JP7547566B1 - ロボットハンドおよび容器のハンドリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構造で複数品種の容器のハンドリングが可能であり、品種変更にも容易に対応できるロボットハンドおよび容器のハンドリング方法を提供する。
【解決手段】横倒しの容器の側面を吸着する吸着手段と、吸着手段を回転させて前記容器を直立させる直立手段と、直立した前記容器の開口部を把持する把持手段と、を備えた、ロボットハンドである。ロボットハンドを用いて容器をハンドリングする方法であって、横倒しの容器を吸着手段によりピッキングする吸着ステップと、吸着した前記容器を直立手段で直立させる直立ステップと、直立した前記容器の開口部を把持手段で把持する把持ステップと、把持した前記容器から吸着手段を解離したうえで前記容器を収容治具に収容する収容ステップと、を含む、容器のハンドリング方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、簡素な構造で複数品種のボトル等の容器のハンドリングが可能であり、品種変更にも容易に対応できる、ロボットハンドおよび容器のハンドリング方法に関するものである。

ボトル等の容器は、日用品・食品・工業製品など様々な業界において包装資材として用いられている。容器、たとえば、ボトルに入った製品を生産する場合、空のボトルへの内容品の充填や閉栓作業は、一般的に専用機械などで自動化されている。しかしながら生産過程において、向きや姿勢が定まっていないバラ置きの状態からボトル自体を個々にハンドリングするような作業が伴う場合がある。とりわけ複数品種の製品を多品種少量生産する場合は、異なる品種のボトルを効率よく、ハンドリングする手法が求められる。

ボトル容器は、品種によって容器の形状やサイズに大きな差があるが、それに対して開口部は径のサイズ差はあるものの、閉栓部材が取り付くために、共通した円柱状の形状をしている。このワークの特性を活かすことで、複数品種のボトル容器のハンドリングが可能と考えられる。

特許文献１には、ボトル状のワークのハンドリングを行うロボットハンドとして、ボトルの頭部を掴む把持機構とボトルの側面を吸着する吸着機構とが一体化したものが開示されている。そのロボットハンドを用い、箱に整列された状態のボトルの頭部を把持し、横向きに姿勢変更を行いコンベアへ排出するためのものである。

特許文献２には、ロボットのハンドに、容器等の物品をハンドリングする物品案内部材を備える物品取扱具及びその物品案内部材の成形方法が開示されている。物品案内部材は形状記憶部材として、多様な形状に対応するとともにボトルの本体側面を吸着ピックし、ボトル開口部側面を支持する形状を付加した構造が提案されている。

特許文献３には、簡素な機構のハンドで、ワークの姿勢変更ができるロボットハンドとして、爪先に備えた自由に回転する機構でワークの姿勢を変更し、一定以上の力を加えるとローラ部の回転を止める構造が開示されている。

特開平０９－１４２４１１号公報 特開平１１－２５４３７３号公報 特開２０１２－１７１０１８号公報

しかしながら、上記従来技術には以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、ボトルのピック時の姿勢が一定の立っている状態でしかピックができないことや、ボトルの向きの変更、つまり、対称軸を回転軸とする回転が難しいなどの問題があった。

また、特許文献２に記載の技術では、ボトルの品種が変わった際に、吸着パッドの位置や形状部分の変更が必要となるほか、ボトルの向きの合わせ、つまり、対称軸を回転軸とする回転も難しい問題があった。

また、特許文献３に開示の構造では、ハンド爪先内でのワークの姿勢が均一に定まりにくく精密な作業において作業不良を起こす問題があった。

それゆえ、本発明では、簡素な構造で複数品種のボトル容器のハンドリングが可能であり、品種変更にも容易に対応できるロボットハンドおよび容器のハンドリング方法を提供することを目的とする。

上記課題を有利に解決する本発明のロボットハンドは、横倒しの容器の側面を吸着する吸着手段と、吸着手段を回転させて前記容器を直立させる直立手段と、直立した前記容器の開口部を把持する把持手段と、を備えたことを特徴とするものである。

