CN100415461C - 机器人抓持控制装置及机器人抓持控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明在从机器人将抓持物体交给人时实时进行抓持力控制，像人与人相互递交物品那样实现机器人手部的控制。在机器人手臂(101)上设置构成抓持物品的机构的机器人手部(102)及检测作用于前述机器人手部(102)的力的力传感器(103)，在前述机器人手部(102)抓持了物品的状态下，在用力传感器(103)检测的作用于机器人手部(102)的力产生发化时，利用抓持力控制手段(108)输出释放机器人手部(102)抓持物品的力的信号即释放指令，能够像人与人相互递交物品那样取走机器人抓持着的物品。

Description

机器人抓持控制装置及机器人抓持控制方法

本申请是申请日为2003年10月29日、申请号为200310104676.7、发明名称为“机器人抓持控制装置及机器人抓持控制方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及对机器人抓持手段的抓持力进行控制的机器人抓持控制装置及机器人手部抓持控制的机器人抓持控制方法，使得在从外部有力作用于机器人抓持的物品时，典型的情况是想利用人力取走抓持的对象物体时，对该情况进行识别，并释放机器人的抓持手段。

背景技术

当今实际上在很多领域中，利用机器人让它们抓持物品，并让它们完成某一种工作。例如，在工厂的产品自动组装流水线上零部件的抓持搬运。自动化仓库中的库存物品的搬运及管理等，这样的例子举不胜举。

这样的工业机器人中，对抓持所要求的一项重要技术是控制抓持力的技术，以使得不掉下抓持的物品。例如，在机器人手部的指尖预先设置检测抓持对象物体滑动的传感器，在用该传感器检测出抓持对象物体产生滑动时，利用抓持力控制装置将手指的抓持力增加规定数量。通过这样，能够以不掉下抓持物体的最低限度的抓持力可靠地抓持(例如参照专利文献1)。

这些以往的抓持控制技术的主要用途是产业用的，是为了正确进行根据先决定的程序抓持物品并使它移动后释放这样的作业所必须的技术。

另一方面。近年来面向与人们共存并同时协助人们生活这样的目标，正积极进行仿人型机器人的开发。

仿人型机器人开发的主要目的之一是探索与人们共存的可能性，这是与以往的工业机器人的一个很大的不同。

为了与人们共存，不可缺少的是要实现与人的相互作用，为此除了用软件能够实现人的识别及语音对话等功能以外，还必须加上用硬件能够实现的功能。所谓硬件实现的相互作用，例如有与人握手的功能或将抓持的物品与人互相交换的功能。

[专利文献1]

日本专利特开平4-189484号公报(第4页左下栏第14行～右下栏第1行，第5图)。

但是，作为机器人与人的相互作用的例子，即机器人将抓持的物品交给人时对机器人手部抓持力的控制，却难以采用专利文献1所述的技术。这是由于，若人们想要取走机器人抓持的物品，则机器人为了不使抓持物品被取走，而进行控制，使得抓得更紧。因而，有的情况下会引起使抓持物品破损等问题。

另外，在以往的仿人型机器人中，虽然具有抓持物品的功能，但对于从机器人将抓持物体交给人的功能，并不需要实时的抓持控制，而不过仅仅是用非常简单的方法来实现。例如，采用的方法是，将模仿人手的机器人手部的手掌朝上，释放机器人手部，将抓持物体放在手掌上，在处于随时都能取得抓持物体的状态之后，再让人去取。因而，不具有与人实现硬件相互作用的功能。

本发明正是为了解决这样的问题，目的在于提供实现机器人手部控制的机器人抓持控制装置及机器人抓持控制方法，使得人与机器人如同人们相互之间那样，作为实现进行实时相互作用的一项硬件控制技术，是在从机器人将抓持物体交给人时，实时进行抓持力的控制，就像人与人交换物品那样。

另外，目的在于提供在有外力作用于机器人手部抓持的物品时，能够识别外力是由人想要取走物品而产生的力还是除此以外的力的机器人抓持控制装置及机器人抓持控制方法。

发明内容

为了解决该问题，本发明的机器人抓持控制装置包含构成抓持物品的机构的机器人手部、检测作用于所述机器人手部的力的力传感器、以及在所述机器人手部抓持物品并检测的作用于所述机器人手部的力变化时输出将所述机器人手部释放的信号即释放指令的抓持力控制手段，这样能够在机器人每次动作时不对机器人发出抓持释放的指令，而人能够取走机器人抓持的物品。

本发明的第一形态涉及的发明是机器人抓持控制装置，它包含构成抓持物品的机构并检测作用于抓持物体的外力的抓持手段。在所述外力的变化值为预定的阈值以上(含阈值)时推断所述外力变化值主要原因的抓持物体外力推断手段、以及根据所述推断结果输出使所述抓持的抓持力放松的抓持力放松信号或使所述抓持手段的所述抓持力增强的抓持力增强信号的抓持力控制手段，它具有的作用是，根据作用于抓持物体的外力，识别是由人想要取走物品而产生的力，还是除此以外的力，通过这样不将抓持释放的指令从外部明确提供给机器人，而人却能够取走机器人抓持的物品。

