JPS5937090A - 把持制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の分野〕 本発明は、物に加工動作をしたり物で加工動作をしたシ
する間その物を把持したシ搬送したシする為の装置に関
する。

〔背景技術〕

プログラム可能なロボットで使用できるようにするため
にそのような装置は下記の設計基準を満している必要が
ある。

１、　異なる寸法の部品を操作するときにフィンガの把
持面相互がぶざまに開いたりしないように、それらが移
動する全行程にわたって互いに平行に維持すること。

２　フィンガの把持面が、対象物の表面と平行を維持す
るように互いに直線的に近づいたり離れたりするよう移
動すること。

３、　フィンガによジ与えられる把握力が、物を把握す
るときフィンガが広が、る度合に拘らず、適度１に一定
であること。

４．　フィンガの位置が常時知られ、また複雑な移動手
順にわたって連続的に制御可能であ７るよう触感やフィ
ードバック感知手段を設けること。

米国特許第３１５４３３９号は、対向するフィンガをほ
ぼ一定の把持力で近づく方向に移動させるよう個々のリ
ンクによって強制された１対の平行なフィンガ梁を開示
する。しかしフィンガの把持面は互いに平行には維持さ
れていす、その全行程中直線的には移動せず、また感知
手段も設けられていない。従ってこの特許の構成は上記
の１．２および乙の基準を満していない。

ソビエト特許第５６８５４２号は、向い合ったフィンガ
が互いに近付いたり遠去ったりするのを制御するため１
対の平行なフィンガ梁と協働するリンクを用いた構成を
開示している。、このリンク構成では、フィンガ相互が
互いに合かつて移動するようピストンの制御子でフィン
ガの梁が移動させられる際、フィンガで与えられる把持
力の太きさは一定に維持されない。実際にも、それは把
握される物の薄くなるにつれて把持力も零に向かって次
第に小さくなることが数学的に示される。従って薄い物
を把持しようとする場合、フィンガ面に厚いパッド（第
１図の想像線参照）を用いる必要がある。またこの特許
の構成ではピストンの移動と把持用のフィンガの移動と
の間に線形（リニア）の関係がないのでこの構成にはサ
ーボ制御を与えるための感知手段がないか又は組込むこ
とができない。従ってこの構成は、上記の基準の６と４
を満さない。

１９７５年９月２２日から２４日にかけてＩＩ　Ｔ　’
Ｊサーチ・インステイチュートで行なわれた第５回産業
用ロボット・インターナショナル・シンポジウムの報告
書には、多数のグリッパ式（把持式）の機構が開示され
ている。これらの中では第３３５頁の第１２番のものが
興味深い。（第２図に図示した）この機構は、２個の扇
形歯車（ａ）と６個の歯車タック（ｂ）と２個のリニア
ベアリング（Ｃ）とを含む。この構成は、上記の基準の
４を除く全ての基準を満たす。

しかし、それはフィンガに取付けられた２個の歯車ラッ
クを案内するために２：１の縦横比をもつ高価なリニア
式ボールベアリングが必要なので、ロボットに適しない
高価で複雑な機構をとることになる。その結果、フィン
ガの行程ストロークが８ｃｍの場合、その案内部の長さ
をそのストロークの約６倍即ち２４　ｃｍとする必要が
ある。従ってラックを支持するのに必要なリニアベアリ
ングがフィンガの途中にあって混み入った領域での運動
性やアクセス（手入れ）のし易さを制限していた。これ
らのリニア式ベアリングは、両フィンガの夫々の側に外
向きに広がっており、類似性から云えば人間と等価な働
らきをすると考えられる。

但し、混み入った領域で作業しようとすると人間の手の
幅よりも広い定規を把持しているので不都合である。

そこでプログラム可能なロボットに適する比較的簡単な
構造をもち、制限された空間で効果的に動作するフィン
ガの能力を損うことなく上記４つの基準を満す把持（グ
リッパ）装置が要求されるようになってきた。

〔本発明を用いた装置の概要〕

本発明によれば、プログラム可能なロボットで使用する
のに特に適する把持装置は、物を把持するための１対の
フィンガ（６０）と、各フィンガに作用結合される別個
のヨーク手段（３２）とを含む。２対の平行な梁（３３
，３４）が設けられ。

