JP2013103306A - 把持方法 - Google Patents

Abstract

【課題】把持装置を用いた把持方法で安全確実な把持方法を提供する。
【解決手段】把持装置３０００は、対象物３０１０を押圧する把持部３００１をＭ個（Ｍは２以上の整数）と、力ベクトルを検出する力検出部１００をＮ個（Ｎは２以上の整数）と、を備えている。力検出部１００は把持部３００１に設けられ、把持部３００１が押圧パラメーターを用いて対象物３０１０を押圧する第一工程と、力ベクトルをＮ個検出する第二工程と、Ｎ個の力ベクトルから定まる演算結果を閾値と比較する第三工程とを含む。演算結果に基づいて現在の押圧パラメーターが対象物３０１０の把持に適しているか否かを判定する事ができる。即ち、対象物３０１０を落下させる事無く、把持を確実に行う事ができるかどうかを判定する事ができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、把持方法に関する。

対象物を把持する把持機構として、特許文献１が知られている。特許文献１に記載される把持機構は、一対のハンドと制御部と力覚センサーとを備えている。力覚センサーは各ハンド先端部に設けられ、一対のハンドが把持する対象物（以降、対象物と略記する）を挟んで把持する際に加える押圧力と、ハンドと対象物との間に生ずる摩擦力とを計測している。計測結果は制御部に出力され、制御部はこの計測結果に基づいて対象物を把持する把持力と対象物を移動させる速度とを定めている。

特開２０１０−５７３２号公報

しかしながら、従来の把持方法では、対象物に依っては把持できない場合があると云う課題があった。これは、特許文献１の図４に示されている様に、従来の把持方法は、対象物の重心がそのほぼ中央に位置する事を前提にしている為である。例えば、対象物の重心位置が一対のハンドの一方に偏っている場合などに、把持に失敗していた。又、一対のハンドを結ぶ線の回りに、対象物がトルクを有する場合、対象物が回転して滑り落ちる事態が生じていた。こうした把持の失敗を防ぐには、押圧力を著しく強めて、対象物が滑り落ちない様にしていた。この場合には、把持装置機構が大きな駆動系を持たねばならず、大きなエネルギーを必要とすると云う課題があった。更に、対象物がガラスコップの様に壊れ易い物の場合には、強く押圧して対象物を破壊してしまうと云う課題があった。この様に、従来の把持方法では確実な把持と簡易で安全な把持とが両立できないと云う課題があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決する為になされたものであり、以下の形態又は適用例として実現する事が可能である。

（適用例１） 本適用例に係わる把持方法は、把持装置を用いた対象物の把持方法であって、把持装置は、対象物を押圧する把持部をＭ個（Ｍは２以上の整数）と、力ベクトルを検出する力検出部をＮ個（Ｎは２以上の整数）と、を備え、力検出部は把持部に設けられ、把持部が押圧パラメーターを用いて対象物を押圧する第一工程と、力ベクトルをＮ個検出する第二工程と、Ｎ個の力ベクトルから定まる演算結果を閾値と比較する第三工程とを含む事を特徴とする。
この構成によれば、演算結果に基づいて現在の押圧パラメーターが対象物の把持に適しているか否かを判定する事ができる。即ち、対象物を落下させる事無く、把持を確実に行う事ができるかどうかを判定する事ができる。

（適用例２） 上記適用例に係わる把持方法において、演算結果は、力ベクトルの任意の２個の差である事が好ましい。
把持する対象物の重心が偏っている場合に、Ｎ個の力検出部の内の少なくとも２個では異なった力ベクトルを検出する。従って、この構成によれば、任意の２個の力ベクトルの差がゼロから著しく逸脱している場合に、対象物の重心が偏っており、押圧パラメーターを見直す必要があると判断する事ができる。

（適用例３） 上記適用例に係わる把持方法において、演算結果は、力ベクトルを用いたトルクの和である事が好ましい。
この構成によれば、対象物にトルクが発生しているかどうかを検知する事ができる。即ち、現在の押圧パラメーターで、対象物が回転して落下する可能性があるかどうかを判定する事ができる。

（適用例４） 上記適用例に係わる把持方法において、演算結果が閾値を超えなかった場合に、押圧パラメーターを維持して対象物を把持する第四工程を含む事が好ましい。
演算結果が閾値を超えない事は、現在の押圧パラメーターで対象物を把持しても、対象物が落下する可能性が低い事を意味している。従って、この構成によれば、大がかりな把持装置でなくとも、比較的弱い把持力であっても、落下事故の可能性を最少にして、対象物を確実に把持する事ができる。即ち、確実な把持と簡易で安全な把持とを両立させる事ができる。

（適用例５） 上記適用例に係わる把持方法において、演算結果が閾値を超えた場合に、押圧パラメーターを変更して再度第一工程と第二工程と第三工程とを行う事が好ましい。
演算結果が閾値を超えた事は、現在の押圧パラメーターで対象物を把持すると、対象物が落下する可能性が高い事を意味している。従って、この構成によれば、落下する可能性がより低い押圧パラメーターを探す事ができる。即ち、対象物の形状や重心位置などに最も適した把持方法を探す事ができ、その結果、確実な把持と簡易で安全な把持とを両立させる事ができる。

（適用例６） 上記適用例に係わる把持方法において、押圧パラメーターを変更する際には、一旦、対象物を押圧する力を解除する事が好ましい。
この構成によれば、対象物に適した押圧パラメーターを探し出すまで、対象物を把持し直す事ができる。

（適用例７） 上記適用例に係わる把持方法において、押圧パラメーターは、対象物に対して把持部が作用させる力で有る事が好ましい。
この構成によれば、把持部が対象物を押圧する力を選択的に変更しうるので、力ベクトルの大きい場所を選択的に強く押す事ができる。

