JP3968415B2

JP3968415B2 - 把持装置

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Publication number: JP3968415B2
Application number: JP2001366408A
Authority: JP
Inventors: 史倫齋藤
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2021-11-30
Also published as: US20030102640A1; US6612589B2; JP2003165085A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業用ロボット、介助ロボット、家庭用ロボット等ロボット、あるいは各種製造工程の搬送機器、自動化装置等において各種の工作物、あるいはコップ等の日用品その他各種物体を把持する把持装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の工業用ロボットの把持装置として、特開平４−１５９０９２号公報の図１及び図２に示されているような把持装置１がある。これは、ベース１上に設けられたエアシリンダ５ａ〜５ｃによりピストン７を介し、しかもリンク３ａ〜３ｃ及び回転板４により同期して動作され、被把持物９を把持する補助爪６を有する、検出器８付きの把持爪２ａ〜２ｃを設けたものである。このような従来の把持装置は、複数の把持爪に対応してエアシリンダ等の駆動装置が設けられており、機構が複雑であった。
【０００３】
その他、ロープでプーリーを介して駆動するタイプの把持装置は、特開昭５２−９１２６６号公報、実開昭６１−６４９８５号公報等において紹介されているが、一対の把持具のみを用いるものであったり、プーリーや歯車等を多数設け機構が複雑なものであった。
【０００４】
そこで、本発明者は、把持装置の把持具を駆動するモータ等の駆動源を単一として、構造が簡単かつ軽量、コンパクトにするとともに、被把持物体の形状に依らず複数の把持具の全てが均等な把持力を有することにより、被把持物体を精密かつ安定に把持することが出来、しかも不均一な把持力に起因する被把持物体の破損等を防止できるようにすることを目的として、一本のロープを利用した駆動力を把持具に伝達する機構を有する把持装置をすでに先行発明として提案している（特許第３１７４８４８号参照。）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この先行発明では、駆動ロープに張力を与えたとき、把持具と被把持物体との間の摩擦力のために十分安定な把持状態に至る前に把持動作が停止することがあった。このような状態で外力が作用したり、把持力をさらに増加させるために駆動ロープの張力を増していったりすると、把持状態がさらに安定な状態へ遷移しようとし、その際、被把持物体と把持具との間で滑りが発生し、一時的に不安定な把持状態が生じてしまい、被把持物体が落下する等の問題があった。
【０００６】
本発明は、上記先行発明の問題を解決することを目的とするものであり、把持具と被把持物体との間の転がり接触を利用して、把持具と被把持物体との間に滑りが生じることなく安定な把持状態へ滑らかに遷移できるようにした把持装置を実現することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、支持フレームと、互いに接離可能に連動して上記支持フレームの同一直線上又は互いに平行な直線上を移動可能に取り付けられた一対の把持具の複数から成る夫々が独立して可動な複数対の把持具と、上記複数対の把持具の夫々の対の二つの把持具の一方に取り付けられた把持具プーリーと、上記支持フレームに取り付けられたフレームプーリーと、上記把持具プーリー及び上記フレームプーリーにかけ渡され、その一端は一方向に引っ張ることが可能であり、その他端は支持フレームに固定された一本の駆動ロープと、上記一本の駆動ロープを引っ張る駆動源とを具備し、上記駆動源によって上記駆動ロープを引っ張ると、上記複数対の把持具の夫々の対では上記把持具が互いに対称に連動して移動しながら、また夫々の対が互いに独立して被把持物体を把持する方向に移動する把持装置において、上記複数対の把持具は、上記被把持物体を把持する際に該被把持物体に当接する当接部を有し、上記複数対の把持具の当接部の少なくとも１以上は、上記被把持物体を把持する際に、上記複数対の把持具の移動平面の法線と平行な軸の周りを上記被把持物体と転がり接触を保つように回転可能に設けられていることを特徴とする把持装置を提供する。
