JP2010149262A

JP2010149262A - 把持部を有するロボットハンドシステム

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Publication number: JP2010149262A
Application number: JP2008332712A
Authority: JP
Inventors: Sadao Omata; 定夫尾股; Yoshinobu Murayama; 嘉延村山
Original assignee: Nihon University
Current assignee: Nihon University
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2010-07-08
Also published as: WO2010074045A1

Abstract

【課題】把持部を有するロボットハンドシステムにおいて、センサを複数必要とせずに、最小限の把持力で対象物を把持することを可能とすることである。
【解決手段】ロボットハンドシステム１０のハードウェアの部分は、１つの昇降アクチュエータ１２と、複数の把持アクチュエータ１４と、複数の多関節部１７の各先端の把持端部にそれぞれ設けられる探触子２０を含んで構成される。探触子２０に接続される接触・滑り度検出部５０は、探触子２０に対象物が全く接触していない非接触状態と、探触子２０と対象物が相対的に移動していない接触把持状態と、探触子２０と対象物が相対的に移動していわゆる滑っている滑り状態とを区別して検出する機能を有する。この機能を用いて、制御部７０は、最小限の把持力で対象物を把持するように、把持アクチュエータ１４を駆動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、把持部を有するロボットハンドシステムに係り、特に、対象物に対し相対的に移動して対象物を把持する把持部を有するロボットハンドシステムに関する。

対象物に対し作業工具等を搭載するアームを任意の位置に移動して作業を行なうために、多関節ロボットが用いられる。また、対象物を把持して、例えば任意の場所に運ぶ等の作業を行なうために多関節指を有するロボットハンドが用いられる。そして、把持部を有するロボットハンドとしては、対象物をしっかり把持するために、指先である把持部と対象物との間の滑りを検出する必要が出てくる。

例えば、特許文献１には、ロボットハンドの指表面の滑り検知装置として、柔軟構造を有する指表面に複数の圧力センサからなる触覚センサを配置し、把持対象物の把持開始時の指先に働く法線接触力と初期圧力重心位置を測定することが開示されている。そして、把持対象物を持ち上げる際に柔軟構造は把持対象物に働く外力である重力に応じて変形するために圧力重心位置が変化するので、この圧力重心位置の移動量に基いて滑りの発生を予想し、滑り発生時には把持力を増やすことが述べられている。

また、本発明に関連する技術として、特許文献２には、超音波を用いて対象物の硬さを精度よく測定する技術が開示されている。この技術は、物質に超音波を入射する振動子と物質からの反射波を検出する振動検出センサと、振動検出センサの信号出力端に入力端が接続された増幅器と、増幅器の出力端と振動子の信号入力端との間に設けられ、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形との間に位相差が生じるときは、周波数を変化させて位相差をゼロにシフトする位相シフト回路と、位相差をゼロにシフトさせるための周波数変化量を検出する周波数変化量検出手段とを含む構成である。ここでは、周波数変化量検出手段において、硬さの相違による位相差をゼロにシフトさせてこれを周波数変化量に変換している。この変換は、周波数に対する反射波の振幅ゲインと位相の関係を示す基準伝達関数を予め求めておいてこれを用いている。

特開２００６−２９７５４２号公報特開平９−１４５６９１号公報

把持部を有するロボットハンドシステムで対象物を把持する際に、過度に強い把持力であると対象物を損傷することがある。例えば、豆腐等のように柔らかく、過度に強く把持すると形状が損傷してしまうものを対象とする場合には、把持力を最小限度にする必要がある。特許文献１の方法を用いると、最初に小さい把持力からスタートして必要な把持力にする可能性が期待されるが、複数の圧力センサを指表面に配置する必要があり、複雑な構造と把持部である指が大型化する。

本発明の目的は、センサを複数必要とせずに、最小限の把持力で対象物を把持することを可能とする把持部を有するロボットハンドシステムを提供することである。

本発明は、特許文献２の硬さ測定技術の応用で、物質に超音波を入射する振動子と物質からの反射波を検出する振動検出センサとを有する探触子が対象物に接触すると、接触前と比べて、入射波と反射波との間の位相差が生じることに気づいたことに基く。すなわち、特許文献２の硬さ測定技術は、探触子が対象物に接触させたときの入射波と反射波との間の位相差が対象物の硬さと相関関係があることに基くものであるが、硬さに換算する以前に、探触子が対象物に接触した瞬間に、入射波と反射波との間の位相差が生じる。つまり、接触圧がほとんどゼロの状態、探触子と対象物との間の接触を検出できる。

特許文献２の硬さ測定技術では、基準伝達関数を用いて位相差を周波数変化に換算している。したがって、換算された周波数変化を観察していれば、探触子と対象物とが接触していない非接触時の周波数から、周波数が変化したときに接触が生じたことを検出できる。接触が検出されたときの周波数を接触時周波数とすると、一旦接触しても、探触子と対象物とが離れれば、接触時周波数から非接触時周波数に戻ることになる。

このことから、探触子から対象物が滑ったときに周波数変化が生じるのではないか、と考え、実験したところ、接触状態のときに接触時周波数であったものが、探触子から対象物が滑ったときに、その周波数は非接触時周波数の方に変化することが確認された。したがって、特許文献２の硬さ測定技術を応用することで、探触子と対象物との間の接触検出と、滑り検出ができる。本発明は、この原理を実現するため、以下に述べる具体的手段を構成して、把持部を有するロボットハンドシステムとしたものである。