各対の梁の一端が各ヨーク手段に枢着される。その梁が
夫々の枢支点（６６，３８）に対し弧状に移動できるよ
う６梁の両端間にリンク（６５，６７）が枢着される。

２個の扇形歯車（６９）が設けられ、各々リンクの１つ
（３７）としっかりと結合される。両リンクは夫々６対
の梁の１つと協働する。６梁の他方の端部には枢支ピン
（３３ａ。

５４ａ）があり、これは置屋手段（１０）とピン及び溝
の結合関係を有し、これによってその枢支ピンがリンク
の半径及び角度変位の関数としてシフト移動できるよう
にする。伺リンクは上記の固定手段に枢着され、これに
よって平行な梁で生じる弧状の動きを相殺する。適宜の
手段が上記の複数の扇形歯車の弧状の同時的な動きを制
御して、それらのフィンガが互いに近付いた９遠去った
りする方向に直線的に移動させられるようにする。

梁の長さ、リンクの長さ及びその結合点並びに扇形歯車
の半径は、各組のフィンガの梁が描く弧が対応する扇形
歯車のリンクで生じる弧によって正確に相殺されるよう
数学的に選択される。

この装置によれば、フィンガの全行程にわたって、フィ
ンガの把持面が互いに平行に維持され、真直ぐな線上で
変位する。そして物を把握するためフィンガが閉じる度
合に拘らず、フィンガの把持力はほぼ一定に維持される
。これらのフィンガは、それに付随して横方向に伸び出
すような障害物を設けていないので、小さな径の凹みや
狭い区画′の加工領域に移動されることができる。尚触
覚感知器及び帰還感知器が、その全行程にわたってそれ
らのフィンガの位置を感知しそして制御できるよう設け
られているので一層好都合である。

〔実施例の詳細な説明−第５図乃至第９図〕第６図に示
すように、本発明を含む把持装置は、６個のロータリー
アクチュエータ１６．１４．１５を含むジンバル（羅針
儀などを水平に保つ装置）や手首部構成体１２を介して
作用する腕部１１によって６自由度で駆動される平部構
成体１０を含む０ 腕部１１は、６本の直線軸ｘ、ｙ、ｚの方向に手首１及
ノびＬ手」の）構１成体１２．１０を位置付けるためプ
ログラムによるコンピュータの制御下でＸ、Ｙ及び２の
方向に直線的なステップで移動し得る。

腕部１１はブラケット１６などにより偏揺れ（ｙａＷ）
アクチュエータ１６にしっかりと結合され、手首及び手
の構成体１２．１０を支持する。

偏揺れアクチュエータ１６の出力軸１７が、ブラケット
１８にねじで結合される。ブラケット１８は横揺れ（ｒ
ｏｌｌ　）アクチュエータ１５に角度変位を与えるため
縦揺れアクチュエータ１４に固着される。横揺れアクチ
ュエータ１５の出力軸２１が、手構成体１０の一部を形
成するピストンシリング・ハウジング２２に固着されて
いて、手構成体１０に角度変位を与えることができる。

これらの駆動アクチュエータ１６．１４．１５で発生さ
れる６個の極座標軸が共通の点で交叉することに留意さ
れたい。

各アクチュエータ１３．１４．１５は似た構成を有し、
従来からあるロータリ式のものが望ましい。ロータリ式
のアクチュエータとは、簡単に説明すれば、静止した扇
形（セグメント状）の障壁（図ボせず）によって分割さ
れた２つの室の中の流体の圧力を受ける回転可能な翼（
図示せず）を有し、これによって翼の回転度合を制限す
る方式のアクチュエータである。偏揺れアクチュエータ
１３及び横揺れアクチュエータ１５の翼は夫々出力軸１
７及び２１に結合され、２７０°という制限された弧の
中の特定の回転位置を制御する。一方で縦揺れアクチュ
エータの翼は出力軸１９に結合され、１８００の弧の中
での特定の回転位置を制御するため出力軸１９に結合さ
れる。

