JP2021003735A - Robot control system and robot finger mechanism - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アーム部とアームの先端に取り付けられたハンド部からなるロボットの制御システムに関し、特にハンド部を構成する指機構把持力の学習に関する。 The present invention relates to a robot control system including an arm portion and a hand portion attached to the tip of the arm, and more particularly to learning of a finger mechanism gripping force constituting the hand portion.
ロボットハンドにより物体を把持して持ち上げる際に把持力が大きすぎると物体が破壊したり変形し、逆に小さすぎると持ち上げた際に落下することになる。このような点を改善するために特許文献1〜4が提案されている。 If the gripping force is too large when the robot hand grips and lifts the object, the object will be destroyed or deformed, and if it is too small, the object will fall when lifted. Patent Documents 1 to 4 have been proposed to improve such a point.
特許文献1には、アクチュエータを駆動させて、載置されている物体を2以上の指機構(把持部材)で把持し、把持力を徐々に大きくしつつこれらの指機構を上昇させて物体の表面に対して指機構を滑らせ、荷重検出手段により検出される物体の表面に沿った方向に作用する荷重が一定になったときの把持力を、物体を持ち上げる際に必要な把持力として決定することが開示されている。 In Patent Document 1, an actuator is driven to grip an object on which it is placed by two or more finger mechanisms (grasping members), and these finger mechanisms are raised while gradually increasing the gripping force of the object. The gripping force when the load acting in the direction along the surface of the object detected by the load detecting means becomes constant by sliding the finger mechanism with respect to the surface is determined as the gripping force required when lifting the object. It is disclosed to do.
特許文献2には、ロボットハンドの指先に把持対象物の滑りを検出するセンサを設置しておき、把持対象物の滑りがこのセンサで検知された場合は、指の把持力を把持力制御装置により把持力を所定量増加することが開示されている。特に、特許文献2ではロボットハンドから人の手に把持対象物を渡す際には、仮に滑りが発生した場合でも把持力を強めないようにしている。 In Patent Document 2, a sensor for detecting the slip of the gripping object is installed at the fingertip of the robot hand, and when the slip of the gripping object is detected by this sensor, the gripping force of the finger is controlled by the gripping force control device. Discloses that the gripping force is increased by a predetermined amount. In particular, in Patent Document 2, when the gripping object is handed from the robot hand to the human hand, the gripping force is not strengthened even if slippage occurs.
特許文献3には、少なくとも2本の指部を有するハンド部と、指部が物体から受ける接触力を測定する接触力測定手段と、指部が物体表面で摺動した際に接触力測定手段によって測定される接触力の振動周波数を測定する周波数測定手段と、周波数測定手段によって測定された振動周波数に基づいて、ハンド部が物体を把持する把持動作を調節することが開示されている。
特許文献4には、ロボットアームとハンドとの接続部に設けた力センサが所定の運動に伴ってハンドに作用する外力を検出し、この外力の値に追随させて、把持力指令装置がハンド制御装置に指令する把持力の値を変更することが開示されている。 In Patent Document 4, a force sensor provided at a connection portion between a robot arm and a hand detects an external force acting on the hand in accordance with a predetermined motion, and the grip force command device follows the value of the external force to cause the hand. It is disclosed to change the value of the gripping force commanded to the control device.
ロボットによって把持される物には、柔らかい物、硬い物、軽い物、重い物など同じ大きさであっても、その性状は千差万別である。 Even if the objects grasped by the robot have the same size, such as soft objects, hard objects, light objects, and heavy objects, their properties vary widely.
特許文献1では把持対象物が何かを判断せずに必要な把持力を割り出すようにしており、把持する物が決まっている場合等、その応用範囲が極めて狭い。 In Patent Document 1, the required gripping force is determined without determining what the gripping object is, and the range of application thereof is extremely narrow, such as when the gripping object is determined.
特許文献2には、滑りが発生するか否かで把持力を決定しているが、把持対象物の表面には、滑りやすい表面と滑りにくい表面があり、滑らないからと言って落下しない状態で把持しているとは限らない。 In Patent Document 2, the gripping force is determined by whether or not slippage occurs. However, the surface of the gripping object has a slippery surface and a non-slippery surface, and the state where the gripping object does not fall even if it does not slip. It is not always held by.
