JP6916500B2 - 接触力調整エンドエフェクタ - Google Patents

Description

本発明は、ロボットアームの先端側等に取り付けられ、当該先端側の接触部が所定の物体に接触する際の接触力を能動的に調整可能なエンドエフェクタに関する。

従来より、表面研磨、バリ取り、面取り等の仕上げ加工作業を行うための各種の加工装置やロボット等の作業装置が知られている。これら作業装置では、加工対象となる物体（ワーク）の硬さや形状等の状態を考慮し、均一な仕上げを可能にするように、ワークに対する接触力の制御が行われる。ここで、例えば、特許文献１、２に記載された研磨装置にあっては、空気圧シリンダによる動力を用い、ロボットアームに保持された加工工具（ツール）を被処理面に押し当てながら研磨作業を自動化するようになっており、加工動作時に力フィードバック制御が行われる。

特開平６−２１８６７１号公報 特開平６−３３９８４８号公報

前記特許文献１、２等の研磨装置のように、前記作業装置では、ロボットアームの柔軟性を向上させる等の目的により、一般的に動力源として空気圧アクチュエータを用いたものが多い。しかしながら、空気圧アクチュエータを用いた場合、ツールがワークに接触する際の接触力の微調整を行うことができないばかりか、空気圧ポンプ等を併設しなければならず、装置全体の大型化や重量化を招来し、エネルギー消費も大きくなる。

本発明は、このような課題に着目して案出されたものであり、その目的は、所定の動作装置を利用した多種多様な作業において、当該作業を行う物体への接触部の接触力を繊細に調整することができるとともに、装置構成の小型化、軽量化、及び省エネルギー化に寄与することができる接触力調整エンドエフェクタを提供することにある。

前記目的を達成するため、主として、本発明は、所定の物体に接触する接触部を動作させる動作装置に繋がって、前記物体に対する前記接触部の接触力を調整可能にするエンドエフェクタにおいて、前記接触部に繋がる第１の磁性体と、前記第１の磁性体に対して所定の間隔を隔てて配置される第２の磁性体とを備え、前記第１の磁性体は、前記接触部の動作に連動するとともに、所定の基準位置から前記第２の磁性体に対して離間接近可能に配置され、前記第２の磁性体は、前記第１の磁性体に対して斥力を発生させるように、これら磁性体が相対する部分を相互に同一の極性とし、前記第１の磁性体が前記基準位置に存在するときの前記斥力である基準斥力の大きさを可変に設定することにより、前記接触力を調整可能にする、という構成を採っている。

なお、本特許請求の範囲及び本明細書において、特に明記しない限り、位置若しくは方向を示す用語を次の通りに定義する。すなわち、「上下方向」とは、エンドエフェクタの接触部（ツール）により物体（ワーク）を加圧する方向を意味し、「上」は、同加圧方向における「上」で、「下」は、同加圧方向における「下」を意味する。また、「横方向」とは、前記加圧方向（上下方向）に直交する方向を意味する。

本発明の構成では、接触部が物体に接触すると、その反作用によって、接触部に連動する第１の磁性体が第２の磁性体に離間接近移動しようとする。この際、第１及び第２の磁性体の間に発生する斥力が抵抗力となり、当該抵抗力が接触部の物体への接触力となる。この接触力は、予め設定される基準斥力が大きくなる程、増大するため、基準斥力の調整により、動作装置の所定動作によって接触部が物体に接触する際の柔軟性を能動的に調整することができる。

従って、本発明によれば、空気圧アクチュエータを用いずに、第１及び第２の磁性体の磁力を用いて、物体に対する接触部の接触力を調整可能にしたため、全体の小型化、軽量化、省エネルギー化を図ることができ、且つ、空気圧アクチュエータを用いた従来の構造では困難であったマイクロニュートン単位での微細な接触力の調整が可能になる。

