JP2004167674A - ロボット把持制御装置及びロボット把持制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットから人に把持物を渡す際に把持力の制御をリアルタイムで行い、人と人が物品を授受するかのようにロボットハンドの制御を実現する。
【解決手段】ロボットアーム１０１に物品を把持する機構をなすロボットハンド１０２と、前記ロボットハンド１０２に作用する力を検知する力センサ１０３を設け、前記ロボットハンド１０２が物品を把持した状態で、力センサ１０３で検知したロボットハンド１０２に作用する力が変化した場合に、把持力制御手段１０８によりロボットハンド１０２が物品を把持する力を解放する信号である解放指示を出力し、ロボットの把持している物品を人と人が物品を授受するかのように持ち取ることを可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットが把持する物品に外部から力が作用した場合、典型的には人の力によって把持対象物が取り去られようとした場合に、そのことを認識し、ロボットの把持手段を解放するように、ロボットの把持手段の把持力を制御するロボット把持制御装置及びロボットハンド把持制御ロボット把持制御方法に関する。

ロボットに物品を把持させて何らかの仕事をやらせることは、今日では実に多くの分野で利用されている。例えば、工場での自動製品組み立てラインにおける部品の把持運搬、自動化された倉庫での在庫品の運搬・管理など、その例を挙げるときりがない。

このような産業用のロボットにおいて把持に求められる一つの重要な技術は、把持している物品を落とさないようにするために把持力を制御する技術である。例えば、ロボットハンドの指先に把持対象物の滑りを検出するセンサを設置しておき、把持対象物の滑りがこのセンサで検知された場合は、指の把持力を把持力制御装置により所定量増加する。これにより把持対象物を落とすことなく最小限の把持力で確実に把持できる（例えば、特許文献１参照）。

これら従来の把持制御技術は主な用途が産業用であり、予め決められたプログラムに従って物品を把持し移動させて解放するという作業を正確に行うために必要な技術である。

一方で近年では、人間と共存しながら人間の生活を支援するという目標に向けて、ヒューマノイド型ロボットの開発が盛んに行われている。

さてヒューマノイド型ロボットは、その開発の主な目的の一つが人間との共存の可能性を探ることであり、これが従来の産業用ロボットとの大きな違いの一つである。

人間との共存のためには人間とのインタラクションの実現が不可欠であり、そのためには、人の認識、音声対話などソフトウェアで実現できる機能に加え、ハード的に実現できる機能が必要となる。ハード的なインタラクション機能とは例えば、人間と握手する機能や把持した物品を人間とやりとりする機能である。
特開平４−１８９４８４号公報（第４頁左下欄第１４行〜右下欄第１行、第５図）

しかしながら、ロボットと人間とのインタラクションの例として、ロボットが把持している物品を人に渡す際のロボットハンド把持力の制御に特許文献１に記載された技術を適用することは難しい。なぜならば、ロボットの把持物品を人間が持ち取ろうとすると、ロボットは把持物品を取られないように、更に強く把持するように制御される。従って場合によっては把持物品を破損させてしまうなどの問題が起こりうるからである。

また、従来のヒューマノイド型ロボットでは、物品を把持する機能は備えているものの、ロボットから人に把持物を渡す機能については、リアルタイムでの把持力コントロールを必要としない、非常に単純な方法のみが実現されているにすぎない。例えば、人間の手を模したロボットハンドの手のひらを上に向け、ロボットハンドを解放して把持物を手のひらにのせ、いつでも把持物を取れる状態にしておいてから人に取らせるようにするなど
の方法を採用している。したがって、人間とのハード的なインタラクション機能を備えていない。

本発明はこのような課題を解決するもので、人とロボットがあたかも人間同士のように、リアルなインタラクションを行うことを実現する一つのハードウェア制御の技術として、ロボットから人に把持物を渡す際に把持力の制御をリアルタイムで行い、人と人が物品を授受するかのようにロボットハンドの制御を実現するロボット把持制御装置及びロボット把持制御方法を提供することを目的とするものである。

また、ロボットハンドが把持している物品に外力が作用した場合に、この外力が、人によって物品を持ち取られようとして生じた力か、それ以外の力なのかを識別することができるロボット把持制御装置及びロボット把持制御方法を提供することを目的とするものである。

この課題を解決するために本発明のロボット把持制御装置は、物品を把持する機構をなすロボットハンドと、前記ロボットハンドに作用する力を検知する力センサと、前記ロボットハンドが物品を把持し、検知された前記ロボットハンドに作用する力が変化した場合に、前記ロボットハンドを解放する信号である解放指示を出力する把持力制御手段とを含み、ロボットの動作毎に把持解放の命令をロボットに与えることなく、ロボットの把持している物品を人間が持ち取ることを可能としたものである。

本発明の第１の態様に係る発明は、物品を把持する機構をなし、把持物に作用する外力を検出する把持手段と、前記外力の変化値が予め定めた閾値以上である場合に、前記外力の変化値の要因を推定する把持物外力推定手段と、前記推定結果により前記把持手段の把持力を緩和させる把持力緩和信号又は前記把持手段の前記把持力を強化する把持力強化信号を出力する把持力制御手段とを含むロボット把持制御装置としたものであり、把持物に作用する外力から、人によって物品を持ち取られようとして生じた力か、それ以外の力なのかを識別することで、把持解放の命令を、外部からロボットに、明示的に与えることなく、ロボットの把持している物品を人間が持ち取ることが可能となるという作用を有する。

本発明の第２の態様に係る発明は、第１の態様のロボット把持制御装置において、把持物外力推定手段は、外力の変化値が予め定めた閾値以上である場合に、把持物の解放要求であると推定し、更に、前記把持物外力推定手段は、把持手段が、前記把持物を解放した後に、前記把持物の落下運動により生じる重力方向の動摩擦力を検知した場合に、前記把持物の受け渡しではないと推定するものであり、把持物に作用する外力から、人によって物品を持ち取られようとして生じた力か、それ以外の力なのかを識別することができるという作用を有する。

本発明の第３の態様に係る発明は、第１の態様のロボット把持制御装置において、把持物外力推定手段は、外力の変化値が予め定めた閾値以上であり、前記外力の作用する方向とは異なる少なくとも１つの方向に把持手段を移動させ、前記把持手段が反力を検知した場合に、前記把持物の受け渡しであると推定するものであり、ロボットの把持している物品に外部の力がかかった際に、方向にわざと力をかけ、その力に対しての反力があったかどうかで物品が持ち取られているかどうかを確かめることができるという作用を有する。