本发明的第二形态涉及的发明是在第一形态的机器人抓持控制装置中，抓持物体外力推断手段在外力变化值为预定的阈值以上(含阈值)时，推断为是要释放抓持物体，再有所述抓持物体外力推断手段在抓持手段将所述抓持物体释放后检测出因所述抓持物体落体运动而产生的重力方向的动摩擦力时，推断为不是递交所述抓持物体，它具有的作用是，根据作用于抓持物体的外力，能够识别是由人想要取走物品而产生的力，还是除此以外的力。

本发明的第三形态涉及的发明是在第一形态的机器人抓持控制装置中，抓持物体外力推断手段在外力变化值为预定的阈值以上(含阈值)，而且使抓持手段向与所述外力作用的方向不同的至少一个方向移动，所述抓持手段检测出反作用力时，推断为是递交所述抓持物体，它具有的作用是，在对机器人抓持的物品加上外部作用力时，对某一个方向故意加上力，根据对该力是否有反作用力，能够确认是否是取走物品。

本发明的第四形态涉及的发明是在第一或第二形态的机器人抓持控制装置中，抓持手段是包含构成抓持物品的机构的机器人手部及检测作用于抓持物体的外力的力传感器而构成的，抓持物体外力推断手段在推断为是要求释放抓持物体时，抓持力控制手段将抓持力放松信号输出给所述机器人手部，所述机器人手部放松抓持力，所述抓持物体外力推断手段在推断为不是递交抓持物体时，所述抓持力控制手段将增强所述抓持力的抓持力增强信号输出给所述机器人手部，它具有的作用是，根据作用于抓持物体的外力，能够识别是由人想要取走物品而产生的力，还是除此以外的力。

本发明的第五形态涉及的发明是在的第一或第三形态的机器人抓持控制装置中，抓持手段是包含构成抓持物品的机构的机器人手部、检测外力的力传感器、安装有所述机器人手部的机器人手臂、以及控制所述机器人手臂动作的手臂控制手段而构成的，所述手臂控制手段在作用于所述机器人手部的外力的变化值为预定的阈值以上(含阈值)时，使所述机器人手臂向与所述外力作用的方向不同的至少一个方向移动，抓持力控制手段再在所述机器人手臂移动后，在所述力传感器检测出反作用力，再在抓持物体外力推断手段推断为是递交所述抓持物体时，将抓持力放松信号输出给机器人手部，它具有的作用是，在对机器人抓持的物品加上外部作用力时，对某一个方向故意加上力，根据对该力是否有反作用力，能够确认是否是取走物品。

本发明的第六形态涉及的发明是机器人抓持控制装置，它具有包含多个关节及检测所述关节旋转角的关节角传感器的机器人手臂、安装在所述机器人手臂上并抓持物品的机器人手部、以及在输入将所述物品释放的释放指令而且检测的所述关节旋转角产生变化时将抓持力释放信号输出给所述机器人手部的抓持力控制手段，它具有的作用是，在对机器人抓持的物品加上外部作用力时，根据关节是否运动，能够确认是否是取走物品。

本发明的第七形态涉及的发明是在第六形态的机器人抓持控制装置中，还包含控制机器人手臂动作的手臂控制手段，在对机器人手部输入抓持力放松信号时，所述手臂控制手段使关节的刚性降低，它具有的作用是，由于在对机器人抓持物品加上外部作用力时，即使是较弱的力关节也动作，因此能够防止因外部作用力而损坏机器人关节的情况。

本发明的第八形态涉及的发明是在第七形态机器人抓持控制装置中，还包含在关节刚性降低时引起外部注意的报警器，它具有的作用是，利用该报警器，人能够知道机器人去掉了机器人手臂的力，能够防止在机器人手臂关节处于高刚性状态下，没有注意想取走物品而对关节加上负荷导致机器人关节损坏的情况。

本发明的第九形态涉及的发明是在第一至第八形态的任一形态所述的机器人抓持控制装置中，还包含在放松机器人手部的抓持力时引起外部注意的报警器，它具有的作用是，在取走机器人手部抓持着的物品时，容易知道最好在什么时候抓住所述物品。

本发明的第十形态涉及的发明是机器人抓持控制方法，它包含检测作用于构成抓持物品的机构的抓持手段所抓持的物体的外力的第一步骤、将所述外力的变化值与预定的阈值进行比较的第二步骤、在所述外力的变化值为所述阈值以上(含阈值)时推断所述外力变化值主要原因的第三步骤、以及根据所述第三步骤的推断结果输出使所述抓持手段的抓持力放松的抓持力放松信号或使所述抓持手段的抓持力手段的所述抓持力增强的抓持力增情信号的第四步骤，它具有的作用是，不将抓持释放的指令提供给机器人，而人能够取走机器人抓持的物品。

本发明的第十一形态涉及的发明是在第十形态的机器人抓持控制方法中，第三步骤在外力变化值为预定的阈值以上(含阈值)时，推断为是要求释放抓持物体，再有在抓持手段将所述抓持物体释放后检测出因所述抓持物体落体运动而产生的重力方向的动摩擦力时，推断为不是递交所述抓持物体，第四步骤将使抓持手段的抓持力放松的抓持力放松信号输出，它具有的作用是，在取走以外的外力作用于机器人抓持着的物品，并且因此释放机器人手部而要使物品落下时，能够识别这种情况并防止物品落下。

