JP2012016754A - 把持装置、ロボットシステム及び把持方法 - Google Patents

Abstract

【課題】把持対象物を把持する際に把持対象物を高精度に位置決めすること。
【解決手段】多指ハンド３は、掌部１２と関節１７，１８を有する複数の指部１３とを備え、掌部１２及び複数の指部１３で工具７を把持する。掌部１２は、工具７の把持対象物側接触面２５に接触させる掌部側接触面１２ａを有している。掌部側接触面１２ａには、把持対象物側接触面２５に設けられた突起部２６，２７が挿入される穴部１９，２０が設けられている。そして、穴部１９，２０に突起部２６，２７が挿入されることにより、掌部側接触面１２ａの接線方向Ｔに対する工具７の位置決め及び掌部側接触面１２ａの法線ｎを回転軸心とした回転方向Ｒに対する工具７の位置決めがなされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットのアームに装着される把持装置、把持装置を有するロボットを備えたロボットシステム、及び把持装置により把持対象物を把持する把持方法に関するものである。

従来、把持装置を有するロボットを備えたロボットシステムが知られている。近年、人手による組立作業をロボットにより実現するロボットシステムが求められてきている。そして、人手による組立作業においては、コンベアを取り除きワークを直接人が搬送する人セル生産方式が導入されていたが、この人セルをロボットセルに置き換えるために、様々な部品を把持し組立作業を行うロボットシステムが求められている。また、ロボットがドライバやディスペンサなどの組立工具や組立治工具を用いて組立作業を行うことにより、人と同様の作業を行うことが可能となるロボットシステムが求められ、多種の組立工具を把持することが必要となる。

このとき、組立作業を高精度に行うためには、把持装置で組立工具等の把持対象物を把持したときの位置決め再現精度を高精度にすることが求められている。つまり、ロボットはワークが入れ替わるたびに同じ作業を繰り返すため、把持装置により同様の把持動作を繰り返す必要があり、その際に把持対象物の位置決め再現性を向上し、把持対象物を高精度に位置決めすることが求められる。特に組立工具等の把持対象物の作業箇所（ドライバの場合にはビット先端、ディスペンサの場合にはニードル先端など）の位置決めが高精度であることが必要となる。これに対し、従来、把持対象物を把持するときに把持対象物を案内してその姿勢を規制するＶ字形の案内溝を有する掌部を有する把持装置が提案されている（特許文献１参照）。

特開平９−２９６７５号公報

しかしながら、上記従来の把持装置では、把持対象物の姿勢は規制できるものの、把持対象物の案内溝に沿う方向は規制しておらず、把持対象物を高精度に位置決めすることはできない。例えば把持対象物がドライバ等の工具である場合には、工具の長手方向の位置決めがされず、ワークに対して工具の先端を高精度に位置決めすることができない。

そこで、本発明は、把持対象物を把持する際に把持対象物の位置決め再現性を向上し、把持対象物を高精度に位置決めすることができる把持装置、ロボットシステム及び把持方法を提供することを目的とするものである。

本発明の把持装置は、掌部と関節を有する複数の指部とを備え、前記掌部及び前記複数の指部で把持対象物を把持する把持装置において、前記掌部は、前記把持対象物の把持対象物側接触面に接触させる掌部側接触面を有し、前記掌部側接触面には、前記把持対象物の把持対象物側接触面に設けられた突起部が挿入され、前記掌部側接触面の接線方向に対する前記把持対象物の位置及び前記掌部側接触面の法線を回転軸心とした回転方向に対する前記把持対象物の位置を決めるための穴部が設けられていることを特徴とするものである。

また、本発明のロボットシステムは、上記把持装置を有するロボットと、工具本体にアタッチメント部材が取り付けられて構成された工具と、を備え、前記アタッチメント部材は、前記突起部が設けられ、前記把持装置の掌部側接触面が接触する把持対象物側接触面を有することを特徴とするものである。

