JP6930413B2 - ロボットハンド - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータによって駆動されるロボットハンドに関する。

従来、この種のロボットハンドとして、例えば特許文献１に示すものが知られている。こうしたロボットハンドは、駆動源としてのセラミック製の圧電素子材料と、ピストンと、ピストンを介して圧電素子材料を上向きに押すプリセットばねと、ピストンの下端に係合するピストンロッドと、ピストンロッドの下端に係合する一対のフィンガとを備えている。各フィンガは、一辺が長いＬ字状に形成され、支持枠に軸を介して回動可能に支持されている。一対のフィンガは、バックラッシュ取りばねによって連結されている。

そして、圧電素子材料に電圧を印加すると、圧電素子材料が伸びることによってピストンを介してピストンロッドが下方へ押し下げられる。すると、ピストンロッドは、その一対のテーパ面において一対のフィンガをバックラッシュ取りばねの付勢力に抗して押し開くように一対のフィンガの基端を下方に押す。これにより、一対のフィンガは、これらの先端同士が離れるように回動されて開かれる。

一方、圧電素子材料への電圧の印加を止めると、伸びていた圧電素子材料が元の長さに戻る。すると、一対のフィンガは、バックラッシュ取りばねの付勢力によって、それらの先端同士が近づくように回動されて閉じられる。これに伴い、ピストン及びピストンロッドが元の位置へ押し戻される。

特開平１−２７４９８６号公報

ところで、上述のロボットハンドの場合、Ｌ字状のフィンガの二辺の長さの比を大きくする増幅構造を採用することで、圧電素子材料の僅かな伸び量でも一対のフィンガの先端同士の開閉幅（移動量）が大きくなるように構成されている。このため、フィンガの動作に伴ってフィンガに僅かな衝撃が働いた場合でも、当該僅かな衝撃が上記増幅構造を介して大きな衝撃となって衝撃に弱いセラミック製の圧電素子材料に働いてしまう。したがって、フィンガからの衝撃ができるだけ圧電素子材料に伝わらないように、フィンガの動作速度を遅くしなければならないという問題がある。

本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的は、物品を把持する把持部の動作速度を速くすることができるロボットハンドを提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決するロボットハンドは、本体部と、前記本体部に設けられ、誘電エラストマー製の誘電層と、前記誘電層を挟むように配置された導電エラストマー製の電極層とを有するアクチュエータと、物品を把持可能な把持部と、前記誘電層が前記電極層によって挟まれる方向における前記アクチュエータの伸縮動作に伴って、前記把持部を、前記把持部が前記物品を把持する把持位置と前記把持部が前記物品を把持しない非把持位置との間で変位させる変位機構と、を備えることを要旨とする。

この構成によれば、アクチュエータが弾力性を有しているため、把持部の動作時に把持部からアクチュエータに伝わる衝撃がアクチュエータによって吸収される。したがって、物品を把持する把持部の動作速度を速くすることができる。

上記ロボットハンドにおいて、前記変位機構は、前記アクチュエータにおける前記誘電層が前記電極層によって挟まれる方向の一端側に固定された状態で前記把持部と係合し、前記アクチュエータの伸縮動作に伴って前記把持部を前記把持位置及び前記非把持位置のうちの一方へ変位させる変位部材と、前記把持部を前記把持位置及び前記非把持位置のうちの他方へ付勢する付勢部材とを備えていることが好ましい。

この構成によれば、変位部材及び付勢部材によって把持部を把持位置と非把持位置との間で変位させることができる。
上記ロボットハンドにおいて、前記把持部は、前記物品を把持する一対の把持片を備え、一対の前記把持片は、それぞれ軸により前記把持位置と前記非把持位置との間で回動可能に支持されていることが好ましい。

この構成によれば、アクチュエータの伸縮動作により、一対の把持片を把持位置と非把持位置との間で回動させることができる。
上記ロボットハンドにおいて、前記付勢部材は、一対の前記把持片同士の間に配置されていることが好ましい。

