JP3756178B2 - 積層型多関節部駆動機構及びその製造方法、それを備えた把持ハンド、ロボットアーム、ロボット - Google Patents
積層型多関節部駆動機構及びその製造方法、それを備えた把持ハンド、ロボットアーム、ロボット Download PDFInfo
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Description
【0001】
本発明は、多関節部を有する積層型関節部駆動機構及びその製造方法、それを備えた把持ハンド、ロボットアーム、及び、把持ハンドとロボットアームとを備えるロボットに関するものであり、特に多種多様な対象物の把持、使用する人間に対する安全性、柔軟な動作を実現し、低コストで製造が容易な積層型多関節部駆動機構及びその製造方法、それを備えた把持ハンド、ロボットアーム、ロボットに関するものである。
【0002】
従来、多関節部駆動機構を有する把持ハンドは、主として産業用ロボットのハンドとして工場内という限られた作業環境内において、特定の部品を把持する用途で用いられており、特化された動作の高精度化、高速化等に関して検討、考案されている。近年、これに対して家庭内や病院等で、家事支援や仕事支援、高齢者や障害者への介護支援等においてのロボット導入に関する開発がさかんとなり、産業用ロボットでは不可能な多種多様な対象物の把持、使用する人間に対する安全性、これら条件を満たし、かつ柔軟な動作を実現できる把持ハンドが求められている。多様な対象物の把持に関しては特許第3245095号に記載されたロボットハンドが知られている。このロボットハンドは5指を有し、4関節部4自由度の母指、4関節部3自由度の4指より構成され、指先第1関節部以外の関節部に小型サーボモータを内蔵することで関節部駆動を行っている。
【0003】
しかしながら、このロボットハンドは構成部品点数が多く組立を必要とし、かつ高価であるため現在はまだその使用用途が研究用と限定されている。
【0004】
柔軟な動作を実現できる把持ハンドに関して、その構成要素である空気アクチュエータにおいては特許第3226219号に記載されたものが知られている。このアクチュエータは筒状弾性体内に隔壁を複数設けることで圧力室を構成し、各圧力室を加圧することで弾性体を屈曲させる物である。このアクチュエータを複数組み合わせることで把持ハンドを構成し、物体を把持することが可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、人間の骨にあたる構成要素が存在しないため、把持対象の形状及び重量によってはアクチュエータが把持を維持することが困難となってしまうという問題点が生じる。また、各アクチュエータを駆動させるためには、筒状弾性体の内部圧力室の数に相当する駆動配管が必要となる。この場合、配管数は増加し、配管の持つ剛性によってはアクチュエータの屈曲動作力以上の負荷がかかり、十分にアクチュエータが屈曲できなくなる可能性も否定できない。
【0006】
これら、既に報告された把持ハンドには、本発明による空圧を駆動源とし、積層型空圧配管部材と平面型関節部屈曲変形部材と関節部を有する骨材を備えているような把持ハンドに関しては開示されていない。
【0007】
人間の居住空間内に各種支援を行うためのロボットを導入するためには、支援動作の主となる把持ハンドを実現する多関節部駆動機構が必要である。また、この多関節部駆動機構を備えた把持ハンドは、多種多様な対象物の把持性能を有し、安全であり、また簡易な構造であり低コストで実現可能であることが要求されている。
【0008】
本発明の目的は、上記の課題を解決し、多種多様な対象物の把持性能を有する把持ハンドを実現可能で、かつ、安全であり、また簡易な構造であり低コストで実現可能な積層型多関節部駆動機構及びその製造方法、それを備えた把持ハンド、ロボットアーム、及び、把持ハンドとロボットアームとを備えるロボットを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明は、上記目的を達成するため、以下のように構成している。
【0010】
本発明の第1態様によれば、空圧の駆動源と、
少なくとも2つの弾性変形可能な弾性変形部を有する骨材と、
上記骨材に重ね合わされるように固定され、かつ、上記駆動源に連結された少なくとも2系統の配管を有する積層型空圧配管部材と、
上記積層型空圧配管部材に重ね合わされるように固定され、かつ、上記骨材の各弾性変形部に対向する関節部に配置されかつ上記配管のそれぞれに連結された空圧動作室を有して上記空圧動作室に空圧が印加されることにより、上記空圧が印加された上記空圧動作室に対応する上記関節部が変形可能な平面型関節部変形部材とを備えている積層型多関節部駆動機構を提供する。
【0011】
本発明の第6態様によれば、第1〜5のいずれか1つの態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構の製造方法であって、
少なくとも上記弾性変形部に弾性ヒンジを備えた上記骨材を一括して成型し、
上記積層型空圧配管部材及び上記平面型関節部屈曲変形部材を上記骨材に積層接合することを備える積層型多関節部駆動機構の製造方法を提供する。
【0012】
本発明の第7態様によれば、第1〜5のいずれか1つの態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物を把持可能とすることで構成する把持ハンドを提供する。
【0013】
本発明の第8態様によれば、第1〜5のいずれか1つの態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いるロボットアームを提供する。
【0014】
本発明の第9態様によれば、第1〜5のいずれか1つの態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いて構成され、かつ、第7の態様に記載の上記把持ハンドをアーム先端に備えるロボットアームを提供する。
【0015】
本発明の第21態様によれば、第1又は2の態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いて構成される上記ロボットアームと、上記ロボットアームの先端に備えられた第10の態様に記載の上記把持ハンドとを備えるロボット。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
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。
【0017】
以下、図面を参照して本発明における第1実施形態を詳細に説明する。
【0018】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する前に、まず、本発明の種々の態様について説明する。
【0019】
本発明の第1態様によれば、空圧の駆動源と、
少なくとも2つの弾性変形可能な弾性変形部を有する骨材と、
上記骨材に重ね合わされるように固定され、かつ、上記駆動源に連結された少なくとも2系統の配管を有する積層型空圧配管部材と、
上記積層型空圧配管部材に重ね合わされるように固定され、かつ、上記骨材の各弾性変形部に対向する関節部に配置されかつ上記配管のそれぞれに連結された空圧動作室を有して上記空圧動作室に空圧が印加されることにより、上記空圧が印加された上記空圧動作室に対応する上記関節部が変形可能な平面型関節部変形部材とを備えている積層型多関節部駆動機構を提供する。
【0020】
これにより、従来の空気アクチュエータの利点である柔軟な駆動を生かし、かつ配管の煩雑さを克服し、モータを代表とするアクチュエータに比較して小型軽量で製造が容易な関節部駆動機構を実現し、骨材を有することで把持剛性の向上を図ることが可能となるという作用を有する。
【0021】
本発明の第2態様によれば、上記積層型空気配管部材が、成型された複数の有機膜を積層して上記配管を形成する第1の態様に記載の積層型多関節部駆動機構を提供する。
【0022】
この構成によれば、空圧を利用した駆動機構を構成する際に煩雑化することで、その関節部駆動にも影響を与える可能性のある配管を積層構造にすることで、製造を容易にし、低コスト化も図ることが可能となるという作用を有する。
