JP2016162981A - 改質ｍｒ流体及びこの改質ｍｒ流体を用いた把持機構並びに把持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のＭＲ流体より相対比重が小さく、グリッパ等に用いた場合は、把持力（剪断強度）が大きい改質ＭＲ流体及びこの改質ＭＲ流体を用いた把持機構並びに把持装置を提供する。
【解決手段】改質ＭＲ流体（Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｆｌｕｉｄ）１１は、ベース液と、ベース液中に分散状態で存在する強磁性体微粒子２５とを有するＭＲ流体２７に、強磁性体微粒子２５のサイズより大きく強磁性体微粒子２５の比重より小さい非磁性粉体２６を混入し、磁化時の保持強度を向上する。
【選択図】図５

Description

本発明は、強磁性体の微粒子を液体中に分散させたＭＲ流体を更に改良した改質ＭＲ流体及びこれを用いた把持機構並びに把持装置に関する。

非特許文献１〜３に示すように、液体中に強磁性超微粒子を界面活性剤等を用いて、極めて安定に分散させたコロイド溶液からなるＭＲ流体(Magneto Rheological Fluid）が知られている。そして、このＭＲ流体を、ダンパ、アクチュエータ、シール、クラッチに使用することが開示されている。また、特許文献１には、このようなＭＲ流体の構成及びその製造方法が開示され、特許文献２には、このＭＲ流体を用いた物品の把持装置も提案されている。

また、産業用ロボットのエンドエフェクタ（把持機構）は、多様な作業工程に合わせて様々なものが存在する。物体把持に使用するエンドエフェクタを特にグリッパと呼び、対象の形状や姿勢に応じた適切なグリッパへの自動交換は、産業用ロボットの作業工程では一般的である。しかし、適切なグリッパの選定や交換作業、選定されたグリッパによる対象の把持計画、把持開始から完了までの対象の姿勢推定などのために複雑な計算が必要であり、これら一連の作業は、ロボットによる効率的な作業のボトルネックになっている。現在までに、エンドエフェクタの形状や機構、把持計画に関する数多くの研究が行われており、近年、把持物体の姿勢認識とグリッパの交換の手順を省略し、作業効率を向上させるために非特許文献４に示すような、真空を利用して多様な形状物を自在に把持するエンドエフェクタ(ユニバーサルジャミンググリッパ、以下単に「グリッパ」と称する)の発明が報告されている。

このグリッパ７０の概要を図６に示すが、グリッパ７０はロボットアームの先部に取付けられる支持部材７１と、支持部材７１の下部に装着されるゴム球体７２と、ゴム球体７２を支持部材７１の下部に取外し可能に取付ける締結リング７３と、ゴム球体７２内に収納されるコーヒ豆の粉７４と、支持部材７１の排気口７５、７６に接続される図示しない真空ポンプとを有している。このグリッパ７０の使用にあっては、１）対象物にゴム球体７２を押し当てゴム球体７２を対象物の形状に倣わせる、2）真空ポンプを動作させてゴム球体７２内の空気を抜き、ジャミング現象によりゴム球体７２を固化させる、3）ロボットアームを動作させ対象物を持ち上げるという動作を行う。

特表２００６−５０５９５７号公報 特開２００４−１５４９０９号公報

藤田豊久、島田邦雄、「ＭＲ流体の特性とその応用」、日本応用磁気学会誌、Vol.27,.No3,2003、ｐ９１−１００ 阿部浩也、近藤光、中山真也、内藤牧男、「ナノ粒子分散系のレオロジー制御と機能性材料の応用」粉砕Ｎｏ．５４（２０１１） 吉田和弘、鄭淵午 横田眞一「ＭＲ流体を弁体としたマイクロバルブ」、日本機械学会論文集Ｃ、６９巻６８２号ｐｐ１６３３／１６３９、（２００３） アメンド、ブラウン、ローデンベルグ、ジェイガー、リプソン、「粉体ジャミングを基にした正圧ユニバーサルグリッパ」、トランザクションオンロボティクス 2012年4月(Amend, J.R., Jr., Brown, E., Rodenberg, N., Jaeger, H., Lipson, H., "A Positive Pressure Universal Gripper Based on the Jamming of Granular Material,"IEEE Transactions on Robotics, vol.28, pp.341-350, Apr.2012.)

