JP6811795B2

JP6811795B2 - 人工表皮構造

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Publication number: JP6811795B2
Application number: JP2019030437A
Authority: JP
Inventors: 隆介石▲崎▼
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2021-01-13
Anticipated expiration: 2039-02-22
Also published as: US11396104B2; CN111604940B; US20200269440A1; JP2020130782A; CN111604940A

Description

本発明は、ロボットハンドなどの表皮として用いられる人工表皮構造に関する。

対象物体から受ける圧力が小さい場合には当該対象物体に対して弱い摩擦力を作用させる一方、当該圧力が大きい場合には当該対象物体に強い摩擦力を作用させることができる、人間の皮膚の摩擦特性に近い摩擦特性を有する人工表皮構造（人工皮膚）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２３００４１号公報

対象物体から受ける圧力に応じて摩擦特性が変化する人工表皮構造として、孔を有する蓋部材を備えた容器に充填されたゲル状物質を、当該蓋部材に作用した外力に応じて、当該孔を介して蓋部材の表面を越えて膨出させる構成の人工表皮構造が考えられる。

しかし、ゲル状物質から蓋部材に作用する反発力が過大になると、外力が蓋部材を介してゲル状物質に伝わりにくくなり、ゲル状物質の蓋部材の孔からの膨出量が不十分となり、所望の摩擦特性が実現できない可能性が高くなる。

そこで、本発明は、ゲル状物質を用いて摩擦特性を高精度で調節可能な人工表皮構造を提供することを目的とする。

本発明の第１態様の人工表皮構造は、開口部を有する容器と、前記容器に充填されているゲル状物質と、前記容器の開口部において前記ゲル状物質に接触するように配置され、孔を有する蓋部材と、を備え、前記蓋部材に圧力が作用した際に、前記孔から前記蓋部材の表面を越えて前記ゲル状物質を膨出させるように構成されている人工表皮構造であって、前記ゲル状物質の表面と前記蓋部材の裏面との間に、前記ゲル状物質が逃げるための空間が形成されるように、前記ゲル状物質の表および前記蓋部材の裏面のうち少なくとも一方に部分的に窪んでいる凹部が形成されていることを特徴とする。

当該構成の人工表皮構造によれば、蓋部材の表面が対象物体に接触して蓋部材に圧力が作用した際に、ゲル状物質の表および蓋部材の裏面のうち少なくとも一方における凹部により形成される空間にゲル状物質が逃げることができる。このため、ゲル状物質の反発力の低下が図られ、これによって圧力が蓋部材を介して適当にゲル状物質に伝達され、ゲル状物質を蓋部材の孔を介して蓋部材の表面を越えて容易に膨出させることができる。そして、蓋部材の表面のみによる人工表皮構造の摩擦特性と、蓋部材の表面に加えてゲル状物質の表面による人工表皮構造の摩擦特性と、を高精度に切り替えながら対象物体に摩擦力を作用させることができる。

本発明の第２態様の人工表皮構造は、複数の人工表皮要素を備えている人工表皮構造であって、前記複数の人工表皮要素のそれぞれが、開口部を有する容器と、前記容器に充填されているゲル状物質と、前記容器の開口部において前記ゲル状物質に接触するように配置され、孔を有する蓋部材と、を備え、前記蓋部材に圧力が作用した際に、前記孔から前記蓋部材の表面を越えて前記ゲル状物質を膨出させるように構成され、前記ゲル状物質の表面と前記蓋部材の裏面との間に、前記ゲル状物質が逃げるための空間が形成されるように、前記ゲル状物質の表面および前記蓋部材の裏面のうち少なくとも一方が部分的に窪んでいる凹部が形成され、前記複数の人工表皮要素のうち少なくとも一の人工表皮要素が、他の人工表皮要素と比較して前記蓋部材の孔の径および前記空間の体積のうち少なくとも一方が相違していることを特徴とする。

