JP4056925B2 - 人工皮膚 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットや義肢等の表面を覆う部材として利用される人工皮膚に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人工皮膚は、ロボットや義肢等の機構部が見えないように、その表面を覆う部材として利用される。特に、ロボットハンドや義手の場合、物体を把持するので、人工皮膚の構造が重要となる。特許文献１には、義手の人工皮膚の把持部位がショア硬度８０のポリ塩化ビニル製であることが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６４−１５０４３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、摩擦特性は、図６に示すように、物体との接触圧力に関係なく摩擦係数が一定であるクーロン摩擦かあるいは接触圧力の増加に応じて摩擦係数が小さくなる凝着摩擦である。しかし、人の皮膚の摩擦特性は、物体を掴むときの接触圧力の増加に応じて摩擦係数が大きくなる傾向にある。というのは、接触圧力が小さい時には指紋の山部しか物体が接触しないが、接触圧力が大きい時には指紋の谷部にも物体が接触し、指紋の谷部に溜まった汗（湿気）の影響により摩擦係数が増加する。したがって、人が実際に物体を掴む場合、物体に対する力（接触圧力）を加減することによって、物体とのスリップをコントロールし、物体をしっかり掴んだりあるいは物体の動作自在に掴んだりすることができる。
【０００５】
しかし、従来の人工皮膚は、特許文献１で開示されている義手のように、単一の材料（単一の摩擦係数）で形成されており、接触圧力が変化しても摩擦係数が変わらない。そのため、ロボットハンドや義手で物体を把持した場合、そのロボットハンド等の表面を覆う人工皮膚の摩擦係数が適切なものでないと、物体を上手く把持できない。例えば、硬くて摩擦係数が小さい材料で人工皮膚が形成されている場合、物体を把持した時に滑りやすく、しっかりと把持できない。また、柔らかくて摩擦係数が大きい材料で人工皮膚が形成されている場合、物体を把持した時に滑りにくく、スリップを伴う操り作業等を行うときには引っ掛かって作業性が悪くなる。
【０００６】
そこで、本発明は、人の皮膚特性に近い人工皮膚を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る人工皮膚は、第１摩擦係数を有する弾性体からなる第１表皮部と、第１摩擦係数より小さい第２摩擦係数を有し、第１表皮部の表面に網状に配置される第２表皮部とを備え、第２表皮部は、接触する物体との接触圧力の増加に応じて第１表皮部に沈下することを特徴とする。
【０００８】
この人工皮膚は、物体との接触圧力が小さい場合、第２表皮部が第１表皮部に沈下する量が０かあるいは少ない。そのため、物体が網状の第２表皮部にのみ接触し、物体との間の摩擦係数が第２摩擦係数により小さい。したがって、人工皮膚と物体との間で滑りやすく、物体の動きを許容した状態で把持することができ、スリップを伴う操り作業等も容易に行うことができる。また、人工皮膚は、物体との接触圧力が大きくなると、第２表皮部が第１表皮部に沈下する量が多くなる。そのため、物体が第１表皮部にも接触し、物体との間の摩擦係数が第１摩擦係数により大きくなる。したがって、人工皮膚と物体との間で滑りにくく、物体をしっかり把持することができる。つまり、この人工皮膚は、物体との接触圧力が増加すると物体との間の摩擦係数が大きくなり、人の皮膚の摩擦特性に近い摩擦特性を有し、接触圧力によって物体との間のスリップをコントロールすることができる。また、この人工皮膚は、弾性体である第１表皮部の表面に網状の第２表皮部を設けることによって、第１表皮部の強度が向上し、接触圧力が大きくなっても第１表皮部が損壊しにくくなる。
【０００９】
本発明の上記人工皮膚は、第２表皮部が第１表皮部の表面に対して突き出している量を調節する調節手段を備える構成としてもよい。
【００１０】
この人工皮膚は、調節手段によって第２表皮部が第１表皮部の表面から突き出している量を調節でき、接触圧力に対する摩擦特性を調節することができる。例えば、突き出し量が多い場合、第２表皮部を第１表皮部に沈下させるために大きな接触圧力が必要となり、物体との間の摩擦係数が大きくなりにくくなる。一方、突き出し量が少ない場合、第２表皮部を第１表皮部に沈下させるために小さな接触圧力で可能となり、物体との間の摩擦係数が大きくなりやすい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る人工皮膚の実施の形態を説明する。