この構成によれば、付勢部材を一対の把持片の外側に配置する場合に比べてロボットハンドを小型化できる。
上記ロボットハンドにおいて、前記誘電層は、ポリロタキサンの環状分子同士が架橋されたエラストマー（以下、「架橋されたポリロタキサン」と言う）によって構成されていることが好ましい。

この構成によれば、架橋点が自由に動くエラストマーによって誘電層が構成されるため、弾性変形を繰り返すアクチュエータの耐久性を高めることができる。

本発明によれば、物品を把持する把持部の動作速度を速くすることができる。

一実施形態のロボットハンドを示す斜視図。 ロボットハンドの一対の把持片が非把持位置にあるときの状態を示す断面図。 ロボットハンドの一対の把持片が把持位置にあるときの状態を示す断面図。 ロボットハンドのアクチュエータを示す断面模式図。

以下、ロボットハンドの一実施形態を図面に従って説明する。
図１及び図２に示すように、ロボットハンド１１は、略直方体状をなす本体部１２と、本体部１２に設けられた一対のアクチュエータ１３と、本体部１２に設けられて物品１４を把持可能な把持部を構成する一対の把持片１５と、一対の把持片１５を変位させる変位機構１６とを備えている。

本体部１２における長手方向Ｚの一端部にはロボットハンド１１をロボットアーム（図示略）に取り付けるための１つの取付孔１７と２つのねじ孔１８とが形成され、他端部には一対の把持片１５が長手方向Ｚと直交する奥行方向Ｙに延びる一対の軸１９を介して回動可能に支持されている。

一対の把持片１５は、基端部１５ａが本体部１２内で一対の軸１９によって回動可能に支持され、中間部１５ｂ及び先端部１５ｃが本体部１２外に位置している。そして、一対の把持片１５は、それぞれ軸１９により、物品１４を把持する把持位置（図３に示す位置）と物品１４を把持しない非把持位置（図２に示す位置）との間で回動可能に支持されている。

一対の把持片１５は、略矩形板状をなしており、長手方向Ｚ及び奥行方向Ｙの両方と直交する幅方向Ｘにおいて互いに離れて対向するように配置されている。したがって、本実施形態では、一対の把持片１５の対向方向が幅方向Ｘと一致している。一対の把持片１５の中間部１５ｂにおける幅方向Ｘの内側の面には、それぞれ凹部２０が形成されている。

これらの凹部２０の底面同士は、付勢部材の一例としてのコイルばね２１によって連結されている。すなわち、コイルばね２１は、幅方向Ｘにおける一対の把持片１５同士の間に配置されている。なお、一対の把持片１５は、通常、略平行になる非把持位置（図２に示す位置）に位置している。

本体部１２内における幅方向Ｘの両側には、一対の収容部２２が設けられている。一対の収容部２２は、奥行方向Ｙの両側と幅方向Ｘの内側とが開口している。一対の収容部２２には、一対の略直方体状をなすアクチュエータ１３がそれぞれ収容されている。一対のアクチュエータ１３は、これらの幅方向Ｘの外側の面が、本体部１２内における幅方向Ｘの両内側面にそれぞれ固定されている。

図４に示すように、アクチュエータ１３は、エラストマー製圧電素子であり、導電エラストマー製の電極層を構成する第１対向電極層２３及び導電エラストマー製の電極層を構成する第２対向電極層２４が誘電エラストマー製の誘電層２５を幅方向Ｘにおいて間に挟むように交互に配置されてなる多層構造体によって構成されている。したがって、本実施形態では、アクチュエータ１３における誘電層２５が第１対向電極層２３及び第２対向電極層２４によって挟まれる方向が幅方向Ｘと一致している。

第１対向電極層２３及び第２対向電極層２４は、その厚さが例えば、１〜１００μｍである薄膜状に形成されている。幅方向Ｘで隣り合う誘電層２５同士の間において、第１対向電極層２３は誘電層２５における長手方向Ｚの中央側から一方側の範囲に配置されるとともに、第２対向電極層２４は誘電層２５における長手方向Ｚの中央側から他方側の範囲に配置されている。

