JP7409829B2

JP7409829B2 - ハンド装置

Info

Publication number: JP7409829B2
Application number: JP2019204447A
Authority: JP
Inventors: 武志西川
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-11-12
Filing date: 2019-11-12
Publication date: 2024-01-09
Anticipated expiration: 2039-11-12
Also published as: JP2021074838A

Description

本発明は、ハンド装置に関するものである。

従来、物体を搬送する搬送装置のハンドには、ハンドの動作を検出するために、磁気センサ、圧力センサまたは流量センサ等のセンサが取り付けられている（例えば、特許文献１，２参照。）。例えば、特許文献１において、ハンドを動作させるエアシリンダには、伸縮するロッドの位置を検出するために、一般にオートスイッチと呼ばれる磁気センサが設けられている。

特開２０１９－０１８３０４号公報国際公開第２０１４／１１８８２０号

近年、食品等の柔らか物体の把持用に、ゴム等の弾性材料から形成された中空の柔らかい指を有するハンドが開発されている。このハンドの開閉は、指の内部へのエアの供給および排出による指の変形によって達成される。したがって、オートスイッチ等のエアシリンダ用のセンサによってハンドの動作を検出することは難しい。

本開示の一態様は、複数の指を有し該複数の指の変形によって開閉するハンドであって、該ハンドに流体を供給または前記ハンドから流体を吸引する動力源と接続され、前記流体の供給または吸引による前記複数の指の変形によって閉じるハンドと、該ハンドの閉動作中に前記ハンドと前記動力源との間を流れる流体の流量または圧力を計測する計測器と、前記ハンドの閉動作中の前記計測器による計測結果に基づいて前記ハンドの開閉状態を判断する判断部と、を備えるハンド装置である。

第１の実施形態に係るハンド装置の全体構成を示すブロック図である。図１のハンド装置のハンドの開閉動作を説明する図であり、（ａ）ハンドが開いた状態、（ｂ）ハンドが部分的に閉じてワークを把持している状態、および（ｃ）ハンドが完全に閉じた状態を示している。第２の実施形態に係るハンド装置の全体構成を示すブロック図である。ハンドの閉動作中の指の内圧の時間変化を示すグラフである。第３の実施形態に係るハンド装置の全体構成を示すブロック図である。図５のハンド装置のハンドの開閉動作を説明する図であり、（ａ）ハンドが開いた状態、（ｂ）ハンドが部分的に閉じてワークを把持している状態、および（ｃ）ハンドが完全に閉じた状態を示している。図５のハンド装置の変形例の全体構成図を示すブロック図である。図７のハンド装置のハンドの開閉動作を説明する図であり、（ａ）ハンドが開いた状態、（ｂ）ハンドが部分的に閉じてワークを把持している状態、および（ｃ）ハンドが完全に閉じた状態を示している。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係るハンド装置１０について図面を参照して説明する。
ハンド装置１０は、図１に示されるように、ハンド１と、ハンド１の開閉動作を制御する制御部２と、ハンド１をエア源（動力源）６と接続するエアホース３と、エアホース３に設けられた流量計（計測器）４と、ハンド１の開閉状態を判断する判断部５とを備える。

ハンド１は、ワークＷを搬送する任意の種類の搬送装置に接続される。搬送装置は、例えば、垂直多関節ロボット、水平多関節ロボットまたはパラレルリンクロボット等の産業用ロボットである。ハンド１の閉動作は、エアコンプレッサのようなエア源６からエアホース３を経由して供給される圧縮エア（流体）の正圧によって駆動される。

ハンド１は、図２（ａ）～（ｃ）に示されるように、搬送装置に接続されるベース１ａと、ベース１ａに連結された複数の指１ｂとを有する。複数の指１ｂは、ベース１ａの中心軸Ａ回りの周方向に配列し、各指１ｂの基端がベース１ａに接続されている。参照する図面において、指１ｂの数は４本であるが、指１ｂの数は２本、３本、または５本以上であってもよい。

