JP3409160B2 - 把握データ入力装置 - Google Patents

把握データ入力装置

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JP3409160B2 JP2000126400A JP2000126400A JP3409160B2 JP 3409160 B2 JP3409160 B2 JP 3409160B2 JP 2000126400 A JP2000126400 A JP 2000126400A JP 2000126400 A JP2000126400 A JP 2000126400A JP 3409160 B2 JP3409160 B2 JP 3409160B2
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    • A61B5/224—Measuring muscular strength
    • A61B5/225—Measuring muscular strength of the fingers, e.g. by monitoring hand-grip force

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、人間の手の把握デ
ータをロボットハンドの制御に用いることを目的に、人
間の手指の運動および力覚データを計測する装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来の人間の手指の運動データを計測す
る装置として、指関節を曲げることにより抵抗値が変化
する曲げセンサを手袋の指関節背面部に縫い付けたもの
（例えば日商エレクトロニクス（株）Super Glove Jr
や Virtual Technologies 社 Cyber Glove）、平行リン
クゴニオメータを指関節をまたいで配置したもの（例え
ば EXOS社 Dextrous Hand Master）が開発されてい
る。
【０００３】又、人間の指や手のひらに加わる圧力分布
を検出する装置として、感圧導電性ゴムまたは導電性イ
ンクシートを用いた分布型触覚センサを手袋に縫い付
け、人間の手指に装着可能にしたもの（例えばニッタ
（株）グローブスキャンシステム）が開発されている。
【０００４】また、６軸力覚データを検出するセンサと
して、ロボットの手首に取り付けるもの（例えばニッタ
（株）６軸力覚センサ IFS シリーズ）、ロボットハン
ドの指先に取り付けるもの（例えば ビー・エル・オー
トテック（株）NANOセンサ）が開発されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】人間の把握データを計
測し、手作業を分析することにより、人間の知識や経験
を利用したロボットハンドの把握操作アルゴリズムを構
築することができる。人間の知識や経験を利用すること
で、これまで困難であった、紙や布、ケーブルといった
柔軟物の把握操作アルゴリズムの開発が可能となる。
【０００６】把握操作においては、把握系内の力学的釣
り合いや力学的安定性が保たれなければならないため、
人間の手作業の分析では、人間の手指の運動データのみ
ならず、人間の指先に作用する接触力を計測する必要が
ある。
【０００７】人間の手指の運動データ計測では、人間は
主に指先を利用して物を操っていることから、個々の関
節の運動データではなく、末節（指先）の運動データが
重要となる。
【０００８】これまで、人間の手指の運動データを計測
する装置として、指関節を曲げることにより抵抗値が変
化する曲げセンサを、通常の薄手手袋の指関節背面部に
縫い付け、手指を曲げたときの曲げセンサの抵抗値の変
化から指関節角を検出する装置（日商エレクトロニクス
（株）Super Glove Jr や Virtual Technologies 社Cyb
er Glove）が開発されている。
【０００９】また、一辺が指節と垂直な２組の平行リン
クを指関節をまたいで連結し、その連結部に角度検出セ
ンサを配置した平行リンクゴニオメータによる関節角デ
ータ検出装置（EXOS社 Dextrous Hand Master）が開発
されている。
【００１０】これらの装置は、いずれも人間の手指の個
々の関節角を計測するものである。従って、指末節の運
動を求めるためには、人間の手の大きさの個人差の影響
をキャンセルするために煩雑なキャリブレーションが必
要となる。
【００１１】また、人間の手指の接触力を検出する装置
として、感圧導電性ゴムや導電性インクシートを用いた
分布型触覚センサを手袋に縫い付けたセンサグローブ
（下条ほか：「把持力分布計測用センサグローブMKIII
の開発」第１４回 日本ロボット学会学術講演会,１９９
６。または、ニッタ（株）グローブスキャンシステム）
が開発されている。
【００１２】センサグローブは、指や手のひらに加わる
圧力分布が検出できるが、検出される力の成分はセンサ
表面に垂直な方向の力のみである。人間は、把握操作を
行なう際に摩擦力（センサ表面と水平な方向の力）や指
先面のモーメンを利用していることが知られているが、
上記装置では、センサ表面と水平な方向の力である摩擦
力やセンサ面上のモーメントが検出できないという問題
があった。
【００１３】更に、人間の把握データを直接ロボットハ
ンドの制御に利用するためには、ロボットハンドが装備
しているセンサと同じセンサデータを検出することが望
ましい。これまで、ロボットハンドの指先に搭載するセ
ンサとして、６軸力覚センサが重要であることが指摘さ
れている（永田ほか：「指先力覚センサの開発と接触点
検出誤差評価」日本ロボット学会会誌, Vol.１４, No.
