JP2016043464A - ロボットハンド - Google Patents

Abstract

【課題】複数の指部を備えたロボットハンドにおいて、複数の指部で対象物を把持する際に、指部の指先部が反り返り状態となることを抑制する。【解決手段】ロボットハンドは、掌部と、掌部に接続された複数の指部と、複数の指部を制御するためのＥＣＵとを備える。各指部は、対象物を把持する把持面を有する指先部と、指先部に接続された指基部と、指基部に対して指先部を第１回転軸回りに回動させるための第１アクチュエータと、掌部に対して指基部を第１回転軸に平行な第２回転軸回りに回動させるための第２アクチュエータとを含む。ＥＣＵは、複数の指部で対象物を把持する際、指先部の先端が当該指先部と指基部との接続部分よりも他の指部から離れた側の領域である反り返り領域にある場合、第２アクチュエータを停止することによって指基部の回動を停止し、かつ第１アクチュエータを作動することによって指先部を他の指部に近づく方向に回動させる。【選択図】図４

Description

本発明は、掌部と、掌部に接続された複数の指部とを備えるロボットハンドに関する。

特開２００８−１１９７７０号公報（特許文献１）に開示されたロボットハンドは、掌部と、掌部に接続された複数の指部とを備える。各指部は、対象物を把持する把持面を有する指先部と、指先部に接続された指基部とを含む。複数の指部で対象物を把持する際には、各指部の関節を動かして各指先部の把持面を対象物に近づけて当接させる。

特開２００８−１１９７７０号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたロボットハンドにおいて、複数の指部で対象物を把持する際に、複数の指部の少なくともいずれかの指先部の先端が当該指先部と指基部との接続部分よりも他の指部から離れた側の領域（以下「反り返り領域」ともいう）に位置する（以下、指先部の先端が反り返り領域に位置する状態を「反り返り状態」ともいう）場合、対象物を安定的に把持することができない可能性がある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、複数の指部を備えたロボットハンドにおいて、複数の指部で対象物を把持する際に、指部の指先部が反り返り状態となることを抑制することである。

この発明に係るロボットハンドは、掌部と、掌部に接続された複数の指部と、複数の指部を制御するための制御部とを備える。複数の指部の少なくとも１つは、対象物を把持する把持面を有する指先部と、指先部に第１関節部を介して接続された指基部と、指先部を第１関節部の第１回転軸回りに回動させる第１アクチュエータと、指基部における第１関節部とは反対側に設けられた第２関節部と、指基部を第１回転軸に平行な第２関節部の第２回転軸回りに回動させるための第２アクチュエータとを含む。制御部は、複数の指部で対象物を把持する際、指先部の先端が第１関節部よりも他の指部から離れた側の領域である反り返り領域に位置するか否かを判定し、指先部の先端が反り返り領域に位置すると判定された場合、第２アクチュエータを停止することによって指基部の回動を停止し、かつ第１アクチュエータを作動することによって指先部を他の指部に近づく方向に回動させる。

好ましくは、反り返り領域は、複数の指部と掌部との接続部分を含む平面と垂直であってかつ第１回転軸を含む仮想面よりも他の指部から離れた側の領域である。

好ましくは、制御部は、第１回転軸および第２回転軸を含む第１平面と第１回転軸および指先部の先端を含む第２平面とがなす第１角度が、複数の指部と掌部との接続部分を含む平面と垂直であってかつ第２回転軸を含む第３平面と第１平面とがなす第２角度よりも小さい場合に、指先部の先端が反り返り領域に位置すると判定する。

好ましくは、ロボットハンドは、指基部に対する指先部の回転角を検出する第１回転角センサと、掌部に対する指基部の回転角を検出する第２回転角センサとをさらに備える。制御部は、第１回転角センサの出力および第２回転角センサの出力を用いてそれぞれ第１角度および第２角度を算出する。

好ましくは、制御部は、複数の指部で対象物を把持する際、指先部の先端が反り返り領域に位置すると判定されない場合、第１アクチュエータおよび第２アクチュエータの双方を作動することによって指先部を他の指部に近づける。

本発明によれば、複数の指部で対象物を把持する際に、指部の指先部が反り返り状態となることを抑制でき、対象物を安定して把持することができる。

ロボットハンドの斜視図である。 指部の制御に関する構造を示す図である。 指部で対象物を把持した時の姿勢を例示した図である。 ＥＣＵの処理手順を示すフローチャートである。 指先部が反り返り状態であるか否かを判定する手法の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本実施の形態によるロボットハンド１の斜視図である。ロボットハンド１は、掌部２と、３本の指部３Ａ〜３Ｃとを含む。なお、指部の数は３本に限定されず複数（２本以上）であればよい。また、各指部３Ａ〜３Ｃは、それぞれ、複数の指ユニットおよび関節部を備える。

