JP3837174B2

JP3837174B2 - 人工ハンドにおける運動制御装置

Info

Publication number: JP3837174B2
Application number: JP00893095A
Authority: JP
Inventors: 正雄西川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1995-01-24
Filing date: 1995-01-24
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2021-10-25
Also published as: JPH08197467A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、相対運動可能に結合される複数のリンクと、それらのリンクの少なくとも１つに連結されるアクチュエータとをそれぞれ有して相互に対向し得る位置に配置される少なくとも２本の指を備え、物体の把持または保持が可能な人工ハンドにおいて、外界の物体との任意の接触運動を制御するための運動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロボットなど多数のリンクの結合体の制御において、位置制御や速度制御は公知公用に供されている。また外界の物体との接触を主として力の面から最適に制御するものとして、力制御の概念も実用化されている。実際に器用なロボットを実現する場合には、位置 (または速度) 制御と力制御とを使い分けて、ロボットが物体に接触するまでは位置 (または速度) 制御を行い、物体と接触した後は、力センサなどの情報を用いて力制御を加味した運動制御を行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
力制御を行う場合には、仮想的なばねを計算機上で作りだし、ばね特性を利用して位置変化を力の変化に置き換えて制御するのであるが、ばねの仮想モデルを作るには、より大きな計算機資源を必要とするし、結果としてできたモデルを制御するにも、より高速で大型の計算機を必要とする。もしここで力制御と位置 (または速度) 制御が単純な理論で融和でき、ロボットの運動がよりシンプルな制御式で記述できれば、それだけ安価なコンピュータでロボットを器用に動かすことができる。また従来のように違う２つの理論を使い分けると、その切替え時のロボットの動きを滑らかには行い難いと言う欠点もあったが、同一の理論で制御ができれば、より滑らかなロボットの運動が実現できる。
【０００４】
このような問題を解決するための技術が、たとえば特公平５−６６６１０号公報等で開示されているが、そのような先行技術でもなお制御則が複雑である。
【０００５】
本発明は、力制御および位置（または速度）制御の統一を行い、より一層単純な制御則で人工ハンドの器用な運動を実現することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、相対運動可能に結合される複数のリンクと、それらのリンクの少なくとも１つに連結されるアクチュエータとをそれぞれ有して相互に対向し得る位置に配置される複数の指を備え、物体の把持または保持が可能な人工ハンドにおいて、各指の運動速度を代表する第１の指標を検出する第１検出手段と、各指に加わる外力を代表する第２の指標を検出する第２検出手段と、前記複数の指のうち特定位置に配置される少なくとも１本の特定指と共働して物体の把持動作を含む動作を行うべく特定位置に対向する対向位置に配置される残余の複数の対向指のうち少なくとも１本である第１対向指の曲げ方向の作動変位量を代表する作動変位量代表指標を検出する作動変位量代表指標検出手段と、前記各指の行動計画を定める行動計画部と、該行動計画部からの指令に応じて前記アクチュエータの作動を制御する駆動制御手段とを備え、所定の強さで物体を把持した後に物体を前記特定指側に引きつけるようにした指令が前記行動計画部から出されたときに前記駆動制御手段は、物理単位が統一された第１および第２の指標を合成することで物体を把持する強さを代表する第３の指標を推定し、推定した第３の指標が前記所定の強さに対応した所定の目標値と一致するようにアクチュエータの作動量を定めて物体を把持するように前記アクチュエータの作動を制御した後、物体の引きつけにあたっては物体の把持を完了した時点での第１対向指の作動変位量代表指標を維持するとともに各対向指のうち第１対向指とは異なる少なくとも１本の第２対向指および前記特定指に関しては前記第３の指標が前記所定の目標値に一致するように前記アクチュエータの作動を制御することを特徴とする。
