JP5762758B2 - ロボットハンド装置 - Google Patents

Description

本発明は、柔軟な対象物を把持することが可能なロボットハンド装置に関する。

従来、ロボットにおいて対象物の形状に拘わらず、安定的に把持することが可能なロボットハンド装置の開発がなされている。例えば、特許文献１には、把持対象物を把持するフィンガに、粉体を入れた袋状の粉体ホルダが設けられ、粉体ホルダに流量検出手段、粉体給排手段および封入量制御手段によって適量の粉体を給排することで、把持対象物の安定把持を図るロボットハンドが開示されている。

また、非特許文献１には、多数のリンクにより指を形成することにより、対象物の形状に沿った変形を可能とするなじみハンドが記載されている。また、非特許文献２には、指先を半球型とし、さらに柔軟被覆を施すことで、接触圧を軽減するロボットハンドが記載されている。また、非特許文献３には、粉体を充填した袋を対象物に押し付け、対象物の形状に合わせて変形したところで、袋内を真空にすることにより、対象物を把持可能としたグリッパーが記載されている。

特開２００２−３７０１８８号公報

大道武生、沖野晃久，多本指ハンドの作業への応用，日本ロボット学会誌，日本ロボット学会，１９８９年１０月，第７巻，第５号，ｐｐ．１０１−１０８ 村上剛司、長谷川勉，器用な多関節多指ロボットハンドのための柔軟被覆と爪を有する指先，日本ロボット学会誌，日本ロボット学会，２００４年７月，第２２巻，第５号，ｐｐ．７４−８２ エリック・ブラウン（Eric Brown）、ニコラス・ローデンベルグ（Nicholas Rodenberg）、ジョン・アメンド（John Amend）、アナン・モゼイカ（Annan Mozeika）、エリック・ステルツ（Erik Steltz）、ミッチェル・アール・ザーキン（Mitchell R. Zakin）、ホッド・リプソン（Hod Lipson）、ハインリヒ・エム・イェーガー（Heinrich M. Jaeger），ユニバーサル・ロボティック・グリッパー・ベースド・オン・ザ・ジャミング・オブ・グラニュラー・マテリアル（Universal robotic gripper based on the jamming of granular material），プロシーディング・オブ・ザ・ナショナル・アカデミー・オブ・サイエンシーズ（Proceedings of the National Academy of Sciences，ナショナル・アカデミー・オブ・サイエンシーズ（National Academy of Sciences），２０１０年１１月２日，第１０７巻，第４４号，ｐｐ．１８８０９−１８８１４

非特許文献２に記載のロボットハンドでは、柔軟被覆によって接触圧のピークを軽減するものの、対象物を点で把持するため、柔軟な対象物の場合、対象物を痛めたり、傷つけたりする可能性がある。また、非特許文献１に記載のハンドでは、各リンクを細かく制御することで指形状を対象物の形状に沿った形状としても、対象物との接触点付近で接触圧がピークとなるため、柔らかく把持することができない。

特許文献１に記載のロボットハンドでは、粉体ホルダに粉体を給排することで把持対象物の形状にフィンガの形状を合わせるが、把持対象物の形状に合わせた状態ではフィンガが硬くなってしまうため、柔軟な対象物を柔らかく把持することができない。また、非特許文献３に記載のグリッパーでも、対象物に対して押し付ける際に袋の表面が硬いため、局所的接触圧が発生し、柔軟な対象物を痛める可能性がある。

そこで、本発明においては、柔軟な対象物を痛めたり、傷つけたりすることなく、把持することが可能なロボットハンド装置を提供することを目的とする。

本発明のロボットハンド装置は、対象物を把持する把持体と、把持体の把持面を覆う柔軟膜と、柔軟膜と把持体との間の空間に充填された流体またはゲル状流体とを有するものである。ここで、流体とは液体および気体をいう。また、ゲル状流体とは、ゲルのうち液体を多く含むゼリー状の流動物質をいう。

本発明のロボットハンド装置では、柔軟膜と把持体との間の空間に流体またはゲル状流体が充填されていることにより、柔軟膜と把持体との間の空間内は静水圧に近い。そのため、柔軟膜および流体またはゲル状流体が変形して対象物が把持された際に、対象物との接触面に対して略一定の面圧が作用することになり、局所的な接触圧が発生しない。

また、本発明のロボットハンド装置は、把持体が対象物に近付くに連れて柔軟膜と把持体との間の空間内に流体またはゲル状流体を供給するとともに、把持体が対象物から離れるに連れて柔軟膜と把持体との間の空間から流体またはゲル状流体を排出する流体給排機構を有することが望ましい。