指部３Ａは、２つの指ユニット、具体的には、対象物を把持する把持面を有する指先部１０Ａと、指基部２０Ａとを備える。指先部１０Ａは、第１回転軸Ｓ１を有する第１関節部を介して指基部２０Ａに接続される。すなわち、指先部１０Ａは、指基部２０Ａに対して第１回転軸Ｓ１回りに回動可能に接続される。

指基部２０Ａにおける第１関節部とは反対側には、第１回転軸Ｓ１と平行な第２回転軸を有する第２関節部が設けられる。指基部２０Ａは、第２関節部を介して掌部２に接続される。すなわち、指基部２０Ａは、掌部２に対して第１回転軸Ｓ１と平行な第２回転軸Ｓ２回りに回動可能に接続される。なお、指基部２０Ａの第２関節部と掌部２との間に、さらに別の指ユニットおよび関節部を追加してもよい。

指部３Ａは、各関節部を動作させるための複数のアクチュエータ（図示せず）を備える。アクチュエータは、たとえば超音波モータで実現することができる。

指部３Ｂ，３Ｃは、指部３Ａと対向するように配置される。指部３Ｂ，３Ｃの構成は、基本的に指部３Ａと同じである。すなわち、指部３Ｂは、指先部１０Ｂと、指基部２０Ｂと、各関節部を動作させるための複数のアクチュエータとを備える。同様に、指部３Ｃは、指先部１０Ｃと、指基部２０Ｃと、各関節部を動作させるための複数のアクチュエータとを備える。ロボットハンド１は、３本の指部３Ａ〜３Ｃの動作を制御することによって、３本の指部３Ａ〜３Ｃの間の領域にある対象物を挟んで把持することができる。

図２は、指部３Ａ〜３Ｃの制御に関する構造を示す図である。なお、図２は、ロボットハンド１を第１回転軸Ｓ１および第２回転軸Ｓ２に沿う方向から見た状態を模式的に示している。

ロボットハンド１は、各指部３Ａ〜３Ｃの関節部を動作させるための第１アクチュエータ３１Ａ〜３１Ｃおよび第２アクチュエータ３２Ａ〜３２Ｃと、回転角センサ４１Ａ〜４１Ｃ，４２Ａ〜４２Ｃと、在荷検出センサ５０と、各アクチュエータを制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００とを備える。

第１アクチュエータ３１Ａ、第２アクチュエータ３２Ａおよび回転角センサ４１Ａ，４２Ａは、指部３Ａに設けられる。第１アクチュエータ３１Ａは、指基部２０Ａに対して指先部１０Ａを第１回転軸Ｓ１回りに回動させる。第２アクチュエータ３２Ａは、掌部２に対して指基部２０Ａを第２回転軸Ｓ２回りに回動させる。回転角センサ４１Ａは、指基部２０Ａに対する指先部１０Ａの相対回転角を検出してＥＣＵ１００に出力する。回転角センサ４２Ａは、掌部２に対する指基部２０Ａの相対回転角を検出してＥＣＵ１００に出力する。なお、回転角センサ４１Ａ，４２Ａは、たとえばエンコーダによって実現することができる。

指部３Ｂに設けられる第１アクチュエータ３１Ｂ、第２アクチュエータ３２Ｂおよび回転角センサ４１Ｂ、４２Ｂは、それぞれ指部３Ａの第１アクチュエータ３１Ａ、第２アクチュエータ３２Ａおよび回転角センサ４１Ａ、４２Ａと同様の構造および機能を有する。指部３Ｃに設けられる第１アクチュエータ３１Ｃ、第２アクチュエータ３２Ｃおよび回転角センサ４１Ｃ、４２Ｃも、それぞれ指部３Ａの第１アクチュエータ３１Ａ、第２アクチュエータ３２Ａおよび回転角センサ４１Ａ、４２Ａと同様の構造および機能を有する。そのため、これらついての詳細な説明は繰り返さない。