【0023】
本発明の第3態様によれば、上記平面型関節部屈曲変形部材は、その平面型関節部屈曲変形部材の長手方向沿いに伸縮可能な方向性を付与する拘束層を備えて、上記平面型関節部屈曲変形部材の上記関節部が伸びるとき、上記骨材の案内により屈曲動作を行う第1又は2の態様に記載の積層型多関節部駆動機構を提供する。
【0024】
この構成によれば、空圧を利用した関節部駆動機構に供給されるエネルギを効率よく関節部の屈曲動作に変換することが可能となるという作用を有する。
【0025】
本発明の第4態様によれば、上記骨材の上記複数の弾性変形部のそれぞれは、弾性ヒンジ部より構成される第1〜3のいずれか1つの態様に記載の積層型多関節部駆動機構を提供する。
【0026】
この構成によれば、複数の関節部を有する骨材の各関節部を個々に製造するのではなく、関節部のみを弾性ヒンジ形状に加工することで一括して多関節部、もしくは多指形状までをも製造できるという作用を有する。
【0027】
本発明の第5態様によれば、上記平面型関節部屈曲変形部材の上記拘束層が、網状の繊維を編み込んだ柔軟な有機膜材料である第1〜4のいずれか1つの態様に記載の積層型多関節部駆動機構を提供する。
【0028】
この構成によれば、網状繊維により平面型関節部屈曲変形部材の伸縮方向を特定の方向に制限することで、空圧減から供給されるエネルギを効率よく関節部の屈曲動作に変換することが可能となるという作用を有する。
【0029】
本発明の第6態様によれば、第1〜5のいずれか1つの態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構の製造方法であって、
少なくとも上記弾性変形部に弾性ヒンジを備えた上記骨材を一括して成型し、
上記積層型空圧配管部材及び上記平面型関節部屈曲変形部材を上記骨材に積層接合することを備える積層型多関節部駆動機構の製造方法を提供する。
【0030】
この構成によれば、各層ごとに成型を行い、各層を密着接合することで積層型多関節部駆動機構を製造することから、積層型多関節部関節部駆動機構を構成する部品点数を最低限に抑え低コストで積層型多関節部駆動機構を製造できるという作用を有する。
【0031】
本発明の第7態様によれば、第1〜5のいずれか1つの態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物を把持可能とすることで構成する把持ハンドを提供する。
【0032】
この構成によれば、多種多様な対象物の把持、使用する人間に対する安全性、柔軟な動作を実現可能であるという作用を有する。
【0033】
本発明の第8態様によれば、第1〜5のいずれか1つの態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いるロボットアームを提供する。
【0034】
この構成によれば、使用する人間に対する安全性、柔軟な位置決め動作を実現可能である。
【0035】
本発明の第9態様によれば、第1〜5のいずれか1つの態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いて構成され、かつ、第7の態様に記載の上記把持ハンドをアーム先端に備えるロボットアームを提供する。
【0036】
この構成によれば、上記積層型多関節部駆動機構を対向配置した上記把持ハンドをロボットアームの先端に備えることにより、可動範囲にある把持対象物に対して把持ハンドを安全に位置決めすることが可能となり、使用する人間に対する安全性、柔軟な位置決め動作を実現可能である。
【0037】
本発明の第10態様によれば、第1又は2の態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物を把持可能とすることで構成する把持ハンドを提供する。
【0038】
本発明の第11態様によれば、第3の態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物を把持可能とすることで構成する把持ハンドを提供する。
【0039】
本発明の第12態様によれば、第4の態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物を把持可能とすることで構成する把持ハンドを提供する。
【0040】
本発明の第13態様によれば、第5の態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物を把持可能とすることで構成する把持ハンドを提供する。
【0041】
本発明の第14態様によれば、第6の態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物を把持可能とすることで構成する把持ハンドを提供する。
【0042】
本発明の第15態様によれば、第1又は2の態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いるロボットアームを提供する。
【0043】
本発明の第16態様によれば、第3の態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いるロボットアームを提供する。
【0044】
本発明の第17態様によれば、第4の態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いるロボットアームを提供する。
【0045】
本発明の第18態様によれば、第10の態様に記載の上記把持ハンドをアーム先端に備えるロボットアームを提供する。
【0046】
本発明の第19態様によれば、第11の態様に記載の上記把持ハンドをアーム先端に備えるロボットアームを提供する。
【0047】
本発明の第20態様によれば、第12の態様に記載の上記把持ハンドをアーム先端に備えるロボットアームを提供する。
【0048】
本発明の第21態様によれば、第1又は2の態様に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いて構成される上記ロボットアームと、上記ロボットアームの先端に備えられた第10の態様に記載の上記把持ハンドとを備えるロボットを提供する。
【0049】
以下、本発明の実施の形態について、図1から図22を用いて説明する。
【0050】
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態における積層型多関節部駆動機構の断面図である。図1に示す積層型多関節部駆動機構は、複数の関節部のそれぞれに弾性ヒンジ部1Aを備えた骨材1上に、板状の積層型空圧配管形成部材2及び平面型関節部屈曲変形部材3を積層したのち、ポリイミド系接着剤などの接着剤で接着して密着接合することで構成する。この多関節部駆動機構は、圧縮空気などを供給する例えばエアーシリンダなどの空圧駆動源4と、空圧駆動源4に連結された空圧導入管を構成する空圧導入管5と、空圧導入管5にそれぞれ電磁弁17a,17b,17cを有する複数の配管2a,2b,2cを介して連結された気体通過用貫通穴2g,2h,2iを有する積層型空圧配管形成部材2と、積層型空圧配管形成部材2に密着接合された平面型関節部屈曲変形部材3とより構成して、積層型空圧配管形成部材2の気体通過用貫通穴2g,2h,2iに空圧駆動源4から空圧を印加し、平面型関節部屈曲変形部材3を膨張させることにより、骨材1の弾性ヒンジ部1Aを屈曲点として関節部の屈曲を行うものである。
【0051】
図1及び図2Cにおいては、骨材1は、基端部側より先端部側に向けて、第1骨材本体部1B−1と、第1弾性ヒンジ部1A−1と、第2骨材本体部1B−2と、第2弾性ヒンジ部1A−2と、第3骨材本体部1B−3と、第3弾性ヒンジ部1A−3と、第4骨材本体部1B−4とが連結されて隣接配置されている。以下の説明において、第1〜第4骨材本体部1B−1〜1B−4に共通する場合には骨材本体部1Bとして説明するとともに、第1〜第3弾性ヒンジ部1A−1〜1A−3に共通する場合には弾性ヒンジ部1Aとして説明する。弾性ヒンジ部1Aは骨材本体部1Bより薄肉に形成されて、弾性変形可能となっている。
