JP2017185583A - ロボットハンドの爪部交換機構およびこの爪部交換機構を用いた爪部交換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットハンドとして最も一般的な平行二指ハンドにおいて、汎用性が高く、しかも、複雑な機構を用いることなく、ロボットハンドのアプローチ方向を変更することだけで、爪部の交換を相互に確実に行えるようにする。【解決手段】指ベース４を対面接触させた上で、ハンド本体１をホルダーに対し水平方向にアプローチさせ、レバー２３の開放端側に形成された、外方に向けて拡開する第１のテーパー部２８を押し広げながら爪部を係合部に係合させ、背板２０に面接触させることで、レバー２３により爪部２を保持させるとともに、指ベースに設けられた、爪部を係止するロックピンを解除させる。また、指ベース４を対面接触させた上で、ハンド本体１をホルダーに対し垂直方向にアプローチさせ、ロックピンにより爪部と係止させるとともに、第１のテーパー部２８の頂点から内方に向けて拡開する第２のテーパー部２９を押し広げて、爪部とホルダーとの係合を解除させる。【選択図】 図５

Description

本発明は、ロボットハンドの爪交換機構およびこの爪部交換機構を用いた爪部交換方法に関する。

工場の生産ラインが多品種少量型となり、多様な物品を取り扱う必要が生じている。
従来、ロボットハンドで多様な物品を取り扱うために、異なった形状の指を備え、握力や指の開閉ストロークが異なったロボットハンドを複数用意しておき、ツールチェンジャを用いて手首から先のハンド全体を着脱交換する手段が用いられている。
これまで、多様な物品を扱うため、形状の異なる複数の爪を用意しておき、爪を着脱交換する手段が提案されている。

特許文献１には、解除ピンと係合してラチェットを反付勢方向に移動させるテーパー面を有する爪部材保持により、ロボットハンドの下降時に、解除ピンとテーパー面との係合により先端爪部材を爪部材保持台内に収容し、爪部材保持台内に収容された先端爪部材に対し、末端爪部材の嵌合孔を位置決めしてロボットハンドを下降して、ラチェットを凹孔内に嵌合させ、ロボットハンドの爪部材を交換することが記載されている。

また、特許文献２には、交換爪モジュールを指部材に装着し、指部材の指部上方から挿入孔に挿入されると、指部のテーパー面によって、ボールが圧縮バネの付勢力に抗して径方向外側に押圧されて筒体内に退入し、指部の横溝部が進出して横溝部に係合しロック状態にするとともに、指部材を上方へ引き抜くと、横溝部の下側斜面によって、ボールが圧縮の付勢力に抗して径方向外側に押圧されて筒体内に退入し、指部材のロックを解除することが記載されている。

特開２０１１−１８９４１５号公報 特開２０１３−０９１１２１号公報

特許文献１の爪交換機構では、爪の装着時と離脱時に、それぞれ異なった場所での爪の位置決めが必要であり、ロボットハンドは指の位置決めが開と閉の二つの状態しか制御できない場合が多く、指の開閉ストロークが異なる場合は、爪保持台をハンド毎に用意しなければならず、専用設計が必要となりコストアップを招く。
また、特許文献２の爪交換機構では、ハンド本体の指部材に連動して爪を開閉する機構が必要となり、着脱される爪側の機構が複雑なものとなってしまい、コストアップ、信頼性や耐久性の低下を招いてしまう。

近年、３Ｄプリンタの登場により、多様な物品の取り扱いに適した様々な形状の爪を簡単に製作できるようになっている。
そこで、本発明の目的は、ロボットハンドとして最も一般的な平行二指ハンドにおいて、物品の取り扱いに応じて様々な形状を備え、しかも、装着部の構造を規格化した爪部を３Ｄプリンタで造形して用意しておき、指の開閉ストロークや、指の位置決め精度の異なった様々な平行二指ハンドに対して、様々な形状の爪を相互に交換することができ、しかも、爪の交換において特別な駆動源や複雑な機構を用いることなく、ロボットアームの運動によってロボットハンドの運動方向を変更することだけで、こうした爪部の交換を確実に行えるようにすることにある。

