JP3756178B2 - 積層型多関節部駆動機構及びその製造方法、それを備えた把持ハンド、ロボットアーム、ロボット - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、多関節部を有する積層型関節部駆動機構及びその製造方法、それを備えた把持ハンド、ロボットアーム、及び、把持ハンドとロボットアームとを備えるロボットに関するものであり、特に多種多様な対象物の把持、使用する人間に対する安全性、柔軟な動作を実現し、低コストで製造が容易な積層型多関節部駆動機構及びその製造方法、それを備えた把持ハンド、ロボットアーム、ロボットに関するものである。
【０００２】
従来、多関節部駆動機構を有する把持ハンドは、主として産業用ロボットのハンドとして工場内という限られた作業環境内において、特定の部品を把持する用途で用いられており、特化された動作の高精度化、高速化等に関して検討、考案されている。近年、これに対して家庭内や病院等で、家事支援や仕事支援、高齢者や障害者への介護支援等においてのロボット導入に関する開発がさかんとなり、産業用ロボットでは不可能な多種多様な対象物の把持、使用する人間に対する安全性、これら条件を満たし、かつ柔軟な動作を実現できる把持ハンドが求められている。多様な対象物の把持に関しては特許第３２４５０９５号に記載されたロボットハンドが知られている。このロボットハンドは５指を有し、４関節部４自由度の母指、４関節部３自由度の４指より構成され、指先第１関節部以外の関節部に小型サーボモータを内蔵することで関節部駆動を行っている。
【０００３】
しかしながら、このロボットハンドは構成部品点数が多く組立を必要とし、かつ高価であるため現在はまだその使用用途が研究用と限定されている。
【０００４】
柔軟な動作を実現できる把持ハンドに関して、その構成要素である空気アクチュエータにおいては特許第３２２６２１９号に記載されたものが知られている。このアクチュエータは筒状弾性体内に隔壁を複数設けることで圧力室を構成し、各圧力室を加圧することで弾性体を屈曲させる物である。このアクチュエータを複数組み合わせることで把持ハンドを構成し、物体を把持することが可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、人間の骨にあたる構成要素が存在しないため、把持対象の形状及び重量によってはアクチュエータが把持を維持することが困難となってしまうという問題点が生じる。また、各アクチュエータを駆動させるためには、筒状弾性体の内部圧力室の数に相当する駆動配管が必要となる。この場合、配管数は増加し、配管の持つ剛性によってはアクチュエータの屈曲動作力以上の負荷がかかり、十分にアクチュエータが屈曲できなくなる可能性も否定できない。
【０００６】
これら、既に報告された把持ハンドには、本発明による空圧を駆動源とし、積層型空圧配管部材と平面型関節部屈曲変形部材と関節部を有する骨材を備えているような把持ハンドに関しては開示されていない。
【０００７】
人間の居住空間内に各種支援を行うためのロボットを導入するためには、支援動作の主となる把持ハンドを実現する多関節部駆動機構が必要である。また、この多関節部駆動機構を備えた把持ハンドは、多種多様な対象物の把持性能を有し、安全であり、また簡易な構造であり低コストで実現可能であることが要求されている。
【０００８】
本発明の目的は、上記の課題を解決し、多種多様な対象物の把持性能を有する把持ハンドを実現可能で、かつ、安全であり、また簡易な構造であり低コストで実現可能な積層型多関節部駆動機構及びその製造方法、それを備えた把持ハンド、ロボットアーム、及び、把持ハンドとロボットアームとを備えるロボットを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記目的を達成するため、以下のように構成している。
【００１０】
本発明の第１態様によれば、空圧の駆動源と、
少なくとも２つの弾性変形可能な弾性変形部を有する骨材と、
上記骨材に重ね合わされるように固定され、かつ、上記駆動源に連結された少なくとも２系統の配管を有する積層型空圧配管部材と、
上記積層型空圧配管部材に重ね合わされるように固定され、かつ、上記骨材の各弾性変形部に対向する関節部に配置されかつ上記配管のそれぞれに連結された空圧動作室を有して上記空圧動作室に空圧が印加されることにより、上記空圧が印加された上記空圧動作室に対応する上記関節部が変形可能な平面型関節部変形部材とを備えている積層型多関節部駆動機構を提供する。
【００１１】
本発明の第６態様によれば、第１〜５のいずれか１つの態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構の製造方法であって、
少なくとも上記弾性変形部に弾性ヒンジを備えた上記骨材を一括して成型し、
上記積層型空圧配管部材及び上記平面型関節部屈曲変形部材を上記骨材に積層接合することを備える積層型多関節部駆動機構の製造方法を提供する。
【００１２】
本発明の第７態様によれば、第１〜５のいずれか１つの態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物を把持可能とすることで構成する把持ハンドを提供する。
【００１３】
本発明の第８態様によれば、第１〜５のいずれか１つの態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いるロボットアームを提供する。
【００１４】
本発明の第９態様によれば、第１〜５のいずれか１つの態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いて構成され、かつ、第７の態様に記載の上記把持ハンドをアーム先端に備えるロボットアームを提供する。
【００１５】
本発明の第２１態様によれば、第１又は２の態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いて構成される上記ロボットアームと、上記ロボットアームの先端に備えられた第１０の態様に記載の上記把持ハンドとを備えるロボット。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。
【００１７】
以下、図面を参照して本発明における第１実施形態を詳細に説明する。
【００１８】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する前に、まず、本発明の種々の態様について説明する。
【００１９】
本発明の第１態様によれば、空圧の駆動源と、
少なくとも２つの弾性変形可能な弾性変形部を有する骨材と、
上記骨材に重ね合わされるように固定され、かつ、上記駆動源に連結された少なくとも２系統の配管を有する積層型空圧配管部材と、
上記積層型空圧配管部材に重ね合わされるように固定され、かつ、上記骨材の各弾性変形部に対向する関節部に配置されかつ上記配管のそれぞれに連結された空圧動作室を有して上記空圧動作室に空圧が印加されることにより、上記空圧が印加された上記空圧動作室に対応する上記関節部が変形可能な平面型関節部変形部材とを備えている積層型多関節部駆動機構を提供する。
【００２０】
これにより、従来の空気アクチュエータの利点である柔軟な駆動を生かし、かつ配管の煩雑さを克服し、モータを代表とするアクチュエータに比較して小型軽量で製造が容易な関節部駆動機構を実現し、骨材を有することで把持剛性の向上を図ることが可能となるという作用を有する。
【００２１】
本発明の第２態様によれば、上記積層型空気配管部材が、成型された複数の有機膜を積層して上記配管を形成する第１の態様に記載の積層型多関節部駆動機構を提供する。
【００２２】
この構成によれば、空圧を利用した駆動機構を構成する際に煩雑化することで、その関節部駆動にも影響を与える可能性のある配管を積層構造にすることで、製造を容易にし、低コスト化も図ることが可能となるという作用を有する。
【００２３】
本発明の第３態様によれば、上記平面型関節部屈曲変形部材は、その平面型関節部屈曲変形部材の長手方向沿いに伸縮可能な方向性を付与する拘束層を備えて、上記平面型関節部屈曲変形部材の上記関節部が伸びるとき、上記骨材の案内により屈曲動作を行う第１又は２の態様に記載の積層型多関節部駆動機構を提供する。
