JP4760660B2

JP4760660B2 - 物体ハンドリング装置

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Publication number: JP4760660B2
Application number: JP2006285082A
Authority: JP
Inventors: 正己高三; 和夫清木; 剛史小寺
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2006-10-19
Filing date: 2006-10-19
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2026-10-19
Also published as: TWI339935B; JP2008100317A; TW200826467A; WO2008047512A1; KR20090064573A; KR101036115B1

Description

この発明は、物体ハンドリング装置に係り、特に物体を把持したり移動したりするロボットハンド等の物体ハンドリング装置に関する。

近年、物体を把持するまたは移動する等のハンドリングを行うことができるロボットハンド等の物体ハンドリング装置が知られている。
例えば、特許文献１に開示されているロボットハンドは、駆動源としてのモータを有しており、このモータの回転力がワイヤを介して複数の関節に伝達されて駆動されることにより指が折り曲げられて物体を把持することができる。

特開２００１−２７７１７４号公報

しかしながら、一般に、汎用のモータでは、通電を停止すると、回転軸での停止が保持できなくなるものが多く、したがって、特許文献１のロボットハンドにより物体を把持してその状態を保持しようとすると、モータに通電し続ける必要があり、エネルギー消費量が高くなってしまう。
また、停電等によりモータへの通電が停止されると、ロボットハンドの把持力が低下し、ロボットハンドから物体が落下するおそれがある。
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、駆動源に通電しなくても物体に対するハンドリングの状態を保持し続けることができる物体ハンドリング装置を提供することを目的とする。

この発明に係る物体ハンドリング装置は、ステータと、予圧手段によりステータに加圧接触されるロータと、ステータに連結される圧電素子手段とを有する振動アクチュエータと、圧電素子手段に通電してステータを振動させることによりロータを回転させて物体をハンドリングするための駆動制御部とを備え、圧電素子手段への通電の停止時に、予圧手段による加圧によりロータの回転が防止されてロータの前記物体に対するハンドリングの状態が保持され、駆動制御部は、圧電素子手段への通電の停止時に、圧電素子手段の電圧を測定することにより、圧電素子手段にかかる応力を検出し、所定値以上の応力を検出した際には、圧電素子手段に通電することによりロータに回転トルクを与えてロータの物体に対するハンドリングの状態を保持するものである。

駆動制御部は、圧電素子手段でアクチュエータを駆動することができるだけでなく、圧電素子手段の電圧を測定することにより応力及び温度を検出することもできる。特に、振動アクチュエータの圧電素子手段への通電停止時にこの圧電素子手段の電圧を測定することにより、応力及び温度を精度よく検出することができる。
また、駆動制御部は、振動アクチュエータの圧電素子手段への通電及び通電停止を交互に連続して行ってもよい。

振動アクチュエータのロータに連結されてこのロータの回転により駆動される関節機構をさらに備え、振動アクチュエータの圧電素子手段に通電してロータを回転させることにより関節機構が物体をハンドリングするように構成することもできる。
また、振動アクチュエータの圧電素子手段は、互いに積層された複数の圧電素子板を有し、駆動制御部は、圧電素子手段に通電してステータを振動させることによりステータとロータの接触部分に楕円または円運動を発生させてロータを複数の軸回りに回転させると共に、圧電素子手段の少なくとも１つの圧電素子板の電圧を測定することにより、この圧電素子手段にかかる応力を検出するように構成することもできる。

この発明によれば、駆動源に通電しなくても物体に対するハンドリングの状態を保持し続けることができる。

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。
図１に、この発明の実施の形態に係る物体ハンドリング装置の一部が破断した斜視図を示す。この物体ハンドリング装置は、例えばロボットハンドの１本の指を構成するものであり、駆動源としての振動アクチュエータＡを有している。この振動アクチュエータＡでは、基部ブロック１とステータ２との間に圧電素子手段３が配置されると共に、ステータ２に設けられた凹部内に球体状のロータ４が回転自在に収容されている。また、圧電素子手段３には、この圧電素子手段３の駆動を制御するための駆動制御部Ｔが接続されており、駆動制御部Ｔを用いて圧電素子手段３を駆動することによりステータ２を振動させてロータ４を複数の軸回りに回転することできるように構成されている。

