JP2005177977A - ロボットハンドの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
ロボットハンドで把持された物体がすべり落ちるのを防ぐ。
【解決手段】
ロボットハンド５０の指部５２のうちの１本には、その先端側の部位にすべりセンサ１が設けてある。すべりセンサ１は指部５２に対する物体Ｘのすべり量に応じたパルス数の検出信号を出力する。制御部４は、検出信号のパルス数をカウントすることで物体Ｘのすべり量を判断し、角度センサ２並びにトルクセンサ３の各センサ出力を参照しながら、すべり量がゼロとなるように駆動部５４を制御してロボットハンド５０の把持力を調整するから、ロボットハンド５０で把持された物体Ｘがすべり落ちるのを防ぐことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体を把持するロボットハンドを制御する制御装置に関するものである。

一般にロボットハンドは、手掌部と、手掌部に設けられた複数の指部と、指部を屈曲自在とする関節機構と、関節機構を駆動する駆動部とを備え、制御装置により駆動部を制御することで指部を屈曲させて物体を把持するものである。ここで、大きさや形状などが不定の多種の物体を把持可能とするために、手掌部や指部に複数の圧力センサを設け、圧力センサの検出結果から手掌部や指部が物体に接触したか否かを判断し、その判断に応じて駆動部を制御する制御装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００１−２８７１８２号公報

ところで、ロボットハンドで物体を把持する場合、物体の形状や表面の状態などによって把持された物体がすべり落ちてしまうことがある。しかしながら、上記従来装置では圧力センサによって手掌部や指部と物体との接触状態を検出しているが、圧力センサでは手掌部や指部に対する物体のすべりを検出することが困難であった。

本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、ロボットハンドで把持された物体がすべり落ちるのを防ぐことができるロボットハンドの制御装置を提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、手掌部と、手掌部に設けられた複数の指部と、指部を屈曲自在とする関節機構と、関節機構を駆動する駆動部とを備え、指部を屈曲させることで物体を把持するロボットハンドを制御する制御装置であって、手掌部又は指部に設けられて物体との接触状態を検出する検出手段と、検出手段の検出結果に応じて駆動部を制御する制御手段とを備え、検出手段は、物体に光を照射する光源、物体の光が照射された部位の画像情報を取り込むイメージセンサ、イメージセンサで取り込んだ画像情報の差分に基づいてロボットハンドに対する物体の相対的な移動量を演算する演算手段を具備することを特徴とする。

この発明によれば、ロボットハンドに対する物体の相対的な移動量、すなわち、手掌部や指部に対する物体のすべりを検出手段で検出しているから、検出手段の検出結果に応じて制御手段が駆動部を制御することにより、ロボットハンドで把持された物体がすべり落ちるのを防ぐことができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、検出手段は、イメージセンサに光を集光するレンズを具備し、演算手段は、画像情報の差分の時間的変化からレンズの焦点と物体の位置との一致・不一致を判断して手掌部又は指部と物体との接触を検出することを特徴とする。

この発明によれば、物体のすべりを検出する検出手段で手掌部又は指部と物体との接触を検出するため、すべりと接触の検出を同じ検出手段で兼用できるために構成の簡略化が図れるとともに手掌部又は指部への取付スペースの確保が容易である。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、光源、イメージセンサ並びにレンズを保持する保持部材と、保持部材の物体と対向する面に設けられて光源、イメージセンサ並びにレンズを保護する保護部材とを具備し、保護部材の表面に光触媒層を形成したことを特徴とする。

この発明によれば、保護部材の表面に形成した光触媒層で汚れを分解して除去することができ、保護部材の汚れによって検出手段が誤検出したり検出不能となるのを防止できる。

請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項の発明において、画像情報のコントラストが高くなるように、光源から照射する光の輝度を調整する調整手段を備えていることを特徴とする。