【0052】
骨材1は、弾性ヒンジ部1Aを3個配置して、積層型多関節部機構の関節部数を3関節部としているが、この積層型多関節部駆動機構が用いられる環境及び対象物によって関節部数を変更してもよい。また、積層型多関節部機構の幅ないしは各部位の長さに関しても同様に変更してもよい。
【0053】
この積層型多関節部駆動機構について、その製造手順を参照しつつそれらの構成を説明する。
【0054】
図2A及び図2Bは、上記積層型多関節部駆動機構の各関節部に弾性ヒンジ部1Aを備えた骨材1の斜視図及び断面図である。骨材1は剛性が高く軽量な有機材料(例えば、ポリエチレンテレフタレート又はポリプロピレンなど)を用い、その外形形状と弾性ヒンジ部1Aと骨材本体部1Bを一括成型することを特徴とする。ここで、弾性ヒンジ部1Aとは、骨材1においてその屈曲を行うための部位を骨材本体部1Bの厚みの1/2から1/4程度に成型した部分のこととする。本発明の上記実施形態では単一材料で骨材1の一括成型を行うため、弾性ヒンジ部1Aと骨材本体部1Bの弾性率は同じとなるが、その厚みの差により、骨材本体部1Bよりも弾性ヒンジ部1Aを優先的に屈曲させることが可能となる。骨材1の材料の一例としてはポリプロピレンが挙げられる。ポリプロピレンは材料そのものがヒンジ性を有し、繰り返し曲げ強度が大であることから繰り返し動作を必要とする多関節部駆動機構の信頼性を向上させることが可能であると考えられる。骨材1の一括成型の一例としては、金型を用いた成型が挙げられる。幅の広い板材を成型し、後に所望の幅で分離切断することで容易に多数の骨材1を成型して製造することが可能である。骨材1の別の製造方法としては板材の熱加工が挙げられ、加熱圧縮で弾性ヒンジ部1Aを形成することで弾性ヒンジ部1Aの素材組織が密となり、関節部の繰り返し曲げ強度も向上させることができる可能性を有する。図2Cは、上記弾性ヒンジ部1Aが有する力学的特徴を示す斜視図である。骨材1は、弾性ヒンジ部1Aを関節部として各骨材本体部1Bが接続されている形状となっているため、骨材1にかかるZ軸方向の力6は、骨材1の基端側ではモーメント力7として支持することが可能である。このモーメント力7の性質は、弾性ヒンジ部1Aのねじれ剛性が高い場合には、弾性ヒンジ部1Aの曲げ角度によらず有効であり、かつ平面型関節部屈曲変形部材3の発生力にも依存しない。この特徴により、図10に示されるように、積層型多関節部駆動機構を一対対向してハンドのように配置する場合には、把持方向(図2CのZ軸方向とX軸方向に直交する方向、言い換えれば、骨材1の厚み方向)に垂直である把持対象物の重力落下方向(図2CのZ軸方向)に発生する力は、骨材1の構造的強度により支えることができ、空圧駆動源4より供給されるエネルギは、把持力に効率的に変換することが可能となる。
【0055】
図3A及び図3Bに積層型空圧配管形成部材2の構成要素である有機膜2A,2B,2Cの分解斜視図及び有機膜2A,2B,2Cとを積層した後の積層型空圧配管形成部材2の断面図を示す。上記積層型空圧配管形成部材2は、図3Aに示されるように、骨材1と同じ形状でかつ3枚とも同じ形状の有機膜2A,2B,2Cが密着積層されて構成されており、基材となる第1有機膜2A上に、配管を形成する第2有機膜2Bを密着接合し、フォトリソグラフィー等により配管形状加工を行い、その上に第3有機膜2Cを密着接合し平面型関節部屈曲変形部材3に空圧を導入するためのスルーホールを形成することで構成する。すなわち、第2有機膜2Bには、互いに平行にかつ積層型空圧配管形成部材2の長手方向沿いに延びかつ厚み方向に貫通した3つの配管2a,2b,2cを備えている。第1積層型空圧配管2aは、最も短く、先端に配管幅より大きな直径でかつ厚み方向に貫通した第1円形気体供給穴2dが形成されている。第2積層型空圧配管2bは、第1積層型空圧配管2aより長く、先端に配管幅より大きな直径でかつ厚み方向に貫通した円形気体供給穴2eが形成されている。第3積層型空圧配管2cは、第2積層型空圧配管2bより長く、先端に配管幅より大きな直径でかつ厚み方向に貫通した円形気体供給穴2fが形成されている。
【0056】
また、第1有機膜2Aは、貫通した穴(スルーホール)は全く形成されていない平板状となっている。
【0057】
一方、第3有機膜2Cの基端部近傍には、第2有機膜2Bの第1円形気体供給穴2dに連通しかつ第1円形気体供給穴2dより大径でかつ厚み方向に貫通した第1円形気体通過用貫通穴2gが形成され、基端部と先端部の中間部には第2有機膜2Bの第2円形気体供給穴2eに連通しかつ第2円形気体供給穴2eより大径でかつ厚み方向に貫通した第2円形気体通過用貫通穴2hが形成され、基端部と先端部の中間部には第2有機膜2Bの第3円形気体供給穴2fに連通しかつ第3円形気体供給穴2fより大径でかつ厚み方向に貫通した第3円形気体通過用貫通穴2iが形成されている。
【0058】
よって、第2有機膜2Bの各配管2a,2b,2cは、第3有機膜2Cと第1有機膜2Aとの間に通路として形成されることになる。
【0059】
この積層型空圧配管形成部材2の作製の一例を、材料としてポリイミド膜及び感光性ポリイミドを用いた場合の作製フローを図4A〜図4Fに示す。まず、基材としての第1有機膜2Aとなるポリイミド膜(図4A参照)上に第2有機膜2Bとなる感光性ポリイミドをコーティングする(図4B参照)。コーティング後、プリベークを行い、その後、配管2a,2b,2cに対応する配管のパターンを有するフォトマスク8を用いて感光性ポリイミドを露光し(図4C参照)、現像、及び、ポストベークを行い、配管2a,2b,2cを形成する(図4D参照)。その上に、第3有機膜2Cとしての接着剤付きポリイミド膜を気密状態に接着し(図4E参照)、配管2a,2b,2cと平面型関節部屈曲変形部材3を結ぶ第1円形気体通過用貫通穴2gと第2円形気体通過用貫通穴2hと第3円形気体通過用貫通穴2iの形成加工をレーザー光線9のレーザー加工等で行うことで積層型空圧配管部材2を作製する(図4F参照)。又は、先に第1円形気体通過用貫通穴2gと第2円形気体通過用貫通穴2hと第3円形気体通過用貫通穴2iを形成した接着剤付きポリイミド膜である第3有機膜2Cを、配管2a,2b,2cを形成した第2有機膜2B及び第1有機膜2A上に位置合わせを行い、気密状態に接着してもよい。このように空気配管2a,2b,2cを平面に配置形成することで、多関節部駆動機構の各関節部を独立に動作させるための配管2a,2b,2cも一括で成型可能となる。
【0060】
上記配管2a,2b,2cと空圧導入管5との間には、それぞれ電磁弁が配置されており、電磁弁の開閉により、独立して個別的に配管2a,2b,2c内に空気を供給及び供給停止可能としている。
【0061】
図5A及び図5Bに平面型関節部屈曲変形部材3の構成要素である基材3Aに弾性層3Bと拘束層3Cとの分解斜視図及び基材3Aに弾性層3Bと拘束層3Cとを積層した後の平面型関節部屈曲変形部材3の断面図を示す。平面型関節部屈曲変形部材3は、第1空圧動作用穴3gと第2空圧動作用穴3hと第3空圧動作用穴3iとにそれぞれ独立して連通しかつそれぞれより小径の第1円形気体供給穴3dと第2円形気体供給穴3eと第3円形気体供給穴3fとを貫通して有する基材3A上に、弾性を有する材料によって空圧動作室16となる空隙としてのそれぞれ貫通した四角形の第1空圧動作用穴3gと四角形の第2空圧動作用穴3hと四角形の第3空圧動作用穴3iとを形成した弾性層3Bを気密状態に接着接合し、貫通した穴が無い平板状でかつ上記積層型多関節部駆動機構の伸縮に方向性を付与する拘束層3Cとを気密状態に接着接合することで構成する。
【0062】
ここで、図6Aは、拘束層3Cの伸縮方向を制限していない場合の関節部駆動のモデルの断面図であり、この条件下で平面型関節部屈曲変形部材3が空圧印加によって図6Aの上向きに膨張した時の形状を表している。この場合、拘束層3C自体が空圧印加に伴い優先的に膨張してしまい、目的とする関節部の屈曲動作を行うことはできない。
【0063】
これに対して、図6Bは、拘束層3Cの伸縮方向を一方向(言い換えれば、拘束層3Cの長手方向)になるように制限を加えた場合の関節部駆動のモデルの断面図であり、この条件下で平面型関節部屈曲変形部材3が空圧印加によって膨張した時の形状を表している。このように、拘束層3Cの伸縮方向が一方向になることで、空圧駆動源4から供給されるエネルギを効率良く関節部の屈曲動作に変換することが可能となる。
