JP2010105125A - 電動ハンド - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を避けつつ、一対の把持部材の閉じ方向および開き方向のいずれの移動でも把持対象物を把持でき、且つ、停電時にも把持力を失うことがない電動ハンドを提供する。
【解決手段】サーボモータ１と回転軸２とが並列配置となっているので、全体として長尺とならず、小型に構成できる。回転軸２の右ねじ１８と左ねじ１９にボールナットからなる直動部材３，４を螺合し、回転軸２によって直動部材３，４が互いに反対方向に移動するようになる。そして、直動部材３，４の互いに接近する方向の移動を、第１の連結部材２８，２９または第２の連結部材によってスライダ２４，２６の接近する方向の移動または互いに離反する方向の移動に変換し、スライダ２４，２５に取り付けられる把持部材の閉じ方向の移動および開き方向の移動によって把持対象物を把持する。
【選択図】図４

Description

本発明は、モータにより一対の把持部材を開閉動作させて把持対象物を把持する構成の電動ハンドに関する。

モータにより一対の把持部材を開閉動作させる構成の電動ハンドとしては、特許文献１に開示されたものがある。これは、ステッピングモータと、このステッピングモータの出力軸に直結され先端にねじ部を有した回転軸と、この回転軸に螺挿されるねじを備えた直動部材と、前記一対の把持部材に開閉動作を行わせる開閉機構と、前記直動部材の駆動力を開閉機構に伝動する伝動軸とを有しており、前記伝動軸は、直動部材に対して一定距離だけ移動可能で、把持部材に対して把持動作を行わせる方向にばねで付勢されて直動部材に組み付けられて、把持部材が把持対象物を把持するときは、上記ばねを介して把持する、というものである。
特開２００１−１１３４８６号公報

電動ハンドは、各種部品を把持して搬送するなどのために広く用いられている。この電動ハンドでは、停電時に把持力が無くなることが欠点として挙げられるが、特許文献１の電動ハンドでは、把持部材により把持対象物を把持する際、ばねのばね力で把持対象物を把持する状態になるので、停電した場合にも、把持力を保持できる。
しかしながら、ロボットのアームの先端に取り付けて使用する場合には、小形の電動ハンドであることが望まれるが、特許文献１の電動ハンドは、ねじ部を有した回転軸がステッピングモータの出力軸に直結されているので、電動ハンド全体としての長さが回転軸の軸方向に長くなり、大型になり勝ちである。

また、特許文献１の電動ハンドでは、一対の把持部材が閉じ方向に移動する場合に把持対象物を把持するようになっているが、把持対象物によっては、例えば把持対象物が有する穴の中に一対の把持部材を挿入して開き方向に移動させることにより当該把持対象物を把持することが好ましい場合もある。しかしながら、開き方向での把持では、ばねの付勢力が把持力として作用せず、停電した場合に、螺合しているねじどうしのがたによって把持力が失われてしまう。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、大型化を避けつつ、一対の把持部材の閉じ方向および開き方向のいずれの移動でも把持対象物を把持でき、且つ、停電時にも把持力を失うことがない電動ハンドを提供することにある。

本発明では、モータと回転軸とが並列配置となっているので、電動ハンド全体として長尺とならず、小型に構成できる。また、一対の直動部材の移動は一対の把持部材に伝えられるが、一対の直動部材の各々の移動を伝える相手を変更することにより、一対の把持部材の閉じ方向の移動で把持対象物を把持することも、開き方向の移動で把持対象物を把持することもでき、しかも、いずれの方向で把持しても、ばね部材の付勢力を把持力として作用させることができる。

以下、本発明の一実施形態をロボットのアーム先端に取り付けられる電動ハンドに適用して図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態でいうロボットとは、直角座標型ロボット、垂直多関節型ロボット、水平多関節型ロボットのほか、１本のレールに移動体を往復移動可能に設け、この移動体に直動軸（アーム）を移動体の移動方向と直交する方向に移動可能に設けた構成のものも含むとする。

