JP6689872B2 - 柔軟適応ロボットグラスパ - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年３月５日に出願された米国仮特許出願第６２／１２８，７７５号明細書に対する優先権およびそれの利益を主張し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

政府の支援
本発明は、全米科学財団によって授与された認可番号ＩＩＰ−１４４５３６４に基づいて、政府の支援により行われた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。

機械的に握持することは、ロボット工学および補綴学を含む、多くの用途において有利である。産業およびロジスティックスロボット工学において、グラスパは、機械の積卸し、ならびに部品をパレットおよび輸送コンテナに入れるなどの、製造および包装プロセスの一部として、物体を取得して移動させる。典型的な現在の実践においては、グリッパフィンガは、扱われるそれぞれの特定の部品のために設計され、把持および配置処理を実行するためのプログラミングは、特定のタスクに特化している。このカスタマイズは信頼性を改善し、物体への損害の可能性を減少させる。各タスクおよび品目のための特殊なハードウェアおよびソフトウェアの作成は、熟練工を必要とし、コストを増加させ、融通性を低下させる。

家庭用および補助ロボットが働く体系化されていない環境においては、多種多様な品目を確実かつ安全に把持して、設置する必要があることがある。現在のグリッパは、２本指の平行あごグリッパが最も一般に使用されており、能力が制限されている（たとえば、ＰＲ２グリッパ）。これらの装置は、幅広い範囲の物体のサイズおよび形状を取り扱うことができず、信頼性を保証するには通常、高価で、体系化されていない状況での達成が困難である広範囲な検知および制御を必要とする。

より精巧な複数指のロボットハンド（たとえば、マサチューセッツ州ニュートンのＢａｒｒｅｔｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＬＬＣによるＢａｒｒｅｔｔＨａｎｄ）は、機械的柔軟性を有して、より広い範囲の物体を把持するが、高価である傾向がある。多様な品目および状況に適合するためのこれらの装置の潜在能力を生かすために、検知が、物体属性を検出するために使用され、次いで、コントローラは、プログラムされなければならない多くの自由度のために利用される。このアプローチは難しいことが判明している。

同様に、物体形状に適合する受動的機構および／または柔軟性を使用する現在の劣駆動ハンドは、適合できる物体の範囲に関して制限されている。既存の劣駆動ハンドは製造も高価である傾向があり、多くのアプローチは、体系化されていない環境で、または、工業用途におけるプログラミングおよびシステムデバッキング中に生じる可能性がある衝突に対して堅牢ではない。

柔軟適応ロボットグラスパ（用語「グラスパ」および「グリッパ」は、同じまたは同様の装置に言及するために、本明細書で交換可能に使用されてもよい）、ならびに、グラスパを使用および製造する方法が、本明細書で説明され、機器および方法の様々な実施形態は、以下で説明される要素、特徴、およびステップの一部もしくは全部を含んでもよい。

柔軟適応ロボットグラスパは、指先リンクと、指先リンクからのリンク機構の反対側の端部の少なくとも１つの基部リンクであって、基部リンクが取付構造を含む、基部リンクと、第１の組のそれぞれの接合部で指先リンクと接合され、第２の組のそれぞれの接合部で基部リンクと接合される前方リンクおよび後方リンクであって、接合部間の直線接続が略平行四辺形の形態の形状を形成し、前方および後方リンクにわたる直線接続を可能にして、フィンガリンク機構が外部物体に接触するまでかつ接触しない限り、前方および後方リンクが、指先リンクの向きを実質的に変えることなく基部リンクのまわりを枢動するとき、互いに略平行を維持する、前方リンクおよび後方リンクとを含む複数バーフィンガリンク機構を備える。さらに、アクチュエータが基部リンクとつながれ、複数バーフィンガリンク機構を基部リンクのまわりで回転させる。

ロボットグラスパは、受動的機構を用いて、効果的な把持行動を達成することができる。フィンガ構造は、フィンガが精密な検知および制御を必要とせずに物体形状およびサイズに適合するように、運動学的リンク機構として機能するように設計することができる。指先柔軟性は、指先リンクが初期接触で物体表面に沿って曲がるように設計することができ、それにより、位置決め誤差にもかかわらず把持を成功させることができる。フィンガが物体に近づくと、形状の大きい変化にもかかわらず物体をしっかりと把持するようにフィンガ形状は変形する。フィンガの面外柔軟性は、物体との効果的かつ損傷を与えない相互作用を可能とするように制御することもできる。

４バー平行（または、略平行、たとえば、各リンクは、リンク機構の反対側のリンクに対して平行から１、２、３、４、または５°以内であり、各リンクの角度は、リンクの両端の接合部を横切る直線を介して決定される）リンク機構は、受動的および能動的な変位構造を含み、ロボット指先リンクは、リンクの少なくとも１つが外部物体に接触するまで、隣接する前方および後方リンクに対して向きの固定された角度を維持する。前方リンクが物体に接触する場合、フィンガが物体のまわりで閉じられると、指先リンクは物体に沿って受動的に枢動することができる。指先リンクが物体と接触する場合、指先リンクは、物体に対して固定された角度を維持することができる（たとえば、複数のフィンガが採用される場合、２本の対向するフィンガは、両側で直交する物体と接触することができ、指先リンクは、接触された物体表面に、かつ互いに平行のままとすることができ、同時に、指先リンクが表面と接触した後、フィンガが増加するまたは連続的な力で物体を固定するとき、隣接する前方および後方リンクに対して枢動する）。いずれの場合も、指先リンクの向きは、任意の他のリンクの作動から分離される。

グラスパの実施形態のさらなる利点は、フィンガは広く採用されているポリマー成形技術を使用して安価に製造でき、それによって、コストを削減できることである。この製造方法は堅牢な構造も提供する。

