(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
把持対象物を把持する把持装置であって、
上下方向に長尺で互いに平行に設けられる３本以上の指部と、
前記把持対象物を把持するために前記各指部の下端側を開閉動作させる開閉駆動手段と、
前記各指部の下端側の先端の間に亘って掛け渡される締付部材と、
前記締付部材の巻き取り及び巻き出しを行う巻取駆動手段と、
を備え、
前記締付部材によって囲まれるように前記把持対象物が配置されている状態で、前記巻取駆動手段が前記締付部材によって前記把持対象物を締め付けることにより、前記把持対象物を把持することを特徴とする把持装置。
【請求項２】
前記締付部材は、弾性を有す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】
前記締付部材の張力を検出する張力検出手段と、
前記張力検出手段によって検出される張力を用いて、前記締付部材が前記把持対象物を締め付ける際の張力が所定の張力になるように、前記巻取駆動手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の把持装置。
【請求項４】
前記張力検出手段は、前記締付部材であって、
前記締付部材は、中心に配される弾性糸の周囲に、非導電性繊維に導電性繊維糸を混紡して撚り合わせることにより形成され、張力が作用することによる伸縮に応じて抵抗値が変化する感圧導電性糸が２重に巻かれて構成されており、
前記制御手段は、前記締付部材から取得される前記抵抗値を用いて、前記締付部材が前記把持対象物を締め付ける際の抵抗値が所定の抵抗値になるように、前記巻取駆動手段を制御することにより前記締付部材に前記所定の張力を生じさせることを特徴とする請求項３に記載の把持装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物を把持するための把持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ビジョンセンサや双腕ロボット等の普及に伴って、多品種少量生産に関して、セル生産方式の自動化が試みられている。しかしながら、把持対象となる製品が、変形やばらつきの多い物の場合には、未だに人手による作業が必要とされる場合が多くある。多品種少量生産の製品の中でも、特に食品分野等では扱う対象物のばらつきが大きく、様々な柔軟物体が含まれているため、同じ種類の物であっても、形状や内容量等が異なる場合がある。そのため、このようなばらつきの大きい把持対象物に対しては、従来のロボットハンドで対応することが困難であった。
【０００３】
一方で、従来から、物体の拘束方法として、フォースクロージャ（Force Closure）やケージング（Caging）と呼ばれる物体の拘束手法が知られている。フォースクロージャは、指と把持対象物の間に滑りが発生しない状態において、把持対象物に作用する任意の外力に対して力とモーメントの平衡式が成り立つような状態を満たすように把持対象物を拘束する手法である（例えば、非特許文献１参照）。フォースクロージャでは、把持対象物に対する把持操作に外力と接触面での摩擦力が発生することが前提となるため、把持可能性について考慮し、指の配置や把持力が、把持対象物にどのように影響するかについて分析する必要がある。フォースクロージャは、ハンドリングを行う際に指と把持対象物の間に相対運動が発生しないので、高速且つ精密なハンドリング作業を行う上で有効な手法である。
【０００４】
ケージングは、把持対象物がロボットによって構築される閉鎖領域から脱出できないようにする幾何学的な物体の拘束手法であり、必ずしも扱う把持対象物の自由度を完全に奪わない（例えば、非特許文献２参照）。この手法では、位置制御ロボットによる物体拘束のため、力制御が不要である。また、ケージングは、フォースクロージャと異なり、必ずしも把持対象物と接触している必要がない。そのため、拘束のマージンを取ることで位置制御誤差、モデル化誤差等をある程度許容できる。従って、環境情報や機械的な部分で誤差が発生する割合が大きい場合における、ピック＆プレース等の単純作業では非常に有効な手法である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】平井慎一、若松栄史、「ハンドリング工学」、コロナ社、pp.86-89、２００５．
【非特許文献２】槇田諭、「不完全な把持によるマニピュレーション」、横浜国立大学博士論文、２０１０．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、フォースクロージャでは、把持力の大きさと位置合わせの精度が把持の大きな要因となるため、作業に要求される機械精度や位置情報の精度はその分高くなる。また、把持対象物を破損させずに把持するためには、力制御が必要になる。
