JP6815631B2

JP6815631B2 - ロボットハンド

Info

Publication number: JP6815631B2
Application number: JP2016247067A
Authority: JP
Inventors: アンヴァンホ; 慎一平井
Original assignee: Ritsumeikan Trust
Current assignee: Ritsumeikan Trust
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2021-01-20
Anticipated expiration: 2036-12-20
Also published as: JP2018099755A

Description

本発明は、柔らかい物品の把持に好適なロボットハンドに関する。

近年、食品など柔らかい物品の把持に好適なロボットハンドが研究開発されている。このようなロボットハンドの中には、指部に曲げが可能な弾性部材を用い、曲げたときに物品に接触して把持するようにしたものが知られている。指部に弾性部材を用いると、接触したときの物品の損傷を防ぐように指部を制御するのが容易になる。

例えば、特許文献１には、指部に筒状であって外側を伸縮不可能にした弾性部材を有しており、筒状の弾性部材の中空部に水、空気、油などの流体を流し込んで幅方向に膨らますことで内側に湾曲するように曲げるようにしたロボットハンドが開示されている。また、非特許文献１及び非特許文献２には、指部に筒状であって外周面に糸が螺旋状に巻かれた弾性部材を有しており、糸の巻き方を調整することにより、筒状の弾性部材の中空部に圧縮空気を流し込んで内側に湾曲するように曲げることができるようにしたロボットハンドが開示されている。

特開２００８−１９４７８８号公報

Panagiotis Polygerinos、外６名、"Modeling of Soft Fiber-Reinforced Bending Actuators"、IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS、VOL. 31、NO. 3、JUNE 2015、p.778-789 Raphael Deimel、外１名、"Soft Hands for Reliable Grasping Strategies"、Soft Robotics、14 March 2015、p.211-221

しかし、特許文献１、非特許文献１、非特許文献２のように指部を構成する弾性部材の中空部を流体（水、空気、油など）が通り、その圧力により曲がるロボットハンドは、コンプレッサーなどの大規模な設備を必要とする。また、経時的に摩耗などの損傷が少しでも生じると、中空部の一部の壁だけが膨らんで指部の動作が困難になり易い。なお、流体が液体（水、油など）で、物品が食品の場合は、流体の漏れ出しには厳しい注意が必要である。

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、弾性部材を有し、流体の圧力を用いずに物品を把持できる指部を備えるロボットハンドを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載のロボットハンドは、長尺の弾性指本体部材、及び、該弾性指本体部材よりも大きな剛性であり前記弾性指本体部材に残留応力を生じさせて外面に接着された長尺の外皮部材を有し、湾曲する１個又は複数個の指部と、前記指部の基端近傍を固定し、かつ、前記指部の先端の位置を開閉方向に制御する制御部と、を備えてなることを特徴とする。

請求項２に記載のロボットハンドは、請求項１に記載のロボットハンドにおいて、前記外皮部材は、前記弾性指本体部材の長さ方向における複数個の領域が延伸比率を異ならせて延伸されて接着されたもの、又は、前記弾性指本体部材の１個の領域が延伸されて接着されたものであることを特徴とする。

請求項３に記載のロボットハンドは、請求項１又は２に記載のロボットハンドにおいて、前記指部の内面には、接触検知センサーの少なくとも１つの電極が設けられていることを特徴とする。

請求項４に記載のロボットハンドは、請求項１〜３のいずれか１項に記載のロボットハンドにおいて、前記制御部は、一端が前記指部に接続され前記指部の前記外面から出る制御ワイヤーと、該制御ワイヤーを介して前記指部を制御する制御本体部と、を有することを特徴とする。

請求項５に記載のロボットハンドは、請求項４に記載のロボットハンドにおいて、前記指部は複数個設けられており、前記制御ワイヤーは、前記指部のそれぞれに対応して設けられており、前記制御本体部は、それぞれの前記制御ワイヤーが架け渡されたプーリーと、全ての前記制御ワイヤーを１個で牽引するモーターと、が設けられていることを特徴とする。

