ハンド装置
【課題】アーム部を移動させなくても把持機構部の向き及び位置を高精度で変えることができるハンド装置を提供する。
【解決手段】多軸機構部７の各第１超音波モーター４４及び各第２超音波モーター４５を駆動制御して、把持機構部５を該多軸機構部７のベース部４１の平面４１ａに沿って移動させたり、把持機構部５を該ベース部４１の曲面４１ｂに沿って回転移動させたり、把持機構部５を該ベース部４１の曲面４１ｂ上で自転させることができる。このため、アーム部６の屈伸動作による把持機構部５の位置決めを高精度で行うことができなくても、多軸機構部７により把持機構部５を微動で移動させたりその向きを変えたりして高精度で位置決めすることができる。
【解決手段】多軸機構部７の各第１超音波モーター４４及び各第２超音波モーター４５を駆動制御して、把持機構部５を該多軸機構部７のベース部４１の平面４１ａに沿って移動させたり、把持機構部５を該ベース部４１の曲面４１ｂに沿って回転移動させたり、把持機構部５を該ベース部４１の曲面４１ｂ上で自転させることができる。このため、アーム部６の屈伸動作による把持機構部５の位置決めを高精度で行うことができなくても、多軸機構部７により把持機構部５を微動で移動させたりその向きを変えたりして高精度で位置決めすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部品等を把持したり移動させたりし、製品の組み立て等を行うハンド装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の従来の装置としては、特許文献１に記載のものがある。ここでは、複数の関節を有するアーム部の先端に把持機構部を設けており、把持機構部により部品等を把持した状態で、アーム部の各関節をそれぞれ適量回転駆動しかつ各関節の回転を組み合わせて、把持機構部により把持されている部品等を回転移動させたり直線移動させたりする。
【０００３】
このとき、把持機構部を現在位置から所望の位置まで移動させるには、把持機構部の現在位置でのアーム部の現在姿勢を求め、この現在姿勢を把持機構部が所望の位置に移動したときのアーム部の姿勢へと変化させるのに必要な該アーム部の各関節の回転角度を求め、それぞれの回転角度だけ各関節を回転させて、把持機構部を所望の位置まで移動させる。この様な関節の回転角度を計算するための様々な手法が既に提案されている。
【０００４】
また、アーム部と把持機構部との接続部分に弾性機構によるコンプライアンスを持たせ、作業時に把持機構部に受ける反力によって弾性機構が変位する様にして、把持機構部により把持されている部材と他の部材同士の位置や姿勢を合致させている。
【特許文献１】特開２００４−２２３６８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記アーム部により把持機構部を所望の位置まで移動させる場合は、アーム部の各関節の回転角度誤差の積み重ねが該アーム部先端の把持機構部の位置誤差となるので、把持機構部を高精度で位置決めすることが困難であった。
【０００６】
また、部材同士の組み立てに際し、把持機構部を微動させるときにもアーム部を移動させるので、狭いスペースでは、アーム部が周囲の機器や部品等に干渉してしまい、部品等の移動が困難になったり、部品等を破損したりした。
【０００７】
更に、アーム部と把持機構部間のコンプライアンスにより部材同士の位置や姿勢を合致させるには、部材同士の接触が前提となるので、組み立て時に部材や製品等を傷つける恐れがあった。
【０００８】
これを避けるには、部材同士の位置ずれ等の検出が必要となる。しかしながら、部材の近くでないと部材同士の位置ずれ等の検出ができず、この位置ずれ等の検出のための装置を把持機構部に搭載するには、この把持機構部を小型化せねばならなかった。
【０００９】
そこで、本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、アーム部を移動させなくても把持機構部の向き及び位置を高精度で変えることができ、また小型化が可能であって、部材同士の位置ずれ等の検出を行う装置の搭載も可能なハンド装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、アーム部と、部材を把持する把持機構部と、前記アーム部の先端に前記把持機構部を連結する多軸機構部とを備え、前記多軸機構部により前記把持機構部の向き及び位置を変えるハンド装置において、前記多軸機構部は、前記アーム部の先端及び前記把持機構部間に介在し、両者間に設定された平面及び曲面に沿って該把持機構部をスライド可能に支持するベース部と、前記アーム部の先端に対する前記ベース部並びに前記把持機構部のスライドを前記平面及び曲面の一方に沿って行う第１超音波モーターと、前記ベース部に対する前記把持機構部のスライドを前記平面及び曲面の他方に沿って行う第２超音波モーターとを備えている。
【００１１】
この様な本発明によれば、多軸機構部は、アーム部の先端及び把持機構部間に設定された平面及び曲面に沿って該把持機構部をスライド可能に支持し、第１及び第２超音波モーターにより把持機構部を平面及び曲面に沿ってスライドさせ、把持機構部の向き及び位置を変えている。従って、アーム部を移動させることなく、アーム部を周囲の機器や部品等に干渉させずに、多軸機構部により把持機構部を移動させて、把持機構部を高精度で位置決めすることができる。
【００１２】
また、第１及び第２超音波モーターにより把持機構部を平面及び曲面に沿ってスライドさせる構成であるから、複数の関節を組み合わせた他の構成と比較すると、小型化が容易であり、部材同士の位置ずれ等の検出を行う装置を把持機構部に搭載することが可能である。
【００１３】
例えば、前記第１及び第２超音波モーターは、振動子と、この振動子により振動され前記平面及び曲面のいずれかに当接する振動体とを備えている。前記振動子は、圧電素子又は高分子アクチュエータである。
【００１４】
この様な超音波モーターは、小型化が容易なため、本発明のハンド装置に好適である。
【００１５】
また、本発明においては、前記平面及び曲面には複数の線が描かれており、該平面及び曲面に沿ってスライドする箇所には前記平面及び曲面に描かれた線を検出するセンサを設けている。
【００１６】
この様なセンサにより平面及び曲面に描かれた線を検出すれば、平面及び曲面に沿ってスライドする箇所から見た線の移動を検出することができ、延いては平面及び曲面に沿う把持機構部のスライド量や方向を検出することができる。
【００１７】
更に、本発明においては、２つの部材の相対的な位置もしくは姿勢を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段により検出された前記各部材の相対的な位置もしくは姿勢に基づき前記多軸機構部の第１及び第２超音波モーターを駆動制御して、前記把持機構部の向き及び位置を制御する制御手段とを備え、前記把持機構部により前記各部材の一方を把持し、前記制御手段により前記多軸機構部の第１及び第２超音波モーターを制御して、前記把持機構部の向き及び位置を制御し、該各部材の位置合わせを行っている。
【００１８】
これにより、把持機構部により把持された部材と他の部材同士の位置や姿勢を合致させることができる。
【００１９】
例えば、前記位置検出手段は、２つの部材にそれぞれのスリット光を照射して、これらのスリット光を該各部材に跨って投影する複数のスリット光投影手段と、前記各スリット光投影手段から照射されているそれぞれのスリット光を移動もしくは振動させるスリット光駆動手段と、前記各部材に投影されているそれぞれのスリット光の投影光像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段により撮像された各スリット光の投影光像に基づいて前記各部材の相対的な位置もしくは姿勢を求める演算手段とを備えている。
【００２０】
これにより、２つの部材の相対的な位置もしくは姿勢を非接触で正確に求めることができ、部材同士の組み立て作業を阻害することがない。
【発明の効果】
【００２１】
