JPS60201849A - 把持用フインガ工具自動交換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〕 本発明は、プログラム式の多軸マニピュレータに関し、
特にマニピュレータの把持器のフィンガ（指）の向い合
った面にある把持用バッド即ち把持用工具を自動的に交
換するための把持用フィンガニ具自動交換装置に関する
。

〔従来技術〕

マニピュレータの把持器は、加工片に又はそれに特別の
動作を与えるための工具を持上げ、移送し、方法付けし
、保持するような作業を含む汎用目的の処理機能を提供
する。マニピュレータの把持器で種々の動作及び種々の
形状の物体が処理されるので、把持用フィンガニ具が、
処理しようとする特定の素子又は実行すべき特定の動作
に常に適するとは限らない。従って、１サイクルの動作
後、種々のサイズの素子又は種々の形状の素子乃至工具
が処理されるときには、把持用工具が交換される。この
ためにはかなりの時間に亘ってマニピュレータの動作を
中断する必要があることを理解さたい、その交換のため
にマニピュレータにがなりの休止時間が生じることを覚
悟しなければならない。動作の中断が生じないようにす
るために、把持用工具は、種々の形状の素子を処理でき
るよう設計されている。しかし全てに適用できるような
構造にすると、部品を保持したり処理したりする信頼性
や質が低下するし、時にはエラーが生じたり精度が下っ
たりする。

今日ではマニピュレータが高速化しており、また搬送し
ようとする物体が脆い場合にそれが壊れないよう把持力
をできるだけ小さくするという観点から、マニピュレー
タの把持器上の所定の場所にフィンガニ具をしっかりと
固定する固定手段を設けることが安全性以外の理由から
も必要と思われている。更に、把持器上のフィンガニ具
の所望の固定位置をモニター（監視）してパッドの場所
にしっかりと固定されていないことを表示したりする手
段が必要である。

マニピュレータの端部のとこめるの工具を交換でき所定
の位置に固定できるということは従来技術からも知られ
ている。例えば、米国特許第４０５６２６３号公報は、
溶接用のガンや他の工具を自動交換できまた所定の位置
に固定できるというマニピュレータ用の工具交換装置を
示す。この構成はマニピュレータアームの端部に結合さ
れた支持構成体を開示し、幾つかのフィンガニ具の中か
ら１つを選んで搬送するように適用される。各工具は、
開口付きの直立する板を有する。その開口は、収斂する
複数の画用の複数の真直ぐな側面で画成される。支持用
構成体は、溝をもつピラミッド状の突起を含む。この突
起は、その開口内の側面の数に対応する複数的の収斂す
る側面をもち、それらを結合するよう適用される。その
結合後、装着部材に固着されたリニアアクチュエータは
、上記の直立板をその装着部材に締着するため上記の溝
の中に楔状部材を拡げる働きがある。この従来技術には
、その詳細をみれば分るように、取付ける手段が複雑で
あり、固定機能を行うために空気作用手段を必要とする
。この構成はまた把持器のフィンガ上でパッド乃至工具
を工具するのには適用できない。

ＩＢＭテクニカル・ディスクロージャ・プレチンの第２
４巻第６号（１９８１年１１月号）には、ロボットアセ
ンブリ用の工具交換器を開示している。この工具部分は
、中間の径の細いデテント（止め）部分をもつ中央結合
軸を担持する。この軸はロボット部分の開口中で受止め
られてる。その開口には、環状のピストンと１対の保持
用の球とがある。上記の結合軸が開口内に、上記の球が
デテント用の溝内で受け止められる程度の深さまで挿入
されると、成る径路を通して引き入れられた空気圧がピ
ストンを下向きに駆動し、その截頭円錐面で凹みの中へ
球を押し込む。またこれは所望の結器を生じるのに空気
作用ピストンを必要とする複雑な構成であって、把持器
のフィンガにパッド乃至工具を交換するのには適用でき
ない。

