JP4661402B2 - ロボットハンドによる把持方法 - Google Patents

Description

本発明はロボットハンドによる把持方法に関し、特に任意の形状の対象物を把持可能なように把持形態の自由度が高く且つ把持対象物の形状汎用性に優れたロボットハンドによる把持方法に関するものである。

この種のロボットハンドとして例えば特許文献１，２に記載のものが提案されている。同特許文献１，２に記載の技術では、ハンドの主要素となるフィンガーとして複数の指要素をそれぞれ関節にて連結したものを用い、実質的に人間の指の機能に類似した多関節構造のものを採用することで、把持対象物に対する形状自由度もしくは形状の柔軟性を具備させたものである。
特開２００２−２６４０６６号公報 特開２００４−５０３７８号公報

上記のような多関節構造で且つ二指把持タイプのロボットハンドにあっては、把持対象物の形状に対する自由度もしくは柔軟性はそれなりに認められるものの、組立ライン等でのピッキング作業、例えばラインサイドに用意してあるパレット内の部品をピックアップした上でこれを所定位置まで搬送するようなピッキング作業に対応しようとする場合にはなおも改善の余地を残している。

すなわち、上記特許文献１，２に記載のロボットハンドでは、一つのハンドで一つの部品（対象物）を把持することを前提としているため、下記に列挙するような問題がある。

（１）単一のフィンガーを構成している指要素および関節の数が多いため、例えば単純な形状の部品の把持に際してはかえって動作が緩慢となり易いほか、フィンガー長が大きいために部品の荷姿によっては把持し損なうおそれがある。

（２）共通のハンドで異種、異形の部品のほか、複数の部品を把持することができず、汎用性に乏しい。

（３）例えば共通のパレットに収納してある種類や形状の異なる複数の部品を同一箇所まで搬送するようなピッキング形態では、１台のハンドリングロボットに複数のハンドを持たせるか、ハンドリングロボットおよびロボットハンドに同じ動きを何回も行わせる必要があり、サイクルタイムが無用に長くなる。

（４）部品の形状や大きさだけでなく、部品の荷姿、パレットの形状等の周囲環境条件を考慮すると、予め複数のハンドを用意しておいていわゆるハンドチェンジを行う必要があり、把持システム全体の大型化やコストアップのほかサイクルタイムの冗長化が余儀なくされる。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、とりわけコンパクトな構造でありながら把持形態の自由度が高く、しかも把持対象物の形状汎用性に優れたロボットハンドによる把持方法を提供しようとするものである。

請求項１に記載の発明は、対向配置された少なくとも二指以上のフィンガーの掴み動作にて対象物を把持する方式のロボットハンドによる把持方法であって、各フィンガーは複数の指要素を関節で連結した多関節構造のものとなっているとともに、最も根元側の指要素を除くそれぞれの指要素が関節での回転自由度をもってそれよりも一段根元側の指要素に対して折り畳み格納可能で且つその折り畳み格納状態からの繰り出しによる展開が可能となっていて、一対のフィンガーのうち特定の指要素がそれよりも先端側の指要素を折り畳み格納している状態で対象物を把持し、次いで、対象物の把持状態のままで、その対象物を把持している特定の指要素よりも先端側の指要素を繰り出しながら展開して別の対象物を把持することを特徴とする。

より具体的には、請求項２に記載のように、請求項１の記載を前提として、一対のフィンガーのうち特定の指要素がそれよりも先端側の指要素を折り畳み格納している状態で対象物を把持し、次いで、対象物の把持状態のままで、その対象物を把持している特定の指要素からそれよりも先端側の指要素を繰り出しながら展開して別の対象物を把持することをものとする。

また、多数の対象物の同時把持の上では、請求項３に記載のように、指要素数がｎ個であって、最も根元側の指要素を除くｎ−１個の指要素の折り畳み格納状態から、ｎ−１回の指要素の繰り出し・展開動作を順次繰り返すことで、合計でｎ個の対象物を把持することが望ましい。

