JP2017185553A - 把持装置及び産業用ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】小さな押し付け荷重で又は押し付け荷重を与えずに、より確実にワークを把持することができる把持装置及び産業用ロボットを提供する。【解決手段】把持本体２８Ａと、前記把持本体２８Ａ内に収容された粉粒体３４とを備える把持装置１０Ａであって、前記把持本体２８Ａは、掌部３０と、前記掌部３０の周囲に突出して設けられ、前記掌部３０を厚さ方向に変形させることにより前記掌部３０に向かって倒れる複数の指部３２とを有することを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、把持装置及び産業用ロボットに関するものである。

ワークを把持することを目的とした把持装置として、主に吸着ハンドや２指型グリッパ（例えば、特許文献１）が利用されているが、これらは機構上、サイズや形状が異なるワークを汎用的に把持することができない場合がある。そのため、多品種少量生産のように、把持するワークの種類が多い作業現場においては、ツールチェンジャーや人による取り替え作業が必要となってしまうため、生産効率が低下してしまう。さらに食品に代表されるような、柔軟かつ不定形なワークを傷めずに把持することができないという問題があった。

これに対し、人間の手の形状に近い機構を有する５指型の把持装置の検討もされている（例えば、特許文献２）。ところが、５指型の把持装置では人間の手に近い複雑な動作を実現する為に、動作や制御機構が非常に複雑なため、導入を困難にする要因となっている。

さらに密閉されたゴム状の袋と、当該ゴム袋に充填された粉体とを有し、粉粒体のJamming転移を利用した把持装置が開発されている（例えば、特許文献３）。この把持装置は、ゴム袋をワークに追従させた状態で把持できるので、簡単な制御で様々なワークに対応することができる。

特開２００９−１２５８５１号公報 特開２０１２−１９２４９６号公報 特表２０１３−５２３４７８号公報

しかしながら、上記特許文献３に係る把持装置は、把持力を発現するために強い力でワークへ押し付ける必要があるので、食品のような柔軟なワークを痛めてしまうという問題がある。また把持装置は、ワークへ押し付ける力が弱い場合、ゴム袋のワークに対する追従性が著しく低下するので、把持できるワークが限られてしまう。

本発明は、小さな押し付け荷重で又は押し付け荷重を与えずに、より確実にワークを把持することができる把持装置及び産業用ロボットを提供することを目的とする。

本発明に係る把持装置は、把持本体と、前記把持本体内に収容された粉粒体とを備える把持装置であって、前記把持本体は、掌部と、前記掌部の周囲に突出して設けられ、前記掌部を厚さ方向に変形させることにより前記掌部に向かって倒れる複数の指部とを有することを特徴とする。

本発明に係る産業用ロボットは、上記把持装置を設けたことを特徴とする。

把持装置は、掌部を厚さ方向に変形させることにより前記掌部に向かって指部が倒れ、指部がワークに接触することにより、把持本体とワークとの接触面積が増加する。指部は、掌部の周囲に突出して設けられているので、従来の球体がワークの形状に合わせて変形する場合に比べ、容易に変形する。また掌部は、把持本体内を減圧したり、物理的に掌部を引っ張ったりすることによっても掌部を厚さ方向に変形させることができるので、掌部がワークに接触せずにワークを把持することができる。したがって本発明によれば、小さな押し付け荷重で又は押し付け荷重を与えずに、より確実にワークを把持することができる。

