JP6769318B2

JP6769318B2 - 把持装置

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Publication number: JP6769318B2
Application number: JP2017017527A
Authority: JP
Inventors: 林太郎長岡; 諒児島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-02-02
Filing date: 2017-02-02
Publication date: 2020-10-14
Anticipated expiration: 2037-02-02
Also published as: JP2018122408A

Description

本発明は、物品を把持して作業を行うための把持機構を備えた把持装置に関する。

工場などにおいて、部品などの物品を移動させるなどの目的で、ロボットにハンドが装着され、ロボットによる物品の把持が行われている。ハンドには様々な形態があるが、その中に吸着方式のハンドがある。以降では、吸着方式のハンドを吸着ハンドと呼ぶ。吸着ハンドは、吸着パッドを備えており、吸着パッドを対象物となる物品に密着させた状態で、外部の負圧発生源を用いて吸着パッド内の空気を排出して負圧とし、大気圧との差圧によって把持力を発生させる。吸着ハンドでは、吸着パッドと対象物との密着性、および吸着した際の吸着部分の面積が、把持する力に影響する。しかし、対象物の種類によって、吸着させることができる面積は変化する。従来、複数種類の対象物の把持を可能とする吸着ハンドが提案されている。例えば、特許文献１には、対象物に応じて吸着パッドを選択的に作動させる吸着装置が記載されている。

特開２００４−３０６１６９

しかし、特許文献１に記載の吸着装置においては、負圧通路を分岐する必要がある。さらに、特許文献１に記載の吸着装置においては、吸着パッドの変形状態を検出する検知手段を設け、検知手段からの出力に応じて、分岐した負圧通路の負圧を調整する機構が必要となる。したがって、特許文献１に記載の従来の吸着装置には、構造が複雑となるという課題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、簡単な構造で、様々な対象物を把持可能な把持装置を得ることを目的とする。

本発明における把持装置は、吸着部を備え、吸着部で対象物を吸着して把持する把持装置であって、吸着部は、空気を排出させる排気部と、対象物を把持する際に対象物に接触させる接触部と、少なくとも１方向に伸縮可能な伸縮部とを備え、排気部及び接触部で開口した中空構造であり、伸縮部は、排気部と接触部とを結んだ伸縮方向に伸縮可能であり、伸縮部の中空空間は、排気部側から接触部側にかけて、段階的に広くなり、吸着部の側面に取り付けられ、一端が接触部の近辺に接続され、多端が排気部の近辺に接続されたチューブと、チューブの内部の圧力を調整する圧力調整部と、を備えることを特徴とするものである。

本発明における把持装置によれば、簡単な構造で、様々な対象物を把持可能となる。

本発明の実施の形態１による把持装置を備えたロボットシステムの構成の一例を示す図である。本発明の実施の形態１による把持装置を備えたロボットシステムにおける負圧発生源の性能を説明するための図である。本発明の実施の形態１による把持装置において伸縮部が伸びた状態での吸着ハンドの外観を示す斜視図である。本発明の実施の形態１による把持装置において伸縮部が伸びた状態での吸着ハンドの切断形状を示す斜視図である。本発明の実施の形態１による把持装置において伸縮部が縮んだ状態での吸着ハンドの外観を示す斜視図である。本発明の実施の形態１による把持装置において伸縮部が縮んだ状態での吸着ハンドの切断形状を示す斜視図である。本発明の実施の形態１による把持装置において伸縮部の一部が縮んだ状態での吸着ハンドの外観を示す斜視図である。本発明の実施の形態１による把持装置において伸縮部の一部が縮んだ状態での吸着ハンドの切断形状を示す斜視図である。本発明の実施の形態１による把持装置で一方に長い物品を把持する様子を示す斜視図である。本発明の実施の形態１による把持装置で一方に長い物品を把持する様子を説明するための図である。本発明の実施の形態１による把持装置で一方に長い物品を把持する様子を説明するための比較例を示す説明図である。本発明の実施の形態１による把持装置で一方に長い別の物品を把持する様子を示す斜視図である。本発明の実施の形態１による把持装置で一方に長い別の物品を把持する様子を説明するための図である。本発明の実施の形態１による把持装置で球体の物品を把持する様子を示す斜視図である。本発明の実施の形態１による把持装置における吸着ハンドの進展機構を説明するための図である。本発明の実施の形態１による把持装置における吸着ハンドの進展機構を説明するための図である。本発明の実施の形態２による把持装置において伸縮部が伸びた状態での吸着ハンドの外観を示す斜視図である。本発明の実施の形態２による把持装置において伸縮部が伸びた状態での吸着ハンドの切断形状を示す斜視図である。本発明の実施の形態２による把持装置において伸縮部が縮んだ状態での吸着ハンドの外観を示す斜視図である。本発明の実施の形態２による把持装置において伸縮部の一部が縮んだ状態での吸着ハンドの切断形状を示す斜視図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における把持装置１００を備えたロボットシステムの構成の一例を示す図である。図１に示すロボットシステムは、把持装置１００、負圧発生源２００、配管３００、及び制御装置４００を備え、把持装置１００で対象物である物品５００を把持する。把持装置１００は、ロボットアーム１１０と、吸着ハンド１２０とを備えている。吸着ハンド１２０は、物品５００を吸着して把持する吸着方式のハンドである。吸着ハンド１２０は、ロボットアーム１１０に取り付けられている。さらに、吸着ハンド１２０は、吸着パッド１３０を備えている。吸着ハンド１２０が、吸着部に相当する。

