JP2012179679A - System for controlling robot hand - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a system for controlling a robot hand that is compatible with contact objects different in hardness by a simple configuration.SOLUTION: The system for controlling a robot hand includes: an in-contact joint state estimator 131 for estimating a joint state when a finger comes into contact with the contact object; a not in-contact joint state estimator 132 for estimating a joint state when the finger does not come into contact with the contact object; a contact determiner 133 for determining whether the finger comes into contact with the contact object; a torque disturbance estimator 134 for estimating a torque disturbance applied to a joint; a rigidity estimator 135 for estimating the rigidity of the contact object; a control rigidity computing unit 137 for computing a minimum value of a control rigidity of the joint so that the finger can maintain a pressed state of the contact object thereby, when the result of the determination of contact is a contact state; and a control unit 138 for controlling a joint motor 121.

Description

本発明は、ロボットハンドの制御装置に関する。   The present invention relates to a control device for a robot hand.

一般的なロボットハンドは、複数の指と、当該指が根元部分において動作可能(回転可能)に連結されたベースと、を備える。当該指は、複数のリンクと、隣り合う2つのリンクを動作可能に連結する関節と、関節を駆動する関節モータと、を備える。このような構成により、ロボットハンドは人間の手の機能の一部を模倣可能な構成とされている。   A general robot hand includes a plurality of fingers and a base to which the fingers are movable (rotatable) at the root portion. The finger includes a plurality of links, a joint that operably connects two adjacent links, and a joint motor that drives the joint. With such a configuration, the robot hand can be configured to imitate a part of the function of a human hand.

図7はロボットハンドの概略図を示す。図7に示すロボットハンドは、第1指〜第4指がベース723に動作可能に連結されている。
詳細には、第1指は、第1指第1リンク701と、第1指MP(metacarpophalangeal)関節702と、第1指第2リンク703と、第1指IP(interphalangeal)関節704と、を備える。
FIG. 7 shows a schematic diagram of the robot hand. In the robot hand shown in FIG. 7, the first to fourth fingers are operably connected to the base 723.
Specifically, the first finger includes a first finger first link 701, a first finger MP (metacarpophalangeal) joint 702, a first finger second link 703, and a first finger IP (interphalangeal) joint 704. Prepare.

第2指は、第2指第1リンク705と、第2指MP関節706と、第2指第2リンク707と、第2指PIP(proximal interphalangeal)関節708と、第2指第3リンク709と、第2指DIP(distal interphalangeal)関節710と、を備える。   The second finger includes a second finger first link 705, a second finger MP joint 706, a second finger second link 707, a second finger PIP (proximal interphalangeal) joint 708, and a second finger third link 709. And a second finger DIP (distal interphalangeal) joint 710.

第3指は、第3指第1リンク711と、第3指MP関節712と、第3指第2リンク713と、第3指PIP関節714と、第3指第3リンク715と、第3指DIP関節716と、を備える。   The third finger includes a third finger first link 711, a third finger MP joint 712, a third finger second link 713, a third finger PIP joint 714, a third finger third link 715, and a third finger. A finger DIP joint 716.

第4指は、第4指第1リンク717と、第4指MP関節718と、第4指第2リンク719と、第4指PIP関節720と、第4指第3リンク721と、第4指DIP関節722と、を備える。   The fourth finger includes a fourth finger first link 717, a fourth finger MP joint 718, a fourth finger second link 719, a fourth finger PIP joint 720, a fourth finger third link 721, and a fourth finger. A finger DIP joint 722.

これらの指の関節はトーションばねを備える。隣り合った2つの関節は連動リンク部材(不図示)により連動して動作するようになっている。連動リンク部材を、関節モータ(不図示)で回転させることにより、各指の曲げ伸ばしを実施する。このとき、指の曲げ伸ばし動作中に指が被接触体に接触し反力を受けると、上述のトーションばねがその反力を吸収する。   These finger joints are provided with torsion springs. Two adjacent joints operate in conjunction with an interlocking link member (not shown). Each finger is bent and stretched by rotating the interlocking link member with a joint motor (not shown). At this time, if the finger contacts the contacted body and receives a reaction force during the bending and stretching operation of the finger, the above-described torsion spring absorbs the reaction force.

このようなロボットアームの構成を利用し、特許文献1のロボットハンドは、複数の指それぞれの関節の剛性を変えることで、柔らかい被接触体を扱う際には関節の剛性の低い指を用い、硬い被接触体を扱う際には関節の剛性の高い指を用いる構成とされている。   Utilizing such a configuration of the robot arm, the robot hand of Patent Document 1 uses a finger with low joint rigidity when handling a soft contacted object by changing the joint rigidity of each of a plurality of fingers. When a hard contacted object is handled, a finger with high joint rigidity is used.

また、特許文献2にも、硬さの異なる被接触体を良好に把持することができるように構成されたロボットハンドが開示されている。特許文献2のロボットハンドは、指の先端に設けられた探触子の検出情報に基づいて、被接触体への接触検出、及び滑り検出を行い、被接触体が重力方向の相対的移動を生じないように、被接触体を最小限度の把持力で把持する構成とされている。   Also, Patent Document 2 discloses a robot hand configured to be able to satisfactorily grip a contacted body having different hardness. The robot hand of Patent Document 2 performs contact detection and slip detection on the contacted object based on detection information of the probe provided at the tip of the finger, and the contacted object moves relative to the gravitational direction. In order not to occur, the contacted object is gripped with a minimum gripping force.

ちなみに、特許文献3、4には、被接触体を良好に把持できるように構成されたロボットハンドが開示されている。特許文献3のロボットハンドは、指リンクを剛性が低い被覆部材で被覆し、更にその上から摩擦係数が高い被覆部材で被覆した構成とされている。特許文献4のロボットハンドは、力検出手段により検出されたロボットハンドに加わる外力が増加した時に把持力を増加させる構成とされている。   Incidentally, Patent Documents 3 and 4 disclose a robot hand configured to be able to grip a contacted object satisfactorily. The robot hand of Patent Document 3 is configured such that a finger link is covered with a covering member having low rigidity and further covered with a covering member having a high friction coefficient. The robot hand of Patent Document 4 is configured to increase the gripping force when the external force applied to the robot hand detected by the force detection means increases.

特開2009−125888号公報JP 2009-125888 A 特開2010−149262号公報JP 2010-149262 A 特開2005−88096号公報JP 2005-88096 A 特開平10−100089号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-100089

特許文献1のロボットハンドは、関節の剛性が予め定められているので、硬さの異なる被接触体に柔軟に対応することができない。
特許文献2のロボットハンドは、当該ロボットハンドの先端に探触子を設ける必要があり、構成が煩雑になる。
Since the robot hand of Patent Document 1 has predetermined joint rigidity, the robot hand cannot flexibly cope with contacted bodies having different hardnesses.
The robot hand of Patent Document 2 requires a probe at the tip of the robot hand, and the configuration becomes complicated.

本発明の目的は、このような問題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で硬さの異なる被接触体に対応する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である。   An object of the present invention is to solve such a problem, and is to provide a control device for a robot hand that can deal with contacted bodies having different hardnesses with a simple configuration.

本発明の一形態に係るロボットハンドの制御装置は、リンクと、前記リンクの関節と、を有する指を備えたロボットハンドの制御装置において、前記関節の角度検出値である関節角度検出値に基づいて、前記指が被接触体に接触した時における関節角度、関節速度、関節加速度である前記関節の状態を推定する接触時関節状態推定器と、前記指が前記被接触体に接触していない時における前記関節の状態を推定する非接触時関節状態推定器と、前記関節角度検出値と、前記接触時関節状態推定器が出力する接触時関節状態推定値と、前記非接触時関節状態推定器が出力する非接触時関節状態推定値と、に基づいて、前記指が前記被接触体に接触したか否かを判定する接触判定器と、前記接触判定器が出力する判定結果が接触状態の場合、前記接触時関節状態推定値に基づいて、前記関節に印加されるトルク外乱を推定するトルク外乱推定器と、前記接触判定結果が接触状態の場合、前記接触時関節状態推定値と、前記トルク外乱推定器が出力するトルク外乱推定値と、に基づいて、前記被接触体の剛性を推定する剛性推定器と、前記接触判定結果が接触状態の場合、前記関節角度検出値と、前記剛性推定値と、に基づいて、前記関節の制御剛性を、前記指が前記被接触体の押し込み状態を維持できる最小値に演算し、前記接触判定結果が非接触状態の場合、前記関節の制御剛性を、予め推定された前記指が前記被接触体に接触した状態である場合における前記関節の制御剛性より大きな値に演算する制御剛性演算器と、前記制御剛性演算器が出力する制御剛性演算値に基づいて、前記関節を駆動する関節モータを制御する制御器と、を備える。   A robot hand control device according to an aspect of the present invention is a robot hand control device including a finger having a link and a joint of the link, and is based on a joint angle detection value that is an angle detection value of the joint. The joint state estimator for estimating the joint state, which is the joint angle, joint speed, and joint acceleration when the finger is in contact with the contacted object, and the finger is not in contact with the contacted object. Non-contact joint state estimator for estimating the joint state at the time, the joint angle detection value, the contact joint state estimation value output by the contact joint state estimator, and the non-contact joint state estimation A contact determination unit that determines whether or not the finger has contacted the contacted body based on a non-contact joint state estimation value output by the device, and a determination result output by the contact determination device is a contact state In the case of A torque disturbance estimator that estimates a torque disturbance applied to the joint based on a joint state estimated value at the time of touch, and when the contact determination result is a contact state, the joint state estimated value at the time of contact and the torque disturbance estimation A stiffness estimator that estimates the stiffness of the contacted object based on a torque disturbance estimated value output by the device, and when the contact determination result is a contact state, the joint angle detection value and the stiffness estimated value, The joint control stiffness is calculated to a minimum value that allows the finger to maintain the pressed state of the contacted body, and when the contact determination result is a non-contact state, the joint control stiffness is calculated in advance. Based on a control stiffness calculator that calculates a value larger than the control stiffness of the joint when the estimated finger is in contact with the contacted object, and a control stiffness calculation value output by the control stiffness calculator ,in front And a control unit for controlling a joint motor for driving the joint, the.

前記ロボットハンドの指は、第1関節、第2関節、第3関節を備え、前記被接触体は、家電のキー又は楽器の鍵盤若しくはボタンと弾性体とを備え、前記制御装置は、前記接触判定結果が接触状態の場合、前記接触時関節状態推定値に基づいて、前記被接触体が押し込み底に到達したか否かを判定する到達判定器をさらに備え、前記制御剛性演算器は、前記接触判定結果が非接触状態の場合、前記剛性推定値を前記第1関節及び前記第2関節回りの回転剛性に等価変換した値よりも大きく、前記指の第1関節及び第2関節の制御剛性を演算し、前記接触判定結果が接触状態の場合、前記剛性推定値を前記第1関節及び前記第2関節回りの回転剛性に等価変換した値と略等しい値に、前記第1関節及び第2関節の制御剛性を演算し、かつ前記到達判定器が出力する到達判定結果が前記押し込み底に非到達状態の場合、前記剛性推定値を前記第3関節回りの回転剛性に等価変換した値よりも大きな値に、前記第3関節の制御剛性を演算し、前記到達判定結果が前記押し込み底に到達状態の場合、前記剛性推定値を前記第3関節回りの回転剛性に等価変換した値と等しい値に、前記第3関節の制御剛性を演算すること、が好ましい。   The finger of the robot hand includes a first joint, a second joint, and a third joint, the contacted body includes a home appliance key or a musical instrument keyboard or button, and an elastic body, and the control device includes the contact When the determination result is a contact state, the determination unit further includes an arrival determination unit that determines whether or not the contacted body has reached the pushing bottom based on the estimated joint state value at the time of contact. When the contact determination result is a non-contact state, the stiffness estimation value is larger than a value obtained by equivalently converting the rotation stiffness around the first joint and the second joint, and the control stiffness of the first joint and the second joint of the finger When the contact determination result is in the contact state, the first joint and the second joint are set to a value substantially equal to a value obtained by equivalently converting the rigidity estimated value to the rotational stiffness around the first joint and the second joint. Calculate the joint control stiffness and When the arrival determination result output from the determiner is in a state where the push-in bottom is not reached, the control stiffness of the third joint is set to a value larger than the value obtained by equivalently converting the estimated stiffness value to the rotational stiffness around the third joint. When the arrival determination result reaches the indentation bottom, the control stiffness of the third joint is calculated to be equal to the value obtained by equivalently converting the estimated stiffness value to the rotational stiffness around the third joint. It is preferable to do.

