JP6568183B2 - 指先機構 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットが物を把持する際に当該物と接触する指先の機構と、この機構を組み込んだロボットハンドに関する。

複数の指先で物を把持するロボットハンドとして、特許文献１〜特許文献３に開示される機構が知られている。

特許文献１には３本の指部を備えたロボットハンドが開示され、各指部の先端の指先部は指基部内に設けたアクチュエータを駆動することで所定角度回動し、更に指先部の先端には突起部が設けられ、また、指先部の背面側に前記突起部とは別の突起部を設け、大きな物を把持する場合は、３本の指の指先部で把持し、小さなものをピンセットのように挟む場合には、２つの突起部間で把持するようにしている。

特許文献２にも、３本のロボットフィンガーユニットを備えたロボットハンドが開示され、各ロボットフィンガーユニットは、第１部材と、第２部材と、中間部材と、２つの車軸と、２つ滑車と、回転式張力調整部材と 、固定部材とを備え、各ロボットフィンガーユニットに備えた駆動部材によって駆動される。

特許文献３（図１１）には、固定部材に対し可動部材として基端部材、中間部材、先端部材を備えたロボットフィンガーが開示され、前記先端部材にガイド溝（長孔）及びコイルバネを備えた倣い機構が設けられ、この倣い機構によって、先端部材に屈曲状態への回動方向とは反対側に向けて押圧力が作用した場合に、先端部材が第２ヒンジ部を中心として回動する構造とすることで、ワークに先端部材が接触した場合や先端部材が衝突した場合等に緩和動作を行う構造としている。

特許文献１〜３のいずれも、指先部は基部に対して回動可能とされているが、被把持物体の表面形状に合わせてフリーに回動するわけではなく、リンク機構やワイヤによってその回動角度が完全に制御されている。このような構造は把持する物体とロボットの指先との接触面積が小さくなり、把持が不安定になることがある。これを解消するため、把持する物体と接触する指先部分の一部をフリー（バネによって中立位置に戻る構造を含む）にした馴染み機構を採用することも考えられる。

特開２０１５−２２９１９９号公報 特開２０１１−１２１１６２号公報 ＷＯ２００８／０２６５７４号公報

図５（ａ）は、馴染み機構を備えていない従来のロボットフィンガーで被把持物体を把持した状態を示したものであり、この場合、被把持物体とロボットフィンガー先端とが点接触に近い状態となり、把持が不安定になる。

図５（ｂ）は、馴染み機構を備えた従来のロボットフィンガーで被把持物体を把持した状態を示したものであり、回動自在とされた指の先端部と被把持物体との接触部が、被把持物体のテーパ部よりも若干上の場合、当該接触部が指の先端部の回動中心よりも先に位置するため、指の先端部が回動してしまい、指の先端部は被把持物体のテーパ部を把持することになり、この状態では、把持状態が極めて不安定になり被把持物体を持ち上げたり移動させることはできない。

特許文献３の図１０〜１４にはロボットフィンガーに長穴状のガイド溝とコイルバネからなる倣い機構が開示されている。この倣い機構はガイド溝の端部でのストッパが効いてない位置での把持状態となった場合に、ロボットフィンガーが更に伸展側に動いてしまい且つコイルスプリングは伸展側に作用しているので、ワークを固定できないことになる。また、倣い機構によって把持する際には、ワークからの反力が過度に作用しない様になること、押圧力を吸収してしまうと記載され、ワークを把持して固定するために反力を低減させたり押圧力を吸収するのは「暖簾に腕押し」状態となり十分な把持特性が得られない。
また、上記の倣い機構の場合、一旦ガイド溝を形成してしまうと、当該倣い機構によって対応できるワーク形状が決まってしまい、ワーク形状の変化に追十することができない。

したがって、被把持物体の表面形状に沿って先端部が回動して接触面積を大きくしつつ他のロボットフィンガーとの共同作業により１つの物を把持する際に、過度の回動によって把持できなくなることを防止する指先機構が望まれる。

上記の課題を解決するため、本発明に係る指先機構は、互いに連結する複数の部分からなるフィンガーユニットの被把持物体に接触する指先部が被把持物体の形状に合わせて回動自在され、この指先部の外側への回動範囲をストッパ部材によって規制するようにした。

