特開 2024-44954 把持装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024044954

(43)【公開日】2024-04-02

(54)【発明の名称】把持装置

(51)【国際特許分類】

   B25J 15/08 20060101AFI20240326BHJP

   F15B 15/10 20060101ALI20240326BHJP

【ＦＩ】

B25J15/08 S

F15B15/10 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】書面

(21)【出願番号】P 2022164330

(22)【出願日】2022-09-21

(71)【出願人】

【識別番号】399077065

【氏名又は名称】株式会社右川ゴム製造所

(72)【発明者】

【氏名】関根 良樹

【テーマコード（参考）】

3C707

3H081

【Ｆターム（参考）】

3C707DS01

3C707ES03

3C707ET03

3C707EV12

3C707HS13

3C707HS21

3H081AA18

3H081BB03

3H081DD14

3H081DD16

(57)【要約】

【課題】本発明の目的は、伸長方向に伸縮可能なアクチュエータを用いた把持装置を改良し、印加圧力に対し大きな把持力を発揮する把持装置を実現することにある。
【解決手段】本発明は、把持対象物に当接して使用される把持装置であって、流体圧力の印加により伸長し、前記流体圧力の開放により収縮する、可撓性を有するアクチュエータと、長さ方向の伸長量が小さく且つ可撓性を有する当接部材とを組み合わせてなる構造の把持装置であり、把持装置の骨格部分となる当接部材を曲がりやすい波型構造にすることによって前記印加流体圧に対して大きな把持力を発揮することを特徴とする把持装置である。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

把持対象物に当接して使用される把持装置であって、流体圧力の印加により伸長し、前記流体圧力の開放により収縮する、可撓性を有するソフトアクチュエータと、可撓性と弾性復元性を有する当接部材とを組み合わせてなる構造の把持装置であり、前記アクチュエータは前記当接部材の長さ方向に沿って配設され且つ当接部材に対して前記長さ方向の複数箇所で互いに離反しないように結合され、その結合箇所のうち２以上は前記長さ方向への位置ずれ規制結合箇所とされ、前記流体圧力の印加時には、伸長する前記アクチュエータと外力による長さ方向の伸長量が小さい前記当接部材との伸長量の差により、前記組み合わせ構造全体としては当接部材の側に向かって反る様に曲がる動作となり、前記流体圧力の開放時には、前記当接部材の弾性復元力により直ちに前記組み合わせ構造の原型状態に戻ることを特徴とする把持装置。

【請求項2】

前記当接部材の長さ方向の所定の位置について一部もしくは全部を波型に成形しており、前記アクチュエータを伸長させて把持動作を行う時に、波型部位が平板状の部位と比較して低荷重で撓むことを特徴とする把持装置。

【請求項3】

前記当接部材の長さ方向の所定の位置について一部もしくは全部を波型に成形しており、前記アクチュエータを伸長させて把持動作を行う時に、当接部材の撓み変形の動きが前記長さ方向とアクチュエータ伸長方向とを含む面内に制限されることを特徴とする把持装置。

【請求項4】

前記当接部材の長さ方向の所定の位置について一部もしくは全部を波型に成形しており、前記アクチュエータを伸長させて把持動作を行う時に、把持対象物を低荷重で包み込むような形態で把持することで前記把持対象物本来の形状を保持しながら把持することを特徴とする把持装置。

【請求項5】

前記当接部材の長さ方向の所定の位置について一部もしくは全部を波型に成形しており、前記アクチュエータを伸長させて把持動作を行う時に、波型部位の凹凸が把持対象物の凹凸を引っ掛けて把持することで搬送が可能であることを特徴とする把持装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は伸長方向に伸縮可能なソフトアクチュエータを用いた把持装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ソフトアクチュエータとは、軽量で柔軟な材料が変形することによりアクチュエータとして機能する材料、素子、デバイスのことである。これらソフトアクチュエータは人工筋肉とも呼ばれ、小型軽量、様々な駆動源、無音、極限条件・水中や大気中で動くなどの特徴があり、近年、開発が求められているリハビリや介護あるいは作業補助用のパワーアシスト用ウエアラブルロボットや医療手術支援ロボットなどの動力源として大きな期待がかけられている。

