JP2015074046A - ロボットハンド機構 - Google Patents

Abstract

【課題】指部を確実に原点復帰させるとともに、指部の可動域を広くとる。【解決手段】ロボットハンド機構１００は、関節Ｊ１〜Ｊ６が形成された指部６と、関節Ｊ１〜Ｊ６における指部６の角度の変化を検出する角度センサ７と、角度センサ７に電気的に接続されるとともに、指部６の移動を制御する制御手段としてＥＣＵ８、振動回路９及びアクチュエータ１とを備え、制御手段は、指部６を原点復帰させる際、方向Ｑに向かって指部６の移動を開始させ、その後、角度センサ７によって検出される指部６の角度の変化が所定時間以上停止する状態となった場合、関節可動角度制限位置Ｐｘに到達したと判断し、指部６を方向Ｐに角度Ｐｘ−Ｐ０分回動させ、原点復帰させる。【選択図】図２

Description

この発明は、ロボットハンド機構に関する。

一般的に、ロボットハンドに用いられる多関節ハンドの指部の関節には、各々の関節を中心として指部を前後に回動するように駆動させるアクチュエータが設けられている。また同時に、関節の曲がり具合、すなわち関節における指部の角度を検出するための角度センサが関節に設けられる。この角度センサが、指部の角度を正確に把握するためには、原点となる角度を定めて、この原点を基準として指部が相対的にどの程度の角度だけ移動したかを検出する必要がある。そのため、ロボットハンドの指部の動作の開始時に、指部を原点に復帰させるか、または、指部の原点に対する相対位置を把握しなくてはならない。

引用文献１では、ロボットハンドの指部に相当するマニュピレータの原点復帰を行うため、マニュピレータの現在位置から見て原点を超える仮想位置を第一目標値として設定する。すなわち、指部の動作の開始前において、アクチュエータはまず、マニュピレータを第一目標値に向かう一方向に移動させる。そして、マニュピレータが原点を超えて第一目標値に達したことが検出されると、次に原点が第二目標値として設定される。そしてさらに、アクチュエータはそれまでと反対の方向に、第二目標値に向かってマニュピレータを回動させるように駆動する。マニュピレータが第二目標値である原点に到達した時点で、マニュピレータの原点復帰動作は完了する。なお、この時、マニュピレータの絶対的な位置を検出することができるアブソリュートエンコーダが角度センサとして用いられる。

特開２００９−１４８８５９号公報

しかしながら、指部の相対的な位置の変化のみを検出することができるインクリメンタルエンコーダを角度センサとして使用した場合、指部の動作開始前に電源を入れた時点では、指部が原点に対してどの方向に位置しているのかを把握することができない。そのため、原点復帰動作前の指部のもともとの位置が、原点を超えて、原点と第一目標値との間にある場合、引用文献１に記載された制御方法を適用しても指部を原点復帰させることはできない。

一方、角度センサとしてアブソリュートエンコーダを用いる場合又は、インクリメンタルエンコーダにポテンショメータを併用する場合は、電源を入れた時点で、角度センサは原点に対する指部の位置を検出することができる。しかし、指部にアブソリュートエンコーダやポテンショメータが設けられた場合、角度センサとしてインクリメンタルエンコーダのみを用いる場合と比較して、指部が太くなり、指部の可動域が制限されてしまう。

この発明は、このような問題を解決するためになされ、指部を確実に原点復帰させることができるとともに、指部の可動域を広くとることができるロボットハンド機構を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係るロボットハンド機構は、少なくともひとつの関節が形成された、少なくともひとつの指部と、関節における指部の回動による角度の変化を検出する回動角検出手段と、回動角検出手段に電気的に接続されるとともに、指部の回動を制御する制御手段とを備え、制御手段は、指部を原点復帰させる際、一方向に向かって指部を回動させ、その後、回動角検出手段によって検出される指部の角度の変化が所定時間以上停止する状態となった場合、関節可動角度制限位置に到達したと判断し、指部を一方向とは反対の方向に、予め設定した所定の角度回動させて原点復帰させる。
これにより、指部を当て止めして指部の位置を把握した上で原点復帰を行うことができる。

