JP5951552B2

JP5951552B2 - ハンド

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Publication number: JP5951552B2
Application number: JP2013088077A
Authority: JP
Inventors: 正樹永塚
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2016-07-13
Anticipated expiration: 2033-04-19
Also published as: CN105142863A; US20160082600A1; CN105142863B; DE112014002039T5; US9844884B2; JP2014210321A; WO2014171187A1

Description

本発明は、少なくとも二つの把持部材を開閉動作させて物体を把持するハンドに関する。

この種のハンドとして、本体部に案内溝を形成し、案内溝に一対のスライダを開閉方向に直線運動可能に配置し、一対のスライダに一対の把持部材を取り付けたハンドが知られている（例えば特許文献１参照）。一対の把持部材は本体部に設けた駆動源によって閉じ方向及び開き方向に移動する。一対の把持部材を閉じ方向に移動させると（すなわち一対の把持部材を近づけると）物体を把持することができるし、一対の把持部材を開き方向に移動させると（すなわち一対の把持部材を離すと）把持した物体を離すことができる。

一対の把持部材を閉じ方向及び開き方向に移動させる機構は以下のとおりである。駆動源の出力軸には円盤カムが取り付けられる。図９に示すように、円盤カム７１には、一対のカム溝７１ａが点対称に形成される。一対のカム溝７１ａには一対のスライダに設けた一対のピン７２が嵌まっている。回転板が原動節となって回転すると、従動節としての一対のピン７２が一対のカム溝７１ａを滑り、一対の把持部材が閉開方向に直線運動する。カム溝７１ａは、図９に示すように半径方向に直線的に形成される場合もあるし、渦巻き形に形成される場合もある。

特開２００１−１０５３７１号公報

しかし、従来のハンドにあっては、円盤カムの回転角度が所定角度（例えば４５度近辺）に達すると、ピンがカム溝から抜け出してしまうので、円盤カムの回転角度をピンがカム溝から抜けださない角度に制限する必要があり、物体を把持する一対の把持部材の作動ストロークが小さいという問題がある。

また、円盤カムの回転角度に係わらず一対の把持部材が物体を把持する力がほぼ一定でそれほど大きくなく、重い物体を把持するのが困難であるという問題がある。円盤カムの回転角とスライダの移動量との関係が線形に近く、駆動源の回転トルクよって生ずる把持部材の把持力が円盤カムの回転角度によって変化しないからである。

さらに、ピンが円盤カムのカム溝をすべる構造であるので、ピンと円盤カムのカム溝との間にすきまを必要とし、ハンドに外部振動がかかったときにすきまが原因で把持した物体を落とす可能性もある。

そこで本発明は、一対の把持部材の作動ストロークを大きくすることができ、一対の把持部材の把持力も大きくすることができるハンドを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ハンド本体部と、前記ハンド本体部のレールに開閉方向に直線運動可能に案内され、前記レールとの間に転がり運動可能に複数の転動体が介在する第一及び第二のスライダと、前記第一及び前記第二のスライダに固定され、物体を把持可能な第一及び第二の把持部材と、前記ハンド本体部に設けられる駆動源と、前記駆動源によって回転駆動させられる回転板と、前記回転板に第一の軸の回りを回転だけが可能に直接的に連結されると共に、前記第一のスライダに第二の軸の回りを回転だけが可能に直接的に連結される第一のクランプリンクと、前記回転板に第三の軸の回りを回転だけが可能に直接的に連結されると共に、前記第二のスライダに第四の軸の回りを回転だけが可能に直接的に連結される第二のクランプリンクと、を備え、前記駆動源が前記回転板を回転させることによって、前記第一及び前記第二の把持部材が開閉方向に直線運動し、前記第一及び前記第二の把持部材が物体を把持するとき、前記第一ないし前記第四の軸が、前記第二の軸、前記第三の軸、前記回転板の軸線、前記第一の軸、前記第四の軸の順番で一直線上に並び、前記第一及び前記第二の把持部材が最も接近した後、前記第三の軸の中心が前記回転板の軸線と前記第二の軸の中心を結んだ線を越え、かつ前記第一の軸の中心が前記回転板の軸線と前記第四の軸の中心を結んだ線を越えるまで、前記回転板が回転し、前記第一及び前記第二の把持部材が開いた状態で物体をロックして把持するハンドである。

