JP6809025B2 - 把持装置及び把持移載装置 - Google Patents

Description

本発明は、把持装置及び把持移載装置に関する。

近年のロボット技術の進歩により、工業製品の製造現場では多くのロボットが使用されている。また、複数の指状部材である指部を用いて対象物を把持することが可能なロボットハンドが開発されており、このようなロボットハンドを備えたロボットが製品及び各種部品の組立や搬送等に活用されている。
しかし、ロボットのアーム部に相当する機構は産業用ロボットが各メーカから製造販売されており許容荷重や可動範囲に様々なバリエーションが存在するものの、ロボットハンドに相当する機構はメーカから完成品として販売されているものは少なく、ほとんどの場合システムインテグレータが顧客の要望に合わせて独自に開発及び設計したものを搭載しているのが実状である。

このようなロボットハンドに使用する部品は複数のメーカから市販されており、エアや電気を駆動源とするアクチュエータによって把持部が２方向あるいは３方向から被把持物を把持するものが一般的である。通常これ等のロボットハンドは一般的な工業製品をターゲットとしており、その駆動源に用いられるアクチュエータのエア圧力やモータ電流を調整することで、被把持物を把持するときにロボットハンド先端の把持部に作用する把持力を調整することが一般的である。

一方、最近では中食（コンビニエンスストアの弁当等）業界においても、人手不足に伴うため自動化に関するニーズの高まりに加え安定した衛生管理に向けてロボットの活用が期待されており、一部のメーカではその開発が開始されている。しかし、中食業界では被把持物として柔らかく不定型である食品を取り扱う工程が多く実用化には高度な技術が求められるため、容器の包装や食品の計量等の専用機を除いてロボットの導入がほとんど進んでいないのが現状である。
とりわけ日本人にはなじみの深いおにぎりやいなり寿司等のご飯を用いた食品では、ご飯粒を潰さないようにある程度の大きさの塊となるように粘弾性特性を有する状態で形成されており、食品の中でも特にロボットで取り扱うことが困難な部類に分類されている。

ロボットは一般的には工業製品を取り扱うように構成されており、工業製品は金属や樹脂等のある程度の硬度を有する物質から構成されることから、これを扱うロボットも被把持物がある程度の硬度を有することを前提としてその把持力を制御している。このため、上述したような粘弾性特性を有する食品を良好に把持することはできない。ここでいう良好に把持するとは、ロボットで把持した後にも食感を損なわず、さらには外観を傷付けることなく確実に把持及び搬送することをいう。硬くなって食感が損なわれてもよければ従来のロボットハンドでも把持することは可能であるが、おにぎりやいなり寿司等が硬くなることは商品価値が低下するために望ましくない。

上述した食感が損なわれる原因の一つが、ご飯粒を潰さないようにある程度の大きさの塊とした被把持物に特有の粘弾性特性（レオロジ）である。おにぎりやいなり寿司は、ご飯粒が隙間を持った状態で塊を形成している。この適切に形成された隙間が、食べるときに口の中でご飯粒が個々に分離されることで、よい食感を与えているといわれている。しかし、おにぎりやいなり寿司を強く握ることによりご飯粒間の隙間が小さくなることと、ご飯粒自体の弾性変形とが同時に発生してしまう。ロボットハンドでいなり寿司を把持したときの、いなり寿司の反力（把持爪の把持方向とは逆方向に働く力）と時間との関係を図１５に示す。図１５に示すように被把持物であるいなり寿司を把持（５秒程度）した後で、粘弾性特性の影響によって把持力が低下し、ロボットハンドで把持力を制御して把持しても把持力が低下した時点で再びロボットハンドの把持力が増加してしまうため、ご飯粒間の隙間を徐々に小さくしてしまい、結果的に硬くすることにより食感を悪化させてしまう。

