JP6730227B2 - ロボットハンド - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ロボットアームに装備されるロボットハンドに関する。

ロボット装置は製造ライン、医療や介護などさまざまな現場での適用がなされており、今後更なる分野での適用が期待されている。近年では労働人口の低下予測を背景に作業員の近くで作業するいわゆる協働ロボットへの期待が高まってきている。協働ロボットを導入することで、作業員が不足したときに、協働ロボットがその作業員に代わることができる。しかしながら、協働ロボットに作業を担当させるとき、作業員が使用するものとは異なる協働ロボット専用の道具を使用しなければならない場合がある。その場合、全体の製造工程において、作業効率の悪化、後段の工程の変更等が生じる可能性がある。そのため、協働ロボット専用の道具を不要とするために、担当する作業に特化したロボットハンドが要求されている。例えば、部品が実装された基板のような、表面に突起があり、上下に重ねられないワークは、複数の仕切りによって内部が縦横に区画された通い箱に縦入れにより収納される。これにより、部品が実装されている面が保護した上で、複数のワークを互いに干渉することなく通い箱に収納することができる。しかしながら、製造効率の観点から、１つの通い箱に収納できるワークの数は多いほどよく、ワークの収納スペースはワークよりもやや大きいぐらいであり狭小である。そのため、作業員は、ピッキング位置に搬送されてきたワークを一方の手でとり、収納スペースの開口が広がるように他方の手で仕切りを広げた状態で、手に取ったワークをその収納スペースに収納する。一方、例えば従来の２指のロボットハンドを備えるピッキングロボットは、ロボットハンドでワークを把持し、収納スペースの上方に移動させた後、ワークをリリースする。収納スペースの上方に位置合わせされてはいるが、リリースしたワークが収納スペースの開口に引っかかってしまい、ワーク及び通い箱の仕切が破損する事態が発生しかねない。

目的は、把持したワークを収納スペースに収納する作業段階を含むピッキング作業に特化したロボットハンドを簡易な構造で実現することにある。

本実施形態に係るロボットハンドは、互いに接近・離反する方向に移動自在に基部に支持される一対のフィンガーを備え、フィンガー各々は断面凹状又は断面Ｌ状の長尺体をなし、基部に近い根元側の内面にはパッドが装着され、他の内面部分にはパッドが装着されない。

図１は、本実施形態に係るロボットハンドを装備したロボットアーム機構を配置したロボットシステムの外観図である。 図２は、本実施形態に係るロボットハンドを装備したロボットアーム機構の外観斜視図である。 図３は、本実施形態に係るロボットハンドの上方斜視図である。 図４は、図３のロボットハンドの下方斜視図である。 図５は、図３のロボットハンドの側面図である。 図６は、図３のロボットハンドによるワークの把持状態を表す図である。 図７は、図３のロボットハンドによるワークの把持状態を表す図である。 図８は、図３のロボットハンドによる搬送段階を表す図である。 図９は、図３のロボットハンドによるリリース動作の第１段階を表す図である。 図１０は、図３のロボットハンドによるリリース動作の第２段階を表す図である。 図１１は、図３のロボットハンドによるリリース動作の第３段階を表す図である。 図１２は、図３のロボットハンドによるリリース動作の第４段階を表す図である。 図１３は、図３のロボットハンドによるリリース動作の第５段階を表す図である。 図１４は、図８のロボットハンドによるワークの搬送状態を表す図である。 図１５は、図８のロボットハンドによるワークの搬送状態を表す図である。 図１６は、図１２の通い箱の平面図である。 図１７は、本実施形態の第１変形例に係るロボットハンドを表す図である。 図１８は、本実施形態の第２変形例に係るロボットハンドを表す図である。 図１９は、本実施形態の第３変形例に係るロボットハンドを表す図である。 図２０は、本実施形態の第４変形例に係るロボットハンドを表す図である。 図２１は、本実施形態の第５変形例に係るロボットハンドを表す図である。 図２２は、本実施形態の第６変形例に係るロボットハンドを表す図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係るロボットハンド７を説明する。本実施形態に係るロボットハンド７は、主にロボットアームの先端の典型的には手首部に装着され、使用される。以下の説明では、本実施形態に係るロボットハンド７を装備した、直動伸縮関節を有する極座標形のロボットアーム機構を例に説明する。以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