在荷検出センサ５０は、指部３Ａの把持面に設けられ、外部から受けた力を押付力Ｆとして検出してＥＣＵ１００に出力する。なお、在荷検出センサ５０は、必ずしも把持面に設けられることに限定されない。たとえば、指部３Ａが対象物と接触したことによって伸縮するベルトが指部３Ａの根元付近に設けられる場合には、在荷検出センサとして、当該ベルトの伸縮を検出するエンコーダを当該ベルトの近傍（指部３Ａの根元付近）に設けるようにしてもよい。

ＥＣＵ１００は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを内蔵し、当該メモリに記憶された情報および各センサの出力などに基づいて指部３Ａ〜３Ｃに設けられた各アクチュエータを制御する。ＥＣＵ１００は、指部３Ａ〜３Ｃで対象物を把持する際、指部３Ａ〜３Ｃが他の指部に近づく方向（以下「閉方向」という）にそれぞれ回動するように各アクチュエータを制御する。一方、ＥＣＵ１００は、指部３Ａ〜３Ｃで把持している対象物を解放する際、指部３Ａ〜３Ｃが他の指部から遠ざかる方向（以下「開方向」という）にそれぞれ回動するように各アクチュエータを制御する。

以上のような構成を有するロボットハンド１において、指部３Ａ〜３Ｃで対象物を把持する際に、指先部１０Ａ〜１０Ｃの少なくともいずれかが反り返り状態である場合、対象物を安定して把持できない可能性がある。「反り返り状態」とは、指先部の先端が当該指先部と指基部との接続部分（第１関節部）よりも他の対向する指部から離れた領域（以下「反り返り領域」という）に位置する状態をいう。したがって、「指先部１０Ａが反り返り状態である場合」とは、指先部１０Ａの先端が指部２Ａの第１関節部よりも指部３Ｂ，３Ｃから離れている場合である。同様に、「指先部１０Ｂが反り返り状態である場合」とは、指先部１０Ｂの先端が指部２Ｂの第１関節部よりも指部３Ａから離れている場合である。同様に、「指先部１０Ｃが反り返り状態である場合」とは、指先部１０Ｃの先端が指部２Ｃの第１関節部よりも指部３Ａから離れている場合である。

指部３Ａ〜３Ｃで対象物を把持する際に指先部１０Ａ〜１０Ｃの少なくともいずれかが上述した反り返り状態である場合、対象物を安定的に把持することができない可能性がある。この点について図３を用いて説明する。

図３は、指部３Ａ〜３Ｃで対象物を把持した時の姿勢（把持姿勢）を例示した図である。図３において、仮想平面Ｐ０は、指部３Ａ〜３Ｃと掌部２との接続部分を含む平面である。仮想平面Ｐ１は、指部３Ａ〜３Ｃの各々に仮想的に設定される平面である。指部３Ａの仮想平面Ｐ１は、仮想平面Ｐ０と垂直であって、かつ指部３Ａの第１回転軸Ｓ１（第１関節部）を含む平面である。指部３Ｂにおける仮想平面Ｐ１は、仮想平面Ｐ０と垂直であって、かつ指部３Ｂの第１回転軸Ｓ１（第１関節部）を含む平面である。指部３Ｃの仮想平面Ｐ１は、仮想平面Ｐ０と垂直であって、かつ指部３Ｃの第１回転軸Ｓ１（第１関節部）を含む平面である。

図３（Ａ）に示す把持姿勢においては、指先部１０Ａ〜１０Ｃがそれぞれの仮想平面Ｐ１上に位置する。図３（Ｂ）に示す把持姿勢においては、指先部１０Ａ〜１０Ｃがそれぞれの仮想平面Ｐ１よりも他の指部に近い側の領域に位置する。これらの把持姿勢においては、指先部１０Ａ〜１０Ｃの把持面で対象物をしっかりと挟むことができるため、対象物を安定して把持することができる。

一方、図３（Ｃ）に示す把持姿勢においては、指先部１０Ａ〜１０Ｃはそれぞれの反り返り領域（それぞれの仮想平面Ｐ１よりも他の指部から離れた側の領域）に位置する反り返り状態となっている。このような状態では、対象物を持ち上げようとする際に対象物が滑り落ちる可能性があり、対象物を安定して把持することができない。

そこで、本実施の形態においては、指部３Ａ〜３Ｃで対象物を把持する動作（以下「把持動作」という）を行なう際、各指部の指先部が反り返り状態であるか否かを判定し、反り返り状態と判定された指先部がある場合には当該指先部に接続された指基部の回動を停止し、かつ当該指先部を上述の閉方向（他の指部に近づく方向）に回動させる。これにより、指部３Ａ〜３Ｃが対象物に当接して対象物を把持する際に、各指部の指先部が反り返り状態となることを抑制する。

