JP4702299B2 - ロボットハンド - Google Patents

Description

この発明は、ロボットハンドに係り、特に対象物と接する物体接触面を有するロボットハンドに関する。

ロボットハンドにより対象物を把持して持ち上げるためには、ロボットハンドの物体接触面と対象物との間に摩擦力が必要となる。対象物を把持する把持力が小さすぎると、物体接触面と対象物との間の摩擦力も小さくなるため、対象物を持ち上げる際に、対象物がロボットハンドから滑り落ちるおそれがある。一方、把持力が大きくすぎると、摩擦力も大きくなるが、対象物が把持力により変形したり、押しつぶされるおそれが生じる。
そこで、特許文献１には、把持位置のずれを生じることなく重量及び摩擦係数が未知の対象物を把持して持ち上げる物体把持制御方法が開示されている。

特開２０００−２５４８８４号公報

しかしながら、例えば、本のページやビニール袋を対象物とし、ページをめくったり、ビニール袋を開く等の動作をロボットハンドで行う場合には、対象物を把持するわけではないので、特許文献１の方法では正確な動作を期待することができないという問題点がある。
このような対象物を取り扱う際には、把持力よりも、対象物に接触する物体接触面の摩擦特性がより重要となり、従来は、摩擦特性を変化させるために、ロボットハンドの指先のパーツを交換したり、指先にキャップ等をしなければならなかった。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、種々の対象物を容易に取り扱うことができるロボットハンドを提供することを目的とする。

この発明に係るロボットハンドは、対象物と接する物体接触面の摩擦特性を変化させる摩擦特性変化手段を備えたロボットハンドにおいて、摩擦特性変化手段は、物体接触面上の液体量を調整することにより物体接触面の摩擦係数を変化させるものである。

摩擦特性変化手段は、液体を貯留する液体貯留部と、液体貯留部と物体接触面とを連通する連通路と、液体貯留部内の液体を連通路を介して物体接触面に供給する供給手段とを含むように構成することができる。さらに、供給手段は、液体貯留部内の液体の蒸気を物体接触面に供給し、物体接触面上で結露させるようにすることもできる。
また、摩擦特性変化手段が、物体接触面を超音波振動させることにより物体接触面上の液体を除去してもよい。

ロボットハンドが、物体接触面が形成された可動部と、可動部を駆動するための振動アクチュエータとをさらに備えて、この振動アクチュエータにより上記の物体接触面の超音波振動を生じさせてもよい。
この発明のロボットハンドは、自走式ロボットに用いることができる。

この発明によれば、摩擦特性変化手段で物体接触面の摩擦特性を変化させることにより、種々の対象物を取り扱うことが可能となる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１
図１に、この発明の実施の形態１に係るロボットハンドを示す。基部ブロック１に駆動源となる振動アクチュエータＶを介して可動部２が連結されている。振動アクチュエータＶは、基部ブロック１の上に配置された振動子３と、振動子３の上に配置され且つ振動子３に接する面とは反対側に凹部４が形成された固定子５と、固定子５の凹部４内にほぼ下半部が収容された略球体状の回転子６とを有している。回転子６に可動部２が固定されており、可動部２と固定子５とが可撓性の保持部材７で互いに移動自在に連結されている。
可動部２の外面の一部は、このロボットハンドによって取り扱おうとする対象物（図示せず）と接する物体接触面Ｐを構成しており、この物体接触面Ｐに液体供給口８が開口している。
ここで、説明の便宜上、基部ブロック１から回転子６に向かってＺ軸が延び、Ｚ軸に対して垂直方向にＸ軸が、Ｚ軸及びＸ軸に対して垂直にＹ軸がそれぞれ延びているものとする。

図２に示されるように、可動部２内には、液体貯留部となるシリンダ９が形成されており、シリンダ９の内部と液体供給口８とが供給管１０を介して連通している。また、シリンダ９内には、ピストン１１がスライド可能に収容されており、ピストン１１にプランジャ１２を介してスライドアクチュエータ１３が連結されている。供給管１０により連通路が形成されると共にスライドアクチュエータ１３により供給手段が形成されている。
可動部２の壁部には、シリンダ９内に通じる貫通孔１４が形成され、この貫通孔１４に可動部２の外側からキャップ１５が脱着可能に嵌合されている。

