JP3187191B2

JP3187191B2 - ロボット用フィンガの把持力検出装置

Info

Publication number: JP3187191B2
Application number: JP03327193A
Authority: JP
Inventors: 有一村瀬; 聡駒田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1993-02-23
Filing date: 1993-02-23
Publication date: 2001-07-11
Anticipated expiration: 2016-07-11
Also published as: JPH06241925A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はワーク把持用の把持部を
有するロボット用フィンガの把持力を検出するロボット
用フィンガの把持力検出装置に関する。

【０００２】ロボットのハンドでワークを把持する場
合、その把持力を検出して制御することで、柔らかいも
の等も安全に把持可能となる。したがって、ロボットハ
ンドのフィンガの把持力を検出し制御することはロボッ
トを動作させる上で重要な要素となる。

【０００３】

【従来の技術】図１１は従来例のロボット用フィンガを
示す図である。図において、ロボット用フィンガ１００
は、モータ１０、リンク３０及び把持部２０から構成さ
れる。

【０００４】モータ１０はロボット用フィンガ全体を駆
動軸まわりに回転駆動させ、その駆動軸１１０の回転角
度はエンコーダ１２０によって検出される。駆動軸１１
０には剛体のリンク３０が取り付けられ、そのリンク３
０の他端側にはワーク把持用の把持部２０が固定して設
けられる。把持部２０の軸と駆動軸１１０とは互いに平
行な関係にある。把持部２０の位置はエンコーダ１２０
で知ることができる。

【０００５】リンク３０の中央部分には四角形状の穴３
１０が設けられる。穴３１０によってリンク３０の肉厚
が薄くなった部分に曲げ歪みを検出するストレインゲー
ジ３１０ｓが設けられている。図では１カ所のみにスト
レインゲージ３１０ｓを設けているが、実際は、その肉
厚が薄くなった部分でリンク３０側面側及び穴３１０の
内周面側の合計４カ所にストレインゲージが設けられて
いる。ストレインゲージ３１０ｓ以外の３個のストレイ
ンゲージの図示は省略する。これらのストレインゲージ
３１０ｓ等は、その部分でのリンク３０の曲げ歪みを検
出し、その検出結果を演算装置５０に送る。

【０００６】図１２はロボット用フィンガによる把持方
法を示す図である。ワーク６を把持する場合は、上記の
ロボット用フィンガ１００及びそのロボット用フィンガ
１００と対になるロボット用フィンガ１００ａを用意
し、各々のモータ１０及び１０ａを図に示す矢印方向に
回転させて把持部２０及び２０ａでワーク６の把持を行
なう。なお、この１対のロボット用フィンガ１００及び
１００ａによってロボットハンドが構成される。このよ
うにワーク６を把持したとき、リンク３０は、把持部２
０に掛かる反力Ｆのリンク軸と直交する成分ｆに比例し
て、リンク軸に垂直な方向に微小に曲げ変形する。リン
ク３０ａについても同様の曲げ変形が起こる。その曲げ
変形による歪みをストレインゲージ３１０ｓで検出す
る。その検出結果は上記演算装置５０に送られ、演算装
置５０は、その検出結果等に基づいて力成分ｆを求め、
さらにその力成分ｆ等を用いてＦを求め、モータ１０、
１０ａの回転制御を行なう。ここで、反力Ｆを、把持の
際に把持部２０に働くワーク６表面からの垂直抗力とす
る。把持部２０とワーク６間に摩擦力が働かないとすれ
ば上記反力Ｆが把持力となる。次にＦを求める手順を図
１３を用いて説明する。

【０００７】図１３は反力Ｆを求める手順の説明図であ
る。図において、反力Ｆは、エンコーダ１２０で検出し
た駆動軸１１０の回転角度θ、すなわち指２０の位置θ
と、現在のロボット用フィンガ１００の姿勢やリンク３
０の長さ等のデータベースから推定されるワーク６のロ
ボット用フィンガ座標系Ｏ−ＸＹにおける相対姿勢αを
用いて、幾何学的な力成分ｆとの関係を記述した次式
（１）から算出する。