本明細書で説明されるロボットグラスパの利点は、装置のハードウェアを変更することなく幅広い範囲の物体のサイズおよび形状を取り扱う能力を含んでもよい。ロボットグラスパの実施形態は、精密な検知および制御を必要とせずに、多様な物体を取り扱うこともでき、それによって、コストを削減し、信頼性を向上させる。ロボットグラスパは安価に製造でき、予期せぬ衝撃に対して堅牢であることができ、保守または交換を必要とするまでの耐用年数を長くすることができる。さらに、指先リンクの位置および向きの制御は、たとえば、本明細書で説明されるグラスパの実施形態におけるフィンガの能動的および受動的な変位の独立性により、他のロボットのグリッパ／グラスパの設計と比較して、より大きな確実性および精度で実行することができる。

図１は、４バー構造を有するフィンガ１０の略図であり、指先リンク１６と、前方リンク１８と、後方リンク１９と、基部リンク２２と、基部リンク２２に画定される取付穴２４とを含む。 図２は、エラストマから形成される一体構造のフィンガ１０を示す。 図３は、２本の対向するフィンガ１０を有するロボットグラスパ１２の略図である。 図４は、広げられた３本のフィンガ１０を有するグラスパ１２を示す。 図５は、フィンガ１０が基部リンク２２で能動的に回転するとき、フィンガ構成要素の相対的な位置および向きがどのように動かないかを示す。 図６は、フィンガ１０の指先リンク１６上の接触からの外力１４が接合部２６での枢動を受動的にどのように引き起こし、指先リンク１６および基部リンク２２に対して前方リンク１８および後方リンク１９の位置および向きをどのように変えるかを示す。 図７は、図２のエラストマフィンガ１０を示し、外力は、前方および後方リンク１８および１９の「せん断」を発生させる。 図８は、図２のエラストマフィンガ１０を示し、外力は、図７とは反対方向に、前方および後方リンク１８および１９の「せん断」を発生させ、前方および後方リンク１８および１９の構造に一体化されるハードストップ２０は、回転／進行方向変更の程度を制限する。 図９は、反時計回りに基部リンク２２を回転させる間に、図２のフィンガの前方リンク１８上の下方力１４が、前方および後方リンク１８および１９に対して指先リンク１６をどのように枢動させることができるかを示す。 図１０は、穴２４を介して取付ブロック３０に取り付けられて、物体２８を把持するように設置されたフィンガ１０を有するグラスパ１２を示す。 図１１は、フィンガ１０がそれらの基部リンク２２で回転し、指先リンク１６が包み込み把持によって物体２８のまわりを包むフィンガ１０と物体２８との間の接触をもたらした後の、図１０のグラスパ１２を示す。 図１２は、物体２８を把持するように設置されるフィンガ１０を有するグラスパ１２を示し、物体２８は図１０よりも基部リンク２２からさらに外側に設置されている。 図１３は、フィンガ１０がそれらの基部リンク２２で回転し、指先リンク１６がピンチ把持によって物体２８を把持する指先リンク１６と物体２８との間の接触をもたらした後の、図１２のグラスパ１２を示す。 図１４は、前方および後方リンク１８および１９が非平行であるフィンガ１０を示し、回転中心３４を示す。 図１５は、図１４のフィンガ１０を示し、指先リンク１６が受動的接触力１４でどのように枢動するかを示す。 図１６は、平行リンク１８および１９を有するフィンガ１０を示す。 図１７は、図１６のフィンガ１０を示し、受動的接触力１４がどのように指先リンク１６の直線的な（非回転の）たわみをもたらすかを示す。 図１８は、フィンガ１０が物体２８上に押されるとき、平行リンク機構の機能がフィンガ１０をゆるやかに曲げるグラスパ１２を示す。 図１９は、グラスパ１２が下向きに押されたとき、フィンガ１０が物体２８全体にさらに広げられ、指先リンク１６が横にずれて、物体２８の輪郭のまわりの直線的なたわみによって枢動する、図１８のグラスパ１２を示す。 図２０は、前方および後方リンク１８および１９の形状によって提供されるハードストップ２０を示し、ハードストップ２０が他の表面と衝突するリンクの可動域を制限し、それによってフィンガ１０の広がりすぎを防いで、移動の限界での受動的柔軟性を低減する。 図２１は、前方および後方リンク１８および１９の形状によって提供されるハードストップ２０を示し、ハードストップ２０が他の表面と衝突するリンクの可動域を制限し、それによってフィンガ１０の広がりすぎを防いで、移動の限界での受動的柔軟性を低減する。 図２２は、リンクの形状が他の実施形態におけるそれらから変更され、ハードストップ２０が作動するピボット場所を変えたフィンガ１０を示す。この実施形態は、基部リンク２２および指先リンク１６のより細い前方および後方リンク１８および１９、ならびに直交して配置された端部３２を特徴とする。 図２３は、指先リンク１６に下向きの力１４が作用する、図２２のフィンガ１０の可動領域を示す。 図２４は、指先リンク１６に上向きの力１４が作用する、図２２のフィンガ１０の可動領域を示す。 図２５は、フィンガ接合部２６が指先リンク１６の面外柔軟性をどのように可能とするかを示し、柔軟性の程度は接合部２６の幅の関数である。 図２６は、フィンガ接合部２６が指先リンク１６の面外柔軟性をどのように可能とするかを示し、柔軟性の程度は接合部２６の幅の関数である。 図２７は、フィンガ接合部２６が指先リンク１６の面外柔軟性をどのように可能とするかを示し、柔軟性の程度は接合部２６の幅の関数である。 図２８は、相補形状の軸に取り付けるための、長方形の穴２４を有するフィンガ１０を示す。 図２９は、相補形状の軸に取り付けるための、六角形の穴２４を有するフィンガ１０を示す。 図３０は、相補形状の軸に取り付けるための、スプライン状の穴２４を有するフィンガ１０を示す。 図３１は、複数の軸に取り付けるための複数の穴２４を画定する基部リンク２２を有するフィンガ１０を示す。 図３２は、取付ブロック３０のそれぞれの穴３８に取り付けるための複数の隆起したすべり止め３６を含む基部リンク２２を有するフィンガ１０を示す。 図３３は、取付ブロック３０の相補的な穴３８に取り付けられる急速に変化するすべり止め３６を有するフィンガを示す。 図３４は、取付ブロック３０の相補的な穴３８に取り付けられる急速に変化するすべり止め３６を有するフィンガを示す。 図３５は、取付ブロック３０の相補的な穴３８に取り付けられる急速に変化するすべり止め３６を有するフィンガを示す。 図３６は、フィンガのより剛性の高いコアを鋳造するための第１の成形型４０（開位置で開かれている）を示す。 図３７は、第１の成形型４０から製造されたより剛性の高いコア上に良好な把持面を提供するために軟かいゴムコーティングを鋳造するための、開かれた第２の成形型４２を示し、押型４０および４２で鋳造されたフィンガ１０が所定の位置に示される。 図３８は、２つの基部リンク２２を含むフィンガ１０の代替的な実施形態を示し、２つの基部リンク２２のそれぞれは取付ブロック３０に個別に取り付けられる。 図３９は、後方リンク１９が金属から形成される、フィンガ１０の代替的な実施形態を示す。 図４０は、剛性の高い挿入物４４が後方リンク１９および指先リンク１６に含まれる、フィンガ１０の代替的な実施形態を示す。 図４１は、インモールドベルトまたは他の張力要素が前方リンク１８として働く、フィンガ１０の代替的な実施形態を示す。 図４２は、圧縮下で変形可能である成形完全柔軟リンクが前方リンク１８として働く、フィンガ１０の代替的な実施形態を示す。 図４３は、基部リンク２２に組み込まれたピン接合を有する金属後方リンクの代替的な実施形態による、フィンガ１０の実施形態を示す。 図４４は、触覚センサ４６と、磁力計４８と、磁力計４８によって読み取られる磁石５０と、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）加速度計、ＭＥＭＳジャイロスコープ、およびＭＥＭＳ慣性測定ユニットから選択される１つまたは複数のさらなるセンサ５２とを含む、組込形（インモールド）センサを有する一体構造のフィンガ１０を示す。また、外部に取り付けられた磁力計５４も示されている。 図４５は、指先リンク１６の代替的な形状を有するフィンガ１０を示す。特に、前進型指先リンク１６を示す。 図４６は、指先リンク１６の代替的な形状を有するフィンガ１０を示す。特に、デザインの基本的な受動的行動を変えることがない、後退型指先リンク１６を示す。