【０００７】
また請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の構成に加えて、前記駆動制御手段は、把持した物体を前記特定指側に引きつける際に前記特定指に加わる外力が減少したときには、前記特定指に関する前記所定の目標値を減少させることを特徴とする。
【０００８】
請求項３記載の発明は、相対運動可能に結合される複数のリンクと、それらのリンクの少なくとも１つに連結されるアクチュエータとをそれぞれ有して相互に対向し得る位置に配置される複数の指を備え、物体の把持または保持が可能な人工ハンドにおいて、各指の運動速度を代表する第１の指標を検出する第１検出手段と、各指に加わる外力を代表する第２の指標を検出する第２検出手段と、前記複数の指のうち特定位置に配置される少なくとも１本の特定指の曲げ方向の作動変位量を代表する作動変位量代表指標を検出する作動変位量代表指標検出手段と、前記各指の行動計画を定める行動計画部と、該行動計画部からの指令に応じて前記アクチュエータの作動を制御する駆動制御手段とを備え、前記特定位置に対向する対向位置に配置される対向指および前記特定指の協働によって物体を所定の強さで把持した後に物体を前記特定指で押すようにした指令が前記行動計画部から出されたときに前記駆動制御手段は、物理単位が統一された第１および第２の指標を合成することで物体を把持する強さを代表する第３の指標を推定し、推定した第３の指標が前記所定の強さに対応した所定の目標値と一致するようにアクチュエータの作動量を定めて物体を把持するように前記アクチュエータの作動を制御した後、物体を前記特定指で押すにあたっては物体の把持を完了した時点での前記特定指の作動変位量代表指標を維持するように特定指を作動せしめるとともに前記対向指に関しては前記第３の指標が前記所定の目標値に一致するように前記アクチュエータの作動を制御することを特徴とする。
【０００９】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明の構成に加えて、前記駆動制御手段は、把持した物体を前記特定指で押す際に前記対向指に加わる外力が減少したときには、前記対向指に関する前記所定の目標値を減少させることを特徴とする。
【００１０】
請求項５記載の発明は、相対運動可能に結合される複数のリンクと、それらのリンクの少なくとも１つに連結されるアクチュエータとをそれぞれ有して相互に対向し得る位置に配置される複数の指を備え、物体の把持または保持が可能な人工ハンドにおいて、各指の運動速度を代表する第１の指標を検出する第１検出手段と、各指に加わる外力を代表する第２の指標を検出する第２検出手段と、前記複数の指のうち特定位置に配置される少なくとも１本の特定指の曲げ方向の作動変位量を代表する作動変位量代表指標を検出する作動変位量代表指標検出手段と、前記各指の行動計画を定める行動計画部と、該行動計画部からの指令に応じて前記アクチュエータの作動を制御する駆動制御手段とを備え、前記特定位置に対向する対向位置に配置される対向指および前記特定指の協働によって物体を所定の強さで把持した後に物体を保持する指令が前記行動計画部から出されたときに前記駆動制御手段は、物理単位が統一された第１および第２の指標を合成することで物体を把持する強さを代表する第３の指標を推定し、推定した第３の指標が前記所定の強さに対応した所定の目標値と一致するようにアクチュエータの作動量を定めて物体を把持するように前記アクチュエータの作動を制御した後、物体を保持するにあたっては物体の把持を完了した時点での前記作動変位量代表指標を維持するように前記特定指を作動せしめるとともに前記対向指に関しては前記第３の指標が前記所定の目標値に一致するように前記アクチュエータの作動を制御することを特徴とする。