８, １９９６.）。
【００１４】このことから、人間の手指に作用する接触
力を検出するセンサとして、人間の指先に装着でき、３
次元方向の力とモーメントが検出できる６軸力覚センサ
が望まれていた。
【００１５】これまで、ロボット用の６軸力覚センサが
開発されているが、世界最小サイズのビー・エル・オー
トテック（株）製NANOセンサでも、そのサイズは 直径
φ１８ [mm]、長さ３２．８ [mm] であり、ロボット用
の６軸力覚センサをそのまま人間の指先に装着すること
はできなかった。
【００１６】本発明の目的は、これら課題を考慮し、人
間の指先に装着できる６軸力覚センサとリンク機構、角
度検出センサから構成され、人間の手指の運動、および
指先に作用する接触力を計測する把握データ入力装置を
提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、人間の手の各指先に装着できる６軸力覚セ
ンサ、リンク機構及び複数の角度検出センサから成る
組、並びにベースを備えた把握データ入力装置におい
て、上記ベースは、外部固定部材に固定又は人間の手に
装着可能であり、上記６軸力覚センサは、人間の指を挿
入する指サック、物体に触れる指カバー及び上記指サッ
クと上記指カバーの間にある弾性構造体とから構成さ
れ、上記リンク機構を介してベースに連結されており、
上記弾性構造体は、特定の力覚成分に応じて歪み易い構
造をもっており、その歪を歪ゲージにより電気信号に変
換して計算機に入力することができ、上記複数の角度検
出センサは、上記リンク機構を構成するリンクとリンク
の枢支部及び上記リンク機構とベースの枢着部のうち少
なくとも上記枢支部に取り付けられており、上記リンク
機構の動きを計測することにより人間の手の各指先の３
次元運動を計測できるとともに、上記６軸力覚センサに
より人間の手の各指先に作用する接触力を計測すること
ができることを特徴とする把握データ入力装置を提供す
る。
【００１８】上記角度検出センサは、例えば、ポテンシ
ョメータ又はエンコーダ等である。
【００１９】上記力覚センサ、リンク機構及び複数の角
度検出センサから成る組は、１組から最大５組設けられ
ている。
【００２０】上記ベースには、垂直方向に対するベース
の傾斜角度を計測することのできる傾斜センサを有す
る。
【００２１】上記ベースは、手袋に固着されており、該
手袋を人間が着用することで、上記ベースは人間の手に
装着可能である。
【００２２】
【発明の実施の形態】発明に係る把握データ入力装置の
実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して説明す
る。
【００２３】（基本構成）図１は、本発明の把握データ
入力装置の基本構成を示す図である。図１に示すとお
り、本把握データ入力装置は、人間の指に装着できる力
覚センサ１、リンク機構２、角度検出センサ３、ベース
４から構成される。
【００２４】ベース４は、図１に示す本発明の基本構成
では外部固定部材４’に固定されているが、後述の図４
に示す実施例では、人間の手に固定されており、いずれ
でも良い。リンク機構は、複数のリンク２と、この複数
のリンクを互いに枢支する枢支部とから構成されてお
り、リンク機構の先端部は力覚センサ１に取り付けられ
おり、その基端部はベース４に枢着されている。
【００２５】角度検出センサ３（例えば、ポテンショメ
ータ、エンコーダ等）は、手指の運動を計測するのに十
分な数を有し、リンク２を介して互いに枢支する枢支部
に設けられているとともに、リンク機構の基端部をベー
スに枢着する枢着部にも設けられている。リンク機構２
の先端部は力覚センサ１に連結され、基端部はベース４
に連結されている。
【００２６】図２に、本発明の把握データ入力装置で使
用する力覚センサ１の構成を示す。力覚センサ１は、図
２(a)、(b)に示すとおり、指サック２０、弾性構造体２
１、指カバー２２、リンク結合部２３から構成される。
【００２７】弾性構造体２１は，特定の力成分に対して
歪み易い構造をもっている。図３に弾性構造体２１の一
