JP2022068998A - ロボットハンド、ロボットシステム、ロボットハンドの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】周囲の物体（環境物体）と衝突した場合であっても、把持物の落下や損傷による被害を最小限に抑制し、作業を継続可能な信頼性の高いロボットハンドおよびロボットハンドの制御方法を提供する。【解決手段】被把持物を把持する複数の指部と、前記複数の指部の各々を互いに独立して駆動する複数の駆動部と、前記指部で把持した被把持物と環境物体との衝突を検出する検出部と、前記検出部からの信号に基づき前記駆動部の駆動量を演算する演算部と、前記演算部からの信号に基づき前記駆動部を制御する制御部と、を備え、前記検出部が被把持物と環境物体との衝突を検出した際、前記制御部は前記演算部が演算した駆動量に基づいて前記駆動部を制御し、被把持物と環境物体との衝突の衝撃を軽減するように、前記被把持物を移動させることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットハンドの構成とその制御に係り、特に、想定外の衝突可能性のある環境下で使用されるロボットハンドに適用して有効な技術に関する。

プラントや原子力発電所のような未知・未整備な環境でロボットが作業を行うには、周囲の物体（環境物体）との衝突を未然に回避、あるいは衝突時の把持物の落下や損傷のような被害を軽減することが望まれている。

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には「衝撃を検出した場合にロボットアームの制御モードをインピーダンス制御へと切り替え、衝撃を和らげる方向へ回避するように動作させる制御装置」が開示されている。

特開２０２０－８２１９９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された衝突回避方法のように衝突後にロボットアームによって回避を試みても、ロボットアームは急に止まることはできないため、把持物の落下や損傷といった被害が免れない問題がある。

そこで、本発明の目的は、周囲の物体（環境物体）と衝突した場合であっても、把持物の落下や損傷による被害を最小限に抑制し、作業を継続可能な信頼性の高いロボットハンドおよびロボットハンドの制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、被把持物を把持する複数の指部と、前記複数の指部の各々を互いに独立して駆動する複数の駆動部と、前記指部で把持した被把持物と環境物体との衝突を検出する検出部と、前記検出部からの信号に基づき前記駆動部の駆動量を演算する演算部と、前記演算部からの信号に基づき前記駆動部を制御する制御部と、を備え、前記検出部が被把持物と環境物体との衝突を検出した際、前記制御部は前記演算部が演算した駆動量に基づいて前記駆動部を制御し、被把持物と環境物体との衝突の衝撃を軽減するように、前記被把持物を移動させることを特徴とする。

また、本発明は、（ａ）被把持物と環境物体との衝突を検出した際、前記被把持物が前記環境物体から受けた力を所定の閾値と比較するステップ、（ｂ）前記（ａ）ステップにおいて、前記被把持物が前記環境物体から受けた力が前記所定の閾値以上であると判定した場合、前記被把持物が前記環境物体から受けた力の方向と、衝突位置とを推定し、前記被把持物の退避位置を演算するステップ、（ｃ）前記（ｂ）ステップにおいて演算した前記被把持物の退避位置に基づき、前記被把持物の退避経路を演算するステップ、（ｄ）前記（ｃ）ステップにおいて演算した記被把持物の退避経路に基づき、前記被把持物を移動させるステップ、を有するロボットハンドの制御方法である。

本発明によれば、周囲の物体（環境物体）と衝突した場合であっても、把持物の落下や損傷による被害を最小限に抑制し、作業を継続可能な信頼性の高いロボットハンドおよびロボットハンドの制御方法を実現することができる。

これにより、ロボットハンドを用いたロボットシステムの信頼性向上が図れる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１に係るロボットハンドの概略構成を示す図である。 本発明の実施例１に係るロボットハンドの具体例を示す斜視図である。 図２のロボットハンドが指を開いた状態を示す斜視図である。 図２のロボットハンドが指を閉じた状態を示す斜視図である。 図２のロボットハンドが丸軸を把持した状態を示す斜視図である。 本発明の実施例１に係るロボットハンドの制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例１に係るロボットハンド及びロボットアームの動作例を示す図である。 図４のロボットハンド及び丸軸を正面方向から見た図である。 図４のロボットハンドが丸軸の中心を座標（ｒ，０）へ移動させた状態を示す図である。 図４のロボットハンドが衝突時に丸軸を退避させる位置を、衝突の直前にあった位置を退避先とする状態を示す図である。 ロボットハンドにより被把持物を目標位置へ直線的に移動させることを説明する概略平面図。 ロボットハンドにより被把持物の速度を台形的に変化させることを説明するグラフ。 ロボットハンドにより被把持物の速度を三角形的に変化させることを説明するグラフ。 被把持物の位置からロボットハンドの把持姿勢を演算する方法を概念的に示す図である。 線分をある方向に移動させたときに衝突するまでの距離を計算する方法を概念的に示す図である。 被把持物の位置からロボットハンドの把持姿勢を演算し、演算した姿勢をロボットハンドがとった際の状態を示す図である。 本発明の実施例２に係るロボットハンドを示す斜視図である。 図１０Ａのロボットハンドを駆動させた様子を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

