JP5525587B2

JP5525587B2 - エンドエフェクタ

Info

Publication number: JP5525587B2
Application number: JP2012251170A
Authority: JP
Inventors: 培睿王; 哲豪 ▲呉▼
Original assignee: 財團法人精密機械研究發展中心
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2012-11-15
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2032-11-15
Also published as: JP2014097555A

Description

本発明は、エンドエフェクタに関する。

特許文献１に開示されているエンドエフェクタは、指節骨の末端と対象物との間の摩擦力によって対象物をキャッチするため、キャッチ角度、対象物のサイズ、または表面の平滑度などの影響により、対象物をしっかり掴むことができないことが現状である。

一方、特許文献２に開示されているエンドエフェクタは、空気圧、ロッドおよびスプリングを組み合わせて指を駆動し、回転させることによって対象物をキャッチする。また、末節骨に配置された吸着装置によって吸引力を発生し、対象物をキャッチするため、摩擦力によって対象物をキャッチする技術の欠点を改善することができる。

この従来の技術において、指は三つの節骨を有し、人間の指のように各節骨が屈折することができ、かつ末節骨に吸引力を有するように形成されている。人間の指のように手の平の方向に向かって屈折および回転することしかできない。つまり、あらゆる指の運動方式は、自由度が一つしかないため、指節骨の屈折角度を細かく調整することができないまた、吸着装置は、対象物の表面に対応する法線位置へ移動し、決められた吸着点において、法線方向に沿って対象物に接近し、対象物を吸引およびキャッチすることが難しいため、効果が落ちてしまうという欠点がある。詳しく言えば、この従来の技術は、形が異なる対象物のキャッチに対応し、吸着機能を有するが、決められた吸着点に基づいて、法線方向に沿って対象物に正確に接近し、対象物を吸引およびキャッチすることはできない。

一方、特許文献３に開示されているエンドエフェクタは、特殊な吸着装置およびロボットハンドを用いる。吸着装置は、法線方向に沿って対象物に接近し、対象物を吸引およびキャッチすることができるが、ロボットハンドは固定されているため、形が多様な対象物をキャッチすることができない。

米国特許ＵＳ５５０１４９８号明細書米国特許公開２０１０/０１５６１２５号明細書日本特許公開Ｐ２０１０−１５５３３１Ａ号広報

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、高自由度を有し、様々な対象物をキャッチ可能なエンドエフェクタを提供することを目的とする。

本発明に係るエンドエフェクタは、掌部および指部を備える。指部は、掌部から同じ方向へ伸びて形成され第一駆動ユニットを有する基節骨、第二駆動ユニットを有する第一中節骨、第三駆動ユニットを有する第二中節骨、および、吸着装置を有する末節骨がこの順に連結されることによって構成され、複数有する。

第一駆動ユニットの駆動によって、第一中節骨が回転および屈折する。第一駆動ユニットが第一中節骨を駆動することによって、第二中節骨および末節骨が自転する。
第二駆動ユニットの駆動によって、第二中節骨が回転および屈折する。
第三駆動ユニットの駆動によって、末節骨が回転および屈折する。
指部は、自転し、基節骨、第一中節骨、第二中節骨、および、末節骨を回転させ、相対的な屈折を行うことによって、吸着装置が対象物の表面の法線方向において、法線方向に沿って対象物に接近し、対象物を吸引およびキャッチするよう、吸着装置の位置を調整する。

本これにより、発明は、指節骨に配置されたモーターを介して歯車を駆動することによって指部全体を自転させると同時に、別の一組の歯車を駆動することによって次の指節骨を屈折させることが可能である。よって、駆動装置を有する指節骨を微調整することによって対象物上のそれぞれの面の表面に対応することができる。

本発明の一実施形態によるエンドエフェクタを示す斜視図である。本発明の一実施形態によるエンドエフェクタを示す分解斜視図である。本発明の一実施形態によるエンドエフェクタ要部拡大図である。本発明の一実施形態によるエンドエフェクタの作動を示す模式図である。本発明の一実施形態によるエンドエフェクタの作動を示す模式図である。本発明の一実施形態によるエンドエフェクタの作動を示す模式図である。本発明の一実施形態によるエンドエフェクタの作動を示す模式図である。本発明の一実施形態によるエンドエフェクタの使用状態を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態によるエンドエフェクタを図面に基づいて説明する。
（一実施形態）
図１および図２に示すように、本発明の一実施形態によるエンドエフェクタは、モジュール式であり、掌部１と、掌部１から同じ方向へ伸びて形成された複数の指部Ａとを備える。指部Ａは、基節骨２、第一中節骨３、第二中節骨４および末節骨５がこの順に連結することによって構成される。

