JP2018130810A - 把持装置、把持システム及び制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構造で、様々な対象物を把持可能な把持装置を得る。【解決手段】 把持装置が備える吸着ハンド１２０は、空気を排出させる排気部１２１と、対象物を把持する際に対象物に接触させる接触部１２２と、対象物を把持する際に少なくとも１方向に変形する変形部１２３とを備え、排気部１２１及び接触部１２２で開口した中空構造であり、変形部１２３は、接触部１２２の開口の周方向に連続した構造で中空空間を取り囲む側壁を有し、対象物を把持する際に、排気部１２１から空気が排出されることで発生する吸着ハンド１２０の内部の負圧と吸着ハンド１２０の外部の大気圧との差圧によって変形する。【選択図】 図３

Description

本発明は、物品を把持して作業を行うための把持機構を備えた把持装置、把持システム、及び把持装置を制御する制御装置に関する。

工場などにおいて、部品などの物品を移動させるなどの目的で、ロボットにハンドが装着され、ロボットによる物品の把持が行われている。ハンドには様々な形態があるが、その中に吸着方式のハンドがある。以降では、吸着方式のハンドを吸着ハンドと呼ぶ。吸着ハンドは、吸着パッドを備えており、吸着パッドを対象物となる物品に密着させた状態で、外部の負圧発生源を用いて吸着パッド内の空気を排出して負圧とし、大気圧との差圧によって把持力を発生させる。吸着ハンドでは、吸着パッドと対象物との密着性、および吸着した際の吸着部分の面積が、把持する力に影響する。しかし、対象物の種類によって、吸着させることができる面積は変化する。従来、複数種類の対象物の把持を可能とする吸着ハンドが提案されている。例えば、特許文献１には、空気の流入が可能な多孔質であり、被搬送物と当接したとき変形可能な吸着パッドを備えた吸着搬送装置が記載されている。

特開平９−９４７８６号公報

しかし、特許文献１に記載の吸着装置においては、吸着する物品の大きさや形状により多孔質のパッドから空気の漏れが生じるため、吸着パッド内の負圧が高い値にならず、大きな吸着力が得られない場合がある。したがって、特許文献１に記載の従来の吸着装置には、把持可能な物品が軽量なものに限られ、様々な対象物に対応することが出来ないという課題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、様々な対象物を把持可能な吸着ハンドを備えた把持装置を得ることを目的とする。

本発明における把持装置は、吸着部を備え、吸着部で対象物を吸着して把持する把持装置であって、吸着部は、空気を排出させる排気部と、対象物を把持する際に対象物に接触させる接触部と、対象物を把持する際に少なくとも１方向に変形する変形部とを備える。また、吸着部は、排気部及び接触部で開口した中空構造であり、変形部は、接触部の開口の周方向に連続した構造で中空空間を取り囲む側壁を有する。また、本発明における把持装置においては、排気部から空気が排出されることで発生する吸着部の内部の負圧と吸着部の外部の大気圧との差圧によって側壁が変形して対象物を把持する。

本発明における把持装置によれば、様々な対象物を把持可能となる。

本発明の実施の形態１による把持装置を備えたロボットシステムの構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１による把持装置を備えたロボットシステムにおける負圧発生源の性能を説明するための図である。 本発明の実施の形態１による把持装置における吸着ハンドの外観を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１による把持装置における吸着ハンドの切断形状を示す図である。 本発明の実施の形態１による把持装置で物品を把持する様子を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１による把持装置における側壁の内面の一例を説明するための図である。 本発明の実施の形態１による把持装置における側壁の内面の別の例を説明するための図である。 本発明の実施の形態１による把持装置で棒状の物品を把持する様子を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１による把持装置で大きな上面を有する物品を把持する様子を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１による把持装置における吸着ハンドの内部の負圧と負圧発生源の吸引流量との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１による把持装置における吸着ハンドの別の例の外観を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１による把持装置における吸着ハンドの別の例の切断形状を示す図である。 本発明の実施の形態１による把持装置における吸着ハンドの更に別の例の外観を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１による把持装置における吸着ハンドの更に別の例の切断形状を示す図である。 本発明の実施の形態１による把持装置における制御装置のハードウェア構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１による把持装置における制御装置が実行する処理の流れを示す図である。 本発明の実施の形態２による把持装置における吸着ハンドの外観を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２による把持装置における吸着ハンドの切断形状を示す図である。 本発明の実施の形態２による把持装置における制御装置が実行する処理の流れを示す図である。 本発明の実施の形態３による把持装置における吸着ハンドの外観を示す斜視図である。 本発明の実施の形態３による把持装置における吸着ハンドの切断形状を示す図である。 本発明の実施の形態３による把持装置における吸着ハンドの形状を示す透視図である。 本発明の実施の形態４による把持装置における吸着ハンドの切断形状を示す図である。 本発明の実施の形態４による把持装置において気密空間が大気圧となった場合を示す模式図である。 本発明の実施の形態４による把持装置において気密空間が減圧された場合を示す模式図である。 本発明の実施の形態４による把持装置における制御装置が実行する処理の流れを示す図である。 本発明の実施の形態４による把持装置における制御装置が実行する別の処理の流れを示す図である。 本発明の実施の形態５による把持装置における吸着ハンドの外観を示す斜視図である。 本発明の実施の形態５による把持装置における吸着ハンドの切断形状を示す図である。 本発明の実施の形態５による把持装置における吸着ハンドの外観を示す斜視図である。 本発明の実施の形態５による把持装置における吸着ハンドの切断形状を示す図である。 本発明の実施の形態６による把持システムの構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態６による把持システムにおける第１の負圧発生源の特性を示す図である。 本発明の実施の形態６による把持システムにおける第２の負圧発生源の特性を示す図である。 本発明の実施の形態６による把持システムで生成される配管の内部の負圧と空気の流量との関係を示す図である。 本発明の実施の形態６による把持システムにおける制御装置が負圧発生源及び弁を制御する処理の流れを示す図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における把持装置１００を備えたロボットシステムの構成の一例を示す図である。図１に示すロボットシステムは、把持装置１００、負圧発生源２００、配管３００、センサ３１０、及び制御装置４００を備え、把持装置１００で対象物である物品５００を把持する。把持装置１００は、ロボットアーム１１０と、吸着ハンド１２０とを備えている。吸着ハンド１２０は、物品５００を吸着して把持する吸着方式のハンドである。吸着ハンド１２０は、ロボットアーム１１０に取り付けられている。さらに、吸着ハンド１２０は、吸着パッド１３０を備えている。吸着ハンド１２０が、吸着部として機能する。

制御装置４００は、把持装置１００及び負圧発生源２００と制御線で接続されている。制御装置４００は、制御線を介して制御信号を送信することで、把持装置１００及び負圧発生源２００の動作を制御する。制御装置４００は、メモリ及びプロセッサで構成することができる。なお、本実施の形態の把持装置１００では、吸着パッド１３０を備えた吸着ハンド１２０を吸着部としているが、吸着パッド１３０を配管３００に直接に接続しても良く、この場合、吸着パッド１３０が吸着部となる。また、ロボットアームは単にアームと呼ぶこともできる。さらに、本実施の形態では、ロボットアーム１１０と吸着ハンド１２０とを備えたロボットシステムを例に挙げて説明するが、必ずしもロボットシステムへの適用に限定されるものではない。

配管３００は、負圧発生源２００と吸着ハンド１２０とを接続し、負圧発生源２００と吸着ハンド１２０との間の空気の流通を可能としている。センサ３１０は、配管３００に設置され、配管３００における圧力を計測する圧力センサ、または配管３００における空気の流量を計測する流量センサである。図示は省略しているが、センサ３１０は制御装置４００と接続されており、制御装置４００はセンサ３１０の計測結果は読み取り、計測結果を参照して把持装置１００及び負圧発生源２００の動作を制御する。なお、図１においては、センサ３１０は配管３００に設置されているが、吸着ハンド１２０から負圧発生源２００に至る空気の流路のいずれかに設置されれば良い。

制御装置４００は、ロボットアーム１１０を制御し、吸着ハンド１２０を移動させ、物品５００の表面に吸着ハンド１２０を押し当てる。物品５００の表面に吸着ハンド１２０が押し当てられた状態で、制御装置４００は、負圧発生源２００を制御し、配管３００を介して、吸着ハンド１２０の内部の空気を排出する。この結果、吸着ハンド１２０の内部に負圧が生じ、吸着ハンド１２０の外部の大気圧との圧力差によって、物品５００が吸着ハンド１２０に吸着する。

吸着ハンド１２０で物品５００を吸着した際の把持力Ｆは、吸着ハンド１２０が物品５００に吸着している面積をＡ、その際の吸着ハンド１２０の内部の負圧をＰとすると、式（１）で表される。ここで、負圧とは、大気圧と比較した結果マイナスとなる圧力を意味しており、物品５００を吸着ハンド１２０へ押し付け、持ち上げる力を生み出す。また、負圧は、絶対圧力と大気圧との差であるゲージ圧で表される。

式（１）から、より大きな把持力Ｆを得るためには、負圧Ｐの絶対値を大きくするか、吸着する面積Ａを大きくする必要があることが分かる。しかし、負圧Ｐの絶対値は、最高でも１気圧であり上限がある。このことから、重量の大きな物品５００を把持する際や、外力が加わっても物品５００を把持し続けるためには、出来るだけ大きな吸着面積Ａを確保することが重要である。また、物品５００の表面の小さな領域に過度に大きな力を加えることも望ましくない。この点からも、出来るだけ大きな吸着面積Ａを確保することが重要となる。

一方で、吸着ハンド１２０をむやみに大きくしても、物品５００が小さい場合、もしくは物品５００が凹凸などの複雑な形状を持つ場合には、吸着ハンド１２０を物品５００に押し付けた時に、吸着ハンド１２０と物品５００との間に隙間が生じてしまう。吸着ハンド１２０と物品５００との間に隙間が生じると、隙間から吸着ハンド１２０の内部に空気が流入し、その結果、把持装置１００は十分な吸着力を得られない。

負圧発生源２００としては、イジェクタ、真空ポンプ、ブロアなど、空気を排出して圧力を低下させる様々な機器が用いられる。図２は、負圧発生源２００の性能を説明するための図である。図２において、縦軸は発生する負圧Ｐの大きさであり、横軸は空気の流量Ｑである。なお、負圧Ｐの大きさとは、負圧Ｐの絶対値である。また、図２において、縦軸は単にＰと記載しているが、実際には負圧Ｐの絶対値を表している。図２では、第１の特性６００ａ及び第２の特性６００ｂの２つの特性を示しており、第１の特性６００ａを破線で示し、第２の特性６００ｂを実線で示している。

図２に示すように、負圧発生源２００の性能は、空気の流量Ｑと、負圧Ｐの大きさとの関係で表される。ただし、負圧Ｐの大きさが最大となるのは、空間中に気体の粒子が全く存在しない状態であり、この場合には絶対圧が０となる。絶対圧が０となる場合、大気圧との差である負圧Ｐは、約−１００ｋＰａとなる。なお、ｋＰａは、キロパスカルを表す。したがって、負圧Ｐの大きさは、最大で約１００ｋＰａとなる。以降では、負圧の最大値と記載した場合、負圧の絶対値の最大値を意味する。

図２に示す第１の特性６００ａは、第２の特性６００ｂと比較して、負圧の最大値は大きいものの、流量の最大値は小さい。逆に、図２に示す第２の特性６００ｂは、第１の特性６００ａと比較して、流量の最大値は大きいものの、負圧の最大値は小さい。一般に、イジェクタや真空ポンプと呼ばれる機器は、負圧の最大値は大きい。

