JP2020192619A - 物体把持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型且つ軽量で、優れた応答性を有する物体把持装置を提供する。【解決手段】物体把持装置１は、ジャミング転移により状態が変化する物質が収容された可撓性及び気密性を有するバッグ１１を含み、対象物を把持する形状可変な把持部１０と、気体を吸着脱着可能な多孔体２１及びエネルギー発生装置２２を有し、バッグ１１内の圧力を所定負圧に減圧したりバッグ１１内の圧力を大気圧に戻したりすることができる加圧減圧部２０とを備え、加圧減圧部２０は、エネルギー発生装置２２によって多孔体２１にエネルギーを与えて多孔体２１に吸着している気体を脱着させることでバッグ１１内を加圧し、エネルギー発生装置２２によって多孔体２１に与えているエネルギーを取り除いて多孔体２１に気体を吸着させることでバッグ１１内を減圧する。【選択図】図１

Description

本開示は、物体把持装置に関する。

様々な形状の対象物を保持することができる物体把持装置が知られている。近年、この種の物体把持装置として、ジャミング転移を利用したロボットハンド等の研究がなされている。

従来、この種の物体把持装置として、例えば特許文献１には、内部に粉体を充填させた可撓性及び気密性を有するバッグを有する把持部と、バッグ内の圧力を減圧する減圧装置とを有する形状自在な吸着グリッパが開示されている。

特開２０１２−２３６２４０号公報

しかしながら、従来の物体把持装置では、真空ポンプを用いてバッグ内の圧力を減圧するため、物体把持装置が大型化したり重量が大きくなったりする。一方、真空ポンプを用いずにバッグ内の圧力を減圧しようとすると、バッグから気体を排出するのに時間がかかってしまい、応答性が悪くなる。

本開示は、小型且つ軽量で、優れた応答性を有する物体把持装置を提供することを目的とする。

本開示に係る物体把持装置の一態様は、ジャミング転移により状態が変化する物質が収容された可撓性及び気密性を有するバッグを含み、対象物を把持する形状可変な把持部と、気体を吸着脱着可能な多孔体及びエネルギー発生装置を有し、前記バッグ内の圧力を所定負圧に減圧したり前記バッグ内の圧力を大気圧に戻したりすることができる加圧減圧部とを備え、前記加圧減圧部は、前記エネルギー発生装置によって前記多孔体にエネルギーを与えて前記多孔体に吸着している気体を脱着させることで前記バッグ内を加圧し、前記エネルギー発生装置によって前記多孔体に与えているエネルギーを取り除いて前記多孔体に気体を吸着させることで前記バッグ内を減圧する。

小型且つ軽量で、優れた応答性を有する物体把持装置を実現することができる。

実施の形態に係る物体把持装置の構成を模式的に示す断面図である。 一般的な多孔体における気体の吸着等温線の一例を示す図である。 ゼオライトについてのＣＯ_２の吸着等温線を示す図である。 一般的なゲート吸着型ＭＯＦにおける気体の吸着等温線の一例を示す図である。 ＥＬＭ−１１についてのＣＯ_２の吸着等温線を示す図である。 実施の形態に係る物体把持装置のバッグ内が減圧状態である場合を模式的に示す図である。 実施の形態に係る物体把持装置のバッグ内が加圧状態である場合を模式的に示す図である。 実施の形態に係る物体把持装置をロボットハンドに適用したときに、ロボットハンドがワークを把持するときの動作を説明するための図である。 多孔体と粉末接着剤とで構成された複合体の一例を示す図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の包括的又は一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、ステップ及びステップの順序等は、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において、縮尺等は必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

（実施の形態）
まず、実施の形態に係る物体把持装置１の構成について、図１を用いて説明する。図１は、実施の形態に係る物体把持装置１の構成を模式的に示す断面図である。

図１に示される物体把持装置１は、ジャミング転移を利用することにより様々な形状の対象物を把持することができる。図１に示すように、物体把持装置１は、対象物を把持する形状可変な把持部１０と、把持部１０内の圧力を制御するための加圧減圧部２０とを備える。

把持部１０は、ジャミング転移により状態が変化する物質が収容された可撓性及び気密性を有するバッグ１１を含む把持装置である。本実施の形態では、バッグ１１の内部には、ジャミング転移により状態が変化する物質として、粒体１２が充填されている。つまり、バッグ１１内には、無数の粒体１２が詰め込まれている。把持部１０は、バッグ１１内に充填された粒体１２がジャミング転移により固体的に振る舞ったり流体的に振る舞ったりして状態が変化することで、軟質化したり硬質化したりする。把持部１０は、軟質化すると変形可能な軟質状態となり、硬質化すると変形しにくい硬質状態となる。

バッグ１１は、内部に空間を有する袋状の中空バッグである。バッグ１１は、把持部１０における対象物を把持する部分である。具体的には、バッグ１１は、把持する対象物と接触し、把持する対象物の形状に倣って形状が変化する。したがって、バッグ１１は、エラストマー等によって構成されたゴム弾性を有する弾性変形可能なバッグであるとよい。

なお、バッグ１１は、外力によって可逆的に形状が変形する閉鎖系のものであれば、弾性変形するものに限らない。また、バッグ１１そのものから気体が抜けていかないように、バッグ１１は、ガスバリア性の高い材料によって構成されていたり、表面にシリカコート等のガスバリア膜が被膜されていたりするとよい。

バッグ１１内に充填される粒体１２は、把持する対象物の形状にバッグ１１の形状を倣わせる際に流動しやすいものであるとよい。したがって、粒体１２の形状は、球状であるとよい。なお、粒体１２の形状は、起伏のある形状又は多角面体の形状であってもよい。また、粒体１２は、無機材料、有機材料又は金属材料等からなる粉体又は粒子等である。粒体１２としては、例えば、発泡スチロール等に用いられるポリスチレン等の樹脂材料からなる樹脂ビーズ又はガラス材料からなるガラスビーズ等を用いることができる。なお、粒体１２の材料は、これに限るものではなく、バッグ１１に充填されてジャミング転移を発揮する材料であればよい。

