JP6917621B2

JP6917621B2 - 物体保持構造体及び物体保持方法

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Publication number: JP6917621B2
Application number: JP2017167264A
Authority: JP
Inventors: 拓哉大園; 寺岡　啓; 啓寺岡
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2021-08-11
Anticipated expiration: 2037-08-31
Also published as: JP2019042845A

Description

本発明は、この上に物体を保持させる物体保持面を有する物体保持構造体及びその保持方法に関し、特に、保持される物体との間の接触状態を変化させ得る物体保持面を有する物体保持構造体及びその保持方法に関する。

物体を保持した物体保持面の表面形状を変化させることで互いの接触状態を変化させ、物体保持面上で摩擦により静止していた物体を滑らせたり、物体保持面に吸着させて把持していた物体を滑落させたりすることができる。かかる摩擦や吸着を制御する動作は、例えば、物体を移動させるベルトコンベヤや、物体を把持及び脱離させるロボットハンドなど、多岐の分野での応用が期待されている。

ところで、従来から部材の表面形状（性状）と摩擦力には関連性のあることが知られており、表面形状を変化させて摩擦係数を可変的にスイッチングしようとする摩擦係数可変構造体が提案されている。

例えば、特許文献１では、かかる摩擦係数可変構造体の１つの例として、ＯＡ機器等の紙やフィルムなどのシート媒体を送るためのゴムローラなどに用いられ、シート媒体の種類に対応させて摩擦力を変化させ得る摩擦力可変構造体を開示している。詳細には、摩擦係数及び硬度の異なる弾性体を交互に積層し積層方向の面を物体保持面とし、該積層体を積層方向に圧縮や伸張させると物体保持面に凹凸が生じる。これにより、物体保持面には、摩擦係数の大きな部分と小さな部分が交互に凹凸変化してその摩擦係数を連続的に変化させ得るのである。

更に、摩擦は物体同士の凝着状態と密接な関係を有するとされる。例えば、人間の指は柔軟で且つ指紋を有しており、物体への押圧でその粘着状態を大きく変化させ、物体を把持及び脱離させ得る。

例えば、非特許文献１では、人間の指と類似した摩擦特性を有するロボットハンドの開発が重要であることを述べた上で、人間の指の摩擦モデルは硬い平板の上を粘弾性体の球を滑らせる場合と近似して弾性接触であり、いわゆるＡｍｏｎｔｏｎｓの第２法則が成立しないことを述べている。つまり、接触面積の変化が単純に荷重に比例せず、接触状態の変化の制御が必要となるのである。

特開平７−６０８８９号公報

「人間の手指の摩擦特性の解析」；嶋田明広、韓鉱庸、川村貞夫著；計測自動制御学会論文集Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．１２，１５８１−１５８７（１９９６）

上記したように、保持される物体との間の接触状態を変化させ得る物体保持面を有する物体保持構造体は、物体の取り扱い、特に、物体の移動などを取り扱う上で有用である、例えば、物体を把持するロボットハンド、各種機械の操作用のグリップ、移動を伴う重量物の固定具や、重さによって物体の搬送路を切り替えるベルトコンベヤなど、非常に多くの分野での適用が期待される。

本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、保持される物体との間の接触状態を変化させ得る物体保持面を有する物体部材及びその保持方法を提供することにある。

本発明による物体保持構造体は、保持される物体との間の接触状態を変化させ得る物体保持面を有する物体保持構造体であって、前記物体保持面を有し弾性変形する本体部材と、前記本体部材の前記物体保持面の仮想格子点の下部に埋め込まれた突出片と、を含み、前記物体保持面に沿って一方向に伸張させ前記本体部材の厚さを減じるように変形させたときに、前記突出片が仮想格子点部分を前記物体保持面から突出させるように変形させることを特徴とする。

かかる発明によれば、突出片が仮想格子点部分を物体保持面から突出させその上の物体との接触状態を変化させ、該物体保持面の摩擦係数や付着力などの接触状態を簡便に変化させ得るのである。