この発明によれば、調整手段により画像情報のコントラストが高い状態に保たれるので、画像情報が明確となり、物体のすべり検出の精度の向上を図れる。

請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項の発明において、光源は、物体にレーザー光を照射するレーザー光源であり、イメージセンサは、物体によって反射されたレーザー光の干渉パターンを画像情報として取り込み、演算手段は、干渉パターン間の自己相関に基づいてロボットハンドに対する物体の相対的な移動量を演算することを特徴とする。

この発明によれば、非接触で、ロボットハンドに対する物体の相対的な移動量、すなわち、手掌部や指部に対する物体のすべりを検出することができるから、例えばローラー等を設けてすべりを回転量により検出する接触式のものに比べて、センサ自体のすべりの影響による誤差等が生じなくなり、これにより、すべり検出の精度を向上することができる。加えて、干渉パターン間の自己相関から移動量を検出することによって、物体のすべり検出の精度を向上することができる。

請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項の発明において、ロボットハンドが物体に及ぼす力と検出手段から得られる物体の移動量とに基づいて、ロボットハンドと物体との間の最大静止摩擦力を算出する算出手段を備えていることを特徴とする。

この発明によれば、算出手段によってロボットハンドと物体との間の最大静止摩擦力を算出することができ、例えば、算出した最大静止摩擦力に応じて制御手段が駆動部を制御すれば、ロボットハンドで把持された物体がすべり落ちるのを防ぐことができ、しかも、ロボットハンドで物体を把持する際に、物体に必要以上の力がかからないようにすることができる。

請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれか１項の発明において、ロボットハンドが物体に及ぼす力とロボットハンドの物体への押し込み量とに基づいて、物体の剛性を算出する算出手段を備えていることを特徴とする。

この発明によれば、算出手段によって物体の剛性を算出することができるから、例えば、算出した剛性に合わせてロボットハンドの把持力を調整すれば、物体の剛性に適した把持力で物体を把持することができる。

本発明によれば、ロボットハンドに対する物体の相対的な移動量、すなわち、手掌部や指部に対する物体のすべりを検出手段で検出しているから、検出手段の検出結果に応じて制御手段が駆動部を制御することにより、ロボットハンドで把持された物体がすべり落ちるのを防ぐことができるという効果がある。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

（実施形態１）
図２は本実施形態の制御装置によって制御されるロボットハンド５０の斜視図、図１は制御装置のブロック図をそれぞれ示している。

ロボットハンド５０は、図２に示すように手掌部５１と、手掌部５１に設けられた複数（本実施形態では３本）の指部５２と、指部５２を屈曲自在とする関節機構５３と、関節機構５３を駆動する駆動部５４とを備える。各指部５２は関節機構５３を介して順次連結された２つの部位からなり、駆動部５４を構成するアクチュエータ（図示せず）により関節機構５３を駆動して上記各部位が屈曲および回動するものである。但し、関節機構５３や駆動部５４は従来周知の技術を用いて実現可能であるから、詳細な構造の図示並びに説明は省略する。

３本の指部５２のうちの１本には、その先端側の部位にすべりセンサ１が設けられている。このすべりセンサ１は、図３に示すように物体Ｘに向けて光を照射する発光素子１１と、物体Ｘの光が照射された部位の画像情報を取り込む２次元のイメージセンサ１２と、イメージセンサ１２に光を集光するレンズ１３と、発光素子１１、イメージセンサ１２およびレンズ１３を保持する保持部材１４とを具備する。保持部材１４は、アクリル樹脂などの透光性を有する合成樹脂材料により、一面の中央に凹所１４ａを有する直方体状に形成され、凹所１４ａの底面にレンズ１３が埋設されるとともに、発光面を凹所１４ａに臨ませる形で発光ダイオードからなる発光素子１１がインサートされている。また、ＣＣＤ（電荷結合素子）からなるイメージセンサ１２は、後述するようにイメージセンサ１２で取り込んだ画像情報の差分に基づいてロボットハンド５０に対する物体Ｘの相対的な移動量を演算する演算回路（図示せず）とともにプリント配線板１５に実装されており、凹所１４ａの底面に対向する外側面（図３における上面）に、イメージセンサ１２の受光面を凹所１４ａに臨ませるようにしてイメージセンサ１２と演算回路が実装されたプリント配線板１５が取り付けられている。