また、この物体ハンドリング装置は、振動アクチュエータＡのロータ４を第１関節としてこのロータ４の回転により駆動される関節機構を有している。関節機構は、その基端がロータ４に固定されると共にロータ４の表面からロータ４の径方向外方に向かって直線状に延びる出力軸部材５を有しており、出力軸部材５の先端に第１の傘歯歯車６が固定されている。出力軸部材５の外周部には、環状の２つのプレート７がそれぞれ出力軸部材５に対して回転自在に配置されると共に、これらのプレート７の外周部にはほぼ筒状の第１節Ｂが固定されており、第１節Ｂの内部に２つのプレート７、出力軸部材５の一部及び第１の傘歯歯車６が収容されている。

第１節Ｂの先端には、第２関節の軸Ｓ１を介してほぼ筒状の第２節Ｃが傾動可能に連結されている。第２節Ｃの先端には、第３関節の軸Ｓ２を介してほぼ筒状の第３節Ｄが傾動可能に連結されており、第３節Ｄの先端は半球形状に形成されている。
出力軸部材５の先端に位置する第１の傘歯歯車６には、第２関節の軸Ｓ１上で第２節Ｃの基端部に固定される第２の傘歯歯車８が噛合されている。また、第１の傘歯歯車６には、この第２の傘歯歯車８に対向するように配置される第３の傘歯歯車９が噛合されており、これら第２の傘歯歯車８と第３の傘歯歯車９とは互いに独立して第２関節の軸Ｓ１の回りに回転可能に配置されている。また、第３の傘歯歯車９には第４の傘歯歯車１０が噛合されており、この第４の傘歯歯車１０には第５の傘歯歯車１１が一体に形成されている。第５の傘歯歯車１１には、第３関節の軸Ｓ２上で第３節Ｄの基端部に固定される第６の傘歯歯車１２が噛合されている。

第２〜第５の傘歯歯車８〜１１は第２節Ｃの内部に収容されており、第２節Ｃの内面に取り付けられた軸受け１３により第４の傘歯歯車１０及び第５の傘歯歯車１１の軸が回転自在に支持されている。また、第６の傘歯歯車１２は第３節Ｄの内部に収容されている。

第１の保持部材１４により、第１節Ｂはステータ２に対して傾動可能に且つその軸回りに回転しないように保持されている。また、第２の保持部材１５により、第２節Ｃは第１節Ｂに対して傾動可能に且つその軸回りに回転しないように保持されると共に、第２節Ｃに固定された第２の傘歯歯車８が第１の傘歯歯車６に噛合し、第３の傘歯歯車９が第１の傘歯歯車６及び第４の傘歯歯車１０にそれぞれ噛合した状態が維持される。さらに、第３の保持部材１６により、第３節Ｄは第２節Ｃに対して傾動可能に且つその軸回りに回転しないように保持されると共に、第３節Ｄに固定されている第６の傘歯歯車１２が第５の傘歯歯車１１に噛合した状態が維持される。これら第１〜第３の保持部材１４〜１６により第１節Ｂ、第２節Ｃ及び第３節Ｄは振動アクチュエータＡから外れないように保持されている。

なお、第２関節の軸Ｓ１は出力軸部材５に対して垂直に配置されると共に、第３関節の軸Ｓ２は、第２関節の軸Ｓ１に平行であると共に第４の傘歯歯車１０及び第５の傘歯歯車１１の軸に垂直に配置されている。

次に、図２に示されるように、振動アクチュエータＡは、超音波振動によりロータ４を回転させる超音波アクチュエータから構成されている。基部ブロック１とステータ２との間に円筒状の圧電素子手段３が挟持されると共に、基部ブロック１とステータ２とが圧電素子手段３内に通された連結ボルト１７を介して互いに連結されることにより、振動アクチュエータＡ全体としてほぼ円柱状の外形を有している。ここで、説明の便宜上、基部ブロック１からステータ２へと向かう円柱状の外形の中心軸をＺ軸と規定し、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。