【００２４】
この構成によれば、空圧を利用した関節部駆動機構に供給されるエネルギを効率よく関節部の屈曲動作に変換することが可能となるという作用を有する。
【００２５】
本発明の第４態様によれば、上記骨材の上記複数の弾性変形部のそれぞれは、弾性ヒンジ部より構成される第１〜３のいずれか１つの態様に記載の積層型多関節部駆動機構を提供する。
【００２６】
この構成によれば、複数の関節部を有する骨材の各関節部を個々に製造するのではなく、関節部のみを弾性ヒンジ形状に加工することで一括して多関節部、もしくは多指形状までをも製造できるという作用を有する。
【００２７】
本発明の第５態様によれば、上記平面型関節部屈曲変形部材の上記拘束層が、網状の繊維を編み込んだ柔軟な有機膜材料である第１〜４のいずれか１つの態様に記載の積層型多関節部駆動機構を提供する。
【００２８】
この構成によれば、網状繊維により平面型関節部屈曲変形部材の伸縮方向を特定の方向に制限することで、空圧減から供給されるエネルギを効率よく関節部の屈曲動作に変換することが可能となるという作用を有する。
【００２９】
本発明の第６態様によれば、第１〜５のいずれか１つの態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構の製造方法であって、
少なくとも上記弾性変形部に弾性ヒンジを備えた上記骨材を一括して成型し、
上記積層型空圧配管部材及び上記平面型関節部屈曲変形部材を上記骨材に積層接合することを備える積層型多関節部駆動機構の製造方法を提供する。
【００３０】
この構成によれば、各層ごとに成型を行い、各層を密着接合することで積層型多関節部駆動機構を製造することから、積層型多関節部関節部駆動機構を構成する部品点数を最低限に抑え低コストで積層型多関節部駆動機構を製造できるという作用を有する。
【００３１】
本発明の第７態様によれば、第１〜５のいずれか１つの態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物を把持可能とすることで構成する把持ハンドを提供する。
【００３２】
この構成によれば、多種多様な対象物の把持、使用する人間に対する安全性、柔軟な動作を実現可能であるという作用を有する。
【００３３】
本発明の第８態様によれば、第１〜５のいずれか１つの態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いるロボットアームを提供する。
【００３４】
この構成によれば、使用する人間に対する安全性、柔軟な位置決め動作を実現可能である。
【００３５】
本発明の第９態様によれば、第１〜５のいずれか１つの態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いて構成され、かつ、第７の態様に記載の上記把持ハンドをアーム先端に備えるロボットアームを提供する。
【００３６】
この構成によれば、上記積層型多関節部駆動機構を対向配置した上記把持ハンドをロボットアームの先端に備えることにより、可動範囲にある把持対象物に対して把持ハンドを安全に位置決めすることが可能となり、使用する人間に対する安全性、柔軟な位置決め動作を実現可能である。
【００３７】
本発明の第１０態様によれば、第１又は２の態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物を把持可能とすることで構成する把持ハンドを提供する。
【００３８】
本発明の第１１態様によれば、第３の態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物を把持可能とすることで構成する把持ハンドを提供する。
【００３９】
本発明の第１２態様によれば、第４の態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物を把持可能とすることで構成する把持ハンドを提供する。
【００４０】
本発明の第１３態様によれば、第５の態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物を把持可能とすることで構成する把持ハンドを提供する。
【００４１】
本発明の第１４態様によれば、第６の態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物を把持可能とすることで構成する把持ハンドを提供する。
【００４２】
本発明の第１５態様によれば、第１又は２の態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いるロボットアームを提供する。
【００４３】
本発明の第１６態様によれば、第３の態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いるロボットアームを提供する。
【００４４】
本発明の第１７態様によれば、第４の態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いるロボットアームを提供する。
【００４５】
本発明の第１８態様によれば、第１０の態様に記載の上記把持ハンドをアーム先端に備えるロボットアームを提供する。
【００４６】
本発明の第１９態様によれば、第１１の態様に記載の上記把持ハンドをアーム先端に備えるロボットアームを提供する。
【００４７】
本発明の第２０態様によれば、第１２の態様に記載の上記把持ハンドをアーム先端に備えるロボットアームを提供する。
【００４８】
本発明の第２１態様によれば、第１又は２の態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いて構成される上記ロボットアームと、上記ロボットアームの先端に備えられた第１０の態様に記載の上記把持ハンドとを備えるロボットを提供する。
【００４９】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図２２を用いて説明する。
【００５０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における積層型多関節部駆動機構の断面図である。図１に示す積層型多関節部駆動機構は、複数の関節部のそれぞれに弾性ヒンジ部１Ａを備えた骨材１上に、板状の積層型空圧配管形成部材２及び平面型関節部屈曲変形部材３を積層したのち、ポリイミド系接着剤などの接着剤で接着して密着接合することで構成する。この多関節部駆動機構は、圧縮空気などを供給する例えばエアーシリンダなどの空圧駆動源４と、空圧駆動源４に連結された空圧導入管を構成する空圧導入管５と、空圧導入管５にそれぞれ電磁弁１７ａ，１７ｂ，１７ｃを有する複数の配管２ａ，２ｂ，２ｃを介して連結された気体通過用貫通穴２ｇ，２ｈ，２ｉを有する積層型空圧配管形成部材２と、積層型空圧配管形成部材２に密着接合された平面型関節部屈曲変形部材３とより構成して、積層型空圧配管形成部材２の気体通過用貫通穴２ｇ，２ｈ，２ｉに空圧駆動源４から空圧を印加し、平面型関節部屈曲変形部材３を膨張させることにより、骨材１の弾性ヒンジ部１Ａを屈曲点として関節部の屈曲を行うものである。
【００５１】
図１及び図２Ｃにおいては、骨材１は、基端部側より先端部側に向けて、第１骨材本体部１Ｂ−１と、第１弾性ヒンジ部１Ａ−１と、第２骨材本体部１Ｂ−２と、第２弾性ヒンジ部１Ａ−２と、第３骨材本体部１Ｂ−３と、第３弾性ヒンジ部１Ａ−３と、第４骨材本体部１Ｂ−４とが連結されて隣接配置されている。以下の説明において、第１〜第４骨材本体部１Ｂ−１〜１Ｂ−４に共通する場合には骨材本体部１Ｂとして説明するとともに、第１〜第３弾性ヒンジ部１Ａ−１〜１Ａ−３に共通する場合には弾性ヒンジ部１Ａとして説明する。弾性ヒンジ部１Ａは骨材本体部１Ｂより薄肉に形成されて、弾性変形可能となっている。
【００５２】
骨材１は、弾性ヒンジ部１Ａを３個配置して、積層型多関節部機構の関節部数を３関節部としているが、この積層型多関節部駆動機構が用いられる環境及び対象物によって関節部数を変更してもよい。また、積層型多関節部機構の幅ないしは各部位の長さに関しても同様に変更してもよい。