制御装置４００は、把持装置１００及び負圧発生源２００と制御線で接続されている。制御装置４００は、制御線を介して制御信号を送信することで、把持装置１００及び負圧発生源２００の動作を制御する。制御装置４００は、メモリ及びプロセッサで構成することができる。なお、本実施の形態の把持装置１００では、吸着パッド１３０を備えた吸着ハンド１２０を吸着部としているが、吸着パッド１３０を配管３００に直接に接続しても良く、この場合、吸着パッド１３０が吸着部となる。また、ロボットアームは単にアームと呼ぶこともできる。さらに、本実施の形態では、ロボットアーム１１０と吸着ハンド１２０とを備えたロボットシステムを例に挙げて説明するが、必ずしもロボットシステムへの適用に限定されるものではない。

配管３００は、負圧発生源２００と吸着ハンド１２０とを接続し、負圧発生源２００と吸着ハンド１２０との間の空気の流通を可能としている。ロボットアーム１１０は、吸着ハンド１２０を移動させ、物品５００の表面に吸着ハンド１２０を密着させる。物品５００の表面に吸着ハンド１２０が密着した状態で、負圧発生源２００は、配管３００を介して、吸着ハンド１２０の内部の空気を排出する。この結果、吸着ハンド１２０の内部に負圧が生じ、吸着ハンド１２０の外部との圧力差によって、物品が吸着ハンド１２０に吸着する。

吸着ハンド１２０で物品５００を吸着した際の把持力Ｆは、吸着ハンド１２０が物品５００に吸着している面積をＡ、その際の吸着ハンド１２０の内部の負圧をＰとすると、式（１）で表される。ここで、負圧とは、大気圧と比較した結果マイナスとなる圧力を意味しており、物品５００を吸着ハンド１２０へ押し付け、持ち上げる力を生み出す。また、負圧は、絶対圧力と大気圧との差であるゲージ圧で表される。

式（１）から、より大きな把持力Ｆを得るためには、負圧Ｐの絶対値を大きくするか、吸着する面積Ａを大きくする必要があることが分かる。しかし、負圧Ｐの絶対値は、最高でも１気圧であり上限がある。このことから、重量の大きな物品５００を把持する際や、外力が加わっても物品５００を把持し続けるためには、出来るだけ大きな吸着面積Ａを確保することが重要である。また、物品５００の表面の小さな領域に過度に大きな力を加えることも望ましくない。この点からも、出来るだけ大きな吸着面積Ａを確保することが重要となる。

一方で、吸着ハンド１２０をむやみに大きくしても、物品５００が小さい場合、もしくは物品５００が凹凸などの複雑な形状を持つ場合には、吸着ハンド１２０を物品５００に押し付けた時に、吸着ハンド１２０と物品５００との間に隙間が生じてしまう。吸着ハンド１２０と物品５００との間に隙間が生じると、隙間から吸着ハンド１２０の内部に空気が流入し、その結果、把持装置１００は十分な吸着力を得られない。

負圧発生源２００としては、イジェクタ、真空ポンプ、ブロアなど、空気を排出して圧力を低下させる様々な機器が用いられる。図２は、負圧発生源２００の性能を説明するための図である。図２において、縦軸は発生する負圧の大きさであり、横軸は空気の流量である。図２に示すように、負圧発生源２００の性能は、空気の流量Ｑと、負圧の大きさＰとの関係で表される。図２に示すように、発生する負圧が最も高まるのは、流量が０の時である。流量が０となるのは、締め切り状体（空間が密閉されている状態）の場合である。したがって、大きな吸着力を得るためには、吸着ハンド１２０が隙間なく物品５００に密着することが望ましい。さらに、吸着ハンド１２０と物品５００との間の隙間が一定以上の大きさになると、隙間から流入する空気の量が、負圧発生源２００によって排出できる上限に達する。この場合には、負圧は０となるため、把持装置１００は、まったく把持力を生じさせることができない。

以上のことから、一般的には、吸着ハンド１２０と物品５００との間に隙間ができず、しかも出来るだけ大きな吸着面積を得ることができる吸着ハンド１２０が、物品５００に応じて選択されることになる。しかし、同一の吸着ハンド１２０で、複数の種類の物品５００を把持する必要がある場合は、吸着面積が最も小さい物品５００に合わせて吸着ハンド１２０が選択されることになる。この時、複数の種類の物品５００のうち、いずれかの物品５００において、物品５００の重量と吸着可能な面積及び吸着時に吸着ハンド１２０内で得られる負圧との関係が適切でなければ、単一の吸着ハンド１２０では、全ての種類の物品５００を把持することができない。以上のことから、多様な物品５００を単一の吸着ハンド１２０で把持することは、難しい課題である。

しかし、単一の吸着ハンド１２０であっても、大きさの異なる複数種類の物品５００を把持する際に、それぞれの物品５００に応じて適切な吸着面積を得ることが出来れば、把持装置１００は、単一の吸着ハンド１２０で複数種類の物品５００を把持可能となる。本実施の形態の把持装置１００は、このような汎用性の高い把持装置１００となる。

