WO2004000508A1 - 多関節駆動機構及びその製造方法、それを用いた把持ハンドとロボット - Google Patents

Abstract

　複数の骨材が列状に、且つほぼ面的に配置された骨材層部材（１０１）を成し、上記複数の骨材を連結部（３Ａ）で可動自在に連結するとともに、上記骨材層部材の片面又は両面に上記連結部をまたがるように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体（３）を備え、上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、上記隣接する複数の骨材間の関節を屈曲駆動する。

Description

明 細 書 多関節駆動機構及びその製造方法、 それを用いた把持ハンドとロボット 技術分野

本発明は、 多関節駆動機構及びその製造方法、 それを用いた把持ハンドと口 ポットに関し、 特に、 多様な対象物を把持できるとともに、 構造が簡便で安価 に製造できる多関節駆動機構及びその製造方法、 それを用いた把持ハンドとロ ボットに関する。 背景技術

従来の産業用口ポットの把持ハンドは、 工場内で製品の生産に使われ、 特定 の部品を精度良く取り扱うものが多く提案されている。 これに対して、 家庭や オフィス、 病院などで家事支援や仕事支援、 高齢者や障害者の介護支援などに 活躍することが期待されるロポットの把持ハンドは、 把持ハンド自体が小型軽 量かつ柔軟で、 安全であるとともに、 多様な対象物を器用に把持できることが 求められる。

多様な対象物を器用に把持することを目的に、 機械学会論文集、 6 6 , 6 5 1 C、 3 6 7 2 / 3 6 7 8 ( 2 0 0 0 ) に、 研究用の人間型ロボットハンドが 示されている。 この口ポットハンドは、 4関節 4自由度の母指 1本と 4関節 3 自由度の指 4本を持ち、 4本指の先端の関節はリンク機構で、 その他の関節に は小型のサーボモータを組み込んだもので、 分布型圧力センサーを備えている。 このロボットハンドは研究用に商用されているが、 多数の部品の組み立て体で あるため高価で、 その用途が限定されている。

また、 把持ハンド自体が柔軟な構造の把持ハンドとして、 特許第 3 2 2 6 2 1 9号に、 内部が隔壁によって 3室に分離された筒状の弾性体よりなる把持用 のァクチユエータが開示されている。 このァクチユエータは、 あらゆる方向に 柔軟に動かすことができる反面、 骨格構造がないため比較的重 、ものを確実に 把持したり、 また、 把持動作の制御が難しい難点がある。

これら既報の把持ハンドの従来例には、 本出願に係わる、 列状に配置された、 複数の骨材よりなる平面型の多関節駆動機構により駆動され、 多様な対象物を 把持できると共に、 構造が簡便で安価に製造できる把持ハンドと、 これを用い たロボットは開示されていない。

家庭内での家事支援等のパーソナルロボットを実現し普及させるには、 これ に用いる把持ハンドとして、 ハンド自体が小型軽量かつ柔軟で、 安全であると ともに、 多様な対象物を器用に把持できるという性能を持ち、 かつ簡便な構成 で安価に製造できる把持ハンドを実現することが重要な課題である。

本発明の目的は、 上記課題を解決し、 その駆動機構として製造の容易さを含 めて実用レベルの具体的構成を備えた多関節駆動機構及びその製造方法、 それ を用いた把持ハンドとロボットを提供することにある。 発明の開示

本 S明は、 上記目的を達成するため、 以下のように構成している。

本発明によれば、 複数の骨材が列状に配置された骨材層部材を成し、 上記複 数の骨材を連結部で可動自在に連結するとともに、 上記骨材層部材の対象物に 対する接触面側又は Z及び接触面側と対向する非接触面側に上記連結部をまた がるように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体を備え、 上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、 上記隣接する複数の 骨材間の上記連結部を関節として屈曲駆動する多関節駆動機構を提供する。 また、 本発明によれば、 複数の骨材が列状に配置された骨材層部材を成し、 上記複数の骨材を可動自在に連結部で連結するとともに、 上記骨材層部材の対 象物に対する接触面側又は/及び接触面側と対向する非接触面側に上記連結部 をまたがるように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体 を備え、 上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、 上記隣接する 複数の骨材間の上記連結部を関節として屈曲駆動する多関節駆動機構の製造方 法であって、 少なくとも、 上記複数の骨材がほぼ平面的に配置された上記骨材層部材をー 括して形成し、

上記複数の弾性膨張収縮体が一体化された弾性膨張収縮体層部材を、 上記骨 材層部材の隣接面でかつ上記骨材層部材の対象物に対する接触面側又は /"及び 接触面側と対向する非接触面側に連結することを含む多関節駆動機構の製造方 法を提供する。

また、 本宪明によれば、 複数の骨材が列状に配置された骨材層部材を成し、 上記複数の骨材を可動自在に連結部で連結するとともに、 上記骨材層部材の対 象物に対する接触面側又は Z及び接触面側と対向する非接触面側に上記連結部 をまたがるように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体 を備え、 上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、 上記隣接する 複数の骨材間の上記連結部を関節として屈曲駆動する多関節駆動機構より構成 される指機構を複数対向して備えて、

上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、 上記指機構を駆動し て対象物の把持動作を行う把持ハンドを提供する。

また、 本発明によれば、 複数の骨材が列状に配置された骨材層部材を成し、 上記複数の骨材を連結部で可動自在に連結するとともに、 上記骨材層部材の対 象物に対する接触面側又は Z及び接触面側と対向する非接触面側に上記連結部 をまたがるように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体 を備え、 上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、 上記隣接する 複数の骨材間の上記連結部を関節として屈曲駆動する多関節駆動機構を複数個 具備した把持ハンドと、

上記把持ハンドに感圧センサー、 摩擦センサーなどの触覚センサー又は連結 部材の変位センサーを備えて、 該センサー又はアンテナにより検出した情報に 基づいて上記把持ハンドの把持動作を制御する口ポットを提供する。 図面の簡単な説明

本発明のこれらと他の目的と特徴は、 添付された図面についての好ましい実 施形態に関連した次の記述から明らかになる。 この図面においては、

図 1 Aは、 本発明の第 1実施形態における面型の関節駆動機構の平面図であ り、

図 1 Bは、 上記第 1実施形態の関節駆動機構の断面図であり、

図 1 Cは、 上記第 1実施形態の関節駆動機構の変形状態を表す断面図であり、 図 1 Dは、 上記第 1実施形態の関節駆動機構の変形状態を表す断面図であり、 図 2 Aは、 本発明の第 2実施形態における平面型の関節駆動機構の平面図で あり、

図 2 Bは、 上記第 2実施形態の関節駆動機構の断面図であり、

図 2 Cは、 上記第 2実施形態の関節駆動機構の変形状態を表す断面図であり、 図 2 Dは、 上記第 2実施形態の関節駆動機構の変形状態を表す断面図であり、 図 3 Aは、 本発明の第 2実施形態における 4指型把持ハンドの斜視図であり、 図 3 Bは、 本発明の第 2実施形態における 6指型把持ハンドの斜視図であり、 図 4 Aは、 本発明の第 2実施形態における弾性ヒンジの斜視図であり、 図 4 Bは、 本発明の第 2実施形態における把持状態を示す把持ハンドの斜視 図であり、

図 4 Cは、 本発明の第 2実施形態の別形態におけるヒンジの斜視図であり、 図 4 Dは、 本発明の第 2実施形態における別の把持状態を示す把持ハンドの 斜視図であり、

図 5 Aは、 本発明の第 3実施形態における多軸回転型弾性ヒンジの斜視図で あり、

図 5 Bは、 上記第 3実施形態における多軸回転型弹性ヒンジの駆動機構の斜 視図であり、

図 5 Cは、 上記第 3実施形態における多軸回転型弾性ヒンジの駆動機構の断 面図であり、

図 6は、 本努明の第 3実施形態における多軸回転型弾性ヒンジを用いた多関 節駆動機構の一部を表す斜視図であり、

図 7 Aは、 本発明の第 4実施形態における平面型の関節駆動機構の断面図で あり、

図 7 Bは、 本発明の第 4実施形態における平面型の関節駆動機構の平面図で あり、

図 8 Aは、 本発明の第 4実施形態における拮抗駆動型の関節駆動機構の断面 図であり、

図 8 Bは、 本発明の第 4実施形態における拮抗駆動型の関節駆動機構の平面 図であり、

図 9 Aは、 本発明の第 2実施形態における把持状態を示す把持ハンドの斜視 図であり、

図 9Bは、 本発明の第 2実施形態における把持状態を示す把持ハンドの斜視 図であり、

図 10は、 本発明の第 2実施形態における把持ハンドを備えたロボットの斜 視図であり、

図 1 1Aは、 本発明の第 5実施形態における関節駆動機構の断面図であり、 図 1 1 Bは、 本発明の第 5実施形態における関節駆動機構の平面図であり、 図 12A、 図 12B、 図 12Cは、 それぞれ、 本発明の関節駆動機構の製造 を示すプロック図であり、