図１には、電動ハンドの全体が示されている。この電動ハンドは、例えばサーボモータ１を電動駆動源とし、このサーボモータ１の回転を１本の回転軸２に伝え、この回転軸２の回転運動を変換手段によって一対の直動部材３，４の直線運動に変換する。つまり、回転軸２が一方向に回転する場合には、一対の直動部材３，４が互いに接近する方向に直線移動し、回転軸２が上記一方向とは逆の他方向に回転する場合には、一対の直動部材３，４が互いに離反する方向に直線移動するように構成し、そして、この一対の直動部材３，４の移動によって一対の把持部材を開閉させようとするものである。

本実施形態の電動ハンドの第１の特徴は、一対の把持部材の閉じ方向（接近方向）の移動によって把持対象物を把持できると共に、一対の把持部材の開き方向（離反方向）の移動によっても把持対象物を把持できることにある。第２の特徴は、一対の直動部材３，４の互いに接近する方向と互いに離反する方向のうちの一方、例えば互いに接近する方向に一対の直動部材３，４を付勢するばね部材が設けられていること、そして、第３の特徴は、上記ばね部材によって付勢された方向に一対の直動部材３，４が移動するとき、一対の直動部材３，４と一対の把持部材との連結の仕方によって一対の把持部材を閉じ方向にも、開き方向にも移動させることができ、一対の把持部材の閉じ方向の移動によって把持対象物を把持した場合でも、一対の把持部材の開き方向の移動によって把持対象物を把持した場合でも、ばね部材のばね力を把持力として効かすことができることである。

なお、一対の把持部材の開き方向の移動によって把持対象物を把持する事例としては、把持対象物に例えば穴が形成されていて一対の把持部材をその穴内に挿入して開き方向に移動させることで一対の把持部材を穴の内周面の互いに反対側に押し当てて把持することが考えられる。その他、把持対象物に一対の凸部が存在する場合に、一対の把持部材を一対の凸部の間に差し入れて開き方向に移動させることによって把持する場合など種々考えられる。

一対の把持部材としては、閉じ方向で把持する場合と開き方向で把持する場合とを兼用するものであっても良いし、異なるものを用いても良い。本実施形態では、閉じ方向と開き方向とで異なる把持部材を用いるものとし、図２の一対の第１の把持部材５，６を閉じ方向把持で用い、図３（ｂ）の一対の第２の把持部材７，８を開き方向把持で用いるものとする。なお、開き方向把持で用いる第２の把持部材７，８が閉じ方向把持で用いる第１の把持部材５，６と異なるところは、把持対象物の穴の内周面に押し当てられる側面を穴の内周面の円弧に合わせて円弧状側面７ａ，８ａに形成したところにある。

さて、前述のサーボモータ１は、図４にも示すように、出力軸９の回転位置を検出するためのロータリエンコーダ（回転センサ）１０を備え、電動ハンドの四角い箱型の本体１１内に取り付けられている。このサーボモータ１の制御部（図示せず）は、ロータリエンコーダ１０から出力される回転位置検出信号をフィードバック信号としてサーボモータ１を制御する。

前記回転軸２は、本体１１内にサーボモータ１の出力軸９と平行となるように配設され、両端部が軸受１２によって回転可能に支持されている。この回転軸２とサーボモータ１の出力軸９は、共に一端部が本体１１の側面から外方に突出しており、その回転軸２と出力軸９の一端部間は伝動機構、例えばベルト伝動機構１３により連結されている。つまり、回転軸２と出力軸９の一端部には、それぞれ歯付きプーリー１４，１５が取着されている。そして、両歯付きプーリー１４，１５間に歯付きベルト１６が掛け渡されている。したがって、サーボモータ１が起動すると、その出力軸９の回転がベルト伝動機構１３によって回転軸２に伝達される。なお、ベルト伝動機構１３は、本体１１に取り付けられたカバー１７によって覆い隠されている。

回転軸２には、変換手段としての右ねじ１８と左ねじ１９が形成されている。そして、この回転軸２の右ねじ１８と左ねじ１９には、それぞれ内側に右ねじ１８と左ねじ１９に螺合するねじ手段としてのボール（図示せず）を収納した前記直動部材（ボールナット）３，４が嵌合されている。したがって、回転軸２が回転すると、両直動部材３，４は互いに反対方向に直線移動する。