本実施形態に係る把持装置を適用した産業用ロボットの例を示す模式図である。 本実施形態に係る把持装置の構成を示す斜視図である。 本実施形態に係る把持装置の使用状態を示す斜視図である。 本実施形態に係る把持装置の構成を示す部分縦断面図である。 本実施形態に係る把持装置の使用状態（１）を示す部分断面図である。 本実施形態に係る把持装置の使用状態（２）を示す部分断面図である。 本実施形態に係る把持装置の変形例（１）を示す部分断面図である。 本実施形態に係る把持装置の変形例（２）を示す部分断面図である。 本実施形態に係る把持装置の変形例（３）を示す部分断面図である。 変形例（３）に係る爪部の構成を示す斜視図である。 実施例に係る把持本体の説明に供する正面図である。 比較例に係る把持装置の説明に供する正面図である。 把持装置の変形例（４）に係る把持装置の構成を示す斜視図である。 把持装置の変形例（５）に係る把持装置の構成を示す斜視図である。 把持装置の変形例（６）に係る把持装置の構成を示す斜視図である。 本実施形態に係る把持装置の変形例（７）を示す部分断面図である。 本実施形態に係る把持装置の変形例（７）の使用状態を示す部分断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

（全体構成）
図１に、本実施形態に係る把持装置１０Ａを適用した産業用ロボット１２の構成を示す。産業用ロボット１２は、直交ロボットであって、レール１４と、レール１４に沿って移動する移動体１６と、移動体１６に固定されたエアシリンダ−１８とを備える。レール１４は、図中Ｙ軸方向に移動可能に設けられている。

エアシリンダ−１８は、シリンダーチューブ１９と、シリンダーチューブ１９に対し進退可能に設けられたピストンロッド２０とを有する。シリンダーチューブ１９には、配管２１、２２が設けられている。当該配管２１、２２を通じて、気体が給排気されることにより、ピストンロッド２０がシリンダーチューブ１９に対し進退可能となっている。ピストンロッド２０の先端には、把持装置１０Ａが設けられている。

産業用ロボット１２は、水平な基台２６上に置かれたワークＷを、把持装置１０Ａで把持すると共に、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向に移動可能に構成されている。

把持装置１０Ａは、ピストンロッド２０に連結されたケース３６と、当該ケース３６に固定された把持本体２８Ａとを備える。ケース３６には、配管２４が連結されている。把持本体２８Ａは、気密性と弾性とを有する材料、例えば、天然ゴムや、合成ゴムなどで形成することができる。

図２に示すように把持本体２８Ａは、掌部３０と、掌部３０の周縁に突出して設けられた複数の指部３２とを有する。掌部３０は略円盤状をなしている。指部３２は、掌部３０と一体に形成されており、掌部３０を囲むように放射状に５個設けられている。指部３２同士の間には、所定の間隔が形成されている。指部３２は、内面３１が掌部３０と一体に形成されている。指部３２の外形形状は、適宜選択することができ、例えば、円柱、円錐、円錐台、三角柱、四角柱、三角錐、四角錐、四角錐台などでもよい。本実施形態の場合、指部３２は、同一形状で構成されている。なお複数の指部３２は、全て同一形状である必要はなく、形状が異なっていてもよい。指部３２は、三角柱を倒した形状を有し、内面３１が、掌部３０に接合している基端から先端に向かって外側に傾斜するように形成されている。

把持本体２８Ａは、掌部３０を厚さ方向（図２、矢印方向）に押す力が作用すると、当該力によって内面３１が引っ張られ、指部３２が掌部３０へ向かって倒れるように弾性変形する（図３）。

図４に示すように把持本体２８Ａは、掌部３０及び指部３２が形成されている表面とは逆側の面に開口を有する袋状の部材からなり、内部に粉粒体３４が収容されている。把持本体２８Ａは、開口の周縁に一体形成されたフランジ部３３においてケース３６に固定されており、当該ケース３６によって開口が密閉されている。

ケース３６には、貫通穴３７が設けられている。配管２４は、一端が、貫通穴３７に挿入され、把持本体２８Ａに通じている。配管２４の他端は、図示しないが、例えば三方弁を介して真空ポンプに接続されている。三方弁は、真空ポート、給排気ポート、大気解放ポートを有し、真空ポートが真空ポンプに、給排気ポートが把持装置１０Ａに、大気解放ポートが外部にそれぞれ接続される。当該配管２４を通じて、気体が、把持本体２８Ａの内から外へ、及び把持本体２８Ａの外から内へ、流通し得るように構成されている。

