JP2008119770A - ロボットハンドおよびロボット - Google Patents

Abstract

【課題】補助的な指機構を用いることなく、複数の指機構から物体に作用する力を調節しながら、物体の持ち替えが可能なロボットハンド等を提供する。
【解決手段】ロボットハンド１によれば、複数の指機構１１〜１３のうち一部の指機構１３から物体ｗに作用する力Ｆ₃が変更されるとき、物体ｗにおける各指機構１１〜１３の「接点」ならびに各指機構１１〜１３から物体ｗへの「作用力ベクトル」が「安定把持条件」を満たすように各指機構の動作が制御される。「安定把持条件」は（１）複数の指機構１１〜１３から物体ｗに作用する力およびモーメントのそれぞれの和が０になり、かつ（２）スリップ指数ｆｒが最小になるという条件である。
【選択図】図２

Description

本発明は、基部と、該基部から延設された屈伸可能な複数の指機構と、各指機構を駆動する駆動部と、当該複数の指機構のそれぞれに動作を制御する制御部とを有するロボットハンド、および当該ロボットハンドを有する脚式移動ロボットに関する。

物体を把持するだけではなく、物体を持ち替える機能を有するロボットハンドが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。このロボットハンドによれば、複数の回転指機構により物体が把持されているとき、補助指機構により当該物体の姿勢変化が補助されることで物体の持ち替えが補助される。
特開２００５−３４９４９１号公報 第００３９段落、図５

しかし、補助的な指機構を用いることなく、複数の指機構のうち一部の指機構を物体から離して当該物体の持ち替えが図られるとき、当該複数の指機構から物体に作用する力のバランスが崩れる可能性がある。このため、ロボットハンドに対する物体の姿勢が大きく変動したり、指機構が物体に対してスリップしたりしてロボットハンドによる当該物体の持ち替えが不首尾に終わる可能性がある。

そこで、本発明は、補助的な指機構を用いることなく、複数の指機構から物体に作用する力を調節しながら、物体の持ち替えが可能なロボットハンド、および当該ロボットハンドを有するロボットを提供することを解決課題とする。

前記課題を解決するための第１発明のロボットハンドは、基部と、該基部から延設された屈伸可能な複数の指機構と、物体における当該各指機構との接点を測定する第１測定部と、当該各指機構から該物体に作用する力ベクトルを測定する第２測定部と、該第１測定部および該第２測定部のそれぞれによる測定結果に基づいて当該各指機構の動作を制御する制御部とを備え、前記制御部が該複数の指機構のうち少なくとも一部の指機構から該物体に作用する力ベクトルを変化させる過程において、該第１測定部により測定された該物体における当該各指機構との接点と、該第２測定部により測定された当該各指機構から該物体に作用する力ベクトルとが安定把持条件を満たすように当該各指機構の動作を制御し、前記安定把持条件が前記複数の指機構から前記物体に作用する力およびモーメントのそれぞれの和が０になり、かつ、前記各指機構に対する前記物体の摩擦円錐の軸と垂直なベクトルと、当該各指機構から該物体への作用力ベクトルとの内積の大きさの減少関数としてのスリップ指数が最小になるという条件であることを特徴とする。

第１発明のロボットハンドによれば、複数の指機構のうち一部の指機構から物体に作用する力が変更されるとき、物体における各指機構の「接点」ならびに各指機構から物体への「作用力ベクトル」が「安定把持条件」を満たすように各指機構の動作が制御される。「安定把持条件」は（１）複数の指機構から物体に作用する力およびモーメントのそれぞれの和が０になり、かつ（２）スリップ指数が最小になるという条件である。「スリップ指数」とは、各指機構に対する物体の摩擦円錐の軸と垂直なベクトルと、当該各指機構から物体への作用力ベクトルとの内積の大きさの減少関数として定義されている。複数の指機構から物体に作用する力およびモーメントが０になるという条件が満たされることで、ロボットハンドに対する物体の位置や姿勢が大きく変動する事態が回避される。また、スリップ指数が最小になるという条件が満たされることで指機構が物体に対してスリップする事態が回避または抑制される。

