CN110871449B

CN110871449B - 机械手

Info

Publication number: CN110871449B
Application number: CN201910720470.8A
Authority: CN
Inventors: 松本怜
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2019-08-06
Publication date: 2024-05-28
Anticipated expiration: 2039-08-06
Also published as: JP2020032507A; DE102019212806B4; DE102019212806A1; US11123877B2; US20200070353A1; JP6966401B2; CN110871449A

Abstract

本发明提供一种能够稳定地把持形状以及尺寸不同的多种工件的机械手。所述机械手具备：多个把持部(7)，其沿绕规定的轴(A)的周向相互隔开间隔地配置，并把持工件；多个驱动部(8)，其与多个把持部(7)的各个把持部(7)对应地设置，使对应的把持部(7)沿接近轴(A)的关闭方向以及远离轴(A)的打开方向直线移动；以及重心检测部(3)，其检测由多个把持部(7)把持的工件的重心位置，各个多个驱动部(8)基于工件的重心位置，向重心位置接近规定的轴的方向调整对应的把持部(7)的位置。

Description

机械手

技术领域

本发明涉及一种机械手。

背景技术

一直以来，被安装于输送用的机器人的机械手根据输送对象的工件来实施变更。机械手根据工件的形状以及尺寸，按照每个工件的种类来设计。因此，必须制作多个种类的机械手且花费成本。特别是，与工件的形状对应的三维形状的把持部的加工成本较高。很多的机械手的保管需要场地。

为了解决这样的问题，提出了能够应对多种工件的机械手的方案(参照专利文献1～7)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007-105878号公报

专利文献2：日本实开昭60-190591号公报

专利文献3：日本特开2011-183474号公报

专利文献4：日本特开2005-144575号公报

专利文献5：日本实开昭57-166690号公报

专利文献6：日本特开平02-298487号公报

专利文献7：日本特开平03-294197号公报

发明内容

发明所需解决的问题

专利文献1～7记载的机械手能够使吸盘或者把持手指那样的多个把持部相对移动。根据工件的形状以及尺寸来改变多个把持部的相对位置，由此能够利用相同的机械手把持形状以及尺寸不同的多种工件。然而，在专利文献1～7中，由于没有考虑到工件的重心位置，所以在工件是非对称形状的情况下等，存在有难以利用多个把持部稳定地把持工件这样的问题。

本发明正是鉴于上述的实际情况而完成的，其目的在于，提供一种能够稳定地把持形状以及尺寸不同的多种工件的机械手。

解决问题的手段

为了实现上述目的，本发明提供以下方案。

本发明的一个方案是一种机械手，具备：多个把持部，其沿绕规定的轴的周向相互隔开间隔地配置，并把持工件；多个驱动部，其与该多个把持部的各个把持部对应地设置，使对应的所述把持部沿接近所述规定的轴的关闭方向以及远离所述规定的轴的打开方向直线移动；以及重心检测部，其检测由多个所述把持部把持的所述工件的重心位置，多个所述驱动部的各个驱动部基于由所述重心检测部检测出的所述工件的重心位置，向所述重心位置接近所述规定的轴的方向调整所述对应的所述把持部的位置。

本方案的机械手例如被安装于机器人的手腕法兰盘，在规定的轴被配置于大致铅垂方向的状态下通过机器人的动作从上方接近工件，通过多个把持部的开闭来把持和释放工件。例如通过打开被配置于筒状的工件的内侧的多个把持部来把持工件的内表面，通过关闭多个把持部来释放工件。或者通过关闭被配置于工件的外侧的多个把持部来把持工件的外表面，通过打开多个把持部来释放工件。

在本方案中，按照每个把持部来设置驱动部。而且，与工件的内表面或者外表面的形状以及尺寸匹配地改变多个把持部的相对位置，由此能够把持形状以及尺寸不同的多种工件。

通过重心检测部检测被多个把持部把持的工件的重心位置，通过驱动部向工件的重心位置接近规定的轴的方向调整各把持部的位置。在调整了把持部的位置的状态下，会因工件的重心位置从规定的轴向水平方向的偏移而使作用于机械手的力矩以及惯性减少。因此，能够以更小的把持力稳定地把持多种工件，能够实现机械手的小型化。