第１実施形態に係るエンドエフェクタが取り付けられたロボットの概念図。 第１実施形態に係るエンドエフェクタを概念的に表した概略断面図。 第２実施形態に係るエンドエフェクタが取り付けられたロボットの概念図。 第２実施形態に係るエンドエフェクタを概念的に表した概略断面図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）

図１には、本発明に係る接触力調整エンドエフェクタ（以下、単に「エンドエフェクタ」と称する）が取り付けられたロボットの概念図が示されている。この図において、前記エンドエフェクタ１０は、ロボットＲ（動作装置）を構成するロボットアームＡの先端側に取り付けられ、ロボットアームＡの動作により所定範囲内を移動可能となっている。

特に限定されるものではないが、本実施形態におけるエンドエフェクタ１０は、所定の物体からなるワークＷの表面を研磨加工する作業用のロボットＲに使用される。具体的には、エンドエフェクタ１０に保持される研磨用のツールＴが、ロボットアームＡの動作によりワークＷの表面を図１中ｚ軸方向となる上下方向に加圧しながら当該表面に沿って同図中左方に移動することで、ワークＷの表面の研磨加工を行うようになっている。

前記エンドエフェクタ１０は、ワークＷの表面への接触部となるツールＴの接触力を能動的に調整可能に構成される。すなわち、このエンドエフェクタ１０は、図２に示されるように、円筒形状をなす外側のケース１１と、当該ケース１１の内部空間に収容される磁性体ユニット１３とを備えている。

前記磁性体ユニット１３は、ツールＴに一体的に繋がる中央の第１の磁性体１５と、第１の磁性体１５に対して所定の間隔を隔てて上下に一対配置される第２の磁性体１６，１７とからなる。これら第１及び第２の磁性体１５，１６，１７は、特に限定されるものではないが、ネオジム磁石によって構成される。

前記第１の磁性体１５は、ケース１１の内径にほぼ等しい外径を有する円盤状に設けられており、ケース１１には固定されずに、ケース１１内をｚ軸方向となる上下方向に移動可能に配置され、第２の磁性体１６，１７に離間接近可能となっている。ここで、第１の磁性体１５は、後述するように、所定の基準位置に存在するときに、第２の磁性体１６，１７に対し、予め設定された基準間隔Ｌで配置される。また、第１の磁性体１５の下面側に取り付けられるツールＴは、ワークＷを研磨する部分がケース１１の外側に表出した状態で、第１の磁性体１５と一体的に上下方向に連動可能となる。

前記第２の磁性体１６，１７は、使用時にケース１１に固定されて一体化されるが、後述するように、当該ケース１１への取り付け位置を上下に調節できるようになっている。

上側の第２の磁性体１６は、ケース１１の内径にほぼ等しい外径を有する円盤状をなし、ロボットアームＡに繋がっている。

下側の第２の磁性体１７は、ケース１１の内径にほぼ等しい外径を有するドーナツ盤状に設けられ、その中央の穴は、第１の磁性体１５に固定されたツールＴを外側に貫通させるための貫通穴となっている。

これら第２の磁性体１６，１７は、図２中「Ｓ」、「Ｎ」として模式的に示すように、第１の磁性体１５の上下両面それぞれに対向する対向面が、第１の磁性体１５と同一の極性を帯びるように配置される。このため、第１の磁性体１５の上下両側に配置された第２の磁性体１６，１７は、第１の磁性体１５にそれぞれ反発し、第１の磁性体１５と各第２の磁性体１６，１７との間の隙間には、それぞれ斥力が発生した状態となり、当該斥力によって第１の磁性体１５がケース１１内に保持されることになる。

