JP2021151678A - ロボットハンドおよびロボットハンドの制御方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】形状が異なる把持対象物を把持するにあたって部品交換を行う必要がないロボットハンドを提供する。【解決手段】把持対象物２を挟むように位置する一対のアーム５，５と、アーム５を駆動する駆動装置７とを備える。アーム５に設けられた弾性材からなる複数の空圧用チューブ１２と、空圧用チューブ１２に空気を供給する空気供給装置１５とを備える。空気供給装置１５は、個々の空圧用チューブ１２に対して独立した圧力制御を行うことができるよう構成されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、把持対象物を一対のアームで把持するロボットハンドおよびこのロボットハンドの制御方法に関する。

従来、機械部品や加工対象物などを把持して搬送するにあたっては、例えば特許文献１に記載されているようなロボットハンドを用いることが多い。特許文献１に開示されているロボットハンドは、機械部品を把持する一対の把持部材と、これらの把持部材を駆動する駆動装置などを備えている。把持部材は、金属によって形成されており、把持対象物の外形に適合した形状の把持部を有している。

特開２０１９−１０７７３９

特許文献１に示すロボットハンドでは、形状が異なる把持対象物を把持するためには把持部材を把持対象物に適合するものと交換しなければならない。このため、多くの種類の把持部材を予め用意しておかなければならないという問題があった。

本発明の目的は、形状が異なる把持対象物を把持するにあたって部品交換を行う必要がないロボットハンドおよびロボットハンドの制御方法を提供することである。

この目的を達成するために、本発明に係るロボットハンドは、把持対象物を挟むように位置する一対のアームと、前記一対のアームを互いに接近あるいは離間する方向に移動させる機能を有し、かつ前記一対のアームを前記把持対象物が設置された位置から移動させる機能を有する駆動装置と、前記一対のアームにおける前記把持対象物と対向する位置にそれぞれ設けられ、弾性材によって形成されて空気の圧力で膨らみかつ圧力を開放することにより収縮する複数の空圧用チューブと、前記複数の空圧用チューブに空気を供給する空気供給装置とを備え、前記空気供給装置は、個々の前記空圧用チューブに対して独立した圧力制御を行うことができるように構成されているものである。

本発明は、前記ロボットハンドにおいて、さらに、前記複数の空圧用チューブに空気を供給する空圧用チューブ毎の空気通路と、前記空圧用チューブ毎の空気通路に設けられ、前記空圧用チューブの形状の変化に伴って変化する空気の圧力または前記形状の変化に伴って流れる空気の流量からなる物理量を検出するセンサと、前記センサの検出結果に基づいて前記駆動装置と前記空気供給装置の動作を制御する制御装置とを備えていてもよい。

本発明は、前記ロボットハンドにおいて、前記複数の空圧用チューブのうち少なくとも一つの空圧用チューブである第１の空圧用チューブは、他の前記空圧用チューブである第２の空圧用チューブより柔軟性が高くかつ前記把持対象物との距離が短くなるように形成されていてもよい。

本発明に係るロボットハンドの制御方法は、前記ロボットハンドの動作を制御するロボットハンドの制御方法であって、前記第１の空圧用チューブおよび前記第２の空圧用チューブが予め定めた初期圧力の空気によって膨らんで空気の供給が停止している状態で前記一対のアームをそれぞれ前記把持対象物に接近させる接近ステップと、前記接近ステップが実行された後であって、前記第１の空圧用チューブに対応する前記センサによって検出された前記物理量が前記第２の空圧用チューブによって前記把持対象物を把持可能となる量に達したときに、前記駆動装置を停止させる把持ステップとを有していてもよい。

本発明においては、個々の空圧用チューブの膨らみ量を変えることにより、アームにおける把持対象物と対向する部分の形状を把持対象物の外形に対応する形状に変えることができる。したがって、形状が異なる把持対象物を把持するにあたって部品交換を行う必要がないロボットハンドおよびロボットハンドの制御方法を提供することができる。