粉粒体３４は、適宜選択することができ、例えば、アルミナ、活性炭、発泡スチロール、ガラスビーズ、乾燥した豆や木片などの集合体で形成することができる。粉粒体３４の充填率は、把持本体２８Ａの２０〜８０％程度が好ましく、４０〜６０％がより好ましい。充填率は、把持本体２８Ａ内に充填した粉粒体の重量をＡ、把持本体２８Ａ内に最密充填した場合の粉粒体の重量をＢとすると、Ａ／Ｂ×１００（％）で表される。

（動作及び効果）
上記のように構成された把持装置１０Ａが設けられた産業用ロボット１２の動作及び効果について説明する。産業用ロボット１２は、ピストンロッド２０がシリンダーチューブ１９内に退避し、エアシリンダ−１８が収縮した状態を原点とする。また把持装置１０Ａは、初期状態において把持本体２８Ａ内の圧力が大気圧である。すなわち三方弁は、真空ポートが遮断され、給排気ポートが大気解放ポートと繋がっている状態である。

産業用ロボット１２は、移動体１６がレール１４に沿って移動することで、基台２６上に置かれたワークＷの鉛直線上に把持装置１０Ａを位置決めする（図１）。次いで、産業用ロボット１２は、ピストンロッド２０がシリンダーチューブ１９から進出することにより、エアシリンダ−１８を伸長させ、把持装置１０ＡをワークＷへ押し付ける。

把持装置１０Ａは、把持本体２８Ａの掌部３０にワークＷが押し付けられることにより、掌部３０を厚さ方向に押す力が作用する（図２、図４矢印）。当該力によって、図５に示すように、掌部３０は上方へ変形する。掌部３０が上方へ変形するのに伴い、指部３２の内面３１が上方へ引っ張られる。そうすると指部３２は、掌部３０へ向かって倒れるように弾性変形する。これにより指部３２は、主に内面３１がワークＷ表面に接触する。本図に示す球状のワークＷの場合、指部３２はワークＷの下側まで回り込んでワークＷ表面に接触する。

次いで三方弁は、大気解放ポートが遮断され、給排気ポートが真空ポートと繋がった状態に切り替えられる。これにより把持装置１０Ａは、配管２４を通じて、把持本体２８Ａ内の気体を吸引し、把持本体２８Ａ内の圧力を−０．０５ＭＰａ以下に減圧する。そうすると把持本体２８Ａ内に収容された粉粒体３４が硬化する。このようにして把持装置１０Ａは、指部３２がワークＷ表面に接触した状態で把持本体２８Ａを硬直化することで、ワークＷを把持する。

次いで産業用ロボット１２は、ピストンロッド２０をシリンダーチューブ１９内に退避させてエアシリンダ−１８を収縮することにより、ワークＷを基台２６から持ち上げることができる。さらに産業用ロボット１２は、移動体１６がレール１４に沿って移動することにより、水平方向へワークＷを移動することができる。

所望の場所へ移動した後、産業用ロボット１２は、ピストンロッド２０がシリンダーチューブ１９から進出することにより、ワークＷが基台２６に接触するまでエアシリンダ−１８を伸長させる。次いで、三方弁は、真空ポートが遮断され、給排気ポートが大気解放ポートと繋がっている状態に切り替えられる。そうすると把持本体２８Ａ内へ大気解放ポートから配管２４を通じて気体が流入する。これにより把持本体２８Ａ内の圧力が大気圧に戻り、硬化していた粉粒体３４が軟化し、流動し得る状態になる。このようにして把持装置１０Ａは、把持本体２８Ａが弾性変形可能な状態に戻り、ワークＷを手放せるようになる。

次いで、産業用ロボット１２は、ピストンロッド２０をシリンダーチューブ１９内に退避させてエアシリンダ−１８を収縮することにより、把持装置１０ＡをワークＷから切り離す。以上のようにして産業用ロボット１２は、基台２６上に置かれたワークＷを、把持装置１０Ａで把持することにより、所望の位置へ移動することができる。

