JP7022083B2 - 把持ツール及び把持システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、把持ツール及び把持システムに関する。

物体を把持し、当該物体の搬送を行う把持ツールがある。この把持ツールについては、大きさや形状が異なる様々な物体をより大きな力で把持することができ、把持性能が高いことが望ましい。

特開２０１２－１７６４７６号公報

本発明が解決しようとする課題は、把持性能の高い把持ツール及び把持システムを提供することである。

実施形態に係る把持ツールは、把持部及び粉粒体を備える。前記把持部は、ワークに接触する第１部分と、前記第１部分と対向する第２部分と、を有する。前記粉粒対は、前記第１部分と前記第２部分との間の第１空間に設けられている。前記把持ツールは、前記把持部をワークに接触させた状態で、前記第１空間を減圧することで前記ワークを把持する。前記第１部分及び前記第２部分は、可撓性を有する。前記第１部分は、前記第１部分から前記第２部分に向かう第１方向に窪んだ凹部と、前記凹部の周りに設けられ、前記第１方向と反対の第２方向に突出した、前記ワークに接触する凸部と、を有する。前記第１部分の前記凹部及び前記凸部、並びに前記第２部分の前記凹部及び前記凸部と対向する部分は、前記第１部分と前記第２部分とを結ぶ方向に変形可能に構成されている。アスカーゴム硬度計Ｃ型により測定される前記凸部の硬度は、４６．９未満である。前記把持ツールは、前記第１空間に連通し、前記第１空間を減圧するための配管が接続される第１ポートと、前記凹部および前記凸部に囲まれた第２空間に連通し、前記第２空間を減圧するための配管が接続される第２ポートと、をさらに備える。

実施形態に係る把持ツールを表す斜視断面図である。 実施形態に係る把持ツールの把持部を表す斜視断面図である。 実施形態に係る把持ツールによる把持方法を表す断面図である。 実施形態に係る把持ツールの把持メカニズムを表す断面図である。 従来例に係る把持ツールを表す斜視図である。 実施形態および従来例に係る把持ツールの特性を表す実験結果である。 実施形態に係る把持性能の評価方法を説明するための図である。 実施形態に係る把持ツールの特性を表す実験結果である。 実施形態に係る把持ツールの特性を表す実験結果である。 実施形態の第１変形例に係る把持ツールを表す斜視断面図である。 実施形態の第２変形例に係る把持ツールを表す斜視断面図である。 実施形態の第３変形例に係る把持ツールを表す斜視断面図である。 実施形態に係る把持システムを表す概略図である。

以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、実施形態に係る把持ツール１を表す斜視断面図である。
実施形態に係る把持ツール１は、可撓性を有する把持部１０を備える。把持部１０の内部には、粉粒体１５が設けられている。

より具体的には、把持部１０は、把持対象のワークに接触する第１部分１１と、第１部分１１と対向する第２部分１２と、を有する。第１部分１１および第２部分１２は、シリコーン樹脂、ゴム材料、アクリル樹脂などの可撓性を有する材料で構成される。粉粒体１５は、第１部分１１と第２部分１２との間の第１空間ＳＰ１に設けられている。粉粒体１５には、例えば、マイクロビーズ、シリコーン樹脂ビーズ、コーヒ豆、ガラスビーズ等を用いることができる。把持部１０は、第１部分１１と第２部分１２とが、例えば、接着剤を介して接合されて構成されている。第１部分１１と第２部分１２とは、熱圧着により接合されていてもよい。

第１部分１１の外周および第２部分１２の外周は、保持部２０によって保持されている。これにより第１空間ＳＰ１が、外部の空間と隔てられる。保持部２０は、例えば円環状を呈している。保持部２０によって把持部１０の外周のみが保持されることで、把持部１０は、保持部２０の内側において第１部分１１と第２部分１２とを結ぶ方向に変形することができる。