【０００８】

【数１】Ｆ＝ｆ／ｓｉｎ（α−θ）・・・・・（１）このようにして求めた反力Ｆをロボット用フィンガ１０
０の把持力としている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記式（１）
から算出した反力Ｆをロボット用フィンガ１００の把持
力とすると、以下のような問題点が存する。先ず、把持
部２０はリンク３０の先端に固定して取り付けられてい
るため、把持部２０とワーク６との間には、図１４に示
すように、摩擦力ｆ_F が生じる。この場合、上記の力成
分ｆに基づいて反力Ｆを求めても、その反力Ｆは実際の
把持力Ｆ_C と一致せず、実際の把持力Ｆ_Cの正確な検出
は困難であった。

【００１０】また、ほとんど摩擦力ｆ_F がなく反力Ｆと
把持力Ｆ_C が等価な場合でも図１３においてリンク３０
と反力Ｆとの成す角度（α−θ）が零に近づくにつれ、
力成分ｆは値が小さくなるため、ストレインゲージ３１
０ｓがその力成分ｆを検出する際の感度が劣化する。そ
のため、反力Ｆを精度良く検出することができなくな
る。特に、（α−θ）＝０の場合は、特異点となるた
め、反力Ｆの検出は不可能になる。

【００１１】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、把持部に働く把持力を正確に求めることがで
きるロボット用フィンガの把持力検出装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１２】また、本発明の第２の目的は、把持部の位
置に関係なく安定した把持力検出が可能なロボット用フ
ィンガ及びその把持力検出装置を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明のロボット用フィ
ンガの把持力検出装置は、図５に示すように、ロボット
用フィンガ１０ａの全体を回転させるリンク回転軸１１
ａと、そのリンク回転軸１１ａに設けられた屈曲リンク
３ａと、屈曲リンク３ａの先端に設けられ軸回りに回転
自在な自由度を持つワーク把持用の把持部２ａと、屈曲
リンク３ａで軸線方向が互いに異なる部位に設けられ曲
げ歪みを検出する曲げ歪み検出部センサ３１１ａ等と、
その曲げ歪み検出部３１１ａ等の検出信号に基づいて把
持部２ａの把持力を演算する演算部５ａと、から構成さ
れる。

【００１４】

【作用】リンク回転軸１１ａと把持部２ａとの間のリン
クを屈曲リンク３ａとし、その屈曲リンク３ａ上で軸線
方向が互いに異なる部位に、曲げ歪みを検出する曲げ歪
み検出部３１１ａ等を設けた。このため、その２カ所の
曲げ歪み検出部３１１ａ等の検出信号に基づいて把持力
を検出できるようになる。したがって、把持部２ａの位
置（リンク回転軸１１ａの回転角度）に関係なく安定し
た把持力検出が可能となる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１は本発明のロボット用フィンガの構成を示
す図である。図において、ロボット用フィンガ１０は、
モータ１、リンク３及び把持部２から構成される。

【００１６】モータ１はロボット用フィンガ１０全体を
回転駆動させ、その駆動軸１１の回転角度はエンコーダ
１２によって検出される。駆動軸１１には剛体のリンク
３が取り付けられ、そのリンク３の他端側には軸回りに
回転自在な自由度を持つ円筒型の把持部２が設けられ
る。把持部２の軸と駆動軸１１とは互いに平行な関係に
ある。把持部２の位置はエンコーダ１２で知ることがで
きる。

【００１７】リンク３の中央部分には四角形状の穴３１
が設けられる。穴３１によってリンク３の肉厚が薄くな
った部分に曲げ歪みを検出するストレインゲージ３１０
ａが設けられている。図では１カ所のみにストレインゲ
ージ３１０ａを設けているが、実際は、その肉厚が薄く
なった部分でリンク３側面側及び穴３１の内周面側の合
計４カ所にストレインゲージが設けられている。ストレ
インゲージ３１０ａ以外の３個のストレインゲージの図
示は省略する。これらのストレインゲージ３１０ａ等
は、その部分でのリンク３の曲げ歪みを検出し、その検
出結果を演算装置５に送る。