第４図にもつとも良く示されるように、また本発明の重
要な特徴によって、手の構成体１０は、４本バーから成
るリンク機構という独得の構成を含む・もつと具体的に
云えば、手の構成体１０は、１対の互いに平行な向い合
う面６１を有するフィンガ６０を含む。同、面６１はひ
だを有していることが望ましい。そしてそれらの面は互
いに近づくよう軸方向に移動でき、輸送しようとする物
（図示せず）に接触してそれを把持し、斯して手の構成
体１Ｇでワークの操作が行なわれ、。）。各フィンガ６
０は個々のヨーク手段６２で支持された撓み構造９０に
よって担持される。２本の平行な梁６３．６４が、各ヨ
ーク手段毎に設けられる。各組の梁６３．３４は夫々の
一端でヨーク手段５２０１つに枢着される。梁が個々の
一定の枢支点５６に対して弧状に移動できるようリンク
３５が各梁６３の中間（両端の中間）に結合される。同
様に各梁６４の中間にはもう１つのリンク６７が枢着さ
れ、夫々の一定の枢支点６８に列しその梁が弧状に移動
できるようにする。各リンク６７の脚部の一部と一体に
形成され且つそこから伸びているのは扇形歯車３９であ
る。

各梁は、夫々の反対の端部のところに個々の枢支ピン３
３ａ、３４ａを担持する。個々の枢支ピン３３ａ、３４
ａは、手構成体１０の固定の支持板と、ピン及び溝によ
る結合を生じるため、夫々対応する溝３３ｂ、３４ｂ中
に配設される。扇形歯車６９が、両面ラック４１の夫々
の歯面の両側に配設され係合される。ラック４１は、ハ
ウジング２２内の室４６．４４中の流体の圧力を受ける
ピストン４２に作用結合され、並進移動される。

本発明の重要な特徴であるが、溝３３ｂ、３４ｂにより
枢支ピン３３ａ、３４ａが梁及び扇形歯車リンク６５、
′５７の半径及び角度変位に応じてシフトできる。伺扇
形歯車リンク６５．６７は固定の支持板４０に枢着され
ている。梁３６．６４、リンク６５．６７及び扇形歯車
６９は、各梁３６．３４の描く弧が夫々対応する扇形歯
車リンク６７で生じる弧によって正確に相殺されるよう
数学的に計算された長さ及び位置をとる。

本発明によれば、扇形歯車６９を介して作用するラック
４１がリンク３７にのみ作用して１対のフィンガ３０を
互いに近付けたシ遠去けたシするように移動させること
、並びに６対の平行な梁６６．６４０両端が夫々の溝３
３ｂ、３４ｂの中で浮いているだけであることに留意さ
れたい。従って、リンス６７によってのみ梁６４にトル
クが印加され１次いでこのトルクがヨーク６２及びリン
ク６５を介して梁６６に与えられる。これに対し、ソビ
エト特許に開示された構成（第１図参照）では、２組の
平行な梁の一端の全部にピストンが直接作用してフィン
ガを位置づけ、それらの梁にはトルクが与えられない。

そしてピストンが第１図で左方に移動される際フィンガ
面を互いに閉じるように移動させることは不可能である
。

２個の扇形歯車５９がラック４１に股っていてフィンガ
の梁の構成体に捩れモーメントがかがらないようにして
いることに留意されたい。′８１：た扇形歯車６９がピ
ストン駆動ラック４１０両側と係合するので、摩耗やバ
ックラッシュが最小限で済む。固定枢支点６６．６８及
びシリンダ・ハウジング２２が板４０で支持されている
ことにも留意されたい。

ピストン４２の位置を制御しこれによってラック４１の
位置を制御するためサーボ弁４５が室４６及び４４に圧
力をかけて流体を供給した９そこからυ［出させたりす
るのを制御する。弁４５はトルクモータ４６を含む従来
からの押したり引いたりする型のもので良い。トルクモ
ータ４６が減勢されるとき弁４５はランプ位置をとる。

そのラップ位置では両方の室４６及び４４が夫々の供給
孔及び排出孔（図示せず）から隔絶される。トルクモー
タ４６が付勢されるとき弁４５は室４６又は４４の一方
に加圧下の流体が入るのを選択的に許容するよう動作す
るが、そのとき同時に２つのループのアナログサーボ制
御装置４８から線４７を介して与えられる信号の極性に
よって室４４又は４３から流体が排出する。加圧流体の
供給源に室４６又は４４のうちの一方を開放する度合は
、トルクモータ４６に与えられる電流に正比例する。