添付の図面における異なる図全体を通して、類似の参照文字は同一または類似の部分を指し、アポストロフィは、同一の参照数字を共有する同一または類似の物品の複数の例を区別するために使用する。図面は必ずしも縮尺通りではなく、代わりに、後述される事例における特定の原理の説明を強調している。

本発明の広い範囲に包含される様々な概念および具体的な実施形態を以下により詳細に説明することによって、本発明の様々な態様の上述のおよび他の特徴および利点が明らかになるであろう。上の導入部分に記載し、後により詳細に述べる主題の様々な態様は、この主題が特定の実施方法に制限されない限り、多くの方法のいずれかで実施することができる。具体的な実施および適用の例は、主として説明を目的として示す。

本明細書において、別途定義されるか、用いられるか、または特徴付けされない限り、本明細書で用いられる用語（技術用語および科学用語を含む）は、関連技術に照らして許容される意味と一貫性のある意味を持つと解釈すべきであり、本明細書で明示的に定義されない限り、理想的、または過度に画一化された意味を持つと解釈すべきでない。たとえば、特定の組成について言及する場合、その組成は、実際には、完全ではないが実質的には純粋なものとすることができ、現実に不完全な組成が適用されてもよく、たとえば、少なくとも微量不純物（１％または２％未満など）が存在していても、本願明細書の範囲内であると考えることができる。同様に、特定の形状について言及する場合、その形状には、たとえば、製造公差に起因して理想的な形状から外れたばらつきが存在していてもよい。特定の例において、本明細書に説明される機器の実施形態は、おおよそ「接合部」として機能するリンク機構における薄い部分を利用し、それは接合部の最も理想的または純粋な事例として認識されることがあるものを満足しなくてもよい（これらのリンクは非常に短いストリップにわたる曲げによって枢動するが、厳密に言うと、単一点ではないため）。それにもかかわらず、これらの種類の構造は本明細書における「接合部」を表すと認識されるが、それは、任意の結果として得られる違いがそれらの機能を大きく妨げないためである。本明細書で表現される百分率または濃度は、重量または体積のいずれで表されてもよい。

第１、第２、第３などの用語は、本明細書において様々な要素を説明するために用いることができるが、これらの要素は、これらの用語により限定されるものではない。これらの用語は、単に、１つの要素を他から区別するために用いられる。したがって、以下で説明する第１の要素は、例示的な実施形態の教示から逸脱することなく、第２の要素と名付けることができる。

本明細書では、「上に（ａｂｏｖｅ）」「下に（ｂｅｌｏｗ）」「左に（ｌｅｆｔ）」「右に（ｒｉｇｈｔ）」「前に（ｉｎ ｆｒｏｎｔ）」「後ろに（ｂｅｈｉｎｄ）」など、空間において相対的な位置を表す用語を、図示する１つの要素と別の要素との関係を説明する記述を容易にするために用いている。当然であるが、空間において相対的な位置を表す用語および図示した構成は、本明細書で説明し、図面で示している向きに加えて、使用時または運転時の機器の様々な向きを包含する。たとえば、別の要素または部分の「下に（ｂｅｌｏｗ）」または「真下に（ｂｅｎｅａｔｈ）」と説明された要素は、図示している機器を反転させると、別の要素または部分の「上に（ａｂｏｖｅ）」配置される。したがって、例示的な用語「上に（ａｂｏｖｅ）」は、上および下の向きを両方包含することができる。機器は、図示している方向と異なる方向を向いていてもよく（たとえば、９０度または他の角度で回転させてもよく）、本明細書で用いている空間において相対的な位置を表す用語は、これに従って解釈される。

