JP2009255191A

JP2009255191A - ロボットマニピュレータ

Info

Publication number: JP2009255191A
Application number: JP2008104301A
Authority: JP
Inventors: Tei Hayashi; 禎林
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2008-04-14
Filing date: 2008-04-14
Publication date: 2009-11-05

Abstract

【課題】物品を把持したまま任意の角度に回転制御可能とする。
【解決手段】ロボットハンドの指部２ａ、２ｂには把持接触部３１が取り付けられ、把持接触部３１の中央部には突起３２ａが設けられ、突起３２ａの周囲には突起３２ａよりも高さの低い突起３２ｂ〜３２ｎが配置されている。突起３２ａは突起３２ｂ〜３２ｎよりも表面の摩擦係数が低く、突起３２ａの先端のみが物品に接触しているときは、大きな圧力で２点支持しているときと同じ結果となり、物品は並進方向には拘束されるが、支持点を通る軸周りの回転方向には自由となる。指部２ａ、２ｂの把持力を大きくしてゆくと突起３２ａが凹んで高さが低くなり、摩擦係数の大きい突起３２ｂ〜３２ｎでも物品は拘束されるため、物品は並進、回転方向共に拘束される。
【選択図】図４

Description

本発明は、把持対象物の姿勢を制御可能なロボットマニピュレータに関するものである。

一般に、生産工程等においては作業を効率化させたり、人手作業を軽減するための省力化の目的でロボットマニピュレータがよく用いられている。これらのマニピュレータは溶接や塗装、物品の搬送等の用途に用いられ、このうち特に物品を掴み搬送し、所定の場所に整理して積載する所謂パレタイジングの用途は非常に幅広い場面で必要とされている。

このような用途で用いられるロボットマニピュレータは、直交座標型や多関節型のロボットアームの先端部に、エンドエフェクタとして移動する物品を一時的に保持するための所謂マニピュレータ用ハンドが装着されている。

従来、この種のマニピュレータ用ハンドとしては、物品の側面等を把持し摩擦力又は幾何的に拘束して保持するクランプ型ハンド、磁気や真空又は吸気を用いて吸着を行う吸着型ハンドが知られている。このうち、吸着型ハンドはロボットアームの先端に吸気ノズルを取り付けるだけの簡易的な構造とすることが可能であるため、比較的よく用いられている。

一方、クランプ型ハンドは構造が大きくなるが、吸着型と比較すると物品の表面状態に左右され難く、ロボットアームの旋回等で生ずる横すべりを生じさせる外力に対して強いという特長を有している。

また、パレタイジングにおいて把持した姿勢のまま物品を積載する用途の他に、マガジンやラックと呼ばれる棚状の整理治具に、その治具の仕切りに合わせた形態で挿入する用途がある。特に、水平に配置された円板状の光磁気ディスク、半導体ウエハ、レンズ等の物品を把持し、垂直の仕切りが切られた治具に挿入する用途は、物品をまとめて搬送したり、保管したりする際の体積を減少するために重要な作業である。

このような作業に対応するためには、ロボットマニピュレータは物品を把持した後に、物品の姿勢を変化させる必要がある。また、例えば重心ずれによる回転等により把持状態が変化してしまった場合には、作業を失敗する虞れが生ずるが、一旦、物品の姿勢を整えることができれば、失敗を防止することも可能である。

このための方策として、持替用治具を用いて把持した物品を一旦、治具に置いた後にハンドの姿勢、把持位置を変えて持ち替える方法が考えられている。また、この持替用治具の代りに３本以上の多指ハンドを用いて、把持状態を崩さずに持ち替えを行うことも可能である。また、挿入時の干渉が問題なければ、ロボットアームの手首を把持した状態から所定の角度だけ屈曲させればよい。

特許文献１の図１に示す把持装置においては、指先に回転機構を付設することにより、モータ等の動力を用いて回転させることで把持したまま、物品の姿勢を変化させる作業を実現している。モータを制御することにより指部を開閉駆動し、物品の把持を行い、指部に固定された超音波モータ等の回転機構を制御することにより把持した物品の姿勢を制御している。