第１対向電極層２３及び第２対向電極層２４を構成する導電エラストマー（第１対向電極層２３及び第２対向電極層２４の材料）は特に限定されるものではなく、公知のエラストマー製圧電素子に用いられる導電エラストマーを用いることができる。上記導電エラストマーとしては、例えば、絶縁性高分子及び導電性フィラーを含有する導電エラストマーが挙げられる。

上記絶縁性高分子としては、例えば、架橋されたポリロタキサン、シリコーンエラストマー、アクリルエラストマー、ウレタンエラストマーが挙げられる。これら絶縁性高分子のうちの一種を用いてもよいし、複数種を併用してもよい。上記導電性フィラーとしては、例えば、ケッチェンブラック（登録商標）、カーボンブラック、銅や銀等の金属粒子が挙げられる。これら導電性フィラーのうちの一種を用いてもよいし、複数種を併用してもよい。

誘電層２５は、その厚さが例えば、１０〜３００μｍである薄膜状に形成されている。誘電層２５を構成する誘電エラストマー（誘電層２５の材料）は特に限定されるものではなく、公知のエラストマー製圧電素子に用いられる誘電エラストマーを用いることができる。上記誘電エラストマーとしては、例えば、架橋されたポリロタキサン、シリコーンエラストマー、アクリルエラストマー、ウレタンエラストマーが挙げられる。これら誘電エラストマーのうちの一種を用いてもよいし、複数種を併用してもよい。本実施形態の誘電層２５を構成する誘電エラストマー（誘電層２５の材料）は、架橋されたポリロタキサンによって構成されている。

幅方向Ｘで隣り合う誘電層２５同士の間の領域であって第１対向電極層２３及び第２対向電極層２４が配置されていない領域には、絶縁エラストマー製の絶縁部２６が設けられている。絶縁部２６の厚さは、第１対向電極層２３及び第２対向電極層２４の厚さと同じになっている。

絶縁部２６を構成する絶縁エラストマー（絶縁部２６の材料）は公知のエラストマー製圧電素子等において絶縁部分に用いられる公知の絶縁エラストマーを用いることができる。上記絶縁エラストマーとしては、例えば、架橋されたポリロタキサン、シリコーンエラストマー、アクリルエラストマー、ウレタンエラストマーが挙げられる。これら絶縁エラストマーのうちの一種を用いてもよいし、複数種を併用してもよい。

各第１対向電極層２３及び各第２対向電極層２４は、電線２７を介して電源２８と電気的に接続されている。したがって、各第１対向電極層２３と各第２対向電極層２４との間には、電源２８によって電圧が印加されるようになっている。なお、アクチュエータ１３は、公知の絶縁エラストマーによって構成された保護膜２９によって全体が覆われている。

図２に示すように、一対のアクチュエータ１３における幅方向Ｘの内側（一端側）の面には、長手方向Ｚに延びる一対の略矩形板状の変位部材３０の基端部３０ａがそれぞれ固定されている。一対の変位部材３０の先端部３０ｂは、一対の把持片１５の基端部１５ａの幅方向Ｘの内側の面における一対の軸１９よりも長手方向Ｚにおける一対のアクチュエータ１３側の位置に係合している。すなわち、一対の変位部材３０の先端部３０ｂにおける幅方向Ｘの外側の面が一対の把持片１５の基端部１５ａにおける幅方向Ｘの内側の面に接触している。この場合、一対の変位部材３０の先端部３０ｂにおける幅方向Ｘの外側の面は、凸曲面になっている。

なお、本実施形態では、変位部材３０とコイルばね２１とによって変位機構１６が構成されている。
次に、ロボットハンド１１の作用について説明する。

図２に示すように、ロボットハンド１１は、一対のアクチュエータ１３の各第１対向電極層２３と各第２対向電極層２４との間に電圧が印加されていない状態では、一対の把持片１５が非把持位置に位置した状態になっている。この状態で一対のアクチュエータ１３の各第１対向電極層２３と各第２対向電極層２４との間に電圧が印加されると、図３に示すように、一対のアクチュエータ１３は、幅方向Ｘにおいて収縮するように弾性変形するとともに、長手方向Ｚ及び奥行方向Ｙにおいて伸長するように弾性変形する。

