JP6836559B2 - ロボットハンド - Google Patents

Description

本発明は、ロボットハンドに関するものである。

従来、搬送用のロボットに取り付けられるロボットハンドは、搬送対象のワークに応じて変更される。ロボットハンドは、ワークの形状および寸法に応じて、ワークの種類毎に設計される。したがって、複数種類のロボットハンドを作製しなければならず、コストがかかる。特に、ワークの形状に応じた３次元形状の把持部の加工コストは高い。また、多くのロボットハンドの保管に場所が必要となる。
このような不都合を解消するために、多様なワークに対応可能なロボットハンドが考案されている（特許文献１〜７参照。）。

特開２００７−１０５８７８号公報 実開昭６０−１９０５９１号公報 特開２０１１−１８３４７４号公報 特開２００５−１４４５７５号公報 実開昭５７−１６６６９０号公報 特開平０２−２９８４８７号公報 特開平０３−２９４１９７号公報

特許文献１〜７に記載のロボットハンドは、吸着パッドまたは把持指のような複数の把持部の相対位置を変更することによって、形状および寸法が異なる多様なワークを把持することができる。しかしながら、特許文献１〜７では、ワークの形状および寸法に対して複数の把持部の各々の適切な位置を予め決定し、作業者の手作業によって各把持部を適切な位置に変更するか、または駆動装置によって各把持部の位置を適切に制御する必要がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、把持部の位置をワークの形状および寸法に応じた適切な位置に自動調整し、多様なワークを安定的に把持することができる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、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、所定の軸回りの周方向に相互に間隔をおいて配置され、ワークを把持する３以上の把持部と、該３以上の把持部を前記所定の軸に近接する閉方向および前記所定の軸から離間する開方向に移動させる駆動部とを備え、少なくとも１つの前記把持部が、前記ワークと接触する位置において該ワークからの前記所定の軸回りの外力に従って前記所定の軸回りに受動的に揺動自在であり、前記ワークの表面に沿って前記所定の軸回りに揺動しながら前記閉方向または前記開方向に移動するロボットハンドである。

本態様に係るロボットハンドは、３以上の把持部の開閉によってワークを把持および解放する。具体的には、内径チャック式の場合、筒状のワークの内側に配置された把持部が開くことによってワークの内面を把持し、把持部が閉じることによってワークを解放する。外径チャック式の場合、ワークの外側に配置された把持部が閉じることによってワークの外面を把持し、把持部が開くことによってワークを解放する。

本態様において、少なくとも１つの把持部が、ワークと接触する位置において揺動自在である。内径チャック式の場合、少なくとも１つの把持部は、開方向の移動の途中でワークの内面と接触し、その後、ワークの内面との接触を維持しながらワークの内面の形状に沿って受動的に揺動する。外径チャック式の場合、少なくとも１つの把持部は、閉方向の移動の途中でワークの外面と接触し、その後、ワークの外面との接触を維持しながらワークの外面の形状に沿って受動的に揺動する。このような少なくとも１つの把持部の受動的な揺動によって、３以上の把持部の相対位置がワークの内面または外面の形状および寸法に合わせて変更される。これにより、把持部の位置をワークの形状および寸法に応じた適切な位置に自動調整し、多様なワークを安定的に把持することができる。

上記態様において、少なくとも他の１つの前記把持部が、前記ワークと接触する位置において前記所定の軸回りに揺動不可であってもよい。
全ての把持部が揺動自在である場合、ワークを把持した状態で３以上の把持部の配置に過度な偏りが生じ得る。少なくとも１つの把持部が揺動不可であることによって、把持部の配置に過度な偏りが生じることを防ぐことができる。

上記態様において、前記少なくとも１つの把持部を、前記周方向の所定の中立位置に付勢する付勢部材を備えていてもよい。
前記少なくとも１つの把持部は、接触するワークから所定の軸回りの外力を受けたときに、付勢部材の付勢力に抗して揺動する。一方、前記少なくとも１つの把持部にワークからの外力が作用していないときには、付勢部材による付勢力によって前記少なくとも１つの把持部を中立位置に保持することができる。

