CN111902247A - 电动机械手及对象物体的把持方法 - Google Patents

Abstract

电动机械手(1)包括旋转马达(10)、旋转运动构件(40)、多个平移运动构件(50)、引导部(30)以及转矩传感器(20)。旋转运动构件(40)连结于旋转马达(10)的转子(12)。平移运动构件(50)随着旋转运动构件(40)的旋转而沿着以旋转运动构件(40)的旋转轴线(AX)为中心的圆周的切线方向平移运动。引导部(30)将多个平移运动构件(50)沿着它们平移运动的方向引导。转矩传感器(20)对在引导部(30)和旋转马达(10)的定子(11)之间产生的转矩进行检测。

Description

电动机械手及对象物体的把持方法

技术领域

本发明涉及电动机械手及对象物体的把持方法。

背景技术

公开了一种利用电动马达使两个爪进行开闭而把持对象物体(工件)的电动机械手(例如参照专利文献1)。该电动机械手具有电动马达、丝杠、螺母、一对摆动臂以及一对爪(把持部)依次连结而成的结构。在与被电动马达驱动而旋转的丝杠嵌合的螺母沿着丝杠的轴向往复移动时，一对摆动臂进行摆动，一对爪互相靠近而把持对象物体。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2016－112661号公报

发明内容

发明要解决的问题

为了利用电动机械手将对象物体保持着其形状地把持，需要控制电动马达的输出转矩而将电动机械手的把持力设为恰当的值。但是，在上述专利文献1所公开的电动机械手中组装了由丝杠、螺母、一对摆动臂及一对爪构成的连杆机构这样的复杂的机构来作为把持对象物体的机构。若在电动机械手和把持对象物体的爪之间存在上述那样的复杂的机构，则电动马达的输出转矩会被复杂的机构的动作所消耗，难以将电动马达的转矩没有损失地传递到爪。此外，输出转矩与电动机械手的把持力的关系对该机构的状态影响较大。

在这样的状况下，即使直接检测电动机械手的把持力也难以基于其检测值来控制电动马达的输出转矩而用恰当的把持力把持对象物体。此外，即使检测电动马达的输出转矩并根据该检测值来控制电动马达也难以用恰当的把持力把持对象物体。在上述专利文献1所公开的电动机械手中，难以将例如豆腐这样的较软的对象保持着形状地把持。

本发明即是鉴于上述实际情况而完成的，其目的在于提供能够利用恰当的把持力把持对象物体的电动机械手及对象物体的把持方法。

用于解决问题的方案

为了达到上述目的，本发明的第1观点的电动机械手包括：

旋转马达；

旋转运动构件，其连结于所述旋转马达的转子；

多个平移运动构件，其随着所述旋转运动构件的旋转而沿着以所述旋转运动构件的旋转轴线为中心的圆周的切线方向平移运动，从而把持对象物体；

引导部，其保持所述多个平移运动构件并且将所述多个平移运动构件沿着它们平移运动的方向引导，以使该多个平移运动构件自所述旋转运动构件和所述对象物体受到力而不会进行除平移运动之外的运动；以及

转矩传感器，其设在所述引导部和所述旋转马达的定子之间，仅对与所述多个平移运动构件把持所述对象物体的把持力的反作用力处于线性关系的转矩进行检测。

在该情况下，也可以是，所述多个平移运动构件以所述旋转运动构件的旋转轴线为中心旋转对称地配置。

也可以是，在所述引导部设有直线运动轨道，

在所述多个平移运动构件分别设有被所述直线运动轨道引导的块体以及通过平移运动而与对象物体靠近或远离的爪部。

也可以是，同一个所述直线运动轨道对两个所述块体进行引导。

也可以是，在所述旋转运动构件的未连结所述旋转马达的转子的端部设有小齿轮，

在所述平移运动构件设有与所述小齿轮啮合的齿条。

在本发明的第2观点的对象物体的把持方法中，

驱动旋转马达的转子而使旋转运动构件旋转，

随着所述旋转运动构件的旋转，使多个平移运动构件沿着以所述旋转运动构件的旋转轴线为中心的圆周的切线方向平移而把持对象物体，

利用设于引导部和所述旋转马达的定子之间的转矩传感器仅对与所述多个平移运动构件把持所述对象物体的把持力的反作用力处于线性关系的转矩进行检测，上述引导部保持所述多个平移运动构件并且将所述多个平移运动构件沿着它们平移运动的方向引导，以使该多个平移运动构件自所述旋转运动构件和所述对象物体受到力而不会进行除平移运动之外的运动，

