(57)【要約】【課題】力覚センサを備えた吸着把持装置において負圧を供給する配管の影響を低減して正確な外力を検出可能にする。【解決手段】第1の配管は、一方の開口部に吸着部１３０が連結され、他方側が２つ以上に分岐したおり、他方側の開口部の各々は、柔軟性を備える接続部材１２３を介し、第２の配管１２１の分岐部に接続されている。力覚センサ１４０の一方の固定部１４２は、第１の配管１２２に連結され、他方の固定部１４１が第２の配管１２１に連結されている。第２の配管１２１は、負圧発生源２００に接続されており、負圧発生源２００から供給される負圧の変化により、接続部材１２３から第１の配管１２２に付与される力のベクトルが、打ち消し合う方向に作用するように、第１の配管１２２は分岐している。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の開口部に吸着部が連結され、他方側が２つ以上に分岐した第１の配管と、
前記第１の配管の他方の開口部のそれぞれに対し対向する位置に配置される一方の開口部と、負圧発生源に接続される他方の開口部と、を備える第２の配管と、
前記第１の配管の他方の開口部のそれぞれと、前記第２の配管の前記一方の開口部のそれぞれとを連結する、柔軟性を備える接続部材と、
一方の固定部が前記第１の配管に連結され、他方の固定部が第２の配管に連結される力覚センサと、
を備え、前記負圧発生源から供給される負圧の変化により、前記接続部材から前記第１の配管に付与される力のベクトルが、打ち消し合う方向に作用するように、前記第１の配管の前記他方側が分岐していることを特徴とする把持装置。
【請求項２】
前記負圧発生源から供給される負圧の変化により前記接続部材から前記第１の配管に付与される力のベクトルの総和が０となるように、前記第１の配管の前記他方側が分岐していることを特徴とする請求項１に記載の把持装置。
【請求項３】
前記第１の配管の前記他方側は、互いに逆方向に延びる２つの分岐部を含むことを特徴とすることを特徴とする請求項１または２に記載の把持装置。
【請求項４】
前記第１の配管の前記他方側の分岐部はN回対称（Nは２以上の自然数）となる方向に延びていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の把持装置。
【請求項５】
一方の開口部に吸着部が連結された第１の配管と、
前記第１の配管の他方の開口部と対向する位置に配置される一方の開口部と、負圧発生源に接続される他方の開口部と、を備える第２の配管と、
前記第１の配管の前記他方の開口部と、前記第２の配管の前記一方の開口部とを連結する、柔軟性を備える接続部材と、
一方の固定部が前記第１の配管に連結され、他方の固定部が第２の配管に連結される力覚センサと、
を備え、前記負圧発生源から供給される負圧の変化により、前記接続部材から前記第１の配管に付与される力のベクトルが、互いに打ち消し合うように、前記接続部材が配置されていることを特徴とする把持装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物品を把持して作業を行うための把持機構を備えた把持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工場などにおいて、部品などの物品を移動させることを目的として、ロボットにハンドが装着され、ロボットによる物品の把持が行われている。ハンドには様々な形態があるが、その中に吸着方式のハンドがある。以降では、吸着方式のハンドを吸着ハンドと呼ぶ。吸着ハンドは、吸着パッドを備えており、吸着パッドを対象物となる物品に密着させた状態で、外部の負圧発生源を用いて吸着パッド内を負圧とし、大気圧との差圧によって把持力を発生させる。吸着ハンドでは、吸着パッドと対象物との密着性、言い換えると、吸着パッドと対象物の間に生じた隙間の大きさによって、吸着パッド内部の負圧の大きさが変化する。特許文献１には、吸着機構を備えた搬送装置が開示されており、把持部である吸着パッドに負圧を供給するための配管が、吸着部付近に接続されている。
【０００３】
また、搬送中の物品の重量を測定することで検査を行うことや、ハンドにかかる荷重を測定することで搬送対象物への過剰な負荷を抑制することなどを目的として、ハンドへ力覚センサを取り付けることがある。
【０００４】
この場合、ロボットのアームと把持部との間に、力覚センサが配置され、把持部に加わった荷重が、力覚センサを介して、ロボットのアームに伝達される。力覚センサは一般に固定部と受力部及び、起歪体と内蔵のセンサによって構成されている。固定部と受力部の間に、起歪体と呼ばれる負荷によって変形を生じる構造体を配置し、この構造体の変形量を内蔵するセンサによって測定し、予め校正作業によって既知としておいた変形量と負荷の相関関係と照らし合わせることによって、力覚センサへ加えられた荷重を計測する。特に、単一軸方向の荷重のみを計測するものをロードセルと呼称することもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平9-74128号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
