JP2021030341A - ロボットハンド - Google Patents

Abstract

【課題】モータの定格トルクを超えるトルクに相当する把持力を得る。【解決手段】モータ１と、フィンガ４と、セルフロック機能を有し、モータ１の動力をフィンガ４に伝達する動力伝達機構と、自機の把持力に関する指標値に基づいて、モータ１に対する制御終了の要否を判定する終了判定部７０１と、指令値を算出する指令値演算部７０２と、指令値演算部７０２による算出結果に基づいてモータ１を制御するモータドライバ８とを備え、指令値演算部７０２は、終了判定部７０１により制御終了が必要であると判定されている場合に、モータ１が発生するトルクを低減する指令値を算出する。【選択図】図２

Description

この発明は、対象物を把持するロボットハンドに関する。

ロボットハンドが有する機能の一つとして「把持機能」がある。把持とは、例えばロボットハンドを用いて対象物（以降、ワークと称す）を運搬する際に、ワークを持ち上げるために挟み込み等の作用をワークに与える行為である。
ロボットハンドでは、一般的に、モータの回転動作をフィンガの把持開閉動作に変換している（例えば特許文献１参照）。

特開２０００−２８８９７１号公報

このようなロボットハンドは、より重いワークを持ち上げるため、大きな把持力を有することが望ましい。そして、ロボットハンドにおいて把持力を大きくするためには、モータが出力するトルクを大きくする必要がある。

ここで、モータには、一般的に、連続的に出力可能な定格トルクと、加減速する短時間のみ出力可能な最大トルクが設定されている。また、モータが出力するトルクと、モータを駆動するための電流との間には線形性がある。そのため、この関係から、モータが所定のトルクを出力するのに必要な電流を求められる。
一方、モータに定格電流を超える電流を加え続けると、モータが熱損傷を起こす、又は、モータを制御するモータドライバが、モータが熱損傷を起こす前に、モータ保護のためにアラームを発生してモータを停止させる。よって、モータに定格電流を超える電流を加え続けることはできず、ロボットハンドは定格トルクに相当する把持力までしか得られない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、モータの定格トルクを超えるトルクに相当する把持力を得られるロボットハンドを提供することを目的としている。

この発明に係るロボットハンドは、モータと、フィンガと、セルフロック機能を有し、モータの動力をフィンガに伝達する動力伝達機構と、自機の把持力に関する指標値に基づいて、モータに対する制御終了の要否を判定する終了判定部と、指令値を算出する指令値演算部と、指令値演算部による算出結果に基づいてモータを制御するモータドライバとを備え、指令値演算部は、終了判定部により制御終了が必要であると判定されている場合に、モータが発生するトルクを低減する指令値を算出することを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、モータの定格トルクを超えるトルクに相当する把持力を得られる。

図１Ａは、実施の形態１に係るロボットハンドの構成例を示す模式図であり、図１Ｂは、図１Ａにおけるセンサによる検出を説明する図である。 実施の形態１に係るロボットハンドの構成例を示すブロック図である。 図３Ａ、図３Ｂは、この発明の実施の形態１におけるセンサの構成例（フルブリッジ回路）及び配置例を示す図である。 実施の形態１における把持力演算部及びコントローラによる把持力制御の全体動作例を示すフローチャートである。 図５Ａ、図５Ｂは、実施の形態１に係るロボットハンドの把持力と、モータに加える電流との関係の一例を示す図である。 実施の形態１における把持力演算部及びコントローラによる目標追従制御の一例を示すフローチャートである。 実施の形態１における把持力演算部及びコントローラによる外力追従制御の一例を示すフローチャートである。 図８Ａは、この発明の実施の形態１に係るロボットハンドの別の構成例を示す模式図であり、図８Ｂは、図８Ａにおけるセンサによる検出を説明する図である。 この発明の実施の形態１に係るロボットハンドの別の構成例を示す模式図である。 この発明の実施の形態１に係るロボットハンドの別の構成例を示す模式図である。 この発明の実施の形態１に係るロボットハンドの別の構成例を示す模式図である。 この発明の実施の形態１に係るロボットハンドの別の構成例を示す模式図である。 実施の形態２に係るロボットハンドの構成例を示すブロック図である。 図１４Ａ〜図１４Ｃは、実施の形態２に係るロボットハンドの把持力と、フィンガの位置と、モータに加える電流との関係の一例を示す図である。 図１５Ａ〜図１５Ｃは、実施の形態２に係るロボットハンドの把持力と、剛性推定値と、モータに加える電流との関係の一例を示す図である。 この発明の実施の形態３に係るロボットハンドの構成例を示す模式図である。

以下、この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。
実施の形態１．
図１，２は実施の形態１に係るロボットハンドの構成例を示す図である。
ロボットハンドは、ワーク（不図示）を把持する。このロボットハンドは、図１，２に示すように、モータ１、１つ以上のウォームギア（動力伝達機構）２、１つ以上のリンク機構３、１つ以上のフィンガ４、１つ以上のセンサ５、把持力演算部６、コントローラ７及びモータドライバ８を備えている。なお図１では、把持力演算部６、コントローラ７及びモータドライバ８の図示を省略している。また、ウォームギア２及びリンク機構３は駆動伝達機構９を構成する。また以下では、同一の構成要素が複数系統存在する場合には、その構成要素を示す符号に系統毎の接尾記号（−１，−２，・・・）を付すものとし、また、特に区別する必要がない場合には接尾記号を付さずに説明を行う。