本実施形態の場合、把持装置１０Ａは、ワークＷが掌部３０を厚さ方向に押す力により、掌部３０を厚さ方向に変形させる。これにより、前記掌部３０に向かって指部３２が倒れ、指部３２がワークＷに接触することにより、把持本体２８ＡとワークＷとの接触面積が増加する。しかも指部３２は、掌部３０の周囲に突出して設けられているので、従来の球体がワークの形状に合わせて変形する場合に比べ、容易に変形する。したがって把持装置１０Ａは、小さな押し付け荷重でより確実にワークＷを把持することができる。

把持装置１０Ａは、指部３２の内面３１が、掌部３０に接合している基端から先端に向かって外側に傾斜するように形成されていることにより、指部３２の可動域が広がるので、大きさが異なるワークＷに適用することができる。

上記実施形態の場合、ワークＷが掌部３０を厚さ方向に押す力により、掌部３０を厚さ方向に変形させる場合について説明したが、本発明はこれに限らない。すなわち把持装置１０Ａは、把持本体２８Ａ内の圧力を−０．０５ＭＰａ以下に減圧することによっても、掌部３０を厚さ方向に変形させることができる。この場合、図６に示すように、ワークＷは、掌部３０と接触している必要はない。すなわち把持装置１０Ａは、掌部３０がワークＷに接触する直前で、把持本体２８Ａ内を減圧すると、掌部３０が上方へ変形する。掌部３０が上方へ変形するのに伴い、指部３２の内面３１が上方へ引っ張られる。そうすると指部３２は、掌部３０へ向かって倒れるように弾性変形する。これにより指部３２は、主に内面３１がワークＷの側面に接触する。このようにして把持装置１０Ａは、押し付け荷重をワークＷに与えずに、ワークＷを把持することができる。

また把持装置１０Ａは、図７に示すように、指部３２に爪部３５Ａを設けることとしてもよい。爪部３５Ａは、合成樹脂製の板状部材であって、指部３２の外面に設けられる。把持装置１０Ａは、指部３２に爪部３５Ａを設けることにより、麺などの細いワークＷを容易に把持することができる。さらに把持装置１０Ａは、指部３２の内面３１に摩擦係数の高い摩擦力付与部（図示しない）を設けることとしてもよい。摩擦力付与部は、合成樹脂製のフィルムや紙やすりなどを用いることができる。摩擦力付与部を指部３２の内面３１に設けることにより、把持装置１０Ａは、ワークＷ表面と指部３２の内面３１の摩擦力が増加するので、より確実にワークＷを把持することができる。

さらに把持装置１０Ａは、図８に示すように、指部３２に円錐状の爪部３５Ｂを設けることとしてもよい。爪部３５Ｂは、先端が針状に尖っている。把持装置１０Ａは、把持本体２８Ａ内の圧力を−０．０５ＭＰａ以下に減圧して、掌部３０を厚さ方向に変形させる。掌部３０の変形に伴い、指部３２が掌部３０へ向かって弾性変形することにより、把持装置１０Ａは、爪部３５Ｂの先端がワークＷ側面に突き刺さるようにしてワークＷを保持する。把持装置１０Ａは、把持本体２８Ａ内を減圧して、ワークＷの側面を爪部３５Ｂで支持することにより、掌部３０をワークＷ表面に接触させずに、ワークＷを保持することができる。すなわち、把持装置１０Ａは、爪部３５ＢでワークＷの側面を支持することにより、ワークＷの上面に触れずに、ワークＷを把持することができる。

図９及び図１０に示すように、爪部３５Ｃは、指サック状の部材であってもよい。爪部３５Ｃは、指サック状の部材で構成することにより、指部３２に着脱自在に固定することができる。したがって爪部３５Ｃは、用途に合わせて容易に変更することができる。爪部３５Ｃの先端の形状は、特に限定されない。同図には、円錐形状の爪部３５Ｃを例示しているが、本発明はこれに限らず、半球状、多角形状などであってもよい。