図２に示すように、発生する負圧の大きさが最大となるのは、流量が０の時である。流量が０となるのは、締め切り状態（空間が密閉されている状態）の場合である。したがって、大きな吸着力を得るためには、吸着ハンド１２０が隙間なく物品５００に密着することが望ましい。さらに、吸着ハンド１２０と物品５００との間の隙間が一定以上の大きさになると、隙間から流入する空気の量が、負圧発生源２００によって排出できる空気の量の上限に達する。この場合には、負圧は０となるため、把持装置１００は、まったく把持力を生じさせることができない。

吸着ハンド１２０が隙間なく物品５００に密着する場合は、吸着面積Ａが同じであれば、第１の特性６００ａを有する機器を負圧発生源２００として採用する方が、負圧の最大値が大きいため、大きな把持力を得られる。しかし、吸着ハンド１２０と物品５００との間に大きな隙間が生じ、空気の流量が大きくなる場合は、第２の特性６００ｂを有する機器を負圧発生源２００として採用する方が、比較的大きな把持力を得られる。ただし、絶対的な負圧の大きさは小さいので、重量物を把持するためには、吸着面積Ａを大きくする必要がある。

なお、ここでは、負圧発生源２００の特性だけに注目して簡単化して説明したが、実際には、配管３００も含めた負圧発生源２００から吸着パッド１３０までの特性として考える必要がある。以下でも、負圧発生源２００の特性を交えて説明する際には、簡単化して説明しており、実際には配管３００等の影響も考慮に入れる必要がある。また、負圧発生源２００の運転状態の変化に伴い、図２の特性は変化することも考慮する必要がある。

以上のことから、一般的には、吸着ハンド１２０と物品５００との間に隙間ができず、しかも出来るだけ大きな吸着面積を得ることができる吸着ハンド１２０が、物品５００に応じて選択されることになる。しかし、同一の吸着ハンド１２０で、複数の種類の物品５００を把持する必要がある場合は、吸着面積が最も小さい物品５００に合わせて吸着ハンド１２０が選択されることになる。この時、複数の種類の物品５００のうち、いずれかの物品５００において、物品５００の重量と吸着可能な面積及び吸着時に吸着ハンド１２０内で得られる負圧との関係が適切でなければ、単一の吸着ハンド１２０では、全ての種類の物品５００を把持することができない。以上のことから、多様な物品５００を単一の吸着ハンド１２０で把持することは、難しい課題である。

しかし、単一の吸着ハンド１２０であっても、大きさの異なる複数種類の物品５００を把持する際に、それぞれの物品５００に応じて、吸着部においてできる限り隙間を生じさせず負圧を高めることが出来、かつ適切な吸着面積を得ることが出来れば、把持装置１００は、単一の吸着ハンド１２０で複数種類の物品５００を把持可能となる。本実施の形態の把持装置１００は、このような汎用性の高い把持装置１００となる。

図３は、本実施の形態の把持装置１００における吸着ハンド１２０の外観を示す斜視図である。また、図４は、本実施の形態の把持装置１００における吸着ハンド１２０の切断形状を示す図である。なお、図４は、吸着ハンド１２０をＸ−Ｚ平面と平行な面で切断した形状を示している。図３、図４において、吸着ハンド１２０の底面と平行で、互いに直交する軸をＸ軸およびＹ軸とする。また、図３、図４において、吸着ハンド１２０の底面に対して垂直となる軸をＺ軸とする。Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は、以降の図面においても同様である。

吸着ハンド１２０は、上面及び底面が開口した中空構造となっている。また、吸着ハンド１２０の上面は、排気部１２１となっている。排気部１２１の開口は、配管３００を介して負圧発生源２００に接続されている。したがって、吸着ハンド１２０の内部の空気は、排気部１２１の開口から排出されることになる。なお、図１には図示していないが、配管３００の切り替え、真空破壊、流量の調整などを行うために、配管３００の各所には弁を配置することもある。なお、真空破壊とは、吸着ハンド１２０の内部に発生した負圧を解消することを言う。一方、吸着ハンド１２０の底面は、物品５００を把持する際に、物品５００に接触する接触部１２２となっている。接触部１２２も開口している。ここで、排気部１２１の開口の中心と接触部１２２の開口の中心とを結ぶ軸を吸着ハンド１２０の軸とする。吸着ハンド１２０の軸は、Ｚ軸と平行となる。

さらに、吸着ハンド１２０は、変形部１２３を備えている。なお、本実施の形態の把持装置１００においては、変形部１２３は、吸着パッド１３０の全体または吸着パッド１３０の一部となる。変形部１２３は、少なくともＺ軸方向に対して垂直な方向に変形可能となっている。変形部１２３は、物品５００を把持するために、吸着ハンド１２０が物品５００に押し当てられた際に、吸着ハンド１２０の内部の負圧と吸着ハンド１２０の外部の大気圧との差圧によって変形する。特に、接触部１２２の開口が、物品５００の表面で完全に塞がれずに隙間が存在する場合に、この隙間を塞ぐように変形する。

変形部１２３は、内部が中空空間１２４となった中空構造であり、中空空間１２４を取り囲む側壁１２５を備えている。中空空間１２４は、中空となっている変形部１２３の内部の空間である。中空空間１２４は、内部空間と言い換えることもできる。側壁１２５は、接触部１２２の開口の周方向に連続した構造となっている。なお、連続した構造とは、分割されていないことを意味する。変形部１２３が変形する際には、側壁１２５が変形することになる。側壁１２５は、ゴム、シリコン、またはビニールなどの柔軟な素材で構成されており、屈曲可能となっている。通気性が無いように密に構成された布も、側壁１２５の材質として採り得る。また、側壁１２５は、前記の素材の組み合わせで構成されても良い。側壁１２５の素材そのものの伸縮性は必ずしも必要ではない。ただし、後述するように、物品５００に密着して隙間を塞ぐ効果を得るうえでは、側壁１２５は伸縮性を有することが望ましい。なお、小さな物品５００を配管３００へ吸い込んでしまわないように、排気部１２１には網状のカバーが配置されることもあるが、以下の説明では省略する。

前述の通り、側壁１２５は、柔軟な材質で、薄く構成されている。このため、変形部１２３は、Ｘ−Ｙ平面と平行な面内において、側壁１２５から、吸着ハンド１２０の軸に向かう方向の剛性が低くなっている。なお、図３では、排気部１２１の開口面と接触部１２２の開口面とは対向して構成されているが、必ずしも対向している必要はない。排気部１２１の開口面と接触部１２２の開口面とが対向していない場合も含め、一般化して説明すると、排気によって生じる空気の流れの方向に対して垂直な面内において、側壁１２５から空気の流路の中心に向かう方向の剛性が、低くなっていればよい。

また、変形部１２３は、押し付け方向に対しても、剛性が低く、変形可能となっていることが望ましい。ここで、物品５００を把持する際に吸着ハンド１２０を物品に押し付ける方向を押し付け方向と呼ぶ。図３においては、排気部１２１から接触部１２２へと向かう方向である−Ｚ方向が、押し付け方向となる。したがって、押し付け方向は、吸着ハンド１２０の内部から空気を排出する際の空気の流れの方向に対して反対の方向となる。本実施の形態の把持装置１００において、変形部１２３は、押し付け方向に対しても同様に、剛性が低く、柔軟に構成されている。この結果、吸着ハンド１２０が物品５００へ押し付けられた際には、側壁１２５が物品５００の形状に沿って変形する効果を得る。

また、負圧発生源２００によって吸着ハンド１２０の内部の空気が排気され、中空空間１２４の負圧が高まると、外部の大気圧との差圧によって、側壁１２５を中空空間１２４に向かって押す力が生じる。前述したように、側壁１２５は剛性が低くなるように構成されているため、側壁１２５は変形して内側へ曲がり、変形部１２３は押し潰されることとなる。

図５は、本実施の形態の把持装置１００で物品５００ａを把持する様子を示す斜視図である。図５において、物品５００ａの上面は、接触部１２２の開口よりも小さくなっている。したがって、吸着ハンド１２０が物品５００ａに押し当てられた場合、物品５００ａの上面は、接触部１２２の開口を通り、変形部１２３の内部に収まっている。この際、物品５００ａの少なくとも一部が、側壁１２５の内面に接していることが望ましい。側壁１２５の内面とは、変形部１２３が変形していない状態で中空空間１２４に向いた側壁１２５の面である。ここで、物品５００ａを把持する際に、吸着ハンド１２０が押し当てられる物品５００ａの面、または押し当てられる目標となる物品５００ａの面を上面と呼ぶ。言い換えると、物品５００ａにおいて、押し付け方向の吸着ハンド１２０側に存在する面を上面と呼ぶ。

物品５００の上面が変形部１２３の内部に収まると、吸着ハンド１２０の接触部１２２の開口は、一部を物品５００ａによって塞がれる。この結果、接触部１２２の開口と物品５００ａとの隙間から吸入される空気の流れが妨げられ、負圧発生源２００によって排出される空気の流量は減少する。図２に示すように、負圧発生源２００が同一の運転を行っている条件下で空気の流量Ｑが減少すれば、発生する負圧Ｐの大きさは増加する。変形部１２３の内部の中空空間１２４では、流量の減少に伴い圧力が低下していき、側壁１２５を外部から押し付ける力が発生する。この力によって、側壁１２５は変形し、押しつぶされる。変形した側壁１２５は物品５００ａへと押し付けられて、物品５００ａと側壁１２５との間の隙間を埋める。または、変形した側壁１２５によって、中空空間１２４に流入する空気の流路の断面積は減少する。

すなわち、接触部１２２の開口に物品５００ａの表面で塞がれない隙間が存在する場合、変形部１２３の側壁１２５は、隙間を塞ぐように変形する。言い換えると、吸着ハンド１２０と物品５００ａとの間に、吸着ハンド１２０の内部に空気が流入する流路が存在する場合、変形部１２３の側壁１２５は、空気が流入する流路の断面積を小さくするように変形する。この結果、吸着ハンド１２０の内部に吸入される空気の流量は一層減少し、さらに中空空間１２４の負圧を高める。高まった負圧は、側壁１２５の変形を一層助長し、流路の断面積を減少させる。これらの関係は、負圧発生源２００の負圧Ｐ及び流量Ｑの能力と、側壁１２５の剛性と、物品５００ａの形状によって決まる吸着ハンド１２０と物品５００ａとの間の隙間の大きさとの釣り合いが取れるまで、相互に作用を繰り返す。

上記の作用の結果として、物品５００ａの上面が変形部１２３の内部に収まる場合、図５に示すように、変形部１２３の側壁１２５が物品５００ａを包み込むように変形する。言い換えると、物品５００ａの上面が変形部１２３の内部に収まる場合、図５に示すように、変形部１２３の側壁１２５が物品５００ａの側面と接触するように変形する。この結果、吸着ハンド１２０は、物品５００ａを把持することが可能となる。また、側壁１２５が物品５００ａを包み込むようにして把持を行うため、上面だけを吸着する場合に比べ、より強固な把持が可能となる。