モータ１は、ロボットハンドに把持力を発生させるための駆動源である。図１では、モータ１が有する出力軸１０１が単軸であり、モータ１が出力軸１０１により回転出力を行う場合を示している。また、モータ１は、図２に示すように、モータ１の回転角度（回転位置）を検出するエンコーダ１０２を有していてもよい。

ウォームギア２は、モータ１の動力をフィンガ４に伝達する。図１では、ウォームギア２は、モータ１の動力をリンク機構３を介してフィンガ４に伝達する。
また、ウォームギア２は、セルフロック機能を有する。すなわち、ウォームギア２は、入力側から出力側を回転させることはできるが、出力側からは入力側を回転させることができない。そのため、このロボットハンドでは、フィンガ４が自然には開方向には動かず、小型化及び軽量化しつつ大きな把持力を得ることが可能である。

図１では、ロボットハンドが１つのウォームギア２を有する場合を示している。図１に示すウォームギア２は、モータ１が有する出力軸１０１に接続されたウォーム２０１と、ウォーム２０１に螺合したウォームホイール２０２−１と、ウォーム２０１に螺合したウォームホイール２０２−２とを有する。

なお図１では、モータ１とウォームギア２とが直接接続されている。しかしながら、これに限らず、例えば、モータ１とウォームギア２との間に傘歯ギアを設けてもよい。

リンク機構３は、４節のリンク機構である。図１では、ロボットハンドが２つのリンク機構３−１，３−２を有する場合を示している。

リンク機構３−１は、駆動リンク３０１−１、角度保持リンク３０２−１及び従動リンク３０３−１を有する。

駆動リンク３０１−１は、一端がヒンジピン（回転軸）３０４−１ａを介してウォームホイール２０２−１に接続されている。この駆動リンク３０１−１は、モータ１により駆動され、出力軸１０１の回転に応じて一端の揺動量（角度、速度又はトルク値等）が制御される。

角度保持リンク３０２−１は、一端が、ヒンジピン３０４−１ｂを介して、ロボットハンドの本体（不図示）に回転自在に接続されている。

従動リンク３０３−１は、駆動リンク３０１−１の他端がヒンジピン３０４−１ｃを介して回転自在に接続され、角度保持リンク３０２−１の他端がヒンジピン３０４−１ｄを介して回転自在に接続されている。図１では、駆動リンク３０１−１は従動リンク３０３−１の一端側に回転自在に接続され、角度保持リンク３０２−１は従動リンク３０３−１の他端側に回転自在に接続されている。

リンク機構３−２は、駆動リンク３０１−２、角度保持リンク３０２−２及び従動リンク３０３−２を有する。

駆動リンク３０１−２は、一端がヒンジピン（回転軸）３０４−２ａを介してウォームホイール２０２−２に接続されている。この駆動リンク３０１−２は、モータ１により駆動され、出力軸１０１の回転に応じて一端の揺動量（角度、速度又はトルク値等）が制御される。

角度保持リンク３０２−２は、一端が、ヒンジピン３０４−２ｂを介して、ロボットハンドの本体に回転自在に接続されている。

従動リンク３０３−２は、駆動リンク３０１−２の他端がヒンジピン３０４−２ｃを介して回転自在に接続され、角度保持リンク３０２−２の他端がヒンジピン３０４−２ｄを介して回転自在に接続されている。図１では、駆動リンク３０１−２は従動リンク３０３−２の一端側に回転自在に接続され、角度保持リンク３０２−２は従動リンク３０３−２の他端側に回転自在に接続されている。

フィンガ４は、ワークの把持を行う部位である。図１では、ロボットハンドが２つのフィンガ４−１，４−２を有する場合を示している。

フィンガ４−１は、一端が従動リンク３０３−１の一端に接続され、従動リンク３０３−１に連動して運動する。図１では、フィンガ４−１は従動リンク３０３−１と一体に構成されている。

フィンガ４−２は、一端が従動リンク３０３−２の一端に接続され、従動リンク３０３−２に連動して運動する。図１では、フィンガ４−２は従動リンク３０３−２と一体に構成されている。

なお、ロボットハンドが１つのフィンガ４のみを有する場合には、ロボットハンドはこのフィンガ４と壁等の固定部材を用いてワークの把持を行う。

センサ５は、１つ以上のリンク機構３における駆動リンク３０１に設けられ、取付けられた部位の変位量又は変形量を検出する（変位量又は変形量に応じた電気的な出力（抵抗値、静電容量、電圧又は電流等の出力）を行う）。
上述したように、ウォームギア２を用いたロボットハンドでは、ウォームギア２がセルフロック機能を有するため、ユーザがフィンガ４に力を加えてもウォームギア２の入力側には力が伝わらない。よって、センサ５は、ウォームギア２の出力側よりもフィンガ４側に取付けられている必要がある。

図１では、センサ５が曲げモーメントセンサであり、駆動リンク３０１−１の対向する２つの側面（駆動リンク３０１−１の回転軸方向に垂直な方向における２つの側面）にそれぞれ取付けられ、曲げモーメントによる変位量又は変形量を検出する場合を示している（図１Ｂ参照）。

