JP7081781B2 - 変形装置 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 ・発行者名 ：公益社団法人 計測自動制御学会（ＳＩＣＥ） 刊行物名 ：第１７回 公益社団法人 計測自動制御学会 システムインテグレーション部門 講演会 ＳＩ２０１６ 予稿集 発行年月日：２０１６年（平成２８年）１２月１５日 ・集 会 名：第１７回 公益社団法人 計測自動制御学会 システムインテグレーション部門 講演会 ＳＩ２０１６ 開 催 日：２０１６年（平成２８年）１２月１５日～１７日 ・発行者名 ：一般社団法人 日本機械学会 刊行物名 ：ロボティクス・メカトロニクス講演会２０１７ 講演論文集 発行年月日：２０１７年（平成２９年）５月９日 ・集 会 名：ロボティクス・メカトロニクス講演会（ＲＯＢＯＭＥＣＨ） ２０１７ ｉｎ ＦＵＫＵＳＨＩＭＡ 開 催 日：２０１７年（平成２９年）５月１０日～１３日

本発明は、変形装置に関する。

従来、袋状体などを変形させて対象物の把持等を行うことができる変形装置として、内側から外側にかけて連続的に連結された変形袋状体の内側に流動体を入れ、変形袋状体の一部を内側に向かって移動させたり、変形袋状体の内圧を低下させたりすることにより、変形袋状体を変形させて対象物を把持するグリッパ装置がある（例えば、非特許文献１または２参照）。このようなグリッパ装置によれば、変形袋状体が対象物の形状になじみやすく、変形袋状体で対象物を包み込むようにしてしっかりと把持することができる。

多田隈建二郎、多田隈理一郎、勅使河原誠一、溝口義智、長谷川浩章、寺田一貴、高山俊男、小俣透、明愛国、下条誠、「全方向包括式なじみグリッパ－基本概念の提案と機械モデルの第一次試作－」、第２６回日本ロボット学会学術講演会、2008年、1E1-01 Eric Brown，Nicholas Rodenberg，John Amend，Annan Mozeika，Erik Steltz，Mitchell R. Zakin，Hod Lipson，and Heinrich M. Jaeger, "Universal robotic gripper based on the jamming of granular material", Proceedings of the National Academy of Sciences, 2010, vol.107, pp.18809-18814

しかしながら、非特許文献１および２に記載のグリッパ装置では、対象物の形状になじませて把持するためには、やや強めの押付力が必要であり、対象物が柔軟物や脆弱物である場合には、対象物を押しつぶす危険性があるという課題があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、小さい押付力で対象物を把持可能であり、柔軟物や脆弱物であっても押しつぶすことなく把持することができる変形装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る変形装置は、内側変形袋状体と、前記内側変形袋状体との間に収納空間をあけて、前記内側変形袋状体の外側（一部または全体）を覆うよう設けられた外側変形袋状体と、前記収納空間に収納された流動体と、前記流動体の剛性または粘性を変化可能に設けられた硬度制御部と、前記外側変形袋状体の外側から、前記流動体の剛性または粘性の変化を、視覚で認識させるよう設けられた認識手段とを有し、前記収納空間は密封されており、前記内側変形袋状体は、前記外側変形袋状体とともに変形するよう、内部が前記外側変形袋状体の外部に連通しており、前記認識手段は、光源を有し、前記流動体を通過するとき、前記光源からの光量が、前記流動体の剛性または粘性の変化に応じて変化することを利用して、前記流動体の剛性または粘性の変化を認識可能に構成されており、対象物に前記外側変形袋状体を押し当て、前記内側変形袋状体とともに、前記収納空間に収納された前記流動体および前記外側変形袋状体を変形させて、前記外側変形袋状体が前記対象物を把持可能な形状に変形したとき、前記硬度制御部により、前記流動体の剛性または粘性を高めることにより、前記外側変形袋状体で前記対象物を把持可能に構成されていることを特徴とする。