したがって、少なくとも請求項１に記載の発明では、フィンガーが例えば四つの指要素とそれと同数の関節とをもって構成されている場合に、それぞれの関節の自由度を使ってフィンガー先端側の指要素を順次折り畳み格納すれば、フィンガーは外観的には単一の指要素をもって形成されているものと何ら異ならないものとなる。故に、きわめてコンパクトな構造となる。

そして、各関節においてそれぞれ独立した動きが可能となっているものとすれば、先に述べたように、一対のフィンガーのうち特定の指要素同士が対象物を把持している状態で、別の指要素同士が他の対象物を把持することが可能となる。

具体的には、一対のフィンガーのうち特定の指要素がそれよりも先端側の指要素を折り畳み格納している状態をもって対象物を把持したならば、その対象物を把持している特定の指要素からそれよりも先端側の指要素を繰り出しながら展開して、さらに別の対象物を把持することが可能となる。

請求項１に記載の発明によれば、多関節構造のフィンガーを主要素とするロボットハンドでありながらきわめてコンパクトな構造を実現できるほか、指要素を繰り出しながら展開して対象物を把持することにより、形状の異なる対象物や複数の対象物を同一ハンドで無理なく把持することが可能であり、ロボットハンドとして把持形態の自由度が高く、且つ把持対象物の形状汎用性に著しく優れる等の効果がある。

図１〜３は本発明に係る把持方法で使用されるロボットハンドの具体的な実施の形態として二指把持タイプのものを示す図であり、特に図１はその全体構成と個々のフィンガーの詳細な構造を、図２はフィンガーの折り畳み格納状態を、図３はフィンガーの駆動系の詳細をそれぞれ示している。

図１の（Ａ）に示すように、ロボットハンド１は、一対の多関節構造のフィンガー３，３をハンド本体２に対して互いに対向するように装着したものであり、それら一対のフィンガー３，３同士の接近離間動作をもって所定の把持対象物を把持することが可能となっている。そして、各フィンガー３は人間の指の機能を模して例えばヒンジピン６ａ〜６ｄ等を主要素とする四つの関節５ａ〜５ｄをもってそれと同数の指要素４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ同士を順次回転可能に連結することにより多関節構造のものとして構成してある。ここでは、最も根元側の指要素４ａを根元側指要素、最も先端側の指要素４ｄを先端側指要素、それ以外の指要素４ｂ，４ｃを根元側から順に第１中間指要素、第２中間指要素と称するものとする。

なお、ハンド本体２は図示しない産業用ロボットのアーム先端のリスト部に支持させてある。また、各フィンガー３を構成することになる指要素および関節の数は任意に設定可能、すなわち必要に応じて増減可能である。

それぞれのフィンガー３を構成している指要素４ａ〜４ｄは、同図（Ｂ），（Ｃ）に示すように根元側のものから先端側のものに向かって段階的に形状および全長が小さくなる矩形枠状のものであって、根元側指要素４ａ以外のそれぞれの指要素４ｂ〜４ｄはそれよりも一段根元側の指要素４ａ〜４ｃに対してそれぞれ折り畳み格納可能となっている。つまり、図１の（Ｂ），（Ｃ）のほか図２に示すように、根元側指要素４ａ以外の各指要素４ｂ〜４ｄを回転させながら段階的にそれぞれ折り畳んで一段根元側の指要素内４ａ〜４ｃに収納もしくは格納することにより、最終的には各指要素４ｂ〜４ｄを根元側指要素４ａ内に格納することができる構造となっている。また、隣り合う指要素同士をオフセットした状態で接続し、折り畳み格納可能としても良い。

図３は図１の（Ｂ），（Ｃ）に示したフィンガー３の駆動系の模式図を示しており、この実施の形態ではフィンガー３を構成している指要素４ａ〜４ｄの各関節５ａ〜５ｄ毎に駆動用モータ７ａ〜７ｄを独立して設けてあり、各モータ７ａ〜７ｄは図１の（Ａ）に示したハンド本体２に装着してある。そして、それぞれのモータ７ａ〜７ｄにてワイヤもしくはベルト等の巻掛伝達手段とプーリとを介して各関節５ａ〜５ｄが個別に且つ独立して駆動されることになる。

