WO2021140903A1 - ロボットハンド - Google Patents
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- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J15/00—Gripping heads and other end effectors
- B25J15/08—Gripping heads and other end effectors having finger members
Definitions
- the present invention relates to a robot hand.
- gripping an object with a robot hand is premised on detecting accurate three-dimensional coordinates of the object or jig using a visual sensor and accurately positioning the object ().
- a visual sensor for example, see Patent Document 1.
- the gripping of the object may fail or the target may be dropped after gripping. In particular, when gripping a small object, such a defect is remarkable.
- the present invention has been made to solve such a problem, and provides a robot hand having a simple structure and high robustness against an object detection error.
- the robot hand includes a plurality of flexible fingers that capture and sandwich the object from the tip side, and an actuator that drives the plurality of fingers in the direction of sandwiching the object.
- Each of the fingers has a stopper that prevents the object from being pushed out to the tip side due to bending when the object is pinched by the actuator and maintains the grip.
- the object can be taken in by the tip side by utilizing the bending of the finger, and such an object can be taken in the finger. Even if the flexibility is provided, it is possible to prevent the object from being pushed out by the stopper. That is, the object can be gripped more reliably.
- each of the plurality of fingers bends more easily on the tip side than on the base end side.
- the base end side which is hard to bend, does not warp excessively due to the reaction force from the object
- the tip side which is easy to bend, is inside the multiple fingers even if the position of the object is slightly deviated. It becomes easier to capture the object in space.
- each of the plurality of fingers can be configured so that the cross-sectional area on the distal end side is equal to or less than the cross-sectional area on the proximal end side.
- the stopper can be a hook that protrudes from the tips of the plurality of fingers in the sandwiching direction of the object. If a hook is used as a stopper, it can be easily adjusted to the optimum shape and size according to the properties (size, slipperiness, etc.) of the object to be gripped.
- the stopper may be a notch provided at the tip of each of the plurality of fingers. If the object is preferably gripped so as to be picked up, the notch provided according to the unevenness of the surface can be gripped more reliably.
- the stopper may be detachably configured for each of the plurality of fingers, whether it is a hook or a notch. Since various stoppers of different sizes and shapes can be prepared if they are detachably configured, if the object to be gripped is assumed in advance, it is possible to select and attach the most suitable stopper for the object. it can.
- the rigidity of at least one finger among the plurality of fingers may be configured to be different from the rigidity of the other fingers.
- the flexibility balance of the plurality of fingers is adjusted so that the central axis of the object is along the virtual axis equidistant from the plurality of fingers when the object is gripped. Is good. If the plurality of fingers flex evenly when the object is lifted, the robot hand can grip the object in a well-balanced manner.
- the robot hand in the present embodiment is provided with a plurality of flexible fingers, and by opening and closing these fingers, the object is grasped and grasped.
- the object is grasped and grasped.
- the robot hand prevents this by the action of the stopper and maintains the gripping. Specific embodiments of the robot hand will be described below through two examples.
- FIG. 1 is a diagram showing a first state in the process in which the robot hand 100 of the first embodiment in the present embodiment grips the object 910 as an object.
- FIG. 1 (a) shows a state viewed from the front
- FIG. 1 (b) shows a state viewed from the side.
- a state in which the robot hand 100 grips a cylindrical object 910 placed on the floor surface with the cylindrical surface sideways will be described.
- the object to be gripped is referred to as an object.
- the robot hand 100 includes two fingers (first finger 110 and second finger 120), an actuator 130, and a base 140.
- the first finger 110 and the second finger 120 cooperate with each other to take in and sandwich an object from the tip side.
- Each of the first finger 110 and the second finger 120 is formed of, for example, a stainless steel plate and has flexibility. Specifically, it has an elongated shape that extends from the proximal end side driven by the actuator 130 toward the distal end side that captures the object, and bends in the longitudinal direction when the object is sandwiched.
- the first finger 110 and the second finger 120 are curved so that the distance between them increases from the proximal end side to the distal end side. This curvature makes it easier to capture objects from the tip side. Further, each of the first finger 110 and the second finger 120 is processed so that the tip side is more easily bent than the base end side. Specifically, as shown in FIG. 1B, the width gradually narrows from the proximal end side to the distal end side. That is, when cut horizontally with respect to the floor surface, the cross-sectional area on the tip side is smaller than the cross-sectional area on the base end side.
- the width on the tip side may be set to be equal to or less than the width on the base end side, or the cross-sectional area on the tip side may be set to be less than or equal to the cross-sectional area on the base end side.
- the hardness of the material and the thickness of the coating may be changed stepwise.
- the actuator 130 is composed of, for example, a rotary motor and a gear train, and drives the first finger 110 and the second finger 120 in the sandwiching direction when grasping the object and in the opposite direction when releasing the object. Specifically, the actuator 130 applies a rotational force to the respective base ends of the first finger 110 and the second finger 120, and the first finger 110 and the second finger open and close the respective tips. The 120 is rotated at an angle within a certain range. As shown in FIG. 1A, at the stage of capturing the object from the tip side, the actuator 130 drives the first finger 110 and the second finger 120 in the direction of opening each other (the direction of the arrow indicated by the dotted line).
- the base 140 is a housing that houses the actuator 130 and the base ends of the first finger 110 and the second finger 120. In addition, it functions as a mounting portion for mounting the robot hand 100 on the tip of the robot arm 200. The mounting portion mechanically and electrically connects the robot hand 100 to the robot arm 200.
- the actuator 130 receives a control signal from the robot arm 200 side and is supplied with driving power.
- the robot arm 200 moves the mounted robot hand 100 to an arbitrary position and posture within the operating range.
- the first finger 110 has a first hook 111 at the tip end portion.
