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把持方法及び装置 新技術説明会

国内特許コード P180015271
掲載日 2018年9月19日
出願番号 特願2018-108624
公開番号 特開2019-209441
出願日 平成30年6月6日(2018.6.6)
公開日 令和元年12月12日(2019.12.12)
発明者
  • 岩附 信行
  • 近藤 尚登
出願人
  • 国立大学法人東京工業大学
発明の名称 把持方法及び装置 新技術説明会
発明の概要 【課題】多関節のような複雑な把持機構を用いずに、弾性索を多方向からオブジェクトに巻き付けて拘束することによって、オブジェクト(不定形のオブジェクトを含む)を損なうことなく、確実にかつ安定して把持(拘束)ができる把持方法及び装置を提供することにある。
【解決手段】把持対象物を把持する把持方法であって、弾性索は3本以上であり、第1の支持部は、弾性索の一端を固定されたと、第2の支持部は、弾性索の他端を固定し、弾性索の集合体によって囲まれた空間の内側に、把持対象物を配置し、制御部は、第1の支持部と第2の支持部とを相対的に変位させることによって、空間の形状を制御し、形状が前記把持対象物の表面に沿って変形し、変形によって生じる把持力により把持対象物を把持する。
【選択図】図12
従来技術、競合技術の概要

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。また、ロボットハンドで把持する対象は、硬い機械部品等に限定されることが多いが、今日では、柔らかく傷つき易い把持対象(例えば、農作物、惣菜等)、或いは不定形(例えば、果物、海産物、揚げ物、廃棄物等)の把持対象物(以下、「オブジェクト」と称する)に拡大している。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、ばらつきの大きいオブジェクトに対しては、従来のロボットハンドで対応することが困難であった。

例えば、S. Hirose, Y. Umetani, “The development of soft gripper for the versatile robot hand”, Mech. Mach. Theory, vol.13, pp. 351-359, 1978.(非特許文献1)及びN. Fukaya, S. Toyama, T. Asfour,R. Dillmann, “Design of the TUAT/Karlsruhe humanoid hand”, Proc. IEEE/RSJ Int. Conf. Intell. Rpbots Syst.,vol.3pp. 1754-1759, Oct./Nov. 2000.(非特許文献2)においては、剛体から構成される多関節の把持機構によって、形状適応性を実現することを開示している。

また、K. Suzumori, S. Iokura and H. Tanaka, “Development of flexible micro actuator and its applications to robotics mechanisms,” in Proc. IEEE Intl. Conf. on Robotics and Automation, pp. 2969-2974, 1991. (非特許文献3)において、鈴森らは、内部に3つのチャンバを有する柔軟素材を用いた柔軟把持機構を開示している。さらに、非特許文献3では、各チャンバ内の圧力を制御することによって、その柔軟素材を変形させるフレキシブル・マイクロ・アクチュエータ(Flexible Micro Actuator (以下、FMAと称する)を開示している。そのFMAを指として構成した柔軟把持機構は、空圧又は油圧制御を要するものの、オブジェクトからの反力を受けて変形することによって、形状適応することができるものである。

また、Eric Brown, and et. al., “Universal robotic gripper based on the jamming of granular material”, Proceeding of the National Academy of Sciences 107.44 pp.18809-18814,2000.(非特許文献4)及びJ. R. Amend, E. Brown, N. Rodenberg, H. M. Jaeger, H. Lipson, “A positive pressure universal gripper based on the jamming of granular material”, IEEE Trans. Robotics, vol.28, no 2, pp. 341-350, Apr. 2012.(非特許文献5)においては、柔軟素材の硬さを制御することによって形状適応性を実現するジャミングハンドを開示している。

B. Donald, L. Gariepy, D. Rus, “Distributed manipulation of multiple objects using ropes”, Proc. IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, vol. 1, pp. 450-457, Apr. 2000.(非特許文献6)においては、ロープの両端位置を2台の移動ロボットで制御した輪を生成することによって、複数のオブジェクトを上記ロープで操作する手法を開示している。このような手法では、ロボットによって生成された輪が存在するため、ロボット自身がその輪を跨がなければならない。そのため、オブジェクトを拘束することが容易ではないという問題がある。

