JP2023507827A - 把持装置、把持装置を有するロボット、および把持制御方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、物体（７、１９）を把持するロボット用の把持装置に関し、該把持装置の把持フィンガー（８、１３）に把持要素（９、１５）が回転自在に取り付けられている。

Description

本発明は、特にロボットやマニピュレータが物体を把持するための把持装置、該把持装置を用いたロボット、およびロボットの把持装置によって物体を把持するための制御方法に関する。

２つの直線的に移動可能なグリッパまたはフィンガー要素を有する平行グリッパ、少なくとも３つのフィンガー要素を有するセントリックグリッパとしてのグリッパ、またはロボット用にオフセット方式でクランプされたグリッパを具備した角度グリッパのような把持装置が、多種多様な設計で知られている。また、把持装置は直線把持または爪把持が可能なように、把持対象物が把持装置のグリッパによって独立した２点のみで把持されるように設計されるか、あるいは、把持装置は、グリッパで把持対象物を基本的に完全に包む把持、または必要に応じて把持装置のグリッパまたはフィンガー要素が把持対象の物体の輪郭に適合するような空間把持が可能なように設計することができる。

例えば、WO2013/075245 A1からは、平行四辺形のガイドを有する擬似トランスミッション又は擬似ギアを実現するように、グリッパが２つのアームとして設計された、平行グリッパ又はセントリックグリッパとして設計することができる把持装置が公知となっている。これにより、一方では、グリッパを互いの方に直線的に移動させることによって物体を保持し、他方では、グリッパの上側遠端を物体の周囲で傾斜させることにより、湾曲した物体を部分的に囲むように把持しすることが可能になる。どちらのタイプの把持を最終的に行うかは、把持する物体のサイズと形状、および設計の結果、設定されるフィンガー要素間の平衡面、すなわちトランスミッションに依存する。原理的には、これによって把持対象物の柔軟で臨機応変な適応性のある把持が可能になるが、柔軟性と適応性の性能は設計によって相当に制限される。レバー要素、回転ジョイント、バネ、アクチュエータを備えたギアやトランスミッションの機械設計は複雑で相互に影響されやすく、また把持装置全体が高重量になる。

把持装置の同様の機構設計が、WO2016/141266 A1に開示されており、フィンガーのレバー要素は、柔軟な材料から一体的に作ることができ、埋め込み型触覚センサーを備えることができる。

平行四辺形のギアに類似したフィンガー要素用のガイドを有する他の把持装置が、例えば、WO2016/037288 A1および米国特許第9,533,419号から公知となっている。米国特許第9,533,419号に開示された把持装置も、把持対象物に面する内側の面が互いに対し相対的に移動可能な一つながりの独立した結合要素で構成されたフィンガー要素を有しており、柔軟な把持、および把持対象物の輪郭に適合可能な把持ができるようになっている。

ドイツ特許DE102009015975 B号公報で開示された把持装置では、フィンガー要素またはグリッパは、屈曲自在な２つの面を有するいわゆるフィンビーム要素として設計されており、前記２つの面は、その自由端で互いに接続されて、三角構造になるように互いに距離をおいてグリッパ基部に固定されている。前記２つの面は、互いに対し平行に延びる複数のラメラを介して互いに接続されており、前記ラメラの各々は、その端部領域で前記面に関節接続又は形状接続によって連動するように弾性接続されており、物体が把持されるとき、前記２つの面は前記ラメラを介して互いに相対的に移動可能であるので、前記面は前記物体の表面に適合する。しかし、このような把持装置の柔軟な特性は、設計によって制限される。さらに、把持のためには、フィンガー要素全体を作動させ、かつ変形可能に移動させる必要があり、前述の構造にさらなるトルクと力を作用させる必要がある。