基節骨２は、掌部１から伸びるように形成され、ハウジング２１を有する。ハウジング２１は、内部に、並列する第一モーター２２および第二モーター２３を有する。第一モーター２２は、第一伝動軸２２１を有する。第二モーター２３は、第二伝動軸２３１を有する。第一伝動軸２２１が軸方向上の主動歯車２４を連結するため、第一モーター２２は主動歯車２４を駆動し、主動歯車２４回転させることができる。第二伝動軸２３１がベアリング２５１を介して受動歯車２５と接続するため、第二モーター２３は、直接に受動歯車２５を駆動し、受動歯車２５を回転させることができない。本実施形態において、第一モーター２２は、減速機２６に接続され、間接的に主動歯車２４に接続されることで主動歯車２４の回転速度を調整する。第二モーター２３は、減速機２７に接続され、間接的に受動歯車２５に接続されることで受動歯車２５の回転速度を調整する。

図２および図３に示すように、主動歯車２４と受動歯車２５とが相互に噛み合うため、主動歯車２４は、受動歯車２５を連動させることができる。受動歯車２５は、円盤面に第一傘型歯車２５２を有する。第一傘型歯車２５２は、受動歯車２５の回転に伴って同調回転することができる。第二伝動軸２３１は、受動歯車２５および第一傘型歯車２５２を貫通し、かつ末端に形成された連結端２３１１、連結端２３１１を貫通する接続孔２３１２を有する。本実施形態において、接続孔２３１２は、孔内にベアリング２３１３を有する。

第一中節骨３は、ハウジング３１と、ハウジング３１の一端に配置された連結部３２とを有する。連結部３２は、間隔を有する二つの柱状体３２１から構成され、シャフト３３を有する。シャフト３３は、二つ柱状体３２１とその間の隙間３２２を横から貫通することで連結部３２に連結される。第二伝動軸２３１の連結端２３１１は、隙間３２２に入り込む。一方、シャフト３３は、連結端２３１１の接続孔２３１２を貫通し、かつ接続孔２３１２の中を回転すると同時に第一中節骨３を回転させる。シャフト３３は、一端に第一傘型歯車２５２と噛み合う第二傘型歯車３４を有する。第二傘型歯車３４は、第一モーター２２が第一伝動軸２２１、主動歯車２４、受動歯車２５および第一傘型歯車２５２に駆動力を伝達することによって回転すると同時にシャフト３３を連動することによって第一中節骨３を回転させる。本実施形態において、第一中節骨３の連結部３２のシャフト３３は、第二傘型歯車３４に向かい合う一端がベアリング３５１によって第七傘型歯車３５に連結される。第七傘型歯車３５は、第一傘型歯車２５２と噛み合い、かつシャフト３３において第二傘型歯車３４とともに回転する慣性力の均衡を保つ。また第七傘型歯車３５は、エンドエフェクタ全体の稼動に影響を与えることなく、第一傘型歯車２５２の駆動力によってシャフト３３に対し空転することができる。一方、第一中節骨３のハウジング３１は、内部に第三モーター３６を有する。第三モーター３６は、減速機３７に接続され、続いて間接的に第三傘型歯車３８に接続される。第一中節骨３のハウジング３１は、さらに第三傘型歯車３８に近い部位に接続部３９を有する。接続部３９は、下方の第二中節骨４との接続に用いられる。

第二中節骨４は、ハウジング４１と、ハウジング４１の一端に配置された連結部４２とを有する。連結部４２は、相互に離れている二つの柱状体４２１から構成され、二つの柱状体４２１に横向きのシャフト４３が設けられている。シャフト４３が第一中節骨３の接続部３９を貫通するため、第二中節骨４は、第一中節骨３に対し回転することができる。シャフト４３は、第三傘型歯車３８と噛み合う第四傘型歯車４４を有する。第四傘型歯車４４は、第三傘型歯車３８の回転に伴って連動し、シャフト４３を回転させる同時に、シャフト４３によって第二中節骨４を回転させる。一方、第二中節骨４は、内部に第四モーター４５を有する。第四モーター４５は、減速機４６に接続され、間接的に第五傘型歯車４７に接続される。第二中節骨４のハウジング４１は、さらに第五傘型歯車４７に近い部位に接続部４８を有する。接続部４８は、下方の末節骨５との接続に用いられる。

