JP6423200B2 - 静電付着把持 - Google Patents
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Description
本明細書で用いられているように、「静電付着」とは、静電力を用いた2つの物体の機械的結合を意味する。静電付着は、本明細書で説明するように、これらの静電力を電気的に制御することで、2つの物体間の一時的かつ着脱可能な付着を可能にする。この静電付着は、印加された電場によって生じる静電力によって、これらの物体の2つの表面を結び付ける、または、2つの物体間の静止摩擦または摩擦を増大させる。静電クランプは、従来、2つの平坦、滑らか、かつ、全体的に導電性の表面を一緒に保持することに限定されていたが、本発明は、静電付着力およびハンドリングを受ける物体の材料特性にも表面粗さにも制限を与えない静電付着装置および技術を含む。
図1Aの静電付着把持面11を有する静電付着エンドエフェクタ10は、6つの電極18を有するものとして図示されているが、与えられた静電付着エンドエフェクタまたは把持面が、単一の電極のみを有することも可能であることがわかる。さらに、与えられた静電付着エンドエフェクタが、複数の異なる静電付着把持面を有し、各々別個の静電付着把持面が、少なくとも1つの電極を有し、把持されるべき外部物体に当てて配置または近接して配置されるよう適合されることも可能であることが容易にわかる。静電付着エンドエフェクタ、静電付着把持ユニット、および、静電付着把持面という用語はいずれも、本明細書では、対象となる静電付着要素を指すために用いられているが、これらの様々な用語は、様々な文脈で交換可能に利用できることがわかる。特に、与えられた「エンドエフェクタ」は、複数の別個の「把持面」を含みうるが、これらの異なる把持面は、別個のエンドエフェクタ自体と見なされてもよい。図10のロボットハンドの実施形態は、複数の異なる把持面を有する単一のエンドエフェクタと見なされうるが、例えば、このロボットハンドは、協調して作用する複数の異なるエンドエフェクタと見なされてもよい。
与えられた単一または1組の静電付着エンドエフェクタへの電圧量の微調整は、外部物体のハンドリングに大きく影響しうる。電極への電圧を変化させると、静電付着エンドエフェクタと、ハンドリングされる物体との間に印加される静電力すなわち静電付着力が変化する。外部物体に印加される全静電付着力のかかる変化は、物体の一部分のみが、持ち上げられる、保持される、または、移動されるなど、特定の有益な結果につながりうる。静電付着エンドエフェクタ電極への電圧量を変化させて結果に影響を与える簡単な例としては、紙の束を持ち上げるために用いられる平面パネルまたはシート型のエンドエフェクタが挙げられる。また、静電付着力の変化は、エンドエフェクタに対して物体を制御可能に摺動させるために利用可能である。かかる制御された摺動は、グリップ内でペンを再配置する、または、ロボットハンド内で直方体形状の物体を回転させるなど、グリップ内で物体を再配置する際に特に有用である。
上述の例で説明したような静電付着の利用の1つの欠点は、静電付着エンドエフェクタまたは把持面と、外部物体または基板とが接触する接触面領域の縁部で剥離または落下が起きる傾向があることである。いくつかの例では、把持面は、特に、物体を新たな位置に再配置または方向転換した後に物体を解放する際に、静電付着剥離力がより低いという特性を利用して、解放の速度を早める、または、物体の完全な分離を保証することができる。多くの他の例では、より低い剥離力は、エンドエフェクタまたは把持面の最適な性能にとって重要な設計検討事項である。これは、図4Aおよび図4Bについて上述した紙を持ち上げる例など、物体が静電付着エンドエフェクタまたは把持面の縁部を越えて延びて、かなりの重量を有する例に、特に当てはまりうる。様々な変形例および技術を用いて、かかる剥離効果を防止または低減することができる。
上述の例は、平面を有する外部物体、特に薄いシートなどに限定されているが、かかる静電付着エンドエフェクタを利用することによって、様々な異なる外部物体を把持およびハンドリングすることができる。特に、複数の静電付着エンドエフェクタを戦略的に利用すれば、ロボット工学またはその他の生産用途などについて、従来の機械的ピックアンドプレースに関連する欠点の多くを克服できる。
