JP2018176368A - 食品保持装置およびその動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より簡単な構成で、少量且つ一定量の食材を確実に保持または解放する。【解決手段】食材を保持または解放可能な食品保持装置（１１）である。食品保持装置（１３）は、基部８２と、基部８２に対して駆動可能に取り付けられた一対のアーム（８３）と、一対のアーム（８３）の各々の先端に設けられた一対の先端部８４と、一対のアーム（８３）の動作を制御する制御装置１４と、を備え、制御装置１４は、一対のアーム（８３）の動作を制御することにより、一対の先端部８４が互いに対向した状態でそれらの内側に食材を保持し、一対の先端部８４が互いに離れた状態でそれらの内側に保持された食材を解放する。【選択図】図４

Description

本発明は、食品保持装置およびその動作方法に関する。

従来、機内食や弁当等の食品の製造現場では作業者による食品の盛り付け作業が行われている。作業者は、例えばコンベアで搬送されてくる食品容器を一方の手で拾い上げ、所定の姿勢に維持しながら、他方の手で少量のゴマを食品に振り掛け、作業後は、食品をコンベアの所定の位置に解放する。

近年、様々な分野において、生産性向上の観点から、ロボットと作業者が同じ作業空間内で共同して作業を行うことが提案されている。上記のような食品の製造現場において人型の作業ロボットを導入し、上記食品の盛り付け作業を行う場合、ゴマ等の少量且つ一定量の食材を保持するとともに、保持された食材を確実に食品の上に供給するための対策が必要になる。特許文献１には食品盛り付けロボットが開示されている。この食品盛り付けロボットにより支持される食品容器の例として、粒状の食品の注ぎ口としてＶ字状の切欠き部を有する容器や、液状の食品の注ぎ口としてやかんの先端のような突出部を有する容器が開示されている。ロボットは容器を傾斜させて食品を容器の外に出す。特許文献２には、調味料を半製品（菓子などの食品）に均一に添加することができる調味料供給装置が開示されている。この調味料供給装置は、塩等の粉体状の調味料がスクリューフィーダの先端から送出（排出）されるように構成され、スクリューフィーダの筒状の回転軸の予め定められた前方部分には、複数の貫通穴が設けられている。

特開２００３−１２８００２号公報 特開２０１５−２２３１５１号公報

しかし、上記特許文献１では、作業者によって食品を容器に充填する作業が必要となる。つまり、ロボットは食品を供給することができるが、ロボット自身で食品を保持することができない。また、上記特許文献２の調味料供給装置は、ポテトチップス等の菓子を製造する菓子製造システムに使用される。このため、この菓子製造システムは調味料供給装置だけでなく、組合せ計量装置、包装機、供給装置、排出コンベア、シュートを備えている。このため、システム全体が複雑になる。また、設置スペースも増大する。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、より簡単な構成で、ゴマ等の少量且つ一定量の食材を確実に保持または解放することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のある形態に係る食品保持装置は、食材を保持または解放可能な食品保持装置であって、基部と、前記基部に対して駆動可能に取り付けられた一対のアームと、一対のアームの各々の先端に設けられた一対の先端部と、前記一対のアームの動作を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記一対のアームの動作を制御することにより、前記一対の先端部が互いに対向した状態でそれらの内側に食材を保持し、前記一対の先端部が互いに離れた状態でそれらの内側に保持された食材を解放するように構成される。

上記構成によれば、一対の先端部を互いに対向させた状態で、それらの内側に食材（例えばゴマ）を保持し、食材を所定の位置に搬送することができる。そして、一対の先端部を互いに離すことにより、それらの内側に保持された食材が解放されるので、食材を食品（例えばパセリ）に盛り付けることができる。

各前記一対の先端部は、凹部を有し、前記凹部は、互いに対向した状態で中空部を形成し、その中空部の内側に食材を保持するように構成されてもよい。

上記構成によれば、一対の先端部が、互いに対向した状態で中空部を形成し、その中空部の内側に食材を保持することができるので、少量かつ一定量の食材を保持しやすい。また、半球の容積を適宜変更することにより、保持する食材の量を調整できる。尚、前記凹部は、半球状に形成され、前記中空部は、球状に形成されてもよい。

