JP2012161876A - 把持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被把持物と接触する接触部を交換する必要が生じたとき、圧力センサ全体を交換することなく、その接触部のみ交換できるようにする。
【解決手段】把持装置は、両側に電極２２ａ，２２ｂが設けられた圧電素子２１を電極２２ａ，２２ｂに接続された１対のフレキシブル基板２３ａ，２３ｂで挟み込んで形成された圧電振動型圧力センサ２０を、ワークを把持する把持部６の指先部６ａ及び中節部６ｂに圧電素子２１と１対のフレキシブル基板２３ａ，２３ｂを把持部６の把持力方向に配置して備え、さらに、把持部６に着脱可能に設けられた耐油性、耐薬性の弾性を有するゴム製の保護層２４を備えている。被覆部材の劣化、傷、摩耗、ヘタリが生じても、圧電振動型圧力センサ全体を交換する必要がなく、保護層２４のみを交換できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電振動型圧力センサをロボットの把持部に装備した把持装置に関する。

近年、把持装置としてのロボットハンドは、形状、硬さ、表面性、重さ等の様々な特性を有する被把持物を把持できるように、多機能を求められている。これに伴って、ロボットハンドの把持部に設けられるセンサは、人間の指先に相当する圧力感、滑り感等の感覚を得ることができる感度を要求されている。このため、ロボットハンドは、把持部に設けられた圧力センサでリアルタイムに把持状態を検出し、人間と同様な感覚で被把持物を把持する制御が求められている。

このように、人間と同様な感覚で被把持物を把持することが求められているロボットハンドに使用される圧力センサとして、歪ゲージ、静電容量式、導電性ゴムなどが開発されている。

この種の圧力センサとして、従来、特許文献１乃至３に記載のものがある。

特許文献１に記載の圧力センサは、把持部に貼り付けたフレキシブル基板上に、複数個のマトリックス状に配置された感圧ゴムを配置し、その上からセンサ面の保護と、被把持物を柔軟に把持する必要性から柔軟層で各感圧ゴムに密着して覆った構造になっている。

また、特許文献２に記載の圧力センサは、柔軟かつ伸縮可能な絶縁性のあるフィルム状の電極部材の表面又は内部に、規則性のある配列で電極を配した電極部材を少なくとも２枚、対向位置に配して袋状にした電極部を備えている。

そして、圧力センサは、被把持物の材質等の種類に応じて、袋状の電極部内に入れる物質の入れ換えを制御する物質入れ換え制御手段を備えている。また、圧力センサは、各電極部材の電極に所定値の電気信号を出力する電気的出力手段と、各電極部材の電極間に生じる電気信号を計測する電気的計測手段とを備えている。そして、物質入れ換え制御手段は、袋状の電極部の袋内部に入れる物質の入れ換えをするようになっている。また、電気的計測手段は、電気的出力手段から所定値の電気信号が供給された各電極部材の電極間に生じた電気信号の変化を計測して、この電気信号の変化に基づいて電極部材に接した被把持物の形状を認識する形状認識情報を得るようになっている。

具体的に、特許文献２記載の圧力センサ９００は（図８）、柔軟かつ伸縮可能な絶縁性のフィルム９０１，９０２もしくはそれに類する物の表面もしくは内部に、マトリックス状のように規則性のある配列で電極９０１ａ，９０２ａを備えている。フィルム９０１，９０２は電気的出力手段９０３に接続され、電気的出力手段９０３は電気的計測手段９０４に接続されている。電気的計測手段９０４は、各フィルムの電極間の電気信号を取り出して、被把持部材の形状を認識した形状認識情報を検出する機能を備えている。

そして、圧力センサ９００は（図９）、ロボットハンド９１０の把持爪９１１，９１１に取り付けられて、被把持部材を把持のみで、容易に被把持物の形状を計測できるようにしている。

特許文献３の圧力センサは、複数の板状圧電体と電極とを交互に重ねて層状に形成された検出部を有している。そして、圧力センサは、検出部に、その対向する電極に誘起される電圧を処理する処理回路を接続し、圧電体に加わる力の方向、大きさにより変化する圧電体の誘起電圧により、圧力感、すべり感、せん断線に関する情報を得られるようになっている。