各指１ｂは、ゴムまたはシリコーン等の弾性材料から形成された中空の部材である。各指１ｂの内部空間は、エアホース３の先端の開口を通じてエアホース３の内部と連通しており、エアホース３の開口を除いて閉じている。
図２（ａ）～（ｃ）に示されるように、複数の指１ｂが各々の内圧に応じて開形状と閉形状との間で変形することによって、ハンド１は開閉する。図２（ａ）は、ハンド１が開いた状態を示し、図２（ｂ）は、ハンド１が部分的に閉じた状態を示し、図２（ｃ）は、ハンド１が完全に閉じた状態を示している。開形状と閉形状との間の変形において、例えば弾性材料の伸縮によって、各指１ｂの内部容積は変化する。

具体的には、エアホース３を経由してエア源６から複数の指１ｂの各々の内部にエアが供給されることによって、ハンド１の閉動作が実行される。エアの供給によって指１ｂの内圧が上昇し、内圧の上昇によって複数の指１ｂは、内部容積の増大を伴いながら開形状から閉形状に向かって変形する。これにより、複数の指１ｂの先端部が、中心軸Ａに直交する径方向に相互に近付き、ハンド１が閉じる。

一方、エアホース３を経由して複数の指１ｂの内部からエアが排出されることによって、ハンド１の開動作が実行される。エアの排出によって指１ｂの内圧が低下し、内圧の低下によって複数の指１ｂは、内部容積の減少を伴いながら閉形状から開形状に向かって変形する。これにより、複数の指１ｂの先端部が径方向に相互に離間し、ハンド１が開く。

図２（ｃ）に示されるように、ハンド１を完全に閉じるためには、閉動作において所定の設定量のエアがエア源６からハンド１へ供給される必要がある。
図２（ｂ）に示されるように、閉動作によって複数の指１ｂの間にワークＷが把持された場合、指１ｂが閉形状まで変形する前に、ワークＷの把持によって指１ｂの変形が停止し、ハンド１が部分的に閉じた状態でハンド１の閉動作が終了する。この場合、エア源６からハンド１へのエアの総供給量は、所定の設定量未満となり、例えば所定の設定量の８０％となる。

制御部２は、指１ｂへのエアの供給および指１ｂからのエアの排出を制御することによって、ハンド１の開閉動作を制御する。
一例において、制御部２は、エアホース３に設けられた三方弁のような切替弁（図示略）を第１の状態に切り替えることによって指１ｂへエアを供給させ、ハンド１に閉動作を実行させる。エア源６から指１ｂへのエアの供給は、指１ｂの内圧が所定の設定圧力に達したときに停止する。また、制御部２は、切替弁を第２の状態に切り替えることによって指１ｂからエアを排出させ、ハンド１に開動作を実行させる。

流量計４は、エア源６とハンド１との間の位置においてエアホース３に設けられ、エアホース３内をエア源６からハンド１へ向かって流れるエアの流量を計測する。計測された流量の情報は、流量計４から判断部５に送られる。

判断部５は、ハンド１の閉動作中に流量計４によって計測された流量から、閉動作中にハンド１に供給されたエアの総供給量を算出する。例えば、判断部５は、制御部２から発信される信号に基づいてハンド１の閉動作の開始および終了のタイミングを判断し、閉動作の開始から終了まで流量計４によって計測された流量を積算することによって、総供給量を算出する。

次に、判断部５は、閉動作中のエアの総供給量に基づいてハンド１の開閉状態を判断する。閉動作中のエアの総供給量とハンド１の開閉状態との間には一定の関係が存在し、エアの総供給量が多い程、指１ｂの形状は閉形状に近付く。すなわち、前述したように、総供給量が所定の設定量と等しい場合、ハンド１は完全に閉じている。総供給量が所定の設定量未満である場合、ハンド１はワークＷの把持によって部分的に閉じている。
例えば、判断部５は、所定の設定量に対する総供給量の割合が所定の閾値Ｔｈ１以上である場合、ハンド１が完全に閉じワークＷを把持していない判断する。判断部５は、所定の設定量に対する総供給量の割合が所定の閾値Ｔｈ１未満である場合、ハンド１が部分的に閉じワークＷを把持したと判断する。