（適用例８） 上記適用例に係わる把持方法において、押圧パラメーターは、対象物に対して把持部が作用させる場所で有る事が好ましい。
この構成によれば、対象物の重心近傍を把持する事ができるので、確実な把持と簡易で安全な把持とを両立させる事ができる。

（適用例９） 上記適用例に係わる把持方法において、押圧パラメーターは、対象物に対して把持部がなす角度で有る事が好ましい。
この構成によれば、把持部を基準とした対象物の重量に関するトルクをほぼゼロにする事ができるので、対象物が回転して落下する可能性を著しく小さくできる。

（適用例１０） 上記適用例に係わる把持方法において、角度が９０°である事が好ましい。
この構成によれば、最初に把持部が対象物の重心近傍を把持してない状態であっても、把持部を基準とした対象物の重量に関するトルクをほぼゼロにする事ができるので、対象物が回転して落下する可能性を著しく小さくできる。

（適用例１１） 上記適用例に係わる把持方法において、把持装置はデータベースを備え、押圧パラメーターの変更は演算結果をデータベースに照合して定める事が好ましい。
この構成によれば、押圧パラメーターを最適に定める事ができるので、確実な把持と簡易で安全な把持とを両立させる事ができる。

把持装置の概略構成を示す模式図。 把持装置を用いた把持方法を説明するフローチャート図。 把持装置の構成を示すブロック図。 把持部が対象物を把持した状態を示す正面図。 力検出部を説明する図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図。 基準点に作用する力の方向と大きさを検出する方法の説明する断面図。 基準点に作用する力の方向と大きさを検出する方法の説明する平面図。 単位検出領域の座標系を示す図。 把持部が対象物を適切に把持した状態を示す正面図。 把持部が対象物を適切に把持した状態を示す正面図。 実施形態２に係る把持部の構成を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図。 把持部が対象物を把持した状態を示す側面図。 把持部が対象物を適切に把持した状態を示す側面図。 把持部が対象物を適切に把持した状態を示す側面図。 把持部が対象物を把持した状態を示す側面図。 把持部が対象物を適切に把持した状態を示す側面図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。かかる実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。又、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにする為、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。

（実施形態１）
図１は、把持装置の概略構成を示す模式図である。図１（ａ）に示す様に、把持装置３０００は、本体部３００３及び一対のアーム部３００２、並びに力検出部１００（図５参照）を備えた把持部３００１を有している。本実施形態では把持部３００１は二ヶ所設けられており、第一把持部３００１−１と第二把持部３００１−２とからなっている。把持装置３０００は、一般には、Ｍ個（Ｍは２以上の整数）の把持部３００１を備え、ロボットハンドやロボット指として動作する。こうした把持装置３０００は、リモコン等の制御装置からアーム部３００２に駆動信号が送信され、一対のアーム部３００２が開閉動作を行う。把持部３００１は対象物３０１０を押圧して、これを把持する。

把持部３００１の少なくとも一つには、力ベクトルを検出する力検出部１００が設けられている。一台の把持装置３０００には、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の力検出部１００が備えられており、本実施形態では各把持部３００１が一つずつの力検出部１００を備えている。即ち、第一把持部３００１−１と第二把持部３００１−２とが其々一つずつの力検出部１００を備えている。力検出部１００は把持部３００１の把持面（表面）に備えられている。把持面とは、把持部の内で対象物３０１０に当接しうる部位である。尚、以降の説明を容易にする為にｘｙｚ直交座標系を、図１に示す様に、導入する。ｚ軸を第一把持部３００１−１の把持面の法線方向とし、第一把持部３００１−１の把持面にｘ軸とｙ軸とが含まれる様にｘｙｚ直交座標系を定める。ｚ軸と重力方向とが一致する場合を除いて、出来る限り、ｘ軸を重力方向と一致させる。図１（ｂ）では、対象物３０１０の重力ベクトルＷの方向がｘ軸に沿っている。

図１（ｂ）に示す様に、把持装置３０００でコップ等の対象物３０１０を把持する場合、対象物３０１０に作用する力は把持部３００１の力検出部１００にて把持力と滑り力として検出される。把持力とは、把持面に垂直な方向の力（把持面が対象物３０１０に及ぼす力Ｆのｚ成分Ｆｚ）であり、滑り力とは把持面に平行な方向の力（把持面が対象物３０１０に及ぼす力Ｆのｘ成分Ｆｘやｙ成分Ｆｙ）である。尚、後述する様に、一つの把持部に２個以上の力検出部１００が備えられると、この他にｚ軸の回りの回転力を検出する事が可能となる。力検出部１００で検出された力は演算部６００（図３参照）にて処理され、柔らかい物体を変形させたり滑り易い物体を落としたりしない様、対象物３０１０の質感に応じて、把持力を加減しながら対象物３０１０を把持する。

図２は、把持装置を用いた把持方法を説明するフローチャート図である。次に図２を参照して、把持方法を説明する。把持工程を開始すると、まず押圧準備を行う。押圧準備とは、対象物３０１０の位置や形状を確認し、押圧パラメーターを初期設定する事である。押圧パラメーターとは、対象物３０１０を把持する場所（把持位置と略す）や、対象物３０１０に対する把持部の角度（対象物３０１０の重力ベクトル方向と把持面の法線との角度で、把持角度と略す）、把持力などである。例えば、対象物３０１０のほぼ中央付近を重力方向と直交する方向に把持面の法線を合わせて把持する。初期設定時の把持力はゼロでない設定可能な最少の力とする。