本発明の第４の態様に係る発明は、第１または第２の態様のロボット把持制御装置において、把持手段は、物品を把持する機構をなすロボットハンドと、把持物に作用する外力を検知する力センサとを含む構成であり、把持物外力推定手段が、把持物の解放要求を推
定した場合に、把持力制御手段が、把持力緩和信号を前記ロボットハンドに出力し、前記ロボットハンドが、把持力を緩め、前記把持物外力推定手段が、把持物の受け渡しでないと推定した場合に、前記把持力制御手段が、前記把持力を強化する把持力強化信号を前記ロボットハンドに出力するものであり、把持物に作用する外力から、人によって物品を持ち取られようとして生じた力か、それ以外の力なのかを識別することができるという作用を有する。

本発明の第５の態様に係る発明は、第１または第３の態様のロボット把持制御装置において、把持手段は、物品を把持する機構をなすロボットハンドと、外力を検知する力センサと、前記ロボットハンドが取り付けられたロボットアームと、前記ロボットアームの動作を制御するアーム制御手段とを含む構成であり、前記アーム制御手段が、前記ロボットハンドに作用する外力の変化値が予め定めた閾値以上である場合に、前記外力の作用する方向とは異なる少なくとも１つの方向に、前記ロボットアームを移動させ、把持力制御手段は、更に、前記ロボットアームが移動した後に、前記力センサが反力を検知し、更に、把持物外力推定手段が、前記把持物の受け渡しであると推定した場合には、把持力緩和信号をロボットハンドに出力するものであり、ロボットの把持している物品に外部の力がかかった際に、方向にわざと力をかけ、その力に対しての反力があったかどうかで物品が持ち取られているかどうかを確かめることができるという作用を有する。

本発明の第６の態様に係る発明は、複数の関節と、前記関節の回転角を検知する関節角センサとを含むロボットアームと、前記ロボットアームに取り付けられ、物品を把持するロボットハンドと、前記物品を解放する解放指示が入力され、更に、検知された前記関節の回転角に変化が生じた場合に、前記ロボットハンドに把持力緩和信号を出力する把持力制御手段とを有するロボット把持制御装置としたものであり、ロボットの把持している物品に外部の力がかかった際に、関節が動かされたかどうかで物品が持ち取られているかどうかを確かめることができるという作用を有する。

本発明の第７の態様に係る発明は、第６の態様のロボット把持制御装置において、更に、ロボットアームの動作を制御するアーム制御手段を含み、ロボットハンドに、把持力緩和信号が入力された場合に、前記アーム制御手段が、関節の剛性を低下させるものであり、ロボットの把持している物品に外部の力がかかった際に弱い力でも関節が動かされるため、外部の力によってロボットの関節を破壊してしまうことを防ぐことができるという作用を有する。

本発明の第８の態様に係る発明は、第７の態様のロボット把持制御装置において、更に、関節の剛性が低下する場合に、外部に注意を喚起するアラームを含むものであり、このアラームによって人はロボットがロボットアームの力を抜いたことを認識できるようになり、ロボットアームの関節の剛性が高い状態に気づかず物品を持ち取ろうとして、関節に負荷をかけ、ロボットの関節を破壊してしまうことを防ぐことができるという作用を有する。

本発明の第９の態様に係る発明は、第１乃至第８の態様のいずれかのロボット把持制御装置において、更に、ロボットハンドの把持力を緩和する場合に、外部に注意を喚起するアラームを含むものであり、ロボットハンドで把持している物品を持ち取る際に、どのタイミングで前記物品を握れば良いかが容易に分かるようになるという作用を有する。

本発明の第１０の態様に係る発明は、物品を把持する機構をなす把持手段の把持物に作用する外力を検出する第１のステップと、前記外力の変化値が予め定めた閾値と比較する第２のステップと、前記外力の変化値が前記閾値以上である場合に、前記外力の変化値の要因を推定する第３のステップと、前記第３のステップの推定結果により前記把持手段の
把持力を緩和させる把持力緩和信号又は前記把持手段の前記把持力を強化する把持力強化信号を出力する第４のステップとを含むロボット把持制御方法としたものであり、把持解放の命令をロボットに与えることなく、ロボットの把持している物品を人間が持ち取ることが可能となるという作用を有する。

本発明の第１１の態様に係る発明は、第１０の態様のロボット把持制御方法において、第３のステップは、外力の変化値が予め定めた閾値以上である場合に、把持物の解放要求であると推定し、更に、把持手段が、前記把持物を解放した後に、前記把持物の落下運動により生じる重力方向の動摩擦力を検知した場合には、前記把持物の受け渡しではないと推定し、第４のステップは、把持手段の把持力を緩和させる把持力緩和信号を出力するものであり、ロボットの把持している物品に持ち取り以外の外力が作用し、そのためにロボットハンドを解放して物品を落としそうになった際に、それを認識し物品の落下を防ぐことが可能となるという作用を有する。

本発明の第１２の態様に係る発明は、第１０の態様のロボット把持制御方法において、第３のステップは、外力の変化値が予め定めた閾値以上であり、前記外力の作用する方向とは異なる少なくとも１つの方向に把持手段を移動させ、前記把持手段が反力を検知した場合には、前記把持物の受け渡しであると推定し、第４のステップは、把持力を強化する把持力強化信号を前記把持手段に出力するものであり、ロボットの把持している物品に外力が作用した場合に、１つの方向にわざと力をかけ、その力に対しての反力があったかどうかで物品が持ち取られているかどうかを確かめることができるという作用を有する。

本発明の第１３の態様に係る発明は、物品を把持する機構をなすロボットハンドに設置された力センサが把持物に作用する外力を検出する第１のステップと、前記外力の変化値が予め定めた閾値と比較する第２のステップと、前記外力の変化値が前記閾値以上である場合に、前記外力の変化値の要因を推定する第３のステップと、前記ロボットハンドに作用する外力の変化値が予め定めた閾値以上である場合に、前記外力の作用する方向とは異なる少なくとも１つの方向に、前記ロボットハンドが取り付けられたロボットアームを移動させる第４のステップと、前記ロボットアームが移動した後に、前記力センサが反力を検知した場合に、把持物の受け渡しであると推定する第５のステップと、前記第５のステップの推定結果が、把持物の受け渡しである場合に、把持力緩和信号を前記ロボットハンドに出力する第６のステップとを有するロボット把持制御方法としたものであり、ロボットの把持している物品に持ち取り以外の外力が作用し、そのためにロボットハンドを解放して物品を落としそうになった際に、それを認識し物品の落下を防ぐことが可能となるという作用を有する。