すなわち、本発明に係る把持部を有するロボットハンドシステムは、対象物に対し相対的に移動して対象物を把持する把持部と、把持部に設けられ、対象物に振動を入射する振動子と、対象物からの反射波を検出する振動検出センサとを有する探触子と、振動検出センサの出力端に入力端が接続された増幅器と、増幅器の出力端と振動子の入力端との間に設けられ、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形の間に位相差が生じるときは、振動子への入力振動の周波数を変化させて位相差をゼロにシフトし、位相差がゼロとなったときの振動子への入力周波数を出力する位相シフト回路と、位相シフト回路が出力する周波数について、把持部に対象物がない状態の非接触状態周波数から、予め定めた接触把持閾値周波数を超えて周波数が変化したときに、把持部が対象物に接触し把持したことを検出する接触状態検出部と、位相シフト回路が出力する周波数について、接触把持閾値周波数を超えている接触把持状態から、非接触状態周波数の方向に周波数が変化するときに、把持部に対し対象物が接触把持状態から変化して滑っている滑り状態として検出する滑り状態検出部と、把持部の対象物に対する相対的な移動である把持移動を制御する制御部と、を備え、制御部は、把持部に対象物が接触していない状態から対象物に接触する方向に把持部を対象物に対し把持移動させ、接触状態検出部が把持部と対象物との接触把持を検出したときに把持移動を停止させる接触状態停止手段と、接触把持を検出して把持移動を停止した状態のままで、把持部に対し対象物が相対的に重力方向に移動して滑り状態検出部が滑り状態を検出するときに、位相シフト回路が出力する周波数の変化量に応じて、把持部が対象物を滑り状態から接触把持状態に戻す方向にさらに把持部を把持移動させる滑り対応手段と、滑り状態検出部が滑り状態を検出しなくなったときに、把持部の把持移動を停止させる把持維持手段と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る把持部を有するロボットハンドシステムにおいて、滑り状態検出部は、位相シフト回路が出力する周波数を微分する微分手段を有し、微分手段の出力に基いて、位相シフト回路が出力する周波数の変化による滑り検出を行うことが好ましい。

また、本発明に係る把持部を有するロボットハンドシステムにおいて、把持維持手段の処理で滑り状態検出部が滑り状態を検出しなくなったときの位相シフト回路が出力する周波数変化に基き、予め求められた周波数変化と硬さの関係を用いて、対象物の硬さを出力する硬さ出力手段を備えることが好ましい。

上記構成により、把持部を有するロボットハンドシステムは、特許文献２に述べられている位相シフト回路を含む構成に加えて、位相シフト回路が出力する周波数について、把持部に対象物がない状態の非接触状態周波数から、予め定めた接触把持閾値周波数を超えて周波数が変化したときに、把持部が対象物に接触把持したことを検出し、また、接触把持閾値周波数を超えている接触把持状態から、非接触状態周波数の方向に周波数が変化するときに、把持部に対し対象物が接触状態から変化して滑っている滑り状態として検出する。

そして、把持部の対象物に対する把持移動を制御する制御部は、把持部に対象物が接触していない状態から対象物に接触する方向に把持部を対象物に対し相対的に把持移動させ、把持部と対象物との接触把持を検出したときに把持移動を停止させ、また、接触把持を検出して相対的移動を停止した状態のままで、把持部に対し対象物が相対的に重力方向に移動して滑り状態が検出されるときに、位相シフト回路が出力する周波数の変化量に応じて、把持部が対象物を滑り状態から接触把持状態に戻す方向にさらに把持部を把持移動させて滑りに対応し、滑り状態検出部が滑り状態を検出しなくなったときに、把持部の対象物に対する相対的な把持移動を停止させて把持維持を行う。

接触把持を検出するときの探触子と対象物との間の接触圧あるいは把持力の大きさは接触把持閾値周波数の設定で定めることができるので、小さい値、例えば数グラムの把持力、場合によっては１グラム以下の把持力とすることができる。そして、ロボットハンドシステムが対象物を持ち上げ、あるいは対象物が容器の場合にその中に水等の別の物体を付加して、対象物が探触子に対し滑りを生じたときは、滑りが検出されなくなるまで、把持力を増加させることができる。したがって、把持部１つに対しセンサを複数必要とせずに探触子１つで、最小限の把持力で対象物を把持することが可能となる。

また、把持部を有するロボットハンドシステムにおいて、滑り状態検出部は、位相シフト回路が出力する周波数を微分する微分手段を有し、微分手段の出力に基いて、位相シフト回路が出力する周波数の変化による滑り検出を行う。これによって滑り検出を確実に行うことができる。

また、把持部を有するロボットハンドシステムにおいて、把持維持手段の処理で滑り状態検出部が滑り状態を検出しなくなったときの位相シフト回路が出力する周波数変化に基き、予め求められた周波数変化と硬さの関係を用いて、対象物の硬さを出力する。これによって、把持されている対象物の軟らかさ硬さを知ることができる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、対象物として、シリコンゴムの塊を説明するが、これは適度に軟らかく、過度に把持力を加えると外形が損傷する一例として用いたものであって、勿論、これ以外のもの、例えば、生体組織、豆腐、ゴムボール等を対象物としてもよい。また、剛体の容器のように、一旦把持している状態で容器中に他の収容物が付加されることで把持部と対象物との間に滑りが生じる場合のときの容器等であってもよい。以下で説明する材料、形状、寸法、数値等は例示であって、使用目的に応じ、これらの内容を適宜変更できる。

以下では、対象物を把持する把持部として、昇降アクチュエータと把持アクチュエータによって駆動されるアーム、３つの多関節部を説明するが、これは手首と親指、人指し指、中指の動作を模擬したハードウェアの例であって、これ以外の構成であっても、対象物に対し相対的に移動して対象物を把持するものであればよい。最も簡単な構成では、固定壁に対し相対的に移動して対象物を把持する１つの可動アームで把持部を構成するものとしてもよい。このように、対象物を挟む可動部の数は１以上であればよい。また、対象物を挟む可動アームの関節の数も、２以上として多関節とすることが好ましいが、場合によっては、１関節であってもよい。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、把持部を有するロボットハンドシステム１０の構成を説明する図である。把持部を有するロボットハンドシステム１０は、親指、人指し指、中指の３本の指と手首の動作を模擬的に再現できるロボットハンドのハードウェアの部分と、ロボットハンドの動作を制御するソフトウェアを実行する制御部分とで構成される。制御部分は制御部７０として図示されている。以下では、把持部を有するロボットハンドシステム１０を、特に断らない限り、単にロボットハンドシステム１０と呼ぶことにする。

