JP7573794B2 - 把持具及び把持装置 - Google Patents

Description

本開示技術は、把持具及び把持装置に関する。

対象物を把持するロボットハンドの技術分野において、把持する部分（以降、「把持具」と称する）を、折紙（おりがみ）に着想を得て実現したものが知られている。例えば、把持具を紙だけで実現した「オリガミハンド」が知られている。「オリガミハンド」は、紙だけで作成されているため、衛生上の理由により使い捨てることが前提となっている医療分野及び食品分野への応用が期待されている。

特許文献１には、折紙の「羽ばたく鳥」に着想を得て、同じ原理で作動するＧｒｉｐｐｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ（把持装置）が開示されている。図１は、折り紙により作成された羽ばたく鳥を示した説明図である。図１に示されるように、折紙の「羽ばたく鳥」は、首部分と尻尾部分とを両手で持ち互いに引っ張ると、羽ばたくように左右の羽が閉じられる。特許文献１に係るＧｒｉｐｐｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ（把持装置）は、柔軟な材料のシートに切れ込みを入れて実現されており、首部分と尻尾部分とに対応する２つの作動タブを引っ張ることにより、左右の羽に対応する上下の顎部分が閉じて、対象物を把持することができる。

国際公開第２０２０／２３７０５８号

特許文献１に示されるＧｒｉｐｐｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ（把持装置）は、１枚の柔軟な材料のシートから製作するというコンセプトには素晴らしいものがあるが、このコンセプトにこだわり過ぎて、実用面ではいくつかの欠点がある。その１つは、特許文献１のＦＩＧ．６Ｂからも見て取れるが、作動タブの引張時に切れ込み部にせん断応力が集中するため、作動タブを強く引張できないという課題があることである。

本開示技術は、上記課題を解決すべく従来技術に係るＧｒｉｐｐｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ（把持装置）に改良を加え、実用的な把持具を提供することを目的とする。

本開示技術に係る把持具は、駆動ｋｉｒｉｇａｍｉの原理に基づいて、把持対象を把持する把持具であって、把持対象を覆うシート状の把持部と、内部に糸部を備え、把持部を両側から引っ張る力を伝える腱部と、腱部と接続され、滑車として機能する引張部と、ソケット部を介して把持部に着脱する指先部と、を備え、把持部は、被覆層とコア層とからなる二層構造である、というものである。

本開示技術に係る把持具は上記構成を備えるため、作動タブを強く引張することでき、従来のものよりも実用的である。

図１は、折り紙により作成された羽ばたく鳥を示した説明図である。 図２は、実施の形態１に係る把持具１００の特徴を示した説明図である。 図３は、図２の切断線Ａ－Ａにおける断面図である。 図４は、実施の形態１に係る把持具１００において、指先部１５０の着脱を表した組立図である。 図５は、実施の形態１に係る把持具１００の外観を示したアイソメ図である。 図６は、実施の形態１に係る把持装置の外観を示したアイソメ図である。 図７は、実施の形態２に係る把持装置の外観を示したアイソメ図である。 図８は、腕部２００へ引張部１３０が着脱されるメカニズムを示す説明図である。

実施の形態１．
図２は、実施の形態１に係る把持具１００の特徴を示した説明図である。図２に示されるとおり実施の形態１に係る把持具１００は、把持部１１０と、腱部１２０と、引張部１３０と、ソケット部１４０と、を含む。腱部１２０は、内部に糸部１２２を有する。
図３は、図２の切断線Ａ－Ａにおける断面図である。図３に示されるとおり、把持具１００を構成する把持部１１０は、被覆層１１２とコア層１１４とからなる二層構造であることが好ましい。また、図２及び図３に示されるとおり、コア層１１４は、剛性を調整するために複数の孔１１６があけられていてもよい。

図４は、実施の形態１に係る把持具１００において、指先部１５０の着脱を表した組立図である。指先部１５０は、把持具１００を構成するソケット部１４０において、着脱可能である。

図５は、実施の形態１に係る把持具１００の外観を示したアイソメ図である。図５に示される２本の黒塗り矢印は、指先部１５０が対象物を掴むときにあたかも指が閉じるように動く方向を表しており、２つの引張部１３０をそれぞれ白抜き矢印の方向に引っ張ることにより実現される。この駆動原理は、図１に示される折紙の「羽ばたく鳥」の駆動原理と同じである。
海外においては、折紙による羽ばたく鳥は、あまり知られていない。他に同じ原理に基づいているものを挙げるとすれば、飛び出す絵本の仕掛けが挙げられる。海外において、飛び出す絵本の仕掛けは「ｋｉｒｉｇａｍｉ」と称されることがある。また、海外においてｋｉｒｉｇａｍｉは、折紙の一種であると認識されている。したがって、本明細書において、この駆動原理は、「駆動ｋｉｒｉｇａｍｉの原理」と称されるものとする。