- the second finger 120 has a second hook 121 at the tip.
- the first hook 111 and the second hook 121 prevent the object from being pushed out to the tip side due to the bending and grip the object. Functions as a stopper to maintain.
- Each hook is provided so as to project from the tip of the finger in the pinching direction (inward direction) of the object.
- the first hook 111 is formed of, for example, resin, and is fitted and attached to the tip of the first finger 110.
- the first hook 111 may be replaceable, for example, depending on the material of the object.
- the first hook 111 may be formed integrally with the first finger 110.
- the first hook 111 may be formed by bending the tip of the first finger 110.
- the second hook 121 is formed of, for example, resin, and is fitted and attached to the tip of the second finger 120.
- the second hook 121 may be replaceable, for example, depending on the material of the object.
- the second hook 121 may be formed integrally with the second finger 120.
- the second hook 121 may be formed by bending the tip of the second finger 120.
- the configurations of the first hook 111 and the second hook 121 are preferably the same from the viewpoint of symmetry, which will be described later.
- FIG. 2 is a diagram showing a second state in the process of grasping the object 910.
- the robot arm 200 when the robot arm 200 is moved toward the floor surface, the first finger 110 and the second finger 120 of the robot hand 100 come into contact with the floor surface, and the object 910 is taken into the tip side. .. It should be noted that such a series of movement control of the robot arm 200 is executed based on an image taken by a camera (not shown) that observes the robot hand 100.
- the robot hand 100 drives the first finger 110 and the second finger 120 in the closing direction (in the direction of the arrow indicated by the dotted line).
- FIG. 3 is a diagram showing a third state in the process of grasping the object 910.
- both fingers When both fingers are further driven in the direction of the arrow indicated by the dotted line from the state of FIG. 2, both fingers come into contact with the object 910.
- both fingers When further driven, both fingers bend, and the elastic force is transmitted to the object 910 as a gripping force.
- a part of the gripping force at this time acts as a force for pushing the object 910 toward the tip side (in the direction of the white arrow).
- the robot hand 100 self-aligns the object by the elastic force of the finger, so that the object can be gripped reliably. ..
- the timing at which the robot arm 200 starts lifting the robot hand 100 can be the timing at which the deflection of both fingers is detected from the above-mentioned camera image. Further, the timing may be determined by observing the output of the strain gauge attached to both fingers and the change in the output torque of the actuator 130.
- FIG. 4 is a diagram showing a fourth state in the process of grasping the object 910.
- the object 910 is pushed toward the tip side by the elastic force of both fingers, but the first hook 111 and the second hook 121 prevent the object 910 from falling.
- the objects 910 are gripped by the balance between the two.
- the first finger 110 and the second finger 120 are flexible so that when the object is gripped, the central axis of the object is along a virtual axis equidistant from the first finger 110 and the second finger 120. It is desirable that the balance is adjusted.
- the central axis of the object 910 in this case, the vertical axis passing through the center of gravity of the object 910 in the front view
- the virtual axis is also an alternate long and short dash line. That is, if both fingers flex evenly when the object is lifted, the robot hand 100 can grip the object in a well-balanced manner.
- the first finger 110 and the second finger 120 are adjusted so that they intersect on the central axis of the object 910 when they are closed to each other in the case of the same shape and the same material.
- FIG. 5 is a diagram showing a first state in the process in which the robot hand 300 of the second embodiment in the present embodiment grips the object 920 which is the object.
- a state in which the robot hand 300 grips a rectangular parallelepiped object 920 placed on the floor surface will be described.
- the robot hand 300 includes two fingers (first finger 310 and second finger 320), an actuator 330, and a base 340.
- the first finger 310 and the second finger 320 cooperate with each other to take in and sandwich an object from the tip side.
- Each of the first finger 310 and the second finger 320 is formed of, for example, a stainless steel plate and has flexibility. Specifically, it has an elongated shape that extends from the proximal end side driven by the actuator 330 toward the distal end side that captures the object, and bends in the longitudinal direction when the object is sandwiched. Further, each of the first finger 310 and the second finger 320 is processed so that the tip side is more easily bent than the base end side.
- the actuator 330 is composed of, for example, a rotary motor and a gear train, and drives the first finger 310 and the second finger 320 in the sandwiching direction when grasping the object and in the opposite direction when releasing the object. Specifically, the actuator 330 applies a translational force to the respective base ends of the first finger 310 and the second finger 320, and the first finger 310 and the second finger open and close the respective tips. The 320 is moved horizontally within a certain range. As shown in the figure, at the stage of capturing the object from the tip side, the actuator 330 drives the first finger 310 and the second finger 320 in the direction of opening each other (the direction of the arrow indicated by the dotted line).
- the base 340 is a housing that houses the actuator 330 and the base ends of the first finger 310 and the second finger 320. In addition, it functions as a mounting portion for mounting the robot hand 100 on the tip of the robot arm 200.
- the mounting portion mechanically and electrically connects the robot hand 300 to the robot arm 200.
- the actuator 330 receives a control signal from the robot arm 200 side and is supplied with driving power.
- the robot arm 200 moves the mounted robot hand 300 to an arbitrary position and posture within the operating range.
- the first finger 310 has a first notch 311 at the tip.
- the second finger 320 has a second notch 321 at the tip.
- the first notch 311 and the second notch 321 prevent the object from being pushed toward the tip side due to the bending when the first finger 310 and the second finger 320 are driven by the actuator 330 to pinch the object. Functions as a stopper to maintain grip.
- Each notch is provided at the tip of the finger so as to be recessed in the direction opposite to the pinching direction (outward direction) of the object.