上記した物体保持構造体の発明において、前記物体保持面は付着性を有し前記物体保持面の変形により付着力を低下させることを特徴としてもよい。また、前記物体保持面はゴムからなる球体の少なくとも一部の外表面であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、物体保持面に付着し把持された物体を容易に脱離出来るのである。

上記した物体保持構造体の発明において、前記物体保持面と保持される物体との間の摩擦係数が前記物体保持面の変形により変化し得ることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、物体保持面上に物体を容易に配置及び脱離出来るのである。

上記した物体保持構造体の発明において、前記突出片は球体であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、物体保持面の変形を安定的に変化させ得て、接触状態を安定的に変化させ得るのである。

上記した物体保持構造体の発明において、前記仮想格子点には前記突出片を前記物体保持面から露出させる開口部が設けられており、前記突出片は前記開口部の大きさよりも大なる球体であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、物体保持面からの突出片の露出による接触を反映した接触状態の変化を得られるのである。

上記した発明において、前記仮想格子点及び前記突出片の組は前記物体保持面に複数設けられていることを特徴としてもよい。また、前記仮想格子点は前記物体保持面に規則的に配列されて設けられていることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、物体保持面の変形を安定的に変化させ得て、接触状態を安定的に変化させ得るのである。

更に、本発明による物体保持方法は、保持される物体との間の接触状態を変化させ得る物体保持面における物体保持方法であって、前記物体保持面を有し弾性変形する本体部材と、前記本体部材の前記物体保持面の仮想格子点の下部に埋め込まれた突出片と、を含む物体保持構造体において、前記物体保持面に沿って一方向に伸張させ前記本体部材の厚さを減じるように変形させ、前記突出片により仮想格子点部分を前記物体保持面から突出させるように変形させ、前記物体保持面の形状を変化させて前記物体との間の接触状態を変化させることを特徴とする。

かかる方法の発明によれば、突出片が仮想格子点部分を物体保持面から突出させその上の物体との接触状態を変化させ、該物体保持面の接触状態を簡便に変化させ得るのである。

上記した物体保持方法の発明において、前記物体保持面は付着性を有し前記物体保持面の変形により付着力を低下させることを特徴としてもよい。また、前記物体保持面はゴムからなる球体の少なくとも一部の外表面であることを特徴としてもよい。かかる方法の発明によれば、物体保持面に付着し把持された物体を容易に脱離出来るのである。

上記した物体保持方法の発明において、前記物体保持面と保持される物体との間の摩擦係数が前記物体保持面の変形により変化し得ることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、物体保持面上に物体を容易に配置及び脱離出来るのである。

上記した物体保持方法の発明において、前記突出片は球体であることを特徴としてもよい。かかる方法の発明によれば、物体保持面の変形を安定的に変化させ得て、接触状態を安定的に変化させ得るのである。

上記した物体保持方法の発明において、前記仮想格子点には前記突出片を前記物体保持面から露出させる開口部が設けられており、前記突出片は前記開口部の大きさよりも大なる球体であり、前記開口部から前記突出片が前記物体保持面を越えて突出することを特徴としてもよい。かかる方法の発明によれば、物体保持面からの突出片の露出による接触を反映した接触状態の変化を得られるのである。

上記した物体保持方法の発明において、前記仮想格子点及び前記突出片の組は前記物体保持面に複数設けられていることを特徴としてもよい。また、前記仮想格子点は前記物体保持面に規則的に配列されて設けられていることを特徴としてもよい。かかる方法の発明によれば、物体保持面の変形を安定的に変化させ得て、接触状態を安定的に変化させ得るのである。

本発明による物体保持構造体の（ａ）平面図、（ｂ）断面図である。なお、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線における断面である。本発明による物体保持構造体の動作を示す（ａ）断面図、（ｂ）断面図、（ｃ）グラフである。本発明による他の物体保持構造体の（ａ）平面図、（ｂ）断面図、（ｃ）拡大平面図、（ｄ）拡大断面図である。本発明による他の物体保持構造体の動作を示す（ａ）断面図、（ｂ）断面図、（ｃ）グラフである。本発明による物体保持構造体の１つの利用例を示す（ａ）断面図、（ｂ）写真である。本発明による物体保持構造体の１つの利用例を示す図である。

