JP2009039820A

JP2009039820A - 把持装置およびその制御方法

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Publication number: JP2009039820A
Application number: JP2007208078A
Authority: JP
Inventors: Taku Yoshimi; 卓吉見; Shuichi Nakamoto; 秀一中本; Atsushi Sugawara; 淳菅原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-08-09
Filing date: 2007-08-09
Publication date: 2009-02-26

Abstract

【課題】複雑な装置や大掛りな装置を必要とせずに、把持対象物を安定して把持し、容易に離すことができるマニピュレータを提供する。
【解決手段】マニピュレータに搭載される吸着離脱補助機構は、把持対象物の表面に向かって突出した外周部およびその外周部に囲まれた窪み部３４を有して弾性変形可能な吸盤３１と、吸盤３１の背面３５と指部材２１の間に配置されて、指部材２１と把持対象物とが互いに押し付けられたときに吸盤３１の背面３５を押す押付け力伝達部３２と、吸盤３１の外周部と指部材２１の間に配置されて、指部材２１と把持対象物とが互いに引き離されるときに吸盤３１の外周部を指部材２１側に引っ張る引張力伝達部材３３とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、把持対象物を把持する把持装置およびその制御方法に関する。

工場内で主として用いられる産業用マニピュレータなどは、予め決められた作業を行い、扱う把持対象物も予め決まっていることが多い。したがって、これら産業用マニピュレータの手先に取り付けられるエンドエフェクタは、多くの場合、把持対象物の形状に合わせて設計された専用のエンドエフェクタである。よって、安定に把持できる把持対象物は、設計時に想定される限られた種類のものである。

また、産業用マニピュレータには、対象物を把持するものではなく、マニピュレータに吸着装置が取り付けられて、対象物を吸着するなどの、特殊な形状および機能を持つ専用のエンドエフェクタを備えたマニピュレータも存在する。

これに対して、近年、人間のそばを動きまわり、人間のそばでマニピュレータなどを動作させて、人間に各種サービスを提供することで、人々の生活を支援することを目的とした、人間共存ロボットが開発されてきている。このような人間共存ロボットのマニピュレータは、予め対象とする作業が決まっておらず、予め把持対象も決まっていない。したがって、人間共存ロボットなどは、様々な把持対象物を安定して把持し、様々な作業を行える、汎用性の高いマニピュレータを必要とする。

このような汎用マニピュレータは、例えば、平行する２本の指を開閉して対象物体を把持する平行開閉２指ハンドなどがある。また、任意の形状の物体を安定に把持することができるエンドエフェクタは、多関節の指部を有し、それらの関節を動作させて、把持対象物の表面形状に倣って、対象物を把持することができる多関節ロボットハンドなどがある。

平行開閉２指ハンドや多関節ロボットハンドには、把持対象物を安定に把持することを目的として、把持時のエンドエフェクタの指部表面と把持対象物体表面の接触面積を増大させるため、エンドエフェクタの指部表面にゴムなどの柔軟部材を貼り付けたものなどがある。

しかし、エンドエフェクタの指部表面と把持対象物体表面の接触面積は限られているため、把持力が把持対象物に十分に伝達されない場合もある。この場合、把持対象物がエンドエフェクタからすべり落ちる等の問題が発生する。

また、エンドエフェクタの指部表面にゴムなどの柔軟体を貼り付けたものであっても、エンドエフェクタが発生する把持力が不足すると、把持対象物のすべりを十分に押さえることが困難になる場合がある。
特開２００６−２９２１５９号公報

上述の問題を解決する方法としては、エンドエフェクタに吸着装置を設け、対象物を吸着して把持する産業用エンドエフェクタなどがある。この方法によれば、エンドエフェクタが対象物に密着するために把持対象物がエンドエフェクタからすべり落ちることを避けることができる。

しかし、この場合には、エンドエフェクタに接続される吸引および吸着のための装置が複雑かつ大掛りになる。したがって、このようなエンドエフェクタは、人間共存ロボットなどの、一般の家庭や施設内などで用いられることが想定されるロボットに搭載するエンドエフェクタには、不向きである。

この問題を解決するために、マニピュレータに搭載するエンドエフェクタに吸盤を取り付ける例もある。しかし、把持時に滑り落ちる等の問題に対しては有効であるが、把持対象物を離すときには、把持対象物が離れにくいなどの問題がある。なお、吸盤を容易に離脱させる機構の例としては、特許文献１に開示されているように、剥離ばねを設けた例もある。

