JP2009291855A - Robot hand - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、産業用ロボットや人型ロボット等の多関節ロボットアームの先端に取付けてハンドリング作業を行うロボットハンドに関する。 The present invention relates to a robot hand that is attached to the tip of an articulated robot arm such as an industrial robot or a humanoid robot and performs a handling operation.
本願発明者らは、多指構造のロボットハンドを提案している（例えば、特許文献１参照）。筆者らの提案している構造は、図７に示すロボットハンドの構成であり、図８はこのロボットハンドの多指部の拡大図である。９個のギヤードモータ１６を用いて構成した多指部と、これを制御する４枚のサーボアンプ基板３とが一体構造となっている。多指部は、汎用のギヤードモータに固定側リンク部材２０、回転側リンク部材１８を取り付け、軸受１９を配置して各指の関節部を構成し、これらをリンク接続部材２にて繋ぎ合わせた構造である。２１はギヤードモータのモータ／エンコーダ用ケーブルであり、図６に示す断面図のように、中央にエンコーダ用電線１３、外側にモータ用電線１２があり、間に銅シールド材１４を配置してエンコーダ信号線へのノイズ対策を図っている。各ギヤードモータからの合計９本のモータ／エンコーダ用ケーブルは、サーボアンプ基板の上部に設けたコネクタに直接接続されており、外部から多指ハンドシステムへは、電源用ケーブル６と通信用ケーブル５の２本が接続されている。
近年、産業用ロボットや人型ロボット用のロボットハンドでは、今まで人が行なっていた物を掴んでの作業をロボットハンドに置き換える要求が増えており、人間の手や指と同程度の大きさに小形化する必要があった。
また、ロボットハンドを小形化すると、これに用いられるアクチュエータも小形化され、小形化されたアクチュエータの故障時の交換作業が容易にできることが、保守性の面で要求されている。
しかしながら、従来のロボットハンドでは、少しでも小形化にするために、各指を近づけた配置にすると、モータ部とケーブルとが動作時に接触し、プラスチック製のケーブルシースが金属製のモータフレームに擦られて傷つき、長期使用では断線するなどの問題があった。
また、各指の複雑な動作に対してケーブルに無理な力が加わらぬよう、遊びを持たせておく必要があるが、ケーブルの最小曲げ半径にて配置しても、かなりのスペースを要し、これによりロボットハンドが大きくなっていた。また、小さくすることを優先してモータ回転部のメカストッパを設けていなかったため、万一モータが誤動作した場合に、ケーブルが引っ張られ断線するなどの問題があった。
また、アクチュエータ間の接続を単純なブロック形状のリンク接続部材にて行っているため、位置決めの基準がなく、組み立ての際にねじと取付用穴の隙間分だけ位置がずれてしまい、再組み立てを行う度に、位置制御のための原点調整を行う必要があった。さらに、このリンク接続部材の形状では、物を把持した時などに加わる力に対して、取付用ねじのみで力を受ける構造であり、指部が大きく撓むなど剛性が不足するといった問題が生じていた。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、ロボットハンドの小形化を実現するとともに、保守性の向上を図り、産業用ロボットの分野はもとより、デザイン、小形・軽量化が重視される、人型ロボットなどの用途にも適用できるロボットハンドを提供することを目的とする。
In recent years, with robot hands for industrial robots and humanoid robots, there has been an increasing demand for replacing robots with operations that have been performed by humans, and are about the same size as human hands and fingers. It was necessary to miniaturize.
In addition, when the robot hand is miniaturized, the actuator used for the robot hand is also miniaturized, and it is required in terms of maintainability that the miniaturized actuator can be easily replaced when a failure occurs.
However, with the conventional robot hand, if the fingers are placed close to each other in order to reduce the size as much as possible, the motor part and the cable come into contact during operation, and the plastic cable sheath rubs against the metal motor frame. There were problems such as being damaged and disconnection after long-term use.
In addition, it is necessary to allow play so that excessive force is not applied to the cable for the complicated movement of each finger, but even if it is arranged with the minimum bending radius of the cable, considerable space is required. As a result, the robot hand became larger. In addition, since the mechanical stopper of the motor rotating part was not provided in order to make it smaller, there was a problem that, in the unlikely event that the motor malfunctioned, the cable was pulled and disconnected.
In addition, since the actuators are connected using simple block-shaped link connecting members, there is no positioning standard, and the position is shifted by the gap between the screw and the mounting hole during assembly. Every time it was done, it was necessary to adjust the origin for position control. Furthermore, the shape of the link connecting member is a structure that receives force only with the mounting screw against the force applied when holding an object, and there is a problem that the rigidity of the finger portion is insufficient, such as bending greatly. It was.