さらに、本開示において、１つの要素が別の要素に「配置される（ｏｎ）」、「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ）」、「つなげられる（ｃｏｕｐｌｅｄ ｔｏ）」、または「接触している（ｉｎ ｃｏｎｔａｃｔ ｗｉｔｈ）」など、という場合、別途指定しない限り、この要素は、別の要素に直接的に配置されるか、接続されるか、つなげられるか、または接触してよいし、あるいは他の要素が介在していてもよい。

本明細書で用いられる用語は、特定の実施形態を説明するためのものであり、例示的な実施形態を限定することはない。本明細書において、「１つの（ａ、ａｎ）」などの単数形は、文脈が別途示さない限り、複数形も含む。さらに、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ、ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、記載された要素またはステップの存在を特定しているが、１つまたは複数の他の要素またはステップの存在または追加を排除するものではない。

加えて、本明細書に示される様々な構成要素は、組み立てられた形態および仕上げられた形態で提供することができる、あるいは構成要素の一部または全てを１つにパッケージングして、顧客が組立および／または変更を行って最終製品にするための取扱説明書（たとえば、書面、ビデオ、または音声形式）とともにキットとして市販することができる。

本明細書で説明されるロボットグラスパ１２は、たとえば、ロボットによるピッキングの用途のために使用することができる。グラスパ１２はロボットアームの端部に配置することができ、フィンガ１０は、物体２８のまわりに位置付けて、把持の前後にグラスパのアプローチ径路を案内するカメラおよび制御システムによって案内することができる。確実かつ堅牢にこれを行うために、グラスパ１２は以下の特徴を示すことができる。

第１に、グラスパ１２は、物体２８を傷つけるまたは物体２８をひっくり返すことなく、持ち上げる物体２８の形状に一致または「適合する」。この把持は、精密な触覚的または視覚的なセンサシステムによって実現することができるが、これらのシステムのコストは急激に高価になることがある。その代わりに、単純かつ安価な受動的機構を、この所望の適応挙動を支配するために使用することができる。

第２に、グラスパ１２は、環境における障害物（たとえば、壁、荷物またはごみ箱、ロボットアーム、オペレータなど）との不慮の接触に対して堅牢であるように作ることができ、その結果、ロボットは各衝突後の修理を必要としない。

第３に、上記の最初の２つの特徴の根拠となるグラスパ１２の受動的柔軟性は調整可能であり、いくつかの接触力１４から生じる任意の方向への運動の量は制御可能である。特に、フィンガ１０の面外柔軟性（物体２８に接触する表面に垂直な運動）を調整することは、面内柔軟性と比較して有利である。

第４に、グラスパ１２は、従来の加工プロセスによって安価に製造できる。

第５に、グラスパ１２は、グラスパの物体への接近方向と平行にフィンガ１０を押しつけることによって、丸くなるまたは曲がるフィンガ１０なしで、物体２８を持ち上げることができる。図１８および１９は、この押しつけ運動を示す。

第６に、グラスパ１２は、物体２８を確実に把持できる可能性があり、図１０〜１３に示されるように、指先リンク１６、または、複数のフィンガリンクとの接触によって、ロボットの手首に対して固定されるまま保持する。

このグラスパ１２の革新的な特徴は、図１に概略的に示されるフィンガ１０で明らかであり、フィンガ１０は把持された物体２８と接触し、そのため、所望の適応挙動を示す。特定の実施形態において、フィンガ１０は、図２に示されるように、（ウレタンまたは加硫ゴムなどの）安価な注型エラストマの一体構造の部品であり、近位側の中央に孔１５を有し、たわみまたはリビングヒンジ接合部２６を有するリンク機構を形成する。これらのフィンガ１０は、少なくとも１つの回転接合部２６によって基部リンク２２で作動する。フィンガ１０はたとえば平面でのみ作動することができる、または、作動する普遍的な接合部によって２つの方向に作動することができる。代替の実施形態において、フィンガ１０のリンクのうちの１つまたは複数は、金属から形成されて、さらなる剛性を提供し、曲がる可能性を減少させることができる。

フィンガ１０は、図５〜９に示されるように、可能な運動の以下の２つの異なる組を有する。（ａ）基部リンク２２でアクチュエータによって引き起こされる能動的運動、および、（ｂ）前方、後方、または指先リンク１８、１９、または１６上への接触力１４によって引き起こされる受動的運動。能動的運動は、フィンガ１０を回転させて、単一の剛体と解釈し、一方、受動的運動は、内部の柔軟な変形をもたらす。運動のこれらの２つの組は、図１０〜１３に示されるように、物体２８を把持するために使用することができる。フィンガ１０が能動的に閉まると、物体２８と接触し、フィンガ１０は受動的に変形する。２つの運動の組合せが、グラスパ１２を物体の形状に一致させる。

本明細書に開示されるフィンガ１０の変形は、特定の区域に局所化され、ゴムの実質的に変化する厚さは、運動を単純な４バーリンク機構のようにする。

リンク２２、１８、１９、および１６は、図１４の設計に示されるように先端で接触するのではなく、（リンク全体の接合部を接続するラインから測定すると）略平行であり、それがフィンガ１０において非常に異なる受動的なたわみをもたらす。指先リンク１６と接触したときに（図１５に示されるように）回転するのではなく、現在の設計のフィンガ１０は、図１６および１７の画像に示されるように、回転することなく後方に（背面に）移動する。