本発明に係る変形装置は、以下のようにして対象物を把持するのに使用することができる。すなわち、まず、対象物に外側変形袋状体を押し当てる。このとき、内側変形袋状体の内部が外側変形袋状体の外部に連通しているため、内側変形袋状体とともに、収納空間に収納された流動体および外側変形袋状体が容易に変形する。これにより、小さい押付力であっても、外側変形袋状体が対象物の形状になじむように容易に変形することができる。外側変形袋状体が対象物を把持可能な形状に変形したならば、硬度制御部により、流動体の剛性または粘性を高める。これにより、外側変形袋状体で対象物を把持することができる。こうして、本発明に係る変形装置は、小さい押付力で対象物を把持することができる。また、対象物が柔軟物や脆弱物であっても、押しつぶすことなく把持することができる。なお、対象物を離す場合には、硬度制御部により、流動体の剛性または粘性を低下させればよい。

本発明に係る変形装置で、外側変形袋状体は、内側変形袋状体の外側の一部を覆っていてもよく、内側変形袋状体の外側全体を覆っていてもよい。内側変形袋状体および外側変形袋状体は、対象物の形状に沿って変形し、かつ変形時に対象物に力を及ぼさないよう、難伸縮性の軟らかい素材から成ることが好ましい。硬度制御部は、外側変形袋状体の外部に設けられていることが好ましいが、収納空間の内部に設けられていてもよい。

本発明に係る変形装置で、流動体は、気体、液体、多数の粒状体など、流動して変形可能であり、かつ硬度制御部によって剛性や粘性が変化可能なものであればいかなるものであってもよいが、特に粉体または機能性流体であることが好ましい。前記流動体が粉体から成るとき、前記硬度制御部は、前記流動体の剛性を変化させるよう、前記収納空間に気体を供給可能かつ前記収納空間から気体を排出可能に構成されていることが好ましい。この場合、硬度制御部で収納空間から気体を排出することにより、粉体の粒子同士が密接するため、粉体の剛性を高めることができる。また、硬度制御部で収納空間に気体を供給することにより、粉体の粒子同士の密接状態が解けるため、粉体の剛性を低下させることができる。

また、前記流動体が機能性流体から成るとき、前記硬度制御部は、前記流動体の粘性を変化させるよう、前記流動体に物理的作用を付与可能に構成されていることが好ましい。この場合、例えば、機能性流体としてＥＲ流体（電気粘性流体）を使用し、硬度制御部により、ＥＲ流体に電界を印加することにより、流動体の粘性を任意に変化させることができる。また、機能性流体としてＭＲ流体（磁気粘性流体）を使用し、硬度制御部により、ＭＲ流体に磁界を印加することにより、流動体の粘性を任意に変化させることができる。

本発明に係る変形装置は、前記内側変形袋状体の内部に流体を供給可能および／または前記内側変形袋状体の内部から流体を排出可能に設けられた変形制御部を有していてもよい。この場合、変形制御部により内側変形袋状体を変形させ、その変形とともに外側変形袋状体も変形させることができる。例えば、内側変形袋状体の内部に流体を供給することにより、対象物を把持した後などに凹んだ外側変形袋状体を元の形状に戻すことができる。また、内側変形袋状体の内部から流体を排出することにより、外側変形袋状体を凹ませることもできる。

本発明に係る変形装置は、前記外側変形袋状体の外側から、前記流動体の剛性または粘性の変化を、所定の物理量および／または状態量の変化に変換して、視覚および／または聴覚で認識させるよう設けられた認識手段を有していてもよい。認識手段がない場合には、硬度制御部による流動体の剛性や粘性の変化を、外観から認識するのは非常に困難である。これに対し、認識手段を設けることにより、流動体の剛性や粘性の変化を、光、変位、音などの物理量や状態量の変化に変換して可視化・可聴化することができるため、流動体の剛性や粘性の変化を容易に認識することができる。これにより、対象物を把持するタイミングや離すタイミングを適切に計ることができる。

認識手段は、流動体の剛性または粘性の変化を、視覚および／または聴覚で認識可能にするものであればいかなるものであってもよい。認識手段は、例えば、光源および／または音源を有し、前記流動体を通過するとき、前記光源からの光量および／または前記音源からの音量が、前記流動体の剛性または粘性の変化に応じて変化することを利用して、前記流動体の剛性または粘性の変化を認識可能に構成されていてもよく、また、前記光源からの光および／または前記音源からの音の波長が、前記流動体の剛性または粘性の変化に応じて変化することを利用して、前記流動体の剛性または粘性の変化を認識可能に構成されていてもよい。