本発明のロボットハンドによれば、指部が、弾性部材を有し、流体の圧力を用いずに物品を把持できるものとなる。

本発明の実施形態に係るロボットハンドを示す斜視図である。同上のロボットハンドを示す正面図である。同上のロボットハンドを示す平面図である。同上のロボットハンドを示すＡ−Ａ線で切断した断面図である。同上のロボットハンドを示す底面図である。同上のロボットハンドの指部を示すものであって、（ａ）が正面図、（ｂ）が（ａ）の一部の拡大図である。同上のロボットハンドの指部を示すものであって、（ａ）が延伸比率の異なる複数個の領域を示した正面図、（ｂ）が接触検知センサーのタイプ４を設けたものの正面図である。同上のロボットハンドが物品を把持する初期状態を示す斜視図である。同上のロボットハンドが物品を把持する図８の次の状態を示す斜視図である。同上のロボットハンドが物品を把持する図９の次の状態を示す斜視図である。同上のロボットハンドが物品を把持した状態を示す斜視図である。同上のロボットハンドの指部の製作方法理論の説明図であって、（ａ）指部の製作方法を模式的に示すもの、（ｂ）が湾曲を円弧と仮定した場合のパタメータを示すもの、（ｃ）が延伸比率を変えて計算により導出した図形を示すものである。同上のロボットハンドの指部の接着装置を示す概略正面図である。同上のロボットハンドの指部の湾曲の角度を示す正面図である。同上のロボットハンドの指部の保持力を示すグラフであって、（ａ）、（ｂ）は測定箇所が違うものである。同上のロボットハンドの接触検知センサーのタイプ１〜３の容量値の特性を示すグラフである。同上のロボットハンドの接触検知センサーのタイプ４に物品が近接した場合の容量値の変化を示すグラフである。同上のロボットハンドの接触検知センサーのタイプ４に物品が接触した場合の容量値の変化を示すグラフである。同上のロボットハンドが種々の物品を把持する様子を示す写真である。同上のロボットハンドが種々の物品を把持したときの容量値の変化を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態に係るロボットハンド１は、図１〜図５に示すように、湾曲する３個の指部２と、各々の指部２の基端近傍２ｐを固定し、かつ、指部２の先端２ｄの位置を開閉方向に制御する制御部３と、を備えている。ロボットハンド１は、ロボットアームなどの機械に取り付けられ、選別装置、運搬装置等の各種装置に用いることができる。なお、図１〜図５は、３個の指部２が各々の後述する制御ワイヤー３１により牽引されている状態を示している。
また、図４では、後述するモーター３２ａの内部は省略されている。

指部２は、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、弾性指本体部材２１と外皮部材２２を有している。弾性指本体部材２１と外皮部材２２はともに、長尺である（長さが幅（図６（ａ），（ｂ）では紙面に対し垂直方向）よりも大きい）。指部２は、弾性指本体部材２１と外皮部材２２の長さ方向に湾曲している。指部２は、長さ１０〜２０ｃｍ程度、幅１〜３ｃｍ程度、厚さ０．５〜１．５ｃｍ程度が可能である。なお、図６（ａ）は、制御部３に取り付けられていない状態（自然状態）の指部２を示しており、図６（ｂ）は図６（ａ）の指部２の右上部分の厚さ方向を拡大して示すものである。

弾性指本体部材２１は、弾性の有るものであり、例えば、シリコーンゴム製などが可能である。

外皮部材２２は、弾性指本体部材２１よりも剛性が大きい（ヤング率が大きい）。また、外皮部材２２は、弾性指本体部材２１よりも極めて薄い層（例えば、０．５ｍｍ以下）である。外皮部材２２は、例えば、ポリスチレン製などが可能である。

指部２は、その一方側の面（外面）２ｏにおいて、外皮部材２２が弾性指本体部材２１に接着されている。接着剤は、限定されることはないが、弾性指本体部材２１がシリコーンゴム製の場合、例えば、シリコーンゴムの接着に特化した接着剤であるセメダイン株式会社製のＰＰＸセット（難接着物専用瞬間接着剤）を用いることができる。

