JP2005297100A - ロボット用マニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】指先にある物体までの距離を測定しかつその物体の形状等を把握可能として、作業に必要な情報を得ると共に、指を有する手の強度を高める。
【解決手段】複数本の指１８の先端から基端側までがカバーされる指用プロテクタ２０を、手１６Ｒ，１６Ｌの基部１６ａに回転自在に取り付け、このプロテクタ２０を、指１８が保護される位置から指１８の動作・機能が確保される退避状態まで回動させる。そして、内側と外側の指１８ｉ，１８ｏの第２節に、２つの光線発光部１９Ａ，１９Ｂを設け、また上記プロテクタ２０の先端部に、プロテクタ２０の回動に応じて逆回転し常に一定の方向を向くアームカメラ部４１を設ける。このアームカメラ部４１では、上記光線発光部１９Ａ，１９Ｂから物体へ照射された光線スポットが撮影され、この光線スポットの位置から物体の距離情報等が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明はロボット用マニピュレータ、特に生活支援用、介護用等のロボットにおいてアームの先端に可動指を取り付け、各種の作業を行うマニピュレータの構成に関する。

近年では、産業用ロボットの他に、生活支援用、介護用、災害・救助活動用等のために、車や搬送体で移動できるロボットや二足歩行するロボット等の開発が進められており、この種のロボットは、複数本の指（フィンガー）を設けた手（ハンド）及びアーム（腕）を持ち、例えば手でコップ等の物を掴む、ベッドに寝ている介護利用者を起き上がらせる、障害物を排除する、両方の手で物を持つ等の各種の作業を行うことが可能である。

また、ロボット本体には、目の役割をさせるため、移動（進行）しようとする方向や作業する部分を撮影するカメラ部が設けられており、例えば遠隔操作するロボットでは、このカメラ部で撮影された映像が遠隔地の表示部に表示されている。従って、操作者はこの表示部の映像により現況を確認しながら、次の操作を行うことができる。
特許第３０７３３４１号公報 特開２００３−３０５６７６号公報

しかしながら、従来のロボットでは、上述のようにロボット本体に設けられたカメラ部の撮影によって、移動方向や作業等の確認を行うことができるが、指先にある物体までの正確な距離を判断・把握することは難しく、またその物体の形状や大きさも把握し辛い場合があった。なお、溶接等を行うロボットをワークに対し所定距離に位置決めするものとして、上記特許文献１に示されるものがある。

また、本体カメラ部の撮影では、例えば狭い場所や物体の裏側、上側、下側等に手を入れるときには、手や指の先の状況が把握し難くなる場合があり、また指を使った比較的細かな作業を行うときには、小さな作業対象物が確認し難く、この作業対象物が障害物やロボット自身のアーム等で隠れてしまう場合もある。

更に、この種のロボットでは、手の複数本の指に対しその関節の駆動部材やセンサ類が設けられていることからも、指自体の強度がそれ程高くなく、例えば人を支えながら片手で起こしたり、片手で重い物を左右に移動させたりするときに、指が重さに耐えられない事態が起こる。また、瓦礫やゴミの中へ手を挿入したり、ロボット本体の目では確認できない場所へ手を入れたりするときに、指先に挿入方向（突き指方向）の過度な負荷が加わり、指の構成部材を破損させる等の問題がある。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、指先にある物体までの距離を測定しかつその物体の形状等を把握可能として、作業に必要な情報を容易に得ることができ、また指を有する手の強度を高めると共に指を保護することもできるロボット用マニピュレータを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、アームの先端部に指が取り付けられたロボット用マニピュレータにおいて、上記指に取り付けられ、この指の２箇所から光線を照射する光線発光部と、この光線発光部から物体に照射された２個の光線スポットを撮影するカメラ部とを設け、このカメラ部で撮影された光線スポットの映像により物体までの距離情報を取得することを特徴とする。
請求項２の発明は、上記指の先端をカバーする位置から基端側まで指に沿って形成された指用プロテクタを上記アームに設け、この指用プロテクタを指の保護位置から指の機能が確保される退避状態まで移動させるように構成し、この指用プロテクタに上記カメラ部（アームカメラ部）を設けたことを特徴とする。
請求項３の発明は、上記カメラ部は、上記支持体の回転軸と略平行に配置される回転軸で回転可能に軸支すると共に、上記支持体の回動とは反対の方向へ回転させ、一定の方向を向くように制御することを特徴とする。