本発明によれば、小さい押付力で対象物を把持可能であり、柔軟物や脆弱物であっても押しつぶすことなく把持することができる変形装置を提供することができる。

本発明の実施の形態の変形装置を示す（ａ）斜視図、（ｂ）先端部分の断面図である。 図１に示す変形装置の、光源を有する変形例を示す斜視図である。 図１に示す変形装置に関する（ａ）変形特性の実験に使用した構造体を示す断面図、（ｂ）変形特性の実験結果を示すグラフである。 図２に示す変形装置に関する、光の透過状態の実験結果を示す（ａ）粉体を固めない状態の観察写真、（ｂ）その一部を拡大した写真、（ｃ）粉体を固めた状態の観察写真、（ｄ）その一部［（ｂ）と同じ部分］を拡大した写真である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図４は、本発明の実施の形態の変形装置を示している。
図１に示すように、変形装置１０は、内側変形袋状体１１と外側変形袋状体１２とキャップ１３と流動体１４と硬度制御部１５とを有している。

内側変形袋状体１１および外側変形袋状体１２は、細長く、後端が開放され、膨らんだとき先端が外側に凸のドーム状を成すよう形成されている。また、内側変形袋状体１１および外側変形袋状体１２は、膨らんだとき横断面が円形を成しており、外側変形袋状体１２の内径が、内側変形袋状体１１の外径よりも大きく、かつ、外側変形袋状体１２の方が内側変形袋状体１１よりも長くなるよう形成されている。内側変形袋状体１１および外側変形袋状体１２は、難伸縮性の軟らかい素材から成る膜を袋状に形成して成り、柔軟に変形可能になっている。なお、具体的な一例では、内側変形袋状体１１および外側変形袋状体１２は、シリコンゴムの膜で形成されている。

変形装置１０は、外側変形袋状体１２の内側に内側変形袋状体１１が挿入されている。また、外側変形袋状体１２と内側変形袋状体１１との間に収納空間１６をあけて、外側変形袋状体１２が内側変形袋状体１１の外側全体を覆うよう設けられている。また、内側変形袋状体１１の後端と外側変形袋状体１２の後端とが、長さ方向で揃うよう設けられている。

キャップ１３は、内側変形袋状体１１の後端および外側変形袋状体１２の後端を密封して覆うよう設けられている。これにより、キャップ１３は、外側変形袋状体１２と内側変形袋状体１１との間の収納空間１６も密封している。キャップ１３は、内側変形袋状体１１の内部と外部とを連通するよう設けられた通気孔１３ａを有している。また、キャップ１３は、外部から収納空間１６に連通する連通孔１３ｂを有している。

流動体１４は、多数の粒状体で構成される粉体から成り、収納空間１６に収納されている。変形装置１０は、通気孔１３ａにより内側変形袋状体１１の内部が外側変形袋状体１２の外部に連通しているため、外側変形袋状体１２が変形したとき、流動体１４を介して、内側変形袋状体１１が外側変形袋状体１２とともに変形するようになっている。

硬度制御部１５は、連通孔１３ｂに接続され、外側変形袋状体１２の外部に配置されている。硬度制御部１５は、連通孔１３ｂを通して収納空間１６に気体を供給可能、かつ収納空間１６から気体を排出可能に構成されている。具体的には、硬度制御部１５は、収納空間１６から気体を排出することにより、流動体１４の粉体の粒子同士を密接させて粉体の剛性を高め、収納空間１６に気体を供給することにより、粉体の粒子同士の密接状態を解いて粉体の剛性を低下させるようになっている。こうして、硬度制御部１５は、粉体から成る流動体１４の剛性を変化可能になっている。