- the tip portions of both fingers may be replaceable including the notch portion. If it is replaceable, a tip having a notch shape suitable for the shape of the object to be gripped can be attached. Further, depending on the material of the object, a tip portion made of a material having a suitable hardness may be attached.
- FIG. 6 is a diagram showing a second state in the process of grasping the object 920.
- the robot arm 200 when the robot arm 200 is moved toward the floor surface, the first finger 310 and the second finger 320 of the robot hand 300 approach the floor surface, and the object 920 is taken into the tip side. .. It should be noted that such a series of movement control of the robot arm 200 is executed based on an image taken by a camera (not shown) that observes the robot hand 300.
- the robot hand 300 drives the first finger 310 and the second finger 320 in the closing direction (in the direction of the arrow indicated by the dotted line).
- FIG. 7 is a diagram showing a third state in the process of grasping the object 920.
- both fingers When both fingers are further driven in the direction of the arrow indicated by the dotted line from the state of FIG. 6, both fingers come into contact with the object 930.
- both fingers When further driven, both fingers bend, and the elastic force is transmitted to the object 920 as a gripping force. A part of the gripping force at this time acts as a force for pushing the object 920 toward the tip side (in the direction of the white arrow).
- the robot hand 300 self-aligns the object by the elastic force of the finger, so that the object can be gripped reliably. ..
- the timing at which the robot arm 200 starts lifting the robot hand 300 can be the timing at which the deflection of both fingers is detected from the above-mentioned camera image. Further, the timing may be determined by observing the output of the strain gauge attached to both fingers and the change in the output torque of the actuator 330.
- FIG. 8 is a diagram showing a fourth state in the process of grasping the object 920.
- the robot hand 300 When the robot hand 300 is lifted by the robot arm 200 from the state shown in FIG. 7, the object 920 is pushed toward the tip side by the elastic force of both fingers, and the first notch 311 and the second notch 321 are the corners of the object 920. It catches the part to prevent it from falling and maintains the grip of the object 920. That is, the robot hand 300 applies the elastic forces of the first finger 310 and the second finger 320 to the first notch 311 and the second notch 321 to pick up and grip the object 920.
- the first finger 310 and the second finger 320 are flexible so that when the object is gripped, the central axis of the object is along a virtual axis equidistant from the first finger 310 and the second finger 320. It is desirable that the balance is adjusted.
- the central axis of the object 920 (in this case, the vertical axis passing through the center of gravity of the object 920 in the front view) is a alternate long and short dash line, which is equidistant in the front view from the first finger 310 and the second finger 320.
- the virtual axis is also an alternate long and short dash line.
- the robot hand 300 can grip the object in a well-balanced manner.
- the first finger 310 and the second finger 320 are adjusted so that they intersect on the central axis of the object 920 when they are closed to each other in the case of the same shape and the same material.
- the object is not limited to the above-mentioned cylinder or rectangular parallelepiped, and may be a three-dimensional object having a more complicated shape. Depending on the shape, size, and weight of the object, it may be replaced with a stopper suitable for gripping, or a robot hand with long fingers or a robot hand equipped with an actuator that exerts a strong driving force may be selected. Of course, hooks having different shapes may be used for the fingers, or notches having different indented shapes may be provided. Further, in the above embodiment, the robot hand including two fingers has been described, but the number of fingers may be three or more. When three or more fingers are adopted, it is preferable to arrange each finger in an annular shape with respect to the space for capturing the object.
- the rigidity of at least one of the plurality of fingers may be configured to be different from the rigidity of the other fingers. For example, when the object is grasped and lifted, the rigidity of the finger located on the obstacle side may be increased so that the object does not approach an obstacle existing nearby. By making the rigidity between the fingers different in this way, it is not necessary to perform complicated control on the actuator side. Further, even if the object to be gripped has a bias in the center of gravity, it can be gripped in a well-balanced manner by adjusting the rigidity between the fingers according to the bias. The degree of bending between the fingers may be adjusted by adjusting the angle at which the base end side of the fingers is attached to the base.
- the direction of gripping the object is not limited to the vertical direction as in the above embodiment, and for example, when gripping an object placed on a shelf, the gripping operation may be performed from the horizontal direction.
- the shape of the object may be recognized, the gripping file direction may be searched, and the gripping operation may be performed so that the tip of the finger approaches from that direction.
- [Appendix 4] The robot hand (11, 121) according to any one of Supplementary note 1 to 3, wherein the stopper is a hook (111, 121) protruding from the tip of each of the plurality of fingers (110, 120) in the sandwiching direction of the object. 100).
- [Appendix 5] The robot hand (300) according to any one of Supplementary note 1 to 3, wherein the stopper is a notch (311 or 321) provided at the tip of each of the plurality of fingers (310, 320).
- [Appendix 6] The robot hand (11, 121, 311, 321) according to any one of Supplementary note 1 to 5, wherein the stopper (111, 121, 311, 321) is removable to each of the plurality of fingers (110, 120, 310, 320).
