JP2013039637A - ロボットハンド、ロボットハンド部品及びロボットハンドユニット - Google Patents

Abstract

【課題】把持手段が物品と衝突する際に物品の損傷を確実に防止し、かつ、物品を安定して把持できるロボットハンドを提供する。
【解決手段】一端に爪部２ａを設け他端に作動部２ｂを設けた一組のフィンガー２ｃからなる把持手段２と、フィンガー２ｃの開閉動作を行うアクチュエータと、を有するロボットハンドであって、アクチュエータが、内部の気圧を調整することで伸縮可能な弾性嚢体３ａと、弾性嚢体３ａ内の気圧を調整する気圧調整手段３ｂと、からなる空気圧アクチュエータ３であるロボットハンド１。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットハンド、ロボットハンド部品及びロボットハンドユニットに係り、特に、把持力を任意に変更可能であり、駆動機構が簡便で、小型、軽量なロボットハンド、ロボットハンド部品及びロボットハンドユニットに関する。

ロボットハンドによる物品の把持、搬送等において、フィンガー部を開閉させる把持動作の駆動力としてはアクチュエータによるピストン動作を開閉動作に変換させるのが一般的である。この駆動力を生じさせるアクチュエータとしては、強力なピストン動作を生じさせることができるソレノイド、サーボモータ、エアシリンダ等の公知のアクチュエータが用いられており、確実に把持し、安定した搬送等の動作ができるようになっている（例えば、特許文献１乃至３参照）。

しかしながら、このようなロボットハンドは駆動力を安定して付与できるが、その物品の把持に際してフィンガーと物品との衝突による物品の損傷（クラック、チッピング等）が生じてしまうことがあった。

そこで、このような物品の損傷を防止するために、フィンガー表層部にゴム等の弾性体を設けることで、物品との間の衝撃を緩和するような対策がとられている（例えば、特許文献２参照）。

特開平９−２０１７８８号公報 特開２００７−１１８１４８号公報 特開２００９−２１４２０４号公報

しかしながら、フィンガーの表層部に弾性体を設けた場合には、損傷の割合は少なくなるが、把持力の調整の点では微調整が困難で、少なからず損傷が発生する問題は依然として残っている。また、上記のようなアクチュエータは、その機構が複雑で重いため、ロボットハンドの製造コストが高く、ある程度の重量を有するという問題点もある。

そこで、本発明の目的は、上記問題点を解決するためになされたもので、把持手段が物品と衝突する際に物品の損傷を確実に防止し、かつ、物品を安定して把持できるロボットハンドを提供することにある。

本発明のロボットハンドは、一端に爪部を設け他端に作動部を設けた一組のフィンガーからなる把持手段と、前記フィンガーの開閉動作を行うアクチュエータと、を有するロボットハンドであって、前記アクチュエータが、内部の気圧を調整することで伸縮可能な弾性嚢体と、前記弾性嚢体内の気圧を調整する気圧調整手段と、からなる空気圧アクチュエータであることを特徴とする。

また、本発明のロボットハンド部品は、一端に爪部を設け他端に作動部を設けた１つのフィンガーと、前記フィンガーの開閉動作を行うアクチュエータと、を有するロボットハンド部品であって、前記アクチュエータが、内部の気圧を調整することで伸縮可能な弾性嚢体と、前記弾性嚢体内の気圧を調整する気圧調整手段と、からなる空気圧アクチュエータであることを特徴とする。

さらに、本発明のロボットハンドユニットは、上記本発明のロボットハンド部品の複数個を組み合わせて構成したことを特徴とする。

本発明のロボットハンド、ロボットハンド部品及びロボットハンドユニットによれば、把持手段の開閉を空気圧アクチュエータにより動作させるもので、非常に簡便な構成で、ロボットハンドを小型化し、軽量化できる。また、空気圧アクチュエータによって、物品と把持手段との接触時に、把持力が微調整され物品との衝撃を少なくでき、物品の損傷を防止できる。