当該構成の人工表皮構造によれば、複数の第１態様の人工表皮構造を複数の人工表皮要素として備えているので、前記のように、蓋部材の表面のみによる人工表皮構造の摩擦特性と、蓋部材の表面に加えてゲル状物質の表面による人工表皮構造の摩擦特性と、を高精度に切り替えながら対象物体に摩擦力を作用させることができる。

また、複数の人工表皮要素の間で蓋部材の孔の径およびゲル状物質の逃げ空間の体積のうち少なくとも一方が差異化されている。孔の径が大きいほど、さらには逃げ空間の体積が大きいほど、小さい圧力でゲル状物質が蓋部材の表面を越えて膨出することができる。このため、人工表皮構造が対象物体から受ける圧力の変化に応じて、人工表皮構造の摩擦特性を段階的に変化させることができる。例えば、当該圧力が大きくなっていく過程で、第１の人工表皮要素群を構成する一または複数の人工表皮要素において、蓋部材の表面に加えてゲル状物質の表面による人工表皮構造の摩擦特性が実現された後、さらに、第２の人工表皮要素群を構成する一または複数の人工表皮要素において、蓋部材の表面に加えてゲル状物質の表面による人工表皮構造の摩擦特性が実現されうる。よって、人工皮膚構造から、対象物体に作用する摩擦力の変化態様の幅の拡張を図ることができる。

本発明の第１実施形態としての人工表皮構造の構成の概略説明図。容器およびこれに充填されているゲル状物質の上面図。蓋部材の上面図。本発明の第１実施形態としての人工表皮構造の機能に関する説明図。本発明の実施例および比較例の人工表皮構造の機能に関する説明図。本発明の第２実施形態としての人工表皮構造の構成の概略説明図。

（第１実施形態）
（構成）
図１に示されている本発明の第１実施形態としての人工表皮構造は、蓋つき容器１０と、蓋つき容器１０に収容されているゲル状物質２０と、を備えている。図１は概略図であり、蓋つき容器１０およびゲル状物質２０ならびにこれらの各構成要素のそれぞれのアスペクト比等は実際の人工表皮構造と相違している（図２以降も同様）。

蓋つき容器１０は、容器１１と、蓋部材１２と、を備えている。容器１１は、例えば略円板状の合成樹脂により構成され、その上端面から中央部が略円柱状に窪んでいる凹部１１０を有している。蓋部材１２は容器１０の凹部１１０よりわずかに小さい径を有する、例えば略円板状の合成樹脂またはシリコーンゴムなどのゴムにより構成され、その表面１２１から裏面１２２まで厚さ方向に延在する複数の孔１２０が形成されている。

例えば、図２に示されているように、蓋部材１２は、複数の孔１２０として、正方格子の格子点を構成するように離間して配置された合計２１個の上面視で略円形状の孔１２０を有している。複数の孔１２０のそれぞれの径がすべて同一でなくてもよい。孔１２０の数は１でも２１以外の複数でもよい。複数の孔１２０が三角格子の格子点を構成するように配置され、あるいは、同心円のそれぞれの周方向に離散的に配置されるなど様々な態様で配置されていてもよい。孔２１の上面視形状は、円形のほか、楕円形状、三角形状、矩形状、多角形状など、様々な形状であってもよい。

ゲル状物質２０は、例えば軟質のウレタン樹脂により構成されている。ゲル状物質２０は、容器１１の凹部１１０よりわずかに小径の略円板状に形成され、当該凹部１１０に収容され、かつ、蓋部材１２が被せられることによりその表面２００に蓋部材１２の裏面１２２が当接している。

