日本ロボット学会誌

Vol. xx No. xx, pp.1〜4, 202x

1

レター

複数サイズ・種類の椀状食器に対応可能な食洗機ラックへの逆さ配置のためのグリッパの爪の設計
大辻 翔雅∗1土橋宏規∗2

Design of Gripper Jaws Applicable to Multiple Sizes and Types of Bowls
for Upside-down Placement in a Dishwasher Rack
Shoa Otsuji∗1 and Hiroki Dobashi∗2
In recent years, due to the decrease in the working population, restaurants and other food service industries arerequired to automate various tasks such as serving, washing, and storing dishes. In this paper, we propose a design
method for a simple gripper with bent jaws that can be used to place multiple sizes and types of bowls upside down
in a dishwasher rack. Then, we design and fabricate bent jaws suitable for grasping target bowls using the proposed
method. Moreover, we conﬁrm the eﬀectiveness of the proposed method through experiments on the placement of
the bowls.
Key Words: Robotic hand, Bent jaws, Grasping, Bowl, Dishwasher

1. 緒言

近年，労働人口の減少に伴い，様々な産業でロボットによる作業の自動化が進められている．中でも，飲食店などの外食産業
では，食器の配膳から洗浄や収納までの作業の自動化が求めら(a) Target bowls in diﬀerent sizes

れている．また，対象となる食器は多種多様であり，各種食器
Bowl 1の取り扱い方は作業の自動化における重要な課題の一つとなっBowl 2

Bowl 3

Bowl 4ている．そのため，様々な食器を把持し，配置できるロボットハンドについて多くの研究・開発がなされている．

Wang ら [1] は，食器が水や油に濡れていても，積み上げられ(b) Target bowls in diﬀerent typesた食器を引き出し，把持することができる蛇腹式アクチュエー

Fig. 1 Appearance of target bowls

タを用いたハンドを開発している．また，Kinugawa ら [2] は，複数種類の積み上げられた食器を把持可能な劣駆動ハンドを開発している．しかし，これらのハンドには複雑な機構・構造がボットハンドを開発するための第一段階として，屈曲爪を持つ用いられている．一方，単純な機構・構造を持つハンドとして，開閉型の単純なグリッパにより，複数サイズ・種類の椀状食器

竹下ら [3] は，爪の表面に溝や突起などの凹凸を設けることで，を上下逆さまにして食洗機ラックへ配置することを想定し，こ食器が湿潤状態であっても高い摩擦力を発揮できるグリッパをれを実現するための適切な屈曲爪の設計手法を提案する．さら開発している．なお，多くの業務用食器洗浄機は下側から水をに，提案した設計手法により，屈曲爪を設計・製作し，これを噴出することにより食器を洗浄しているため，食器を上下逆さ用いた実機実験により提案手法の有効性を確認する．

まに配置する必要があるが，同グリッパが食器を上下逆さまの2. 問 題 設 定状態にできるかは言及されていない．その他にも, 白木ら [4] は予洗いされた食器を把持し，上下逆さまの状態にしやすい，爪本稿では，Fig. 1(a)，(b) に示す複数サイズ・種類の椀状が屈曲したハンドを提案している．しかし，爪の適切な屈曲角食器を対象とする．各椀状食器の開口部の直径，高さ，質量を度および設計指針は示されていないといった課題がある．

Table 1 に示す．また，食器は水に濡れた状態で，なおかつ異なるサイズ・種類の食器が上向きに置かれた状態で，それぞれ複数個供給されるものとする．食器が供給された位置は既知であるとし，上述の状態から把持することを想定する．ただし，対象食器は積み重ねられておらず，把持の際には，把持対象以外の椀状食器などの障害物が存在しない箇所が，グリッパの爪との接触を想定する対象食器の縁に最低 1 箇所存在するものとそこで本稿では，様々な食器を食器洗浄機に収納できるロ原稿受付
和歌山大学大学院システム工学研究科∗2
和歌山大学システム工学部∗1
Graduate School of Systems Engineering, Wakayama University∗2
Faculty of Systems Engineering, Wakayama University■ 要素分野∗1