前記接触判定器は、前記関節角度から前記接触時関節状態推定値の成分である接触時関節角度推定値を減算した接触時関節角度推定誤差の絶対値の時間平均値が、前記関節角度から前記非接触時関節状態推定値の成分である非接触時関節角度推定値を減算した非接触時関節角度推定誤差の絶対値の時間平均値より小さい場合、接触状態であると判定し、それ以外の場合は非接触状態であると判定すること、が好ましい。   The contact determination unit is configured such that a time average value of an absolute value of a contact joint angle estimation error obtained by subtracting a contact joint angle estimation value which is a component of the contact joint state estimated value from the joint angle is calculated from the joint angle. If the absolute value of the non-contact joint angle estimation error, which is the component of the non-contact joint state estimated value subtracted from the non-contact joint angle estimated value, is smaller than the time average value, it is determined that the contact state is present. In the case, it is preferable to determine that it is in a non-contact state.

前記トルク外乱推定器は、前記トルク外乱推定値を[数1]により算出すること、が好ましい。

Figure 2012179679
ただし、記号の意味は以下の通りであり、d^、q^、f^、Tはベクトル、Jは行列である。
d^:トルク外乱推定値
J:慣性行列
^:接触時の非線形力の推定値(接触時非線形力推定値)
q^:接触時の関節の状態の推定値(一般化座標推定値)
T:関節モータのトルク The torque disturbance estimator preferably calculates the torque disturbance estimated value by [Equation 1].
Figure 2012179679
However, the meaning of the symbols are as follows, d ^, q ^, f c ^, T is a vector, J is a matrix.
d ^: Estimated value of torque disturbance J: Inertia matrix f c ^: Estimated value of non-linear force during contact (estimated value of non-linear force during contact)
q ^: Estimated value of joint state at the time of contact (generalized coordinate estimated value)
T: Torque of the joint motor

前記剛性推定器は、前記剛性推定値を[数2]により算出すること、が好ましい。

Figure 2012179679
ただし、記号の意味は以下の通りである。
k^:被接触体の剛性推定値[N/m]
:第1関節の質量[kg]
10:第1関節の慣性モーメント[kg・m]
θ:第1関節の角度[rad]
θ:第2関節の角度[rad]
θ:第3関節の角度[rad]
m:キー等の質量[kg]
g:重力加速度[m/s]、
:第1リンクの長さ[m]
:第2リンクの長さ[m]
:第3リンクの長さ[m]
10:第1リンクの重心と第1関節との距離[m]
20:第2リンクの重心と第2関節との距離[m]
30:第3リンクの重心と第3関節との距離[m]
:第1関節の関節モータが発生する反時計回りを正としたトルク(第1関節モータトルク)[N・m]
d1^:第1関節に加わる反時計回りを正としたトルク外乱の推定値(第1関節トルク外乱推定値)[N・m]
:被接触体を支持する弾性体の自然長 The rigidity estimator preferably calculates the rigidity estimated value by [Equation 2].
Figure 2012179679
However, the meaning of the symbols is as follows.
k ^: Estimated stiffness of contacted object [N / m]
m 1 : mass of the first joint [kg]
J 10 : Moment of inertia of the first joint [kg · m 2 ]
θ 1 : first joint angle [rad]
θ 2 : second joint angle [rad]
θ 3 : third joint angle [rad]
m: Mass of keys, etc. [kg]
g: Gravitational acceleration [m / s 2 ],
l 1 : length of the first link [m]
l 2 : length of the second link [m]
l 3 : length of the third link [m]
l 10 : distance [m] between the center of gravity of the first link and the first joint
l 20 : distance [m] between the center of gravity of the second link and the second joint
l 30 : distance [m] between the center of gravity of the third link and the third joint
T 1 : Torque with positive counterclockwise rotation generated by the joint motor of the first joint (first joint motor torque) [N · m]
T d1 ^: Estimated value of torque disturbance with positive counterclockwise rotation applied to the first joint (first joint torque disturbance estimated value) [N · m]
y 0 : natural length of the elastic body that supports the contacted body

前記到達判定器は、前記関節角度から前記接触時関節状態推定値の成分である接触時関節角度推定値を減算した接触時関節角度推定誤差の時間平均値と、前記関節角度から前記非接触時関節状態推定値の成分である非接触時関節角度推定値を減算した非接触時関節角度推定誤差の時間平均値との両方が発散した場合、前記指が前記被接触体の押し込み底に到達したと判定し、それ以外の時は到達していないと判定すること、が好ましい。   The arrival determination unit includes a time average value of a contact joint angle estimation error obtained by subtracting a contact joint angle estimation value that is a component of the contact joint state estimated value from the joint angle, and the non-contact time from the joint angle. When both the time average value of the non-contact joint angle estimation error obtained by subtracting the non-contact joint angle estimation value, which is a component of the joint state estimation value, diverges, the finger has reached the bottom of the contacted object. It is preferable to determine that it is not reached at other times.

前記制御剛性演算器は、前記第1関節、第2関節及び第3関節の制御剛性演算値を[数3]により演算すること、が好ましい。

Figure 2012179679
ただし、記号の意味は以下の通りである。
:第1関節の制御剛性(第1関節制御剛性)[N・m/rad]
:第2関節の制御剛性(第2関節制御剛性)[N・m/rad]
:第3関節の制御剛性(第3関節制御剛性)[N・m/rad]
1n:非接触時の第1関節制御剛性[N・m/rad]
2n:非接触時の第2関節制御剛性[N・m/rad]
3n:押し込み底未到達時の第3関節制御剛性[N・m/rad]
10:第1関節回りにおいて被接触体の剛性を等価変換した値(第1関節等価制御剛性)[N・m/rad]
20:第2関節回りにおいて被接触体の剛性を等価変換した値(第2関節等価制御剛性)[N・m/rad]
30:第3関節回りにおいて被接触体の剛性を等価変換した値(第3関節等価制御剛性)[N・m/rad]
k^:キー剛性推定値[N/m]
k:キー剛性
:第1制御剛性のパラメータ
:第2制御剛性のパラメータ
:第3制御剛性のパラメータ
θ:第1関節の角度検出値[rad]
θ:第2関節の角度検出値[rad]
θ:第3関節の角度検出値[rad] It is preferable that the control stiffness calculator calculates a control stiffness calculation value of the first joint, the second joint, and the third joint by [Equation 3].
Figure 2012179679
However, the meaning of the symbols is as follows.
k 1 : Control stiffness of the first joint (first joint control stiffness) [N · m / rad]
k 2 : Control stiffness of the second joint (second joint control stiffness) [N · m / rad]
k 3 : control stiffness of the third joint (third joint control stiffness) [N · m / rad]
k 1n : First joint control rigidity at the time of non-contact [N · m / rad]
k 2n : second joint control stiffness at non-contact [N · m / rad]
k 3n : Third joint control rigidity when the indentation bottom is not reached [N · m / rad]
k 10 : Value obtained by equivalently converting the rigidity of the contacted object around the first joint (first joint equivalent control rigidity) [N · m / rad]
k 20 : a value obtained by equivalently converting the rigidity of the contacted object around the second joint (second joint equivalent control rigidity) [N · m / rad]
k 30 : Value obtained by equivalently converting the rigidity of the contacted body around the third joint (third joint equivalent control rigidity) [N · m / rad]
k ^: Key stiffness estimated value [N / m]
k: Key stiffness c 1 : Parameter of first control stiffness c 2 : Parameter of second control stiffness c 3 : Parameter of third control stiffness θ 1 : Angle detection value of first joint [rad]
θ 2 : second joint angle detection value [rad]
θ 3 : third joint angle detection value [rad]

前記第1関節を駆動する関節モータは、[数4]で表される第1関節モータトルクTを発生し、前記第2関節を駆動する関節モータは、[数5]で表される第2関節モータトルクTを発生し、前記第3関節を駆動する関節モータは、[数6]で表される第3関節モータトルクTを発生すること、が好ましい。

Figure 2012179679
Figure 2012179679
Figure 2012179679
ただし、記号の意味は以下の通りである。
:第1関節の制御剛性[N・m/rad]
:第2関節の制御剛性[N・m/rad]
:第3関節の制御剛性[N・m/rad]
:第1関節における制御減衰[N・m・s/rad]
:第2関節における制御減衰[N・m・s/rad]
:第3関節における制御減衰[N・m・s/rad]
10:第1リンクの重心と第1関節の距離[m]
20:第2リンクの重心と第2関節の距離[m]
30:第3リンクの重心と第3関節の距離[m]
:第1リンクの長さ[m]
:第2リンクの長さ[m]
:第3リンクの長さ[m]
:第1関節の質量[kg]
θ:第1関節の角度[rad]
θ^:第1関節の角度推定値[rad]
:第2関節の質量[kg]
θ:第2関節の角度[rad]
θ^:第2関節の角度推定値[rad]
:第3関節の質量[kg]
θ:第3関節の角度[rad]
θ^:第3関節の角度推定値[rad]
m:キー等の質量[kg]
g:重力加速度[m/s]
d1^:第1関節に加わる反時計回りを正としたトルク外乱の推定値[N・m]
d2^:第2関節に加わる反時計回りを正としたトルク外乱の推定値[N・m]
d3^:第3関節に加わる反時計回りを正としたトルク外乱の推定値[N・m]
θ1r:第1関節の角度指令[rad]
θ2r:第2関節の角度指令[rad]
θ3r:第3関節の角度指令[rad] The joint motor that drives the first joint generates a first joint motor torque T 1 expressed by [Equation 4], and the joint motor that drives the second joint is expressed by [Equation 5]. the second joint motor torque T 2 occurs, joint motor for driving the third joint, generating a third joint motor torque T 3 expressed by Equation 6], is preferred.
Figure 2012179679
Figure 2012179679
Figure 2012179679
However, the meaning of the symbols is as follows.
k 1 : Control stiffness of the first joint [N · m / rad]
k 2 : Control stiffness of the second joint [N · m / rad]
k 3 : Control stiffness of the third joint [N · m / rad]
d 1 : Control attenuation in the first joint [N · m · s / rad]
d 2 : Control attenuation in the second joint [N · m · s / rad]
d 3 : Control attenuation in the third joint [N · m · s / rad]
l 10 : Distance between the center of gravity of the first link and the first joint [m]
l 20 : distance between the center of gravity of the second link and the second joint [m]
l 30 : Distance between the center of gravity of the third link and the third joint [m]
l 1 : length of the first link [m]
l 2 : length of the second link [m]
l 3 : length of the third link [m]
m 1 : mass of the first joint [kg]
θ 1 : first joint angle [rad]
θ 1 ^: Estimated angle of the first joint [rad]
m 2 : mass of the second joint [kg]
θ 2 : second joint angle [rad]
θ 2 ^: second joint angle estimate [rad]
m 3 : third joint mass [kg]
θ 3 : third joint angle [rad]
θ 3 ^: Estimated angle of the third joint [rad]
m: Mass of keys, etc. [kg]
g: Gravity acceleration [m / s 2 ]
T d1 ^: Estimated value of torque disturbance with positive counterclockwise rotation applied to the first joint [N · m]
T d2 ^: Estimated value of torque disturbance with the counterclockwise rotation applied to the second joint being positive [N · m]
T d3 ^: Estimated value of torque disturbance with positive counterclockwise rotation applied to the third joint [N · m]
θ 1r : First joint angle command [rad]
θ 2r : Second joint angle command [rad]
θ 3r : Angle command for third joint [rad]

以上、説明したように、本発明によると、簡易な構成で硬さの異なる被接触体に対応する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ができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a control device for a robot hand capable of handling a contacted body having different hardness with a simple configuration.

本発明の実施形態に係るロボットハンドの制御装置及びその周辺装置を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram showing a control device of a robot hand and its peripheral devices according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係るロボットハンドにおける、指機構を示すフリーボディー図である。It is a free body figure which shows the finger mechanism in the robot hand which concerns on embodiment of this invention. 本発明のシミュレーションにおける第1関節の角度の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the angle of the 1st joint in the simulation of this invention. 本発明のシミュレーションにおける第2関節の角度の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the angle of the 2nd joint in the simulation of this invention. 本発明のシミュレーションにおける第3関節の角度の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the angle of the 3rd joint in the simulation of this invention. 本発明のシミュレーションにおける制御剛性の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the control rigidity in the simulation of this invention. ロボットハンドを示す概略図である。It is the schematic which shows a robot hand.

