JP2009006460A - ロボットハンド - Google Patents

Abstract

【課題】複数の把持対象物を同一のハンドで把持できるロボットハンドであり、大きさの異なる複数種類の把持対象物を把持する際に、小さい対象物を把持する際も周囲との干渉を防止できるロボットハンドを提供する。
【解決手段】一対の指３，４及び６，７をそれぞれ開閉し、把持対象物を指で把持可能な把持機構１，２を備えると共に、上記把持機構１，２間の相対位置を変更する相対位置変更用駆動機構９を備えたロボットハンドであって、把持機構１，２は、一対の指と上記一対の指を支持する支持部とで形成される平面ＰＢが、把持機構１，２の各開閉方向Ａ、及び相対位置変更用駆動機構９による把持機構１，２の移動方向Ｃに沿った面ＰＡに対し交差するように並んだ構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数種類の対象物を把持・組付けするためのロボットハンドに関するものである。

複数種類の把持対象物（ワーク）を把持・組付けする従来のロボットハンドとしては、２個の把持爪を有する平行な２つの指が対向する方向に並進して開閉することにより、合計４個の把持爪でワークを押さえる４点接触式平行２指ハンドがあった。このようなロボットハンドにおいては、２つの指にそれぞれ取り付けられた２個の把持爪の間隔を把持対象物の大きさに応じてそれぞれ調整できるよう構成されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平１１−２６２８８６号公報（第３頁、図１、図２）

このようなロボットハンドにあっては、把持爪の間隔を調整して、大きな対象物と小さい対象物を同一のロボットハンドで把持することができるが、把持爪が指面に設けられているので、大きな対象物を把持するためには把持爪が設けられている指面の指面積を広くする必要がある。一方、このロボットハンドにより小さい対象物を把持し組み付け作業を行う場合には、上記指面積が大きいため、指が周辺に干渉する問題があった。
また、把持すべき複数の対象物の中に断面形状が円形の対象物がある場合には、安定して把持しにくい問題があった。例えば把持爪の長さを短くしていると、把持爪の間隔を広げた場合、把持爪ではなく指面が直接ワークと接触し、ワークとロボットハンドとの接触が４点ではなく２点接触となり安定しない。把持爪の長さを短く保ったまま４点接触させるには指間隔を狭くする必要があるが、指間隔を狭くすると４点接触であっても円形のワークを安定して把持できない。一方、把持爪を長くすると、把持爪の間隔を広げて４点接触により円形のワークを安定して把持することが可能であるが、指同士の間隔が長くなり、ロボットハンドが大型にならざるをえず、周囲と干渉する問題があった。
さらに、幅が途中で異なる対象物、十字型対象物、Ｔ字型対象物等は、対象物と指面とが干渉するため、把持しにくいという問題点があった。

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、複数の把持対象物を同一のハンドで把持できるロボットハンドであり、大きさの異なる複数種類の対象物を把持する際に、小さい対象物を把持する際も周囲との干渉を防止できるロボットハンドを提供することを目的としている。
また、幅が途中で異なる対象物、十字型対象物、Ｔ字型対象物等も容易に把持できるロボットハンドを提供することを目的としている。

この発明に係るロボットハンドは、一対の把持部を互いに近接離反する方向に開閉し、把持対象物を上記一対の把持部で把持可能な把持機構を複数備えると共に、上記複数の把持機構の少なくとも１つを移動して上記複数の把持機構の相対位置を変更する相対位置変更用駆動機構を備えたロボットハンドであって、上記複数の把持機構は、上記一対の把持部と上記一対の把持部を支持する支持部とで構成される平面が、上記複数の把持機構の各開閉方向、及び上記相対位置変更用駆動機構による上記把持機構の移動方向に沿った面に対し交差するように並べられているものである。