押圧パラメーターが定まった後に第一工程Ｓｔｅｐ１を実行する。第一工程Ｓｔｅｐ１では、把持部３００１が、先に定められた押圧パラメーターを用いて対象物３０１０を実際に押圧する。次に第二工程Ｓｔｅｐ２としてＮ個の力検出部１００が力ベクトルをＮ個検出する。力ベクトルとは把持面が対象物３０１０に及ぼす力Ｆの大きさと方向とである。各力検出部１００が其々一つずつの力ベクトルを検出し、合計Ｎ個の力ベクトルが第二工程Ｓｔｅｐ２の結果として得られる。次にこれらのＮ個の力ベクトルを演算処理する。演算処理により演算結果が得られるが、演算結果は、力ベクトルの任意の２個の差、又は、力ベクトルを用いたトルクの和である。力ベクトルの任意の２個の差からは対象物３０１０の重心位置を計測する事ができる。又、トルクの和からは今の把持方法で対象物３０１０が回転落下する可能性の大小を判断する事ができる。

次に得られた演算結果を閾値と比較する第三工程Ｓｔｅｐ３を実行する。第三工程Ｓｔｅｐ３は比較判断工程でもある。ここでは演算結果が定められた閾値よりも大きいか小さいかを比較する。併せて現在の把持力で対象物３０１０を把持可能かどうかも判断する。即ち、把持部３００１が対象物３０１０に把持力を及ぼす結果、把持部３００１から対象物３０１０には滑り力の反作用となる力（摩擦力）が加えられる。各把持部で生ずるこの摩擦力の和が、対象物３０１０の重力ベクトルＷと釣り合っているか否かを判断する。

第三工程Ｓｔｅｐ３の結果、演算結果が閾値を超えず、且つ摩擦力の和が重力ベクトルＷと釣り合っている場合に（図２のＹｅｓに相当）、現在の押圧パラメーターを維持して対象物３０１０を把持する第四工程Ｓｔｅｐ４を実行する。それ以外の場合（図２のＮｏに相当）は把持パラメーターを見直す。ここでのそれ以外の場合とは、演算結果が閾値を超えた場合や、或いは摩擦力の和が重力ベクトルＷと釣り合っていない場合である。こうした場合、押圧パラメーターを変更して再度第一工程Ｓｔｅｐ１と第二工程Ｓｔｅｐ２と第三工程Ｓｔｅｐ３とを行う。押圧パラメーターを変更する際には、一旦、対象物３０１０を押圧する力を解除する。即ち、対象物３０１０に及ぼす把持力をゼロにする。次いで、データベースを参照して、現在の対象物３０１０に適したと考えられる把持方法を実現する様に押圧パラメーターを変更する。例えば、回転力が検出されている場合、把持力や把持位置、把持角度をどの程度変更すれば回転力を軽減できるかを、データベースを参照して定める。この場合、作業目的を勘案して押圧パラメーター変更の選択基準を適宜変更する。例えば、最少の把持力で安定的に把持や作業を行う事を最優先にして押圧パラメーターを変更しても良いし、或いは確実に把持して高速作業を行う事を最優先にして、把持力が強めになる様に押圧パラメーターを変更しても良い。変更された押圧パラメーターを用いて、再度第一工程Ｓｔｅｐ１に戻り、以下第四工程Ｓｔｅｐ４に進める状態になるまで、この第一工程Ｓｔｅｐ１から第三工程Ｓｔｅｐ３を経て第一工程Ｓｔｅｐ１に戻るサイクルを繰り返す。把持力は、こうしたサイクルを繰り返す中で、１サイクル毎に徐々に増加させて行き、対象物３０１０が滑り落ちない強さとする。この様にして第四工程Ｓｔｅｐ４で対象物３０１０が把持された後に、対象物３０１０を移動させる等の各種作業が行われ、把持工程は終了する。尚、各種作業が行われる際には、把持部３００１や対象物３０１０に加速力や遠心力が加えられ、把持部３００１や対象物３０１０に対する重力方向が変わる。従って、これらの作業中も第一工程Ｓｔｅｐ１から第三工程Ｓｔｅｐ３を含むサイクルと第四工程Ｓｔｅｐ４とを実行し、作業中も随時押圧パラメーターを変更して行っても良い。これにより、作業中に対象物３０１０が落下する可能性を低める事ができる。

図３は把持装置の構成を示すブロック図である。次に図３を参照して把持装置３０００の構成を説明する。把持装置３０００は、把持部３００１と力検出部１００とアーム部３００２と第一駆動部２０１と第二駆動部２０２と演算部６００とを有する。演算部６００は制御部３００と比較判定部４００と記憶部５００とを有している。記憶部５００には前述のデータベース等が記憶されている。第二駆動部２０２は、制御部３００からの指令に基づき、アーム部３００２を駆動させる。即ち、第二駆動部２０２は、把持部３００１を対象物３０１０の所までアーム部３００２を移動させたり、或いは対象物３０１０を把持した後に作業を行ったりする様にアーム部３００２を動かす。第一駆動部２０１は、制御部３００からの指令に基づき、把持部３００１を駆動させる。即ち、把持部３００１の開閉動作などを行い、対象物３０１０を把持したり、開放したりする。把持動作中に力検出部１００は把持力や滑り力などを検出し、検出信号を比較判定部４００に出力する。比較判定部４００は前述の第三工程Ｓｔｅｐ３を実行し、演算部６００として図２に示すフローチャートを実行する。

図４は把持部が対象物３０１０を把持した状態を示す正面図である。次に図４を参照して、第一把持部３００１−１と第二把持部３００１−２とで其々検出された２個の力ベクトルの差から、対象物３０１０の重心位置を計測する方法を説明する。図４に示す様に、第一把持部３００１−１の把持面をｚ＝０のｘｙ平面とし、重力方向をｘ軸とする。対象物３０１０の重心を３０１０Ｇにて表し、対象物３０１０のｚ軸方向の長さをＬとする。従って、第二把持部３００１−２の把持面はｚ＝Ｌである。対象物３０１０の重心３０１０Ｇの位置をｚ_Gとし、そこに働く重力をＷにて表す。又、第一把持部３００１−１が対象物３０１０に及ぼす摩擦力をＦ₁にて表し、第二把持部３００１−２が対象物３０１０に及ぼす摩擦力をＦ₂にて表す。力の釣り合いは数式１となる。