【００１２】
本実施の形態では、本発明に係る人工皮膚を、ロボットハンドの表面を覆う人工皮膚に適用する。本実施の形態では、説明を簡単化するために、図中では平面視して略正方形状の人工皮膚で説明するが、実際には、ロボットハンドの全体あるいは物体を把持する部分を覆う大きさと形状を有する。
【００１３】
図１〜図４を参照して、人工皮膚１について説明する。図１は、本実施の形態に係る人工皮膚を表面側から見た斜視図である。図２は、図１の人工皮膚を裏面側から見た斜視図である。図３は、図１の人工皮膚の突き出し量が多い場合の正断面図である。図４は、図１の人工皮膚の突き出し量が少ない場合の正断面図である。
【００１４】
人工皮膚１は、ロボットハンドの機構部（図示せず）を覆う部材であり、ロボットハンドの表面を形成する。特に、人工皮膚１は、ロボットハンドが物体を把持する場合にその物体との接触圧力の増加に応じて物体との間の摩擦係数が大きくなる摩擦特性を有している。そのために、人工皮膚１は、第１表皮部２、第２表皮部３、第１ベース４、第２ベース５、固定ねじ６，・・・、調節ねじ７，・・・、固定ピン８，・・・を備えている。なお、本実施の形態では、第１ベース４、第２ベース５、固定ねじ６，・・・及び調節ねじ７，・・・により特許請求の範囲に記載の調節手段を構成している。
【００１５】
第１表皮部２は、摩擦係数の大きい材料からなる弾性体であり、比較的柔らかい表皮となる。この材料は、例えば、シリコン、ゴム、ウレタンである。第１表皮部２は、物体に対して適度な弾性力を発生させるために、所定の厚さを有する板状である。第１表皮部２は、物体との間の接触圧力が増加するのに応じて第１表皮部２に第２表皮部３が沈下することができる弾性力を有するものとする。第１表皮部２は、第１ベース４に載置され、第１ベース４に接着される。
【００１６】
第１ベース４は、第１表皮部２と同じ形状であり、所定の厚さを有する板状である。第１ベース４の下方には、第２ベース５が配置される。第２ベース５も、第１表皮部２と同じ形状であり、所定の厚さを有する板状である。
【００１７】
第１ベース４は、複数本の固定ねじ６，・・・によって第２ベース５に固定される。固定ねじ６，・・・は、第２ベース５に対して第１ベース４が動かないように、所定の位置に配置される。図２に示す例では、固定ねじ６，・・・によって略正方形を形成するように、４箇所に配置される。第２ベース５には、固定ねじ６，・・・が配置される箇所に、下面から上面まで貫通し、固定ねじ６のねじ頭も収納するねじ孔５ａ，・・・が各々形成される（図３参照）。また、第１ベース４には、固定ねじ６，・・・が配置される箇所に、下面から中央付近にかけてねじ孔４ａ，・・・が各々形成される（図３参照）。
【００１８】
また、複数本の調節ねじ７，・・・によって、第１ベース４の下面と第２ベース５の上面との間の隙間が調節される。調節ねじ７，・・・は、第１ベース４を全体にわたって均等に支えるように、所定の位置に配置される。図２に示す例では、固定ねじ６，・・・の外側の４箇所とその中心に１箇所の計５箇所に配置される。第２ベース５には、調節ねじ７，・・・が配置される箇所に、下面から上面まで貫通するねじ孔５ｂ，・・・が各々形成される（図３参照）。図４に示すように、調節ねじ７，・・・の先端面で第１ベース４の下面を支持しており、調節ねじ７，・・・が第２ベース５の上面から突き出している量によって第１ベース４の下面と第２ベース５の上面との間の隙間を形成する。図３に示すように、調節ねじ７，・・が第２ベース５の上面から全く突き出していない場合、第１ベース４の下面と第２ベース５の上面とは接触し、第１ベース４の下面と第２ベース５の上面との間の隙間はなくなる。この隙間を調節することによって、第２表皮部３が第１表皮部２の上面に対して突き出している量Ｘを調節することができる（図３、図４参照）。
【００１９】
第２表皮部３は、摩擦係数の小さい材料によって形成され、比較的硬い表皮部分となる。この材料は、例えば、金属、樹脂、綿、麻である。第２表皮部３は、第１表皮部２に沈下可能でありかつ第１表皮部２の全体にわたって均等に配置させるために、網の目が略正方形の網状である（図１参照）。第２表皮部３は、第１表皮部２の上面（表面）及び第１表皮部２、第１ベース４、第２ベース５の側面を全て覆う大きさと形状を有し、その先端部分が第２ベース５の下面に達している（図１、図２参照）。
【００２０】