人間共存ロボットなどに搭載するマニピュレータは、把持対象物を離そうとする動作とともに、吸盤の吸着が容易に解除される必要がある。したがって、上述の吸盤の例では、吸着を解除するために、把持対象物を離す動作とは異なる動作が必要となるため、マニピュレータへの適用は難しい。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、複雑な装置や大掛りな装置を必要とせずに、把持対象物を安定して把持し、容易に離すことができる把持装置およびその制御方法を提供することである。

上記目的を達成するため本発明に係る把持装置は、把持対象物を把持可能な少なくとも対向する２つの指部材と、前記指部材に設けられ、前記把持対象物の表面に向かって突出した外周部およびその外周部に囲まれた窪み部を有して弾性変形可能な吸盤と、前記吸盤の窪み部の背面側と前記指部材の間に配置されて、前記指部材と把持対象物とが互いに押し付けられたときに前記吸盤の窪み部の背面側を押す押付け力伝達部と、前記吸盤の外周部と前記指部材の間に配置されて、前記指部材と把持対象物とが互いに引き離されるときに前記吸盤の外周部を前記指部材側に引っ張る引張力伝達部材と、を有し、前記引張り力伝達部材の少なくとも一部が可撓性を有することを特徴とする。

また、本発明に係る把持装置の制御方法は、把持対象物を把持可能な少なくとも２つが対向して配置される指部材と、前記指部材に設けられ、前記把持対象物の表面に向かって突出した外周部およびその外周部に囲まれた窪み部を有して弾性変形可能な吸盤と、前記吸盤の窪み部の背面と前記把持面とを接続する押付け力伝達部と、前記押付け力伝達部の外周側で前記背面上に配置される引張力伝達部材と、を有する吸着離脱補助機構と、を具備する把持装置の制御方法において、前記指部材が前記把持対象物に向かって閉じる方向に駆動し、前記押付け力伝達部が前記吸盤を前記把持対象物に押付け力を作用させて、前記引張力伝達部材を撓ませる吸盤押付け工程と、前記押付け力伝達部による押付け力を計測する押付け力計測工程と、前記押付け力計測工程で計測される押付け力に基づいて、前記吸盤が前記把持対象物に押し付けられていることを判定する押付け状態判定工程と、前記押付け状態判定工程で押し付けられていると判定された後に、前記引張力伝達部材が撓んだ状態を維持する範囲内で前記指部材を開く方向に駆動して、その後に停止させる微開駆動工程と、前記指部材を開く方向に駆動して、前記引張力伝達部材に張力を作用させて前記窪み部の背面側の外周部を引っ張って、前記吸盤の吸着を解除して、前記指部材を離脱させる離脱工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、複雑な装置や大掛りな装置を必要とせずに、把持対象物を安定して把持し、容易に離すことが可能な把持装置およびその制御方法を提供することが可能である。

以下、図面を用いて本発明に係るマニピュレータの実施形態について説明する。なお、同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

図１は、本発明に係るマニピュレータの一実施形態を示す正面図であり、図２は、図１のエンドエフェクタ２０（把持装置）を示す拡大正面図である。このマニピュレータは、ベース部材１１、上腕部１３、前腕部１５、エンドエフェクタ２０などにより構成されている。さらに、ベース部材１１および上腕部１３を連結するアーム肩関節部１２、上腕部１３および前腕部１５を連結するアーム肘関節部１４、前腕部１５およびエンドエフェクタ２０を連結するアーム手首関節部１６などを有する。さらに、このマニピュレータの動作を制御する制御装置（図示せず）なども有している。

エンドエフェクタ２０は、第１指部材２１および第２指部材２２と、第１指部材２１の第１把持面２３および第２指部材２２の第２把持面２４に配置された複数の吸着離脱補助機構３０などにより構成されている。

第１指部材２１と第２指部材２２との間に、配置される把持対象物５０は、第１指部材２１および第２指部材２２が閉じる方向に駆動することにより把持される。このとき、吸着離脱補助機構３０により把持対象物５０が吸着され、滑り落ちない状態を維持することが可能である。次に、把持対象物５０を離すときは、第１指部材２１および第２指部材２２を開く方向、すなわち把持対象物５０から離れる方向に駆動される。このとき、吸着離脱補助機構３０により容易に吸着された状態を解除することが可能である。

図３は、図２の吸着離脱補助機構３０を示す拡大断面図である。エンドエフェクタ２０に配置される吸着離脱補助機構３０は、吸盤３１、押付け力伝達部３２、および引張力伝達部材３３などから構成されている。吸盤３１は弾性部材からなり、略半球状で、吸着面側は凹面となり、窪み部３４を形成している。また、窪み部３４と反対側の背面３５は凸面を形成している。

