JP6385014B2 - 改質磁性流体及びこの改質磁性流体を用いた把持機構並びに把持装置 - Google Patents

Description

本発明は、強磁性体の微粒子を液体中に分散させた磁性流体を更に改良した改質磁性流体及びこれを用いた把持機構並びに把持装置に関する。

非特許文献１に示すように、液体中に１０ｎｍ、数μｍサイズの強磁性超微粒子を界面活性剤等を用いて、極めて安定に分散させたコロイド溶液からなる磁性流体（ＭＲ流体）が知られている。そして、この磁性流体を、ダンパ、アクチュエータ、シール、クラッチに使用することが開示されている。また、特許文献１には、磁性流体に使用される平均粒径が０．１〜２５μｍ、最大粒径が５０μｍ以下のＦｅ基合金で形成される金属粉末が開示され、特許文献２には、アニオン、カチオンを含むイオン性流体に、平均粒径が０．１〜５００μｍの分散した磁性粒子を含む磁性流体組成物が開示されている。
特許文献３には、このような磁性流体の構成及びその製造方法が開示され、特許文献４には、この磁性流体を用いた物品の把持装置も提案されている。

また、産業用ロボットのエンドエフェクタ（把持機構）は、多様な作業工程に合わせて様々なものが存在する。物体把持に使用するエンドエフェクタを特にグリッパと呼び、対象の形状や姿勢に応じた適切なグリッパへの自動交換は、産業用ロボットの作業工程では一般的である。しかし、適切なグリッパの選定や交換作業、選定されたグリッパによる対象の把持計画、把持開始から完了までの対象の姿勢推定などのために複雑な計算が必要であり、これら一連の作業は、ロボットによる効率的な作業のボトルネックになっている。現在までに、エンドエフェクタの形状や機構、把持計画に関する数多くの研究が行われており、近年、把持物体の姿勢認識とグリッパの交換の手順を省略し、作業効率を向上させるために非特許文献２に示すような、真空を利用して多様な形状物を自在に把持するエンドエフェクタ(ユニバーサルジャミンググリッパ、以下単に「グリッパ」と称する)の発明が報告されている。

このグリッパ７０の概要を図８に示すが、グリッパ７０はロボットアームの先部に取付けられる支持部材７１と、支持部材７１の下部に装着されるゴム球体７２と、ゴム球体７２を支持部材７１の下部に取外し可能に取付ける締結リング７３と、ゴム球体７２内に収納されるコーヒー豆の粉７４と、支持部材７１の排気口７５、７６に接続される図示しない真空ポンプとを有している。このグリッパ７０の使用にあっては、１）対象物にゴム球体７２を押し当てゴム球体７２を対象物の形状に倣わせる、2）真空ポンプを動作させてゴム球体７２内の空気を抜き、ジャミング現象によりゴム球体７２を固化させる、3）ロボットアームを動作させ対象物を持ち上げるという動作を行う。

特許第５６６００９９号公報（請求項５〜９） 特許第５２２２２９６号公報（請求項１） 特表２００６−５０５９５７号公報 特開２００４−１５４９０９号公報

藤田豊久、島田邦雄、「ＭＲ流体の特性とその応用」、日本応用磁気学会誌、Vol.27,.No3,2003、ｐ９１−１００ アメンド、ブラウン、ローデンベルグ、ジェイガー、リプソン、「粉体ジャミングを基にした正圧ユニバーサルグリッパ」、トランザクションオンロボティクス2012年4月(Amend, J.R., Jr., Brown, E., Rodenberg, N., Jaeger, H., Lipson, H., "A Positive Pressure Universal Gripper Based on the Jamming of Granular Material," IEEE Transactions on Robotics, vol. 28, pp.341-350, Apr. 2012.)

しかしながら、非特許文献１、特許文献１、特許文献２に記載された磁性流体は、強磁性体の微粒子として、鉄粉等の金属磁性体を使用しているので、磁性流体の相対比重が大きくなるという問題があった。また、従来の磁性流体のみでは、磁化した場合の磁性流体の粘性及び剪断強度が比較的小さいという問題があった。
非特許文献２に記載されているグリッパ７０は、比較的重量も軽く、対象物を簡単に把持できるという利点はあるが、把持力は比較的小さく、更に把持力を発生させるジャミング現象は真空発生器によって発生する低気圧を利用するため、周囲の気圧が変動する場合や、水中などの圧力の高い場所、気温が変化しやすい環境などでは、利用が困難であるという問題が存在する。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、従来の磁性流体より相対比重が小さく、グリッパ等に用いた場合は、把持力（剪断強度）が大きい改質磁性流体を提供すること、及びこの改質磁性流体を用いた把持機構並びに把持装置を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係る改質磁性流体は、ベース液と、該ベース液中に分散状態で存在する強磁性体微粒子とを有する磁性流体に、前記強磁性体微粒子のサイズより大きく該強磁性体微粒子の比重より小さい非磁性粉体を混入し、磁化時の保持強度を向上している。