末節骨５は、一端に連結部５１を有する。連結部５１は、末節骨５の両側に形成された二つの翼部５１１から構成され、かつ二つの翼部５１１に配置された横向きのシャフト５２を有する。シャフト５２が第二中節骨４の接続部４８を貫通するため、末節骨５は、第二中節骨４に対し回転することができる。シャフト５２は、第五傘型歯車４７と噛み合う第六傘型歯車５３を有する。第六傘型歯車５３は、第五傘型歯車４７の回転に伴って連動し、シャフト５２を回転させると同時にシャフト５２によって末節骨５を回転させる。一方、末節骨５は、連結部５１の反対側に吸着装置５４を有する。吸着装置５４は、対象物の表面に吸着し、対象物をキャッチする作動を安定させる。

以上は、本発明によるエンドエフェクタのうちの一本の指についての説明である。図１に示すように、本実施形態によるエンドエフェクタは、一つの掌部１および三本の指部Ａから構成され、それぞれの指節骨に配置されたモーターによってそれぞれの指節骨を作動させる、即ち下記の三つの作動方式によって指部Ａを自転させたり、指節骨の間を屈折させたりすることができる。

（第１作動方式）
図４に示すように、第一モーター２２が作動し、第二モーター２３が停止する際、第一モーター２２は、第一伝動軸２２１を介して主動歯車２４を回転させ、主動歯車２４と噛み合う受動歯車２５を連動させ、受動歯車２５によって第一傘型歯車２５２を同調回転させると同時に第一中節骨３の第二傘型歯車３４を回転させる。このとき、第一中節骨３の連結部３２に固定されたシャフト３３は、第二伝動軸２３１の連結端２３１１の接続孔２３１２の孔内を回転すると同時に、第一中節骨３を基節骨２に対し回転させ、相対的な屈折を行う。一方、同様に第二中節骨４および末節骨５の屈折は傘型歯車がモーターの伝動方向を変換することによって行う。詳しい説明は省略する。

（第２作動方式）
図５および図６に示すように、第一モーター２２が停止し、第二モーター２３が作動する際、第二伝動軸２３１は、第二伝動軸２３１に接続された第一中節骨３および以下の部位（第一中節骨３、第二中節骨４および末節骨５を含む）に回転動力を伝動することによって、それらの部位を自転させる。第一中節骨３は、自転すると同時に第一傘型歯車２５２において第二傘型歯車３４を回転させることによって第一中節骨３以下の部位を基節骨２に対し、屈折させる。全体からみると、この作動方式は、エンドエフェクタの指部Ａの自転および屈折を同時に進行させることである。

（第３作動方式）
図７に示すように、エンドエフェクタの指部Ａを自転させるには、第一モーター２２および第二モーター２３を同時に起動することが必要である。第二モーター２２は、直接に指部Ａを自転させる。そののち、第一モーター２２の減速機２６および第二モーター２３の減速機２７は、第二伝動軸２３１および第一中節骨３のシャフト３３の回転速度を適切に調整し、両者の回転速度を一致させる。このとき、第二傘型歯車３４は、空転状態となるため、第一中節骨３以下の部位を回転および屈折させることがない。全体からみると、この作動方式は、エンドエフェクタの指部Ａの自転のみを行うことである。

本発明によるエンドエフェクタは、上述した三つの作動方式によって指部Ａの自転および相対的な屈折を制御することができるため、指部Ａの作動は四つの自由度を有する。また、本発明は、三つの指節骨に位置する独立のモーターによって歯車の回転を制御し、末節骨に位置する吸着装置５４の位置を正確に調整することができる。図８に示すように、対象物Ｏの表面上に、決められた吸着点Ｐの法線方向Ｎに吸着装置５４が位置し、吸着装置５４が法線方向Ｎに沿って対象物Ｏに接近し、キャッチを行うため、対象物Ｏをしっかりキャッチし、対象物Ｏの落下を避けることができる。一方、指部Ａの作動は四つの自由度を有するため、本発明によるエンドエフェクタは、複数のキャッチ方向を有することによって、向きが異なる表面を有する様々な対象物をキャッチすることができるだけでなく、応用範囲を拡大し、キャッチ効果を向上させることができる。

