JP4739386B2 - 構造体及びマニピュレータ及び構造体制御システム - Google Patents

Description

本発明は、物品を移動させるための機構に関する。特に、ロボット用マニピュレータ、及びそれに用いられる構造体や、構造体制御システムに関するものである。

近年、少子高齢化に伴う労働力の不足及び高齢化が予想されており、それらを補う産業用、家庭用のロボットが期待されている。特に、複雑な作業をこなすためには、種々の物品を把持できるマニピュレータ等が必須であり、重要である。これらマニピュレータは、手の不自由な人のための義手としての適用も種々検討されている。

図１５、図１６は、下記特許文献１に開示された従来のマニピュレータを示す図である。図１５において、符号８０３、８０４はアームを示し、８０５はハンド装置を、また８０６はハンド装置８０５に把持されたワークを示している。図１６は、アーム８０４とハンド装置８０５との接続部に設けられた、このマニピュレータの安全装置８０７を示している。安全装置８０７は、アーム８０４に結合された第１のベース８０７ａと、第２のベース８０７ｂと、第１のベース８０７ａに対して第２のベース８０７ｂを相対回転可能に接続する支持軸８０７ｉと、を有する。

ハンド装置８０５は、第２のベース８０７ｂに結合されている。第１のベース８０７ａと第２のベース８０７ｂとに亘ってピン８０７ｃが貫通している。このため、通常、第２のベース８０７ｂは第１のベース８０７ａに対して相対回転しない。また、ピン８０７ｃの挿通孔はボルト８０７ｄによって塞がれており、ピン８０７ｃの落下が防止されている。

ワーク８０６が外部の物体に衝突した際には、その衝撃でピン８０７ｃが剪断され、第１のベース８０７ａに対して第２のベース８０７ｂが回動自在になる。そして、ハンド装置８０５とワーク８０６とが、支持軸８０７ｉ回りに回転自在となるため、物体がアーム８０３、８０４に衝突したときの運動エネルギがハンド装置８０５へ伝達されることが防止され、ハンド装置８０５の破損を防止できる。
特開昭６１−２４９２９６号公報

しかしながら、従来のマニピュレータの安全装置には以下のような課題があった。すなわち、物体が支持軸８０７ｉの延長上に衝突した場合には、ピン８０７ｃは剪断されない。このため、安全装置８０７が機能しない。また、物体がアーム８０３、８０４に衝突した場合には、この衝突した物体にアーム８０３、８０４の質量が全て作用する。このため、人に衝突した場合には、危険が予想される。

本発明の目的は、上述の問題を解決した構造体を提供することである。

本発明の一局面に従う構造体によれば、構造体は、外部に固定されたベース部を有する第１部材と、第２部材と、先端部を有する第３部材と、前記第１部材と前記第２部材との相対位置関係を保つ第１結合力と、前記第２部材と前記第３部材との相対位置関係を保つ第２結合力とを発生させる結合力発生部と、を備え、前記第１部材と前記第２部材と前記第３部材とは連結されており、前記第１結合力は前記第２結合力より大きい結合力であり、前記第２部材は、連結された複数の中間部材から構成され、前記結合力発生部は、前記中間部材の接触面のうち、前記ベース部からｉ番目の接触面に生ずる結合力をＮ（ｉ）とした時に、任意のｉに対してＮ（ｉ）＞Ｎ（ｉ＋１）となる結合力を発生させるものである。

また、本発明の一局面に従う構造体制御システムによれば、構造体制御システムは、前記構造体と外部の物体との相対位置関係を測定する観測部と、前記観測部による測定結果に基づいて前記構造体と前記外部の物体との衝突を予測する判断部と、前記判断部の予測に基づいて前記結合力発生部の結合力の大きさを変化させる力設定部と、を備える。

また、本発明の一局面に従う構造体制御システムによれば、構造体制御システムは、前記構造体の表面に設けられた力センサと、前記力センサによる測定結果に基づいて前記結合力発生部の結合力の大きさを変化させる力設定部と、を備える。

また、本発明の一局面に従う構造体制御システムによれば、構造体制御システムは、前記構造体のタスク遂行状況を把握するタスク状況管理部と、前記結合力発生部が発生させる結合力の大きさを設定するとともに、前記タスク状況管理部の出力に基づいて、設定された結合力の大きさを変化させる力設定部と、を備える。

また、本発明の一局面に従う構造体制御システムによれば、構造体制御システムは、前記構造体に配設された接触センサと、前記結合力発生部が発生させる結合力の大きさを設定するとともに、前記接触センサの出力に基づいて、設定された結合力の大きさを変化させる力設定部と、を備える。

また、本発明の一局面に従うマニピュレータによれば、マニピュレータは、外部に結合されたベース部を有する第１部材と、先端部を有する第３部材と、前記第１部材と前記第３部材の間に、それぞれと結合して配置された第２部材と、前記第１部材の端面と前記第２部材の端面とが互いに押圧し合う第１の結合力と、前記第２部材の端面と前記第３部材の端面とが互いに押圧し合う第２結合力とを発生させる結合力発生部と、前記第３部材の先端部に設けられたエンドエフェクタと、を備え、前記第２部材は、互いに接触した状態で連結された複数の中間部材を備え、前記結合力発生部は、前記中間部材同士の接触面にも結合力を発生させ、前記中間部材の接触面のうち、前記ベース側からｉ番目の接触面に生ずる結合力をＮ（ｉ）としたときに、任意のｉに対してＮ（ｉ）＞Ｎ（ｉ＋１）である結合力を発生させる。

本発明によれば、安全な構造体、及び安全性を高めたマニピュレータ及び制御システムが実現可能である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１（ａ）（ｂ）、図２は、本発明の実施の形態１における構造体７を含むマニピュレータを示す図である。マニピュレータは、構造体７と、エンドエフェクタとしてのハンド機構６と、を備えている。この構造体７は、アーム２，３，４と、第１，２の関節５０，５１と、ハンド機構用の第３の関節５３とを備えている。

図１（ａ）に示すように、アーム２はベース１（ベース部）を有する。ベース１は、固定体である基準面Ｓに固定されているものとする。アーム２（第１部材）は部材２１，２２を備え、アーム３（第２部材）は部材３１〜３５を備え、アーム４（第３部材）は部材４１，４２を備える。部材２１はベース１に支持されている。すなわち、マニピュレータに含まれる構造体７は、合計で９つの部材を有しおり、これらの部材が一列に並ぶように互いに連結されている。ベース１に固定されたアーム２の部材２１が、第１部材（基端側部材）であり、第３の関節５３に結合されたアーム４の部材４２が第３部材（先端側部材）である。これらの間の部材２２〜４１が第２部材（中間部材）を構成する接続部材となっている。そして、ベース１に固定された部材２１の基端面が定着部となっている。

第１の関節５０は、紙面に垂直な軸回りに相対回転可能にアーム２とアーム３とを連結しており、第１の関節５０によってアーム３がアーム２に対して回動する。すなわち、第１の関節５０は、互いに相対回転可能な２つの部材を有し、この一方の部材にアーム２の部材２２が固定され、他方の部材にアーム３の部材３１が固定されている。言い換えると、第１の関節５０は、第１の接続部材である部材２２と、第２の接続部材である部材３１との間に配設されている。

第２の関節５１は、紙面に垂直な軸回りに相対回転可能にアーム３とアーム４とを連結しており、第２の関節５１によってアーム４がアーム３に対して回動する。すなわち、第２の関節５１は、互いに相対回転可能な２つの部材を有し、この一方の部材にアーム３の部材３５が固定され、他方の部材にアーム４の部材４１が固定されている。言い換えると、第２の関節５１は、第１の接続部材である部材３５と、第２の接続部材である部材４１との間に配設されている。アーム４とハンド機構６の間には、紙面に平行な軸周りの回転をハンド機構６に与える第３の関節５３が設けられている。

尚、本実施形態では、関節５０，５１，５３を有する構造体７について示しているが、この構成に限られるものではない。例えば、関節を有しないアーム３のみの構造体としてもよい。この構成では、部材３１が固定体に直接的又は間接的に結合され得る第１部材（基端側部材）となり、部材３５が第３部材（先端側部材）となり、部材３２〜３４が第２部材（中間部材）を構成する接続部材となる。