又、トルクの釣り合いは数式２となる。

数式（１）と数式（２）とから数式（３）の関係式が得られる。

数式３から判る様に、摩擦力Ｆ₁もＦ₂も重心３０１０Ｇの位置ｚ_Gに比例する。それ故に第一把持部３００１−１と第二把持部３００１−２とで其々滑り力を検出し、滑り力の反作用であるＦ₁とＦ₂とから、重心３０１０Ｇの位置ｚ_Gを数式（３）に従って定める事ができる。

図５は力検出部を説明する図で、（ａ）は断面図で、（ｂ）は平面図である。次に、力検出部１００を説明する。図５（ａ）に示す様に、把持部３００１の把持面に力検出部１００が設けられる。力検出部１００は、第一基板１１と第二基板１２とを備える。第一基板１１と第二基板１２とは把持面にほぼ平行の関係にある。即ち、第一基板１１と第二基板１２の法線はｚ軸に沿っている。第一基板１１は、例えばガラスや石英、プラスチック等の材料で構成された矩形板状で、その大きさ（平面視のサイズ）は、縦６ｍｍ×横６ｍｍ程度になっている。第一基板１１の表面には基準点Ｐが設定され、基準点Ｐの回りに圧力センサー２が複数個設けられている。一方、第二基板１２の裏面には、基準点Ｐと重なる位置に重心Ｇが位置すると共に、先端部が第一基板１１の表面に当接した状態で外力Ｆによって弾性変形する弾性体突起３が設けられている。基準点Ｐとは、滑り力が作用していない状態で、弾性体突起３の中心（重心Ｇ）が平面的に位置するポイントである。第二基板１２は所定の弾性力を有する弾性体からなり、第二基板１２は第一基板１１とのＸＹ平面に沿った相対位置を変える事ができる。即ち、把持面に沿って、第二基板１２は第一基板１１に対してその位置をずらし得る。

図５（ｂ）に示す様に、平面視にて、基準点Ｐの回りには圧力センサー２が複数個行列状に設けられている。各圧力センサー２の面積はほぼ等しい。図５（ｂ）では、一つの基準点Ｐの回りに圧力センサー２が４行４列に、合計１６個配置されている。基準点Ｐはこれら行列状に配置された圧力センサー２の群の平面的な中心（力検出部１００の平面中心）に、ほぼ一致する様に定められる。複数の圧力センサー２は、基準点Ｐに対して点対称に配置されている。例えば、複数の圧力センサー２は、互いに直交する二方向（Ｘ方向及びＹ方向）に行列状に配置されている。これにより、基準点Ｐと各圧力センサー２との間の距離が互いに等しくなるので、弾性体突起３の変形と各圧力センサー２で検出される圧力値との関係が互いに等しくなる。よって、各圧力センサー２の圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサー２で検出された圧力値の差分を演算する事が容易となる。尚、圧力値の差分の演算方法については後述する。

隣り合う圧力センサー２の間隔は、０．１ｍｍ程度になっている。この為、外乱や静電気等の影響により隣り合う位置の圧力センサー２で検出される圧力値にノイズがのらない様になっている。圧力センサー２としては、例えばダイアフラムゲージ等の感圧素子を用いる事ができる。圧力センサー２は、接触面に外力Ｆが作用した時にダイアフラムに加わる圧力を電気信号に変換する。

第二基板１２は矩形板状をなしており、第二基板１２の裏面には複数の弾性体突起３が配置されている。第二基板１２は外力Ｆを直接受ける部分である。第二基板１２は、例えばシリコーンゴムなどの弾性体を用いて構成されている。本実施形態では、第二基板１２と弾性体突起３とを接着剤により接着しているが、第二基板１２及び弾性体突起３を金型で一体形成してもよい。第二基板１２の表面には表面弾性層５が設けられ、力検出部１００の表面での摩擦係数を大きくしている。

第二基板１２の裏面には、弾性体突起３が設けられている。弾性体突起３の重心Ｇは、初期的に基準点Ｐと重なる位置に配置されている。即ち、各弾性体突起３は、平面視に於いて、先の基準点Ｐと重なる位置に重心Ｇが位置する様に設けられる。弾性体突起３の先端部は、球面の錐状となっており、力検出部１００に外力Ｆが掛けられない状態で、第一基板１１の表面に設けられた圧力センサー２に当接している。力検出部１００に外力Ｆが加えられた状態では、外力Ｆによって弾性体突起３は弾性変形する。尚、第一基板１１も第二基板１２も一方の面を表面と称し、その反対の他方の面を裏面と称している。本明細書では、Ｚ軸の正の方向（図５（ａ）の上向き）に面する方を表面と称し、Ｚ軸の負の方向（図５（ａ）の下向き）に面する方を裏面と称する。

弾性体突起３のサイズは任意に設定する事ができる。ここでは、弾性体突起３の基部の径（弾性体突起３が第二基板１２に接する部分の直径）は４ｍｍ程度になっている。弾性体突起３の高さ（弾性体突起３のＺ方向の距離）は２ｍｍ程度になっている。弾性体突起３のデュロメーター硬さ（タイプＡ、ＩＳＯ７６１９準拠のデュロメーターによる硬さ測定値）は３０程度になっている。

次に、図６乃至８を参照して、力検出部１００にて外力ＦのＸ成分ＦｘやＹ成分Ｆｙを検出する方法を説明する。図６は、一つの基準点に作用する力の方向と大きさを検出する方法の説明する断面図である。又、図７は、図６に対応して、一つの基準点に作用する力の方向と大きさを検出する方法の説明する平面図である。図６（ａ）及び図７（ａ）は第二基板１２の表面に外力Ｆが付加される前の状態（外力Ｆの作用がない時）を示している。図６（ｂ）及び図７（ｂ）は第二基板１２の表面に垂直方向（滑り力がない状態）の外力Ｆが付加された状態を示している。図６（ｃ）及び図７（ｃ）は第二基板１２の表面に斜め方向（滑り力がある状態）の外力Ｆが付加された状態を示している。又、図７（ａ）〜（ｃ）において、符号Ｇは弾性体突起３の重心Ｇ（圧力中心）を示している。更に、説明を分かり易くする為に圧力センサー２は基準点Ｐの回りの２行２列分を描いてある。