この設計の１つの利点は、図１８および１９に示されるように、丸くなるまたは曲がることなく、フィンガ１０を物体２８上に押しつけることができることである。

フィンガ１０の受動的運動に対する限度は、フィンガ１０がその移動の限度にあるとき接触する接触面を含む、フィンガ１０の孔１５の形状を設計することによって実現することができる。図２０および２１は、特定の実施形態のハードストップ２０がどのように働くかを示す。この孔１５の形状を変えることによって、図２２〜２４から分かるように、面内運動の限度を調整することができ、ここで、前方および後方リンク１８および１９はより細く、基部リンク２２および指先リンク１６は直交する（垂直）端面３２を有する。

この設計の実施形態は、図２５〜２７に示されるように、指先リンク１６の比較的大きい面外柔軟性を特徴とする。フィンガ１０が物体２８または障害物と接触するとき、（おおよその）接合部２６はねじれて、指先リンク１６のたわみを可能にする。このたわみは、たわみ接合部２６の形状を変えることによって調整することができる。特に、（フィンガ１０に沿った）接合部の長さに対する接合部の幅の比率は、接合部２６をどれだけねじることができるかについて影響を与える。一体／一体構造のリンク機構構造の接合部２６は、（前方および後方リンク１８および１９のかさの５分の１以下または１０分の１以下の厚さである主要な変位面で測定される厚さを有することができ（たとえば、接合部２６の約１または２ｍｍの厚さ対前方および後方リンク１８および１９の約１ｃｍのかさ厚さ）、それによって、前方および後方リンク１８および１９のそれぞれのかさの曲げ弾性率の５分の１以下である曲げ弾性率を有する。

さらに、指先リンク１６の接触面は、ユーザがフィンガ１０を物体２８でまたはその間ですべらせる（低摩擦）、あるいは、物体２８を確実に把持する（高摩擦）のいずれを望むかに応じて、（たとえば、フィンガ１０の他の面より低いまたは高い摩擦成分を有する）比較的低摩擦の材料または比較的高摩擦の材料のいずれかから形成できる。いずれの場合も、指先リンク１６は、指先リンク１６を前方および後方リンク１８および１９より４倍剛性の高い材料および／または構造で形成できる。

この設計の１つの利点は、オペレータの手以外の任意のツールなしで、グラスパフィンガ１０をグラスパ１２上ですばやく変更できる容易さである。図２８〜３２は、フィンガ１０の面上のすべり止め３６、または、フィンガ基部リンク２２における（たとえば、スプライン、矩形、卵形、角丸長方形、六角孔などの形状の）丸くない穴２４を含む、グリッパのフィンガ取付ブロック３０にフィンガ１０を取り付けるために使用できる様々な嵌合機能を示す。取付ブロック３０の上のフィンガ１０の着脱が容易な取付が、図３３〜３５に示される。

製造方法でも言及されるロボットグラスパ１２の実施形態の別の特徴は、異なる材料属性を有する複数の流し込みプラスチックの使用である。開示される設計において、たとえば、より剛性の高いウレタンは、リンク１６、１８、１９、および２２、ならびに接合部２６を形成するために使用することができ、より柔軟なウレタンは、指先リンク１６上のゴムグリップパッドのために使用することができる。

代替的な実施形態
基部リンクでの並進および回転作動の組合せ
特定の実施形態において、フィンガ１０は、（たとえば、取付ブロック３０から延在する回転軸を介して）回転モータでのみ作動する。しかしながら、空気圧式摺動部材またはリンク機構を、さらにまたは代わりに使用することでき、並進および回転運動の組合せをもたらす。

非平行リンク機構の行動
モジュール設計を有するフィンガ１０は、利点を提供することができる。たとえば、多くの異なる４バーリンク機構設計を、同じグリッパにすばやく変えることができる。図１４および１５に示される非平行設計は、リビングヒンジ接合部２６による一体構造の部品としても実現することができる。

繊維構造要素
ストリング、ベルト、または布ストリップを一体構造のフィンガ１０に鋳込み、圧縮荷重を支持する必要がないリンクを形成することができる。たとえば、図４１は、表側（掌側）近位リンクがベルトで交換された設計を示す。繊維材料はまた、ゴム自体に鋳込むこともでき、接合部２６の剛性を変える、または、繊維方向を変えることによって接合部２６の面外剛性を変えることができる。

鋳込材料から作られる薄い柔軟要素
前の特徴と同様に、グラスパ１２の典型的な使用中に緊張状態でない要素は、より薄い注型エラストマから作ることができ、その結果、要素は図４２に示されるように連続的に変形する。

圧縮状態のリンクの剛性挿入物
フィンガ１０のいくつかの要素は、典型的な使用事例の間（指先リンク１６で、または、フィンガ１０の全長で把持する間）、圧縮状態にある。任意のリンクは、図４０に示されるように、金属、プラスチック、プリント回路基板、または同様の材料から作られるインモールド挿入物４４の使用によって剛性を高くすることができる。

ピンを介してフィンガに接続される剛性リンク
前の特徴に代わるものとして、個別の材料から作られるリンクは、ピン接合２６を使用して構造にピン留めすることができる。個別の材料の構造へのピン留めを実行し、主に、図４３に示されるように、フィンガリンクの圧縮の剛性を改善することができる。

開リンク機構
閉じた孔１５を作成することによってリンク機構を形成するのではなく、フィンガ１０は、２本の「脚」を有する一体のものとして成形することができ、図３８に示されるように、それぞれはいくつかの剛性取付ブロック３０に個別に取り付けられる。

センサ
図４４に示されるように、接触、接触圧、または変形のためのセンサ４６、４８、または５２は、鋳込フィンガ本体に組み込むことができる。たとえば、触覚センサ４６はゴムに鋳込むことができ、磁気センサ４８および磁石５０、または加速度計５２は、フィンガの形状および向きを測定するために使用することができる。

