JP7393761B2 - 吸着グリッパ - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 ロボティクス・メカトロニクス講演会２０１９ 令和元年６月５日公開

本開示は、把持装置やロボットに備えられる吸着グリッパに関する。

日本の工場を取り巻く環境は、人口減少による労働不足の影響で、非常に厳しい状況にある。そのため、製造工程の自動化が進められているが、近年の多品種少量生産により多様化した部品を共通のツールで組み立てることは、挑戦的な課題である。

組立ツールにおいて部品を把持するのは、エンドエフェクタである。多様な物体を同一のエンドエフェクタで把持するために、剛性を変化させることができる機構をエンドエフェクタに搭載する方法が提案されている。

剛性可変機構の一例として、吸着グリッパの一種である袋グリッパ装置がある。袋グリッパ装置は、袋体の内部空間に剛性の切替えが可能な内容物を封入した構成のものである。袋グリッパ装置は、袋体を柔らかい状態のまま対象物体に押し付けることで形状に馴染ませ、内部を硬い状態に切替えて袋体の包込み形状を保持することで把持を実現する。

柔剛可変を実現する方法として、粉体を袋体に封入し真空引きしてジャミング転移させるものが提案されている。特許文献１における袋グリッパ装置は、袋体を半球状にして、対象物体への押付け力が粉体に伝わりやすくした。特許文献２における袋グリッパ装置は、円環状の袋体と、袋体の内側の吸引機構を具備し、対象物を袋体で把持しつつ吸引機構で吸着することで把持力を増大させた。特許文献３における袋グリッパ装置は、袋体へ空気を送るポートと空気を抜くポートを別の位置に配置し、袋体内でエアの流れを作ることで粉体の流動性を保つ機能を実現した。また他にも、袋体の内容物に磁性流体を使用し、磁力で柔剛を変化させる袋グリッパ装置（特許文献４）などが提案されている。

特許第５８２２１１０号公報 特開２０１８－７９５６１号公報 特開２０１３－８６１８５号公報 特許第６３８５０１４号公報

袋グリッパ装置の把持能力は、主に袋体の変形可能な容量に左右される。本開示は、袋体の変形可能な容量を増大することで、多様な物体を把持することのできる吸着グリッパを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示の吸着グリッパは、ワークを把持する吸着グリッパであって、孔部を有する固定部材と、前記孔部の中心軸方向において内部が連結されるように前記孔部を挟んで配され、前記内部に粉体または粒体と流体とを充填させた可撓性かつ気密性の複数の袋状部を含む把持部と、前記複数の袋状部を硬化させる硬化手段と、を有し、前記把持部は、前記複数の袋状部のうちいずれかの袋状部に前記ワークが接触して押しつけられると、その接触部分が前記ワークの形状にならって変形するとともに、この変形に伴い他の袋状部が膨張するように構成されることを特徴とする。

本開示の吸着グリッパによれば、多様な物体を把持することができる。

本開示の実施の形態１における吸着グリッパの側面概略図である。 本開示の実施の形態１における吸着グリッパがワークを把持した状態を示す側面概略図である。 本開示の実施の形態１における吸着グリッパの側面断面図である。 本開示の実施の形態１における把持システムの側面概略図である。 本開示の実施の形態１における把持システムの他の例における側面概略図である。 本開示の実施の形態２における吸着グリッパの側面断面図である。 本開示の実施の形態３における吸着グリッパの側面概略図である。 本開示の実施の形態３における吸着グリッパの側面断面図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本開示の実施の形態１における吸着グリッパ１４の側面概略図である。図１において、１は固定部材、２は把持部、２ａおよび２ｂは把持部２に含まれる袋状部、３は硬化手段、４はポート、５は接続部材である。

固定部材１は、把持部２の袋状部２ａおよび袋状部２ｂよりも高い剛性を有する材料で構成される。

把持部２は、袋状部２ａと袋状部２ｂの少なくとも２個の袋体から構成され、ポート４と接続される部分を除いて気密状態になるように密封され、粉体と空気とが充填されている。袋状部２ａ，２ｂは、可撓性を有し、ワークの形状に柔軟にならうことができる。袋状部２ａと袋状部２ｂは、後述するように、内部空間を共有している。

