JPS61109683A - 把持装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明はワークを取扱うロボットまたはマニピュレータ
の把持装置に係り、特にセンサ機能を備えた把持装置に
関する。

〔発明の背景〕

従来、ロボットまたはマニピュレータに装設される把持
装置は、ワークを一定の力で把持する形式である。この
ため、従来の把持装置はワークの性質により、ワークを
正確に把持することが困難な場合があった。この困難性
を解決するために、把持装置の指部に力センサを取付け
る方策が実施されている。また把持装置をワークに対し
てきめ細く制御しようとする場合には、上述した力セン
サ以外に圧力センサ、超音波センサ等の多くのセンサを
把持装置に取付けなければならない、このように把持装
置の指部に多くのセンサを取付けることは、把持装置自
体の構造を大形がっ複雑にすると共にセンサの管理不足
により信頼性が低下することがある。

このため、把持装置の指部にセンサを設けず。

この指部をバイモルフ形圧電素子で構成して、センサ機
能と把持動作のためのアクチュエータ機能との両機能を
持たせた例がある。この例については第８回１．Ｓ、１
．Ｒ，（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉ
ｕｍ　ｏｎＩｎｄｕｓｔｒａｌ　Ｒｏｂｏｔ）　（１９
７８年）におけるＵｓ＋ａｎａｎｉによる“Ｐｒ１ｎｃ
ｉｐｌｅ　ｏｆ　Ａ　Ｐｉａｚｏ−Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　
Ｍｉｃｒ。

Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ　”と題する文献において論じ
られている。この文献においては数ｍｇｆ程の把持力の
発生とその検出が可能であると報告されている。しかし
、産業用ロボットにおいては前述したように。

把持装置の指部をワークにきめ細く位置決めし得ると共
に大きな把持力を発生し得る機能が必要であるが、前述
の把持装置ではその機能を十分に発揮できず、産業用ロ
ボットに適用し得る機能を発揮できないのが現状である
。

【発明の目的〕

本発明は上述の事柄にもとづいてなされたもので、ワー
クにきめ細く位置決めし得る機能を有するバイモルフ形
圧電素子の把持装置を提供することを目的とする。

（発明の概要〕 本発明は上記の目的を達成するために、一対のバイモル
フ形圧電素子を把持指部とした把持装置において、前記
一対の指部を構成するバイモルフ形圧電素子に、前記圧
電素子を曲げ変形させるための電圧供給回路と、前記圧
電素子の出力信号を用いてワークに対する把持力制御、
ワーク有無判別およびワーク接触検知を行うセンサ機能
回路とを接続して構成し、前記の指部を構成する圧電素
子にセンサを設けることなくワーク把持動作と１つ以上
のセンサ機能とを行えるようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の把持装置の一例を備えたロボットの一
例を示すもので、この図において、１はベース、２はベ
ース１上に旋回可能に設けた旋回体、３は旋回体２に回
転可能に設けた第１のアーム、４は第１のアーム３に回
転可能に設けた第２のアーム、５は補助アーム、６は第
２のアーム４の先端に設けた手首部、７は手首部６に装
設した把持装置である。この把持装置７は前述した手首
部６に設けた本体８と、この本体８に設けた一対のバイ
モルフ形圧電素子による指部９とで構成されている。

次に一対のバイモルフ形圧電素子による指部９のアクチ
ュエータ制御およびセンサ機能のための回路を第２図を
用いて説明する。一対の指部９はそれぞれ分極方向（矢
印Ｂで示す）を対向するように接合した２枚の圧電素子
９Ａ、９Ｂで構成されている（以下直列形と呼ぶ）、こ
の一対の指部９には、アクチュエータ機能を行わせるた
めの電圧供給回路１０と、センサ機能を行なうためのワ
ーク有無判別回路２０および、ワーク接触検出回路３ｏ
とが接続されている。第２図において４０はロボットの
制御回路を示す。

