(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と複数のチャネルを含む柔軟な把持フード(１８０)を含む把持器(１３０)であって、
前記基部は、第１中央開口部(１９４)の周囲に形成され、把持フード(１８０)の一部である柔軟なリップ(１９０)によって囲まれた所定の外周を有し、当該柔軟なリップは、当該基部の外周の周りに延びて、外周リム(２２０)に向かって下向きに延び、
複数のチャネル(２０４)は、前記第１中央開口部(１９４)から半径方向外向きに通過し、柔軟なリップ(１９０)の下側であって前記外周リム(２２０)から所定の距離があり、柔軟なリップ(１９０)と外周リム(２２０)は把持フードとワークピースとの間に圧力差が生成されるときに、ワークピースに一致するように適応可能であり、
前記把持フードの基部に取り付けられ、第２中央開口部(１９４)を有するリップ基部(１８２)と、
第１および第２中央開口部を通る真空ラインと、
夫々基端部と先端部を有する複数のチャネルフィンガー(２００)であって、各チャネルフィンガー(２００)はチャネル(２０４)の各１つに取り付けられることによって把持フード(１８０)に固定されたチャネルフィンガー(２００)と、
リップ基部(１８２)に接続されて、真空力を柔軟なリップ(１９０)の内側に最初に分配し、次にチャネルフィンガー(２００)に分配する底基板アセンブリ(２０８)とを備え、
前記柔軟なリップ(１９０)は前記リップ基部(１８２)に取り付けられ、前記チャネルフィンガー(２００)は把持フード(１８０)の内面に沿って延びており、
使用時に、第１中央開口部(１９４)を介して真空力が最初に加えられ、ワークピースの一部が第１中央開口部(１９４)に向かって動き、その後、底基板アセンブリ(２０８)によって真空力は前記チャネルフィンガー(２００)に向けられ、
それによって、前記把持フード(１８０)の外周リム(２２０)に接近した複数のポイントで吸引把持を可能とするとともに、把持フード(１８０)をワークピースの表面の周りに変形させ、ワークピースの表面に一致させる把持器(１３０)。
【請求項２】
前記チャネルフィンガー(２００)は、前記把持フードのチャネル(２０４)と一体に成形されている、請求項１の把持器。
【請求項３】
前記把持フード(１８０)は、所定の変形形状を生成する略余弦形状カーブに従って、前記外周リム(２２０)の下側に延びる、請求項２に記載の把持器。
【請求項４】
前記把持器(１３０)が接続される、ツール中央ポイント(１８８)を有するロボットアーム(１２４)と、
前記第１および第２中央開口部(１９４)を通じて前記チャネルフィンガー(２００)の基端部に連通して、真空源(１３４)に接続された少なくとも一つの真空ホースであって、第１の中央開口部の近傍の把持フード(１８０)の内側に真空力を付与し、真空ホースを通ってチャネルフィンガー(２００)の先端部に吸引力を付与し、それによって前記把持フード(１８０)の外周リムの近傍の複数のポイントにて吸引把持を可能にする真空ホースを備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の把持器を備える真空把持装置。
【請求項５】
前記吸引力を監視し、保持力が所定のレベル以下に下がると応答するセンサを備えている、請求項４に記載の真空把持装置。
【請求項６】
前記真空ホース内にて真空力のレベルを制御するバルブ(１３８)をさらに備えている、請求項５に記載の真空把持装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００７年４月２６日に出願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。
【０００２】
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、不規則及び変形しやすいワークピースをつかみ、ワークピース（work piece）を持ち上げて保持し、及び、材料の取り扱い、組み立て、パッケージング、及び他のロボット及び自動化された操作機能の目的から、ワークピースを操作する分野に関する。
【背景技術】
【０００３】
ＩＳＯは、自動的に制御され、再プログラム可能で、３本以上の軸にてプログラム可能な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、精巧さ及び柔軟性において高いレベルに達したが、ロボットシステムの最も決定的な要素に関する問題、エンドエフェクタ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。
【０００４】
一般的なエンドエフェクタは、溶接デバイス、塗料スプレー、グラインダ及びバリ取り装置、並びに、把持器（gripper)を含んでいる。エンドエフェクタ、特に把持型は、しばしば非常に複雑であり、取り扱われるワークピースに適合するために非常にカスタマイズされている。エンドエフェクタは、製品の設置、ハンドリング、及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、技術はこの分野で立ち遅れており、それは不規則な物体を取り扱うことの固有の困難性、及び広範囲の商業的な適用に求められるスケールメリットを生成すべく十分に広範な使用に適した把持装置を生成することの固有の困難性に依る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