すると、一対のアクチュエータ１３の幅方向Ｘでの収縮動作に追従して一対の変位部材３０が互いに離れるように幅方向Ｘの外側へ直線的に移動される。これにより、一対の変位部材３０の先端部３０ｂが一対の把持片１５の基端部１５ａを幅方向Ｘの外側に向かって押圧する。すると、一対の把持片１５は、それぞれ一対の軸１９を回動中心としてこれらの先端部１５ｃ同士がコイルばね２１の付勢力に抗して幅方向Ｘにおいて互いに近づくように、回動される。そして、一対の把持片１５が把持位置まで回動すると、一対の把持片１５によって物品１４が把持（挟持）された状態になる。

この状態でロボットハンド１１を所望の位置へ移動させた後、一対のアクチュエータ１３の各第１対向電極層２３と各第２対向電極層２４との間への電圧の印加を止めると、図２に示すように、弾性変形していた一対のアクチュエータ１３は、自らの弾性復元力によって弾性変形前の元の形状に戻る。これにより、一対の変位部材３０は、互いに近づくように幅方向Ｘの内側へ直線的に移動されて移動前の元の位置に戻る。すると、一対の変位部材３０の先端部３０ｂによる一対の把持片１５の基端部１５ａの幅方向Ｘの外側への押圧状態が解除される。

すると、一対の把持片１５は、それぞれ一対の軸１９を回動中心としてこれらの先端部１５ｃ同士がコイルばね２１の付勢力によって幅方向Ｘにおいて互いに離れるように回動されて非把持位置に戻る。これにより、一対の把持片１５による物品１４の把持状態（挟持状態）が解除される。

このように、ロボットハンド１１では、アクチュエータ１３の幅方向Ｘにおける伸縮動作に伴って、一対の把持片１５を、変位部材３０によって非把持位置から把持位置へ回動（変位）させることができるとともにコイルばね２１によって把持位置から非把持位置へ回動（変位）させることができる。

ここで、アクチュエータ１３の伸縮動作を速くして一対の把持片１５の動作速度を速くすると、一対の把持片１５からアクチュエータ１３に伝わる衝撃が大きくなってしまう。しかし、本実施形態のアクチュエータ１３は、弾力性を有しているため、一対の把持片１５からアクチュエータ１３に伝わる衝撃をアクチュエータ１３自体で吸収することができる。したがって、物品１４を把持する一対の把持片１５の動作速度を速くしてもアクチュエータ１３が破損することはない。

因みに、衝撃に弱いセラミック製のアクチュエータを採用したロボットハンドでは、動作速度を速くすると、当該アクチュエータに大きな衝撃が伝わって当該アクチュエータが破損するおそれがある。

以上詳述した実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
（１）ロボットハンド１１において、一対の把持片１５の駆動源となるアクチュエータ１３は、誘電エラストマー製の誘電層２５と、誘電層２５を挟むように配置された導電エラストマー製の第１対向電極層２３及び第２対向電極層２４とを有している。このため、アクチュエータ１３が弾力性を有するので、一対の把持片１５の動作時に一対の把持片１５からアクチュエータ１３に伝わる衝撃をアクチュエータ１３自体で吸収できる。したがって、一対の把持片１５の動作速度を速くすることによってアクチュエータ１３に大きな衝撃が伝わってもアクチュエータ１３が破損することはない。よって、物品１４を把持する一対の把持片１５の動作速度を速くすることができる。

（２）ロボットハンド１１において、変位機構１６は、アクチュエータ１３の幅方向Ｘにおける伸縮動作に伴って一対の把持片１５を把持位置へ変位させる変位部材３０と、一対の把持片１５を非把持位置へ付勢するコイルばね２１とを備えている。このため、変位部材３０及びコイルばね２１によって一対の把持片１５を把持位置と非把持位置との間で変位させることができる。

（３）ロボットハンド１１において、一対の把持片１５は、それぞれ軸１９により把持位置と非把持位置との間で回動可能に支持されている。このため、アクチュエータ１３の伸縮動作により、一対の把持片１５を把持位置と非把持位置との間で回動させることができる。

