JP2019198946A - 把持装置およびロボット - Google Patents
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Abstract
【課題】十分な把持力で対象物を把持することのできる把持装置およびロボットを提供すること。【解決手段】把持装置は、ピニオンを有し、前記ピニオンの中心軸まわりに回転する回転部材と、圧電体の伸縮により振動する振動部と、前記振動部に設けられていると共に前記回転部材と当接し、前記振動部の振動を前記回転部材に伝達する凸部と、を有する圧電駆動部と、前記ピニオンと噛合し、前記ピニオンの回転によって移動するラックと、前記ラックに接続されている把持部と、を備え、前記凸部と前記回転部材とが当接する当接部は、前記回転部材の回転軸方向からの平面視で、前記ピニオンの外周よりも外側に位置している。【選択図】図１
Description
本発明は、把持装置およびロボットに関するものである。
例えば、特許文献１に記載された把持装置は、本体と、本体に対して平行移動可能に配置された一対の把持部と、本体に取り付けられ、一対の把持部を移動させるための超音波モーターと、超音波モーターの出力軸に設けられたピニオンと、把持部が固定され、ピニオンに噛合した一対のラックと、を有する。このような把持装置では、超音波モーターを駆動してピニオンを回転させると、一対のラックが相反方向に移動し、これにより、一対の把持部が接近・離間する。
しかしながら、特許文献１の把持装置では、超音波モーターの構成が不明であり、把持装置の構成によっては、把持部における把持力が不足するおそれがある。
本発明の把持装置は、ピニオンを有する回転部材と、
圧電体が振動する振動部と、前記回転部材と当接して前記振動を前記回転部材に伝達する凸部と、を有する駆動部と、
前記ピニオンと噛み合い、前記ピニオンの回転によって移動するラックと、
前記ラックに接続されている把持部と、を備え、
前記凸部と前記回転部材とが当接する当接部は、前記回転部材の回転軸方向からの平面視で、前記ピニオンの外周よりも外側に位置していることを特徴とする。
圧電体が振動する振動部と、前記回転部材と当接して前記振動を前記回転部材に伝達する凸部と、を有する駆動部と、
前記ピニオンと噛み合い、前記ピニオンの回転によって移動するラックと、
前記ラックに接続されている把持部と、を備え、
前記凸部と前記回転部材とが当接する当接部は、前記回転部材の回転軸方向からの平面視で、前記ピニオンの外周よりも外側に位置していることを特徴とする。
以下、本発明の把持装置およびロボットを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態に係る把持装置について説明する。
まず、本発明の第１実施形態に係る把持装置について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る把持装置を示す断面図である。図２は、図１に示す把持装置の平面図である。図３は、図１に示す把持装置が有する圧電モーターを示す平面図である。図４は、図３に示す圧電モーターの斜視図である。図５は、図３に示す圧電モーターが有する圧電アクチュエーターの分解斜視図である。なお、以下では、説明の便宜上、図１中の上側を「上」とも言い、下側を「下」とも言う。また、本願明細書中の「直交」とは、２つの軸または面が直交する場合の他、例えば８５°〜９５°の範囲で交わる場合を含む意味である。また、本願明細書中の「平行」とは、２つの軸または面が平行な場合の他、例えば、一方が他方に対して±５°の範囲で傾いている場合を含む意味である。
図１に示す把持装置１は、例えば、ロボット等に装着された状態で使用され、２つの把持部４１、４２を用いて対象物Ｗを把持することのできるハンドである。このような把持装置１は、ベース２と、ベース２に対してスライド可能に支持された一対のスライダー７１、７２と、スライダー７１、７２にそれぞれ固定され、歯同士が向き合うように配置された一対のラック３１、３２（ラックギア）と、ラック３１、３２に固定された一対の把持部４１、４２と、ラック３１、３２に噛合したピニオン５１（ピニオンギア）を有する回転部材５と、回転部材５を回転させる圧電駆動部としての圧電モーター６と、を有する。なお、圧電モーター６は、ベース２に固定されている。
図２に示すように、スライダー７１、７２は、それぞれ、一対のレール８１、８２で構成されたスライドガイド８を介してベース２に支持され、ベース２に対して矢印Ａ方向にスライド可能である。また、スライダー７１の上面には矢印Ａ方向に延在するラック３１が固定され、下面には把持部４１が固定されている。同様に、スライダー７２の上面には矢印Ａ方向に延在するラック３２が固定され、下面には把持部４２が固定されている。そして、ラック３１、３２の間に、ラック３１、３２と噛合したピニオン５１が設けられている。そのため、ピニオン５１がその中心軸Ｊまわりに回転すると、ラック３１、３２は、矢印Ａ方向でかつ互いに反対方向（相反方向）にスライドする。
