JP4261533B2 - ロボットハンド機構 - Google Patents

Description

この発明は、ロボットハンド機構に係り、特に、家庭など人間と共存する環境において、多様な形状・大きさ並びに様々な場所に位置されている対象物品を把持することができるロボットハンド機構に関する。

近年、家庭内或いは施設内をはじめアームを使って物品を運搬するアームを搭載したサービス用途の移動ロボットの開発が進められている。このような移動ロボットは、物品を把持するロボットハンド機構を備え、このロボットハンド機構は、物品を把持するグリッパ及びこのグリッパを操作するマニピュレータから構成されている。

従来、ロボットハンド機構として特許文献１及び特許文献２に開示されるように、多様な形状、大きさの対象物品を把持しやすい方向から把持可能する機構が知られている。一方、薄板状の対象物品を運搬する装置として、特許文献３及び特許文献４が知られている。また、板状の対象を大量に運搬する装置が特に文献で指摘するまでもなく、一般的なフォークリフトとして知られている。
特開平５−２９３７８６号公報 特開平８−３２３６７８号公報 特開平１０−３１０３８２号公報 特開平１０−３１０１４５号公報

上述した従来技術に係るロボットハンド機構では、1対の平行移動可能な指を備えた1自由度の開閉式ハンドで対象物品を把持し、対象物品の荷重を支えている。従って、対象物品の荷重を支える間においては、ロボットハンド機構は、高いトルクを連続的に出し続けなければならず、運搬中に対象物品が変形又は破損に至る虞があり、また、ハンド駆動アクチュエータにより静動トルクを連続的に発生するために、運搬中において、ハンドの取る姿勢は変化しないにも拘わらず、把持に必要なエネルギー消費量を抑えることが困難である問題がある。また、1自由度の把持では、把持対象物の滑落の危険性も考えられる。

更に、上述した従来技術に係るロボットハンド機構では、1対の平行移動可能な指を持った2指1自由度の開閉式ハンドで、ハンド指方向に十分に長い板状の対象物品を把持して水平に運搬する場合には、板状体の先端に荷重に加えて板の長さに比例したモーメントが付加される。特に、板状体に他の物品が搭載され、或いは、付加される場合には、それらを安定して水平に支持したまま運搬することが困難であるとされている。ロボットハンド機構として制御を容易かつ安全に行うためには、手先はできるだけ小さく軽いことが求められ、耐久性・安全面からも、ハンドの指先が予め長く設計されることは好ましくないとされている。また、ハンドの指が十分に長い場合には、ハンドを搭載しているマニピュレータの可動域を狭めてしまう問題もある。

この発明は、上述した問題に鑑みなされたものであって、その目的は，水平方向に対象物品を把持し運搬する場合において、対象物品を安全に把持し、且つ、安定して運搬することのできる補助機構を備えたハンドに搭載することができるロボットハンド機構を提供することにある。

この発明によれば、
マニピュレータに取り付けられ、このマニュピュレータで上昇或いは降下動作されるロボットハンド本体と、
このロボットハンド本体に設けられ、平坦面上に置かれた把持対象物品を把持する為に互いに近接離反可能な一対のグリッパであって、当該一対のグリッパが前記把持対象物品を把持し、また、前記前記把持対象物品を解放するように選択的に作動する一対のグリッパと、
前記一対のグリッパ下方の支持位置で前記把持対象物品を支持し、前記ロボットハンド本体下方の収納位置に収納され、前記支持位置及び前記収納位置間で移動可能な支持用プレートと、
前記ロボットハンド本体下部に突出して設けられる可動可能な可動ピン及びこの可動ピンをロックして前記支持用プレートを前記収納位置に保持し、前記ロックを解除して前記支持用プレートを前記収納位置から前記支持位置への移動を許すロック機構を含む駆動機構と、
を具備するロボットハンド機構において、
前記可動ピンがロックされている状態において、前記本体の降下動作で前記可動ピンが前記平坦面に当接されて前記可動ピンのロックが解除され、
前記可動ピンのロック解除の前後に前記一対のグリッパが前記把持対象物品を把持し、
前記可動ピンのロックが解除されている状態において、前記一対のグリッパが前記把持対象物品を把持したまま前記マニュピュレータが前記本体を上昇させ、
前記本体の上昇動作で前記駆動機構が前記可動ピンを押し下げ、また、前記支持プレートを前記収納位置から前記支持位置に移動させ、
前記可動ピンのロックが解除されている状態において、前記本体の降下動作で前記可動ピンが前記平坦面に当接されて前記可動ピンが前記本体内に押し込められ、この当接動作に連動して前記駆動機構が前記支持プレートを前記支持位置から前記収納位置に移動させ、前記支持プレートの前記収納位置への移動で前記可動ピンがロックされることを特徴とするロボットハンド機構が提供される。

