(57)【要約】【課題】必要な把持力を正確にかつ安定して付与できる電動ハンドを提供する。【解決手段】フィンガーを開閉動作させて対象物を把持する電動ハンドにおいて、フィンガーに作用する力を検出する力センサが設けられている。フィンガーは、力センサによって検出される力検出値に基づいて作動される。力検出値が予め定められた力目標値に到達したと判定された場合、作動部に供給される電流が予め定められた保持電流以下になるように電流が制限される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のフィンガーを有していて該フィンガーの開閉動作により対象物を把持する電動ハンドであって、
前記複数のフィンガーを作動させる作動部と、
前記複数のフィンガーのうちの少なくとも１つに関連付けられていて該少なくとも１つのフィンガーの作動方向に作用する力を検出する力センサと、
前記力センサによって検出される力検出値に基づいて、駆動指令を送出する力制御部と、
前記力制御部によって送出される前記駆動指令に基づいて、電流を前記作動部に供給することにより前記作動部を駆動する駆動部と、
前記力検出値が予め定められる力目標値に到達したか否かを判定する力判定部と、
前記力判定部によって前記力検出値が前記力目標値に到達したと判定された場合、前記作動部に供給される電流が予め定められる保持電流以下になるように該電流を制限する電流制限部と、を備える電動ハンド。
【請求項２】
前記力検出値が、前記力目標値よりも大きい上限値と、前記力目標値よりも小さい下限値との間に設定される不感帯の範囲内に含まれるか否かを判定する不感帯判定部と、
前記不感帯判定部によって前記力検出値が前記不感帯の範囲内に含まれないと判定された場合、前記電流制限部による前記作動部への電流の制限を解除する制限解除部と、をさらに備える、請求項１に記載の電動ハンド。
【請求項３】
前記作動部が、電気モータと、該電気モータの回転運動を直線運動に変換する変換機構部と、を備える、請求項１又は２に記載の電動ハンド。
【請求項４】
前記変換機構部が滑りねじである、請求項３に記載の電動ハンド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィンガーによって対象物を把持する電動ハンドに関する。
【背景技術】
【０００２】
多数の対象物を所定位置まで順次搬送するためにロボットが使用される。一般的に、ロボットは、複数のフィンガーを有するハンドをアーム先端に備えており、それらフィンガーを開閉動作することによって対象物を把持する。対象物を把持する力が過度に大きいと、対象物が変形したり、破損したりする。一方、把持力が過度に小さいと移動の途中で対象物を保持できずに落下させる虞がある。したがって、ハンドは、対象物の硬さ及び重さに応じて把持力を調整できることが要求される。
【０００３】
ハンドが電気モータによって駆動される電動ハンドである場合、電気モータの出力トルクを調整すれば必要な把持力をフィンガーに付与できる。しかしながら、十分な把持力を付与するためには大きい電流を電気モータに供給する必要がある。ハンドが対象物を把持している間、大きい電流が継続して供給されると、電気モータの発熱に起因して電気モータの動作効率が低下する場合がある。また、停電などの原因で供給電力が遮断されると、把持力が低下して対象物を落下させる虞がある。
【０００４】
特許文献１には、対象物を保持した後に電気モータに供給される電流を低減するようにした電動ハンドが開示されている。この電動ハンドにおいては、電気モータとフィンガーとの間に介在する歯車減速機のヒステリシスを利用して、供給電流を低下させながらも必要な把持力を維持することが意図されている。
特許文献２には、ばねを備えた電動ハンドが開示されている。この電動ハンドにおいては、ばねの付勢力を利用して、停電時にも把持力を維持できることが意図されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１８３５１３号公報
【特許文献２】特開２０１０−１０５１２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示される電動ハンドにおいては、歯車減速機にある程度の大きさの摩擦が作用することが要求される。しかしながら、このような摩擦は電気モータを動作させる際に出力トルクを低下させる負荷になるので、フィンガーに付与される把持力がその影響を受けて変化する。それにより、精緻な制御ができなくなり、小さい把持力しか要求されない場合には、意図した把持力を付与することが困難である。