しかしながら、上述したいずれの把持装置もそれ自体では、金線細工、さらには、剛性のない、特に布、織物、箔、紙、等の本質的に柔軟または弾性のある平坦な物体を把持することができないので、把持フィンガーを物体の上で垂直下方に移動させ、次に横方向に移動させる既知の把持技術（平行把持）は適切ではない。前述のような把持装置に仮に元々弾性があるとしても、この種の平行把持のためにのみ設計されている。しかしながら、このタイプの把持は、把持対象物の、平行に接近するフィンガーの上方に存在する部分をそのフィンガーによって確実に把持することができないので、平坦で柔らかい把持対象物の把持には、通常失敗する。また、把持フィンガーが平行移動する際に、その前端が平坦で柔らかい物体にひっかかると、前記物体自体は変位するが、前記物体を実際に持ち上げるためにフィンガーのグリッパジョーで前記物体を把持することができないという問題がある。また、把持対象物が押しつぶされたり、引き裂かれたりする危険性もある。制御技術の面では、平行グリッパによる柔らかくて平らな把持対象物を安全に壊さないように把持することは、実現できないか、実現できたとしても要した労力が割に合わないだけである。

パラレルグリッパは、ほとんどが硬い物体を把持するように設計されている。吸盤を使用して短時間真空を作りながら前述のような物体を持ち上げることは原理的には可能だが、これには追加の媒体線路が必要であり、該媒体線路のコストとメンテナンスが必要になり、通常はマニピュレータに沿って外部に配線する必要があり、さらにロボットの移動も制限される。

WO2013/075245 A1号公報 WO2016/141266 A1号公報 WO2016/037288 A1号公報 米国特許第9,533,419号公報 ドイツ特許DE102009015975 B4号公報

上記を鑑みて、本発明の目的は、特に軽量構造のロボット用の、操作が簡単で、汎用的で、さらに、製造コストが安価で、特に、平坦で形状が変化しやすい物体の把持を可能にする、改良された把持装置を提供することにある。

この目的は、請求項１による把持装置と、請求項１４による方法とによって解決される。

したがって、本発明は、物体を把持するための把持装置であって、各々が把持フィンガーを有し、制御された移動によって前記物体の解放位置と把持位置との間で移送可能な少なくとも２つの把持ユニットを備え、該把持ユニットは、前記把持位置において把持対象の前記物体と当接することができる把持要素を含み、該把持要素が前記把持フィンガーの先端に回転可能に取り付けられた把持装置を提供する。

特に、本発明による把持装置は、平坦な台座から非固定または非剛性の物体を把持するために提供される。

本発明の意味での非剛体とは、本明細書では、本質的に可撓性または弾性があり、伸縮性を有する平面的な物体、例えば、あらゆる種類の織物、敷布、プラスチックフィルム、紙シート、絶縁材料等と理解されたい。

把持要素は、独立した要素として、いわば一種のロータリージョーとして把持フィンガーに設けられており、前記要素が有する、本発明に基づく回転可能な取付け機構によって、該把持要素が、通常、例えばコンベヤベルトのような平坦な台座からピックアップされる把持対象物に当接すると、前記台座自体と連携してこれらの把持対象物は、該把持対象物が一時的に収容またはクランプされている状態で、前記把持要素が回転可能な一種の迫持として機能することができる。

クランプの元となる力、すなわち、把持フィンガーが把持対象物、または、追加の把持要素を介して台座に作用させる力、および、把持フィンガーの互いに対する横方向の動きの元となる力は、前記把持対象物と把持要素との間の摩擦効果によりこれらの把持要素の回転運動を起こし、インピーダンス制御された、したがって感度の高いロボット、特に軽量設計のロボット、において好適な方法で実装することができる。このようなロボットの制御動作は、該ロボットの機能に合わせて調整することができ、織物のような柔らかい材料を非破壊的に把持することを可能にする。特に、前記ロボットは、把持要素が上述のような物体上で適切に静止しているかどうか、また、把持フィンガーが互いに向かって平行移動する過程で前記把持要素の回転によって、前記物体を実際に把持することができるかどうかを「感知する」ことができる。

把持装置の一実施形態では、把持要素は、把持位置に到達したときに該把持要素同士が互いに接触すると、互いに向かう方向、かつ把持対象物から離間する方向へ回転することができるように構成されている。