外皮部材２２は、以下の製作プロセスで、弾性指本体部材２１に接着することができる。すなわち、外皮部材２２をまっすぐの弾性指本体部材２１に接着する前に、弾性指本体部材２１の一領域（例えば、基端側部分２ｐｐの領域）を外力により所定の延伸比率（ε_ｐｐ）で延伸させて所定量の張力を予め与える。そして、弾性指本体部材２１のその領域に外皮部材２２を接着する。続けて弾性指本体部材２１の次の領域（例えば、中央部分２ｍｐの領域）を外力により所定の延伸比率（ε_ｍｐ）で延伸させて所定量の張力を予め与える。そして、弾性指本体部材２１のその領域に外皮部材２２を接着する。続けて弾性指本体部材２１の更に次の領域（例えば、先端側部分２ｄｐの領域）を外力により所定の延伸比率（ε_ｄｐ）で延伸させて所定量の張力を予め与える。そして、弾性指本体部材２１のその領域に外皮部材２２を接着する。その後、外力を取り除くと、指部２は自然に、図６（ａ）に示したように（及び図７（ａ）に示すように）湾曲する（他方側の面（内面）２ｉが一方側の面（外面）２ｏよりも短くなる）。従って、指部２の湾曲形状は、弾性指本体部材２１と外皮部材２２の機械特性及び弾性指本体部材２１に予め加えた張力の量（エネルギー）に依存することになる。

湾曲する指部２には、弾性指本体部材２１に予め加えた張力のエネルギーに応じたエネルギーが残留するため、圧縮方向（更に湾曲しようとする方向）の残留応力が生じる。

指部２は、弾性指本体部材２１の長さ方向に延伸比率の異なる複数個の領域を作ると、指部２の長さ方向に湾曲の半径（曲率半径）が複数個の領域で異なる種々の形状が可能になる。例えば、上述したように指部２を人の指に模して３個の部分（先端側部分２ｄｐ、中央部分２ｍｐ、基端側部分２ｐｐ）に分け、３個の部分で弾性指本体部材２１の延伸比率が互いに異なるようにすることができる。この場合、延伸比率は、先端側部分が一番小さく、基端側部分が一番大きくするのが、残留応力の分布の面から好ましい。なお、指部２は、形状は決まったものになるが、弾性指本体部材２１の略全体を１個の領域として延伸させて外皮部材２２を接着することも可能である。

ロボットハンド１において、３個の指部２は、内面２ｉが内側（換言すれば、外面２ｏが外側）になるようにして配置されている。３個の指部２は、略等角（略１２０度）で配置されている（図５参照）。３個の指部２は、食品などの物体Ｍを包み込むことができる内方空間を形成している。

制御部３は、制御ワイヤー３１と制御本体部３２とを有している。

制御ワイヤー３１は、各指部２に対応して設けられており、一端が指部２（より詳細には弾性指本体部材２１）に接続され、指部２の外面２ｏから出ている。この接続は、指部２の厚さ方向或いは弾性指本体部材２１の幅方向に孔をあけて結束するなど様々な方法が可能である。制御ワイヤー３１は、例えば、金属ワイヤーや伸縮しない紐（炭素繊維製等）などを用いることができる。

制御本体部３２は、制御ワイヤー３１を介して指部２の先端２ｄを開閉方向に制御する。制御本体部３２は、詳細には、サーボモーターなどのモーター３２ａ（ギアモーターを含む。）が設けられ、それにより制御ワイヤー３１を牽引することができる。なお、モーター３２ａに代えて、他のアクチュエータなどによって牽引することも場合によっては可能である。

制御本体部３２は、それぞれの制御ワイヤー３１について、モーター３２ａ側から順にそれが架け渡された４種のプーリー３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅを有している。ここで、プーリー３２ｂは、モーター３２ａのロータに接続された軸体に３個が形成されている。プーリー３２ｃとプーリー３２ｄは接近して配置されている。これら４種のプーリー３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅによって力の方向を変化させることにより、１個のモーター３２ａがプーリー３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅを介して全ての制御ワイヤー３１を同時に牽引することができる。なお、プーリーは、４種に限らず、適宜その数を変更することができる。