図１から図９Ｃを参照して、本発明の実施例１に係るロボットハンド及びロボットハンドの制御方法について説明する。

図１は、本実施例のロボットハンド１の概略構成を示す図である。本実施例のロボットハンド１は、図１に示すように、被把持物（ここでは丸軸４を例示）を把持し、かつ移動させることができる複数の指部１１Ａ，１１Ｂと、指部１１Ａ，１１Ｂの一端部が接続されている基部１０と、指部１１Ａ，１１Ｂのそれぞれを駆動する指用モータ１１Ａ４，指用モータ１１Ｂ４と、指部１１Ａ，１１Ｂを制御するロボットハンド制御部６と、衝突を検知する力センサ１２と、衝突退避制御を演算する演算部７から構成される。

演算部７は、力センサ１２による衝突検出時に、障害物５との衝突力に応じて衝突退避制御を演算し、ロボットハンド制御部６は、指部１１Ａ，１１Ｂを制御して被把持物（丸軸４）を移動させ、衝突被害を軽減する。

図２は、本実施例によるロボットハンド１の具体例を示す斜視図である。本実施例のロボットハンド１は、図２に示すように、被把持物（図示せず）を把持するための複数の指部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃを備える。

ロボットハンド１は、基部１０と、基部１０に接続された三本の指部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃと、基部１０に接続された力センサ１２とを備える。三本の指部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃのそれぞれは、互いに異なる１つの指用モータ１１Ａ４，１１Ｂ４，１１Ｃ４によって独立に駆動される。

基部１０には、力センサ１２を介してロボットアーム２が接続されている。ロボットハンド１は、ロボットアーム２によって、様々な位置に移動し、様々な姿勢をとることが可能である。ロボットアーム２を制御するために、ロボットアーム制御部（図示せず）が外部に設置されている。また、基部１０には、指部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの一端部が接続されている。なお、ロボットアーム２に替えて、車輪を有する移動体など、ロボットハンド１の位置や姿勢を変化させる他の手段を用いることもできる。

指部１１Ａは、リンク１１Ａ１、指先接続板１１Ａ２、指先部１１Ａ３、指用モータ１１Ａ４を備える。リンク１１Ａ１はアルミ製で、寸法の等しい二本のリンクであり、一本の一端は基部１０に回転自由に接続され、もう一本の一端は基部１０に指用モータ１１Ａ４の出力軸を介して接続されている。両者の残りの一端は指先接続板１１Ａ２に回転自由に接続されており、全体で四節平行リンク構造となっている。

指先接続板１１Ａ２は、寸法の等しい２枚のアルミ板である。指先部１１Ａ３はＡＢＳ樹脂製で、２枚の指先接続板１１Ａ２に挟まれて接続されている。被把持物（図示せず）は、指先部１１Ａ３を介してロボットハンド１に把持される。なお、把持時の摩擦力を増すために指先部１１Ａ３の把持部の表面にウレタンゴムなどの摩擦素材を設けてもよい。

指用モータ１１Ａ４は、ＤＣブラシレスモータであり、その本体は基部１０に接続されており、指部１１Ａを駆動する駆動部である。指用モータ１１Ａ４の駆動により、リンク１１Ａ１が回転し、指先接続板１１Ａ２および指先部１１Ａ３が平行に駆動される。指用モータ１１Ａ４の内部には回転数センサが搭載され、指用モータ１１Ａ４の回転数を計測することができる。