この様な本発明のハンド装置は、アーム部を移動させることなく、アーム部を周囲の機器や部品等に干渉させずに、多軸機構部により把持機構部を移動させて、把持機構部を高精度で位置決めすることができる。また、第１及び第２超音波モーターにより把持機構部を平面及び曲面に沿ってスライドさせる構成であるから、複数の関節を組み合わせた他の構成と比較すると、小型化が容易であり、部材同士の位置ずれ等の検出を行う装置を把持機構部に搭載することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明のハンド装置の一実施形態を示す側面図である。本実施形態のハンド装置１は、土台２に設けられたアーム部６と、部材を把持する把持機構部５と、アーム部６の先端と把持機構部５を連結する多軸機構部７とを備えている。
【００２４】
アーム部６は、３つの関節３ａ、３ｂ、３ｃと、各関節３ａ、３ｂ、３ｃを回転駆動するそれぞれの駆動源４ａ、４ｂ、４ｃと、２本のリンク棒８ａ、８ｂとを備えており、リンク棒８ａの一端を関節３ａを介して多軸機構７に連結し、リンク棒８ａの他端を関節３ｂを介してリンク棒８ｂの一端に連結し、リンク棒８ｂの他端を関節３ｃを介して土台２に連結している。それぞれの駆動源４ａ、４ｂ、４ｃにより各関節３ａ、３ｂ、３ｃを回転駆動すると、アーム部６が屈伸して、アーム部６の先端側の把持機構部５が回転移動もしくは直線移動等する。
【００２５】
各駆動源４ａ、４ｂ、４ｃは、例えば電動モーターであり、各電動モーターの出力軸が各関節部３ａ、３ｂ、３ｃの回転軸に直結されたり減速機を介して接続されたりし、各電動モーターの駆動力が各関節部３ａ、３ｂ、３ｃに伝達されて、各関節部３ａ、３ｂ、３ｃが回転する。減速機としては、複数のギアを組み合わせたギアユニットやハーモニックドライブ等がある。
【００２６】
尚、アーム部６の関節の数を増減させたり、アーム部６全体を旋回させるための関節を設けたりしても良い。ハンド装置１の用途や把持機構部５の作業空間によっては、関節部の数やリンク棒の数と長さを適宜に変更して設定する必要がある。
【００２７】
把持機構部５は、本体部５ａに２本の指９ａ、９ｂを設けたものである。各指９ａ、９ｂは、本体部５ａでＸ方向に移動可能に支持さており、本体部５ａに内蔵の電動モーターにより相互に接近及び離間する様に移動される。例えば、電動モーターの出力軸の回転がラックギアとピニオンギアの組み合わせにより直線運動に変換されて各指９ａ、９ｂに伝達され、各指９ａ、９ｂがＸ方向に移動される。
【００２８】
多軸機構部７は、把持機構部５の向き及び位置を変えるものである。この多軸機構部７は、図２に示す様にアーム部６の関節３ａに接続された連結部４０と、この連結部４０と把持機構部５の本体部５ａ間に介在するベース部４１と、ベース部４１を連結部４０に対して移動可能に支持する第１支持機構４２と、把持機構部５の本体部５ａをベース部４１に対して移動可能に支持する第２支持機構４３と、連結部４０の端面４０ａに固定されて、ベース部４１の平面４１ａに当接する３つの第１超音波モーター４４と、把持機構部５の本体部５ａの端面５ｂに固定されて、ベース部４１の曲面４１ｂに当接する３つの第２超音波モーター４５とを備えている。
【００２９】
第１支持機構４２は、例えば図２及び図３に示す様にベース部４１の平面４１ａの縁付近に突設された２本のＬ字型ステー４６と、連結部４０の端面４０ａの縁付近に固定された２つのガイド部材４７とを備えている。各Ｌ字型ステー４６の平板状端部４６ａは、連結部４０の平坦な端面４０ａに当接し、各ガイド部材４７のガイド孔４７ａにそれぞれ差し込まれている。これにより、ベース部４１が連結部４０に対してＸＺ方向に移動可能に支持される。すなわち、ベース部４１が該ベース部４１の平面４１ａに沿って移動可能に支持される。また、ベース部４１の平面４１ａに各第１超音波モーター４４が押し付けられた状態となっている。
【００３０】
第２支持機構４３は、例えば図２及び図４に示す様に３本の弾性アーム４８の一端をベース部４１の曲面４１ｂの縁付近に固定接続し、該各弾性アーム４８の他端を把持機構部５の本体部５ａの端面５ｂの縁に固定接続している。これにより、把持機構部５の本体部５ａがベース部４１の曲面４１ｂに沿って移動可能に支持され、かつベース部４１の曲面４１ｂに各第２超音波モーター４５が押し付けられた状態が維持される。
【００３１】
尚、第１支持機構４２の代わりに、第２支持機構４３と同様の機構によりベース部４１を連結部４０に対してＸＺ方向に移動可能に支持し、かつベース部４１の平面４１ａに各第１超音波モーター４４を押し付けても良い。
【００３２】
また、第１支持機構４２の代わりに、ベース部４１の平面４１ａに各第１超音波モーター４４もしくは連結部４０を吸着したり、磁気的に吸引したりして、ベース部４１を連結部４０に対してＸＺ方向に移動可能に支持する機構を適用しても良い。同様に、第２支持機構４３の代わりに、ベース部４１の曲面４１ｂに各第２超音波モーター４５もしくは把持機構部５の本体部５ａを吸着したり、磁気的に吸引したりして、把持機構部５の本体部５ａをベース部４１の曲面４１ｂに沿って移動可能に支持する機構を適用しても良い。吸着の場合は、ベース部４１の平面４１ａ及び曲面に沿って各超音波モーターが容易にスライドする必要がある。また、磁気的な吸引の場合は、ベース部４１や各超音波モーターを磁性体にする必要がある。
【００３３】
各第１超音波モーター４４及び各２超音波モーター４５は、図５に示す様に基板１９と、この基板１９に積層された複数の振動体２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂと、振動体２２ｂ表面に固定された振動子２３とを備えている。
【００３４】
各振動体２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂは、例えば圧電素子であり、それぞれの矢印等に示す方向に振動する。各振動体２０ａ、２０ｂがそれぞれ左右方向に振動し、各振動体２１ａ、２１ｂがそれぞれ上下方向に振動し、各振動体２２ａ、２２ｂがそれぞれ前後方向に振動する。
【００３５】
これらの振動体を任意に振動させることにより、振動子２３の先端を図６に示す様な楕円軌跡２４に沿って楕円運動させることができる。この場合は、振動子２３の先端に接触しているベース部４１の面が矢印Ａの方向の摩擦力（推進力）を受け、ベース部４１が振動子２３に対して矢印Ａの方向に相対的に移動する。
【００３６】
これらの振動体の振動振幅をそれぞれ制御することにより楕円軌跡２４の短軸の向きを変更することができ、これにより振動子２３の先端に接触しているベース部４１の面が受ける摩擦力（推進力）の向きを変更して、ベース部４１の移動方向を変更することができる。
【００３７】
従って、各第１超音波モーター４４の各振動体の印加電圧を制御して、それぞれの振動振幅を制御すれば、該各第１超音波モーター４４に当接するベース部４１の平面４１ａが各第１超音波モーター４４の振動子に対して相対的に移動し、その移動方向を変更することができる。
【００３８】
同様に、各第２超音波モーター４５の各振動体の印加電圧を制御して、それぞれの振動振幅を制御すれば、該各第２超音波モーター４４に当接するベース部４１の曲面４１ｂが各第２超音波モーター４５の振動子に対して相対的に移動し、その移動方向を変更することができる。
【００３９】
尚、各振動体２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂは、図５に示す様な積層順序に限らず、他の積層順序で積層しても構わない。例えば、各振動体の配線や作成方法等の要因により該各振動体の積層順序を変更しても良い。
【００４０】
また、各振動体の振動方向（振動軸）を相互に直交させているが、必ずしも直交させる必要はなく、任意の方向の推進力を大きくするために各振動体の振動方向の交差角度を変更しても構わない。
【００４１】
更に、振動体として圧電素子を例示しているが、これに限定されるものだはなく、他の振動素子を用いても構わない。例えば、振動体として高分子アクチュエータを適用することができる。この高分子アクチュエータは、図７（ａ）に示す様に高分子材料（誘電性エラストマ、電歪高分子等とも称される）２６を２枚の電極２７で挟み込んだものであり、図７（ｂ）に示す様に各電極２７間に電圧を印加すると、矢印Ｂの方向に高分子材料が伸びる。各電極２７間に電圧を周期的に印加すると、高分子アクチュエータが伸縮を繰り返して振動するので、振動体として適用することができる。この高分子アクチュエータは、各電極２７間に電圧を印加するという電圧制御であって、消費電流が少なく、発熱が非常に少ない等のメリットがある。
【００４２】