次に、ハンド装置１０の作用について説明する。
開いた状態のハンド１が、搬送装置の動作によってワークＷに上方から接近し、指１ｂの間にワークＷが配置される。次に、制御部２が、指１ｂの内部へのエアの供給を開始することによって、ワークＷを指１ｂの間に把持するためにハンド１に閉動作を実行させる。

ハンド１の閉動作中、エア源６からハンド１へ流れるエアの流量が流量計４によって計測される。そして、判断部５によって、ハンド１の閉動作中にハンド１に供給されたエアの総供給量が算出され、総供給量からハンド１の開閉状態が判断される。例えば、総供給量が所定の設定量と等しいまたは略等しい場合、ハンド１は完全に閉じておりワークＷを把持していない判断される。総供給量が所定の設定量に満たない場合、ハンド１は部分的に閉じておりワークＷを把持していると判断される。

このように、本実施形態によれば、ハンド１の閉動作中のエアの総供給量に基づいてハンド１の開閉状態を判断し、開閉状態からハンド１がワークＷを把持したか否かを判断することができる。
また、本実施形態によれば、ハンド１とエア源６との間を流れるエアの計測結果を利用することによって、ハンド１の使用環境に関わらず、開閉状態を正確に判断することができる。すなわち、ハンド１の開閉状態またはハンド１がワークＷを把持したか否かを検出するためのセンサとして、光電センサ等の電子機器を使用することもできる。しかし、食品等の分野において、ハンド１に取り付けられた電子機器は、食品からの飛散物等の異物の付着よって誤検出したり故障したりしやすい。これに対し、流量計４はハンド１から離れた位置に設置されるので、流量計４はワークＷおよびワークＷの周辺環境に影響されるなくエアの流量を正確かつ安定的に計測することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係るハンド装置２０について図面を参照して説明する。
本実施形態においては、第１の実施形態と異なる構成について説明し、第１の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
ハンド装置２０は、図３に示されるように、ハンド１と、制御部２と、エアホース３と、エアホース３に設けられた圧力計７と、ハンド１の開閉状態を判断する判断部５１とを備える。

圧力計７は、エア源６とハンド１との間の位置においてエアホース３に設けられ、エアホース３内をエア源６からハンド１へ向かって流れるエアの圧力を計測する。エアホース３の内部は指１ｂの内部空間と連通しているので、圧力計７は、指１ｂの内圧をエアホース３の内部のエア圧として計測する。計測されたエア圧の情報は、圧力計７から判断部５１に送られる。

判断部５１は、ハンド１の閉動作中に圧力計７によって計測されたエア圧の時間変化に基づいて、ハンド１の開閉状態を判断する。
具体的には、ハンド１の閉動作中、判断部５１は、閉動作の開始から圧力計７によって計測されるエア圧が所定の設定圧力Ｐ０に達するまでの所要時間の長さを計測する。例えば、判断部５１は、制御部２から発信される信号に基づいてハンド１の閉動作の開始を判断する。所要時間の長さが所定の閾値Ｔｈ２以下である場合、判断部５１は、ハンド１が部分的に閉じワークＷを把持したと判断する。所要時間の長さが所定の閾値Ｔｈ２よりも長い場合、判断部５１は、ハンド１が完全に閉じワークＷを把持していないと判断する。

図４は、ハンド１の閉動作中に圧力計７によって計測されるエア圧の時間変化を示している。
ハンド１がワークＷを把持することなく完全に閉じた場合、所要時間の長さはｔ０である（図４の実線参照。）。
一方、ハンド１がワークＷの把持によって部分的に閉じた場合、所要時間の長さｔ１はｔ０よりも短くなる（図４の鎖線参照。）。これは、指１ｂのワークＷとの接触後、エア圧の増加速度が増すからである。