前記ケース１１及び第２の磁性体１６，１７には、第２の磁性体１６，１７の上下方向の離間距離を調整することで、第１の磁性体１５と第２の磁性体１６，１７との間の前記基準間隔Ｌを可変にする間隔調節手段（図示省略）が設けられている。当該間隔調節手段としては、第２の磁性体１６，１７の少なくとも一方について、ピンやねじ等を利用した機構によってケース１１に対する取付位置を変える構成を例示できる。なお、使用時には、第２の磁性体１６，１７のケース１１内の取付位置が固定される。前記間隔調節手段により、基準間隔Ｌを短くすると、クーロンの法則によって、第１の磁性体１５が前記基準間隔Ｌのときの斥力である基準斥力が大きくなる一方、基準間隔Ｌを長くすると、基準斥力が小さくなる。

以上の構成のエンドエフェクタ１０では、第１の磁性体１５が、予め設定された基準位置に存在する際に、第２の磁性体１６，１７との間に形成される隙間の上下距離である基準間隔Ｌを調整することにより、その際の基準斥力の大きさを変えることで、ツールＴがワークＷの表面に接触する際の接触力について、第１の磁性体２５の所定の変位状態（基準間隔Ｌに対する第１の磁性体１５の変位量の割合）における大きさを調整することが可能になる。

具体的に、ロボットアームＡによる加圧動作が行われると、上側の第２の磁性体１６を通じて、ケース１１と下側の第２の磁性体１７が一体的に下方に移動する。すると、第１の磁性体１５が、前記基準斥力の作用によって、第２の磁性体１６，１７とともに下方に移動し、ツールＴがワークＷの表面に接触したときに、その反力によって、第１の磁性体１５が上方に押され、前記基準位置よりも上方に変位することになる。この際、ワークＷに対する反力である接触力（抵抗力）の大きさは、前記基準斥力から変化する斥力の大きさに相当し、クーロンの法則により、基準斥力の大きさと、基準間隔Ｌ及び第１の磁性体１５の変位量に依存する。このため、前記変位状態が所定値のときの接触力の大きさは、前記基準斥力の大きさを変えることで可変になる。つまり、前記基準間隔Ｌを狭くし、基準斥力を大きくすると、前記変位状態が同一のときでも前記接触力が大きくなり、ツールＴを硬い状態でワークＷに接触させることが可能になる。一方、前記基準間隔Ｌを広くし、基準斥力を小さくすると、前記変位状態が同一のときでも前記接触力が小さくなり、ツールＴを柔らかい状態でワークＷに接触させることが可能になる。換言すると、作業前に基準間隔Ｌを調整することで、基準斥力の大きさが調整され、その後のツールＴの接触時における所定の前記変位状態での柔軟性は、基準斥力の大きさに応じて定まることになる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、前記第１実施形態と同一若しくは同等の構成部分については同一符号を用いるものとし、説明を省略若しくは簡略にする。
（第２実施形態）

本実施形態におけるエンドエフェクタ２０は、ワークＷの表面を面取り加工するロボットＲに使用される。具体的には、図３に示されるように、エンドエフェクタ３０に保持される切削用のツールＴが、ロボットアームＡの動作によりワークＷの表面で同図中ｘ軸方向とｙ軸方向の横方向にも移動することにより、ワークＷの表面の面取り加工を行うようになっている。

すなわち、第１実施形態のエンドエフェクタ１０は、ツールＴの上下方向の移動時における接触力の調整を行うｚ軸方向の接触力制御ユニットとして構成されているが、第２の実施形態のエンドエフェクタ２０は、ｚ軸方向に直交するｘｙ平面上でツールＴが横方向に移動する際の接触力の調整を行うｘｙ軸方向の接触力制御ユニットとして構成されている。

前記エンドエフェクタ２０は、図４に示されるように、円筒形状をなす外側のケース２１と、当該ケース２１の内部空間に収容される磁性体ユニット２２とを備えている。

前記磁性体ユニット２２は、ツールＴに一体的に繋がって連動可能な第１の磁性体２５と、第１の磁性体２５を囲むように配置される第２の磁性体２６とからなる。

これら第１及び第２の磁性体２５，２６についても、特に限定されるものではないが、ネオジム磁石によって構成される。すなわち、本実施形態の第１及び第２の磁性体２５，２６は、第１実施形態の第１及び第２の磁性体１５，１６，１７に対して９０度回転したような配置にしている。