硬化手段３は、袋状部２ａまたは袋状部２ｂがワークに押し付けられ、ワークにならって包み込むように密着した後、袋状部２ａ，２ｂ内の空気を吸引し袋状部２ａ，２ｂ内の粉体のかさ密度を上げることで、袋状部２ａ，２ｂを硬化させる。このことで、袋状部２ａまたは袋状部２ｂはワークを包み込んだ状態で硬化し、その結果、本開示の吸着グリッパ１４はワークを把持することができる。

硬化手段３は、本開示の例では袋状部２ａ，２ｂに充填された流体が空気であるため真空ポンプであるが、これに限定されず、前記流体が水あるいは油である場合には液体ポンプであっても良い。使用する流体に合わせて、適当な硬化手段３を選択すれば良い。また、硬化手段は、本開示の例では袋状部２ａ，２ｂを減圧することで硬化させたが、袋状部２ａ，２ｂを以下のような方法で硬化させても良い。例えば、内部に流体が充填された袋体を、袋状部２ａ，２ｂの内側および外側のうち少なくとも一方に設ける。そして、袋体内部を加圧し、袋状部２ａ，２ｂの粉体が入っている部分の容積を小さくすることで、袋状部２ａ，２ｂを硬化させても良い。また、磁性粒子（粒体）を液体（流体）中に分散させた磁性流体（ＭＲ流体（Magneto Rheological Fluid））を、粉体と空気の代わりに袋状部２ａ，２ｂに充填する。そして、硬化手段としての永久磁石や電磁石で磁性流体に磁場を印加し、磁性流体の粘度を増加させることで、袋状部２ａ，２ｂを硬化させても良い。さらに、絶縁体の微粒子（粒体）を絶縁性の液体（流体）中に分散させた電気粘性流体（ＥＲ流体（Electrorheological Fluid））を、粉体と空気の代わりに袋状部２ａ，２ｂに充填する。そして、硬化手段としての電場印加部で電気粘性流体に電場を印加し、電気粘性流体の粘度を増加させることで、袋状部２ａ，２ｂを硬化させても良い。特に、磁性流体や電気粘性流体などの機能性流体を用いることで、宇宙空間などの真空環境下でもワークを把持することができる。

ポート４は、袋状部２ａ，２ｂの内部空間と接続されており、袋状部２ａ，２ｂ内の流体が出入りすることができるようになっている。この例では、ポート４は、固定部材１に設置されているが、これに限定されず、袋状部２ａ，２ｂに設置されていても良い。

接続部材５は、ポート４と硬化手段３を接続するものであり、この例では、中を流体が通ることができる管である。なお、接続部材５は、ポート４を兼ねても良い。この例では、固定部材１外に硬化手段３が設置されているが、固定部材１内に硬化手段３を設置する場合は、ポート４および接続部材５は設置しなくても良い。

図２は、本実施の形態１における吸着グリッパ１４がワークを把持した状態の側面概略図である。図２において、６はワークである。

袋状部２ａと袋状部２ｂは内部空間を共有しているため、ワーク６によって袋状部２ｂが固定部材１側に押し込められ、その押し込みによって袋状部２ｂの粉体および空気の一部が袋状部２ａに移動し、当該袋状部２ａが膨張している。この袋状部２ａの膨張により、袋状部２ｂの変形可能な容量が増大し、多様な物体を把持することが可能になる。このような状態において、吸着グリッパ１４は、硬化手段３によって袋状部２ａ，２ｂ内を減圧することでワーク６の把持を行う。また、吸着グリッパ１４は、袋状部２ａ，２ｂ内を大気開放することによってワーク６の把持を解除する。この例では、吸着グリッパ１４は袋状部２ａ，２ｂ内を大気開放することによってワーク６の把持を解除するが、これに限定されず、袋状部２ａ，２ｂ内を加圧することによって把持を解除しても良い。