また、特許文献２に開示される電動ハンドにおいては、ばねを設けるために複雑な構造が要求され、コストが増大する。また、ばねが電気モータの負荷になるので、電気モータを動作させるのにより大きいトルク、すなわちより大きい電流が要求され、モータの発熱が問題となりうる。
【０００７】
したがって、必要な把持力を正確にかつ安定して付与できる電動ハンドが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願に係る１番目の発明によれば、複数のフィンガーを有していて該フィンガーの開閉動作により対象物を把持する電動ハンドは、前記複数のフィンガーを作動させる作動部と、前記複数のフィンガーのうちの少なくとも１つに関連付けられていて該少なくとも１つのフィンガーの作動方向に作用する力を検出する力センサと、前記力センサによって検出される力検出値に基づいて、駆動指令を送出する力制御部と、前記力制御部によって送出される前記駆動指令に基づいて、電流を前記作動部に供給することにより前記作動部を駆動する駆動部と、前記力検出値が予め定められる力目標値に到達したか否かを判定する力判定部と、前記力判定部によって前記力検出値が前記力目標値に到達したと判定された場合、前記作動部に供給される電流が予め定められる保持電流以下になるように該電流を制限する電流制限部と、を備えている。
本願に係る２番目の発明によれば、１番目の発明に係る電動ハンドは、前記力検出値が、前記力目標値よりも大きい上限値と、前記力目標値よりも小さい下限値との間に設定される不感帯の範囲内に含まれるか否かを判定する不感帯判定部と、前記不感帯判定部によって前記力検出値が前記不感帯の範囲内に含まれないと判定された場合、前記電流制限部による前記作動部への電流の制限を解除する制限解除部と、をさらに備えている。
本願に係る３番目の発明によれば、１番目又は２番目の発明に係る電動ハンドにおいて、前記作動部が、電気モータと、該電気モータの回転運動を直線運動に変換する変換機構部と、を備えている。
本願に係る４番目の発明によれば、３番目の発明に係る電動ハンドにおいて、前記変換機構部が滑りねじである。
【発明の効果】
【０００９】
上記構成を備える電動モータによれば、力センサによってフィンガーに作用する力を検出し、検出結果に基づいて把持力が調整される。それにより、必要な把持力を正確にフィンガーに付与できるとともに、大きい力から小さい力まで広範囲にわたって把持力を付与できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】電動ハンドを示す斜視図である。
【図２】電動ハンドの内部構成を示す断面図である。
【図３】電動ハンドを制御する制御装置の機能ブロック図である。
【図４】電動ハンドを制御する工程を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図示される実施形態の構成要素は、本発明の理解を助けるために縮尺が実用的な形態から変更されている場合がある。
【００１２】
図１は、電動ハンド（以下、単に「ハンド」と称する）１０を示す斜視図である。図２は、ハンド１０の内部構成を示す断面図である。図１ではハンド１０のフィンガー１２が省略されている。フィンガー１２は、ハンド１０のケーシング１４の底面１４ａから下方に向かって延出している一対のフィンガーベース１６にそれぞれ固定されることによって、ハンド１０に取付けられる。図１には、フィンガー１２を固定するための固定ねじ（図示せず）が通されるねじ穴１８が示されている。一対のフィンガーベース１６は、ケーシング１４によって画定される内部空間１４ｂを互いに反対方向に直線移動できるように設けられている。
【００１３】
