WO2018168029A1

WO2018168029A1 - 把持ツール、把持システム、および把持性能の評価方法

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Publication number: WO2018168029A1
Application number: PCT/JP2017/034441
Authority: WO
Inventors: 高橋　宏昌; 恵美子石田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2017-03-13
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2018-09-20
Anticipated expiration: 2019-09-13
Also published as: CN109789562B; JP2018149636A; US20200361097A1; US20190217484A1; US11389973B2; CN109789562A; US10766150B2; JP6588935B2; CN115070812A

Abstract

実施形態に係る把持ツールは、可撓性を有し、内部に複数の粉粒体が設けられた把持部を備える。前記把持ツールは、前記把持部をワークに接触させた状態で、前記把持部の内部を減圧することで前記ワークを把持する。前記複数の粉粒体の少なくとも一部の径は、１７７４μｍ未満である。

Description

把持ツール、把持システム、および把持性能の評価方法

　本発明の実施形態は、把持ツール、把持システム、および把持性能の評価方法に関する。

　物体を把持し、当該物体を搬送する把持ツールがある。把持ツールの把持性能は高いことが望ましい。例えば、把持は、大きさや形状が異なる様々な物体をより大きな力で把持することができることが望ましい。

特開２０１２－１７６４７６号公報

　本発明が解決しようとする課題は、把持性能の高い把持ツールと把持システム、および把持性能の評価方法を提供することである。

実施形態に係る把持ツールを表す斜視断面図である。実施形態に係る把持ツールの把持部を表す斜視断面図である。実施形態に係る把持ツールによる把持方法を表す断面図である。実施形態に係る把持ツールの把持メカニズムを表す断面図である。従来例に係る把持ツールを表す斜視図である。実施形態および従来例に係る把持ツールの特性を表す実験結果である。実施形態に係る把持性能の評価方法を説明するための図である。実施形態に係る把持ツールの特性を表す実験結果である。実施形態に係る把持ツールの特性を表す実験結果である。実施形態に係る把持ツールの他の特性を表す実験結果である。実施形態の第１変形例に係る把持ツールを表す斜視断面図である。実施形態の第２変形例に係る把持ツールを表す斜視断面図である。実施形態の第３変形例に係る把持ツールを表す斜視断面図である。実施形態に係る把持システムを表す概略図である。

　以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
　図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
　本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

　図１は、実施形態に係る把持ツール１を表す斜視断面図である。
　実施形態に係る把持ツール１は、可撓性を有する把持部１０を備える。把持部１０の内部には、粉粒体１５が設けられている。

　より具体的には、把持部１０は、第１部分１１と、第２部分１２と、を有する。第１部分１１は、把持対象のワークに接触する。第２部分１２は、第１部分１１と対向する。第１部分１１および第２部分１２は、シリコーン樹脂、ゴム材料、またはアクリル樹脂などの可撓性を有する材料で構成される。粉粒体１５は、第１部分１１と第２部分１２との間の第１空間ＳＰ１に設けられている。把持部１０は、第１部分１１と第２部分１２とが、例えば、接着剤を介して接合されて構成されている。第１部分１１と第２部分１２とは、熱圧着により接合されていてもよい。

　第１部分１１の外周および第２部分１２の外周は、保持部２０によって保持されている。これにより第１空間ＳＰ１が、外部の空間と隔てられる。保持部２０は、例えば円環状である。保持部２０によって把持部１０の外周のみが保持されることで、把持部１０は、保持部２０の内側において第１部分１１と第２部分１２とを結ぶ線方向に変形できる。

　第１部分１１と第２部分１２とを結ぶ線方向は、例えば、上下方向である。第１部分１１と第２部分１２とを結ぶ線方向は、第１部分１１から第２部分１２に向かう第１方向（上方）と、第２部分１２から第１部分１１に向かう第２方向（下方）と、を含む。以下では、第１部分１１と第２部分１２との位置関係に基づくこれらの「上下方向」「上方」「下方」を用いて、各実施形態の説明を行う。