３Ｄ柔軟性を調整するためのリンク機構形状の変更
挿入物を加えて選択的に接合部２６の剛性を高くする、または、フィンガ１０の接合部２６の幅を変えることのいずれかによって、リンク機構形状の変更を実現することができる。より広い接合部は三次元的に剛性が高く、より狭い接合部はより柔軟である（図２５〜２７参照）。

遠位フィンガ形状の変更による指先リンクに対する受動的運動の方向の変更
図２０に示される特定の実施形態は、受動的運動の方向に垂直な指先リンク１６の掌側面を配置する（最初は近位リンクに平行）。この構成は、図４５および４６に示されるように、指先リンク１６の方向的剛性を変えるために変更することができる。

製造方法
フィンガ１０を製造する方法は、フィンガ１０を１つまたはいくつかのエラストマ材料から（たとえば、１つまたは複数の熱可塑性エラストマから）単一の一体部品として（分離可能な構成要素からではなく）鋳込むことである。この鋳込は、ウレタンまたは加硫ゴムなどの、熱可塑性材料または熱硬化性材料で行うことができる。図３６および３７は、特定の実施形態における、フィンガ本体を構成するより剛性の高いエラストマのための第１の成形型４０（図３６）と、より軟かいエラストマ指先リンク１６のための第２の成形型４２（図３７）とを含む、フィンガ１０の成形型を示す。部品は第１の成形型４０に鋳込まれ、次いで、オーバーモールドのために第２の成形型４２に移される。この製造方法は、以下を含む上記の属性を有するフィンガ１０を有するグラスパ１２をつくるために使用することができる。
・インモールド４バー機構
・高い面外柔軟性
・作動する基部リンク２２および完全な内部受動的運動

これらのフィンガ１０およびグラスパ１２を製造するために使用できるいくつかの製造方法が以下に説明される。

触覚および形状／方位センサの一体構造フィンガ本体への鋳込
グラスパ１２の様々な実施形態において、フィンガ１０の受動的変形を検知するための磁石５０は、フィンガ１０に組み込むことができる。図４４は、これを行う多数の方法を示す。たとえば、ＭＥＭＳ気圧トランスデューサは、触覚検知のために注型エラストマ部分に組み込むことができる。

属性を変更するエラストマを組み入れる複数の段階での鋳込
前記のように、これらのフィンガ１０の設計に組み入れることができる多数の異なる材料属性があり、これらの異なる属性は、単一の一体構造のフィンガ１０に複数の材料を使用することにより提供することができる。異なる属性を提供する異なる材料の組み込みの例は、以下を含む。
・より剛性が高いことを意図するリンクへのより剛性が高い材料の鋳込
・低クリープまたは高疲労寿命の材料からのたわみまたはリビングヒンジ接合部２６の鋳込
・耐摩耗材料の指先パッドの鋳込
・高摩擦材料の指先パッドの鋳込
・軟かい材料の指先パッドの鋳込
・食品安全性材料の指先パッドの鋳込

挿入物のフィンガへの鋳込による接合部またはリンクの剛性の変更
剛性を向上させるためにフィンガ１０に鋳込むことができる挿入物４４の例は、金属、プラスチック、プリント回路基板、繊維、織物ストリップ、またはベルトを使用することを含む。

機能を取り付けるための一体構造フィンガへのファスナの鋳込
取付のために一体構造フィンガ１０に鋳込まれるファスナは、ブッシュ、軸受、ブラケット、またはねじ切りインサートを含む。

代替的な製造技術
他の実施形態において、リンク機構は、たとえばシートゴムからの機器の打ち抜きまたは切断などの、他の技術によって形成することができる。さらに他の実施形態において、リンク機構は三次元（３Ｄ）印刷することができる。

消耗品としての加工
いくつかのこれらの加工技術による低コスト、およびそれに応じたロボットフィンガ１０の低コストにより、特に、フィンガ１０の基部リンク２２は、グラスパ１２のアクチュエータ（たとえば、回転モータ軸）上へまたはその中へフィンガ１０の基部リンク２２を摺動するための単純な穴２４または他の接続構造で設計することができるので、フィンガ１０はグラスパ１２での使用後に頻繁に交換することができる。

例示的な用途
本明細書に説明されるフィンガ１０およびグラスパ１２は、機械の積卸し、ならびに部品をパレットおよび輸送コンテナに入れるなどの、製造および包装プロセスの一部としての、あるいは、注文実行（たとえば、倉庫棚からの商品のピッキング、または、輸送のための食料雑貨の包装）のための、物体２８の取得および移動に使用することができる。他の実施形態において、グラスパ１２は、食品の取扱いのために使用することができ、ここで、フィンガ１０の外面は、医学的用途のための殺菌可能な、医療グレードのエラストマ材料から形成される（たとえば、外科手術用、または、伝染性の強い疾患の患者の治療用）。さらに、上記の技術によって作られる殺菌可能フィンガ１０によって作られるグラスパ１２は、クリーンルーム環境で使用することができる（たとえば、半導体製造プロセスで半導体ウェーハを扱うため）。これらのグラスパ１２の使用により、たとえば、医薬、コロンまたは香水、化粧品、法的手続に関連する証拠などの手動での人間の取扱いと比較して、非柔軟性または漏出も低減することができる（たとえば、取扱いミスの減少、特定の取扱い手順に従いそこなう可能性および／または窃盗の可能性の減少）。