図 13A、 図 13B、 図 13C、 図 13Dは、 それぞれ、 本発明の関節駆動 機構の別の製造を示すプロック図であり、

図 14は、 本発明の第 1実施形態における面型の関節駆動機構の空圧制御関 係の構造を示すプロック図である。 発明を実施するための最良の形態

本発明の記述を続ける前に、 添付図面において同じ部品については同じ参照 符号を付している。

以下、 図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する前に、 本発 明の種々の態様について説明する。

本発明の第 1態様によれば、 複数の骨材が列状に配置された骨材層部材を成 し、 上記複数の骨材を連結部で可動自在に連結するとともに、 上記骨材層部材 の対象物に対する接触面側又は/及び接触面側と対向する非接触面側に上記連 結部をまたがるように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張収 縮体を備え、

上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、 上記隣接する複数の 骨材間の上記連結部を関節として屈曲駆動する多関節駆動機構を提供する。 本発明の第 2態様によれば、 上記連結部の自由度がほぼ回転自由度のみであ つて、 少なくとも先端に近い上記連結部の自由度が、 上記骨材層部材の列方向 にほぼ直交する軸周りの 1自由度に拘束されている第 1の態様に記載の多関節 駆動機構を提供する。

本発明の第 3態様によれば、 上記連結部が、 薄板パネによりなるヒンジで構 成している第 2の態様に記載の多関節駆動機構を提供する。

本発明の第 4態様によれば、 上記連結部が、 上記骨材の一部を細らせること により骨材自体よりなるヒンジを構成している第 2の態様に記載の多関節駆動 機構を提供する。

本発明の第 5態様によれば、 上記連結部の変形量を検出する変形量センサー を接続する信号配線と、 電気的に上記弾性膨張収縮体を駆動する場合の駆動配 線を備えるフレキシブル配線基板を、 上記連結部の曲げ部近傍に配置する第 1 の態様に記載の多関節駆動機構を提供する。

本発明の第 6態様によれば、 上記フレキシブル配,锒基板が、 薄板バネにより なるヒンジを兼ねている第 5の態様に記載の多関節駆動機構を提供する。 本発明の第 7態様によれば、 上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させる装置 をさらに備え、 上記装置は、 ゴム弾性体への空気圧印加により駆動する装置、 又は形状記憶材料への加熱冷却により駆動する装置、 又はエレクトロアタティ ブポリマ ~^ ·の電界印加により駆動する装置である第 1〜 6のいずれか 1つの 態様に記載の多関節駆動機構を提供する。

本発明の第 8態様によれば、 上記弾性膨張収縮体をゴム弾性体より構成する とともに、 上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させる装置が、 上記ゴム弾性体 への空気圧印加により駆動する装置であり、 上記ゴム弾性体への空気圧印加す るための配管を有する積層型空圧配管層部材をさらに備える第 7の態様に記載 の多関節駆動機構を提供する。

本発明の第 9態様によれば、 複数の骨材が列状に配置された骨材層部材を成 し、 上記複数の骨材を可動自在に連結部で連結するとともに、 上記骨材層部材 の対象物に対する接触面側又は Z及ぴ接触面側と対向する非接触面側に上記連 結部をまたがるように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張収 縮体を備え、 上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、 上記隣接 する複数の骨材間の上記連結部を関節として屈曲駆動する多関節駆動機構の製 造方法であって、

少なくとも、 上記複数の骨材がほぼ平面的に配置された上記骨材層部材をー 括して形成し、

上記複数の弾性膨張収縮体が一体化された弾性膨張収縮体層部材を、 上記骨 材層部材の隣接面でかつ上記骨材層部材の対象物に対する接触面側又は/及び 接触面側と対向する非接触面側に連結することを含む多関節駆動機構の製造方 法を提供する。

本発明の第 1 0態様によれば、 複数の骨材が列状に配置された骨材層部材を 成し、 上記複数の骨材を可動自在に連結部で連結するとともに、 上記骨材層部 材の対象物に対する接触面側又は/及び接触面側と対向する非接触面側に上記 連結部をまたがるように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張 収縮体を備え、 上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、 上記隣 接する複数の骨材間の上記連結部を関節として屈曲駆動する多関節駆動機構よ り構成される指機構を複数対向して備えて、

上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、 上記指機構を駆動し て対象物の把持動作を行う把持ハンドを提供する。

本発明の第 1 1態様によれば、 上記把持ハンドは、 上記複数対向する指機構 により対象物を把持可能とし、 少なくとも上記把持ハンドの把持面側に、 感圧 センサ一、摩擦センサ一などの触覚センサ一又は上記連結部の変位センサ一又 はタグ情報検知用アンテナを備えて、 該センサー又はアンテナにより検出した 情報に基づいて把持動作を制御する第 1 0の態様に記載の把持ハンドを提供す る。

本発明の第 1 2態様によれば、 少なくとも上記把持ハンドの上記把持面側の 一部を、 ゴムなどの高摩擦柔軟材料で覆う第 1 0又は 1 1の態様に記載の把持 ハンドを提供する。

本発明の第 1 3態様によれば、 上記把持ハンドの外側面側に上記弾性膨脹収 縮体を備え、 この弾性膨張収縮体として、 膨脹型及び収縮型の両者を備え、 両 者の拮抗作用で把持動作を駆動する第 1 0又は 1 1の態様に記載の把持ハンド を提供する。

本発明の第 1 4態様によれば、 把持ハンドの根本部に、 超音波式又は撮像式 などの把持対象物検出センサー又はカメラ、 又はタグ情報検知用アンテナの把 持対象物情報検出装置を備えて、 上記把持対象物情報検出装置により検出され た把持対象物情報に基づいて把持動作を制御する第 9又は 1 1の態様に記載の 把持ハンドを提供する。

本発明の第 1 5態様によれば、 複数の骨材が列状に配置された骨材層部材を 成し、 上記複数の骨材を連結部で可動自在に連結するとともに、 上記骨材層部 材の対象物に対する接触面側又は Z及び接触面側と対向する非接触面側に上記 連結部をまたがるように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張 収縮体を備え、 上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、 上記隣 接する複数の骨材間の上記連結部を関節として屈曲駆動する多関節駆動機構を 複数個具備した把持ハンドと、

上記把持ハンドに感圧センサー、 摩擦センサーなどの触覚センサー又は連結 部材の変位センサーを備えて、 該センサー又はアンテナにより検出した情報に 基づいて上記把持ハンドの把持動作を制御するロボットを提供する。

本発明の第 1 6態様によれば、 超音波式又は撮像式などの把持対象物検出セ ンサ一又はカメラ、 又はタグ情報検知用アンテナの把持対象物情報検出装置を 備えて、 上記把持対象物情報検出装置により検出された把持対象物情報に基づ いて上記把持ハンドの把持動作を計画して制御する第 1 5の態様に記載の口ボ ットを提供する。

本発明の第 1 7態様によれば、 上記骨材層部材は、 上記複数の骨材が列状に 且つほぼ平面的に配置されている第 1の態様に記載の多関節駆動機構を提供す る。

以下に、 図面を参照して本発明における種々の実施形態を詳細に説明する。

(第 1実施形態）

図 1 A及び図 1 Bは、 本発明の第 1実施形態における面型 （ここでは平面 型） の関節駆動機構 1 0 0 , 1 0 0の平面図及び断面図を示す。 図 1 A〜図 1 Dに示す関節駆動機構 1 0 0， 1 0 0は、 空気圧を印加することで膨脹する空 気圧ァクチユエータを駆動源とするものである。

図 1 A, 図 1 Bにおいて、 複数の骨材 1例えば 4個の長方形板状の骨材 1 (場所を特定する場合には参照符号 1一 1， 1一 2， 1 - 3 , 1一 4を使用し、 特定しない場合には総称的に参照符号 1を使用する。 ） を 1つの長尺な長方形 板状の連結部材 2によつて連結し、 各隣接する骨材 1と骨材 1同士を連結部材

2の各連結部 2 A (言い換えれば、 上記多関節駆動機構 1 0 0の関節として機 能する部分） で可動自在にし、 これらの連結部 2 A, …， 2 Aをまたがって弾 性膨脹収縮体 3 (場所を特定する場合には参照符号 3— 1， 3 - 2 , 3— 3を 使用し、 特定しない場合には総称的に参照符号 3を使用する。 ） を骨材 1一 1， 1— 2， 1— 3， 1一 4に固定部 4， ···， 4で固定する。 この各固定部 4は、 弾性膨脹収縮体 3が膨脹収縮した際に骨材 1に力を及ぼす部分にあたり、 この 力を伝達するために、 この部位で固定する必要があることから、 たとえば、 弾 性膨脹収縮体 3に設けた凸部を骨材 1に設けた凹部 1 aに嵌め合わせて固定す る構造より構成されている。

ここでは、 4つの骨材 1 ( 1一 1， 1— 2 , 1— 3， 1一 4 ) は、 先端 （図

1 Aの左端） の骨材 1—1と基端 （図 1 Aの右端） の骨材 1一 4が大略同じ長 さで、 2番目の骨材 1一 2と 3番目の骨材 1一 3とが大略同じ長さでかつ先端 の骨材 1一 1より長くして、 人間の腕に近い構造としている。 図 1 Aでは、 2 列に関節駆動機構 100, 100を配置しているように図示されているが、 実 際には、 対向して配置することにより、 把持動作などができるようにしてもよ い。 また、 各基端側の骨材 1—4の基端部は各多関節駆動機構 100の固定部 10に固定されている。

