JP4469110B2

JP4469110B2 - 形状変形型のロボットハンド及びこれによる把持方法

Info

Publication number: JP4469110B2
Application number: JP2001182932A
Authority: JP
Inventors: 友康平澤; 研一吉村; 斗美子高橋; 忠克原田; 拓也内田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-06-18
Filing date: 2001-06-18
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2021-06-18
Also published as: JP2002370188A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、種々の形状の把持対象物を把持して組立・分解等の作業を行うロボットハンドとこれによる把持方法に係り、特に、把持対象物を安定、かつ確実に把持すると共に組立や分解作業時における誤差を吸収すべく把持対象物の形状に倣って変形可能なフィンガ構造を有する形状変形型のロボットハンド及びこれによる把持方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロボットにおいて組立や分解をする際には、把持対象物を安定的に把持し、把持対象物の誤差や位置決め誤差を吸収して組立・分解動作を行う必要がある。把持を安定させるためにはロボットハンドのフィンガの形状あるいはフィンガの姿勢により把持対象物を機械的に拘束することに加えてフィンガと把持対象物の表面の摩擦で把持対象物の固定することが考えられる。一般的にはフィンガの表面をゴムなどの弾性材料で構成してその弾性材料の変形と摩擦で把持対象物を把持する方法や部品形状に合わせた形状のフィンガを持つハンドで把持対象物を把持する方法が用いられてきた。しかし、フィンガの表面を弾性材料で構成した場合、複雑な形状の把持対象物を把持しようとすると弾性材料の変形量だけでは把持対象物形状にフィンガの先端が倣うことができ把持が不安定になる。爪形状を把持対象物形状に合わせる方法では、部品ごとにフィンガがあるいはハンドを用意してそれを交換しなければならず、コストや交換時間が大きくなるという問題点があった。
誤差を吸収する方法としては、リスト部にコンプライアンス機構を設けてアームとハンドを接続し誤差を吸収する方法が一般的である。しかし、この場合、コンプライアンス機構によりリストの可動部からハンド先端までの距離が大きく振動しやすくなり、また、ハンド先端での微小な動きが難しくなる。
また、把持対象物ごとにフィンガがあるいはハンドを交換することなく複雑な形状の把持対象物も安定的に把持し、把持対象物の誤差や位置決め誤差を吸収できる方式として、特許第２６９９５２０号の「ロボット」や複雑な形状の把持対象物も安定的に把持する方法として、特開平８−２９４８８５号の「組立用ロボットハンド・システム」が挙げられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記の特許第２６９９５２０号の「ロボット」は、アームの先端に２つ以上のフィンガを有するハンドにおいて、フィンガの先端部にワークを保持するための流動性磁性粉体を封入した袋部を設けてある。ワークを挟持して組立を行う際、流動性磁性粉体を非磁化させ軟化させてワークの形状に応じた形に変形させ、その後、磁化させ硬化させて把持する。この方法では、磁界により機能に影響を受けるワークは把持することができない。また、組立作業の際にワークの引っ掛かりや傾きを検出するため、ワークを把持した状態でワークに加わる荷重を検出する。その値からワークの引っ掛かりや傾きを検出した時に、組立作業を停止させ流動性磁性粉体を非磁化し軟化させた状態でフィンガを振ることでワークの姿勢を修正し再び流動性磁性粉体を磁化して組立て作業を開始する。しかし、この方法では把持している間に流動性磁性粉体を軟化させるため、把持が不安定になりワークを落としてしまう危険性がある。また、流動性磁性粉体は弾性が小さいため軟化させてフィンガを振っても、ワークが所望の姿勢にもどらない恐れがある。