図３に示されるように、基部ブロック１と固定子５とが振動子３内に通された連結ボルト１６を介して互いに連結されている。
固定子５の凹部４は、回転子６の直径より小さな内径を有する小径部１７と、回転子６の直径より大きな内径を有する大径部１８とからなり、これら小径部１７及び大径部１８との境界部にＸＹ平面上に位置する環状の段差１９が形成されている。回転子６はこの凹部４内の段差１９に当接した状態で回転可能に支持されている。また、可動部２と固定子５とを連結する保持部材７によって回転子６が固定子５の段差１９に対して加圧接触されている。

振動子３は、固定子５に超音波振動を発生させて回転子６をＸ、Ｙ、Ｚの３軸の回りにそれぞれ回転させるためのものであり、それぞれＸＹ平面上に位置し且つ互いに重ね合わされた平板状の第１〜第３の圧電素子部３１〜３３を有している。これら第１〜第３の圧電素子部３１〜３３がそれぞれ駆動回路２０に電気的に接続されている。

具体的には、図４に示されるように、第１の圧電素子部３１は、それぞれ円板形状を有する電極板３１ａ、圧電素子板３１ｂ、電極板３１ｃ、圧電素子板３１ｄ及び電極板３１ｅが順次重ね合わされた構造を有している。同様に、第２の圧電素子部３２は、それぞれ円板形状を有する電極板３２ａ、圧電素子板３２ｂ、電極板３２ｃ、圧電素子板３２ｄ及び電極板３２ｅが順次重ね合わされた構造を有し、第３の圧電素子部３３は、それぞれ円板形状を有する電極板３３ａ、圧電素子板３３ｂ、電極板３３ｃ、圧電素子板３３ｄ及び電極板３３ｅが順次重ね合わされた構造を有している。これらの圧電素子部３１〜３３が絶縁シート３４〜３７を介して固定子５及び基部ブロック１から、また互いに絶縁された状態で配置されている。

図５に示されるように、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄは、Ｙ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３１ｂと圧電素子板３１ｄは互いに裏返しに配置されている。
第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄは、２分割されることなく全体がＺ軸方向（厚み方向）に膨張あるいは収縮の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３２ｂと圧電素子板３２ｄは互いに裏返しに配置されている。
第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄは、Ｘ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３３ｂと圧電素子板３３ｄは互いに裏返しに配置されている。

第１の圧電素子部３１の両面部分に配置されている電極板３１ａ及び電極板３１ｅと、第２の圧電素子部３２の両面部分に配置されている電極板３２ａ及び電極板３２ｅと、第３の圧電素子部３３の両面部分に配置されている電極板３３ａ及び電極板３３ｅがそれぞれ電気的に接地されている。また、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄの間に配置されている電極板３１ｃと、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄの間に配置されている電極板３２ｃと、第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄの間に配置されている電極板３３ｃがそれぞれ駆動回路２０に電気的に接続されている。

次に、この実施の形態１に係るロボットハンドの動作について説明する。
ロボットハンドの駆動に先立って、予め、キャップ１５が貫通孔１４から外され、貫通孔１４を介してシリンダ９内に水が供給され、再びキャップ１５が貫通孔１４に嵌合されているものとする。

振動子３に対して、第１の圧電素子部３１の電極板３１ｃに固定子５の固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄの２分割された部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、固定子５にＹ軸方向のたわみ振動を発生する。同様に、第２の圧電素子部３２の電極板３２ｃに交流電圧を印加すると、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄがＺ軸方向に膨張と収縮を繰り返し、固定子５にＺ軸方向の縦振動を発生する。さらに、第３の圧電素子部３３の電極板３３ｃに交流電圧を印加すると、第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄの２分割された部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、固定子５にＸ軸方向のたわみ振動を発生する。

