JP6487721B2 - 平行グリッパ式把持装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は開閉両方向に力を発揮できる平行グリッパ式把持装置及びその制御方法に関する。

産業用マニピュレータ等において、把持対象物を把持する把持装置は高速かつ大きな把持力を必要とする。

従来の把持装置は、把持対象物を把持するための単一のグリッパと、台座と、グリッパを台座に対して回転可能に保持するウォームホイールと、ウォームホイールとウォームギアを構成するウォームスクリューと、ウォームスクリューを駆動する第１のモータと、第１のモータを固定載置し、台座上で移動可能な台車と、台車上に設けられた立体トグル機構及び立体トグル機構を駆動するための減速比の大きい減速機を備えた第２のモータとを備えている（参照：特許文献１）。

上述の従来の把持装置において、第１のモータを第１の方向に回転させると、ウォームスクリューが第１の方向に回転してウォームホイールも回転する。この結果、ウォームホイールに保持されたグリッパが把持対象物のたとえば上部に接触する。その後、さらに第１のモータを第１の方向の回転を持続させると、差動機構的動作によりウォームホイールの回転が停止してウォームスクリューがウォームホイールの回転に対して反対方向に移動し、従って、第１のモータと共に台車が台座上で一方向に移動する。この場合、ウォームスクリューが移動する間、つまり、第１の台車が移動する間は、把持対象物に対するグリッパの把持力はほとんど変化しない。この結果、台車が台座の一端で停止すると、第１のモータの回転を停止させると共に第２のモータを回転させて立体トグル機構を駆動させる。この結果、立体トグル機構の大きな押圧力によって第１のモータと共に台車を上述の方向と反対方向に移動させることによりウォームスクリューが移動してウォームホイールをさらに回転させ、グリッパが把持対象物の上部を強く把持することになる。このように、第１のモータによって高速にグリッパを把持対象物の上部に接触させて差動機構的動作をさせた後に、第２のモータによる立体トグル機構の駆動によってグリッパが大きな把持力によって把持対象物の上部を強く把持する（参照：特許文献１の図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ））。

逆に、第１のモータを第２の方向に回転させると、ウォームスクリューが第２の方向に回転してウォームホイールも回転する。この結果、ウォームホイールに保持されたグリッパが把持対象物のたとえば下部に接触する。その後、さらに第１のモータを第２の方向の回転を持続させると、差動機構的動作によりウォームホイールの回転が停止してウォームスクリューがウォームホイールの回転に対して反対方向に移動し、従って、第１のモータと共に台車が台座上で反対方向に移動する。この場合も、ウォームスクリューが移動する間、つまり、第１の台車が移動する間は、把持対象物に対するグリッパの把持力はほとんど変化しない。この結果、台車が台座の他端で停止すると、第１のモータの回転を停止させると共に第２のモータを回転させて立体トグル機構を駆動させる。この結果、立体トグル機構の大きな押圧力によって第１のモータと共に台車を上述の方向と反対方向に移動させることによりウォームスクリューが移動してウォームホイールをさらに回転させ、グリッパが把持対象物の下部を強く把持することになる。このように、第１のモータによって高速にグリッパを把持対象物の下部に接触させて差動機構的動作をさせた後に、第２のモータによる立体トグル機構の駆動によってグリッパが大きな把持力によって把持対象物の下部を強く把持する（参照：特許文献１の図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ））。

上述の従来の把持装置を適用した従来の平行グリッパ式把持装置においては、ウォームホイールに結合された単一のグリッパの代りに、直列に結合されたねじ加工方向が異なる左送りねじ及び右送りねじをウォームホイールに結合し、左送りねじ及び右送りねじにナットを介して左グリッパ及び右グリッパの２つのグリッパを平行に取付ける（参照：特許文献１の図１０）。これにより、第１のモータによって高速に左右グリッパを把持対象物に接触させた後に差動機構的動作をさせた後に、第２のモータによる立体トグル機構の駆動によって左右グリッパが大きな把持力で把持対象物を強く把持する。