側壁１２５が物品５００ａを包み込むようにして把持する際には、側壁１２５の内面は滑りにくい方が良く、摩擦係数が大きい方が望ましい。側壁１２５の内面の摩擦係数を上げるためには、側壁１２５の内面を粗くすることが考えられる。ただし、側壁１２５の内面を全て粗くすると、吸着ハンド１２０の内部に空気が流入しやすくなる可能性がある。したがって、側壁１２５の内面は滑らかな面としても良い。さらに、側壁１２５の内面に、粗面の領域１５１と滑面の領域１５２とを設けても良い。粗面の領域１５１は、滑面の領域１５２と比較して粗い面となる。一方、滑面の領域１５２は、粗面の領域１５１と比較して平滑な面となる。

図６は、本実施の形態の把持装置１００における側壁１２５の内面の一例を説明するための図である。図６は、Ｘ−Ｚ平面と平行な面による側壁１２５の断面を示している。図６において、粗面の領域１５１は、接触部１２２の開口の周方向に帯状に伸びている。同様に、滑面の領域１５２も、接触部１２２の開口の周方向に帯状に伸びている。また、粗面の領域１５１と滑面の領域１５２とは、吸着ハンド１２０の軸方向に交互に配置されている。側壁１２５の内面をこのように構成することで、物品５００ａを包み込むようにして把持する際の把持力を向上できるとともに、吸着ハンド１２０の内部への空気の流入を抑制することができる。

さらに、側壁１２５の内面に、溝１５３を設けても良い。図７は、本実施の形態の把持装置１００における側壁１２５の内面の別の例を説明するための図である。図７は、Ｘ−Ｚ平面と平行な面による側壁１２５の断面を示している。図７において、溝１５３は、接触部１２２の開口の周方向に帯状に伸びている。また、溝１５３は、所定の間隔で設けられている。側壁１２５の内面をこのように構成することで、物品５００ａを包み込むようにして把持する際の把持力を向上できるとともに、吸着ハンド１２０の内部への空気の流入を抑制することができる。

上記のような側壁１２５が中空空間１２４で生じた負圧によって変形し、物品５００ａとの間の隙間を減らす効果を利用すれば、細長い、棒状の物品５００ｂを大きな開口面積をもつ吸着ハンド１２０で把持することも可能になる。図８は、本実施の形態の把持装置１００で棒状の物品５００ｂを把持する様子を示す斜視図である。図８において、吸着ハンド１２０から見た物品５００ｂの断面形状は、長辺と短辺とを長方形になっている。物品５００ｂの断面形状における短辺の長さを物品５００ｂの横幅、長辺の長さを物品５００ｂの長さと呼ぶ。また、図８に示す物品５００ｂは、長さが接触部１２２の開口の径よりも長く、横幅が接触部１２２の開口の径よりも短くなっている。

通常、細長い物品５００ｂを把持する際には、接触部１２２の開口の径が物品５００ｂの横幅よりも小さい吸着ハンド１２０を用いる必要がある。接触部１２２の開口の径が物品５００ｂの横幅よりも大きいと、吸着ハンド１２０と物品５００ｂとの間の隙間が大きくなり、負圧が高まらないために、吸着ハンド１２０は物品５００ｂを把持できない。しかし、本実施の形態の吸着ハンド１２０によれば、変形部１２３が変形して隙間を埋めるため、物品５００ｂの把持が可能になる。本実施の形態の吸着ハンド１２０では、図８に示すように、変形部１２３の側壁１２５が、物品５００ｂを挟み込むように変形する。言い換えると、変形部１２３の側壁１２５が、物品５００ｂの短辺の両端に位置する側面と接触するように変形する。この結果、吸着ハンド１２０は、物品５００ｂを把持することが可能となる。また、側壁１２５が物品５００ｂを挟み込むようにして把持を行うため、上面だけを吸着する場合に比べ、より強固な把持が可能である。

さらに、変形部１２３を備える吸着ハンド１２０は、接触部１２２の開口よりも大きな上面を有する物品５００ｃを把持する際にも効果的である。図９は、本実施の形態の把持装置１００で、大きな上面を有する物品５００ｃを把持する様子を示す斜視図である。本実施の形態の把持装置によれば、接触部１２２が物品５００ｃに押し当てられることにより、接触部１２２の開口が塞がれる。この結果、中空空間１２４の負圧が高まり、図９に示すように、側壁１２５が変形し、物品５００ｃの表面に押し付けられる。このため、物品５００ｃの表面に凹凸があるような場合でも、側壁１２５が押し付けられることで、吸着ハンド１２０と物品５００ｃとの間の隙間が塞がれ、吸着ハンド１２０の吸着力が向上する。また、大きな吸着面積を得ることができ、吸着ハンド１２０は強い把持力を確保できる。

本実施の形態の把持装置１００において、変形部１２３は、吸着ハンド１２０の内部に発生する負圧と吸着ハンド１２０の外部の大気圧との差圧によって変形する。一方、吸着ハンド１２０と物品５００との間に発生する隙間は、物品５００の形状に応じて様々な大きさとなる。したがって、様々な物品５００に対して同様の効果を得るためには、様々な大きさの隙間に対しても、吸着ハンド１２０の内部に負圧が生じる必要がある。もし、負圧発生源２００が排出可能な空気の最大流量が、吸着ハンド１２０と物品５００との間の隙間の大きさに対して十分でなければ、吸着ハンド１２０の内部の圧力は下がらず、変形部１２３も実質的に変形しない。このため、負圧発生源２００の最大流量は大きい方が好ましい。したがって、本実施の形態の把持装置１００に対しては、図２に示す第１の特性６００ａを有する負圧発生源２００よりも、第２の特性６００ｂを有する負圧発生源２００を用いるのが好ましい。

また、吸着ハンド１２０の内部の負圧によって側壁１２５が変形し、吸着する物品５００との間の隙間を減らすには、側壁１２５ができる限り柔軟で、負圧の大きさは大きい方が望ましい。一方で、側壁１２５の剛性が低すぎたり、物品５００が吸着ハンド１２０に十分に近づいていない状態で負圧が大きくなりすぎたりすると、物品５００に押し当てられる前に側壁１２５が変形し、接触部１２２の開口が塞がってしまう。この場合には、吸着ハンド１２０は、物品５００の把持ができないこともありうる。このため、側壁１２５は柔軟である程良いというわけではなく、適度な剛性を備えておくことが必要である。側壁１２５は、厚みを調整すること等によって、物品５００を把持する際に発生させる負圧の大きさを考慮した適度な剛性にすることができる。また、側壁１２５は、吸着ハンド１２０の内部の負圧をなくした際には、元の形状に自ら回復する程度の弾性を有することが望ましい。

図１０は、本実施の形態の吸着ハンド１２０を用いて、様々な物品５００の吸着把持試験を行った際の、吸着ハンド１２０の内部の負圧と、負圧発生源２００の吸引流量を図示したものである。負圧の値は圧力センサを用いて測定し、流量は、既知の断面積をもつ配管を流れる空気の流速を測定することで算定している。黒い点は、それぞれ異なる物品５００を把持した際の、負圧の値と、流量の値の関係を示している。使用した負圧発生源２００の最大の流量は３５００ｌ／ｍｉｎ程度であり、最大の負圧の絶対値は２５ｋＰａ程度であった。これによると、物品５００を把持できたのは、１０ｋＰａ以上の負圧の値であり、物品５００を把持する為に変形部１２３を変形させるには、少なくとも１０ｋＰａ程度の負圧が必要であることが分かる。一般的に用いられる吸着ハンド１２０と負圧発生源２００では、少ない面積でも把持力を確保するために６０ｋＰａ〜９０ｋＰａ程度の負圧を生じさせて用い、これらの圧力に対して吸着ハンド１２０の形状が潰れることが無いように設計されている。対して、本実施の形態の吸着ハンド１２０では、通常よりもかなり小さな圧力で変形が生じるように設計されていることが特徴となる。

図３及び図４で示す吸着ハンド１２０では、変形部１２３の中空空間１２４は、排気部１２１側から接触部１２２側に向うに従って徐々に広くなるように構成している。ここで、排気部１２１側及び接触部１２２側とは、空気の流路における相対的な位置関係を指している。なお、空気の流路は、接触部１２２の開口から吸着ハンド１２０の中空空間を経由して排気部の開口へと至る。排気部１２１側とは、空気の流路において、他の位置と比較して排気部１２１に近い位置を意味する。一方、接触部１２２側とは、空気の流路において、他の位置と比較して接触部１２２に近い位置を意味する。また、中空空間１２４が広くなるとは、吸着ハンド１２０の軸と垂直な面で中空空間１２４を切断した時に、切断面の面積が大きくなることを意味する。しかし、吸着ハンド１２０は、別の形状とすることもできる。

図１１は、本実施の形態の把持装置１００における吸着ハンド１２０の別の例の外観を示す斜視図である。また、図１２は、本実施の形態の把持装置１００における吸着ハンド１２０の別の例の切断形状を示す図である。なお、図１２は、吸着ハンド１２０をＸ−Ｚ平面と平行な面で切断した形状を示している。図１１及び図１２に示す吸着ハンド１２０では、吸着ハンド１２０の軸と垂直な面で中空空間１２４を切断した時の切断面の形状は、排気部１２１側から接触部１２２側にかけて変化しない。このような構成した吸着ハンド１２０を用いても、様々な物品５００を把持できる効果は得られる。

しかし、以下に記載する理由から、図３及び図４に示すような、中空空間１２４が排気部１２１側から接触部１２２側に向うに従って徐々に広くなる構成が望ましい。接触部１２２の開口よりも小さな物品５００を把持する場合、吸着ハンド１２０が物品５００に押し付けられるのに従い、物品５００が吸着ハンド１２０の内部に深く侵入する。物品５００が吸着ハンド１２０の内部に深く侵入すると、物品５００の上面は＋Ｚ方向に進むことになる。図３及び図４に示す吸着ハンド１２０では、＋Ｚ方向に進むに従って中空空間１２４は狭くなることから、物品５００の上面の位置に対応する中空空間１２４は狭くなり、物品５００を吸着するための実質的な開口面積が小さくなる。すなわち、図３及び図４に示す吸着ハンド１２０では、物品５００の大きさに適した開口面積を得られ、側壁１２５が変形していない状態でも、吸着ハンド１２０と物品５００との間に発生する隙間をより小さくすることができる。この結果、吸着ハンド１２０に外部から流入する空気を少なくすることができ、良好な吸着状体を得やすい。また、側壁１２５の変形の程度が小さくても、吸着ハンド１２０と物品５００との間に発生する隙間を塞ぐことができるようになる。

また、同時に、側壁１２５が変形していない状態でも、物品５００と側壁１２５との間の隙間も徐々に減少していくため、これに応じて中空空間１２４の負圧が徐々に増加する。このため、小さな物品５００に対しては、物品５００が吸着ハンド１２０の内部にある程度進入してから、側壁１２５は変形を開始することになる。そうすると、物品５００は、周囲を側壁１２５によって取り囲まれるように把持され、より強固に把持されることになる。さらに、接触部１２２の開口は大きい方が、平板状の物品５００など、上面が大きな物品を吸着する際に、しわや折り重なりが少ない状態で、側壁１２５が物品５００の表面に張り付きやすい。この結果、吸着ハンド１２０の内部に流入する空気を少なくすることができ、吸着ハンド１２０は更に強い把持力を得やすい。