【０００４】
また、前記の特開平８−２９４８８５号の「組立用ロボットハンドシステム」はロボットハンドの指面に複雑のエアバックを装着し、エアバックへの供給圧力を一定として、把持動作によりエアバックが収縮変形し、ワークとエアバックの接触面積を大きくして複雑な形状のワークを把持することを目的とするハンドである。該ハンドは、指にエアバックを装着することにより、ワークとの接触面積は大きくなるものの、流体としてエアを使用しているので、そのコンプライアンス性により、ワークの正確な位置決めができない可能性がある。逆に、エアー圧を上げた状態で使用しようとすると、想定されるシリコンやゴムではのびて変形するか、変形しない厚さにすると、接触面積が大きくならない可能性がある。接触面積は多少増えても、部品形状に完全に倣う状態にはならないため、組立反力に耐えることができず、正常な組立ができない可能性がある。
【０００５】
本発明は、以上の事情に鑑みて発明されたものであり、種々の形状の把持対象物を安定、かつ確実に把持し、フィンガにコンプライアンス機能（追従機能）を持たせた形状変形型のロボットハンド及びこれによる把持方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以上の目的を達成するために、請求項１に記載のロボットハンドは、２本以上のフィンガにより把持対象物を所定の把持力で把持するロボットハンドであって、前記フィンガが、前記把持対象物と接触する部位に粉体を封入した袋体の粉体ホルダを装着し、該粉体ホルダ内に粉体を供給及び排出するための粉体給排手段が設けられることを特徴とする。これにより、粉体ホルダ内に適量の粉体が導入され、粉体ホルダが把持対象物に接触するため内部の粉体が把持対象物の形状に倣って追従移動するため、種々の形状の把持対象物を安定的に、かつ確実に把持することができる。
【００１１】
また、本発明の請求項２に記載のロボットハンドは、前記粉体給排手段には、粉体の流量検出手段及び封入量制御手段が設けられることを特徴とする。封入流量の検出とこの制御により、粉体ホルダ内の粉体量は常時適量にコントロールし、把持対象物の安定把持ができる。
【００１２】
また、本発明の請求項３に記載の前記粉体給排手段には、前記粉体ホルダの把持力を検出する把持力検出手段が設けられることを特徴とする。把持力検出が常に行われるため、粉体ホルダへの粉体封入量のコントロールができ、種々の形状の把持対象物の安定把持ができる。
【００１３】
また、本発明の請求項４に記載のロボットハンドは、前記粉体ホルダと前記粉体給排手段とは複数本の粉体チューブにより連結されることを特徴とする。これにより、粉体ホルダ内に粉体を平均的に導入でき、結果として把持対象物を安定把持することが確実にできる。
【００１４】
また、本発明の請求項５に記載のロボットハンドは、前記粉体ホルダが、複数のセル群からなることを特徴とする。複数のセル群から粉体ホルダを形成することにより種々の形状の把持対象物の形状に倣った把持ができ、より安定した把持が行われる。
【００１８】
