DE102019212806A1

DE102019212806A1 - Roboterhand

Info

Publication number: DE102019212806A1
Application number: DE102019212806.8A
Authority: DE
Inventors: Ryou Matsumoto
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2019-08-27
Publication date: 2020-03-05
Anticipated expiration: 2039-08-28
Also published as: US11123877B2; JP6966401B2; US20200070353A1; JP2020032507A; DE102019212806B4; CN110871449A; CN110871449B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Roboterhand, umfassend: Greifabschnitte (7), die mit Abständen zueinander in Umfangsrichtung um eine Achse (A) angeordnet sind und ein Werkstück greifen; Antriebsabschnitte (8), von denen jeder entsprechend einem der Greifabschnitte (7) vorgesehen ist, bewirken, dass die entsprechenden Greifabschnitte (7) linear in Schließrichtungen bewegt werden, in denen die Greifabschnitte (7) nahe an die Achse (A) herangeführt werden, und in Öffnungsrichtungen, in denen die Greifabschnitte (7) von der Achse (A) weg bewegt werden; und eine Schwerpunkterfassungseinheit (3) erfasst eine Schwerpunktposition des Werkstücks, das von den Greifabschnitten (7) gegriffen wird. Jeder der Antriebsabschnitte (8) stellt, basierend auf der Schwerpunktposition des Werkstücks, die Position des entsprechenden Greifabschnitts (7) in eine Richtung ein, in der die Schwerpunktposition näher an die Achse herangeführt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Roboterhand.
Stand der Technik
Im Stand der Technik wird eine an einem Transferroboter befestigte Roboterhand entsprechend der Art des Werkstücks, das als Transferziel dient, gewechselt. Eine Roboterhand ist für jede Art von Werkstück in Übereinstimmung mit der Form und den Abmessungen des Werkstücks ausgelegt. Daher ist es notwendig, mehrere Arten von Roboterhänden herzustellen, was jedoch kostspielig ist. Insbesondere bei der Bearbeitung von Greifabschnitten mit dreidimensionalen Formen entsprechend den Formen der Werkstücke entstehen hohe Kosten. Die Lagerung vieler Roboterhände erfordert außerdem einen großen Platzbedarf.
Um solche Probleme zu vermeiden, wurden Roboterhände entwickelt, die mit verschiedenen Werkstücken umgehen können (siehe Patentdokumente PTL 1 bis 7).
Zitatliste
Patentliteratur

PTL 1: ungeprüfte Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2007-105878
PTL 2: ungeprüfte Japanische Gebrauchsmusteranmeldung, Veröffentlichungsnummer Sho 60-190591
PTL 3: ungeprüfte Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2011-18347474
PTL 4: ungeprüfte Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2005-14457575
PTL 5: ungeprüfte Japanische Gebrauchsmusteranmeldung, Veröffentlichungsnummer Sho 57-166690
PTL 6: ungeprüfte Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer Hei 02-298487
PTL 7: ungeprüfte Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer Hei 03-294197

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Die in den Patentdokumenten PTL 1 bis 7 beschriebenen Roboterhände sind in der Lage, eine Mehrzahl von Greifabschnitten wie Saugnäpfe oder Greiffinger relativ zueinander zu bewegen. Durch die Änderung der relativen Positionen der mehreren Greifabschnitte in Abhängigkeit von der Form und den Abmessungen eines Werkstücks ist es möglich, verschiedene Werkstücke mit unterschiedlichen Formen und Abmessungen mit derselben Roboterhand zu greifen. Da die Patentdokumente PTL 1 bis 7 jedoch die Schwerpunktposition eines Werkstücks nicht berücksichtigen, wenn ein Werkstück eine asymmetrische Form o.ä. aufweist, besteht ein Problem dahingehend, dass es schwierig ist, das Werkstück mit der Mehrzahl von Greifabschnitten auf stabile Weise zu greifen.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Umstände konzipiert, wobei es ein Gegenstand ist, eine Roboterhand bereitzustellen, die in der Lage ist, verschiedene Werkstücke mit unterschiedlichen Formen und Abmessungen auf stabile Weise zu greifen.
Lösung des Problems
Um den oben beschriebenen Gegenstand zu erzielen, stellt die vorliegende Erfindung die folgenden Lösungen bereit.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Roboterhand, die Folgendes umfasst: eine Mehrzahl von Greifabschnitten, die, mit Abständen zueinander, in Umfangsrichtung um eine vorbestimmte Achse angeordnet sind und die ein Werkstück greifen; eine Mehrzahl von Antriebsabschnitten, von denen jeder so vorgesehen ist, dass er einem der Mehrzahl von Greifabschnitten entspricht, die bewirken, dass die entsprechenden Greifabschnitte linear in Schließrichtungen bewegt werden, in denen die Greifabschnitte nahe an die vorbestimmte Achse herangeführt werden, und in Öffnungsrichtungen, in denen die Greifabschnitte von der vorbestimmten Achse wegbewegt werden; und eine Schwerpunkterfassungseinheit, die eine Schwerpunktposition des Werkstücks erfasst, das von der Mehrzahl von Greifabschnitten gegriffen wird, wobei jeder der Mehrzahl von Antriebsabschnitten, auf der Grundlage der Schwerpunktposition des von der Schwerpunkterfassungseinheit erfassten Werkstücks, die Position des entsprechenden Greifabschnitts in einer Richtung einstellt, in der die Schwerpunktposition näher an die vorbestimmte Achse herangeführt wird.