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Abstract
簡単な構造でありながら、対象物の検出誤差に対してロバスト性の高い、ロボットハンドを提供する。 ロボットハンドは、先端側から対象物を取り込んで挟み込む、可撓性のある複数のフィンガーと、対象物を挟み込む方向へ複数のフィンガーを駆動するアクチュエータとを備え、複数のフィンガーのそれぞれは、アクチュエータに駆動されて対象物を挟み込んだ場合に、撓みによって対象物が先端側へ押し出されることを防いで把持を維持するストッパを有する。
Description
本発明は、ロボットハンドに関する。
従来、ロボットハンドによる対象物の把持は、視覚センサを用いて対象物や治具の正確な三次元座標を検出することや、対象物の位置決めが正確に行われていることを前提としている（例えば、特許文献１参照）。
これまでのロボットハンドの把持制御は、検出した三次元座標に誤差が含まれると、対象物の把持に失敗したり、把持後に対象物を落下させたりする場合があった。特に、小さな対象物を把持する場合には、そのような不具合が顕著である。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、簡単な構造でありながら、対象物の検出誤差に対してロバスト性の高い、ロボットハンドを提供するものである。
本発明の具体的態様におけるロボットハンドは、先端側から対象物を取り込んで挟み込む、可撓性のある複数のフィンガーと、対象物を挟み込む方向へ複数のフィンガーを駆動するアクチュエータとを備え、複数のフィンガーのそれぞれは、アクチュエータに駆動されて対象物を挟み込んだ場合に、撓みによって対象物が先端側へ押し出されることを防いで把持を維持するストッパを有する。
このような態様によれば、対象物の検出位置が実際の位置とずれていた場合でも、フィンガーの撓みを利用して対象物を先端側で取り込むことができ、また、フィンガーにそのような可撓性を持たせても、ストッパによって対象物が押し出されることを防ぐことができる。つまり、対象物をより確実に把持することができる。
上記の態様において、複数のフィンガーのそれぞれは、基端側より先端側の方が撓みやすいと良い。このように構成された複数のフィンガーによれば、撓みにくい基端側はオブジェクトからの反力で過度に反り返らず、撓みやすい先端側はオブジェクトの位置が多少ずれていても複数のフィンガーの内側空間へ当該オブジェクトを取り込みやすくなる。
また、上記の態様において、複数のフィンガーのそれぞれは、先端側の断面積が基端側の断面積以下となるように構成することができる。このように断面積を構成することにより、撓みやすさを簡単に調整することができる。
また、上記の態様において、ストッパは、複数のフィンガーのそれぞれの先端から対象物の挟み込み方向へ突出するフックとすることができる。ストッパとしてフックを採用すれば、把持対象物の性質（大きさや滑りやすさなど）に応じて、最適な形状や大きさに簡単に調整することができる。
あるいは、上記の態様において、ストッパは、複数のフィンガーのそれぞれの先端部に設けられた切欠きとしてもよい。摘まみ上げるように把持することが好ましい対象物であれば、その表面の凹凸に応じて設けた切欠きの方がより確実に把持することができる。
このとき、ストッパは、フックであっても切欠きであっても、複数のフィンガーのそれぞれに対して着脱可能に構成してもよい。着脱可能に構成すれば大きさや形状が異なるさまざまなストッパを準備することができるので、把持する対象物が予め想定されるのであれば、当該対象物に最適なストッパを選択して装着することができる。
また、上記の態様において複数のフィンガーのうち少なくともひとつのフィンガーの剛性が、他のフィンガーの剛性と異なるように構成しても良い。このように構成することにより、対象物を把持したときに、アクチュエータ側で制御をしなくても当該対象物を特定の方向に近づかないようにすることができる。あるいは、把持する対象物に重心の偏りがあっても、バランスよく把持することができる。
また、上記の態様において、複数のフィンガーは、対象物を把持した場合に、対象物の中心軸が複数のフィンガーから等距離の仮想軸に沿うように、可撓性のバランスが調整されていると良い。対象物を持ち上げたときに複数のフィンガーが均等に撓めば、ロボットハンドは、バランス良く対象物を把持することができる。
本発明により、簡単な構造でありながら、対象物の検出誤差に対してロバスト性の高い、ロボットハンドを提供することができる。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。
本実施形態におけるロボットハンドは、可撓性を有する複数のフィンガーを備え、これらを開閉することにより対象物を掴み、把持する。複数のフィンガーで囲まれる空間内に対象物を取り込んで徐々に当該空間を狭めて対象物を掴もうとする場合に、対象物の実際の位置が事前に検出した検出位置と多少ずれていても、それぞれのフィンガーが撓みながら対象物に接触するので、バランスの釣り合うところで対象物が安定する。
フィンガーがそのまま把持力を高めて対象物を持ち上げようとすると、対象物はフィンガーの弾性力により先端側から押し出されてしまうが、ロボットハンドは、ストッパの作用によりこれを防いで把持を維持する。以下に２つの実施例を通じて、ロボットハンドの具体的な実施形態を説明する。
図１は、本実施形態における第１実施例のロボットハンド１００が対象物であるオブジェクト９１０を把持する過程における第１の状態を示す図である。特に図１（ａ）は、正面から見た様子を示し、図１（ｂ）は、側面から見た様子を示す。本実施例においては、ロボットハンド１００が、円筒面を横にして床面に置かれている円柱のオブジェクト９１０を把持する様子を説明する。なお、本実施形態においては、把持対象物をオブジェクトと称する。