吸着機構を備えた把持装置に対し、力覚センサを設ける場合、ロボットのアームにより、力覚センサを介して、把持部が保持されていると共に、把持部に負圧を供給するための配管が接続される構成となる。このため、例えば、吸着パッドが物品に接触していないような場合においても、ロボットの姿勢変更などにより、配管から把持部に荷重が伝わることがある。このような本来検出すべきでない荷重も力覚センサは検出してしまい、検出精度が低下してしまう問題があった。
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、力覚センサを備えた吸着把持ハンドによって対象物を把持する把持装置において、負圧を供給する配管の影響を抑え、吸着ハンドに加わった力の計測精度向上を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明における把持装置は、一方の開口部に吸着部１３０が連結され、他方側が２つ以上に分岐した第１の配管１２２と、第１の配管１２２の他方の開口部のそれぞれに対し対向する位置に配置される一方の開口部と、負圧発生源に接続される他方の開口部と、を備える第２の配管１２１と、第１の配管１２２の他方の開口部のそれぞれと第２の配管１２１の一方の開口部のそれぞれとを連結する、柔軟性を備える接続部材１２３と、一方の固定部１４２が第１の配管１２２に連結され、他方の固定部１４１が第２の配管１２１に連結される力覚センサ１４０と、を備え、負圧発生源２００から供給される負圧の変化により、接続部材１２３から第１の配管１２２に付与される力のベクトルが、打ち消し合う方向に作用するように、第１の配管１２２の他方側が分岐していることを特徴とするものである。 
【発明の効果】
【０００９】
本発明における把持装置によれば、力覚センサを吸着ハンドに設けた場合において、力覚センサに対し、負圧を供給する配管の影響を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に関するロボットシステムの構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に関する負圧の大きさと空気の流量の関係を表す図である。
【図３】本発明の実施の形態に関する吸着ハンドの模式図である。
【図４】本発明の実施の形態に関する力覚センサの構成を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態に関する吸着ハンドの断面図である。
【図６】本発明の実施の形態に関する吸着ハンドの断面図である。
【図７】本発明の実施の形態に関する吸着ハンドの断面図である。
【図８】本発明の実施の形態に関する吸着ハンドの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態における把持装置１００を備えたロボットシステムの構成の一例を示す図である。図１に示すロボットシステムは、把持装置１００、負圧発生源２００、配管３００、及び制御装置４００を備え、把持装置１００で対象物である物品５００を把持する。把持装置１００は、ロボットアーム１１０と、吸着ハンド１２０とを備えている。吸着ハンド１２０は、物品５００を吸着して把持する吸着方式のハンドである。吸着ハンド１２０は、ロボットアーム１１０に取り付けられている。さらに、吸着ハンド１２０は、吸着パッド１３０と力覚センサ１４０を備えている。吸着ハンド１２０が、吸着部に相当する。
【００１２】
制御装置４００は、ロボットアーム１１０、力覚センサ１４０及び負圧発生源２００と制御線で接続されている。制御装置４００は、制御線を介して制御信号を送信することで、ロボットアーム１１０及び負圧発生源２００の動作を制御する。制御装置４００は、メモリ及びプロセッサで構成することができる。ロボットアームは単にアームと呼ぶこともできる。さらに、本実施の形態では、ロボットアーム１１０と吸着ハンド１２０とを備えたロボットシステムを例に挙げて説明するが、必ずしもロボットシステムへの適用に限定されるものではない。
【００１３】
配管３００は、負圧発生源２００と吸着ハンド１２０とを接続し、負圧発生源２００と吸着ハンド１２０との間の気体の流通を可能としている。ロボットアーム１１０は、吸着ハンド１２０を移動させ、物品５００の表面に吸着ハンド１２０を密着させる。物品５００の表面に吸着ハンド１２０が密着した状態で、負圧発生源２００は、配管３００を介して、吸着ハンド１２０の内部の空気を排出する。この結果、吸着ハンド１２０の内部に負圧が生じ、吸着ハンド１２０の外部との圧力差によって、物品が吸着ハンド１２０に吸着する。このとき、吸着ハンドに加えられた負荷は力覚センサ１４０によって測定される。