（４）ロボットハンド１１において、コイルばね２１は、幅方向Ｘにおける一対の把持片１５同士の間に配置されている。このため、コイルばね２１を幅方向Ｘにおける一対の把持片１５の外側に配置する場合に比べてロボットハンド１１を小型化できる。

（５）ロボットハンド１１において、誘電層２５は、架橋されたポリロタキサンによって構成されている。このため、架橋点が自由に動くエラストマーによって誘電層２５が構成されるため、弾性変形を繰り返すアクチュエータ１３の耐久性を高めることができる。

（変更例）
なお、上記実施形態は次のように変更してもよい。
・コイルばね２１は、必ずしも幅方向Ｘにおける一対の把持片１５同士の間に配置する必要はない。例えば、コイルばね２１は、幅方向Ｘにおける一対の把持片１５の外側にそれぞれ配置してもよい。

・一対の把持片１５は、必ずしも軸１９により把持位置と非把持位置との間で回動可能に支持される必要はない。例えば、一対の把持片１５を一対の変位部材３０にそれぞれ連結し、一対の把持片１５が把持位置と非把持位置との間で幅方向Ｘに直線的に移動するようにしてもよい。このようにすれば、コイルばね２１及び一対の軸１９を省略することができる。この場合、変位機構１６は変位部材３０によって構成される。

・付勢部材は、コイルばね２１に限らず、板ばねやゴムなどの弾性体によって構成してもよい。
・一対のアクチュエータ１３のうちの一方と当該一方のアクチュエータ１３に固定された変位部材３０とを省略してもよい。この場合、省略された方のアクチュエータ１３と対応する片方の把持片１５は、把持位置で固定することが好ましい。

・コイルばね２１によって一対の把持片１５を把持位置に付勢し、一対のアクチュエータ１３によってコイルばね２１の付勢力に抗して一対の把持片１５を非把持位置に変位させるようにしてもよい。

・アクチュエータ１３における誘電層２５の積層数は適宜変更してもよい。このようにすれば、一対の把持片１５のストローク（変位量）を調整することができる。
・アクチュエータ１３における幅方向Ｘの面の面積は適宜変更してもよい。このようにすれば、一対の把持片１５による物品１４に対する把持力（挟持力）の大きさを調整することができる。

１１…ロボットハンド、１２…本体部、１３…アクチュエータ、１４…物品、１５…把持部を構成する把持片、１６…変位機構、１９…軸、２１…付勢部材の一例としてのコイルばね、２３…電極層を構成する第１対向電極層、２４…電極層を構成する第２対向電極層、２５…誘電層、３０…変位部材。

Claims (5)

1. 本体部と、
   前記本体部に設けられ、誘電エラストマー製の誘電層と、前記誘電層を挟むように配置された導電エラストマー製の電極層とを有するアクチュエータと、
   物品を把持可能な把持部と、
   前記誘電層が前記電極層によって挟まれる方向における前記アクチュエータの伸縮動作に伴って、前記把持部を、前記把持部が前記物品を把持する把持位置と前記把持部が前記物品を把持しない非把持位置との間で変位させる変位機構と、を備え、
   前記変位機構は、前記アクチュエータにおける前記誘電層が前記電極層によって挟まれる方向の一端側に固定された状態で前記把持部と係合する変位部材を備え、
   前記変位部材は、電圧の印加に基づく前記アクチュエータの収縮動作に伴って前記把持部を前記把持位置へ変位させることを特徴とするロボットハンド。
2. 前記変位機構は、前記把持部を前記非把持位置へ付勢する付勢部材と
   を備えていることを特徴とする請求項１に記載のロボットハンド。
3. 前記把持部は、前記物品を把持する一対の把持片を備え、
   一対の前記把持片は、それぞれ軸により前記把持位置と前記非把持位置との間で回動可能に支持されていることを特徴とする請求項２に記載のロボットハンド。
4. 前記付勢部材は、一対の前記把持片同士の間に配置されていることを特徴とする請求項３に記載のロボットハンド。
5. 前記誘電層は、架橋されたポリロタキサンによって構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のうちいずれか一項に記載のロボットハンド。

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