本実施形態の制御装置は、上述のすべりセンサ１と、駆動部５４と、関節機構５３の角度を検出する角度センサ２と、関節機構５３のトルクを検出するトルクセンサ３と、マイコンを主構成要素とし、すべりセンサ１、角度センサ２並びにトルクセンサ３の各センサ出力に応じて駆動部５４を制御する制御部４とを備える。

次に、図４を参照してすべりセンサ１の検出動作を説明する。イメージセンサ１２はｍ×ｎ個の画素を有しており、各画素に入射する光の強度に応じた画素値からなる２次元の画像情報を所定のサンプリング周期で演算回路に順次出力している。演算回路では、イメージセンサ１２から取り込んだ画像情報を二値化し、前回の画像情報（図４（ａ）参照）と今回の画像情報（図４（ｂ）参照）の差分、例えば、同一画素における前回の画素値と今回の画素値との排他的論理和を演算して画素値に変化があった場合に１、変化がなかった場合に０となる差分値を求め、さらに、このようにして求めた差分値の、マトリクス状に配置された画素の横方向（Ｘ軸方向）並びに縦方向（Ｙ軸方向）における算術和を求めるとともに、その算術和に応じたパルス数の矩形波パルスからなる検出信号を制御部４に出力する（図４（ｃ）（ｄ）参照）。すなわち、イメージセンサ１２から取り込まれる画像情報には、図４（ａ）（ｂ）に示すようにコントラスト（光強度）の高い部分イと低い部分ロとがあり、すべりセンサ１に対して物体Ｘが移動する（すべる）ことによりコントラストの高い部分イの位置が変化した場合、その変化量（移動量）に応じたパルス数の検出信号が出力されることになり、すべりセンサ１に対して物体Ｘが静止していればパルス数がゼロ、つまり検出信号が出力されないことになる。

一方、制御部４では、すべりセンサ１のセンサ出力（検出信号）のパルス数をカウントすることで物体Ｘのすべり量を判断し、角度センサ２並びにトルクセンサ３の各センサ出力を参照しながら、すべり量がゼロとなるように駆動部５４を制御してロボットハンド５０の把持力を調整することにより、ロボットハンド５０で把持された物体Ｘがすべり落ちるのを防いでいる。

ところで本実施形態においては、すべりセンサ１によって指部５２が物体Ｘと接触しているか否かを検出しており、以下、その検出方法について説明する。

すべりセンサ１のレンズ１３の焦点距離が、指部５２に物体Ｘが接触した状態におけるレンズ１３の中心から物体Ｘまでの距離に一致させてあり、指部５２が物体Ｘに接触していない状態では物体Ｘに焦点が合わないために物体Ｘの画像がぼやけた状態となり、コントラストの高い部分イと低い部分ロの区別ができず、画像情報の差分がゼロとなる。次に、指部５２が物体Ｘに接触すると物体Ｘに焦点があってコントラストの高い部分イと低い部分ロの区別が可能になるとともに、若干のすべりが生じてすべり量に応じた差分が得られる。すなわち、すべりセンサ１の演算回路では、指部５２と物体Ｘが非接触状態から接触状態に移行する際に生じる画像情報の差分の時間的変化に基づいてレンズ１３の焦点と物体の位置との一致・不一致、つまり、物体Ｘと指部５２の接触・非接触を判断している。

而して、本実施形態ではすべりセンサ１を用いて指部５２と物体Ｘの接触を検出しているため、すべりと接触の検出を同じ検出手段（すべりセンサ１）で兼用することで構成の簡略化が図れるとともに手掌部５１又は指部５２へのすべりセンサ１の取付スペースの確保が容易になるという利点がある。