初期状態（制御部３が指部２に力を及ばさず制御していない状態）では、図８に示すように、３個の指部２は、内方に倒れ、互いに重なり合っている。

ロボットハンド１が物品Ｍを把持しようとするときは、モーター３２ａが回転して３個の制御ワイヤー３１で各々の指部２を牽引し、図９に示すように、３個の指部２の先端２ｄの位置が大きく開いた状態になる。そして、図１０に示すように、３個の指部２の先端２ｄの位置が大きく開いた状態を保持しながら、３個の指部２の先端２ｄを物品Ｍに近接させる。その後、モーター３２ａを逆回転させると、３個の指部２の先端２ｄの位置が閉じる方向に移動し、図１１に示すように、弾性指本体部材２１の残留応力により物品Ｍを把持する状態となる。

このようなロボットハンド１の把持力は、弾性指本体部材２１の残留応力によるものなので、物品Ｍが食品のようなものであっても、損傷しにくく、その一方、取り落とすことがない程度にしっかりと把持することができる。

また、ロボットハンド１は、モーター３２ａによる制御ワイヤー３１の駆動は、図９に示したように大きく開くとき及び図１１に示したように物品Ｍを把持しようとするときに行われ、把持状態の維持には電気エネルギーの消費はないので、省エネルギーとなる。また、把持しようとするとき、制御ワイヤー３１は簡単な制御で足りる。

ロボットハンド１が物品Ｍを開放するときは、モーター３２ａが回転して３個の制御ワイヤー３１で各々の指部２を牽引し、図１０に示したのと同様に、３個の指部２の先端２ｄの位置が大きく開いた状態にする。そして、図９に示したのと同様に、３個の指部２の先端２ｄを物品Ｍから離し、それから、３個の指部２を互いに重なり合うように制御しながら内方に倒し、図８で示した初期状態に戻す。

なお、ロボットハンド１は、用途に応じて指部２の個数を、３個以外に（例えば、１個又は２個又は４個以上に）変えることが可能である。指部２の個数が２個又は４個以上の複数個であると、３個の場合と同様に、各々の指部２に対応する複数個のプーリー３２ｂ、・・・を設けて、１個のモーター３２ａが複数個のプーリー３２ｂ、・・・を介して全ての制御ワイヤー３１、・・・を同時に牽引するようにすることができる。

次に、接触検知センサー４について述べる。ロボットハンド１は、物品Ｍに接触したことを自動的に検知するよう、接触検知センサー４が設けられているのが好ましい。それにより、制御部３にフィードバックして、指部２が物品Ｍを接触したとき或いは接触して少し経ってから、モーター３２ａの逆回転を止めることができる。

接触検知センサー４は、特に限定されるものではないが、容量検出方式が可能である。例えば、物品Ｍの種類などに応じ、以下に述べる幾つかのタイプが可能である。タイプ１は、指部２の外面２ｏに第１電極が有り、内面２ｉで物品Ｍに接触するところに第２電極が有るものである。タイプ２は、タイプ１の第２電極と弾性指本体部材２１の間にセンサー用誘電層を設けたものである。タイプ３は、指部２の内面２ｉで物品Ｍに接触するところに、センサー用誘電層を挟んだ第１電極及び第２電極が有るものである。タイプ４は、図７（ｂ）に示すように、指部２の内面２ｉで物品Ｍに接触するところに、第１電極（図７（ｂ）においては符号４ａで示す。）のみが有るものである。接触検知センサー４は、指部２の湾曲に応じて湾曲可能にするために、第１電極及び第２電極が、耐圧性で導電性のある繊維を編んだ柔軟な導電性布帛であり、センサー誘電層が、柔軟な発泡性ゴム製であるのが好ましい。

