JP2009056558A - マニピュレータ - Google Patents

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Atsushi Sugawara
淳 菅原
Shuichi Nakamoto
秀一 中本
Taku Yoshimi
卓 吉見
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Abstract

【課題】エンドエフェクタ部分の清浄度を回復する。
【解決手段】マニピュレータ１は、エンドエフェクタ１０２と、エンドエフェクタを支持するための支持部１０１と、支持部に設けられた固定部材１０４を有する。固定部材と支持部との間の空間に流体が供給され、固定部材と支持部との間隙が広がり、エンドエフェクタを覆うための可撓性カバー１０３を支持部に固定する。また、流体を供給するための流体供給手段を有する。
【選択図】図１

Description

本発明はマニピュレータに関する。
病院、介護施設、飲食店、家庭などで使われるマニピュレータは、目的とする作業を行
った際に、エンドエフェクタ部分へ作業対象物、例えば薬品や食材等が付着し、洗浄が必
要な場合がある（特許文献１）。
特開２００５−２７９１０１号公報
しかし、特許文献１のマニピュレータは可動部分が多く、清浄度の高い作業が要求され
る場合には洗浄のための構造が必要となる。また、洗浄時間中には作業を行う事ができず
、清浄度の高い作業が要求される場合、稼働率を向上させることが困難であった。
また、清浄度の高い作業が要求されない場合においても、エンドエフェクタ部分の制御
に用いるセンサ、例えばエンドエフェクタと作業対象物との接触状態を検知するための接
触センサに作業対象物が付着、堆積し、センサの感度や誤差に影響を及ぼす場合もある。
そこで、本発明は、エンドエフェクタ部分の清浄度を、簡便かつ短時間に回復すること
のできるマニピュレータを提供することを目的とする
本発明に係るマニピュレータは、作業対象物に対し機械的作業を行うエンドエフェクタ
と、前記エンドエフェクタを支持するための支持部と、前記支持部に設けられ、前記支持
部との第１の空間に流体が供給される際に前記支持部との間隙が広がる事によって前記エ
ンドエフェクタを覆うための可撓性カバーを前記支持部に固定する固定部材と、前記第１
の空間に連通し、前記第１の空間に流体を供給するための第１の流体供給手段と、を有す
る事を特徴とする。
本発明によれば、エンドエフェクタ部分の清浄度を、簡便かつ短時間に回復することの
できるマニピュレータを提供することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１に本発明によるマニピュレータの第１の実施の形態を示す。
マニピュレータ１には、支持部１０１、アーム１１対して支持部１０１によって支持さ
れるエンドエフェクタ１０２が設けられている。
アーム１１は、例えば作業対象物に所定の作業をさせるロボットに設けられた多関節ロ
ボットアームを用いることができる。
支持部１０１はアーム１１の先端部に設けられ、アーム１１とエンドエフェクタ１０２
を物理的に接続する。アーム１１と支持部１０１との間には、可動部１２を設けることが
できる。本実施の形態の場合、可動部１２は支持部１０１をアーム１１の長手方向を軸と
して、エンドエフェクタ１０２を回転させるために設けられている。
エンドエフェクタ１０２は、例えば開閉可能な複数の指部材を有するロボットハンドを
用いる事ができる。エンドエフェクタ１０２は、作業対象物に所定の作業を行うことがで
きる。エンドエフェクタ１０２にロボットハンドを用いた場合は、作業対象物を掴む、離
すといった作業を行う事ができる。
支持部１０１およびエンドエフェクタ１０２は可撓性カバー１０３が装着可能である。
可撓性カバー１０３には、例えばエンドエフェクタ１０２に指部材を有するロボットハン
ドを用いた場合、ロボットハンドの形状に適合した手袋を用いる事ができる。支持部材１
０１およびエンドエフェクタ１０２に可撓性カバー１０３を装着することにより、作業対
象物に所定の作業を行う際、作業対象物や作業対象物に付着した異物が、エンドエフェク
タ１０２に直接付着することを抑制できる。また、エンドエフェクタ１０２から生じる異
物、例えば可動部の磨耗によって生じるダストや、可動部に供給された潤滑剤の余剰分等
が作業対象物に付着することも抑制できる。
可撓性カバー１０３には、例えばゴムやビニール、処理を施した織物を用いる事ができ