指部１１Ｂと指部１１Ｃも、指部１１Ａと同様の構成を備える。指部１１Ｂは、リンク１１Ｂ１、指先接続板１１Ｂ２、指先部１１Ｂ３、指用モータ１１Ｂ４を備える。指部１１Ｃは、リンク１１Ｃ１、指先接続板１１Ｃ２、指先部１１Ｃ３、指用モータ１１Ｃ４を備える。

図３Ａは、ロボットハンド１の指が開いた状態を示す斜視図であり、図３Ｂは、指が閉じた状態を示す斜視図である。また、図４は、例として丸軸４を把持したロボットハンド１を示す斜視図である。図３Ａから図４に示すように、ロボットハンド１の三本の指部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃにより、被把持物（丸軸４）を把持する。

ロボットハンド１は、指用モータ１１Ａ４，１１Ｂ４，１１Ｃ４の動作を制御するロボットハンド制御部６（図１参照）を備える。ロボットハンド制御部６は、指用モータ１１Ａ４，１１Ｂ４，１１Ｃ４と配線で接続され、それぞれの指用モータに流れる電流を計測する電流センサが内蔵されている。各指用モータに対して電流値をフィードバックして電圧を印加する電流サーボ系を構成しており、所望の電流を流すことができる。また、指用モータ１１Ａ４，１１Ｂ４，１１Ｃ４の回転数センサの値をフィードバックして指令電圧を決める回転角・回転速度サーボ系を構成し、所望の回転角と回転速度を得ることもできる。

ロボットハンド１は、被把持物の把持や周囲の物体（環境物体）との衝突時に、指用モータ１１Ａ４，１１Ｂ４，１１Ｃ４への適切な電流値、回転角、あるいは回転速度を計算し、ロボットハンド制御部６へ指令信号を出力する演算部７（図１参照）を備える。

なお、ロボットハンド制御部６および演算部７は、基部１０の内部などロボットハンド１の内部に設置してもよいし、ロボットハンド１の外部に設置しても良い。

力センサ１２は、ロボットハンド１に掛かる並進方向の３軸の力を計測することができる。力センサ１２は演算部７へと接続され、演算部７はその出力を取得することができる。

力センサ１２の代わりに、衝突を検出する別の装置を用いることもできる。例えば、指部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃに個別に設置した小型の力センサや、指先部１１Ａ３，１１Ｂ３，１１Ｃ３の表面に貼り付けられ、圧力を検出する触覚センサなどを用いることもできる。また、指用モータ１１Ａ４，１１Ｂ４，１１Ｃ４の回転数センサや、ロボットハンド制御部６の電流センサによって、衝突検出を行うこともできる。
以上説明したように、本実施例のロボットハンド１は、被把持物を把持する複数の指部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃと、複数の指部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの各々を互いに独立して駆動する複数の駆動部（指用モータ１１Ａ４，１１Ｂ４，１１Ｃ４）と、指部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃで把持した被把持物と周囲の物体（環境物体）との衝突を検出する検出部（力センサ１２）と、検出部（力センサ１２）からの信号に基づき駆動部（指用モータ１１Ａ４，１１Ｂ４，１１Ｃ４）の駆動量を演算する演算部７と、演算部７からの信号に基づき駆動部（指用モータ１１Ａ４，１１Ｂ４，１１Ｃ４）を制御する制御部（ロボットハンド制御部６）を備えており、検出部（力センサ１２）が被把持物と環境物体との衝突を検出した際、制御部（ロボットハンド制御部６）は演算部７が演算した駆動量に基づいて駆動部（指用モータ１１Ａ４，１１Ｂ４，１１Ｃ４）を制御し、被把持物と環境物体との衝突の衝撃を軽減するように、被把持物を移動させる。

図５及び図６を用いて、被把持物を把持しながらの作業中、衝突を検知した際にロボットハンド１によって退避する方法を説明する。図５は、その制御過程を示すフローチャートであり、図６は、ロボットハンド１及びロボットアーム２の動作を説明する概略図である。以下では一例として、被把持物である丸軸４を、ロボットハンド１及びロボットアーム２によって位置Ｐ１から位置Ｐ２へと移動させる状況を想定し説明する。

ロボットハンド１が位置Ｐ１で被把持物（丸軸４）を把持した状態から、ロボットアーム制御部（図示せず）は位置Ｐ２へと移動する運動軌道Ｔ１を計画し、移動を開始する（ステップＳ１１）。

