JP6831136B2 - 電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンド - Google Patents

Description

本発明は、電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンドに関し、本発明のロボットハンドはロボット、機電一体化技術分野に属し、ロボット本体と連結され、特に、食品、農産物、軽工業製品を摘み上げ、ピッキングすること等の生産及び物流分野に適する。

軽工業及び食品業の大規模生産状況について、形状が複雑で、物性が多様な原材料、半製品、完成品の物流及び梱包のニーズを満たし、単純労働の労働コストが高く、労働条件も劣悪であるといった問題を解決するため、物流の摘み上げ用エンドグリッパーが必要とされてきた。摘み上げる多様な物体の種類として(1)形状が不規則で、サイズの変化が大きい物体（瓜・果物、野菜）、(2)壊れやすく脆い物体（鶏の卵、ガラスセラミック製品）、(3)変形しやすい柔らかい物体（パン、ソフトパッケージ商品）、(4)形状が異なり、位置を決めずに、ばらばらに置かれた物体（酒びん、化粧品びん）が挙げられる。上記から見ると、多様な対象物体の材料性質、形状やサイズ及び位置状態の差が比較的大きいことが分かる。従来の産業用ロボットハンド（エンドグリッパー）は、クランプ式或いは平行移動式の構造で、形状やサイズが同じで、位置状態が一致しており、破損しない剛性ワークのみを摘み上げることができる。ヒューマノイドの器用なハンドは多様な対象物体の空間位置及び形状を感知し、正確にモーション及び摘み力を制御する必要があり、さもなければ多様な対象物体に損傷を与えるか、確実に摘み上げることができない。ただし現在ヒューマノイドの器用なハンドは、実験室での研究段階にある。

現在、劣駆動ロボットハンドの指部分は、剛性可変拘束機構であり、各指が３自由度を有する。単一モータで駆動する場合において、つかみ取る物体に接触していないとき、指の任意点の運動軌跡は固定され、小さな摘み上げ対象物体の支持面（例：コンペアベルト）に干渉する。摘み上げ対象物体に接触したとき、２個のねじりバネの作用を克服しなければならず、その作用点、作用力の大きさや方向は変更できない。前述の把持される多様な物体の異なる形状、サイズに適応できない以外に、接触力で多様な対象物体に損傷を与えず、かつ確実に多様な対象物体を把持する特殊な要求を満たすこともできず、同時に把持される多様な物体に大きな衝撃を与える。これにより、剛性構造の劣駆動ロボットハンドの適応性に劣り、前述の多様な物体を効果的に把持できない。

上記多様な把持対象物体について、本発明は上記欠陥を克服し、モータがスクリューナット機構を通じて、回転運動を直線運動に変換してから同時に４本の指部品のＭＰ関節を回転駆動させ、ＭＰ関節位置を調整し、ＭＰ関節及びＤＩＰ関節に取り付けられた空気圧ベローズ型人工筋肉の駆動により物体を摘み上げ、空気圧ベローズ型人工筋肉を通じてＭＰ関節を回転変位させ、円柱形、方形、球形、楕円形の物体を垂直方向に摘み上げる、または円柱形、方形の物体を水平方向に摘み上げることに適応する。角変位フィードバックエンコーダを備えたモータの角変位の制御を通じて、摘み上げ姿勢の調整が可能で、接触力の作用点の調整も可能であるため、多様な対象物体を摘み上げるとき、摘み上げ範囲がより広がり、空気圧ベローズ型人工筋肉の応答速度も高く、フレキシブルな自己適応効果を有している。