これにより、把持体が対象物から離れている場合には柔軟膜と把持体との間の空間内の流体またはゲル状流体を排出して少なくしておくことにより、重力による流体またはゲル状流体の偏りを防止し、把持体が対象物に近付くに連れて柔軟膜と把持体との間の空間内に流体またはゲル状流体を供給することで、対象物の全体を均一に把持することが可能となる。

（１）対象物を把持する把持体と、把持体の把持面を覆う柔軟膜と、柔軟膜と把持体との間の空間に充填された流体またはゲル状流体とを有することにより、対象物が把持される際に、対象物との接触面に対して略一定の面圧が作用することになり、局所的な接触圧が発生しないため、柔軟な対象物を痛めたり、傷つけたりすることなく、把持することが可能となる。

（２）把持体が対象物に近付くに連れて柔軟膜と把持体との間の空間内に流体またはゲル状流体を供給するとともに、把持体が対象物から離れるに連れて柔軟膜と把持体との間の空間から流体またはゲル状流体を排出する流体給排機構を有することにより、重力の影響を排除して対象物の全体を均一に把持することが可能となる。

本発明の実施の形態におけるロボットハンド装置のハンド先端部の断面図である。 ハンド先端部の別の例を示す断面図である。 図１のロボットハンド装置による対象物の把持の様子を示す説明図である。 本発明のロボットハンド装置の別の実施形態を示す概略斜視図である。 図４のロボットハンド装置の動作説明図である。 開閉機構および流体給排機構の別の例を示す説明図である。 ３つの把持体により対象物を把持する構成とする場合の配置例を示す平面図である。

図１は本発明の実施の形態におけるロボットハンド装置のハンド先端部の断面図である。図１において、本発明の実施の形態におけるロボットハンド装置は、ハンド先端部に、対象物Ｍを把持する一対の把持体１と、各保持体１の把持面１ａを覆うように固定された袋体２と、袋体２に充填されたゲル状流体３と、袋体２内の圧力を測定する圧力センサ４とを有する。

把持体１は、金属や樹脂等の硬い物質により形成されたものである。袋体２は、ポリ塩化ビニル等の柔軟膜により袋状に形成されたものである。ゲル状流体３は、例えば液体としての水にグリセリンを加えてゼリー状にした流動物質であり、袋体２内に密封されている。なお、ゲル状流体３に代えて水などの液体や窒素ガスなどの気体を用いることも可能である。

また、図２に示すように、袋体２に代えて把持体１の把持面１ａ側に空間５が形成されるように、把持体１の把持面１ａを柔軟膜６により覆う構成とすることも可能である。この場合、柔軟膜６と把持体１との間の空間５にゲル状流体３等を充填する。

図３は図１のロボットハンド装置による対象物の把持の様子を示す説明図である。図３（ａ）に示すように対象物Ｍとしての苺等の不定形柔軟物を挟み込むように一対の把持体１を移動すると、同図（ｂ）に示すように把持体１の把持面１ａに固定された袋体２の表面が対象物Ｍに接触する。このとき、袋体２の内部はゲル状流体３によって静水圧に近く、対象物Ｍとの接触面に対して略一定の面圧が作用する。

続いて、一対の把持体１の間の距離を狭めていくと、同図（ｃ）、（ｄ）に示すように対象物Ｍの表面形状に沿って袋体２内でゲル状流体３が流動し、袋体２の表面と対象物Ｍとの接触面積が増えていく。このとき、前述と同様に、袋体２の内部はゲル状流体３によって静水圧に近く、対象物Ｍとの接触面に対して略一定の面圧が作用する。

そして、このロボットハンド装置では、圧力センサ４により袋体２内の圧力すなわちゲル状流体３の圧力を測定することにより、対象物Ｍの把持力を推定することができ、圧力センサ４により測定される圧力が所定値となるところで把持体１を停止することで、略一定の面圧で設定された把持力により対象物Ｍを把持することができる。

このように、本実施形態におけるロボットハンド装置によれば、袋体２内にゲル状流体３が充填されていることにより、対象物Ｍが把持される際に、把持体１と対象物Ｍとの接触面に対して略一定の面圧が作用することになり、局所的な接触圧が発生しないため、柔軟な対象物Ｍを痛めたり、傷つけたりすることなく、把持することが可能である。

次に、本発明のロボットハンド装置の別の実施形態について説明する。図４は本発明のロボットハンド装置の別の実施形態を示す概略斜視図、図５は図４のロボットハンド装置の動作説明図である。

図４に示すロボットハンド装置では、ハンド先端部に、対象物を把持する一対の把持体１１と、各把持体１１の把持面を覆うように固定された袋体１２と、袋体１２に充填されたゲル状流体１３（図５参照。）と、袋体２内の圧力を測定する圧力センサ（図示せず。）と、一対の把持体１１を開閉動作する開閉機構１４と、開閉機構１４に連動して袋体１２内に対してゲル状流体１３を給排する流体給排機構１５とを有する。