特開２００６−１３６９８３号公報 特開２００２−１１３６８５号公報 特開昭６０−０３４２９３号公報

しかし、ロボットハンドは、多種多様の被把持物を把持して、被把持物の移動或いは組立を行うとき、頻繁に被把持物との接触を繰り返す必要がある。特に、産業用のロボットハンドは、被把持物の把持回数は膨大なものであり、把持動作の繰り返しによるセンサ面の摩耗、傷、汚れ、劣化等が発生していた。しかも、産業用ロボットハンドは、油、有機溶剤等を使用する作業が多く、油や有機溶剤等によって、一段とセンサ面の摩耗、傷、汚れ及び劣化等が発生しやすいという問題があった。

特許文献１に記載の圧力センサは、センサ面の保護と、被把持物を柔軟に把持する必要性から柔軟層を各感圧ゴムに密着させた構造になっているため、柔軟層を容易に交換することができないという問題がある。

特許文献２に記載の圧力センサは、フィルムが把持面になるため、フィルムが、摩耗したり、破損したり、汚れたりすると、圧力センサ全体を交換しなければならないという問題がある。

特許文献３に記載の圧力センサは、保護層と強化層とに覆われている。しかし、この２層は、センサと一体であり、交換することができない。このため、特許文献３に記載の圧力センサは、強化層が摩耗したり、破損したり、汚れたりすると、圧力センサ全体を交換しなければならないという問題がある。

このように、特許文献１乃至３に記載の圧力センサは、被把持物と接触を繰り返す圧力センサの接触部が圧力センサと一体であるため、接触面を交換する必要が生じたとき、接触面だけを交換することができず、圧力センサ全体を交換しなければならなかった。

とりわけ、汎用性のあるロボットハンドとなると、指を２本以上備えており、そのすべての指に取り付けてある圧力センサを全部交換しなければならず、メンテナンスに手間と時間を要し、かつメンテナンスのコスト高になるという問題があった。

本発明は、被把持物と接触する接触部を交換する必要が生じたとき、圧力センサ全体を交換することなく、その接触部のみ交換できるようにして、メンテナンス性の向上と、メンテナンスコストの削減を図った把持装置を提供することにある。

本発明の把持装置は、両側に電極が設けられた圧電素子を前記電極に接続された１対の回路基板で挟み込んで形成された圧電振動型圧力センサを、被把持物を把持する把持部の把持位置に前記圧電素子と前記１対の回路基板を前記把持部の把持力方向に配置して備え、さらに、前記把持部に着脱自在に設けられた弾性部材製の被覆部材を備えていることを特徴としている。

本発明の把持装置は、被把持物の把持による圧電振動型圧力センサへの接触の繰り返しによる被覆部材の劣化、傷、摩耗、ヘタリが生じても、適時、被覆部材のみを簡単に交換することができる。

また、本発明の把持装置は、圧電振動型圧力センサ全体を交換する必要がなく、被覆部材のみを消耗部品扱いにできるため、メンテナンス性の向上と、メンテナンスコストの削減が可能となる。

本発明の実施形態の把持装置としてのロボットハンドに設けられる圧電振動型圧力センサの概略断面図である。 圧電振動型圧力センサが設けられたロボットハンドの把持部の断面図である。 図５のＥ−Ｅ矢視断面図である。 組立ロボットの概略全体図である。 組立ロボットのロボットハンドの平面図である。 ロボットハンドの外観斜視図である。 ロボットハンドに設けられる圧電振動型圧力センサの保護層を２層にした場合の図であり、図１に相当する図である。 従来の形状認識センサの基本構成図である。 従来の技術における２指構成の接触式形状センシングロボットハンドの斜視図である。

以下、本発明の実施形態の把持装置を図に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態の把持装置としてのロボットハンドに設けられる圧電振動型圧力センサの概略断面図である。図２は、圧電振動型圧力センサが設けられたロボットハンドの把持部の断面図である。図３は、図５のＥ−Ｅ矢視断面図である。図４は、組立ロボットの概略全体図である。図５は、組立ロボットのロボットハンドの平面図である。図６は、ロボットハンドの外観斜視図である。