図３は、本実施の形態の把持装置１００における吸着ハンド１２０の外観を示す斜視図であり、後述する伸縮部１２３が伸びた状態における吸着ハンド１２０の外観を示す斜視図である。また、図４は、本実施の形態の把持装置１００における吸着ハンド１２０の切断形状を示す斜視図であり、後述する伸縮部１２３が伸びた状態における吸着ハンド１２０の切断形状を示す斜視図である。なお、図４は、吸着ハンド１２０をＸ−Ｚ平面と平行な面で切断した形状を示している。図３、図４において、吸着ハンド１２０の底面と平行で、互いに直交する軸をＸ軸およびＹ軸とする。また、図３、図４において、吸着ハンド１２０の底面に対して垂直となる軸をＺ軸とする。Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は、以降の図面においても同様である。

吸着ハンド１２０は、上面及び底面が開口した中空構造となっている。また、吸着ハンド１２０の上面は、排気部１２１となっている。排気部１２１の開口は、配管３００を介して負圧発生源２００に接続されている。したがって、吸着ハンド１２０の内部の空気は、排気部１２１の開口から排出されることになる。一方、吸着ハンド１２０の底面は、物品５００を把持する際に、物品５００に接触する接触部１２２となっている。接触部１２２も開口している。

さらに、吸着ハンド１２０は、伸縮部１２３を備えている。伸縮部１２３は、Ｚ軸方向に伸縮できるように構成されている。すなわち、伸縮部１２３のＺ方向の長さは、長くなったり、短くなったりする。この詳細については後述する。なお、図３および図４は、伸縮部１２３が伸びた状態における吸着ハンド１２０の外観及び切断形状を示している。伸縮方向であるＺ方向は、排気部１２１と接触部１２２とを結んだ方向である。より厳密には、Ｚ方向は、排気部１２１の開口の中心と、接触部１２２の開口の中心とを結んだ方向である。

なお、吸着ハンド１２０は中空構造なので、伸縮部１２３も排気部１２１側及び接触部１２２側で開口した中空構造となっている。ここで、排気部１２１側及び接触部１２２側とは、空気の流路における相対的な位置関係を指している。なお、空気の流路は、接触部１２２の開口から吸着ハンド１２０の中空空間を経由して排気部の開口へと至る。排気部１２１側とは、空気の流路において、他の位置と比較して排気部１２１に近い位置を意味する。一方、接触部１２２側とは、空気の流路において、他の位置と比較して接触部１２２に近い位置を意味する。

ここで、図３及び図４の吸着ハンド１２０において、排気部１２１の開口は、接触部１２２の開口と対向して設けられている。しかし、排気部１２１の開口は、接触部１２２の開口と必ずしも対向している必要はない。例えば、吸着ハンド１２０は折れ曲がっていても良い。この場合、伸縮方向は、空気の流路の方向と解釈できる。すなわち、排気部１２１と接触部１２２とを結んだ方向とは、空気の流路に沿って排気部１２１と接触部１２２とを結んだ方向であり、必ずしも直線的に結んだ方向を意味するわけではない。さらに、伸縮方向は、伸縮部１２３が備える排気部１２１側の開口の中心と、接触部１２２側の開口の中心とを結んだ方向と言うこともできる。

伸縮部１２３の内部の中空空間は、排気部１２１側から接触部１２２側に向かうにつれて、段階的に広くなっている。言い換えると、伸縮部１２３の内部の中空空間は、−Ｚ方向に進むにつれて、段階的に広くなっている。ここで、中空空間が広くなるとは、伸縮方向と垂直な面で中空空間を切断した時に、切断面の面積が大きくなることを意味する。本実施の形態の把持装置１００においては、伸縮部１２３を吸着パッド１３０とする。

伸縮部１２３は、第１の筒状部１２４ａ、第２の筒状部１２４ｂ、第３の筒状部１２４ｃ、及び第４の筒状部１２４ｄを備えている。なお、本実施の形態の把持装置１００では、４つの筒状部を備える構成を例示しているが、この構成に限定されるわけではなく、２つ以上の筒状部を備えていれば良い。本実施の形態の把持装置１００では、第４の筒状部１２４ｄの底面が接触部１２２となる。第１の筒状部１２４ａは、両端である上面および底面が開口した円筒形状である。すなわち、第１の筒状部１２４ａは、対向する２つの面が開口した円筒形状である。また、第１の筒状部１２４ａは、両端を結ぶ方向が伸縮方向と平行になるように配置されている。すなわち、第１の筒状部１２４ａは、伸縮方向であるＺ軸方向に対して開口が垂直となるように配置されている。言い換えると、第１の筒状部１２４ａは、開口がＸ−Ｙ平面と平行となるように配置されている。第２の筒状部１２４ｂ、第３の筒状部１２４ｃ、及び第４の筒状部１２４ｄも、第１の筒状部１２４ａと同様に配置されている。

伸縮部が伸びた状態では、第１の筒状部１２４ａ、第２の筒状部１２４ｂ、第３の筒状部１２４ｃ、及び第４の筒状部１２４ｄは、Ｚ方向の異なる位置に配列されている。第１の筒状部１２４ａは、第２の筒状部１２４ｂよりも排気部１２１側に配置されている。また、第２の筒状部１２４ｂは、第３の筒状部１２４ｃよりも排気部１２１側に配置されている。また、第３の筒状部１２４ｃは、第４の筒状部１２４ｄよりも排気部１２１側に配置されている。