在所述方案中，也可以采用如下方式：多个所述驱动部的各个驱动部将所述对应的所述把持部的位置调整为由所述重心检测部检测出的所述工件的重心位置被配置于所述规定的轴的铅垂下方的位置。

在工件的重心位置被配置于规定的轴的铅垂下方的状态下，作用于把持部的力矩以及惯性变为最小的情况居多。因此，能够以最小限度的把持力把持工件。

在所述方案中，也可以采用如下方式：多个所述把持部中的至少一个把持部被支承为能够绕所述规定的轴摆动自如。

根据该结构，至少一个把持部在向打开方向移动的过程中，沿着工件的内表面的形状被动地摆动。或者至少一个把持部在向关闭方向移动的过程中，沿着工件的外表面的形状被动地摆动。由此，能够更灵活地使多个把持部的相对位置与多种工件的内表面或者外表面的形状以及尺寸匹配。

在所述方案中，也可以采用如下方式：具备摆动限制部件，所述摆动限制部件将所述至少一个所述把持部的绕所述规定的轴的摆动限制在规定的角度范围内。

在把持部能够摆动的范围未被限制的情况下，多个把持部的配置中会产生偏差。利用摆动限制部件将把持部的摆动限制在规定的角度范围内，从而能够防止多个把持部的配置中产生过度的偏差。

发明的效果

根据本发明，可实现能够稳定地把持形状以及尺寸不同的多种工件这样的效果。

附图说明

图1是表示具备本发明的一个实施方式的机械手的机器人系统的整体构成的简图。

图2是从上侧观察到的本发明的一个实施方式的机械手的手部主体的立体图。

图3是从下侧观察到的图2的手部主体的仰视图。

图4是从下侧观察到的被设置于图2的手部主体的把持单元的立体图。

图5是图2的机械手的驱动部以及重心检测部的框图。

图6是表示图2的手部主体的摆动支承机构的结构的简要剖视图。

图7A是表示工件的重心位置从手部主体的中心轴向水平方向偏移的状态下的三个把持部的位置的俯视图。

图7B是表示工件的重心位置从手部主体的中心轴向水平方向偏移的状态下的三个把持部的位置的纵剖视图。

图8A是表示工件的重心位置被配置于手部主体的中心轴的铅垂下方的状态下的三个把持部的位置的俯视图。

图8B是表示工件的重心位置被配置于手部主体的中心轴的铅垂下方的状态下的三个把持部的位置的纵剖视图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的一个实施方式的机械手1以及机器人系统100进行说明。

如图1所示，本实施方式的机器人系统100具备：机器人30、机械手1、以及控制机器人30和机械手1的手部主体1A的控制装置40。机器人系统100例如利用手部主体1A逐个地把持通过输送机输送来的工件W，并向规定的输送位置输送。

机器人30是被用于工件W的输送的机器人，例如是六轴(J1、J2、J3、J4、J5、J6)的垂直多关节机器人。机器人30也可是并联连杆机器人等其它种类的机器人。手部主体1A被安装于机器人30的机械臂31的前端的手腕法兰盘32。控制装置40与机器人30以及手部主体1A连接。控制装置40向被设置于机械臂31的关节的伺服电机发送机器人控制信号，从而控制机械臂31的动作。控制装置40通过向手部主体1A发送手部控制信号，来控制手部主体1A的动作。

机械手1具备手部主体1A、以及被设置于控制装置40内并控制手部主体1A的控制部1B。图2以及图3示出了手部主体1A。如图2以及图3所示，手部主体1A具备：沿绕规定的中心轴A的周向相互隔开间隔地配置的多个把持单元2；用于检测被多个把持单元2把持的工件W的重心位置G的力传感器(重心检测部)3；将各把持单元2支承为能够绕中心轴A摆动自如的摆动支承机构4；以及在规定的角度范围内机械地限制各把持单元2的摆动的摆动限制部件5。附图标记6是能够相对于手腕法兰盘32进行装卸的手部法兰盘。