基于检测到的转矩来调整所述旋转马达的旋转并且利用所述多个平移运动构件把持所述对象物体。

发明的效果

根据本发明，旋转马达的转子和旋转运动构件连结，利用随着旋转运动构件的旋转而平移运动的多个平移运动构件来把持对象物体。此外，转矩传感器对在引导部和旋转马达的定子之间产生的转矩进行检测，该引导部将受到旋转运动构件的旋转力的多个平移运动构件沿着平移运动的方向引导。在多个平移运动构件把持对象物体时，其把持力的反作用力从对象物体向平移运动构件施加并传递到旋转运动构件、旋转马达的转子及定子。该反作用力成为在旋转马达的定子和引导部之间产生的转矩而被转矩传感器检测。

若是该结构，则能够将旋转马达的输出转矩没有损失地传递到平移运动构件而把持对象物体，而且能够以引导部为基准利用转矩传感器对与平移运动构件把持对象物体的把持力的反作用力相当的转矩进行检测。由此，能够对与把持对象物体的把持力相当的转矩进行检测并基于该转矩准确地控制把持力。其结果为，能够利用恰当的把持力把持对象物体。

附图说明

图1A是表示本发明的实施方式的电动机械手的外观的立体图。

图1B是图1A的电动机械手的侧视图。

图1C是电动机械手的主视图。

图2是表示电动机械手的内部构造的图1B的A－A线剖视图。

图3是表示电动机械手的内部构造的图1C的B－B线剖视图。

图4是表示旋转运动构件和平移运动构件卡合的部分的俯视图。

图5是表示图1的电动机械手的控制系统的示意图。

图6A是表示在未把持对象物体的状态下在旋转运动构件和平移运动构件所产生的力的示意图。

图6B是表示在未把持对象物体的状态下爪部的情况的示意图。

图7A是表示在把持着对象物体的状态下对爪部施加的力的示意图。

图7B是表示在把持着对象物体的状态下在旋转运动构件和平移运动构件所产生的力的示意图。

图8A是表示由转矩传感器检测到的转矩的示意图。

图8B是表示把持力的反作用力与由转矩传感器检测到的转矩的关系的图表。

图9A是表示电动机械手的平移运动构件的结构的变形例的图。

图9B是表示保持对象物体的情况的图。

具体实施方式

以下，参照附图详细地说明本发明的实施方式。在全部图中对相同或相当的构成要素标注相同的附图标记。

如图1A、图1B及图1C所示，本实施方式的电动机械手1的局部被外部罩2覆盖。旋转马达10的定子11暴露于外部罩2的+z侧。此外，一对把持部3向外部罩2的－z侧突出。在电动机械手1中，一对把持部3夹入对象物体M并用恰当的把持力进行把持。在此，恰当的把持力是指大于把持部3和对象物体M的静摩擦系数与对象物体M的乘积并且能够将对象物体M不变形地保持的力。在本实施方式中，将把持部3移动的方向设为x轴方向而进行说明。

如图1B的A－A截面即图2以及图1C的B－B截面即图3所示，电动机械手1包括作为驱动源的旋转马达10、用于检测转矩的转矩传感器20、用于将把持部3(图1A)沿把持的方向引导的引导部30、进行旋转运动的旋转运动构件40以及进行平移运动的一对平移运动构件50。

旋转马达10包括定子11和转子12。定子11具有长方体形状的壳体，在其内部将转子12保持为能够旋转。另外，定子11的壳体也可以不是长方体形状。转子12从定子11向－z方向延伸。在图2和图3中，旋转轴线AX与z轴方向平行。从外部向旋转马达10供给电力。转子12以与所供给的电力相应的转矩相对于定子11以旋转轴线AX为中心进行旋转。