圧電素子手段３は、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を有しており、これら第１〜第３の圧電素子部３１〜３３はそれぞれ駆動制御部Ｔに接続されている。

ステータ２には、圧電素子手段３に接する面とは反対側に凹部１８が形成されており、この凹部１８内に球体状のロータ４が収容されている。凹部１８は、ロータ４の直径より小さな内径を有する小径部１９と、ロータ４の直径より大きな内径を有する大径部２０とからなり、これら小径部１９と大径部２０との境界部にＸＹ平面上に位置する環状の段差２１が形成されている。ロータ４は、凹部１８内の段差２１に当接することにより回転自在に支持されている。
なお、ロータ４は図示しない予圧手段によりステータ２に対して所定の圧力で加圧接触されている。

図３に示されるように、第１〜第３の圧電素子部３１〜３３は絶縁シート３４〜３７を介してステータ２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。圧電素子手段３の第１の圧電素子部３１は、電極板３８、圧電素子板３９、電極板４０、圧電素子板４１及び電極板４２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、電極板４３、圧電素子板４４、電極板４５、圧電素子板４６及び電極板４７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、電極板４８、圧電素子板４９、電極板５０、圧電素子板５１及び電極板５２が順次重ね合わされた構造を有している。

図４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３９及び４１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３９と圧電素子板４１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４４及び４６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４４と圧電素子板４６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４９及び５１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４９と圧電素子板５１は互いに裏返しに配置されている。
これら第１〜第３の圧電素子部３１〜３３の６枚の圧電素子板３９，４１，４４，４６，４９，５１はそれぞれ駆動制御部Ｔから通電されることにより振動を生じてステータ２を振動させるように構成されている。

図５に示されるように、第１の圧電素子部３１の積層方向の一端部に位置する電極板３８は、圧電素子板３９の２分割された部分Ｐ１ａ及びＰ２ａにそれぞれ対応してＹ軸方向に沿って２つの部分Ｅ１ａ及びＥ２ａに分割されている。同様に、第１の圧電素子部３１の積層方向の他端部に配置されている電極板４２も、圧電素子板４１の２分割された部分Ｐ１ｂ及びＰ２ｂにそれぞれ対応してＹ軸方向に沿って２つの部分Ｅ１ｂ及びＥ２ｂに分割されている。これらの電極板３８の２つの部分Ｅ１ａ及びＥ２ａと、電極板４２の２つの部分Ｅ１ｂ及びＥ２ｂとからそれぞれ端子が引き出されて駆動制御部Ｔに接続されている。第１の圧電素子部３１の積層方向の中間部に位置する電極板４０は、２つに分割されることなく、電気的に接地されている。

ここで、駆動制御部Ｔから圧電素子手段３への通電が停止されている際に、圧電素子手段３にＹ方向の応力ｆが作用すると共に温度がｔだけ上昇したとき、応力ｆに起因して圧電素子板３９の２つの部分Ｐ１ａ及びＰ２ａにそれぞれ発生する電圧をＶｆａ、圧電素子板４１の２つの部分Ｐ１ｂ及びＰ２ｂにそれぞれ発生する電圧をＶｆｂとし、温度上昇ｔに起因して圧電素子板３９の２つの部分Ｐ１ａ及びＰ２ａにそれぞれ発生する電圧をＶｔａ、圧電素子板４１の２つの部分Ｐ１ｂ及びＰ２ｂにそれぞれ発生する電圧をＶｔｂとすると、駆動制御部Ｔにより電極板３８の２つの部分Ｅ１ａ及びＥ２ａを介してそれぞれ測定される圧電素子板３９の２分割された部分Ｐ１ａ及びＰ２ａの電圧Ｖ１ａ及びＶ２ａは、
Ｖ１ａ＝Ｖｆａ＋Ｖｔａ・・・（１）
Ｖ２ａ＝Ｖｆａ−Ｖｔａ・・・（２）
となり、また、駆動制御部Ｔにより電極板４２の２つの部分Ｅ１ｂ及びＥ２ｂを介してそれぞれ測定される圧電素子板４１の２分割された部分Ｐ１ｂ及びＰ２ｂの電圧Ｖ１ｂ及びＶ２ｂは、
Ｖ１ｂ＝Ｖｆｂ＋Ｖｔｂ・・・（３）
Ｖ２ｂ＝Ｖｆｂ−Ｖｔｂ・・・（４）
となる。なお、圧電素子板３９の２つの部分Ｐ１ａ及びＰ２ａは分極極性が逆であるため、式（１）及び（２）では温度上昇ｔに起因する電圧Ｖｔａの符号が逆になる。同様に、圧電素子板４１の２つの部分Ｐ１ｂ及びＰ２ｂも分極極性が逆であるため、式（３）及び（４）では温度上昇ｔに起因する電圧Ｖｔｂの符号が逆になる。