【００５３】
この積層型多関節部駆動機構について、その製造手順を参照しつつそれらの構成を説明する。
【００５４】
図２Ａ及び図２Ｂは、上記積層型多関節部駆動機構の各関節部に弾性ヒンジ部１Ａを備えた骨材１の斜視図及び断面図である。骨材１は剛性が高く軽量な有機材料（例えば、ポリエチレンテレフタレート又はポリプロピレンなど）を用い、その外形形状と弾性ヒンジ部１Ａと骨材本体部１Ｂを一括成型することを特徴とする。ここで、弾性ヒンジ部１Ａとは、骨材１においてその屈曲を行うための部位を骨材本体部１Ｂの厚みの１／２から１／４程度に成型した部分のこととする。本発明の上記実施形態では単一材料で骨材１の一括成型を行うため、弾性ヒンジ部１Ａと骨材本体部１Ｂの弾性率は同じとなるが、その厚みの差により、骨材本体部１Ｂよりも弾性ヒンジ部１Ａを優先的に屈曲させることが可能となる。骨材１の材料の一例としてはポリプロピレンが挙げられる。ポリプロピレンは材料そのものがヒンジ性を有し、繰り返し曲げ強度が大であることから繰り返し動作を必要とする多関節部駆動機構の信頼性を向上させることが可能であると考えられる。骨材１の一括成型の一例としては、金型を用いた成型が挙げられる。幅の広い板材を成型し、後に所望の幅で分離切断することで容易に多数の骨材１を成型して製造することが可能である。骨材１の別の製造方法としては板材の熱加工が挙げられ、加熱圧縮で弾性ヒンジ部１Ａを形成することで弾性ヒンジ部１Ａの素材組織が密となり、関節部の繰り返し曲げ強度も向上させることができる可能性を有する。図２Ｃは、上記弾性ヒンジ部１Ａが有する力学的特徴を示す斜視図である。骨材１は、弾性ヒンジ部１Ａを関節部として各骨材本体部１Ｂが接続されている形状となっているため、骨材１にかかるＺ軸方向の力６は、骨材１の基端側ではモーメント力７として支持することが可能である。このモーメント力７の性質は、弾性ヒンジ部１Ａのねじれ剛性が高い場合には、弾性ヒンジ部１Ａの曲げ角度によらず有効であり、かつ平面型関節部屈曲変形部材３の発生力にも依存しない。この特徴により、図１０に示されるように、積層型多関節部駆動機構を一対対向してハンドのように配置する場合には、把持方向（図２ＣのＺ軸方向とＸ軸方向に直交する方向、言い換えれば、骨材１の厚み方向）に垂直である把持対象物の重力落下方向（図２ＣのＺ軸方向）に発生する力は、骨材１の構造的強度により支えることができ、空圧駆動源４より供給されるエネルギは、把持力に効率的に変換することが可能となる。
【００５５】
図３Ａ及び図３Ｂに積層型空圧配管形成部材２の構成要素である有機膜２Ａ，２Ｂ，２Ｃの分解斜視図及び有機膜２Ａ，２Ｂ，２Ｃとを積層した後の積層型空圧配管形成部材２の断面図を示す。上記積層型空圧配管形成部材２は、図３Ａに示されるように、骨材１と同じ形状でかつ３枚とも同じ形状の有機膜２Ａ，２Ｂ，２Ｃが密着積層されて構成されており、基材となる第１有機膜２Ａ上に、配管を形成する第２有機膜２Ｂを密着接合し、フォトリソグラフィー等により配管形状加工を行い、その上に第３有機膜２Ｃを密着接合し平面型関節部屈曲変形部材３に空圧を導入するためのスルーホールを形成することで構成する。すなわち、第２有機膜２Ｂには、互いに平行にかつ積層型空圧配管形成部材２の長手方向沿いに延びかつ厚み方向に貫通した３つの配管２ａ，２ｂ，２ｃを備えている。第１積層型空圧配管２ａは、最も短く、先端に配管幅より大きな直径でかつ厚み方向に貫通した第１円形気体供給穴２ｄが形成されている。第２積層型空圧配管２ｂは、第１積層型空圧配管２ａより長く、先端に配管幅より大きな直径でかつ厚み方向に貫通した円形気体供給穴２ｅが形成されている。第３積層型空圧配管２ｃは、第２積層型空圧配管２ｂより長く、先端に配管幅より大きな直径でかつ厚み方向に貫通した円形気体供給穴２ｆが形成されている。
【００５６】
また、第１有機膜２Ａは、貫通した穴（スルーホール）は全く形成されていない平板状となっている。
【００５７】
一方、第３有機膜２Ｃの基端部近傍には、第２有機膜２Ｂの第１円形気体供給穴２ｄに連通しかつ第１円形気体供給穴２ｄより大径でかつ厚み方向に貫通した第１円形気体通過用貫通穴２ｇが形成され、基端部と先端部の中間部には第２有機膜２Ｂの第２円形気体供給穴２ｅに連通しかつ第２円形気体供給穴２ｅより大径でかつ厚み方向に貫通した第２円形気体通過用貫通穴２ｈが形成され、基端部と先端部の中間部には第２有機膜２Ｂの第３円形気体供給穴２ｆに連通しかつ第３円形気体供給穴２ｆより大径でかつ厚み方向に貫通した第３円形気体通過用貫通穴２ｉが形成されている。
【００５８】
よって、第２有機膜２Ｂの各配管２ａ，２ｂ，２ｃは、第３有機膜２Ｃと第１有機膜２Ａとの間に通路として形成されることになる。
【００５９】
この積層型空圧配管形成部材２の作製の一例を、材料としてポリイミド膜及び感光性ポリイミドを用いた場合の作製フローを図４Ａ〜図４Ｆに示す。まず、基材としての第１有機膜２Ａとなるポリイミド膜（図４Ａ参照）上に第２有機膜２Ｂとなる感光性ポリイミドをコーティングする（図４Ｂ参照）。コーティング後、プリベークを行い、その後、配管２ａ，２ｂ，２ｃに対応する配管のパターンを有するフォトマスク８を用いて感光性ポリイミドを露光し（図４Ｃ参照）、現像、及び、ポストベークを行い、配管２ａ，２ｂ，２ｃを形成する（図４Ｄ参照）。その上に、第３有機膜２Ｃとしての接着剤付きポリイミド膜を気密状態に接着し（図４Ｅ参照）、配管２ａ，２ｂ，２ｃと平面型関節部屈曲変形部材３を結ぶ第１円形気体通過用貫通穴２ｇと第２円形気体通過用貫通穴２ｈと第３円形気体通過用貫通穴２ｉの形成加工をレーザー光線９のレーザー加工等で行うことで積層型空圧配管部材２を作製する（図４Ｆ参照）。又は、先に第１円形気体通過用貫通穴２ｇと第２円形気体通過用貫通穴２ｈと第３円形気体通過用貫通穴２ｉを形成した接着剤付きポリイミド膜である第３有機膜２Ｃを、配管２ａ，２ｂ，２ｃを形成した第２有機膜２Ｂ及び第１有機膜２Ａ上に位置合わせを行い、気密状態に接着してもよい。このように空気配管２ａ，２ｂ，２ｃを平面に配置形成することで、多関節部駆動機構の各関節部を独立に動作させるための配管２ａ，２ｂ，２ｃも一括で成型可能となる。
【００６０】
上記配管２ａ，２ｂ，２ｃと空圧導入管５との間には、それぞれ電磁弁が配置されており、電磁弁の開閉により、独立して個別的に配管２ａ，２ｂ，２ｃ内に空気を供給及び供給停止可能としている。
【００６１】
図５Ａ及び図５Ｂに平面型関節部屈曲変形部材３の構成要素である基材３Ａに弾性層３Ｂと拘束層３Ｃとの分解斜視図及び基材３Ａに弾性層３Ｂと拘束層３Ｃとを積層した後の平面型関節部屈曲変形部材３の断面図を示す。平面型関節部屈曲変形部材３は、第１空圧動作用穴３ｇと第２空圧動作用穴３ｈと第３空圧動作用穴３ｉとにそれぞれ独立して連通しかつそれぞれより小径の第１円形気体供給穴３ｄと第２円形気体供給穴３ｅと第３円形気体供給穴３ｆとを貫通して有する基材３Ａ上に、弾性を有する材料によって空圧動作室１６となる空隙としてのそれぞれ貫通した四角形の第１空圧動作用穴３ｇと四角形の第２空圧動作用穴３ｈと四角形の第３空圧動作用穴３ｉとを形成した弾性層３Ｂを気密状態に接着接合し、貫通した穴が無い平板状でかつ上記積層型多関節部駆動機構の伸縮に方向性を付与する拘束層３Ｃとを気密状態に接着接合することで構成する。
【００６２】
ここで、図６Ａは、拘束層３Ｃの伸縮方向を制限していない場合の関節部駆動のモデルの断面図であり、この条件下で平面型関節部屈曲変形部材３が空圧印加によって図６Ａの上向きに膨張した時の形状を表している。この場合、拘束層３Ｃ自体が空圧印加に伴い優先的に膨張してしまい、目的とする関節部の屈曲動作を行うことはできない。
【００６３】
これに対して、図６Ｂは、拘束層３Ｃの伸縮方向を一方向（言い換えれば、拘束層３Ｃの長手方向）になるように制限を加えた場合の関節部駆動のモデルの断面図であり、この条件下で平面型関節部屈曲変形部材３が空圧印加によって膨張した時の形状を表している。このように、拘束層３Ｃの伸縮方向が一方向になることで、空圧駆動源４から供給されるエネルギを効率良く関節部の屈曲動作に変換することが可能となる。
【００６４】