上述した電圧供給回路１０、ワーク有無判別回路２０お
よびワーク接触検出回路３０の構成を順次説明する。

電圧供給回路１ｏはバイモルフ形圧電素子からなる指部
９をワークを把持する方向に変形させると共に、その把
持力を設定値に制御するものである。１０１は一対の指
部９を構成するバイモルフ形圧電素子９Ａ、９Ｂに直流
電圧を印加する電源装置で、この電源装置１０１はその
出力電圧を調整することができる。１０２は一方の指部
９のパイモシフ形圧電素子９Ａ、９Ｂに接続した可変周
波数発振器で、この可変周波数発振器１０２からの周波
数は指部９に作用する外力を検出するために一方のバイ
モルフ形圧電素子９Ａ、９Ｂに印加される。この一方の
バイモルフ形圧電素子９Ａ。

９Ｂは、抵抗１０３と並列接続され、さらに圧電素子９
Ａ、９Ｂの静電容量とほぼ等しい静電容量を有するコン
デンサ１０４と抵抗１０５とにブリッジ接続されている
。抵抗１０３と抵抗１０５とは同じインピーダンスに設
定されている。この抵抗１０３と抵抗１０５との両端子
にはそれぞれこの端子電圧を直流電圧に変換する整流回
路１０６゜１０７が接続している。これらの整流回路１
０６゜１０７は差動増幅器１０８に接続している。この
差動増幅器１０８は整流回路１０６，１０７からの出力
電圧の差を求め、これらの差が零となるように、可変周
波数発振器１０２の周波数を制御する。可変周波数発振
器１０２の端子には周波数変化量を検出する周波数検出
器１０９が接続している。この周波数検出器１０９によ
って検出された周波数変化量は関数発生器１１０および
比較器１１１に出力される。関数発生器１１０は検出さ
れた周波数変化量Ａｆにもとづいて作用している外力Ｗ
を出力する。この周波数変化量Δｆと外力Ｗとの関係に
ついては後述する。この関数発生器１１０からめ外力Ｗ
は表示装置１１２に表示される。一方、比較器１１１は
周波数検出器１０９からの周波数変化量の電圧と基準電
圧設定器１１３からの設定把持力に相当する基準電圧と
にもとづいて電源装Ｍ１０１の出力電圧を制御し、指部
９の把持力を設定値に制御する。

次に上述した周波数変化量Δｆと外力Ｗとの関係、すな
わち力検出の原理を第３図を用いて説明する。

第３図は本発明に用いるバイモルフ形圧電素子の周波数
特性を示したもので、この図において横軸は周波数Ｆを
縦軸は圧電素子のインピーダンスＺを示す、この図中の
曲線又は圧電素子に外力が何等作用しないときの特性を
示し、また曲線Ｙは圧電素子に外力が作用したときの特
性であり、さらに直線Ｘ′は圧電素子が持つ静電容量の
周波数特性を示したもので、角周波数をω、コンデンサ
容量をＣとすれば、１／ωＣで表すすことができる。し
たがって、圧電素子の等価容量を予め知っておき、コン
デンサの容量Ｃをこの値に選定すれば１点ＡＸでインピ
ーダンスＺは一致する。このときのインピーダンスｚｔ
−ｚ□１周波数ＦをｆＡとする０周波数ｆ１の状態で圧
電素子に外力Ｗを加えると、そのインピーダンス２は曲
線Ｙによりこの曲線Ｙ上の点へ〇に対応す、る値Ｚ、、
に変化する。すなわち、インピーダンス２はＺＡｘから
ｚ、。

に変化する。そのため１等価容量Ｃで設定したインピー
ダンス２と等しくなるように、圧電素子に印加する電圧
の周波数を変化させると、この周波数がｆ、どなったと
きに１両者のインピーダンス２は点ＢＹで一致する。こ
の時の周波数変化Δｆを知ることによって圧電素子に作
用する外力Ｗすなわち把持力を知ることができる。この
周波数変化Δｆと外力Ｗとの関係は第４図に示すように
きわめて良い直線性を有している。この関係は前述した
関数発生器１１０に設定されている。以上述べた原理に
より、電圧供給回路１０は一対の指部９を把持制御する
と共に把持力検出機能を有している。

次に前述したワーク有無判別回路２０を第２図を用いて
説明する。

このワーク有無判別回路２０はワーク把持位置に移動し
た一対の指部、９を超音波センサ式に一方の指部９を発
振側とし、他方の指部９を受信側としてワークの有無を
非接触で判別するものである。