本発明の第１の実施形態に係るロボットハンドの概略構成を示す側断面図である。 図１のロボットハンドの把持手段と空気圧アクチュエータの位置と駆動方向を示した平面図である。 本発明の第２の実施形態に係るロボットハンド部品の概略構成を示す側断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るロボットハンドユニットの概略構成を示す（ａ）側断面図及び（ｂ）平面図である。 図３に示したロボットハンド部品を用いたロボットハンドユニットの配置構成の一例を示した平面図である。 図３に示したロボットハンド部品を用いたロボットハンドユニットの配置構成の他の例を示した平面図である。

以下、本発明のロボットハンドについて図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について、図１を参照しながら説明する。図１は、第１の実施形態におけるロボットハンドの概略構成を示す側断面図である。

この図１に示したロボットハンド１は、一端に爪部２ａを有し、他端に作動部２ｂを有する一対のフィンガー２ｃからなる把持手段２と、該フィンガー２ｃの開閉動作を行う空気圧アクチュエータ３と、これら把持手段２と空気圧アクチュエータ３を所定の位置関係に保持する支持部材４と、から構成されている。

把持手段２は、その物品を把持するために先端部に物品と直接接触する爪部２ａを有するフィンガー２ｃが一対（２個一組）で構成されている。この爪部２ａは、物品の形状により把持するのに適した形状とすればよく、その素材も公知のものを使用できる。爪部２ａにゴム等の弾性部材を使用すると、より物品への衝撃を少なくできる。

そして、この爪部２ａはフィンガー２ｃの先端に取り付けられ、それら爪部２ａがその物品の把持側を互いに対向するように配置され、これらが開閉動作することにより物品を把持できる。この開閉動作により爪部２ａは、互いに遠ざかったり近づいたりして、把持動作を行う。図１には、フィンガー２ｃが２本の場合を示したが、フィンガー２ｃが３本以上であってもよい。３本以上となった場合でも、フィンガー２ｃの複数本を一組として、物品の把持動作を一体に行うように配置される。

フィンガー２ｃの開閉動作は次に説明する空気圧アクチュエータ３により行われる。この開閉動作は後述するが、上下に伸びて配置されたフィンガー２ｃの一端が爪部２ａ、他端が空気圧アクチュエータ３の弾性嚢体３ａと接触して押圧される作動部２ｂとなっており、押圧により作動部２ｂが外側に移動することによって、フィンガー２ｃの先端の爪部２ａの閉動作ができるようになっている。このとき、フィンガー２ｃは、爪部２ａと作動部２ｂ間で揺動自在に軸着するとともに、作動部２ｂの互いに対向する側に、弾性嚢体３ａを配置し、反対側を支持部材４で保持したコイルスプリング５により弾性嚢体３ａ側に押圧してなる。ここで、コイルスプリング５は、弾性を有して作動部２ｂを弾性嚢体３ａ側に押しつけられればよいため、そのような弾性能を有するバネであればよく、コイルスプリング（コイルバネ）の他に、板バネ等が挙げられる。

図１には、フィンガー２ｃの作動部２ｂが弾性嚢体３ａにて押圧され（外側に広げられた状態）、爪部２ａが閉状態となっている場合を示しているが、このとき、弾性嚢体３ａの圧力に抗して弾撥力を生じさせるコイルスプリング５が縮んだ状態となっている。作動部２ｂが押圧されて外側に開くと、逆に爪部２ａが閉じるように、爪部２ａと作動部２ｂ間（フィンガー２ｃの中央付近）でシーソー様に揺動自在に支持ピン６で固定（軸着）されている。そして、フィンガー２ｃの作動部２ｂが空気圧アクチュエータ３にて押圧した圧力が緩められると、作動部２ｂは内側に移動し逆に爪部２ａが開くようになっている。

空気圧アクチュエータ３は、内部の気圧を調整することで伸縮可能なチューブ状の弾性嚢体３ａと該弾性嚢体３ａ内の気圧を調整する気圧調整手段３ｂと、から構成されている。ここで、弾性嚢体３ａは、伸縮することでフィンガー２ｃの作動部２ｂ側の端部を押圧できるようになっている。

