JP7036303B2

JP7036303B2 - ハンド機構及びピッキングロボット

Info

Publication number: JP7036303B2
Application number: JP2018071577A
Authority: JP
Inventors: 健児日高; 嘉将遠藤
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2018-04-03
Filing date: 2018-04-03
Publication date: 2022-03-15
Anticipated expiration: 2038-04-03
Also published as: WO2019193994A1; DE112019001766T5; JP2019181585A

Description

本発明は、ハンド機構及びピッキングロボットに関する。

ロボットアーム等に取り付けられ、複数の指部によって対象物を把持するハンド機構が開発されている。例えば、特許文献１には、複数の指部を有するハンド機構（多指ハンド部）と、該ハンド機構が先端に取り付けられたロボットアームと、を備えたロボット装置が開示されている。この特許文献１には、指部の指先に圧力センサを設け、この圧力センサの出力に基づいて対象物に対する実際の接触位置を検出し、検出した接触位置の情報に基づいて対象物の位置情報を修正することが記載されている。

特許第５５０５１３８号公報

指先に設けられた圧力センサは、ハンド機構における他の部材に比べて耐久性が低く、また、損傷し易い。したがって、圧力センサを交換する必要が生じる場合がある。しかし、圧力センサを交換した際に指部とセンサとの相対位置がずれると、対象物の位置がずれて検出されるため、対象物の位置を誤認する虞がある。したがって、ユーザが圧力センサのみを交換する場合、指先部における該圧力センサの位置合わせを高精度で行う必要がある。そのため、ユーザが圧力センサのみを交換することは困難である。一方で、圧力センサを交換する際に、指部全体またはハンド機構全体を交換すると、コスト及び手間がかかる虞がある。また、圧力センサを指先部ごと交換することも考えられるが、指先部を関節から外そうとすると、関節を分解する必要が生じて手間がかかると共に、関節を正しく組み立てることができない場合には、正常な動作を行うことが困難になり得る。

本発明は、上記したような種々の実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、ハンド機構の指部に設けられたセンサを容易に交換することにある。

本発明の態様の一つは、複数の指部を有するハンド機構であって、前記指部は、センサを有し前記指部の先端側に位置する第１指リンク部と、前記指部の基端側に位置し、前記第１指リンク部と接続される第２指リンク部と、前記第１指リンク部と前記第２指リンク部との接続箇所において前記第２指リンク部に対して前記第１指リンク部が相対的に運動可能に前記第１指リンク部と前記第２指リンク部とを接続する関節部と、を備え、前記第１指リンク部は、前記関節部よりも前記指部の先端側において着脱可能で且つ前記センサを含む着脱部を備える、ハンド機構である。

本発明の態様の一つは、上記ハンド機構をアームの先端に備えるピッキングロボットである。

本発明によれば、ハンド機構の指部に設けられたセンサを容易に交換することができる。

実施形態に係るピッキングロボットの概略構成を示す図である。実施形態に係るハンド機構の斜視図である。実施形態に係るハンド機構の上面図である。実施形態に係るハンド機構の指部の側面図である。実施形態に係るハンド機構の指部の先端部側を図４の矢印Ａの方向から見た図である。実施形態に係るハンド機構の指部における第２関節部の可動範囲を示す図である。実施形態に係るハンド機構の、指部における第１関節部および第２指リンク部の内部構造を示す図である。実施形態に係るハンド機構の指部における第１関節部の可動範囲を示す図である。実施形態に係るハンド機構の指部の第１指リンク部の先端側における感圧センサの配置を示す図である。実施形態に係る第１指リンク部の構造を示した図である。実施形態に係る第１指リンク部の構造を示した図である。実施形態に係る先端部と基端部とを嵌合した状態で、第１指リンク部を第１関節部の伸展方向側の壁面側から見た図である。実施形態に係る先端部と基端部とを嵌合した状態で、第１指リンク部を第１関節部の屈曲方向側の壁面側から見た図である。