特許文献3も特許文献1と同様に把持対象物が何かを判断せず、その代わり、接触力の振動周波数を測定することで、把持力を決定している。このため、壊れやすい対象物を強く掴んでしまうことが考えられる。
Similar to Patent Document 1,
特許文献4に開示される方法では、ハンドに作用する外力を検出して把持力を決定しているが、応答遅れによって被把持物が破損しやすい。 In the method disclosed in Patent Document 4, the gripping force is determined by detecting the external force acting on the hand, but the object to be gripped is easily damaged due to the response delay.
従来のロボットにあっては、被把持物を把持する力は表面の滑りを考慮し、滑らない範囲で小さな把持力で掴めば、破壊しないし且つ落下もしないという考えである。しかしながら、同じ表面の滑り具合でも、柔らかい物(変形しやすい物)と変形しにくい物では、柔らかい物はある程度強く把持しても壊れないが、同じ把持力で変形しにくい物を把持すると破損が生じやすい。 In a conventional robot, the force for gripping an object to be gripped is considered to be slippery on the surface, and if the robot is gripped with a small gripping force within a non-slip range, it will not be destroyed and will not fall. However, even if the surface is slippery, soft objects (easy to deform) and hard objects will not break even if they are gripped strongly to some extent, but they will break if they are gripped with the same gripping force. It is easy to occur.
更に、特許文献1〜4に開示されるロボットハンドによる把持は、ロボットハンドが把持対象物に触れた後に制御を行うようにしている。このため、把持開始から終了まで時間がかかってしまう。 Further, the gripping by the robot hand disclosed in Patent Documents 1 to 4 is controlled after the robot hand touches the gripping object. Therefore, it takes time from the start to the end of gripping.
本発明はアーム部先端に複数の指機構を備えたハンド部を取付けたロボットの制御システムである。
この制御システムは前記アーム部及び前記指機構を動作せしめるアクチュエータに制御信号を送信する制御装置と、被把持物の画像情報を取得するカメラと、前記カメラからの情報に基づいて被把持物が何であるかを判断する判断部とを備え、前記制御装置の記憶部には被把持物の外形位置から内側領域への指機構の侵入値が被把持物の種類ごとに記憶され、前記制御装置は前記アーム部およびハンド部に被把持物の形状、向きに応じた姿勢をとるための信号を送信し、更に前記制御装置は判断部からの被把持物が何であるかの情報を受取り、この情報に基づき前記指機構に被把持物の外形位置から内側領域への侵入値まで閉じさせる信号をアクチュエータに送信する。
The present invention is a robot control system in which a hand portion having a plurality of finger mechanisms is attached to the tip of the arm portion.
This control system includes a control device that transmits a control signal to the arm portion and an actuator that operates the finger mechanism, a camera that acquires image information of the object to be gripped, and what is the object to be gripped based on the information from the camera. The control device is provided with a determination unit for determining the presence or absence, and the intrusion value of the finger mechanism from the external position of the gripped object to the inner region is stored in the storage unit of the control device for each type of the gripped object. A signal for taking a posture according to the shape and orientation of the object to be gripped is transmitted to the arm portion and the hand portion, and the control device further receives information on what the object to be gripped is from the determination unit, and this information. A signal for closing the finger mechanism from the outer position of the object to be gripped to the intrusion value into the inner region is transmitted to the actuator.
前記指機構の被把持物の外形位置から内側領域への侵入値を決めるのは、予め被把持物の種類ごとに試験を行い、破壊に至った時の侵入値、落下した時の侵入値を知り、これら破壊に至った時の侵入値と落下した時の侵入値の中間値(必ずしも平均値でなくてもよい)を被把持物の外形位置から内側領域への侵入値とする。
尚、上記の決定手法は、シュークリームや握り鮨などの柔らかい被把持物に有効である。被把持物が把持力を強くしても破壊や変形を起こさない場合には落下した時の把持力よりも強い把持力を設定する。
To determine the intrusion value into the inner region from the external position of the object to be gripped by the finger mechanism, a test is performed in advance for each type of the object to be grasped, and the intrusion value when the object is destroyed and the intrusion value when the object is dropped are determined. Knowingly, the median value (not necessarily the average value) between the intrusion value when the fracture is reached and the intrusion value when the product is dropped is set as the intrusion value from the outer position of the object to be gripped to the inner region.
The above determination method is effective for soft objects to be gripped such as cream puffs and sushi. If the object to be gripped does not break or deform even if the gripping force is increased, a gripping force stronger than the gripping force when dropped is set.
