JP2019098461A - 把持機構及び把持装置 - Google Patents
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Abstract
Description
一方、外部環境の影響を受けず、応答速度に優れたグリッパとして、弾性力を有する柔軟膜にMR流体(Magnetorheological Fluid、磁性流体)を封入したグリッパが開発されている。そして、例えば、特許文献1、非特許文献2には、MR流体に非磁性粉体を添加して粘度を上昇させた改質MR流体(MRα流体)と、電磁石を利用したグリッパが開示されている。また、非特許文献3では、永久磁石(ネオジム磁石)の抜き差しにより、改質MR流体に対して磁束密度を制御する方法が提案されている。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、小型でありながら磁性流体の粘度の制御に必要な高い磁束の生成、消滅が可能であり、外部に漏れ磁束を発生させることもなく、壊れ易い対象物や小さな対象物でも確実に把持することができる汎用性、実用性に優れた把持機構及び把持装置を提供することを目的とする。
前記袋体の一側に配置された永久磁石と、該永久磁石を回転させることによって前記磁性流体に作用する磁束の量を増減させる回転駆動部とを有する。
図1(A)、(B)、図2(A)〜(D)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、柔軟性を有する袋体11に封入された磁性流体12の粘性を制御して、図3に示すように、袋体11を対象物30に押し付け、包み込むようにして把持するものである。
図1(A)、図2(A)〜(D)に示すように、袋体11の一側(この実施の形態では上側)に、袋体11に封入された磁性流体12に磁束を作用させる(磁場をかける)ための永久磁石(例えばネオジム磁石)13が配置されている。この永久磁石13は円筒状に形成されて径方向に磁化されている。そして、永久磁石13には、軸心を通る回転軸14が設けられており、カップリング15を介して回転駆動部(例えばACサーボモータ)16の駆動軸17と連結されている。また、磁性材料(例えばSS400)からなり平面視して円弧状の一対のヨーク19、20が、永久磁石13の外周方向に間隔を空けて配置され、永久磁石13を挟んで対向している。永久磁石13及びヨーク19、20は、有底円筒状の収容体21に収容され、収容体21の底部に磁性流体12が充填された袋体11が密封状態で取付けられている。また、図1(A)に示すように、回転駆動部16の先部には収容体21に内挿される筒状挿通部22が設けられており、収容体21の周壁を貫通させた固定具(例えばスプリングピン)23の先端側が筒状挿通部22の壁面に嵌入されることにより、回転駆動部16と収容体21が連結、固定されている。なお、固定具23は適宜、選択することができ、例えばボルト等を用いて螺子止めしてもよい。
収容体21の外径(=磁性流体収納部25の最大内径)は、20〜50mm程度が好ましく、その寸法に応じて、永久磁石13やヨーク19、20の寸法を選択することができる。例えば、収容体21の外径を25mmとした場合、永久磁石13は、直径15mm、鉛直長さ(高さ)25mm、孔径4mmの円筒状とし、ヨーク19、20はそれぞれ、厚さ3mm、鉛直長さ(高さ)28mmで、平面視して中心角100度の円弧状として、永久磁石13とヨーク19、20との隙間を0.4mm程度とすることができる。なお、これらは、把持する対象物によって異なり、例えば収容体21の外径を10mm以下に縮小することも可能であるので、本発明はこれらの数字には限定されない。また、永久磁石をリング状(薄型)にして、把持機構(収容体)の鉛直長さ(高さ)を短縮することも可能である。
磁性流体12の収納量(充填率)は、袋体11の磁性流体収納部25を一杯に膨らませた状態の体積の40〜80%程度の範囲とすることが好ましい。磁性流体12の量がこの範囲より少ない場合は、磁性流体12の全体量が不足し、磁性流体12の量がこの範囲より多い場合は、磁性流体収納部25の変形量が不足するため、いずれも把持空間が減少して対象物を十分に把持することが困難となるが、磁性流体12の収納量は用途(対象物の形状や硬さ等)に応じてこの範囲を超えることもできる。なお、例えば、収容体21の外径(=磁性流体収納部25の最大内径)を25mmとした場合、磁性流体収納部25に対象物が接触した際に、1〜5mm程度のへこみが発生することが好ましい。