この課題を解決するため、本発明の爪部交換機構においては、ロボットアームの先端に取り付けたハンド本体１と、このハンド本体１に着脱可能な一対の爪部２と、この爪部２を保持するホルダーから構成され、前記ハンド本体１は、ハンドベース３と、このハンドベース３に装着され、その内部に収納されたアクチュエータにより開閉される一対の指ベース４を備え、前記指ベース４は、前記爪部２の取り付け穴８と、バネ１０により付勢され、前記爪部２を係止するロックピン９と、ロックを解除するロック解除バー１２を備え、前記爪部２は、前記指ベース４のそれぞれに装着される根元部６と把持部７を備え、前記根元部６の上面には前記指ベース４の取り付け穴８に挿入する軸１４と、前記ホルダーに係合する溝部１７が形成されており、前記軸１４には前記ロックピン９と係合する凹部１５が設けられ、前記ホルダーは、背板２０と、その両側面に固定され、前記爪部２の溝部１７と係合する突起部２２を有する側板２１と、前記側板２１の外側に回転自在に支持され、バネ２４により前記側板２１の外側側面に常時接触するよう付勢された一対のレバー２３を備え、前記レバー２３の開放端側には、外方に向けて拡開する第１のテーパー部２８と、この第１のテーパー部２８の頂点から内方に向けて拡開する第２のテーパー部２９が形成されている。

また、本発明の爪部交換方法においては、前記指ベース４を対面接触させた上で、前記ロボットアームにより前記ホルダーに対し水平方向にアプローチさせ、前記第１のテーパー部２８を押し広げながら、前記爪部２の根元部６に形成された前記溝部１７を、前記側板２１の突起部２２に係合させて前記背板２０に面接触させ、前記第２のテーパー部２９により前記爪部２を前記背板２０に押し付け、位置決めすることで保持させるとともに、前記ロック解除バー１２と前記背板２０を係合させてロックピン９を解除して前記爪部２を前記ホルダーに格納させ、前記ロボットアームにより前記ハンド本体１を垂直上方向に移動し、前記爪部２の取り付け穴８から前記軸１４を引き抜いてハンド本体１から前記爪部２の取り外しを行い、前記指ベース４を対面接触させた上で、前記ロボットアームにより、前記ハンド本体１を前記ホルダーに対し垂直下方向にアプローチさせることで、前記指ベース４の取り付け穴８に前記軸１４を挿入し、前記ロボットアームにより、前記ハンド本体１をホルダーに対し離脱する水平方向に移動することで、前記ロックピン９により前記爪部２を係止させるとともに、前記第２のテーパー部２９を押し広げて、前記爪部２と前記ホルダーとの係合を解除させ、ハンド本体１に前記爪部２を装着するようにした。

本発明によれば、指の開閉ストロークが異なっても、指ベースを対面接触させたときには、指ベースはすべてのハンドで共通の状態となる。
そこで、この指ベースに脱着される爪部における根元部の構造を共通化し、爪部の脱着を指ベースが対面接触している状態で行うことで、多様な形状を備え、開閉ストロークが異なった様々な平行二指ハンドに対して、爪部の着脱が相互に可能となる。
しかも、爪部をホルダーに保持させて格納する際、第２のテーパー部が爪部の根元部における両側角部に線接触し、根元部を背板に押しつけ、爪部を自動的に位置決めすることができ、爪部をホルダーから取り外して指ベースに装着する際、第２のテーパー部により、バネに抗してレバーをスムースに押し広げることができ、引っかかりを生じることなくホルダーから爪部を取り外すことができる。

図１は、ハンド本体１に爪部２が装着された状態を示す図である。 図２は、指の開閉ストロークが異なるハンド本体１に対応して、把持部の形状が異なる爪部２が装着されており、指を全閉制御したときに図１と同様に指ベース４が対面接触している状態を示している。 図３は、指ベース４の断面図である。 図４は、図１における左側爪部２の詳細図である。 図５は、爪部２を保持するホルダーの概略図である。 図６は、ホルダーで爪部２を保持している状態を示している。 図７は、ハンド本体１に爪部２を装着する際に、指ベース４のロックピンを押し込んでいる様子を示す図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

