JP6811794B2

JP6811794B2 - 人工表皮構造

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Publication number: JP6811794B2
Application number: JP2019030436A
Authority: JP
Inventors: 隆介石▲崎▼
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2021-01-13
Anticipated expiration: 2039-02-22
Also published as: US20200269415A1; CN111604939A; US11559881B2; JP2020130781A; CN111604939B

Description

本発明は、ロボットハンドなどの表皮として用いられる人工表皮構造に関する。

対象物体から受ける圧力が小さい場合には当該対象物体に対して弱い摩擦力を作用させる一方、当該圧力が大きい場合には当該対象物体に強い摩擦力を作用させることができる、人間の皮膚の摩擦特性に近い摩擦特性を有する人工表皮構造（人工皮膚）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

具体的には、この人工皮膚は凹凸構造を有しており、対象物体がまず表皮膜の表面に形成された凸部に接触する。そして、対象物体の接触圧力の大きさが増加して凸部が沈下すると、接触対象物体は凹部（擬似皮膚膜の表面）とも接触するようになる。つまり、人工皮膚に対する対象物体の圧力が小さい場合には対象物体は凸部とのみ接する一方、人工皮膚に対する対象物体の圧力が大きい場合には対象物体は凸部および凹部の両方と接する。凸部の摩擦係数は凹部の摩擦係数より小さいので、人工皮膚に対する対象物体の圧力が小さい場合、当該圧力が大きい場合に比べて低い摩擦係数で摩擦が生じる。

特開２００４−２３００４１号公報

しかし、凸部が沈下する前の段階では当該凸部と対象物体との接触面積がほぼ変化せず、かつ、凸部が沈下した後の段階では当該凸部および凹部と対象物体との接触面積がほぼ変化しない。このため、人工皮膚から対象物体に作用する摩擦力の変化態様の幅が制限されてしまう。

そこで、本発明は、対象物体に作用する摩擦力の変化態様の幅の拡張を図ることができる人工表皮構造を提供することを目的とする。

本発明の人工表皮構造は、基体と、前記基体の表面から突出している複数の突起と、を備え、前記突起が可撓性を有するまたは前記基体に対して傾倒可能であり、前記突起の先端部の表面の摩擦係数が、前記突起の基部の表面の摩擦係数よりも小さいことを特徴とする。

当該構成の人工表皮構造によれば、対象物体から受ける力の強弱に応じて、当該対象物体との間で３つの異なる第１〜第３の接触状態が実現されうる。「第１の接触状態」は、複数の突起のそれぞれの先端部の表面のみが対象物体に対して接触している状態である。「第２の接触状態」は、対象物体から受ける力（基体表面からの突起の突出方向に対して垂直な方向の力成分を含む力）に応じて複数の突起のそれぞれが撓むまたは基体に対して傾倒することにより、複数の突起のそれぞれの先端部の表面に加えて基部の表面が対象物体に対して接触している状態である。「第３の接触状態」は、当該力の増大に応じて複数の突起のそれぞれがさらに撓むまたは基体に対して傾倒することにより、複数の突起のそれぞれの先端部および基部のそれぞれの表面に加えて、基体の表面が対象物体に対して接触している状態である。

人工皮膚構造が対象物体から受ける力が大きくなるにつれて、第１の接触状態、第２の接触状態および第３の接触状態の順で接触状態が遷移し、これにより人工皮膚構造と対象物体との接触面積が徐々に増大する。これとは逆に、人工皮膚構造が対象物体から受ける力が弱くなるにつれて、第３の接触状態、第２の接触状態および第１の接触状態の順で接触状態が遷移し、これにより人工皮膚構造と対象物体との接触面積が徐々に減少する。

また、突起の先端部の表面および基部の表面の摩擦係数が相違するため、第１の接触状態および第２の接触状態の間の遷移に際して、人工皮膚構造と対象物体との間に作用する摩擦力を、両者の接触面積の変化のみによる場合とは異なる態様で変化させることができる。よって、人工皮膚構造から、対象物体に作用する摩擦力の変化態様の幅の拡張を図ることができる。

当該構成の人工表皮構造によれば、突起の先端部の表面および基部の表面の摩擦係数と、気体の表面の摩擦係数と、が相違するため、第２の接触状態および第３の接触状態の間の遷移に際して、人工皮膚構造と対象物体との間に作用する摩擦力を、両者の接触面積の変化のみによる場合とは異なる態様で変化させることができる。