このために、一方の指部９にはスイッチ２０１゜２０２
を介して周波数発振器２０３が接続されている。他方の
指部９にはスイッチ２０４，２０５を介して電圧検出器
２０６が接続されている。この電圧検出器２０６は一方
の指部９の振動によって誘起される他方の指部９の振動
にもとづく発生電圧を検出するもので、この検出電圧値
は判別回路２０７に出力される６判別回路２０７は電圧
検出器２０６からの電圧値ｖ１と基準電圧発生器２０８
に設定したワークがないときの圧電素子の起電圧ｖ０と
によりその差ΔＶを求め、この差電圧ΔＶを過電圧ｖ０
で除した値（ΔＶ／Ｖ、）が設定値よりプラスの値のと
きには指部９間にワークが有ること判断し、またマイナ
スの値のときには指部９間にワークがないと判断する０
判別回路２０７は指部９間にワークがないと判断した場
合にはスイッチ切換器２０９を開位置に操作すると共に
ロボット制御回路４０に例えば把持動作停止指令を出力
する。

前述したワークの有無判別原理を第５図および第６図を
用いて説明する。

いま、第５図に示すように指部９間にワークＡを位置さ
せ、このワークＡを指部９の基部からその先端に向って
移動させたとき、ワークＡの指部９に沿う移動距離りと
電圧ΔＶ　／　Ｖ　ｃｓとの関係は第６図に示す特性と
なる。この図において、指部９がワークＡを確実に把持
し得る位置Ｌ８に対応するＡｖ／ｖ、値はＡユとなるの
で、この値Ａ１を判別回路２０７の基準電圧設定値とし
て設定し、この値よりΔＶ／Ｖ、の値がプラス側であれ
ば。

ワークＡが指部９間に有ることを判別することができる
。またマイナス側であれば、ワークＡが指部９間に無い
ことを非接触で判別することができる。

次に、前述したワーク接触検出回路３０を第２図におい
て説明する。

このワーク接触検出回路３０は指部９がワークに接触し
たことを検知するものである。各指部９にはそれぞれ指
部９がワークに接触したときに生じるパルス的電圧変化
を検出するパルス検出器３０１．３０２が接続している
。これらのパルス検出器３０１，３０２はロボットのア
ームの移動方向を判別する方向判別回路３０３に接続し
ている。この方向判別回路３０３はパルス検出器３０１
またはパルス検出器３０２からの検出信号により。

指部９をワークに正確に位置決めす−るためにロボット
アームのワークに対する移動方向信号をロボット制御回
路４０に出力する。これにより、ロボット制御回路４０
は指部９をワークに正確に位置決めするようにロボット
のアームを動作制御する。

次に上述した本発明の把持装置の動作を説明する。

まず、ロボットの制御回路４０により、ロボットのアー
ムを制御し、圧電素子で構成された指部９をワークに対
応する位置に位置決めする。そして第２図に示すワーク
有無判別回路２０に台いてまずスイッチ切換器２０９に
よってスイッチ２０１〜２０５を切換え、一方の指部９
に周波数発振器２０３から周波数を印加して、この一方
指部９を振動させる。この一方の指部９の振動は空気中
を伝播し、他の指部９を振動させる。これにより１、他
方の指部９の端子にはその振動により電圧が発生する。

この電圧は電圧検出器２０６によって検出され、判別回
路２０７に入力される１判別回路２０７は第６図に示す
特性にもとづいてΔＶ／ｖ０値が設定値Ａ１よりプラス
側である場合には。

指部９間にワーク９が有ると判別する。またマイナス側
である場合には指部９間にワーク９が無いとしてロボッ
ト制御回路４０にロボット動作停止指令または把持動作
停止指令を出力する。

指部９間にワーク９があると判別された場合には１判別
回路２０は切換器２０９を操作してスイッチ２０１〜２
０５を元の位置に切換える。

次に、電圧供給回路１０により、一方の指部９に電圧印
加し、指部９を互いに内向きに曲げ変形させ把持動作を
開始させる。このとき、指部９は可変周波数発振器１０
２から周波数により微小振動を伴って曲げ変形を生じる
。

この指部９の曲げ変形により、一方の指部９が他方の指
部９より先行してワークＡに接触すると。

一方の指部９の端子にパルス的電圧変化を生じる。

このパルス的電圧変化はワーク接触検出回路３０のパル
ス検出器３０１または３０２によって検出される。この
検出信号により、方向判別回路３０３は一対の指部９と
ワークとの相対位置関係の情報をロボット制御回路４ｏ
に出力する。これにより。

