JPH07328979A - 電気粘性流体を用いた保持装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、複雑な表面形状や壊れ易い構造物
を柔らかくかつ均一に保持する保持装置の実現を目的と
する。 【構成】 電気粘性流体と電極部を内部に配備したフレ
キシブルなセルで対象物を保持する保持装置であり、電
極部に電界を実質的に印加しない状態でフレキシブルな
セルを対象物に接触させ、セルの接触面の形状を対象物
の表面形状に対応するように変形させ、続いて電界を印
加し電気粘性流体の全体あるいは一部の粘性を増大さ
せ、セル表面形状を保持すべき対象物の表面形状に従っ
た状態で実質的に固化させて対象物を保持する。特にフ
レキシブルなセル（メインセル）の内部に複数個のサブ
セルを具備することにより保持の安定化を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電界の印加により粘性
が変化する電気粘性流体（一般にＥＲ流体とも呼ばれ
る）を用いた保持装置に関するものであり、複雑な表面
形状や壊れ易い構造物を柔らかく、かつ均一に保持する
ことができる。

【０００２】

【従来の技術】人間の手は相手の形状や固さに合わせて
自由に相手を握り保持することができるが、メカニカル
ハンドではそのような操作は極めて難しい。従来のロボ
ット等で使用されているメカニカルハンドの握り部分、
いわゆるグリッパを例に述べると、この点を改良するた
め、指先に柔らかいゴムやスプリンング、フォーム、空
気袋を取り付けたグリッパ、空気袋の空気圧を調整する
グリッパ、指を多数の関節から構成し、ワイヤとプーリ
によって開閉して対象物を把持するソフトグリッパ、ゴ
ム袋の中に小さな樹脂製の球を袋が一杯にならない程度
に入れ、対象物に押し当ててから袋の中の空気を抜いて
ゴム袋がその中の球と一体になって固くなったところで
対象物を把持するニューマティックグリッパ、ニューマ
ティックグリッパとほぼ同様の小球の袋を、対向した２
本の直線平行開閉型の指に取り付けた膨縮グリッパ等の
多くの提案がなされている（ロボット工学ハンドブッ
ク、ｐ３０２、コロナ社）が、対象物を均一な圧力で把
持したり形状に合わせて保持するには不十分であり、対
象物の変形や破損を起こし易い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような機
械的保持装置を用いた際に発生し易い対象物の変形や破
損を生じさせない保持が可能な保持装置の提供を目的と
するものである。

【０００４】

【問題を解決するための手段】従来技術の問題解析をお
こなったところ、保持すべき対象物を平坦な柔らかいゴ
ムやフォ−ムで保持する方法は、対象物の表面形状が平
坦でなければ対象物の表面にかかる力が不均一となり、
保持圧を少し強くすると一部に応力が集中して対象物を
変形あるいは破損させ易い。保持すべき対象物の表面形
状に予め合わせたゴムやフォ−ムで保持する方法はこの
点では好ましいが、汎用性が乏しい。また空気や液体を
封入したフレキシブルな袋（セル）の表面で対象物を保
持する方法は、対象物ににかかる応力が均一になり易い
という点では好ましいが、空気や液体が自由に移動する
ため保持が不安定となる。

【０００５】そこで本発明は、フレキシブルな表面を持
つセルで、変形や破損し易い対象物の保持を行おうとす
るものであり、対象物を保持する際にこのセル内部の流
体が実質的に移動しないように、電界の印加によりその
粘性を著しく増大させ見かけ上固化した状態になり得る
電気粘性（ＥＲ）流体をこのフレキシブルなセルの内部
に封入させることにある。

【０００６】すなわち本発明は、ＥＲ流体と電極部を内
部に配備したメインセルで対象物を保持する際に、ま
ず、電極部に電界を実質的に印加しない状態で該セルを
対象物に接触させ、該セルの接触面の形状を対象物の表
面形状に対応するように変形させ、続いて電極部に電界
を印加しＥＲ流体の全体あるいは一部の粘性を増大さ
せ、該セル表面形状を保持すべき対象物の表面形状に従
った状態で該ＥＲ流体を実質的に固化させて対象物を保
持することを特徴とする保持装置にある。

【０００７】本発明にいう保持装置とは、対象物、特に
表面形状が平坦でない物や角があるもの、変形あるいは
破損し易いものを、保持、搭載、把持、あるいは支持す
るための装置である。例えば、桃やトマト等傷の付き易
い果物を握り箱に詰める作業や壊れ易いガラス製品や変
形し易い金属薄板製品等を掴んで移動するロボットハン
ド等に用いることが出きる。