本発明によれば、（１）第一及び第二の把持部材のストロークが大きいので、小さな物体から大きな物体まで広範な大きさの物体を把持することができる。（２）また、回転板の回転角度が９０度付近になると（第一のクランプリンクの第一及び第二の軸線、第二のクランプリンクの第三及び第四の軸線が一直線上に並ぶと）、把持力が急激に大きくなる。回転板の回転角度が９０度付近になったときに一対の把持部材が物体を掴むようにすれば、重い物体を把持することができ、又は把持した物体をロックすることができる。上記（１）及び（２）の効果により汎用性の高いハンドが得られる。

本発明の一実施形態のハンドの外観斜視図本実施形態のハンドの内部構造をしめす斜視図本実施形態のハンドの電動モータの操作部を示す概略図本実施形態のハンドのクランプ機構を示す断面図（一対の把持部材が開いた状態）本実施形態のハンドのクランプ機構を示す断面図（一対の把持部材が閉じた状態）本実施形態のハンドのクランプ機構を示す断面図本実施形態の回転板の回転角度と把持部材に付与される把持力との関係を示す模式図本実施形態の回転板の回転角度と把持部材に付与される把持力との関係を示すグラフ従来のハンドの円盤カムの平面図

以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態のハンドを詳細に説明する。図１は本実施形態のハンドの外観斜視図を示し、図２は本実施形態のハンドの内部構造を示す。本実施形態のハンドは、例えばロボットのエンドエフェクタとして用いられる。本実施形態のハンドは、略立方体形のハンド本体部１と、ハンド本体部１のレール２に開閉方向に直線可能に設けられる第一及び第二のスライダ１１，１２と、第一及び第二のスライダ１１，１２を開閉するための駆動源としての電動モータ３と、を備える。第一及び第二のスライダ１１，１２には第一及び第二の把持部材２１，２２（図４，５参照）が取り付けられるが、図１，２では第一及び第二のスライダ１１，１２を分かり易く示すために第一及び第二の把持部材２１，２２を省略している。

ハンド本体部１の一端部には、第一及び第二のスライダ１１，１２の移動方向に細長断面Ｕ字形のレール２が取り付けられる。レール２には第一及び第二のスライダ１１，１２が直線運動可能に組み付けられる。第一のスライダ１１はレール２の左側半分を移動し、第二のスライダ１２はレール２の右側半分を移動する。第一及び第二のスライダ１１，１２は同時に閉じ方向（すなわち近づく方向）に移動し、同時に開き方向（すなわち離れる方向）に移動する。第一及び第二のスライダ１１，１２はレール２の中心に関して対称を保ったまま移動する。図１は第一及び第二のスライダ１１，１２が開き方向の端部に移動した状態を示し、図２は第一及び第二のスライダ１１，１２が閉じ方向の端部に移動した状態を示す。

レール２は、底部２ａと、対向する一つの側壁部２ｂと、を備える。第一及び第二のスライダ１１，１２はレール２の一対の側壁部２ｂ間に挟まれている。レール２と第一及び第二のスライダ１１，１２との間には、転がり運動可能にボール等の転動体が介在する。レール２の側壁部２ｂの内側面には、レール２の長さ方向に伸びる転動体転走部２ｂ1が形成される。

図２は、ハンド本体部１の内部構造を示す。図２のレール２の下に見えるのが第一及び第二のスライダ１１，１２であり、図２の第一及び第二のスライダ１１，１２は閉じ方向の端部に移動している。第一及び第二のスライダ１１，１２は、レール２に直線運動可能に案内されるブロック１１ａ，１２ａと、ブロック１１ａ，１２ａからハンド本体部１内に突出する連結部としての連結軸１１ｂ，１２ｂと、を備える（図５参照）。レール２の底部２ａには、連結軸１１ｂ，１２ｂが通過する溝２ａ１が形成される。