当該構成の人工表皮構造によれば、第２の接触状態では、第１の接触状態と比較して、人工皮膚構造（または各突起）と対象物体との接触面積が大きく、かつ、当該接触箇所における人工皮膚構造の平均的な摩擦係数が大きくなる。このため、第１の接触状態および第２の接触状態の間の遷移に際して、人工皮膚構造と対象物体との間に作用する摩擦力を、両者の接触面積の変化のみによる場合よりも大きく変化させることができる。

本発明の人工表皮構造において、前記突起の先端部の表面の摩擦係数が、前記突起の基部の表面の摩擦係数よりも小さく、かつ、前記突起の基部の表面の摩擦係数が、前記基体の表面の摩擦係数よりも小さいことが好ましい。

当該構成の人工表皮構造によれば、第２の接触状態では、第１の接触状態と比較して、人工皮膚構造（または各突起）と対象物体との接触面積が大きく、かつ、当該接触箇所における人工皮膚構造の平均的な摩擦係数が大きくなる。このため、第１の接触状態および第２の接触状態の間の遷移に際して、人工皮膚構造と対象物体との間に作用する摩擦力を、両者の接触面積の変化のみによる場合よりも大きく変化させることができる。第３の接触状態では、第２の接触状態と比較して、人工皮膚構造と対象物体との接触面積が大きく、かつ、当該接触箇所における人工皮膚構造の平均的な摩擦係数が大きくなる。このため、第２の接触状態および第３の接触状態の間の遷移に際して、人工皮膚構造と対象物体との間に作用する摩擦力を、両者の接触面積の変化のみによる場合よりも大きく変化させることができる。

本発明の人工表皮構造において、前記複数の突起のうち少なくとも一部の突起の前記基体の表面からの突出量が低下するように、前記少なくとも一部の突起が少なくとも部分的に前記基体に対して沈下可能に構成されていることが好ましい。

当該構成の人工表皮構造によれば、対象物体との間で前記３つの接触状態のいずれとも異なる第４の接触状態が実現されうる。「第４の接触状態」は、対象物体から受ける力（基体表面からの突起の突出方向に対して反対方向の力成分を含む力）に応じて複数の突起のそれぞれが基体に対して沈下することにより、複数の突起のそれぞれの先端部の表面に加えて基体の表面が対象物体に対して接触している状態である。よって、人工皮膚構造から、対象物体に作用する摩擦力の変化態様の幅のさらなる拡張を図ることができる。

本発明の第１実施形態としての人工表皮構造の構成の概略説明図。人工表皮構造と対象物体との第１接触状態に関する説明図。人工表皮構造と対象物体との第２接触状態に関する説明図。人工表皮構造と対象物体との第３接触状態に関する説明図。本発明の第２実施形態としての人工表皮構造の構成の概略説明図。人工表皮構造と対象物体との第４接触状態に関する説明図。

（第１実施形態）
（構成）
図１に示されている本発明の第１実施形態としての人工表皮構造は、基体１０と、基体１０の表面から突出している複数の突起２０と、を備えている。突起２０は先端部２１（上部）および基部２２（下部）により構成されている。図１は概略図であり、基体１０および突起２０のそれぞれのアスペクト比、突起２０のサイズに対する複数の突起２０の配置間隔の比、ならびに、突起２０の先端部２１および基部２２のサイズ比、等は実際の人工表皮構造と相違している（図２以降も同様）。

基体１０の表面は略平面状のほか、曲面状であってもよい。基体１０の表面から突起２０が突出する方向は、当該突起２０の基端部（下端部）における当該表面の法線方向に対して平行であってもよく、傾斜していてもよい。先端部２１は、例えば、略半円球状に形成されている。先端部２１の形状は略半円球状のほか、円錐状もしくは角錐状などの錘状、円柱状もしくは角柱状などの柱状、または、円錐台状もしくは角錐台状などの錘台状など、さまざまに設計されてもよい。基部２２は、例えば、略円柱状に形成されている。基部２２の形状は円柱状のほか、楕円柱または角柱状などの他の柱状、または、円錐台状もしくは角錐台状などの錘台状など、さまざまに設計されてもよい。

複数の突起２０は、基体１０の表面において三角格子または正方格子などの格子点の位置に規則的に配置されている。格子点間隔は、所望の摩擦特性に鑑みて設計される。複数の突起２０は、基体１０の表面において基準点から放射状に広がるように配置されてもよく、不規則的に配置されてもよい。

突起２０は可撓性を有するまたは基体１０に対して傾倒可能である。突起２０の可撓性または傾倒可能性を実現するため、突起２０の先端部２１および基部２２、または、基部２２が室温である程度の柔軟性を有する素材により構成されている。例えば、突起２０または少なくとも基部２２は、ウレタン、フッ素ゴム、シリコーンゴム、エチレンゴム、ブチルゴムなどの柔軟性材料により構成されている。基体１０は、少なくともその表層部分が基部２０と同一の柔軟性材料により構成されていてもよく、異なる柔軟性材料により構成されていてもよい。