なお、本発明のロボットハンドは、
（ａ）前記吸着手段が、吸着パッドと、前記吸着パッドの伸縮機構と、を有すること、
（ｂ）前記把持手段が、受動ローラを有すること、
（ｃ）ロボットハンドの回転軸と、前記容器の対称軸とが一致するように配置されていること、
（ｄ）前記吸着手段と前記直立手段との複数組が前記把持手段を挟んで対称に配置されていること、
などが好ましい実施態様になり得る。

上記課題を有利に解決する本発明にかかる容器のハンドリング方法は、ロボットハンドを用いて容器をハンドリングする方法であって、横倒しの容器を吸着手段によりピッキングする吸着ステップと、吸着した前記容器を直立手段で直立させる直立ステップと、直立した前記容器の開口部を把持手段で把持する把持ステップと、把持した前記容器から吸着手段を解離したうえで前記容器を収容治具に収容する収容ステップと、を含むことを特徴とする。

なお、本発明にかかる容器のハンドリング方法は、
（ｅ）前記吸着ステップでは、前記容器の側面の所定位置に吸着パッドを配して吸着し、前記把持ステップでは、前記吸着手段の有する伸縮機構により前記容器の開口部が把持手段の所定位置に来るように伸縮すること、
（ｆ）前記吸着ステップでは、前記容器の開口部上面位置から前記容器の軸方向で一定の位置に吸着すること、
（ｇ）前記把持ステップでは、前記容器の対称軸を中心に回転させて前記容器を所定の方向に向けること、
（ｈ）前記吸着ステップでは、ロボットハンドの有する複数の吸着手段のうちのいずれか一つを用いて前記容器を吸着すること、
などが好ましい実施態様になり得る。

本発明にかかるロボットハンドおよび容器のハンドリング方法によれば、簡素な構造で複数品種のボトル等の容器のハンドリングが可能であり、容器の品種変更にも容易に対応できる。

本発明の一実施形態にかかるロボットハンドの構造を示す斜視図である。 上記実施形態にかかるロボットハンドの三面図であって、（ａ）は正面図を表し、（ｂ）は上面図を表し、（ｃ）は右側面図を表す。 上記実施形態にかかるロボットハンドを用いて容器のハンドリングを行う様子を表す模式斜視図である。 （ａ）～（ｇ）は上記実施形態にかかるロボットハンドを用いて行う容器のハンドリング方法の手順を示す模式側面図である。 上記実施形態にかかるロボットハンドを用いて容器の吸着操作を行う様子を示す模式側面図であって、（ａ）は吸着パッドを容器の側面に接触させた状態を示し、（ｂ）は吸着パッド用コンプライアンスを伸縮させて容器を所定位置に配置した状態を示す。 上記実施形態にかかるロボットハンドの吸着パッド用コンプライアンスの動作を表す模式図であって、（ａ）は背面側斜視図を表し、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれコンプライアンスの解放状態および拘束状態を表す背面拡大図である。 上記実施形態にかかるロボットハンドを用いて容器の開口部を把持する様子を表す模式拡大図であって、（ａ）は受動ローラによる把持の状態を表す正面斜視図であり、（ｂ）はその後押し当てパッドにより容器の開口部を拘束した状態を表す左上から見下ろした斜視図である。 本発明の他の実施形態にかかるロボットハンドを表す斜視図である。 本発明の別の実施形態にかかるロボットハンドを表す斜視図であって、（ａ）は右上から見下ろした斜視図を表し、（ｂ）は右下から見上げた斜視図を表す。 上記実施形態で取り扱う容器の一例を示す斜視図である。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための部材や方法を例示するものであり、構成を下記のものに特定するものでない。すなわち、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。ここに、図１は本発明の一実施形態にかかるロボットハンドの構造を示す斜視図である。図２は上記実施形態にかかるロボットハンドの三面図であって、（ａ）は正面図を表し、（ｂ）は上面図を表し、（ｃ）は右側面図を表す。図３は上記実施形態にかかるロボットハンドを用いて容器のハンドリングを行う様子を示す斜視図である。図１０は上記実施形態で取り扱う容器の一例を示す斜視図である。