ただし、中空空間１２４の広がり角は、大き過ぎない方が望ましい。図５に示す物品５００ａを把持する場合、物品５００ａの大きさが同じであれば、中空空間１２４の広がり角が小さい方が、物品５００ａが吸着ハンド１２０の内部に深く入り込みやすい。この結果、側壁１２５が物品５００ａを包み込むようにして把持する際に、より強固な把持が可能となる。また、物品５００ａを把持する際に、側壁１２５は、接触部１２２の開口を閉じるように変形することになる。このような変形が発生しやすくするためには、中空空間１２４の広がり角は小さい方が望ましい。したがって、中空空間１２４の広がり角は４５度以下であることが望ましい。側壁１２５の厚みが一定であれば、中空空間１２４の広がり角は、変形部１２３の広がり角となる。なお、中空空間１２４の広がり角は、側壁１２５が変形していない状態において、側壁１２５の内面と吸着ハンド１２０の軸とが成す角である。

さらに、吸着ハンド１２０の形状において、排気部１２１の断面積よりも中空空間１２４及び接触部１２２の断面積の方が大きくなることが望ましい。接触部１２２から負圧発生源２００に至る流路を最も特徴付けるのは、流路中の有効断面積である。排気部１２１の断面積を中空空間１２４及び接触部１２２の断面積よりも小さくしておけば、吸着ハンド１２０に物品５００を近づけていない状態では、排気部１２１における圧力よりも、中空空間１２４及び接触部１２２における圧力は高くなり、大気圧に近い状態となる。言い換えると、排気部１２１における負圧の大きさよりも、中空空間１２４及び接触部１２２における負圧の大きさは小さくなる。

逆に、排気部１２１の断面積と比較して、中空空間１２４及び接触部１２２の断面積が、等しいか又は小さくなる場合、接触部１２２における負圧の大きさが、接触部１２２より以降の流路における負圧の大きさとなる。このため、もしも接触部１２２を物品５００に近付けた場合、中空空間１２４における圧力が接触部１２２における圧力に影響される。この結果、吸着ハンド１２０が物品５００に十分に押し付けられる前に、側壁１２５が変形し、変形部がつぶれてしまう可能性が高くなる。以上の理由から、吸着ハンド１２０の形状において、図３及び図４に示すように、中空空間１２４が排気部１２１側から接触部１２２側に向うに従って徐々に広くなることが望ましい。

なお、図示している側壁１２５は、中空空間１２４を円形に取り囲むものであるが、あくまで一例であり、円形以外にも、楕円などの閉曲線で取り囲んでいても良いし、多角形で取り囲んでいても良い。また、図３及び図１１では、吸着ハンド１２０はＺ軸に対して回転対称な形状としているが、あくまで一例である。

吸着ハンド１２０は、さらに別の形状とすることもできる。図１３は、本実施の形態の把持装置１００における吸着ハンド１２０の更に別の例の外観を示す斜視図である。また、図１４は、本実施の形態の把持装置１００における吸着ハンド１２０の更に別の例の切断形状を示す図である。なお、図１４は、吸着ハンド１２０をＸ−Ｚ平面と平行な面で切断した形状を示している。

図１３及び図１４に示す吸着ハンド１２０は、把持能力を高める目的で、接触部１２２側の側壁１２５の一部に、付加的に、空気の吸入方向と平行に切れ込み１２６を入れ、ヒレ状のヒレ構造１２７を複数設ける事ができる。すなわち、側壁１２５において、接触部１２２側の一部の領域は、接触部１２２の開口の周方向に分割されている。吸着ハンド１２０の一部に切れ込み１２６を入れることで、中空空間１２４に発生する負圧によって、ヒレ構造１２７が変形し易くなっている。分割されていない側壁１２５の変形だけでは埋めることが出来なかった隙間があった際には、そこに空気の流れが生じる。しかし、複数のヒレ構造１２７を備えることで、ヒレ構造１２７は、分割されていない側壁１２５よりも変形しやすいため、蓋をして塞ぐように働く。このため、より多様な物品５００に対応する能力を向上させると共に、把持力を増す効果を持つ。

次に、本実施の形態の把持装置１００を制御する制御装置４００について述べる。制御装置４００は、予め決定された処理を実行する処理回路により実現される。処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰともいう）であってもよい。処理回路が専用のハードウェアである場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、またはこれらを組み合わせたものが該当する。

一方、処理回路がＣＰＵの場合、制御装置４００の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアやファームウェアはプログラムとして記述され、メモリに格納される。処理回路は、メモリに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、制御装置４００の機能を実現する。ここで、メモリとは、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリや、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等が該当する。また、制御装置４００の機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。

図１５は、制御装置４００のハードウェア構成の一例を示す図である。図１５は、処理回路がＣＰＵである場合のハードウェア構成の例を示している。図１５に示す構成例では、制御装置４００は、プロセッサ７０１及びメモリ７０２を備えており、プロセッサ７０１とメモリ７０２とは、データバス７０３を介して接続される。制御装置４００の機能は、メモリ７０２に記憶されたプログラムをプロセッサ７０１が読み出して実行することによって実現される。

図１６は、制御装置４００が実行する処理の流れを示す図である。まず、ステップＳ００１において、制御装置４００は、負圧発生源２００を制御し、吸着ハンド１２０の変形部が実質的に変形しない程度の小さな負圧を吸着ハンド１２０の内部に発生させる。ステップＳ００１の処理によって発生する負圧を第１の大きさの負圧と呼ぶ。第１の大きさの負圧は、後述するように、吸着ハンド１２０が物品５００に押し付けられたか否かを判定するために用いることもできる。吸着ハンド１２０の内部に負圧を発生させるためには、負圧発生源２００を制御する他に、空気の流路に弁を設け、弁の開閉または開度を操作する方法もある。次に、ステップＳ００２において、制御装置４００は、ロボットアーム１１０を制御し、吸着ハンド１２０が物品５００に押し付けられるように、吸着ハンド１２０を移動する。物品５００の上面が接触部１２２の開口より小さい場合、制御装置４００は、物品５００の少なくとも一部が吸着ハンド１２０の内部に侵入するように吸着ハンド１２０を移動する。

次に、ステップＳ００３において、制御装置４００は、吸着ハンド１２０が物品５００に押し付けられたか否かを確認する。吸着ハンド１２０が物品５００に押し付けられたか否かは、ロボットアーム１１０に力センサを備えて、ロボットアーム１１０に加わる力を計測し、制御装置４００が計測結果を参照することで判定することができる。または、制御装置４００は、センサ３１０によって計測された負圧または流量の変化を検出することで、吸着ハンド１２０が物品５００に押し付けられたか否かを確認することもできる。さらに、物品５００の位置が既知であれば、予め決定された位置に吸着ハンドが移動した場合に、制御装置４００は、吸着ハンド１２０が物品５００に押し付けられたと判定しても良い。

ここで、接触部１２２の少なくとも一部が物品５００に接触した場合、制御装置４００は、吸着ハンド１２０が物品５００に押し付けられたと判定する。また、物品５００が小さい場合に、物品５００の少なくとも一部が吸着ハンド１２０の内部に侵入した場合も、制御装置４００は、吸着ハンド１２０が物品５００に押し付けられたと判定する。なお、制御装置４００が、吸着ハンド１２０が物品５００に押し付けられたか否かを確認するために、センサ３１０の計測結果を用いない場合には、ステップＳ００１の処理は不要となる。

ステップＳ００３において、吸着ハンド１２０が物品５００に押し付けられていないと判定された場合は、制御装置４００の処理はステップＳ００２へと戻り、制御装置４００は吸着ハンド１２０をさらに移動させる。一方、吸着ハンド１２０が物品５００に押し付けられていると判定された場合は、制御装置４００の処理はステップＳ００４へと進む。ステップＳ００４では、制御装置４００は、吸着ハンド１２０の変形部を変形させるように、負圧発生源２００を制御して、吸着ハンド１２０の内部の負圧の大きさを所定の大きさまで増加させる。

ここで、所定の大きさとは、吸着ハンド１２０と物品５００との間に隙間があったとしても、吸着ハンド１２０の変形部が変形する程度の大きさである。なお、所定の大きさとしては、負圧発生源２００で発生可能な負圧の最大値としても良い。過度の負圧によって物品５００が破損する懸念がある場合には、所定の大きさとして、物品５００に合わせて適切な大きさを設定する。ステップＳ００４の処理によって発生する負圧を第２の大きさの負圧と呼ぶ。第２の大きさの負圧は、物品５００を把持するための負圧でもある。また、吸着ハンド１２０の内部の負圧を増加させるためには、負圧発生源２００を制御する他に、空気の流路に弁を設け、弁の開閉または開度を操作する方法もある。

次に、ステップＳ００５において、制御装置４００は、物品５００を把持するのに十分な把持力が得られていか否かを確認する。制御装置４００は、センサ３１０によって計測された負圧または流量を参照することで、吸着ハンド１２０の把持力を推定することができる。ステップＳ００５において、十分な把持力が得られていないと判定された場合は、制御装置４００の処理はステップＳ００６へと進む。一方、十分な把持力が得られていると判定された場合は、制御装置４００の処理はステップＳ００７へと進む。

ステップＳ００６では、制御装置４００は、吸着ハンド１２０の内部の負圧の大きさを所定の増分だけ増加させる。ステップＳ００７では、制御装置４００は、ロボットアーム１１０を制御し、物品５００を持ち上げる。ステップＳ００６の後は、制御装置４００は、物品５００の移動、運搬、組み付けなど、所定の作業を行う。制御装置４００は、以上のように動作する。

本実施の形態の把持装置１００について、さらに説明する。負圧発生源２００を一定の条件で動作させた場合、吸着ハンド１２０を物品５００へ押し付ける過程において中空空間１２４の負圧の大きさが上昇し、側壁１２５が変形することが考えられる。もし、吸着ハンド１２０が物品５００に十分に押し付けられる以前に側壁１２５が変形してしまうと、吸着ハンド１２０は物品５００を吸着する事ができない。このように、吸着ハンド１２０が物品５００を吸着する以前に、側壁１２５が変形し、押し潰されてしまうことを防ぐには、吸着ハンド１２０が物品５００に十分に押し付けられるまでは大きく変形しないように、側壁１２５の材質や厚さを最適設計すれば良い。一方、このような設計による対処では、例えば、側壁１２５の柔軟性を損なう設計となって、吸着ハンド１２０と物品５００との隙間を埋める能力が低下し、大きさや形状などが様々な物品に対応する能力が低下する恐れもある。

このような問題を解決するためには、制御装置４００が、図１６に示すように、把持装置１００の制御と連動して、負圧発生源２００の制御も行うことが有効である。制御装置４００は、ロボットアーム１１０を動作させ、吸着ハンド１２０を物品５００へ押し付けるが、十分に押し付けが出来る前と後とで、負圧発生源２００の動作を変化させる。例えば、押し付けができるまでは、負圧発生源２００の動作を停止しておき、押し付けが完了してから動作を開始する。もしくは、押し付けが完了するまでは、少ない吸引流量で負圧発生源２００を動作させておき、押し付けが完了してから吸引流量を増加させる。このような制御を行うことによって、十分な押し付けが行われない状態で側壁１２５が変形することを防止し、確実に吸着把持することができる。

次に、図１６のステップＳ００３において、制御装置４００が、吸着ハンド１２０が物品５００に十分に押し付けられたか否かを判定する方法について、詳しく述べる。まず、物品５００の位置及び形状が予め決められている場合には、吸着ハンド１２０の位置及び物品５００の位置から、制御装置４００は、どれだけ吸着ハンド１２０が押し付けられているのかを容易に判断可能である。物品５００が供給される位置が予め決められていない場合、または物品５００が未知の物体である場合であっても、ビジョンセンサやレーザ測距計などのセンサを用いることで、物品５００の位置及び形状を既知として扱うことができる。