次に、ハンド装置２０の作用について説明する。
第１の実施形態と同様にして、ワークＷを指１ｂの間に把持するためのハンド１の閉動作が実行される。
ハンド１の閉動作中、エア源６からハンド１へ流れるエアの圧力が圧力計７によって計測される。そして、判断部５１によって、エア圧が所定の設定圧力Ｐ０に達するまでの所要時間の長さが計測され、所要時間の長さからハンド１の開閉状態が判断される。所要時間の長さが所定の閾値Ｔｈ２よりも長い場合、ハンド１は完全に閉じておりワークＷを把持していないと判断される。所要時間の長さが所定の閾値Ｔｈ２以下である場合、ハンド１は部分的に閉じておりワークＷを把持していると判断される。

このように、本実施形態によれば、ハンド１の閉動作中のエア圧の時間変化に基づいてハンド１の開閉状態を判断し、開閉状態からハンド１がワークＷを把持したか否かを判断することができる。
また、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、ハンド１とエア源６との間を流れるエアの計測結果を利用することによって、ハンド１の使用環境に関わらず、開閉状態を正確に判断することができる。

本実施形態において、判断部５１が、所要時間の長さに基づいてハンド１の開閉状態を判断することとしたが、これに代えて、圧力計７によって計測されたエア圧の時間変化の波形に基づいて、ハンド１の開閉状態を判断してもよい。
図４に示されるように、ハンド１が完全に閉じたときと部分的に閉じたときとで、エア圧の時間変化の波形は異なる。したがって、エア圧の時間変化の波形に基づいて、ハンド１の開閉状態を判断することができる。

本実施形態において、第１の実施形態の流量計４がエアホース３に設けられていてもよい。この場合、判断部５１は、閉動作中にハンド１に供給されたエアの総供給量と、エア圧が所定の設定圧力Ｐ０に達するまでの所要時間の長さとの両方に基づいて、ハンド１の開閉状態を判断してもよい。
例えば、判断部５１は、エアの総供給量が閾値Ｔｈ１未満であり、かつ、所要時間の長さが所定の閾値Ｔｈ２以下である場合にのみ、ハンド１が部分的に閉じておりワークＷを把持していると判断してもよい。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係るハンド装置３０について図面を参照して説明する。
本実施形態においては、第１および第２の実施形態と異なる構成について説明し、第１および第２の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。

ハンド装置３０は、図５に示されるように、ハンド１１と、ハンド１１の開閉動作を制御する制御部２と、エアホース３とを備える。ハンド装置３０は、第１の実施形態において説明した流量計４および判断部５をさらに備えていてもよく、第２の実施形態において説明した圧力計７および判断部５１をさらに備えていてもよい。

さらに、ハンド装置３０は、ハンド１１の通気口１ｃをエアコンプレッサのようなエア源（送気装置）６１と接続するエアホース３１と、エアホース３１に設けられた流量計４１と、ハンド１１がワークを把持したか否かを判断する判断部５２とを備える。
図６に示されるように、ハンド１１は、ベース１ａと、複数の指１ｂと、通気口１ｃとを有する。

通気口１ｃは、複数の指１ｂの間に把持されたワークＷによって塞がれる位置に開口している。図６の例において、ベース１ａには、中心軸Ａに沿ってベース１ａから指１ｂの先端側に向かって延びる筒状の伸縮部材１ｄが設けられている。伸縮部材１ｄは、中心軸Ａに沿って弾性的に収縮可能であり、伸縮部材１ｄの先端面に通気口１ｃが開口している。例えば、伸縮部材１ｄは、蛇腹構造を有するか、または、弾性材料から形成されている。指１ｂの間にワークＷが把持された状態で、伸縮部材１ｄはワークＷによって押圧されることで収縮し、伸縮部材１ｄの先端面がワークＷの表面に押し付けられる。この状態において、通気口１ｃの少なくとも一部分が、ワークＷの表面によって塞がれる。

エアホース３１は、エアホース３とは別体である。したがって、ハンド１１を閉じるためのエアとは独立に、ワークＷの検出用のエアがエア源６１からハンド１１の通気口１ｃに供給される。
流量計４１は、エア源６１とハンド１１との間の位置においてエアホース３１に設けられ、エアホース３１内をエア源６１からハンド１１へ向かって流れるエアの流量を計測する。計測された流量の情報は、流量計４１から判断部５２に送られる。