特許第４５８１１１７号公報 特開２０１０−２３１８５号公報

しかしながら、上述の従来の平行グリッパ式把持装置においては、第１、第２のモータによる駆動はウォームギア（ウォームスクリュー及びウォームホイール）と送りねじとを介して左右グリッパに伝播するので、高速駆動に限度があるという課題がある。また、ウォームギアと左右対称に結合された２つの送りねじとの組合せを必要とするので、製造コストが高いという課題もある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る平行グリッパ式把持装置は、主台座と、主台座上に移動可能に設けられ、第１、第２の突起を有する第１の台座と、主台座上に移動可能に設けられ、各第２、第１の突起に対応した第３、第４の突起を有する第２の台座と、第１の台座に嵌め込められた第１の送りねじと、第２の台座に嵌め込められた第２の送りねじと、第１の送りねじに第１のナットを介して取付けられた第１のグリッパと、第２の送りねじに第２のナットを介して取付けられた第２のグリッパと、第１、第２の送りねじを同時に駆動して第１、第２のグリッパを対称的に移動させるための第１のモータと、第１、第２の突起間かつ第３、第４の突起間の主台座上に移動可能に設けられた第３の台座と、第３の台座上に設けられた第２のモータと、第２のモータによって駆動され第１、第３の突起間距離または第２、第４の突起間距離を拡張するためのトグル機構とを具備するものである。

また、本発明に係る平行グリッパ式把持装置の制御方法は、上述の平行グリッパ式把持装置において、第１のモータに第１の駆動電流を供給して第１、第２の送りねじを回転させることにより第１、第２のグリッパを把持対象物に接触させる把持対象物接触段階と、把持対象物接触段階の後に、第１のモータへの第１の駆動電流の供給を持続させて第１、第２の台座を移動させ、第１の台座の第１または第２の突起及び第２の台座の第３または第４の突起を第２のモータ及びトグル機構に接触させる差動機構的動作段階と、差動機構的動作段階の後に、第１のモータへの第１の駆動電流の供給を停止すると共に第２のモータへ第２の駆動電流を供給してトグル機構を駆動させるトグル駆動段階とを具備するものである。

本発明によれば、第１、第２のモータによる駆動は、ウォームギアを介さずに、送りねじを介して第１、第２のグリッパに伝播するので、高速駆動が可能となる。また、ウォームギアと左右対称に結合された２つの送りねじとの組合せを不要とするので、製造コストを低減できる。さらに、トグル機構は両方向に把持力を発揮するので、グリッパの把持力を大きくできる。

本発明に係る平行グリッパ式把持装置の実施の形態を示す正面図である。 図１の左台座、右台座の拡大斜視図である。 図１の立体トグル機構の例を示す斜視図であって、（Ａ）は動作前状態を示し、（Ｂ）は動作後状態を示す。 図１の平行グリッパ式把持装置の第１の把持動作を説明するための正面図である。 図１の平行グリッパ式把持装置の第２の把持動作を説明するための正面図である。

図１は本発明に係る平行グリッパ式把持装置の実施の形態を示す正面図である。

図１において、主台座１−０上に左台座１−１、右台座１−２が対向して左右に移動可能に設けられている。

左台座１−１には送りねじ２−１が嵌め込められ、送りねじ２−１にはナット３−１を介して左グリッパ４−１が取付けられている。また、右台座１−２には送りねじ２−２が嵌め込められ、送りねじ２−２にはナット３−２を介して右グリッパ４−２が取付けられている。

送りねじ２−１、２−２はモータ５によって同時に回転駆動される。この場合、送りねじ２−１に対するモータ５の伝達ギア機構６−１と送りねじ２−２に対するモータ５の伝達ギア機構６−２は、ほぼ同一であるが、伝達ギア機構６−１には、回転方向反転ギア６ａが付加されている点で異なる。尚、送りねじ２−１のねじ加工方向と送りねじ２−２のねじ加工方向とが反対であれば、回転方向反転ギア６ａは不要である。従って、送りねじ２−１、２−２は互いに逆方向に回転駆動される。また、伝達ギア機構６−１、６−２のギアは長く、従って、左右に移動しても、移動力をグリッパ４−１、４−２に伝達可能となっている。ナット３−１及び左グリッパ４−１とナット３−２及び右グリッパ４−２とは左右対称的に移動する。さらに、モータ５の回転は減速せずに伝達ギア機構６−１、６−２を介して送りねじ２−１、２−２に伝達されるので、モータ５による送りねじ２−１、２−２の回転駆動は小さなトルクで行われて高速である。

