JP2006321015A - ロボットハンド装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 滑りの有無を効率的に判断できるロボットハンド装置を提供する。
【解決手段】 物体Ｗを把持する把持手段２と、該把持手段に設けられ前記物体との接触圧を複数点で検出する接触圧検出手段３と、前記接触圧検出手段の出力に基づいて前記把持手段による前記物体の把持力を制御する制御手段８と、前記把持手段を移動させる移動手段５とを備えて、前記物体を把持して移動させるロボットハンド装置１であって、前記制御手段８が、前記把持手段２の移動方向に基づいて、前記接触圧検出手段が検出する前記接触圧をスキャンする領域を限定する。物体Ｗが滑り出す領域の接触圧だけを監視するようにしているので、高周波の信号が接触圧検出手段から出力されても短時間で処理して、滑り発生の有無を効率良く判断できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、物体を把持して所望の位置へ移動させるためのロボットハンド装置に関する。

ロボット関連の技術が著しいスピードで進化している。製造工場等で定位置に設置されて所定作業を繰返すような単純なロボットだけでなく、外見まで擬人化されて状況に応じて複雑な作業を行う高精度なロボットも提供されるようになっている。従来から広く採用されているロボットとして、例えば物体を把持して移動させるロボットハンド装置がある。ロボットハンド装置は、それ自体をロボットとする単純な形態の場合もあるし、擬人化されたロボットの一部として組込まれる場合もある。ロボットハンド装置は物体をある位置から他の位置へ正確に移動させることが要求される。そこで、ロボットハンド装置は物体と接触して把持する部分（手の様な機能を果たして物体を挟む、或いは握る部分）と、これを駆動するアクチュエータを含んでいる。アクチュエータはマイクロコンピュータ等よって駆動が制御されている。

さらに、ロボットハンド装置には物体を損傷させることがない強さで確実に把持することが求められる。ところが、ロボットハンド装置で物体を把持してから移動を開始したときには物体に加速度が作用する。ここでロボットハンド装置の把持力が弱いと加速度の作用によって物体が滑り出し落下しまう虞がある。その一方で、把持力を強く設定し過ぎると物体を損傷させる虞があるばかりでなく、アクチュエータで無用なエネルギーを消費することにもなる。

ところで、ロボットハンド装置が移動したときに把持した物体が突然、滑り出して一気に抜け落ちるのではなく、その初期において滑り状態と静止状態とを小刻みに繰返すことが知られている。この様な状態となっているときには、ロボットハンド装置と物体との間で不規則な振動が発生していることが知られている。このような現象が発生していることを背景として、特許文献１はロボットハンド装置の滑り検出装置について開示する。この滑り検出装置は、圧力センサと、弾力性の膜によりに形成した膨出部を有する接触子と含み、これらを物理的媒体によって連結している。そして、接触子の膨出部に接触した物体との間に生じたせん断振動を圧力センサに伝達して、せん断振動の交流成分を検出する。接触子のせん断振動の交流成分を検出することにより、把持した物体が滑り始めたかどうかを検出する。

特公平７−９０４８６号公報

ロボットハンド装置で物体を把持するときには、物体を損傷させることなく少ないエネルギーでアクチュエータを駆動することが望ましい。そのためには物体と接触する部分に多数（例えば数百個）の圧力センサを配置して、全ての圧力センサの出力をスキャンして物体の把持状態を監視するのが一般的である。しかしながら、滑りに基づいて発生する振動を検出する圧力センサの信号は高い周波数であり、全圧力センサをスキャンするようにすると長時間を要して非効率的である。

したがって、本発明の目的は、滑りの有無を効率的に判断できるロボットハンド装置を提供することである。

上記目的は、物体を把持する把持手段と、該把持手段に設けられ前記物体との接触圧を複数点で検出する接触圧検出手段と、前記接触圧検出手段の出力に基づいて前記把持手段による前記物体の把持力を制御する制御手段と、前記把持手段を移動させる移動手段とを備えて、前記物体を把持して移動させるロボットハンド装置であって、前記制御手段が、前記把持手段の移動方向に基づいて、前記接触圧検出手段が検出する前記接触圧をスキャンする領域を限定するロボットハンド装置によって達成される。