【0003】

こうしたソフトアクチュエータの具体的な応用形態のひとつとして、ロボットの一部または全てを柔軟にすることで本質的安全性と生き物のような適応力をロボットに付与する、いわゆるソフトロボティクス技術がある。こうした技術体系においては、多関節ロボットや、スカラロボットなどのアーム先端に取り付けられ、対象物に対し作業をするエンドエフェクタについてもソフトネス（柔軟性）を付与する必要がある。

【0004】

ソフトネスを付与したエンドエフェクタの実践例のひとつとして、人工筋肉を用いた把持装置が挙げられる（特許文献１参照）。上記文献での構成によれば、流体圧力の印加により伸長し且つ撓みを許容するソフトアクチュエータ内に流体、例えば加圧空気などを供給すると、ソフトアクチュエータは長さ方向に伸長しようとする。このとき、アクチュエータに取付けられた当接部材の伸長量はアクチュエータの伸長量よりも小さく、また当接部材は伸長しようとするアクチュエータと２以上の位置ずれ規制結合箇所で長さ方向にずれないように結合されているので、共に可撓性を有するアクチュエータと当接部材は一緒に当接部材側に曲がる。したがって、この曲がる方向を接触対象物に当接する方向として接触対象物の両側にユニットを配設すれば、例えば、ものを掴む装置に用いることが可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２２－５７３１２号公報（段落０００６～００２３、図１～４）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１にて示す構成は単純構造、軽量でありながら高い把持性能を示すが、その一方で上記文献の段落００１６に示すように、上記当接部材の長さ方向の所定位置に曲げ剛性の大きい節部を設けることにより、上記曲がり動作時の各部位の曲がり角度を調節する構成となっている。しかし曲げ剛性の大きな部位を設けたことで変形に要する荷重が大きくなることからアクチュエータにより高い流体圧を印加して大きな伸長力を発揮させることが必要となる。このため流体圧印加のための装置、具体的にはエアコンプレッサやレギュレータ、エアタンクといった装置がより大型化する。

【0007】

本発明の目的は、上記当接部材の構造設計を曲がる方向へは低剛性・低弾性、方曲がらない方向へは高剛性・高弾性の構成とすることにより曲がり動作に要する荷重を減少させることで（１）印加圧力に対し大きな把持力を発揮し、（２）従来の把持装置と比較して動作に必要なエネルギーが小さく（３）システム全体のコストダウンを実現した新規な把持装置を実現することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、把持対象物に当接して使用される把持装置であって、流体圧力の印加により伸長し、前記流体圧力の開放により収縮する、可撓性を有するソフトアクチュエータと、可撓性と弾性復元性を有する当接部材とを組み合わせてなる構造の把持装置であり、前記アクチュエータは前記当接部材の長さ方向に沿って配設され且つ当接部材に対して前記長さ方向の複数箇所で互いに離反しないように結合され、その結合箇所のうち２以上は前記長さ方向への位置ずれ規制結合箇所とされ、前記流体圧力の印加時には、伸長する前記アクチュエータと外力による長さ方向の伸長量が小さい前記当接部材との伸長量の差により、前記組み合わせ構造全体としては当接部材の側に向かって反る様に曲がる動作となり、前記流体圧力の開放時には、前記当接部材の弾性復元力により直ちに前記組み合わせ構造の原型状態に戻ることを特徴とする把持装置である。

【0009】

また、前記当接部材の長さ方向の所定の位置について一部もしくは全部を波型に成形しており、前記アクチュエータを伸長させて把持動作を行う時に、波型部位が平板状の部位と比較して低荷重で撓むことを特徴とする把持装置である。