第２表皮部３の先端部分は、多数本の固定ピン８，・・・によって第２ベース５の下面に取り付けられる（図２参照）。そのために、第２表皮部３の先端部分には、固定ピン８，・・・が嵌るピン用リング３ａ，・・・が設けられている。固定ピン８，・・・は、第２ベース５の下面の外縁部に沿って配置される。第２ベース５には、固定ピン８，・・・が配置される箇所に、下面から中央付近にかけて固定ピン８が嵌合するピン孔５ｃ，・・・が各々形成される（図３参照）。第２表皮部３が第２ベース５に取り付けられた場合、第２表皮部３の網は、所定の張力を有し、第１表皮部２の上面で張った状態となる。この際、調節ねじ７，・・による調節によって、第２表皮部３の網は、第１表皮部２の上面に対して所定の突き出し量Ｘを有している。
【００２１】
突き出す量Ｘを調節する場合、まず、固定ねじ６，・・・を緩め、第１ベース４に対して第２ベース５が上下移動できる状態とする。そして、突き出す量Ｘを多くしたい場合には調節ねじ７，・・・が第２ベース５の上面から突き出す量を少なくしあるいは全くなくし（ひいては、隙間を小さくあるいは全くなくし）（図３参照）、突き出す量Ｘを少なくしたい場合には調節ねじ７，・・・が第２ベース５の上面から突き出す量を多くする（ひいては、隙間を大きくする）（図４参照）。この際、調節ねじ７，・・・の突き出している量を全て同じにし、全体にわたって隙間を均一にする必要がある。最後に、固定ねじ６，・・・を締め、第１ベース４と第２ベース５との間を固定する。隙間が小さいかあるいは全くない場合、第２表皮部３の網が第１表皮部２に沈下する量が少ないかあるいは全く沈下せず、突き出し量Ｘが多くなる（図３参照）。一方、隙間が大きい場合、側面が長くなり、第２表皮部３の網が第１表皮部２に食い込む。そのため、沈下する量が多くなり、突き出し量Ｘが少なくなる（図４参照）。
【００２２】
図１〜図５を参照して、ロボットハンドに取り付けられた人工皮膚１の作用について説明する。ここでは、突き出し量Ｘが多い場合と少ない場合について説明する。図５は、図１の人工皮膚の摩擦特性を示す図であり、（ａ）が突き出し量が多い場合であり、（ｂ）が突き出し量が少ない場合である。
【００２３】
突き出し量Ｘが多い場合について説明する（図３参照）。ロボットハンドが物体を把持するために、その機構部が作動し、人工皮膚１が把持対象の物体に接触し、物体に圧力が加わり始める。人工皮膚１では、まず、第２表皮部３の網にだけ物体が接触する。そのため、人工皮膚１における摩擦係数は、第２表皮部３の小さい摩擦係数となる（図５（ａ）のＡ領域）。したがって、物体は、人工皮膚１に対して滑りやすくなっている。この場合、ロボットハンドでは、物体が自由に動くことができ、スリップを伴う操り作業等を行うことが可能である。
【００２４】
ロボットハンドの機構部では、物体に対して圧力を加える。すると、物体と人工皮膚１との接触圧力が増加し、第２表皮部３の網が第１表皮部２に徐々に沈下していく。しかし、突き出し量Ｘが多いので、人工皮膚１では、第２表皮部３の網が第１表皮部２の上面からまだ突き出ており、第２表皮部３の網のみが物体に接触している状態が続く。そのため、人工皮膚１における摩擦係数は第２表皮部３の小さい摩擦係数のままである（図５（ａ）のＡ領域）。
【００２５】
ロボットハンドの機構部では、滑りをなくすために、物体に対して更に圧力を加え、物体と人工皮膚１との接触圧力が更に増加し、第２表皮部３の網が第１表皮部２に更に沈下する。すると、人工皮膚１では、第２表皮部３の網だけでなく第１表皮部２も物体に接触し始める。そのため、人工皮膚１における摩擦係数は、第１表皮部２の大きい摩擦係数が徐々に加味され、徐々に大きくなっていく（図５（ａ）のＢ領域）。したがって、物体は、人工皮膚１に対して徐々に滑りにくくなっていく。
【００２６】
最終的に、ロボットハンドの機構部では、物体に対して非常に大きな圧力を加え、物体と人工皮膚１との接触圧力が非常に大きくなり、第２表皮部３の網が第１表皮部２に完全に沈下する。すると、人工皮膚１では、第１表皮部２で物体に殆ど接触している状態あるいは全て接触している状態となる。そのため、人工皮膚１における摩擦係数は、第１表皮部２の大きい摩擦係数の影響により、大きくなる（図５（ａ）のＣ領域）。したがって、物体は、人工皮膚１に対して滑らなくなる。この場合、ロボットハンドでは、しっかりと物体を把持することができる。
【００２７】
図４を参照して、突き出し量Ｘが少ない場合について説明する。この場合も、ロボットハンドが物体を把持するために、物体に人工皮膚１が接触して圧力が加わり始めると、人工皮膚１では第２表皮部３の網にだけ物体が接触し、人工皮膚１における摩擦係数は第２表皮部３の小さい摩擦係数となる（図５（ｂ）のＡ領域）。
【００２８】