図８は、各第１超音波モーター４４及び各第２超音波モーター４５の配置位置を示す平面図である。各第１超音波モーター４４及び各第２超音波モーター４５のいずれも、連結部４０の端面４０ａ又は把持機構部５の本体部５ａの端面５ｂ上で正三角形の各頂点に配置されている。各第１超音波モーター４４の振動子２３は、ベース部４１の平面４１ａ上の正三角形の各頂点に接して、このベース部４１の平面４１ａを安定的に位置決めする。同様に、各第２超音波モーター４５の振動子２３は、ベース部４１の曲面４１ｂ上の正三角形の各頂点に接して、このベース部４１の曲面４１ｂを安定的に位置決めする。
【００４３】
尚、各第１超音波モーター４４及び各第２超音波モーター４５のいずれについても、その個数や配置位置が限定されるものではなく、必要とされる推進力の確保や推進方向等を考慮して、その個数を増やしたり、配置位置を変更したりしても良い。
【００４４】
ここで、第１支持機構４２によりベース部４１がＸＺ方向に移動可能に（該ベース部４１の平面４１ａに沿って移動可能に）支持されている。また、ベース部４１は、その平面４１ａが各第１超音波モーター４４の振動子２３に当接しており、各第１超音波モーター４４の振動子２３の振動により移動され、その移動方向を変更される。従って、図９（ａ）、（ｂ）に示す様に各第１超音波モーター４４の振動子２３の振動を制御することによりベース部４１をＸＺ平面上の任意の方向に移動させることができ、これに伴ってベース部４１に連結されている把持機構部５も同方向に移動される。
【００４５】
また、第２支持機構４３により把持機構部５の本体部５ａがベース部４１の曲面４１ｂに沿って移動可能に支持されている。また、ベース部４１は、その曲面４１ｂが各第２超音波モーター４５の振動子２３に当接しており、各第２超音波モーター４５の振動子２３の振動により移動され、その移動方向を変更される。従って、図１０（ａ）、（ｂ）に示す様に各第２超音波モーター４５の振動子２３の振動を制御することにより把持機構部５の本体部５ａをベース部４１の曲面４１ｂに沿って任意の方向に移動させることができる。このとき、把持機構部５の本体部５ａがベース部４１の曲面４１ｂに沿って移動することから、把持機構部５が該曲面４１ｂ周りで回転し、把持機構部５の向きが変わる。
【００４６】
更に、図１１に示す様に各第２超音波モーター４５の振動子２３の振動方向をＹ方向の軸を中心とする円の接線方向にそれぞれ設定すれば、把持機構部５の本体部５ａが該Ｙ方向の軸周りに自転し、把持機構部５がベース部４１の曲面４１ｂ上で旋回する様にして向きを変える。
【００４７】
従って、本実施形態のハンド装置１では、アーム部６の各関節３ａ〜３ｃを回転させて、アーム部６を屈伸させ、これによりアーム部６先端側の把持機構部５を移動させたりその向きを変えたりすることができるだけではなく、多軸機構部７の各第１超音波モーター４４及び各第２超音波モーター４５を駆動制御して、把持機構部５を該多軸機構部７のベース部４１の平面４１ａに沿って移動させたり、把持機構部５を該ベース部４１の曲面４１ｂに沿って回転移動させたり、把持機構部５を該ベース部４１の曲面４１ｂ上で自転させることができる。このため、アーム部６の屈伸動作による把持機構部５の位置決めを高精度で行うことができなくても、多軸機構部７により把持機構部５を微動で移動させたりその向きを変えたりして高精度で位置決めすることができる。
【００４８】
実際には、アーム部６により把持機構部５を大きく移動させたりその向きを変えて、把持機構部５により把持されている部材の位置決めを大まかに行い、引き続いて多軸機構部７により把持機構部５を微動で移動させたりその向きを変えて、把持機構部５により把持されている部材の位置決めを高精度で行うことになる。このため、多軸機構部７による把持機構部５の移動量及び回転量が小さくても構わない。
【００４９】
また、アーム部６が周囲の機器や部品等に干渉しそうなときには、多軸機構部７により把持機構部５を移動させたりその向きを変えたりすることができるので、周囲の機器や部品等へのアーム部６の干渉を未然に防止することができる。
【００５０】
しかも、多軸機構部７の基本構成が簡単であり、超音波モーターが小型であって、電動モーターの様に駆動力の伝達機構や減速機構を必要としないため、把持機構部５を小型化することができる。
【００５１】
尚、ベース部４１の曲面４１ｂは、球面、楕円面、他の種類の曲面等に設定することができる。また、曲面４１ｂの曲率を変更すれば（例えば球面の半径を変更すれば）、ベース部４１の曲面４１ｂのスライド量に対する把持機構部５の向きの変更量（回転角度量）を変更することができる。例えば、曲面４１ｂの曲率を大きくすれば（例えば球面の半径を小さくすれば）、ベース部４１の曲面４１ｂのスライド量に対する把持機構部５の回転角度量が大きくなり、逆に曲面４１ｂの曲率を小さくすれば（例えば球面の半径を大きくすれば）、ベース部４１の曲面４１ｂのスライド量に対する把持機構部５の回転角度量が小さくなる。
【００５２】
また、ベース部４１の両面を平面及び曲面とする代わりに、連結部４０の端面４０ａを平面にしたり、把持機構部５の本体部５ａの端面５ｂを曲面にし、ベース部４１の両面に各第１超音波モーター４４及び各第２超音波モーター４５を設け、ベース部４１側の各第１超音波モーター４４及び各第２超音波モーター４５を連結部４０の端面４０ａ及び把持機構部５の本体部５ａの端面５ｂにそれぞれ当接させる構成でも構わない。この場合も、把持機構部５を平面及び曲面に沿って移動させることができる。
【００５３】
ところで、多軸機構部７により把持機構部５を適確に移動させたりその向きを変更したりするには、これらの移動量や向きの変更（回転角度量）を検出する必要がある。
【００５４】
そこで、本実施形態のハンド装置１では、図１２に示す様に多軸機構部７のベース部４１の曲面４１ｂの中心Ｏの周囲に同心状の複数の円ＬＡを等間隔で描くと共に、ベース部４１の中心Ｏから放射状の複数の直線ＬＢを一定角度間隔で描いている。
【００５５】
また、曲面４１ｂの各円ＬＡ及び各直線ＬＢを検出する２つの光学センサＳ１、Ｓ２を把持機構部５の本体部５ａの端面５ｂの２箇所に設けている。各光学センサＳ１、Ｓ２の位置は、ベース部４１の曲面４１ｂの中心Ｏと把持機構部５の本体部５ａの端面５ｂの中心とが重なっているときに該中心Ｏに対して点対称に設けても良いが、該中心Ｏに対して非対称に設けると、各光学センサＳ１、Ｓ２により円ＬＡや直線ＬＢが交互に検出されるので、各円ＬＡ及び各直線ＬＢの検出感度が向上する。
【００５６】
把持機構部５をベース部４１の曲面４１ｂに沿って回転移動させたり、把持機構部５をベース部４１の曲面４１ｂ上で自転させると、把持機構部５の本体部５ａの各光学センサＳ１、Ｓ２がベース部４１の曲面４１ｂに対して移動したり自転する。このとき、把持機構部５の本体部５ａの各光学センサＳ１、Ｓ２により検出された円ＬＡの数及び直線ＬＢの数を計数すれば、つまり各光学センサＳ１、Ｓ２の検出エリアを通過した円ＬＡの数及び直線ＬＢの数を計数すれば、円ＬＡの計数値に対応する回転移動量及び直線ＬＢの計数値に対応する回転角度を求めることができ、これらの回転移動量及び回転角度をベース部４１に対する把持機構部５の回転移動量や自転角度として求めることができる。
【００５７】
同様に、多軸機構部７のベース部４１の平面４１ａに、ＸＺ方向の方眼線を描き、この方眼線を検出する２つの光学センサを連結部４０の端面４０ａに設ける。把持機構部５をベース部４１の平面４１ａに沿って移動させるに際し、各光学センサの検出エリアをＸＹ方向に通過した方眼線の数を計数して、ＸＹ方向に通過したそれぞれの計数値に対応するＸＹ方向の移動量を求めれば、これを把持機構部５のＸＹ方向の移動量として求めることができる。
【００５８】
尚、光学センサとしては、例えばＬＥＤとフォトディテクタを組み合わせたものがある。ＬＥＤによりベース部４１の面を照明し、フォトディテクタによりベース部４１の面からの反射光を検出する。ベース部４１の面からの反射光の強度は、ベース部４１の面に線が描かれている箇所と他の箇所では異なり、フォトディテクタの検出エリアをベース部４１の面に描かれた線が通過する度に、フォトディテクタの検出出力レベルが変動するので、フォトディテクタの検出出力レベルの変化に基づいて該フォトディテクタの検出エリアを通過した線の数を計数することができる。また、フォトディテクタを４分割して、このフォトディテクタにより線の境界を検出すれば、更に感度良く位置検出を行うことが可能となる。