本発明者らは、弾性変形する部材表面に沿って延伸ひずみを付加させると、その表面に凹凸構造を発生させこの現れた凹凸構造の形状を該ひずみ量に依存させて変化させ得ることに想到した。これにより、該表面に接触させる相手部材との接触面の組成を大きく変化させ得ることから、接触状態の変化、例えば、部材表面での摩擦力や付着力を変化させるための構成について鋭意研究を重ね、本発明に至った。以下に、本発明による物体保持構造体及びその物体の保持方法について図を用いて詳細を説明する。

図１に示すように、物体保持構造体１０は、弾性率の大きく異なる２つの材料からなる複合部材であり、弾性変形する本体部材１の表層付近に硬質の突出部材（突出片）２を埋め込んだ構造を有する。突出部材２は、本体部材１の主面である物体保持面１ａの上に仮想的に設定される仮想格子点１２の下部に埋め込まれている。なお、仮想格子点１２は、規則的に等間隔に並んだ仮想点の集合であるが、必ずしも規則的に並んでいる必要は無く、後述するように、物体保持面１ａの上に置かれる物体に対する保持力との関係で適宜設計され得る。

本体部材１は、主面に沿って延伸可能であって、可逆的に弾性変形する弾性体である。例えば、シリコーンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、エチレンプロピレンゴム、フッ素ゴム、ブチルゴム等からなる。かかるゴムは、この上に配置される平面と密着して一定の付着力を有し、後述するような付着力を制御する用途において好ましい。

突出部材２は、各種形状であり得るが、後述するように、物体保持面１ａにおける仮想格子点１２の周囲を変形させるには物体保持面１ａに向けて曲面を有する形状であることが好ましく、典型的には、球体である。例えば、ガラス、アルミナ等のセラミクスや、ナイロン、ポリエチレン、ポリエステル、ＰＥＥＫ、テフロン（登録商標）、ＰＤＶＦ，ポリプロピレン等の樹脂や、金属等からなる。かかる突出部材２が球体である場合には、その直径が本体部材１の厚さよりも小さいことが好ましい。

図２に示すように、物体保持構造体１０は、本体部材１を物体保持面１ａに沿った方向の力Ｐで伸張させることで、本体部材１の厚さが減じられるように変形する（図２（ｂ）参照）。このとき、突出部材２は変形しないから仮想格子点１２の周囲を物体保持面１ａから突出させるように変形させ得るのである。つまり、ポアソン比を０．５とするゴムでは、力Ｐで本体部材１は全体的に変形して厚さを減じるが、突出部材２は追従して変形することは出来ないから、本体部材１の厚さの減少とともに仮想格子点１２の周囲を物体保持面１ａから突出させることになるのである。

これにより、物体保持面１ａの上に物体が載置されていれば、本体部材１との接触面積が変化し、摩擦力が変化する。また、本体部材１と物体とが付着していれば、その付着力は接触面積の減少とともに低下することになる。

例えば、図２（ｃ）には、本体部材１としてのシリコーンゴムに突出部材２としての直径１ｍｍのガラスビーズを埋め込んで１０％の一軸延伸を行ったときの仮想格子点１２周辺の高さ変化を示した。

詳細には、鋳型であるポリスチレンの平板上に面密度を６０−７０個／ｃｍ^２となるように直径１ｍｍのガラスビーズを配置し、シリコーンゴムであるポリジメチルシロキサンエラストマー（東レダウコーニング社製、品名：ｓｙｌｇａｒｄ１８４）を未硬化のまま、厚みを２ｍｍとするように注入した。これを２４時間室温で静置して硬化させ、ポリスチレン平板より剥離することで、表層にガラスビーズが包埋された物体保持構造体１０を得ることができる。この物体保持構造体１０の本体部材１の物体保持面１ａの形状、及び、本体部材１の物体保持面１ａに沿って一軸延伸で１０％のひずみ量を与えたときの物体保持面１ａの形状のそれぞれについて、反射型共焦点顕微鏡（キーエンス社製、品名：ＶＫ９７００）で測定した。