したがって、複数の指機構のうち一部の指機構から物体に作用する力が徐々に弱められていき、当該力が０になって当該一部の指機構が物体から離れる過程において、当該複数の指機構から物体に作用する力のバランスが物体把持の観点から適当に調節されうる。また、物体から離反された指機構が再び物体に当接して、当該指機構から物体に作用する力を徐々に強めていく過程において、当該複数の指機構から物体に作用する力のバランスが物体把持の観点から適当に調節されうる。前記のような一部の指機構の物体からの離反および当該物体への再当接を伴う物体の持ち替えが円滑に実施されうる。

また、第２発明のロボットハンドは、第１発明のロボットハンドにおいて、前記複数の指機構として第１指機構と、当該第１指機構に対向して前記物体に当接する第２および第３指機構とを備え、前記制御部が当該第３指機構から該物体に作用する力ベクトルを変化させる過程において、該物体と該第１、第２および第３指機構のそれぞれとの接点（以下、適宜「第１接点」「第２接点」または「第３接点」という。）を含む平面における該第２および第３接点を結ぶ線分に垂直な方向について、該第１、第２および第３指機構のそれぞれから該物体に作用する力の比が、前記安定把持条件を満たすように決定される係数αを用いて−１：α：１−α（０≦α＜１）と表現されるように当該各指機構の動作を制御することを特徴とする。

第２発明のロボットハンドによれば、３本の指機構、すなわち、第１指機構と、第１指機構に対向する第２および第３機構により物体が把持されている状態で、第３指機構から当該物体に作用する力が変化させられるとき、第１および第２指機構から物体に作用する力の大きさおよび向きが、第１、第２および第３接点の配置等が反映されるスリップ指数が考慮されて調節される。これにより、当該３本の指機構のうち、第３指機構の物体からの離反および当該物体への再当接を伴う物体の持ち替えが円滑に実施されうる。

さらに、第３発明のロボットハンドは、第１または第２発明のロボットハンドにおいて、前記制御部が、前記複数の指機構のうち前記物体に作用する力が弱められる前記一部の指機構を除く、少なくとも１本の指機構から前記物体に作用する力が上限値に到るように前記駆動部の動作を制御することを特徴とする。

第３発明のロボットハンドによれば、物体の持ち替えに際して物体に当接し続ける指機構のうち少なくとも一部の指機構から物体に作用する力がその上限値に調節される。これにより、当該指機構と物体との摩擦力が強められて、指機構が物体に対してスリップすることが防止または抑制されうる。

前記課題を解決するための第４発明のロボットは、基体と、該基体から延設された複数の脚体とを有し、該複数の脚体の動作により移動可能な脚式移動ロボットであって、前記基体の上部から延設されたアームの先端に第１〜第３発明のうちいずれか１つのロボットハンドを取り付けられているハンドによる物体の把持動作を制御することを特徴とする。

第４発明のロボットによれば、複数の指機構のうち一部の指機構から物体に作用する力が変更されるとき、物体における各指機構の「接点」ならびに各指機構から物体への「作用力ベクトル」が「安定把持条件」を満たすように各指機構の動作が制御される。これにより、指機構の物体に対するスリップおよびロボットハンドに対する物体の姿勢の崩れが防止されて、一部の指機構の物体からの離反および当該物体への再当接を伴う物体の持ち替えが円滑に実施されうる。

本発明のロボットハンドおよびロボットの実施形態について図面を用いて説明する。

図１は本発明のロボットハンドを有するロボットの構成説明図であり、図２は本発明のロボットハンドの構成説明図であり、図３〜図６は本発明のロボットハンドの機能説明図である。