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments. In addition, for clarity of explanation, the following description and drawings are simplified as appropriate.

本発明の実施形態に係るロボットハンドの制御装置(以下、単に制御装置と云う場合がある。)は、例えば家電のキー等を操作する場合又はピアノの鍵盤やトランペットのボタン等を操作するロボットハンドを制御するために良好に適用される。但し、当該制御装置は、家電のキー操作やピアノの鍵盤操作やトランペットのボタン操作等のように、押圧動作を伴う被接触体への接触に限らず、被接触体を把持する場合等にも良好に適用できる。ちなみに、本実施形態の被接触体は、家電のキー等又は楽器の鍵盤若しくはボタン等と、これらを接触前の位置に復帰させる弾性体と、を備えたものである。   A robot hand control device according to an embodiment of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as a control device) is a robot hand that operates, for example, a key of a household appliance or a button of a piano keyboard or a trumpet. Apply well to control. However, the control device is not limited to touching the contacted body with a pressing operation, such as key operation of home appliances, piano keyboard operation, trumpet button operation, etc. Applicable well. Incidentally, the contacted body of the present embodiment includes a key of a household appliance or a keyboard or button of a musical instrument, and an elastic body that returns these to the position before the contact.

先ず、当該制御装置によって制御されるロボットハンドの構成を説明する。図2は、ロボットハンドの指機構を示すフリーボディー図である。
指機構は、第1リンク201と、第2リンク203と、第3リンク205と、を備える。第1リンク201と第2リンク203とは、第1関節202を介して動作可能に連結されている。第2リンク203と第3リンク205とは、第2関節204を介して動作可能に連結されている。第3リンク205は、第3関節206を介して動作可能に例えばベースに連結されている。
First, the configuration of the robot hand controlled by the control device will be described. FIG. 2 is a free body diagram showing the finger mechanism of the robot hand.
The finger mechanism includes a first link 201, a second link 203, and a third link 205. The first link 201 and the second link 203 are operably connected via the first joint 202. The second link 203 and the third link 205 are operably connected via the second joint 204. The third link 205 is operatively connected to the base, for example, via the third joint 206.

第1関節202、第2関節204、第3関節206それぞれは関節モータ(不図示)を備え、当該関節モータの回転駆動により第1関節角度θ、第2関節角度θ、第3関節角度θを変化させてキー207を操作する。 Each of the first joint 202, the second joint 204, and the third joint 206 includes a joint motor (not shown), and the first joint angle θ 1 , the second joint angle θ 2 , and the third joint angle are driven by rotation of the joint motor. changing the θ 3 by operating the key 207.

ここで、本実施形態の指機構は、図2に示すように、パソコンのキーボードのキー、電化製品の操作部に設置されたボタン、鍵盤楽器の鍵盤等であるキー207を操作する。キー207は、バネ208によって支持されている。   Here, as shown in FIG. 2, the finger mechanism of this embodiment operates keys 207 which are keys on a keyboard of a personal computer, buttons installed on an operation unit of an electrical appliance, a keyboard of a keyboard instrument, and the like. The key 207 is supported by a spring 208.

次に、当該指機構を制御する制御装置及びその周辺装置の構成を説明する。図1は、制御装置及びその周辺装置を示す機能ブロック図である。図1に示すように、制御装置130の周辺装置として、関節角度指令発生器110と、制御対象120と、を備える。   Next, the configuration of the control device that controls the finger mechanism and its peripheral devices will be described. FIG. 1 is a functional block diagram showing a control device and its peripheral devices. As shown in FIG. 1, a joint angle command generator 110 and a control target 120 are provided as peripheral devices of the control device 130.

関節角度指令発生器110は、制御装置130から入力されるキー接触判定値とキー底到達判定値とに基づいて、指機構122がキー207を押す際の第1関節角度θ、第2関節角度θ、第3関節角度θの目標値である関節角度指令を、第1リンク201がキー207と接触する前、接触して押している間、及び押したキー207がキー底に到達した後に対して生成し出力する。ここで、キー接触判定値とは、キー207が第1リンク201と接触しているか否かを判定した結果である。キー底到達判定値とは、押されたキー207がキー底に到達したか否かを判定した結果である。 The joint angle command generator 110 generates the first joint angle θ 1 and the second joint when the finger mechanism 122 presses the key 207 based on the key contact determination value and the key bottom arrival determination value input from the control device 130. Before the first link 201 touches the key 207, the joint angle command that is the target value of the angle θ 2 and the third joint angle θ 3 is pressed while being in contact with the key 207, and the pressed key 207 has reached the key bottom. Generate and output for later. Here, the key contact determination value is a result of determining whether or not the key 207 is in contact with the first link 201. The key bottom arrival determination value is a result of determining whether or not the pressed key 207 has reached the key bottom.

制御対象120は、一般的なロボットハンドである。制御対象120は、指のメカ機構である指機構122と、制御装置130から入力されるモータ電流に基づいて、第1関節202、第2関節204、第3関節206それぞれを駆動する関節モータ121と、第1関節角度θ、第2関節角度θ、第3関節角度θを検出し関節角度検出値として出力する関節角度検出器123と、を備える。 The control target 120 is a general robot hand. The control target 120 includes a finger mechanism 122 that is a finger mechanical mechanism and a joint motor 121 that drives the first joint 202, the second joint 204, and the third joint 206 based on the motor current input from the control device 130. And a joint angle detector 123 that detects the first joint angle θ 1 , the second joint angle θ 2 , and the third joint angle θ 3 and outputs them as joint angle detection values.

制御装置130は、キー接触時関節状態推定器131と、キー非接触時関節状態推定器132と、キー接触判定器133と、トルク外乱推定器134と、剛性推定器135と、キー底到達判定器136と、制御剛性演算器137と、制御器138と、を備える。   The control device 130 includes a key contact joint state estimator 131, a key non-contact joint state estimator 132, a key contact determiner 133, a torque disturbance estimator 134, a stiffness estimator 135, and a key bottom arrival determination. A calculator 136, a control stiffness calculator 137, and a controller 138.

キー接触時関節状態推定器131は、制御対象120の関節角度検出器123から入力される関節角度検出値(第1関節角度θ、第2関節角度θ、第3関節角度θ)等を用いて導出した、第1リンク201がキー207に接触している間における運動方程式に基づいて、関節角度、関節速度、関節加速度(即ち、関節の状態)を推定しキー接触時関節状態推定値として出力する。 The key contact joint state estimator 131 detects joint angle detection values (first joint angle θ 1 , second joint angle θ 2 , third joint angle θ 3 ) input from the joint angle detector 123 of the control target 120. Is used to estimate the joint angle, joint speed, and joint acceleration (ie, joint state) based on the equation of motion while the first link 201 is in contact with the key 207 to estimate the joint state at the time of key contact. Output as a value.

キー非接触時関節状態推定器132は、制御対象120の関節角度検出器123から入力される関節角度検出値等を用いて導出した、第1リンク201がキー207に接触していない間における運動方程式に基づいて、関節角度、関節速度、関節加速度を推定しキー非接触時関節状態推定値として出力する。   The key non-contact joint state estimator 132 is derived using the joint angle detection value or the like input from the joint angle detector 123 of the control target 120, and exercises while the first link 201 is not in contact with the key 207. Based on the equations, the joint angle, joint speed, and joint acceleration are estimated and output as a joint state estimated value when the key is not in contact.

キー接触判定器133は、制御対象120の関節角度検出器123から入力される関節角度検出値と、キー接触時関節状態推定器131から入力されるキー接触時関節状態推定値と、キー非接触時関節状態推定器132から入力されるキー非接触時関節状態推定値と、に基づいて、キー接触時における第1関節角度推定誤差θ1c (キー接触時における一般化座標推定誤差q =q−q の第1成分)と、キー非接触時における第1関節角度推定誤差θ1nc (キー非接触時における一般化座標推定誤差q =q−q の第1成分)と、を算出する。キー接触判定器133は、キー接触時における第1関節角度推定誤差θ1c の絶対値がキー非接触時における第1関節角度推定誤差θ1nc の絶対値より小さい場合(abs(θ1c )<abs(θ1nc ))、第1リンク201はキー207に接触していると判定し、それ以外の場合は接触していないと判定し、その判定結果をキー接触判定結果として出力する。 The key contact determination unit 133 includes a joint angle detection value input from the joint angle detector 123 of the control target 120, a key contact joint state estimation value input from the key contact joint state estimator 131, and a key non-contact. a key non-contact during articulation state estimation value input from the time the joint state estimator 132, based on the generalized coordinates estimated in the first joint angle estimation error theta 1c ~ (at key contact at key contact error q 1 ~ = q 1 and -q 1 ^ first component), the first joint angle estimation error theta 1nc ~ of the key non-contact time (generalized coordinates estimated at key contactless error q 1 ~ = q 1 -q 1 ^ of First component) is calculated. When the absolute value of the first joint angle estimation error θ 1c ˜ when the key is touched is smaller than the absolute value of the first joint angle estimation error θ 1nc ˜ when the key is not touched (abs (θ 1c ˜ ) <Abs (θ 1nc ˜ )), it is determined that the first link 201 is in contact with the key 207, otherwise it is determined that it is not in contact, and the determination result is output as a key contact determination result. .

トルク外乱推定器134は、キー接触判定器133から入力されるキー接触判定結果が、第1リンク201がキー207に接触しているとの判定結果のとき、キー接触時関節状態推定器131から入力されるキー接触時関節状態推定値に基づいて、第1関節202、第2関節204、第3関節206それぞれに掛かるトルク外乱を推定し、第1関節トルク外乱推定値Td1 、第2関節トルク外乱推定値Td2 、第3関節トルク外乱推定値Td3 として出力する。一方、トルク外乱推定器134は、キー接触判定器133から入力されるキー接触判定結果が、第1リンク201がキー207に接触していないとの判定結果のとき、何も出力しない。 When the key contact determination result input from the key contact determiner 133 is a determination result that the first link 201 is in contact with the key 207, the torque disturbance estimator 134 receives the key contact joint state estimator 131. Based on the input key contact joint state estimated value, a torque disturbance applied to each of the first joint 202, the second joint 204, and the third joint 206 is estimated, and a first joint torque disturbance estimated value T d1 ^ , second The joint torque disturbance estimated value T d2 ^ and the third joint torque disturbance estimated value T d3 ^ are output. On the other hand, the torque disturbance estimator 134 outputs nothing when the key contact determination result input from the key contact determiner 133 is a determination result that the first link 201 is not in contact with the key 207.

剛性推定器135は、第1リンク201がキー207に接触している場合のみに、トルク外乱推定器134から入力されるトルク外乱推定値(第1関節トルク外乱推定値Td1 、第2関節トルク外乱推定値Td2 、第3関節トルク外乱推定値Td3 )と、キー接触時関節状態推定器131から入力されるキー接触時関節状態推定値と、に基づいて、被接触体の剛性(本実施形態では、ばね208のばね定数)を推定し、剛性推定値k^として出力する。 The stiffness estimator 135 receives the torque disturbance estimated value (first joint torque disturbance estimated value T d1 ^) , the second joint input from the torque disturbance estimator 134 only when the first link 201 is in contact with the key 207. Torque disturbance estimated value T d2 ^ , third joint torque disturbance estimated value T d3 ^ ) and the key contact joint state estimated value input from the key contact joint state estimator 131, The rigidity (in this embodiment, the spring constant of the spring 208) is estimated and output as the estimated rigidity value k ^.

キー底到達判定器136は、接触判定器133から入力されるキー接触判定結果が、第1リンク201がキー207に接触しているとの判定結果のとき、キー接触時関節状態推定器131から入力されるキー接触時関節状態推定値の絶対値が発散したら、キー207がキー底に到達したと判定し、それ以外の場合はキー底に到達していないと判定し、その判定結果をキー底到達判定結果として出力する。   When the key contact determination result input from the contact determination device 133 is a determination result that the first link 201 is in contact with the key 207, the key bottom arrival determination device 136 determines that the key contact arrival state determination device 136 When the absolute value of the joint state estimated value when the key is input diverges, it is determined that the key 207 has reached the key bottom, otherwise it is determined that the key bottom has not been reached, and the determination result is used as the key. Output as bottom arrival determination result.

