JP2014205207A - ロボットハンド及びその動作制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットハンドのフックに必要な形状と強度とを確保し、なおかつ、フックが意図せず物体に引っかかってしまう等の不具合を回避し、細かい作業へのロボットハンドの適用を可能とする。【解決手段】指１４に設けられたフック１６が、袋１８と、袋１８内部に密閉される粒子２０とで構成されている。袋１８内部で粒子２０同士の位置が変化することにより、袋１８の変形が許容される範囲内で、フック１６はその外観形状を自在に変化させる。圧力調整手段２２によって１８袋内部が減圧されると、フック１６の硬度が高まる。フック１６の硬度を調整し、フック１６の使用時にはその硬度を高めて移動対象物にフック１６を引っ掛け、移動させる。又、フック１６の未使用時には、フック１６の硬度を低下させることで、物体に当接してもフック１６が柔軟に変形し、物体に引っかかることを防ぐ。【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットハンド及びその動作制御方法に関するものである。

従来から、工業製品の製造ラインにおいてロボットハンドが広く用いられている。又、ロボットハンドには、必要に応じてハンドに設けられたフックを、移動対象物に引っ掛けることで、移動対象物の保持を確実にする手法も、種々に発案されている（例えば、特許文献１、２）。更に、近年では、日常生活支援ロボット等、様々な用途に対するロボットハンドの応用研究も進んでいる。

特開平０７−０６９４５０号公報 特開平０８−２８２８４５号公報

ところで、フックが設けられたロボットハンドを用いて作業を行う際に、フックが意図せず物体に引っかり、ロボットハンドの動作を阻害して、作業性を低下させる場合がある。又、例えば、本棚に並べられた複数の本の中から、一冊の本を抜き出すといったような細かい作業を行う場合には、本の厚みよりも細いフックを用いることが望ましい。その反面、フックの強度を確保することが困難となり、移動対象物の重量に制限を受けることになる。その他にも、日常生活における支援作業において、人の手による操作に最適化された様々な対象物を扱う必要があることから、これらの作業に適したロボットハンドが求められている。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ロボットハンドのフックに必要な形状と強度とを確保し、なおかつ、フックが意図せず物体に引っかってしまう等の不具合を回避し、細かい作業等、より広範囲の用途への、ロボットハンドの適用を可能とすることにある。

（発明の態様）
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、更に他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。

（１）開閉動作可能な指と、該指に設けられた、硬度の調整が可能なフックとを備えることを特徴とするロボットハンド（請求項１）。
本項に記載のロボットハンドは、ロボットハンドのフックに、柔軟性と強度といった相反する性質を、選択的に与えるものである。フックの使用時には、その硬度を高めるように、指に設けられたフックの硬度を調整する。そして、フックを移動対象物に引っ掛け、又は、フックにより挟持して移動させるものである。又、フックの硬度を選択的に高めることにより、細かい作業に適した細いフックであっても、使用時には必要な強度を確保するものとなる。一方、フックの未使用時には、フックの硬度を低下させるように、指に設けられたフックの硬度を調整する。そして、フックが意図せず物体に当接したような場合であっても、フックが柔軟に変形してフックの意図しない引っかかりを防ぐものである。

（２）上記（１）項において、前記フックが、袋と該袋内部に密閉される粒子とを含み、かつ、前記袋内部を減圧するための圧力調整手段を備えるロボットハンド。（請求項２）。

本項に記載のロボットハンドは、フックが、袋と、袋内部に密閉される粒子とを含み、袋内部で粒子同士の位置が変化することにより、袋の変形が許容される範囲内で、フックはその外観形状を自在に変化させるものである。フックは、正圧時には、外観形状が自在に変化することから、フックが意図せず物体に当接したような場合でも柔軟に変形し、フックの引っかりを防ぐものである。
一方、圧力調整手段によって袋内部が減圧されると、袋の容積が減少して、袋の容積に対する粒子の堆積比率が増大する。そして、袋内で粒子が移動するための空間が失われ、粒子同士の密着度が高まり、粒子間に生じる摩擦力の増大によって粒子の相対移動が阻害される。これにより、粒子を内包する袋の外形形状、すなわちフックの外観形状が固定され、フックの硬度が高まることとなる。