【００１４】
吸着ハンド１２０で物品５００を吸着した際の把持力Ｆは、吸着ハンド１２０が物品５００に吸着している面積をＡ、その際の吸着ハンド１２０の内部の負圧をＰとすると、数式１で表される。ここで、負圧とは、大気圧と比較した結果マイナスとなる圧力を意味しており、物品５００を吸着ハンド１２０へ押し付け、 持ち上げる力を生み出す。また、負圧は、絶対圧力と大気圧との差であるゲージ圧で表される。
【００１５】
【数１】
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【００１６】
吸着の際、物品５００が吸着パッド１３０と比べ小さい場合、もしくは物品５００が凹凸などの複雑な形状を持つ場合には、吸着ハンド１２０を物品５００に押し付けた時に、吸着ハンド１２０と物品５００との間に隙間が生じてしまう。吸着ハンド１２０と物品５００との間に隙間が生じると、隙間から吸着ハンド１２０の内部に空気が流入し、その結果、内部の圧力が変化する。
【００１７】
負圧発生源２００としては、イジェクタ（エジェクタ）、真空ポンプ、ブロアなど、空気を排出して圧力を低下させる様々な機器が用いられる。図２は、負圧発生源２００の性能を説明するための図である。図２において、縦軸は発生する負圧の大きさであり、横軸は物品吸着状態における空気の流量である。図２に示すように、負圧発生源２００の性能は、空気の流量Ｑと、負圧の大きさＰとの関係で表される。ただし、負圧の最大値は空間中に期待の粒子が全く存在しない絶対圧が0の状態であり、大気圧と0の差がその値であるため、約-100kPa程度がその最大値である。
【００１８】
図２に示すように、発生する負圧が最も高まるのは、流量が０の時である。流量が０となるのは、締め切り状体（空間が密閉されている状態）の場合である。したがって、吸着ハンド１２０が隙間なく物品５００に密着している状態がもっとも大きな負圧が発生する。
吸着ハンド１２０と物品５００の間に隙間があれば、そこから空気が入ってくるため、密着状態よりも負圧の大きさは低下する。さらに、吸着ハンド１２０と物品５００との間の隙間が一定以上の大きさになると、隙間から流入する空気の量が、負圧発生源２００によって排出できる上限に達する。この場合には、負圧は０となるため、把持装置１００は、まったく把持力を生じさせることができない。
【００１９】
吸着把持を行う際には、物品５００を吸着ハンド１２０で把持しようとする過程においてはもちろん、物品５００毎にも吸着ハンド１２０の密着度合は変化する。このため、吸着ハンド１２０や配管３００内部の負圧の値は変化することとなる。
また、当然負圧発生源２００の運転状態の変化に伴い、図２の特性は変化するため、制御装置４００によって負圧発生源２００の運転状態を変化させれば、吸着ハンド１２０や配管３００内部の負圧はさらに変化することになる。
【００２０】
次に、本発明の実施の形態１における把持装置１００の吸着ハンド１２０の構成について、説明する。図３は、吸着ハンド１２０の構成を示している。吸着ハンド１２０は、C字型に分岐する分岐配管１２１と、先端に吸着パッドが設けられたT字型の分岐配管１２２と、分岐配管１２１と分岐配管１２２を接続するシールジョイント１２３を備える。シールジョイント１２３は、薄いビニールや柔軟なゴムのような、柔軟かつ密閉性のある素材で構成されている。分岐配管１２１は、配管３００を介して、負圧発生源２００に接続されるとともに、ロボットアーム１１０に固定されている。
【００２１】
分岐配管１２２は、３つの開口部をもち、一つの開口部には吸着パッド１３０が取り付けられている。残りの２つの開口部は、ある基準面を挟んで対称に設計されている。シールジョイント１２３の取り付けしやすさを考慮すれば、開口部は円形であることが最も望ましい。分岐配管１２２にシールジョイント１２３を介して接合される分岐配管１２１も同様に３つの開口部を持ち、負圧発生源２００に接続される一つの他、残りの２つは分岐配管１２２の対称に配置された開口部に対向し、これも同じ基準面に対して対称に配置され、開口部の形状は分岐配管１２２の開口部と同じ形状となっている。また、２つのシールジョイント１２３の形状は、同一である。
【００２２】
吸着ハンド１２０は、物品５００を把持する際に、吸着ハンド１２０にかかる負荷を計測するための力覚センサ１４０備える。図４は、一般的な力覚センサの構成を示している。力覚センサ１４０とは、物体に加えられた力やモーメントを測定することを目的として使用されるセンサである。力覚センサ１４０は、力覚センサ１４０自体を固定する固定側フランジ１４１と、荷重を受ける受力側フランジ１４２を備えており、両者のフランジの間には図示していない起歪体と呼ばれる、負荷によって所定の変形を生じるように設計された構造体が配されている。起歪体の変形量を力覚センサ１４０に内蔵したセンサで計測し、予め校正手段などに  よって準備しておいた変形と荷重との相関関係と変形量を照らし合わせ、加えられた負荷を明らかにする。
