JP2019202374A - ハンドおよびハンドシステム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成でハンドを小型化する。【解決手段】ハンド５０は、間隔をあけて配置され、間隔方向に相対移動可能に設けられた一対のフィンガ部材と、少なくとも一方の該フィンガ部材を間隔方向に移動させるフィンガ駆動部と、各フィンガ部材に設けられ、相互に対向しかつ間隔方向に延びる軸線回りに回転可能に支持された一対の把持パッドと、軸線から径方向に離れた位置において径方向に交差する方向に移動可能に設けられ、把持パッド間に把持されたワークＷの表面を押圧する押圧部材とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ハンドおよびハンドシステムに関する。

作業対象のワークを両側から挟み込んで把持する一対の主フィンガと、該主フィンガとは別の位置でワークに接触する補助フィンガとを備えるロボットハンドが知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１のロボットハンドにおいては、主フィンガによってワークを把持する際に、主フィンガを回転させてワークの表面に主フィンガを密着させている。

特開平４−６９１８２号公報

しかしながら、主フィンガをワークの表面に密着させる角度に回転させるためには、ワークの表面と主フィンガの表面との傾きを検出するセンサが必要であり、ロボットハンドが複雑になるという不都合がある。また、主フィンガの表面をワークに密着させるので、主フィンガとワークとの相対変位が拘束される。このため、ワークの重心位置によってはフィンガには大きなモーメントが作用し、このモーメントに耐える程度の大きな剛性が必要となってハンドが大型化するという不都合がある。
本発明は、簡易な構成で、大型化を防止することができるハンドおよびハンドシステムを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、間隔をあけて配置され、間隔方向に相対移動可能に設けられた一対のフィンガ部材と、少なくとも一方の該フィンガ部材を前記間隔方向に移動させるフィンガ駆動部と、各該フィンガ部材に設けられ、相互に対向しかつ前記間隔方向に延びる軸線回りに回転可能に支持された一対の把持パッドと、前記軸線から径方向に離れた位置において前記径方向に交差する方向に移動可能に設けられ、前記把持パッド間に把持されたワークの表面を押圧する押圧部材とを備えるハンドを提供する。

本態様によれば、間隔をあけて配置された一対のフィンガ部材の間にワークを配置し、フィンガ駆動部の作動によりフィンガ部材を相対移動させることにより近接させると、フィンガ部材に設けられた一対の把持パッドがワークを挟んだ両側からワークの表面に押し付けられ、フィンガ部材間にワークが把持される。

ワークの重心が把持パッドの軸線の鉛直下方に存在しない場合、重心が軸線の鉛直下方に移動する方向にワークに回転モーメントが作用し、把持パッドが軸線回りに回転する。したがって、フィンガ部材はワークに作用するモーメントを受ける必要がなく、その分剛性を抑えて小型化することができる。そして、押圧部材によってワークの軸線から離れた位置の表面を押圧することにより、ワークの軸線回りの姿勢を調整することができる。

上記態様において、前記押圧部材が、前記径方向に交差する方向に移動可能なロッドと、該ロッドの先端に前記軸線に平行な軸線回りに回転可能に支持され、前記ワークの表面に押し当てられるカムフォロワとを有していてもよい。

この構成により、把持パッドに把持されたワークに、押圧部材の内のカムフォロワが接触する。ワークが軸線回りに回転すると、ワークとカムフォロワとが接触している位置が変化する場合がある。カムフォロワは、ワークの回転中心である軸線と平行な軸線回りに回転可能であるため、ワークとカムフォロワとの接触位置が変化しても、摩擦力が軽減されるために接触位置は滑らかに変化する。これにより、把持パッドに把持されたワークの姿勢は変化しやすくなり、ワークの姿勢を変更するための力が小さくて済む。