斯して、電流がＸの場合の開放の度合は電流が２Ｘの場
合の２倍となる。そしてピストン４２の移動の度合、従
ってラック４１の移動の度合はその電流に正比例するこ
とになる。

リニアポテンショメータ５０がピン５１を介して歯車ラ
ック４１に作用結合される。ポテンショメータ５０はピ
ストン４２の位置を感知し、ピストン４２の位置即ちフ
ィンガ６０の位置を表わすアナログフィードバック信号
を線５２を介してサーボ制御装置４８に与える。

アナログサーボ制御装置４８は、その入力を線５４を介
してマイクロプロセッサ（図示せず）に結合させ且つそ
の出力を合計接続点５５へ入力として結合させたディジ
タルアナログ変換器（Ｄ　ＡＣ）５６を含む。線５２は
、絶縁フォロワ５６に接続される。そしてその出力は合
計接続点５５へもう１つの入力として接続される。合計
接続点５５の出力は作動増幅器５７を介してもう１つの
合計接続点５８に接続される。絶縁フォロワ５６の出力
は更に合計接続点５８に差動増幅器５９を介して並列に
接続される。合計接続点５８の出力は作動増幅器及び補
償器５９Ａを介して線４７に接続される。線４７はアク
チュエータサーボ弁４５につながっている。

これで第５Ａ図、第５Ｂ図及び第５Ｃ図を参照するとこ
れにはアナログサーボ制御装置６０．６１及び６２が示
肯れている。これらはアナログサーボ制御装置４８と同
じ内部構成である。アナログサーボ制御装置６Ｇは前述
のマイクロプロセッサから線６６を介してディジタル値
の偏揺れ位置指令を受取る。この装置６０はこのディジ
タル指令信号をアナログ信号に変換し、それを、この偏
揺れアクチュエータ１６と関連するロータリーポテンシ
ョンメータ６５（第６図参照）から線６４を介して帰還
されるアナログ信号と比較する。ポテンションメータ６
５は、偏揺れアクチュエータの出力軸１７０７０回転を
感知しそれを表わすアナログ信号を与える。この装置６
０からの出力は、線６６を介してトルクモータ６７に伝
えられ、トルクモータ６７がサーボ弁６８を制御する。

同様に、アナログサーボ制御装置６１は前述のマイクロ
プロセッサから線６９を介してディジタル値の縦揺れ位
置指令を受取り、それをアナログ信号に変換する。そし
てそれを縦揺れアクチュエータ１４に関連するロータリ
ーポテンショメータ７１（第６図参照）から線７０を介
して帰還されるアナログ信号と比較する。ポテンショメ
ータ７１は偏揺れアクチュエータ出力軸１９０回転位置
を感知しそれを表わすアナログ信号を生じる。ブナログ
サーボ制御装置６１からの出力は線７２を介してトルク
モータ７６に伝えられ、該トルクモータ７３がサーボ弁
７４を制御する。

同様にして、アナログサーボ制御装置６２はこのディジ
タル値の横揺れ指令信号をアナログ信号に変換し、それ
を横揺れアクチュエータ１５に関係するロータリーポテ
ンショメータ７７（第３図参照）から線７６を介して帰
還されるアナログ信号と比較する。ロータリーポテンシ
ョメータ７７は横揺れアクチュエータの出力軸２１０回
転位置を感知しそれを表わすアナログ信号を生じる。ア
ナログサーボ制御装置６２からの出力は線７８を介して
トルクモータ７９に伝えられ、トルクモータ７９がサー
ボ弁８０を制御する。

サーボ弁６８．７４及び８０はサーボ弁４５と同じもの
であることが望ましく、個々のトルクモータ６７．７３
及び７９によって同様な態様で制御される。但しアクチ
ュエータ１３．１４及び１５の説明に関連してこれまで
説明してきたように、翼によってこの室は分けられ、サ
ーボ弁は、ピストン４２の場合のような直線に沿う位置
ではなく、翼の回転位置（即ち各出力軸１７．１９及び
２１の回転位置）を感知する点で異なる。