タイプ１は、指部２が誘電層になっている。タイプ２は、指部２とセンサー誘電層が誘電層になっている。タイプ１及びタイプ２では、第２電極を接地し、第１電極から制御本体部２２に１本の電気配線を設けることができる。タイプ１の場合は、物体Ｍの押圧によって弾性指本体部材２１が変形するように、弾性指本体部材２１は柔らかいほど好ましい。タイプ２の場合は、弾性指本体部材２１が多少柔らかくなくても容量値の変化が検出でき、また、タイプ１に比べて容量値の変化が大きく、検出し易い。

タイプ３は、弾性指本体部材２１の柔らかさや厚さなどに依存せずに、物体Ｍの押圧による容量値の変化が検出でき、また、タイプ１、タイプ２に比べ容量値の変化が大きく、検出し易い。タイプ３は、第２電極を接地し、第１電極から制御本体部２２に１本の電気配線を設けることができる。第１電極に印加される電圧は、センサー誘電層が破壊されないように、余り大きくしないようにする。よって、タイプ１、タイプ２の方が、物体Ｍの押圧による広範囲の容量値の変化が検出できる。

タイプ４は、第１電極と物品Ｍの間の容量値を直接検出するものである。タイプ４は、第１電極から制御本体部２２に１本の電気配線（図示せず。）を設けることができる。タイプ４では、物体Ｍが近接したとき及び接触したときに容量値の変化が起こる。タイプ４は、物体Ｍの性質に依存し、特に導電性に強く依存する。例えば、果物などの食品は導電性があり、それらが物体Ｍであれば、容量値の変化が大きく、検出が容易である。

なお、物品Ｍの実際の把持の仕方によっては、３個の指部２において検出した容量値に相互間のバラツキが生じるので、容量値の最大値と最小値を決め、それにより適正な把持かどうかを判断することも必要である。また、検出した容量値のいずれかが最大値と最小値の間にないと、把持し直すなどの制御が必要な場合も有り得る。

次に、湾曲する指部２の製作方法理論について説明する。

製作プロセスにおいて弾性指本体部材２１の延伸過程で外力により予め与えた初期エネルギーＵは、以下の式（１）で計算できる。

ここで、ｋは、弾性指本体部材２１の延伸前の剛性（stiffness）である。Ｌ_０は、図１２（ａ）に示すように、弾性指本体部材２１の延伸前の長さ、Ｌは弾性指本体部材２１の延伸後の長さである。εは、延伸比率である。

弾性指本体部材２１の剛性は、以下の式（２）で計算できる。

ここで、Ｅ_１は弾性指本体部材２１のヤング率、Ｓ_０は弾性指本体部材２１の初期断面積、Ｂ_０は弾性指本体部材２１の延伸前の幅、Ｈ_０は弾性指本体部材２１の延伸前の厚さ、である。

初期エネルギーＵはすべて、湾曲後の弾性指本体部材２１の湾曲エネルギーＵ_１と外皮部材２２の湾曲エネルギーＵ_２に変換される。すなわち、以下の式（３）が成立する。

ここで、弾性指本体部材２１の湾曲エネルギーＵ_１は、以下の式（４）で計算される。また、外皮部材２２の湾曲エネルギーＵ_２は、以下の式（５）で計算される。なお、外皮部材２２の延伸性は無視して、外皮部材２２の長さ（指部２の外面２ｏの長さ）Ｌは変化しないと仮定している。

ここで、ｄｓは、指部２（弾性指本体部材２１及び外皮部材２２）の長さ方向の微少距離である。θ(ｓ)は、指部２（弾性指本体部材２１及び外皮部材２２）の長さ方向の湾曲形状を規定する関数である。ｋ_１は、弾性指本体部材２１の曲げ剛性である。ｋ_２は、外皮部材２２の曲げ剛性である。

湾曲エネルギーの計算には、指の湾曲を規定する関数θ(ｓ)を特定する必要がある。このとき、図１２（ｂ）に示すように、湾曲が半径Ｒの円の円弧長さであると仮定する。原点０からｓだけ離れた円弧上の任意の点Ａにおいて、円弧長さを規定する関数は式（６）で計算できる。