また、本発明の請求項１３に記載のロボットハンドによる把持方法は、２本以上のフィンガにより把持対象物を所定の把持力で把持するロボットハンドによる把持方法であって、前記フィンガは、前記把持対象物と接触する部位に粉体を封入した袋体の粉体ホルダを装着し、該粉体ホルダ内には粉体を供給及び排出するための粉体給排手段が設けられ、前記粉体給排手段により、前記把持対象物の形状情報を基に所定量の粉体を封入して、前記把持対象物を把持することを特徴とする。これにより、種々の形状の把持対象物を安定的に把持できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳述する。図１（ａ），（ｂ）は、ロボットハンドの概念構造を示す。ロボットハンド１は、本体１Ａとこれに垂下支持されるフィンガ１Ｂとからなる。フィンガ１Ｂは少なくとも２本以上（図示では４本）のものからなり、周上に等間隔に配設される。フィンガ１Ｂは柔軟で弾性力のある構造体からなり、把持対象物１００の輪郭形状に倣って変形し得る構造のものからなる。すなわち、本体１Ａによりフィンガ１Ｂを把持対象物１００側に押圧するとフィンガ１Ｂの把持対象物１００と接触する部位が変形し、フィンガ１Ｂは把持対象物１００の形状に倣い、これを安定把持する。
【００２１】
図２はロボットハンド１の具体的な実施の形態を示す。この場合のフィンガ１Ｂはフィンガ本体２とこの内側に装着される粉体ホルダ３とからなる。この粉体ホルダ３は内部に微小粒径の粉体を封入する袋体からなり、外力が加わると柔軟に変形するものからなる。従って、この粉体ホルダ３により図略の把持対象物を把持すると、粉体ホルダ３の把持対象物との接触部がそれに倣って変形する。このため、把持対象物はフィンガ１Ｂにより安定保持される。
【００２２】
図３はロボットハンド１の実施の形態を示す。図示のように、粉体ホルダ３には粉体チューブ１０を介して粉体給排手段１２が連結される。これにより、粉体ホルダ３内には適量の粉体が導入される。粉体給排手段１２から粉体ホルダ３への粉体の封入量をコントロールするため、粉体チューブ１０内には流量検出手段１４が介設されると共に流量検出手段１４と粉体給排手段１２はこの間には封入量制御手段１４が介設される。流量検出手段１３は粉体チューブ１０内の粉体の流量を検出し、この検出値に基づいて封入量制御手段１４が粉体給排手段１２からの粉体の供給量あるいは排出量を制御する。これにより、粉体ホルダ３内の粉体量は適量にコントロールされる。
【００２３】
図４は図３のロボットハンド１を用いた粉体制御方法を示すフローチャートである。まず、把持対象物に見合う粉体封入量を設定する（ステップ１０１）。次に、粉体供給又は排出を開始し（ステップ１０２）、粉体流量を検出する（ステップ１０３）。これから粉体封入量を算出し（ステップ１０４）、その封入量と設定量とを比較する（ステップ１０５）。封入量が設定量より少ないときは（ｎｏの場合）ステップ１０３に戻り同様の手順を繰返す。また、封入量が設定量と等しい場合には（ｙｅｓの場合）には粉体供給，排出を停止する（ステップ１０６）。
【００２４】
図５はロボットハンド１を示す。このフィンガ本体２の１つには把持力検出手段１５が装着される。また、粉体ホルダ３には粉体チューブ１０を介して粉体給排手段１２が連結される。また、図示のように、把持力検出手段と粉体給排手段１２との間には封入量制御手段１４が介設される。
【００２５】
図６は図５のロボットハンド１における粉体供給排出の方法を示すフローチャートである。図略の把持対象物を把持するに必要な把持力が予め設定される（ステップ２０１）、この設定把持力を保持すべく粉体給排手段１２から粉体の供給，排出が行われる（ステップ２０２）。この状態で把持力検出手段１５により把持力が検出される（ステップ２０３）。検出された把持力と前記の設定把持力とが比較され（ステップ２０４）、検出把持力が設定把持力と等しくない場合（ｎｏの場合）はステップ２０２に戻り、同様のステップを繰返し行う。一方、等しい場合（ｙｅｓの場合）は粉体給排手段１２からの粉体の供給を停止し（ステップ２０５）、そのロボットハンドをその状態に保持する。以上により、安定した把持が行われる。
【００２６】