【0064】
拘束層3Cの伸縮方向を一方向、言い換えれば、拘束層3Cの長手方向に制限するためには、図7Aに示すように拘束層3Cの伸縮方向に対して直角な方向に繊維10を編み込んだ柔軟な有機材料によって成型することが効果的である。図7Bに、伸縮方向に対して直角な方向に繊維10を編み込んだ拘束層3Cに空圧を印加した場合に拘束層3Cの伸び状態を表すモデルの平面図を示す。図7A,図7Bの上下方向沿いの繊維10に対して直角な方向(図7A,図7Bの左右方向言い換えれば拘束層3Cの長手方向)には有機材料の弾性により伸縮するが、繊維10に対して平行な方向(図7A,図7Bの上下方向言い換えれば拘束層3Cの幅方向)には、繊維10の長さによる伸縮の拘束力が働き伸縮を制限することができる。
【0065】
また、図8は拘束層3Cの伸縮方向を特定の方向(言い換えれば、拘束層3Cの長手方向)に制限し、かつ関節部に弾性ヒンジ1Aを備えた骨材1を備えた場合のモデルの断面図であり、この条件下で平面型関節部屈曲変形部材3が空圧印加によって膨張した時の形状を表している。空圧印加により駆動する平面型関節部屈曲変形部材3の他に、各関節部に弾性ヒンジ1Aを備えた骨材1を備えることによってさらに関節部以外を拘束することで、より効率的に空圧駆動源4から供給されるエネルギを関節部の屈曲動作に変換可能となるという効果が得られる。
【0066】
よって、この屈曲動作を詳述すると、積層型空圧配管形成部材2の第1円形気体供給穴2dと第1円形気体通過用貫通穴2gと平面型関節部屈曲変形部材3の第1円形気体供給穴3dと第1空圧動作用穴3gとが連結されて第1弾性ヒンジ部1A−1の内面側に対向するように配置されて、空圧駆動源4から第1積層型空圧配管2aと第1円形気体供給穴2dと第1円形気体通過用貫通穴2gと第1円形気体供給穴3dとを経て第1空圧動作用穴3g(第1空圧動作室16A)に空圧すなわち圧縮空気を供給することにより、第1空圧動作室16A付近の平面型関節部屈曲変形部材3の上記第1関節部3aが弾性変形して長手方向沿いに伸び、第1骨材本体部1B−1と第2骨材本体部1B−2とが第1弾性ヒンジ部1A−1を内側に位置するように屈曲する。
【0067】
同様に、積層型空圧配管形成部材2の第2円形気体供給穴2eと第2円形気体通過用貫通穴2hと平面型関節部屈曲変形部材3の第2円形気体供給穴3eと第2空圧動作用穴3hとが連結されて第2弾性ヒンジ部1A−2の内面側に対向するように配置されて、空圧駆動源4から第2積層型空圧配管2bと第2円形気体供給穴2eと第2円形気体通過用貫通穴2hと第2円形気体供給穴3eとを経て第2空圧動作用穴3h(第2空圧動作室16B)に空圧すなわち圧縮空気を供給することにより、第2空圧動作室16B付近の平面型関節部屈曲変形部材3の上記第2関節部3bが弾性変形して長手方向沿いに伸び、第2骨材本体部1B−2と第3骨材本体部1B−3とが第2弾性ヒンジ部1A−2を内側に位置するように屈曲する。
【0068】
同様に、積層型空圧配管形成部材2の第3円形気体供給穴2fと第3円形気体通過用貫通穴2iと平面型関節部屈曲変形部材3の第3円形気体供給穴3fと第3空圧動作用穴3iとが連結されて第3弾性ヒンジ部1A−3の内面側に対向するように配置されて、空圧駆動源4から第3積層型空圧配管2cと第3円形気体供給穴2fと第3円形気体通過用貫通穴2iと第3円形気体供給穴3fとを経て第3空圧動作用穴3i(第3空圧動作室16C)に空圧すなわち圧縮空気を供給することにより、第3空圧動作室16C付近の平面型関節部屈曲変形部材3の上記第3関節部3cが弾性変形して長手方向沿いに伸び、第3骨材本体部1B−3と第4骨材本体部1B−4とが第3弾性ヒンジ部1A−3を内側に位置するように屈曲する。
【0069】
上記各構成要素である骨材1、積層型空圧配管形成部材2及び平面型関節部屈曲変形部材3を気密状態に接着接合することで、上記第1実施形態の積層型多関節部駆動機構を作製する。
【0070】
さらに、上記構成にかかる積層型多関節部駆動機構を制御部12により駆動制御する場合について説明する。図9に示されるように、骨材1の根元を接合部として、積層型多関節部駆動機構を固定部11に配置固定する。制御部12は、空圧駆動源4の駆動を制御するとともに、第1積層型空圧配管2aに介在された第1電磁弁17aの開閉と、第2積層型空圧配管2bに介在された第2電磁弁17bの開閉と、第3積層型空圧配管2cに介在された第3電磁弁17cの開閉を制御する。また、上記第1関節部3aを駆動するための第1空圧動作室16Aは、上記第1空圧動作用穴3gより構成され、第1空圧動作室16Aに空気が供給されることにより、図8のように第1関節部3aが第1弾性ヒンジ部1A−1を中心にその両側の第1骨材本体部1B−1と第2骨材本体部1B−2とのガイドにより屈曲するようにしている。また、上記第2関節部3bを駆動するための第2空圧動作室16Bは、上記第2空圧動作用穴3hより構成され、第2空圧動作室16Bに空気が供給されることにより、図8のように第2関節部3bが第2弾性ヒンジ部1A−2を中心にその両側の第2骨材本体部1B−2と第3骨材本体部1B−3とのガイドにより屈曲するようにしている。また、上記第3関節部3cを駆動するための第3空圧動作室16Cは、上記第3空圧動作用穴3iより構成され、第3空圧動作室16Cに空気が供給されることにより、図8のように第3関節部3cが第3弾性ヒンジ部1A−3を中心にその両側の第3骨材本体部1B−3と第4骨材本体部1B−4とのガイドにより屈曲するようにしている。
【0071】
上記多関節部駆動機構の動作は、まず、制御部12が、多関節部駆動機構の平面型関節部屈曲変形部材3の第1関節部にある第1空圧動作室16Aに空圧を印加するための信号を発生させ、制御部12により、空圧駆動源4を駆動するとともに第1電磁弁17aを開ける。この結果、空圧駆動源4から空気が、第1積層型空圧配管2aと第1円形気体供給穴2dと第1円形気体供給穴3dとを経て、第1空圧動作用穴3gすなわち第1空圧動作室16Aに供給され、第1空圧動作室16Aに空気の圧力すなわち空圧を印加する。この空圧の印加に伴い第1空圧動作室16Aが膨張することで第1関節部が屈曲する。第1関節部の屈曲を元に戻すときには、制御部12による空圧駆動源4の駆動を停止させて第1電磁弁17aを開けることにより、第1空圧動作室16Aでの空圧による膨張が解除されて、第1関節部は延びた状態に戻る。また、この第1関節部の屈曲とは独立して、制御部12が、多関節部駆動機構の平面型関節部屈曲変形部材3の第2関節部にある第2空圧動作室16Bに空圧を印加するための信号を発生させ、制御部12により、空圧駆動源4を駆動するとともに第2電磁弁17bを開ける。この結果、空圧駆動源4から空気が、第2積層型空圧配管2bと第2円形気体供給穴2eと第2円形気体供給穴3eとを経て、第2空圧動作用穴3hすなわち第2空圧動作室16Bに供給され、第2空圧動作室16Bに空気の圧力すなわち空圧を印加する。この空圧の印加に伴い第2空圧動作室16Bが膨張することで第2関節部が屈曲する。第2関節部の屈曲を元に戻すときには、制御部12による空圧駆動源4の駆動を停止させて第2電磁弁17bを開けることにより、第2空圧動作室16Bでの空圧による膨張が解除されて、第2関節部は延びた状態に戻る。また、この第2関節部の屈曲とは独立して、制御部12が、多関節部駆動機構の平面型関節部屈曲変形部材3の第3関節部にある第3空圧動作室16Cに空圧を印加するための信号を発生させ、制御部12により、空圧駆動源4を駆動するとともに第3電磁弁17cを開ける。この結果、空圧駆動源4から空気が、第3積層型空圧配管2cと第3円形気体供給穴2fと第3円形気体供給穴3fとを経て、第3空圧動作用穴3iすなわち第3空圧動作室16Cに供給され、第3空圧動作室16Cに空気の圧力すなわち空圧を印加する。この空圧の印加に伴い第3空圧動作室16Cが膨張することで第3関節部が屈曲する。第3関節部の屈曲を元に戻すときには、制御部12による空圧駆動源4の駆動を停止させて第3電磁弁17cを開けることにより、第3空圧動作室16Cでの空圧による膨張が解除されて、第3関節部は延びた状態に戻る。
