JP5212119B2 - バキューム式吸着装置およびロボットハンド - Google Patents

Description

本発明は、例えば各種の生産ラインにおいてワークを吸着支持するためのバキューム式吸着装置とその吸着装置を用いたロボットハンドに関する。

例えばパネル状のワークに対してその面直角方向からバキュームカップ（バキュームパッド）を有するロボットハンドをアプローチ動作させて、当該ワークを吸着支持した上で所定位置まで搬送するにあたり、ワーク全体形状としては比較的フラットな形状ではあっても、バキュームカップにて吸着支持したときの重量バランス等の関係から、当該ワークのうちでも特定部位の傾斜した部位を吸着支持しなければならないことがある。

このような場合には、ワーク側の傾斜した部位とバキュームカップ側の吸着面とが平行となるように予め設定しておき、ワークに対するロボットハンドそのもののアプローチ方向は傾斜した部位に関係なく先に述べた方向からそのワークを吸着支持するようにしている。

また、このようなワークの吸着支持に適したバキューム式吸着装置として特許文献１，２に記載のものが提案されている。これらの特許文献１，２に記載のものでは、バキュームカップが単独でストローク動作可能となっていて、バキュームカップによるワークの吸着と同時に所定量だけワークをリフトアップさせる機能を有している。

実開昭６３−１５１４５９号公報 実開平７−３３５８８号公報

しかしながら、上記のようなワークの吸着支持形態では、ワーク側の傾斜した部位とバキュームカップ側の吸着面とが平行となるように予め設定しておくものの、ワークに対するロボットハンドそのもののアプローチ方向は先に述べた方向からのものとなる。そのため、ワーク側の吸着すべき部位、すなわちワーク側の傾斜した部位に対するバキュームカップのアプローチ方向は当該傾斜した部位に対しては面直方向からのものとはならず、その傾斜した部位に対して鋭角な方向からのアプローチ動作となる。その結果、バキュームカップのアプローチ軌跡の影響でバキュームカップの端部にめくれ現象が発生し、吸着ミスが発生するおそれがある。

また、バキュームカップで吸着可能なワーク側の傾斜した部位の角度はワークの一般面に対する角度で４０°程度が限界とされ、傾斜角度がそれ以上大きくなるとバキュームカップによる吸着方式に代えてクランプあるいはジョーと称されるいわゆる掴み型のハンドを採用する必要がある。この場合には、バキュームカップによる吸着方式と比べてワークの把持から搬送までに要する時間が長くなり、搬送スピードの低下をもたらす結果となって好ましくない。

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、先にも述べたように相手側部材の傾斜した部位をバキュームカップで吸着しなければならない場合であっても、めくれ現象による吸着ミスが発生することがなく、より確実に相手側部材を吸着することができるようにしたバキューム式吸着装置とロボットハンドを提供するものである。

本発明では、所期の目的を達成するために、例えば相手側部材の傾斜した部位をバキュームカップで吸着しなければならない場合であっても、ストローク動作が可能なバキュームカップを相手側部材の吸着すべき部位に対してその面直角方向からアプローチ動作させて吸着する構造としてある。

本発明によれば、例えば相手側部材の傾斜した部位をバキュームカップで吸着しなければならない場合であっても、その吸着すべき部位に対してその面直角方向からバキュームカップをアプローチ動作させるため、バキュームカップのめくれ現象やそれに伴う吸着ミスが発生することがなく、信頼性が高くなる。

また、部品点数も少ないために装置全体の構造を簡素化できるほか、負圧導入以外の別の空気圧系統の制御も不要であるため、制御の簡素化も併せて達成できる。

本発明のより具体的な実施の形態を示す図で、ロボットハンド全体の概略説明図。 図１に示したロボットハンドにおけるバキューム式吸着装置単独での詳細を示す図で、（Ａ）は負圧が導入される前の状態を示す断面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）の状態から負圧が導入された後の状態を示す断面図。 図２の（Ｂ）のａ−ａ線に沿う拡大断面図。 図１に示したロボットハンドにおけるバキューム式吸着装置の詳細として同図のＢ部を拡大した断面図。 ワークに対するバキュームカップのアプローチ動作の軌跡を示す図で、（Ａ）は従来例の軌跡の説明図、同図（Ｂ）は図１のロボットハンドでの軌跡を示す説明図。