本実施形態にかかるロボットハンドの作業対象物（ワーク）は、図１０に示すように略円筒形状の開口部６ｂを持ち、その開口部６ｂに接合された本体部６ａの側面が吸着手段によって保持可能な面を持つ、たとえば、ボトル状の容器６である。この容器６は、品種によって、開口部６ｂの径の大きさや長さ、本体部６ａの断面形状や寸法、長径短径比や大きさ、長さが異なる。なお、容器６の対称軸は、開口部６ｂを円筒相当としての中心軸に置く。

本実施形態のロボットハンド１は、図３に示すように様々な角度で供給された横倒しのボトル６の本体部６ａをピッキングするための吸着手段である吸着機構４を備える。吸着後に、ボトル６の姿勢を９０°回転させて直立させるための直立手段である角度変更機構５を備える。そして、ボトル６の開口部６ｂを把持するための把持手段であるチャック３を備える。

本実施形態にかかるロボットハンド１の上部には、たとえば、多関節ロボット９のアームと接続するためのツールチェンジャ２が備えられており、ツールチェンジャ２は、チャック３と併せて固定用金具２ａに固定されている。また、吸着機構４が回動可能に固定用金具２ａに固定されている。さらに、角度変更機構５が揺動可能に固定用金具２ａに固定されている。

チャック３は、一対の把持板３ａと、受動ローラ３ｂと、押し当てシリンダ３ｃと、チャック用コンプライアンス３ｄと、押し当てパッド３ｅと、を有する。把持板３ａは、たとえば、Ｌ字形の一対の金具であり、同期して水平方向に近づいたり遠ざかったりするように構成される。受動ローラ３ｂは軸内にベアリングが搭載されて、それぞれの把持板３ａに支持されており、自由に回転する。受動ローラ３ｂは容器６の開口部を安定して把持できるように３個以上持つことが好ましい。４個以上持つことがより好ましい。押し当てシリンダ３ｃは、受動ローラ３ｂの回転を抑制するため、押し当てパッド３ｅと受動ローラ３ｂを接触させる機能を持つ。チャック用コンプライアンス３ｄはばね構造を持ち、チャック３で把持したワーク６をプレイスする際に変形し、位置ずれ・角度ずれを吸収する。もって、ワーク６を損傷することなくプレイスできる。なお、本実施形態では、チャックを一対の把持板３ａで構成したが、把持板３ａは３個以上であってもよい。

吸着機構４は、吸着パッド４ａ本体と、吸着パッド４ａ本体を支持する固定部材４ｂと、吸着パッド４ａ本体を伸縮させる伸縮機構としての吸着パッド用コンプライアンス４ｃと、吸着パッド用コンプライアンス４ｃの固定機構４ｄと、を有する。初期状態では、吸着パッド４ａは上面視で容器６の対称軸方向に沿うように複数を一列に配置されていることが好ましい。吸着パッド用コンプライアンス４ｃは、シリンダ機構を持つ。吸着パッド用コンプライアンス４ｃは、吸着パッド４ａ本体に力が加わっていないときには吸着パット４ａ本体を固定部材４ｂに対し既定の高さに維持する。吸着パッド用コンプライアンス４ｃは、吸着パッド本体４ａが被吸着物たる容器６の本体部６ａに押し当てられて垂直方向の力が加えられたときには吸着パット４ａ本体の位置を被吸着物との位置関係に応じて固定部材４ｂに対し変位させる。たとえば、シリンダ機構は、吸着機構４が９０°回転して容器６が直立したときに容器６の対称軸がロボットハンド１の回転軸に一致するような位置に変位するように伸縮する。また、固定機構４ｄは、吸着パッド本体４ａへの押し付け力が消失した場合にも吸着パッド用コンプライアンス４ｃのシリンダ機構の変位量を維持するため、シリンダ機構の可動部を挟んで拘束し摩擦力で保持する。

角度変更機構５は、エアシリンダ５ａと、エアシリンダ５ａの伸縮により吸着機構４を回転させるリンク機構５ｂと、を有する。エアシリンダ５ａは揺動可能に固定用金具２ａに支持されている。リンク機構５ｂは固定用金具２ａを挟み一端を回動可能に支持されて一対有しており、それぞれが吸着機構４の固定部材４ｂに固定されている。リンク機構５ｂの他端どうしをつなぐ棒状部材はエアシリンダ５ａの可動部と接続されており、可動部の伸縮によって、吸着機構４の角度を変えられるようになっている。エアシリンダ５ａは図示しないエア制御器からエアを供給される。