また、この発明に係るロボットハンド機構において、回動角検出手段は、インクリメンタルエンコーダであってもよい。

また、この発明に係るロボットハンド機構の制御手段は超音波モータを有し、指部の角度が前記関節可動角度制限位置に到達するまでの前記超音波モータの駆動トルクは、指部の角度が関節可動角度制限位置から原点復帰するまでの間の超音波モータの駆動トルクよりも小さい。

この発明に係るロボットハンド機構によれば、指部を確実に原点復帰させることができるとともに、指部の可動域を広くとることができる。

この発明の実施の形態１に係るロボットハンド機構の全体的な構成を模式的に示すとともに、ロボットハンド機構が物体を把持する動作を示す図である。図１（ａ）はロボットハンド機構が物体を把持する前の状態を、図１（ｂ）はロボットハンド機構が物体を把持している状態を示す。 図１に示すロボットハンド機構の関節に用いられるアクチュエータの構成を模式的に示す斜視図である。 図１に示すロボットハンド機構が物体を把持する際の動作をフローチャートとして示した図である。 図１に示すロボットハンド機構の関節において、指部が原点Ｐ０に位置している時の状態を模式的に示す側面図である。 図１に示すロボットハンド機構の関節において、指部が角度Ｐｓ１に相当する箇所に位置している時の状態を模式的に示す側面図である。 図１に示すロボットハンド機構の関節において、指部が角度Ｐｓ２に相当する箇所に位置している状態を模式的に示す側面図である。 図１に示すロボットハンド機構の関節において、指部が関節可動角度制限位置Ｐｘに相当する箇所に達した時の状態を模式的に示す側面図である。 図１に示すロボットハンド機構の関節における指部の原点復帰動作に係る角度の変化を示すグラフである。

以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
まず、この発明の実施の形態に係るロボットハンド機構１００の全体的な構成の概略について、図１を参照して説明する。図１（ａ）に示すように、ロボットハンド機構１００は、アーム部１１と、アーム部１１に接続される指部６を有しており、指部６は第一指部６ａと第二指部６ｂとからなる。第一指部６ａは長さ方向に三分割され、二箇所の分割部分は、指先に近い箇所が関節Ｊ１に、付根に近い箇所が関節Ｊ２によってそれぞれ相対的に回動可能に接続されている。また、第一指部６ａの付根にあたる一端にも関節Ｊ３が設けられ、第一指部６ａは関節Ｊ３を介してアーム部１１に対して回動可能に取り付けられている。すなわち、第一指部６ａには、三個の関節Ｊ１〜Ｊ３が形成されている。また、第二指部６ｂにも、同様にして三個の関節Ｊ４〜Ｊ６が形成されるとともに、第二指部６ｂは第一指部６ａと対向する位置において、アーム部１１に関節Ｊ６を介して回動可能に接続されている。また、各関節Ｊ１〜Ｊ６には、後述するアクチュエータ１及び角度センサ７が設けられ、第一指部６ａ及び第二指部６ｂは、各関節Ｊ１〜Ｊ６を中心に回動するようにアクチュエータ１によって駆動される（図２参照）。ここで、ロボットハンド機構１００の第一指部６ａ及び第二指部６ｂは、対象物１０を把持する前は、図１（ａ）に示すように、対象物１０の幅よりも広く左右に開かれた状態となる。そして、対象物１０を把持する時には、第一指部６ａ及び第二指部６ｂは、図１（ｂ）に示すように互いに閉じられた状態となって、対象物１０を挟み込み、把持する。