第１部分１１と第２部分１２とを結ぶ方向は、例えば、上下方向である。第１部分１１と第２部分１２とを結ぶ方向は、第１部分１１から第２部分１２に向かう第１方向（上方）と、第２部分１２から第１部分１１に向かう第２方向（下方）と、を含む。以下では、第１部分１１と第２部分１２との位置関係に基づくこれらの「上下方向」「上方」「下方」を用いて、実施形態の説明を行う。

一例として、保持部２０は、第１フランジ２１および第２フランジ２２を有する。第１フランジ２１は、第１部分１１の外周下面に当接し、第２フランジ２２は、第２部分１２の外周上面に当接する。第１フランジ２１と第２フランジ２２を、ネジ等の締結具２５によって締結することで、把持部１０が保持される。

図２は、実施形態に係る把持ツール１の把持部１０を表す斜視断面図である。
なお、図２では、把持部１０の第１部分１１と第２部分１２が、分離して表されている。

図２に表すように、第１部分１１は、凹部１１ｒおよび凸部１１ｐを有する。凹部１１ｒは、上方に向けて窪んでおり、把持部１０の中心側に設けられている。凸部１１ｐは、下方に向けて突出しており、凹部１１ｒの周りに設けられている。

凹部１１ｒは第２部分１２と接し、凸部１１ｐは第２部分１２と上下方向において離間している。図１および図２に例示した把持ツール１では、第１空間ＳＰ１は、凸部１１ｐと第２部分１２との間に形成される。

第１部分１１の下方には、凹部１１ｒおよび凸部１１ｐによって囲まれた第２空間ＳＰ２が形成される。具体的には、第２空間ＳＰ２の上方が凹部１１ｒによって覆われており、第２空間ＳＰ２の側方が凸部１１ｐによって囲まれている。第２空間ＳＰ２の下方は開けている。後述するように、把持対象のワークが第２空間ＳＰ２の下方に位置することで、第２空間ＳＰ２が外部空間に対して塞がれる。

図１および図２に表すように、把持部１０は、第１ポート３１および第２ポート３２をさらに有する。第１ポート３１は、第１空間ＳＰ１と連通している。第２ポート３２は、第１部分１１の凹部１１ｒおよび第２部分１２を貫通し、第２空間ＳＰ２と連通している。第１ポート３１には、第１空間ＳＰ１を減圧するための第１配管４１が接続される。第２ポート３２には、第２空間ＳＰ２を減圧するための第２配管４２が接続される。

図３は、実施形態に係る把持ツール１による把持方法を表す断面図である。
図３では、把持対象のワークＷが、三角形が３個連接した断面を有する場合を例示している。

まず、把持部１０とワークＷの位置合わせを行う。把持部１０とワークＷの位置合わせが完了すると、図３（ａ）に表すように、把持部１０をワークＷに向かって降下させる。

把持部１０は可撓性を有する。このため、把持部１０がワークＷに接触すると、図３（ｂ）に表すように、第１部分１１の凸部１１ｐが、ワークＷを包み込むように外方に押し広げられる。また、このとき、開けていた第２空間ＳＰ２が、ワークＷによって塞がれる。

次に、把持部１０の降下を停止させ、図３（ｃ）に表すように、第１ポート３１および第１配管４１を通して第１空間ＳＰ１を減圧する。第１空間ＳＰ１は、例えば０．１気圧程度に減圧される。このとき、第１空間ＳＰ１の粉粒体１５が凝集して固化する。これにより、ワークＷを包み込むように密着している把持部１０の形状が固定され、ワークＷを把持する力が生じる。

次に、図３（ｄ）に表すように、第２ポート３２および第２配管４２を通して第２空間ＳＰ２を減圧する。第２空間ＳＰ２は、例えば０．１気圧程度に減圧される。これにより、ワークＷが、第２空間ＳＰ２に向けて吸着され、把持力がさらに高められる。

その後、ワークＷを把持する把持ツール１を上昇させ、把持ツール１を水平方向に移動させる。ワークＷを所望の位置まで搬送した後は、第１空間ＳＰ１および第２空間ＳＰ２を大気開放することで、把持力が無くなり、ワークＷが把持ツール１から放れる。以上の方法により、把持対象のワークＷを、所望の位置まで搬送することができる。

