JP6940472B2 - ワーク把持ハンド、ハンドシステム、及びロボットシステム - Google Patents

Description

本発明は、ワーク把持ハンド、ハンドシステム、及びワーク把持ハンドを搭載したロボットを備えるロボットシステムに関する。

ワークのハンドリングを行う産業用ロボットのハンドには、寸法の異なるワークを取り扱うことが要求される場合がある。特許文献１には、一対のＬ字状リンクを開閉可能に設け、このＬ字状リンクの先端側にフィンガ取付ベースを介してワークを把持するフィンガを交換可能に取り付けることで、寸法の異なるワークを把持可能に構成されたハンドを記載している。

特開２００９−１０７０７９号公報

特許文献１に記載されたようなリンク式ハンドでは、ワーク外形の違いがワークに作用する把持力を変化させる要因となり得る。このような把持力の変化はワークのハンドリングに不具合を生じさせる可能性がある。ワーク外形が変化した場合でも一定の把持力でワークを把持できるように把持力を調整可能なワーク把持ハンド、ハンドシステム、及びこのようなワーク把持ハンドを搭載したロボットを備えるロボットシステムが望まれている。

本開示の一態様は、互いに協働して対象物を把持する第１可動部材及び第２可動部材と、前記第１可動部材を直動させる第１駆動部と、前記第２可動部材を回動可能に支持する支持部と、前記第１可動部材と前記第２可動部材とに連結され、前記第１可動部材の直動を前記第２可動部材に伝達して前記第２可動部材を回動させるリンク部材と、前記支持部を移動させて前記第２可動部材の回動中心の位置を変化させる第２駆動部とを備え、前記支持部は、前記第２可動部材の回動軸線に直交する第１の軸線に沿って移動する第１の移動台と、前記第１の移動台に搭載され、前記回動軸線と前記第１の軸線との双方に直交する第２の軸線に沿って移動する第２の移動台とを備え、前記第２可動部材が前記第２の移動台に支持される、ワーク把持ハンドである。

また、本開示の別の態様は、上記ワーク把持ハンドと、前記第２駆動部を制御して、前記第１可動部材の直動と前記第２可動部材の回動とによって生じる把持力を調整する制御装置と、を具備するハンドシステムである。

また、本開示の更に別の態様は、上記ワーク把持ハンドと、前記ワーク把持ハンドが装着されたロボットと、前記ワーク把持ハンド及び前記ロボットを制御する制御装置と、を具備し、前記制御装置は、把持力の設定入力を受け付ける入力部と、前記入力部で受け付けた前記把持力と、対象物の被把持部の外形寸法とに基づいて、前記把持力で前記被把持部を把持するときの前記回動中心の位置を算出する算出部と、算出された前記回動中心の位置に従って前記第２駆動部を制御するハンド制御部とを備える、ロボットシステムである。

上記構成のワーク把持ハンドによれば対象物を把持する把持力を支持部を移動させることで調整可能である。

添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれらの目的、特徴および利点ならびに他の目的、特徴および利点がさらに明確になるであろう。

ハンドの上面図である。 ハンドの側面図である。 ハンドの底面図である。 図２における矢印Ｂで示された位置での前方側から見たハンドの断面図である。 ワークの外形寸法を測定するためのセンサを有するハンドの構成を示す図である。 ロボットシステムのブロック図である。 把持力調整処理を表すフローチャートである。 第１の移動台をＸ軸方向に移動させる状態を説明するための図である。 第２の移動台をＹ軸方向に移動させる状態を説明するための図である。 第１駆動部を駆動することによりワークが把持された状態を示すハンドの側面図である。 第１駆動部を駆動することによりワークが把持された状態を示すハンドの底面図である。 支持ピン位置算出等のための幾何学的パラメータの設定例を示す図である。 支持ピン位置算出等の補助のための記号の割り当てを示す図である。 ワーク中心位置算出の補助のための記号の割り当てを示す図である。

次に、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。参照する図面において、同様の構成部分または機能部分には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。また、図面に示される形態は本発明を実施するための一つの例であり、本発明は図示された形態に限定されるものではない。