第１の発明に係る改質磁性流体において、前記非磁性粉体は、ガラス、プラスチック又はセラミックのパウダーからなるのが好ましい。更に、第１の発明に係る改質磁性流体において、前記非磁性粉体は発泡プラスチックからなるのが好ましい。なお、前記非磁性粉体は磁性流体のベース液に溶けないこと及び反応もしないことは当然である。また、非磁性粉体は、ベース液の比重より小さく（例えば、γ＝０．３〜０．８）、球状であることが好ましい。

そして、第１の発明に係る改質磁性流体において、前記非磁性粉体の粒径は２ｍｍ以下であるのが好ましい。
また、第１の発明に係る改質磁性流体において、該改質磁性流体中の前記磁性流体の割合は、４０〜８０％の範囲にあるのが好ましい。更に前記磁性流体として、ＭＲ流体を使用することもできる。

第２の発明に係る把持機構は、以上に記載した第１の発明に係る改質磁性流体を用い、前記改質磁性流体が収納された柔軟性を有する袋体と、該袋体の一側に配置され前記袋体に磁場をかけることが可能な電磁石とを有する。

第２の発明に係る把持機構において、前記電磁石は中央の磁極部とその周囲にある有底円筒状のヨーク部と前記磁極部に巻回されたコイルとを有し、前記ヨーク部の開放端に前記改質磁性流体が充填された前記袋体が密封状態で取付けられているのが好ましい。

第２の発明に係る把持機構において、前記袋体への前記改質磁性流体の充填率は４０〜７０％であるのが好ましい。
また、第２の発明に係る把持機構において、前記袋体はフランジ付きの半球状となっているのが好ましい。

第３の発明に係る把持装置は、以上に説明した第２の発明に係る把持機構をロボットアームの先側に取付けている。また、第４の発明に係る把持装置は、以上に説明した第２の発明に係る把持機構を間隔を制御できるロボットの挟持部にそれぞれ設けて、対向させている。

第１の発明に係る改質磁性流体は、従来の磁性流体に強磁性体微粒子のサイズより大きく強磁性体微粒子の比重より小さい非磁性粉体を混入しているので、全体の比重が従来の磁性流体より小さくなる。そして、この改質磁性流体に磁場をかけると、サイズの大きい非磁性粉体が骨材として作用し、改質磁性流体の磁化時の保持力、剪断強度が大きくなる。

第１の発明に係る改質磁性流体において、非磁性粉体を、ガラス、プラスチック又はセラミックのパウダーから構成した場合は、非磁性粉体が軽くなると共に、粒の揃った非磁性粉体を容易に得ることができ、改質磁性流体の物理的性質がより均一化する。
また、非磁性粉体を球状とした場合、非磁性粉体を発泡プラスチックから構成した場合は、より改質磁性流体の比重が軽減し、物理的性質も均一化する。

第２の発明に係る把持機構は、以上に記載した第１の発明に係る改質磁性流体を用い、改質磁性流体が収納された柔軟性を有する袋体と、袋体の一側に配置され袋体に磁場をかけることが可能な電磁石とを有するので、袋体に対象物の一部又は全部を、その形状を保って把持することができる。

特に、第２の発明に係る把持機構において、袋体への改質磁性流体の充填率を４０〜７０％とした場合は、袋体の表面に凹凸ができるので、対象物を嵌め込み易く、大きさが一定の範囲内であれば、任意の対象物を把持できる。

更に、第３の発明に係る把持装置は、以上に説明した第２の発明に係る把持機構をロボットアームの先側に取付けているので、把持機構を自由に動かせると共にその姿勢を変えることができる。

（Ａ）は本発明の一実施例に係る把持機構の斜視図、（Ｂ）は同把持機構の主要断面図である。 （Ａ）は同把持機構の電磁石の斜視図、（Ｂ）は同把持機構の電磁石の断面図である。 同把持機構を多関節ロボットのロボットアームに取付けた把持装置の斜視図である。 （Ａ）は改質磁性流体中の磁性流体（ＭＲ流体）の割合と把持力の関係を示すグラフ、（Ｂ）は非磁性粉体の粒子サイズと保持力との関係を示すグラフである。 （Ａ）は改質磁性流体の動作説明図、（Ｂ）は従来例に係る磁性流体の動作説明図である。 非磁性粉体の種類及びサイズと保持力との関係を示すグラフである。 同把持機構を対向して配置した別の把持装置の斜視図である。 従来例に係る把持機構（グリッパ）の断面図である。