上記態様において、前記少なくとも１つの把持部の前記所定の軸回りの揺動を所定の角度範囲内に制限する揺動制限部材を備えていてもよい。
把持部の揺動可能な角度範囲に制限がない場合、３以上の把持部の配置に過度な偏りが生じ得る。揺動制限部材によって把持部の揺動を所定の角度範囲内に制限することで、３以上の把持部の配置に過度な偏りが生じることを防ぐことができる。

上記態様において、前記揺動制限部材は、前記少なくとも１つの把持部が前記所定の軸に平行な方向に通過する少なくとも１つの開口部を有し、前記開口部の幅が、前記所定の軸に向かって漸次小さくまたは漸次大きくなっていてもよい。
内径チャック式の場合、開口部の幅は、所定の軸に向かって漸次小さくなる。これにより、把持部が開方向に移動するにつれて、把持部の揺動可能な角度範囲が広がる。外径チャック式の場合、開口部の幅は、所定の軸に向かって漸次大きくなる。これにより、把持部が閉方向に移動するにつれて、把持部の揺動可能な角度範囲が広がる。

上記態様において、前記開口部が、前記所定の軸側または該所定の軸とは反対側の一端部に、前記少なくとも１つの把持部の前記所定の軸回りの揺動を防止する幅狭部を有していてもよい。
内径チャック式の場合、把持部が閉じた待機状態において、前記少なくとも１つの把持部は、開口部内の所定の軸側の端部の幅狭部に配置される。外径チャック式の場合、把持部が開いた待機状態において、前記少なくとも１つの把持部は、開口部内の所定の軸とは反対側の端部の幅狭部に配置される。幅狭部において、所定の軸回りの前記少なくとも１つの把持部の両方向の揺動が防止される。これにより、待機状態の把持部を一定位置に保持することができる。

上記態様において、前記少なくとも１つの把持部が、前記所定の軸に平行に延びるシャフトと、該シャフトの外周面に取り付けられ、該シャフトの長手軸回りに回転自在である回転部材とを備え、該回転部材が、前記所定の軸に平行な方向において、前記揺動制限部材の前記開口部と同一位置に配置されていてもよい。
この構成によれば、開口部内のシャフトは回転部材を介して揺動制限部材に接触する。把持部は、回転部材の回転によって、揺動制限部材と接触した状態のまま開口部の縁に沿って開方向および閉方向に移動することができる。

本発明によれば、把持部の位置をワークの形状および寸法に応じた適切な位置に自動調整し、多様なワークを安定的に把持することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るロボットハンドを上側から見た斜視図である。 図１のロボットハンドを下側から見た概略平面図である。 図１のロボットハンドに設けられる把持ユニットを上側から見た斜視図である。 図１のロボットハンドの揺動支持機構の構成を示す概略断面図である。 図１のロボットハンドの変形例を下側から見た概略平面図である。

以下に、本発明の一実施形態に係るロボットハンド１について図面を参照して説明する。
本実施形態に係るロボットハンド１は、筒状のワークの内面を把持する内径チャック式のハンドである。ロボットハンド１は、図１および図２に示されるように、所定の中心軸Ａ回りの周方向に相互に間隔をおいて配置された３つの把持ユニット２Ａ，２Ｂ，２Ｃと、２つの把持ユニット２Ａ，２Ｂを中心軸Ａ回りに揺動自在に支持する揺動支持機構３と、２つの把持ユニット２Ａ，２Ｂの各々の揺動を所定の角度範囲内に機械的に制限する揺動制限部材４と、２つの把持ユニット２Ａ，２Ｂの各々を所定の中立位置に付勢する付勢部材５と、ロボットハンド１をロボットに取り付けるためのハンドフランジ６とを備えている。
なお、ロボットハンド１に設けられる把持ユニットの数は、４以上であってもよい。また、揺動自在である把持ユニットの数は、１つのみ、または３以上であってもよい。