また、この発明によれば、
マニピュレータに取り付けられ、このマニュピュレータで上昇或いは降下動作されるロボットハンド本体と、
このロボットハンド本体に設けられ、平坦面上に置かれた把持対象物品を把持する為に互いに近接離反可能な一対のグリッパであって、前記把持対象物品をリフト可能な第１の把持力、或いは、前記把持対象物品を保持可能な、前記第１の把持力よりも小さな第２の把持力で、前記把持対象物品を把持し、また、前記把持対象物品を解放するように動作する一対のグリッパと、
前記一対のグリッパ下方の支持位置で前記把持対象物品を支持し、前記ロボットハンド本体下方の収納位置に保持され、前記支持位置及び前記収納位置間で移動可能な支持用プレートと、
前記把持対象物品の前記第１把持力での把持に応動して、前記支持用プレートを前記収納位置から前記支持位置へ移動をさせ、また、前記支持位置から前記収納位置に移動させる駆動機構と、
を具備するロボットハンド機構において、
前記一対のグリッパが前記第１把持力で当該把持対象物品を把持した状態で、前記ロボットハンド本体が上昇され、前記駆動機構が前記支持プレートを前記収納位置から前記支持位置に移動し、
前記把持対象物品が前記支持プレート上に載置された状態で、前記一対のグリッパが前記第２の把持力で前記把持対象物品を把持して前記ロボットハンド機構の移動と共に前記把持対象物品を搬送し、
前記一対のグリッパが再び前記第１把持力で当該把持対象物品を把持して前記駆動機構が前記支持プレートを前記収納位置から前記支持位置に移動させることを特徴とするロボットハンド機構が提供される。

更に、この発明によれば、
マニピュレータに取り付けられ、このマニュピュレータで操作されるロボットハンド本体と、
このロボットハンド本体に設けられ把持対象物品を上下から把持する為に互いに近接離反可能な上方及び下方グリッパと、
前記下方グリッパ内に収納されるように設けられ、この下方グリッパから伸展並びに収納可能な支持用プレートと、
前記支持用プレートを外部に当接させる動作で前記支持用プレートを前記下方グリッパ内に収納して当該グリッパ内に保持し、また、前記支持用プレートを外部に当接させる動作で前記保持を解除して前記支持用プレート伸展させる駆動機構と、
を具備することを特徴とするロボットハンド機構が提供される。

この発明によれば、自由度の少ないロボットハンド機構においても、支持用プレートに把持した対象物品を載せて支持することによりハンドの指先に必要なトルクを軽減することが可能でハンド指先で対象物品の位置決めを行うことによりマニピュレータでハンドを動かしても、またマニピュレータを持つ移動ロボットが移動しても、水平を保ったまま安定して対象物品を運搬することができる。またアクチュエータによる自由度を増やさずに支持用プレートを補助装置として設けるので補助装置の駆動のために電気的エネルギーを必要とせず、全体として把持・運搬動作にかかるエネルギーを軽減することができる。

また、この発明によれば、2指1自由度等の自由度の少ないロボットハンド機構でも、把持した板状の対象物品の底面を支持用プレートに載せてハンド指先で支持し固定することにより、板状対象物品がハンド指先より長くても、ハンド手先にかかるモーメントが軽減されるので把持に必要なエネルギーを減らすことができる。マニピュレータでハンドを動かしても、またマニピュレータを持つ移動ロボットが移動しても、水平を保ったまま安定して板状体を運搬することができるので板状体をトレイとして、前記板状体の上にさらに搬送物品を搭載し、安定かつ安全に運搬することが可能である。また、アクチュエータによる自由度を増やさずに支持用プレート棒部材とその駆動機構を補助装置として設けるので補助装置の駆動のために電気的エネルギーを必要とせず、全体として把持・運搬動作にかかるエネルギーを軽減することができる。支持用プレート棒部材は、それ自体がノック式のスイッチになっている。スイッチはユーザが切り替えてもよいが、支持用プレート棒部材の展開と収納は、マニピュレータを搭載しているロボットが判断して行うことができる。

以下、必要に応じて図面を参照しながら、この発明の実施の形態に係るロボットハンド機構を説明する。

（実施例１）
図１は、この発明の第１の実施の形態に係るロボットハンド機構を概略的に示す側面図であり、図２は、図１に示されたロボットハンド機構の底面構造を概略的に示す平面図である。

図１及び図２に示すように、マニピュレータ２１の先端部には、手首関節２２を介してロボットハンド機構１０が設けられている。このロボットハンド機構１０には、ハンド本体１１が手首関節２２に取り付けられ、このハンド本体１１から対象部品３０を把持する為の一対のグリッパ１２が互いに平行に延出されている。一対のグリッパ１２は、互いに対向し、ハンド本体１１内に設けられた駆動機構（図示せず）によってその間に対象物品３０を把持する為にその間隔を均等に変えることができる。通常、この一対のグリッパ１２は、マニピュレータ２１の軸に略直交する方向に沿って配置され、最外周位置からグリッパ１２間の中心位置まで同一速度で移動可能であって、その対向面間の中心で互いに接触させることができる。この対向面には、一対のグリッパ１２の把持力を検出する為に接触センサ１９が設けられ、この接触センサ１９によって対象物品への接触力が測定される。従って、対象物品３０が一対のグリッパ１２の可動範囲で定まる把持可能な大きさの範囲内にあれば、対象物品３０は、一対のグリッパ１２によって予め定められた均等な把持力（狭持力）で挟まれて対象物品３０が把持される。

ロボットハンド機構１０には、マニピュレータ２１の軸を含む略垂直な平面内で１自由度が与えられ、その平面内で傾動可能に手首関節２２に取り付けられている。従って、図３及び図４に示されるようにマニピュレータ２１がその傾き角を変えても、ハンド本体１１の姿勢を変えずに略水平に維持することができる。即ち、マニピュレータ２１が傾動されても一対のグリッパ１２に把持された対象物品３０の姿勢を常に一定に維持することができる。