図１は、本発明に係るロボットハンドの構成を示すブロック図である。 図２は、ハンド部の一部を破断して示す正面図である。 図３は、図２におけるパッドのIII−III線断面図である。 図４は、空圧用チューブの加圧例を示す断面図である。 図５は、空圧用チューブの加圧例を示す断面図である。 図６は、ロボットハンドの制御方法を説明するためのフローチャートである。 図７は、ロボットハンドの動作を説明するための模式図である。 図８は、空圧用チューブの変形例を示す断面図である。 図９は、図８におけるパッドのIX−IX線断面図である。 図１０は、流量を検出する場合の構成例を示す断面図である。

（第１の実施の形態）
以下、本発明に係るロボットハンドおよびロボットハンドの制御方法の一実施の形態を図１〜図７を参照して詳細に説明する。
図１に示すロボットハンド１は、図１において右側の端部に位置する把持対象物２をハンド部３によって把持して搬送するものである。把持対象物２は、電子部品や機械部品あるいは加工用のワークなどであり、載置台４の上に載置されている。ハンド部３は、把持対象物２を水平方向の両側から挟むように位置する一対のアーム５，５と、これらのアーム５を移動自在に支持するスライドガイド６とを有している。これらのアーム５は、スライドガイド６に支持された状態で互いに接近あるいは離間する方向に移動する。

スライドガイド６には駆動装置７が接続されている。駆動装置７は、一対のアーム５を互いに接近あるいは離間する方向に移動させる把持機能を有しているとともに、一対のアーム５とスライドガイド６とを把持対象物２が設置された位置から移動させる搬送機能を有している。

一対のアーム５における把持対象物２と対向する位置には、図２に示すようにパッド１１がそれぞれ設けられている。この実施の形態によるパッド１１は、柔軟性を有する弾性材によって四角形の板状に形成されている。パッド１１の内部には、複数の空圧用チューブ１２が設けられている。これらの空圧用チューブ１２は、空気が供給されることにより空気の圧力で膨らみ、かつ空気の供給が絶たれることにより収縮する。
この実施の形態による空圧用チューブ１２は、パッド１１内に所定の方向に延びるように形成された管路によって構成されている。空圧用チューブ１２が延びる方向は、一対のアーム５，５が並ぶ方向とは直交する水平方向である。

各々の空圧用チューブ１２は、図３に示すように、パッド１１の前後方向（図３においては左右方向）の一端部から他端部まで延びており、上下方向に所定の間隔をおいて並んでいる。この実施の形態においては、一つのパッド１１に４つの空圧用チューブ１２が設けられている。
これらの空圧用チューブ１２の一端部（図３においては左側の端部）には、それぞれ分岐通路１３が接続されている。図１中には４つの空圧用チューブ１２の分岐通路１３のみが描かれ、他の４つの空圧用チューブ１２の分岐通路１３は省略されている。

一方のパッド１１に設けられた４つの空圧用チューブ１２と、他方のパッド１１に設けられた４つの空圧用チューブ１２は、同じ高さに位置する空圧用チューブ１２どうしが互いに連通されるように構成されている。同じ高さに位置する２つの空圧用チューブ１２に接続されている２つの分岐通路１３，１３は、互いに接続されて１つの供給通路１４（図１参照）を介して後述する空気供給装置１５に接続されている。図１には、２つの供給通路１４が描かれているが、実際には４つの供給通路１４が設けられている。この実施の形態においては、分岐通路１３と供給通路１４とが請求項２記載の発明でいう「空気通路」に相当する。

各々の供給通路１４には、圧力センサ１６と制御弁１７とがそれぞれ設けられている。圧力センサ１６は、供給通路１４内の空気の圧力を検出し、検出信号として後述する制御装置１８に送る。制御弁１７は、空気圧を目標圧力値に制御する機能と、空圧用チューブ１２に供給される空気を閉塞する機能とを有している。制御弁１７の動作は後述する制御装置１８によって制御される。