この発明によれば、周囲との干渉を防止しながら、大きさや形状の異なる複数種類の対象物を把持・組み付けできる効果がある。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるロボットハンドを示す構成図である。
把持機構１は、一対の把持部（指３と指４）と、指３，４を支持すると共に指３，４を駆動する駆動機構（支持・駆動機構）５とを備えており、把持機構１は、駆動機構５により指３と指４とを互いに接近・離反する方向に駆動することにより２本の指３，４を開閉軸に沿って開閉し（矢印Ａは開閉方向であり、開閉軸の方向を示す。）、指３，４の開閉により把持対象物の一部を把持する。
把持機構２は、一対の把持部（指６と指７）と、指６，７を支持すると共に指６，７を駆動する駆動機構（支持・駆動機構）８とを備えており、把持機構２は、駆動機構８により指６と指７とを互いに接近・離反する方向に駆動することにより２本の指６，７を開閉軸に沿って開閉し（矢印Ａは開閉方向であり、開閉軸の方向を示す。）、指６，７の開閉により把持対象物の一部（把持機構１が把持している箇所とは別の部分）を把持する。
把持機構１の指３，４と把持機構２の指６，７とは同時に矢印Ａの方向に開閉させることができる。
また、指３，４，６，７の先端部（把持対象物を把持する部分）は、各把持機構１，２の開閉軸（矢印Ａの方向）と直交する面と、この直交面に対し傾斜した傾斜面とを有している。

さらに、把持機構１と把持機構２とは、各把持機構に設けた一対の指とこの一対の指を支持する駆動機構とで形成される平面ＰＢが互いに対向するように並べられており、上記平面ＰＢは、把持機構１，２の各開閉方向Ａに沿った面ＰＡに対し直交している。
また、把持機構１と把持機構２との少なくとも１つを相対位置変更用駆動機構９により矢印Ｃの方向（移動方向）に移動することができ、相互の相対位置を変更することにより把持機構１と把持機構２との距離を調整することが可能である。なお、相対位置変更用駆動機構９による把持機構１，２の移動方向Ｃと上記平面ＰＡとは平行である。
また、相対位置変更用駆動機構９は把持機構間に対象物を把持する把持力を発生させることが可能であり、把持機構１と把持機構２とを近接する方向に動作させることにより、把持機構１の指３，４と把持機構２の指６，７との間に対象物を挟みこみ、対象物を把持することも可能である。

把持機構１の駆動機構５、把持機構２の駆動機構８、及び相対位置変更用駆動機構９は、それぞれ回転型の電動モータを１個づつ備え、ボールねじを介して把持機構１の指３，４、把持機構２の指６，７及び各把持機構１，２を動作させる。
なお、ボールねじ以外の伝達機構として、ラックアンドピニオン、トグル機構、歯付ベルトなどを用いても構わない。
また、回転型の電動モータではなく、リニアモータあるいはエアシリンダなどを採用しても構わない。

図１のロボットハンドは把持機構１の指３，４間の距離、把持機構２の指６，７間の距離、把持機構１と把持機構２との間の距離を変更することにより、小さい対象物から大きい対象物まで、複数種類の対象物を同一のロボットハンドで把持でき、特に小さい対象物を把持する際、周囲との干渉を防止しながら把持することができる。
例えば断面形状が大きい四角形の把持対象物を把持した場合のロボットハンドと把持対象物の状態を図２に示す。図２（ａ）は把持対象物１０と本実施の形態１のロボットハンドを下側から見た場合の図、図２（ｂ）は把持対象物１０と本実施の形態のロボットハンドを把持対象物１０の側面から見た場合の図である。
把持機構１及び把持機構２を閉じることにより、それぞれ２箇所、合計４個所にて把持対象物１０を把持しているため、安定した把持が可能となる。また、指の先端部には開閉軸（開閉方向Ａ）と直交する面３ａ，４ａ，６ａ，７ａを有しているので、この直交面３ａ，４ａ，６ａ，７ａで把持対象物１０を安定して把持することができる。