本発明は、上記背景技術内で言及されている課題を解決するため、電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンドを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、以下の技術的手段からなる。電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンドであって、ねじ軸モータ、上部座板、ガイドカップリングロッド、スクリューナットシート、リニアベアリング、駆動板、プッシュプレート、プッシュロッド、固定指ホルダ、リンク、下部座板、短指、長指、単頭ベローズ型人工筋肉、突条付きプッシュプレート、引張りバネ、小型サポーター、回転駆動板、押さえ円板、シーリング部材、スリーブ、可動指ホルダ、座付き小型軸受を含み、前記ねじ軸モータは上部座板に取り付けられ、前記上部座板と下部座板が２本のガイドカップリングロッドに固定されて一体となり、２本のガイドカップリングロッドの両端に円筒部があり、各々上部座板及び下部座板上の孔と遊動嵌合し、前記ねじ軸モータと連動するスクリューナットシートは駆動板に固定され、前記駆動板に２個のリニアベアリングが取り付けられ、２個のリニアベアリングが対応するガイドカップリングロッドによってガイドされて駆動板が上下に直線運動し、左側の短指のＭＰ関節の上端が固定指ホルダとヒンジで連結され、前記固定指ホルダがねじで下部座板に取り付けられ、前記プッシュプレートが駆動板に固定され、前記プッシュプレートの外側にプッシュロッドが取り付けられ、前記プッシュロッドがリンクの一端とヒンジで連結され、前記リンクの他端が短指上のヒンジベースとヒンジで連結され、右側中間の長指の付け根の上端が固定指ホルダとヒンジで連結され、前記突条付きプッシュプレートが駆動板に固定され、前記突条付きプッシュプレートの外側にプッシュロッドが取り付けられ、前記プッシュロッドがリンクの一端とヒンジで連結され、前記リンクの他端が長指上のヒンジベースとヒンジで連結され、前記駆動板が突条付きプッシュプレートを連動により上下に直線運動させ、
右側の外側にある２本の短指のＭＰ関節の上端がいずれも可動指ホルダとヒンジで連結され、右側の外側にある２本の短指は、２個の単頭ベローズ型人工筋肉で駆動され、可動指ホルダ及び回転駆動板と同軸且つ一体的に回転し、前記可動指ホルダ上部のシャフトセクションがスリーブに嵌め込まれ、前記スリーブが座付き小型軸受の内輪を押さえ、前記可動指ホルダ上部のシャフトセクションのネジ部がナットで締め付けられ、可動指ホルダが軸方向に座付き小型軸受に固定され、前記座付き小型軸受がネジを通じて下部座板に固定され、前記単頭ベローズ型人工筋肉が留め具でシーリング部材の波状係止部に固定され、エアホースジョイントを備えたシーリング部材が小型サポーターに固定され、前記小型サポーターが回転駆動板に固定され、２本の引張りバネの一端が突条付きプッシュプレートの突条部上の孔内に係入され、他端が小型サポーター上の孔内に係入され、前記回転駆動板の外側にプッシュロッドが取り付けられ、前記プッシュロッドがリンクの一端とヒンジで連結され、前記リンクの他端が短指上のヒンジベースとヒンジで連結され、
前記短指は、ＭＰ関節、ヒンジベース、大型サポーター、厚型シーリング部材、エアホースジョイント、双頭ベローズ型人工筋肉、薄型シーリング部材、太いねじりコイルバネ、ＰＩＰ関節、細いねじりコイルバネ、ＤＩＰ関節、円弧状ゴムストリップを含み、前記ヒンジベースがＭＰ関節に固定され、前記双頭ベローズ型人工筋肉の上端が留め具で厚型シーリング部材の波状係止部に固定され、前記エアホースジョイントが厚型シーリング部材にねじ込まれ、前記双頭ベローズ型人工筋肉の下端が留め具で薄型シーリング部材の波状係止部に固定され、前記厚型シーリング部材、薄型シーリング部材がいずれも大型サポーターに固定され、１個の大型サポーターがＭＰ関節に固定され、もう１個の大型サポーターがＤＩＰ関節に固定され、前記ＭＰ関節がＰＩＰ関節とヒンジで連結され、ヒンジ芯棒に太いねじりコイルバネが嵌め込まれ、前記ＰＩＰ関節がＤＩＰ関節とヒンジで連結され、ヒンジ芯棒に細いねじりコイルバネが嵌め込まれ、前記円弧状ゴムストリップが各々ＭＰ関節、ＰＩＰ関節、ＤＩＰ関節の内側の把持接触面に貼付される。

好ましくは、前記駆動板は、プッシュプレートを連動により上下に直線運動させる。

好ましくは、前記プッシュプレートは、プッシュロッド、リンクを駆動し、指の付け根と下部座板との間の交角を調整する。

好ましくは、前記突条付きプッシュプレートは、プッシュロッド、リンクを駆動し、指の付け根と下部座板との間の交角を調整する。

好ましくは、２枚の回転駆動板の厚さと駆動板外側のガイド溝の幅は、両者を遊動嵌合させるものとなっており、円筒形ピンヒンジで連結されて回転する。

好ましくは、２個のガイド溝の終点平面は、平行となり、２個の引張りバネ作用下で、右側の外側にある２本の短指が長指、左側の短指と平行となることを保証する。

好ましくは、六角穴付ネジ及びナット、２個の押さえ円板を使用して２個のゴム材料の単頭ベローズ型人工筋肉の平面端を挟持して突条付きプッシュプレートの突条部に固定させ、密封を保持することもできる。

好ましくは、空気を入れた単頭ベローズ型人工筋肉が膨張し、小型サポーター、右側の外側にある短指を回転駆動して、指の回転変位を実現する。

好ましくは、前記駆動板が回転駆動板を連動により上下に直線運動させ、回転駆動板がプッシュロッド、リンクを駆動させることで、指の付け根と下部座板との間の交角を調整する。