通常時(解放動作時)においては、図2(A)、(B)に示すように、永久磁石13のN極及びS極が、それぞれ一対のヨーク19、20に跨がるように配置されており、N極から出た磁束は左右のヨーク19、20を円周方向に通過し、S極に入る。このとき、磁束は磁性流体12を通過せず、磁性流体12に作用する磁束の量は最小量となり、漏れ磁束もほぼ0となっている。つまり、磁性流体12に磁場がかかっていないため、磁性流体12の粘度は低く、磁性流体収納部25は対象物の形状に沿って変形可能な状態となっている。なお、図2(A)、(B)の状態から永久磁石13が180度回転した時は、磁束の流れが図2(A)と上下反転するが、同様に解放動作を行うことができる。
これに対し、把持動作時においては、図2(C)、(D)に示すように、永久磁石13のN極がヨーク19のみと重なり、S極がヨーク20のみと重なるように配置されており、N極から出た磁束はヨーク19を長さ(高さ)方向に流れ、磁性流体12を通過した後、ヨーク20を長さ(高さ)方向に流れてS極に入る。このとき、磁性流体12に作用する磁束の量は最大量となり、磁性流体12に磁場がかかるため、磁性流体12の粘度が高くなり、磁性流体収納部25と接触した対象物を把持できる状態となっている。なお、図2(C)、(D)の状態から永久磁石13が180度回転した時は、磁束の流れが図2(D)と左右反転するが、同様に把持動作を行うことができる。
よって、回転駆動部16で永久磁石13を回転軸14を中心に90度回転させる度に、磁性流体12に作用する磁束の量が最大量又は最小量に変化し、短時間(例えば0.1秒以内)で把持動作と解放動作の切り替えを行うことができる。なお、永久磁石13は、磁性流体12に作用する平均磁束密度を0.03〜0.3T程度まで変化させることができる磁力を有することが好ましいが、用途によってさらに弱い磁力から強い磁力までの永久磁石が適用可能である。
まず、ロボットアーム(図示せず)等の先部に取付けた把持機構10を対象物30の上方に移動させる。そして、袋体11(磁性流体収納部25)が対象物30に接触してへこむまで把持機構10を下降させる。このとき、永久磁石13は図2(A)の状態にあり、磁性流体12の粘度は低く、袋体11(磁性流体収納部25)は対象物30の形状に沿って変形する。その後、回転駆動部16を駆動し、永久磁石13を90度回転させて図2(C)の状態とし、図2(D)に示したように磁性流体12に磁束を作用させる(磁場をかける)ことにより、磁性流体12が高粘度化して対象物30が把持される。次に、把持機構10を上昇させて対象物30を持ち上げ、目的位置まで搬送した後、さらに永久磁石13を90度回転させ、磁性流体12に作用する磁束を最小量にし、磁性流体12の粘度を下げることにより対象物30を解放する。
この把持機構10は、袋体11(磁性流体収納部25)を上方から押し当てた際に、その押し当て力によって変形したり、破損したりすることなく、袋体11で周囲を包み込むことが可能な壊れ難く、形状安定性を有する対象物を把持する場合に好適に用いられる。
まず、対向する2つの把持機構10の略中央に対象物が位置するようにロボットアーム32を移動させる。次に、スライド部33を移動させ、各把持機構10の袋体11(磁性流体収納部25)が対象物に接触してわずかにへこむ程度まで把持機構10の間隔を調整する。なお、スライド部33は、開閉力(挟み込み力)を電流値として計測することができ、目標の(最適な)挟み込み力に到達するまで把持機構10の間隔を縮めることができる。このとき、永久磁石13は図2(A)の状態にあり、磁性流体12の粘度は低く、袋体11(磁性流体収納部25)は対象物の形状に沿って変形する。その後、回転駆動部16を駆動し、永久磁石13を90度回転させて図2(C)の状態とし、図2(D)に示したように磁性流体12に磁束を作用させる(磁場をかける)ことにより、磁性流体12が高粘度化して、対象物が把持される。次に、ロボットアーム32を上昇させて対象物を持ち上げ、目的位置まで搬送した後、スライド部33を移動させて把持機構10の間隔を拡げ、対象物を解放する。なお、対象物を解放する際は、把持機構10の間隔を拡げる代わりに、さらに永久磁石13を90度回転させ、磁性流体12に作用する磁束を最小量にし、磁性流体12の粘度を下げてもよいし、把持機構10の間隔を拡げる動作と、永久磁石13を回転させる動作を同時に行ってもよい。
(実施例1)
ここでは、上記の把持装置31(図4参照)を用いて実施したが、その仕様は以下の通りである。