本発明の他の態様は、上記記載のハンドと、制御部とを備え、前記ハンドが、少なくとも１つの該把持パッドの前記軸線回りの回転量を検出するセンサと、前記押圧部材を移動させる押圧駆動部とを備え、前記制御部が、前記センサにより検出された回転量に基づいて前記押圧駆動部を制御するハンドシステムを提供する。

本態様によれば、把持パッドに把持されたワークにおける把持前後での姿勢の変化が、センサが検出した回転量によって特定される。押圧駆動部が、特定された回転量に基づいて、押圧部材を移動させることによって、ハンドが、把持前のワークの姿勢を基準として、所定の姿勢でワークを把持して維持することができる。

上記態様において、前記制御部が、前記ハンドが前記ワークを把持した後に前記センサによって検出された回転量の変化がゼロになる状態に、前記押圧駆動部を制御してもよい。
この構成により、ハンドシステムは、ワークを把持する前の姿勢と同じ姿勢でワークを移動させることができる。

上記態様において、前記把持パッドの近傍の撮影画像を取得する撮影装置を備え、前記制御部が、前記撮影画像の中から前記ワークの形状を検出し、検出した前記ワークの形状に基づいて、移動した前記押圧部材が前記ワークを押圧可能になる前記ワークの位置を前記把持パッドに把持させてもよい。

この構成により、ワークの形状が特定されることによって、押圧部材がワークに押圧可能な状態で、把持パッドによってワークが把持される。これにより、ワークが押圧部材によって確実に押圧されることで、押圧部材によってワークの姿勢を変化させることができる。

本発明に係るハンドによれば、簡易な構成で大型化を防止することができるという効果を奏する。

本発明のハンドを備えるハンドシステムの概略図である。 図１に示されるハンドの斜視図である。 図１に示されるハンドの側面図である。 図１に示されるハンドの側面図である。 ハンドシステムのブロック図である。 ワーク搬送処理のフローチャートである。

本発明の実施形態に係るハンド５０およびハンドシステム１００について、図面を参照しながら以下に説明する。

図１は、本実施形態に係るハンド５０がロボット１０の先端に取り付けられたハンドシステム１００の概略図である。本実施形態に係るハンドシステム１００は、作業対象であるワークＷを把持可能なハンド５０と、ハンド５０を先端に取り付けてハンド５０の位置および姿勢を変化させるロボット１０と、ハンド５０の近傍を撮影する撮影装置８０とを備えている。

ロボット１０は、６個の関節を有する垂直多関節型ロボットである。ロボット１０は、各関節を関節軸線回りに回転させるためのモータと、これらの各モータを制御する制御装置２０とを備えている。
なお、図１に示されるＸＹＺ軸の座標系は、図２以降で示されるＸＹＺ軸の座標系に対応している。

ハンド５０は、図２から図４に示されるように、箱状のベース部材５１と、ベース部材５１の内部に長手軸回りに回転可能に支持されたボールネジ（フィンガ駆動部）６２と、ボールネジ６２を回転駆動するフィンガ用モータ（フィンガ駆動部）５３とを備えている。図中、符号６３，６４は、ボールネジ６２を回転可能に支持する軸受ブロックである。

また、ハンド５０は、ベース部材５１に固定された固定フィンガ（フィンガ部材）５５Ａと、ベース部材５１に固定された直線ガイド６６によって、ボールネジ６２の長手軸に沿う方向に移動可能に支持された可動フィンガ（フィンガ部材）５５Ｂとを備えている。可動フィンガ５５Ｂはボールネジ６２の図示しないナットに固定されている。