本发明的第十二形态涉及的发明是在第十形态的机器人抓持控制方法中，第三步骤在外力变化值为预定的阈值以上(含阈值)，而且使抓持手段向与所述外力作用的方向不同的至少一个方向移动，所述抓持手段检测出反作用力时，推断为是递交所述抓持物体，第四步骤将增强抓持力的抓持力增强信号输出给所述抓持手段，它具有的作用是，在外力作用于机器人抓持着的物品时，对一个方向故意加上力，根据对该力是否有反作用力，能够确认是否是取走物品。

本发明的第十三形态涉及的发明是机器人抓持控制方法，它包含设置在构成抓持物品的机构的机器人手部上的力传感器检测作用于抓持物体的外力的第一步骤、将所述外力的变化值与预定的阈值进行比较的第二步骤。在所述外力的变化值为所述阈值以上(含阈值)时推断所述外力变化值主要原因的第三步骤、在作用于所述机器人手部的外力的变化值为预定的阈值以上(含阈值)时使安装了所述机器人手部的机器人手臂向与所述外力作用的方向不同的至少一个方向移动的第四步骤、在所述机器人手臂移动后所述力传感器检测出反作用力时推断为是递交抓持物体的第五步骤、以及在所述第五步骤的推断结果为是递交抓持物体时将抓持力放松信号输出给所述机器人手部的第六步骤，它具有的作用是，在取走以外的外力作用于机器人抓持着的物品、并且因此释放机器人手部而要使物品落下时，能够识别这种情况并防止物品落下。

本发明的第十四形态涉及的发明是机器人抓持控制方法，它是在包含多个关节及检测所述关节旋转角的关节角传感器的机器人手臂上安装抓持物品的机器人手部，具有在对机器人手部输入释放所述物品的释放指令而且所述关节旋转角产生变化时将抓持力放松信号输出给所述机器人手部的步骤，它具有的作用是，在对机器人抓持的物品加上外力作用力时，根据关节是否运动，能够确认是否是取走物品。

本发明的第十五形态涉及的发明是在第十四形态的机器人抓持控制方法中，还包含控制机器人手臂的动作而且在对机器人手部输入抓持力放松信号时使关节的刚性降低的步骤，它具有的作用是，由于在对机器人抓持着的物品加上外部作用力时，即使是较弱的力关节也动作，因此能够防止因外部作用力而损坏机器人关节的情况。

本发明的第十六形态涉及的发明是在第十五形态的机器人抓持控制方法中，还包含在关节刚性降低时引起外部注意的步骤，它具有的作用是，利用该报警器，人能够知道机器人减少了机器人手臂的力，能够防止在机器人手臂关节处于高刚性状态下，没有注意想取走物品而对关节加上负荷导致机器人关节损坏的情况。

本发明第十七形态涉及的发明是在第十至第十六形态的任一形态所述的机器人抓持控制方法中，还包含在放松机器人手部的抓持力时引起外部注意的步骤，它具有的作用是，在取走机器人手部抓持着的物品时，容易知道最好在什么时候抓住所述物品。

根据本发明的机器人抓持控制装置及机器人抓持控制方法，由于机器人本身对人想要取走机器人抓持着的物品的情况自主进行判断，因此在人抓住并想要取走用机器人手部抓持着的物品时，能够理解人的这种操作，不会增强抓持力而抓碎物品，就像人将物品亲手交给别人那样，实现放松抓持力的控制。

另外，在判断为是人想要取走机器人抓取着的物品时，能将该结果利用报警手段通知，可更放心地取得物品。

附图说明

图1所示为根据本发明实施形态1的机器人抓持控制装置的构成方框图。

图2所示为根据本发明实施形态1的利用重力补偿手段计算出作用于物体的外力的方法的示意图。

图3所示为根据本发明实施形态1的存储器内容。

图4(a)及(b)所示为根据本发明实施形态1的机器人手部上设置的传感器的平面剖视图。

图5(a)所示为根据本发明实施形态1的抓持物品的机器人抓持控制装置接触壁面的状态的立体图，(b)所示为根据本发明实施形态1的抓持物品的机器人抓持控制装置一部分平面图。

图6所示为根据本发明实施形态1的机器人抓持控制装置的处理流程图。

图7所示为根据本发明实施形态1的机器人抓持控制装置的处理流程图。

图8所示为根据本发明实施形态2的机器人抓持控制装置的处理流程图。

图9所示为根据本发明实施形态3的机器人抓持控制装置的构成侧视图。

符号说明：

101、 902机器人手臂

102、 901机器人手部

103、 力传感器

104、 重力补偿手段

105、传感器变量测量手段

106、物品抓持判断手段

107、物品释放判断手段

108、抓持力控制手段

109、释放指令识别手段

110、报警手段

111、手臂控制手段

112、关节角传感器

113、抓持手段

114、抓持物体外力推断手段

401、压觉传感器

402、发光元件

403、受光元件

501、904物品

502、壁面

903、机器动物

具体实施方式

下面利用附图说明本发明的实施形态。

实施形态1

图1所示为本发明的机器人抓持控制装置的构成方框图。在图1中，机器人手臂101是作为机器人的胳膊的机器人手臂101，机器人手部102安装在机器人手臂101上，具有抓持物品的机构。机器人手臂101上设置关节角传感器112，另外在机器人手部102上设置力传感器103。

