JP7110546B2 - 物体の持上げ可否判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、物体の持上げ可否判定方法に関するものであり、特に、物体を持上げる前に、持上げ可能かどうかの判定を行う物体の持上げ可否判定方法に関する。

特許文献１には、自走可能な台車上に前後、左右、上下方向にわたる作動軸を配設し、この作動軸によって移動自在となる支持体により支持されるアームの先端に吸引装置を装備する自走式貨物搬出入機が開示されている。特許文献１には、吸引装置により貨物を持上げ保持して自走式貨物搬出入機により搬送する技術が開示されている。

特開平５－１５５４３１号公報

家庭や工場などでは、様々な種類の物体を持上げる機会がある。吸引装置を使用して物体を持上げる場合、持上げる物体の重量によっては、重量が大き過ぎて吸引装置で持上げることができないことがある。特許文献１に記載の吸引装置は、物体の持上げの可否を判定していないため、持上げる途中で物体を落としてしまうことがあり、物体へ悪影響を与える場合がある。

また、工場などで使用されるロボットが吸引装置の仕組みを用いて水平面上にある物体を把持する場合、重量物や床などの持上げ不可能な物体を吸引する事がある。吸引部の圧力センサだけでは、持上げ可能な物体を吸引しているかどうかの判定が出来ない。そして、そのまま物体を持上げようとして吸引装置に負荷をかけたり、物体を少し持上げた後、物体を落とし破損させるという問題があった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、物体を持上げる前に、持上げ可能かどうかの判定を行う物体の持上げ可否判定方法を提供することを目的とする。

本発明は、
吸着パッドで物体を吸引するステップと、
前記吸着パッドで前記物体を吸引し上昇させていくときに加わる力を、力センサで測定するステップと、
前記力センサで測定した値が所定の閾値よりも低く収束した場合、前記物体を持上げ可能と判定するステップと、
前記力センサで測定した値が前記所定の閾値以上である場合、前記物体を持上げ不可能と判定するステップと、
を備えたことを特徴とする物体の持上げ可否判定方法である。
この可否判定方法によって、持上げ可能な物体のみを選択して持上げることができる。これにより、吸着パッドに負荷を与えたり、物体を破損させることを防止することができる。

本発明によれば、物体を持上げる前に、持上げ可能かどうかの判定を行う物体の持上げ可否判定方法を提供することができる。

実施形態に係る持上げ装置を例示する斜視図である。 実施形態に係る持上げ装置の吸引部付近を例示するブロック図である。 図２に示す部分Ｂを例示するブロック図である。 実施形態に係る持上げ装置の持上げ可否判定方法を例示するフローチャートである。 実施形態に係る持上げ装置を例示するブロック図である。 （Ａ）は、実施形態の比較例に係る持上げ装置を例示する斜視図である。（Ｂ）は、図６（Ａ）に示す部分Ｃを例示するブロック図である。 物体の上昇距離に対する力センサの値を例示するグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。各図面において、同一又は対応する要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明を省略する。

［実施形態］
先ず、実施形態に係る持上げ装置の構成について説明する。
図１は、実施形態に係る持上げ装置を例示する斜視図である。
図２は、実施形態に係る持上げ装置を例示するブロック図である。
図３は、図２に示す部分Ｂを例示するブロック図である。
図３は、実施形態に係る持上げ装置のリンクを含む部分を例示するブロック図である。
ＸＹ平面は水平面であり、＋Ｚ軸方向は鉛直方向であり、－Ｚ軸方向は、物体を持上げる方向である。＋Ｚ軸方向を、単に、Ｚ軸方向と称することもある。

図１及び図２に示すように、実施形態に係る持上げ装置１０は、物体１８を持上げるための複数の爪１５ａ、爪１５ｂと、吸着パッド１１１と、物体１８に加わる力を測定するための力センサ１１３と、を有する。この例では、吸着パッド１１１は、複数の爪の一つ１５ａの一部に設けられるがこれには限定されない。吸着パッド１１１は、爪とは独立して設けられても良い。