物品５００の位置または形状が正確に把握できない場合や、手探りでの把持を行う際には、次のような方法がある。まず、中空空間１２４や排気部１２１、配管３００など、接触部１２２から負圧発生源２００に至る流路のどこかに、負圧発生源２００による空気の吸引の状態を検出するセンサ３１０を配置する。センサ３１０としては、負圧を計測可能な圧力センサか、吸着ハンド１２０からの排気の流量を計測可能な流量センサのいずれか、もしくは両者を用いる。

次に、負圧発生源２００による吸着ハンド１２０からの排気を少ない状態にする。これにより、もし吸着ハンド１２０を物品５００に押し付けたとしても、不十分な押し付けでは側壁１２５が変形するほどの負圧が生じないようにする。ここで、不十分な押し付けとは、吸着ハンド１２０と物品５００との間に隙間がある状態を指す。この状態で、ロボットアーム１１０による吸着ハンド１２０の押し付け動作中に、センサ３１０の値の変化を監視する。もし、吸着ハンド１２０が物品５００に押し付けられ、接触部１２２の開口が物品５００により塞がれていけば、吸着ハンド１２０の内部の負圧の大きさ増加し、排気される流量は減少していく。制御装置４００は、センサの出力値の変化を参照し、予め物品５００に対して定めておいた閾値とセンサ３１０の出力値とを比較して、十分に押し付けがなされたか否かを判断する。

さらに他の方法としては、吸着ハンド１２０を物品５００に押し付けた際の反力を用いる方法もある。ロボットアーム１１０または吸着ハンド１２０に反力を測定する機能を持たせる。例えば、ロボットアーム１１０の手首に力センサを取り付けるか、関節にトルクセンサを設ける。もしくは、ロボットアーム１１０を駆動するモータの電流から関節のトルクを推定する、という方法もある。吸着ハンド１２０にロードセルなどの力センサを取り付けたり、ひずみゲージを貼り付けたりして力を測定しても良い。

変形部１２３の側壁１２５は柔軟に構成されているため、物品５００に接触部１２２が触れてから、側壁１２５は次第に変形していく。制御装置４００はこの際の反力の増加を計測し、計算された半力が予め定めた閾値を超えると、制御装置４００は吸着ハンド１２０が十分に押し付けられたと判断する。もしくは、制御装置４００は、接触部１２２と物品５００が接触した瞬間を反力で判断し、その時点からのロボットアーム１１０の移動量から押し付け量を計算する。押し付け量が予め物品５００に対して定めた閾値を超えると、制御装置４００は十分に押し付けられたと制御装置で判断する。

以上で述べたように、本実施の形態の把持装置１００において、吸着ハンド１２０は、吸着ハンド１２０の内部の空気を排出させる排気部１２１と、物品５００を把持する際に物品５００に接触させる接触部１２２と、物品５００を把持する際に少なくとも１方向に変形する変形部１２３とを備える。また、吸着ハンド１２０は、排気部１２１及び接触部１２２で開口した中空構造である。また、変形部１２３は、接触部１２２の開口の周方向に連続した構造で中空空間１２４を取り囲む側壁１２５を有する。また、物品５００を把持する際に、排気部１２１から空気が排出されることで発生する吸着ハンド１２０の内部の負圧と、吸着ハンド１２０の外部の大気圧との差圧によって側壁１２５が変形することで、変形部１２３が変形する。また、吸着ハンド１２０と物品５００との間に吸着ハンド１２０の内部に空気が流入する隙間が存在する場合には、側壁１２５は、隙間を塞ぐように変形する。本実施の形態の把持装置１００によれば、簡単な構造で、様々な対象物を把持可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、吸着ハンドが物品を吸着する以前に側壁が変形してしまうことを防ぐために、吸着ハンドの内部に発生する負圧の大きさを変化させる方法について述べた。一方、本実施の形態では、吸着ハンドのパッド内部に生じうる負圧の大きさを変更するのでは無く、吸着ハンドの側壁の剛性を変更することが可能となる把持装置について述べる。

図１７は、本発明の実施の形態２における把持装置１００が備える吸着ハンド１２０の外観を示す斜視図である。また、図１８は、本発明の実施の形態２における把持装置１００が備える吸着ハンド１２０の切断形状を示す図である。なお、図１８は、吸着ハンド１２０をＸ−Ｚ平面と平行な面で切断した形状を示している。本実施の形態の把持装置１００及びロボットシステムは、吸着ハンド１２０の構成及び制御装置４００で実行される処理のみが実施の形態１におけるものと異なり、他の構成は図１におけるものと同様である。以降では、実施の形態１との相違点について説明する。

図１７及び図１８に示す通り、本実施の形態の把持装置１００における吸着ハンド１２０は、排気部１２１、接触部１２２、変形部１２３、切替弁１４１、及び接続チューブ１４２を備える。また、変形部１２３は、中空空間１２４、側壁１２５、及び環状チューブ１２８を備える。図１７及び図１８に示す把持装置１００は、切替弁１４１、接続チューブ１４２、及び環状チューブ１２８を備える点を除いては、実施の形態１におけるものと同様である。

吸着ハンド１２０は、側壁１２５の外部に環状チューブ１２８が装着されている。環状チューブ１２８は、接続チューブ１４２を介して切替弁１４１に接続される。切替弁１４１は、接続チューブ１４２を介して、環状チューブ１２８への圧縮空気の供給、または環状チューブ１２８からの空気の排出を行う。切替弁１４１の動作によって、環状チューブ１２８の内部の加圧、または環状チューブ１２８の内部の減圧が可能となっている。切替弁１４１の動作は制御装置４００によって制御される。

環状チューブ１２８及び接続チューブ１４２は薄く、柔らかい材質で構成されている。環状チューブ１２８の内部が加圧されると、環状チューブ１２８の壁面は膨張し、剛性が増加する。このため、環状チューブ１２８が取り付けられた側壁１２５も、変形が抑制され、剛性が増加する。環状チューブ１２８の内部が減圧されると、環状チューブ１２８は柔らかくなるため、側壁１２５は変形しやすくなり、剛性が低下する。押し付け方向に対して垂直な面内に環状チューブ１２８を配置することで、側壁１２５の潰れに対する剛性を高めつつ、押し付け方向への柔らかさは保つことが出来る。なお、側壁１２５の潰れとは、中空空間１２４に発生する負圧によって、側壁１２５が中空空間１２４に向かって変形することを指している。

環状チューブ１２８は、外部から注入される流体を収容する流体収容部として機能する。なお、本実施の形態の把持装置１００においては、流体として空気を例示しているが、空気以外の気体、または水などの液体であっても良い。上述の通り、環状チューブ１２８に流体が注入されることで、環状チューブ１２８は加圧され、側壁１２５の剛性が増加する。一方、環状チューブ１２８から流体が排出されることで、環状チューブ１２８は減圧され、側壁１２５の剛性が低下する。側壁１２５は、剛性が低下した状態で、吸着ハンド１２０の内部に発生する負圧によって変形する。

図１９は、制御装置４００が実行する処理の流れを示す図である。まず、ステップＳ０１１において、制御装置４００は、切替弁１４１を制御し、環状チューブ１２８に空気を注入し、環状チューブ１２８の内部を加圧して、側壁１２５の剛性を高める。次に、ステップＳ０１２において、制御装置４００は、負圧発生源２００を制御し、吸着ハンド１２０の内部に負圧を発生させる。この際に発生させる負圧の大きさは、物品の把持に必要と想定される大きさとする。

次に、ステップＳ００２において、制御装置４００は、ロボットアーム１１０を制御し、吸着ハンド１２０が物品５００に押し付けられるように、吸着ハンド１２０を移動する。次に、ステップＳ００３において、制御装置４００は、吸着ハンド１２０が物品５００に押し付けられたか否かを確認する。ステップＳ００３において、吸着ハンド１２０が物品５００に押し付けられていないと判定された場合は、制御装置４００の処理はステップＳ００２へと戻り、制御装置４００は吸着ハンド１２０をさらに移動させる。一方、吸着ハンド１２０が物品５００に押し付けられていると判定された場合は、制御装置４００の処理はステップＳ０１３へと進む。ステップＳ００２及びステップＳ００３における処理は、実施の形態１におけるものと同様である。

ステップＳ０１３では、制御装置４００は、切替弁１４１を制御し、環状チューブ１２８から空気を排出し、環状チューブ１２８の内部を減圧して、側壁１２５の剛性を低下させる。この結果、吸着ハンド１２０の内部に発生している負圧の影響によって、側壁１２５が変形する。ステップＳ００５以降の処理は、実施の形態１における処理と同様であるので、説明を省略する。

以上のように、本実施の形態の把持装置１００において、吸着ハンド１２０は、側壁１２５の周囲に取り付けられた環状の環状チューブ１２８と、環状チューブ１２８の内部を加圧または減圧する切替弁１４１とを有する。この結果、吸着ハンド１２０は、吸着ハンド１２０の内部の負圧に対する側壁１２５の剛性が可変となる。この吸着ハンド１２０を備えた把持装置１００は、様々な物品５００を把持可能となる。

また、本実施の形態の把持装置１００を備えたロボットシステムにおいて、制御装置４００は、環状チューブ１２８を加圧して側壁１２５の剛性を高めた状態で、吸着ハンド１２０を物品５００に押し付け、その後に、環状チューブ１２８を減圧して側壁１２５の剛性を低下させる。この結果、本実施の形態の把持装置１００を備えたロボットシステムは、様々な物品５００を把持可能となる。

実施の形態３．
吸着ハンド１２０は、更に別の構成とすることもできる。実施の形態２の把持装置１００では、流体収容部は側壁１２５の外部に設けられている。一方、本実施の形態の把持装置１００では、流体収容部は側壁１２５の内部に設けられる。

図２０は、本発明の実施の形態３における把持装置１００が備える吸着ハンド１２０の外観を示す斜視図である。また、図２１は、本発明の実施の形態３における把持装置１００が備える吸着ハンド１２０の切断形状を示す図である。なお、図２１は、吸着ハンド１２０をＸ−Ｚ平面と平行な面で切断した形状を示している。また、図２２は、本発明の実施の形態３における把持装置１００が備える吸着ハンド１２０の形状を示す透視図である。図２２は、吸着ハンド１２０の構成要素の一部を透過して描いた透視図である。本実施の形態の把持装置１００及びロボットシステムは、吸着ハンド１２０の構成のみが、実施の形態２におけるものと異なる。したがって、制御装置４００の制御についても、実施の形態２におけるものと同様となる。以降では、実施の形態２との相違点について説明する。

図２０、図２１及び図２２に示す吸着ハンド１２０においては、側壁１２５は、内壁１２５ａ及び外壁１２５ｂを備える２重構造となっており、内壁１２５ａ及び外壁１２５ｂとの間に気密性を有する気密空間１２９を備えている。気密空間１２９は、側壁１２５の内部に設けられた流体収容部として機能する。なお、内壁１２５ａ及び外壁１２５ｂは、別体である必要はなく、側壁１２５は袋状になっていても良い。