より詳しくは、モータ７ａを根元側指要素４ａ用のものとし、またモータ７ｂを第１中間指要素４ｂ用のものとすると、モータ７ａ側においてそのモータ軸に固定したプーリ８と、根元側指要素４ａと一体で且つ関節５ａの主要素として機能することになるヒンジピン６ａに固定したプーリ９との間に巻掛伝達手段１０を巻き掛けてあることから、モータ７ａの起動により関節５ａを介して根元側指要素４ａが回転駆動されることになる。なお、ヒンジピン６ａは図１に示したハンド本体２に軸受支持されている。

また、ヒンジピン６ａには二つ一組の中間プーリ１１，１２を相対回転可能に設けてあり、モータ７ｂ側においてそのモータ軸に固定したプーリ１３と上記中間プーリ１１との間に巻掛伝達手段１４を巻き掛けてあるとともに、同じく中間プーリ１２と第１中間指要素４ｂと一体で且つ関節５ｂの主要素として機能することになるヒンジピン６ｂに固定したプーリ１５との間に巻掛伝達手段１６を巻き掛けてあることから、モータ７ｂの起動により関節６ｂを介して第１中間指要素４ｂが回転駆動されることになる。

これらの関係は、第２中間指要素４ｃ用のモータ７ｃおよび先端側指要素４ｄ用のモータ７ｄについても基本的に同様であって、プーリ１７，１８間のほか、プーリ１９，２０間およびプーリ２１，２２間にはそれぞれに巻掛伝達手段２３もしくは２４または２５をそれぞれ巻き掛けてあることから、モータ７ｃの起動により第２中間指要素４ｃが関節５ｃを介して回転駆動されることになる。また、プーリ２６，２７間のほか、プーリ２８，２９間、プーリ３０，３１間およびプーリ３２，３３間にはそれぞれに巻掛伝達手段３４〜３７のいずれかを巻き掛けてあることから、モータ７ｄの起動により先端側指要素４ｄが関節５ｄを介して回転駆動されることになる。

ここで、図３の駆動方式に代えて図４のような駆動方式とすることも可能である。すなわち、図３に示したところのモータ７ａ，７ｃを共用化するべく図４のように単一のモータ３８ａを設ける一方、同様に図３に示したところのモータ７ｂ，７ｄを共用化するべく図４のように単一のモータ３８ｂを設け、根元側指要素４ａと第２中間指要素４ｃとの駆動切り換え、および第１中間指要素４ｂと先端側指要素４ｄとの駆動切り換えは図示しないクラッチにて切り換えるものとする。

この駆動方式を採用した場合には、少なくとも根元側指要素４ａと第２中間油部要素４ｃ同士または第１中間指要素４ｂと先端側指要素４ｄ同士を同時作動させることはできないものの、モータ数を削減してロボットハンド１の一層のコンパクト化とコストダウンを図ることが可能となる。

このように構成されたロボットハンド１によれば、例えば図５に示すように比較的小さな部品、すなわち小物部品Ｗ１を把持対象物として把持動作を行う場合には、いずれの指要素４ａ〜４ｄも折り畳み格納することなく全ての指要素４ａ〜４ｄを展開した上で、各フィンガー３の第２中間指要素４ｃと先端側指要素４ｄを使って、いわゆる指先による掴み動作をもって部品Ｗ１を抱持するような形態で把持するものとする。特に、図６に示すように所定のパレット（ケース）Ｐ内に部品Ｗ１，Ｗ１‥が整列して収容されていて、且つその部品Ｗ１をピッキングするような場合には、上記のようにいわゆる指先による掴み動作をもって部品Ｗ１を把持するとパレットＰそのものが障害となることなくピッキング作業を安定して行えるようになる。