そこで、例えば、駆動回路２０から第２の圧電素子部３２の電極板３２ｃと第３の圧電素子部３３の電極板３３ｃとの双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｘ軸方向のたわみ振動とＺ軸方向の縦振動とが組み合わされて回転子６と接触する固定子５の段差１９にＸＺ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介して回転子６がＹ軸回りに回転する。
同様に、駆動回路２０から第１の圧電素子部３１の電極板３１ｃと第２の圧電素子部３２の電極板３２ｃとの双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｙ軸方向のたわみ振動とＺ軸方向の縦振動とが組み合わされて回転子６と接触する固定子５の段差１９にＹＺ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介して回転子６がＸ軸回りに回転する。
さらに、駆動回路２０から第１の圧電素子部３１の電極板３１ｃと第３の圧電素子部３３の電極板３３ｃとの双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｘ軸方向のたわみ振動とＹ軸方向のたわみ振動とが組み合わされて回転子６と接触する固定子５の段差１９にＸＹ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介して回転子６がＺ軸回りに回転する。

このようにして振動子３を駆動することにより、回転子６がＸ、Ｙ、Ｚの３軸の回りにそれぞれ回転し、これに伴って可動部２が移動する。そこで、可動部２を移動させて可動部２の物体接触面Ｐを図示しない対象物に接触させ、この状態で対象物を取り扱う。例えば、物体接触面Ｐを対象物に接触させたまま、さらに可動部２を移動させることにより、対象物を移動させる。あるいは、外力を受けて移動しようとする対象物を押さえ込んで保持する。

このとき、可動部２の物体接触面Ｐと対象物の表面との間に作用する摩擦力が小さすぎると、所望の取り扱いを行うことができなくなる。このような場合には、可動部２の内部に配置されているスライドアクチュエータ１３を作動させてピストン１１をシリンダ９内に所定量だけ押し込み、シリンダ９内に貯留されていた水を供給管１０を介して液体供給口８から物体接触面Ｐ上に供給する。
これにより、水の表面張力に起因して物体接触面Ｐの摩擦係数が変化し、対象物に対して所望の取り扱いを行うことが可能となる。例えば、可動部２の物体接触面Ｐを本のページ上に接触させてページめくりをしたり、ビニール袋に接触させてビニール袋を開く等の動作を正確に行うことができるようになる。

所望の取り扱いが終了して物体接触面Ｐの摩擦係数を元に戻す場合には、駆動回路２０で振動子３を駆動することにより、回転子６を介して可動部２の物体接触面Ｐに超音波振動を発生させ、この超音波振動によって物体接触面Ｐに残った水分を霧化蒸発させればよい。これにより、物体接触面Ｐ上の水分が除去される。なお、水は純水が好ましい。
このように、物体接触面Ｐに水分を供給することで、物体接触面Ｐの摩擦特性を変化させて種々の対象物を取り扱うことが可能となる。
なお、水の代わりにアルコール、アセトン、エタノール等を使用することもできる。ロボットハンドの周辺温度等により物体接触面Ｐに残留したアルコール等が短時間で揮発する場合には、アルコール等の除去のために物体接触面Ｐに超音波振動を発生させなくてもよい。

また、水の供給手段としてシリンダ９内のピストン１１を駆動するスライドアクチュエータ１３を用いたが、これに限るものではなく、例えばポンプ等を用いることもできる。
さらに、液体貯留部としてのシリンダ９と供給手段としてのスライドアクチュエータ１３を可動部２の内部に収容したが、固定子５あるいは基部ブロック１の近傍または内部にこれらを配置し、連通路となる供給管１０を可動部２まで延ばして液体供給口８に連結してもよい。

実施の形態２
図６に、この発明の実施の形態２に係るロボットハンドの可動部２１の内部構造を示す。この可動部２１は、図２に示した実施の形態１における可動部２において、物体接触面Ｐを臨む壁部を多孔質部材２２から構成すると共に、この多孔質部材２２を一面とするチャンバ２３を可動部２１の内部に形成し、シリンダ９からの供給管１０をチャンバ２３に連通したものである。
スライドアクチュエータ１３の作動によりシリンダ９からチャンバ２３内に水が供給されると、水は多孔質部材２２内を浸透して物体接触面Ｐへと出てくる。したがって、実施の形態１と同様に、物体接触面Ｐの摩擦係数を変化させて種々の対象物を取り扱うことが可能となる。