例を示す。これは、基部３０とフランジ部３１を３本の
ビーム３２を介して連結したもので、ビーム３２の各面
には歪みゲージ３３が貼られている。この弾性構造体２
１に外力がはたらくと、外力成分に応じてビーム３２が
歪む。この歪みを歪みゲージ３３により電気信号に変換
することにより、力成分を歪みゲージの電気信号として
取り出すことができる。
【００２８】弾性構造体２１に作用する６軸力（３次元
方向の力とモーメント）と各ビームの歪みゲージの出力
の関係を表す歪みスティフネス行列は予めキャリブレー
ションにより求められている。歪みスティフネス行列と
は、各ビームの歪みゲージの出力を力に変換する行列で
ある。歪みスティフネス行列を用い、歪みゲージの出力
信号から、弾性構造体２１に作用する６軸力を計算によ
り求めることができる。
【００２９】指サック２０は、人間の指を挿入する部分
で、弾力性のある部材（例えばエンジニアリングプラス
チック、リン青銅、バネ鋼など）でつくられており、指
の大きさの個人差に対応できるよう、切り込み２５が入
れられている。指サック２０は弾性構造体２１の基部３
０と連結している。
【００３０】リンク結合部２３は、指サック２０と連結
しており、把握データ入力装置のリンク機構２と結合す
る。指カバー２２は、実際に物体と触れる部分で、取り
付けブロック２４を介して弾性構造体２１のフランジ部
３１と連結している。指カバー２２には、リンク結合部
２３と接触しないよう切込み２６が入れられている。
【００３１】（実施例）図４は、本発明の把握データ入
力装置の実施例の構成を示す図であり、この実施例の把
握データ入力装置の基本的構成は図１〜３に記載されて
いるものと同じであるが、ベース４は、人間の手に固定
された構成であるものとして説明する。図４に示すとお
り、本把握データ入力装置のこの実施例では、人間の指
に装着できる力覚センサ１、リンク２a〜２d、角度検出
センサ３a〜３e、ベース４、手袋５、傾斜角センサ６か
ら構成される。
【００３２】図４では、手指との関連が分かりやすいよ
う、手袋５を透明なものとして破線で描いている。ま
た、実際には５本指について実施しているが、この実施
例では、原理をより明確にするため、人指し指と親指の
みで実施した例について述べる。他の指は、人指し指と
同様に実施できる。手袋５は指先端部が切り取られてお
り、ベース４は手袋５の手の甲に当たる部分に縫い付け
られている。また、ベース４には傾斜角センサ６が取り
つけられている。
【００３３】実施例の把握データ入力装置は、手袋５お
よび各指先に力覚センサ１を装着することにより、人間
の手指１０に装着される。まず、把握データ入力装置の
親指部について説明する。親指では、手根中手関節（親
指根本の関節、以後CM関節と呼ぶ）の対立運動、内転・
外転運動、屈伸運動の３自由度、中手指節関節（親指中
心の関節、以後MP関節と呼ぶ）の屈伸運動に対応した１
自由度、母指指節間関節(親指先端の関節、以後IP関節
と呼ぶ）の屈伸運動に対応した１自由度の運動が全て計
測できるよう、角度検出センサ３は親指根本から３個、
１個、１個の順に配置されている。
【００３４】すなわち、ベース４よりリンク２dを介し
て、親指CM関節近傍にCM関節の対立運動を検出する角度
検出センサ３e、CM関節の内転・外転運動を検出する角
度検出センサ３d、CM関節の屈伸運動を検出する角度検
出センサ３cが互いに直交するように取りつけられてい
る。
【００３５】親指CM関節の角度検出センサ３cは、リン
ク２cを介して親指MP関節上部に配置した角度検出セン
サ３bと連結し、親指MP関節上部の角度検出センサ３b
は、リンク２bを介して親指IP関節近傍の角度検出セン
サ３aと連結する。親指IP関節近傍の角度検出センサ３a
からのびるリンク２aは、力覚センサ１のリンク結合部
２３と連結する。角度検出センサ３a、３b、３cは、親
指の屈伸運動を計測するものであり、その回転軸は、親
指屈伸運動の回転軸と平行となるよう配置されている。
【００３６】次に、人指し指、中指、薬指、小指では、
中手指節関節（指根本の関節、以後MP関節と呼ぶ）の内