る。具体的に材質を例示すると、シリコンゴム、ネオプレンゴム、ブタジエンゴム、天然
ゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、塩化ビニール、またこれら材料を
含浸またはコーティングした布を用いる事ができる。
可撓性カバー１０３の形状は、先端部分１０５が閉じ、挿入口１０６が開口した袋状で
ある。先端部分１０５から、挿入口１０６方向に向かって、その幅が広くなるような形状
が好ましい。そして、可撓性カバーの外形形状にくびれがない形状が好ましい。この様な
形状の可撓性カバー１０３は、引っかかりが少なく、支持部１０１およびエンドエフェク
タ１０２を挿入口１０６から可撓性カバー１０３へ、着脱が容易である。
支持部１０１には、固定部材１０４が設けられている。固定部材１０４は、可撓性カバ
ー１０３を支持部１０１に固定するために設けられている。
固定部材１０４の詳細について説明する。固定部材１０４は支持部１０１との間に第１
の空間が形成されるように設けられている。固定部材１０４は支持部１０１とは、この第
１の空間が後述するの第１の流体供給手段１３および弁６０２と連通する部分を除き、外
界と密閉される様に設けられている。
支持部１０１には、第１の空間に流体を供給するための第１の流体供給手段１３が設け
られている。第１の流体供給手段１３は、流路２０９によって第１の空間と連通している
。第１の流体供給手段には、例えば、ストップバルブ付きのコネクタを用いる事ができる
。
図１（ｂ）に示すように、固定部材１０４はこの第１の空間に流体が供給されると、支
持部１０１との間隙が広がる様に設けられている。固定部材１０４には、その一部に可撓
性膜を用いることができる。第１の空間に流体が供給されると、可撓性膜が膨らみ、支持
部１０１との間隙が広がる。その結果、可撓性カバー１０３の挿入口１０６の径まで固定
部材１０４の周長が増加し、可撓性カバー１０３を固定することができる。
なお、図１（ｂ）では、可撓性カバー１０３の挿入口１０６の径が先端部分１０５から
離れるに従って減少する部分が存在する。これは、可撓性カバー１０３が固定部材１０４
の周長が増加し、可撓性カバー１０３が固定部材１０４の形状に沿って変形しているため
である。
可撓性カバー１０３の挿入口１０６に、支持部１０１およびエンドエフェクタ１０２を
挿入するための装置（ディスペンサ２０１）の例を図２に示す。
ディスペンサ２０１には、複数の可撓性カバー１０３を収納可能な筐体１４が設けられ
ている。筐体１４の内部には、複数積み上げられた可撓性カバー１０３（可撓性カバー束
２０５）を所定方向に押すための弾性部材２０８が設けられている。
弾性部材２０８で押された可撓性カバー１０３のうち、最も弾性部材２０８から遠い可
撓性カバー１０３に対し弾性部材２０８の反対側には、吸着手段２０２が設けられている
。吸着手段２０２は最も弾性部材２０８から遠い可撓性カバー１０３の一部分を吸着する
。この吸着された可撓性カバー１０３は一部分が吸着されることにより、挿入口１０６が
広げられる。
筐体１４には、さらに爪部材２０４を設ける事ができる。爪部材２０４は吸着手段２０
２によって広げられた挿入口１０６に係合するように設けられている。また、爪部材２０
４は、挿入口１０６の係合を解除するために移動可能または回動可能に設けられている。
この結果、吸着された可撓性カバー１０３は、さらに広く挿入口１０６が広げられる。可
撓性カバー１０３の挿入口１０６が広げられるため、可撓性カバー１０３の挿入口１０６
に、支持部１０１およびエンドエフェクタ１０２を挿入する事が容易となる。
ディスペンサ２０１には、第１の流体供給手段１３と着脱可能な流体供給管２０７が設
けられている。第１の流体供給手段１３が流体供給管２０７と接続され、流体供給管２０
７に接続された流体供給源２０６、例えば空気ポンプを用いる事により、第１の空間に流
体を供給することができる。
ディスペンサ２０１を用いて、可撓性カバー１０３を支持部１０１に固定するための方
法について、図３から図５を用いて説明する。
まず、図３に示すように、可撓性カバー１０３の広げられた挿入口１０６に、支持部１
０１およびエンドエフェクタ１０２を挿入する。可撓性カバー１０３と支持部との位置関
係は、マーカ２１０をマーカセンサ２１１を用いて検出することができる。検出された位
置関係に基づいて、固定部材１０４にて可撓性カバー１０３が固定可能な位置まで、支持
部１０１およびエンドエフェクタ１０２を挿入する。マーカ２１０およびマーカセンサ２