【００５９】
更に、光学センサとしてＣＣＤカメラを用いれば、ベース部４１の面に描かれている線を高精度で検出することができる。また、１つのＣＣＤカメラのみによりベース部４１の面に描かれている線を検出することができる。
【００６０】
また、ベース部４１の曲面４１ｂの各円ＬＡ及び各直線ＬＢ及び平面４１ａの方眼線の間隔を狭くすると、位置検出の感度が向上し、これらの線の感覚を広くすると、位置検出の感度が低下する。
【００６１】
更に、ベース部４１の面に線を描く代わりに、ベース部４１の面の各部位で反射率が異なる様にしておけば、光学センサの検出出力レベルの変化に基づいて把持機構部５の移動量や自転角度等を検出することができる。例えば、ベース部４１の面の各部位で該面の粗さを変化させて、該各部位での光の反射率を異ならせる。
【００６２】
一方、本実施形態のハンド装置１は、多軸機構７の小型化が可能であるため、図１３に示す様に位置合わせ装置３０を多軸機構部７の連結部４０に搭載することができる。この位置合わせ装置３０は、スリット光Ｓｔを出射するスリット光投光機３０ａと、スリット光Ｓｔの投影光像を撮像する撮像装置３０ｂとからなる。スリット光投光機３０ａから出射されたスリット光Ｓｔは、把持機構部５により把持されている部材３１と他の部材３２に照射され、該各部材３１、３２の側面に該スリット光Ｓｔの２つの投影光像ｓｔ１、ｓｔ２が投影される。撮像装置３０ｂは、各部材３１、３２の側面に投影された各投影光像ｓｔ１、ｓｔ２を撮像し、この撮像画面をマイクロコンピュータ等の演算制御装置３３に出力する。演算制御装置３３は、この撮像画面上の各投影光像ｓ１、ｓ２に基づいて各部材３１、３２の相対的な位置を把握し、各部材３１、３２を組み立てるのに必要な部材３１の移動量を求め、各センサＳ１、Ｓ２の検出出力に基づいて把持機構部５の位置を検出しつつ、多軸機構部７の各第１超音波モーター４４と各第２超音波モーター４５を駆動制御して、把持機構部５により把持されている部材３１を該移動量だけ移動させて他の部材３２に組み合わせる。
【００６３】
具体的には、相互に対向する各投影光像ｓ１、ｓ２の一端の位置を把握し、各投影光像ｓ１、ｓ２の一端が相互に接近して直線状に接合するのに必要な移動量を求めて、部材３１を該移動量だけ移動させて他の部材３２に組み合わせる。各部材３１、３２が組み合わせられると、各投影光像ｓ１、ｓ２の一端が直線状に接合する。
【００６４】
また、各部材３１、３２の位置関係が完全に一致しているときの各投影光像ｓｔ１、ｓｔ２を予め求めて記憶しておき、この記憶している各投影光像ｓｔ１、ｓｔ２と撮像画面上の各投影光像ｓｔ１、ｓｔ２とを比較することにより各部材３１、３２の位置ずれを検出する。
【００６５】
図１３では、１つの位置合わせ装置３０だけを設置しているが、２つ以上の位置合わせ装置３０を多軸機構部７の連結部４０に設置して、各部材３１、３２の複数箇所を位置合わせする様にしても良い。この場合は、各部材３１、３２の縦横の側面の位置を把握しつつ、多軸機構部７による把持機構部５の移動を行って、各部材３１、３２の縦横の位置合わせを行うことができる。
【００６６】
また、位置合わせ検出装置として、スリット光を用いた方法を提案したが、これに限定されるわけではない。いろいろな位置合わせ検出装置を適用することができるが、複雑な形状をした機構にも対応できるように位置合わせ検出装置は、ハンド装置と分離して設置するのではなく、把持機構５にできるだけ近い位置に設置した方がよい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明のハンド装置の一実施形態を示す側面図である。
【図２】図１のハンド装置における多軸機構部及び把持機構部を示す側面図である。
【図３】図２の多軸機構部における第１支持機構を示す斜視図である。
【図４】図２の多軸機構部における第２支持機構を示す斜視図である。
【図５】図２の多軸機構部における超音波モーターを示す側面図である。
【図６】図２の多軸機構部における超音波モーターによる駆動を説明するために用いた側面図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は、図２の多軸機構部における超音波モーターに適用し得る高分子アクチュエータを示す斜視図である。
【図８】図２の多軸機構部における各超音波モーターの配置位置を示す平面図である。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は、図２の多軸機構部におけるベース部の平面に沿う把持機構部の移動を示す側面図である。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は、図２の多軸機構部におけるベース部の曲面に沿う把持機構部の移動を示す側面図である。
【図１１】図２の多軸機構部におけるベース部の曲面上の把持機構部の自転を示す平面図である。
【図１２】図２の多軸機構部におけるベース部の曲面に描かれた複数の円及び直線を示す平面図である。
【図１３】図２の多軸機構部における連結部に搭載された位置合わせ装置を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６８】
１ ハンド装置
２ 土台
３ａ、３ｂ、３ｃ 関節
４ａ、４ｂ、４ｃ 駆動源
５ 把持機構部
６ アーム部
７ 多軸機構部
８ａ、８ｂ リンク棒
９ａ、９ｂ 指
１９ 基板
２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ 振動体
２３ 振動子
３０ 位置合わせ装置
３３ 演算制御装置
４０ 連結部
４１ ベース部
４２ 第１支持機構
４３ 第２支持機構
４４ 第１超音波モーター
４５ 第２超音波モーター
Ｓ１、Ｓ２ センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部品等を把持したり移動させたりし、製品の組み立て等を行うハンド装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の従来の装置としては、特許文献１に記載のものがある。ここでは、複数の関節を有するアーム部の先端に把持機構部を設けており、把持機構部により部品等を把持した状態で、アーム部の各関節をそれぞれ適量回転駆動しかつ各関節の回転を組み合わせて、把持機構部により把持されている部品等を回転移動させたり直線移動させたりする。
【０００３】
このとき、把持機構部を現在位置から所望の位置まで移動させるには、把持機構部の現在位置でのアーム部の現在姿勢を求め、この現在姿勢を把持機構部が所望の位置に移動したときのアーム部の姿勢へと変化させるのに必要な該アーム部の各関節の回転角度を求め、それぞれの回転角度だけ各関節を回転させて、把持機構部を所望の位置まで移動させる。この様な関節の回転角度を計算するための様々な手法が既に提案されている。
【０００４】
また、アーム部と把持機構部との接続部分に弾性機構によるコンプライアンスを持たせ、作業時に把持機構部に受ける反力によって弾性機構が変位する様にして、把持機構部により把持されている部材と他の部材同士の位置や姿勢を合致させている。
【特許文献１】特開２００４−２２３６８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記アーム部により把持機構部を所望の位置まで移動させる場合は、アーム部の各関節の回転角度誤差の積み重ねが該アーム部先端の把持機構部の位置誤差となるので、把持機構部を高精度で位置決めすることが困難であった。
【０００６】
また、部材同士の組み立てに際し、把持機構部を微動させるときにもアーム部を移動させるので、狭いスペースでは、アーム部が周囲の機器や部品等に干渉してしまい、部品等の移動が困難になったり、部品等を破損したりした。
【０００７】
更に、アーム部と把持機構部間のコンプライアンスにより部材同士の位置や姿勢を合致させるには、部材同士の接触が前提となるので、組み立て時に部材や製品等を傷つける恐れがあった。
【０００８】
これを避けるには、部材同士の位置ずれ等の検出が必要となる。しかしながら、部材の近くでないと部材同士の位置ずれ等の検出ができず、この位置ずれ等の検出のための装置を把持機構部に搭載するには、この把持機構部を小型化せねばならなかった。
【０００９】