上記の構成によれば、例えば外側と内側の２本の指の第２節（第１関節と第２関節の間の第２指節）に光線発光部が設けられ、これらの光線発光部からは２つの光線（この２つの光線は識別が可能なもの）が指先方向で交わるように照射される。一方、指全体の側面外周をカバー（保護）する指用プロテクタに、アームカメラ部が照明器と共に設けられ、このカメラ部は、上記プロテクタが回動するのに応じて逆回転し、常に指先の一定方向を向くように動作制御され、これによって物体に当たる光線のスポットが撮影される。そして、この２つの光線スポットの位置関係によって指先から物体までの距離が測定される。即ち、２つの光線を同じ角度で内側へ向け交差するように照射するとき、これらの光線発光部間距離と上記光線の照射角度が分かっているので、この２つの光線スポットの間隔から三角関数によって光線発光部位置から物体までの距離を求めることができる。

また、例えば照射角度を一定に維持した２つの光線を物体に対し横方向にスキャンしたときは、物体の凹凸に応じてそれに当たる光線スポットの間隔が変化するので、このスポット間隔の変化を観察（又は検出）することにより物体の凹凸、形状が把握できることになる。

更に、上記アームカメラ部の取付け支持体として、指用プロテクタを設けることにより、指を含む手の強度が高められることになり、介護利用者を起き上がらせたり、重たい物を移動させたりする際の強度を容易に得ることができる。そして、このプロテクタの先端部に、回転可能なアームカメラ部が照明器と共に設けられており、このアームカメラ部によれば、作業対象物等を近くの距離で良好に撮影し確認することが可能となる。

本発明のロボット用マニピュレータによれば、指先にある物体までの距離を測定できるようになると共に、その物体の形状等も把握され、作業に必要な情報を容易に得ることが可能となる。また、アームカメラ部を本体カメラ部とは別に配置することにより、手や指先の状況や作業対象物の確認が容易となり、遠隔操作する場合でも良好な作業が可能となり、更には、冷蔵庫、洗濯機、収納庫等の生活機器の中、或いは狭い場所や物体の裏側、瓦礫やゴミの中等も見ることが可能となり、指を使った比較的細かな作業を行うときでは、小さな作業対象物も確認し易くなり、作業対象物が障害物やロボット自身のアーム等で隠れてしまうこともないという利点がある。

更に、カメラ部の支持体として指用プロテクタを設けたので、指の構造を変えることなく、指を含む手の強度を高めることができ、重たい人や物を扱うことが容易となり、しかも過度な負荷によって指の構成部材を破損させることが防止されるという効果がある。

図１、図４及び図５には、実施例に係るロボット用マニピュレータの手の部分の構成が示され、図２にはロボットの全体構成、図３には図２のロボットのマニピュレータ（アーム部）が示されている。図２のように、このロボットは、車輪を備えた搬送部１０、この搬送部１０に回転（軸）部を介して接続された第１胴体部１１Ａ、この第１胴体部１１Ａに回転部を介して接続された第２胴体部１１Ｂ、この第２胴体部１１Ｂに回転部を介して接続された頭部１２及び上記搬送部１０に回転部Ｚｄ，Ｚｅを介して接続された左右のアーム（腕）１４Ｒ，１４Ｌを備えている。

上記頭部１２には、左右の目に対応した１対の本体カメラ部（第１カメラ部）１３が設けられており、この本体カメラ部１３では主にロボットが進む方向や手の先の像（動画）が撮影される。この本体カメラ部１３で得られた映像は、ロボットが自走する際の情報になると共に、人が遠隔操作する場合には遠隔地の表示器に表示され、遠隔操作情報として利用される。また、上記の各回転軸部では例えば下側部材（基部）に対して上側部材がモータで回転するように構成されており、これによって、ロボットの姿勢制御や頭部１２の高さ位置の調整等が行われる。

