(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、前記基部に備えられる回転駆動機構または直線駆動機構の少なくともいずれか１つの駆動機構と、前記駆動機構と連結される少なくとも１つのリンクと、前記リンクの開く方向について作用する第１の弾性部材と、前記リンクの閉じる方向について作用する第２の弾性部材とが前記基部に備えられ、
前記第１の弾性部材および前記第２の弾性部材が作用する前記リンクへの作用力がゼロとなるニュートラル領域を有し、
前記駆動機構は前記リンクが開閉する際に所定の開閉量まで作業させ、
前記リンクと前記基部間で物品を把持しているときは前記第１の弾性部材または前記第２の弾性部材の作用により把持して前記駆動機構には通電されていないことを特徴とするロボットハンド。
【請求項２】
前記第１の弾性部材により物品の外側から把持し、前記第２の弾性部材により物品の内側から把持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。
【請求項３】
前記弾性体は、回転ばね、直線ばね、板ばねの少なくとも何れ１つを用いることを特徴とする請求項１または２に記載のロボットハンド。
【請求項４】
前記第２の弾性部材の作用を調整するために可変ストッパが設けることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のロボットハンド。
【請求項５】
基部と、前記基部に備えられる回転駆動機構または直線駆動機構の少なくともいずれか１つの駆動機構と、前記回転駆動機構と連結される少なくとも１つのリンクを備え、前記リンクは、初期状態において第１の弾性部材および第２の弾性部材の作用力がゼロとなるニュートラル領域に位置し、
前記リンクを前記駆動機構により開閉し、前記駆動機構が前記リンクの開く方向に駆動した際に前記第１の弾性部材が前記リンクを閉じるように作用し、前記駆動機構が前記リンクの閉じる方向に駆動した際に前記第２の弾性部材が前記リンクの開く方向に作用することで前記物品を把持し、
前記駆動機構は、前記第１の弾性部材または前記第２の弾性部材の反力に反して作用するとともに、前記物品に干渉しない位置まで前記リンクを動作させ、前記干渉しない位置で前記リンクを保持したのちに前記物品を把持し、駆動力を停止させることを特徴とするロボットハンドの把持方法。
【請求項６】
前記駆動機構は、前記第１の弾性部材または前記第２の弾性部材の反力に反して作用するとともに、把持していた前記物品に対して干渉しない位置まで前記リンクを動作させ、前記位置で前記リンクを保持したのちに前記物品を開放し、前記第１の弾性部材または前記第２の弾性部材のニュートラル領域まで前記リンクを動作させることを特徴とする請求項５に記載のロボットハンドの把持方法。    
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物品を把持するロボットハンドに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットハンドを備えたロボットの開発が産業用のみならず民生用や人が介在するような用途などの多様な分野で研究開発が進んでいる。このような流れは、異形の物品を１つのロボットハンドでつかむことができ、多種の物品に対応できるように考えられたものである。これらのロボットハンドに要求されることは、当然ながら掴むことと放すことが確実にできることである。把持について工場の電源状態によっては、作業中に停電が発生することも想定される。そのようなときに把持した物品を落下させることがないようにすることが要求される。さらには、精密な部品を把持する場合、ロボットハンドから熱が伝導して物品の熱膨張を嫌うユーザもいる。このために、ロボットハンドが発熱しないようにすることが望まれていた。
従来のばねを利用したハンドでは、対象物を把持する際、モータやエアによる駆動力により対象物を把持し、対象物を開放する際にばね力で位置を復元させて対象物を放すという方法のものが多かった（例えば、特許文献１参照）。従来のばねを利用したハンドでは、駆動力はモータやエアではないが、形状記憶合金の収縮力によって対象物を把持し、対象物を放す際はばね力でリンクの位置を元に戻し対象物を開放している。このようなハンドの場合、対象物を把持している間は、電力や圧縮流体による駆動力を供給し続けなければならない。