図１は、本実施形態に係るロボットハンド７を装備したロボットアーム機構１００を配置したロボットシステムの外観図である。図１に示すように、ピッキングロボットは、工場内のベルトコンベア３００の近傍に配置される。ロボットハンド７は、ピッキング作業を行うピッキングロボットのアームの先端の典型的には手首部に装着される。通い箱４００は、ピッキングロボットの近傍に配置される。通い箱４００は、複数の仕切板により内部が縦横に仕切られ、これにより複数の収納スペースが構成される。ベルトコンベア３００により、ピッキング位置に搬送されたワーク２００を本実施形態に係るロボットハンド７で把持し、ピッキングロボットの近傍に配置された通い箱４００の収納スペース内に収納する。

図２は、図１のロボットアーム機構１００の外観斜視図である。ロボットアーム機構１００は、略円筒形状の支柱部２と、支柱部２の上部に載置される起伏部４と、起伏部４から伸延するアーム部５と、アーム部５の先端に取り付けられる手首部６を備える。手首部６の後述する第６回転軸ＲＡ６の回転部には図示しないハンド取付部が装備される。ハンド取付部にロボットハンド７（手先効果器）が取り付けられる。

ロボットアーム機構１００は、複数、ここでは６つの関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６を有する。第１、第２、第３関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３は手首部６の位置を変化させる根元３軸と呼ばれ、第１、第２、第３関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の主要構成部分は支柱部２に収容される。第４、第５、第６関節部Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６は主にロボットハンド７（手先効果器）の姿勢を変化させる手首３軸と呼ばれ、第４、第５、第６関節部Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６の主要構成部分は手首部６に収容される。

第１関節部Ｊ１は、鉛直方向に平行な回転軸ＲＡ１を備える旋回用のねじり回転関節部であり、第１関節部Ｊ１の回転によりアーム部５は左右に旋回回転される。第２関節部Ｊ２は、回転軸ＲＡ１に対して直交する回転軸ＲＡ２を備える起伏用のねじり回転関節部であり、第２関節部Ｊ２の回転によりアーム部５は上下に起伏する。第３関節部Ｊ３は、直動伸縮機構により提供される。直動伸縮機構は発明者らが新規に開発した構造を備えており、可動範囲の観点でいわゆる従来の直動関節とは明確に区別される。第３関節部Ｊ３のアーム部５は伸縮軸ＲＡ３に沿って伸縮する。このように、根元３軸は、旋回用ねじり関節部、起伏用ねじり関節部及び直動伸縮機構で構成される。つまり、図２に示すロボットアーム機構１００は極座標形である。

第４〜第６関節部Ｊ４〜Ｊ６はそれぞれ直交３軸の回転軸ＲＡ４〜ＲＡ６を備える。第４関節部Ｊ４は伸縮軸ＲＡ３と略一致する回転軸ＲＡ４を中心としたねじり回転関節部であり、この第４関節部Ｊ４の回転によりロボットハンド７は揺動回転される。第５関節部Ｊ５は回転軸ＲＡ４に対して垂直に配置される回転軸ＲＡ５を中心とした曲げ回転関節部であり、この第５関節部Ｊ５の回転によりロボットハンド７は前後に傾動回転される。第６関節部Ｊ６は回転軸ＲＡ４と回転軸ＲＡ５とに対して垂直に配置される回転軸ＲＡ６を中心としたねじり回転関節部であり、この第６関節部Ｊ６の回転によりロボットハンド７は軸回転される。

このように、ロボットハンド７は、第１、第２、第３関節部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３により任意位置に移動され、第４、第５、第６関節部Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６により任意姿勢に配置される。特に第３関節部Ｊ３のアーム部５の伸縮距離の長さは、支柱部２の近接位置から遠隔位置までの広範囲の対象にロボットハンド７を到達させることを可能にする。第３関節部Ｊ３はそれを構成する直動伸縮機構により実現される直線的な伸縮動作とその伸縮距離の長さとが従前の直動関節と異なる特徴的な点である。

以下、図３乃至図７を参照して、本実施形態に係るロボットハンド７の構造を説明する。図３は、本実施形態に係るロボットハンド７の上方斜視図である。図４は、図３のロボットハンドの平面図である。図５乃至図７は、図３のロボットハンド７によるワーク２００の把持状態をそれぞれ表す図である。