演算部７は動作中常に、力センサ１２から力を取得し、監視しておく（ステップＳ１３）。衝突を検出せずに目標に到達した場合（ＹＥＳ）、作業を終了する（ステップＳ１２）。

ここで、図６に示すように、運動軌道Ｔ１の途中で位置Ｐ３に障害物５が存在し、丸軸４が衝突してしまったとする。障害物５を事前に正確に認識できていれば回避することが望ましいが、未知・未整備な環境では、カメラ等で認識を試みていても検出ミス等によって衝突してしまう可能性がある。

そのため、演算部７は、力センサ１２により取得した力がある閾値を超えたとき（ステップＳ１３のＹＥＳ）、衝突したと判断し、ロボットアーム制御部（図示せず）に停止信号を送り、ロボットアーム２を停止させる（ステップＳ１４）。

しかし、ロボットアーム２は慣性が大きいため、急に止まることはできない。そのため、被把持物へ大きな衝撃が加わり、損傷、落下、あるいは把持姿勢が大きく変わってしまい、作業を続行することができなくなる恐れがある。

そこで、本実施例では、ロボットハンド１によって丸軸４を安全な方向へと高速に移動させ、瞬時に障害物５から引き離す（ステップＳ１５～Ｓ１９）。ステップＳ１５からＳ１９までの詳細は後述するが、流れとしては先ず丸軸４の退避位置を演算し（ステップＳ１５）、退避までの運動プロファイル（運動軌道）を演算（ステップＳ１６）し、運動プロファイル（運動軌道）から指部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃへの指令を演算、指令して（ステップＳ１７）、被把持物を退避させる。この間にも力センサ１２を監視しておき、ある閾値を超えた場合は、衝突したと判断し、退避位置を再演算する（ステップＳ１８）。

ロボットハンド１が指部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃによって移動させる部分は非常に慣性が小さいため、高速な移動が可能である。退避によって衝撃を大幅に緩和することができ、被把持物（丸軸４）への被害を最小限に留めることができる。

ロボットハンド１による退避完了後、ロボットアーム２が直前に通ってきた運動軌道Ｔ１に沿って、位置Ｐ３から十分離れた位置Ｐ４へと戻り、ロボットハンド１は一時退避させた丸軸４を元の把持状態に戻す。そして衝突位置Ｐ３から十分離れた新たな運動軌道Ｔ２を新たに計画し、作業を再開する（ステップＳ１１０）。その後、再び衝突した場合には、同様の退避と運動軌道の再計画を繰り返し、位置Ｐ２に到着した時点で終了する（ステップＳ１２のＹＥＳ）。

なお、ステップＳ１５及びステップＳ１６において、退避位置及び被把持物（丸軸４）の退避運動プロファイル（運動軌道）をより正確に演算するために、力センサ１２は、被把持物（丸軸４）と周囲の物体（環境物体）との衝突を検出した際、被把持物（丸軸４）が周囲の物体（環境物体）から受けた力の方向と、衝突位置を推定する機能を有する。

そして、演算部７は、力センサ１２で推定した被把持物（丸軸４）の周囲の物体（環境物体）から受けた力の方向と、衝突位置に基づいて、被把持物（丸軸４）の退避位置を演算する。

次に、図７Ａから図７Ｃを用いて、ロボットハンド１によって丸軸４を安全な方向へと高速に移動させる方法について詳細に説明する（ステップＳ１５～Ｓ１９）。

図７Ａは、図４のロボットハンド１及び丸軸４を正面方向から見た図であり、ロボットハンド１が丸軸４を把持した様子を示している。ハンド座標系（ｘ,ｙ,ｚ）は、ロボットハンド上に設定されている。以下（ｘ、ｙ）平面上で考えるため、ｚ座標は省略することがある。図７Ａでは、丸軸４の中心をハンド座標系の（０，０，０）で把持した状態を表している。

移動中の把持方法として、ステップＳ１７～Ｓ１９を除き、基本的には図７Ａの状態で把持をしておく方法がある。この場合、（ｘ，ｙ）平面における衝突時の退避可能距離はどの方向でもほぼ均等であるため、あらゆる方向からの衝突に対処することができる。一方、ロボットアーム２により移動をしているため、ロボットアーム２の進行方向から障害物に衝突する可能性が高い。そこで、進行方向に寄せた位置で丸軸４を把持することで、衝突が予測される方向の退避可能距離を大きくすることもできる。