図１に示されているロボットＲは脚式移動ロボットであり、人間と同様に、上体部Ｐ０と、上体部Ｐ０の上部両側から延設された左右の腕部Ｐ１と、左右の腕部Ｐ１のそれぞれの先端に設けられているハンド（ロボットハンド）１と、上体部Ｐ０の下部から下方に延設された左右の脚部Ｐ２と、上体部Ｐ０の上方に配置された頭部Ｐ３と、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリ、信号入力回路および信号出力回路等によって構成され、ロボットＲの動作を制御する制御ユニット２とを備えている。なお、頭部Ｐ３にはロボットＲの周囲を撮像するＣＣＤカメラ等の撮像装置が搭載されていてもよい。

上体部Ｐ０は、ヨー軸回りに相対的に回動しうるように上下に連結された上部および下部により構成されている。

腕部Ｐ１は、第１腕リンクＰ１１と、第２腕リンクＰ１２とを備えている。上体部Ｐ０と第１腕リンクＰ１１とは肩関節Ｊ１１を介して連結され、第１腕リンクＰ１１と第２腕リンクＰ１２とは肘関節Ｊ１２を介して連結され、第２腕リンクＰ１２とハンド１とは手根関節Ｊ１３を介して連結されている。肩関節Ｊ１１はロール、ピッチおよびヨー軸回りの回動自由度を有し、肘関節Ｊ１２はピッチ軸回りの回動自由度を有し、手根関節Ｊ１３はロール、ピッチ、ヨー軸回りの回動自由度を有している。

脚部Ｐ２は、第１脚リンクＰ２１と、第２脚リンクＰ２２と、足部Ｐ２３とを備えている。上体部Ｐ０と第１脚リンクＰ２１とは股関節Ｊ２１を介して連結され、第１脚リンクＰ２１と第２脚リンクＰ２２とは膝関節Ｊ２２を介して連結され、第２脚リンクＰ２２と足部Ｐ２３とは足関節Ｊ２３を介して連結されている。股関節Ｊ２１はロール、ピッチおよびロール軸回りの回動自由度を有し、膝関節Ｊ２２はピッチ軸回りの回動自由度を有し、足関節Ｊ１３はロールおよびピッチ軸回りの回動自由度を有している。

頭部Ｐ３は、上体部Ｐ０に対してヨー軸回りに回動する等、さまざまに動くことができる。

ハンド１は、図２に示されているように、手掌部１０、ならびに手掌部１０から延設された第１指機構１１、第２指機構１２および第３指機構１３を備えている。指機構１１〜１３は、たとえば、特開２００１−３４７４８２号公報に記載されている指機構と同様に、それぞれが別個独立に屈伸運動可能とされ、また、それぞれがほぼ同様の構成とされている。たとえば、第１指機構１１は、第１リンク部材１１２、第２リンク部材１１４および第３リンク部材１１６を備えている。第１指機構１１は図示しない弾性カバーにより覆われていてもよい。第１リンク部材１１２、第２リンク部材１１４および第３リンク部材１１６のそれぞれは、人間の手の人差指、中指等の基節、中節および末節のそれぞれに相当する。第１リンク部材１１２は、手掌部１０に対して第１軸ｘ１のまわりに回動可能な状態で、第１関節１１１を介して手掌部１０に連結されている。第２リンク部材１１４は、第１リンク部材１１２に対して、第１軸ｘ１に垂直な第２軸ｘ２のまわりに回動可能な状態で、第２関節１１３を介して第１リンク部材１１２に連結されている。第３リンク部材１１６は、第２リンク部材１１４に対して、第２軸ｘ２に平行な第３軸ｘ３のまわりに回動可能な状態で、第３関節１１５を介して第２リンク部材１１４に連結されている。第１関節１１１、第２関節１１３および第３関節１１５のそれぞれは、人間の手の人差指、中指の中手指節関節、近位指節間関節および遠位指節間関節のそれぞれに相当する。

第１指機構１１は第１関節１１１に設けられたモータの動力により当該第１関節１１１において手掌部１１０に対して回動することができる。また、第１指機構１１は第２関節１１３および第３関節１１５のそれぞれに設けられたモータの動力により当該第２関節１１３および第３関節１１５のそれぞれにおいて曲がることができる。各モータの動作は制御ユニット２により制御される。第１指機構１１の動作は、モータから力伝達機構を介して第１リンク部材１１２、第２リンク部材１１４および第３リンク部材１１６のそれぞれに伝えられる力によって制御される。力伝達機構は、同公報に記載されているようにワイヤやプーリ等によって構成されてもよく、各指機構を屈伸運動させるようにモータの動力を伝達しうるあらゆる構成が採用されてもよい。