図１及び図２に示されるようにハンド本体１１の底面下（収納位置）には、平行リンク機構１４の一端が枢支固定されている支持プレート１３が支持補助装置としてに配置され、平行リンク機構１４の他端がハンド本体１１内に枢支固定されている。平行リンク機構１には、これを駆動するための歯車１４Ａが設けられ、この歯車１４Ａがピニオン機構１６に歯合されている。また、このピニオン機構１６は、上下動可能に保持されている可動ピン１５に設けられたラック１７に歯合されている。一例として、可動ピン１５は、筒状体１９内に収納され、その内に配置されたバネ１８によって附勢され、また、後に説明されるロック機構によって可動ピン１５が筒状体１９内に保持され、ロック機構が解除されることによって可動ピン１５が筒状体１９外にバネ１８によって押し出される。ロック機構が解除される際には、可動ピン１５は、バネ１８によって附勢されて直線的に筒状体１９内をスライドされるが、このスライドに伴い可動ピン１５に設けられたラック１７も直線的に移動される。従って、ラック１７に歯合されているピニオン機構１６が回転され、このピニオン機構１６に歯合されている歯車１４Ａが回転されて平行リンク機構１４が傾動される。即ち、平行リンク機構１４がハンド本体１１内の枢支部を基点として回動されてその一端がハンド本体１１の前方に押し出されることとなる。その結果、平行リンク機構１４の一端に固定された支持プレート１３が収納位置から対象物品３０の底面に向けてスイング（揺動）されて対象物品３０の底面に接触される。この状態では、対象物品３０は、一対のグリッパ１２に把持され、支持プレート１３が支持位置に位置されていることから、支持プレート１３によっても底面支持されることとなる。従って、マニュピュレータ２１が設けられたロボット（図示せず）が移動を開始して外部から振動を受けて対象物品３０が下方にずり落ちるような力が対象物品に加わっても支持プレート１３によってその落下が阻止され、ロボットが移動されても対象物品を確実に搬送することができる。

図３〜図６を参照して図１及び図２に示したロボットハンド機構１０の動作について説明する。

平坦な面８上に載置されている対象物品３０をロボットハンド機構１０で把持して搬送する際には、始めにマニュピュレータ２１が対象物品３０に向けられその先端のロボットハンド機構１０が対象物品３０上に位置される。この状態でマニュピュレータ２１が傾けられてロボットハンド機構１０が平坦面８上に降下される。ロボットハンド機構１０が降下される際には、手首関節２２によってロボットハンド機構１０の姿勢が維持されたままに降下され、対象物品３０の両側にグリッパ１２が位置されるようにロボットハンド機構１０の位置が調整される。その後、グリッパ１２が互いに近接される方向に移動されて対象物品３０把持される。この把持の際には、対象物品３０をその把持力でリフト可能な第１の把持力で対象物品３０を確実に把持される。

ハンド本体１１が平坦面８上にまで降下されると、図３に示すようにその下面から突出している可動ピン１５の自由端が平坦面８に当接される。この当接に伴い、可動ピン１５のバネ１８による押し出しを抑制していたロック機構が解除され、可動ピン１５のバネ１８による押し出しが可能となる。ロック機構の解除に前後して対象物品３０がグリッパ１２によって把持されてリフト（持ち上げ）可能とされる。この状態において、マニュピュレータ２１がロボットハンド機構１０をリフトすると、図４に示すように、グリッパ１２によって把持された対象物品３０がリフトされるとともに可動ピン１５の突出に伴ってラック１７が下方に前進してこれに歯合されているピニオン１６を矢印Ｒ１に示すように回転させる。ピニオン１６の回転により、平行リンク機構１４のアームが本体１１の枢支部を軸として矢印Ｒ２に示すように回転され、平行リンク機構１４に固定されている支持プレート１３が収納位置から矢印Ｒ３に示すように下方に押し出されるようにスイングされて支持プレート１３が対象物品３０の下方に位置される。平行リンク機構１４によって支持プレート１３がスイングしながら前進されると、対象物品３０と平坦面８との間に支持プレート１３が進入し、図５及び図６に示すように支持プレート１３が対象物品３０の下面に当接され、支持プレートが支持位置に移行される。従って、対象物品３０が支持プレート１３上に載置される。対象物品３０が支持プレート１３上に載置されていることから、グリッパ１２による対象物品３０の把持が緩められ、第１の把持力よりも把持力が小さい第２の把持力で対象物品３０が把持される。第２の把持力で対象物品３０が把持されても、対象物品３０が支持プレート１３上に載置されていることから、対象物品３０のリフト中も確実にロボットハンド機構１０によって保持されることとなる。

対象物品３０を搬送するに際しては、マニュピュレータ２１がリフトされて対象物品がグリッパ１２で把持されるとともに対象物品３０が支持プレート１３に載置された状態でマニュピュレータ２１が設けられたロボット本体（図示せず）が移動を開始し、対象物品３０を搬送することとなる。搬送に際して外部からロボット本体に衝撃が与えられる場合があり、グリッパ１２の把持力で対象物品３０を支えることができない場合が生じても、対象物品３０の下面が支持プレート１３を支えていることから、確実にロボットハンド機構１０が対象物品３０を搬送することが可能となる。

ロボット本体が所定位置にまで移動して対象物品３０を平坦面８に置く場合には、再び対象物品３０の把持力が高められ、対象物品３０がグリッパ１２によって第１の把持力で確実に把持される。この状態で、図５に示されるようにマニュピュレータ２１が傾けられてハンド本体１１が降下される。ハンド本体１１の降下に伴いハンド本体１１から突出している可動ピン１５が平坦部に当接され、次第に可動ピン１５が矢印Ｒ４に示されるようにバネ１８に抗して筒状体１９内に押し込められる。この可動ピン１５の直線的な移動に伴いラック１７に歯合するピニオン１６が回転されてこのピニヨン１６から与えられる回転力で歯車１４Ａが矢印Ｒ５に示すように回転され、平行リンク１４が揺動される。従って、支持プレート１３が矢印Ｒ６に示すように対象物品３０の下面（支持位置）から矢印Ｒ６に示されるように分離されてハンド本体１１下（収納位置）に向けて矢印Ｒ７に示すように後退される。この支持プレート１３の後退動作とともに可動ピン１５は、筒状体１９内に進入し、殆どが筒状体１９内に押し込められると、図示しないロック機構が作用して可動ピン１５が筒状体１９内にバネ１８に抗して保持収納される。この状態では、図１に示されるようにハンド本体１１の下面に支持プレート１３が当接された状態となる。