他方、袋内部の圧力を雰囲気圧力へと戻す（増圧する）と、袋内の容積が再び増加して、袋の容積に対する粒子の堆積比率が減少する。そして、袋内で粒子が移動するための空間が確保され、粒子同士の密着度が低下し、粒子間に生じる摩擦力が減少して粒子の相対移動が可能となる。このため、袋の変形が許容される範囲内で、フックの外観形状は再び自在に変化する。よって、フックの外観形状の固定が解除され、フックは再び柔軟に変形可能となる。
このように、本項に係るロボットハンドは、圧力調整手段によりフックを構成する袋内部の圧力を調整することのみによって、フックの硬度を自在に調整するものである。

（３）上記（２）項において、前記フックが開閉方向に対をなす指の一方又は双方に、１つづつ又は複数設けられており、前記圧力調整手段によって、任意のフックの硬度の調整が可能であるロボットハンド（請求項３）。
本項に記載のロボットハンドは、開閉方向に対をなす指の一方又は双方に、１つづつ又は複数設けられたフックのうち、任意のフックの硬度を圧力調整手段によって調整するものである。例えば、ロボットハンドを用いた作業の如何によっては、対をなす指の一方のフックのみ硬化させて用いる。又、一本の指に対して複数のフックを配置して、作業に必要となる任意のフックのみ、硬化させて用いることとしてもよい。

（４）開閉動作可能な指と、該指に設けられた硬度の調整が可能なフックとを備えるロボットハンドの動作制御方法であって、前記フックを使用するときにのみ、前記フックを硬化させるロボットハンドの動作制御方法（請求項４）。
（５）上記（４）項において、前記フックが、袋と該袋内部に密閉される粒子とを含み、前記フックを使用するときにのみ、前記袋内部を減圧し、前記指を硬化させるロボットハンドの動作制御方法（請求項５）。
（６）上記（５）項において、前記フックを開閉方向に対をなす指の一方又は双方に、１つづつ又は複数設け、任意のフックを硬化させるロボットハンドの動作制御方法（請求項６）。

そして、上記（４）から（６）項記載の、締付工具のロボットハンドの動作制御方法は、上記（１）から（３）項記載のロボットハンドによって実行することが可能なものであり、上記（１）から（３）項記載のロボットハンドと同様の作用が得られるものである。

本発明はこのように構成したので、フックに必要な形状と強度とを確保し、なおかつ、フックが意図せず物体に引っかってしまう等の不具合を回避し、細かい作業等、より広範囲の用途への、ロボットハンドの適用が可能となる。

本発明の実施の形態に係るロボットハンドの要部を示すものであり、（ａ）はロボットハンドの構成を模式的に示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の指及びフックの要部断面図、（ｃ）はフックが柔軟に変形可能な状態を示す模式断面図、（ｄ）は（ｃ）の状態においてフックが変形した状態を示す模式断面図、（ｅ）は（ｄ）の状態においてフックが硬化した状態を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係るロボットハンドの、使用態様を例示する説明図である。 本発明の実施の形態に係るロボットハンドの全体構成を、概略的に示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係るロボットハンドのフックの構造を模式的に示したものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は内袋の単体平面図、（ｃ）は外袋の単体平面図である。 図４に示されるフックがロボットハンドに装着された状態を模式的に示したものであり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて説明する。
本発明の実施の形態に係るロボットハンド１０は、図１（ａ）に示されるように、複数の関節部１２を有して開閉動作可能な、一対の指１４を備えるものである。又、指１４の先端部には、フック１６が装着されている。図示の例では、ロボットハンド１０の指１４は一対設けられ、フック１６は、各指１４の先端下面に１つづつ設けられている。しかしながら、ロボットハンド１０で行う作業を想定し、フック１６を、指１４の一方又は双方に、１つ又は複数設けることとしてもよい。フック１６の構造については追って詳述するが、図１（ｂ）に断面図で示されるように、袋１８と、袋１８の内部に密閉される粒子２０とを備えてなるものである。更に、ロボットハンド１０は、フック１６の内部の圧力を減圧するための、圧力調整手段２２を備えている。