次に、作用について説明する。
変形装置１０は、以下のようにして対象物１を把持するのに使用することができる。すなわち、図１（ａ）に示すように、まず、対象物１に外側変形袋状体１２を押し当てる。このとき、内側変形袋状体１１の内部が外側変形袋状体１２の外部に連通しているため、内側変形袋状体１１とともに、収納空間１６に収納された流動体１４および外側変形袋状体１２が容易に変形する。これにより、小さい押付力であっても、外側変形袋状体１２が対象物１の形状になじむように容易に変形することができる。外側変形袋状体１２が対象物１を把持可能な形状に変形したならば、硬度制御部１５により、収納空間１６から気体を排出して流動体１４の剛性を高める。これにより、外側変形袋状体１２で対象物１を把持することができる。

このように、変形装置１０は、小さい押付力で対象物１を把持することができる。また、内側変形袋状体１１および外側変形袋状体１２が、難伸縮性の軟らかい素材から成っているため、対象物１の形状に沿って変形し、かつ変形時に対象物１に力を及ぼさない。このため、対象物１が柔軟物や脆弱物であっても、押しつぶすことなく把持することができる。なお、対象物１を離す場合には、硬度制御部１５により、収納空間１６に気体を供給して流動体１４の剛性を低下させればよい。

なお、変形装置１０は、外側変形袋状体１２の外側から、流動体１４の剛性の変化を、所定の物理量や状態量の変化に変換して、視覚や聴覚で認識させるよう設けられた認識手段を有していてもよい。図２に示す具体的な一例では、認識手段は、内側変形袋状体１１の内部に設けられた光源２１を有し、流動体１４を通過するとき、光源２１からの光量が流動体１４の剛性の変化に応じて変化することを利用して、流動体１４の剛性の変化を外側変形袋状体１２の外側から視覚で認識可能になっている。このような認識手段を設けることにより、流動体１４の剛性の変化を容易に認識することができ、対象物１を把持するタイミングや離すタイミングを適切に計ることができる。

また、変形装置１０は、流動体１４がＥＲ流体から成り、硬度制御部１５が、流動体１４の粘性を変化させるよう、ＥＲ流体に電界を印加可能に構成されていてもよい。また、流動体１４がＭＲ流体から成り、硬度制御部１５が、流動体１４の粘性を変化させるよう、ＭＲ流体に磁界を印加可能に構成されていてもよい。

また、変形装置１０は、内側変形袋状体１１の内部に流体を供給可能に設けられた変形制御部を有していてもよい。この場合、変形制御部で内側変形袋状体１１の内部に流体を供給することにより、対象物１を把持した後などに凹んだ外側変形袋状体１２を元の形状に戻すことができる。

変形装置１０は、様々な形状のものを把持するグリッパ装置としてだけでなく、その変形特性を利用して、産業用ロボットハンドやアーム、移動ロボットの足、移動体のホイールなどにも利用することができる。

［変形特性（柔軟性）の実験］
内側変形袋状体１１、流動体１４を収納した収納空間１６、外側変形袋状体１２の三層構造について、変形特性（柔軟性）を調べる実験を行った。実験には、図３（ａ）に示すように、直径100mmの１対のシリコンゴム板３１の間に、粉体３２を挟んだ構造体を使用した。各シリコンゴム板３１は、厚さを3mmとし、3mmの空間３３をあけて配置した。また、その空間３３の側面は、シリコンゴム３４で塞いでいる。粉体３２には、コーヒー粉末を用い、空間３３に60ｇを封入した。なお、各シリコンゴム板３１が内側変形袋状体１１および外側変形袋状体１２に対応し、粉体３２が流動体１４に対応している。

実験では、先端に半径7.5mmのアクリル性半球状キャップを取り付けたフォースゲージを用い、一方のシリコンゴム板の中央を、厚み方向に2.5mm/sの一定速度で30mm押込んだときの反力を測定した。測定は、粉体３２を収納したままで空間３３を真空にして粉体３２を固めた状態、および、空間３３を真空にしない状態で行った。また、比較のため、空間３３を有さない構造の、厚さ9mmのシリコンゴム板のみの場合についても同様に測定を行った。