【０００８】
上記当接部の回転を制動する制動器を設け、該制動器は、回転を拘束又は回転抵抗を調整できるようにした構成としてもよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る把持装置の実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して、以下説明する。
【００１０】
図３及び図４は、本発明の前提とする把持機構の基本的な原理を説明する概念図である。図３（ａ）において、二対の把持具１０、１１及び１２、１３により被把持物体１４を把持する場合に、二対の把持具１０、１１及び１２、１３には、夫々の対が独立して把持中心Ｏから対称に連動して動く機構が予め設けてある。
【００１１】
図３（ｂ）において、二対の把持具１０、１１及び１２、１３の夫々の対は、互いに連動して接近したり離れたりすることが可能なように、図示しない基盤（支持フレーム）上に移動可能に設けられている。各対の中の一つの把持具１０、１２には把持具プーリー１５、１６が設けられている。
【００１２】
さらに、基盤にフレームプーリー１７、１８が設けられている。これらのプーリー１５〜１８に一本のロープ１９がかけ渡されており、その一端は矢印Ｆ方向に引っ張ることが可能であり、他端は基盤に固着されている。今、ロープ１９の一端を矢印Ｆ方向に引っ張ると、ロープ１９により把持具プーリー１５、１６が中央方向に移動し、これに連動して把持具１１、１３が中央に寄り、結局二対の把持具１０、１１及び１２、１３により被把持物体を把持することができる。
【００１３】
このような原理により、図４（ａ）〜（ｄ）に示すように各種の形状の物体を、二対の把持具により均等、精密かつ安定して把持することができる。
【００１４】
本発明に係る把持装置１０１は、上記基本的原理に基づく把持機構を前提としており、その実施例を図５〜１０において説明する。把持装置１０１は、基盤（支持フレーム）１０２を有する。この基盤１０２を介して把持装置１０１はロボットや自動化装置等の可動部分の先端等に固定される。基盤１０２の周縁にはフランジ部１０３が形成されている。又、頂部は蓋板１０４で閉じられている。
【００１５】
基盤１０２上に、二対の把持具１０５、１０６及び１０７、１０８が基盤１０２の中心から放射状に設けられている。二対の把持具１０５、１０６及び１０７、１０８は、夫々支持杆１０９、支持杆１０９に沿って支持杆１０９に固定されたレール１１０、支持杆１０９の外端から基盤１０２の中心に向けて伸設された把持杆１１１を備えている。
【００１６】
さらに基盤１０２上には、４つのリニアガイド１１２が設けられており、二対の把持具１０５、１０６及び１０７、１０８の夫々のレール１１０は、夫々対応するリニアガイド１１２により放射方向にガイドされ。これによって、二対の把持具１０５、１０６及び１０７、１０８が、基盤１０２上で放射方向に直線的に移動可能である。
【００１７】
さらに、夫々の把持具対１０５、１０６又は１０７、１０８は、ラックとピニオン或いはプーリーと連動ベルト等により、一方の把持具１０５又は１０７が外方に移動するとこれと連動して他方の把持具１０６、１０８が互いに離れる方向に移動し、逆に一方の把持具１０５、１０７が内方に移動するとこれと連動して他方の把持具１０６、１０８が互いに近寄る方向に移動するような把持具連動機構により互いに連動して基盤上を移動するように構成されている。
【００１８】
図７は、把持具連動機構の一例を示すものである。夫々の把持具対１０５、１０６又は１０７、１０８の支持杆１０９は、基盤１０２に固定されたプーリー１１８で折り返されるように掛け渡された連動ベルト１１９で互いに結合されている。これにより、一対の把持具の一方の把持具１０５、１０７が移動するとこれに連動して他方の把持具１０６、１０８が対称に移動する。
