JP2018079542A - 力センサ付モーターハンドとその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 把持する対象物の形状や、重さや、表面の接触抵抗などの情報がなくても、短時間で適切に対象物を把持することができる。
【解決手段】 対象物を把持する把持部に力センサを設けることにより、対象物の硬度の判定を可能にし、クランプ動作を行うことで、力センサの検出した力センサ値、位置制御部により移動させた駆動部の移動量から検出できるエンコーダ値、力制御部により駆動部に加えられた力から検出できる付加トルク値、を記録し、モーターハンドを移動させた時に対象物を把持しているかを光電スイッチなどの外部センサーで把持していることを確認する。把持していなければ、再度一定量の締め込みを行い、モーターハンドを移動させて対象物を把持しているかを確認し、適切に対象物を把持できるまでこの工程を繰り返し、最適な把持力を設定する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、アクチュエータにより把持部を開閉動作させて対象物を把持し、把持する力を検出する力センサを把持部に設けたモーターハンドとその制御方法に関する。

力センサ付モーターハンドは、いくつかの提案がされており、特許文献１には、対象物を把持するフィンガー部に力センサを設けることにより、把持力を広範囲に安定して正確に検出することを可能にしている。フィンガー部が対象物に接触するとフィンガー部に加わった力が力センサにより検出され力検出値が設定された力接触値を超えたことを判別すると、位置フィードバック制御から力フィードバック制御に切り替わる。力フィードバック制御で、力検出値を設定された力目標値に一致するようにアクチュエータを駆動することで、正確な把持力で対象物を把持できる電動ハンドが記載されている。

特許文献２には、ロボット本体に設けられたアームの先端に設けられ、第１の指部と第２の指部とを有するエンドエフェクターに加わる力を検出する力検出部があり、力検出部により検出された力に基づいて、第１の指部と第２の指部とを近づけ、第１の指部が把持対象物と接触すると、当該接触した状態を保ったままアームを第１の指部が設けられた方向へ移動させる。これにより、対象物の形状に関する情報がなくても、ハンドの中心とワークの中心位置とを近づけることができる。その結果、短時間で適切に対象物を把持することができるロボットが記載されている。

特開２０１４−１０８４６６ 特開２０１５−８５４５５

ハンドの基本動作は、対象物を把持して搬送することにあり、対象物を複数の把持部で挟む構造のハンドが一般的に使用される。ガラスなどの壊れやすい又は軽い対象物や、鉄などの硬い又は重い対象物を共通のハンドで搬送しようとすると対象物毎に把持力を調整する必要があり、大きさや重さ異なる複数の種類の対象物に対して自動的に対応することはできない。

異なる対象物を把持するには、対象物毎のクランプ位置や、把持力、硬さを設定する必要があり、対象物の形状や、重さや、表面の接触抵抗（摩擦抵抗）の違いによって、最適な力の閾値などを設定するには時間がかかり困難であるという問題点がある。

特許文献１に記載の発明では、対象物を把持するには、力センサにより検出される力検出値を設定された力目標値に一致させることで把持できるようにしている。この場合、対象物を把持する力の目標値を事前に設定する必要があり、対象物の形状や、重さや、表面の接触抵抗を調べて最適な力の目標値を求めるのに時間がかかる問題がある。

特許文献２に記載の発明では、対象物の形状に関する情報がなくても、ハンドの中心とワークの中心位置とを近づけて、短時間で適切に対象物を把持することができる。把持終了条件として、この時のハンドの把持力は事前に設定している一定値以上である場合である。よって、対象物を把持するのに適切な把持力を設定する必要があり、上記と同様に、対象物に対応した最適な把持力の設定値を求めるのに時間がかかる問題がある。

そこで、本発明は、対象物の形状や、重さや、強度の情報がなくても、短時間で適切に対象物を把持することができるようになるモーターハンドとその制御方法を提供する。

本発明は、把持部を開閉動作することにより対象物を把持するモーターハンドにおいて、前記把持部に設けられ、前記把持部の開閉方向に作用する力を検出する力検知部と、前記把持部を駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータを駆動する駆動部と、前記駆動部の位置を制御する位置制御部と、前記駆動部の力を制御する力制御部を備えることを特徴とするモーターハンドである。