骨材 1— 1， 1-2, 1— 3, 1 _4としては、 ポリエチレンあるいはその 発砲体などの、 剛性は高いが、 軽量なプラスチック製の平板を用い、 複数の骨 材 1— 1， 1— 2， 1-3, 1一 4は、 その長手方向 （列方向） 沿いに列状に 一直線状に配置されるとともに、 複数の骨材 1— 1， 1一 2， 1-3, 1-4 は全体としてほぼ平面的に配置された骨材層部材 101を成している。

連結部材 2としては、 リン青銅若しくはステンレスなどの金属、 又は、 ポリ プロピレン若しくはポリエチレンテレフタレートなどのプラスチック製の薄板 パネを用い、 この連結部材 2の各端部を、 隣接する骨材 1， 1のそれぞれの凹 部 1 a， l aに接着剤でそれぞれ貼り合わせ、 それぞれの連結部 2 Aの部分で 弹性ヒンジを隣接する 2つの骨材 1， 1間に構成して、 各連結部 2 Aの長手方 向と直交する方向 （図 1 Aの上下方向） の 1軸周りの回転自由度を持たせてい る。

弾性膨脹収縮体 3 (3— 1， 3-2, 3-3) としては、 該弾性膨張収縮体 3を膨張又は収縮させる装置を內蔵するものであり、 外形がおおよそ平板形状 に近いネオプレン又はシリコンなどのラバー製で、 内部に空気圧導入通路 5 (場所を特定する場合には参照符号 5— 1， 5-2, 5— 3を使用し、 特定し ない場合には総称的に参照符号 5を使用する。 ） に連通した空気圧動作室を有 して、 空気圧動作室に空気圧導入通路 5— 1, 5-2, 5— 3から空気圧が導 入されて空気圧の印加により長さ方向に伸びる空気圧ァクチユエータ 3— 1, 3-2, 3— 3を内蔵するように構成している。 また、 これらの各ァクチユエ ータ 3— 1, 3-2, 3— 3は、 逆に空気圧を大気圧より減圧にすることによ り、 その長さ方向に縮む。 これら複数の空気ァクチユエータ 3— 1， 3-2, 3— 3のうち隣接する空気ァクチユエータ同士は、 同じ材質のラバー製の弾性 膨脹収縮体連結部 3 A (場所を特定する場合には参照符号 3 A— 2， 3 A— 3 を使用し、 特定しない場合には総称的に参照符号 3 Aを使用する。 ） で連結さ れ、 全体として一体化されている。 骨材層部材 101に対してこの一体化され た弾性膨脹収縮体層部材 103を一括して積層するために、 必要に応じて弾性 膨脹収縮体連結部 3 B, 3 Bでも連結しておき、 全体構造を形成した後、 切り 離してもよい。

弾性膨張収縮体 3— 1， 3-2, 3— 3である個々の空気圧ァクチユエータ 3-1, 3-2, 3— 3は、 個別に複数の空気圧導入通路 5— 1， 5-2, 5 _ 3によつて空圧制御機 6に接続され、 空気圧を制御することにより駆動され る。

空圧制御機 6は、 図 14に示すように、 加圧ポンプなどの空圧駆動源 6 Bと、 空圧駆動源 6 Bに接続される各空気圧導入通路 5_ 1， 5-2, 5— 3の接続 端部に介在された電磁弁などの開閉弁 6 C—l, 6C— 2, 6 C— 3と、 空圧 駆動源 6 Bの駆動制御と各開閉弁 6C—1, 6 C一 2， 6C— 3の開閉制御と を行う制御部 6 Aとより大略構成されて、 制御部 6 Aにより空圧制御機 6 Bを 駆動制御しつつ、 必要な開閉弁 6C—1, 6C— 2， 6 C— 3を開いて、 空圧 制御機 6 Bから必要な空気圧導入通路 5— 1， 5-2, 5— 3に圧縮空気を供 給して必要な弾 彭 S長収縮体 3— 1， 3— 2, 3— 3をそれぞれ膨張させるよ うにしている。

空気圧導入通路 5— 1， 5-2, 5— 3としては、 ポリウレタン製の空圧配 管チューブを用い、 必要に応じてラバー製のァクチユエータ 3— 1, 3-2,

3— 3と接続ジョイント部品を接着、 圧入等の方法で接続する。 この空気圧導 入通路 5— 1, 5-2, 5— 3は、 弾性膨脹収縮体連結部 3 A— 2， 3A—3 の内部に形成することもできる。

一つの具体例として、 骨材 1として、 発泡ポリエチレン樹脂製の厚み 5 mm、 幅 18mm、 長さ 2 Omn！〜 5 Ommの 4本の骨材を使い、 これらに連結部材

2として、 厚み 0. 25mmのポリエチレンテレフタレート樹脂の薄板を貼り 合わせ、 弾性膨脹収縮体 3として、 ネオプレンゴム製の外径寸法厚み 5 mm、 幅 13mm、 長さ 1 Ommの空洞体を、 連結部 3 Aとして、 φ 4 mmのポリゥ レタン樹脂製の空気配管チューブをその配管と連結を兼ねて骨材 1に連結した 長さ 15 Ommの 1本指構造の多関節駆動機構を製作したところ、 その重さは

20 g f と軽量であった。

なお、 図 1 Aの 32は、 骨材列間の基端部分にまたがるように配置された弾 性膨脹圧縮体であり、 この弾性膨脹圧縮体 32を膨脹させることにより、 多関 節駆動機構 100， 100の骨材列の間を効率的に大きく広げること できる。 図 1 C及び図 1 Dは、 空圧制御機 6により、 弾性膨脹収縮体 3— 1， 3-2,

3一 3である、 空圧式のラバー製ァクチユエータ 3— 1, 3-2, 3— 3に、 空気圧を印加、 又は、 大気圧より減圧することにより、 膨脹あるいは収縮した 場合の各関節駆動機構 100の変形する様子を示した断面図である。 図 1 Cは、 空気圧印加によりァクチユエータ 3— 1, 3-2, 3— 3がその長手方向に伸 び、 その結果、 連結部材 2の各連結部 2 Aの部分を弾性ヒンジとして曲がる様 子を示す。 連結部材 2として薄板パネを用いた場合には、 パネの弾性により復 元力が働く力 空気圧ァクチユエータ 3— 1, 3— 2， 3— 3によりこの復元 力に杭して十分大きな力を発生することにより、 この各関節駆動機構 100を そのヒンジ部分で、 図 1 Cの上向き凸に、 曲げることができる。 図 1Dは、 空 気圧の減圧 (大気圧より圧力を減ずる) ことにより、 ァクチユエータ 3— 1， 3— 2, 3-3をその長手方向に縮めた場合の変形の様子を示す。 この場合は、 図 1 Cとは逆方向に、 すなわち、 図 1Dの下向き凸に曲がるように、 変形する。 減圧は、 加圧ポンプ 6 Bとは別に設けた減圧ポンプ （真空ポンプ） 6D (図 1

4参照） を空圧制御機 6に設けて置き、 これを弁で切り替えることにより行う ことができる。 いずれの場合もその変形量は、 加圧又は減圧する圧力を変える ことにより容易に変えることができる。 尚、 図 1 Dでは減圧により逆方向に変 形させる場合について説明したが、 空気圧ァクチユエータ 3— 1， 3-2, 3 一 3を加圧のみで動作させ、 加圧を解除することにより、 薄板パネの弾性によ る復元力でこの各関節駆動機構 100を元の姿勢に戻すこともできる。

上記第 1実施形態によれば、 複数の骨材 1— 1， 1— 2， 1-3, 1一 4は、 同一の層に平面的に配置され、 弾性膨脹収縮体 3— 1， 3— 2, 3— 3もこの 層の片面に隣接して構成しており、 骨材 1— 1， 1— 2， 1-3, 1—4及び 連結部材 2及び弾性膨脹収縮体 3— 1， 3— 2, 3— 3よりなる平面型の薄型 の駆動機構となっているため、 小型軽量の関節駆動機構となっている。

また、 製造上も、 複数の骨材 1一 1， 1一 2, 1-3, 1一 4がほぼ平面的 に配置された骨材層部材 101を一括して形成し、 弾性膨張収縮体 3 _ 1， 3 -2, 3-3を上記骨材層部材 101の隣接面に連結することができるので、 多くの骨材 1一 1， 1— 2， 1-3, 1一 4を連結した構成であっても、 大量 一括生産性に優れた製造法でもって製造することができ、 安価なデバイスを提 供できる。

また、 多くの骨材 1— 1， 1— 2， 1— 3, 1— 4が分離された構成の場合 でも、 これらは同じ骨材層部材 101に位置しているため、 前述の一体化され た空気ァクチユエータ 3— 1， 3-2, 3— 3の場合と同様に、 平面構造にこ れらを配置してダミーの連結部で連結しておき、 弾性膨脹収縮体 3を隣接面に 連結した後、 このダミーの連結部で分離することもできる。 これらの連結は、 骨材 1— 1， 1一 2， 1-3, 1-4に形成したそれぞれの凹部 1 aに嵌め合 い、 圧入、 若しくは接着等の方法で簡便に行うことができる。