Die Roboterhand nach diesem Aspekt ist beispielsweise an einem Handgelenksflansch eines Roboters befestigt, wird durch den Betrieb des Roboters in einem Zustand, in dem die vorgegebene Achse im Wesentlichen vertikal angeordnet ist, von oben an das Werkstück herangeführt, und greift und gibt das Werkstück durch Öffnen und Schließen der Mehrzahl von Greifabschnitten frei. So werden beispielsweise Innenflächen des Werkstücks durch Öffnen der Mehrzahl von in einem zylindrischen Werkstück angeordneten Greifabschnitten gegriffen, wobei das Werkstück durch Schließen der Mehrzahl von Greifabschnitten freigegeben wird. Alternativ werden die Außenflächen des Werkstücks durch Schließen der Mehrzahl außerhalb des Werkstücks angeordneten Greifabschnitten gegriffen, wobei das Werkstück durch Öffnen der Mehrzahl von Greifabschnitten freigegeben wird.
In diesem Aspekt sind die Antriebsabschnitte individuell für die Greifabschnitte vorgesehen. Durch die Änderung der relativen Positionen der Mehrzahl von Greifabschnitten in Abhängigkeit von den Formen und Abmessungen der Innenflächen oder Außenflächen des Werkstücks ist es somit möglich, verschiedene Werkstücke mit unterschiedlichen Formen und Abmessungen zu greifen.
Die Schwerpunktposition des von der Mehrzahl von Greifabschnitten gegriffenen Werkstücks wird von der Schwerpunkterfassungseinheit erfasst, wobei die Positionen der einzelnen Greifabschnitte von den Antriebsabschnitten in die Richtungen eingestellt werden, in denen die Schwerpunktposition des Werkstücks näher an die vorbestimmte Achse herangeführt wird. In dem Zustand, in dem die Positionen der Greifabschnitte eingestellt wurden, werden Kraftmomente und Trägheitskräfte, die auf die Roboterhand wirken, durch die Verschiebung der Schwerpunktposition des Werkstücks in horizontaler Richtung von der vorgegebenen Achse reduziert. Dadurch ist es möglich, verschiedene Werkstücke mit kleineren Greifkräften auf stabile Weise zu greifen und eine Größenreduzierung der Roboterhand zu erreichen.
In dem oben beschriebenen Aspekt kann jeder der Mehrzahl von Antriebsabschnitten die Position des entsprechenden Greifabschnitts so einstellen, dass er sich an einer Position befindet, an der die von der Schwerpunkterfassungseinheit erfasste Schwerpunktposition des Werkstücks vertikal unterhalb der vorbestimmten Achse angeordnet ist.
In einem Zustand, in dem die Schwerpunktposition des Werkstücks senkrecht unter der vorgegebenen Achse angeordnet ist, werden in vielen Fällen die Kraftmomente und Trägheitskräfte, die auf die Greifabschnitte wirken, minimiert. Dadurch ist es möglich, das Werkstück mit minimalen Spannkräften zu greifen.
In dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann wenigstens einer von der Mehrzahl von Greifabschnitten so gelagert sein, dass er frei um die vorbestimmte Achse schwenkbar ist.
Bei dieser Konfiguration wird der wenigstens eine der Greifabschnitte passiv entlang der Formen der Innenflächen des Werkstücks geschwenkt, während er in Öffnungsrichtung bewegt wird. Alternativ wird der wenigstens eine der Greifabschnitte passiv entlang der Formen der Außenflächen des Werkstücks geschwenkt, während er in Schließrichtung bewegt wird. Dadurch ist es möglich, die Relativpositionen der Mehrzahl von Greifabschnitten entsprechend den Formen und Abmessungen der Innenflächen oder Außenflächen verschiedener Werkstücke flexibler anzupassen.
Der oben beschriebene Aspekt kann mit einem schwenkbaren Begrenzungselement versehen sein, das das Schwenken des wenigstens einen der Greifabschnitte um die vorbestimmte Achse innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs begrenzt.
In dem Fall, in dem es keine Einschränkung des Bereichs gibt, in dem die Greifabschnitte schwenkbar sind, kann die Mehrzahl der Greifabschnitte in einer vorgespannt Weise angeordnet sein. Durch die Einschränkung der Schwenkung der Greifabschnitte innerhalb des vorgegebenen Winkelbereichs mittels des schwenkenden Begrenzungselements ist es möglich, zu verhindern, dass die mehreren Greifabschnitte übermäßig vorgespannt angeordnet sind.
Positive Wirkungen der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, dass es möglich ist, verschiedene Werkstücke mit unterschiedlichen Formen und Abmessungen auf stabile Weise zu greifen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist ein schematisches Diagramm, das die Gesamtkonfiguration eines mit einer Roboterhand versehenen Robotersystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist eine perspektivische Ansicht, in der ein Handhauptkörper der Roboterhand gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von oben betrachtet wird.
3 ist eine Unteransicht, in der der Handhauptkörper in 2 von unten betrachtet wird.
4 ist eine perspektivische Ansicht, bei der eine im Handhauptkörper in 2 vorgesehene Greifeinheit von unten betrachtet wird.
5 ist ein Blockdiagramm der Antriebsabschnitte und einer Schwerpunkterfassungseinheit der Roboterhand in 2.
6 ist eine schematische Querschnittsansicht, die die Konfiguration eines schwenkbaren Stützmechanismus des Handhauptkörpers in 2 zeigt.
7A ist eine Draufsicht, die Positionen von drei Greifabschnitten in dem Zustand zeigt, in dem die Schwerpunktposition eines Werkstücks in horizontaler Richtung von einer Mittelachse des Handhauptkörpers verschoben ist.
7B ist eine Längsschnittansicht, die die Positionen der drei Greifabschnitte in dem Zustand zeigt, in dem die Schwerpunktposition des Werkstücks in horizontaler Richtung von der Mittelachse des Handhauptkörpers verschoben ist.