図３は同じ本実施の形態１のロボットハンドで断面形状が小さい四角形の把持対象物を把持した場合のロボットハンドと把持対象物の状態を示す図であり、図３（ａ）は下側から見た場合の図、図３（ｂ）は側面から見た場合の図である。
大きい四角形の把持対象物を把持した場合と同様に、把持機構１及び把持機構２を閉じることにより、それぞれ２箇所、合計４個所（直交面３ａ，４ａ，６ａ，７ａ）にて把持対象物１０を安定して把持している。
また、各把持機構に設けた一対の指とこの一対の指を支持する駆動機構とで形成される平面ＰＢが互いに対向し、これら平面ＰＢが把持機構１，２の各開閉方向Ａおよび移動方向Ｃに沿った面ＰＡに対し直交するように配置されているので、把持機構１と把持機構２との間の距離を最小にしても、駆動機構５及び駆動機構８が把持対象物１０の上部にあるため、把持対象物１０周辺と駆動機構５及び駆動機構８とが干渉することが無い。
従って、把持対象物１０を周辺に障害物がある箇所に挿入する作業のように周囲との干渉が問題となる場合でも作業可能である。

また、幅が途中で異なる対象物、十字型対象物、Ｔ字型対象物等に関しても、該把持対象物と駆動機構５及び駆動機構８とが干渉することがないので、容易に把持することができる。また、上記把持対象物を把持機構１の指３，４間に発生する把持力と、把持機構２の指６，７間に発生する把持力と、把持機構１，２間に発生する把持力により把持しているので安定した把持が可能となる。

図４は同じ本実施の形態１のロボットハンドで断面形状が円形の把持対象物１０を把持した場合のロボットハンドと把持対象物の状態を下側から見た場合の図である。
把持機構１及び把持機構２を閉じると共に、把持機構１と把持機構２との間隔を狭めることにより把持対象物１０を４箇所にて把持している。
また、把持機構１の指３，４間に発生する把持力と、把持機構２の指６，７間に発生する把持力と、把持機構１，２間に発生する把持力により把持対象物１０を把持しているので安定した把持が可能となる。
また、把持機構１の指３，４及び把持機構２の指６，７の先端部は、指の開閉軸（開閉方向Ａ）と直交する面に対し傾斜した傾斜面３ｂ，４ｂ，６ｂ，７ｂを有しており、先端部の断面形状（平面ＰＢに垂直な断面）は五角形としている。
傾斜面３ｂ，４ｂ，６ｂ，７ｂを、断面形状が円形の把持対象物１０の中心方向に垂直な面とすれば、この傾斜面で把持対象物を把持するので、より安定した把持が可能となる。

断面が円形の対象物を安定して把持するためには、図４のように指先端断面を五角形にして、一対の指の開閉軸と直交する面と、この直交面に対し傾斜した傾斜面とを有する形状とする他、図５に示すように、各指の断面（平面ＰＢに垂直な断面）を円形（図５（ａ））、円弧と平面（図５（ｂ））、六角形（図５（ｃ））にしてもよい。
また、図５のような断面形状にすれば、円形の穴をもつ把持対象物を穴の内側から安定して把持することも可能である。
なお、断面形状が四角形の対象物のみ把持する場合は、ロボットハンド指先端の断面形状は一対の指の開閉軸と直交する面を有する四角形でも構わない。

また、上記実施の形態では、駆動機構５、駆動機構８、相対位置変更用駆動機構９がそれぞれ直線上を動く機構（直動機構）を示したが、図６のように、相対位置変更用駆動機構１５として平行リンクもしくはベルト駆動により、把持機構１用リンク１１，１２及び把持機構２用リンク１３，１４が回転軸Ｄに対して駆動する機構（リンク機構）としてもよい。
さらに、図７のように、駆動機構５及び駆動機構８に関しても直動機構ではなく、それぞれ平行リンクもしくはベルト駆動により、回転軸Ｅ１，Ｅ２に対して駆動する駆動機構（リンク機構）１６，１７としてもよい。