【００１８】演算装置５は、その検出結果から求めた力
成分ｆやエンコーダ１２で検出した把持部２の位置等に
基づいて前記式（１）から反力Ｆを求め、その反力Ｆに
基づいてモータ１の回転を制御する。

【００１９】上記構成のロボット用フィンガ１０におい
て、把持部２は軸回りに回転自在な自由度を持つように
したので、図２に示すように、ワーク６と指２との間に
生じる摩擦力ｆ_F を小さく抑えることができる。したが
って、力成分ｆに基づいて反力Ｆを求めても、その反力
Ｆは把持部２で生ずる実際の把持力Ｆ_C とほとんど誤差
はなく、把持力を正確に求めることができるようにな
る。

【００２０】なお実際にワーク６を支持する場合は、図
２及び３に示すように本ロボット用フィンガ１０と対と
なるロボット用フィンガ１０ｍを用意する。図２の場合
は、対となるロボット用フィンガ１０ｍとして従来型の
ロボット用フィンガを用いる。ロボット用フィンガ１０
ｍは図中Ｘ方向のすべりを押さえる役目も兼ね、把持部
２ｍにおいてあえてワークとの摩擦を生ずるような形式
としてある。

【００２１】図３は、対となるロボット用フィンガ１０
ｎとして把持部２ｎを四角柱のパット型に変えたもので
ある。これによりワーク６との摩擦を増加させてより安
定な把持が可能となる。なお、この把持部２ｎのパッド
はワーク６との馴染みを良くするために、図３中の矢印
２０ｎで示したようにパッドの姿勢が所定の角度内で可
動できる自由度を持たせてある。

【００２２】なお、図１に示した演算装置５は、ロボッ
ト用フィンガ１０のモータ１の回転制御を行なうように
しているが、同時に他のロボット用フィンガの回転制御
を行なうように構成してもよい。

【００２３】図５は本発明の第２の実施例を示す図であ
る。本実施例では、把持部２ａは上記第１の実施例と同
様に、軸回りに回転自在に自由度を持つように構成され
ている。一方、ロボット用フィンガ１０ａのリンクはＬ
字型リンク３ａとして構成されている。そのＬ字型リン
ク３ａで軸線が互いに異なる部位に、四角形状の穴３１
ａ及び３２ａが設けられる。上記第１の実施例と同様
に、穴３１ａの部分に４個のストレインゲージ３１１ａ
等が設けられ、穴３２ａの部分に４個のストレインゲー
ジ３２１ａ等が設けられる。これらのストレインゲージ
３１１ａ、３２１ａ等は、その部分でのリンク３ａの曲
げ歪みを検出し、その検出結果を演算装置５ａに送る。

【００２４】図６はロボット用フィンガ１０ａによりワ
ークを押し付けて把持したときの状態をモデル化した図
である。ここでは、穴３１ａにおける４個のストレイン
ゲージ３１１ａ等をストレインゲージＳ１で、穴３２ａ
における４個のストレインゲージ３２１ａ等をストレイ
ンゲージＳ２で表す。

【００２５】ストレインゲージＳ１の出力電圧をＶ１、
ストレインゲージＳ２の出力電圧をＶ２とすれば、モデ
ル化した図４において次式（２）、（３）が成立する。

【００２６】

【数２】Ｖ１＝ｋ₁ ・Ｌ１・Ｆ・ｓｉｎβ ・・・・（２）

【００２７】

【数３】Ｖ２＝ｋ₂ ・Ｌ２・Ｆ・ｃｏｓβ＋ｋ₃ ・Ｌ３・Ｆ・ｓｉｎβ・・・（３）ただし、ｋ₁ 、ｋ₂ 、ｋ₃ は出力特性定数であり、ｋ₁
とｋ₂ の比はアンプのゲインで調整可能である。また、
ｋ₂ とｋ₃ は構造上機械的に一定の比を持つ関係とな
り、

