JP2010524712A - 真空把持装置 - Google Patents

Abstract

把持器は、パッケージされ、加工され、あるいは原料のままのものを持ち上げるとともに保持するために、不規則で変形可能な加工中の製品をつかみ、素材ハンドリング、組み立て、パッケージング、および他のロボットおよび自動化された操作機能の目的で、前記加工中の製品を操作する。真空は、加工中の製品についての持ち上げ力を提供する柔軟把持フードを通じて、複数のポイントで誘導され、加工中の製品の迅速な移動を促進する。照明装置のアレイおよび分割されたミラーの二重リングアレイは、操作される前記加工中の製品に対しての前記把持フードの正確な位置合わせを確実なものとする、均一な照明を提供する。
【選択図】 図１

Description

本願は、２００７年４月２６日にファイルされた同時係属の米国仮出願番号６０／９２６，３２９に基づいて優先権を主張するものであり、本願の開示は参照によってここに組み込まれる。

本開示は、パッケージされ、加工され、あるいは原料のままであるかに関わらず、加工中の製品（work piece）を持ち上げるとともに保持すること、および、素材ハンドリング、組み立て、パッケージング、および他のロボットおよび自動化された操作機能の目的で、加工中の製品を操作することのために、不規則および変形しやすい加工中の製品をつかむ分野に関する。

ＩＳＯは、３本以上の軸でプログラムで制御できる、自動的に制御され、再プログラム可能で、多目的のマニュピレータとしての工業用ロボットを定義する。

工業用ロボットの動作制御は、精巧さおよび柔軟性において高いレベル達したが、ロボットシステムの最も決定的な要素に関する問題、末端作用器（effector）またはアームツーリング末端（end-of-arm-tooling）は、多くの工業セグメントにおいて、工業用ロボットの採用の妨げとなっている。

一般的な末端作用器は、溶接デバイス、塗料スプレー、グラインダおよびバリ取り装置、並びに、把持器（gripper)を含んでいる。末端作用器、また特に把持型は、しばしば非常に複雑であり、取り扱われる加工中の製品に適合するために非常にカスタマイズされている。末端作用器は、製品の設置、ハンドリング、および位置合わせにおいてロボットシステムを補助するためのさまざまなセンサを利用することができる。しかしながら、技術は、不規則な物体のハンドリング、および、広範囲の商業的な採用ために求められる、規模の経済を生じる使用の十分に幅広い種類のために適した把持装置の製造における特有の問題によって、この分野で立ち遅れている。

多くの解決策は、天然物を操作しようとして不足の副作用を導くといった、なお不十分なソフトウエアを有している。成功した工業ロボット実装としての重要な要素としてのマシン・ビジョン・ソフトウエアは、現実世界の工業環境において遭遇する不十分または不規則な光によって、しばしば制約される。このように、より好ましい把持装置が必要となっている。

開示される本装置は、処理されているか原料のままに関わらず、例えば、野菜、果物、豚肉、鶏肉および精肉または食品でないアイテム等、不規則および変形可能な加工中の製品をつかみ、持ち上げ、保持し、パックし、および移動させることができる。本装置は、素材ハンドリング、組み立て、パッケージング、および他のロボットのおよび自動化された操作機能を目的とする袋を操作することができる。本装置は、また、包装されたものを把持でき、または、空気透過性包装紙、または、十分な抵抗および高速ロボットハンドリングの結果、極端な加速力に抵抗する保持力を保証する外面の通気口が有ってもなくても、規則どおりに形成された物体を把持できる。

本装置は、ロボットアームによって操作される能力がある真空把持装置、および、把持器の位置決め情報を準備する光学システムから構成されている。上記把持器は、より確かに容易とするが、さまざまな寸法、形状、有効な現実世界のパック作業にとってのそれらの迅速な垂直および水平加速度での移動の広範囲の加工中の製品のハンドリングを可能とする穏やかな把持である。

適応できる行動によっては、上記装置は、上記把持器の力を封入された製品の最大領域を超えて均一に配する。上記装置は、そのままの状態で真空ハンドリングツールの機能を監視する方法を組み込んでいる。上記装置は、また、パッケージングまたは全てまたは部分的にのみ充填されている加工中の製品でもなくとも、袋詰め製品にとって、自動化装置ハンドリング能力を促進する。

上記把持装置は、基板に取り付けられた柔軟なフードを有する。上記フードは、膜および円周リップを含む。上記グリップ膜は、上記加工中の製品の表面および上記把持器の上記リップの間で生じる気圧の違いのために、加工中の製品の不規則な表面に従うことができる、例えば、シリコーンまたは軟熱可塑性混合物等の柔軟素材で製造されている。上記フードは、上記フードのリップは、上記膜ポリマーよりも高い融点温度を有するポリマーで成形されているところの、熱可塑性逐次成形プロセスによって成形されることができる。たいてい、これは、費用効率の高い方法であり、また、上記リップ膜および基部（base）の間の良好な結合を提供する。小さい柔軟チューブ（真空チャネルフィンガー）は、柔軟性把持フードを突き抜けるチャネルを形成させる。

上記基板は、真空ラインに対応する大きな中央開口を有している。通り抜ける柔軟チューブまたはフィンガーは端を開放する上記フードの長い壁を引き伸ばし、上記フードの壁は、上記フードの端での複数のポイント閉鎖器で把持力を提供するとともに、吸引力は、上記フードの頂点で中央開口にて生成される。食品関係への適用では、これらチューブは、成形品が上記チャネルの開放を中止した後に取り外すことができるが、高い真空レベルを生じているときにつぶれないように十分に硬いものである。これは、上記チューブおよび上記膜の間の層間剥離のリスク、および、加工中の製品またはパッケージングにおいて外来の物体の落下が付随する可能性を低減する。