実施形態に係る持上げ装置１０の持上げ可否判定方法は、吸着パッド１１１で物体を吸引する。吸着パッド１１１で物体１８を吸引し上昇させていくときに加わる力を、力センサ１１３で測定する。力センサ１１３で測定した値Ｆが所定の閾値Ｆｔｈよりも低く収束した場合、物体１８を持上げ可能と判定する。力センサ１１３で測定した値Ｆが所定の閾値Ｆｔｈ以上である場合、物体１８を持上げ不可能と判定する。その後、複数の爪１５ａ及び１５ｂを用いて物体１８を持上げる。
尚、複数の爪１５ａ及び１５ｂを総称して爪１５と称することもある。また、力センサ１１３で測定した値Ｆを、力センサ１１３の値Ｆと称することもある。

実施形態に係る持上げ装置１０の持上げ可否判定方法においては、爪１５ａ及び爪１５ｂを用いて物体１８を持上げる前に、力センサ１１３の値Ｆに基づいて、吸着パッド１１１により吸引した物体１８が持上げ可能かどうかを判定する。

吸着パッド１１１は、例えば、ゴム材質の吸盤形である。吸着パッド１１１の吸着断面は、吸引する物体１８に応じて、平形、長円形などがある。吸着パッド１１１は、吸着する物体１８との間に吸着力を発生させ、発生させた吸着力により物体１８を吸引する。

実施形態に係る持上げ装置１０は、さらに、吸着パッド１１１に設けられた圧力センサ１１２と、吸着パッド１１１に接続されたチューブ１１４と、チューブ１１４に接続された真空ポンプ１１６と、吸着パッド１１１に接続されたリンク１２と、を有する。力センサ１１３は、リンク１２に設けられる。
尚、力センサ１１３は、爪１５ａに設けられてもよい。力センサ１１３は、物体１８のＺ軸方向の力を測定する。

圧力センサ１１２は、例えば、真空圧計であり、物体１８の吸引に成功したかどうかを判定するために使用される。真空圧計は、所定の閾値と比較することにより真空状態を検知する。真空状態を検知した場合、物体１８の吸引が成功したと判定する。

真空ポンプ１１６は、チューブ１１４の一端に接続された吸気口１１７から空気を吸引し、吸引した空気を排気口１１８から排出することで真空圧を発生させる。真空ポンプ１１６が真空圧を発生させることにより、チューブ１１４を介して真空圧が吸着パッド１１１に伝わる。これにより、吸着パッド１１１は、物体１８を吸引することができる。

リンク１２により、吸着パッド１１１を物体１８の押付け方向（＋Ｚ軸方向）、又は、その逆方向へ移動することができる。リンク１２は、例えば、ロボットアームなどのような移動することが可能な機構である。

力センサ１１３は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の３軸方向の力を測定することができ、物体１８が接触する吸着パッド１１１の回りに掛かる力を検知することができる。また、力センサ１１３は、物体１８が接触する吸着パッド１１１の回りに掛かる力を検知することが可能な位置に設けられる。この例では、力センサ１１３は、リンク１２に設けられる。
尚、力センサ１１３は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の３軸方向の力を測定することができるので、力センサ１１３を、３軸力センサと称することもある。

リンク１２は、図１及び図２に示したものの他に、図３に示すものがある。図３に示すリンク１２は、複数のリンク１２ａ～１２ｃにより構成される。リンク１２ａの一端とリンク１２ｂの一端とが回転アクチュエータ１３ａにより連結される。リンク１２ｂの他端とリンク１２ｃの一端とが回転アクチュエータ１３ｂにより連結される。回転アクチュエータ１３ａと回転アクチュエータ１３ｂにより、リンク１２を介して吸着パッド１１１の位置を変化させる。リンク１２を介して、吸着パッド１１１を物体１８の押付け方向（＋Ｚ軸方向）、又は、その逆方向に移動することができる。

実施形態に係る持上げ装置の動作について説明する。
図４は、実施形態に係る持上げ装置の持上げ可否判定方法を例示するフローチャートである。
図５は、実施形態に係る持上げ装置を例示するブロック図である。

図４及び図５に示すように、先ず、持上げ装置１０は、ユーザ等から物体１８の把持指令を受ける（ステップＳ１０１）。次に、吸着パッド１１１を、リンク１２を用いて吸引及び把持を行う物体１８に押付ける（ステップＳ１０２）。次に、真空ポンプ１１６を動作させ真空を発生させる。これにより、爪１５ａに設けられた吸着パッド１１１が物体１８に対して吸引を開始する（ステップＳ１０３）。
尚、物体の押付け方向を、水平面直交方向、又は、Ｚ軸方向と称することもある。