続いて、添付した図面を参照しながら、本発明を具体化した実施例について説明する。図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施例に係る把持機構１０は、改質磁性流体１１が収納された柔軟性を有する袋体１２と、袋体１２の一側（この実施例では上側）に配置され袋体１２に磁場をかける電磁石１３とを有する。

電磁石１３は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、中央に配置された磁性材料からなる磁極部１５と磁極部１５の周囲にある有底円筒状の磁性材料からなるヨーク部１６と、磁極部１５に巻回されたコイル１７と、磁極部１５の開放端に設けられた磁極部１５より大径の磁極板部１５ａとを有している。
袋体１２は、シリコンゴム等の耐油性、非磁性、かつ柔軟性を有するゴムシート又はプラスチックシートからなって、半球部１８と半球部１８の端部に一体的に設けられたフランジ部１９を有して、フランジ付きの半球状シートとなっている。半球部１８の直径Ｄは３０〜８０ｍｍ程度が好ましいが、把持する対象物によって異なるので、本発明はこの数字には限定されない。なお、袋体１２の厚みは例えば０．３〜２ｍｍ程度である。

そして、袋体１２はフランジ部１９を挟持する第１、第２の取付け部材２２、２３によって、電磁石１３の下部に設けられている。即ち、第１の取付け部材２２が、ヨーク部１６の下端にねじ止めされ、第１の取付け部材２２と第２の取付け部材２３がフランジ部１９を介して複数のボルト２４で連結されている。これによってヨーク部１６の開放端に袋体１２が密封状態で取付けられることになる。

袋体１２には、本発明の一実施例に係る改質磁性流体１１が収納されている。改質磁性流体１１の収納量（充填率）は、袋体１２の半径Ｒの半球部１８を一杯に膨らませた状態（体積Ｖ＝２πＲ³／３）の４０〜７０％の範囲となっている。改質磁性流体１１の量がこの範囲より少ない場合は、改質磁性流体１１の全体量が不足し、改質磁性流体１１の量がこの範囲より多い場合は、袋体１２の把持空間が少なくなるが、改質磁性流体１１の量は用途に応じてこの範囲を超えることもできる。

改質磁性流体１１は、ベース液に強磁性体微粒子が分散状態で存在する通常の磁性流体に非磁性粉体を混合して造る。通常の磁性流体は前述の通り、マグネタイト、マンガン亜鉛フエライト等の強磁性体微粒子と、その表面を覆う界面活性剤、ベース液（例えば、水、イソパラフィン、アルキルナフタレン又はその他の油）で構成された磁性コロイド液である。強磁性体微粒子の直径は１０ｎｍ程度、１０ｎｍ〜２００μｍ、より好ましくは、１００〜２００μｍ程度である。
非磁性粉体は、強磁性体微粒子よりサイズが大きくて比重の小さい、この実施例では、発泡プラスチックの一例である発泡ポリスチレンの粒子を用いた。

図４（Ａ）に、磁性流体（ＭＲ流体を使用した）と非磁性粉体との容積割合を変えた場合の袋体１２の保持力を、図４（Ｂ）には磁性流体と非磁性粉体との割合を１対１にした場合で、非磁性粉体のサイズと袋体１２の把持力との関係を示す。ここで、非磁性粉体の容積は見かけ容積である。図４（Ａ）より改質磁性流体中の磁性流体の割合が４０〜８０％の範囲にあるときに、改質磁気流体の保持力が大きいのが判る。また、図４（Ｂ）により、非磁性粉体の粒径が２ｍｍ以下で大きな保持力を有することが判る。
図４（Ｂ）から非磁性粉体の粒子径が０．５ｍｍのとき保持力が最大値を示すが、強磁性体微粒子の径より大きければ（例えば、５倍以上、即ち５０ｎｍ以上）、十分な把持力を発揮するものと考えられる。

図５（Ａ）には改質磁性流体１１を用いた非磁場状態と磁場状態を示す。磁場をかけない状態では、磁性流体２７（ベース液と強磁性体微粒子２５の混合液）と非磁性粉体２６とが自由に混ざり合っているが、磁場をかけると、強磁性体微粒子２５が接合され、非磁性粉体２６が骨材として働き、その保持強度及び剪断強度が大きくなると考えられる。

図５（Ｂ）に比較のため、従来の磁性流体２７を用いた場合の、非磁場状態と磁場状態の挙動を示す。非磁場状態では強磁性体微粒子２５が自由に動き、磁場状態では強磁性体微粒子２５が繋がるが、骨材として働くものがないので、磁性流体２７の把持強度や剪断力は大きくないと推定される。
なお、図５（Ａ）、（Ｂ）は説明のための模式図であって、実際は強磁性体微粒子２５、非磁性粉体２６の密度はより密である。

