JP2023108531A - エンドエフェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】体格を大型化させることなく、様々な大きさおよび形状の対象物を把持することができるエンドエフェクタを提供すること。【解決手段】エンドエフェクタは、ロボットアームの先端に連結されるリンク機構を備え、リンク機構が、先端側に設けられた開閉可能なアーム部と、アーム部を延長した把持部と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、エンドエフェクタに関する。

特許文献１には、複数のリンク機構、剛性の異なる部材、吸盤等を用いることにより、対象物の種別によらずに安定した把持を実現する二爪式エンドエフェクタが開示されている。

特開２００９－１０１４２４号公報

二爪式エンドエフェクタは、対象物の側面を把持する動作を行うため、当該対象物の外径以上の開度が必要となる。そのため、対象物に合わせて、エンドエフェクタの体格を大型化する必要がある。従って、体格を大型化させることなく、様々な大きさおよび形状の対象物を把持することができるエンドエフェクタが求められていた。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、体格を大型化させることなく、様々な大きさおよび形状の対象物を把持することができるエンドエフェクタを提供することを目的とする。

本開示に係るエンドエフェクタは、ロボットアームの先端に連結されるリンク機構を備え、前記リンク機構が、先端側に設けられた開閉可能なアーム部と、前記アーム部を延長した把持部と、を備える。

本開示によれば、体格を大型化させることなく、様々な大きさおよび形状の対象物を把持することができる。

図１は、実施形態に係るエンドエフェクタの概略的な構成を示す正面図であり、アーム部および把持部を開いた状態を示す図である。 図２は、実施形態に係るエンドエフェクタの概略的な構成を示す正面図であり、アーム部および把持部を閉じた状態を示す図である。 図３は、実施形態に係るエンドエフェクタにおいて、把持部に設けられた突起部材の突起角度を説明するための図である。 図４は、実施形態に係るエンドエフェクタの概略的な構成を示す正面図であり、図２の状態からリンク機構を上方向に引き上げた状態を示す図である。 図５は、図４のＡ部を示す拡大図である。 図６は、実施形態に係るエンドエフェクタの第一変形例の概略的な構成を示す正面図であり、アーム部および把持部を開いた状態を示す図である。 図７は、実施形態に係るエンドエフェクタの第一変形例の概略的な構成を示す正面図であり、アーム部および把持部を閉じた状態を示す図である。 図８は、実施形態に係るエンドエフェクタの第二変形例の概略的な構成を示す正面図である。

本開示の実施形態に係るエンドエフェクタについて、図面を参照しながら説明する。なお、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

（エンドエフェクタの構成）
実施形態に係るエンドエフェクタの構成について、図１～図３を参照しながら説明する。エンドエフェクタは、ロボットアーム等の産業用ロボットに取り付けられ、対象物を把持するためのものである。エンドエフェクタが把持する対象物としては、定型物、不定形物、軽量物、重量物等のあらゆるものが含まれる。また、「不定形物」とは、例えば大型の袋状の物体を示している。

エンドエフェクタ１は、図１に示すように、リンク機構１０と、動力源２０と、弾性部材３０と、把持部４０と、を備えている。エンドエフェクタ１は、同図に示すような鉗子構造の把持部４０を備えることを特徴としている。

リンク機構１０は、多節リンクからなる機構であり、基端リンク１１と、一対の第一リンク１２と、一対の第二リンク１３と、を備えている。このリンク機構１０は、例えばアルミやステンレス等の金属材料により構成されている。

基端リンク１１は、例えばロボットアームの先端と連結される。また、基端リンク１１の両端は、ジョイント１４を介して、それぞれ第一リンク１２と連結されている。第一リンク１２は、ジョイント１４を介して、それぞれ第二リンク１３と連結されている。また、一対の第一リンク１２の間には、当該一対の第一リンク１２を動作させるための動力源２０が連結されている。

一対の第二リンク１３は、互いに交差するように配置されている。また、一対の第二リンク１３の交差部分は、ジョイント１４によって連結されている。また、一対の第二リンク１３の間には、当該一対の第二リンク１３を付勢するための弾性部材３０が連結されている。また、一対の第二リンク１３の先端側には、それぞれアーム部１３１が設けられている。なお、「第二リンク１３の先端側」とは、第二リンク１３において、当該第二リンク１３と第一リンク１２とが連結された部分（ジョイント１４）の反対側のことを示している。