また、前記一対の先端部は、互いに相補形状に形成され、前記相補形状は、互いに対向する面が重なり合うことにより、それらの内側に食材を保持するように構成されてもよい。

上記構成によれば、一対の先端部が互いに相補形状に形成され、互いに対向する面が重なり合うことにより、それらの内側に食材を保持するので、少量かつ一定量の食材を保持しやすい。尚、前記相補形状は、平板形状を有してもよい。例えば平板の面積を適宜変更することにより、保持する食材の量を調整できる。

また、前記一対のアームは、前記一対の先端部により食材を保持した姿勢において、当該一対のアームの先端部の位置と、当該一対のアームの基端部の位置が水平方向に離れるように構成されてもよい。

上記構成によれば、例えば容器に収容された食材を保持する場合、水平方向において、アームの先端部の位置を容器内に合わせ、アームの基端部の位置を容器の外に合わせることができる。これにより、アームの動作時に駆動部分（基端部）においてほこり等の僅かな異物が生じた場合であっても、異物が食材の容器内に落下し食材に混入するのを防ぐことができる。例えば、アームの先端部を含む部分が鉛直方向に延在し、その基端部を含む部分が水平方向に延在していてもよい。その他、先端部とその基端部を含むアームの本体が鉛直方向に対して斜め方向に延在していてもよい。尚、前記食材は液体状または粉状の食材であってもよい。

また、本発明の他の形態に係る食品保持装置の動作方法は、基部と、前記基部に対して駆動可能に取り付けられた一対のアームと、一対のアームの各々の先端に設けられた一対の先端部と、前記一対のアームの動作を制御する制御装置と、を備えた食品保持装置の動作方法であって、前記一対のアームの動作を制御することにより、前記一対の先端部が互いに対向した状態でそれらの内側に食材を保持することと、前記一対の先端部が互いに離れた状態でそれらの内側に保持された食材を解放することと、を含む。

本発明は、以上に説明した構成を有し、より簡単な構成で、ゴマ等の少量且つ一定量の食材を確実に保持または解放することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る産業用ロボットの概略構成を示す図である。 図２は、本発明の一実施形態に係るエンドエフェクタの側面図である。 図３は、図２のエンドエフェクタのベースハンドとこれに把持された拡張ツールのアダプタの平面図である。 図４は、図２に示すエンドエフェクタの正面図である。 図５は、図４に示すエンドエフェクタの先端部の一部断面図である。 図６は、制御装置の構成を概略的に示す機能ブロック図である。 図７は、エンドエフェクタの動作を示す模式図である。 図８は、本発明の第１の変形例に係るエンドエフェクタの側面図である。 図９は、本発明の第２の変形例に係るエンドエフェクタの動作を示す図である。

以下、好ましい実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一または相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したものである。

（実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る産業用ロボットの概略構成を示す図である。図１に示すように、ロボット１１は、台車に固定されたベース１２と、ベース１２に支持された一対のロボットアーム（以下、単に「アーム」と記載する場合がある）１３、１３と、ベース１２内に収納された制御装置１４と、を備えている。ロボット１１は、人一人分に相当する限られたスペース（例えば６１０ｍｍ×６２０ｍｍ）に設置することができる。

以下では、一対のアームを広げた方向を左右方向と称し、基軸の軸心に平行な方向を上下方向と称し、左右方向および上下方向に直交する方向を前後方向と称する。本実施形態のロボット１１は、食品の製造現場に適用され、食品の盛り付け作業を行う。

各アーム１３は、ベース１２に対して移動可能に構成された水平多関節型ロボットアームであって、アーム部１５とリスト部１７とエンドエフェクタ１８を備えている。なお、右のアーム１３および左のアーム１３は、実質的に同じ構造であってもよい。また、右のアーム１３および左のアーム１３は、独立して動作したり、互いに関連して動作したりすることができる。