多くの解決策は、天然物を操作しようとして不測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。成功裡に工業ロボットを実現するのに重要な要素であるマシン・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ライティング(lighting)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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、鶏肉及び精肉または食品でないアイテム等、不規則及び変形可能なワークピースをつかみ、持ち上げ、保持し、パックし、及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、及び他のロボットの及び自動化された操作機能の目的から、袋を操作することができる。本装置は十分な摩擦力及び保持力を確保する外面の空気透過性の包み又は通気口があってもなくても包装され規則的に形成された物体を把持できて、高速でのロボットの取り扱いから生じる極度の加速力に耐えることができる。
【０００７】
本装置は、ロボットアームによって操作されることができる真空把持装置、及び、把持器の位置決め情報を提供する光学システムから構成されている。上記把持器は確実で堅固であるが優しい把持を容易にし、該把持は効率的な現実世界の包装動作のために、さまざまな寸法、形状の広範なワークピースの取り扱い、及び垂直及び水平方向の急速な加速におけるそれらの動作の取り扱いを可能にする。
【０００８】
適応可能な動作により、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に亘って均一に配する。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、包装物又はワークピースが全体的に充填されているか、又は一部のみが充填されているかに関わらず、袋詰め製品を自動的に取り扱うことを容易にする。
【０００９】
上記把持装置は、基板に取り付けられた柔軟な把持フードを有する。上記把持フードは、膜及び外周リップを含む。上記把持膜は、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、ワークピースの不規則な表面に合わせることができ、ワークピースの表面及び上記把持器のリップの間で気圧の差が生じる。上記把持フードは、熱可塑性連続成形工程によって成形され、把持フードのリップは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。しばしば、これは、費用効率の高い方法であり、また、上記リップ膜及び基部（base）の間の良好な結合を付与する。小さい柔軟チューブ（真空チャネルフィンガー）が、柔軟な把持フードのチャンネルを突き抜けて形成される。
【００１０】
上記基板は、真空ラインを受け入れる大きな中央開口を有している。吸引力が把持フードの頂部の中央孔に生成され、これは把持フードの壁に沿って開口端に延びて把持フードのエッジに接近した多数の地点に把持力を付与する通過柔軟チューブ又はフィンガーと同様である。食物に関する応用例にて、これらのチューブはチャンネルを開いたまま成形後に取り外されるが、高い真空レベルが生じたときに潰れないように十分に堅い。これにより、チューブと膜間の層間剥離のリスクを低減し、層間剥離に伴うワークピース又は包装内に異物が落ちる可能性を低減している。
【００１１】
基板のリム周りに空気流れが当初導入される。ワークピースにリップが位置するまで、空気流れはない。約８０％真空の状態で、1/10秒以内に十分な真空レベルが形成される。これにより、ワークピース及び把持器のリップに急なショックが形成される。5/100秒以内に、ワークピースは基板のリムに対して捕捉される。この地点にて基板周りの空気流れはブロックされ、エアフローは柔軟チューブの下のみである。これにより、柔軟材から形成された把持器のリップがワークピースの形を撓ませ、ワークピース上の多数の地点にて緊密な接続を形成する。
【００１２】
ワークピースの表面及び把持器の膜の接触面の間での小さなギャップが閉じられた地点にて、普通は更なる高い空気流れの必要はなく、減圧された真空は一般に２０及び４０パーセントに維持される。リップのリム周りの低圧が無い状態では、ロボット装置によるワークピースの素早い移動時に、ワークピースは真空から自由となる。中央の開口部及び周辺のチューブから構成される、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、ワークピースは把持フードに対して堅固なものとなり、約３００ｃｍ2 のリム領域を有する把持器の膜であれば、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。この大きな把持力により、ベルトまたは作業台（work surface）からロボット装置によるワークピースの素早い加速を容易にするので、素材ハンドリングシステムの全体能率を著しく増加させる。
