JP7537296B2 - ロボットハンド装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットハンド装置に関する。

工場などの現場では、人手不足などに起因してロボット化の需要が高まっている。これに伴い、ロボットによって部品をピッキングしてからプレイスする、いわゆるピック＆プレイスのシステムを利用する機会が増えている。近年、ロボットハンドが把持する物体は多種多様になっており、その中には衝撃に弱い物体もある。衝撃に弱い物体をロボットハンドでピック＆プレイスする場合は、ピッキング時の把持タイミングとプレイス時の解放タイミングを考慮した設計が求められ、ピッキング時およびプレイス時のいずれにおいても、物体に与える衝撃を減らす工夫が必要となる。

一般に、多指ロボットハンドなどのロボットハンドを用いて任意の形状の物体を把持した場合や任意の方向から物体を把持した場合は、その物体を床等に置くときに、ロボットハンドから物体を離すタイミングを適切に制御することが非常に難しい。そのため、解放タイミングが早すぎた場合は物体が床に落下し、解放タイミングが遅すぎた場合は物体を床に強く押し付けることになる。いずれの場合も物体に衝撃を与えることなり、物体を損傷する恐れがある。

特許文献１には、ロボットハンドで把持した物体を所定の場所に置くときに、その場所から受ける反力を演算し、演算した反力が閾値を超えた場合にロボットハンドから物体を離す制御を行う技術が記載されている。また、特許文献１には、ロボットハンド装置のベースの座標系からロボットハンドの座標系へのロボットハンドの姿勢によってロボットハンドの座標系における指先合力をロボットハンド装置のベースの座標系における指先合力に変換し、当該ロボットハンド装置のベースの座標系における指先合力の中の鉛直方向の指先合力に基づいて物体の重量を推定し、推定した物体の重量とロボットハンドにおける物体を把持する力との差を基に、物体を置く場所から受ける反力を演算する技術が記載されている。

特開２００７―２７６１１２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、ロボットハンドで把持した物体を所定の場所（以下、「プレイス場所」ともいう。）にプレイスするときの解放タイミングを算出するための入力情報が複数（把持する前の物体を撮影して得られる画像信号ＰＳ、各関節の回転角を検出して得られる関節角信号ＡＳ、各指における６軸力信号ＦＳ）存在するため、解放タイミングの算出が複雑で困難である、という問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、物体に与える衝撃を、より簡易な構成によって抑制することができるロボットハンド装置を提供することにある。

本発明に係るロボットハンド装置は、物体を保持する保持部と、保持部によって保持した物体をプレイス場所に置く場合に、物体から受ける反力によって変位する可動部と、可動部の変位量を検出する変位量検出部と、変位量検出部によって検出される可動部の変位量に基づいて保持部を制御する制御部と、を備える。

本発明によれば、物体に与える衝撃を、より簡易な構成によって抑制することができる。

本発明の実施形態に係るロボットハンド装置の構成例を示す側面図である。 図１のＡ部を拡大した概略側面図である。 本発明の実施形態に係るロボットハンド装置の動作手順を示すフローチャートである。 吸着部をピック場所に押し付けた状態を示す概略側面図である。 吸着部を物体に押し付けた状態を示す概略側面図である。 解放用閾値の設定方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。本明細書および図面において、実質的に同一の機能または構成を有する要素については、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

＜ロボットハンド装置の構成＞
図１は、本発明の実施形態に係るロボットハンド装置の構成例を示す側面図であり、図２は、図１のＡ部を拡大した概略側面図である。
図１および図２に示すように、ロボットハンド装置１０は、ロボットハンド部１２と、ロボットハンド部１２の動作を制御する制御部１４と、を備えている。

ロボットハンド部１２は、図示しない物体をピック＆プレイスによってピック場所からプレイス場所へと移送するために用いられる。ピック場所とは、物体をピッキングするための場所、すなわち物体の移送元となる場所である。プレイス位置とは、物体をプレイスするための場所、すなわち物体の移送先となる場所である。ロボットハンド部１２は、図示しないロボットアームに装着され、ロボットアームの動作にしたがって移動する。

ロボットハンド部１２は、ロボットハンド部１２の本体部分であるハンド本体部２０と、図示しない物体をエアー吸着によって保持する吸着部２２と、物体を把持する把持部２４と、所定の方向に移動可能な可動部２６と、可動部２６の変位量を検出する変位量検出部２８と、を備えている。吸着部２２は、保持部の一例として設けられている。