アーム部１５は、本例では、第１リンク１５ａおよび第２リンク１５ｂとで構成されている。第１リンク１５ａは、ベース１２の上面に固定された基軸１６と回転関節Ｊ１により連結され、基軸１６の軸心を通る回転軸線Ｌ１まわりに回動可能である。第２リンク１５ｂは、第１リンク１５ａの先端と回転関節Ｊ２により連結され、第１リンク１５ａの先端に規定された回転軸線Ｌ２まわりに回動可能である。

リスト部１７は、エンドエフェクタ１８が取り付けられるメカニカルインターフェース１９を有し、第２リンク１５ｂの先端と直動関節Ｊ３及び回転関節Ｊ４を介して連結されている。リスト部１７は、直動関節Ｊ３によって、第２リンク１５ｂに対し昇降移動である。リスト部１７は、回転関節Ｊ４によって、第２リンク１５ｂに対し垂直な回転軸線Ｌ３まわりに回動可能である。

エンドエフェクタ１８は、左右のリスト部１７のメカニカルインターフェース１９にそれぞれ連結されている。エンドエフェクタ１８は、左右のアーム１３の各々の先端に設けられている。本実施形態では、左右のエンドエフェクタ１８は、同じ構造である。このエンドエフェクタ１８が適用されるロボット１１は、本実施形態に限定されず、少なくとも１本のロボットアームを備えた産業用ロボットであればよい。

上記構成の各アーム１３は、各関節Ｊ１〜Ｊ４を有する。そして、アーム１３には、各関節Ｊ１〜Ｊ４に対応付けられるように、駆動用のサーボモータ（図示せず）、および、そのサーボモータの回転角を検出するエンコーダ（図示せず）等が設けられている。また、２本のアーム１３、１３の第１リンク１５ａ、１５ａの回転軸線Ｌ１は同一直線上にあり、一方のアーム１３の第１リンク１５ａと他方のアーム１３の第１リンク１５ａとは上下に高低差を設けて配置されている。

次に、アーム１３のリスト部１７に取り付けられるエンドエフェクタ１８について説明する。なお、左右のエンドエフェクタ１８は同じ構造であるので、ここでは一方（右）についてのみ説明する。図２はエンドエフェクタ１８の側面図である。図３はベースハンド６０とこれに把持されたアダプタ８１の平面図、図４はエンドエフェクタ１８の正面図である。図２に示すように、エンドエフェクタ１８は、ベースハンド６０と、拡張ツール８０とから構成されている。

ベースハンド６０は、対象物を把持することのできるエンドエフェクタ（ロボットハンド）である。本実施形態においては、ベースハンド６０として、互いの平行を維持しながら並進する一対の指７２によって対象物を把持するグリッパ型エンドエフェクタを採用している。但し、ベースハンド６０はこれに限定されず、対象物を把持することのできるエンドエフェクタであれば、指の数や自由度は限定されない。例えば、ベースハンド６０として、回転する一対の指を持つ角度開閉グリッパや、３本以上の指で対象物を把持するロボットハンドや、対象物を拘束するチャックなどが採用されてもよい。

本実施形態に係るベースハンド６０は、プラットホーム７０と、プラットホーム７０に支持されたアクチュエータ（図示せず）によって駆動される一対の指７２とを備えている。プラットホーム７０には、ロボットインターフェース７１が設けられている。このロボットインターフェース７１は、アーム１３のリスト部１７に設けられたメカニカルインターフェース１９（図１参照）と結合される。

平行な一対の指７２は、アクチュエータ（図示せず）によって駆動されて、平行を維持しながら互いに近接・離反するように並進移動する。アクチュエータは、例えば、エアシリンダや直動機構などにより構成されていてよい（いずれも図示せず）。

拡張ツール８０は、ベースハンド６０の持つ機能を拡張するものである。拡張ツール８０は、対象物（食材）を保持または解放可能に構成される。拡張ツール８０は、アダプタ８１と、アダプタ８１と結合された基部８２と、基部８２に対して駆動可能に取り付けられた一対の保持アーム８３と、一対の保持アーム８３の各々の先端に設けられた一対の先端部８４と、を備える。