ここで、弾性嚢体３ａは、一点鎖線７で示した特定方向の軸に対して伸縮できるようになっており、その伸縮により把持部２ａを押圧する圧力を調整して動作できる。このような特定の軸方向にのみ動作が可能な空気圧アクチュエータとしては、例えば、公知の人工筋肉アクチュエータ等が使用できる。より具体的には、スキューズ株式会社製のＰＭ−１０ＲＦ（商品名）等のマッキンベン方式の人工筋肉アクチュエータが挙げられる。

人工筋肉アクチュエータは、管状の弾性嚢体の周囲をスリーブ状に編み込んだ繊維コードで覆った構造が一般的で、この繊維コードにより軸方向への伸びが抑制されるようになっている。また、軸方向と垂直の方向には弾性嚢体内の圧力を高めることで弾性嚢体が伸びるようになっており、内部の圧力を高めた際には、軸方向ではなく軸に対して垂直方向に弾性嚢体が伸びていき、スリーブ状の繊維コードが引っ張られ、軸方向へ収縮する力に変換される。すなわち、弾性嚢体の内部圧力を高めることで、フィンガーの作動部２ｂを押圧する力を緩め、爪部２ａは開動作を行う。

図２（ａ）には、図１のロボットハンドの把持手段２と弾性嚢体３ａの位置関係を抜き出し、その平面図を示した。フィンガー２ｃが対向して設けられており、その間にある弾性嚢体３ａが把持手段２の作動部２ｂへの押圧する圧力を増加させたり、緩めたりすることでフィンガー２ｃの開閉動作が可能となっている。このとき、一点鎖線７で示した方向が弾性嚢体３ａの伸縮方向であり、圧力変動による伸縮動作の軸となっている。

そして、気圧調整手段３ｂは、このような弾性嚢体３ａの内部気圧を調整することができる圧力調整機能を有するポンプ等である。この気圧調整手段３ｂにより、開閉動作を行う際に、弾性嚢体３ａ内の気圧を変化させる。このとき、その気圧の変化において、爪部２ａの移動距離を予め求めておき、把持する物品を確実に把持できるよう圧力を変動させる。

なお、把持する際の圧力は、上記のように移動距離と関連付けて決定してもよいが、把持力（物品から受ける反力）と関連付けてもよい。このとき、弾性嚢体３ａ内の圧力によって把持力が決まり、また、その際、物品を損傷しない程度の圧力に設定するのも容易である。本発明においては、駆動力を付与するアクチュエータが弾性嚢体３ａからなっており、その内部気圧に応じて把持力を変動できるため、把持力の調整が簡便にでき、また物品の損傷も弾性嚢体の変形による衝撃吸収により回避できる。

この空気圧アクチュエータ３としては、フィンガー２ｃが２つ一組で対向している場合には上記人工筋肉アクチュエータのように一軸方向に動作するものでよいが、フィンガー２ｃを３つ以上一組で使用する場合には、特定の軸方向のみに動作する人工筋肉アクチュエータでは対応できない。

そこで、その場合には、図２（ｂ）に示したように、弾性嚢体８ａとして円環状のチューブを用い、その周囲にフィンガー２ｃを配置して、円環状チューブの伸縮によるフィンガー２ｃの作動部２ｂの押圧状態を調整できるようにしておけばよい。このような円環状のチューブを用いた場合は、円環の全周方向に伸縮動作が可能であり、３つ以上のフィンガーを有する場合にも対応できる。なお、この図２（ｂ）においても、図２（ａ）と同様に、把持手段２と弾性嚢体１３ａとを抜き出して示した平面図である。

このような円環状のチューブとしては、具体的には、ブリジストン株式会社製のエアーピッカーが挙げられる。エアーピッカーは、ゴム製のドーナツ状に膨らむ弾性嚢体であるが、この場合は弾性嚢体内の圧力を高めることで、そのまま弾性嚢体が外周全方向に伸展していく。そのため、弾性嚢体の内部圧力を高めることで、フィンガーの作動部２ｂを押圧する力を高め、爪部２ａは閉動作を行う。