そこで、本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、アーム部を移動させなくても把持機構部の向き及び位置を高精度で変えることができ、また小型化が可能であって、部材同士の位置ずれ等の検出を行う装置の搭載も可能なハンド装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、アーム部と、部材を把持する把持機構部と、前記アーム部の先端に前記把持機構部を連結する多軸機構部とを備え、前記多軸機構部により前記把持機構部の向き及び位置を変えるハンド装置において、前記多軸機構部は、前記アーム部の先端及び前記把持機構部間に介在し、両者間に設定された平面及び曲面に沿って該把持機構部をスライド可能に支持するベース部と、前記アーム部の先端に対する前記ベース部並びに前記把持機構部のスライドを前記平面及び曲面の一方に沿って行う第１超音波モーターと、前記ベース部に対する前記把持機構部のスライドを前記平面及び曲面の他方に沿って行う第２超音波モーターとを備えている。
【００１１】
この様な本発明によれば、多軸機構部は、アーム部の先端及び把持機構部間に設定された平面及び曲面に沿って該把持機構部をスライド可能に支持し、第１及び第２超音波モーターにより把持機構部を平面及び曲面に沿ってスライドさせ、把持機構部の向き及び位置を変えている。従って、アーム部を移動させることなく、アーム部を周囲の機器や部品等に干渉させずに、多軸機構部により把持機構部を移動させて、把持機構部を高精度で位置決めすることができる。
【００１２】
また、第１及び第２超音波モーターにより把持機構部を平面及び曲面に沿ってスライドさせる構成であるから、複数の関節を組み合わせた他の構成と比較すると、小型化が容易であり、部材同士の位置ずれ等の検出を行う装置を把持機構部に搭載することが可能である。
【００１３】
例えば、前記第１及び第２超音波モーターは、振動子と、この振動子により振動され前記平面及び曲面のいずれかに当接する振動体とを備えている。前記振動子は、圧電素子又は高分子アクチュエータである。
【００１４】
この様な超音波モーターは、小型化が容易なため、本発明のハンド装置に好適である。
【００１５】
また、本発明においては、前記平面及び曲面には複数の線が描かれており、該平面及び曲面に沿ってスライドする箇所には前記平面及び曲面に描かれた線を検出するセンサを設けている。
【００１６】
この様なセンサにより平面及び曲面に描かれた線を検出すれば、平面及び曲面に沿ってスライドする箇所から見た線の移動を検出することができ、延いては平面及び曲面に沿う把持機構部のスライド量や方向を検出することができる。
【００１７】
更に、本発明においては、２つの部材の相対的な位置もしくは姿勢を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段により検出された前記各部材の相対的な位置もしくは姿勢に基づき前記多軸機構部の第１及び第２超音波モーターを駆動制御して、前記把持機構部の向き及び位置を制御する制御手段とを備え、前記把持機構部により前記各部材の一方を把持し、前記制御手段により前記多軸機構部の第１及び第２超音波モーターを制御して、前記把持機構部の向き及び位置を制御し、該各部材の位置合わせを行っている。
【００１８】
これにより、把持機構部により把持された部材と他の部材同士の位置や姿勢を合致させることができる。
【００１９】
例えば、前記位置検出手段は、２つの部材にそれぞれのスリット光を照射して、これらのスリット光を該各部材に跨って投影する複数のスリット光投影手段と、前記各スリット光投影手段から照射されているそれぞれのスリット光を移動もしくは振動させるスリット光駆動手段と、前記各部材に投影されているそれぞれのスリット光の投影光像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段により撮像された各スリット光の投影光像に基づいて前記各部材の相対的な位置もしくは姿勢を求める演算手段とを備えている。
【００２０】
これにより、２つの部材の相対的な位置もしくは姿勢を非接触で正確に求めることができ、部材同士の組み立て作業を阻害することがない。
【発明の効果】
【００２１】
この様な本発明のハンド装置は、アーム部を移動させることなく、アーム部を周囲の機器や部品等に干渉させずに、多軸機構部により把持機構部を移動させて、把持機構部を高精度で位置決めすることができる。また、第１及び第２超音波モーターにより把持機構部を平面及び曲面に沿ってスライドさせる構成であるから、複数の関節を組み合わせた他の構成と比較すると、小型化が容易であり、部材同士の位置ずれ等の検出を行う装置を把持機構部に搭載することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明のハンド装置の一実施形態を示す側面図である。本実施形態のハンド装置１は、土台２に設けられたアーム部６と、部材を把持する把持機構部５と、アーム部６の先端と把持機構部５を連結する多軸機構部７とを備えている。
【００２４】
アーム部６は、３つの関節３ａ、３ｂ、３ｃと、各関節３ａ、３ｂ、３ｃを回転駆動するそれぞれの駆動源４ａ、４ｂ、４ｃと、２本のリンク棒８ａ、８ｂとを備えており、リンク棒８ａの一端を関節３ａを介して多軸機構７に連結し、リンク棒８ａの他端を関節３ｂを介してリンク棒８ｂの一端に連結し、リンク棒８ｂの他端を関節３ｃを介して土台２に連結している。それぞれの駆動源４ａ、４ｂ、４ｃにより各関節３ａ、３ｂ、３ｃを回転駆動すると、アーム部６が屈伸して、アーム部６の先端側の把持機構部５が回転移動もしくは直線移動等する。
【００２５】
各駆動源４ａ、４ｂ、４ｃは、例えば電動モーターであり、各電動モーターの出力軸が各関節部３ａ、３ｂ、３ｃの回転軸に直結されたり減速機を介して接続されたりし、各電動モーターの駆動力が各関節部３ａ、３ｂ、３ｃに伝達されて、各関節部３ａ、３ｂ、３ｃが回転する。減速機としては、複数のギアを組み合わせたギアユニットやハーモニックドライブ等がある。
【００２６】
尚、アーム部６の関節の数を増減させたり、アーム部６全体を旋回させるための関節を設けたりしても良い。ハンド装置１の用途や把持機構部５の作業空間によっては、関節部の数やリンク棒の数と長さを適宜に変更して設定する必要がある。
【００２７】
把持機構部５は、本体部５ａに２本の指９ａ、９ｂを設けたものである。各指９ａ、９ｂは、本体部５ａでＸ方向に移動可能に支持さており、本体部５ａに内蔵の電動モーターにより相互に接近及び離間する様に移動される。例えば、電動モーターの出力軸の回転がラックギアとピニオンギアの組み合わせにより直線運動に変換されて各指９ａ、９ｂに伝達され、各指９ａ、９ｂがＸ方向に移動される。
【００２８】
多軸機構部７は、把持機構部５の向き及び位置を変えるものである。この多軸機構部７は、図２に示す様にアーム部６の関節３ａに接続された連結部４０と、この連結部４０と把持機構部５の本体部５ａ間に介在するベース部４１と、ベース部４１を連結部４０に対して移動可能に支持する第１支持機構４２と、把持機構部５の本体部５ａをベース部４１に対して移動可能に支持する第２支持機構４３と、連結部４０の端面４０ａに固定されて、ベース部４１の平面４１ａに当接する３つの第１超音波モーター４４と、把持機構部５の本体部５ａの端面５ｂに固定されて、ベース部４１の曲面４１ｂに当接する３つの第２超音波モーター４５とを備えている。
【００２９】
第１支持機構４２は、例えば図２及び図３に示す様にベース部４１の平面４１ａの縁付近に突設された２本のＬ字型ステー４６と、連結部４０の端面４０ａの縁付近に固定された２つのガイド部材４７とを備えている。各Ｌ字型ステー４６の平板状端部４６ａは、連結部４０の平坦な端面４０ａに当接し、各ガイド部材４７のガイド孔４７ａにそれぞれ差し込まれている。これにより、ベース部４１が連結部４０に対してＸＺ方向に移動可能に支持される。すなわち、ベース部４１が該ベース部４１の平面４１ａに沿って移動可能に支持される。また、ベース部４１の平面４１ａに各第１超音波モーター４４が押し付けられた状態となっている。
【００３０】
第２支持機構４３は、例えば図２及び図４に示す様に３本の弾性アーム４８の一端をベース部４１の曲面４１ｂの縁付近に固定接続し、該各弾性アーム４８の他端を把持機構部５の本体部５ａの端面５ｂの縁に固定接続している。これにより、把持機構部５の本体部５ａがベース部４１の曲面４１ｂに沿って移動可能に支持され、かつベース部４１の曲面４１ｂに各第２超音波モーター４５が押し付けられた状態が維持される。