なお、センサ５は、例えば金属歪ゲージから構成される。また、例えば図３Ｂのように、センサ５として４個の金属歪ゲージ（Ｒ１〜Ｒ４）を貼り、図３Ａのようにフルブリッジ回路（ホイートストンブリッジ回路）を構成することで、センサ５は、曲げモーメント以外の歪成分の除去及び温度補償等を行うことができ、高精度化が可能である。なお図３Ａにおいて、Ｅは印加電圧を表し、Ｅ_ｏは出力電圧を表す。
なお、センサ５は、上記に示す理由により駆動リンク３０１−１の２つ以上の側面にそれぞれ取付けられる場合もあるが、１つの側面に１つのみ取付けられてもよく、本願発明の本質を変更するものではない。

また、センサ５は、例えば半導体歪ゲージから構成されてもよい。半導体歪ゲージは、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）により実現される。

把持力演算部６は、エンコーダ１０２による検出結果及びセンサ５による検出結果に基づいて、ロボットハンドの把持力（フィンガ４に加えられた外力）を算出する。図１に示すロボットハンドでは、リンク機構３を用いているため、ロボットハンドの把持力に対するセンサ５による検出値がリンク角度によって変化する。そこで、把持力演算部６は、エンコーダ１０２により検出されたモータ１の回転角度に応じてセンサ５による検出値を補正して、ロボットハンドの把持力を算出する。なお、把持力演算部６は、システムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等により実現される。

なお、把持力演算部６は、エンコーダ１０２による検出結果を用いずに、センサ５による検出結果のみに基づいて、ロボットハンドの把持力を算出してもよい。但し、この場合、把持力演算部６による算出精度はリンク角度による誤差が大きくなるため低くなり、力制御精度は低くなる。

コントローラ７は、モータドライバ８に対する指令値を算出する。指令値は、ロボットハンドを動かすための指令を示す値である。なお、コントローラ７は、システムＬＳＩ等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ等により実現される。このコントローラ７は、図２に示すように、終了判定部７０１及び指令値演算部７０２を有している。

終了判定部７０１は、自機の把持力に関する指標値に基づいて、モータ１に対する制御終了の要否を判定する。図２では、終了判定部７０１は、把持力演算部６による算出結果に基づいて、モータ１に対する制御終了の要否を判定する。この際、終了判定部７０１は、把持力演算部６により算出された把持力に基づいて終了条件を満たしたと判定した場合に、制御終了が必要であると判定して判定状態を終了判定中とする。終了条件は、例えば、把持力演算部６により算出された把持力が目標把持力となったかである。
ここで、終了判定部７０１で用いられる自機の把持力に関する指標値としては、把持力自体の推定値又は計測値の他、把持力と相関がある物理量（剛性推定値等）等が挙げられる。

指令値演算部７０２は、把持力演算部６による算出結果及び終了判定部７０１による判定状態に基づいて、モータドライバ８に対する指令値を算出する。

この際、まず、指令値演算部７０２は、終了判定部７０１による判定状態が終了判定中であるかを判定する。

そして、指令値演算部７０２は、判定状態が終了判定中ではないと判定している間は、通常動作として、把持力演算部６による算出結果に基づいて、モータドライバ８に対する指令値を算出する。この際、指令値演算部７０２は、ロボットハンドの目標把持力から把持力演算部６により算出されたロボットハンドの把持力を減算して差分値を得て、当該差分値に対して係数を乗算することでモータドライバ８に対する指令値を得る。

なお、指令値演算部７０２で用いられる係数は、コントローラ７が把持力制御として目標追従制御を行う場合には正の値であり、コントローラ７が把持力制御として外力追従制御を行う場合には負の値である。目標追従制御とは、ロボットハンドの把持力を目標把持力に追従させる制御である。また、外力追従制御とは、ロボットハンドの把持力を、フィンガ４に加えられた外力を０とするように追従させる制御である。

また、指令値演算部７０２が算出する指令値は、ロボットハンドを動かすために利用可能な物理量であればよい。指令値演算部７０２が算出する指令値としては、フィンガ４の位置、フィンガ４の移動量（位置の差分）、フィンガ４の速度、フィンガ４の加速度、リンク機構３が有するリンクの角速度、リンク機構３が有するリンクの角加速度、モータ１から出力するトルクの値、又はモータ１に加える電流の値等が挙げられる。

一方、指令値演算部７０２は、判定状態が終了判定中であると判定した場合には、目標追従制御又は外力追従制御は実施せず、モータ１が発生するトルクを低減する指令値を算出する。この場合、例えば、指令値演算部７０２は、モータ１への電流を低減する指令値を算出する。

モータドライバ８は、指令値演算部７０２により算出された指令値に従って、ＰＩＤ制御等により、モータ１に対して電流を出力することでモータ１を駆動する。なお、モータドライバ８は、システムＬＳＩ等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ等により実現される。

なお、モータドライバ８は、モータ１に定格電流を超える電流を加え続けた場合に、モータ１の保護のため、所定のタイミングでアラームを発生してモータ１を停止させる機能を有している場合がある。上記タイミングは、モータ１が熱損傷を起こす前のタイミングである。

次に、図１，２に示す実施の形態１に係るロボットハンドの動作例について説明する。
まず、把持力演算部６及びコントローラ７による把持力制御の全体動作例について、図４を参照しながら説明する。
把持力演算部６及びコントローラ７による把持力制御では、図４に示すように、まず、終了判定部７０１は、把持力演算部６による算出結果に基づいて、モータ１に対する制御終了の要否を判定する（ステップＳＴ４０１）。この際、終了判定部７０１は、把持力演算部６により算出された把持力に基づいて終了条件を満たしたと判定した場合に、制御終了が必要であると判定して判定状態を終了判定中とする。終了判定部７０１による判定は随時実施される。