図４は、実施形態に係る把持ツール１の把持メカニズムを表す断面図である。
なお、図４では、把持ツール１の把持部１０が一部簡略化して表されている。

実施形態に係る把持ツール１では、図４（ａ）に表すように、把持部１０の外周が保持部２０によって保持されている。従って、図４（ｂ）に表すように、把持部１０をワークＷに接触させた際に、把持部１０がワークＷに対して上方に向けて変形することができる。

この状態で、第１ポート３１および第２ポート３２を通して吸気することで、図４（ｃ）に表すように、把持部１０がさらにワークＷに対して上方に向けて変形しつつ、把持部１０とワークＷとの接触面積が増加していく。

このように、把持部１０が、ワークＷに対して上方に向けて変形可能に保持されることで、把持部１０によってワークＷを把持した際の把持力を高めることができる。

ここで、図５を参照しつつ、一般に販売されている従来例に係る把持ツール１００について説明する。また、図６を参照しつつ、本実施形態に係る把持ツール１と、従来例に係る把持ツール１００と、の把持力の比較結果について説明する。

図５は、従来例に係る把持ツール１００を表す斜視図である。
図５に表すように、把持ツール１００は、吸着パッド１０１を備える。把持ツール１００は、吸着パッド１０１を、把持対象のワークに当接させて吸着させることで、当該ワークを把持する。

図６は、実施形態および従来例に係る把持ツールの特性を表す実験結果である。
図６において、横軸は、把持対象の物体表面の曲率（曲率半径Ｒの逆数）を表し、縦軸は、各曲率における把持力を表す。実験は、吸着パッド１０１の直径が異なる複数の把持ツール１００、および、実施形態に係る把持ツール１について行った。

この実験では、把持力を以下の手順で測定した。
まず、把持対象の物体を所定の位置に置く。この物体を把持ツールで把持する。把持ツールに加わる力を測定しつつ、把持ツールを一定の速度で上昇させる。把持ツールが物体から離れるまで把持ツールを上昇させ、測定された力の最大値を記録する。それぞれの把持ツールについて３回実験を繰り返し、測定された最大値の平均を把持力［Ｎ：ニュートン］とする。

図６に表すように、吸着パッド１０１の直径が３０ｃｍおよび５０ｃｍの把持ツール１００については、表面が比較的平坦なワークに対して大きな把持力が得られた。しかし、ワークの表面に曲率が在ると、把持力が急激に低下し、ワークを把持することが困難であった。

これに対して、直径１０ｃｍの吸着パッド１０１を備えた把持ツール１００については、物体の表面に小さな曲率が存在する場合でも、表面が平坦なときと同様の把持力が得られた。しかし、この把持ツール１００については、把持力が小さいという課題が存在する。

これに対して、本実施形態に係る把持ツール１は、物体の表面に小さな曲率が存在する場合でも、表面が平坦なときと略同等の把持力が得られた。また、実施形態に係る把持ツール１の把持力は、吸着パッド１０１の直径が１０ｃｍおよび３０ｃｍの把持ツール１００よりも大きく、十分な値が得られた。

ここで、図６から分かるように、把持ツールにおける把持力は、把持ツールの形態だけではなく、把持対象の物体の形状にも大きく依存しうる。例えば、本実施形態に係る把持ツール１と、直径５０ｃｍの吸着パッド１０１を備えた把持ツール１００と、を比較すると、物体の表面に曲率が存在する場合は、把持ツール１の把持力が把持ツール１００よりも大きいが、物体の表面が平坦な場合には、把持ツール１００の把持力が把持ツール１よりも大きくなる。従って、このような把持ツールにおける把持性能を、どのように定量的に評価するかが課題となる。

そこで、本願発明者は、以下で説明する方法を、把持ツールにおける把持性能の評価方法として用いることを考案した。
図７は、実施形態に係る把持性能の評価方法を説明するための図である。
図７では、図６に表した、本実施形態に係る把持ツール１の実験結果を用いている。