【0072】
上記第1実施形態によれば、制御部12による電磁弁17a,17b,17cの開閉制御により、任意の関節部を確実に屈曲させることができる。
【0073】
(第2実施形態)
図10及び図11は、第1実施形態における積層型多関節部駆動機構を備えた把持ハンドの斜視図及びブロック図であり、複数例えば一対の積層型多関節部駆動機構を対向して左右対称に備えることによって把持機能を持たせたものである。各骨材1の根元を接合部として、積層型多関節部駆動機構を固定部11にそれぞれ対向して配置固定する。
【0074】
制御部12は、空圧駆動源4の駆動を制御するとともに、左右の第1積層型空圧配管2a,2aに介在された第1電磁弁17a,17aの開閉と、左右の第2積層型空圧配管2b,2bに介在された第2電磁弁17b,17bの開閉と、左右の第3積層型空圧配管2c,2cに介在された第3電磁弁17c,17cの開閉をそれぞれ独立して制御する。また、左右の各第1関節部3aを駆動するための第1空圧動作室16Aは、上記第1空圧動作用穴3gより構成され、第1空圧動作室16Aに空気が供給されることにより、図8のように第1関節部3aが第1弾性ヒンジ部1A−1を中心にその両側の第1骨材本体部1B−1と第2骨材本体部1B−2とのガイドにより屈曲するようにしている。また、左右の各第2関節部3bを駆動するための第2空圧動作室16Bは、上記第2空圧動作用穴3hより構成され、第2空圧動作室16Bに空気が供給されることにより、図8のように第2関節部3bが第2弾性ヒンジ部1A−2を中心にその両側の第2骨材本体部1B−2と第3骨材本体部1B−3とのガイドにより屈曲するようにしている。また、左右の各第3関節部3cを駆動するための第3空圧動作室16Cは、上記第3空圧動作用穴3iより構成され、第3空圧動作室16Cに空気が供給されることにより、図8のように第3関節部3cが第3弾性ヒンジ部1A−3を中心にその両側の第3骨材本体部1B−3と第4骨材本体部1B−4とのガイドにより屈曲するようにしている。
【0075】
上記多関節部駆動機構の動作は、まず、制御部12が、左右の多関節部駆動機構の平面型関節部屈曲変形部材3,3の左右の第1関節部にある第1空圧動作室16A,16Aに空圧を例えば同期して印加するための信号を発生させ、制御部12により、空圧駆動源4を駆動するとともに左右の第1電磁弁17a,17aを同期して開ける。この結果、空圧駆動源4から空気が、左右の第1積層型空圧配管2a,2aと左右の第1円形気体供給穴2d,2dと左右の第1円形気体供給穴3d,3dとを経て、左右の第1空圧動作用穴3g,3gすなわち左右の第1空圧動作室16A,16Aにそれぞれ同期して供給され、左右の第1空圧動作室16A,16Aに空気の圧力すなわち空圧をそれぞれ同期して印加する。この左右の空圧の同期した印加に伴い左右の第1空圧動作室16A,16Aがそれぞれ同期して膨張することで左右の第1関節部が同期して屈曲する。左右の第1関節部の屈曲を元に戻すときには、制御部12による空圧駆動源4の駆動を停止させて第1電磁弁17a,17aを開けることにより、第1空圧動作室16A,16Aでの空圧による膨張が解除されて、左右の第1関節部は延びた状態に戻る。また、この左右の第1関節部の屈曲とは独立して、制御部12が、左右の多関節部駆動機構の平面型関節部屈曲変形部材3,3の左右の第2関節部にある第2空圧動作室16B,16Bに空圧を例えば同期して印加するための信号を発生させ、制御部12により、空圧駆動源4を駆動するとともに左右の第2電磁弁17b,17bを同期して開ける。この結果、空圧駆動源4から空気が、左右の第2積層型空圧配管2b,2bと左右の第2円形気体供給穴2e,2eと左右の第2円形気体供給穴3e,3eとを経て、左右の第2空圧動作用穴3h,3hすなわち左右の第2空圧動作室16B,16Bにそれぞれ同期して供給され、左右の第2空圧動作室16B,16Bに空気の圧力すなわち空圧をそれぞれ同期して印加する。この左右の空圧の同期した印加に伴い左右の第2空圧動作室16B,16Bがそれぞれ同期して膨張することで左右の第2関節部が同期して屈曲する。左右の第2関節部の屈曲を元に戻すときには、制御部12による空圧駆動源4の駆動を停止させて第2電磁弁17b,17bを開けることにより、第2空圧動作室16B,16Bでの空圧による膨張が解除されて、左右の第2関節部は延びた状態に戻る。また、この左右の第2関節部の屈曲とは独立して、制御部12が、左右の多関節部駆動機構の平面型関節部屈曲変形部材3,3の左右の第3関節部にある第3空圧動作室16C,16Cに空圧を例えば同期して印加するための信号を発生させ、制御部12により、空圧駆動源4を駆動するとともに左右の第3電磁弁17c,17cを同期して開ける。この結果、空圧駆動源4から空気が、左右の第3積層型空圧配管2c,2cと左右の第3円形気体供給穴2f,2fと左右の第3円形気体供給穴3f,3fとを経て、左右の第3空圧動作用穴3i,3iすなわち左右の第3空圧動作室16C,16Cにそれぞれ同期して供給され、左右の第3空圧動作室16C,16Cに空気の圧力すなわち空圧をそれぞれ同期して印加する。この左右の空圧の同期した印加に伴い左右の第3空圧動作室16C,16Cがそれぞれ同期して膨張することで左右の第3関節部が同期して屈曲する。左右の第3関節部の屈曲を元に戻すときには、制御部12による空圧駆動源4の駆動を停止させて第3電磁弁17c,17cを開けることにより、第3空圧動作室16C,16Cでの空圧による膨張が解除されて、左右の第3関節部は延びた状態に戻る。
【0076】
上記第2実施形態によれば、制御部12による左右の電磁弁17a,17b,17cの開閉制御により、任意の左右の関節部を確実に屈曲させて把持動作を行わせることができる。
【0077】
上記第2実施形態の変形例として、図12及び図13は、第1実施形態における積層型多関節部駆動機構を備えた把持ハンドの斜視図及びブロック図であり、2対の積層型多関節部駆動機構を対向して左右対称に備えることによって把持機能を持たせたものである。各骨材1の根元を接合部として、積層型多関節部駆動機構を固定部11にそれぞれ対向して配置固定する。各積層型多関節部駆動機構の動作は、図10の上記第2実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【0078】
また、図12及び図13では偶数本例えば2本の積層型多関節部駆動機構を左右対称に配置しているが、把持対象物の形状によっては、本発明の第2実施形態の別の変形例として、図14のブロック図及び斜視図に示すように左側2本の積層型多関節部駆動機構に対して右側1本の積層型多関節部駆動機構の左右非対称な配置にしてもよい。各積層型多関節部駆動機構の動作は、図10の上記第2実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【0079】
また、複数配置される積層型多関節部駆動機構の各々の長さ及び幅もその対象物に合わせて変更して配置してもよい。
【0080】
また、本発明の第2実施形態のさらに別の変形例として、図15及び図16の斜視図及びブロック図に示すように、固定部11に対して各基端部が固定されるように4本の積層型多関節部駆動機構を左右対称に、すなわち2本ずつ左右に配置し、各積層型多関節部駆動機構に空圧駆動源4をそれぞれの空圧導入管5を介して接続し、4個の空圧駆動源4,…,4は制御部12により駆動制御されるように構成されるとともに、各骨材1の把持面側に、制御部12に接続されて対象物との接触を検出する接触センサ13、制御部12に接続されて対象物との接触したときの圧力を検出する感圧センサ14、制御部12に接続されて対象物との接触したときの摩擦力を検出する摩擦センサ15等をそれぞれ配置している。そして、各センサ13,14,15でそれぞれ検出された物体の把持情報を制御部12にフィードバックして、制御部12により、4個の空圧駆動源4,…,4をそれぞれ独立して駆動制御して、それぞれの空圧動作室へ供給される空圧を制御してそれぞれの関節部の屈曲動作を制御することで、より効果的に把持動作を実現することが可能となる。さらに、その各骨材1の把持面の少なくとも一部を摩擦抵抗の大きい柔軟な材料で覆うことで、把持能力を向上させることが可能となる。