支持プレート１３の後退が完了すると、一対のグリッパ１２が互いに離反する方向に広げられ、対象物品３０がグリッパ１２から解放されて平坦面８上に載置される。その後、マニュピュレータ２１が上昇され、ロボット本体が後退されてロボット本体による物品の搬送作業が完了される。

上述したロック機構は、一例として図７（ａ）及び７（ｂ）に示すようにラッチピン４１に連動するプレート収納爪４２、ラック１７に歯合されるリンククラッチカム４４及び可動ピン１５に固定され、可動ピン１５とともに上下動されるプレートロック爪４３の組み合わせから構成される。このロック機構においては、図７（ａ）に示されるように、ロックが解除され、可動ピン１５が最下端まで降下されている状態においては、プレートロック爪４３を押し下げるバネ１８が最も延びきった状態となり、リンククラッチカム４４のリンクがプレートロック爪４３に係合される。また、図７（ａ）に示されるように、可動ピン１５が最上端まで上昇されている状態においては、プレートロック爪４３を押し下げるバネ１８が最も縮んだ状態となり、リンククラッチカム４４の突起がプレート収納爪４２に係合されてリンククラッチカム４４がロックされる。

このような構造では、図７（ｂ）に示すようにハンド本体１１が降下されてラッチピン４１が平坦面８に当接されると、ラッチピン４１が上昇されるに伴いプレート収納爪４２が上昇される。従って、プレート収納爪４２とリンククラッチカム４４の突起との係合が外れる。この状態で、ハンド本体１１が上昇されると、バネ１８によってプレートロック爪４３が押し下げられ、プレートロック爪４３が固定されている可動ピン１５も押し下げられる。可動ピン１５の押し下げに伴い、ラック１７に係合されているリンククラッチカム４４の扇ギアによってリンククラッチカム４４が回転され、図７（ａ）に示すように降下されたプレートロック爪４３にリンククラッチカム４４の突起が係合される。リンククラッチカム４４の回転に伴い平行リンク機構１４によって支持プレート１３が既に説明したように前方（支持位置）に迫り出される。

支持プレート１３を後退させる際には、図７（ａ）に示されるようにハンド本体１１が降下されて可動ピン１５が平坦面８に当接されてハンド本体１１の降下とともに可動ピン１５が上昇され、可動ピン１５とともにプレートロック爪４３もバネ１８に抗して上昇される。従って、ラック１７に係合されているリンククラッチカム４４の扇ギアによってリンククラッチカム４４が回転され、支持プレート１３が平行リンク機構１４によって後退される。ハンド本体１１の降下が続くと、図７（ｂ）に示すように、ラッチピン４１が平坦面に接触されてプレート収納爪４２が上昇されるとともにリンククラッチカム４４の突起がプレート収納爪４２に接触し、このプレート収納爪４２上をスライドしてその突起がプレート収納爪４２の段部内に位置され、プレート収納爪４２に係合される。従って、可動ピン１５がロックされる。このロック機構は、上述した説明から明らかなように、１度目に押されると、プレート収納爪４２が上昇されてリンクラッチカム４４ロックを解除することとなり、また、プレート収納爪４２が２度目に押されると、僅かに上昇されることから、リンククラッチカム４４と干渉して固定される。

ロック機構は、図７（ａ）及び７（ｂ）に示される構造に限らず、図８（ａ）及び８（ｂ）に示されるような構造が採用されても良い。

図８（ａ）に示されるようにハンド本体１１内には、ハンド駆動用モータ５４が設けられ、このモータ５４に設けられた歯車５４Ａに歯合される歯車５６を介してボールネジ５８にモータ５４からの回転力が伝達される。また、歯車５４Ａに歯合される歯車５７を介してボールネジ５８に平行に設けられたボールネジ（図示せず）にモータ５４からの回転力が伝達される。この一対のボールネジ５８が貫通される一対のキャリッジ６０（図面中には、一方のみが示されている。）が対応するボールネジ５８上を移動可能とするように設けられている。このボールネジ５８は、キャリッジ６０のネジに螺合されている。従って、ボールネジ５８が回転されると、その回転方向に応じて一対のキャリッジ６０は、互いに近接する方向或いは互いに離反する方向に対応するボールネジ５８に沿って移動される。一対のキャリッジ６０には、夫々グリッパ１２が固定され、このグリッパ１２は、ハンド本体１外に延出されている。ボールネジ５８の回転に応じて、このグリッパ１２は、キャリッジ６０と同様に互いに近接する方向或いは互いに離反する方向に移動され、この移動に伴い対象物品を把持する或いは把持解除することができる。

また、歯車５４Ａには、歯車６２が歯合され、この歯車６２は、電磁クラッチ６８及びこの電磁クラッチ６８に連結された軸７０を介して歯車６４に連結され、この歯車６４には、軸７２に設けられた歯車６６が歯合されている。軸７２には、バネ力によって軸７２が回転可能となるようにねじりバネ７４に連結されている。歯車６６が設けられた軸７２には、平行リンク機構１４の一端が連結され、この軸７２に回転力が与えられると、平行リンク機構１４が揺動されて支持プレート１３が支持位置へ前進或いは収納位置へ後退される。