ステップＳ１３で、衝突して力を（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）方向に受けたと検知すると、反対の（－Ｆｘ，－Ｆｙ，－Ｆｚ）方向から障害物５が衝突したと考えられる。そこで、丸軸４の（ｘ，ｙ）の退避先を式（１）のように方向が（Ｆｘ，Ｆｙ）、原点からの距離がｒである（Ｑｘ，Ｑｙ）に設定する。

ｒはロボットハンド１による操作可能半径であり、指部同士が衝突したり、指部の間から丸軸４が落下しない値を事前に設定しておく。

図７Ｂは、例としてロボットハンド１がｘ方向に力を受け、（Ｑｘ＝ｒ，Ｑｙ＝０）へと丸軸４を移動させた状態を示す図である。ロボットハンド制御部６は、被把持物（丸軸４）と環境物体との衝突を検出した際、指部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃによる被把持物（丸軸４）の把持力を弱める。

本実施例によるロボットハンド１では、ｚ方向へと操作することができない。そこで、ｚ方向からの衝突を検出した場合は、瞬時に丸軸４を落とさない程度に把持力を緩めることを上記の方法と組み合わせる。これにより、＋ｚ方向から衝突した場合、丸軸が－ｚ方向へと受動的に滑り、衝撃を緩和することができる。

ロボットハンド１で丸軸４を退避させる位置は、丸軸４が衝突の直前にあった位置を退避先とすることもできる。この方法を図６及び図７Ｃを用いて説明する。ステップＳ１４でロボットアーム２の停止信号を受け取ったロボットアーム制御部（図示せず）は、ステップＳ１１において計画した運動軌道Ｔ１のうち丸軸４の衝突直前の運動軌道を、演算部７へと送信する。

演算部７は、運動軌道Ｔ１をハンド座標系（ｘ，ｙ）へと射影した運動軌道Ｔ１’を演算する。この運動軌道Ｔ１’上は、衝突直前に丸軸４が存在した位置であるため、障害物は存在せず、退避するのに安全であると考えられる。そこで、図７Ｃに示すように、運動軌道Ｔ１’上かつ原点からの距離がロボットハンド１の操作可能半径r上にある位置を退避位置（Ｑｘ，Ｑｙ）と設定すればよい。

次に、図８Ａから図８Ｃを用いて、丸軸４を位置（０，０）から退避目標（Ｑｘ，Ｑｙ）へと移動させる運動プロファイル（運動軌道）を生成する方法を説明する。できるだけ高速に移動させるため、図８Ａに示すように、位置（０，０）から退避目標（Ｑｘ，Ｑｙ）へ直線的に移動させる。また、図８Ｂ及び図８Ｃに示すように、その速度プロファイルを台形または三角形状に変化させる。

指用モータ１１Ａ４，１１Ｂ４，１１Ｃ４はＤＣブラシレスモータなので、概ね最大トルクと最大角速度以内の動作が可能である。従って、丸軸４には概ねある最大速度および最大加速度の以内の運動を発生させることが可能である。従って、最大加速度ｐ１’’→最大速度ｐ’max→最大減速度ｐ２’’という運動は、概ね最速で位置（０，０）から退避目標（Ｑｘ，Ｑｙ）へと到達させることができる運動である。

最大速度ｐ’maxの決め方としては、指用モータ１１Ａ４，１１Ｂ４，１１Ｃ４の最大角速度と、リンク１１Ａ１のリンク長の積により、指先部１１Ａ３，１１Ｂ３，１１Ｃ３の最大速度が求まるため、これを最大速度ｐ’maxとして用いることができる。

また、最大加速度ｐ１’’及び最大減速度ｐ２’’の決め方としては、指用モータ１１Ａ４，１１Ｂ４，１１Ｃ４の最大トルクをリンク１１Ａ１のリンク長で割って求まる指部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの最大発生力から、丸軸４に与えられる最大合力を求め、丸軸４にかかる重力の運動方向成分を引き、丸軸４と指の質量（慣性モーメントの換算分）の和で割ると、運動方程式より理論的な最大加速度と最大減速度が求まるため、これを最大加速度ｐ１’ ’、最大減速度ｐ２’’として用いることができる。モデル化は簡略化しているため、実際にはこれらを目安として試行錯誤で調整を加えた値を用いることもできる。

