JP6291553B1 - 把持装置及び産業用ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】粉体を用いず、より確実にワークを把持することができる把持装置及び産業用ロボットを提供する。【解決手段】掌部３０と、前記掌部３０の周囲に突出して設けられ、前記掌部３０を厚さ方向に変形させることにより前記掌部３０に向かって倒れる複数の指部３２とを有する袋状の把持本体２８Ａと、前記指部３２内に設けられ、前記指部の形を有する弾性部３４と、前記掌部３０の外周面３９の収縮を防ぐ形状保持部３８とを備えることを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、把持装置及び産業用ロボットに関するものである。

ワークを把持することを目的とした把持装置として、主に吸着ハンドや２指型グリッパ（例えば、特許文献１）が利用されているが、これらは機構上、サイズや形状が異なるワークを汎用的に把持することができない場合がある。そのため、多品種少量生産のように、把持するワークの種類が多い作業現場においては、ツールチェンジャーや人による取り替え作業が必要となってしまうため、生産効率が低下してしまう。さらに食品に代表されるような、柔軟かつ不定形なワークを傷めずに把持することができないという問題があった。

これに対し、人間の手の形状に近い機構を有する５指型の把持装置の検討もされている（例えば、特許文献２）。ところが、５指型の把持装置は、人間の手に近い複雑な動作を実現する為に、動作や制御機構が非常に複雑なため、これらの複雑さが導入を困難にする要因となっている。

さらに密閉されたゴム状の袋と、当該ゴム袋に充填された粉体とを有し、粉体のJamming転移を利用した把持装置が開発されている（例えば、特許文献３）。この把持装置は、ゴム袋をワークに追従させた状態で把持できるので、簡単な制御で様々なワークに対応することができる。

特開２００９−１２５８５１号公報 特開２０１２−１９２４９６号公報 特表２０１３−５２３４７８号公報

しかしながら、上記特許文献３に係る把持装置は、把持力を発現するために強い力でワークへ押し付ける必要があるので、食品のような柔軟なワークを痛めてしまうという問題がある。また把持装置は、ワークへ押し付ける力が弱い場合、ゴム袋のワークに対する追従性が著しく低下するので、把持できるワークが限られてしまう。さらにゴム袋が、劣化や破損などによって破裂した場合、ゴム袋に充填された粉体が飛散し、ワークを汚染してしまう、という問題がある。粉体は、Jamming転移に伴う密度変化によって劣化するので、安定的に使用することができないという問題がある。

本発明は、粉体を用いず、より確実にワークを把持することができる把持装置及び産業用ロボットを提供することを目的とする。

本発明に係る把持装置は、掌部と、前記掌部の周囲に突出して設けられ、前記掌部を厚さ方向に変形させることにより前記掌部に向かって倒れる複数の指部とを有する袋状の把持本体と、前記指部内に設けられ、前記指部の形を有する弾性部と、前記掌部の外周面の収縮を防ぐ形状保持部とを備えることを特徴とする。

本発明に係る産業用ロボットは、上記把持装置を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、形状保持部が掌部の外周面が収縮するのを防ぐことで、掌部が厚さ方向に変形することにより、指部を掌部に向かって変形させてワークを把持することができるので、粉体を用いず、より確実にワークを把持することができる。

本実施形態に係る把持装置を適用した産業用ロボットの例を示す模式図である。 本実施形態に係る把持装置の構成を示す斜視図である。 本実施形態に係る把持装置の使用状態を示す斜視図である。 本実施形態に係る把持装置の構成を示す部分縦端面図である。 形状保持部の構成を示す斜視図である。 本実施形態に係る把持装置の使用状態を示す部分端面図である。 本実施形態に係る把持装置の変形例（１）を示す斜視図であり、図７Ａは指部の長さが小の場合、図７Ｂは指部の長さが中の場合、図７Ｃは指部の長さが大の場合である。 本実施形態に係る把持装置の変形例（２）を示す斜視図であり、図８Ａは指部の長さが小の場合、図８Ｂは指部の長さが中の場合、図８Ｃは指部の長さが大の場合である。 本実施形態に係る把持装置の変形例（３）を示す斜視図であり、図９Ａは指部の長さが小の場合、図９Ｂは指部の長さが中の場合、図９Ｃは指部の長さが大の場合である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

（全体構成）
図１に、本実施形態に係る把持装置１０を適用した産業用ロボット１２の構成を示す。産業用ロボット１２は、直交ロボットであって、レール１４と、レール１４に沿って移動する移動体１６と、移動体１６に固定されたエアシリンダ−１８とを備える。レール１４は、図中Ｙ軸方向に移動可能に設けられている。