次に、ロボットハンド機構１００の第一指部６ａの関節Ｊ１に用いられるアクチュエータ１の構成について、図２を参照して説明する。なお、指部６ａの関節Ｊ２、Ｊ３及び指部６ｂの関節Ｊ４〜Ｊ６に用いられるアクチュエータ１の構成についても同様である。また、この実施の形態において、アクチュエータ１には超音波モータが用いられている。
アクチュエータ１は、略円柱形状の振動子２と、振動子２の下面に接触して設けられる略円柱状の圧電素子３と、振動子２の上面に載置されるとともに一対の略円盤形状の部材からなる回転子４とを有する。回転子４の上部には第一指部６ａが一体的に接続している。また、圧電素子３は、振動回路９に電気的に接続される複数の圧電素子板を積層した構造を有しており、これらの圧電素子板は振動回路９と電気的に接続している。また、振動回路９はＥＣＵ８に電気的に接続している。そして、圧電素子３の複数の圧電素子板は、ＥＣＵ８に制御される振動回路９により交流電圧を印加されることによって超音波振動を発生する。この超音波振動が振動子２に伝達され、振動子２の上面の先端には楕円振動が発生する。そして、振動子２の楕円振動によって、回転子４は回転軸Ｒを回動中心として方向Ｐ又は方向Ｑに回動する。回転子４の回動に伴って、第一指部６ａも前後に回動する。なお、回転子４が方向Ｐに回動する時は、第二指部６ｂは物を解放する方向、すなわちロボットハンド機構１００が開状態になる方向に動作する。一方、回転子４が方向Ｑに回動する時、第一指部６ａは物を把持する方向、すなわちロボットハンド機構１００が閉状態になる方向に動作する。また、回転子４には角度センサ７が取り付けられている。角度センサ７は回転子４の側面において、回転中心が回転子４の回転軸Ｒと一致するように配置される。なお、角度センサ７には、回転子４の回動に伴いパルス信号を出力し、カウントするインクリメンタルエンコーダが用いられている。角度センサ７は、任意の初期値に対するパルス信号のカウント値の変化によって、第一指部６ａの回動による角度の変化を検出する。また、角度センサ７にはＥＣＵ８が電気的に接続されている。
なお、角度センサ７は回動角検出手段を構成する。また、アクチュエータ１、ＥＣＵ８及び振動回路９は、第一指部６ａの回動を制御する制御手段を構成する。すなわち、角度センサ７によって検出された第一指部６ａの角度の変化に基づき、ＥＣＵ８は振動回路９を介してアクチュエータ１の圧電素子３及び振動子２を超音波振動させ、回転子４に接続された第一指部６ａの回動を制御する。

次に、ロボットハンド機構１００が図１に示すように対象物１０を把持する際の動作について、図３のフローチャートを参照して説明する。
まず、ステップＳ１において、図１（ａ）に示すようにロボットハンド機構１００の第一指部６ａ及び第二指部６ｂを開かれた状態とする。そして、ステップＳ２において、アーム部１１の移動によって、ロボットハンド機構１００は、対象物１０を把持するために適当な位置まで移動する。そして、ステップＳ３において、図１（ｂ）に示すように第一指部６ａ及び第二指部６ｂは互いに閉じられ、対象物１０を挟み込むように動作し、対象物１０の把持が開始される。

ステップＳ４において、関節Ｊ１における第一指部６ａの角度が一定時間ｔの間、変化しないことを角度センサ７が検出した場合、ステップＳ５において、関節Ｊ１に設けられたアクチュエータ１への通電が停止される。また同様に、関節Ｊ２における第一指部６ａの角度が一定時間ｔの間、変化しないことが検出された場合も、ステップＳ７において、関節Ｊ２のアクチュエータ１への通電が停止される。第一指部６ａの関節Ｊ３及び第二指部６ｂの関節Ｊ４〜Ｊ６に関しても、それぞれ同様に、アクチュエータ１への通電が制御される。そして、関節Ｊ１〜Ｊ６に設けられた全てのアクチュエータ１への通電が停止した時点において、ロボットハンド機構１００による対象物１０の把持は完了する（ステップＳ８）。
ここで、超音波モータであるアクチュエータ１は摩擦によって駆動されているため、動作が停止された状態で通電が続くと破損のおそれがある。従って、このように対象物１０の把持に伴って各々の関節Ｊ１〜Ｊ６のアクチュエータ１への通電を停止させることで、アクチュエータ１の破損を防止することができる。なお、超音波モータであるアクチュエータ１は、通電が停止された状態で対象物１０を把持し続けることが可能である。