ハンドリングされる外部物体に対して、静電付着エンドエフェクタの形態の把持アクチュエータを自由に移動および配置できることにより、物体ハンドリングの多くの新しい可能性および設計が開ける。次に、図8によると、静電付着把持面を張った複数のフィンガと、関連する制御回路とを有する静電付着把持システムの一例が、側立面図に示されている。静電付着把持システム800は、第1のフィンガ870aおよび第2のフィンガ870bを備えており、各フィンガは、互いに対して移動するよう構成された複数のセグメントを有する。第1のフィンガ870aは、セグメント810a、810b、および、810cを備えており、第2のフィンガ870bは、セグメント810d、810e、および、810fを備えている。説明のために、2つのフィンガ870aおよび870bのみを図示したが、任意の数のさらなるフィンガを用いてもよいことがわかる。各フィンガ870aおよび870bは、それぞれ、ベース要素872aおよび872bなど、ベースロボットまたは機械要素から伸びていてよい。幅広い周知のロボット応用および機械応用が、かかるベース要素872a、872b、および、それらの背後のロボットまたは機械要素に適用可能であることがわかるため、これらの要素および上流の要素の詳細については、ここでは特に焦点を当てない。
本明細書に記載したような静電付着エンドエフェクタ、把持面、および、その他の構成を用いて物体を持ち上げる、移動させる、または、その他のハンドリングを行う多くの様々な用途および方法が想定されうるが、ここでは、基本的な物体の移動方法を一例として提供する。最後に図12によると、本発明の一実施形態に従って、静電付着力を用いて物体を移動させる方法の一例のフローチャートが示されている。このフローチャートで説明したすべての方法工程が必ずしも必要なわけではないこと、本明細書で説明していないさらなる工程が含められてもよいことが、容易に理解される。さらに、工程の正確な順序は、様々な用途に応じて変更されてもよい。
適用例1:静電付着把持システムであって、外部物体の第1の表面領域に当てて配置されるよう構成され、少なくとも1つの電極を備える第1の静電付着把持面を有する第1の静電付着エンドエフェクタと、前記外部物体の第2の表面領域に当てて配置されるよう構成され、少なくとも1つの電極を備える第2の静電付着把持面を有する第2の静電付着エンドエフェクタと、を備え、前記第1および第2の静電付着エンドエフェクタは、互いに独立して移動するよう適合され、前記第1および第2の静電付着把持面は、前記外部物体が前記静電付着把持システムによって制御される間、前記外部物体を前記第1および第2の静電付着把持面に当てたまま保持するよう作用する全静電付着力を共同で供給する、静電付着把持システム。
適用例2:適用例1に記載の静電付着把持システムであって、前記第1の静電付着把持面は、前記第1の表面領域の第1の表面位置に第1の電圧を印加するよう構成された第1の電極と、前記外部物体の前記第1の表面領域の第2の表面位置に第2の電圧を印加するよう構成された第2の電極と、を備え、前記第1の電圧と前記第2の電圧との間の電圧差は、局所的な静電付着力を生成する第1の静電付着電圧を含む、静電付着把持システム。
適用例3:適用例2に記載の静電付着把持システムであって、前記第1の静電付着把持面は、前記第1の静電付着電圧がオンの時に前記外部物体の表面から約1mm未満に位置する、静電付着把持システム。
適用例4:適用例2または3に記載の静電付着把持システムであって、さらに、前記第1の電極と前記第2の電極との間に配置され、前記第1の電極と前記第2の電極との間の前記第1の静電付着電圧差を実質的に維持するよう構成された絶縁材料を備える、静電付着把持システム。
適用例5:適用例1ないし4のいずれかに記載の静電付着把持システムであって、さらに、前記第1の静電付着把持面に結合され、前記外部物体に対して前記第1の静電付着把持面を位置決めする助けとなるよう構成された作動要素を備える、静電付着把持システム。
適用例6:適用例5に記載の静電付着把持システムであって、前記作動要素は、アクチュエータによって駆動されるケーブル、電磁モータ、ステッピングモータ、油圧システム、空気圧システム、形状記憶合金、および、電気活性ポリマからなる群より選択される、静電付着把持システム。
適用例7:適用例1ないし6のいずれかに記載の静電付着把持システムであって、前記全静電付着力は、前記第1および第2の静電付着エンドエフェクタの前記電極に供給された可変電圧に依存する可変力である、静電付着把持システム。
適用例8:適用例7に記載の静電付着把持システムであって、前記全静電付着力は、前記外部物体の一部のみが前記静電付着把持システムによって制御されるように変更されうる、静電付着把持システム。
適用例9:適用例1ないし8のいずれかに記載の静電付着把持システムであって、さらに、前記外部物体の第3の表面領域に接触して配置されるよう構成され、少なくとも1つの電極を備える第3の静電付着把持面を備える、静電付着把持システム。
適用例10:適用例1ないし9のいずれかに記載の静電付着把持システムであって、前記第1および第2の静電付着把持面は、前記外部物体をつまみ上げる、持ち上げる、操作する、および、配置するよう動作する、静電付着把持システム。