１９８３年３月２日付けの米国特許出願第４７１５６９
号はマニピュレータの把持器上での交換が可能なパッド
即ち工具を開示している。その把持器の工具は、把持器
の面で保持される基板上に滑り込まれる。そしてその工
具は把持器のフィンガ上の所定の位置に、ばね負荷され
たデテント用球が工具内の溝と協働されるようにして、
保持さ九る。物体に与えられる把持力はまた基板の所定
の場所に工具を保持する力の影響をうける。工具を交換
するには、基板又はレールから工具を引離すために軸方
向の力が与えられる。この構成はあまり複雑ではないが
１把持器上に把持用工具を固定するために本発明が必要
とする固定解放手゛段を欠いている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

如上のとおり、従来技術はマニピュレータの端部に工具
をしっかりと固定するのに複雑な固定装置を設けている
。またフィンガニ具を交換可能にしたものもあるが、こ
れはしっかりした固定手段を持たず、把持用工具の摩擦
保持力に依存したものであって、信頼性ある把持ができ
が、ひいては位置決め誤差を生じるおそれがある。

従って本発明の目的は、把持用工具を交換可能にすると
ともにその固定装置を簡便なものにし、しかも信頼性高
く固定して位置決め誤差なども生じない把持用フィンガ
ニ具自動交換装置を提供することである。

Ｃ問題点を解決するための手段〕 簡単に云えば１本発明は把持用工具の交換装置である１
面を向い合せた把持用フィンガ面が担持する鳩尾状レー
ルに、そのような工具がそれ自体の鳩尾状の相補的形状
の開口を介し、マニピュレータ用制御装置の制御下で滑
り込まされる。把持用工具を把持用フィンガ上の所定の
場所にしっかりと固定するため固定手段が設けられる。

実施例では、この固定手段は１把持用パッド中の溝の中
に固定部材の外方の端部を嵌合さるようなばね片である
固定用タブから成る。マニピュレータの作業域内の成る
面に工具保持器が取付けられる。これは実施例では２対
の刃をもつ少なくとも１個のステーションを具備する。

これらの刃の各対は保持器の壁部の両側に位置づけられ
ていて、把持器のコンピュータ等の制御手段のプログラ
ム制御下で刃に対して移動されると、上記固定手段によ
る固定状態が解除されるよう位置づけられ且つそれに適
する形状をもつ。即ち、実施例では、固定手段である固
定用タブのばね片を刃の外側で押し開くように上記の刃
が作用し、これによってばね片と溝との係合状態即ち固
定状態が解除される。処理では、刃の外側がテーバ状に
なっているので、ばね片の押し開き動作をより一層滑ら
かに行なえる。一旦解除されると、把持用工具を把持用
フィンガから取外すことができ、新しい組の工具を取出
したり別の動作サイクルを行なえる。

上記から明らかなように、レール上に把持用工具を装着
し、これを固定する手段を設けているので、フィンガ面
に対して把持用工具を動かないようにするには十分であ
る。従ってフィンガ圧感知手段を把持器の各フィンガに
配設させたマニピュレータであっても、フィンガ圧感知
手段は固定済みの工具に対し１把持用フィンガ面自体に
対する動作と同様に動作できる。

〔実施例〕

第２図には、ＩＢＭ社から７５６５製造装置として市販
されたいわゆる箱型のロボット即ち物体マニピュレータ
の概略図を示す。詳説する把持部を除けば、ロボットの
残りの部分は、その制御装置も含めて当業者には知られ
ている。本発明の自動交換可能な把持器のパッド即ち工
具は、本実施例のマニピュレータにしか適用できないの
ではなく、物体を把持するために向い合うフィンガをも
つ把持器を設けた多くのロボットに適用できる。

マニピュレータ１０は台１１と上部のキャリッジ構成体
１２を含む。キャリッジ構成体１２は台１１上の作業領
域全体をｘ、ｙ及びＺの方向（第１図をも参照のこと）
に移動できるアーム（腕）１３を支持する。

アーム１３はその下端に手首機構１４を支持する。この
手首機構１４は、種々の物体や工具を把持したり走査自
由度が３、手首機構１５が取付けられる。アーム１３の
自由度が３、手首機構１４の自由度が２以上であると、
制御手段が必要とする把持器１５の移動や方向付けがが
なり自由にでき、種々の作業を行なえる。