次に、関節Ｊ１における第一指部６ａの原点復帰動作について、図４〜８を参照して説明する。なお、関節Ｊ２、Ｊ３における第一指部６ａの原点復帰動作及び関節Ｊ４〜Ｊ６における第二指部６ｂの原点復帰動作についても同様である。なお以下の説明において、原点とは、指部６の動作における初期位置として予め定められた所定の位置をいう。また、原点復帰とは、指部６に設けられたアクチュエータ１が指部６を移動させて原点に位置させることをいう。
図４において、第一指部６ａは関節Ｊ１における原点Ｐ０に位置している。原点Ｐ０において、第一指部６ａは関節Ｊ１において真っ直ぐに伸びた状態となっている。また、図５は、第一指部６ａが原点Ｐ０に対して、方向Ｐへ角度Ｐｓ１に相当する位置まで移動した状態を示す。また、図６は、第一指部６ａが原点Ｐ０に対して、方向Ｑへ角度Ｐｓ２に相当する位置まで移動した状態を示す。図７は、第一指部６ａが関節可動角度制限位置Ｐｘに達した時の状態を示す。ここで、関節可動角度制限位置Ｐｘとは第一指部６ａが機構的にこれ以上、方向Ｑに回動することができない限界の角度を示す。

図８を参照すると、電源を入れた時点において、第一指部６ａが図５に示すように角度Ｐｓ１に相当する箇所に位置する場合は、第一指部６ａはグラフＸのように動作することにより、原点復帰を行う。具体的には、第一指部６ａは、時刻Ｔ０において図５に示す角度Ｐｓ１に相当する位置から方向Ｑに向かって回動をしつつ移動を開始する。すなわち、第一指部６ａはまず、関節可動角度制限位置Ｐｘに向かう方向に向かって移動する。そして、第一指部６ａは原点Ｐ０を超えて、時刻Ｔ１において関節可動角度制限位置Ｐｘに到達する。第一指部６ａが関節可動角度制限位置Ｐｘに到達したことは、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間、第一指部６ａの角度の変化が停止したことが角度センサ７によって検出され、判断される。そして、この時点で角度センサ７によるパルス信号のカウント値はリセットされるか、又はカウント値＝角度Ｐｘと置き換えられて、時刻Ｔ２における第一指部６ａの絶対的な位置が規定される。そしてその後、第一指部６ａは角度差Ｐｘ−Ｐ０の分だけ方向Ｐに回動しつつ移動し、時刻Ｔ３において、図４に示すように原点Ｐ０へと原点復帰する。ここで、角度差Ｐｘ−Ｐ０は、ＥＣＵ８によって予め設定されているものとする。
なおこの時、第一指部６ａの角度が関節可動角度制限位置Ｐｘに到達するまでのアクチュエータ１の駆動トルクは、第一指部６ａの角度が関節可動角度制限位置Ｐｘから原点復帰するまでの間のアクチュエータ１の駆動トルクよりも小さい。すなわち、時刻Ｔ０〜Ｔ１における第一指部６ａの回動の速度は、時刻Ｔ２〜Ｔ３における第一指部６ａの回動の速度よりも遅い。具体的にはＥＣＵ８は、時刻Ｔ０〜Ｔ１においてアクチュエータ１の超音波振動の周波数を高くしたり、圧電素子３に印加される電圧を低くしたり、超音波振動の位相差を最適値からずらしたりすることで、アクチュエータ１の駆動トルクを小さくする。

また、電源を入れた時点において、第一指部６ａが図６に示すように角度Ｐｓ２に相当する箇所に位置する場合は、第一指部６ａは図８のグラフＹのように動作することにより、原点復帰を行う。具体的には、第一指部６ａは、時刻Ｔ０において図６に示す角度Ｐｓ２に相当する位置から方向Ｑに回動を開始し、時刻Ｔ４において関節可動角度制限位置Ｐｘに到達する。第一指部６ａが関節可動角度制限位置Ｐｘに到達したことは、時刻Ｔ４から時刻Ｔ５までの間、第一指部６ａの角度の変化が停止したことによって判断される。この時、グラフＸの場合と同様にして、時刻Ｔ５における第一指部６ａの絶対的な位置が規定される。そしてその後、第一指部６ａは予め設定された角度差Ｐｘ―Ｐ０の分だけ方向Ｐに回動し、時刻Ｔ６において、図４に示すように原点Ｐ０へと原点復帰する。この時、グラフＸの場合と同様に、時刻Ｔ０〜Ｔ４におけるアクチュエータ１の駆動トルクは、時刻Ｔ５〜Ｔ６におけるアクチュエータ１の駆動トルクよりも小さくなるように設定される。