(第 2実施形態）

図 2 A及び図 2 Bは、 本発明の第 2実施形態における平面型の関節駆動機構 の平面図及び断面図を示す。 第 1実施形態で説明した関節駆動機構 100に、 センシング機能を付加したものである。 これは列状の骨材 1— 1， 1— 2， 1

— 3， 一 4よりなる関節駆動機構 100の 1列分のみを表したもので、 図 1の 場合と同様 2列に成してもよいし、 さらに、 多列に成してもよい。 さらに、 図 2C及び図 2Dは、 弾性膨脹収縮体 3— 1， 3-2, 3— 3を膨脹又は収縮さ せることにより、 この各関節駆動機構 100を変形させた状態を示す。 さらに、 図 3A， 図 3 Bはこの平面型の各関節駆動機構 100を 4個及び 6個用いた把 持ハンドの斜視図をそれぞれ表す。 把持ハンドの外側面側には弾性膨脹収縮体 3-1, 3— 2， 3— 3を備えるとともに、 その把持面側には連結部材 2が位 置するように構成する。 図 2 A〜図 2 Dにおいて、 骨材 1— 1， 1— 2， 1 - 3 , 1一 4の連結部 2 A, · ··, 2 Aは、 駆動されることにより大きく曲がるが、 これと隣接した位置 に、 各連結部 2 Aの変形量センサー 8 , …， 8などのセンサーを接続する信号 配線や、 電気的に弾性膨張収縮体 3— 1， 3 - 2 , 3— 3を駆動する駆動配線 などの配線を備えたフレキシブル配線基板 7を配置する。 フレキシブル配線基 板 7上にはそれぞれの連結部 2 A, …， 2 Aの変形量を検出する変形量センサ 一 8， …， 8や、 把持対象物に対する把持ハンドからの作用力言い換えれば把 持力を検出するための、 感圧センサー、 せん断力センサー、 若しくは摩擦セン サーなどの触覚センサー又はタグ情報検知用アンテナ 9， ···， 9を設け、 配線 7 Aで電気的に制御部 6 Aなどに接続している。

ここで、 タグ情報検知用アンテナ 9は、 把持対象物に添付されているタグか らその把持対象物に関する各種情報を検知あるいは記録することができる。 特 に、 把持にあたって把持対象物に最も接近する、 指に相当する間接駆動機構部 の接触面側にこのアンテナを設けることにより、 把持対象物に接近した位置で タグ情報の検知ができるから、 その検出確度を高めることができる。 好ましい 検出情報としては、 把持を確実に実行させるための把持対象物の形状情報、 重 さ、 柔らかさ、 脆さ、 さらには適切な把持力や、 どの部位で把持すればよいか など、 把持にあたっての制御を決定するための情報を検知し、 把持動作を行な わしめる。 さらに、 把持動作を行なった結果の情報、 たとえば飲料ボトルの残 りの重さなどの重量変化、 移動させた後の位置や姿勢、 把持の成否など再び同 じ把持対象物を把持制御するための情報を記録することができる。

上記構成によれば、 触覚センサー又はタグ情報検知用アンテナ 9， …， 9に より、 把持対象物に対する把持ハンドによる把持力の情報を検出しつつ、 制御 部 6 Aにより空圧制御が行われて、 ァクチユエータ 3— 1， 3 - 2 , 3— 3の 駆動を制御して、 それぞれの関節での屈曲動作を制御する。 この結果、 把持対 象物が把持ハンドで把持され始めると、 言い換えれば、 各多関節駆動機構 1 0 0が把持対象物に接触し始めると、 変形量センサー 8 , 8で検出されたそ れぞれの連結部 2 A, …， 2 Aの変形量が制御部 6 Aに入力され、 それぞれの 連結部 2 A, ···, 2 Aの変形量並びに触覚センサー又はタグ情報検知用アンテ ナ 9， …， 9による把持力情報を元に、 制御部 6 Aによるァクチユエータ 3— 1， 3— 2 , 3— 3の駆動をさらに制御して、 それぞれの関節での屈曲動作を さらに制御して、 把持対象物の把持動作をより確実に行う。 これにより、 把持 対象物に対して過度の把持力を把持ハンドにより作用させてしまい、 把持対象 物を損傷するのを防止したり、 把持力の不足による不充分な把持を防止するこ とができる。 逆に、 把持対象物の把持解除動作を行うときは、 制御部 6 Aによ るァクチユエータ 3— 1 , 3 - 2 , 3— 3の逆駆動により、 各多関節駆動機構 1 0 0が把持対象物から離れるようにする。

このように、 フレキシブノレ配線基板 7を、 連結部 2 A, …， 2 Aの曲げ部近 傍の層に配置することにより、 この各多関節駆動機構 1 0 0が駆動されても、 フレキシブル基板 7が大きく歪むことはないから、 繰り返し動作に対して信頼 性の高いデバイスとすることができる。 すなわち、 薄板状の連結部材 2が湾曲 した状態は、 材料力学によるとその厚み方向の中心位置が、 長手方向のひずみ が零の中層面であり、 この中層面から厚み方向に離れるに従ってひずみが増大 する。 従って、 この連結部材 2に近接してフレキシブル配線基板 7を配置する ことにより、 このフレキシブル基板 7が大きくひずむことはなレ、構成とするこ とができる。

また、 第 2実施形態の関節駆動機構 1 0 0は平面型の構造であるから、 同じ く平面構造を基本とするフレキシブル配線基板 7を積層化するには適した、 プ ロセス適合性に優れた構成を成している。 さらに、 この関節駆動機構 1 0 0は、 全体として平面型の構造であるから、 センシング機能を含めても全体として小 型軽量のデバイスとすることができる。 また、 たとえば、 多関節駆動機構 1 0 0の各骨材 1 ( 1— 1， 1— 2 , 1— 3， 1 - 4 ) 上に対応して設けられた触 覚センサの一例としての感圧センサーの圧力信号が平均化するよう駆動源のァ クチユエータ 3— 1， 3 - 2 , 3— 3を駆動することにより、 多様な形状の把 持対象物を、 その形状に沿って把持することができ、 本把持ハンドを使った把 持を、 より柔軟な対応力を持ったものとすることができる。 図 3A， 図 3Bは、 この図 2A， 図 2 Bの関節駆動機構 100を用いた把持 ハンドの斜視図を表し、 上記関節駆動機構 100を対向して複数個備えること により、 把持機能を持たせたものである。 図 3 Aは、 上記関節駆動機構 100 より構成する指を 2本ずつ対向させた 4指型の把持ハンドである。 図 3 Bは、 同じく上記関節駆動機構 100より構成する指を 3本ずつ対向させた 6指型の 把持ハンドである。 図 3 Bにおいて、 この 6指型の把持ハンドは、 上記関節駆 動機構 100から構成される外側の指関節機構 100 a, 100 cに比べて、 上記関節駆動機構 100から構成される中側の指関節機構 100 cの関節間の 距離を大きくして関節位置をずらすとともにその長さを長くして、 外側の指関 節機構 100 a， 100 cより中側の指関節機構 100 cを長くして外側の指 関節機構 100 a， 100 cより突出するようにしている。 このことにより、 把持対象物の形状に沿って把持対象物を包み込むごとく柔軟に把持することが できる。

図 3 Aにおいて、 基端側の骨材 1-4を多関節駆動機構 100の固定部 10 Aに対向して固定する。 基端側の骨材 1—4は、 隣接する 2つの関節駆動機構

100， 100が 1つの長方形板状の骨材 1― 4 Aを共用するように構成して いる。 把持ハンドの把持面側 1 1には、 制御部 6 Aなどに接続された、 感圧セ ンサ一、せん断力センサー、 若しくは摩擦センサーなどの触覚センサー又はタ グ情報検知用アンテナ 13を設けるとともに、 その各連結部 2 Aに、 制御部 6 Aなどに接続されてそれぞれの連結部 2 A, ···, 2 Aの変位を検出する変位セ ンサー 8を設けている。 上記構成によれば、 触覚センサー又はタグ情報検知用 アンテナ 13, …， 13により、 把持対象物に対する把持ハンドによる把持力 の情報を検出しつつ、 制御部 6 Aにより空圧制御が行われて、 ァクチユエータ 3— 1， 3— 2, 3— 3の駆動を制御して、 それぞれの関節での屈曲動作を制 御する。 この結果、 把持対象物が把持ハンドで把持され始めると、 言い換えれ ば、 各多関節駆動機構 100が把持対象物に接触し始めると、 変形量センサー 8， ···， 8で検出されたそれぞれの連結部 2 A， ···, 2 Aの変形量が制御部 6 Aに入力され、 それぞれの連結部 2 A， …， 2 Aの変形量並びに触覚センサー 又はタグ情報検知用アンテナ 1 3， …， 1 3による把持力情報を元に、 制御部 6 Aによるァクチユエータ 3— 1， 3— 2 , 3— 3の駆動をさらに制御して、 それぞれの関節での屈曲動作をさらに制御して、 把持対象物の把持動作をより 確実に行う。 これにより、 把持対象物に対して過度の把持力を把持ハンドによ り作用させてしまい、 把持対象物を損傷するのを防止したり、 把持力の不足に よる不充分な把持を防止することができる。 逆に、 把持対象物の把持解除動作 を行うときは、 制御部 6 Aによるァクチユエータ 3— 1， 3 - 2 , 3— 3の逆 駆動により、 各多関節駆動機構 1 0 0が把持対象物から離れるようにする。 把持ハンドの外側面側 1 2には弾性膨脹収縮体 3— 1， 3 - 2 , 3— 3を備 え、 空気圧導入通路 5— 1， 5— 2， 5— 3から空気圧を加えることにより駆 動される。 この把持ハンドの把持面側 1 1は、 ゴムなどの高摩擦係数を持った 柔軟材料 1 4を被覆してあり、 把持対象物の把持を着実なものとし、 さらに、 把持ハンドの外側面側 1 2にも緩衝のための目的で柔軟材料 1 4を被覆してい る。 なお、 この関節駆動機構では、 空気圧を印加すると把持方向に駆動され、 減圧することにより把持方向とは逆の方向に開く。