図４は、エンドエフェクタ２０が把持対象物５０を把持しようとしている状態の概略を示す断面図である。第１指部材２１および第２指部材２２が、把持対象物５０に接近して吸盤３１の窪み部３４側と把持対象物５０が接触する。さらに第１指部材２１および第２指部材２２を把持対象物５０に近づけると、第１指部材２１および第２指部材２２は、押付け力伝達部３２を介して、吸盤３１を押し付ける力を作用させる。

押付け力伝達部３２は、吸盤３１の背面３５のほぼ中央で凸部の頂上部に、第１把持面２３と吸盤３１とを接続するように構成されている。この押付け力伝達部３２は、弾性部材部分を有し、本実施形態では、ばね要素などを有する部材をフレキシブルなチューブなどに収納したものなどを使用している。第２把持面２４においても同様に、吸盤３１は押付け力伝達部３２により接続される。

押付け力伝達部３２は、第１指部材２１および第２指部材２２が把持対象物５０を把持する方向、すなわちこれらの指部材が開閉する方向の弾性係数が、開閉方向と垂直方向の弾性係数よりも小さくなるように構成されている。よって、エンドエフェクタ２０が把持対象物５０を把持するときに、第１指部材２１および第２指部材２２の開閉方向に垂直な方向に、把持対象物５０がずれ動くことを防ぐことを可能とする。

なお、この押付け力伝達部３２は、弾性部材に限られることはなく、例えば棒状の剛体を使用することも可能である。棒状の剛体を使用する場合、第１指部材２１および第２指部材２２の一部、または吸盤３１の一部に弾性を有する部分を予め形成することができる。

また、押付け力伝達部３２は、吸盤３１に別体として取り付けてもよいが、吸盤３１の一部分として一体となるように予め形成しておいてもよい。

引張力伝達部材３３は、吸盤３１の背面３５側で押付け力伝達部３２の外周側に配置され、第１把持面２３と接続されている。同様に、第２把持面２４においても、引張力伝達部材３３は接続されている。

この引張力伝達部材３３は、曲げおよび圧縮に対して柔軟な可撓性部材で、例えば紐、ロープ、または布材などを用いている。なお、引張力伝達部材３３は、吸盤３１の背面３５の周辺部に数箇所配置してもよい。さらに引張力伝達部材３３は、押付け力伝達部３２の周囲を囲うように、筒状の部材を用いてもよい。第１指部材２１および第２指部材２２が把持対象物５０を把持しているときには、この引張力伝達部材３３は、撓んだ状態を維持している。

図５は、エンドエフェクタ２０が把持対象物５０を離そうとしている状態の概略を示す断面図である。第１把持面２３および第２把持面２４に配置される吸盤３１が、把持対象物５０を吸着しているときに、第１指部材２１および第２指部材２２を把持対象物５０から離れる方向に駆動する。このとき、引張力伝達部材３３に張力が作用して、吸盤３１は、背面３５の外周部を引っ張られることにより、窪み部３４と把持対象物５０との間に形成される密閉空間３６の密閉状態が解除され吸着状態を解除する。

また、引張力伝達部材３３は、吸盤３１が把持対象物５０と吸着していないときには、指部材および吸盤３１から引っ張られる状態となっており、押付け力伝達部３２が、若干圧縮されるように形成されている。

よって、吸盤３１の吸着状態を解除するときの吸盤３１は、その外周部は引張力伝達部材３３に作用する張力により引っ張られ、その中央部は押付け力伝達部３２に作用する圧縮力により押し付けられる力（復元力）が作用する。したがって、容易に把持対象物５０を離脱させることが可能となる。さらに、第１指部材２１および第２指部材２２のいずれか一方から把持対象物５０が離脱した後も、他方から容易に把持対象物５０を離脱させることが可能となる。

本実施形態のマニピュレータが、把持対象物５０を把持する動作について、図６および図７を用いて説明する。図６は、把持対象物５０を把持する動作のフロー図である。図７は、把持対象物５０を把持する動作の概略を示す断面図である。図７（ａ）はマニピュレータのエンドエフェクタ２０の離脱状態を示す概略断面図、図７（ｂ）は吸盤３１が把持対象物５０に接触した状態を示す概略断面図、図７（ｃ）は押付け力が作用する状態を示す概略断面図、および図７（ｄ）は把持が完了した状態を示す概略断面図である。なお図７（ａ）〜（ｄ）は、エンドエフェクタ２０における第１指部材２１の部分の動作を示す。第２指部材２２の図示は省略するが、第１指部材２１および第２指部材２２は、把持対象物５０を挟んで対称の形状となる。