一方、ロボットハンドのモータ制御方法にはモータの回転角を検知して位置を制御する制御方法があるが、おにぎりやいなり寿司等ではミリ単位で大きさのばらつきがある。このため、この方法では把持位置として設定した位置よりも被把持物が小さい場合には、把持力が小さすぎて把持することができない。また、把持位置として設定した位置よりも被把持物が大きい場合には、把持力が大きすぎて被把持物を潰してしまい上述したように商品価値を低下させてしまう。

従来、力センサを用いることなく、ロボットハンドの把持力の経時変化を補正することにより適切な把持力を保持する技術が知られている。これは、複数の指部を駆動する駆動モータの回転速度が増減するように電流値を制御し、指部の移動中に駆動モータの回転速度及び電流値の組を移動情報として少なくとも２組計測し、計測した移動情報に基づいて駆動モータの上限電流値を補正し、指部が被把持物に接触して駆動モータの回転速度の低下を検出したら駆動モータの電流値を上限電流値とすることにより被把持物を把持する技術である（例えば「特許文献１」参照）。この技術によれば、把持力の経時変化を補正して適切な把持力を保持することができる。

しかし上述の技術でも被把持物に粘弾性特性がある場合には、駆動モータの電流値に基づいて現状の把持力制御によって被把持物を把持しようとしても、被把持物の特性を損なうことなく把持することは困難である。
本発明は、上述した問題点を解決し、おにぎりやいなり寿司等のご飯粒が隙間を有し塊を形成することにより粘弾性特性を有する被把持物であっても、その食感及び外観を損ねることなく把持することが可能な把持装置及び把持移載装置の提供を目的とする。

本発明は、被把持物を把持する開閉自在な２以上の把持部と、前記把持部の少なくとも一つを駆動する電流値制御と位置制御とが可能な駆動手段と、前記駆動手段の駆動力を前記把持部に伝達する駆動力伝達手段と、前記把持部の開閉時における前記駆動手段の回転位置を検知する回転位置検知手段と、前記駆動手段の作動を制御する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記電流値制御により前記駆動手段の回転位置の単位時間当たりの変化量から前記駆動手段の回転速度を算出し、算出した速度が所定値以下となったときに前記把持部が前記被把持物に接触したと判断し、接触後さらに前記把持部により前記被把持物を所定位置まで押し込んだ後に前記駆動手段の制御を前記電流値制御から前記位置制御に変更し、前記把持部が前記所定位置を維持するように前記駆動手段の作動を制御することを特徴とする。

本発明によれば、被把持物が大きさのばらつきが大きいいなり寿司等の惣菜であっても、掴み損ねたりあるいは必要以上に潰してしまい食感や外観を損ねたりすることなく、良好に把持することが可能となる。

本発明の第１の実施形態を適用可能な把持装置の概略斜視図である。 本発明の第１の実施形態を適用可能な把持装置の概略正面図である。 本発明の第１の実施形態に用いられるサーボモータの概略図である。 本発明の第１の実施形態における把持装置の動作を説明するタイムチャートである。 本発明の第２の実施形態を適用可能な把持装置の概略斜視図である。 本発明の第２の実施形態を適用可能な把持装置の概略正面図である。 本発明の第３の実施形態を適用可能な把持装置の概略斜視図である。 本発明の第３の実施形態を適用可能な把持装置の概略正面図である。 本発明の第１の実施形態における把持装置の把持力と押し込み時間と把持及び食感の可不可との関係を示す図である。 本発明の第４の実施形態を適用可能な把持装置の概略斜視図である。 本発明の第４の実施形態を適用可能な把持装置の概略正面図である。 本発明の第４の実施形態を適用可能な把持移載装置の概略斜視図である。 本発明の第４の実施形態における動作を説明する概略図である。 本発明の第４の実施形態における画像処理の一例を示すフローチャートである。 粘弾性特性の影響による把持力の低下を説明する線図である。