エアフローは、最初に上記基板の枠の周りで開始される。上記リップが加工中の製品の上で位置決めされるまでエアフローはない。約８０％真空であれば、十分な真空レベルは、１秒の約１／１０で生成することができる。これは、加工中の製品および上記把持器のリップにおいて突然の衝撃を生成する。１秒の約５／１００内であれば、加工中の製品は、基板の枠に対して補足される。その点で、基板の回りのエアフローはブロックされ、また上記エアフローのみが柔軟チューブの下となる。これは、上記把持器のリップに、それが柔軟素材での形成であれば、加工中の製品の形状を変形させ、加工中の製品において複数の点で堅い接続をかたち作らせることになる。

上記の点で、加工中の製品の表面および把持器の膜の接触面の間でのギャップは閉じることになり、たいてい、高いエアフローはさらに必要でなく、低減した真空は、通常は、２０から４０パーセントで維持される。リップの枠の周りにおける低圧がない状態であれば、ロボット装置による加工中の製品の迅速な移動中で、当該加工中の製品は上記真空から自由となる。中央の開口部および周辺のチューブから構成される、上記把持器の大きな領域は、吸着カップの通常のセットのように働く。多くのケースでは、上記加工中の製品は上記フードに対して堅固なものとなり、約３００ｃｍ² の枠領域での把持器膜であれば、２０から１００キログラムのオーダーでの持ち上げ能力を提供するであろう。この大きな把持力は、ベルトまたは作業台（work surface）からロボット装置による加工中の製品の素早い加速度を促進するので、素材ハンドリングシステムの総合的な能率の重大に増加させる。

一般に、上記把持器は、１秒の約８／１００内で、一般の素材コンベヤベルトから加工中の製品を持ち上げることができ、加工中の製品に適用したときに、つるされた袋（それらは一端が縛られている）として構成されていれば、しばしば、９９％を超える成功率を伴う。上記把持器のデザインは、つるされた袋または平たい枕袋の代わりに異なる構造で最適化することができる。このような最適化では、上記把持器のリップの形状は、袋のさまざまなタイプに近接した形状およびリップの長さに適切に適合するように修飾される。多くの把持器の構造は、消費財および工業製品の標準的なパッケージングにおいて用いられる袋のさまざまなファミリーとして生成することができる。本システムは、操作されるパッケージングのタイプに対して適切なリップシステムに変更することによって、素早いカスタマイズを可能とするように、設定することができる。

３つの異なる技術は、本システムの相互作用制御を提供するために用いられてもよい。高真空センサは上記把持器を位置合わせする。このセンサは、前記基板上の圧力を検知し、位置合わせアームの移動に対して制御フィードバックを提供する。前に指摘したように、前記ギャップおよび柔軟周辺チューブをプラスした膜は、把持表面を配する大きな領域を提供する。本システムは、望ましくは、加工中の製品の迅速な移動、または、収容バッグが割れる前に、十分な把持を提供する。圧縮空気は、移動した後の加工中の製品の迅速な開放のために、上記基板または柔軟チューブにおいて真空開口を後退させることができる。このような正圧ラインは、主たる移動アーム内に備えることができる。

加工中の製品に関する把持器を正確な位置合わせを促進するために、本装置は、独自の照明およびカメラシステムを組み込んでいる。恒常またはストロボ可能な光源の円形アレイは、加工中の製品をもっていく経路についての明確な位置の上を、ロボット操作装置にサポートする。高いコントラストで一定の照明を提供すると、上記照明アレイを維持することでシステムの他の構成要素または汚染となる影響から分離される間、光源の上記アレイは、下側および１つ以上のミラーアレイに向かう外側を指している。このミラーアレイは、下側および加工中の製品の外周の回りの内側の光を反射するために、照明アレイの個別のソースで並んでいる。

この照明方法は、通常、照明およびコントラストの均一性を提供する。製品経路の上に位置するデジタルカメラは、ロボットアームに向かって移動するように、１以上の製品のイメージをそのとき撮影することができる。高速ストロボスコープ照明エレメントの使用は、加工中の製品が動いているときでさえ、はっきりした画像を実現することができる。上記カメラにより取り込まれた画像は、コンピュータに保存することができる。本装置は、プラットフォームまたは移動ベルト上の袋を的確かつ迅速に見つけるマシン・ビジョン・ソフトウエアを可能とする、包括的な画像取り込みシステムを組み込んでいる。製品の形状が変化に富んでいても、本システムは、寸法、形状、質感、色、および他の外見上の特徴における幅広い相違に適応することができる、
上記均一な照明は、寸法、形状、パッケージング技術、および他の要因に基づく加工中の製品モデルについて事前に保存された画像と比較することができる、高コントラストのデジタル画像を実現する。事前に保存された画像は、下降中の製品におけるその特定のタイプに対して、最適化された把持位置で結びつけることができる。公知の技術としての、視覚映像ロボット制御ソフトウエアを使用すれば、上記ロボットアームは、製品経路における加工中の製品の適応にかかわらず、最適化された位置において、加工中の製品をつかむための上記把持器を、そのとき位置合わせすることができる。この取り組みは、正確さおよび速度を増大させ、位置合わせにおける誤りから結果として生ずる停止時間および加工中の製品へのダメージを除去する。