本実施形態において、吸着装置５４は、吸盤５４１およびケーブル５４２を有する。四つの自由度をあるエンドエフェクタの指部Ａによって吸盤５４１を対象物の表面の決められた吸着点の法線方向に沿って吸着点に接近させ、コード５４２によって吸盤５４１を制御し、対象物を吸引およびキャッチすることである。

他の実施形態では、吸着装置５４の吸盤５４１は、電磁石から構成され、磁性のある対象物のキャッチに用いられる。操作の際、吸着装置５４を対象物上の適切な位置まで移動させ、ケーブル５４２を介して吸盤５４１に通電し、磁力を生じることによって、対象物Ｏを吸引およびキャッチする。

また、他の実施形態では、吸着装置５４のケーブル５４２は、空気ホースから構成され、排気及び吸気を行うことによって、対象物Ｏをキャッチする吸引力を生じさせる。空気ホースが吸気を行う際、吸盤５４１の内部の圧力が降下し、対象物Ｏをキャッチする吸引力が生じる。このとき、吸盤５４１は、ベルヌーイの原理（Bernoulli's Law）を利用することができる。空気ホースが排気を行う際、対象物Ｏのそれぞれの表面を流れる空気の速度が異なり、圧力差が生じることによって、対象物Ｏが吸盤５４１へ飛ばし、対象物Ｏが吸盤５４１に吸着されることができる。

１：掌部、
２：基節骨、
２１：ハウジング、
２２：第一モーター、
２２１：第一伝動軸、
２３：第二モーター、
２３１：第二伝動軸、
２３１１：連結端、
２３１２：接続孔、
２３１３：ベアリング、
２４：主動歯車、
２５：受動歯車、
２５１：ベアリング、
２５２：第一傘型歯車、
２６、２７：減速機、
３：第一中節骨、
３１：ハウジング、
３２：連結部、
３２１：柱状体、
３２２：隙間、
３３：シャフト、
３４：第二傘型歯車、
３５：第七傘型歯車、
３５１：ベアリング、
３６：第三モーター、
３７：減速機、
３８：第三傘型歯車、
３９：接続部、
４：第二中節骨、
４１：ハウジング、
４２：連結部、
４２１：柱状体、
４３：シャフト、
４４：第四傘型歯車、
４５：第四モーター、
４６：減速機、
４７：第五傘型歯車、
４８：接続部、
５：末節骨、
５１：連結部、
５１１：翼部、
５２：シャフト、
５３：第六傘型歯車、
５４：吸着装置、
５４１：吸盤、
５４２：ケーブル、
Ａ：指部、
Ｎ：法線方向、
Ｏ：対象物、
Ｐ：吸着点。