　一例として、保持部２０は、第１フランジ２１および第２フランジ２２を有する。第１フランジ２１は、第１部分１１の外周下面に当接する。第２フランジ２２は、第２部分１２の外周上面に当接する。第１フランジ２１と第２フランジ２２を、ネジ等の締結具２５によって締結することで、把持部１０が保持される。

　図２は、実施形態に係る把持ツール１の把持部１０を表す斜視断面図である。
　図２では、把持部１０の第１部分１１と第２部分１２が、分離して表されている。

　図２に表すように、第１部分１１は、凹部１１ｒおよび凸部１１ｐを有する。凹部１１ｒは、上方に向けて窪んでいる。凹部１１ｒは、把持部１０の中心側に設けられている。凹部１１ｒの上面は、第２部分１２と接している。凸部１１ｐは、下方に向けて突出している。凸部１１ｐは、凹部１１ｒの周りに設けられている。凹部１１ｒと凸部１１ｐは、連続している。

　凹部１１ｒは、第２部分１２と接する。凸部１１ｐは、第２部分１２と上下方向において離間している。図１および図２に例示した把持ツール１では、第１空間ＳＰ１は、凸部１１ｐと第２部分１２との間に形成される。

　第１部分１１の下方には、凹部１１ｒおよび凸部１１ｐによって囲まれた第２空間ＳＰ２が形成される。具体的には、第２空間ＳＰ２の上方は、凹部１１ｒによって覆われている。第２空間ＳＰ２の側方は、凸部１１ｐによって囲まれている。第２空間ＳＰ２の下方は開けている。後述するように、把持対象のワークが第２空間ＳＰ２の下方に位置することで、第２空間ＳＰ２が外部空間に対して塞がれる。

　図１および図２に表すように、把持部１０は、第１ポート３１および第２ポート３２をさらに有する。第１ポート３１は、第１空間ＳＰ１と接続されている。第２ポート３２は、第１部分１１の凹部１１ｒおよび第２部分１２を貫通している。第２ポート３２は、第２空間ＳＰ２と接続されている。第１ポート３１には、第１空間ＳＰ１を減圧するための第１配管４１が接続される。第２ポート３２には、第２空間ＳＰ２を減圧するための第２配管４２が接続される。

　図３は、実施形態に係る把持ツール１による把持方法を表す断面図である。
　図３では、把持対象のワークＷが、三角形が３個連接した断面を有する場合を例示している。

　まず、把持部１０の水平方向における位置とワークＷの水平方向における位置が合わせられる。把持部１０の位置とワークＷの位置とを合わせた後、図３（ａ）に表すように、把持部１０をワークＷに向かって下降させる。

　把持部１０は、可撓性を有する。把持部１０がワークＷに接触すると、図３（ｂ）に表すように、第１部分１１の凸部１１ｐが、ワークＷを包み込むように外方に押し広げられる。開けていた第２空間ＳＰ２が、ワークＷによって塞がれる。

　次に、把持部１０の下降が停止する。図３（ｃ）に表すように、第１ポート３１および第１配管４１を通して第１空間ＳＰ１が減圧される。第１空間ＳＰ１は、例えば０．１気圧程度に減圧される。このとき、第１空間ＳＰ１の粉粒体１５が凝集して固化する。これにより、ワークＷを包み込むように密着している把持部１０の形状が固定され、ワークＷを把持する力が生じる。

　次に、図３（ｄ）に表すように、第２ポート３２および第２配管４２を通して第２空間ＳＰ２が減圧される。第２空間ＳＰ２は、例えば０．１気圧程度に減圧される。これにより、ワークＷが、第２空間ＳＰ２に向けて吸着され、把持力がさらに高められる。

　その後、ワークＷを把持する把持ツール１が上昇する。把持ツール１が水平方向に移動する。ワークＷが所定の位置まで搬送された後は、第１空間ＳＰ１および第２空間ＳＰ２が大気開放される。これにより、把持力が無くなり、ワークＷが把持ツール１から放れる。以上の方法により、把持対象のワークＷが、所定の位置まで搬送される。