まず、図６の実験結果と同様に、物体表面の曲率を変化させながら、それぞれの曲率における把持ツールの把持力を測定する。次に、測定結果から、曲率に対する把持力の積分値を算出する。

これは、図７に表すように、曲率と把持力の実験結果のプロットに対して、横軸と、１／Ｒ＝Ｃ_ｍｉｎと、１／Ｒ＝Ｃ_ｍａｘと、把持力同士を結ぶ線分と、で囲まれる領域Ｓの面積を算出することに相当する。なお、Ｃ_ｍｉｎは、把持力の測定を行った曲率１／Ｒのうち、最小の曲率を表す。Ｃ_ｍａｘは、把持力の測定を行った曲率１／Ｒのうち、最大の曲率を表す。

そして、算出された積分値を、その把持ツールにおける把持性能と定義する。この評価方法によれば、把持対象の物体の形状に対する把持力の依存性を含めて、把持ツールの把持性能を定量的に評価することが可能である。

以下の表１は、従来例に係る把持ツール１００および本実施形態に係る把持ツール１について、図６に表した実験結果を基に、上述した評価方法を用いて把持性能を評価したものである。

表１から、本実施形態に係る把持ツール１の把持性能の値は、従来例に係る把持ツールの把持性能の値よりも大きいことが分かる。これは、本実施形態に係る把持ツール１が、いずれの従来例に係る把持ツールよりも優れた把持性能を有することを示している。

本願発明者がさらに実験を行った結果、把持部１０の硬度が、この把持性能に影響を与えることを発見した。そこで、本願発明者は、第１部分１１の硬度が互いに異なる複数の把持ツール１について同様の実験を行い、それぞれの把持ツール１の把持性能を、上述した評価方法を用いて評価した。

図８および図９は、実施形態に係る把持ツール１の特性を表す実験結果である。
図８には、第１部分１１の硬度が互いに異なる複数の把持ツール１についての実験結果が表されている。

なお、図８における横軸および縦軸は、図６と同様に、それぞれ曲率および把持力を表す。図９において、横軸は第１部分１１の硬度を表し、縦軸は把持性能を表している。ここでは、硬度を、アスカーゴム硬度計Ｃ型（ＳＲＩＳ ０１０１ Ｃ型）を用いて測定した。

図８の実験結果から、硬度が小さいほど、それぞれの曲率において高い把持力が得られていることが分かる。この図８の実験結果をもとに、それぞれの硬度について把持性能を算出してまとめた結果を図９に表す。図９の結果から、硬度が小さいほど、高い把持性能が得られていることが分かる。

ここで、表１に表したように、一般に販売されている従来例に係る把持ツール１００における平均的な把持性能は、３．２２［Ｎ／ｍｍ］である。この結果を、図９における実験結果に照らし合わせると、従来例に係る把持ツール１００における硬度は、４６．９に相当することが分かる。従って、第１部分１１の硬度を、４６．９未満とすることで、平均的な従来例に係る把持ツールよりも把持性能の高い把持ツール１が得られる。

また、表１および図９の結果から、硬度が３１以下になると、従来例に係る把持ツール１００のうち最も把持性能が高いものよりも優れた把持性能が得られることが分かる。従って、より望ましくは、第１部分１１の硬度は、３１以下である。

なお、第１部分１１の全ての箇所の硬度が上述した範囲にある必要は無く、第１部分１１の少なくとも一部の硬度が上述した範囲にあれば、把持性能を向上させることができる。例えば、図１および図２に例示した把持ツール１では、第１部分１１の凸部１１ｐの少なくとも一部の硬度が上述した範囲にあれば、把持性能を向上させることが可能である。

また、上述した硬度の範囲は、図４の把持メカニズムに表したように、把持部１０がワークＷに対して上方に向けて変形可能に構成された把持ツール１について、より好適に用いることができる。これは、把持部１０がワークＷに対して上方に向けて変形可能である場合、第１部分１１の硬度に応じて第１部分１１とワークＷとの接触面積が変化し、把持力が変化しうるためである。従って、このような把持ツール１において、第１部分１１の硬度を、４６．９未満（より望ましくは３１以下）に設定することで、把持ツール１の把持性能をさらに向上させることができる。