実施の形態３
図７に、この発明の実施の形態３に係るロボットハンドの可動部２４の内部構造を示す。この可動部２４は、図２に示した実施の形態１における可動部２において、シリンダ９とピストン１１とスライドアクチュエータ１３の代わりに液体貯留室２５を配設し、この液体貯留室２５と液体供給口８とを供給管１０で連通したものである。
図３に示した駆動回路２０で振動子３を駆動することにより、回転子６を介して可動部２４内の液体貯留室２５に超音波振動を発生させると、液体貯留室２５内に貯留されていた水が振動のエネルギーを受けて蒸発し、水蒸気が供給管１０を介して液体供給口８から外部へ放出される。放出された水蒸気は、外気により冷却されて物体接触面Ｐ上に結露する。したがって、実施の形態１及び２と同様に、物体接触面Ｐの摩擦係数を変化させて種々の対象物を取り扱うことが可能となる。

なお、外気温度が高い等により、結露を生じにくい環境においては、図７に示されるように、物体接触面Ｐを臨む壁部にペルチェ効果を利用した電熱変換素子２６を取り付け、この電熱変換素子２６に電力を供給して物体接触面Ｐを冷却すると、水蒸気の結露が促進され、物体接触面Ｐの摩擦特性を変化させることが可能となる。
また、液体貯留室２５に超音波振動を発生させて水を蒸発させたが、その代わりに液体貯留室２５に発熱素子を配置し、発熱素子から発せられる熱によって水を蒸発させることもできる。

参考形態１
上記の実施の形態１〜３では、物体接触面Ｐ上の液体量、例えば水分量を調整することにより物体接触面Ｐの摩擦係数を変化させたが、物体接触面Ｐに超音波振動を発生させることで物体接触面Ｐに作用する摩擦力を変化させることもできる。
例えば図１に示した可動部２の物体接触面Ｐを図示しない対象物に接触させた状態で、駆動回路２０で振動子３を駆動することにより、回転子６を介して物体接触面Ｐに超音波振動を発生させると、物体接触面Ｐと対象物の表面との接触部における垂直抗力が微小時間内で変化し、物体接触面Ｐと対象物との間に作用する摩擦力も変化することとなる。
したがって、種々の対象物を取り扱うことが可能となる。

参考形態２
図８に、この発明の参考形態２に係るロボットハンドの可動部の物体接触面Ｐの断面構造を示す。この物体接触面Ｐには、非対称の断面を有する多数の凹凸２７が形成されている。この凹凸２７の断面の非対称性に起因して、図示しない対象物に対し、Ａの方向へ物体接触面Ｐが移動する際には、凹凸２７の多数の頂部が引っ掛かるために大きな摩擦力が発生し、逆にＢの方向へ物体接触面Ｐが移動する際には、凹凸２７の斜面部分で滑りが生じるために摩擦力は小さくなる。
そこで、駆動回路２０により振動子３を駆動して可動部の物体接触面Ｐを図８のＡの方向へ移動させるか、Ｂの方向へ移動させるかを選択することにより、対象物に対する物体接触面Ｐの摩擦特性を変化させることが可能となる。

実施の形態４
図９に、この発明の実施の形態４に係るロボットハンドを示す。このロボットハンドは、図１に示した実施の形態１のロボットハンドにおいて、可動部２の代わりに回転子６に第１節４１、第２節４２及び第３節４３を順次直列に連結し、最先端に位置する第３節４３の外面に物体接触面Ｐと液体供給口８を形成したものである。また、図２に示したシリンダ９、供給管１０、ピストン１１及びスライドアクチュエータ１３が第３節４３の内部に内蔵されている。第１節４１と第２節４２は図示しない連結機構を介して互いに連結され、第２節４２と第３節４３も図示しない連結機構を介して互いに連結されており、回転子６の回転に応じて第１節４１、第２節４２及び第３節４３が所定の動きをするように構成されている。