空気供給装置１５は、それぞれの供給通路１４に所定の圧力の空気を供給する空気圧源１９と、供給通路１４毎に設けられた制御弁１７とによって構成されている。空気圧源１９から供給通路１４に供給された空気は、制御弁１７が開くことによって供給通路１４から分岐通路１３を通って空圧用チューブ１２に流入する。

制御装置１８は、上述した圧力センサ１６の検出結果に基づいて駆動装置７と空気供給装置１５（制御弁１７）の動作を制御する。
この実施の形態による制御装置１８は、駆動装置７と空気供給装置１５とを動作させる際に参照する目標値Ａ（図１参照）を有している。この目標値Ａは、把持対象物２の材質や形状に応じた値で、把持対象物２をロボットハンド１が最適に把持するための、駆動装置７や空気供給装置１５の制御アルゴリズムやパラメータなどである。目標値Ａには、把持対象物２を二つのパッド１１で挟んだ状態で把持できるようになる空気の圧力である目標圧力値も含まれる。

ロボットハンド１が材質や形状の異なる複数種類の把持対象物２を把持する場合は、目標値Ａを把持対象物２毎に用意しておき、把持対象物２が変わったときに目標値Ａを切り替えて使用する。把持対象物２の種類を区別して把持対象物２を識別するためには、把持対象物２に貼り付けられたラベルやタグを読み取ったり、作業者が把持対象物２毎の識別情報を入力したり、把持対象物２を特定可能なセンサなどを使用して行うことができる。

このように構成されたロボットハンド１で把持対象物２を把持するためには、空圧用チューブ１２に空気供給装置１５から空気を供給し、空圧用チューブ１２を所定の圧力で膨らませる。このとき、全ての空圧用チューブ１２に均等に空気を供給する他に、空圧用チューブ１２毎に圧力を変えることができる。なお、柔軟性が高い把持対象物や、特殊な形状の把持対象物を把持するような場合は、全ての空圧用チューブ１２を使用することなく、特定の空圧用チューブ１２のみを使用することができる。

４つの空圧用チューブ１２のうち、一部の空圧用チューブ１２が大きく膨らむと、パッド１１の内側面１１ａ（図２において二つのパッド１１の互いに対向する面であって、把持対象物２と接する面）が部分的に突出するようになるから、この現象を利用してパッド１１の内側面１１ａの形状を把持対象物２の外形に倣うような形状に変えることができる。例えば、図４に示すように、下端と上端とに位置する空圧用チューブ１２が他の空圧用チューブ１２より大きく膨らむことにより、立方体状の把持対象物２を上下両端部で強固に把持することができる。また、図５に示すように、下側の二つの空圧用チューブ１２が他の空圧用チューブ１２より大きく膨らむことにより、上部が下部より側方に突出する不安定な形状の把持対象物２を安定性よく把持することが可能になる。

ここで、制御装置１８の動作の説明を含めてこの実施の形態によるロボットハンド１の制御方法を図６および図７参照して説明する。図７においては、パッド１１を簡略化して一つの断面楕円状の中空体として描いてある。
この実施の形態によるロボットハンド１の制御方法は、図６のフローチャートで示すように実施される。この制御方法においては、先ず、接近ステップＳ１が実施される。接近ステップＳ１においては、最初に制御装置１８が制御弁１７を開き、空圧用チューブ１２に空気を供給して空圧用チューブ１２を予め定めた初期圧力の空気によって膨らませる（ステップＳ１Ａ）。初期圧力の値は、目標圧力値より小さい。このとき、空圧用チューブ１２毎に圧力を変えることにより、図４や図５に示すようにパッド１１の内側面１１ａの形状を変えることができる。

空圧用チューブ１２が膨らんだ後、制御弁１７が供給通路１４を閉じ、空圧用チューブ１２への空気の供給が絶たれる。このため、空圧用チューブ１２は膨らんだ状態に保たれる。このように空圧用チューブ１２が膨らんだ後に、制御装置１８が駆動装置７を動作させ、一対のアーム５をそれぞれ把持対象物２に接近する方向に前進させる（ステップＳ１Ｂ）。このため、接近ステップＳ１においては、図７に示すように、空圧用チューブ１２が膨らむことにより厚みが増したパッド１１がアーム５とともに把持対象物２に向かって前進するようになる。このようにパッド１１が前進を開始した後に後述する把持ステップＳ２が実施される。