永久磁石13はネオジム磁石で、直径15mm、鉛直長さ(高さ)25mm、孔径4mmの円筒状とし、ヨーク19、20は、SS400で、厚さ3mm、鉛直長さ(高さ)28mm、平面視して中心角100度の円弧状とした。また、永久磁石13とヨーク19、20との隙間は0.4mmとし、収容体21の外径は25mmとした。袋体11には水素化ニトリルゴム(HNBR)を使用し、装着部26は、外径(=磁性流体収納部25の最大外径)28mm、高さ(長さ)15mmとし、磁性流体収納部25は高さ25mmの円錐状とした。また、磁性流体収納部25の対象物と接触する部分(他の把持機構10の袋体12と対向する領域)の肉厚は0.5mmとし、その他の領域の肉厚は2mmとした。磁性流体12には、MR流体に非磁性粉体を添加して粘度を上昇させた改質MR流体を用いた。
図5に示すように、把持装置31で、対象物35としてウズラの卵を把持したところ、小さく、割れ易いにも関わらず、把持することができた。
図6に示すように、実施例1と同じ把持装置31で、対象物36としてクッキーを把持したところ、薄く、割れ易いにも関わらず、把持することができた。特に、平らな作業台に置かれた状態の対象物を把持することができたことから、汎用性、機能性に優れることが確認された。
図7に示すように、実施例1と同じ把持装置31で、対象物37として電球を把持したところ、滑り易く、割れ易いにも関わらず、把持することができた。
図8に示すように、実施例1と同じ把持装置31で、対象物38として出汁の中に浸かったおでんの大根を把持したところ、滑り易く、崩れ易いにも関わらず、把持することができた。特に、吸引方式のグリッパでは把持することができない液体中の対象物を把持することができたことから、汎用性、多様性に優れることが確認された。
図9(A)、(B)に示すように、実施例1と同じ把持装置31で、対象物39として木製の球体を把持したところ、滑り易く、掴み難いにも関わらず、把持することができた。図9(A)のような球の直径部だけでなく、図9(B)のような特に滑り易く、掴み難い球の上部でも把持することができたことから、位置ずれに対する把持のロバスト性を有することが確認された。
図10に示すように、実施例1と同じ把持装置31で、対象物40としてキュウリを把持したところ、棒状で、表面が不均一であるにも関わらず、把持することができた。特に、端部を把持した状態で水平な把持姿勢を維持することができたことから、棒状(長尺)の対象物の回転トルクにも対抗することができ、対象物の形状選択の自在性に優れることが確認された。
例えば、上記の実施の形態では、径方向に2方向に磁化された永久磁石を用いて、所定角度として90度ずつ回転させることにより、磁性流体に作用する磁束の量を最大量又は最小量に切り替えたが、永久磁石及びヨークの形状や配置によっては、永久磁石の磁化の方向を変更したり、磁極の数を増やしたりすることもある。その場合、磁性流体に作用する磁束の量を最大量又は最小量に切り替えるための永久磁石の回転角度は適宜、変更することができる。また、袋体(磁性流体収納部)の形状は、用途に応じて自由に変えることができる。さらに、複数の把持機構で把持装置を構成する場合、把持機構の数は2つに限らず、対象物の形状や大きさ等に応じて、3つ若しくはそれ以上としてもよく、配置も適宜、選択することができる。
Claims (7)
- 柔軟性を有する袋体に封入された磁性流体の粘性を制御して対象物を把持する把持機構において、
前記袋体の一側に配置された永久磁石と、該永久磁石を回転させることによって前記磁性流体に作用する磁束の量を増減させる回転駆動部とを有することを特徴とする把持機構。 - 請求項1記載の把持機構において、前記永久磁石は、リング状又は円筒状に形成されて径方向に磁化され、前記永久磁石の軸心を通り前記回転駆動部と連結された回転軸が設けられ、一対のヨークが前記永久磁石の外周方向に間隔を空けて配置され、前記永久磁石を挟んで対向していることを特徴とする把持機構。
- 請求項2記載の把持機構において、前記永久磁石を前記回転軸を中心に所定角度回転させることにより、前記磁性流体に作用する磁束の量を最大量又は最小量に切り替えることを特徴とする把持機構。
- 請求項2又は3記載の把持機構において、前記永久磁石及び前記ヨークは有底円筒状の収容体に収容され、該収容体の底部に前記磁性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。
- 請求項1〜4のいずれか1記載の複数の把持機構を有し、前記各把持機構は、複数の前記把持機構の中心側に向かって下方傾斜していることを特徴とする把持装置。
- 請求項5記載の把持装置において、前記各把持機構の前記袋体は、前記対象物の把持領域の肉厚が他の領域の肉厚よりも薄く形成されていることを特徴とする把持装置。
- 請求項5又は6記載の把持装置において、前記各把持機構の前記袋体は、前記対象物の把持領域の表面に凹凸が形成されていることを特徴とする把持装置。
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