ロボットハンドの機構部では、滑りをなくすために、物体に対して圧力を加える。すると、物体と人工皮膚１との接触圧力が増加し、第２表皮部３の網が第１表皮部２に徐々に沈下していく。突き出し量Ｘが少ないので、沈下を始めると直ぐに、人工皮膚１では、第２表皮部３の網だけでなく第１表皮部２も物体に接触し始める。そのため、人工皮膚１における摩擦係数は、第１表皮部２の大きい摩擦係数が徐々に加味され、徐々に大きくなっていく（図５（ｂ）のＢ領域）。したがって、突き出し量Ｘが多い場合に比べて小さな接触圧力にもかかわらず、物体は人工皮膚１に対して徐々に滑りにくくなっていく。
【００２９】
ロボットハンドの機構部では、物体に対して更に圧力を加え、物体と人工皮膚１との接触圧力が更に大きくなり、第２表皮部３の網が第１表皮部２に完全に沈下する。すると、人工皮膚１では第１表皮部２が物体に殆ど接触している状態あるいは全て接触している状態となり、人工皮膚１における摩擦係数は大きくなる（図５（ｂ）のＣ領域）。したがって、突き出し量Ｘが多い場合に比べて小さな接触圧力にもかかわらず、物体は人工皮膚１に対して滑らなくなる。
【００３０】
この人工皮膚１は、把持する物体との接触圧力が増加するのに応じて摩擦係数が大きくなり、人の皮膚の摩擦特性に近い摩擦特性となる。そのため、この人工皮膚１を利用して物体を把持する場合、人が実際に物体を持つときのように物体に対する力のかけ加減によってスリップコントロールが可能となり、物体をしっかり把持したりあるいは物体の動きが可能な状態で把持したり、様々な把持状態が可能となる。
【００３１】
また、この人工皮膚１は、第２表皮部３の突き出し量Ｘを調節することができるので、摩擦特性を簡単に変えることができる。この突き出し量Ｘを調節するための構成も、２個のベース４，５を２重構造とし、そのベース４，５間の隙間を調節するだけの簡単な構成である。このような簡単な構成とできるのは、第２表皮部３が網で人工皮膚１全体を覆っており、人工皮膚１の高さを変えるだけで、網全体が第１表皮部２に食い込むからである。
【００３２】
また、人工皮膚１は、第２表皮部３の網で弾性体である第１表皮部２を完全に覆うことによって、弾性体の強度が増し、接触圧力が大きくなっても第１表皮部２が損壊するようなことがなくなる。
【００３３】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
【００３４】
例えば、本実施の形態では人工皮膚をロボットハンドの表面を覆う部材に適用したが、足裏等のロボットの他の部位あるいは義手や義足等における人の皮膚の摩擦特性に近い摩擦特性を必要とする他の箇所に適用してもよい。
【００３５】
また、本実施の形態では第２表皮部を略正方形状の網の目を有する網としたが、正六角形状等の他の網の目を有する網としてもよい。
【００３６】
また、本実施の形態では第２表皮部の突き出し量を調節する手段を備える構成としたが、調節手段を備えない構成としてもよい。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、接触圧力の増加に応じて摩擦係数が大きくなるように構成したので、人工皮膚の摩擦特性が人の皮膚の摩擦特性に近くなり、接触圧力によって物体とのスリップをコントロールできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る人工皮膚を表面側から見た斜視図である。
【図２】図１の人工皮膚を裏面側から見た斜視図である。
【図３】図１の人工皮膚の突き出し量が多い場合の正断面図である。
【図４】図１の人工皮膚の突き出し量が少ない場合の正断面図である。
【図５】図１の人工皮膚の摩擦特性を示す図であり、（ａ）が突き出し量が多い場合であり、（ｂ）が突き出し量が少ない場合である。
【図６】一般的な摩擦特性を示す図である。
【符号の説明】
１…人工皮膚、２…第１表皮部、３…第２表皮部、３ａ…ピン用リング、４…第１ベース、４ａ…ねじ孔、５…第２ベース、５ａ，５ｂ…ねじ孔、５ｃ…ピン孔、６…固定ねじ、７…調節ねじ、８…固定ピン

Claims (2)

1. 第１摩擦係数を有する弾性体からなる第１表皮部と、
   前記第１摩擦係数より小さい第２摩擦係数を有し、前記第１表皮部の表面に網状に配置される第２表皮部と
   を備え、
   前記第２表皮部は、接触する物体との接触圧力の増加に応じて前記第１表皮部に沈下することを特徴とする人工皮膚。
2. 前記第２表皮部が前記第１表皮部の表面に対して突き出している量を調節する調節手段を備えることを特徴とする請求項１に記載する人工皮膚。

Images