図１〜４は本発明のより具体的な実施の形態を示し、特に図１はバキュームカップ方式のロボットハンド（以下、単に「ハンド」と言う。）２についてその全体の概略構成を示している。

本実施の形態では、図１に示すように、相手側部材としてのパネル状のワークＷに例えば長手方向（図１では紙面と直交方向）に沿ってエンボス部Ｅが形成されている場合であって、そのエンボス部Ｅの傾斜面Ｑを吸着すべき部位としてワークＷ全体を吸着支持した上で、ロボットの自律動作により搬送するものである。

搬送母機として機能する産業用ロボットのロボットアーム１の先端にハンド２を装着してある。また、ハンド２は、ロボットアーム１に支持された支持体として共通のフレーム３にエクステンションブラケット４，５等を介して複数のバキューム式吸着装置６を装着したものである。ここでは、左右対称となるように配置した一対のバキューム式吸着装置６を一組として、ワークＷの長手方向（図１では紙面と直交方向）に沿って複数組のバキューム式吸着装置６を並設してある。

図２はバキューム式吸着装置６単独での詳細を示しており、後述するように特殊構造のエアシリンダ７とゴム等の可撓性部材からなるバキュームカップ１１とを組み合わせたものと理解することができる。

同図（Ａ）に示すように、エアシリンダ７のシリンダチューブ８は一端が開放された円筒状のもので、内部には摺動可能なピストン９とそのピストン９に一体的に連結されたピストンロッド１０が同心状に内挿されるかたちで収容配置されているとともに、ピストンロッド１０はシリンダチューブ８から突出している。シリンダチューブ８とピストン９およびピストンロッド１０の三者によってシリンダ７を形成していて、上記ピストン９があることによって、シリンダチューブ８の内部は開放端側の空間Ｒ１と反開放端側の空間Ｒ２とに仕切られている。なお、図２では図示省略しているが、シリンダチューブ８に対するピストン９側の摺動部にＯリング等のシール部材が介装される。

また、シリンダチューブ８の開放側の一端には円環状のバキュームカップ１１が外挿されるかたちで装着され、例えばシリンダチューブ８の開放端に螺合されるリング状のリテーナ１２にて締結固定してある。そして、図１に示すように、ピストンロッド１０を固定側としてバキューム式吸着装置６全体がエクステンションブラケット４，５等を介してフレーム３に固定支持されている。

ここでは、図１，４に基づいて後述するように、いわゆる平置き状態で待機しているワークＷに対してその真上の面直角方向からハンド２をアプローチ動作させて吸着支持することを前提としていることから、バキュームカップ１１がワークＷに接触する直前位置でハンド２全体のアプローチ動作が停止するように設定してある。そして、そのアプローチ動作の停止位置では、バキュームカップ１１の先端の吸着面１１ａがワークＷ側の傾斜面Ｑと平行となるように、バキューム式吸着装置６の軸心を傾けてエクステンションブラケット４，５等を介してフレーム３に固定してある。

図２の（Ａ）に示したピストンロッド１０にはその長手方向に沿って負圧通路１３を形成してある。この負圧通路１３はピストン９側に近いポート１３ａを介して非開放端側の空間Ｒ２に常時連通しているとともに、負圧通路１３の他端は図示しない負圧供給源に接続してある。なお、上記負圧通路１３は必ずしもピストンロッド１０に形成する必要はなく、要はシリンダチューブ８内の反開口端側の空間Ｒ２に負圧を導入できるようになっていれば良い。例えば、負圧通路１３をピストンロッド１０に形成するのに代えて、ホース等を用いてシリンダチューブ８内の反開口端側の空間Ｒ２に直接負圧を導入することも可能である。