在把持和输送工件W时，手部主体1A的中心轴A被配置于铅垂方向或者大致铅垂方向，手部法兰盘6被配置于上侧，把持单元2的把持部7(后述)被配置于下侧。以下，在沿着中心轴A的方向上，将手部法兰盘6侧定义为手部主体1A的上侧，将与手部法兰盘6相反的一侧(把持部7侧)定义为手部主体1A的下侧。

手部主体1A的中心轴A在手部主体1A已被安装于手腕法兰盘32的状态下，与手腕法兰盘32的中心轴(在六轴的垂直多关节机器人的情况下是第六轴J6)一致。参照的附图中示出了具备三个把持单元2的手部主体1A。在以下的说明中，对具备三个把持单元2的情况进行说明。但是，把持单元2的数量可以只是两个或者是四个以上。

各把持单元2具备：把持部7、以及使把持部7直线移动的驱动部8。

把持部7是在把持工件W时与工件W的内表面紧密接触的部分，如图4所示，所述把持部7被固定于与中心轴A平行的轴9的下端。

驱动部8支承轴9的上端，并使轴9以及把持部7向接近中心轴A的关闭方向以及远离中心轴A的打开方向移动。关闭方向以及打开方向是与中心轴A正交的方向。具体而言，如图4以及图5所示，驱动部8具备：步进电机10、将步进电机10的旋转运动转换为直线运动的运动转换机构11、以及驱动控制步进电机10的驱动控制电路12。也可在步进电机10与运动转换机构11之间设置有减速器。

步进电机10旋转与从驱动控制电路12输入的驱动脉冲数(脉冲数)对应的旋转角度。把持部7的直线移动量以及停止位置通过从驱动控制电路12输入至步进电机10的脉冲数来进行控制。

如图4所示，运动转换机构11是具备偏心轴11a、以及直动引导件11b的止转棒轭机构。偏心轴11a相对于步进电机10的旋转轴而偏心。在于直动引导件11b上移动的滑块11c的一端部形成有沿与直动引导件11b的引导方向(把持部7的关闭方向以及打开方向)正交的方向延伸的长孔11d，在长孔11d内配置有偏心轴11a。轴9的上端被固定在滑块11c的另一端部。偏心轴11a利用步进电机10的旋转轴的旋转而绕旋转轴旋转移动，偏心轴11a的旋转移动被转换为滑块11c的直线移动，从而被固定于滑块11c的轴9以及把持部7进行直线移动。

运动转换机构11也可是能够将旋转运动转换为直线运动的其它任意的机构。

三个驱动控制电路12分别响应来自控制部1B的打开动作的手部控制信号而产生用于使把持部7向打开方向移动的驱动脉冲，并分别将驱动脉冲供给至步进电机10。由此，三个把持部7相互同步地向打开方向移动，从而三个把持部7打开。

三个驱动控制电路12响应来自控制部1B的关闭动作的手部控制信号而分别产生用于使把持部7向关闭方向移动的驱动脉冲，并分别将驱动脉冲供给至步进电机10。由此，三个把持部7相互同步地向关闭方向移动，从而三个把持部7关闭。

力传感器3被配置于三个把持单元2与手腕法兰盘32之间。力传感器3例如是检测相互正交的三轴(X轴、Y轴以及Z轴)方向的力Fx、Fy、Fz、以及绕三轴(X轴、Y轴以及Z轴)的扭矩Tx、Ty、Tz的六轴传感器。根据中心轴A、与被三个把持部7把持着的工件W的重心位置G的水平方向的位置关系，作用于力传感器3的力Fx、Fy、Fz以及扭矩Tx、Ty、Tz发生变化。由力传感器3检测出的力Fx、Fy、Fz以及扭矩Tx、Ty、Tz被发送至控制部1B。

控制部(重心检测部)1B基于力Fx、Fy、Fz以及扭矩Tx、Ty、Tz，计算出工件W的重心位置G。接下来，控制部1B将与工件W的重心位置G对应的手部控制信号发送至各驱动部8的驱动控制电路12。

例如，控制部1B基于工件W的重心位置G，计算出各把持部7的最佳位置。在一个例子中，把持部7的最佳位置是工件W的重心位置G被配置于中心轴A的铅垂下方的位置。例如工件W的重心位置G与把持部7的最佳位置相互建立关联的表也可被存储于未图示的存储部，控制部1B从表中读出与重心位置G建立关联的最佳位置。