次に、物体１８の吸引に成功したかどうかを判定する（ステップＳ１０４）。吸引に成功したかどうかの判定には、以下のような２つの例がある。一つの例では、チューブ１１４内に圧力センサ１１２として真空圧計を設け、該真空圧計が真空状態を検知した場合、物体１８の吸引が成功したと判定する。

別の例について説明する。
図６（Ａ）は、蛇腹部を有する持上げ装置を例示する斜視図である。
図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示す部分Ｃを例示するブロック図である。
図６（Ａ）は吸引前を示し、図６（Ｂ）は吸引後を示す。
尚、図６（Ａ）は、後述する実施形態の比較例に係る持上げ装置を例示する斜視図でもある。

図６（Ａ）に示すように、チューブ２１４の一部に蛇腹部２１４ｐを設ける。そして、図６（Ｂ）に示すように、吸引後、蛇腹部２１４ｐが収縮した場合、物体１８の吸引が成功したと判定する。

図４に戻り、実施形態に係る持上げ装置の動作についてさらに説明する。
吸着パッド１１１による物体１８の吸引が成功した場合（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、リンク１２を用いて吸着パッド１１１で物体１８を吸引し上昇させ、このときに加わる力を、力センサ１１３で測定する（ステップＳ１０６）。吸引が成功しなかった場合（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、吸引を再実行する、又は、再指令のため待機するなどを行う（ステップＳ１０５）。

次に、吸着パッド１１１が上昇する間に、力センサ１１３の値を監視し物体１８の持上げ可否判定を行う。

ここで、吸着パッド１１１で吸引した物体１８の持上げ可否判定について説明する。
ステップＳ１０２において、吸着パッド１１１の物体１８に対する押付け方向は、必ずしもＺ軸方向とは限らない。力センサ１１３は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向からなる３軸方向の力の値を測定する。これら３軸方向の力の値から、物体の押付け方向（＋Ｚ軸方向）の合力を算出する。そして、この算出した合力を、力センサ１１３で測定した物体１８に加わる力とする。

図７は、物体の上昇距離に対する力センサの値を例示するグラフである。
図７横軸は吸着パッド１１１により吸引された物体の上昇距離Ｄを示し、縦軸は力センサ１１３の水平面直交成分（＋Ｚ軸方向）の値Ｆ、すなわち、物体１８に加わる力の測定値を示す。
図７示す１８ａのグラフは、物体１８ａを上昇させた場合のグラフである。
図７示す１８ｂのグラフは、物体１８ｂを上昇させた場合のグラフである。
図７示す１８ｃのグラフは、物体１８ｃを上昇させた場合のグラフである。

図７に示す最大力Ｆｍａｘは、吸着パッド１１１から物体１８が離れるときの力、すなわち、吸着パッド１１１が物体１８に吸引可能な最大力を示す。オフセット力σは、０よりも大きく最大力Ｆｍａｘよりも小さな値であって、最大力Ｆｍａｘまでのマージンを示す。また、後述する所定の閾値Ｆｔｈは、（Ｆｍａｘ－σ）と同じ値を示す。また、物体１８ｂの重量は、物体１８ｃよりも重い。また、物体１８ａの重量は、物体１８ｂの重量と物体１８ｃの重量との間である。また、物体１８ａ、物体１８ｂ及び物体１８ｃを、総称して物体１８と称することもある。

図７示すように、物体１８ａ、物体１８ｂ及び物体１８ｃを上昇させた場合のグラフは、上昇距離Ｄが短いときは、力センサ１１３の値Ｆが負の値になる。吸着パッド１１１を物体１８に押付けた時、物体１８からの反力を受けるため、力センサ１１３の値Ｆは負の値になる。力センサ１１３は、－Ｚ軸方向の力を受けると負の値となる。

物体１８ａを上昇させた場合のグラフは、物体１８ａの上昇距離Ｄが長くなるとともに、力センサ１１３の値Ｆが上昇した後、力センサ１１３の値Ｆは、（Ｆｍａｘ－σ）とゼロとの間で収束する。

