JP2019188483A - ロボットハンド - Google Patents

Abstract

【課題】把持力センサを備え、密閉性に優れ、安全な形状を備えた多用途ロボットハンドを提供する。【解決手段】４つの平面平行リンク（１）と、駆動装置（２）と、カバー（３）とを備え、平面平行リンク（１）はフィンガ（１ａ）を含み、カバー（３）に支持され、平面平行リンクは、固定板と、移動板と、駆動軸と、支持軸と、フィンガとを備え、固定板はカバー（３）に固定され、駆動軸および各支持軸は、固定板および移動板に、それぞれ軸受を介して接続し、駆動軸の駆動部に加わる力により、移動板が固定板に対して平行に運動し、駆動装置（２）は、駆動軸の駆動部を駆動することを特徴とするロボットハンド。【選択図】図１

Description

把持力センサを備え、密閉性に優れ、安全な形状を備えた多用途ロボットハンドに関する。

従来、部品の搬送などの単調な繰り返し作業に産業用ロボットが用いられて来たが、近年は、機械組立などの複雑な作業にも使用されるようになり、ロボットの多能工化が進んでいる。

そのため、部品や工具などを効率的に持ち替える必要があり、エンドエフェクタやロボットハンドの汎用性がますます重要となっている。

しかし、汎用性を効果的に実現することは容易ではなく、種々の方式が試みられているのが現状である（例えば文献１，文献２）。

特開２０１４―１８８６４６ 特開２０１７―１０４９６７ 特開２０１７―４７４８１ 特開２０１８―１２８１ 特開２０１３―２４０８４３ 特開２０１３―９１１２１

近年では、人と同じ生産ラインで使用される協働ロボットの普及が進んでおり、ロボットハンドにも上記の汎用性に加えて協働性が求められる。すなわち、巻き込みを検知するためのセンサを備え、鋭利で危険な突起などを排した安全な形状を備えること、望ましくは、衛生的な環境で使用できるよう、潤滑油等の飛散を防止する密閉性を備えることが求められる。

以上の問題を鑑み、把持力センサを備え、密閉性に優れ、安全な形状を備えた多用途ロボットハンドを提供することを課題とする。

図２は、本発明の基本的な機能を説明する図であり、親平行開閉機構（４）と、２つの子平行開閉機構（５，６）とを備え、親平行開閉機構の接続部（４ａ、４ｂ）はそれぞれの子平行開閉機構と接続し、子平行開閉機構の各接続部（例えば６ａ）はフィンガ（例えば７）と接続し、フィンガ（例えば７）は円筒形の把持面を備え、親平行開閉機構および子平行開閉機構は、フィンガが互いに長手方向の平行を保つように接続部（４ａ、４ｂ、例えば６ａ）を駆動することを特徴とするロボットハンドを示したものである。

接続部の駆動方法は公知の発明であってよく、典型的には文献４のように、直動アクチュエータがシャフト（本発明においては接続部）を左右対称に駆動する発明や、文献５の図５のように、平行リンク機構が把持爪を平行に移動させる発明であってよい。接続部の移動は対称でも独立でもよく、寸法やコストに応じて自由度を決定すればよい。

図３は把持の方法を下面視で示した図である。４本のフィンガの円筒形の把持面を対象物と外接させることで、様々な形状の対象物（イ）〜（ト）を把持することができる。親平行開閉機構および子平行開閉機構の接続部がそれぞれ対称に開閉するとき、すなわち、比較的自由度の少ない３自由度の構成であってもこれらの把持が実現できるため、効果的である。

図３（ト）に示すように４つのＶ溝面を設ければ特に強固な把持が可能となるため、手工具のグリップなどにこの形状を適用すれば、人の握力把持（手全体で包み込んで力強く把持する方法）と同じ効果を得ることができる。また、フィンガの寸法上、把持が難しい微細部品や細径部品を把持したいときは、例えば文献６のように受動機構を備えるツールを介して把持すれば、ハンド自体を交換する必要がなく効率的である。

フィンガの把持面は、接触面積を大きくするため、Ｄ形のように接触部分を平面としても良いが、内外の円筒面を把持（図３ホ、ヘ）するために、それぞれに接触する部分は少なくとも円筒面でなければならない。

ただし、フィンガの表面をゴムなどの柔軟な素材とすれば、接触部分の変形により接触面積が増し、肉厚をさらに増せば、曲面や凹凸や突起を含む不定形物の把持が可能となるため、必ずしも円筒面を含まなくてもよい。