また、本発明の把持方法は、掌部側接触面を有する掌部と、関節を有する複数の指部とを備え、前記掌部の掌部側接触面には、把持対象物の把持対象物側接触面に設けられた突起部が挿脱可能な穴部が設けられ、前記穴部の側壁部に基準面が形成された把持装置により把持対象物を把持する把持方法において、前記突起部を前記穴部に挿入し、前記突起部を前記基準面に突き当てて前記把持対象物の位置決めを行う位置決め工程と、前記位置決め工程により位置決めされた状態で前記複数の指部で前記把持対象物の把持対象物側接触面を前記掌部の掌部側接触面に押し付けて前記把持対象物を把持する把持工程と、を備えたことを特徴とするものである。

本発明の把持装置によれば、把持対象物側接触面に接触させる掌側接触面を有し、穴部により掌側接触面の接線方向に対する把持対象物の位置及び掌側接触面の法線を回転軸心とした回転方向に対する把持対象物の位置が決められる。したがって、把持対象物の位置決めの再現精度を向上させることができ、把持対象物を高精度に位置決めすることができる。

また、本発明のロボットシステムによれば、工具の位置決めの再現精度を向上させることができ、工具を高精度に位置決めすることができるため、ロボットによる工具を用いた作業を確実に行うことができる。

また、本発明の把持方法によれば、把持対象物の突起部を掌部の穴部の基準面に突き当てた後、把持対象物の把持対象物側接触面を掌部の掌部側接触面に押し付けているので、把持対象物の位置決めの再現精度が向上し、把持対象物が高精度に位置決めされる。

本発明の第１実施形態に係るロボットシステムを示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る多指ハンド及び工具を示す図であり、（ａ）は多指ハンドの斜視図、（ｂ）は工具の斜視図、（ｃ）は工具のアタッチメント部材の上面図である。 本発明の第２実施形態に係るロボットシステムの要部を示す説明図である。（ａ）は把持装置の掌部の掌部側接触面の模式図であり、（ｂ）は工具のアタッチメント部材の把持対象物側接触面の模式図である。 把持装置による把持方法を説明するための図であり、（ａ）は突起部を穴部に挿入した状態を示す模式図、（ｂ）は平行基準面に突起部を突き当てた状態を示す模式図、（ｃ）は鉛直基準面に突起部を突き当てた状態を示す模式図である。（ｄ）は掌部とアタッチメント部材との接触状態を示す模式図である。 穴部及び突起部を示す図であり、（ａ）は穴部が１つの場合の多指ハンドの斜視図、（ｂ）は１つの穴部に２つの突起部が挿入されている状態を示す模式図である。（ｃ）は１つの穴部に１つの突起部が挿入されている状態を示す模式図である。（ｄ）は１つの穴部に３つの突起部が挿入されている状態を示す模式図である。（ｅ）は２つの穴部に３つの突起部が挿入されている状態を示す模式図である。（ｆ）は３つの穴部に３つの突起部が挿入されている状態を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るロボットシステムを示す斜視図である。図１に示すように、ロボットシステム１００は、ロボット１と、ロボット１が固定され、ロボット１の作業領域となる架台５０と、把持対象物としての工具７と、を備えている。このロボットシステム１００は、ロボット１が工具７を用いて組立作業を行う組立システムである。ロボット１は、６軸の多関節のアーム２と、アーム２の先端に不図示の力覚センサを介して設けられた把持装置としての多指ハンド３と、を有している。また、アーム２の先端には、小型カメラ４が取り付けられている。架台５０には、組立てられる部品を供給するための部品供給機５と、ビス締めなどを行うための工具７が置かれる工具置き台６と、が配置されている。また、架台５０の中央部には、ワークの組立に用いられる把持治具８が設けられている。架台５０の上方にはワークおよび組立てられる部品の位置を検出する不図示のカメラが配置されている。ロボット１のアーム２及び多指ハンド３は、架台５０の内部に配置された制御装置９により動作が制御される。

次に、多指ハンド３について詳細に説明する。図２は、本発明の第１実施形態に係る多指ハンド３及び工具７を示す図であり、図２（ａ）は多指ハンド３、図２（ｂ）は工具７の斜視図である。