把持装置の好ましい実施形態では、把持要素は第１部位を有し、該第１部位の外形は、把持要素同士が互いに向かって移動した後に直線的に接触するように、該第１部位の回転軸とに対して構成されている。

本発明によれば、第１部位の外形は、該第１部位の回転軸に対して部分的に、アルキメデス螺旋のような数学的螺旋の形状に沿っており、前記第１部位の相互接触点が、該第１部位両方の回転軸が含まれる共通平面の上に位置することで特徴付けられる。

さらに、本発明による把持要素は、第２部位を含むことができ、該第２部位の外形は、その回転軸に関して、把持位置が確定すると把持要素がさらに回転することを防止するように、特に、把持位置が確定したとき、把持対象物と係合したまま、前記把持要素が互いに、少なくとも部分的に平面的に対向して静止するように設計されている。

把持対象物と接触したときに意図する回転方向への回転運動を促進するために、把持要素に付勢をかけることができる。さらに、前記把持要素は、接触していないときには該把持要素の回転を防止するように構成された装置を含むことができる。該装置はさらに、把持要素間の接触がなくなったときに、把持要素を互いから離れるように回転させて、把持していた対象物の解離を促し、また前記把持要素をその初期位置に戻すように構成することができる。

把持要素が相互に接触する前に回転運動が始まらないように、すなわち、例えば作業台表面や把持対象物との衝突の際に偶発的な回転を防止するように、トーションスプリングを機械的停止機構又は同様の機構と組み合わせて使用することが考えられる。

本発明による更に別の、代替実施形態において、把持要素の少なくとも１つが、アクチュエータによって回転駆動可能なように設計されている。このようにして、前記把持要素と平坦な物体との摩擦係合によって、例えば、反対側の把持要素に対して能動的に加えられる回転によって、前記平坦な物体を変位させて持ち上げることができる。前記反対側の把持要素は、平坦な物体を持ち上げるために迫持として機能するのである。

上述の目的のために、前記把持フィンガーが、把持要素を駆動するためのギア機構、例えば把持フィンガーの内部でガイドされるベルトドライブを有することが考えられる。

原理的には、把持要素の外面が、ゴムコーティングのような摩擦を強くするコーティングおよび／または構造、場合によっては複数の小さなコブやラメラ等を設けると、繊維や滑らかなフィルムなどの滑らかな物体を把持するのに有利になる。

本発明はまた、上述した実施形態の１つによる把持装置を含むロボットに関し、好ましくは、人間とロボットの共同作業（ＨＲＣ、Human-Robot Collaboration）の環境で使用するための軽量構造のロボットに関する。

上記との関連で、本発明は、さらに、上述の実施形態の１つに基づく把持装置を含むロボットによって実行される、好ましくは本質的に柔らかい物体を把持するための制御方法であって、以下のステップを含む方法に関する。
－把持要素が把持対象物に当節触するまで、ロボットによって把持装置を前記把持対象物に向けて移動させるステップ、
－前記把持要素同士が相互に接触するまで、前記把持フィンガーを互いに向かって移動させるステップ
－前記把持フィンガーを互いに向かってさらに移動させ、前記把持要素が前記把持対象物を把持したまま回転するようにさせるステップ。

本発明による把持要素は、把持フィンガーの先端において、接触時に自動的に互いに向かって回転するような形状および軸受を有するので、回転するロータリージョーの間で大きな作用力なしに前記把持対象物を拾い上げるためには、該把持対象物の重量に応じて調整可能な把持フィンガーが互いの方へ向かうゆっくりとした直線運動で十分である。把持フィンガーの互いの方へ向かう上記の運動は、特にロータリージョーが相互に接触しているときには、アクティブな駆動機能を有する構成においてインピーダンスを制御することができ、この制御は、把持装置をガイドするロボットによるさらに詳細な制御と連携して行われる。

前記方法は、さらに以下のステップを含むことができる。
－前記把持要素同士が、前記把持対象物と係合している該把持要素の部位で接触するまで、前記把持フィンガーを互いに向かってさらに移動させ、前記部位は前記把持要素がさらに回転するのを止めるように構成される。