また、図２の（Ａ）に示したシリンダチューブ８の内周面であって且つその軸心方向の中間位置には、図３にも示すように円周方向の等分四箇所に所定深さの連通路１４を形成してある。この連通路１４の軸心方向での長さＨはピストン９の厚みＭよりも大きく設定してある（Ｈ＞Ｍ）。そして、図２の（Ａ）に示すようにピストン９が連通路１４の位置と合致していない状態では、ピストン９はシリンダチューブ８の内部空間を開放端側の空間Ｒ１と反開放端側の空間Ｒ２とに隔離形成している。その一方、図２の（Ｂ）に示すように、ピストン９が連通路１４の位置と合致する位置にある状態では、そのピストン９を迂回するようにしてシリンダチューブ８の内部空間である開放端側の空間Ｒ１と反開放端側の空間Ｒ２とが連通路１４を介して相互に連通するようになっている。

なお、シリンダチューブ８内の反開放端側の空間Ｒ２には圧縮コイルスプリングからなるリターンスプリング１５を配置してある。また、リテーナ１２の内周にはストッパ部１２ａを形成してあるとともに、シリンダチューブ８の内底部にはボス状のストッパ部８ａを形成してあり、これらのストッパ部１２ａ，８ａによってシリンダチューブ８からのピストン９の抜け止めを施してあるとともにピストン９それ自体のストロークを規制するようにしてある。

このように構成されたハンド２によれば、図１に示したようにエンボス部Ｅを有するパネル状のワークＷを吸着支持するのに際して、いわゆる平置き状態で待機しているワークＷに対してその真上の面直角方向からハンド２をアプローチ動作させて吸着支持するものとする。この時点では、バキューム式吸着装置６におけるシリンダチューブ８内の反開口端側の空間Ｒ２には負圧が導入されておらず、リターンスプリング１５のばね力が作用していることによってバキュームカップ１１付きのシリンダチューブ８とピストン９とは図２の（Ａ）に示す相対位置関係を維持している。この時、ピストン９の位置はストッパ部１２ａとの当接によって規制されている。

なお、図２の（Ａ）のようなシリンダチューブ８とピストン９との相対位置関係を維持する手段として、上記リターンスプリング１５に代えて、シリンダチューブ８内の反開口端側の空間Ｒ２に正圧の圧縮空気を導入するようにしても良い。

そして、バキュームカップ１１がワークＷ側の吸着部位である傾斜面Ｑに接触する直前位置、例えば図４に示すようにバキュームカップ１１の先端の吸着面１１ａと傾斜面Ｑとのなす距離Ｃが例えば５〜１０ｍｍ程度まで近付いた時点でハンド２全体のアプローチ動作を停止させるものとする。なお、上記の距離Ｃは、当然のことながらアプローチ動作の停止位置精度を考慮して決定される。この時点では、先に述べたようにワークＷ側の傾斜面Ｑとバキュームカップ１１の吸着面１１ａとは非接触状態で且つ互いに平行となっている。

なお、図４では、図２に示したリテーナ１２やそのストッパ部１２ａ、およびストッパ部８ａ等は図示省略してある。

ハンド２が上記のアプローチ動作停止位置で停止し、且つワークＷ側の傾斜面Ｑとバキュームカップ１１の吸着面１１ａとの相対位置関係が図４のようになったならば、その時点で図２の（Ａ）および図４の負圧通路１３を通してシリンダチューブ８内の反開放端側の空間Ｒ２に負圧を導入する。

この反開放端側の空間Ｒ２への負圧の導入に伴い、バキュームカップ１１付きのシリンダチューブ８とピストン９との相対位置関係は、図２の（Ａ）の状態から同図の（Ｂ）の状態へと変化する。すなわち、図２の（Ａ）において反開放端側の空間Ｒ２に負圧が導入されると、ピストン９が図１のフレーム３側に固定されているために、反開放端側の空間Ｒ２の容積を縮小するようにバキュームカップ１１付きのシリンダチューブ８がピストン９およびピストンロッド１０に対してリターンスプリング１５のばね力に抗して図２の（Ａ）のストロークＳのもとでストローク動作（相対移動）する。このシリンダチューブ８のストローク動作は、ワークＷ側の傾斜面Ｑに対するバキュームカップ１１の接近または前進動作にほかならず、結果として図２の（Ｂ）に示すようにバキュームカップ１１が撓み変形しながらワークＷ側の傾斜面Ｑに押し付けられることになる。