第２指機構１２および第３指機構１３のそれぞれの構成は、第１指機構１１の前記構成とほぼ同様なので説明を省略する。

制御ユニット２は第１測定部２１と、第２測定部２２とを備えている。

第１測定部２１は指機構１１〜１３のそれぞれの指先部分に設けられた６軸力センサ（図示略）や指腹部分に設けられた接触センサの出力に基づき、物体（ワーク）ｗにおける指機構１１〜１３のそれぞれの接点を測定する。第２測定部２２は同じく６軸力センサ等からの出力に基づき、指機構１１〜１３のそれぞれから物体ｗに作用する力ベクトルを測定する。そして、制御ユニット２は複数の指機構１１〜１３のうち少なくとも一部の指機構から物体ｗに作用する力ベクトルを変化させる過程において、第１測定部２１および第２測定部２２のそれぞれ測定結果に基づいて指機構１１〜１３の動作を制御する。

前記構成のロボットハンド１によれば、図４に示されているように第１指機構１１、第２指機構１２および第３指機構１３により平板状の物体ｗが把持されているとき、第３指機構１３が物体ｗから離れることで当該物体ｗが持ち替えられる。物体ｗの持ち替えは、たとえば第３指機構１３の先端部（第３リンク部材の部分）を当接させたいにもかかわらず、第３指機構１３の中間部（第２リンク部材の部分）が物体ｗに当接されているような状態で必要となる。ロボットハンド１による物体ｗの持ち替えの手順について図３〜図６を用いて説明する。

第１指機構１１、第２指機構１２および第３指機構１３のそれぞれの動作制御のため、物体ｗにおける各指機構の接点である第１接点ｃ₁、第２接点ｃ₂および第３接点ｃ₃を頂点とする三角形を含む平面が把持平面として定義される。また、当該三角形の中心が把持平面の原点であり、把持平面の法線方向がｘ方向、当該平面において第２接点ｃ₂および第３接点ｃ₃を結ぶ線分に平行な方向がｙ方向、当該把持平面における当該線分に垂直な方向がｚ方向として定義される。

まず、制御サイクルを表す指数ｋが１に設定され、制御ユニット２は指機構１１〜１３のそれぞれに設けられた６軸力センサ等の出力に基づき、物体ｗにおける指機構１１〜１３のそれぞれの第１接点ｃ₁(k)≡^t（ｃ_1y(k)，ｃ_1z(k)）、第２接点ｃ₂(k)≡^t（ｃ_2y(k)，ｃ_2z(k)）および第３接点ｃ₃(k)≡^t（ｃ_3y(k)，ｃ_3z(k)）を算定する（添字の「ｔ」は転置を表す。以下同じ。）（図３／Ｓ００４）。また、制御ユニット２は同じく指機構１１〜１３のそれぞれに設けられた６軸力センサ等の出力に基づき、物体ｗにおける指機構１１〜１３のそれぞれの摩擦円錐の軸に垂直な把持平面上のベクトルｔ₁(k)≡^t（ｔ_1y(k)，ｔ_1z(k)）、ｔ₂(k)≡^t（ｔ_2y(k)，ｔ_2z(k)）およびｔ₃(k)≡^t（ｔ_3y(k)，ｔ_3z(k)）を算定する（図３／Ｓ００６）。ここで、摩擦円錐は、指機構１１〜１３のそれぞれと物体ｗとの接触点を頂点とし、当該接触点における指機構１１〜１３のそれぞれの法線ベクトルを軸とする円錐として定義されている。