１１を用いた一検出方法には、画像、磁力、静電容量、渦電流、超音波等を用いた既知の
方法を用いる事ができる。
この際、第１の空間の流体は少ない状態となっており、固定部材１０４の周長は少なく
とも広げられた挿入口１０６の内周長より短め、理想的には支持部１０１の固定部材１０
４が設けられている部分の周長よりも短めになるように凹んだ状態、となっている。第１
の空間の流体が少ない状態となっているので、可撓性カバー１０３が固定部材１０４部分
に達するまで、支持部１０１およびエンドエフェクタ１０２を挿入することができる。ま
た、爪部材２０４の移動または回動の動きが妨げられる事を抑制することができる。
固定部材１０４にて可撓性カバー１０３が固定可能な位置まで、支持部１０１およびエ
ンドエフェクタ１０２が挿入された後、第１の流体供給手段１３と流体供給管２０７とを
接続する。第１の流体供給手段１３と流体供給管２０７とを接続後、第１の流体供給手段
１３にストップバルブが設けられている場合には接続と連動してストップバルブが開く。
流路２０９に別途電磁弁等のバルブが設けられている場合にはバルブを開く。バルブが開
くことにより第１の空間と流体供給源２０６とが連通する。
次に、図４に示すように、爪部材２０４を移動または回動し、挿入口１０６の係合を解
除する。爪部材２０４と挿入口１０６との係合の解除により、固定部材１０４と挿入口１
０６との間から、爪部材２０４が抜かれた状態となる。
爪部材２０４と挿入口１０６との係合の解除の後、流体供給源２０６から第１の空間に
対して流体を供給する。第１の空間への流体の供給によって、固定部材１０４の周長が増
加し、可撓性カバー１０３を支持部１０１に固定する。
続いて、図５に示すように、第１の流体供給手段１３と流体供給管２０７との接続を解
除する。第１の流体供給手段１３にストップバルブが設けられている場合には解除と連動
してストップバルブが閉じる。流路２０９に別途電磁弁等のバルブが設けられている場合
には接続の解除前にバルブを閉じる。バルブが閉じることにより第１の空間と流体供給源
２０６とが連通状態が解かれる。その結果、第１の空間に供給された流体は第１の流体供
給手段１３から排出される事が防止される。
第１の流体供給手段１３と流体供給管２０７との接続の解除後、ディスペンサ２０１か
ら支持部１０１およびエンドエフェクタ１０２を引き抜く。以上の過程により、可撓性カ
バー１０３を支持部１０１に固定が完了する。
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態に係るマニピュレータ１によれば、エ
ンドエフェクタ１０２を可撓性カバー１０３で簡便に覆うことができるので、可撓性カバ
ー１０３を交換することができる。すなわち、可撓性カバー１０３の交換によってエンド
エフェクタ１０２の清浄度を、簡便かつ短時間に回復することのできるマニピュレータ１
を提供することができる。
（第２の実施の形態）
図６に本発明によるマニピュレータの第２の実施の形態を示す。
本実施の形態に係るマニピュレータ３には、可撓性カバー１０３をエンドエフェクタ１
０２から離脱させるための機能が、第１の実施の形態に係るマニピュレータ１に対して追
加されている。
以下、図６を参照してその詳細について説明する。
支持部１０１には、弁６０２が設けられている。弁６０２は、流路６０１によって第１
の空間と連通している。弁６０２は、弁６０２を開放すると第１の空間に供給された流体
が排出される様に設けられている。
また、弁６０２は、弁６０２の開放によって排出された流体は、流路６０１を通ってエ
ンドエフェクタ１０２と可撓性カバー１０３との間の第２の空間に排出されるように設け
られている。
弁６０２を閉から開へ切り替えることで、第１の空間に供給された流体の少なくとも一
部が第２の空間に移動し、第２の空間の圧力が上昇する。この圧力の上昇により、可撓性
カバー１０３にはエンドエフェクタ１０２から離脱しようとする力が働く。また、同時に
第１の空間の圧力は減少し、固定部材１０４の周長は減少し、固定部材１０４の可撓性カ
バー１０３に対する固定力は弱くなる。流体の移動が進み、可撓性カバー１０３に働く離
脱しようとする力が固定力を超えると、可撓性カバー１０３はエンドエフェクタ１０２か
ら離脱する。
離脱した可撓性カバー１０３は、例えば別途設けられた箱１５を用いて回収する。
以上説明したように、本発明の第２の実施の形態に係るマニピュレータ３によれば、本
発明の第１の実施の形態と同様の効果に加え、可撓性カバー１０３を交換の際の可撓性カ