一方、図７に示すように、小物部品Ｗ１よりも大きな中物部品Ｗ２を把持対象物として把持する場合には、先端側指要素４ｄを第２中間指要素４ｃ内に折り畳むようにして格納した上で、第１中間指要素４ｂと第２中間指要素４ｃを使って部品Ｗ２を把持するものとする。

さらに、図８に示すように、中物部品Ｗ２よりも大きな大物部品Ｗ３を把持対象物として把持する場合には、先端側指要素４ｄを第２中間指要素４ｃ内に、その第２中間指要素４ｃを同じく第１中間指要素４ｂ内にそれぞれ折り畳むようにして格納した上で、根元側指要素４ａと第１中間指要素４ｂを使って部品Ｗ３を把持するものとする。

このように、把持対象なる部品Ｗ１〜Ｗ３の大きさに応じて一部の指要素を折り畳み格納し、実質的に指要素４ａ〜４ｄのうちのいずれかを選択的に使い分けて把持動作を行うことにより、小さな部品Ｗ１から大きな部品Ｗ３まで共通のロボットハンド１にて確実に把持することが可能となる。この場合、一般的には部品形状が大きくなるほど重量もまた大きくなるので、図７，８のように部品形状が大きくなるほど強度および靱性の大きな根元側指要素４ａや第１，第２中間指要素４ｂ，４ｃを積極的に使って把持することが部品Ｗ２，Ｗ３の安定把持の上で適している。

図９には上記ロボットハンド１による把持形態の別の例を示す。

先に例示したような部品のピッキング作業において、図９の（Ｂ）に示すように大きな部品Ｗ２と小さな部品Ｗ１をセットとしてピックアップした上で所定位置まで搬送したい場合がある。このような場合には、同図（Ａ）に示すように第２中間指要素４ｃおよび先端側指要素４ｄを共に一段上の第１中間指要素４ｂ内に折り畳み格納しておき、最初に根元側指要素４ａと第１中間指要素４ｂを使って大きな部品Ｗ２を把持する。そして、大きな部品Ｗ２を把持したならば、第２中間指要素４ｃと先端側指要素４ｄをそれぞれ展開した上で同図（Ｂ）に示すように小物部品Ｗ１を把持することにより、所期の目的を達成することができる。

図１０には上記ロボットハンド１による把持形態のさらに別の例を示す。

この例では、部品の大きさにとらわれることなく異種の部品Ｗ１１〜Ｗ１４を４個まで把持しようとするものであり、根元側指要素４ａ内にそれ以外の三つの指要素４ｂ，４ｃ，４ｄを予め折り畳み格納しておき、最初に根元側指要素４ａをもって第１部品Ｗ１１を把持する（丸付き数字（１）の状態）。この第１部品Ｗ１１の把持状態において、丸付き数字（２）で示すように根元側指要素４ａから第１中間指要素ｂを展開させて、第２部品Ｗ１２を把持する。以降は同様に、第２部品Ｗ１２の把持状態において、丸付き数字（３）で示すように第１中間指要素４ｂから第２中間指要素４ｃを展開させて、第３部品Ｗ１３を把持する。さらに、第３部品Ｗ１３の把持状態において、丸付き数字（４）で示すように最後に第２中間指要素４ｃから先端側指要素４ｄを展開させて、第４部品Ｗ１４を把持する。

この把持形態では、上段側にて一旦部品を把持してしまえば、その把持状態においてそれよりも下段側にて次の段の指要素４ｂ〜４ｄを順次展開しながら別の部品を把持したとしても、上段側で把持済みの部品の把持状態に何ら影響することはないから、無理なく所期の目的を達成できるようになる。