図２は、アーム３の長手方向に平行な断面における図である。アーム３を構成する部材３１〜３５は、一列に並ぶように配列されている。アーム３は全体として一方向（図中のＡ方向）に長手方向を有する。各部材３１〜３５は、隣接する部材と接触する端面がＡ方向（長手方向）に略垂直な平面となっている。この端面に平行な方向を横断面方向と定義する。

部材３１〜３５は何れも同様の形状である。例えば部材３２は、剛な物質で構成された剛構造部３２ａと、その周囲に装着される外装３２ｂとを有する。剛構造部３２ａは、有底の円筒状または多角形柱状である。図例では、剛構造部３２ａは、筒状の胴部３２ｄと、この胴部３２ｄの内側に固定される板状の架設部３２ｅとを有する。架設部３２ｅは、部材３２の軸方向とは直交する方向に延びる板状に形成されていて、胴部３２ｄに架設されている。外装３２ｂは、ウレタンゴム、シリコンゴム等の弾性体によって構成されている。図２において、部材３２の下側の端面が第１端面であり、上側の端面が第２端面である。なお、中間部材としての第１端面は、部材２２の基端側の端面であり、中間部材としての第２端面は、部材４１の先端側の端面である。

剛構造部３２ａは、軽量と剛性を両立させる樹脂として、好ましくはガラスファイバーで補強されたＰＰＳなどで構成されている。更に振動を抑えたい場合には、剛構造部３２ａの材料として、液晶ポリマーを用いるのが好ましい。

アーム３には、結合力発生部としての牽引機構が設けられている。牽引機構は、弾性体からなる線材３０と、この線材３０に固着されたストッパ３０ａとを有する。部材３１の剛構造部３１ａの架設部３１ｅには、貫通穴３１ｃが形成されており、部材３２の剛構造部３２ａの架設部３２ｅには貫通穴３２ｃが形成されている。そして、線材３０は、貫通穴３１ｃを貫通して部材３２の貫通穴３２ｃに至っている。線材３０に設けられたストッパ３０ａは、部材３１と３２とが接触した状態で部材３１，３２の軸方向の移動を規制している。すなわち、線材３０はストッパ３０ａの作用によって、貫通穴３１ｃ、３２ｃを有する架設部３１ｅ，３２ｅに係合することで、部材３２を部材３１に向かって牽引している。言い換えると、牽引機構は、部材３２の基端側端面（第１端面）と部材３１の先端側端面（第２端面）との間に、互いに押圧する結合力を発生させている。この結合力をＮ１とする。

線材３０は、部材３３〜３５にも同様に貫通している。このため、牽引機構としては、部材３２と３３の間、部材３３と３４との間、等にも結合力を発生させている。この結合力をＮ２、Ｎ３等とする。ここで、ストッパ３０ａによる線材３０の移動規制によって、それぞれの結合力の大きさは、Ｎ１＞Ｎ２＞Ｎ３…となっている。これらの結合力により各部材は相互に押しつけられている。

上記結合力により、各部材間には、横断面方向の力に対して抵抗する摩擦力が生じている。例えば、部材３１と３２の間において、結合力Ｎ１に抗して生じる最大静止摩擦力をＦ１とし、部材３２と３３の間では結合力Ｎ２に抗して生じる最大静止摩擦力をＦ２とする。言い換えると、部材（３０＋ｉ）と部材（３０＋ｉ＋１）の間において、結合力Ｎｉによる最大静止摩擦力がＦｉとなる。

最大静止摩擦力はほぼアモントン−クーロンの法則に従うので、結合力はＮ１＞Ｎ２＞Ｎ３…に対し、最大静止摩擦力もＦ１＞Ｆ２＞Ｆ３…である。

なお、これらの結合力の相対的相異は、例えば次のような構造で実現することができる。即ち部材３２、３３、３４…のＡ方向の寸法（軸方向長さ）が同一である場合において、個々のストッパ３０ａ間に張られる弾性体３０の自由長が部材３１で最も短く、部材３２、部材３３…の順番で自由長が次第に長くなるように設定すればよい。このようにすると、弾性体３０の伸びによる歪が部材３１に該当する部分で最も大きくなって結合力Ｎ１が最も大きくなる。従って、その復元力による結合力を、Ｎ１＞Ｎ２＞Ｎ３…とすることができる。

結合力Ｎ１，Ｎ２，…を異なる大きさにするための構成は、前述の構成に限られない。例えば、線材３０の弾性力がその長さ方向（軸方向）に次第に変わる構成としてもよい。この場合、線材３０の断面積がその長さ方向で異なる構成や線材３０の弾性率自体がその長さ方向で異なる構成を採用することができる。

また、弾性力の異なる複数の線体を、各部材間に配したものも採用できる。この構成では、一部の線体が使用不能なっても、その部材を固定することで、マニピュレータ１００の機能を保つことができる。

アーム２、アーム４でもアーム３と同様の構造が実現できる。また、マニピュレータ全体として（アーム２での結合力）＞（アーム３での結合力）＞（アーム４での結合力）である。したがって、構造体７において、基端側部材２１の先端面（図１（ａ）における上端面）と部材２２の基端側端面（第１端面；図１（ａ）における下端面）との結合力の大きさ（第１の大きさ）は、部材４１の先端側端面（第２端面）と先端側部材４２の基端面との結合力の大きさ（第２の大きさ）よりも大きくなっている。

そして、関節５０，５１を挟んで基端側に位置する部材間の結合力が、関節５０，５１の先端側に位置する部材間の結合力よりも大きな大きさとなるように設定されている。具体的には、第１の関節５０に対して基端側に位置するアーム２を構成する部材２１と部材２２の間の結合力の大きさは、第１の関節５０の先端側に位置するアーム３の部材３１と部材３２の間の結合力の大きさよりも大きくなっている。また、第２の関節５１に対して基端側に位置するアーム３を構成する部材３４と部材３５の間の結合力の大きさは、第２の関節５１の先端側に位置するアーム４の部材４１と部材４２の間の結合力の大きさよりも大きくなっている。

各部材がその隣接部材に対し横断面方向に変位がない状態を正規状態とする。ここでは、重力の影響を無視して考える。例えば図２において部材３２よりも紙面上側の全部材を、慣性力が無視できる程度の低加速度で部材３１に対して横断面方向に変位を発生させる場合を考える。部材３１と３２の間に滑りが生じるためには、最大静止摩擦力Ｆ１の力が必要である。

また、部材３２のみを、他の部材に対し横断面方向に動かそうとすると、部材３１と３２との間に滑りを生じさせると共に、部材３２と３３との間に滑りを生じさせなければならない。このため、最大静止摩擦力Ｆ１＋Ｆ２の力が必要となる。好ましくはこういった結合力が生じる構造を、例えばアーム２、３、４の単位で構成する。これにより関節５０、５１を超えて線材３０を引き回す必要がなく、姿勢による影響等を受けにくくすることができる。

以上のように構成された構造体及びマニピュレータについて、以下、その動作を説明する。

図１（ａ）のように、マニピュレータ１００に物体９が接近し、図１（ｂ）のように衝突したとする。このとき、物体９がアーム３の部材３３と部材３４に衝突した場合、その衝撃力がＦ２＋Ｆ４を上回ると、図１（ｂ）のようにまず部材３３、３４が横断面方向に変位を始める。物体９が十分な運動エネルギをもっていれば、部材３３と３４は加速度運動を始め、正規状態からずれる。

このとき物体９に衝突の反作用として生じる力は、ほぼ部材３３、３４の質量によるものであって、構造体としてのアーム３全体、またはマニピュレータ１００全体から受ける反作用に比べれば比較的小さいものとすることができる。すなわち、外力を受けた部材と、この部材に隣接する部材との間で変位を生じさせることにより、受けた外力の一部を吸収することができる。

このようにして、本実施の形態によれば、マニピュレータ１００の質量の分離により衝突時の反力が低減されるため、物体９は衝突による損傷を免れることができる。これは、相対的な関係であり、物体９が静止した人体で、アーム３またはマニピュレータ１００が動くことによって接近しても事情は同じである。このため、本実施の形態によれば、人体が損傷することを回避することができる。

また、物体９がアーム３の中心軸からはずれた位置で衝突した場合、例えばアーム３の側面をかすめるような状態で接触したような場合には、アーム３に中心軸周りの回転モーメントが生じるが、このモーメントに抗する静止力も結合力に応じて大きくなるので、本実施の形態では上記の横断面方向の衝撃に対する場合と同様の効果が有る。