【００１９】
二対の把持具の各把持杆１１１の内端には、二対の把持具１０５、１０６及び１０７、１０８の移動面（基盤１０２の面）の法線と平行に伸びる、被把持物体を把持する際に被把持物体に当接する当接部１１３が形成されている。当接部１１３の詳細な構造については後述する。
【００２０】
把持装置１０１は、夫々一対の把持具１０５、１０６及び１０７、１０８が互いに離れる方向に常時付勢する把持具解放機構と、被把持物体を把持するときに互いに近づく方向に駆動する把持具駆動機構とを有し、この把持具解放機構及び把持具駆動機構により、被把持物体を解放又は把持するように作動される。
【００２１】
まず、把持具解放機構について説明する。図６において、把持具１０５、１０７には、夫々の支持杆１０９に解放ロープ１１４の一端が取り付けられており、他端はプーリー１１５を介して解放ロープ巻き取りドラム１１６に巻き付けられている。解放ロープ巻き取りドラム１１６は、同軸に配設されたぜんまいバネ１１７により、巻き取り方向（図６の反時計方向）に回動付勢されている。
【００２２】
この把持具解放機構により、常時は、解放ロープ巻き取りドラム１１６に解放ロープ１１４が巻き取られる方向に付勢されているので、解放ロープ１１４により、夫々の対における一方の把持具１０５、１０７が、基盤１０２の放射方向外方に向かって付勢され、さらに、把持具連動機構を介して、夫々の対における他方の把持具１０６、１０８も同様に基盤１０２の中心から放射方向外方に向かって付勢されている。即ち、常時は、上記二対の把持具を構成する各対の把持具１０５、１０６又は１０７、１０８は互いに離れる方向に付勢されている。
【００２３】
次に把持具駆動機構について説明する。二対の把持具１０５、１０６及び１０７、１０８の上記一方の把持具１０５、１０７に把持具プーリー１２０、１２１を設ける。又、基盤１０２上にフレームプーリー１２２、１２３を設ける。これらの把持具プーリー１２０、１２１及びフレームプーリー１２２、１２３に一本の駆動ロープ１２４をかけわたし、その一端を駆動ロープ巻き取りドラム１２５に巻き付け、他端を基盤１０２に取り付ける。
【００２４】
駆動ロープ巻き取りドラム１２５は、正転・逆転可能なモータ１２７により、駆動ロープ１２４の巻き取り及び巻きほぐしが可能なように回転駆動される。
【００２５】
本発明の特徴的な構成は、複数対の把持具に夫々設けられている被把持物体に当接する当接部のうち、少なくとも１以上の把持具に係る当接部が、被把持物体を把持する際に、複数対の把持具の移動平面の法線と平行な軸の周りを被把持物体と転がり接触を保つように回転する回転機構が設けられている点である。
【００２６】
本実施例では、上記の通り二対の把持具１０５、１０６及び１０７、１０８の夫々の内端上部に、被把持物体と当接し把持する当接部１１３が設けられているが、このうち少なくとも１以上の把持具の当接部１１３は、図８〜１０に示すような回転機構により、二対の把持具の移動平面の法線に平行な軸の周りを被把持物体と転がり接触を保つように回転可能に設けられている。
【００２７】
図８において、当接部１１３は、支持軸１２８と当接体１２９（本実施例では円筒体）とから成り、支持軸１２８は、把持具１０５、１０６、１０７、１０８（図８では把持具１０５のみを示すが、他の把持具１０６、１０７、１０８についても同じである。）の夫々の把持杆１１１の放射方向の内端にベアリング１３０を介してその軸芯ｏを中心に回転可能に取り付けられている。
【００２８】
この支持軸１２８に、当接体１２９が装着されている。よって、このような構成の当接部１１３は、支持軸１２８の軸芯ｏを中心に回転可能であり、被把持物体を把持する際に被把持物体に転がり接触することが可能である。
【００２９】
本実施例では、上記のとおり、当接部１１３は支持軸１２８の軸芯ｏを中心に回転可能であり、被把持物体を把持する際に被把持物体に転がり接触することを可能としたものであるが、上記当接部１１３は、上記被把持物体を把持する際に、上記二対の把持具１０５、１０６及び１０７、１０８の移動面の法線に平行な軸の周りを上記被把持物体と転がり接触を保つように回転可能に設けられていればよいのであって、そのための具体的な構成は上記以外にいろいろな実施の態様があることは言うまでもない。