組立ロボット１００（図４）は、作業台３に設けられている。組立ロボット１００は、ロボットアーム１の先端に設けられた把持装置としてのロボットハンド２で被把持物としてのワークＷ１を把持して、作業台３上の他のワークＷ２に組み込むようになっている。組立ロボット１００の詳細は、後述する。

圧電振動型圧力センサ（以下、単に「センサ」と言う）２０（図５）は、ロボットハンド２の把持部６の指先部６ａと、中節部６ｂとに接着剤等の既知の固定方法により設けられている。センサ２０は、ワークＷ１の形状を確認し、ロボットハンド２がワークＷ１を把持する把持力を検知して、ロボットハンド２がワークＷ１を最適な把持力で把持できるようにしている。

図１乃至図３において、センサ２０は、圧電素子２１と、圧電素子２１の両側に配置された電極２２ａ，２２ｂと、電極２２ａ，２２ｂにそれぞれ接触して圧電素子２１を挟み込んだフレキシブル基板２３ａ，２３ｂ等で構成されている。回路基板としてのフレキシブル基板２３ａ，２３ｂは、圧電素子２１に対応する１個以上の電極２２ａ，２２ｂに接続されて、接着剤等の公知の固定方法により、電極２２ａ，２２ｂと一体化されている。

センサ２０は、被覆部材としての保護層２４（１２４）によって保護されている。保護層２４（１２４）は、弾性を備えている。センサ２０と保護層２４（１２４）とによってワークの把持状態を検知する検知部７（図１）を形成されている。

ロボットハンド２のワークＷ１を把持する把持部６がワークＷ１を把持する側の把持位置としての指先部６ａに設けられたセンサ２０（図２）の保護層２４と、把持位置としての中節部６ｂに設けられセンサ２０（図３）の保護層１２４は、形状が異なっている。

センサ２０（図２、図３）は、圧電素子２１と１対のフレキシブル基板２３ａ，２３ｂとを把持部６の把持力方向Ｆ１乃至Ｆ４（図５）に配置されて指先部６ａと中節部６ｂとに設けられている。

図２に示すセンサ２０の保護層２４は、センサ２０と指先部６ａを包み込むように装着されて、有底筒状に形成されている。なお、保護層２４の形状は、筒状であってもよい。

センサ２０と指先部６ａとに装着されていないときの保護層２４の内径は、センサ２０と指先部６ａとで形成される直径よりも小さく設定されている。このため、保護層２４は、センサ２０と指先部６ａとに装着されると、センサ２０のワークＷ１を把持する側のフレキシブル基板２３ａと指先部６ａとを覆って、矢印Ｂ方向に弾性収縮して密着し、指先部６ａから脱落することがない。

保護層２４は、矢印Ｆ方向（図２）に引っ張るとセンサ２０と指先部６ａとから抜き取って、交換することができる。このため、保護層２４（図１）は、フレキシブル基板２３ａに対しては、Ａ−Ａ線の部分で分離されて着脱自在になっている。

図３に示すセンサ２０の被覆部材としての保護層１２４は、図２に示す保護層２４と形状が異なっている。図３の保護層１２４は、断面Ｕ字状の樋状の弾性部材である。この保護層１２４は、ロボットハンド２の把持部６の中節部６ｂに設けられたセンサ２０を覆って中節部６ｂに着脱自在なピン２９によって固定されている。保護層１２４は、弾性によって矢印Ｄ方向に弾性収縮してセンサ２０に密着している。保護層１２４は、ピン２９を抜くことによって交換することができる。

なお、保護層１２４は、一枚の平らな形状をして、中節部６ｂに取り付けられるとき、弾性変形して、センサ２０を覆って中節部６ｂに取り付けられても良い。

次に、組立ロボット１００の構成と動作を説明する。

組立ロボット１００（図４乃至図６）は、ロボットアーム１と、ロボットハンド２と、ビジョンカメラ４等で構成されている。

ロボットアーム１は、作業台３に立設された縦軸３１と、縦軸３１に水平回転自在に設けられた回転基部３２と、回転基部３２に第１水平軸３３によって上下方向に回転自在に設けられた第１アーム３４とを備えている。さらに、ロボットアーム１は、第１アーム３４の先端に第２水平軸２５によって上下方向に回転自在に設けられた第２アーム３６と、第２アーム３６に第３水平軸３７によって上下方向に回転自在に設けられたロボットハンド２とを備えている。また、ロボットアーム１は、ロボットハンド２に設けられたビジョンカメラ４と、把持部６とを備えている。