【０００８】本発明にいうメインセルとはフレキシブル
にその形状を変化しうるセルのことをいい、そのセルの
内部に封入されたＥＲ流体が漏れ出さない構造となって
おり、自由に変形する材質からなる袋状のものである。
ここでいう袋状とは、必ずしも全体が完全なフレキシブ
ルな材質から構成されるものでなくとも、対象物に接触
する側の面はフレキシブルな材質からなるが、対象物の
接触しない面は、対象物を支持したり把持するのに十分
な力を加え得るような、変形しにくくある程度剛性のあ
る金属や樹脂等から構成される、人間の手や指で言うな
らば骨にあたる支持体であってもよい。

【０００９】セルに用いられるフレキシブルな材質とし
ては、ゴム、エラストマ、革、プラスティクフィルム、
織布、不織布等であり、柔らかくかつ多少伸び縮みする
ものが好ましく、特に機械的強度をもたせるためゴムや
エラストマに織布、不織布等が積層されたものも好まし
い。セル内部に封入されたＥＲ流体は、必要に応じてス
リットあるいはバルブ（電極を設けたＥＲ流体バルブで
もよい）を通してセル外部に設けられた流体室に移動
し、また外圧を受けて流体室から元のセルに戻ることが
できる。

【００１０】このようなメインセルは単独で使用するこ
ともできるが、複数個を組み合わせて使用することによ
り複雑な構造の対象物をより安定して保持することが可
能であり、更に人間の指のように対象物を回転や移動さ
せたりすることも可能となる。また本発明にいうサブセ
ルとは、メインセルの内部に複数個設けられ、それぞれ
が電極部と開口部を持ち（必ずしも全てが持つ必要はな
い）、内部にＥＲ流体を満たし得る構造のセルであり、
サブセルが電界の印加で個々に固まるためにメインセル
の形状や固さが安定化してメインセルの保持の安定性が
大きく向上する。サブセルは電極部を節として複数個が
連通するものや、互いに独立したスポイド状や筒状もの
でもよく、ＥＲ流体がこのセルの内部にできるだけ多く
出入りできるものが好ましい。サブセルに用いられる材
質としては前記のメインセルに用いられるものが挙げら
れる。特に、外力で押されると容易に変形して平たく萎
みサブセル内部のＥＲ流体を放出するが、外力が取り除
かれると素早く自然に元の状態に膨らみＥＲ流体をサブ
セル内部に吸い込むような形状回復力に富んだ材質が望
ましい。また形状や構造的にもそのようになっているこ
とが好ましい。

【００１１】本発明にいう電極部とは、メインセルある
いはサブセルの内部に存在するＥＲ流体の全体あるいは
一部に電界を印加してその流動を抑制するための、少な
くとも一対の電極からなる部分である。サブセルを備え
ないメインセルに於いては、メインセル内部の全体ある
いは一部に、例えばフレキシブルなメッシュ状の正負の
電極が絶縁性でスポンジ状のスペ−サ−を介して多重に
積層して配備される。電極はセル内部を分割してそれぞ
れの部分に独立に電界を印加することも可能である。ま
たサブセルを備えたメインセルに於いては、平行平板型
や同心環状型の電極がサブセルの節部分や開口部に取り
付けられている。それぞれの電極部はセル外部の電源に
配線されている。

【００１２】なお、「電極部に電界を実質的に印加しな
い状態」とは、電界の印加によりＥＲ流体が固化してフ
レキシブルなセルが保持の目的を達する状態にまでは到
らない程度の低い電界の印加状態をいい、一般には無電
界の状態を意味する。本発明に使用される電気粘性（Ｅ
Ｒ）流体とは、電界を印加した際にその粘性が瞬間的か
つ大きく、可逆的に変化する流体であり、誘電体粒子を
絶縁油に分散させた粒子系と粒子を用いない均一系に大
別される。前者に用いられる粒子としては、イオン分極
可能な水、酸、アルカリあるいは有機電解質等を含ん
だ、シリカやゼオライト等の無機粒子系あるいはイオン
交換樹脂やセルロ−ス等の有機粒子、水を含ずイオン分
極よりは電子分極を生じ易い炭素やポリアニリン、金属
フタロシアニン等の半導体粒子、表面に絶縁性薄膜を被
覆した金属粒子や導電ポリマ−性粒子、その他、異方導
電性や非線形光学特性をもつ材料からなる粒子、等が挙
げられる。また後者としては、液晶性、粘度異方性、両
親媒性、強誘電性、高双極子能率等をもつ物質あるいは
その溶液が挙げられ、中でも液晶、特に高分子液晶が好
ましいものとして挙げられる。尚、本発明でいう「（Ｅ
Ｒ流体を）実質的に固化させる。」とは、電界の印加に
よりフレキシブルなセルが保持の目的を達する状態まで
固化させることを意味する。