図２（ａ）において、多指ハンド３は、アーム２の先端に取り付けられるハウジング１０を有している。具体的には、ハウジング１０の後面（不図示）がアーム２の先端に取り付けられる。また、多指ハンド３は、ハウジング１０の前面１０ａに設けられた掌部１２と、掌部１２を囲うようにハウジング１０の前面１０ａから外部に突出する複数（本実施形態では、４本）の指部１３とを有している。複数の指部１３は、前面１０ａに直交する仮想面に対して面対称に配置されている。ハウジング１０には、不図示の力覚センサ、アクチュエータ、駆動回路等が設けられている。このハウジング１０は、カバー１１で覆われている。

各指部１３は、基節部１４と、中節部１５と、末節部１６とを有し、節部１４，１５間の関節１７および節部１５，１６間の関節１８で内側に屈曲動作可能となっている。そして、各指部１３は、各関節１７，１８で屈曲するので、各指部１３の中節部１５及び末節部１６が把持部として機能する。掌部１２は、把持対象物としての工具７の後述する把持対象物側接触面に接触させる掌部側接触面（以下、「接触面」という）１２ａを有している。この接触面１２ａは、平面である。接触面１２ａには、複数（本実施形態では２つ）の穴部１９，２０が高精度に設けられている。

次に、工具７について詳細に説明する。図２（ｂ）において、工具７は、工具本体２１と、工具本体２１の外周に取り付けられたアタッチメント部材２２と、を有している。この工具本体２１は、例えば電動ドライバや液体等を塗布するディスペンサ等、組立用の治工具類などの組立作業に必要な組立工具である。

図２（ｃ）は工具７のアタッチメント部材２２の上面図である。アタッチメント部材２２は、多指ハンド３の各指部１３の末節部１６が接触する接触面２３，２４を有している。さらに、図２（ｂ），（ｃ）に示すように、アタッチメント部材２２は、多指ハンド３の接触面１２ａが接触する把持対象物側接触面（以下、「接触面」という）２５を有している。この接触面２５は、平面である。本第１実施形態では、工具本体２１は、略棒状の形状であり、アタッチメント部材２２は、工具本体２１を覆う断面略Ｃ形に形成され、アタッチメント部材２２のばね性で工具本体２１に固定されている。なお、アタッチメント部材２２の固定方法はこれに限定するものではなく、接着剤やねじ等で固定する方法など、あらゆる固定方法が適用可能である。

接触面２５には、多指ハンド３の掌部１２の接触面１２ａに設けられた２つの穴部１９，２０に挿脱可能な複数（２つ）の突起部２６，２７が設けられている。そして、本第１実施形態では、突起部２６が穴部１９に挿脱可能な精度で設けられ、突起部２７が穴部２０に挿脱可能な精度で設けられている。つまり、本第１実施形態では、突起部の数と穴部の数が同一であり、各突起部が対応する穴部に挿入されるように構成されている。各突起部２６，２７は、平面視円形状に形成されており、各穴部１９，２０は、各突起部２６，２７が挿脱可能に平面視円形状に形成されている。

以上の構成において、多指ハンド３が工具７を把持する工程について説明する。アーム２の先端に設けられた多指ハンド３は、アーム２の移動動作により工具７に接近し、多指ハンド３の接触面１２ａに設けられた２つの穴部１９，２０に、工具７の接触面２５に設けられた突起部２６，２７が挿入される。２つの突起部２６，２７のそれぞれが２つの穴部１９，２０のそれぞれに挿入されるので、接触面１２ａの接線方向Ｔに対する工具７の移動が規制され、また、接触面１２ａの法線ｎを回転軸心とした回転方向Ｒに対する工具７の移動が規制される。これにより、接触面１２ａの接線方向Ｔに対する工具７の位置決め及び接触面１２ａの法線ｎを回転軸心とした回転方向Ｒに対する工具７の位置決めがなされる。そして、多指ハンド３の接触面１２ａが工具７の接触面２５に接触するまで、アーム２の移動動作が行われる。