ハンドフランジ６は、ロボットと着脱される部分であり、中心軸Ａと同軸の円板状である。以下、中心軸Ａに沿う方向において、ハンドフランジ６側をロボットハンド１の上側と定義し、ハンドフランジ６とは反対側（把持部７側）をロボットハンド１の下側と定義する。

各把持ユニット２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、把持部７と、把持部７を直線移動させる駆動部８とを備えている。
把持部７は、中心軸Ａに平行なシャフト９と、シャフト９の下端に固定された先端部１０と、シャフト９の外周面に取り付けられた円環状または円筒状の回転部材１１とを備えている。

先端部１０は、ワークを把持する際にワークの内面に密着させられる部分である。
回転部材１１は、シャフト９の長手軸回りに回転自在にシャフト９に支持されている。例えば、回転部材１１は、ベアリングの外輪である。ベアリングの内輪がシャフト９の外周面に固定され、ベアリングの外輪がシャフト９に対してシャフト９の長手軸回りに回転自在である。中心軸Ａに平行な方向において、回転部材１１は、後述する揺動制限部材４と同一位置に配置されており、把持部７は回転部材１１を介して揺動制限部材４と接触する。

駆動部８は、シャフト９の上端を支持し、把持部７を中心軸Ａに近接する閉方向および中心軸Ａから離間する開方向に移動させる。閉方向および開方向は、中心軸Ａに直交する方向である。

一例において、駆動部８は、図３に示されるように、シャフト９の上端が固定されたスライダ１２と、スライダ１２を開方向および閉方向に直線移動させるエアシリンダ１３とを備えている。３つのエアシリンダ１３は、エア回路（図示略）に接続された第１ポートおよび第２ポートをそれぞれ有している。エア回路を介して３つのエアシリンダ１３の第１ポートに同時にエアが供給されることによって、３つの把持部７が相互に同期して開方向に移動し、３つの把持部７が開く。また、エア回路を介して３つのエアシリンダ１３の第２ポートに同時にエアが供給されることによって、３つの把持部７が相互に同期して閉方向に移動し、３つの把持部７が閉じる。
なお、駆動部８は、エアシリンダ１３に代えて、エアまたは電気を動力源として把持部７を直線移動させることができる他の手段、例えばステッピングモータを備えていてもよい。

揺動支持機構３は、図４に示されるように、２つの把持ユニット２Ａ，２Ｂを、中心軸Ａと同軸の中心シャフト１４回りに揺動自在に支持している。中心シャフト１４は、ハンドフランジ６の下面から下側に向かって延びている。揺動支持機構３は、もう１つの把持ユニット２Ｃも、中心軸Ａ回りに揺動自在に支持していてもよい。

具体的には、揺動支持機構３は、軸受１６によって中心シャフト１４に支持されたプレート１５を備えている。図４は、１つの把持ユニット２Ａの揺動支持機構３のみを示している。プレート１５は、中心軸Ａに直交する方向に延び、プレート１５の一端部に把持ユニット２Ａが固定され、プレート１５の他端部には、中心シャフト１４が貫通する穴１５ａが設けられている。軸受１６は、穴１５ａの内面と中心シャフト１４の外面との間に配置されている。軸受１６によって、プレート１５および把持ユニット２Ａは、中心軸Ａ回りの外力に従って中心軸Ａ回りに揺動自在に支持されている。

揺動制限部材４は、中心軸Ａに沿う方向において先端部１０と駆動部８との間の位置に配置された板状の部材である。揺動制限部材４は、中心シャフト１４の下端に固定され、中心軸Ａに直交する方向に配置されている。図２に示されるように、揺動制限部材４は、周方向に均等に配列された３つの開口部４ａ，４ｂ，４ｃを有している。各開口部４ａ，４ｂ，４ｃは、揺動制限部材４を板厚方向に貫通し、各開口部４ａ，４ｂ，４ｃ内をシャフト９が中心軸Ａに平行な方向に通過している。