特に、本発明による方法は、前記ステップをインピーダンス制御及び／又は感知制御されたロボットによって実行することができることを特徴とし、使用される把持装置に関する該ロボットの制御方法は、このインピーダンス制御及び／又は感知制御に関して適宜に設定される。

本発明による解決策は、把持される把持対象物の柔軟な性質を利用することに基づいている。回転する摩擦の強い面を介して、把持装置が具備するフィンガーの把持要素の間にある該把持対象物を「引く」ことにより、前述の機構は、正確で、とりわけ非破壊的な把持を確実にする。

前記回転運動を実現するために、ロボットの把持装置にある把持要素は、互いに平行で、かつ把持対象物が位置する平面に対して平行な軸の周りを回転することができる。柔らかい把持対象物と接触する把持要素のそれぞれの表面の外形は、２つの軸の共通面上に位置する接点を有するアルキメデス螺旋のような数学的螺旋の形状になっている。把持装置の直線運動が作動しフィンガー同志が近接するとすぐに、回転する把持要素またはロータリージョーが接触し、力がクロスする。機械的なレバーによって、前記ロータリージョーはそれぞれの軸を中心に反対方向に回転する。前記把持対象物は前記フィンガーの間で変形して支えられ、把持力を制御することで正確な把持が確実に行われる。所定の角度の回転、好ましくは半回転した後、平坦な形状の垂直接触面に到達し、ロータリージョーの回転は自動的に停止する。

本発明の更なる特徴及び利点は、以下の添付図面に図示された実施形態の説明から明らかになる。添付図面には以下の説明が記載されている。

先行技術による把持装置の典型例を示す図である。 本発明による把持装置の第１の実施形態を示し、各図は本発明に基づく把持方法の把持ステップのうちの１つを示す図である。 本発明による把持装置の第２の実施形態を模式的に示す図である。 第２実施形態による把持処理の例を示す図である。

図１は、インピーダンス制御ロボットのマルチリンク・マニピュレータの先端に取り付けることができる、先行技術による把持装置の一例を示す図である。

この把持装置は、駆動機構と把持フィンガー４用のガイドが配置された基部１と、ロボットアーム（図示なし）に取り付けるためのフランジ２と、複数の把持フィンガー４の駆動制御用の接続部３とを有し、前記複数の把持フィンガー４は互いに向かって直線的に移動することができ、その先端にグリッパジョー５を有する。図示のように、これらの把持フィンガー４は、平行な把持しかできず、これでは、平坦な表面に置かれた織物のような平坦で柔らかい物体を把持することはできない。

図２－図５は、本発明による把持装置の第１の実施形態を示す図であり、該把持装置を用いて前述のような把持対象物の把持を簡単な方法で実現することが可能である。

図２は、本発明による第１の実施形態の把持装置を示しており、垂直な矢印で示すように把持装置が把持対象の曲がりやすい物体上に静止した状態を示す。

柔らかく平坦な把持対象物７である織物生地が平坦な台座６上に載置されている。

また、前記把持装置は、横向きの矢印で示すように、互いに平行に移動することができる２本の把持フィンガー８を有する。

両方の把持フィンガー８はそれぞれ、その先端に、ロータリージョー９の形状で回転可能に取り付けられた把持要素を有し、該把持要素は、物体７と接触するように設計された外側の面上に摩擦力を高めたコーティング１０を有する。

把持フィンガ８の平行移動の結果としてロータリージョー９が互いに向かって移動するときに、すぐに回転し始めることを防止するために、回転を防止する手段１１が設けられ、例えば、適切な寸法の一方向性ばねとして設計されている。

このように、ロータリージョー９を互いに向かって移動させると、圧縮により物体７がロータリージョー９の間でわずかに重なってくる。

ロボットシステム（図示せず）により垂直方向に力を加え、ロータリージョー９を閉じることにより、柔軟物７は既にロータリージョー９の間に圧縮されて蓄積されている。この状態では、２つのトーションスプリング１１により、ロータリジョー９の回転が防止されている。