【0081】
このように、上記実施形態によれば、把持ハンドは前述した積層型多関節部駆動機構を用いているため軽量小型であり、空圧を駆動源4として弾性体の膨張をその駆動源としていることからコンプライアンスが高く、この特徴により万が一人間に接触、衝突した際にも十分に安全を保つことが可能である。また、センサ部以外は電気的配線が必要ないため、センサ部の防水処理だけで、水を用いた作業環境でも使用できるという利点を有している。
【0082】
次に、図17から図22を用いて、例えば図15及び図16に示す上記第2実施形態のさらに別の変形例にかかる把持ハンドの具体的な把持動作について説明する。
【0083】
把持ハンドの動作は、以下のようにして動作して屈曲動作により、それぞれの骨材1を把持面として対象物の把持動作を行う。
【0084】
まず、図17に示す把持ハンドの中立状態において、制御部12から各多関節部駆動機構の平面型関節部屈曲変形部材3の各関節部にある第1空圧動作室空圧動作16A、第2空圧動作室16B、第3空圧動作室16Cに空圧をそれぞれ印加するための信号を発生させる。この信号により、4個の空圧駆動源4,…,4のそれぞれが独立して駆動制御されて、それぞれの空圧導入管5の途中に設けてある電磁弁17の開閉を行い、空圧駆動源4からそれぞれの空圧導入管5及び各積層型空圧配管形成部材2を通じて第1空圧動作室16A、第2空圧動作室16B、第3空圧動作室16Cにそれぞれ空圧を同期又は順次印加する。空圧の印加に伴い第1空圧動作室16A、第2空圧動作室16B、第3空圧動作室16Cがそれぞれ膨張することで関節部がそれぞれ屈曲する。この屈曲動作により、それぞれの骨材1を把持面として対象物18の把持動作を行う。
【0085】
図17は、多関節部駆動機構に空圧を印加していない中立状態の上記把持ハンドの状態(それぞれの多関節部駆動機構が直線状に延びた状態)を示す平面図である。この積層型多関節部駆動機構は、制御部12の制御の下にそれぞれの空圧駆動源4から空圧をそれぞれの空圧動作室に印加するとそれぞれの多関節部駆動機構が把持方向すなわち互いに接近する方向に変位し、制御部12の制御の下にそれぞれの空圧駆動源4の駆動を停止させて空圧の印加を止めると、それぞれの多関節部駆動機構の各弾性ヒンジ1Aの弾性によりそれぞれの多関節部駆動機構が元の位置に復元し、把持ハンドが中立状態を保つという作用を有する。把持動作はこの中立状態から、制御部12の制御の下に各関節部にその把持対象物に応じた空圧を印加することで実現する。
【0086】
図18A,図18Bは、上記把持ハンドの中立状態での各多関節部駆動機構の間隔と同程度の大きさ(直径又は幅)を持つ例えば円筒体又は円柱体形状の把持対象物18を把持する場合のモデルを示した平面図である。図18Aに示すように、まず、把持対象物18が固定部11の近傍まで近づくように把持ハンドを、把持ハンドが載置された図示しない搬送車などにより移動する。その後、制御部12の制御の下に、それぞれの空圧駆動源4から図18Bに示すように各多関節部駆動機構の固定部11に近い方の第1空圧動作室16Aに空圧を印加し、第1関節部を内向きにすなわち把持方向に屈曲させる。それぞれの把持面が把持対象物18に接触した時点(例えば各多関節部駆動機構の把持面に備えた接触センサにより把持対象物18に接触した信号を制御部12に入力した時点)で制御部12の制御の下に、それぞれの空圧駆動源4からそれぞれの第2空圧動作室16Bに空圧を印加してそれぞれの第2関節部を屈曲させて、4本の多関節部駆動機構で把持対象物18を抱き込むことで把持を行う。把持を解除するときは、上記したように、制御部12の制御の下にそれぞれの空圧駆動源4の駆動を停止させて空圧の印加を止め、それぞれの多関節部駆動機構の各弾性ヒンジ1Aの弾性によりそれぞれの多関節部駆動機構が元の位置に復元して屈曲せずにまっすぐ延びた状態となり、把持ハンドが中立状態、すなわち、把持解除状態となる。
【0087】
図19A,図19Bは把持対象物が把持ハンドの中立状態での各多関節部駆動機構の間隔より小さい直径又は幅の例えば円筒体又は円柱体形状の把持対象物19を把持する場合のモデルを示した平面図である。図19Aに示すように、まず、把持対象物19が各多関節部駆動機構の先端部近傍まで近づくように把持ハンドを、把持ハンドが載置された図示しない搬送車などにより移動する。その後、制御部12の制御の下に、それぞれの空圧駆動源4から図19Bに示すように各多関節部駆動機構の固定部11に近い方の第1空圧動作室16Aから順に第2空圧動作室16B、第3空圧動作室16Cに空圧を印加し、関節部を内向きにすなわち把持方向に屈曲させる。それぞれの把持面が把持対象物19に接触した時点(例えば各多関節部駆動機構の把持面に備えた接触センサにより把持対象物18に接触した信号を制御部12に入力した時点)で制御部12の制御の下に、それぞれの空圧駆動源4からそれぞれの第2空圧動作室16Bにさらに空圧を印加してそれぞれの第2関節部を屈曲させて、4本の多関節部駆動機構で把持対象物19を挟み込むことで把持を行う。把持を解除するときは、上記したように、制御部12の制御の下にそれぞれの空圧駆動源4の駆動を停止させて空圧の印加を止め、それぞれの多関節部駆動機構の各弾性ヒンジ1Aの弾性によりそれぞれの多関節部駆動機構が元の位置に復元して屈曲せずにまっすぐ延びた状態となり、把持ハンドが中立状態、すなわち、把持解除状態となる。
【0088】
図20A,図20B及び図21は、把持対象物が把持ハンドの中立状態での各多関節部駆動機構の間隔より大きい直径又は幅を持つ例えば円筒体又は円柱体形状の把持対象物20を把持する場合のモデルを示した平面図である。この例では、各積層型多関節部機構に連結された空圧駆動源4は、空圧印加機能に加えて、逆駆動(排気駆動)制御可能又は減圧ポンプなどの強制排気機能をも有するものであり、制御部12の制御によりそれぞれの空圧駆動源4を排気駆動させて、図20Aの中立状態から図20Bに示すように各積層型多関節部機構の第1空圧動作室16A、第2空圧動作室16B、第3空圧動作室16Cより空気を強制的にそれぞれ排気することで、各積層型多関節部駆動機構の空圧を印加していない中立の状態より更にその間隔を広げて、把持対象物20を把持ハンド内に入れやすくする。その後、把持対象物20が各多関節部駆動機構の先端部近傍まで近づくように把持ハンドを、把持ハンドが載置された図示しない搬送車などにより移動する。その後、図21に示すように制御部12の制御の下に、それぞれの空圧駆動源4から各多関節部駆動機構の固定部11に近い方の第1空圧動作室16Aから順に第2空圧動作室16B、第3空圧動作室16Cに空圧をそれぞれ印加し、関節部を内向きにすなわち把持方向に屈曲させる。それぞれの把持面が把持対象物20に接触した時点(例えば各多関節部駆動機構の把持面に備えた接触センサにより把持対象物18に接触した信号を制御部12に入力した時点)で制御部12の制御の下に、それぞれの空圧駆動源4からそれぞれの第3空圧動作室16Cにさらに空圧を印加してそれぞれの第2関節部を屈曲させて、4本の多関節部駆動機構で把持対象物20を挟み込むことで把持を行う。把持を解除するときは、上記したように、制御部12の制御の下にそれぞれの空圧駆動源4の駆動を停止させて空圧の印加を止め、それぞれの多関節部駆動機構の各弾性ヒンジ1Aの弾性によりそれぞれの多関節部駆動機構が元の位置に復元して屈曲せずにまっすぐ延びた状態となり、把持ハンドが中立状態、すなわち、把持解除状態となる。さらに、より確実に把持解除するために、各積層型多関節部機構の第1空圧動作室16A、第2空圧動作室16B、第3空圧動作室16Cより空気を強制的にそれぞれ排気することで、各積層型多関節部駆動機構の空圧を印加していない中立の状態より更にその間隔を広げて、把持対象物20を把持ハンドから外れやすくする。
【0089】
このように少なくとも一対の多関節部駆動機構を備えた把持ハンドは多種多様な対象物の把持を可能にするという特徴を有する。
【0090】
(第3実施形態)
図22は、図1の積層型多関節部駆動機構のロボットアームの先端に上記第2実施形態にかかる図12の把持ハンドを備えた、本発明の第3実施形態における積層型多関節部駆動機構を用いたロボットの斜視図である。