把持部６は、４本の指３８で構成されている。指３８は、指先部６ａと、中節部６ｂとで構成されている。中節部６ｂは、関節Ｊ１によってロボットハンド２に水平回転自在に設けられている。指先部６ａは、関節Ｊ２によって中節部６ｂに水平回転自在に設けられている。

指先部６ａと中節部６ｂとのワークＷ１に対向する部分には、把持部６がワークＷ１を把持したとき、把持状態を検知するセンサ２０が設けられている。

ビジョンカメラ４は、作業台３上に置かれたワークＷ１、Ｗ２等の形状と位置を認識するようになっている。その情報は、不図示のコントローラに送られる。不図示のコントローラは、縦軸３１、第１水平軸３３、第２水平軸３５、第３水平軸３７、関節Ｊ１及び関節Ｊ２を作動させる不図示の駆動装置を制御して、各軸と各関節とを作動させる。

この結果、把持部６は、ロボットアーム１とロボットハンド２との作動によって、ワークＷ１を把持できる位置に移動して、ワークＷ１を把持し始める。

把持部６には、センサ２０と保護層２４（１２４）によってワークの把持状態を検知する検知部７（図１）が設けられている。把持部６がワークＷ１を把持し始めると、検知部７は、圧電素子２１の変形に基づいて把持部６のワーク把持状態を検知して、把持状態の情報を不図示のコントローラに逐一送る。

不図示のコントローラは、ビジョンカメラ４からのワークの形状情報と、検知部７からの把持状態の情報とに基づいて、把持部６の各関節Ｊ１，Ｊ２のトルクを制御して、把持力（Ｆ１乃至Ｆ４）の調節を行う。この調節は、ワークＷ１（図４）をワークＷ２に組み込みが完了するまで行われる。

以上の説明では、検知部７は、４本指の把持部６に設けられているが、２本指、３本指、５本指等、複数本の指を有する把持部に適用される。

以上、説明したように、図２に示す保護層２４と図４に示す保護層１２４は、ブチルゴム、ニトリルゴム等の耐油性、耐薬性の弾性を有するゴム等の弾性部材製の部材である。

このため、図２に示す保護層２４は、矢印Ｆ方向に引っ張ると容易に取り外して交換することができ、センサ２０全体を交換する必要がなく、メンテナンスを容易に行えるとともに、メンテナンスコストを下げることができる。

同様に、図３に示す保護層１２４は、固定ピン２９を抜くと容易に取り外して交換することができ、メンテナンスを容易に行えるとともに、センサ２０全体を交換する必要がなく、メンテナンスコストを下げることができる。

また、保護層２４，１２４は、耐油性、耐薬性のゴム製であるので、油や薬品が付着しているワークを多数回把持することがあっても、長期間の使用に耐えることができて、交換する回数を減らすことができる。

また、指先部６aに設けられたセンサ２０を保護する保護層２４（図２）は、把持部６がワークを把持していないときでも、弾性によって、矢印Ｂ方向の収縮力が圧電素子の電極とフレキシブル基板の電極との接触を安定させる方向に作用している。この結果、圧電素子の電極とフレキシブル基板の電極との接触抵抗やチャタリングを抑制することができる。

同様に、中節部６ｂに設けられたセンサ２０を保護する保護層１２４（図３）も、弾性を備えている。このため、保護層１２４は、把持部６がワークを把持していないときでも、弾力によって、矢印Ｄ方向の収縮力が圧電素子の電極とフレキシブル基板の電極との接触を安定化させる方向に中節部６ｂに作用して、接触抵抗やチャタリングを抑制することができる。

ところで、保護層２４，１２４は、耐油性及び耐薬性を備えている他に、耐摩耗性に優れていた方が好ましい。そこで、図７に示す被覆部材としての保護層２２４，３２４は、外層２２４ａ，３２４ａと内層２２４ｂ、３２４ｂの２層が一体化された２層構造になっている。符号２２４の保護層は、図２に示す符号２４で示す保護層の代わりに使用されるものとする。また、符号３２４の保護層は、図３に示す符号１２４で示す保護層の代わりに使用されるものとする。