以下、一実施形態に係るワーク把持ハンド（以下、単にハンドと記す）１０について説明する。図１はハンド１０の上面図であり、図２はハンド１０の側面図であり、図３はハンド１０の底面図である。図４は、図２における矢印Ｂで示された位置での前方側から見たハンド１０の断面図である。ハンド１０は、互いに協働して対象物（以下、ワークと記す）を把持する第１可動部材１及び第２可動部材３と、第１可動部材１を直動させる第１駆動部３０と、第２可動部材３を回動可能に支持する支持部９０と、第１可動部材１と第２可動部材３とに連結され、第１可動部材１の直動を第２可動部材３に伝達して第２可動部材３を回動させるリンク部材２と、支持部６０を移動させて第２可動部材３の回動中心の位置を変化させる第２駆動部８０とを備える。説明の便宜のため、図１に示す通り、第２可動部材３が存在する側を前方側、その反対側を後方側と定義する。なお、図１では上カバー２２を省略し、図３では下カバー２３を省略している。

支持部９０は、第２可動部材３の回動軸線に直交する第１の軸線に沿って移動する第１の移動台６０と、第１の移動台６０に搭載され第２可動部材３の回動軸線と第１の軸線の双方に直交する第２の軸線に沿って移動する第２の移動台７０とを有する。支持部９０を移動させる第２駆動部８０は、Ｘ方向駆動装置６１とＹ方向駆動装置７１とを備える。以下では、第１の軸線を第１可動部材１の直動の方向と平行な軸（Ｘ軸）とし、第２の軸線をＹ軸として説明を行う（図１参照）。

図２に示すように、ハンド１０は、後方側に配置された支持壁２１と、支持壁２１の上端部から前方側に張り出すように支持壁２１に取り付けられた上カバー２２と、支持壁２１の下端部から前方に張り出すように支持壁２１に取り付けられた下カバー２３とを有する。上カバー２２の上面の後方側の位置にはロボットのアーム先端部に取り付けられるロボット取付部１５が配置されている。これら支持壁２１、上カバー２２、下カバー２３は、ロボットのアーム先端部に対して位置が固定される基部２０を構成する。

支持壁２１には、前後方向に移動可能な可動部３１を有する第１駆動部３０が固定されている。第１駆動部３０は、例えば直動シリンダである。図３に示すように、可動部３１には前後方向に伸びるように形成された上面視略長方形の第１可動部材１の基端部が接続されている。第１可動部材１には、一対の第１リンクピン４１を介して一対のリンク部材２の基端部がそれぞれ回転自在に取り付けられている。一対のリンク部材２の先端部分には一対の第２リンクピン４２を介して一対の第２可動部材３の基端部がそれぞれ回転自在に取り付けられている。この構成により、第１駆動部３０を駆動すると、一対のリンク部材２が第１可動部材１の直動を一対の第２可動部材３に伝達して一対の第２可動部材３を回動中心（支持ピン４５）回りに回動させる。具体的には、第１可動部材１を前方側に駆動すると一対の第２可動部材３の先端部側の把持部３ａが閉じ、第１可動部材１を後方側に駆動すると一対の第２可動部材３の把持部３ａが開く。第２可動部材３の回動中心にある支持ピン４５は、ＸＹ平面に垂直に伸び、第２可動部材３の回動軸を構成している。

支持部９０は、第２可動部材３を支持ピン４５回りで回動可能に支持する。第１の移動台６０は基部２０に対してＸ軸方向に移動可能に搭載され、第２の移動台７０は第１の移動台６０に搭載され第１の移動台６０に対してＹ軸方向に移動可能である。第２の移動台７０が支持ピン４５と接続され、第２可動部材３を回動可能に支持する。支持部９０をＸＹ面内で移動させることで、第２可動部材３の回動軸となる支持ピン４５のＸＹ面内の位置を調節することができる。第１の移動台６０は、Ｘ方向駆動装置６１によりＸ軸方向に駆動される。Ｘ方向駆動装置６１は、支持壁２１に固定されたサーボモータ６１ａと、サーボモータ６１ａの駆動軸に連結されたボールねじ６１ｂとを有する。第１の移動台６０は支持ベース７３を有する。支持ベース７３は、ボールねじ６２と螺合する螺合部（不図示）を有し、ボールねじ６２の回転によりＸ軸方向に往復移動する。