【０００７】
ケージングでは、把持した後の把持対象物の姿勢や位置は厳密に制約されないため、プレースの際の位置決めで精度を上げることが困難である。また、ハンドリングの際にケージング条件内で把持対象物が動くことによって把持対象物が破損する等の虞がある。
【０００８】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、把持対象物に掛かる把持力を分散させることで、把持対象物の変形を抑制しつつ、把持対象物の姿勢を制約することができ、且つ、ばらつきの大きい把持対象物であっても、確実性の高い把持を行うことができる把持装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の把持装置は、把持対象物を把持する把持装置であって、上下方向に長尺で互いに平行に設けられる３本以上の指部と、前記把持対象物を把持するために前記各指部の下端側を開閉動作させる開閉駆動手段と、前記各指部の下端側の先端の間に亘って掛け渡される締付部材と、前記締付部材の巻き取り及び巻き出しを行う巻取駆動手段と、を備え、前記締付部材によって囲まれるように前記把持対象物が配置されている状態で、前記巻取駆動手段が前記締付部材によって前記把持対象物を締め付けることにより、前記把持対象物を把持することを特徴としている。
【００１０】
請求項２に記載の把持装置は、前記締付部材が、弾性を有することを特徴としている。
【００１１】
請求項３に記載の把持装置は、前記締付部材の張力を検出する張力検出手段と、前記張力検出手段によって検出される張力を用いて、前記締付部材が前記把持対象物を締め付ける際の張力が所定の張力になるように、前記巻取駆動手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴としている。
【００１２】
請求項４に記載の把持装置は、前記張力検出手段が、前記締付部材であって、前記締付部材は、中心に配される弾性糸の周囲に、非導電性繊維に導電性繊維糸を混紡して撚り合わせることにより形成され、張力が作用することによる伸縮に応じて抵抗値が変化する感圧導電性糸が２重に巻かれて構成されており、前記制御手段は、前記締付部材から取得される前記抵抗値を用いて、前記締付部材が前記把持対象物を締め付ける際の抵抗値が所定の抵抗値になるように、前記巻取駆動手段を制御することにより前記締付部材に所定の張力を生じさせることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の把持装置によれば、開閉駆動手段によって各指部を開閉させて、把持対象物の外形の大きさに合わせて締付部材を接触させ、巻取駆動手段により締付部材の巻き取りを行うことで、締付部材によって把持対象物を締め付けて拘束し、把持対象物を把持することができる。このように本発明に係る把持装置では、把持対象物を把持するまでの過程において、把持対象物の二次元空間におけるケージングと、把持対象物の二次元空間におけるフォースクロージャの双方を完了させることができる。従って、本発明に係る把持装置では、把持の過程でケージングを行うことで、把持対象物を安定した把持位置まで収束させることができると共に、締付部材からの把持力を加えることによって、把持対象物の姿勢を制約することができるので、ばらつきの大きい把持対象物であっても、確実性の高い把持を行うことができ、且つ、ケージングのみの場合に比べて、把持対象物をプレースする際の姿勢や位置の精度を向上させることが可能になる。また、締付部材を用いた締め付けによって把持対象物を拘束するため、把持対象物と接触する面積が大きい把持となる。これにより、把持対象物に掛かる把持力を分散させることができ、把持時に把持対象物が変形することを抑制することができる。
【００１４】
請求項２に記載の把持装置によれば、締付部材は、弾性を有しているので、より確実性の高い把持を行うことができる。
【００１５】
請求項３に記載の把持装置によれば、張力検出手段によって検出される張力を用いて、締付部材が把持対象物を締め付ける際の張力が所定の張力になるように、制御手段によって巻取駆動手段を制御するので、把持対象物に掛かる把持力の調節を適切に行うことができ、より確実性の高い把持を行うことができると共に、把持時に把持対象物が変形することをより確実に抑制することができる。
【００１６】