8A ist eine Draufsicht, die die Positionen der drei Greifabschnitte in einem Zustand zeigt, in dem die Schwerpunktposition des Werkstücks senkrecht unter der Mittelachse des Handhauptkörpers angeordnet ist.
8B ist eine Längsschnittansicht, die die Positionen der drei Greifabschnitte in dem Zustand zeigt, in dem die Schwerpunktposition des Werkstücks vertikal unter der Mittelachse des Handhauptkörpers angeordnet ist.

Beschreibung einer Ausführungsform
Eine Roboterhand 1 und ein Robotersystem 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Wie in 1 dargestellt ist, ist das Robotersystem 100 gemäß dieser Ausführungsform versehen mit: einem Roboter 30; der Roboterhand 1; und einer Steuerung 40, die den Roboter 30 und einen Handhauptkörper 1A der Roboterhand 1 steuert. Das Robotersystem 100 greift beispielsweise Werkstücke W, die von einem Förderer mit dem Handhauptkörper 1A nacheinander transferiert werden, und transferiert die Werkstücke W in vorgegebene Übergabepositionen.
Der Roboter 30 ist ein Roboter zum Transferieren der Werkstücke W, und ist beispielsweise ein vertikaler Knickarmroboter mit sechs Achsen (J1, J2, J3, J4, J5 und J6). Der Roboter 30 kann ein anderer Robotertyp sein, wie beispielsweise ein Parallelroboter. Der Handhauptkörper 1A ist an einem Handgelenksflansch 32 an einer Spitze eines Roboterarms 31 des Roboters 30 befestigt. Die Steuerung 40 ist mit dem Roboter 30 und dem Handhauptkörper 1A verbunden. Die Steuerung 40 steuert den Betrieb des Roboterarms 31, indem sie Robotersteuersignale an Servomotoren überträgt, die an Gelenken des Roboterarms 31 vorgesehen sind. Die Steuerung 40 steuert den Betrieb des Handhauptkörpers 1A, indem sie Handsteuersignale an den Handhauptkörper 1A sendet.
Die Roboterhand 1 ist mit dem Handhauptkörper 1A und einer Steuereinheit 1B versehen, die in der Steuerung 40 vorgesehen ist und den Handhauptkörper 1A steuert. Die 2 und 3 zeigen den Handhauptkörper 1A. Wie in den 2 und 3 ist der Handhauptkörper 1A versehen mit: einer Mehrzahl von Greifeinheiten 2, die, mit Abständen dazwischen, in Umfangsrichtung um eine vorgegebene Mittelachse A angeordnet sind; einem Kraftsensor (Schwerpunkterfassungseinheit) 3 zum Erfassen einer Schwerpunktposition G eines von der Mehrzahl von Greifeinheiten 2 ergriffenen Werkstücks W; schwenkbaren Stützmechanismen 4, die die einzelnen Greifeinheiten 2 so abstützen, dass sie frei um die Mittelachse A schwenkbar sind; und einem schwenkbaren Begrenzungselement 5, das das Schwenken der einzelnen Greifeinheiten 2 innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereichs mechanisch begrenzt. Das Bezugszeichen 6 kennzeichnet einen Handflansch, der am Handgelenksflansch 32 befestigbar/lösbar ist.
Beim Greifen und Transferieren des Werkstücks W ist die Mittelachse A des Handhauptkörpers 1A in vertikaler oder im Wesentlichen vertikaler Richtung angeordnet, der Handflansch 6 ist auf der Oberseite des Handhauptkörpers 1A angeordnet und die Greifabschnitte 7 (wird später beschrieben) der Greifeinheiten 2 sind auf der Unterseite des Handhauptkörpers 1A angeordnet. Im Folgenden ist in Richtung entlang der Mittelachse A eine Handflansch-6-Seite als Oberseite des Handhauptkörpers 1A und die dem Handflansch 6 gegenüberliegende Seite (Greifabschnitt-7-Seite) als Unterseite des Handhauptkörpers 1A definiert.
In dem Zustand, in dem der Handhauptkörper 1A am Handgelenksflansch 32 befestigt ist, ist die Mittelachse A des Handhauptkörpers 1A mit der Mittelachse (die sechste Achse J6 bei einem sechsachsigen vertikalen Knickarmroboter) des Handgelenksflansches 32 ausgerichtet. Die genannten Figuren zeigen den Handhauptkörper 1A mit drei Greifeinheiten 2. In der folgenden Beschreibung ist ein Fall beschrieben, in dem drei Greifeinheiten 2 vorgesehen sind. Die Anzahl der Greifeinheiten 2 kann jedoch nur zwei, vier oder mehr sein.
Jede Greifeinheit 2 ist mit dem Greifabschnitt 7 und einem Antriebsabschnitt 8 versehen, der den Greifabschnitt 7 linear bewegt.
Die Greifabschnitte 7 sind Abschnitte, die beim Greifen des Werkstücks W mit den Innenflächen des Werkstücks W in festen Kontakt kommen, und an den unteren Enden von Wellen 9 befestigt sind, die parallel zur Mittelachse A verlaufen, wie in 4 dargestellt ist.