把持器１５はコンピュータ１６が制御する。即ちコンピ
ュータ１６は、アーム１３の種々の作動ユニットに管１
８で連結された流体圧動力源１７を制御する。種々のス
イッチやセンサを作動する電源は、制御用のコンピュー
タ１６から電線１９で与えら九る。把持器１５やマニピ
ュレータ１０内の他の箇所にある種々のセンサからのフ
イードバック信号がケーブル２０でコンピュータ１６に
与えられる。

第３図は、把持器１５の詳細を示す。把持器１５は第２
図の手首機構１４から伸びる軸２１で支持される。把持
器１５は、板２２及び２３のような枠構造と１対の対向
するフィンガ２４及び２５とを含む。各フィンガはその
枠構造から１対の関節状の平行なリンク機構２６によっ
て枠構造から垂下っている。このリンク機構２６は、フ
ィンガ２４及ご２５が相対移動する間も両フィンガが互
いに平行に維持される態様で装着される。

リンク機構２６は、枠内に装着された流体モータ２７に
よって作動乃至制御される。即ちこのモータがラック２
８を動かして１対の扇形歯車２９を駆動し、該歯車に結
合されたリンク機構２６を駆動することになる。流体モ
ータ２７がコンピュータ１６から流体動力源１７を介し
て制御される。

フィンガ２４及び２５は両者間に加わる力を制御しつつ
物体を把持できる。

各フィンガ２４及び２５は、第１図に示すように、フィ
ンガの対向する面に鳩尾状レニル３２を取付けさせてい
るか又はその面の一部を構成している。

フィンガ３０の新規の構成は第１図に示すとおり、鳩尾
状レール３２を含む。これはフィンガの対向する面に沿
って長手方向即ちレールの軸方向に伸びている。この鳩
尾状のレールは、キ一手段及び肩付ボルト（いずれも図
示せず）によって固定部材３４に固定される、フィンガ
パッド即ちフィンガニ具３６は、レール３２を内部に受
取るため所定の位置に鳩尾状の相補形状の開口３８を具
備するよう図示している。第１図に示すように、鳩尾状
レールの面及び上記レールを受け入れる相補形状の開口
の面は、開口中にレールを挿入し易くするためにそれら
の端部を面取りしである。例えばレールの先端４０の部
分とフィンガニ具２３６の側端４２の部分が面取りしで
ある。このレール３２は、その軸方向と直角な方向に適
度に強く支持できるような厚さにされる。側面片３３及
び３５がレール３２の一部分として形成され若しくは該
レール３２に取付けられているが、レール３２に対しそ
のいずれかの側に沿って平行であり、把持用フィンガニ
具３６をレール３２にしっかりと保持する。

第４Ａ図乃至第４Ｃ図に示す鳩尾状レール３２は、フィ
ンガニ具３６がレール３２に完全に挿入されるときスト
ッパとして働く上部板４４を具備する。同様に、フィン
ガパッド又はフィンガニ具３６は底部ブロック４６及び
上面４８を具備するが、この上面４８はフィンガニ具３
６が２方向に完全に挿入されたときレール３２のＺ方向
の移動のためのストッパとして働く。

固定手段を、第４Ａ図乃至第４Ｃ図では詳細に示すが、
第１図ではここで示そうとするレール形状が不明瞭にな
るので図示していない。この固定手段は、鳩尾状レール
部材３２の上端に取付けられた固定用タブ板５０を具備
する。固定用タブ５２は第４Ｃ図にもつとも分り易く図
示しているが、これらは第４Ｂ図の固定用タブ板５０に
取付けられた状態が図示されている。固定用タブ５２は
金属製のばねでできているが、図示の場合には、レール
部材３２の側面を抱き込むように互いに向い合う方向に
偏倚されている。斯して、鳩尾状レール３２が相補形状
の鳩尾状開口３８の中に２軸方向に挿入される際、金属
墳のばねタブ５２が、フィンガパッド又はフィンガニ具
３６の面取りした先端４２によって、挿入動作の終る手
前の辺りで広げられる。固定用タブ５２の固定部５４は
、内方に伸出す平坦面５６を具備し、これが溝５８の中
に係止される。溝５８はフィンガニ具３６の両側面に沿
うＺ軸に直角に伸びている。溝５８は、フィンガパッド
部材３６の先端の面取り端４２から僅かに隔たったとこ
−ろにあって、固定用タブ５２の面５６と溝５８の上面
とが協働するようにして固定用ダブ５２が溝５８にしっ
かりと固定できる。把持用フィンガニ具３６の両側で面
取り端４２から溝５８まで縦方向に溝６２が伸びている
。