好ましくは、自由状態の単頭ベローズ型人工筋肉は、Ｕ字形ベローズ縦断面を有しており、取り付けた後の初期状態が引張りバネで圧縮されてΩ形のベローズ縦断面を有している。

好ましくは、本発明に係るロボットハンドは、４本指があり、４本指の付け根と下部座板との間の交角が等しく、左側に１本指、右側に３本指があり、左側の指と右側の３本指うちの左右指が対称的に取り付けられ、外側の２指の構造及びサイズが全く同じで、いずれも短い指であり、右側の外側にある２本短指の付け根が逆方向に変位した後、この２本短指と左側短指の付け根が同心円状に配置され、かつ各指の屈曲方向がいずれもこの同心円の円心に向いており、長指は、右側の３本指内の中指であり、左側短指と右側長指が左右対称に取り付けられ、長指が短指の構造と同じであるが、長指の３本指の指関節の長さが短指の３本指の指関節より長く、イーグルクロー状を形成し、長指が物体の底部に引掛けられ、しっかり摘み上げる役目を果たす。

好ましくは、本発明の空気圧駆動システムは、６個の同一空気圧駆動手段で構成され、各空気圧駆動手段において、吸気が並列につながる空気通路を経由し、並列につながる空気通路の前端の１本の通路が直列接続する常時開形オンオフバルブＱ２、調節可能なスロットルバルブＱ３であり、もう１本の通路が並列接続する常時開形高速オンオフバルブＱ１、口径範囲が０．１〜１ｍｍの小口径スロットルバルブＱ４であり、並列につながる空気通路の後端が単頭ベローズ型人工筋肉或いは双頭ベローズ型人工筋肉に接続され、単頭ベローズ型人工筋肉或いは双頭ベローズ型人工筋肉の吸気口に排気オンオフバルブＱ５が接続され、排気オンオフバルブＱ５の後方にマフラーＱ６が接続され、単頭ベローズ型人工筋肉或いは双頭ベローズ型人工筋肉の吸気口に圧力トランスミッタＱ７が更に接続される。

（１）モータの制御を通じて、ＭＰ関節と摘み上げ対象物体の角度を調整可能とすることで、接触点位置の調整を実現し、摘み上げ対象物体接触点位置の調整について、状況に応じて接触力の作用点及び作用力の方向を選択でき、摘み上げ過程において物体に対し変形及び損傷を与えさせず、摘み上げをより正確かつ信頼でき、同時に、ＭＰ関節と摘み上げ対象物体の角度を調整して、摘み上げ対象物体サイズの大きな変化に適応することができる。

（２）高速オンオフバルブの制御を通じて空気圧単頭ベローズ型人工筋肉の駆動圧力を正確に制御し、指の付け根の回転変位角度を正確に制御することで、指の回転変位角度の正確な制御を実現し、円柱形、方形、球形、楕円形の物体を垂直方向に摘み上げるか、球形、円柱形、方形の物体を水平方向に摘み上げることができるようになり、摘み上げる物体の形状、縦置き・横置きの変化に適応する。

（３）高速オンオフバルブの制御を通じて空気圧双頭ベローズ型人工筋肉の駆動圧力を正確に制御し、摘み力の正確な制御を実現し、同時に双頭ベローズ型人工筋肉は、ＭＰ関節及びＤＩＰ関節に取り付けられることで、ＭＰ関節とＰＩＰ関節のヒンジ上の太いバネ、ＰＩＰ関節とＭＰ関節のヒンジ上の細いバネの２つのトルクを克服して物体を摘み上げ、太いバネ、細いバネのパラメータの最適化を向上させ、摘み力の作用点及び大きさにもフレキシブルな自己適応形がある。

（４）空気圧駆動システムのゲインが大きく、空気圧ベローズ型人工筋肉が小型軽量で、エアーシリンダー上のピストン及びシリンダチューブ、ピストンロッドとシリンダーカバーのシール摩擦減衰がないため、応答性が高く、緩衝性も良好になる。

電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンドのＡ−Ａ正面図である。 電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンドの反時計回りに９０度回転させた場合のＢ−Ｂ底面図である。 電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンドの反時計回りに９０度回転させた場合のＣ−Ｃ上面図である。 電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンドのＤ−Ｄ左側面図である。 電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンドのＥ−Ｅ部分断面図である。 電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンドのＥ−Ｅ部分拡大図である。 電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンドの短指主断面図である。 電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンドの単頭ベローズ型人工筋肉図である。 電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンドの指の水平位置状態図である。 電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンドの突条付きプッシュプレート正面図である。 電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンドの突条付きプッシュプレート正面図である。 電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンドの高速オンオフバルブ制御の空気圧作動原理図である。