拘束層３Ｃの伸縮方向を一方向、言い換えれば、拘束層３Ｃの長手方向に制限するためには、図７Ａに示すように拘束層３Ｃの伸縮方向に対して直角な方向に繊維１０を編み込んだ柔軟な有機材料によって成型することが効果的である。図７Ｂに、伸縮方向に対して直角な方向に繊維１０を編み込んだ拘束層３Ｃに空圧を印加した場合に拘束層３Ｃの伸び状態を表すモデルの平面図を示す。図７Ａ，図７Ｂの上下方向沿いの繊維１０に対して直角な方向（図７Ａ，図７Ｂの左右方向言い換えれば拘束層３Ｃの長手方向）には有機材料の弾性により伸縮するが、繊維１０に対して平行な方向（図７Ａ，図７Ｂの上下方向言い換えれば拘束層３Ｃの幅方向）には、繊維１０の長さによる伸縮の拘束力が働き伸縮を制限することができる。
【００６５】
また、図８は拘束層３Ｃの伸縮方向を特定の方向（言い換えれば、拘束層３Ｃの長手方向）に制限し、かつ関節部に弾性ヒンジ１Ａを備えた骨材１を備えた場合のモデルの断面図であり、この条件下で平面型関節部屈曲変形部材３が空圧印加によって膨張した時の形状を表している。空圧印加により駆動する平面型関節部屈曲変形部材３の他に、各関節部に弾性ヒンジ１Ａを備えた骨材１を備えることによってさらに関節部以外を拘束することで、より効率的に空圧駆動源４から供給されるエネルギを関節部の屈曲動作に変換可能となるという効果が得られる。
【００６６】
よって、この屈曲動作を詳述すると、積層型空圧配管形成部材２の第１円形気体供給穴２ｄと第１円形気体通過用貫通穴２ｇと平面型関節部屈曲変形部材３の第１円形気体供給穴３ｄと第１空圧動作用穴３ｇとが連結されて第１弾性ヒンジ部１Ａ−１の内面側に対向するように配置されて、空圧駆動源４から第１積層型空圧配管２ａと第１円形気体供給穴２ｄと第１円形気体通過用貫通穴２ｇと第１円形気体供給穴３ｄとを経て第１空圧動作用穴３ｇ（第１空圧動作室１６Ａ）に空圧すなわち圧縮空気を供給することにより、第１空圧動作室１６Ａ付近の平面型関節部屈曲変形部材３の上記第１関節部３ａが弾性変形して長手方向沿いに伸び、第１骨材本体部１Ｂ−１と第２骨材本体部１Ｂ−２とが第１弾性ヒンジ部１Ａ−１を内側に位置するように屈曲する。
【００６７】
同様に、積層型空圧配管形成部材２の第２円形気体供給穴２ｅと第２円形気体通過用貫通穴２ｈと平面型関節部屈曲変形部材３の第２円形気体供給穴３ｅと第２空圧動作用穴３ｈとが連結されて第２弾性ヒンジ部１Ａ−２の内面側に対向するように配置されて、空圧駆動源４から第２積層型空圧配管２ｂと第２円形気体供給穴２ｅと第２円形気体通過用貫通穴２ｈと第２円形気体供給穴３ｅとを経て第２空圧動作用穴３ｈ（第２空圧動作室１６Ｂ）に空圧すなわち圧縮空気を供給することにより、第２空圧動作室１６Ｂ付近の平面型関節部屈曲変形部材３の上記第２関節部３ｂが弾性変形して長手方向沿いに伸び、第２骨材本体部１Ｂ−２と第３骨材本体部１Ｂ−３とが第２弾性ヒンジ部１Ａ−２を内側に位置するように屈曲する。
【００６８】
同様に、積層型空圧配管形成部材２の第３円形気体供給穴２ｆと第３円形気体通過用貫通穴２ｉと平面型関節部屈曲変形部材３の第３円形気体供給穴３ｆと第３空圧動作用穴３ｉとが連結されて第３弾性ヒンジ部１Ａ−３の内面側に対向するように配置されて、空圧駆動源４から第３積層型空圧配管２ｃと第３円形気体供給穴２ｆと第３円形気体通過用貫通穴２ｉと第３円形気体供給穴３ｆとを経て第３空圧動作用穴３ｉ（第３空圧動作室１６Ｃ）に空圧すなわち圧縮空気を供給することにより、第３空圧動作室１６Ｃ付近の平面型関節部屈曲変形部材３の上記第３関節部３ｃが弾性変形して長手方向沿いに伸び、第３骨材本体部１Ｂ−３と第４骨材本体部１Ｂ−４とが第３弾性ヒンジ部１Ａ−３を内側に位置するように屈曲する。
【００６９】
上記各構成要素である骨材１、積層型空圧配管形成部材２及び平面型関節部屈曲変形部材３を気密状態に接着接合することで、上記第１実施形態の積層型多関節部駆動機構を作製する。
【００７０】
さらに、上記構成にかかる積層型多関節部駆動機構を制御部１２により駆動制御する場合について説明する。図９に示されるように、骨材１の根元を接合部として、積層型多関節部駆動機構を固定部１１に配置固定する。制御部１２は、空圧駆動源４の駆動を制御するとともに、第１積層型空圧配管２ａに介在された第１電磁弁１７ａの開閉と、第２積層型空圧配管２ｂに介在された第２電磁弁１７ｂの開閉と、第３積層型空圧配管２ｃに介在された第３電磁弁１７ｃの開閉を制御する。また、上記第１関節部３ａを駆動するための第１空圧動作室１６Ａは、上記第１空圧動作用穴３ｇより構成され、第１空圧動作室１６Ａに空気が供給されることにより、図８のように第１関節部３ａが第１弾性ヒンジ部１Ａ−１を中心にその両側の第１骨材本体部１Ｂ−１と第２骨材本体部１Ｂ−２とのガイドにより屈曲するようにしている。また、上記第２関節部３ｂを駆動するための第２空圧動作室１６Ｂは、上記第２空圧動作用穴３ｈより構成され、第２空圧動作室１６Ｂに空気が供給されることにより、図８のように第２関節部３ｂが第２弾性ヒンジ部１Ａ−２を中心にその両側の第２骨材本体部１Ｂ−２と第３骨材本体部１Ｂ−３とのガイドにより屈曲するようにしている。また、上記第３関節部３ｃを駆動するための第３空圧動作室１６Ｃは、上記第３空圧動作用穴３ｉより構成され、第３空圧動作室１６Ｃに空気が供給されることにより、図８のように第３関節部３ｃが第３弾性ヒンジ部１Ａ−３を中心にその両側の第３骨材本体部１Ｂ−３と第４骨材本体部１Ｂ−４とのガイドにより屈曲するようにしている。
【００７１】
上記多関節部駆動機構の動作は、まず、制御部１２が、多関節部駆動機構の平面型関節部屈曲変形部材３の第１関節部にある第１空圧動作室１６Ａに空圧を印加するための信号を発生させ、制御部１２により、空圧駆動源４を駆動するとともに第１電磁弁１７ａを開ける。この結果、空圧駆動源４から空気が、第１積層型空圧配管２ａと第１円形気体供給穴２ｄと第１円形気体供給穴３ｄとを経て、第１空圧動作用穴３ｇすなわち第１空圧動作室１６Ａに供給され、第１空圧動作室１６Ａに空気の圧力すなわち空圧を印加する。この空圧の印加に伴い第１空圧動作室１６Ａが膨張することで第１関節部が屈曲する。第１関節部の屈曲を元に戻すときには、制御部１２による空圧駆動源４の駆動を停止させて第１電磁弁１７ａを開けることにより、第１空圧動作室１６Ａでの空圧による膨張が解除されて、第１関節部は延びた状態に戻る。また、この第１関節部の屈曲とは独立して、制御部１２が、多関節部駆動機構の平面型関節部屈曲変形部材３の第２関節部にある第２空圧動作室１６Ｂに空圧を印加するための信号を発生させ、制御部１２により、空圧駆動源４を駆動するとともに第２電磁弁１７ｂを開ける。この結果、空圧駆動源４から空気が、第２積層型空圧配管２ｂと第２円形気体供給穴２ｅと第２円形気体供給穴３ｅとを経て、第２空圧動作用穴３ｈすなわち第２空圧動作室１６Ｂに供給され、第２空圧動作室１６Ｂに空気の圧力すなわち空圧を印加する。この空圧の印加に伴い第２空圧動作室１６Ｂが膨張することで第２関節部が屈曲する。第２関節部の屈曲を元に戻すときには、制御部１２による空圧駆動源４の駆動を停止させて第２電磁弁１７ｂを開けることにより、第２空圧動作室１６Ｂでの空圧による膨張が解除されて、第２関節部は延びた状態に戻る。また、この第２関節部の屈曲とは独立して、制御部１２が、多関節部駆動機構の平面型関節部屈曲変形部材３の第３関節部にある第３空圧動作室１６Ｃに空圧を印加するための信号を発生させ、制御部１２により、空圧駆動源４を駆動するとともに第３電磁弁１７ｃを開ける。この結果、空圧駆動源４から空気が、第３積層型空圧配管２ｃと第３円形気体供給穴２ｆと第３円形気体供給穴３ｆとを経て、第３空圧動作用穴３ｉすなわち第３空圧動作室１６Ｃに供給され、第３空圧動作室１６Ｃに空気の圧力すなわち空圧を印加する。この空圧の印加に伴い第３空圧動作室１６Ｃが膨張することで第３関節部が屈曲する。第３関節部の屈曲を元に戻すときには、制御部１２による空圧駆動源４の駆動を停止させて第３電磁弁１７ｃを開けることにより、第３空圧動作室１６Ｃでの空圧による膨張が解除されて、第３関節部は延びた状態に戻る。
【００７２】
上記第１実施形態によれば、制御部１２による電磁弁１７ａ，１７ｂ，１７ｃの開閉制御により、任意の関節部を確実に屈曲させることができる。