なお、上記実施の形態においては、２つの把持機構１，２を備えるものを示したが、同様の構成の把持機構を３つ以上、複数備えるものであってもよい。
また、把持機構１と把持機構２とは、各把持機構に設けた一対の指とこの一対の指を支持する駆動機構とで形成される平面ＰＢが互いに平行に対向し、かつ各平面ＰＢが、把持機構１，２の各開閉方向Ａ及び移動方向Ｃに沿った面ＰＡに対し直交するように並べられている構成を示したが、各平面ＰＢが上記面ＰＡに対して傾いていてもよく、また各平面ＰＢが平行でなくともよい。

実施の形態２．
図８は本発明の実施の形態２によるロボットハンドを示す構成図である。
実施の形態１では、把持機構１の駆動機構５、把持機構２の駆動機構８、及び相対位置変更用駆動機構９はそれぞれ回転型の電動モータを１個づつ備え、ボールねじを介して指及び把持機構を動作させていた。本実施の形態では相対位置変更用駆動機構または把持機構の駆動機構に回転型の電動モータを２個備えるものである。

図８（ａ）は、相対位置変更用駆動機構１８に回転型の電動モータを２個、把持機構１の駆動機構５、及び把持機構２の駆動機構８にそれぞれ回転型の電動モータを１個づつ備えたものである。
相対位置変更用駆動機構（冗長直動機構）１８に回転型の電動モータを２個備えることにより、把持機構１と把持機構２とを独立に駆動できる。従って、相対位置変更用駆動機構１８のストロークの範囲内で、把持機構１と把持機構２とを独立に配置できるため、相対位置変更用駆動機構１８のストロークの任意の位置で把持対象物を把持し、周辺との干渉を防止することが可能である。

図８（ｂ）は、把持機構１の駆動機構１９に回転型の電動モータを２個備え、把持機構２の駆動機構８と相対位置変更用駆動機構９に回転型の電動モータを１個づつ備えたものである。
把持機構１の駆動機構（冗長直動機構）１９に回転型の電動モータを２個備えることにより、把持機構１の指３，４を駆動機構１９のストロークの範囲内で任意に配置することが可能となり、左右対称でなく、把持機構１，２で把持した際の指３，６を結ぶ直線（破線Ｇ）と指４，７を結ぶ直線（破線Ｆ）とのいずれもが、相対位置変更用駆動機構９による把持機構１，２の移動方向Ｃと平行とならない把持対象物も把持することが可能となる。

なお、上記実施の形態２では相対位置変更用駆動機構または把持機構の駆動機構のいずれか１方が２個の回転型の電動モータを備えるものを示したが、両方に備えるものであっても良い。

実施の形態３．
図９は本発明の実施の形態３によるロボットハンドを示す構成図である。
実施の形態１とは把持機構１が、指３，４と駆動機構５とを上下方向Ｈに移動させる移動機構２０を備える点が異なっている。
移動機構２０は、例えば回転型の電動モータとボールねじとにより指３，４と駆動機構５とを動作させ、一対の指３，４とこの指を支持する駆動機構５とで形成される平面ＰＢに沿って、把持機構１の開閉軸（開閉方向Ａ）に直交する方向Ｈに、指３，４と駆動機構５とを移動させる。

把持対象物が非常に小さい場合は、把持機構１を移動機構２０により上昇した姿勢で保持し、把持対象物を把持機構２のみで把持することにより、周囲との干渉を避けることが可能となる。

また、細長いコネクタを把持・挿入する作業を行う際は、把持機構１、及び把持機構２を閉じることによりコネクタを把持し、ロボットハンドを移動してコネクタレセプタに該コネクタをあわせ、把持機構１を若干広げた後上昇させ、コネクタに接触しなくなる地点で把持機構１の指間隔を狭めた後、把持機構１を下降することによりコネクタの片側をコネクタレセプタに挿入する。次に、把持機構２を若干広げた後、一旦ロボットハンド及び把持機構１を上昇させてロボットハンドを１８０度回転し、ロボットを下降させて把持機構２を閉じることにより、挿入した側のコネクタを把持機構２で把持し、把持機構１を下降させることによりコネクタの反対側もコネクタレセプタに挿入することができる。
以上のような手順で作業を行えば、把持しにくい細長いコネクタもコネクタレセプタに挿入することが可能となる。