ゲル状物質２０は、その表面２００に凹凸構造を有している。具体的には、ゲル状物質２０は、蓋部材１２の複数の孔１２０のそれぞれに対応する箇所で表面２００よりも突出している複数の凸部２２を有している。複数の凸部２２のそれぞれは、蓋部材１２の孔１２０の形状に適合するように、略円錐台状の下部およびこの上底面を底面とする、孔１２０よりわずかに小径の略円柱状の上部を有している。蓋部材１２に圧力または外力が作用していない状態で、各凸部２２の端面２２０は、蓋部材１２の表面１２１から引っ込んで各孔１２０の中にある。各凸部２２は、蓋部材１２の孔１２０の形状に合わせて略円錐台状または略円柱状のほか、略角錐台状または略矩形柱状など、様々な形状を有していてもよい。

ゲル状物質２０は、各凸部２２の周囲において表面２００よりも窪んでいる凹部２４を有している。複数の凹部２４は、蓋部材１２の複数の孔１２０の配置態様に対応して、例えば図３に示されているように正方格子の格子点を構成するように配置された複数（合計２１個）の凸部２２の周囲において交差しながら縦横に延在する複数の直線線分に沿ってゲル状物質２０に形成されている。

凹部２４が、各凸部２２を全周にわたって連続的に取り囲むほか、少なくとも一部の凸部２２を全周にわたって断続的に取り囲む、あるいは、少なくとも一部の凸部２２を全周のうち部分的に連続的または断続的に取り囲むように延在していてもよい。ゲル状物質２０の中心軸線を含む断面における凹部１２０の形状は、略台形状のほか、略半円形状、略半楕円形状または略矩形状など、様々な形状であってもよい。

（機能）
前記構成の人工表皮構造によれば、蓋部材１２の表面１２１が対象物体に接触して蓋部材１２に圧力が作用した際に、ゲル状物質２０の表面２００における凹部２４により形成される空間にゲル状物質２０の一部が逃げることができる。このため、ゲル状物質２０の反発力の低下が図られる。これにより、圧力が蓋部材１２を介して適当にゲル状物質２０に伝達され、図４に示されているように、ゲル状物質２０の凸部２２を蓋部材１２の孔１２０を介して蓋部材１２０の表面１２１を越えて容易に膨出させることができる。そして、蓋部材１２の表面１２１のみによる人工表皮構造の摩擦特性（図１参照）と、蓋部材１２の表面１２１に加えてゲル状物質２０の凸部２２の端面２２０による人工表皮構造の摩擦特性（図４参照）と、を高精度に切り替えながら対象物体に摩擦力を作用させることができる。

（実施例）
（実施例１−１）
径φ５０ｍｍ、深さｄ５ｍｍの略円柱状に窪んだ凹部１１０を有する、φ５８ｍｍ、厚さｔ１５ｍｍの略円板状の容器１１が準備された。略正方格子の格子点を構成するように配置された合計３７個（＝１×３＋１×５＋３×７＋１×５＋１×３）の径φ３ｍｍの孔１２０が形成された、径φ４８ｍｍ、厚さｔ２．５ｍｍの略円板状の蓋部材１２が準備された。径φ４８ｍｍ、厚さｔ３ｍｍの略円板状のアスカーＣ硬度が「０」のポリウレタン系ゲルがゲル状物質２０として準備された。ゲル状物質２０の表面２００には、正方格子の格子点を構成するように配置された合計３７個の下底幅３ｍｍ、上底幅２．３０２ｍｍ、高さ３．５ｍｍの略台形状の断面を有する略円錐台状の凸部２２と、各凸部２２の周囲を縦横に延在する下底幅３．４ｍｍ、上底幅３ｍｍ、高さ２ｍｍの略台形状の断面を有する凹部２４と、が形成された。蓋部材１２とゲル状物質２０との間で凹部２４により形成された空間の体積は２２１１．３６７ｍｍ³であった。当該容器１１、蓋部材１２およびゲル状物質２０により、実施例１−１の人工表皮構造が作製された。

（実施例１−２）
アスカーＣ硬度が「７」のポリウレタン系ゲルがゲル状物質２０として準備されたほかは、実施例１−１と同様の構成の実施例１−２の人工表皮構造が作製された。