【００１１】
請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明の構成に加えて、前記アクチュエータは、モータの作動に応じた流体圧を発生する流体圧源が接続される流体圧アクチュエータであり、第１検出手段は、前記モータに機械的に係合するエンコーダの出力を微分して速度情報を作りだす微分回路であり、第２検出手段は流体圧源からアクチュエータに供給される作動流体の圧力を検出する圧力センサであることを特徴とする。
【００１２】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明の構成に加えて、前記駆動制御手段が、前記圧力センサによる検出圧力の変化に応じて指が物体と接触し始めたことを認識することを特徴とする。
【００１３】
請求項８記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明の構成に加えて、前記駆動制御手段が、前記第１および第２の指標の変化から各々の指と物体との接触開始を検知し、各々の指が当該物体と接触を開始した時刻に差があるときにはその差分を基に人工ハンドおよび当該物体間の相対位置ずれを推定することを特徴とする。
【００１４】
請求項９記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明の構成に加えて、指の位置を代表する指標を検出する検出手段を備え、前記駆動制御手段は、前記指の少なくとも１つが物体と接触するとき、第１または第２の指標の変化に基づいて各々の指と当該物体との接触の有無を検知し、接触開始後の第２の指標ならびに当該指の位置を代表する指標に基づいて当該物体の剛性値を推定し、前記剛性値に基づいて前記目標値を変更することを特徴とする。
【００１５】
さらに請求項１０記載の発明は、相対運動可能に結合される複数のリンクと、それらのリンクの少なくとも１つに連結されるアクチュエータとをそれぞれ有して相互に対向し得る位置に配置される複数の指を備え、物体の把持または保持が可能な人工ハンドにおいて、モータの作動に応じた流体圧を発生するようにして流体圧アクチュエータである前記アクチュエータに接続される流体圧源と、流体圧を絞るようにして前記流体圧源およびアクチュエータ間を結ぶ流体管路に設けられる絞り手段と、該絞り手段を作動流体が通過するときに生ずる圧力損失が流体流速を代表するとともに流体圧力が外力を代表することに基づいて絞り手段の上流側で前記流体管路に設けられる圧力センサと、前記複数の指の曲げ方向の作動変位量を代表する作動変位量代表指標をそれぞれ検出する作動変位量代表指標検出手段と、前記各指の行動計画を定める行動計画部と、該行動計画部からの指令に応じて前記アクチュエータの作動を制御する駆動制御手段とを備え、前記特定位置に対向する対向位置に配置される対向指および前記特定指の協働によって物体を所定の強さで把持した後に物体を保持する指令が前記行動計画部から出されたときに前記駆動制御手段は、前記圧力センサの検出値が前記所定の強さに対応した所定の目標値と一致するようにアクチュエータの作動量を定めて物体を把持するように前記アクチュエータの作動を制御した後、物体を保持するにあたっては物体の把持を完了した時点での前記各指の前記作動変位量代表指標を維持するように前記アクチュエータの作動を制御することを特徴とする。
【００１６】
【実施例】
以下、図面によりリンク装置をロボットの人工ハンドに適用したときの実施例について説明するが、人間の手を模しているこの人工ハンドの構造の説明にあたって、各部の名称を次のように定義する。
（１）親指を第１指と名付け、以下順に小指まで第５指とする。
（２）骨に相当するリンクの名称も解剖学に準拠して、手の甲に一部が収納されるリンクを中手リンクと呼び、親指のものを第１中手リンクとする。したがって小指のものは第５中手リンクと呼ぶ。
（３）中手リンクに連結されるリンクを、それぞれ第１基節リンク、第２基節リンク……第５基節リンクと呼称する。
（４）各基節リンクに連結されるリンクを、それぞれ第２中節リンク、第３中節リンク……第５中節リンクと呼ぶ。但し第１指については、中節リンクは存在しない。