なお、本実施形態では、ラック３１、３２の歯のピッチが等しく、ラック３１、３２は、等速度でスライドする。また、ラック３１、３２は、後述する中心軸Ｊに対して対称的にスライドする。そのため、対象物Ｗの大きさによらず、対象物Ｗを中心軸Ｊ上で把持することができる。
このように、ラック３１、３２が相反方向にスライドすることにより、把持部４１、４２が接近／離間し、これにより、把持部４１、４２で対象物Ｗを把持したり、把持した対象物Ｗをリリースしたりすることができる。
図１に戻って、回転部材５は、ピニオン５１と、軸部５２を介してピニオン５１と接続された回転体５３と、を有する。また、ピニオン５１および回転体５３は、同軸的に設けられている。また、回転体５３は、小径部５３１と、小径部５３１の上部側に位置する円板状（フランジ状）の大径部５３２と、を有する。そして、回転体５３は、小径部５３１において軸受５４（転がり軸受）を介してベース２に中心軸Ｊまわりに回転可能に支持されている。なお、軸受５４は、小径部５３１に設置され、軸受５４の外径は、大径部５３２の外径よりも小さい。これにより、把持装置１の小型化を図ることができる。また、軸受５４は、例えば、大径部５３２の下面を支持するように配置されたスラスト軸受であってもよい。
また、回転体５３の大径部５３２の上面には、圧電モーター６と当接する被駆動部材５５が設けられている。被駆動部材５５の構成材料としては、特に限定されないが、耐摩耗性に優れた材料が好ましい。このような耐摩耗性に優れた材料としては、例えば、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア等の酸化物セラミックス、窒化珪素、窒化アルミ、窒化チタン等の窒化物セラミックス等の各種セラミックス、サファイヤ、水晶等が挙げられる。ただし、被駆動部材５５が省略され、回転体５３の上面に圧電モーター６が当接していてもよい。
図３および図４に示すように、圧電モーター６は、複数の圧電アクチュエーター６１が積層した積層体６０と、積層体６０を被駆動部材５５に向けて付勢する付勢部６２と、を有する。また、付勢部６２は、積層体６０を支持する支持部６２１と、ベース２にねじ止めされた固定部６２２と、支持部６２１と固定部６２２とを接続する一対のばね部６２３、６２４と、を有する。
また、各圧電アクチュエーター６１は、振動部６１１と、振動部６１１を支持する支持部６１２と、振動部６１１と支持部６１２とを接続する一対の接続部６１３と、振動部６１１の先端部に設けられ、被駆動部材５５に振動部６１１の駆動力を伝達する凸部６１４と、を有する。凸部６１４は、振動部６１１から突出して設けられ、付勢部６２によって、その先端部が被駆動部材５５に押し付けられた状態で被駆動部材５５の上面と当接している。凸部６１４の非駆動部材５５に対する当接箇所は、中心軸Ｊから大径部５３２の外周に寄った位置であることが好ましい。これにより、十分な回転トルクが得られる。
また、振動部６１１には圧電素子６１１ａ、６１１ｂ、６１１ｃ、６１１ｄ、６１１ｅが設けられている。図５に示すように、圧電素子６１１ａ〜６１１ｅは、それぞれ、一対の電極６１１１、６１１２と、一対の電極に挟まれた圧電体６１１３と、を有し、振動部６１１の長手方向に伸縮可能となっている。また、電極６１１１は、圧電素子６１１ａ〜６１１ｅで共通化されており、電極６１１２は、圧電素子６１１ａ〜６１１ｅに対応して分割されている。これら各圧電素子６１１ａ〜６１１ｅに所定の駆動信号を印加することにより、振動部６１１が１軸方向に振動する縦振動とＳ字状に振動する屈曲振動とを行い、それによって凸部６１４が楕円の軌跡を描く運動をする。凸部６１４の楕円運動によって被駆動部材５５が送り出され、回転部材５がベース２に対して中心軸Ｊまわりに回転（正回転／逆回転）する。すなわち、中心軸Ｊは、回転部材５の回転軸である。
なお、圧電モーター６の駆動を停止した状態すなわち凸部６１４が楕円運動を停止している状態では、付勢部６２によって凸部６１４が被駆動部材５５に押し付けられているため、凸部６１４と被駆動部材５５との間に生じる摩擦力によって回転部材５の回転が阻止され、回転部材５の位置が保持される。すなわち、圧電モーター６によれば、ブレーキ機構を別途設けることなく、その駆動を停止するだけで回転部材５の回転を阻止することができる。
圧電体６１１３の構成材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、タングステン酸ナトリウム、酸化亜鉛、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）、タンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳＢＴ）、メタニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等の圧電セラミックスを用いることができる。圧電セラミックスで構成された圧電体は、例えば、ゾル−ゲル法やスパッタリング法を用いて形成してもよいし、バルク材料から形成してもよい。また、圧電体６１１３の構成材料としては、上述した圧電セラミックスの他にもポリフッ化ビニリデン、水晶等を用いてもよい。