まず、図７（ａ）に示すように、エンドエフェクタ２０の第１指部材２１および第２指部材２２を、把持対象物５０に近づけて、これらの指部材の間に把持対象物５０が配置される位置まで移動させる（ステップＳ１０１）。

次に、図７（ｂ）に示すように、第１指部材２１および第２指部材２２を閉じる方向に駆動して（ステップＳ１０２）、吸着離脱補助機構３０の吸盤３１と把持対象物５０とを接触させる（ステップＳ１０３）。

さらに、図７（ｃ）に示すように、第１指部材２１および第２指部材２２を閉じる方向に駆動することにより（ステップＳ１０４）、押付け力伝達部３２が、吸盤３１を把持対象物５０に向かって押し付けるように力を発生させる（ステップＳ１０５）。この押付け力により、吸盤３１が変形し、吸盤３１の窪み部３４と把持対象物５０の間に挟まれた密閉空間３６内の空気が吸盤３１の外周部から排出される。

吸着離脱補助機構３０に搭載される例えば圧力センサ等の力計測手段３７により、押付け力を計測する（ステップＳ１０６）。次に、この計測値が予め設定されている所定の閾値を超えるかどうかを判定する（ステップＳ１０７）。閾値を超えるときに、第１指部材２１および第２指部材２２は、閉動作を停止する（ステップＳ１０８）。なお、このときの引張力伝達部材３３は、撓んだ状態で、張力は作用していない。

最後に、引張力伝達部材３３が撓んだ状態を維持する範囲内で、第１指部材２１および第２指部材２２を開く方向に微開する（ステップＳ１０９）。この動作により、第１指部材２１および第２指部材２２は、吸盤３１の弾性により窪み部３４側の外周が密着したままで変形が若干緩和され、把持対象物５０と窪み部３４とで形成された密閉空間３６を拡大させる。これにより密閉空間３６の圧力が低下し、大気圧との差圧により、吸盤３１と把持対象物５０とが引き着けられる力が発生する。

以上の動作により、図７（ｄ）に示すように、把持対象物５０を把持する動作を完了する（ステップＳ１１０）。

続いて、本実施形態のマニピュレータのエンドエフェクタ２０が、把持対象物５０を把持した状態から、これを離す動作について図８および図９を用いて説明する。図８は、把持対象物５０をマニピュレータから離脱する動作のフロー図である。図９は、把持対象物５０を離脱する動作の概略を示す断面図である。図９（ａ）は把持対象物５０を把持している状態を示す概略断面図、図９（ｂ）は引張力伝達部材３３に張力が作用している状態を示す概略断面図、および図９（ｃ）は離脱動作が完了した状態を示す概略断面図である。なお図９（ａ）〜（ｃ）は、第１指部材２１の部分の動作を示す。第２指部材２２の図示は省略するが、第１指部材２１および第２指部材２２は、把持対象物５０を挟んで対称の形状となる。

図９（ａ）に示すように、把持対象物５０を把持している状態から、第１指部材２１および第２指部材２２を開く方向、すなわち把持対象物５０から離れる方向に駆動する（ステップＳ２０１）。このとき、図９（ｂ）に示すように、把持対象物５０に吸着している吸盤３１は、吸着状態を維持したままで、把持対象物５０から離れる方向に引っ張られる。

第１指部材２１および第２指部材２２をさらに開くことにより、引張力伝達部材３３には張力が作用する。このとき、押付け力伝達部３２が吸盤３１の背面３５の中央を押す力は、図９（ａ）の状態よりも小さくなるが、それでも若干は押す力として残っている。このため、引張力伝達部材３３が吸盤３１を変形させ、窪み部３４と把持対象物５０との間に形成される密閉空間３６に空気が流入する。よって、この密閉空間３６の密閉状態が解除され吸着状態が解除される（ステップＳ２０４）。

第１指部材２１および第２指部材２２は、所定の位置になるまで開く方向に駆動されて（ステップＳ２０５）、この後に停止させる（ステップＳ２０６）。以上の動作により、図９（ｃ）に示すように、把持対象物５０を離脱する動作を完了する（ステップＳ２０７）。

上記実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

例えば、図１０に示すように、マニピュレータのエンドエフェクタ２０の指部材に、任意の形状の物体を安定して把持することができるように、指関節部２５を設けてもよい。この例のマニピュレータは、例えば曲面形状などの把持対象物５０などを把持することが可能となる。よって、より汎用性が高く、様々な形状の把持対象物５０を把持することが可能となる。