　図４は、実施形態に係る把持ツール１の把持メカニズムを表す断面図である。
　図４では、把持ツール１の把持部１０が一部簡略化して表されている。

　実施形態に係る把持ツール１では、図４（ａ）に表すように、把持部１０の外周が保持部２０によって保持されている。従って、図４（ｂ）に表すように、把持部１０をワークＷに接触させた際に、把持部１０がワークＷに対して上方に向けて変形できる。

　この状態で、第１ポート３１および第２ポート３２を通して吸気する。これにより、図４（ｃ）に表すように、把持部１０がさらにワークＷに対して上方に向けて変形しつつ、把持部１０とワークＷとの接触面積が増加していく。

　以上で説明したように、把持部１０は、ワークＷに対して上方に向けて変形可能なように保持部２０に保持される。この構成によれば、把持部１０によってワークＷを把持した際の把持力を高めることができる。

　ここで、図５を参照しつつ、一般に販売されている従来例に係る把持ツール１００について説明する。また、図６を参照しつつ、本実施形態に係る把持ツール１と、従来例に係る把持ツール１００と、の把持力の比較結果について説明する。

　図５は、従来例に係る把持ツール１００を表す斜視図である。
　図５に表すように、把持ツール１００は、吸着パッド１０１を備える。把持ツール１００は、吸着パッド１０１を、把持対象のワークに当接させて吸着させることで、当該ワークを把持する。

　図６は、実施形態および従来例に係る把持ツールの特性を表す実験結果である。
　図６において、横軸は、把持対象の物体表面の曲率（曲率半径Ｒの逆数）を表す。縦軸は、各曲率における把持力を表す。実験では、複数の把持ツール１００および実施形態に係る把持ツール１を用いた。それぞれの把持ツール１００に含まれる吸着パッド１０１の直径は、互いに異なる。

　この実験では、把持力を以下の手順で測定した。
　まず、把持対象の物体が所定の位置に置かれる。この物体が把持ツールで把持される。把持ツールに加わる力が測定されつつ、把持ツールが一定の速度で上昇する。把持ツールが物体から離れるまで把持ツールが上昇する。測定された力の最大値が記録される。それぞれの把持ツールについて３回実験が繰り返される。測定された最大値の平均が把持力［Ｎ：ニュートン］とされる。

　図６に表すように、直径３０ｃｍの吸着パッド１０１を備えた把持ツール１００および直径５０ｃｍの吸着パッド１０１を備えた把持ツール１００については、表面が比較的平坦なワークに対して大きな把持力が得られた。ワークの表面に曲率が在る場合、これらの把持ツール１００の把持力は急激に低下し、ワークを把持することが困難であった。

　直径１０ｃｍの吸着パッド１０１を備えた把持ツール１００については、物体の表面に小さな曲率が存在する場合、表面が平坦な場合と同様の把持力が得られた。しかし、この把持ツール１００については、把持力が小さいという課題が存在する。

　本実施形態に係る把持ツール１は、物体の表面に小さな曲率が存在する場合でも、表面が平坦なときと略同等の把持力が得られた。実施形態に係る把持ツール１の把持力は、吸着パッド１０１の直径が１０ｃｍおよび３０ｃｍの把持ツール１００よりも大きく、十分な値が得られた。

　図６から分かるように、把持ツールの把持力は、把持ツールの形態だけではなく、把持対象の物体の形状にも大きく依存しうる。例えば、本実施形態に係る把持ツール１と、直径５０ｃｍの吸着パッド１０１を備えた把持ツール１００と、を比較する。物体の表面に曲率が存在する場合は、把持ツール１の把持力が把持ツール１００よりも大きい。物体の表面が平坦な場合には、把持ツール１００の把持力が把持ツール１よりも大きい。従って、把持ツールの把持性能を、どのように定量的に評価するかが課題となる。

　本願発明者らは、以下で説明する方法を、把持ツールにおける把持性能の評価方法として用いることを考案した。
　図７は、実施形態に係る把持性能の評価方法を説明するための図である。
　図７では、図６に表した、本実施形態に係る把持ツール１の実験結果を用いている。