《把持具１００を構成する把持部１１０》
把持具１００を構成する把持部１１０は、把持対象を覆うシート状の構成要素である。比喩的な表現を用いれば、把持部１１０は、人間の手の平及び手の甲に相当する構成要素である。
前述のとおり、把持具１００を構成する把持部１１０は、被覆層１１２とコア層１１４とからなる二層構造であることが好ましい。被覆層１１２は、例えば、シリコン樹脂などの合成樹脂で実現されるとよい。被覆層１１２は、シリコン樹脂のほか、ウレタンゴム等の摩擦が多く柔らかいゴム状の素材で実現されるとよい。コア層１１４は、例えば、ＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）などの合成樹脂で実現されるとよい。このような二層構造の把持部１１０は、型に樹脂を流し込んで成形するという方法で製造が可能である。コア層１１４は、ＰＥＴのほか、ＰＬＡ樹脂のように植物由来の乳酸から生成されるプラスチック素材により実現されてもよい。コア層１１４は、被覆層１１２のみでは得られない剛性を上げるために用いられるため、剛性を上げるのに適した素材が選ばれる。
把持部１１０は、全体として、駆動ｋｉｒｉｇａｍｉの原理を発揮できるように、破断せずに弾性変形する強度と性質とを有する必要がある。

《把持具１００を構成する腱部１２０》
把持具１００を構成する腱部１２０は、把持部１１０を両側から引っ張る力を伝える構成要素であり、比喩的な表現を用いれば、人間の腱に相当する構成要素である。すなわち、本開示技術に係る把持具１００を有する把持装置は、腱駆動ロボットであるとも言える。
腱部１２０は、デフォルトの形状が図２に示されるようにＶの字をしているが、引張力が働くとＶの字をなす角度が小さくなっていく。
前述のとおり腱部１２０は、内部に糸部１２２を備える構造である。糸部１２２は、例えば、高密度ポリエチレン繊維等の合成繊維又は化学繊維であってもよい。糸部１２２は、釣り糸として用いられるナイロンテグスであってもよい。さらに糸部１２２は、金属製のワイヤであってもよい。糸部１２２を覆う腱部１２０の材料は、被覆層１１２と同じでもよい。
腱部１２０は、全体として、把持部１１０を両側から引っ張れるよう、伸びることなく破断もしない強度と性質とを有する必要がある。

《把持具１００を構成する引張部１３０》
把持具１００を構成する引張部１３０は、特許文献１におけるＡｃｔｕａｔｉｏｎ Ｔａｂ（作動タブ）に相当する構成要素である。機能面から言えば、把持具１００を構成する引張部１３０は、腱部１２０と後述する腕部２００とを接続する構成要素である。図２及び図５に示されるように、引張部１３０は、滑車のように機能して、糸部１２２を引張できる。引張部１３０は、腕部２００への脱着のため、軸穴が設けられている。

《把持具１００を構成するソケット部１４０》
把持具１００を構成するソケット部１４０は、把持部１１０と指先部１５０とを接続する構成要素である。ソケット部１４０は、指先部１５０の把持部１１０への脱着を可能とする。
ソケット部１４０を設け指先部１５０を脱着可能とすることは、事前に想定する把持対象に合わせて指先部１５０を複数種類用意しておき、運用時は把持対象の把持に適した性質の指先部１５０を選ぶ、といった使い方ができる。また、ソケット部１４０を設け指先部１５０を脱着可能とすることは、衛生上の理由による交換を容易にしたり、メンテナンスを容易にしたり、といったメリットがある。

《把持具１００を構成する指先部１５０》
把持具１００を構成する指先部１５０は、把持対象と直接接触する部分であり、比喩的な表現を用いれば、人間の指に相当する構成要素である。ただし、本開示技術を説明する図２から図７において、指先部１５０は、人間の指のようにそれぞれが独立して動くもの、としてはいない。
指先部１５０は、把持部１１０と同じ材質を用いて作られてもよい。また指先部１５０は、把持部１１０と同じ二層構造を有するものでもよい。しかし、本開示技術に係る把持具１００の有利な効果は、指先部１５０を脱着可能とすることにより、把持対象の把持に適した材質及び構造を採用できるというものである。特許文献１に示された従来のＧｒｉｐｐｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅは、１枚の柔軟な材料のシートから製作するというコンセプトにとらわれているため、指先に相当する部分の剛性が必ずしも十分ではなかった、という実用面での欠点があった。ソケット部１４０及び指先部１５０を備えるという本開示技術の特徴は、この実用面での欠点を克服するために工夫である。
指先部１５０は、把持しているときに把持対象が滑り落ちない剛性及び摩擦があることが重要である。また、指先部１５０は、把持対象を把持しているときに、把持対象を破損しないよう、柔軟性があることも重要である。