本発明によると、制御手段が、把持手段の移動方向に基づいて、把持手段に設けた接触圧検出手段が検出する接触圧をスキャンする領域を限定し、物体が滑り出す領域の接触圧だけを監視するようにしている。これにより、滑りに基づいた高周波の信号が接触圧検出手段から出力されても短時間で処理して、滑り発生の有無を効率良く判断できる。

また、前記制御手段は、前記接触圧検出手段の最大接触圧を出力している点を始点として、前記物体に作用している重力加速度と前記把持手段の移動方向とは反対向きに作用する反力加速度とを合成して合成加速度の方向を求め、該合成加速度の方向に沿って前記接触圧検出手段の出力をスキャンするようにしてもよい。

把持した物体は、合成加速度の方向へ滑り出す可能性が高いので、この合成加速度の方向に沿って最大接触圧を出力している点から下流に向けて接触圧検出手段の出力を限定してスキャンすると効率よく滑り発生の有無を確認できる。スキャンする領域は適宜に設定すればよい。例えば最大接触圧を出力している点の下流近傍の点としてもよいし、この点から線状に複数の点を設定してもよい。

また、前記制御手段は、前記接触圧検出手段の出力をスキャンして、滑りに基づく振動を確認したときには前記把持手段を制御して前記物体の把持力を増加させ、滑りに基づく振動を確認しないときには前記把持手段を制御して前記物体の把持力を減少させるように設定するのが望ましい。このようにすると把持手段の把持力を必要最小限として消費エネルギーを抑制することができ、また把持手段の把持力によって物体が損傷する事態を防止できる。

また、前記制御手段が、前記把持手段の移動方向の変化に応じて、前記合成加速度の方向を繰り返して求めるようにすれば、移動方向の変化に対応してスキャンすべき範囲を変更して物体の滑りに適切に対処できる。

また、前記制御手段が、前記最大接触圧を出力している点の位置がずれたときに、前記合成加速度の方向を繰り返して求めるようにすると、滑った位置で同様に滑りの有無を確認できる。

本発明によれば、滑りの有無を効率的に判断できるロボットハンド装置を提供できる。

以下、図を参照して、本発明の一実施形態に係るロボットハンド装置について説明する。図１は、実施例のロボットハンド装置１の主要部構成を示したブロック図である。

このロボットハンド装置１は、物体Ｗを把持するハンド部２を備えている。このハンド部２は一定の剛性を備えた部材を組合せて人間の手を模した形状に形成されており、４本の指２ａ〜２ｄを有している。各指２ａ〜２ｄの表面には圧力センサ３が点状に複数（図示する例では縦横に整列して）配置されている。図１では片側のハンド部のみを示しているが、ロボットハンド装置１は一対のハンド部２を備えており物体Ｗを両側から把持するように設計されている。ハンド部２は第１アクチュエータ４により把持動作を行うように形成されている。さらに、ハンド部２は第２アクチュエータ５によって移動するように形成されている。

図１は、ロボットハンド装置１の構成を簡素化して示している。例えば第１アクチュエータ４は手首部分に配置したモータであり、このモータを駆動したときに一対のハンド部２の間隔を狭めて物体Ｗを把持する。また、第２アクチュエータ５はハンド部２の位置を移動させる構造であればよい。例えば、手首部分に接続されるアーム部材とこれを駆動するモータとの構造体として形成してもよい。

さらに、ロボットハンド装置１は、画像入力装置６、センサ信号処理装置７及び、ロボットハンド装置１を全体に制御する制御装置８を備えている。

画像入力装置６は、移動対象された物体Ｗの位置と形状を確認するものであり、その出力信号は制御装置８に供給する。センサ信号処理装置７は、複数の圧力センサ３からの出力信号に所定の処理を施して制御装置８に供給する。例えば、センサ信号処理装置７は制御装置８からの制御に基づいて全ての圧力センサ３からの出力信号を供給し、また選択された所定の圧力センサ３からの出力信号のみを制御装置８に供給する。

制御装置８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を中心に構成したマイクロコンピュータである。制御装置８は双方向バス８１によってＲＯＭ８２、ＲＡＭ８３と接続されている。ＲＯＭ８２には第１アクチュエータ４の駆動を制御してハンド部２で物体Ｗを把持するとき実行するプログラムが格納されている。また、ＲＯＭ８２にはハンド部２で物体Ｗを把持した後に、第２アクチュエータ５を移動したときに発生する滑りの有無を検出するためのプログラムや、滑りを確認したときに第１アクチュエータ４の把持力を制御するプログラム等が格納されている。ＲＡＭ８３は制御装置８が上記プログラムを実行するための処理領域を提供する。なお、図１ではセンサ信号処理装置７を制御装置８とは別に図示しているが、制御装置８の一部として実現してもよい。