本発明の実施形態の説明において、明確にするために特定の専門用語が使用される。説明のために、特定の用語は少なくとも、同様の結果を達成するために同様の方式で機能する技術的および機能的均等物を含むものとする。加えて、本発明の特定の実施形態が複数のシステムの要素または方法のステップを含むいくつかの場合には、これらの要素またはステップは、単一の要素またはステップで置き換えることができ、同様に、単一の要素またはステップは、同じ目的を果たす複数の要素またはステップで置き換えることができる。さらに、様々な特性のパラメータ、または他の値が、本発明の実施形態について本明細書で指定される場合、これらのパラメータ、または値は、特段の記載がない限り、１００分の１、５０分の１、２０分の１、１０分の１、５分の１、３分の１、２分の１、３分の２、４分の３、５分の４、１０分の９、２０分の１９、５０分の４９、１００分の９９などにすること（または１倍、２倍、３倍、４倍、５倍、６倍、８倍、１０倍、２０倍、５０倍、１００倍などにすること）、またはこれらの四捨五入の近似によって上下に調整することができる。さらに、本発明は、その特定の実施形態を取り上げて図示し、説明してきたが、当業者であれば、形態および細部における様々な置換および変更が、本発明の範囲から逸脱することなく、この特定の実施形態で可能であることを理解されよう。さらになお、他の態様、機能、および利点も本発明の範囲内であり、本発明の全ての実施形態は、必ずしも全ての利点を達成しなくてもよいし、または上記の特性の全てを有していなくてもよい。加えて、１つの実施形態に関連して本明細書で説明されるステップ、要素、および特徴は、他の実施形態とともに同様に使用することができる。本明細書の全文中で言及される文献の文章、定期刊行物の記事、特許、特許出願などを含む参考文献の内容は、参照によりそれらの全内容が本明細書に組み入れられ、かつこれらの参考文献の適切な構成要素、ステップ、および特徴付けは、本発明の実施形態に含まれてもよいし、または含まれなくてもよい。なおさらに、背景技術のセクションで確認した構成要素およびステップは、本開示に不可欠であり、本発明の範囲内の開示におけるその他の部分で記載される構成要素およびステップとともに使用してもよいし、またはこれらの代わりに使用してもよい。方法の請求項では、参照を容易にするために付加された連続した前置きの参照記号があってもなくても、段階が特定の順序で述べられる場合は、これらの段階は、特段の記載がない場合または語および句によって示されていない場合は、述べられた順序に時間的に限定されると解釈するべきではない。

Claims (23)