この把持ハンドは、 前述した関節駆動機構 1 0 0を用いているので小型軽量 であり、 弾性膨脹収縮体 3を駆動源としているからコンプライアンスが高く、 この両者があいまつて人との接触、 衝突に対して本質的に安全で人との親和性 の高いデバイスである。 特に空気圧式のァクチユエータ 3を駆動源に用いた場 合、 空気の圧縮性による高いコンプライアンスがありこの点で望ましい。 また、 たとえば、 多関節駆動機構 1 0 0の各骨材 1 ( 1— 1， 1— 2 , 1— 3 , 1— 4 ) 上に対応して設けられた触覚センサの一例としての感圧センサーの圧力信 号が平均化するよう駆動源のァクチユエータ 3— 1， 3 - 2 , 3 - 3を駆動す ることにより、 多様な形状の把持対象物を、 その形状に沿って把持することが でき、 本把持ハンドを使った把持を、 より柔軟な対応力を持ったものとするこ とができる。

図 4 Aは、 この把持ハンドを構成している多関節駆動機構 1 0 0の関節に当 たる弾性ヒンジ機構の力学的性質を説明する斜視図であり、 隣接する骨材 1， 1が連結部材 2の薄板パネにより連結されており、 連結部材 2の連結部 2 Aの 自由度は Z軸回りの 1回転自由度のみに拘束されている。 このため、 先端側 (図 4 Aの左側） の骨材 1にかかる Z軸方向の力 1 5は、 その反力を、 基端側 (図 4 Aの右側） の骨材 1の他端部で、 長手方向 （X軸方向） 回りのモーメン トカ 1 6としてしつかり支えることができる。 しかも、 この力の性質は、 弾个生 ヒンジ部の捩れ剛性が十分高い場合には、 連結部 2 Aの曲げ角度に関わらず有 効であり、 関節駆動機構 1 0 0の駆動源となるァクチユエータ 3— 1 , 3 - 2 , 3— 3の発生力にも依存しない。

図 4 Bは、 円柱状の把持対象物を図 3 Aで説明した 4指型の把持ハンドで把 持している状態を示す斜視図である。 上記関節駆動機構 1 0 0によって円柱状 の把持対象物 1 7を挟持し、 この挟持力による把持面での摩擦力が、 把持対象 物 1 7の重力に勝った場合、 この把持対象物を落とすことなく保持することが できる。 このとき、 関節駆動機構 1 0 0に加わる力 1 5 Aは、 その反力を基端 の骨材 1一 4で図 4 Aのモーメント力 1 6 Aとして支えることができる。 この モーメント力 1 6 Aの性質は、 連結部 2 Aの曲げ角度に関わらず有効であり、 従って把持対象物 1 7の大きさ、 円柱の場合にはその直径、 が異なる場合にも、 重力と摩擦力を考慮した把持力を加えることで、 柔軟かつ安定して把持動作を させることができる。 また、 上記モーメント力 1 6 Aの性質は、 関節駆動機構 1 0 0の駆動源となるァクチユエータ 3— 1 , 3 - 2 , 3— 3で発生する駆動 力にも依存せず、 把持力は、 重力と摩擦力を考慮した把持力のみで、 安定かつ 最小限の力で把持することができる。

空気圧ァクチユエータ 3— 1， 3 - 2 , 3— 3としては、 例えば、 その作用 断面積が約 1 c m²のァクチユエータを用い、 空気圧 1気圧を印加することに より、 円筒状の把持対象物 1 7を約 2 0 0 gの把持力で挟むことができた。 こ の把持ハンドは、 円筒状容器に水を満たした重さ 1 K gの把持対象物 1 7を持 ち上げることができた。

図 4 Dは、 たまご状の把持対象物 1 7を図 3 Bで示した 6指型の把持ハンド で把持している状態を示す斜視図である。 図 3 Bにおいて、 この 6指型の把持 ハンドは、 先にも説明したように、 外側の指関節機構 100 a, 100 cに比 ベて中側の指関節機構 100 cの関節間の距離を大きくして関節位置をずらす とともにその長さを変えて突出させている。 このことにより、 把持対象物 17 の形状に沿って、 把持対象物 17を包み込むごとく柔軟に把持することができ る。 図 4Dでは、 たまご状の把持対象物 17の高さ方向の直径が異なる場所で 各指関節機構 100 a、 100 c、 100 cがそれぞれ最適な直径に変形して 把持対象物 17に柔軟に沿っている様子が分かる。 骨材 1 (1— 1,1— 2,1 -3,1 -4) の長さ、 幅、 関節位置、 関節数、 指関節機構の長さ、 方向など を違えて分布させることにより、 より対象物 1 Ίの形状を選ばず、 柔軟に対象 物に沿つて変形し把持できる把持ハンドとすることができる。

ここで、 円柱状の把持対象物 20に鍔 2 OAが付いている場合に、 図 3A, 図 3 Bで説明した上記把持ハンドで把持する場合について説明する。

図 9 Aは、 円板状の銬 2 OA付きの円柱状の把持対象物 20を、 図 3 A， 図 3 Bで説明した把持ハンドで把持している状態を示す斜視図である。 関節駆動 機構 100によって鍔 2 OAの付いた円柱状の把持対象物 20を挟持している 様子を示す。 このとき、 図 9 Aに示されるように、 把持対象物 20の両側のそ れぞれの関節駆動機構 100， 100に加わる力 15 B， 15 Bは、 その反力 を基端の骨材 1—4 A， 1ー4 Aでモーメント力 16 B， 16 Bとして支える ことができる。 この場合、 鍔 2 OAの下面が、 対向する関節駆動機構: L 00， 100の列のそれぞれの上部に、 いわば載ったような状態になるから、 挟持力 は、 把持対象物 20の重力に勝る摩擦力を発生させるまでもなく、 把持対象物 20の姿勢を維持するだけの最小限の把持力ですませることができる。 このこ とは、 上記のモーメント力 16 B， 16 Bの性質によるものである。

尚、 図 9Aでは、 上部に鍔 2 OAの付いた円柱状の把持対象物 20を把持す る場合について述べたが、 上記多関節駆動機構 100の列を対向して複数設け た把持ハンドによれば、 たとえばワイングラスや茶碗など、 容器の下部が細つ た形状の把持対象物を把持する場合、 この部分で、 上記で説明したのと同様、 把持対象物が、 いわば一部の関節駆動機構列の上部に載ったような状態になる 力 ら、 多様な把持対象物を柔軟に把持できるとともに、 最小限の把持力で把持 することができる。

図 9 Bは、 横に寝た姿勢 （言い換えれば、 長手方向が横方向沿いの姿勢） の 円柱状の把持対象物 2 2を、 図 3 A, 図 3 Bで説明した把持ハンドで把持して いる状態を示す斜視図である。 円柱状の把持対象物 2 2を把持するにあたって、 4個の多関節駆動機構 1 0 0， …， 1 0 0の先端部1 8 , ···, 1 Bをより大き く曲げることにより、 いわば爪で把持対象物 2 2を引っかける如く把持対象物 2 2の重量を着実に支えて把持することができる。 図 9 Bにおいて、 把持対象 物 2 2の重力と把持に伴う摩擦力により把持ハンドの 4個の多関節駆動機構 1 0 0， …， 1 0 0が受ける力 2 3， …， 2 3は、 これらの関節駆動機構 1 0 0，

…， 1 0 0の各連結部 2 Aでモーメント力として伝達され、 この反力は、 各多 関節駆動機構 1 0 0の各基端の骨材 1 - 4 Aの部分でモーメントカ 2 4として 支えられる。 この各関節駆動機構 1 0 0の列状方向の剛性は高いから、 この把 持に伴って把持ハンドが受ける力をその各関節駆動機構 1 0 0の固定部 1 O A でしつかりと支えることができる。