【００１３】対象物を保持する際にメインセルを移動さ
せたり対象物をメインセルで押しつけるための駆動に
は、従来行われているように、モ−タ（電気）、空気
圧、油圧等の駆動源が使用される。

【００１４】

【作用】本発明の保持装置は、メインセル中に封入され
たＥＲ流体が、電界印加前にはセル内部を自由に移動で
きるため、対象物に接触したメインセルの表面計上を対
象物の形状どおりに対応させることができ、一旦電界印
加すると、その形状を維持できるので、接触面が均一な
圧力で対象物を保持できる。特に、メインセル内にサブ
セルを配備することにより、保持時のメインセルの形状
安定性が大幅に向上する。このようなメインセル及びサ
ブセルの使用により、精度の高い保持能力を発現すると
ともに、対象物に局所的な圧力がかからず破損や損傷を
与えることが少ない。

【００１５】以下、実施例を挙げて図面を参考にしなが
ら本発明を具体的に説明する。

【００１６】

【実施例】

【００１７】

【実施例１】図１の（ａ）に産業用ロボットのハンド部
を示す。金属製の支持体（グリッパ）１および２の表面
に固定されたメインセル３および４は、グリッパ駆動部
５に設けられた駆動系（図示されず）により支持体１お
よび２を動かして、その中央部で対象物（図示されず）
を挟み込んで保持する機構になっている。図１の（ｂ）
はＡ−Ｂで切った断面図であり、メインセル３（４も同
様）のより詳しい構造を示す。合成ゴム（ブチルゴム）
製のメインセル６の内部にＥＲ流体（含水ゼオライト粒
子を４０ｗｔ％の濃度でシリコ−ンに分散させたもの）
７とステンレス繊維を織物にした正負の電極８および９
が電極間の接触を防止するようにスポンジ状の多孔体シ
−トからなるスペ−サ−１０を介して多層に重ねられ配
備されている。電極８および９は正負に分けて一括して
リ−ド線（図示されず）で外部の電源（図示されず）に
配線されている。またメインセル３（４も同様）の上部
にはスリットバルブ１１を介して伸縮性に富む天然ゴム
製の流体室１２が取り付けられており、ＥＲ流体７の予
備室にもなっている。尚、本実施例においては流体室１
２は、支持体１中に配置された構造となっている。

【００１８】図２はこの保持装置を用いて対象物を保持
する過程を示すものである。（ａ）は対象物１３へのア
プロ−チ過程を、（ｂ）は対象物の形状に従ってメイン
セルの表面が変形する過程を、（ｃ）はメインセルの形
状が変形しないようにＥＲ流体に電界を印加してメイン
セルを固化させる過程を、（ｄ）はＥＲ流体に電界を印
加したままで更にグリッパを少し閉じて保持を強固にす
る過程を示す。

【００１９】（ｂ）の過程で余分となったセル内部のＥ
Ｒ流体はスリットバルブ１１を通じて流体室１２に移動
し、保持を終えグリッパが元の開いた状態に戻る際に
は、流体室内部のＥＲ流体は再びスリットバルブを通し
て天然ゴムの収縮力でメインセル内に戻る。上記のロボ
ットハンドで卵やトマト等を破損や損傷なく保持し分別
箱詰めすることができる。

【００２０】

【実施例２】実施例１のメインセルの保持性を更に改良
するためにその内部に、織物の電極とスペーサーの代わ
りにキンチャク型のサブセルを設けた保持装置である。
図３の（ａ）はキンチャク型のサブセル１４がギッシリ
と詰められた合成ゴム製のメインセル１５の一部を示
す。（ｂ）はサブセルの拡大図を示すもので、キンチャ
ク型サブセル（形状回復力の強い合成ゴム製）１４には
各々開口部１６とスリット電極１７が設けられている。
ＥＲ流体７はサブセル１４およびメインセル１５の内部
に満たされている。スリット電極１７は、電極同士が接
触しないように電極中央部に絶縁性のスペ−サ−１８が
設けられ、各電極のリ−ド線（図示されず）は正負に分
けて一括してメインセル外部の電源（図示されず）に接
続している。