図２の（Ａ）に詳細を示すごとく、左台座１−１の下側に突起１−１ａ、１−１ｂが設けられ、また、図２の（Ｂ）に詳細を示すごとく、右台座１−２の下側に各突起１−１ｂ、１−１ａに対応した突起１−２ａ、１−２ｂが設けられている。この場合、突起１−１ａは２つあり、また、突起１−１ｂは２つあり、突起１−２ａ、１−２ｂが突起１−１ａ間、突起１−１ｂ間で移動できるようになっている。但し、突起１−１ａ、１−１ｂ及び突起１−２ａ、１−２ｂの数は任意である。また、突起１−１ａと突起１−１ｂとの間隔は突起１−２ａと突起１−２ｂとの間隔と同一である。

ばね７−１は板部材７−１０を介して左台座１−１の突起１−１ａ及び右台座１−２の突起１−２ｂの両方を押圧でき、また、ばね７−２は板部材７−２０を介して右台座１−２の突起１−２ａ及び左台座１−１の突起１−１ｂの両方を押圧できる。従って、把持対象物が中央に存在すれば、左台座１−１の突起１−１ａ、１−１ｂと右台座１−２の突起１−２ａ、１−２ｂとは左右対称の位置となっている。つまり、把持対象物がグリッパ１−１、１−２の中間に存在すれば、左台座１−１、右台座１−２及び左グリッパ４−１、右グリッパ４−２は左右対称に移動する。たとえば、左台座１−１が左側へ移動しかつ右台座１−２が右側へ移動すると、ばね７−１は板部材７−１０を介して左台座１−１の突起１−１ａのみを押圧し、かつばね７−２は板部材７−２０を介して右台座１−２の突起１−２ａのみを押圧する。逆に、左台座１−１が右側へ移動しかつ右台座１−２が左側へ移動すると、ばね７−１は板部材７−１０を介して右台座１−２の突起１−２ｂのみを押圧し、かつばね７−２は板部材７−２０を介して左台座１−１の突起１−１ｂのみを押圧する。

左台座１−１の突起１−１ａと突起１−１ｂとの間及び右台座１−２の突起１−２ａと突起１−２ｂとの間にあっては、主台座１−０上に左右に移動可能である台座１−３が設けられ、モータ８、減速機８ａ及び立体トグル機構９が中台座１−３上に設けられている。この場合、モータ８の回転は減速機８ａを介して立体トグル機構９に伝達されるので、立体トグル機構９の駆動は高速でないが、大きなトルクで行われる。

図１の立体トグル機構９は、図３に詳細を示すごとく、２つの板材９１、９２と、板材９１、９２間に配置された２つ以上たとえば３つのリンク９３、９４、９５とによって構成されている（参照：特許文献２の図２）。リンク９３、９４、９５の各端部は板材９１、９２の互いに平行に対向する面上に回転中心から偏心した位置に回転自在に取り付けられている。従って、減速機７ａを介してモータ７の大きなトルクで板材９１、９２を相対的に、図３の（Ｂ）の矢印で示すごとく、回転させると、図３の（Ａ）に示す動作前の板材９１、９２間の縮小状態の小さな距離ＤＡは図３の（Ｂ）に示す動作後の板材９１、９２間の拡張状態の大きな距離ＤＢとなる。この場合、図３の（Ｂ）の拡張状態では、リンク９３、９４、９５は伸び切った状態であり、従って、エネルギーを消費せずに大きな押圧力を維持できる。尚、図１の立体トグル機構９は、図３の構造に限定されず、他のトグル構造でもよい。

制御ユニット１０はモータ５、７を制御するためのものであって、たとえばマイクロコンピュータによって構成される。制御ユニット１０は、モータ５に対して順方向駆動電流Ｉ１または逆方向駆動電流Ｉ１’を供給すると共に、モータ５からの回転停止による制動電流Ｉ２を受ける。また、制御ユニット１０は、モータ８に対して順方向駆動電流Ｉ３または逆方向駆動電流Ｉ３’を供給する。