図１１は上記と同様の異種部品の多数個同時把持の変形例を示す。

この把持形態では、根元側指要素４ａ以外の各指要素４ｂ〜４ｄをその根元側要素４ａ内に折り畳み格納した上で、その根元側指要素４ａにて第１部品Ｗ２１を把持する。そして、その第１部品Ｗ２１を把持した状態のままで、第２部品Ｗ２２が収容されているパレットＰにアプローチして（図１１の（Ａ））、第１中間指要素４ｂを展開させながら第２部品Ｗ２２を把持する（同図（Ｂ））。その際に、第１中間指要素４ｂを展開させながらロボットハンド１全体を上方に移動させることにより、第２部品Ｗ２２を把持しようとする第１中間指要素４ｂとパレットＰの底部との干渉を未然に回避することができる。

以降は、同様の手順により、第２部品Ｗ２２を把持したままのフィンガー３を第３部品Ｗ２３が収容されているパレットＰにアプローチ動作させて、第２中間指要素４ｃを展開させながら第３部品Ｗ２３を把持する一方（同図（Ｃ））、さらに第３部品Ｗ２３を把持したままのフィンガー３を第４部品Ｗ２４が収容されているパレットＰにアプローチ動作させて、先端側指要素４ｄを展開させながら第４部品Ｗ２４を把持する（同図（Ｄ））。

このように、使用されることのない指要素が使用される直前まで折り畳まれていて格納状態にあることから、パレットＰ等との干渉を確実に回避しながら異種部品Ｗ２１〜Ｗ２４の多数個同時把持を実現することが可能となる。

なお、図１０のほか図１１に示したようないわゆる多数個同時把持形態においては、図１２に示すように各フィンガー３の把持面に各々の指要素４ａ〜４ｄごとに独立した可撓性のある緩衝部材、例えばウレタン等の衝撃吸収材３９を指要素格納時の障害とならない位置に設けることが把持対象物の把持を確実にし且つ落下防止を図る上でより望ましいものとなる。

この場合、図１３に示すように上記のウレタン等の衝撃吸収材３９に代えて、同等位置に吸着部材として負圧吸引式の吸着パッド（バキュームパッド）４０を複数並設するようにしても良い。

ここで、上記のような異種部品の多数個同時把持を前提としたピッキング作業時のサイクルタイムの短縮効果を確認してみた。

図１４の（Ａ），（Ｂ）は共に４種類の部品が収容されているパレットＰｎから台車４１にピッキングロボット４２にてそれぞれの種類の部品を搬送する場合であって、同図（Ａ）はそれぞれの種類の部品毎にロボットハンド５１による把持と解放とを繰り返す従来の方式である。一方、同図（Ｂ）は先の実施の形態で例示したロボットハンド１にて異種部品を多数個同時に把持して搬送する本発明方式である。実験によれば、前者の方式ではサイクルタイムが２０．５秒であるのに対して後者の方式では１３．０秒となり、約４０％のサイクルタイムの短縮効果が認められた。

図１５にはさらに別の把持形態として、根元側指要素４ａと中間指要素４ｂおよび先端側指要素４ｄの三つの指要素からなるフィンガー３を主要素とするロボットハンド１の例を示す。

ここでは同図に示すように、把持すべき部品Ｗ３０の荷姿として、パレットＰ１０内に小さな隙間をもっていくつかの部品Ｗ３０が並んでいる場合に、パレットＰ１０そのものや隣りの部品Ｗ３０と干渉することなしにそれぞれの部品Ｗ３０を順番に且つ確実にピックアップしようとするものである。

具体的には、同図（Ａ）に示すように、先端側指要素４ｄを中間指要素４ｂ内に折り畳み格納した状態でフィンガー３を真ん中の部品Ｗ３０にアプローチさせて、同図（Ｂ）に示すようにその中間指要素４ｂにて部品Ｗ３０を把持した上でそのままリフトアップさせる。この状態で、同図（Ｃ）に示すように中間指要素４ｂから先端側指要素４ｄを繰り出すようにして展開して、把持している部品Ｗ３０の底面に当てがう。