上記したような弾性嚢体３ａは、内部気圧の変動により伸縮可能な弾性素材を用いて形成すればよく、例えば、天然ゴム（ＮＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、ニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、シリコーンゴム（ＳＩＣ）、フッ素ゴム（ＦＲＭ）、ハイパロンゴム（ＣＳＭ）等の素材が挙げられる。

この弾性嚢体には、強化繊維を埋め込んで補強して強度を高め、長寿命のものとすることもできる。ここで用いる強化繊維としては、カーボン繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、アラミド等のポリアミド繊維等が挙げられる。また、上記した人工筋肉アクチュエータのように周囲に繊維コードを設ける場合に、その繊維コードは上記強化繊維で挙げたものと同じ素材で作成すればよい。

そして、支持部材４は、把持手段２の開閉動作を円滑に行えるように、上記把持手段２と空気圧アクチュエータ３とを所定の配置となるように固定している。さらに、支持部材４には、空気圧アクチュエータ３がフィンガー２ｃの作動部２ｂを押圧する力に抗するように弾撥力を生じることができるコイルスプリング５が設けられ、さらに、フィンガー２ｃの中央付近を支持ピン６で固定している。この支持ピン６が支点となってフィンガー２ｂをてこの原理により動作させることができ、空気圧アクチュエータ３により作動部２ｂ（力点）の圧力を変動させると、爪部２ａ（作用点）が開閉動作を行う。

すなわち、支持部材は、一対のフィンガー４を、爪部２ａの把持側を対向させて、それぞれの爪部２ａと作動部２ｃ間で揺動自在に軸着するとともに、作動部２ｃの互いに対向する側に、弾性嚢体３ａを配置し、反対側を支持部材４で保持したコイルスプリング５により押圧してなるものである。

（第２実施形態）
本発明の第２の実施形態について、図３〜図６を参照しながら説明する。図３は、第２の実施形態におけるロボットハンドを構成するロボットハンド部品の構成を示した側断面図である。図４は、図３のロボットハンド部品を用いたロボットハンドユニットである。図５及び図６は、図３のロボットハンド部品を用いた他のロボットハンドユニットのバリエーションを示した配置図である。

この図３に示されたロボットハンド部品１１は、フィンガー２ｃを１つだけ有し、単独では物品を把持することができない点を除けば、図１のロボットハンド１と同様の構成を有するものである。すなわち、空気圧アクチュエータ１３及び支持部材１４は、第１の実施形態における空気圧アクチュエータ３及び支持部材４と、フィンガー２ｃが１つだけとなっていることによる形状的な変更が加えられた以外は同一の構成、機能を有するものである。

このようなロボットハンド部品１１は、それ自体が単独では機能しないが、このロボットハンド部品１１を２以上組み合わせることで、様々な物品形状に対応でき、把持部分を任意の場所に設けたり、数を増やして安定性を高めたり、汎用性の高いロボットハンドユニットを提供できる。

例えば、図４に示したように、ロボットハンド部品１１を２つ組み合わせた場合は、図１と同等の機能を有するロボットハンドユニット２１になる。このとき、把持手段２の爪部２ａの把持部分が互いに対向する位置に配置する。なお、図４（ａ）は、ロボットハンドユニット２１の側断面図を示したもので、図４（ｂ）は、その平面図（空気圧調整手段は省略）を示したものである。このとき、各ロボットハンド部品１１の弾性嚢体３の気圧調整は、部品ごとに個々に行うようにしてもよいし、１つの気圧調整手段により全ての部品について同一の動作となるようにしてもよい。なお、ここで破線４１は、仮想的な物品形状を示している。

また、ロボットハンド部品１１を組み合わせてロボットハンドユニットを構成する場合は、他にも様々なバリエーションが考えられ、例えば、図５に示したように、図４に示した対向して設けた一組のロボットハンドユニットを複数組使用したロボットハンドユニットとすることもできる。