物体１８ｂを上昇させた場合のグラフは、物体１８ｂの上昇距離Ｄが長くなるとともに、力センサ１１３の値Ｆも上昇し、力センサ１１３の値Ｆは、（Ｆｍａｘ－σ）よりも大きくなる。そして、力センサ１１３の値Ｆは、収束しない。

物体１８が物体１８ａのように重い場合、吸着パッド１１１が物体に与える吸着力により吸着しながら上昇するので、力センサ１１３の値Ｆは正の値になる。そして、ある値を超えると吸着パッド１１１から物体１８は離れる。ある値は最大力Ｆｍａｘである。実施形態においては、力センサ１１３の値Ｆが、（Ｆｍａｘ－σ）以上で、持上げ不可能と判定する。力センサ１１３の値Ｆが、０から（Ｆｍａｘ－σ）の間で収束したら、持上げ可能と判定する。すなわち、力センサ１１３で測定した値Ｆが所定の閾値（Ｆｍａｘ－σ）よりも低く収束した場合、物体１８を持上げ可能と判定する。

尚、物体１８ｃを上昇させた場合のグラフは、物体１８ｃの上昇距離Ｄが長くなるとともに、力センサ１１３の値Ｆも上昇した後、力センサ１１３の値Ｆは、ほぼ０で収束する。すなわち、吸着パッド１１１を上昇させることで、力センサ１１３の値Ｆは徐々に上昇する。そして、物体１８ｃを吸引する圧力のみで浮かせる事ができた場合、力センサ１１３の値Ｆは、ほぼ０で収束する。

また、吸着パッド１１１の吸引力と物体１８ｃの重力が釣り合った場合、力センサ１１３の値Ｆは０に収束する。また、吸着パッド１１１の吸引力が物体１８ｃの重力よりも大きい場合、又は、吸着パッド１１１の吸引力の他に、引っ張り応力などが発生した場合、力センサ１１３の値Ｆは、０よりも大きな値となる。よって、力センサ１１３の値Ｆが０に収束した場合、又は、０よりも大きな値であって所定の閾値Ｆｔｈに収束した場合、物体を持上げ可能と判定してもよい。

図４及び図５に戻り、ステップＳ１０６において、吸着パッド１１１で物体１８を吸引し上昇させたとき、力センサ１１３の値Ｆが、０から所定の閾値Ｆｔｈの間で収束した場合（ステップＳ１０７：Ｙｅｓ）、物体１８を持上げ可能と判定する（ステップＳ１０９）。力センサ１１３の値Ｆが収束しない場合（ステップＳ１０７：Ｎｏ）、力センサ１１３の値Ｆが、所定の閾値Ｆｔｈ以上かどうか判定する（ステップＳ１０８）。力センサ１１３の値Ｆが、所定の閾値Ｆｔｈ以上の場合（ステップＳ１０８：Ｙｅｓ）、物体１８を持上げ不可能と判定する（ステップＳ１１０）。そして、爪１５の把持切替え、又は、再指令のため待機するなどを行う（ステップＳ１１１）。
尚、爪をグリッパと称することもある。

ステップＳ１０８において、力センサ１１３の値Ｆが、所定の閾値Ｆｔｈよりも低い場合（ステップＳ１０８：Ｎｏ）、ステップＳ１０６に戻り、吸着パッド１１１をさらに上昇させる動作を行う。

実施形態においては、一度、物体１８を、爪１５ａに設けられた（付属した）吸着パッド１１１で吸引し、持上げ可能かどうかを判定（判断）する。その後、持上げ可能と判定した場合、爪１５ａ及び１５ｂを使用して物体１８を持上げる。

実施形態によれば、吸着パッド１１１によって物体１８を吸引した後、－Ｚ軸方向に吸着パッド１１１を少しずつ動かしながら力センサ１１３の値Ｆの変化を読み取る。そして、力センサ１１３の値Ｆが所定の閾値Ｆｔｈよりも低く収束した場合、物体１８を持上げ可能と判定する。この判定によって、持上げ不可能な物体を誤って吸引した場合には、持上げ動作を中止する。これにより、吸着パッド１１１に負荷を与え、物体１８を破損させることを防止することができる。