以下、本発明の実施例内の添付図面を基に、本発明の実施例内の技術的手段を明確に説明するが、記載されている実施例は本発明の一部の実施例であり、全部の実施例ではない。当業者にとって格別の創意工夫を要すものではないとして、本発明内の実施例に基づいて得られた全ての他の実施例は、本発明の保護範囲に網羅される。

電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンドであって、ねじ軸モータ１、上部座板２、ガイドカップリングロッド３、スクリューナットシート４、リニアベアリング５、駆動板６、プッシュプレート７、プッシュロッド８、固定指ホルダ９、リンク１０、下部座板１２、短指１３、長指１４、単頭ベローズ型人工筋肉１５、突条付きプッシュプレート１６、引張りバネ１７、小型サポーター１８、回転駆動板１９、押さえ円板２０、シーリング部材２１、スリーブ２２、可動指ホルダ２３、座付き小型軸受２４を含み、ねじ軸モータ１は上部座板２に取り付けられ、上部座板２と下部座板１２が２本のガイドカップリングロッド３に固定されて一体となり、２本のガイドカップリングロッド３の両端に円筒部があり、各々上部座板２及び下部座板１２上の孔と遊動嵌合し、ねじ軸モータ１と連動するスクリューナットシート４は駆動板６に固定され、駆動板６に２個のリニアベアリング５が取り付けられ、２個のリニアベアリング５が対応するガイドカップリングロッド３によってガイドされて駆動板６が上下に直線運動をさせ、左側の短指１３のＭＰ関節１３ａの上端が固定指ホルダ９とヒンジで連結され、固定指ホルダ９がねじで下部座板１２に取り付けられ、プッシュプレート７が駆動板６に固定され、プッシュプレート７の外側にプッシュロッド８が取り付けられ、プッシュロッド８がリンク１０の一端とヒンジで連結され、リンク１０の他端が短指１３上のヒンジベース１３ｂとヒンジで連結され、右側中間の長指１４の付け根が固定指ホルダ９とヒンジで連結され、突条付きプッシュプレート１６が駆動板６に固定され、突条付きプッシュプレート１６の外側にプッシュロッド８が取り付けられ、プッシュロッド８がリンク１０の一端とヒンジで連結され、リンク１０の他端が長指１４上のヒンジベース１３ｂとヒンジで連結され、駆動板６が突条付きプッシュプレート１６を連動により上下に直線運動させ、
右側の外側にある２本の短指１３のＭＰ関節１３ａの上端がいずれも可動指ホルダ２３とヒンジで連結され、右側の外側にある２本の短指１３は、２個の単頭ベローズ型人工筋肉１５で駆動され、可動指ホルダ２３及び回転駆動板１９と同軸且つ一体的に回転し、可動指ホルダ２３上部のシャフトセクションがスリーブ２２に嵌め込まれ、スリーブ２２が座付き小型軸受２４の内輪を押さえ、可動指ホルダ２３上部のシャフトセクションのネジ部がナットで締め付けられ、可動指ホルダ２３が軸方向に座付き小型軸受２４に固定され、前記座付き小型軸受２４がネジを通じて下部座板１２に固定され、単頭ベローズ型人工筋肉１５が留め具でシーリング部材２１の波状係止部に固定され、エアホースジョイントを備えたシーリング部材２１が小型サポーター１８に固定され、小型サポーター１８が回転駆動板１９に固定され、２本の引張りバネ１７の一端が突条付きプッシュプレート１６の突条部上の孔内に係入され、他端が小型サポーター１８上の孔内に係入され、前記回転駆動板１９の外側にプッシュロッド８が取り付けられ、プッシュロッド８がリンク１０の一端とヒンジで連結され、リンク１０の他端が短指１３上のヒンジベース１３ｂとヒンジで連結され、
短指１３は、ＭＰ関節１３ａ、ヒンジベース１３ｂ、大型サポーター１３ｃ、厚型シーリング部材１３ｄ、エアホースジョイント１３ｅ、双頭ベローズ型人工筋肉１３ｆ、薄型シーリング部材１３ｇ、太いねじりコイルバネ１３ｈ、ＰＩＰ関節１３ｉ、細いねじりコイルバネ１３ｊ、ＤＩＰ関節１３ｋ、円弧状ゴムストリップ１３ｌを含み、ヒンジベース１３ｂがＭＰ関節１３ａに固定され、双頭ベローズ型人工筋肉１３ｆの上端が留め具で厚型シーリング部材１３ｄの波状係止部に固定され、エアホースジョイント１３ｅが厚型シーリング部材１３ｄにねじ込まれ、双頭ベローズ型人工筋肉１３ｆの下端が留め具で薄型シーリング部材１３ｇの波状係止部に固定され、前記厚型シーリング部材１３ｄ、薄型シーリング部材１３ｇがいずれも大型サポーター１３ｃに固定され、１個の大型サポーター１３ｃがＭＰ関節１３ａに固定され、もう１個の大型サポーター１３ｃがＤＩＰ関節１３ｋに固定され、ＭＰ関節１３ａがＰＩＰ関節１３ｉとヒンジで連結され、ヒンジ芯棒に太いねじりコイルバネ１３ｈが嵌め込まれ、ＰＩＰ関節１３ｉがＤＩＰ関節１３ｋとヒンジで連結され、ヒンジ芯棒に細いねじりコイルバネ１３ｊが嵌め込まれ、円弧状ゴムストリップ１３１が各々ＭＰ関節１３ａ、ＰＩＰ関節１３ｉ、ＤＩＰ関節１３ｋの内側の把持接触面に貼付される。