しかしながら、非特許文献１〜３、特許文献１、特許文献２に記載されたＭＲ流体は、強磁性体の微粒子として、鉄粉等の金属磁性体を使用しているので、ＭＲ流体の相対比重が大きくなるという問題があった。また、従来のＭＲ流体のみでは、磁化した場合のＭＲ流体の粘性及び剪断強度が比較的小さいという問題があった。
非特許文献４に記載されているグリッパ７０は、比較的重量も軽く、対象物を簡単に把持できるという利点はあるが、把持力は比較的小さく、更に把持力を発生させるジャミング現象は真空発生器によって発生する低気圧を利用するため、周囲の気圧が変動する場合や、水中などの圧力の高い場所、気温が変化しやすい環境などでは、利用が困難であるという問題が存在する。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、従来のＭＲ流体より相対比重が小さく、グリッパ等に用いた場合は、把持力（剪断強度）が大きい改質ＭＲ流体を提供すること、及びこの改質ＭＲ流体を用いた把持機構並びに把持装置を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第1の発明に係る改質ＭＲ流体は、ベース液と、該ベース液中に分散状態で存在する強磁性体微粒子とを有するＭＲ流体に、前記強磁性体微粒子のサイズより大きく該強磁性体微粒子の比重より小さい非磁性粉体を混入し、磁化時の保持強度を向上している。

第１の発明に係る改質ＭＲ流体において、前記非磁性粉体は、ガラス、プラスチック又はセラミックのパウダーからなるのが好ましい。なお、前記非磁性粉体は球状であるのが好ましく、更に、前記非磁性粉体は発泡プラスチックからなるのが好ましい。なお、前記非磁性粉体はＭＲ流体のベース液に溶けないこと及び反応もしないことは当然である。

そして、第１の発明に係る改質ＭＲ流体において、前記非磁性粉体の粒径は２ｍｍ以下であるのが好ましい。
また、第１の発明に係る改質ＭＲ流体において、該改質ＭＲ流体中の前記ＭＲ流体の割合は、４０〜８０％（体積％）の範囲（更に好ましくは４０〜６０体積％）にあるのが好ましい。

第２の発明に係る把持機構は、以上に記載した第１の発明に係る改質ＭＲ流体を用い、前記改質ＭＲ流体が収納された柔軟性を有する袋体と、該袋体の一側に配置され前記袋体に磁場をかけることが可能な電磁石とを有する。

第２の発明に係る把持機構において、前記電磁石は中央の磁極部とその周囲にある有底円筒状のヨーク部と前記磁極部に巻回されたコイルとを有し、前記ヨーク部の開放端に前記改質ＭＲ流体が充填された前記袋体が密封状態で取付けられているのが好ましい。

第２の発明に係る把持機構において、前記袋体への前記改質ＭＲ流体の充填率は４０〜７０％であるのが好ましい。
また、第２の発明に係る把持機構において、前記袋体はフランジ付きの半球状となっているのが好ましい。

第３の発明に係る把持装置は、以上に説明した第２の発明に係る把持機構をロボットアームの先側に取付けている。
第４の発明に係る把持装置は、以上に説明した第２の発明に係る把持機構を対向するロボットアームの先部に設け、対向配置された前記ロボットアームで対象物を挟持する。

第１の発明に係る改質ＭＲ流体は、従来のＭＲ流体に強磁性体微粒子のサイズより大きく強磁性体微粒子の比重より小さい非磁性粉体を混入しているので、全体の比重が従来のＭＲ流体より小さくなる。そして、この改質ＭＲ流体に磁場をかけると、サイズの大きい非磁性粉体が骨材として作用し、改質ＭＲ流体の磁化時の保持力、剪断強度が大きくなる。