日本ロボット学会誌 xx 巻 xx 号

—1—

202x 年 xx 月

大 辻2翔 雅

土 橋 宏 規Table 1 Speciﬁcations of the target bowls

Bowl size/type Diameter [mm] Height [mm] Mass [kg]S
132750.284
M145850.406
L156850.503
XL156910.517
Bowl 1140500.258
Bowl 2128640.230
Bowl 3184790.497
Bowl 4150850.090(a) Dishwasher rack 1(b) Dishwasher rack 2(a) Step 1(b) Step 2(c) Step 3(d) Step 4(e) Step 5(f) Step 6

Fig. 5 Preliminary experiment using the gripper with the bent
jaws imitating the ones in [4]Fig. 2 Dishwasher rack for the bowls

し，これを産業用 6 軸ロボットアーム（三菱電機，RV-7FL-D）に取り付けて実験を行う．ただし，電動グリッパの把持力は 45[N] に設定し，ロボットアームは位置制御で動作させる．
実験の様子を Fig. 5 に示す．実験の結果，屈曲爪を持つグリッパは対象食器を上下逆さまの状態にしやすいことが分かった．しかし，文献 [4] では爪の適切な屈曲角度および設計指針は示されていない．また，Fig. 5(f) に示すように，S サイズの対象食器を配置する際，対象食器に左右両方の爪が干渉し，爪を引き抜くことができなかったため，すべてのサイズの対象食器を配置できる適切な爪の設計が必要となる．

Fig. 3 Jaws of the gripper for the preliminary experiment

4. 対象食器に関する情報の計測
Fig. 4 Hand proposed in [4]爪の設計に先立ち，まず，対象食器の重心位置との兼ね合いから，上下逆さまの状態で配置できるような食器のリリース時する．さらに，食洗機ラックとして，Fig. 2(a) に示す 3 行 4の最大の傾きを調べるために，Fig. 6(a) に示すような対象食列のものと Fig. 2(b) に示す汎用ラックを想定する．ここで，器の配置姿勢をとったときの，対象食器を並べてラック内へ配ラックへの食器の前後方向の整列ピッチは，Fig. 2(a) のラッ置できる角度 α の最大値を計測する．ここで，α は同図におけクでは左から順に 120，115，110 [mm] であり，Fig. 2(b) のる対象食器の開口面とラックの底部との間の反時計回りの角度ラックでは 100 [mm] である．なお，研究の都合上，Fig. 1(a)，である．また，次節で述べる爪の適切な屈曲角を求めるためのFig. 2(a) に示す対象食器とラックにはモザイク処理を施している．

準備として，Fig. 6(b) に示すように，対象食器を屈曲爪を持つグリッパで把持する際の，対象食器の把持対象面とラックの底部との間の時計回りの角度 β を計測する．各食器について

3. 文献 [4] の爪を模した屈曲爪を用いた予備実験得られた α の最大値 αmax と β の値を，Table 2 に示す．

屈曲爪を持つグリッパが実際にラック内へ対象食器を上下逆

なお，αmax については，ラック内で対象食器を上下逆さ向さまに配置しやすいかを確認するため，文献 [4] の爪を模したきで載せた木板を反時計回りに傾けていき，対象食器が左側に屈曲爪を製作し，これを用いた予備実験を行う．本実験では，倒れる最小の角度を各食器について 5 回計測し，その結果を平Fig. 1(a) に示す S，M サイズの椀状食器を対象食器として把持し，ラック内に上下逆さまの状態で配置できるかを確認する．
製作したグリッパの爪は Fig. 3 に示す PLA 樹脂製のものであり，爪先には厚さ 5 [mm] のゴムシートを貼付している．また，グリッパの爪の把持部は左右の爪で平行であり，爪の屈曲角度は 130 [deg] である．なお，爪の把持部の長さを 50 [mm] として，Fig. 4 中の爪の把持部の長さとの比率と同図中の爪の寸法をもとに，爪の各寸法を決定している．爪の製作には 3D プリンタ（Raise3D，R-E2）を用いた．また，グリッパ本体として電動グリッパ（TAIYO，ESG1-FS-2840-11XW109）を使用均することで算出した．また，角度 β については，水平方向JRSJ Vol. xx No. xx