図８（ａ）及び図８（ｂ）に示されるロボットハンド機構１０では、対象物品３０を把持するに際して電磁クラッチ６８がフリーとされる。この状態では、駆動用モータ５４からの回転力は、歯車６２に伝達されても歯車６４に伝達されず、ねじりバネ７４からの回転力によって支持プレート１３のせり出しが開始される。支持プレート１３は揺動運動して前進されることから、支持プレート１３は、その下方に平坦面８がある場合には、この平坦面８でその前進が阻害される。駆動用モータ５４からの回転力によって歯車５６，５７が回転され、キャリッジ６０が互いに近接する方向に移動されると、グリッパ１２によって対象物品３０が完全に把持される。この状態で、ハンド本体１１が上方にリフトされると、支持プレート１３が平坦面から離れ、対象物品３０の下方に進入して対象物品３０の下面に接触するまで前進される。支持プレート１３上に対象物品３０が載置されると、駆動用モータ５４が僅かに逆回転されてグリッパ１２による対象物品３０の把持力が僅かに緩められる。この状態で対象物品３０がロボットハンド機構１０を設けたロボット本体によって搬送される。

対象物品３０を平坦面８に置く場合には、電磁クラッチ６８がフリーとされている状態で駆動用モータ５４が僅かに回転されてグリッパ１２による対象物品３０の把持力が再び僅かに強められる。その後、電磁クラッチ６８が接続され、駆動用モータ５４が逆回転されると、歯車６２、電磁クラッチ６８及び歯車６４、６６を介して軸７２に逆回転が与えられる。従って、バネ７４に抗して軸７２が回転され、平行リンク機構１４が揺動され、支持プレート１３が対象物品３０の下方から除去されて本体１１下に後退される。支持プレート１３の後退に伴い、駆動用モータ５４からの逆回転力がキャリッジ６０に伝達されてグリッパ１２の把持力が緩やかに弱まり、対象物品３０が平坦面８上に載置される。完全にグリッパ１２が対象物品３０から離された時点で、ハンド本体１１が対象物品３０から離されて搬送作業が終了される。

（実施例２）
図９〜図１７を参照してこの発明の第２の実施の形態に係るロボットハンド機構１０について説明する。尚、下記の第２の実施の形態の説明においては、第１の実施の形態で参照した符号と同一符号で示される部分或いは部品については、その説明を省略する場合があることに注意されたい。省略された説明に関しては、第１の実施の形態の説明を参照されたい。

図９は、この発明の第２の実施の形態に係るロボットハンド機構１０を概略的に示す側面図及び図９に示されるロボットハンド機構１０の底部を概略的に示す平面図である。

図９に示すように、マニピュレータ２１の先端部には、２指1自由度の開閉式ハンド本体１１が手首関節２２を介して設けられている。この手首関節２２によってハンド本体１１は、マニピュレータ２１の軸を含む略垂直面内でマニピュレータ２１に対しての角度を変えることができ、この手首関節２２によってハンド本体１１は、その姿勢を略一定に維持することができる。ここで、姿勢を維持するとは、マニピュレータ２１の傾きに対してその姿勢を独立に設定できることを意味している。

ハンド本体１１からは、一対のグリッパ１２―１、１２−２が延出され、図示しない機構によってこの一対のグリッパ１２―１、１２−２は、互いに近接する方向並びに互いに離間する方向に移動可能に構成されている。図９に示されるロボットハンド機構１０では、一対のグリッパ１２―１、１２−２は、図１に示されるロボットハンド機構１０と異なり、略垂直方向に沿って上下に配置され、対象物品３０を上下方向からグリッパ１２―１、１２−２で把持することができる。

下方に配置されるグリッパ１２−２には、図９及び図１０に示すように補助装置として支持棒部材１１３、即ち、支持用プレートが伸縮自在に設けられている。この支持棒部材１１３は、グリッパ１２−１に対向するグリッパ１２−２の把持面（対向面）と同一面を形成するようにグリッパ１２−２に設けられ、グリッパ１２−２に支持棒部材１１３が引き込まれた状態及び支持棒部材１１３がグリッパ１２−２から延出された状態のいずれにおいても、支持棒部材１１３は、グリッパ１２−２の把持面と同一面を形成する支持面を備えている。

対象物品３０が対象物品３０の重心或いはその近傍をグリッパ１２―１、１２−２で把持することが可能であるような大きさである場合には、図１１に示すように支持棒部材１１３は、グリッパ１２−２内に引き込められ、この引き込んだ状態で対象物品３０がグリッパ１２−１，１２−２で把持される。また、対象物品３０が対象物品３０の重心或いはその近傍をグリッパ１２―１、１２−２で把持することが不可能であるような大きさを有する場合、例えば、対象物品３０が長尺物或いは板状部材である場合には、図９に示されるように支持棒部材１１３は、グリッパ１２−２から引き込出されてグリッパ１２−１と引き出された支持棒部材１１３及びグリッパ１２−２によってその対象物品３０が把持される。