【００１３】
一般に、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ワークピースを持ち上げることができ、つるされた袋（それらは一端が縛られている）を備えたワークピースに適用したときにしばしば、９９％を超える成功率を伴う。把持器のデザインは、つるされた袋または平たい枕袋について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、把持器のリップの形状は、さまざまなタイプの袋に近接した形状及びリップの長さに適切に適合するように修正される。多くの把持器の構造は、消費材及び工業製品の標準的な包装に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、包装のタイプについ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が操作されることができるように構成される。
【００１４】
３つの異なる技術は、システムの相互作用制御を提供するために用いられ得る。高真空センサは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。
前記の如く、ギャップ及び膜と柔軟な周辺チューブは、把持表面を分布した大きな領域を提供する。システムは、望ましくは、ワークピースの迅速な移動、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、ワークピースが移動した後にワークピースを迅速に開放するために、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。
【００１５】
ワークピースに関する把持器を正確な位置合わせを容易にするために、装置は、独自の照明及びカメラシステムを組み込んでいる。一定強さの光又は閃光の光源の円形アレイは、ワークピースをロボット操作装置に運ぶ経路上の特定の位置に亘って支持される。
高いコントラストを有する一定強さの光を提供するために、光をシステムの他の構成要素又は汚染の影響から遠ざけることを維持しつつ、光源のアレイは１以上のミラーアレイに向かって下向き又は上向きである。ミラーアレイは個々の光源アレイと一直線にあり、ワークピースの外周周りに下向き及び内向きに光を反射している。
【００１６】
この照明方法により、通常は照明及びコントラストは均一になる。ワークピースの経路上に位置するデジタルカメラは、ワークピースがロボットアームに向かって通過すると、ワークピースの１枚以上の画像を撮ることができる。高速ストロボスコープ照明要素を使用すると、ワークピースが動いているときでさえ、はっきりした画像を生成することができる。カメラにより取り込まれた画像は、コンピュータに保存され得る。本装置は、包括的な画像取り込みシステムを組み込み、マシン・ビジョン・ソフトウエアが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ことができる。製品の形状が大きく変化しても、本システムは、寸法、形状、質感、色、及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、
【００１７】
上記均一な照明は、高コントラストのデジタル画像を生成して、これは寸法、形状、パッケージング技術、及び他の要因に基いたワークピースモデルの事前に保存された画像と比較され得る。事前に保存された画像は、特定のタイプのワークピースについて最適化された把持位置と関連する。当該技術分野で公知の、視覚画像ロボット制御ソフトウエアを用いて、経路上のワークピースの向きに関わらず、ロボットアームは把持器を位置決めし、ワークピースを最適な位置にて把持する。このアプローチにより、正確さと速度が増大し、位置決めのエラーから生じる停止時間及びワークピースへの損失を除去する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
本発明の装置における他の特徴及び有利な点は、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】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１方向斜視図を表している。
【図１Ａ】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２方向斜視図を表している。
【図２】図２は、図１の本装置に組み込まれている光学照明及びカメラシステムの側面図を表している。