から撮影した対象食器の画像に対して把持対象部の接線を記入し，水平面との成す角を各食器について 5 回計測した結果を平均することで算出した．

5. 爪の屈曲角度の導出と設計・製作
5. 1 爪の適切な屈曲角度の範囲の導出
本節では，グリッパが対象食器やラックと干渉しないようにするために，爪の適切な屈曲角度の導出を行う．まず，Fig. 6に示すようにグリッパの爪の屈曲角度を θ とし，Fig. 6(b) に—2—xx, 202x複数サイズ・種類の椀状食器に対応可能な食洗機ラックへの逆さ配置のためのグリッパの爪の設計

3Parallel gripper

Parallel gripper
Parallel gripper(a) Placing(b) Grasping
Fig. 6 Placing and grasping of a bowl

Fig. 7 Requirement for placing a bowl

Table 2 Measured angles αmax and β

Bowl size/typeSMLXL
Bowl 1
Bowl 2
Bowl 3
Bowl 4

αmax [deg]β [deg]

7565
60
50
6964
65
6180
75
65
7485
8280
85

D cos α + (l2 − l3 ) sin(θ − ϕ′ ) + (l1 + L1 ) sin ϕ′
H1 − w+cos ϕ′ < P1 + P22or（5）D cos α + (l2 − l3 ) sin(θ − ϕ′ ) + l1 sin ϕ′
H1 − w+cos ϕ′ > P1 + P22(D − d) cos α + (l2 − l3 ) sin(θ − ϕ′ ) < P1 + P2

示すように，対象食器を屈曲爪を持つグリッパで把持する際の，′(D − d) cos α + (l2 − l3 ) sin(θ − ϕ ) > P1とすると，β ，ϕ，θ は次式を満たす．

(θ + ϕ − π) + β =π
2（6）

or

グリッパの鉛直方向に対する反時計回りの角度を把持姿勢角 ϕ

ここで，L1 は平行グリッパの高さであり，L1 = 95 [mm] であ（1）る．また，P1 は対象食器のラックの底面の接触位置から食器

ここで，グリッパとしての把持機能を保つため，π/2 < θ < πを配置するラックの仕切りまでの長さ，P2 は食器を配置する[rad] と仮定する．次に，Fig. 6(a) に示すように，対象食器を配置する際の，グリッパの鉛直方向に対する時計回りの角度を配置姿勢角 ϕ′ とすると，α，β ，θ，ϕ′ は次式を満たす．

ラックの仕切りからその右隣に位置するラックの仕切りまでの

α + (π − β) + {π − (θ − ϕ′ )} +π= 2π2′爪の強度を確保するために爪の厚さ d を d = 25 [mm] と′π/2 [rad] と仮定する．
また，Fig. 7 に示すように，爪の屈曲部またはグリッパ本体部が最下点になる場合の，各食器配置時のグリッパがラックと干渉しない鉛直方向の条件は，それぞれ以下の式で表される．

D sin α − (l2 − l3 ) cos(θ − ϕ′ ) −（3）d+ h′ > h （4）sin(θ − ϕ′ )ここで，D は Table 1 に示した各食器の開口部の直径である．
また，l1 は爪の平行グリッパとの取り付け部から屈曲部までの長さ，l2 は爪の屈曲部から爪先までの長さ，l3 は爪の食器との接触部の長さ，d は爪の厚さである．さらに，H1 は平行グリッパの横幅，w はグリッパの開閉ストロークであり，H1 = 110[mm]，w = 38 [mm] である．加えて，h′ はラックの底面から各食器の最下点までの高さ，h はラックの仕切りと壁の高さであるが，h′ は各食器とラックの配置箇所の組み合わせごとに異なり，最小値と最大値はそれぞれ h′ = 0，40 [mm]，一方，hは Fig. 2(a) のラックでは h = 83 [mm]，Fig. 2(b) のラック
では仕切りと壁で高さが異なり，h = 63，123 [mm] である．
同様に，爪の屈曲部またはグリッパ本体部が最下点になる場
合の，各食器配置時のグリッパがラックと干渉しない水平方向の条件は，それぞれ以下の式で表される．