図１及び図２は、本発明の第１の実施形態を適用した把持装置を示している。同図において、把持装置であるロボットアーム１００にはロボットハンド１０が取り付けられており、ロボットハンド１０のベース１１にはレール１２ａを有する側板１２が互いに対向して配設されている。なお、図１及び図２では、一部の部材を透過させて図示している。
各レール１２ａには、ベアリング１５を介してテーブル１３に取り付けられた２本のシャフト１４がそれぞれ摺動自在に嵌合されており、テーブル１３は各側板１２によって移動自在に支持されている。テーブル１３には把持部を構成する可動爪１６ａが固定されており、各側板１２には把持部を構成する固定爪１６ｂが固定されている。本実施形態において、把持部で把持する被把持物Ｗはいなり寿司を用いるので、各爪１６ａ，１６ｂの把持可能面は被把持物Ｗの縦横の大きさよりも大きくなるように構成されている。

ベース１１には駆動手段であるサーボモータ１７が取り付けられている。サーボモータ１７の出力軸には駆動力伝達手段としてのレバー１８の一端が取り付けられており、レバー１８の他端は一方のシャフト１４に取り付けられている。レバー１８の他端にはシャフト１４と係合する長孔が形成されており、この構成及びレール１２ａによってサーボモータ１７の回転駆動力をテーブル１３の直線運動に変換している。これにより、サーボモータ１７が回転駆動するとその回転駆動力がレバー１８を介して一方のシャフト１４に伝達され、レール１２ａに沿ってテーブル１３及びこれに取り付けられた可動爪１６ａが移動することによりロボットハンド１０が開閉する。本実施形態では、一方の爪を各側板１２に固定された固定爪１６ｂとしたが、両方の爪を駆動させる構成としてもよい。また、把持部を３以上の爪によって構成してもよく、この場合には少なくとも一つを可動爪とする。

図３は、サーボモータ１７の構成を示している。同図においてサーボモータ１７は、ケーシング１７ａの内部にモータ本体１７ｂと、複数の歯車からなる減速機１７ｃと、回転位置検知手段としてのエンコーダ１７ｄとを有している。
サーボモータ１７には、図３に示すように、その動作制御を行うための制御手段が接続されている。ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等を有する周知のマイクロコンピュータからなる制御手段１９は、サーボモータ１７のモータ本体１７ｂの作動を制御する。また制御手段１９にはエンコーダ１７ｄからのサーボモータ１７の位置情報が入力され、制御手段１９はこの位置情報に基づいてモータ本体１７ｂの動作制御を行う。制御の詳細については後述する。

ここで、ロボットアーム１００の動作を図４に基づいて説明する。図４は、サーボモータ１７により可動爪１６ａを動作させて被把持物Ｗを把持するまでの流れを説明するタイミングチャートである。図４において、横軸には時間（ｓｅｃ）を、縦軸には可動爪１６ａの位置の時間変化に対する固定爪１６ｂとの間隔、及びロボットハンド１０の被把持物Ｗ設置面からの高さ位置の時間変化をそれぞれ示している。

先ず、被把持物Ｗに向けて可動爪１６ａを移動させるため、電流値を一定としたままサーボモータ１７を回転駆動させる。このとき、ロボットアーム１００とは別に図示しないカメラを設け、このカメラによって捉えた被把持物Ｗに向かい可動爪１６ａが移動する。なお、被把持物Ｗの位置が正確に把握できるのであれば、カメラは必ずしも用いなくともよい。また、電流測定用ＩＣが制御手段１９の基板に設けられており、この電流測定用ＩＣによって検出された電流値を基に、制御手段１９はサーボモータ１７への電流値が一定となるように制御を行っている。
サーボモータ１７の作動に伴い、レバー１８が揺動することで可動爪１６ａが被把持物Ｗに向けて移動する（図４のａ）が、可動爪１６ａが被把持物Ｗに接触した時点で可動爪１６ａには、被把持物Ｗに接触したことによる反力（可動爪１６ａの移動方向とは逆方向の力）が作用する。この反力が可動爪１６ａ、テーブル１３、シャフト１４、レバー１８を介してサーボモータ１７に伝わり、サーボモータ１７に負荷トルクが作用する。