【００３０】
さらに本発明の特徴は、当接部１１３の回転を制動する制動器を設けたことを特徴とするものである。本発明に係る制動器は、当接部の回転を拘束又は回転抵抗を調整できるものであり、この制動器の二つの具体例を、図８〜１０で説明する。
【００３１】
図８、９は、当接部１１３の回転を係止又は解放する係脱機能を有する制動器を示す。図８において、把持杆１１１に中空部１３１を設け、この中空部１３１内に摺動軸受１３２で摺動可能に係止具１３３が設けられている。係止具１３３の一端には、中空部１３１から把持杆１１１の長孔１３４を通して外部に突出した係止爪１３５が形成されている。一方、支持軸１２８の周面には、複数の係止孔１３６が隔設されており、この係止孔１３６に係止爪１３５が係脱可能なように構成されている。
【００３２】
係止具１３３は、図８、図９（ａ）に示すように、圧縮コイルバネ１３７により常時は中空部１３１内の一端側（図中右側）に押圧されており、係止爪１３５が支持軸１２８の係止孔１３６の一つに係合し当接部１１３の回転を係止させている。中空部１３１の他端側に電磁石１３８が設けられており、図９（ｂ）に示すように、この電磁石１３８を動作することにより係止具１３３を圧縮コイルバネ１３７の弾力に抗して中空部１３１の他端側に（図中左側）に引き寄せる。これにより、係止爪１３５が支持軸１２８の係止孔１３６からはずされ当接部１１３を回転可能としている。
【００３３】
図１０は、支持軸１２８の他端に制動器を備えた構成を示す図である。具体的には、把持杆１１１の一端に制動器として電磁ブレーキ１３９を設け、この電磁ブレーキ１３９で支持軸１２８の一端に電磁制動を付与するようにした構成である。電磁力や電気粘性流体等を利用し、回転、非回転を選択したり、連続的な制動力可変機能を制動器に付加することで、制動力の大きさを調整することができる。
【００３４】
本発明では、上述のとおり、複数対（例．二対）の把持具（例．二対の場合４つの把持具）の少なくとも１つの把持具に係る当接部１１３が、被把持物体と転がり接触を保つように回転可能に設けられている。この場合、具体的には、一例として以下のような実施の態様がある。
【００３５】
（１）全部の把持具を自由に回転可能な構成とする。
（２）複数対の把持具の夫々一方の把持具を自由に回転可能な構成とする。
（３）全部の把持具を回転可能とし、全部又は一部の把持具に制動器を設ける構成とする。
【００３６】
（作用）
以上のような構成の本発明の実施例の把持装置１０１の作用について説明する。常時は、ぜんまいバネ１１７のバネ力で解放ロープ１１４は解放ロープ巻き取りドラム１１６に巻き取られる方向に付勢されているので、二対の把持具１０５、１０６及び１０７、１０８は互いに放射方向に離れる方向へ付勢されており、二対の把持具１０５、１０６及び１０７、１０８は解放状態にある。
【００３７】
今、被把持物体の把持を指示する電気信号により、モータ１２７が駆動ロープ巻き取りドラム１２５を巻き取り方向に回転させると駆動ロープ巻き取りドラム１２５が駆動ロープ１２４を巻き取り、駆動ロープ１２４を矢印Ｆ方向に引っ張る。すると、把持具プーリ１２０、１２１に力が作用し、これによりぜんまいバネ１１７の弾性巻き取り力に抗して把持具１０５、１０７が被把持物体を把持する方向に動作すると同時に、把持具連動機構により把持具１０６、１０８が連動して対称に移動するため、その結果、把持具の内端に設けられた当接部が被把持物体を把持する。
【００３８】
逆に、把持している被把持物体を解放するときには、把持解放を指示する電気信号により上記モーター１２７を上記とは逆方向に回転させることにより、駆動ロープ巻き取りドラム１２５に巻かれている解放ロープを巻きほぐして弛める。すると、ぜんまいバネ１１７の弾性巻き取り力により、解放ロープ巻き取りドラム１１６が解放ロープ１１４を巻き取り、把持具連動機構の作用によって上記二対の把持具１０５、１０６及び１０７、１０８が互いに放射方向外方へ移動し、被把持物体の把持を解放する。
【００３９】