本発明の第１４の態様に係る発明は、複数の関節と、前記関節の回転角を検知する関節角センサとを含むロボットアームに物品を把持するロボットハンドが取り付けられ、前記ロボットハンドに前記物品を解放する解放指示が入力され、更に、前記関節の回転角に変化が生じた場合に、前記ロボットハンドに把持力緩和信号を出力するステップとを有するロボット把持制御方法としたものであり、ロボットの把持している物品に外部の力がかかった際に、関節が動かされたかどうかで物品が持ち取られているかどうかを確かめることができるという作用を有する。

本発明の第１５の態様に係る発明は、第１４の態様のロボット把持制御方法において、更に、ロボットアームの動作を制御し、ロボットハンドに、把持力緩和信号が入力された場合に、関節の剛性を低下させるステップを含むものであり、ロボットの把持している物品に外部の力がかかった際に弱い力でも関節が動かされるため、外部の力によってロボットの関節を破壊してしまうことを防ぐことができるという作用を有する。

本発明の第１６の態様に係る発明は、第１５の態様のロボット把持制御方法において、更に、関節の剛性が低下する場合に、外部に注意を喚起するステップを含むものであり、このアラームによって人はロボットがロボットアームの力を抜いたことを認識できるようになり、ロボットアームの関節の剛性が高い状態に気づかず物品を持ち取ろうとして、関節に負荷をかけ、ロボットの関節を破壊してしまうことを防ぐことができるという作用を有する。

本発明の第１７の態様に係る発明は、第１０乃至第１６の態様のいずれかに記載のロボット把持制御方法において、更に、ロボットハンドの把持力を緩和する場合に、外部に注意を喚起するステップを含むものであり、ロボットハンドで把持している物品を持ち取る際に、どのタイミングで前記物品を確実に握れば良いかが容易に分かるようになるという作用を有する。

本発明のロボット把持制御装置及びロボット把持制御方法によれば、ロボットが把持している物品を人間が持ち取ろうとしていることの判断をロボット自身が自律的に行うので、ロボットハンドで把持している物品を人間が掴んで持ち取ろうとした場合に、その人間の操作を理解し、把持力を強めて物品を握り潰してしまうことなく、人間が人間に物を手渡すがごとく、把持力を緩める制御を実現することが可能となる。

また、人間がロボットが掴んでいる物品を持ち取ろうとしていることを判断した場合には、その旨をアラーム手段によって知らせることで、より安心して物品を取ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明のロボット把持制御装置の構成を示すブロック図である。図１において、ロボットアーム１０１はロボットの腕としてのロボットアーム１０１であり、ロボットハンド１０２はロボットアーム１０１に取り付けられ物品を把持する機構を有している。ロボットアーム１０１には関節角センサ１１２が、またロボットハンド１０２には力センサ１０３が配設されている。

力センサ１０３は、それに作用する力を検出するセンサで、本発明においてはロボットハンド１０２に配設され、ロボットハンド１０２に作用する力を検出するセンサである。

力センサ１０３としては様々な方式があるが、例えば、ひずみゲージで検出するもの、トルクを検出するもの、すべり摩擦を検出するものなどを使えばよい。

関節角センサ１１２は、代表的には光学的なロータリエンコーダによって絶対角度や相対角度を検出するものである。ロータリエンコーダとは、スリット付きの回転板と固定板、発光素子、受光素子などから構成され、回転板が回転したときに、回転板と固定板のスリットを透過した光のパルスを計数して回転角を算出するものである。

重力補償手段１０４は、力センサ１０３が検出した力より、把持物体にかかる重力成分やロボットアーム１０１の運動により生じる慣性力、遠心力、コリオリ力などを排除し、人間が物体を受け取ろうとして物体に及ぼす外力を算出する。

センサ値変量測定手段１０５は、力センサ１０３や関節角センサ１１２のセンサ値を所
定の時間間隔で測定するものであり、物品把持判断手段１０６は、ロボットハンド１０２が物品を把持しているかを判断する。把持解放判断手段１０７は、センサ値変量測定手段１０５での測定結果として、力センサ１０３によるセンサ値の変化情報の有無と、物品把持判断手段１０６の判断において、ロボットハンド１０２による物品の把持の有無との２つの状況を踏まえて、ロボットハンド１０２の把持力を弱めるか否かを判断し、弱める場合には、後で説明する把持力制御手段１０８に把持力緩和の信号を送出するものである。

把持力制御手段１０８は、把持解放判断手段１０７からの信号、重力補償手段１０４の信号、解放指示認識手段１０９からの信号を受け、それらの信号の内容を踏まえて、ロボットハンド１０２の把持力を制御する信号を出力する。解放指示認識手段１０９は、外部からのロボットハンド１０２の解放の指示を認識する。
アラーム手段１１０は、把持力制御手段１０８がロボットハンド１０２を解放する場合や、センサ値変量測定手段１０５が関節角センサ１１２の閾値を越える変量を測定した場合に、外部に注意を喚起するアラームを行う。アーム制御手段１１１は、関節角センサ１１２からの関節角のフィードバック信号を受け、ロボットアーム１０１の各関節を駆動するモーター等のアクチュエータに指令を与えることで、ロボットアーム１０１に取り付けられたロボットハンド１０２の位置の制御やロボットアーム１０１に加わる力の制御を行う。

把持手段１１３は、物品を把持する機構をなし、かつ、把持物に作用する外力を検出する。把持物外力推定手段１１４は、把持手段１１３が物品を把持している際に、物品に作用する力が変化した場合に、前記力の変化を引き起こした要因を推論するものである。

なお、本実施の形態では、把持手段１１３は、ロボットアーム１０１、ロボットハンド１０２、関節角センサ１１２、力センサ１０３及びアーム制御手段１１１を含む構成であり、把持物外力推定手段１１４は、重力補償手段１０４及びセンサ値変量測定手段１０５を含む構成である。