固定フィンガ５５Ａおよび可動フィンガ５５Ｂには、それぞれボールネジ６２の長手方向に平行な回転軸（軸線）Ｊ７回りに回転可能に支持された固定側把持パッド（把持パッド）５４Ａおよび可動側把持パッド（把持パッド）５４Ｂがそれぞれ設けられている。固定側把持パッド５４Ａおよび可動側把持パッド５４Ｂは固定フィンガ５５Ａと可動フィンガ５５Ｂとの間に相互に対向して配置されている。固定側把持パッド５４Ａには、固定フィンガ５５Ａに対する固定側把持パッド５４Ａの回転軸Ｊ７回りの回転角度を検出するエンコーダ（センサ）ＥＮが設けられている。なお、以下では、固定フィンガ５５Ａおよび可動フィンガ５５Ｂを合わせて「フィンガ５５Ａ，５５Ｂ」とも呼び、固定側把持パッド５４Ａおよび可動側把持パッド５４Ｂを合わせて「把持パッド５４Ａ，５４Ｂ」とも呼ぶ。

図４に示されるように、ハンド５０は、ベース部材５１からフィンガ５５Ａ，フィンガ５５Ｂが延びる方向（図のＺ軸負方向）に、ベース部材５１から延びている支持部材５２と、支持部材５２に固定されている押圧用モータ（押圧駆動部）５７と、押圧用モータ５７の回転駆動力によって支持部材５２に対して長手軸に沿う方向にシャフトを直線移動させるボールねじスプライン５８とを備えている。

図４に示されるように、押圧用モータ５７の回転軸には、モータ側ギヤＧ１が固定されている。ボールねじスプライン５８は、シャフトとシャフトに噛み合うナットとを備えている。ナットは、シャフトの長手軸回りに回転可能に支持部材に支持されている。ナットにはシャフトの長手軸を中心軸とし、モータ側ギヤＧ１と噛み合うスプライン側ギヤＧ２が取り付けられている。

これにより、押圧用モータ５７を駆動すると、押圧用モータ５７の回転駆動力が、モータ側ギヤＧ１およびスプライン側ギヤＧ２によってボールねじスプライン５８のナットに伝達され、ナットに対してシャフトが、長手軸に沿う方向に移動させられる。本実施形態においては、ボールねじスプライン５８のシャフトの長手軸は、２つのフィンガ５５Ａ，５５Ｂの中間位置に、把持パッド５４Ａ，５４Ｂの回転軸Ｊ７に直交する平面に平行に延び、回転軸Ｊ７を挟んでベース部材５１とは反対側に配置されている。

図４に示されるように、ボールねじスプライン５８のシャフトのフィンガ５５Ａ．５５Ｂ側の先端には、回転軸Ｊ７に平行な軸Ｊ８回りに回転可能にカムフォロワ５９が支持されている。

図１に示される撮影装置８０は、ハンド５０の近傍の撮影画像を取得する。換言すると、撮影装置８０は、ハンド５０によって把持されるワークＷを撮像するための装置である。撮影装置８０によって取得された撮影画像は、制御装置２０が行う後述の制御に用いられる。

図５は、ハンドシステム１００のブロック図である。制御装置２０は、図５に図示されていないＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）とで構成されている。ＣＰＵが、ＲＯＭに格納されたプログラムをＲＡＭに展開することにより、制御装置２０は、各プログラム機能実行に伴い、各種制御を実行できる。

制御装置２０は、フィンガ用モータ５３の回転量および押圧用モータ５７の回転量を制御する制御部２２と、ワークＷの三次元モデルおよびワークＷを搬送するために必要な動作プログラム等を記憶している記憶部２３とを備えている。

制御部２２は、記憶部２３に記憶されたワークＷの三次元モデルを用いて、撮影装置８０によって取得された撮影画像の中からワークＷを検出できる。制御部２２は、撮影画像の中からワークＷを検出すると、記憶部２３に記憶されたワークＷの三次元モデルと、撮影装置８０の中のワークＷの姿勢とに基づいて、ワークＷにおいて把持パッド５４Ａ，５４Ｂが把持する把持位置を決定する。

制御部２２は、ベース部材５１に対して把持パッド５４Ａ，５４Ｂが下側に位置すると共に把持パッド５４Ａ，５４Ｂに挟まれる回転軸Ｊ７軸上にワークＷの把持位置が位置する状態に、ロボット１０の各関節軸に対応するモータを制御する。