反対に、ばね力で対象物を把持し、ハンドを開放する際にモータやエアなどの駆動力を用いるハンドもある。このようなハンドの場合、対象物を掴みに行く時だけモータやエアなどで一時的にハンドを開放し、対象物を把持している間はばね力で把持し、開放するときに再びモータやエアなどでハンドを一時的に開放すればよく、モータやエアなどによる駆動力を必ずしも長時間作用させる必要はないため、エネルギーの節減になる。
このように、従来のばねを利用したハンドは、把持力または開放力のどちらかにばね力を用いている。
【特許文献１】特開２００２−３２１１８３号公報（第４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、同一ハンドで、ハンドを開く方向に把持するパターンとハンドを閉じる方向に把持するパターンがある場合は、把持力としてモータやエアなどの駆動力を用いざるを得ないことが多かった。このようなハンドでは、ばねを使用することによるエネルギーの節減、駆動装置の小型化、構造のシンプル化ができない。駆動力としてモータを使用する場合、対象物を把持している間ある一定の電流を流し続けれなければならず、発熱による問題が発生する可能性がある。モータやアンプもその仕事量に耐えられるものでなければならず、駆動装置の小型化が難しい。駆動力としてエアを使用する場合、把持と開放の両動作でエアを供給しなければならず、把持力または開放力のどちらかにばねを使用しているハンドに比べ、エアの供給量が増える。例えばコンプレッサーで都度圧縮空気を生成するようなシステムの場合、コンプレッサーの動作回数が増え、電力を節減することができないだけでなく、コンプレッサーの騒音に悩まされる。また、圧縮空気をタンクにためてそこから圧縮空気を供給するシステムなどでは、タンクへの充填頻度が増える。
また、停電時などに電力やエアの供給が絶たれた場合、対象物を落下することになり、不用意に対象物を破損してしまうという問題もある。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、確実に把持できるとともにロボットハンドの発熱を抑え、停電時でも把持している物品の落下を防止できるロボットハンド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】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１記載の発明は、基部と、前記基部に備えられる回転駆動機構または直線駆動機構の少なくともいずれか１つの駆動機構と、前記駆動機構と連結される少なくとも１つのリンクと、前記リンクの開く方向について作用する第１の弾性部材と、前記リンクの閉じる方向について作用する第２の弾性部材とが前記基部に備えられ、前記第１の弾性部材および前記第２の弾性部材が作用する前記リンクへの作用力がゼロとなるニュートラル領域を有し、前記駆動機構は前記リンクが開閉する際に所定の開閉量まで作業させ、前記リンクと前記基部間で物品を把持しているときは前記第１の弾性部材または前記第２の弾性部材の作用により把持して前記駆動機構には通電されていないことを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、弾性部材により物品の外側から把持し、前記第２の弾性部材により物品の内側から把持することを特徴とするものである。
また、請求項３に記載の発明は、前記弾性体は、回転ばね、直線ばね、板ばねの少なくとも何れ１つを用いることを特徴とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、前記第２の弾性部材の作用を調整するために可変ストッパが設けることを特徴とするものである。
また、請求項５に記載の発明は、基部と、前記基部に備えられる回転駆動機構または直線駆動機構の少なくともいずれか１つの駆動機構と、前記回転駆動機構と連結される少なくとも１つのリンクを備え、前記リンクは、初期状態において第１の弾性部材および第２の弾性部材の作用力がゼロとなるニュートラル領域に位置し、前記リンクを前記駆動機構により開閉し、前記駆動機構が前記リンクの開く方向に駆動した際に前記第１の弾性部材が前記リンクを閉じるように作用し、前記駆動機構が前記リンクの閉じる方向に駆動した際に前記第２の弾性部材が前記リンクの開く方向に作用することで前記物品を把持し、前記駆動機構は、前記第１の弾性部材または前記第２の弾性部材の反力に反して作用するとともに、前記物品に干渉しない位置まで前記リンクを動作させ、前記干渉しない位置で前記リンクを保持したのちに前記物品を把持し、駆動力を停止させることを特徴とするものである。