【0091】
図22のロボットアーム21の構成は、第1実施形態における図1に示す積層型多関節部駆動機構を用いたもので、駆動原理は第1実施形態の説明で述べた通りである。ロボットアーム21は、空圧駆動源を有するロボットアーム支柱22に回転機構23を介して接続されており、さらに、ロボットアーム21の先端部には、第2実施形態における図12に示す把持ハンド24が接続されている。ロボットアーム21の駆動により把持ハンド24が可動範囲にある任意の位置に位置決めされ、把持対象物を把持する機能を有する。このロボットアーム21は、本発明の積層型多関節駆動機構を用いたものであるから、前述したごとく、使用する人間に対する安全性を確保できる柔軟な位置決めを可能とするものである。
【0092】
さらに、この積層型多関節部駆動機構をロボットアーム21に適用する場合、図22の第3実施形態のごとく、その積層面を鉛直方向に配置するように構成することが、さらに望ましい。このような構成にすることにより、骨材1の面内剛性が高いことから、重い把持対象物をこの骨材1で支えることができ、重い把持対象物を扱うことができる。
【0093】
尚、図22の第3実施形態においては、ロボットアーム21を、ロボットアーム支柱22に回転機構23を介して接続する構成について示したが、このような1軸又は多軸の回転機構をロボットアーム支柱22の根本部、又はロボットアーム21と把持ハンド24との間に設けるなどの構成を取ることを妨げるものではない。このような多軸の回転機構と組み合わせることにより、より柔軟な把持ハンド24の姿勢を取らしめることができる。
【0094】
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組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。
【0095】
以上のように本発明によれば、少なくとも2つの弾性変形可能な弾性変形部を有する骨材と、上記骨材に重ね合わされるように固定され、かつ、空圧の駆動源に連結された少なくとも2系統の配管を有する積層型空圧配管部材と、上記積層型空圧配管部材に重ね合わされるように固定され、かつ、上記骨材の各弾性変形部に対向する関節部に配置されかつ上記配管のそれぞれに連結された空圧動作室を有して上記空圧動作室に空圧が印加されることにより、上記空圧が印加された上記空圧動作室に対応する上記関節部が変形可能な平面型関節部変形部材とを備えることにより、駆動させたい関節部に対応する上記空圧動作室に空圧を印加することにより当該関節部が変形可能となり、多種多様な対象物の把持性能を有する把持ハンドを実現可能で、かつ、安全であり、また簡易な構造であり低コストで実現可能な積層型多関節部駆動機構を提供することができる。
【0096】
この積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物を把持可能とする把持ハンドは、多種多様な対象物の把持性能を有し、安全であり、多関節部を有する把持ハンドを簡易な構造で、かつ低コストで実現することが可能となる。
【0097】
また、上記積層型多関節部駆動機構を製造するとき、少なくとも上記弾性変形部に弾性ヒンジを備えた上記骨材を一括して成型し、上記積層型空圧配管部材及び上記平面型関節部屈曲変形部材を上記骨材に積層接合することにより、簡単にかつ低コストで上記積層型多関節部駆動機構を製造することができる。
【0098】
さらに、本発明の積層型多関節部駆動機構は多関節部駆動機構を構成する骨材がその関節部に弾性ヒンジを備える場合には、関節部の自由度を1自由度に拘束することで把持剛性の向上を図ることが可能となり、より効果的に上記効果を達成することができる。
【0099】
さらに、本発明の積層型多関節部駆動機構を用いたロボットアームは、その先端に把持ハンドを備えることにより、可動範囲にある把持対象物に対して把持ハンドを安全に位置決めすることが可能となる。
【0100】
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っ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。
【図面の簡単な説明】
【0101】
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。
【図1】本発明の第1実施形態にかかる積層型多関節部駆動機構の断面図である。
【図2A】上記第1実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の各関節部に弾性ヒンジ部を備えた骨材の斜視図、側面図、及び説明図である。
【図2B】上記第1実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の各関節部に弾性ヒンジ部を備えた骨材の斜視図、側面図、及び説明図である。
【図2C】上記第1実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の各関節部に弾性ヒンジ部を備えた骨材の斜視図、側面図、及び説明図である。
【図3A】上記第1実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の積層型空圧配管形成部材の構成要素の分解斜視図及び積層型空圧配管形成部材の概略拡大断面図である。
【図3B】上記第1実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の積層型空圧配管形成部材の構成要素の分解斜視図及び積層型空圧配管形成部材の概略拡大断面図である。
【図4A】上記第1実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の積層型空圧配管形成部材の作製工程を説明するための上記積層型空圧配管形成部材の断面図である。
【図4B】上記第1実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の積層型空圧配管形成部材の作製工程を説明するための上記積層型空圧配管形成部材の断面図である。
【図4C】上記第1実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の積層型空圧配管形成部材の作製工程を説明するための上記積層型空圧配管形成部材の断面図である。
【図4D】上記第1実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の積層型空圧配管形成部材の作製工程を説明するための上記積層型空圧配管形成部材の断面図である。
【図4E】上記第1実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の積層型空圧配管形成部材の作製工程を説明するための上記積層型空圧配管形成部材の断面図である。
【図4F】上記第1実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の積層型空圧配管形成部材の作製工程を説明するための上記積層型空圧配管形成部材の断面図である。
【図5A】上記第1実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の平面型関節部屈曲変形部材の構成要素の分解斜視図及び平面型関節部屈曲変形部材の拡大部分断面図である。
【図5B】上記第1実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の平面型関節部屈曲変形部材の構成要素の分解斜視図及び平面型関節部屈曲変形部材の拡大部分断面図である。
【図6A】上記第1実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の平面型関節部屈曲変形部材の拘束層の伸縮方向を特定の方向に制限していない場合の関節部の駆動状態を説明するためのモデルの断面図、及び拘束層の伸縮方向を特定の方向に制限した場合の関節部の駆動状態を説明するためのモデルの断面図である。