また、本発明に係るロボットの制御システムを実施する指機構としては、掌と平行な面に沿って指が内側(右側)または外側(左側)に曲がる構成のものが考えられる。
具体的には、連結する複数の骨部材と、この骨部材を回動させる複数のリンク部材と、この複数のリンク部材を駆動する駆動部材からなる指機構であって、前記複数のリンク部材は駆動部材からの駆動力を受けて指機構を開閉するとともに複数のリンク部材のうちの1つは指機構の初期位置を決める機能を有し、この初期位置を決める機能を有するリンクはロッド状をなすとともに外部からの信号によって自らの長さを可変とされるとともに左右に対をなして配置され、また、前記指機構は基部に対し先部が掌と平行な面に沿って揺動可能に枢着され、前記リンクの先端は指機構の先部に後端は指機構の基部に連結されている。
Further, as a finger mechanism for carrying out the robot control system according to the present invention, it is conceivable that the finger bends inward (right side) or outward (left side) along a plane parallel to the palm.
Specifically, it is a finger mechanism including a plurality of bone members to be connected, a plurality of link members for rotating the bone members, and a drive member for driving the plurality of link members, and the plurality of link members are The finger mechanism is opened and closed by receiving the driving force from the driving member, and one of the plurality of link members has a function of determining the initial position of the finger mechanism, and the link having the function of determining the initial position is rod-shaped. At the same time, its length is made variable by a signal from the outside, and it is arranged in pairs on the left and right, and the finger mechanism can swing along the plane whose tip is parallel to the palm with respect to the base. It is pivotally attached, with the tip of the link connected to the front of the finger mechanism and the rear end to the base of the finger mechanism.
本発明に係るロボットの制御システムによれば、ロボットハンドが被把持物に触れる前に、予め当該被把持物が何であるかを判断し、この判断に基づいて全把持計画を実行するため、時間短縮を図ることができる。 According to the robot control system according to the present invention, before the robot hand touches the object to be gripped, it is determined in advance what the object to be gripped is, and based on this determination, the entire gripping plan is executed. It can be shortened.
特に、果物、ケーキ、握り鮨などの柔らかくて掴みにくく、壊れやすい被把持物であっても、本発明に係るロボットの制御システムによれば、把持前に把持計画を作成できるため、被把持物を崩すことなく繊細なタッチで掴んで搬送することができる。 In particular, even if the object to be gripped is soft, difficult to grasp, and fragile, such as fruits, cakes, and sushi, according to the control system of the robot according to the present invention, a gripping plan can be created before gripping the object to be gripped. It can be grasped and transported with a delicate touch without breaking.
本発明に係るロボットの制御システムによれば、カメラによって所得した被把持物に基づき、AI等の判断部で当該被把持物が何であるかを判断し、また制御部の記憶部には各被把持物の種類ごとに、カメラで捉えた画像の外形線からの内側への適正な侵入値が記憶されているので、被把持物を壊したり落下させることなく適正な把持力で被把持物を把持することができる。 According to the control system of the robot according to the present invention, based on the object to be grasped by the camera, the determination unit such as AI determines what the object to be gripped is, and the storage unit of the control unit has each subject. Since the appropriate intrusion value from the outline of the image captured by the camera to the inside is stored for each type of gripped object, the gripped object can be gripped with an appropriate gripping force without breaking or dropping the gripped object. Can be grasped.
ロボットはアーム部1とハンド部20からなり、アーム部1はベース2に支柱3が固定され、この支柱3の軸を中心としてアーム4がアクチュエータ5(モータ)により回動する。同様にアーム4の軸を中心としてアーム6がアクチュエータ7により回動し、アーム8の軸を中心としてアーム9がアクチュエータ10により回動し、アーム9の軸を中心としてアーム11がアクチュエータ12により回動し、アーム11の先端に取付けられたハンド部20がアクチュエータ13によりアーム11の軸を中心として回動する。
尚、アームの組付け方は上記の構造に限らない。
The robot includes an arm portion 1 and a
The method of assembling the arm is not limited to the above structure.
図示したハンド部20は人間型ハンドで、5本の指機構30を備えている。また、ハンド部20またはアーム11先端にはカメラ(3Dセンサ)21が設けられ、このカメラ21で取得した被把持物の画像が制御部22に送られる。カメラ21は複数設けて被把持物を異なる角度で観察するようにしてもよい。
The illustrated
制御部22は被把持物の判断部23と双方向通信可能とされている。判断部23はロボットの一部に組み込まれる制御部22とは別のクラウドコンピュータなどに設けるか、制御部22の一部に設けてもよい。 The control unit 22 is capable of bidirectional communication with the determination unit 23 of the object to be gripped. The determination unit 23 may be provided in a cloud computer or the like other than the control unit 22 incorporated in a part of the robot, or may be provided in a part of the control unit 22.