第１の筒状部１２４ａの開口は、第２の筒状部１２４ｂの開口よりも小さくなっている。さらに、第２の筒状部１２４ｂの開口は、第１の筒状部１２４ａを内部に収めることが可能な大きさとなっている。第２の筒状部１２４ｂの開口は、第３の筒状部１２４ｃの開口よりも小さくなっている。さらに、第３の筒状部１２４ｃの開口は、第２の筒状部１２４ｂを内部に収めることが可能な大きさとなっている。第３の筒状部１２４ｃの開口は、第４の筒状部１２４ｄの開口よりも小さくなっている。さらに、第４の筒状部１２４ｄの開口は、第３の筒状部１２４ｃを内部に収めることが可能な大きさとなっている。なお、開口が大きいとは、開口している面積が大きいことを意味する。したがって、伸縮方向から見ると、第１の筒状部１２４ａ、第２の筒状部１２４ｂ、第３の筒状部１２４ｃ、及び第４の筒状部１２４ｄは同心円状に配置されていることになる。

ここで、筒状部の形状について、さらに説明する。ここで、単に筒状部と記載した場合は、第１の筒状部１２４ａ〜第４の筒状部１２４ｄのそれぞれを指している。本実施の形態の把持装置１００において、筒状部は中空構造であり、中空の空間を取り囲むように側壁があり、伸縮方向の両端面である上面および底面が開口している。言い換えると、伸縮方向の両端が開口した中空構造の柱状の中空体を形成している。側壁を伸縮方向から見た場合に、円、楕円などの閉曲線となっていても良いし、多角形になっていても良い。すなわち、筒状部の側壁は環状に形成されているが、必ずしも円環状で有る必要はない。また、開口の大きさに対して、伸縮方向の長さが短くても良いし、長くても良い。開口の大きさは、例えば開口の径、対角線の長さ、又は開口の面積で表すことができる。図４および図５では、円筒形の筒状部を図示しているが、あくまで一例である。また、図４および図５では、吸着ハンド１２０はＺ軸に対して回転対称な形状としているが、あくまで一例である。

伸縮部１２３は、第１の連結部１２５ａ、第２の連結部１２５ｂ、第３の連結部１２５ｃも備える。第１の連結部１２５ａは、第１の筒状部１２４ａ及び第２の筒状部１２４ｂを連結する。また、第２の連結部１２５ｂは、第２の筒状部１２４ｂ及び第３の筒状部１２４ｃを連結する。また、第３の連結部１２５ｃは、第３の筒状部１２４ｃ及び第４の筒状部１２４ｄを連結する。第１の連結部１２５ａ、第２の連結部１２５ｂ、及び第３の連結部１２５ｃも環状となっている。

次に、伸縮部１２３における伸縮動作について述べる。図５は、本実施の形態の把持装置１００における吸着ハンド１２０の外観を示す斜視図であり、伸縮部１２３が縮んだ状態の外観を示す斜視図である。また、図６は、本実施の形態の把持装置１００における吸着ハンド１２０の切断形状を示す斜視図であり、伸縮部１２３が縮んだ状態の切断形状を示す斜視図である。なお、図６は、吸着ハンドをＸ−Ｚ平面と平行な面で切断した形状を示している。図５及び図６に示すように、本実施の形態の把持装置１００において、吸着ハンド１２０は、伸縮部１２３が折り畳まれることによって、縮んだ状態となる。より具体的は、伸縮部１２３が縮む際には、第１の筒状部１２４ａは、第２の筒状部１２４ｂの内部に位置するように移動する。また、第２の筒状部１２４ｂは、第３の筒状部１２４ｃの内部に位置するように移動する。また、第３の筒状部１２４ｃは、第４の筒状部１２４ｄの内部に位置するように移動する。ここで、内部に位置するとは、Ｘ−Ｙ平面と平行な同一の平面上に位置するとともに、Ｚ軸方向から見た時に、内側に位置していることを意味する。

伸縮部１２３が伸びた状態から縮んだ状態へと変化する際には、連結部と筒状部との接続箇所が折れ曲がる。すなわち、連結部と筒状部とは、接続箇所で折り曲げることができるように接続されている。なお、単に連結部と記載した場合は、第１の連結部１２５ａ〜第３の連結部１２５ｃのそれぞれを指している。また、連結部自身も屈曲可能な構成となっており、この結果、スムーズな折り畳み動作が実現できる。さらに、伸縮部１２３が伸びた状態において、連結部の表面と伸縮方向との成す角が、筒状部の側壁と伸縮方向との成す角よりも大きくなっていれば、伸縮部は折り畳みやすくなる。筒状部の側壁は、伸縮方向とほぼ平行になっていることが望ましい。

伸縮部１２３が伸びる際には、伸縮部１２３が縮む際とは逆の動作となる。伸縮部１２３が縮んだ状態では、それぞれの筒状部の下端は、Ｘ−Ｙ平面と平行な同一の平面上に配置されるとともに、それぞれの筒状部は、筒状部の径方向に配列されることになる。このように配列されるためには、内側に位置する筒状部の外径は、外側に隣接する筒状部の内径よりも小さい必要がある。ただし、伸縮部１２３が縮んだ状態で、それぞれの筒状部の下端が同一の平面上に配置されるのは、物品５００の表面が平面である場合である。厳密には、筒状部の下端は、物品５００の表面に接触することになる。したがって、物品５００の表面の形状次第では、それぞれの筒状部の下端は、Ｚ方向の異なる位置に配置される場合もある。また、物品５００が小さい場合などでは、いくつかの筒状部の下端は、物品５００の表面に接触することがない。この場合には、物品５００の表面に接触しない筒状部の下端は、連結部及び筒状部の弾性と、伸縮方向に加えられる力とによって決定される位置に配置されることになる。