さらに、基体１０の摩擦係数μ₀（動摩擦係数）、突起２０の先端部２１の表面の摩擦係数μ₁および突起２０の基部２２の表面の摩擦係数μ₂は、関係式（１０）で表わされる条件を満たしている。

μ₁＜μ₂＜μ₀ ‥（１０）。

基体１０、ならびに、突起２０を構成する先端部２１および基部２２のそれぞれの素材および表面性状のうち少なくとも一方が差異化されることにより、摩擦係数の当該関係が実現される。

例えば、突起２０の先端部２１が合成樹脂等の素材により構成される一方、基体１０および突起２０の基部２２がシリコーンゴム等の素材により一体的に構成されることにより、突起２０の先端部２１の表面の摩擦係数と、基体１０および突起２０の基部２２のそれぞれの表面の摩擦係数と、が差異化されてもよい。

基体１０および突起２０がシリコーンゴム等の素材により一体的に形成され、突起２０の先端部２１にのみコーティングが施されることにより、先端部２１の表面の摩擦係数と、基体１０および基部２２のそれぞれの表面の摩擦係数と、が差異化されてもよい。突起２０の先端部２１に一のコーティングが施され、突起２０の基部２２および／または基体１０に他のコーティングが施されることにより、先端部２１の表面の摩擦係数と、基部２２の表面の摩擦係数および／または基体１０の表面の摩擦係数と、が差異化されてもよい。基部２２および／または基体１０に対してプラズマ放電、ＵＶ照射およびコロナ放電などの乾式処理などによる表面改質が施されることにより、先端部２１の表面の摩擦係数と、基部２２の表面の摩擦係数および／または基体１０の表面の摩擦係数と、が差異化されてもよい。

基体１０の表面のスキューネスＲｓｋ₀、先端部２１の表面のスキューネスＲｓｋ₁および基部２２の表面のスキューネスＲｓｋ₂の間に、関係式（２１）または（２２）で表わされる条件が満たされるように、基体１０、先端部２１および基部２２のそれぞれの表面性状が差別化されてもよい。

Ｒｓｋ₁＜０＜Ｒｓｋ₂＜Ｒｓｋ₀ ‥（２１）。

Ｒｓｋ₁＜Ｒｓｋ₂＜０＜Ｒｓｋ₀ ‥（２２）。

スキューネスに代えてまたは加えて、基体１０の表面粗さＲａ₀、先端部２１の表面粗さＲａ₁および基部２２の表面粗さＲａ₂の間に、関係式（２４）で表わされる条件が満たされるように、基体１０、先端部２１および基部２２のそれぞれの表面性状が差別化されてもよい。

Ｒａ₁＜Ｒａ₂＜Ｒａ₀ ‥（２４）。

（作用）
上記構成の人工表皮構造によれば、対象物体Ｘから受ける力の強弱に応じて、当該対象物体Ｘとの間で３つの異なる第１〜第３の接触状態が実現されうる。

「第１の接触状態」は、図２Ａに示されているように、複数の突起２０のそれぞれの先端部２１の表面のみが対象物体Ｘに対して接触している状態である。「第２の接触状態」は、図２Ｂに示されているように、対象物体Ｘから受ける力（基体１０の表面からの突起２０の突出方向に対して垂直な方向の力成分を含む力）に応じて複数の突起２０のそれぞれが撓むまたは基体１０に対して傾倒することにより、複数の突起２０のそれぞれの先端部２１の表面に加えて基部２２の表面が対象物体ｘに対して接触している状態である。「第３の接触状態」は、図２Ｃに示されているように、当該力の増大に応じて複数の突起２０のそれぞれがさらに撓むまたは基体１０に対して傾倒することにより、複数の突起２０のそれぞれの先端部２１および基部２２のそれぞれの表面に加えて、基体１０の表面が対象物体Ｘに対して接触している状態である。

人工皮膚構造が対象物体Ｘから受ける力が大きくなるにつれて、第１の接触状態、第２の接触状態および第３の接触状態の順で接触状態が遷移し、これにより人工皮膚構造と対象物体との接触面積が徐々に増大する。これとは逆に、人工皮膚構造が対象物体Ｘから受ける力が弱くなるにつれて、第３の接触状態、第２の接触状態および第１の接触状態の順で接触状態が遷移し、これにより人工皮膚構造と対象物体Ｘとの接触面積が徐々に減少する。