　まず、図６の実験結果と同様に、物体表面の曲率を変化させながら、それぞれの曲率における把持ツールの把持力が測定される。次に、測定結果から、曲率に対する把持力の積分値が算出される。

　これは、図７に表す領域Ｓの面積を算出することに相当する。領域Ｓは、曲率と把持力の実験結果のプロットに対して、横軸と、１／Ｒ＝Ｃ_ｍｉｎと、１／Ｒ＝Ｃ_ｍａｘと、把持力同士を結ぶ線分と、で囲まれる。Ｃ_ｍｉｎは、把持力の測定を行った曲率１／Ｒのうち、最小の曲率を表す。Ｃ_ｍａｘは、把持力の測定を行った曲率１／Ｒのうち、最大の曲率を表す。

　そして、算出された積分値が、その把持ツールにおける把持性能と定義される。この評価方法によれば、把持対象の物体の形状に対する把持力の依存性を含めて、把持ツールの把持性能を定量的に評価できる。

　以下の表１は、従来例に係る把持ツール１００および本実施形態に係る把持ツール１の把持性能の評価結果を表す。これらの把持ツールの把持性能は、図６に表した実験結果を基に、上述した評価方法を用いて評価された。

　表１から、本実施形態に係る把持ツール１の把持性能の値は、従来例に係る把持ツールの把持性能の値よりも大きいことが分かる。これは、本実施形態に係る把持ツール１が、いずれの従来例に係る把持ツールよりも優れた把持性能を有することを示している。

　発明者らがさらに実験を行った結果、把持部１０内部の粉粒体１５の径および形状が、この把持性能に影響を与えることを発見した。そこで、発明者らは、粉粒体１５の径および形状が互いに異なる複数の把持ツール１について同様の実験を行った。発明者らは、それぞれの把持ツール１の把持性能を、上述した評価方法を用いて評価した。

　図８および図９は、実施形態に係る把持ツール１の特性を表す実験結果である。
　図８における横軸および縦軸は、図６と同様に、それぞれ曲率および把持力を表す。図９において、横軸は粉粒体１５の径を表し、縦軸は把持性能を表している。

　粉粒体１５として、例えば、マイクロビーズ、シリコーン樹脂ビーズ、コーヒ豆、またはガラスビーズ等を用いることができる。実験では、球状の第１粉粒体と、角張った第２粉粒体と、が使用された。球状の第１粉粒体は、マイクロビーズ、シリコン樹脂ビーズ、コーヒ豆、およびガラスビーズからなる群より選択された１つの材料（材料Ａ）から構成される。角張った第２粉粒体は、上記の群から選択された別の１つの材料（材料Ｂ）から構成される。図８は、第１粉粒体の径の変化に伴う把持ツール１の把持性能の変化、及び、第２粉粒体を用いた場合の把持ツール１の把持性能が表している。図８において、材料の横に括弧書きで付された数値は、第１粉粒体の径を表している。第２粉粒体については、最小の径と最大の径との中間値を、当該第２粉粒体の径として用いた。

　図８の実験結果から、粉粒体１５の径が小さいほど、それぞれの曲率において高い把持力が得られていることが分かる。第１粉粒体と第２粉粒体１５については、第１粉粒体の方が、第２粉粒体よりも高い把持力が得られていることが分かる。この図８の実験結果をもとに、それぞれの径について把持性能を算出した。図９は、この算出結果を表す。図９の結果から、粉粒体１５が球状であり、粉粒体１５の径が小さいほど、高い把持性能が得られていることが分かる。

　表１に表したように、一般に販売されている従来例に係る把持ツール１００における平均的な把持性能は、３．２２［Ｎ／ｍｍ］である。この結果を、図９における実験結果に照らし合わせると、従来例に係る把持ツール１００における径は、１７７４μｍに相当することが分かる。従って、粉粒体１５の径を、１７７４μｍ未満とすることで、平均的な従来例に係る把持ツールよりも把持性能の高い把持ツール１が得られる。