本実施例で、駆動板６は、プッシュプレート７を連動により上下に直線運動させる。

本実施例では、プッシュプレート７は、プッシュロッド８、リンク１０を駆動し、指の付け根と下部座板１２との間の交角を調整する。

本実施例では、突条付きプッシュプレート１６は、プッシュロッド８、リンク１０を駆動し、指の付け根と下部座板１２との間の交角を調整する。

本実施例では、２枚の回転駆動板１９の厚さと駆動板６外側のガイド溝の幅は、両者を遊動嵌合させるものとなっており、円筒形ピンヒンジで連結されて回転する。

本実施例では、２個のガイド溝の終点平面は、平行となり、２個の引張りバネ1７作用下で、右側の外側にある２本の短指１３が長指１４、左側の短指１３と平行であることを保証する。

本実施例では、六角穴付ネジ及びナット、２個の押さえ円板２０を使用して２個のゴム材料の単頭ベローズ型人工筋肉１５の平面端を挟持して突条付きプッシュプレート１６の突条部に固定させることでも密封性を保持できる。

本実施例では、空気を入れた単頭ベローズ型人工筋肉１５が膨張し、小型サポーター１８、右側の外側にある短指１３を回転駆動して、指の回転変位を実現する。

本実施例では、駆動板６が回転駆動板１９を連動により上下に直線運動させ、回転駆動板１９がプッシュロッド８、リンク１０を駆動させることで、指の付け根と下部座板１２との間の交角を調整する。

本実施例では、自由状態の単頭ベローズ型人工筋肉１５は、Ｕ字形ベローズ縦断面を有しており、取り付けた後の初期状態が引張りバネ１７で圧縮されてΩ形のベローズ縦断面を有している。

物体を摘み上げるとき、大流量モードで空気を注入し、先に常時開形オンオフバルブＱ２を制御して通電、空気注入を行い、調節可能なスロットルバルブＱ３を経由して単頭ベローズ型人工筋肉１５或いは双頭ベローズ型人工筋肉１３ｆのチャンバーに入る。目標圧力に近づいたとき、圧力トランスミッタＱ７のフィードバック信号に基づいて、常時開形オンオフバルブＱ２の電源を遮断して停止させ、その後、微少流量モードで空気を注入し、圧力トランスミッタＱ７のフィードバック信号に基づき、常時開形高速オンオフバルブＱ１の高速開閉作用、及び小口径スロットルバルブＱ４の微少流量の流通作用により、単頭ベローズ型人工筋肉１５或いは双頭ベローズ型人工筋肉１３ｆチャンバーの気体圧力を正確に制御することで、摘みの接触力及び指の付け根の回転角度を正確に保持でき、物体を放すときには、圧力トランスミッタＱ７のフィードバック信号に基づき、常時開形排気オンオフバルブＱ５に通電して排気をオンにし、また直ちに排気をオフすることで、一定の背圧を保証し、無負荷のロボットハンドの指に一定の剛性を持たせる。