力传感器103是检测作用于它的力的传感器，在本发明中，设置在机器人手部102上，是检测作用于机器人手部102的力的传感器。

作为力传感器103有各种各样的方式，例如可以使用由应变片进行检测的传感器。检测力矩的传感器、检测滑动摩擦的传感器。

关节角传感器112代表性的是利用光学旋转编码器检测绝对角度或相对角度的传感器。所谓旋转编码器是由带窄缝的旋转板及固定板、发光元件、受光元件等构成，在旋转板旋转时，对透过旋转板及固定板的窄缝的光脉冲进行计数，计算出旋转角。

重力补偿手段104是从力传感103检测的力中，去掉加在抓持物体上的重力分量及由于机器人手臂101的运动而产生的惯性力、离心力及哥氏力等，计算出人要取走物体的作用于物体的外力。

传感器值变量测量手段105是每隔规定的时间间隔测量传感器103及关节角传感器112的传感器值的手段，物品抓持判断手段106判断机器人手部102是否抓持着物品。抓持释放判断手段107根据下述的两种状况，一个是作为传感器值变量测量手段105的测量结果，利用力传感器103得到的传感器值有无变化信息，另一个是在物品抓持判断手段106的判断中，利用机器人手部1 02有无抓持物品，然后来判断是否减弱机器人手部102的抓持力，在要减弱的情况下，将抓持力放松信号送出给后面说明的抓持力控制手段108。

抓持力控制手段108接受来自抓持释放判断手段107的信号、重力补偿手段104的信号及来自释放指令识别手段109的信号，根据这些信号的内容，输出控制机器人手部102的抓持力的信号。释放指令识别手段109识别来自外部的机器人手部102的释放指令。

报警手段110在抓持力控制手段108将机器人手部102释放时，或者在传感器值变量测量手段105测量出关节角传感器112超过阈值的变量时，进行报警以引起外部注意。手臂控制手段111接受来自关节角传感器112的关节角反馈信号，对驱动机器人手臂101的各关节的电动机等执行机构发出指令，通过这样对安装在机器人手臂101上的机器人手部102进行位置控制或对机器人手臂101所加的力进行力控制。

抓持手段113构成抓持物品的机构，检测作用于抓持物体的外力。抓持物体外力推断手段114在抓持手段113抓持着物品时，在作用于物品的力产生变化的情况下，推断引起前述力的变化的主要原因。

另外，在本实施形态中，抓持手段113是包含机器人手臂101、机器人手部102、关节角传感器112、力传感器103及手臂控制手段111而构成，抓持物体外力推断手段114是包含重力补偿手段104及传感器值变量测量手段105而构成。

这里作为抓持物品时的抓持手段113的控制是与人的动作相同，控制机器人手臂101，将机器人手部102引导至能够抓持物品的场所，然后利用机器人手部102抓持物品。

另外，所谓利用抓持物体外力推断手段114的推断，是在外力作用于机器人手部102抓持着的物品时，识别外力是由人想要取走物品而产生的力，还是除此以外的力。

图2所示为利用重力补偿手段104计算出作用于物体的外力的方法。计算用的计算式能够如下所述进行推导。

这里如图2所示，若设∑₀为基准坐标系，∑_r为固定在机器人手臂101的手指上的坐标系，6维向量fs为力传感器103的检测值(物体加在机器人手臂101的手指上的力)，6维向量fh为人作用于物体的力，6维向量fg为fs与fh在物体重心的合力，则物体的运动方程式为计算式1。

[计算式1]

$M\stackrel{\·}{v}+h=f_g$

这里计算式1中的M、V、h分别用计算式2、计算式3及计算式5表示，另外计算式3中的Tg用计算式4表示。

[计算式2]

$M=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{mE}}_3& O_3\\ O_3& I\end{array}\right]$

[计算式3]

$v={\left[\begin{array}{cc}{\stackrel{\·}{p}}_g^T& {\mathrm{\ω}}^T\end{array}\right]}^T=T_{g}J\stackrel{\·}{q}$

[计算式4]

[计算式5]

$h=\left[\begin{array}{c}m{\left[\begin{array}{ccc}0& 0& -g\end{array}\right]}^T\\ \mathrm{\ω}\×\mathrm{I\ω}\end{array}\right]$

在计算式1～计算式5中，m为物体质量，I为物体重心的惯性张量，Pg为物体重心的位置，ω为绕物体重心点的角速度，q为机器人手臂101的关节变量向量，J为机器人手臂101的雅可比矩阵，⁰Rr为从∑₀向∑_r的旋转矩阵，^rl_g为从∑r来看的物体重心位置，g为重力加速度。