本発明の装置における他の特徴および有利な点は、添付の図面とともに以下の詳細な説明から明らかとなるであろう；
図１は、本装置に組み込まれているパッキングシステムの第一方向斜視図を表している。 図１Ａは、本装置に組み込まれているパッキングシステムの第二方向斜視図を表している。 図２は、図１の本装置に組み込まれている光学照明およびカメラシステムの側面図を表している。 図２Ａは、図１の本装置に組み込まれている光学照明およびカメラシステムの平面図を表している。 図２Ｂは、図１の本装置に組み込まれている光学照明およびカメラシステムのワイヤフレーム斜視図を表している。 図３は、図１において示される本装置に対して、柔軟把持アセンブリおよび旋回アダプタの上面斜視図を表している。 図３Ａは、図３に示される柔軟把持アセンブリおよび旋回アダプタの底面斜視図を表している。 図４は、上記把持器アセンブリの分解図を表している。 図５は、０度の回転での上記把持アセンブリを保持するロボットアームの側面図を表している。 図５Ａは、１８０度の回転での上記把持アセンブリを保持するロボットアームの側面図を表している。 図６は、上記把持アセンブリの変更実施形態の斜視図を表している。 図６Ａは、図６の変更把持器デザインの底面図を表している。

提示する真空把持装置は、パッケージされ、加工され、あるいは原料のままであるかに関わらず、加工中の製品を持ち上げるとともに保持すること、および、素材ハンドリング、組み立て、パッケージング、および他のロボットおよび自動化された操作機能の目的で、不規則および変形可能な加工中の製品をつかむことに、適したものである。本装置は、また、前記加工中の製品に対して前記把持器の精密な位置合わせのために当該加工中の製品を照明するものである。

真空吸引力は、前記把持器へのホースを通じて接続され、電子的に動作される高速および高真空流量バルブを備えている吸引タンクから発生される。前記把持器アセンブリは、前記加工中の製品の上に前記把持器を位置合わせする触覚および／または視覚フィードバックを組み込んだ、同時コンピュータ化コントローラによって制御されることができるロボットアームを用いて移動される。本装置１００は、本分野技術において公知のマシン・ビジョン・ソフトウエアを有する視覚位置合わせシステムを含んでいる。

図１および１Ａは、ロボット素材ハンドリング装置１００を描写している。本装置は、コンベヤまたは作業台（work surface）１１０が通過する支持フレームワークを有している。加工中の製品１１４は、前作業台の上に置かれるか、作業台に沿って輸送される。本装置は、把持アセンブリ１３０を取り付けたロボットアーム１２４を用いて、コンテナ１２０内に加工中の製品を置いている。前記把持アセンブリは、前記コンテナ内へ、前記加工中の製品を持ち上げ、操作し、移動し、そして置くとともに、前記コンテナは、そのときに、コンベヤトラック１３２に沿って本装置から離れるように輸送されてよい。本装置１００は、前記把持器アセンブリ１３０に対して真空ライン１３６を通じて吸引または真空力を提供するための真空ポンプ１３４を含んでいる。前記真空ラインにおける真空力は、バルブ１３８によって調整されてよく、そして当該真空ラインは、フィルタ１４０を含んでもよい。デジタルカメラ１４４、光源アレイ１４６、および反射ミラーの二重アレイ１４８は、前記作業台の上で前記加工中の製品を探すために用いられる。

図２、２Ａおよび２Ｂは、光学照明およびカメラシステム１６０を描写している。光源、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）１６６のリング等は、作業台１１０の上に取り付けられている。ＬＥＤアレイ１６６は、優れた識別のために、周囲の光よりも異なる波長の光を用いてよい。前記光の波長は、前記加工中の製品上における要素（例えば、袋またはパッケージ上のデザイン要素等）と、当該加工中の製品の縁、および、コンベヤまたは作業台１１０との間にコントラストを機体するために、変更されてよい。ＬＥＤアレイおよびカメラ１４４は、前記システムが、例えば、食品ハンドリング産業において要求されるような清浄性または消毒性のためのそれらの操作の間または間隔で、加工中の製品上で用いられる洗浄システムの流れまたはスプレー等、前記光学システムに敵意が抱かれる（hostile to）環境でなければ、効果的に作業できるために、密閉された筐体中におかれてよい。

前記視覚システム１６０は、ミラー１７２の２つの分割されたリング１７０を用いている。ＬＥＤ１６６からの光線１７４は、加工中の製品１１４の大きな高度距離の上で、均一な照明を提供するために、両方のリングから反射される。このような前記２つのリング配置におけるミラーの静電アレイは、この技術で知られている、マシン・ビジョン・ソフトウエアによって処理するためのデジタルフォーマットのカメラによって捕らえられる視覚情報の普遍的な情報源を提供することができる。前記アレイにおける前記ミラーの数および位置合わせまたは角度を変化することができる上に、異なる使用のために独立して最適化されたシステムの法外な値付を避けるために、単一の最適化されたシステムが、使用の広い多様性のために維持されることを可能とするために、うまく近似させればよい。最適化されたシステムを提供するために、二重リング配置は、単純な１つのアレイ配置を含む、先行技術を超える優位性を提供する。

前記アレイにおける前記ミラー１７２は、同心であり、かつ、照明における光学的な副作用を避けるために、高い位置に整列される。なぜなら、袋または他の加工中の製品１１４は、垂直軸の周囲を回転することができるため、本システム１６０は、方向性にかかわらず同じ画像を実現するために、全ての角度から照明を提供している、前記ミラーアレイ１７０は、主として形状、寸法、袋のデザインまたはグラフィックスの独立の一般的な解決方法、および、作業の経路に沿って前記加工中の製品の方向性を提供する。前記アレイは、また、マシン・ビジョン・ソフトウエアの広い範囲での光学的出力の使用、および、予めプログラムされた制限の外側の過剰なデータで、前記ソフトウエアに過重負担をかけないようなシステムを促進する。前記ミラー１７２は、破損または腐食に対する抵抗性を要因とすれば、環境の広い多様性において用いられるステンレススチールであればよい。