移動ロボットは、単椀に相当するロボットハンド機構１０しか設けられない場合に限らず、夫々が図９に示される構造を有する一対のロボットハンド機構１０が移動ロボットに設けられた双椀の移動ロボットに構成されても良い。単椀の移動ロボットでは、そのロボットハンド機構１０を利用して上述したように対象物品が把持されるが、双椀の移動ロボットでは、対象物品３０が様々な態様で把持される。長尺物であっても、両椀でこの長尺物を支持する場合には、その長尺物の幅が小さく、しかも、その幅方向の中心付近で対象物品３０をグリッパ１２―１、１２−２で把持することができれば、支持棒部材１１３を利用しなくとも、長尺物を確実に把持することができる。長尺物の幅が大きい板状の部材であって、その幅方向の中心付近で対象物品３０をグリッパ１２―１、１２−２で把持することができなければ、支持棒部材１１３が利用されて長尺物が把持される。当然ながら、長尺物を両椀で支持する場合には、長尺物が両椀間に配置される場合を想定している。

支持棒部材１１３は、図１１に示されるように、グリッパ１２−２に収納された状態では、支持棒部材１１３の先端が僅かにグリッパ１２−２の先端から突出するようにバネ１１５によって前方に附勢されたままロックされている。このロックは、後に説明するノック機構１１４により実現される。このロック機構では、図１２（ａ）に示すように、ハンド機構を矢印１４１で示されるように押し出してその支持棒部材１１３の先端を他の部材、例えば、壁面１３０等の固定された部材に当接させて圧力を加えるノックする工程を経てロックが解除される。また、同様の工程を経て支持棒部材１１３がロックされる。即ち、図１２（ａ）の矢印１４１で示されるようにグリッパ１２―２から突出している支持棒部材１１３の先端部を壁面１３０など固定の物品に水平に押し当てると、ノック式ばね機構１１４により固定ロックが外され、図１２（ｂ）の矢印１４１で示されるようにマニピュレータ２１を引くと、ばね１１５に押し出されて支持棒部材１１３が伸展される。このとき、ロボットハンド機構１０及びマニピュレータ２１を搭載しているロボットシステムは、支持棒部材１１３を固定するロックが外れたことを検出し、この検出を電気信号としてロボットハンド機構１０外に出力している。この電気信号により、マニピュレータ２１は、押し当てる動作を止めて図１２(ｂ)の矢印１４１に示すようにマニピュレータ２１を引く動作に入り、支持棒部材１１３が展開され、先端部でロックされてその展開が固定される。このロックを解除するには、図１２（ａ）と同様に壁面などに先端を水平に押し当てるとばね１１５に連動してロックが外されることとなる。支持棒先端からグリッパ１２−１の先端までマニピュレータ２１の駆動により押し当てることで、その格納場所でロックされる。支持棒の展開は、ノック式ばね機構のみではなく、例えば、一定の加速度を越えてマニピュレータをある方向に駆動し、その加速度が掛かることでロックが解除されるロック機構を設けてもよい。

尚、図１２（ａ）及び１２（ｂ）においては、マニュピュレータ２１は、腕関節２４―１を介して連結され、ロボット本体（図示せず）に腕関節２４−２を介して連結された一対のアーム２３―１，２３−２で構成され、図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように腕関節２４−１，２４−２の位置を調整しながら、一対のアーム２３−１，２３−２を伸展させることによってグリッパ１２−１の先端を壁１３０に押し付け、或いは、壁１３０から離反させることができる。

双椀のロボットにおいて、支持棒部材１１３を展開して図１３に示すようにフランジ３０Ｆが付けられている板状の対象物品３０、例えば、取手のついたトレイを双腕で左右から把持する場合には、対象物品３０に接近した後に、図１４に示すように対象物品３０のフランジ３０Ｆと対象物品３０が置かれている卓上面（平坦面）８との隙間に支持棒部材１１３が挿入される。この状態で対象物品３０のフランジ３０Ｆがグリッパ１２−１、１２−２で把持されて対象物品３０がリフトされる。

手先に相当するグリッパ１２−１、１２−２の挿入位置を決めるための運動制御においては、カメラ、タッチセンサ、フォトセンサ等のセンサからのセンサ信号をフィードバックしてグリッパ１２−１、１２−２の先端位置が制御される。グリッパ１２−１、１２−２でトレイ３０の端面を安定して把持することのできる位置まで支持棒部材１１３とグリッパ１２−１、１２−２の指先が挿入され，センサ信号により把持位置が決められ、その後、グリッパ１２−１、１２−２でフランジ３０Ｆが把持される。このとき、支持棒部材１１３は、グリッパ１２−１、１２−２と連動していることから、支持棒部材１１３とトレイ３３とは同一平面内で接し、支持棒部材１１３の上面にトレイ３０のフランジ３０Ｆが乗っている状態となる。トレイ３０に与えられる荷重は、支持棒部材１１３で支え、グリッパ１２−１、１２−２の把持部分で位置が固定される。このトレイ３０を同一の姿勢を保ったまま水平に運搬し、再び卓上面に置く時、支持棒部材１１３にかかるモーメントまたはグリッパ１２のトルクの低減がセンサにより検知され、卓上面８にトレイ３０が乗ったことが検知される。グリッパ１２−１、１２−２による把持が解除され、支持棒部材１１３は、展開し固定されたままにあるので、マニピュレータ２１を用いてハンドを水平に引き抜くか、或いは、マニピュレータ２１を搭載した移動ロボットであるなら、移動機構を利用して後退し、マニピュレータ２１ごとトレイ３０から離れ、支持棒部材１１３とグリッパ１２−１、１２−２が引き抜かれる。展開された支持棒部材１１３を格納するため、支持棒部材１１３の先端を支持棒部材１１３の長手方向と平行に押し当て、固定ロックが外され、更に、押し当てて支持棒部材１１３が格納され、固定ロックが与えられる。このとき、トレイ３０は、常に水平を保ったままに把持され、リフトされるのでトレイ３０上にマニピュレータ２１の搭載可能な重量の範囲で対象物品３０及びこれに積載される物品を積載することができる。