図８Ｂの速度プロファイルは、はじめに丸軸４の最高速度ｐ’maxに到達するまでの時間ｔ１は加速度ｐ１’’にて加速する。その後、最高速度ｐ’maxで時間ｔ２だけ速度を維持し続け、その後、減速度ｐ２’’にて時間ｔ３だけ減速し、速度０で停止する運動である。

時間ｔ１，ｔ２，ｔ３は、式（２），（３），（４）のように設定すると、速度ｐ’の積分値が移動距離ｒとなり、最終的に丸軸４は（Ｑｘ，Ｑｙ）で停止する速度プロファイルとなる。但し、この計算でｔ２＜０となる場合、ｔ２＝０として、図８Ｃに示す三角形上の速度プロファイルとする。

このときのｔ１，ｔ３は式（５）の連立方程式を解き、式（６）（７）のように設定すると、速度ｐ’の積分値がｒとなり、最終的に丸軸４が（Ｑｘ，Ｑｙ）で停止する速度プロファイルとなる。

演算部７は、この速度プロファイルｐ’（ｔ）をｔで積分することで位置プロファイルｐ（ｔ）を演算する。これらは直線的な運動を表す式なので、図８Ａの位置（０，０）から（Ｑｘ，Ｑｙ）上の平面上の運動に変換し、平面上の速度プロファイル（ｘ’（ｔ），ｙ’（ｔ））及び平面位置プロファイル（ｘ（ｔ），ｙ（ｔ））を演算する。

次に、各時刻における丸軸４の位置（ｘ，ｙ）を指用モータ１１Ａ４，１１Ｂ４，１１Ｃ４の回転角（θＡ，θＢ，θＣ）に、速度（ｘ’，ｙ’）を回転速度（θＡ’，θＢ’，θＣ’）に変換し、ロボットハンド制御部６へ送信する（ステップＳ１７）。丸軸４の位置から回転角を求める関数を式（８）のようにｆ（ｘ，ｙ）とすると、速度も式（９）のように、微分を数値計算することで求められる。

図９Ａから図９Ｃを用いて、ｆ（ｘ，ｙ）の計算方法を説明する。図９Ａは、ｆ（ｘ，ｙ）を求める方法を示した概念図である。先ず、丸軸４を位置（ｘ，ｙ）に配置し、指部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃを最も開いたときの位置に指先部１１Ａ３，１１Ｂ３，１１Ｃ３を配置する。具体的には、丸軸４および指先部１１Ａ３，１１Ｂ３，１１Ｃ３を図９Ａの方向から見たときに、これらを線分の集合として考え、各線分の頂点の座標を保持しておく。なお、図９Ａでは説明のために丸軸４の断面形状を円ではなく正六角形として描いているが、より細かく設定することもできる。

次に、各指部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃを閉じたとき、それぞれが丸軸４に接するまでの移動距離ｓＡ，ｓＢ，ｓＣを計算する。

図９Ｃは、各指部１１Ａ，１１Ｂ，１１ＣをそれぞれｓＡ，ｓＢ，ｓＣだけ移動したときの状態を示している。指部１１Ｂについては、指先部１１Ｂ３と丸軸４のそれぞれから二組の線分を抽出し、衝突するまでの距離を計算することを総当たりで行い、その最小距離がｓＢである。

図９Ｂはその中で、指先部１１Ｂ３の線分Ｕ１－Ｕ２と、丸軸４の線分Ｖ１－Ｖ２の組を考えたときの概念図である。ここで、線分Ｕ１－Ｕ２を、指部１１Ｂを閉じる方向である単位方向ベクトルｄへ動かしたとき、線分Ｕ１－Ｕ２と線分Ｖ１－Ｖ２がどちらかの端点で衝突する。従って、点Ｕ１を方向ｄへ動かしたときの線分Ｖ１－Ｖ２との交点の距離、点Ｕ２を方向ｄへ動かしたときの線分Ｖ１－Ｖ２との交点の距離、点Ｖ１を方向－ｄへ動かしたときの線分Ｕ１－Ｕ２との交点の距離、点Ｖ２を方向－ｄへ動かしたときの線分Ｕ１－Ｕ２との交点の距離が、ｓＢの候補である。