このように構成された伸縮部１２３は、伸縮方向の力が加えられることによって、伸縮方向の長さが変わり、その結果、後述する通り、吸着面積が変化する。ロボットアーム１１０は吸着ハンド１２０を物品５００に押し付けることによって、伸縮部１２３に伸縮方向の力を加え、伸縮部を伸縮させる。この時、筒状部は、連結部と比較して剛性が高い素材で構成すると、伸縮方向の力が加えられた場合でも、形状が安定する。筒状部は、例えば金属、プラスチックなどの樹脂で形成することが考えられる。また、筒状部は、ゴムやシリコンなどの柔軟な素材で形成することも考えられる。なお、伸縮方向に力が加わった場合に形状が安定するためには、伸縮方向の力に対する剛性が高ければ良く、伸縮方向に垂直な方向の力に対する剛性は、必ずしも高くなくても良い。

連結部は、屈曲することが可能な柔軟な素材で形成することが考えられる。連結部は、適度な伸縮性があっても良い。連結部は、例えばゴムやシリコンなどの樹脂の膜により形成することが考えられる。筒状部と連結部とは、個別の部材であっても良いし、一体で形成し、厚みを変えることで剛性を調整することも考えられる。また、一体で成形した後に、補強材として別の部材を組み合わせることで、筒状部の剛性を得ることも考えられる。

連結部が複数ある場合は、伸縮部１２３を折り畳む方向の力が加わった際に、接触部１２２側の連結部が、排気部１２１側の連結部よりも先に折り畳まれるように、連結部の厚みや素材などを調整しておく。なお、伸縮部１２３を折り畳む方向の力は、図３他における−Ｚ方向の力となる。また、伸縮部１２３が伸びた状態において、連結部の表面と伸縮方向との角度が大きいほど、折り畳みが発生しやすい。したがって、接触部１２２側の連結部ほど連結部の表面と伸縮方向との角度を大きくすることも考えられる。

図７は、本実施の形態の把持装置１００における吸着ハンド１２０の外観を示す斜視図であり、伸縮部１２３の一部が縮んだ状態の外観を示す斜視図である。また、図８は、本実施の形態の把持装置１００における吸着ハンド１２０の切断形状を示す斜視図であり、伸縮部１２３の一部が縮んだ状態の切断形状を示す斜視図である。なお、図８は、吸着ハンドをＸ−Ｚ平面と平行な面で切断した形状を示している。図７及び図８では、もっとも接触部１２２に近い第３の連結部１２５ｃのみが折り畳まれている。

このように吸着ハンド１２０を伸縮可能に構成することで、ロボットアーム１１０が吸着ハンド１２０を物品５００に押し付けた際に、伸びた状態の吸着ハンド１２０が、押し付けが進むことによって徐々に縮んでいく。この際、接触部１２２側から先に縮んでいくことで、接触部１２２の開口の面積が徐々に減少する。ここで、接触部１２２の開口とは、吸着ハンド１２０の内部の中空空間を介して、排気部１２１の開口と連通する開口である。例えば、図６においては、接触部１２２の開口とは、第１の筒状部１２４ａの内部の開口である。また、図８においては、接触部１２２の開口とは、第３の筒状部１２４ｃの内部の開口である。接触部１２２の開口の大きさが変化することで、吸着面積も変化する。吸着ハンド１２０が物品５００に接触した際の最初の開口は、第４の筒状部１２４ｄの内部の開口となる。第４の筒状部１２４ｄの内部の開口では、物品５００との間に大きな隙間が生じてしまう場合でも、本実施の形態のロボットシステムは、吸着ハンド１２０を徐々に押し付けることで、開口の面積を減少させる。この結果、本実施の形態のロボットシステムは、吸着ハンド１２０と物品５００との間の隙間を減少させ、負圧を高めることが可能になる。

制御装置４００、吸着ハンド１２０、配管３００、または負圧発生源２００に備えた圧力センサで計測した負圧を読み取ることで、十分な把持力が得られているかどうかを確認できる。もしくは、負圧発生源２００の運転状態に対して決まる負圧と流量の関係を利用すれば、制御装置４００は、流量を計測した結果を読み取ることで、十分な把持力が得られているかどうかを確認できる。さらに、物品５００を把持すれば、その重量が負荷としてロボットアーム１１０に加わることから、力センサやひずみゲージなどの検出結果を用いて、制御装置４００は、十分な把持力が得られているかどうかを確認することもできる。