【００７３】
（第２実施形態）
図１０及び図１１は、第１実施形態における積層型多関節部駆動機構を備えた把持ハンドの斜視図及びブロック図であり、複数例えば一対の積層型多関節部駆動機構を対向して左右対称に備えることによって把持機能を持たせたものである。各骨材１の根元を接合部として、積層型多関節部駆動機構を固定部１１にそれぞれ対向して配置固定する。
【００７４】
制御部１２は、空圧駆動源４の駆動を制御するとともに、左右の第１積層型空圧配管２ａ，２ａに介在された第１電磁弁１７ａ，１７ａの開閉と、左右の第２積層型空圧配管２ｂ，２ｂに介在された第２電磁弁１７ｂ，１７ｂの開閉と、左右の第３積層型空圧配管２ｃ，２ｃに介在された第３電磁弁１７ｃ，１７ｃの開閉をそれぞれ独立して制御する。また、左右の各第１関節部３ａを駆動するための第１空圧動作室１６Ａは、上記第１空圧動作用穴３ｇより構成され、第１空圧動作室１６Ａに空気が供給されることにより、図８のように第１関節部３ａが第１弾性ヒンジ部１Ａ−１を中心にその両側の第１骨材本体部１Ｂ−１と第２骨材本体部１Ｂ−２とのガイドにより屈曲するようにしている。また、左右の各第２関節部３ｂを駆動するための第２空圧動作室１６Ｂは、上記第２空圧動作用穴３ｈより構成され、第２空圧動作室１６Ｂに空気が供給されることにより、図８のように第２関節部３ｂが第２弾性ヒンジ部１Ａ−２を中心にその両側の第２骨材本体部１Ｂ−２と第３骨材本体部１Ｂ−３とのガイドにより屈曲するようにしている。また、左右の各第３関節部３ｃを駆動するための第３空圧動作室１６Ｃは、上記第３空圧動作用穴３ｉより構成され、第３空圧動作室１６Ｃに空気が供給されることにより、図８のように第３関節部３ｃが第３弾性ヒンジ部１Ａ−３を中心にその両側の第３骨材本体部１Ｂ−３と第４骨材本体部１Ｂ−４とのガイドにより屈曲するようにしている。
【００７５】
上記多関節部駆動機構の動作は、まず、制御部１２が、左右の多関節部駆動機構の平面型関節部屈曲変形部材３，３の左右の第１関節部にある第１空圧動作室１６Ａ，１６Ａに空圧を例えば同期して印加するための信号を発生させ、制御部１２により、空圧駆動源４を駆動するとともに左右の第１電磁弁１７ａ，１７ａを同期して開ける。この結果、空圧駆動源４から空気が、左右の第１積層型空圧配管２ａ，２ａと左右の第１円形気体供給穴２ｄ，２ｄと左右の第１円形気体供給穴３ｄ，３ｄとを経て、左右の第１空圧動作用穴３ｇ，３ｇすなわち左右の第１空圧動作室１６Ａ，１６Ａにそれぞれ同期して供給され、左右の第１空圧動作室１６Ａ，１６Ａに空気の圧力すなわち空圧をそれぞれ同期して印加する。この左右の空圧の同期した印加に伴い左右の第１空圧動作室１６Ａ，１６Ａがそれぞれ同期して膨張することで左右の第１関節部が同期して屈曲する。左右の第１関節部の屈曲を元に戻すときには、制御部１２による空圧駆動源４の駆動を停止させて第１電磁弁１７ａ，１７ａを開けることにより、第１空圧動作室１６Ａ，１６Ａでの空圧による膨張が解除されて、左右の第１関節部は延びた状態に戻る。また、この左右の第１関節部の屈曲とは独立して、制御部１２が、左右の多関節部駆動機構の平面型関節部屈曲変形部材３，３の左右の第２関節部にある第２空圧動作室１６Ｂ，１６Ｂに空圧を例えば同期して印加するための信号を発生させ、制御部１２により、空圧駆動源４を駆動するとともに左右の第２電磁弁１７ｂ，１７ｂを同期して開ける。この結果、空圧駆動源４から空気が、左右の第２積層型空圧配管２ｂ，２ｂと左右の第２円形気体供給穴２ｅ，２ｅと左右の第２円形気体供給穴３ｅ，３ｅとを経て、左右の第２空圧動作用穴３ｈ，３ｈすなわち左右の第２空圧動作室１６Ｂ，１６Ｂにそれぞれ同期して供給され、左右の第２空圧動作室１６Ｂ，１６Ｂに空気の圧力すなわち空圧をそれぞれ同期して印加する。この左右の空圧の同期した印加に伴い左右の第２空圧動作室１６Ｂ，１６Ｂがそれぞれ同期して膨張することで左右の第２関節部が同期して屈曲する。左右の第２関節部の屈曲を元に戻すときには、制御部１２による空圧駆動源４の駆動を停止させて第２電磁弁１７ｂ，１７ｂを開けることにより、第２空圧動作室１６Ｂ，１６Ｂでの空圧による膨張が解除されて、左右の第２関節部は延びた状態に戻る。また、この左右の第２関節部の屈曲とは独立して、制御部１２が、左右の多関節部駆動機構の平面型関節部屈曲変形部材３，３の左右の第３関節部にある第３空圧動作室１６Ｃ，１６Ｃに空圧を例えば同期して印加するための信号を発生させ、制御部１２により、空圧駆動源４を駆動するとともに左右の第３電磁弁１７ｃ，１７ｃを同期して開ける。この結果、空圧駆動源４から空気が、左右の第３積層型空圧配管２ｃ，２ｃと左右の第３円形気体供給穴２ｆ，２ｆと左右の第３円形気体供給穴３ｆ，３ｆとを経て、左右の第３空圧動作用穴３ｉ，３ｉすなわち左右の第３空圧動作室１６Ｃ，１６Ｃにそれぞれ同期して供給され、左右の第３空圧動作室１６Ｃ，１６Ｃに空気の圧力すなわち空圧をそれぞれ同期して印加する。この左右の空圧の同期した印加に伴い左右の第３空圧動作室１６Ｃ，１６Ｃがそれぞれ同期して膨張することで左右の第３関節部が同期して屈曲する。左右の第３関節部の屈曲を元に戻すときには、制御部１２による空圧駆動源４の駆動を停止させて第３電磁弁１７ｃ，１７ｃを開けることにより、第３空圧動作室１６Ｃ，１６Ｃでの空圧による膨張が解除されて、左右の第３関節部は延びた状態に戻る。
【００７６】
上記第２実施形態によれば、制御部１２による左右の電磁弁１７ａ，１７ｂ，１７ｃの開閉制御により、任意の左右の関節部を確実に屈曲させて把持動作を行わせることができる。
【００７７】
上記第２実施形態の変形例として、図１２及び図１３は、第１実施形態における積層型多関節部駆動機構を備えた把持ハンドの斜視図及びブロック図であり、２対の積層型多関節部駆動機構を対向して左右対称に備えることによって把持機能を持たせたものである。各骨材１の根元を接合部として、積層型多関節部駆動機構を固定部１１にそれぞれ対向して配置固定する。各積層型多関節部駆動機構の動作は、図１０の上記第２実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００７８】
また、図１２及び図１３では偶数本例えば２本の積層型多関節部駆動機構を左右対称に配置しているが、把持対象物の形状によっては、本発明の第２実施形態の別の変形例として、図１４のブロック図及び斜視図に示すように左側２本の積層型多関節部駆動機構に対して右側１本の積層型多関節部駆動機構の左右非対称な配置にしてもよい。各積層型多関節部駆動機構の動作は、図１０の上記第２実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００７９】
また、複数配置される積層型多関節部駆動機構の各々の長さ及び幅もその対象物に合わせて変更して配置してもよい。
【００８０】
また、本発明の第２実施形態のさらに別の変形例として、図１５及び図１６の斜視図及びブロック図に示すように、固定部１１に対して各基端部が固定されるように４本の積層型多関節部駆動機構を左右対称に、すなわち２本ずつ左右に配置し、各積層型多関節部駆動機構に空圧駆動源４をそれぞれの空圧導入管５を介して接続し、４個の空圧駆動源４，…，４は制御部１２により駆動制御されるように構成されるとともに、各骨材１の把持面側に、制御部１２に接続されて対象物との接触を検出する接触センサ１３、制御部１２に接続されて対象物との接触したときの圧力を検出する感圧センサ１４、制御部１２に接続されて対象物との接触したときの摩擦力を検出する摩擦センサ１５等をそれぞれ配置している。そして、各センサ１３，１４，１５でそれぞれ検出された物体の把持情報を制御部１２にフィードバックして、制御部１２により、４個の空圧駆動源４，…，４をそれぞれ独立して駆動制御して、それぞれの空圧動作室へ供給される空圧を制御してそれぞれの関節部の屈曲動作を制御することで、より効果的に把持動作を実現することが可能となる。さらに、その各骨材１の把持面の少なくとも一部を摩擦抵抗の大きい柔軟な材料で覆うことで、把持能力を向上させることが可能となる。
【００８１】