制御剛性演算器137は、関節角度検出器123から入力される関節角度検出値と、キー接触判定器133から入力されるキー接触判定結果と、剛性推定器135から入力される剛性推定値k^と、キー底到達判定器136から入力されるキー底到達判定結果と、に基づいて、第1リンク201がキー207に接触しているか否か、キー207に接触している場合はキー底に到達しているか否かを判定し、この判定結果に応じた、第1関節202、第2関節204、第3関節206それぞれの制御剛性を、剛性推定値k^と関節角度検出値とに基づいて演算し、制御剛性演算値として出力する。ここで、制御剛性とは、関節のメカ機構による剛性と、関節が備える関節モータや減速機等の剛性と、を加えた剛性のことである。   The control stiffness calculator 137 includes a joint angle detection value input from the joint angle detector 123, a key contact determination result input from the key contact determination device 133, and a stiffness estimation value k ^ input from the stiffness estimator 135. And whether or not the first link 201 is in contact with the key 207 based on the key bottom arrival determination result input from the key bottom arrival determiner 136, and if it is in contact with the key 207, The control stiffness of each of the first joint 202, the second joint 204, and the third joint 206 according to the judgment result is determined based on the stiffness estimation value k ^ and the joint angle detection value. And output as a control stiffness calculation value. Here, the control rigidity is a rigidity obtained by adding the rigidity of a joint mechanical mechanism and the rigidity of a joint motor, a speed reducer, and the like included in the joint.

制御器138は、関節角度姿勢発生器110から入力される関節角度指令である、第1関節角度θ、第2関節角度θ、第3関節角度θの目標値と、制御剛性演算器137から入力される制御剛性演算値と、を実現するべく、第1関節角度θ、第2関節角度θ、第3関節角度θそれぞれを制御する制御ゲインを設定し、その制御ゲインに基づいて算出されたモータ電流を出力する。 The controller 138 includes target values for the first joint angle θ 1 , the second joint angle θ 2 , and the third joint angle θ 3 , which are joint angle commands input from the joint angle / posture generator 110, and a control stiffness calculator. In order to realize the control stiffness calculation value input from 137, control gains for controlling the first joint angle θ 1 , the second joint angle θ 2 , and the third joint angle θ 3 are set, and the control gain is set as the control gain. The motor current calculated based on this is output.

なお、制御装置130は、電気・電子・プログラマブル電子制御系として実現する。例えば、制御装置130は、演算処理等を行うCPU(Central Processing Unit)、CPUによって実行される演算プログラム等が記憶されたROM(Read Only Memory)、処理データ等を一時的に記憶するRAM(Random Access Memory)等からなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。また、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)等のハードウェアにより、制御装置130の各器を実現しても良い。   The control device 130 is realized as an electric / electronic / programmable electronic control system. For example, the control device 130 includes a CPU (Central Processing Unit) that performs arithmetic processing, a ROM (Read Only Memory) that stores arithmetic programs executed by the CPU, and a RAM (Random) that temporarily stores processing data and the like. The hardware configuration is centered on a microcomputer composed of (Access Memory). Further, each unit of the control device 130 may be realized by hardware such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit).

次に、制御装置130を構成する各機能ブロックの詳細な動作原理を導出して説明する。
先ず、図2を用いて被接触体及び指機構122の運動方程式を導出する。図2より被接触体の運動方程式は[数7]と導出できる。
Next, a detailed operation principle of each functional block constituting the control device 130 will be derived and described.
First, the equation of motion of the contacted body and the finger mechanism 122 is derived using FIG. From FIG. 2, the equation of motion of the contacted body can be derived as [Equation 7].

Figure 2012179679
Figure 2012179679

ただし、記号の意味は以下の通りである。
:図2の上方向を正としたばね208の自然長[m]
:第3関節206を基準とし、図2の上方向を正とした第1リンク201の先端(指先)の垂直位置(指先垂直位置)[m]
f:図2の上方向を正とした打鍵力[N]
m:キー質量[kg]
g:重力加速度[m/s]
k:ばね208の剛性[N/m]
However, the meaning of the symbols is as follows.
y 0 : Natural length [m] of the spring 208 with the upper direction in FIG. 2 being positive
y 1 : Vertical position (fingertip vertical position) [m] of the tip (fingertip) of the first link 201 with the third joint 206 as a reference and the upward direction in FIG.
f: Keystroke force [N] with the upward direction in FIG. 2 being positive
m: Key mass [kg]
g: Gravity acceleration [m / s 2 ]
k: rigidity of the spring 208 [N / m]

次に、指機構122の運動方程式を解析力学の手法に基づいて導出する。指機構122の運動エネルギーK及びポテンシャルエネルギーUは、[数8]及び[数9]と導出できる。   Next, the equation of motion of the finger mechanism 122 is derived based on a method of analytical mechanics. The kinetic energy K and potential energy U of the finger mechanism 122 can be derived as [Equation 8] and [Equation 9].

Figure 2012179679
Figure 2012179679

Figure 2012179679
Figure 2012179679

ただし、記号の意味は以下の通りである。
:第1関節202の質量(第1関節質量)[kg]
:第2関節204の質量(第2関節質量)[kg]
:第3関節206の質量(第3関節質量)[kg]
θ:第1関節202の角度(第1関節角度)[rad]
θ:第2関節204の角度(第2関節角度)[rad]
θ:第3関節206の角度(第3関節角度)[rad]
10:第3関節206を基準とし、図2の左方向を正とした第1リンク201の重心の水平位置(第1リンク重心水平位置)[m]
10:第3関節206を基準とし、図2の上方向を正とした第1リンク201の重心の垂直位置(第1リンク重心垂直位置)[m]
20:第3関節206を基準とし、図2の左方向を正とした第2リンク203の重心の水平位置(第2リンク重心水平位置)[m]
20:第3関節206を基準とし、図2の上方向を正とした第2リンク203の重心の垂直位置(第2リンク重心垂直位置)[m]
30:第3関節206を基準とし、図2の左方向を正とした第3リンク205の重心の水平位置(第3リンク重心水平位置)[m]
30:第3関節206を基準とし、図2の上方向を正とした第3リンク205の重心の垂直位置(第3リンク重心垂直位置)[m]
10:第1関節202の慣性モーメント[kg・m]
20:第2関節204の慣性モーメント[kg・m]
30:第3関節206の慣性モーメント[kg・m]
However, the meaning of the symbols is as follows.
m 1 : mass of the first joint 202 (first joint mass) [kg]
m 2 : mass of the second joint 204 (second joint mass) [kg]
m 3 : mass of the third joint 206 (third joint mass) [kg]
θ 1 : angle of the first joint 202 (first joint angle) [rad]
θ 2 : angle of the second joint 204 (second joint angle) [rad]
θ 3 : angle of the third joint 206 (third joint angle) [rad]
x 10 : The horizontal position of the center of gravity of the first link 201 (first link center of gravity horizontal position) with the third joint 206 as a reference and the left direction in FIG. 2 being positive (m)
y 10 : Vertical position of the center of gravity of the first link 201 (first link center of gravity vertical position) with the third joint 206 as a reference and the upward direction in FIG. 2 being positive [m]
x 20 : Horizontal position of the center of gravity of the second link 203 (second link center of gravity horizontal position) with the third joint 206 as a reference and the left direction in FIG. 2 being positive (m)
y 20 : The vertical position of the center of gravity of the second link 203 (second link center of gravity vertical position) with the third joint 206 as a reference and the upward direction in FIG. 2 being positive [m]
x 30 : horizontal position of the center of gravity of the third link 205 (third link center of gravity horizontal position) with the third joint 206 as a reference and the left direction in FIG. 2 being positive (m)
y 30 : Vertical position of the center of gravity of the third link 205 (third link center of gravity vertical position) with the upper direction in FIG. 2 as positive with the third joint 206 as a reference [m]
J 10 : moment of inertia of the first joint 202 [kg · m 2 ]
J 20 : moment of inertia of second joint 204 [kg · m 2 ]
J 30 : moment of inertia of the third joint 206 [kg · m 2 ]

第1リンク重心水平位置x10、第1リンク重心垂直位置y10、第2リンク重心水平位置x20、第2リンク重心垂直位置y20、第3リンク重心水平位置x30、第3リンク重心垂直位置y30を、第1関節角度θ、第2関節角度θ、第3関節角度θを用いて書き換えると[数10]から[数15]と表される。 The first link centroid horizontal position x 10, the first link centroid vertical position y 10, the second link centroid horizontal position x 20, the second link centroid vertical position y 20, the third link centroid horizontal position x 30, third link centroid vertical When the position y 30 is rewritten using the first joint angle θ 1 , the second joint angle θ 2 , and the third joint angle θ 3 , they are expressed as [Equation 10] to [Equation 15].

Figure 2012179679
Figure 2012179679

Figure 2012179679
Figure 2012179679

Figure 2012179679
Figure 2012179679

Figure 2012179679
Figure 2012179679

Figure 2012179679
Figure 2012179679

Figure 2012179679
Figure 2012179679

ただし、記号の意味は以下の通りである。
10:第1リンク201の重心と第1関節202との距離[m]
20:第2リンク203の重心と第2関節204との距離[m]
30:第3リンク205の重心と第3関節206との距離[m]
:第2リンク203の長さ[m]
:第3リンク205の長さ[m]
However, the meaning of the symbols is as follows.
l 10 : distance [m] between the center of gravity of the first link 201 and the first joint 202
l 20 : distance [m] between the center of gravity of the second link 203 and the second joint 204
l 30 : distance [m] between the center of gravity of the third link 205 and the third joint 206
l 2 : length of the second link 203 [m]
l 3 : length of the third link 205 [m]

同様に、第1リンク201の指先垂直位置yを、第1関節角度θ、第2関節角度θ、第3関節角度θを用いて書き換えると[数16]と表される。 Similarly, when the fingertip vertical position y 1 of the first link 201 is rewritten using the first joint angle θ 1 , the second joint angle θ 2 , and the third joint angle θ 3 , [Expression 16] is expressed.

Figure 2012179679
ただし、lは第1リンク201の長さ[m]である。
Figure 2012179679
Here, l 1 is the length [m] of the first link 201.

指機構122の運動方程式は、[数17]から[数19]のオイラーラグランジ方程式で表される。   The equation of motion of the finger mechanism 122 is expressed by the Euler-Lagrange equation of [Equation 17] to [Equation 19].

Figure 2012179679
Figure 2012179679

Figure 2012179679
Figure 2012179679

Figure 2012179679
Figure 2012179679

ここで、Q、Q、Qは一般化力であり、指先がキー207に接触している場合、[数20]から[数22]で表される。 Here, Q 1 , Q 2 , and Q 3 are generalization forces, and are expressed by [Equation 20] to [Equation 22] when the fingertip is in contact with the key 207.

Figure 2012179679
Figure 2012179679

Figure 2012179679
Figure 2012179679

Figure 2012179679
Figure 2012179679

ここで、記号の意味は以下のようになる。
:第1関節202の関節モータ121が発生する反時計回りを正としたトルク(第1関節モータトルク)[N・m]
:第2関節204の関節モータ121が発生する反時計回りを正としたトルク(第2関節モータトルク)[N・m]
:第3関節206の関節モータ121が発生する反時計回りを正としたトルク(第3関節モータトルク)[N・m]
d1:第1関節202に加わる反時計回りを正としたトルク外乱(第1関節トルク外乱)[N・m]
d2:第2関節204に加わる反時計回りを正としたトルク外乱(第2関節トルク外乱)[N・m]
d3:第3関節206に加わる反時計回りを正としたトルク外乱(第3関節トルク外乱)[N・m]
Here, the meanings of the symbols are as follows.
T 1 : Torque with positive counterclockwise rotation generated by the joint motor 121 of the first joint 202 (first joint motor torque) [N · m]
T 2 : Torque with the counterclockwise direction generated by the joint motor 121 of the second joint 204 as positive (second joint motor torque) [N · m]
T 3 : Torque with the counterclockwise direction generated by the joint motor 121 of the third joint 206 as positive (third joint motor torque) [N · m]
T d1 : Torque disturbance with positive counterclockwise rotation applied to the first joint 202 (first joint torque disturbance) [N · m]
T d2 : Torque disturbance with positive counterclockwise rotation applied to the second joint 204 (second joint torque disturbance) [N · m]
T d3 : Torque disturbance with the counterclockwise rotation applied to the third joint 206 as positive (third joint torque disturbance) [N · m]

[数8]から[数16]及び[数20]から[数22]を、[数17]から[数19]に代入すると、指機構122の運動方程式は[数23]から[数25]と導出できる。   Substituting [Equation 8] to [Equation 16] and [Equation 20] to [Equation 22] into [Equation 17] to [Equation 19], the equation of motion of the finger mechanism 122 becomes [Equation 23] to [Equation 25]. Can be derived.