式（１）及び（２）から、
Ｖｆａ＝（１／２）・（Ｖ１ａ＋Ｖ２ａ）・・・（５）
Ｖｔａ＝（１／２）・（Ｖ１ａ−Ｖ２ａ）・・・（６）
となり、式（３）及び（４）から、
Ｖｆｂ＝（１／２）・（Ｖ１ｂ＋Ｖ２ｂ）・・・（７）
Ｖｔｂ＝（１／２）・（Ｖ１ｂ−Ｖ２ｂ）・・・（８）
となる。そこで、圧電素子板３９と圧電素子板４１の平均をとって、応力ｆに起因する電圧Ｖｆと、温度上昇ｔに起因する電圧Ｖｔは、
Ｖｆ＝（１／２）・（Ｖｆａ＋Ｖｆｂ）
＝（１／４）・（Ｖ１ａ＋Ｖ２ａ＋Ｖ１ｂ＋Ｖ２ｂ）・・・（９）
Ｖｔ＝（１／２）・（Ｖｔａ＋Ｖｔｂ）
＝（１／４）・（Ｖ１ａ＋Ｖ１ｂ−Ｖ２ａ−Ｖ２ｂ）・・・（１０）
となる。すなわち、応力ｆは（Ｖ１ａ＋Ｖ２ａ＋Ｖ１ｂ＋Ｖ２ｂ）に比例し、温度上昇ｔは（Ｖ１ａ＋Ｖ２ａ−Ｖ１ｂ−Ｖ２ｂ）に比例する。したがって、圧電素子手段３への通電停止時に、駆動制御部Ｔは、圧電素子板３９の２分割された部分Ｐ１ａ及びＰ２ａに発生する電圧Ｖ１ａ及びＶ２ａと、圧電素子板４１の２分割された部分Ｐ１ｂ及びＰ２ｂに発生する電圧Ｖ１ｂ及びＶ２ｂをそれぞれ測定することにより、圧電素子手段３に対してＹ方向に生じる応力ｆと温度上昇ｔを検出することができる。

また、図示しないが、第３の圧電素子部３３においても、第１の圧電素子部３１と同様に、その積層方向の両端部に位置する電極板４８及び５２がそれぞれ、圧電素子板４９及び５１の２分割された部分に対応してＸ軸方向に沿って２つの部分に分割されており、各電極板４８及び５２の２分割された部分からそれぞれ端子が引き出されて駆動制御部Ｔに接続されている。また、第３の圧電素子部３３の積層方向の中間部に位置する電極板５０は、２分割されることなく、電気的に接地されている。
この第３の圧電素子部３３においては、圧電素子手段３への通電停止時に、圧電素子板４９の２分割された部分に発生する電圧と圧電素子板５１の２分割された部分に発生する電圧を駆動制御部Ｔでそれぞれ測定することにより、圧電素子手段３に対してＸ方向に生じる応力ｆと温度上昇ｔを検出することができる。

また、図６に示されるように、第２の圧電素子部３２の３つの電極板４３，４５，４７はいずれも２分割されておらず、第２の圧電素子部３２の積層方向の両端部に位置する電極板４３及び４７からそれぞれ端子が引き出されて駆動制御部Ｔに接続されている。第２の圧電素子部３２の積層方向の中間部に位置する電極板４５は電気的に接地されている。