カメラ21で取得した被把持物の画像は制御部22を介して判断部23に送られ、判断部23ではAI(人工知能)を用いて被把持物が何であるかを判断する。判断に用いるファクターとしては、例えば形、色、大きさ、向きとする。また、被把持物が何であるかを判断した後に、重心位置なども算出することもできる。
The image of the object to be gripped by the
制御部22は判断部23からの情報によりロボットアーム1と指機構30を制御する。
具体的には、被把持物の大きさ、向きなどからハンド部20が最も被把持物を掴みやすい姿勢をとれるようにアーム部1を構成するアクチュエータ5、7、10、12、13に制御信号を発し、アーム4、6、8、9、11を動かす。
The control unit 22 controls the robot arm 1 and the
Specifically, control signals are sent to the
制御部22は記憶部を有しており、この記憶部には各被把持物の種類ごとに、指機構30で被把持物を把持する際の適切な保持力として、被把持物の外形位置から内側領域への侵入値が記憶されている。
The control unit 22 has a storage unit, and the storage unit has an external position of the object to be gripped as an appropriate holding force when the
この侵入値は予め個々の被把持物に対して破壊および把持(落下)試験を行い決定する。具体的には、被把持物の外形線(輪郭)を基準とし、この外形線よりも内側領域の特定位置まで指機構30が侵入するように指機構30のアクチュエータに制御信号を発する。何回か試験を繰り返し、被把持物が破壊或いは変形する侵入値(最大侵入値)を割り出す。
また、上記の侵入値よりも小さな値で把持し、被把持物をその重さでハンド部20で掴めず持ち上げられない侵入値(最小侵入値)を割り出す。
これら最大侵入値と最小侵入値との間に最適な侵入値が存在する。本実施例では最大侵入値と最小侵入値の平均値を最適侵入値として採用した。
This penetration value is determined in advance by performing a fracture and grip (drop) test on each object to be gripped. Specifically, the control signal is sent to the actuator of the
Further, the intrusion value (minimum intrusion value) that cannot be lifted because the
There is an optimum intrusion value between these maximum intrusion values and the minimum intrusion values. In this example, the average value of the maximum intrusion value and the minimum intrusion value was adopted as the optimum intrusion value.
上記最適侵入値は制御部22からサーボコントローラ24を介して各指機構30のアクチュエータに送信される。
The optimum intrusion value is transmitted from the control unit 22 to the actuator of each
指機構30の構造を図3〜8に基づいて説明する。
指機構30は基部31とこの基部31に対して軸32を介して掌に平行な方向(図3の上下方向)に揺動可能な先部33からなる。
The structure of the
The
基部31は人の指の中手骨に相当する第1骨部材34を備え、この第1骨部材34に直動アクチュエータ(駆動部材)35を取付けている。直動アクチュエータ35はロッド35aに沿って摺動子36がスライドする構造である。
The
指機構30の先部33は人の基節骨に相当する第2骨部材37を備え、この第2骨部材37の先端に中節骨に相当する第3骨部材38の基端部が回動自在に連結し、この第3骨部材38の先端に末節骨に相当する第4骨部材39が回動自在に連結している。
The
前記第2骨部材37の内側部には物を把持する際に当該物を傷付けないためのパッド40が取り付けられ、第4骨部材39の先端にも同様のパッド41が取り付けられている。
A
前記第1骨部材34の先端にはブラケット42が設けられ、このブラケット42には三角リンク43の中間部が回動自在に取付けられ、この三角リンク43の一端と前記摺動子36とは可変長リンク44で連結されている。
A
前記三角リンク43は左右に一対設けられ、また可変長リンク44も左右一対設けられている。可変長リンク44は図5に示すように、ステッピングモータ45を備え、外部からの指令信号を受けてステッピングモータ45の回転軸に取付けた雄ネジ部材46の回転でこれと螺合する筒状雌ネジ部材47が移動し、可変長リンク44が伸縮する。
A pair of
また、三角リンク43の回動中心及び可変長リンク44との枢着点の両方からオフセットされた三角形の頂点近傍にはリンク部材48の基端部が枢着され、このリンク部材48の先端部は第3骨部材38の基端部で第2骨部材37との連結部からオフセットされた位置に枢着されている。
Further, the base end portion of the
前記第3骨部材38の長さ方向の基端部寄りの位置にリンク部材49の基端部が枢着され、このリンク部材49の先端部は第4骨部材39の基端部で第3骨部材との連結部からオフセットされた位置に枢着されている。
The base end portion of the
前記直動アクチュエータ35及び可変長リンク44を構成するステッピングモータ45は所定の侵入値となるように制御部22からの信号を受けて駆動する。