袋状部２ｂをワーク６を押し付けた後、袋状部２ａ，２ｂ内を一旦加圧してから減圧すると、袋状部２ｂがワーク６により強く密着できるという効果がある。
袋状部２ａ，２ｂを減圧してワーク６を把持する場合の圧力は、例えばゲージ圧で－１００ｋＰａ程度である。袋状部２ａ，２ｂの硬化具合は、圧力の大きさによって調整することができる。
袋状部２ａ，２ｂを加圧してワーク６の把持を解除する場合の圧力は、高い方が袋状部２ｂのワークによる凹みの復帰が早くなる。
袋状部２ａ，２ｂを加圧する際は、袋状部２ａ，２ｂが塑性変形を起こさない圧力に留める。袋状部２ａ，２ｂが塑性変形を起こす圧力が印加される恐れがある場合は、接続部材５中に圧力弁を設けて、高過ぎる圧力を逃がすことができる構造にするのが望ましい。

ワーク６の形状は不定である。また、ワーク６は袋状部２ａ，２ｂを傷害しないものが望ましい。袋状部２ａ，２ｂを傷害するワーク６とは、例えば、袋状部２ａ，２ｂを溶解する薬品が塗布された物体、または、袋状部２ａ，２ｂを刺突し穴を開け、袋状部２ａ，２ｂの気密性を失わせ得る物体である。
この例では、袋状部２ｂによってワーク６を把持しているが、袋状部２ａによっても同様にワーク６を把持することができる。

図３は、本実施の形態１における吸着グリッパ１４の側面断面図である。図３において、７は孔部、８は粉体、９はフィルタである。

孔部７は、固定部材１の一部に設けられる貫通孔である。
袋状部２ａと袋状部２ｂは、孔部７の中心軸方向において、孔部７を挟んで袋状に配されている。袋状部２ａと袋状部２ｂは、それぞれ別々の袋体で構成される。袋状部２ａと袋状部２ｂは、孔部７側に開口した状態で、その開口端が固定部材１に例えば接着剤などにより固定されている。このことで、袋状部２ａと袋状部２ｂは、孔部７を介して、内部空間を共有することができる。また、袋状部２ａおよび袋状部２ｂのうち一方は、例えば、図２に示すように、ワーク６を孔部７の中心軸方向に押し付ける押付力によって、その接触部分におけるワーク６の形状にならって変形することができるとともに、他方は、この変形に伴い膨張することができる。
袋状部２ａ，２ｂには、粉体８と空気が充填されている。

孔部７の大きさは、吸着グリッパ１４をワーク６に押し付けた際に、固定部材１がワーク６に対する十分な反力を得られる程度に小さく、かつ粉体８が孔部７を通って自由に行き来できる程度に大きいものが、望ましい。
粉体８の形状が球形に近ければ、袋状部２ａ，２ｂ内での流動性が高くなり、袋状部２ａ，２ｂがワーク６の形状にならいやすくなるが、粉体８同士の表面摩擦が小さくなるので固化力は低下する。一方、粉体８の形状が起伏が大きくいびつな形をしていれば、粉体８同士の表面摩擦が大きくなるので固化力は大きくなるが、袋状部２ａ，２ｂ内での流動性が低くなり、袋状部２ａ，２ｂがワーク６の形状にならいにくくなる。そのため、ワーク６に合わせて粉体８の種類を選択するのが望ましい。例えば、粉体８は、挽いた珈琲の粉である。粉体８として珈琲の粉を用いることで、同径の他の粉と比較した場合、前述の表面摩擦と流動性という相反する特性のバランスを良くすることができる。流動性を高めるためには、粉体８を球体形状にする、粉体分量を下げるなどの方法がある。

固定部材１には、孔部７の内周面から固定部材１の外周面に延びる貫通孔１ａが設けられる。貫通孔１ａにおける孔部７と反対側の開口部には、ポート４が設けられる。このような構成により、硬化手段３は、接続部材５、ポート４、貫通孔１ａを介して、袋状部２ａ，２ｂ内の圧力を変化させることが可能になる。