控制部1B将用于使把持部7向各个最佳位置移动的手部控制信号发送至对应的驱动控制电路12。各驱动控制电路12响应于手部控制信号而产生驱动脉冲，并将驱动脉冲供给至步进电机10。由此，三个把持部7分别向最佳位置移动，在重心位置G被配置于中心轴A的铅垂下方的位置由三个把持部7把持工件W。

这样的控制部1B由被设置于控制装置40内的处理器和存储装置构成。即处理器根据被存储于存储装置内的手部控制程序来执行处理，由此实现上述运算处理以及手部主体1A的控制。

控制部1B也可一边监视由力传感器3检测出的扭矩Tx、Ty、Tz一边经由驱动控制电路12控制步进电机10以使扭矩Tx、Ty、Tz朝向变小方向，并计算出扭矩Tx、Ty、Tz成为零或者大致成为零时的把持部7的位置以作为最佳位置。随着工件W的重心位置G沿水平方向接近中心轴A，由力传感器3检测出的扭矩Tx、Ty、Tz变小，在工件W的重心位置G被配置于中心轴A的铅垂下方时，由力传感器3检测出的扭矩Tx、Ty、Tz成为零。

如图6所示，摆动支承机构4将各把持单元2支承为能够绕与中心轴A同轴的中心轴15摆动自如。凸缘16被固定于中心轴15的上端，凸缘16经由力传感器3被固定于机器人30的手腕法兰盘32。

具体而言，摆动支承机构4具备通过轴承18被支承于中心轴15的板17。图6仅示出了一个把持部7的摆动支承机构4。板17沿与中心轴A正交的方向延伸，在板17的一端部固定有把持单元2，在板17的另一端部设置有供中心轴15贯穿的孔17a。轴承18被配置于孔17a的内表面与中心轴15的外表面之间。板17以及把持单元2被轴承18支承为能够基于绕中心轴A的外力而绕中心轴A摆动自如。

也可设置施力部件(例如弹簧)，所述施力部件在外力被释放时对各把持单元2向规定的中立位置施力，以使各把持单元2恢复到绕中心轴A的周向的规定的中立位置。

摆动限制部件5是沿着中心轴A的方向上被配置于把持部7与驱动部8之间的位置的板状的部件。摆动限制部件5被固定于中心轴15的下端，并沿与中心轴A正交的方向配置。如图3所示，摆动限制部件5在周向上隔开等间隔的三个位置，具有分别供轴9通过的三个切口5a。在沿着中心轴A的方向观察到的俯视图中，各切口5a是宽度朝向中心轴A而逐渐变小的近似三角形，在中心轴A侧具有一个顶点部。

图3示出了三个把持部7被配置于距中心轴A最近的位置的关闭状态。在关闭状态下，三根轴9被配置于与各个原点对应的切口5a内的顶点部。在轴9被配置于原点(顶点部)的状态下，通过摆动限制部件5来阻止轴9绕中心轴A的摆动，使得轴9不能摆动。另一方面，在轴9被配置于比原点(顶点部)靠外侧的状态下，切口5a具有比轴9的宽度宽的宽度，由此在由切口5a的宽度限定的角度范围内允许轴9绕中心轴A的摆动。

接下来，关于这样构成的机械手1以及机器人系统100的作用，以连续地输送相同的形状以及尺寸的工件W的情况为例进行说明。

控制装置40通过使机器人30动作，从而使手部主体1A移动至工件W的上方，并以使把持部7朝向下方且中心轴A被配置于铅垂方向的姿势配置手部主体1A。

接下来，控制装置40通过使机器人30动作，从而使三个把持部7关闭的状态下的手部主体1A下降，将三个把持部7插入至筒状的工件W的内侧。接下来，控制装置40的控制部1B通过使手部主体1A的三个把持部7打开(例如使三个把持部7沿打开方向移动相同距离)，从而如图7A、图7B所示，利用三个把持部7把持工件W的内表面。接下来，控制装置40通过使机器人30动作，从而使手部主体1A以及工件W上升。