図６（ａ）及び図７（ａ）に示す様に、第二基板１２の表面に外力Ｆが付加される前においては、弾性体突起３は変形しない。これにより、第一基板１１と第二基板１２との間の距離は一定に保たれる。この時、弾性体突起３の重心Ｇは基準点Ｐと重なる位置に配置されている。この時の各圧力センサー２の圧力値は記憶部５００に記憶されている。記憶部５００に記憶された各圧力センサー２の圧力値を基準として外力Ｆの作用する方向や大きさが求められる。

図６（ｂ）及び図７（ｂ）に示す様に、第二基板１２の表面に垂直方向の外力Ｆが付加された時には、弾性体突起３は先端部が第一基板１１の表面に配置された複数の圧力センサー２に当接した状態でＺ方向に圧縮変形する。これにより、第二基板１２が−Ｚ方向に撓み、第一基板１１と第二基板１２との間の距離が外力Ｆの作用がない時に比べて小さくなる。この時の圧力センサー２の圧力値は、外力Ｆの作用がない時に比べて大きくなる。又、その変化量は各圧力センサー２ともほぼ同じ値となる。

図６（ｃ）及び図７（ｃ）に示す様に、第二基板１２の表面に斜め方向の外力Ｆが付加された時には、弾性体突起３は先端部が第一基板１１の表面に配置された複数の圧力センサー２に当接した状態で斜めに傾いて圧縮変形する。これにより、第二基板１２が−Ｚ方向に撓み、第一基板１１と第二基板１２との間の距離が外力Ｆの作用がない時に比べて小さくなる。この時、例えば、弾性体突起３の重心Ｇは基準点Ｐから＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向にずれる。その為に、弾性体突起３の先端部と４つの圧力センサー２との重なる面積は互いに異なる様になる。この例の場合には、弾性体突起３の先端部と４つの圧力センサー２との重なる面積は、４つの圧力センサー２のうち−Ｘ方向及び−Ｙ方向に配置された部分と重なる面積よりも＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に配置された部分と重なる面積のほうが大きくなる。

弾性体突起３は、斜め方向の外力Ｆにより変形に偏りが生じる。即ち、弾性体突起３の重心Ｇは基準点Ｐからずれて滑り方向（Ｘ方向及びＹ方向）に移動する。すると、各圧力センサー２で異なる値の圧力値が検出される。具体的には、弾性体突起３の重心Ｇと重なる位置の圧力センサー２では相対的に大きい圧力値が検出され、弾性体突起３の重心Ｇと重ならない位置の圧力センサー２では相対的に小さい圧力値が検出される事となる。そして、後述する差分の演算方法に基づいて外力Ｆが加えられた方向と大きさが求められる。

図８は、単位検出領域の座標系を示す図である。図８に示す様に、４個の圧力センサーＳ１（２）〜Ｓ４（２）は、基準点Ｐの回りに２行２列に配置されている。ここで、各圧力センサーＳ１（２）〜Ｓ４（２）が検出する圧力値（検出値）をそれぞれＰ_S1、Ｐ_S2、Ｐ_S3、Ｐ_S4とすると、外力ＦのＸ方向成分Ｆｘは以下の式４で表される。

又、外力ＦのＹ方向成分Ｆｙは以下の式５で表される。

又、外力ＦのＺ方向成分Ｆｚ（把持力）は以下の式６で表される。

本実施形態では、外力Ｆによって弾性体突起３が弾性変形する事により４つの圧力センサーＳ１（２）〜Ｓ４（２）で検出された圧力値のうち任意に組み合わされた各圧力センサー２で検出された圧力値の差分を演算し、その差分に基づいて外力Ｆが加えられた方向が演算される。

式４に示す様に、外力ＦのＸ方向成分Ｆｘにおいては、４つの圧力センサーＳ１（２）〜Ｓ４（２）で検出された圧力値のうち＋Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ２（２）及びＳ４（２）で検出された値が組み合わされると共に、−Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ１（２）及びＳ３（２）で検出された値が組み合わされる。この様に、＋Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ２（２）及びＳ４（２）の組み合わせによる圧力値と−Ｘ方向に配置された圧力センサーＳ１（２）及びＳ３（２）の組み合わせによる圧力値との差分に基づいて外力ＦのＸ方向成分が求められる。

式５に示す様に、外力ＦのＹ方向成分Ｆｙにおいては、４つの圧力センサーＳ１（２）〜Ｓ４（２）で検出された圧力値のうち＋Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ１（２）及びＳ２（２）で検出された値が組み合わされると共に、−Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ３（２）及びＳ４（２）で検出された値が組み合わされる。この様に、＋Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ１（２）及びＳ２（２）の組み合わせによる圧力値と−Ｙ方向に配置された圧力センサーＳ３（２）及びＳ４（２）の組み合わせによる圧力値との差分に基づいて外力ＦのＹ方向成分が求められる。