ハンド本体部２０は、把持部２４を動作させるための駆動機構を有する。吸着部２２は、ブラケット３０に取り付けられている。ブラケット３０は、ハンド本体部２０に取り付けられている。吸着部２２は、好ましくは、ゴム状弾性を示す弾性部材によって構成される。吸着部２２は、物体をエアー吸着によって保持するためのエアー流路（図示せず）を有する。エアー流路の終端部は、吸着部２２の下端部で下向きに開口する。一方、エアー流路の始端部は、図示しないエアー回路に接続される。エアー回路は、エアーチューブやエアー制御バルブなどを用いて構成される。エアー回路は、吸着部２２によって物体を保持する場合に、エアー流路を通してエアーを吸引する。また、エアー回路は、吸着部２２によって保持した物体を解放する場合に、エアーの吸引を停止する。エアー回路の動作は、制御部１４によって制御される。以降の説明では、エアー回路によってエアーを吸引した状態をオン状態、エアー吸着を停止した状態をオフ状態とする。

把持部２４は、ハンド本体部２０に取り付けられている。把持部２４は、図１に示すように、左右に対をなして配置されている。把持部２４は、リンク機構部２４１と、グリッパー部２４２と、を備えている。リンク機構部２４１は、図１のＢ方向に動作することにより、左右のグリッパー部２４２を開閉する。グリッパー部２４２は、図示しない物体を両側から挟むように把持する部分である。グリッパー部２４２は、図示しない物体を把持する場合に、物体に接触する凹部２４２ａを有する。把持部２４は、一対のグリッパー部２４２によって物体を把持することにより、物体を位置決めする。

可動部２６は、吸着部２２によって保持した物体をプレイス場所に置く場合に、物体から受ける反力によって変位する。可動部２６が変位する方向は、上記物体から受ける反力の方向と同じ方向である。本実施形態においては、吸着部２２によって保持した物体をプレイス場所に置く場合に、吸着部２２および可動部２６が物体から受ける反力の方向と、可動部２６が変位する方向が、いずれも上方向となっている。

可動部２６は、図２に示すように、スライドロッド２６１と、スライドロッド２６１を付勢するバネ部材２６２と、を備えている。スライドロッド２６１は、スライド部材の一例として設けられ、バネ部材２６２は、弾性体の一例として設けられている。

スライドロッド２６１は、大径ロッド部２６１ａと小径ロッド部２６１ｂとを有する。大径ロッド部２６１ａと小径ロッド部２６１ｂは、一体構造になっていてもよいし、ネジによって連結された構造になっていてもよい。スライドロッド２６１は、大径ロッド部２６１ａを下向きにして配置されている。大径ロッド部２６１ａの下面には吸着部２２が固定されている。小径ロッド部２６１ｂは、スライドガイド部材２６３によって上下方向にスライド（移動）自在に支持されている。スライドガイド部材２６３は、ベース部材３２に固定されている。ベース部材３２は、吸着部２２、可動部２６および変位量検出部２８を支持するために、ブラケット３０の下端部に取り付けられる部材である。

バネ部材２６２は、スライドロッド２６１の小径ロッド部２６１ｂに取り付けられている。バネ部材２６２はコイルバネによって構成されている。バネ部材２６２は、大径ロッド部２６１ａとスライドガイド部材２６３との間に、圧縮された状態で配置されている。バネ部材２６２の圧縮による反力は、スライドロッド２６１および吸着部２２を下向きに付勢する付勢力として作用している。また、小径ロッド部２６１ｂの上端側には、抜け止めストッパー（図示せず）が取り付けられている。抜け止めストッパーは、スライドロッド２６１の小径ロッド部２６１ｂがスライドガイド部材２６３から抜けないように、スライドガイド部材２６３の上面に突き当てられる。

変位量検出部２８は、可動部２６の一構成要素であるスライドロッド２６１の変位量を検出する。変位量検出部２８は、たとえば変位センサによって構成される。変位センサは、スライドロッド２６１の変位量に応じたアナログのセンサ信号を出力する。変位量検出部２８が出力するセンサ信号は、スライドロッド２６１の変位量に応じて、電流、電圧または抵抗などの値が変化する電気信号である。この電気信号は制御部１４に取り込まれる。制御部１４は、変位量検出部２８から取り込んだ電気信号をＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換することにより、スライドロッド２６１の変位量を示す検出値を得る。