発光ダイオード（ＬＥＤ）８３及びホトダイオード（Ｐ
Ｄ）８４が光学的感知器として個々のフィンガ３０の向
い合う先端部又はその付近に埋め込まれており、両者間
に物が存在するか否かを表わす。ＬＥＤ８３及びＰＤ８
４ばそれらを所定の位置に固定する前に、光学的に互い
に整列させることのできるよう球体の中に封入されてい
ても良い。

フィンガ６０はＸ、Ｙ、Ｚのように三方がらの力を受け
る。Ｙ方向に印加される力は通常は把持力である。２方
向に印加される力は通常は指先の感知機能のために使用
される。成る種の応用例では、６つの方向の力又はその
組合せた方向の力を全て感知する必要があるかもしれな
い。Ｘ、Ｙ、２方向の力の感知は、本発明の実施例の構
成によれば、各フィンガ６０に関連して設けられた６つ
の軸力を感知するための撓み構造９０で行なわれる。第
６図及び第７図に示すように、各々の力の感知用の撓み
構造９０ば、６組の平坦で平行な可撓性梁８５ａ、８５
ｂ、８６ａ、８６ｂ及び８７ａ、８７ｂから成る。これ
らの梁は各々が検知するよう割当てられた個々の力の方
向（ｘ−Ｘ、Ｙ−ｙ及び２−２）に直角な面に方向付け
られている。

可撓性の平行な梁の各組８５ａ、８５ｂ、８６ａ、８６
ｂ及び８７ａ、８７ｂは撓み構造９０の一部を形成し、
その剛体の部分相互間に介装される。図示のように企み
ゲージＡ、Ｂが梁８５ａ、８６ａ及び８７ａに接続され
、歪みゲージＣ，Ｄが梁８５ｂ、８６ｂ及び８７ｂに接
続される。各組の歪みゲージＡ、Ｂ、Ｃ及びＤは（第８
図に示すような）完全なホイートストーンブリッジとし
て接続され、梁の偏向又は力の直接的な関数とし。

て、その割当てられた方向の歪みを測定する。（従来技
法で教示されるように１本の梁の代りに）２本の平行な
梁の組８５ａ、８５ｂ、８６ａ、８６ｂ及び８７＆、８
７ｂ’ｉ用いることによって、扇形に開くという現象が
かなり減り、Ｙ方向の５ｋｇの力を感知するための所与
の歪み値に対する偏向もかなり減る。またＹ軸及びＺ軸
間の結合もかなり少なくなる。伺その少なくなる度合は
、ブリッジ相互間の電気的なバランスをどのようにうま
くとるかによる。

全てのブリッジが電気的にバランスしたと仮定し、また
力ＦがＹ方向に印加されたと仮定すると、力Ｆは第７図
に示すように、Ｙ軸及びＺ軸に影響を及ぼす。Ｙ軸の梁
８６ａ及び８６ｂの偏向の結果として、Ｙ軸のブリッジ
の歪みゲージＡ及びＤが圧縮力を受け、歪みゲージＢ及
びＣが同時に引張力を受ける。この結果、ブリッジのバ
ランスが崩れ、Ｙ軸のブリッジに極性をもった出力電圧
を生じさせる。その間、ｚ軸のブリッジでは、歪みゲー
ジＡ及びＢが圧縮力を受け、歪みゲージＣ及びＤが引張
力を受ける。従ってそのブリッジはバランスしたままで
あり、Ｚ軸のブリッジの出力電圧を零のままにする。即
ちＹ軸の出力から効果的に切離される。第９図は各軸組
の完全なホイートストーンブリッジを示す。ゲージＡ及
びＤが図示のように圧縮の大きさを感知するよう接続さ
れ、ゲージＢ及びＣが引張の大きさを感知するよう接続
される。