通过螺栓紧固而将转矩传感器20的+z侧的端部固定于旋转马达10的定子11。另一方面，通过螺栓紧固而将转矩传感器20的－z侧的端部固定于构成引导部30的底板31。转矩传感器20对在旋转马达10的定子11和引导部30(底板31)之间产生的绕旋转轴线AX的转矩进行检测。

在转矩传感器20设有以旋转轴线AX为中心轴线的圆柱状的贯通孔20a。旋转马达10的转子12以能够旋转的状态插入到该贯通孔20a内。

引导部30将平移运动构件50(图1A的把持部3)沿着平移运动构件50的平移运动的方向也就是x轴方向引导。换言之，引导部30限制平移运动构件50的除了x轴方向之外的方向上的移动。引导部30包括底板31、外壳32以及直线运动轨道33。

底板31是由金属形成的平板状的构件。底板31与未图示的其他的构件(例如固定于建筑物等的支架)连接，是成为引导部30的基础板的构件。在底板31设有以旋转轴线AX为中心轴线的圆柱状的贯通孔31a。以该贯通孔31a与转矩传感器20的贯通孔20a同轴地配置的状态将底板31安装于转矩传感器20。由转矩传感器20检测到的转矩成为以该底板31为基准在旋转马达10的定子11产生的转矩。

外壳32安装于底板31的－z侧的面。由底板31和外壳32形成内部空间32a。

直线运动轨道33安装于外壳32的－z侧的面。直线运动轨道33沿与旋转轴线AX正交的x轴方向延伸。如图3所示，在直线运动轨道33的侧面设有槽部33a，槽部33a沿x轴方向延伸，与一对把持部3(平移运动构件50)卡合，用于引导该一对把持部3(平移运动构件50)。

旋转运动构件40连结于旋转马达10的转子12。旋转运动构件40包括旋转主体41和小齿轮42(参照图4)。旋转主体41是由金属形成的圆柱状的构件，其连结于旋转马达10的转子12并沿旋转轴线AX的方向延伸。旋转主体41经由转矩传感器20的贯通孔20a和底板31的贯通孔31a而进入到外壳32的内部空间32a。

在外壳32以旋转轴线AX为中心地设有凹部32b，轴承32c插入到凹部32b中。旋转主体41的－z侧的端部嵌入到轴承32c中。旋转主体41与转子12的旋转相应地绕旋转轴线AX旋转。

小齿轮42设在旋转运动构件40(旋转主体41)的未固定旋转马达10的转子12的端部也就是进入到外壳32的内部空间32a的端部。如图4所示，小齿轮42是以旋转轴线AX为中心进行旋转的圆形齿轮。因而，在旋转马达10的转子12旋转时，旋转主体41旋转并且小齿轮42旋转。

一对平移运动构件50与图1的一对把持部3相对应。如图4所示，平移运动构件50以旋转运动构件40的旋转轴线AX为中心二次旋转对称地配置。平移运动构件50随着旋转运动构件40的旋转而沿着以旋转运动构件40的旋转轴线AX为中心的圆周(图4的虚拟圆弧C)的切线方向平移运动。

平移运动构件50分别包括平移主体51、齿条52、块体53以及爪部54。

平移主体51是沿x轴方向进行平移运动的平移运动构件50的主体。如图3所示，在外壳32的直线运动轨道33的y轴方向上的两侧分别设有贯通孔32d。平移主体51从外壳32的内部空间32a经由贯通孔32d向－z方向突出。贯通孔32d将x轴方向作为长边方向，以免妨碍平移主体51的沿x轴方向的移动。

更具体地讲，如图4所示，平移主体51在外壳32的内部空间32a中沿x轴方向延伸，从其延伸的部分的端部如图3所示地向－z方向弯折并经由贯通孔32d突出到外壳32的外部。突出到外壳32的外部的端部如图4所示成为与xy平面平行的平板状的构件。