【００２３】
力覚センサ１４０の受力側フランジ１４１は、固定側取り付け部品１２４を介して、分岐配管１２１に固定されている。また、力覚センサ１４０の受力側フランジ１４２は、受力側取り付け部品１２５を介して、分岐配管１２２に固定されている。
【００２４】
ロボットアーム１１０から吸着パッド１３０に至る経路には、分岐配管１２１、力覚センサ１４０の固定側フランジ１４１、起歪体、受力側フランジ１４２、および分岐配管１２２を経て至る第１の経路と、分岐配管１２１、シールジョイント１２３、および分岐配管１２２を経る第２の経路が存在する。したがって、吸着パッド１３０が受けた荷重は、第１の経路と第２の経路に分散されて、ロボットアーム１１０に伝えられる。第１の経路に力覚センサ１４０が配置されているため、吸着パッド１３０が受けた荷重の内、第１の経路で伝えられる荷重が、力覚センサ１４０の検出値となる。本実施の形態においては、第２の経路に、剛性の低い柔軟性を備えるシールジョイント１２３が用いられているため、第２の経路に分散される荷重を小さくすることが可能である。したがって、本実施の形態の吸着ハンド１２０は、吸着パッド１３０が受けた荷重が、シールジョイント１２３を経る第２の経路には分散されにくく、力覚センサ１４０の検出精度が高い構成となっている。このシールジョイント１２３は、 力覚センサ１４０が力を測定する際に変形するすべての方向に対して柔軟に変形可能で有り、力覚センサ１４０の計測結果に与える負圧供給経路の剛性の影響を極力抑えることができる。したがって、力覚センサ１４０は、吸着ハンド１２０先端部に加わった力を精度よく計測することができる。
【００２５】
また、柔軟性の高いシールジョイント１２３を構成した場合、配管内の圧力変動により、シールジョイント１２３は変形しやすい。例えば、内圧が小さくなった場合には、シールジョイント１２３には、収縮する力が発生し、分岐配管１２２と、分岐配管１２３の間に、引っ張られる方向の力が発生する。図５は、図３におけるＡ−Ａ断面図であるが、シールジョイント１２３の収縮により、分岐配管１２２には、２つの力Ｆが作用する。しかしながら、分岐配管１２１、シールジョイント１２３、分岐配管１２２は、対称に配置されているため、２つの力Ｆの大きさは等しく、その方向は正反対となる。そのため、２つの力Ｆは、互いに打ち消し合い、力覚センサ１４０には伝わらない。したがって、力覚センサ１４０は、吸着ハンド１２０先端部に加わった力を精度よく計測することができる。
【００２６】
なお、上記の例では配管を二股に分岐させ、T字およびC字の分岐構造とした例を挙げて説明を行ったが、配管の構造はこの形に制限されるものでは無い。各分岐の接合部で発生する力のベクトルが打ち消し合う様に設計をすれば良い。配管同士の接合部に生じる、圧力差による力が打ち消し合えば良いため、図６、図７、図８の断面図に示されるように、三つ叉以上の分岐を持つ配管であってもよい。 図６は４つに分岐した４回対称に、図７は３つに分岐した３回、図８は４つに分岐した２回対称に、それぞれ分岐した配管を用いた場合である。N回対称（Nは２以上の自然数）の構成とすることで、配管同士の接合部に生じる、圧力差による力は、互いに打ち消し合うことができる。例えば、図７の断面図のように、分岐数が偶数であれば、各接合部での断面積をそろえ、同一のシールジョイント構造とした上で、断面の法線ベクトルが点対称となる様に断面を配置することが考えられる。 さらに、分岐がなく、円筒の側面部を一周するような開口部を持つ接続部で、接続部の上面と下面を円環状のシールで接続した様な構造も取ることが可能である。各分岐の接合部で発生する力のベクトルが完全に打ち消し合い、ベクトルの総和が０となる形態が最も効果的であるが、必ずしもベクトルの総和が０とならなくてもよい。各分岐の接合部で発生する力のベクトルが打ち消し合い、ベクトルの総和が、各分岐の接合部で発生する力のベクトルの内、最も大きいものよりも小さくなれば、有効な形態である。
【符号の説明】
【００２７】
１００  把持装置、１１０  ロボットアーム、１２０  吸着ハンド、１２１  分岐配管、１２２  分岐配管、１２３  シールジョイント、１２４  固定側取り付け部品、１２５  受力側取り付け部品、１３０  吸着パッド、１４０  力覚センサ、１４１  固定側フランジ、１４２  受力側フランジ、２００  負圧発生源、３００  配管、４００  制御装置、５００  物品。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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