図２（ｃ）から判るように、ガラスビーズを埋め込んだ中心点、つまり、仮想格子点１２では、延伸を与えるとほぼ平坦な状態から４５μｍ程度まで突出するのである（矢印Ｌ１を参照）。また、延伸を解除すると、この突出は平坦な状態に戻った。

次に、上記した物体保持構造体１０について、物体保持面１ａを２０ｍｍ角となるように切り出し、直径１８ｍｍの平板ガラスとの付着力について計測した。

詳細には、物体保持構造体１０を所定量だけ延伸した状態で固定し、この上に平板ガラスを重ね、荷重１００ｇを与えて５ｓ間静置させる。この後、速度０．２５ｍｍ／ｓで平板ガラスを引き離していくにあたって、完全に両者が分離する直前に生じる最大付着力を荷重測定器で計測した。なお、計測は、５回の平均値で評価した。

これによれば、物体保持構造体１０を延伸していない状態において、７５ｇの付着力であった。一方、上記同様、１０％の一軸延伸を与えた状態では、付着力は１７ｇと大幅に低下していた。つまり、物体保持面１ａに凹凸形状が生成し、平板ガラスとの接触面積が低下したためと考えることが出来る。

次に、上記した物体保持構造体１０について、半径２５ｍｍのガラス球との静摩擦力について計測した。

詳細には、物体保持構造体１０を所定量だけ延伸した状態で固定し、この上を横方向に垂直荷重５０ｇを与えたガラス球を速度１ｍｍ／ｓで移動させ、移動中の横方向の力を荷重測定器で計測し摩擦力を計算した。なお、計測は、５回の平均値で評価した。

これによれば、物体保持構造体１０を延伸していない状態において、摩擦係数は１．１２であった。一方、上記同様、１０％の一軸延伸を与えた状態では、摩擦係数は０．８１と大幅に低下していた。これについても、物体保持面１ａに凹凸形状が生成し、接触面積が低下したためと考えることが出来る。

なお、図３に示すように、物体保持構造体１０は、本体部材１の表層付近に突出部材２よりも小さな穴４が設けられており、この穴４から突出部材２が露出するようにした構造であってもよい。なお、物体保持面１ａの上に極度に突出部材２が突出していないことが好ましい。突出部材２は、本体部材１の主面である物体保持面１ａの上に仮想的に設定される仮想格子点１２に設けられた穴４の下部に埋め込まれている。穴４の形状は円形であることが好ましく、この穴４を塞ぐように突出部材２の上面は曲面であること、好ましくは、突出部材２は球体であることが好ましい。

このときも、図４に示すように、物体保持構造体１０は、本体部材１を物体保持面１ａに沿った方向の力Ｐで伸張させることで、本体部材１の厚さが減じられるように変形し（図５（ｂ）参照）、仮想格子点１２の周囲を物体保持面１ａから突出させるように変形させるとともに、突出部材２が穴４からわずかに突出するのである。

これにより、物体保持面１ａの上に物体が載置されていれば、本体部材１との接触面積が変化するとともに、突出部材２とも直接に接触し、摩擦力が変化するのである。例えば、本体部材１と物体とが付着していれば、その付着力は接触面積の減少とともに低下するとともに、結果としては、突出部材２だけに接触することになると、大きく摩擦力が変化することになる。

上記同様、図５（ｃ）には、本体部材１としてのシリコーンゴムに突出部材２としての直径１ｍｍのガラスビーズを埋め込んで１０％の一軸延伸を行ったときの仮想格子点１２周辺の高さ変化を示した。