第１の発明に係る改質ＭＲ流体において、非磁性粉体を、ガラス、プラスチック又はセラミックのパウダーから構成した場合は、非磁性粉体が軽くなると共に、粒の揃った非磁性粉体を容易に得ることができ、改質ＭＲ流体の物理的性質がより均一化する。
また、非磁性粉体を球状とした場合、又は非磁性粉体を発泡プラスチックから構成した場合は、より改質ＭＲ流体の比重が軽減し、物理的性質も均一化する。

第２の発明に係る把持機構は、以上に記載した第１の発明に係る改質ＭＲ流体を用い、改質ＭＲ流体が収納された柔軟性を有する袋体と、袋体の一側に配置され袋体に磁場をかけることが可能な電磁石とを有するので、袋体に対象物の一部又は全部を、その形状を保って把持することができる。

特に、第２の発明に係る把持機構において、袋体への改質ＭＲ流体の充填率を４０〜７０％とした場合は、袋体の表面に凹凸ができるので、対象物を嵌め込み易く、大きさが一定の範囲内であれば、任意の対象物を把持できる。

更に、第３の発明に係る把持装置は、以上に説明した第２の発明に係る把持機構をロボットアームの先側に取付けているので、把持機構を自由に動かせると共にその姿勢を変えることができる。
また、第４の発明に係る把持装置は、対向する以上に説明した第２の発明に係る把持機構をロボットアームの先部に設け、対向配置されたロボットアームで対象物を挟持するので、より大きな物を持ち上げることができる。

（Ａ）は本発明の一実施の形態に係る把持機構の斜視図、（Ｂ）は同把持機構の主要断面図である。 （Ａ）は同把持機構の電磁石の斜視図、（Ｂ）は同把持機構の電磁石の断面図である。 同把持機構を多関節ロボットのアームに取付けた把持装置の斜視図である。 （Ａ）は改質ＭＲ流体中のＭＲ流体の割合と把持力の関係を示すグラフ、（Ｂ）は非磁性粉体の粒子サイズと保持力との関係を示すグラフである。 （Ａ）は改質ＭＲ流体の動作説明図、（Ｂ）は従来例に係るＭＲ流体の動作説明図である。 従来例に係る把持機構（グリッパ）の断面図である。 ＭＲ流体に混合する非磁性体の種類と把持力に関する実験結果を示す説明図である。

続いて、添付した図面を参照しながら、本発明を具体化した実施の形態について説明する。図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る把持機構１０は、改質ＭＲ流体１１が収納された柔軟性を有する袋体１２と、袋体１２の一側（この実施の形態では上側）に配置され袋体１２に磁場をかける電磁石１３とを有する。

電磁石１３は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、中央に配置された磁性材料からなる磁極部１５と磁極部１５の周囲にある有底円筒状の磁性材料からなるヨーク部１６と、磁極部１５に巻回されたコイル１７と、磁極部１５の開放端に設けられた磁極部１５より大径の磁極板部１５ａとを有している。
袋体１２は、シリコンゴム等の耐油性、非磁性、かつ柔軟性を有するゴムシート又はプラスチックシートからなって、半球部１８と半球部１８の端部に一体的に設けられたフランジ部１９を有して、フランジ付きの半球状シートとなっている。半球部１８の直径Ｄは３０〜８０ｍｍ程度が好ましいが、把持する対象物によって異なるので、本発明はこの数字には限定されない。なお、袋体１２の厚みは例えば０．３〜２ｍｍ程度である。

そして、袋体１２はフランジ部１９を挟持する第１、第２の取付け部材２２、２３によって、電磁石１３の下部に設けられている。即ち、第１の取付け部材２２が、ヨーク部１６の下端にねじ止めされ、第１の取付け部材２２と第２の取付け部材２３がフランジ部１９を介して複数のボルト２４で連結されている。これによってヨーク部１６の開放端に袋体１２が密封状態で取付けられることになる。