この図５に示したロボットハンドユニットは、例えば、液晶基板や太陽電池のように長方形の大きな物品を搬送する場合に適したものである。例えば、図５（ａ）のように、爪部２ａを対向させたロボットハンドユニット二組を平行に配置すると、長方形状の物品を把持し、搬送する場合に適している。また、図５（ｂ）のように、爪部２ａを対向させたロボットハンドユニット二組を各開閉動作の方向が垂直に交わるように配置すると、四角形の物品の各辺を把持することができ、搬送時の安定性を高めることができる。これらのロボットハンドユニットは平面形状が四角形の物品の搬送時に適している。破線５１は仮想的な物品形状を示したものである。

さらに、ロボットハンドユニットとしては、図６に示した構成も考えられ、ここで示したロボットハンドユニットは、例えば、シリコンウェーハやセラミック基板のように、円板状の物品を搬送する場合に適したものである。例えば、図６（ａ）〜（ｄ）はロボットハンド部品１１を、その爪部２ａの動作方向がある一点に収束するように配置されたものであり、このように一点に収束するように配置したことを本明細書では「１点の把持中心を有する」と表現する。このように１点の把持中心を有するものとして、図６（ａ）は３つのロボットハンド部品を、図６（ｂ）は４つのロボットハンド部品を使用して、その動作方向が平面的に等角度になるように配置したものである。搬送物品の形状や重さの偏りによっては、図６（ｃ）や（ｄ）のような配置とすることもでき、その他、物品の形状等に応じて種々の配置をとり得る。破線６１は仮想的な物品形状を示したものである。

このように、ロボットハンド部品１１は様々な物品の搬送に応用することができ、物品の搬送用のロボットハンドに有用である。

１…ロボットハンド、２…把持手段、２ａ…爪部、２ｂ…作動部、２ｃ…フィンガー、３…空気圧アクチュエータ、３ａ…弾性嚢体、３ｂ…圧力調整手段、４…支持部材、５…コイルスプリング、６…支持ピン、７…駆動軸、１１…ロボットハンド部品

Claims (10)

1. 一端に爪部を設け他端に作動部を設けた一組のフィンガーからなる把持手段と、前記フィンガーの開閉動作を行うアクチュエータと、を有するロボットハンドであって、
   前記アクチュエータが、内部の気圧を調整することで伸縮可能な弾性嚢体と、前記弾性嚢体内の気圧を調整する気圧調整手段と、からなる空気圧アクチュエータであることを特徴とするロボットハンド。
2. 支持部材に、一端に爪部を設け他端に作動部を設けた一対のフィンガーを、前記爪部の把持側を対向させて、それぞれ爪部と作動部間で揺動自在に軸着するとともに、前記作動部の互いに対向する側に、前記弾性嚢体を配置し、反対側を前記支持部材で保持したバネにより前記弾性嚢体側に押圧してなることを特徴とする請求項１記載のロボットハンド。
3. 前記弾性嚢体が、特定の軸方向に伸縮可能な管状の弾性嚢体であることを特徴とする請求項１又は２記載のロボットハンド。
4. 前記弾性嚢体が、特定の平面において、全周方向に伸縮可能な円環状の弾性嚢体であることを特徴とする請求項１又は２記載のロボットハンド。
5. 前記弾性嚢体の伸展動作によって、前記作動部が押圧されて前記爪部が閉動作を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のロボットハンド。
6. 一端に爪部を設け他端に作動部を設けた１つのフィンガーと、前記フィンガーの開閉動作を行うアクチュエータと、を有するロボットハンド部品であって、
   前記アクチュエータが、内部の気圧を調整することで伸縮可能な弾性嚢体と、前記弾性嚢体内の気圧を調整する気圧調整手段と、からなる空気圧アクチュエータであることを特徴とするロボットハンド部品。
7. 請求項６記載のロボットハンド部品の複数個を組み合わせて構成したことを特徴とするロボットハンドユニット。
8. 請求項６記載のロボットハンド部品２個を、前記フィンガーの前記爪部の把持側を対向させて配置したことを特徴とする請求項７記載のロボットハンドユニット。
9. 請求項８記載のロボットハンドユニットを複数組使用することを特徴とするロボットハンドユニット。
10. 請求項６記載のロボットハンド部品の複数個を、前記フィンガーの前記爪部の把持動作において１点の把持中心を有するように配置したことを特徴とする請求項７記載のロボットハンドユニット。

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