フィルタ９は、貫通孔１ａにおける孔部７側の開口部を塞ぐように配されている。フィルタ９は、袋状部２ａ，２ｂ内の粉体８および流体が吸引された際に、流体のみを袋状部２ａ，２ｂの外へ通過させるために設置されている。なお、フィルタ９は、貫通孔１ａにおけるポート４側の開口部を塞ぐように配されても良いし、貫通孔１ａ内に配されても良い。

フィルタ９の強度は、袋状部２ａまたは袋状部２ｂをワーク６に押し付けた際の反力がかかっても、塑性変形しない強度であることが望ましい。
フィルタ９の目の粗さは、粉体８の径より十分小さいものである。ただし、粉体８が砕ける恐れがある場合は、硬化手段３が吸引しても当該硬化手段３が故障しない程度の粒径以下の粉体８のみを通すフィルタをフィルタ９として入れるか、あるいはそのようなフィルタを接続部材５の中に入れる必要がある。このとき、フィルタの目の粗さは例えば、５μｍである。

本実施の形態１に係る把持システムについて説明する。図４は、本実施の形態１における把持システムの側面概略図である。

吸着グリッパ１４は、ロボットアーム１０の手先部１２に搭載された取付金具１３に取り付けられている。ロボットアーム１０は、所定の可動範囲内で３次元的に移動し、かつ自由な姿勢をとることができる。ロボットアーム１０は、この例ではロボット支持台１１の上面に固定された垂直多関節ロボットであるが、これに限定されず、例えば、スカラロボットまたはパラレルリンクロボットであっても良い。

ワーク６は、この例では床面上に直接置かれているが、これに限定されず、例えば、容器などに入っていても良い。吸着グリッパ１４は、ワーク６の向きが一定でなくても、袋状部２ａまたは袋状部２ｂがワーク６の形状にならうことで、安定してワーク６を把持できる。
また、ワーク６同士が近接している場合には、対象とするワーク６と隣り合う別のワーク６をも同時に把持しないように、ロボットアーム１０を制御するのが望ましい。

硬化手段３は、ポート４と接続部材５によって接続されており、吸着グリッパ１４をロボットアーム１０でワーク６に押し付けた後、袋状部２ａ，２ｂ内を減圧して袋状部２ａ，２ｂを硬化させる。このことで、吸着グリッパ１４はワーク６の把持を行う。また、硬化手段３が袋状部２ａ，２ｂ内を大気圧まで戻すことによって、袋状部２ａ，２ｂを軟化させる。このことで、吸着グリッパ１４はワーク６の把持を解除する。
硬化手段３は、この例では床面上に設置されているが、袋状部２ａ，２ｂを硬化させたり軟化させたりする機能を損なわなければ他の場所でも良い。例えば、ロボットアームに固定する方法がある。
接続部材５は、例えば、ウレタンチューブである。この場合、ウレタンチューブ外径は、例えば、直径２０ｍｍ程度の袋状部２ａ，２ｂの場合、３ｍｍである。ウレタンチューブを太くすれば袋状部２ａ，２ｂの硬化の応答性を高くできるが、ウレタンチューブの曲げ半径が大きくなるので、その取り回しがより難しくなる。

図５は、本実施の形態１における把持システムの他の例における側面概略図である。本例では、２指グリッパ１５の２個の指先部１６に、それぞれ前述の吸着グリッパ１４を具備している。図５において、１７は掌部である。２個の指先部１６は、それぞれ２個ずつの関節部１８によって、掌部１７に対する位置を変更可能に構成されている。

２指グリッパ１５は、関節部１８を駆動してワーク６を指先部１６で挟み込み、各吸着グリッパ１４の把持部２の袋状部２ｂをワーク６の形状にならって変形させるとともに、この変形に伴い袋状部２ａを膨張させる。その後、硬化手段３が袋状部２ａ，２ｂを硬化させる。このことで、２個の吸着グリッパ１４がワーク６を把持する。また、硬化手段３が袋状部２ａ，２ｂを軟化させた後、２指グリッパ１５が指先部１６を開く。このことで、２個の吸着グリッパ１４がワーク６の把持を解除する。
この例では、把持を解除する際は袋状部２ａ，２ｂの形状を軟化させてから指先部１６を開くが、これに限定されず、吸着グリッパ１４単独の把持力でワーク６を把持できない場合には、指先部１６を先に開いてから、袋状部２ａ，２ｂの形状を軟化させても良い。