中心軸Ａに沿う方向に見た平面視において、把持ユニット２Ａ，２Ｂに対応する２つの開口部４ａ，４ｂは、中心軸Ａに向かって幅が漸次小さくなる略三角形状であり、中心軸Ａ側に１つの頂点部を有している。各開口部４ａ，４ｂは、中心軸Ａ側において閉塞し、中心軸Ａとは反対側において開放されている。シャフト９が頂点部よりも外側に配置されている状態において、開口部４ａがシャフト９の幅よりも広い幅を有することによって、中心軸Ａ回りのシャフト９の揺動が、開口部４ａの幅によって規定される角度範囲内で許容される。

中心軸Ａに沿う方向に見た平面視において、把持ユニット２Ｃに対応する１つの開口部４ｃは、中心軸Ａに向かって径方向に真っ直ぐに延びる略矩形状である。開口部４ｃは、中心軸Ａ側において閉塞し、中心軸Ａとは反対側において開放されている。開口部４ｃは、シャフト９の外径よりもわずかに大きい一定の幅を有し、開口部４ｃ内でのシャフト９の中心軸Ａ回りの揺動が阻止されるようになっている。

図２は、３つの把持部７が、中心軸Ａに最も近い待機位置に配置された閉状態を示している。閉状態において、３つの把持部７は、開口部４ａ，４ｂ，４ｃの中心軸Ａ側の端部の幅狭部４ｄに配置される。各開口部４ａ，４ｂ，４ｃの幅狭部４ｄは、シャフト９の外径と略等しい幅を有し、中心軸Ａ回りのシャフト９の両方向の揺動を防止する。したがって、閉状態では、各把持部７が待機位置に安定的に保持される。

各把持ユニット２Ａ，２Ｂは、付勢部材５によって、中心軸Ａ回りの周方向の所定の中立位置に付勢されている。把持ユニット２Ａ，２Ｂが中立位置に配置されているとき、３つの把持ユニット２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、中心軸Ａ回りの周方向に等間隔をおいて配置されることが好ましい。付勢部材５は、例えば、コイルばねである。把持ユニット２Ａ，２Ｂに中心軸Ａ回りの外力が作用しているとき、把持ユニット２Ａ，２Ｂは、付勢部材５の付勢力に抗して中心軸Ａ回りに揺動する。一方、把持ユニット２Ａ，２Ｂに中心軸Ａ回りの外力が作用していないとき、または外力が小さいとき、各把持ユニット２Ａ，２Ｂは、付勢部材５の付勢力によって中立位置に保持される。これにより、把持ユニット２Ａ，２Ｂの不必要な揺動が防止されるようになっている。

図示する例では、各把持ユニット２Ａ，２Ｂが、シース１８内に収容された一対の付勢部材５によって付勢されている。各把持ユニット２Ａ，２Ｂの周方向の両側には、ハンドフランジ６と揺動制限部材４との間で中心軸Ａと平行に延びる一対の支持シャフト１７が設けられている。各把持ユニット２Ａ，２Ｂは、一対の付勢部材５によって一対の支持シャフト１７と連結されている。一方の付勢部材５は、把持ユニット２Ａまたは２Ｂを中心軸回りの時計方向に付勢し、他方の付勢部材５は、把持ユニット２Ａまたは２Ｂを中心軸回りの反時計方向に付勢する。
なお、各把持ユニット２Ａ，２Ｂが、単一の付勢部材５によって付勢されていてもよい。
もう１つの把持ユニット２Ｃが揺動自在である場合には、把持ユニット２Ｃも一対の付勢部材５または単一の付勢部材５によって付勢されていてもよい。