【0010】

また、前記当接部材の長さ方向の所定の位置について一部もしくは全部を波型に成形しており、前記アクチュエータを伸長させて把持動作を行う時に、当接部材の撓み変形の動きが前記長さ方向とアクチュエータ伸長方向とを含む面内に制限されることを特徴とする把持装置である。

【0011】

また、前記当接部材の長さ方向の所定の位置について一部もしくは全部を波型に成形しており、前記アクチュエータを伸長させて把持動作を行う時に、把持対象物を低荷重で包み込むような形態で把持することで前記把持対象物本来の形状を保持しながら把持することを特徴とする把持装置である。

【0012】

また、前記当接部材の長さ方向の所定の位置について一部もしくは全部を波型に成形しており、前記アクチュエータを伸長させて把持動作を行う時に、波型部位の凹凸が把持対象物の凹凸を引っ掛けて把持することで搬送が可能であることを特徴とする把持装置である。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、（１）印加圧力に対し大きな把持力を発揮し、（２）従来の把持装置と比較して動作に必要なエネルギーが小さく（３）システム全体のコストダウンを実現した新規な把持装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】流体圧力印加により伸長するソフトアクチュエータの概略図である。

【図2】上記アクチュエータの伸縮動作の概略図である。

【図3】上記アクチュエータの構成要素である筒状体の断面図である。

【図4】上記筒状体の層構造を示す概略図である。

【図5】上記筒状体層構造の形成過程を示す概略図である。

【図6】上記アクチュエータと当接部材を備えて構成される把持装置の側面図と上面図と斜視図である。

【図7】一部を波型に成形した当接部材の三面図と斜視図である。

【図8】波型試験体と平板試験体の、撓み変形時の荷重‐変位曲線である。

【図9】図７の当接部材の波型構造を等スケールで抽出し、撓み変形時の荷重－変位曲線を計測するため固定板を追加した構造とした波型試験体の三面図と斜視図である

【図10】図９の波型試験体の波型部位を平板構造に置き換えた、平板試験体の三面図と斜視図である。

【図11】波型試験体を撓み変形させる前後の状態の比較図である。

【図12】平板試験体を撓み変形させる前後の状態の比較図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下に実施の形態を示し、本発明を具体的に説明するが、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明される特徴の組み合わせの全てが本発明の解決手段に必須であるとは限らない。

【0016】

図１は、流体圧力の加減により伸縮動作するソフトアクチュエータの概略図である。伸長型アクチュエータ１０と駆動装置２０とは、圧縮空気給排管２１で接続されている。アクチュエータ１０は、ゴム部材から成り中間層として図４にて示す繊維層１１ｂを内包する筒状体１１と、筒状体１１の両端にそれぞれ取付けられる蓋部材１２ａ、１２ｂ、及び、締付バンド１３ａ、１３ｂとを備える。蓋部材１２ａ、１２ｂは、筒状体１１の両端開口を閉塞し、内部を密閉状態に維持する部材である。締付バンド１３ａ、１３ｂは、筒状体１１の両端部の外周面に締結され、蓋部材１２ａ、１２ｂと筒状体１１との間に隙間ができないように筒状体１１を締め付ける。この結果、筒状体１１は、蓋部材１２ａ、１２ｂ及び締付バンド１３ａ、１３ｂにより、密閉状態に維持され、密閉空間内に圧縮空気が導入されることにより伸長、収縮する。蓋部材１２ｂには、内外に貫通する孔が開設され、当該孔に対して、圧縮空気給排管２１が嵌挿される。駆動装置２０は、空気注入用の電磁弁２２ａと、空気排気用の電磁弁２２ｂと、圧縮空気供給手段２３と、制御手段２４とを備え、上記電磁弁２２ｂに圧縮空気給排管２１が嵌挿される。制御手段２４は、注入用の電磁弁２２ａの開閉と排気用の電磁弁２２ｂの開閉とを制御して、筒状体１１の伸長・収縮を制御する。