Figure 2012179679
Figure 2012179679

Figure 2012179679
Figure 2012179679

Figure 2012179679
Figure 2012179679

一方、指先がキー207に接触していない場合、一般化力Qは[数20]に代えて、[数26]と表される。 On the other hand, if the finger is not in contact with the key 207, the generalized force Q 1 is in place in the number 20, is represented as [Expression 26].

Figure 2012179679
Figure 2012179679

指先がキー207に接触していない場合、[数26]により、[数23]は[数27]に置き換えられる。   When the fingertip is not in contact with the key 207, [Equation 23] is replaced with [Equation 27] by [Equation 26].

Figure 2012179679
Figure 2012179679

キー接触時における指機構122の運動方程式は、[数23]から[数25]より[数28]と書き換えられる。   The equation of motion of the finger mechanism 122 when the key is touched can be rewritten as [Equation 28] from [Equation 23] to [Equation 25].

Figure 2012179679
Figure 2012179679

ただし、記号の意味は以下のようになる。
J:慣性行列
:[数23]から[数25]の非線形項から構成されるベクトル(キー接触時非線形力)
q:一般化座標
T:関節モータトルク
d:トルク外乱
However, the meaning of the symbols is as follows.
J: inertia matrix f c : vector composed of nonlinear terms from [Equation 23] to [Equation 25] (nonlinear force at the time of key contact)
q: Generalized coordinates T: Joint motor torque d: Torque disturbance

同様にキー非接触時の指機構122の運動方程式は、[数24]、[数25]、及び[数27]より[数29]と書き換えられる。   Similarly, the equation of motion of the finger mechanism 122 when the key is not touched is rewritten as [Equation 29] from [Equation 24], [Equation 25], and [Equation 27].

Figure 2012179679
Figure 2012179679

ただし、fncは[数24]、[数25]、及び[数27]の非線形項から構成されるベクトル(キー非接触時非線形力)である。 However, f nc is a vector (non-key non-contact non-linear force) composed of non-linear terms of [ Equation 24], [ Equation 25], and [Equation 27].

キー接触時関節状態推定器131は、[数30]によりキー接触時における一般化座標qとその1階及び2階時間微分値(キー接触時関節状態)とを、ノイズを含まないように推定する。   The key contact joint state estimator 131 estimates the generalized coordinate q and the first and second-order time differential values (joint state at key contact) at the time of key contact so as not to include noise according to [Equation 30]. To do.

Figure 2012179679
Figure 2012179679

ただし、記号の意味は以下のようになる。
L:推定器ゲイン
q^:一般化座標推定値
^:キー接触時非線形力推定値
However, the meaning of the symbols is as follows.
L: estimator gain q ^: generalized coordinates estimate f c ^: key contact time nonlinear force estimate

同様に、キー非接触時関節状態推定器132は、[数31]によりキー非接触時における一般化座標qとその1階及び2階時間微分値(キー非接触時関節状態)とを、ノイズを含まないように推定する。   Similarly, the joint state estimator 132 at the time of non-contact with the key calculates the generalized coordinates q at the time of non-contact with the key and the first and second-order time differential values (joint state at the time of non-contact of the key) as noise. It is estimated not to include.

Figure 2012179679
Figure 2012179679

ただし、fnc^はキー非接触時非線形力推定値である。 Here, f nc ^ is a non-contact non-linear force estimation value.

キー接触時におけるキー接触時関節状態推定器131の推定誤差方程式は、[数28]から[数30]を減算することにより[数32]と導出される。   The estimation error equation of the key contact joint state estimator 131 at the time of key contact is derived as [Equation 32] by subtracting [Equation 30] from [Equation 28].

Figure 2012179679
Figure 2012179679

ただし、q~は一般化座標推定誤差である。
ここで、推定器ゲインLの各要素が十分に大きな負の実数となるように設定すると、[数33]が成立し、キー接触時関節状態が推定される。
Where q ~ is a generalized coordinate estimation error.
Here, if each element of the estimator gain L is set to be a sufficiently large negative real number, [Expression 33] is established, and the joint state at the time of key contact is estimated.

Figure 2012179679
Figure 2012179679

一方、キー接触時におけるキー非接触時関節状態推定器132の推定誤差方程式は、[数28]から[数31]を減算することにより[数34]と導出される。   On the other hand, the estimation error equation of the joint non-key joint state estimator 132 when the key is touched is derived as [Equation 34] by subtracting [Equation 31] from [Equation 28].

Figure 2012179679
Figure 2012179679

キー接触時において、[数32]の非線形項f−f^の時間平均値は、[数34]の非線形項f−fnc^の時間平均値よりも常に小さい値をとるため、キー接触時関節状態推定器131の推定誤差方程式[数32]より算出した一般化座標推定誤差qの時間平均値の方が、キー非接触時関節状態推定器132の推定誤差方程式[数34]より算出した値より小さい。 When the key is touched, the time average value of the nonlinear term f c −f c ^ in [Equation 32] is always smaller than the time average value of the nonlinear term f c −f nc ^ in [Equation 34]. towards the generalized coordinates estimation error q time average value of - calculated from the estimation error equation of key contact during articulation state estimator 131 [number 32] is the estimation error equation number 34 key noncontact during articulation state estimator 132 ] Smaller than the value calculated from the above.

同様に、キー非接触時におけるキー非接触時関節状態推定器132の推定誤差方程式は、[数29]から[数31]を減算することにより[数35]と導出される。   Similarly, the estimation error equation of the joint non-key joint state estimator 132 when the key is not touched is derived as [Equation 35] by subtracting [Equation 31] from [Equation 29].

Figure 2012179679
Figure 2012179679

ここで、推定器ゲインLの各要素が十分に大きな負の実数となるように設定すると、[数33]が成立し、キー非接触時関節状態が推定される。   Here, if each element of the estimator gain L is set to be a sufficiently large negative real number, [Equation 33] is established, and the joint state at the time of non-key contact is estimated.

キー接触時の場合と同様の理由から、キー非接触時においては、キー非接触時関節状態推定器132の推定誤差方程式より算出した一般化座標推定誤差qの時間平均値の方が、キー接触時関節状態推定器131の推定誤差方程式より算出した値より小さい。 For the same reason as at the time of key contact, the key in the non-contact time, the direction of the key non-contact time estimated generalized coordinates estimated and calculated from the error equation error q time average value between the joint state estimator 132, the key It is smaller than the value calculated from the estimation error equation of the joint state estimator 131 at the time of contact.

上述の原理に基づいてキー接触判定器133は、キー接触時関節状態推定器131及びキー非接触時関節状態推定器132のうち、前者が出力する一般化座標推定誤差qの時間平均が後者よりも小さい場合はキー接触時であると判定し、それ以外の場合はキー非接触時であると判定する。 Key contact determiner 133 on the basis of the principles described above, among the key contact during articulation state estimator 131 and the key non-contact during articulation state estimator 132, the time average latter generalized coordinates estimation error q ~ the former output If it is smaller than that, it is determined that the key is touching, and otherwise, it is determined that the key is not touching.

キー接触判定器133がキー接触時であると判定した場合、一般化座標推定値q^は一般化座標qに収束するので、[数28]よりトルク外乱推定器134は[数36]を用いてトルク外乱推定値を算出できることが分かる。   When the key contact determiner 133 determines that the key is being touched, the generalized coordinate estimated value q ^ converges to the generalized coordinate q. Therefore, the torque disturbance estimator 134 uses [Equation 36] from [Equation 28]. It can be seen that the estimated torque disturbance value can be calculated.

Figure 2012179679
ただし、d^はトルク外乱推定値である。
Figure 2012179679
However, d ^ is a torque disturbance estimated value.

[数23]とトルク外乱推定値d^を用いて剛性推定器135は、剛性推定値k^を[数37]により算出する。   Using [Equation 23] and the estimated torque disturbance value d ^, the stiffness estimator 135 calculates the estimated stiffness value k ^ by [Equation 37].

Figure 2012179679
Figure 2012179679

ただし、記号の意味は以下のようになる。
d1^:第1関節202に加わる反時計回りを正としたトルク外乱の推定値(第1関節トルク外乱推定値)[N・m]
θ1^:第1関節角度推定値[rad]
θ2^:第2関節角度推定値[rad]
θ3^:第3関節角度推定値[rad]
However, the meaning of the symbols is as follows.
T d1 ^: Estimated value of torque disturbance in which counterclockwise rotation applied to the first joint 202 is positive (first joint torque disturbance estimated value) [N · m]
θ1 ^: first joint angle estimated value [rad]
θ2 ^: second joint angle estimated value [rad]
θ3 ^: third joint angle estimated value [rad]

キー底到達判定器136は、キー接触判定器133がキー接触時であると判定している間に、キー接触時関節状態推定器131が出力するキー接触時関節状態推定誤差の時間平均、及びキー非接触時関節状態推定器132が出力するキー非接触時関節状態推定誤差の時間平均の両方が発散することをもって、キー底に到達したと判定する。   The key bottom arrival determiner 136 calculates the time average of the key contact joint state estimation error output by the key contact joint state estimator 131 while the key contact determiner 133 determines that the key contact is in progress, and It is determined that the key bottom has been reached when both of the time averages of the joint non-contact joint state estimation errors output by the joint non-key joint state estimator 132 diverge.

図2において、キー207からの反力と第1関節202、第2関節204、第3関節206の発生するモータトルクが静的に釣り合っている場合、各関節における制御剛性それぞれを第1関節等価制御剛性k10、第2関節等価制御剛性k20、第3関節等価制御剛性k30とすると、[数38]から[数40]が成立する。 In FIG. 2, when the reaction force from the key 207 and the motor torque generated by the first joint 202, the second joint 204, and the third joint 206 are statically balanced, the control stiffness at each joint is equivalent to the first joint equivalent. Assuming that the control stiffness k 10 , the second joint equivalent control stiffness k 20 , and the third joint equivalent control stiffness k 30 , [Equation 38] to [Equation 40] are established.

Figure 2012179679
Figure 2012179679

Figure 2012179679
Figure 2012179679

Figure 2012179679
Figure 2012179679

ただし、記号の意味は次の通りである。
δ:キー207の垂直方向微小変位量[m]
δθ1:第1関節角度θ1の微小変位量[rad]
δθ2:第2関節角度θ2の微小変位量[rad]
δθ3:第3関節角度θ3の微小変位量[rad]
However, the meaning of the symbols is as follows.
δ y : small amount of vertical displacement of key 207 [m]
δ θ1 : Minute displacement [rad] of the first joint angle θ1
δθ2 : Minute displacement [rad] of the second joint angle θ2.
δθ3 : Minute displacement [rad] of the third joint angle θ3

[数38]から[数40]において、δとδθ1、δθ2、δθ3は微小量であり相殺するので、[数41]から[数43]が得られる。 In the [number 38] [Expression 40], [delta] y and δ θ1, δ θ2, δ θ3 so to offset a small amount is obtained [Formula 43] From Equation 41].

Figure 2012179679
Figure 2012179679

Figure 2012179679
Figure 2012179679

Figure 2012179679
Figure 2012179679

制御剛性演算器137は、第1関節202の制御剛性である第1関節制御剛性kと、第2関節204の制御剛性である第2関節制御剛性kと、第3関節206の制御剛性である第3関節制御剛性kと、をそれぞれ[数44]に基づいて決定する。 The control stiffness calculator 137 includes a first joint control stiffness k 1 that is the control stiffness of the first joint 202, a second joint control stiffness k 2 that is the control stiffness of the second joint 204, and the control stiffness of the third joint 206. And the third joint control stiffness k 3 are determined based on [Equation 44].