前記力検知部は前記把持部に設けられた少なくとも１つの力センサであり、クランプ動作を行うことで、前記力検知部である力センサから力センサ値と、前記位置制御部による移動させた駆動部の移動量からエンコーダ値と、前記力制御部により駆動部に加えられた力から付加トルク値を検出することを可能としている。そして、それぞれの値を記録し、モーターハンドを移動させたときに対象物を把持しているかを光電スイッチなどの外部センサーで把持していることを確認する。把持していなければ、再度付加トルク値を上昇させて、一定量の締め込みを行い、モーターハンドを移動させて対象物を把持しているかを確認していき、把持部で対象物を把持可能となるまで各値を上昇させていき、適切に対象物を把持できるまでこの工程を繰り返すことにより、適切な把持ができる値を設定する。その結果、異なる対象物を把持するときに、対象物の形状や、重さや、接触抵抗など分からなくても、短時間で適切に対象物を把持することができる。

上述したように、本発明によれば、複数の対象物に対して共通のハンドで搬送する時に、対象物の形状や、重さや、強度の情報がない状態でも、短時間で適切に対象物を把持することができるようになるモーターハンドとその制御方法を提供することができる。

本発明の力センサ付モーターハンドの一例を説明する概略構成図です。 本発明の実施形態の構成図です。 本発明で検出できる値の推移図です。 本発明の実施形態に関するフローチャートです。

以下、本発明の実施の形態を図１〜４に基づいて説明する。

図１は、本発明の力センサ付モーターハンドの一例を説明する概略構成図である。このモーターハンド１は開閉式の把持部１０を２つ持つ。アクチュエータ１２は、図示しないモーター、タイミングベルト、台形ネジ、台形ナット、リニアガイドからなる駆動機構であり、モーターの回転をタイミングベルトにより減速し、台形ネジ、台形ナット、リニアガイドにより直進動作に変換しています。

アクチュエータ１２により、把持部１０が直進移動して開閉動作をし、把持部１０に力センサ１１が設置されている構造になっており、力センサ１１から力センサ値を検出する。矢印１５は把持部１０の動作方向を表しており、開閉移動することで対象物２を把持する。

位置制御部１３は、アクチュエータ１１の移動量を検出するエンコーダである。モーターの回転角度を検出することでエンコーダ値を検出している。

力制御部１４は、モーターハンド１を制御するコントローラである。力制御部１４からの把持指令に基づき、本発明の係る対象物２の把持動作を実行する。力制御部１４に内蔵されているアンプより、モーターから伝わる付加トルク値を検出している。

図１では、把持部１０に設置されている力センサ１１は２つだが、２つの把持部１０には向きは異なるが同じ大きさの把持力が作用する場合は、力センサは１つでも良い。また、把持部１０は対象物を対称に挟むように設置されているので把持部１０は２つだが、向きは異なるが同じ大きさの把持力が作用する場合なら、把持部の数を３つや、４つに増やしても良い。また、モーターの回転をリニアガイドの直進動作に変換する機構であれば、ほかの機構でも良い。

図２は、本発明の実施形態の構成図である。アクチュエータ３２は把持部３０を開閉移動することで対象物を把持する。把持部３０が対象物に接触した時の力は、力検知部３１で検出される力センサ値であり、把持部３０の移動量は、位置制御部３３で検知されるエンコーダ値である。アクチュエータ３２は図示しないモーターを内蔵しており、駆動部３４により駆動される。駆動部３４は、力制御部３５であるコントローラ内臓のアンプであり、把持部が対象物に加える把持力として付加トルク値を検出する。

図３は、本発明で検出できる値の推移図である。Ｔ０１は、モーターハンドの把持動作開始を表し、Ｔ０２は、モーターハンドの開閉動作により、対象物に接触したときを表し、Ｔ０３は、モーターハンドが把持を完了したときを表す。

力制御部から検出できる付加トルク値は、Ｔ０１の時に、初期抵抗分だけ多くの力を加えた後、Ｔ０２までは一定の値である。Ｔ０２に達してからは、Ｔ０３に達するまで徐々に値を上げ、Ｔ０３後は、一定の値となる。

位置制御部から検出できるエンコーダ値は、Ｔ０１から付加トルク値に従い一定の推移で上昇し、Ｔ０２に達してからは、対象物を締め付ける分だけわずかに値を上昇させ、Ｔ０３後は、把持状態を維持するために一定となる。

力検知部から検出できる力センサ値は、Ｔ０１からＴ０２まで、対象物に接していないので検出されない。Ｔ０２からＴ０３までは、硬いものでは急激に上昇し、軟らかいものでは緩やかに上昇していく。Ｔ０３後は、把持状態を維持するために一定となる。