図３に示されるように、上記左右のアーム１４Ｒ，１４Ｌは、それぞれに上腕部１４ａとこれに回転部Ｚｆを介して接続された前腕部１４ｂとを有し、例えばこの二つの上腕部１４ａは回転部Ｚｄで上下方向に回動すると共に、回転部Ｚｅで左右方向に回動し、上記二つの前腕部１４ｂは回転部Ｚｆで上下方向に回動する。更に、この前腕部１４ｂには内部の回転軸部を介して先端部１４ｃが接続され、この前腕先端部１４ｃに、３本の指１８［ｉ（内側），ｃ（中央），ｏ（外側）］を持つ手１６Ｒ，１６Ｌが取り付けられており、この手１６Ｒ，１６Ｌは、前腕部１４ｂの先で所定の角度（例えば１８０度）を回動するように構成される。

図４及び図５に示されるように、手１６Ｒ，１６Ｌの３本の指１８（ｉ，ｃ，ｏ）には、第１関節部、第２関節部及び第３関節部のそれぞれに、曲げ動作機構としてモータ５２及びギヤ列５３等が設けられると共に、指１８の根元には回転機構としてモータ５４、ギヤ列５５及び回転軸５６等が組み込まれており、それぞれの指１８（ｉ，ｃ，ｏ）は、回転軸５６を中心として回転する。

そして、図５（Ａ），（Ｂ）のように、上記の内側の指１８ｉと外側の指１８ｏの第２節（第１関節と第２関節の間の第２指節）Ｆ2に（先端側の第１節に設けてもよい）、各々の光線発光部１９Ａ，１９Ｂを設けており、内側指１８ｉに配置した光線発光部１９Ａは、例えば青色（他の色でもよい）光を出力するレーザ発光素子５８ａ（その他のランプでもよい）を備え、このレーザ発光素子５８ａからの青色光を反射ミラー５９及びコリメータレンズ６０を介して出力するように構成される。一方、外側指１８ｏに配置した光線発光部１９Ｂは、赤色光を出力するレーザ発光素子５８ｂ（その他のランプでもよい）を有し、このレーザ発光素子５８ｂからの赤色光を反射ミラー５９及びコリメータレンズ６０を介して出力するように構成される。なお、上記２つの光線発光部１９Ａ，１９Ｂでは、それぞれの光線を識別するために発光色を変えているが、一方を点滅、他方を点灯としたり、両方で点滅のタイミングを変えたりして２つの光線を識別してもよい。

図４に示されるように、上記のような３本の指１８（ｉ，ｃ，ｏ）は、上記手１６Ｒ，１６Ｌの基部（手の平の部分）１６ａの両側に回転自在に取り付けられたプロテクタ２０で保護される。このプロテクタ２０は、手１６Ｒ，１６Ｌの基部１６ａと同じ程度の縦幅で、この基部１６ａと３本の指１８（ｉ，ｃ，ｏ）の側面外周を囲むように楕円弧状（Ｕ字状）とされ、かつ先端側が閉鎖状態、後端側が開放状態に形成されており、この後端側開放端２０Ｅが回転軸部２１で基部１６ａに取り付けられる。なお、このプロテクタ２０は、骨部材として外側が弧状となる断面形状の硬質（金属製又は合成樹脂製）パイプからなり、このパイプの外周に、軟質の合成樹脂製外皮（軟性部）が被せられた構成となる。

また、上記基部１６ａの内部には、プロテクタ２０を回動するためのモータ２６が設けられており、このモータ２６に、ギヤ列２７を介してシャフト２８が設けられ、このシャフト２８の両端にピン２９ｐを有するレバー２９が取り付けられる。一方、プロテクタ２０の開放端２０Ｅの内側に、ガイド溝３０が設けられ、このガイド溝３０に上記レバー２９のピン２９ｐが係合配置される。従って、図６の拡大図に示されるように、モータ２６を回転させると、ギヤ列２７及びシャフト２８を介してレバー２９が回動し、このレバー２９のピン２９ｐがガイド溝３０に沿って案内されることにより、プロテクタ２０が起き上がるように回動する。