ロボットハンド１００は、２本のフィンガー（第１フィンガー１１０および第２フィンガー１２０）と、アクチュエータ１３０と、ベース１４０を備える。第１フィンガー１１０および第２フィンガー１２０は、協働して、先端側からオブジェクトを取り込んで挟み込む機能を担う。第１フィンガー１１０および第２フィンガー１２０のそれぞれは、例えばステンレスの板材から形成され、可撓性を有する。具体的には、アクチュエータ１３０に駆動される基端側からオブジェクトを取り込む先端側へ向かって伸延する細長形状を成し、オブジェクトを挟み込んだ場合に長手方向に撓む。
図１（ａ）に示すように、第１フィンガー１１０および第２フィンガー１２０は、基端側から先端側へ向かって互いの距離が大きくなるように湾曲している。このような湾曲により、先端側からオブジェクトを取り込みやすくなっている。また、第１フィンガー１１０および第２フィンガー１２０のそれぞれは、基端側より先端側の方が撓みやすいように加工されている。具体的には、図１（ｂ）に示すように、基端側から先端側へ向かって幅が徐々に狭くなっている。すなわち、床面に対して水平に切断した場合には、基端側の断面積より先端側の断面積が小さい。なお、徐々に狭くする場合に限らず、先端側の幅を基端側の幅以下とすればよく、もしくは、先端側の断面積を基端側の断面積以下とすれば良い。また、基端側より先端側を撓みやすくする手法は、素材の形状を異ならせる他に、素材の硬度や塗装の厚みを段階的に変化させても良い。このように先端側を撓みやすくすることにより、以下に説明する把持過程において、撓みにくい基端側はオブジェクトからの反力で過度に反り返らず、撓みやすい先端側はオブジェクトの位置が多少ずれていても両フィンガーの内側へ当該オブジェクトを取り込みやすくなる。
アクチュエータ１３０は、例えば回転モータとギア列によって構成され、オブジェクトを掴むときには挟み込む方向へ、オブジェクトを放すときには反対方向へ、第１フィンガー１１０および第２フィンガー１２０を駆動する。具体的には、アクチュエータ１３０は、第１フィンガー１１０および第２フィンガー１２０のそれぞれの基端部に回転力を与え、それぞれの先端部が開いたり閉じたりするように第１フィンガー１１０および第２フィンガー１２０を一定範囲の角度で回動させる。なお、図１（ａ）に示すように、オブジェクトを先端側から取り込む段階では、アクチュエータ１３０は、第１フィンガー１１０および第２フィンガー１２０を互いに開く方向（点線で示す矢印方向）へ駆動する。
ベース１４０は、アクチュエータ１３０と、第１フィンガー１１０および第２フィンガー１２０の基端部を収容する筐体である。また、ロボットアーム２００の先端部にロボットハンド１００を装着するための装着部としての機能を担う。装着部は、ロボットハンド１００を、機械的かつ電気的にロボットアーム２００に接続する。アクチュエータ１３０は、ロボットアーム２００側から制御信号を受け取り、また、駆動電力を供給される。ロボットアーム２００は、装着されたロボットハンド１００を、稼働範囲内で任意の位置および姿勢に移動させる。
第１フィンガー１１０は、先端部に第１フック１１１を有する。同様に、第２フィンガー１２０は、先端部に第２フック１２１を有する。第１フック１１１および第２フック１２１は、第１フィンガー１１０および第２フィンガー１２０がアクチュエータ１３０に駆動されてオブジェクトを挟み込んだ場合に、その撓みによってオブジェクトが先端側へ押し出されることを防いで把持を維持するストッパとして機能する。それぞれのフックは、フィンガーの先端部からオブジェクトの挟み込み方向（内側方向）に向けて突出するように設けられている。
第１フック１１１は、例えば樹脂で成形され、第１フィンガー１１０の先端部に嵌合して装着される。第１フック１１１は、交換可能であっても良く、例えばオブジェクトの素材に応じて取り換えても良い。また、第１フック１１１は、第１フィンガー１１０と一体的に形成されても良い。例えば、第１フィンガー１１０の先端部を折り曲げることによって第１フック１１１を形成しても良い。同様に、第２フック１２１は、例えば樹脂で成形され、第２フィンガー１２０の先端部に嵌合して装着される。第２フック１２１は、交換可能であっても良く、例えばオブジェクトの素材に応じて取り換えても良い。また、第２フック１２１は、第２フィンガー１２０と一体的に形成されても良い。例えば、第２フィンガー１２０の先端部を折り曲げることによって第２フック１２１を形成しても良い。なお、第１フック１１１と第２フック１２１の構成は、後述する対称性の観点から、同一であることが好ましい。
図２は、オブジェクト９１０を把持する過程における第２の状態を示す図である。図示するように、ロボットアーム２００が床面方向へ移動されると、ロボットハンド１００の第１フィンガー１１０および第２フィンガー１２０は、床面と接触し、オブジェクト９１０を先端側に取り込んだ状態になる。なお、ロボットアーム２００のこのような一連の移動制御は、ロボットハンド１００を観察する不図示のカメラが撮影した映像に基づいて実行される。ロボットハンド１００は、オブジェクト９１０を先端側に取り込んだ状態になったら、第１フィンガー１１０および第２フィンガー１２０を閉じ方向（点線で示す矢印方向）へ駆動する。
図３は、オブジェクト９１０を把持する過程における第３の状態を示す図である。図２の状態から更に点線で示す矢印方向へ両フィンガーが駆動されると、両フィンガーはオブジェクト９１０に接触する。さらに駆動されると、両フィンガーは撓み、その弾性力が把持力としてオブジェクト９１０へ伝達する。このときの把持力の一部は、オブジェクト９１０を先端側（白抜き矢印の方向）へ押し出す力として作用する。