（５）最先端のリンクを、それぞれ第１末節リンク、第２末節リンク……第５末節リンクと呼ぶ。
（６）自由度とは、制御的に完全に独立して動作を決定できる関節を意味し、この明細書において共通の流体圧を用いて駆動される複数のアクチュエータは、自由度が「１」であるとする。すなわちアクチュエータの個数が自由度を意味するものではない。
【００１７】
図１ないし図９は本発明の第１実施例を示すものであり、図１は本発明の適用に最適なロボットの外観図、図２はロボットのハンド（右手）の機構を手の甲側から見た平面図、図３はハンドの駆動回路図、図４はロボット全体の制御ブロック図、図５はハンドの制御ブロック図、図６は制御アルゴリズムの一部を示す図、図７は制御アルゴリズムの残部を示す図、図８はハンドが物体を掴む際の物体の硬さに応じた反力の変化を示す図、図９はハンドが物体を把持しようとする際の説明図である。
【００１８】
先ず図１において、この２足２腕型の作業ロボットでの２足の駆動機構は、複数の関節ａ（ｉ）をモータなどで適切に駆動することにより左右の足を交互に動かして任意形状の地形上を移動するように構成されるものである。その構成の詳細については、本出願人の出願が既に開示（特開平３−１８４７８２号）されており、本発明の主要な構成要素をなすものではないため、ここでは、それ以上の説明をしない。
【００１９】
また２腕の部分は、複数の関節ｂ（ｉ）をモータ等で適切に駆動することにより、与えられた作業に適した位置および方向に左右の手首を移動せしめるように構成されるものであり、このような腕の制御は産業用ロボット等で既に公知公用に供されているので、これ以上の説明は不要と思われる。
【００２０】
手首の先には、本発明のリンク結合体である一対の人工ハンドＨ，Ｈが設けられるが、説明の単純化のために、以下、片側（右側）の人工ハンドＨについてのみ説明する。
【００２１】
図２において、この人工ハンドＨは、リンク結合体である第１ないし第５指Ｆ₁〜Ｆ₅が基部８に連結されて成るものであり、基部８に対して、第１指Ｆ₁の第１中手リンク１１は軸１５のまわりに回動可能に、第２指Ｆ₂の第２中手リンク２１は軸２５のまわりに回動可能に、また第５指Ｆ₅の第５中手リンク５１は軸５５のまわりに回動可能にそれぞれ連結される。さらに第３指Ｆ₃の第３中手リンク３１および第４指Ｆ₄の第４中手リンク４１は基部８に一体に設けられる。
【００２２】
第１指Ｆ₁は、軸１５のまわりに回動可能な第１中手リンク１１と、第１中手リンク１１の先端部に軸１６を介して回動可能に連結される第１基節リンク１２と、第１基節リンク１２の先端部に軸１８を介して回動可能に連結される第１末節リンク１４とから成る。これらのリンク１１，１２，１４をそれぞれの軸１５，１６，１８のまわりに回動させるために、シリンダー形式の流体圧アクチュエータＡ₁₀，Ａ₁₁，Ａ₁₃が用意されており、流体圧アクチュエータＡ₁₀は基部８および第１中手リンク１１間に、流体圧アクチュエータＡ₁₁は第１中手リンク１１および第１基節リンク１２間に、流体圧アクチュエータＡ₁₃は第１基節リンク１２および第１末節リンク１４間にそれぞれ配設される。而して流体圧アクチュエータＡ₁₀が伸展作動すると、第１中手リンク１１は軸１５のまわりに回動し、第１指Ｆ₁が図２で紙面の奥側すなわち掌側に屈曲される。また流体圧アクチュエータＡ₁₁が伸展作動すると、第１中手リンク１１に対して第１基節リンク１２は図２の軸１６のまわりに時計方向に回動する。さらに流体圧アクチュエータＡ₁₃が伸展作動すると、第１末節リンク１４は第１基節リンク１２に対して図２の軸１８のまわりに時計方向に回動する。回動した各リンク１１，１２，１４を元の状態に戻すには、流体圧アクチュエータＡ₁₀，Ａ₁₁，Ａ₁₃に作用している流体圧を解放すればよく、そうすれば、第１中手リンク１１はばね１９による機械的な復元力で戻され、第１基節および末節リンク１２，１４は図示しないばねによる機械的な復元力で戻される。
【００２３】