又、フック１６は、少なくとも、ロボットハンド１０に要求される把持力の確保と、必要な耐久性とを考慮しつつ、要求される細かい作業に適するように可能な限り細くなるように、体格が決定されていれば良い。又、粒子２０には、必要な硬度を備えるセラミックの破砕片等が用いられる。なお、袋１８の内部を減圧するための圧力調整手段２２の構成例についても、追って詳述する。
なお、ロボットハンド１０の指１４の開閉動作機構としては、必要な把持力の確保と、小型化の要請とを考慮して、電動モータ等のアクチュエータと、必要に応じて、アクチュエータの駆動力を倍力するための減速機とを組み合わせた開閉動作機構が採用されている。この開閉動作機構の具体的構成については、特に限定されるものではなく、適切な構造が採用される。

本発明の実施の形態に係るロボットハンド１０において、指１４の動作は、ロボットハンド１０に内蔵された開閉動作機構によって、複数の関節部１２を自由に回動させることによって行われる。この際、フック１６を使用しないで作業を行う場合には、フック１６の袋１８の内部は、雰囲気圧力と同等の圧力に置かれている。この状態において、フック１６が物体Ｗ（図１（ｄ）参照）に当接すると、フック１６は図１（ｃ）に示される状態から、図１（ｄ）に示されるように自由に変形する。

しかしながら、圧力調整手段２２によって袋１８の内部が減圧されると、図１（ｅ）に示されるように、指１４に装着されたフック１６は形状固定される。そして、物体Ｗを把持可能な程度に硬化する。
なお、図１（ｅ）の状態において、圧力調整手段２２によって袋１８の内部を、雰囲気圧力へと戻す（増圧する）と、再び図１（ｃ）（ｄ）に示される状態へと復帰する。

図２（ａ）〜（ｄ）には、ロボットハンド１０の具体的な使用態様が、例示されている。
まず、図２（ａ）は、ロボットハンド１０のフック１６が、テーブル１００に接触した状態を示している。このとき、圧力調整手段２２による、フック１６の袋１８内部の減圧がなされていないかぎり、フック１６は柔軟に変形する。このため、フック１６とテーブル１００とが接触することにより、ロボットハンド１０の動作が阻害されることは無い。従って、把持対象物に接近する以前では、フック１６の袋１８内部の圧力を、雰囲気圧力としておくことが望ましい。
続いて、図２（ｂ）には、ロボットハンド１０のフック１６を硬化させて、フック１６により、並べられた本１０２の中から一冊の本を取出す作業を示している。この場合には、フック１６を本の間に差込み、一冊の本を挟持して、取出すことが可能となる。かかる作業を行うに適した形状に適したフック１６の形状は、可能な限り細くすることが望ましい。そして、フック１６が硬化することで、本を保持することが可能な強度がフック１６に与えられる。

図２（ｃ）には、ロボットハンド１０のフック１６を硬化させて、扉１０４の取っ手部１０４ａに引っ掛け、フック１６により、扉１０４の開閉作業を行う様子を示している。この場合にも、フック１６を扉１０４の取っ手部１０４ａに引っ掛けるに適した形状を与えることとし、フック１６が硬化することで、扉１０４の開閉を行うこと可能な強度が確保される。
更に、図２（ｄ）には、ロボットハンド１０のフック１６を硬化させて、フック１６により、押しボタン１０６を押圧する作業を示している。押しボタン１０６の押圧面が小さいような場合には、フック１０６をより小さくする必要があるが、フック１６が硬化することで、押しボタン１０６の押圧操作に適した強度が与えられる。