（実施例２−１）
略正方格子の格子点を構成するように配置された合計２１個（＝１×３＋３×５＋１×３）の径φ４ｍｍの孔１２０が形成された、径φ４ｍｍ、厚さｔ２．５ｍｍの略円板状の蓋部材１２が準備された（図２参照）。ゲル状物質２０の表面２００には、正方格子の格子点を構成するように配置された合計２１個の下底幅４ｍｍ、上底幅３．３０２ｍｍ、高さ３．５ｍｍの略台形状の断面を有する略円錐台状の凸部２２と、各凸部２２の周囲を縦横に延在する凹部２４と、が形成された（図３参照）。蓋部材１２とゲル状物質２０との間で凹部２４により形成された空間の体積は２４５７．９８２ｍｍ³であった。これらのほかは、実施例１−１と同様の構成の実施例２−１の人工表皮構造が作製された。

（実施例２−２）
アスカーＣ硬度が「７」のポリウレタン系ゲルがゲル状物質２０として準備されたほかは、実施例２−１と同様の構成の実施例２−２の人工表皮構造が作製された。

（実施例３−１）
略正方格子の格子点を構成するように配置された合計９個（＝３×３）の径φ６ｍｍの孔１２０が形成された、径φ６ｍｍ、厚さｔ２．５ｍｍの略円板状の蓋部材１２が準備さ
れた。ゲル状物質２０の表面２００には、正方格子の格子点を構成するように配置された合計９個の下底幅６ｍｍ、上底幅５．３０２ｍｍ、高さ３．５ｍｍの略台形状の断面形状を有する略円錐台状の凸部２２と、各凸部２２の周囲を縦横に延在する凹部２４と、が形成された。蓋部材１２とゲル状物質２０との間で凹部２４により形成された空間の体積は２６４２．７０８ｍｍ³であった。これらのほかは、実施例１−１と同様の構成の実施例３−１の人工表皮構造が作製された。

（実施例３−２）
アスカーＣ硬度が「７」のポリウレタン系ゲルがゲル状物質２０として準備されたほかは、実施例３−１と同様の構成の実施例３−２の人工表皮構造が構成された。

（比較例）
ゲル状物質２０において凹部２４が省略された（前記空間体積がほぼ０ｍｍ³である）ほかは、実施例１−１、実施例２−１および実施例３−１のそれぞれと同様の構成の比較例１、比較例２および比較例３のそれぞれの人工表皮構造が作製された。

（評価試験）
各実施例および各比較例の人工表皮構造について、蓋部材１２が１ｍｍだけ押し下げられた際のゲル状物質２０の反発力が測定された。反発力は、フォースゲージにより測定された。図５には、当該試験結果が示されている。図５から、ゲル状物質２０に凹部２４が形成され、当該凹部２４によって蓋部材１２とゲル状物質２０との間にゲル状物質２０が逃げる空間が形成されたことにより、各実施例は各比較例と比較して、ゲル状物質２０の反発力が著しく低下していることがわかる。

（第２実施形態）
（構成）
図６に示されている本発明の第２実施形態としての人工表皮構造では、ゲル状物質２０における凹部２４が省略されている代わりに、蓋部材１２の裏面１２２において、各孔１２０を全周にわたりまたは部分的に連続的または断続的に取り囲むように延在し、かつ、裏面１２２よりも窪んでいる凹部１４が形成されている。これ以外の構成は、第１実施形態の人工表皮構造と同様であるので、当該同様の構成については同一の符号を用いるとおともに説明を省略する。