両直動部材３，４の互いに対向する端面部は径大部３ａ，４ａとして形成されている。そして、両直動部材３，４には、ばね部材としての圧縮コイルばね２０，２１が巻装されており、直動部材３側の圧縮コイルばね２０は、両端を径大部３ａおよび一方の軸受１２に押し当て、直動部材４側の圧縮コイルばね２１は、両端を径大部４ａおよび他方の軸受１２に押し当てている。このように設けられた圧縮コイルばね２０，２１は、直動部材３，４を互いに反対方向である接近方向に付勢している。

本体１１の直動部材３，４近くの外側面には、案内部材２２が取り付けられている。この案内部材２２には、直動部材３，４の移動方向と同方向に延びる案内溝２３が形成されており、この案内溝２３に一対のスライダ２４，２５が摺動可能に嵌め込まれている。本体１１の外側面および案内部材２２には、本体１１内と案内溝２３との間を連通させる細長い開口部２６，２７が形成されている。

一対のスライダ２４，２５は、図２の一対の第１の連結部材２８，２９または図３（ａ）の一対の第２の連結部材３０，３１によって一対の直動部材３，４に連結される。具体的には、第１の連結部材２８，２９を用いる場合には、図４に示すように、一方の直動部材３は一方の第１の連結部材２８によって一方のスライダ２４に連結され、他方の直動部材４は、他方の第１の連結部材２９によって他方のスライダ２５に連結される。また、第２の連結部材３０，３１を用いる場合には、図５に示すように、一方の直動部材３は一方の第２の連結部材３０によって他方のスライダ２５に連結され、他方の直動部材４は、他方の第２の連結部材３０によって一方のスライダ２４に連結される。

ここで、上記両第１の連結部材２８，２９および両第２の連結部材３０，３１の具体的形態を説明する。両第１の連結部材２８，２９は、レッグ部２８ａ，２９ａの一端側に円弧状に曲がる取付部２８ｂ，２９ｂを有しており、両第２の連結部材３０，３１は、レッグ部３０ａ，３１ａの一端側に同じく円弧状に曲がる連結部３０ｂ，３１ｂを有している。そして、図４（ａ）に示すように、両第１の連結部材２８，２９のうちの一方の第１の連結部材２８の連結部２８ｂは、一方の直動部材３の径大部３ａの端面にねじ３２によって着脱可能に取り付けられ、他方の第１の連結部材２９の連結部２９ｂは、他方の直動部材４の径大部４ａの端面にねじ３２によって着脱可能に取り付けられる。

また、図５（ａ）に示すように、両第２の連結部材３０，３１のうちの一方の第２の連結部材３０の連結部３０ａは、一方の直動部材３の径大部３ａの端面にねじ３２によって着脱可能に取り付けられ、他方の第２の連結部材３０の連結部３１ａは、他方の直動部材４の径大部４ａの端面に別のねじ３２によって着脱可能に取り付けられる。

図４に示すように、両直動部材３，４に取り付けられた状態で両第１の連結部材２８，２９のレッグ部２８ａ，２９ａの他端部は、案内部材２２の開口部２７内にあり、このレッグ部２８ａ，２９ａの他端部に、互いに離れる方向に延びる短いＬ字形の取付部２８ｃ，２９ｃが形成されている。そして、取付部２８ｃがスライダ２４にねじ３３によって着脱可能に取り付けられ、取付部２９ｃがスライダ２５に別のねじ３３によって着脱可能に取り付けられる。

一方、図５に示すように、両直動部材３，４に取り付けられた状態で両第２の連結部材３０，３１のレッグ部３０ａ，３１ａの他端部は、案内部材２２の開口部２７内にあって互いに干渉しないように当該開口部２７の幅方向の一方側および他方側に偏って位置し、このレッグ部の他端部に互いに接近する方向に伸びる長いＬ字形の取付部３０ｃ，３１ｃが延長されている。そして、取付部３０ｃがスライダ２５にねじ３３によって着脱可能に取り付けられ、取付部３１ｃがスライダ２４にねじ３３によって着脱可能に取り付けられている。