加圧減圧部２０は、バッグ１１内の圧力を制御する加圧減圧装置である。具体的には、加圧減圧部２０は、バッグ１１内の気体をバッグ１１から排出することでバッグ１１内を減圧し、バッグ１１内に気体を送り込むことでバッグ１１内を加圧する。本実施の形態において、加圧減圧部２０は、バッグ１１内の圧力を所定負圧に減圧したり、バッグ１１内の圧力を大気圧に戻したりする。加圧減圧部２０は、バッグ１１内の圧力を変化させることで、把持部１０の状態を軟質状態と硬質状態とに切り替えることができる。すなわち、把持部１０又はバッグ１１は、加圧減圧部２０による圧力変化対象部となる。

加圧減圧部２０は、気体を吸脱着可能な多孔体２１と、エネルギー発生装置２２とを有している。バッグ１１内の圧力は、多孔体２１とエネルギー発生装置２２とによって制御される。つまり、多孔体２１及びエネルギー発生装置２２は、把持部１０のバッグ１１内の圧力を制御する圧力制御部として機能する。

多孔体２１は、気体を吸脱着することができる。つまり、多孔体２１は、気体を吸着したり、吸着している気体を脱着したりすることができる。具体的には、多孔体２１は、エネルギーが与えられることで多孔体２１に吸着している気体を脱着し、多孔体２１に与えられているエネルギーが取り除かれることで気体を吸着する。

多孔体２１と吸脱着する気体は、気体分子であり、多孔体２１の細孔表面との相互作用によって多孔体２１に吸着する。なお、本明細書では、多孔体２１と吸脱着する気体分子は、単に「気体」として記載する。

多孔体２１には、エネルギー発生装置２２によってエネルギーが与えられる。本実施の形態におけるエネルギー発生装置２２は、多孔体２１に熱エネルギーを与える熱を発生する加熱装置である。熱を発生させるエネルギー発生装置２２は、一例として、ヒータである。この場合、多孔体２１は、エネルギー発生装置２２によって熱エネルギーが与えられることで多孔体２１に吸着している気体を脱着し、エネルギー発生装置２２によって多孔体２１に与えている熱エネルギーが取り除かれることで気体を吸着する。

なお、多孔体２１に与えている熱エネルギーが取り除かれる場合には、多孔体２１への熱エネルギーの印加を停止させる場合及び多孔体２１に印加される熱エネルギーを減少させる場合のいずれの場合であってもよい。具体的には、エネルギー発生装置２２がヒータである場合、ヒータをオフすることで多孔体２１への熱エネルギーの印加を停止させることができ、また、ヒータにより加熱温度を低くすることで、多孔体２１に印加される熱エネルギーを減少させることができる。

加圧減圧部２０は、さらに、密閉容器２３を有しており、多孔体２１は、密閉容器２３内に配置されている。密閉容器２３は、例えばステンレス等の金属材料によって構成されているが、密閉容器２３は、気密封止できる容器であれば、金属製に限るものではない。

本実施の形態において、把持部１０と加圧減圧部２０とは、通気路３０を介して分離されている。具体的には、加圧減圧部２０の密閉容器２３と把持部１０のバッグ１１とが通気路３０によって連結されている。密閉容器２３とバッグ１１と通気路３０とは、互いに気体が行き来できるように構成されているとともに、密閉容器２３とバッグ１１と通気路３０とによって１つの密閉された空間領域となる密閉系が形成されている。この空間領域には、特定の気体が充填されている。

通気路３０は、筒状部材であり、例えば、金属製又は樹脂製のパイプである。通気路３０は、把持部１０及び加圧減圧部２０とは別体であってもよいし、把持部１０の一部であってもよいし、加圧減圧部２０の一部であってもよい。

このように、密閉容器２３とバッグ１１とは、密閉された状態で通気路３０によって連結されているので、多孔体２１に熱エネルギーが与えられて多孔体２１から気体が脱着すると、多孔体２１から脱着した気体は、通気路３０を介してバッグ１１内に移動する。これにより、バッグ１１内が加圧される。一方、多孔体２１に与えている熱エネルギーが取り除かれて多孔体２１に気体が吸着する場合、バッグ１１内の気体が通気路３０を介して密閉容器２３に移動する。これにより、バッグ１１内が減圧する。

以上のように、加圧減圧部２０は、エネルギー発生装置２２によって多孔体２１にエネルギーを与えて多孔体２１に吸着している気体を脱着させることでバッグ１１内を加圧し、エネルギー発生装置２２によって多孔体２１に与えているエネルギーを取り除いて多孔体２１に気体を吸着させることでバッグ１１内を減圧する。

なお、通気路３０には、通気路３０を通る気体の流れを制御する制御装置４０が設けられている。制御装置４０は、例えば、通気路３０の開閉を制御したり、通気路３０を通る気体の流量を制御したりする。制御装置４０は、例えばコックである。

上記のように、本実施の形態における物体把持装置１では、多孔体２１に気体を吸脱着させることでバッグ１１内の圧力を制御するが、密閉容器２３内に配置された多孔体２１が気体を吸着するためには、多孔体２１に活性化処理を施しておく必要がある。この場合、予め活性化処理を施した多孔体２１を密閉容器２３に配置しておいてもよいし、活性化処理前の多孔体２１を密閉容器２３に配置した後に密閉容器２３を加熱真空引きすることで多孔体２１に活性化処理を施してもよい。活性化処理が施された多孔体２１が密閉容器２３に配置された状態で密閉容器２３内に特定の気体を一定量導入すると、多孔体２１は、吸着等温線にしたがって所定量の気体を吸着する。