　表１および図９の結果から、粉粒体１５が球状であり、且つ径が５００μｍ以下の場合、従来例に係る把持ツール１００のうち最も把持性能が高いものよりも優れた把持性能が得られることが分かる。従って、より望ましくは、粉粒体１５は球状であり、その径は５００μｍ以下である。

　図１０は、実施形態に係る把持ツールの他の特性を表す実験結果である。
　図１０では、径が互いに異なる粉粒体１５を混ぜた場合の実験結果を表している。ここでは、５００μｍの径を有する粉粒体と、９００μｍの径を有する粉粒体と、を混ぜ、５００μｍの径を有する粉粒体（主材料）の割合を変化させて実験した。

　図１０の実験結果から、径が異なる粉粒体を混ぜ合わせた場合でも、把持力に大きな変化は見られなかった。この結果は、複数の粉粒体１５の少なくとも一部の径が、上述した範囲にあれば、把持性能の高い把持ツール１が得られることを示している。

　上述した粉粒体１５の径の範囲は、把持ツール１により好適に用いることができる。図４の把持メカニズムに表したように、把持ツール１では、把持部１０がワークＷに対して上方に向けて変形可能である。把持部１０がワークＷに対して上方に向けて変形可能である場合、粉粒体１５の径が、把持部１０の変形量により大きく影響する。把持部１０の変形量が大きいほど、第１部分１１とワークＷとの接触面積が増加する。。従って、把持ツール１において、粉粒体１５の少なくとも一部の径を、１７７４μｍ未満（より望ましくは５００μｍ以下）に設定することで、把持ツール１の把持性能をさらに向上させることができる。

　本実施形態に係る把持ツールは、図１および図２に表したものに限定されない。以下で説明するように、実施形態に係る把持ツールには、種々の変形を適用できる。以下で説明する各把持ツールにおいても、第１部分１１の少なくとも一部の硬度が、上述した範囲にあることで、把持ツールの把持性能を向上させることができる。

　図１１は、実施形態の第１変形例に係る把持ツール２を表す斜視断面図である。
　図１１に表した把持ツール２は、保持部２０を備えていない点で把持ツール１と異なる。このため、第１部分１１と第２部分１２は、それぞれの外周において、互いに接着されて固定されている。

　図１２は、実施形態の第２変形例に係る把持ツール３を表す斜視断面図である。
　図１２に表した把持ツール３は、把持ツール１と比べて、把持部１０の形状が異なり、第２ポート３２を有していない。

　把持部１０において、第１部分１１は下方に向けて凸に湾曲している。第２部分１２は上方に向けて凸に湾曲している。粉粒体は、第１部分１１と第２部分１２との間の第１空間ＳＰ１に設けられている。

　図１に表した把持ツール１と異なり、把持ツール３においては、第１部分１１が凹部１１ｒおよび凸部１１ｐを有していない。このため、把持ツール３では、第１部分１１の下方に第２空間ＳＰ２が形成されていない。第２ポート３２が設けられていない。本変形例に係る把持ツール３においても、図３に表したメカニズムと同様に、ワークＷを把持した際に把持部１０がワークＷに対して上方に向けて変形可能である。これにより、把持部１０による把持力を高めることができる。

　図１３は、実施形態の第３変形例に係る把持ツール４を表す斜視断面図である。
　図１３に表した把持ツール４は、保持部２０を備えていない点で、把持ツール３と異なる。第１部分１１と第２部分１２は、それぞれの外周において、互いに接着されて固定されている。

　図１４は、実施形態に係る把持システム５を表す概略図である。
　実施形態の把持システム５は、把持ツール１、搬送ロボット９０、第１減圧装置９１、第２減圧装置９２、およびコントローラ９３を備える。

　搬送ロボット９０は、アーム９０ａを有する。アーム９０ａは、例えば複数の関節を有する。アーム９０ａの先端に、把持ツール１が取り付けられている。搬送ロボット９０は、コントローラ９３からの指令に従ってアーム９０ａを動作させ、ワークＷの把持および搬送を行う。