以上のような第１の連結部材２８，２９および第２の連結部材３０，３１を選択的に用いて一対の直動部材３，４と一対のスライダ２４，２５とを連結することにより、直動部材３，４の互いに接近する方向の移動によって、スライダ２４，２５が互いに接近する方向に移動され（第１の連結部材２８，２９を用いた場合）、或いはスライダ２４，２５が互いに離反する方向に移動する（第２の連結部材３０，３１を用いた場合）ようになる。

そして、このスライダ２４，２５に第１の把持部材５，６または第２の把持部材７，８が選択的に取り付けられる。つまり、直動部材３，４とスライダ２４，２５とを、第１の連結部材２８，２９を用いて連結した場合には、スライダ２４，２５に第１の把持部材５，６を図２に示すねじ３４によって着脱可能に取り付け、第２の連結部材３０，３１を用いて連結した場合には、スライダ２４，２５に第２の把持部材７，８を別のねじ３４によって着脱可能に取り付ける。
なお、直動部材３，４とスライダ２４，２５とを連結する部材を交換するには、本体１１の着脱可能な側板１１ａを取り外して行う。側板１１ａは、本体１１の両側に取り付けられているが、図１では、反対側の側板は省略してある。

次に上記構成の作用を説明する。まず、把持対象物を外側から把持する一対の第１の把持部材５，６を使用する場合、本体１１の両側の側板１１ａを取り外して直動部材３，４を本体１１の両側から見得るようにしておく。そして、一対のスライダ２４，２５を案内部材２２から外し、一方のスライダ２４に一方の第１の連結部材２８の取付部２８ｃをねじ３３により取り付け、他方のスライダ２５に他方の第１の連結部材２９の取付部２９ｃをねじ３３により取り付ける。

続いて、両第１の連結部材２８，２９の連結部２８ｂ，２９ｂを案内部材２２の開口部２７および本体１１の開口部２６に通すようにして一対のスライダ２４，２５を案内溝２３内に嵌め入れる。そして、本体１１内に挿入された一方の第１の連結部材２８の連結部２８ｂを一方の直動部材３の径大部３ａ端面にねじ３２により取り付け、同じく他方の第１の連結部材２９の連結部２９ｂを他方の直動部材４の径大部４ａの端面にねじ３２により取り付ける。その後、スライダ２４，２５に第１の把持部材５，６をねじ３４によって取り付ける。また、両側板１１ａを本体１１に取り付ける。

この状態でサーボモータ１が起動してその出力軸９が正逆回転すると、回転軸２が一方向および他方向に回転される。そして、回転軸２の一方向の回転により一対の直動部材３，４が互いに接近する方向に移動し、これに連動してスライダ２４，２５も互いに接近する方向に移動する。この移動時において、直動部材３，４には、圧縮コイルばね２０，２１によって互いに接近する方向の付勢力が与えられているため、図６（ａ）に示すように、直動部材３，４と回転軸２の右ねじ１８、左ねじ１９との間のがたＧは、右ねじ１８、左ねじ１９のねじ山から見て圧縮コイルばね２０，２１の付勢方向側に存在する。なお、直動部材３，４のねじ手段は、ボールであってねじ山ではないが、図６では、分かり易くするために、ねじ山として示した（後述の図７も同様）。

そして、一対の第１の把持部材５，６間に把持対象物Ｗ１が把持されると、スライダ２４，２５ひいては直動部材３，４はそこで停止する。しかしながら、回転軸２ひいてはサーボモータ１は、その後もがたＧ分だけ若干回転し、がたＧ分だけ回転したところで、サーボモータ１が過負荷となるため、停止する。すると、ロータリエンコーダ１０が回転を検出しなくなるので、図示しない制御部はサーボモータ１を断電する。