第２指Ｆ₂は、基部８に連結される第２中手リンク２１と、第２中手リンク２１の先端部に軸２６を介して回動可能に連結される第２基節リンク２２と、第２基節リンク２２の先端部に軸２７を介して回動可能に連結される第２中節リンク２３と、第２中節リンク２３の先端部に軸２８を介して回動可能に連結される第２末節リンク２４とから成り、第２中手リンク２１は詳細な説明を省略するが、第３指Ｆ₃に対して近接・離反する方向に軸２５のまわりに回動することを許容されて基部８に機械的に結合されている。第２基節、中節および末節リンク２２，２３，２４を各軸２６，２７，２８のまわりに回動駆動するために、シリンダー形式の流体圧アクチュエータＡ₂₁，Ａ₂₂，Ａ₂₃が用意されており、これらの流体圧アクチュエータＡ₂₁，Ａ₂₂，Ａ₂₃は、流体圧の作用に応じて進展作動し、それにより第２指Ｆ₂が掌側に屈曲される。而して第２指Ｆ₂を元の位置に戻すには、各流体圧アクチュエータＡ₂₁，Ａ₂₂，Ａ₂₃の流体圧を解放すればよく、第１指Ｆ₁の場合と同様に、図示しないばねによる機械的な復元力で第２指Ｆ₂が元の位置に戻る。
【００２４】
第３指Ｆ₃、第４指Ｆ₄および第５指Ｆ₅の構成もほぼ第２指Ｆ₂と同じである。すなわち第３指Ｆ₃は、基部８に一体化される第３中手リンク３１、第３基節リンク３２、第３中節リンク３３および第３末節リンク３４を有し、第３基節、中節および末節リンク３２，３３，３４を軸３６，３７，３８のまわりにそれぞれ回動駆動するために、シリンダー形式の流体圧アクチュエータＡ₃₁，Ａ₃₂，Ａ₃₃が設けられる。また第４指Ｆ₄は、基部８に一体化される第４中手リンク４１、第４基節リンク４２、第４中節リンク４３および第４末節リンク４４を有し、第４基節、中節および末節リンク４２，４３，４４を軸４６，４７，４８のまわりにそれぞれ回動駆動するために、シリンダー形式の流体圧アクチュエータＡ₄₁，Ａ₄₂，Ａ₄₃が設けられる。さらに第５指Ｆ₅は、第２指Ｆ₂と同様にして軸５５を介して基部８に機械的に結合される第５中手リンク５１、第５基節リンク５２、第５中節リンク５３および第５末節リンク５４を有し、第５基節、中節および末節リンク５２，５３，５４を軸５６，５７，５８のまわりにそれぞれ回動駆動するために、シリンダー形式の流体圧アクチュエータＡ₅₁，Ａ₅₂，Ａ₅₃が設けられる。
【００２５】
而して物体を把持する際に、特定位置に在る第１指Ｆ₁に対して、第２ないし第５指Ｆ₂〜Ｆ₅は、特定位置に対向する対向位置に配置可能となる。
【００２６】
ところで、各流体圧アクチュエータＡ₁₀，Ａ₁₁，Ａ₁₃，Ａ₂₁〜Ａ₂₃，Ａ₃₁〜Ａ₃₃，Ａ₄₁〜Ａ₄₃，Ａ₅₁〜Ａ₅₃に作動流体を供給する供給パイプは、５本の指Ｆ₁〜Ｆ₅から関節自由度の分だけ集められ、手首の関節を介して前腕部に到達する。実際には末節リンク１４，２４，３４，４４，５４および中節リンク２３，３３，４３，５３は個別に動くことは少なく、実用的なハンドでは同じ圧力源から同圧の作動流体を供給されて、均等な力で物を把持する場合が多い。たとえば特開昭５４−１５７９６７号公報にもこの考えは開示されている。したがって実用的にはアクチュエータの数よりも少ない供給パイプが手首関節を通ることになる。
【００２７】
図３において、第１指Ｆ₁の第１中手リンク１１および基部８間に設けられる流体圧アクチュエータＡ₁₀には、第１流体圧源Ｓ１が接続され、第１指Ｆ₁における第１中手および基節リンク１１，１２間ならびに第１基節および末節リンク１２，１４間にそれぞれ設けられている流体圧アクチュエータＡ₁₁，Ａ₁₃には第２流体圧源Ｓ２が接続され、第２指Ｆ₂の第２中手および基節リンク２１，２２間に設けられている流体圧アクチュエータＡ₂₁には第３流体圧源Ｓ３が接続され、第２指Ｆ₂における第２基節および中節リンク２２，２３間ならびに第２中節および末節リンク２３，２４間にそれぞれ設けられている流体圧アクチュエータＡ₂₂，Ａ₂₃には第４流体圧源Ｓ４が接続され、第３指Ｆ₃の各流体圧アクチュエータＡ₃₁，Ａ₃₂，Ａ₃₃には第５流体圧源Ｓ５が接続され、第４および第５指Ｆ₄，Ｆ₅の各流体圧アクチュエータＡ₄₁〜Ａ₄₃，Ａ₅₁〜Ａ₅₃には第６流体圧源Ｓ６が接続される。
【００２８】