Figure 2012179679
Figure 2012179679

ただし、記号の意味は以下の通りである。
:第1関節制御剛性k1のパラメータ
:第2関節制御剛性k2のパラメータ
:第3関節制御剛性k3のパラメータ
1n:非接触時の第1関節制御剛性
2n:非接触時の第2関節制御剛性
3n:キー底未到達時の第3関節制御剛性
However, the meaning of the symbols is as follows.
c 1 : Parameters of the first joint control rigidity k 1 c 2 : Parameters of the second joint control rigidity k 2 c 3 : Parameters of the third joint control rigidity k 3 k 1n : First joint control rigidity k 2n at non-contact k 2n : Non-contact Second joint control stiffness at time k 3n : Third joint control stiffness when key bottom is not reached

制御剛性演算器137は、[数44]で決定した制御剛性となるように、制御器138の制御ゲインを設定する。これにより、指機構122がキー207を押すまでは、第1関節202、第2関節204、第3関節206それぞれに対する制御剛性が被接触体の剛性(ばね208のばね定数)kを第1関節202、第2関節204、第3関節206回りの回転剛性に等価変換した値より大きいため、第1リンク201の先端(指先)と、第1関節角度θ、第2関節角度θ、第3関節角度θを素早く正確にキー207を押すのに適した位置に移動させることができる。 The control stiffness calculator 137 sets the control gain of the controller 138 so that the control stiffness determined by [Equation 44] is obtained. Thus, until the finger mechanism 122 presses the key 207, the control stiffness for each of the first joint 202, the second joint 204, and the third joint 206 is equal to the stiffness of the contacted body (the spring constant of the spring 208) k. 202, the second joint 204, and the third joint 206 are larger than the value equivalent to the rotational rigidity around the first joint 201, and the tip (fingertip) of the first link 201, the first joint angle θ 1 , the second joint angle θ 2 , The three joint angles θ 3 can be moved to a position suitable for pressing the key 207 quickly and accurately.

また、キー接触後は、第1関節202、第2関節204それぞれに対する制御剛性が被接触体の剛性kを第1関節202、第2関節204回りの回転剛性に等価変換した値と等しく、第3関節206に対する制御剛性が被接触体の剛性kを第3関節206回りの回転剛性に等価変換した値より大きいため、主に第3関節206のみの動作によりキー207を傷つけないように必要最小限の力でキー207を押すことができる。   After the key contact, the control stiffness for each of the first joint 202 and the second joint 204 is equal to the value obtained by equivalently converting the stiffness k of the contacted body into the rotational stiffness around the first joint 202 and the second joint 204, Since the control stiffness for the three joints 206 is larger than the value obtained by equivalently converting the stiffness k of the contacted object to the rotational stiffness around the third joint 206, the minimum necessary to prevent the key 207 from being damaged mainly by the operation of the third joint 206 only. The key 207 can be pressed with a limited force.

さらにキー底に到達したら、第1関節202、第2関節204、第3関節206それぞれに対する制御剛性が被接触体の剛性kを第1関節202、第2関節204、第3関節206回りの回転剛性に等価変換した値と等しく、キー207をキー底に保持するために必要最小限の力のみを残して第1関節202、第2関節204、第3関節206をリラックスさせることができる。   When the key bottom is further reached, the control stiffness for each of the first joint 202, the second joint 204, and the third joint 206 is rotated around the first joint 202, the second joint 204, and the third joint 206. The first joint 202, the second joint 204, and the third joint 206 can be relaxed while leaving only the minimum force necessary to hold the key 207 on the key bottom, which is equal to the value equivalently converted to rigidity.

キー接触時において、各関節における制御剛性を[数44]とする第1関節モータトルクT、第2関節モータトルクT、第3関節モータトルクTは、[数23]から[数25]より、[数45]から[数47]と導出できる。 At the time of key contact, the first joint motor torque T 1 , the second joint motor torque T 2 , and the third joint motor torque T 3 , where the control stiffness at each joint is [Equation 44], are calculated from [Equation 23] to [Equation 25]. ] Can be derived from [Equation 45] to [Equation 47].

Figure 2012179679
Figure 2012179679

Figure 2012179679
Figure 2012179679

Figure 2012179679
Figure 2012179679

ただし、記号の意味は以下の通りである。
:第1関節202における制御減衰(第1関節制御減衰)
:第2関節204における制御減衰(第2関節制御減衰)
:第3関節206における制御減衰(第3関節制御減衰)
d2^:第2関節に加わる反時計回りを正としたトルク外乱の推定値(第2関節トルク外乱推定値)[N・m]
d3^:第3関節に加わる反時計回りを正としたトルク外乱の推定値(第3関節トルク外乱推定値)[N・m]
ここで、制御減衰とは、関節のメカ機構による減衰と、関節が備える関節モータや減速機等の減衰と、を加えた減衰のことである。
However, the meaning of the symbols is as follows.
d 1 : Control attenuation in the first joint 202 (first joint control attenuation)
d 2 : Control attenuation in the second joint 204 (second joint control attenuation)
d 3 : Control attenuation in the third joint 206 (third joint control attenuation)
T d2 ^: Estimated value of torque disturbance with positive counterclockwise rotation applied to the second joint (second joint torque disturbance estimated value) [N · m]
T d3 ^: Estimated value of torque disturbance with positive counterclockwise rotation applied to the third joint (third joint torque disturbance estimated value) [N · m]
Here, the control attenuation is attenuation obtained by adding attenuation by a mechanical mechanism of the joint and attenuation of a joint motor, a reduction gear, and the like included in the joint.

一方、キー非接触時において、第2関節モータトルクT、第3関節モータトルクTは[数46]、[数47]と同じであり、第1関節モータトルクTは[数27]より[数48]と表される。 On the other hand, when the key is not touched, the second joint motor torque T 2 and the third joint motor torque T 3 are the same as [Equation 46] and [Equation 47], and the first joint motor torque T 1 is [Equation 27]. [Expression 48].

Figure 2012179679
Figure 2012179679

上述のように、被接触体の剛性を推定するので、簡易な機構で硬さの異なる被接触体に柔軟に対応することができる。特に、本実施形態の制御装置を、キー操作等を行うロボットハンドに適用すると、サービスロボットがパソコンのキーボード操作する場合や、家電のキー操作をする場合に、キーを傷つけることなく早く正確にキーを押すことが可能となり、サービスロボットが楽器を演奏する場合は、鍵盤やボタンを傷つけることなく正確に早く洗練された演奏をすることが可能となる。   As described above, since the rigidity of the contacted body is estimated, it is possible to flexibly cope with the contacted bodies having different hardnesses with a simple mechanism. In particular, when the control device of this embodiment is applied to a robot hand that performs key operations, etc., when a service robot operates a keyboard of a personal computer or performs a key operation of home appliances, the key can be quickly and accurately not damaged. When the service robot plays a musical instrument, it is possible to perform a sophisticated performance accurately and quickly without damaging the keyboard or buttons.

このように、本実施形態によるとサービスロボットが家電のキー、楽器の鍵盤やボタンを傷つけることなく、早く正確に洗練されたキー操作や演奏をすることができる。   As described above, according to the present embodiment, the service robot can quickly and accurately perform key operations and performances without damaging the keys of household appliances, the keyboards and buttons of musical instruments.

<シミュレーション結果>
本シミュレーションは、サービスロボットのロボットハンドがパソコンのキー操作をする場合を模擬している。シミュレーションに用いた数値は以下のとおりである。
=20×10−3[m]
=20×10−3[m]
=20×10−3[m]
10=10×10−3[m]
20=10×10−3[m]
30=10×10−3[m]
=30×10−3[kg]
=30×10−3[kg]
=30×10−3[kg]
10=1.42×10−6[kg・m]
20=1.42×10−6[kg・m]
30=1.42×10−6[kg・m]
m=1.9×10−3[kg]
k=140[N/m]
=3×10−3[m]
g=9.8[m/s]
d1=0[N・m]
d2=0[N・m]
d3=0[N・m]
=3
=3
=3
=2×10−1[N・m・s/rad]
=6×10−1[N・m・s/rad]
=9×10−1[N・m・s/rad]
1n=1×10[N・m/rad]
2n=1×10[N・m/rad]
3n=1×10[N・m/rad]
<Simulation results>
This simulation simulates the case where the robot hand of the service robot operates the keys of the personal computer. The numerical values used for the simulation are as follows.
l 1 = 20 × 10 −3 [m]
l 2 = 20 × 10 −3 [m]
l 3 = 20 × 10 −3 [m]
l 10 = 10 × 10 −3 [m]
l 20 = 10 × 10 −3 [m]
l 30 = 10 × 10 −3 [m]
m 1 = 30 × 10 −3 [kg]
m 2 = 30 × 10 −3 [kg]
m 3 = 30 × 10 −3 [kg]
J 10 = 1.42 × 10 −6 [kg · m 2 ]
J 20 = 1.42 × 10 −6 [kg · m 2 ]
J 30 = 1.42 × 10 −6 [kg · m 2 ]
m = 1.9 × 10 −3 [kg]
k = 140 [N / m]
y 0 = 3 × 10 −3 [m]
g = 9.8 [m / s 2 ]
T d1 = 0 [N · m]
T d2 = 0 [N · m]
T d3 = 0 [N · m]
c 1 = 3
c 2 = 3
c 3 = 3
d 1 = 2 × 10 −1 [N · m · s / rad]
d 2 = 6 × 10 −1 [N · m · s / rad]
d 3 = 9 × 10 −1 [N · m · s / rad]
k 1n = 1 × 10 5 [N · m / rad]
k 2n = 1 × 10 5 [N · m / rad]
k 3n = 1 × 10 5 [N · m / rad]

ただし、キー質量m及びばね(弾性体)の剛性kは標準的なパソコンのキーボードの値とし、第1関節制御減衰d、第2関節制御減衰d、第3関節制御減衰dの値は、各関節より先端の部分の慣性モーメントの大きさに合わせて設定した。 However, the key mass m and the stiffness k of the spring (elastic body) are values of a standard personal computer keyboard, and are values of the first joint control attenuation d 1 , the second joint control attenuation d 2 , and the third joint control attenuation d 3 . Was set according to the magnitude of the moment of inertia at the tip of each joint.

図3は本シミュレーションにおける第1関節角度の時間変化、図4は本シミュレーションにおける第2関節角度の時間変化、図5は本シミュレーションにおける第3関節角度の時間変化、図6は本シミュレーションにおける制御剛性の時間変化である。   3 is a time change of the first joint angle in this simulation, FIG. 4 is a time change of the second joint angle in this simulation, FIG. 5 is a time change of the third joint angle in this simulation, and FIG. 6 is a control stiffness in this simulation. Is a time change.

図3から図5において、破線は関節角度指令、実線は実際の関節角度を示す。また、図6において、実線は第1関節制御剛性k、破線は第2関節制御剛性k、一点鎖線は第3関節制御剛性kを示す。 3 to 5, the broken line indicates a joint angle command, and the solid line indicates an actual joint angle. In FIG. 6, the solid line indicates the first joint control rigidity k 1 , the broken line indicates the second joint control rigidity k 2 , and the alternate long and short dash line indicates the third joint control rigidity k 3 .

図3と図4の2.5[s]において第1関節202の先端(指先)がキー207に接触し、キー接触判定器133が「キー接触した」という判定結果を関節角度指令発生器110に出力し、関節角度指令発生器110は第1関節角度指令θ1r及び第2関節角度指令θ2rとを減速させている。第1関節角度指令θ1rや第2関節角度指令θ2rを、キー接触時の第1関節角度θや第2関節角度θより大きい角度に収束させるのは、1度キー接触した指先をキー207の表面に密着した状態に維持するためである。図6において、制御剛性演算器137が[数38]を用いて算出する第1関節制御剛性k及び第2関節制御剛性kは、キー接触前は関節角度指令に追従するのに必要な制御帯域を確保するのに十分高い値に設定され、2.5[s]でキー接触が判定されると、最小限の制御剛性に抑えられていることが分かる。 In FIG. 3 and FIG. 4 2.5 [s], the tip (fingertip) of the first joint 202 is in contact with the key 207, and the determination result that the key contact determination unit 133 is “key contact” is the joint angle command generator 110. The joint angle command generator 110 decelerates the first joint angle command θ 1r and the second joint angle command θ 2r . The first joint angle command θ 1r and the second joint angle command θ 2r are converged to an angle larger than the first joint angle θ 1 and the second joint angle θ 2 at the time of key contact. This is to keep the key 207 in close contact with the surface. In FIG. 6, the first joint control stiffness k 1 and the second joint control stiffness k 2 calculated by the control stiffness calculator 137 using [Equation 38] are necessary for following the joint angle command before the key contact. It can be seen that when the key contact is determined at 2.5 [s] and set to a value sufficiently high to secure the control band, the control rigidity is suppressed to the minimum.