【００３１】
尚、第１支持機構４２の代わりに、第２支持機構４３と同様の機構によりベース部４１を連結部４０に対してＸＺ方向に移動可能に支持し、かつベース部４１の平面４１ａに各第１超音波モーター４４を押し付けても良い。
【００３２】
また、第１支持機構４２の代わりに、ベース部４１の平面４１ａに各第１超音波モーター４４もしくは連結部４０を吸着したり、磁気的に吸引したりして、ベース部４１を連結部４０に対してＸＺ方向に移動可能に支持する機構を適用しても良い。同様に、第２支持機構４３の代わりに、ベース部４１の曲面４１ｂに各第２超音波モーター４５もしくは把持機構部５の本体部５ａを吸着したり、磁気的に吸引したりして、把持機構部５の本体部５ａをベース部４１の曲面４１ｂに沿って移動可能に支持する機構を適用しても良い。吸着の場合は、ベース部４１の平面４１ａ及び曲面に沿って各超音波モーターが容易にスライドする必要がある。また、磁気的な吸引の場合は、ベース部４１や各超音波モーターを磁性体にする必要がある。
【００３３】
各第１超音波モーター４４及び各２超音波モーター４５は、図５に示す様に基板１９と、この基板１９に積層された複数の振動体２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂと、振動体２２ｂ表面に固定された振動子２３とを備えている。
【００３４】
各振動体２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂは、例えば圧電素子であり、それぞれの矢印等に示す方向に振動する。各振動体２０ａ、２０ｂがそれぞれ左右方向に振動し、各振動体２１ａ、２１ｂがそれぞれ上下方向に振動し、各振動体２２ａ、２２ｂがそれぞれ前後方向に振動する。
【００３５】
これらの振動体を任意に振動させることにより、振動子２３の先端を図６に示す様な楕円軌跡２４に沿って楕円運動させることができる。この場合は、振動子２３の先端に接触しているベース部４１の面が矢印Ａの方向の摩擦力（推進力）を受け、ベース部４１が振動子２３に対して矢印Ａの方向に相対的に移動する。
【００３６】
これらの振動体の振動振幅をそれぞれ制御することにより楕円軌跡２４の短軸の向きを変更することができ、これにより振動子２３の先端に接触しているベース部４１の面が受ける摩擦力（推進力）の向きを変更して、ベース部４１の移動方向を変更することができる。
【００３７】
従って、各第１超音波モーター４４の各振動体の印加電圧を制御して、それぞれの振動振幅を制御すれば、該各第１超音波モーター４４に当接するベース部４１の平面４１ａが各第１超音波モーター４４の振動子に対して相対的に移動し、その移動方向を変更することができる。
【００３８】
同様に、各第２超音波モーター４５の各振動体の印加電圧を制御して、それぞれの振動振幅を制御すれば、該各第２超音波モーター４４に当接するベース部４１の曲面４１ｂが各第２超音波モーター４５の振動子に対して相対的に移動し、その移動方向を変更することができる。
【００３９】
尚、各振動体２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂは、図５に示す様な積層順序に限らず、他の積層順序で積層しても構わない。例えば、各振動体の配線や作成方法等の要因により該各振動体の積層順序を変更しても良い。
【００４０】
また、各振動体の振動方向（振動軸）を相互に直交させているが、必ずしも直交させる必要はなく、任意の方向の推進力を大きくするために各振動体の振動方向の交差角度を変更しても構わない。
【００４１】
更に、振動体として圧電素子を例示しているが、これに限定されるものだはなく、他の振動素子を用いても構わない。例えば、振動体として高分子アクチュエータを適用することができる。この高分子アクチュエータは、図７（ａ）に示す様に高分子材料（誘電性エラストマ、電歪高分子等とも称される）２６を２枚の電極２７で挟み込んだものであり、図７（ｂ）に示す様に各電極２７間に電圧を印加すると、矢印Ｂの方向に高分子材料が伸びる。各電極２７間に電圧を周期的に印加すると、高分子アクチュエータが伸縮を繰り返して振動するので、振動体として適用することができる。この高分子アクチュエータは、各電極２７間に電圧を印加するという電圧制御であって、消費電流が少なく、発熱が非常に少ない等のメリットがある。
【００４２】
図８は、各第１超音波モーター４４及び各第２超音波モーター４５の配置位置を示す平面図である。各第１超音波モーター４４及び各第２超音波モーター４５のいずれも、連結部４０の端面４０ａ又は把持機構部５の本体部５ａの端面５ｂ上で正三角形の各頂点に配置されている。各第１超音波モーター４４の振動子２３は、ベース部４１の平面４１ａ上の正三角形の各頂点に接して、このベース部４１の平面４１ａを安定的に位置決めする。同様に、各第２超音波モーター４５の振動子２３は、ベース部４１の曲面４１ｂ上の正三角形の各頂点に接して、このベース部４１の曲面４１ｂを安定的に位置決めする。
【００４３】
尚、各第１超音波モーター４４及び各第２超音波モーター４５のいずれについても、その個数や配置位置が限定されるものではなく、必要とされる推進力の確保や推進方向等を考慮して、その個数を増やしたり、配置位置を変更したりしても良い。
【００４４】
ここで、第１支持機構４２によりベース部４１がＸＺ方向に移動可能に（該ベース部４１の平面４１ａに沿って移動可能に）支持されている。また、ベース部４１は、その平面４１ａが各第１超音波モーター４４の振動子２３に当接しており、各第１超音波モーター４４の振動子２３の振動により移動され、その移動方向を変更される。従って、図９（ａ）、（ｂ）に示す様に各第１超音波モーター４４の振動子２３の振動を制御することによりベース部４１をＸＺ平面上の任意の方向に移動させることができ、これに伴ってベース部４１に連結されている把持機構部５も同方向に移動される。
【００４５】
また、第２支持機構４３により把持機構部５の本体部５ａがベース部４１の曲面４１ｂに沿って移動可能に支持されている。また、ベース部４１は、その曲面４１ｂが各第２超音波モーター４５の振動子２３に当接しており、各第２超音波モーター４５の振動子２３の振動により移動され、その移動方向を変更される。従って、図１０（ａ）、（ｂ）に示す様に各第２超音波モーター４５の振動子２３の振動を制御することにより把持機構部５の本体部５ａをベース部４１の曲面４１ｂに沿って任意の方向に移動させることができる。このとき、把持機構部５の本体部５ａがベース部４１の曲面４１ｂに沿って移動することから、把持機構部５が該曲面４１ｂ周りで回転し、把持機構部５の向きが変わる。
【００４６】
更に、図１１に示す様に各第２超音波モーター４５の振動子２３の振動方向をＹ方向の軸を中心とする円の接線方向にそれぞれ設定すれば、把持機構部５の本体部５ａが該Ｙ方向の軸周りに自転し、把持機構部５がベース部４１の曲面４１ｂ上で旋回する様にして向きを変える。
【００４７】
従って、本実施形態のハンド装置１では、アーム部６の各関節３ａ〜３ｃを回転させて、アーム部６を屈伸させ、これによりアーム部６先端側の把持機構部５を移動させたりその向きを変えたりすることができるだけではなく、多軸機構部７の各第１超音波モーター４４及び各第２超音波モーター４５を駆動制御して、把持機構部５を該多軸機構部７のベース部４１の平面４１ａに沿って移動させたり、把持機構部５を該ベース部４１の曲面４１ｂに沿って回転移動させたり、把持機構部５を該ベース部４１の曲面４１ｂ上で自転させることができる。このため、アーム部６の屈伸動作による把持機構部５の位置決めを高精度で行うことができなくても、多軸機構部７により把持機構部５を微動で移動させたりその向きを変えたりして高精度で位置決めすることができる。
【００４８】
実際には、アーム部６により把持機構部５を大きく移動させたりその向きを変えて、把持機構部５により把持されている部材の位置決めを大まかに行い、引き続いて多軸機構部７により把持機構部５を微動で移動させたりその向きを変えて、把持機構部５により把持されている部材の位置決めを高精度で行うことになる。このため、多軸機構部７による把持機構部５の移動量及び回転量が小さくても構わない。
【００４９】