【図２Ａ】図２Ａは、図１の本装置に組み込まれている光学照明及びカメラシステムの平面図を表している。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図１の本装置に組み込まれている光学照明及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】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及び旋回アダプタの上面斜視図を表している。
【図３Ａ】図３Ａは、図３に示される柔軟把持アセンブリ及び旋回アダプタの底面斜視図を表している。
【図４】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】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】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】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】図６Ａは、図６の別の把持器デザインの底面図を表している。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本願の真空把持装置は、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、不規則で撓み易いワークピースを把持して、ワークピースを持ち上げて保持し、材料を取扱い、組み立て、包装し、及び他のロボットの機能及び自動化された操作機能の目的からワークピースを操作するのに適している。
【００２０】
真空吸引力は、ホースを介して把持器へのホースを通じて接続された電子的に動作する高速且つ高真空流れバルブを用いて真空タンクから生成される。把持器アセンブリは、触覚及び/又は視覚フィードバックを組み込んだ、リアルタイムコンピュータ化コントローラによって制御されるロボットアームを用いて移動されて、ワークピース上に把持器を位置決めする。装置１００は、当該技術分野で公知のマシン・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。
【００２１】
図１及び図１Ａは、ロボット素材ハンドリング装置１００を記載している。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。ワークピース１１４は、作業台の上に置かれるか、作業台に沿って輸送される。装置１００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内にワークピースを置く。把持器アセンブリは、ワークピースを持ち上げ、操作し、移動し、そしてコンテナ内に置き、コンテナは次にコンベヤトラック１３２に沿って装置から離れるように輸送される。装置１００は、真空ライン１３６を通じて把持器アセンブリ１３０に吸引または真空力を提供する真空ポンプ１３４を含んでいる。真空ラインにおける真空力は、バルブ１３８によって制御され得て、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、及び反射ミラーの二重アレイ１４８は、作業台上にワークピースを置くするために用いられる。
【００２２】
図２、図２Ａ及び図２Ｂは、光学照明及びカメラシステム１６０を記載している。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得る。光の波長は、前記ワークピース上における要素（例えば、袋またはパッケージ上のデザイン要素等）と、当該ワークピースのリム、及び、コンベヤまたは作業台１１０との間のコントラストを探すべく、変更されてよい。
ＬＥＤアレイ及びカメラ１４４は、密閉された筐体中におかれて、システムは環境下で効率的に作動する。該環境は食品を取り扱う産業に要求されるような洗浄又は殺菌の操作中又はしばしば、ワークピースに用いられる洗浄システムの蒸気又はスプレーのような光学システムに適さない環境ではない環境である。
【００２３】
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、両方のリングから反射されて、ワークピース１１４の大きな高度範囲に亘って、均一な照明を提供する。このような２つのリング配置におけるミラーの固定された配列は、当該技術分野で公知のように、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一般的な情報源を提供する。アレイ内のミラーの数及び位置又は角度は変えることができるが、１つの最適化されたシステムが広い範囲で使用されるように、大凡良好に作動する。これにより、システムが異なる使用に個々に最適化されて、高額な値段となることを避けている。最適化されたシステムを提供するに際し、二重リングの構成は１つのアレイ構成を含んで、従来技術に対して利点を付与する。
【００２４】