次に、ロボットハンド装置１が実行する物体Ｗの滑りの有無確認について図２を参照して説明する。図２（Ａ）は物体Ｗを移動したときに作用する加速度について示した図である。物体Ｗには常に下向きの重力加速度ｇが作用している。静止状態にあった物体Ｗを方向Ｍへ移動させたときには加速度ａが発生する。ところが、静止していた物体Ｗには慣性力が作用しているので、移動動作の開始に伴って移動方向Ｍとは逆向きの方向Ｒへ反力加速度ｂが発生する。そのため、物体Ｗの移動を開始した直後にあっては、重力加速度ｇと反力加速度ｂとを合成した合成方向Ｃで物体Ｗに対して合成加速度ｃが作用する。よって、ハンド部２で把持した物体Ｗが滑り出す方向は合成方向Ｃとなる。

上記のように物体Ｗが滑り出す方向が想定できれば、その方向に沿って存在する圧力センサ３からの出力を監視することで滑り発生の有無を確認できることになる。多数の圧力センサ３全ての出力をスキャンすると先に指摘したように長時間を要して非効率的である。これに対して、物体Ｗと接触している圧力センサと、物体Ｗが滑り出す領域にある圧力センサ３の出力だけを限定的にスキャンするようにすれば、短時間で効率良く滑りの有無を確認できることになる。この点について図２（Ｂ）を参照してさらに詳細に説明する。

図２（Ｂ）は複数の圧力センサ３の一部を拡大して示した図である。必要最小の把持力で物体Ｗを把持するようにすると、物体Ｗとの接触圧が最も高い点を中心ポイントとして物体Ｗを把持した状態となる。そして、中心ポイントの存在している圧力センサ３Ａから最大の検出信号が出力される。図２（Ｂ）では、中心ポイントをＡ１で示している。物体Ｗが滑るときには、中心ポイントをＡ１が始点となり、これより合成方向Ｃでの下流側にある下流領域Ｂに向けて移動することになる。よって、最大接触圧を出力している点Ａ１の圧力センサ３Ａの出力と共に、合成方向Ｃでの下流側の領域Ｂに存在する圧力センサ３Ｂの出力を合せて監視することで物体Ｗの滑りの発生有無を確認できる。

なお、図２（Ｂ）は発明の概念を理解し易いように下流側の領域Ｂで検出する圧力センサは３Ｂの１個としているが、合成方向Ｃに沿って圧力センサを線状に選択してもよいし、所定幅（例えば３個の圧力センサ）をもって線状に選択してもよい。このように選択した特定の圧力センサ３からの出力をスキャンすることで物体Ｗの滑りを効率良く判断できることになる。

さらに、図を参照して、ロボットハンド装置１が発生する物体Ｗの滑りに対応しつつ、移動させる動作について説明する。図３は、ロボットハンド装置１の制御装置８が物体Ｗを移動させるときに実行するルーチンの一例を示したフローチャートである。

制御装置８は、画像入力装置６からの画像信号を取り込んで画像認識処理を行う（Ｓ１）。この処理により移動対象としている物体Ｗの位置座標の算出を行う。次のステップ２（Ｓ２）で、上記ステップ１で求めた物体Ｗの座標位置へハンド部２を移動させるための経路、またハンド部２で物体Ｗを把持した後に移動させる移動先位置までの効率的な経路の算出を行う。このステップ２によりハンド部２を移動させる経路が計画され、その際に制御装置８は物体Ｗを把持して移動させる方向（移動方向Ｍ）及び発生する加速度ａを算出する。このときに更に、制御装置８は先に図２を参照して示した重力加速度ｇと反力加速度ｂとから合成方向Ｃ及び合成加速度ｃについても合せて算出する。

この後、制御装置８は第２アクチュエータ５の駆動を制御して、物体Ｗを把持できる位置までハンド部２を移動し、第１アクチュエータ４を駆動して把持制御を実行する（Ｓ３）。このステップ３では把持制御実行中かの確認を行い、把持制御実行フラグＸ１＝１であるならば次のステップ４（Ｓ４）へ進み、フラグＸ１＝０であればステップ１に戻って上記ステップ１からの処理を繰返す。