次に、ロボットハンド１の作用について説明する。
本実施形態に係るロボットハンド１は、ワークの搬送に使用されるロボットに取り付けられる。ロボットは、例えば、６軸の垂直多関節ロボットであり、ロボットアームの先端の手首フランジにロボットハンド１のハンドフランジ６が取り付けられる。ロボットハンド１が手首フランジに取り付けられた状態において、ロボットハンド１の中心軸Ａは手首フランジの中心軸（第６軸）と一致する。ロボットは、パラレルリンクロボット等の他の種類のロボットであってもよい。

ロボットの動作によって、ロボットハンド１の閉状態の３つの把持部７が筒状のワークの内側に挿入される。次に、駆動部８のエアシリンダ１３の第１ポートにエアが供給されることによって３つの把持部７が開き、３つの先端部１０がワークの内面に密着することによってワークを把持する。

ここで、２つの把持ユニット２Ａ，２Ｂは、中心軸Ａ回りに揺動自在であり、かつ、付勢部材５によって中立位置に付勢されている。したがって、開く過程において、２つの把持ユニット２Ａ，２Ｂの把持部７は、ワークの内面に接触するまでは中立位置に沿って開方向に直線移動し、ワークの内面に接触した後にワークの内面の形状に沿って中心軸Ａ回りに受動的に揺動しながら開方向に移動する。一方、１つの把持ユニット２Ｃは中心軸Ａ回りに揺動不可であるので、把持ユニット２Ｃの把持部７は開方向に直線移動のみし、中心軸Ａ回りの把持ユニット２Ｃの把持部７の周方向の位置は一定である。

次に、ワークを把持したロボットハンド１は、ロボットの動作によって搬送位置へ搬送される。次に、駆動部８のエアシリンダ１３の第２ポートにエアが供給されることによって、３つの把持部７が閉じる。これにより、ワークがロボットハンド１から解放され、搬送位置に載置される。３つの把持部７が閉じる過程において、２つの把持ユニット２Ａ，２Ｂの把持部７は、付勢部材５の付勢力に従って中心軸Ａ回りに揺動し中立位置に復帰する。

このように、本実施形態によれば、３つの把持部７のうちの２つが、ワークと接触し得る位置（幅狭部４ｄよりも外側の位置）において中心軸Ａ回りに相互に独立に揺動自在である。そして、３つの把持部７が開く過程において、ワークの内面の形状および寸法に合わせて３つの把持部７の相対位置が変化する。これにより、３つの把持部７の相対位置をワークの形状および寸法に応じた適切な位置に自動調整することができる。すなわち、作業者による把持部７の位置の調整やロボットハンド１を制御する制御装置による把持部７の位置の制御無しで、ワークの形状および寸法に応じた３つの把持部７の位置の調整を達成することができる。また、３つの把持部７の相対位置の自動調整によって、ロボットに取り付けられるロボットハンド１の交換無しで、形状および寸法が異なる多様なワークを安定的に把持することができるという利点がある。

また、３つの把持部７のうちの１つは中心軸Ａ回りに揺動不可であり、他の２つの把持部７の揺動は開口部４ａ，４ｂ内に制限される。３つの把持部７の全てが揺動自在である場合、または、２つの把持部７の揺動範囲が制限されていない場合、３つの把持部７の配置に偏りが生じ、その結果、ワークの把持の安定性が低下し得る。本実施形態によれば、３つの把持部７の相対位置に適度な自由度を持たせることができ、ワークの把持の高い安定性を実現することができる。

また、各把持部７のシャフト９には回転部材１１が設けられ、開口部４ａ，４ｂ，４ｃ内のシャフト９は回転部材１１を介して揺動制限部材４と接触する。したがって、各把持部７は、回転部材１１の回転によって、揺動制限部材４と接触した状態のまま滑らかに開方向および閉方向に移動することができるという利点がある。