図３、３Ａおよび４は、基板１８２へ取り付けられた柔軟フード１８０を含む、柔軟把持器アセンブリ１３０を描写している。一つの実施の形態では、旋回アダプタ１８４は、前記基板およびルツール中央付着ポイント１８８の間に取り付けられる。一つの実施の形態では、把持器フード１８０は、再び挿入されている予め成形された部分、および、元の部分の周りに形成される新しい素材の層を可能とする、外側被覆プロセスを用いて製造されている。これは、本技術において知られているように、前記リップ膜および前記基板の間の良好な結合を提供するコスト面で効率的な方法である、前記フード１８０の前記リップ１９０が、前記フードの膜１９２に用いられるポリマーよりも高融点を有するポリマーで成形されているときには、熱可塑性の順次成形プロセスの適用によって行われてよい。

中央開口部１９４は、真空ポート１９８を通じた前記把持器アセンブリ内に形成されている真空を可能とするために、前記基板１８２および把持器アセンブリ１３０を貫通している。把持器アセンブリ１３０は、前記ツール中央付着ポイント１８３を用いて、ロボットアーム１２４へのツール中央付着部で連結されるように構成されている。前記把持器アセンブリは、当該把持器アセンブリが前記真空ポートと独立して回転可能とするように、旋回アダプタ１８４を用いて前記ロボットアームに接続されてよい。この選択肢は、真空ホース１３６または他の制御ラインの動作なしに操作されることで、前記把持器アセンブリおよび加工中の製品１１４の回転動作を可能とし、それゆえ、摩耗および素材の疲労を軽減する。

真空（低圧）が、前記加工中の製品の表面に、リップ１９０の内部表面を、堅固にしかしおだやかに付着するようにさせるであろうから、その空気動力学の法則および空気流が生成する十分な力の引き付けと十分に近接するように、前記把持器フード膜１９２は、例えば、加工中の製品１１４の不規則な表面に従うことを可能とする、シリコーンまたは軟可塑性ブレンド等の柔軟素材で製造されている。この方法により、前記加工中の製品の密閉された表面および前記リップの間の気圧の違いが生じるであろうことから、２つの接合面の間の最初の漏出ギャップ（真空流れが加えられる前）は、閉じるであろう。前記把持器の内部で低圧が強まるにつれて、前記膜１９２の予測できず、かつ、非原因的（無秩序の）な変形を避けるために、ｆを前記膜の水平湾曲とすれば、前記膜の前記水平湾曲は、微分係数ｄ（ｆ（シータ，ｚ）／ｄ（シータ）の規定を満足することによって、決定されることが望まれる。シータは、単調な垂直の回転軸の周囲の回転の角度であり、微分係数（ｆ（シータ，ｚ）／ｄ（ｚ）は、頂点および下方の点でｚ＝０としたとき、Ｓ型関数として知られる、コサイン形状の１周期になじんでいる連続的な関数である。

前記領域は、前記把持器アセンブリ１３０が付着しているロボットアーム１２４において、自然力である重力を合算した、運動軌道の通常の面を投影し、前記把持器アセンブリの比例保持力を決定するであろう。前記把持器膜１９２のプロファイル形状は、望ましくは、この領域を最大化するために最適化され、それで前記把持器保持能力がまた最適化される。この原理は、くらげの形状およびたこの吸引空洞から導入されている。

図３Ａおよび４に描写するように、チャネル２０４を通じて突き出た開放末端を有する、柔軟真空チャネルチューブまたはフィンガー２００は、前記把持器フード３００において形成される。前記真空チャネルフィンガーは、前記把持器フード内に一体的に成形されてよいし、また、前記フードまたは前記基板１８２に接続されている、分離された独立したチャネルとして形成されてよい。本実施の形態において、図４に描写するように、底基板アセンブリ２０８は、前記基板１８２に接続されており、この底基板アセンブリは、前記把持器の内部において、通常「浮いて」おり、前記膜の内部およびそれからフィンガー２００に向かって、真空力を排するに有効である。

吸引は、前記フード１８０の頂点で中央開口部１９４にて、そして、また、前記把持器アセンブリの縁により近づく複数のポイントで把持力を提供するための柔軟吸引チャネルフィンガー２００を通じて、真空ポンプ１３４によって生成される食品関係の適用では、前記真空フィンガーは、前記チャネル２０４をそのままとしている成形状態が開放した後に剥がれればよいが、高真空レベルが生成されたときに崩壊しないように、十分に固いものとなっている。結節２１４は、崩壊に対して防御するための前記チャネル２０４と高圧レベル下での密閉との間における前記把持器アセンブリに、加えられるか、成形されればよい。これは、前記フィンガー２００および前記膜１９２の間の層間剥離、および、処理中での前記加工中の製品における付随する落下の可能性のリスクを限縮する。

空気流は、最初、前記基板１８２の前記リップ１９０の周りに導入される。前記加工中の製品１１４の上に位置している、リップまでの空気流は、通常、ほとんどないか全くない。真空ポンプ１３４または８０％真空に至るまでの生成を可能とする他のソースであれば、前記加工中の製品の最初の把持を準備するための十分な真空レベルが、約１秒の１／１０で生成されることができる。これは、前記加工中の製品および前記把持器アセンブリ１３０のリップ１９０での突然の衝撃を生成する。前記加工中の製品の１秒の約５／１００内であれば、前記基板の前記リップに対して補足される。

そのとき、前記基板１８２の周りの空気流は、前記基板に対して境界を接している前記加工中の製品１１４によってブロックされ、このような吸引空気流は、真空チャネルフィンガー２００を通過する。これは、柔軟素材で形成されている前記把持器膜１９２を前記加工中の製品の一般的な形状に変形させることになる。これは、航空機の翼にくわえられる流体力学の同様の法則にしたがって、高い真空空気流によって生成される抗力に起因して、通常、前記加工中の製品の上で、複数の点に堅い接続を生成する。