なお、終了判定部７０１は、終了条件を満たしたと判定した時点で、制御終了が必要であると判定してもよい。一方、例えばロボットハンドが柔らかいワークを把持するような場合には把持力が整定するまでに時間を要する。そこで、このような場合には、終了判定部７０１は、終了条件を満たしたと判定して数秒間（例えば０．５〜１秒）経過した後に、制御終了が必要であると判定してもよい。
また、終了判定部７０１は、把持力演算部６により算出された把持力が目標把持力となった後、把持力が目標把持力以上の所定の範囲内である時間が、所定の時間を経過した場合に、終了条件を満たしたと判定してもよい。

次いで、指令値演算部７０２は、終了判定部７０１による判定状態が終了判定中であるかを判定する（ステップＳＴ４０２）。

このステップＳＴ４０２において、指令値演算部７０２は、判定状態が終了判定中ではないと判定している間は、把持力演算部６による算出結果に基づいてモータドライバ８に対する指令値を算出する（ステップＳＴ４０３）。ステップＳＴ４０３における処理については後述する。

一方、ステップＳＴ４０２において、指令値演算部７０２は、判定状態が終了判定中であると判定した場合には、モータ１が発生するトルクを低減する指令値を算出する（ステップＳＴ４０４）。この際、指令値演算部７０２は、例えば、指令値が速度の指令値である場合には、当該指令値を０とする。また、指令値演算部７０２は、例えば、指令値が電流の指令値である場合には、当該指令値を０とする。また、指令値演算部７０２は、例えば、指令値が位置の指令値である場合には、当該指令値を現在位置とする。図４に示すフローチャートでは、指令値演算部７０２が、モータ１への電流を低減する指令値を算出する場合を示している。
その後、コントローラ７は指令値演算部７０２により得られた指令値を示す信号をモータドライバ８に出力し、モータドライバ８はこの指令値に従ってモータ１を制御する。

上述したように、モータ１に定格電流を超える電流を加え続けると、モータ１が熱損傷を起こす、又は、モータドライバ８がモータ１の保護のためにアラームを発生してモータ１を停止させる。なお、モータ１が熱損傷を起こすタイミング、及び、モータドライバ８がモータ１を動作停止させるタイミングは、モータ１に加え続ける電流の大きさによって異なる。
よって、モータ１に加える電流に基づく一定時間内であれば、モータ１が熱損傷を起こさず且つモータドライバ８によるモータ１の動作停止をさせずに、定格電流を超える電流をモータ１に加えることができる。

そこで、実施の形態１に係るロボットハンドでは、把持力演算部６による算出結果に基づくフィードバック制御を行うとともに、ロボットハンドの現在の把持力を管理することでモータ１を制御範囲内に収める。すなわち、このロボットハンドでは、現在の把持力が目標把持力に到達した場合にモータ１に加える電流を定格電流以下に抑制する。なお、このロボットハンドでは、繰り返し動作等のように、どのような動作を行ってどのようなワークを把持するのかといったことを事前にある程度把握可能であり、且つ、モータ１が熱損傷を起こす前及びモータドライバ８によるモータ１の動作停止が生じる前に、把持力が目標把持力に到達可能である場合を前提としている。

これにより、このロボットハンドでは、モータ１の熱損傷及びモータドライバ８によるモータ１の動作停止を未然に防ぐことができ、且つ、定格トルクを超えるトルクに相当する把持力を得ることができる。なお、ロボットハンドはセルフロック機能を有しているため、図５に示すように、モータ１に加える電流を下げても把持力の低下を抑制できる。
図５では、目標把持力が定格トルクより高く且つしきい値が目標把持力とされており、ロボットハンドは、把持力が目標把持力に達した時点でモータ１への電流印加を停止させている。

次に、ステップＳＴ４０４における処理の一例について、図６及び図７を参照しながら説明する。まず、把持力演算部６及びコントローラ７が目標追従制御を行う場合の一例について、図６を参照しながら説明する。
把持力演算部６及びコントローラ７が目標追従制御を開始すると、まず、コントローラ７は、ユーザにより設定されたロボットハンドの目標把持力を取得する（ステップＳＴ６０１）。

次いで、把持力演算部６は、エンコーダ１０２により検出されたモータ１の回転角度並びにセンサ５により検出された変位量又は変形量に基づいて、ロボットハンドの現在の把持力を算出する（ステップＳＴ６０２）。

次いで、指令値演算部７０２は、コントローラ７が取得したロボットハンドの目標把持力から把持力演算部６により算出されたロボットハンドの把持力を減算して差分値を得る（ステップＳＴ６０３）。

次いで、指令値演算部７０２は、得られた差分値に対して係数を乗算することで、モータドライバ８に対する指令値を得る（ステップＳＴ６０４）。なお、上記係数は正の値である。

次いで、コントローラ７は、指令値演算部７０２により得られた指令値を示す信号をモータドライバ８に出力する（ステップＳＴ６０５）。その後、モータドライバ８は、この指令値に従ってモータ１を制御する。