従って、θ(ｓ)は、以下の式（７）で表現でき、ｄθ／ｄｓは以下の式（７’）で表現できる。

式(７’)を式（４）と式（５）に代入すると、次の式(８)、式(９)が得られる。

そして、式（１）、式（８）、式（９）を式（３）に代入すると、以下の式（１０）及び式（１１）が得られる。

延伸後の弾性指本体部材２１の厚さをＨ_１、外皮部材２２の厚さをＨ_２とし、また、弾性指本体部材２１と外皮部材２２の幅をともにＢとすると(図１２（ａ）参照)、湾曲後の弾性指本体部材２１の曲げ剛性と外皮部材２２の曲げ剛性は、以下の式（１２）及び式（１２’）となる。

ここで、γ^２は、指部２の幾何学的形状に依存する定数である（矩形の場合は、γ^２＝１／１２）。式（１１）に式（２）、式（１２）、式（１２’）を代入すると、円弧の半径Ｒを表す以下の式（１３）及び式（１４）を得ることができる。

弾性指本体部材２１の断面積は変化しないので、ＢＨ_１＝Ｂ_０Ｈ_０である。従って、式（１４）は、以下の式（１５）になる。

Ｈ_２≪Ｈ_１であるため、外皮部材２２の剛性が弾性指本体部材２１の剛性より極端に大きくはないとき、すなわち αβ ³ ≪1 であるときには、以下の式（１６）が成り立つ。なお、式（１６）は、式（１’）を代入している。

すなわち、以下の式（１７）が成り立つことになる。

式（１７）によれば、指部２の湾曲の半径Ｒは、延伸比率εと弾性指本体部材２１の延伸後の厚さＨ_１に依存することになる。

以上説明した製作方法理論に基づき、延伸比率（ε）を変えて計算により導出した指部２の図形を図１２（ｃ）に示す。図形ａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ、延伸比率が１１０％、１２０％、１３０％、１４０％の場合のものである。また、図中の破線は、それぞれの図形ａ〜ｄについて、上記の式（１７）を用いて描いた円である。図１２（ｃ）より、延伸比率（ε）が増加すると指部２の湾曲の半径が小さくなることが分かる。なお、図１２（ｃ）では、１ピクセルが０．０７ｍｍとしている。

次に、湾曲する指部２の製作方法理論に基づく指部２の具体的な製作方法を述べる。

弾性指本体部材２１と外皮部材２２の接着には、図１３に示す接着装置５を用いることができる。この接着装置５は、ベース５１、モーター５２、軸体５３、ステージ５４、第１クランプ５５、第２クランプ５６、ルーラー５７を備える。ステージ５４は、モーター５２の回転が軸体５３を介して伝えられ、直線運動に変換され、ベース５１に対して水平移動する。第１クランプ５５は、ベース５１との間に弾性指本体部材２１の基端近傍２ｐを固定することができる。第２クランプ５６は、ステージ５４との間に弾性指本体部材２１の先端２ｄの近傍を固定することができる。ルーラー５７は、ステージ５４の移動の距離、すなわち弾性指本体部材２１の延伸した長さを測定することができる。

第１クランプ５５と第２クランプ５６で弾性指本体部材２１を固定し、ステージ５４を移動させ、予め決めていた移動距離、すなわち延伸比率（ε）に到達すると、外皮部材２２を弾性指本体部材２１の一方側に、均一に塗布した接着剤で接着する。

弾性指本体部材２１に延伸比率の異なる複数の領域を作る場合は、各領域についてステージ５４を予め決めていた移動距離だけ移動させ、そのたびに弾性指本体部材２１の一方側に接着剤を均一に塗布し外皮部材２２を接着する。

最後に、第１クランプ５５と第２クランプ５６から弾性指本体部材２１を開放することで、自然に素早く安定した状態にまで変形することになる。なお、必要に応じ、外皮部材２２が接着されていない弾性指本体部材２１の部分は、切除する。