（機能）
前記構成の人工表皮構造によれば、蓋部材１２の表面１２１が対象物体に接触して蓋部材１２に圧力が作用した際に、蓋部材１２の裏面１２２における凹部１４により形成される空間にゲル状物質２０の一部が逃げることができる。このため、ゲル状物質２０の反発力の低下が図られる。これにより、圧力が蓋部材１２を介して適当にゲル状物質２０に伝達され、ゲル状物質２０の凸部２２を蓋部材１２の孔１２０を介して蓋部材１２０の表面１２１を越えて容易に膨出させることができる。そして、蓋部材１２の表面１２１のみによる人工表皮構造の摩擦特性と、蓋部材１２の表面１２１に加えてゲル状物質２０の凸部２２の端面２２０による人工表皮構造の摩擦特性と、を高精度に切り替えながら対象物体に摩擦力を作用させることができる。

（本発明の他の実施形態）
本発明の他の実施形態の人工表皮構造は、前記実施形態における人工表皮構造（図１および図６参照）を複数の人工表皮要素として備えている。複数の人工表皮要素のうち少なくとも一の人工表皮要素が、他の人工表皮要素と比較して蓋部材１２の孔１２０の径および凹部１４、２４により形成される前記空間の体積のうち少なくとも一方が相違している。

孔１２０の径が大きいほど、さらには逃げ空間の体積が大きいほど、小さい圧力でゲル状物質２２０が蓋部材１２の表面１２１を越えて膨出することができる。このため、人工表皮構造が対象物体から受ける圧力の変化に応じて、人工表皮構造の摩擦特性を段階的に変化させることができる。例えば、当該圧力が大きくなっていく過程で、第１の人工表皮要素群を構成する一または複数の人工表皮要素において、蓋部材１２の表面１２１に加えてゲル状物質２０の表面（凸部２２の端面２２０）による人工表皮構造の摩擦特性が実現された後、さらに、第２の人工表皮要素群を構成する一または複数の人工表皮要素において、蓋部材１２の表面１２１に加えてゲル状物質２０の表面（凸部２２の端面２２０）による人工表皮構造の摩擦特性が実現されうる。よって、人工皮膚構造から、対象物体に作用する摩擦力の変化態様の幅の拡張を図ることができる。

１０‥蓋つき容器、１１‥容器、１２‥蓋部材、１４‥蓋部材の凹部（逃げ空間）、２０‥ゲル状物質、２２‥ゲル状物質の凸部、２４‥ゲル状物質の凹部（逃げ空間）、１１０‥容器の凹部、１２０‥蓋部材の孔、１２１‥蓋部材の表面、１２２‥蓋部材の裏面、２００‥ゲル状物質の表面、２２０‥ゲル状物質の凸部の端面。

Claims

開口部を有する容器と、前記容器に充填されているゲル状物質と、前記容器の開口部において前記ゲル状物質に接触するように配置され、孔を有する蓋部材と、を備え、
前記蓋部材に圧力が作用した際に、前記孔から前記蓋部材の表面を越えて前記ゲル状物質を膨出させるように構成されている人工表皮構造であって、
前記ゲル状物質の表面と前記蓋部材の裏面との間に、前記ゲル状物質が逃げるための空間が形成されるように、前記ゲル状物質の表面および前記蓋部材の裏面のうち少なくとも一方に部分的に窪んでいる凹部が形成されていることを特徴とする人工表皮構造。
複数の人工表皮要素を備えている人工表皮構造であって、
前記複数の人工表皮要素のそれぞれが、開口部を有する容器と、前記容器に充填されているゲル状物質と、前記容器の開口部において前記ゲル状物質に接触するように配置され、孔を有する蓋部材と、を備え、
前記蓋部材に圧力が作用した際に、前記孔から前記蓋部材の表面を越えて前記ゲル状物質を膨出させるように構成され、
前記ゲル状物質の表面と前記蓋部材の裏面との間に、前記ゲル状物質が逃げるための空間が形成されるように、前記ゲル状物質の表面および前記蓋部材の裏面のうち少なくとも一方が部分的に窪んでいる凹部が形成され、
前記複数の人工表皮要素のうち少なくとも一の人工表皮要素が、他の人工表皮要素と比較して前記蓋部材の孔の径および前記空間の体積のうち少なくとも一方が相違していることを特徴とする人工表皮構造。