図 4 Cは、 図 4 Aで説明したヒンジ構造、 言い換えれば、 連結部の別形態を 示すもので、 骨材 1の一部を細らせることにより、 骨材自体よりなるヒンジ 1 Aを構成したものである。 この場合、 別の連結部材を要せず、 構造が簡便であ るとともに、 骨材層部材 1 0 1は予め一体化されているので、 その他の層部材 を集積化するのに適している。 図 4 Cの場合も、 図 4 Aで示したように、 その 連結部言い換えればヒンジ 1 Aの自由度が、 1自由度に拘束されている構造で あり、 このことにより、 各先端側の骨材 1 (図 4 Aの左側に相当する骨材 1 ) にかかる Z軸方向の力 1 5は、 その反力を、 基端側の骨材 1 (図 4 Aの右側に 相当する骨材 1 ) の他端部でモーメント力 1 6としてしつかり支えることがで きる。 このような骨材自体よりなるヒンジを形成するのには、 材質としてはポ リプロピレンが適している。 ポリプロピレンでは、 ヒンジ部での大きな繰り返 し変形に対して強度劣化が少ない。 この場合、 第 1実施形態や第 2実施形態で 述べた、 薄板パネによりヒンジを構成する場合と異なり、 このヒンジ部では弾 性復元力は伴わない。 弾性復元力が生じる場合、 ァクチユエータ 3— 1， 3 - 2 , 3— 3により発生する力が、 この弹性変形量に応じて減ずるが、 この形式 のヒンジでは発生力の減少は伴わないメリットがある。

次に、 第 2実施形態で述べた把持ハンドを備えたロポットの斜視図を図 1 0 に示す。 ロボット本体に当たる移動台車 5 1から 2つのアーム 5 2 , 5 2によ り把持ハンド 5 0が連結されて駆動される。 移動台車 5 1は、 その内部に収納 された制御装置 5 6の制御により任意の位置に移動して位置決めできる。 各ァ ーム 5 2は、 その両端部で回動可能に支持され、 かつ、 制御装置 5 6の制御に よりモータ駆動で下側のアーム 5 2は移動台車 5 1に対して回動し、 上側のァ ーム 5 2は下側のアーム 5 2に対して回動することにより、 把持ハンド 5 0を 任意の位置に移動させることができるようにしている。 第 2実施形態で述べた 把持ハンド 5 0を備えたロボットは、 感圧センサ一若しくは摩擦センサ一など の触覚センサー、 又は、 各連結部 2 Aの変位センサー、 又は、 タグ情報検知用 アンテナ等のセンサー 5 3， ···， 5 3をその把持ハンド 5 0の把持面側に備え ているので、 この把持ハンド 5 0を使ったロボットは、 把持対象物の把持動作 に伴って生じるこれらのセンサー 5 3， ···， 5 3の信号 5 4を受けた制御装置 5 6は、 これらの信号 5 4に基づき、 その把持動作を制御する信号 5 5を用い て、 アーム 5 2及び把持ハンド 5 0を駆動することができる。 たとえば、 把持 ハンド 5 0の各多関節駆動機構 1 0 0の各骨材 1上に対応して設けられた感圧 センサー 5 3， …， 5 3の圧力信号が平均化するように制御装置 5 6から把持 ハンド 5 0の動作制御開始信号が入力された制御部 6 Aの制御により、 駆動源 のァクチユエータ 3— 1， 3— 2， 3— 3を駆動することにより、 多様な形状 の把持対象物を、 その形状に沿って把持することができ、 本把持ハンド 5 0を 使った把持を、 より柔軟な対応力をもったものとすることができる。

さらに、 図 1 0に示されるように、 把持ハンドの固定部 1 O Aに、 超音波式 又は撮像式などの把持対象物検出センサー又はカメラ、 又はタグ情報検知用ァ ンテナなどのセンサ一などの把持対象物情報検出装置 5 7を一対備えた把持ハ ンド 5 0を使ったロポットでは、 このセンサー又はカメラ又はアンテナなどの 把持対象物情報検出装置 5 7からの把持対象物情報検出信号に基づき把持動作 を計画し、 把持動作に関わるアーム 5 2やハンド 5 0の運動軌跡を生成して把 持ハンド 5 0を制御することができる。 この場合、 前述した連結部の変位セン サ一から得られる信号を併用することにより、 把持ハンドの姿勢を検出しつつ、 把持対象物との相対位置をより精度良く把握しつつ把持制御を行うことができ る。

(第 3実施形態）

図 5 A、 図 5 B及ぴ図 5 Cは、 2軸ないし 3軸の回転自由度を、 薄板パネに よる弾性ヒンジ構成にて平面的に構成する駆動機構である。 骨材 1の連結部を、 漸次その幅を細らせた突き合わせ部 1 Bとなる形状とし、 適度な剛性をもつゴ ム製の薄板バネ 3 0で連結する。 この構成によって、 X、 Y、 Ζ軸まわりの回 転が可能なユニバーサルジョイント機構となる。 薄板パネ 3 0の剛性が十分大 きい材質を選んだ場合には、 薄板パネ 3 0の面内剛性は、 その曲げ剛性及びね じれ剛性に比べて大きいので、 Ζ軸の回転の自由度を拘束することもできる。 図 5 Β及び図 5 Cに示したように、 上記弾性膨張収縮体 3と同様な構造 （例え ば、 空気圧ァクチユエータ） の短冊状の長尺な弾性膨脹収縮体 3 1を突き合わ せ部 1 Βの両側でかつ表裏両面に配置して、 両端部を隣接する骨材 1， 1にそ れぞれ固定し、 これら 4個の弹性膨脹収縮体 3 1， …， 3 1の空気圧ァクチュ エータを拮抗させて駆動することにより、 自由な方向に駆動することができる。 図 6は、 上記の図 5 Α〜図 5 Cで示したユニバーサルジョイント機構を、 一 方の平面型の多関節駆動機構の第 3弾性膨張収縮体 3— 3の代わりに用いた、 平面型の多関節駆動機構 1 0 0 Gの一部を表す斜視図である。 2本の骨材列が 基端側で長方形板状の連結用骨材 1 Cで結合されている。 指を構成する多関節 駆動機構 1 0 0 Gの基端側の一部に上記ユニバーサル機構を用いることにより、 指先をあらゆる方向に動かすことができるから、 把持動作の多様化を図ること ができる。 この多関節駆動機構 1 0 0， 1 0 0 Gの骨材列の間を大きく広げる ためには、 骨材列間の基端部分に弾性膨脹圧縮体 3 2を設け、 これを膨脹させ ることで効率的に大きく広げることもできる。 この例では、 少なくとも駆動部の先端に近い連結部の自由度を、 1自由度に 拘束しており、 第 2実施形態の、 図 4 Aにおいて説明した力の性質を併せ持つ ており、 この関節駆動機構を使用した把持ハンドは、 ハンドが受ける力をその 骨材の基端部 1 Cでしつかりと支えることができる。

(第 4実施形態）

図 7A及び図 7Bは、 本発明の第 4実施形態における多関節駆動機構 100 Hを表す断面図及び平面図を示す。 図 8 A及び図 8 Bは、 同じく第 4実施形態 における拮抗駆動型の多関節駆動機構 10 OHを表す断面図及び平面図を示す。 どちらの多関節駆動機構 10 OHも、 形状記憶合金で駆動するタイプのもので ある。

この第 4実施形態は、 把持対象物に対してその接触面側に弾性膨張収縮体を 設けた場合、 及び上記接触面側に対してこれと対向する非接触面側に弾性膨張 収縮体を設けた場合の実施形態である。

また、 後述するマッキビーン型空気圧式ァクチユエータや、 電気的に駆動す ることのできるエレクトロアクティブポリマーを、 ァクチユエータとして適用 する場合には、 好ましい。

図 7 A, 図 7 Bにおいて、 複数の平板状骨材 1をフレキシブル配線基板 40 で連結することにより、 フレキシプル配線基板 40の弾性を利用して弾性ヒン ジ 4 OAを構成している。 フレキシブル配線基板 40上には、 配線 41により 結線された弾性ヒンジ部 4 OAの変形量センサー 42と触覚センサー 46を備 え、 この関節駆動機構 10 OHの姿勢及び触覚を検知する機能を備えている。 この連結部となるフレキシブル基板 40の弾性ヒンジ部 4 OAにまたがって、 形状記憶合金ワイヤ又はコイル 43 (43 A, 43 B) を骨材 1— 1， 1一 2, 1-3, 1一 4及び固定部 10に固定部 4A， ···, 4A、 4B, …， 4Bで固 定する。 形状記憶合金ワイヤ又はコイル 43 Aは指先側の第 1骨材 1一 1に固 定部 4Aで固定され、 別の第 2骨材 1 _2に設けられた引っかけ部 44Aを通 じてさらに別の第 3骨材 1一 3に固定される。 指先側から 2番目の第 2骨材 1 —2には、 形状記憶合金ワイヤ又はコイル 43 Bが固定部 4 Bで固定され、 第 3骨材 1 _ 3に設けられた引っかけ部 4 4 Bを通じてさらに別の第 4骨材 1一 4に固定される。 それぞれの形状記憶合金ワイヤ （又はコイル） 4 3 A及び 4 3 Bは、 電源 4 5 ( 4 5 A及び 4 5 B ) で独立に通電加熱されることにより、 この駆動機構が駆動される。 形状記憶合金ワイヤ 4 3 A及び 4 3 Bの形状記憶 合金は、 温度が上昇しマルテンサイト変態温度を越えると縮むように形状記憶 処理したものを用い、 通電を切って放熱冷却することにより元の長さに戻る。 ここで、 引っかけ部 4 4 A及ぴ引っかけ部 4 4 Bは、 形状記憶合金 （S M A) ワイヤ又はコイル 4 3 Aが膨張収縮したことに伴う発生力を骨材 1に伝え るための力学的支点の役割を果たす部材である。 これらの引っかけ部 4 4 A, 4 4 Bは、 骨材 1に取り付けられ、 形状記憶合金ワイヤ又はコイル 4 3 Aを懸 架することによりその役目を果たす。