また、押付け力伝達部３２は、図７（ｃ）の状態（ステップＳ１０５〜Ｓ１０８）および図９（ｂ）（ステップＳ２０３）では押す力が発生していることが必要であるが、他の状態では押付け力が発生しなくてもよい。

本発明に係るマニピュレータの一実施形態を示す概略正面図である。図１のエンドエフェクタを示す拡大正面図である。図２の吸着離脱補助機構を示す拡大断面図である。図２のエンドエフェクタが把持対象物を把持しようとしている状態の概略を示す断面図である。図２のエンドエフェクタが把持対象物を離そうとしている状態を示す概略断面図である。図１のマニピュレータが把持対象物を把持する動作のフロー図である。図１のマニピュレータが把持対象物を把持する動作を示す概略断面図である。図１のマニピュレータが把持対象物を離脱する動作のフロー図である。図１のマニピュレータが把持対象物を離脱する動作を示す概略断面図である。関節を備えた指部材を有するマニピュレータの例を示す概略正面図である。

符号の説明

１１…ベース部材、１２…アーム肩関節部、１３…上腕部、１４…アーム肘関節部、１５…前腕部、１６…アーム手首関節部、２０…エンドエフェクタ、２１…第１指部材、２２…第２指部材、２３…第１把持面、２４…第２把持面、２５…指関節部、３０…吸着離脱補助機構、３１…吸盤、３２…押付け力伝達部、３３…引張力伝達部材、３４…窪み部、３５…背面、３６…密閉空間、３７…力計測手段、５０…把持対象物

Claims

把持対象物を把持可能な少なくとも対向する２つの指部材と、
前記指部材に設けられ、前記把持対象物の表面に向かって突出した外周部およびその外周部に囲まれた窪み部を有して弾性変形可能な吸盤と、
前記吸盤の窪み部の背面側と前記指部材の間に配置されて、前記指部材と把持対象物とが互いに押し付けられたときに前記吸盤の窪み部の背面側を押す押付け力伝達部と、
前記吸盤の外周部と前記指部材の間に配置されて、前記指部材と把持対象物とが互いに引き離されるときに前記吸盤の外周部を前記指部材側に引っ張る引張力伝達部材と、
を有し、
前記引張力伝達部材の少なくとも一部が可撓性を有することを特徴とする把持装置。
前記押付け力伝達部は、弾性を有する部材であって、前記指部材の開閉方向と同方向の弾性係数が前記開閉方向と垂直な方向の弾性係数よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の把持装置。
前記押付け力伝達部は、弾性を有する部材であって、前記引張力伝達部材は、前記指部材と前記把持対象物が離れているときに、前記押付け力伝達部が圧縮される状態を維持するように構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の把持装置。
前記吸盤を前記把持対象物の表面に押し付ける力の大きさを計測する押付け力計測手段と、
前記押付け力計測手段で計測される押付け力に基づいて、前記吸盤が前記把持対象物に押し付けられていることを判定する押付け状態判定手段と、
前記押付け状態判定手段により押し付けられていると判定されたとき前記指部材を、前記引張力伝達部材が撓んだ状態を維持する範囲で前記指部材を開く方向に微開する微開駆動手段と、
を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の把持装置。
把持対象物を把持可能な少なくとも２つが対向して配置される指部材と、前記指部材に設けられ、前記把持対象物の表面に向かって突出した外周部およびその外周部に囲まれた窪み部を有して弾性変形可能な吸盤と、前記吸盤の窪み部の背面と前記把持面とを接続する押付け力伝達部と、前記押付け力伝達部の外周側で前記背面上に配置される引張力伝達部材と、を有する吸着離脱補助機構と、を具備する把持装置の制御方法において、
前記指部材が前記把持対象物に向かって閉じる方向に駆動し、前記押付け力伝達部が前記吸盤を前記把持対象物に押付け力を作用させて、前記引張力伝達部材を撓ませる吸盤押付け工程と、
前記押付け力伝達部による押付け力を計測する押付け力計測工程と、
前記押付け力計測工程で計測される押付け力に基づいて、前記吸盤が前記把持対象物に押し付けられていることを判定する押付け状態判定工程と、
前記押付け状態判定工程で押し付けられていると判定された後に、前記引張力伝達部材が撓んだ状態を維持する範囲内で前記指部材を開く方向に駆動して、その後に停止させる微開駆動工程と、
前記指部材を開く方向に駆動して、前記引張力伝達部材に張力を作用させて前記窪み部の背面側の外周部を引っ張って、前記吸盤の吸着を解除して、前記指部材を離脱させる離脱工程と、
を有することを特徴とする把持装置の制御方法。