エアシリンダ−１８は、シリンダーチューブ１９と、シリンダーチューブ１９に対し進退可能に設けられたピストンロッド２０とを有する。シリンダーチューブ１９には、配管２１、２２が設けられている。当該配管２１、２２を通じて、気体が給排気されることにより、ピストンロッド２０がシリンダーチューブ１９に対し進退可能となっている。ピストンロッド２０の先端には、把持装置１０が設けられている。

産業用ロボット１２は、水平な基台２６上に置かれたワークＷを、把持装置１０で把持すると共に、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向に移動可能することができる。

把持装置１０は、ピストンロッド２０に連結されたケース３６と、当該ケース３６に固定された把持本体２８Ａとを備える。ケース３６には、配管２４が連結されている。把持本体２８Ａは、気密性と弾性とを有する材料、例えば、天然ゴムや、合成ゴムなどで形成することができる。

図２に示すように把持本体２８Ａは、掌部３０と、掌部３０の周縁に突出して設けられた複数の指部３２とを有する。掌部３０は略円盤状をなしている。指部３２は、掌部３０と一体に形成されており、掌部３０を囲むように放射状に５個設けられている。指部３２同士の間には、所定の間隔が形成されている。指部３２は、内面３１が掌部３０と一体に形成されている。指部３２の外形形状は、適宜選択することができ、例えば、円柱、円錐、円錐台、三角柱、四角柱、三角錐、四角錐、四角錐台などでもよい。本実施形態の場合、指部３２は、同一形状で構成されている。なお複数の指部３２は、全て同一形状である必要はなく、形状が異なっていてもよい。指部３２は、四角錐台形状を有し、内面３１が、掌部３０に接合している基端から先端に向かって外側に傾斜するように形成されている。

把持本体２８Ａは、掌部３０を厚さ方向（図２、矢印方向）に変形させる力が作用すると、当該力によって内面３１が引っ張られ、指部３２が掌部３０へ向かって倒れるように弾性変形する（図３）。

図４に示すように把持本体２８Ａは、掌部３０及び指部３２が形成されている表面とは逆側の面に開口を有する袋状の部材からなる。把持本体２８Ａは、内部に、弾性部３４と、形状保持部３８とを有する。把持本体２８Ａは、開口の周縁に一体形成されたフランジ部３３においてケース３６に固定されており、当該ケース３６によって開口が密閉されている。

ケース３６には、貫通穴３７が設けられている。配管２４は、一端が、貫通穴３７に挿入され、把持本体２８Ａに通じている。配管２４の他端は、図示しないが、例えば三方弁を介して真空ポンプに接続されている。三方弁は、真空ポート、給排気ポート、大気解放ポートを有し、真空ポートが真空ポンプに、給排気ポートが把持装置１０に、大気解放ポートが外部にそれぞれ接続される。当該配管２４を通じて、気体が、把持本体２８Ａの内から外へ、及び把持本体２８Ａの外から内へ、流通する。

弾性部３４は、指部３２内に充填され、当該指部３２の形を有する。弾性部３４の形は、把持本体２８Ａの指部３２内に挿入され一定の形を保持できれば、指部３２の内面との間に多少隙間が生じていてもよい。弾性部３４の材質は、樹脂またはゴムであるのが好ましい。弾性部３４の材質は、必ずしも均一である必要はなく、異種材料を組み合わせた複合材でもよい。弾性部３４は、フィラーなどの添加物を含んでもよい。弾性部３４は、指部３２の内面との間に、隙間がないように配置されるのが好ましい。弾性部３４は、掌部３０を超えて把持本体２８Ａの大半に充填されると、掌部３２が厚さ方向に変形せず指部３２が掌部３０の中心に向かって弾性変形し難くなる。したがって弾性部３４は、指部３２内に配置されるのが好ましい。

形状保持部３８は、把持本体２８Ａの掌部３０の内部空間に配置されている。形状保持部３８は、掌部３０以外、すなわち掌部３０の外周面３９が収縮しないように、把持本体２８Ａを保持する。形状保持部３８の材質は、把持本体２８Ａの減圧下において変形しなければ足り、例えば硬質樹脂や金属を用いることができる。形状保持部３８の材質は、必ずしも均一である必要はなく、異種材料を組み合わせた複合材でもよい。