また、 固定部 4 A及び固定部 4 Bは、 形状記憶合金ワイヤ又はコイル 4 3 A が固定され、 同じく、 形状記憶合金ワイヤ又はコイル 4 3 Aが膨張収縮したこ とに伴う発生力を骨材 1に伝えるための力学的支点の役割を果たす部材である。 固定部 4 A及び固定部 4 Bの固定部材として骨材 1に取り付けられた段付きピ ンなどに形状記憶合金ワイヤ又はコイル 4 3 Aを懸架または卷回して固定する。 図 8 A, 図 8 Bの拮抗駆動型の多関節駆動機構もその構成要素は図 7 A, 図 7 Bと同様である。 骨材層部材 1 0 Γを挟んでその両側に駆動源となる形状記 憶合金ワイヤ又はコイル 4 3 C及び 4 3 Dを取り付けたもので、 この両者の駆 動の拮抗作用で、 把持方向とその逆方向に駆動できる。

上記ァクチユエータの一例としての空気圧式ァクチユエータの中には、 空気 圧を加えることによりその長手方向に縮む形式のものがある。

上記ァクチユエータの別の例としてのマッキビーン型ァクチユエータは、 ゴ ムチューブに円筒状の網をかぶせたもので、 空気圧を印加することによりその 径方向に膨脹し、 この膨脹に伴い網目が引っ張られ、 長手方向には縮むもので ある。 このような機能の空気式ァクチユエータを駆動源に用いる場合には、 図 7 A, 図 7 Bにおいて形状記憶合金ワイヤ又はコイルを、 この機能を持った空 気圧式ァクチユエータに置き換えることで同様の駆動機構を構成することがで さる。

また、 上記ァクチユエータのさらに別の例として、 電気的に駆動することの できる各種のエレクトロアクティブポリマー材料が、 人工筋ァクチユエータと して研究開発されている。 たとえばシート状の誘電体ポリマーに柔軟電極を設 けた多層構造のァクチユエータや、 ゲル電歪型、 ゲルのイオン駆動型、 導電性 ポリマー方式などが提案されている。 これらを駆動源に使う場合には、 膨脹型 のものであれば、 図 1 A〜図 1 Dや図 2 A〜図 2 Dに準じた構成で、 収縮型の ものであれば、 図 7 A, 図 7 Bに準じた構成で、 本発明の駆動機構とすること ができる。 このような人工筋ァクチユエータは、 ポリマー材料を主体としてい るから、 材料自体が軽量であるとともに、 高いコンプライアンスを有するので これらがあいまって、 人との接触、 衝突に対して本質的に安全である。 また、 人工筋ァクチユエータは一般に発生エネルギー密度が高く、 これを本発明の多 関節駆動機構の駆動源とすることにより、 従来型の電磁モータと減速機よりな る多関節駆動機構に比べて格段に省エネルギー型のデバイスとすることができ る。

上述したマッキビーン型空気圧ァクチユエータや、 電気的に駆動することの できるエレクトロアクティブポリマーをァクチユエータとして適用する場合、 これらのァクチユエータはチューブ状ゃシート状及びそれらの積層体などの細 長の形態であるため、 膨張変形に対して挫屈を生じ、 膨張変形をァクチユエ一 シヨンに使用することは難しい。 従って、 主としてこれらのァクチユエータで は収縮変形による引っ張り状態で作用させることが好ましい。 第 4実施形態は、 このような、 ァクチユエータを収縮変形により引っ張り状態で作用させるのに 適した構造である。

また、 図 2 A〜図 2 Dの構成に加えて図 7 A， 図 7 Bに準じた構成を、 把持 ハンドの外側面側に組み合わせ、 膨脹型及び収縮型の両者の弾性膨脹収縮体の 拮抗作用で関節駆動機構を駆動させることもできる。 この場合、 この関節駆動 機構を適用した把持ハンドは、 把持方向に駆動する機能に加え把持物を離す方 向にも駆動することができ、 把持のために対向して設けられた関節駆動機構列 の間隔を大きく広げることができる。 さらに、 このように駆動のァクチユエ一 タを把持ハンドの外側面側にのみ設けた構造とすることにより、 関節駆動機構 の姿勢を検出するための連結部の変形量センサーや、 把持力を制御するための 触覚センサー、 さらに把持対象物の情報を検出するためのタグ情報検知用アン テナを把持面側に集約して構成することが可能になり、 多くの分布したセンサ 一を集積するのに好都合である。 また把持ハンドの把持面側は、 把持に伴って 把持対象物に接近、 接触する必然性があるからこれらのセンサ一が把持面側に 構成されていると好都合である。 把持対象物に貼られたタグに書き込まれた把 持対象物に関する形状、 把持位置、 把持計画などの各種の情報を、 近接した位 置で感度よく検出することができる。

(第 5実施形態）

図 1 1 A及ぴ図 1 1 Bは、 本発明の第 5実施形態における多関節駆動機構を 表す断面図及び平面図を示す。 第 5実施形態は、 第 1実施形態で述べた多関節 駆動機構における空圧配管を、 積層型空圧配管層部材 6 0としたものである。 このような構成とすることにより、 骨材 1よりなる骨材層部材 1 0 1と、 積層 型空圧配管層 6 0と弾性膨脹収縮体 3— 1， 3 - 2 , 3— 3よりなる層が分か れた構造となるため、 これらを一括して形成しやすい構造となる。 その他の部 材は、 第 1実施形態で述べた内容と同様である。

次に、 図 1 2 A、 図 1 2 B及び図 1 2 Cは、 本発明の上記実施形態の上記多 関節駆動機構の製造方法を示すブロック図である。 本製造方法は、 骨材 1がそ のヒンジ部 1 Aを含んでほぼ面的に配置された骨材層部材 1 0 1を一括して形 成する図 1 2 Aの第 1プロセスと、 弾性膨脹収縮体 3— 1， 3— 2 , 3— 3と その連結部 3 A, 空圧導入通路 5— 1， 5 - 2 , 5— 3よりなる弾性膨張収縮 体層部材 1 0 3を形成する図 1 2 Bの第 2プロセスと、 弾性膨張収縮体層部材 1 0 3を上記骨材層部材 1 0 1の隣接面に連結する図 1 2 Cの第 3プロセスと より構成されている。 図 1 2 Aの第 1プロセスは、 たとえばポリプロピレンや ポリエチレン、 ポリエチレンテレフラレートなどのポリマー又はその発泡体な どを、 そのヒンジ部 1 Aが細った構造となるようインジェクション （射出成 形） などにより一括形成することができる。 また、 骨材 1をなすプレート状部 材に局部加熱することによりそのヒンジ部 1 Aを形成することもできる。 図 1 2 Bの第 2プロセスは、 弾性膨脹収縮体として、 空気圧で駆動させるラバー空 圧型の場合には、 ネオプレン又はシリコン又はこれらに繊維を複合させた弾性 体を、 空気配管としてポリウレタンチューブにて予め連結した構造体を、 金型 で仮形成し、 加硫加熱などにより本形成する。 さらに、 上記骨材層部材 101 の隣接面にこの構造体を連結する。 これらの連結は、 各骨材 1にそれぞれ形成 した凹部 1 aに、 嵌め合い、 圧入、 若しくは接着等の方法で行う。

次に、 図 13A、 図 13B、 図 13 C及ぴ図 13 Dは、 本発明の上記実施形 態の上記多関節駆動機構の別の製造方法を示すプロック図である。 本製造方法 は、 図 13 A及び図 13 Bの第 1工程として、 連結部材 2を構成するポリェチ レンテテフタレート製の薄板バネ Aの上に、 ポリエチレン発砲体よりなる各骨 材 1を、 連結部材 2の各ヒンジ部 2 Aを連結部としてほぼ面的に積層して接着 する。 これらの骨材列は予め連結されたものを一括して積層接着し、 その後切 り離すこともできる。 次に、 図 13 Cの第 2工程として、 これらの骨材 1の上 に積層型空圧配管層部材 60 (60 a, 60 b, 60 cのように） として低弾 性率で軟らかいシリコンゴムよりなる 3層構造を積層形成する。 すなわち、 ま ず、 下地層 60 aを形成し、 その下地層 60 aの上に空気導入通路 5 (5-1, 5-2, 5-3) を形成した空間部を有する中間層 60 bを、 さらに、 その中 間層 60 bの上に空圧ァクチユエータへの接続穴を備えた上部層 60 cを形成 する。 これら 3層の形成は、 印刷又は塗布、 及び加熱硬化で行うことができる。 最後に、 図 13Dの第 3工程として、 弾性膨脹収縮体 3 (3-1, 3-2, 3 -3) である空圧ァクチユエータを連結した構造体を接着積層する。 各層の形 成は一括して形成することができるため、 関節自由度数によらず、 製造が容易 であり、 したがって低コストで製造することができる。