第１ないし第６流体圧源Ｓ１〜Ｓ６は基本的に同一の構成を有するものであり、代表して第２流体圧源Ｓ２の構成を説明する。而して第２流体圧源Ｓ２は、モータＭと、モータＭの作動に応じて流体圧を出力するマスタシリンダ６０とを備えるものであり、モータＭの回転出力は歯車機構６１を介してナット６２に伝達され、該ナット６２にスクリュウ軸６３が螺合される。而してスクリュウ軸６３は、スクリュウ軸６３の軸線方向に沿って延びて固定位置に在る案内溝（図示せず）に精度よく噛合される矩形の係止部６４を備えるものであり、スクリュウ軸６３の軸線まわりの回転は阻止されるが軸線方向に沿う移動は許容されている。したがってナット６２の回転に応じてスクリュウ軸６３はその軸線に沿う左右に駆動されることになり、ナット６２の回転に応じてスクリュウ軸６３が図３の左側に押し出されると、マスタシリンダ６０に摺動可能に嵌合されたプランジャ６５が、マスタシリンダ６０内の圧力室６６を加圧し、マスタシリンダ６０から流体圧が出力されることになる。
【００２９】
モータＭにはその回転角度を精度よく検知するエンコーダ８７が付設されており、またマスタシリンダ６０には、圧力室６６の流体圧を検出する圧力センサＰＳが取付けられる。
【００３０】
ところで、図示の構成では第４および第５指Ｆ₄，Ｆ₅における６個の流体圧アクチュエータＡ₄₁〜Ａ₄₃，Ａ₅₁〜Ａ₅₃が第６流体圧源Ｓ６に共通に接続されており、第６流体圧源Ｓ６から流体圧が出力されたときには、６個の流体圧アクチュエータＡ₄₁〜Ａ₄₃，Ａ₅₁〜Ａ₅₃が同時に動こうとする。しかるに、どの関節がどの程度動くかは、関節にかかっている負荷によって異なるものであり、同一圧力で駆動されているので一番負荷の小さな関節が一番大きく曲がることになる。この特性は物体を均一な力で掴む上で大変便利な特性となっているが、この点に関しては後ほど説明する。
【００３１】
図１に示すロボット全体を制御するための構成について、図４を参照して簡単に説明すると、オペレーターからの命令は、ロボットの行動計画を司る行動計画部７１に適切なインターフェイス７０を通じて与えられるものであり、インターフェイス７０は、必要な操作子７０ａと、正しく命令を下したかどうか確認できる表示器７０ｂとを備える。而して操作子７０ａとしては、例えばジョイスティックやキーボード等が公知である。
【００３２】
行動計画部７１では、受けた命令に基づいて、環境、物体および作業等に関する知識を予め入力されている知識ベース７２を参照して作業計画がたてられ、知識ベース３２に含まれていない情報については、視覚センサ、触覚センサおよび匂いセンサ等の外界センサ７３を用いた情報の補充がなされる。而して行動計画部７１での行動計画完成後には、その結果が行動計画部７１から統合制御部７４に送られ、統合制御部７４により行動が起動されるとともに途中の行動が監視される。すなわち、統合制御部７４からは、移動を司る移動制御部７５、アームの軌道制御を司るアーム制御部７６、ならびに指の動作を司るハンド制御部７７の各サブブロックに、それぞれが担当する指令が送られ、行動途中の状態が各制御部７５，７６，７７から統合制御部７４に送られる。またハンド制御部７７でのゲイン設定値はゲイン設定部７８から与えられ、外界センサ７３による検出値は表示器７９で表示され、統合制御部７４による制御状態は表示器８０で表示される。さらに各制御部７５，７６，７７相互間で簡単なタイミングなどの信号を授受するために、二点鎖線で示す別系統の通信回路が設けられていてもよい。この図４に示すブロック図の概念は、一般に良く知られており、また本発明の主要な部分を構成するものでもないから、ここではこれ以上の説明をしない。
【００３３】
本発明の主要部をなすサブブロックであるハンド制御部７７の詳細について図５を参照しながら説明すると、ハンド制御部７７は、駆動制御手段としての中央演算回路８１と、ハンドＨの自由度が「６」であることに基づき図３で示した６つの流体圧源Ｓ１〜Ｓ６に対応した６つのモータ回路ＭＣ１〜ＭＣ６とを備える。各モータ回路ＭＣ１〜ＭＣ６は、基本的に同一の構成を有するものであり、代表してモータ回路ＭＣ１の構成について述べると、該モータ回路ＭＣ１は、モータトルクに対応して中央演算回路８１から出力される電流デジタル値をアナログ値に変換するＤ／Ａ変換器８３と、Ｄ／Ａ変換器８３からの信号を増幅してモータＭに与える増幅器８４と、モータＭの作動量すなわち回転角度を検出するエンコーダ８７と、エンコーダ８７の検出値を微分する第１検出手段としての微分回路８５と、モータＭの作動に応じてマスタシリンダ８０で発生する流体圧を検出する第２検出手段としての圧力センサＰＳと、圧力センサＰＳで得られたアナログ値をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器８６とを備える。而してエンコーダ８７で得られたモータＭの作動量Ｃｔ（作動角度θｔ）と、微分回路８５で得られる微分値ωｔすなわち第１指Ｆ₁の掌側への屈曲作動速度を代表する第１の指標と、第１指Ｆ₁に加わる外力を代表する第２の指標として圧力センサＰＳで得られた流体圧Ｐｔ（外力Ｆｔ）とが、中央演算回路８１に入力される。