ワークＷの把持位置が回転軸Ｊ７上に位置すると、制御部２２は、フィンガ用モータ５３を駆動させることによって、可動フィンガ５５ＢをワークＷ側に移動させ、かつ、ロボット１０を制御することによって、固定フィンガ５５ＡをワークＷ側に移動させる。これにより、固定側把持パッド５４Ａと、可動側把持パッド５４Ｂとの相対距離が小さくなりながら、把持パッド５４Ａ，５４ＢのそれぞれがワークＷの把持位置に近づく。この結果、把持パッド５４Ａ，５４ＢがワークＷの把持位置に接触して、ワークＷを把持パッド５４Ａ，５４Ｂに加わる回転軸Ｊ７方向の十分な面圧によってワークＷを把持できる。

把持パッド５４Ａ，５４ＢがワークＷを把持すると、制御部２２は、押圧用モータ５７を駆動させることによって、ボールねじスプライン５８の長手軸に沿ってカムフォロワ５９をワークＷに近づく方向に移動させる。

ワークＷに近づいたカムフォロワ５９がワークＷに接触した後、制御部２２は、ロボット１０を制御し、ハンド５０を上昇させてワークＷを持ち上げ、ワークＷを所定の姿勢でロボット１０に搬送させる。把持パッド５４Ａ，５４Ｂによって把持されているワークＷの姿勢が回転軸Ｊ７回りに回転して変化すると、制御部２２は、エンコーダＥＮによって検出された回転量と、ワークＷを搬送するための動作プログラムとに基づいて、ボールねじスプライン５８の移動量を制御する。

本実施形態のハンド５０を備えるハンドシステム１００の作用について、図６に示されるワーク搬送処理のフローチャートに沿って説明する。
図６に示されるように、制御部２２は、撮影装置８０によって取得された撮影画像の中からワークＷを検出する（ステップＳ１）。制御部２２は、撮影画像の中からワークＷを検出すると（ステップＳ１，ＹＥＳ）、ワークＷの把持位置を決定し、把持パッド５４Ａ，５４ＢによってワークＷを把持させるために、ロボット１０およびハンド５０を制御する（ステップＳ２）。

制御部２２は、可動フィンガ５５Ｂを移動させて、ワークＷの把持位置を把持パッド５４Ａ，５４Ｂに把持させる（ステップＳ３）。その後、制御部２２は、ボールねじスプライン５８を移動させることによって、カムフォロワ５９をワークＷに接触させる（ステップＳ４）。カムフォロワ５９がワークＷに接触した後、制御部２２は、ロボット１０およびハンド５０を制御して、把持されたワークＷを持ち上げる（ステップＳ５）。

制御部２２は、持ち上げられたワークＷが回転軸Ｊ７回りに回転すると、エンコーダＥＮによって検出された回転量に基づいて、押圧用モータ５７を制御する。これにより、ボールねじスプライン５８のシャフトが長手軸方向に移動して、カムフォロワ５９がワークＷに押し付けられることにより、ワークＷの姿勢が制御される（ステップＳ６）。本実施形態のワーク搬送処理においては、ワークＷが把持された後に検出された回転量の変化がゼロになる状態にカムフォロワ５９がワークＷを押し付ける。これにより、把持パッド５４Ａ，５４ＢがワークＷを把持する前後におけるワークＷの姿勢が維持される。
制御部２２は、把持されたワークＷの姿勢を維持した状態で、所定の場所までワークＷを搬送させ（ステップＳ７）、ワーク搬送処理を終了する。