在通过三个把持部7把持工件W的状态下，利用力传感器3检测因作用于工件W的重力而产生的力Fx、Fy、Fz以及扭矩Tx、Ty、Tz。而且，通过控制部1B基于力Fx、Fy、Fz以及扭矩Tx、Ty、Tz计算出工件W的重心位置G，并基于工件W的重心位置G计算出把持部7的最佳位置。

接下来，控制装置40通过使机器人30动作，从而使手部主体1A以及工件W向输送位置输送，并使三个把持部7关闭。由此，工件W从把持部7释放并被载置于输送位置。

接着，控制装置40使机器人30以及手部主体1A执行下一个工件W的输送。这里，控制装置40的控制部1B在把持部7打开时，或者把持部7把持工件W后，将用于使把持部7向最佳位置移动的手部控制信号发送至驱动部8的驱动控制电路12。由此，如图8A、图8B所示，以工件W的重心位置G被配置于中心轴A的铅垂下方的方式，通过三个把持部7把持工件W。

工件W的重心位置G以及把持部7的最佳位置的计算也可仅在通过把持部7最初把持工件W时来执行。一次计算出的各把持部7的最佳位置被存储于未图示的存储部。在第二次以后的工件W的把持动作中，控制部1B使把持部7移动至被存储于存储部的最佳位置。

或者工件W的重心位置G以及把持部7的最佳位置的计算也可在每次通过把持部7把持工件W时来执行。在该情况下，也可一边重复工件W的把持、重心位置G的检测以及最佳位置的计算一边逐渐使三个把持部7的位置最佳化。

也可在机器人30的上游侧配置用于识别工件W的姿势的视觉传感器，将检测出重心位置G时的工件W的姿势与各把持部7的最佳位置相关联地存储。控制装置40的控制部1B也可基于被识别出的工件W的姿势来控制手部主体1A的姿势，以使三个把持部7以被存储于存储部的姿势把持工件W。

这样，根据本实施方式，三个把持部7分别具有直线移动以及摆动的两个移动的自由度，并能够绕中心轴A相互独立地摆动自如。因此，在三个把持部7打开的过程中，各把持部7在与工件W的内表面接触之后一边沿着工件W的内表面的形状绕中心轴A被动地摆动一边向打开方向移动。如此可具有如下优点：通过三个把持部7的相对位置与工件W的内表面的形状以及尺寸匹配地发生变化，由此能够利用三个把持部7可靠地把持内表面的形状以及尺寸不同的多种工件W。

如图7A以及图7B所示，在工件W的重心位置G从中心轴A向水平方向偏移的情况下，把持部7所把持的工件W会产生由重力引起的力矩M，因该力矩M，在手部主体1A以及机器人30中也作用有力矩。因重心位置G从中心轴A向水平方向的偏移，而使作用于手部主体1A以及机器人30的惯性增大。其结果是，为了把持工件W，针对把持部7要求更大的把持力。

根据本实施方式，利用驱动部8而将三个把持部7调整为，在工件W的重心位置G被配置于中心轴A的铅垂下方的最佳位置。由此，具有如下优点：能够减少作用于手部主体1A以及机器人30的力矩以及惯性，能够以更小的把持力稳定地把持形状以及尺寸不同的各种工件W。由此，具有能够实现手部主体1A的小型化这样的优点。

在本实施方式中，虽对输送相同的形状以及尺寸的工件W的情况进行了说明，但即使在输送形状以及尺寸不同的工件W的情况下，也能够应用本实施方式的机械手1。

例如在通过三个把持部7把持工件W的状态下，通过力传感器3检测力Fx、Fy、Fz以及扭矩Tx、Ty、Tz，通过控制部1B计算出工件W的重心位置G以及把持部7的最佳位置。控制部1B控制驱动部8，保持把持工件W的状态将三个把持部7移动至最佳位置。或者在通过力传感器3检测出力Fx、Fy、Fz以及扭矩Tx、Ty、Tz之后，控制部1B也可关闭把持部7而释放工件W，当再次打开把持部7来把持工件W时将把持部7的位置调整为最佳位置。

