JP6186157B2

JP6186157B2 - 吸着機構

Info

Publication number: JP6186157B2
Application number: JP2013077643A
Authority: JP
Inventors: 高橋　智一; 智一高橋; 智史菊池; 誠司青柳
Original assignee: Kansai University
Current assignee: Kansai University
Priority date: 2013-04-03
Filing date: 2013-04-03
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2033-04-03
Also published as: JP2014200874A

Description

本発明は、対象物を吸着するための吸着体を備えた吸着機構に関する。

かかる吸着機構は、ロボットハンドに用いられることが多い。この吸着機構がロボットハンドに用いられる場合には、吸引部からの吸引力で対象物を吸着体で吸着する。その吸着状態で他の場所へ移動して吸着を解除することによって、対象物の移動を行うことができる。この吸着機構としては、例えば、複数のエジェクタに圧縮エアを供給することにより負圧を生成する装置と、これら装置により生じた負圧により対象物を吸着するよう、エジェクタと同数設けられる吸引口とを備えて構成されている（例えば、特許文献１参照）。この吸着機構の各吸引口には、開閉用のバルブが内蔵され、それらのバルブの開閉を制御することによって、対象物を吸着する又は吸着解除することができる。

また、特許文献２，３には、吸盤を対象物に当接させて真空装置からの吸引力で吸引することによって、対象物を吸盤で吸着する構成のものが開示されている。前記吸盤は、下端が開放され、下側ほど広がったラッパ状の吸着部と、吸着部の上側に一体化され、吸着部の内部を真空にすべく真空装置からの真空エアを供給するための吸引口が形成された円筒部とを備えている。そして、前記吸引口にそれを開閉する開閉用のバルブを設け、そのバルブを制御することによって、吸引する状態と吸引しない状態とに切り替えて、対象物を吸着する又は吸着解除することができる。

特表２００８−５０７６４９号公報（図１参照）特開２００４−２３０５５０号公報（図１参照）特開平６−２２６６７４号公報（図１参照）

上記３つの特許文献の構成では、吸引口に開閉用のバルブの他、バルブを切り替え操作するための配線等の電気的な構成を設けなければならない。そのため、構造が複雑になるだけでなく、各バルブを切り替えるタイミングを制御するための制御構成も複雑になるという不都合があった。特に、吸引口が多くなればなるほど、前記不都合が顕著になるものであった。

本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、構造及び制御構成を簡素にすることができる吸着機構を提供することにある。

本発明の吸着機構は、前述の課題解決のために、対象物を吸着するための吸着体を備えた吸着機構であって、前記吸着体が、対象物に当接する可撓性及び弾力性を有する当接部と、該当接部に設けられた変形可能な変形部とを備え、前記変形部を変形させる外力を付与する外力付与部を備えて構成され、前記変形部は、対象物との当接状態において前記外力付与部からの外力により対象物から離間する側へ変形され、該変形部の変形により対象物との間に外部よりも減圧された密閉空間が形成されて前記吸着体が対象物を吸着するように構成され、前記吸着体が、前記当接部の側方を覆う側壁部を備え、前記側壁部が、前記当接部よりも保形強度が高くかつ変形可能に形成されていることを特徴としている。

上記構成によれば、吸着体の当接部を対象物に当接させた当接状態において外力付与部の外力が変形部に付与されることによって、変形部が対象物から離間する側（吸着体の内部側）へ変形する。この変形により変形部と対象物との間に外部よりも減圧された密閉空間が形成される。この減圧された密閉空間が形成されることにより密閉空間と外部との間に圧力差が発生し、その圧力差で対象物を吸着体に吸着することができる。また、吸着体は、開放された構成ではなく、密閉された構成であるため、塵が吸着体の内部に入り込むことがない。このため、吸着力が塵の堆積により低下するといったことがなく、長期間に亘って安定した吸着力を発揮することができる。