また、アーム部６が周囲の機器や部品等に干渉しそうなときには、多軸機構部７により把持機構部５を移動させたりその向きを変えたりすることができるので、周囲の機器や部品等へのアーム部６の干渉を未然に防止することができる。
【００５０】
しかも、多軸機構部７の基本構成が簡単であり、超音波モーターが小型であって、電動モーターの様に駆動力の伝達機構や減速機構を必要としないため、把持機構部５を小型化することができる。
【００５１】
尚、ベース部４１の曲面４１ｂは、球面、楕円面、他の種類の曲面等に設定することができる。また、曲面４１ｂの曲率を変更すれば（例えば球面の半径を変更すれば）、ベース部４１の曲面４１ｂのスライド量に対する把持機構部５の向きの変更量（回転角度量）を変更することができる。例えば、曲面４１ｂの曲率を大きくすれば（例えば球面の半径を小さくすれば）、ベース部４１の曲面４１ｂのスライド量に対する把持機構部５の回転角度量が大きくなり、逆に曲面４１ｂの曲率を小さくすれば（例えば球面の半径を大きくすれば）、ベース部４１の曲面４１ｂのスライド量に対する把持機構部５の回転角度量が小さくなる。
【００５２】
また、ベース部４１の両面を平面及び曲面とする代わりに、連結部４０の端面４０ａを平面にしたり、把持機構部５の本体部５ａの端面５ｂを曲面にし、ベース部４１の両面に各第１超音波モーター４４及び各第２超音波モーター４５を設け、ベース部４１側の各第１超音波モーター４４及び各第２超音波モーター４５を連結部４０の端面４０ａ及び把持機構部５の本体部５ａの端面５ｂにそれぞれ当接させる構成でも構わない。この場合も、把持機構部５を平面及び曲面に沿って移動させることができる。
【００５３】
ところで、多軸機構部７により把持機構部５を適確に移動させたりその向きを変更したりするには、これらの移動量や向きの変更（回転角度量）を検出する必要がある。
【００５４】
そこで、本実施形態のハンド装置１では、図１２に示す様に多軸機構部７のベース部４１の曲面４１ｂの中心Ｏの周囲に同心状の複数の円ＬＡを等間隔で描くと共に、ベース部４１の中心Ｏから放射状の複数の直線ＬＢを一定角度間隔で描いている。
【００５５】
また、曲面４１ｂの各円ＬＡ及び各直線ＬＢを検出する２つの光学センサＳ１、Ｓ２を把持機構部５の本体部５ａの端面５ｂの２箇所に設けている。各光学センサＳ１、Ｓ２の位置は、ベース部４１の曲面４１ｂの中心Ｏと把持機構部５の本体部５ａの端面５ｂの中心とが重なっているときに該中心Ｏに対して点対称に設けても良いが、該中心Ｏに対して非対称に設けると、各光学センサＳ１、Ｓ２により円ＬＡや直線ＬＢが交互に検出されるので、各円ＬＡ及び各直線ＬＢの検出感度が向上する。
【００５６】
把持機構部５をベース部４１の曲面４１ｂに沿って回転移動させたり、把持機構部５をベース部４１の曲面４１ｂ上で自転させると、把持機構部５の本体部５ａの各光学センサＳ１、Ｓ２がベース部４１の曲面４１ｂに対して移動したり自転する。このとき、把持機構部５の本体部５ａの各光学センサＳ１、Ｓ２により検出された円ＬＡの数及び直線ＬＢの数を計数すれば、つまり各光学センサＳ１、Ｓ２の検出エリアを通過した円ＬＡの数及び直線ＬＢの数を計数すれば、円ＬＡの計数値に対応する回転移動量及び直線ＬＢの計数値に対応する回転角度を求めることができ、これらの回転移動量及び回転角度をベース部４１に対する把持機構部５の回転移動量や自転角度として求めることができる。
【００５７】
同様に、多軸機構部７のベース部４１の平面４１ａに、ＸＺ方向の方眼線を描き、この方眼線を検出する２つの光学センサを連結部４０の端面４０ａに設ける。把持機構部５をベース部４１の平面４１ａに沿って移動させるに際し、各光学センサの検出エリアをＸＹ方向に通過した方眼線の数を計数して、ＸＹ方向に通過したそれぞれの計数値に対応するＸＹ方向の移動量を求めれば、これを把持機構部５のＸＹ方向の移動量として求めることができる。
【００５８】
尚、光学センサとしては、例えばＬＥＤとフォトディテクタを組み合わせたものがある。ＬＥＤによりベース部４１の面を照明し、フォトディテクタによりベース部４１の面からの反射光を検出する。ベース部４１の面からの反射光の強度は、ベース部４１の面に線が描かれている箇所と他の箇所では異なり、フォトディテクタの検出エリアをベース部４１の面に描かれた線が通過する度に、フォトディテクタの検出出力レベルが変動するので、フォトディテクタの検出出力レベルの変化に基づいて該フォトディテクタの検出エリアを通過した線の数を計数することができる。また、フォトディテクタを４分割して、このフォトディテクタにより線の境界を検出すれば、更に感度良く位置検出を行うことが可能となる。
【００５９】
更に、光学センサとしてＣＣＤカメラを用いれば、ベース部４１の面に描かれている線を高精度で検出することができる。また、１つのＣＣＤカメラのみによりベース部４１の面に描かれている線を検出することができる。
【００６０】
また、ベース部４１の曲面４１ｂの各円ＬＡ及び各直線ＬＢ及び平面４１ａの方眼線の間隔を狭くすると、位置検出の感度が向上し、これらの線の感覚を広くすると、位置検出の感度が低下する。
【００６１】
更に、ベース部４１の面に線を描く代わりに、ベース部４１の面の各部位で反射率が異なる様にしておけば、光学センサの検出出力レベルの変化に基づいて把持機構部５の移動量や自転角度等を検出することができる。例えば、ベース部４１の面の各部位で該面の粗さを変化させて、該各部位での光の反射率を異ならせる。
【００６２】
一方、本実施形態のハンド装置１は、多軸機構７の小型化が可能であるため、図１３に示す様に位置合わせ装置３０を多軸機構部７の連結部４０に搭載することができる。この位置合わせ装置３０は、スリット光Ｓｔを出射するスリット光投光機３０ａと、スリット光Ｓｔの投影光像を撮像する撮像装置３０ｂとからなる。スリット光投光機３０ａから出射されたスリット光Ｓｔは、把持機構部５により把持されている部材３１と他の部材３２に照射され、該各部材３１、３２の側面に該スリット光Ｓｔの２つの投影光像ｓｔ１、ｓｔ２が投影される。撮像装置３０ｂは、各部材３１、３２の側面に投影された各投影光像ｓｔ１、ｓｔ２を撮像し、この撮像画面をマイクロコンピュータ等の演算制御装置３３に出力する。演算制御装置３３は、この撮像画面上の各投影光像ｓ１、ｓ２に基づいて各部材３１、３２の相対的な位置を把握し、各部材３１、３２を組み立てるのに必要な部材３１の移動量を求め、各センサＳ１、Ｓ２の検出出力に基づいて把持機構部５の位置を検出しつつ、多軸機構部７の各第１超音波モーター４４と各第２超音波モーター４５を駆動制御して、把持機構部５により把持されている部材３１を該移動量だけ移動させて他の部材３２に組み合わせる。
【００６３】
具体的には、相互に対向する各投影光像ｓ１、ｓ２の一端の位置を把握し、各投影光像ｓ１、ｓ２の一端が相互に接近して直線状に接合するのに必要な移動量を求めて、部材３１を該移動量だけ移動させて他の部材３２に組み合わせる。各部材３１、３２が組み合わせられると、各投影光像ｓ１、ｓ２の一端が直線状に接合する。
【００６４】
また、各部材３１、３２の位置関係が完全に一致しているときの各投影光像ｓｔ１、ｓｔ２を予め求めて記憶しておき、この記憶している各投影光像ｓｔ１、ｓｔ２と撮像画面上の各投影光像ｓｔ１、ｓｔ２とを比較することにより各部材３１、３２の位置ずれを検出する。
【００６５】
図１３では、１つの位置合わせ装置３０だけを設置しているが、２つ以上の位置合わせ装置３０を多軸機構部７の連結部４０に設置して、各部材３１、３２の複数箇所を位置合わせする様にしても良い。この場合は、各部材３１、３２の縦横の側面の位置を把握しつつ、多軸機構部７による把持機構部５の移動を行って、各部材３１、３２の縦横の位置合わせを行うことができる。
【００６６】
また、位置合わせ検出装置として、スリット光を用いた方法を提案したが、これに限定されるわけではない。いろいろな位置合わせ検出装置を適用することができるが、複雑な形状をした機構にも対応できるように位置合わせ検出装置は、ハンド装置と分離して設置するのではなく、把持機構５にできるだけ近い位置に設置した方がよい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明のハンド装置の一実施形態を示す側面図である。
【図２】図１のハンド装置における多軸機構部及び把持機構部を示す側面図である。
【図３】図２の多軸機構部における第１支持機構を示す斜視図である。
【図４】図２の多軸機構部における第２支持機構を示す斜視図である。