本発明では、二対の把持具１０５、１０６及び１０７、１０８の把持動作中に既に被把持物体と接触した当接部１１３は、転がり接触によってより安定な把持状態に滑らかに遷移することができる。
【００４０】
特に、図８、９に示すような制動器を備えた把持具の当接部１１３で被把持物体を把持する場合には、係止具１３３は、常時は、図８、図９（ａ）に示すように、係止爪１３５が支持軸１２８の係止孔１３６の一つに係合し当接部１１３の回転を係止している。
【００４１】
しかし、電磁石１３８を動作することにより係止具１３３を圧縮コイルバネ１３７の弾力に抗して中空部１３１の他端側に（図中左側）に引き寄せる。これにより、図９（ｂ）に示すように、係止爪１３５が支持軸１２８の係止孔１３６からはずされて、当接部１１３を回転可能としている。
【００４２】
このような回転係止と係止の解除の機能を利用して、把持動作中には回転可能とすることで、既に被把持物体と接触した当接部１１３は、被把持物体との転がり接触を保ちながらより安定な把持状態に滑らかに遷移させることができ、又把持完了後は回転を制動することで、安定な把持状態をしっかりと維持することができる。
【００４３】
又、図１０に示すような制動器を設けた把持具の当接部１１３で被把持物体を把持する場合においても、把持動作中には被把持物体との転がり接触を可能とし、把持完了後には、電磁ブレーキ１３９により支持軸１２８の一端に制動力を付与して、回転を抑制できるため、滑りを避けながら安定な把持状態に遷移させ、かつ把持完了後はその把持状態をしっかりと維持することができる。さらにまた、制動力可変機能を付加した場合、制動力を調整することにより、被把持物体の種類や状態に応じて転がり接触の転がり具合を変えた多様な把持が可能となる。
【００４４】
なお、全ての把持具の当接部が自由に回転できるようにした場合、当接部と被把持物体との転がり接触のために、例えば被把持物体の平行な２面を把持した状態ではその面と平行な方向の並進運動を拘束できなくなり、また、円筒又は円柱状の物体をその軸が把持部の回転軸と平行になるように把持した場合、被把持物体の軸回りの回転運動を拘束できなくなるというような拘束できない状態量が発生し、作業によっては不都合が生じる場合がある。
【００４５】
しかしながらこの発明では、一部の把持具の当接部は把持具を固定する構成としたり、制動器により当接部の回転、非回転を適宜選択して当接部の拘束状態を調整可能な構成とすることで、同時に全当接部が回転可能とはならないようにして上記問題を解決することができる。
【００４６】
なお、本発明の把持装置１０１の把持力は、モータ１２７のトルクとぜんまいバネ１１７の弾性力により決定されるが、変位によらず復原力が略一定となるようにぜんまいバネのバネ特性を設計すれば、二対の把持具の開き幅の違いに関係なく夫々の把持具が把持対象物に対して発生する力を等しくすることができる。
【００４７】
又、本発明の本質とは直接関係しないので詳細な説明はしないが、モータ１２７の回転量を検出するポテンショメータ又はエンコーダ、把持具に設けられた把持圧検出器等、図示しない公知の検出器等による検出信号により把持具の移動位置、あるいは把持状態を検出して、モータの回転量制御、トルク制御等が行われる。
【００４８】
以上の実施例は本発明の具体的構成の一例であり、本発明の本質は、単一の駆動源及びこれにより駆動される一本のロープにより、複数の把持具を同時に移動し把持動作をせしめて、均一かつ安定的な把持を実現するとともに、簡単、軽量かつコンパクトな把持装置を提供することであり、この本質の範囲内では、いろいろな具体的な構成が含まれることは言うまでもない。
【００４９】
以上本発明に係る把持装置を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内でいろいろな実施の態様があることは言うまでもない。
【００５０】
【発明の効果】
本発明の把持装置によれば、単一の駆動源及びこれにより駆動される一本のロープにより、複数の把持具を同時に移動して把持動作をさせることができ、かつ全ての把持具による把持力が均等となり、精密かつ安定的な被把持物体の把持を実現することができるとともに、把持装置を簡単、軽量かつコンパクトとすることができる。