第２の移動台７０は、上面視Ｌ字状に屈曲した２つのアーム部６３を有する。２つのアーム６３のそれぞれの基端部６３ｂはＹ軸方向に移動可能に支持ベース７３に連結され、２つのアーム部６３のそれぞれの先端部６３ａは支持ピン４５に一体的に接続されている。第２の移動台７０は、サーボモータ７１ａを備えるＹ方向駆動装置７１によりＹ軸方向に駆動される。詳細には、支持ベース７３にはサーボモータ７１ａが固定され、また、支持ベース７３にはサーボモータ７１の駆動軸の回転に応じて２つのアーム部６３をＹ軸方向へ近接・離間させる連動機構が設けられている。また、２つのアーム部６３の先端側の部分は、Ｙ軸方向に伸縮自在な支持部材７４で支持されている。サーボモータ７１ａの駆動により、２つのアーム部６３の各々をＹ軸方向において互いに反対方向に往復運動させることができる。

以上の構成により、第１の移動台６０をＸ軸方向に移動させると第２の移動台７０もＸ軸方向に移動し、支持ピン４５（すなわち、第２可動部材３の回動軸）の位置をＸ軸方向において調整することができる。また、２つのアーム部６３のＹ軸方向の間隔を変更すると、それに伴い支持ピン４５（すなわち、第２可動部材３の回動軸）のＹ軸方向の間隔を変化させることができる。このように第１の移動台６０及び第２の移動台７０を移動させ支持ピン４５の位置を調整することで、第２可動部材３の把持部３ａと第１可動部材１の先端部１ａとでワークを把持するときの把持力を調節することができる。

ハンド１０は、ワークの外形寸法を測定可能に構成されていても良い。図５は、第２可動部材３の把持部３ａの近傍に距離センサ９１を配置し、ワークＷの被把持部の外形寸法を測定可能にしたハンド１０の構成例を示している。距離センサ９１としては、赤外線センサ、超音波センサ、レーザ式センサなど、当分野で知られた各種センサを用いることができる。

図６は、ハンド１０と、ハンド１０を搭載したロボット１５０と、ハンド１０及びロボット１５０の制御を行う制御装置１２０とを備えるロボットシステム１００の機能ブロック図である。制御装置１２０は、ハンド１０を制御するハンド制御部１３０と、ロボット１５０を制御するロボット制御部１４０とを有する。制御装置１２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、記憶装置、操作部、表示部等を有する一般的なコンピュータとしての構成を有していても良い。制御装置１２０は、ハンド１０でワークを把持するときの把持力の設定入力を受け付ける入力部１２１を有する。ハンド制御部１３０は、設定入力された把持力でワークを把持するための支持ピン４５の位置を算出し、また、ワークの中心位置を算出する算出部１３１を有する。算出部１３１は、距離センサ９１の出力に基づいてワークの外形寸法を求め、ワークの外形寸法と設定入力された把持力とに基づいて、当該把持力を達成する支持ピン４５の位置を算出する。なお、ここで把持力とは、第１可動部材１の先端部１ａと第２可動部材３の把持部３ａとによりワークを把持する把持力である。支持ピン４５の位置は、ハンド１０に固定されたハンド座標系における位置として算出されても良い。制御装置１２０は、算出された位置に支持ピン４５が位置付けられるようにハンド１０（サーボモータ６１ａ、７１ａ）を制御する。これによりハンド１０は、設定入力された把持力でワークを把持する。なお、把持力は予め制御装置１２０内の記憶装置に記憶されていても良い。