The present invention has been made in view of such a problem, and while realizing miniaturization of the robot hand and improving maintainability, emphasis is placed not only on the field of industrial robots but also on design, miniaturization and weight reduction. An object of the present invention is to provide a robot hand that can be applied to humanoid robots.
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、複数個の指用アクチュエータにより駆動されるロボットハンドにおいて、前記指用アクチュエータの出力部（回転部）にリンク部材を備え、これに隣接する前記指用アクチュエータを前記リンク部材により連結するものである。
また、請求項２に記載の発明は、前記指用アクチュエータの出力部のブラケット端面に前記リンク部材が取り付けられた場合、前記リンク部材は前記指用アクチュエータ出力軸面内で回転し、前記出力部のリンク部材側に取り付けられた場合、前記リンク部材は前記指用アクチュエータの出力軸まわりに出力を取り出せるようにしたものである。
また、請求項３に記載の発明は、前記指用アクチュエータが、ケーブルクランプ部を備え、前記リンク部材に当接することによりメカストッパ機構を構成したものである。
請求項４に記載の発明は、隣接する前記指用アクチュエータが、前記リンク部材により連結されロボットハンドを構成し、前記リング部材は、位置決め用凹凸により連結されたものである。
請求項５に記載の発明は、前記指用アクチュエータを連結する前記リンク部材は、各指の動作方向や関節間ピッチに合わせて組み変え可能にしたものである。
請求項６に記載の発明は、前記指用アクチュエータおよび前記リンク部材の表面に低摩擦性材料を皮膜したものである。
請求項７に記載の発明は、前記指用アクチュエータは、ケーブルクランプ部を備え、前記ケーブルクランプ部に接続されるケーブルがより合わせされ配置されたものである。
請求項８に記載の発明は、前記ケーブルのケーブルシースは低摩擦性材料が皮膜されたものである。
In order to solve the above problem, the present invention is configured as follows.
The invention according to claim 1 is a robot hand driven by a plurality of finger actuators, wherein an output part (rotating part) of the finger actuator is provided with a link member, and the finger actuator adjacent to the link member is It connects with a link member.
According to a second aspect of the present invention, when the link member is attached to a bracket end surface of the output portion of the finger actuator, the link member rotates within the finger actuator output shaft surface, and the output portion When the link member is attached to the link member side, the link member can take out an output around the output shaft of the finger actuator.
According to a third aspect of the present invention, the finger actuator includes a cable clamp portion, and constitutes a mechanical stopper mechanism by contacting the link member.
According to a fourth aspect of the present invention, adjacent finger actuators are connected by the link member to constitute a robot hand, and the ring member is connected by positioning irregularities.
According to a fifth aspect of the present invention, the link member that connects the finger actuators can be recombined according to the movement direction of each finger and the pitch between joints.
According to a sixth aspect of the present invention, a low friction material is coated on the surfaces of the finger actuator and the link member.
According to a seventh aspect of the present invention, the finger actuator includes a cable clamp portion, and a cable connected to the cable clamp portion is more closely arranged.
In the invention according to claim 8, the cable sheath of the cable is coated with a low friction material.
請求項１および２に記載の発明によると、ロボットハンドに特化した指用アクチュエータにて構成することで、汎用のギヤードモータを用いた時に比べて、指部のサイズを小さくでき、人間の手や指と同程度の大きさのロボットハンドを実現できる。
請求項３に記載の発明によると、特に追加部品を設ける必要なくコンパクトなサイズを維持して、メカストッパ機構を有することができ、万一誤動作した場合でも、ケーブルが引っ張られて断線するようなことがなくなる。
請求項４に記載の発明によると、全軸共通の指用アクチュエータを使用し、これらを直接もしくはリンク接続部材にて連結してロボットハンドの多指部を構成することで、部品点数を大幅に削減でき、生産性、品質の向上を図ることができる。また、この連結部に設けた位置決め用凹凸により、多指部の剛性向上および再現性のある位置決めが行える。
請求項５に記載の発明によると、指用アクチュエータを連結するリンク接続部材の交換により、各指の動作方向、関節間ピッチ等を容易に変易に変更することができ、従来のように用途に合わせてロボットハンドの専用設計を行なう必要がなくなる。
請求項６に記載の発明によると、指用アクチュエータにモータ／エンコーダ用ケーブルが引っ掛かるのを防止でき、また接触によるケーブルシース表面の擦れを緩和するため、ケーブル断線を防止し、ロボットハンドの長寿命化を図ることができる。
請求項７に記載の発明によると、モータ用ケーブル、エンコーダ用ケーブルを１本のケーブルにまとめるよりも、各ケーブルの曲げ半径が小さくなり、ケーブルのスペースが減るため、ロボットハンドをよりコンパクトにできる。また、ケーブルをそのまま配置すると、動作時に２本のケーブルが広がって、他の軸に引っ掛かる恐れがあるが、これらをより合わせることで、そのような問題を防ぐことができる。
請求項８に記載の発明によると、ケーブル表面が滑りやすくなり、より合わせたケーブル間および指用アクチュエータとの接触の際に、擦れによってケーブルシースが傷つくのを緩和して、ケーブル断線を防止し、ロボットハンドの長寿命化を図ることができる。
According to the first and second aspects of the present invention, the configuration of the finger actuator specialized for the robot hand makes it possible to reduce the size of the finger compared to the case where a general-purpose geared motor is used. Robot hands that are about the same size as fingers can be realized.