挿入動作が完了した後に、多指ハンド３の各指部１３の関節１７，１８が駆動され、工具７のアタッチメント部材２２の接触面２３，２４に多指ハンド３の末節部１６を接触させる。これにより、多指ハンド３の指部１３は工具７を抱き込むように把持する。このとき、工具７の接触面２５が多指ハンド３の接触面１２ａに押し付けられるため、把持力をお互いの接触面２５，１２ａで受けることができる。以上のような工程で、工具７を多指ハンド３で把持することにより、工具７を確実に把持することが可能となり、多指ハンド３に対する工具７を把持したときの位置決めの再現精度が向上し、工具７が高精度に位置決めされる。したがって、ロボット１による工具７を用いた組立作業等の作業を確実に行うことができる。

ここで、多指ハンド３に設けられた２つの穴部１９，２０の内径をφ８Ｈ７（公差＋０．０１５ｍｍ〜０．０００ｍｍ）で、工具７の突起部２６，２７の外径φ８ｇ６（公差−０．００５ｍｍ〜−０．０１４ｍｍ）とする。また、多指ハンド３の２つの穴部１９，２０の中心間距離を３０ｍｍとする。この場合、工具７の傾きを０．００９５°〜０．０５５４°に抑えることができ、工具本体２１の先端位置までの距離が１５０ｍｍの場合には、工具本体２１の先端位置のバラツキは０．０２５ｍｍ〜０．１４５ｍｍの間に抑え込むことが可能となる。

また、多指ハンド３の２つの穴部１９，２０を結ぶ線と平行な延伸方向の位置誤差は嵌合ガタの値となるため、０．００５ｍｍ〜０．０２９ｍｍにすることができる。したがって、多指ハンド３で工具７の把持を繰り返し行っても、上記のような精度に抑えることができるため、組立作業を確実に行うことができる。

また、多指ハンド３に設けられた各穴部１９，２０には工具７の各突起部２６，２７が挿入され、多指ハンド３で工具７を接触させて把持するまでに、突起部２６，２７が穴部１９，２０に対して片側に押し付けられるように多指ハンド３を動作させる。このとき、多指ハンド３を、穴部１９，２０同士を結ぶ線と平行な延伸方向と、延伸方向と直交する直交方向の２方向に動作させることにより、突起部２６，２７と穴部１９，２０とのガタ分が打ち消される。したがって、多指ハンド３で工具７の把持を繰り返し行うときの、工具本体２１の先端位置のバラツキを抑えることが可能となり、再現精度の向上を図ることができる。このため、組立作業をより確実に行うことが可能となる。なお、突起部２６，２７が穴部１９，２０に対して片側に押し付けられるように多指ハンド３を動作させるときに、多指ハンド３に内蔵された力覚センサを用いた公知のインピダンス制御で一定の力で押し付けることで、より再現精度を安定させることができる。

以上、本第１実施形態では、多指ハンド３の穴部１９，２０に工具７の突起部２６，２７を挿入し、接触面１２ａ，２５同士を接触させた後に、ハンド３の指部１３を屈曲させて把持することにより、工具７の位置を三次元的に位置決めすることができる。

このため、工具７をより高精度に位置決めすることができる。また、工具７の先端位置の位置決め精度や位置決め再現精度をさらに向上されることが可能となる。また、多種の工具に共通の突起部２６，２７を設けておくことで、構造を複雑にすることなく、様々な工具７を多指ハンドで把持することが可能となる。そして、アタッチメント部材２２を工具本体２１に取り付ける構造とした場合には、工具本体２１に突起部を設けなくても、多種の工具を把持することが可能となる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る把持装置を有するロボットを備えたロボットシステムについて説明する。図３は、本発明の第２実施形態に係るロボットシステムの要部を示す説明図である。図３（ａ）は把持装置の掌部の掌部側接触面の模式図であり、図３（ｂ）は工具のアタッチメント部材の把持対象物側接触面の模式図である。なお、ロボットシステムの全体構成は、上記第１実施形態と同様であり、異なるのは、掌部の掌部側接触面に形成した穴部の形状である。