具体的な求め方としては、例えば点Ｖ１を方向－ｄへ動かしたときの線分Ｕ１－Ｕ２との交点の距離は、式（１０）に示す二元一次方程式を解いてｓ，ｔを求める。これが式（１１）の条件を満たしていれば、ｓが答えの距離である。図９Ｂにおいては上記４つの候補の中で、これが最小である。また、図９Ａにおける指部１１Ｂの線分と丸軸４の線分の全ての組の中でも最小であるため、指部１１Ａが丸軸４に接するまでに閉じる移動距離ｓＢは式（８）及び（９）によって求めたｓである。

以上のように移動距離ｓＡ，ｓＢ，ｓＣを求めると、ここからこれを実現するための指用モータの回転角度θＡ，θＢ，θＣとの関係が計算できる。

演算部７は、式（８）及び（９）から計算される（θＡ，θＢ，θＣ）と（θＡ’，θＢ’，θＣ’）を、ロボットハンド制御部６へと指令する。ロボットハンド制御部６は、例えばＰＤ制御によって指令された回転角度と回転角速度を目標として各指用モータ１１Ａ４，１１Ｂ４，１１Ｃ４を制御する。

以上により、丸軸４は目標位置（Ｑｘ，Ｑｙ）へ退避される。

従って、ロボットハンド制御部６は、被把持物（丸軸４）と環境物体との衝突の可能性が高い方向の予測データに基づいて、ロボットハンド１の中心位置に対し、その衝突方向へ被把持物（丸軸４）を寄せた位置に把持するように複数の指部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの位置を制御するようにしてもよい。

図１０Ａ及び図１０Ｂを参照して、本発明の実施例２に係るロボットハンド及びロボットハンドの制御方法について説明する。

図１０Ａは、本実施例のロボットハンド１を示す斜視図である。実施例１のロボットハンド１と異なる点を主に説明する。

本実施例によるロボットハンド１は、図１０Ａに示すように、基部１０と力センサ１２の間に手首部１３を備える。手首部１３は、手首関節１３１Ａ，１３１Ｂ，１３１Ｃを備える。手首関節１３１Ａの一端は基部１０に接続され、もう一端は手首関節１３１Ｃに回転自在に接続されている。手首関節１３１Ｂの一端は手首関節１３１Ｃに回転自在に接続され、もう一端は力センサ１２に接続されている。

また、手首部１３は、手首モータ１３２Ａ，１３２Ｂを備える。手首モータ１３２Ａは手首関節１３１Ａに接続され、その出力軸は手首関節１３１Ｃに接続されており、手首関節１３１Ａと１３１Ｃ間の回転駆動力を発生させる。手首モータ１３２Ｂは手首関節１３１Ｂに接続され、その出力軸は傘歯車１３３Ａ及び１３３Ｂを介して手首関節１３１Ｃに接続され、手首関節１３１Ｂと手首部１３１Ｃ間の回転駆動力を発生させる。

手首部１３の駆動により、実施例１での指部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃを使用して被把持物を移動させる手段と比較して、被把持物を大きく移動させることができる。

図１０Ｂは、例として下向きに移動させたときのロボットハンド１の斜視図である。例えば、ロボットアーム２の応答性が悪い場合、障害物に衝突してロボットアーム２への停止指示を出した後、指部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃによって可能な移動量以上にロボットアーム２の手先が移動してしまい、被把持物は再び障害物に衝突してしまう可能性がある。そこで、本実施例のように、大きな可動範囲を有する手首部１３を用いて移動を行えば、これを回避することができる。

手首部１３による移動時の慣性は、指部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃによる移動時の慣性より大きいため、被把持物に与えられる加速度は小さくなってしまう。そこで、実施例１の手段と組み合わせて、指部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃにより初期に大きな加速度を与え、手首部１３により大きな移動量を与えるといった手段とすることもできる。

手首モータ１３２Ａ及び１３２Ｂの駆動量を決定する手段は、実施例１と同様の方法を用いることができる。例えば、力センサ１２によって衝突方向を検出した際に、その方向へと被把持物が移動するように手首部１３を駆動する。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記の実施例は本発明に対する理解を助けるために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…ロボットハンド、２…ロボットアーム、４…丸軸、５…障害物、６…ロボットハンド制御部、７…演算部、１０…基部、１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ…指部、１１Ａ１，１１Ｂ１，１１Ｃ１…リンク、１１Ａ２，１１Ｂ２，１１Ｃ２…指先接続板、１１Ａ３，１１Ｂ３，１１Ｃ３…指先部、１１Ａ４，１１Ｂ４，１１Ｃ４…指用モータ、１２…力センサ、１３…手首部、１３１Ａ，１３１Ｂ，１３１Ｃ…手首関節、１３２Ａ，１３２Ｂ…手首モータ、１３３Ａ，１３３Ｂ…傘歯車、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４…把持物の位置、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ１’…運動軌道、Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２…線分の端点。