開閉機構１４は、駆動源としてのモータ１４ａと、モータ１４ａの回転軸に固定されたギア１４ｂと、ギア１４ｂと噛み合って回転するギア１４ｃと、ギア１４ｃと噛み合って回転するギア１４ｄと、ギア１４ｃにより回動動作させる平行リンク１４ｅと、ギア１４ｄにより回動動作させる平行リンク１４ｆとを有する。一対の把持体１１は、それぞれ平行リンク１４ｅ，１４ｆの１つに固定されており、モータ１４ａの正転および逆転により開閉するようになっている。

流体給排機構１５は、把持体１１の背面側に設けられたシリンダ１５ａと、シリンダ１５ａ内で進退するピストン１５ｂと、平行リンク１４ｅ，１４ｆの回動動作に連動してピストン１５ｂを進退動作させるリンク機構１５ｃと、把持体１１を貫通してシリンダ１５ａ内と袋体１２内とを連通する給排路１５ｄ（図５参照。）とを有する。この流体給排機構１５によって、ゲル状流体１３は、袋体１２内とシリンダ１５ａ内とを移動する。

この構成のロボットハンド装置では、図５（ａ）から（ｄ）に順に示すように、開閉機構１４が動作して把持体１１が対象物に近付くに連れ、この開閉機構１４に連動する流体給排機構１５により袋体１２内にゲル状流体１３が供給される。逆に、把持体１１が対象物から離れる場合には、図５（ｄ）から（ａ）に示されるように、袋体１２内からゲル状流体１３が排出される。

したがって、このロボットハンド装置では、把持体１１が対象物から離れている場合には袋体１２内のゲル状流体１３を排出して少なくしておくことにより、袋体１２内でゲル状流体１３が重力により下方に偏るのを防止することができる。そして、把持体１１が対象物に近付くに連れて袋体１２内にゲル状流体１３を供給することで、対象物の全体を均一に把持することが可能となる。

また、図６は開閉機構および流体給排機構の別の例を示している。図６に示す例では、開閉機構１４に代えてラック１６ａおよびピニオン１６ｂにより把持体１１を平行移動する開閉機構１６を有している。また、流体給排機構１５のリンク機構１５ｃに代えて、把持体１１の平行移動に連動してピストン１５ｂを進退動作させるリンク機構１７ａを備えた流体給排機構１７を有している。

このような構成においても、開閉機構１６が動作して把持体１１が対象物に近付くに連れ、この把持体１１の平行移動に連動する流体給排機構１７により袋体１２内にゲル状流体１３が供給される。逆に、把持体１１が対象物から離れる場合には、袋体１２内からゲル状流体１３が排出される。

なお、上記説明においては一対の把持体１，１０により対象物を把持する構成であるが、把持体は３つ以上とすることも可能である。図７は図６に示す開閉機構１６および流体給排機構１７を３つ配置して３つの把持体により対象物を把持する構成とする場合の配置例を示す平面図である。

図７に示す例では、開閉機構１６を平面視で放射状に配置し、それぞれのピニオン１６ｂの軸に連結した傘歯車１６ｃを、傘歯車１６ｄおよびこの傘歯車１６ｄの軸に連結された傘歯車１６ｅを介してモータ（図示せず。）の回転軸に連結した傘歯車１８により回転させる。

これにより、１つのモータを正転または逆転させることで３つの把持体１１を開閉し、これに連動して把持体１１が対象物に近付くに連れて流体給排機構１７により袋体１２内にゲル状流体１３が供給されるとともに、把持体１１が対象物から離れるに連れて袋体１２内からゲル状流体１３が排出されるようにすることが可能である。

本発明のロボットハンド装置は、苺等の柔軟な対象物を痛めたり、傷つけたりすることなく、把持するための装置として有用である。

１，１１ 把持体
２，１２ 袋体
３，１３ ゲル状流体
４ 圧力センサ
６ 柔軟膜
１４，１６ 開閉機構
１５，１７ 流体給排機構

Claims (2)

1. 対象物を把持する把持体と、
   前記把持体の把持面を覆う柔軟膜と、
   前記柔軟膜と前記把持体との間の空間に充填された流体またはゲル状流体と、
   前記把持体が前記対象物に近付くに連れて前記柔軟膜と前記把持体との間の空間内に前記流体またはゲル状流体を供給するとともに、前記把持体が前記対象物から離れるに連れて前記柔軟膜と前記把持体との間の空間から前記流体またはゲル状流体を排出する流体給排機構と
   を有するロボットハンド装置。
2. 前記柔軟膜は袋状であり、前記把持体の把持面に固定されたものである請求項１記載のロボットハンド装置。

Images