請求項４に記載の把持装置によれば、締付部材は張力が作用することによる伸縮に応じて抵抗値が変化することにより張力検出手段としても機能するので、締付部材の張力を検出するための張力センサ等を別途設ける必要がなく、簡易な構成で把持対象物に掛かる把持力の調節を適切に行うことができる。また、締付部材は、中心に配される弾性糸の周囲に、非導電性繊維に導電性繊維糸を混紡して撚り合わせることにより形成される感圧導電性糸が２重に巻かれて構成されており、弾性及び伸縮性に優れているので、大きな変形にも対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る把持装置の一例を示す概略斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る把持装置の一例を示す概略平面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る把持装置の一例を示す概略正面図である。
【図４】図３におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図５】開閉機構の開閉駆動について説明するための概略平面断面図である。
【図６】締付部材の一例を示す概略模式図である。
【図７】締付部材を巻き取るための機構の一部を示す拡大模式図である。
【図８】本発明の実施形態に係る把持装置を用いて把持対象物を把持する際の様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態に係る把持装置１について、図面を参照しつつ説明する。把持装置１は、例えば、食品等のレオロジー物体である把持対象物に対して好適に把持することができるものであって、所定の位置に移動できるように不図示のロボット等に取り付けられて用いられる。把持装置１は、図１に示すように、複数の指部２と、指部２を開閉動作させるための開閉駆動手段３と、各指部２間に亘って掛け渡される締付部材４と、締付部材４の巻き取り又は巻き出しを行うための巻取駆動手段５と、開閉駆動手段３や巻取駆動手段５等の各部の制御を行うための制御装置（制御手段）６とを備えている。尚、把持装置１が把持する把持対象物は、特に食品等のレオロジー物体に限定されるものではなく、他の剛体からなる把持対象物等に対しても当然に把持することができる。
【００１９】
指部２は、図１及び図３に示すように、上下方向に長尺なシャフトにより構成されており、互いに平行な状態で４本設けられている。４本の指部２のうち指部２ａの下端側には、締付部材４の一端側が取り付けられる巻取プーリ５２が固定されている。また、巻取プーリ５２の下方には、締付部材４の他端側が取り付けられる保持アイドラー５３が指部２ａにベアリング（不図示）を介して回転自在に支持されている。指部２ａの上端側は、モータ５１に取り付けられており、モータ５１の駆動力によって回転するように構成されている。指部２ａ以外のその他の３本の指部２ｂの下端側には、締付部材４の巻き取り又は巻き出しを案内するためのプーリ５４がそれぞれ固定されている。また、指部２ｂの上端側は、それぞれ開閉駆動手段３に回転自在に支持されている。尚、指部２の数は４本に限定されるものではなく、把持対象物が締付部材４内に納まるように、把持対象物の形状等に応じて適宜設定しても良く、３本又は５本以上設けるようにしても良い。
【００２０】
開閉駆動手段３は、モータ７と、モータ７からの駆動力によって開閉駆動する開閉機構８とを備えている。モータ７は、図１〜図３に示すように、略中央に設けられるケース部９に取り付けられており、例えば、制御装置６からの制御信号が入力されて、不図示の電源等から電力が供給されることにより駆動することで、開閉機構８を開閉駆動させる。
【００２１】
開閉機構８は、図４に示すように、モータ７の回転軸７１に固定される歯車からなるピニオン部８１と、ピニオン部８１の円周状に形成された歯８１ａに、直線状に形成された歯８２ａが噛み合うようにピニオン部８１の周囲に配置される４個のラック部８２とを備えている。ピニオン部８１は、ケース部９内に収納されており、モータ７の駆動力によって回転軸７１と共に回転する。
【００２２】
それぞれのラック部８２は、図５に示すように、ピニオン部８１が回転することにより、モータ７からの駆動力が伝達され、それぞれ直線状に移動して開閉駆動する。それぞれのラック部８２は、図１及び図３に示すように、開閉駆動時にそれぞれが接触しないように、直交するラック部８２同士は、上下に段違いになるように配置されている。ケース部９には、それぞれのラック部８２が、ケース部９内を移動できるようにラック部８２の幅よりも若干大きく形成された挿通孔９１がそれぞれのラック部８２に対応して設けられている。また、ラック部８２には、図４に示すように、移動方向に沿って長尺な長孔８２ｂが設けられており、ケース部９に設けられている規制部９２がこの長孔８２ｂ内に納まるように配置されている。これにより、ラック部８２は、開く方向に所定以上移動した際に、長孔８２ｂの内周面に規制部９２が当接することによって、機械的に開く方向への移動が規制され、ピニオン部８１の歯８１ａからラック部８２の歯８２ａが脱落しないように構成されている。また、ラック部８２の先端側は、挿通孔９１よりも大きく形成されており、ラック部８２が閉じる方向に所定以上移動した際に、ケース部９の外周面に当接し、それ以上閉じる方向へ移動しないように構成されている。また、把持装置１では、図１及び図３に示すように、モータ７の回転角度情報を取得するエンコーダ１０が設けられており、エンコーダ１０から取得される回転角度情報に基づいて、制御装置６により開閉機構８の開閉量が求められるようになっている。