ロボットハンド７は、典型的には直方体をなす基部７２を有する。基部７２の上面には手首部６のハンド取付部に接続するためのアダプタ板７１が取り付けられる。基部７２の前面にはワーク２００を把持するための一対のフィンガー７６ａ，７６ｂが互いに接近・離反する方向に移動自在に支持される。フィンガー７６ａ，７６ｂは、各々が同一のサイズの凹状の長尺体であり、内面が互いに対峙する向きで平行に配置される。一対のフィンガー７６ａ，７６ｂはアダプタ板７１に平行である。フィンガー７６ａ、７６ｂにはパッド７７ａ、７７ｂがそれぞれ装着される。パッド７７ａは、フィンガー７６ａの基部７２に近い根元側の内面に装着される。同様にフィンガー７６ｂの根元側の内面にはパッド７７ｂが装着される。パッド７７ａ、７７ｂ各々は弾性体、より具体的には海綿状の気泡をもつゴム又は合成樹脂製の板状体である。パッド７７ａ、７７ｂ各々は膨縮自在の袋体であってもよい。

フィンガー７６ａ，７６ｂ各々は、断面凹状の長尺体、換言すると角筒体が縦に非対称に割られた半割筒の形状をなす。フィンガー７６ａは側板７６１ａを有する。側板７６１ａには下板７６２ａと、下板７６２ａよりも幅が広い上板７６３ａとが平行に保持される。同様にフィンガー７６ｂは側板７６１ｂを有し、側板７６１ｂには下板７６２ｂとそれより幅広の上板７６３ｂとが平行に保持される。

基部７２の前面には幅方向（左右方向）と平行にレール７４が設けられている。このレール７４には一対のスライダ（図示しない）がはめ込まれ、一対のスライダに一対のフィンガー７６ａ，７６ｂが固着される。基部７２の内部中空には、一対のフィンガー７６ａ，７６ｂを駆動するアクチュエータとしてエアチャックが内蔵されている。エアチャックはエアシリンダーを備える。エアシリンダーには、基部７２の右側面に空けられたチューブ孔７３を介して基部７２の内部中空に導入されたエアチューブの先端が接続される。エアチューブの後端はコンプレッサに接続される。コンプレッサが駆動したとき、エアチャックにより一対のフィンガー７６ａ，７６ｂは基部７２の幅方向に沿って接近又は離反する。例えば、エアシリンダーに負圧が供給されたとき、一対のフィンガー７６ａ，７６ｂは互いに離反され、正圧が供給されたとき、一対のフィンガー７６ａ，７６ｂは互いに接近する。

図５乃至図７に示すように、ロボットハンド７は、一対のフィンガー７６ａ，７６ｂが互いに接近し、一対の弾性パッド７７ａ，７７ｂがワーク２００を両側から挟むことによりワーク２００を把持する。フィンガー７６ａ、７６ｂ及び弾性パッド７７ａ，７７ｂの寸法は、把持対象のワーク２００の大きさ、形状に応じて既定される。一対のフィンガー７６ａ，７６ｂにシュータ機能及びトレイ機能を発揮させるために、一対のフィンガー７６ａ、７６ｂの長さはワーク２００の全長よりも若干長く、一対のフィンガー７６ａ，７６ｂの上板７６３ａ，７６３ｂの幅は、一対のフィンガー７６ａ、７６ｂが最接近した状態で、ワーク２００が落下しない程度の僅かな間隙を上板７６３ａ，７６３ｂが隔てるように設定される。一対のフィンガー７６ａ，７６ｂのグリップ機能を発揮させるために、弾性パッド７７ａ，７７ｂはフィンガー７６ａ，７６ｂの深さより薄く、また一対のフィンガー７６ａ，７６ｂの下板７６２ａ，７６２ｂの幅は、一対のフィンガー７６ａ、７６ｂが最離反した状態で、ワーク２００の全幅よりも僅かに広い間隙を上板７６３ａ，７６３ｂが隔てるように設定される。

図８乃至図１６を参照して、第１実施形態に係るロボットハンド７の効果を説明する。本実施形態に係るロボットハンド７を導入することによる効果は、主にワーク２００を搬送する段階とワーク２００を収納スペース４０３に収納する段階とで発揮される。図８は、本実施形態に係るロボットハンド７によるワーク２００の搬送段階を表す図である。図９乃至図１３は、ロボットハンド７によるリリース動作の第１乃至第５段階をそれぞれ表す。図１４、図１５は、図８のロボットハンド７によるワーク２００の搬送状態をそれぞれ表す図である。図１６は、図１２の通い箱の平面図である。ここでは、ワーク２００は通い箱４００の収納スペース４０３に縦入れで収納される。通い箱４００は、上方が開口した箱体４０１と、箱体４０１内を縦横に仕切る複数の仕切板４０２とを有する。この仕切板４０２により区切られた区画を収納スペース４０３と呼ぶ。ここでは、仕切板４０２は弾性樹脂製であり、外力により変形する。