掌部１２の接触面１２ａには、図３（ａ）に示すように、２つの穴部１９，２０が設けられ、工具７のアタッチメント部材２２の接触面２５には、図３（ｂ）に示すように、２つの突起部２６，２７が設けられている。

図３（ａ）に示すように、穴部１９の側壁部には、互いに直交する２つの基準面１９ａ，１９ｂが形成され、穴部２０の側壁部には、互いに直交する２つの基準面２０ａ，２０ｂが形成されている。

一方の基準面である平行基準面１９ａ，２０ａは、穴部１９，２０を結ぶ線Ｌと平行に設けられている。他方の基準面である鉛直基準面１９ｂ，２０ｂは、穴部１９，２０を結ぶ線Ｌと垂直に設けられている。工具７のアタッチメント部材２２の接触面２５に設けられた突起部２６，２７の中心間距離Ｂに対して鉛直基準面１９ｂ，２０ｂの距離Ａは僅かに広く設定されている。

このような構成において、以下図４を参照しながら把持方法を詳細に説明する。上記第１実施形態の説明と同様、図４（ａ）に示すように、突起部２６，２７が穴部１９，２０に挿入されるようにアーム２を動作させる。

そして、この挿入状態で多指ハンド３の穴部１９、２０を結ぶ線Ｌと平行な延伸方向と、結ぶ線Ｌに垂直な垂直方向との２方向に多指ハンド３が動作され、突起部２６，２７を穴部１９，２０の基準面に突き当てて工具７の位置決めを行う（位置決め工程）。この位置決め工程について、詳細に説明すると、まず、図４（ｂ）に示すように、アーム２を動作させて、工具７の突起部２６，２７を多指ハンド３の穴部１９，２０の平行基準面１９ａ、２０ａに突き当てる。さらに、図４（ｃ）に示すように、アーム２を動作させて工具７の突起部２６を多指ハンド３の穴部１９の鉛直基準面２０ａに突き当てる。

次に、位置決め工程により工具７が図４（ｃ）に示すような位置決めされた状態で複数の指部１３で工具７のアタッチメント部材２２の接触面２５を掌部１２の接触面１２ａに押し付けて工具７を把持する（把持工程）。このとき、複数の指部１３の関節１７，１８を駆動し、工具７のアタッチメント部材２２の接触面２３，２４に指部１３の末節部１６を接触させて把持する。

図４（ｄ）は、多指ハンド３の掌部１２の接触面１２ａと工具７のアタッチメント部材２２の接触面２５との接触状態を示す模式断面図である。多指ハンド３の指部１３は工具７を抱き込むように把持するために、工具７は、工具７の接触面２５が掌部１２の接触面１２ａに押し付けられて把持される。したがって、多指ハンド３の把持力をお互いの接触面１２ａ，２５で受けることができる。このように、多指ハンド３で工具７を把持したときには、常に同じ位置で位置決めされることとなり、多指ハンド３で工具７の把持を繰り返し行った時の、工具本体２１の先端位置のバラツキを抑えることが可能となり、再現精度の向上を図ることができる。特に、基準面１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂを設けたので、安定して位置決めすることが可能となる。また、穴部１９，２０の寸法精度は必ずしも厳しい精度で突起部２６，２７が挿入される必要がなく、加工が容易になるとともに、挿入動作も容易することができる。