以上説明した指部２の具体的な製作方法を用いて製作した指部２の把持力の評価について、次に述べる。

柔らかさが異なる２個（ＳＭＯＯＴＨ−ＯＮ社製の商品名ＤｒａｇｏｎＳｋｉｎ^Ｒ２０とＤｒａｇｏｎＳｋｉｎ^Ｒ３０）の弾性指本体部材２１で指部２を製作し、実験を行った。図１４に示すように、指部２の基端近傍２ｐを鉛直に固定し、指部２の内面２ｉにロードセルの先端部を垂直に当て、指部２の湾曲の角度δを変化させて、反発力である把持力を測定した。なお、ＤｒａｇｏｎＳｋｉｎ^Ｒ２０は、ＤｒａｇｏｎＳｋｉｎ^Ｒ３０よりも柔らかい。

図１５（ａ）、（ｂ）は、把持力の測定結果を示しており、横軸が湾曲の角度δ、縦軸が把持力である。図１５（ａ）は、指部２の先端側部分２ｄｐでの測定結果、図１５（ｂ）は、指部２の中央部分２ｍｐでの測定結果である。図１５（ａ）の曲線ｅと図１５（ｂ）の曲線ｇは、ＤｒａｇｏｎＳｋｉｎ^Ｒ２０の弾性指本体部材２１の指部２の測定結果、図１５（ａ）の曲線ｆと図１５（ｂ）の曲線ｈは、はＤｒａｇｏｎＳｋｉｎ^Ｒ３０の弾性指本体部材２１の指部２の測定結果である。

図１５（ａ）、（ｂ）より、曲線ｅ〜ｈ全て、指部２の湾曲の角度δが１０度のとき、把持力は最小になり、指部２の湾曲の角度が増加するにつれて、把持力は増加している。また、図１５（ａ）と図１５（ｂ）を比較すると、指部２の中央部分２ｍｐの把持力は先端側部分２ｄｐの把持力よりも大きい。

このように、指部２は製作プロセスに起因する残留応力を有し元々把持力を有しているため、把持のためのエネルギー（電力）を新たに必要とするものではない。指部２の把持力は、指部２の最初に出来上がった構造にすべて依存する。また、図１５（ａ）、（ｂ）により、把持力は数ニュートン程度である。これは、損傷し易い食品などの物品Ｍを把持するのに適している。

次に、指部２の接触検知センサー４の実験について詳述する。

図１６は、外力（横軸）を加えたときに接触検知センサー４（タイプ１〜３）に生じる容量値（縦軸）を示すものである。タイプ１が曲線ｉ、タイプ２が曲線ｊ、タイプ３が曲線ｋ、である。図１６（及び後述する図１７、図１８、図２０）の縦軸に示す容量値は、相対値である。タイプ１、タイプ２、タイプ３になるにつれて、容量値の変化が大きくなっている。

図１７は、タイプ４の接触検知センサー４に物品Ｍを近接した場合の容量値（縦軸）の変化を示すものである。図１７の横軸は時間であり、時間０のときは十分に物品Ｍを離しており、時間ｔａ１のときに２ｃｍに近づけ、時間ｔａ２のときに１ｃｍに近づけ、時間ｔａ３のときに０．５ｃｍに近づけ、その後、離した。物品Ｍを近づけるにつれて、容量値は大きくなっている。

図１８は、タイプ４の接触検知センサー４に物品Ｍを接触させた場合の容量値（縦軸）の変化を示すものである。図１８の横軸は時間であり、時間０のときは接触しておらず、時間ｔｂ１のときに接触させ、一旦離し、時間ｔｂ２のときに接触させ、一旦離し、時間ｔｂ３のときに接触させ、その後、離した。物品Ｍを接触させると、容量値が非常に大きくなっている。