なお、圧電モーター６の構成としては、振動部６１１の振動によって回転部材５を回転させることができれば、特に限定されない。例えば、本実施形態では、複数の圧電アクチュエーター６１が積層された積層体６０を用いているが、これに限定されず、１つの圧電アクチュエーター６１を用いてもよい。また、本実施形態では、振動部６１１が面内振動する構成となっているが、これに限定されず、振動部６１１が面外振動すなわち厚さ方向に振動する構成となっていてもよい。
また、本実施形態では、１つの圧電モーター６が設けられているが、圧電モーター６の数は、特に限定されず、２つ以上であってもよい。複数の圧電モーター６を配置することにより、より大きなトルクで回転部材５を回転させることができる。また、複数の圧電モーター６を配置する場合、複数の圧電モーター６は、中心軸Ｊまわりに等角度間隔で配置されていることが好ましい。これにより、複数の圧電モーター６からの付勢力である押圧が偏ることを防止して、回転部材５を円滑に回転させることができる。また、複数の圧電モーター６の干渉を効果的に低減することができる。
また、図１および図３に示すように、振動部６１１と凸部６１４とが並ぶ方向は、中心軸Ｊに沿っている。言い換えると、振動部６１１の長手方向が中心軸Ｊと平行である。このような姿勢で圧電モーター６を配置することにより、圧電モーター６の平面的な広がり（中心軸Ｊに直交する方向への広がり）を抑制することができる。そのため、把持装置１の小型化を図ることができる。
また、図１に示すように、圧電モーター６と回転部材５との当接部、より詳細には、凸部６１４と被駆動部材５５との当接部Ｑは、中心軸Ｊから、中心軸Ｊに直交する方向にずれている。当接部Ｑが中心軸Ｊから遠ざかる程、圧電モーター６のトルクが大きくなるため、当接部Ｑを中心軸Ｊからずらすことより、より大きなトルクで回転部材５を回転させることができる。そのため、把持部４１、４２による把持力をより大きくすることができ、対象物Ｗをより安定して把持することができる。
特に、本実施形態では、当接部Ｑは、中心軸Ｊに沿う方向からの平面視で、ピニオン５１の外周よりも外側に位置している。言い換えると、当接部Ｑは、中心軸Ｊに沿う方向からの平面視で、ピニオン５１と重なっていない。これにより、当接部Ｑを中心軸Ｊから十分に遠ざけることができ、より大きなトルクで回転部材５を回転させることができる。そのため、把持部４１、４２による把持力をより大きくすることができ、対象物Ｗをより安定して把持することができる。
ここで、当接部Ｑと中心軸Ｊとの離間距離Ｄとピニオン５１の半径ｒとの比により減速比（Ｄ／ｒ）が決定される。例えば、減速比が５となるように離間距離Ｄおよび半径ｒを設計すれば、圧電モーター６の駆動力の５倍の把持力を発揮することができる。なお、減速比としては、特に限定されないが、２以上であることが好ましく、４以上であることがより好ましく、６以上であることがさらに好ましい。これにより、十分に大きい把持力で対象物Ｗを把持することができる。
以上、把持装置１について説明した。このような把持装置１は、前述したように、ピニオン５１を有し、ピニオン５１の中心軸Ｊまわりに回転する回転部材５と、圧電体６１１３の伸縮により振動する振動部６１１と、振動部６１１に設けられていると共に回転部材５と当接し、振動部６１１の振動を回転部材５に伝達する凸部６１４と、を有する圧電駆動部としての圧電モーター６と、ピニオン５１と噛合し、ピニオン５１の回転によって移動するラック３１、３２と、ラック３１、３２に接続されている把持部４１、４２と、を有する。そして、凸部６１４と回転部材５との当接部Ｑは、中心軸Ｊからずれている。このように、当接部Ｑを中心軸Ｊからずらすことより、より大きなトルクで回転部材５を回転させることができる。そのため、把持部４１、４２による把持力をより大きくすることができ、対象物Ｗをより安定して把持することができる。
また、前述したように、振動部６１１と凸部６１４とが並ぶ方向は、中心軸Ｊに沿っている。これにより、把持装置１の小型化を図ることができる。
また、前述したように、凸部６１４と回転部材５との当接部Ｑは、中心軸Ｊに沿う方向からの平面視で、ピニオン５１の外周よりも外側に位置している。これにより、当接部Ｑを中心軸から十分に離間させることができ、より大きなトルクで回転部材５を回転させることができる。そのため、把持部４１、４２による把持力をより大きくすることができ、対象物Ｗをより安定して把持することができる。