なお、上記実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。上記実施形態では、２つの突起部に対して掌部側接触面に２つの穴部を設けた場合について説明したが、２つの突起部に対して掌部側接触面に１つの穴部を設けた場合であってもよい。つまり、図５（ａ）に示すように、穴部１９Ａを平面視長円形状に形成しておけば、図５（ｂ）に示すように、平面視円形状の２つの突起部２６，２７が挿脱可能である。そして、接触面１２ａの接線方向に対する把持対象物の位置決め及び接触面１２ａの法線を回転軸心とした回転方向に対する把持対象物の位置決めが可能である。また、図５（ｃ）に示すように、１つの突起部２６Ａに対して掌部側接触面に１つの穴部１９Ａを設けた場合であってもよい。この場合、穴部１９Ａは、平面視円形状以外の形状であり、突起部２６Ａは、その穴部１９Ａに挿脱可能で掌部側接触面の接線方向に対する把持対象物の位置決め及び掌部側接触面の法線を回転軸心とした回転方向に対する把持対象物の位置決めが可能な形状である。つまり、図５（ｃ）では、穴部１９Ａが平面視長円形状であるので、突起部２６Ａはこの穴部１９Ａに挿脱可能な平面視長円形状である。

また、上記実施形態では、２つの突起部が２つの穴部に挿入される場合について説明したが、３つ以上の突起部が１つ又は複数の穴部に挿入される場合であってもよい。例えば３つの突起部の場合は、図５（ｄ）に示すように、３つの突起部２６，２７，２８に対して、掌部側接触面に１つ穴部１９Ｂが設けられていてもよい。また、図５（ｅ）に示すように、３つの突起部２６，２７，２８に対して、掌部側接触面に２つの穴部１９Ａ，２０Ｃが設けられていてもよい。また、図５（ｆ）に示すように、３つの突起部２６，２７，２８に対して、３つの穴部１９，２０，２０Ｃが設けられていてもよい。

また、上記実施形態では、穴部及び突起部の形状が平面視円形状を例に説明したが、これに限るものでなく、突起部が穴部に挿入されて位置決めが可能な形状であれば、どのような形状であってもよい。

また、上記実施形態では、工具本体に突起部を有するアタッチメント部材を取り付ける場合について説明したが、工具本体に突起部が設けられている場合についても本願発明は適用可能である。

１ ロボット
２ アーム
３ 多指ハンド
７ 工具（把持対象物）
１２ 掌部
１２ａ 掌部側接触面
１３ 指部
１７，１８ 関節
１９，２０ 穴部
１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂ 基準面
２１ 工具本体
２２ アタッチメント部材
２５ 把持対象物側接触面
２６，２７ 突起部

Claims (4)

1. 掌部と関節を有する複数の指部とを備え、前記掌部及び前記複数の指部で把持対象物を把持する把持装置において、
   前記掌部は、前記把持対象物の把持対象物側接触面に接触させる掌部側接触面を有し、
   前記掌部側接触面には、前記把持対象物の把持対象物側接触面に設けられた突起部が挿入され、前記掌部側接触面の接線方向に対する前記把持対象物の位置及び前記掌部側接触面の法線を回転軸心とした回転方向に対する前記把持対象物の位置を決めるための穴部が設けられていることを特徴とする把持装置。
2. 前記穴部の側壁部には、前記突起部を突き当てて前記把持対象物を位置決めするための基準面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の把持装置。
3. 請求項１又は２に記載の把持装置を有するロボットと、
   工具本体にアタッチメント部材が取り付けられて構成された工具と、を備え、
   前記アタッチメント部材は、前記突起部が設けられ、前記把持装置の掌部側接触面が接触する把持対象物側接触面を有することを特徴とするロボットシステム。
4. 掌部側接触面を有する掌部と、関節を有する複数の指部とを備え、前記掌部の掌部側接触面には、把持対象物の把持対象物側接触面に設けられた突起部が挿脱可能な穴部が設けられ、前記穴部の側壁部に基準面が形成された把持装置により把持対象物を把持する把持方法において、
   前記突起部を前記穴部に挿入し、前記突起部を前記基準面に突き当てて前記把持対象物の位置決めを行う位置決め工程と、
   前記位置決め工程により位置決めされた状態で前記複数の指部で前記把持対象物の把持対象物側接触面を前記掌部の掌部側接触面に押し付けて前記把持対象物を把持する把持工程と、
   を備えたことを特徴とする把持方法。

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