以下に図面を参照して、本発明を実施するための形態を説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

本発明に係るハンド機構によれば、センサを含む着脱部を指部から着脱可能に構成されているため、センサの交換時には着脱部ごとセンサを交換することができる。このときには、関節部を分解する必要がないため、交換にかかる手間を低減することができる。また、センサを着脱部ごと交換できるため、位置合わせが容易になる。また、必要以上の部品を交換することが抑制される。

また、前記指部は、前記センサからの信号が通る電線を備え、前記着脱部は、前記電線を分離及び接続可能な接続部を備えることができる。これにより、着脱部を交換するときに、センサに通じる電線を容易に分離及び接続することが可能となる。接続部には、例えばコネクタを用いることができる。

また、前記第１指リンク部は、前記着脱部を着脱可能に支持し前記関節部を含む基端部を更に備えることができる。関節部が基端部に含まれることにより、着脱部を基端部から着脱するときには、関節部を分解する必要がない。

また、前記第１指リンク部は、前記基端部が前記着脱部を支持した状態で、前記基端部と前記着脱部との嵌合部を覆うカバーと、前記基端部が前記着脱部を支持した状態で、前記着脱部を前記基端部に固定する第１締結部材と、前記カバーを前記基端部または前記着脱部に固定する第２締結部材と、を更に備えることができる。第１締結部材を用いて着脱部を基端部に固定することにより、着脱部が基端部から外れることを抑制できる。また、カバーを設けることにより着脱部と基端部との嵌合部を保護することができる。このカバーは、前記接続部または前記電線を更に覆っていてもよい。そうすると、接続部または電線を保護することができる。また、第２締結部材を用いてカバーを基端部または着脱部に
固定することにより、カバーの着脱も容易になる。

＜実施形態＞
ここでは、本発明に係るハンド機構をピッキングロボットに適用した把持システムについて説明する。当該把持システムは、ピッキングロボット１の先端に設けられたハンド機構２を用いて、把持の対象物を把持するためのシステムである。図１は、本実施形態に係るピッキングロボット１の概略構成を示す図である。ピッキングロボット１は、ハンド機構２、アーム機構３、および台座部４を備えている。アーム機構３の一端にハンド機構２が取り付けられている。また、アーム機構３の他端が台座部４に取り付けられている。ハンド機構２は、アーム機構３に接続されたベース部２０と、該ベース部２０に設けられた４本の指部２１とを備えている。なお、ハンド機構２の詳細な構成については後述する。

＜アーム機構＞
アーム機構３は、第１アームリンク部３１、第２アームリンク部３２、第３アームリンク部３３、第４アームリンク部３４、第５アームリンク部３５、および接続部材３６を備えている。各アームリンク部には、軸周りに回転させるためのモータ（図示略）が設けられている。アーム機構３をこのような構成とすることで、例えば、該アーム機構３を６自由度の自由度を有する機構とすることができる。

＜台座部＞
台座部４には、ハンド機構２及びアーム機構３を制御するための制御装置（図示略）が内蔵されている。制御装置は、ハンド機構２及びアーム機構３に設けられた各モータを駆動するための駆動信号を生成する複数のドライバを含み、各ドライバからの駆動信号が対応する各モータに供給されるように構成される。また、制御装置には、後述する感圧センサ７０からの信号が入力される。制御装置は、演算処理装置およびメモリを有するコンピュータを含んでいる。また、制御装置は、所定の制御プログラムを記憶しており、このプログラムを実行することにより、ハンド機構２及びアーム機構３を制御する。