閉鎖された容積からの空気の逃げは、当該閉鎖された容積および周囲の雰囲気の間の圧力の違いを発展する。この閉鎖された容積が、前記フード膜１９２の表面および加工中の製品１１４によって束縛されれば、雰囲気の圧力は、２つの物体をともに押し付ける。前記表面領域に依存する保持力の量は、前記２つの物体および前記真空レベルによって共有される。工業的な真空システムにおいては、真空ポンプまたは真空生成器は、圧力の違いを生成するためのシステムから空気を除去している。

なぜなら、コンテナからの全ての空気分子を除去することは不可能ではないとしても難しいため、完全な真空は達成することができない。それゆえ、時間の単位につき、より多くの空気を除去するにつれて、前記気圧の違いは増加し、そして、真空力の可能性は大きくなっていく。通常の現実世界における非理想的な作業状況の適用では、容積速度（リットル／秒において）は、吸引カップおよびサンプルの間でどのような重大な漏れが存在しても、真空レベルにおける望ましくは極端に短い時間の上昇と、実際に保持される真空との両方の決定的要因であるだろう。この状況においては、前記真空レベルΔｐは、オームの法則の空気力学的類似モデルによって決定され、

は、前記容積ポンピング速度であり、Ｒは、真空システムｄｔにおける全体の空気力学的抵抗である。望ましくは、Ｒは、真空部分、接続、および、適切な寸法のフィンガーを選択することによって最小化される。本装置１００においては、流れにおける前記抵抗は、本発明の全ての部分が通常、排気されるように、最小化されるべきである。密閉された真空の比率がどのようなものであっても、流れの抵抗を表すとともに負の測定圧力と同等とみなす、部分的な真空を保持する。理想的な真空カップに対しては、前記保持力は

によって決定される。このとき、
Ｐ_atm＝周囲の気圧（Ｐａ）
Ｐ_vac ＝真空気圧（Ｐａ）
Ａ_c ＝真空カップ領域（ｍ² ）
である。例えば、０．４bar （40000Ｐａ）の真空レベルでの０．３ｍ² の容積は、ロボット動作によって加速されない１．２ｋＮ、または、１２０ｋｇを与え、どのような安全マージン要因を与えないのであれば、高速工業ロボットの通常の４Ｇ加速度を想定すれば３０ｋｇとなる。

ゆるくパッケージされた袋の物体における高い力学的およびカオス的なふるまいを原因として、検討は、ロボットによるサンプルの高速、高加速ハンドリングを達成するために必要な抵抗力の範囲に関してなされる。前記加工中の製品１１４が、液体物質を含んでいるときには、特別な注意が、正確な配置（コンピュータ視覚技術を用いて）および信頼できる袋材料の特性、を確実とすることについて必要とされる。これらの決定は前記状況に固有であるが、本技術で知られた方法によって解決することができる。要求される真空力は、垂直および水平の両方で決定されることができ、そして、平行軸構造でのＳＣＡＲＡ（選択的準拠アセンブリロボットアーム）ロボット配置で直ちに適用され、このＳＣＡＲＡロボット配置は、通常、より小さなフットプリントを要求するとともに単純な取り付けのために準備される、比較デカルトシステムよりもより早くよりクリーンなものとなっている。明確なロボットの場合では、力学ベクトル決定は、水平方向から離れての回転を確実とするために行われ、そして、位置方向の迅速な変更が評価として獲得される。

加工中製品１１４を持ち上げるときに、垂直力要件は、

で決定することができる。このとき、
ａ_lift＝持ち上げ加速度
ａ_g＝重力加速度
Safety Factor usually（通常安全要因）＝水平持ち上げに対して４
である。同じく、獲得する水平力要件は、

で決定することができる。全ての垂直ロボット軸からの直線加速度成分および全ての回転から由来する遠心性寄与の両方をαが含んでおり、２つの安全要因は、水平方向移動に対して一般に加えられる。乾き摩擦は

によって与えられる。さらに、摩擦係数μ_dry は、力学的および静電摩擦の振る舞いの両方を複合しており、通常、前記把持器および前記物体の両方の速度の違いが０に等しいとき最大となる。なぜなら、乾き摩擦λ_dry は、現実世界の振る舞いにおいて実際には限定されるので、安全像倍率が示されるためである。これら要因のレベルは、堅い加工中の製品に基づいて、商業的な吸引カップの供給メーカーによって経験的または実験的に導き出されており、前記吸引カップの付着表面の接触表面に、幾何学的に適合している。

加工中の製品１１４が前記フード１８０の内部表面へ密接に従わない接触表面を有していることに対して、基本の真空持ち上げ公式は、通常、使用可能なモデルを提供せず、そして、経験による安全要因が適用されなければならず、実用的に達成可能でない真空需要を導く。このようなシナリオは、食品および非食品の両方である、自然の生産物の分野で見出される。また、袋に予めパックされた商品、例えば、ポテトピローバッグ等は、純粋に、基本的な真空持ち上げ原理および公式を満足するために明確にされる。このような予めパックされた袋の形の多様性は、無限大でなくても、理論上は、非常に大きくなっている。

基本真空吸引カップの原則を適用しての予めパックされた商品をつかむことは、ロボットハンドリングに関してより難しい課題を導き出す。前記力は、重力加速度を十分に上回る、前記ロボットアーム１２４による前記把持アセンブリ１３０の加速度を原因とする前記袋に適用される。高い基礎能力が、これらの領域におけるハンドリング処理に要求される−使用者の投資の還元に直接関係するような、それら速度に基づいている価値−ことを原因として、本装置１００は、処理スピードにおける中央焦点にて設計されるべきである。それは、袋の強度および前記加工中の製品をパックしたものに損傷を与える危険性の原因に対して、加速度の可能性の最大範囲を活用することを意味する。本装置は、前記把持アセンブリを備えているロボット器具を用いることから、この要求される加速度および高い投資の還元を生成する高速能力を提供する。