また、算出部１３１は、ワークの外形寸法と支持ピン４５の位置とに基づいてワークの幾何学的中心の位置を算出する。算出されたワークの幾何学的中心の位置はロボット制御部１４０に提供され、ロボット制御部１４０はロボット１５０の位置制御の基準位置（例えば、アーム先端部）からのワーク中心のずれを算出し、ロボット座標系におけるワークの位置を補正する。これにより、ロボット１５０はワークの正確な位置決めを行うことが可能となる。

なお、図６中破線で示しているように、上述の機能を有するハンド１０とハンド制御部１３０とを構成要素としたハンドシステム１８０を構成することも可能である。

図７は、上述したワークの把持力調整及びワーク位置補正を含む処理（以下、把持力調整処理と記す）を表すフローチャートである。図７の処理は制御装置１２０のＣＰＵによる制御の下で実行される。ここでは、ワークＷの被把持部は円筒型であるものとする。はじめに、制御装置１２０は、図５に示すようにハンド１０の距離センサ９１をワークＷの被把持部に接近させ被把持部の直径を測定する（ステップＳ１）。次に、制御装置１２０の算出部１３１は、ワークＷの直径と設定入力された把持力とに基づいて、設定入力された把持力でワークＷを把持するための支持ピン４５の位置を算出する（ステップＳ２）。

次に、制御装置１２０は、サーボモータ６１ａを回転させて第１の移動台６０を図８に矢印で示すようにＸ軸方向に移動させ、支持ピン４５をステップＳ２で算出されたＸ座標に位置付ける（ステップＳ３）。更に、制御装置１２０は、サーボモータ７１を回転させて第２の移動台７０を図９に矢印で示すようにＹ軸方向に移動させ、支持ピン４５をステップＳ２で算出されたＹ座標に位置付ける（ステップＳ４）。これにより、支持ピン４５は、ハンド１０が設定入力された把持力でワークＷを把持可能な位置に位置付けられる（ステップＳ５）。

次に、制御装置１２０の算出部１３１は、ワークＷの直径及び支持ピン４５の位置に基づいてワークＷの中心位置Ｐを算出する（ステップＳ６）。

次に、制御装置１２０は、ステップＳ６で求めたワークＷの中心位置をロボット制御部１４０に提供する。これにより、ロボット制御部１４０は、ロボット１５０の位置制御の基準位置（アーム先端部など）に対するワークＷの中心位置のずれ量を取得し、ロボット座標系におけるワークＷの中心位置を補正する（ステップＳ７）。次に、制御装置１２０は、第１駆動部３０を駆動してワークＷを把持する（ステップＳ８）。図１０、図１１は、それぞれ、第１駆動部３０を駆動することによりワークＷが把持された状態を示すハンド１０の側面図及び底面図（下カバー２３を省略）である。図１０−１１に示されるように、ワークＷは、第２可動部材３の各々の把持部３ａと、第１可動部材１の先端部１ａの３箇所で把持される。以上により、ロボット１５０は、ワークＷを正確に位置決めしてハンドリングを行うこと可能となる。

以上の把持力調整処理によれば、設定入力された把持力で正確にワークをハンド１０で把持することが可能である。したがって、ハンド１０によりハンドリングするワークの外形寸法が変化しても一定のクランプ力でハンド１０にワークを把持させることが可能である。また、ワークの外形寸法が変わった場合でもその幾何学的中心の位置を算出することで、ロボット１５０はワークを正確に位置決めすることができる。

上記把持力調整処理は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ等のコンピュータにより読み取り可能な各種記憶媒体にプログラムとして格納することができる。

ここで、ワークの外形寸法と把持力とに基づく支持ピン４５の位置、ワークの幾何学的中心の算出例について説明する。ここでは、算出に必要な幾何学的なパラメータを図１２に示すように設定することで、把持力Ｆ１、Ｆ２、支持ピン４５の位置、及び第１駆動部の駆動力Ｆの対応を求め、また、ワークの中心位置を算出する。ワークの被把持部は円筒型であるものとする。図１２に示す各パラメータの定義を以下に記載する。なお、図１３−１４は、図１２に示すパラメータによる計算を補助するための図であり、以下の計算例では図１３−１４に割り当てられた記号を適宜用いる。