特開平３−２８１１８８号公報

しかし、把持したまま物品の姿勢を制御する方法として、持替用治具を用いる方法は、持替用治具を物品の形状に合わせて製作しなければならず、余計なコストが生じてしまう。更には、治具を配置する場所も必要となり、スペース的にも不利であり、例えば狭所で作業を行う場合は不可能であると共に、持ち替えには多くの時間を要するという問題も生ずる。

多指ハンドを用いる方法は、治具を配置するスペースは必要ないが、ハンド自体は単純なグリッパと比較して指数の分、大きくなり重量が増加してしまう。この結果、ロボットアームのペイロードが大きくなり、全体として俊敏な動作は困難となる。また、複数の指部を協調させて操作するには、制御が極めて複雑になり、未だその制御法は確立されていない。このため操作に多くの時間が要したり、指部を動かす手順を計算するために多くの時間が必要になるという問題を有している。

また、ロボットアームの手首を屈曲させる方法は、ハンドが把持姿勢から大きく変化してしまうため、マガジンやラックにハンドの機構が干渉してしまう虞れがあり、屈曲できる方向や角度に幾何的な制限がある。また、手首の屈曲はロボットアームの特異点を避ける必要があり、何れの位置姿勢でもできるものではない。特に、水平に配置された物品を垂直に立てるような大きな姿勢変化を必要とする作業の場合においては、適用できるのは限られた場合のみである。一般的に、アームはハンドと比較して慣性が大きいため、加速し難く姿勢制御に比較的時間を要する問題を有している。

一方、特許文献１の方式はロボットアームの状態に左右されず、どのような位置姿勢からでも把持した物品の姿勢を正確に制御できるという利点を有している。しかし、特許文献１の図１に示すように、指先にモータを含む大きな回転機構を設置する必要があり、指先が大きく太くかつ重くなって、全体として高速動作を行うことに対して不利となってしまう。また、指先が大きく太くかつ重いために小さい物品を把持したり、指先を使って細かい作業を行うことは困難である。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、物品を把持したまま任意の角度に回転制御可能なロボットマニピュレータを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係るロボットマニピュレータは、少なくとも１対の対向する指部と、これらの指部の間の開閉力を制御可能なロボットハンドとを備え、前記指部は把持接触部として弾性部材を有し、前記開閉力により前記弾性部材を変形させ対向する接触部を通る軸周りの回転拘束力を変化させ、前記ロボットハンドを並進拘束、回転自由に制御することにより、物品を把持した状態で前記物品の辺縁部に外力を及ぼすことによって、前記物品の姿勢を制御することを特徴とする。

本発明に係るロボットマニピュレータによれば、物品を把持したまま任意の角度に回転制御可能であり、小型の物品の姿勢を整えてマガジンやラックに整列させる用途に好適に使用できる。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は本実施例におけるロボットマニピュレータの概略図を示している。作業台１上には物品供給トレーＴ内に置かれた物品Ｗと、この物品Ｗを挿入するマガジンＭが配置されている。作業台１の側面には、物品供給トレーＴ上に配置された物品Ｗを把持し、マガジンＭに挿入するロボットハンド２とロボットアーム３から成るロボット４が配置されている。また、作業台１の別の側面には、作業エリアの三次元的な情報を取得するための撮像装置５が配置されている。

ロボットハンド２にはハンドコントローラ６を介して動作生成手段７の出力が接続され、ロボットアーム３にはアームコントローラ８を介して動作生成手段７の出力が接続されている。また、撮像装置５の出力は物品Ｗの姿勢を検出する画像認識手段９を介して動作生成手段７に接続されている。動作生成手段７には、作業手順を制御するシーケンサ１０を介して、ユーザインタフェース１１及び作業プログラムを格納する記憶装置１２が接続されている。

ロボットハンド２は対向する２本の指部２ａ、２ｂを有し、この２本の指部２ａ、２ｂを開閉させることにより物品Ｗを把持することができる。また、ユーザインタフェース１１によりシーケンサ１０にロボットアーム３の移動を直接指令をしたり、ロボットハンド２の指部２ａ、２ｂの開閉を制御するようになっている。