ロボットハンドシステム１０のハードウェアの部分は、手首の動作を模擬的に再現する１つの昇降アクチュエータ１２と、親指、人指し指、中指の多関節部１７の動作を模擬的に再現する複数の把持アクチュエータ１４と、親指、人指し指、中指の多関節部１７の各先端の把持端部にそれぞれ設けられる探触子２０を含んで構成される。これら全体が、対象物に対し相対的に移動して対象物を把持するものとしての広義の把持部に相当する。

昇降アクチュエータ１２は、ベース１１に設けられた回転中心軸の周りに回転可能な２組のアーム１３を回転して、手のひらに相当する平板部１５をベース１１が配置される水平面に対し垂直な方向に昇降する機能を有する駆動機構である。このように、昇降アクチュエータ１２は、手のひらに相当する平板部１５を昇降することで、親指、人指し指、中指の各多関節部１７を一度に同じように移動させて、あたかも手首のように、その動作を再現することができる。

かかる昇降アクチュエータ１２としては、適当な小型モータを用いることができる。ここでは、小型ステッピングモータを用いるものとする。ステッピングモータは、駆動信号としてのパルス信号の１つごとに、単位角度だけ回転中心軸の周りに回転させることができる。したがって、昇降アクチュエータ１２の駆動信号のパルス数が手のひらに相当する平板部１５の昇降ステップ数となり、昇降量の大小は、駆動信号のパルス数で制御することができる。

把持アクチュエータ１４は、手のひらに相当する平板部１５にそれぞれ回転可能に取り付けられた３つの多関節部１７を、それぞれ独立に駆動する機能を有する。ここで、３つの多関節部１７は、図１に示されるように、平板部１５の先において１つの関節を有して親指の動作を再現できる１つと、２つの関節を有して人指し指、中指の動作をそれぞれ再現できる２つである。親指の動作を再現する１つの多関節部１７と、人指し指、中指の動作を再現する２つの多関節部１７とは、人の手と同様に、相互に向かい合って配置される。これら３つの多関節部１７が実際に対象物を挟んで把持することになるので、これらが狭義の把持部と考えることができる。

したがって、把持アクチュエータ１４は、内部的には、親指に相当する多関節部１７の
駆動を行うものと、人指し指に相当する多関節部１７の駆動を行うものと、中指に相当する多関節部１７の駆動を行うものの３系統のアクチュエータを含む。さらに、例えば親指に相当する多関節部１７の系統のアクチュエータは、平板部１５に対する回転駆動と、その先の１つの関節部の回転駆動とを行う２つの独立の回転駆動をそれぞれ行う２つのサブアクチュエータと含む。人指し指に相当する多関節部１７の系統のアクチュエータと、人指し指に相当する多関節部１７の系統のアクチュエータは、親指に相当する多関節部１７よりもさらに関節部が１つ多いので、それぞれ３つの独立した回転駆動を行う３つのサブアクチュエータを含む。

かかる把持アクチュエータ１４としては、昇降アクチュエータ１２と同様に、適当な小型モータを用いることができる。ここでは、昇降アクチュエータ１２と同様に、小型ステッピングモータを用いるものとする。上記のように、ステッピングモータは、駆動信号としてのパルス信号の１つごとに、単位角度だけ回転中心軸の周りに回転させることができる。

各多関節部１７は複数の関節部を有するが、把持の最終段階では各多関節部１７のうちの一部、例えば、親指に対応する多関節部１７の最先端の関節部を回転駆動するだけとなることが多い。したがって、把持の最終段階では、その最先端の関節部を駆動する把持アクチュエータ１４の駆動信号のパルス数が、例えば親指に相当する多関節部１７の最先端の関節部の回転ステップ数となり、把持量、または把持力の大小は、この駆動信号のパルス数で制御することができる。

探触子２０は、向かい合って配置される３つの多関節部１７のそれぞれの最先端の関節部の先端部に１つずつ配置される部品である。それぞれの探触子２０は、３つの多関節部１７によって対象物を挟み込むときに、対象物に実際に接触して把持する接触部を構成すると共に、対象物との間の接触、滑りを検出し、また、対象物の硬さを検出するためのセンサ部を構成する。

図２は、探触子２０周りの詳細図である。探触子２０は、第１基台２２の上に振動子２４と振動検出センサ２６が、さらにその上に略半球状のプラスチック製の接触ボール２８が積層されて構成される接触・滑り度検出センサ部の部分と、第２基台３２の上に圧力センサ３４が搭載される圧力検出センサ部の部分と、接触・滑り度検出センサ部の第１基台２２に設けられ、圧力センサ３４の表面に接触する押付ボール３０とを含んで構成される。これらの各要素は、一体化樹脂部３６によって全体として一体化される。探触子２０は、圧力検出センサ部の第２基台３２の側を底面側として、各多関節部１７の最先端の関節部の先端部に接着等で固定される。

振動子２４は、対象物に入射波を入射する機能を有し、振動検出センサ２６は、対象物からの反射波を検出する機能を有する素子である。振動子２４と、振動検出センサ２６は、それぞれ圧電素子を用いることができる。すなわち、前者の場合は電気信号を入力して振動を生じさせる電気−機械変換機能を用い、後者は、振動信号を入力して電気信号を生じさせる機械−電気変換機能を用いるものとすることができる。

図２では、振動子２４に電気信号を供給する入力端子３８と、振動検出センサ２６からの電気信号を取り出す出力端子４０が示されている。この入力端子３８と出力端子４０は適当な信号線によって、接触・滑り度検出部５０に接続される。

なお、振動子２４と振動検出センサ２６の積層順は、図２のように対象物側を振動検出センサ２６とすることが好ましいが、これを逆にして、振動子２４を対象物側に配置するものとしてもよい。また、振動子２４と振動検出センサ２６を図２のように積層する構成とせずに、場合によっては、振動子２４と振動検出センサ２６を同心円状に配置する構成としてもよい。