前記第１の磁性体２５は、ケース２１の内部空間中央を貫通するように同図中ｚ軸方向となる上下方向に沿って延びる丸棒状からなり、下端側にツールＴが取り付けられる一方、上端側にスライダＤが設けられる。このスライダＤは、レール等を用い、第１の磁性体２５をｘ軸方向とｙ軸方向にそれぞれ移動可能に支持する公知の構成からなる。従って、第１の磁性体２５は、ケース２１の内部空間内をｘ−ｙ軸方向に移動可能となり、第２の磁性体２６に対する離間接近が可能になる。なお、第１の磁性体２５に対するツールＴとスライダＳの配置を上下逆にしても良い。

前記第２の磁性体２６は、特に限定されるものではないが、ケース２１の内周面に沿って配置される弾性円筒シート上に散点的に設けられる。また、第２の磁性体２６の内周面は、第１の磁性体２５の外周面に相対することになるが、当該外周面と同一の極性を帯びるように配置される。このため、第２の磁性体２６は、その内側に配置された第１の磁性体２５に反発する状態となり、第１の磁性体２５と第２の磁性体２６との間には斥力が発生する。従って、第１の磁性体２５の全周に亘って径方向の斥力が作用し、第１の磁性体２５は、ケース２１の中心位置で保持され、この際の中心位置が基準位置となり、当該基準位置に存在する第１の磁性体２５と第２の磁性体２６の離間距離は、前記基準間隔Ｌとなる。

前記ケース２１は、その内径を拡縮可能に弾性変形する材料からなり、図示省略しているが、縮径方向に外力を付与する押圧手段が付設される。これにより、ケース２１の内周面に固定された第２の磁性体２６は、ケース２１の拡縮に合せて前記弾性円筒シートの弾性変形を伴って、その径方向に移動可能となり、第１及び第２の磁性体２５，２６の基準間隔Ｌが可変になる。従って、ここでの押圧手段は、第２の磁性体２６の移動により基準間隔Ｌを可変にする間隔調節手段を構成する。そして、第１実施形態と同様、基準間隔Ｌが狭くなると、第１及び第２の磁性体２５，２６の離間距離が短くなって、基準間隔Ｌのときの斥力である基準斥力が大きくなる一方、基準間隔Ｌが広くなると、第１及び第２の磁性体２５、２６の離間距離が長くなって前記基準斥力が小さくなる。

なお、第２の磁性体２６を第１の磁性体２５に対して離間接近させる構造としては、前述の押圧手段に限らず、基準間隔Ｌを調整できる間隔調節手段である限りにおいて、例えば、カメラレンズに設けられる構造等、ケース２１の内径を拡縮させる機械的な構造を含め、種々の公知の構造を採用することが可能である。

第２実施形態におけるエンドエフェクタ２０においても、第１及び第２の磁性体２５，２６の基準間隔Ｌを調整することにより、基準斥力の大きさを変えることで、ツールＴがワークＷの表面に接触する際の接触力について、第１の磁性体２５の所定の変位状態における大きさを調整することが可能になる。すなわち、ワークＷに対しツールＴが横方向に接触したときに、ワークＷの表面から受ける反力である接触力は、予め設定された基準斥力の大きさと、基準間隔Ｌ及び第１の磁性体１５の変位量に応じて決まることになる。具体的に、前記基準間隔Ｌを狭くして基準斥力を大きくすると、ツールＴがｘ軸方向若しくはｙ軸方向に移動してワークＷに接触したときに、前記変位状態が同一の場合でもツールＴがケース２１内を移動し難い状態となり、その結果、ツールＴとの接触力が大きくなって、ツールＴを硬い状態でワークＷに接触させることが可能になる。一方、前記基準間隔Ｌを広くして基準斥力を小さくすると、ツールＴがｘ軸方向若しくはｙ軸方向に移動してワークＷに接触したときに、前記変位状態が同一の場合でもツールＴがケース２１内を移動し易い状態となり、その結果、ツールＴとの接触力が小さくなり、ツールＴを柔らかい状態でワークＷに接触させることが可能になる。