なお、オブジェクト９１０が予め検出された位置に対してずれた位置に存在していても、両フィンガーの弾性力により、オブジェクト９１０は、両フィンガーのバランス位置に整合する。すなわち、ロボットハンド１００は、把持対象物であるオブジェクトの実際の位置が検出した位置と多少ずれていても、フィンガーの弾性力によりオブジェクトに自己整合が働くので、オブジェクトを確実に把持することができる。
両フィンガーが若干撓んでオブジェクト９１０へ把持力を伝達する状態になったら、ロボットアーム２００は、ロボットハンド１００を持ち上げる。なお、ロボットアーム２００がロボットハンド１００の持ち上げを開始するタイミングは、上述のカメラ映像から両フィンガーの撓みが検出されたタイミングとすることができる。また、両フィンガーに貼着された歪みゲージの出力や、アクチュエータ１３０の出力トルクの変化を観察することにより、当該タイミングを判断しても良い。
図４は、オブジェクト９１０を把持する過程における第４の状態を示す図である。図３の状態からロボットハンド１００がロボットアーム２００によって持ち上げられると、オブジェクト９１０は両フィンガーの弾性力により先端側へ押し出されるが、第１フック１１１および第２フック１２１が、オブジェクト９１０の落下を防ぎ、オブジェクト９１０の把持を維持する。すなわち、ロボットハンド１００は、第１フィンガー１１０および第２フィンガー１２０の腹がオブジェクト９１０を押し出そうとする力と、第１フック１１１および第２フック１２１がオブジェクト９１０を押し留めようとする力とが釣り合うことにより、オブジェクト９１０の把持を実現している。
なお、第１フィンガー１１０および第２フィンガー１２０は、オブジェクトを把持した場合に、オブジェクトの中心軸が第１フィンガー１１０および第２フィンガー１２０からの等距離の仮想軸に沿うように、可撓性のバランスが調整されていることが望ましい。図４の例では、オブジェクト９１０の中心軸（この場合、正面視においてオブジェクト９１０の重心を通る鉛直軸）が一点鎖線であり、第１フィンガー１１０および第２フィンガー１２０からの正面視における等距離の仮想軸も一点鎖線である。すなわち、オブジェクトを持ち上げたときに両フィンガーが均等に撓めば、ロボットハンド１００は、バランス良くオブジェクトを把持することができる。第１フィンガー１１０および第２フィンガー１２０は、同一形状、同一素材の場合には、互いに閉じたときにオブジェクト９１０の中心軸上で交わるように調整される。
図５は、本実施形態における第２実施例のロボットハンド３００が対象物であるオブジェクト９２０を把持する過程における第１の状態を示す図である。本実施例においては、ロボットハンド３００が、床面に置かれている直方体のオブジェクト９２０を把持する様子を説明する。
ロボットハンド３００は、２本のフィンガー（第１フィンガー３１０および第２フィンガー３２０）と、アクチュエータ３３０と、ベース３４０を備える。第１フィンガー３１０および第２フィンガー３２０は、協働して、先端側からオブジェクトを取り込んで挟み込む機能を担う。第１フィンガー３１０および第２フィンガー３２０のそれぞれは、例えばステンレスの板材から形成され、可撓性を有する。具体的には、アクチュエータ３３０に駆動される基端側からオブジェクトを取り込む先端側へ向かって伸延する細長形状を成し、オブジェクトを挟み込んだ場合に長手方向に撓む。また、第１フィンガー３１０および第２フィンガー３２０のそれぞれは、基端側より先端側の方が撓みやすいように加工されている。
アクチュエータ３３０は、例えば回転モータとギア列によって構成され、オブジェクトを掴むときには挟み込む方向へ、オブジェクトを放すときには反対方向へ、第１フィンガー３１０および第２フィンガー３２０を駆動する。具体的には、アクチュエータ３３０は、第１フィンガー３１０および第２フィンガー３２０のそれぞれの基端部に並進力を与え、それぞれの先端部が開いたり閉じたりするように第１フィンガー３１０および第２フィンガー３２０を一定範囲で水平移動させる。なお、図示するように、オブジェクトを先端側から取り込む段階では、アクチュエータ３３０は、第１フィンガー３１０および第２フィンガー３２０を互いに開く方向（点線で示す矢印方向）へ駆動する。
ベース３４０は、アクチュエータ３３０と、第１フィンガー３１０および第２フィンガー３２０の基端部を収容する筐体である。また、ロボットアーム２００の先端部にロボットハンド１００を装着するための装着部としての機能を担う。装着部は、ロボットハンド３００を、機械的かつ電気的にロボットアーム２００に接続する。アクチュエータ３３０は、ロボットアーム２００側から制御信号を受け取り、また、駆動電力を供給される。ロボットアーム２００は、装着されたロボットハンド３００を、稼働範囲内で任意の位置および姿勢に移動させる。
第１フィンガー３１０は、先端部に第１切欠き３１１を有する。同様に、第２フィンガー３２０は、先端部に第２切欠き３２１を有する。第１切欠き３１１および第２切欠き３２１は、第１フィンガー３１０および第２フィンガー３２０がアクチュエータ３３０に駆動されてオブジェクトを挟み込んだ場合に、その撓みによってオブジェクトが先端側へ押し出されることを防いで把持を維持するストッパとして機能する。それぞれの切欠きは、フィンガーの先端部にオブジェクトの挟み込み方向とは逆方向（外側方向）へ窪むように設けられている。
上記のように切欠き部分がフィンガーと一体的に構成される場合に限らず、両フィンガーの先端部は、切欠き部分を含めて交換可能であっても良い。交換可能であれば、把持しようとするオブジェクトの形状に適した切欠き形状を有する先端部を装着することができる。また、オブジェクトの素材に応じて、硬度の適した素材で形成された先端部を装着するようにしても良い。