アーム５が前進することによりパッド１１が把持対象物２に接触する。そして、この接触状態で更にアーム５が前進することにより、パッド１１が把持対象物２に押し付けられて空圧用チューブ１２の形状がつぶれるように変化する。このように空圧用チューブ１２の形状が変化すると、図７中に矢印Ａで示すように、この形状の変化に伴って空圧用チューブ１２内の空気の圧力が上昇する。この圧力上昇は圧力センサ１６によって検出される。すなわち、圧力センサ１６は、空圧用チューブ１２の形状の変化に伴って変化する空気の物理量である圧力を検出する。

制御装置１８は、接近ステップＳ１を実施した後、それに続く把持ステップＳ２において、圧力センサ１６によって検出された圧力値が予め定めた目標圧力値に達したか否かを判定する（ステップＳ２Ａ）。この判定ステップＳ２Ａで目標圧力値と比較する圧力値は、４個の圧力センサ１６によって検出された圧力値のうち、最も大きい圧力値を用いてもよいし、あるいは各圧力センサ１６毎に独立した設定値を設けてそれぞれ比較してもよい。
目標圧力値は、空圧用チューブ１２（パッド１１）によって把持対象物２を把持できる圧力である。制御装置１８は、空圧用チューブ１２内の空気の圧力値が目標圧力値に達したときにアーム５を停止させる（ステップＳ２Ｂ）。

すなわち、制御装置１８は、圧力センサ１６によって検出された圧力値が空圧用チューブ１２（パッド１１）によって把持対象物２を把持可能となる目標圧力値に圧力に達したときに、駆動装置７を制御してアーム５を停止させる。
このようにアーム５が停止した後、制御装置１８が駆動装置７を制御してハンド部３を移動させ、把持対象物２を所定の搬送先に搬送する（ステップＳ３）。搬送時のパッド１１の内側面１１ａの形状は、把持対象物２の形状に倣うような形状である。このため、把持対象物２を確実に把持でき、搬送の信頼性が高くなる。

このように、この実施の形態によれば、個々の空圧用チューブ１２の膨らみ量を変えることにより、アーム５における把持対象物２と対向する部分（パッド１１の内側面１１ａ）の形状を把持対象物２の外形に対応する形状に変えることができる。把持対象物２と対向する部分の形状は、個々の空圧用チューブ１２に供給する空気の供給量を変えることにより簡単に変えることができる。
したがって、この実施の形態によれば、形状が異なる把持対象物を把持するにあたって部品交換を行う必要がないロボットハンドおよびロボットハンドの制御方法を提供することができる。

この実施の形態による空圧用チューブ１２は、一つのアーム５に４つ設けられており、それぞれ独立した圧力制御が可能な構成となっている。このため、パッド１１の摩耗や把持時の損傷などにより一つの空圧用チューブ１２から空気漏れが発生したとしても、正常な他の空圧用チューブ１２を使用して把持動作を継続して行うことができる。

（第２の実施の形態）
複数の空圧用チューブは、図８および図９に示すように構成することができる。図８および図９において、図１〜図７によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。
図８および図９に示すパッド２１は、穴径が異なる３種類の空圧用チューブ２２〜２４が外表面に露出するように形成されている。これらの空圧用チューブ２２〜２４は、それぞれ所定の穴径と厚みとを有する管状に形成され、一対のアーム５，５が並ぶ方向とは直交する水平方向に延びている。空圧用チューブ２２〜２４の各々の断面形状は、図８に示すように上下方向に長い楕円形とする他に、左右方向に長い楕円形や、真円形とすることができる。