サーボモータ１７は、電流値が一定となるように制御手段１９からの指令に基づいて動作しているため、サーボモータ１７に負荷トルクが作用するとその回転速度が遅くなる。エンコーダ１７ｄからの信号を受信している制御手段１９は、一定の時間間隔でエンコーダ１７ｄの値を読み取っており、その差分からサーボモータ１７の角速度、即ち回転数を検出している。可動爪１６ａが被把持物Ｗに接触して反力が作用し、エンコーダ１７ｄからの信号を受信してサーボモータ１７の回転速度が所定速度以下となったことを検知する。このとき、誤検知を防止するため、連続５回以上速度が遅くなったことを検知した際に、制御手段１９は可動爪１６ａがいなり寿司である被把持物Ｗに接触したと判断する（図４のｂ）。誤検知防止のための検知数に関しては、回数が少ないと偶発的にエンコーダの値の読み間違えが生じたりノイズ等が発生したりする影響を加味し、本実施形態では５回としている。この検知時間は、約数ｍｓｅｃ〜数十ｍｓｅｃ程度の短い時間である。

被把持物Ｗに可動爪１６ａが接触したと制御手段１９が判断すると、制御手段１９はサーボモータ１７に動作指令を送り、接触後の一定時間において可動爪１６ａの押し込み動作により被把持物Ｗに把持力を付与し続けさせる（図４のｃ）。一定時間以上被把持物Ｗに把持力を付与し続けると柔らかい被把持物Ｗが潰れてしまうため、制御手段１９はサーボモータ１７の駆動を電流値制御から位置制御に切り替え、エンコーダ１７ｄから得た信号から演算を行ってモータ本体１７ｂに動作指令を送り、現在位置を維持したままサーボモータ１７が停止するように制御を行う（図４のｄ）。
エンコーダ１７ｄから得た信号の演算について説明する。被把持物Ｗに可動爪１６ａが接触したと制御手段１９が判断した後の時間を０として、予め設定した押し込み時間（図４のｃ）後の時間をｔとすると、時刻ｔの前１０〜２０個程度のエンコーダの値を平均化（ノイズ的な信号がなまるまでの平均化）し、その時刻ｔの位置として、その位置を保持するようにサーボモータ１７に指令を送っている。なお、図４のｃにおける一定時間は把持力に応じて変化するが、これについては図９を用いて後述する。
その後、ロボットアーム１００によってロボットハンド１０を上述した把持動作に合わせて上昇、移動、下降させた後に可動爪１６ａを開放させることにより（図４のｅ）、被把持物Ｗを所定の位置から狙いの位置へとピックアンドプレースすることができる。把持した被把持物Ｗを離すときには、位置制御で元の位置に戻す。そして、次の被把持物Ｗを把持する信号が出力された時点で、位置制御から電流制御に切り替えて動作させる。

上述したように本発明の第１の実施形態によれば、可動爪１６ａが被把持物Ｗに接触した後にさらに可動爪１６ａにより被把持物Ｗを所定位置まで押し込み、その後、サーボモータ１７の制御を電流値制御から位置制御に切り替えて可動爪１６ａが所定位置を維持するようにサーボモータ１７の作動を制御手段１９が制御するので、被把持物Ｗが大きさのばらつきが大きいいなり寿司等の惣菜であっても、掴み損ねたりあるいは必要以上に潰してしまい食感や外観を損ねたりすることなく、良好に把持することが可能となる。

図９は、第１の実施形態で示したロボットハンド１０でそれぞれ異なる複数の把持力によりいなり寿司を把持した際の動作条件及び把持の可不可の結果を示している。同図において、横軸は可動爪１６ａと固定爪１６ｂとの間に発生する把持力を、縦軸は上述した押し込み時間をそれぞれ示している。
図９から明らかなように、何れの把持力においても押し込み時間（図４のｃ）が長いと食感が硬くなり不可、押し込み時間が短いと落下する確率が高くなる。把持力が小さいほど、落下にも食感にも影響しない押し込み時間の設定領域が広くなる。例えば、把持力２．５Ｎでは０．３５〜０．８ｓｅｃ、把持力４Ｎでは０．２〜０．８ｓｅｃ、把持力６Ｎでは０．２〜０．５ｓｅｃが最適であることが図９から判る。また、全ての把持力の最適条件において、いなり寿司の外観に傷が付くような見た目の変化は認められなかった。