転・外転運動、屈伸運動の２自由度、近位指節間関節
（指中心の関節、以後PIP関節と呼ぶ）の屈伸運動に対
応した１自由度、遠位指節間関節（指先端の関節、以後
DIP関節と呼ぶ）の屈伸運動に対応した１自由度の運動
が全て計測できるよう、角度検出センサ３は指根本から
２個、１個、１個の順に配置されている。
【００３７】すなわち、ベース４に取りつけブロック７
を介して指MP関節の内転・外転運動を検出する角度検出
センサ３dが取りつけられている。角度検出センサ３dの
回転軸は、手の甲の垂直方向を向く。すなわち、ベース
４の上面の垂直方向を向く。角度検出センサ３dの先に
は、指MP関節の屈伸運動を検出する角度検出センサ３c
が取りつけられ、角度検出センサ３cはリンク２cを介し
て指PIP関節上部に配置した角度検出センサ３bと連結
し、角度検出センサ３bは、リンク２bを介して指DIP関
節近傍の角度検出センサ３aと連結する。
【００３８】指DIP関節近傍の角度検出センサ３aからの
びるリンク２aは、力覚センサ１のリンク結合部２３と
連結する。角度検出センサ３a、３b、３cは、指の屈伸
運動を計測するもので、その回転軸は、指屈伸運動の回
転軸と平行となるよう配置されている。
【００３９】以上の構成から成る本発明の把握データ入
力装置の実施例の作用を図４において説明する。人間は
手に手袋５を装着し、力覚センサ１の指サック２０に指
先を挿入し、把握データ入力装置を手指に装着する。把
握データ入力装置を手指に装着した状態で、把握操作を
行なう。
【００４０】把持物体１１は力覚センサ１の指カバー２
２と接触しており、人間は指サック２０、弾性構造体２
１、指カバー２２を介して把持物体１１に力を加える。
指サック２０と指カバー２２の間にある弾性構造体２１
のビーム３２は、人間の指が把持物体１１に加えた力に
応じて歪む。
【００４１】この歪みを力覚センサ１の歪みゲージ３３
により電気信号に変換し、A/D変換器を介して計算機に
取り込む。予めキャリブレーションにより求められてい
る歪みスティフネス行列用い、歪みゲージ３３の出力か
ら、人間が把持物体に加えた力を計算により求める。
【００４２】また、指末節の位置と姿勢は、リンク２a
〜dの各寸法パラメータが既知であることから、角度検
出センサ３a〜eのデータを用いて計算により求めること
ができ、指末節の運動が計測される。指末節の運動はベ
ース４に設定した座標系上で記述される。
【００４３】また、力覚センサ１のデータも、指末節の
位置と姿勢データを用いて座標変換を行い、ベース４に
設定した座標系上で記述することができる。傾斜角セン
サ６は、重力方向に対するベース４の傾きを検出するも
ので、公知のセンサである。傾斜角センサ６および各指
に配置された角度検出センサ３a〜eのデータから、重力
方向に対する指末節の姿勢を検出することができ、力覚
センサ１の力覚データの重力補償が行われる。
【００４４】以上、本発明に係る把握データ入力装置の
実施例について説明したが、本発明は特に以上のような
実施例に限定されることなく、特許請求の範囲の記載の
範囲内でいろいろな実施例があることは言うまでもな
い。
【００４５】
【発明の効果】以上の構成による本発明によれば、人間
の指先に簡単に装着できる６軸力覚センサとリンク機
構、角度検出センサによって、人間の手指の運動、およ
び指先に作用する接触力を計測する把握データ入力装置
が実現可能である。
【００４６】この把握データ入力装置を利用すれば、人
間の把握データを計測し、手作業を分析することが可能
となり、人間の知識や経験を利用したロボットハンドの
把握操作アルゴリズムを構築することができ、この結
果、これまでロボットが苦手としてきた、紙や布、ケー
ブルといった柔軟物の把握操作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる把握データ入力装置の基本構
成。
【図２】図２(a)は、本発明に係わる指装着型６軸力覚
センサの基本構成。図２(b)は、図２(a)のＡ−Ａ断面。
【図３】本発明に係わる力覚センサ弾性構造体の一例。
【図４】本発明に係わる把握データ入力装置の一実施