また、本発明の吸着機構は、前記側壁部の厚みが前記当接部の厚みより厚くなるように、該側壁部と該当接部とが一体形成されている構成であってもよい。

上記のように、当接部と側壁部とが一体形成されていれば、別体形成された当接部と側壁部とを連結する構成に比べて組立作業面及び部品管理面のいずれにおいても有利になる。

また、本発明の吸着機構は、前記側壁部が、前記当接部の外周縁から直交する方向に延出されている構成であってもよい。

また、本発明の吸着機構は、前記外力付与部が、吸引力を発生させる吸引部から構成され、前記吸引部からの吸引力が前記当接部と前記側壁部とで形成される内部空間に供給されるように構成され、前記当接部に前記変形部を複数備え、該各変形部が、内側に凹部を有する薄肉部から構成され、前記全ての凹部が前記内部空間に連通しており、前記吸引部の吸引力が前記内部空間を介して前記凹部に伝達されて前記薄肉部が変形するように構成されていてもよい。

上記構成のように、複数の凹部が当接部と側壁部とで形成される内部空間に連通する構成にしておけば、内部空間に吸引部の吸引力を作用させるだけで、吸引部の吸引力が内部空間を介して全ての凹部に伝達され、全ての薄肉部を変形させることができる。これにより、各凹部に吸引部の吸引力を伝達するように、各凹部を制御する構成に比べて、制御構成を簡素にすることができる。

また、本発明の吸着機構は、前記当接部が、中央部ほど外側に突出する円弧形状に構成されていてもよい。

また、本発明の吸着機構は、前記側壁部が取り付けられる基台を備えていてもよい。

本発明によれば、外力付与部の外力を変形部に作用させるだけで、対象物を吸着体に吸着することができるため、吸引口に開閉用のバルブを設けることが不要にできるだけでなく、該バルブを切り替え操作するための配線等の電気的な構成及びバルブを切り替えるタイミングを制御する制御構成を不要にすることができる。よって、構造及び制御構成を簡素にすることができる吸着機構を提供することができる。

（ａ）は本発明の吸着機構を示し、（ｂ）は（ａ）の吸着機構における吸着体の拡大断面図である。（ａ）は吸着機構における吸着体にて直方体を吸着した状態を示す断面図、（ｂ）は本発明における吸着機構における吸着体で球体を吸着した状態を示す断面図である。本発明の吸着機構における吸着体で把持できる基本的な原理を示し、（ａ）は対象物に吸着体を当接した状態を示す断面図、（ｂ）は対象物を吸着体で吸着した状態を示す断面図である。本発明の吸着機構における吸着体の別の実施形態を示す要部の断面図である。

図１（ａ）は、対象物を吸着力で吸着するための吸着機構１を示している。この吸着機構１は、対象物を吸着するための吸着体２と、吸着体２に吸着力を発生させるために後述する変形部８Ｂを変形させる外力を付与する外力付与部３とを備えている。

外力付与部３は、吸引力を発生させる吸引部からなり、この吸引部は、真空を発生させる真空ポンプから構成されている。

吸着体２と真空ポンプ３との間には、バルブ４が設けられている。このバルブ４を自動的又は人為的に切り替え操作することによって、吸着体２内のエアを排出して吸着体２内を吸着体２外（外気）の圧力よりも減圧する状態と、減圧された吸着体２内を吸着体２外（外気）に開放して吸着体２外（外気）と同圧に戻す状態とに切り替えることができる。吸着体２内を吸着体２外（外気）よりも減圧することによって、対象物を吸着体２で吸着できる。また、減圧された吸着体２内を吸着体２外（外気）に開放することによって、吸着した対象物を吸着解除できる。尚、バルブ４と真空ポンプ３とが第１ホース５を介して連結され、吸着体２とバルブ４とが第２ホース６を介して連結されている。従って、真空ポンプ３からの吸引力が、第１ホース５、バルブ４、第２ホース６を介して吸着体２へ伝達される。また、第２ホース６の途中部分には、第２ホース６の内部において大気圧以下の圧力を測定するための真空計Ｐが接続されている。この真空計Ｐの測定値から、吸着体２が吸着動作中かどうかを把握することができる。