【0017】

伸長型アクチュエータ１０は駆動装置２０の制御により圧縮空気給排管２１を介して圧縮空気が給排されることで、図２－Ａに示す給気状態、図２－Ｂに示す排気状態の２状態を遷移して伸縮動作する。

【0018】

筒状体１１は、両端開口の円筒形状であって、図３、図４に示すように繊維層１１ｂを挟んで径方向内側に位置する内側ゴム層１１ａ、及び、径方向外側に位置する外側ゴム層１１ｃからなる筒部を有する。内側ゴム層１１ａと外側ゴム層１１ｃとは、例えば天然ゴムラテックスから形成されており、内側ゴム層１１ａと外側ゴム層１１ｃとの厚さは同程度の厚さに設定される。

【0019】

図５に示すように、繊維層１１ｂは、内側ゴム層１１ａと外側ゴム層１１ｃとの間に挟みこまれ且つ隙間や剥がれなく一体化している層であって、複数の繊維１１ｋが接着材等により収斂された繊維シート１１ｓが内側ゴム層１１ａの円周面に沿って巻回されることにより形成される。繊維１１ｋは、機械的な撚りをかけずに収束された無撚り繊維が好適である。また１２μｍ程度の直径を有し、十分な機械的強度を有する繊維、例えば長繊維のアラミド繊維が好ましい。

【0020】

図６に図示するように、把持装置４０は、伸長型アクチュエータ１０と駆動装置２０と圧縮空気給排管２１と当接部材３０と把持装置基部４１を備えて構成される。当接部材３０にはアクチュエータの伸縮動作により当接部材が撓み変形するための機能構造が各部に設けられる。具体的には、アクチュエータの伸長により撓み変形する波型部位３１、アクチュエータの蓋部材１２ａ、１２ｂが当接部材の長さ方向の両端部から離れないように拘束するための接合部３２ａと３２ｂ、筒状体１１が当接部材から離反することを防ぐために設ける押さえリング部３３、当接部材を把持装置基部４１に対し適切な角度で固定するために設ける取付部３４である。上記取付部を介して把持装置基部に取付けられる当接部材とアクチュエータは、図６－Ａで示すように撓み変形の向きが互いに向かい合うように２組以上が取り付けられる。伸長型アクチュエータ１０と駆動装置２０とは、圧縮空気給排管２１で接続されている。駆動装置２０によりアクチュエータ１０に圧力が印加され把持装置４０が把持動作する時には、図６－Ｂで示す形態すなわち把持対象物４２を手指でもって包み込む動作を模した形態で把持する構成とする。

【0021】

図７で示すように当接部材３０の機能構造は把持対象物４２の寸法、形状、重量に合わせた設計とすることが望ましい。具体的には、波型部位３１の長さ、幅、厚み、波型の振幅と波長、押さえリング部３３の個数と間隔といった構造設計について変更の余地がある。例示した図７－Ｓと図７－Ｌの場合、Ｓの部材は波型部位３１を有する標準的な当接部材である。これに対してＬの部材はより大きな把持対象物を包み込むように掴むための当接部材であり、波型部位３１を延長し更に取付部３４に近接する側の波型部位３１’の振幅と波長を小さくして当接部材が根本から急角度で曲がることを抑止する構造としている。

【0022】

図８は、図７に示す波型部位３１を模した、図９に示す波型試験体５０および図１０に示す、波型部位を平板部位で置き換えた平板試験体６０との撓み変形時の荷重－変位曲線の比較図である。グラフの横軸は撓み変形時の結束部（図９－５３および図１０－６３に図示）の変位量（ｍｍ）、縦軸は引張荷重（Ｎ）である。変位速度は１００ｍｍ／毎分であり、３０秒間で５０ｍｍ変位させて荷重を計測した。