図４は、各指部３Ａ〜３Ｃの把持動作を行なう場合のＥＣＵ１００の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、各指部３Ａ〜３Ｃに対してそれぞれ独立して実行される。以下の説明では、代表として、指部３Ａの把持動作を行なう場合について説明する。

ステップ（以下、ステップを「Ｓ」と略す）１０にて、ＥＣＵ１００は、指先部１０Ａが反り返り状態であるか否かを判定する。すなわち、ＥＣＵ１００は、指先部１０Ａが反り返り領域（仮想平面Ｐ１よりも他の指部３Ｂ，３Ｃから離れた側の領域）にあるか否かを判定する。

指先部１０Ａが反り返り状態である場合（Ｓ１０にてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、Ｓ１１にて、第２アクチュエータ３２Ａを停止することによって指基部２０Ａの回動を停止し、かつ第１アクチュエータ３１Ａを作動することによって指先部１０Ａを閉方向に回動させる。

一方、指先部１０Ａが反り返り状態でない場合（Ｓ１０にてＮＯ）、ＥＣＵ１００は、Ｓ１２にて、第１アクチュエータ３１Ａおよび第２アクチュエータ３２Ａの双方を作動することによって指先部１０Ａを他の指部３Ｂ，３Ｃに近づける。なお、第１アクチュエータ３１Ａおよび第２アクチュエータ３２Ａの双方を作動させて指先部１０Ａを他の指部３Ｂ，３Ｃに近づける方法には、さまざまなパターンが考えられる。たとえば、指基部２０Ａを他の指部３Ｂ，３Ｃに近づけるように第２アクチュエータ３２Ａを閉方向に所定角回動させつつ、指先部１０Ａの把持面が仮想平面Ｐ１と平行な状態となるように第１アクチュエータ３１Ａを開方向に所定角回動させるようにしてもよい。また、指先部１０Ａをより早期に対象物に当接させるために、第１アクチュエータ３１Ａおよび第２アクチュエータ３２Ａの双方を閉方向に所定角ずつ回動させるようにしてもよい。

Ｓ１３にて、押付力Ｆ（在荷検出センサ５０の出力）が目標値に到達したか否かを判定する。押付力Ｆが目標値に到達していない場合（Ｓ１３にてＮＯ）、ＥＣＵ１００は、処理をＳ１０に戻す。

押付力Ｆが目標値に到達した場合（Ｓ１３にてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、Ｓ１４にて把持動作が完了したと判定する。この際、第１アクチュエータ３１Ａおよび第２アクチュエータ３２Ａが超音波モータである場合には、ＥＣＵ１００は、第１アクチュエータ３１Ａおよび第２アクチュエータ３２Ａの双方を停止する。超音波モータは、一般的に、停止時（非通電時）には、ロータがステータに面接触して摩擦保持される。したがって、対象物は、各超音波モータ停止時の摩擦保持力によって把持される。

図５は、図４のＳ１０にて指先部１０Ａが反り返り状態であるか否かを判定する手法の一例を示す図である。なお、この手法は他の指先部１０Ｂ，１０Ｃの判定にも適用可能である。

ＥＣＵ１００は、平面αと平面βとがなす角度θｖが仮想平面Ｐ２と平面αとがなす角度θｘよりも小さい場合に、指先部１０Ａが反り返り状態である（指先部１０Ａの先端が反り返り領域に位置する）と判定する。「平面α」は、指部３Ａの第１回転軸Ｓ１および第２回転軸Ｓ２を含む平面である。「平面β」は、指部３Ａの第１回転軸２１および指先部１０Ａの先端を含む平面である。「仮想平面Ｐ２」は、複数の指部と掌部との接続部分を含む仮想平面Ｐ０と垂直であって、かつ指部３Ａの第２回転軸Ｓ２を含む平面である。

具体的には、ＥＣＵ１００は、下記の式（１）が成立している場合に、指先部１０Ａが反り返り状態であると判定する。

−θｘ＋θｖ＜０ …（１）
上記の式（１）において、「−θｘ」は、仮想平面Ｐ２を基準とした時の平面αの開方向の相対回転角である。「＋θｖ」は、平面αを基準とした時の平面βの閉方向の相対回転角である。すなわち、「−θｘ＋θｖ」は、仮想平面Ｐ２を基準とした時の平面βの閉方向の相対回転角である。したがって、上記の式（１）「−θｘ＋θｖ＜０」が成立している場合には、指先部１０Ａの先端が仮想平面Ｐ２と平行な仮想平面Ｐ１よりも開方向側（他の指部３Ｂ，３Ｃから離れた側）に位置していることになる。なお、ＥＣＵ１００は、回転角センサ４１Ａの出力に基づいて「−θｘ」を算出し、回転角センサ４２Ａの出力に基づいて「＋θｖ」を算出する。