Claims

掌部と、
前記掌部から同じ方向へ伸びて形成され第一駆動ユニットを有する基節骨、第二駆動ユニットを有する第一中節骨、第三駆動ユニットを有する第二中節骨、および、吸着装置を有する末節骨がこの順に連結されることによって構成される複数の指部と、を備え、
前記第一駆動ユニットの駆動によって、前記第一中節骨を前記基節骨に対し第一軸線を軸に回転させ、かつ、第二軸線を軸に屈折させ、
前記第一駆動ユニットが前記第一中節骨を駆動することによって、前記第二中節骨および前記末節骨も前記第一中節骨と共に前記基節骨に対し第一軸線を軸に回転し、
前記第二駆動ユニットの駆動によって、前記第二中節骨を前記第一中節骨に対し第三軸線を軸に屈折させ、
前記第三駆動ユニットの駆動によって、前記末節骨を前記第二中節骨に対し第四軸線を軸に屈折させ、
前記指部は、前記回転動作、及び前記第一中節骨、前記第二中節骨、および、前記末節骨の相対的な屈折動作によって、前記吸着装置が対象物の表面の法線方向において、前記法線方向に沿って前記対象物に接近し、前記対象物を吸引およびキャッチするよう、前記吸着装置の位置を調整し、
ここで、
前記第一軸線は、前記基節骨と前記第一中節骨を連結するモータの回転軸であり、
前記第二軸線は、前記基節骨と前記第一中節骨とを連結するシャフトの軸線であり、
前記第三軸線は、前記第一中節骨と前記第二中節骨とを連結するシャフトの軸線であり、
前記第四軸線は、前記第二中節骨と前記末節骨とを連結するシャフトの軸線であり、
前記吸着装置は、吸盤および空気ホースを有し、
前記吸盤は、前記空気ホースの排気および吸気によって、前記対象物をキャッチ可能な吸引力を発生する、
ことを特徴とするエンドエフェクタ。
前記第一駆動ユニットは、前記基節骨に配置された第一モーターおよび第二モーターを有し、
前記第一モーターは、軸方向の端部に主動歯車が設けられる第一伝動軸を有し、
前記第二モーターは、第一傘型歯車を有する受動歯車、および、ベアリングを介して前記受動歯車と接続し、軸方向の端部に接続孔が貫通されている連結端が設けられる第二伝動軸を有し、
前記主動歯車と前記受動歯車とは相互に噛み合い、
前記第二伝動軸は、前記受動歯車および前記第一傘型歯車を貫通し、
前記第一中節骨は、一端に配置された連結部、および、当該連結部に固定される横向きのシャフトを有し、
前記シャフトは、前記第二伝動軸の前記接続孔を貫通し、前記接続孔の中を回転すると同時に前記第一中節骨を回転させ、
前記シャフトは、一端に前記第一傘型歯車と噛み合う第二傘型歯車を有し、
前記第二傘型歯車は、前記第一モーターが、前記第一伝動軸、前記主動歯車、前記受動歯車および前記第一傘型歯車に駆動力を伝達することによって回転すると同時に、前記シャフトを連動させることによって前記第一中節骨を回転させることを特徴とする請求項１に記載のエンドエフェクタ。
前記第一中節骨の前記シャフトは、ベアリングによって前記第二伝動軸の前記連結端の前記接続孔に装着されることを特徴とする請求項２に記載のエンドエフェクタ。
前記第一中節骨の前記シャフトは、前記第二傘型歯車に向かい合う一端がベアリングを介して第七傘型歯車に接続され、
前記第七傘型歯車は、前記第一傘型歯車と噛み合い、かつ前記第一傘型歯車の駆動力によって前記シャフトに対して空転可能であることを特徴とする請求項２に記載のエンドエフェクタ。
前記第一モーターは、減速機に接続され、間接的に前記主動歯車に接続され、
前記第二モーターは、減速機に接続され、間接的に前記受動歯車に接続されることを特徴とする請求項２に記載のエンドエフェクタ。
前記第二駆動ユニットは、前記第一中節骨に配置された第三モーターを有し、
前記第三モーターは、第三傘型歯車に接続され、
前記第一中節骨は、前記第三傘型歯車に近い部位に接続部を有し、
前記第二中節骨は、一端に形成された連結部、および、当該連結部に装着された横向きのシャフトを有し、
前記第二中節骨の前記シャフトは、前記第一中節骨の前記接続部を貫通し、かつ前記第三傘型歯車と噛み合う第四傘型歯車を有し、
前記第四傘型歯車は、前記第三傘型歯車の回転に伴って連動し、前記第二中節骨の前記シャフトを回転させることによって、前記第二中節骨を回転させることを特徴とする請求項１に記載のエンドエフェクタ。
前記第三モーターは、減速機に接続され、間接的に第三傘型歯車に接続されることを特徴とする請求項６に記載のエンドエフェクタ。
前記第三駆動ユニットは、前記第二中節骨に配置された第四モーターを有し、
前記第四モーターは、第五傘型歯車に接続され、
前記第二中節骨は、前記第五傘型歯車に近い部位に接続部を有し、
前記末節骨は、一端に形成された連結部、および、当該連結部に装着された横向きのシャフトを有し、
前記末節骨の前記シャフトは、前記第二中節骨の前記接続部を貫通し、かつ前記第五傘型歯車と噛み合う第六傘型歯車を有し、
前記第六傘型歯車は、前記第五傘型歯車の回転に伴って連動し、前記末節骨の前記シャフトを回転させることによって、前記末節骨を回転させることを特徴とする請求項１に記載のエンドエフェクタ。
前記第四モーターは、減速機に接続され、間接的に前記第五傘型歯車に接続されることを特徴とする請求項８に記載のエンドエフェクタ。