【００２８】

【数４】ｋ₂ ／ｋ₃ ＝ｃｏｎｓｔ・・・・・（４）である。検出電圧のスケール調整を行なえば、（２）式
より、

【００２９】

【数５】ｓｉｎβ＝Ｖ１／（ｋ₁ ・Ｌ１・Ｆ）・・・・・（５）この（５）式のｓｉｎβを（３）式に代入して、

【００３０】

【数６】ｃｏｓβ＝（１／ｋ₂ ・Ｌ２・Ｆ）（Ｖ２−ｋ₃ ・Ｌ３・Ｖ１／（ｋ₁ ・Ｌ１））・・・・・（６）（５）式、（６）式と、

【００３１】

【数７】ｓｉｎ² β＋ｃｏｓ² β＝１・・・・・（７）を用いて、反力Ｆについて解くと、

【００３２】

【数８】Ｆ＝｛１／（ｋ₁ ・Ｌ１・ｋ₂ ・Ｌ２）｝× ｛（ｋ₂ ・Ｌ２・Ｖ１）² ＋（ｋ₁ ・Ｌ１・Ｖ２−ｋ₃ ・Ｌ３・Ｖ１）² ｝^0.5 ・・・・・（８）となり、ストレインゲージＳ１の出力電圧Ｖ１とストレ
インゲージＳ２の出力電圧Ｖ２とを用いて、反力Ｆを求
めることができる。すなわち、把持部２ａの位置と係わ
る角度θやβと関係なく、特異点のない安定した反力Ｆ
の検出が可能となり、把持部２ａの位置（モータ１ａの
回転角度）θを求めるエンコーダも不要となる。

【００３３】また、（８）式をアナログ回路でハード化
すれば、その分、演算部５ａにおける計算負担が少なく
なり、高速に反力Ｆを検出することができるようにな
る。図６において、把持部２ａの位置（モータ１ａの回
転角度）θが分かるようにエンコーダを付加し、ストレ
インゲージＳ１、Ｓ２で出力電圧Ｖ１、Ｖ２を検出すれ
ば、ワーク６の位置姿勢も認識できるようになる。すな
わち、把持部２ａの位置θはエンコーダで検出し、把持
部２ａに対する反力Ｆの方向βは、上記（８）式で求め
た反力Ｆの値と、（５）式、（６）式とから逆算可能で
ある。このθ、βを用いてロボット用フィンガ座標系Ｏ
−ＸＹで見たワーク６表面の傾きαは

【００３４】

【数９】 α＝θ＋β＋π／２・・・・・（９）で算出することができる。複数の把持部２ａ等から求め
たこのαを用いて、ワーク６の位置姿勢が推定可能とな
る。

【００３５】図７は本発明の第３の実施例を示す図であ
る。本実施例では、把持部２ｂは上記第１及び第２の実
施例と同様に、軸回りに回転自在に自由度を持つように
構成されている。一方、ロボット用フィンガ１０ｂのリ
ンク３ｂは、リンク３０ｃとリンク３０ｄで構成されて
いる。リンク３０ｃは、その一端がモータ１ｂの駆動軸
１１ｂに取り付けられ、その一端から広がっていく形状
を有している。リンク３０ｃの幅広に形成された他端側
の側面中央に設けられた矩形状の穴３１ｂには、板バネ
３１ｃがその側面に沿って設けられている。

【００３６】上記リンク３０ｄは略直方体に形成され、
その一端が板バネ３１ｃの中央部分に固定して接続さ
れ、リンク３０ｄの他端側に上記把持部２ｂが設けられ
る。板バネ３１ｃには、図６（詳細は後述する）に示す
ように、その側面の裏表に４個のストレインゲージ３３
１ａ、３３１ｂ、３３１ｃ及び３３１ｄが設けられ、こ
れらのストレインゲージ３３１ａ等は、４個で１組とな
って図７に示すブリッジ回路Ｃ１を構成する。

【００３７】また、図８では図示していないが、実際に
は、上記４個のストレインゲージ３３１ａ等の各々に隣
接してもう一組の４個のストレインゲージが設けられ、
上記ストレインゲージ３３１ａ等と同様に、４個で１組
となって図１０に示すブリッジ回路Ｃ２を構成してい
る。その詳細は後述する。なお、図９のａ〜ｄは、スト
レインゲージ３３１ａ〜３３１ｄを示し、図１０のａ〜
ｄは、ストレインゲージ３３１ａ〜３３１ｄの各々に隣
接して設けられたもう一組の４個のストレインゲージを
示す。これらのストレインゲージ３３１ａ等は、その部
分での板バネ３０ｃの撓みや曲げ歪みを検出し、その検
出結果は上記ブリッジ回路Ｃ１、Ｃ２の出力信号となっ
て演算装置５ｂに送られる。