本発明の動作原理及び使用の流れ
具体的に摘み上げ対象物体に対し最適化計算を行った後、必要な摘み力が対応する摘み上げる姿勢及び接触点位置を算出でき、摘み上げる姿勢及び接触点位置は、モータ回転角度及び各ベローズ型人工筋肉内圧で正確に制御する。具体的に言えば、(1)同種（例えばリンゴ）：形状やサイズが異なる多様な物体を摘み上げるとき、適切なねじりバネパラメータ及び指構造サイズを選択することで、自由度や適応性が高く、このような多様な物体を損傷させず、かつ確実に把持でき、(2)形状（例えばリンゴ、オレンジ、ミカン等の球体又は大小箱等の四方体）が同じ：形状やサイズの変化が大きく形状が同じ多様な物体を摘み上げるとき、適切なねじりバネパラメータ及び指構造サイズを選択することによって、自由度や適応性が高く、形状が同じ多様な物体を損傷させることなく、かつ確実に把持でき、(3)形状が異なる（例えばリンゴ、オレンジ、ミカン等の球体及び小箱等の四方体）：形状やサイズが異なる多様な物体を同時に摘み上げるとき、ねじりバネパラメータと指構造サイズ及び正確な単頭ベローズ型人工筋肉１５の内圧を適切に選択し、引張りバネ１７の引張力を克服して指の回転変位を調整した後、自由度や適応性が高く、形状が異なる多様な物体を損傷させず、かつ確実に把持できる。

本発明に係るイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンドは、指の回転変位角度の正確な制御を通じて、円柱形、方形、球形、楕円形の物体を垂直方向に摘み上げるか、球形、円柱形、方形の物体を水平方向に摘み上げることができ、摘み上げる物体の形状に適応することや、縦置き・横置きの変化需要も満たす。

対象物の形状（例：円柱形、長方形等）のサイズ及び材料の物理的な特性に基づき、ＡＤＡＭＳソフトウェアを通じてロボットハンド手指の様々な構造状態をシミュレーションし、各構造形の適応する形状やサイズの範囲及び損傷させず、かつ確実に把持（落下しない）する適応条件を確定し、物流梱包用ロボットハンドの最終的に把持する構造形、接触点位置及び接触力の大きさ、方向を確定する。

柔軟指構造により、ロボットハンドは次の状態がある。(1)接触していない状態下の指の無負荷運動、(2)接触後、接触力がゼロの状態、(3)接触後物体が未運動であるが、接触力が増大し、接触力の作用点位置、接触力の方向が変化、(4)接触後物体が未運動で、接触力が最大の状態、(5)物体とロボットハンドが同時に加速度移動する把持運動、接触力の作用点位置、大きさ、方向の変化、(6)物体とロボットハンドが同時に均一な速度で移動する把持運動、接触力の作用点位置、大きさ、方向の変化、(7)物体とロボットハンドが同時に減速度移動する把持運動、接触力の作用点位置、大きさ、方向の変化、(8)物体とロボットハンドが空中静止状態。

動的制御のとき、(1)接触していない状態下の指の無負荷運動時、コンペアベルト又はコンソールとの干渉を避ける指先の経路計画を確定し、モータ回転及びベローズ型人工筋肉圧力で駆動する動的制御戦略を形成し、(2)接触後物体が未運動せず、接触力が最大の状態にあるとき、物体が摘み上げられた瞬間、接触力に急変が生じ、圧力トランスミッタ及び高速オンオフバルブの制御を通じて、各ベローズ型人工筋肉の内圧を調整でき、(3)物体とロボットハンドが同時に加速度移動或いは減速度移動するとき、各ベローズ型人工筋肉の内圧を適応に調整できる。

なお、本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の原理及び精神を逸脱することなく、これら実施例に対し様々な変化、修正、置換及び変形を行うことができることが理解されよう。本発明の範囲は、添付する特許請求の範囲及びその均等物で限定される。

１ねじ軸モータ
２上部座板
３ガイドカップリングロッド
４スクリューナットシート
５リニアベアリング
６駆動板
７プッシュプレート
８プッシュロッド
９固定指ホルダ
１０リンク
１１座付き大型軸受
１２下部座板
１３短指
１３ａＭＰ関節
１３ｂヒンジベース
１３ｃ大型サポーター
１３ｄ厚型シーリング部材
１３ｅエアホースジョイント
１３ｆ双頭ベローズ型人工筋肉
１３ｇ薄型シーリング部材
１３ｈ太いねじりコイルバネ
１３ｉＰＩＰ関節
１３ｊ細いねじりコイルバネ
１３ｋＤＩＰ関節
１３ｌ円弧状ゴムストリップ
１４長指
１５単頭ベローズ型人工筋肉
１６突条付きプッシュプレート
１７引張りバネ
１８小型サポーター
１９回転駆動板
２０押さえ円板
２１シーリング部材
２２スリーブ
２３可動指ホルダ
２４座付き小型軸受

Claims (10)