また、T.-H. Kwok, and et. al., “Rope casing and grasping”, Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Autom., pp. 1980-1986, May 2016.(非特許文献7)においては、ロープの輪でオブジェクトを拘束する際、オブジェクトのくびれた位置を検出する方法を開示している。この方法では、オブジェクトの形状を位相幾何学的に解析する必要がある。また、その解析結果に基づいて、オブジェクトの表面に輪の軌跡を描くことによって、周長が最小である輪を発見しなければならない問題があるにもかかわらず、この方法を実施できる具体的な機構は、未だ開示されていない。

B. Walker, and R. Vandersluis, “Design testing and evalution of Latching end effector. ”, NASA. Lyndon B. Johnson Space Center, The 29th Aerospace Mechanism Symposium, pp1-16, 1995.(非特許文献8)においては、宇宙ステーションへ接近した宇宙船をロボットアームで捕捉する際、複数の索を用いて、宇宙船(オブジェクト)を拘束する手段を採用している。具体的には、B.Walkerらは、索を3方向から押し付けることによって、位置合わせを行なっている。

H. Iwamasa, S. Hirai, “Binding of food materials with a tension-sensitive elastic thread”, Hirai, Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation, vol.28, no. 2, pp. 4298-303, 2015(非特許文献9)においては、1本の弾性紐で構成された輪を4箇所のプーリで支持したバインディングハンドを開示している。そのバインディングハンドは、輪の大きさ(周長)を変化させることによって、把持の強度を制御することができる。

産業上の利用分野

本発明は、弾性索を利用してオブジェクトを把持するための把持方法及び把持装置に関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
把持対象物を把持する把持方法であって、
弾性索は3本以上であり、
第1の支持部は、前記弾性索の一端を固定し、
第2の支持部は、前記弾性索の他端を固定し、
前記弾性索の集合体によって囲まれた空間の内側に、前記把持対象物を配置し、
制御部は、前記第1の支持部と前記第2の支持部とを相対的に変位させることによって、前記空間の形状を制御し、
前記形状が前記把持対象物の表面に沿って変形し、該変形によって生じる把持力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方法。

【請求項2】
前記制御部によって、前記形状と前記把持対象物とが接触する接触点の位置を制御し、
前記空間が前記把持対象物を幾何学的に包み込むように、前記把持対象物を拘束する請求項1に記載の把持方法。

【請求項3】
前記制御部によって、前記形状と前記把持対象物とが接触する接触点に加える力を制御し、前記弾性索の張力ベクトルの接平面に射影したベクトル成分と、前記把持対象物との間に作用する摩擦力とが釣り合うように、前記把持対象物を拘束する請求項1に記載の把持方法。

【請求項4】
前記形状によって、前記把持対象物の位置及び/又は方位を制御する請求項1乃至3のいずれかに記載の把持方法。

【請求項5】
前記第1の支持部及び前記第2の支持部が環状である請求項1乃至4のいずれかに記載の把持方法。

【請求項6】
前記弾性索の個数をNとし、
前記第1の支持部が第1の半径を有する、第1の円を内包する円環状で、
前記第2の支持部が第2の半径を有する、第2の円を内包する円環状で、
前記各一端が、前記第1の円の円周を前記N等分するように、前記第1の支持部上に等間隔に配置され、
前記各他端が、前記第2の円の円周を前記N等分するように、前記第2の支持部上に等間隔に配置され、
前記制御部によって、
前記第1の支持部と前記第2の支持部とを相対的に回転させて、前記空間の形状を制御する請求項5に記載の把持方法。

【請求項7】
前記第1の半径と前記第2の半径とが略同一で、前記空間が略正多角柱状となる請求項6に記載の把持方法。

【請求項8】
前記Nを10以上とし、
前記第1の半径と前記第2の半径とが略同一で、前記空間が略円筒状となる請求項6に記載の把持方法。

【請求項9】
前記制御部によって、
前記一端における第1の張力及び前記他端における第2の張力に基づいて、算出した最大静止摩擦力に基づいて、前記変形の程度を決定する請求項1乃至8のいずれかに記載の把持方法。