次いで、コントローラ７は、次の動作指令があるかを判定する（ステップＳＴ６０６）。このステップＳＴ６０６において、コントローラ７が次の動作指令が無いと判定した場合には、シーケンスはステップＳＴ６０２に戻る。これにより、ロボットハンドは把持力が目標把持力となるように動作する。
一方、ステップＳＴ６０６において、コントローラ７は、次の動作指令があると判定した場合には、目標追従制御を終了して次の動作指令を実行する。

次に、把持力演算部６及びコントローラ７が外力追従制御を行う場合の一例について、図７を参照しながら説明する。
上述したように、ウォームギアを用いたロボットハンドでは、ワークを保持しているフィンガに力を加えてもウォームギアの入力側には力が伝わらない。よって、ウォームギアを用いたロボットハンドでは、セルフロック機能を有していない動力伝達機構を用いたロボットハンドのように、フィンガに加えた力は動力伝達機構を介してモータに伝えられず、モータの電流変化によるフィードバック制御を実施できない。そのため、ウォームギアを用いた従来のロボットハンドでは、把持したワークを解放する際には、コントローラから位置制御指令を送る、又は、機械的手段によりウォームギアの入力側を動かす必要があった。それに対し、実施の形態１に係るロボットハンドでは、センサ５により検出された変位量又は変形量を把持力演算部６及びコントローラ７を介してモータドライバ８に指令値としてフィードバックすることで、ユーザがフィンガ４を掴んで自由に開閉可能となる。

把持力演算部６及びコントローラ７が外力追従制御を開始すると、まず、把持力演算部６は、エンコーダ１０２により検出されたモータ１の回転角度並びにセンサ５により検出された変位量又は変形量に基づいて、ロボットハンドの現在の把持力を算出する（ステップＳＴ７０１）。

次いで、コントローラ７は、把持力演算部６により算出されたロボットハンドの現在の把持力を、目標把持力に設定する（ステップＳＴ７０２）。

次いで、把持力演算部６は、エンコーダ１０２により検出されたモータ１の回転角度並びにセンサ５により検出された変位量又は変形量に基づいて、ロボットハンドの現在の把持力を算出する（ステップＳＴ７０３）。

次いで、指令値演算部７０２は、コントローラ７が設定したロボットハンドの目標把持力から、ステップＳＴ７０３において把持力演算部６により算出されたロボットハンドの把持力を減算して差分値を得る（ステップＳＴ７０４）。

次いで、指令値演算部７０２は、得られた差分値に対して係数を乗算することで、モータドライバ８に対する指令値を得る（ステップＳＴ７０５）。なお、上記係数は負の値である。

次いで、コントローラ７は、指令値演算部７０２により得られた指令値を示す信号をモータドライバ８に出力する（ステップＳＴ７０６）。その後、モータドライバ８は、この指令値に従ってモータ１を制御する。

次いで、コントローラ７は、次の動作指令があるかを判定する（ステップＳＴ７０７）。このステップＳＴ７０７において、コントローラ７が次の動作指令が無いと判定した場合には、シーケンスはステップＳＴ７０３に戻る。これにより、ロボットハンドはフィンガ４に加えられた外力を０とするように動作する。
一方、ステップＳＴ７０７において、コントローラ７は、次の動作指令があると判定した場合には、外力追従制御を終了して次の動作指令を実行する。

このように構成されたロボットハンドでは、例えばワークを把持した状態でユーザがフィンガ４に対して開方向に力を加えた場合、その力がセンサ５により変位量又は変形量として検出される。そして、このロボットハンドでは、センサ５により検出された変位量又は変形量が把持力演算部６及びコントローラ７を介してモータドライバ８に指令値としてフィードバックされる。その結果、このロボットハンドは、ユーザにより加えられた上記力に応じて、フィンガ４を開方向に動かすことができる。なお、ユーザがフィンガ４に力を加えていない場合には、外力は０であるため、モータドライバ８に対する指令値は０となる。
よって、このロボットハンドでは、従来構成のように、把持したワークを解放する際に、コントローラ７から位置制御指令を送る、又は、機械的手段によりウォームギア２の入力側を動かす必要はない。

なお上記では、センサ５が曲げモーメントによる変位量又は変形量を検出する場合を示した。しかしながら、これに限らず、センサ５はせん断力による変位量又は変形量を検出してもよい（図８Ｂ参照）。この場合、センサ５は、例えば図８Ａに示すように、駆動リンク３０１−１の対向する２つの側面（駆動リンク３０１−１の回転軸方向における２つの側面）にそれぞれ取付けられる。

また上記では、角度保持リンク３０２が駆動リンク３０１より外側に配置された場合を示した。しかしながら、これに限らず、角度保持リンク３０２は駆動リンク３０１より内側に配置されてもよい。
また上記では、モータ１の出力軸１０１が単軸である場合を示した。しかしながら、これに限らず、モータ１の出力軸１０１は両軸でもよい。

例えば図９では、角度保持リンク３０２が駆動リンク３０１より内側に配置され、且つ、出力軸１０１が両軸である場合を示している。
図９では、モータ１が有する出力軸１０１が両軸であり、モータ１が出力軸１０１−１，１０１−２により回転出力を行う場合を示している。

この場合、図９に示すように、ロボットハンドが２つのウォームギア２−１，２−２を有する。
ウォームギア２−１は、モータ１が有する出力軸１０１−１に接続されたウォーム２０１−１と、ウォーム２０１−１に螺合したウォームホイール２０２−１とを有する。
ウォームギア２−２は、モータ１が有する出力軸１０１−２に接続されたウォーム２０１−２と、ウォーム２０１−２に螺合したウォームホイール２０２−２とを有する。