多くのパッケージングスキームの落とし穴を避ける選択肢の一つは、真空パッケージを用いることである。
これは、他に対する転倒からパッケージされた商品を阻止することができる上に、適切な入れを維持することを支援することができるが、また、トータルコストが高くなり、動作がより遅くなる。本装置１００は、前記真空パッケージング手法に特有の不便さおよび追加的なコストを伴わずにハンドリングすることにおいて、同様の正確さを可能とする。複数の商品を含むゆるい袋から構成される加工中の製品１１４を取り扱う必要性は、共通した現実世界の適用（例として、袋詰めされたポテト）であるが、計量学および装置の互換的な理解のための必要性を生成させ、この必要性は、本装置により取り組まれる。

確かな作業環境においては、例えば、鶏の胸肉または鶏の全身等の前記加工中の製品１１４は、水平方向の作業スペースまたはコンベヤからつまみ上げられ、フックまたはコーンで垂直につるされなければならない。このような場合には、水平方向から垂直方向への再方向設定は、前記ロボットアーム１２４によって行われなければならない。ロボットアームが垂直方向につるす場合の伝統的な配置においては、これは、しばしば、少なくとも５つの軸での操作を要求する。

図５および５Ａに描写するように、本装置は、他の選択肢となる手法を提供する。前記ロボットアーム１２４は、垂直方向からの角度４５度でつるすことができ、前記把持器アセンブリ１３０は、前記付着表面２１８および前記膜１９２の前記枠２２０の間で、４５度傾斜で取り付けられることができる。これは、旋回アダプタ１８３を用いることで、前記把持器アセンブリ１３０の単純な回転によって、垂直方向から垂直方向の再方向設定の提供について有利な点を有する。結果としての設計は、４つの軸のみで操作することを設計している、複合構造の程度がより低くかつ高額の程度もより低いロボットアームを用いての水平方向から垂直方向への再方向設定を提供する。図５は、水平方向および垂直方向の間の４５度角度で前記把持器アセンブリの軸を設けている、前記把持器アセンブリ１３０を描写しており、図５では、前記把持器アセンブリは０度回転に回転し、それゆえ、前記加工中の製品１１４の水平方向におけるつまみ上げまたは開放のために、前記把持器アセンブリを位置合わせしている。図５Ａは、１８０度回転で回転する前記把持器アセンブリ１３０を描写しており、それゆえ、図５において描写される、水平方向におけるつまみ上げ位置から前記ロボットアーム１２５の方向設定を変化することなしに、前記加工中の製品１１４の垂直方向つまみ上げまたは開放のための前記把持器アセンブリを位置合わせしている。

図６および図６Ａに描写するように、前記把持器フード１３０は、前記フードの内部に十分に延びる、前記真空フィンガー２００を備えるよう設計することができる。この実施の形態によれば、前記フードは、サイドヒップ２３０を含み、パックされている前記全体の加工中の製品１１４を覆うために膨らむには小さすぎる寸法の枠２２０を有している。真空力が前記フードの内部に与えられ、そして、リムが前記加工中の製品に接触するために入るときには、前記フードは、より大きな膜のそれと同等でなくても同様の変形を生成するように、前記加工中の製品について変形することを結果として生じる。前記真空フィンガーは、そのとき、持ち上げを支援するために、前記加工中の製品を把持する位置にある。本設計は、また、前記把持器アセンブリ１３０の内部に補足されるという、ゆるいスキンまたは袋ホイル、あるいはその他のこのような素材におけるリスクを低減することができ、それゆえ、複合体開放シナリオを生成する。

本装置１００の第一の目的は、持ち上げの生成に関係し、ロボット操作による空間的なハンドリングのための加工中の製品１１４への力を保持することであるが、原則として、本方法は、本把持方法の段階で制御している実際のオペレータによって推進することができる。代わりに、オペレータの連係制御または自動制御も可能である。

把持器アセンブリ１３０からの進行および貯蔵可能な耐用年数データを得るために、ＲＦＩＤ（高周波識別）チップが、前記把持器アセンブリまたは前記ロボットアーム１２４に直接付着または取り付けられてよい。このＲＦＩＤタグは、本技術で知られているように、受動的または活動的なタイプのいずれであってもよいし、もし、設備の一つが、ハンドリングまたはパッケージ作業の異なるタイプに対する複数の異なる把持機を用いるよう構成されても、付着された作業のための正当な把持器アセンブリを前記オペレータへ保証するとともに情報提供するために用いられてよい。

前記把持器アセンブリ１３０は、電子信号としてのレベルの測定に変換し、即時の真空レベルを検出してフィードバックするセンサを用いた、カラーキネマティック変換器を装備してもよい。この信号は、そのとき、複数色彩ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）、または、照明ポリマーで推進してもよい。所定の位置で、このタイプの光学フィードバックシステムを伴えば、導入、サービスまたはオペレートスタッフは、前記把持器アセンブリの即時の真空レベル（握力）を観察することができ、そして、システムの最適化、トラブルシューティング、または他の目的についてこの視覚フィードバックを適用してもよい。

人間の目および人間の視覚的解釈速度は、通常、例えば、デジタル数字ディスプレイを読む等の他の測定システムよりも優れている。ロボットパッケージシステムによって用いられるとともに適用に関係する速度の範囲は、相対的に高く、カラーキネマティックフードバックは、通常の標準的なディスプレイを上回る即時監視能力を提供する。前記把持器アセンブリ１３０または前記旋回アダプタ１８４からもたらされるＬＥＤフィードバックという事実は、また、指示器および前記把持器の実際の働きを同時に観察することを可能とする。