図７はロボットハンド１を示す。この場合、粉体ホルダ３と粉体給排手段１２とは複数本（図示では６本）の粉体チューブ１０により連結される。これにより、粉体ホルダ３内にはそれぞれ粉体チューブ１０によって粉体の供給及び排出が行われ、結果として粉体チューブ３内の粉体の封入量を把持対象物に見合ったものにでき、安定把持が行われる。
【００２７】
図８はロボットハンド１を示す。このロボットハンドのフィンガ１Ｂの粉体ホルダは複数個（図示では６個）のセル３ａの群からなり、このセル３ａはフィンガ本体２にそれぞれ固定されている。また、各セル３ａには粉体チューブ１１が連結される。なお、粉体チューブ１１はそれぞれのセル３ａに連結される複数本の粉体チューブ１１ａとこれ等を束ねる一本の粉体チューブ１１ｂとからなる。粉体チューブ１１ｂは粉体給排手段３２に連結され、粉体チューブ１１ｂには流量検出手段３３が設けられる。また、流量検出手段３３と粉体給排手段３２との間には封入量制御手段３４が介設される。以上の構造のフィンガ１Ｂは、個々のセル３ａに粉体が独立的に供給され、形状の複雑な把持対象物に対して追従性がよく、その安定把持が行われる。
【００２８】
図９はロボットハンド１を示す。このロボットハンドは本体１Ａとフィンガ１Ｂとからなるが、フィンガ１Ｂはフィンガ本体２と流体ホルダ４とからなる。流体ホルダ４は空気液体等の気液体が封入される袋体からなる。従って、前記の粉体ホルダ３とほぼ同様に把持対象物の形状に倣って変形可能な構造のものからなる。
【００２９】
図１０はロボットハンド１を示す。このロボットハンドのフィンガ１Ｂは、フィンガ本体２とその内側に固定される液体ホルダ４及びその内側に固定される粉体ホルダ３とからなる。なお、粉体ホルダ３の内側が図略の把持対象物に接触する。ホルダを流体ホルダ４と粉体ホルダ３の２つにすることにより、把持対象物に対する追従性が一層向上し、安定、かつ確実な把持ができる。以下の説明のロボットハンド１においてフィンガ１Ｂとして流体ホルダ４のみの場合について説明せず、図１０の粉体ホルダ３と流体ホルダ４を併用したフィンガ１Ｂについて説明しているが、流体ホルダ４の単独の場合も同様の構成の付設手段が適用されることは勿論である。
【００３０】
図１１はロボットハンド１を示す。フィンガ１Ｂのフィンガ本体２には流体ホルダ４と粉体ホルダ３が固着されている。フィンガ本体２には流体ホルダ４内の圧力を検出する圧力検出手段２３が配設される。また、この圧力検出手段２３には流体チューブ１６が連結され、この流体チューブ１６は流体給排手段２２に連結される。また、圧力検出手段２３と流体給排手段２２との間には圧力制御手段２４が介設される。
【００３１】
次に、図１１に示したロボットハンド１による流体ホルダ４への流体の供排動作について図１２のフローチャートにより説明する。まず、必要なコンプライアンス性の強さにより流体の圧力を設定する（ステップ３０１）。次に、流体ホルダ４への流体の供給及び排出を開始する（ステップ３０２）。ここで、圧力検出手段２３により流体ホルダ４内の流体圧力を検出する（ステップ３０３）。この検出された流体圧力と予め定めた設定圧力値とを比較し（ステップ３０４）、両者が相異すれば（ｎｏの場合）ステップ３０２に戻り以下のステップを繰返し行う。一方、一致すれば（ｙｅｓの場合）、流体給排手段２２からの流体の供給，排出を停止する（ステップ３０５）。以上により、流体ホルダ４内の圧力を常時設定値に保持でき、安定した、かつ追従性のある把持ができる。
【００３２】
図１３はロボットハンド１を示す。このものは流体ホルダ４に複数本の流体チューブ１６ａで連結し、各々の流体チューブ１６ａはそれぞれ流体給排手段４２に連結される。また、流体ホルダ４内の圧力を検出する圧力検出手段４３と流体給排手段４２との間には圧力制御手段４４が介設される。これにより、きめの細かい安定した把持を行うことができる。
【００３３】