最大静止摩擦力および結合力は、構造体７の根元の方が大きくなっているので、回転運動等を行う際に根元側（基端側）に生じるモーメントに十分抗しながら、先端側に大きな加速度を与えることができる。

ここではアーム３を直線状としているが、例えばアーム３の長手方向が曲線状に曲がっていてもよい。この場合には、長手方向の局所的接線を平均法線とする平面または曲面で分割することによって各部材が構成されることとなる。

アーム３が直線状の場合であっても、図２に示した平面状の部材の分割面に代え、曲面状の分割面としても差し支えない。例えば、図３のような曲面を有する部材７１の形態としてもよい。この場合には、曲面同士が接触するので部材同士の接触面積が増え、これにより、横断面方向の力に対する摩擦力をより安定にし、また正規位置の状態での結合が明確にわかるようになる。

例えば衝撃で人が苦痛に耐える値としては、５０Ｎ以下が推奨される。そして、１つの部材が横断面方向に変位する場合には、上下面においてそれぞれ摩擦力が作用する。このため、最大静止摩擦力が生じる断面が部材３２である場合には、例えばＦ１＋Ｆ２＜５０［Ｎ］程度になるように線材３０による結合力Ｎ１，Ｎ２を設定するのが好ましい。

また、横断面方向において、部材を正規位置に位置決めする構造としては、図４に示すような、突起結合もあり得る。この場合には、部材８１、８２、８３…の軸方向端面が平面状ではなく、傾斜面８８を有する段差面が形成されることにより、部材８１、８２、８３…の一端面に突起状の部分が設けられ、部材８１、８２、８３…の他端面には突起状の部分の形状に対応する凹状の部分が形成されている。また、これ以外にも、ピン結合等による構成も可能である。これらを上記線材３０で結合することは可能である。

なお、各部材において、それぞれの架設部の中心部に穴が空いている。この穴は、第１の関節５０等におけるモータへの結線の径路やアームの支持軸、等に用いられる。こういった穴を図２の部材３１、３２…や図３の部材７１等に設ける。なお、モータへの配線等には、部材のずれによる摩擦の影響等を低減するため、好ましくはデュポン社のテフロン（登録商標）等のフッ素樹脂系の物質を含む摺動性被覆等が設けられる。また、この穴の径は、アームの支持軸等の径よりも大きいことが好ましい。これは、各部材が変位するため、変位によりアームの支持軸等に加わる力の影響を軽減するためである。

また、線材３０を形状記憶合金や、形状記憶合金とばねの直列結合としてもよい。この場合には、電流加熱や冷却により結合力を可変にすることができる。

部材が横断面方向に変位すると、線材３０は、部材を元の位置に戻させる復元力を発生する。この復元力と変位の特性を、復元力が変位に対し１次以上の関数で増えるよう、好ましくは２次関数等、変位に対し急激に復元力が増えるようにすると、衝撃後、部材が正規位置近傍に復元する確率が増えるので好ましい。こういった特性は、例えば下記方法で実現できる。すなわち、図２の構造のように、線材３０の引張り方向における復元力が、線材３０の変形に対して線形であれば、横断面方向変位に対する復元力は非線形に増大する。

結合力発生部としては、線材３０に代え、図５のように、磁気的な力を利用する構成としてもよい。アーム１１は、部材１１１、１１２、１１３、１１４…を有しており、このアーム１１は、例えば図１のアーム３の位置に配設される。例えば部材１１２は磁性体１１２ａと外装１１２ｂを備え、部材１１３、１１４…なども同様の構成である。アーム１１において、最も基端側に配設される部材１１１は磁石１１１ａと外装１１１ｂを備える。このような構成により、アーム１１では、磁石１１１ａからの距離の増大とともに吸引力Ｎ１、Ｎ２…が減少する。従って、部材間の最大静止摩擦力を、容易にＦ１＞Ｆ２＞Ｆ３…とすることができる。

また、磁石１１１ａを電磁石にした場合には、電流を調整することにより、発生させる結合力を可変とすることができる。更に、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、磁石１１１ａを磁性体１１２ａに対し回転可能にしても、結合力を可変にすることができる。すなわち、通常の状態では、部材１１１の磁石１１１ａと部材１１２の磁性体１１２ａとが周方向における同じ位置にある。そして、部材１１１の磁石１１１ａが周方向に移動することにより、磁石１１１ａと磁性体１１２ａとの中心間距離を大きくすることができ、これにより部材１１１の磁石１１１ａと部材１１２の磁性体１１２ａとの間の結合力を低減することができる。この場合において、外装１１１ｂは、磁石１１１ａのガイド機能を兼ねるのであれば硬質の材料によって構成されるのが好ましい。また、上下方向の距離安定化の理由から、外装１１２ｂも硬質材料によって構成されるのが好ましい。

部材１１１、１１２…が軸回りに回動する形態では、外力を受けた場合であっても、部材１１１、１１２…の軸心位置は変位しない。このため、部材１１１、１１２…の内部に挿入された伝送線等の部材を保護することができる。

また、磁気回路構造を図１４のように構成することも可能である。アーム１９は、アーム１１を代替するものであり、部材１９１、１９２…を備える。部材１９２は、内側磁性体１９２ａと外側磁性体１９２ｃと、非磁性体１９２ｄと、外装１９２ｂとを備える。非磁性体１９２ｄは、内側磁性体１９２ａと外側磁性体１９２ｃとの間に配設されている。部材１９３、１９４…も同様の構成である。一方、部材１９１は、磁石１９１ａと外側磁性体１９１ｃと非磁性体１９１ｄと外装１９１ｂとを有し、磁石１９１ａの一端面（部材１９２ａから遠い側の面）は外側磁性体１９１ｃに磁気的に接続され、磁石１９１ａの他端面（部材１９２側の面）は部材１９２の内側磁性体１９２ａと磁気的に接続されている。このようにアーム１９が構成されることにより、アーム１１と同様な吸引力Ｎ１、Ｎ２…の分布を得ると共に、磁気回路がほぼ閉回路になるので、外部への漏洩磁束による影響等を減少させることができる。このため、アーム２、アーム４への影響等を低減することができる。

磁石や磁性体を用いることにより、変位を生じた際に、部材間に障害物（線材３０、等）が存在しない。そのため、物体９への影響を、より小さくできる。しかしながら、磁石や磁性体を用いることにより、周囲に磁場による影響が発生する場合がある。その場合は、必要に応じて、これに対する対策が必要である。

また、線材３０の数などは、必要に応じて任意に変更が可能である。ただし、安定に結合力を与えるには、各部材の断面内で３本以上が望ましい。

また、外装３１ｂ、３２ｂ…等は例であって、必要なければ除去しても差し支えない。

また、線材３０を導電体によって構成することにより、信号線や電力線等の機能を持たせることも、可能である。しかしながら、衝突時に線材３０が引っ張られる。そのため、線材３０に信号線や電力線等の機能を持たせる場合は、その強度に十分に注意する必要がある。

なお、本実施の形態では、最大静止摩擦力をメインにしたため、部材間の結合力と関係させて説明した。しかしながら、後述するように、動摩擦力等を利用した形態も含む発明であるため、必ずしも部材間の結合力が必須のものではないことは言うまでもない。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図面を参照しながら説明する。

図７（ａ）、図７（ｂ）及び図８は、本発明の実施の形態２における構造体、マニピュレータ及び制御システムを概略的に示している。本実施の形態のマニピュレータ１０１は、実施の形態１のアーム３における線材３０を、形状記憶合金によって構成される線材３８に変更したものであり、その他の構成は物体９を含め実施の形態１のマニピュレータ１００と同じである。

制御システムは、カメラ６１、距離算出部６２、判断部６３及びアンプ６４を備えている。カメラ６１は、マニピュレータ１０１とその周辺を捉えている。距離算出部６２は、カメラ６１の出力情報から、マニピュレータ１０１とその周辺の物体との距離を算出する。カメラ６１と距離算出部６２は観測部を形成する。判断部６３は、距離算出部６２の出力に基づいて、マニピュレータ１０１とカメラ６１で捕らえられた物体との衝突の予測を行い、その結果に基づいてアンプ６４を制御する。アンプ６４は、判断部６３の出力に従って線材３８に流す電流量を変化させる。これにより、線材３８による部材３１，３２，３３，…間の結合力Ｎ１、Ｎ２…が変化する。アンプ６４は、結合力の大きさを設定する力設定部の概念に含まれるものである。線材３８は、温度が上がると短縮する方向の力を発生する。