多関節ロボット９の図示しない撮像手段や外部の撮像手段と画像解析装置とを組み合わせて、図３に示すようなピックテーブル７上のワーク６の配置や向きを把握して、ピックアンドプレイスの最適な作業手順を構築することが好ましい。

次に、上記実施形態にかかるロボットハンド１を用いた容器６のハンドリング方法について説明する。図３に一例を示すように、ロボットハンド１は、たとえば、多関節ロボット９の先端のエンドエフェクタとして取り付けられている。ピックテーブル７の上にボトル６が様々な方向で横向きの状態で供給されている。そのとき、多関節ロボット９により任意のボトル６の位置および向きに合わせて、ロボットハンド１を移動させて、回転して吸着機構をボトル６の軸に平行に合わせ、ピッキング動作を行う。ピッキング後に、ボトル６を９０°回転して直立させ、その開口部６ｂが上向きになるようにする。その後、ボトル６を運んで、セット用治具８のくぼみ８ａに、ボトル本体部６ａを挿入する。このセット用治具８は、ボトル６の中に入れる製品を、ボトル６に充填するための自動機にボトル６を整列供給するための治具であり、挿入作業後に空のセット用治具８が順次多関節ロボット９の前に供給される。

ピッキング時の詳細動作を図４に示し、以下に説明する。
（ｉ）吸着位置への移動（図４（ａ））
多関節ロボット９が、ピックテーブル７上のボトル６の位置姿勢に合わせて、ロボットハンド１を吸着位置の上空まで移動し、ロボットハンド１を回転させて所定の方向に吸着機構４を配置する。そのとき、一列複数の吸着パッド４ａがボトル本体部６ａの上方に置かれ、上面視でボトル６の対称軸に沿うようにすることが好ましい。

（ｉｉ）吸着動作（図４（ｂ））および吸着パッド用コンプライアンスの伸縮動作（図４（ｃ））
吸着パッド４ａがボトル本体部６ａに触れるよう、ロボットハンド１をピックテーブル７に向けて下げるように動作させて、エアによる吸着を行う。この後、ボトル６を起立させた際にチャック６が把持可能な位置に開口部６ｂを配置するため、吸着動作の段階において吸着パッド４ａの位置は次の２方向に対して定められる。詳細を図５に示す。図５（ａ）は、吸着パッド４ａが各種形状のボトル６の本体部６ａ側面に触れた瞬間を表す。図５（ｂ）は吸着パッド４ａをボトル６の本体部６ａ側面に押し付けてロボットハンド１を押し下げ所定の高さに固定したときの状態を示す。

（方向１：水平方向）
図５（ａ）や（ｂ）に示すように、ボトル６に対して水平方向、つまり、対称軸の方向の吸着位置６ｄは、ボトル開口部形状とボトル本体の接合位置６ｃから一定の距離Ｌとなる位置に定められる。この距離Ｌは、ボトルの品種に寄らず一定の距離とすることで、後段の姿勢変更時の位置関係を所定の配置に保つことができ、多品種のボトルをハンドリングすることが可能となる。また、この距離Ｌは、ロボットハンド１の設計に依存する。
（方向２：垂直方向）
ロボットハンド１を押し下げたとき、図５（ｂ）に示すように、ロボットハンド１とボトルの対称軸６ｅとの間の距離６ｆは、ボトル６の形状によらず一定に定められる。この距離は、ロボットハンド１の設計に依存する。

なお、ロボットハンド１の垂直方向の位置決め時に吸着パッド４ａはボトル本体部６ａの側面に押し付けられる。そのとき、吸着パッド用コンプライアンス４ｃが吸着パッド４ａの押し込み量に応じて縮む。また、ボトル６の開口部中心軸６ｅに対してロボットハンド１の高さを決める際、固定機構４ｄで吸着パッド用コンプライアンス４ｃの長さを固定して拘束する。図６に固定機構４ｄの動作を模式的に示す。図６（ｂ）は吸着パッド用コンプライアンス４ｃの伸縮動作時の拡大背面図であり、固定機構４ｄが解放状態になっている。図６（ｃ）は同じく固定機構４ｄが吸着パッド用コンプライアンス４ｃの可動部を拘束した状態になっている。