また、図９に示す駆動リンク３０１−１は、一端がヒンジピン３０４−１ａを介してウォームホイール２０２−１に接続されている。この駆動リンク３０１−１は、モータ１により駆動され、出力軸１０１−１の回転に応じて、一端の揺動量（角度、速度又はトルク値等）が制御される。
また図９では、角度保持リンク３０２−１は従動リンク３０３−１の一端側（フィンガ４−１側）に回転自在に接続され、駆動リンク３０１−１は従動リンク３０３−１の他端側に回転自在に接続されている。

同様に、図９に示す駆動リンク３０１−２は、一端がヒンジピン３０４−２ａを介してウォームホイール２０２−２に接続されている。この駆動リンク３０１−２は、モータ１により駆動され、出力軸１０１−２の回転に応じて、一端の揺動量（角度、速度又はトルク値等）が制御される。
また図９では、角度保持リンク３０２−２は従動リンク３０３−２の一端側（フィンガ４−２側）に回転自在に接続され、駆動リンク３０１−２は従動リンク３０３−２の他端側に回転自在に接続されている。

その他の構成は図１，２に示すロボットハンドと同様であり、その説明を省略する。また、図９に示すロボットハンドの効果及び原理についても、図１，２に示すロボットハンドの効果及び原理と同様である。
なお図９に示すロボットハンドでは、センサ５が曲げモーメントによる変位量又は変形量を検出する場合を示しているが、センサ５はせん断力による変位量又は変形量を検出してもよい。この場合、センサ５の取付け箇所は図８Ａと同様である。

また上記では、出力軸１０１と駆動リンク３０１の回転軸とが直交（略直交の意味を含む）するように構成された場合を示した。しかしながら、これに限らず、平歯車等を用いて、出力軸１０１と駆動リンク３０１の回転軸とが平行（略平行の意味を含む）となるように構成されてもよい。

また上記では、センサ５が駆動リンク３０１に設けられた場合を示した。しかしながら、これに限らず、センサ５が角度保持リンク３０２又は従動リンク３０３に設けられていてもよい。

また上記では、センサ５は、１つのリンク機構３におけるリンク（図１，８，９では駆動リンク３０１−１）に設けられた場合を示した。しかしながら、これに限らず、センサ５は、他の一部又は全部のリンク機構３におけるリンクにも設けられていてもよい。このように、複数のリンク機構３にセンサ５を設けることで、ロボットハンドは把持力の検出精度が向上する。

なお上記では、ロボットハンドが外径把持を行う場合について説明を行ったが、ロボットハンドが内径把持を行う場合についても同様である。

また図１では、動力伝達機構としてウォームギア２を用いた場合を示した。しかしながら、これに限らず、動力伝達機構はセルフロック機能を有する機構であればよい。
例えば図１０に示すように、動力伝達機構として、モータ１が有する出力軸１０１に接続された台形ネジ１０と、当該台形ネジ１０に螺合した平行スライダ１１とから成る平行スライダ機構を用いてもよい。この場合、図１０に示すように、駆動リンク３０１は回転自在に直列接続された２つのリンク３０１１，３０１２から構成される。すなわち、駆動リンク３０１−１は、一端がヒンジピン３０４−１ａを介して平行スライダ１１に回転自在に接続されたリンク３０１１−１と、一端がヒンジピン３０４−１ｅを介してリンク３０１１−１の他端に回転自在に接続されたリンク３０１２−１とから構成される。また、駆動リンク３０１−２は、一端がヒンジピン３０４−２ａを介して平行スライダ１１に回転自在に接続されたリンク３０１１−２と、一端がヒンジピン３０４−２ｅを介してリンク３０１１−２の他端に回転自在に接続されたリンク３０１２−２とから構成される。
また、動力伝達機構として、カムを用いてもよい。

また上記では、センサ５として曲げモーメントセンサを用いた場合を示した。しかしながら、これに限らず、センサ５は、取付けられた部位の変位量又は変形量を検出可能なセンサであればよい。センサ５として、力センサ又は圧力センサ等を用いてもよい。

また上記では、動力伝達機構とフィンガ４との間にリンク機構３が設けられた場合を示した。しかしながら、これに限らず、例えば図１１に示すように、リンク機構３を用いず、フィンガ４の一端が動力伝達機構（図１１ではウォームギア２）に直接接続されたロボットハンドを用いてもよい。この場合、センサ５はフィンガ４に取付けられる。図１１に示すロボットハンドでは、フィンガ４−１の一端がヒンジピン３０４−１ａを介してウォームホイール２０２−１に接続され、フィンガ４−２の一端がヒンジピン３０４−２ａを介してウォームホイール２０２−２に接続され、フィンガ４−１にセンサ５が取付けられている。

また、図１２に示すように、フィンガ４の他端（先端）に爪（カバー）４０１が設けられている場合には、この爪４０１にセンサ５が取付けられていてもよい。図１２に示すロボットハンドでは、フィンガ４−１の他端に爪４０１−１が設けられ、フィンガ４−２の他端に爪４０１−２が設けられ、爪４０１−１にセンサ５が取付けられている。