実際に、上記実施形態に対応する把持装置１０Ａを作製し、ワークＷとしてミカン及びキウイを把持できるか検証した。把持本体２８Ａ（図１１）は、材質：ＮＢＲ、ショアＡ硬度：７０、厚さ１ｍｍ、Ｈ：１１２ｍｍ、Ｄ：５７ｍｍとした。粉粒体３４は、材質：活性炭、粒径：５００μｍ、安息角：０ｄｅｇとし、充填率は、６０％とした。

比較として図１２に示す把持装置１００（エンパイアロボティクス社製、VERSABALL、型番：Research Kit Model CV2-1、Ｈ：１６５ｍｍ、Ｄ：１１０ｍｍ）を用いて検証した。

図１に示す産業用ロボット１２のピストンロッド２０の先端に把持装置１０Ａを固定した。把持本体２８Ａの先端から基台２６表面までの距離が１００ｍｍの位置に把持装置１０Ａを保持した状態を原点とし、ワークＷに向かって把持装置１０Ａを１００ｍｍ下降させた。次いで把持本体２８Ａ内を−０．１ＭＰａまで減圧した後、把持装置１０Ａを上昇させた。この結果、実施形態に対応する把持装置１０Ａは、ミカン及びキウイのいずれのワークＷも傷めずに基台２６から持ち上げることができ、しかもワークＷを手で触っても取り外せない状態を１分以上維持することができた。

一方、把持装置１００は、ワークＷに向かって把持装置１００を１００ｍｍ下降させた段階で、本発明のような掌部を厚さ方向に押す力により前記掌部に向かって倒れる複数の指部を有していないことから、いずれのワークＷも押し潰してしまい、把持することができなかった。

このことから、本実施形態に係る把持装置１０Ａは、従来に比べ、小さい押し付け荷重でより確実にワークＷを把持できることが確認された。

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。

上記実施形態の場合、把持装置１０Ａは、複数の指部３２が均等に５個配置されている場合について説明したが、本発明はこれに限らず、２個以上であればよい。また指部３２は、必ずしも掌部３０に対し均等に配置されている必要はなく、掌部３０に対し偏った位置に配置されていてもよい。

図１３に示すように、把持装置１０Ｂの把持本体２８Ｂは、指部４０を３個有することとしてもよい。この場合、把持装置１０Ｂは、掌部３９を厚さ方向に押す力により前記掌部３９に向かって指部４０が倒れるので、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

また図１４に示すように、把持本体２８Ｃは、掌部４１を中心とした同心円状に指部４２、４４を配置することとしてもよい。本図に示す把持本体２８Ｃは、三角形の板状の指部４２、４４が掌部４１を中心とした２個の同心円状にそれぞれ５個ずつ交互に配置されている。外側の円周上に配置される指部４２は、内側の円周上に配置される指部４４より、大きく形成されている。これにより把持装置１０Ｃは、先端が細くなっているワークＷなど、より複雑な形状のワークＷをより確実に把持することができる。また、外側の円周上に配置される指部４２と、内側の円周上に配置される指部４４とが、異なる大きさであることにより、１つの把持本体２８Ｃを用いて異なる形状のワークＷをより確実に把持することができる。外側の円周上に配置される指部４２と、内側の円周上に配置される指部４４は、同じ形状、同じ大きさでもよい。また掌部を中心とした３個以上の同心円状に指部を配置してもよい。

図１５に示すように、把持本体２８Ｄは、指部４６を１０個有することとしてもよい。また指部４６は、内面４７が、掌部４５の表面に対し略直交するように形成されている。把持装置１０Ｄは、このような指部４６を有することにより、ワークＷとの接触面積がより増加するので、重量の大きいワークＷをより確実に把持することができる。

上記実施形態では、水平な基台２６上のワークＷを把持する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば垂直に設けられた側壁に保持されたワークＷを把持する場合にも適用可能である。