振動子３の駆動により回転子６を回転させて第１節４１、第２節４２及び第３節４３をそれぞれ移動させ、第３節４３の物体接触面Ｐを図示しない対象物に接触させた状態で、液体供給口８から物体接触面Ｐに水分を供給することで、物体接触面Ｐの摩擦特性を変化させて対象物を取り扱うことが可能となる。
この実施の形態４のロボットハンドは、より人間の手の指に近い動きをすることができ、種々の対象物を容易に取り扱うことができる。
さらに、実施の形態４のロボットハンドを複数本並べて多肢ハンドを構成することができる。

なお、実施の形態４では、第１節４１、第２節４２及び第３節４３が回転子６の回転に応じて所定の動きをするように構成したが、第１節４１、第２節４２及び第３節４３に対してそれぞれ独立した振動アクチュエータ等の駆動源を配設し、第１節４１、第２節４２及び第３節４３をそれぞれ独立して移動させることも可能である。
また、この実施の形態４を実施の形態２、３及び参考形態１、２に適用して、それぞれ第１節４１、第２節４２及び第３節４３を有するロボットハンドを構成してもよい。
上述した実施の形態１〜４及び参考形態１、２のロボットハンドは、それぞれ自走式ロボットに搭載して使用することができる。

この発明の実施の形態１に係るロボットハンドを示す斜視図である。 実施の形態１に係るロボットハンドの可動部の内部構造を示す断面図である。 実施の形態１で用いられた振動アクチュエータを示す断面図である。 実施の形態１で用いられた振動子の構成を示す部分断面図である。 実施の形態１で用いられた振動子の３対の圧電素子板の分極方向を示す斜視図である。 実施の形態２に係るロボットハンドの可動部の内部構造を示す断面図である。 実施の形態３に係るロボットハンドの可動部の内部構造を示す断面図である。 参考形態２に係るロボットハンドの可動部の物体接触面の断面構造を示す断面図である。 実施の形態４に係るロボットハンドを示す斜視図である。

符号の説明

１ 基部ブロック、２，２１，２４ 可動部、３ 振動子、４ 凹部、５ 固定子、６ 回転子、７ 保持部材、８ 液体供給口、９ シリンダ、１０ 供給管、１１ ピストン、１２ プランジャ、１３ スライドアクチュエータ、１４ 貫通孔、１５ キャップ、１６ 連結ボルト、１７ 小径部、１８ 大径部、１９ 段差、２０ 駆動回路、２２ 多孔質部材、２３ チャンバ、２５ 液体貯留室、２６ 電熱変換素子、２７ 凹凸、３１ 第１の圧電素子部、３２ 第２の圧電素子部、３３ 第３の圧電素子部、４１ 第１節、４２ 第２節、４３ 第３節、Ｖ 振動アクチュエータ、Ｐ 物体接触面。

Claims (6)

1. 対象物と接する物体接触面の摩擦特性を変化させる摩擦特性変化手段を備えたロボットハンドにおいて、
   前記摩擦特性変化手段は、前記物体接触面上の液体量を調整することにより前記物体接触面の摩擦係数を変化させることを特徴とするロボットハンド。
2. 前記摩擦特性変化手段は、
   液体を貯留する液体貯留部と、
   前記液体貯留部と前記物体接触面とを連通する連通路と、
   前記液体貯留部内の液体を前記連通路を介して前記物体接触面に供給する供給手段と
   を含む請求項１に記載のロボットハンド。
3. 前記供給手段は、前記液体貯留部内の液体の蒸気を前記物体接触面に供給し、前記物体接触面上で結露させる請求項２に記載のロボットハンド。
4. 前記摩擦特性変化手段は、前記物体接触面を超音波振動させることにより前記物体接触面上の液体を除去する請求項１〜３のいずれか一項に記載のロボットハンド。
5. 前記物体接触面が形成された可動部と、
   前記可動部を駆動するための振動アクチュエータと
   をさらに備え、前記摩擦特性変化手段は、前記振動アクチュエータを用いて前記物体接触面を超音波振動させる請求項４に記載のロボットハンド。
6. 自走式ロボットに用いられる請求項１〜５のいずれか一項に記載のロボットハンド。

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