図５及び図６は、本発明の第２の実施形態を示している。この第２の実施形態は、第１の実施形態と比較すると、可動爪１６ａ及び固定爪１６ｂに代えて、把持部としての可動爪２０ａ及び固定爪２０ｂを用いる点においてのみ相違しており、他の構成は同一である。なお、図５及び図６では、一部の部材を透過させて図示している。
可動爪２０ａ及び固定爪２０ｂは、それぞれの被把持物Ｗと接触する側の形状が接触する被把持物Ｗの形状と同様の曲率を有するように形成されており、その他の構成は可動爪１６ａ及び固定爪１６ｂと同様である。
この構成により、被把持物Ｗを把持した際の各爪２０ａ，２０ｂとの接触面積が各爪１６ａ，１６ｂとの接触面積よりも広くなり、保持能力が向上するのでより弱い力での把持が可能となる。また、被把持物Ｗの全体にわたって接触した状態で把持することができるので、局部的に把持力が作用することを防止でき、被把持物Ｗの変形や外観に生じる傷を最小限にすることができる。

図７及び図８は、本発明の第３の実施形態を示している。この第３の実施形態は、第２の実施形態と比較すると、可動爪２０ａ及び固定爪２０ｂに代えて、把持部としての可動爪２１ａ及び固定爪２１ｂを用いる点においてのみ相違しており、他の構成は同一である。なお、図７及び図８では、一部の部材を透過させて図示している。
可動爪２１ａ及び固定爪２１ｂは、それぞれの先端に他の把持部に向けてすなわち内側に向けてそれぞれ傾斜する長さ１０ｍｍ程度の傾斜部２１ｃをそれぞれ有するように形成されており、その他の構成は可動爪２０ａ及び固定爪２０ｂと同様である。
この構成により、第２の実施形態の作用効果に加え、被把持物Ｗが把持部間を滑り落ちて落下することを防止できる。

図１０及び図１１は、本発明の第４の実施形態を示している。この第４の実施形態は、第２の実施形態と比較すると、ロボットアーム１００の内部に撮像手段としてのカメラ２２を有する点においてのみ相違しており、他の構成は同一である。なお、図１０及び図１１では、一部の部材を透過させて図示している。
また図１２は、ロボットアーム１００を搭載した把持移載装置１を示している。シリアルリンクの多関節型である把持移載装置１は、本体１ａの内部にロボットアーム１００を移動させる把持装置移動機構１ｂを有しており、把持装置移動機構１ｂはＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等を有する周知のマイクロコンピュータからなる第２制御手段２によってその作動を制御される。

次に、図１３を用い、把持移載装置１により番重（ばんじゅう）３内に整列した被把持物Ｗであるいなり寿司を、１個ずつ把持して移載する動作を説明する。
先ず、番重３内で整列した被把持物Ｗがカメラ２２の視野に入るまでロボットアーム１００を移動させる。そのときの移動位置は、予め決定させて第２制御手段２の制御プログラム内に位置座標として組み込んでおく。

次に、その移動位置においてカメラ２２により１枚の画像を撮影する（図１３（ａ））。第２制御手段２は、撮影した画像から被把持物Ｗの継ぎ目を認識し、固定爪２０ｂがちょうど被把持物Ｗの継ぎ目位置の真上に位置するように把持装置移動機構１ｂの作動を制御する。撮影した画像から被把持物Ｗの継ぎ目を認識するには、例えばＷａｔｅｒｓｈｅｄアルゴリズム等のような画像処理を施すことで可能となる。その際の画像処理フローの一例を図１４に示す。