1. ねじ軸モータ（１）、上部座板（２）、２本のガイドカップリングロッド（３）、スクリューナットシート（４）、２個のリニアベアリング（５）、駆動板（６）、プッシュプレート（７）、プッシュロッド（８）、固定指ホルダ（９）、リンク（１０）、下部座板（１２）、上下方向に延びた３本の短指（１３）、上下方向に延びた長指（１４）、単頭ベローズ型人工筋肉（１５）、突条付きプッシュプレート（１６）、引張りバネ（１７）、小型サポーター（１８）、回転駆動板（１９）、押さえ円板（２０）、シーリング部材（２１）、スリーブ（２２）、可動指ホルダ（２３）、座付き小型軸受（２４）を含む電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンドであって、
   前記３本の短指（１３）のうちの１本が、前記２本のガイドカップリングロッド（３）を含む面内にあって上下方向と直交する左右方向についての一方側である左側にあり、前記３本の短指（１３）のうちの２本と前記長指（１４）が前記左右方向についての他方側である右側にあり、前記長指（１４）は右側の２本の短指（１３）を外側としてこれら２本の短指（１３）の中間にあり、
   前記ねじ軸モータ（１）は前記上部座板（２）に取り付けられ、前記上部座板（２）と前記下部座板（１２）が２本の前記ガイドカップリングロッド（３）に固定されて一体となり、２本の前記ガイドカップリングロッド（３）の両端に円筒部があり、各々前記上部座板（２）及び前記下部座板（１２）上の孔と遊動嵌合し、前記ねじ軸モータ（１）と連動する前記スクリューナットシート（４）は前記駆動板（６）に固定され、前記駆動板（６）に２個の前記リニアベアリング（５）が取り付けられ、２個の前記リニアベアリング（５）が対応する前記ガイドカップリングロッド（３）によってガイドされて前記駆動板（６）が上下に直線運動をし、左側の前記短指（１３）のＭＰ関節（１３ａ）の上端が前記固定指ホルダ（９）とヒンジで連結され、前記固定指ホルダ（９）がねじで前記下部座板（１２）に取り付けられ、前記プッシュプレート（７）が前記駆動板（６）に固定され、前記プッシュプレート（７）の外側に前記プッシュロッド（８）が取り付けられ、前記プッシュロッド（８）が前記リンク（１０）の一端とヒンジで連結され、前記リンク（１０）の他端が前記短指（１３）上のヒンジベース（１３ｂ）とヒンジで連結され、右側中間の前記長指（１４）の付け根の上端が前記固定指ホルダ（９）とヒンジで連結され、前記突条付きプッシュプレート（１６）が前記駆動板（６）に固定され、前記突条付きプッシュプレート（１６）の外側に前記プッシュロッド（８）が取り付けられ、前記プッシュロッド（８）が前記リンク（１０）の一端とヒンジで連結され、前記リンク（１０）の他端が前記長指（１４）上のヒンジベース（１３ｂ）とヒンジで連結され、前記駆動板（６）が前記突条付きプッシュプレート（１６）を連動により上下に直線運動させ、
   右側の外側にある２本の前記短指（１３）の前記ＭＰ関節（１３ａ）の上端がいずれも前記可動指ホルダ（２３）とヒンジで連結され、右側の外側にある２本の前記短指（１３）は、２個の前記単頭ベローズ型人工筋肉（１５）で駆動され、前記可動指ホルダ（２３）及び前記回転駆動板（１９）と同軸且つ一体的に回転し、前記可動指ホルダ（２３）上部のシャフトセクションが前記スリーブ（２２）に嵌め込まれ、前記スリーブ（２２）が前記座付き小型軸受（２４）の内輪を押さえ、前記可動指ホルダ（２３）上部のシャフトセクションのネジ部がナットで締め付けられ、前記可動指ホルダ（２３）が軸方向に前記座付き小型軸受（２４）に固定され、前記座付き小型軸受（２４）がネジを通じて前記下部座板（１２）に固定され、前記単頭ベローズ型人工筋肉（１５）が留め具で前記シーリング部材（２１）の波状係止部に固定され、エアホースジョイントを備えた前記シーリング部材（２１）が前記小型サポーター（１８）に固定され、前記小型サポーター（１８）が前記回転駆動板（１９）に固定され、２本の前記引張りバネ（１７）の一端が前記突条付きプッシュプレート（１６）の突条部上の孔内に係入され、他端が前記小型サポーター（１８）上の孔内に係入され、前記回転駆動板（１９）の外側に前記プッシュロッド（８）が取り付けられ、前記プッシュロッド（８）が前記リンク（１０）の一端とヒンジで連結され、前記リンク（１０）の他端が前記短指（１３）上の前記ヒンジベース（１３ｂ）とヒンジで連結されている、
   ことを特徴とする、電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンド。