日本ロボット学会誌 xx 巻 xx 号

ごとに異なり，それぞれの最小値は (P1 , P2 ) = (32，92) [mm]，最大値は (P1 , P2 ) = (70，110) [mm] である．

（2）

ここで，グリッパがラックと干渉しないように，ϕ を 0 < ϕ <D sin α − (l2 − l3 ) cos(θ − ϕ′ ) + l1 cos ϕ′
H1 − w
sin ϕ′ + h′ > h−2長さである．これらは各食器とラックの配置箇所の組み合わせし，さらに対象食器との干渉を防ぐために，配置時の条件が最も厳しくなると考えられる爪の引き抜き完了直前の状態を想定
し，l3 = 0 [mm] とすると，式 (4)，(6) より 0.0 < l2 < 76.4[mm] となる．この条件を考慮しつつ，爪のサイズを可能な限り小さくするために l1 ，l2 の値ができるだけ小さいものとして(l1 , l2 ) = (87, 40) [mm] と決定すると，式 (3)，(5) から各食器に対応するグリッパの配置姿勢角 ϕ′ の範囲が求められ，これらと仮定した ϕ′ の範囲の共通範囲から 16.4 < ϕ′ < 90 [deg] が得られる．さらに，これと式 (1)，(2)，仮定した θ の範囲より，適切な ϕ と θ の範囲は 42 < ϕ < 94.6 [deg]，101.4 < θ < 180 [deg]と，それぞれ求められる．
5. 2 爪の設計と製作
前節で述べたように，(l1 , l2 ) = (87, 40) [mm] のときの適切な θ の範囲が 101.4 < θ < 180 [deg] であることから，作業に必要なロボットアームの動きが小さくなると考えられ，なおかつ爪ができるだけ屈曲してラック等との干渉を回避しやすいように，θ = 102 [deg] となる爪を設計した．ここで，把持部の長さは 35 [mm] である．そして，設計した爪の構造解析を行い，その安全率を確認した．解析の際には，文献 [5] で述べられている PLA 樹脂の物性値を用いた．また，グリッパと接続するアタッチメント部分を拘束し，把持の際に対象食器と接触する面を対象面として，後述する実験で用いる電動グリッパの把持力の設定値である 45 [N] を負荷として加えた．構造解析の結果を Fig. 8 に示す．ここで，図中のカラーバーは安全率の値を表している．安全率の最小値が 1 より大きいことから，—3—202x 年 xx 月

大 辻

4翔 雅

土 橋 宏 規Safety factor
15 Max

Safety factor
15 Max1212996.39 Min

632.81 Min

00(a) Left jaw(a) Step 1(b) Step 2(c) Step 3(d) Step 4(e) Step 5(f) Step 6(b) Right jaw

Fig. 8 Result of structural analysis of the designed jaws

Fig. 9 Jaws of the gripper made by 3D printerFig. 11 Pick-and-place experiment with the designed jaws
Parallel gripper
Robotic arm
Rack

状況下でも，乾いた状態と水に濡れた状態の両方について，各食器をラックに配置できることが分かった．さらに，乾いた状態でも水に濡れた状態でも，ラックのすべての箇所に各サイズBowlの対象食器を配置できることが確認できた．しかし，S，M サイズの対象食器を配置する際，食器のサイズの関係上，ラックFig. 10 Experimental setupの底部から浮かした状態でリリースしたため，対象食器に衝撃想定する負荷を爪にかけた場合，爪が破断する恐れはないと判断できる．製作した爪を Fig. 9 に示す．なお，グリッパの爪が加わってしまった．なお，対象食器のラックへの配置箇所が異なる場合については，今後，確認する必要がある．