本実施形態に係るハンド５０によれば、固定フィンガ５５Ａと可動フィンガ５５Ｂとの間にワークＷが配置された状態で、固定フィンガ５５Ａと可動フィンガ５５Ｂとの相対距離が縮まると、把持パッド５４Ａ，５４ＢによってワークＷが把持される。把持されたワークＷの重心が回転軸Ｊ７の鉛直下方に存在しない場合、ワークＷに対して、ワークＷの重心が回転軸Ｊ７の鉛直下方に移動する方向にモーメントが作用する。その結果、フィンガ５５Ａ，５５Ｂに対して、把持パッド５４Ａ，５４ＢがワークＷと共に回転軸Ｊ７回りに回転する。これにより、フィンガ５５Ａ，５５Ｂは、ワークＷに作用するモーメントを受ける必要がないため、その分の剛性を抑えてフィンガ５５Ａ，５５Ｂを小型化できる。

また、本実施形態のハンド５０によれば、把持されたワークＷに接触するカムフォロワ５９は、回転軸Ｊ７に平行な軸Ｊ８回りに回転可能である。これにより、支持部材５２に対してボールねじスプライン５８が移動して、カムフォロワ５９とワークＷとの接触位置が変化しても、カムフォロワ５９が軸Ｊ８回りに回転することによって、接触位置に発生する摩擦力を低減できる。そのため、把持されたワークＷの姿勢が変化しやすくなり、ワークＷの姿勢を変化させるための押圧用モータ５７の駆動力が少なくて済む。

また、本実施形態のハンドシステム１００では、制御部２２は、エンコーダＥＮによって検出された回転量に基づいて、押圧用モータ５７を制御する。そのため、制御部２２は、把持パッド５４Ａ，５４ＢがワークＷを把持する前のワークＷの姿勢を基準として、ワークＷを所定の姿勢で維持して搬送できる。

また、本実施形態のハンドシステム１００では、制御部２２は、撮影装置８０によって取得された撮影画像の中から検出したワークＷの形状に基づいて決定したワークＷの把持位置を、把持パッド５４Ａ，５４Ｂによって把持させる。これにより、把持されたワークＷにボールねじスプライン５８が近づく方向の力によってワークＷに加える回転軸Ｊ７回りのモーメントの向きと、ワークＷの自重によって回転軸Ｊ７回りに発生するモーメントの向きとが逆向きになる把持位置が決定される。そのため、カムフォロワ５９は、ワークＷに加える押圧力によって、ワークＷの姿勢を変更できる方向の力を発生させることができる。

上記実施形態では、ハンド５０およびハンドシステム１００の一例について説明したが、ハンド５０およびハンドシステム１００の構成については種々変形可能である。上記実施形態のハンド５０は、回転軸Ｊ７に交差する方向に把持されたワークＷを押圧するボールねじスプライン５８を１つしか備えていなかったが、２つ以上備えていてもよい。例えば、上記実施形態のボールねじスプライン５８に加えて追加される追加ボールねじスプラインの長手軸が、回転軸Ｊ７よりもベース部材５１側の位置に配置されてもよい。この場合、長手軸に沿って移動する追加ボールねじスプラインが、ボールねじスプライン５８によってワークＷに加える回転軸Ｊ７回りのモーメントの向きと逆向きのモーメントを発生させる押圧力をワークＷに加えることができる。これにより、把持パッド５４Ａ，５４Ｂが把持するワークＷの把持位置に関わらず、把持されたワークＷの姿勢が制御される。

上記実施形態では、エンコーダＥＮによって回転量が検出されたが、例えば、支持部材５２に配置された測長センサが、把持されたワークＷの所定位置と測長センサとの相対距離の変化量を検出することによって、ワークＷの回転量が、算出されてもよい。

ボールねじスプライン５８に回転駆動力を加える押圧用モータ５７として、サーボモータが用いられることが好ましいが、通常のモータであってもよい。また、フィンガ５５Ａ，５５Ｂおよびカムフォロワ５９をそれぞれの長手軸に沿って移動させるための駆動源として、油圧シリンダが用いられてもよい。カムフォロワ５９は必須の構成ではなく、回転構造を有さないボールねじスプライン５８の先端が把持されたワークＷに接触する構成であってもよい。