これらの空圧用チューブ２２〜２４のうち、穴径が最も大きい大型の空圧用チューブ２２は、上下方向の中央部に設けられている。穴径が最も小さい小型の空圧用チューブ２３は、上下方向の両端部に設けられている。穴径がこれらの空圧用チューブ２２，２３の中間となる中型の空圧用チューブ２４は、大型の空圧用チューブ２２と小型の空圧用チューブ２３との間に設けられている。この実施の形態においては、大型の空圧用チューブ２２が請求項３記載の発明でいう「第１の空圧用チューブ」に相当し、小型の空圧用チューブ２３と中型の空圧用チューブ２４とが「第２の空圧用チューブ」に相当する。

これらの空圧用チューブ２２〜２４の厚みは、穴径が大きいほど薄くなるように設定されている。すなわち、空圧用チューブ２２〜２４の厚みは、大型の空圧用チューブ２２＜中型の空圧用チューブ２４＜小型の空圧用チューブ２３という関係になっている。このように厚みが設定された空圧用チューブ２２〜２４の柔軟性は、厚みが厚いほど低くなる。すなわち、空圧用チューブ２２〜２４の柔軟性は、大型の空圧用チューブ２２＞中型の空圧用チューブ２４＞小型の空圧用チューブ２３という関係になっている。柔軟性が高いことは、アーム５が単位距離だけ移動したときの接触面積の変化が大きく、圧力センサ１６によって検出される圧力の変化が小さいことを意味する。ここでいう接触面積とは、空圧用チューブ２２〜２４における、把持対象物２に接触する部分の面積である。

また、これらの空圧用チューブ２２〜２４と把持対象物２との間の距離は、穴径が大きいほど短い。すなわち、空圧用チューブ２２〜２４と把持対象物２の間の距離は、大型の空圧用チューブ２２＜中型の空圧用チューブ２４＜小型の空圧用チューブ２３という関係になっている。このため、例えば立方体状の把持対象物２に空圧用チューブ２２〜２４が接近する場合、最も突出している大型の空圧用チューブ２２が把持対象物２に最初に接触する。この大型の空圧用チューブ２２が把持対象物２に接触した場合、アーム５が単位距離だけ把持対象物２に接近したときの接触部の面積変化は比較的大きく、圧力値の変化は比較的小さい。このため、大型の空圧用チューブ２２の圧力を圧力センサ１６によって検出することにより、単位距離に対する圧力変化を高い分解能で精度よく検出することができる。

大型の空圧用チューブ２２が把持対象物２に接触した状態でアーム５が更に前進することにより、中型の空圧用チューブ２４と小型の空圧用チューブ２３とがこの順序で把持対象物２に接触するようになる。これらの中型と小型の空圧用チューブ２３，２４が把持対象物２に接触した場合、アーム５が単位距離だけ把持対象物２に接近したときの接触部の面積変化は比較的小さく、圧力値の変化は比較的大きい。このため、中央部に位置する大型の空圧用チューブ２２を把持対象物２に接触させて圧力を感度よく検出しながら、上下両側に位置する空圧用チューブ２３，２４によって把持対象物２を保持することができる。

このように大きさが異なる複数の空圧用チューブ２２〜２４を使用する場合のロボットハンドの制御方法は、図６のフローチャートで示す制御方法を採ることができる。大きさが異なる複数の空圧用チューブ２２〜２４を使用する場合には、接近ステップＳ１が実行された後の把持ステップＳ２において、判定ステップＳ２Ａを実行するときに大型の空圧用チューブ２２の圧力値を目標圧力値と比較する。この場合、目標圧力値は小型の空圧用チューブ２３や中型の空圧用チューブ２４によって把持対象物２を把持可能となるような圧力値である。すなわち、この場合の把持ステップＳ２においては、大型の空圧用チューブ２２（第１の空圧用チューブ）に対応する圧力センサによって検出された圧力が小型や中型の空圧用チューブ２３，２４（第２の空圧用チューブ）によって把持対象物２を把持可能となる圧力に達したときに、アーム５が停止する。なお、判定ステップＳ２Ａは、空圧用チューブ２２〜２４、それぞれ異なる目標圧力値を用いていずれかの空圧用チューブの圧力値が目標値に達するか否かを判定する構成とすることができる。