次に、以上述べた指部２の製作方法と接触検知センサー４の実験に基づいて本願発明者が試作したロボットハンド１について説明する。

弾性指本体部材２１は、延伸前の長さが１５ｃｍで厚さが５ｍｍとした。指部２を３個の領域に分け、基端側部分２ｐｐの領域の延伸比率（ε_ｐｐ）を１３５％、中央部分２ｍｐの領域の延伸比率（ε_ｍｐ）を１２５％、先端側部分２ｄｐの領域の延伸比率（ε_ｄｐ）を１１０％とした。この指部２を、図１３に示した上記の接着装置５を用いて、３個製作した。その後、指部２の基端近傍２ｐを制御本体部３２に固定し、制御ワイヤー３１を、プーリー３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅに架け渡してから、指部２の基端側部分２ｐｐと中央部分２ｍｐの境目近傍に取り付けた。このロボットハンド１は、３個の指部２と制御部３の総重量が、モーター３２ａを含めても軽量であり、市販のロボットアームの先端部に取り付けることができるものである。

また、接触検知センサー４は、タイプ４のものを用いた。

こうして試作したロボットハンド１が形状の異なる柔らかい物品Ｍを把持する実験を行った。

図１９は、典型的な形状（回転楕円体、扁円、楕円球状、こん棒形状、その他）の物品Ｍを把持する例として、（ａ）がレモン、（ｂ）がオレンジ、（ｃ）がトマト、（ｄ）が卵、（ｅ）がバナナ、を把持した状態を示している。このように、ロボットハンド１が様々な形状の柔らかい物品Ｍを把持できることを確認できた。また、物品Ｍには、損傷はなかった。なお、図１９は、図８〜図１１で示したようにして把持した後に、物体Ｍが見え易いようにロボットハンド１を回転して示したものである。

図２０は、それぞれの物品Ｍを把持し、その後、開放したときに接触検知センサー４で検出した容量値を示すものである。３個の指部２における容量値及びその相互のバラツキなどは、食品の種類に強く依存していた。例えば、レモンは、３個の指部２の間で容量値の相互のバラツキは少なく、バナナは、１個の指部２の容量値だけが顕著に大きかった。

以上、本発明の実施形態に係るロボットハンドについて説明したが、本発明は、実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内での様々な設計変更が可能である。

１ロボットハンド
２指部
２ｐ指部の基端近傍
２ｄ指部の先端
２ｐｐ指部の基端側部分
２ｍｐ指部の中央部分
２ｄｐ指部の先端側部分
２ｏ指部の一方側の面（外面）
２ｉ指部の他方側の面（内面）
２１弾性指本体部材
２２外皮部材
３制御部
３１制御ワイヤー
３２制御本体部
３２ａモーター
３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅプーリー
４接触検知センサー
Ｍ物品

Claims

長尺の弾性指本体部材、及び、該弾性指本体部材よりも大きな剛性であり前記弾性指本体部材に残留応力を生じさせて外面に接着された長尺の外皮部材を有し、湾曲する１個又は複数個の指部と、
前記指部の基端近傍を固定し、かつ、前記指部の先端の位置を開閉方向に制御する制御部と、
を備えてなることを特徴とするロボットハンド。
請求項１に記載のロボットハンドにおいて、
前記外皮部材は、前記弾性指本体部材の長さ方向における複数個の領域が延伸比率を異ならせて延伸されて接着されたもの、又は、前記弾性指本体部材の１個の領域が延伸されて接着されたものであることを特徴とするロボットハンド。
請求項１又は２に記載のロボットハンドにおいて、
前記指部の内面には、接触検知センサーの少なくとも１つの電極が設けられていることを特徴とするロボットハンド。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のロボットハンドにおいて、
前記制御部は、
一端が前記指部に接続され前記指部の前記外面から出る制御ワイヤーと、
該制御ワイヤーを介して前記指部を制御する制御本体部と、
を有することを特徴とするロボットハンド。
請求項４に記載のロボットハンドにおいて、
前記指部は複数個設けられており、
前記制御ワイヤーは、前記指部のそれぞれに対応して設けられており、
前記制御本体部は、それぞれの前記制御ワイヤーが架け渡されたプーリーと、全ての前記制御ワイヤーを１個で牽引するモーターと、が設けられていることを特徴とするロボットハンド。