前述した実施の形態は、不規則な物体をつかんで放すことに適応されているが、本原理は、また、同様に、単純または堅い物体にも有効である。前記把持器アセンブリ１３０によって効果的につかんで輸送されることができる加工中の製品１１４のタイプは、例えば袋詰めされた果物および野菜、キャンディ、石炭、または、豆炭等の個別のアイテムを含む袋、袋中の粒上の製品、および、原料のまま、または、処理された鶏肉、魚または肉の切り身等のパッケージされた物体の広い多様性を含んでいる。本装置１００は、また、しばしば、前記リップ１２０のむしりとり力（tear strength）およびツール部およびマニュピレータの堅さのみによって、相対的に重い加工中の製品でさえも、高速および高加速度で、ハンドリングすることを可能とする。前記把持器アセンブリは、１５キログラム以上の重さがある商品で成功裏に試験されているが、実用上の限界は、現実的には、より一層重いものに現れるだろう。

本装置１００は、ゆるく袋詰めされた素材を含む、加工中の製品１１４のために用いることができるが、本質的な設計は、幾何学的に異なる加工中の製品であっても同様に適用される。このように、本発明は、先行技術を超えるいくつかの有利な点を有する。この明細書に記載されるとともに図面に描写されている発明が、ここに提示する発明の異なる実施の形態を生成するために修飾されてもよいことは、本技術の当業者にとって明らかである。本発明の複数の実施の形態が説明され描写されているが、さまざまな修飾および変更は、本発明の精神および範囲から逸脱しない限り、本技術の当業者によってなされることができる。

Claims (27)