According to the invention described in claim 3, it is possible to maintain a compact size without requiring any additional parts and to have a mechanical stopper mechanism, and even if a malfunction occurs, the cable is pulled and disconnected. Disappears.
According to the invention described in claim 4, by using the finger actuators common to all axes and connecting them directly or with a link connecting member to constitute the multi-finger portion of the robot hand, the number of parts can be greatly increased. Can be reduced, and productivity and quality can be improved. Further, the positioning unevenness provided on the connecting portion can improve the rigidity of the multi-finger portion and perform positioning with reproducibility.
According to the invention described in claim 5, the movement direction of each finger, the pitch between joints, and the like can be easily and easily changed by exchanging the link connecting member for connecting the finger actuator. This eliminates the need for a dedicated robot hand design.
According to the sixth aspect of the present invention, the motor / encoder cable can be prevented from being caught by the finger actuator, and the cable sheath surface can be prevented from being rubbed by contact, so that the cable disconnection is prevented and the robot hand has a long service life. Can be achieved.
According to the seventh aspect of the present invention, the bending radius of each cable becomes smaller and the space for the cable is reduced than in the case where the motor cable and the encoder cable are combined into one cable, so that the robot hand can be made more compact. . Further, if the cables are arranged as they are, the two cables may spread during operation and may be caught by other shafts. However, such problems can be prevented by combining them more.
According to the eighth aspect of the present invention, the cable surface becomes slippery, and the cable sheath is prevented from being damaged by rubbing during contact between the more matched cables and the finger actuator, thereby preventing cable breakage. The life of the robot hand can be extended.
以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。 Hereinafter, specific examples of the method of the present invention will be described with reference to the drawings.
図１は本発明のロボットハンドの構成図であり、図２はこのロボットハンドの多指部の拡大図である。従来同様、９個の指用アクチュエータ１で構成された多指部と、これを制御する複数枚のサーボアンプ基板３とが一体構造となったロボットハンドである。各指用アクチュエータ１からのケーブルは、サーボアンプ基板３の上部に設けたコネクタに直接接続されており、外部からロボットハンドへは、電源用ケーブル６と通信用ケーブル５の２本が接続されている。
本指用アクチュエータ１は図２に示すようにロボットハンドに特化した構造で、従来のモータ出力軸と他関節軸への接続を行う回転側リンク部材とが一体になったアクチュエータ出力部（回転部）１０となっており、指用アクチュエータ１をコンパクトにでき、人間の手や指と同程度の大きさのロボットハンドが実現できる。
次に、２２はアクチュエータ本体より突出したケーブルクランプ部であり、リンク部材一体形のアクチュエータ出力部（回転部）をこれに当てることでメカストッパ機構を実現している。このように、特に追加部品を設ける必要なくコンパクトなサイズを維持して、メカストッパ機構を有することができ、万一モータが誤動作した場合でも、ケーブルが引っ張られて断線するなどの問題を解決できる。
次に、図３および図４は、本発明のロボットハンドの多指部の構成例を示す図である。隣接する指用アクチュエータを、図３のようにアクチュエータ出力部のブラケット端面側にリンク接続部材２を取り付ければアクチュエータ出力部のブラケット端面の面内で回転し、図４のようにアクチュエータ出力部のリンク部材側に取り付ければ、アクチュエータ出力軸まわりにアクチュエータの出力を取り出せる構造となっている。すなわち、リンク接続部材２を交換することで、アクチュエータの回転方向を９０°変えられ、またリンク接続部材の長さを変更すれば、ロボットハンドの指の関節間ピッチも容易に変更できる。このように、従来は使用用途が変わる度にロボットハンド全体の設計変更が必要であったが、リンク接続部材の交換のみで目的に合ったロボットハンドの軸構成を実現することができる。また、指用アクチュエータおよびリンク接続部材には位置決め用凹凸１１を設けており、再現性のあるＸ、Ｙ、Ｚ方向の位置決めが精度良く行なえる。さらに、この位置決め用凹凸を突き当てての固定により、多指部に加わる外力に対して、取り付け用のねじのみでなく面全体で力を受ける構造のため、十分な剛性を確保できる。
次に、指用アクチュエータのフレームおよびリンク接続部材の表面には、弗素樹脂等の低摩擦性材料のコーティングが皮膜されている。ロボットハンド全体をコンパクトにするためには、各指を近づけた配置にしたいが、従来、近づけすぎると動作中に指用アクチュエータのケーブルが他の構成部品と接触して、ケーブルシースが摩耗し断線に至る問題があった。このコーティングによれば、表面が滑りやすくなるため、動作中に接触しても、ケーブルシースの擦れを緩和でき、断線を防ぐことができる。