式６に示す様に、外力ＦのＺ方向成分Ｆｚにおいては、４つの圧力センサーＳ１（２）〜Ｓ４（２）の圧力値を足し合わせた合力で求められる。ただし、外力ＦのＺ方向成分Ｆｚは、外力ＦのＸ方向成分Ｆｘ及び外力ＦのＹ方向成分Ｆｙに比べて検出値が大きく検出される傾向がある。例えば、弾性体突起３の材質として硬いものを用いたり、先端部の形状を先鋭にしたりすると、外力ＦのＺ方向成分Ｆｚの検出感度が高くなる。しかしながら、弾性体突起３の材質として硬いものを用いると弾性体突起３が変形しにくくなり外力Ｆの面内方向の検出値が小さくなってしまう。又、弾性体突起３の先端部の形状を先鋭にすると接触面を指で触ったときのタッチ感に強い感度（違和感）を与える場合がある。この為、外力ＦのＺ方向成分Ｆｚの検出値を、外力ＦのＸ方向成分Ｆｘ及び外力ＦのＹ方向成分Ｆｙの検出値と揃えるには、弾性体突起３の材質や形状によって決定される補正係数で検出値を適宜補正する必要がある。

図９及び図１０は把持部が対象物３０１０を適切に把持した状態を示す正面図である。次に図９と図１０とを参照して、把持部３００１が対象物３０１０を適切に把持する方法を説明する。図４に示す様に、最初の把持で力ベクトルに大きな差が認められた場合、図２を用いて説明したプログラムに則し、押圧パラメーターを変更し、把持方法を変える。図９では、押圧パラメーターとして把持角度と把持位置とを選んでいる。即ち、２度目の把持では、最初の把持角度を９０°回転させる。具体的には対象物３０１０を９０°回転させて、把持する。これにより力ベクトルの差はなくなる（Ｆ₁＝Ｆ₂となる）。この際に、最初の把持で対象物３０１０の重心３０１０Ｇの位置が分かるので、重心３０１０Ｇが把持面に含まれる位置を把持する。即ち重心３０１０ＧのＸＹ座標が少なくとも２つの把持面（第一把持部３００１−１の把持面と第二把持部３００１−２の把持面）に入る様に把持する。

一方、図１０では、最初の把持角度と把持位置とは同一であるが、図１０に示す２度目の把持では、最初に把持したまま把持部３００１と対象物３０１０とを９０°回転させる。この様に押圧パラメーターとして、対象物３０１０の重力方向と把持力方向との関係を選んでも良い。図４に示す最初の把持では対象物３０１０の重力ベクトルＷと把持力ベクトル（把持部３００１が対象物３０１０に及ぼす力のｚ成分）とが直交していたが、図９に示す２度目の把持では対象物３０１０の重力ベクトルＷと把持力ベクトルとがほぼ平行になる様に押圧パラメーターは変えられている。言い換えると、少なくとも一つの把持部３００１において、滑り力がほぼゼロになる様に把持する。図９では、第一把持部３００１−１でも第二把持部３００１−２でも滑り力はほぼゼロとなっている。或いは、押圧パラメーターは、一つの把持部３００１（図９では第一把持部３００１−１）において、把持力が対象物３０１０の重力ベクトルＷと向きが反対で大きさがほぼ等しくなる様に設定する。この場合、他の把持部３００１（図９では第二把持部３００１−２）において、把持力がほぼゼロなる様に押圧パラメーターは設定されている。

以上述べた様に、本実施形態に係わる把持方法に依れば、以下の効果を得る事ができる。
演算結果に基づいて現在の押圧パラメーターが対象物３０１０の把持に適しているか否かを判定する事ができる。例えば、任意の２個の力ベクトルの差がゼロから著しく逸脱している場合には、対象物３０１０の重心３０１０Ｇが偏っており、押圧パラメーターを見直す必要があると判断する事ができる。演算結果が閾値を超えた事は、現在の押圧パラメーターで対象物３０１０を把持すると、対象物３０１０が落下する可能性が高い事を意味しているので、落下する可能性がより低い押圧パラメーターを探す事ができる。具体的には、対象物３０１０の形状や重心３０１０Ｇの位置などに最も適した把持方法や、対象物３０１０の重心３０１０Ｇの近傍を押圧する把持方法、等を選択する事ができる。その結果、大がかりな把持装置でなくとも、比較的弱い把持力であっても、落下事故の可能性を最少にして、対象物３０１０を確実に把持する事ができる。即ち、確実な把持と簡易で安全な把持とを両立させる事ができる。

又、頻繁に対象物３０１０や把持方法が変わる作業や、外観からは対象物３０１０の重心３０１０Ｇの位置が特定出来ない把持作業においても、作業の目的や内容と力検出部１００の出力信号より、最も適した把持動作を選択しながら個々の作業を行う事ができる。更に、把持装置３０００は力検出部１００を備えているので、対象物３０１０の適正な把持姿勢をモニターしながら把持や搬送する事が可能となる。こうした結果、形状や重心３０１０Ｇを一定にし得ない液体などを収納した容器の搬送や、湯で卵の様な転がる食品を乗せたトレーの搬送などが容易に安全確実に実行する事が可能になる。例えば、卵の位置等を重心３０１０Ｇの変化で捉え、トレーの姿勢を変化させて、常にトレーの中央に卵が位置するように制御する事も可能になる。更には、ジャイロの様な姿勢制御センサーだけでは制御できない対象物３０１０（例えば、柔らかく形状が定まらない食品等）を搬送する際にも、押圧パラメーターとしての把持姿勢を変えて、対象物３０１０が変形しない様に制御する事も可能となる。

尚、圧力センサー２の方式は、ダイアフラムゲージの他に静電容量方式や抵抗膜方式等が利用でき、特定の圧力センサー２に限定されるものではない。更に、本実施形態においては、圧力センサー２が単位検出領域当たり縦４行横４列に計１６個配置されている例を挙げて説明したが、これに限らない。圧力センサー２は、一つの力検出部１００に３個以上配置されていれば良く、一つの力検出部１００に設けられる圧力センサー２の別の構成例は、縦２行横２列の計４つである。又、本実施形態ではロボットハンドやロボット指を用いて説明してきたが、これ以外にもロボット自身を把持するとの意味で、ロボットの足の裏に力検出部１００を設け、予め摩擦係数が分らない傾斜のある面を安全に歩行する場合に適用しても良い。この場合、ロボットが滑りそうな場合には、動作を停止したり、或いは人の動作と同様に、つま先に荷重を高めて歩行したりするなどの動作を選択する。