適用例11:適用例1ないし10のいずれかに記載の静電付着把持システムであって、前記第1の静電付着把持面は、さらに、前記外部物体の前記第1の表面領域に特有の少なくとも1つの形状に一致するよう適合された変形可能な表面部分を備える、静電付着把持システム。
適用例12:適用例11に記載の静電付着把持システムであって、前記変形可能な表面部分は、前記第1の静電付着把持面に電圧が印加された時に前記外部物体の前記第1の表面領域に近づくよう適合される、静電付着把持システム。
適用例13:適用例1ないし12のいずれかに記載の静電付着把持システムであって、前記外部物体は、球形、円筒形、または、不規則な三次元形状を有する、静電付着把持システム。
適用例14:適用例13に記載の静電付着把持システムであって、前記外部物体の前記第1の表面領域は、三次元形状を規定し、前記第1の静電付着把持面は、前記第1の表面領域の前記三次元形状に一致する固定の三次元形状を備える、静電付着把持システム。
適用例15:適用例13に記載の静電付着把持システムであって、前記外部物体の前記第1の表面領域は、三次元形状を規定し、前記第1の静電付着把持面は、前記第1の表面領域の前記三次元形状に一致するよう適合された柔軟な材料を備える、静電付着把持システム。
適用例16:静電付着グリッパであって、外部物体の第1の表面領域に当てて配置されるよう構成され、少なくとも1つの電極を備える第1の静電付着把持面と、前記外部物体の第2の表面領域に当てて配置されるよう構成され、少なくとも1つの電極を備える第2の静電付着把持面と、を備え、前記第1および第2の静電付着把持面は、互いに別個の異なった面であり、前記第1および第2の静電付着把持面は、前記外部物体が前記静電付着グリッパによって保持、移動、または、操作される間、前記外部物体を前記第1および第2の静電付着把持面に当てたまま保持するよう作用する全静電付着力を共同で供給する、静電付着グリッパ。
適用例17:適用例16に記載の静電付着グリッパであって、さらに、前記第1および第2の静電付着把持面の両方に結合されたアクチュエータによって駆動される第1のケーブルを備え、アクチュエータによって駆動される前記第1のケーブルは、前記静電付着グリッパが前記外部物体を把持する前に、前記対処物体に対して前記第1および第2の静電付着把持面の両方を位置決めするよう動作し、前記全静電付着力は、前記外部物体が前記静電付着グリッパによって保持、移動、または、操作される間、前記外部物体を前記第1および第2の静電付着把持面に当てたまま保持するよう作用する、静電付着グリッパ。
適用例18:適用例16または17に記載の静電付着グリッパであって、前記第1および第2の静電付着把持面は、互いに対して独立に移動するよう適合される、静電付着グリッパ。
適用例19:適用例16ないし18のいずれかに記載の静電付着グリッパであって、前記第1および第2の静電付着把持面は、前記静電付着グリッパの第1の連続的なフィンガに沿って形成され、静電付着グリッパは、さらに、複数のさらなる別個の異なった静電付着把持面を有する第2の連続的なフィンガを備え、前記複数のさらなる別個の異なった静電付着把持面の各々は、少なくとも1つの電極を有する、静電付着グリッパ。
適用例20:適用例19に記載の静電付着グリッパであって、前記第1の連続的なフィンガおよび前記第2の連続的なフィンガの各々は、前記外部物体の三次元の表面領域の周りに異なる方向で伸びるよう適合される、静電付着グリッパ。
適用例21:適用例16ないし20のいずれかに記載の静電付着グリッパであって、前記第1の静電付着把持面の少なくとも1つの特徴は、前記外部物体の前記第1の表面領域に一致するよう適合された変形可能な表面部分を含む、静電付着グリッパ。
適用例22:適用例21に記載の静電付着グリッパであって、前記変形可能な表面部分は、前記第1の静電付着把持面に電圧が印加された時に前記外部物体の前記第1の表面領域に近づくよう適合される、静電付着グリッパ。
適用例23:物体を把持する方法であって、少なくとも1つの電極を有する第1の静電付着把持面を外部物体の第1の表面領域に当てて配置する工程と、少なくとも1つの電極を有する第2の静電付着把持面を前記外部物体の第2の表面領域に当てて配置する工程であって、前記第2の表面領域は、前記第1の表面領域から離間されている工程と、前記第1および第2の静電付着把持面の一方または両方と、前記外部物体との間に第1の静電引力が生成されるように、前記第1および第2の静電付着把持面の複数の前記電極に第1の静電付着電圧差を印加または維持する工程と、を備える、方法。
適用例24:適用例23に記載の方法であって、さらに、前記第2の静電付着把持面を前記第1の静電付着把持面に対して独立的に移動させる工程を備える、方法。