另外，对于作用于物体的力，计算式6的力的平衡式成立。式中，Tg用计算式7表示，另外^rl_h为从∑_r来看的外力作用点的位置。

[计算式6]

$f_s=T_g^T{f}_g+T_h^T{f}_h$

[计算式7]

根据以上的运动方程式及力平衡计算式，从力传感器103的检测值去掉重力、惯性力、离心力及哥氏力分量的由外力产生的分量F为计算式8。

[计算式8]

$F=T_h^T{f}_h=f_s-T_g^T{f}_g$

在抓持物体外力推断手段114中进行的识别处理，即外力作用于机器人手部102抓持着的物品时，识别外力是由人想要取走物品而产生的力还是除此以外的力的一种识别处理中，有一种方法是用该重力补偿手段104的计算结果来进行的。

即，在利用上述计算式补偿的值与重力方向近似一致时，判断为由于是抓持物品像要落下的状态，因此与重力方向一致的动摩擦力起作用，就停止机器人手部102的释放，将使抓持力增加的信号输出给抓持释放判断手段107。

另外，在检测出是除此以外的力时，判断为是人抓持的力，就将进行机器人手部102的释放的信号输出给抓持释放判断手段107。

传感器值变量测量手段105每隔规定的时间间隔测量上述力传感器103及关节角传感器112的传感器值。关于力传感器103的值，输入的是在重力补偿手段104中去掉加在抓持物品上的重力、惯性力及哥氏力之后的值。

这里，本实施形态的机器人手部102的控制是根据力传感器103及关节角传感器112的传感器值的变化量进行的，但若仅根据处理的最小单位时间之差来计算传感器值变量，则在对机器人手部102抓持着的物品从外部加上的力是非常缓慢地增强时，有时由于力传感器103的值变化过小，而不能进行实施释放的控制。因此，在本实施形态中，输入的力传感器103的值一直追溯到过去规定时间，与时刻数据一起存入存储器。

图3以表格形式表示存储器中存储的每个时刻的力传感器103及关节角传感器112的值。t为时刻，t(o)为现在时刻。P为各时刻的力传感器103的值，D为关节角传感器112的值。另外，括弧内的数越大，表示越追溯更过去的值。若追溯过去将传感器的值存储起来，则对机器人手部102抓持着的物品从外部加上的力即使是非常缓慢地增强的情况下，也能够计算出现在时刻的力的值与追溯过去得到的力的值之变化量，能够根据它进行抓持释放的控制。

这样，在规定时间内检测出超过力传感器103及关节角传感器112分别设定的传感器值变化允许量的值的情况下，能够将哪一个传感器引起值的变化的信息送给后面说明的抓持释放判断手段107及报警手段110。

物品抓持判断手段106是判断机器人手部102是否抓持着物品的手段，设置在机器人手部102的内侧，使得在机器人手部102抓持了物品时，物品抓持判断手段106与物品接触。作用物品抓持判断手段106，例如可以使用在机器人手部102与物品的接触面上测量接触压力分布的压觉传感器或设置在机器人手部102的内侧的光传感器。光传感器例如可以通过使用1组或多组将红外线LED等作为光源的发光元件与光电二极管等受光元件的组合而构成。

另外，作为物品抓持判断手段106，无论使用什么样的传感器，当然必须注意在它的设置中不与力传感器103产生干涉。

图4(a)为在机器人手部102的内侧两面设置压觉传感器401的配置图，图4(b)为在机器人手部102的内侧作为光传感器设置了3组发光元件402与受光元件403的配置图。另外，压觉传感器401也可以配置在单侧表面。

释放指令识别手段109是识别来自外部的机器人手部102的释放指令的手段，例如可以使用话筒及语音识别程序。即，人面向设置在机器人上的话筒，用语音发出使机器人手部102释放的内容，例如发出“松开手”等语音，则前述语音识别程序分析该语句的意义，判断发话人要求释放机器人手部102。分别将该释放用的释放指令信号送给后面说明的手臂控制手段111及抓持力控制手段108。

另外，释放指令的判断除了利用话筒及语音识别程序进行以外，也可以例如在机器人上设置使机器人手部102释放用的硬件开关等。

另外，手臂控制手段111接受来自关节角传感器112的关节角反馈信号，对驱动机器人手臂101的各关节的电动机等执行机构发出指令，通过这样对安装在机器人手臂101上的机器人手部102进行位置或对机器人手臂101所加的力进行控制。

另外，释放指令识别手段109在识别为有来自外部的机器人手部102的释放要求时，通过减小控制机器人手臂101的手指位置用的反馈增益的值，能够进行减弱机器人手臂101所述的力进行力控制。

另外，释放指令识别手段109在识别为有来自外部的机器人手部102的释放要求时，通过减小控制机器人手臂101的手指位置用的反馈增益的值，能够进行减弱机器人手臂101的各关节的刚性的处理，然后将通知该情况的信息送至后面说明的报警手段110。

另外，抓持释放判断手段107根据下述的两种状况，一个是作为传感器值变量测量手段105的测量结果，利用力传感器103得到的传感器值有无变化信息，另一个是在物品抓持判断106的判断中，利用机器人手部102有无物持物品，然后来自判断是否减弱机器人手部102的抓持力，在要减弱的情况下，将抓持力放松信号送出给后面说明的抓持力控制手段108。