第一及び第二のスライダ１１，１２のブロック１１ａ，１２ａは、レール２の一対の側壁部２ｂ間に挟まれる。ブロック１１ａ，１２ａには、レール２の転動体転走部２ｂ１に対向する転動体転走部１１ａ１，１２ａ１が形成される（図１参照）。レール２の転動体転走部２ｂ１とブロック１１ａ，１２ａの転動体転走部１１ａ１，１２ａ１との間に転がり運動可能に複数の転動体が介在する。転動体同士の接触を防止するために複数の転動体はケージで保持されている。この実施形態では、ブロック１１ａ，１２ａのストロークは有限であり、ブロック１１ａ，１２ａには転動体を循環させる循環構造は設けられていないが、転動体を循環させる循環構造を設けることも可能である。

連結軸１１ｂ，１２ｂは、ブロック１１ａ，１２ａに結合される。ブロック１１ａ，１２ａには連結軸１１ｂ，１２ｂを挿入するための孔１３，１４（図５参照）が開けられる。連結軸１１ｂ，１２ｂの先端部は二股に分かれている。連結軸１１ｂの先端部には、第一のクランプリンク３１を回転可能に支持する第二の軸４２が設けられる。連結軸１２ｂの先端部には、第二のクランプリンク３２を回転可能に支持する第四の軸４４が設けられる。一対の連結軸１１ｂ，１２ｂ間には、第一及び第二のスライダ１１，１２を閉じ方向に付勢する付勢部材としてのコイルばね４が架け渡される。

電動モータ３はハンド本体部１の側壁に取り付けられる。電動モータ３の出力軸３ａはハンド本体部１内に突出する。電動モータ３の出力軸３ａには、出力軸３ａと一体に回転する回転板５が固定される。回転板５は電動モータ３によって軸線の回りを回転駆動させられる。電動モータ３にはエンコーダが取り付けてあり、原点復帰及び把持位置の検出が可能になっている。回転板５には、第一のクランプリンク３１を回転可能に支持する第一の軸４１、及び第二のクランプリンク３２を回転可能に支持する第三の軸４３が設けられる。第一及び第三の軸４１，４３は回転板５の軸線に関して点対称の位置、すなわち回転板５の周方向に１８０度だけ離れた位置に設けられる。

図３に示すように、電動モータ３の出力軸３ｂは図２の紙面の奥方向にも伸びている。電動モータ３の出力軸３ｂには手動で回転板５を回転させるためのノブないしレバーからなる操作部６が取り付けられる。

図４及び図５は、第一ないし第四の軸４１〜４４の軸線方向からみたハンドの断面図を示す。図４は一対の把持部材２１，２２が開いた状態を示し、図５は一対の把持部材２１，２２が閉じた状態を示す。電動モータ３が回転板５を時計方向に回転させると、図４に示すように一対の把持部材２１，２２が開いた状態になる。電動モータ３が回転板５を反時計方向に回転させると、図５に示すように一対の把持部材２１，２２が閉じた状態になる。コイルばね４は一対の把持部材２１，２２を閉じる方向に付勢している。この実施形態では、一対の把持部材２１，２２が物体Ｗを把持するとき、電動モータ３の駆動電源が無くなっても、物体Ｗを落とさないクランプ機構になっている。クランプ機構の詳細は以下のとおりである。

図４に示すように、第一のクランプリンク３１は回転板５に第一の軸４１の回りを回転だけが可能に連結されると共に、第一のスライダ１１の連結軸１１ｂに第二の軸４２の回りを回転だけが可能に連結される。すなわち、第一のクランプリンク３１と回転板５とは回り対偶をなし、第一のクランプリンク３１と第一のスライダ１１とは回り対偶をなす。同様に第二のクランプリンク３２は回転板５に第三の軸４３の回りを回転だけが可能に連結されると共に、第二のスライダ１２の連結軸１２ｂに第四の軸４４の回りを回転だけが可能に連結される。すなわち、第二のクランプリンク３２と回転板５とは回り対偶をなし、第二のクランプリンク３２と第二のスライダ１２とは回り対偶をなす。

図５に示すように、第一及び第二の把持部材２１，２２が物体Ｗを把持するとき、第一ないし第四の軸４１〜４４の軸線方向からみて、第一ないし第四の軸４１〜４４が一直線上に並ぶ。第一ないし第四の軸４１〜４４は左から順番に第二の軸４２、第三の軸４３、回転板５の軸線５ａ、第一の軸４１、第四の軸４４の順番で並ぶ。