可変長リンク44を縮めた場合、図6に示すように、摺動子35の位置はそのままで、三角リンク43が図において反時計方向に回動し、リンク部材48によって第3骨部材38が押され、第2骨部材37よりも先の部分が第2リンク部材48の回動中心を中心として反時計方向に回動する。そしてこの位置が可変長リンク44を縮めた状態での初期位置となる。
The stepping
When the
この状態から直動アクチュエータ35を駆動して、摺動子36を後方に移動させる。すると更に三角リンク部材43が反時計方向に回動し、同時にリンク部材48の押し動作によって第3骨部材38が回動し、また第3骨部材38の回動を受けて第4骨部材39が第3骨部材38との連結部を中心として反時計方向に回動することで、図7に示すようなパッド把持状態となる。
From this state, the
図3に示す状態を初期状態とするよりも図6に示す状態を初期状態とした方が、図7に示す把持状態となるまでの時間が短縮される。尚、把持する物の大きさが大きくなった場合にはステッピングモータ45を駆動して可変長リンク44を長くすることで対処する。ステッピングモータ45の駆動は予めプログラムに組み込んでおくこともできるが、必要な時に無線信号でステッピングモータ45を制御することも可能である。
It takes less time to reach the gripping state shown in FIG. 7 when the state shown in FIG. 6 is set as the initial state than when the state shown in FIG. 3 is set as the initial state. When the size of the object to be gripped becomes large, the stepping
また、本実施例にあっては、左右の可変長リンク44を構成するステッピングモータ45は個別に制御される。
図8においては、可変長リンク44aを伸長し、可変長リンク44bを短縮している。その結果指機構30の基部31に対して先部33が横方向に若干揺動する。このように横方向にも微細な動きを行うことで、従来では掴めなかった物でも容易に掴むことができる。
Further, in this embodiment, the stepping
In FIG. 8, the
また、本発明に係るロボットにあっては、指機構30の基部31に被把持物が位置し、その状態から直動アクチュエータ35を駆動すると、馴染み機構によって特にコンピュータ制御しなくてもリンク機構によって先部33が被把持物の形状に倣って曲がるので、把持できる物の自由度が高い。
Further, in the robot according to the present invention, when the object to be gripped is located at the
図9は、本発明に係るロボットの制御システムを利用して、オレンジを把持した状態を示している。各指機構30がオレンジの形状に沿って曲がっていることを確認できる。
FIG. 9 shows a state in which the orange is gripped by using the robot control system according to the present invention. It can be confirmed that each
本発明に係るロボットの制御システムは5本指の人間型ハンドだけでなく、3本指など指機構の本数には限定されない。 The robot control system according to the present invention is not limited to the number of finger mechanisms such as three fingers as well as the five-finger humanoid hand.
1…アーム部、2…ベース、3…支柱、4、6、8、9、11…アーム、5、7、10、12、13…アクチュエータ、20…ハンド部、21…カメラ、22…制御部、23…判断部、24…サーボコントローラ、30…指機構、31…基部、32…軸、33…先部、34…第1骨部材、35…直動アクチュエータ(駆動部材)、35a…ロッド、36…摺動子、37…第2骨部材、38…第3骨部材、39…第4骨部材、40、41…パッド、43…三角リンク、44…可変長リンク、45…ステッピングモータ、46…雄ネジ部材、47…筒状雌ネジ部材、48…リンク部材、49…リンク部材。
1 ... Arm part, 2 ... Base, 3 ... Support, 4, 6, 8, 9, 11 ... Arm, 5, 7, 10, 12, 13 ... Actuator, 20 ... Hand part, 21 ... Camera, 22 ... Control unit , 23 ... Judgment unit, 24 ... Servo controller, 30 ... Finger mechanism, 31 ... Base, 32 ... Axis, 33 ... Tip, 34 ... First bone member, 35 ... Linear actuator (drive member), 35a ... Rod, 36 ... Slider, 37 ... 2nd bone member, 38 ... 3rd bone member, 39 ... 4th bone member, 40, 41 ... Pad, 43 ... Triangular link, 44 ... Variable length link, 45 ... Stepping motor, 46 ... Male screw member, 47 ... Cylindrical female screw member, 48 ... Link member, 49 ... Link member.
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