振動検出センサ２６の上に設けられる接触ボール２８は、例えばナイロン樹脂等のプラスチック樹脂で成形され、その半球状の表面で対象物にスムーズに圧接する機能を有する部材である。半球の半径は、例えば５ｍｍ程度を用いることができる。押付ボール３０も同様な構成とすることができる。

圧力センサ３４は、探触子２０が対象物に圧接されるときの押付圧を検出する機能を有する素子である。押付圧は、探触子２０が対象物に接触したことを補助的に検出する機能を有する。したがって、場合によって、圧力センサ３４を省略した構成としてもよい。

圧力センサ３４としては、例えばひずみゲージを用いることができる。ひずみゲージを用いる場合は、所定のゲージ接着剤等を用いて第２基台３２に固定できる。圧力センサ３４がひずみゲージの場合は、押付圧に応じて抵抗値が変化するので、抵抗の両端の端子に適当な信号線を接続し、その信号線を制御部７０に接続して、制御部７０において抵抗値の変化から押付圧を算出するものとできる。

第１基台２２は、振動子２４、振動検出センサ２６、接触ボール２８の積層体を保持する機能を有する固定板である。かかる第１基台２２は、適当な基板で構成することができ、場合によって、振動子２４への入力端子３８、振動検出センサ２６からの出力端子４０をこの第１基台２２に設けるものとすることができる。

同様に、第２基台３２は、圧力センサ３４を保持する機能を有する固定板である。かかる第２基台３２も、適当な基板で構成することができ、場合によって、圧力センサ３４の端子をこの第２基台３２に設けるものとすることができる。

一体化樹脂部３６は、探触子２０を全体として一体化するために、樹脂で全体を包むものである。この場合に、振動子２４、振動検出センサ２６の振動を過度に規制しないように考慮が払われる。かかる一体化樹脂部３６としては、例えばシリコン樹脂を用いてモールドによって全体を一体化する構成とすることができる。

再び図１に戻り、昇降アクチュエータＩ／Ｆ４４は、昇降アクチュエータ１２と制御部７０との間に設けられるインタフェース回路である。昇降アクチュエータ１２にその駆動回路が含まれる場合には、昇降アクチュエータＩ／Ｆ４４は、信号レベルの整合を図るバッファ回路、波形整形回路、レベルシフト回路等で構成するものとできる。昇降アクチュエータ１２にその駆動回路を含まないものとするときは、昇降アクチュエータＩ／Ｆ４４にその駆動回路を含めるものとできる。

同様に、把持アクチュエータＩ／Ｆ４６は、複数の把持アクチュエータ１４と制御部７０との間に設けられるインタフェース回路である。各把持アクチュエータ１４にその駆動回路が含まれる場合には、把持アクチュエータＩ／Ｆ４６は、各把持アクチュエータ１４ごとに信号レベルの整合を図るバッファ回路、波形整形回路、レベルシフト回路等で構成するものとできる。また、各把持アクチュエータ１４にその駆動回路を含まないものとするときは、把持アクチュエータＩ／Ｆ４６に、それらの駆動回路をそれぞれ含めるものとできる。

接触・滑り度検出部５０は、各探触子２０と接続されて、各探触子２０と対象物との間の把持状態を検出する回路である。接触・滑り度検出部５０は、各探触子２０ごとに設けられる回路によって構成されるが、各回路の内容は同じであるので、以下では、１つの探触子２０についての１つの接触・滑り度検出部５０の内容について説明する。

探触子２０と対象物との間の関係としては、探触子２０に対象物が全く接触していない非接触状態と、探触子２０に対象物が接触している接触状態があり、接触状態には、探触子２０と対象物が相対的に移動していない接触把持状態と、探触子２０と対象物が相対的に移動していわゆる滑っている滑り状態とがある。接触・滑り度検出部５０はこれらの各状態を区別して検出する機能を有する。さらに、接触・滑り度検出部５０は、接触把持状態における対象物の硬さを検出する機能も有する。

図３は、接触・滑り度検出部５０の構成を説明するブロック図である。接触・滑り度検出部５０は、探触子２０における振動子２４の入力端子３８と接続される端子３９と、振動検出センサ２６の出力端子４０に接続される端子４１を備える。また、接触・滑り度検出部５０は、端子４１に入力端が接続される増幅器５２と、増幅器５２の出力端と端子３９との間に設けられ、振動子２４への入力波形と振動検出センサ２６からの出力波形の間に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロにシフトする位相シフト回路５４とを備える。

位相シフト回路５４は、振動子２４への入力波形と振動検出センサ２６からの出力波形との間に位相差が生じるときは、振動子２４への入力振動の周波数を変化させて位相差をゼロにシフトし、位相差がゼロとなったときの振動子２４への入力周波数を出力する。このように、位相シフト回路５４は、対象物の物質特性に関連する位相差をゼロにする振動子２４への入力周波数ｆ₁を出力するが、この周波数ｆ₁は、最初に振動子２４への入力波形と振動検出センサ２６からの出力波形との間に位相差が生じないときの振動子２４への入力周波数ｆ₀とは異なっている。位相差の精度よい測定は困難であるが、周波数変化ｄｆは高精度で測定が可能であるので、対象物の物質特性はこの周波数変化ｄｆで高精度に評価することができる。

かかる機能を持つ位相シフト回路５４の内容については、上記特許文献２である特開平９−１４５６９１号公報に詳しく述べられている。このように、振動子２４への入力波形と振動検出センサ２６からの出力波形との間に位相差が生じるときとは、対象物に振動子２４から振動が入射され、対象物から反射されてきた振動を振動検出センサ２６で検出するとき等である。