另外，抓持力控制手段108接受来自抓持释放判断手段107的信号、重力补偿手段104的信号及来自释放指令识别手段109的信号，根据这些信号的内容，输出控制机器人手部102的抓持力的信号。

另外，报警手段110在抓持力控制手段108将机器人手部102释放时，或者在传感器值变量测量手段105测量出关节角传感器112超过阈值的变量时，进行报警以引起外部注意。

另外，报警的内容也可以根据状况而变。另外，报警采用声音或语音等通过听觉的方法、采用LED的闪烁等通过视觉的方法、或将它们混合使用的方法等。

下面详细说明根据以上构成的机器人抓持控制装置的机器人手部102的抓持控制。

本实施形态的利用机器人手部102的抓持控制是在机器人手臂101的关节等处配置力传感器103，用力传感器103检测从外部对抓持物品所加的力，在将抓持物品释放时，根据抽取的力传感器103的值的变化，判断来自外部的力是否是由人产生的。

首先说明的方法是，在因来自外部的力而放松机器人手部102的抓持力以释放抓持物品时，根据物品的移动状态来判断来自外部的力是否是由人而产生的。

图5所示为在由人取走抓持物品以外的状态下检测出力传感器103的值的变化的情况。图5(a)所示的状态是，用机器人手部102抓持了圆柱形物品501的机器人面向壁面502运动，物品501与壁面502接触，图5(b)为从上面来看图5(a)的机器人手部102的平面图。

由图5(a)(b)可知，整个机器人手臂101面向壁面502沿箭头M的方向不断移动，但物品501却不同，由于与壁面502接触，因此设置在机器人手部102的作为力传感器103的压觉传感器401检测出来自壁面502的因物品501与壁面502接触而受到的来自外部的力F。

根据该从壁面502接受的力F，在机器人手部102释放物品501时，根据对物品501是怎样离开机器人手部102所进行测量的结果，判断来自外部的力F是否是由人产生的。即，若来自外部的力F不是人产生的，则随着不断放松机器人手部102的抓持力，利用物理定律则物品501将因重力而落下

图6所示为根据本实施形态的利用物品移动状态进行机器人手部102的抓持控制的处理流程图。

在S201中，利用物品抓持判断手段106判断利用机器人有无抓持物品501。若没有抓持物品501，则由于不需要进行机器人手部102的释放控制，因此直接结束处理。另外，在用机器人手部102抓持着物品501时，进入S202的处理。

在S202中，根据物品501的质量等数据，利用重力补偿手段104去掉加在物品501上的重力、惯性力及哥氏力等外力，力传感器103仅将因人等外部受到的力F送给传感器值变量测量手段105。

在S203中，用传感器值变量测量手段105将送来的力传感器103的值与时刻一起写入存储器。

在S204中，参照存储器，在从现在到规定的过去的期间中，查找力传感器103的值的最小值，在它与现在值之变化量为预定的阈值以上(含阈值)时，将力传感器103的值有变化的信息送给抓持释放判断手段107。在变化量为阈值以下时，由于不需要进行机器人手部102的释放控制，因此直接结束处理。

在S205中，抓持释放判断手段107从传感器值变量测量手段105接受力传感器103的值有变化的信息后，对抓持力控制手段108送出指令其抓持力放松的信号即抓持力放松信号。抓持力控制手段108若接受抓持力放松信号，则首先将信号送至报警手段110，使其进行报警，接受该信号后，报警手段110利用语音或文字显示等，发出“手将松开”等报警信号。接着，使机器人手部102的抓持力放松。

在S206中，若机器人的力传感器103检测出力F，则在S205开始释放机器人手部102。于是，当然抓持物品与机器人手部102因接触而产生的摩擦力减弱。若保持这种状态不变继续减弱抓持力，在减弱到一定程度时，加在物品501上的重力超过摩擦力，物品501开始想要沿垂直方向相对于机器人手部102滑动落下。这种状态即开始减弱机器人手部102的抓持力之后，力传感器103再检测出向下方向的力的情况下，判断为加在物品501上的力是重力引起的，转移至S207，除此以外则结束处理。

在S207中，抓持力控制手段108再次将增强抓持力的抓持力增强信号输出机器人手部102，使得物品501不落下。

如上所述，能够通过利用物品501的移动状态进行机器人手部102的控制。

下面说明在抓持物体外力推断手段114中进行的识别处理，即在外力作用于机器人抓持着的物品501时，识别外力是由人想要取走物品501而产生的力还是除此以外的力的处理。

首先，在机器人的力传感器103检测出来自外部的力F时，稍微加上与该来自外部的力F相反方向的力，在检测出与其相应的反作用力时，则判断为来自外部的力是由人而产生的，则不利用前述的物理定律，而作为模仿人们相互之间亲手转交物品时的自然反应进行处理。即，人在眼睛看不见的状态下想要将物品交给其他人时，比较典型的方法是轻轻地拉回到身边一下，根据有无其反作用力，来确认递交的对方是否已确实抓住物品，让机器人进行与此相同的处理。这里的所谓相反方向的力，没有必要是方向完全相反的力，只要是有相反方向的分量的力即可。