アダプタ８１は、ベースハンド６０と拡張ツール８０との接続部である。アダプタ８１がベースハンド６０に把持されることによって、拡張ツール８０とベースハンド６０とが接続される。アダプタ８１の上部は、円柱形状又は円筒形状である。以下では、この円柱又は円筒の軸心の延在方向を「軸心方向」（図２、３では上下方向）という。アダプタ８１の外周面には、ベースハンド６０の指７２を係合させる係合部８１ａ設けられている。この係合部８１ａは、ベースハンド６０の指の数や位置に対応している。

本実施形態に係るベースハンド６０は一対の指７２を有しており、これに対応する係合部８１ａは、アダプタ８１の外周面に形成された溝である。これらの溝が形成されたアダプタ８１を一対の指７２で両側から挟み込んだときに、一対の指７２はそれぞれ溝に嵌り込み、恰も一対の指７２がアダプタ８１の外周面に食い込んでいるような態様となる。

係合部８１ａである溝の溝幅は、指７２の幅（太さ）と同じか又は僅かに大きい。これにより、一対の指７２が係合部８１ａと係合する。即ち、一対の指７２が溝に嵌り込むことによって、ベースハンド６０に対するアダプタ８１の軸心方向位置と回転位置とが位置決めされる。

基部８２は、図４に示すように、上記アダプタ８１と結合され、アダプタ８１の軸心方向に垂直な方向（図では左右方向）の回転軸線Ｌ４を有する２つの回転関節Ｊ５を備える。２つの回転関節Ｊ５は、アクチュエータ（図示せず）によって駆動される。アクチュエータは、例えば、エアシリンダにより構成されていてよい。

保持アーム８３は、基端部８３１と、中間部８３２と、先端部８４で構成される。保持アーム８３の基端部８３１は、基部８２と回転関節Ｊ５により連結され、回転関節Ｊ５の軸心を通る回転軸線Ｌ４回りに回動可能である。各保持アーム８３は、回転軸線Ｌ４を中心に、保持アーム８３の長手方向が鉛直方向に対して任意の角度に開閉可能である。本実施形態では、保持アーム８３は、回転軸線Ｌ４を中心に、保持アーム８３の長手方向が鉛直方向に対して６０度の角度に開いた状態と、０度の角度に閉じた状態の二つの状態で静止するように制御される。

また、図３に示すように、保持アーム８３の中間部８３２は、基端部８３１を含む部分が水平方向に延在し、先端部８４を含む部分が鉛直方向に延在している。すなわち、一対の保持アーム８３は、一対の先端部８４により対象物（食材）を保持した姿勢において、先端部８４の位置と、基端部８３１の位置が水平方向に離れるように構成されている。

図５は、エンドエフェクタ１８の先端部８４の一部断面図である。図５に示すように、各先端部８４は、半球状の凹部８４ａを有している。本実施形態では半球状の凹部８４ａは、互いに対向した状態で球状の中空部８４ｂが形成される。つまり、一対の先端部８４は互いに対向した状態でそれらの内側に対象物（食材）を保持するように構成されている。また、一対の先端部８４は互いに離れた状態でそれらの内側に保持された対象物（食材）を解放するように構成されている。

図６は、ロボット１１の制御装置１４（図２参照）の構成を概略的に示す機能ブロック図である。図６に示すように、制御装置１４は、ＣＰＵ等の演算部１４ａと、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶部１４ｂと、サーボ制御部１４ｃと、を備える。制御装置１４は、例えばマイクロコントローラ等のコンピュータを備えたロボットコントローラである。なお、制御装置１４は、集中制御する単独の制御装置１４によって構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御する複数の制御装置１４によって構成されていてもよい。