図８に示すように、ワーク２００を把持したロボットハンド７は、搬送姿勢で収納スペース４０３の上方まで移動される。図１４，図１５に示すように、搬送姿勢は、一対のフィンガー７６ａ、７６ｂが水平方向を向き、且つ一対のフィンガー７６ａ，７６ｂの幅広の上板７６３ａ，７６３ｂが、幅狭の下板７６２ａ，７６２ｂの下方に位置する姿勢である。搬送姿勢において、一対のフィンガー７６ａ，７６ｂの幅広の上板７６３ａ，７６３ｂは平坦なトレイとして機能する。一対のフィンガー７６ａ，７６ｂの根元側に弾性パッド７７ａ，７７ｂが配置されているため、ワーク２００の後端側が一対のフィンガー７６ａ，７６ｂにより狭持される。そのため、ワーク２００の先端側は上下に揺れやすく、ワーク２００の姿勢は安定しない。また、搬送中の振動やワークの自重により、ワーク２００が変形するか又はワーク２００が動いてしまうかもしれない。しかしながら、一対のフィンガー７６ａ，７６ｂにより把持されたワーク２００の下方に、一対のフィンガー７６ａ，７６ｂの幅広の上板７６３ａ，７６３ｂにより構成される平坦なトレイが位置することで、そのトレイでワーク２００を支持することができる。また、搬送中に、一対のフィンガー７６ａ，７６ｂからワーク２００が脱落しても、その脱落したワーク２００をトレイで受け止めることができ、ワーク２００が地面に落下することによるワーク２００の破損等を回避することができる。また、一対のフィンガー７６ａ，７６ｂにより狭持されたワーク２００は、一対のフィンガー７６ａ，７６ｂの外形状で規定される直方体形状の枠の外に突出しない。これにより、搬送中に、ロボットハンド７に対して障害物が衝突した場合であっても、一対のフィンガー７６ａ，７６ｂの外形状で規定される直方体形状の枠によりワーク２００の破損リスクは低減される。このように、本実施形態に係るロボットハンド７の一対のフィンガー７６ａ、７６ｂは、ワーク２００を把持する機能と把持したワーク２００の姿勢を安定化し、フィンガーからの脱落を防止する機能とを兼用する。これにより、本実施形態に係るロボットハンド７は、狭持が困難であった、例えば重量バランスが悪いワーク、レトルトパウチーのような変形しやすいワークを狭持によりピックアップできるかもしれない。

図９に示すように、ロボットハンド７は、リリース姿勢で収納スペース４０３に向かって下降される。リリース姿勢は、搬送姿勢に対して、ロボットハンド７の先端側が下方に傾いた姿勢である。図１０に示すように、下降されたロボットハンド７は、一対のフィンガー７６ａ，７６ｂの幅広の上板７６３ａ，７６３ｂにより構成されるトレイの外側面が通い箱４００の仕切板４０２に当接する。図１１に示すように、ロボットハンド７のトレイの外側面が仕切板４０２に当接した状態から、ロボットハンド７をさらに降下させることで、傾斜したトレイに沿って、仕切板４０２が外側に変形される。このロボットハンド７の下降移動により、図１６に示すように、収納スペース４０３の開口がトレイにより押し広げられる。図１２に示すように、収納スペース４０３の開口が押し広げられた状態で、ワーク２００はリリースされる。リリースされたワーク２００は、傾斜したトレイに沿って、十分に広げられた収納スペース４０３の開口に向かって落下する。ワーク２００を狭持する一対の弾性パッド７７ａ，７７ｂが一対のフィンガー７６ａ，７６ｂの内面の根元側にそれぞれ配置されているため、一対の弾性パッド７７ａ，７７ｂが一対のフィンガー７６ａ，７６ｂの内面の先端側又は内面の全体にそれぞれ配置された場合に比して、リリースされたワーク２００が一対の弾性パッド７７ａ、７７ｂに引っかかる可能性を低減することができる。これにより、ワーク２００のスムーズな落下が実現される。図１３に示すように、リリースされたワーク２００は、収納スペース４０３の開口に引っかかることなく、収納スペース４０３に収納される。