ここで、一般的な多孔体における気体の吸着等温線の一例を図２に示す。図２に示すように、気体の圧力が上昇すると、多孔体の気体の吸着量は増加する。また、温度が上昇すると、多孔体の気体の吸着量は減少する。したがって、図２に示すように、ある一定の第１温度Ｔ_１において多孔体が第１吸着量Ｇ１の気体を吸着して気体が第１圧力Ｐ_１に達した状態から、気体に熱を与えて第２温度Ｔ_２（Ｔ_２＞Ｔ_１）まで上昇させると、多孔体の気体の吸着量は、第２吸着量Ｇ_２まで減少する。このため、第１吸着量Ｇ_１と第２吸着量Ｇ_２との差分量（Ｇ_１−Ｇ_２）の気体が多孔体から脱着され得る。

一方、熱エネルギーの印加を停止して気体の加熱を止めると、気体が冷却されて温度が低下する。例えば、熱エネルギーの印加を停止すると、高温の第２温度Ｔ_２から低温の第１温度Ｔ_１にまで温度が低下する。この結果、多孔体の気体の吸着量は、第２吸着量Ｇ_２から第１吸着量Ｇ_１にまで上昇する。このため、第１吸着量Ｇ_１と第２吸着量Ｇ_２との差分量（Ｇ_１−Ｇ_２）の気体が多孔体に吸着され得る。

このことは、本実施の形態のように、多孔体２１が密閉系に配された場合においても、熱エネルギーの印加の有無によって多孔体２１に吸着された気体が脱着したり多孔体２１に気体が吸着したりすると考えられる。本実施の形態における物体把持装置１は、多孔体２１が気体を吸脱着する性質を利用して加圧減圧部２０を構成している。

この場合、本実施の形態では、加熱による気体の脱着及び冷却による気体の吸着は、ヒータ等の加熱装置であるエネルギー発生装置２２によって制御している。例えば、ヒータであるエネルギー発生装置２２を、密閉容器２３における多孔体２１が配置された部分又は多孔体２１が充填された部分に接触させて設置し、ヒータをオンすることで多孔体２１を加熱し、ヒータをオフすることで自然放冷により多孔体２１を冷却する。なお、自然放冷では冷却速度が遅い場合には、冷却装置として、ペルチェ素子又は冷媒循環装置等を別途設置してもよい。また、加熱装置又は冷却装置の構成については、所定量の圧力変化に必要な量の吸着又は脱着を多孔体が起こし得る範囲の温度制御が可能な構成であれば、特に限定されるものではない。また、加熱時及び冷却時の温度は、多孔体２１の種類、密閉容器２３の容積及び使用圧力範囲等に応じて適宜設定すればよい。

多孔体２１と吸脱着する気体の種類は、特に限定されるものではないが、安全面及びコスト面の観点から、実用的な気体の中では、常温及び常圧付近で多孔体２１への吸着量が十分に大きい気体であるとよい。このような気体を用いることで、気体を低温に保つための機構が不要になり、所定量の圧力変化に必要な多孔体２１の量を少なくすることができる。以上の観点から、多孔体２１と吸脱着する気体としては、例えば、二酸化炭素（ＣＯ_２）が考えられる。

ここで、加圧減圧部２０における多孔体２１の具体例について、詳細に説明する。多孔体２１は、無数の細孔を有する多孔質構造の物体である。一例として、多孔体２１は、粉末状であるが、これに限らない。

多孔体２１は、上述のように、気体が吸着したり、吸着している気体が脱着したりする。このような多孔体２１としては、例えば、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ又は樹脂等の有機物からなる有機多孔体、ゼオライト、メソポーラスシリカ又はメソポーラスアルミナ等の無機物からなる無機多孔体、金属有機構造体（ＭＯＦ；Ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ）、あるいは、多孔性配位高分子（ＰＣＰ；Ｐｏｒｏｕｓ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｐｏｌｙｍｅｒ）等の多孔物体が挙げられる。また、多孔体２１は、これらの多孔物体のうちの１つのみによって構成されていてもよいし、これらの多孔物体を複数組み合わせた複合体であってもよい。つまり、多孔体２１は、無機物、有機物及び金属の少なくとも一つと複合化された複合体であってもよい。

一例として、多孔体２１としてゼオライトを用いた場合に、ゼオライトにおけるＣＯ_２の吸脱着について、図３を用いて説明する。図３は、ゼオライトについてのＣＯ_２の吸着等温線を示す図である。図３に示すように、ゼオライトについては、気体の圧力が上昇すると、ゼオライトに吸着するＣＯ_２の吸着量が増加する。また、温度が上昇すると、ゼオライトに吸着するＣＯ_２の吸着量は減少する。したがって、ゼオライトを加熱したり冷却したりすることで、ゼオライトにＣＯ_２を吸着させたりゼオライトからＣＯ_２を脱着させたりすることができる。

多孔体２１の種類は、多孔体２１と吸脱着する気体、バッグ１１の容積、バッグ１１内の圧力変化範囲、及び、多孔体２１に必要な吸着量に応じて、これらの多孔物体から適宜選択すればよく、特に制限されるものではないが、吸着量及び応答性の観点から、多孔体２１は、金属有機構造体（以下「ＭＯＦ」と記載する）又は多孔性配位高分子であるとよい。

多孔体２１としてＭＯＦを用いる場合、ＭＯＦの具体的様態については特に限定されるものではないが、多孔体２１と吸脱着する特定の気体に対して常温付近での吸着量が大きいＭＯＦを用いるとよい。また、常温から温度を上昇させたときの吸着量の減少が大きいＭＯＦを用いてもよい。これにより、気体の脱着時の温度を低下させることができるので、必要な熱エネルギーを少なくすることができる。また、加熱及び冷却に要する時間が少なくなるので、気体の吸脱着の応答速度を速くすることができる。つまり、気体の吸脱着の応答時間を短くすることができる。