指機構１１〜１３のそれぞれから物体ｗへの目標作用力Ｆ₁₀(k)≡^t（f_10y(k)，f_10z(k)）、Ｆ₂₀≡^t（f_20y(k)，f_20z(k)）およびＦ₃₀≡^t（f_30y(k)，f_30z(k)）のそれぞれのｚ成分ｆ_10z(k)、ｆ_20z(k)およびｆ_30z(k)が式（１ａ）〜（１ｃ）により仮設定される（図３／Ｓ００８）。式（１ａ）〜（１ｃ）は目標作用力Ｆ₁₀(k)〜Ｆ₃₀(k)のそれぞれのｚ成分の和が０になることを表している。

ｆ_10z(k)≡−（１／α(k)）ｆ₀，
（０＜α(k)≦１，α(k-1)＜α(k)）‥（１ａ）
ｆ_20z(k)≡ｆ₀ ‥（１ｂ）
ｆ_30z(k)≡｛（１−α(k)）／α(k)｝ｆ₀ ‥（１ｃ）
ここで、ｆ₀は適当な定数である。

また、目標作用力Ｆ₁₀(k)〜Ｆ₃₀(k)が「安定把持条件」を満たすように設定される。安定把持条件は、式（２ａ）で表されるように目標作用力Ｆ₁₀(k)〜Ｆ₃₀(k)のそれぞれのｙ成分の和が０になり、式（２ｂ）で表されるように目標作用力Ｆ₁₀(k)〜Ｆ₃₀(k)のそれぞれのｚ成分の和が０になり、式（３）で表されるように物体ｗに作用するモーメントの和が０になり、かつ、式（４）で定義されるスリップ指数ｓｌが最小になる、すなわち、式（５）の等式が成立するという条件である。

ｆ_10y(k)＋ｆ_20y(k)＋ｆ_30y(k)＝０ ‥（２ａ）
ｆ_10z(k)＋ｆ_20z(k)＋ｆ_30z(k)＝０ ‥（２ｂ）
Ｍ₁₀(k)＋Ｍ₂₀(k)＋Ｍ₃₀(k)
＝（ｃ₁(k)×Ｆ₁₀(k)）＋（ｃ₂(k)×Ｆ₂₀(k)）＋（ｃ₃(k)×Ｆ₃₀(k)）
＝（ｃ_1y(k)ｆ_10z(k)−ｃ_1z(k)ｆ_10y(k)）
＋（ｃ_2y(k)ｆ_20z(k)−ｃ_2z(k)ｆ_20y(k)）
＋（ｃ_3y(k)ｆ_30z(k)−ｃ_3z(k)ｆ_30y(k)）＝０ ‥（３）
ｓｌ(k)≡｜ｔ₁(k)・Ｆ₁₀(k)｜²＋｜ｔ₂(k)・Ｆ₂₀(k)｜²＋｜ｔ₃(k)・Ｆ₃₀(k)｜²
＝（ｔ_1y(k)ｆ_10y(k)＋ｔ_1z(k)ｆ_10z(k)）²
＋（ｔ_2y(k)ｆ_20y(k)＋ｔ_2z(k)ｆ_20z(k)）²
＋（ｔ_3y(k)ｆ_30y(k)＋ｔ_3z(k)ｆ_30z(k)）²
＝（ｔ_1y(k)ｆ_10y(k)−（１／α(k)）ｔ_1z(k)ｆ₀）²
＋（ｔ_2y(k)ｆ_20y(k)＋ｔ_2z(k)ｆ₀）²
＋（ｔ_3y(k)ｆ_30y(k)＋｛（１−α(k)）／α(k)｝ｔ_3z(k)ｆ₀）² ‥（４）
（∂／∂ｆ₀）ｓｌ(k)＝０ ‥（５）

なお、スリップ指数ｓｌ(k)は物体ｗから離反される第３指機構１３と物体ｗとの摩擦力に関する右辺第３項よりも、第１指機構１１および第２指機構１２のそれぞれと物体ｗとの摩擦力に関する右辺第１項および第２項のほうの重み付けが大きくされてもよく、当該右辺第３項が省略されてもよい。