ここで、物品を把持する場合の把持手段１１３の制御としては、人間の動作と同様に、ロボットアーム１０１を制御してロボットハンド１０２を物品が把持できる場所まで誘導し、そしてロボットハンド１０２によって物品を把持するものである。

また、把持物外力推定手段１１４による推論とは、ロボットハンド１０２が把持している物品に外力が作用した場合に、外力が、人によって物品を持ち取られようとして生じた力か、それ以外の力なのかを識別するものである。

図２は、重力補償手段１０４にて物体に及ぼす外力を算出する方法を示す図である。算出のための計算式は以下のように導くことができる。

ここで、図２のようにΣ₀は基準座標系とし、Σ_rはロボットアーム１０１の手先に固定された座標系とし、６次元のベクトルであるｆ_sは力センサ１０３の検出値（物体がロボットアーム１０１の手先に加える力）とし、６次元のベクトルであるｆ_hは人間が物体に及ぼす力とし、６次元のベクトルであるｆ_gはｆ_sとｆ_hの物体重心での合成力とすると、物体の運動方程式は（数１）となる。

ここで（数１）におけるＭ、Ｖ、ｈは、それぞれ（数２）、（数３）および（数５）で
、また（数３）におけるＴ_gは（数４）で表される。

（数１）〜（数５）において、ｍは物体の質量、Ｉは物体の重心点における慣性テンソル、ｐ_gは物体の重心点の位置、ωは物体の重心点周りの角速度、ｑはロボットアーム１０１の関節変数ベクトル、Ｊはロボットアーム１０１のヤコビ行列、⁰Ｒ_rはΣ₀からΣ_rへの回転行列、^rｌ_gはΣ_rから見た物体の重心位置、ｇは重力加速度である。

また、物体に働く力に関しては、（数６）の力の釣り合いの式が成り立つ。ここでＴ_gは（数７）で表され、また^rｌ_hはΣ_rから見た外力の作用点の位置である。

以上の運動方程式と、力の釣り合いの計算式とより、力センサ１０３の検出値から重力、慣性力、遠心力、コリオリ力成分を排除した外力による成分Ｆは、（数８）となる。

把持物外力推定手段１１４において行われる識別処理、すなわちロボットハンド１０２が把持している物品に外力が作用した場合に、外力が、人によって物品を持ち取られようとして生じた力か、それ以外の力なのかを識別する処理の一つには、この重力補償手段１０４における計算結果を用いて行う方法がある。

即ち、上記計算式により補償された値が重力方向と略一致する場合には、把持物品を落下しそうな状況であるために重力方向と合致する動摩擦力が作用したと判断し、ロボットハンド１０２の解放を停止し、把持力を増加させる信号を把持解放判断手段１０７に出力する。

一方、それ以外の力が検出された場合には人間が把持したものと判断し、ロボットハンド１０２の解放を行う信号を把持解放判断手段１０７に出力する。

センサ値変量測定手段１０５は、上記の力センサ１０３や関節角センサ１１２のセンサ値を所定の時間間隔で測定する。力センサ１０３については、重力補償手段１０４において把持物品にかかる重力および慣性力およびコリオリ力が排除された力の値が入力される。

ここで、本実施の形態におけるロボットハンド１０２の制御は、力センサ１０３や関節角センサ１１２のセンサ値の変化量に基づいて行っているが、センサ値の変量を処理の最小単位時間の差だけで計算すると、ロボットハンド１０２に把持されている物品に対して外部から加えられる力が、非常にゆっくりと強められる場合には、力センサ１０３の値の変化が小さすぎるため、把持解放の制御が実施されない場合がある。このため、本実施の形態では入力された力センサ１０３の値は、過去の所定の時間まで遡って、時刻データとともにメモリに記憶する。

図３に、メモリに記憶されている時刻毎の力センサ１０３及び関節角センサ１１２の値をテーブル形式で示す。ｔは時刻で、ｔ（０）が現在時刻である。Ｐは各時刻における力センサ１０３の値、Ｄは関節角センサ１１２の値である。また、括弧内の数が大きくなるほど過去に遡ることを示す。過去に遡ってセンサの値を蓄えておけば、ロボットハンド１０２に把持されている物品に対して外部から加えられる力が、非常にゆっくりと強められる場合でも、現在時刻における力の値と過去に遡って得た力の値との変化量が算出でき、それによって把持解放の制御が可能となる。

このようにして、力センサ１０３と関節角センサ１１２で個別に設定されたセンサ値変化の許容量を超える値を所定の時間内において検出した場合に、後で説明する把持解放判断手段１０７とアラーム手段１１０とに、どのセンサで値の変化が起こったかの情報を送ることができる。

物品把持判断手段１０６はロボットハンド１０２が物品を把持しているかを判断するものであり、ロボットハンド１０２が物品を把持した際に、物品把持判断手段１０６と物品とが接触するようにロボットハンド１０２の内側に設置される。物品把持判断手段１０６としては、例えば、ロボットハンド１０２と物品との接触面において接触圧分布を測定する圧覚センサやロボットハンド１０２の内側に設置された光センサが使われる。光センサは、例えば赤外線ＬＥＤなどを光源とする発光素子とフォトダイオードなどの受光素子の
組を一つまたは複数個使うことで構成される。

なお、物品把持判断手段１０６としてどのようなセンサを使う場合でも、その配設において力センサ１０３と干渉することのないように注意する必要があることはいうまでもない。

図４（ａ）は、ロボットハンド１０２の内側の両面に圧覚センサ４０１を配設した図であり、図４（ｂ）は、ロボットハンド１０２の内側に、光センサとして、発光素子４０２と受光素子４０３の組を３つ配設した図である。なお、圧覚センサ４０１の配置は片面でもかまわない。

解放指示認識手段１０９は、外部からのロボットハンド１０２の解放の指示を認識するものであり、例えばマイクと音声認識プログラムが使われる。すなわち人間が音声でロボットに設置されたマイクに向かって、ロボットハンド１０２を解放する内容の発話、例えば「手を離して」などと話しかけると、前記音声認識プログラムがその文の意味を解析し、話しかけた人間がロボットハンド１０２を解放することを要求していると判断する。その解放させるための解放指示信号を、後で説明するアーム制御手段１１１および把持力制御手段１０８にそれぞれ送信する。