また、ＭＯＦとして、本開示の発明者らは、［Ｍｇ_２（ｄｏｂｄｃ）］の化学式で表されるＭｇ−ＭＯＦ−７４を合成した。Ｍｇ−ＭＯＦ−７４は、ＣＯ_２に対して、図３に示されるゼオライトのような吸着等温線を示す。以下、Ｍｇ−ＭＯＦ−７４（Ｍｇ_２（ｄｏｂｄｃ）；ｄｏｂｄｃ＝２，５−ジヒドロキシテレフタル酸）を例に挙げ、その具体的な合成方法について説明する。

まず、多孔体として、水熱合成法により、マグネシウムイオンと２，５−ジヒドロキシテレフタル酸からなるＭｇ−ＭＯＦ−７４を合成した。なお、合成に関しては、下記の手法に限定されるものではなく、目的の構造を有する多孔体は、各種方法を用いて合成してもよい。

具体的には、富士フィルム和光純薬株式会社製硝酸マグネシウム六水和物を６２３ｍｇ、シグマアルドリッチ株式会社製２，５−ジヒドロキシテレフタル酸を１５０ｍｇ、富士フィルム和光純薬株式会社製Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミドを６０ｍＬ、富士フィルム和光純薬株式会社製エタノールを４ｍＬ、及び蒸留水４ｍＬを混合することによって、原料溶液を調製した。この原料溶液を１００ｍＬのテフロン（登録商標）製バイアルに入れ、１２５℃で２４時間、加熱した。得られた試料を固液分離した後、富士フィルム和光純薬株式会社製メタノールで３回洗浄した。洗浄後の試料を５０ｍＬのポリプロピレン製バイアルに入れ、富士フィルム和光純薬株式会社製メタノール３０ｍＬを加え、常温で２４時間静置させた後、上澄み液を取り除くことによって、残存溶媒の交換を行った。この交換作業を計４回繰り返した後、減圧乾燥させた。これにより、Ｍｇ−ＭＯＦ−７４を生成することができる。

得られたＭｇ−ＭＯＦ−７４のＣＯ_２の吸着量を実測したところ、Ｍｇ−ＭＯＦ−７４のＣＯ_２の吸着量（常圧３０℃と常圧１５０℃とのＣＯ_２の吸着量の差）は、１１．０ｗｔ％であり、Ｍｇ−ＭＯＦ−７４は、後述するＥＬＭ−１１よりもＣＯ_２の吸着量が多いことが分かった。また、Ｍｇ−ＭＯＦ−７４については、数秒オーダーでＣＯ_２の吸着が起こることも確認した。

また、多孔体２１は、ゲート吸着型の金属有機構造体（以下、「ゲート吸着型ＭＯＦ」と記載する）であってもよい。ゲート吸着とは、気体の吸着量が急激に変化する現象であり、ゲート吸着型ＭＯＦは、ＩＵＰＡＣ（International Union of Pure and Applied Chemistry）で定義される吸着等温線の６分類では分類することができない特殊な吸着等温線を示す。

ここで、一般的なゲート吸着型ＭＯＦの吸着等温線を図４に示す。図４に示すように、気体の圧力が低圧である場合、ゲート吸着型ＭＯＦは、気体をほとんど吸着しないが、気体圧力が一定値（この時の圧力がゲート圧と呼ばれる）に達すると、ゲート吸着型ＭＯＦの構造が変化（例えば、積層がずれる、層間が広がる等）し、ゲート吸着型ＭＯＦに気体が取り込まれる。このため、ゲート圧を境に気体の吸着量は急激に増加する。一方、気体が脱着する際には、気体圧力がゲート圧以下に低下すると、ゲート吸着型ＭＯＦに取り込まれていた気体が放出され、ゲート吸着型ＭＯＦが元の構造に戻ろうとするため、ゲート吸着型ＭＯＦから急激に気体が脱着する。一般的に、ゲート吸着型ＭＯＦにおいては、図４に示すように、吸着時の圧力等温線と脱着時の吸着等温線にはヒステリシスループが生じ、吸着時のゲート圧は脱着時のゲート圧よりも高圧側に存在する。また、ゲート吸着型ＭＯＦにおいては、温度が上昇すると、ゲート圧は高圧側にシフトする。

このようなゲート吸着現象は、ＭＯＦの構造の柔軟性に基づいており、ＭＯＦに特有の現象である。したがって、柔軟性を有していない従来の多孔体では、ゲート吸着現象は生じない。

このような特性を有するゲート吸着型ＭＯＦについては、図４に示すように、ある一定の第３温度Ｔ_３においてゲート吸着型ＭＯＦが第３吸着量Ｇ３の気体を吸着して気体が第３圧力Ｐ_３に達した状態から、脱着のゲート圧が第３圧力Ｐ_３以上になるときの第４温度Ｔ_４（Ｔ_４＞Ｔ_３）まで加熱すると、脱着時の吸着等温線から、ゲート吸着型ＭＯＦの吸着量は第４吸着量Ｇ_４となり、第３吸着量Ｇ_３と第４吸着量Ｇ_４との差分量（Ｇ_３−Ｇ_４）の気体がゲート吸着型ＭＯＦから脱着され得る。

一方、気体を冷却して、高温の第４温度Ｔ_４から低温の第３温度Ｔ_３にまで温度が低下すると、ゲート吸着型ＭＯＦの気体の吸着量は、第４吸着量Ｇ_４から第３吸着量Ｇ_３にまで上昇する。このため、第３吸着量Ｇ_３と第４吸着量Ｇ_４との差分量（Ｇ_３−Ｇ_４）の気体がゲート吸着型ＭＯＦに吸着され得る。