7. 結の製作には 3D プリンタ（Raise3D，R-E2）を用いており，爪先には厚さ 5 [mm] のゴムシートを貼付している．

本稿では，屈曲爪を持つ開閉型の単純なグリッパにより，複6. 実 機 実 験

数サイズ・種類の椀状食器を上下逆さまにして食洗機ラックへ

6. 1 実験装置と実験概要製作した屈曲爪を用いたグリッパによって目的の動作を達成できるかを，実機実験により確認する．実験装置の概観を Fig.
10 に示す．3 節の予備実験と同様に，グリッパ本体として電動グリッパを産業用 6 軸ロボットアームに取り付け，実験を行う．ただし，ロボットアームは位置制御で動作させる．
実験では，はじめに電動グリッパの把持力の大きさを調整しながら，水に濡れた状態の各食器の把持の可否を調べることで，各食器の安定把持に必要な把持力を確認する．なお，後述する
実験結果から，以降の実験では十分な把持力を確保するために，電動グリッパの把持力は 45 [N] に設定する．次に，乾いた状
態と水に濡れた状態の Fig. 1(a)，(b) の各食器を把持し，Fig.
2(b) のラック内に配置できることを確認する．ただし，対象食器の初期位置には，ラックとは反対方向に 5 [mm] の誤差を与える．さらに，Fig. 1(a) の各サイズの対象食器を把持し，Fig.
2(a) の食器洗浄機用のラックの 3 行 4 列すべての位置に整列して配置できるかについても確認する．ただし，食器はラックの手前の行の左端の列から順に配置していき，同一行内のすべての列へ配置した後，一つ奥の行に配置していく．
6. 2 実験結果
Fig. 2(a) のラックへの配置実験における，最後の配置箇所に Fig. 1(a) 中の M サイズの対象食器を配置する様子を，Fig.
11 に示す．実験の結果，水に濡れた状態の各食器の把持に必要な電動グリッパの把持力は最低 39 [N] であることが分かった．また，製作した爪を用いることで，初期位置に誤差がある

JRSJ Vol. xx No. xx

言

配置することを想定し，これを実現するための適切な屈曲爪の設計手法を提案した．そして，この提案手法を用いて屈曲爪を設計・製作し，これを用いて対象食器の配置実験を行った．実験の結果，製作した爪を用いることで，水に濡れた状態であっても各サイズの対象食器を 3 行 4 列のラックに並べて配置できることが確認できたが，S，M サイズの対象食器を配置する際に衝撃が加わってしまうという課題がある．今後は，どのサイズの対象食器であっても，衝撃を加えることなく食洗機ラックに配置できるようなグリッパの機構の改良や動作戦略について考える予定である．また，力学的解析を踏まえた爪の設計手法の改良を行う予定である．
なお，本研究の成果の一部は，株式会社𠮷野家の支援を受けたものである．

—4—参考文献[ 1 ] Z. Wang, et al.: “A Soft Robotic Hand Based on Bellows Actuators for Dishwashing Automation,” IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 6, no. 2, pp. 2139–2146, 2021.
[ 2 ] J. Kinugawa, et al.: “Underactuated Robotic Hand for A Fully
Automatic Dishwasher Based on Grasp Stability Analysis,” Advanced Robotics, vol. 36, no. 4, pp. 167–181, 2022.
[ 3 ] 竹下幸来，ほか：“食器ハンドリング用グリッパの開発”，日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会 2020 講演論文集，1P1-D04，2020．
[ 4 ] 白木裕士，パンジュイ：“食器自動洗浄システム，食器自動洗浄方法，食器自動洗浄プログラム，及び記憶媒体”，特開 2022-033056，特許庁，2022．
[ 5 ] J. Torres, et al.: “Mechanical Property Optimization of FDM
PLA in Shear with Multiple Objectives,” The Journal of theMinerals, Metals, Materials Society, vol. 67, pp. 1183–1193,
2015.

xx, 202x