Ｌ２：第２リンクピン４２中心と支持ピン４５中心とを結ぶ直線を延長した直線が第２可動部材３の先端部内側の傾斜面（把持部３ａ）に交わる位置と、支持ピン４５中心との間の距離。
Ｌ３：第２リンクピン４２中心と支持ピン４５中心との間の距離
Ｌ４：第１リンクピン４１中心と第２リンクピン４２中心との間の距離
Ｌ５：第１リンクピン４１中心から第１リンク１先端部１ａまでのＸ軸方向の距離
ｃ：第１可動部材１の中心線ＣＨと第１リンクピン４１中心との距離
ｂ：第１リンクピン４１中心から支持ピン４５までのＹ軸方向の距離
φＤ：ワークの直径
α：支持ピン４５と第２リンクピン４２とを結ぶ直線（Ｌ３）とＸ軸との間の角度
β：第２可動部材３の先端部内側の傾斜面（把持部３ａ）とＸ軸との間の角度
γ：リンク部材２の中心線がＸ軸と成す角度。
θ：第２リンクピン４２中心と支持ピン４５中心とを結ぶ直線を延長した直線と、第２可動部材３の先端部内側の傾斜面（把持部３ａ）との間の角度

図１２においてＦ１は、第２可動部材３の把持部３ａのワークに対する把持力、Ｆ２は第１可動部材１の先端部１ａのワークに対する把持力、Ｆは第１駆動部が第１可動部材１を前方に押す力である。図１２に示したような各角度（α、β、γ、θ）、各部の長さ（Ｌ２〜Ｌ５）、ワークの直径φＤを用いることで、支持ピン４５の位置と、把持力Ｆ１、Ｆ２、第１駆動部３０の駆動力Ｆとの関係を得ることができる。Ｆ１、Ｆ２の算出式の例である。

Ｆ１＝Ｌ３・ｃｏｓγ・ｓｉｎ（γ＋α）／（２（２ｓｉｎβ＋（Ｌ２＋Ａ_H）ｃｏｓ（β−α）））・Ｆ
Ａ_H＝Ａ_G×ｃｏｓ（α＋β）
Ａ_G＝線分ＧＨとワーク外形が接する位置と点Ｈ間の距離
Ｆ２＝２・Ｆ１・ｓｉｎβ

ワーク中心位置Ｌ（Ｌ_X，Ｌ_Y）の算出の補助のためワーク外形に対する接線の各交点等に図１４に示す通り記号を割り当てる。ワーク中心Ｌ（Ｌ_X，Ｌ_Y）の算出式の例を以下に示す。なお、各点の各座標は、図中上側の支持ピン４５の位置を原点とする。
Ｌ_X＝（ＪＩ・Ｇ_X＋ＧＩ・Ｉ_X＋ＧＩ・Ｊ_X）／（ＧＪ＋ＧＩ＋ＪＩ）
Ｌ_Y＝（ＪＩ・Ｇ_Y＋ＧＩ・Ｉ_Y＋ＧＩ・Ｊ_Y）／（ＧＪ＋ＧＩ＋ＪＩ）

上述の計算方法による各パラメータを算出結果の例を下記表１に示す。

上記表１において一対の第１リンクピン４１の中点（図１３において位置Ｄ）に対する支持ピン４５の位置は、Ｘ軸方向についてはパラメータＰで表され、Ｙ軸方向についてはパラメータｂ＋ｃで表される。以上の計算例により、設定入力された把持力（Ｆ１、Ｆ２）を達成する支持ピン４５の位置、第１駆動部３０の駆動力Ｆ、ワークの中心位置Ｌ（Ｌ_X，Ｌ_Y）が対応付けられる。

なお、上記計算例では、ワークを円筒型であるとして計算を行っているが、正多角形等の幾何学的中心を定義可能な形状のワークについても同様手法で計算を行うことは可能である。また、上記パラメータの設定は一例であり、ワーク外形、把持力、支持ピン４５の位置、ワークの幾何学的中心を対応付けるパラメータとして他の様々なものを用いることができる。