なお、解放の指示の判断は、マイクと音声認識プログラムによって行う以外に、例えば、ロボットハンド１０２の解放をさせるための物理的なスイッチをロボットに配設するなどしてもよい。

また、アーム制御手段１１１は、関節角センサ１１２からの関節角のフィードバック信号を受け、ロボットアーム１０１の各関節を駆動するモーター等のアクチュエータに指令を与えることで、ロボットアーム１０１に取り付けられたロボットハンド１０２の位置の制御やロボットアーム１０１に加わる力の制御を行う。

また、解放指示認識手段１０９が、外部からのロボットハンド１０２の解放要求があったと認識した場合に、ロボットアーム１０１の手先位置を制御するためのフィードバックゲインの値を小さくすることで、ロボットアーム１０１の各関節の剛性を弱める処理を行うことができ、その後、後で説明するアラーム手段１１０に、その旨を知らせる情報を送信する。

また、把持解放判断手段１０７は、センサ値変量測定手段１０５での測定結果として、力センサ１０３によるセンサ値の変化情報の有無と、物品把持判断手段１０６の判断において、ロボットハンド１０２による物品の把持の有無との２つの状況を踏まえて、ロボットハンド１０２の把持力を弱めるかを判断し、弱める場合には、後で説明する把持力制御手段１０８に把持力緩和の信号を送出する。

また、把持力制御手段１０８は、把持解放判断手段１０７からの信号、重力補償手段１０４の信号、解放指示認識手段１０９からの信号を受け、それらの信号の内容を踏まえて、ロボットハンド１０２の把持力を制御する信号を出力する。

また、アラーム手段１１０は、把持力制御手段１０８がロボットハンド１０２を解放する場合や、センサ値変量測定手段１０５が関節角センサ１１２の閾値を越える変量を測定した場合に、外部に注意を喚起するアラームを行う。

なお、アラームの内容は、状況に応じて変更しても良い。また、アラームは音や音声など聴覚に訴える方法、ＬＥＤの点滅など視覚に訴える方法、それらをハイブリッドさせた
方法などを用いる。

つぎに、以上の構成のロボット把持制御装置によるロボットハンド１０２の把持制御について、詳細に説明する。

本実施の形態のロボットハンド１０２による把持制御は、ロボットアーム１０１の関節などに力センサ１０３を配置し、外部から把持物品に加えられる力を力センサ１０３で検出し、把持物品を解放する場合に、抽出された力センサ１０３の値の変化から、外部からの力が人間によるものか否かを判断するものである。

まず、外部からの力によりロボットハンド１０２の把持力を緩和し、把持物品を解放する場合に、物品の移動状態から、外部からの力が人間によるものか否かを判断する方法について説明する。

図５は、人間によって把持物品が持ち取られる以外の状況で力センサ１０３の値の変化が検出される場合を示した図である。図５（ａ）は、ロボットハンド１０２で円柱状の物品５０１を把持したロボットが、壁５０２に向かって走行し、物品５０１が壁５０２に接触している状態を示した図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のロボットハンド１０２を上から見た平面図である。

図５（ａ）、（ｂ）から分かるように、ロボットアーム１０１全体が壁５０２に向かって矢印Ｍの方向に移動しているのに対し、物品５０１は壁５０２に当たっているので、ロボットハンド１０２に配設された力センサ１０３としての圧覚センサ４０１が壁５０２からの物品５０１が壁５０２に当たって受ける外部からの力Ｆを検出する。

この壁５０２から受ける力Ｆにより、ロボットハンド１０２が物品５０１を解放する場合に、物品５０１はどのようにロボットハンド１０２から離れていくかを測定した結果に応じて、外部からの力Ｆが人間によるものかを判断するものである。つまり、外部からの力Ｆが人間でなければ、ロボットハンド１０２の把持力を緩めていくにつれて、物品５０１は重力によって落下するという物理法則を利用する。

図６は、本実施の形態による物品の移動状態を用いたロボットハンド１０２の把持制御の処理を示したフローチャートである。

Ｓ２０１にて、ロボットによる物品５０１の把持の有無を物品把持判断手段１０６によって判断する。もし物品５０１を把持していなければ、ロボットハンド１０２解放の制御は不要なので直ちに処理を終了する。また、ロボットハンド１０２で物品５０１を把持している場合はＳ２０２の処理に進む。

Ｓ２０２にて、物品５０１の質量などのデータに基づいて物品５０１にかかる重力、慣性力、コリオリ力などの外力を重力補償手段１０４によって排除し、力センサ１０３は、人などの外部によって受けた力Ｆのみをセンサ値変量測定手段１０５に送る。

Ｓ２０３にて、センサ値変量測定手段１０５では、送られた力センサ１０３の値を時刻と共にメモリに書き込む。

Ｓ２０４にて、メモリを参照し、現在から所定の過去にわたって、力センサ１０３の値の最小値を調べ、それと現在値との変化量が予め定めた閾値以上であった場合に、力センサ１０３値の変化があったという情報を把持解放判断手段１０７に送る。変化量が閾値以下の場合は、ロボットハンド１０２解放の制御は不要なので直ちに処理を終了する。

Ｓ２０５にて、把持解放判断手段１０７は、センサ値変量測定手段１０５から力センサ１０３値の変化があったという情報を受けて、把持力制御手段１０８に把持力の緩和を指示する信号である把持力緩和信号を送出する。把持力制御手段１０８は把持力緩和の信号を受けると、まずアラーム手段１１０にアラームを行うように信号を送り、これを受けてアラーム手段１１０は音声や文字表示などを用いて「手を放します」等のアラームを発する。続いてロボットハンド１０２の把持力を緩和させる。

Ｓ２０６にて、ロボットの力センサ１０３が力Ｆを検出すると、Ｓ２０５でロボットハンド１０２を解放し始める。すると当然のことながら把持物品がロボットハンド１０２との接触による摩擦の力が弱まる。このまま把持力を弱め続け、ある程度弱まった時点で物品５０１にかかる重力が摩擦力を上回り、物品５０１がロボットハンド１０２を滑り鉛直方向に落下し始めようとする。この状態、すなわちロボットハンド１０２の把持力を弱め始めてからのち、さらに力センサ１０３が下向き方向の力を検出した場合、物品５０１にかかる力は重力によるものであると判断してＳ２０７に移行し、それ以外は処理を終了する。