指先部１６に吸着グリッパ１４が具備されておらず、指先部１６が直接、ワーク６を把持する場合と比較すると、本実施の形態１における把持システムでは、２指グリッパ１５の把持力と吸着グリッパ１４の把持力の両方が単純に働くだけでなく、袋状部２ａ，２ｂがワーク６の形状にならうことで、より安定した把持が可能になる。
この例では、２指グリッパ１５の指先部１６にのみ吸着グリッパ１４が具備されているが、これに限定されず、例えば、掌部１７にも吸着グリッパ１４が具備されていても良い。掌部１７にも吸着グリッパ１４を取り付けた場合、指先部１６と掌部１７両方を用いてワーク６を握り込むことで、より安定して把持できる効果がある。
また、この例では、２指グリッパ１５に吸着グリッパ１４を取り付けているが、これに限定されず、３指以上の多指ハンドに取り付けても良い。

（実施の形態２）
図６は、本開示の実施の形態２における吸着グリッパ１９の側面断面図である。
本実施の形態２における吸着グリッパ１９の把持部２は、実施の形態１と同様に、孔部７の中心軸方向において、孔部７を挟んで配された２個の袋状部２ａ，２ｂを含んでいる。しかし、実施の形態２における２個の袋状部２ａ，２ｂは、実施の形態１と異なり、孔部７の内部を貫通して配される１個の袋体２ｃにより構成される。すなわち、本開示において、把持部２を構成する袋状部は、必ずしも分離した袋状の部材である必要はない。

本実施の形態２では、袋体２ｃには、孔が設けられ、当該孔を塞ぐようにフィルタ９が例えば接着剤などにより固定されている。フィルタ９が貫通孔１ａにおける孔部７側の開口部を塞ぐように配されることで、袋体２ｃは、孔部７を貫通するように配される。このような構成により、吸着グリッパ１９は、実施の形態１と同様に、硬化手段３が接続部材５、ポート４、貫通孔１ａ、フィルタ９を介して、袋状部２ａ，２ｂ内の圧力を変化させることで、ワークを把持したり、把持を解除したりすることが可能になる。

（実施の形態３）
図７は、本開示の実施の形態３における吸着グリッパ２０の側面概略図である。
本実施の形態３では、把持部２に含まれる袋状部の数が３個であることを除き、実施の形態１と同様である。３個の袋状部２ｄ、袋状部２ｅおよび袋状部２ｆは、固定部材１を挟んで片側２個（袋状部２ｄと袋状部２ｅ）、もう片側１個（袋状部２ｆ）がＹ字状に配置されている。

図８は、本実施の形態３による吸着グリッパ２０の側面断面図である。袋状部２ｄ、袋状部２ｅおよび袋状部２ｆは、それぞれ別々の袋体で構成される。固定部材１における袋状部２ｄ、袋状部２ｅおよび袋状部２ｆの開口部に対応する部分には、それぞれ孔７ａ、孔７ｂ、孔７ｃが設けられる。孔７ａ、孔７ｂおよび孔７ｃは、孔部７を構成し、互いに交わるようにＹ字型になっている。このことで、袋状部２ｄ、袋状部２ｅおよび袋状部２ｆは、孔部７を介して、内部空間を共有することができる。また、袋状部２ｄ、袋状部２ｅおよび袋状部２ｆのうち１個または２個の袋状部は、例えば、ワーク６が押しつけられると、その接触部分がワーク６の形状にならって変形することができるとともに、残りの袋状部は、この変形に伴い膨張することができる。

また、固定部材１には、孔部７とポート４とを連通する図示しない貫通孔が設けられる。このような構成により、吸着グリッパ２０は、実施の形態１と同様に、硬化手段３が接続部材５、ポート４、貫通孔を介して、袋状部２ｄ、袋状部２ｅおよび袋状部２ｆ内の圧力を変化させることで、ワークを把持したり、把持を解除したりすることが可能になる。