又、上述のごときロボットハンド１０の開閉動作を可能とするための、ロボットハンド１０の構成例が、図３に示されている。
まず、ロボットハンド１０は、ベース部２４を支持してロボットハンド１０の移動を担うロボット軸２６を備えている。又、ロボット軸２６の動作を制御するロボットコントローラ２８と、ロボットハンド１０の動作状態を、ディスプレー等のインターフェイスに表示する表示部３０とを備えている。更に、ロボットコントローラ２８と連携しながら圧力調整手段２２の動作を制御する、圧力コントローラ３２を備えている。ロボットコントローラ２８、圧力コントローラ３２は、専用又は汎用のコンピュータ等、電子演算器が用いられる。

圧力調整手段２２は、真空ポンプ２２１、真空ポンプ２２１により吸引される空気の圧力を検知・調整する空気圧力調整ユニット２２２、フック１６の袋１８内部の圧力を切り換えるための電磁バルブ２２３、圧力調整を行うフック１６を選択するための、選択用電磁バルブ２２４を備えている。
圧力コントローラ３２には、ロボットインターフェイス３２１、バルブ駆動部３２２、ＣＰＵ３２３、データ記憶部３２４、入力処理部３２５を備えている。これらの各構成要素についても、圧力コントローラ３２のソフトウェア上に、各機能部を構築することが可能である。
そして、ロボットコントローラ２８によって、ロボット軸１６の位置制御、開閉動作機構の開閉動作制御を行うと共に、指１４の開閉動作に連動して、圧力コントローラ３２により圧力調整手段２２を制御し、任意のフック１６の内部圧力を調整するものである。

又、フック１６が、全体的な形状を保持しつつ柔軟に変形する、といった相反する要請を満たすための、具体的構成例を、図４、図５を参照しながら以下に説明する。なお、図４、図５は、説明の便宜上、フック１６、ロボットハンド１４、ベース部２４等を単純化して示したものである。
本発明の実施の形態に係るフック１６の袋１８には、図４（ａ）に示されるように、内袋１８Ａと、内袋１８Ａを被装する外袋１８Ｂとの二重構造が採用されている。内袋１８Ａは、図４（ｂ）に示されるように、袋部材１８Ａａ、接続口１８Ａｂ等を備えている。袋部材１８Ａａは、弾性及び気密性を有する材料として、例えばニトリルゴム（ＮＢＲ）が用いられている。そして、例えばＮＢＲ製の略長方形のシートを半分に折り返し、折り返した辺以外の三方の各辺部の合わせ面を加硫溶着して、袋状に形成されるものである。又、袋部材１８Ａａの折り返した辺の略中央部には孔部１８Ａｆが形成されており、孔部１８Ａｆに、袋部材１８Ａａの内外を連通するための部材である、接続口１８Ａｂが配設されている。

接続口１８Ａｂは、一対の封止部材１８Ａｄを介して、ナット１８Ａｃを螺合して締結することによって、気密性を確保しつつ孔部１８Ａｆに固定されている。また、接続口１８Ａｂには、真空配管３４が接続されている。そして、内袋１８Ａの袋部材１８Ａａの内部には、粒子２０が充填される。又、真空配管３４の、接続口１８Ａｂを貫通して袋部材１８Ａａに内包される端部には、フィルター１８Ａｅが配設されている。このフィルター１８Ａｅは、内袋１８Ａの袋部材１８Ａａの内部に充填された粒子２０が、接続口１８Ａｂから内袋１８Ａの外部へと漏れ出すことを、防止するものである。
なお、内袋１８Ａの袋部材１８Ａａの素材として、ニトリルゴム（ＮＢＲ）を採用した場合を例示しているが、内袋１８Ａを構成する素材をこれに限定するものではなく、弾性及び気密性を有する素材であれば、作業環境等の条件に合わせて種々の素材を採用し得るものである。