以上のように、この実施の形態１によれば、ロボットハンドは、モータ１と、フィンガ４と、セルフロック機能を有し、モータ１の動力をフィンガ４に伝達する動力伝達機構と、自機の把持力に関する指標値に基づいて、モータ１に対する制御終了の要否を判定する終了判定部７０１と、指令値を算出する指令値演算部７０２と、指令値演算部７０２による算出結果に基づいてモータ１を制御するモータドライバ８とを備え、指令値演算部７０２は、終了判定部７０１により制御終了が必要であると判定されている場合に、モータ１が発生するトルクを低減する指令値を算出する。これにより、実施の形態１に係るロボットハンドは、モータ１に定格電流を超える電流を加える時間を管理可能となり、モータ１の定格トルクを超えるトルクに相当する把持力を得られる。

また、図１，２に示す実施の形態１に係るロボットハンドでは、外部から加えられた力に応じてフィードバック制御が可能である。
また、図１，２に示す実施の形態１に係るロボットハンドでは、ユーザがフィンガ４を掴んで開閉動作を行うダイレクト教示を実施可能である。

なお上記では、ロボットハンドが、把持力演算部６による算出結果に基づくフィードバック制御を行う機能を有する場合を示した。しかしながら、これに限らず、ロボットハンドは上記機能を有していなくてもよい。

実施の形態２．
図１３は実施の形態２に係るロボットハンドの構成例を示すブロック図である。図１３に示す実施の形態２に係るロボットハンドは、図１に示す実施の形態１に係るロボットハンドに対し、物理量検出部７０３を追加している。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。

物理量検出部７０３は、エンコーダ１０２による検出結果に基づいて、モータ１の回転と相関がある物理量を検出する。物理量検出部７０３が検出する物理量としては、モータ１の回転角度（回転位置）、モータ１の速度又はモータ１の角速度等が挙げられる。なお、物理量検出部７０３は、１つの物理量を検出してもよいし、複数の物理量を検出してもよい。

なお、終了判定部７０１は、把持力演算部６による算出結果及び物理量検出部７０３による検出結果に基づいて、モータ１に対する制御終了の要否を判定する。この際、終了判定部７０１は、把持力演算部６により算出された把持力及び物理量検出部７０３により検出された物理量に基づいて終了条件を満たしたと判定した場合に、制御終了が必要であると判定して判定状態を終了判定中とする。

ここで、終了判定部７０１が、把持力（外力）とフィンガ４の位置とを組合わせて終了判定を行う場合の一例を図１４に示す。フィンガ４の位置は、物理量検出部７０３により検出された物理量から推定可能である。
図１４に示すように、終了判定部７０１は、まず、把持力演算部６により算出されたロボットハンドの把持力が目標把持力となったかを判定する。

そして、終了判定部７０１は、把持力演算部６により算出された把持力が目標把持力となったと判定すると、フィンガ４の位置の監視を開始し、フィンガ４の位置の変動が、所定の範囲内である時間を計測する（監視開始時を０秒とする）。図１４において、符号１４０１は上記範囲を示し、符号１４０２はフィンガ４の位置の変動が上記範囲内である時間を示している。
そして、終了判定部７０１は、所定の時間（例えば１秒以下の時間）内において、フィンガ４の位置の変動が上記範囲内である場合、終了条件を満たしたと判定する。図１４において、符号１４０３は、モータ１に定格電流を超える電流を加え始めてから、モータ１が熱損傷を起こす又はモータドライバ８によるモータ１の動作停止が生じるまでの時間（継続可能時間）を示している。

例えば、ロボットハンドが柔らかいワークを把持する場合等には、把持力が整定するまでに時間を要する。そこで、上記のように、終了判定部７０１は、把持力とフィンガ４の位置とを組合わせて終了判定を行うことで、把持力が整定した状態で終了判定ができるようになる。

また、終了判定部７０１が、把持力（外力）と剛性推定値とを組合わせて終了判定を行う場合の一例を図１５に示す。剛性推定値は、フィンガ４が把持するワークの弾性率を示す値であり、フックの法則に基づいて把持力とフィンガ４の位置の変化から推定可能である。
図１５に示すように、終了判定部７０１は、まず、把持力演算部６により算出されたロボットハンドの把持力が目標把持力となったかを判定する。

そして、終了判定部７０１は、把持力演算部６により算出された把持力が目標把持力となったと判定すると、剛性推定値の監視を開始し、剛性推定値の変動が所定の範囲（例えば監視開始時における剛性推定値の１０％程度の範囲）内である時間を計測する（監視開始時を０秒とする）。図１５において、符号１５０１は上記範囲を示し、符号１５０２，１５０３は剛性推定値の変動が上記範囲内である時間を示している。
そして、終了判定部７０１は、所定の時間（例えば１秒以下の時間）内において、剛性推定値の変動が上記範囲内である場合、終了条件を満たしたと判定する。図１５において、符号１５０４は継続可能時間を示している。

一方、フィンガ４に外乱が加わった場合（図１５の符号１５０５参照）には、図１５に示すように、剛性推定値が変化する。そして、終了判定部７０１は、上記時間内において、剛性推定値が上記範囲外となった場合（図１５の符号１５０６参照）には、計測時間を０にリセットし、剛性推定値が再び当該範囲内となったタイミングで時間計測を開始する。図１５では、符号１５０２に示す計測時間が上記時間未満であり、計測時間が０にリセットされている。