齿条52是沿直线方向进行切齿的直线状的构件。如图4所示，齿条52安装在平移主体51的在外壳32的内部空间32a内的沿x轴方向延伸的部分。齿条52与小齿轮42啮合，通过小齿轮42的旋转而使平移主体51沿x轴方向平移运动。更具体地讲，在小齿轮42旋转时，将一对齿条52沿相反方向驱动，使一对平移主体51彼此靠近或远离。

块体53连接于平移主体51的向外壳32的外部突出的平板状的部分的+z侧的面。此外，如图3所示，块体53嵌入到直线运动轨道33的槽部33a，与引导部30的直线运动轨道33连结为能够沿x轴方向滑动。块体53被直线运动轨道33沿x轴方向引导。在平移主体51沿x轴方向平移运动时，块体53也沿着被直线运动轨道33引导的x轴方向进行平移运动。在本实施方式中，同一个直线运动轨道33对两个块体53进行引导。

爪部54设在平移主体51的下方的端部。爪部54配置为与另一个爪部54在x轴方向上相对。一对爪部54通过平移运动而与对象物体M靠近或远离。

对具有上述那样的结构的本实施方式的电动机械手1的动作进行说明。如图5所示，在实际使用电动机械手1时，需要用于控制旋转马达10的控制装置60以及用于驱动旋转马达10的驱动装置70。

在此，旋转马达10是步进马达。在把持对象物体M的情况下，控制装置60在监视着转矩传感器20的传感器检测值的同时向驱动装置70输出脉冲指令。驱动装置70根据输入的脉冲指令来驱动旋转马达10。

例如，如图6A所示，在根据脉冲指令以转矩T1对旋转马达10的转子12进行驱动而使其旋转时，旋转运动构件40(小齿轮42)进行旋转。随着旋转运动构件40的旋转，一对平移运动构件50(齿条52)自旋转运动构件40(小齿轮42)受到力F1，从而沿着以旋转运动构件40的旋转轴线为中心的圆周(图4的虚拟圆弧C)的切线方向平移。平移运动构件50沿着互相靠近的方向移动。

如图6B所示，在一对平移运动构件50的爪部54之间没有对象物体M的情况下，平移运动构件50没有自对象物体M受到反作用力地进行平移运动。转矩传感器20对在引导部30和旋转马达10的定子11之间产生的转矩进行检测。在此，旋转运动构件40自平移运动构件50受到反作用力F1’。由转矩传感器20检测到的转矩成为旋转马达10的定子11对转子12、旋转运动构件40及平移运动构件50进行驱动的转矩T1的反作用转矩T1’。

如图7A所示，在一对爪部54与对象物体M接触时，一对爪部54自对象物体M受到反作用力F2’，其把持力成为比力F1大的F2(F2＞F1)。在以把持力F2把持对象物体M时，如图7B所示，该反作用力F2’从平移运动构件50传递到旋转运动构件40，旋转运动构件40自平移运动构件50受到与旋转马达10的转子12的旋转方向反向的转矩T2’。

如图8A所示，由反作用力F2’实现的与旋转运动构件40所受到的转矩T方向相反的转矩T2’经由旋转运动构件40、旋转马达10的转子12而传递到旋转马达10的定子11。引导部30的底板31固定于未图示的外部构件，其位置和姿态是恒定的。因此，在旋转马达10的定子11和引导部30(底板31)之间产生转矩T2’。转矩传感器20对该转矩T2’进行检测。

在本实施方式的电动机械手1中，仅是将旋转运动构件40插入到旋转马达10和平移运动构件50之间，未设置连杆机构这样的复杂的机构。因而，由转矩传感器20检测到的转矩T2’是由把持对象物体M的把持力的反作用力F2’实现的。如图8B所示，把持力的反作用力和由转矩传感器20检测到的转矩T2’之间有线性的关系。例如，在反作用力是F1’时转矩传感器20的转矩检测值成为T1’，在反作用力是F2’时转矩传感器20的转矩检测值成为T2’。

在由转矩传感器20检测到的转矩到达T2’时，控制装置60借助驱动装置70使旋转马达10的旋转停止。由此，一对把持部3以维持着把持力F2的状态把持对象物体M。这样，采用该电动机械手1，能够对与对象物体M的把持力处于线性关系的转矩进行检测并且控制该转矩从而恰当地调整把持力。