アーム部１３１は、一対の第二リンク１３の動作に応じて、開閉可能に構成されている。このアーム部１３１には、当該アーム部１３１を延長した把持部４０が設けられている。なお、「アーム部１３１を延長した」とは、アーム部１３１が延びる方向にあることを示している。また、アーム部１３１は、図１の例では直線状に形成されているが、直線状に限られず、曲線状（例えばＳ字状等）に形成されてもよい。例えばアーム部１３１をＳ字状に形成することにより、アーム部１３１が閉じて「θ＝９０°」となっても、重量に比例する把持力が「Ｆ＞０」に維持されるため、対象物Ｏｂをより安定して把持することができる。

動力源２０は、アーム部１３１および把持部４０を開く動力を供給するためのものである。この動力源２０としては、例えば一般的な二爪式エンドエフェクタ（二爪式並行グリッパ）等を用いることができる。動力源２０の動力がＯＮである場合、図１に示すように、一対の第一リンク１２の間隔が離隔する（開く）ことにより、アーム部１３１および把持部４０が開く。一方、動力源２０の動力がＯＦＦである場合、図２に示すように、一対の第一リンク１２の間隔が近接する（閉じる）ことにより、アーム部１３１および把持部４０が閉じる。

動力源２０として二爪式エンドエフェクタを用いる場合、「動力源２０の動力がＯＮ」とは、二爪式エンドエフェクタを「開」状態にすることを示しており、「動力源２０の動力がＯＦＦ」とは、二爪式エンドエフェクタを「閉」状態にすることを示している。なお、動力源２０としては、図１および図２に示すように、一対の第一リンク１２の間隔を離隔および近接させることができるものであれば、二爪式エンドエフェクタ以外のものを動力源２０として用いてもよい。

弾性部材３０は、アーム部１３１および把持部４０に対して付勢力を発生させるためのものである。この付勢力は、具体的には、アーム部１３１および把持部４０を閉じる方向の力である。また、弾性部材３０の付勢力は、動力源２０がアーム部１３１および把持部４０を開く力よりも小さく、微小な力に設定される。

エンドエフェクタ１において、弾性部材３０を備えることは必須ではない。しかし、弾性部材３０を備えることにより、図１に示すように、動力源２０のＯＮ時に把持部４０と対象物Ｏｂとを最初に接触させた際に、弾性部材３０の付勢力に対応する、初期の把持力を付与することができる。これにより、弾性部材３０を備えない場合と比較して、把持部４０による対象物Ｏｂの把持がより容易となる。なお、弾性部材３０を設けた場合の効果は、対象物Ｏｂが把持しにくいもの（例えば袋状の不定形物等）であるほど、より顕著となる。

ここで、弾性部材３０は、図１に示すように、動力源２０のＯＮ時、すなわちアーム部１３１および把持部４０が開いている場合に、伸長した状態となる。一方、弾性部材３０は、図２に示すように、動力源２０のＯＦＦ時、すなわちアーム部１３１および把持部４０が閉じている場合に、収縮した状態となる。

把持部４０は、対象物Ｏｂを把持するためのものである。この把持部４０は、板状に形成されており、例えばアルミやステンレス等の金属材料により構成されている。また、一対の把持部４０の内側、すなわち把持部４０の対向する面（把持面）には、複数の突起部材４１が設けられている。

突起部材４１は、把持する対象物Ｏｂの固定を補助するためのものである。エンドエフェクタ１において、把持部４０に突起部材４１を設けることは必須ではない。しかし、突起部材４１を設けることにより、対象物Ｏｂをより安定的に把持することが可能となる。

突起部材４１は、例えばゴム等の摩擦係数の高い材料、プラスチック等の樹脂材料等により構成されている。また、突起部材４１は、図１に示すように、先端が尖った形状（例えば円錐形状または角錐形状）を有している。

なお、突起部材４１は、先端が尖った形状以外にも、先端が平面の形状（例えば円柱形状、角柱形状）、先端が曲面の形状等であってもよい。また、突起部材４１は、図１に示すような突起形状以外にも、吸盤や摩擦材等によって構成されてもよい。また、突起部材４１は、同図に示すように、把持部４０と別体で構成されてもよく、あるいは把持部４０と一体で構成されてもよい。

ここで、把持部４０（の把持面）に対する当該突起部材４１の突起角度は、図３に示すように、把持部４０の開閉時の軌跡に沿った突起角度に設定されることが好ましい。すなわち、突起部材４１は、把持部４０の法線に沿った二等辺三角形の形状ではなく、把持部４０の開閉時の軌跡に沿って傾斜した形状に形成されることが好ましい。なお、「突起部材４１の突起角度」とは、具体的には、突起部材４１の先端の角度のことを示している。