Die Antriebsabschnitte 8 unterstützen die oberen Enden der Wellen 9, und bewirken, dass die Wellen 9 und die Greifabschnitte 7 in Schließrichtungen bewegt werden, in denen diese Komponenten nahe an die Mittelachse A herangeführt werden, und in Öffnungsrichtungen bewegt werden, in denen diese Komponenten von der Mittelachse A wegbewegt werden. Die Schließrichtungen und die Öffnungsrichtungen sind Richtungen, die orthogonal zur Mittelachse A liegen. Insbesondere sind, wie in den 4 und 5 dargestellt ist, die Antriebsabschnitte 8 versehen mit Schrittmotoren 10, Bewegungsumwandlungsmechanismen 11, die die Drehbewegungen der Schrittmotoren 10 in Linearbewegungen umwandeln, und Antriebssteuerschaltkreisen 12, die den Antrieb der Schrittmotoren 10 steuern. Zwischen den Schrittmotoren 10 und den Bewegungsumwandlungsmechanismen 11 können Reduzierer vorgesehen sein.
Die Schrittmotoren 10 werden um Drehwinkel entsprechend der Anzahl der von den Antriebssteuerschaltkreisen 12 eingegebenen Treiberimpulse (Anzahl der Impulse) gedreht. Die Beträge, um die die Greifabschnitte 7 linear bewegt werden und die Positionen, an denen die Greifabschnitte 7 gestoppt werden, werden über die Anzahl der Impulse gesteuert, die von den Antriebssteuerschaltkreisen 12 in die Schrittmotoren 10 eingegeben werden.
Wie in 4 dargestellt ist, ist jeder der Bewegungsumwandlungsmechanismen 11 ein Kurbelschleifenmechanismus, der mit einer Exzenterwelle 11a und einer Linearführung 11b versehen ist. Die Exzenterwelle 11a ist exzentrisch zur Drehachse des Schrittmotors 10 positioniert. In einem Endabschnitt eines Schiebers 11c, der sich auf der Linearführung 11b bewegt, ist ein Langloch 11d gebildet, das sich in einer Richtung erstreckt, die orthogonal zu den Führungsrichtungen der Linearführung 11b (Schließrichtung und Öffnungsrichtung des Greifabschnitts 7) verläuft, wobei die Exzenterwelle 11a in dem Langloch 11d angeordnet ist. Das obere Ende der Welle 9 ist am anderen Endabschnitt des Schiebers 11c befestigt. Durch die Drehung des Schrittmotors 10 um eine Drehachse wird die Exzenterwelle 11a um die Drehachse drehbar bewegt, die Drehbewegung der Exzenterwelle 11a wird in eine lineare Bewegung des Schiebers 11c umgewandelt, und somit die Welle 9 und der am Schieber 11c befestigte Greifabschnitt 7 linear bewegt.
Die Bewegungsumwandlungsmechanismen 11 können andere beliebige Mechanismen sein, die in der Lage sind, eine Drehbewegung in eine Linearbewegung umzuwandeln.
Die drei Antriebssteuerschaltkreise 12 erzeugen Ansteuerimpulse zum Bewegen der Greifabschnitte 7 in Öffnungsrichtung, einzeln, als Reaktion auf von der Steuereinheit 1 B übertragene Handsteuersignale für den Öffnungsvorgang, und liefern die Ansteuerimpulse einzeln an die Schrittmotoren 10. Dabei werden die drei Greifabschnitte 7 synchron zueinander in Öffnungsrichtung bewegt und öffnen so die drei Greifabschnitte 7.
Die drei Antriebssteuerschaltkreise 12 erzeugen einzeln Ansteuerimpulse zum Bewegen der Greifabschnitte 7 in Schließrichtung als Reaktion auf die von der Steuereinheit 1B übertragenen Handsteuersignale für den Schließvorgang, und liefern die Ansteuerimpulse einzeln an die Schrittmotoren 10. Dabei werden die drei Greifabschnitte 7 synchron zueinander in Schließrichtung bewegt und somit die drei Greifabschnitte 7 geschlossen.
Der Kraftsensor 3 ist zwischen den drei Greifeinheiten 2 und dem Handgelenksflansch 32 angeordnet. Der Kraftsensor 3 ist beispielsweise ein Sechs-Achsen-Sensor, der die Kräfte Fx, Fy und Fz in dreiachsigen (X-Achse, Y-Achse und Z-Achse), zueinander orthogonalen Richtungen und die Drehmomente Tx, Ty und Tz um drei Achsen (X-Achse, Y-Achse und Z-Achse) erfasst. Gemäß der Positionsbeziehung in horizontaler Richtung zwischen der Mittelachse A und der Schwerpunktposition G des Werkstücks W, das von den drei Greifabschnitten 7 gegriffen wird, ändern sich die Kräfte Fx, Fy und Fz und die auf den Kraftsensor 3 wirkenden Drehmomente Tx, Ty und Tz. Die Kräfte Fx, Fy und Fz und die vom Kraftsensor 3 erfassten Drehmomente Tx, Ty und Tz werden an die Steuereinheit 1B übertragen.
Die Steuereinheit (Schwerpunkterfassungseinheit) 1B berechnet die Schwerpunktposition G des Werkstücks W aus den Kräften Fx, Fy und Fz und den Drehmomenten Tx, Ty und Tz. Anschließend überträgt die Steuereinheit 1B die Handsteuersignale gemäß der Schwerpunktposition G des Werkstücks W an die Antriebssteuerschaltkreise 12 der einzelnen Antriebsabschnitte 8.
So berechnet beispielsweise die Steuereinheit 1B aus der Schwerpunktposition G des Werkstücks W optimale Positionen der einzelnen Greifabschnitte 7. Die optimalen Positionen der Greifabschnitte 7 sind in einem Beispiel Positionen, an denen die Schwerpunktposition G des Werkstücks W vertikal unterhalb der Mittelachse A angeordnet ist. So kann beispielsweise eine Tabelle, in der die Schwerpunktpositionen G der Werkstücke W und die optimalen Positionen der Greifabschnitte 7 einander zugeordnet sind, in einer Speichereinheit abgelegt werden (nicht dargestellt), wobei die Steuereinheit 1B die einer Schwerpunktposition G zugeordneten optimalen Positionen aus der Tabelle auslesen kann.