吸着体２は、第２ホース６に接続された基台７に取り付けられ、対象物に当接する当接部８と、当接部８の側方を覆うべく、当接部８の外周縁から基台７側へ延出された側壁部９とを備えている。当接部８は、中央部ほど外側に突出する円弧形状に構成されているが、平面形状であってもよいし、その他各種の形状であってもよい。そして、当接部８と側壁部９とが、可撓性及び弾力性を有する樹脂材料から一体形成されている。そして、吸着体２は、当接部８と側壁部９とで外気と密閉された内部空間を有する構成となっている。可撓性及び弾力性を有する樹脂材料としては、例えばシリコーンゴム等のエラストマーを用いるのが最適であるが、軟質性を有する各種の合成樹脂であってもよい。

基台７の厚み方向一端（後端）に、第２ホース６が接続される円筒状部７Ａが突出形成され、円筒状部７Ａの中心部に、第２ホース６と連通する貫通孔７Ｋが形成されている。この貫通孔７Ｋは、基台７の厚み方向一端側（後端側）に形成された断面形状円形の小径孔７ａと、この小径孔７ａの内部側端から基台７の厚み方向他端（前端）に亘って形成され、かつ、小径孔７ａよりも大きな直径を有する断面形状円形の大径孔７ｂとから構成されている。

また、基台７の厚み方向他端（前端）に、側壁部９の遊端部（後端部）９Ａが嵌まり込む凹部７Ｂが形成されている。この凹部７Ｂに嵌め込まれた側壁部９は、凹部７Ｂの内側に配置された挟持部材１０によって挟持固定されている。挟持部材１０は、中央に大径孔７ｂと連通する貫通孔１０ａを有する円板部１０Ａと、この円板部１０Ａの外周縁から直交する方向に延出される円筒部１０Ｂとから構成されている。

当接部８の内側（裏面側）の多数の部位には、凹部８Ａが形成されている。それら凹部８Ａが形成されることによって、その部分が薄肉部８Ｂを構成している。これら薄肉部８Ｂは、変形可能な変形部を構成し、これら変形部８Ｂは、対象物との当接状態において真空ポンプ３からの吸引力により対象物から離間する側（吸着体２の内部側）へ引っ張られて変形する。これら変形部８Ｂの変形により変形部８Ｂと対象物との間に外部（外気）よりも減圧された密閉空間が形成され、吸着体２が対象物を吸着する。薄肉部８Ｂの数としては、１２個から１６個の間の任意の数に設定することができるが、薄肉部８Ｂの大きさによっては、１個又は２個でもよいし、また、対象物の形状や大きさに合わせて薄肉部８Ｂの数を設定することができる。

対象物を吸着する基本的な原理を図３（ａ），（ｂ）に基づいて説明する。図１（ｂ）及び図２（ａ），（ｂ）では、吸着体２の薄肉部８Ｂを多数備えたものを示しているが、図３（ａ），（ｂ）では、分かりやすくするために、１つの薄肉部８Ｂを備えたものを示している。つまり、当接部８そのものが薄肉部８Ｂから構成され、この薄肉部８Ｂの外周縁から直交する方向に円筒状の側壁部９が延出されて、吸着体２を構成している。換言すれば、図１（ｂ）で示した凹部８Ａが形成されていない吸着体２を構成している。このように構成された薄肉部８Ｂを吸着したい対象物である板状体Ｓ１に当接させると、図３（ａ）に示すように薄肉部８Ｂの外面８ｂと板状体Ｓ１の外面Ｓｂとの間に僅かな空間Ｈ１が形成される。バルブ４を切り替えて真空ポンプ３からの吸引力を吸着体２へ供給することによって、吸着体２の内部の空間Ｘ１の圧力を外部（外気）の圧力よりも減圧される。この減圧により、薄肉部８Ｂが板状体Ｓ１から離間する側へ変形して（吸着体２の内部側に凹んで）、図３（ｂ）に示すように大きな空間Ｈ２となる。このように空間の体積が増大すると、ボイル・シャルルの法則により圧力が下がり（減圧され）、板状体Ｓ１を空間Ｈ２で吸着することができる。但し、薄肉部８Ｂの弾性復元力があるため、吸着体２の内部の空間Ｘ１の圧力をＰ１、空間Ｈ２の圧力をＰ２、薄肉部８Ｂの圧力をＰ３とすると、Ｐ１＝Ｐ２+Ｐ３の関係が成立し、つり合った状態となる。また、空間Ｈ２の面積をＳ２とすると、吸着体２の吸着力Ｆ２は、Ｓ２×Ｐ２となる。