図６は、オブジェクト９２０を把持する過程における第２の状態を示す図である。図示するように、ロボットアーム２００が床面方向へ移動されると、ロボットハンド３００の第１フィンガー３１０および第２フィンガー３２０は、床面に接近し、オブジェクト９２０を先端側に取り込んだ状態になる。なお、ロボットアーム２００のこのような一連の移動制御は、ロボットハンド３００を観察する不図示のカメラが撮影した映像に基づいて実行される。ロボットハンド３００は、オブジェクト９２０を先端側に取り込んだ状態になったら、第１フィンガー３１０および第２フィンガー３２０を閉じ方向（点線で示す矢印方向）へ駆動する。
図７は、オブジェクト９２０を把持する過程における第３の状態を示す図である。図６の状態から更に点線で示す矢印方向へ両フィンガーが駆動されると、両フィンガーはオブジェクト９３０に接触する。さらに駆動されると、両フィンガーは撓み、その弾性力が把持力としてオブジェクト９２０へ伝達する。このときの把持力の一部は、オブジェクト９２０を先端側（白抜き矢印の方向）へ押し出す力として作用する。
なお、オブジェクト９２０が予め検出された位置に対してずれた位置に存在していても、両フィンガーの弾性力により、オブジェクト９２０は、両フィンガーのバランス位置に整合する。すなわち、ロボットハンド３００は、把持対象物であるオブジェクトの実際の位置が検出した位置と多少ずれていても、フィンガーの弾性力によりオブジェクトに自己整合が働くので、オブジェクトを確実に把持することができる。
両フィンガーが若干撓んでオブジェクト９２０へ把持力を伝達する状態になったら、ロボットアーム２００は、ロボットハンド３００を持ち上げる。なお、ロボットアーム２００がロボットハンド３００の持ち上げを開始するタイミングは、上述のカメラ映像から両フィンガーの撓みが検出されたタイミングとすることができる。また、両フィンガーに貼着された歪みゲージの出力や、アクチュエータ３３０の出力トルクの変化を観察することにより、当該タイミングを判断しても良い。
図８は、オブジェクト９２０を把持する過程における第４の状態を示す図である。図７の状態からロボットハンド３００がロボットアーム２００によって持ち上げられると、オブジェクト９２０は両フィンガーの弾性力により先端側へ押し出されるが、第１切欠き３１１および第２切欠き３２１が、オブジェクト９２０の角部を捉えて落下を防ぎ、オブジェクト９２０の把持を維持する。すなわち、ロボットハンド３００は、第１フィンガー３１０および第２フィンガー３２０の弾性力を第１切欠き３１１および第２切欠き３２１に作用させて、オブジェクト９２０をつまみ上げるように把持する。
なお、第１フィンガー３１０および第２フィンガー３２０は、オブジェクトを把持した場合に、オブジェクトの中心軸が第１フィンガー３１０および第２フィンガー３２０からの等距離の仮想軸に沿うように、可撓性のバランスが調整されていることが望ましい。図８の例では、オブジェクト９２０の中心軸（この場合、正面視においてオブジェクト９２０の重心を通る鉛直軸）が一点鎖線であり、第１フィンガー３１０および第２フィンガー３２０からの正面視における等距離の仮想軸も一点鎖線である。すなわち、オブジェクトを持ち上げたときに両フィンガーが均等に撓めば、ロボットハンド３００は、バランス良くオブジェクトを把持することができる。第１フィンガー３１０および第２フィンガー３２０は、同一形状、同一素材の場合には、互いに閉じたときにオブジェクト９２０の中心軸上で交わるように調整される。
以上、２つの実施例を通じて本実施形態に係るロボットハンドを説明したが、オブジェクトは上記の円柱や直方体に限らず、より複雑な形状の立体物であっても構わない。オブジェクトの形状、大きさ、重さに応じて、把持に適切なストッパに交換したり、フィンガーの長いロボットハンド、強力な駆動力を発揮するアクチュエータを備えるロボットハンドを選択したりすれば良い。もちろんフィンガーに対して異なる形状のフックを採用したり、くぼみ形状の異なる切欠きを設けたりしても良い。また、上記の実施例では２本のフィンガーを備えるロボットハンドを説明したが、フィンガーの本数は、３本以上であっても構わない。３本以上のフィンガーを採用する場合には、オブジェクトを取り込む空間に対してそれぞれのフィンガーを円環状に配列すると良い。
また、複数のフィンガーのうち少なくともひとつのフィンガーの剛性が、他のフィンガーの剛性と異なるように構成しても良い。例えば、対象物を把持して持ち上げた場合に、当該対象物が近くに存在する障害物に近づかないよう、その障害物側に位置するフィンガーの剛性を大きくすると良い。このようにフィンガー間の剛性を異ならせると、複雑な制御をアクチュエータ側で行わなくても良い。また、把持する対象物に重心の偏りがあっても、その偏りに合わせてフィンガー間の剛性を調整しておけば、バランスよく把持することができる。なお、フィンガーの基端側をベースに取り付ける角度を調整することにより、フィンガー間の撓み具合を調整してもよい。
また、オブジェクトを把持する方向は、上記の実施例のように鉛直方向に限らず、例えば棚に置かれたオブジェクトを把持する場合には、水平方向から把持動作を行っても良い。また、オブジェクトの形状を認識して把持しやすり方向を探索し、当該方向からフィンガーの先端部を接近させるように把持動作を行っても良い。
ここで、以上説明したロボットハンドの主要な構成について纏めておく。
［付記１］
先端側から対象物（９１０、９２０）を取り込んで挟み込む、可撓性のある複数のフィンガー（１１０、１２０、３１０、３２０）と、
前記対象物を挟み込む方向へ前記複数のフィンガーを駆動するアクチュエータ（１３０、３３０）と
を備え、
前記複数のフィンガーのそれぞれは、前記アクチュエータに駆動されて前記対象物を挟み込んだ場合に、撓みによって前記対象物が先端側へ押し出されることを防いで把持を維持するストッパ（１１１、１２１、３１１、３２１）を有するロボットハンド（１００、３００）。