詳細には、鋳型であるウレタンエラストマ（コクヨ社製、商品名：「ひっつきシート」）の平板上に面密度を６０−７０個／ｃｍ^２となるように直径１ｍｍのガラスビーズを配置し、ガラスビーズをウレタンエラストマに密着させる。そして、シリコーンゴムであるポリジメチルシロキサンエラストマー（東レダウコーニング社製、品名：ｓｙｌｇａｒｄ１８４）を未硬化のまま、厚みを２ｍｍとするように注入する。なお、ウレタンエラストマとガラスビーズとは密着しているからこの間にはシリコーンゴムが入らない。これを２４時間室温で静置して硬化させ、ポリスチレン平板より剥離することで、ウレタンエラストマとガラスビーズとが密着して形成される表層の穴からガラスビーズが露出した物体保持構造体１０を得ることができる。この物体保持構造体１０の本体部材１の物体保持面１ａの形状、及び、本体部材１の物体保持面１ａに沿って一軸延伸で１０％のひずみ量を与えたときの物体保持面１ａの形状のそれぞれについて、反射型共焦点顕微鏡（キーエンス社製、品名：ＶＫ９７００）で測定した。

図５（ｃ）から判るように、ガラスビーズを埋め込んだ中心点、つまり、仮想格子点１２では、ガラスビーズの直径の１５％程度の相当する０．１５ｍｍ程度の直径の円形の穴４が観察された。なお、この穴４からのガラスビーズの凸出量は５μｍ以下であった。一方、延伸を与えると、ほぼ平坦な状態から３０μｍ程度まで突出するとともに（矢印Ｌ１を参照）、穴４からのガラスビーズの凸出量は１０μｍ程度となった。また、延伸を解除すると、この突出は平坦な状態に戻った。

次に、上記同様、付着力について計測すると、物体保持構造体１０を延伸していない状態において、２４．２ｇの付着力であった。一方、１０％の一軸延伸を与えた状態では、付着力は９．９ｇと大幅に低下していた。つまり、物体保持面１ａに凹凸形状が生成し、平板ガラスとの接触面積が低下したためと考えることが出来る。

更に、上記同様、半径２５ｍｍのガラス球との静摩擦力について計測すると、物体保持構造体１０を延伸していない状態において、摩擦係数は１．０７であった。一方、１０％の一軸延伸を与えた状態では、摩擦係数は０．８と大幅に低下していた。これについても、物体保持面１ａに凹凸形状が生成し、接触面積が低下したためと考えることが出来る。

以上において、物体保持構造体１０は、その構造や製造方法において極めて簡単であり、動作においても、該構造体１０に延伸ひずみを与えるだけでその物体保持面１ａに凹凸構造を発生させ、物体保持面１ａ上に与えられる物体との間の付着力や摩擦力を変化させ得る。かかる機構は、ロボットハンドや搬送用器具等の表面材として、物体の把持制御や固定−滑り状態の制御に好適に利用できる。例えば、ロボットハンドにおいて垂直荷重の制御幅を減らすことに好適であり、また、家具等の床との接触面において、荷重下では高摩擦状態で固定され、移動させたい際には適度に抜重することで摩擦力を大きく下げる効果を持たせるために好適に利用できる。

［応用例］
以下に、ロボットハンドの如きに適用した応用例を挙げる。ここでは、伸縮可能なゴムボールの表面膜へガラスビーズを埋め込んだ物体保持構造体であって、保持する物体との摩擦力や付着力を変化させるものである。

図５に示すように、物体保持装置２０は、伸縮可能なゴムボール２１の表面に与えられたシリコーン膜２２の表面に突出部材（ガラスビーズ）２を埋め込んだ構造を有し、シリコーン膜２２（ゴムボール２１）の内部の圧力Ｐを圧力調整ポンプ２３で調整可能である。

つまり、図６に示すように、圧力調整ポンプ２３によりシリコーン膜２２を延伸及びその解除を繰り返し可能である。突出部材（ガラスビーズ）２により、シリコーン膜２２の表面に凹凸構造を可逆的に形成せしめて、上記同様、物体の高付着・高摩擦状態と、低付着・低摩擦状態とを繰り返し行いせしめるのである。

物体保持装置２０の１つの製造方法として、直径６５ｍｍのナイロン製の半球状の鋳型の底面上に面密度を６０−７０個／ｃｍ^２となるように直径１ｍｍのガラスビーズを配置した。そして、シリコーンゴム前駆体（信越シリコーン社製、商品名：ＫＥ４５Ｔ）を未硬化のまま注入し、更に、圧力調整ポンプ２３に管で接続した直径６５ｍｍの中空の天然ゴムボール（ナガセ社製、商品名：ケンコーソフトボール）を押し込み、これを２４時間室温で静置して硬化させた。鋳型を剥離させると、ゴムボール２１の表層にガラスビーズ２が包埋されたシリコーン膜２２を有する部材を得られる（図５参照）。