図４に示される吸着挙動を示すゲート吸着型ＭＯＦについては、図２に示される一般的な吸着挙動を示す多孔体を用いた場合と比較して、効率よく気体の吸脱着が行われる。つまり、気体の吸脱着の応答時間が短い。

具体的には、図２に示される一般的な吸着挙動を示す多孔体においては、脱着する気体の量（Ｇ_１−Ｇ_２）は、多孔体が吸着した気体の第１吸着量Ｇ_１よりも少なくなる。この場合、一般的に、完全に気体を脱着させる、すなわちＧ_２＝０にするには高温まで加熱する必要がある。これに対して、図４に示されるゲート吸着型ＭＯＦを用いた場合、脱着される気体の量（Ｇ_３−Ｇ_４）においてＧ_４＝０とみなすことができるため、ゲート吸着型ＭＯＦが吸着した気体の第３吸着量Ｇ_３の分の全てをゲート吸着型ＭＯＦから脱着させることができる。また、ゲート吸着型ＭＯＦについては、吸着量の変化が急激に生じるため、吸着及び脱着に伴う応答性を向上させることができる。

ゲート吸着型ＭＯＦの具体的様態については、特に限定はされるものではないが、ゲート吸着型ＭＯＦと吸脱着する特定の気体に対して常温付近での吸着量が大きいゲート吸着型ＭＯＦであるとよい。また、常温から温度を上昇させたときに、ゲート圧が急激に高圧側にシフトするゲート吸着型ＭＯＦであるとよい。これにより、気体の脱着時の温度を低下させることができ、必要な熱エネルギーを少なくすることができる。また、加熱及び冷却に要する時間が少なくなるので、気体の吸脱着の応答速度を速くすることができる。

多孔体２１の常温常圧下での気体の吸着量は１５ｗｔ％以上であるとよい。また、多孔体２１の１００℃での気体の吸着量は１ｗｔ％以下であるとよい。また、多孔体２１がゲート吸着型ＭＯＦである場合、多孔体２１の３０℃常圧下での気体の吸着量と多孔体２１の１５０℃常圧下での気体の吸着量との差が２ｗｔ％以上であるとよい。

多孔体２１と吸脱着する気体が二酸化炭素である場合に好適に用いられるゲート吸着型ＭＯＦとしては、例えばＥＬＭ（Ｅｌａｓｔｉｃ Ｌａｙｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｆｒａｍｅｗｏｒｋｓ）−１１等のＥＬＭ類が挙げられる。ＥＬＭ−１１は、［Ｃｕ（ｂｐｙ）_２（ＢＦ_４）_２］）の化学式で表される。ＥＬＭ−１１のＣＯ_２の吸着量を実測したところ、ＥＬＭ−１１のＣＯ_２の吸着量（常圧３０℃と常圧１５０℃とのＣＯ_２の吸着量の差）は、２．２ｗｔ％であった。

また、ＥＬＭ−１１についてのＣＯ_２の吸着等温線を図５に示す。図５に示すように、ＥＬＭ−１１は、ゲート吸着の特性を示し、温度に応じてゲート圧を有することが分かる。なお、ＥＬＭ−１１は、吸着時の圧力等温線と脱着時の吸着等温線とでヒステリシスループが発生せず、吸着時のゲート圧と脱着時のゲート圧とが一致している。

また、上述のゼオライトは、図３の吸着等温線に示されるように、圧力の影響を受けにくく、温度の変化により気体の吸脱着が徐々に発現していたが、ＥＬＭ−１１は、図５に示すように、圧力の影響を受けやすく、温度に変化により気体の急激な吸脱着が発現する。

次に、本実施の形態に係る物体把持装置１の動作について、図６Ａ及び図６Ｂを用いて説明する。図６Ａは、実施の形態に係る物体把持装置１のバッグ１１内が減圧状態である場合を模式的に示す図である。図６Ｂは、同物体把持装置１のバッグ１１内が加圧状態である場合を模式的に示す図である。

図６Ａ及び図６Ｂでは、エネルギー発生装置２２としてヒータを用いている。また、密閉容器２３とバッグ１１と通気路３０とで構成される密閉系には気体５０としてＣＯ_２が気密封止されている。なお、物体把持装置１は、常温下に設置されている。

図６Ａの状態では、ヒータはオフになっており、多孔体２１には、熱エネルギーが与えられていない。また、図６Ａの状態において、バッグ１１内の圧力は、大気圧より低くなっており、また、バッグ１１は弾性変形する前の状態であり、バッグ１１内に充填された粒体１２はバッグ１１内で密集して固体的な振る舞いを示している。

なお、初期状態において、多孔体２１には活性化処理が施されており、多孔体２１の細孔には、気体５０として所定量のＣＯ_２が吸着されている。つまり、図６Ａの状態において、多孔体２１には気体５０が吸着している。

図６Ａの状態でヒータをオンにして多孔体２１に熱エネルギーを与えると、図６Ｂに示すように、多孔体２１の構造が変形して多孔体２１に吸着している気体５０が脱着する。つまり、多孔体２１に吸着されていた気体５０が多孔体２１から離脱する。多孔体２１から脱着した気体５０は、通気路３０を介してバッグ１１内に移動する。これにより、気体５０の流入によってバッグ１１内が加圧され、バッグ１１が膨張する。このとき、本実施の形態において、バッグ１１内の圧力は、大気圧になっている。この結果、バッグ１１内の粒体１２は、バッグ１１内で分散して流体的な振る舞いを示すことになり、把持部１０は軟質化して軟質状態になる。このとき、バッグ１１に外力が与えられると、バッグ１１が弾性変形する。