実験結果を、図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）に示すように、空間３３を真空にしないとき（図中の「no-vacuum」）、押し込み深さを大きくしても反力はあまり大きくならず、同じ厚みのシリコンゴム板のみの場合（図中の「silicone」）と同等の柔軟性を有することが確認された。このことから、空間３３に粉体３２を封入しても、シリコンゴム自体の柔軟性には影響がなく、十分な柔軟性を確保できることが確認された。また、空間３３を真空にしたとき（図中の「vacuum」）には、真空にしないときよりも顕著に反力が大きくなり、硬くなることが確認された。なお、各シリコンゴム板３１の間隔を6mm、9mmとした場合についても同様の実験を行っており、図３（ｂ）と同じ傾向の結果が得られている。この実験結果から、図３（ａ）の構造体と同じ構造を有する変形装置１０で、高いなじみ性を実現可能であるといえる。また、真空にして流動体１４を硬くすることにより、対象物１を把持可能であるといえる。

［光源を用いた透過状態（視認性）の実験］
図３（ａ）の構造体を用い、粉体３２を収納したままで空間３３を真空にして粉体３２を固めた状態、および、空間３３を真空にしない状態での光の透過状態（視認性）を調べる実験を行った。図３（ａ）の構造体の一方のシリコンゴム板３１の外側に光源を配置し、その光源からの光の、他方のシリコンゴム板３１の側への透過状態を観察した。その観察結果を、図４に示す。

図４（ａ）および（ｂ）に示すように、空間３３を真空にしない状態では、透過光の光量が全体的に大きいが、図４（ｃ）および（ｄ）に示すように、空間３３を真空にして粉体３２を固めた状態では、粉体３２が密になる領域で、透過光の光量が低下していることが確認された。また、図４（ａ）および（ｂ）の空間３３を真空にしない状態で透過光の光量が比較的大きい箇所は、真空にしたときに粉の量が比較的少なくなるため、透過光の光量が増えていることが確認された。このように、粉体３２の剛性の変化により透過光の光量が変化しており、粉体３２の剛性の変化を、外部から視覚で認識可能であることが確認された。

１ 対象物
１０ 変形装置
１１ 内側変形袋状体
１２ 外側変形袋状体
１３ キャップ
１３ａ 通気孔
１３ｂ 連通孔
１４ 流動体
１５ 硬度制御部
１６ 収納空間
２１ 光源

３１ シリコンゴム板
３２ 粉体
３３ 空間
３４ シリコンゴム

Claims (5)

1. 内側変形袋状体と、
   前記内側変形袋状体との間に収納空間をあけて、前記内側変形袋状体の外側を覆うよう設けられた外側変形袋状体と、
   前記収納空間に収納された流動体と、
   前記流動体の剛性または粘性を変化可能に設けられた硬度制御部と、
   前記外側変形袋状体の外側から、前記流動体の剛性または粘性の変化を、視覚で認識させるよう設けられた認識手段とを有し、
   前記収納空間は密封されており、
   前記内側変形袋状体は、前記外側変形袋状体とともに変形するよう、内部が前記外側変形袋状体の外部に連通しており、
   前記認識手段は、光源を有し、前記流動体を通過するとき、前記光源からの光量が、前記流動体の剛性または粘性の変化に応じて変化することを利用して、前記流動体の剛性または粘性の変化を認識可能に構成されており、
   対象物に前記外側変形袋状体を押し当て、前記内側変形袋状体とともに、前記収納空間に収納された前記流動体および前記外側変形袋状体を変形させて、前記外側変形袋状体が前記対象物を把持可能な形状に変形したとき、前記硬度制御部により、前記流動体の剛性または粘性を高めることにより、前記外側変形袋状体で前記対象物を把持可能に構成されていることを
   特徴とする変形装置。
2. 前記流動体は粉体または機能性流体であることを特徴とする請求項１記載の変形装置。
3. 前記流動体は粉体から成り、
   前記硬度制御部は、前記流動体の剛性を変化させるよう、前記収納空間に気体を供給可能かつ前記収納空間から気体を排出可能に構成されていることを
   特徴とする請求項１記載の変形装置。
4. 前記流動体は機能性流体から成り、
   前記硬度制御部は、前記流動体の粘性を変化させるよう、前記流動体に物理的作用を付与可能に構成されていることを
   特徴とする請求項１記載の変形装置。
5. 前記内側変形袋状体の内部に流体を供給可能および／または前記内側変形袋状体の内部から流体を排出可能に設けられた変形制御部を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の変形装置。
   

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