図２に示されるように、フィンガー１２は正面視で概ねＬ字状の形状を有しており、フィンガーベース１６に固定されるフィンガー本体１２ａと、対向する他方のフィンガー１２に向かって突出する把持部１２ｂと、を有している。フィンガーは、ステンレス、鉄などの弾性を有する材料から形成される。より詳細に後述するように、一対のフィンガー１２は、フィンガーベース１６とともに図示される矢印の方向に移動し、互いに接近したり、離間したりする。これらフィンガー１２が互いに反対方向に作動することによって、把持部１２ｂが開閉される。ハンド１０は、把持部１２ｂがこのように開閉動作することによって、対象物がフィンガー１２の把持部１２ｂの間に把持され、或いは把持された状態から解放されるようになっている。図示されるハンド１０及びフィンガー１２の形状は例示にすぎず、ハンド及びフィンガーは必要に応じて任意の形状を有しうる。また、フィンガーの配置、構成及び個数は任意に変更されうる。
【００１４】
ハンド１０は、電気モータ２０と、電気モータ２０の出力トルクを伝達する伝達機構部２２と、伝達機構部２２の回転運動を直線運動に変換する変換機構部２４と、電気モータ２０の動作を制御する制御装置２６と、を備えている。制御装置２６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどの図示されないハードウェア要素を含んでいる。ＲＯＭは、対象物を把持するために電気モータ２０を動作させる制御プログラム及び各種パラメータなどの関連データが記憶されている不揮発性メモリである。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行するために各種の演算を実行する。ＲＡＭは、ＣＰＵによる演算結果を一時的に保存する揮発性メモリである。制御装置２６と電気モータ２０との間は、図示されないケーブルによって接続されている。このケーブルを介して、電気モータ２０を駆動させるための制御電流が供給される。
【００１５】
伝達機構部２２は、互いに連動して動力を伝達する第１の回転要素３０と、第２の回転要素３２と、を有している。第１の回転要素３０の回転軸３０ａは、電気モータ２０の回転軸２０ａに連結されており、電気モータ２０及び第１の回転要素３０は等速度で回転する。第２の回転要素３２は、所定の減速比で第１の回転要素３０の回転動力が伝達されるように形成されている。このように、伝達機構部２２は減速機としての機能を備えていて、電気モータ２０から出力されるトルクを増大して伝達するように形成されている。
【００１６】
伝達機構部２２は、歯車、タイミングベルト又はプーリーその他の公知の伝達機構から形成されうる。伝達機構部２２は減速機としての作用を有していなくてもよい。この場合、伝達機構部２２とは別個の減速機が設けられうる。
【００１７】
第２の回転要素３２の出力軸３２ａの回転運動は、変換機構部２４によって直線運動に変換される。変換機構部２４は、第２の回転要素３２の出力軸３２ａに連結された送りねじ４０と、送りねじ４０に螺合する一対のナット４２と、送りねじ４０を回転可能に支持する軸受４４と、を有している。送りねじ４０は、中央部を境にして右ねじが形成された右ねじ部と、左ねじが形成された左ねじ部とに分かれている。一対のナット４２の一方が右ねじ部に、他方が左ねじ部に螺合している。それにより、送りねじ４０が回転するのに従って、一対のナット４２は、互いに反対方向に移動し、接近したり離間したりする。送りねじ４０は、ボールねじ又は滑りねじでありうる。
【００１８】
ナット４２はナット取付部４６に取付けられている。図２において、ナット取付部４６にはハッチングが施されている。ナット取付部４６には、ナット取付部４６と同心の貫通穴が形成されており、ナット取付部４６は、この貫通穴においてナット４２を受容する。ナット４２の端面には半径方向外側に突出するフランジ４２ａが設けられており、フランジ４２ａとナット取付部４６とがボルト（図示せず）によって互いに固定される。
【００１９】
変換機構部２４は、ケーシング１４の内部空間１４ｂを仕切る作動部壁部１４ｃに取付けられるスライダ案内部５０と、スライダ案内部５０に沿って直線状に摺動可能に嵌合するスライダ５２と、をさらに備えている。前述したナット取付部４６はスライダ５２にボルト留めされており、送りねじ４０が回転するときに、ナット４２は送りねじ４０の周りを回転することなくスライダ案内部５０に沿って直線状に移動するようになっている。スライダ案内部５０には、例えばスライダ案内部５０の全長に沿って溝が形成されており、スライダ５２は、例えばスライダ案内部５０の溝に嵌合する突起を有している。
【００２０】