上記特許文献２では、探触子２０を対象物に押し付けて、周波数変化ｄｆから対象物の物質特性である硬さを測定することが述べられているが、周波数変化ｄｆは、探触子２０が対象物に接触したときにも接触の前後において生じ、また、探触子２０と対象物との間に滑りが発生しても滑り発生の前後において生じる。したがって、周波数変化ｄｆによって、探触子２０と対象物との間の接触・滑りを検出することができる。

このような構成で、振動子２４、振動検出センサ２６と対象物を含む閉ループの共振状態を維持しつつ、探触子２０と対象物との間の接触関係等が変化することで生ずる周波数変化ｄｆを、ｄｆ検出回路５６で検出する。検出されたｄｆデータは、微分回路５８によって微分され、ｄｆデータよりもさらに感度のよい接触・滑り度を示すデータとして、端子５９から制御部７０に伝送される。

また、検出されたｄｆデータは硬さ算出部６０によって対象物の硬さデータに変換されて端子６１を介して制御部７０に伝送される。周波数変化ｄｆを対象物の硬さに変換するには、例えば較正テーブル等を用いることができる。較正テーブルは、硬さの基準とできる基準物質を探触子２０の接触ボール２８の先端に押し当て、そのときの周波数変化ｄｆを得ることで作成できる。基準物質として、例えば、硬さを表すヤング率、せん断弾性係数と予め対応関係を求めてある各種の硬さを有するシリコンゴム等の標準物質を用いることができる。この機能は、特許文献２で既に述べられているものである。

なお、振動子２４、振動検出センサ２６と対象物を含む閉ループの共振状態における振動の周波数は、位相シフト回路５４により周波数を変化させることができるように、振動子２４においてＱの高い固有振動数以外の周波数に選ばれるのが好ましい。例えば、振動子２４において、１次固有振動数が１ＭＨｚとすると、この周波数を避けて、４００ｋＨｚ等に設定することが好ましい。

接触・滑り度検出部５０が探触子２０と対象物との間の接触関係等をどのように区別して検出するかを図４と図５を用いて説明する。図４と図５は、横軸に時間をとり、縦軸に４つの状態をとって、これら４つの状態の時間変化の様子を示す図である。４つの状態としては、各図において、上方から下方に向かって順に、昇降アクチュエータ１２の駆動パルスのステップ数である昇降ステップ数、把持アクチュエータ１４の駆動パルスのステップ数である把持ステップ数、ｄｆ検出回路５６の出力である周波数変化ｄｆ、微分回路５８の出力であるｄｆ／ｄｔである。ここで、把持アクチュエータ１４の駆動パルスのステップ数は、把持の最終段階として、１つの多関節部１７の最先端の関節部の回転のために用いられるアクチュエータについて示されている。

図４は、探触子２０と対象物が全く接触していない非接触状態から、探触子２０が対象物に接触する接触状態となり、その状態から探触子２０を昇降させて対象物を持ち上げようとするときの様子を説明する図である。例えば作業台の上に置かれている対象物を複数の探触子２０で挟み込み、その後対象物を作業台から持ち上げようとするときの各状態の変化を示す図である。

時刻ｔ₀は初期状態であり、このときは探触子２０に対象物がなく、全く接触が行われていない非接触状態である。したがって、振動子２４への入力波形と振動検出センサ２６からの出力波形との間に位相差が生じることがなく、位相シフト回路５４において周波数変化が生じない。つまり周波数変化ｄｆ＝０である。

時刻ｔ₁は、把持アクチュエータ１４を対象物に向かって移動駆動し、全ての多関節部１７のそれぞれの最先端の関節部にそれぞれ設けられている探触子２０が対象物に接触してさらに進んだときである。このように、探触子２０を対象物に対し接触させるためには、把持部である多関節部１７を対象物に対し移動駆動させるので、これを把持移動のための制御と呼ぶことができる。

分かりやすい説明の例としては、時刻ｔ₁は、人指し指に相当する多関節部１７と中指に相当する多関節部１７をそれぞれ移動駆動してそれぞれの探触子２０と対象物とを接触させ、その状態からさらに親指に相当する多関節部１７の最先端の関節部を移動駆動して対象物に接触させ、さらに移動駆動させたときである。なお、この場合において、図４の周波数変化ｄｆは、この親指に相当する多関節部１７に設けられた探触子２０についての様子が示される。

探触子２０が対象物に接触すると、接触した瞬間に、振動子２４への入力波形と振動検出センサ２６からの出力波形との間に位相差が生じ、位相シフト回路５４において周波数変化が生じ、ｄｆ検出回路５６においてその周波数変化ｄｆが出力される。周波数変化ｄｆは、非接触状態のときの周波数からの偏差でもあるので、非接触状態における周波数からの周波数変化を示すものとなる。

接触した瞬間は不安定であるので、接触を確実に検出するには、周波数変化ｄｆとして、非接触状態の周波数から少しでも周波数が変化した瞬間ではなく、周波数変化ｄｆについて予め閾値を定めて、検出されたｄｆがその閾値を超えたときに接触したものと判断することが好ましい。つまり、非接触状態における非接触状態周波数から、ある閾値を超えた周波数となったときに接触したものと判断することが好ましい。

このように、閾値を設定すると、厳密には接触した瞬間ではなく、閾値に対応するいくらかの接触圧で探触子２０が対象物に接触し、いわば軽い把持状態となるときを接触状態として検出することになる。そこで、この状態を接触把持状態と呼ぶことにして、閾値を接触把持閾値周波数と呼ぶことができる。すなわち、非接触状態周波数からこの接触把持閾値周波数を超えて周波数が変化したときに、接触把持状態として判断するものとする。ｄｆについて閾値を定めるときは、非接触状態周波数とこの接触把持閾値周波数との差の周波数差がｄｆ閾値となる。

接触圧はこの接触把持閾値周波数で定まるので、接触把持閾値周波数を適当に設定することで、接触圧を大きくも小さくもできる。例えば、例えば数グラムの把持力、場合によっては１グラム以下の把持力とすることができる。