在本实施方式中，机械手1是把持筒状的工件W的内表面的内径卡盘式的部件，但也可取而代之，是把持工件W的外表面的外径卡盘式的部件。

在外径卡盘式的情况下，在三个把持部7被配置于工件W的外侧的状态下，通过使三个把持部7关闭来把持工件W，通过三个把持部7打开来释放工件W。这里，在三个把持部7关闭的过程中，各把持部7一边沿着工件W的外表面的形状被动地绕中心轴A摆动一边向关闭方向移动。这样，三个把持部7的相对位置与工件W的外表面的形状以及尺寸匹配地发生变化，由此能够利用三个把持部7可靠地把持外表面的形状以及尺寸不同的多种工件W。

在本实施方式中，虽通过被配置于手腕法兰盘32与三个把持单元2之间的单一的力传感器3检测工件W的重心位置G，但也可取而代之，在各把持单元2设置有力传感器3。

根据这样的结构，也能够基于由各力传感器3检测出的力Fx、Fy、Fz以及扭矩Tx、Ty、Tz，来计算工件W的重心位置G。

在本实施方式中，工件W的重心位置G以及把持部7的最佳位置的运算处理以及负责驱动部8的控制的控制部1B被设置于控制装置40内，但也可取而代之，在手部主体1A内设置有控制部1B。即也可在手部主体1A内设置有上述运算处理以及控制所需的处理器以及存储部。

在本实施方式中，虽全部的把持单元2是能够摆动自如的，但也可取而代之，仅一部分的把持单元2是能够摆动自如的。

例如两个把持单元2可以是能够摆动自如的，一个把持单元2是不能摆动的。至少一个把持单元2是能够摆动自如的，由此能够与工件W的内表面或者外表面的形状匹配地灵活地改变三个把持部7的相对位置。

在本实施方式中，虽对工件W的重心位置G沿水平方向位于三个把持单元2的内侧的情况进行了说明，但即使是重心位置G沿水平方向位于三个把持单元2的外侧的工件W的把持，也能够应用本实施方式的机械手1。例如，机械手1也可通过两个把持部7来把持工件W的水平方向的一端部。

在该情况下，无法将工件W的重心位置G配置于中心轴A的铅垂下方，所以三个把持部7的位置通过驱动部8来调整，以使工件W的重心位置G尽量接近中心轴A。

在本实施方式中，虽具备力传感器3，但在工件W的重心位置G已知的情况下，也可不必具备力传感器3。

在该情况下，工件W的重心位置G与中心轴A一致的各把持单元2的最佳位置也可被存储于未图示的存储部，驱动部8也可使把持部7向被存储于存储部的最佳位置移动。

附图标记

1：机械手

1A：手部主体

1B：控制部(重心检测部)

2：把持单元

3：力传感器(重心检测部)

4：摆动支承机构

5：摆动限制部件

7：把持部

8：驱动部

30：机器人

31：机械臂

40：控制装置

100：机器人系统

A：中心轴(规定的轴)

Claims

1.一种机械手，其特征在于，具备：

多个把持部，其沿绕被配置于铅垂方向的规定的轴的周向相互隔开间隔地配置；

多个驱动部，其与多个所述把持部的各个把持部对应地设置，通过使对应的所述把持部沿接近所述规定的轴的关闭方向以及远离所述规定的轴的打开方向直线移动，以将工件把持在多个所述把持部上；以及

重心检测部，其检测由多个所述把持部把持的所述工件的重心位置，

多个所述驱动部的各个驱动部基于由所述重心检测部检测出的所述工件的重心位置，使所述对应的所述把持部进行直线移动，通过改变与多个所述把持部的各个把持部的所述规定的轴的相对位置，使所述规定的轴的水平方向的位置接近由所述重心检测部检测出的所述工件的重心位置。

2.根据权利要求1所述的机械手，其特征在于，

多个所述把持部中的至少一个把持部被支承为能够绕所述规定的轴摆动自如。

3.根据权利要求2所述的机械手，其特征在于，还具备：

摆动限制部件，所述摆动限制部件将所述至少一个所述把持部的绕所述规定的轴的摆动限制在规定的角度范围内。