なお、すべりセンサ１のレンズ１３や凹所１４ａの内壁に埃などの異物が付着すると検出精度が低下してしまうので、図５に示すように、保持部材１４と同様の透光性を有する合成樹脂材料からなる平板状の保護カバー１６で凹所１４ａを閉塞することが望ましい。さらに、保護カバー１６の表面に光触媒を含むコーティング材（例えば、松下電工株式会社製のフレッセラ−Ｐなど）をコーティングして光触媒層１７を形成すれば、光触媒層１７で汚れを分解して除去することができ、保護カバー１６の汚れによってすべりセンサ１が誤検出したり検出不能となるのを防止できる。

（実施形態２）
本実施形態の制御装置は、すべりセンサに特徴があり、その他の構成は上記実施形態１と同様であるので、同様の構成については同じ符号を付して説明を省略する。

本実施形態のすべりセンサ１’は、図６（ａ）に示すように、上記実施形態１と同様に指部５２の先端側の部位に設けられている。このすべりセンサ１’は、図６（ｂ）に示すように、物体Ｘに向けてレーザー光を照射するレーザーダイオードからなるレーザー光源１８と、物体Ｘによって反射、散乱されたレーザー光の干渉パターンを取り込む２次元のイメージセンサ１２と、イメージセンサ１２から得られた干渉パターン間の自己相関に基づいて、ロボットハンド５０に対する物体Ｘの相対的な移動量を演算する演算回路（図示せず）とを備える。

次に、すべりセンサ１’の検出動作を説明する。レーザー光源１８から照射されたレーザー光は、物体Ｘの表面によって散乱され、図６（ｃ）に示すような干渉パターンが生じる。イメージセンサ１２はｍ×ｎ個の画素を有しており、各画素に入射する光の強度に応じた画素値からなる２次元の画像情報、すなわち図６（ｃ）に示すような干渉パターンを所定のサンプリング周期で演算回路に順次出力している。演算回路では、イメージセンサ１２から取り込んだ画像情報、つまり前回の干渉パターンと今回の干渉パターンとの自己相関によって物体Ｘの移動量を求める。ここで、干渉パターン間の自己相関の演算は次のようにして行われる。まず、前回の干渉パターンのｍ×ｎ個の画素の一部分、例えば画素Ｐを中心にｍ’（＜ｍ）×ｎ’（＜ｎ）個の画素を参照画像情報として取り出し、この参照画像情報と今回の干渉パターンの一部分との相関関数を順次演算していく。そして、この演算の結果、一致度が最も高い（つまり、干渉パターン間の相関関数がピークを示す）部分に移動したと推定する。例えば、今回の干渉パターンにおいて一致度が最も高いものが画素Ｑを中心とするｍ’×ｎ’個の画素であるなら、画素Ｑと画素Ｐ間の距離から物体Ｘの移動量を求める。そして、演算回路はこの移動量に応じた検出信号を制御部４に出力する。

このように、すべりセンサ１’は、レーザー光の干渉パターンの自己相関によって物体Ｘの移動量を検出することができる。つまり、非接触で、ロボットハンド５０に対する物体Ｘの相対的な移動量、すなわち、手掌部５１や指部５２に対する物体Ｘのすべりを検出することができるから、例えばローラー等を設けてすべりを回転量により検出する接触式のものに比べて、例えば、センサ自体のすべりの影響による誤差等を考慮する必要がなくなり、これにより、すべり検出の精度を向上することができる。また、干渉パターン間の自己相関から移動量を検出するから、上記実施形態１の光強度の高い部分の位置変化から移動量を検出するすべりセンサ１に比べて、物体のすべりの検出精度の向上を図ることができる。