これは把持用フィンガ３０のレール３２上をフィンガニ
具３６が滑るようにして挿入される際、固定位置に固定
用タブ５２の固定部５４を案内するためである。この固
定部５４はその内側の底の方の端部に沿って面取りされ
ており、レール３２をフィンガニ具３６の中に挿入する
間、外側に変位し易いようになっている。把持用フィン
ガニ具３６は保持用張出部９７によって保持器９５中に
保持される。保持用張出部９７はラック壁部９８の両側
から対になって伸びている。これらの保持用張出部９７
はその向い合った面の外側に面取りした端部を具備し、
フィンガニ具３６を保持器９５中の保持位置の中ヘフイ
ンガ工具３６を案内する。

この保持用張出部９７はフィンガニ具３６の溝１０２（
第５図）に入り、保持器９５中にフィンガニ具３６を保
持するとともに整列させる。斯してマニピュレータが把
持器をＺ方向に上昇させるとき保持用張出部９７がフィ
ンガニ具３６をその場所に保持する。従ってレール３２
がフィンガニ具３６から引抜かれる。

ラック壁９８の両側に設定されたこれらの保持位置は、
ステーションと考えられる。従って、保持器９５には複
数個のステーションがある。

固定解除動作では、工具ラック即ち保持器９５の上方の
位置にロボットを移動させる。そこでコンピュータ１６
を介してプログラムで把持器１５を制御し、フィンガ２
４及び２５を、保持器９５よりも大きい幅の位置に又は
最大限に開かせる。

フィンガが保持器９５の一方の側の１本のフィンガの位
置まで低くされると、プログラムが、１対の把持用フィ
ンガに互いに向い合う方向の閉じる作用を要求する。こ
の動作の際、工具保持器９５の両側から伸びている対に
なった刃９６固定用タブ５２の内側に嵌合する。第６図
に示すように、その刃の端部の外側が面取りされている
ので、固定用タブ５２とフィンガニ具３６の固定部との
間で嵌合し易くし、またマニピュレータの位置付けの許
容誤差も大きくできる。刃９６の厚い部分９６が固定用
タブを広げ、刃９６がフィンガニ具３６中の固定用の溝
５８を越えて外れたところに、保持されるようにする。

従って把持用フィンガを担持するマニピュレータがＺ軸
方向に上向きに移動すると、フィンガニ具３６からレー
ル３２が移動したり、フィンガニ具３６が保持器９５に
残される。

フィンガに新しいフィンガニ具３６を取付けたイ場合、
マニピュレータは把持器１５を保持器９５の上方の位置
に移動させ、その位置でフィンガが所望の量だけ開くよ
う制御される。マニピュレータとそれが担持するフィン
ガ２４及び２５とが２方向に下向きに移動して、そのレ
ール３２がフィンガニ具３６の相補形状の開口に入るよ
うにする。この移動が続くのは、レール３２がフィンガ
ニ具３６の中に完全に入るまで、即ちフィンガニ具３６
の上部がレール３２の上部板４４の底面に相対し且つレ
ール３２の底部がフィンガニ具３６の底部ブロック４６
の上面４Ｇで停止されるまでである。固定用タブ５２（
第４Ｃ図）の固定部５４の底面５３は面取りされている
。従って刃の上に乗上って、開いた状態に保持される。

把持器１５がコンピュータ１６を介して開かれていので
、表定部５４は固定用の溝５８中の所定の位置に落込み
、固定できる。この固定動作は、フィンガニ具３６が、
それを保持している保持用張出部９７を離れる前に生じ
るので、フィンガニ具がその固定動作前にその所望の位
置から外れて落ちるということはない。フィンガを開く
作用は、成るプログラムされた位置で停止し、その位置
からマニピュレータは把持器を垂直方向に移動させて保
持器から外させる。この結果、フィンガはその動作に従
って自由に移動する。

フィンガパッド即ちフィンガニ具３６は、種々のサイズ
で種々の形状の物品を処理できるよう種々の表面形状を
とり得るばかりでなく、ドリル等の、工具をしっかりと
把持するような形の面をとり得る。