図１の制御ユニット１０による図１の平行グリッパ式把持装置の第１の動作を図４を参照して説明する。この第１の動作は把持対象物Ｘを左グリッパ４−１、右グリッパ４−２を閉じて把持する動作である。また、立体トグル機構９は動作前状態にあって、縮小状態に初期化されているものとする。

始めに、図４の（Ａ）の把持対象物接触段階を参照すると、制御ユニット１０はモータ５に順方向駆動電流Ｉ１を供給する。従って、モータ５が順方向に回転する。この結果、伝達ギア機構６−１による送りねじ２−１の回転によって左グリッパ４−１が右側へ移動し、伝達ギア機構６−２による送りねじ２−２の回転によって右グリッパ４−２が左側へ移動する。最後に、左グリッパ４−１及び右グリッパ４−２が把持対象物Ｘに接触して左グリッパ４−１及び右グリッパ４−２は停止する。

左グリッパ４−１及び右グリッパ４−２が停止しても、モータ５の順方向回転は持続するので、図４の（Ｂ）の差動機構的動作段階に進む。差動機構的動作段階においては、送りねじ２−１の回転によって左台座１−１が左側へ移動し、従って、突起１−１ａ、１−１ｂも左側へ移動し、ばね７−１が突起１−１ａを押圧する。同様に、送りねじ２−２の回転によって右台座１−２が右側へ移動し、従って、突起１−２ａ、１−２ｂも右側へ移動し、ばね７−２が突起１−２ａを押圧する。この結果、突起１−１ｂが立体トグル機構９に接触すると共に、突起１−２ｂがモータ８に接触し、従って、左台座１−１及び右台座１−２の移動が停止してモータ５は停止する。尚、差動機構的動作段階においては、左グリッパ４−１と右グリッパ４−２との把持力はほとんど変化しない。このモータ５の停止を制御ユニット１０はモータ５の制動電流Ｉ２によって検出すると、図４の（Ｃ）に示すトグル駆動段階に進む。

トグル駆動段階においては、制御ユニット１０はモータ５への順方向駆動電流Ｉ１の供給を停止し、順方向駆動電流Ｉ３をモータ８に所定時間供給する。この結果、立体トグル機構９が駆動して台座１−１の突起１−１ｂ及び台座１−２の突起１−２ｂを、矢印で示すごとく、両方向に押し広げる。つまり、立体トグル機構９は両方向に押圧力を発揮する。従って、左グリッパ４−１及び右グリッパ４−２により大きな把持力を発生させる。この状態で、制御ユニット１０はモータ８への順方向駆動電流Ｉ３の供給を停止するが、左グリッパ４−１と右グリッパ４−２との大きな把持力は立体トグル機構９の拡張状態によって消費電力なしで維持され、グリッパ開による把持動作は終了する。

尚、次の把持動作を行う前に、制御ユニット１０はモータ８へ逆方向駆動電流Ｉ３’を所定時間供給して立体トグル機構９を縮小状態に初期化しておく。

次に、図１の制御ユニット１０による図１の平行グリッパ式把持装置の第２の動作を図５を参照して説明する。この第２の動作は把持対象物Ｙを左グリッパ４−１、右グリッパ４−２を押し広げて把持する動作である。また、この場合も、立体トグル機構９は動作前状態にあって、縮小状態に初期化されているものとする。

始めに、図５の（Ａ）の把持対象物接触段階を参照すると、制御ユニット１０はモータ５に逆方向駆動電流Ｉ１’を供給する。従って、モータ５が逆方向に回転する。この結果、伝達ギア機構６−１による送りねじ２−１の回転によって左グリッパ４−１が左側へ移動し、伝達ギア機構６−２による送りねじ２−２の回転によって右グリッパ４−２が右側へ移動する。最後に、左グリッパ４−１及び右グリッパ４−２が把持対象物Ｙに接触して左グリッパ４−１及び右グリッパ４−２は停止する。