以上のように本発明によれば、 複数の骨材が列状に配置された骨材層部材を 成し、 上記複数の骨材を連結部で可動自在に連結するとともに、 上記骨材層部 材の対象物に対する接触面側又は Z及び接触面側と対向する非接触面側に上記 連結部をまたがるように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張 収縮体を備えるように構成して多関節駆動機構を提供できる。

また、 多関節駆動機構より構成される指機構を複数対向して備えて、 上記弾 性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、 上記指機構を駆動して対象物 の把持動作を行う把持ハンドを提供することができる。

また、 上記多関節駆動機構を複数個具備した把持ハンドと、 上記把持ハンド に感圧センサー、 摩擦センサーなどの触覚センサー又は連結部材の変位センサ 一を備えて、 該センサー又はアンテナにより検出した情報に基づいて上記把持 ハンドの把持動作を制御するロボットを提供できる。

この結果、 把持ハンド自体が小型軽量かつ柔軟で、 安全であるとともに、 多 様な対象物を器用に把持できるという性能を持つ把持ハンドを実現でき、 その 駆動機構として製造の容易さを含めて実用レベルの具体的構成を備えた多関節 駆動機構を提供できる。 その結果、 家庭やオフィス、 病院などで家事支援や仕 事支援、 高齢者や障害者の介護支援などに活躍することが期待されるロボット の把持ハンドとして好適なものとなる。

また、 少なくとも、 上記複数の骨材がほぼ平面的に配置された上記骨材層部 材を一括して形成し、 上記複数の弾性膨張収縮体が一体化された弾' ι·生膨張収縮 体層部材を、 上記骨材層部材の隣接面でかつ上記骨材層部材の対象物に対する 接触面側又は Z及び接触面側と対向する非接触面側に連結することにより、 上 記多関節駆動機構を製造することができるので、 各層の形成は一括して形成す ることができるため、 関節自由度数によらず、 製造が容易であり、 したがって 低コストで製造することができる。

なお、 上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜糸且み合わせること により、 それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明は、 添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載 されているが、 この技術の熟練した人々にとつては種々の変形や修正は明白で ある。 そのような変形や修正は、 添付した請求の範囲による本発明の範囲から 外れない限りにおいて、 その中に含まれると理解されるべきである。

Claims

請 求 の 範 囲

1. 複数の骨材 （1, 1— 1, 1-2, 1-3, 1— 4) が列状に配置さ れた骨材層部材 （101) を成し、 上記複数の骨材を連結部 （1A， 1 B, 2 A， 30) で可動自在に連結するとともに、 上記骨材層部材の対象物に対する 接触面側又は/及び接触面側と対向する非接触面側に上記連結部をまたがるよ うに配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体 （ 3， 3-1, 3-2, 3-3) を備え、

上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、 上記隣接する複数の 骨材間の上記連結部を関節として屈曲駆動する多関節駆動機構。

2. 上記連結部の自由度がほぼ回転自由度のみであって、 少なくとも先端 に近い上記連結部の自由度が、 上記骨材層部材の列方向にほぼ直交する軸周り の 1自由度に拘束されている請求項 1に記載の多関節駆動機構。

3. 上記連結部が、 薄板パネ （2， 30) によりなるヒンジで構成してい る請求項 2に記載の多関節駆動機構。

4. 上記連結部 （1A, 1 B) 1 上記骨材の一部を細らせることにより 骨材自体よりなるヒンジを構成している請求項 2に記載の多関節駆動機構。

5. 上記連結部の変形量を検出する変形量センサー （8， 42) を接続す る信号配線 （41) と、 電気的に上記弾性膨張収縮体を駆動する場合の駆動配 線を備えるフレキシブル配線基板 （ 7， 40) を、 上記連結部の曲げ部近傍に 配置する請求項 1に記載の多関節駆動機構。

6. 上記フレキシブル酉己線基板 （40) 力 薄板パネによりなるヒンジ (4 OA) を兼ねている請求項 5に記載の多関節駆動機構。

7. 上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させる装置をさらに備え、 上記装 置は、 ゴム弾性体への空気圧印加により駆動する装置、 又は形状記憶材料への 加熱冷却により駆動する装置、 又はエレクトロアクティブポリマ一^ ·の電界印 加により駆動する装置である請求項 1〜 6のいずれか 1つに記載の多関節駆動

8. 上記弾性膨張収縮体をゴム弾性体より構成するとともに、 上記弾性膨 張収縮体を膨張又は収縮させる装置が、 上記ゴム弾性体への空気圧印加により 駆動する装置であり、 上記ゴム弾性体への空気圧印加するための配管を有する 積層型空圧配管層部材 （60) をさらに備える請求項 7に記載の多関節駆動機 構。

9. 複数の骨材 （1, 1— 1, 1— 2， 1— 3, 1-4) が列状に配置さ れた骨材層部材 （101) を成し、 上記複数の骨材を可動自在に連結部 （1A, 1 B， 2 A, 30) で連結するとともに、 上記骨材層部材の対象物に対する接 触面側又は Z及ぴ接触面側と対向する非接触面側に上記連結部をまたがるよう に配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体 （3， 3— 1， 3-2, 3-3) を備え、 上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることによ り、 上記隣接する複数の骨材間の上記連結部を関節として屈曲駆動する多関節 駆動機構の製造方法であって、

少なくとも、 上記複数の骨材がほぼ平面的に配置された上記骨材層部材 （1 01) を一括して形成し、

上記複数の弾性膨張収縮体が一体化された弾性膨張収縮体層部材 （103) を、 上記骨材層部材の隣接面でかつ上記骨材層部材の対象物に対する接触面側 又は 及び接触面側と対向する非接触面側に連結することを含む多関節駆動機 構の製造方法。

10. 複数の骨材 （1， 1一 1， 1— 2, 1-3, 1—4) が列状に配置 された骨材層部材 （101) を成し、 上記複数の骨材を可動自在に連結部 （1 A, 1 B, 2 A, 30) で連結するとともに、 上記骨材層部材の対象物に対す る接触面側又は/及び接触面側と対向する非接触面側に上記連結部をまたがる ように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体 （3, 3— 1, 3-2, 3-3) を備え、 上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させること により、 上記隣接する複数の骨材間の上記連結部を関節として屈曲駆動する多 関節駆動機構より構成される指機構を複数対向して備えて、

上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させることにより、 上記指機構を駆動し て対象物の把持動作を行う把持ハンド。

1 1. 上記把持ハンドは、 上記複数対向する指機構により対象物を把持可 能とし、 少なくとも上記把持ハンドの把持面側に、 感圧センサー、 摩擦センサ 一などの触覚センサー又は上記連結部の変位センサー又はタグ情報検知用アン テナ （8， 9， 13， 42, 46) を備えて、 該センサー又はアンテナにより 検出した情報に基づいて把持動作を制御する請求項 10に記載の把持ハンド。

12. 少なくとも上記把持ハンドの上記把持面側の一部を、 ゴムなどの高 摩擦柔軟材料で覆う請求項 10又は 1 1に記載の把持ハンド。

13. 上記把持ハンドの外側面側に上記弾性膨脹収縮体を備え、 この弹性 膨張収縮体として、 膨脹型及び収縮型の両者を備え、 両者の拮抗作用で把持動 作を駆動する請求項 10又は 1 1に記載の把持ハンド。

14. 把持ハンドの根本部に、 超音波式又は撮像式などの把持対象物検出 センサー又はカメラ、 又はタグ情報検知用アンテナの把持対象物情報検出装置 (57) を備えて、 上記把持対象物情報検出装置により検出された把持対象物 情報に基づいて把持動作を制御する請求項 9又は 1 1に記載の把持ハンド。

15. 複数の骨材 （1， 1— 1, 1-2, 1-3, 1一 4) が列状に配置 された骨材層部材 （101) を成し、 上記複数の骨材を連結部 （1A, 1 B, 2A, 30) で可動自在に連結するとともに、 上記骨材層部材の対象物に対す る接触面側又は/及び接触面側と対向する非接触面側に上記連結部をまたがる ように配置されかつ上記複数の骨材間に固定された弾性膨張収縮体 （3, 3- 1， 3-2, 3-3) を備え、 上記弾性膨張収縮体を膨張又は収縮させること により、 上記隣接する複数の骨材間の上記連結部を関節として屈曲駆動する多 関節駆動機構を複数個具備した把持ハンド （50) と、

上記把持ハンドに感圧センサー、 摩擦センサーなどの触覚センサー又は連結 部材の変位センサー （8， 9， 13, 42， 46) を備えて、 該センサー又は アンテナにより検出した情報に基づいて上記把持ハンドの把持動作を制御する ロボッ卜。

16. 超音波式又は撮像式などの把持対象物検出センサ一又は力メラ、 又 はタグ情報検知用アンテナの把持対象物情報検出装置 （5 7 ) を備えて、 上記 把持対象物情報検出装置により検出された把持対象物情報に基づいて上記把持 ハンドの把持動作を計画して制御する請求項 1 5に記載のロボット。

1 7 . 上記骨材層部材は、 上記複数の骨材が列状に且つほぼ平面的に配置 されている請求項 1に記載の多関節駆動機構。