前述のとおり、指先部１５０は、想定する把持対象に合わせて複数種類用意しておくことが考えられる。この考え方は、ピンセットが、使用目的に合わせて様々な先端形状のものが用意されていることと同じである。
例えば、把持対象が基板又はカードといった板状のものであれば、指先部１５０は、先端を薄くし、把持方向の内側に向けて少し曲がった形状のものが考えられる。このように指先部１５０を設計することにより、テーブルの置かれた板状の把持対象も掴んで持ち上げることができる。

図６は、実施の形態１に係る把持装置の外観を示したアイソメ図である。図６に示されるとおり、実施の形態１に係る把持装置は、把持具１００と、腕部２００－Ａと、駆動部３００と、を含む。

《把持装置を構成する腕部２００》
把持装置を構成する腕部２００は、把持具１００と駆動部３００とを繋ぐ役割を持つ構成要素である。その名称が示すとおり腕部２００は、比喩的な表現を用いれば、人間の腕に相当する構成要素だと言ってもよい。図６に示されるとおり、腕部２００は、実施の形態１における態様であることを強調するときは、符号に－Ａを付して「腕部２００－Ａ」と表示されるものとする。

腕部２００－Ａは、例えば、下側先端が軸状の形状を有し（以降、「脱着軸」と称する）、引張部１３０に設けられた軸穴に脱着軸を通すことにより把持具１００を保持することができる。
図６に示されるように腕部２００－Ａは、引張部１３０を白抜き矢印の指している向きへ引っ張ると、把持部１１０の復元力により、白抜き矢印とは反対の向きへ引っ張られる。この把持部１１０の復元力に基づいた力により、把持具１００が保持される。腕部２００－Ａは、白抜き矢印とは反対の向きへ駆動し糸部１２２を緩めれば、把持部１１０の復元力が弱まる。すなわち本開示技術に係る把持装置は、腕部２００－Ａを駆動して糸部１２２の引張を緩めることにより、容易に、腕部２００－Ａから把持具１００を外すことができる。

図８は、腕部２００へ引張部１３０が着脱されるメカニズムを示す説明図である。図８に示されるとおり、腕部２００には脱着軸が設けられており、引張部１３０には軸穴が設けられている。腕部２００から把持具１００を容易に外すことを実現するため、軸穴の径は、脱着軸の径よりも大きくするとよい。
また、腕部２００は、把持対象が重くそのため把持しているときに脱着軸が軸穴から抜けてしまうことを防ぐため、脱着軸にテーパ又は段差が設けられてもよい。

《把持装置を構成する駆動部３００》
把持装置を構成する駆動部３００は、腕部２００を駆動する構成要素である。具体的に言えば、駆動部３００は、電動スライダにより実現されてよい。電動スライダは、モータと、回転運動を直線運動に変える機構と、を備えるものである。駆動部３００は、直線運動を実現できればよいので、リニアモータが採用されてもよい。

把持装置は、把持具１００の開閉だけではなく、把持対象を把持するために必要な把持具１００の位置及び姿勢も制御される必要がある。図６には、把持具１００の開閉を実現する駆動部３００が示されているが、把持装置として必要な構成の全てを示したものではない。把持装置は、図６には図示されていないが、把持具１００の位置及び姿勢を変える機構及び駆動源を有する。

実施の形態１に係る把持具１００の有利な効果は、把持具１００が内部に糸部１２２を有する腱部１２０と滑車のように機能する引張部１３０と備えるため、シートの切れ込み部にせん断応力が集中するということがなく、作動タブである引張部１３０を強く引張することできる、というものである。

実施の形態１に係る把持具１００の別の有利な効果は、指先部１５０を脱着可能とすることにより、把持対象の把持に適した材質及び構造を採用でき、把持に必要な指先部１５０の剛性を確保できる、というものである。