また、請求項６に記載の発明は、前記駆動機構は、前記第１の弾性部材または前記第２の弾性部材の反力に反して作用するとともに、把持していた前記物品に対して干渉しない位置まで前記リンクを動作させ、前記位置で前記リンクを保持したのちに前記物品を開放し、前記第１の弾性部材または前記第２の弾性部材のニュートラル領域まで前記リンクを動作させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によると、対象物を把持する際、ロボットハンドを開く方向にもロボットハンドを閉じる方向にも弾性部材のみで把持することができ、回転駆動機構や直線駆動機構による駆動力は物品を把持する際と放す際に一時的に使用するだけなのでエネルギーを節減でき、なおかつ駆動機構やコントローラアンプなどの駆動装置を小型化することができる。
また、回転駆動機構や直線駆動機構による駆動力は物品を把持する際と放す際に一時的に使用するだけなので、連続通電等が行われないために、ロボットハンドの発熱が抑制でき、精密部品などへの熱伝導の問題も解消される。
また、停電時などのエネルギー遮断時にもばね力で対象物を把持し続けるため、不用意に対象物を落とし対象物を破損することを防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１は、本発明のロボットハンドの第１実施例である。図１において、１は基部、３は回転駆動機構、２は回転駆動機構３によって駆動されるリンク、４はハンドが閉じる方向と反対方向に作用する回転ばね、５はハンドが開く方向と反対方向に作用する回転ばねである。本実施例における基部１は、可動リンク２と対になる固定リンクの役割も兼ね備えていることとする。
本発明が従来技術と異なる部分は、ハンドが閉じる方向と反対方向に作用するばね４と、ハンドが開く方向と反対方向に作用するばね５とを同時に備えた部分である。
【０００８】
図１において、リンク２がハンドを閉じる方向に動作すると、まもなくばね４が収縮され、ばね４によってハンドを開く方向に反力が作用する。反対に、リンク２がハンドを開く方向に動作すると、まもなくばね５が収縮され、ばね５によってハンドを閉じる方向に反力が作用する。図９はこの関係を表したグラフである。本図における「ニュートラル領域」というのは、ハンドの初期位置であり、ばね力が全く作用していない領域を意味する。このニュートラル領域は、多少幅を持っていてもよいし、全くゼロでもよい。図９からわかるように、ニュートラル領域からハンドを閉じる方向、すなわちハンド開き角が小さくなる方向に動作させると、ハンドを開く方向にばねによる反力が働く。図ではこの反力を「開き力」と表現している。反対に、ニュートラル領域からハンドを開く方向、すなわちハンド開き角が大きくなる方向に動作させると、ハンドを閉じる方向にばねによる反力が働く。図ではこの反力を「閉じ力」と表現している。図９では、ばねの変形量に対してばね定数は一定とみなして簡易的にグラフを描いている。具体例を上げると、図１のハンドにおいて回転ばねの動作範囲が０°〜２０°の時、対象物を把持できる領域を５°〜１５°と設定すると、リンク長約１５０ｍｍのハンドの場合、把持できる対象物の幅は、外側から把持する場合で５５〜７０ｍｍ、内側から把持する場合で４０〜５５ｍｍとなる。
【０００９】
図２は、第１実施例のハンドで対象物７を外側から把持している状態である。以下に、本実施例のハンドで対象物７を外側から掴みに行って開放するまでのステップを示す。まず、対象物７を掴みに行く直前に、回転駆動機構３によってリンク２をハンドが開く方向にばね５のばね力に反して動作させ、対象物に干渉しない程度までハンドを開き、その状態を一時的に保持する。次に、対象物７にアプローチし、把持可能な位置で停止する。次に、回転駆動機構３の駆動力を停止させ、ハンドを閉じる方向に作用するばね５のばね力によって対象物７を把持する。次に、対象物７を所定の位置へ移動させ、対象物７を開放する位置で、回転駆動機構３により再びハンドを開く方向にリンク２を動作させ、対象物７を開放する。対処物７からハンドを十分逃がしたら、その時点で回転駆動機構３の駆動力を停止させ、ばね５のばね力によりハンドをニュートラル状態に戻す。以上が、第１実施例のハンドで対象物７を外側から掴みに行って開放するまでのステップである。また、図２で対象物７を掴んでいる状態は、図９のグラフにおける「把持領域Ｂ」に相当する。
【００１０】