図１は、三次元空間内を並進・回転移動するロボットアームの先端に設けられたハンド本体１に爪部２が装着された状態を示している。
ハンド本体１は、ハンドベース３と互いに対向する二本の指ベース４を備えており、指ベース４は、取り付け部５を介してハンドベース３に連結されている。ハンドベース３には、指ベース４を駆動するアクチュエータが内蔵されており、ロボットハンドへの指令により、指の開閉を制御し、物品の把持と開放を可能にしている。

ハンドベース３には、握力が異なったものや、左右の指が同時に可動できるものや、片方の指しか可動しないものや、開閉ストロークが異なるものや、指の位置決めが全開と全閉の間で任意の位置に制御できるものや、指を全開と全閉の二つの状態しか制御できないものなど様々な機構のものがある。
様々な機構のハンドベース３に対して、ロボットハンドに指令を送り、指を全閉するように制御したとき、図１、図２に示すように、いずれの場合でも左右の指ベース４が対面接触するように取り付け部５の形状を変更して、指ベース４をハンドベース３に取り付ける。
これにより、把持する物品の形態が変更され、ハンドベース３の仕様が異なる様々な平行二指ハンドについても、ハンドの指を全閉制御したとき、指ベース４は共通に対面接触することになる。

図３は、指ベース４の断面図を示しており、指ベース４には、爪部２の軸１４(図４参照)が挿通される取り付け穴８と、ロックピン９と、ロックピン９と連結部材１１を介して連結したロック解除バー１２が設けられている。
ロックピン９は、常態ではバネ１０により取り付け穴８に突出するように付勢されており、ロック解除バー１２は、テーパー１３を有し、常態ではバネ１０により指ベース４の外側に突出するように付勢されている。
これにより、ロック解除バー１２を指ベース４の内側に押し込むことで、ロックピン９の先端部は爪取り付け穴８の外側に押し出され、ロックが解除される。

図４は、図１における左側爪部２の詳細を示すものである。図４に示すように、爪部２は、根元部６と把持部７から構成される。根元部６の形状は左右の指で対称であり、すべての爪の対において共通である。把持部７は物品の扱いに応じて様々な形状であり、左右の指で対称形状であってもよいし、左右の指で非対称形状であってもよい。
なお、爪部２は根元部６と把持部７を一体に３Ｄプリンタで造形してもよいし、根元部６を金属加工で成型し、把持部７のみを３Ｄプリンタで造形して根元部６にネジで螺合してもよい。

爪部２の根元部６は、指ベース４の取り付け穴８に挿通される軸１４を備え、その側面には、爪部２をハンド本体１に装着したときに、ロックピン９(図３参照)と係合する凹部１５を有する。また軸１４の先端部には、取り付け穴８との嵌合をガイドする面取り１６が設けられている。
爪部２の根元部６には、左右の指を閉じたときに、指開閉方向にあり、外側となる面に溝部１７が形成されており、そのホルダー挿入側端に溝拡大部１８、１９が設けられている。

図５は、ロボットアームの可動範囲に設置された、爪部２を保持するホルダーの概略図である。
ホルダーは、背板２０と、その側面に固定された二枚の側板２１から構成され、背板２０の上端にはテーパー２６が設けられている。
なお、二枚の側板２１の間の間隔は、爪部２の根元部６を対面接触させたときの両根本部６(図６参照)を合わせた幅にわずかな隙間を加えた幅に設定されている。

二枚の側板２１の内側には、爪部２の根元部６に形成された溝部１７(図４参照)と係合する突起部２２が水平に形成されており、突起部２２の爪挿入側端にテーパー２７が形成されている。
なお、爪部２の根元部６に突起を形成し、二枚の側板２１の内側にこの突起と係合する溝を形成するようにしてもよい。