バー１０３の離脱をも容易に行う事ができる。すなわち、可撓性カバー１０３の交換によ
ってエンドエフェクタ１０２の清浄度を、簡便かつ短時間に回復することのできるマニピ
ュレータ３を提供することができる。
（第３の実施の形態）
図７に本発明によるマニピュレータの第３の実施の形態を示す。
本実施の形態に係るマニピュレータ４には、可撓性カバー１０３に覆われた部分に物体
９０１が接触した事を検知するための機能が、第１の実施の形態に係るマニピュレータ１
に対して追加されている。
以下、図７乃至図１１を参照してその詳細について説明する。
支持部１０１の少なくとも一部とエンドエフェクタ１０２は、インナーカバー７０６に
て覆われている。インナーカバー７０６には可撓性膜を用いる事ができる。
支持部１０１には、可撓性カバー１０３とインナーカバー７０６との間の第２の空間の
圧力を検出するための圧力センサ７０２が設けられている。
また、外界と第２の空間とを連通する流路７０４には、第２の空間の圧力を制御するた
めの圧力調整手段７０３が設けられている。圧力調整手段７０３には、例えば流体を吸い
込み／吐き出しの方向を切り替えることのできる双方向型の空気ポンプを用いることがで
きる。流路７０４の一方の開口７０５は、第２の空間と連通する位置に開口している。
圧力調整手段７０３を用いて、第２の空間の圧力を加圧すると、図８（ａ）に示すよう
に、第２の空間の容積は増大し可撓性カバー１０３は膨らむ。また、圧力調整手段７０３
を用いて、第２の空間の圧力を減圧すると、図８（ｂ）に示すように、第２の空間の容積
は減少し、可撓性カバー１０３はインナーカバー７０６に覆われたエンドエフェクタ１０
２に密着する。
可撓性カバー１０３を膨らませた場合、図９に示すように物体９０１が接触し、可撓性
カバー１０３が変形すると、第２の空間の圧力が変動し、圧力センサ７０２によって検出
される圧力およびその微分値は図１０に示すように変化する。具体的には、物体９０１が
接触している間は圧力は上昇し、物体９０１が接触した際にその微分値が上昇する。
以上説明したように、本発明の第３の実施の形態に係るマニピュレータ４によれば、本
発明の第１の実施の形態と同様の効果に加え、可撓性カバー１０３を膨らませた場合、エ
ンドエフェクタ１０２に対するバンパーとして働き、物体９０１の接触による衝撃を緩和
する事ができる。そして、圧力センサ７０２の出力から、物体９０１の接触状態を検出す
ることができる。
一方、可撓性カバー１０３をインナーカバー７０６に覆われたエンドエフェクタ１０２
に密着させた場合、エンドエフェクタ１０２の見た目上の表面硬さが硬くなり、例えば把
持した物体のブレが少なくなる等、マニピュレータ４により精密な作業をさせることがで
きる。
また、図１１に示すように、圧力調整手段７０３を用いて第２の空間の圧力を上昇させ
ると同時に、第１の空間の流体を排出すると、第２の実施の形態と同様に、可撓性カバー
１０３を交換の際の可撓性カバー１０３の離脱をも容易に行う事ができる。
（第４の実施の形態）
図１２に本発明によるマニピュレータの第４の実施の形態を示す。
本実施の形態に係るマニピュレータ５には、エンドエフェクタ１０２に物体９０１が接
触した事を検知するための機能が、第３の実施の形態に係るマニピュレータ４に対して追
加されている。
以下、図１２乃至図１４を参照してその詳細について説明する。
支持部１０１の少なくとも一部とエンドエフェクタ１０２は、インナーカバー７０６に
て覆われている。支持部１０１には、第２の空間の圧力を検出するための圧力センサ７０
２が設けられている。外界と第２の空間とを連通する流路７０４には圧力調整手段７０３
が設けられている。流路７０４の一方の開口７０５は、第２の空間と連通する位置に開口
している。
支持部１０１には、エンドエフェクタ１０２とインナーカバー７０６との間の第３の空
間の圧力を検知するための圧力センサ１２０２が設けられている。圧力センサ１２０２は
、エンドエフェクタ１０２に形成された流路１２０１によって第３の空間と連通している
。流路１２０１は、エンドエフェクタ１０２の姿勢が変化した場合においても、圧力セン
サ１２０２によって第３の空間の圧力を検知するために形成されている。
例えば、エンドエフェクタ１０２にロボットハンドを用いた場合、図１３（ａ）に示す
ようにハンドの指が伸びている場合においても、また図１３（ｂ）に示すようにハンドの
指が曲がっている場合においても、圧力センサ１２０２は物体９０１が接触したことを検
知する。
エンドエフェクタ１０２にロボットハンドを用いた場合の物体９０１の接触は、ロボッ