動作に際し、物を把持しようとするとき、前述のマイク
ロプロセッサから線５４．６ろ、６９．７５を介してア
ナログサーボ制御装置４８，６０．６１．６２へ夫々の
流体アクチュエータのだめの適当なディジタル指令信号
が与えられる。これらのディジタル指令（セットポイン
ト）信号は夫々のサーボ制御装置４８．６０，６１若し
くは６２の入力ステージでＤＡＣ５３へ送られる。フィ
ンガ３０がこれらの指令信号によって要求された位置に
近付くとき、リニアポテンショメータ５０及び／若しく
はロータリーポテンショメータ６５．７１．７７から（
線５２．６４．７０及び／若しくは７６）を介して伝送
されるアナログ信号は、個々のサーボ制御装置の最初の
ステージで合計接続点５５のところのＤＡＣ電圧を相殺
する。その間、個々の流体制御式アクチュエータの速度
に比例する信号が各差動増幅器５９で生じ、夫々のポテ
ンショメータから帰還されるアナログ位置信号に影響を
及ぼす。２個の作動増幅器５７．５９間に挿入される個
々の合計接続点５８は夫々の流体制御式アクチュエータ
からこの速度に比例する信号を受取る。そして各差動増
幅器５９は、最後のステージの作動増幅器５７及び補償
器５９Ａと協働して速度を安定化させ、ダンピング（緩
衝）を与える。

その間に、ＬＥＤ８３及びＰＤ８４がフィンガ６０相互
間の物の存否を感知し、またＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸のブリ
ッジの一部を形成する歪ゲージＡ、　Ｂ、　Ｃ％Ｄが割
当て方向の歪みを感知し、それを表わす信号を与える。

Ｘ、Ｙ及び／若しくは２の方向の力が５ｋｇなどの所定
の大きさを越える場合に個々の歪みゲージが損傷しない
よう適宜に支持されしかも調節可能なストッパの働らき
をするねじが設けられるのが望ましい。

本発明の構成によれば、フィンガ３０相互が互いに近づ
くようなその移動行程中直線的に移動し、その把持面６
１がその行程中、平行に維持され続ける。従って物に接
触して把持するためフィンガが移動する度合に拘らず一
定の把持力が確実に物に与えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ソビエト特許第５６８５４２号に開示された
従来技術の把持装置の側室図面である。 第２図は、ＩＩＴリサーチインステイチュートで開催さ
れた産業用ロボットの第５回インターナショナル・シン
ポジウムの報告書に示された従来技術の付勢機構の図式
図である。第３図は、２個のフィンガをもつ手の構成体
のための６つの自由度を与えるアクチュエータを含む把
持装置を上から見た平面図である。第４図は、手の構成
体の詳細（その右端の概略だけは第６図に示す）と、フ
ィンガ・アクチュエータのサーボ制御回路とを一部破断
し、また拡大して示す図である。第５Ａ図、第５Ｂ図及
び第５Ｃ図は夫々偏揺れ用、縦揺れ用及び横揺れ用のア
クチュエータのサーボ値を制御するための信号を示すブ
ロック図である。第６図は、手の構成体の一部を形成す
るとともに、第４図に示す歪みゲージを含む撓み構造の
拡大側面図である。第７図は、その撓み構造について１
組の歪みゲージが力の印加時に歪みを生じている状態を
上から見た、第６図と同じ縮尺の図である。第８図は、
各歪みゲージがその割当てられた軸の歪みを測定する態
様を示すホイートストーンブリッジの図式図である。第
９図は、自由度の軸組のホイートストーンブリッジ回路
が、その歪み出力を測定するための対応する端子パッド
にどのように結合されているかを示す図式図である。 ５０・・・・フィンガ、６１・・・・把持面、６６．６
４・・・・梁、６９・・・・扇形歯車、４１・・・・両
面ラック、４２・・・・ピストン、４５・・・・サーボ
弁出願人インターナショナル・ビジネス・マシ←ンス・
コーホレーション代理人　弁理士　　山　　　本　　　
仁　　　朗（外１名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 物を把持するための把持面のある１対のフィンガを有す
   る把持制御装置にして、 各フィンガに作用結合された１対の平行な梁が弧を描く
   よう構成された、４本の梁から成るリンク機構と、 上記複数の把持面が直線径路に沿って同時に移動させら
   れるとともに、物を把持し釈放する間の移動行程中上記
   把持面が平行に維持させられるよう、上記フィンガ及び
   上記梁の移動を制御するため各対の梁の一方に夫々作用
   結合された１対の扇形歯車と。 上記１対の扇形歯車に係合されそれらを同時に移動させ
   るよう制御するための両面ラックを含む手段と を具備する把持制御装置。