もし、これらの方法によって、十分な把持力が得られていることが確認できれば、制御装置４００は、その時点で吸着ハンド１２０の押し付けをやめて、ロボットアーム１１０による搬送などの作業に移ればよい。一方、吸着ハンド１２０の押し付けが不十分で、十分な把持力が得られていないのであれば、制御装置４００は、さらに吸着ハンド１２０を物品５００に押し付けるようにロボットアーム１１０を制御する。ここで、さらに吸着ハンド１２０を物品５００に押し付けるとは、排気部１２１が物品５００の表面にさらに近付くようにするとこを意味する。このようにすれば、本実施の形態の把持装置を用いたロボットシステムは、物品５００に応じて適切な吸着面積を得られるようになり、様々な物品５００を把持することが可能になる。

図９は、本実施の形態の把持装置１００における吸着ハンド１２０で、一方に長い物品５００ａを把持する様子を示す斜視図である。図９において、物品５００ａはＸ方向に長い直方体の形状を有している。ロボットシステムは、伸縮部１２３の一部が縮んだ状態になるまで吸着ハンド１２０を物品に押し付けることで、適切な吸着面積を得ている。

図１０は、本実施の形態の把持装置１００における吸着ハンド１２０で、物品５００ａを把持する様子を説明するための図である。図１０は、図９に示す物品５００ａを把持する様子を説明するための概念図であり、Ｙ−Ｚ平面と平行な平面による断面の概念図である。図１０は簡略化された図であり、吸着ハンド１２０の側壁の厚みは考慮していない。吸着ハンド１２０において、第２の連結部１２５ｂ及び第３の連結部１２５ｃが折り畳まれている。この結果、物品５００ａを吸着する開口は、図１０にＢ１で示した第２の筒状部１２４ｂの内部の開口となる。また、物品５００ａを吸着する開口は、物品５００ａで隙間なく閉じられている。この結果、吸着ハンド１２０は十分な把持力を得ている。

図１１は、本実施の形態の把持装置１００における吸着ハンド１２０で、物品５００ａを把持する様子を説明するための比較例を示す図である。図１１は、吸着ハンド１２０が伸びた状態で、図９に示す物品５００ａを把持しようとする場合の概念図である。図１１は簡略化された図であり、吸着ハンド１２０の側壁の厚みは考慮していない。吸着ハンド１２０は、伸びた状態となっており、物品５００ａを吸着する開口は、図１１にＢ２で示した第４の筒状部１２４ｄの内部の開口となる。この結果、物品５００ａを吸着する開口は、物品５００ａの両側で完全に閉じられておらず、隙間が発生している。図１１に示す状態では、吸着ハンド１２０は十分な把持力を得ることができない。

図１２は、本実施の形態の把持装置１００における吸着ハンド１２０で、一方に長い別の物品５００ｂを把持する様子を示す斜視図である。図１２において、物品５００ｂはＸ方向に長い直方体の形状を有している。また、物品５００ｂのＹ方向の幅は、図１０に示す物品５００ａのＹ方向の幅よりも狭い。ロボットシステムは、伸縮部１２３が最も縮んだ状態になるまで吸着ハンド１２０を物品に押し付けることで、適切な吸着面積を得ている。

図１３は、本実施の形態の把持装置１００における吸着ハンド１２０で、物品５００ｂを把持する様子を説明するための図である。図１３は、図１２に示す物品５００ｂを把持する様子を説明するための概念図であり、Ｙ−Ｚ平面と平行な平面による断面の概念図である。図１３は簡略化された図であり、吸着ハンド１２０の側壁の厚みは考慮していない。吸着ハンド１２０において、第１の連結部１２５ａ、第２の連結部１２５ｂ及び第３の連結部１２５ｃが折り畳まれている。この結果、物品５００ｂを吸着する開口は、図１３にＢ３で示した第１の筒状部１２４ａの内部の開口となる。また、物品５００ｂを吸着する開口は、物品５００ｂで隙間なく閉じられている。この結果、吸着ハンド１２０は十分な把持力を得ている。

図１４は、本実施の形態の把持装置１００における吸着ハンド１２０で、球体の物品５００ｃを把持する様子を示す斜視図である。筒状部が程度な柔軟性を有していれば、表面が曲面となる物品５００ｃに対しても、吸着ハンド１２０の密着度をより高くすることができる。

以上のように、本実施の形態の把持装置１００を備えたロボットシステムは、物品５００に対して、まず大きな開口を接触させる。もし、この大きな開口では物品５００との間に空隙が生じて、十分な吸着力が得られないときは、ロボットシステムは、更に吸着ハンド１２０を押し付ける。この結果、吸着ハンド１２０が押し縮められて、より小さな開口が対象物に密着して吸着力を得られる。これによって、物品５００の大きさに応じた吸着力を得る機構を簡単な構成で実現することができる。なお、開口を接触させるとは、筒状部を接触させることを意味する。このように、本実施の形態の把持装置１００を備えたロボットシステムは、簡単な構造で、様々な対象物を把持可能となる。

吸着した物品５００は、負圧発生源２００の運転を停止させることや、配管に開放弁を設けるなどの手段で、吸着ハンド１２０の内部の負圧を低下させれば、吸着ハンド１２０から外すことが可能である。もし、連続して物品５００を吸着させる際に、吸着ハンド１２０が縮んだ状態になっているのであれば、吸着ハンド１２０を伸ばす処理が必要となる。吸着ハンド１２０を伸ばす方法としては、例えば、吸着ハンド１２０を振ったりする動作によって、吸着ハンド１２０が伸びる方向の加速度を与えてやる方法が考えられる。また、別の方法としては、吸着ハンド１２０を伸展させるためにシリンダなどのアクチュエータを備えておく方法が考えられる。