図６には、磁性流体（ＭＲ流体）を用いた改質磁性流体の非磁性粉体の種類とサイズを変えた場合の、把持力を示す。ニカビーズ（商標名、カーボンマイクロビーズ）０．０２２１ｍｍが強い保持力を有するが、発泡ポリスチレン０．５ｍｍであっても十分な把持力を示す。

図３は、以上に説明した把持機構１０を用いた把持装置３０を示すが、多関節ロボット３１のロボットアーム３２の先側に把持機構１０が取付けられている。これによって、把持機構１０を自由に特定の位置、角度を変えて移動させて対象物を把持する。即ち、把持機構１０の袋体１２を対象物の上に被せ、対象物の一部又は全部を袋体１２の窪みに入れて、電磁石１３に通電し、改質磁性流体１１を磁化する。なお、電磁石１３は、強磁性体微粒子が磁気飽和をしない程度の強い磁石（例えば、０．０５〜０．３Ｔ）であることが好ましいが、用途によって弱い磁場から強い磁場まで適用可能である。

これによって、改質磁性流体１１は把持状態を保持するので、ロボットアーム３２で対象物を移動させることができる。所定の場所に対象物を移動させた後、電磁石１３の通電を解き、袋体１２の形状を自由にして、対象物を所定の位置に置くことができる。

図７には、間隔をモータ又は油圧シリンダ等で変えることができるロボットの挟持部３４、３５にそれぞれ把持機構１０を取付けて、把持機構１０を対向させた把持装置３６を示す。対象物を把持機構１０の袋体１２で両側から挟み、電磁石１３に通電することによって、対象物を対となる把持機構１０の間に保持できる。図７において、３７はロボットのアーム等に把持装置３６を取付ける取付けフランジを、３８はケーシングを、３９は操作ハンドルを示す。

本発明は前記した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲でその構成を変更することもできる。例えば、前記実施例では、非磁性粉体として発泡ポリスチレンを使用したが、他の発泡プラスチック、非発泡のプラスチック、ガラス、セラミックのパウダー（正確には集合粒子）、カーボン粒子等を使用できる。
また、電磁石の形状、袋体の形状も用途に応じて自由に変えることができる。

本発明に係る改質磁性流体は、前述のような把持機構の他、磁性流体シール（回転軸のシール）、ダンパ、スピーカ、センサ、比重差分離等に利用できる。また、把持機構及び把持装置は、工場のような特殊な場所で搬送機、アクチュエータ等に利用できる。

１０：把持機構、１１：改質磁性流体、１２：袋体、１３：電磁石、１５：磁極部、１５ａ：磁極板部、１６：ヨーク部、１７：コイル、１８：半球部、１９：フランジ部、２２：第１の取付け部材、２３：第２の取付け部材、２４：ボルト、２５：強磁性体微粒子、２６：非磁性粉体、２７：磁性流体、３０：把持装置、３１：多関節ロボット、３２：ロボットアーム、３４、３５：挟持部、３６：把持装置、３７：取付けフランジ、３８：ケーシング、３９：操作ハンドル

Claims (5)

1. 中央の磁極部、その周囲にある有底円筒状のヨーク部、及び前記磁極部に巻回されたコイルとを有する電磁石と、前記ヨーク部の開放端に密封状態で取付られた袋体と、該袋体内に充填された改質磁性流体とを有する把持機構において、
   前記改質磁性流体は、ベース液と強磁性体微粒子とを有する磁性流体に、前記強磁性体微粒子のサイズより大きく粒径が２ｍｍ以下で前記強磁性体微粒子の比重より小さい非磁性粉体を混入してなり、しかも、前記改質磁性流体中の前記磁性流体の割合は、４０〜８０％の範囲にあり、かつ前記袋体への前記改質磁性流体の充填率は４０〜７０％の範囲にあることを特徴とする改質磁性流体を用いる把持機構。
2. 請求項１記載の改質磁性流体を用いる把持機構において、
   前記磁極部の開放端には前記磁極部の直径より大きい磁極板部が設けられていることを特徴とする改質磁性流体を用いる把持機構。
3. 請求項１記載の改質磁性流体を用いる把持機構において、
   前記磁性流体は前記強磁性体微粒子の直径が１００〜２００μｍの範囲にあるＭＲ流体であることを特徴とする改質磁性流体を用いる把持機構。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の改質磁性流体を用いる把持機構を、ロボットアームの先側に取付けたことを特徴とする把持装置。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の改質磁性流体を用いる把持機構を、間隔を制御できるロボットの挟持部にそれぞれ設けて、対向させたことを特徴とする把持装置。

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