特に、図４の断面図に示すように、柔軟な基材（８）で構成されるフィンガであって、円筒形の取付面（８ａ）と、その長手方向と同軸に整列する椀形の襞（ひだ）列（８ｂ）とを備え、対象物の把持による力で襞列が圧潰し、襞先端が対象物の突起に掛止することで滑りを防止することを特徴とするフィンガを用いれば、対象物の表面に襞列が倣うことで、不定形物を効果的に把持できる。

ただし、これらの発明にも課題が残り、例えば、平行開閉機構を直動機構で実施した場合、移動量を大きく取ることが難しいことから把持寸法が限られ、また、シール性が低いため衛生的な防塵防滴構造とすることが難しい。直動機構でなくとも、親平行開閉機構の接続部に加わる機械的な負担が大きくなることで剛性が低下する傾向があり、構造上、巻き込みの検知に多数のセンサが必要になり、経済性が低下する傾向もある。

そこで、図５に示すように、固定板（９）と、移動板（１０）と、駆動軸（１１）と、支持軸（１２，１３）とを備え、駆動軸（１１）はひずみゲージ（１４）を含み、駆動軸（１１）および各支持軸（１２，１３）は、固定板（９）および移動板（１０）に、それぞれ軸受（１５、１６、１７、１８、１９、２０）を介して接続し、駆動軸（１１）の駆動部（１１ａ）に加わる力により、移動板（１０）が固定板（９）に対して平行に運動することを特徴とする平面平行リンクを用いれば、図２に示したロボットハンドと同様のフィンガの動きが実現できる。

支持軸（１２，１３）の軸受（１７、１８、１９、２０）は球面軸受を用いれば単純に構成できるが、固定板（９）と移動板（１０）の平行運動を妨げないものであれば、ジンバル機構など種々の公知発明であってよい。また、カルダン継手などの自由継手を用いれば軸のねじれを規制することができ、ねじれ剛性を高めることができる。

駆動軸（１１）の軸受（１５、１６）も支持軸と同様に種々の軸受が利用できるが、図１３に示すように、駆動部（１１ａ）は固定板（９）または固定板を固定するカバー（３）を突出して容易に駆動できる形態でなければならない。

駆動部（１１ａ）を駆動する方法は、カム機構、空圧機構など公知の発明を用いればよく、例えば図６に示すように、ブロック（２１）と球面軸受（２２）とを備え、球面軸受（２２）はブロック（２１）に固定され、ブロック（２１）は固定板（９）と摺動自在に結合し、駆動部（１１ａ）は球面軸受（２２）の内輪と摺動自在に結合し、ブロック（２１）の平面運動が、駆動軸（１１）の回転運動に変換されることを特徴とする駆動装置を用いることができる。

球面軸受（２２）の代わりにジンバル機構を用いる場合は、各軸を個別に駆動する必要があるため、駆動部（１１ａ）が２つに分かれるが、駆動部（１１ａ）の平面運動を駆動軸（１１）の回転運動に変換するという作用効果においては特段の違いはない。

ひずみゲージ（１４）は、必要な数だけ設けることにより、直接的には軸受（１６）が駆動軸（１１）に加えるモーメントや軸力を検出することができる。固定板（９）以下の可動部分に加わるいずれの外力も、移動板（１０）を通して、結果的に軸受（１６）に伝わるため、ひずみゲージ（１４）は可動部分に加わる外力を効果的に検出することができる。したがって、把持力の測定だけでなく、巻き込みの検出においても有効である。

なお、図１４に示すように、平面平行リンクを３つ備える３指ロボットハンドを構成することもできるが、開閉機構という原理上、駆動系を対称構造とした方がよく、図３に示したような把持形態を実現したい場合、かえって駆動系が複雑化する傾向がある。

ただし、平面平行リンクの数にかかわらず、図１３ないし図１４に示したように、固定板（９）を含むカバー（３）によって、潤滑油等に汚染されやすい駆動装置と、清浄としやすい平面平行リンクとを分離できるため、密閉性や安全な形状の点で効果的である。