また、図６Ｂの状態でヒータをオフにして多孔体２１に印加される熱エネルギーが停止すると、自然放冷により多孔体２１が冷却されて多孔体２１の温度が低下し、多孔体２１に気体５０が吸着する。このとき、バッグ１１内の気体５０が通気路３０を介して密閉容器２３に移動して、多孔体２１に気体５０が吸着する。これにより、気体５０の流出によってバッグ１１内が減圧される。このとき、本実施の形態において、バッグ１１内の圧力は、所定負圧に減圧されている。この結果、バッグ１１の弾性復元力によって、バッグ１１の形状は、元の状態に戻ることになる。つまり、バッグ１１は、図６Ａに示す状態に戻る。この場合、バッグ１１内の粒体１２は、バッグ１１内で密集して固体的な振る舞いを示すことになり、把持部１０は硬質化した硬質状態になる。なお、把持部１０が硬質状態のときにバッグ１１に外力が与えられても、バッグ１１は弾性変形しない。

また、図６Ａの状態から再びヒータをオンにして多孔体２１に熱エネルギーを与えると、再び図６Ｂの状態に戻る。つまり、多孔体２１に吸着している気体５０が脱着してバッグ１１内に移動し、バッグ１１内が気体５０の流入によって加圧される。つまり、バッグ１１内の圧力が大気圧に戻る。以下、ヒータのオンオフを制御することで、把持部１０の状態を図６Ａに示される硬質状態と図６Ｂに示される軟質状態とに可逆的に切り替えることができる。

このように、本実施の形態における物体把持装置１では、加圧減圧部２０によって、多孔体２１に熱エネルギーを与えて多孔体２１に吸着している気体を脱着させてバッグ１１内を加圧したり、多孔体２１に与えている熱エネルギーを取り除いて多孔体２１に気体を吸着させてバッグ１１内を減圧したりすることで、バッグ１１内の圧力を所定負圧に減圧したりバッグ１１内の圧力を大気圧に戻したりすることができる。これにより、バッグ１１内に充填された粒体１２がジャミング転移により固体的に振る舞ったり流体的に振る舞ったりするので、把持部１０が軟質化したり硬質化したりする。

次に、物体把持装置１の適用例について、図７を用いて説明する。図７は、実施の形態に係る物体把持装置１をロボットハンド２に適用したときに、ロボットハンド２がワーク１００を把持するときの動作を説明するための図である。ロボットハンド２は、例えば、ロボットアームの一部として用いることができる。

図７では、物体把持装置１を備えるロボットハンド２が、ワーク１００を把持するときの様子を示している。なお、図７において、物体把持装置１は、把持部１０がワーク１００に対向するように把持部１０を鉛直下向きに配置した状態になっている。

まず、図７の（ａ）では、多孔体２１に熱エネルギーが印加されておらず、物体把持装置１の把持部１０におけるバッグ１１内の圧力は減圧されている。したがって、把持部１０は、硬質状態になっている。

次に、ロボットハンド２にワーク１００を把持させる場合、ヒータをオンにして多孔体２１に熱エネルギーを与える。これにより、多孔体２１から気体が脱着してバッグ１１内が加圧され、バッグ１１が膨張する。これにより、把持部１０は、軟質化して硬質状態になる。

次に、図７の（ｃ）に示すように、この状態のロボットハンド２を下降させて、軟質化した把持部１０をワーク１００に押し付ける。これにより、バッグ１１の形状がワーク１００の形状に倣って弾性変形する。

次に、図７の（ｄ）に示すように、ヒータをオフにして多孔体２１に与えている熱エネルギーを取り除く。これにより、バッグ１１の気体が多孔体２１に吸着してバッグ１１内が減圧され、弾性復元力によってバッグ１１が収縮する。これにより、バッグ１１の形状がワーク１００の形状に倣った状態で把持部１０が硬質化する。つまり、ワーク１００は、硬質状態となった把持部１０によって把持されることになる。

なお、把持部１０に把持されたワーク１００を移動させる場合、例えば、図７の（ｅ）に示すように、ロボットハンド２を上昇移動させればよい。これにより、ワーク１００が把持部１０で把持された状態でワーク１００を移動させることができる。

以上、本実施の形態に係る物体把持装置１は、内部に粒体１２を充填させた可撓性及び気密性を有するバッグ１１を含み、対象物を把持する形状可変な把持部１０と、気体を吸着脱着可能な多孔体２１及びエネルギー発生装置２２を有し、バッグ１１内の圧力を所定負圧に減圧したりバッグ１１内の圧力を大気圧に戻したりすることができる加圧減圧部２０とを備えている。そして、加圧減圧部２０は、エネルギー発生装置２２によって多孔体２１にエネルギーを与えて多孔体２１に吸着している気体を脱着させることでバッグ１１内を加圧し、エネルギー発生装置２２によって多孔体２１に与えているエネルギーを取り除いて多孔体２１に気体を吸着させることでバッグ１１内を減圧する。

この構成により、真空ポンプを用いることなく、バッグ１１内の圧力を減圧することができる。また、多孔体２１及びエネルギー発生装置２２によってバッグ１１内の圧力を制御するので、バッグ１１内の圧力の減圧及び加圧の応答性に優れている。したがって、小型且つ軽量で、優れた応答性を有する物体把持装置１を実現することができる。また、本実施の形態に係る物体把持装置１は、小型且つ軽量であるので、移動性及び装着性にも優れている。

また、本実施の形態に係る物体把持装置１において、エネルギー発生装置２２は、多孔体２１に熱エネルギーを与える熱を発生する熱発生装置である。

この構成により、エネルギー発生装置２２による加熱及び冷却によって多孔体２１に与える熱エネルギーを制御することで、多孔体２１の気体の吸脱着を制御してバッグ１１内の圧力を制御することができる。したがって、簡易な構成で応答性に優れた物体把持装置１を実現することができる。