次に、固定爪２０ｂが被把持物Ｗに対して高さ方向で全体の１／４〜１／３程度重なるまで把持装置移動機構１ｂを作動させてロボットアーム１００を移動させる。このとき、図１１に示すロボットアーム１００の回転中心軸Ｊを回転させることにより被把持物Ｗと固定爪２０ｂとの方向が並行となるように向きを調整することで、被把持物Ｗと固定爪２０ｂとの接触を防止することができ、被把持物Ｗが傷付くことを防止することができる。また、このときの回転角は、被把持物Ｗの継ぎ目を認識するときに同時に算出しておく（図１３（ｂ））。
次に、被把持物Ｗが置かれている面と平行に、隣の被把持物Ｗがない方向にロボットアーム１００を少し移動させる。この動作により、次の動作を行っても隣接する被把持物Ｗに傷を付けることが防止できる（図１３（ｃ））。

移動後、高さ方向にロボットアーム１００を移動させ、固定爪２０ｂが被把持物Ｗの高さの９割以上をカバーする高さ方向の位置にロボットアーム１００を位置決めさせる（図１３（ｄ））。そして、第１の実施形態と同様の動作でサーボモータ１７を作動させて可動爪２０ａを移動させることにより、１個の被把持物Ｗを把持することができる（図１３（ｅ））。
その後、ロボットアーム１００を作動させて被把持物Ｗを所定の位置まで移動させ、その位置において可動爪２０ａを移動させて被把持物Ｗの把持を解除することにより、被把持物Ｗを任意の地点に移動することができる。その際に、第１の実施形態と同様の動作を行うことにより、被把持物Ｗが移動中に落下したり硬くなって食感を損ねたり、また外観上に傷や変形等の商品価値を低下させる不具合が発生したりすることを防止することができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定しない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を例示したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１ 把持移載装置
１ｂ 把持装置移動機構
２ 第２制御手段
１６ａ，２０ａ，２１ａ 把持部（可動爪）
１６ｂ、２０ｂ、２１ｂ 把持部（固定爪）
１７ 駆動手段（サーボモータ）
１７ｄ 回転位置検知手段（エンコーダ）
１８ 駆動力伝達手段（レバー）
１９ 制御手段
２１ｃ 傾斜部
２２ 撮像手段（カメラ）
１００ 把持装置（ロボットアーム）
Ｗ 被把持物

特開２０１３−２３３６１４号公報

Claims (5)

1. 被把持物を把持する開閉自在な２以上の把持部と、前記把持部の少なくとも一つを駆動する電流値制御と位置制御とが可能な駆動手段と、前記駆動手段の駆動力を前記把持部に伝達する駆動力伝達手段と、前記把持部の開閉時における前記駆動手段の回転位置を検知する回転位置検知手段と、前記駆動手段の作動を制御する制御手段とを有し、
   前記制御手段は、前記電流値制御により前記駆動手段の回転位置の単位時間当たりの変化量から前記駆動手段の回転速度を算出し、算出した速度が所定値以下となったときに前記把持部が前記被把持物に接触したと判断し、接触後さらに前記把持部により前記被把持物を所定位置まで押し込んだ後に前記駆動手段の制御を前記電流値制御から前記位置制御に変更し、前記把持部が前記所定位置を維持するように前記駆動手段の作動を制御する把持装置。
2. 請求項１記載の把持装置において、
   前記把持部の少なくとも一つは前記被把持物と接触する側の形状が接触する前記被把持物の形状と同様に形成されていることを特徴とする把持装置。
3. 請求項１または２記載の把持装置において、
   前記把持部の少なくとも一つはその先端に他の前記把持部に向けて傾斜する傾斜部を有することを特徴とする把持装置。
4. 請求項１ないし３の何れか一つに記載の把持装置を搭載し、前記把持部が所定の位置に移動可能となるように前記把持装置を移動させる把持装置移動機構と、前記把持装置移動機構の作動を制御する第２制御手段とを有することを特徴とする把持移載装置。
5. 請求項４記載の把持移載装置において、
   画像を撮影する撮像手段を有し、前記制御手段は前記撮像手段が撮影した画像に基づいて前記把持部の移動する位置を演算することを特徴とする把持移載装置。

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