Claims (10)

1. 被把持物を把持する複数の指部と、
   前記複数の指部の各々を互いに独立して駆動する複数の駆動部と、
   前記指部で把持した被把持物と環境物体との衝突を検出する検出部と、
   前記検出部からの信号に基づき前記駆動部の駆動量を演算する演算部と、
   前記演算部からの信号に基づき前記駆動部を制御する制御部と、を備え、
   前記検出部が被把持物と環境物体との衝突を検出した際、前記制御部は前記演算部が演算した駆動量に基づいて前記駆動部を制御し、被把持物と環境物体との衝突の衝撃を軽減するように、前記被把持物を移動させることを特徴とするロボットハンド。
2. 請求項１に記載のロボットハンドであって、
   前記検出部は、被把持物と環境物体との衝突を検出した際、前記被把持物が前記環境物体から受けた力の方向と、衝突位置とを推定する機能を有することを特徴とするロボットハンド。
3. 請求項２に記載のロボットハンドであって、
   前記演算部は、前記検出部で推定した前記被把持物の前記環境物体から受けた力の方向と、衝突位置に基づいて、前記被把持物の退避位置を演算することを特徴とするロボットハンド。
4. 請求項１に記載のロボットハンドであって、
   前記制御部は、被把持物と環境物体との衝突を検出した際、前記指部による前記被把持物の把持力を弱めることを特徴とするロボットハンド。
5. 請求項１に記載のロボットハンドであって、
   前記制御部は、被把持物と環境物体との衝突の可能性が高い方向の予測データに基づいて、前記ロボットハンドの中心位置に対し、その衝突方向へ被把持物を寄せた位置に把持するように前記複数の指部の位置を制御することを特徴とするロボットハンド。
6. 請求項１に記載のロボットハンドであって、
   前記複数の指部および前記複数の駆動部が一方の面に配置され、前記検出部が他方の面に配置される基部と、
   前記検出部と前記基部との間に配置され、前記検出部に対して前記基部を回転自在に接続する手首部と、を備え、
   前記検出部が被把持物と環境物体との衝突を検出した際、前記検出部によって検出した衝突方向へ被把持物が移動するように前記手首部を駆動することを特徴とするロボットハンド。
7. ロボットアームと、
   前記ロボットアームを制御するロボットアーム制御部と、
   前記ロボットアームの先端に接続されたロボットハンドと、を備え、
   前記ロボットハンドは、請求項１から６のいずれか１項に記載のロボットハンドであることを特徴とするロボットシステム。
8. 以下のステップを有するロボットハンドの制御方法；
   （ａ）被把持物と環境物体との衝突を検出した際、前記被把持物が前記環境物体から受けた力を所定の閾値と比較するステップ、
   （ｂ）前記（ａ）ステップにおいて、前記被把持物が前記環境物体から受けた力が前記所定の閾値以上であると判定した場合、前記被把持物が前記環境物体から受けた力の方向と、衝突位置とを推定し、前記被把持物の退避位置を演算するステップ、
   （ｃ）前記（ｂ）ステップにおいて演算した前記被把持物の退避位置に基づき、前記被把持物の退避経路を演算するステップ、
   （ｄ）前記（ｃ）ステップにおいて演算した記被把持物の退避経路に基づき、前記被把持物を移動させるステップ。
9. 請求項８に記載のロボットハンドの制御方法であって、
   前記（ａ）ステップにおいて、被把持物と環境物体との衝突を検出した際、前記ロボットハンドによる前記被把持物の把持力を弱めることを特徴とするロボットハンドの制御方法。
10. 請求項８に記載のロボットハンドの制御方法であって、
    前記（ａ）ステップにおいて、被把持物と環境物体との衝突を検出した際、前記ロボットハンドが接続されたロボットアームの制御装置より前記ロボットハンドの直前の位置を受信し、当該直前の位置の方向へ前記被把持物を移動させることを特徴とするロボットハンドの制御方法。

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