［付記２］
前記複数のフィンガー（１１０、１２０、３１０、３２０）のそれぞれは、基端側より先端側の方が撓みやすい付記１に記載のロボットハンド（１００、３００）。
［付記３］
前記複数のフィンガー（１１０、１２０、３１０、３２０）のそれぞれは、先端側の断面積が基端側の断面積以下である付記２に記載のロボットハンド（１００、３００）。
［付記４］
前記ストッパは、前記複数のフィンガー（１１０、１２０）のそれぞれの先端から前記対象物の挟み込み方向へ突出するフック（１１１、１２１）である付記１から３のいずれか１項に記載のロボットハンド（１００）。
［付記５］
前記ストッパは、前記複数のフィンガー（３１０、３２０）のそれぞれの先端部に設けられた切欠き（３１１、３２１）である付記１から３のいずれか１項に記載のロボットハンド（３００）。
［付記６］
前記ストッパ（１１１、１２１、３１１、３２１）は、前記複数のフィンガー（１１０、１２０、３１０、３２０）のそれぞれに対して着脱可能である付記１から５のいずれか１項に記載のロボットハンド（１００、３００）。
［付記７］
前記複数のフィンガー（１１０、１２０、３１０、３２０）のうち少なくともひとつのフィンガーの剛性が、他のフィンガーの剛性と異なる請求項１から６のいずれか１項に記載のロボットハンド。
［付記８］
前記複数のフィンガー（１１０、１２０、３１０、３２０）は、前記対象物を把持した場合に、前記対象物の中心軸が前記複数のフィンガーから等距離の仮想軸に沿うように、可撓性のバランスが調整されている付記１から７のいずれか１項に記載のロボットハンド（１００、３００）。
［付記１］
先端側から対象物（９１０、９２０）を取り込んで挟み込む、可撓性のある複数のフィンガー（１１０、１２０、３１０、３２０）と、
前記対象物を挟み込む方向へ前記複数のフィンガーを駆動するアクチュエータ（１３０、３３０）と
を備え、
前記複数のフィンガーのそれぞれは、前記アクチュエータに駆動されて前記対象物を挟み込んだ場合に、撓みによって前記対象物が先端側へ押し出されることを防いで把持を維持するストッパ（１１１、１２１、３１１、３２１）を有するロボットハンド（１００、３００）。
［付記２］
前記複数のフィンガー（１１０、１２０、３１０、３２０）のそれぞれは、基端側より先端側の方が撓みやすい付記１に記載のロボットハンド（１００、３００）。
［付記３］
前記複数のフィンガー（１１０、１２０、３１０、３２０）のそれぞれは、先端側の断面積が基端側の断面積以下である付記２に記載のロボットハンド（１００、３００）。
［付記４］
前記ストッパは、前記複数のフィンガー（１１０、１２０）のそれぞれの先端から前記対象物の挟み込み方向へ突出するフック（１１１、１２１）である付記１から３のいずれか１項に記載のロボットハンド（１００）。
［付記５］
前記ストッパは、前記複数のフィンガー（３１０、３２０）のそれぞれの先端部に設けられた切欠き（３１１、３２１）である付記１から３のいずれか１項に記載のロボットハンド（３００）。
［付記６］
前記ストッパ（１１１、１２１、３１１、３２１）は、前記複数のフィンガー（１１０、１２０、３１０、３２０）のそれぞれに対して着脱可能である付記１から５のいずれか１項に記載のロボットハンド（１００、３００）。
［付記７］
前記複数のフィンガー（１１０、１２０、３１０、３２０）のうち少なくともひとつのフィンガーの剛性が、他のフィンガーの剛性と異なる請求項１から６のいずれか１項に記載のロボットハンド。
［付記８］
前記複数のフィンガー（１１０、１２０、３１０、３２０）は、前記対象物を把持した場合に、前記対象物の中心軸が前記複数のフィンガーから等距離の仮想軸に沿うように、可撓性のバランスが調整されている付記１から７のいずれか１項に記載のロボットハンド（１００、３００）。
１００、３００ ロボットハンド、１１０、３１０ 第１フィンガー、１２０、３２０ 第２フィンガー、１１１ 第１フック、１２１ 第２フック、３１１ 第１切欠き、３２１ 第２切欠き、１３０、３３０ アクチュエータ、１４０、３４０ ベース、２００ ロボットアーム、９１０、９２０ オブジェクト
Claims (8)
- 先端側から対象物を取り込んで挟み込む、可撓性のある複数のフィンガーと、
前記対象物を挟み込む方向へ前記複数のフィンガーを駆動するアクチュエータと
を備え、
前記複数のフィンガーのそれぞれは、前記アクチュエータに駆動されて前記対象物を挟み込んだ場合に、撓みによって前記対象物が先端側へ押し出されることを防いで把持を維持するストッパを有するロボットハンド。 - 前記複数のフィンガーのそれぞれは、基端側より先端側の方が撓みやすい請求項１に記載のロボットハンド。
- 前記複数のフィンガーのそれぞれは、先端側の断面積が基端側の断面積以下である請求項２に記載のロボットハンド。
- 前記ストッパは、前記複数のフィンガーのそれぞれの先端から前記対象物の挟み込み方向へ突出するフックである請求項１から３のいずれか１項に記載のロボットハンド。
- 前記ストッパは、前記複数のフィンガーのそれぞれの先端部に設けられた切欠きである請求項１から３のいずれか１項に記載のロボットハンド。
- 前記ストッパは、前記複数のフィンガーのそれぞれに対して着脱可能である請求項１から５のいずれか１項に記載のロボットハンド。
- 前記複数のフィンガーのうち少なくともひとつのフィンガーの剛性が、他のフィンガーの剛性と異なる請求項１から６のいずれか１項に記載のロボットハンド。
- 前記複数のフィンガーは、前記対象物を把持した場合に、前記対象物の中心軸が前記複数のフィンガーから等距離の仮想軸に沿うように、可撓性のバランスが調整されている請求項１から７のいずれか１項に記載のロボットハンド。
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