図３は、第１実施例のハンドで対象物７を内側から把持している状態である。以下に、本実施例のハンドで対象物７を内側から掴みに行って開放するまでのステップを示す。まず、対象物７を掴みに行く直前に、回転駆動機構３によってリンク２をハンドが閉じる方向にばね４のばね力に反して動作させ、対象物に干渉しない程度までハンドを閉じ、その状態を一時的に保持する。次に、対象物７にアプローチし、把持可能な位置で停止する。次に、回転駆動機構３の駆動力を停止させ、ハンドを開く方向に作用するばね４のばね力によって対象物７を把持する。次に、対象物７を所定の位置へ移動させ、対象物７を開放する位置で、回転駆動機構３により再びハンドを閉じる方向にリンク２を動作させ、対象物７を開放する。対処物７からハンドを十分逃がしたら、その時点で回転駆動機構３の駆動力を停止させ、ばね４のばね力によりハンドをニュートラル状態に戻す。以上が、第１実施例のハンドで対象物７を内側から掴みに行って開放するまでのステップである。また、図３で対象物７を掴んでいる状態は、図９のグラフにおける「把持領域Ａ」に相当する。
【００１１】
上記のように、対象物７を把持している間、作用しているのはばね力だけであり、回転駆動機構３による駆動力が必要なのは、対象物７を掴みに行くときと開放するときの短い時間だけである。したがって、例えば回転駆動機構３としてモータを使用する場合、瞬間的に必要なトルクが出せればよく、モータの定格トルクを下げることができるため、モータのサイズやアンプの容量を小さくすることができる。また、長時間電流を流す必要がないため発熱が抑えられ、温度管理の厳しい環境では有利である。また、停電時に電力が遮断された場合でも、ばね力によって対象物を把持し続けるため、対象物を落下して破損することがない。
【００１２】
第１実施例では、ばね４およびばね５として回転ばねを使用しているが、直動ばねや板ばねで代用することも可能である。
【実施例２】
【００１３】
図４は、本発明のハンドの第２実施例である。図４において、１は基部、２は３つのリンク、６は前記３つのリンク２を連動して直線駆動する直線駆動機構、４はハンドが閉じる方向と反対方向に作用する直線ばね、５はハンドが開く方向と反対方向に作用する直線ばねである。ここでは、直線駆動機構６がエア駆動である場合の例を示す。本実施例の構成でも、第１実施例と同様の効果を得ることができる。以下にその詳細を示す。
【００１４】
図５は、第２実施例のハンドで対象物７を外側から把持している状態である。以下に、本実施例のハンドで対象物７を外側から掴みに行って開放するまでのステップを示す。まず、対象物７を掴みに行く直前に、直線駆動機構６によってリンク２をハンドが開く方向にばね５のばね力に反して動作させ、対象物に干渉しない程度までハンドを開き、その状態を一時的に保持する。次に、対象物７にアプローチし、把持可能な位置で停止する。次に、直線駆動機構６のエア力を停止させ、ハンドを閉じる方向に作用するばね５のばね力によって対象物７を把持する。次に、対象物７を所定の位置へ移動させ、対象物７を開放する位置で、直線駆動機構６により再びハンドを開く方向にリンク２を動作させ、対象物７を開放する。対処物７からハンドを十分逃がしたら、その時点で直線駆動機構６のエア力を停止させ、ばね５のばね力によりハンドをニュートラル状態に戻す。以上が、第２実施例のハンドで対象物７を外側から掴みに行って開放するまでのステップである。また、図５で対象物７を掴んでいる状態は、図９のグラフにおける「把持領域Ｂ」に相当する。
【００１５】
図６は、第２実施例のハンドで対象物７を内側から把持している状態である。以下に、本実施例のハンドで対象物７を内側から掴みに行って開放するまでのステップを示す。まず、対象物７を掴みに行く直前に、直線駆動機構６によってリンク２をハンドが閉じる方向にばね４のばね力に反して動作させ、対象物に干渉しない程度までハンドを閉じ、その状態を一時的に保持する。次に、対象物７にアプローチし、把持可能な位置で停止する。次に、直線駆動機構６のエア力を停止させ、ハンドを開く方向に作用するばね４のばね力によって対象物７を把持する。次に、対象物７を所定の位置へ移動させ、対象物７を開放する位置で、直線駆動機構６により再びハンドを閉じる方向にリンク２を動作させ、対象物７を開放する。対処物７からハンドを十分逃がしたら、その時点で直線駆動機構６のエア力を停止させ、ばね４のばね力によりハンドをニュートラル状態に戻す。以上が、第２実施例のハンドで対象物７を内側から掴みに行って開放するまでのステップである。また、図６で対象物７を掴んでいる状態は、図９のグラフにおける「把持領域Ａ」に相当する。
【００１６】
第２実施例は、直線駆動機構６の駆動力として圧縮エアを用いている。対象物の把持と開放の両方に圧縮エアを用いる場合に比べ、本実施例では開放動作のみに圧縮エアを用いているため、圧縮エアの消費量が比較的少ない。したがって圧縮エアを生成するエネルギーの節減になる。また、停電時にエア供給が遮断された場合でも、ばね力によって対象物を把持し続けるため、対象物を落下して破損することがない。