左グリッパ４−１及び右グリッパ４−２が停止しても、モータ５の逆方向回転は持続するので、図５の（Ｂ）の差動機構的動作段階に進む。差動機構的動作段階においては、送りねじ２−１の回転によって左台座１−１が右側へ移動し、従って、突起１−１ａ、１−１ｂも右側へ移動し、ばね７−２が突起１−１ｂを押圧する。同様に、送りねじ２−２の回転によって右台座１−２が左側へ移動し、従って、突起１−２ａ、１−２ｂも左側へ移動し、ばね７−１が突起１−２ｂを押圧する。この結果、突起１−２ａが立体トグル機構９に接触すると共に、突起１−１ａがモータ８に接触し、従って、左台座１−１及び右台座１−２の移動が停止してモータ５は停止する。尚、差動機構的動作段階においては、左グリッパ４−１と右グリッパ４−２との把持力はほとんど変化しない。このモータ５の停止を制御ユニット１０はモータ５の制動電流Ｉ２によって検出すると、図５の（Ｃ）に示すトグル駆動段階に進む。

トグル駆動段階においては、制御ユニット１０はモータ５への逆方向駆動電流Ｉ１’の供給を停止し、順方向駆動電流Ｉ３をモータ８に所定時間供給する。この結果、立体トグル機構９が駆動して台座１−１の突起１−１ｂ及び台座１−２の突起１−２ｂを、矢印で示すごとく、両方向に押し広げる。つまり、立体トグル機構９は両方向に押圧力を発揮する。従って、左グリッパ４−１及び右グリッパ４−２により大きな把持力を発生させる。この状態で、制御ユニット１０はモータ８への順方向駆動電流Ｉ３の供給を停止するが、左グリッパ４−１と右グリッパ４−２との大きな把持力は立体トグル機構９の拡張状態によって消費電力なしで維持され、グリッパの押し広げによる把持動作は終了する。

尚、この場合も、次の把持動作を行う前に、制御ユニット１０はモータ８へ逆方向駆動電流Ｉ３’を所定時間供給して立体トグル機構９を縮小状態に初期化しておく。

このように、上述の実施の形態においては、モータ５、８による駆動はウォームギアを用いずに送りねじ２−１、２−２を介して左グリッパ４−１及び右グリッパ４−２に伝播するので、高速駆動が可能である。また、送りねじ２−１、２−２は通常の送りねじでよいので、製造コストを低減できる。さらに、立体トグル機構９は両方向で把持力を発揮できるので、左グリッパ４−１及び右グリッパ４−２の把持力を大きくできる。

尚、上述の実施の形態では、モータ５の回転停止を制動電流で検出しているが、突起１−１ａ、１−１ｂ、１−２ａ、１−２ｂとの接触を検出する接触センサ（スイッチ）を設け、このセンサの出力によってモータ５の回転停止を検出してもよい。

また、ばね７−１を２つ設け、各ばね７−１で突起１−１ａ、１−２ｂを個別的に押圧し、同様に、ばね７−２を２つ設け、各ばね７−２で突起１−２ａ、１−１ｂを個別的に押圧するようにしてもよい。この場合、板部材７−１０、７−２０は不要である。

さらに、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更にも適用し得る。

１：主台座
１−１：左台座
１−１ａ、１−１ｂ：突起
１−２：右台座
１−２ａ、１−２ｂ：突起
１−３：中台座
２−１、２−２：送りねじ
３−１、３−２：ナット
４−１：左グリッパ
４−２：右グリッパ
５：モータ
６−１、６−２：伝達ギア機構
６ａ：回転方向反転ギア
７−１、７−２：ばね
７−１０、７−２０：板部材
８：モータ
８ａ：減速機
９：立体トグル機構
９１、９２：板材
９３、９４、９５：リンク
１０：制御ユニット

Claims (10)