動作生成手段７はシーケンサ１０の指示する作業タイミングで、ハンドコントローラ６で制御されるロボットハンド２及びアームコントローラ８で制御されるロボットアーム３の同期動作を生成する。そして、ロボットハンド２とロボットアーム３は互いに同期して、物品供給トレーＴに配置された物品Ｗを把持しマガジンＭに整列して挿入する。

図２はロボットアーム３の平面図、図３はロボットアーム３の側面図を示している。このロボットアーム３は垂直多関節型のロボットアームであり、６つの関節２１〜２６を有し、先端部にフランジ２７を有し、このフランジ２７にロボットハンド２等のツールを取り付け可能とされている。この垂直多関節型のロボットアーム３は可動範囲内で先端部、即ちフランジ２７に取り付けられたツールの位置と姿勢の計６の自由度を制御することができる。

図４はロボットハンド２の先端部の拡大斜視図を示し、先端部には１対の互いに対向する方向に相対的に開閉可能な指部２ａ、２ｂが設けられている。この指部２ａ、２ｂの先端内側には、表面に複数の突起を有し弾性部材から成る把持接触部３１がそれぞれ取り付けられている。

図５は把持接触部３１の斜視図を示し、把持接触部３１の中央部には先端の尖った突起３２ａが設けられている。この突起３２ａの周囲には複数個の突起３２ｂ〜３２ｎが配置され、突起３２ａは把持接触部３１の基部からの高さが周囲の突起３２ｂ〜３２ｎよりも高くされている。突起３２ａは把持方向に弾性力を有しており、頂点方向から把持接触部３１の基部方向に力が加わると、（ｂ）に示すように凹む変形を引き起こすようになっている。また、突起３２ａの先端は十分に尖っており、凹んでいない際の圧力は大きくされている。突起３２ａは周辺の突起３２ｂ〜３２ｎよりも表面の摩擦係数が低くなるように作られ、更に突起３２ａは指部２ａ、２ｂにおいて対向する位置、即ちロボットハンド２を閉じた際に頂点同士が接触する位置に配置されている。

突起３２ａの弾性係数をｋ、周辺突起３２ｂ〜３２ｎとの高さの差をｘとすると、突起３２ａの縦方向の外力Ｆとは、Ｆ＞ｋ・ｘの関係が成り立つと、突起３２ａは周囲の突起３２ｂ〜３２ｎと同じ高さまで凹む。把持接触部３１の突起３２ａの先端のみが物品Ｗに接触しているときは、大きな圧力で２点支持していることと同じ結果となり、物品Ｗは並進方向には拘束されるが、支持点を通る軸周りの回転方向には自由となる。

また、指部２ａ、２ｂの把持力を大きくしてゆくと、突起３２ａが凹み、高さが低くなる。前出のＦ＞ｋ・ｘの関係を満たすようＦの値を大きくすれば、摩擦係数の大きい周辺部の突起３２ｂ〜３２ｎでも物品Ｗは拘束されるため、並進回転方向ともに拘束される。

このようなロボットハンド２を用いることにより、図６のフローチャート図に従って、物品Ｗの姿勢を回転制御し、マガジンＭへの挿入等の所定の作業を行うことができる。先ずステップＳ１において、物品Ｗを並進、回転と共に完全に把持し一旦持ち上げる。

ステップＳ２において、物品Ｗを把持状態で回転し易い姿勢になるようにロボットアーム３の手首を使って物品Ｗを傾ける。図１に示すように、主とする面が水平に置かれた物品Ｗに対して床を使って操作する場合には、物品Ｗを水平面から傾けるが、主とする面が水平でない場合には、この動作を省略できる場合がある。また図１に示すように、物品供給トレーＴに水平に置かれた物品Ｗを把持操作する場合には、指部２ａ、２ｂが斜めになるようにすることにより、ステップＳ２の動作を軽減できる。