制御部１４は、変位量検出部２８によって検出される可動部２６の変位量に基づいて吸着部２２を制御する。具体的には、制御部１４は、上述したエアー回路によるエアー吸着のオンオフ状態を切り替えることにより、吸着部２２を制御する。エアー回路によるエアー吸着をオフ状態からオン状態に切り替えると、エアーの吸引による吸着力が吸着部２２に発生する。このため、吸着部２２の下端部に物体３５を吸着させて、物体３５を保持することが可能となる。これに対し、エアー回路によるエアー吸着をオン状態からオフ状態に切り替えると、エアーの吸引による吸着力が消滅する。このため、物体３５を解放することが可能となる。また、制御部１４は、ハンド本体部２０が有する上記駆動機構を駆動することにより、把持部２４の動作を制御する。なお、本実施形態において、制御部１４は、ロボットハンド装置１０の動作とロボットアームの動作の両方を制御するものとする。

＜ロボットハンド装置の動作＞
続いて、本発明の実施形態に係るロボットハンド装置１０の動作について、図３のフローチャートを用いて説明する。

まず、制御部１４は、ロボットアームの動作によってロボットハンド部１２をピック場所の直上に移動させる（ステップＳ１）。

次に、制御部１４は、上記駆動機構の駆動により、把持部２４を開く（ステップＳ２）。把持部２４を開くと、一対のグリッパー部２４２は、一対のリンク機構部２４１の動作にしたがって互いに離間する方向に移動する。このように把持部２４を開いた状態では、吸着部２２がグリッパー部２４２よりも下方に突き出して配置される。これにより、把持部２４を物体に接触させることなく、吸着部２２を物体に接触させることができる。また、図４に示すように、吸着部２２をピック場所３３などに押し付けることにより、変位量検出部２８が正常に動作するかどうかを事前に確認することができる。なお、ステップＳ１の段階で、把持部２４がすでに開いた状態になっている場合は、ステップＳ２の処理を省略してもよい。

次に、制御部１４は、ロボットアームの動作によりロボットハンド部１２を垂直に下降させる（ステップＳ３）。これにより、図２に示すように、ピック場所３３に物体３５が置かれていた場合は、ロボットハンド部１２の下降によって吸着部２２が物体３５に徐々に近づいていく。そして、吸着部２２が物体３５に接触すると、制御部１４は、ロボットハンド部１２の下降を一時停止させた後（ステップＳ４）、上記駆動機構の駆動により、把持部２４を閉じる（ステップＳ５）。把持部２４を閉じると、一対のグリッパー部２４２は、一対のリンク機構部２４１の動作に従って互いに接近する方向に移動する。これにより、物体３５は、一対のグリッパー部２４２によって把持され、所定の位置に位置決めされる。ロボットハンド部１２の下降を一時停止させるタイミングは、吸着部２２と物体３５との接触によって可動部２６が変位し始めたタイミングとすればよい。

次に、制御部１４は、図５に示すように、ロボットアームの動作によってロボットハンド部１２の下降を再開することにより、吸着部２２を物体３５に押し付ける（ステップＳ６）。これにより、吸着部２２は、物体３５から受ける反力によって圧縮変形し、可動部２６は、物体３５から受ける反力によって上方に変位する。ここで記述する可動部２６の変位は、物体３５から受ける反力に押されてバネ部材２６２が圧縮し、これによってスライドロッド２６１がスライドガイド部材２６３に案内されながら上方に移動することにより起こる。

次に、制御部１４は、変位量検出部２８によって検出される可動部２６の変位量が保持用閾値を超えたか否かを判断する（ステップＳ７）。このとき、制御部１４は、可動部２６の変位量が保持用閾値を超えていない場合は、ロボットハンド部１２の下降を継続させ、可動部２６の変位量が保持用閾値を超えた場合は、ロボットハンド部１２の下降を停止させる（ステップＳ８）。保持用閾値は、ロボットハンド部１２の動作を制御するために予め設定される閾値である。保持用閾値は、好ましくは、ピック場所の硬さに応じて設定される。たとえば、ピック場所が金属、硬質プラスチックなどによって形成された硬い場所であれば、保持用閾値は小さい値に設定され、ピック場所がスポンジ、ゴムなどによって形成された軟らかい場所であれば、保持用閾値は大きい値に設定される。

次に、制御部１４は、エアー回路の動作によって吸着部２２のエアー流路からエアーを吸引することにより、吸着部２２に物体３５を保持させる（ステップＳ９）。これにより、物体３５は、把持部２４によって位置決めされたまま、吸着部２２に保持される。