上述した第２の実施の形態に係るロボットハンド機構１０におけるロック機構は、一例として図１５〜図１７に示される遊動ピン２１６が支持棒部材１１３に設けられ、グリッパ１２−２に遊動ピン２１６がガイドされるガイド溝１２０に設けられて構成される。

図１５及び図１６に示されるように、遊動ピン２１６は、支持棒部材１１３の底面から突出され、ガイド溝２１４内に位置されている。また、支持棒部材１１３には、この支持棒部材１１３が上方に浮き上がることを防止するフランジ（図示せず）が水平方向に延出され、グリッパ１２−２に設けた支持棒部材１１３を収納する為の壁面に設けた係合溝（図示せず）に、このフランジが係合されている。遊動ピン２１６をガイドする為のガイド溝２１４は、図１７に示されるように支持棒部材１１３を直線的にガイドする為の直線部２１４Ａ及び遊動ピン２１６をラッチする為の係止部２２１の周りに形成された周回部２１４Ｂから構成され、係止部２２１は、図１７に示されるように直線部２１４Ａにその先端が向けられた矢羽根状に形成され、また、その周回部２１４Ｂもこの係止部２２１の形状に対応した溝を定めるように形成されている。遊動ピン２１６は、直線部２１４Ａが延びる方向に対して直交する方向に遊嵌されて支持棒部材１１３に取り付けられていることから、直線部２１４Ａ内のみならず、周回部２１４Ｂ内も摺動することができる。

図１５に示されるように、遊動ピン２１６がラッチされるラッチ時には、図１７に示されるように矢羽根状係止部２２１の窪みを有する基部に遊動ピン２１６が受け入れられる。遊動ピン２１６のラッチを解除するラッチ解除時には、一時的にバネ１１５に抗して矢印Ｐ１に示すように周回部２１４Ｂ内で遊動ピン２１６を後退させ、その後、バネ１１５のバネ力によって遊動ピン２１６を矢印Ｐ２、Ｐ３に示すように前進させることによって遊動ピン２１６を直線部２１４Ａに導くことができる。図１６に示されるようにバネ１１５のバネ力によって遊動ピン２１６が直線部２１４Ａの先端に当接されると、支持棒部材１１３は、グリッパ１２−２から延出され、既に説明したように、グリッパ１２−２とともに対象物品３０を支持することが可能となる。

また、この遊動ピン２１６をバネ１１５に抗して直線部２１４Ａ内で後退させ、更に、周回部２１４Ｂにおいても矢印Ｐ４，Ｐ５に示すように後退させることによって矢羽根状係止部２２１の窪みを有する基部に位置させてラッチさせることができる。このラッチ状態では、外部から遊動ピン２１６を後退させない限り、その矢羽根状係止部２２１の窪みを有する基部内に遊動ピン２１６を位置させ続けることができる。このロック状態では、図１５に示されるように支持棒部材１１３は、グリッパ１２−２内に格納され、グリッパ１２−１、１２−２のみで対象物品３０を把持することが可能となる。

以上のように、この発明によれば、自由度の少ないロボットハンド機構においても、支持用プレートに把持した対象物品を載せて支持することによりハンドの指先に必要なトルクを軽減することが可能でハンド指先で対象物品の位置決めを行うことによりマニピュレータでハンドを動かしても、またマニピュレータを持つ移動ロボットが移動しても、水平を保ったまま安定して対象物品を運搬することができる。またアクチュエータによる自由度を増やさずに支持用プレートを補助装置として設けるので補助装置の駆動のために電気的エネルギーを必要とせず、全体として把持・運搬動作にかかるエネルギーを軽減することができる。

この発明の第１の実施の形態に係るロボットハンド機構の内部を概略的に示す側面図である。 図１に示したロボットハンド機構の底面を概略的に示す平面図である。 図１に示したロボットハンド機構の動作を概略的に示す側面図である。 同様に図１に示したロボットハンド機構の動作を概略的に示す側面図である。 同様に図１に示したロボットハンド機構の動作を概略的に示す側面図である。 図５に示したロボットハンド機構の底面を概略的に示す平面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、図１に示したロボットハンド機構内に設けられるラッチ機構の１構造例を概略的に示す側面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、図１に示したロボットハンド機構内に設けられるラッチ機構の他の構造例を概略的に示す平面図及び側面図である。 この発明の第２の実施の形態に係るロボットハンド機構の内部を一部破断して概略的に示す側面図である。 図９に示したロボットハンド機構の底部構造を一部破断して概略的に示す平面図である。 図９に示したロボットハンド機構の内部構造を一部破断して概略的に示す側面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、図９に示したロボットハンド機構の動作を概略的に示す平面図である。 図９に示したロボットハンド機構の内部構造を一部破断して概略的に示す側面図である。 図１３に示したロボットハンド機構における把持状態を概略的に示す正面図である。 図９に示したロボットハンド機構の内部構造を一部破断して概略的に示す側面図である。 図９に示したロボットハンド機構の内部構造を一部破断して概略的に示す側面図である。 図１５及び図１６に示したロボットハンド機構のグリッパの内部構造を概略的に示す断面図である。