より正確にいえば、第一及び第二の把持部材２１，２２が物体Ｗを把持するとき、第一ないし第四の軸４１〜４４が一直線上に並んだ後、図６に示すように、第三の軸４３の中心４３ａが回転板５の軸線５ａと第二の軸４２の中心４２ａを結んだ線Ｌ１を越え、かつ第一の軸４１の中心４１ａが回転板５の軸線５ａと第四の軸４４の中心４４ａを結んだ線Ｌ２を越えるまで、回転板５が回転する。

図４に示すように、一対の把持部材２１，２２が開いた状態では、第三の軸４３の中心４３ａは回転板５の軸線５ａと第二の軸４２の中心４２ａを結んだ線Ｌ１よって区画される二つの領域Ｓ１，Ｓ２のうちの一方の領域Ｓ１に位置する。図６に示すように、一対の把持部材２１，２２が閉じた状態では、第三の軸４３の中心４３ａが線Ｌ１を越え、領域Ｓ２に移動する。

同様に、図４に示すように、一対の把持部材２１，２２が開いた状態では、第一の軸４１の中心４１ａが回転板５の軸線５ａと第四の軸４４の中心４４ａを結んだ線Ｌ２（Ｌ１とＬ２は一致する）によって区画される二つの領域Ｓ１，Ｓ２のうちの一方の領域Ｓ２に位置する。図６に示すように、一対の把持部材２１，２２が閉じた状態では、第一の軸４１の中心４１ａが回転板５の軸線５ａと第四の軸４４の中心４４ａを結んだ線Ｌ２を越え、領域Ｓ１に移動する。

図５に示すように、第一ないし第四の軸４１〜４４が一直線上に並んでも、第一のクランプリンク３１と第二のクランプリンク３２とは互いに干渉しないようにＵ字形に形成される。すなわち、第一及び第二のクランプリンク３１，３２は直線的な中央部７と中央部７の両端部の折り曲げられた一対の折曲げ部８と、を備える。第一のクランプリンク３１の一対の折曲げ部８の間に第二のクランプリンク３２の折曲げ部８の一方が入り込み、第二のクランプリンク３２の一対の折曲げ部８の間に第一のクランプリンク３１の折曲げ部８の一方が入り込む。

第一及び第二の把持部材２１，２２は、第一及び第二のスライダ１１，１２にボルト等の締付け手段によって固定される。一対の把持部材２１，２２間の距離は物体Ｗの外形に合わせて決定される。第一及び第二の把持部材２１，２２の形状は物体を挟んで掴むことができれば限定されるものではない。また、図５では、第一及び第二のスライダ１１，１２が接しているが、第一及び第二のスライダ１１，１２は離れていてもよい。

図７は回転板５の回転角度と把持部材２１，２２に付与される把持力との関係を示す模式図である。この図７には、図４の回転板５及び第二のクランプリンク３２が模式的に示されている。図７では、回転板５の軸線５ａと第四の軸４４の中心４４ａとを結んだ線をＸ軸とし、Ｘ軸に直交する軸をＹ軸とする。また、第二のクランプリンク３２の第三の軸４３がＹ軸上にあるときの回転板５の回転角度を０度とし、第三の軸４３の半時計方向の回転角度をθとする。

図７中Ｆ（Ｎ）は第二のクランプリンク３２の第四の軸４４に加わる力であり、把持部材２２（図５参照）に加わる把持力になる。図７中Ｆ´は把持部材２２に把持力Ｆを加えるために必要とされる回転方向の出力（電動モータ３の出力）である。