袋状部２ｄと袋状部２ｅは、固定部材１上で自由に配置することができる。これにより、例えば吸着グリッパ２０の周囲の部材との干渉を避けるように、袋状部２ｄと袋状部２ｅを配置することができる。ただし、孔部７の形状は、袋状部２ｄ～２ｆ間の粉体８の流動性を損なわないようにすることが好ましい。
同一側に配される袋状部２ｄと袋状部２ｅを、他方側に配される袋状部２ｆに対して小さな容積にすることで、吸着グリッパ２０の扁平化が可能になるという効果がある。
複数種類の大きさの袋状部２ｄ～２ｆを具備することで、小さいワーク６は小さな袋状部２ｄあるいは袋状部２ｅを用いて把持し、大きいワーク６には大きな袋状部２ｆを用いて把持するといった、ワーク６の種類に応じた使い分けができる。
吸着グリッパ２０を、等価な袋状部２ｄと袋状部２ｅと袋状部２ｆが、図７の側面視において３回対称な形状にすることで、その対称軸の回転方向１２０°ずつの３方向に対してワーク６の等価な把持が可能になる。

なお、実施の形態３における袋状部２ｄ、袋状部２ｅおよび袋状部２ｆは、実施の形態２における袋体２ｃのように、孔部７の内部を貫通して配される１個の袋体で構成されても良い。
また、実施の形態３における把持部２は、３個の袋状部２ｄ、袋状部２ｅおよび袋状部２ｆを含むが、これに限られず、例えば４個以上の袋状部を含んでも良い。例えば、固定部材１の上下左右に１個ずつ合計４個配置、あるいは、固定部材１の上下左右前後に１個ずつ合計６個配置でも良い。把持部２に含まれる袋状部は、孔部７を用いて内部空間を共有していれば良い。
実施の形態１～３において、袋状部２ａ，２ｂ，２ｄ，２ｅ，２ｆに粉体８の代わりに粒体を充填しても良いし、粉体８と粒体の両方を充填してもよい。
なお、実施の形態２における吸着グリッパ１９、および実施の形態３における吸着グリッパ２０は、実施の形態１にて例示した把持システムに適用することが可能である。

なお、上述した実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定するものではない。本開示はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内での全ての変更を含むものである。

本開示の吸着グリッパは、袋体の変形可能な容量を増大することで、より多種のワークを安定して把持する効果を有し、多品種少量生産等のＦＡの用途の他、配達ロボットなどサービスロボットにも適用できる。

１ 固定部材
１ａ 貫通孔
２ 把持部
２ａ，２ｂ，２ｄ，２ｅ，２ｆ 袋状部
２ｃ 袋体
３ 硬化手段
４ ポート
５ 接続部材
６ ワーク
７ 孔部
７ａ 孔
７ｂ 孔
７ｃ 孔
８ 粉体
９ フィルタ
１０ ロボットアーム
１１ ロボット支持台
１２ 手先部
１３ 取付金具
１４，１９，２０ 吸着グリッパ
１５ ２指グリッパ
１６ 指先部
１７ 掌部
１８ 関節部

Claims (4)

1. ワークを把持する吸着グリッパであって、
   孔部を有する固定部材と、
   前記孔部の中心軸方向において内部が連結されるように前記孔部を挟んで配され、前記内部に粉体または粒体と流体とを充填させた可撓性かつ気密性の複数の袋状部を含む把持部と、
   前記複数の袋状部を硬化させる硬化手段と、を有し、
   前記把持部は、前記複数の袋状部のうちいずれかの袋状部に前記ワークが接触して押しつけられると、その接触部分が前記ワークの形状にならって変形するとともに、この変形に伴い他の袋状部が膨張するように構成される、
   ことを特徴とする、吸着グリッパ。
2. 前記複数の袋状部は、前記孔部の内部を貫通して配された１個の袋体により構成される、
   請求項１に記載の吸着グリッパ。
3. 前記複数の袋状部は、前記固定部材に固定され、前記孔部を介して内部空間が連結された複数の袋体により構成される、
   請求項１に記載の吸着グリッパ。
4. 前記硬化手段は、前記複数の袋状部を減圧して硬化させる、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の吸着グリッパ。

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