フィンガー１２を受容可能に形成されるフィンガーベース１６は、力センサ６０を収容するセンサハウジング６２を介してナット取付部４６に固定される。このような伝達機構部２２及び変換機構部２４によれば、電気モータ２０の動作を受けて送りねじ４０が回転するときに、ナット４２、ナット取付部４６、スライダ５２、センサハウジング６２、フィンガーベース１６及びフィンガー１２がスライダ案内部５０に沿って一体的に直線運動するようになる。このように、電気モータ２０、伝達機構部２２及び変換機構部２４は、互いに協働してハンド１０のフィンガー１２を作動させる作動部として作用する。
【００２１】
力センサ６０は、フィンガー１２の作動方向に作用する力を検出するために、フィンガーベース１６の基端側に設けられている。図示された実施形態においては、力センサ６０は、一対のフィンガー１２に対してそれぞれ設けられているものの、一方のフィンガー１２のみに力センサ６０が設けられていてもよい。なぜなら、対象物を把持した状態でそれらフィンガー１２に作用する力は、作用反作用の関係から反対向きに同一の大きさを有するものであり、一方のフィンガー１２に作用する力を検出すれば所期の目的が達成されると考えられるからである。
【００２２】
次に、ハンド１０の制御装置２６の構成について説明する。図３は、ハンド１０を制御する制御装置２６の機能ブロック図である。作動部８０は、例えば図２を参照して説明した伝達機構部２２及び変換機構部２４から形成され、フィンガー１２を開閉動作させる作用を有する。フィンガー１２は、作動部８０によって作動され、対象物を把持する。力センサ６０は、フィンガー１２が作動する方向においてフィンガー１２に作用する力、すなわち対象物を把持する力を力検出値として取得する。制御装置２６は、力制御部８２と、電流制限部８４と、駆動部８６と、力判定部８８と、不感帯判定部９０と、制限解除部９２と、を有している。
【００２３】
力判定部８８は、力センサ６０から送出される力検出値が力目標値に到達したか否かを判定する。力判定部８８における判定は、力検出値が力目標値を超えたか否かによって行われてもよいし、力検出値が、力目標値の数％〜約１０％の許容範囲を含む力到達領域に含まれるか否かによって行われてもよい。不感帯判定部９０は、力検出値が不感帯の範囲内に含まれるか否かを判定する。不感帯は、力目標値よりも大きい上限値と、力目標値よりも小さい下限値との間に設定される。
【００２４】
力制御部８２は、力センサ６０から送出される力検出値が予め定められた力目標値に一致するようにフィードバック制御を実行する。力制御部８２は、力検出値と力目標値との間の力偏差量に基づいて、駆動指令を電流制限部８４に送出する。電流制限部８４は、力制御部８２から送出される駆動指令が、予め設定された保持電流値以下になるように電流を制限する作用を有する。電流制限部８４は、いったん力判定部８８によって力検出値が力目標値に到達したと判定されると動作を開始して、把持動作が完了するまで継続して動作する。電流制限部８４は、力判定部８８によって力検出値が力目標値に到達したと判定されるまでは、力制御部８２からの駆動指令をそのまま駆動部８６に送出する。
【００２５】
駆動部８６は、電流制限部８４を介して力制御部８２から入力される駆動指令を受けて、作動部８０に含まれる電気モータ２０を駆動するための電流を供給する。電気モータ２０に供給される電流は、前述したように力制御部８２からの駆動指令に対応する電流であるか、或いは電流制限部８４によって保持電流以下に制限された電流である。
【００２６】
制限解除部９２は、不感帯判定部９０によって力検出値が不感帯の範囲内に含まれないと判定されたときに、電流制限部８４における電流制限作用を停止させるための解除信号を電流制限部８４に送出する。すなわち、電流制限部８４の電流制限作用は、いったん動作を開始すると、把持動作が完了するか、又は制限解除部９２から解除信号が送出されるまで継続される。
【００２７】
例えば、各数値が次のように設定される場合を考える。
力目標値：１０Ｎ
保持電流値：２Ａ
力到達領域：力目標値の５％、すなわち９．５Ｎ〜１０．５Ｎ
不感帯：力目標値の１０％、すなわち９Ｎ〜１１Ｎ
【００２８】