このように、突起部材４１の突起角度を、把持部４０の開閉時の軌跡に沿った突起角度に設定することにより、対象物Ｏｂに対する把持力を増加させることができ、対象物Ｏｂを把持しやすくなる。

なお、突起部材４１の先端が平面の形状（例えば円柱形状、角柱形状）、または突起部材４１の先端が曲面の形状等であっても、把持部４０（の把持面）に対する突起部材４１の中心軸の角度を、把持部４０の開閉時の軌跡に沿った突起角度に設定することにより、対象物Ｏｂに対する把持力を増加させることができ、対象物Ｏｂを把持しやすくなる。

（エンドエフェクタの動作）
続いて、実施形態に係るエンドエフェクタ１の動作について、図１、図２、図４および図５を参照しながら説明する。エンドエフェクタ１の動作は、例えば対象物Ｏｂとの接触（図１参照）、対象物Ｏｂの把持（図２参照）、対象物Ｏｂの運搬（図４参照）に分けることができる。

（１）対象物Ｏｂとの接触
まず、図１に示すように、動力源２０をＯＮにすることにより、把持部４０を開く。そして、把持部４０を開いた状態で、当該把持部４０を対象物Ｏｂの上部に接触させる。これにより、弾性部材３０の付勢力により、突起部材４１が対象物Ｏｂに軽く食い込んだ状態となる。

（２）対象物Ｏｂの把持
続いて、図２に示すように、動力源２０をＯＦＦにすることにより、把持部４０が閉じる。すなわち、動力源２０からリンク機構１０に伝わる動力がゼロになることにより、当該リンク機構１０がフリー状態となり、把持部４０が自然に閉じた状態となる。これにより、把持部４０によって対象物Ｏｂが把持された状態となる。またその際、対象物Ｏｂに対する突起部材４１の食い込みが強くなり、把持力が増加する。
（３）対象物Ｏｂの運搬
続いて、図４に示すように、動力源２０がＯＦＦの状態で、基端リンク１１と連結されたロボットアームにより、リンク機構１０および把持部４０を上方向に移動させる。これにより、リンク機構１０および把持部４０の移動に伴い、対象物Ｏｂの自重によって、対象物Ｏｂに対する突起部材４１の食い込みが更に強くなり、把持力が更に増加する。

図５は、図４のＡ部を拡大した図である。同図に示すように、把持部４０によって対象物Ｏｂを把持した状態では、当該対象物Ｏｂの重量に比例した把持力が作用する。なお、同図に示した式において、「ｍ」は対象物Ｏｂの重量（ｋｇ）であり、「ｇ」は重力加速度（ｍ／ｓｅｃ^２）である。このように、エンドエフェクタ１では、対象物Ｏｂの重量が大きいほど、把持部４０による把持力も大きくなる。

ここで、既存のエンドエフェクタでは、大型の袋状の不定形物や重量物を安定して把持するには、大型の外部動力や、エンドエフェクタの体格を大型化する必要があった。一方、実施形態に係るエンドエフェクタ１では、リンク機構１０および鉗子構造の把持部４０を組み合わせることにより、体格を大型化させることなく、様々な大きさおよび形状の対象物Ｏｂを安定して把持することが可能となる。

また、エンドエフェクタ１では、動力源２０として、一般的な二爪式エンドエフェクタを用いることができるため、簡易かつ汎用性の高い機構とすることができる。

（第一変形例）
実施形態に係るエンドエフェクタの第一変形例について、図６および図７を参照しながら説明する。第一変形例のエンドエフェクタ１Ａは、図６に示すように、リンク機構１０Ａと、動力源２０と、弾性部材３０と、把持部４０と、を備えている。なお、エンドエフェクタ１Ａの構成は、リンク機構１０Ａを除いてエンドエフェクタ１と同様であるため、エンドエフェクタ１と共通する構成については説明を省略する。

リンク機構１０Ａは、リンク機構１０の基端リンク１１および第一リンク１２に代えて、紐状部材１１Ａを備えている。この紐状部材１１Ａは、例えばワイヤ、チェーン等により構成されている。このように、基端リンク１１および第一リンク１２に代えて、紐状部材１１Ａを用いた場合においても、エンドエフェクタ１と同様の動作が可能である。以下、エンドエフェクタ１Ａの動作について、図６および図７を参照しながら説明する。