ところで、本実施形態のすべりセンサ１’は、画像情報のコントラストが高くなるように、レーザー光源１８から照射されるレーザー光の輝度を自動的に調整する調整回路（図示せず）を備えている。この調整回路は、イメージセンサ１２から取り込んだｍ×ｎ個の画素からなる画像情報から、輝度が最も高い（最も明るい）画素と輝度が最も低い（最も暗い）画素との輝度の差分をコントラストとして求め、例えば、このように求めたコントラストが所定の閾値以下であれば、レーザー光源１８に制御信号を出力してレーザー光の輝度を上げるように調整し、このような調整を繰り返すことで、コントラストが所定の閾値を越えるように調整を行うものである。

このような調整回路を設けることで、画像情報のコントラストが高い状態に保たれるので、画像情報が明瞭になり、すべりセンサ１’による物体Ｘのすべりの検出精度の向上を図ることができる。尚、この調整回路は上記実施形態１のすべりセンサ１に設けても構わない。

（実施形態３）
本実施形態の制御装置は、上記の実施形態１に加えて、図７に示すように算出部６を設けたことに特徴があり、その他の構成は実施形態１と同様なので、同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。

つまり、本実施形態の制御装置は、すべりセンサ１と、駆動部５４と、関節機構５３の角度を検出する角度センサ２と、関節機構５３のトルクを検出するトルクセンサ３と、すべりセンサ１、角度センサ２並びにトルクセンサ３の各センサの出力に基づいてロボットハンド５０と物体Ｘとの間の最大静止摩擦力及び物体Ｘの剛性を算出する算出部６と、マイコンを主構成要素とし、すべりセンサ１、角度センサ２並びにトルクセンサ３の各センサ出力に応じて駆動部５４を制御する制御部４とを備える。

算出部６は、上述したようにロボットハンド５０と物体Ｘとの間の最大静止摩擦力を算出する機能を備え、最大静止摩擦力の算出は次のようにして行われる。まず、図８（ａ）に示すように、指部５２の先端側の部位に設けたすべりセンサ１を物体Ｘに接触させ、このとき指部５２が物体Ｘを押す力Ｍをトルクセンサ３で検出しておく。次に、制御部４により駆動部５４を制御して、指部５２が物体Ｘを押す力Ｍはそのままで、指部５２に物体Ｘの表面をなぞる向きの力Ｆ’ （力Ｆ’は指部５２のトルクセンサ３および角度センサ２から指部５２の姿勢を考慮して計算する）をかけていき、図８（ｂ）に示すように、すべりセンサ１のすべり量δが微少量ｄとなったときの力Ｆ’と、指部５２のすべり方向とを検出し、この力Ｆ’の指部５２のすべり方向における力成分を指部５２が物体Ｘを押す力Ｍに対する最大静止摩擦力として検出する。つまり、物体Ｘに力Ｆ’をかけていくと、図８（ｂ）に示すように、力Ｆ’に応じて摩擦力Ｆが増え、やがて力Ｆ’が最大静止摩擦力を越えたときには、指部５２が物体Ｘに対してｄだけ移動することになるから、すべりセンサ１のすべり量δが微小量ｄとなったときの力Ｆ’と、物体Ｘの移動方向とを検出すれば、最大静止摩擦力を検出できるのである。そして、算出部６は、このように検出した最大静止摩擦力と、押す力Ｍとに基づいて、指部５２と物体Ｘとの間の静止摩擦係数を算出し、上記の測定を押す力Ｍを代えて複数回繰り返し、これらの平均から指部５２と物体Ｘとの間の静止摩擦係数の平均値を算出する。

また、算出部６は、上述したように物体Ｘの剛性を算出する機能を備え、物体Ｘの剛性の算出は次のようにして行う。まず、指部５２の先端側を物体Ｘに接触させる。次に、この状態から、指部５２で物体を押圧するように駆動部５４を制御部４で制御し、このときの指部５２が物体Ｘを押す力をトルクセンサ３で検出するとともに、角度センサ２によって検出した指部５２の回転角度から指部５２の物体Ｘへの押し込み量を算出し、指部５２が物体Ｘを押す力と押し込み量とから、物体Ｘの剛性の算出を行う。