また、吸着ハンド１２０を伸ばす別の方法として、エアチューブを使用する方法も考えられる。図１５及び図１６は、本実施の形態の把持装置１００における吸着ハンド１２０の進展機構を説明するための図である。図１５及び図１６は、吸着ハンド１２０をＸ−Ｚ平面と平行な面で切断した形状をＹ方向から見た図となっている。図１５は、吸着ハンド１２０が伸びた状態を示している。一方、図１６は、吸着ハンド１２０が縮んだ状態を示している。吸着ハンド１２０の側面には、圧力調整部１２７とチューブ１２８が取り付けられている。チューブ１２８の一端は、吸着ハンド１２０の接触部１２２の近辺に接続される。また、チューブ１２８の他端は、圧力調整部１２７に接続される。圧力調整部１２７は、吸着ハンド１２０の側面の伸縮部１２３よりも排気部１２１側に取り付けられる。したがって、チューブ１２８の他端は、圧力調整部１２７を介して、伸縮部１２３よりも排気部１２１側に接続されることになる。この結果、吸着ハンド１２０が伸びた状態では、チューブ１２８は、排気部１２１から接触部１２２にかけて伸縮部１２３の側面を這うように取り付けられる。

圧力調整部１２７は、例えば、加圧と減圧とを切り替える弁である。圧力調整部１２７は、チューブ１２８の内部を加圧または減圧することで、チューブ１２８の内部の圧力を調整する。圧力調整部１２７がチューブ１２８の内部の圧力を高くすると、チューブ１２８の剛性が高くなり、チューブ１２８は進展する。これに伴って、吸着ハンド１２０も伸展される。吸着ハンド１２０が進展された後は、圧力調整部１２７はチューブ１２８の内部の圧力を低くする。この結果、チューブの剛性は低くなり、吸着ハンド１２０の収縮に影響を及ぼさなくなる。

実施の形態２
実施の形態１における把持装置では、連結部によって筒状部を連結し、連結部を折り畳み可能な構成としていた。一方、実施の形態２における把持装置は、複数の筒状部をスライド可能な構成としたものである。図１７は、本発明の実施の形態２における把持装置１００が備える吸着ハンド１２０の外観を示す斜視図であり、伸縮部１２３が伸びた状態における吸着ハンド１２０の外観を示す斜視図である。また、図１８は、本発明の実施の形態２における把持装置１００が備える吸着ハンド１２０の切断形状を示す斜視図であり、伸縮部１２３が伸びた状態における吸着ハンド１２０の切断形状を示す斜視図である。なお、図１８は、吸着ハンド１２０をＸ−Ｚ平面と平行な面で切断した形状を示している。また、本実施の形態の把持装置１００において、吸着ハンド１２０以外の構成は、実施の形態１におけるものと同様である。以降では、実施の形態１との相違点である吸着ハンド１２０の構成について説明する。

吸着ハンド１２０は、上面及び底面が開口した中空構造となっている。また、吸着ハンド１２０の上面は、排気部１２１となっている。排気部１２１の開口は、配管３００を介して負圧発生源２００に接続されている。一方、吸着ハンド１２０の底面は、物品５００を把持する際に、物品５００に接触する接触部１２２となっている。接触部１２２も開口している。

さらに、吸着ハンド１２０は、伸縮部１２３を備えている。伸縮部１２３は、Ｚ軸方向に伸縮できるように構成されている。すなわち、伸縮部１２３のＺ方向の長さは、長くなったり、短くなったりする。伸縮部１２３の内部の中空空間は、排気部１２１から接触部１２２に向かうにつれて、段階的に広くなっている。伸縮部１２３は、第１の筒状部１２４ａ、第２の筒状部１２４ｂ、第３の筒状部１２４ｃ、第４の筒状部１２４ｄ、及び第５の筒状部１２４ｅを備えている。なお、本実施の形態の吸着ハンド１２０では、５つの筒状部を備える構成を例示しているが、この構成に限定されるわけではなく、２つ以上の筒状部を備えていれば良い。

本実施の形態の把持装置１００では、第５の筒状部１２４ｅの底面が接触部１２２となる。それぞれの筒状部は、両端である上面および底面が開口した円筒形状である。また、それぞれの筒状部は、両端を結ぶ方向が伸縮方向と平行になるように配置されている。すなわち、それぞれの筒状部は、伸縮方向であるＺ軸方向に対して開口が垂直となるように配置されている。

伸縮部が伸びた状態では、第１の筒状部１２４ａ、第２の筒状部１２４ｂ、第３の筒状部１２４ｃ、第４の筒状部１２４ｄ、及び第５の筒状部１２４ｅは、Ｚ方向の異なる位置に配列されている。第１の筒状部１２４ａは、第２の筒状部１２４ｂよりも排気部１２１側に配置されている。また、第２の筒状部１２４ｂは、第３の筒状部１２４ｃよりも排気部１２１側に配置されている。また、第３の筒状部１２４ｃは、第４の筒状部１２４ｄよりも排気部１２１側に配置されている。また、第４の筒状部１２４ｄは、第５の筒状部１２４ｅよりも排気部１２１側に配置されている。