（１）対象物Ｏｂとの接触
まず、図６に示すように、動力源２０をＯＮにすることにより、把持部４０を開く。そして、把持部４０を開いた状態で、当該把持部４０を対象物Ｏｂの上部に接触させる。これにより、弾性部材３０の付勢力により、突起部材４１が対象物Ｏｂに軽く食い込んだ状態となる。

（２）対象物Ｏｂの把持
続いて、動力源２０をＯＦＦにすることにより、把持部４０が閉じる。すなわち、動力源２０からリンク機構１０Ａに伝わる動力がゼロになることにより、当該リンク機構１０Ａがフリー状態となり、把持部４０が自然に閉じた状態となる。これにより、把持部４０によって対象物Ｏｂが把持された状態となる。またその際、対象物Ｏｂに対する突起部材４１の食い込みが強くなり、把持力が増加する。
（３）対象物Ｏｂの運搬
続いて、図７に示すように、動力源２０がＯＦＦの状態で、紐状部材１１Ａと連結されたロボットアームにより、リンク機構１０Ａおよび把持部４０を上方向に移動させる。これにより、リンク機構１０Ａおよび把持部４０の移動に伴い、対象物Ｏｂの自重によって、対象物Ｏｂに対する突起部材４１の食い込みが更に強くなり、把持力が更に増加する。

このように、エンドエフェクタ１Ａでは、リンク機構１０Ａおよび鉗子構造の把持部４０を組み合わせることにより、体格を大型化させることなく、様々な大きさおよび形状の対象物Ｏｂを安定して把持することが可能となる。また、基端リンク１１および第一リンク１２の代わりに、紐状部材１１Ａを用いることにより、エンドエフェクタ１Ａの軽量化を図ることができる。

（第二変形例）
実施形態に係るエンドエフェクタの第二変形例について、図８を参照しながら説明する。第二変形例のエンドエフェクタ１Ｂは、同図に示すように、リンク機構１０と、動力源２０と、弾性部材３０と、把持部４０Ａと、を備えている。なお、エンドエフェクタ１Ｂの構成は、把持部４０Ａを除いてエンドエフェクタ１と同様であるため、エンドエフェクタ１と共通する構成については説明を省略する。

把持部４０Ａは、対象物Ｏｂの形状に合わせて内面（把持面）の形状が最適化されている。把持部４０Ａは、図８に示した例では、板状に形成されており、かつ板の一部が折り曲げられた形状を有している。また、一対の把持部４０Ａの内側、すなわち把持部４０の対向する面（把持面）には、摩擦部材４１Ａが全面に設けられている。

摩擦部材４１Ａは、把持する対象物Ｏｂの固定を補助するためのものである。摩擦部材４１Ａは、例えばゴム等の摩擦係数の高い材料等により構成されている。このように、摩擦係数の高い材料からなる摩擦部材４１Ａを備えることにより、対象物Ｏｂをより安定的に把持することが可能となる。なお、把持部４０Ａおよび摩擦部材４１Ａの形状は、図８に示した例に限定されない。例えば対象物Ｏｂの形状が曲面形状である場合、把持部４０Ａおよび摩擦部材４１Ａをそれぞれ曲面形状としてもよい。

このように、エンドエフェクタ１Ｂでは、対象物Ｏｂの形状に合わせて把持部４０Ａおおよび摩擦部材４１Ａの形状を最適化することにより、様々な大きさおよび形状の対象物Ｏｂを、より安定して把持することが可能となる。

更なる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、以上のように表わし、かつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。従って、添付のクレームおよびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１，１Ａ，１Ｂ エンドエフェクタ
１０，１０Ａ リンク機構
１１ 基端リンク
１１Ａ 紐状部材
１２ 第一リンク
１３ 第二リンク
１３１ アーム部
１４ ジョイント
２０ 動力源
３０ 弾性部材
４０，４０Ａ 把持部
４１ 突起部材
４１Ａ 摩擦部材
Ｏｂ 対象物

Claims (3)

1. ロボットアームの先端に連結されるリンク機構を備え、
   前記リンク機構は、
   先端側に設けられた開閉可能なアーム部と、
   前記アーム部を延長した把持部と、
   を備えるエンドエフェクタ。
2. 前記リンク機構は、
   前記アーム部に設けられ、前記アーム部が開いているときに伸長し、前記アーム部が閉じている時に収縮する弾性部材を備える、
   請求項１に記載のエンドエフェクタ。
3. 前記把持部は、把持する対象物の固定を補助する突起部材を備え、
   前記把持部に対する前記突起部材の突起角度は、前記把持部の開閉時の軌跡に沿った突起角度に設定されている、
   請求項１または請求項２に記載のエンドエフェクタ。

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