トハンドの指の第１関節１３０１および第２関節１３０２の角度と、圧力センサ７０２お
よび圧力センサ１２０２の出力との関係を予めデータベース化や関数化しておく。
例えば圧力センサ７０２の出力をＳ１、第１関節１３０１をφ１、第２関節１３０２の
角度をφ２とすると
Ｓ１＝ｆ（φ１、φ２）
として表すことができる。
例えば圧力センサ１２０２の出力をＳ２、第１関節１３０１をφ１、第２関節１３０２
の角度をφ２とすると
Ｓ２＝ｇ（φ１、φ２）
として表すことができる。ここで、ｆおよびｇは関数を表す。
物体９０１がエンドエフェクタ１０２に接触した場合、Ｓ１およびＳ２とφ１およびφ
２との関係が関数化されていることから、実際の圧力センサ７０２と圧力センサ１２０２
の出力と、データベース化や関数化された第１関節１３０１および第２関節１３０２の角
度と、圧力センサ１２０２の出力との関係との差（図１４におけるΔＰ）を検出すること
で、エンドエフェクタ１０２に物体９０１が接触した事を検知する。
以上説明したように、本発明の第４の実施の形態に係るマニピュレータ５によれば、本
発明の第３の実施の形態と同様の効果に加え、エンドエフェクタ１０２の姿勢によらず、
エンドエフェクタ１０２に物体９０１が接触したことを検知する事ができる。
本発明によるマニピュレータの第１の実施の形態を示す図 本発明によるマニピュレータの第１の実施の形態に係るディスペンサを示す図 本発明によるマニピュレータの第１の実施の形態に係るディスペンサを示す図 本発明によるマニピュレータの第１の実施の形態に係るディスペンサを示す図 本発明によるマニピュレータの第１の実施の形態に係るディスペンサを示す図 本発明によるマニピュレータの第２の実施の形態を示す図 本発明によるマニピュレータの第３の実施の形態を示す図 本発明によるマニピュレータの第３の実施の形態の使用例を示す図 本発明によるマニピュレータの第３の実施の形態の物体の衝突検知を示す図 本発明によるマニピュレータの第３の実施の形態の物体の衝突検知を示す図 本発明によるマニピュレータの第３の実施の形態を示す図 本発明によるマニピュレータの第４の実施の形態を示す図 本発明によるマニピュレータの第４の実施の形態の一部を拡大して示す図 本発明によるマニピュレータの第４の実施の形態の物体の衝突検知を示す図
符号の説明
１，３，４ マニピュレータ
１１ アーム
１２ 可動部
１３ 第１の流体供給手段
１４ 筐体
１５ 箱
１０１ 支持部
１０２ エンドエフェクタ
１０３ 可撓性カバー
１０４ 固定部材
１０５ 先端部分
１０６ 挿入口
２０１ ディスペンサ
２０２ 吸着手段
２０４ 爪部材
２０５ 可撓性カバー束
２０６ 流体供給源
２０７ 流体供給管
２０８ 弾性部材
２０９，６０１，７０４，１２０１ 流路
２１０ マーカ
２１１ マーカセンサ
６０２ 弁
７０１ 支持部
７０２，１２０２ 圧力センサ
７０３ 圧力調整手段
７０５ 開口
７０６ インナーカバー
９０１ 物体
１３０１ 第１関節
１３０２ 第２関節

Claims (5)

  1. 作業対象物に対し機械的作業を行うエンドエフェクタと、
    前記エンドエフェクタを支持するための支持部と、
    前記支持部に設けられ、前記支持部との第１の空間に流体が供給される際に前記支持部と
    の間隙が広がる事によって前記エンドエフェクタを覆うための可撓性カバーを前記支持部
    に固定する固定部材と、
    前記第１の空間に連通し、前記第１の空間に流体を供給するための第１の流体供給手段と
    、
    を有する事を特徴とするマニピュレータ。
  2. 前記固定部材は、可撓性膜を有し、前記可撓性膜と前記支持部との間を密閉するように設
    けられている事を特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ。
  3. 前記エンドエフェクタと前記可撓性膜との間の第２の空間と、前記第１の空間との間の連
    通状態を切り替えるための弁を、さらに有することを特徴とする請求項１または請求項２
    に記載のマニピュレータ。
  4. 前記第２の空間に流体を供給するための第２の流体供給手段を、さらに有することを特徴
    とする請求項３に記載のマニピュレータ。
  5. 前記第２の空間の圧力を測定するための圧力センサを、さらに有することを特徴とする請
    求項４に記載のマニピュレータ。
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