気密空間１２９は、接続チューブ１４２を介して切替弁１４１と接続されている。したがって、制御装置４００は、切替弁１４１を制御することによって、気密空間１２９に流体を注入して気密空間１２９を加圧したり、気密空間１２９から流体を排出して気密空間１２９を減圧したりすることが可能である。気密空間１２９には、気密空間が過度に膨張するのを防止する目的で、仕切り１４３が配置されている。仕切り１４３は、接触部１２２側から排気部１２１側にかけて、気密空間１２９を完全に分断しているわけではなく、接触部１２２側に寄せて設置されている。気密空間１２９において、仕切り１４３よりも排気部１２１側には、流体の流路１４４が設けられている。したがって、気密空間１２９は、仕切り１４３で完全に分割されている訳ではなく、切替弁１４１によって供給される加圧流体は、流路１４４を経由して気密空間１２９の全体に行き渡る。

内壁１２５ａ、外壁１２５ｂ、及び仕切り１４３は、柔軟な部材を用いて、柔軟に構成されている。制御装置４００は、気密空間１２９を加圧する事により、内壁１２５ａ及び外壁１２５ｂを膨張させ、側壁１２５の剛性を増加させることが可能である。これにより、実施の形態２における把持装置１００と同様に、吸着ハンド１２０が物品５００を吸着する以前に、側壁１２５が変形して潰れてしまうことを防止することができる。

実施の形態４．
吸着ハンド１２０は、更に別の構成とすることもできる。実施の形態３の把持装置１００では、側壁１２５の内部に設けた気密空間１２９を流体収容部として機能させていた。一方、本実施の形態の把持装置１００では、粒状の物質である粒状体を収容する粒状体収容部として気密空間１２９を機能させる。

図２３は、本発明の実施の形態４における把持装置１００が備える吸着ハンド１２０の切断形状を示す図である。なお、図２３は、吸着ハンド１２０をＸ−Ｚ平面と平行な面で切断した形状を示している。本実施の形態の把持装置１００及びロボットシステムは、吸着ハンド１２０の構成及び制御装置４００で実行される処理のみが、実施の形態３におけるものと異なる。以降では、実施の形態３との相違点について説明する。

図２３に示す吸着ハンド１２０においては、側壁１２５は、内壁１２５ａ及び外壁１２５ｂを備える２重構造となっており、内壁１２５ａ及び外壁１２５ｂとの間に気密性を有する気密空間１２９を備えている。気密空間１２９は、側壁１２５の内部に設けられた粒状体収容部として機能する。なお、内壁１２５ａ及び外壁１２５ｂは、別体である必要はなく、側壁１２５は袋状になっていても良い。気密空間１２９の中には、粒状の物質である粒状体１４５が充填されている。粒状体１４５は、例えば、発泡スチロールやビーズといった物質である。粒状体１４５は、表面の起伏が大きく、表面の摩擦が大きなものが好ましい。粒状体１４５の大きさとしては、およそ０．１〜１ｍｍ程度のものが選定される。

気密空間１２９は、接続チューブ１４２を介して切替弁１４１と接続されている。制御装置４００は、切替弁１４１を制御することによって、気密空間１２９から空気を排出して気密空間１２９を減圧した状態と、気密空間１２９を外部とつなげて気密空間１２９を大気圧と同じにした状態とを切り替えることができる。図２４は、本発明の実施の形態４における把持装置１００において気密空間１２９が大気圧となった場合を示す模式図である。図２４は、気密空間１２９の断面の一部を拡大した図となっている。粒状体１４５は、気密空間１２９が大気圧の状態では過密にならないように、気密空間１２９に充填されている。したがって、気密空間１２９が大気圧の状態では、粒状体１４５同士が自由に移動できる状態となり、側壁１２５は柔軟性を有する。

図２５は、本発明の実施の形態４における把持装置１００において気密空間１２９が減圧された場合を示す模式図である。図２５は、気密空間１２９の断面の一部を拡大した図となっている。気密空間１２９が減圧された状態では、粒状体１４５は密着し、互いの摩擦によって自由に移動することができない。したがって、側壁１２５は硬くなり、側壁１２５の剛性が高い状態を作り出すことができる。制御装置４００は、気密空間１２９を減圧した状態と、気密空間１２９を大気圧と同じにした状態とを切り替えることで、側壁１２５の剛性を変化させ、吸着ハンド１２０が物品５００を吸着する以前に側壁１２５が変形して潰れてしまうことを防止する。

図２６は、制御装置４００が実行する処理の流れを示す図である。まず、ステップＳ０２１において、制御装置４００は、切替弁１４１を制御し、気密空間１２９から空気を排出し、気密空間１２９を減圧して、側壁１２５の剛性を高める。次に、ステップＳ０１２において、制御装置４００は、負圧発生源２００を制御し、吸着ハンド１２０の内部に負圧を発生させる。この際に発生させる負圧の大きさは、物品の把持に必要と想定される大きさとする。

次に、ステップＳ００２において、制御装置４００は、ロボットアーム１１０を制御し、吸着ハンド１２０が物品５００に押し付けられるように、吸着ハンド１２０を移動する。次に、ステップＳ００３において、制御装置４００は、吸着ハンド１２０が物品５００に押し付けられたか否かを確認する。ステップＳ００３において、吸着ハンド１２０が物品５００に押し付けられていないと判定された場合は、制御装置４００の処理はステップＳ００２へと戻り、制御装置４００は吸着ハンド１２０をさらに移動させる。一方、吸着ハンド１２０が物品５００に押し付けられていると判定された場合は、制御装置４００の処理はステップＳ０２２へと進む。ステップＳ００２及びステップＳ００３における処理は、実施の形態１におけるものと同様である。

ステップＳ０２２では、制御装置４００は、切替弁１４１を制御し、気密空間１２９を外部と連通させ、気密空間１２９を大気圧にして、側壁１２５の剛性を低下させる。この結果、吸着ハンド１２０の内部に発生している負圧の影響によって、側壁１２５が変形する。ステップＳ００５以降の処理は、実施の形態１における処理と同様であるので、説明を省略する。

図２７は、制御装置４００が実行する別の処理の流れを示す図である。図２７に示す処理の流れは、図２６に示すものと比較して、ステップＳ００７の処理の前にステップＳ０２３の処理が挿入されている点のみが異なる。ステップＳ０２３において、制御装置４００は、切替弁１４１を制御し、気密空間１２９から空気を排出し、気密空間１２９を減圧して、側壁１２５の剛性を高める。制御装置４００がステップＳ０２３の処理を行うことで、十分な把持力が得られた際の側壁１２５の形状を保ったままで、側壁１２５の剛性を高めることが可能となる。このため、物品５００を持ち上げた際に、物品５００の重みによって側壁１２５が再び変形するのを防止することができる。

この効果は、物品５００の重量が重い場合、または吸着ハンド１２０が物品５００を把持したまま物品５００の姿勢を変更する場合に特に有効となる。このような場合、側壁１２５の剛性が低いと側壁１２５が変形し、吸着ハンド１２０と物品５００との間に隙間が生じ、物品を取り落とす場合がある。ステップＳ０２３の処理を行うことで、十分な把持力が得られている状態で側壁１２５の形状を保持でき、上記のような場合にもしっかりと把持を行う事が可能になる。

実施の形態５．
実施の形態１から４で述べた吸着ハンド１２０は、押し付け方向に深い中空構造を有し、図５に示すように、物品５００を包み込むように把持することができる。また、実施の形態１から４で述べた吸着ハンド１２０は、接触部１２２の開口より大きな物品５００や、板状の物品５００に対しては、図９に示すように、変形部１２３が物品５００の表面に沿うように平面状に変形して、物品５００を把持することが可能である。しかし、変形部１２３が平面状に変形する際には、側壁１２５に皺が発生し、その皺によって吸着ハンド１２０と物品５００との間に隙間を生じて把持力が低下する恐れがある。本実施の形態の把持装置は、大きな物品５００または板状の物品５００を把持する際に、側壁１２５に皺が生じにくく、把持力を高めることの出来る吸着ハンド１２０を備えるものである。

図２８は、本発明の実施の形態５における把持装置１００が備える吸着ハンド１２０の外観を示す斜視図である。また、図２９は、本発明の実施の形態５における把持装置１００が備える吸着ハンド１２０の切断形状を示す図である。なお、図２９は、吸着ハンド１２０をＸ−Ｚ平面と平行な面で切断した形状を示している。本実施の形態の把持装置１００及びロボットシステムは、吸着ハンド１２０の構成のみが実施の形態１におけるものと異なり、他の構成は図１におけるものと同様である。以降では、実施の形態１との相違点について説明する。

図２８及び図２９に示す吸着ハンド１２０においては、変形部１２３は、Ｚ軸方向への伸縮が容易な伸縮部としても機能する。図２８及び図２９において、伸縮方向であるＺ軸方向は、排気部１２１と接触部１２２とを結んだ方向である。より厳密には、図２８及び図２９において、Ｚ軸方向は、排気部１２１の開口の中心と、接触部１２２の開口の中心とを結んだ方向である。図２８及び図２９は、変形部１２３がＺ軸方向に伸びた状態を示している。

吸着ハンド１２０は、これまでに述べたものと同様に、排気部１２１及び接触部１２２が開口した中空構造となっている。また、吸着ハンド１２０の中空空間１２４は、排気部側から接触部側に向かうにつれて、段階的に広くなっている。変形部１２３は、第１の筒状部１４６ａ、第２の筒状部１４６ｂ、第３の筒状部１４６ｃ、及び第４の筒状部１４６ｄを備えている。また、変形部１２３は、第１の連結部１４７ａ、第２の連結部１４７ｂ、第３の連結部１４７ｃも備える。第１の連結部１４７ａは、第１の筒状部１４６ａ及び第２の筒状部１４６ｂを連結する。また、第２の連結部１４７ｂは、第２の筒状部１４６ｂ及び第３の筒状部１４６ｃを連結する。また、第３の連結部１４７ｃは、第３の筒状部１４６ｃ及び第４の筒状部１４６ｄを連結する。

なお、本実施の形態の把持装置１００では、４つの筒状部を備える構成を例示しているが、この構成に限定されるわけではなく、２つ以上の筒状部を備えていれば良い。本実施の形態の把持装置１００では、第４の筒状部１４６ｄの底面が接触部１２２となる。筒状部は、両端である上面および底面が開口した円筒形状である。すなわち、筒状部は、対向する２つの面が開口した円筒形状である。また、筒状部は、両端を結ぶ方向が伸縮方向と平行になるように配置されている。すなわち、筒状部は、伸縮方向であるＺ軸方向に対して開口が垂直となるように配置されている。言い換えると、筒状部は、開口がＸ−Ｙ平面と平行となるように配置されている。ここで、単に筒状部と記載した場合は、第１の筒状部１４６ａ〜第４の筒状部１４６ｄのそれぞれを指している。

吸着ハンド１２０が伸びた状態では、第１の筒状部１４６ａ、第２の筒状部１４６ｂ、第３の筒状部１４６ｃ、及び第４の筒状部１４６ｄは、Ｚ方向の異なる位置に配列されている。第１の筒状部１４６ａは、第２の筒状部１４６ｂよりも排気部１２１側に配置されている。また、第２の筒状部１４６ｂは、第３の筒状部１４６ｃよりも排気部１２１側に配置されている。また、第３の筒状部１４６ｃは、第４の筒状部１４６ｄよりも排気部１２１側に配置されている。