図２－図５のすべてに見られるように、ロータリージョー９の第１部位９．１の外郭は、アルキメデス螺旋の線に沿っており、直線運動の進行に伴い、ロータリージョー９は、２つのロータリージョー９のベアリングの２つのピボット点Ｄによって形成される共通平面上にある点Ｋで相互に接触するようになっている。

これにより、本発明によれば、図３に示すように、ロータリージョー９が点Ｋで互いに接触すると同時に回転を開始し、それにより、摩擦力と粘着力の結果として、図４に示すように、把持フィンガ８が互いに対しさらに直線移動することにより誘発されるロータリージョー９の回転が続き、前記部位９．１が物体７を支持したまま互いの面に沿って回転し、物体７の部材はますます多くロータリージョー９の間に掬い上げられることになる。

図５は、把持フィンガー８が最終的にその閉位置に達し、ロータリージョー９が最終把持位置に達した状態を示している。回転方向から見て、その第１の部分９．１に続いて、ロータリージョー９は、図４に示されるように、直線的な設計である第２の部分９．２を有する。

最終的な把持位置では、これらの部位９．２が互いに平面で対向して、この時点で把持対象物７を挟んでいる。この結果、摩擦係数が増加した二次元荷重となり、これにより把持対象物７を確実に保持することができる。この把持位置において、把持対象物７は、今やロボットによって持ち上げられ、目標位置まで移送され、そこで、把持フィンガー８が直線的に離間し、ロータリージョー９が、必要に応じてばね手段１１によって支持されて、その開始位置に戻って反対方向に回転することによって、解放されることができる。

本発明による把持装置によって示された把持の機構は、把持対象物７の柔軟性を利用している。これは、把持位置の正確性に依存せず、したがって、例えば、追加の光学センサをロボットと組み合わせて使用する場合、視覚的誤差に対してより強くなっている。任意の、好ましくは平面的な設計の柔軟な把持対象物の正確かつ非破壊的な把持は、本発明によれば、主に把持フィンガー８の直線運動に関する力の制御によって実施される。

しかしながら、代替的に、把持フィンガーの先端における把持要素が能動的に作動される場合も開示できる。この目的のための本発明による第２の実施形態が、図６－図７ｂで模式的に示されている。

ここでは、ギアおよび駆動機構１２が使用され、この機構は、把持装置の少なくとも１つの把持フィンガー１３および基部１４の内部で、任意の所望の方法で設計することができる。

例えば、図６に示すように、ロータリージョー１５は、把持フィンガー１３の内部に配置されたベルト駆動装置１６によって駆動され、そのベルト駆動装置１６は、基部１４内部のラック１８上を回動するギア１７によって作動し、把持フィンガー１３自体が互いに向かって直線的に移動したり離れたりすることにより回転することが可能である。

図７ａおよび７ｂが示すように、把持フィンガー１３の互いへの直線運動と、それぞれの図に矢印で示すようなロータリージョー１５の同時回転運動により、柔軟な物体１９が対応する地点に集積され、ロータリージョー１５の間で上方に引き込まれ、それによって把持される。把持装置のこの設計は、この種のより重い物体１９に適しており、それによって、このような把持装置もそれに応じて大きな寸法に設定されることが可能である。

ここでも、把持対象物が柔軟な性質を持つという利点が活かされている。摩擦の大きい回転面を介して把持フィンガーのロータリージョーの間に把持対象物を引き込むことにより、この機構は正確かつ非破壊的な把持を保証する。ロータリージョー１５の回転運動は、把持フィンガー１３の直線運動に連動しているので、追加のモーターは必要ない。把持対象物１９はロータリージョー１５の間で変形し、実際の把持力は把持フィンガー１３の直線運動によって制御される。把持フィンガー１３間の距離を制御することにより、把持の失敗を容易に検知し、対応することができる。

把持装置の上述の実施形態に特に好適な使用は、把持装置とロボットとによって、例えば平らな金線細工のような物体の把持を「感知」するような機能を実装することができる相応のインピーダンス制御を有するＨＲＣロボットと組み合わせて使用することである。