ホルダーの側板２１の外方には、爪部２を保持した状態でロックするためのレバー２３が設けられており、レバー２３は回転軸２５の回りに回転自在に支持され、バネ２４により、レバー２３の内側側面が、側板２１の外側側面に密着する方向に付勢している。
レバー２３の先端には、外方に向けて拡開する第１のテーパー部２８と、第１のテーパー部２８の頂点からから内方に向けて拡開する第２のテーパー部２９が形成されている。後述するように、第１のテーパー部２８により、爪部２をホルダーに戻すときに多少のずれがあっても、バネ２４に抗してレバー２３をスムースかつ確実に押し広げることができる。
また、第２のテーパー部２９は、爪部２を保持する際、そのテーパー面で、爪部２の根元部６における両側角部に線接触し、爪の根元部６を背板２０に押しつけ、爪部２を自動的に位置決めすることができる。また、爪部２をホルダーから取り外すとき、第２のテーパー部２９により、バネ２４に抗してレバー２３をスムースに押し広げることができ、引っかかりを生じることなくホルダーから爪を取り外すことができる。

図６はホルダーで爪部２を保持している状態を示しており、一対の爪部２は、その根元部６が対面接触した状態でホルダーに保持されている。左右の爪部２に設けられた軸１４の間隔は、左右の指ベース４を対面接触させたときの取り付け穴８の間隔と等しい。
これにより、指の開閉ストロークが異なるハンドでも、指を全閉制御することで指ベース４を対面接触させ、共通の状態で爪の着脱が行える。
また、側板２１の高さは、爪部２の根元部６(軸１４を除く。)の長さよりも低く、爪部２が保持されているとき、軸１４を除く根元部６の上下端が側板２１の上下面から突出するように設定されている。これにより、側板２１と指ベース４との干渉、および側板２１と様々な形状の把持部７との干渉を避けることができる。
なお、側板２１の長さは、爪部２を保持したときに、背板２０と反対側に位置する根元部６の端面が、側板２１の外に突き出る長さとしており、これにより、レバー２３により、爪部２の根元部６を内側に直接押し込むことを可能としている。

ホルダーに保持された爪部２を、ハンド本体１に装着する際は、図６に示すように、一対の爪部２は、その根元部６が対面接触した状態で保持されており、ハンドベース３内のアクチュエータを作動させて指を全閉制御し、指ベース４を対面接触した状態で、上方から爪部２にアプローチする。
これにより、図７に示すように、指ベース４のロック解除バー１２をホルダーの背板２０と接触させることで指ベース４の内側に押し込み、ロックピン９の先端部は取り付け穴８の外側に押し込まれた状態となり、爪取り付け穴８から退出する。

その状態で、指ベース４の取り付け穴８に、爪部２の根元部６に設けられた軸１４を挿入し、ロボットアームの運動により、ハンド本体１がホルダーの背板２０から離れるように水平方向に移動することで、指ベース４のロック解除バー１２と、ホルダーの背板２０との係合が解除される。これと同時に、ロックピン９の先端部と、爪部２の根元部６の軸１４側面に形成された凹部１５が係合してロックし、図５に示されるホルダーのレバー２３を押し開いて、ホルダーによる爪部２のロックを解除し、ホルダーから爪部２を装着して取り出す爪部装着機構を構成することができる。

一方、ハンド本体１から爪部２を取り外す際は、ハンドベース３内のアクチュエータを作動させて指が全閉となるように制御し、指ベース４を対面接触する状態とした上で、ロボットアームの運動により、ハンド本体１を水平方向からホルダーにアプローチさせ、レバー２３を押し広げ、爪部２の根元部６に形成された溝部１７と、ホルダーの側板２１に形成された突起部２２を係合させる。
指ベース４のロック解除バー１２とホルダーの背板２０を係合させてロック解除バー１２を指ベース４の内側に押し込み、ロックピン９の先端部を取り付け穴８から退出させ、ロックを解除する。このとき、一対の爪部２は、ホルダーのレバー２３によりホルダー背板２０に押し付けられてロックされ、この状態で、ロボットアームの運動によりハンド本体１を上に移動することで、指ベース４の取り付け穴８から爪部２の根元部６に設けられた軸１４を引き抜くことで爪部格納装置を構成することができる。