以上のように構成された構造体７及びマニピュレータ及び制御システムについて、以下その動作を説明する。

通常の状態では、線材３８に通電され、各部材３１，３２，３３，…間の結合力がそれぞれＮ１、Ｎ２…以上の値になっているものとする。カメラ６１は、マニピュレータ１０１と物体９を静止画像としてとらえ、距離算出部６２にフレームとして画像信号を送る。距離算出部６２は、前回のフレーム画像と今回のフレーム画像からマニピュレータ１０１と物体９の距離変化を算出するとともに、今回のフレーム画像から絶対距離を算出する。そしてこれら距離変化を表す信号と絶対距離を表す信号とを判断部６３に送る。判断部６３はこれらの信号に基づいた信号をアンプ６４に与える。

判断部６３によってマニピュレータ１０１と物体９の衝突が予測された場合には、線材３８の電流を所定の値以下にする。これにより、線材３８による引張り力が減退し、線材３８による結合力がＮ１、Ｎ２…未満の値に下がる。

この状態で物体９がマニピュレータ１０１に衝突した際には、結合力の低下による横断面方向の抵抗力の低下により、アーム３は部材が容易に分離又は変位する状態となり、物体９の衝突による衝撃を緩和することができる。

このように、本実施の形態によれば、衝突を予測した場合にのみ、必要に応じて結合力を弱めるため、構造体７としての剛性を確保しつつ、衝突時の衝撃をより緩和することが可能となる。

アーム３に関しては、例えば実施の形態１で述べた磁石による部材同士の結合（図５）も可能である。図９にその例を示す。磁石１１１ａが電磁石である場合には、上記同様衝突が予測されたらアンプ６４による電流を低減させることにより、衝突時の分離又は変位を容易にすることができる。また、磁石１１１ａが永久磁石である場合には、図６（ａ）、図６（ｂ）を用いて説明したように、磁石１１１ａを移動させる磁石回転機構（図示せず）を設けるようにしてもよい。この場合、アンプ６４が磁石回転機構を駆動する構造でも差し支えない。

また、部材の構造は、図３、図４に示す構造も可能である。また、アンプ６４のオンオフ制御も、系によっては可能である。

また、線材３８に関し、結合力の制御が困難な場合には、直列にばねを設ける等の改善を行うことができる。

また、本実施形態２では、観測部として、カメラ６１と距離算出部６２による例を挙げたが、これらは距離及び距離変化という物理量を電気信号に変換する手段であるから、他の方法でも差し支えない。例えば超音波距離センサ、ステレオカメラ、赤外線センサ、レーザを用いた距離センサ等が観測部の一例としてあり得るし、また、観測部を、マニピュレータ１０１と周囲の距離に基づく電気容量変化を見る手段によって構成してもよい。

また、線材３８に例えば高周波を重畳して、信号線や電力線として用いることも可能である。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図面を参照しながら説明する。

図１０は、本発明の実施の形態３における構造体、マニピュレータ及び制御システムの要部を示している。マニピュレータ自体は実施の形態２の図７のマニピュレータ１０１と同じものである。ここでは、同一の構成部材に同一の記号を付している。図１０に示すように、制御システムは、カメラ６１、距離算出部６２、判断部６３、アンプ６４及びタスク状況管理部６５を備えている。タスク状況管理部６５は、マニピュレータのタスク遂行状況の把握と予測を行い、結合力を強めるか、弱めるための信号を判断部６３に対して出力可能な機能を有する。

例えば、外部の物体（例えば実施の形態２の物体９）の衝突が生じた際の衝撃では、アーム３等での衝撃を抑えるために所定の部材を分離又は変位させる必要があるが、ハンド機構６が硬質の物体（例えば金属の棒等）を把持し、それを更に硬質の棚（例えば金属板）などに設置する場合、速度ゼロで確実に設置することは非常に難しいので、設置の際にアーム３等に衝撃が生じ、外部の物体衝突と同等の加速度が生じる可能性がある。

このためアーム２、３、４に生じる加速度による反力が、通常の結合力Ｎ１、Ｎ２…や最大静止摩擦力Ｆ１、Ｆ２…を生じさせる反力を超えると、部材が不要に分離又は変位する。これを回避すべくタスク状況管理部６５は、現在のタスクがマニピュレータ１０１に硬質物設置等の衝撃を生じる可能性が予測される場合に、判断部６３に対し結合力を強めるよう、信号を出す。判断部６３は、他の物体の衝突が予想されない場合、タスク状況管理部６５の信号を優先し、アンプ６４の駆動電流を上げたままとして結合力を高めることで硬質物設置の衝撃に備えることができる。

また、通常の等速輸送タスクにおいては加速度が生じる可能性はほとんど予測されないので、タスク状況管理部６５は、より安全性を高めるために結合力を弱める信号を判断部６３に出す。

タスク状況管理部６５による結合力強化予測として硬質物を設置する状況にある場合を例に挙げたが、その他の状況の場合でも加速度が生じると予測されるタスクに対しては、結合力を強める指示を出す。例えば、構造体７を移動系に搭載する場合において、この移動系が段差や凹凸の上を走向するタスクが遂行される場合や、クリック感のある非線形な対象を扱うタスクが遂行されるとき等も結合力を強める。また、通常のタスクで予測される加減速信号に同期させて結合力を変化させてもよい。

なお、本実施の形態３においても、実施の形態２で述べた様々なバリエーションが適用可能である。

（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４について、図面を参照しながら説明する。

図１１は本発明の実施の形態４における構造体を示す図である。図１１において、構造体としてのアーム１２の部材１２３には、駆動軸１５が固定されている。アーム１２は、この駆動軸１５により、Ｂ方向の回転駆動やＣ方向の並進駆動が可能となっている。

アーム１２は、全体としては実施の形態１で示したアーム３と同様の構成であるが、固定体に固定される固定点がアーム１２中間の部材１２３である点が主たる相違点である。すなわち、部材１２３が基端側部材となっており、この部材１２３は、先端面（図１１における上側の端面）１２３ａと、この先端面とは反対側の第２の先端面（図１１における下側の端面）１２３ｂとを有する。そして、この先端面１２３ａと第２の先端面１２３ｂとの間の部位が、固定体に固定される定着部となっている。また、部材１２３の先端面１２３ａに連結される部材１２４から部材４１（図１（ａ）参照）に至る各部材は、中間部材となり、部材４２は先端側部材となる。部材１２３の第２の先端面１２３ｂに連結される部材１２２は、第２の中間部材であり、部材１２１は、第２の先端側部材となっている。したがって、部材１２１は直接的にも間接的にも固定体に結合されるものではない。また、駆動部材１２３、部材１２４等の結合力を発生させる線材１３０は、結合力発生部として機能し、駆動部材１２３、部材１２２及び部材１２１の結合力を発生させる線材１３１は、第２の結合力発生部として機能する。この構造体においては、線材１３０及び線材１３１による部材間の結合力Ｎ１、Ｎ２…が、それぞれ部材１２３に近いほど大きく、部材１２３から離れるに従って小さくなるように設定され、それに伴い最大摩擦力Ｆ１、Ｆ２…も駆動部材１２３に隣接する面が最大となっている。つまり、部材１２３と部材１２２との間に生ずる結合力の大きさ（第１の大きさ）が、部材１２２と部材１２１との間に生ずる結合力の大きさ（第２の大きさ）以上となっている。

なお、部材１２３と部材１２４との間に生ずる結合力の大きさと、部材１２３と部材１２２との間に生ずる結合力の大きさとは、同等であっても異なっていてもよい。この結合力の大小関係は、連結される部材の数等によって適宜設定すればよい。

この構造の動作は、実施の形態１におけるアーム３を部材１２３から両端に延ばした構造と同等であるので省略する。アーム１２は、部材１２３に対して対称な構成である必要はない。