（ｉｉｉ）ボトルの姿勢変更（図４（ｄ））
多関節ロボット９がロボットハンド１を上方に持ち上げるように動作する。そして、角度変更機構５のエアシリンダ５ａが伸長方向に動作すると、リンク機構５ｂを介して、固定部材４ｂが９０°回転し、ボトル６を直立状態とする。この時、チャック３は開いた状態となっており、一対の把持板３ａの間にボトル開口部６ｂが入る。水平方向吸着位置６ｄとボトル６の対称軸からの距離６ｆを所定の値とすることにより、ボトルサイズが異なる場合でもボトル開口部６ｂはチャック３が把持できる位置に移動する。

（ｉｖ）ボトルの位置出しおよび角度変更機構の戻り（図４（ｅ））
チャック３を閉じて、把持板３ａに取り付けられた、自由駆動が可能な受動ローラ３ｂがボトル開口部６ｂの４点を支えるように把持することにより、ロボットハンド１に対する開口部６ｂの位置決めが行われる。図７（ａ）は受動ローラ３ｂがボトル開口部６ｂを把持した状態を表す正面斜視図である。この位置決め後に、吸着機構４のエアを解除し容器６を解放して、角度変更機構５のエアシリンダ５ａを収縮方向に動作させ、リンク機構５ｂを介して、吸着機構４を初期位置に戻す。

（ｖ）位相変更
ボトル６の品種により、本体部６ａに図示しない印字などがあり、セット用治具８に挿入する際の向きがある場合は、ボトル６の対称軸と一致させたロボットハンド１の回転軸を多関節ロボット９で動作することによりボトル６の向きを調整する。このときのみ押し当てシリンダ３ｃを動作させ、押し当てパッド３ｅを押し込むことで、受動ローラ３の回転を抑制し、位相合わせのための回転時のボトルの位置ズレを少なくする。図７（ｂ）は押し当てパッド３ｅによりボトル開口部６ｂを拘束した状態を表す左上から見下ろした斜視図である。

（ｖｉ）治具へセット（図４（ｇ））
多関節ロボット９を動作させ、セット用治具８のくぼみ８ａに、ボトル６の本体部６ａを挿入する。この時、チャック用コンプライアンス３ｄを用いて押し付けながら挿入を行う。セット用治具８の奥までボトル６を挿入した後にチャック３を外側に動作させ、ボトル６を解放して、ロボットハンド１を上方へ退避することで作業が完了する。また、受動ローラ３ｂにより、くぼみ８ａとボトル本体６ａの位置にややズレがあった場合でも、ズレを吸収しながら挿入することができる。

ロボットハンド１の他の実施形態として、図８に示すように一対の吸着機構４と対応する一対の角度変更機構５を、チャック３を挟んで対称に両側に設置してもよい。こうすることで、手順（ｉ）吸着準備位置への移動において、多関節ロボット９の移動量を減らすことができ、サイクルタイムの短縮効果が見込める。

ロボットハンド１の別の実施形態として、図９に示すように一対の吸着機構４を吸着回転軸４ｅに対し回転させるためのロータリーアクチュエータ１１を設置しても良い。ロータリーアクチュエータ１１は、エア駆動し、ロータリーアクチュエータ回転軸１１ａとベルト１１ｂとプーリ機構１１ｃを介して、吸着機構４を吸着回転軸４ｅに対し回転させて、吸着機構４の向きを容器６の向きに対し適切に揃えることができる。こうすることで、手順（ｉ）吸着準備位置への移動において、多関節ロボット９の移動量を減らすことができ、サイクルタイムの短縮効果が見込める。