更に、基部１６ａの側面部に、手１６Ｒ，１６Ｌの外周を覆う位置（手の平に沿った位置）でプロテクタ２０を係止させるストッパ３２が設けられており、このストッパ３２で係止される位置がプロテクタ２０の保護位置となり、この保護位置から指１８（ｉ，ｃ，ｏ）の物体に対する通常動作が可能になる状態の退避位置までプロテクタ２０は回動する。この退避位置までの回動角度は、最大で１８０度近い角度とすることができる。この場合、実施例では上述のように、手１６Ｒ，１６Ｌが前腕先端部１４ｃにて捻り方向に１８０度の回転（内転又は外転）をするので、これによってプロテクタ２０を一方（上側）だけでなく反対側（下側）に退避させることができる。なお、上記ストッパ３２を設けず、プロテクタ２０を３６０度に近い角度を回動可能に構成してもよい。

そして、図４の上記指用プロテクタ２０の先端部に、動画を撮影するアームカメラ部（第２カメラ部）４１が回転可能に配置される。
図７には、このアームカメラ部４１の拡大図が示されており、このカメラ部４１はその回転軸４２がプロテクタ２０の軸受け部に取り付けられ、この一方の回転軸４２にギヤ列４３を介してモータ４４が接続され、実施例では１２０度程度（１８０度以上でもよい）をチルト（上下）方向に回転するように構成される。他方の回転軸４２には、この回転角（回転位置）を検出する回転検出部４５が設けられており、ロボットの制御部ではこの回転検出部４５によって得られたアームカメラ部４１の回転位置情報に基づいてモータ４４を駆動制御する。実施例では、このアームカメラ部４１をプロテクタ２０の回動に応じて逆回転させ、このプロテクタ２０の回転量と同程度又はそれ以上の回転によって、アームカメラ部４１が水平方向又は所定距離の一点を向くように制御される。

上記アームカメラ部４１には、対物光学系４１ａを介してＣＣＤやＣＭＯＳセンサからなる撮像部４１ｂが設けられると共に、照明器として照明レンズ４１ｃとランプ４１ｄが配置される。従って、このランプ４１ｄの点灯制御に基づいた照明により、指先方向を撮像部４１ｂで撮影することができ、この撮影された映像は、遠隔地にある例えばパソコンモニタ７１に表示される［このモニタはロボット本体に配置してもよく、またヘッドマウントディスプレス（ＨＭＤ）を利用してもよい］。

実施例は以上の構成からなり、上記構成のロボットは、人の操作なしで自力制御動作を行ったり、人の遠隔操作で動かしたりすることになるが、上述した指用プロテクタ２０は、図３の右手１６Ｒで示される保護位置と、左手１６Ｌで示される退避位置に移動制御される。即ち、図６に示されるように、モータ２６を回転させると、ストッパ３２で係止された保護位置（始点位置）から、ギヤ列２７を介してレバー２９が駆動され、このレバー２９のピン２９ｐがガイド溝３０に案内されることによって、プロテクタ２０が回転軸部２１を中心にして回動し、指１８の作業が可能となる退避位置（手元側への１８０度近い最大回転位置）まで移動する。この保護位置から退避位置への移動制御においては、プロテクタ２０を完全に退避させる最大回転位置まで回動させず、図１に示されるように、状況に応じて途中の任意の退避位置で停止させ、この任意の位置から迅速に保護位置へ移動させることができる。

従って、このプロテクタ２０では、例えば人を起き上がらせたり、重い物を動かしたりするとき、図３の右手１６Ｒのように、上記プロテクタ２０を指１８（ｉ，ｃ，ｏ）と並ぶ保護位置へ移動させれば、これら指１８を保護しながら手１６Ｒ全体の強度を高くすることができ、大きな負荷に対しても良好かつ十分な動作が可能となる。また、瓦礫やゴミの中、冷蔵庫、洗濯機、収納庫等の生活機器の中、物体の裏側等へ手１６Ｒ，１６Ｌを挿入するときにも、このプロテクタ２０を保護位置にセットすれば、指１８（ｉ，ｃ，ｏ）よりも先にプロテクタ２０が物に当たることになり、指先を保護することが可能となる。