なお、本実施形態に係る把持ツールは、図１および図２に表したものに限定されず、以下で説明するように、種々の変形が可能である。以下で説明する各把持ツールにおいても、第１部分１１の少なくとも一部の硬度が、上述した範囲にあることで、把持ツールの把持性能を向上させることができる。

図１０は、実施形態の第１変形例に係る把持ツール２を表す斜視断面図である。
図１０に表した把持ツール２は、保持部２０を備えていない点で把持ツール１と異なる。このため、第１部分１１と第２部分１２は、それぞれの外周において、互いに接着されて固定されている。

図１１は、実施形態の第２変形例に係る把持ツール３を表す斜視断面図である。
図１１に表した把持ツール３は、把持部１０の形状および第２ポート３２の有無について、把持ツール１と差異を有する。

把持部１０において、第１部分１１は下方に向けて凸に湾曲しており、第２部分１２は上方に向けて凸に湾曲している。粉粒体は、第１部分１１と第２部分１２との間の第１空間ＳＰ１に設けられている。

図１に表した把持ツール１と異なり、把持ツール３においては、第１部分１１が凹部１１ｒおよび凸部１１ｐを有していない。このため、把持ツール３では、第１部分１１の下方に第２空間ＳＰ２が形成されておらず、第２ポート３２も設けられていない。しかし、本変形例に係る把持ツール３においても、図３に表したメカニズムと同様に、ワークＷを把持した際に把持部１０がワークＷに対して上方に向けて変形可能であり、把持部１０による把持力を高めることができる。

図１２は、実施形態の第３変形例に係る把持ツール４を表す斜視断面図である。
図１２に表した把持ツール４は、保持部２０を備えていない点で、把持ツール３と異なる。第１部分１１と第２部分１２は、それぞれの外周において、互いに接着されて固定されている。

図１３は、実施形態に係る把持システム５を表す概略図である。
実施形態の把持システム５は、把持ツール１、搬送ロボット９０、第１減圧装置９１、第２減圧装置９２、およびコントローラ９３を備える。

搬送ロボット９０は、アーム９０ａを有する。アーム９０ａは、例えば複数の関節を有し、先端に把持ツール１が取り付けられている。搬送ロボット９０は、コントローラ９３からの指令に従ってアーム９０ａを動作させ、ワークＷの把持および搬送を行う。

第１減圧装置９１および第２減圧装置９２は、真空ポンプを有する。第１減圧装置９１は、図１に表した把持ツール１の第１配管４１と接続される。第２減圧装置９２は、把持ツール１の第２配管４２と接続される。コントローラ９３からの指令に従って第１減圧装置９１および第２減圧装置９２が駆動することで、第１空間ＳＰ１および第２空間ＳＰ２が減圧されたり、大気開放されたりする。

コントローラ９３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）や、ＲＯＭ（Read Only Memory）、不揮発性のフラッシュメモリなどを有する。ＣＰＵでは、コントローラ９３における各種演算処理が実行される。ＲＯＭには、把持システム５の動作に必要な各種制御アリゴリズムや各種定数等が記憶される。フラッシュメモリには、ワークＷの搬送手順や、搬送状況等が適宜記憶して保存される。

コントローラ９３は、フラッシュメモリに記憶されている搬送手順に従って、搬送ロボット９０、第１減圧装置９１、および第２減圧装置９２に指令を送出し、これらの動作を制御する。