图7所示为根据本实施形态的利用来自外部的反作用力的机器人抓持控制装置的处理流程图。从S301至S304的处理由于与图6的流程图的S201至S204的处理相同，因此省略其说明。

在S305中，若在S304的处理中机器人的力传感器103检测出来自外部的反作用力，则控制机器人手臂101，使得加上与力传感器103所受的力F不同的力。这里作为不同的力，典型的是使用与受到的力相反方向的反力。这里的所谓相反方向没有必要是方向完全相反的方向。

在S306中，对S305的处理，用重力补偿手段104计算力传感器103是否检测出相对于加在机器人手臂101上的力F的反力。

在S307中，若在S306的处理中检测出相对于机器人手臂101有意识地加上的力的反力，则判断为想要从外部抓取机器人手部102抓持着的物品501，并转移至S309的处理。反之，在S307没有检测出反力时，则在S308中立即去掉在S306的处理中机器人手臂101有意识加上的力，结束处理。

在S309中，重力补偿手段104将抓持力放松信号送出给抓持力控制手段108。抓持力控制手段108一接受前述信号，首先将信号送至报警手段110，使其进行报警，接受该信号后，报警手段110利用语音或文字显示等，发出“手将松开”等报警信号。接着，使机器人手部102的抓持力放松，结束处理。

实际上在机器人动作时，图6及图7的流程图处理不是进行一次就结束的，而是每隔规定的单位时间始终进行处理的。这是因为，什么时候取走抓持着的物品501，对于机器人来说是不知道的。由于单位时间取决于引入本处理的机器人是在什么样的状态下使用，因此只要根据状态来决定即可。例如，若是与人交流用而制成的机器人，在假设人要取走机器人抓持着的物品时，很明显单位时间必须采用至少比人抓住并开始拉物品所需要的时间要短的时间。

如上所述的本实施形态，在机器人手部102抓持物品501，而且利用力传感器103检测的作用于机器人手部102的力产生变化时，利用抓持力控制手段108输出的抓持力放松信号，机器人手部102放松抓持力，在这之后在力传感器103检测出因物品501的落体运动而产生的重力方向的动摩擦力时，再增强抓持力。

另外，在安装有机器人手部102的包含多个关节的机器人手臂101，在作用于机器人手部102的力产生变化时，在与作用的力的方向不同的至少一个方向加上力，机器人手部102在机器人手臂101沿至少一个方向移动后，其力传感器103检测出反力时，判断为人想要抓住并取走机器人抓持着的物品501，并使其动作以放松抓持力。因而，在人想要抓住并取走机器人手部102抓持着的物品501时，能够理解人的这种操作，不会增强抓持力而将物品捏碎，就像人将物品亲手交给其他人那样，实现放松抓持力的控制。

实施形态2

本发明的实施形态2是在机器人手臂101的关节处设置关节角传感器112，而且一旦将人接下来将取走抓持物品的意思传递给机器人，则机器人放松控制机器人手臂101的力，放松到利用重力等物理力不会运动而若从外部加上力则能自由运动的程度，在从外部拉住抓持物品时，检测出机器人的关节随之而运动的情况，并释放抓持物品。下面用图8说明实施形态2。

图8所示为实施形态2的机器人抓持控制装置的处理流程图。

在S401中，利用物品抓持判断手段106判断利用机器人有无抓持物品。若没有抓持物品，则由于不需要进行机器人手部102的释放控制，因此直接结束处理。在用机器手部102抓持着物品时，进入S402的处理。

在S402中，释放指令识别手段109判断从外部有无释放机器人手部102用的指令，若有机器人手部102的释放指令，则将释放指令信号送给手臂控制手段111及抓持力控制手段108。另外，若没有机器人手部102的释放指令，则直接结束处理。

在S403中，手臂控制手段111若从释放指令识别手段109接收释放指令信号，则降低构成关节的伺服电动机的刚性，使得在人取走时，机器人手臂101的手指容易移动。手臂控制手段111在降低了伺服电动机的刚性后，将通知该情况的信息送给报警手段110。报警手段110接受了该信息，用语音或文字显示发出意味着机器人手臂101的刚性减弱的“手臂的力减少了”等报警信号。

在S404中，传感器值变量测量手段105观测关节角传感器112的测量值，由于若检测出与手指位置的目标值产生偏移，则可以检测出人取走抓持物品，因此在机器人手臂101的关节角传感器1 12的变化量为阈值以上(含阈值)时，将该信息送给抓持释放判断手段107，进入S405的处理。在S404中，前述变化量未达到阈值时，进入S406，注意在S403的处理中降低机器人手臂伺服刚性之后的经过时间，判断是否经过了一定时间。若经过了一定时间，则进入S407，为了将机器人手臂伺服刚性恢复到原来状态，利用报警手段110进行报警，然后恢复到使机器人手臂伺服刚性降低之前的状态，结束处理。若没有经过一定时间，则返回S404的最初状态，重复进行处理。