Die Steuereinheit 1B überträgt Handsteuersignale zum Bewegen der Greifabschnitte 7 in die jeweils optimalen Positionen an die Antriebssteuerschaltkreise 12. Die einzelnen Antriebssteuerschaltkreise 12 erzeugen die Ansteuerimpulse als Reaktion auf die Handsteuersignale, und liefern die Ansteuerimpulse an die Schrittmotoren 10. Dabei werden die drei Greifabschnitte 7 in die jeweils optimalen Positionen bewegt, wobei das Werkstück W von den drei Greifabschnitten 7 an der Stelle gegriffen wird, an der die Schwerpunktposition G senkrecht unter der Mittelachse A angeordnet ist.
Eine solche Steuereinheit 1B besteht aus einem Prozessor und einer in der Steuerung 40 vorgesehenen Speichereinrichtung. Mit anderen Worten, durch die Ausführung der Verarbeitung durch den Prozessor gemäß einem in der Speichereinrichtung gespeicherten Handsteuerprogramm werden die vorgenannte rechnerische Verarbeitung und die Steuerung des Handhauptkörpers 1A umgesetzt.
Die Steuereinheit 1B kann die Schrittmotoren 10 über die Antriebssteuerschaltkreise 12 in Richtungen steuern, in denen die Drehmomente Tx, Ty und Tz unter Überwachung der vom Kraftsensor 3 erfassten Drehmomente Tx, Ty und Tz verringert sind, und als optimale Positionen die Positionen der Greifabschnitte 7 berechnen, in denen die Drehmomente Tx, Ty und Tz Null oder im Wesentlichen Null sind. Wenn sich die Schwerpunktposition G des Werkstücks W der Mittelachse A in horizontaler Richtung nähert, verringern sich die vom Kraftsensor 3 erfassten Drehmomente Tx, Ty und Tz, und wenn die Schwerpunktposition G des Werkstücks W vertikal unterhalb der Mittelachse A angeordnet ist, werden die vom Kraftsensor 3 erfassten Drehmomente Tx, Ty und Tz Null.
Wie in 6 dargestellt ist, tragen die Schwenkstützmechanismen 4 die Greifeinheiten 2 frei schwenkbar um eine zur Mittelachse A koaxiale Mittelwelle 15. Ein Flansch 16 ist am oberen Ende der Mittelwelle 15 befestigt, wobei der Flansch 16 über den Kraftsensor 3 am Handgelenkflansch 32 des Roboters 30 befestigt ist.
Insbesondere die schwenkbaren Stützmechanismen 4 sind mit Platten 17 versehen, die von den Lagern 18 auf der Mittelwelle 15 unterstützt sind. 6 zeigt nur den schwenkbaren Stützmechanismus 4 eines der Greifabschnitte 7. Die Platten 17 erstrecken sich in Richtungen, die orthogonal zur Mittelachse A sind, die Greifeinheiten 2 sind an einem der Endabschnitte der Platten 17 befestigt, und in den anderen Endabschnitten der Platten 17 sind Löcher 17a vorgesehen, durch die die Mittelwelle 15 verläuft. Die Lager 18 sind zwischen den Innenflächen der Löcher 17a und der Außenfläche der Mittelwelle 15 angeordnet. Bei den Lagern 18 sind die Platten 17 und die Greifeinheiten 2 frei um die Mittelachse A schwenkbar gelagert, entsprechend den um die Mittelachse A wirkenden äußeren Kräften.
Vorspannelemente (z.B. Federn), die die Greifeinheiten 2 in vorgegebene Neutralstellungen vorspannen, können vorgesehen sein, so dass die einzelnen Greifeinheiten 2 beim Lösen der äußeren Kräfte in vorgegebene Neutralstellungen in Umfangsrichtung um die Mittelachse A zurückgesetzt werden.
Das schwenkbare Begrenzungselement 5 ist ein plattenartiges Element, das zwischen den Greifabschnitten 7 und den Antriebsabschnitten 8 in Richtung entlang der Mittelachse A angeordnet ist. Das schwenkbare Begrenzungselement 5 ist am unteren Ende der Mittelwelle 15 befestigt und in einer Richtung orthogonal zur Mittelachse A angeordnet. Wie in 3 dargestellt ist, weist das schwenkbare Begrenzungselement 5 an drei Stellen in Umfangsrichtung in gleichen Abständen drei Kerben 5a auf, durch die jeweils die Wellen 9 verlaufen. In einer Draufsicht, die in Richtung entlang der Mittelachse A betrachtet wird, weist jede Kerbe 5a eine im Wesentlichen dreieckige Form auf, in der ihre Breite allmählich zur Mittelachse A hin abnimmt, wobei sich einer der Scheitelabschnitte auf der Mittelachse-A-Seite befindet.
3 zeigt einen geschlossenen Zustand, in dem die drei Greifabschnitte 7 an Positionen angeordnet sind, die der Mittelachse A am nächsten liegen. Im geschlossenen Zustand sind die drei Wellen 9 an den Scheitelpunktabschnitten in den Kerben 5a angeordnet, die dem jeweiligen Ursprung entsprechen. In dem Zustand, in dem die Wellen 9 an den Ursprüngen (Scheitelpunktabschnitte) angeordnet sind, wird das Schwenken der Wellen 9 um die Mittelachse A durch das schwenkbare Begrenzungselement 5 verhindert, so dass die Wellen 9 nicht schwenkbar sind. Andererseits ist in einem Zustand, in dem die Wellen 9 außerhalb der Ursprünge (Scheitelpunktabschnitte) angeordnet sind, aufgrund der Kerben 5a mit Breiten, die größer sind als die Breiten der Wellen 9, ein Schwenken der Wellen 9 um die Mittelachse A innerhalb von Winkelbereichen zulässig, die durch die Breiten der Kerben 5a definiert sind.