＜ハンド機構＞
次に、ハンド機構２の構成について図２から図９に基づいて説明する。図２はハンド機構２の斜視図である。図３はハンド機構２の上面図である。なお、図３において、矢印は、各指部２１の回転可動範囲を示している。図２及び図３に示すように、ハンド機構２においては、ベース部２０に４本の指部２１が、ハンド機構２の長手方向（図３において紙面に垂直な方向）の軸を中心とした円周上に、等角度間隔（すなわち９０ｄｅｇ間隔）に配置されている。また、４本の指部２１は全て同一の構造を有し且つ同一の長さである。但し、各指部２１の動作は、それぞれ独立して制御される。

図４から図９は、ハンド機構２の指部２１の構成およびその駆動機構について説明するための図である。図４は指部２１の側面図である。なお、図４では、ベース部２０、及び後述する指部２１の第２指リンク部２１２の一部が透過された状態で記載されており、これらの内部構造をも示している。また、図５は、指部２１の先端部側を図４の矢印Ａの方向から見た図である。

図２および図４に示すとおり、各指部２１は、第１指リンク部２１１、第２指リンク部２１２、および基端部２１３を有している。そして、指部２１の基端部２１３がベース部２０に接続されている。ここで、基端部２１３は、図３において矢印で示すように、ベース部２０に対して指部２１の長手方向（図３において紙面に垂直な方向）の軸回りに回転可能に接続されている。また、指部２１において、基端部２１３に第２指リンク部２１２の一端が接続されている。そして、この第２指リンク部２１２と基端部２１３との接続部に第２関節部２３が形成されている。また、図４および図５に示すように、指部２１にお
いては、第２指リンク部２１２の他端に第１指リンク部２１１の一端が接続されている。そして、この第１指リンク部２１１と第２指リンク部２１２との接続部に第１関節部２２が形成されている。

また、図４に示すように、ベース部２０の内部には第２モータ５２および第３モータ５３が設けられている。第３モータ５３は基端部２１３をその軸回りに回転駆動させるためのモータである。第３モータ５３の回転力が歯車を介して基端部２１３の回転軸に伝達されることで、基端部２１３が回転駆動し、それに伴って、図３において矢印で示す範囲で指部２１全体が回転駆動される。また、第２モータ５２は、第２関節部２３において、第２指リンク部２１２を基端部２１３に対して相対的に回転駆動させるためのモータである。第２モータ５２の回転力が第２指リンク部２１２の回転軸に伝達される。その結果、図６において矢印で示す範囲で、第２指リンク部２１２が基端部２１３に対して相対的に回転駆動される。図６に示すように、第２関節部２３は屈曲および伸展可能に形成されている。なお、第２モータ５２による駆動力と第３モータ５３による駆動力とは、それぞれ独立してその作動対象に伝わるように構成されている。

次に、図７に基づいて第１関節部２２の駆動機構について説明する。図７は、指部２１における第１関節部２２および第２指リンク部２１２の内部構造を示す図である。第１関節部２２の内部には、互いに嵌合する二つの傘歯車６１、６２が設けられている。そして、第１関節部２２における第１指リンク部２１１の回転軸に一方の傘歯車６１が接続されている。また、第２指リンク部２１２の内部には第１モータ５１が設けられており、第１モータ５１の回転軸に他方の傘歯車６２が接続されている。このような構成により、第１モータ５１が回転駆動すると、その回転力が二つの傘歯車６１、６２によって第１指リンク部２１１の回転軸に伝達され、第１指リンク部２１１は、第２指リンク部２１２に対して相対的に回転駆動されることになる。図８は、第１モータ５１の駆動力により実現される、指部２１における第１関節部２２の可動範囲を示す図である。この図８に示すように、第１関節部２２は屈曲および伸展可能に形成されている。すなわち、第２指リンク部２１２に対して第１指リンク部２１１が相対的に運動可能に形成されている。