Ｓ２０７にて、把持力制御手段１０８は、物品５０１を落とさないよう再度把持力を強化する把持力強化信号をロボットハンド１０２に出力する。

以上のように、物品５０１の移動状態を用いることによりロボットハンド１０２の制御を行うことができる。

次に、把持物外力推定手段１１４において行われる識別処理、即ちロボットが把持している物品５０１に外力が作用した場合に、外力が、人によって物品５０１を持ち取られようとして生じた力か、それ以外の力なのかを識別する処理について説明する。

まず、ロボットの力センサ１０３が、外部からの力Ｆを検出した時に、その外部からの力Ｆとは反対の方向の力を少しかけて、それに対する反応力が検出された場合は、外部からの力が人間によるものと判断し、前述の物理法則を利用せずに、人間同士が物品を手渡しするときの自然な反応に倣ったものとして処理する。即ち、人間は目の見えない状態で人間へ物品を渡そうとするときに、典型的には一度手元に弱く引っ張り戻すようにし、その反応力の有無により渡す相手が確実に物品を掴んだことを確認するが、これと同じ処理をロボットに行わせる。ここで、反対の方向の力とは、方向が完全に反対方向である必要はなく、反対方向の成分を有する力であればよい。

図７は、本実施の形態による外部からの反応力を用いたロボット把持制御装置の処理の流れを示したフローチャートである。Ｓ３０１からＳ３０４までの処理は図６のフローチャートのＳ２０１からＳ２０４の処理と同じなので説明を省略する。

Ｓ３０５にて、Ｓ３０４の処理でロボットの力センサ１０３が外部からの反応力を検出すると、力センサ１０３で受けた力Ｆとは異なる力を掛けるようにロボットアーム１０１を制御する。ここで、異なる力としては、典型的には受けた力と反対方向の反力が使われる。ここで、反対の方向とは、完全に方向が反対方向である必要はない。

Ｓ３０６にて、Ｓ３０５の処理に対して、力センサ１０３がロボットアーム１０１にかけた力Ｆに対しての反力を検出したかどうかを重力補償手段１０４で計算する。

Ｓ３０７にて、Ｓ３０６の処理でロボットアーム１０１が意図的にかけた力に対しての反力が検出されたら、外部からロボットハンド１０２が把持している物品５０１を掴み取
ろうとしていると判断し、Ｓ３０９の処理に移る。一方、Ｓ３０７で反力が検出されなかった場合は、Ｓ３０８で、Ｓ３０６の処理においてロボットアーム１０１が意図的にかけた力をただちに抜いて処理を終了する。

Ｓ３０９にて、重力補償手段１０４は、把持力制御手段１０８に把持力緩和の信号を送出する。把持力制御手段１０８は前記信号を受けると、まずアラーム手段１１０にアラームを行うように信号を送り、これを受けてアラーム手段１１０は、音声や文字表示などを用いて「手を放します」等のアラームを発する。続いてロボットハンド１０２の把持力を緩和させ、処理を終了する。

実際にロボットが動作しているときは、図６、図７のフローチャートの処理は一度行ったら済むというものではなく、決められた単位時間毎に常に処理される。なぜなら、把持した物品５０１をいつの時点で持ち取られるかはロボットにとって不明だからである。単位時間は、本処理を導入されたロボットが、どのような状況で使われるかに依存するので状況に応じて決めればよい。例えば、人間とのコミュニケーション用に作られたロボットであれば、ロボットの把持している物品を人間が持ち取ることを想定している場合、単位時間は、少なくとも人間が物品を掴んで引っ張り始めるのに要する時間よりも、短い時間にしなくてはならないことは明らかである。

以上から本実施の形態のように、ロボットハンド１０２が物品５０１を把持し、力センサ１０３により検知されたロボットハンド１０２に作用する力が変化した場合に、把持力制御手段１０８から出力される把持力緩和信号により、ロボットハンド１０２が把持力を緩めた後に、物品５０１の落下運動により生じる重力方向の動摩擦力を力センサ１０３が検知した場合は把持力を強化する。
一方、ロボットハンド１０２が取り付けられている複数の関節を含むロボットアーム１０１は、ロボットハンド１０２に作用する力が変化した場合に、作用する力の方向とは異なる少なくとも１つの方向に力を加え、ロボットハンド１０２は、ロボットアーム１０１が少なくとも１つの方向に移動した後に、力センサ１０３が反力を検知した場合に、把持している物品５０１を人間が掴んで持ち取ろうとしていると判断し、把持力を緩めるというように動作させる。したがって、ロボットハンド１０２が把持している物品５０１を人間が掴んで持ち取ろうとした場合に、その人間の操作を理解し、把持力を強めて物品を握り潰してしまうことなく、人間が人間に物を手渡すがごとく、把持力を緩める制御を実現することができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は、ロボットアーム１０１の関節に関節角センサ１１２を設置し、そして人がこれから把持物品を取る旨をロボットに伝えると、ロボットはロボットアーム１０１を制御する力を、重力などの物理力では動かず、しかも外部からの力が掛かると自由に動く程度にまで緩め、外部から把持物品が引っ張られた場合に、それにつられてロボットの関節が動いたことを検出し、把持を解放するものである。以下図８を用いて、実施の形態２について説明する。

図８は、実施の形態２によるロボット把持制御装置の処理の流れを示したフローチャートである。

Ｓ４０１にて、ロボットによる物品の把持の有無を、物品把持判断手段１０６によって判断する。もし物品を把持していなければロボットハンド１０２の解放の制御は不要なので直ちに処理を終了する。ロボットハンド１０２で物品を把持している場合はＳ４０２の処理に進む。

Ｓ４０２にて、ロボットハンド１０２を解放させるための外部からの指示の有無を解放指示認識手段１０９が判断し、もしロボットハンド１０２解放の指示があれば、アーム制御手段１１１及び把持力制御手段１０８に、解放指示信号を送る。一方、もしロボットハンド１０２解放の指示がなければ直ちに処理を終了する。

Ｓ４０３にて、アーム制御手段１１１は、解放指示認識手段１０９から解放指示信号を受信すると、関節を構成するサーボモータの剛性を下げ、人が持ち取る際に、ロボットアーム１０１の手先が容易に移動するようにする。アーム制御手段１１１は、サーボモータの剛性を低下させた後、アラーム手段１１０にその旨を知らせる情報を送信する。アラーム手段１１０は、その情報を受けて、ロボットアーム１０１の剛性が弱まったことを意味する「腕の力を抜きました」等のアラームを、音声や文字表示などを用いて発する。