【0023】

図８の荷重－変位曲線の実験に使用した波型試験体５０の図面寸法を図９に、平板試験体６０の図面寸法を図１０に示す。変形部位の形状の違い（波型もしくは平板状）が撓み変形時の荷重に及ぼす効果を純粋に計測するため、部位の板厚と幅、部位の長さは試験体５０と試験体６０とで等しくなるように成形した。各変形部位５１・６１が固定板５２・６２に対し一定の角度（図９・１０では６０度）で設けられているのは、荷重－変位曲線の実験時に引張荷重の伝達方向が荷重計５５のロードセル先端フック５６に垂直荷重が掛かる形態とするためである。実験に使用した各試験体は、同一の樹脂材料を一体成形してなる成形物、より具体的には光硬化エポキシ樹脂を３Ｄプリンタ上で成形してなる成形物である。

【0024】

試験体５０の荷重－変位曲線の実験の撓み変形前後の比較図を図１１に示す。試験体は固定板５２をねじ止めすることで底部が完全固定される。一方引張ライン５４を介して結束部５３と荷重計５５のロードセル先端フック５６とが結ばれる。荷重計５５をロードセルと平行方向に変位させることで、結束部５３が変位し波型部位５１が撓み変形する。撓み変形に伴う反力は引張ライン５４を介してロードセル先端フック５６に伝達され引張荷重が計測される。部位５１からフック５６までの荷重伝達を確実なものとするために、図１１に示す実験では引張ライン５４として荷重により伸縮せず尚且つ抵抗なく屈曲する糸、例えば高強度ＰＥラインが使用される。

【0025】

試験体６０の荷重－変位曲線の実験の撓み変形前後の比較図を図１２に示す。試験体は固定板６２をねじ止めすることで底部が完全固定される。一方引張ライン５４を介して結束部６３と荷重計５５のロードセル先端フック５６とが結ばれる。荷重計５５をロードセルと平行方向に変位させることで、結束部５３が変位し平板部位６１が撓み変形する。撓み変形に伴う反力は引張ライン５４を介してロードセル先端フック５６に伝達され引張荷重が計測される。部位６１からフック５６までの荷重伝達を確実なものとするために、図１２に示す実験では引張ライン５４として荷重により伸縮せず尚且つ抵抗なく屈曲する糸、例えば高強度ＰＥラインが使用される。

【0026】

図８が示す波型試験体５０および平板試験体６０の荷重－変位曲線の比較から、平板部位を波型部位に置き換えたことで一定量の撓み変形に要する荷重が３５－４０％に低減された。このため、上記波型部位を当接部材の機能構造に導入することで、曲がり動作に要する荷重を減少させ印加圧力に対し大きな把持力を発揮すし、従来の把持装置と比較して動作に必要なエネルギーが小さくシステム全体のコストダウンを実現した新規な把持装置を実現できる。

【符号の説明】

【0027】

１０ 伸長型アクチュエータ
１１ 筒状体
１１ａ 内側ゴム層、１１ｂ 繊維層、１１ｃ 外側ゴム層
１２ａ 蓋部材、１２ｂ 空気給排側蓋部材
１３ａ，１３ｂ 締め付けバンド
２０ 駆動装置
２１ 圧縮空気給排管
２２ａ 空気注入用電磁弁、２２ｂ 空気排出用電磁弁
２３ 圧縮空気供給手段
２４ 制御手段
３０ 当接部材
３１，３１’ 波型部位
３２ａ，３２ｂ 蓋接合部
３３ 筒状体押さえリング部
３４ 取付部
４０ 把持装置
４１ 把持装置基部
４２ 把持対象物
５０ 波型試験体
５０Ａ 変形前の波型試験体、５０Ｂ 変形後の波型試験体
５０Ｄ 波型試験体の変位長さ
５１ 波型部位
５２ 固定板
５３ 結束部
５４ 引張ライン
５５ 引張荷重計
５６ ロードセル先端フック
６０ 平板試験体
６０Ａ 変形前の波型試験体、６０Ｂ 変形後の波型試験体
６０Ｄ 平板試験体の変位長さ
６１ 平板部位
６２ 固定板
６３ 結束部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】