【００５１】
特に、本発明は把持対象物の形状によらず、把持具による把持力が均等となる点が特徴であり、さまざまな形状のワークを把持しなくてはならないような製造工程の把持装置、多様な日用品の把持が必要となる介助ロボットのハンド、柔らかい食品の把持を行う食品製造自動化機器等においてきわめて有用である。
【００５２】
さらに、本発明では、少なくとも１つの把持具の当接部は被把持物体と転がり接触を保つように回転可能に設けられているため、このような構成ではない場合に比べて把持動作中の被把持物体と把持具との間で発生する滑りを減らし、その滑りに起因する不安定な把持状態での被把持物体の落下等を避けながら、より滑らかに安定な把持状態へ遷移可能となる。そして、回転しない当接部も一部設けることにより拘束できない状態量の発生をなくすことができる。
【００５３】
さらに、本発明では、把持具に制動器を備えることで、把持動作中には自由に回転可能とし、把持完了後には回転を抑制でき、又把持動作中の回転制動状態を調整できるため、安定な把持状態への滑らかな遷移と把持完了後の被把持物体の拘束とを両立させることができるようになり、また被把持物体の種類や性状に応じたきめ細かい把持動作の制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の把持装置の平面図である。
【図２】図１の正面図である。
【図３】本発明の基本的な原理を説明する図である。
【図４】本発明でいろいろな形状の被把持物体を把持する使用例を示す図である。
【図５】本発明に係る把持装置の実施例の外観斜視図である。
【図６】本発明に係る把持装置の実施例の把持具解放機構及び把持具駆動機構を説明する図である。
【図７】本発明に係る把持装置の把持具連動機構を説明する図である。
【図８】本発明の把持具の制動器の一例を説明する図である。
【図９】図８に係る把持具の制動器の動作を説明する図である。
【図１０】本発明の把持具の制動器の別の例を説明する図である。
【符号の説明】
１０１把持装置
１０２基盤
１０３フランジ部
１０４蓋板
１０５、１０６、１０７、１０８把持具
１０９支持杆
１１０レール
１１１把持杆
１１２リニアガイド
１１３当接部
１１４解放ロープ
１１５、１１８プーリー
１１６解放ロープ巻き取りドラム
１１７ぜんまいバネ
１１９連動ベルト
１２０、１２１把持具プーリー
１２２、１２３フレームプーリー
１２４駆動ロープ
１２５駆動ロープの巻き取りドラム
１２７モータ
１２８支持軸
１２９当接体
１３０ベアリング
１３１把持杆の中空部
１３２摺動軸受
１３３係止具
１３４把持杆の長孔
１３５係止爪
１３６係止孔
１３７圧縮コイルバネ
１３８電磁石
１３９電磁ブレーキ

Claims

支持フレームと、互いに接離可能に連動して上記支持フレームの同一直線上又は互いに平行な直線上を移動可能に取り付けられた一対の把持具の複数から成る夫々が独立して可動な複数対の把持具と、上記複数対の把持具の夫々の対の二つの把持具の一方に取り付けられた把持具プーリーと、上記支持フレームに取り付けられたフレームプーリーと、上記把持具プーリー及び上記フレームプーリーにかけ渡され、その一端は一方向に引っ張ることが可能であり、その他端は支持フレームに固定された一本の駆動ロープと、上記一本の駆動ロープを引っ張る駆動源とを具備し、上記駆動源によって上記駆動ロープを引っ張ると、上記複数対の把持具の夫々の対では上記把持具が互いに対称に連動して移動しながら、また夫々の対が互いに独立して被把持物体を把持する方向に移動する把持装置において、
上記複数対の把持具は、上記被把持物体を把持する際に該被把持物体に当接する１本の円筒状の当接部を有し、
上記複数対の把持具の当接部の少なくとも１以上は、上記被把持物体を把持する際に、上記複数対の把持具の移動平面の法線と平行な軸の周りを上記被把持物体と転がり接触を保つように回転可能に設けられており、上記被把持物体と接触した際に転がり接触によってより安定な把持状態に滑らかに遷移できるようにし、
上記回転可能に設けられた当接部の回転を制動する制動器を設け、該制動器は、回転を拘束又は回転抵抗を調整できるようにしたことを特徴とする把持装置。