図４では、時刻ｔ₁においてｄｆがｄｆ閾値となって、接触把持状態とされるので、ここで把持アクチュエータ１４は、把持移動を停止させる。これによって、作業台の上の対象物が把持部である複数の多関節部１７によって接触把持された状態となってその状態が維持される。

図４では、時刻ｔ₁から時刻ｔ₂まで把持ステップ数は一定値に維持され、その間は、上記のように、把持部と対象物の間は接触把持状態が継続される。時刻ｔ₂において、昇降ステップ数が変更される。ここでは、昇降アクチュエータ１２に、対象物を持ち上げるように昇降指令が出されたものとする。すると、対象物は作業台の上から上方に引き上げられようとするが、把持しているときの圧力は接触把持閾値周波数で定まる接触圧であるので、接触面積にこの接触圧を乗じた把持力が対象物の質量に基く重力方向の力よりも小さいと、探触子２０に対し対象物が相対的に重力方向に移動し、探触子２０と対象物との間に滑りが発生する。

滑りが発生すると、滑りがない接触把持状態のときの周波数から、非接触状態周波数の方へ周波数が変化する。図４では、時刻ｔ₂において、周波数変化ｄｆが、再びゼロに向かって変化する様子が示される。そして、昇降ステップ数が対象物を持ち上げる方に増大するに従い、周波数変化ｄｆが次第にゼロに近づき、時刻ｔ₃において、周波数変化ｄｆ＝０つまり、周波数が非接触状態周波数となり、探触子２０と対象物との間の関係が非接触状態となったことが示される。

このような滑りの検出は、周波数変化ｄｆよりも、微分回路５８によってｄｆを時間で微分したｄｆ／ｄｔの変化によってさらに確実に検出できる。滑りが発生した瞬間は、接触把持された状態が維持されているときの周波数から周波数が変化した瞬間であるので、図４に示されるように、ｄｆ／ｄｔがゼロから急変するときである。したがって、ｄｆ・ｄｔに対し適当な閾値を設定し、その閾値を超えたときに、滑り発生を検出したものとできる。

図４は、把持ステップ数の大きさについて接触把持を検出した状態のままで維持する場合であるので、接触把持閾値周波数の設定によっては、上記のように、探触子２０と対象物との間に滑りが発生する。図５は、滑り発生が検出されたときに、把持ステップ数を変更して、滑り発生を抑制する様子を示す図である。図５の横軸の内容、縦軸の各状態の内容は図４と同様である。また、時刻ｔ₀，ｔ₁，ｔ₂の内容も図４と同じである。すなわち、時刻ｔ₀からｔ₂までの内容は、図４と同じである。

時刻ｔ₂において、昇降ステップ数が変更され、昇降アクチュエータ１２に、対象物を持ち上げるように昇降指令が出されたものとするところも図４と同じである。そして、ｄｆ／ｄｔに示されるように、時刻ｔ₂において探触子２０と対象物との間に滑りが発生している。

図４の場合と相違して、ここで、この滑りの大きさに応じて、把持ステップ数が変更される。具体的には、滑り状態が検出されると、位相シフト回路５４が出力する周波数の変化量に応じて、把持アクチュエータ１４が対象物を滑り状態から接触把持状態に戻す方向に把持ステップ数を変更する。すなわち、把持力を増大させるように、探触子２０を対象物側に移動させる把持移動の制御を行う。これによって滑りに対応する。

この把持ステップ数の変更は、位相シフト回路５４が出力する周波数が接触把持状態における周波数に戻るまで続けられる。図５では、時刻ｔ₄まで、把持ステップ数が順次大きくなるように変更が続けられる。そして、接触把持状態における周波数に戻れば、接触把持状態に戻り、滑り状態が検出しなくなったことになるので、把持ステップ数の変更を停止し、その状態を維持する。このときは、接触把持閾値周波数で定まる接触圧で、探触子２０によって対象物が作業台の上方において接触把持されている。つまり、最小限度の把持力で対象物が把持されていることになる。

再び図１に戻ると、制御部７０は、ロボットハンドシステム１０のハードウェア部分を構成する各要素の動作を全体として制御する機能を有する。制御部７０は、上記のように、昇降アクチュエータＩ／Ｆ４４、把持アクチュエータＩ／Ｆ４６、接触・滑り度検出部５０と適当な信号線等で接続される。また、制御部７０は、キーボード等の入力部４２、ディスプレイ、プリンタ等の出力部４３と接続される。かかる制御部７０は、適当なコンピュータ等で構成することができる。

制御部７０は、接触状態停止モジュール７２と、滑り対応モジュール７４と、把持維持モジュール７６と、硬さ表示モジュール７８とを含んで構成される。

ここで接触状態停止モジュール７２は、図４、図５における時刻ｔ₁における処理を実行する機能を有する。すなわち、把持部を構成する探触子２０に対象物が接触していない状態から対象物に接触する方向に探触子２０を対象物に対し把持移動させ、接触・滑り度検出部５０が探触子２０と対象物との接触把持を検出したときに把持移動を停止させる機能を有する。

また、滑り対応モジュール７４は、図５における時刻ｔ₂からｔ₄までの期間における処理を実行する機能を有する。すなわち、接触把持を検出して把持移動を停止した状態のままで、探触子２０に対し対象物が相対的に重力方向に移動して、接触・滑り度検出部５０が滑り状態を検出するときに、位相シフト回路５４が出力する周波数の変化量に応じて、探触子２０が対象物を滑り状態から接触把持状態に戻す方向にさらに把持部を構成する探触子２０を把持移動させる機能を有する。

また、把持維持モジュール７６は、図５における時刻ｔ₄における処理を実行する機能を有する。すなわち、接触・滑り度検出部５０が滑り状態を検出しなくなったときに、把持部を構成する探触子２０の把持移動を停止させる機能を有する。

また、硬さ表示モジュール７８は、図４の時刻ｔ₂または図５の時刻ｔ₄において、対象物の硬さを表示する機能を有する。例えば、図５の時刻ｔ₄の場合では、把持維持モジュール７６の機能によって処理が実行され、接触・滑り度検出部５０が滑り状態を検出しなくなったときの位相シフト回路５４が出力する周波数変化に基き、予め求められた周波数変化と硬さの関係を用いて、対象物の硬さを出力する機能を有する。