ここで、駆動制御部Ｔから圧電素子手段３への通電が停止されている際に、圧電素子手段３にＺ方向の応力ｆが生じると共に温度がｔだけ上昇したときに、応力ｆに起因して圧電素子板４４及び４６にそれぞれ発生する電圧をＶｆ１及びＶｆ２とし、温度上昇ｔに起因して圧電素子板４４及び４６にそれぞれ発生する電圧をＶｔ１及びＶｔ２とすると、駆動制御部Ｔにより電極板４３及び４７を介してそれぞれ測定される圧電素子板４４及び４６の電圧Ｖ１及びＶ２は、
Ｖ１＝Ｖｆ１＋Ｖｔ１・・・（１１）
Ｖ２＝Ｖｆ２＋Ｖｔ２・・・（１２）
となる。ここで、上記のＶｔ１及びＶｔ２を、Ｙ方向あるいはＸ方向で求めた温度上昇ｔに起因する電圧Ｖｔと近似すれば、上述の式（１１）及び（１２）は、
Ｖ１＝Ｖｆ１＋Ｖｔ
Ｖ２＝Ｖｆ２＋Ｖｔ
となり、一対の圧電素子板４４及び４６の平均をとって、応力ｆに起因する電圧Ｖｆは、
Ｖｆ＝（１／２）・（Ｖｆ１＋Ｖｆ２）
＝（１／２）・（Ｖ１＋Ｖ２−２Ｖｔ）
となる。すなわち、応力ｆは（Ｖ１＋Ｖ２−２Ｖｔ）に比例する。したがって、圧電素子手段３への通電停止時に、駆動制御部Ｔは、一対の圧電素子板４４及び４６に発生する電圧Ｖ１及びＶ２を測定することにより、圧電素子手段３に対してＺ方向に生じる応力ｆを検出することができる。
なお、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板４４及び４６を互いに異なる熱膨張係数を有する材料から形成すれば、これらの圧電素子板４４及び４６に発生する電圧Ｖ１及びＶ２を測定することにより、応力だけでなく温度も検出することができる。

次に、この発明の実施の形態に係る物体ハンドリング装置の動作について説明する。駆動制御部Ｔから振動アクチュエータＡの第１の圧電素子部３１の電極板３８及び４２にそれぞれステータ２の固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加して一対の圧電素子板３９及び４１に通電すると、これら一対の圧電素子板３９及び４１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、ステータ２にＹ軸方向のたわみ振動を発生する。
また、駆動制御部Ｔから振動アクチュエータＡの第２の圧電素子部３２の電極板４３及び４７にそれぞれステータ２の固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加して一対の圧電素子板４４及び４６に通電すると、これら一対の圧電素子板４４及び４６がＺ軸方向に膨張と収縮を繰り返し、ステータ２にＺ軸方向の縦振動を発生する。
さらに、駆動制御部Ｔから振動アクチュエータＡの第３の圧電素子部３３の電極板４８及び５２にそれぞれステータ２の固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加して一対の圧電素子板４９及び５１に通電すると、これら一対の圧電素子板４９及び５１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、ステータ２にＸ軸方向のたわみ振動を発生する。

なお、駆動制御部Ｔから第１の圧電素子部３１の電極板３８及び４２に交流電圧を印加するときには、各電極板３８及び４２の２分割された部分に互いに同じ値の電圧が同時に印加されるように設定されている。同様に、駆動制御部Ｔから第３の圧電素子部３３の電極板４８及び５２に交流電圧を印加するときにも、各電極板４８及び５２の２分割された部分に互いに同じ値の電圧が同時に印加されるように設定されている。

上述のように、駆動制御部Ｔにより振動アクチュエータＡの圧電素子手段３に通電することで、第１の圧電素子部３１によるＹ軸方向のたわみ振動、第２の圧電素子部３２によるＺ軸方向の縦振動、及び第３の圧電素子部３３によるＸ軸方向のたわみ振動のうち２つまたは３つ全てを組み合わせた複合振動を発生させて、ステータ２の段差２１に楕円振動を形成することにより、ロータ４を３次元方向に自由に回転駆動することができる。