Als nächstes sind die Arbeitsschritte der Roboterhand 1 und des so konfigurierten Robotersystems 100 anhand eines Beispiels beschrieben, in dem Werkstücke W mit gleicher Form und Abmessung kontinuierlich transferiert werden.
Durch Betreiben des Roboters 30 bewirkt die Steuerung 40, dass der Handhauptkörper 1A über ein Werkstück W bewegt wird, und ordnet den Handhauptkörper 1A in einer Haltung an, in der die Mittelachse A in vertikaler Richtung mit den Greifabschnitten 7 nach unten gerichtet angeordnet ist.
Anschließend bewirkt die Steuerung 40 durch Betreiben des Roboters 30 das Absenken des Handhauptkörpers 1A, in dem sich die drei Greifabschnitte 7 im geschlossenen Zustand befinden, und führt die drei Greifabschnitte 7 in das zylindrische Werkstück W ein. Als nächstes bewirkt die Steuereinheit 1B der Steuerung 40, dass die drei Greifabschnitte 7 die Innenflächen des Werkstücks W greifen, wie in den 7A und 7B dargestellt, indem die drei Greifabschnitte 7 des Handhauptkörpers 1A geöffnet werden (z.B. indem die drei Greifabschnitte 7 um den gleichen Abstand in Öffnungsrichtung bewegt werden). Anschließend bewirkt die Steuerung 40 durch den Betrieb des Roboters 30, dass der Handhauptkörper 1A und das Werkstück W angehoben werden.
In dem Zustand, in dem das Werkstück W von den drei Greifabschnitten 7 gegriffen wird, erfasst der Kraftsensor 3 die Kräfte Fx, Fy und Fz und die Drehmomente Tx, Ty und Tz durch die auf das Werkstück W wirkende Schwerkraft. Weiterhin berechnet die Steuereinheit 1B aus den Kräften Fx, Fy und Fz und den Drehmomenten Tx, Ty und Tz die Schwerpunktposition G des Werkstücks W, und berechnet die optimalen Positionen der Greifabschnitte 7 aus der Schwerpunktposition G des Werkstücks W.
Anschließend bewirkt die Steuerung 40, durch Betreiben des Roboters 30, dass der Handhauptkörper 1A und das Werkstück W in die Übergabeposition gebracht werden, und bewirkt, dass die drei Greifabschnitte 7 geschlossen werden. Dabei wird das Werkstück W von den Greifabschnitten 7 gelöst und an der Übergabeposition angeordnet.
Anschließend veranlasst die Steuerung 40 den Roboter 30 und den Handhauptkörper 1A, das nächste Werkstück W zu transferieren. Hier überträgt, wenn die Greifabschnitte 7 geöffnet sind oder nachdem die Greifabschnitte 7 das Werkstück W greifen, die Steuereinheit 1B der Steuerung 40 die Handsteuersignale zum Bewegen der Greifabschnitte 7 in die optimalen Positionen an die Antriebssteuerschaltkreise 12 der Antriebsabschnitte 8. Dabei wird das Werkstück W von den drei Greifabschnitten 7 gegriffen, so dass die Schwerpunktposition G des Werkstücks W senkrecht unter der Mittelachse A angeordnet ist, wie in den 8A und 8B dargestellt ist.
Die Berechnungen der Schwerpunktposition G des Werkstücks W und der optimalen Positionen der Greifabschnitte 7 dürfen nur durchgeführt werden, wenn das Werkstück W zum ersten Mal von den Greifabschnitten 7 gegriffen wird. Die einmal berechneten optimalen Positionen der einzelnen Greifabschnitte 7 werden in der Speichereinheit gespeichert (nicht dargestellt). Beim zweiten und nachfolgenden Greifen des Werkstücks W bewirkt die Steuereinheit 1B, dass die Greifabschnitte 7 in die in der Speichereinheit gespeicherten optimalen Positionen gebracht werden.
Alternativ können die Berechnungen der Schwerpunktposition G des Werkstücks W und der optimalen Positionen der Greifabschnitte 7 jedes Mal durchgeführt werden, wenn das Werkstück W von den Greifabschnitten 7 gegriffen wird. In diesem Fall können die Positionen der drei Greifabschnitte 7 schrittweise optimiert werden, während das Werkstück W wiederholt gegriffen, die Schwerpunktposition G erfasst und die optimalen Positionen berechnet werden.
Ein optischer Sensor, der die Lage des Werkstücks W erkennt, kann auf der stromaufwärts des Roboters 30 installiert sein, wobei die Lage des Werkstücks W zum Zeitpunkt der Erfassung der Schwerpunktposition G in Verbindung mit den optimalen Positionen der einzelnen Greifabschnitte 7 gespeichert sein kann. Die Steuereinheit 1B der Steuerung 40 kann die Lage des Handhauptkörpers 1A auf der Grundlage der erkannten Lage des Werkstücks W so steuern, dass die drei Greifabschnitte 7 das Werkstück W in der in der Speichereinheit gespeicherten Lage greifen.