（実施の形態５）
以下、本発明の実施の形態５について、図面を参照しながら説明する。

図１２（ａ）、図１２（ｂ）、図１３は、本発明の実施の形態５における構造体、マニピュレータ及び制御システムを示している。本実施の形態のマニピュレータ１０２は、実施の形態２のアーム２、３、４の外装を変更したものであり、各々アーム１６、１７、１８としている。図１３は、例えばアーム１７を代表させて表示している。アーム１７は、部材１７１〜１７５を備え、部材１７１〜１７５の外装１７１ｂ〜１７５ｂは、それぞれ接触センサとして構成されている。アーム１６、１８においても、アーム１７と同様の構成である。アンプ６４、結合力を与える線材３８も、実施の形態２と同じものである。

接触センサ１７１ｂ〜１７５ｂは、外部からの接触があると、信号を出力する。この信号は判断部６６に集められる。図示しないが、他のアームの接触センサも同様に判断部６６に入力されている。判断部６６は、接触センサからの信号の入力があると、アンプ６４に対し電流を下げるよう指示する。

アンプ６４は、判断部６６の出力に従って線材３８に流す電流量を変化させ、結合力Ｎ１、Ｎ２…を変化させる。アンプ６４と各部材１７１〜１７５で力設定部を形成する。形状記憶合金によって構成される線材３８は、温度が上がると短縮する方向の力を発生する。

以上のように構成された構造体及びマニピュレータ及びシステムについて、以下その動作を説明する。

通常の状態において、線材３８には通電されており、結合力がＮ１、Ｎ２…以上の値になっているものとする。図１２（ｂ）に示すように、物体９がアーム１７の部材１７３、１７４の接触センサ１７３ｂ、１７４ｂに接触すると、接触センサ１７３ｂ、１７４ｂは信号を出力する。この信号は判断部６６に送られる。すると判断部６６は、電流を下げる信号をアンプ６４に送り、線材３８が冷却されて引張り力が減退し、結合力がＮ１、Ｎ２…未満の値に下がる。

こうして物体９がマニピュレータ１０２に接触して直後に結合力が低下し、横断面方向の抵抗力が低下するため、アーム１７は容易に部材が分離する状態となり、物体９の衝突による衝撃が緩和される。

このように、本実施の形態によれば、接触センサ１７１ｂ〜１７５ｂを設けることにより、衝突時の結合力を弱めて、より衝撃を緩和することが可能となる。

なお、アーム１７は、線材３８による結合構造に代え、例えば実施の形態１で述べた図５のアーム１１での磁石による結合構造に変更可能である。特に磁石１１１ａが電磁石である場合には、接触時に瞬時に電流を下げることにより、短時間で衝突に備えることができ、部材間の分離をより容易にすることができる。その他、本実施の形態でも、実施の形態２における種々のアームの結合状態を利用することができる。

また、接触センサで接触を検知する代わりに、力センサを設置することが考えられる。この力センサを用いて、マニピュレータ１０２に外部の物体９が接触した時の力を検出する。検出した力に基づいて、結合力を変化させることで、効果を奏することができる。このように力センサを用いた場合は、実施の形態４と比べて遅れて反応することになるが、外部の物体９から加わる力に正確に対応することが可能になる。

なお、実施の形態１〜５で述べた構造体をアームとして、複数並列に備えたマニピュレータ、制御システム等も、本発明の範囲内で実施可能である。この場合は、衝突に対し緩和効果が同等で、かつ全体の変形等が少なくなる。

また、実施の形態２、３、５で横断面方向に対抗する力を設定する構成として、最大静止摩擦力を結合力によって制御する構成を説明したが、横断面方向に対抗する力そのもの（例えば、動摩擦力）を設定する構成とすることも可能である。この構成としては、部材分割面の形状を変化させることによって、横断面方向の力に対向する力を設定する構成を採用することができる。例えば、結合力そのものは変化させず、図４に示すように、部材間の結合面を形成する端面に形成される斜面８８の角度を変えるようにしてもよい。この構成では、固定体に近い結合面ほど斜面８８の傾斜が大きく（軸方向に近く）、固定体から遠い結合面ほど斜面８８の傾斜が緩い構成にすることが可能である。傾斜面８８を順次変化させる構成以外にも、突起の高さを変更することによって、各部材に生じるせん断力の大きさを順次変える構成でも実現可能であり、また、密着する結合面の表面粗さを変化させることでも実現可能である。

このように、例えば動摩擦力を用いた場合は、動摩擦力の影響により、衝突時に各部材が元に戻る速度を遅くできる。そのため、最大静止摩擦力や磁石を用いた場合と比べて、復元時に物体９に影響を及ぼす可能性を小さくすることができる。

また、最大静止摩擦力や磁石を用いた構造と、動摩擦力を用いた構造を適宜組み合わせることで、より効果を奏することも可能である。

［実施形態の概要］
以上の実施形態をまとめると、以下の通りである。

(1) 前記実施形態の構造体は、少なくとも３つの部材が一列に並ぶように互いに連結された構成であり、固定体に直接的又は間接的に結合されるべき構造体である。この構造体は、第１部材と第２部材と第３部材とを備える。そして、第１部材は、固定体に直接的又は間接的に結合され得る定着部（ベース部）と、先端面とを有する。第３部材は、基端面と、前記基端面の反対側に位置する先端面とを有する。第２部材は、第１端面と、その反対側に位置する第２端面とを有し、前記第１端面が第１部材の前記先端面に接し、かつ前記第２端面が前記第３部材の前記基端面に接する状態で前記第１部材と前記第３部材との間に配置される。前記第１部材の前記先端面と前記第２部材の前記第１端面とが互いに押圧し合う第１結合力と、前記第２部材の前記第２端面と前記第３部材の前記基端面とが互いに押圧し合う第２結合力とを発生させる結合力発生部と、を備える。そして、前記第１結合力により前記第１部材の前記先端面と前記第２部材の前記第１端面との間に生じた力よりも大きな外力が付与されると、前記第１部材と前記第２部材との間に相対変位を生じさせ、前記第２結合力により前記第２部材の前記第２端面と前記第３部材の前記基端面との間に生じた力よりも大きな外力が付与されると、前記第２部材と前記第３部材との間に相対変位を生じさせる。

前記実施形態では、第１の大きさの結合力によって基端側部材の先端面と中間部材の第１端面との間に生じた力未満の外力が例えば中間部材に付与された場合には、基端側部材と中間部材との間の相対変位は生じないが、前記力よりも大きな外力が例えば中間部材に付与されると、基端側部材と中間部材との間に相対変位が生じる。また、第２の大きさの結合力によって中間部材の第２端面と先端側部材の基端面との間に生じた力未満の外力が例えば中間部材に付与された場合には、中間部材と先端側部材との間に相対変位は生じないが、前記力よりも大きな外力が例えば中間部材に付与されると、中間部材と先端側部材との間に相対変位が生ずる。相対変位が発生することにより、外力を構造体全体で受けるのではなく、構造体の一部で負担することができる。このため、例えば構造体が移動中に外部の物体に衝突した場合でも、外部の物体に与えられる慣性力を低減することができる。

(2) 前記第１の結合力は前記第２の結合力以上の大きさよりも大きいので、外力が付与された場合にも構造体が安定し易くなる。また、中間部材に対する先端側部材の変位の方が、基端側部材に対する中間部材の変位よりも生じ易いため、この構造体がマニピュレータに用いられる場合であっても、外部の人又は物体に衝突した際に生ずる衝撃力を低減し易くなる。すなわち、先端側部材の可動範囲が中間部材の可動範囲に比べて大きくなるため、先端側部材の方が外部の物体に衝突する可能性が高くなる。しかしながら、衝突の確率が高い先端側部材の方が位置ずれし易くなることにより、外部の人又は物体と衝突した際の衝撃力を緩和することができる。

(3) 前記第２部材は、連結された複数の中間部材から構成され、前記結合力発生部は、前記中間部材の接触面のうち、前記ベース部からｉ番目の接触面に生ずる結合力をＮ（ｉ）とした時に、任意のｉに対してＮ（ｉ）＞Ｎ（ｉ＋１）となる結合力を発生させるものである。すなわち、前記中間部材は、一列に並ぶように互いに接触した状態で連結される複数の接続部材を備え、前記結合力発生部は、互いに接触し合う接続部材同士の接触面にも結合力を発生させ、前記基端側部材とこれに接触する接続部材との間の接触面、各接続部材間の各接触面、及び前記先端側部材とこれに接触する接続部材との間の接触面のうち、基端側からｉ番目の接触面に生ずる力をＮ（ｉ）としたときに、任意のｉに対してＮ（ｉ）＞Ｎ（ｉ＋１）である。