这样的话，即使在对象物体M是柔软且容易压坏的对象物体M并且将对象物体M不压坏地把持的把持力是F2的情况下，由于把持对象物体M的把持力不会成为F2以上，因此也能够将对象物体M不压坏地把持。

另外，控制装置60也可以在把持对象物体M时进行反馈控制来进行控制。在该情况下，控制装置60在监视转矩传感器20的传感器检测值的同时以把持力F2为目标值来进行反馈控制，将脉冲指令输出到驱动装置70。驱动装置70基于脉冲指令向旋转马达10供给驱动电力。旋转马达10利用供给来的驱动电力使转子12和旋转运动构件40旋转。由此，使一对平移运动构件50平移运动，使一对爪部54沿着互相靠近的方向移动。

在用一对爪部54把持对象物体M时，利用转矩传感器20对由该把持力F2的反作用力F2’实现的转矩T2’进行检测。控制装置60在监视转矩传感器20的传感器检测值的同时向驱动装置70输出使把持力成为F2、也就是使转矩传感器20的传感器检测值维持在T2’这样的脉冲指令，驱动装置70对旋转马达10进行驱动而使其旋转。由此，即使对象物体M柔软且容易压坏，也能够以不会压坏这样的把持力F2来把持对象物体M。

像以上详细地说明的那样，根据本实施方式，旋转马达10的转子12和旋转运动构件40连结，利用随着旋转运动构件40的旋转而平移运动的多个平移运动构件50来把持对象物体M。此外，转矩传感器20对在引导部30和旋转马达10的定子11之间产生的转矩进行检测，该引导部30用于对受到旋转运动构件40的旋转力的多个平移运动构件50沿平移运动的方向进行引导。

在多个平移运动构件50把持对象物体M时，其把持力F2的反作用力F2’从对象物体M施加于平移运动构件50并传递到旋转运动构件40、旋转马达10的转子12及定子11。该反作用力F2’成为在旋转马达10的定子11和引导部30之间产生的转矩T2’而被转矩传感器20检测。

根据该结构，能够将旋转马达10的输出转矩没有损失地传递到平移运动构件50从而把持对象物体M，而且能够以引导部30为基准仅对与平移运动构件50把持对象物体M的把持力F2的反作用力F2’处于线性关系的转矩T2’进行检测。由此能够对把持对象物体M的把持力进行检测并且基于该转矩T2’来准确地控制把持力。其结果为，能够利用恰当的把持力来把持对象物体M。

根据本实施方式，即使在例如把持豆腐这样的柔软的对象物体M的情况下，也能够将把持力保持在不压坏对象物体M这样的值。其结果为，能够将对象物体M不变形地把持。

另外，在上述实施方式中，以旋转运动构件40的旋转轴线AX为中心二次旋转对称地配置有平移运动构件50，但本发明并不限于此。如图9A所示，也可以将平移运动构件50三次旋转对称地排列。在该情况下，如图9B所示，对象物体M被3个爪部54把持。平移运动构件50也能够四次旋转对称或者更多次旋转对称地排列。

此外，在上述实施方式中能够使两个块体53在1条直线运动轨道33上滑动。由此，不必针对每个块体53来准备直线运动轨道33，因此能够使电动机械手1小型化。

当然，也可以设置两条直线运动轨道33并将块体53以能够滑动的方式一对一安装于各直线运动轨道33。此外，如图9A所示，在将3个平移运动构件50三次旋转对称地排列的情况下，分别针对平移运动构件50设置直线运动轨道33。

此外，在上述实施方式中，在旋转运动构件40设有小齿轮42，在平移运动构件50设有齿条52，从而将旋转马达10的转子12的旋转运动转换为平移运动构件50的平移运动。但是，本发明并不限于此。例如也可以利用其他的齿轮机构、例如行星齿轮机构来驱动把持部3。也可以利用槽凸轮或定幅凸轮这样的凸轮方式来驱动把持部3。但是，在电动机械手1中，期望的是由仅仅是以一个阶段而从旋转马达的旋转力的旋转运动转换为把持对象物体M的直线运动这样的更简单的机构构成。