その結果、物体を持上げる前に、持上げ可能かどうかの判定を行う物体の持上げ可否判定方法を提供することができる。

尚、実施形態には、以下のようなものも含まれる。
先端に吸着パッドを含む吸引機能部を備えたロボットハンドであって、吸引機能部よりもロボットハンドの根本側に、ロボットハンドが受けた力を検出するための力センサを備え、ロボットハンドが吸引する物体を吸引した状態で持上げようとした場合、力センサの値が所定値以上の力を示した場合には、吸引しての把持を中断するロボットハンド。

上記のようなロボットハンドによれば、吸引対象物（物体）が途中で落下する恐れがあるほどに重い場合には、ロボットハンドの力センサに対し所定以上の力が加わることになる。そのため、当該力センサの出力値に基づき吸引した把持できる物であるか否かを判定できる。これにより、持上げ物体へ悪影響を与えることを抑制できる。

ここで、実施形態に係る持上げ装置の特徴を以下に示す。
・ユーザ等から物体１８の把持指令を受けて動作を開始する。
・吸着パッド１１１を物体１８に接触させ、真空ポンプ１１６により真空圧を発生させることで物体１８を吸引する。
・吸着パッド１１１を物体１８の押付け方向（＋Ｚ軸方向）、又は、その逆方向へ移動可能なロボットアームなどの移動機構（リンク１２ａ～１２ｃ）を有する。
・物体１８の吸引に成功したかどうかを判定するための真空圧計などのセンサを有する。
・持上げ装置１０が有する力センサ１１３は、ＸＹＺの３軸方向の力を測定することができ、物体１８が接触する吸着パッド１１１の回りにかかる力を検知可能な位置に設けられる。
・移動機構によって、吸着パッド１１１を動かし、その際の力センサ１１３の値の変化を見て、吸引した物体１８を持上げ可能かどうかを判定する。

［比較例］
次に、実施形態の比較例に係る持上げ装置について説明する。
図６（Ａ）は、実施形態の比較例に係る持上げ装置を例示する斜視図である。
図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示す部分Ｃを例示するブロック図である。
図６（Ａ）は吸引前を示し、図６（Ｂ）は吸引後を示す。

図６（Ａ）に示すように、比較例に係る持上げ装置２０は、実施形態の持上げ装置１０と比べて、力センサ１１３が設けられていない。持上げ装置２０は、チューブ２１４の一部に蛇腹部２１４ｐが設けられる。持上げ装置２０は、吸着パッド２１１により物体１８を吸引したとき、負荷により蛇腹部２１４ｐが収縮（変形）したことを検出する。これにより、吸着パッド２１１が物体１８を吸引したかどうかを判定する。具体的には、図６（Ｂ）に示す吸引後の蛇腹部２１４ｐの長さＬ２が、図６（Ａ）に示す吸引前の蛇腹部２１４ｐの長さＬ１よりも短い場合、吸着パッド２１１が物体１８を吸引したと判定する。

しかしながら、持上げ装置２０は、力センサ１１３を有していないため、物体１８が持上げ可能かどうかの可否判定をすることができない。よって、物体を持上げる前に、持上げ可能かどうかの判定を行う物体の持上げ可否判定方法を提供することが難しい。

尚、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０、２０…持上げ装置 １２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ…リンク １３ａ、１３ｂ…回転アクチュエータ １５、１５ａ、１５ｂ…爪 １８…物体 １１１、２１１…吸着パッド １１２…圧力センサ １１３…力センサ １１４、２１４…チューブ ２１４ｐ…蛇腹部 １１６…真空ポンプ １１７…吸気口 １１８…排気口 Ｂ、Ｃ…部分 Ｄ…上昇距離 Ｆ…値 Ｆｍａｘ…最大力 Ｌ１、Ｌ２…長さ Ｘ、Ｙ、Ｚ…方向

Claims (1)

1. 吸着パッドで物体を吸引するステップと、
   前記吸着パッドで前記物体を吸引し上昇させていくときに加わる力を、力センサで測定するステップと、
   前記力センサで測定した値が所定の閾値よりも低く収束した場合、前記物体を持上げ可能と判定するステップと、
   前記物体を持上げ可能と判定した後、前記吸着パッドを用いずに複数の爪を用いて前記物体を持上げるステップと、
   前記力センサで測定した値が前記所定の閾値以上である場合、前記物体を持上げ不可能と判定するステップと、
   を備えたことを特徴とする物体の持上げ可否判定方法。

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