また、図２、図４、図５、図９に示すように、本実施形態では、指部２１の第１指リンク部２１１の先端側に感圧センサ７０が設けられている。感圧センサ７０は、第１指リンク部２１１の先端側に作用する外力（圧力）を検出するセンサである。また、図４に示すように、感圧センサ７０は、第１指リンク部２１１の先端側における、第１関節部２２の屈曲方向側の壁面２１５および伸展方向側の壁面２１６の両面に設けられている。ここで、本実施形態では、第１指リンク部２１１の先端側における第１関節部２２の屈曲方向側の壁面２１５は曲面状に形成されている。そこで、図９に示すように、第１指リンク部２１１の先端側における第１関節部２２の屈曲方向側の壁面２１５には、複数の感圧センサ７０をその曲面形状に沿って並べて設置してもよい。

＜第１指リンク部＞
第１指リンク部２１１は、先端側に位置する先端部２１１１と、基端側に位置する基端部２１１２とに分割可能に構成されている。図１０及び図１１は、第１指リンク部２１１の構造を示した図である。図１０は、第１指リンク部２１１を第１関節部２２の伸展方向側の壁面２１６側から見た図であり、先端部２１１１と基端部２１１２とを分割した状態の図である。図１１は、第１指リンク部２１１を第１関節部２２の屈曲方向側の壁面２１５側から見た図であり、先端部２１１１と基端部２１１２とを分割した状態の図である。図１２は、先端部２１１１と基端部２１１２とを嵌合した状態で、第１指リンク部２１１を第１関節部２２の伸展方向側の壁面２１６側から見た図である。図１３は、先端部２１１１と基端部２１１２とを嵌合した状態で、第１指リンク部２１１を第１関節部２２の屈曲方向側の壁面２１５側から見た図である。第１指リンク部２１１において、第１関節部
２２は基端部２１１２側に設けられており、感圧センサ７０は先端部２１１１に含まれている。なお、本実施形態における先端部２１１１が、本発明における着脱部に相当し、本実施形態における感圧センサ７０が、本発明におけるセンサに相当する。

先端部２１１１の伸展方向側の壁面２１６側には、基端部２１１２側に向かって突出する凸部８０が設けられている。また、基端部２１１２の伸展方向側の壁面２１６側には、先端部２１１１の凸部８０が嵌合するように、先端部２１１１側から第１関節部２２側に向けて窪んだ凹部８１が設けられている。なお、先端部２１１１において、凸部８０と凹部８１とが嵌合する箇所を嵌合部８００と称する。したがって、先端部２１１１を、第１指リンク部２１１の先端側から基端側に向けて移動させることにより、先端部２１１１を基端部２１１２に取り付けることができ、先端部２１１１を、第１指リンク部２１１の基端側から先端側に向けて移動させることにより、先端部２１１１を基端部２１１２から取り外すことができる。したがって、先端部２１１１は、第１関節部２２よりも指部２１の先端側において着脱可能である。

嵌合部８００において凸部８０を凹部８１に嵌合させた状態で、２本の雄ねじ９０を用いて先端部２１１１が基端部２１１２に固定される。基端部２１１２には、屈曲方向側の壁面２１５側から伸展方向側の壁面２１６側に貫通する貫通孔９１が２つ設けられている。この貫通孔９１は、凹部８１に開口している。この貫通孔９１に屈曲方向側の壁面２１５側から夫々雄ねじ９０が挿入される。先端部２１１１の凸部８０には、凸部８０が凹部８１に嵌合した状態で貫通孔９１に対応する位置に、ねじ穴８２が形成されている。ねじ穴８２には、雄ねじ９０に対応する雌ねじが形成されている。基端部２１１２の貫通孔９１を貫通した雄ねじ９０が、先端部２１１１のねじ穴８２に締め付けられることにより、先端部２１１１が基端部２１１２に固定される。なお、本実施形態においては雄ねじ９０が、本発明における第１締結部材に相当する。