このとき、力センサ６０によって検出される力検出値が力到達領域の９．５Ｎ〜１０．５Ｎの範囲に含まれるとき、力判定部８８は、力検出値が力目標値に到達したと判定する。また、力検出値が９Ｎ〜１１Ｎの範囲に含まれるとき、不感帯判定部９０は、力検出値が不感帯の範囲に含まれると判定する。力検出値が不感帯の範囲に含まれると判定されたときは、電流制限部８４の作用により、作動部８０の電気モータ２０に供給される電流が保持電流値２Ａ以下に制限される。すなわち、力制御部８２によって作成される駆動指令に対応する電流が上限値の２Ａを超える場合、電流制限部８４が供給電流を２Ａに制限するように作用する。
【００２９】
前述した例では、不感帯の範囲が力到達領域よりも大きく設定されている。このように設定すれば、ハンド１０の動作がより安定的になる。例えば不感帯及び力到達領域が同一範囲に設定されると、力検出値が力到達領域から少しでも外れると電流制限作用が直ちに解除されるようになる。それにより、電流制限部８４の動作の開始と停止とが必要以上に頻繁に繰返される虞があるからである。しかしながら、保持電流値、力目標値、不感帯の範囲、力到達領域などの各設定値は必要に応じて設定されるべきものであり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
【００３０】
次に、図４を参照して、ハンド１０の動作について説明する。図４は、ハンド１０を制御する工程を示すフローチャートである。把持動作が開始されると、力制御部８２が駆動指令を送出する（ステップＳ１１）。力制御部８２は、力センサ６０から出力される力検出値と、力目標値との間の力偏差量に基づいて駆動指令を作成するように形成されている。なお、把持動作開始直後においては、力センサ６０から出力される力検出値がゼロである。したがって、把持動作開始直後は、通常の制御フィードバックによらずに、例えば予め定められた駆動指令の初期値が送出されてもよい。
【００３１】
駆動部８６は、力制御部８２からの駆動指令に応答して、駆動指令に対応する大きさの電流を作動部８０の電気モータ２０に供給する（ステップＳ１２）。作動部８０は、伝達機構部２２及び変換機構部２４を介して電気モータ２０の動力を利用して、一対のフィンガー１２を互いに接近させるように作動させる。フィンガー１２によって対象物を把持した状態でフィンガー１２をさらに作動させると、フィンガー１２に付与される把持力が増大する。
【００３２】
ステップＳ１１及びステップＳ１２は、ステップＳ１３において力判定部８８によって力検出値が力目標値に到達したと判定されるまで繰返される。力目標値は、フィンガー１２の材質、対象物の材質その他の条件に応じて、対象物を過度に変形させることなく安定的に保持できるように決定される。
【００３３】
ステップＳ１３において、力検出値が力目標値に到達したと判定されると、電流制限部８４が起動され、力制御部８２によって送出される駆動指令が予め定められる保持電流値を超えないように必要に応じて電流が制限される（ステップＳ１４）。具体的には、保持電流値を超える駆動指令が作成された場合には、駆動指令に対応する電流の代わりに保持電流値が電気モータ２０に供給される。
【００３４】
本実施形態においては、電気モータ２０に供給される電流が低減された後も、伝達機構部２２及び変換機構部２４において発生する摩擦を利用して必要な把持力が維持される。例えば伝達機構部２２における減速機構部並びに変換機構部２４における送りねじ４０及びナット４２において発生する摩擦力を作動部８０のブレーキ作用に利用する。フィンガー１２は、対象物からの反作用によって、フィンガー１２を互いに離間させる方向に力を受けるものの、摩擦力によるブレーキ作用によって、フィンガー１２に作用する力が電気モータ２０を回転させるのには非常に大きい力が必要になる。それにより、電気モータ２０に供給される電流が制限されても把持力を維持できるようになる。送りねじ４０が滑りねじである場合、ナット４２との間の接触面積が大きく、比較的大きい摩擦が発生するので、保持電流値をより小さい値に設定できる利点がある。
【００３５】
このように、いったんフィンガー１２が対象物を十分な把持力で把持するようになれば、電気モータ２０に供給される電流を低く抑えることができ、電気モータ２０の過度の発熱を防止できる。摩擦力によるブレーキ作用を向上させるために、伝達機構部２２の減速比を増大させてもよいし、又は送りねじ４０のリード、すなわち１回転当りの移動量を小さくしてもよいし、或いはこれら両方であってもよい。十分なブレーキ作用を付与できれば、例えば停電など電気モータ２０への電力が一時的に完全に遮断される場合であってもフィンガー１２に付与される把持力を維持できる。