制御部７０の上記の各機能は、ソフトウェアで実現でき、具体的には、ロボットハンド制御プログラムを実行することで実現できる。勿論、ソフトウェアで実現される機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。

上記構成の作用、特に制御部７０の各機能の内容を図６、図７を用いて詳細に説明する。図６、図７は、ロボットハンドシステム１０において、対象物を最小限度の把持力で把持する処理の手順を示すフローチャートである。これらの各手順は、ロボットハンド制御プログラムの各処理手順にそれぞれ対応する。

ロボットハンドシステム１０において対象物を最小限度の把持力で把持する処理を実行するには、まず、ロボットハンドシステム１０を起動し、ロボットハンド制御プログラムを立ち上げる。そして、作業台の上に対象物をセットして、把持指令を取得する（Ｓ１０）。把持指令は、入力部４２を介して取得することができる。

次にこの把持指令に従って、把持アクチュエータ１４が把持移動される。ここでは、上記のように、まず、人指し指に相当する多関節部１７と中指に相当する多関節部１７をそれぞれ移動駆動してそれぞれの探触子２０と対象物とを接触させ、その状態からさらに親指に相当する多関節部１７の最先端の関節部を移動駆動して対象物に接触させ、さらに移動駆動させるものとする。この場合で、親指に相当する多関節部１７の最先端の関節部を移動駆動させる把持アクチュエータ１４を単位駆動させる（Ｓ１２）。単位駆動とは、図４、図５で説明した把持ステップ数を１つ進めることで、ステッピングモータの駆動パルスを１つ出力することに相当する。

次に、接触把持を検出したか否かが判断される（Ｓ１４）。具体的には、接触・滑り度検出部５０において、位相シフト回路５４が出力する周波数と、予め定めた接触把持閾値周波数とが比較され、接触把持閾値周波数を超える周波数であるときに、接触把持が検出されたと判断される。換言すれば、探触子２０に対象物がない状態の非接触状態周波数から、予め定めた接触把持閾値周波数を超えて周波数が変化したときに、探触子２０が対象物に接触し把持したと判断される。

Ｓ１４で判断が否定されるとＳ１２に戻り、さらに把持アクチュエータ１４が単位駆動される。すなわち、さらにステッピングモータの駆動パルスが１つ出力される。そして再びＳ１４の判断が行われる。これをＳ１４の判断が肯定されるまで繰り返す。Ｓ１４の判断が肯定されると、もはや把持アクチュエータ１４の単位駆動が行われない。すなわち、接触把持の状態で停止が行われる（Ｓ１６）。ここまでの工程は、制御部７０の接触状態停止モジュール７２の機能によって実行される。Ｓ１６の状態が、図４、図５のｔ₁の状態である。

Ｓ１６の次は、図７のＳ２０に進む。すなわち、昇降指令が取得される（Ｓ２０）。実際には、Ｓ１０において、入力部４２から把持指令を取得したときに、昇降指令、つまり、対象物を把持して持ち上げる指示が含まれているが、その指令を受け取っても、Ｓ１６の状態になるまで、対象物を持ち上げる処理は行われない。したがって、昇降指令とは、ロボットハンドシステム１０の制御部７０における内部処理として、昇降に関する処理はＳ１６の状態になったときに実行されるものとして取り扱われる処理である。

昇降指令が取得されると、これに従って、昇降アクチュエータ１２が単位駆動される（Ｓ２２）。単位駆動の意味はＳ１２で述べたものと同様で、ここでは、昇降アクチュエータ１２のステッピングモータに、駆動パルスが１つ供給される。これにより、平板部１５が単位量だけ上方に持ち上げられる。

そして、滑り度検出が行われる（Ｓ２４）。具体的には、位相シフト回路５４が出力する周波数について、接触把持閾値周波数を超えている接触把持状態から、非接触状態周波数の方向に周波数が変化するときに、把持部を構成する探触子２０に対し対象物が接触把持状態から変化して滑っている滑り状態として検出される。さらに具体的には、周波数の変化を微分回路５８によってｄｆ／ｄｔとして取得する。

そして、滑り度が予め定めた閾値を超えるか否かが判断される（Ｓ２６）。探触子２０に対する対象物の滑りは、位相シフト回路５４が出力する周波数が変化した瞬間に生じるが、実際には、周波数変化の検出精度にも限界があるので、測定誤差等を考慮して閾値を設けることが好ましい。具体的には、接触把持状態の周波数から適当な周波数差だけ離れた周波数を閾値周波数とし、位相シフト回路５４が出力する周波数が接触把持状態の周波数から閾値周波数を超えて変化したときにＳ２６の判断が肯定されるものとできる。

また、図４、図５で説明したように、微分回路５８の出力を用いるときは、ｄｆ／ｄｔに対し適当な閾値を設定し、その閾値を超えたときにＳ２６の判断が肯定されるものとしてもよい。

Ｓ２６で判断が否定されるとＳ２２に戻り、昇降アクチュエータ１２がさらに単位駆動される。すなわち、昇降アクチュエータ１２のステッピングモータにさらに１つの駆動パルスが供給され、昇降ステップ数が１つ大きくされる。そして再びＳ２４を経てＳ２６の判断が行われる。Ｓ２６の判断が肯定されるまでこれが繰り返される。

Ｓ２６で判断が肯定されると、探触子２０に対し、対象物が相対的に重力方向に移動して滑りが発生していることになるので、次に把持アクチュエータ１４が単位駆動される（Ｓ２８）。把持アクチュエータ１４の単位駆動の意味はＳ１２で説明した内容と同じである。すなわち、探触子２０が対象物に向かって、さらに把持ステップ数を１つ増やして把持移動駆動される。