例。
【符号の説明】
１ 指装着６軸力覚センサ ２ リンク ２ａ リンク ２ｂ リンク ２ｃ リンク ２ｄ リンク ３ 角度検出センサ ３ａ 角度検出センサ ３ｂ 角度検出センサ ３ｃ 角度検出センサ ３ｄ 角度検出センサ ３ｅ 角度検出センサ ４ ベース ５ 手袋 ６ 傾斜角センサ ７ 取り付けブロック １０ 人間の手指 １１ 把持物体 ２０ 指サック ２１ 弾性構造体 ２２ 指カバー ２３ 力覚センサ リンク結合部 ２４ 取り付けブロック ２５ 指サック切り込み ２６ 指カバー切り込み ３０ 弾性構造体基部 ３１ 弾性構造体 フランジ部 ３２ ビーム ３３ 歪みゲージ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−69449（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−149811（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−221269（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−217073（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−40333（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−141327（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B25J 9/22 B25J 19/02 G06F 3/00

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 人間の手の各指先に装着できる６軸力
    覚センサ、リンク機構及び複数の角度検出センサから成
    る組、並びにベースを備えた把握データ入力装置におい
    て、 上記ベースは、外部固定部材に固定又は人間の手に装着
    可能であり、 上記６軸力覚センサは、人間の指を挿入する指サック、
    物体に触れる指カバー及び上記指サックと上記指カバー
    の間にある弾性構造体とから構成され、上記リンク機構
    を介してベースに連結されており、 上記弾性構造体は、特定の力覚成分に応じて歪み易い構
    造をもっており、その歪を歪ゲージにより電気信号に変
    換して計算機に入力することができ、 上記複数の角度検出センサは、上記リンク機構を構成す
    るリンクとリンクの枢支部及び上記リンク機構とベース
    の枢着部のうち少なくとも上記枢支部に取り付けられて
    おり、 上記リンク機構の動きを計測することにより人間の手の
    各指先の３次元運動を計測できるとともに、上記６軸力
    覚センサにより人間の手の各指先に作用する接触力を計
    測することができることを特徴とする把握データ入力装
    置。
  2. 【請求項２】 上記角度検出センサは、ポテンショメ
    ータ又はエンコーダであることを特徴とする請求項１記
    載の把握データ入力装置。
  3. 【請求項３】 上記６軸力覚センサ、リンク機構及び
    複数の角度検出センサから成る組は、１組から最大５組
    設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の
    把握データ入力装置。
  4. 【請求項４】 上記ベースには、重力方向に対するベ
    ースの傾斜角度を計測することのできる傾斜センサを有
    することを特徴とする請求項１、２又は３記載の把握デ
    ータ入力装置。
  5. 【請求項５】 上記ベースは、手袋に固着されてお
    り、該手袋を人間が着用することで、上記ベースは人間
    の手に装着可能であることを特徴とする請求項１、２、
    ３又は４記載の把握データ入力装置。
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