記憶部１４ｂには、ロボットコントローラとしての基本プログラム、各種固定データ等の情報が記憶されている。演算部１４ａは、記憶部１４ｂに記憶された基本プログラム等のソフトウェアを読み出して実行することにより、ロボット１１の各種動作を制御する。すなわち、演算部１４ａは、ロボット１１の制御指令を生成し、これをサーボ制御部１４ｃに出力する。サーボ制御部１４ｃは、演算部１４ａにより生成された制御指令に基づいて、ロボット１１の各アーム１３の関節Ｊ１〜Ｊ４に対応するサーボモータの駆動を制御するように構成されている。また、ベースハンド６０によるアダプタ８１の保持動作（図２参照）および拡張ツール８０の保持アーム８３の開閉動作（図４参照）の制御も制御装置６によって行われる。よって、制御装置１４は、ロボット１１全体の動作の制御を行う。

次に、制御装置１４により制御されるロボット１１の動作の一例について図７を用いて説明する。本実施形態のロボット１１は、食材９１を保持し、食品９３の上に盛り付け作業を行う。本実施形態では食材９１は粉状のゴマであるが、粉状の食材に限らず、ソースやドレッシング等の液体状の食材でもよい。また、食品９３は例えばパセリであるが、これに限定されない。

まず、制御装置１４は、アーム１３の動作を制御して、エンドエフェクタ１８のベースハンド６０でアダプタ８１を保持し、かつ、拡張ツール８０の保持アーム８３を開いた状態に制御する。そして、図７（ａ）に示すように、拡張ツール８０の保持アーム８３を開いた状態で、拡張ツール８０を、食材９１が収容されたトレイ容器９０の直上付近に移動させる。

そして、制御装置１４は、図７（ｂ）に示すように、拡張ツール８０を下降させるとともに、一対の保持アーム８３を閉じた状態に制御する。これにより、一対の先端部８４が互いに対向した状態でそれらの内側に食材９１を保持する。

その後、制御装置１４は、図７（ｃ）に示すように、食品９３が収容された容器９２の直上付近において、一対の保持アーム８３を開いた状態に制御する。一対の先端部８４が互いに離れることにより、それらの内側に保持された食材９１が解放される。これにより、食材９１を容器９２内の食品９３の上に盛り付けることができる。

また、本実施形態では、各一対の先端部８４が半球状の凹部８４ａを有し、半球は、互いに対向した状態で球状の中空部８４ｂを形成し、その中空部８４ｂの内側に食材を保持するように構成されているので、少量かつ一定量の食材９１を保持しやすい。また、半球の容積を適宜変更することにより、保持する食材の量を調整できる。

尚、凹部８４ａは半球状に形成されたが、互いに対向した状態でその内側に食材を保持することができれば、これに限定されない。

また、本実施形態では、一対の先端部８４により食材９１を保持した姿勢において、一対の保持アーム８３の先端部８４の位置と、一対の保持アーム８３の基端部８３１の位置が水平方向に離れるように構成されている（図３参照）。これにより、容器９０に収容された食材９１を保持する場合（図７参照）、水平方向において、保持アーム８３の先端部８４の位置を容器９０内に合わせ、保持アーム８３の基端部８３１の位置を容器９０の外に合わせることができる。これにより、保持アーム８３の動作時に駆動部分（基端部）においてほこり等の僅かな異物が生じた場合であっても、異物が容器９０内に落下し食材９１に混入するのを防ぐことができる。尚、本実施形態では、保持アーム８３の先端部８４を含む中間部８３２が鉛直方向に延在し、その基端部８３１を含む部分が水平方向に延在するような構成としたが（図３参照）、先端部８４とその基端部８３１を含む保持アーム８３の本体が鉛直方向に対して斜め方向に延在していてもよい。

（変形例）
図８は、本発明の変形例に係るエンドエフェクタの側面図である。図８に示すように、本変形例の拡張ツール８０Ａでは、本実施形態と比べて、一対の先端部８４１が平板形状を有し、これらの平板形状が、互いに対向する面が重なり合うことにより、それらの内側に対象物（食材）を保持するように構成されている点が異なる。これにより、平板の面積を適宜変更することにより、保持する食材の量を調整できる。尚、一対の先端部８４１は、互いに相補形状に形成されていれば、例えば曲面形状でもよい。このような構成であっても、互いに対向する曲面が重なり合うことにより、それらの内側に対象物（食材）を保持することができる。