【請求項10】
前記第1の張力、前記第2の張力をそれぞれTs、Ttとし、
前記弾性索と前記把持対象物の表面との接触角をθとし、
前記Ts、前記Tt及び前記θに基づいて、前記最大静止摩擦力を推定する請求項9に記載の把持方法。

【請求項11】
前記制御部によって、
前記把持対象物を表すポリゴンの形状データを取得し、
前記ポリゴンと前記弾性索とが接触する角部における、前記角部と前記弾性索との位置関係に基づいて、前記把持対象物と前記弾性索との間に作用する前記把持力を算出する請求項1乃至10のいずれかに記載の把持方法。

【請求項12】
把持対象物を把持する把持装置であって、
3本以上の弾性索と、
前記弾性索の一端が固定された第1の支持部と、
前記弾性索の他端が固定された第2の支持部と、
前記弾性索の集合体によって囲まれた空間の内側に、前記把持対象物を配置し、
前記第1の支持部と前記第2の支持部とを相対的に変位させることによって、前記空間の形状を制御する制御部と、を備え、
前記形状が前記把持対象物の表面に沿って変形し、該変形によって生じる把持力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13】
前記制御部は、前記形状と前記把持対象物とが接触する接触点の位置を制御し、
前記空間が前記把持対象物を幾何学的に包み込むように、前記把持対象物を拘束する請求項12に記載の把持装置。

【請求項14】
前記制御部は、前記形状と前記把持対象物とが接触する接触点に加える力を制御し、前記弾性索の張力ベクトルの接平面に射影したベクトル成分と、前記把持対象物との間に作用する摩擦力とが釣り合うように、前記把持対象物を拘束する請求項12に記載の把持装置。

【請求項15】
前記形状によって、前記把持対象物の位置及び/又は方位を制御する請求項12乃至14のいずれかに記載の把持装置。

【請求項16】
前記第1の支持部及び前記第2の支持部が環状である請求項12乃至15のいずれかに記載の把持装置。

【請求項17】
前記弾性索の個数をNとし、
前記第1の支持部が第1の半径を有する、第1の円を内包する円環状で、
前記第2の支持部が第2の半径を有する、第2の円を内包する円環状で、
前記各一端が、前記第1の円の円周を前記N等分するように、前記第1の支持部上に等間隔に配置され、
前記各他端が、前記第2の円の円周を前記N等分するように、前記第2の支持部上に等間隔に配置され、
前記制御部は、
前記第1の支持部と前記第2の支持部とを相対的に回転させることによって、前記空間の形状を制御する請求項16に記載の把持装置。

【請求項18】
前記第1の半径と前記第2の半径とが略同一で、前記空間が略正多角柱状となっている請求項17に記載の把持装置。

【請求項19】
前記Nを10以上とし、
前記第1の半径と前記第2の半径とが略同一で、前記空間が略円筒状となっている請求項17に記載の把持装置。

【請求項20】
前記制御部は、
前記一端における第1の張力及び前記他端における第2の張力に基づいて、算出した最大静止摩擦力に基づいて、前記変形の程度を決定する請求項12乃至19のいずれかに記載の把持装置。

【請求項21】
前記第1の張力、前記第2の張力をそれぞれTs、Ttとし、
前記弾性索と前記把持対象物の表面との接触角をθとし、
前記Ts、前記Tt及び前記θに基づいて、前記最大静止摩擦力を推定する請求項20に記載の把持装置。

【請求項22】
前記制御部は、
前記把持対象物を表すポリゴンの形状データを取得し、
前記ポリゴンと前記弾性索とが接触する角部における、前記角部と前記弾性索との位置関係に基づいて、前記把持対象物と前記弾性索との間に作用する前記把持力を算出する請求項12乃至21のいずれかに記載の把持装置。
国際特許分類(IPC)
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出願権利状態 公開
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