上記実施形態のフィンガ５５Ａ，５５Ｂは、ボールネジ６２によって直線的に相対距離を変化させたが、間隔をあけて配置されて間隔方向に相対移動可能に設けられる部材であれば、周知技術の範囲において種々変形可能である。

上記実施形態のボールねじスプライン５８は、回転軸Ｊ７に直交する平面に平行に移動し、かつ、長手軸方向に沿って直線的に移動する押圧部材であったが、回転軸Ｊ７に交差する方向に移動可能であればよい。例えば、ボールねじスプライン５８は、回転軸Ｊ７回り又は回転軸Ｊ７に平行な軸回りに回動する押圧部材であってもよいし、回転軸Ｊ７に直交しない平面に平行な軸方向に移動する押圧部材であってもよい。

上記実施形態では、撮影装置８０によって取得された撮影画像の中から検出されたワークＷと、記憶部２３に記憶されたワークＷの三次元モデルとに基づいて、ワークＷの把持位置が決定されたが、撮影画像を用いたワークＷの形状特定および把持位置の決定について種々変形可能である。例えば、記憶部２３にワークＷの三次元モデルが記憶されておらず、撮影画像から検出されたワークＷに基づいて、ワークＷの三次元モデルおよび把持位置が特定されてもよい。また、ハンドシステム１００は、撮影装置８０を備えていなくてもよい。

２２ 制御部
５０ ハンド
５３ フィンガ用モータ（フィンガ駆動部）
５４Ａ 固定側把持パッド（把持パッド）
５４Ｂ 可動側把持パッド（把持パッド）
５５Ａ 固定フィンガ（フィンガ部材）
５５Ｂ 可動フィンガ（フィンガ部材）
５７ 押圧用モータ（押圧駆動部）
５８ ボールねじスプライン（ロッド）
５９ カムフォロワ
６２ ボールネジ（フィンガ駆動部）
８０ 撮影装置
１００ ハンドシステム
ＥＮ エンコーダ（センサ）
Ｊ７ 回転軸（軸線）
Ｗ ワーク

Claims (5)

1. 間隔をあけて配置され、間隔方向に相対移動可能に設けられた一対のフィンガ部材と、
   少なくとも一方の該フィンガ部材を前記間隔方向に移動させるフィンガ駆動部と、
   各該フィンガ部材に設けられ、相互に対向しかつ前記間隔方向に延びる軸線回りに回転可能に支持された一対の把持パッドと、
   前記軸線から径方向に離れた位置において前記径方向に交差する方向に移動可能に設けられ、前記把持パッド間に把持されたワークの表面を押圧する押圧部材とを備えるハンド。
2. 前記押圧部材が、前記径方向に交差する方向に移動可能なロッドと、該ロッドの先端に前記軸線に平行な軸線回りに回転可能に支持され、前記ワークの表面に押し当てられるカムフォロワとを有する請求項１に記載のハンド。
3. 請求項１または請求項２に記載のハンドと、
   制御部とを備え、
   前記ハンドが、少なくとも１つの該把持パッドの前記軸線回りの回転量を検出するセンサと、前記押圧部材を移動させる押圧駆動部とを備え、
   前記制御部が、前記センサにより検出された回転量に基づいて前記押圧駆動部を制御するハンドシステム。
4. 前記制御部が、前記ハンドが前記ワークを把持した後に前記センサによって検出された回転量の変化がゼロになる状態に、前記押圧駆動部を制御する請求項３に記載のハンドシステム。
5. 前記把持パッドの近傍の撮影画像を取得する撮影装置を備え、
   前記制御部が、前記撮影画像の中から前記ワークの形状を検出し、検出した前記ワークの形状に基づいて、移動した前記押圧部材が前記ワークを押圧可能になる前記ワークの位置を前記把持パッドに把持させる請求項３または請求項４に記載のハンドシステム。
   

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