以上説明したように、本実施形態に係るロボットハンド７の一対のフィンガー７６ａ，７６ｂは、ワーク２００を把持する機能（グリップ機能）と、搬送中のワーク２００の姿勢を安定化させ、地面への落下を抑制する機能（トレイ機能）とリリースしたワーク２００を収納スペース４０３に案内する機能（シュータ機能）とを兼用する。このシュータ機能は、一対の弾性パッド７７ａ，７７ｂを一対のフィンガー７６ａ，７６ｂの内面の根元側にそれぞれ配置することにより、向上される。また、収納スペース４０３を構成する仕切板４０２が変形又は可動する場合であれば、一対のフィンガー７６ａ，７６ｂは、ワーク２００を把持した状態で、仕切板４０２を変形又は可動させ、収納スペース４０３の開口を広げる他のフィンガーとして機能する。これらの機能は、ロボットハンド７に装備されている一対のフィンガー７６ａ，７６ｂの形状及び弾性パッド７７ａ，７７ｂの取り付け位置を工夫したことにより実現される。すなわち、本実施形態に係るロボットハンド７によれば、把持したワークを収納スペースに収納する作業段階を含むピッキング作業に特化したロボットハンドを簡易な構造で実現することができる。

本実施形態に係るロボットハンド７の一対のフィンガー７６ａ，７６ｂの形状はこれに限定されない。図１７乃至図２２は、本実施形態に係るロボットハンド７の第１乃至第６変形例をそれぞれ表す図である。上記のグリップ機能とトレイ機能とシュータ機能とが実現し得る範囲で、一対のフィンガー７６ａ，７６ｂの形状及び配置は、把持対象のワーク２００の形状、大きさに応じて、適宜変更が可能である。

図１７に示すように、フィンガー７６ａ、７６ｂ各々は角筒体が縦に対称に割られた半割筒の形状をなすものであってもよい。上板７６３ａと下板７６２ａは同一の幅、上板７６３ｂと下板７６２ｂは同一の幅である。

図１８に示すように、一対のフィンガー７６ａ，７６ｂは、下板７６２ａ、７６２ｂを除外され、断面Ｌ字形の長尺体をなすものであってもよい。

一対のフィンガーは同一の形状に構成されていなくてもよい。図１９に示すように、フィンガー７６ａは互いの端部で直角に接続された２枚の板７６１ａ，７６３ａからなり、フィンガー７６ｂは、下板７６２ｂと上板７６３ｂとが側板７６１ｂにより平行に接続されてなる。フィンガー７６ａの横断面はＬ字形状を表し、フィンガー７６ｂの横断面はＵ字形状を表す。

一対のフィンガーは直線形状でなくてもよい。図２０に示すように、一対のフィンガー７６ａ，７６ｂには、その根元側から先端側に向かって徐々に広がるテーパーがつけられていてもよい。

一対のフィンガーは平行に配置されていなくてもよい。図２１に示すように、一対のフィンガー７６ａ，７６ｂは、互いに内側に向かって若干傾斜していてもよい。図２２に示すように、一対のフィンガー７６ａ，７６ｂは、互いに外側に向かって若干傾斜していてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

７…ロボットハンド、７１…アダプタ板、７２…基部、７３…チューブ孔、７４…レール、７６ａ，７６ｂ…フィンガー、７６１ａ，７６１ｂ…側板、７６２ａ，７６２ｂ…下板、７６３ａ、７６３ｂ…上板、７７ａ，７７ｂ…パッド。

Claims (6)

1. 互いに接近・離反する方向に移動自在に基部に支持される一対のフィンガーを備え、前記フィンガー各々は断面凹状又は断面Ｌ状の長尺体をなし、前記基部に近い根元側の内面にはパッドが装着され、他の内面部分にはパッドが装着されない、ロボットハンド。
2. 前記一対のフィンガーは、それぞれの内面が互いに対峙する向きで、且つ平行に配置されていることを特徴とする請求項１記載のロボットハンド。
3. 前記フィンガー各々は、側板に対して下板と上板とが接続された前記断面凹状、又は前記側板に対して前記下板のみが接続された前記断面Ｌ字状の前記長尺体に構成され、
   前記パッドの厚みは、前記下板の幅よりも薄いことを特徴とする請求項１記載のロボットハンド。
4. 前記パッドは弾性体であることを特徴とする請求項1記載のロボットハンド。
5. 前記パッドは膨縮自在の袋体であることを特徴とする請求項１記載のロボットハンド。
6. 前記基部に対して前記一対のフィンガが延設されている方向がロボットアームのハンド取付部の取付軸に対して直交するように、前記基部には前記ロボットアームの前記ハンド取付部に接続するためのアダプタ板が、その板面が前記一対のフィンガーが延設されている方向と前記一対のフィンガーが接近・離反する方向とに平行になるように設けられていることを特徴とする請求項１記載のロボットハンド。

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