ステップ４で制御装置８は物体Ｗとの接触圧の取込み、すなわち圧力センサ３の出力をスキャンする。なお、制御装置８は、第１アクチュエータ４を駆動して物体Ｗの把持動作を開始ときには、センサ信号処理装置７を制御して全ての圧力センサの出力をスキャンする。また、ステップ４では、制御装置８がモードフラグＸ２＝１でないこと（後述する限定モードとなっていないこと）を確認し、次のステップ５（Ｓ５）で通常モードによる接触圧の取込みを実行する。通常モードは全ての圧力センサの出力をスキャンするモードである。これに対して、限定モードは物体Ｗの滑り方向（合成方向Ｃ）での下流領域に存在する特定の圧力センサの出力をスキャンするモードである。

ロボットハンド装置１が待機していた位置からハンド部２を物体Ｗの前まで移動して物体Ｗの把持を開始したときには、ステップ４を介してステップ５へ進むことになる。次のステップ６（Ｓ６）では、ステップ５で取込んだ全圧力センサ３の出力信号（接触圧力を検出する信号）からハンド部２が物体Ｗと接触して把持状態を形成したか、否かを確認する。ここでは、例えば所定数以上の接触点で一定値以上の接触圧が出力されていることを条件として、制御装置８はハンド部２が物体Ｗを把持したか、否かを判断する。

所定数以上の接触点を確認できない場合には、ステップ１０（Ｓ１０）へ進んで接触圧の取込のモードフラグＸ２＝０を通常モードに設定して、上記ステップ１〜ステップ６までの処理を繰返す。一方、ステップ６で所定数以上の接触点を確認しているときは、制御装置８はその内で接触圧が最大となっている点Ａ１を特定する。そして、次のステップ７（Ｓ７）で点Ａ１を始点として、合成方向Ｃの下流側に存在する点Ｂ１を算出する（Ｓ８）。ここでの点Ｂ１の特定は、先に図２により説明した手法に基づいて行う。下流の点Ｂ１は合成方向Ｃで点Ａ１より下流に存在する近傍の１点或いは数点としてもよいし、合成方向Ｃで点Ａ１より下流に一線状に存在する複数点、さらには所定幅で線状に存在する複数点でもよい。ここで特定（設定）する点の数を少なくすると滑り判定有無の処理を短時間に行える。また、所定幅で線状に多数点を設定すればより正確に滑りの有無判定を行える。ただし、このように多数設定した場合であっても、全ての圧力センサをスキャンする場合と比較して限られた領域であるので短時間にて滑りの有無判定を行える。

次のステップ９（Ｓ９）では、制御装置８が接触圧の取込のモードフラグＸ２＝１を限定モードに設定して、上記ステップ１〜ステップ４を繰返してからステップ１１（Ｓ１１）で限定モードを実行する。次のステップ１２（Ｓ１２）において、制御装置８は限定モードが実行されると最大接触圧の点Ａ１とステップ８で特定した点Ｂ１の圧力センサの出力をスキャンして振動の有無を確認する。前述したように、滑りに基づいて発生している点は振動しており、圧力センサ３から高い周波数の信号が出力されるが、点Ａ１及び限定した領域の点Ｂ１についてスキャンするだけであるので高速に処理して、滑り発生の有無判断を効率良く行うことができる。

制御装置８は、上記ステップ１２でスキャンした圧力センサが出力する信号が一定以上の高周波信号であるときに滑りに基づく振動があると判断する。このときには、制御装置８は第１アクチュエータ４を駆動して滑りを抑制するように把持力を増加させる（Ｓ１３）。これとは、逆に上記ステップ１２で滑りに基づく振動は発生していないと判断したときには把持力を減少させる（Ｓ１４）。制御装置８が、このような制御を実行することで、滑りの発生を抑制しながら必要最小の把持力で物体Ｗを移動させることができる。

以上説明したように、実施例のロボットハンド装置１によると、物体Ｗが滑り出す方向に存在する圧力センサの出力をスキャンすることで効率良く物体Ｗの滑りの発生を確認して把持力を制御するので物体Ｗがハンド部２から滑り落ちることを防止できる。その際、把持力が過度とならないよう制御しているので、把持した物体Ｗの損傷が防止され、アクチュエータで消費するエネルギーも抑制できる。なお、制御装置８は限定した下流領域のみの圧力センサ３をアクティブにして検出を行うようにしてもよいし、全圧力センサ３をアクティブにしておき限定した下流領域の圧力センサ３からの信号だけを用いて前述した限定モードでの制御を実行するようにしてもよい。