そして、滑り度が閾値を超えるか否かが判断される（Ｓ３０）。この内容はＳ２６と同じである。Ｓ３０で判断が肯定されると、滑りがまだ継続していることになるので、Ｓ２８に戻り、さらに把持ステップ数を１つ増やす。そして再びＳ３０の判断が行われる。Ｓ３０の判断が否定されるまで、これが繰り返される。

Ｓ３０の判断が否定されると、滑りがなくなったことになるので、次に、昇降量が指令値未満であるか否かが判断される（Ｓ３２）。Ｓ３２の判断が肯定されると、最初に指示された昇降量まで対象物が持ち上げられていないことになるので、Ｓ２２に戻り、昇降アクチュエータ１２がさらに単位駆動される。つまり、昇降ステップ数がさらに１つ増加され、対象物が単位量さらに持ち上げられる。

そして、Ｓ２４以下の肯定が繰り返され、再び滑りがなくなった状態とされたら、再度Ｓ３２の判断が行われる。Ｓ３２の判断が否定されるまで、上記の工程が繰り返される。Ｓ３２で判断が否定されると、昇降量が指令値以上となって、しかも滑りがなくなっていることになる。すなわち、最小限の把持力で対象物が持ち上げられ、滑らずに把持されている。

そこで、昇降ステップ数の変更も把持ステップ数の変更も停止され、その状態で把持が継続して維持される（Ｓ３４）。そして、その状態における位相シフト回路５４から出力される周波数に基いて、硬さ算出部６０によって対象物の硬さが算出され、適当なディスプレイ等の出力部４３に表示される（Ｓ３６）。

このようにして、位相シフト回路５４の機能を利用して、探触子２０と対象物との間の接触検出、滑り検出を行い、対象物を重力方向の相対的移動を生じないように、最小限度の把持力で把持することができる。また把持している対象物の硬さを表示することができる。

本発明に係る実施の形態において、把持部を有するロボットハンドシステムの構成を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、探触子周りの詳細図である。本発明に係る実施の形態において、接触・滑り度検出部の構成を説明するブロック図である。本発明に係る実施の形態において、探触子と対象物が全く接触していない非接触状態から、探触子が対象物に接触する接触状態となり、その状態から探触子を昇降させて対象物を持ち上げようとするときの各要素の状態の様子を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、滑り発生が検出されたときに、把持ステップ数を変更して、滑り発生を抑制する様子を示す図である。本発明に係る実施の形態のロボットハンドシステムにおいて、対象物を最小限度の把持力で把持する処理の前半部分の手順を示すフローチャートである。図６に引き続く処理の後半部分の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１０（把持部を有する）ロボットハンドシステム、１１ベース、１２昇降アクチュエータ、１３アーム、１４把持アクチュエータ、１５平板部、１７多関節部、２０探触子、２２第１基台、２４振動子、２６振動検出センサ、２８接触ボール、３０押付ボール、３２第２基台、３４圧力センサ、３６一体化樹脂部、３８入力端子、３９，４１，５９，６１端子、４０出力端子、４２入力部、４３出力部、４４昇降アクチュエータＩ／Ｆ、４６把持アクチュエータＩ／Ｆ、５０接触・滑り度検出部、５２増幅器、５４位相シフト回路、５６ｄｆ検出回路、５８微分回路、６０硬さ算出部、７０制御部、７２接触状態停止モジュール、７４滑り対応モジュール、７６把持維持モジュール、７８硬さ表示モジュール。

Claims

対象物に対し相対的に移動して対象物を把持する把持部と、
把持部に設けられ、対象物に振動を入射する振動子と、対象物からの反射波を検出する振動検出センサとを有する探触子と、
振動検出センサの出力端に入力端が接続された増幅器と、
増幅器の出力端と振動子の入力端との間に設けられ、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形との間に位相差が生じるときは、振動子への入力振動の周波数を変化させて位相差をゼロにシフトし、位相差がゼロとなったときの振動子への入力周波数を出力する位相シフト回路と、
位相シフト回路が出力する周波数について、把持部に対象物がない状態の非接触状態周波数から、予め定めた接触把持閾値周波数を超えて周波数が変化したときに、把持部が対象物に接触し把持したことを検出する接触状態検出部と、
位相シフト回路が出力する周波数について、接触把持閾値周波数を超えている接触把持状態から、非接触状態周波数の方向に周波数が変化するときに、把持部に対し対象物が接触把持状態から変化して滑っている滑り状態として検出する滑り状態検出部と、
把持部の対象物に対する相対的な移動である把持移動を制御する制御部と、
を備え、
制御部は、
把持部に対象物が接触していない状態から対象物に接触する方向に把持部を対象物に対し把持移動させ、接触状態検出部が把持部と対象物との接触把持を検出したときに把持移動を停止させる接触状態停止手段と、
接触把持を検出して把持移動を停止した状態のままで、把持部に対し対象物が相対的に重力方向に移動して滑り状態検出部が滑り状態を検出するときに、位相シフト回路が出力する周波数の変化量に応じて、把持部が対象物を滑り状態から接触把持状態に戻す方向にさらに把持部を把持移動させる滑り対応手段と、
滑り状態検出部が滑り状態を検出しなくなったときに、把持部の把持移動を停止させる把持維持手段と、
を含むことを特徴とする把持部を有するロボットハンドシステム。
請求項１に記載の把持部を有するロボットハンドシステムにおいて、
滑り状態検出部は、位相シフト回路が出力する周波数を微分する微分手段を有し、微分手段の出力に基いて、位相シフト回路が出力する周波数の変化による滑り検出を行うことを特徴とする把持部を有するロボットハンドシステム。
請求項１に記載の把持部を有するロボットハンドシステムにおいて、
把持維持手段の処理で滑り状態検出部が滑り状態を検出しなくなったときの位相シフト回路が出力する周波数変化に基き、予め求められた周波数変化と硬さの関係を用いて、対象物の硬さを出力する硬さ出力手段を備えることを特徴とする把持部を有するロボットハンドシステム。