一方、指１８（ｉ，ｃ，ｏ）を使う場合は、図１及び図２の左手１６Ｌのように、プロテクタ２０を退避位置へ移動させれば、３本の指１８（ｉ，ｃ，ｏ）によって例えばコップ等の物を掴んだり、人に対する各種の介護動作を行ったりすることができる。このとき、プロテクタ２０の先端部に配置されたアームカメラ部４１は、プロテクタ２０の回動に応じ、その回動量と略同じ量だけ反対方向へ回転し、常に一定の方向を向くように制御される。即ち、モータ２６等の回転量の検出や回転軸部２１に設けた回転角検出部の検出等に基づいて、モータ４４が回転制御され、これによって、アームカメラ部４１は常に真っ直ぐ伸ばした指１８が指す方向（手１６の平に平行となる方向）或いは指先の所定距離の一点に向けられる。

このようにして、アームカメラ部４１は手元や指先を撮影することができ、このアームカメラ部４１で撮影された映像は遠隔地にあるパソコンモニタ７１等に表示されることになり、遠隔操作者はこのパソコンモニタ７１の映像を見ながら、作業等の次の動作へ進むことができる。

上記のような動作においては、図１に示されるように、内側と外側の指１８ｉ，１８ｏから２つの光線が発射されており、この光線スポットを映像で認識することにより物体までの距離や物体の形状等を把握することができる。
図８には、上記光線の照射状態と距離の関係が示されており、光線発光部１９Ａと１９Ｂの間隔を２ａ、発光部１９Ａの光線（青色）Ｌ_１と発光部１９Ｂの光線（赤色）Ｌ_２を同じ角度（曲げ角度）θで互いに内側へ向け照射した場合、２つの光線が交差する点Ｋまでの距離ｘ_１は、ａ・ｔａｎθとなり、スポットの間隔が２ｂとなる途中の距離ｘ_２は（ａ−ｂ）・ｔａｎθとなる。従って、上記のａとθの値を、指１８の第２及び第３関節部の動作状態から検出することにより、２つの光線Ｌ₁，Ｌ_２の交点距離ｘ_１が演算され、更に上記のｂの値を映像から判定・検出することにより、途中の距離ｘ_２が計算できることになる。

ここで、上記２つの光線Ｌ₁，Ｌ_２は発光色で識別されるので、青色光線Ｌ_１のスポットが右、赤色光線Ｌ_２のスポットが左の並びであれば、距離ｘ_１よりも近い距離（例えば図９のＡ位置）であることが判断でき、逆に青色光線Ｌ_１のスポットが左、赤色光線Ｌ_２のスポットが右の並びであれば、距離ｘ_１よりも遠い距離（図９のＣ位置）であることが判断できることになる。また、例えばコップ等を掴む場合のように、物体から所定（かつ任意）の距離に指１８の先端を配置したい場合は、指１８の曲げ角度を調整して上記所定距離を上記交点の距離ｘ_１に一致させ、２つの光線スポットが重なる位置（図９のＢ位置）までアーム１４等を動かすようにすることもできる。

図９には、上記２つの光線を凹凸のある物体に照射したときの状態が示されており、図９のＡ位置からＣ位置で示されるように、物体８８が上記交点距離ｘ_１よりも近い距離の位置から、手１６全体を右側へ平行移動させたとき、パソコンモニタ７１の表示が、順に、左側に赤色（Ｒ）、右側に青色（Ｂ）の光線スポットが現れる状態、混合色（Ｃ）の１つの光線（交点Ｋ）スポットが現れる状態、左側に青色（Ｂ）、右側に赤色（Ｒ）の光線スポットが現れる状態となった場合は、物体８８の表面が図９のＡ位置から図９のＣ位置へ向けて徐々に指から離れる形状であることが分かることになる。