なお、角度センサ７におけるノイズの影響を除去するため、ＥＣＵ８は、実際には関節Ｊ１における第一指部６ａの回転速度を計算した上で、この回転速度がある閾値以下である場合を「角度の変化が停止する状態」として処理する。関節Ｊ２、Ｊ３における第一指部６ａ及び関節Ｊ４〜Ｊ６における第二指部６ｂについても同様である。

以上より、ロボットハンド機構１００の指部６を原点復帰させる際、方向Ｑに指部６の移動を開始させ、その後、指部６の角度の変化が所定時間以上停止する状態となった場合、指部６を方向Ｐに角度差Ｐｘ−Ｐ０分移動させる。これにより、指部６は関節可動角度制限位置Ｐｘに相当する位置に当て止めされ、その後、原点Ｐ０に到達するために角度差Ｐｘ−Ｐ０分だけ回動することにより、確実に原点復帰することができる。また、電源を入れた時点で、指部６がいかなる角度に位置するかに関係なく、指部６を関節可動角度制限位置Ｐｘに相当する位置に当て止めすることで原点復帰させることができる。よって、指部６の絶対的な位置を把握するためにアブソリュートエンコーダやポテンショメータを用いる必要がなく、角度センサとしてはインクリメンタルエンコーダのみを用いて原点復帰を行うことができる。従って、その分、指部６の太さを比較的細く設計することができ、ロボットハンド機構１００の可動領域を広くとることができる。
また、指部６の角度が関節可動角度制限位置Ｐｘに到達するまでのアクチュエータ１の駆動トルクは、指部６の角度が関節可動角度制限位置Ｐｘから原点復帰するまでの間のアクチュエータ１の駆動トルクよりも小さい。これによって、指部６が関節可動角度制限位置Ｐｘに相当する位置に当て止めされた場合にも、ロボットハンド機構１００への衝撃等の影響を少なくすることができる。また、指部６の角度が関節可動角度制限位置Ｐｘから原点復帰するまでの間、アクチュエータ１の駆動トルクを大きくし、指部６の回動の速度を上げることで、指部６をより早く原点復帰させることができる。

なお、本実施の形態において、角度センサ７はインクリメンタルエンコーダに限定されず、指部６の角度の相対的な変化のみを検出するものであればよい。
また、関節可動角度制限位置は、本実施の形態における関節可動角度制限位置Ｐｘに限定されず、方向Ｐ又は方向Ｑに関わらず、指部６が機構的にこれ以上回動することができない限界の角度を示すものであればよい。なお、関節可動角度制限位置Ｐｘが原点Ｐ０から見て方向Ｐに位置する場合は、指部６は時刻Ｔ０において、関節可動角度制限位置Ｐｘに向かう方向である方向Ｐへと移動するものとする。
また、アクチュエータ１は、超音波モータに限られない。
また、指部の本数及び関節の数は本実施の形態に限られず、少なくともひとつの指部６に少なくともひとつの関節が形成されていればよい。

１ アクチュエータ、超音波モータ（制御手段）、６ 指部、７ 角度センサ、インクリメンタルエンコーダ（回動角検出手段）、８ ＥＣＵ（制御手段）、９ 振動回路（制御手段）、１００ ロボットハンド機構、Ｐ０ 原点、Ｐｘ 関節可動角度制限位置。

Claims (3)

1. 少なくともひとつの関節が形成された、少なくともひとつの指部と、
   前記関節における前記指部の回動による角度の変化を検出する回動角検出手段と、
   前記回動角検出手段に電気的に接続されるとともに、前記指部の前記回動を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記指部を原点復帰させる際、一方向に向かって前記指部を回動させ、その後、前記回動角検出手段によって検出される前記指部の前記角度の変化が所定時間以上停止する状態となった場合、関節可動角度制限位置に到達したと判断し、前記指部を前記一方向とは反対の方向に、予め設定した所定の角度回動させて原点復帰させるロボットハンド機構。
2. 前記回動角検出手段は、インクリメンタルエンコーダである請求項１に記載のロボットハンド機構。
3. 前記制御手段は超音波モータを有し、
   前記指部の前記角度が前記関節可動角度制限位置に到達するまでの前記超音波モータの駆動トルクは、
   前記指部の前記角度が前記関節可動角度制限位置から原点復帰するまでの間の前記超音波モータの前記駆動トルクよりも小さい請求項１又は２に記載のロボットハンド機構。

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