1. 不規則な物体をつかんで放すことに適している真空把持装置であって、当該装置は、
   把持器であって、
   統一された柔軟把持フードであって、第一中央開口部の周囲に形成され、リップによって取り囲まれた所定の形状の外周を有する基部であって、当該リップは、当該基部の外周の周りに広がっているとともに、所定の変形プロファイルを実現する、概して余弦形状カーブに従う外周枠の下側に広がっている基部と、前記フードへ形成される複数のチャネルであって、それぞれのチャネルは、前記第一中央開口部および前記リップの下から、前記枠から所定の間隔へ、半径方向に外側に向かって通過しているチャネルと、前記チャネルのそれぞれが***により近接したチャネルから分離しているために、前記フードおよび加工中製品の間の圧力の違いが生成したときに、前記リップおよび枠が不規則な形状の加工中製品に従う順応性を有する、十分に柔軟である前記リップと、を含む前記把持フードと、
   前記フードの基部に取り付けられ、第二中央開口部を有するリップ基部と、
   第一および第二中央開口部を貫通する真空ラインと、
   それぞれのフィンガーが、個別の一つの前記チャネルに取り付けられることによって前記把持フードへ貼られている、近接側および先端側の末端をそれぞれ有する、複数の柔軟中空チューブ状真空チャネルフィンガーと、
   を備える把持器と、
   前記把持器が接続され、ツール中央ポイントを有するロボットアームであって、前記把持器を近接した前記加工中製品に位置あわせするための触覚および視覚フィードバックを組み込んでいる同時コンピュータ化されたコントローラによって制御可能となっているロボットアームと、
   第一および第二末端を有し、当該第一末端は、前記第一および第二開口部を通じて前記フィンガーの近接側末端に連通しており、当該第二末端は、真空源に接続され、かつ、第一中央開口部に近接する前記把持フード内の吸引力を提供するとともに、前記フィンガーの先端側の末端へ前記真空ホースを通じて吸引力を提供し、その結果、前記把持フードの前記リムに近接する複数のポイントで吸引把持を可能とするために適合しており、それによって、前記真空力の吸引大多数の最初の適用が、前記第一開口部を通じて加えられ、前記加工中製品の位置を前記第一開口部へ移動することを引き起こし、前記真空力が、前記フィンガーを通じて導かれるとすぐに、その結果、前記フードを、前記加工中製品の表面について変形するようにさせ、前記加工中製品の表面に従うようにさせる、少なくとも一つの真空ホースと、
   前記真空ホースにおける吸引レベルを制御する、電子的動作高速および高真空流量バルブと、
   ロボットアーム位置情報を提供する光学システムであって、当該光学システムは、
   前記加工中製品を照明する複数の発光ダイオードと、
   前記加工中製品の均一な照明を提供するために、前記発光ダイオードからの光を反射する、複数の分割されたミラーのリングと、
   前記加工中製品における所定の画像情報を記録するための対物レンズを有するカメラと、
   前記カメラによって捕らえられた画像を格納するメモリと、を備え、
   そして、前記発光ダイオードは、前記加工中製品の画像を撮る前記カメラを許可する前記ミラーを通じて、前記加工中の製品を照明し、不規則な加工中製品の幾何学的特徴は、前記画像から抽出されるとともに、類似の特徴および所定の把持オフセット位置を有する、予め定義された幾何学的モデルと比較された後に、それによって、前記ロボットアームは、通常、所定のオフセット位置に対して前記把持器を整列させるために、方向を合わせられ、
   安全な保持力が、前記吸引力によって実現され、その上、前記保持力を監視するとともに、もし保持力が所定のレベル以下に下がると応答するために、前記コントローラへ信号を送るセンサと、を備えている、真空把持装置。
2. 前記リップ基部に接続されているとともに、前記フードの外周の内部に浮いている底板をさらに備えている、請求項１に記載の装置。
3. 前記第一開口部の充填から前記加工中製品のゆるい部分を妨げるために前記リップ基部内へ形成されている障害物をさらに備えている、請求項１に記載の装置。
4. 把持されるための前記加工中製品に近接している把持器を位置合わせするためのフィードバックを組み込んでいるロボットアームに対する同時コンピュータ化されたコントローラをさらに備えている、請求項１に記載の装置。
5. 前記ロボットアームおよび前記は時期の間に取り付けられ、前記真空ホースの回転無しに、所定の軸について前記把持器の回転を可能とする、旋回アダプタをさらに備えている、請求項１に記載の装置。
6. 前記真空ホースにおいて真空力のレベルを制御するバルブをさらに備えている、請求項１に記載の装置。
7. 前記発光ダイオードが、所定の波長のスペクトルを有している、請求項１に記載の装置。
8. 第一中央開口部の周囲に形成され、柔軟リップによって取り囲まれた所定の形状の外周を有する基部であって、当該リップは、前記基部の外周の周りに広がっているとともに、外周枠の下側に広がっている基部と、前記第一中央開口部および前記リップの下から、前記枠から所定の間隔へ、半径方向に外側に向かって通過している複数のチャネルと、前記フードおよび加工中製品の間の圧力の違いが生成したときに、加工中製品に従う順応性を有する、前記リップおよび枠と、を備える柔軟把持フードと、
   前記フードの基部に取り付けられ、第二中央開口部を有するリップ基部と、
   第一および第二中央開口部を貫通する真空ラインと、
   それぞれのフィンガーが、個別の一つの前記チャネルに取り付けられることによって前記把持フードへ貼られている、近接側および先端側の末端をそれぞれ有する、複数のチャネルフィンガーと、
   前記把持器に接続されたツール中央ポイントを有するロボットアームと、
   前記第一および第二開口部を通じて前記フィンガーの近接側の末端に連通するとともに、前記真空源に接続され、かつ、前記第一中央開口部に近接する前記把持フード内に吸引力を提供するとともに、前記フィンガーの先端側の末端へ前記真空ホースを通じて前記吸引力を提供し、その結果、前記把持フードの前記リムに近接する複数のポイントで吸引把持を可能とするために適合されている少なくとも１つの真空ホースであって、それによる適用においては、真空力が最初に第一開口部を通じて加えられ、前記真空力が前記フィンガーに沿って導かれた後に、前記加工中製品の位置を前記第一開口部へ移動することを引き起こし、その結果、前記フードを、前記加工中製品の表面について変形するようにさせ、前記加工中製品の表面に従うようにさせる真空ホースと、
   を備える、真空把持装置
9. 前記フードは、所定の変形プロファイルを実現する、概して余弦形状カーブに従う外周枠の下側へ向かって移広がっている、請求項８に記載の装置。
10. 前記チャネルのそれぞれが***により近接したチャネルから分離している、請求項８に記載の装置。
11. 前記フィンガーは、前記フードチャネルの中へ一体的に密着している、請求項８に記載の装置。
12. 前記リップ基部に接続されているとともに、前記フードの外周の内部に浮いている底板をさらに備えている、請求項８に記載の装置。
13. 前記第一開口部の充填から前記加工中製品のゆるい部分を妨げるために前記リップ基部内へ形成されている障害物をさらに備えている、請求項８に記載の装置。
14. 把持されるための前記加工中製品に近接している把持器を位置合わせするためのフィードバックを組み込んでいるロボットアームに対する同時コンピュータ化されたコントローラをさらに備えている、請求項８に記載の装置。
15. 前記ロボットアームおよび前記は時期の間に取り付けられ、前記真空ホースの回転無しに、所定の軸について前記把持器の回転を可能とする、旋回アダプタをさらに備えている、請求項１５に記載の装置。
16. 前記真空力を監視するとともに、もし保持力が所定のレベル以下に下がると応答するためのセンサをさらに備えている、請求項８に記載の装置。
17. 前記真空ホースにおいて真空力のレベルを制御するバルブをさらに備えている、請求項８に記載の装置。
18. 前記加工中製品を照明する光源と、
    前記光源からの光を反射するとともに、前記加工中製品を照明するための、少なくとも１つの分割されたミラーのリングと、
    前記加工中製品における所定の画像情報を記録するための対物レンズを有するカメラと、
    を備えている光学システムをさらに備えている、請求項８に記載の装置。
19. 前記ミラーは、同心ミラーの静電アレイとして形成されている、請求項１８に記載の装置。
20. 前記光は、反射を回避するとともにコントラストを最大化するための急角度で、前記加工中製品を当てるために、前記ミラーによって反射される、請求項１８に記載の装置。
21. 前記光源は、前記加工中製品の画像を撮る前記カメラを許可するために前記加工中製品を照明し、前記加工中製品の幾何学的特徴は、前記画像から抽出されるとともに、類似の特徴および所定の把持オフセット位置を有する、予め定義された幾何学的モデルと比較され、それによって、前記ロボットアームは、通常、所定のオフセット位置に対して前記把持器を整列させるために、方向を合わせられている、請求項１８に記載の装置。
22. ロボットアーム位置合わせ情報を提供する光学システムであって、
    加工中製品を照明する光源と、
    前記光源からの光を反射するとともに、その結果、前記加工中製品を照明するための、少なくとも１つの分割されたミラーのリングと、
    前記加工中製品における所定の画像情報を記録するための対物レンズを有するカメラと、
    を備えている光学システムをさらに備えている、光学システム。
23. 前記光源が、複数の発光ダイオードである、請求項２２に記載の装置。
24. 前記光源は、所定の波長のスペクトルを有している、請求項２２に記載の装置。
25. 前記ミラーは、破損または腐食に対して抵抗性を有している、請求項２２に記載の装置。
26. 前記カメラによって撮られた画像を格納するメモリをさらに備えている、請求項２２に記載の装置。
27. 前記光源は、前記加工中製品の画像を撮るカメラを許可する前記ミラーを通じて、前記加工中製品を照明し、不規則な加工中製品の幾何学的特徴は、前記画像から抽出されるとともに、類似の特徴および所定の把持オフセット位置を有する、予め定義された幾何学的モデルと比較され、それによって、前記ロボットアームは、所定のオフセット位置に対して前記把持器を整列させるために、方向を合わせられている、請求項２２に記載の装置。
    

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