（図９参照）とΛバルブ８０３２の流体袋（図９参照）とを接続する管８０３４より構成されている。尚、流体袋には非圧縮製流体たとえば水が封入されている。

図９に示すように、図８のΛバルブ８０３１、８０３２においては、偏平チューブ９０１を折り曲げてその間に流体袋９０２を挟み込んだ構造となっている。図９の（Ａ）の座屈状態においては、流体袋９０２がしぼんでいるので、偏平チューブ９０１に空気を供給しても、空気は流れない。他方、図９の（Ｂ）の非座屈状態においては、流体袋９０２が膨張しているので、偏平チューブ９０１に空気を供給すると、空気は流れる。

次に、図８の把持力制御ユニット８０３の動作を図１０、図１１、図１２を参照して説明する。

図１０は把持力が適正値より小さい場合である。この場合、Λバルブ８０３１の流体袋は膨張状態にある（あるいは膨張状態に移行する）。この結果、水の供給によりΛバルブ８０３２の流体袋はしぼんだ状態にある（あるいはしぼんだ状態に移行する）。従って、Λバルブ８０３１の偏平チューブに供給された空気はΛバルブ８０３２の偏平チューブの座屈状態によって止められ、これにより、Λバルブ８０３１の流体袋の膨張状態によって適正な把持力が達成される。

図１１は把持力が適正値より大きい場合である。この場合、Λバルブ８０３１の流体袋は座屈状態にある（あるいは座屈状態に移行する）。この結果、水の供給によりΛバルブ８０３２の流体袋は膨張状態にある（あるいは膨張状態に移行する）。従って、Λバルブ８０３２の偏平チューブに供給された空気は排出される。これにより、Λバルブ８０３１の流体袋の座屈状態によって適正な把持力が達成される。

図１２は把持力が適正値の場合である。この場合、Λバルブ８０３１の流体袋は座屈状態と膨張状態の中間にある（あるいは中間状態に移行する）。この結果、Λバルブ８０３１の流体袋及びΛバルブ８０３２の流体袋は中間状態にある（あるいは中間状態に移行する）。従って、Λバルブ８０３１の偏平チューブ及びΛバルブ８０３２の偏平チューブに供給された空気は適度に排出される。これにより、Λバルブ８０３１の流体袋の中間状態によって適正な把持力が達成される。

このように、いずれの場合でも、把持力は適正となる。尚、この適正値は、空気の圧力によって定まる。

尚、図８の把持力制御ユニット８０３は物体把持装置８０１に固定されており、従って、全体として、物体把持装置として作用する。

図１３は図３、図５の物体把持装置にゲル状マットを付加した図である。図１３において、図３、図５の物体把持装置８０１は物体（人体）８０２を把持する。この物体把持装置８０１の湾曲側にゲル状マット１３０３が固定されている。このゲル状マット１３０３により、物体把持装置８０１が物体（人体）８０２に接触する接触面積が増加し、この結果、物体（人体）８０２に加わる力を軽減できる。

尚、図１３のゲル状マット１３０３は物体把持装置８０１に固定されており、従って、全体として、物体把持装置として作用する。

本発明に係る物体把持装置を装着バンドとして用いた場合を説明する図であって、（Ａ）は装着前、（Ｂ）は装着後を示す。 図１の物体把持装置に用いられる偏平チューブを示す断面図であって、（Ａ）は偏平状態、（Ｂ）は非偏平状態（膨張状態）を示す。 本発明に係る物体把持装置の第１の実施の形態を示す概略図であって、（Ａ）は非把持状態（非湾曲状態）、（Ｂ）は把持状態（湾曲状態）を示す。 図３の物体把持装置の詳細を示す図であって、（Ａ）は非把持状態（非湾曲状態）、（Ｂ）は把持状態（湾曲状態）を示す。 本発明に係る物体把持装置の第２の実施の形態を示す概略図であって、（Ａ）は非把持状態（非湾曲状態）、（Ｂ）は把持状態（湾曲状態）を示す。 図５の偏平チューブの平面図であって、（Ａ）は偏平状態、（Ｂ）は非偏平状態（膨張状態）を示す。 図５の物体把持装置の詳細を示す図であって、（Ａ）は非把持状態（非湾曲状態）、（Ｂ）は把持状態（湾曲状態）を示す。 図３、図５の物体把持装置に把持力制御ユニットを付加した図である。 図８のΛバルブを説明する図であって、（Ａ）は座屈状態、（Ｂ）は非座屈状態を示す。 図８の把持力制御ユニットの動作を説明する図である。 図８の把持力制御ユニットの動作を説明する図である。 図８の把持力制御ユニットの動作を説明する図である。 図３、図５の物体把持装置にゲル状マットを付加した図である。