したがって、外力が付与された場合において中間部材自身での安定性をも向上することができる。またこの構造体がマニピュレータに用いられる場合等のように、先端側ほど可動範囲が大きく、外部の物体と衝突する可能性が高い場合であっても、中間部材での衝突時の衝撃力を低減し易くすることができる。

(4) 前記接触面に生ずる前記力は、摩擦力であってもよい。すなわち、前記結合力発生部が発生させる前記第１結合力及び前記第２結合力は、静止摩擦力であってもよい。また、前記結合力発生部が発生させる前記第１結合力及び前記第２結合力は、動摩擦力であってもよい。

(5) 前記結合力発生部が発生させる前記第１結合力及び前記第２結合力は、磁力であってもよい。また、前記磁力が電磁力であってもよい。また、前記結合力発生部は、前記第１部材、前記第２部材および前記第３部材に段差を設け、前記第１部材と前記第２部材との間の段差の端面に形成される斜面の傾斜角度を、前記第２部材と前記第３部材との間の段差の端面に形成される斜面の傾斜角度より大きくするようにしてもよい。

(6) 前記第１部材と前記第２部材との間、または、前記第２部材と前記第３部材との間の少なくともいずれかに、関節部を有していてもよい。すなわち、前記複数の接続部材には第１の接続部材と、この第１の接続部材の先端側に隣接する第２の接続部材とが含まれており、前記構造体は、前記第１の接続部材と前記第２の接続部材との間に配置された関節部をさらに備えていてもよい。

この態様では、関節の基端側の部位に対して関節の先端側の部位を折り曲げることができる。この場合でも、外力が付与された際の構造体の安定性を確保することができる。

(7) 前記基端側部材の前記定着部は、前記先端面とは反対側の基端面によって定義されていてもよい。この態様では、基端側部材に対して一方向に中間部材と先端側部材が並ぶ。

(8) 前記基端側部材は、前記先端面とは反対側に第２の先端面を有し、前記定着部は、前記先端面と前記第２の先端面との間の部位によって定義され、前記構造体は、第１端面と、その反対側に位置する第２端面とを有し、前記基端側部材の前記第２の先端面に連結される第２の中間部材と、前記第２の中間部材に連結される第２の先端側部材と、前記基端側部材の前記第２の先端面と前記第２の中間部材の前記第１端面とが互いに押圧し合う第１の大きさの結合力と、前記第２の中間部材の前記第２端面と前記第２の先端側部材の基端面とが互いに押圧し合う第２の大きさの結合力とを発生させる第２の結合力発生部と、をさらに備えていてもよい。

この態様では、基端側部材に対して、一方側に中間部材及び先端側部材が並び、その反対側に第２の中間部材及び先端側部材が並ぶ。言い換えると、固定体に固定される基端側部材が先端側部材と第２の先端側部材との間に位置する。

(9) 前記基端側部材の前記第２の先端面と前記第２の中間部材の第１端面とを互いに押圧させる前記第１の結合力は、前記第２の中間部材の第２端面と前記第２の先端側部材の基端面とを互いに押圧させる前記第２の結合力以上の大きさであるのが好ましい。

この態様では、外力が付与された場合にも構造体が安定し易くなる。また、第２の中間部材に対する第２の先端側部材の変位の方が、基端側部材に対する第２の中間部材の変位よりも生じ易いため、この構造体がマニピュレータに用いられる場合であっても、外部の人又は物体に衝突した際に生ずる衝撃力を低減し易くなる。すなわち、第２の先端側部材の可動範囲が第２の中間部材の可動範囲に比べて大きくなるため、第２の先端側部材の方が外部の物体に衝突する可能性が高くなる。しかしながら、衝突の確率が高い第２の先端側部材の方がずれ易くすることにより、外部の人又は物体と衝突した際の衝撃力を緩和することができる。

(10) 前記第１部材と前記第２部材との間、および、前記第２部材と前記第３部材との間に、それぞれ関節部を有する場合、前記結合力発生部は、前記第１部材、前記第２部材、前記第３部材の各部材を前記関節部で区切って部材群とし、各部材群それぞれにおいて前記ベース部からｊ番目の接触面に生じる結合力をＮ（ｊ）とした時に、任意のｊに対してＮ（ｊ）＞Ｎ（ｊ＋１）となる結合力を発生させるものであるのが好ましい。

(11) 前記第２の中間部材は、一列に並ぶように互いに接触した状態で連結された複数の第２の接続部材を備え、前記基端側部材とこれに接触する第２の接続部材との間の接触面、各第２の接続部材間の各接触面、及び前記第２の先端側部材とこれに接触する第２の接続部材との間の接触面のうち、基端側からｉ番目の接触面に生ずる力をＦ（ｉ）としたときに、任意のｉに対してＦ（ｉ）＞Ｆ（ｉ＋１）であるのが好ましい。

この態様では、外力が付与された場合にも第２の中間部材自身での安定性を向上することができる。またこの構造体がマニピュレータに用いられる場合等のように、先端側ほど可動範囲が大きく、外部の物体と衝突する可能性が高い場合であっても、第２の中間部材での衝突時の衝撃力を低減し易くすることができる。

(12)前記結合力発生部は、前記ロボットハンドに信号または電力を供給する線材であってもよい。この態様では、中間部材及び先端側部材が位置ずれを許容できる一方で、これが分離してしまうことを防止することができる。

(13)前記結合力発生部は、前記各部材の相対可動範囲を、各部材の軸に垂直な方向のみとする結合力を発生させるものであってもよい。

(14)前記結合力発生部は、前記各部材の相対可動範囲を、各部材の軸周り方向のみとする結合力を発生させるものであってもよい。この態様では、外力を受けた場合であっても、中間部材及び先端側部材の軸心位置は変位しない。このため、中間部材及び先端側部材が筒状に形成されている場合であっても、中間部材及び先端側部材の内部に挿入された部材等を保護することができる。

(15)前記結合力発生部は、磁力によって前記結合力を発生させる磁石又は電磁石を含んでいてもよい。この態様では、基端側部材に中間部材及び先端側部材を直接結合させることなく、相対移動可能に連結することができる。

(16)前記実施形態は、構造体と外部の物体との相対位置関係を測定する観測部と、前記観測部による測定結果に基づいて前記構造体と前記外部の物体との衝突を予測する判断部と、前記判断部の予測に基づいて前記結合力発生部の結合力の大きさを変化させる力設定部と、を備える構造体制御システムである。すなわち、前記実施形態は、構造体制御システムであって、固定体に固定されるべき構造体であって、固定体に直接的又は間接的に固定され得る定着部と、先端面とを有する基端側部材と、基端面と、前記基端面の反対側に位置する先端面とを有する先端側部材と、第１端面と、その反対側に位置する第２端面とを有し、前記第１端面が前記基端側部材の前記先端面に接し、かつ前記第２端面が前記先端側部材の前記基端面に接する状態で前記基端側部材と前記先端側部材との間に配置される中間部材と、前記基端側部材の前記先端面と前記中間部材の前記第１端面とが互いに押圧し合う第１の大きさの結合力と、前記中間部材の前記第２端面と前記先端側部材の前記基端面とが互いに押圧し合う第２の大きさの結合力とを発生させる結合力発生部と、を有し、前記第１の大きさの結合力により前記基端側部材の前記先端面と前記中間部材の前記第１端面との間に生じた力よりも大きな外力が付与されると、前記基端側部材と前記中間部材との間に相対変位を生じさせ、前記第２の大きさの結合力により前記中間部材の前記第２端面と前記先端側部材の前記基端面との間に生じた力よりも大きな外力が付与されると、前記中間部材と前記先端側部材との間に相対変位を生じさせる構造体と； 前記構造体と外部の物体との相対位置関係を測定する観測部と； 前記観測部による測定結果に基づいて前記構造体と前記外部の物体との衝突を予測する判断部と； 前記結合力発生部が発生させる結合力の大きさを設定するとともに、前記判断部の出力に応じて、設定された結合力の大きさを変化させる力設定部と；を備えている。

この構造体制御システムでは、判断部によって構造体と外部の物体との衝突が予測されると、結合力発生部が発生させる結合力の大きさを変えることができるので、衝突の発生しない通常時には構造体の剛性を確保しつつ、衝突時には衝撃力を低減することができる。