式（１ａ）〜（１ｃ）および（２）〜（５）により、目標作用力Ｆ₁₀(k)〜Ｆ₃₀(k)のそれぞれのｙ成分が式（６ａ）〜（６ｃ）で表されるように求められる（図３／Ｓ０１０）。

ｆ_10y(k)＝（Ｂ(k)ｆ_L(k)−Ａ(k)）／Ｃ(k) ‥（６ａ）
ｆ_20y(k)＝ｆ_L(k) ‥（６ｂ）
ｆ_30y(k)＝｛−（Ｂ(k)＋Ｃ(k)）ｆ_L(k)＋Ａ(k)｝／Ｃ(k) ‥（６ｃ）
ここで、Ａ，Ｂ，Ｃおよびｆ_Lは次式（７ａ）〜（７ｄ）により表される。

Ａ(k)≡｛−（１／α(k)）ｃ_1y(k)＋ｃ_2y(k)
＋｛（１−α(k)）／α(k)｝ｃ_3y(k)｝ｆ₀ ‥（７ａ）
Ｂ(k)≡ｃ_3z(k)−ｃ_2z(k) ‥（７ｂ）
Ｃ(k)≡ｃ_1z(k)−ｃ_3z(k) ‥（７ｃ）
ｆ_L(k)≡−Ｅ(k)／Ｄ(k)
Ｄ(k)≡（Ｂ(k)ｔ_1y(k)／Ｃ(k)）²＋ｔ_2y(k)²
＋｛（Ｂ(k)＋Ｃ(k)）ｔ_3y(k)／Ｃ(k)｝²
Ｅ(k)≡−（Ｂ(k)／Ｃ(k)）
・（Ａ(k)ｔ_1y(k)／Ｃ(k)＋ｔ_1z(k) ｆ₀／α(k)）ｔ_1y(k)
＋ｎ_2y(k)ｔ_2z(k)ｆ₀
−｛Ａ(k)ｔ_3y(k)／Ｃ(k)＋（１−α(k)）ｔ_3z(k) ｆ₀／α(k)｝
・｛（Ｂ(k)＋Ｃ(k)）／Ｃ(k)｝ｔ_3y(k) ‥（７ｄ）

続いて、仮設定された目標作用力Ｆ₁₀(k)〜Ｆ₃₀(k)のうち、物体ｗから離反される第３指機構１３とは別の第１指機構１１および第２指機構１２のそれぞれから物体への目標最大力｜Ｆ₁₀(k)｜および｜Ｆ₂₀(k)｜の最大値Ｆ_max(k)（＝ｍａｘ（｜Ｆ₁₀(k)｜，｜Ｆ₂₀(k)｜）が、その上限値Ｆ_ltdに一致するように式（８）で表される補正係数β(k)が算出される。

β(k)＝Ｆ_ltd／Ｆ_max(k) ‥（８）

そして、この補正係数β(k)が乗じられることで仮設定された目標作用力Ｆ₁₀(k)〜Ｆ₃₀(k)が補正されることで、式（９ａ）〜（９ｃ）で表されるように目標作用力Ｆ₁₀(k)〜Ｆ₃₀(k)が最終的に設定される（図３／Ｓ０１２）。

Ｆ₁₀(k)＝β(k)^t（（Ｂ(k)ｆ_L(k)−Ａ(k)）／Ｃ(k)，
−（１／α(k)）ｆ₀）‥（９ａ）
Ｆ₂₀(k)＝β(k)^t（ｆ_L(k)，ｆ₀(k)）‥（９ｂ）
Ｆ₃₀(k)＝β(k)^t（｛−（Ｂ(k)＋Ｃ(k)）ｆ_L(k)＋Ａ(k)｝／Ｃ(k)，
｛（１−α(k)）／α(k)｝ｆ₀）‥（９ｃ）