また、前述したように、把持装置１は、ピニオン５１に噛合する一対のラック３１、３２を有し、一対のラック３１、３２は、ピニオン５１を挟んで互いの歯が向き合って配置されており、ピニオン５１の回転によって相反方向（互いに反対の方向）に移動する。これにより、ピニオン５１の外径が小さくなっても、ラックが１つである場合に比べて中心軸Ｊがぶれることを低減することができ、大きなトルクで回転部材５を回転させることができる。また、ラック３１、３２に接続された把持部４１、４２を開閉することができ、把持部４１、４２によって容易に対象物Ｗを把持することができる。
なお、把持装置１としては、本実施形態に限定されない。例えば、本実施形態の把持装置１は、一対のラック３１、３２を有しているが、これに限定されず、ラック３１、３２のいずれかを省略してもよい。この場合、省略されたラックに設けられた把持部は、ベース２に固定されていてもよいし、異なる駆動機構によりベース２に対してスライド可能となっていてもよい。
＜第２実施形態＞
図６は、本発明の第２実施形態に係る把持装置を示す断面図である。
図６は、本発明の第２実施形態に係る把持装置を示す断面図である。
本実施形態に係る把持装置１は、圧電モーター６の向きが異なること以外は、前述した第１実施形態の把持装置と同様である。なお、以下の説明では、第２実施形態の把持装置１に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図６では、前述した実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。
図６に示すように、本実施形態の把持装置１では、被駆動部材５５が回転体５３の大径部５３２の外周面に配置されている。そして、被駆動部材５５の外周面に圧電モーター６の凸部６１４が当接している。また、振動部６１１と凸部６１４とが並ぶ方向は、中心軸Ｊと直交する方向に沿っている。言い換えると、振動部６１１の長手方向が中心軸Ｊと直交している。また、振動部６１１の厚さ方向が中心軸Ｊに沿っている。このような姿勢で圧電モーター６を配置することにより、例えば、前述した第１実施形態と比べて、把持装置１の低背化を図ることができる。
以上のように、本実施形態の把持装置１では、振動部６１１と凸部６１４とが並ぶ方向は、中心軸Ｊと直交する方向に沿っている。これにより、把持装置１の低背化を図ることができる。
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係る把持装置について説明する。
次に、本発明の第３実施形態に係る把持装置について説明する。
図７は、本発明の第３実施形態に係る把持装置の断面図である。図８は、図７に示す把持装置が有する回転ばねを示す平面図である。
本実施形態に係る把持装置は、さらに回転ばね９を有すること以外は、前述した第１実施形態の把持装置と同様である。なお、以下の説明では、第３実施形態の把持装置１に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図７および図８では、前述した実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。
図７に示すように、本実施形態の把持装置は、回転体５３とベース２とを接続する回転ばね９をさらに有する。回転ばね９は、図８に示すように、円環状をなす外側固定部９１と、外側固定部９１の内側に位置する内側固定部９２と、外側固定部９１と内側固定部９２との間に位置し、これらを接続するばね部９３と、を有する。内側固定部９２は、回転体５３（小径部５３１の下面）に固定されており、外側固定部９１には、連結部材１０を介してピニオン５１が固定されている。なお、本実施形態では、軸部５２は、回転体５３に対して回転可能に支持されている。
このような構成では、把持部４１、４２で対象物Ｗを把持すると、その把持力に応じて外側固定部９１が内側固定部９２に対して中心軸Ｊまわりに変位する。そのため、外側固定部９１の変位量（回転量）に基づいて、把持力を算出することができる。そのため、外側固定部９１の変位量を制御することにより、対象物Ｗを把持する力を制御することができる。なお、内側固定部９２に対する外側固定部９１の変位量は、例えば、図示しないロータリーエンコーダー等により検出することができる。
また、把持部４１、４２で対象物Ｗを把持し、把持部４１、４２をそれ以上接近させることができない状態であっても、回転ばね９の弾性変形を伴って回転体５３が中心軸Ｊまわりに回転することができる。そのため、把持部４１、４２で対象物Ｗを把持した状態からさらに回転体５３を回転させ、回転ばね９を弾性変形させることにより、回転ばね９の復元力を利用して対象物Ｗの把持力を高めることができる。その結果、対象物Ｗを十分な把持力で把持することができる。このように、回転ばね９を弾性変形させることにより把持力を高めることができるため、対象物Ｗを把持している状態では、圧電モーター６を停止させることができる。つまり、回転ばね９を用いることにより、対象物Ｗを把持した状態で圧電モーター６を駆動させ続けなくても、十分に高い把持力で対象物Ｗを把持することができる。このように、圧電モーター６の駆動を停止させることにより、圧電モーター６の凸部６１４や被駆動部材５５の摩耗を低減することができる。