一方、外袋１８Ｂは、図４（ｃ）に示されるように、内袋１８Ａを被装し保護するための部材であり、袋部材１８Ｂａ、係留部１８Ｂｂ等を備えている。
袋部材１８Ｂａは、例えば、耐磨耗性及び耐切創性を有する素材であるアラミド繊維製であり、アラミド繊維製の略長方形の二枚のシート状部材を重ね合わせるとともに、三方の各辺部を縫合して、袋状に形成したものである。袋部材１８Ｂａの内部の大きさは、内袋１８Ａを変位可能に収容することが可能なものである。
また、例えば、袋部材１８Ｂａの縫合していない開放側の辺部近傍において、外袋１８Ｂを指１４等に固定するための部位となる、係留部１８Ｂｂ等が付設されている。本実施形態では、係留部１８Ｂｂとして金属製のハトメを採用する簡易な構成としている。

本実施形態では、上述のように、外袋１８Ｂ（袋部材１８Ｂａ）の素材としてアラミド繊維を採用している。アラミド繊維は、耐磨耗性及び耐切創性に優れた素材であるため、内袋１８Ａに摩耗及び切創が生じることなく、確実に保護することができる。
また、アラミド繊維は、物体に当接した場合においても、柔軟に変形するための十分な可撓性を備えている。更には、必要に応じて、外袋１８Ｂ内に収容した内袋１８Ａの形状を、外袋１８Ｂを介して接した把持対象物の形状に、精度良く倣わせることもできる。例えば、フック１６を一旦硬化させて、把持対象物を把持した状態で軟化させて、把持対象物の形状にフック１６の形状を倣わせた後に、再び硬化させるようにしてもよい。このため、アラミド繊維は、外袋１８Ｂ（袋部材１８Ｂａ）を形成する素材として好適である。なお、アラミド繊維は、織物や編物、不職布等の任意の形態で使用することができるが、十分な可撓性と耐久性を両立するために、織物の形態で使用されることが好ましい。

又、本実施形態では、外袋１８Ｂの素材としてアラミド繊維を採用した場合を例示しているが、外袋１８Ｂを構成する素材をこれに限定するものではなく、耐磨耗性及び耐切創性に優れ、かつ、把持対象物の形状に倣う十分な可撓性を備えている素材であれば、種々の素材を採用し得る。
そして、図５（ａ）および図５（ｂ）に示されるように、フック１６は、ロボットハンド１０の指１４の適切な場所に設けられたボルト３６に対して、外袋１８Ｂの係留部１８Ｂｂを挿通し、ワッシャー３８を介してナット４０を締結して、装着されている。このような構成により、フック１６の交換を容易としている。

以上のごとく、フック１６は、図４（ａ）に示すように、外袋１８Ｂに内袋１８Ａを収容して形成する構成となっている。
この構成により、内袋１８Ａが、繰返しの使用によって磨耗したり、切創したりすることを、簡易に、かつ、確実に防止することができる。そして、内袋１８Ａの製品寿命を延ばすことができる。
また、フック１６は、内袋１８Ａと外袋１８Ｂを別体とする構成であり、内袋１８Ａと外袋１８Ｂが互いに相対変位可能であるため、内袋１８Ａの変形が外袋１８Ｂにより引きつられて阻害されることがない。このため、内袋１８Ａは、外袋１８Ｂを介して精度良く把持対象物形状に倣わせることも可能となり、フック１６を把持対象物の形状（凹凸部）に精度良く倣わせることができる。

即ち、フック１６は、あえて内袋１８Ａと外袋１８Ｂを別体とする構成によって、内袋と外袋を一体化した二重構造の袋部材を有する当接部に比して、より堅固な把持状態を実現するものである。
更に、フック１６は、仮に内袋１８Ａが損傷した場合であっても、内袋１８Ａのみを交換することができ、また、外袋１８Ｂが損傷した場合には、外袋１８Ｂのみを交換することができるため、フック１６の所定の機能を維持することが容易であり、経済性にも優れたものとなる。

さて、上記構成をなす本発明の実施の形態によれば、次のような作用効果を得ることが可能である。本項に記載のロボットハンド１０は、指１４に設けられたフック１６の硬度を調整し、フック１６の使用時にはその硬度を高めて移動対象物にフック１６を引っ掛け、移動させることが可能となる。又、フック１６の硬度を選択的に高めることにより、細かい作業に適した細いフックであっても、使用時には必要な強度を確保することが可能となる。一方、フック１６の未使用時には、フック１６の硬度を低下させることで、物体に当接してもフック１６が柔軟に変形し、フック１６が意図せず物体に引っかかることを防ぐことが可能となる。