そして、指機構１１〜１３のそれぞれから物体ｗに作用する力Ｆ₁(k)〜Ｆ₃(k)が目標作用力Ｆ₁₀(k)〜Ｆ₃₀(k)に一致するように関節１１１、１１３、１１５「、１２１、１２３、１２５、１３１、１３３および１３５のそれぞれに設けられたモータの動作が制御されることにより、第１指機構１１、第２指機構１２および第３指機構１３のそれぞれの動作が制御される（図３／Ｓ０１４）。

その後、制御ユニット２により、指機構１１〜１３のそれぞれに設けられた６軸力センサ等の出力に基づき、物体ｗの持ち替えが終了したか否かが判定される（図３／０１６）。たとえば、図５に示されているように第３指機構１３が物体ｗから離反した後、図６に示されているように物体ｗに再び当接し、指機構１１〜１３のそれぞれの物体ｗへの当接位置が目的位置に一致したか否かに応じて、物体ｗの持ち替えが終了したか否かが判定される。

判定結果が否定的な場合（図３／Ｓ０１６‥ＮＯ）、指数ｋが１だけ増加され（図３／Ｓ０１８）、前述の処理が再び実行される（図３／Ｓ００４〜Ｓ０１６参照）。一方、判定結果が肯定的な場合（図３／Ｓ０１６‥ＹＥＳ）、持ち替え処理が終了する。

前記機能を発揮するロボットハンド１によれば、複数の指機構１１〜１３のうち第３指機構１３から物体ｗに作用する力Ｆ₃が変更されるとき、物体ｗにおける各指機構１１〜１３の接点ｃ₁，ｃ₂，ｃ₃ならびに各指機構１１〜１３から物体ｗへの目標作用力Ｆ₁₀，Ｆ₂₀，Ｆ₃₀、ひいては作用力Ｆ₁，Ｆ₂，Ｆ₃が「安定把持条件」を満たすように各指機構１１〜１３の動作が制御される（図３／Ｓ００２〜Ｓ０１４参照）。「安定把持条件」は（１）複数の指機構１１〜１３から物体ｗに作用する力およびモーメントのそれぞれの和が０になり（式（１）〜（３）参照）、かつ（２）スリップ指数ｓｌが最小になるという条件である（式（４）（５）参照）。複数の指機構１１〜１３から物体ｗに作用する力Ｆ₁，Ｆ₂，Ｆ₃およびモーメントＭ₁，Ｍ₂，Ｍ₃が０になるという条件が満たされることで、ロボットハンド１に対する物体ｗの位置や姿勢が大きく変動する事態が回避される。また、スリップ指数ｓｌが最小になるという条件が満たされることで指機構１１〜１３が物体ｗに対してスリップする事態が回避または抑制される。

したがって、複数の指機構１１〜１３のうち第３指機構１３から物体ｗに作用する力が徐々に弱められていき、当該力が０になって当該一部の指機構が物体から離れる過程において、当該複数の指機構１１〜１３から物体ｗに作用する力のバランスが物体把持の観点から適当に調節されうる。また、図５に示されているように物体ｗから離反された第３指機構１３が、図６に示されているように再び物体ｗに当接して、当該第３指機構１３から物体ｗに作用する力を徐々に強めていく過程において、当該複数の指機構１１〜１３から物体ｗに作用する力のバランスが物体把持の観点から適当に調節されうる。前記のような一部の指機構の物体ｗからの離反および当該物体ｗへの再当接を伴う物体ｗの持ち替えが円滑に実施されうる。

また、物体ｗから離反される第３指機構１３とは別の第１指機構１１および第２指機構１２のそれぞれから物体ｗへの目標作用力｜Ｆ₁₀(k)｜および｜Ｆ₂₀(k)｜の最大値Ｆ_max(k)（＝ｍａｘ（｜Ｆ₁₀(k)｜，｜Ｆ₂₀(k)｜）が、その上限値Ｆ_ltdに一致するように指機構１１〜１３の動作が制御される。

これにより、物体ｗの持ち替えに際して物体ｗに当接し続ける第１指機構１１および第２指機構１２のそれぞれから物体ｗへの作用力Ｆ₁(k)およびＦ₂(k)のうち一方がその上限値に調節される。これにより、当該指機構と物体との摩擦力が強められて、指機構が物体に対してスリップすることが防止または抑制されうる。