Wie vorstehend beschrieben wurde, weisen die drei Greifabschnitte 7 bei dieser Ausführungsform jeweils Freiheitsgrade für zwei Bewegungsarten, nämlich lineare Bewegung und Schwenken, auf und sind unabhängig voneinander um die Mittelachse A frei schwenkbar. Daher werden beim Öffnen der drei Greifabschnitte 7 die einzelnen Greifabschnitte 7 in Öffnungsrichtung bewegt und dabei passiv um die Mittelachse A entlang der Formen der Innenflächen des Werkstücks W geschwenkt, nachdem sie mit den Innenflächen des Werkstücks W in Kontakt gekommen sind. Auf diese Weise besteht ein Vorteil dahingehend, dass es durch die Änderung der relativen Positionen der drei Greifabschnitte 7 entsprechend den Formen und Abmessungen der Innenflächen des Werkstücks W möglich ist, mit Hilfe der drei Greifabschnitte 7 verschiedene Werkstücke W mit unterschiedlichen Formen und Abmessungen der Innenflächen zuverlässig zu greifen.
Für den Fall, dass die Schwerpunktposition G des Werkstücks W von der Mittelachse A in horizontaler Richtung verschoben wird, wie in den 7A und 7B dargestellt ist, wird ein Kraftmoment M aufgrund der Schwerkraft im Werkstück W erzeugt, das von den Greifabschnitten 7 gegriffen wird, wobei Kraftmomente aufgrund dieses Kraftmoments auch auf den Handhauptkörper 1A und den Roboter 30 wirken. Durch die Verschiebung der Schwerpunktposition G von der Mittelachse A in horizontaler Richtung erhöhen sich die Trägheitskräfte, die auf den Handhauptkörper 1A und den Roboter 30 wirken. Dadurch werden die Greifabschnitte 7 benötigt, um größere Greifkräfte auszuüben, um das Werkstück W zu greifen.
Bei dieser Ausführungsform stellen die Antriebsabschnitte 8 die Positionen der drei Greifabschnitte 7 so ein, dass sie an den optimalen Positionen liegen, an denen die Schwerpunktposition G des Werkstücks W senkrecht unter der Mittelachse A angeordnet ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Kraftmomente und Trägheitskräfte, die auf den Handhauptkörper 1A und den Roboter 30 wirken, reduziert sind und es somit möglich ist, bei kleineren Greifkräften verschiedene Werkstücke W mit unterschiedlichen Formen und Abmessungen auf stabile Weise zu greifen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Größenreduzierung des Handhauptkörpers 1A erreicht werden kann.
Obwohl diese Ausführungsform in einem Fall beschrieben wurde, in dem Werkstücke W mit gleicher Form und Abmessung transferiert werden, ist es möglich, die Roboterhand 1 dieser Ausführungsform auf einen Fall anzuwenden, in dem Werkstücke W mit unterschiedlichen Formen und Abmessungen transferiert werden.
So erfasst beispielsweise der Kraftsensor 3 in einem Zustand, in dem das Werkstück W von den Greifabschnitten 7 gegriffen wird, die Kräfte Fx, Fy und Fz und die Drehmomente Tx, Ty und Tz, wobei die Steuereinheit 1B die Schwerpunktposition G des Werkstücks W und die optimalen Positionen der Greifabschnitte 7 berechnet. Die Steuereinheit 1B steuert die Antriebsabschnitte 8 und bewirkt, dass die drei Greifabschnitte 7 in die optimalen Positionen gebracht werden, wobei der Zustand, in dem das Werkstück W gegriffen wird, erhalten bleibt. Alternativ kann die Steuereinheit 1B, nachdem der Kraftsensor 3 die Kräfte Fx, Fy und Fz und die Drehmomente Tx, Ty und Tz erfasst hat, veranlassen, dass die Greifabschnitte 7 geschlossen werden, um das Werkstück W freizugeben, dass die Greifabschnitte 7 wieder geöffnet werden, und kann die Positionen der Greifabschnitte 7 so einstellen, dass sie sich beim Greifen des Werkstücks W an den optimalen Positionen befinden.
In dieser Ausführungsform kann, obwohl die Roboterhand 1 vom Innendurchmesser-Spannfutter-Typ ist, der die Innenflächen des zylindrischen Werkstücks W greift, die Roboterhand 1 alternativ vom Außendurchmesser-Spannfutter-Typ sein, der die Außenflächen des Werkstücks W greift.
Im Fall des Außendurchmesser-Spannfutter-Typs wird das Werkstück W durch Schließen der drei Greifabschnitte 7 in einem Zustand gegriffen, in dem die drei Greifabschnitte 7 außerhalb des Werkstücks W angeordnet sind, wobei das Werkstück W durch Öffnen der drei Greifabschnitte 7 freigegeben wird. Dabei werden beim Schließen der drei Greifabschnitte 7 die jeweiligen Greifabschnitte 7 in Schließrichtung bewegt und dabei passiv um die Mittelachse A entlang der Formen der Außenflächen des Werkstücks W geschwenkt. Auf diese Weise ist es durch die relative Positionsänderung der drei Greifabschnitte 7 entsprechend den Formen und Abmessungen der Außenflächen des Werkstücks W möglich, mit Hilfe der drei Greifabschnitte 7 verschiedene Werkstücke W mit unterschiedlichen Formen und Abmessungen der Außenflächen auf zuverlässige Weise zu greifen.
In dieser Ausführungsform kann, obwohl der zwischen dem Handgelenksflansch 32 und den drei Greifeinheiten 2 angeordnete einzelne Kraftsensor 3 die Schwerpunktposition G des Werkstücks W erfasst, alternativ jede Greifeinheit 2 mit einem Kraftsensor 3 versehen sein.
Auch bei einer solchen Konfiguration ist es möglich, die Schwerpunktposition G des Werkstücks W aus den Kräften Fx, Fy und Fz und den von den jeweiligen Kraftsensoren 3 erfassten Drehmomenten Tx, Ty und Tz zu berechnen.