このように、上記実施形態によれば、把持ハンドは前述した積層型多関節部駆動機構を用いているため軽量小型であり、空圧を駆動源４として弾性体の膨張をその駆動源としていることからコンプライアンスが高く、この特徴により万が一人間に接触、衝突した際にも十分に安全を保つことが可能である。また、センサ部以外は電気的配線が必要ないため、センサ部の防水処理だけで、水を用いた作業環境でも使用できるという利点を有している。
【００８２】
次に、図１７から図２２を用いて、例えば図１５及び図１６に示す上記第２実施形態のさらに別の変形例にかかる把持ハンドの具体的な把持動作について説明する。
【００８３】
把持ハンドの動作は、以下のようにして動作して屈曲動作により、それぞれの骨材１を把持面として対象物の把持動作を行う。
【００８４】
まず、図１７に示す把持ハンドの中立状態において、制御部１２から各多関節部駆動機構の平面型関節部屈曲変形部材３の各関節部にある第１空圧動作室空圧動作１６Ａ、第２空圧動作室１６Ｂ、第３空圧動作室１６Ｃに空圧をそれぞれ印加するための信号を発生させる。この信号により、４個の空圧駆動源４，…，４のそれぞれが独立して駆動制御されて、それぞれの空圧導入管５の途中に設けてある電磁弁１７の開閉を行い、空圧駆動源４からそれぞれの空圧導入管５及び各積層型空圧配管形成部材２を通じて第１空圧動作室１６Ａ、第２空圧動作室１６Ｂ、第３空圧動作室１６Ｃにそれぞれ空圧を同期又は順次印加する。空圧の印加に伴い第１空圧動作室１６Ａ、第２空圧動作室１６Ｂ、第３空圧動作室１６Ｃがそれぞれ膨張することで関節部がそれぞれ屈曲する。この屈曲動作により、それぞれの骨材１を把持面として対象物１８の把持動作を行う。
【００８５】
図１７は、多関節部駆動機構に空圧を印加していない中立状態の上記把持ハンドの状態（それぞれの多関節部駆動機構が直線状に延びた状態）を示す平面図である。この積層型多関節部駆動機構は、制御部１２の制御の下にそれぞれの空圧駆動源４から空圧をそれぞれの空圧動作室に印加するとそれぞれの多関節部駆動機構が把持方向すなわち互いに接近する方向に変位し、制御部１２の制御の下にそれぞれの空圧駆動源４の駆動を停止させて空圧の印加を止めると、それぞれの多関節部駆動機構の各弾性ヒンジ１Ａの弾性によりそれぞれの多関節部駆動機構が元の位置に復元し、把持ハンドが中立状態を保つという作用を有する。把持動作はこの中立状態から、制御部１２の制御の下に各関節部にその把持対象物に応じた空圧を印加することで実現する。
【００８６】
図１８Ａ，図１８Ｂは、上記把持ハンドの中立状態での各多関節部駆動機構の間隔と同程度の大きさ（直径又は幅）を持つ例えば円筒体又は円柱体形状の把持対象物１８を把持する場合のモデルを示した平面図である。図１８Ａに示すように、まず、把持対象物１８が固定部１１の近傍まで近づくように把持ハンドを、把持ハンドが載置された図示しない搬送車などにより移動する。その後、制御部１２の制御の下に、それぞれの空圧駆動源４から図１８Ｂに示すように各多関節部駆動機構の固定部１１に近い方の第１空圧動作室１６Ａに空圧を印加し、第１関節部を内向きにすなわち把持方向に屈曲させる。それぞれの把持面が把持対象物１８に接触した時点（例えば各多関節部駆動機構の把持面に備えた接触センサにより把持対象物１８に接触した信号を制御部１２に入力した時点）で制御部１２の制御の下に、それぞれの空圧駆動源４からそれぞれの第２空圧動作室１６Ｂに空圧を印加してそれぞれの第２関節部を屈曲させて、４本の多関節部駆動機構で把持対象物１８を抱き込むことで把持を行う。把持を解除するときは、上記したように、制御部１２の制御の下にそれぞれの空圧駆動源４の駆動を停止させて空圧の印加を止め、それぞれの多関節部駆動機構の各弾性ヒンジ１Ａの弾性によりそれぞれの多関節部駆動機構が元の位置に復元して屈曲せずにまっすぐ延びた状態となり、把持ハンドが中立状態、すなわち、把持解除状態となる。
【００８７】
図１９Ａ，図１９Ｂは把持対象物が把持ハンドの中立状態での各多関節部駆動機構の間隔より小さい直径又は幅の例えば円筒体又は円柱体形状の把持対象物１９を把持する場合のモデルを示した平面図である。図１９Ａに示すように、まず、把持対象物１９が各多関節部駆動機構の先端部近傍まで近づくように把持ハンドを、把持ハンドが載置された図示しない搬送車などにより移動する。その後、制御部１２の制御の下に、それぞれの空圧駆動源４から図１９Ｂに示すように各多関節部駆動機構の固定部１１に近い方の第１空圧動作室１６Ａから順に第２空圧動作室１６Ｂ、第３空圧動作室１６Ｃに空圧を印加し、関節部を内向きにすなわち把持方向に屈曲させる。それぞれの把持面が把持対象物１９に接触した時点（例えば各多関節部駆動機構の把持面に備えた接触センサにより把持対象物１８に接触した信号を制御部１２に入力した時点）で制御部１２の制御の下に、それぞれの空圧駆動源４からそれぞれの第２空圧動作室１６Ｂにさらに空圧を印加してそれぞれの第２関節部を屈曲させて、４本の多関節部駆動機構で把持対象物１９を挟み込むことで把持を行う。把持を解除するときは、上記したように、制御部１２の制御の下にそれぞれの空圧駆動源４の駆動を停止させて空圧の印加を止め、それぞれの多関節部駆動機構の各弾性ヒンジ１Ａの弾性によりそれぞれの多関節部駆動機構が元の位置に復元して屈曲せずにまっすぐ延びた状態となり、把持ハンドが中立状態、すなわち、把持解除状態となる。
【００８８】
図２０Ａ，図２０Ｂ及び図２１は、把持対象物が把持ハンドの中立状態での各多関節部駆動機構の間隔より大きい直径又は幅を持つ例えば円筒体又は円柱体形状の把持対象物２０を把持する場合のモデルを示した平面図である。この例では、各積層型多関節部機構に連結された空圧駆動源４は、空圧印加機能に加えて、逆駆動（排気駆動）制御可能又は減圧ポンプなどの強制排気機能をも有するものであり、制御部１２の制御によりそれぞれの空圧駆動源４を排気駆動させて、図２０Ａの中立状態から図２０Ｂに示すように各積層型多関節部機構の第１空圧動作室１６Ａ、第２空圧動作室１６Ｂ、第３空圧動作室１６Ｃより空気を強制的にそれぞれ排気することで、各積層型多関節部駆動機構の空圧を印加していない中立の状態より更にその間隔を広げて、把持対象物２０を把持ハンド内に入れやすくする。その後、把持対象物２０が各多関節部駆動機構の先端部近傍まで近づくように把持ハンドを、把持ハンドが載置された図示しない搬送車などにより移動する。その後、図２１に示すように制御部１２の制御の下に、それぞれの空圧駆動源４から各多関節部駆動機構の固定部１１に近い方の第１空圧動作室１６Ａから順に第２空圧動作室１６Ｂ、第３空圧動作室１６Ｃに空圧をそれぞれ印加し、関節部を内向きにすなわち把持方向に屈曲させる。それぞれの把持面が把持対象物２０に接触した時点（例えば各多関節部駆動機構の把持面に備えた接触センサにより把持対象物１８に接触した信号を制御部１２に入力した時点）で制御部１２の制御の下に、それぞれの空圧駆動源４からそれぞれの第３空圧動作室１６Ｃにさらに空圧を印加してそれぞれの第２関節部を屈曲させて、４本の多関節部駆動機構で把持対象物２０を挟み込むことで把持を行う。把持を解除するときは、上記したように、制御部１２の制御の下にそれぞれの空圧駆動源４の駆動を停止させて空圧の印加を止め、それぞれの多関節部駆動機構の各弾性ヒンジ１Ａの弾性によりそれぞれの多関節部駆動機構が元の位置に復元して屈曲せずにまっすぐ延びた状態となり、把持ハンドが中立状態、すなわち、把持解除状態となる。さらに、より確実に把持解除するために、各積層型多関節部機構の第１空圧動作室１６Ａ、第２空圧動作室１６Ｂ、第３空圧動作室１６Ｃより空気を強制的にそれぞれ排気することで、各積層型多関節部駆動機構の空圧を印加していない中立の状態より更にその間隔を広げて、把持対象物２０を把持ハンドから外れやすくする。
【００８９】
このように少なくとも一対の多関節部駆動機構を備えた把持ハンドは多種多様な対象物の把持を可能にするという特徴を有する。
【００９０】
（第３実施形態）
図２２は、図１の積層型多関節部駆動機構のロボットアームの先端に上記第２実施形態にかかる図１２の把持ハンドを備えた、本発明の第３実施形態における積層型多関節部駆動機構を用いたロボットの斜視図である。
【００９１】