在抓持释放判断手段107接收了在S404的处理中关节角传感器112的变化量为阈值以上(含阈值)的信息时，进入S405，将指令其抓持力放松的信号即抓持力放松信号送给抓持力控制手段108。抓持力控制手段108若从抓持释放判断手段107接受抓持力放松信号，则首先将信号送至报警手段110，使其进行报警，接受该信号后，报警手段110发出“手将松开”等报警信号。接着，使机器人手部102的抓持力放松，结束处理。

在实施形态2中也与实施形态1相同，实际上在机器人动作时，图8的流程图处理不是进行一次就结束的，而是每隔规定的单位时间始终进行处理的。

在实施形态2中，在机器人手臂101的关节处设置关节角传感器112，而且一旦将人接下来将取走抓持物品的意思传递给机器人，则机器放松控制机器人手臂101的力，放松到利用重力等物理力不会运动而若从外部加上力则能自由运动的程度，在从外部拉住抓持物品时，检测出机器人的关节随之而运动的情况，并释放抓持物品。

通过这样，机器人在人想要抓住并取走机器人手部102抓持着的物品时，能够理解人的这种操作，不会增强抓持力而将物品捏碎，就像人将物品亲手交给其他人那样，实现放松抓持力的控制。

实施形态3

实施形态3是将本发明的机器人抓持控制装置适用于仿人型机器人以外情况。

除了实施形态1及2所示的具有一个手臂及利用车轮构成的移动机构的机器人以外。若是具有实施形态1及2所述的抓持手段113作为构成要素的机器人，则本实施形态对于任何形态的机器人都可以适用。例如，也可以适用于具有双臂双腿的仿人型机器人或仅由手臂及手部构成的手臂型机器人。再有，也不限于仿人型，还可以适用于机器动物。

图9为与不具有手部及手臂的机器动物相对应的机器人。机器人手部901是用来抓持物品904的，它相当于机器动物903的嘴。机器人手臂902是用来使机器人手部901移动的，它相当于机器动物903的颈部。

另外，在图9中虽未表示，但与图1的机器人手臂101相同，在机器人手臂902上设置手臂控制手段111及关节角传感器112，在机器人手部901上设置力传感器103。

同样，在图9中虽未表示，但在机器动物903的头部或身体部分配置了图1的重力补偿手段104、传感器值变量测量手段105、物品抓持判断手段106、抓持释放判断手段107、抓持力控制手段108、释放指令识别手段109及报警手段110。

机器人手臂902、手臂控制手段111、关节角传感器112、机器人手部901、力传感器103、重力补偿手段104、传感器值变量测量手段105、物品抓持判断手段106、抓持释放判断手段107、抓持力控制手段108、释放指令识别手段109及报警手段110的构成及动作，由于与实施形态1及实施形态2相同，因此这里的说明省略。

本发明有关的机器人抓持控制装置及机器人抓持控制方法可用于在工厂的产品自动组装流水线上零部件的抓持搬运、自动化仓库中的库存物品的搬运及管理、以及危险场所作业的作业机器人等工业机器人，还可用于与人们共存同时协助人们生活的家用机器人、以及宠物机器人等各种仿人型机器人。

Claims (8)

1. 一种机器人抓持控制装置，其特征在于，具有包含多个关节及检测所述关节旋转角的关节角传感器的机器人手臂、安装在所述机器人手臂上并抓持物品的机器人手部、检测所述关节角传感器的测定值的传感器值变量测量手段、以及在输入将所述物品释放的释放指令而且检测的所述关节角传感器的测定值的变化量在阈值以上时将抓持力放松信号输出给所述机器人手部的抓持力控制手段。

2. 如权利要求1所述的机器人抓持控制装置，其特征在于，还包含控制机器人手臂动作的手臂控制手段，在对机器人手部输入抓持力放松信号时，所述手臂控制手段使关节的刚性降低。

3. 如权利要求2所述的机器人抓持控制装置，其特征在于，还包含在关节刚性降低时引起外部注意的报警手段。

4. 如权利要求1至3的任一项所述的机器人抓持控制装置，其特征在于，还包含在放松抓持力时引起外部注意的报警手段。

5. 一种机器人抓持控制方法，其特征在于，在包含多个关节及检测所述关节旋转角的关节角传感器的机器人手臂上安装抓持物品的机器人手部，该控制方法具有：检测所述关节角传感器的测定值的检测步骤、判定所述检测的关节角传感器的测定值的变化值是否在预定的阈值以上的判定步骤、在对机器人手部输入释放所述物品的释放指令而且所述关节角传感器的测定值的变化值在所述阈值以上时将抓持力放松信号输出给所述机器人手部的步骤。

6. 如权利要求5所述的机器人抓持控制方法，其特征在于，还包含控制机器人手臂的动作而且在对机器人手部输入抓持力放松信号时使关节的刚性降低的步骤。

7. 如权利要求6所述的机器人抓持控制方法，其特征在于，还包含在关节刚性降低时引起外部注意的报警步骤。

8. 如权利要求5至7的任一项所述的机器人抓持控制方法，其特征在于，还包含在放松抓持力时引起外部注意的报警步骤。

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