(17) 前記実施形態は、前記構造体の表面に設けられた力センサと、前記力センサによる測定結果に基づいて前記結合力発生部の結合力の大きさを変化させる力設定部と、を備える構造体制御システムである。

(18)前記実施形態は、構造体制御システムであって、固定体に固定されるべき構造体であって、固定体に直接的又は間接的に固定され得る定着部と、先端面とを有する基端側部材と、基端面と、前記基端面の反対側に位置する先端面とを有する先端側部材と、第１端面と、その反対側に位置する第２端面とを有し、前記第１端面が前記基端側部材の前記先端面に接し、かつ前記第２端面が前記先端側部材の前記基端面に接する状態で前記基端側部材と前記先端側部材との間に配置される中間部材と、前記基端側部材の前記先端面と前記中間部材の前記第１端面とが互いに押圧し合う第１の大きさの結合力と、前記中間部材の前記第２端面と前記先端側部材の前記基端面とが互いに押圧し合う第２の大きさの結合力とを発生させる結合力発生部と、を有し、前記第１の大きさの結合力により前記基端側部材の前記先端面と前記中間部材の前記第１端面との間に生じた力よりも大きな外力が付与されると、前記基端側部材と前記中間部材との間に相対変位を生じさせ、前記第２の大きさの結合力により前記中間部材の前記第２端面と前記先端側部材の前記基端面との間に生じた力よりも大きな外力が付与されると、前記中間部材と前記先端側部材との間に相対変位を生じさせる構造体と； 前記構造体のタスク遂行状況を把握するタスク状況管理部と； 前記結合力発生部が発生させる結合力の大きさを設定するとともに、前記タスク状況管理部の出力に基づいて、設定された結合力の大きさを変化させる力設定部と；を備えている。

この構造体制御システムでは、タスク状況管理部によって把握されているタスク遂行状況から構造体への外力の付与が予測されると、結合力発生部の発生させる結合力の大きさを変えることができるので、通常時には構造体の剛性を確保しつつ、外力付与時には衝撃力を低減することができる。

(19)前記実施形態は、構造体制御システムであって、固定体に固定されるべき構造体であって、固定体に直接的又は間接的に固定され得る定着部と、先端面とを有する基端側部材と、基端面と、前記基端面の反対側に位置する先端面とを有する先端側部材と、第１端面と、その反対側に位置する第２端面とを有し、前記第１端面が前記基端側部材の前記先端面に接し、かつ前記第２端面が前記先端側部材の前記基端面に接する状態で前記基端側部材と前記先端側部材との間に配置される中間部材と、前記基端側部材の前記先端面と前記中間部材の前記第１端面とが互いに押圧し合う第１の大きさの結合力と、前記中間部材の前記第２端面と前記先端側部材の前記基端面とが互いに押圧し合う第２の大きさの結合力とを発生させる結合力発生部と、を有し、前記第１の大きさの結合力により前記基端側部材の前記先端面と前記中間部材の前記第１端面との間に生じた力よりも大きな外力が付与されると、前記基端側部材と前記中間部材との間に相対変位を生じさせ、前記第２の大きさの結合力により前記中間部材の前記第２端面と前記先端側部材の前記基端面との間に生じた力よりも大きな外力が付与されると、前記中間部材と前記先端側部材との間に相対変位を生じさせる構造体と； 前記構造体に配設された接触センサと； 前記結合力発生部が発生させる結合力の大きさを設定するとともに、前記接触センサの出力に基づいて、設定された結合力の大きさを変化させる力設定部と；を備えている。

この構造体制御システムでは、接触センサによって構造体と外部の物体との衝突が検出されると、結合力発生部の発生させる結合力の大きさを変えることができるので、衝突の発生しない通常時には構造体の剛性を確保しつつ、衝突時には衝撃力を低減することができる。

(20)前記実施形態は、マニピュレータであって、固定体に固定されるべき構造体であって、固定体に直接的又は間接的に固定され得る定着部と、先端面とを有する基端側部材と、基端面と、前記基端面の反対側に位置する先端面とを有する先端側部材と、第１端面と、その反対側に位置する第２端面とを有し、前記第１端面が前記基端側部材の前記先端面に接し、かつ前記第２端面が前記先端側部材の前記基端面に接する状態で前記基端側部材と前記先端側部材との間に配置される中間部材と、前記基端側部材の前記先端面と前記中間部材の前記第１端面とが互いに押圧し合う第１の大きさの結合力と、前記中間部材の前記第２端面と前記先端側部材の前記基端面とが互いに押圧し合う第２の大きさの結合力とを発生させる結合力発生部と、を有し、前記第１の大きさの結合力により前記基端側部材の前記先端面と前記中間部材の前記第１端面との間に生じた力よりも大きな外力が付与されると、前記基端側部材と前記中間部材との間に相対変位を生じさせ、前記第２の大きさの結合力により前記中間部材の前記第２端面と前記先端側部材の前記基端面との間に生じた力よりも大きな外力が付与されると、前記中間部材と前記先端側部材との間に相対変位を生じさせる構造体と； 前記構造体の前記先端側部材に設けられたエンドエフェクタと；を備え、前記中間部材は、一列に並ぶように互いに接触した状態で連結された複数の接続部材を備え、前記結合力発生部は、互いに接触し合う接続部材同士の接触面にも結合力を発生させ、前記基端側部材とこれに接触する接続部材との間の接触面、各接続部材間の各接触面、及び前記先端側部材とこれに接触する接続部材との間の接触面のうち、基端側からｉ番目の接触面に生ずる力をＮ（ｉ）としたときに、任意のｉに対してＮ（ｉ）＞Ｎ（ｉ＋１）である。

(21)前記実施形態は、長手方向を有する構造体であって、前記構造体は、前記長手方向の局所的接線を平均法線とする平面または曲面で分割される複数の部材で構成され、前記平面または曲面の平均面が横断面方向と定義され、隣接する部材の横断面方向位置における正規位置が定義されており、ある部材と、これに隣接する部材との間に前記横断面方向に力が作用した場合、前記ある部材について、ある力Ｆ未満の力が作用した場合には前記正規位置からの変位が発生せず、前記力Ｆ以上の力が作用した場合に変位成分が前記力Ｆの向きに発生し、前記力Ｆは個々の隣接する部材間ごとに、または一括して全部の値を設定できるようにした構造体である。

この構成により、構造体に何らかの衝突等が生じても、複数の部材で構成された構造体の少なくとも一部の部材が衝撃に対し変位するので、衝撃力を緩和することができる。

(22)前記(21)に記載の構造体において、前記力Ｆの値は、所定の信号に基づいて設定できるのが好ましい。

(23)前記(21)に記載の構造体において、互いに隣接する部材間で引き合う力が結合力と定義されており、前記結合力に応じた横断面方向の力が前記力Ｆとして前記隣接部材間に生じるのが好ましい。

(24)前記(21)に記載の構造体において、互いに隣接する部材間で引き合う力が結合力と定義されており、前述のある部材が前記隣接部材に対し前記正規位置から横断面方向に変位した際に前記正規位置への復元力が生じ、前記復元力は、前記変位の量に対し多項式の次数にして１次以上の関係で増加するのが好ましい。

(25)前記(21)に記載の構造体は、ｎ個の複数の部材で構成されるとともに、１番目の部材が固定端又は駆動力の作用する基端側となり、ｎ番目の部材が自由端となる１個の直列構造体であり、この直列構造体において、任意のｉに対しＮ（ｉ）＞Ｎ（ｉ＋１）であるのが好ましい。

(26)前記(21)に記載の構造体は、ｎ個の複数の部材で構成されるとともに、端部からｋ番目の部材が固定端又は駆動力の作用する基端側部材となり、１番目及びｎ番目の部材が自由端となる１個の直列構造体であり、この直列構造体において、ｉ＜ｋである任意のｉに対しＮ（ｉ）＜Ｎ（ｉ＋１）であり、かつ、ｋ＜ｉである任意のｉに対しＮ（ｉ−１）＞Ｎ（ｉ）であるのが好ましい。

(27)前記実施形態は、前記(22)に記載の構造体と、この構造体と外部の物体との相対位置関係を測定する観測部と、前記観測部の情報に基づき前記構造体と前記物体との衝突を予測する判断部とを備える制御システムであり、この制御システムは、前記力Ｎを設定する力設定部を前記構造体またはその周辺に有し、前記判断部の出力に応じて前記力設定部を制御する。