アレイにおけるミラー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、袋または他のワークピース１１４は、垂直軸の周囲を回転することができるため、システム１６０は、全ての角度から光を付与して、方向性にかかわらず同じ画像を生成する、
ミラーアレイ１７０は、形状、寸法、袋のデザインまたはグラフィックス、及び作業の経路に沿うワークピースの方向性から大きく独立した一般的な解決策を付与する。アレイはまた、広範なマシン・ビジョン・ソフトウエア及びシステムを用いて、光学出力の使用を容易にし、該アレイは予めプログラムされた限界を超える過度のデータを用いるソフトウエアに負担を掛けないようにする。ミラー１７２は、破損または腐食に対する抵抗性を要因とする、広範な環境に用いられるステンレス鋼であり得る。
【００２５】
図３、図３Ａ及び図４は、基板１８２へ取り付けられた柔軟な把持フード１８０を含む、柔軟な把持器アセンブリ１３０を記載している。一実施形態では、旋回アダプタ１８４は、基板及びツール中央取り付け点１８８の間に取り付けられる。一実施形態では、把持フード１８０は外側被覆プロセスを用いて製造され、以前に成形された部分が再挿入され、材料の新たな層が元の部分の周りに形成されることを可能にする。これは熱可塑性の順次成形プロセスを適用することによってなされ、把持フード１８０のリップ１９０は把持フードの膜１９２に用いられるポリマーよりも融点が高いポリマーから成形され、これは当該技術分野で公知のように、リップ膜と基板の間を良好に締結するコスト面で効率的な方法である。
【００２６】
中央開口部１９４により、基板１８２及び把持器アセンブリ１３０を貫通して、真空ポート１９８を通って把持器アセンブリ内に真空が形成されることが可能になる。把持器アセンブリ１３０は、ツール中央取り付け点１８８によって、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。把持器アセンブリは、旋回アダプタ１８４を用いてロボットアームに接続され、該把持器アセンブリが真空ポートと独立して回転することができる。この代替例により、把持器アセンブリが回転運動し、ワークピース１１４が真空ホース１３６又は他の制御ライン無しで操作されて、これにより摩耗と材料疲れを減じることができる。
【００２７】
把持フードの膜１９２は、例えばシリコーンまたは軟可塑性ブレンド等の柔軟素材から形成されて、ワークピース１１４の不規則な表面に従うことができ、空気動力学及び空気流れの法則が十分な引き込み力を生成するように十分に接近し、真空(低圧)によりリップ１９０の内面がワークピースの表面に堅固であるが優しく取りつく。この手段により、２つの接合面間の最初の漏れギャップ(真空流れが加わる前)は閉じ、ワークピースの被包された表面とリップの間の気圧差が生じるだろう。把持器の内部で低圧が強まるにつれて、膜１９２の予測できない且つ非原因的（無秩序の）な変形を避けるべく、膜の水平湾曲は微分ｄ(ｆ(θ、ｚ))/ｄθの公式を実行することによって定義されるのが好ましく、ここでｆは膜の水平湾曲、θは単調な垂直回転軸の回転角であり、微分ｄ(ｆ(θ、ｚ))/ｄθは、頂点及び下方の点でｚ＝０としたとき、正弦波形の１周期に近似した連続的な関数であり、Ｓ型関数として知られる。
【００２８】
ロボットアーム１２４の動作軌跡の法面に突出した領域には、把持器アセンブリ１３０が取り付けられて、重力の自然力と合わさって、把持器アセンブリの比例的な保持力を形成する。把持器の膜１９２の形状は、この領域が最大になるように最適化されて、把持器の保持能力もまた最適になるのが好ましい。この原理は、水母の形状及び蛸の吸引空洞から導入されている。
【００２９】
図３Ａ及び図４に記載するように、開口端を有する小さい柔軟な通路チューブ又はフィンガー２００は、把持フード１８０に形成された通路２０４を通って突出する。真空チャネルフィンガーは、把持フードと一体に成形され、又は別個の個別の通路として形成されて把持フード又は基板１８２に接続される。図４に記載された実施例において、底基板アセンブリ２０８は基板１８２に接続され、この底基板アセンブリは一般に把持器フードの内側にて「浮いて」おり、真空力を膜の内側に最初に分配し、次にフィンガー２００に分配するのに有用である。
【００３０】
吸引は、前記把持フード１８０の頂点の中央開口部１９４にて、柔軟な真空チャネルフィンガー２００を通じて生成され、把持器アセンブリの縁に接近した多数の地点にて把持力を付与する。食物に関する適用では、成形後にチャンネル２０４を開いたまま、真空フィンガーは除去される。しかし、真空レベルが生成されたときに、潰れないように把持フード１８０は十分堅い。小塊２１４がチャンネル２０４間の把持器アセンブリに加えられ又は成形され、高真空レベル下の潰れ及び閉塞から保護する。これにより、フィンガー２００と膜１９２の間の層間剥離のリスク及びそれに付随する処理中のワークピースの落下の可能性が減じられる。
【００３１】