この場合において、ピストン９が連通路１４と合致するまでは、負圧は可動側であるシリンダチューブ８のみに作用し、ワークＷを吸着するための吸引力としては消費されないため、バキュームカップ１１をシリンダチューブ８とともに確実に所定のストロークＳだけストローク動作させることが可能となる。

なお、上記のストロークＳは、例えばバキュームカップ１１の撓み変形量等に応じて決定される。また、連通路１４の位置やその数は負圧の大きさや上記ストロークＳ等に応じて決定される。逆に言うならば、連通路１４の位置を調整することで上記のストロークＳを調整することが可能である。

この場合において、バキュームカップ１１はシリンダチューブ８とともにピストンロッド１０に案内されながらワークＷ側の傾斜面Ｑに対してその面直角方向から接近または前進動作することから、従来のようにバキュームカップ１１の一部にめくれ現象が発生することはない。

そして、上記のようにバキュームカップ１１がワークＷ側の傾斜面Ｑに押し付けられる過程において、やがては図２の（Ｂ）に示すようにピストン９がシリンダチューブ８の内周の連通路１４の位置と合致するようになる。なお、この時のピストン９の位置はストッパ部８ａとの当接によって規制される。

ピストン９と連通路１４とが合致すると、そのピストン９を迂回するようにして、連通路１４を介してシリンダチューブ８内の反開放端側の空間Ｒ２と開放端側の空間Ｒ１とが相互に連通するようになる。この時点ではシリンダチューブ８内の開放端側の空間Ｒ１はバキュームカップ１１の内部空間とともに傾斜面Ｑとの接触によって既に密閉されていることから、このリンダチューブ８内の開放端側の空間Ｒ１やバキュームカップ１１の内部空間にも反開放端側の空間Ｒ２と同等の負圧が作用するようになる。これによって、ワークＷが傾斜面Ｑを吸着部位としてバキュームカップ１１の負圧吸引力によってに吸着支持されることになる。

この後、上記のようにバキュームカップ１１がワークＷを吸着支持すると、バキュームカップ１１は図２の（Ｂ）の状態を維持することが可能となることから、以降はハンド２全体で支持したワークＷをロボットの自律動作にて所定位置まで搬送することになる。

なお、バキュームカップ１１からワークＷを解放する際には、負圧通路１３を通してシリンダチューブ８内の反開放端側の空間Ｒ２および開放端側の空間Ｒ１を大気開放するか、または負圧に代えて正圧の圧縮空気を積極的に導入して、それまでの負圧状態を破壊すれば良い。

ここで、従来例と本実施の形態でのワークＷに対するバキュームカップ１１のアプローチ軌跡の違いを比較すれば図５のとおりのものとなる。なお、図５の符号Ｐは、先に述べたようなハンド２全体としてのアプローチ動作の停止位置を示す。

図５の（Ａ）に示す従来例では、ワークＷ側の傾斜面Ｑに対してバキュームカップ１１が軌跡Ｓ１をもって鋭角的にアプローチ動作するため、先に述べたようにバキュームカップ１１の下端部において符号Ｆで示すようなめくれ現象が発生しやすくなる。その上、傾斜面Ｑの角度θが４０°を超えるようになると、バキュームカップ１１による吸着支持は困難となる。

これに対して本実施の形態では、ワークＷに対するハンド２全体としてのアプローチ動作は軌跡Ｓ２をもって終わることになるものの、それに続いてワークＷ側の傾斜面Ｑに対してバキュームカップ１１が単独で軌跡Ｓ３をもってその面直角方向から接近または前進動作することになるため、上記のようなめくれ現象が発生することがなく、確実にワークＷを吸着支持することが可能となる。しかも、傾斜面Ｑの角度θが４０°を超えたとしても、バキュームカップ１１による吸着支持を行える。

また、本実施の形態では、図２から明らかなように、バキューム式吸着装置６の構成部品は必要最小限のもので済むことから、その構造の簡素化を図れるようになる。しかも、負圧導入のためのＯＮ−ＯＦＦ制御は基本的には従来のものと異なることがなく、バキュームカップ１１に独立したストローク動作を行わせながらも、制御の複雑化は招かないで済むことになる。