ロボット制御回路４０は一対の指部９間の幅長さ等の既
知情報にもとづいて指部９を制御しワークＡを指部９間
に位置決めすると共に把持制御回路１０により指部９は
ワークＡを確実に把持することができる。

以上述べたように、本発明の実施例によれば、ワークが
所定位置よりもずれていたり、また把持部がワークに対
してずれている場合にも、ワークを正確に位置決めし把
持することができる。さらに詳述するならば、圧電素子
で構成される指部にセンサを付設することなく、シーケ
ンス的に動作回路およびセンサ機能回路を切換えること
により、例えば、アクチュエータ機能である把持持動作
およびセンサ機能であるところの把持力検出、非接触に
よるワークの有無検出、指部とワークとの相対位置調整
を単独あるいは組合せによる複合動作が可能となり、安
全でしかも信頼性の良い把持動作を行うことができる。

また本発明においては、指部９を長さ７０ｍ、１１４０
ｍ、厚さ０．５　の圧電素子で構成した場合、８０ｇの
把持力を得ることができることを確認している。

なお、上述の実施例は一対の指部９の把持間隔を一定に
構成したが、第７図に示すように圧電素子で構成される
２つの指部９をそれぞれ保持体５１に取付け、この保持
体５１を本体８に設けたガイド軸５２とねじ軸５３に係
合させ、ねじ軸５３にモータ５４を取付け、このモータ
５４の回転により一対の指部９の間隔を可変に構成する
ことも可能である。この構成にすれば１種々のワークを
把持することができる。また一対の指部９を構成する圧
電素子を第８図に示すように接合される圧電素子の分極
方向を同方向に接合する所謂並列形に構成してもよい。

（発明の効果〕 以上述べたように、本発明によれば１把持部をワークに
きめ細く位置決めしワークを正確に把持することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の把持装置の一例を備えたロボットの一
例を示す斜視図、第２図は本発明の把持装置の一例とそ
の制御回路を示す図、第３図および第４図は本発明にお
ける把持力の検出原理を説明するための特性図、第５図
は本発明の把持装置によるワーク有無検出動作を示す説
明図、第６図はその特性図、第７図は本発明の把持装置
の他の例を示す平面図、第８図は本発明の把持装置を構
成するバイモルブ形圧電素子の他の例を示す図である。 ９・・・指部、９Ａ、９Ｂ・・・圧電素子、１０・・・
電圧供給回路、２０・・・ワーク有無判別回路、３０・
・・ワーク接触検出回路、４０・・・ロボットの制御回
路。 ＶＪｚ　　図 ■　３　図 ￥Ｊ４図 冨　５　図 〉・・−一１ ′ｆＪ　６　図 第　７　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一対のバイモルフ形圧電素子を把持指部とした把持
   装置において、前記一対の指部を構成するバイモルフ形
   圧電素子に、前記圧電素子を曲げ変形させるための電圧
   供給回路と、前記圧電素子の出力信号にもとづいてワー
   クに対するセンサ情報を検出するセンサ機能回路とを接
   続したことを特徴とする把持装置。 ２、センサ機能回路は、一方のバイモルフ形圧電素子と
   静電容量とを接続したブリッジ回路からの印加周波数変
   化量を検出する周波数検出器と、この周波数検出器から
   の周波数変化量にもとづいて把持力を求める関数発生器
   とからなる把持力検出回路を備えたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の把持装置。 ３、センサ機能回路は、一方の圧電素子を振動させるよ
   うにこれに接続した周波数発振器と、他方の圧電素子の
   誘起振動により生じる電圧を検出する検出器と、この検
   出器からの電圧が設定値よりマイナス側の値の場合に、
   ワークが無いものと判断する判別回路とからなるワーク
   有無判別回路を備えたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項または第２項記載の把持装置。 ４、センサ機能回路は、圧電素子にそれぞれ接続された
   圧電素子とワークとの接触により生じるパルス的電圧変
   化を検出するパルス電圧検出器とこのパルス電圧検出器
   からのパルス電圧信号により、ワークと指部との相対位
   置関係を判別する判別回路とからなる接触検出回路を備
   えたことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３
   項のいずれかに記載の把持装置。