第１の筒状部１４６ａの開口は、第２の筒状部１４６ｂの開口よりも小さくなっている。さらに、第２の筒状部１４６ｂの開口は、第１の筒状部１４６ａを内部に収めることが可能な大きさとなっている。第２の筒状部１４６ｂの開口は、第３の筒状部１４６ｃの開口よりも小さくなっている。さらに、第３の筒状部１４６ｃの開口は、第２の筒状部１４６ｂを内部に収めることが可能な大きさとなっている。第３の筒状部１４６ｃの開口は、第４の筒状部１４６ｄの開口よりも小さくなっている。さらに、第４の筒状部１４６ｄの開口は、第３の筒状部１４６ｃを内部に収めることが可能な大きさとなっている。なお、開口が大きいとは、開口している面積が大きいことを意味する。したがって、伸縮方向から見ると、第１の筒状部１４６ａ、第２の筒状部１４６ｂ、第３の筒状部１４６ｃ、及び第４の筒状部１４６ｄは同心円状に配置されていることになる。

ここで、筒状部の形状について、さらに説明する。本実施の形態の把持装置１００において、筒状部は、伸縮方向の両端が開口した中空構造の柱状の中空体を形成している。筒状部は環状に形成されているが、必ずしも円環状で有る必要はない。また、開口の大きさに対して、伸縮方向の長さが短くても良いし、長くても良い。開口の大きさは、例えば開口の径、対角線の長さ、又は開口の面積で表すことができる。本実施の形態においては、円筒形の筒状部を図示しているが、あくまで一例である。一方、本実施の形態の把持装置１００において、連結部も環状となっている。なお、単に連結部と記載した場合は、第１の連結部１４７ａ〜第３の連結部１４７ｃのそれぞれを指している。

次に、変形部１２３が伸縮方向に伸縮する動作について述べる。図３０は、本発明の実施の形態５における把持装置１００が備える吸着ハンド１２０の外観を示す斜視図であり、変形部１２３が縮んだ状態の外観を示す斜視図である。また、図３１は、本発明の実施の形態５における把持装置１００が備える吸着ハンド１２０の切断形状を示す図であり、変形部１２３が縮んだ状態の切断形状を示す図である。なお、図３１は、吸着ハンド１２０をＸ−Ｚ平面と平行な面で切断した形状を示している。

図３０及び図３１に示すように、本実施の形態の把持装置１００において、吸着ハンド１２０は、変形部１２３が折り畳まれることによって、縮んだ状態となる。より具体的は、変形部１２３が縮む際には、第１の筒状部１４６ａは、第２の筒状部１４６ｂの内部に位置するように移動する。また、第２の筒状部１４６ｂは、第３の筒状部１４６ｃの内部に位置するように移動する。また、第３の筒状部１４６ｃは、第４の筒状部１４６ｄの内部に位置するように移動する。ここで、内部に位置するとは、Ｘ−Ｙ平面と平行な同一の平面上に位置するとともに、Ｚ軸方向から見た時に、内側に位置していることを意味する。

変形部１２３が伸びた状態から縮んだ状態へと変化する際には、連結部と筒状部との接続箇所が折れ曲がる。すなわち、連結部と筒状部とは、接続箇所で折り曲げることができるように接続されている。また、連結部自身も屈曲可能な構成となっており、この結果、スムーズな折り畳み動作が実現できる。さらに、変形部１２３が伸びた状態において、連結部の表面と伸縮方向との成す角が、筒状部の側壁と伸縮方向との成す角よりも大きくなっていれば、変形部は折り畳みやすくなる。筒状部の側壁は、伸縮方向とほぼ平行になっていることが望ましい。

変形部１２３が伸びる際には、変形部１２３が縮む際とは逆の動作となる。変形部１２３が縮んだ状態では、それぞれの筒状部の下端は、Ｘ−Ｙ平面と平行な同一の平面上に配置されるとともに、それぞれの筒状部は、筒状部の径方向に配列されることになる。このように配列されるためには、内側に位置する筒状部の外径は、外側に隣接する筒状部の内径よりも小さい必要がある。

ただし、変形部１２３が縮んだ状態で、それぞれの筒状部の下端が同一の平面上に配置されるのは、物品５００の表面が平面である場合である。厳密には、筒状部の下端は、物品５００の表面に接触することになる。したがって、物品５００の表面の形状次第では、それぞれの筒状部の下端は、Ｚ方向の異なる位置に配置される場合もある。また、物品５００が小さい場合などでは、いくつかの筒状部の下端は、物品５００の表面に接触することがない。この場合には、物品５００の表面に接触しない筒状部の下端は、連結部及び筒状部の弾性と、伸縮方向に加えられる力とによって決定される位置に配置されることになる。

このように構成された変形部１２３は、伸縮方向の力が加えられることによって、伸縮方向の長さが変わり、その結果、平面状に変形する。ロボットアーム１１０が吸着ハンド１２０を物品５００に押し付けることによって、変形部１２３に伸縮方向の力が加えられる。通常は、吸着ハンド１２０の押し付け方向は、伸縮方向と実質的に同一となる。または、吸着ハンドの内部の負圧によって、変形部１２３に伸縮方向の力が加えられる。この時、筒状部は、連結部と比較して伸縮方向の剛性が高くなるように構成すると、伸縮方向の力が加えられた場合でも、形状が安定する。ただし、筒状部は変形する必要があるので、ゴムやシリコンなどの柔軟な素材で形成することが考えられる。

連結部は、屈曲することが可能な柔軟な素材で形成することが考えられる。連結部は、適度な伸縮性があっても良い。連結部は、例えばゴムやシリコンなどの樹脂の膜により形成することが考えられる。筒状部と連結部とは、個別の部材であっても良いし、一体で形成し、厚みを変えることで剛性を調整することも考えられる。また、一体で成形した後に、補強材として別の部材を組み合わせることで、筒状部の剛性を得ることも考えられる。

連結部が複数ある場合は、変形部１２３を折り畳む方向の力が加わった際に、接触部１２２側の連結部が、排気部１２１側の連結部よりも先に折り畳まれるように、連結部の厚みや素材などを調整しておく。なお、変形部１２３を折り畳む方向の力は、図２８他における−Ｚ方向の力となる。また、変形部１２３が伸びた状態において、連結部の表面と伸縮方向との角度が大きいほど、折り畳みが発生しやすい。したがって、接触部１２２側の連結部ほど連結部の表面と伸縮方向との角度を大きくすることも考えられる。

このように、変形部１２３を伸縮方向に折り畳みが可能な構成とすることで、吸着ハンド１２０の接触部の開口より大きな物品５００、または板状の物品５００を吸着する際に、伸縮方向の力が加えられた吸着ハンド１２０は折り畳まれ、平面状になる。したがって、本実施の形態の把持装置１００によれば、吸着時の側壁１２５における皺の発生を抑制し、より確実な把持を行うことができる。特に、中空空間１２４の広がり角が４５度以下などの小さい角度である場合には、通常であれば変形部１２３は平面状に変形しにくいが、変形部１２３を伸縮方向に折り畳みが可能な構成とすることで、変形部１２３は平面状に変形しやすくなる。また、小さな物品５００や複雑な形状の物品５００を把持する際には、吸着ハンド１２０を伸展させた状態で把持を行うことで、側壁１２５で包み込むように把持することができ、高い把持能力を得ることができる。なお、側壁１２５は、筒状部及び連結部で構成されている。

また、変形部１２３が折り畳まれると、複数の筒状部の底面が物品５００の表面に押し付けられることになる。この結果、吸着ハンド１２０の内部と連通する接触部の開口は、複数の筒状部によって同心円状に囲まれることになる。したがって、１つの筒状部で囲まれるだけでは、吸着ハンド１２０と物品との間の隙間を完全に塞ぐことができなくても、複数の筒状部で囲まれることで、外部から流入する空気をより減少させることが可能となる。さらに、屈曲可能に構成される連結部が、物品５００の表面に張り付くことで、外部から流入する空気をより減少させることが可能となる。以上のように、本実施の形態における吸着ハンド１２０によれば、吸着ハンド１２０の接触部の開口より大きな物品５００、または板状の物品５００に対して、高い把持力を得ることが可能となる。

さらに、本実施の形態の把持装置１００における吸着ハンド１２０は、他の実施の形態におけるものと組み合わせることができる。例えば、図２８に示す吸着ハンド１２０の変形部１２３の外部に環状チューブ１２８を備えても良い。また、図２８に示す吸着ハンド１２０の筒状部１４６ａ〜１４６ｄ及び連結部１４７ａ〜１４７ｃの内部に、流体収容部又は粒状体収容部を備えても良い。さらに、図２８に示す吸着ハンド１２０の筒状部１４６ａ〜１４６ｄの内部のみに、流体収容部又は粒状体収容部を備えても良い。

実施の形態６．
実施の形態１から５までのロボットシステムでは、１つの負圧発生源２００を備える構成としていた。ここで、様々な物品５００を吸着ハンド１２０で把持するには、吸着ハンド１２０を物品５００へ押し当てた際に間に生じる様々な大きさの隙間に対して、負圧発生源２００は、側壁１２５を変形させるに足る負圧を発生させる必要がある。この観点からは、大きな隙間に対しても負圧を発生させることが可能な大流量の特性を備えた負圧発生源２００が適している。図２に示す負圧発生源の特性について言えば、破線で示す第１の特性６００ａを有する負圧発生源２００よりも、実線で示す第２の特性６００ｂを有する負圧発生源２００の方が適している。

一方で、吸着ハンド１２０の内部に空気が流入しないように、吸着ハンド１２０がしっかりと物品５００へと密着できている状態であれば、負圧が大きい方が把持力も大きくなる。したがって、この観点からは、負圧の最大値は大きい方が望ましく、図２に破線で示す第１の特性６００ａを有する負圧発生源２００の方が望ましい。しかし、高い負圧の値（例えば、絶対値が９０ｋＰａ以上）と大流量（例えば２〜３ｍ^３／分）の両方を満たす負圧発生源２００を用いることは、消費電力、コスト、装置の大きさ等の点から現実的ではない。

本実施の形態の把持システムは、このような課題を解決するものである。本実施の形態の把持システムは、負圧発生源を複数備えたものとなる。図３２は、本発明の実施の形態６における把持システムの構成の一例を示す図である。なお、把持システムの一例としては、ロボットアームを備えたロボットシステムが考えられる。図３２では、ロボットアーム１１０など、本実施の形態の把持システムの説明に不要なものは省略している。

図３２に示す把持システムは、把持装置１００、第１の負圧発生源２００ａ、第２の負圧発生源２００ｂ、配管３００、センサ３１０、制御装置４００、及び弁７００を備える。把持装置１００としては、実施の形態１から５で述べたものを用いることができる。第１の負圧発生源２００ａと第２の負圧発生源２００ｂとは、互いに異なる特性を有する。図３３は、第１の負圧発生源２００ａの特性を示す図である。また、図３４は、第２の負圧発生源２００ｂの特性を示す図である。図３３及び図３４において、縦軸は発生する負圧Ｐの大きさであり、横軸は空気の流量Ｑである。なお、図３３及び図３４において、縦軸は単にＰと記載しているが、実際には負圧Ｐの絶対値を表している。

第１の負圧発生源２００ａは、図３３に示すように、負圧の最大値は大きいものの、流量の最大値は小さい。逆に、第２の負圧発生源２００ｂは、図３４に示すように、流量の最大値は大きいものの、負圧の最大値は小さい。すなわち、第２の負圧発生源２００ｂは、第１の負圧発生源２００ａと比較して、排出できる空気の流量の最大値が大きく、発生できる負圧の最大値が小さい。第１の負圧発生源２００ａ及び第２の負圧発生源２００ｂは、配管３００を介して把持装置１００に接続されている。配管３００は分岐しており、分岐した一方が第１の負圧発生源２００ａに接続され、他方が弁７００を介して第２の負圧発生源２００ｂに接続されている。弁７００を閉じることにより、第２の負圧発生源２００ｂから把持装置１００への流路を閉鎖することが可能となる。