本実施形態においては、ロボットハンド１が、内径チャック式のハンドであることとしたが、これに代えて、ワークの外面を把持する外径チャック式のハンドであってもよい。
図５は、外径チャック式のロボットハンド１の揺動制限部材４１を示している。
中心軸Ａに沿う方向に見た平面視において、把持ユニット２Ａ，２Ｂに対応する２つの開口部４１ａ，４１ｂは、中心軸Ａに向かって幅が漸次広くなる略三角形状であり、中心軸Ａとは反対側に１つの頂点部を有している。各開口部４１ａ，４１ｂ，４１ｃの中心軸Ａとは反対側の端部は、閉塞し、シャフト９の外径と略等しい幅を有する幅狭部４１ｄである。３つの把持部７が中心軸Ａから最も遠い待機位置に配置された開状態において、３つの把持部７は、開口部４１ａ，４１ｂ，４１ｃの幅狭部４１ｄに配置され、中心軸Ａ回りの揺動が防止される。

外径チャック式の場合、３つの把持部７がワークの外側に配置された状態で３つの把持部７が閉じることによってワークが把持され、３つの把持部７が開くことによってワークが解放される。ここで、３つの把持部７が閉じる過程において、２つの把持ユニット２Ａ，２Ｂの把持部７がワークの外面の形状に沿って中心軸Ａ回りに受動的に揺動することによって、３つの把持部７の相対位置がワークの形状および寸法に応じた適切な位置に自動調整される。これにより、外面の形状および寸法が異なる多様なワークを３つの把持部７によって安定的に把持することができる。

１ ロボットハンド
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ 把持ユニット
３ 揺動支持機構
４，４１ 揺動制限部材
４ａ，４ｂ，４ｃ，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ 開口部
４ｄ，４１ｄ 幅狭部
５ 付勢部材
７ 把持部
８ 駆動部
９ シャフト
１１ 回転部材
Ａ 中心軸（所定の軸）

Claims (7)

1. 所定の軸回りの周方向に相互に間隔をおいて配置され、ワークを把持する３以上の把持部と、
   該３以上の把持部を前記所定の軸に近接する閉方向および前記所定の軸から離間する開方向に移動させる駆動部とを備え、
   少なくとも１つの前記把持部が、前記ワークと接触する位置において該ワークからの前記所定の軸回りの外力に従って前記所定の軸回りに受動的に揺動自在であり、前記ワークの表面に沿って前記所定の軸回りに揺動しながら前記閉方向または前記開方向に移動するロボットハンド。
2. 少なくとも他の１つの前記把持部が、前記ワークと接触する位置において前記所定の軸回りに揺動不可である請求項１に記載のロボットハンド。
3. 前記少なくとも１つの把持部を、前記周方向の所定の中立位置に付勢する付勢部材を備える請求項１または請求項２に記載のロボットハンド。
4. 前記少なくとも１つの把持部の前記所定の軸回りの揺動を所定の角度範囲内に制限する揺動制限部材を備える請求項１から請求項３のいずれかに記載のロボットハンド。
5. 前記揺動制限部材は、前記少なくとも１つの把持部が前記所定の軸に平行な方向に通過する少なくとも１つの開口部を有し、
   前記開口部の幅が、前記所定の軸に向かって漸次小さくまたは漸次大きくなっている請求項４に記載のロボットハンド。
6. 前記開口部が、前記所定の軸側または該所定の軸とは反対側の一端部に、前記少なくとも１つの把持部の前記所定の軸回りの揺動を防止する幅狭部を有する請求項５に記載のロボットハンド。
7. 前記少なくとも１つの把持部が、
   前記所定の軸に平行に延びるシャフトと、
   該シャフトの外周面に取り付けられ、該シャフトの長手軸回りに回転自在である回転部材とを備え、
   該回転部材が、前記所定の軸に平行な方向において、前記揺動制限部材の前記開口部と同一位置に配置されている請求項５または請求項６に記載のロボットハンド。

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