　第１減圧装置９１および第２減圧装置９２は、真空ポンプを有する。第１減圧装置９１は、図１に表した把持ツール１の第１配管４１と接続される。第２減圧装置９２は、把持ツール１の第２配管４２と接続される。コントローラ９３からの指令に従って第１減圧装置９１および第２減圧装置９２が駆動される。これにより、第１空間ＳＰ１および第２空間ＳＰ２が減圧または大気開放される。

　コントローラ９３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）や、ＲＯＭ（Read Only Memory）、不揮発性のフラッシュメモリなどを有する。ＣＰＵでは、コントローラ９３における各種演算処理が実行される。ＲＯＭには、把持システム５の動作に必要な各種制御アリゴリズムや各種定数等が記憶される。フラッシュメモリには、ワークＷの搬送手順や、搬送状況等が適宜記憶して保存される。

　コントローラ９３は、フラッシュメモリに記憶されている搬送手順に従って、搬送ロボット９０、第１減圧装置９１、および第２減圧装置９２に指令を送出し、これらの動作を制御する。

　把持システム５が、把持性能の高い把持ツール１を備えることで、ワークＷをより確実に把持し、搬送することが可能となる。

　実施形態に係る把持システム５は、把持ツール１に代えて、上述した変形例に係る把持ツール２～４のいずれかを備えていても良い。把持システム５が把持ツール３または４を備える場合、把持システム５は、第２減圧装置９２を備えていなくても良い。

　以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

Claims

　可撓性を有し、内部に複数の粉粒体が設けられた把持部を備え、
　前記把持部をワークに接触させた状態で、前記把持部の内部を減圧することで前記ワークを把持する把持ツールであって、
　前記複数の粉粒体の少なくとも一部の径は、１７７４μｍ未満である把持ツール。
　前記複数の粉粒体の前記少なくとも一部の径は、５００μｍ以下であり、
　前記複数の粉粒体の前記少なくとも一部は、球状である請求項１記載の把持ツール。
　前記把持部は、
　　前記ワークに接触する第１部分と、
　　前記第１部分と対向する第２部分と、
　を有し、
　前記複数の粉粒体は、前記第１部分と前記第２部分との間の第１空間に設けられた請求項１または２に記載の把持ツール。
　前記第１部分は、
　　前記第１部分から前記第２部分に向かう第１方向に窪んだ凹部と、
　　前記凹部の周りに設けられ、前記第１方向と反対の第２方向に突出した凸部と、
　を有し、
　前記複数の粉粒体は、前記凸部と前記第２部分との間に設けられた請求項３記載の把持ツール。
　前記第１空間に接続され、前記第１空間を減圧するための配管が接続される第１ポートと、
　前記凹部および前記凸部に囲まれた第２空間に接続され、前記第２空間を減圧するための配管が接続される第２ポートと、
　をさらに備えた請求項４記載の把持ツール。
　前記第１部分の外周および前記第２部分の外周を保持する保持部をさらに備え、
　前記把持部は、前記第１部分と前記第２部分とを結ぶ線方向に変形可能に構成された請求項１～５のいずれか１つに記載の把持ツール。
　アームを有するロボット機構と、
　前記アームの先端に取り付けられた、請求項１～６のいずれか１つに記載の前記把持ツールと、
　前記第１空間に接続され、前記第１空間を減圧するための第１減圧装置と、
　前記ロボット機構および前記第１減圧装置の動作を制御するコントローラと、
　を備えた把持システム。
　物体を把持して持ち上げる把持ツールにおける把持性能の評価方法であって、
　把持対象の物体の曲率を変化させながら、それぞれの前記曲率における前記把持ツールの把持力を測定し、
　前記曲率に対する前記把持力の積分値を前記把持性能と定義する評価方法。
　前記把持ツールは、可撓性を有し、内部に複数の粉粒体が設けられた把持部を備え、
　前記粉粒体の径を変化させた際の、それぞれの径における前記把持性能を評価する請求項８記載の評価方法。