次に、制御部１４は、上記駆動機構の駆動により、把持部２４を開いた後（ステップＳ１０）、ロボットアームの動作によりロボットハンド部１２を垂直に上昇させる（ステップＳ１１）。

次に、制御部１４は、ロボットアームの動作によってロボットハンド部１２をプレイス場所の直上に移動させる（ステップＳ１２）。

次に、制御部１４は、ロボットアームの動作によりロボットハンド部１２を垂直に下降させる（ステップＳ１３）。これにより、吸着部２２に保持された物体３５がプレイス場所に徐々に近づいていく。そして、物体３５がプレイス場所に接触すると、物体３５から受ける反力により、吸着部２２が圧縮変形するとともに、可動部２６が上方に変位する。このときのロボットハンド部１２の状態は、ピック場所３３がプレイス場所に変わるだけで、基本的に図５に示す状態と同じ状態になる。

次に、制御部１４は、変位量検出部２８によって検出される可動部２６の変位量が解放用閾値を超えたか否かを判断する（ステップＳ１４）。このとき、制御部１４は、可動部２６の変位量が解放用閾値を超えていない場合は、ロボットハンド部１２の下降を継続させ、可動部２６の変位量が解放用閾値を超えた場合は、ロボットハンド部１２の下降を停止させる（ステップＳ１５）。解放用閾値は、ロボットハンド部１２の動作を制御するために予め設定される閾値である。解放用閾値は、好ましくは、プレイス場所に硬さに応じて設定される。たとえば、プレイス場所が金属、硬質プラスチックなどによって形成された硬い場所であれば、解放用閾値は小さい値に設定され、プレイス場所がスポンジ、ゴムなどによって形成された軟らかい場所であれば、解放用閾値は大きい値に設定される。なお、解放用閾値と保持用閾値とは、互いに同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。

次に、制御部１４は、エアー回路の動作によって吸着部２２のエアー吸着を停止させることにより、物体３５を解放する（ステップＳ１６）。このとき、制御部１４は、プレイス場所に置かれる物体３５の位置精度を高めるために、上記駆動機構の駆動により、把持部２４の閉じ動作と開き動作を順に行ってもよい。

次に、制御部１４は、ロボットアームの動作によりロボットハンド部１２を垂直に上昇させる（ステップＳ１７）。これにより、ロボットハンド部１２がプレイス場所から退避する。

その後、制御部１４は、予定していたすべての物体３５の移送を完了したかどうかを確認する（ステップＳ１８）。そして、制御部１４は、次に移送すべき物体３５がピック場所に残っている場合は、上記ステップＳ１の処理に戻り、すべての物体３５の移送を完了した場合は、一連の動作を終了する。なお、ステップＳ１６における確認は、ピック場所からプレイス場所へ移送した物体３５の個数を制御部１４でカウントし、そのカウント値が所定値に達したか否かによって行えばよい。所定値は、移送を予定している物体の個数に設定される。

＜閾値設定方法＞
次に、解放用閾値の設定方法について図６を用いて説明する。なお、保持用閾値の設定方法は、基本的に解放用閾値の設定方法と同じであるため、説明を省略する。

まず、図示しない硬さ測定器を用いて、物体の硬さを測定する（ステップＳ３１）。物体の硬さ測定は、押し込み試験法および動的試験法のうちいずれか一方の試験法によって実施すればよい。押し込み試験法によって得られる測定値は、ブリネル硬さ、ビッカース硬さ、ロックウェル硬さなどであり、動的試験法によって得られる測定値は、ショア硬さ、ヌープ硬さなどである。

次に、上記硬さ測定器を用いて、プレイス場所の硬さを測定する（ステップＳ３２）。プレイス場所の硬さ測定は、上述した物体の硬さ測定と同じ方法で実施すればよい。

次に、ステップＳ３１の測定によって得られた物体の硬さとステップＳ３２の測定によって得られたプレイス場所の硬さとに基づいて、解放用閾値を設定する（ステップＳ３３）。解放用閾値は、たとえば次のように設定すればよい。
まず、物体の硬さとプレイス場所の硬さとを加算し、この加算値の１／２の硬さの値を求める。一方で、複数の閾値と複数の硬さとを対応付けたテーブルデータをあらかじめ用意しておく。そして、先ほど求めた硬さの値に対応付けられた閾値を上記テーブルデータから読み出し、読み出した閾値を解放用閾値として設定する。