(28)前記実施形態は、前記(22)に記載の構造体と、この構造体の動作をタスクに従い予測するタスク状況管理部とを備える制御システムであり、この制御システムは、前記力Ｆを設定する力設定部を前記構造体またはその周辺に有し、前記タスク状況管理部の出力に応じて前記力設定部を制御する。

(29)前記実施形態は、前記(22)に記載の構造体と、接触センサとを備える制御システムであり、この制御システムは、前記力Ｆを設定する力設定部を前記構造体またはその周辺に有し、前記接触センサの出力に基づいて前記力設定部を制御する。

(30)前記(27)〜(29)の何れかに記載の制御システムにおいて、互いに隣接する部材間で引き合う力が結合力と定義されており、前記結合力に応じた横断面方向の力が前記力Ｆとして隣接する部材間に生じる構造体に対して、前記結合力を制御することによって前記力設定部を制御する。

(31)前記実施形態は、前記(25)に記載の構造体と、この構造体の前記ｎ番目の部材側に配設されたエンドエフェクタと、を備えているマニピュレータである。

以上説明したように、前記実施形態では、安全な構造体、及び安全性を高めたマニピュレータ及び制御システムが実現可能である。

本発明に係る構造体及びマニピュレータ及び制御システムは、衝突等に対し衝撃を緩和できる安全な構造体及びマニピュレータ及び制御システムとして有用である。

（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態１における構造体を備えたマニピュレータを概略的に示す図である。 前記構造体を部分的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１の変形例における構造体を部分的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１の変形例における構造体を部分的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１の変形例における構造体を部分的に示す断面図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態１の変形例における構造体を部分的に示す断面図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態２における構造体を備えた構造体制御システムを概略的に示す図である。 前記構造体制御システムの制御系統を説明するためのブロック図である。 本発明の実施の形態２の変形例における構造体を備えた構造体制御システムを概略的に示す図である。 本発明の実施の形態３における構造体を備えた構造体制御システムを概略的に示す図である。 本発明の実施の形態４における構造体を部分的に示す断面図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態５における構造体を備えた構造体制御システムを概略的に示す図である。 本発明の実施の形態５における構造体制御システムの制御系統を説明するためのブロック図である。 本発明の実施の形態１の変形例における磁気回路構造を説明するための図である。 従来例のマニピュレータを示す構成図である。 従来例のマニピュレータを示す詳細図である。

１ ベース
２ アーム
３ アーム
４ アーム
６ ハンド機構
７ 構造体
１２ アーム
１６〜１９ アーム
２１，２２ 部材
３０，３８ 線材
３０ａ ストッパ
３１〜３５ 部材
３１ａ，３２ａ 剛構造部
３１ｂ，３２ｂ 外装
３１ｃ，３２ｃ 貫通穴
３２ｄ 胴部
３１ｅ，３２ｅ 架設部
４１，４２ 部材
５０ 第１の関節
５１ 第２の関節
５３ 第３の関節
６１ カメラ
６２ 距離算出部
６３ 判断部
６４ アンプ
６５ タスク状況管理部
６６ 判断部
７１ 部材
８１〜８３ 部材
８８ 斜面
１００〜１０２ マニピュレータ
１１１〜１１４ 部材
１１１ａ 磁石
１１２ａ 磁性体
１１１ｂ，１１２ｂ 外装
１７１〜１７５ 部材
１７１ｂ〜１７５ｂ 外装（接触センサ）
１９１〜１９４ 部材
１９１ａ 磁石
１９２ａ 内側磁性体
１９２ｂ 外装
１９１ｃ，１９２ｃ 外側磁性体
１９１ｄ，１９２ｄ 非磁性体
１２１〜１２２，１２４ 部材
１２３ 部材（駆動部材）
１２３ａ 先端面
１２３ｂ 第２の先端面
１３０，１３１ 線材

Claims (13)

1. 外部に固定されたベース部を有する第１部材と、
   第２部材と、
   先端部を有する第３部材と、
   前記第１部材と前記第２部材との相対位置関係を保つ第１結合力と、前記第２部材と前記第３部材との相対位置関係を保つ第２結合力とを発生させる結合力発生部と、を備え、
   前記第１部材と前記第２部材と前記第３部材とは連結されており、
   前記第１結合力は前記第２結合力より大きい結合力であり、
   前記第２部材は、連結された複数の中間部材から構成され、
   前記結合力発生部は、前記中間部材の接触面のうち、前記ベース部からｉ番目の接触面に生ずる結合力をＮ（ｉ）とした時に、任意のｉに対してＮ（ｉ）＞Ｎ（ｉ＋１）となる結合力を発生させるものであること
   を特徴とする構造体。
2. 前記先端部は、ロボットハンドであること
   を特徴とする請求項１記載の構造体。
3. 前記結合力発生部が発生させる前記第１結合力及び前記第２結合力は、磁力であることを特徴とする請求項１または２記載の構造体。
4. 前記磁力が電磁力であること
   を特徴とする請求項３記載の構造体。
5. 前記第１部材、前記第２部材および前記第３部材に段差を設け、
   前記第１部材と前記第２部材との間の段差の端面に形成される斜面の傾斜角度を、前記第２部材と前記第３部材との間の段差の端面に形成される斜面の傾斜角度より大きくすること
   を特徴とする請求項１から４いずれか記載の構造体。
6. 前記第１部材と前記第２部材との間、または、前記第２部材と前記第３部材との間の少なくともいずれかに、関節部を有すること
   を特徴とする請求項１から４いずれか記載の構造体。
7. 前記第１部材と前記第２部材との間、および、前記第２部材と前記第３部材との間に、それぞれ関節部を有し、
   前記結合力発生部は、前記第１部材、前記第２部材、前記第３部材の各部材を前記関節部で区切って部材群とし、各部材群それぞれにおいて前記ベース部からｊ番目の接触面に生じる結合力をＮ（ｊ）とした時に、任意のｊに対してＮ（ｊ）＞Ｎ（ｊ＋１）となる結合力を発生させるものであること
   を特徴とする請求項１から４いずれか記載の構造体。
8. 前記結合力発生部は、前記ロボットハンドに信号または電力を供給する線材であることを特徴とする請求項２記載の構造体。
9. 請求項１から８いずれか記載の構造体と外部の物体との相対位置関係を測定する観測部と、
   前記観測部による測定結果に基づいて前記構造体と前記外部の物体との衝突を予測する判断部と、
   前記判断部の予測に基づいて前記結合力発生部の結合力の大きさを変化させる力設定部と、を備えること
   を特徴とする構造体制御システム。
10. 請求項１から８いずれか記載の構造体の表面に設けられた力センサと、
    前記力センサによる測定結果に基づいて前記結合力発生部の結合力の大きさを変化させる力設定部と、を備えること
    を特徴とする構造体制御システム。
11. 請求項１から８いずれか記載の構造体のタスク遂行状況を把握するタスク状況管理部と、
    前記結合力発生部が発生させる結合力の大きさを設定するとともに、前記タスク状況管理部の出力に基づいて、設定された結合力の大きさを変化させる力設定部と、を備えること
    を特徴とする構造体制御システム。
12. 請求項１から８いずれか記載の構造体に配設された接触センサと、
    前記結合力発生部が発生させる結合力の大きさを設定するとともに、前記接触センサの出力に基づいて、設定された結合力の大きさを変化させる力設定部と、を備えること
    を特徴とする構造体制御システム。
13. 外部に結合されたベース部を有する第１部材と、
    先端部を有する第３部材と、
    前記第１部材と前記第３部材の間に、それぞれと結合して配置された第２部材と、
    前記第１部材の端面と前記第２部材の端面とが互いに押圧し合う第１の結合力と、前記第２部材の端面と前記第３部材の端面とが互いに押圧し合う第２結合力とを発生させる結合力発生部と、
    前記第３部材の先端部に設けられたエンドエフェクタと、を備え、
    前記第２部材は、互いに接触した状態で連結された複数の中間部材を備え、
    前記結合力発生部は、前記中間部材同士の接触面にも結合力を発生させ、前記中間部材の接触面のうち、前記ベース側からｉ番目の接触面に生ずる結合力をＮ（ｉ）としたときに、任意のｉに対してＮ（ｉ）＞Ｎ（ｉ＋１）である結合力を発生させるものであることを特徴とするマニピュレータ。
    

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