ステップＳ３において、物品Ｗの辺縁部が着地するまでロボットアーム３を下降する。ステップＳ４において、撮像装置５を用いて物品Ｗの辺縁部が床面に着地したか否かを判定する。ロボットハンド２に力センサを取り付けた場合には、着地時に出力が急激に変化するので着地の判定が可能である。把持接触部３１に分布型の接触センサを設置できる場合はこの出力を用いて判定を行ってもよい。未だ着地していないと判断した場合にはステップＳ３に戻り、着地するまで同様のステップを繰り返し、着地したと判断された場合にはステップＳ５に進む。

ステップＳ５において、物品Ｗに対し並進拘束、回転自由になるように把持力を制御する。把持力は予め測定したテーブルに従ってアクチュエータを操作してもよいし、電磁モータを使用する場合は電流値を制御してもよい。また、指部２ａ、２ｂに力センサを取り付け、その値が所定の値Ｆ＜ｋ・ｘとなるように制御してもよい。

ステップＳ６において、図７（ａ）に示すように物品Ｗの辺縁部に床面からの外力Ａを加え、ロボットアーム３を把持点を結ぶ回転軸に対して垂直に駆動する。物品Ｗは外力Ａを受け、床面から離れ慣性で回転する。物品Ｗの辺縁部の接地が崩れないようにロボットハンド２の高さを調整できれば、物品Ｗが所定の姿勢になるまでロボットアーム３を動作させ続けてもよい。ステップＳ７において、例えば図７（ｂ）に示すような所定の姿勢になったことを画像撮影装置を用いて検出する。所定姿勢となったことを検出するとステップＳ８に進み、所定姿勢を検出しない場合にはステップＳ６に戻り同様のステップを繰り返す。

ステップＳ８において、把持力を値Ｆ＞ｋ・ｘとなるように調整し、物品Ｗを並進、回転共に完全に拘束して持ち上げる。把持力の制御法はステップＳ１と同様である。ステップＳ９において、物品Ｗのマガジン挿入等の所定の作業を行う。

このように、床面を用いて物品Ｗの姿勢操作を行う方法を示したが、ロボットアーム３で物品Ｗの辺縁部に外力を及ぼす方法は床を使う方法に限定されない。例えば、床面から垂直に棒状の部材を立て、それに物品Ｗの辺縁部を当てるように制御してもよい。

なお、本実施例においては、並進拘束、回転自由時の突起３２ａは把持接触部３１の中心部に配置されているが、必ずしもこれに限定されない。即ち、図８（ａ）の変形例に示すように、最も高く摩擦係数が小さい突起３３ａがロボットハンド２の指部２ａ、２ｂの先端になるように把持接触部３１の端部を設けてもよい。この場合には、指部２ａ、２ｂによる干渉が小さいため、把持後の姿勢操作可能な範囲が大きくなるといった利点を有している。

このように、本実施例に示すロボットマニピュレータによれば、指部２ａ、２ｂの先端に構造物は可動部がないため、極めて小型軽量に作ることができ、先の細いピンセット状のハンドと組み合わせることが可能となる。また、把持接触部３１の形状に関しても、ほぼ円形としたがこれに限定されない。例えば、図８（ｂ）の他の変形例に示すような、くさび型や短冊状としてもよい。

把持接触部３１に設けられた突起３３ａ、３４ａの高さは他の突起３３ｂ〜、３４ｂ〜よりも高く、摩擦係数が小さい突起であるため、このような把持接触部３１は、ピンセット状に指部２ａ、２ｂが細いロボットハンド２に適用することが可能となる。

また、物品Ｗの姿勢を変化させる前後では、ロボットアーム３の姿勢の変化が小さいので、特異点や干渉のチェックが簡単である。更には、ロボットハンド２の方で制御する必要があるのは、指部２ａ、２ｂの開閉力のみなので、駆動回路は簡易なものとすることができる。また、把持後に重力等で姿勢が変化してしまった場合のエラーリカバリを行うことも可能となる。