このように、物体の硬さとプレイス場所の硬さとに基づいて解放用閾値を設定することにより、たとえば軟らかい物体を取り扱う場合や硬いプレイス場所に物体を置く場合は、より早いタイミングで物体が解放されるように解放用閾値を設定することができる。これにより、プレイス場所に物体に強く押し付ける前に、物体を解放することができる。したがって、物体に与える衝撃を抑制することができる。この効果は、上記同様の方法によって保持用閾値を設定する場合にも得られる。

なお、本実施形態においては、物体の硬さを測定した後に、プレイス場所の硬さを測定したが、これと逆に、プレイス場所の硬さを測定した後に、物体の硬さを測定してもよい。

また、本実施形態においては、物体の硬さとプレイス場所の硬さとに基づいて解放用閾値を設定しているが、本発明はこれに限らず、物体の硬さのみに基づいて解放用閾値を設定してもよいし、プレイス場所の硬さのみに基づいて解放用閾値を設定してもよい。

また、保持用閾値を設定する場合は、プレイス場所の硬さに代えて、ピック場所の硬さを測定すればよい。

また、保持用閾値は、ピック場所における物体のバラ積み量に基づいて設定することが好ましい。バラ積み量とは、複数の物体をバラバラの状態で積み上げた場合の量を意味する。バラ積み量が多くなると、バラ積みされている複数の物体のうちの一つを吸着部２２によって保持する場合に、吸着部２２の押し込みによって物体が崩れやすくなる。このため、バラ積み量が多い場合は保持用閾値を小さめに設定することにより、物体の崩れを抑制することができる。

＜実施形態の効果＞
以上説明したように、本発明の実施形態に係るロボットハンド装置１０においては、吸着部２２によって保持した物体３５をプレイス場所に置く場合に、物体３５から受ける反力によって可動部２６が変位するとともに、可動部２６の変位量を変位量検出部２８によって検出する。そして、制御部１４は、変位量検出部２８が検出した可動部２６の変位量に基づいて吸着部２２を制御する。これにより、吸着部２２で保持した物体３５を適切なタイミングで解放することができる。また、物体３５の解放タイミングを、従来よりも簡易な構成で設定することができる。その結果、物体３５に与える衝撃を、より簡易な構成によって抑制することができる。また、簡易な構成で様々な物体を様々な場所に安全にピック＆プレイスできるロボットハンド装置を実現することができる。

また、本実施形態においては、可動部２６は、物体３５から受ける反力の方向と同じ方向に変位する構成となっている。これにより、可動部２６の変位量は、プレイス場所に置かれた物体３５から受ける反力を直接反映した値となる。このため、より簡易な構成によって解放タイミングを設定することができる。

＜変形例等＞
本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の構成要件やその組み合わせによって得られる特定の効果を導き出せる範囲において、種々の変更や改良を加えた形態も含む。

たとえば、上記実施形態においては、保持部の一例として吸着部２２を挙げ、吸着部２２がエアー吸着によって物体３５を保持する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、保持部は、たとえば電磁石によって物体を保持するものであってもよい。また、把持部２４が保持部の機能を兼ねる構成であってもよい。

１０…ロボットハンド装置
１４…制御部
２２…吸着部（保持部）
２４…把持部
２６…可動部
２８…変位量検出部
３５…物体

Claims (4)

1. 物体を保持する保持部と、
   前記保持部によって保持した前記物体をプレイス場所に置く場合に、前記物体から受ける反力によって変位する可動部と、
   前記可動部の変位量を検出する変位量検出部と、
   前記変位量検出部によって検出される前記可動部の変位量に基づいて前記保持部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記保持部によって保持した前記物体を前記プレイス場所に置く場合に、前記変位量検出部によって検出される前記可動部の変位量が解放用閾値を超えたときに前記物体を解放するように、前記保持部を制御し、
   前記解放用閾値は、前記プレイス場所の硬さに基づいて設定される
   ロボットハンド装置。
2. 前記可動部は、前記物体から受ける反力の方向と同じ方向に変位する
   請求項１に記載のロボットハンド装置。
3. 前記制御部は、ピック場所に置かれた物体を前記保持部によって保持する場合に、前記変位量検出部によって検出される前記可動部の変位量が保持用閾値を超えたときに前記物体を保持するように、前記保持部を制御する
   請求項１または２に記載のロボットハンド装置。
4. 前記物体を把持することにより、前記物体を位置決めする把持部を備える
   請求項１～３のいずれか一項に記載のロボットハンド装置。

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