【図6B】上記第1実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の平面型関節部屈曲変形部材の拘束層の伸縮方向を特定の方向に制限していない場合の関節部の駆動状態を説明するためのモデルの断面図、及び拘束層の伸縮方向を特定の方向に制限した場合の関節部の駆動状態を説明するためのモデルの断面図である。
【図7A】繊維を編み込んだ拘束層、及び拘束層に空圧を印加した場合の伸縮を表すモデルの平面図である。
【図7B】繊維を編み込んだ拘束層、及び拘束層に空圧を印加した場合の伸縮を表すモデルの平面図である。
【図8】上記第1実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の平面型関節部屈曲変形部材の拘束層の伸縮方向を特定の方向に制限した場合の関節部の駆動状態を説明するためのモデルの断面図である。
【図9】上記第1実施形態にかかる上記積層型多関節部駆動機構の制御動作を説明するためのブロック図である。
【図10】本発明の第2実施形態にかかる一対の平面型関節部屈曲変形部材を備えた把持ハンドの各平面型関節部屈曲変形部材の拘束層の伸縮方向を特定の方向に制限し、かつ各関節部に弾性ヒンジを備えた骨材を備えた場合のモデルの斜視図である。
【図11】図10の把持ハンドの御動作を説明するためのブロック図である。
【図12】本発明の第2実施形態の変形例にかかる2対の平面型関節部屈曲変形部材を備えた把持ハンドの各平面型関節部屈曲変形部材の拘束層の伸縮方向を特定の方向に制限し、かつ各関節部に弾性ヒンジを備えた骨材を備えた場合のモデルの斜視図である。
【図13】図12の把持ハンドの御動作を説明するためのブロック図である。
【図14】本発明の第2実施形態の別の変形例にかかる左右非対称に積層型多関節部駆動機構を備えた把持ハンドのモデルの斜視図である。
【図15】本発明の第2実施形態のさらに別の変形例にかかる把持面側にセンサを有する積層型多関節部駆動機構を備えた把持ハンドの斜視図である。
【図16】図15の把持ハンドの把持動作を示すブロック図である。
【図17】図15の把持ハンドの中立状態を示す平面図である。
【図18A】対象物を把持する前の図15の把持ハンドの中立状態を示す平面図及び対象物を把持した状態の図15の把持ハンドを示す平面図である。
【図18B】対象物を把持する前の図15の把持ハンドの中立状態を示す平面図及び対象物を把持した状態の図15の把持ハンドを示す平面図である。
【図19A】対象物を把持する前の図15の把持ハンドの中立状態を示す平面図及び対象物を把持した状態の図15の把持ハンドを示す平面図である。
【図19B】対象物を把持する前の図15の把持ハンドの中立状態を示す平面図及び対象物を把持した状態の図15の把持ハンドを示す平面図である。
【図20A】図15の把持ハンドの中立状態を示す平面図、中立状態より間隔を広げた図15の把持ハンドの状態を示す平面図である。
【図20B】図15の把持ハンドの中立状態を示す平面図、中立状態より間隔を広げた図15の把持ハンドの状態を示す平面図である。
【図21】図20Bにおいて対象物を把持した状態の図15の把持ハンドを示す平面図である。
【図22】図1の積層型多関節部駆動機構に上記第2実施形態にかかる図12の把持ハンドを備えた、本発明の第3実施形態における積層型多関節部駆動機構を用いたロボットハンドの斜視図である。
Claims (21)
- 空圧の駆動源(4)と、
少なくとも2つの弾性変形可能な弾性変形部(1A)を有する骨材(1)と、
上記骨材に重ね合わされるように固定され、かつ、上記駆動源に連結された少なくとも2系統の配管(2a,2b)を有する積層型空圧配管部材(2)と、
上記積層型空圧配管部材に重ね合わされるように固定され、かつ、上記骨材の各弾性変形部に対向する関節部(3a,3b)に配置されかつ上記配管のそれぞれに連結された空圧動作室(16A,16B)を有して上記空圧動作室に空圧が印加されることにより、上記空圧が印加された上記空圧動作室に対応する上記関節部が変形可能な平面型関節部変形部材(3)とを備えている積層型多関節部駆動機構。 - 上記積層型空気配管部材が、成型された複数の有機膜(2A,2B,2C)を積層して上記配管を形成する請求項1に記載の積層型多関節部駆動機構。
- 上記平面型関節部屈曲変形部材は、その平面型関節部屈曲変形部材の長手方向沿いに伸縮可能な方向性を付与する拘束層(3C)を備えて、上記平面型関節部屈曲変形部材の上記関節部が伸びるとき、上記骨材の案内により屈曲動作を行う請求項1又は2に記載の積層型多関節部駆動機構。
- 上記骨材の上記複数の弾性変形部のそれぞれは、弾性ヒンジ部(1A)より構成される請求項1又は2に記載の積層型多関節部駆動機構。
- 上記骨材の上記複数の弾性変形部のそれぞれは、弾性ヒンジ部(1A)より構成される請求項3に記載の積層型多関節部駆動機構。
- 上記平面型関節部屈曲変形部材の上記拘束層が、網状の繊維(10)を編み込んだ柔軟な有機膜材料である請求項3に記載の積層型多関節部駆動機構。
- 上記平面型関節部屈曲変形部材は、その平面型関節部屈曲変形部材の長手方向沿いに伸縮可能な方向性を付与する拘束層(3C)を備えて、上記平面型関節部屈曲変形部材の上記関節部が伸びるとき、上記骨材の案内により屈曲動作を行うとともに、上記平面型関節部屈曲変形部材の上記拘束層が、網状の繊維(10)を編み込んだ柔軟な有機膜材料である請求項4に記載の積層型多関節部駆動機構。
- 上記平面型関節部屈曲変形部材は、その平面型関節部屈曲変形部材の長手方向沿いに伸縮可能な方向性を付与する拘束層(3C)を備えて、上記平面型関節部屈曲変形部材の上記関節部が伸びるとき、上記骨材の案内により屈曲動作を行うとともに、上記平面型関節部屈曲変形部材の上記拘束層が、網状の繊維(10)を編み込んだ柔軟な有機膜材料である請求項5に記載の積層型多関節部駆動機構。
- 請求項1又は2に記載の上記積層型多関節部駆動機構の製造方法であって、
少なくとも上記弾性変形部(1A)に弾性ヒンジを備えた上記骨材(1)を一括して成型し、
上記積層型空圧配管部材及び上記平面型関節部屈曲変形部材を上記骨材に積層接合することを備える積層型多関節部駆動機構の製造方法。 - 請求項1又は2に記載の上記積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物(18,19,20)を把持可能とすることで構成する把持ハンド。
- 請求項3に記載の上記積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物(18,19,20)を把持可能とすることで構成する把持ハンド。
- 請求項4に記載の上記積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物(18,19,20)を把持可能とすることで構成する把持ハンド。
- 請求項5に記載の上記積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物(18,19,20)を把持可能とすることで構成する把持ハンド。
- 請求項6に記載の上記積層型多関節部駆動機構を対向配置して対象物(18,19,20)を把持可能とすることで構成する把持ハンド。
- 請求項1又は2に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いるロボットアーム。
- 請求項3に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いるロボットアーム。
- 請求項4に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いるロボットアーム。
- 請求項10に記載の上記把持ハンドをアーム先端に備えるロボットアーム。
- 請求項11に記載の上記把持ハンドをアーム先端に備えるロボットアーム。
- 請求項12に記載の上記把持ハンドをアーム先端に備えるロボットアーム。
- 請求項1又は2に記載の上記積層型多関節部駆動機構を用いて構成されるロボットアームと、上記ロボットアームの先端に備えられた請求項10に記載の上記把持ハンドとを備えるロボット。
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