符号の説明

１１：平板形状体
１２：偏平アクチュエータ
２１：平板形状体
２２：偏平アクチュエータ
６１：糸
１０１：物体（人体）
１０２：関節駆動用アクチュエータ
１０３−１、１０３−２：物体把持装置
１１１：剛体
１２１：偏平チューブ
１２２：柔軟体
２１１：帆布
２１２：穴
２２１：偏平チューブ
８０１：物体把持装置
８０２：物体（人体）
８０３：把持力制御ユニット
９０１：偏平チューブ
９０２：流体袋
１３０１：ゲル状マット
８０３１、８０３２：Λバルブ
８０３３、８０３４：管

Claims (11)

1. 物体を把持するための湾曲自在の平板形状体（１１、２１）と、
   該平板形状体を湾曲させるための複数の偏平チューブ（１２１、２２１）を含む偏平アクチュエータ（１２、２２）と
   を具備する物体把持装置。
2. 前記偏平アクチュエータ（１２）は前記平板形状体の湾曲側に設けられ、
   前記複数の偏平チューブは並列に配列され、
   前記各偏平チューブの偏平方向は前記平板形状体に平行である請求項１に記載の物体把持装置。
3. 前記平板形状体（１１）は複数の剛体よりなり、該剛体はヒンジ結合によって接続された請求項２に記載の物体把持装置。
4. さらに、前記偏平アクチュエータ（１２）は前記偏平チューブを前記剛体に貼り付けられた柔軟体（１２２）を具備し、該柔軟体と前記剛体との間の空隙に前記偏平チューブを挿入した請求項３に記載の物体把持装置。
5. 前記柔軟体は帆布である請求項４に記載の物体把持装置。
6. 前記偏平アクチュエータ（２２）は前記平板形状体の非湾曲側に設けられ、
   前記複数の偏平チューブは並列に配列され、
   前記各偏平チューブの偏平方向は前記平板形状体に垂直である請求項１に記載の物体把持装置。
7. 前記平板形状体（２１）は所定間隔で穴（２１２）が設けられた帆布（２１１）よりなり、前記各偏平チューブは糸（２２２）を前記帆布の穴を通すことにより前記帆布に拘束された請求項６に記載の物体把持装置。
8. 前記複数の偏平チューブは１つの偏平チューブを折り畳むことにより構成された請求項６に記載の物体把持装置。
9. さらに、前記装置の把持力を制御する把持力制御ユニット（８０３）を具備する請求項１に記載の物体把持装置。
10. 前記把持力制御ユニットは、
    前記装置の湾曲側に設けられ、第１の偏平チューブ及び該第１の偏平チューブを折り曲げてその間に挟み込まれた第１の流体袋を有する前記物体に接触するための第１のΛバルブ（８０３１）と、
    前記装置の非湾曲側に設けられ、第２の偏平チューブ及び該第２の偏平チューブを折り曲げてその間に挟み込まれた第２の流体袋を有する第２のΛバルブ（８０３２）と、
    前記第１の偏平チューブの排出口と前記第２の偏平チューブの供給口とを接続する第１の管（８０３３）と、
    前記第１の流体袋と前記第２の流体袋とを接続する第２の管（８０３４）と
    を具備する請求項９に記載の物体把持装置。
11. さらに、前記装置の湾曲側に設けられたゲル状マット（１３０１）を具備する請求項１に記載の物体把持装置。
    

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