In dieser Ausführungsform ist in der Steuerung 40 die Steuereinheit 1B vorgesehen, die die rechnergestützte Verarbeitung der Schwerpunktposition G des Werkstücks W und der optimalen Positionen der Greifabschnitte 7 sowie die Steuerung der Antriebsabschnitte 8 durchführt; alternativ kann die Steuereinheit 1B jedoch auch im Handhauptkörper 1A vorgesehen sein. Insbesondere können der Prozessor und die Speichereinheit, die zur Durchführung der oben beschriebenen rechnergestützten Verarbeitung und Steuerung erforderlich sind, im Handhauptkörper 1A vorgesehen sein.
In dieser Ausführungsform sind zwar alle Greifeinheiten 2 frei schwenkbar, alternativ müssen aber nur einige der Greifeinheiten 2 frei schwenkbar sein.
So können beispielsweise zwei der Greifeinheiten 2 frei schwenkbar und eine der Greifeinheiten 2 nicht schwenkbar sein. Da wenigstens eine der Greifeinheiten 2 frei schwenkbar ist, ist es möglich, die Relativpositionen der drei Greifabschnitte 7 flexibel entsprechend den Formen der Innenflächen oder Außenflächen des Werkstücks W zu verändern.
Obwohl diese Ausführungsform in einem Fall beschrieben wurde, in dem die Schwerpunktposition G des Werkstücks W innerhalb der drei Greifeinheiten 2 in horizontaler Richtung positioniert ist, ist es auch möglich, die Roboterhand 1 dieser Ausführungsform auf das Greifen des Werkstücks W anzuwenden, in dem die Schwerpunktposition G außerhalb der drei Greifeinheiten 2 in horizontaler Richtung positioniert ist. So kann beispielsweise die Roboterhand 1 mit den beiden Greifabschnitten 7 einen Endabschnitt des Werkstücks W in horizontaler Richtung greifen.
Da es in diesem Fall nicht möglich ist, die Schwerpunktposition G des Werkstücks W vertikal unter der Mittelachse A anzuordnen, sind die Positionen der drei Greifabschnitte 7 durch die Antriebsabschnitte 8 so eingestellt, dass die Schwerpunktposition G des Werkstücks W so nah wie möglich an die Mittelachse A herangeführt wird.
In dieser Ausführungsform, obwohl der Kraftsensor 3 vorgesehen ist, ist es nicht unbedingt erforderlich, den Kraftsensor 3 bereitzustellen, wenn die Schwerpunktposition G des Werkstücks W bekannt ist.
In diesem Fall können die optimalen Positionen der jeweiligen Greifeinheiten 2, an denen die Schwerpunktposition G des Werkstücks W mit der Mittelachse A ausgerichtet ist, in einer Speichereinheit gespeichert sein (nicht dargestellt), wobei die Antriebsabschnitte 8 bewirken können, dass die Greifabschnitte 7 in die in der Speichereinheit gespeicherten optimalen Positionen bewegt werden.
Bezugszeichenliste

1: Roboterhand
1A: Handhauptkörper
1B: Steuereinheit (Schwerpunkterfassungseinheit)
2: Greifeinheiten
3: Kraftsensoren (Schwerpunkterfassungseinheit)
4: schwenkbarer Stützmechanismus
5: schwenkbares Begrenzungselement
7: Greifabschnitt
8: Antriebsabschnitt
30: Roboter
31: Roboterarm
40: Steuerung
100: Robotersystem
A: Mittelachse (vorbestimmte Achse)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2007105878 [0004]
JP 60190591 [0004]
JP 201118347474 [0004]
JP 200514457575 [0004]
JP 02298487 [0004]
JP 03294197 [0004]

Claims

Roboterhand, umfassend: eine Mehrzahl von Greifabschnitten, die, mit Abständen zueinander, in Umfangsrichtung um eine vorbestimmte Achse angeordnet sind und die ein Werkstück greifen; eine Mehrzahl von Antriebsabschnitten, von denen jeder so vorgesehen ist, dass er einem der Mehrzahl von Greifabschnitten entspricht, die bewirken, dass die entsprechenden Greifabschnitte linear in Schließrichtungen bewegt werden, in denen die Greifabschnitte nahe an die vorbestimmte Achse herangeführt werden, und in Öffnungsrichtungen, in denen die Greifabschnitte von der vorbestimmten Achse wegbewegt werden; und eine Schwerpunkterfassungseinheit, die eine Schwerpunktposition des Werkstücks erfasst, das von der Mehrzahl von Greifabschnitten gegriffen wird, wobei jeder der Mehrzahl von Antriebsabschnitten, auf der Grundlage der Schwerpunktposition des von der Schwerpunkterfassungseinheit erfassten Werkstücks, die Position des entsprechenden Greifabschnitts in einer Richtung einstellt, in der die Schwerpunktposition näher an die vorbestimmte Achse herangeführt wird.
Roboterhand nach Anspruch 1, wobei jeder der Mehrzahl von Antriebsabschnitten die Position des entsprechenden Greifabschnitts so einstellt, dass er sich an einer Position befindet, an der die von der Schwerpunkterfassungseinheit erfasste Schwerpunktposition des Werkstücks vertikal unterhalb der vorbestimmten Achse angeordnet ist.
Roboterhand nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens einer der Mehrzahl von Greifabschnitten so gelagert ist, dass er um die vorbestimmte Achse frei drehbar ist.
Roboterhand nach Anspruch 3, weiterhin umfassend: ein schwenkbares Begrenzungselement, das ein Schwenken des wenigstens einen der Greifabschnitte um die vorbestimmte Achse innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs begrenzt.