符号の説明

１０は、ロボットハンド機構、１２、１２―１、１２−２．．．グリッパ、１３．．．支持プレート、１４．．．平行リンク機構、１５．．．可動ピン、１６．．．ピニオン機構、１７．．．ラック、１８．．．ばね、１９．．．接触センサ、２１．．．マニピュレータ、２２．．．手首関節、３０．．．把持対象物品、４１．．．ラッチピン、４２．．．プレート収納爪、４３．．．プレートロック爪、４４．．．リンクラッチカム、５１．．．電磁クラッチ、５２．．．開閉ボールねじ、５３．．．ハンド開閉モータ、５４．．．支持プレートせり出しばね、１１３．．．支持棒部材、１１４．．．ノック機構、１１５．．．ばね、２１４．．．ガイド溝、２１６．．．遊動ピン、２２１．．．係止部

Claims (5)

1. マニピュレータに取り付けられ、このマニュピュレータで上昇或いは降下動作されるロボットハンド本体と、
   このロボットハンド本体に設けられ、平坦面上に置かれた把持対象物品を把持する為に互いに近接離反可能な一対のグリッパであって、当該一対のグリッパが前記把持対象物品を把持し、また、前記前記把持対象物品を解放するように選択的に作動する一対のグリッパと、
   前記一対のグリッパ下方の支持位置で前記把持対象物品を支持し、前記ロボットハンド本体下方の収納位置に収納され、前記支持位置及び前記収納位置間で移動可能な支持用プレートと、
   前記ロボットハンド本体下部に突出して設けられる可動可能な可動ピン及びこの可動ピンをロックして前記支持用プレートを前記収納位置に保持し、前記ロックを解除して前記支持用プレートを前記収納位置から前記支持位置への移動を許すロック機構を含む駆動機構と、
   を具備するロボットハンド機構において、
   前記可動ピンがロックされている状態において、前記本体の降下動作で前記可動ピンが前記平坦面に当接されて前記可動ピンのロックが解除され、
   前記可動ピンのロック解除の前後に前記一対のグリッパが前記把持対象物品を把持し、
   前記可動ピンのロックが解除されている状態において、前記一対のグリッパが前記把持対象物品を把持したまま前記マニュピュレータが前記本体を上昇させ、
   前記本体の上昇動作で前記駆動機構が前記可動ピンを押し下げ、また、前記支持プレートを前記収納位置から前記支持位置に移動させ、
   前記可動ピンのロックが解除されている状態において、前記本体の降下動作で前記可動ピンが前記平坦面に当接されて前記可動ピンが前記本体内に押し込められ、この当接動作に連動して前記駆動機構が前記支持プレートを前記支持位置から前記収納位置に移動させ、前記支持プレートの前記収納位置への移動で前記可動ピンがロックされることを特徴とするロボットハンド機構。
2. 前記一対のグリッパは、前記把持対象物品をリフト可能な第１の把持力、或いは、前記把持対象物品を保持可能な、前記第１の把持力よりも小さな第２の把持力で前記把持対象物品を把持し、
   前記一対のグリッパが前記第１把持力で当該把持対象物品を把持した状態で、前記ロボットハンド本体が上昇されて前記支持プレートが前記収納位置から前記支持位置に移動され、
   前記把持対象物品を前記支持プレート上に載置させた状態で前記一対のグリッパが前記第２の把持力で前記把持対象物品を把持して前記ロボットハンド機構の移動と共に前記把持対象物品が搬送されることを特徴とする請求項１のロボットハンド機構。
3. 前記把持対象物品を前記支持プレート上に載置させた状態で前記一対のグリッパが再び前記第１の把持力で前記把持対象物品を把持して前記ロボットハンド本体が降下され、前記可動ピンが前記平坦面に当接されて前記可動ピンが前記本体内に押し込められ、この当接動作に連動して前記駆動機構が前記支持プレートを前記支持位置から前記収納位置に移動させ、前記支持プレートの前記収納位置への移動で前記可動ピンがロックされ、
   前記把持対象物品の前記平坦面への載置で前記一対のグリッパによる前記把持対象物品の把持が解放されることを特徴とする請求項２のロボットハンド機構。
4. マニピュレータに取り付けられ、このマニュピュレータで上昇或いは降下動作されるロボットハンド本体と、
   このロボットハンド本体に設けられ、平坦面上に置かれた把持対象物品を把持する為に互いに近接離反可能な一対のグリッパであって、前記把持対象物品をリフト可能な第１の把持力、或いは、前記把持対象物品を保持可能な、前記第１の把持力よりも小さな第２の把持力で、前記把持対象物品を把持し、また、前記把持対象物品を解放するように動作する一対のグリッパと、
   前記一対のグリッパ下方の支持位置で前記把持対象物品を支持し、前記ロボットハンド本体下方の収納位置に保持され、前記支持位置及び前記収納位置間で移動可能な支持用プレートと、
   前記把持対象物品の前記第１把持力での把持に応動して、前記支持用プレートを前記収納位置から前記支持位置へ移動をさせ、また、前記支持位置から前記収納位置に移動させる駆動機構と、
   を具備するロボットハンド機構において、
   前記一対のグリッパが前記第１把持力で当該把持対象物品を把持した状態で、前記ロボットハンド本体が上昇され、前記駆動機構が前記支持プレートを前記収納位置から前記支持位置に移動し、
   前記把持対象物品が前記支持プレート上に載置された状態で、前記一対のグリッパが前記第２の把持力で前記把持対象物品を把持して前記ロボットハンド機構の移動と共に前記把持対象物品を搬送し、
   前記一対のグリッパが再び前記第１把持力で当該把持対象物品を把持して前記駆動機構が前記支持プレートを前記収納位置から前記支持位置に移動させることを特徴とするロボットハンド機構。
5. 前記把持対象物品の前記平坦面への載置で前記一対のグリッパによる前記把持対象物品の把持が解放されることを特徴とする請求項４のロボットハンド機構。

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