【００２３】
それぞれのラック部８２の先端側には、図１に示すように、指部２がそれぞれ取り付けられている。尚、指部２ａは、モータ５１を介してラック部８２の先端側に取り付けられており、モータ５１がラック部８２の先端側に取り付けられている。他の指部２ｂは、ラック部８２の先端側にベアリング（不図示）を介して回転自在に取り付けられている。従って、モータ７が駆動し、ピニオン部８１が回転して、ラック部８２が開閉駆動することにより、各指部２が互いに平行な状態を維持したまま開閉動作する。尚、開閉駆動手段３は、これに限定されるものではなく、指部２を開閉動作するためのものであれば良く、従来公知の開閉機構を用いても良い。また、それぞれの指部２は、平行な状態で開閉されることに限定されるものではなく、例えば、上端側が指部２に対して直交する方向に設けられた回転軸周りに回転することにより、それぞれの指部２の下端側が互いに離間又は接近するように開閉するようなものであっても良い。
【００２４】
締付部材４は、把持対象物を締め付けることにより、拘束して把持するための紐状の部材であって、図１及び図７に示すように、一端側が指部２ａの下端側に固定される巻取プーリ５２に取り付けられており、他の指部２ｂの下端側に固定されているそれぞれのプーリ５４に略正方形状になるように掛け渡され、他端側が指部２ａの下端側に回転自在に支持される保持アイドラー５３に取り付けられている。締付部材４としては、例えば、図６に示すように、中心に配される弾性糸４１の周囲に感圧導電性糸４２，４３が２重に巻かれて（ダブルカバリングされて）構成される感圧導電性カバリング糸を好適に用いることができる。弾性糸４１としては、例えば、ポリウレタン製のもの等を好適に用いることができる。感圧導電性糸４２，４３は、例えば、ポリエステル等の非導電性繊維にステンレス等の導電性繊維を混紡して撚り合わせることにより形成される。この感圧導電性糸４２，４３は、糸に掛かる張力や圧力が大きくなると、糸中の導電性繊維同士の接触点数が増加することによって電気抵抗値が変化するという特性を有している。また、この感圧導電性糸４２，４３の伸びと抵抗値の間には線形近似可能な関係が存在する。
【００２５】
このような構造を有する締付部材４は、感圧導電性糸４２，４３の抵抗値変化の特性を安定させる構造となっており、ヒステリシスを有効に軽減することができる。また、締付部材４は、弾性及び伸縮性に優れた特性を有しているので、大きな変形にも対応することができる。また、締付部材４は、自身に張力が作用すると、抵抗値が低くなるという特性を有しているので、締付部材４自身が張力を検出するためのセンサ（張力検出手段）としての役割も果たすことができる。尚、締付部材４は、このような感圧導電性カバリング糸に限定されるものではなく、把持対象物を締め付けることができるような部材であれば良く、弾性を有する他の紐状部材や若干の幅を有する布状の部材であっても良い。また、その場合には、締付部材４に作用する張力を検出するための張力センサ等の張力検出手段を別途設けるようにし、張力センサから取得される信号を制御装置６へと入力するように構成すれば良い。
【００２６】
巻取駆動手段５は、締付部材４の巻き取り又は巻き出しを行うことにより、締付部材４によって把持対象物を締め付けるためのものであって、図１及び図３に示すように、指部２ａを回転させるための駆動力を発生させるモータ５１と、指部２ａの下端側に固定される巻取プーリ５２と、巻取プーリ５２の下方に配置され、指部２ａの下端側に回転自在に支持される保持アイドラー５３と、他の指部２ｂの下端側にそれぞれ固定されるプーリ５４とを備えている。
【００２７】