2. 前記短指（１３）は、前記ＭＰ関節（１３ａ）、前記ヒンジベース（１３ｂ）、大型サポーター（１３ｃ）、厚型シーリング部材（１３ｄ）、エアホースジョイント（１３ｅ）、双頭ベローズ型人工筋肉（１３ｆ）、薄型シーリング部材（１３ｇ）、太いねじりコイルバネ（１３ｈ）、ＰＩＰ関節（１３ｉ）、細いねじりコイルバネ（１３ｊ）、ＤＩＰ関節（１３ｋ）、円弧状ゴムストリップ（１３ｌ）を含み、前記ヒンジベース（１３ｂ）が前記ＭＰ関節（１３ａ）に固定され、前記双頭ベローズ型人工筋肉（１３ｆ）の上端が留め具で前記厚型シーリング部材（１３ｄ）の波状係止部に固定され、前記エアホースジョイント（１３ｅ）が厚型シーリング部材（１３ｄ）にねじ込まれ、前記双頭ベローズ型人工筋肉（１３ｆ）の下端が留め具で前記薄型シーリング部材（１３ｇ）の波状係止部に固定され、前記厚型シーリング部材（１３ｄ）、前記薄型シーリング部材（１３ｇ）がいずれも前記大型サポーター（１３ｃ）に固定され、１個の前記大型サポーター（１３ｃ）が前記ＭＰ関節（１３ａ）に固定され、もう１個の前記大型サポーター（１３ｃ）が前記ＤＩＰ関節（１３ｋ）に固定され、前記ＭＰ関節（１３ａ）が前記ＰＩＰ関節（１３ｉ）とヒンジで連結され、ヒンジ芯棒に前記太いねじりコイルバネ（１３ｈ）が嵌め込まれ、前記ＰＩＰ関節（１３ｉ）が前記ＤＩＰ関節（１３ｋ）とヒンジで連結され、ヒンジ芯棒に前記細いねじりコイルバネ（１３ｊ）が嵌め込まれ、前記円弧状ゴムストリップ（１３ｌ）が各々前記ＭＰ関節（１３ａ）、前記ＰＩＰ関節（１３ｉ）、前記ＤＩＰ関節（１３ｋ）の内側の把持接触面に貼付されることを特徴とする、請求項１に記載の電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンド。
3. 前記駆動板（６）は、前記プッシュプレート（７）を連動により上下に直線運動させ、
   前記プッシュプレート（７）は、前記プッシュロッド（８）、前記リンク（１０）を駆動し、指の付け根と前記下部座板（１２）との間の交角を調整することを特徴とする、請求項１に記載の電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンド。
4. 前記突条付きプッシュプレート（１６）は、前記プッシュロッド（８）、前記リンク（１０）を駆動し、指の付け根と前記下部座板（１２）との間の交角を調整することを特徴とする、請求項１に記載の電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンド。
5. ２枚の前記回転駆動板（１９）の厚さと前記駆動板（６）外側のガイド溝の幅は、両者を遊動嵌合させるものとなっており、円筒形ピンヒンジで連結されて回転することを特徴とする、請求項１に記載の電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンド。
6. ２個のガイド溝の終点平面は、平行となり、２個の前記引張りバネ（１７）作用下で、右側の外側にある２本の前記短指（１３）が前記長指（１４）、左側の前記短指（１３）と平行であることを保証することを特徴とする、請求項５に記載の電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンド。
7. 六角穴付ネジ及びナット、２個の前記押さえ円板（２０）を使用して２個のゴム材料の前記単頭ベローズ型人工筋肉（１５）の平面端を挟持して前記突条付きプッシュプレート（１６）の突条部に固定させ、密封を保持することもできることを特徴とする、請求項５に記載の電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンド。
8. 空気を入れた前記単頭ベローズ型人工筋肉（１５）が膨張し、前記小型サポーター（１８）、右側の外側にある前記短指（１３）を回転駆動して、指の回転変位を実現することを特徴とする、請求項１に記載の電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンド。
9. 前記駆動板（６）が前記回転駆動板（１９）を連動により上下に直線運動させ、前記回転駆動板（１９）が前記プッシュロッド（８）、前記リンク（１０）を駆動させることで、指の付け根と前記下部座板（１２）との間の交角を調整することを特徴とする、請求項１に記載の電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンド。
10. 自由状態の前記単頭ベローズ型人工筋肉（１５）は、Ｕ字形ベローズ縦断面を有しており、取り付けた後の初期状態が前記引張りバネ（１７）で圧縮されてΩ形のベローズ縦断面を有していることを特徴とする、請求項１に記載の電気−空気圧複合駆動柔軟指のイーグルクローを模擬した物流梱包用ロボットハンド。

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