Claims (16)

1. 物体（７、１９）を把持するための把持装置であって、
   各々が把持フィンガー（８、１３）を有し、制御された移動によって前記物体（７、１９）の解放位置と把持位置との間で移送可能な少なくとも２つの把持ユニットを備え、該把持ユニットは各々、前記把持位置において把持対象の前記物体と当接することができる把持要素（９、１５）を含み、
   該把持要素（９、１５）は前記把持フィンガー（８、１３）の先端に回転可能に取り付けられていること
   を特徴とする把持装置。
2. 前記把持要素（９）は、該把持要素（９）が前記把持位置に到達して相互に接触すると、互いに向かって、かつ物体（７）から離れる方向に回転するように構成されていること
   を特徴とする請求項１に記載の把持装置。
3. 前記把持要素（９）は第１部位（９．１）を含み、該第１部位（９．１）の外形は、その回転軸（Ｄ）に関して、前記把持要素（９）同士の接触が直線的に行われるように構成されること
   を特徴とする請求項２に記載の把持装置。
4. 前記第１部位（９．１）の外形が、回転軸（Ｄ）に対して部分的に数学的螺旋形状に沿うこと
   を特徴とする請求項２または３に記載の把持装置。
5. 前記把持要素（９）が第２部位（９．２）を含み、該第２部位（９．２）の外形は、該第２部位（９．２）の回転軸（Ｄ）に関して、前記把持位置が確定したとき、前記把持要素（９）のさらなる回転が停止されるように構成されていること
   を特徴とする請求項３または４に記載の把持装置。
6. 前記把持位置が確定したとき、前記把持要素（９）は前記物体（７）と係合し、前記把持要素（９）同士は少なくとも部分的に互いに平面的に対向して定置していること
   を特徴とする請求項５による把持装置。
7. 前記把持要素（９）が付勢されていること
   を特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の把持装置。
8. 前記把持要素（９）は、互いに接触していないときに該把持要素（９）の回転を防止するように配置された手段（１１）を備えること
   を特徴とする請求項２から７のいずれか１項に記載の把持装置。
9. 前記手段（１１）は、前記把持要素（９）同士が接触していないとき、該把持要素（９）が互いから離間する方向へ該把持要素（９）を回転させるように構成されていること
   を特徴とする請求項８に記載の把持装置。
10. 前記把持要素（１５）の少なくとも１つが回転駆動可能であること
    を特徴とする請求項１に記載の把持装置。
11. 前記把持フィンガ（１３）が、前記把持要素（１５）を駆動するためのギア機構（１２）を含むこと
    を特徴とする請求項１０に記載の把持装置。
12. 把持要素（９、１５）の外面が、摩擦力を強くするコーティング（１０）及び／又は構造を含むこと
    を特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の把持装置。
13. 請求項１から１２のいずれか１項に記載の前記把持装置を有すること
    を特徴とするロボット。
14. 請求項１から９のいずれか１項に記載の把持装置を有するロボットによって前記物体（７）を把持する方法であって、
    前記把持要素（９）が前記物体（７）上に静止するまで、前記ロボットによって前記把持装置を前記物体（７）に向かって移動させるステップと、
    前記把持要素（９）同士が相互に接触するまで、前記把持フィンガー（８）を互いに向かって移動させるステップと、そして、
    前記物体（７）を把持したまま前記把持要素（９）が回転するように、前記把持フィンガー（８）を互いに向かってさらに移動させるステップと、を含むこと
    を特徴とする方法。
15. さらに、
    前記把持要素（９）が前記物体（７）と係合した状態で、前記把持要素（９）の第２部位（９．２）同士が当接するまで前記把持フィンガー（８）を互いに向かって移動させるステップを含み、
    前記第２部位（９．２）は前記把持要素（９）がさらに回転できないように構成されること
    を特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記ステップをインピーダンス制御及び／又は感応制御されたロボットによって実行すること
    を特徴とする請求項１４又は１５に記載の方法。

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