図７からＦ´とＦとには以下の関係がある。
（数１）
Ｆ´＝Ｆ×ｃｏｓ（θ）

電動モータ３の出力から把持部材２２に加わる把持力を算出すべく、Ｆ´とＦとを入れ替えると、以下の数式になる。
（数２）
Ｆ＝Ｆ´／ｃｏｓ（θ）

電動モータ３の出力を１Ｎと仮定し、数２式を用いて、回転角度θと把持部材２２に加わる把持力Ｆとの関係を算出すると、図８のグラフになる。

図８に示すように、回転板５の回転角度が０度〜４５度の範囲では、把持部材２２に加わる把持力は電動モータ３の出力と略等しい。回転板５の回転角度が４５度から８０度に増加すると、把持部材２２に加わる把持力は徐々に大きくなるが、その傾きは緩やかである。回転板５の回転角度が８０度を超えると、把持部材２２に加わる把持力は急激に大きくなる。回転板５の回転角度が９０度になると、把持部材２２に加わる把持力は理論上無限大になる。図７及び図８には第二のクランプリンク３２のみを示したが、第一のクランプリンク３１も同様である。

上記のように本実施形態では、把持部材２１，２２が物体Ｗを把持したとき、第一ないし第四の軸４１〜４４が一直線上に並び、回転板５の回転角度が９０度になる。したがって、図８に示すように、把持した物体Ｗを大きな把持力で把持することが可能になる。それだけでなく、一対の把持部材２１，２２で物体Ｗをロックした状態も作り出すことができる。電動モータ３の駆動電源が無くなっても、コイルばね４の付勢力のみで物体Ｗを把持し続けることができ、物体Ｗを落とすことがなくなる。

図６に示すように、第三の軸４３の中心４３ａが線Ｌ１を越え、かつ第一の軸４１の中心４１ａが線Ｌ２を越えるまで、回転板５を回転させる理由は以下のとおりである。第一ないし第四の軸４１〜４４が一直線上に並んだとき、第一及び第二の把持部材２１，２２が最も接近している。回転板５がさらに僅かに回転すると、第一及び第二の把持部材２１，２２が僅かに開く。第一及び第二の把持部材２１，２２が僅かに開いた状態で、第一及び第二の把持部材２１，２２が物体Ｗを把持するようにすることで、あたかも第一及び第二の把持部材２１，２２がカムの山を越えてロックするようになり、物体Ｗを確実に把持することが可能になる。なお、第三の軸４３の中心４３ａが線Ｌ１を超える量は僅かであり、第一の軸４１の中心４１ａが線Ｌ２を超える量は僅かである。これらの量が大きくなると、物体Ｗを把持した第一及び第二の把持部材２１，２２が接近する量も大きくなり、電動モータ３を回転させることが不可能になるからである。

本実施形態のハンドは、回転板５の回転角度が９０度になったときに物体Ｗを把持するのに限られることはなく、図８に示すように回転板５の回転角度が０度から８０度の範囲Ａで物体Ｗを把持するようにすることもできる。この範囲Ａでは把持部材２１，２２の把持力が小さいものの把持部材２１，２２のストロークが大きいので、小さな物体Ｗから大きな物体Ｗまで広範な大きさの物体Ｗを把持することができる。また、回転板５の回転角度が８０度以上９０度未満の範囲Ｂで物体Ｗを把持するようにすることもできる。回転板５の回転角度が８０度以上なると、把持力が急激に大きくなるので、重い物体Ｗを把持することができる。図８には従来例として図９に示す従来のハンドの円盤カム７１の角度範囲を示している。従来のハンドでは、円盤カム７１の回転角度が４５度を超えると、カム溝７１ａからピン７２が抜け出てしまうので、円盤カム７１の回転角度を４５度未満にする必要がある。円盤カム７１の回転角度が４５度未満に制限されるので、把持部材２１，２２のストロークも小さくなる。

第一及び第二のクランプリンク３１，３２をＵ字形に形成することで、第一ないし第四の軸４１〜４４を一直線上に並べることが可能になる。また、第一及び第二のクランプリンク３１，３２をＵ字形に形成することで、第一及び第二のクランプリンク３１，３２が弾性変形し易くなる。第一及び第二のクランプリンク３１，３２の弾性変形によって把持する物体Ｗの寸法誤差を吸収することができる。

第一及び第二の把持部材２１，２２を閉じる方向に付勢するコイルばね４を設けることによって、電動モータ３の電源が切れても物体Ｗを把持し続けることができる。

第一及び第二のスライダ１１，１２を、レール２に案内されるブロック１１ａ，１２ａと、ブロック１１ａ，１２ａに結合される連結軸１１ｂ，１２ｂと、から構成することで、第一及び第二のスライダ１１，１２に第一及び第二のクランプリンク３１，３２を連結したり、コイルばね４を架け渡すのが容易になる。