把持システム５が、把持性能の高い把持ツール１を備えることで、ワークＷをより確実に把持し、搬送することが可能となる。

なお、実施形態に係る把持システム５は、把持ツール１に代えて、上述した変形例に係る把持ツール２～４のいずれかを備えていても良い。把持システム５が把持ツール３または４を備える場合、把持システム５は、第２減圧装置９２を備えていなくても良い。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１～４ 把持ツール、 ５ 把持システム、 １０ 把持部、 １１ 第１部分、 １１ｐ 凸部、 １１ｒ 凹部、 １２ 第２部分、 １５ 粉粒体、 ２０ 保持部、 ３１ 第１ポート、 ３２ 第２ポート、 ９０ 搬送ロボット、 ９１ 第１減圧装置、 ９２ 第２減圧装置、 ９３ コントローラ、 ＳＰ１ 第１空間、 ＳＰ２ 第２空間、 Ｗ ワーク

Claims (6)

1. ワークに接触する第１部分と、前記第１部分と対向する第２部分と、を有する把持部と、
   前記第１部分と前記第２部分との間の第１空間に設けられた粉粒体と、
   を備え、
   前記把持部を前記ワークに接触させた状態で、前記第１空間を減圧することで前記ワークを把持する把持ツールであって、
   前記第１部分及び前記第２部分は、可撓性を有し、
   前記第１部分は、
   前記第１部分から前記第２部分に向かう第１方向に窪んだ凹部と、
   前記凹部の周りに設けられ、前記第１方向と反対の第２方向に突出した、前記ワークに接触する凸部と、
   を有し、
   前記第１部分の前記凹部及び前記凸部、並びに前記第２部分の前記凹部及び前記凸部と対向する部分は、前記第１部分と前記第２部分とを結ぶ方向に変形可能に構成され、
   アスカーゴム硬度計Ｃ型により測定される前記凸部の硬度は、４６．９未満であり、
   前記第１空間に連通し、前記第１空間を減圧するための配管が接続される第１ポートと、
   前記凹部および前記凸部に囲まれた第２空間に連通し、前記第２空間を減圧するための配管が接続される第２ポートと、
   をさらに備えた把持ツール。
2. アスカーゴム硬度計Ｃ型により測定される前記凸部の硬度は、３１以下である請求項１記載の把持ツール。
3. 前記第２ポートは、前記第２部分および前記凹部を貫通して設けられ、
   前記第１方向に垂直な方向における前記凹部の寸法は、当該方向における前記第２ポートの前記貫通した部分の寸法よりも長い請求項１記載の把持ツール。
4. 前記第１部分の外周および前記第２部分の外周を保持する保持部をさらに備え、
   前記第２部分は、前記保持部により保持された前記第２部分の外周よりも、前記第１方向に向けて変形可能に構成された請求項１記載の把持ツール。
5. ワークに接触する第１部分と、前記第１部分と対向する第２部分と、を有する把持部と、
   前記第１部分と前記第２部分との間の第１空間に設けられた粉粒体と、
   を備え、
   前記把持部を前記ワークに接触させた状態で、前記第１空間を減圧することで前記ワークを把持する把持ツールであって、
   前記第１部分及び前記第２部分は、可撓性を有し、
   前記第１部分は、
   前記第１部分から前記第２部分に向かう第１方向に窪んだ凹部と、
   前記凹部の周りに設けられ、前記第１方向と反対の第２方向に突出した、前記ワークに接触する凸部と、
   を有し、
   前記第１部分の前記凹部及び前記凸部、並びに前記第２部分の前記凹部及び前記凸部と対向する部分は、前記第１部分と前記第２部分とを結ぶ方向に変形可能に構成され、
   アスカーゴム硬度計Ｃ型により測定される前記凸部の硬度は、４６．９未満であり、
   前記第１部分の外周および前記第２部分の外周を保持する保持部をさらに備え、
   前記第２部分は、前記保持部により保持された前記第２部分の外周よりも、前記第１方向に向けて変形可能に構成された把持ツール。
6. アームを有するロボット機構と、
   前記アームの先端に取り付けられた、請求項１～５のいずれか１つに記載の前記把持ツールと、
   前記第１空間に接続され、前記第１空間を減圧するための第１減圧装置と、
   前記ロボット機構および前記第１減圧装置の動作を制御するコントローラと、
   を備えた把持システム。

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