ここで、振動アクチュエータＡのロータ４を回転させて出力軸部材５をステータ２に対して傾動させると、出力軸部材５の傾動に伴って第１節Ｂ、第２節Ｃ及び第３節Ｄが互いの相対姿勢を保持したままステータ２に対し傾動される。
また、振動アクチュエータＡのロータ４を回転させて出力軸部材５をそれ自身の軸回りに回転させると、出力軸部材５と共に第１の傘歯歯車６が回転する。この第１の傘歯歯車６が回転に伴って、第２の傘歯歯車８が第２関節の軸Ｓ１の回りに回転することにより第２節Ｃが第１節Ｂに対し傾動されると共に、第３〜第５の傘歯歯車９〜１１を介して第６の傘歯歯車１２が第３関節の軸Ｓ２の回りに第２の傘歯歯車８と同一方向に回転することにより第３節Ｄが第２節Ｃに対し傾動される。
なお、ロータ４を回転させて出力軸部材５のステータ２に対する傾動と出力軸部材５の軸回りの回転を同時に行うと、第１節Ｂがステータ２に対し傾動されながら、第１節Ｂに対し第２節Ｃが、また、第２節Ｃに対し第３節Ｄがそれぞれ傾動される。

このように、駆動制御部Ｔにより振動アクチュエータＡの圧電素子手段３に通電してロータ４を回転させることで、関節機構の第１節Ｂ、第２節Ｃ及び第３節Ｄをそれぞれ傾動させることができ、この関節機構を用いて物体を移動させたり、物体を把持したりすることができる。すなわち、関節機構により物体をハンドリングすることができる。

ここで、例えば図７に示されるような物体Ｍを関節機構により把持し、その状態を保持しようとするときには、駆動制御部Ｔから振動アクチュエータＡの圧電素子手段３への通電を停止する。このように通電を停止しても、振動アクチュエータＡのロータ４は図示しない予圧手段により所定の圧力でステータ２に加圧接触されているため、ロータ４とステータ２との間の静止トルクによりステータ２に対するロータ４の回転が防止されることとなる。その結果、ステータ２、関節機構の第１節Ｂ、第２節Ｃ及び第３節Ｄの相対姿勢がそのままの状態に保持され、これにより、関節機構で物体Ｍを把持した状態を保持することができる。このように、駆動制御部Ｔから圧電素子手段３への通電を停止することで、関節機構による物体Ｍのハンドリングの状態が保持される。

したがって、関節機構で物体Ｍを把持した状態を保持するために、振動アクチュエータＡに通電し続ける必要はなく、これによりエネルギー消費量の低減を図ることができる。また、駆動制御部Ｔから圧電素子手段３への通電を停止することにより関節機構のそのときの状態が保持されるため、関節機構により物体Ｍが把持されているときに停電等により駆動制御部Ｔから圧電素子手段３への通電が突然に停止されても、物体Ｍを把持し続けることができ、関節機構から物体Ｍが落下することを防止することが可能である。

また、上述のように駆動制御部Ｔから圧電素子手段３への通電を停止したときでも、駆動制御部Ｔはオン状態のままにされ、駆動制御部Ｔは、圧電素子手段３の第１〜第３の圧電素子部３１〜３３の６枚の圧電素子板３９，４１，４４，４６，４９，５１の電圧をそれぞれ測定することにより、圧電素子手段３に対するＸ，Ｙ，Ｚ方向の応力及び温度を検出する。

例えば、関節機構あるいはこの関節機構により把持されている物体Ｍに対し外力が作用して、関節機構からロータ４及びステータ２を介して圧電素子手段３に応力が生じると、そのとき圧電素子板に発生する電圧が駆動制御部Ｔで測定されることにより応力が検出される。ここで、検出した応力が所定値以上であると、駆動制御部Ｔは、この応力の方向に対応する圧電素子手段３の圧電素子板に通電してロータ４に回転トルクを与えることにより、このときの関節機構による物体Ｍのハンドリングの状態を保持する。したがって、関節機構で物体Ｍを把持しているときに関節機構または物体Ｍに外力が作用しても、物体Ｍを落下せずに把持し続けることができる。
このように、応力の検出及び応力に対するハンドリング制御をこの物体ハンドリング装置自身により自動で行うことができる。