前記ストッパ部材としては、指先部の外側に隙間を介して配置される板状ストッパなどが考えられる。

また、本発明に係るロボットハンドとしては、複数のフィンガーユニットを備え、各フィンガーユニットの先端の指先部に前記指先機構を組み込んだ構成である。

前記ロボットハンドの適用例としは、５本指の人間型ハンドの他に、２本指、３本指など複数のフィンガーユニットを備えたものであればよい。

本発明に係る指先機構によれば、馴染み機構による利点、即ち被把持物体とロボットの指先との接触面積を大きくする利点を維持しつつ、馴染み機構による欠点、即ち被把持物体との接触部の形状によっては馴染み機構が必要以上に回動して把持できなくなるという欠点を解消することができる。

その結果、把持できる物体の形状の自由度が増し、ロボットハンドに適用した場合、把持する物体の形状が途中で変化した場合でも、フィンガーユニットの先端部の交換などを行わずにそのまま作業を継続することができ、工場の混成ラインなどの作業効率が向上する。

また、本発明に係る指先機構によれば、把持対象のワークの形状が変更される場合に、ストッパ部材を別形状のストッパ部材に交換して指先部との間隔を調整することが簡単に行え、多くの種類のワークに対応できる。

本発明に係る指先機構を備えたフィンガーユニットによって大きな物体を把持した状態を示す図 同フィンガーユニットによって小さな物体を把持した状態を示す図 フィンガーユニットの先端部の拡大図 一対のフィンガーユニットの先端部によってテーパ部のある部品を把持している状態を示す拡大図 （ａ）は馴染み機構を備えていない従来のロボットフィンガーで被把持物体を把持した状態を示した図、（ｂ）は馴染み機構を備えた従来のロボットフィンガーで被把持物体を把持した状態を示した図

図１〜３に示すように、ロボットハンドＲは複数（２本または３本）のフィンガーユニット１を備える。図示例では左右の一対のフィンガーユニット１を示している。このフィンガーユニット１は、基部２、中間部３、先部４及び先部４に取付けられた指先部５からなる。

基部２はロボットハンドＲの先端部に軸２１を介して基端部が回動自在に連結された基部フレーム２２、同じく軸２１に基端部が回動自在に連結された第１リンク２３、第１リンク２３の先端部に軸２４を介して基端部が回動自在に連結された第２リンク２５からなる。

中間部３は前記第２リンク２５の先端部に軸３１を介して中間部が回動自在に連結された中間部フレーム３２を備え、この中間部フレーム３２の基端部は軸３３を介して前記基部フレーム２２の先端部に回動自在に連結され、また中間部フレーム３２の先端部には軸３４を介して前記先部４が回動自在に連結されている。

先部４はアクチュエータ部４１と被動部４２から構成され、アクチュエータ部４１は前記したように軸３４を介して中間部フレーム３２の基端部に回動自在に連結され、被動部４２はアクチュエータ部４１によって軸４３廻りに回動する。

また、前記基部フレーム２２の先端部には軸２６を介して第３リンク３５の基端部が回動自在に連結され、この第３リンク３５の先端部には軸４４を介して前記アクチュエータ部４１が連結されている。

以上において、左右のフィンガーユニット１が開いた状態、つまり図１において右側のフィンガーユニット１については図示状態よりも右側に傾いた状態、左側のフィンガーユニット１については図示状態よりも左側に傾いた状態を出発点として説明する。

上記の状態から、図示しないワイヤ或はリンク部材によって駆動部からの動力を第１リンク２３に伝達する。即ち、図において右側のフィンガーユニット１については、軸２１を中心に反時計方向に第１リンク２３を回動させ、左側のフィンガーユニット１については、軸２１を中心に時計方向に第１リンク２３を回動させる。

すると、第２リンク部材２５が上動し、右側のフィンガーユニット１にあっては軸３３を中心として中間部フレーム３２が反時計方向に回動し、左側のフィンガーユニット１にあっては軸３３を中心として中間部フレーム３２が時計方向に回動する。

軸３３を中心として中間部フレーム３２が回動すると、左右側のフィンガーユニット１ともアクチュエータ部４１が内側に移動する。ここで、アクチュエータ部４１と基部フレーム２２とは第３リンク３５を介して連結されているので、中間部フレーム３２の内側への回動に連動してアクチュエータ部４１も内側に回動し、更にアクチュエータ部４１から伸びる被動部４２及び指先部５も内側に回動し、左右のフィンガーユニット１によって被把持物体Ｗを包み込んだ図１の状態となる。