1. 主台座と、
   前記主台座上に移動可能に設けられ、第１、第２の突起を有する第１の台座と、
   前記主台座上に移動可能に設けられ、前記各第２、第１の突起に対応した第３、第４の突起を有する第２の台座と、
   前記第１の台座に嵌め込められた第１の送りねじと、
   前記第２の台座に嵌め込められた第２の送りねじと、
   前記第１の送りねじに第１のナットを介して取付けられた第１のグリッパと、
   前記第２の送りねじに第２のナットを介して取付けられた第２のグリッパと、
   前記第１、第２の送りねじを同時に駆動して前記第１、第２のグリッパを対称的に移動させるための第１のモータと、
   前記第１、第２の突起間かつ前記第３、第４の突起間の前記主台座上に移動可能に設けられた第３の台座と、
   前記第３の台座上に設けられた第２のモータと、
   前記第２のモータによって駆動され前記第１、第３の突起間距離または前記第２、第４の突起間距離を拡張するためのトグル機構と
   を具備する平行グリッパ式把持装置。
2. 前記第１の台座の前記第１、第２の突起間距離と前記第２の台座の前記第３、第４の突起間距離とが同一である請求項１に記載の平行グリッパ式把持装置。
3. さらに、
   前記主台座に設けられ、前記第１の台座の第１の突起及び前記第２の台座の第４の突起の両方を第１の板部材を介して押圧するための第１のばねと、
   前記主台座に設けられ、前記第２の台座の第３の突起及び前記第１の台座の第２の突起の両方を第２の板部材を介して押圧するための第２のばねと
   を具備する請求項１に記載の平行グリッパ式把持装置。
4. さらに、前記主台座に設けられ、前記各第１、第２、第３、第４の突起を個別的に押圧するための４つのばねを具備する請求項１に記載の平行グリッパ式把持装置。
5. さらに、
   前記第１の送りねじと前記第１のモータとの間に設けられた第１の伝達ギア機構と、
   前記第２の送りねじと前記第１のモータとの間に設けられた第２の伝達ギア機構と
   を具備する請求項１に記載の平行グリッパ式把持装置。
6. 前記第１の送りねじのねじ加工方向と前記第２の送りねじのねじ加工方向とが同一であり、
   前記第１、第２の伝達ギア機構の一方は回転方向反転ギアを具備する請求項５に記載の平行グリッパ式把持装置。
7. 前記第１の送りねじのねじ加工方向と前記第２の送りねじのねじ加工方向とが反対である請求項５に記載の平行グリッパ式把持装置。
8. 主台座と、
   前記主台座上に移動可能に設けられ、第１、第２の突起を有する第１の台座と、
   前記主台座上に移動可能に設けられ、前記第２、第１の突起に対応した第３、第４の突起を有する第２の台座と、
   前記第１の台座に嵌め込められた第１の送りねじと、
   前記第２の台座に嵌め込められた第２の送りねじと、
   前記第１の送りねじに第１のナットを介して取付けられた第１のグリッパと、
   前記第２の送りねじに第２のナットを介して取付けられた第２のグリッパと、
   前記第１、第２の送りねじを同時に駆動して前記第１、第２のグリッパを対称的に移動させるための第１のモータと、
   前記第１、第２の突起間かつ前記第３、第４の突起間の前記主台座上に移動可能に設けられた第３の台座と、
   前記第３の台座上に設けられた第２のモータと、
   前記第２のモータによって駆動され前記第１、第３の突起間距離または前記第２、第４の突起間距離を拡張するためのトグル機構と
   を具備する平行グリッパ式把持装置において、
   前記第１のモータに第１の駆動電流を供給して前記第１、第２の送りねじを回転させることにより前記第１、第２のグリッパを把持対象物に接触させる把持対象物接触段階と、
   前記把持対象物接触段階の後に、前記第１のモータへの前記第１の駆動電流の供給を持続させて前記第１、第２の台座を移動させ、前記第１の台座の前記第１または第２の突起及び前記第２の台座の前記第３または第４の突起を前記第２のモータ及び前記トグル機構に接触させる差動機構的動作段階と、
   前記差動機構的動作段階の後に、前記第１のモータへの前記第１の駆動電流の供給を停止すると共に前記第２のモータへ第２の駆動電流を供給して前記トグル機構を駆動させるトグル駆動段階と
   を具備する平行グリッパ式把持装置の制御方法。
9. 前記第１の台座の前記第１または第２の突起及び前記第２の台座の前記第３または第４の突起の前記第２のモータ及び前記トグル機構への接触を前記第１のモータの制動電流によって検出して前記差動機構的動作段階から前記トグル駆動段階へ進む請求項８に記載の平行グリッパ式把持装置の制御方法。
10. 前記第１の台座の前記第１または第２の突起及び前記第２の台座の前記第３または第４の突起の前記第２のモータ及び前記トグル機構への接触を接触センサによって検出して前記差動機構的動作段階から前記トグル駆動段階へ進む請求項８に記載の平行グリッパ式把持装置の制御方法。

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