Ｓ４０４にて、センサ値変量測定手段１０５が、関節角センサ１１２の測定値を観測し、手先位置の目標値とのずれを検知すれば、人が把持部品を持ち取ったことを検知することができるため、ロボットアーム１０１の関節角センサ１１２の変化量が閾値以上である場合は、その情報を把持解放判断手段１０７に送りＳ４０５の処理に進む。Ｓ４０４で前記変化量が閾値未満の場合はＳ４０６に進み、Ｓ４０３の処理でロボットアームサーボ剛性を低下してからの経過時間を見て、一定時間が経過しているかどうかを判断する。もし一定時間が経過していればＳ４０７に進み、ロボットアームサーボ剛性をもとに戻すためのアラームをアラーム手段１１０にて行い、続いてロボットアームサーボ剛性を低下させる前の状態に戻して処理を終了する。一定時間が経過していなければ、Ｓ４０４の最初に戻って処理を繰り返す。

Ｓ４０４の処理で関節角センサ１１２の変化量が閾値以上であるとの情報を把持解放判断手段１０７が受信した場合はＳ４０５に進み、把持力制御手段１０８に把持力の緩和を指示する信号である把持力緩和信号を送出する。把持力制御手段１０８は、把持解放判断手段１０７からの把持力緩和の信号を受けると、まずアラーム手段１１０にアラームを行うように信号を送り、これを受けてアラーム手段１１０は「手を放します」等のアラームを発する。続いてロボットハンド１０２の把持力を緩和させ、処理を終了する。

実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、実際にロボットが動作しているときは、図８のフローチャートの処理は一度行ったら済むというものではなく、決められた単位時間毎に常に処理される。

実施の形態２においては、ロボットアーム１０１の関節に関節角センサ１１２を設置し、そして人がこれから把持物品を取る旨をロボットに伝えると、ロボットはロボットアーム１０１を制御する力を、重力などの物理力では動かず、しかも外部からの力が掛かると自由に動く程度にまで緩め、外部から把持物品が引っ張られた場合に、それにつられてロボットの関節が動いたことを検出し、把持を解放する。

これによりロボットがロボットハンド１０２で把持している物品を人間が掴んで持ち取ろうとした場合に、その人間の操作を理解し、把持力を強めて物品を握り潰してしまうことなく、人間が人間に物を手渡すがごとく、把持力を緩める制御を実現することが可能となる。

（実施の形態３）
実施の形態３は、本発明のロボット把持制御装置を、人間型ロボット以外に適応したものである。

本実施の形態は、実施の形態１及び２に示した１本のアームと車輪による移動機構とを
持つロボット以外に、実施の形態１及び２に記載した把持手段１１３を構成要素としてもつロボットであれば、どのような態様のロボットに対しても応用可能である。例えば、２腕２脚を備えた人間型ロボットや、アームとハンドだけからなる腕型のロボットにも適用可能である。更には、人間型に限らず動物型ロボットにも適用することができる。

図９は、ハンドやアームを持たない動物型のロボットに対応したものである。ロボットハンド９０１は物品９０４を把持するものであり、動物型ロボット９０３の口部に相当する。ロボットアーム９０２は、ロボットハンド９０１を移動させるものであり、動物型ロボット９０３の首部に相当する。

なお、図９に図示していないが、図１におけるロボットアーム１０１と同様に、ロボットアーム９０２にはアーム制御手段１１１及び関節角センサ１１２が設置され、ロボットハンド９０１には力センサ１０３が設置されている。

同様に、図９に図示していないが、図１における重力補償手段１０４、センサ値変量測定手段１０５、物品把持判断手段１０６、把持解放判断手段１０７、把持力制御手段１０８、解放指示認識手段１０９及びアラーム手段１１０は、動物型ロボット９０３の頭部又は胴体部に配置されている。

ロボットアーム９０２、アーム制御手段１１１、関節角センサ１１２、ロボットハンド９０１、力センサ１０３、重力補償手段１０４、センサ値変量測定手段１０５、物品把持判断手段１０６、把持解放判断手段１０７、把持力制御手段１０８、解放指示認識手段１０９及びアラーム手段１１０の構成および動作は、実施の形態１及び実施の形態２と同様であるため、ここでの説明は省略する。

本発明にかかるロボット把持制御装置及びロボット把持制御方法は、工場での自動製品組み立てラインにおける部品の把持運搬、自動化された倉庫での在庫品の運搬・管理、危険な場所における作業用ロボットなどの産業用のロボットや、人間と共存しながら人間の生活を支援する家事ロボット、ペット用ロボットなどの各種のヒューマノイド型ロボットに有用である。

本発明の実施の形態１によるロボット把持制御装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態１による重力補償手段にて物体に及ぼす外力を算出する方法を示す概念図 本発明の実施の形態１によるメモリの内容を示す図 （ａ）、（ｂ）本発明の実施の形態１によるロボットハンドに配設したセンサを示す平面の断面図 （ａ）本発明の実施の形態１による物品を把持したロボット把持制御装置が壁に接触している状態を示す斜視図（ｂ）本発明の実施の形態１による物品を把持したロボット把持制御装置の一部の平面図 本発明の実施の形態１によるロボット把持制御装置の処理を示したフローチャート 本発明の実施の形態１によるロボット把持制御装置の処理を示したフローチャート 本発明の実施の形態２によるロボット把持制御装置の処理を示したフローチャート 本発明の実施の形態３によるロボット把持制御装置の構成を示す側面図

符号の説明

１０１、９０２ ロボットアーム
１０２、９０１ ロボットハンド
１０３ 力センサ
１０４ 重力補償手段
１０５ センサ値変量測定手段
１０６ 物品把持判断手段
１０７ 把持解放判断手段
１０８ 把持力制御手段
１０９ 解放指示認識手段
１１０ アラーム手段
１１１ アーム制御手段
１１２ 関節角センサ
１１３ 把持手段
１１４ 把持物外力推定手段
４０１ 圧覚センサ
４０２ 発光素子
４０３ 受光素子
５０１、９０４ 物品
５０２ 壁
９０３ 動物型ロボット