図２２のロボットアーム２１の構成は、第１実施形態における図１に示す積層型多関節部駆動機構を用いたもので、駆動原理は第１実施形態の説明で述べた通りである。ロボットアーム２１は、空圧駆動源を有するロボットアーム支柱２２に回転機構２３を介して接続されており、さらに、ロボットアーム２１の先端部には、第２実施形態における図１２に示す把持ハンド２４が接続されている。ロボットアーム２１の駆動により把持ハンド２４が可動範囲にある任意の位置に位置決めされ、把持対象物を把持する機能を有する。このロボットアーム２１は、本発明の積層型多関節駆動機構を用いたものであるから、前述したごとく、使用する人間に対する安全性を確保できる柔軟な位置決めを可能とするものである。
【００９２】
さらに、この積層型多関節部駆動機構をロボットアーム２１に適用する場合、図２２の第３実施形態のごとく、その積層面を鉛直方向に配置するように構成することが、さらに望ましい。このような構成にすることにより、骨材１の面内剛性が高いことから、重い把持対象物をこの骨材１で支えることができ、重い把持対象物を扱うことができる。
【００９３】
尚、図２２の第３実施形態においては、ロボットアーム２１を、ロボットアーム支柱２２に回転機構２３を介して接続する構成について示したが、このような１軸又は多軸の回転機構をロボットアーム支柱２２の根本部、又はロボットアーム２１と把持ハンド２４との間に設けるなどの構成を取ることを妨げるものではない。このような多軸の回転機構と組み合わせることにより、より柔軟な把持ハンド２４の姿勢を取らしめることができる。
【００９４】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【００９５】
以上のように本発明によれば、少なくとも２つの弾性変形可能な弾性変形部を有する骨材と、上記骨材に重ね合わされるように固定され、かつ、空圧の駆動源に連結された少なくとも２系統の配管を有する積層型空圧配管部材と、上記積層型空圧配管部材に重ね合わされるように固定され、かつ、上記骨材の各弾性変形部に対向する関節部に配置されかつ上記配管のそれぞれに連結された空圧動作室を有して上記空圧動作室に空圧が印加されることにより、上記空圧が印加された上記空圧動作室に対応する上記関節部が変形可能な平面型関節部変形部材とを備えることにより、駆動させたい関節部に対応する上記空圧動作室に空圧を印加することにより当該関節部が変形可能となり、多種多様な対象物の把持性能を有する把持ハンドを実現可能で、かつ、安全であり、また簡易な構造であり低コストで実現可能な積層型多関節部駆動機構を提供することができる。
【００９６】
この積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物を把持可能とする把持ハンドは、多種多様な対象物の把持性能を有し、安全であり、多関節部を有する把持ハンドを簡易な構造で、かつ低コストで実現することが可能となる。
【００９７】
また、上記積層型多関節部駆動機構を製造するとき、少なくとも上記弾性変形部に弾性ヒンジを備えた上記骨材を一括して成型し、上記積層型空圧配管部材及び上記平面型関節部屈曲変形部材を上記骨材に積層接合することにより、簡単にかつ低コストで上記積層型多関節部駆動機構を製造することができる。
【００９８】
さらに、本発明の積層型多関節部駆動機構は多関節部駆動機構を構成する骨材がその関節部に弾性ヒンジを備える場合には、関節部の自由度を１自由度に拘束することで把持剛性の向上を図ることが可能となり、より効果的に上記効果を達成することができる。
【００９９】
さらに、本発明の積層型多関節部駆動機構を用いたロボットアームは、その先端に把持ハンドを備えることにより、可動範囲にある把持対象物に対して把持ハンドを安全に位置決めすることが可能となる。
【０１００】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。
【図１】本発明の第１実施形態にかかる積層型多関節部駆動機構の断面図である。
【図２Ａ】上記第１実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の各関節部に弾性ヒンジ部を備えた骨材の斜視図、側面図、及び説明図である。
【図２Ｂ】上記第１実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の各関節部に弾性ヒンジ部を備えた骨材の斜視図、側面図、及び説明図である。
【図２Ｃ】上記第１実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の各関節部に弾性ヒンジ部を備えた骨材の斜視図、側面図、及び説明図である。
【図３Ａ】上記第１実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の積層型空圧配管形成部材の構成要素の分解斜視図及び積層型空圧配管形成部材の概略拡大断面図である。
【図３Ｂ】上記第１実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の積層型空圧配管形成部材の構成要素の分解斜視図及び積層型空圧配管形成部材の概略拡大断面図である。
【図４Ａ】上記第１実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の積層型空圧配管形成部材の作製工程を説明するための上記積層型空圧配管形成部材の断面図である。
【図４Ｂ】上記第１実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の積層型空圧配管形成部材の作製工程を説明するための上記積層型空圧配管形成部材の断面図である。
【図４Ｃ】上記第１実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の積層型空圧配管形成部材の作製工程を説明するための上記積層型空圧配管形成部材の断面図である。
【図４Ｄ】上記第１実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の積層型空圧配管形成部材の作製工程を説明するための上記積層型空圧配管形成部材の断面図である。
【図４Ｅ】上記第１実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の積層型空圧配管形成部材の作製工程を説明するための上記積層型空圧配管形成部材の断面図である。
【図４Ｆ】上記第１実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の積層型空圧配管形成部材の作製工程を説明するための上記積層型空圧配管形成部材の断面図である。
【図５Ａ】上記第１実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の平面型関節部屈曲変形部材の構成要素の分解斜視図及び平面型関節部屈曲変形部材の拡大部分断面図である。
【図５Ｂ】上記第１実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の平面型関節部屈曲変形部材の構成要素の分解斜視図及び平面型関節部屈曲変形部材の拡大部分断面図である。
【図６Ａ】上記第１実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の平面型関節部屈曲変形部材の拘束層の伸縮方向を特定の方向に制限していない場合の関節部の駆動状態を説明するためのモデルの断面図、及び拘束層の伸縮方向を特定の方向に制限した場合の関節部の駆動状態を説明するためのモデルの断面図である。
【図６Ｂ】上記第１実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の平面型関節部屈曲変形部材の拘束層の伸縮方向を特定の方向に制限していない場合の関節部の駆動状態を説明するためのモデルの断面図、及び拘束層の伸縮方向を特定の方向に制限した場合の関節部の駆動状態を説明するためのモデルの断面図である。
【図７Ａ】繊維を編み込んだ拘束層、及び拘束層に空圧を印加した場合の伸縮を表すモデルの平面図である。
【図７Ｂ】繊維を編み込んだ拘束層、及び拘束層に空圧を印加した場合の伸縮を表すモデルの平面図である。