また、吸着体２の内部には、充填材としてのガラスビーズ１１が充填されており、対象物との当接時に、充填材が適度な抵抗となるので、吸着体２を構成する側壁部９が不測に（必要以上に大きく）変形して（潰れて）、当接部８の当接面（外面）８ｂが対象物に良好に沿わないことを回避することができる。これにより、どのような形状の対象物であっても、確実に吸着することができる。ここでは、吸着体２の内部にガラスビーズ１１を充填しているが、発泡ビーズや炭酸カルシウム等の粒状の物質の他、スポンジ、ゴムチップ、オガクズ等であってもよい。要するに、エアを通すことができるとともに対象物との当接時に対象物の形状に沿って側壁部９が良好に変形することができる構成であれば、どのような形状及び材料の充填材であってもよい。

吸着体２の内部に充填されたガラスビーズ１１が、当接部８の凹部８Ａに入り込むことを阻止するための第１フィルター１２を当接部８の内面（裏面）８Ｕに接着剤を用いて貼り付けている（係止手段を用いて係止固定してもよい）。この第１フィルター１２を設けることによって、凹部８Ａにガラスビーズ１１が入り込んで薄肉部８Ｂが変形することが阻止されるといったトラブルを確実に回避することができる。また、吸着体２の内部に充填されたガラスビーズ１１が挟持部材１０の貫通孔１０ａを通して第２ホース６側へ排出されることを阻止するための第２フィルター１３を挟持部材１０に接着剤を用いて貼り付けている（係止手段を用いて係止固定してもよい）。

前記のように構成された吸着体２（図１（ｂ）参照）により、例えば床面Ｇに置かれた２つの形状の対象物Ｓ２，Ｓ３を吸着する場合を、図２（ａ），（ｂ）に基づいて説明する。図２（ａ）では、上面の略中心部に凹部１４が形成された直方体Ｓ２を吸着体２で吸着した状態を示している。まず、直方体Ｓ２の上面Ｓｂに吸着体２の当接部８の当接面８ｂを当接させる、すると、前述したように薄肉部８Ｂの外面８ｂと直方体Ｓ２の上面Ｓｂとの間に僅かな空間（図示せず）が形成される。そして、バルブ４を切り替えて真空ポンプ３からの吸引力を吸着体２へ供給することによって、吸着体２の内部空間Ｘ２の圧力が外部（外気）の圧力よりも減圧される。この減圧によって、全ての薄肉部８Ｂが直方体Ｓ２から離間する側へ引っ張られて吸着体２の内側に凹むように変形する。この変形により、薄肉部８Ｂの外面８ｂと直方体Ｓ２の上面Ｓｂとの間に大きな空間Ｈ３が発生する。このように空間の体積が増大すると、ボイル・シャルルの法則により圧力が下がり（減圧され）、直方体Ｓ２を吸着することができる。図２（ａ）のように直方体Ｓ２の凹部１４に対応する薄肉部８Ｂが直方体Ｓ２に当接していない場合であっても、吸着体２の内部空間Ｘ２が密閉された空間であるため、吸着体２の内部空間Ｘ２の圧力を確実に下げることができる。しかも、吸着体２の内部空間Ｘ２が密閉された空間であるため、塵が吸着体２の内部に入り込むことがなく、吸着力が塵の堆積により低下するといったことがなく、長期間に亘って安定した吸着力を発揮することができる。