ここで、上記実施の形態では、バキューム式吸着装置６をロボットハンド２に適用した場合について例示しているが、バキューム式吸着装置６はそれ単独でロボットハンド以外の諸々の吸着支持に適用可能であることは言うまでもない。

１…ロボットアーム
２…ロボットハンド
３…フレーム（支持体）
６…バキューム式吸着装置
７…シリンダ
８…シリンダチューブ
９…ピストン
１０…ピストンロッド
１１…バキュームカップ
１３…負圧通路
１４…連通路
Ｑ…傾斜面
Ｒ１…開放端側の空間
Ｒ２…反開放端側の空間
Ｓ…ストローク
Ｗ…ワーク（相手側部材）

Claims (8)

1. 一端が開放しているシリンダチューブと、
   上記シリンダチューブに内挿されて、そのシリンダチューブの内部を開放端側の空間と反開放端側の空間とに仕切っているピストンと、
   上記ピストンに連結したピストンロッドと、
   上記シリンダチューブの開放端側に装着され、相手側部材に接触することでその相手側部材を吸着可能なバキュームカップと、
   上記シリンダチューブの反開放端側の空間に連通する負圧通路と、
   上記シリンダチューブの内周面であって且つ軸心方向の中間位置に形成され、ピストンとの相対移動に応じてそのピストンの位置と合致した時に当該ピストンを迂回して開放端側の空間と反開放端側の空間とを連通する連通路と、
   を備えていることを特徴とするバキューム式吸着装置。
2. 上記ピストンが連通路に合致していない状態で負圧通路を通して反開放端側の空間に負圧を導入した時に、その反開放端側の空間の容積を減少させるようにピストンとシリンダチューブが相対移動し、
   上記ピストンが連通路に合致した時に、その連通路を通して反開放端側の空間と開放端側の空間とを連通するようになっていることを特徴とする請求項１に記載のバキューム式吸着装置。
3. 上記ピストンを固定側とし、バキュームカップが装着されたシリンダチューブを可動側として、両者が相対移動するようになっていることを特徴とする請求項２に記載のバキューム式吸着装置。
4. 上記ピストンが連通路に合致していない状態で負圧通路を通して反開放端側の空間に負圧を導入した時に、その反開放端側の空間の容積を減少させるようにピストンに対してシリンダチューブがストローク動作し、
   そのシリンダチューブのストローク動作をもってバキュームカップを相手側部材に押し付けるようになっていることを特徴とする請求項３に記載のバキューム式吸着装置。
5. 上記ピストンに対するシリンダチューブのストローク動作をもってピストンが連通路に合致した時に、その連通路を通して反開放端側の空間と開放端側の空間とを連通させ、もってバキュームカップにて相手側部材を吸着するようになっていることを特徴とする請求項４に記載のバキューム式吸着装置。
6. 上記ピストンを固定側とし、バキュームカップが装着されたシリンダチューブを可動側として、シリンダチューブの反開放端側の空間に負圧を導入した時に、バキュームカップが相手側部材を吸着するのに先立って、バキュームカップがシリンダチューブとともに相手側部材に向かってストローク動作するようになっていることを特徴とする請求項１に記載のバキューム式吸着装置。
7. 請求項５または６に記載の複数のバキューム式吸着装置をピストンロッドが固定側なるように共通の支持体に装着してあり、その支持体を母体となる産業用ロボットのロボットアームに支持させてあることを特徴とするロボットハンド。
8. 相手側部材であるワークに対してその面直角方向からアプローチ動作して当該ワークを吸着支持するロボットハンドであって、
   上記ワークのうちバキュームカップにて吸着支持すべき部位が傾斜しているとともに、その傾斜した部位とバキュームカップ側の吸着面とが平行となるように予め設定してあり、
   上記バキュームカップがワークに接触する直前にロボットハンドのアプローチ動作が停止するようになっているとともに、そのアプローチ動作停止位置では上記ピストンが連通路に合致していない状態で負圧通路を通して反開放端側の空間への負圧導入を開始するようになっていることを特徴とする請求項７に記載のロボットハンド。

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