空気流は、最初、前記柔軟なリップ１９０の周りに導入される。柔軟なリップがワークピース１１４上に位置するまで、一般に空気流は少ないか無い。真空ポンプ１３４又は他の真空を生成する源が、真空の８０％までの状態では、ワークピースを最初に把持する十分な真空レベルは、約1/10秒で生成される。これにより、ワークピース及び把持器アセンブリ１３０の柔軟なリップ１９０に突然のショックが生成される。約5/100秒以内にワークピースが基板の柔軟なリップに捉えられる。
【００３２】
そのとき、基板１８２の周りの空気流は、基板と隣接しているワークピース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。これにより、柔軟素材で形成されている把持器膜１９２はワークピースの一般的な形状に変形する。これにより、高真空を形成する空気流れにより生成されるドラッグ故に、ワークピース上の多数の地点で緊密な接続が生成され、これは航空機の翼に適用される流体力学と同じ原理に従う。
【００３３】
閉じた容積からの空気を排出することにより、閉じた容積と周りの大気間の圧力差が大きくなる。閉じた容積が把持フードの膜１９２及びワークピース１１４の表面によって制約されれば、大気圧は２つの対象物を一緒に押圧する。保持力の大きさは２つの対象物及び真空レベルによって共有される表面領域による。。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、システムから空気を除去して、圧力の違いを生成する。
【００３４】
コンテナからの全ての空気を除去することは不可能ではないが、難しいため、完全な真空を達成することはできない。それゆえ、単位時間ごとに、より多くの空気を除去するにつれて、気圧の差は増加し、真空の力が起こり得る。一般的な現実世界の応用例における非理想的な作業状況では、容積速度（リットル／秒において）は、吸引カップ及びサンプルの間で重大な漏れが存在すると、真空レベルにおける望ましい極端に短い時間の上昇と、実際の保持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、
【００３５】
【数１】
0005537416.tif 000002
【００３６】
【数２】
0005537416.tif 000003
【００３７】
は、前記容積ポンピング速度であり、Ｒは、真空システムにおける総空力学的抵抗である。望ましくは、Ｒは、真空部分、接続、及び、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。装置１００においては、流れの抵抗は、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。密閉された真空の少しが、流れへの抵抗を表す一部の真空を保持し、負の測定圧力に等しい。理想的な真空カップについて、保持力は以下の如く定義される。
【００３８】
【数３】
0005537416.tif 000004
【００３９】
ここで、
Ｐatm＝周囲の気圧（Ｐａ）
Ｐvac ＝真空気圧（Ｐａ）
Ａc ＝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、高速工業ロボットの通常の４Ｇ加速度を想定すれば安全マージン要因を与えない３０ｋｇとなる。
【００４０】
対象物の緩くパックされた袋の高い動力学的及びカオス的なふるまいにより、ロボットによる標本の高速、高加速度の取り扱いを達成するのに必要な抵抗力の範囲が考察される。ワークピース１１４が液体物質を含んでいるときには、特別な注意が払われて、袋の正確な設置(コンピュータ視覚技術を用いて)、及び袋の信頼性のある材料特性が確実にされる。これらの決定は状況によって特定されるが、当該技術分野で公知の方法によって解決することができる。必要な真空力は、垂直軸及び水平軸の両方で決定され得て、平行軸構造を備えたＳＣＡＲＡ（選択的準拠アセンブリロボットアーム）ロボット構成で容易に適用される。このＳＣＡＲＡロボット構成は、通常、より小さなフットプリントを要求し、単純に取り付けられる、比較デカルトシステムよりもより早くよりクリーンである。関節のあるロボットの例では、力学ベクトル決定は、水平方向から離れる回転を確実とすべく行われ、そして、向きの設置の素早い変化が考慮される。
【００４１】
ワークピース１１４を持ち上げるときに、垂直力の要件は、以下に定義される。
【００４２】
【数４】
0005537416.tif 000005
【００４３】
ここで、
ａlift＝持ち上げ加速度
ａg＝重力加速度
Safety Factor usually（通常の安全係数）＝水平持ち上げに対して４
である。同じく、水平力要件は、以下に定義される。
【００４４】
【数５】
0005537416.tif 000006
【００４５】
αは全ての垂直ロボット軸からの直線加速度成分及び全ての回転から由来する遠心性の寄与分ンの両方を含んでいる。２つの安全係数は、水平移動に対して一般に加えられる。乾き摩擦は
【００４６】
【数６】
0005537416.tif 000007
【００４７】
によって与えられる。