また、図２（ｂ）では、球体Ｓ３を吸着体２で吸着した状態を示している。まず、球体Ｓ３の上面Ｓｂに吸着体２の当接部８の当接面８ｂを当接させる。すると、前述したように薄肉部８Ｂの外面８ｂと球体Ｓ３の上面Ｓｂとの間に僅かな空間（図示せず）が形成される。続いて、バルブ４を切り替えて真空ポンプ３からの吸引力を吸着体２へ供給することによって、吸着体２の内部の空間Ｘ２の圧力が外部（外気）の圧力よりも減圧される。この減圧によって、全ての薄肉部８Ｂが球体Ｓ３から離間する側へ引っ張られて吸着体２の内側に凹むように変形する。これにより、薄肉部８Ｂの外面８ｂと直方体Ｓ２の上面Ｓｂとの間に大きな空間Ｈ３が発生する。このように空間の体積が増大すると、ボイル・シャルルの法則により圧力が下がり（減圧され）、図２（ｂ）に示すように、球体Ｓ３を吸着することができる。この場合も図２（ａ）と同様に、吸着体２の内部の空間Ｘ２が密閉された空間であるため、塵が吸着体２の内部に入り込むことがなく、吸着力が塵の堆積により低下するといったことがなく、長期間に亘って安定した吸着力を発揮することができる。

真空ポンプ３からの吸引力を吸着体２へ供給すべくバルブ４を切り替えるタイミングは、当接部８が対象物に当接したことを検出した時の検出信号に基づいて行う場合が考えられるが、バルブ４を切り替える切り替えスイッチを人為的に操作してバルブ４を切り替えてもよい。尚、当接部８が対象物に当接したことを検出する手段としては、磁気センサや光反射型センサ等を用いることができる。

本発明では、真空ポンプ３の吸引力を変形部８Ｂに作用させるだけで、対象物を吸着体２に吸着することができるため、吸引口に開閉用のバルブを設けることが不要にできるだけでなく、バルブを切り替え操作するための配線等の電気的な構成及びバルブを切り替えるタイミングを制御する制御構成を不要にすることができ、構造及び制御構成を簡素にすることができる。

また、図１（ａ）で示す吸着機構１を実際に作製し、いろんな対象物の吸着試験を行った。具体的には、吸着体２の直径を５４ｍｍ、吸着体２の当接面８ｂから基台７の背面７Ｆまでの寸法を２５ｍｍ、吸着体２の厚みを１ｍｍ、直径６ｍｍの薄肉部を１２個に設定した吸着体２を作製した。また、真空ポンプ３として、ダイヤフラムポンプ（アルバック機工株式会社製の型番ＤＡ−３０Ｓ、到達真空度２６．６ｋＰａ）を用いた。前記作製した吸着体２で平面部分のある対象物を吸着した場合、最大で２．１ｋｇの対象物を吸着することができた。また、吸着体２の一部（１２個のうちの１０個の薄肉部）の吸着のみで０．１２ｋｇの物体を吸着することができた。また、曲率半径７７ｍｍ、質量０．５ｋｇの水を入れたガラス瓶を３０度傾けた状態で吸着することができた。

尚、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、吸着体２を図４に示すように構成してもよい。つまり、図１（ｂ）の吸着体２は、当接部８の内側に凹部８Ａを形成して薄肉部８Ｂを形成したが、図４の吸着体２は、当接部８の内側に形成された凹部８Ａに対応する当接部８の外側にも凹部８Ｃを形成して薄肉部８Ｂを構成している。また、図４では、当接部８の厚みよりも側壁部９の厚みを厚く形成して側壁部９の保形強度を向上させることによって、図１（ｂ）で示したガラスビーズ１１を吸着体２の内部に充填しなくてもよい（フィルター１２，１３も不要となる）。また、当接部８と側壁部９とを別々に形成し、側壁部９を当接部８よりも保形強度が高いように構成し、それらを一体化して吸着体２を構成してもよい。