適用例25:適用例24に記載の方法であって、前記第2の静電付着把持面を前記第1の静電付着把持面に対して移動させる工程は、アクチュエータによって駆動されるケーブル、電磁モータ、ステッピングモータ、油圧システム、空気圧システム、形状記憶合金、および、電気活性ポリマからなる群より選択されたアクチュエータを用いる工程を含む、方法。
適用例26:適用例23ないし25のいずれかに記載の方法であって、前記第1および第2の静電付着把持面の各々は、複数の電極を備えており、局所的な静電付着電圧差を前記外部物体のそれぞれ対応する表面領域に提供するよう適合される、方法。
適用例27:適用例23ないし26のいずれかに記載の方法であって、さらに、前記第1および第2の静電付着把持面の一方または両方と、前記物体との間に第2の静電引力が生成されるように、前記第1および第2の静電付着把持面の一方または両方の別の複数の前記電極に第2の静電付着電圧差を印加する工程を備える、方法。
適用例28:静電付着把持システムであって、三次元外部物体の第1の表面領域に当てて配置されるよう構成され、少なくとも1つの電極と、前記第1の表面領域に特有の少なくとも1つの形状に一致するよう適合された変形可能な表面部分とを備える第1の静電付着把持面と、前記外部物体の第2の表面領域に当てて配置されるよう構成され、少なくとも1つの電極を備える第2の静電付着把持面と、を備え、前記第1および第2の静電付着把持面は、前記外部物体が前記静電付着把持システムによって保持または移動される間、前記外部物体を前記第1および第2の静電付着把持面に当てたまま保持するよう作用する全静電付着力を共同で供給する、静電付着把持システム。
適用例29:適用例28に記載の静電付着把持システムであって、前記変形可能な表面部分は、前記第1の静電付着把持面に電圧が印加された時に前記外部物体の前記第1の表面領域に近づくよう適合される、静電付着把持システム。
適用例30:適用例28または29に記載の静電付着把持システムであって、前記第1および第2の静電付着把持面は、互いに対して独立に移動されるよう適合される、静電付着把持システム。
適用例31:適用例28ないし30のいずれかに記載の静電付着把持システムであって、前記第1および第2の静電付着把持面は、同じ静電付着エンドエフェクタの一部である、静電付着把持システム。
適用例32:適用例31に記載の静電付着把持システムであって、前記静電付着エンドエフェクタは、人間の手に似ている、静電付着把持システム。
適用例33:適用例31に記載の静電付着把持システムであって、前記静電付着エンドエフェクタは、複数の電極対を有する薄くて柔軟なベールを規定し、各電極対は、別個の把持面を規定する、静電付着把持システム。
Claims (9)
- 静電付着グリッパであって、
外部物体の第1の表面領域に当てて配置されるよう構成され、少なくとも1つの電極に近接し、変形可能な第1の静電付着把持面領域と、
前記外部物体の第2の表面領域に当てて配置されるよう構成され、少なくとも1つの電極に近接し、変形可能な第2の静電付着把持面領域と、
を備え、
前記第1および第2の静電付着把持面領域は、互いにヒンジによって結合されていると共に互いに離れており、
前記第1および第2の静電付着把持面領域は、前記外部物体が前記静電付着グリッパによって保持、移動、または、操作される間、前記外部物体を前記第1および第2の静電付着把持面領域に当てたまま保持するよう作用する全静電付着力を共同で供給する、静電付着グリッパ。 - 請求項1に記載の静電付着グリッパにおいて、
前記第1および第2の静電付着把持面領域は前記静電付着グリッパの同一面に配置されている、静電付着グリッパ。 - 請求項1に記載の静電付着グリッパにおいて、
前記静電付着グリッパは、フラットなシートを備える、静電付着グリッパ。 - 請求項1に記載の静電付着グリッパにおいて、さらに、
前記第1の静電付着把持面領域、前記第2の静電付着把持面領域、または前記第1および第2の静電付着把持面領域の双方に近接して配置されている複数の電極を含む、静電付着グリッパ。 - 請求項4に記載の静電付着グリッパにおいて、
前記複数の電極は、前記静電付着グリッパの同一面に全て配置されている、静電付着グリッパ。 - 請求項4に記載の静電付着グリッパにおいて、
前記複数の電極は、前記第1の静電付着把持面領域にわたるパターンで配置されている不連続形状を備える、静電付着グリッパ。 - 請求項4に記載の静電付着グリッパにおいて、
前記複数の電極は、交互パターンで配置されている、静電付着グリッパ。 - 請求項4に記載の静電付着グリッパにおいて、前記静電付着グリッパは、前記外部物体の不規則な表面に適合する、平らで、薄い可撓性のシートを有する、静電付着グリッパ。
- 請求項4に記載の静電付着グリッパにおいて、前記複数の電極は、フラットシートにわたるパターンで配置されている不連続形状を備える、静電付着グリッパ。
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