さらに、摩擦係数μdry は、動摩擦及び静摩擦挙動の両方の複合物であり、通常、前記把持器及び前記物体の両方の速度の差が０に等しいとき最大となる。なぜなら、乾き摩擦λdry は、実際の用途において実際には限定されるので、安全乗算係数が示されるためである。これらの係数のレベルは、吸引カップの付着表面の接触表面に、幾何学的に適合した剛体のワークピースに基づいて、市販の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いる。
【００４８】
ワークピース１１４が把持フード１８０の内部表面に厳密には一致しない接触表面を有していることに対して、基本的な真空揚力公式は、通常、使用可能なモデルを提供せず、そして、経験による安全係数が適用されなければならず、実用的に達成不可能な真空需要に繋がる。このようなシナリオは、食品及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、基本的な真空揚力原理及び公式を満たすように定義される。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。
【００４９】
基本的な真空吸引カップの原則を適用して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招来する。ロボットアーム１２４による把持アセンブリ１３０の加速度によって袋に加えられる力は、重力による加速度を著しく上回る。その価値が使用者の投資の還元に直接関係するような、ロボットアームの速度に基づくこれらの領域におけるハンドリング処理には高い基礎能力が要求される故に、装置１００は、処理速度に中心的に焦点を当てて設計されるべきである。
このことは、袋の強度及びパックされたワークピースに損傷を与える危険性に注意を払いつつ、可能な加速度の最大範囲を用いることを意味する。装置は、必要な程度の加速度及び速度能力を備えており、把持アセンブリを備えたロボット器具を用いて、投資に対してハイリターンを生み出す。
【００５０】
多くのパッケージングスキームの落とし穴を避ける代替例は、真空パッケージを用いることである。これは、パッケージされた商品が互いに動き回ることを防ぎ、適切な整理を維持することを手助けするが、トータルコストが高くなり、動作がより遅くなる。
装置１００は、真空パッケージングアプローチに特有の不便さ及び追加的なコストを伴わずに、同様の正確さを持ってハンドリングすることを可能とする。複数の商品を内包するゆるい袋から構成されるワークピース１１４を取り扱う必要性は、一般的な実世界の適用（例として、袋詰めされたポテト）であるが、計量学及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、装置により取り組まれる。
【００５１】
或る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ワークピース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、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される伝統的な構成においては、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。
【００５２】
図５及び図５Ａに記載するように、装置１００は、他の選択肢となるアプローチを提供する。ロボットアーム１２４は、垂直方向からの角度４５度でつるされることができ、把持器アセンブリ１３０は、取り付け表面２１８及び膜１９２のリム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１８４を用いて把持器アセンブリ１３０を単に回転させることによって、水平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ように設計された、複雑でなく高価でないロボットアームを用いて、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、水平方向と垂直方向の間にて４５度の軸を備えた把持器アセンブリ１３０を記載しており、該把持器アセンブリは０度にまで回転し、それによって、ワークピース１１４の水平方向につまみ上げまたは開放する把持器アセンブリを位置決めしている。図５Ａは、１８０度にまで回転する把持器アセンブリ１３０を記載しており、それによって図５に示す水平方向におけるつまみ上げ位置からロボットアーム１２４の方向を変化することなしに、ワークピース１１４の垂直方向につまみ上げまたは開放する把持器アセンブリを位置決めしている。
【００５３】
図６及び図６Ａに記載するように、把持器アセンブリ１３０は、該把持器アセンブリの内部に十分に延びる、真空フィンガー２００を備えるよう設計され得る。この実施形態によれば、把持フードは、サイドヒップ２３０を含み、パックされるワークピース１１４の全体を覆うように膨らむには小さすぎる寸法のリム２２０を有している。