外層と内層は、ブチルゴム、ニトリルゴム等の耐油性、耐薬性の弾性を有するゴム製部材の場合、外層２２４ａ，３２４ａの耐摩耗性を向上させるため、外層に補強材としてのカーボンブラックを含有させてある。カーボンブラックの配合割合は、耐久性を特に要する組立工程では多くし、それほど、必要ではない組立工程では少なくする。

外層２２４ａ，３２４ａの剛性（ｅ１）と、内層２２４ｂ，３２４ｂの剛性（ｅ２）は、ｅ１＞ｅ２の関係にあり、外層２２４ａ，３２４ａの厚さ（ｄ１）は、内層２２４ｂ，３２４ｂの厚さ（ｄ２）に対し、ｄ１＜ｄ２の関係にある。この場合、外層の厚さ（ｄ２）は、外層が内層から分離しにくいように内層の剛性に倣いやすい厚さに設定されている。

したがって、保護層は、外層にブラックカーボンが含有されて、上記の剛性関係（ｅ１＞ｅ２）及び厚さ関係（ｄ１＜ｄ２）にある。このことによって、保護層は、ワークの表面性や、ワークの形状に容易に倣って弾性変形することができるので、把持部６の把持性能が向上する。また、保護層の耐摩耗性が向上して、保護層を長期間使用することができるので、把持部６のメンテナンスの回数を少なくすることができる。

また、カーボンブラックによって外層の単位体積当たりの電気抵抗を小さくすることができて、把持部６が、ＩＣ部品、電子部品等の静電破壊を生じやすい電気部品を把持しても、外層から静電気を逃がすことができて、電気部品の静電破壊を防止できる。また、把持部６に設けられているセンサ２０を電気的に保護することもできる。

さらに、外層にカーボンブラックを含有してあると、保護層２２４，３２４の表面が黒くなり、光の反射率が小さくなる。このため、ビジョンカメラ４によって検知されるワークと保護層との境目が明瞭になり、ワークの形状を検知しやくなる。

なお、保護層は、外層と内層に分けることなく、外側に近い部分にカーボンブラックを多く含有させ、内側に近い部分を少なくしてもよい。この場合においても、保護層の耐摩耗性の向上、電気部品の静電破壊の防止、及びビジョンカメラ４によるワークの正確な形状検知等を図ることができる。

１：ロボットアーム、２：ロボットハンド（把持装置）、４：ビジョンカメラ、６：把持部、
６ａ：指先部（把持位置）、６ｂ：中節部（把持位置）、２０：圧電振動型圧力センサ、２１：圧電素子、２２ａ、２２ｂ：電極、２３ａ、２３ｂ：フレキシブル基板（回路基板）、２４，１２４，２２４，３２４：保護層（被覆部材）、２２４ａ，３２４ａ：外層、２２４ｂ，３２４ｂ：内層、１００：組立ロボット、Ｆ１乃至Ｆ４：ロボットハンドの把持力方向、
Ｗ１、Ｗ２：ワーク（被把持物）、Ｊ１、Ｊ２：関節

Claims (4)

1. 両側に電極が設けられた圧電素子を前記電極に接続された１対の回路基板で挟み込んで形成された圧電振動型圧力センサを、被把持物を把持する把持部の把持位置に前記圧電素子と前記１対の回路基板を前記把持部の把持力方向に配置して備えた把持装置であって、
   前記把持部に着脱自在に設けられた弾性部材製の被覆部材を備えた、
   ことを特徴とする把持装置。
2. 前記被覆部材は、ゴム製部材で形成され、外側に近い部分は、カーボンブラックを含有している、
   ことを特徴とする請求項１に記載の把持装置。
3. 前記被覆部材は、ゴム製部材で形成され、外層と内層とで形成されて、前記外層にカーボンブラックを含有し、
   前記被覆部材の外層は、前記内層より弾性が大きく、かつ厚みが薄い、
   ことを特徴とする請求項１に記載の把持装置。
4. 前記弾性部材は、ブチルゴムもしくはニトリルゴムからなる、
   ことを特徴とする請求項１記載の把持装置。

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