図８および図９に示す実施の形態においては、大型の空圧用チューブ２２が中央部に一つだけ位置するように構成されている。しかし、大型の空圧用チューブ２２の位置は把持対象物２の形状に合わせて適宜変更することができるし、複数の大型の空圧用チューブ２２を使用することもできる。

（物理量の他の例）
上述した実施の形態においては、空圧用チューブ１２、２２〜２４の形状の変化に伴って変化する物理量として「圧力」を用いる例を示した。しかし、この物理量としては、「流量」を用いることができる。この場合は、図１０に示すように、空圧用チューブ１２、２２〜２４に連通路３１を介して補助チューブ３２を接続し、連通路３１を流れる空気の流量を流量センサ３３によって検出する。補助チューブ３２は、空圧用チューブ１２，２２〜２４と同様に弾性変形が容易な材料によって形成されている。空圧用チューブ１２，２２〜２４が圧縮されて変形すると、変形に伴って空気が連通路３１を通って補助チューブ３２に流入し、補助チューブ３２が膨らむ。このように空圧用チューブ１２，２２〜２４の形状の変化に伴って変化する物理量として流量を用いる場合であっても、上述した実施の形態と同様に、形状が異なる把持対象物を把持するにあたって部品交換を行う必要がないロボットハンドおよびロボットハンドの制御方法を提供することができる。

１…ロボットハンド、２…把持対象物、４…載置台、５…アーム、７…駆動装置、１２，２２〜２４…空圧用チューブ、１５…空気供給装置、１６…圧力センサ、１８…制御装置、３３…流量センサ。

Claims (4)

1. 把持対象物を挟むように位置する一対のアームと、
   前記一対のアームを互いに接近あるいは離間する方向に移動させる機能を有し、かつ前記一対のアームを前記把持対象物が設置された位置から移動させる機能を有する駆動装置と、
   前記一対のアームにおける前記把持対象物と対向する位置にそれぞれ設けられ、弾性材によって形成されて空気の圧力で膨らみかつ圧力を開放することにより収縮する複数の空圧用チューブと、
   前記複数の空圧用チューブに空気を供給する空気供給装置とを備え、
   前記空気供給装置は、個々の前記空圧用チューブに対して独立した圧力制御を行うように構成されていることを特徴とするロボットハンド。
2. 請求項１記載のロボットハンドにおいて、
   さらに、
   前記複数の空圧用チューブに空気を供給する空圧用チューブ毎の空気通路と、
   前記空圧用チューブ毎の空気通路に設けられ、前記空圧用チューブの形状の変化に伴って変化する空気の圧力または前記形状の変化に伴って流れる空気の流量からなる物理量を検出するセンサと、
   前記センサの検出結果に基づいて前記駆動装置と前記空気供給装置の動作を制御する制御装置とを備えていることを特徴とするロボットハンド。
3. 請求項２記載のロボットハンドにおいて、
   前記複数の空圧用チューブのうち少なくとも一つの空圧用チューブである第１の空圧用チューブは、他の前記空圧用チューブである第２の空圧用チューブより柔軟性が高くかつ前記把持対象物との距離が短くなるように形成されていることを特徴とするロボットハンド。
4. 請求項３記載のロボットハンドの動作を制御するロボットハンドの制御方法であって、
   前記第１の空圧用チューブおよび前記第２の空圧用チューブが予め定めた初期圧力の空気によって膨らんで空気の供給が停止している状態で前記一対のアームをそれぞれ前記把持対象物に接近させる接近ステップと、
   前記接近ステップが実行された後であって、前記第１の空圧用チューブに対応する前記センサによって検出された前記物理量が前記第２の空圧用チューブによって前記把持対象物を把持可能となる量に達したときに、前記駆動装置を停止させる把持ステップとを有していることを特徴とするロボットハンドの制御方法。

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