図１４はロボットハンドによる把持方法の一例を示すフローチャートである。なお、このフローチャートでは粉体ホルダ３を設けたロボットハンド１についての説明であるが、流体ホルダ４の場合や粉体ホルダ３と流体ホルダ４の両方を併用した場合についてもほぼ同様であり、説明を省略する。
【００３４】
まず、初めに粉体封入量や把持力などの把持対象物（ワーク）の情報を入手する（ステップ４０１）。これに基づいて粉体供給開始し（ステップ４０２）、把持対象物ごとに予め設定されている粉体封入量になるまで粉体供給を行う）。ここで封入量を判断し（ステップ４０３）、設定値と相異する場合はステップ４０１に戻り、一致した場合（ＯＫの場合）は粉体供給を停止する（ステップ４０４）。次に、把持対象物の把持可能位置までフィンガ１Ｂを開放したまま（ステップ４０５）、フィンガ１Ｂを移動し（ステップ４０６）、把持対象物を把持する。次に、その把持力を判断し（ステップ４０７）、把持力が設定値と相異する場合（ｎｏの場合）はステップ４０６に戻り、把持力がＯＫの場合には、フィンガ１Ｂの移動を停止する（ステップ４０８）。これにより把持が完了し（ステップ４０９）、所定の把持力をもった安定性と追従性のあるフィンガ１Ｂの把持ができる。
【００３５】
図１５はロボットハンド１による把持方法を説明するためのフローチャートである。まず、前記の場合と同様にフィンガ位置や把持等ワークの情報を入手する（ステップ５０１）。この状態で粉体を排出する（ステップ５０２）。フィンガ１Ｂを開き（ステップ５０３）、フィンガ１Ｂを指定位置（把持寸前の位置）まで移動させる（ステップ５０４）。ここで粉体供給を開始し（ステップ５０５）、把持力を判断する（ステップ５０６）。この把持力が予定した設定と異なる場合（ｎｏの場合）はステップ５０５に戻り同様のステップを行う。一方、一致した場合（ＯＫの場合）は粉体供給を停止する（ステップ５０７）。以上により把持完了し（ステップ５０８）、把持対象物の安定性、追従性のある把持ができる。
【００３６】
以上の説明においてロボットハンド及びその把持方法を説明したが、その構造や方法について前記の説明のものに限定するものではなく、同一の技術的範囲の技術で適用される。
【００３７】
【発明の効果】
１）本発明の請求項１のロボットハンドによれば、粉体ホルダ内の粉体の量を変えることができ、把持対象物の形状に倣った変形をさせて把持対象物を確実にクリップすることができ、種々の形状の把持対象物を安定的に把持するロボットハンドを提供できる。
２）本発明の請求項２のロボットハンドによれば、粉体ホルダへの粉体の流量を検出する検出手段と検出された値に基づき粉体ホルダの粉体の封入量を制御する制御手段を有することで、把持対象物の強度や形状に合わせて粉体の封入量を変化させることができる。このことにより、種々の形状の把持対象物を安定的に把持するロボッハンドを提供できる。
３）本発明の請求項３のロボットハンドによれば、把持力を検出する検出手段により検出された値に基づき粉体ホルダの粉体の封入量を制御することで、所定の把持力になるように粉体ホルダの粉体の封入量を変化させることができる。このことにより、種々の形状の把持対象物を安定的に把持するロボットハンドを提供できる。
４）本発明の請求項４のロボットハンドによれば、複数本の粉体チューブによって粉体ホルダへの粉体供給排出が行われるため把持対象物の形状に倣った確実な把握ができ安定把持ができる。
５）本発明の請求項５のロボットハンドによれば、粉体ホルダが複数のセルからなる多室構造に形成されることで、セルごとに把持対象物に局所的に倣うため複雑な把持対象物に対しても粉体ホルダを正確に倣わせることができる。このことにより、種々の形状の把持対象物を安定的に把持するロボットハンドを提供できる。
６）本発明の請求項６のロボットハンドによる把持方法によれば、種々の形状の把持対象物を安定的に把持するロボットハンドによる把持方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のロボットハンドの概念的構成を示す正面図（ａ）と、そのＡ矢視の底面図（ｂ）。