以上のように、本実施の形態によるロボットハンド１は、把持動作を行なう際、各指部の指先部が反り返り状態であるか否かを判定し、反り返り状態と判定された指先部がある場合には当該指先部に接続された指基部の回動を停止し、かつ当該指先部を閉方向に回動させる。これにより、対象物を把持する際に、各指部の指先部が反り返り状態となることを抑制することができる。

＜変形例＞
上述の本実施の形態においては、各指基部２０Ａ〜２０Ｃが一体的に設けられる場合を説明したが、各指基部２０Ａ〜２０Ｃの少なくともいずれかに１つ以上の関節を設けるようにしてもよい。

また、本実施の形態においては、各指基部２０Ａ〜２０Ｃが掌部２に直接的に接続される場合を説明したが、各指基部２０Ａ〜２０Ｃの少なくともいずれかは他のリンク部材を介して掌部２に接続されてもよい。この場合、第２回転軸Ｓ２を、指基部２０Ａ〜２０Ｃと他のリンク部材との接続部分に設けるようにすればよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ロボットハンド、２ 掌部、３Ａ，３Ｂ，３Ｃ 指部、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，３０Ａ 指先部、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ 指基部、３１Ａ〜３１Ｃ 第１アクチュエータ（超音波モータ）、３２Ａ〜３２Ｃ 第２アクチュエータ（超音波モータ）、４１Ａ〜４１Ｃ，４２Ａ〜４２Ｃ 回転角センサ、５０ 在荷検出センサ、１００ ＥＣＵ、Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２ 仮想平面、Ｓ１ 第１回転軸、Ｓ２ 第２回転軸。

Claims (5)

1. 掌部と、
   前記掌部に接続された複数の指部と、
   前記複数の指部を制御するための制御部とを備え、
   前記複数の指部の少なくとも１つは、
   対象物を把持する把持面を有する指先部と、
   前記指先部に第１関節部を介して接続された指基部と、
   前記指先部を前記第１関節部の第１回転軸回りに回動させる第１アクチュエータと、
   前記指基部における前記第１関節部とは反対側に設けられた第２関節部と、
   前記指基部を前記第１回転軸に平行な前記第２関節部の第２回転軸回りに回動させるための第２アクチュエータとを含み、
   前記制御部は、前記複数の指部で対象物を把持する際、前記指先部の先端が前記第１関節部よりも他の指部から離れた側の領域である反り返り領域に位置するか否かを判定し、前記指先部の先端が前記反り返り領域に位置すると判定された場合、前記第２アクチュエータを停止することによって前記指基部の回動を停止し、かつ前記第１アクチュエータを作動することによって前記指先部を前記他の指部に近づく方向に回動させる、ロボットハンド。
2. 前記反り返り領域は、前記複数の指部と前記掌部との接続部分を含む平面と垂直であってかつ前記第１回転軸を含む仮想面よりも前記他の指部から離れた側の領域である、請求項１に記載のロボットハンド。
3. 前記制御部は、前記第１回転軸および前記第２回転軸を含む第１平面と前記第１回転軸および前記指先部の先端を含む第２平面とがなす第１角度が、前記複数の指部と前記掌部との接続部分を含む平面と垂直であってかつ前記第２回転軸を含む第３平面と前記第１平面とがなす第２角度よりも小さい場合に、前記指先部の先端が前記反り返り領域に位置すると判定する、請求項１または２に記載のロボットハンド。
4. 前記ロボットハンドは、前記指基部に対する前記指先部の回転角を検出する第１回転角センサと、前記掌部に対する前記指基部の回転角を検出する第２回転角センサとをさらに備え、
   前記制御部は、前記第１回転角センサの出力および前記第２回転角センサの出力を用いてそれぞれ前記第１角度および前記第２角度を算出する、請求項３に記載のロボットハンド。
5. 前記制御部は、前記複数の指部で対象物を把持する際、前記指先部の先端が前記反り返り領域に位置すると判定されない場合、前記第１アクチュエータおよび前記第２アクチュエータの双方を作動することによって前記指先部を前記他の指部に近づける、請求項１〜４のいずれかに記載のロボットハンド。

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