第２の筒状部１２４ｂの開口は、第１の筒状部１２４ａを内部に収めることが可能な大きさとなっている。また、第３の筒状部１２４ｃの開口は、第２の筒状部１２４ｂを内部に収めることが可能な大きさとなっている。また、第４の筒状部１２４ｄの開口は、第３の筒状部１２４ｃを内部に収めることが可能な大きさとなっている。また、第５の筒状部１２４ｅの開口は、第４の筒状部１２４ｄを内部に収めることが可能な大きさとなっている。したがって、伸縮方向から見ると、第１の筒状部１２４ａ、第２の筒状部１２４ｂ、第３の筒状部１２４ｃ、第４の筒状部１２４ｄ、及び第５の筒状部１２４ｅは同心円状に配置されていることになる。

第１の筒状部１２４ａと第２の筒状部１２４ｂとの間には、シール部材１２６が配置されている。シール部材１２６は、第１の筒状部１２４ａと第２の筒状部１２４ｂとの間から吸着ハンド１２０の内部に空気が流入するのを防ぐ。他の筒状部の間にも、同様にシール部材１２６が配置されている。

それぞれの筒状部は、伸縮方向に互いにスライド可能となっている。それぞれの筒状部が脱落するのを防ぐために、それぞれの筒状部の外壁の上下端、および内壁の上端には、庇状の突起部が設けられており、これらの突起部がストッパとして機能する。

次に、伸縮部１２３における伸縮動作について述べる。図１９は、本実施の形態の吸着ハンド１２０の外観を示す斜視図であり、伸縮部１２３が縮んだ状態の外観を示す斜視図である。図１９に示すように、本実施の形態の吸着ハンド１２０は、筒状部が伸縮方向にスライドし、他の筒状部の内部に位置するように移動することで、縮んだ状態となる。

図２０は、本実施の形態の吸着ハンド１２０の切断形状を示す斜視図であり、伸縮部１２３の一部が縮んだ状態の切断形状を示す斜視図である。なお、図２０は、吸着ハンド１２０をＸ−Ｚ平面と平行な面で切断した形状を示している。

図２０に示すように、筒状部が３つ以上あり、スライドする箇所が複数ある場合は、吸着ハンド１２０を縮ませる方向の力が加わった際に、接触部１２２側の筒状部が、排気部１２１側の筒状部よりも先にスライドするように、それぞれの筒状部をスライドさせるのに必要な力を調整しておく。例えば、シール部材１２６が両側の筒状部と接触している場合は、その接触によって生じる摩擦の大きさを調整することが考えられる。もしくは、磁力や静電吸引力により筒状部同士の位置を保持するための力を起こしておき、この力を調整しておく方法が考えられる。以上のように、本実施の形態の吸着ハンド１２０においても、簡単な構造で、様々な対象物を把持可能となる。

１００把持装置、１１０ロボットアーム、１２０吸着ハンド、１２１排気部、１２２接触部、１２３伸縮部、１２４ａ第１の筒状部、１２４ｂ第２の筒状部、１２４ｃ第３の筒状部、１２４ｄ第４の筒状部、１２４ｅ第５の筒状部、１２５ａ第１の連結部、１２５ｂ第２の連結部、１２５ｃ第３の連結部、１２６シール部材、１２７圧力調整部、１２８チューブ、１３０吸着パッド、２００負圧発生源、３００配管、４００制御装置、５００、５００ａ、５００ｂ、５００ｃ物品。

Claims

吸着部を備え、前記吸着部で対象物を吸着して把持する把持装置であって、
前記吸着部は、空気を排出させる排気部と、前記対象物を把持する際に前記対象物に接触させる接触部と、少なくとも１方向に伸縮可能な伸縮部とを備え、前記排気部及び前記接触部で開口した中空構造であり、
前記伸縮部は、前記排気部と前記接触部とを結んだ伸縮方向に伸縮可能であり、
前記伸縮部の中空空間は、前記排気部側から前記接触部側にかけて、段階的に広くなり、
前記吸着部の側面に取り付けられ、一端が前記接触部の近辺に接続され、他端が前記排気部の近辺に接続されたチューブと、
前記チューブの内部の圧力を調整する圧力調整部と、
を備えることを特徴とする把持装置。
前記伸縮部は、第１の筒状部と第２の筒状部とを備え、
前記第１の筒状部および前記第２の筒状部のそれぞれは、両端が開口した筒形状であるとともに、前記両端を結ぶ方向が前記伸縮方向と平行になるように配置されており、
前記伸縮部が伸びた状態において、前記第１の筒状部および前記第２の筒状部は前記伸縮方向の異なる位置に配列されるとともに、前記第１の筒状部が前記第２の筒状部よりも前記排気部側に位置し、
前記第１の筒状部の開口は、前記第２の筒状部の開口よりも小さい
ことを特徴とする請求項１に記載の把持装置。
前記第１の筒状部が、前記第２の筒状部の内部に移動することで、前記伸縮部が前記伸縮方向に縮むことを特徴とする請求項２に記載の把持装置。
前記第１の筒状部と前記第２の筒状部とは、屈曲可能な連結部によって連結されていることを特徴とする請求項２または３に記載の把持装置。
前記第１の筒状部の側壁と前記伸縮方向とが成す角、及び前記第２の筒状部の側壁と前記伸縮方向とが成す角は、前記連結部の表面と前記伸縮方向とが成す角よりも小さいことを特徴とする請求項４に記載の把持装置。