本図に示す形状保持部３８は、変形した掌部３０を受け入れるガイド穴４０と、掌部３０の外周面を保持する保持面４８とを有する円筒状部材である。ガイド穴４０は、掌部３０に対応した形状保持部３８の中央であって、内径が掌部３０と略同じ大きさであるのが好ましい。保持面４８は、形状保持部３８の円周面であり、掌部３０の外周面３９を保持できる大きさを有する。形状保持部３８は、軸方向の先端に湾曲部４９を有する。

図５に示すように、形状保持部３８は、同心円状に配置された複数、本図の場合、３個のリング体４４〜４６を有する。各リング体４４〜４６は、軸方向に移動可能、取り外し可能である。

（動作及び効果）
上記のように構成された把持装置１０が設けられた産業用ロボット１２の動作及び効果について説明する。産業用ロボット１２は、ピストンロッド２０がシリンダーチューブ１９内に退避し、エアシリンダ−１８が収縮した状態を原点とする。また把持装置１０は、初期状態において把持本体２８Ａ内の圧力が大気圧である。すなわち三方弁は、真空ポートが遮断され、給排気ポートが大気解放ポートと繋がっている状態である。

産業用ロボット１２は、移動体１６がレール１４に沿って移動することで、基台２６上に置かれたワークＷの鉛直線上に把持装置１０を位置決めする（図１）。次いで、産業用ロボット１２は、ピストンロッド２０がシリンダーチューブ１９から進出することにより、指部３２がワークＷの側面に到達するまで、エアシリンダ−１８を伸長させる。

次いで三方弁は、大気解放ポートが遮断され、給排気ポートが真空ポートと繋がった状態に切り替えられる。これにより把持装置１０は、配管２４を通じて、把持本体２８Ａ内の気体を吸引し、把持本体２８Ａ内の圧力を−０．０３ＭＰａ以下に減圧する。

把持本体２８Ａは、形状保持部３８により掌部３０の外周面３９の形状が保持された状態を維持する。そうすると掌部３０が、形状保持部３８のガイド穴４０に吸い込まれるようにして厚さ方向に変形する（図６）。掌部３０が厚さ方向へ変形するのに伴い、指部３２の内面３１が掌部３０の中心へ引っ張られる。そうすると指部３２は、掌部３０へ向かって倒れるように弾性変形する。これにより指部３２は、主に内面３１がワークＷ表面に接触する。本図に示す立方体のワークＷの場合、指部３２はワークＷの側面に接触する。上記のように把持装置１０は、把持本体２８Ａ内を減圧することにより、ワークＷを把持する。把持装置１０は、把持本体２８Ａ内の圧力に応じた把持力を発揮する。すなわち、把持装置１０の把持力は、把持本体２８Ａ内の圧力が低い程、大きくなる。

次いで産業用ロボット１２は、ピストンロッド２０をシリンダーチューブ１９内に退避させてエアシリンダ−１８を収縮することにより、ワークＷを基台２６から持ち上げることができる。さらに産業用ロボット１２は、移動体１６がレール１４に沿って移動したり、レール１４がＹ軸方向に移動したりすることにより、水平方向へワークＷを自在に移動することができる。

所望の場所へ移動した後、産業用ロボット１２は、ピストンロッド２０がシリンダーチューブ１９から進出することにより、ワークＷが基台２６に接触するまでエアシリンダ−１８を伸長させる。次いで、三方弁は、真空ポートが遮断され、給排気ポートが大気解放ポートと繋がっている状態に切り替えられる。そうすると把持本体２８Ａ内へ大気解放ポートから配管２４を通じて気体が流入する。把持本体２８Ａ内の圧力が大気圧に戻るのに伴い、掌部３０がガイド穴４０から押し出され元の状態に戻る。掌部３０が元の状態に戻るのに伴い、指部３２が開き、ワークＷを手放す。

次いで、産業用ロボット１２は、ピストンロッド２０をシリンダーチューブ１９内に退避させてエアシリンダ−１８を収縮することにより、把持装置１０をワークＷから切り離す。以上のようにして産業用ロボット１２は、基台２６上に置かれたワークＷを、把持装置１０で把持することにより、所望の位置へ移動することができる。

把持装置１０は、把持本体２８Ａ内に、指部３２の形状を有する弾性部３４と、形状保持部３８を有することにより、粉体を用いず、より確実にワークＷを把持することができる。把持装置１０は、粉体を用いていないので、万一、把持本体２８Ａが破裂しても、ワークＷを汚染することがない。

弾性部３４は、指部３２の形状を有するので、指部３２の先端が下向きの状態だけでなく、横向きや上向きの状態であっても、指部３２内に留まる。したがって把持装置１０は、基台上のワークＷを持ち上げるだけでなく、垂直な壁面や、天井に吊り下げられたワークＷを把持することができる。指部３２の形状を有する弾性部３４は、Jamming転移後の粉体に比べ剛性が高いので、より確実にワークＷを把持することができる。