（実施形態２）
図１１は、実施形態２に係る把持部の構成を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。図１１（ｂ）に示す様に、本実施形態では、一つの把持部３００１に複数個（２行２列の行列状に４個）の力検出部１００が設けられている。こうする事で回転力（トルク）発生の有無を検出でき、対象物３０１０が回転して落下する可能性を低くする事ができる。

図１２は、把持部が対象物３０１０を把持した状態を示す側面図である。図１２に示す様に、対象物３０１０の重心３０１０Ｇを外して把持した場合、把持面の中心Ｏの回りにトルクが発生し、このまま把持すると対象物３０１０を回転落下させる恐れがある。本実施形態の把持部３００１は複数個の（４個）の力検出部１００を備えるので、トルクを検出し、図２にて説明したプログラムに則し、回転力を最少とする事ができる。

図１２では、対象物３０１０の重心３０１０Ｇを外して把持した結果、時計回りの滑り力Ｆ₁₁〜Ｆ₁₄が発生している状態が描かれている。力検出部１００は把持面の中心Ｏの回りに複数（４個）の基準点Ｐ（Ｐ１１〜Ｐ１４）を有し、各基準点Ｐで滑り力（ＦｘやＦｙ）を独立に検出する。検出されたＦｘやＦｙから、高い精度で回転力の方向と大きさとを特定する。具体的には把持面の中心Ｏの回りのトルクベクトル和（本実施形態の場合、Ｎ１＋Ｎ２＋Ｎ３＋Ｎ４）を計算する。トルクベクトル（例えばＮ１）とは、把持面の中心Ｏから基準点Ｐ（例えばＰ１１）までの位置ベクトルｒ（例えばｒ１）と基準点Ｐ（例えばＰ１１）における滑り力ベクトル（例えばＦ₁₁）とのベクトル積（例えばＮ１＝ｒ１×Ｆ₁₁）である。又、各基準点Ｐで滑り力の成分を独立に検出できるので、各基準点Ｐで検出された滑り力のベクトル和（Ｆ₁₁＋Ｆ₁₂＋Ｆ₁₃＋Ｆ₁₄）を取る事で並進力も容易に検出できる。この様に、複数個の（４個）の力検出部１００を備えると、把持力と共に、把持面に沿った並進力と把持面の中心Ｏの回りの回転力（トルク）とを検出できる。

図１３及び図１４は把持部が対象物３０１０を適切に把持した状態を示す側面図である。次に図１３と図１４とを参照して、把持部３００１が対象物３０１０を適切に把持する方法を説明する。図１２に示す様に、最初の把持で大きなトルクが認められた場合、図２を用いて説明したプログラムに則し、押圧パラメーターを変更し、把持方法を変える。図１３では、押圧パラメーターとして把持角度と把持位置とを選んでいる。即ち、２度目の把持では、最初の把持角度を変えて、重心３０１０ＧのＹ座標がほぼゼロになるように、対象物３０１０を回転させて、把持する。ここでＹ軸とはＸ軸とＺ軸とに直交する軸で、Ｘ軸は重力方向の軸で、Ｚ軸は把持面の法線方向の軸である。これにより力ベクトルは皆ほぼ等しくなり（Ｆ₁₁＝Ｆ₁₂＝Ｆ₁₃＝Ｆ₁₄）、トルクベクトル和は実質的にゼロとなる。この際に、最初の把持で対象物３０１０の重心３０１０Ｇの位置が分かるので、重心３０１０Ｇが把持面に含まれる位置を把持する。即ち重心３０１０ＧのＸＹ座標が少なくとも２つの把持面（第一把持部３００１−１の把持面と第二把持部３００１−２の把持面）に入る様に把持する。

図１４では、押圧パラメーターとして把持位置を選んでいる。即ち、２度目の把持では、重心３０１０ＧのＹ座標がほぼゼロになる様に、把持する位置を、図１２に比べて、平行移動させて、把持する。この際に、重心３０１０ＧのＸ座標もほぼゼロになる様にする。これにより４つの力ベクトルは皆ほぼ等しくなり（Ｆ₁₁＝Ｆ₁₂＝Ｆ₁₃＝Ｆ₁₄）、トルクベクトル和は実質的にゼロとなる。この様に複数の力ベクトルの少なくとも２個がほぼ等しくなる様に押圧パラメーターを変更した後に、各種作業を行う。これにより、作業中に対象物３０１０が回転して落下する事故の可能性を著しく小さくできる。

以上述べた様に、本実施形態に係わる把持方法に依れば、実施形態１で説明した効果に加え、対象物３０１０にトルクが発生しているかどうかを検知する事ができる。検知後に把持方法を変更する事で、把持部３００１を基準とした対象物３０１０の重量に関するトルク和をほぼゼロにし得るので、最初に把持部３００１が対象物３０１０の重心３０１０Ｇ近傍を把持してない状態であっても、対象物３０１０が作業中に回転して落下する可能性を著しく小さくできる。

尚、本実施形態では一つの把持部３００１に４個の力検出部１００が設けられたが、一つの把持部に２個以上力検出部１００が設けられれば、本実施形態の効果は得られる。

（実施形態３）
実施形態３では把持部３００１がＭ個（Ｍは２以上の整数）あり、各把持部３００１−１〜３００１−Ｍが其々Ｌ個（Ｌは２以上の整数）の力検出部１００を備えている。従って、把持装置３０００としてはＮ個（Ｎ＝Ｍ×Ｌ）の力検出部１００を備えている。一例としては、把持部３００１は実施形態１と同様に第一把持部３００１−１と第二把持部３００１−２とを備え、各把持部３００１は実施形態２と同様に４個の力検出部１００を備えている。