以上、典型的な実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなしに、上述の各実施形態に変更及び種々の他の変更、省略、追加を行うことができるのを理解できるであろう。

１ 第１可動部材
２ リンク部材
３ 第２可動部材
１０ ハンド
２１ 支持壁
２２ 上カバー
２３ 下カバー
３０ 第１駆動部
４１ 第１リンクピン
４２ 第２リンクピン
４５ 支持ピン
６０ 第１の移動台
６１ Ｘ方向駆動装置
７０ 第２の移動台
７１ Ｙ方向駆動装置
６１ａ、７１ａ サーボモータ
８０ 第２駆動部
９０ 支持部
９１ 距離センサ
１００ ロボットシステム
１２０ 制御装置
１３０ ハンド制御部
１３１ 算出部
１４０ ロボット制御部
１５０ ロボット
１８０ ハンドシステム

Claims (9)

1. 互いに協働して対象物を把持する第１可動部材及び第２可動部材と、
   前記第１可動部材を直動させる第１駆動部と、
   前記第２可動部材を回動可能に支持する支持部と、
   前記第１可動部材と前記第２可動部材とに連結され、前記第１可動部材の直動を前記第２可動部材に伝達して前記第２可動部材を回動させるリンク部材と、
   前記支持部を移動させて前記第２可動部材の回動中心の位置を変化させる第２駆動部とを備え、
   前記支持部は、
   前記第２可動部材の回動軸線に直交する第１の軸線に沿って移動する第１の移動台と、
   前記第１の移動台に搭載され、前記回動軸線と前記第１の軸線との双方に直交する第２の軸線に沿って移動する第２の移動台とを備え、
   前記第２可動部材が前記第２の移動台に支持される、ワーク把持ハンド。
2. 前記第２駆動部は、
   前記第１の移動台を前記第１の軸線に沿って往復移動させる第１モータと、
   前記第２の移動台を前記第２の軸線に沿って往復移動させる第２モータとを備える、請求項１に記載のワーク把持ハンド。
3. 前記第１可動部材の直動に応じて互いに反対の方向へ回動する一対の前記第２可動部材を備える、請求項１又は２に記載のワーク把持ハンド。
4. 前記一対の第２可動部材に配置され、前記対象物の被把持部の外形寸法を求めるためのセンサを更に備える、請求項３に記載のワーク把持ハンド。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のワーク把持ハンドと、
   前記第２駆動部を制御して、前記第１可動部材の直動と前記第２可動部材の回動とによって生じる把持力を調整する制御装置と、を具備するハンドシステム。
6. 前記制御装置は、対象物の被把持部の外形寸法と該被把持部を把持するための把持力とに基づいて、前記回動中心の位置を算出する算出部を備える、請求項５に記載のハンドシステム。
7. 前記算出部は、前記被把持部の前記外形寸法と前記回動中心の位置とに基づいて、前記被把持部の幾何学的中心の位置を算出する、請求項６に記載のハンドシステム。
8. 請求項１から４のいずれか一項に記載のワーク把持ハンドと、
   前記ワーク把持ハンドが装着されたロボットと、
   前記ワーク把持ハンド及び前記ロボットを制御する制御装置と、を具備し、
   前記制御装置は、
   把持力の設定入力を受け付ける入力部と、
   前記入力部で受け付けた前記把持力と、対象物の被把持部の外形寸法とに基づいて、前記把持力で前記被把持部を把持するときの前記回動中心の位置を算出する算出部と、
   算出された前記回動中心の位置に従って前記第２駆動部を制御するハンド制御部とを備える、
   ロボットシステム。
9. 前記算出部は、前記被把持部の前記外形寸法と前記回動中心の位置とに基づいて、前記被把持部の幾何学的中心の位置を算出し、
   前記制御装置は、算出された前記幾何学的中心の位置に基づいてロボット座標系における前記対象物の位置を補正する、請求項８に記載のロボットシステム。

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