かくして、本発明にかかるロボットハンドおよび容器のハンドリング方法は、簡素な構造で、ボトル容器のピッキング・姿勢変更が歩留まりよく行える。また、チャックの可動範囲内であれば、共通のハンドで複数品種のボトル容器のハンドリングが可能となる。異なる可動範囲のチャックに付け替えることで、対応可能な品種の拡大を容易に行う事が可能である。したがって、作業効率が向上し生産性が増大するので、産業上有用である。また、本発明におけるロボットハンドの吸着機構やチャックの形状を変更することで、ボトル以外のワークにおいて、ピッキングと姿勢変更を伴うハンドリングにも用いることができる。本発明におけるロボットハンドは、多関節ロボットだけでなく、自動機に取り付けることでも使用することができる。

１ ロボットハンド
２ ツールチェンジャ
２ａ 固定用金具
３ チャック（把持手段）
３ａ 把持板
３ｂ 受動ローラ
３ｃ 押し当てシリンダ
３ｄ チャック用コンプライアンス
３ｅ 押し当てパッド
４ 吸着機構（吸着手段）
４ａ （吸着）パッド（本体）
４ｂ 固定部材
４ｃ 吸着パッド用コンプライアンス
４ｄ 固定機構
４ｅ 吸着回転軸
５ 角度変更機構（直立手段）
５ａ エアシリンダ
５ｂ リンク機構
６ ボトル（ワーク、容器）
６ａ （容器、ボトル）本体部
６ｂ （容器、ボトル）開口部
６ｃ （開口部と本体部との）接合位置
６ｄ （本体部側面の）吸着位置
６ｅ （容器、ボトル）対称軸、（開口部の）中心軸
６ｆ （ロボットハンドと対称軸との）距離
７ ピックテーブル
８ （セット用）治具
８ａ くぼみ
９ 多関節ロボット
１０ 両側構成
１１ ロータリーアクチュエータ
１１ａ （ロータリーアクチュエータの）回転軸
１１ｂ ベルト
１１ｃ プーリ機構

Claims (11)

1. 横倒しの容器の側面を吸着する吸着手段と、
   吸着手段を水平軸に対し回転させて前記容器を直立させる直立手段と、
   直立した前記容器の開口部を把持する把持手段と、
   を備え、
   前記把持手段が、受動ローラを有する、
   ロボットハンド。
2. 前記吸着手段が、吸着パッドと、前記吸着パッドの伸縮機構と、を有する、請求項１に記載のロボットハンド。
3. ロボットハンドの回転軸と、前記容器の対称軸とが一致するように配置されている、請求項１または２に記載のロボットハンド。
4. 前記吸着手段と前記直立手段との複数組が前記把持手段を挟んで対称に配置されている、請求項１または２に記載のロボットハンド。
5. さらに、前記容器の側面に吸着する前の状態で、前記吸着手段を垂直軸に対し回転させる回転手段を備えた、請求項１または２に記載のロボットハンド
6. ロボットハンドを用いて容器をハンドリングする方法であって、
   横倒しの容器を吸着手段によりピッキングする吸着ステップと、
   吸着した前記容器を直立手段で直立させる直立ステップと、
   直立した前記容器の開口部を把持手段の有する受動ローラで把持する把持ステップと、
   把持した前記容器から吸着手段を解離したうえで前記容器を収容治具に収容する収容ステップと、
   を含む、容器のハンドリング方法。
7. 前記吸着ステップでは、前記容器の側面の所定位置に吸着パッドを配して吸着し、
   前記把持ステップでは、前記吸着手段の有する伸縮機構により前記容器の開口部が把持手段の所定位置に来るように伸縮する、請求項６に記載の容器のハンドリング方法。
8. 前記吸着ステップでは、前記容器の開口部上面位置から前記容器の軸方向で一定の位置に吸着する、請求項７に記載の容器のハンドリング方法。
9. 前記把持ステップでは、前記容器の対称軸を中心に回転させて前記容器を所定の方向に向ける、請求項６ないし８のいずれか１項に記載の容器のハンドリング方法。
10. 前記吸着ステップでは、ロボットハンドの有する複数の吸着手段のうちのいずれか一つを用いて前記容器を吸着する、請求項６ないし８のいずれか１項に記載の容器のハンドリング方法。
11. 前記吸着ステップでは、前記容器の吸着前に前記吸着パッドを垂直軸に対し回転し前記容器の向きに揃える、請求項６ないし８のいずれか１項に記載の容器のハンドリング方法。
    

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