各感圧センサ７０から延びる電線は、フレキシブルケーブル７１を介してコネクタ８５に接続される。フレキシブルケーブル７１は、平板導体を並列に並べて全体を絶縁体で覆った電線であり、可撓性を有する。コネクタ８５は、基板８６に固定されており、この基板８６は雄ねじ８７によって先端部２１１１の伸展方向側の壁面２１６に固定されている。コネクタ８５と対になるコネクタ９２が、第２指リンク部２１２の内部に配線されているフレキシブルケーブル９３の一端に接続されている。このフレキシブルケーブル９３は第２指リンク部２１２から台座部４まで指部２１の内部に配線されており、フレキシブルケーブル９３の他端は制御装置に接続されている。したがって、第２指リンク部２１２側のコネクタ９２を第１指リンク部２１１側のコネクタ８５に接続することにより、各感圧センサ７０からの出力信号を制御装置に送ることができる。なお、本実施形態においては、コネクタ８５が、本発明における接続部に相当する。

また、第１指リンク部２１１には、先端部２１１１が基端部２１１２に固定された状態で、先端部２１１１に配線されているフレキシブルケーブル７１、第１指リンク部２１１に配線されているフレキシブルケーブル９３、コネクタ８５、コネクタ９２、及び、基板８６を覆うカバー２１１３が取り付けられる。カバー２１１３は、雄ねじ８８を用いて先端部２１１１に固定される。先端部２１１１の伸展方向側の壁面２１６側には、雄ねじ８８に対応するねじ穴８９が設けられている。雄ねじ８８をカバー２１１３外側から貫通させた状態でねじ穴８９に挿入して締め付けることにより、カバー２１１３が固定される。なお、カバー２１１３は、必ずしも必要ではない。本実施形態においては雄ねじ８８が、本発明における第２締結部材に相当する。

このように構成された第１指リンク部２１１では、基端部２１１２に対して先端部２１１１が着脱可能である。すなわち、カバー２１１３及び２本の雄ねじ９０を外し、さらに
、先端部２１１１側のコネクタ９２から第２指リンク部２１２側のコネクタ９２を外すことにより、先端部２１１１を指部２１から取り外すことができる。また、先端部２１１１を基端部２１１２に嵌合させた状態でカバー２１１３及び２本の雄ねじ９０を取り付け、さらに、先端部２１１１側のコネクタ９２に第２指リンク部２１２側のコネクタ９２を接続することにより、先端部２１１１を指部２１に取り付けることができる。したがって、感圧センサ７０を交換する必要が生じた場合には、先端部２１１１を交換するだけで済む。ここで、第１指リンク部２１１を先端部２１１１と基端部２１１２とに分割できない構造を有するハンド機構において、感圧センサ７０に交換の必要が生じたときに、感圧センサ７０のみを交換しようとすると、感圧センサ７０の位置合わせを高精度に行う必要があり手間がかかる。また、感圧センサ７０がずれて取り付けられた場合には、対象物の位置を誤認する虞がある。また、例えば第１指リンク部２１１ごと感圧センサ７０を交換することが考えられる。しかし、第１指リンク部２１１を交換する場合には、第１関節部２２を分解する必要があるため手間がかかる。また、例えば指部２１ごと感圧センサ７０を交換することも考えられるが、この場合には、第２関節部２３を分解する必要があるため、やはり手間がかかる。また、例えばハンド機構２ごと感圧センサ７０を交換することも考えられるが、感圧センサ７０以外の多くの部品を交換することになるため、コストアップになる。一方、先端部２１１１を着脱可能に設けることにより、先端部２１１１だけを交換することによって感圧センサ７０を交換することができるため、第１関節部２２等の複雑な構造を有する箇所を分解する必要がなく、簡単な作業で感圧センサ７０を交換することができる。そして、凸部８０と凹部８１とが嵌合し、先端部２１１１が２本の雄ねじ９０で基端部２１１２に固定されることにより、ユーザが意識することなく感圧センサ７０の位置合わせが行われる。また、先端部２１１１だけを交換すればよいため、必要以上に交換される部品が少なくて済む。このように、先端部２１１１を着脱可能に設けることにより、感圧センサ７０の交換をより容易に、且つ、より安価に行うことができる。また、コネクタ８５を設けることにより、指部２１の内部の配線を全部交換する必要がなくなるため、手間がかかることを抑制できる。