前記実施形態では、側壁部９が変形可能に構成した場合を示したが、対象物の吸着面がフラット面である場合には、側壁部９を変形不能な金属や硬質プラスチック等で構成することができる。

また、前記実施形態では、変形部８Ｂを変形させるための外力としてエア（気体）を用いたが、液体を用いてもよい。この液体の場合は、液体ポンプで吸着体２の内部の液体を取り除くことになる。また、変形部８Ｂに例えば伸縮作動するピストロッドのロッドの先端を連結しておき、ピストンロッドを短縮作動させることによって、変形部８Ｂを引っ張り変形させるようにしてもよい。また、前記実施形態の真空ポンプに代えて、例えば吸着体２の内部のエアを吸引するためのシリンダであってもよい。

また、前記実施形態では、当接部に形成した薄肉部を変形部としたが、全域に亘って同一厚みの当接部とし、その当接部のうちの変形させたい特定部分を他の部分よりも変形し易い材料から構成して、その特定部分を変形部に構成してもよい。

また、前記実施形態では、吸着体２を、当接部８と側壁部９とで構成したが、当接部８のみで構成してもよい。この場合、平面のある対象物を吸着することになる。

本発明の吸着機構は、ロボットハンドに用いて対象物をハンドリングする場合に適用できる他、窓面に吸着させて移動させることによって清掃を行う清掃機械、箱詰めするための商品をピッキングするピッキング装置、対象物を吸着により固定して各種の加工を行う加工装置、対象物を吸着して搬送する搬送装置等においても適用することができる。

１…吸着機構、２…吸着体、３…真空ポンプ（外力付与部、吸引部）、４…バルブ、５，６…ホース、７…基台、７Ａ…円筒状部、７Ｂ…凹部、７Ｋ…貫通孔、７ａ…小径孔、７ｂ…大径孔、８…当接部、８Ａ…凹部、８Ｂ…薄肉部（変形部）、８ｂ…外面（当接面）、９…側壁部、９Ａ…遊端部、１０…挟持部材、１０Ａ…円板部、１０Ｂ…円筒部、１０ａ…貫通孔、１１…ガラスビーズ、１２，１３…フィルター、１４…凹部、Ｇ…床面、Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３…空間、Ｐ…真空計、Ｓ１…板状体、Ｓ２…直方体、Ｓ３…球体、Ｓｂ…外面（上面）、Ｘ１，Ｘ２…空間

Claims

対象物を吸着するための吸着体を備えた吸着機構であって、
前記吸着体が、対象物に当接する可撓性及び弾力性を有する当接部と、該当接部に設けられた変形可能な変形部とを備え、前記変形部を変形させる外力を付与する外力付与部を備えて構成され、
前記変形部は、対象物との当接状態において前記外力付与部からの外力により対象物から離間する側へ変形され、該変形部の変形により対象物との間に外部よりも減圧された密閉空間が形成されて前記吸着体が対象物を吸着するように構成され、
前記吸着体が、前記当接部の側方を覆う側壁部を備え、前記側壁部が、前記当接部よりも保形強度が高くかつ変形可能に形成されていることを特徴とする吸着機構。
前記側壁部の厚みが前記当接部の厚みより厚くなるように、該側壁部と該当接部とが一体形成されていることを特徴とする請求項１に記載の吸着機構。
前記側壁部が、前記当接部の外周縁から直交する方向に延出されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の吸着機構。
前記外力付与部が、吸引力を発生させる吸引部から構成され、前記吸引部からの吸引力が前記当接部と前記側壁部とで形成される内部空間に供給されるように構成され、前記当接部に前記変形部を複数備え、該各変形部が、内側に凹部を有する薄肉部から構成され、前記全ての凹部が前記内部空間に連通しており、前記吸引部の吸引力が前記内部空間を介して前記凹部に伝達されて前記薄肉部が変形するように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の吸着機構。
前記当接部は、中央部ほど外側に突出する円弧形状に構成されていることを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の吸着機構。
前記側壁部が取り付けられる基台を備えていることを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の吸着機構。