センサ３１０は、配管３００に設置され、配管３００の中の空気の流量または圧力を計測する。制御装置４００は、把持装置１００、第１の負圧発生源２００ａ、第２の負圧発生源２００ｂ、センサ３１０、及び弁７００に接続され、それぞれの動作を制御する。また、センサ３１０で計測された結果は、制御装置４００へと送られる。

弁７００は、以下の理由により設けられている。第２の負圧発生源２００ｂのように、流量の最大値は大きいものの、負圧の最大値は小さい負圧発生源は、ブロアと呼ばれるような回転する羽根を用いたものが多い。このような負圧発生源では、負圧発生源で発生する負圧の値よりも配管３００の圧力が低圧である場合、逆流が発生し、負圧発生源の排気部から空気が配管３００へと流入する恐れがある。弁７００は、このような空気の逆流を避けるために設けられている。一方、第１の負圧発生源２００ａのように、負圧の最大値は大きいものの、流量の最大値は小さい負圧発生源は、ダイアフラム型や揺動ピストン型など、逆流を発生させないポンプ構造のものが多い。したがって、図３２に示す把持システムでは、第１の負圧発生源２００ａへ至る分岐には弁を設けていない。ただし、逆流が懸念される場合には、必要に応じて弁を追加しても良い。

次に、図３２に示す把持システムの動作について説明する。物品５００と吸着ハンド１２０との間に大きな隙間がある状態で、変形部１２３を変形させるための負圧を吸着ハンドの内部に発生させるためには、大流量での負圧発生が求められる。そこで、吸着ハンド１２０が物品５００に押し付けられる前、または押し付けられた直後は、制御装置４００は、第２の負圧発生源２００ｂを駆動させ、弁７００を開く。第１の負圧発生源２００ａについては、運転させた方が流量はより増加するが、消費するエネルギーと比較して流量の増加が小さい場合もあるので、必ずしも運転させる必要は無い。

次に、吸着ハンド１２０の内部の負圧が増加し、変形部１２３が変形して物品５００との隙間を減少させて行くに従い、センサ３１０で計測される流量は減少して負圧の値は増加する。センサ３１０での計測値が、図３３に示す第１の負圧発生源２００ａの特性と、図３４に示す第２の負圧発生源２００ｂの特性との交点に位置する負圧を上回るか、交点に位置する流量を下回ると、制御装置４００は、弁７００を閉じて第２の負圧発生源２００ｂの運転を停止し、第１の負圧発生源２００ａのみを運転させる。図３５は、本実施の形態の把持システムで生成される配管３００の内部の負圧と空気の流量との関係を示す図である。

低流量の領域では、第１の負圧発生源２００ａによって生じる負圧の値は、第２の負圧発生源２００ｂによって生じる負圧の値よりも高い。したがって、第２の負圧発生源２００ｂを用いるよりも、第１の負圧発生源２００ａを用いる方が、変形部１２３を変形させる効果がより大きくなる。その結果、吸着ハンド１２０における吸着力も大きくなる。

図３６は、制御装置４００が第１の負圧発生源２００ａ、第２の負圧発生源２００ｂ、および弁７００を制御する処理の流れを示す図である。ステップＳ０３１において、制御装置４００は、第２の負圧発生源２００ｂの運転を開始する。この際、第１の負圧発生源２００ａも運転を開始しても良い。次にステップＳ０３２において、制御装置４００は、弁７００を開く。次にステップＳ０３３において、制御装置４００は、配管３００の内部の負圧の大きさが、所定の値を上回ったか否かを判定する。配管３００の内部の負圧の大きさが所定の値を上回っていない場合には、制御装置４００の動作は、ステップＳ０３３に戻る。配管３００の内部の負圧の大きさが所定の値を上回った場合には、制御装置４００の動作は、ステップＳ０３４に進む。

なお、ここではセンサ３１０が配管３００の内部の負圧を計測する場合を例示しているが、センサ３１０が配管３００の内部の空気の流量を計測する構成としても良い。この場合には、ステップＳ０３３では、制御装置４００は、空気の流量が所定の値を下回ったか否かを判定することになる。次にステップＳ０３４において、制御装置４００は、第１の負圧発生源２００ａの運転を開始する。次にステップＳ０３５において、制御装置４００は、弁７００を閉じる。次にステップＳ０３６において、制御装置４００は、第２の負圧発生源２００ｂの運転を終了する。

以上のように、本実施の形態の把持システムは、異なる特性をもつ負圧発生源２００ａ及び２００ｂを組み合わせることで、多様な物品５００に対する把持能力と、より大きな把持力とを両立させることが可能になる。本実施の形態の把持システムによれば、実施の形態１から５で述べた把持装置１００をより効果的に活用することができる。

１００ 把持装置、１１０ ロボットアーム、１２０ 吸着ハンド、１２１ 排気部、１２２ 接触部、１２３ 変形部、１２４ 中空空間、１２５ 側壁、１２５ａ 内壁、１２５ｂ 外壁、１２６ 切れ込み、１２７ ヒレ構造、１２８ 環状チューブ、１２９ 気密空間、１３０ 吸着パッド、１４１ 切替弁、１４２ 接続チューブ、１４３ 仕切り、１４４ 流路、１４５ 粒状体、１４６ａ 第１の筒状部、１４６ｂ 第２の筒状部、１４６ｃ 第３の筒状部、１４６ｄ 第４の筒状部、１４７ａ 第１の連結部、１４７ｂ 第２の連結部、１４７ｃ 第３の連結部、１５１ 粗面の領域、１５２ 滑面の領域、１５３ 溝、２００ 負圧発生源、２００ａ 第１の負圧発生源、２００ｂ 第２の負圧発生源、３００ 配管、３１０ センサ、４００ 制御装置、５００、５００ａ、５００ｂ 物品、６００ａ 第１の特性、６００ｂ 第２の特性、７００ 弁。

Claims (16)

1. 吸着部を備え、前記吸着部で対象物を吸着して把持する把持装置であって、
   前記吸着部は、空気を排出させる排気部と、前記対象物を把持する際に前記対象物に接触させる接触部と、前記対象物を把持する際に少なくとも１方向に変形する変形部とを備え、前記排気部及び前記接触部で開口した中空構造であり、
   前記変形部は、前記接触部の前記開口の周方向に連続した構造で中空空間を取り囲む側壁を有し、
   前記対象物を把持する際に、前記排気部から空気が排出されることで発生する前記吸着部の内部の負圧と前記吸着部の外部の大気圧との差圧によって前記側壁が変形することで、前記変形部が変形する
   ことを特徴とする把持装置。
2. 前記変形部の前記中空空間は、前記排気部側から前記接触部側に向うに従って徐々に広くなることを特徴とする請求項１に記載の把持装置。
3. 前記側壁は、前記吸着部と前記対象物との間に前記吸着部の内部に空気が流入する隙間が存在する場合には、前記隙間を塞ぐように変形することを特徴とする請求項１または２に記載の把持装置。
4. 前記対象物を把持する際に前記吸着部が押し当てられる前記対象物の面を上面として、前記上面が前記接触部の開口よりも小さい場合、前記上面が前記変形部の内部に収まるように前記吸着部が移動し、前記側壁が前記対象物を包み込むように変形して前記対象物を把持することを特徴とする請求項３に記載の把持装置。
5. 前記対象物を把持する際に前記吸着部が押し当てられる前記対象物の面を上面とし、前記上面と接続される前記対象物の面を側面として、前記上面が前記接触部の開口よりも小さい場合、前記上面を前記変形部の内部に収まるように前記吸着部が移動し、前記側壁が前記側面と接触するように変形して前記対象物を把持することを特徴とする請求項３に記載の把持装置。
6. 前記吸着部から見た断面形状が長辺と短辺とを有する棒状の前記対象物を把持する際に、前記長辺が前記変形部の内部に収まらない長さを有する場合、前記側壁が前記対象物を前記短辺の両端側で挟み込むように変形して前記対象物を把持することを特徴とする請求項３に記載の把持装置。
7. 前記側壁の内面には、前記接触部の開口の周方向に伸びる溝が設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の把持装置。
8. 前記変形部は、折り畳み可能な構成となっていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の把持装置。
9. 前記変形部は、外部から注入される流体を収容する流体収容部を備え、
   前記流体収容部に前記流体が注入されることで前記側壁の剛性が増加し、前記流体収容部から前記流体が排出されることで前記側壁の剛性が低下することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の把持装置。
10. 前記流体収容部は、側壁の周囲に取り付けられた環状の環状チューブであることを特徴とする請求項９に記載の把持装置。
11. 前記流体収容部は、前記側壁の内部に設けられた気密の空間であることを特徴とする請求項９に記載の把持装置。
12. 前記変形部は、粒状の物質である粒状体を収容する粒状体収容部を備え、
    前記粒状体収容部が減圧されることで前記側壁の剛性が増加し、前記粒状体収容部が大気圧となることで前記側壁の剛性が低下することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の把持装置。
13. 請求項１から８のいずれか１項に記載の把持装置を制御する制御装置であって、
    前記吸着部を変形させない第１の大きさに前記吸着部の内部の負圧を制御する第１のステップと、
    前記吸着部の内部の負圧を前記第１の大きさにした状態で、前記吸着部を移動させて前記対象物に押し付ける第２のステップと、
    前記吸着部を前記対象物に押し付けた状態で、前記吸着部を変形させる第２の大きさの負圧を前記吸着部の内部に発生させる第３のステップと、
    前記吸着部が物品を吸着したか否かを推定する第４のステップと
    を含む処理を実行することを特徴とする制御装置。
14. 請求項９から１１のいずれか１項に記載の把持装置を制御する制御装置であって、
    前記流体収容部に流体を注入して加圧する第１のステップと、
    前記吸着部の内部に負圧を発生させる第２のステップと、
    前記流体収容部が加圧された状態で、前記吸着部を移動させて前記対象物に押し付ける第３のステップと、
    前記吸着部を前記対象物に押し付けた状態で、前記流体収容部から流体を排出して減圧する第４のステップと、
    前記吸着部が物品を吸着したか否かを推定する第５のステップと、
    を含む処理を実行することを特徴とする制御装置。
15. 請求項１２に記載の把持装置を制御する制御装置であって、
    前記粒状体収容部から空気を排出して減圧する第１のステップと、
    前記吸着部の内部に負圧を発生させる第２のステップと、
    前記粒状体収容部が減圧された状態で、前記吸着部を移動させて前記対象物に押し付ける第３のステップと、
    前記吸着部を前記対象物に押し付けた状態で、前記粒状体収容部を大気圧にする第４のステップと、
    前記吸着部が物品を吸着したか否かを推定する第５のステップと、
    を含む処理を実行することを特徴とする制御装置。
16. 請求項１から１２のいずれか１項に記載の把持装置と、
    第１の負圧発生源と、
    前記第１の負圧発生源と比較して、排出できる空気の流量の最大値が大きく、発生できる負圧の最大値が小さい第２の負圧発生源と、
    前記把持装置と前記第１の負圧発生源及び前記第２の負圧発生源とを接続する配管と、
    前記配管の内部の負圧又は空気の流量に基づいて、前記第１の負圧発生源及び前記第２の負圧発生源の動作を切り替える制御装置と
    を備えることを特徴とする把持システム。

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