また、駆動制御部Ｔは、圧電素子手段３への通電停止時にもオン状態に保たれると共に、振動アクチュエータＡは通電時の応答性に優れているため、駆動制御部Ｔは、所定値以上の応力を検出したときに圧電素子手段３に通電して即時に振動アクチュエータＡを駆動することにより、物体を関節機構で把持した状態を保持することができる。
圧電素子手段３の圧電素子板３９，４１，４４，４６，４９，５１を応力センサ及び温度センサとして兼用して応力及び温度を検出することができるため、応力センサや温度センサを新たに設ける必要がなく、したがって、この物体ハンドリング装置の構造の簡素化及び小型化が実現される共に製造コストを低減することができる。
このような物体ハンドリング装置は、ロボットハンドの指だけでなく、ロボットの脚のように、複数の関節を有する各種の部分に適用することができる。

なお、駆動制御部Ｔは、圧電素子手段３への通電及び通電停止を交互に連続して行って応力及び温度の検出と振動アクチュエータＡの駆動とを交互に行うこともできる。
また、ブリッジ回路を構成する等により、応力及び温度の検出と振動アクチュエータＡの駆動とを同時に行うこともでき、これにより、関節機構による物体のハンドリングを高精度に行うことができる。この場合に、検出される応力は、駆動により発生する力と実際にハンドリングでかかる応力とが合成された力である。

また、上述の実施の形態において、振動アクチュエータＡは、圧電素子手段３の圧電素子板３９，４１，４４，４６，４９，５１とは別に、センサとして用いられるセンサ用圧電素子板を有し、このセンサ用圧電素子板を圧電素子手段３の圧電素子板と積層して配置すると共に、圧電素子手段３への通電時でもこのセンサ用圧電素子板には通電されないように構成することもできる。このように構成すれば、圧電素子手段３に通電して振動アクチュエータＡを駆動しているときでも駆動制御部Ｔはセンサ用圧電素子板の電圧を測定することにより応力及び温度を検出することができる。
なお、物体をハンドリングする際に、圧電素子手段３による駆動力では足りない場合に、駆動制御部Ｔはセンサ用圧電素子にも通電して、圧電素子手段３の圧電素子板とセンサ用圧電素子の双方の駆動力により振動アクチュエータＡを駆動することができる。

なお、上述の実施の形態における関節装置は、互いに連結された複数の傘歯歯車を有していたが、これに限定されるものではなく、各種のリンク機構またはワイヤ接続などを有してロータ４の回転により複数の関節を駆動する関節機構も用いることができる。
また、上述の実施の形態では、３つの関節を有する関節機構を用いたが、２つ以下の関節、または４つ以上の関節を有する関節機構を振動アクチュエータＡのロータ４の回転により駆動して物体をハンドリングするように構成することもできる。

また、関節機構を用いる代わりに、ロータ４に連結されてこのロータ４の回転により駆動されることにより物体をハンドリングする各種の機構を用いることもできる。
また、ロータ４により直接に物体をハンドリングする物体ハンドリング装置を構成することもできる。

なお、上記の実施の形態の振動アクチュエータＡでは、ステ―タ２とロータ４との接触は段差２１であったが、この構成に限らない。楕円運動が伝達できれば平面で接触するようにしても曲面で接触しても良いし、環状でなくてもよい。
また、上記の実施の形態において、Ｚ軸方向の縦振動、Ｙ軸方向またはＸ軸方向のたわみ振動の代わりに、互いに直交しない複数の振動を組み合わせた複合振動を発生させてロータ４を回転させることもできる。
また、ステータ２とロータ４との接触部分に楕円運動を発生させていたが、各軸方向の振幅を制御することで円運動を発生させても良い。

なお、上記の実施の形態では、Ｘ軸方向のたわみ振動、Ｙ軸方向のたわみ振動、Ｚ軸方向の縦振動をそれぞれ別の圧電素子部で発生させ、振動を合成させて複合振動を発生させていたが、一つの圧電素子部を複数に分極し、各分極電極に印加する電圧を個別にコントロールしても良い。すなわち位相、振幅などの異なる交流電圧を合成した電圧を各分極電極に印加して単一の圧電素子部で複合振動を発生させても良い。