フィンガが平行を保ちながら運動する機構により、種々の把持物に対して効果的にフィンガを外接させ、把持することができる。平面平行リンクを用いる場合、ひずみゲージを把持力センサとして用いることができるほか、可動部分に加わる外力を検出する巻き込みセンサとしても使用することができる。さらに、駆動部分を筐体で完全に覆うことができ、平面平行リンク以外の可動部分が露出しない形状とすることができるため、安全の観点で効果的である。また、密閉性に優れるため、防塵防滴が必要な環境や、衛生環境での使用に適する。

本発明の基本的な構成を示した図である。 本発明の基本的な機能を説明する図である。 把持の方法を下面視で示した図である。 不定形物の把持に有効なフィンガ形態を示した図である。 平面平行リンクの基本構造を示した図である。 平面平行リンクの駆動方法を示した図である。 平面平行リンクの実施例を示した図である。 駆動装置の一部であり、第１の自由度を駆動する部分を示した図である。 第１の自由度を駆動する部分の断面図である。 駆動装置の一部であり、第２の自由度を駆動する部分を示した図である。 第２の自由度を駆動する部分の断面図である。 ブロックの構造を示した図である。 駆動軸の駆動部が突出した様子を示す図である。 平面平行リンクを３つ備える３指ロボットハンドの例を示した図である。

図１は、４つの平面平行リンク（１）と、駆動装置（２）と、カバー（３）とを備え、平面平行リンク（１）はフィンガ（１ａ）を含み、カバー（３）に支持され、駆動装置（２）は、平面平行リンクを駆動することを特徴とするロボットハンドの実施例を示したものである。

図７は、図１に示した実施例における平面平行リンクの詳細図であり、固定板（９）と、移動板（１０）と、駆動軸（１１）と、支持軸（１２，１３）とを備え、駆動軸（１１）はひずみゲージ（１４）を含み、駆動軸（１１）および各支持軸（１２，１３）は、固定板（９）および移動板（１０）に、それぞれ軸受（１５、１６、１７、１８、１９、２０）を介して接続し、駆動軸（１１）の駆動部（１１ａ）に加わる力により、移動板（１０）が固定板（９）に対して平行に運動することを特徴とする平面平行リンクの実施例を示したものである。

ステー（２３）は、支持軸（１２，１３）からそれぞれ突出したピン（１２ａ、１３ａ）を回転自在に結合し、移動板（１０）が固定板（９）に対してねじれる運動を規制するものである。

図８（断面図を図９に示す）は、図１に示した実施例における駆動装置の詳細図であり、説明を容易にするため、第１の自由度を駆動する部分だけを示したものである。この部分は対称構造をもつ開閉機構であって、左右ねじ（２４）と、フレーム（２５）と、歯車列（２６）とを備え、左右ねじ（２４）は、ベアリング（２７）とベアリングナット（２８）を介してカバー（３）と回転自在に結合し、中央に小歯車（２６ａ）を備え、フレーム（２５）のハウジング部分（２５ａ）は左右ねじ（２４）を滑動するナットを内蔵し、直動ベアリング（２９）に案内され、歯車列（２６）は、小歯車（２６ａ）と噛み合う大歯車（２６ｂ）と、大歯車（２６ｂ）を駆動する小歯車列（２６ｃ）とを含み、大歯車（２６ｂ）は、カバー（３）と回転自在に結合する回転軸（３０）に支持され、モータが小歯車列（２６ｃ）にトルクを印加すると、大歯車（２６ｂ）で合力され、小歯車（２６ａ）を同位相で駆動し、左右ねじ（２４）を回転させ、フレーム（２５）が開閉運動することを特徴とする機構である。

対称構造であるため、小歯車列（２６ｃ）およびそれを駆動するモータは２つあり、ひとつの大歯車（２６ｂ）で合力され、一対の左右ねじを同位相で駆動する。１自由度の機構であるが、モータを２個として対称構造とすることにより、装置全体の寸法が小さくなる効果がある。

図１０（断面図を図１１に示す）は、図１に示した実施例における駆動装置の詳細図であり、第２の自由度を駆動する部分のうち、前記フレーム（２５）に附帯する範囲のみ示したものである。第３の自由度を駆動する部分もこれと同じ構成であり、この部分も対称構造をもつ開閉機構であって、左右ねじ（３１）と、左ブロック（３２）と、右ブロック（３３）と、歯車列（３４）とを備え、左右ねじ（３１）は、ベアリング（３５）とベアリングナット（３６）を介してフレーム（２５）と回転自在に結合し、中央に小歯車（３４ａ）を備え、左ブロック（３２）と右ブロック（３３）はそれぞれ左右ねじ（３１）を滑動するナットを内蔵し、上側の直動ベアリング（３７）と下側の直動ベアリング（３８）に案内され、モータが歯車列（３４）にトルクを印加すると、それと噛み合う小歯車（３４ａ）と、左右ねじ（３１）とを駆動し、左ブロック（３２）と右ブロック（３３）とが開閉運動することを特徴とする機構である。