この状態では、図６（ｂ）に示すように、直動部材３，４と左ねじ１９、右ねじ１８との間のがたＧは、右ねじ１８、左ねじ１９のねじ山から見て圧縮コイルばね２０，２１の付勢方向とは反対側に存在する。このため、サーボモータ１が断電されても、両圧縮コイルばね２０，２１から直動部材３，４に与えられる付勢力が右ねじ１８、左ねじ１９のねじ山にて受けられることなく、一対の第１の把持部材５，６に及ぶようになり、一対の第１の把持部材５，６は、圧縮コイルばね２０，２１の付勢力によって回転軸２の回転を規制して把持対象物Ｗ１を把持し続ける。

次に、把持対象物を内側から把持する一対の第２の把持部材７，８を使用する場合、前述したと同様に、本体１１の両側の側板１１ａを取り外す。そして、第１の把持部材５，６の連結部５ｂ，６ｂを直動部材３，４から取り外し、スライダ２４，２５を案内部材２２から外し、第１の把持部材５，６をスライダ２４，２５から外す。
その後、一方のスライダ２４に他方の第２の連結部材３０の取付部３１ｃをねじ３３により取り付け、他方のスライダ２５に一方の第２の連結部材３０の取付部３０ｃをねじ３３により取り付ける。続いて、両第２の連結部材３０，３１の連結部３０ｂ，３１ｂを案内部材２２の開口部２７および本体１１の開口部２６に通すようにして一対のスライダ２４，２５を案内溝２３内に嵌め入れる。次に本体１１内に挿入された一方の第２の連結部材３０の連結部３０ｂを一方の直動部材３の径大部３ａの端面にねじ３２により取り付け、同じく他方の第２の連結部材３０の連結部３１ｂを他方の直動部材４の径大部４ａの端面にねじ３２により取り付ける。その後、スライダ２４，２５に第２の把持部材７，８をねじ３４によって取り付ける。また、両側板１１ａを本体１１に取り付ける。

この状態でサーボモータ１が起動してその出力軸９が正逆回転すると、回転軸２が一方向および逆方向に回転される。そして、回転軸２の一方向の回転により一対の直動部材３，４が互いに接近する方向に移動すると、これに連動してスライダ２４，２５が互いに離反する方向に移動し、第２の把持部材７，８は開き方向に移動する。この移動時、前述したと同様に、図７（ａ）に示すように、直動部材３，４と右ねじ１８、左ねじ１９との間のがたＧは、右ねじ１８、左ねじ１９のねじ山から見て圧縮コイルばね２０，２１の付勢方向側に存在する。
そして、一対の第２の把持部材７，８間に把持対象物Ｗ２が把持されると、スライダ２４，２５ひいては直動部材３，４がそこで停止する。しかしながら、回転軸２（サーボモータ１）は、その後もがたＧ分だけ若干回転して停止する。すると、ロータリエンコーダ１０の回転を検出しなくなるので、図示しない制御部はサーボモータ１を断電する。

この状態では、直動部材３，４と左ねじ１９、右ねじ１８との間のがたＧは、図７（ｂ）に示すように、右ねじ１８、左ねじ１９のねじ山から見て圧縮コイルばね２０，２１の付勢方向とは反対側に存在する。このため、両圧縮コイルばね２０，２１から直動部材３，４に与えられる付勢力が右ねじ１８、左ねじ１９のねじ山に受けられることなく、一対の第２の把持部材７，８に及ぶので、サーボモータ１が断電されても、一対の第２の把持部材７，８は回転軸２の回転を規制して把持対象物Ｗ２を把持し続ける。

このように本実施形態によれば、回転軸２がサーボモータ１と並列に配設されているので、本体１１としては、サーボモータ１の出力軸９に回転軸２を直結する場合とは異なり、それ程長尺にならず、小型化できる。
また、本実施形態では、把持対象物を、把持部材の閉じ方向の移動および開き方向の移動のいずれによってでも把持することができる。その上、把持対象物を、把持部材の閉じ方向の移動および開き方向の移動のいずれで把持する場合でも、圧縮コイルばね２０，２１のばね力を把持力として作用させることができ、サーボモータ１を断電しても把持対象物の把持が解除される恐れはない。

なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施形態に限定されるものではなく、以下のような拡張或いは変更が可能である。
駆動源としてのモータは、ステッピングモータであっても良い。
サーボモータ１から回転軸９へは、歯車伝動機構によって回転伝達する構成であっても良い。
圧縮コイルばねを一対の直動部材３，４間に介在させて直動部材３，４を互いに離反する方向に付勢し、直動部材３，４の離反方向の移動によって一対の把持部材を閉じ方向或いは開き方向に移動させて把持対象物を把持するようにしても良い。
スライダ２４，２５を省略し、直動部材３，４を第１の連結部材２８，２９或いは第２の連結部材３０，３１によって第１の把持部材５，６或いは第２の把持部材７，８に連結する構成としても良い。
ばね部材としては、圧縮コイルばねに限られず、引張コイルばねを用いても良い。また、コイルばねに限られない。
電動ハンドの用途としては、ロボットに取り付けられるものに限られない。

本発明の一実施形態を示すもので、一部分解して示す斜視図 図１とは別の部分を分解して示す斜視図 開き方向の移動で把持する場合に使用する部品を示す斜視図 閉じ方向で把持する場合を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のア−ア線に沿う断面図 開き方向で把持する場合を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のイ−イ線に沿う断面図 閉じ方向で把持する場合における圧縮コイルばねの付勢力の作用を説明するための断面図 開き方向で把持する場合における圧縮コイルばねの付勢力の作用を説明するための断面図

符号の説明

図面中、１はサーボモータ、２は回転軸、３，４は直動部材、５，６は第１の把持部材、７，８は第２の把持部材、１１は本体、１３はベルト伝動機構、１８は右ねじ、１９は左ねじ、２０，２１は圧縮コイルばね（ばね部材）、２２は案内部材、２４，２５はスライダ、２８，２９は第１の把持部材、３０，３１は第２の把持部材を示す。

Claims (2)

1. ハンド本体に設けられたモータの回転を一対の把持部材の開閉動作に変換して把持対象物を把持する電動ハンドにおいて、
   前記ハンド本体に、前記モータの出力軸と平行となるように回転可能に設けられ、外周に右ねじおよび左ねじを形成した回転軸と、
   前記モータの前記出力軸の回転を前記回転軸に伝達する伝動機構と、
   前記回転軸の前記右ねじおよび前記左ねじにそれぞれ螺合するねじ手段を有し、前記回転軸の一方向の回転および前記一方向とは逆の他方向の回転に伴って互いに接近する方向および互いに離反する方向に移動する一対の直動部材と、
   前記一対の直動部材を互いに接近する方向および互いに離反する方向のうちのいずれか一方の方向に付勢するばね部材と、
   前記一対の直動部材の一方および他方を、前記一対の把持部材に対して、連結先変更可能に連結する連結手段と、
   を備え、前記連結手段による連絡先の変更により、前記一対の直動部材の互いに接近する方向の移動および互いに離反する方向の移動のうち、前記ばね部材の付勢方向と同方向の移動を前記一対の把持部材の閉じ方向の移動または開き方向の移動に変換して把持対象物を把持させ、この前記一対の把持部材の閉じ方向の移動による把持または開き方向の移動による把持のいずれに対しても、前記一対の把持部材が前記ばね部材の付勢力を前記把持対象物に作用させた状態で把持するようにしたことを特徴とする電動ハンド。
2. 前記連結手段は、前記本体に設けられた案内部材によって直線方向にスライド可能に設けられ前記一対の把持部材が取り付けられる一対のスライダと、前記一対の直動部材と前記一対のスライダとの間を連結するための交換可能な一対の第１の連結部材および一対の第２の連結部材とを備え、
   前記一対の第１の連結部材は、前記一対の直動部材のうちの一方の直動部材と前記一対のスライダのうちの一方のスライダとの間および他方の直動部材と他方のスライダとの間を連結し、前記一対の第２の連結部材は、前記一方の直動部材と前記他方のスライダとの間および前記他方の直動部材と前記一方のスライダとの間を連結することを特徴とする請求項１記載の電動ハンド。

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