判断部５２は、ハンド１１の閉動作中に流量計４１によって計測された流量に基づいて、ハンド１１がワークＷを把持したか否かを判断する。通気口１ｃが塞がれていない状態において、エアホース３１内を流れるエアの流量は、所定の流量である。一方、通気口１ｃの少なくとも一部分が塞がれている状態において、エアホース３１内を流れるエアの流量は、所定量よりも少なくなる。
例えば、判断部５２は、所定の流量に対する計測された流量の割合が所定の閾値以上である場合、ハンド１１がワークＷを把持していないと判断する。判断部５２は、所定の流量に対する計測された流量の割合が所定の閾値未満である場合、ハンド１１がワークＷを把持したと判断する。

次に、ハンド装置３０の作用について説明する。
開いた状態のハンド１１が、搬送装置の動作によってワークＷに上方から接近し、指１ｂの間にワークＷが配置される。ハンド１１のワークＷへの接近の過程において、伸縮部材１ｄの先端面がワークＷの上面に接触して伸縮部材１ｄが収縮し、通気口１ｃの少なくとも一部分がワークＷによって塞がれる。次に、制御部２が、指１ｂの内部へのエアの供給を開始することによって、ワークＷを指１ｂの間に把持するためにハンド１１に閉動作を実行させる。

ハンド１１の閉動作中、エア源６１からハンド１１の通気口１ｃへ流れるエアの流量が流量計４１によって計測される。そして、判断部５２によって、エアの計測された流量からハンド１１がワークＷを把持したか否かが判断される。例えば、計測された流量が所定の流量と等しいまたは略等しい場合、ハンド１１はワークＷを把持していない判断される。計測された流量が所定の流量よりも少ない場合、ハンド１１はワークＷを把持していると判断される。

このように、本実施形態によれば、ハンド１１の閉動作中に通気口１ｃへ流れるエアの流量に基づいて、ハンド１１がワークＷを把持しているか否かを判断することができる。
また、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、ハンド１１とエア源６１との間を流れるエアの計測結果を利用することによって、ハンド１１の使用環境に関わらず、ハンド１１がワークＷを把持しているか否かを正確に判断することができる。

本実施形態において、判断部５２は、図７および図８に示されるように、ハンド１１がワークＷを把持しているかを、エアの流量に代えて、エアの圧力に基づいて判断してもよい。
図７および図８のハンド装置４０は、流量計４１に代えて、エアホース３１に設けられた圧力計７１を備える。ハンド装置４０は、第１の実施形態において説明した流量計４および判断部５をさらに備えていてもよく、第２の実施形態において説明した圧力計７および判断部５１をさらに備えていてもよい。

エアホース３１は、エア源６１に代えて、真空ポンプのような負圧源（送気装置）６２と接続され、負圧源６２が発生する負圧によって、通気口１ｃからエアホース３１内へエアが吸引される。ハンド１１には、伸縮部材１ｄに代えて吸着パッド１ｅが設けられ、吸着パッド１ｅの先端面に通気口１ｃが開口している。指１ｂの間にワークＷが把持された状態において、ワークＷが吸着パッド１ｅの先端面に吸着され、通気口１ｃがワークＷの表面によって塞がれる。

圧力計７１は、エアホース３１内を通気口１ｃから負圧源６２へ向かって流れるエアの圧力を計測する。
判断部５２は、ハンド１１の閉動作中に圧力計７１によって計測されたエアの圧力に基づいて、ハンド１１がワークＷを把持したか否かを判断する。
通気口１ｃが塞がれている状態において、エアホース３１の内部は真空になる。一方、通気口１ｃが塞がれていない状態において、エアホース３１の内部は真空にはならない。判断部５２は、計測された圧力が真空である場合、ハンド１１がワークＷを把持したと判断し、計測された圧力が真空ではない場合、ハンド１１が完全に閉じワークＷを把持していないと判断する。

上記第１および第２の実施形態において、判断部５，５１は、ハンド１の開閉状態に加えて、ハンド１によって把持されたワークＷのサイズを判断してもよい。
エアの総供給量または所要時間から、ワークＷを把持している指１ｂの形状および位置を検出することができる。したがって、例えば、エアの総供給量または所要時間から、中心軸Ａを間に挟み相互に対向する２本の指１ｂの先端部間の距離を算出し、算出された距離をワークＷのサイズとして判断してもよい。