こうすることにより、一旦把持した部品Ｗ３０の荷姿が安定化し、例えば搬送中における部品Ｗ３０の姿勢変化や落下等を未然に防止できるようになる。

ここで、これまでの実施の形態では二指把持タイプのロボットハンドについて説明したが、三指以上のフィンガーを持つハンドにも本発明を適用可能である。

本発明に係る把持方法で使用されるロボットハンドの概略構成を示す説明図で、（Ａ）はその正面図、（Ｂ）は同図（Ａ）のロボットハンドを構成しているフィンガーの詳細を示す平面図、（Ｃ）は同図（Ａ）の下面図。 フィンガーを図１（Ｂ）の状態から順次折り畳み格納する際の手順を示す説明図。 図１の（Ａ）に示したロボットハンドの駆動系の構成説明図。 図３の駆動系の変形例を示す構成説明図。 図１の（Ａ）に示したロボットハンドによる小物部品の把持形態を示す説明図。 図５に示した部品のパレット収納状態を示す斜視図。 図１の（Ａ）に示したロボットハンドによる中物部品の把持形態を示す説明図。 図１の（Ａ）に示したロボットハンドによる大物部品の把持形態を示す説明図。 図１の（Ａ）に示したロボットハンドによるさらに別の把持形態を示す説明図。 図１の（Ａ）に示したロボットハンドによる多数個同時把持形態を示す説明図。 図１０に示した多数個同時把持形態の別の例を示す説明図。 （Ａ）は図１の（Ａ）に示したロボットハンドの変形例を示す説明図で、（Ｂ）は同図（Ａ）のロボットハンドを構成しているフィンガーの詳細を示す平面説明図、（Ｃ）は同図（Ｂ）の下面図。 図１２に示したロボットハンドのさらなる変形例を示す説明図。 （Ａ）は従来のロボットハンドによる搬送形態を示す説明図、（Ｂ）は本発明の把持方法による搬送形態を示す説明図。 ロボットハンドによるさらに別の把持形態を示す説明図。

符号の説明

１…ロボットハンド
２…ハンド本体
３…フィンガー
４ａ…根元側指要素
４ｂ…第１中間指要素
４ｃ…第２中間指要素
４ｄ…先端側指要素
５ａ〜５ｄ…関節
６ａ〜６ｄ…ヒンジピン
３９…衝撃吸収材（緩衝部材）
４０…吸着パッド（吸着部材）
Ｗ１…部品（把持対象物）
Ｗ２…部品（把持対象物）
Ｗ３…部品（把持対象物）
Ｗ１１〜Ｗ１４…部品（把持対象物）
Ｗ２１〜Ｗ２４…部品（把持対象物）
Ｗ３０…部品（把持対象物）

Claims (3)

1. 対向配置された少なくとも二指以上のフィンガーの掴み動作にて対象物を把持する方式のロボットハンドによる把持方法であって、
   各フィンガーは複数の指要素を関節で連結した多関節構造のものとなっているとともに、
   最も根元側の指要素を除くそれぞれの指要素が関節での回転自由度をもってそれよりも一段根元側の指要素に対して折り畳み格納可能で且つその折り畳み格納状態からの繰り出しによる展開が可能となっていて、
   一対のフィンガーのうち特定の指要素がそれよりも先端側の指要素を折り畳み格納している状態で対象物を把持し、
   次いで、対象物の把持状態のままで、その対象物を把持している特定の指要素よりも先端側の指要素を繰り出しながら展開して別の対象物を把持することを特徴とするロボットハンドによる把持方法。
2. 一対のフィンガーのうち特定の指要素がそれよりも先端側の指要素を折り畳み格納している状態で対象物を把持し、
   次いで、対象物の把持状態のままで、その対象物を把持している特定の指要素からそれよりも先端側の指要素を繰り出しながら展開して別の対象物を把持することを特徴とする請求項１に記載のロボットハンドによる把持方法。
3. 指要素数がｎ個であって、
   最も根元側の指要素を除くｎ−１個の指要素の折り畳み格納状態から、ｎ−１回の指要素の繰り出し・展開動作を順次繰り返すことで、合計でｎ個の対象物を把持することを特徴とする請求項２に記載のロボットハンドによる把持方法。

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