【００３６】
電流制限部８４が動作している状態においては、制御周期ごとに、不感帯判定部９０によって力検出値が不感帯の範囲内に含まれるか否かが判定される（ステップＳ１５）。ステップＳ１５において力検出値が不感帯の範囲から外れていると判定された場合、ステップＳ１１に戻り、電流制限部８４による電流制限のない通常のフィードバック制御が実行される。このように、本実施形態に係るハンド１０によれば、いったん十分な把持力がフィンガー１２に付与されるようになり、電気モータ２０への供給電流が低減された後に、何らかの理由で把持力が低下した場合であっても、再び通常の制御に戻ることで把持力が維持される。把持力の低下は、例えば対象物の予期せぬ変形に起因して把持力が維持できなくなった場合に起こりうる。ステップ不感帯判定部９０による判定は、把持動作が完了するまで継続される（ステップＳ１６）。
【００３７】
前述したように、本実施形態に係るハンドによれば、フィンガーに関連付けられた力センサから得られる力検出値を利用してフィードバック制御を実行することにより、所与の条件に応じて要求される種々の大きさの把持力を正確に付与できる。また、いったん必要な把持力が得られた後は、電気モータへの供給電流が制限されるので、対象物を把持する時間が長くなる用途においても電気モータの過度の発熱を防止できる。それにより、小型モータの使用が可能になり、又は高価な放熱手段を省略できるといった利点がある。モータを小型化することによってハンド全体の寸法を小さくできるので、コストを削減できるほか、ハンドの用途の幅が広がる。変換機構部として滑りねじを使用すれば、把持力を維持するための保持電流値を小さくすることができるので、停電時にもフィンガーが把持力を失って対象物が落下するのを防止できる。また、供給電流の制限が開始された後に把持力が不意に低下した場合でも、通常の制御に復帰できるようにすることで把持動作の信頼性を向上できる。
【００３８】
前述した不感帯判定部９０及び制限解除部９２は省略されてもよい。例えば、対象物がハンドによる通常の把持動作によって変形しない程度の十分な強度を有する場合、いったん必要な把持力が得られたら、その後把持動作が完了するまで電流制限作用を解除する必要はない。このような場合は、不感帯判定部９０及び制限解除部９２を省略して制御装置２６の機能を簡素化できる。
【００３９】
対象物が把持された直後は、電気モータ２０のオーバーシュートに起因して把持力が安定しない場合があるので、把持動作を開始してから所定の時間、例えば１０ｍｓ経過後に力判定部８８による判定が開始されるように設定されてもよい。
【００４０】
作動部に使用される減速機構部の減速比が大きい場合、或いは送りねじのリードが小さい場合、作動部に供給される電流を遮断してもフィンガーの動作が摩擦によってロックされることがある。この場合は、電流制限部の保持電流値をゼロに設定する、すなわち作動部に供給される電流を完全に遮断してもよい。
【００４１】
以上、本発明の実施形態の例を説明したが、他の実施形態及び変形例によっても本発明の意図される作用効果を奏することができることは当業者に自明である。特に、本発明の範囲を逸脱することなく前述した実施形態の構成要素を削除ないし置換することが可能であるし、公知の手段をさらに付加することが可能である。また、本明細書において明示的又は暗示的に開示される複数の実施形態の特徴を任意に組合せることによっても本発明を実施できることは当業者に自明である。
【符号の説明】
【００４２】
１０    ハンド（電動ハンド）
１２    フィンガー
１６    フィンガーベース
２０    電気モータ（作動部）
２２    伝達機構部（作動部）
２４    変換機構部（作動部）
２６    制御装置
４０    送りねじ
５０    スライダ案内部
５２    スライダ
６０    力センサ
８０    作動部
８２    力制御部
８４    電流制限部
８６    駆動部
８８    力判定部
９０    不感帯判定部
９２    制限解除部
【図１】
2014140934.tif 000003
【図２】
2014140934.tif 000004
【図３】
2014140934.tif 000005
【図４】
2014140934.tif 000006