斯して、フィンガニ具を把持器のフィンガに対し固定し
たり固定解除したりし易いよう、プログラム式のマニピ
ュレータを用いたフィンガニ具自動交換装置が提供され
゛たことになる。

フィンガニ具がフィンガ３０にしっかりと固定されるの
で、重い負荷を把持器で上昇させることができ、実用上
どのように使用してもフィンガ工具３６がＺ軸方向に滑
る可能性はない。従って２軸方向に下向きに引張っても
、レール３２からフィンガニ具３６を引抜くことはない
。

フィンガ３０は力感知手段を具備する。これは第１図か
らも分るように、Ｌ字状部材であり、水平な脚部８０と
、それに取付けられたベアリングブロック８２とを具備
する。ベアリングブロック８２の枢支孔８４には、平行
なリンク機構２６（第３図参照）が枢着される。Ｌ字状
部材の下向きに伸びる脚部８６には、鳩尾状のレール３
２が装着される。ケース８８がフィンガ３０を覆ってい
る。第１図ではケース８８を破断して切抜き部８９．９
０及び９１が見えるように図示している。

これらの切抜き部によってＬ字状部材８１に薄くて撓み
易い部分が得られ、それらの面には歪応答素子９２．９
３及び９４が夫々装着される。これらの歪応答素子は、
鳩尾状レール３２に与えられた多くの軸方向の力に応じ
て変形されるゲージであり、他の物品とその素子との相
互作用を感知し、コンピュータ１６へケーブル２０でフ
ィードバック信号を送り返すようにしている。

把持器１５には別の感知手段を設ける。これは、フィン
ガ２４又は２５の一方の向い合った面に位置付けられた
光源１０４と、他方のフィンガの同様の位置にある受光
素子とから成る。レール３２には開孔７２が設けられ、
フィンガニ具３６には、その開孔７２と整列するような
開孔７０が設けられる。そしてフィンガニ具がレールに
正しく装着されたときは、レール３２とフィンガニ具３
６とが整列したことを表わすように光源と受光素子との
間に真直ぐで切れ目のない光路が生じる。

この把持用フィンガニ具自動交換装置にはエラー検知手
段が設けられる。これはこのマニピュレータに既に存在
する光ビーム感知機構及び力感知機構を用いてその検知
機能を生じる。保持器９５の各ステーションに開孔Ａ、
Ｂ及びＣが位置付けられる。これらの開孔は、各ステー
ションのところで壁部９８を真直ぐに貫通しており、フ
ィンガニ具を取出したり、外したりする動作サイクルの
間、光源１０４からの光路が完成するように使用される
。保持器９５の開孔は、保持用壁部９８の上から下にＣ
，Ｂ、Ａの順序で並んでいる。例えば、２個のフィンガ
・パッド即ちフィンガニ具３６が保持器９５の１つのス
テーションにあってそれらを取出そうとすれば、把持器
が下向きに移動し且つ鳩尾状レール３２が対応するフィ
ンガニ具３６の対応する鳩尾状開口３８の中に案内され
るよう把持器の開きが予じめ設定されることになろう。

レールが挿入されて行くと、それがフィンガニ具の底ま
で入り、把持器のフィンガ上にフィンガニ具が正しく位
置付けられたことを表わすとき、光感知器が開孔Ａのと
ころで感知用ビームを検知する。フィンガ相互間の向い
合う力を制御するようにして、把持器１５が保持器９５
を押しつぶすように作用し、力感知器で感知された反作
用力を用いてフィンガニ具が２つ存在することを検知す
る。

保持器９５から把持用フィンガ３０に取付けられたフィ
ンガニ具３６を取出すには、把持器が最大幅まで開かれ
、保持用張出部９７を乗り越えて、垂直方向に移動され
る。開孔Ｂ及びＣが光路を完成させれば、両方のフィン
ガニ具３６がうまく取出せたことを表示する。

マニピュレータ感知器で検知できる工具取出しエラー状
態は１、下記の表に示すとおりである。

表１．　工具取出しエラー状態 １サイクルというのは、フィンガが下降して、工具に嵌
合し、反転して工具を上方に拾い上げるまでの動作サイ
クルを云う。即ち第１ステツプで下降（ダウン）し、第
２ステツプで上昇（アップ）するまでの動作サイクルで
ある。