図９は、本発明の第２の変形例に係るエンドエフェクタの動作を示す模式図である。図９に示すように、本変形例の拡張ツール８０Ｂでは、本実施形態と比べて、各保持アーム８３Ｂは基部８２Ｂに対して平行移動可能に構成されている点が異なる。一対の保持アーム８３Ｂはアクチュエータ（図示せず）によって駆動されて、平行を維持しながら互いに近接・離反するように並進移動する。このような構成であっても、図９（ａ）〜図９（ｃ）に示すように、一対の先端部８４を互いに対向させた状態で、それらの内側に食材９１を保持するとともに、一対の先端部８４を互いに離すことにより、それらの内側に保持された食材９１を解放することができる。尚、図９の先端部８４は図８のような平板形状（８４１）を有していてもよい。

（その他の実施形態）
尚、上記実施形態では、双腕型のロボット１１により食品の盛り付け作業を行うように構成されたが、上記エンドエフェクタ１８を備え、位置決め制御が可能な専用装置で実現されてもよい。

尚、上記実施形態のロボット１１は、水平多関節型の双腕ロボットであるが、ロボットアームの先端に拡張ツール８０を備えていれば、垂直多関節型のロボットでもよい。

また、上記実施形態では、拡張ツール８０はベースハンド６０に保持される構成であったが、拡張ツール８０がロボットアーム１３の先端のメカニカルインターフェース１９に直接取り付けられてもよい。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明は、機内食や弁当等の食品の製造現場において有用である。

１１ ロボット
１３ ロボットアーム
１４ 制御装置
１８ エンドエフェクタ
６０ ベースハンド
８０ 拡張ツール
８２ 基部
８３ 保持アーム
８４ 先端部
８４ａ 凹部
８４ｂ 中空部
９０ 容器
９１ 食材（ゴマ）
９２ 容器
９３ 食品（パセリ）

Claims (8)

1. 食材を保持または解放可能な食品保持装置であって、
   基部と、
   前記基部に対して駆動可能に取り付けられた一対のアームと、
   一対のアームの各々の先端に設けられた一対の先端部と、
   前記一対のアームの動作を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記一対のアームの動作を制御することにより、
   前記一対の先端部が互いに対向した状態でそれらの内側に食材を保持し、
   前記一対の先端部が互いに離れた状態でそれらの内側に保持された食材を解放するように構成される、食品保持装置。
2. 各前記一対の先端部は、凹部を有し、
   前記凹部は、互いに対向した状態で中空部を形成し、その中空部の内側に食材を保持するように構成される、請求項１に記載の食品保持装置。
3. 前記凹部は、半球状に形成され、
   前記中空部は、球状に形成される、請求項２に記載の食品保持装置。
4. 前記一対の先端部は、互いに相補形状に形成され、
   前記相補形状は、互いに対向する面が重なり合うことにより、それらの内側に食材を保持するように構成される、請求項１に記載の食品保持装置。
5. 前記相補形状は、平板形状を有する、請求項４に記載の食品保持装置。
6. 前記一対のアームは、前記一対の先端部により食材を保持した姿勢において、当該一対のアームの先端部の位置と、当該一対のアームの基端部の位置が水平方向に離れるように構成される、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の食品保持装置。
7. 前記食材は液体状または粉状の食材である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の食品保持装置。
8. 基部と、前記基部に対して駆動可能に取り付けられた一対のアームと、一対のアームの各々の先端に設けられた一対の先端部と、前記一対のアームの動作を制御する制御装置と、を備えた食品保持装置の動作方法であって、
   前記一対のアームの動作を制御することにより、
   前記一対の先端部が互いに対向した状態でそれらの内側に食材を保持することと、
   前記一対の先端部が互いに離れた状態でそれらの内側に保持された食材を解放することと、を含む、食品保持装置の動作方法。
   

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