次に、８はモータ用ケーブル、９はエンコーダ用ケーブルで、エンコーダ信号線へのノイズ対策として各々シールドケーブルを用いており、図５に各ケーブルの断面図を示す。従来のケーブル１本の時よりも各ケーブルが細くなることで、最小曲げ半径も小さくなるため、ケーブルのスペースが減り、ロボットハンドをよりコンパクトにまとめることができる。また、２本のケーブルをそのまま並べて配置すると、ロボットハンド動作時に２本のケーブルが広がって指用アクチュエータに引っ掛かり断線する恐れがあるため、これらをより合わせてロボットハンドに配置している。ケーブルの広がり防止策として、他に、結束バンドによって２本のケーブルを固定する方法も考えられるが、結束バンド自体が指用アクチュエータに引っ掛かる恐れがある。
また、これらのケーブルは、ケーブル間および構成部品との接触によるケーブルシースの摩耗を防止するため、ケーブルシースの材料に弗素樹脂等の低摩擦性材料を使用している。これによって、ケーブル表面が滑りやすくなり、より合わせたケーブル間および指用アクチュエータとの接触の際に、擦れによってケーブルシースが傷つくのを緩和し、ケーブルの断線を防止することができる。
FIG. 1 is a configuration diagram of a robot hand according to the present invention, and FIG. 2 is an enlarged view of a multi-finger portion of the robot hand. As in the prior art, this is a robot hand in which a multi-finger portion composed of nine finger actuators 1 and a plurality of servo amplifier boards 3 for controlling the multi-finger portion are integrated. The cable from each finger actuator 1 is directly connected to a connector provided on the upper part of the servo amplifier board 3, and the power cable 6 and the communication cable 5 are connected to the robot hand from the outside. Yes.
The finger actuator 1 has a structure specialized for a robot hand as shown in FIG. 2, and is an actuator output unit (rotation unit) in which a conventional motor output shaft and a rotation side link member for connection to another joint shaft are integrated. 10), the finger actuator 1 can be made compact, and a robot hand having the same size as a human hand or finger can be realized.
Next, 22 is a cable clamp part protruding from the actuator body, and a mechanical stopper mechanism is realized by applying an actuator output part (rotating part) integrated with the link member to the cable clamp part. Thus, it is possible to have a mechanical stopper mechanism while maintaining a compact size without the need to provide additional parts, and even if the motor malfunctions, problems such as a cable being pulled and disconnection can be solved.
Next, FIG. 3 and FIG. 4 are diagrams showing a configuration example of the multi-finger portion of the robot hand of the present invention. If the link connecting member 2 is attached to the bracket end face side of the actuator output section as shown in FIG. 3, the adjacent finger actuator rotates within the bracket end face of the actuator output section, and the actuator output section link as shown in FIG. When attached to the member side, the actuator output can be taken around the actuator output shaft. That is, by exchanging the link connecting member 2, the rotation direction of the actuator can be changed by 90 °, and if the length of the link connecting member is changed, the pitch between the joints of the fingers of the robot hand can be easily changed. As described above, conventionally, the design of the entire robot hand needs to be changed every time the usage is changed. However, it is possible to realize the axis configuration of the robot hand suitable for the purpose only by replacing the link connecting member. In addition, the finger actuator and the link connecting member are provided with positioning irregularities 11 so that reproducible positioning in the X, Y, and Z directions can be performed with high accuracy. Further, by fixing the positioning projections and recesses against each other, sufficient rigidity can be secured because the structure receives force not only on the mounting screws but also on the entire surface against external force applied to the multi-finger portion.