前記各実施形態のエンドエフェクタ１０，２０によれば、第１の磁性体１５，２５と第２の磁性体１６，１７，２６としてネオジム磁石が用いられ、当該磁石の斥力を調整することで、ツールＴに対する接触力の調整を行う構成となっているため、ワークＷに対するツールＴの接触力をマイクロニュートン単位と細かい単位での調整が可能になる。これにより、電子部品や電子回路等の小型のワークＷに対する繊細な仕上げ作業にも適用することができる他、空気圧ポンプを用いないため、エンドエフェクタ１０，２０の構成の小型化、軽量化、省エネルギー化を促進することができる。

なお、前記各実施形態では、前記基準間隔Ｌを可変にして基準斥力を調整する構造を採用したが、本発明はこれに限らず、第２の磁性体１６，１７，２６に電磁石を用いて前記基準間隔Ｌを一定にし、当該電磁石への印加電圧の調整による磁力の変化を利用して基準斥力の大きさを調整可能な構成にしても良い。

また、第１実施形態のエンドエフェクタ１０と第２実施形態のエンドエフェクタ２０とを上下方向に直結することで、直交３軸方向の接触力の調整が可能になる。この際、どちら側を上にしても良いが、それぞれの第１の磁性体１５，２５が上下に連結されることになる。

更に、前記各実施形態では、エンドエフェクタ１０，２０を仕上げ加工用のロボットＲに適用した場合を図示説明したが、本発明はこれに限らず、所定の物体に接触する接触部を動作させる他の加工装置、ロボット等の動作装置に適用することもできる。

その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。

１０ エンドエフェクタ
１５ 第１の磁性体
１６ 第２の磁性体
２０ エンドエフェクタ
２５ 第１の磁性体
２６ 第２の磁性体
Ａ ロボットアーム（動作装置）
Ｌ 基準間隔
Ｒ ロボット（動作装置）
Ｔ ツール（接触部）
Ｗ ワーク

Claims (3)

1. 所定の物体に接触する接触部を動作させる動作装置に繋がって、前記物体に対する前記接触部の接触力を調整可能にするエンドエフェクタにおいて、
   前記接触部に繋がる第１の磁性体と、前記第１の磁性体に対して所定の間隔を隔てて配置される第２の磁性体と、当該第２の磁性体の移動により、所定の基準位置での前記第１の磁性体との距離である基準間隔を可変にする間隔調節手段とを備え、
   前記第１の磁性体は、前記接触部の動作に連動するとともに、前記基準位置から前記第２の磁性体に対して離間接近可能に配置され、
   前記第２の磁性体は、前記第１の磁性体に対して斥力を発生させるように、これら磁性体が相対する部分を相互に同一の極性とし、前記基準間隔の変更により、前記第１の磁性体が前記基準位置に存在するときの前記斥力である基準斥力の大きさを可変に設定し、当該基準斥力の大きさと前記第１の磁性体の変位状態に応じて定まる前記接触力を調整可能にしたことを特徴とする接触力調整エンドエフェクタ。
2. 前記第２の磁性体は、前記接触部による前記物体への加圧方向である上下方向の両側から前記第１の磁性体を挟むように一対配置され、前記上下方向に前記斥力を発生させることで、当該上下方向の接触力を調整可能に設けられることを特徴とする請求項１記載の接触力調整エンドエフェクタ。
3. 前記第２の磁性体は、前記第１の磁性体の周囲を囲むように配置され、前記接触部による前記物体への加圧方向である上下方向に直交する横方向に前記斥力を発生させることで、当該横方向の接触力を調整可能に設けられることを特徴とする請求項１記載の接触力調整エンドエフェクタ。

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