なお、前記実施形態では第１指機構１１、第２指機構１２および第３指機構１３により物体ｗが把持されている状態（図４参照）から、第３指機構１３から物体ｗへの作用力Ｆ₃が徐々に弱められ、第３指機構１３が物体ｗから離され（図５参照）、その後再び第３指機構１３が物体ｗに当接されることで物体ｗが持ち替えられたが、これとは異なるさまざまな形態でロボットハンド１により物体ｗが持ち替えられてもよい。たとえば、ロボットハンド１が第４指機構（図示略）を有している場合、物体ｗから離された第３指機構１３ではなく、当該第４指機構が物体ｗに当接されることで物体ｗが持ち替えられてもよい。また、指機構１１〜１３により物体ｗが把持されている状態（図４参照）から第２指機構１２が物体ｗから離反され、物体ｗに再び当接されることで物体ｗが持ち替えられてもよい。

本発明のロボットハンドを備えるロボットの構成例示図 ハンドの構成例示図 本発明のロボットハンドの機能例示図 本発明のロボットハンドの機能例示図 本発明のロボットハンドの機能例示図 本発明のロボットハンドの機能例示図

符号の説明

１‥ハンド、１０‥手掌部（基部）、１１〜１５‥指機構、２‥制御ユニット、２１‥第１測定部、２２‥第２測定部、Ｒ‥ロボット、Ｐ０‥上体部（基体）、Ｐ１‥腕部、Ｐ２‥脚部、Ｐ３‥頭部

Claims (4)

1. 基部と、
   該基部から延設された屈伸可能な複数の指機構と、
   物体における当該各指機構との接点を測定する第１測定部と、
   当該各指機構から該物体に作用する力ベクトルを測定する第２測定部と、
   該第１測定部および該第２測定部のそれぞれによる測定結果に基づいて当該各指機構の動作を制御する制御部とを備え、
   前記制御部が該複数の指機構のうち少なくとも一部の指機構から該物体に作用する力ベクトルを変化させる過程において、該第１測定部により測定された該物体における当該各指機構との接点と、該第２測定部により測定された当該各指機構から該物体に作用する力ベクトルとが安定把持条件を満たすように当該各指機構の動作を制御し、
   前記安定把持条件が前記複数の指機構から前記物体に作用する力およびモーメントのそれぞれの和が０になり、かつ、前記各指機構に対する前記物体の摩擦円錐の軸と垂直なベクトルと、当該各指機構から該物体への作用力ベクトルとの内積の大きさの減少関数としてのスリップ指数が最小になるという条件であることを特徴とするロボットハンド。
2. 前記複数の指機構として第１指機構と、当該第１指機構に対向して前記物体に当接する第２および第３指機構とを備え、
   前記制御部が当該第３指機構から該物体に作用する力ベクトルを変化させる過程において、該物体と該第１、第２および第３指機構のそれぞれとの接点（以下、適宜「第１接点」「第２接点」または「第３接点」という。）を含む平面における該第２および第３接点を結ぶ線分に垂直な方向について、該第１、第２および第３指機構のそれぞれから該物体に作用する力の比が、前記安定把持条件を満たすように決定される係数αを用いて−１：α：１−α（０≦α＜１）と表現されるように当該各指機構の動作を制御することを特徴とする請求項１記載のロボットハンド。
3. 前記制御部が、前記複数の指機構のうち前記物体に作用する力が弱められる前記一部の指機構を除く、少なくとも１本の指機構から前記物体に作用する力が上限値に到るように前記駆動部の動作を制御することを特徴とする請求項１または２記載のロボットハンド。
4. 基体と、該基体から延設された複数の脚体とを有し、該複数の脚体の動作により移動可能な脚式移動ロボットであって、
   前記基体の上部から延設されたアームの先端に請求項１〜３のうちいずれか１つに記載のロボットハンドを取り付けられているハンドによる物体の把持動作を制御することを特徴とするロボット。

Images