1. 複数バーフィンガリンク機構であって、
   ａ）指先リンクと、
   ｂ）前記指先リンクからのリンク機構の反対側の端部の少なくとも１つの基部リンクであって、前記基部リンクが取付構造を含む、基部リンクと、
   ｃ）第１の組のそれぞれの受動的接合部で前記指先リンクと接合され、第２の組のそれぞれの受動的接合部で前記基部リンクと接合される前方リンクおよび後方リンクであって、前記受動的接合部間の直線接続が略平行四辺形の形態の形状を形成し、前記前方および後方リンクにわたる直線接続を可能にして、複数バーフィンガリンク機構が外部物体に接触するまでかつ接触しない限り、前記前方および後方リンクが、前記指先リンクの向きを実質的に変えることなく前記基部リンクのまわりを枢動するとき、互いに略平行を維持する、前方リンクおよび後方リンクとを含み、前記複数バーフィンガリンク機構が、外部物体との接触により、前記前方および後方リンクに対する前記指先リンクの方向が、前記第１の組のそれぞれの受動的接合部及び前記第２の組のそれぞれの受動的接合部の双方を中心とした前記前方および後方リンクの受動的枢動を介して変化するように構成された、複数バーフィンガリンク機構と、
   前記基部リンクとつながれ、前記複数バーフィンガリンク機構を前記基部リンクのまわりで回転させるアクチュエータと
   を備える
   ことを特徴とする柔軟適応ロボットグラスパ。
2. 請求項１に記載の柔軟適応ロボットグラスパにおいて、
   前記複数バーフィンガリンク機構が一体構造であり、
   前記受動的接合部が、前記複数バーフィンガリンク機構のより柔軟で薄い部分によって提供される
   ことを特徴とする柔軟適応ロボットグラスパ。
3. 請求項２に記載の柔軟適応ロボットグラスパにおいて、
   前記リンクの少なくとも１つに組み込まれて、リンクの外部物体との接触を検出するように構成される少なくとも１つの触覚センサをさらに備える
   ことを特徴とする柔軟適応ロボットグラスパ。
4. 請求項２に記載の柔軟適応ロボットグラスパにおいて、
   前記リンクの少なくとも１つに組み込まれて、フィンガ姿勢および振動を検出するように構成される少なくとも１つの慣性測定装置をさらに備える
   ことを特徴とする柔軟適応ロボットグラスパ。
5. 請求項２に記載の柔軟適応ロボットグラスパにおいて、
   少なくとも１つの磁石と少なくとも１つの磁力計とをさらに備え、
   前記磁石および磁力計のうちの少なくとも１つが、前記リンクの少なくとも１つに組み込まれる
   ことを特徴とする柔軟適応ロボットグラスパ。
6. 請求項２に記載の柔軟適応ロボットグラスパにおいて、
   前記リンクの少なくとも１つがハードストップを提供する切取部を含み、前記前方リンクおよび前記後方リンクが枢動できる範囲を制限する
   ことを特徴とする柔軟適応ロボットグラスパ。
7. 請求項１に記載の柔軟適応ロボットグラスパにおいて、
   前記複数バーフィンガリンク機構が、少なくとも１つのエラストマ材料から形成される
   ことを特徴とする柔軟適応ロボットグラスパ。
8. 請求項７に記載の柔軟適応ロボットグラスパにおいて、
   前記複数バーフィンガリンク機構が複数の材料を備え、
   前記指先リンクが、前記複数バーフィンガリンク機構の他の面より低いまたは高い摩擦係数を有する表面を含む
   ことを特徴とする柔軟適応ロボットグラスパ。
9. 請求項１に記載の柔軟適応ロボットグラスパにおいて、
   前記グラスパが、複数の前記複数バーフィンガリンク機構と、各複数バーフィンガリンク機構のためのそれぞれの回転アクチュエータとを含む
   ことを特徴とする柔軟適応ロボットグラスパ。
10. 請求項９に記載の柔軟適応ロボットグラスパにおいて、
    各回転アクチュエータが取り付けられるロボットアームをさらに備える
    ことを特徴とする柔軟適応ロボットグラスパ。
11. 請求項１に記載の柔軟適応ロボットグラスパにおいて、
    前記基部リンクとつながれる前記アクチュエータが、任意の前記リンクとつながれる唯一のアクチュエータである
    ことを特徴とする柔軟適応ロボットグラスパ。
12. 請求項１に記載の柔軟適応ロボットグラスパにおいて、
    前記前方および後方リンクが、指定された４つを越えるさらなる接合部なしで、前記指先リンクを前記基部リンクと直接接合する
    ことを特徴とする柔軟適応ロボットグラスパ。
13. 指先リンクと、
    前記指先リンクからのリンク機構の反対側の端部の少なくとも１つの基部リンクであって、前記基部リンクが取付構造を含む、基部リンクと、
    第１の組のそれぞれの受動的接合部で前記指先リンクと接合され、第２の組のそれぞれの受動的接合部で前記基部リンクと接合される前方リンクおよび後方リンクであって、前記受動的接合部間の直線接続が略平行四辺形の形態の形状を形成し、前記前方および後方リンクにわたる直線接続を可能にして、前記複数バーフィンガリンク機構が外部物体に接触するまでかつ接触しない限り、前記前方および後方リンクが、前記指先リンクの向きを実質的に変えることなく前記基部リンクのまわりを枢動するとき、互いに略平行を維持し、前記複数バーフィンガリンク機構が、外部物体との接触により、前記前方および後方リンクに対する前記指先リンクの方向が、前記第１の組のそれぞれの受動的接合部及び前記第２の組のそれぞれの受動的接合部の双方を中心とした前記前方および後方リンクの受動的枢動を介して変化するように構成された、前方リンクおよび後方リンクと
    を含む、
    ことを特徴とする柔軟適応ロボットグラスパのための複数バーフィンガリンク機構。
14. 請求項１３に記載の複数バーフィンガリンク機構において、
    各リンクの少なくともコアが、成型された第１のエラストマから形成される一体構造の他のリンクのそれぞれの少なくともコアと接合される
    ことを特徴とする複数バーフィンガリンク機構。
15. 請求項１４に記載の複数バーフィンガリンク機構において、
    少なくとも前記指先リンクの前記成型された第１のエラストマのコアが、第２のエラストマのコーティングで被覆され、
    前記第２のエラストマが、前記第１のエラストマより高いまたは低い摩擦係数を有する、
    ことを特徴とする複数バーフィンガリンク機構。
16. 複数の複数バーフィンガリンク機構を内向きに回転させることであって、各複数バーフィンガリンク機構が、指先リンクと、前記指先リンクからのリンク機構の反対側の端部の、取付構造を含む少なくとも１つの基部リンクと、第１の組のそれぞれの接合部で前記指先リンクと接合され、第２の組のそれぞれの接合部で前記基部リンクと接合される前方リンクおよび後方リンクであって、前記接合部間の直線接続が平行四辺形の形態を実質的にとる形状を形成し、前記前方および後方リンクにわたる直線接続が、前記複数バーフィンガリンク機構が外部物体に接触するまで、前記前方および後方リンクが、前記指先リンクの向きを実質的に変えることなく前記基部リンクから枢動するとき、互いに略平行のままである、前方リンクおよび後方リンクとを含む、内向きに回転させることと、
    前記複数バーフィンガリンク機構の間で外部物体に接触することであって、その点で、前記指先リンクが前記前方および後方リンクに対して枢動し、前記基部リンクの能動的な枢動と独立して、受動的に枢動する、接触することと
    を含む、
    ことを特徴とするロボット的に把持する方法。
17. 請求項１６に記載の方法において、
    前記外部物体に、各リンク機構の前記前方リンクが接触し、
    その接触後、前記指先リンクが、前記前方および後方リンクに対してかつ前記外部物体に沿って内向きに枢動する
    ことを特徴とする方法。
18. 請求項１６に記載の方法において、
    前記外部物体に、各リンク機構の前記指先リンクが接触し、
    前記指先リンクが前記外部物体と接触すると、前記外部物体に対するかつ互いに対する前記指先リンクの向きが固定されるままである
    ことを特徴とする方法。
19. 請求項１８に記載の方法において、
    前記指先リンクが前記外部物体と接触した後、そして前記基部リンクが枢動し続けるとき、前記指先リンクの接触面が互いに平行なままであり、前記指先リンクが、各指先リンクが接合される前記前方および後方リンクに対する前記指先リンクの枢動を介して互いに平行なままであり、前記指先リンクの枢動が他のリンクの作動から分離される
    ことを特徴とする方法。
20. 請求項１６に記載の方法において、
    使用後、人間の手を越えたツールを使わずに、前記複数バーフィンガリンク機構を交換することをさらに含む
    ことを特徴とする方法。
21. 請求項１６に記載の方法において、
    前記外部物体の方へ前記複数バーフィンガリンク機構を突き出すことをさらに含み、
    前記指先リンクと前記外部物体とが接触するとき、前記指先リンクの少なくとも１つが前記外部物体に沿って面外に弾性的に曲がる
    ことを特徴とする方法。
22. 請求項２１に記載の方法において、
    前記指先リンクの曲がりが前記接合部でのねじりの結果である
    ことを特徴とする方法。
23. 請求項１６に記載の方法において、
    前記複数バーフィンガリンク機構の回転が、前記基部リンクとつながれるアクチュエータによって、排他的に能動的に駆動され、一方、前記指先リンクは、前記基部リンクで前記アクチュエータによって提供される前記能動的な枢動と独立して、受動的に枢動する
    ことを特徴とする方法。

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