【００３８】図８はロボット用フィンガ１０ｂによりワ
ークを押し付けて把持したときの状態をモデル化した図
である。ここで、反力Ｆの算出方法を説明する。図にお
いて、把持力Ｆのｃｏｓθ成分は、板バネ３１ｃの撓み
となって現れる。上記のブリッジ回路Ｃ１は、板バネ３
１ｃの撓みを検出するように回路が組まれており、板バ
ネ３１ｃの撓みは、ブリッジ回路Ｃ１の検出電圧Ｖａ
（図９）に比例して現れる。

【００３９】また、反力Ｆのｓｉｎθ成分は、板バネ３
１ｃの曲げとなって現れる。上記のブリッジ回路Ｃ２
は、板バネ３１ｃの曲げを検出するように回路が組まれ
ており、板バネ３１ｃの曲げは、ブリッジ回路Ｃ２の検
出電圧Ｖｂ（図１０）に比例して現れる。

【００４０】ｋ_a 、ｋ_b を出力特性定数として検出電圧
のスケール調整を行なえば、

【００４１】

【数１０】Ｆ・ｃｏｓθ＝ｋ_a ・Ｖ_a ・・・・・（１０）

【００４２】

【数１１】Ｆ・ｓｉｎθ＝ｋ_b ・Ｖ_b ・・・・・（１１）となる。

【００４３】

【数１２】ｓｉｎ² θ＋ｃｏｓ² θ＝１・・・・・（１２）と連立させて反力Ｆについて解けば、

【００４４】

【数１３】Ｆ＝（ｋ_a ・Ｖ_a ＋ｋ_b ・Ｖ_b ）^0.5 ・・・・・（１３）で、反力Ｆを求めることができる。

【００４５】このように、本実施例ではリンク３ｂに板
バネ３１ｃを設け、その板バネ３１ｃの撓みと曲げ歪み
を検出して把持部２ｂの反力Ｆを求めるようにした。そ
のときの反力Ｆの算出式（１３）は簡単な式となるの
で、第１の実施例に比べて、さらに高速に反力Ｆを検出
することができるようになる。

【００４６】なお、上記の第１〜第３の実施例におい
て、把持部自身の回転をエンコーダ等で検出するように
すれば、把持部とワークとの間のすべりが演算装置で検
出可能となる。その演算装置において、検出したすべり
に基づいてモータの回転トルクを制御するようにすれ
ば、最小の把持力でワークを把持することができる。例
えば、２本の把持部の内、一方を固定支持用とし、他方
を軸回りに回転自在に構成したとき、その回転自在の把
持部の回転を検出することで、常時最小の把持力でその
ワークを掴むことができるようになる。

【００４７】また、上記の第１〜第３の実施例でのロボ
ット用フィンガ１０等を用いた応用例として、例えば紙
送り機の紙押さえ装置がある。演算装置（把持力検出装
置）５等を用いて紙押さえ力を常に理想的な状態に保つ
制御が可能になる。

【００４８】

【発明の効果】把持部を軸回りに回転自在に構成すると
共に、リンク回転軸と把持部との間のリンクを屈曲リン
クとし、その屈曲リンク上で軸線方向が互いに異なる部
位に、曲げ歪みを検出する曲げ歪み検出部を設けた。こ
のため、その２カ所の曲げ歪み検出部の検出信号に基づ
いて把持力を検出できるようになる。すなわち、把持部
の位置に関係なく、特異点のない安定した把持力の検出
が可能となり、把持部の位置（リンク回転軸の回転角
度）を求めるエンコーダも不要となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のロボット用フィンガの構成を示す図で
ある。