又、本発明の実施の形態に係るロボットハンド１０は、フック１６が、袋１８と、袋１８内部に密閉される粒子２０とを含み、袋１８内部で粒子２０同士の位置が変化することにより、袋１８の変形が許容される範囲内で、フック１６はその外観形状を自在に変化させるものである。フック１６は、正圧時には、外観形状が自在に変化することから、フック１６が柔軟に変形し、フック１６が意図せず物体に引っかかることを防ぐことが可能となる。
一方、圧力調整手段２２によって１８袋内部が減圧されると、袋１８の容積が減少して、袋１８の容積に対する粒子２０の堆積比率が増大する。そして、袋１８内で粒子２０が移動するための空間が失われ、粒子２０同士の密着度が高まり、粒子２０間に生じる摩擦力の増大によって粒子２０の相対移動が阻害される。これにより、粒子２０を内包する袋１８の外形形状、すなわちフック１６の外観形状が固定され、フック１６の硬度が高まることとなる。

他方、袋１８内部の圧力を雰囲気圧力へと戻す（増圧する）と、袋１８内の容積が再び増加して、袋１８の容積に対する粒子２０の堆積比率が減少する。そして、袋１８内で粒子２０が移動するための空間が確保され、粒子２０同士の密着度が低下し、粒子２０間に生じる摩擦力が減少して粒子２０の相対移動が可能となる。このため、袋１８の変形が許容される範囲内で、フック１６の外観形状は再び自在に変化する。よって、フック１６の外観形状の固定が解除され、フック１６は再び柔軟に変形可能となる。
このように、本発明の実施の形態に係るロボットハンド１０は、圧力調整手段２２によりフック１６を構成する袋１８内部の圧力を調整することのみによって、フック１６の硬度を自在に調整することが可能となる。

又、本発明の実施の形態に係るロボットハンド１０は、圧力調整手段２２の選択用電磁バルブ２２４を切り換えることによって、開閉方向に対をなす指１４の一方又は双方に設けられた複数のフック１６のうち、任意のフック１６の硬度を調整することも可能である。例えば、ロボットハンド１０を用いた作業の如何によっては、対をなす指１４の一方のフック１６のみ硬化させることが可能である。又、一本の指１４当り複数のフック１６を配置して、作業に必要となる任意のフック１６のみ、硬度を調整することも可能となる。

１０：ロボットハンド、１２：関節部、１４：指、１６：フック、１８：袋、２０：粒子、２２：圧力調整手段

Claims (6)

1. 開閉動作可能な指と、該指に設けられた、硬度の調整が可能なフックとを備えることを特徴とするロボットハンド。
2. 前記フックが、袋と該袋内部に密閉される粒子とを含み、かつ、前記袋内部を減圧するための圧力調整手段を備えることを特徴とする請求項１記載のロボットハンド。
3. 前記フックが開閉方向に対をなす指の一方又は双方に、１つづつ又は複数設けられており、前記圧力調整手段によって、任意のフックの硬度の調整が可能であることを特徴とする請求項２記載のロボットハンド。
4. 開閉動作可能な指と、該指に設けられた硬度の調整が可能なフックとを備えるロボットハンドの動作制御方法であって、
   前記フックを使用するときにのみ、前記フックを硬化させることを特徴とするロボットハンドの動作制御方法。
5. 前記フックが、袋と該袋内部に密閉される粒子とを含み、前記フックを使用するときにのみ、前記袋内部を減圧し、前記指を硬化させることを特徴とする請求項４記載のロボットハンドの動作制御方法。
6. 前記フックを開閉方向に対をなす指の一方又は双方に、１つづつ又は複数設け、任意のフックを硬化させることを特徴とする請求項５記載のロボットハンドの動作制御方法。

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