本実施例には１対の指部２ａ、２ｂに把持接触部３１を取り付けることにより物品Ｗを把持したが、１対以上の指部に把持接触部３１を取り付けてもよい。

図９（ａ）、（ｂ）は本実施例２における把持接触部３５の平面図、側面図を示している。把持接触部３５は先端が尖った錐状となっており、先端部ほど摩擦係数が小さく、グラデーションで示すように周辺部ほど摩擦係数が大きくなるような部材又は表面がコーティングされている。把持接触部３５は突起の把持方向に適度な弾性を有しており、外力が加わると凹むようになっている。図１０（ａ）、（ｂ）はロボットハンド２の指部２ａ、２ｂに取り付けた把持接触部３５により物品Ｗを把持している状態を示している。

図１０（ａ）は指部２ａ、２ｂ間の把持力が小さい場合、（ｂ）は指部２ａ、２ｂ間の把持力が大きい場合を示している。（ａ）では接触点である把持接触部３５の先端が十分尖っていて、摩擦係数が小さいため、並進方向に対しては物品Ｗは拘束されるが、回転方向に対しては物品Ｗを自由に動かすことができる。

これに対して、（ｂ）では指部２ａ、２ｂの把持力を十分大きくして、把持接触部３５を弾性変形させた状態で物品Ｗを把持している。把持接触部３５の周辺部は摩擦係数が大きいため、回転方向、並進方向が共に拘束され物品Ｗは完全に把持される。

このように、本実施例においても実施例１と同様に、ロボットハンド２の把持力を調整することによって、物品Ｗを並進拘束、回転自由か並進回転ともに拘束するように制御できる。このため、図１に示すようなシステムを構成し、図６に示すようなフローチャート図に従えば、同様に把持した物品Ｗの姿勢を制御でき、マガジン挿入等の作業を迅速に行うことが可能となる。

本実施例２においては、指部２ａ、２ｂ内の把持力によって、摩擦力による回転拘束力を連続的に変化させることが可能であるため、姿勢制御時の停止制御を精密に行うことが可能となる。

なお把持接触部３５として、図９（ｂ）に示すように円錐状の部材を示したが、これに限定されるものではなく、例えば図１１に示すように把持接触部３６の突起状の先端が端に片寄っていてもよい。この場合には、突起先端を指先にすれば、指部２ａ、２ｂの干渉が小さくなる利点がある。また、図９に示す把持接触部３５においては、摩擦係数が突起先端から基部にかけて徐々に大きくなっている例を示したが、先端部と比較して周辺部に摩擦係数が高い部位がある構成にすればよい。

即ち、図１２に示すように、把持接触部３７に対して周辺部の表面に摩擦係数の高いスポット３７ａ〜３７ｎを点在させる構成とすることも可能である。このとき、周辺部ほど摩擦部材の高いスポット３７ａ〜３７ｎを多くすれば、図１０（ｂ）の場合と同様に、把持力によって回転拘束力、つまり物品Ｗを外力により慣性回転させたときの制動力を細かく制御可能であり、精密に姿勢制御することが可能となる。

図１３は実施例３におけるロボットハンド２の概略図を示している。互いに対向し、その間の把持力を制御可能な指部２ａ、２ｂを有しており、片側の指部２ａの先端部には実施例１と同様の把持接触部３１が取り付けられているが、この把持接触部３１は実施例２に示すように錐状のものであってもよい。

一方、他方側の指部２ｂの先端部には、軸受け４１、回転軸４２を介して、回転自由に支えられている回転部材であるターンテーブル４３が取り付けられている。この回転軸４２の延長線上には対向する把持接触部３１の最も高い突起３２ａの頂点となるように設置されている。また、ターンテーブル４３の表面は物品Ｗが並進、回転すると共に、拘束可能なように十分な摩擦係数が与えられている。

指部２ｂの外側には、ターンテーブル４３の相対角度を検出するロータリエンコーダ等から成る角度センサ４４が取り付けられ、回転軸４２に取り付けられたスケール４５と組み合わせて、ターンテーブル４３の回転を検知することができるようになっている。