Claims (17)

1. 物品を把持する機構をなし、把持物に作用する外力を検出する把持手段と、前記外力の変化値が予め定めた閾値以上である場合に、前記外力の変化値の要因を推定する把持物外力推定手段と、前記推定結果により前記把持手段の把持力を緩和させる把持力緩和信号又は前記把持手段の前記把持力を強化する把持力強化信号を出力する把持力制御手段とを含むロボット把持制御装置。
2. 把持物外力推定手段は、外力の変化値が予め定めた閾値以上である場合に、把持物の解放要求であると推定し、更に、前記把持物外力推定手段は、把持手段が、前記把持物を解放した後に、前記把持物の落下運動により生じる重力方向の動摩擦力を検知した場合に、前記把持物の受け渡しではないと推定する請求項１記載のロボット把持制御装置。
3. 把持物外力推定手段は、外力の変化値が予め定めた閾値以上であり、前記外力の作用する方向とは異なる少なくとも１つの方向に把持手段を移動させ、前記把持手段が反力を検知した場合に、前記把持物の受け渡しであると推定する請求項１記載のロボット把持制御装置。
4. 把持手段は、物品を把持する機構をなすロボットハンドと、把持物に作用する外力を検知する力センサとを含む構成であり、把持物外力推定手段が、把持物の解放要求を推定した場合に、把持力制御手段が把持力緩和信号を前記ロボットハンドに出力して前記ロボットハンドの把持力を緩め、前記把持物外力推定手段が、把持物の受け渡しでないと推定した場合に、前記把持力制御手段が前記把持力を強化する把持力強化信号を前記ロボットハンドに出力する請求項１または２記載のロボット把持制御装置。
5. 把持手段は、物品を把持する機構をなすロボットハンドと、外力を検知する力センサと、前記ロボットハンドが取り付けられたロボットアームと、前記ロボットアームの動作を制御するアーム制御手段とを含み、前記アーム制御手段は、前記ロボットハンドに作用する外力の変化値が予め定めた閾値以上である場合に、前記外力の作用する方向とは異なる少なくとも１つの方向に前記ロボットアームを移動させ、把持力制御手段は、前記ロボットアームが移動した後に、前記力センサが反力を検知し、更に、把持物外力推定手段が、前記把持物の受け渡しであると推定した場合には、把持力緩和信号をロボットハンドに出力する請求項１または３記載のロボット把持制御装置。
6. 複数の関節と、前記関節の回転角を検知する関節角センサとを含むロボットアームと、前記ロボットアームに取り付けられ、物品を把持するロボットハンドと、前記物品を解放する解放指示が入力され、更に、検知された前記関節の回転角に変化が生じた場合に、前記ロボットハンドに把持力緩和信号を出力する把持力制御手段とを有するロボット把持制御装置。
7. ロボットアームの動作を制御するアーム制御手段を更に含み、ロボットハンドに、把持力緩和信号が入力された場合に、前記アーム制御手段が、関節の剛性を低下させる請求項６記載のロボットハンド把持制御装置。
8. 関節の剛性が低下する場合に、外部に注意を喚起するアラーム手段を更に含む請求項７記載のロボットハンド把持制御装置。
9. 把持力を緩和する場合に、外部に注意を喚起するアラーム手段を更に含む請求項１ないし８のいずれかに記載のロボットハンド把持制御装置。
10. 物品を把持する機構をなす把持手段の把持物に作用する外力を検出する第１のステップと、前記外力の変化値が予め定めた閾値と比較する第２のステップと、前記外力の変化値が前記閾値以上である場合に、前記外力の変化値の要因を推定する第３のステップと、前記第３のステップの推定結果により前記把持手段の把持力を緩和させる把持力緩和信号又は前記把持手段の前記把持力を強化する把持力強化信号を出力する第４のステップとを含むロボット把持制御方法。
11. 第３のステップは、外力の変化値が予め定めた閾値以上である場合に、把持物の解放要求であると推定し、更に、把持手段が前記把持物を解放した後に、前記把持物の落下運動により生じる重力方向の動摩擦力を検知した場合には、前記把持物の受け渡しではないと推定し、第４のステップは、把持手段の把持力を緩和させる把持力緩和信号を出力する請求項１０記載のロボット把持制御方法。
12. 第３のステップは、外力の変化値が予め定めた閾値以上であり、前記外力の作用する方向とは異なる少なくとも１つの方向に把持手段を移動させ、前記把持手段が反力を検知した場合には、前記把持物の受け渡しであると推定し、第４のステップは、把持力を強化する把持力強化信号を前記把持手段に出力する請求項１０記載のロボット把持制御方法。
13. 物品を把持する機構をなすロボットハンドに設置された力センサが把持物に作用する外力を検出する第１のステップと、前記外力の変化値が予め定めた閾値と比較する第２のステップと、前記外力の変化値が前記閾値以上である場合に、前記外力の変化値の要因を推定する第３のステップと、前記ロボットハンドに作用する外力の変化値が予め定めた閾値以上である場合に、前記外力の作用する方向とは異なる少なくとも１つの方向に、前記ロボットハンドが取り付けられたロボットアームを移動させる第４のステップと、前記ロボットアームが移動した後に、前記力センサが反力を検知した場合に、把持物の受け渡しであると推定する第５のステップと、前記第５のステップの推定結果が把持物の受け渡しである場合に、把持力緩和信号を前記ロボットハンドに出力する第６のステップとを有するロボット把持制御方法。
14. 複数の関節と、前記関節の回転角を検知する関節角センサとを含むロボットアームに物品を把持するロボットハンドが取り付けられており、前記ロボットハンドに前記物品を解放する解放指示が入力され、更に、前記関節の回転角に変化が生じた場合に、前記ロボットハンドに把持力緩和信号を出力するステップとを有するロボット把持制御方法。
15. ロボットアームの動作を制御し、ロボットハンドに、把持力緩和信号が入力された場合に、関節の剛性を低下させるステップを、更に、含む請求項１４記載のロボットハンドの把持制御方法。
16. 関節の剛性が低下する場合に、外部に注意を喚起するステップを更に含む請求項１５に記載のロボットハンドの把持制御方法。
17. 把持力を緩和する場合に、外部に注意を喚起するステップを更に含む請求項１０ないし１６のいずれか記載のロボットハンド把持制御方法。
    

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