【図２】ロボット用フィンガによりワークを押し付けて
把持したときの状態をモデル化した図である。

【図３】２指把持によるワーク固定支持。（その１）

【図４】２指把持によるワーク固定支持。（その２）

【図５】本発明の第２の実施例を示す図である。

【図６】ロボット用フィンガによりワークを押し付けて
把持したときの状態をモデル化した図である。

【図７】本発明の第３の実施例を示す図である。

【図８】ロボット用フィンガによりワークを押し付けて
把持したときの状態をモデル化した図である。

【図９】把持力Ｆのｃｏｓθ成分を検出するブリッジ回
路を示す図である。

【図１０】把持力Ｆのｓｉｎθ成分を検出するブリッジ
回路を示す図である。

【図１１】従来例のロボット用フィンガを示す図であ
る。

【図１２】ロボット用フィンガによる把持方法を示す図
である。

【図１３】把持部にかかる反力Ｆを求める手順の説明図
である。

【図１４】把持部とワークとの間の摩擦力を説明するた
めの図である。

【符号の説明】１，１ａ，１ｂモータ２，２ａ，２ｂ把持部３，３ａ，３ｂ，３０ｃ，３０ｄリンク５，５ａ，５ｂ演算装置１０，１０ａ，１０ｂロボット用フィンガ１１，１１ａ，１１ｂ駆動軸３１，３１ａ，３１ｂ穴３１ｃ板バネ３１０ａ，３１１ａ，３１２ａ，３３１ａストレイン
ゲージ

フロントページの続き (56)参考文献特開平２−198787（ＪＰ，Ａ) 特開平４−354690（ＪＰ，Ａ) 特開平３−26490（ＪＰ，Ａ) 特開平１−210285（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−132483（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−50789（ＪＰ，Ａ) 実開昭62−15479（ＪＰ，Ｕ) 実開昭61−84534（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 5/00 B25J 15/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ロボット用フィンガの把持力を検出する
ロボット用フィンガの把持力検出装置において、前記ロボット用フィンガの全体を回転駆動させるリンク
回転軸と、前記リンク回転軸に一端が取り付けられ前記リンク回転
軸の回転に応じて回転する屈曲リンクと、前記屈曲リンクの他端に取り付けられ軸回りに回転自在
な自由度を持つワーク把持用の把持部と、前記屈曲リンク中で軸線の方向が互いに異なる部位に設
けられ曲げ歪みを検出する曲げ歪み検出部と、前記曲げ歪み検出部の検出信号に基づいて前記把持部の
把持力を演算する演算部と、を備え、前記リンク回転軸はモータ駆動軸であり、前記演算部は
演算した前記把持部の把持力に基づいて前記モータ駆動
軸の回転トルクを制御することを特徴とするロボット用
フィンガの把持力検出装置。
【請求項２】前記リンク回転軸の回転角度を検出する
角度検出器を設け、前記演算部は前記角度検出器の検出
信号に基づいて前記ワークの位置及び姿勢を求めること
を特徴とする請求項１記載のロボット用フィンガの把持
力検出装置。
【請求項３】前記把持部の軸回りの回転角度を検出す
る角度検出器を設け、前記演算部は前記角度検出器の検
出信号に基づいて前記把持部のすべりを検出すると共に
前記すべりのない最小把持力となるように前記駆動軸の
回転トルクを制御することを特徴とする請求項１記載の
ロボット用フィンガの把持力検出装置。
【請求項４】ロボット用フィンガの把持力を検出する
ロボット用フィンガの把持力検出装置において、前記ロボット用フィンガの全体を回転駆動させるリンク
回転軸と、前記リンク回転軸に設けられた第１のリンクと、前記第１のリンクの前記回転軸とは反対側端面に設けら
れた板バネと、前記板バネに固定された第２のリンクと、前記第２のリンクの先端に設けられ軸回りに回転自在な
自由度を持つワーク把持用の把持部と、前記板バネに設けられ撓みと曲げ歪みを検出する曲げ歪
み検出部と、前記曲げ歪み検出部の検出信号に基づいて前記把持部の
把持力を演算する演算部と、を有することを特徴とするロボット用フィンガの把持力
検出装置。