電動モータ３の出力軸３ｂに手動で回転板５を回転させるための操作部６を設けることで、電動モータ３によって物体Ｗを把持した第一及び第二の把持部材２１，２２を開けない場合であっても、手動で第一及び第二の把持部材２１，２２を開くことができる。

なお、本発明は上記実施形態に具現化されるのに限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で様々な実施形態に変更できる。例えば、駆動源は電動モータに限られることはなく、エアシリンダ、油圧シリンダ等を用いることができる。上記実施形態では、第一及び第二のスライダ間にコイルばねを架け渡し、コイルばねのばね力を利用して物体を把持するようにしているが、第一及び第二のスライダ間にコイルばねを架け渡すことなく、電動モータのトルクのみによって物体を把持するようにすることもできる。

１…ハンド本体部，２…レール，３…電動モータ（駆動源），５…回転板，５ａ…回転板の軸線，６…操作部，１１…第一のスライダ，１１ａ…第一のスライダのブロック，１１ｂ…第一のスライダの連結軸（連結部），１２…第二のスライダ，１２ａ…第二のスライダのブロック，１２ｂ…第二のスライダの連結軸（連結部），２１…第一の把持部材，２２…第二の把持部材，３１…第一のクランプリンク，３２…第二のクランプリンク，４１…第一の軸，４２…第二の軸，４３…第三の軸，４４…第四の軸，４１ａ…第一の軸の中心，４２ａ…第二の軸の中心，４３ａ…第三の軸の中心，４４ａ…第四の軸の中心

Claims

ハンド本体部と、
前記ハンド本体部のレールに開閉方向に直線運動可能に案内され、前記レールとの間に転がり運動可能に複数の転動体が介在する第一及び第二のスライダと、
前記第一及び前記第二のスライダに固定され、物体を把持可能な第一及び第二の把持部材と、
前記ハンド本体部に設けられる駆動源と、
前記駆動源によって回転駆動させられる回転板と、
前記回転板に第一の軸の回りを回転だけが可能に直接的に連結されると共に、前記第一のスライダに第二の軸の回りを回転だけが可能に直接的に連結される第一のクランプリンクと、
前記回転板に第三の軸の回りを回転だけが可能に直接的に連結されると共に、前記第二のスライダに第四の軸の回りを回転だけが可能に直接的に連結される第二のクランプリンクと、を備え、
前記駆動源が前記回転板を回転させることによって、前記第一及び前記第二の把持部材が開閉方向に直線運動し、
前記第一及び前記第二の把持部材が物体を把持するとき、
前記第一ないし前記第四の軸が、前記第二の軸、前記第三の軸、前記回転板の軸線、前記第一の軸、前記第四の軸の順番で一直線上に並び、前記第一及び前記第二の把持部材が最も接近した後、
前記第三の軸の中心が前記回転板の軸線と前記第二の軸の中心を結んだ線を越え、かつ前記第一の軸の中心が前記回転板の軸線と前記第四の軸の中心を結んだ線を越えるまで、前記回転板が回転し、前記第一及び前記第二の把持部材が開いた状態で物体をロックして把持するハンド。
前記第一及び前記第二のクランプリンクが互いに干渉しないようにＵ字形に形成されることを特徴とする請求項１に記載のハンド。
前記ハンドはさらに、
前記第一及び前記第二の把持部材を閉じる方向に付勢する付勢部材を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のハンド。
前記第一のスライダ及び前記第二のスライダは、
前記本体部に直線運動可能に案内されるブロックと、
前記ブロックに結合される連結軸と、を備え、
前記第一及び前記第二のスライダの前記連結軸に前記第一及び前記第二のクランプリンクが回転可能に連結され、
前記第一及び前記第二のスライダの前記連結軸の間に前記付勢部材が架け渡されることを特徴とする請求項３に記載のハンド。
前記駆動源は電動モータであり、
前記電動モータの出力軸には、手動で前記回転板を回転させることができるように操作部が設けられることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のハンド。