袋体１２には、本発明の一実施の形態に係る改質ＭＲ流体１１が収納されている。改質ＭＲ流体１１の収納量（充填率）は、袋体１２の半径Ｒの半球部１８を一杯に膨らませた状態（体積Ｖ＝２πＲ³／３）の４０〜７０％の範囲となっている。改質ＭＲ流体１１の量がこの範囲より少ない場合は、改質ＭＲ流体１１の全体量が不足し、改質ＭＲ流体１１の量がこの範囲より多い場合は、袋体１２の把持空間が少なくなるが、改質ＭＲ流体１１の量は用途に応じてこの範囲を超えることもできる。

改質ＭＲ流体１１は、ベース液に強磁性体微粒子（粒径５０〜３００μｍ、１００〜２００μｍがより好ましい）が分散状態で存在する通常のＭＲ流体に非磁性粉体を混合して造る。通常のＭＲ流体は前述の通り、マグネタイト、マンガン亜鉛フエライト等の強磁性体微粒子と、その表面を覆う界面活性剤、ベース液（例えば、水、イソパラフィン、アルキルナフタレン又はその他の油）で構成された磁性コロイド液である。強磁性体微粒子の直径は１００μｍ〜２００μｍ程度である。
非磁性粉体は、強磁性体微粒子よりサイズが大きくて比重の小さい、この実施の形態では、発泡プラスチックの一例である発泡ポリスチレンの粒子を用いた。

図４（Ａ）に、ＭＲ流体と非磁性粉体との容積割合を変えた場合の袋体１２の保持力を、図４（Ｂ）にはＭＲ流体と非磁性粉体との割合を１対１にした場合で、非磁性粉体のサイズと袋体１２の把持力との関係を示す。ここで、非磁性粉体の容積は見かけ容積である。図４（Ａ）より改質ＭＲ流体中のＭＲ流体の割合が４０〜８０％の範囲にあるときに、改質磁気流体の保持力が大きいのが判る。また、図４（Ｂ）により、非磁性粉体の粒径が２ｍｍ以下で大きな保持力を有することが判る。
図４（Ｂ）から非磁性粉体の粒子径が０．５ｍｍのとき保持力が最大値を示すが、強磁性体微粒子の径より大きければ（例えば、５倍以上）、十分な把持力を発揮するものと考えられる。

図５（Ａ）には改質ＭＲ流体１１を用いた非磁場状態と磁場状態を示す。磁場をかけない状態では、ＭＲ流体２７（ベース液と強磁性体微粒子２５の混合液）と非磁性粉体２６とが自由に混ざり合っているが、磁場をかけると、強磁性体微粒子２５が接合され、非磁性粉体２６が骨材として働き、その保持強度及び剪断強度が大きくなると考えられる。

図５（Ｂ）に比較のため、従来のＭＲ流体２７を用いた場合の、非磁場状態と磁場状態の挙動を示す。非磁場状態では強磁性体微粒子２５が自由に動き、磁場状態では強磁性体微粒子２５が繋がるが、骨材として働くものがないので、ＭＲ流体２７の把持強度や剪断力は大きくないと推定される。
なお、図５（Ａ）、（Ｂ）は説明のための模式図であって、実際は強磁性体微粒子２５、非磁性粉体２６の密度はより密である。

図３は、以上に説明した把持機構１０を用いた把持装置３０を示すが、多関節ロボット３１のロボットアーム３２の先側に把持機構１０が取付けられている。これによって、把持機構１０を自由に特定の位置、角度を変えて移動させて対象物を把持する。即ち、把持機構１０の袋体１２を対象物の上に被せ、対象物の一部又は全部を袋体１２の窪みに入れて、電磁石１３に通電し、改質ＭＲ流体１１を磁化する。なお、電磁石１３は、強磁性体微粒子が磁気飽和をしない程度の強い磁石（例えば、０．０５〜０．３Ｔ）であることが好ましいが、用途によって弱い磁場から強い磁場まで適用可能である。