把持力のみに基づく終了判定では、例えば、ワークの把持が完了する前にフィンガ４に冶具等又はユーザが触れたことに起因する外乱が加わった場合若しくはセンサノイズにより把持力の算出値が上昇した場合に、判定を誤る可能性があると考えられる。また、把持力のみに基づく終了判定では、例えば、冶具が教示点からずれていた又はワークの設置場所が適切ではない等の理由によってワークを片当たりした状態で把持してしまった場合、実際には把持が完了していないにもかかわらず、判定を誤る可能性があると考えられる。そこで、上記のように、終了判定部７０１は、把持力と剛性推定値とを組合わせて終了判定を行うことで、上記の誤りを抑制でき、判定の確度が向上する。

また、例えば、物理量検出部７０３が複数の物理量を検出した場合、指令値演算部７０２は、把持力演算部６により算出された把持力が目標把持力となったと判定した後、当該複数の物理量の変動がそれぞれ所定の範囲内である時間が、それぞれ所定の時間を超えたかを判定する。そして、指令値演算部７０２は、上記複数の物理量の変動が上記範囲内である時間が、共に、上記時間を超えたと判定した場合に、終了条件を満たしたと判定する。

実施の形態３．
実施の形態１に係るロボットハンドでは、４節のリンク機構３を用いた場合を示した。これに対し、ロボットハンドは、５節以上のリンク機構３を用いてもよい。具体的には、例えば図１６に示すように、角度保持リンク３０２を回転自在に直列接続された複数（Ｍ個）のリンクから構成することで、（４＋Ｍ）節のリンク機構３を構成してもよい。図１６では、角度保持リンク３０２−１は、一端がヒンジピン３０４−１ｂを介してロボットハンドの本体に回転自在に接続されたリンク３０２１−１と、一端がヒンジピン３０４−１ｆを介してリンク３０２１−１の他端に回転自在に接続されたリンク３０２２−１とから構成されている。なお図１６では、ウォームホイール２０２−２及びリンク機構３−２の図示は省略している。また図１６では、駆動リンク３０１が角度保持リンク３０２より内側に配置され、且つ、出力軸１０１が単軸である場合を示しているが、構成がこれに限らない点は実施の形態１と同様である。
また、角度保持リンク３０２が複数のリンクから構成される場合、各リンクのヒンジ部分には、ロボットハンドがワークの把持を行う場合に、外力によってリンクが回転してしまわないようにロック機構が設けられる必要がある。

なお、ロボットハンドが５節以上のリンク機構３を有する場合には、センサ５は、１つ以上のリンク機構３における駆動リンク３０１に設けられる。

また、実施の形態１〜３に係るロボットハンドでは、モータ１が出力軸１０１により回転出力を行う場合を示した。しかしながら、これに限らず、モータ１は直動出力を行ってもよい。また、モータ１の動力は、電動に限らず、エア又は油圧式等であってもよい。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組合わせ、或いは各実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ モータ
２ ウォームギア
３ リンク機構
４ フィンガ
５ センサ
６ 把持力演算部
７ コントローラ
８ モータドライバ
９ 駆動伝達機構
１０ 台形ネジ
１１ 平行スライダ
１０１ 出力軸
１０２ エンコーダ
２０１ ウォーム
２０２ ウォームホイール
３０１ 駆動リンク
３０２ 角度保持リンク
３０３ 従動リンク
３０４ ヒンジピン
４０１ 爪
７０１ 終了判定部
７０２ 指令値演算部
７０３ 物理量検出部
３０１１，３０１２ リンク
３０２１，３０２２ リンク

Claims (5)

1. モータと、
   フィンガと、
   セルフロック機能を有し、前記モータの動力を前記フィンガに伝達する動力伝達機構と、
   自機の把持力に関する指標値に基づいて、前記モータに対する制御終了の要否を判定する終了判定部と、
   指令値を算出する指令値演算部と、
   前記指令値演算部による算出結果に基づいて前記モータを制御するモータドライバとを備え、
   前記指令値演算部は、前記終了判定部により制御終了が必要であると判定されている場合に、前記モータが発生するトルクを低減する指令値を算出する
   ことを特徴とするロボットハンド。
2. 自機の把持力に関する指標値は、自機の把持力であり、
   前記終了判定部は、自機の把持力が目標把持力となったと判定した場合に、制御終了が必要であると判定する
   ことを特徴とする請求項１記載のロボットハンド。
3. 前記モータの回転と相関がある物理量を検出する物理量検出部を備え、
   前記終了判定部は、自機の把持力に関する指標値及び前記物理量検出部による検出結果に基づいて、前記モータに対する制御終了の要否を判定する
   ことを特徴とする請求項１記載のロボットハンド。
4. 自機の把持力に関する指標値は、自機の把持力であり、
   前記終了判定部は、自機の把持力が目標把持力となったと判定した後、前記物理量検出部により検出された物理量に基づく前記フィンガの位置の変動が所定の範囲内である時間が、所定の時間を超えた場合に、制御終了が必要であると判定する
   ことを特徴とする請求項３記載のロボットハンド。
5. 自機の把持力に関する指標値は、自機の把持力であり、
   前記終了判定部は、自機の把持力が目標把持力となったと判定した後、前記物理量検出部により検出された物理量に基づく剛性推定値の変動が所定の範囲内である時間が、所定の時間を超えた場合に、制御終了が必要であると判定する
   ことを特徴とする請求項３記載のロボットハンド。

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