このロボットハンド２を用いて、図１４に示すような制御ブロック回路を構成すれば、物品Ｗの姿勢を精密に制御することが可能である。減算器５１で目標とする姿勢と画像センサ等から得られる把持位置とから必要な回転角度を計算する。続いて、減算器５２でターンテーブル４３の角度センサ４４から得られる現在角度と必要角度との差、即ち回転角度の偏差を求める。制御手段５３で減算器５２の出力を基に、アームコントローラ５４、ハンドコントローラ５５に対して、それぞれ物品Ｗの辺縁部に外力を与えるロボットアーム３、ロボットハンド２の動作を行う指令、把持力を加減する指令を与える。

制御法としては例えば、角度の変化即ち現在のターンテーブル４３の回転速度から停止位置を予測し、オーバーシュートしそうな場合に把持力を強めて回転拘束力を強める。また、目標位置よりも少ない角度で停止しそうなときには、把持力を弱めて回転拘束力を弱める制御を行えばよい。

更に、ロボットアーム３による外力を制御開始時の外力を与える他に減算器５２の出力によって適宜制御することも可能である。即ち、目標姿勢に到達しないときには再度外力を与え、オーバーシュートしたときには逆向きの外力を与えればよい。本実施例３は実施例１、２と比較して可動部があるため、指部２ａ、２ｂの先端が稍々大きくなるが、より精密に物品Ｗの姿勢を制御することが可能となる。

物品を把持し、姿勢を制御後棚等に挿入したり、組み付けたりする作業に用いることが可能である。即ち、生産自動化、物流の自動化、家庭における整理整頓用のロボット等に適用できる可能性がある。

ロボットマニピュレータの概略図である。ロボットアームの平面図である。ロボットアームの側面図である。指部の拡大斜視図である。把持接触部の斜視図である。動作フローチャート図である。実施例１の動作状況の説明図である。実施例１の把持接触部の変形例の構成図である。実施例２の把持接触部の平面図及び側面図である。実施例２の動作状況の説明図である。実施例２の把持接触部の変形例の構成図である。実施例２の把持接触部の他の変形例の構成図である。実施例３の指部の構成図である。実施例３の制御部のブロック回路構成図である。

符号の説明

１作業台
２ロボットハンド
２ａ、２ｂ指部
３ロボットアーム
４ロボット
５撮像装置
６ハンドコントローラ
７動作生成手段
８アームコントローラ
９画像認識手段
１０シーケンサ
１１ユーザインタフェース
１２記憶装置
２１〜２６関節
２７フランジ
３１、３５、３６、３７把持接触部
３２、３３、３４突起
４１軸受け
４２回転軸
４３ターンテーブル
４４角度センサ
４５スケール
Ｍマガジン
Ｔ物品供給トレー
Ｗ物品

Claims

少なくとも１対の対向する指部と、これらの指部の間の開閉力を制御可能なロボットハンドとを備え、前記指部は把持接触部として弾性部材を有し、前記開閉力により前記弾性部材を変形させ対向する接触部を通る軸周りの回転拘束力を変化させ、前記ロボットハンドを並進拘束、回転自由に制御することにより、物品を把持した状態で前記物品の辺縁部に外力を及ぼすことによって、前記物品の姿勢を制御することを特徴とするロボットマニピュレータ。
前記把持接触部は前記弾性部材から成る複数の突起を有し、対向する位置にある１対の前記突起は他の突起よりも高く、把持方向に対して弾性を有し、他の突起は前記高い突起よりも大きな摩擦係数を有することを特徴とする請求項１に記載のロボットマニピュレータ。
前記突起は錐状とし、その表面の摩擦係数は周辺部ほど大きくなるようにしたことを特徴とする請求項２に記載のロボットマニピュレータ。
対向する前記把持接触部を通る軸周りの回転拘束力を変化させることが可能な部材を前記指部の片側に設け、他方側に回転自由な回転部材及び回転角を検出する角度センサを備え、該角度センサの出力を基に前記ロボットハンドで前記物品に及ぼす外力を制御することにより、前記物品の姿勢制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のロボットマニピュレータ。