圧電素子手段３は、通電時にはステータ２を振動させてロータ４を回転させ、非通電時には応力及び温度のセンサとして用いることができる１枚の圧電素子板のみを有するものでもよい。
また、板状の圧電素子に限らず、各種の形状の圧電素子を用いることもできる。

なお、上記の実施の形態では、ロータ４が球体状であり、圧電素子手段３によりステータ２を振動させてロータ４を複数の軸回りに回転させる多自由度の振動アクチュエータを用いたが、その代わりに、ロータを単一の軸の回りに回転させる１自由度の振動アクチュエータも用いることができる。
また、球体状のロータ４の代わりに、環状のロータを用いることもできる。

この発明の実施の形態に係る物体ハンドリング装置を示す一部破断斜視図である。実施の形態における振動アクチュエータ及び駆動制御部を示す断面図である。実施の形態で用いられた圧電素子手段の構成を示す部分断面図である。実施の形態で用いられた圧電素子手段の３対の圧電素子板の分極方向を示す斜視図である。実施の形態における第１の圧電素子部の構成を示す斜視図である。実施の形態における第２の圧電素子部の構成を示す斜視図である。この発明の実施の形態に係る物体ハンドリング装置により物体を把持した様子を示す斜視図である。

符号の説明

１基部ブロック、２ステータ、３圧電素子手段、４ロータ、５出力軸部材、６，８〜１２第１〜第６の傘歯歯車、７プレート、１３軸受け、１４〜１６第１〜第３の保持部材、１８凹部、２１角部、３１〜３３第１〜第３の圧電素子部、３４〜３７絶縁シート、３８，４０，４２，４３，４５，４７，４８，５０，５２電極板、３９，４１，４４，４６，４９，５１圧電素子板、Ａ振動アクチュエータ、Ｂ第１節、Ｃ第２節、Ｄ第３節、Ｍ物体、Ｔ駆動制御部。

Claims

ステータと、予圧手段により前記ステータに加圧接触されるロータと、前記ステータに連結される圧電素子手段とを有する振動アクチュエータと、
前記圧電素子手段に通電して前記ステータを振動させることにより前記ロータを回転させて物体をハンドリングするための駆動制御部と
を備え、前記圧電素子手段への通電の停止時に、前記予圧手段による加圧により前記ロータの回転が防止されて前記ロータの前記物体に対するハンドリングの状態が保持され、
前記駆動制御部は、前記圧電素子手段への通電の停止時に、前記圧電素子手段の電圧を測定することにより、前記圧電素子手段にかかる応力を検出し、所定値以上の応力を検出した際には、前記圧電素子手段に通電することにより前記ロータに回転トルクを与えて前記ロータの前記物体に対するハンドリングの状態を保持することを特徴とする物体ハンドリング装置。
前記駆動制御部は、前記圧電素子手段の電圧を測定することにより温度も検出する請求項１に記載の物体ハンドリング装置。
前記駆動制御部は、前記圧電素子手段への通電停止時に前記圧電素子手段の電圧を測定することにより温度も検出する請求項２に記載の物体ハンドリング装置。
前記駆動制御部は、前記圧電素子手段への通電及び通電停止を交互に連続して行う請求項１〜３のいずれか一項に記載の物体ハンドリング装置。
前記ロータに連結されて前記ロータの回転により駆動される関節機構をさらに備え、前記圧電素子手段に通電して前記ロータを回転させることにより前記関節機構が前記物体をハンドリングする請求項１〜４のいずれか一項に記載の物体ハンドリング装置。
前記圧電素子手段は、互いに積層された複数の圧電素子板を有し、前記駆動制御部は、前記圧電素子手段に通電して前記ステータを振動させることにより前記ステータと前記ロータの接触部分に楕円または円運動を発生させて前記ロータを複数の軸回りに回転させると共に、前記圧電素子手段への通電停止時に、前記圧電素子手段の少なくとも１つの圧電素子板の電圧を測定することにより、前記圧電素子手段にかかる応力を検出する請求項１〜５のいずれか一項に記載の物体ハンドリング装置。