突起２０の先端部２１の表面の摩擦係数μ₁が、突起２０の基部２２の表面の摩擦係数μ₂よりも小さいため（関係式（１０）参照）、第２の接触状態では、第１の接触状態と比較して、人工皮膚構造（または各突起２０）と対象物体Ｘとの接触面積が大きく、かつ、当該接触箇所における人工皮膚構造の平均的な摩擦係数が大きくなる。このため、第１の接触状態（図２Ａ参照）および第２の接触状態（図２Ｃ参照）の間の遷移に際して、人工皮膚構造と対象物体Ｘとの間に作用する摩擦力を、両者の接触面積の変化のみによる場合よりも大きく変化させることができる。

さらに、突起２０の基部２２の表面の摩擦係数μ₂が、基体１０の摩擦係数μ₀よりも小さいため（関係式（１０）参照）、第３の接触状態では、第２の接触状態と比較して、人工皮膚構造と対象物体Ｘとの接触面積が大きく、かつ、当該接触箇所における人工皮膚構造の平均的な摩擦係数が大きくなる。このため、第２の接触状態（図２Ｂ参照）および第３の接触状態（図２Ｃ参照）の間の遷移に際して、人工皮膚構造と対象物体Ｘとの間に作用する摩擦力を、両者の接触面積の変化のみによる場合よりも大きく変化させることができる。

（第２実施形態）
（構成）
図３に示されている本発明の第２実施形態としての人工表皮構造においては、複数の突起２０のうち少なくとも一部の突起２０の基体１００の表面からの突出量が低下するように、当該少なくとも一部の突起２０が少なくとも部分的に基体１００に対して沈下可能に構成されている。具体的には、基体１０の表面に開口部を有する半開空間としての内部空間１４が基体１０の表層部に形成されている。内部空間１４に弾性部材４０が収納され、突起２０の基端部が内部空間１４の開口部を通じて弾性部材４０に対して接合されている。弾性部材４０は、例えば、多孔質のスポンジ、シリコーンゴムなど、弾性を有する素材により構成されている。

第２実施形態の人工表皮構造のその他の構成は、第１実施形態の人工表皮構造とほぼ同様であるため、当該同様の構成については同一の符号を付すとともに説明を省略する。

（作用）
当該構成の人工表皮構造によれば、対象物体Ｘとの間で前記３つの接触状態（図２Ａ〜図２Ｃ参照）のいずれとも異なる第４の接触状態が実現されうる。「第４の接触状態」は、図４に示されているように、対象物体Ｘから受ける力（基体１０の表面からの突起２０の突出方向に対して反対方向の力成分を含む力）に応じて複数の突起２０のそれぞれが基体１０に対して沈下することにより、複数の突起２０のそれぞれの先端部２１の表面に加えて基体１０の表面が対象物体Ｘに対して接触している状態である。よって、人工皮膚構造から、対象物体Ｘに作用する摩擦力の変化態様の幅のさらなる拡張を図ることができる。

（本発明の他の実施形態）
基体１０の摩擦係数μ₀（動摩擦係数）、突起２０の先端部２１の表面の摩擦係数μ₁および突起２０の基部２２の表面の摩擦係数μ₂は、関係式（１０）のほか、関係式（１１）〜（１４）のうちいずれか１つなど、異なる関係式で表わされる条件を満たしていてもよい。

μ₁＜μ₂＝μ₀ ‥（１１）。

μ₁≦μ₀＜μ₂ ‥（１２）。

μ₂＜μ₁≦μ₀ ‥（１３）。

μ₂≦μ₀＜μ₁ ‥（１４）。

１０‥基体、１４‥内部空間、２０‥突起、２１‥突起の先端部、２２‥突起の基部、４０‥弾性部材、Ｘ‥対象物体。

Claims

基体と、前記基体の表面から突出している複数の突起と、を備え、
前記突起が可撓性を有するまたは前記基体に対して傾倒可能であり、
前記突起の先端部の表面の摩擦係数が、前記突起の基部の表面の摩擦係数よりも小さいことを特徴とする人工表皮構造。
請求項１記載の人工表皮構造において、
前記突起の基部の表面の摩擦係数が、前記基体の表面の摩擦係数よりも小さいことを特徴とする人工表皮構造。
請求項１または２記載の人工表皮構造において、
前記複数の突起のうち少なくとも一部の突起の前記基体の表面からの突出量が低下するように、前記少なくとも一部の突起が少なくとも部分的に前記基体に対して沈下可能に構成されていることを特徴とする人工表皮構造。