図４は、本発明の実施形態のフローチャートである。把持指令開始したら、モーターハンドが対象物を把持可能な位置まで移動する。移動後、力制御を開始し、モーターを駆動させていき、位置制御を行って対象物に接触するまで把持部を開閉動作させる。対象物に接触したら、力検知部が力センサ値を検出し、力センサ値の上昇の推移から対象物の硬度を判定し、与える付加トルク値の目標値を決定する。目標値になったら、ハンドの移動を行う。この時、光電スイッチなどの外部センサーを用いて、対象物を把持しているのかを確認する。把持をしていない場合、把持失敗時の力センサ値を記憶し、その値よりも大きな値で再び把持動作を行う。把持動作が成功するまでこれを繰り返す。対象物の把持に成功した場合、成功回数が３回未満の場合、同じ力センサ値で再び把持動作を開始する。把持成功回数が３回になった時に、その時の付加トルク値、エンコーダ値、力センサ値の各閾値を記憶して初期位置に戻って把持指令に対する動作を終了する。今回の例では、把持成功回数は３回にしているが、成功回数は任意に変えても良い。

以下、各ステップについて説明する。
[Ｓ０１]把持指令に従い、指定の位置までモーターハンドの移動を開始する。
[Ｓ０２]把持動作を開始してモーターを駆動させる。
[Ｓ０３]モーターの駆動に伴い、対象物に接触するまで把持部の移動を行う。
[Ｓ０４]把持部が対称部に接触したのかを力センサ値が検知する。
[Ｓ０５]対象物の締め付け時の力センサ値の上昇量が緩やかなのかを判断する。緩やかな場合（ＹＥＳ）、Ｓ０６に移行し、緩やかではない場合（ＮＯ）、Ｓ０７に移行する。
[Ｓ０６]対象物を軟らかいものと判断し、付加トルク値を小さい値にする。２回目以降の場合は、前回記憶した値よりも大きい値にする。この時の変化量は小さい。
[Ｓ０７]対象物を硬いものと判断し、付加トルク値の値を大きい値にする。２回目以降の場合は、前回記憶した値よりも大きい値にする。この時の変化量は大きい。
[Ｓ０８]対象物を把持したまま、持ち上げ動作を行う。
[Ｓ０９]持ち上げ動作後のモーターハンドが対象物を把持しているのかを外部センサで確認する。把持していない場合（ＮＯ）、Ｓ１０に移行し、把持している場合（ＹＥＳ）、Ｓ１１に移行する。
[Ｓ１０]把持失敗時の力センサ値を記憶し、再び把持動作を最初からやり直す。
[Ｓ１１]把持成功回数を記憶し、成功回数が３回かどうか確認する。３回未満の場合（ＮＯ）、対象物を元の位置に戻し、再度把持動作を開始する。３回の場合（ＹＥＳ）、対象物を元の位置に戻し、付加トルク値、エンコーダ値、力センサ値の各閾値を記憶し、初期位置にハンドを戻して動作を終了する。

１ モーターハンド
２ 対象物
１０ 把持部
１１ 力センサ
１２ アクチュエータ
１３ 位置制御部
１４ 力制御部
１５ 可動方向

３０ 把持部
３１ 力検知部
３２ アクチュエータ
３３ 位置制御部
３４ 駆動部
３５ 力制御部

Claims (3)

1. 開閉動作により対象物を把持する、少なくとも２つの把持部を持つモーターハンドにおいて、前記把持部に設けられ、前記把持部の開閉方向に作用する力を検出する力検知部と、前記把持部を駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータを駆動する駆動部と、前記駆動部の位置を制御する位置制御部と、前記駆動部の力を制御する力制御部を備えることを特徴とする力センサ付モーターハンド。
2. 請求項１に記載するモーターハンドにおいて、前記力検知部は前記把持部に設けられた少なくとも１つの力センサであることを特徴とする力センサ付モーターハンド。
3. 請求項１又は２に記載のモーターハンドにおいて、前記力検知機から検出できる力センサ値と、前記位置制御部から検出できるエンコーダ値と、前記力制御部から検出できる付加トルク値より、前記対象物の硬さを判定する工程と、前記対象物を把持できる値であるかを判定する工程よりなる力センサ付モーターハンドの制御方法。