次に、指先部５の構造を説明する。指先部５は軸４５を介して被動部４２に回動自在に連結されている。指先部５は被把持物体Ｗの表面に直接接触する部分であるので、ウレタン樹脂などの被把持物体Ｗ表面に傷をつけない材料で接触面を構成することが好ましい。

指先部５は軸４５を介して回動自在に支持されているが軸４５廻りにスプリング５１を設けることで、初期位置（図３の状態）にて止まっている構造になっている。尚、この状態で被把持物体Ｗを把持すると、被把持物体Ｗの外形形状に合わせて指作部５はスプリング５１に抗して回動するため、馴染み機構を採用していることになる。

また、指先部５の内側形状は、被把持物体Ｗとの接触部Ｐが軸４５よりも内側且つ先側となる形状に設定されている。したがって、被把持物体Ｗの形状が特殊な場合にはその形状に合わせた内側形状とする必要がある。

更に、前記止まった状態の指先部５の外側に隙間を介してストッパ部材５２が設けられている。このストッパ部材５２は指先部５によって被把持物体Ｗを把持した場合に、被把持物体Ｗの形状に応じて指先部５が回動する馴染み機構による回動量を制限するためのものであり、その形状が板状をなす必要はなく、また形成する場所も指先部５の外側でなくてもよい。

以上において、被把持物体Ｗの形状として下部がテーパ状の棒部材を想定すると、従来の馴染み機構のみを採用した構造であると、図５（ｂ）に示したように、最初は指先部５が棒部材の直線部に当接していても、馴染み機構によって指先部が回動してテーパ状部に指先部５が当接することになる。この状態は極めて不安定であるので、被把持物体Ｗを移動したり持ち上げることはできない。

一方、本発明のように指先部５の馴染み機構による回動に制限を加えるようにすると、図４に示すように、仮に直線部とテーパ部を有する被把持物体Ｗのテーパ部に近接した直線部を指先部５で把持する場合に、指先部５の一部がテーパ部にかかったとしても指先部５はテーパ部に倣って回動せず、直線部をしっかり把持する。

このように、本発明の指先機構はテーパ部と直線部を有する被把持物体Ｗのテーパ部と直線部との境界部に指先部５が当たった場合でも把持状態を維持することが可能である。

被把持物体Ｗとして、端部がテーパ状となっている部材は多い。このような場合、本発明であればテーパ状部のすぐ近い箇所を指先部５によって把持する設計にすることができるが、従来の馴染み機構のみの場合には、テーパ状部に近い箇所を把持するのは避けなければならない。したがって本発明の場合にはロボットの設計の自由度が高まる。

実施例にあっては、被把持物体Ｗとの接触部Ｐが指先部の回転軸４５よりも内側且つ先側となるように指先部５の内側形状を設計する例を示したが、指先部５を被動部４２側に折り返すように設計した場合には、被把持物体Ｗとの接触部Ｐが回転軸４５よりも後側になることも考えられる。

本発明に係る指先機構は、人間型ハンドなどの産業用としても、また義手としても使用することができる。

１…フィンガーユニット、２…基部、２１…軸、２２…基部フレーム、２３…第１リンク、２４…軸、２５…第２リンク、３…中間部、３１…軸、３２…中間部フレーム、３３…軸、３４…軸、３５…第３リンク、４…先部、４１…アクチュエータ部、４２…被動部、４３…軸、４４…軸、５…指先部、５１…スプリング、５２…ストッパ部材、Ｒ…ロボットハンド、Ｗ…被把持物体、Ｐ…接触部。

Claims (1)

1. 複数のフィンガーユニットからなるロボットハンドのフィンガーユニットを構成する指先機構であって、
   前記フィンガーユニットは互いに連結する複数の部分からなり、この複数の部分のうち被把持物体に接触する指先部はウレタン樹脂などの被把持物体表面に傷をつけない材料からなるとともに被把持物体の形状に合わせて軸（４５）を中心に回動自在とされ、前記指先部の接触部は前記軸よりも内側且つ先側に位置し、また前記軸廻りに設けたスプリング（５１）により前記指先部の初期位置が決められ、前記指先部の外側には板状ストッパ部材（５２）が設けられ、この板状ストッパ部材と前記初期位置の指先部の外側との間には馴染み機構が機能する範囲となる隙間が形成されていることを特徴とする指先機構。

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