また、本実施の形態に係る物体把持装置１において、多孔体２１の３０℃常圧下での気体の吸着量と多孔体２１の１５０℃常圧下での気体の吸着量との差が２ｗｔ％以上であるとよい。

このような多孔体２１を用いることで、多孔体２１の気体の吸着及び脱着に伴うバッグ１１内の加圧及び減圧の応答性を一層向上させることができる。したがって、応答性に一層優れた物体把持装置１を実現することができる。

また、本実施の形態に係る物体把持装置１において、多孔体２１は、金属有機構造体であるとよい。

この構成により、多孔体２１の気体の吸着量を大きくすることができるので、多孔体２１の気体の吸脱着に伴うバッグ１１内の圧力の変化を大きくすることができる。

また、本実施の形態に係る物体把持装置１において、多孔体２１は、ゲート吸着型の金属有機構造体であるとよい。

この構成により、ある特定の温度（ゲート圧が開く温度）で気体の吸着及び脱着が起こるので、ゲート吸着型ＭＯＦの気体の吸着量の変化が急激に生じるため、吸着及び脱着に伴うバッグ１１内の加圧及び減圧の応答性を一層向上させることができる。また、多孔体２１が吸着した気体を容易に完全に脱着させることができ、多孔体２１に与えるエネルギーに対する気体の吸脱着の効率を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る物体把持装置１において、多孔体２１は、無機物、有機物及び金属の少なくとも一つと複合化された複合体であるとよい。

この構成により、多孔体２１のエネルギー伝達率が向上するので、物体把持装置１の応答性を向上させることができる。例えば、多孔体２１に熱エネルギーが与えられる場合、上記構成により、多孔体２１の熱伝導率が向上するので、加熱時の脱着の応答性を早めることができるので、物体把持装置１の応答性を向上させることができる。なお、多孔体２１を複合化する場合、多孔体２１は密な構造にならないようにするとよい。

ここで、多孔体２１を複合体とした場合の一例について、図８を用いて説明する。図８は、多孔体２１ａと粉末接着剤２１ｂとで構成された複合体２１Ａの一例を示す図である。

図８に示すように、複合体２１Ａは、複数の多孔体２１ａが粉末接着剤２１ｂで接合された構成である。多孔体２１ａとしては、上記の多孔体２１を用いることができる。また、粉末接着剤２１ｂとしては、例えば、エポキシ樹脂、フエノール樹脂、アクリル樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン及びこれらが変性した樹脂等からなる点状接着剤を用いることができる。なお、多孔体２１ａの平均粒径、粉末接着剤２１ｂの平均粒径は、例えば複合体２１ＡのＸ線ＣＴにより測定することができる。

また、図示しないが、多孔体２１は、熱伝導体との複合体であってもよい。これにより、加熱時における多孔体２１の気体の脱着の応答性を早めることができる。この点について、以下説明する。

気体を吸着した多孔体２１を熱エネルギーによって脱着させる場合、多孔体２１には、脱着に必要な熱量が伝達されなければならない。このとき、気体の脱着の応答性は、多孔体２１への熱伝達速度に依存する。この点、ＭＯＦ等の多孔体２１単体では、一般的に熱伝導率が低いので、エネルギー発生装置２２で多孔体２１に熱エネルギーを与えても熱が多孔体２１の内部にまで伝達する速度は遅い。このため、多孔体２１単体では、気体の吸脱着の応答速度は低い。そこで、熱伝導率が比較的に高い熱伝導体と多孔体２１とを複合化させることにより、多孔体２１と熱伝導体との複合体としての熱伝導率を高くすることができる。これにより、加熱時の気体の脱着の応答性を早めることができる。したがって、バッグ１１の加圧の速度を向上させることができる。

なお、多孔体２１と複合化する熱伝導体としては、特に限定されるものではないが、例えば、グラファイト等のカーボン材料又は金属材料等が挙げられる。使用する多孔体２１に応じて熱伝導体を適宜選択すればよく、多孔体２１の吸着性能を損なわないものであれば、熱伝導体の材料は、特に限定されるものではない。また、多孔体２１と熱伝導体との複合化の方法及び複合体の具体的構造についても特に限定されるものではない。

また、本実施の形態に係る物体把持装置１において、把持部１０と加圧減圧部２０とは、通気路３０を介して分離されている。

この構成により、把持部１０とは分離された加圧減圧部２０によって把持部１０のバッグ１１内の圧力を制御することができる。これにより、応答性が要求される用途に容易に展開することができる。

なお、加圧減圧部２０が把持部１０と分離されておらず、加圧減圧部２０の一部又は全部が把持部１０の内部等にあってもよい。例えば、多孔体２１がバッグ１１の内部に配置されていてもよい。この場合、エネルギー発生装置２２は、バッグ１１の外部に設置するとよいが、バッグ１１の内部に設置されていてもよい。このように、加圧減圧部２０の一部又は全部を把持部１０の内部に設置することで、加圧減圧部２０の一部又は全部と把持部１０とを一体化させることができ、加圧減圧部２０の一部又は全部を把持部１０と別に設置する必要がなくなる。これにより、物体把持装置の装置構成をより簡素化することができる。

また、本実施の形態に係る物体把持装置１において、通気路３０には、通気路３０を通る気体の流れを制御する制御装置４０が設けられている。

この構成により、制御装置４０によって、多孔体２１と吸脱着する気体の流れを制御することができるので、バッグ１１内の圧力の調整を容易に行うことができるとともに、バッグ１１内の圧力の調整の自由度が向上する。例えば、制御装置４０がコックである場合、コックを閉めた状態で多孔体２１を加熱して気体を予め脱着させておき、その後コックを開くことで、バッグ１１に気体を流入させてバッグ１１内を加圧することができる。つまり、コックの開閉を制御することで、バッグ１１の加圧及び減圧するタイミングを制御することができる。