把持装置１０は、把持本体２８Ａを減圧して掌部３０を確実に厚さ方向に変形させることにより、ワークＷを把持することができるので、把持本体２８ＡをワークＷに押し付ける必要がない。したがって把持装置１０は、食品などの柔らかいワークＷを押し潰さずに把持できるので、ワークＷの損傷を防止することができる。

把持本体２８Ａは、内部が減圧される程度によって指部３２の変形量、把持力を変えることができる。したがって把持装置１０は、ワークＷの大きさや硬さに合わせて、把持力を変えることができるので、汎用性を向上することができる。掌部３０がガイド穴４０に吸い込まれるようにして厚さ方向に変形するので、指部３２は掌部３０へ向かってより鋭角に変形する。したがって把持装置１０はより小さいワークＷも把持することができる。

形状保持部３８は、同心円状に配置された複数のリング体４４〜４６を適宜取り外すことにより、ガイド穴４０の大きさや、外形の大きさを変更することができる。したがって、形状保持部３８は、把持本体２８Ａの外周面３９の大きさや、掌部３０の大きさに合わせ、リング体４４〜４６を選択することにより、調整することができるので、汎用性を向上することができる。形状保持部３８は、最も内側に配置されたリング体４４の穴がガイド穴４０であり、最も外側に配置されたリング体４６の円周面が保持面４８である。

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。

上記実施形態では、産業用ロボット１２として直交ロボットの例を示したが、本発明はこれに限らず、スカラロボット、垂直多関節ロボットなどに適用することができる。すなわち把持装置１０は、産業用ロボットによってＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を中心に回転しても、ワークＷを把持すると共に、把持した状態を維持することができる。

把持本体２８Ａは、１種の材料で形成してもよいし、複数の異なる材料で形成された膜を積層して形成してもよい。また把持本体２８Ａは、部分的に異なる材料で形成してもよい。把持本体２８Ａの厚さは、一定でなくてもよく、部分的に厚肉部又は薄肉部を設けてもよい。

把持本体２８Ａと、弾性部３４は、一体であってもよい。この場合、把持本体２８Ａと弾性部３４は、一部又は全部が、同種の材料であってもよいし、異種材料であってもよい。

把持装置１０は、指部３２に爪部を設けることとしてもよい。爪部は、合成樹脂製の板状部材や、円錐状部材、サック状の部材を用いることができる。

上記実施形態の場合、形状保持部３８は、同心円状に配置された複数のリング体４４〜４６を有する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、１個のリング体であってもよい。１個のリング体の場合、リング体は気体の流通路を有しているのが好ましい。形状保持部３８は、１個のリング体の場合、把持本体２８Ａと一体であってもよい。形状保持部３８は、円筒状部材に限られず、ガイド穴４０を有する多角柱でもよい。

ケース３６には、ワークＷを撮影するカメラ、把持したワークＷの重量を測定する重量計、ワークＷと把持本体との距離を測定する近接センサなどを設けてもよい。

上記実施形態の場合、把持本体は、図２に示す指の長さを有する場合について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、図７に示す把持本体２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄのように、指部の長さは用途に合わせ適宜変えることができる。指部の長さに応じ、掌部の大きさも変えることができる。指部の数は、図８に示す把持本体５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃのように４本であってもよいし、図９に示す把持本体５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃのように３本でもよい。

１０ 把持装置
１２ 産業用ロボット
２８Ａ 把持本体
３０ 掌部
３２ 指部
３４ 弾性部
３８ 形状保持部
３９ 外周面
４０ ガイド穴

Claims (3)

1. 掌部と、
   前記掌部の周囲に突出して設けられ、前記掌部を厚さ方向に変形させることにより前記掌部に向かって倒れる複数の指部と
   を有する袋状の把持本体と、
   前記指部内に設けられ、前記指部の形を有する弾性部と、
   前記把持本体内に設けられ、前記掌部の外周面の収縮を防ぐリング状の形状保持部と
   を備え、
   前記形状保持部は、変形した前記掌部を受け入れるガイド穴と、前記掌部の外周面を保持する保持面とを有し、軸方向の前記指部側先端の外側に湾曲部が設けられている
   ことを特徴とする把持装置。
2. 前記弾性部は、前記指部と一体であることを特徴とする請求項１記載の把持装置。
3. 請求項１又は２記載の把持装置を設けたことを特徴とする産業用ロボット。

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