図5の2.5[s]においてキー接触が判定されると、第3関節角度指令は1度減速し、キー207を押し込む動作に移行する。5.5[s]においてキー底に到達すると、キー207をそれ以上押し込むことが出来なくなるので、第3関節角度θは0.31[rad]で飽和している。この時、キー底到達判定器136は、上述のようにキー接触時関節状態推定値の絶対値が発散するので、キー底に到達したという判定結果を出力する。関節角度指令発生器110は、「キー底に到達した」という判定結果が入力されると、第3関節角度指令θ3rを減速させる。第3関節角度指令θ3rがキー底到達時の第3関節角度θより大きな値に収束しているのは、キー207をキー底にしっかり保持するためである。制御剛性演算器137は、キー底到達前において、第3関節角度θを第3関節角度指令θ3rに追従させるのに必要な制御帯域を確保するために、第3関節制御剛性kを十分に大きな値に設定し、5.5[s]においてキー底に到達した以降において、キー207をキー底に保持するのに必要最小限の値に第3関節制御剛性kを設定していることが分かる。 When the key contact is determined at 2.5 [s] in FIG. 5, the third joint angle command is decelerated once, and the operation shifts to the operation of pressing the key 207. When the key bottom is reached at 5.5 [s], the key 207 cannot be pushed any further, so the third joint angle θ 3 is saturated at 0.31 [rad]. At this time, the key bottom arrival determination unit 136 outputs the determination result that the key bottom has been reached because the absolute value of the joint state estimated value at the time of key contact diverges as described above. The joint angle command generator 110 decelerates the third joint angle command θ 3r when the determination result “having reached the key bottom” is input. The reason why the third joint angle command θ 3r converges to a value larger than the third joint angle θ 3 when the key bottom is reached is to hold the key 207 firmly on the key bottom. The control stiffness calculator 137 sets the third joint control stiffness k 3 in order to ensure a control band necessary for causing the third joint angle θ 3 to follow the third joint angle command θ 3r before reaching the key bottom. The third joint control stiffness k 3 is set to a minimum value necessary to hold the key 207 on the key bottom after the key bottom is reached at 5.5 [s] after being set to a sufficiently large value. I understand that.

特許文献1のロボットハンドによると、剛性の低い指を使うと早い打鍵動作ができず、剛性の高い指を使うと早い打鍵動作はできるが、キー底到達後にキー207を押し込む力をキー剛性に合わせて適切に変化させることができず、キー207を傷つけてしまう問題がある。一方、本実施形態によると、上述のようにキー接触前、キー押し込み時、キー底到達後の3つの場合において、キー剛性に応じて適切に各関節の制御剛性を時間変化させるので、キー207を傷つけることなく早く正確なタイピングができる。   According to the robot hand disclosed in Patent Document 1, a fast keystroke operation cannot be performed when a finger with low rigidity is used, and a fast keystroke operation can be performed when a finger with high rigidity is used. In addition, there is a problem that the key 207 can be damaged because it cannot be changed appropriately. On the other hand, according to the present embodiment, as described above, the control rigidity of each joint is appropriately changed according to the key rigidity in the three cases before the key contact, when the key is pressed, and after the key bottom is reached. Fast and accurate typing without hurting

また、ピアノなど鍵盤楽器の演奏に対して本発明を適用すると、上述のようにキー剛性に応じて適切に各関節の制御剛性を時間変化させることにより、鍵盤を傷つけることなく、正確に早い演奏が可能となり、繊細なトナリティーの表現が可能となる。   In addition, when the present invention is applied to the performance of a keyboard instrument such as a piano, it is possible to perform an accurate and fast performance without damaging the keyboard by appropriately changing the control rigidity of each joint according to the key rigidity as described above. It becomes possible to express delicate tonality.

このように、本実施形態によるとサービスロボットが家電のキー、楽器の鍵盤やボタンを傷つけることなく、早く正確に洗練されたキー操作や演奏をすることができる。   As described above, according to the present embodiment, the service robot can quickly and accurately perform key operations and performances without damaging the keys of household appliances, the keyboards and buttons of musical instruments.

以上、本発明に係るロボットハンドの制御装置の実施形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。
本実施形態の制御装置は、家電や楽器等のキーを操作するロボットハンドを制御するために適用したが、把持対象物を把持するロボットハンドを制御するために適用しても良い。この場合、キー底到達判定器136を省略しても良い。
本実施形態の指機構は、第1リンク201、第2リンク203、第3リンク205を備えた構成とされているが、リンクや関節の個数は限定されない。
本実施形態の被接触体の弾性体としてバネを用いたが、ゴム等の復元部材を用いても良い。
The embodiment of the control device for the robot hand according to the present invention has been described above. However, the present invention is not limited to the above configuration, and can be changed without departing from the technical idea of the present invention.
The control device of the present embodiment is applied to control a robot hand that operates keys such as home appliances and musical instruments, but may be applied to control a robot hand that grips a gripping target. In this case, the key bottom arrival determination device 136 may be omitted.
Although the finger mechanism of this embodiment is configured to include the first link 201, the second link 203, and the third link 205, the number of links and joints is not limited.
Although the spring is used as the elastic body of the contacted body of the present embodiment, a restoring member such as rubber may be used.

110 関節角度指令発生器
120 制御対象
121 関節モータ
122 指機構
123 関節角度検出器
130 制御装置
131 キー接触時関節状態推定器
132 キー非接触時関節状態推定器
133 キー接触判定器
134 トルク外乱推定器
135 剛性推定器
136 キー底到達判定器
137 制御剛性演算器
138 制御器
201 第1リンク
202 第1関節
203 第2リンク
204 第2関節
205 第3リンク
206 第3関節
207 キー
208 ばね
701 第1指第1リンク
702 第1指MP関節
703 第1指第2リンク
704 第1指IP関節
705 第2指第1リンク
706 第2指MP関節
707 第2指第2リンク
708 第2指PIP関節
709 第2指第3リンク
710 第2指DIP関節
711 第3指第1リンク
712 第3指MP関節
713 第3指第2リンク
714 第3指PIP関節
715 第3指第3リンク
716 第3指DIP関節
717 第4指第1リンク
718 第4指MP関節
719 第4指第2リンク
720 第4指PIP関節
721 第4指第3リンク
722 第4指DIP関節
723 ベース
DESCRIPTION OF SYMBOLS 110 Joint angle command generator 120 Control object 121 Joint motor 122 Finger mechanism 123 Joint angle detector 130 Controller 131 Joint state estimator at the time of key contact 132 Joint state estimator at the time of non-contact 133 Key contact determination unit 134 Torque disturbance estimator 135 rigidity estimator 136 key bottom arrival determination unit 137 control rigidity calculator 138 controller 201 first link 202 first joint 203 second link 204 second joint 205 third link 206 third joint 207 key 208 spring 701 first finger First link 702 First finger MP joint 703 First finger second link 704 First finger IP joint 705 Second finger first link 706 Second finger MP joint 707 Second finger second link 708 Second finger PIP joint 709 First Second finger third link 710 Second finger DIP joint 711 Third finger first link 712 Third finger MP joint 71 3 3rd finger 2nd link 714 3rd finger PIP joint 715 3rd finger 3rd link 716 3rd finger DIP joint 717 4th finger 1st link 718 4th finger MP joint 719 4th finger 2nd link 720 4th finger PIP joint 721 4th finger 3rd link 722 4th finger DIP joint 723 Base

Claims (8)