表１で画工具ともステーション（保持器９５）にある場
合は、１対のフィンガ３０が下降しぞ行く間（第１のダ
ウン・ステップ）、工具３８の開孔７０が、保持器９５
の開口ＣやＢと整列しないため、両フィンガ上の発光素
子、受光素子間の光路が完成しない。しかしフィンガが
一番底まで下降すると、開孔Ａが感知される。そして工
具をロックして反転し上昇して行く間（第２のアップ・
ステップ）、開孔がＢ、Ｃの順に感知され、取出しが成
功であったことを示す。

画工具ともステーションにない場合は、下降中、フィン
ガ３０相互間の光路を遮る工具がない為、保持器９５の
開孔Ｃ，Ｂが順に感知され、その後、上昇するときも、
上述の場合と同様、開孔Ａ、Ｂ、Ｃが順に感知される。

工具３８を拾い損ねたときは、工具３８が残るため、フ
ィンガの下降時と同様に、上昇時も開孔Ｂ、Ｃを感知で
きない。

〔発明の効果〕

本発明による把持用フィンガニ具自動交換装置は、従来
のように複雑な空気作用手段を用いる必要がなく、簡単
な構・成でフィンガニ具をしっかりと保持でき、またそ
の取外しも容易であるというようにフィンガニ具の効果
的な把持機能を提供する。またフィンガニ具がしっかり
と保持できるので、現存する感知器を用いることができ
、その感知器でフィンガニ具の把み損ねなどのエラー状
態を検知することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の把持器及び把持用フィンガの拡大斜
視図である。第２図は、マニピュレータとその作業領内
の１つの面に位置付けられた把持器及び工具保持部材と
を示す斜視図である。第３図は、把持用工具を受取り且
つ固定するための固定部材及びレールを含む把持器の拡
大斜視図である。第４Ａ図、第４Ｂ図及び第４Ｃ図は、
把持器の把持用フィンガに装着される固定機構の詳細な
側面図、端面図及び線４Ｇ−４Ｇに沿ってとった断面図
である。第５図はフィンガニ具の詳細な側面図、端面図
及び平面図を示す図である。第６図は、把持用工具を自
動的に取出したり挿入したりするための取出し手段とエ
ラー検知手段とを示す斜視図である。 １０・・・・マニピュレータ、１５・・・・把持器、１
６・・・・コンピュータ、２４．２５．３０・・・・フ
ィンガ、３２・・・・レール、３６・・・・フィンガニ
具、３８・・・・開口、５０・・・・固定用タブ板、５
２・・・・固定用タブ、５８・・・・溝、９６・・・・
刃。 出願人　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・
コーポレーション 代理人　弁理士　山　本　仁　朗 （外１名） 第４Ｃ図 第４Ｂ図　第、４Ａ図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 把持器の対向する面上で把持用フィンガニ具を交換する
   ための制御手段を具備する型の多軸マニピュレータ用の
   把持用フィンガニ具自動交換装置にして、 上記把持器の上記対向面に沿って取付けられた鳩尾状レ
   ールと、 上記各把持用フィンガニ具が上記鳩尾状レールにそのレ
   ールの軸方向に挿入されるとき該軸方向以外には上記把
   持用フィンガニ具が移動できないような寸法の開口であ
   って、上記鳩尾状レールと相補形状に上記把持用フィン
   ガニ具に形成された上記開口と、 上記マニピュレータと協働する上記制御手段が上記把持
   器ひいては上記鳩尾状レールをその軸方向に上記鳩尾状
   開口の中に摺動させる機能をもつことと、 上記把持用フィンガニ具中の上記鳩尾状レールを固定す
   る固定手段と、 上記把持用フィンガニ具を保持するため上記マ　−ニピ
   ュレータの作業域内に配設され、そこから上記制御手段
   の制御下で上記フィンガニ具を出し入れできるようにす
   る工具鯖保持器と、 上記鳩尾状レールが固定された状態を自動的に解除する
   ため、上記工具保持優に配設された固定解除手段と を具備する把持用フィンガニ具自動交換装置。