以上説明したように、本発明の爪部交換機構によれば、ロボットハンドで多様な物品を取り扱うために、握力や指の開閉ストロークの異なる様々なタイプの平行二指ハンドに対して、物品の取り扱いに応じた異なった形状の指をロボットアームの運動のみによって相互に着脱交換することが可能となり、しかも、爪部を装着するとき、スムースにホルダーから爪を取り外すことができるので、多様な形状の物品の取り扱いを可能とする爪部交換機構として広く採用されることが期待できる。

１：ハンド本体
２：爪部
３：ハンドベース
４：指ベース
５：指ベースのハンドベースへの取り付け部
６：爪の根元部
７：爪の把持部
８：取り付け穴
９：ロックピン
１０：バネ
１１：連結部材
１２：ロック解除バー
１３：テーパー
１４：軸
１５：凹部
１６：面取り
１７：溝部
１８、１９：溝拡大部
２０：背板
２１：側板
２２：突起部
２３：レバー
２４：バネ
２５：回転軸
２６、２７：テーパー
２８：第１のテーパー部
２９：第２のテーパー部

Claims (2)

1. ロボットアームの先端に取り付けたハンド本体(１)と、このハンド本体(１)に着脱可能な一対の爪部(２)と、この爪部(２)を保持するホルダーから構成され、
   前記ハンド本体(１)は、ハンドベース(３)と、このハンドベース(３)に装着され、その内部に収納されたアクチュエータにより開閉される一対の指ベース(４)を備え、
   前記指ベース(４)は、前記爪部(２)の取り付け穴(８)と、バネ(１０)により付勢され、前記爪部(２)を係止するロックピン(９)と、ロックを解除するロック解除バー(１２)を備え、
   前記爪部(２)は、前記指ベース(４)のそれぞれに装着される根元部(６)と把持部(７)を備え、前記根元部(６)の上面には前記指ベース(４)の取り付け穴(８)に挿入する軸(１４)と、前記ホルダーに係合する溝部(１７)が形成されており、前記軸(１４)には前記ロックピン(９)と係合する凹部(１５)が設けられ、
   前記ホルダーは、背板(２０)と、その両側面に固定され、前記爪部(２)の溝部(１７)と係合する突起部(２２)を有する側板(２１)と、前記側板(２１)の外側に回転自在に支持され、バネ(２４)により前記側板(２１)の外側側面に常時接触するよう付勢された一対のレバー(２３)を備え、
   前記レバー(２３)の開放端側には、外方に向けて拡開する第１のテーパー部(２８)と、この第１のテーパー部(２８)の頂点から内方に向けて拡開する第２のテーパー部(２９)が形成されていることを特徴とする爪部交換機構。
2. 請求項１に記載された爪部交換機構を用いた爪部交換方法であって、
   前記指ベース(４)を対面接触させた上で、前記ロボットアームにより前記ホルダーに対し水平方向にアプローチさせ、前記第１のテーパー部(２８)を押し広げながら、前記爪部(２)の根元部(６)に形成された前記溝部(１７)を、前記側板(２１)の突起部(２２)に係合させて前記背板(２０)に面接触させ、前記第２のテーパー部(２９)により前記爪部(２)を前記背板(２０)に押し付け、位置決めすることで保持させるとともに、前記ロック解除バー(１２)と前記背板(２０)を係合させてロックピン(９)を解除して前記爪部(２)を前記ホルダーに格納させ、
   前記ロボットアームにより前記ハンド本体(１)を垂直上方向に移動し、前記爪部(２)の取り付け穴(８)から前記軸(１４)を引き抜いてハンド本体(１)から前記爪部(２)の取り外しを行い、
   前記指ベース(４)を対面接触させた上で、前記ロボットアームにより、前記ハンド本体(１)を前記ホルダーに対し垂直下方向にアプローチさせることで、前記指ベース(４)の取り付け穴(８)に前記軸(１４)を挿入し、前記ロボットアームにより、前記ハンド本体(１)をホルダーに対し離脱する水平方向に移動することで、前記ロックピン(９)により前記爪部(２)を係止させるとともに、前記第２のテーパー部(２９)を押し広げて、前記爪部(２)と前記ホルダーとの係合を解除させ、ハンド本体(１)に前記爪部(２)を装着するようにしたことを特徴とする爪部交換方法。

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