実施の形態１に係る把持装置の有利な効果は、引張部１３０には腕部２００－Ａへの脱着のための軸穴が設けられ、腕部２００－Ａには脱着軸が設けられているため、腕部２００－Ａを駆動して糸部１２２の引張を緩めることにより、容易に腕部２００－Ａから把持具１００を外すことができる、というものである。
したがって、本開示技術に係る把持装置は、例えば、汚染された医療廃棄物、又は放射性物質を取り扱う現場において、廃棄する把持対象とともに使い捨て可能な把持具１００を提供でき、自動化に貢献できる。

上記のとおり実施の形態１に係る把持具１００及び把持装置は、従来技術に係るものと比較して、実用的である。

実施の形態２．
実施の形態２に係る把持装置は、本開示技術に係る把持装置の変形例である。
特に明記する場合を除き、実施の形態２では、実施の形態１で用いられた符号と同じものが使用される。また実施の形態２では、実施の形態１と重複する説明は、適宜、省略される。
腕部２００は、実施の形態２における態様であることを強調するときは、符号に－Ｂを付して「腕部２００－Ｂ」と表示されるものとする。

図７は、実施の形態２に係る把持装置の外観を示したアイソメ図である。
図６に示される実施の形態１に係る把持装置において、腕部２００－Ａは白抜き矢印が示す水平方向に動くことにより、指先部１５０に把持をさせていた。一方、図７に示される実施の形態２に係る把持装置において、腕部２００－Ｂは白抜き矢印が示す垂直方向に動くことにより、指先部１５０に把持をさせる。腕部２００の駆動方向を水平方向から垂直方向へ変換することは、図７に示されるように、２本のガイドローラ２１０により実現される。糸部１２２から見ればガイドローラ２１０は、引張部１３０と同様、滑車として機能する。

実施の形態２に係る把持装置に特有な効果は、腕部２００－Ｂの駆動方向が垂直方向に変換されたことにより、実施の形態１の態様と比べて装置の占有面積を小さくできる、というものである。

実施の形態２に係る把持装置に特有な別の効果は、２本のガイドローラ２１０を備えることにより、把持具１００が、引っ張られる軸回りに対して回転してしまう、という不安定な状態になることを避けることができる、というものである。

上記のとおり実施の形態２に係る把持装置も、実施の形態１に係る把持装置と同様に、従来技術に係るものと比較して実用的である。

本開示技術に係る把持具１００及び把持装置は、例えば、医療分野及び食品分野におけるロボットによる自動化に応用でき、産業上の利用可能性を有する。
特に、本開示技術に係る把持装置は、例えば、汚染された医療廃棄物、又は放射性物質を取り扱う現場において、使い捨て可能な把持具１００を提供でき、自動化に貢献できる。

１００ 把持具、１１０ 把持部、１１２ 被覆層、１１４ コア層、１１６ 孔、１２０ 腱部、１２２ 糸部、１３０ 引張部、１４０ ソケット部、１５０ 指先部、２００（２００－Ａ、２００－Ｂ） 腕部、２１０ ガイドローラ、３００ 駆動部。

Claims (6)

1. 駆動ｋｉｒｉｇａｍｉの原理に基づいて、把持対象を把持する把持具であって、
   前記把持対象を覆うシート状の把持部と、
   内部に糸部を備え、前記把持部を両側から引っ張る力を伝える腱部と、
   前記腱部と接続され、滑車として機能する引張部と、
   ソケット部を介して前記把持部に着脱する指先部と、を備え、
   前記把持部は、被覆層とコア層とからなる二層構造である、
   把持具。
2. 前記把持部は、
   前記被覆層の材質がシリコン樹脂又はウレタンゴムであり、
   前記コア層の材質がプラスチック素材である、
   請求項１に記載の把持具。
3. 請求項１に記載の把持具と、
   前記把持具と駆動部とを接続する腕部と、を備え、
   前記駆動部は、引張により前記把持具が変形し前記把持対象を把持する、という現象が生じる方向に前記腕部を駆動する、
   把持装置。
4. 前記腕部は、脱着軸を有し、
   前記引張部は、前記脱着軸よりも径が大きい軸穴を有し、
   前記把持具は、前記軸穴に前記脱着軸が通されることにより前記腕部に保持され、
   前記把持具は、前記駆動部により引張が緩むように前記腕部が駆動されることにより前記腕部から取り外すことができる、
   請求項３に記載の把持装置。
5. 前記脱着軸は、テーパ又は段差を有する、
   請求項４に記載の把持装置。
6. 前記把持具は、廃棄する前記把持対象とともに使い捨てられる、
   請求項４に記載の把持装置。

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