上記実施形態では、産業用ロボット１２として直交ロボットの例を示したが、本発明はこれに限らず、スカラロボット、垂直多関節ロボットなどに適用することができる。すなわち把持装置は、産業用ロボットによってＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を中心に回転しても、ワークＷを把持した状態を維持することができる。

把持本体は、１種の材料で形成してもよいし、複数の異なる材料で形成された膜を積層して形成してもよい。また把持本体は、部分的に異なる材料で形成してもよい。

上記実施形態では、ワークＷが掌部３０を厚さ方向に押す力により掌部３０を厚さ方向に変形させる場合、及び、把持本体２８Ａ内の圧力を−０．０５ＭＰａ以下に減圧することによって掌部３０を厚さ方向に変形させる場合について説明したが、本発明はこれに限らない。図１６及び図１７に示すように、物理的な方法によって掌部３０を厚さ方向に変形させることとしてもよい。把持装置５０は、変形力付与部としてエアシリンダ−５２を備える。エアシリンダ−５２は、シリンダーチューブ５３と、当該シリンダーチューブ５３に対し進退可能に設けられたピストンロッド５４とを有する。シリンダーチューブ５３は、ケース３６の略中央に形成された貫通穴に固定されている。シリンダーチューブ５３とケース３６の間は、シールされており、気密が保たれている。ピストンロッド５４は、先端が掌部３０の裏面に固定されている。ピストンロッド５４がシリンダーチューブ５３に対し進出した状態において、把持本体２８Ａは、掌部３０が厚さ方向に変形していない、初期状態となる（図１６）。一方、ピストンロッド５４がシリンダーチューブ５３内に退避することにより、掌部３０は厚さ方向に変形する（図１７）。ピストンロッド５４がシリンダーチューブ５３内に退避した状態で、把持本体２８Ａ内の圧力を−０．０５ＭＰａ以下に減圧することによって、指部３２がワークＷ表面に接触した状態で把持本体２８Ａを硬直化する。把持本体２８Ａが硬直化することで、把持装置５０は、ワークＷを把持することができる。また、把持本体２８Ａは、内部の圧力が大気圧に戻ることにより、弾性変形可能な状態になる。ついで把持装置５０は、ピストンロッド５４がシリンダーチューブ５３から進出することにより、掌部３０が厚さ方向に変形していない、初期状態となり、ワークＷを手放すことができる。このようにして把持装置５０は、押し付け荷重をワークＷに与えずに、ワークＷを把持することができる。変形力付与部は、エアシリンダ−に限らず、電動シリンダー、ノック機構、ワイヤ巻取り機構などを用いることができる。

１０Ａ〜１０Ｄ 把持装置
１２ 産業用ロボット
２８Ａ〜２８Ｄ 把持本体
３０、３９、４１、４５ 掌部
３２、４０、４２、４４，４６ 指部
３４ 粉粒体
３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ 爪部
５２ エアシリンダ−（変形力付与部）

Claims (8)

1. 把持本体と、前記把持本体内に収容された粉粒体とを備える把持装置であって、
   前記把持本体は、
   掌部と、
   前記掌部の周囲に突出して設けられ、前記掌部を厚さ方向に変形させることにより前記掌部に向かって倒れる複数の指部と
   を有することを特徴とする把持装置。
2. 前記複数の指部が、前記掌部の周縁に放射状に配置されていることを特徴とする請求項１記載の把持装置。
3. 前記複数の指部が、前記掌部を中心とした同心円状に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の把持装置。
4. 前記複数の指部に、爪部が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の把持装置。
5. 前記爪部は、先端が針状に尖っていることを特徴とする請求項４記載の把持装置。
6. 前記複数の指部の内面に、ワークとの間に摩擦力を発生させる摩擦力付与部が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の把持装置。
7. 前記掌部を厚さ方向に変形させる変形力付与部が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の把持装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項記載の把持装置を設けたことを特徴とする産業用ロボット。
   

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