このように本実施形態の制御装置によれば、ロボットハンド５０と物体Ｘとの間の最大静止摩擦力を算出する算出機能と、物体Ｘの剛性を算出する算出機能とを備えた算出部６によって、ロボットハンド５０と物体Ｘとの間の最大静止摩擦力（さらには静止摩擦係数）と物体Ｘの剛性とを算出することができるので、算出部６の算出結果に応じて制御部４が駆動部５４を制御することにより、ロボットハンド５０で把持された物体Ｘがすべり落ちるのを防ぐとともに、ロボットハンド５０で物体Ｘを把持する際に、物体Ｘに必要以上の力がかからないようにすることができるからロボットハンド５０の制御を安定して行え、しかも、ロボットハンド５０で把持する物体Ｘの剛性に合わせてロボットハンド５０の把持力を調整することで、物体Ｘの剛性に適した把持力で物体Ｘを把持することができる。尚、この算出部６を上記実施形態２の制御装置に設けることとしてもよい。

本発明の制御装置の実施形態１を示すブロック図である。 同上におけるロボットハンドの斜視図である。 同上におけるすべりセンサの断面図である。 同上におけるすべりセンサの動作説明図である。 同上における他の構成のすべりセンサの断面図である。 （ａ）は、本発明の制御装置の実施形態２におけるロボットハンドの指部の説明図であり、（ｂ）は、同上におけるすべりセンサの動作説明図であり、（ｃ）は、イメージセンサで検出する干渉パターンの一例である。 本発明の制御装置の実施形態３を示すブロック図である。 （ａ）は、同上における最大静止摩擦力の検出方法を示す説明図であり、（ｂ）は、すべり量と摩擦力との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ すべりセンサ
２ 角度センサ
３ トルクセンサ
４ 制御部
５０ ロボットハンド
５２ 指部
５３ 関節機構
５４ 駆動部

Claims (7)

1. 手掌部と、手掌部に設けられた複数の指部と、指部を屈曲自在とする関節機構と、関節機構を駆動する駆動部とを備え、指部を屈曲させることで物体を把持するロボットハンドを制御する制御装置であって、手掌部又は指部に設けられて物体との接触状態を検出する検出手段と、検出手段の検出結果に応じて駆動部を制御する制御手段とを備え、検出手段は、物体に光を照射する光源、物体の光が照射された部位の画像情報を取り込むイメージセンサ、イメージセンサで取り込んだ画像情報の差分に基づいてロボットハンドに対する物体の相対的な移動量を演算する演算手段を具備することを特徴とするロボットハンドの制御装置。
2. 検出手段は、イメージセンサに光を集光するレンズを具備し、演算手段は、画像情報の差分の時間的変化からレンズの焦点と物体の位置との一致・不一致を判断して手掌部又は指部と物体との接触を検出することを特徴とする請求項１記載のロボットハンドの制御装置。
3. 光源、イメージセンサ並びにレンズを保持する保持部材と、保持部材の物体と対向する面に設けられて光源、イメージセンサ並びにレンズを保護する保護部材とを具備し、保護部材の表面に光触媒層を形成したことを特徴とする請求項１又は２記載のロボットハンドの制御装置。
4. 画像情報のコントラストが高くなるように、光源から照射する光の輝度を調整する調整手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のロボットハンドの制御装置。
5. 光源は、物体にレーザー光を照射するレーザー光源であり、イメージセンサは、物体によって反射されたレーザー光の干渉パターンを画像情報として取り込み、演算手段は、干渉パターン間の自己相関に基づいてロボットハンドに対する物体の相対的な移動量を演算することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のロボットハンドの制御装置。
6. ロボットハンドが物体に及ぼす力と検出手段から得られる物体の移動量とに基づいて、ロボットハンドと物体との間の最大静止摩擦力を算出する算出手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のロボットハンドの制御装置。
7. ロボットハンドが物体に及ぼす力とロボットハンドの物体への押し込み量とに基づいて、物体の剛性を算出する算出手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のロボットハンドの制御装置。