【図５】図２の多軸機構部における超音波モーターを示す側面図である。
【図６】図２の多軸機構部における超音波モーターによる駆動を説明するために用いた側面図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は、図２の多軸機構部における超音波モーターに適用し得る高分子アクチュエータを示す斜視図である。
【図８】図２の多軸機構部における各超音波モーターの配置位置を示す平面図である。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は、図２の多軸機構部におけるベース部の平面に沿う把持機構部の移動を示す側面図である。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は、図２の多軸機構部におけるベース部の曲面に沿う把持機構部の移動を示す側面図である。
【図１１】図２の多軸機構部におけるベース部の曲面上の把持機構部の自転を示す平面図である。
【図１２】図２の多軸機構部におけるベース部の曲面に描かれた複数の円及び直線を示す平面図である。
【図１３】図２の多軸機構部における連結部に搭載された位置合わせ装置を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６８】
１ ハンド装置
２ 土台
３ａ、３ｂ、３ｃ 関節
４ａ、４ｂ、４ｃ 駆動源
５ 把持機構部
６ アーム部
７ 多軸機構部
８ａ、８ｂ リンク棒
９ａ、９ｂ 指
１９ 基板
２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ 振動体
２３ 振動子
３０ 位置合わせ装置
３３ 演算制御装置
４０ 連結部
４１ ベース部
４２ 第１支持機構
４３ 第２支持機構
４４ 第１超音波モーター
４５ 第２超音波モーター
Ｓ１、Ｓ２ センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーム部と、部材を把持する把持機構部と、前記アーム部の先端に前記把持機構部を連結する多軸機構部とを備え、前記多軸機構部により前記把持機構部の向き及び位置を変えるハンド装置において、
前記多軸機構部は、
前記アーム部の先端及び前記把持機構部間に介在し、両者間に設定された平面及び曲面に沿って該把持機構部をスライド可能に支持するベース部と、
前記アーム部の先端に対する前記ベース部並びに前記把持機構部のスライドを前記平面及び曲面の一方に沿って行う第１超音波モーターと、
前記ベース部に対する前記把持機構部のスライドを前記平面及び曲面の他方に沿って行う第２超音波モーターとを備えることを特徴とするハンド装置。
【請求項２】
前記第１及び第２超音波モーターは、振動子と、この振動子により振動され前記平面及び曲面のいずれかに当接する振動体とを備えることを特徴とする請求項１に記載のハンド装置。
【請求項３】
前記振動子は、圧電素子であることを特徴とする請求項２に記載のハンド装置。
【請求項４】
前記振動子は、高分子アクチュエータであることを特徴とする請求項２に記載のハンド装置。
【請求項５】
前記平面及び曲面には複数の線が描かれており、該平面及び曲面に沿ってスライドする箇所には前記平面及び曲面に描かれた線を検出するセンサを設けたことを特徴とする請求項１に記載のハンド装置。
【請求項６】
２つの部材の相対的な位置もしくは姿勢を検出する位置検出手段と、
前記位置検出手段により検出された前記各部材の相対的な位置もしくは姿勢に基づき前記多軸機構部の第１及び第２超音波モーターを駆動制御して、前記把持機構部の向き及び位置を制御する制御手段とを備え、
前記把持機構部により前記各部材の一方を把持し、前記制御手段により前記多軸機構部の第１及び第２超音波モーターを制御して、前記把持機構部の向き及び位置を制御し、該各部材の位置合わせを行うことを特徴とする請求項１に記載のハンド装置。
【請求項７】
前記位置検出手段は、
２つの部材にそれぞれのスリット光を照射して、これらのスリット光を該各部材に跨って投影する複数のスリット光投影手段と、
前記各スリット光投影手段から照射されているそれぞれのスリット光を移動もしくは振動させるスリット光駆動手段と、
前記各部材に投影されているそれぞれのスリット光の投影光像を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された各スリット光の投影光像に基づいて前記各部材の相対的な位置もしくは姿勢を求める演算手段とを備えることを特徴とする請求項６に記載のハンド装置。
【請求項１】
アーム部と、部材を把持する把持機構部と、前記アーム部の先端に前記把持機構部を連結する多軸機構部とを備え、前記多軸機構部により前記把持機構部の向き及び位置を変えるハンド装置において、
前記多軸機構部は、
前記アーム部の先端及び前記把持機構部間に介在し、両者間に設定された平面及び曲面に沿って該把持機構部をスライド可能に支持するベース部と、
前記アーム部の先端に対する前記ベース部並びに前記把持機構部のスライドを前記平面及び曲面の一方に沿って行う第１超音波モーターと、
前記ベース部に対する前記把持機構部のスライドを前記平面及び曲面の他方に沿って行う第２超音波モーターとを備えることを特徴とするハンド装置。
【請求項２】
前記第１及び第２超音波モーターは、振動子と、この振動子により振動され前記平面及び曲面のいずれかに当接する振動体とを備えることを特徴とする請求項１に記載のハンド装置。
【請求項３】
前記振動子は、圧電素子であることを特徴とする請求項２に記載のハンド装置。
【請求項４】
前記振動子は、高分子アクチュエータであることを特徴とする請求項２に記載のハンド装置。
【請求項５】
前記平面及び曲面には複数の線が描かれており、該平面及び曲面に沿ってスライドする箇所には前記平面及び曲面に描かれた線を検出するセンサを設けたことを特徴とする請求項１に記載のハンド装置。
【請求項６】
２つの部材の相対的な位置もしくは姿勢を検出する位置検出手段と、
前記位置検出手段により検出された前記各部材の相対的な位置もしくは姿勢に基づき前記多軸機構部の第１及び第２超音波モーターを駆動制御して、前記把持機構部の向き及び位置を制御する制御手段とを備え、
前記把持機構部により前記各部材の一方を把持し、前記制御手段により前記多軸機構部の第１及び第２超音波モーターを制御して、前記把持機構部の向き及び位置を制御し、該各部材の位置合わせを行うことを特徴とする請求項１に記載のハンド装置。
【請求項７】
前記位置検出手段は、
２つの部材にそれぞれのスリット光を照射して、これらのスリット光を該各部材に跨って投影する複数のスリット光投影手段と、
前記各スリット光投影手段から照射されているそれぞれのスリット光を移動もしくは振動させるスリット光駆動手段と、
前記各部材に投影されているそれぞれのスリット光の投影光像を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された各スリット光の投影光像に基づいて前記各部材の相対的な位置もしくは姿勢を求める演算手段とを備えることを特徴とする請求項６に記載のハンド装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００７−１２５６２４（Ｐ２００７−１２５６２４Ａ）
【公開日】平成１９年５月２４日（２００７．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３１８４９２（Ｐ２００５−３１８４９２）
【出願日】平成１７年１１月１日（２００５．１１．１）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ハーモニックドライブ
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月２４日（２００７．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月１日（２００５．１１．１）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ハーモニックドライブ
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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