左ブロック（３２）と右ブロック（３３）は対称形をしており、例えば左ブロック（３２）は、図１２に示すように、下面に球面軸受（３９）を備え、図１１に示すように、この内輪（３９ａ）に、駆動軸（１１）の駆動部（１１ａ）が摺動自在に結合することで平面平行リンクを駆動することができる。

このような構成によれば３自由度の駆動装置が実現でき、図２に示したロボットハンドにおいて、開閉機構が対称の運動をする場合と同等の動作が実現できる。図７において、平面平行リンクの駆動軸（１１）は、軸受（１６）を中心とする回転運動をするため、移動板（１０）およびそれと結合するフィンガは、平行面と垂直な方向に変位するが、特にフィンガの把持面を円筒形とし、その長手方向を平行面と垂直な方向に整列した場合は、下面視ではフィンガが常に円形を保つため、図３に示した種々の把持を妨げない。

Claims (6)

1. 親平行開閉機構と、２つの子平行開閉機構とを備え、親平行開閉機構の接続部はそれぞれの子平行開閉機構と接続し、子平行開閉機構の各接続部はフィンガと接続し、フィンガは円筒形の把持面を備え、親平行開閉機構および子平行開閉機構は、フィンガが互いに長手方向の平行を保つように接続部を駆動することを特徴とするロボットハンド
2. ３以上の平面平行リンクと、駆動装置と、カバーとを備え、平面平行リンクは、固定板と、移動板と、駆動軸と、支持軸と、フィンガとを備え、固定板はカバーに固定され、駆動軸および各支持軸は、固定板および移動板に、それぞれ軸受を介して接続し、駆動軸の駆動部に加わる力により、移動板が固定板に対して平行に運動し、駆動装置は、駆動軸の駆動部を駆動することを特徴とするロボットハンド
3. 前記平面平行リンクを４つ備える３自由度ロボットハンドであって、前記駆動装置の第１の自由度を駆動する部分が対称構造をもつ開閉機構であって、左右ねじと、フレームと、歯車列とを備え、左右ねじは、ベアリングとベアリングナットを介してカバーと回転自在に結合し、中央に小歯車を備え、フレームのハウジング部分は左右ねじを滑動するナットを内蔵し、直動ベアリングに案内され、歯車列は、小歯車と噛み合う大歯車と、大歯車を駆動する小歯車列とを含み、大歯車は、カバーと回転自在に結合する回転軸に支持され、モータが小歯車列にトルクを印加すると、大歯車で合力され、小歯車を同位相で駆動し、左右ねじを回転させ、フレームが開閉運動することを特徴とする機構であって、前記駆動装置の第２ないし第３の自由度を駆動する部分も対称構造をもつ開閉機構であって、左右ねじと、左ブロックと、右ブロックと、歯車列とを備え、左右ねじは、ベアリングとベアリングナットを介して該フレームと回転自在に結合し、中央に小歯車を備え、左ブロックと右ブロックはそれぞれ左右ねじを滑動するナットを内蔵し、上側の直動ベアリングと下側の直動ベアリングに案内され、モータが歯車列にトルクを印加すると、それと噛み合う小歯車と、左右ねじとを駆動し、左ブロックと右ブロックとが開閉運動することを特徴とする機構であることを特徴とする前記請求項２に記載のロボットハンド
4. 前記駆動軸がひずみゲージを含むことを特徴とする、前記請求項２〜３のいずれかに記載のロボットハンド
5. 前記フィンガが円筒形の把持面を備えることを特徴とする、前記請求項２〜４のいずれかに記載のロボットハンド
6. 前記フィンガが柔軟な基材で構成されるフィンガであって、円筒形の取付面と、その長手方向と同軸に整列する椀形の襞列とを備え、対象物の把持による力で襞列が圧潰し、襞先端が対象物の突起に掛止することで滑りを防止することを特徴とする、前記請求項２〜５のいずれかに記載のロボットハンド