【図２】フィンガに粉体ホルダを設けた本発明のロボットハンドの構成図。
【図３】フィンガの粉体ホルダに粉体を供給する粉体給排手段や流量検出手段や制御手段を設けたロボットハンドの構成図。
【図４】図３のロボットハンドによる粉体の給排動作を説明するためのフフローチャート。
【図５】フィンガの粉体ホルダに粉体を給排する粉体給排手段や把持力検出手段や封入量制御手段等を設けたロボットハンドの構成図。
【図６】図５のロボットハンドによる粉体の給排動作を説明するためのフローチャート。
【図７】複数本の粉体チューブにより粉体の給排が行われる構造のロボットハンドの構成図。
【図８】複数のセルからなる粉体ホルダと、このセルに粉体を給排する手段や流量検出手段や制御手段等を有するロボットハンドの構成図。
【図９】フィンガに流体ホルダを設けたロボットハンドの構成図。
【図１０】フィンガに粉体ホルダと流体ホルダとを設けたロボットハンドの構成図。
【図１１】図１０におけるフィンガに流体給排手段や圧力検出手段及びその制御手段を設けたロボットハンドの構成図。
【図１２】図１１のロボットハンドにおける流体の給排動作を説明するためのフローチャート。
【図１３】粉体ホルダと流体ホルダとを設けたフィンガと圧力検出手段、流体給排手段や制御手段とを設けたロボットハンドの構成図。
【図１４】粉体ホルダを有するフィンガと封入量制御手段や把持力検出手段等を設けたロボットハンドによる把持対象物の把持方法のフローチャート。
【図１５】粉体ホルダを有するフィンガと封入量制御手段や把持力検出手段等を設けたロボットハンドによる把持対象物の他の把持方法のフローチャート。
【符号の説明】
１ロボットハンド
１Ａ本体
１Ｂフィンガ
２フィンガ本体
３粉体ホルダ
３ａセル
４流体ホルダ
１０粉体チューブ
１１粉体チューブ
１１ａ粉体チューブ
１１ｂ粉体チューブ
１２粉体給排手段
１３流量検出手段
１４封入量制御手段
１５把持力検出手段
１６流体チューブ
１６ａ流体チュ−ブ
２２流体給排手段
２３圧力検出手段
２４圧力制御手段
３２粉体給排手段
３３流量検出手段
３４封入量制御手段
４２流体給排手段
４３圧力検出手段
４４圧力制御手段
１００把持対象物

Claims

２本以上のフィンガにより把持対象物を所定の把持力で把持するロボットハンドであって、
前記フィンガが、前記把持対象物と接触する部位に粉体を封入した袋体の粉体ホルダを装着し、該粉体ホルダ内に粉体を供給及び排出するための粉体給排手段が設けられることを特徴とする形状変形型のロボットハンド。
前記粉体給排手段には、粉体の流量検出手段及び封入量制御手段が設けられることを特徴とする請求項１に記載のロボットハンド。
前記粉体給排手段には、前記粉体ホルダの把持力を検出する把持力検出手段が設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載のロボットハンド。
前記粉体ホルダと前記粉体給排手段とは複数本の粉体チューブにより連結されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のロボットハンド。
前記粉体ホルダが、複数のセル群からなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のロボットハンド。
２本以上のフィンガにより把持対象物を所定の把持力で把持するロボットハンドによる把持方法であって、
前記フィンガは、前記把持対象物と接触する部位に粉体を封入した袋体の粉体ホルダを装着し、該粉体ホルダ内には粉体を供給及び排出するための粉体給排手段が設けられ、
前記粉体給排手段により、前記把持対象物の形状情報を基に所定量の粉体を封入して、前記把持対象物を把持することを特徴とする形状変形型のロボットハンドによる把持方法。