【００２１】対象物を保持する過程は実施例１と同じで
あるが、の対象物の形状に従ってメインセルの表面が変
形する図２の（ｂ）の過程で、サブセルは圧縮されて内
部のＥＲ流体をメインセル内部に放出する。放出された
ＥＲ流体はメインセル実施例１と同様にスリットを通じ
て流体室に移動する。保持を終えグリッパが元の開いた
状態に戻る際には、流体室内部のＥＲ流体は再びスリッ
トを通して天然ゴムの収縮力とサブセルの自己形状回復
力でメインセルおよびサブセル内に戻る。

【００２２】

【実施例３】実施例１において織物の電極とスペーサー
の代わりに一枚のフレキシブルなシ−トに多数のサブセ
ルを形成したものを用いた保持装置である。図４の
（ａ）は多数のサブセル１９を一枚のフレキシブルなシ
−ト２０に形成したものの正面図であり、（ｂ）はそれ
を側面からみた図である。図５はサブセルの構成を模式
的に示す。多数の一定形状の凸部（サブセルの片側面）
２１と開口部用の穴２２を一定間隔に規則正しく形成し
たシ−ト（形状回復力の強い合成ゴムで成形）２３およ
び２４を、凸部２１の位置に合わせた穴２５を設けたフ
レキシブルなシ−ト２６を挟んでシート２３および２４
の凸部２１が外面になるように重ね合わせてサブセルの
シ−トを形成する。なおフレキシブルなシ−ト２６には
凸部２１に対応する穴２５の他に、サブセルの開口部１
６と電極部１７のスリットを形成するための短冊状の穴
２７が形成されており、電極部の穴２７の両面（シ−ト
の両面）には電極となる金属薄膜２８が対向して設けら
れリ−ド線（図示されず）が配線されている。図６はサ
ブセル１９の拡大図であり、（ａ）はサブセルをシ−ト
の上面から見たものであり、（ｂ）はそれをＡ−Ｂで切
った断面図、（ｃ）はＣ−Ｄで切った断面図、（ｄ）は
Ｅ−Ｆで切った断面図である。

【００２３】このように形成したサブセルのシ−トは単
独でもよいが、積層して使用するとより効果的である。

【００２４】

【発明の効果】本発明の保持装置は、対象物への圧力を
均一に分布させながら保持できるため、対象物に局所的
な圧力がかからず破損や損傷を与えることが少ない。ま
たＥＲ流体のインテリジェント性を利用しているため保
持の制御が非常に単純である。複数個のフレキシブルな
セルを組み合わせ多くの自由度を持たせることにより、
人間の指のように複雑な動きをさせることもできる。野
菜や果物、卵やガラスカップ、繊細な工業製品等の取扱
いに極めて好都合な保持装置である。

【図面の簡単な説明】

【図１】サブセルを配備しないメインセル型保持装置

【図２】保持過程を示す図

【図３】キンチャク型サブセルの図

【図４】一枚のシートに多数のサブセルを形成したサブ
セルの図

【図５】図４のサブセルの構成を示す図

【図６】図４のサブセルの拡大図

【符号の説明】

１および２ 支持体 ３、４、６ メインセル ５ グリッパ駆動部 ７ 電気粘性流体（ＥＲ流体） ８、９ 電極 １０ スペーサー １１ スリットバルブ １２ 流体室 １３ 対象物 １４ キンチャク型サブセル １５ メインセル １６ 開口部 １７ スリット電極 １８ スペーサー １９ サブセル ２０ フレキシブルなシート ２１ 凸部 ２２ 開口部対応の穴 ２３および２４ シート ２５ 凸部に対応した穴 ２６ 開口部と電極部に対応した穴 ２７ 電極部の穴 ２８ 金属薄膜（電極）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気粘性流体と電極部を内部に配備した
   メインセルで対象物を保持する際に、 まず、電極部に電界を実質的に印加しない状態で該セル
   を対象物に接触させ、該セルの接触面の形状を対象物の
   表面形状に対応するように変形させ、 続いて電極部に電界を印加し電気粘性流体の全体あるい
   は一部の粘性を増大させ、該セル表面形状を保持すべき
   対象物の表面形状に従った状態で該電気粘性流体を実質
   的に固化させて対象物を保持することを特徴とする保持
   装置。
2. 【請求項２】 メインセルの内部に、それぞれが電気粘
   性流体を内蔵し得るものであり、かつ、それぞれが電極
   部をもつサブセルを配備した請求項１の保持装置。
3. 【請求項３】 電極部に連通する開口部を通してサブセ
   ル内部の電気粘性流体がサブセル内外を出入りする構造
   を有する請求項２の保持装置。