モータ５１は、制御装置６からの制御信号が入力されて、不図示の電源等から電力が供給されることにより駆動することで、指部２ａと共に巻取プーリ５２を回転させることにより、締付部材４の巻き取り又は巻き出しを行う。巻取駆動手段５では、巻取プーリ５２が回転し、締付部材４の巻き取りが行われると、それに伴って、プーリ５４及び指部２ｂが回転し、締付部材４が各指部２間を移動するように案内され、一端側から締付部材４が巻取プーリ５２に巻き取られる。この際、締付部材４の他端側は、指部２ａと共に回転する巻取プーリ５２ではなく、指部２ａに回転自在に支持されている保持アイドラー５３に取り付けられているので、巻取プーリ５２と共に回転することがなく、適切に一端側から締付部材４の巻き取りを行うことができる。尚、本実施形態に係る把持装置１では、指部２ｂがラック部８２の先端側に回転自在に支持されており、プーリ５４が指部２ｂの下端側に固定されているが、指部２ｂをラック部８２の先端側に固定し、プーリ５４を指部２の下端側にベアリング等を介して回転自在に支持するようにしても良い。また、締付部材４の巻き取り又は巻き出しを案内するための部材は、プーリ５４に限定されるものではなく、プーリ５４の代わりに締付部材４を案内するための他の従来公知の部材や機構を用いるようにしても良い。また、本実施形態では、１本の締付部材４を用いた例を示しているが、例えば、指部２の先端より上方側に締付部材４を別途設けておき、複数の締付部材４により把持対象物を締め付けて把持する構成であっても良い。また、本実施形態では、指部２ａの下端側に巻取プーリ５２及び保持アイドラー５３が設けられているが、指部２ａの下端側には、他の指部２ｂと同様にプーリ５４を取り付けておき、指部２ａとは別の位置で巻取プーリ５２を回転させることにより、締付部材４の巻き取り又は巻き出しを行うように構成することも可能である。
【００２８】
制御装置６は、開閉駆動手段３による開閉動作や巻取駆動手段５による締付部材４の巻き取り又は巻き出し等の制御を行うためのものであって、例えば、コンピュータによって構成されている。制御装置６では、締付部材４から取得される抵抗値を用いて、締付部材４が把持対象物を締め付ける際の抵抗値が所定の抵抗値に収束するように、巻取駆動手段５による締付部材４の巻き取り又は巻き出しを行うことにより締付部材４に所定の張力を生じさせるように制御する。このように締付部材４の抵抗値を所定の抵抗値に収束させることで、所定の把持力を出力することができる。このような制御を行うための制御則としては、例えば、ＰＩＤ制御等の従来公知の制御則を適宜用いることができる。尚、目標とする所定の抵抗値は、予め把持対象物の種類等に応じて適宜設定しておけば良い。
【００２９】
以下、把持装置１による把持動作の一例について説明する。まず把持装置１は、不図示のロボット等によって締付部材４内に把持対象物が納まるように配置される。この状態で、把持装置１では、制御装置６からの制御信号に基づいて、開閉駆動手段３によって指部２を閉じる方向へと動作させ、把持対象物の外形の大きさに合わせて締付部材４を接触させる。
【００３０】
次に、把持装置１では、制御装置６からの制御信号に基づいて、締付部材４が把持対象物を締め付ける際の抵抗値が所定の抵抗値に収束するように、巻取駆動手段５による締付部材４の巻き取りを行うことにより、締付部材４に所定の張力を生じさせるように制御する。これにより、把持装置１では、締付部材４によって把持対象物を締め付けて拘束し、所定の把持力で把持対象物を把持することができる。
【００３１】
図８は、本実施形態に係る把持装置１を用いて、把持対象物として弁当の食品等を詰める際に利用される紙カップを把持する際の様子を示している。把持装置１は、図８に示すように、締付部材４が把持対象物を安定して把持できる位置まで誘導して、把持位置を収束させる役割を果たしているので、把持対象物が、締付部材４内の中央に配置されている必要はなく、把持対象物が締付部材４内に納まっていれば、適切に把持を行うことができる。また、把持装置１では、締付部材４からの把持力を加えることによって、把持対象物の姿勢を制約することができるので、図８に示すように、把持対象物を把持した状態で、把持装置１を移動させる場合にも、把持対象物が動くことによって破損することを抑制することができると共に、把持対象物をプレースする際の姿勢や位置の精度を向上させることができる。また、把持装置１では、締付部材４を用いた締め付けによって把持対象物を拘束するため、把持対象物と接触する面積が大きい把持となる。これにより、把持装置１は、把持対象物に掛かる把持力を分散させることができ、図８に示すように、変形し易い把持対象物であっても、把持時に把持対象物が変形することを抑制することができる。
【００３２】
尚、本発明の実施の形態は上述の形態に限るものではなく、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１            把持装置
２            指部
３            開閉駆動手段
４            締付部材（張力検出手段）
５            巻取駆動手段
６            制御装置（制御手段）
【図１】
0006425013.tif 000002
【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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