これによって、改質ＭＲ流体１１は把持状態を保持するので、ロボットアーム３２で対象物を移動させることができる。所定の場所に対象物を移動させた後、電磁石１３の通電を解き、袋体１２の形状を自由にして、対象物を所定の位置に置くことができる。
この把持機構１０を、対向するロボットアーム３２の先部に設け、対となる把持機構で対象物を挟持することもできる。

本発明は前記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲でその構成を変更することもできる。例えば、前記実施の形態では、非磁性粉体として発泡ポリスチレンを使用したが、他の発泡プラスチック、非発泡のプラスチック、ガラス、セラミックのパウダー（正確には集合粒子）を使用できる。
また、電磁石の形状、袋体の形状も用途に応じて自由に変えることができる。
なお、図７は、ＭＲ流体に混合する非磁性体の種類と把持力に関する実験結果を示す図である。

本発明に係る改質ＭＲ流体は、前述のような把持機構の他、ＭＲ流体シール（回転軸のシール）、ダンパ、スピーカ、センサ、比重差分離等に利用できる。また、把持機構及び把持装置は、工場のような特殊な場所で搬送機、アクチュエータ等に利用できる。

１０：把持機構、１１：改質ＭＲ流体、１２：袋体、１３：電磁石、１５：磁極部、１５ａ：磁極板部、１６：ヨーク部、１７：コイル、１８：半球部、１９：フランジ部、２２：第１の取付け部材、２３：第２の取付け部材、２４：ボルト、２５：強磁性体微粒子、２６：非磁性粉体、２７：ＭＲ流体、３０：把持装置、３１：多関節ロボット、３２：ロボットアーム

Claims (10)

1. ベース液と、該ベース液中に分散状態で存在する強磁性体微粒子とを有するＭＲ流体に、前記強磁性体微粒子のサイズより大きく該強磁性体微粒子の比重より小さい非磁性粉体を混入し、磁化時の保持強度を向上したことを特徴とする改質ＭＲ流体。
2. 請求項１記載の改質ＭＲ流体において、前記非磁性粉体は、ガラス、プラスチック又はセラミックのパウダーからなることを特徴とする改質ＭＲ流体。
3. 請求項１又は２記載の改質ＭＲ流体において、前記非磁性粉体の粒径は２ｍｍ以下であることを特徴とする改質ＭＲ流体。
4. 請求項１〜３のいずれか１記載の改質ＭＲ流体において、該改質ＭＲ流体中の前記ＭＲ流体の割合は、４０〜８０％の範囲にあることを特徴とする改質ＭＲ流体。
5. 請求項１〜４のいずれか１記載の改質ＭＲ流体を用いる把持機構であって、前記改質ＭＲ流体が収納された柔軟性を有する袋体と、該袋体の一側に配置され前記袋体に磁場をかけることが可能な電磁石とを有する把持機構。
6. 請求項５記載の把持機構において、前記電磁石は中央の磁極部とその周囲にある有底円筒状のヨーク部と前記磁極部に巻回されたコイルとを有し、前記ヨーク部の開放端に前記改質ＭＲ流体が充填された前記袋体が密封状態で取付けられていることを特徴とする把持機構。
7. 請求項６記載の把持機構において、前記袋体への前記改質ＭＲ流体の充填率は４０〜７０％であることを特徴とする把持機構。
8. 請求項５〜７のいずれか１記載の把持機構において、前記袋体はフランジ付きの半球状となっていることを特徴とする把持機構。
9. 請求項５〜８のいずれか１記載の把持機構を、ロボットアームの先側に取付けたことを特徴とする把持装置。
10. 請求項５〜８のいずれか１記載の把持機構を、対向するロボットアームの先部に設け、対向配置された前記ロボットアームで対象物を挟持することを特徴とする把持装置。

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