Next, a coating of a low friction material such as fluorine resin is coated on the surfaces of the frame and link connecting member of the finger actuator. In order to make the entire robot hand compact, it is desirable to place each finger close to each other. Conventionally, if it is too close, the finger actuator cable will come into contact with other components during operation, and the cable sheath will be worn and broken. There was a problem that led to According to this coating, since the surface becomes slippery, even if contact is made during operation, the cable sheath can be rubbed and the disconnection can be prevented.
Next, 8 is a motor cable, 9 is an encoder cable, and shielded cables are used as countermeasures against noise on the encoder signal line. FIG. 5 shows a cross-sectional view of each cable. Since each cable is thinner than the conventional one, the minimum bending radius is also reduced, so that the cable space is reduced and the robot hand can be more compactly packed. If the two cables are arranged side by side as they are, the two cables may spread during operation of the robot hand and may be caught by the finger actuator and disconnected, so these are arranged more together in the robot hand. As another measure for preventing the cable from spreading, a method of fixing two cables with a binding band is also conceivable. However, the binding band itself may be caught by the finger actuator.
These cables use a low-friction material such as a fluororesin as a material for the cable sheath in order to prevent wear of the cable sheath due to contact between the cables and components. As a result, the cable surface becomes slippery, and it is possible to alleviate the cable sheath from being damaged by rubbing during contact between the more matched cables and the finger actuator, and to prevent disconnection of the cable.
本発明によれば、従来と同体格、同出力で、アクチュエータ部をコンパクトにでき、人間の手や指と同程度の大きさのロボットハンドを実現できる。また、指用アクチュエータを連結するリンク接続部材の交換だけで、各指の動作方向、関節間ピッチ等を容易に変えることができ、使用用途に柔軟に対応できる。さらに、製品寿命を決めていたケーブル部の改善により、製品の長寿命化が図れる。
これらの改善により、産業用ロボットの分野はもとより、小形・軽量化、デザインが重視される人型ロボットなどの用途にも適用することができる。
According to the present invention, the actuator unit can be made compact with the same physique and output as before, and a robot hand having the same size as a human hand or finger can be realized. In addition, it is possible to easily change the operation direction of each finger, the pitch between joints, and the like simply by exchanging the link connecting member that couples the finger actuator, and it is possible to flexibly cope with the usage application. Furthermore, the product life can be extended by improving the cable part that has determined the product life.
These improvements can be applied not only to the field of industrial robots, but also to applications such as humanoid robots where compactness, weight reduction, and design are important.
１ 指用アクチュエータ
２ リンク接続部材
３ サーボアンプ基板
４ フレーム
５ 通信用ケーブル
６ 電源用ケーブル
７ 取付面
８ モータ用ケーブル
９ エンコーダ用ケーブル
１０ アクチュエータ出力部（回転部）
１１ 位置決め用凹凸
１２ モータ用電線
１３ エンコーダ用電線
１４ シールド材
１５ ケーブルシース
１６ ギヤードモータ
１７ ギヤードモータ出力軸
１８ 回転側リンク部材
１９ 軸受
２０ 固定側リンク部材
２１ モータ／エンコーダ用ケーブル
２２ ケーブルクランプ（メカストッパ）
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Actuator for fingers 2 Link connection member 3 Servo amplifier board 4 Frame 5 Communication cable 6 Power supply cable 7 Mounting surface 8 Motor cable 9 Encoder cable 10 Actuator output part (rotating part)
11 Positioning unevenness 12 Motor wire 13 Encoder wire 14 Shield material 15 Cable sheath 16 Geared motor 17 Geared motor output shaft 18 Rotating side link member 19 Bearing 20 Fixed side link member 21 Motor / encoder cable 22 Cable clamp (mechanical stopper)
Claims (8)
前記指用アクチュエータの出力部（回転部）にリンク部材を備え、これに隣接する前記指用アクチュエータを前記リンク部材により連結することを特徴とする請求項１記載のロボットハンド。 In a robot hand driven by a plurality of finger actuators,
The robot hand according to claim 1, wherein a link member is provided in an output portion (rotating portion) of the finger actuator, and the finger actuator adjacent thereto is connected by the link member.
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