上記各実施形態において、ハンド１，１１がエアの正圧によって閉じることとしたが、これに代えて、ハンド１，１１がエアの負圧によって閉じてもよい。この場合、動力源として、真空ポンプのような負圧を発生する負圧源が使用される。指１ｂの内部のエアがエアホース３を経由して負圧源によって吸引されることで、ハンド１，１１は閉じる。
この場合、流量計４は、エアホース３内をハンド１，１１から負圧源へ向かって流れるエアの流量を計測し、判断部５は、閉動作中にハンド１，１１から吸引されたエアの総吸引量に基づいて開閉状態を判断する。圧力計７は、エアホース３内をハンド１，１１から負圧源へ向かって流れるエアの圧力を計測し、判断部５１は、エア圧が所定の設定圧力まで低下するまでの所要時間に基づいて開閉状態を判断する。

上記各実施形態において、ハンド１，１１を閉じるための動力源としてエアの圧力を使用することとしたが、これに代えて、他の種類の流体の圧力を使用してもよい。例えば、エア以外の種類の気体の圧力、または油圧を動力源として使用してもよい。
上記各実施形態において、ハンド１，１１が中空の指１ｂを備えることとしたが、これに代えて、ハンド１，１１が、中実の指を備え、ハンド１，１１への流体の供給またはハンド１，１１からの流体の吸引によって中実の指が開形状から閉形状へ変形するように構成されていてもよい。

１，１１ハンド
１ａベース
１ｂ指
１ｃ通気口
１ｄ伸縮部材
１ｅ吸着パッド
２制御部
３，３１エアホース
４，４１流量計（計測器）
５，５１，５２判断部
６エア源（動力源）
６１エア源（送気装置）
６２負圧源（送気装置）
７，７１圧力計（計測器）
１０，２０，３０，４０ハンド装置

Claims

複数の指を有し該複数の指の変形によって開閉するハンドであって、該ハンドに流体を供給または前記ハンドから流体を吸引する動力源と接続され、前記流体の供給または吸引による前記複数の指の変形によって閉じるハンドと、
該ハンドの閉動作中に前記ハンドと前記動力源との間を流れる流体の流量を計測する流量計と、
前記ハンドの閉動作中の前記流量計による計測結果に基づいて前記ハンドの開閉状態を判断する判断部と、を備え、
前記判断部は、
前記ハンドの閉動作中に前記流量計によって計測された前記流量から、前記閉動作中に前記ハンドに供給または前記ハンドから吸引された前記流体の総量を算出し、
前記総量が所定の閾値未満である場合、前記ハンドが部分的に閉じ前記複数の指の間にワークを把持していると判断し、
前記総量が前記所定の閾値以上である場合、前記ハンドが完全に閉じ前記ワークを把持していないと判断する、ハンド装置。
複数の指を有し該複数の指の変形によって開閉するハンドであって、該ハンドに流体を供給または前記ハンドから流体を吸引する動力源と接続され、前記流体の供給または吸引による前記複数の指の変形によって閉じるハンドと、
該ハンドの閉動作中に前記ハンドと前記動力源との間を流れる流体の圧力を計測する圧力計と、
前記ハンドの閉動作中の前記圧力計による計測結果に基づいて前記ハンドの開閉状態を判断する判断部と、を備え、
前記判断部は、
前記閉動作中、前記圧力計によって計測される前記圧力が所定の設定圧力に達するまでの所要時間の長さを計測し、
前記所要時間の長さが所定の閾値以下である場合、前記ハンドが部分的に閉じ前記複数の指の間にワークを把持していると判断し、
前記所要時間の長さが前記所定の閾値よりも長い場合、前記ハンドが完全に閉じ前記ワークを把持していないと判断する、ハンド装置。
前記複数の指の各々が、中空であり、内圧の変化に従って内部容積の変化を伴いながら変形する、請求項１または請求項２に記載のハンド装置。