このような第３実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。なお、本実施形態では、ベース２に外側固定部９１が固定され、回転体５３に内側固定部９２が固定されているが、これとは逆に、ベース２に内側固定部９２が固定され、回転体５３に外側固定部９１が固定されていてもよい。
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態に係るロボットについて説明する。
次に、本発明の第４実施形態に係るロボットについて説明する。
図９は、本発明の第４実施形態に係るロボットを示す斜視図である。
図９に示すロボット１０００は、精密機器やこれを構成する部品の給材、除材、搬送および組立等の作業を行うことができる。ロボット１０００は、ロボット本体１１００と、ロボット本体１１００に装着されている把持装置１と、を有する。
ロボット本体１１００は、６軸ロボットであり、床や天井に固定されるベース１１１０と、ベース１１１０に回動自在に連結されたアーム１１２０と、アーム１１２０に回動自在に連結されたアーム１１３０と、アーム１１３０に回動自在に連結されたアーム１１４０と、アーム１１４０に回動自在に連結されたアーム１１５０と、アーム１１５０に回動自在に連結されたアーム１１６０と、アーム１１６０に回動自在に連結されたアーム１１７０と、これらアーム１１２０、１１３０、１１４０、１１５０、１１６０、１１７０の駆動を制御する制御装置１１８０と、を有する。また、アーム１１７０にはハンド接続部が設けられており、ハンド接続部にはロボット本体１１００に実行させる作業に応じたエンドエフェクターとして、例えば、前述した第１〜第３実施形態のいずれかの把持装置１が装着される。
以上のように、ロボット１０００は、把持装置１を有する。そのため、ロボット１０００は、前述した把持装置１の効果を享受でき、優れた信頼性を発揮することができる。
なお、ロボット１０００の構成としては、特に限定されず、例えば、アームの数が１本〜５本であってもよいし、７本以上であってもよい。また、ロボット１０００は、水平関節ロボット（スカラロボット）であってもよいし、双腕ロボットであってもよい。
以上、本発明の把持装置およびロボットについて、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。
１…把持装置、１０…連結部材、２…ベース、３１、３２…ラック、４１、４２…把持部、５…回転部材、５１…ピニオン、５２…軸部、５３…回転体、５３１…小径部、５３２…大径部、５４…軸受、５５…被駆動部材、６…圧電モーター、６０…積層体、６１…圧電アクチュエーター、６１１…振動部、６１１ａ〜６１１ｅ…圧電素子、６１１１、６１１２…電極、６１１３…圧電体、６１２…支持部、６１３…接続部、６１４…凸部、６２…付勢部、６２１…支持部、６２２…固定部、６２３、６２４…ばね部、７１、７２…スライダー、８…スライドガイド、８１、８２…レール、９…回転ばね、９１…外側固定部、９２…内側固定部、９３…ばね部、１０００…ロボット、１１００…ロボット本体、１１１０…ベース、１１２０〜１１７０…アーム、１１８０…制御装置、Ａ…矢印、Ｄ…離間距離、Ｊ…中心軸、Ｑ…当接部、Ｗ…対象物、ｒ…半径
Claims (5)
- ピニオンを有する回転部材と、
圧電体が振動する振動部と、前記回転部材と当接して前記振動を前記回転部材に伝達する凸部と、を有する駆動部と、
前記ピニオンと噛み合い、前記ピニオンの回転によって移動するラックと、
前記ラックに接続されている把持部と、を備え、
前記凸部と前記回転部材とが当接する当接部は、前記回転部材の回転軸方向からの平面視で、前記ピニオンの外周よりも外側に位置していることを特徴とする把持装置。 - 前記振動部と前記凸部とが並ぶ方向は、前記回転軸に沿っている請求項１に記載の把持装置。
- 前記振動部と前記凸部とが並ぶ方向は、前記回転軸と直交する方向に沿っている請求項１に記載の把持装置。
- 前記ラックを複数有し、
前記複数のラックは互いの歯が向き合って配置されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の把持装置。 - 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の把持装置を有することを特徴とするロボット。
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