真空力が把持フードの内部に与えられ、リムがワークピースに接触し、把持フードがワークピースの周りに変形するときには、把持フードは、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ことを結果として生じる。真空フィンガーは、ワークピースを把持する位置にあって、持ち上げを手助けする。本構成はまた、スキン又は袋ホイル又は他の材料を弛緩するリスクを低減し、把持器アセンブリ１３０の内部に補足され、それゆえ、複雑さを解き放つシナリオを生成する。
【００５４】
装置１００の主たる目的は、ロボット操作による空間的なハンドリングについて、ワークピース１１４に揚力及び保持力を生成することに関するが、原則として、方法は把持方法の段階を制御する実際の作業者によって実行され得る。或いは、作業者の制御と自動制御とを組み合わせることも可能である。
【００５５】
把持器アセンブリ１３０からの進行及び貯蔵可能な耐用年数データを得ることができるためには、ＲＦＩＤ（高周波識別）チップが、把持器アセンブリまたはロボットアーム１２４に付着または直接成形されてもよい。このＲＦＩＤタグは、当該技術分野で知られているように、受動的または能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、異なるタイプのハンドリングまたはパッケージ作業について複数の異なる把持器を用いるよう構成されても、作業に対する正しい把持器アセンブリが取り付けられたことを確実にし作業者に知らせるのに用いられ得る。
【００５６】
把持器アセンブリ１３０は、直接真空レベルを検出し測定レベルを電気信号に変換するセンサフィードバックを用いる、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、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、照明ポリマを駆動してもよい。このタイプの光学フィードバックシステムを適切に用いて、導入、サービスまたは作業スタッフは、把持器アセンブリの直の真空レベル（握力）を観察し、そして、システムの最適化、トラブルシューティング手順、または他の目的からこの視覚フィードバックを用いてもよい。
【００５７】
人間の目及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及び関連する用途に用いられる速度の範囲は、比較的高く、カラーキネマティックフィードバックは、通常の標準的なディスプレイを上回る直の監視能力を提供する。把持器アセンブリ１３０または旋回アダプタ１８４からＬＥＤフィードバックが生じるという事実は、また、指示器及び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。
【００５８】
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しているが、本発明の原理は、また、同様に、単純または堅い物体にも有効である。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ワークピース１１４のタイプは、例えば袋詰めされた果物及び野菜、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、及び、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広く多様な物体を含んでいる。装置１００はまた、比較的重いワークピースでさえも、高速及び高加速度で取り扱うことができるが、しばしば、リップ１２０の引き裂き強度（tear strength）及びツール部及びマニュピレータの堅さのみによって制限される。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たが、実用上の限界は、やがて、より一層重くなると思われる。
【００５９】
本装置１００は、緩く袋詰めされた素材を含む、ワークピース１１４のために用いることができるが、本質的な構成は、幾何学的に異なるワークピース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記載されている発明が、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記載されているが、さまざまな修飾及び変更は、本発明の精神及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。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図４】
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【図５】
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【図５Ａ】
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【図６】
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【図６Ａ】
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