図４は、ロボットハンド装置１の制御装置８が物体Ｗを移動させるときに実行する他のルーチン例を示したフローチャートである。図４で示すフローチャートでは、図３で示したフローチャートにステップ１５（Ｓ１５）とステップ（Ｓ１６）とが追加されている。

ステップ１５では、制御装置８が最大接触圧の点Ａ１の位置が移動したか、またはハンド部２の移動方向が変化したかを確認している。そして、点Ａ１が移動した場合或いはハンド部２の移動方向が変化した場合には、次のステップ１６ではステップ９で設定した限定モードを解除して、前述したステップ１からの処理を繰返す。

図４で示すフローチャートを採用すると、ハンド部２で把持した物体Ｗが滑って移動した位置において前述したと同様の制御を行える。また、ハンド部２の移動方向の変化に対応してスキャンすべき圧力センサの範囲を変更できるので、発生した物体Ｗの滑りに適切に対処できる。

なお、上記実施例では一対のハンド部２の間に物体Ｗを挟んで把持する場合を説明したがこれに限らない。ハンド部２の各指を間接構造として小型アクチュエータを複数組込んだ構造体を形成して、物体Ｗを握って移動させるように構成してもよい。

上記実施例と特許請求の範囲との関係では、ハンド部２が把持手段に、複数の圧力センサが接触圧検出手段に、制御装置８が制御手段に、第２アクチュエータ５が移動手段に、それぞれ対応する。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

実施例のロボットハンド装置の主要部構成を示したブロック図である。 （Ａ）は物体を移動したときに作用する加速度について示した図であり、（Ｂ）は複数の圧力センサの一部を拡大して示した図である。 ロボットハンド装置の制御装置が物体を移動させるときに実行するルーチンの一例を示したフローチャートである。 ロボットハンド装置の制御装置が物体を移動させるときに実行する他のルーチン例を示したフローチャートである。

符号の説明

１ ロボットハンド装置
２ ハンド部
３ 圧力センサ
４ 第１アクチュエータ
５ 第２アクチュエータ
６ 画像入力装置
７ センサ信号処理装置
８ 制御装置
Ｗ 物体
Ｍ 移動方向
Ｒ 反力方向
Ｃ 合成方向
ａ 移動方向の加速度
ｂ 反力方向の加速度
ｃ 合成方向の加速度
ｇ 重力加速度

Claims (5)

1. 物体を把持する把持手段と、該把持手段に設けられ前記物体との接触圧を複数点で検出する接触圧検出手段と、前記接触圧検出手段の出力に基づいて前記把持手段による前記物体の把持力を制御する制御手段と、前記把持手段を移動させる移動手段とを備えて、前記物体を把持して移動させるロボットハンド装置であって、
   前記制御手段が、前記把持手段の移動方向に基づいて、前記接触圧検出手段が検出する前記接触圧をスキャンする領域を限定する、ことを特徴とするロボットハンド装置。
2. 前記制御手段は、前記接触圧検出手段の最大接触圧を出力している点を始点として、前記物体に作用している重力加速度と前記把持手段の移動方向とは反対向きに作用する反力加速度とを合成して合成加速度の方向を求め、該合成加速度の方向に沿って前記接触圧検出手段の出力をスキャンする、ことを特徴とする請求項１に記載のロボットハンド装置。
3. 前記制御手段は、前記接触圧検出手段の出力をスキャンして、滑りに基づく振動を確認したときには前記把持手段を制御して前記物体の把持力を増加させ、滑りに基づく振動を確認しないときには前記把持手段を制御して前記物体の把持力を減少させる、ことを特徴とする請求項１または２に記載のロボットハンド装置。
4. 前記制御手段は、前記把持手段の移動方向の変化に応じて、前記合成加速度の方向を繰り返して求める、ことを特徴とする請求項２に記載のロボットハンド装置。
5. 前記制御手段は、前記最大接触圧を出力している点の位置がずれたときに、前記合成加速度の方向を繰り返して求める、ことを特徴とする請求項２に記載のロボットハンド装置。
   

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