また、本実施の形態に係る物体把持装置１において、多孔体２１が配置される密閉容器２３内には除湿機構が配置されているとよい。一例として、除湿機構は、シリカゲルである。

このように除湿機構を配置することで、多孔体２１が水分を吸収することを抑制できるので、多孔体２１の劣化を抑制することができる。これにより、多孔体２１の性能を長期的に維持させることができる。したがって、信頼性に優れた物体把持装置１を実現することができる。

（変形例）
以上、本開示に係る物体把持装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施の形態では、エネルギー発生装置２２として、ヒータ等の熱エネルギーを発生する熱発生装置を例示したが、これに限らない。

この場合、エネルギー発生装置２２として、多孔体２１に光エネルギーを与える光を発生する光発生装置を用いてもよい。熱エネルギーによって多孔体２１の気体の吸脱着を制御すると、バッグ１１内の加圧及び減圧の応答速度は、加熱速度及び冷却速度に依存する。また、冷却速度を早めるために冷却機構をさらに設置すると、物体把持装置が大型化する。そこで、エネルギー発生装置２２として光発生装置を用いることで、光エネルギーによって多孔体２１の気体の吸脱着を制御することができる。例えば、気体を吸着した多孔体２１にＵＶ光等の光を照射することで気体を脱着させることができる。このように、エネルギー発生装置２２として光発生装置を用いることで、応答性に優れた物体把持装置を実現することができる。

また、エネルギー発生装置２２として、多孔体２１に磁気エネルギーを与える磁力を発生する磁力発生装置を用いてもよい。光エネルギーによって多孔体２１の気体の吸脱着を制御すると、多孔体２１の内部にまで光が届かない場合が生じうる。これに対して、基本的に磁界は物質を透過するため、エネルギー発生装置２２として磁力発生装置を用いて多孔体２１の存在空間に磁場を生成することで、多孔体２１の気体の吸脱着を効果的に行うことができる。磁気エネルギーが与えられて気体の吸脱着を行う多孔体２１は、磁気エネルギーが与えられることで熱を発生し、この熱によって気体の吸脱着を行うものである。このように、エネルギー発生装置２２として磁力発生装置を用いた場合も、応答性に優れた物体把持装置を実現することができる。

また、上記実施の形態において、ジャミング転移により状態が変化する物質として、粒体１２を例示したが、これに限らない。例えば、ジャミング転移により状態が変化する物質として、無機繊維又は有機繊維等の繊維であってもよいし、フィルム又はシートが積層されたものであってもよい。つまり、バッグ１１の内部に収納される物質は、ジャミング転移により状態が変化する固体等の物質であればよい。

また、上記実施の形態において、多孔体２１と吸脱着する気体としてＣＯ_２を例示したが、これに限らない。多孔体２１と吸脱着する気体としては、ＣＯ_２以外に、Ｎ_２、Ｏ_２、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_２Ｈ_２、ＮＨ_３、Ｈ_２等が挙げられる。

また、上記実施の形態における物体把持装置１は、ロボットハンドに利用する場合を例示したが、物体把持装置１は、その他の様々な用途にも適用することができる。例えば、物体把持装置１は、人又は物体を固定する治具等にも利用することができる。

その他、上記実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、又は、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で上記の実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。

１ 物体把持装置
１０ 把持部
１１ バッグ
１２ 粒体
２０ 加圧減圧部
２１、２１ａ 多孔体
２１Ａ 複合体
２２ エネルギー発生装置
２３ 密閉容器
３０ 通気路
４０ 制御装置
５０ 気体
１００ ワーク

Claims (11)

1. ジャミング転移により状態が変化する物質が収容された可撓性及び気密性を有するバッグを含み、対象物を把持する形状可変な把持部と、
   気体を吸着脱着可能な多孔体及びエネルギー発生装置を有し、前記バッグ内の圧力を所定負圧に減圧したり前記バッグ内の圧力を大気圧に戻したりすることができる加圧減圧部とを備え、
   前記加圧減圧部は、
   前記エネルギー発生装置によって前記多孔体にエネルギーを与えて前記多孔体に吸着している気体を脱着させることで前記バッグ内を加圧し、
   前記エネルギー発生装置によって前記多孔体に与えているエネルギーを取り除いて前記多孔体に気体を吸着させることで前記バッグ内を減圧する、
   物体把持装置。
2. 前記エネルギー発生装置は、前記多孔体に熱エネルギーを与える熱を発生する熱発生装置である、
   請求項１に記載の物体把持装置。
3. 前記多孔体の３０℃常圧下での気体の吸着量と前記多孔体の１５０℃常圧下での気体の吸着量との差が２ｗｔ％以上である、
   請求項１又は２に記載の物体把持装置。
4. 前記多孔体は、金属有機構造体である、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の物体把持装置。
5. 前記多孔体は、ゲート吸着型の金属有機構造体である、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の物体把持装置。
6. 前記多孔体は、無機物、有機物及び金属の少なくとも一つと複合化された複合体である、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の物体把持装置。
7. 前記エネルギー発生装置は、前記多孔体に光エネルギーを与える光を発生する光発生装置である、
   請求項１に記載の物体把持装置。
8. 前記エネルギー発生装置は、前記多孔体に磁気エネルギーを与える磁力を発生する磁力発生装置である、
   請求項１に記載の物体把持装置。
9. 前記把持部と前記加圧減圧部とは、通気路を介して分離されている、
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の物体把持装置。
10. 前記通気路には、前記通気路を通る気体の流れを制御する制御装置が設けられている、
    請求項９に記載の物体把持装置。
11. 前記多孔体は、密閉容器内に配置されており、
    前記密閉容器内に除湿機構が配置されている、
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の物体把持装置。

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