従って、遠隔操作者は２つの光線スポットの変化をモニタ画面上で観察することにより、物体８８の詳細な形状を把握・認識することができ、また自動的な映像処理によって２つの光線スポットの変化を測定し物体８８の詳細な形状を検出することにより、その結果を画面表示することもできる。このような光線スポットによる物体形状の認識は、本体カメラ部１３やアームカメラ部４１の映像だけでは判断し難い状況のときに便利である。

上記実施例では、２つの光線発光部１９Ａ，１９Ｂと１つのカメラ部４１を配置するようにしたが、１つの光線発光部と１つのカメラ部で構成しても同様のことが行える。即ち、例えば内側の指１８ｉに設けた光線発光部１９Ａを０度と１８０度に回転させ、それらの２つの画像を重ねた状態で比較することにより、物体までの距離を判定することができる。また、１つの光線発光部と２つのカメラ部を設けるようにしても、２つの映像の処理によって物体までの距離を判定することが可能である。

更に、上記実施例では、手１６の基部１６ａに配置された指用プロテクタ２０に、アームカメラ部４１，４６を設けたが、図３に示されるように、このプロテクタ２０と同様の支持体５０を前腕部１４ｂ（又は上腕部１４ａ）に設け、この支持体５０にアームカメラ部を配置するようにしてもよい。また、上記実施例のプロテクタ２０は、指１８全体を囲むような形状としたが、少なくとも先端部と左右いずれかの側面部があればよい。

本発明の実施例に係るロボット用マニピュレータの手の部分の構成を示す斜視図である。 実施例のロボットの全体構成を示す斜視図である。 実施例のロボット用マニピュレータ（左右のアーム）の構成を示す斜視図である。 実施例のロボット用マニピュレータの手及び指用プロテクタの構成を示し（手の基部内は内部を露出させた状態で表す）、図（Ａ）は上面図、図（Ｂ）は側面図である。 実施例の指と光線発光部の構成を示し、図（Ａ）は上面図、図（Ｂ）は光線発光部の拡大図である。 ロボットの手において指用プロテクタを回動させた状態を示す（手の基部内は内部を露出させた状態で表す）拡大側面図である。 実施例の指用プロテクタに設けられたアームカメラ部の内部構成を示し、図（Ａ）は上面図、図（Ｂ）は側面図である。 実施例において照射される２つの光線と測定距離との関係を示す説明図である。 実施例において凹凸のある物体に照射した光線とその光線スポットの表示状態を示す図である。

符号の説明

１０…搬送部、 １３…本体カメラ部、
１４Ｒ，１４Ｌ…左右のアーム（腕）、
１６Ｒ，１６Ｌ…左右の手、 １６ａ…基部、
１８（ｉ，ｃ，ｏ）…指、
１９Ａ…光線発光部（青色）、
１９Ｂ…光線発光部（赤色）、
２０…指用プロテクタ、
２９…レバー、 ３０…ガイド溝、
４１…アームカメラ部、 ４１ｂ…撮像部、
４１ｄ…ランプ、 ７１…パソコンモニタ、
５８ａ，５８ｂ…レーザ発光素子。

Claims (3)

1. アームの先端部に指が取り付けられたロボット用マニピュレータにおいて、
   上記指に取り付けられ、この指の２箇所から光線を照射する光線発光部と、
   この光線発光部から物体に照射された２個の光線スポットを撮影するカメラ部とを設け、このカメラ部で撮影された光線スポットの映像により物体までの距離情報を取得することを特徴とするロボット用マニピュレータ。
2. 上記指の先端をカバーする位置から基端側まで指に沿って形成された指用プロテクタを上記アームに設け、この指用プロテクタを指の保護位置から指の機能が確保される退避状態まで移動させるように構成し、この指用プロテクタに上記カメラ部を設けたことを特徴とする上記請求項１記載のロボット用マニピュレータ。
3. 上記カメラ部は、上記指用プロテクタの回転軸と略平行に配置される回転軸で回転可能に軸支すると共に、上記支持体の回動とは反対の方向へ回転させ、一定の方向を向くように制御することを特徴とする上記請求項２記載のロボット用マニピュレータ。

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