リンクと、前記リンクの関節と、を有する指を備えたロボットハンドの制御装置において、
前記関節の角度検出値である関節角度検出値に基づいて、前記指が被接触体に接触した時における関節角度、関節速度、関節加速度である前記関節の状態を推定する接触時関節状態推定器と、
前記指が前記被接触体に接触していない時における前記関節の状態を推定する非接触時関節状態推定器と、
前記関節角度検出値と、前記接触時関節状態推定器が出力する接触時関節状態推定値と、前記非接触時関節状態推定器が出力する非接触時関節状態推定値と、に基づいて、前記指が前記被接触体に接触したか否かを判定する接触判定器と、
前記接触判定器が出力する判定結果が接触状態の場合、前記接触時関節状態推定値に基づいて、前記関節に印加されるトルク外乱を推定するトルク外乱推定器と、
前記接触判定結果が接触状態の場合、前記接触時関節状態推定値と、前記トルク外乱推定器が出力するトルク外乱推定値と、に基づいて、前記被接触体の剛性を推定する剛性推定器と、
前記接触判定結果が接触状態の場合、前記関節角度検出値と、前記剛性推定値と、に基づいて、前記関節の制御剛性を、前記指が前記被接触体の押し込み状態を維持できる最小値に演算し、
前記接触判定結果が非接触状態の場合、前記関節の制御剛性を、予め推定された前記指が前記被接触体に接触した状態である場合における前記関節の制御剛性より大きな値に演算する制御剛性演算器と、
前記制御剛性演算器が出力する制御剛性演算値に基づいて、前記関節を駆動する関節モータを制御する制御器と、
を備えるロボットハンドの制御装置。
In a control device for a robot hand provided with a finger having a link and a joint of the link,
Based on a joint angle detection value that is a detected angle value of the joint, a joint state estimator at the time of contact that estimates a joint angle, a joint speed, and a joint acceleration when the finger contacts the contacted body. When,
A non-contact joint state estimator that estimates the state of the joint when the finger is not in contact with the contacted body;
Based on the joint angle detection value, the contact joint state estimation value output by the contact joint state estimator, and the non-contact joint state estimation value output by the non-contact joint state estimator, A contact determination device for determining whether or not a finger has contacted the contacted object;
A torque disturbance estimator for estimating a torque disturbance applied to the joint based on the joint state estimation value at the time of contact when the determination result output by the contact determination unit is a contact state;
When the contact determination result is a contact state, a stiffness estimator that estimates the stiffness of the contacted body based on the contact joint state estimated value and the torque disturbance estimated value output by the torque disturbance estimator; ,
When the contact determination result is a contact state, based on the joint angle detection value and the rigidity estimation value, the joint control rigidity is set to a minimum value at which the finger can maintain the pressed state of the contacted body. Operate,
When the contact determination result is a non-contact state, the control rigidity of the joint is calculated to be larger than the joint control rigidity when the finger is in contact with the contacted body. An arithmetic unit;
A controller that controls a joint motor that drives the joint based on a control stiffness calculation value output by the control stiffness calculator;
A robot hand control device comprising:
前記ロボットハンドの指は、第1関節、第2関節、第3関節を備え、
前記被接触体は、家電のキー又は楽器の鍵盤若しくはボタンと弾性体とを備え、
前記制御装置は、前記接触判定結果が接触状態の場合、前記接触時関節状態推定値に基づいて、前記被接触体が押し込み底に到達したか否かを判定する到達判定器をさらに備え、
前記制御剛性演算器は、前記接触判定結果が非接触状態の場合、前記剛性推定値を前記第1関節及び前記第2関節回りの回転剛性に等価変換した値よりも大きく、前記指の第1関節及び第2関節の制御剛性を演算し、
前記接触判定結果が接触状態の場合、前記剛性推定値を前記第1関節及び前記第2関節回りの回転剛性に等価変換した値と略等しい値に、前記第1関節及び第2関節の制御剛性を演算し、かつ前記到達判定器が出力する到達判定結果が前記押し込み底に非到達状態の場合、前記剛性推定値を前記第3関節回りの回転剛性に等価変換した値よりも大きな値に、前記第3関節の制御剛性を演算し、前記到達判定結果が前記押し込み底に到達状態の場合、前記剛性推定値を前記第3関節回りの回転剛性に等価変換した値と等しい値に、前記第3関節の制御剛性を演算する請求項1に記載のロボットハンドの制御装置。
The fingers of the robot hand include a first joint, a second joint, and a third joint,
The contacted body includes a key of a household appliance or a keyboard or button of a musical instrument and an elastic body,
The control device further includes an arrival determination device that determines whether or not the contacted body has reached the pushing-in bottom based on the contact state estimated value when the contact determination result is a contact state,
When the contact determination result is a non-contact state, the control stiffness calculator is larger than a value obtained by equivalently converting the stiffness estimation value into rotational stiffness around the first joint and the second joint, and the first stiffness of the finger Calculate the control stiffness of the joint and the second joint,
When the contact determination result is a contact state, the control rigidity of the first joint and the second joint is set to a value substantially equal to a value obtained by equivalently converting the rigidity estimated value to the rotational rigidity around the first joint and the second joint. And when the arrival determination result output by the arrival determination device is in a state where it does not reach the push-in bottom, the rigidity estimated value is set to a value greater than the value obtained by equivalent conversion to the rotational rigidity around the third joint, When the control rigidity of the third joint is calculated, and the arrival determination result reaches the push-in bottom, the rigidity estimation value is equal to a value equivalent to a value obtained by equivalently converting the rotation rigidity around the third joint. The robot hand control device according to claim 1, wherein the control stiffness of the three joints is calculated.
前記接触判定器は、前記関節角度から前記接触時関節状態推定値の成分である接触時関節角度推定値を減算した接触時関節角度推定誤差の絶対値の時間平均値が、前記関節角度から前記非接触時関節状態推定値の成分である非接触時関節角度推定値を減算した非接触時関節角度推定誤差の絶対値の時間平均値より小さい場合、接触状態であると判定し、それ以外の場合は非接触状態であると判定する請求項1又は2に記載のロボットハンドの制御装置。   The contact determination unit is configured such that a time average value of an absolute value of a contact joint angle estimation error obtained by subtracting a contact joint angle estimation value which is a component of the contact joint state estimated value from the joint angle is calculated from the joint angle. If the absolute value of the non-contact joint angle estimation error, which is the component of the non-contact joint state estimated value subtracted from the non-contact joint angle estimated value, is smaller than the time average value, it is determined that the contact state is present. The robot hand control device according to claim 1, wherein the robot hand is determined to be in a non-contact state. 前記トルク外乱推定器は、前記トルク外乱推定値を[数49]により算出する請求項1乃至3のいずれか1項に記載のロボットの制御装置。
Figure 2012179679
ただし、記号の意味は以下の通りであり、d^、q^、f^、Tはベクトル、Jは行列である。
d^:トルク外乱推定値
J:慣性行列
^:接触時の非線形力の推定値(接触時非線形力推定値)
q^:接触時の関節の状態の推定値(一般化座標推定値)
T:関節モータのトルク
4. The robot control apparatus according to claim 1, wherein the torque disturbance estimator calculates the torque disturbance estimated value by [Equation 49]. 5.
Figure 2012179679
However, the meaning of the symbols are as follows, d ^, q ^, f c ^, T is a vector, J is a matrix.
d ^: Estimated value of torque disturbance J: Inertia matrix f c ^: Estimated value of non-linear force during contact (estimated value of non-linear force during contact)
q ^: Estimated value of joint state at the time of contact (generalized coordinate estimated value)
T: Torque of the joint motor
前記剛性推定器は、前記剛性推定値を[数50]により算出する請求項2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。
Figure 2012179679
ただし、記号の意味は以下の通りである。
k^:被接触体の剛性推定値[N/m]
:第1関節の質量[kg]
10:第1関節の慣性モーメント[kg・m]
θ:第1関節の角度[rad]
θ:第2関節の角度[rad]
θ:第3関節の角度[rad]
m:キー等の質量[kg]
g:重力加速度[m/s]、
:第1リンクの長さ[m]
:第2リンクの長さ[m]
:第3リンクの長さ[m]
10:第1リンクの重心と第1関節との距離[m]
20:第2リンクの重心と第2関節との距離[m]
30:第3リンクの重心と第3関節との距離[m]
:第1関節の関節モータが発生する反時計回りを正としたトルク(第1関節モータトルク)[N・m]
d1^:第1関節に加わる反時計回りを正としたトルク外乱の推定値(第1関節トルク外乱推定値)[N・m]
:被接触体を支持する弾性体の自然長
5. The robot hand control device according to claim 2, wherein the rigidity estimator calculates the rigidity estimated value by [Equation 50]. 6.
Figure 2012179679
However, the meaning of the symbols is as follows.
k ^: Estimated stiffness of contacted object [N / m]
m 1 : mass of the first joint [kg]
J 10 : Moment of inertia of the first joint [kg · m 2 ]
θ 1 : first joint angle [rad]
θ 2 : second joint angle [rad]
θ 3 : third joint angle [rad]
m: Mass of keys, etc. [kg]
g: Gravitational acceleration [m / s 2 ],
l 1 : length of the first link [m]
l 2 : length of the second link [m]
l 3 : length of the third link [m]
l 10 : distance [m] between the center of gravity of the first link and the first joint
l 20 : distance [m] between the center of gravity of the second link and the second joint
l 30 : distance [m] between the center of gravity of the third link and the third joint
T 1 : Torque with positive counterclockwise rotation generated by the joint motor of the first joint (first joint motor torque) [N · m]
T d1 ^: Estimated value of torque disturbance with positive counterclockwise rotation applied to the first joint (first joint torque disturbance estimated value) [N · m]
y 0 : natural length of the elastic body that supports the contacted body
前記到達判定器は、前記関節角度から前記接触時関節状態推定値の成分である接触時関節角度推定値を減算した接触時関節角度推定誤差の時間平均値と、前記関節角度から前記非接触時関節状態推定値の成分である非接触時関節角度推定値を減算した非接触時関節角度推定誤差の時間平均値との両方が発散した場合、前記指が前記被接触体の押し込み底に到達したと判定し、それ以外の時は到達していないと判定する請求項2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。   The arrival determination unit includes a time average value of a contact joint angle estimation error obtained by subtracting a contact joint angle estimation value that is a component of the contact joint state estimated value from the joint angle, and the non-contact time from the joint angle. When both the time average value of the non-contact joint angle estimation error obtained by subtracting the non-contact joint angle estimation value, which is a component of the joint state estimation value, diverges, the finger has reached the bottom of the contacted object. The robot hand control device according to any one of claims 2 to 5, wherein it is determined that it has not been reached otherwise. 前記制御剛性演算器は、前記第1関節、第2関節及び第3関節の制御剛性演算値を[数51]により演算する請求項2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。
Figure 2012179679
ただし、記号の意味は以下の通りである。
:第1関節の制御剛性(第1関節制御剛性)[N・m/rad]
:第2関節の制御剛性(第2関節制御剛性)[N・m/rad]
:第3関節の制御剛性(第3関節制御剛性)[N・m/rad]
1n:非接触時の第1関節制御剛性[N・m/rad]
2n:非接触時の第2関節制御剛性[N・m/rad]
3n:押し込み底未到達時の第3関節制御剛性[N・m/rad]
10:第1関節回りにおいて被接触体の剛性を等価変換した値(第1関節等価制御剛性)[N・m/rad]
20:第2関節回りにおいて被接触体の剛性を等価変換した値(第2関節等価制御剛性)[N・m/rad]
30:第3関節回りにおいて被接触体の剛性を等価変換した値(第3関節等価制御剛性)[N・m/rad]
k^:キー剛性推定値[N/m]
k:キー剛性
:第1制御剛性のパラメータ
:第2制御剛性のパラメータ
:第3制御剛性のパラメータ
θ:第1関節の角度検出値[rad]
θ:第2関節の角度検出値[rad]
θ:第3関節の角度検出値[rad]
7. The robot hand control device according to claim 2, wherein the control stiffness computing unit computes control stiffness computation values of the first joint, the second joint, and the third joint according to [Equation 51]. 7. .
Figure 2012179679
However, the meaning of the symbols is as follows.
k 1 : Control stiffness of the first joint (first joint control stiffness) [N · m / rad]
k 2 : Control stiffness of the second joint (second joint control stiffness) [N · m / rad]
k 3 : control stiffness of the third joint (third joint control stiffness) [N · m / rad]
k 1n : First joint control rigidity at the time of non-contact [N · m / rad]
k 2n : second joint control stiffness at non-contact [N · m / rad]
k 3n : Third joint control rigidity when the indentation bottom is not reached [N · m / rad]
k 10 : Value obtained by equivalently converting the rigidity of the contacted object around the first joint (first joint equivalent control rigidity) [N · m / rad]
k 20 : a value obtained by equivalently converting the rigidity of the contacted object around the second joint (second joint equivalent control rigidity) [N · m / rad]
k 30 : Value obtained by equivalently converting the rigidity of the contacted body around the third joint (third joint equivalent control rigidity) [N · m / rad]
k ^: Key stiffness estimated value [N / m]
k: Key stiffness c 1 : Parameter of first control stiffness c 2 : Parameter of second control stiffness c 3 : Parameter of third control stiffness θ 1 : Angle detection value of first joint [rad]
θ 2 : second joint angle detection value [rad]
θ 3 : third joint angle detection value [rad]
前記第1関節を駆動する関節モータは、[数52]で表される第1関節モータトルクTを発生し、
前記第2関節を駆動する関節モータは、[数53]で表される第2関節モータトルクTを発生し、
前記第3関節を駆動する関節モータは、[数54]で表される第3関節モータトルクTを発生する請求項2乃至7のいずれか1項に記載のロボットハンドの制御装置。
Figure 2012179679
Figure 2012179679
Figure 2012179679
ただし、記号の意味は以下の通りである。
:第1関節の制御剛性[N・m/rad]
:第2関節の制御剛性[N・m/rad]
:第3関節の制御剛性[N・m/rad]
:第1関節における制御減衰[N・m・s/rad]
:第2関節における制御減衰[N・m・s/rad]
:第3関節における制御減衰[N・m・s/rad]
10:第1リンクの重心と第1関節の距離[m]
20:第2リンクの重心と第2関節の距離[m]
30:第3リンクの重心と第3関節の距離[m]
:第1リンクの長さ[m]
:第2リンクの長さ[m]
:第3リンクの長さ[m]
:第1関節の質量[kg]
θ:第1関節の角度[rad]
θ^:第1関節の角度推定値[rad]
:第2関節の質量[kg]
θ:第2関節の角度[rad]
θ^:第2関節の角度推定値[rad]
:第3関節の質量[kg]
θ:第3関節の角度[rad]
θ^:第3関節の角度推定値[rad]
m:キー等の質量[kg]
g:重力加速度[m/s]
d1^:第1関節に加わる反時計回りを正としたトルク外乱の推定値[N・m]
d2^:第2関節に加わる反時計回りを正としたトルク外乱の推定値[N・m]
d3^:第3関節に加わる反時計回りを正としたトルク外乱の推定値[N・m]
θ1r:第1関節の角度指令[rad]
θ2r:第2関節の角度指令[rad]
θ3r:第3関節の角度指令[rad]
The joint motor that drives the first joint generates a first joint motor torque T 1 represented by [Equation 52],
The joint motor that drives the second joint generates a second joint motor torque T 2 represented by [Equation 53],
The third joint motor for driving the joint, the control device of the robot hand according to any one of claims 2 to 7 for generating a third joint motor torque T 3 expressed by Equation 54].
Figure 2012179679
Figure 2012179679
Figure 2012179679
However, the meaning of the symbols is as follows.
k 1 : Control stiffness of the first joint [N · m / rad]
k 2 : Control stiffness of the second joint [N · m / rad]
k 3 : Control stiffness of the third joint [N · m / rad]
d 1 : Control attenuation in the first joint [N · m · s / rad]
d 2 : Control attenuation in the second joint [N · m · s / rad]
d 3 : Control attenuation in the third joint [N · m · s / rad]
l 10 : Distance between the center of gravity of the first link and the first joint [m]
l 20 : distance between the center of gravity of the second link and the second joint [m]
l 30 : Distance between the center of gravity of the third link and the third joint [m]
l 1 : length of the first link [m]
l 2 : length of the second link [m]
l 3 : length of the third link [m]
m 1 : mass of the first joint [kg]
θ 1 : first joint angle [rad]
θ 1 ^: Estimated angle of the first joint [rad]
m 2 : mass of the second joint [kg]
θ 2 : second joint angle [rad]
θ 2 ^: second joint angle estimate [rad]
m 3 : third joint mass [kg]
θ 3 : third joint angle [rad]
θ 3 ^: Estimated angle of the third joint [rad]
m: Mass of keys, etc. [kg]
g: Gravity acceleration [m / s 2 ]
T d1 ^: Estimated value of torque disturbance with positive counterclockwise rotation applied to the first joint [N · m]
T d2 ^: Estimated value of torque disturbance with the counterclockwise rotation applied to the second joint being positive [N · m]
T d3 ^: Estimated value of torque disturbance with positive counterclockwise rotation applied to the third joint [N · m]
θ 1r : First joint angle command [rad]
θ 2r : Second joint angle command [rad]
θ 3r : Angle command for third joint [rad]
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