なお図示しないが、把持機構２にも把持機構１と同様に駆動機構２の指６，７に平行な方向への駆動機構を設けて上下に駆動可能としてもよい。

実施の形態４．
図１０は本発明の実施の形態４によるロボットハンドを示す構成図である。
実施の形態１とは把持機構１が、把持機構１の開閉軸（開閉方向Ａ）に平行な軸Ｉの周りに、一対の指３，４と駆動機構５とを回転させる回転機構２１（例えば回転型電動モータと減速機の組み合わせによる回転駆動）を有する点が異なっている。
回転機構２１によりを一対の指３，４と駆動機構５とを回転させ、把持機構１を把持機構２の反対側方向へ広げることにより、相対位置変更用駆動機構９のストローク以上に把持機構１と把持機構２との間隔を広げることができ、より大きな対象物も把持できる。

また、回転機構２１により一対の指３，４と駆動機構５とをさらに回転させ、把持機構１の指３，４を水平よりも上側に移動して退避させ、把持機構２のみで把持対象物を把持すれば、小さい対象物を把持する際の周辺との干渉を防止できる。

なお、図示しないが、把持機構２にも把持機構１と同様に、把持機構２の開閉軸（開閉方向Ａ）に平行な軸の周りに、一対の指６，７と駆動機構８とを回転させる回転機構を備えてもよい。

実施の形態５．
図１１は本発明の実施の形態５によるロボットハンドを示す構成図である。
実施の形態１とは把持機構１及び把持機構２が、把持機構１，２の開閉軸（開閉方向Ａ）に直交する軸の周り（図１１では指に平行な軸Ｊ１，Ｊ２の周り）に、それぞれの一対の指と駆動機構とを回転させる回転機構２２，２３（例えば回転型電動モータと減速機の組み合わせによる回転駆動）を有する点が異なっている。
把持機構１及び把持機構２を回転可能とすることにより、図１２（ａ）に示す把持対象物２４を把持する際、周辺との干渉が防止でき、把持対象物２４の部位２５と部位２６とをそれぞれ把持機構１と把持機構２とで把持することが可能である。
また、図１２（ｂ）に示す把持対象物２７のように円弧形状をした把持対象物の両端２８，２９をそれぞれ把持機構１，把持機構２で把持することが可能である。

上記実施の形態５では、把持機構１及び把持機構２の両方に回転機構２３，２４を設けたが、どちらか一方のみ設けても良い。
また、回転軸の方向は一対の指の開閉方向Ａに直交する軸であれば、上記方向（指に平行な回転軸Ｊ１，Ｊ２）に限らない。移動方向Ｃに平行な回転軸であっても良い。

このように、本実施の形態によれば、曲線状の把持対象物など、把持対象物の把持箇所が平行でない対象物も安定して把持できる効果がある。
また、回転軸が移動方向Ｃに平行な回転軸の場合はこの回転機構を有する把持機構を不要なときに退避させることができ、周囲との干渉が厳しい場合でも作業可能となる効果がある。

実施の形態６．
図１３は本発明の実施の形態５によるロボットハンドを示す構成図である。
本実施の形態では３個の把持機構１，２，３０を備え、そのうちの把持機構３０は把持機構１，２と同様、一対の把持部（指３３と指３４）と、指３３，３４を支持すると共に指３３，３４を駆動する駆動機構（支持・駆動機構）３５とを備えている。
また、把持機構３０は、相対位置変更用駆動機構３１により、相対位置変更用駆動機構９の駆動軸（矢印Ｃの方向）と垂直な方向Ｋに駆動され、さらに回転機構３２により回転軸Ｊ３の周りに回転する。

図１３に示すロボットハンドでは把持機構が３個存在し、駆動軸の方向が異なる２つの相対位置変更用駆動機構により、各把持機構の間隔を変更でき、さらに把持方向もそれぞれ自由に変更できるので、さらに多くの種類の対象物を把持できる。例えば図１４に示す半リング状の把持対象物３６を３７、３８、３９の３箇所で把持できる。