另外，旋转马达10的种类没有特别的限制。旋转马达10既可以是感应马达也可以是同步马达。此外，旋转马达10既可以是交流马达也可以是直流马达。此外，旋转马达10既可以是单相马达也可以是三相马达。在上述实施方式中，由于旋转马达10是步进马达，因此向旋转马达10输出的指令是脉冲指令，但对旋转马达10施加的指令会与旋转马达10的种类相应地是电压指令、电流指令等。

此外，底板31、外壳32及直线运动轨道33也可以由一体的构件形成。

本发明能够在不脱离本发明的广义的精神和范围的前提下实现各种各样的实施方式和变形。此外，上述的实施方式用于说明本发明，并不限定本发明的范围。即，本发明的范围是由权利要求书而不是由实施方式表示的。而且，在权利要求书内及与其等同的发明的意义范围内实施的各种各样的变形被视为在本发明的范围内。

另外，本申请主张以2018年3月23日提出申请的日本国特许出愿2018－55665号为基础的优先权，将日本国特许出愿2018－55665号的说明书、权利要求书、附图整体作为参照编入到本说明书中。

产业上的可利用性

本发明能够应用于电动机械手，特别是能够应用于把持柔软的对象物体的电动机械手。

附图标记说明

1、电动机械手；2、外部罩；3、把持部；10、旋转马达；11、定子；12、转子；20、转矩传感器；20a、贯通孔；30、引导部；31、底板；31a、贯通孔；32、外壳；32a、内部空间；32b、凹部；32c、轴承；32d、贯通孔；33、直线运动轨道；33a、槽部；40、旋转运动构件；41、旋转主体；42、小齿轮；50、平移运动构件；51、平移主体；52、齿条；53、块体；54、爪部；60、控制装置；70、驱动装置；AX、旋转轴线；C、虚拟圆弧；M、对象物体。

Claims (6)

1.一种电动机械手，其中，

该电动机械手包括：

旋转马达；

旋转运动构件，其连结于所述旋转马达的转子；

多个平移运动构件，其随着所述旋转运动构件的旋转而沿着以所述旋转运动构件的旋转轴线为中心的圆周的切线方向平移运动，从而把持对象物体；

引导部，其保持所述多个平移运动构件并将所述多个平移运动构件沿着它们平移运动的方向引导，以使该多个平移运动构件自所述旋转运动构件和所述对象物体受到力而不会进行除平移运动之外的运动；以及

转矩传感器，其设在所述引导部和所述旋转马达的定子之间，仅对与所述多个平移运动构件把持所述对象物体的把持力的反作用力处于线性关系的转矩进行检测。

2.根据权利要求1所述的电动机械手，其中，

所述多个平移运动构件以所述旋转运动构件的旋转轴线为中心旋转对称地配置。

3.根据权利要求1所述的电动机械手，其中，

在所述引导部设有直线运动轨道，

在所述多个平移运动构件分别设有被所述直线运动轨道引导的块体以及通过平移运动而与对象物体靠近或远离的爪部。

4.根据权利要求3所述的电动机械手，其中，

同一个所述直线运动轨道对两个所述块体进行引导。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的电动机械手，其中，

在所述旋转运动构件的未连结所述旋转马达的转子的端部设有小齿轮，

在所述平移运动构件设有与所述小齿轮啮合的齿条。

6.一种对象物体的把持方法，其中，

驱动旋转马达的转子而使旋转运动构件旋转，

随着所述旋转运动构件的旋转，使多个平移运动构件沿着以所述旋转运动构件的旋转轴线为中心的圆周的切线方向平移而把持对象物体，

利用设于引导部和所述旋转马达的定子之间的转矩传感器仅对与所述多个平移运动构件把持所述对象物体的把持力的反作用力处于线性关系的转矩进行检测，上述引导部保持所述多个平移运动构件并且将所述多个平移运动构件沿着它们平移运动的方向引导，以使该多个平移运动构件自所述旋转运动构件和所述对象物体受到力而不会进行除平移运动之外的运动，

基于检测到的转矩来调整所述旋转马达的旋转并且利用所述多个平移运动构件把持所述对象物体。

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