なお、先端部２１１１の交換は、感圧センサ７０が破損または劣化した場合に限らずに行うことができる。例えば、性能の異なる感圧センサに取り換えたい場合や、圧力以外の他の物理量を検出するセンサに取り換えたい場合に、先端部２１１１を交換してもよい。また、異なる形状の先端部２１１１を用意しておき、対象物に応じて交換してもよいし、より性能の高い先端部２１１１が開発された場合には、より性能の高い先端部２１１１に交換してもよい。

また、本実施形態では、先端部２１１１にコネクタ８５を固定し、第２指リンク部２１２側からフレキシブルケーブル９３を延ばしてコネクタ９２を接続しているが、電線の接続方法はこれに限らない。例えば、第２指リンク部２１２側のコネクタ９２を基端部２１１２に固定し、先端部２１１１側のフレキシブルケーブル７１を延ばしてコネクタ８５を接続してもよい。また、電線の接続にコネクタ８５を用いる必要は必ずしもない。例えば、凸部８０と凹部８１とに夫々、フレキシブルケーブルに通じる接点を設け、凸部８０と凹部８１とが嵌合したときに対応する接点が接触するようにして電線を接続してもよい。この場合には、凸部８０に設けられる接点が、本発明における接続部に相当する。

また、先端部２１１１と基端部２１１２とが嵌合する箇所における夫々の形状は、図１０に示した凸部８０及び凹部８１の形状に限らない。また、本実施形態では、２本の雄ねじ９０を用いて先端部２１１１を基端部２１１２に固定しているが、固定方法はこれに限らない。例えば、１本のねじ又は３本以上のねじを用いて固定してもよいし、ねじ構造を有さないピン等を用いて固定してもよいし、凸部８０と凹部８１とを嵌合したときに自動的にロックされる構造を有することにより固定していてもよい。

１・・・ピッキングロボット、２・・・ハンド機構、３・・・アーム機構、２１・・・指部、２２・・・第１関節部、２１１・・・第１指リンク部、２１２・・・第２指リンク部、２１１１・・・先端部（着脱部）、２１１２・・・基端部、７０・・・感圧センサ、８５・・・コネクタ（接続部）

Claims

複数の指部を有するハンド機構であって、
前記指部は、
センサを有し前記指部の先端側に位置する第１指リンク部と、
前記指部の基端側に位置し、前記第１指リンク部と接続される第２指リンク部と、
前記第１指リンク部と前記第２指リンク部との接続箇所において前記第２指リンク部に対して前記第１指リンク部が相対的に運動可能に前記第１指リンク部と前記第２指リンク部とを接続する関節部と、
を備え、
前記第１指リンク部は、
前記関節部よりも前記指部の先端側において着脱可能で且つ前記センサを含む着脱部と、
前記着脱部を着脱可能に支持し前記関節部を含む基端部と、
前記基端部が前記着脱部を支持した状態で、前記基端部と前記着脱部との嵌合部を覆うカバーと、を備える、
ハンド機構。
前記指部は、前記センサからの信号が通る電線を備え、
前記着脱部は、前記電線を分離及び接続可能な接続部を備える、
請求項１に記載のハンド機構。
前記第１指リンク部は、
前記基端部が前記着脱部を支持した状態で、前記着脱部を前記基端部に固定する第１締結部材と、
前記カバーを前記基端部または前記着脱部に固定する第２締結部材と、
を更に備える、
請求項１または２に記載のハンド機構。
請求項１から３の何れか１項に記載のハンド機構をアームの先端に備える、
ピッキングロボット。