なお、上記同様に、直径１８ｍｍのカバーグラスとの間の付着力の試験を行ったところ、シリコーン膜２２に圧力を与えず延伸していない状態において、７７．２ｇの付着力であった。一方、圧力調整ポンプ２３でシリコーン膜２２に圧力を与えて１０％の延伸を与えた状態では、付着力は１７ｇと大幅に低下していた。つまり、かかる物体保持装置２０を用いることで、圧力調整ポンプ２３の制御により物体を持ち上げ、又、これを離脱させることが容易にできるのである。

以上、本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

１本体部材
１ａ物体保持面
２突出部材
１０物体保持構造体
１２仮想格子点

Claims

保持される物体との間の接触状態を変化させ得る物体保持面を有する物体保持構造体であって、
前記物体保持面を有し弾性変形する本体部材と、
前記本体部材の前記物体保持面の仮想格子点の下部に埋め込まれた突出片と、を含み、
前記物体保持面に沿って一方向に伸張させ前記本体部材の厚さを減じるように変形させたときに、前記突出片が仮想格子点部分を前記物体保持面から突出させるように変形させることを特徴とする物体保持構造体。
前記物体保持面は付着性を有し前記物体保持面の変形により付着力を低下させることを特徴とする請求項１記載の物体保持構造体。
前記物体保持面はゴムからなる球体の少なくとも一部の外表面であることを特徴とする請求項２記載の物体保持構造体。
前記物体保持面と保持される物体との間の摩擦係数が前記物体保持面の変形により変化し得ることを特徴とする請求項１乃至３のうちの１つに記載の物体保持構造体。
前記突出片は球体であることを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記載の物体保持構造体。
前記仮想格子点には前記突出片を前記物体保持面から露出させる開口部が設けられており、前記突出片は前記開口部の大きさよりも大なる球体であることを特徴とする請求項５記載の物体保持構造体。
前記仮想格子点及び前記突出片の組は前記物体保持面に複数設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のうちの１つに記載の物体保持構造体。
前記仮想格子点は前記物体保持面に規則的に配列されて設けられていることを特徴とする請求項７記載の物体保持構造体。
保持される物体との間の接触状態を変化させ得る物体保持面における物体保持方法であって、
前記物体保持面を有し弾性変形する本体部材と、前記本体部材の前記物体保持面の仮想格子点の下部に埋め込まれた突出片と、を含む物体保持構造体において、
前記物体保持面に沿って一方向に伸張させ前記本体部材の厚さを減じるように変形させ、前記突出片により仮想格子点部分を前記物体保持面から突出させるように変形させ、前記物体保持面の形状を変化させて前記物体との間の接触状態を変化させることを特徴とする物体保持方法。
前記物体保持面は付着性を有し前記物体保持面の変形により付着力を低下させることを特徴とする請求項９記載の物体保持方法。
前記物体保持面はゴムからなる球体の少なくとも一部の外表面であることを特徴とする請求項１０記載の物体保持方法。
前記物体保持面と保持される物体との間の摩擦係数は前記物体保持面の変形により変化し得ることを特徴とする請求項９乃至１１のうちの１つに記載の物体保持方法。
前記突出片は球体であることを特徴とする請求項９乃至１２のうちの１つに記載の物体保持方法。
前記仮想格子点には前記突出片を前記物体保持面から露出させる開口部が設けられており、前記突出片は前記開口部の大きさよりも大なる球体であり、前記開口部から前記突出片が前記物体保持面を越えて突出することを特徴とする請求項１３記載の物体保持方法。
前記仮想格子点及び前記突出片の組は前記物体保持面に複数設けられていることを特徴とする請求項９乃至１４のうちの１つに記載の物体保持方法。
前記仮想格子点は前記物体保持面に規則的に配列されて設けられていることを特徴とする請求項１５記載の物体保持方法。