【図８】上記第１実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の平面型関節部屈曲変形部材の拘束層の伸縮方向を特定の方向に制限した場合の関節部の駆動状態を説明するためのモデルの断面図である。
【図９】上記第１実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の制御動作を説明するためのブロック図である。
【図１０】本発明の第２実施形態にかかる一対の平面型関節部屈曲変形部材を備えた把持ハンドの各平面型関節部屈曲変形部材の拘束層の伸縮方向を特定の方向に制限し、かつ各関節部に弾性ヒンジを備えた骨材を備えた場合のモデルの斜視図である。
【図１１】図１０の把持ハンドの御動作を説明するためのブロック図である。
【図１２】本発明の第２実施形態の変形例にかかる２対の平面型関節部屈曲変形部材を備えた把持ハンドの各平面型関節部屈曲変形部材の拘束層の伸縮方向を特定の方向に制限し、かつ各関節部に弾性ヒンジを備えた骨材を備えた場合のモデルの斜視図である。
【図１３】図１２の把持ハンドの御動作を説明するためのブロック図である。
【図１４】本発明の第２実施形態の別の変形例にかかる左右非対称に積層型多関節部駆動機構を備えた把持ハンドのモデルの斜視図である。
【図１５】本発明の第２実施形態のさらに別の変形例にかかる把持面側にセンサを有する積層型多関節部駆動機構を備えた把持ハンドの斜視図である。
【図１６】図１５の把持ハンドの把持動作を示すブロック図である。
【図１７】図１５の把持ハンドの中立状態を示す平面図である。
【図１８Ａ】対象物を把持する前の図１５の把持ハンドの中立状態を示す平面図及び対象物を把持した状態の図１５の把持ハンドを示す平面図である。
【図１８Ｂ】対象物を把持する前の図１５の把持ハンドの中立状態を示す平面図及び対象物を把持した状態の図１５の把持ハンドを示す平面図である。
【図１９Ａ】対象物を把持する前の図１５の把持ハンドの中立状態を示す平面図及び対象物を把持した状態の図１５の把持ハンドを示す平面図である。
【図１９Ｂ】対象物を把持する前の図１５の把持ハンドの中立状態を示す平面図及び対象物を把持した状態の図１５の把持ハンドを示す平面図である。
【図２０Ａ】図１５の把持ハンドの中立状態を示す平面図、中立状態より間隔を広げた図１５の把持ハンドの状態を示す平面図である。
【図２０Ｂ】図１５の把持ハンドの中立状態を示す平面図、中立状態より間隔を広げた図１５の把持ハンドの状態を示す平面図である。
【図２１】図２０Ｂにおいて対象物を把持した状態の図１５の把持ハンドを示す平面図である。
【図２２】図１の積層型多関節部駆動機構に上記第２実施形態にかかる図１２の把持ハンドを備えた、本発明の第３実施形態における積層型多関節部駆動機構を用いたロボットハンドの斜視図である。

Claims (21)

1. 空圧の駆動源（４）と、
   少なくとも２つの弾性変形可能な弾性変形部（１Ａ）を有する骨材（１）と、
   上記骨材に重ね合わされるように固定され、かつ、上記駆動源に連結された少なくとも２系統の配管（２ａ，２ｂ）を有する積層型空圧配管部材（２）と、
   上記積層型空圧配管部材に重ね合わされるように固定され、かつ、上記骨材の各弾性変形部に対向する関節部（３ａ，３ｂ）に配置されかつ上記配管のそれぞれに連結された空圧動作室（１６Ａ，１６Ｂ）を有して上記空圧動作室に空圧が印加されることにより、上記空圧が印加された上記空圧動作室に対応する上記関節部が変形可能な平面型関節部変形部材（３）とを備えている積層型多関節部駆動機構。
2. 上記積層型空気配管部材が、成型された複数の有機膜（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）を積層して上記配管を形成する請求項１に記載の積層型多関節部駆動機構。
3. 上記平面型関節部屈曲変形部材は、その平面型関節部屈曲変形部材の長手方向沿いに伸縮可能な方向性を付与する拘束層（３Ｃ）を備えて、上記平面型関節部屈曲変形部材の上記関節部が伸びるとき、上記骨材の案内により屈曲動作を行う請求項１又は２に記載の積層型多関節部駆動機構。
4. 上記骨材の上記複数の弾性変形部のそれぞれは、弾性ヒンジ部（１Ａ）より構成される請求項１又は２に記載の積層型多関節部駆動機構。
5. 上記骨材の上記複数の弾性変形部のそれぞれは、弾性ヒンジ部（１Ａ）より構成される請求項３に記載の積層型多関節部駆動機構。
6. 上記平面型関節部屈曲変形部材の上記拘束層が、網状の繊維（１０）を編み込んだ柔軟な有機膜材料である請求項３に記載の積層型多関節部駆動機構。
7. 上記平面型関節部屈曲変形部材は、その平面型関節部屈曲変形部材の長手方向沿いに伸縮可能な方向性を付与する拘束層（３Ｃ）を備えて、上記平面型関節部屈曲変形部材の上記関節部が伸びるとき、上記骨材の案内により屈曲動作を行うとともに、上記平面型関節部屈曲変形部材の上記拘束層が、網状の繊維（１０）を編み込んだ柔軟な有機膜材料である請求項４に記載の積層型多関節部駆動機構。
8. 上記平面型関節部屈曲変形部材は、その平面型関節部屈曲変形部材の長手方向沿いに伸縮可能な方向性を付与する拘束層（３Ｃ）を備えて、上記平面型関節部屈曲変形部材の上記関節部が伸びるとき、上記骨材の案内により屈曲動作を行うとともに、上記平面型関節部屈曲変形部材の上記拘束層が、網状の繊維（１０）を編み込んだ柔軟な有機膜材料である請求項５に記載の積層型多関節部駆動機構。
9. 請求項１又は２に記載の上記積層型多関節部駆動機構の製造方法であって、
   少なくとも上記弾性変形部（１Ａ）に弾性ヒンジを備えた上記骨材（１）を一括して成型し、
   上記積層型空圧配管部材及び上記平面型関節部屈曲変形部材を上記骨材に積層接合することを備える積層型多関節部駆動機構の製造方法。
10. 請求項１又は２に記載の上記積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物（１８，１９，２０）を把持可能とすることで構成する把持ハンド。
11. 請求項３に記載の上記積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物（１８，１９，２０）を把持可能とすることで構成する把持ハンド。
12. 請求項４に記載の上記積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物（１８，１９，２０）を把持可能とすることで構成する把持ハンド。
13. 請求項５に記載の上記積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物（１８，１９，２０）を把持可能とすることで構成する把持ハンド。
14. 請求項６に記載の上記積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物（１８，１９，２０）を把持可能とすることで構成する把持ハンド。
15. 請求項１又は２に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いるロボットアーム。
16. 請求項３に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いるロボットアーム。
17. 請求項４に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いるロボットアーム。
18. 請求項１０に記載の上記把持ハンドをアーム先端に備えるロボットアーム。
19. 請求項１１に記載の上記把持ハンドをアーム先端に備えるロボットアーム。
20. 請求項１２に記載の上記把持ハンドをアーム先端に備えるロボットアーム。
21. 請求項１又は２に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いて構成されるロボットアームと、上記ロボットアームの先端に備えられた請求項１０に記載の上記把持ハンドとを備えるロボット。

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