尚、本実施例では、３つのリンクを用いて物品を把持するように構成したが、一方を基部として対向させる構造にすることでリンクは少なくとも１つ以上であればよいことは、当然である。
【実施例３】
【００１７】
図７は本発明のハンドの第３実施例である。ハンドの構成は第１実施例とほぼ同じであるが、異なる点はリンク２が３本存在することである。図７において、３本のリンク２は１つの回転駆動機構３によって連動して動かされる。図８に、第３実施例のハンドで対象物７を掴んだ状態の断面図を示す。図８に示すように、対象物７の断面形状が段差の多い複雑な形状の場合、リンク２が複数存在することにより、対象物７の形状に倣って把持することができる。図８は対象物を外側から掴んだ状態を示しているが、内側の形状が複雑な場合も同様に対象物７の形状に倣って把持することができる。
【実施例４】
【００１８】
図１０および図１１は本発明の第４実施例である。ハンドの構成は第１実施例とほぼ同じであるが、異なる点は、ばね力が作用する範囲を調節できる可変ストッパ８を備えていることである。本発明のハンドで、大きさの異なる対象物を同等の把持力で把持したい場合、ばね用の可変ストッパ８の位置を調節することによって、対象物の大きさに合わせてばね力の作用する範囲を自由に調節することができる。図１０のハンドと図１１のハンドは同一のハンドであるが、可変ストッパ８の位置を変えることによって、回転ばね５のばね力の作用する範囲を変えている。図１０と図１１で対象物７の大きさは異なるが、対象物７に作用する把持力は同じである。図１０および図１１は、回転ばね５用の可変ストッパ８しか図示していないが、同様に回転ばね４用の可変ストッパを設ければ、対象物７を内側から把持する場合にも同様の効果を得ることができる。
【実施例５】
【００１９】
図１２は本発明のハンドの第５実施例である。ハンドの構成は第２実施例とほぼ同じであるが、異なる点は直線ばね４および直線ばね５の数を増減可能な機構を有することである。図１２は、図４に対してばねの数を２倍に増やしている。これによりばね力による把持力は２倍に増加する。図１２において、９は直線ばね用ガイドである。あらかじめ直線ばね用ガイド９を複数設けておけば、必要な把持力に応じて直線ばね４および直線ばね５の数を増減し、把持力を調整することができる。ばねによる把持力の調整方法は、ばねの数の増減だけではない。仮に直線ばね用ガイド９が１つしか存在しなくても、直線ばね４および直線ばね５を容易に交換可能な構造にしておけば、直線ばね４および直線ばね５の線径を変えることによって、ばねによる把持力を調整することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施例を示すハンドの正面図
【図２】本発明の第１実施例のハンドで対象物を外側から把持した状態を表す正面図
【図３】本発明の第１実施例のハンドで対象物を内側から把持した状態を表す正面図
【図４】本発明の第２実施例を示すハンドの正面図および側面図
【図５】本発明の第２実施例のハンドで対象物を外側から把持した状態を表す正面図
【図６】本発明の第２実施例のハンドで対象物を内側から把持した状態を表す正面図
【図７】本発明の第３実施例を示すハンドの正面図および側面図
【図８】本発明の第３実施例のハンドで対象物を把持した状態を表す上断面図
【図９】本発明のハンドの開き角とばねによる把持力の関係を表したグラフ
【図１０】本発明の第４実施例のハンドで対象物を把持した状態を表す正面図
【図１１】本発明の第４実施例のハンドで対象物を把持した状態を表す正面図
【図１２】本発明の第５実施例を示すハンドの側面図
【符号の説明】
【００２１】
１  基部
２  リンク
３  回転駆動機構
４  ばね
５  ばね
６  直線駆動機構
７  対象物
８  可変ストッパ
９  直線ばね用ガイド
【図１】
0005093585.tif 000002
【図２】
0005093585.tif 000003
【図３】
0005093585.tif 000004
【図４】
0005093585.tif 000005
【図５】
0005093585.tif 000006
【図６】
0005093585.tif 000007
【図７】
0005093585.tif 000008
【図８】
0005093585.tif 000009
【図９】
0005093585.tif 000010
【図１０】
0005093585.tif 000011
【図１１】
0005093585.tif 000012
【図１２】
0005093585.tif 000013