図１５は把持部が対象物を把持した状態を示す側面図である。図１５では対象物３０１０を把持部３００１が上下から挟んで把持している。尚、第一把持部３００１−１の把持面の法線方向をＺ軸とするので、重力方向は−Ｚ方向となる。又、アーム部３００２が延伸する方向をＹ軸方向としている。

図１５では、対象物３０１０の重心３０１０Ｇが把持部３００１から左（−Ｙ方向）に外れている。こうした場合、対象物３０１０が作業中に折れるなどの損傷を被る恐れがある。本実施形態では、第一把持部３００１−１に配置された力検出部１００と第二把持部３００１−２に配置された力検出部１００とでこうした恐れを事前に検知できる。即ち、第一把持部３００１−１の把持面で、左側に配置されている２つの力検出部１００（基準点Ｐ１１を有する力検出部１００とＰ１３を有する力検出部１００）は＋Ｚ方向に大きな把持力Ｆ₁₁＋Ｆ₁₃を及ぼす。一方、第二把持部３００１−２の把持面で、右側に配置されている２つの力検出部１００（基準点Ｐ２２を有する力検出部１００とＰ２４を有する力検出部１００）は−Ｚ方向に把持力Ｆ₂₂＋Ｆ₂₄を及ぼす。これらを検出する事で重心３０１０Ｇが把持面から外れている事が分かる。

図１６は把持部が対象物３０１０を適切に把持した状態を示す側面図である。図１５の様な状態が検出された場合、図２を用いて説明したプログラムに則し、押圧パラメーターを変更し、把持方法を変える。図１６では、押圧パラメーターとして把持位置を選んでいる。即ち、２度目の把持では、把持位置を変えて、重心３０１０ＧのＸ座標とＹ座標とがほぼゼロになるように、把持位置を変えて把持する。即ち、重心３０１０Ｇが把持面のほぼ中央なる様に把持する。重心３０１０Ｇがほぼ中央に来ると、第一把持部３００１−１が計測する力ベクトルは皆ほぼ等しくなり（Ｆ₁₁＝Ｆ₁₂＝Ｆ₁₃＝Ｆ₁₄〜Ｗ／４）、これらの和は対象物３０１０の重量Ｗにほぼ等しくなる。その一方で、第二把持部３００１−２が計測する力ベクトルも皆ほぼ等しくなり（Ｆ₂₁＝Ｆ₂₂＝Ｆ₂₃＝Ｆ₂₄〜０）、これらはいずれも非常に小さくなる。この様に各把持面の中で力検出部１００が検出する把持力や滑り力が皆ほぼ等しくなる様に対象物３０１０を把持する。こうする事で把持を失敗する事故の可能性を小さくできる。

尚、把持部３００１の数Ｍは２に限られず、３、４、５、６などとして、ロボット指に適応しても良い。又、各把持部３００１が有する力検出部１００の数Ｌも２以上で有れば幾つであっても良い。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良などを加える事が可能である。変形例を以下に述べる。

（変形例１）
図５を用いて変形例１を説明する。上述の実施形態では第一基板１１に圧力センサー２が４行４列の１６個配置されていたが、圧力センサーの数と配置はこれに限られない。第一基板１１に３個以上の圧力センサー２が配置されて居れば、把持力と滑り力とを検出できるので、上述の把持方法を適応できる。

２…圧力センサー、３…弾性体突起、５…表面弾性層、１１…第一基板、１２…第二基板、１００…力検出部、２０１…第一駆動部、２０２…第二駆動部、３００…制御部、４００…比較判定部、５００…記憶部、６００…演算部、３０００…把持装置、３００１…把持部、３００１−１…第一把持部、３００１−２…第二把持部、３００２…アーム部、３００３…本体部、３０１０…対象物、３０１０Ｇ…重心。

Claims (11)

1. 把持装置を用いた対象物の把持方法であって、
   前記把持装置は、前記対象物を押圧する把持部をＭ個（Ｍは２以上の整数）と、力ベクトルを検出する力検出部をＮ個（Ｎは２以上の整数）と、を備え、
   前記力検出部は前記把持部に設けられ、
   前記把持部が押圧パラメーターを用いて前記対象物を押圧する第一工程と、
   前記力ベクトルをＮ個検出する第二工程と、
   前記Ｎ個の力ベクトルから定まる演算結果を閾値と比較する第三工程とを含む事を特徴とする把持方法。
2. 前記演算結果は、前記力ベクトルの任意の２個の差である事を特徴とする請求項１に記載の把持方法。
3. 前記演算結果は、前記力ベクトルを用いたトルクの和である事を特徴とする請求項１に記載の把持方法。
4. 前記演算結果が前記閾値を超えなかった場合に、前記押圧パラメーターを維持して前記対象物を把持する第四工程を含む事を特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の把持方法。
5. 前記演算結果が前記閾値を超えた場合に、前記押圧パラメーターを変更して再度前記第一工程と前記第二工程と前記第三工程とを行う事を特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の把持方法。
6. 前記押圧パラメーターを変更する際には、一旦、前記対象物を押圧する力を解除する事を特徴とする請求項５に記載の把持方法。
7. 前記押圧パラメーターは、前記対象物に対して前記把持部が作用させる力で有る事を特徴とする請求項５又は６に記載の把持方法。
8. 前記押圧パラメーターは、前記対象物に対して前記把持部が作用させる場所で有る事を特徴とする請求項５又は６に記載の把持方法。
9. 前記押圧パラメーターは、前記対象物に対して前記把持部がなす角度で有る事を特徴とする請求項５又は６に記載の把持方法。
10. 前記角度が９０°である事を特徴とする請求項９に記載の把持方法。
11. 前記把持装置はデータベースを備え、前記押圧パラメーターの変更は前記演算結果を前記データベースに照合して定める事を特徴とする請求項５乃至１０に記載の把持方法。

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