なお、図１３では３個の把持機構１，２，３０と２つの相対位置変更用駆動機構９，３１を備えるものを示したが、それぞれこれ以上の数を備えるものであっても良い。

また、上記各実施の形態を組み合わせて、把持対象物に応じた移動機構及び回転機構を合わせ持つようにしても良い。

本発明の実施の形態１によるロボットハンドを示す構成図である。 本発明の実施の形態１によるロボットハンドにより大きい四角形の把持対象物を把持した場合の図である。 本発明の実施の形態１によるロボットハンドにより小さい四角形の把持対象物を把持した場合の図である。 本発明の実施の形態１によるロボットハンドにより円筒状の把持対象物を把持した場合の図である。 本発明の実施の形態１によるロボットハンドの先端形状の他の例を示す図である。 本発明の実施の形態１による他のロボットハンドを示す構成図である。 本発明の実施の形態１によるさらに他のロボットハンドを示す構成図である。 本発明の実施の形態２によるロボットハンドを示す構成図である。 本発明の実施の形態３によるロボットハンドを示す構成図である。 本発明の実施の形態４によるロボットハンドを示す構成図である。 本発明の実施の形態５によるロボットハンドを示す構成図である。 本発明の実施の形態５によるロボットハンドにより把持できる把持対象物を示す図である。 本発明の実施の形態６によるロボットハンドを示す構成図である。 本発明の実施の形態６によるロボットハンドにより把持できる把持対象物を示す図である。

符号の説明

１，２，３０ 把持機構、３，４，６，７，３３，３４ 指、５，８，３５ 駆動機構、９，３１ 相対位置変更用駆動機構、１０，２４，２７，３６ 把持対象物、１１，１２，１３，１４ 把持機構用リンク、１５ 相対位置変更用駆動機構（リンク機構）、１６，１７ 駆動機構（リンク機構）、１８ 相対位置変更用駆動機構（冗長直動機構）、１９ 駆動機構（冗長直動機構）、２０ 移動機構、２１，２２，２３，３２ 回転機構。

Claims (7)

1. 一対の把持部を互いに近接離反する方向に開閉し、把持対象物を上記一対の把持部で把持可能な把持機構を複数備えると共に、上記複数の把持機構の少なくとも１つを移動して上記複数の把持機構の相対位置を変更する相対位置変更用駆動機構を備えたロボットハンドであって、上記複数の把持機構は、上記一対の把持部と上記一対の把持部を支持する支持部とで構成される平面が、上記複数の把持機構の各開閉方向、及び上記相対位置変更用駆動機構による上記把持機構の移動方向に沿った面に対し交差するように並べられていることを特徴とするロボットハンド。
2. 一対の把持部の先端部は、把持機構の開閉方向と直交する面と、この直交面に対し傾斜した傾斜面とを有することを特徴とする請求項１に記載のロボットハンド。
3. 一対の把持部の先端部は、上記一対の把持部と上記一対の把持部を支持する支持部とで形成される平面に垂直な断面の形状が円弧形状を有することを特徴とする請求項１に記載のロボットハンド。
4. 少なくとも一つの把持機構は、一対の把持部と上記一対の把持部を支持する支持部とで形成される平面に沿って、上記把持機構の開閉方向に直交する方向に、上記一対の把持部を移動させる移動機構を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のロボットハンド。
5. 少なくとも一つの把持機構は、上記把持機構の開閉方向に平行な軸の周りに、上記一対の把持部を回転させる回転機構を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のロボットハンド。
6. 少なくとも一つの把持機構は、上記把持機構の開閉方向に直交する軸の周りに、上記一対の把持部を回転させる回転機構を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のロボットハンド。
7. 相対位置変更用駆動機構は、駆動軸が互いに交差する複数の相対位置変更用駆動機構を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のロボットハンド。

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