【００３４】
次に中央演算回路８１に設定されている制御アルゴリズムについて説明するが、その際、人工ハンドの振る舞いとして、
１）特定の姿勢をとる
２）物を把持する (掴む／保持する)
３）相対的に動く物体を第２〜５指を使って動かす
４）相対的に動く物体を第１指を使って動かす
の４つに限定して説明することにする。
【００３５】
ここで「特定の姿勢をとる」とは必ずしも一つの姿勢を意味しないものとする。例えば「気を付け」の姿勢をとるときのように、各指Ｆ₁〜Ｆ₅を真っ直ぐ延ばした姿勢を意味するし、またバッグの吊り革を握りに行くときのように、第２〜５指Ｆ₂〜Ｆ₅を揃えて若干曲げた状態にするとともに第１指Ｆ₁も少し曲げた状態をも意味するものとする。これを説明の簡単化の為に「特定の姿勢をとる」と呼称しているのである。
【００３６】
また、物を把持するとは、掴む動作、ならびに掴んだまま保持するような動作を意味している。保持の例としては手すりに掴まって立っている状態がある。
【００３７】
上記３）の事例としては、例えば紐でできた把手のついたバッグなどを下げて運ぶ場合が該当する。この際、バッグの重みで紐は撓み、或る特定の指（例えば第３指Ｆ₃）よりも外側の指は、多少後退して、緩んだ紐の形状に馴染んだ形態をとる。また運んでいる最中にはバッグが揺れるので、指全体の形状は紐の形状変化に追従して時々刻々変化する。ロボットが運搬する場合にも、指の形状が人間の場合と同じように変化できれば、それだけ紐には負担がかからず、長持ちできるし、指の側の負担も均一化されて好都合である。この場合の制御としては、ハンド全体としてはバッグの重みに耐えていなければならないし、紐に追従する指としては重みに対し、ある程度後退するしなやかさが求められる。しかし、重みに耐える指は後退を許されない。このとき、第１指Ｆ₁はどうなっているかを考察すると、バッグを持ち上げる過程では重みが除かれていく方向なので、把持したときのような制御則では、減少する荷重を追いかけて指は握る方向にどんどん変形していくだろう。これでは握りしめる力ばかりが増えて、エネルギー的にも不経済である。これを人間が行えば、親指の握り力を抜いて自然体にし、上記のような不合理はおきない。ハンドの制御でも不合理を回避する制御則が要る。
【００３８】
さらに上記４）の事例としては、例えば石臼をひくときには各指に交互に押し引きの力が現れるが、この押し動作のときなどが該当する。このときも、親指と相手の物体とは相対的に運動をしつつ、且つ全体としては指で相手を押して移動させている。
【００３９】
図６および図７を参照して、制御アルゴリズムについて説明するが、この図６および図７において、符号「ｉ」は自由度の区別番号であり、「ｔ」はサンプリング周期を示すものである。
【００４０】
先ず図６において、ＳＴＥＰ−１０１〜１０６では、ゲイン設定値Ｋｓｉ，ｋｓｉ，Ｋｇｉ，β，Ｋｈｉ，ｋｈｉおよび目標指標Ｆｊｉなどの読み込み、統合制御部７４（図４参照）からの指令読み込み、ならびにモータ回路ＭＣ１〜ＭＣ６からのモータ作動量検出値Ｃｔｉ、圧力検出値Ｐｔｉおよびモータ作動速度ωｔｉの読み込がなされる。
【００４１】
次のＳＴＥＰ−１１０において、特定の姿勢をとることを統合制御部７４から指令されていることが確認されたときには、ＳＴＥＰ−１１１〜１１４において、統合制御部７４から与えられたモータ作動量目標値Ｃｓｉに向けた位置制御が実行される。すなわちＳＴＥＰ−１１１では、図６で示すような計算式に従ってモータトルクＴｓｉが算出され、得られたモータトルクＴｓｉがＳＴＥＰ−１１２で出力され、ＳＴＥＰ−１１３でモータ作動量目標値Ｃｓｉとモータ作動量Ｃｔｉとの差が比較的小さい設定値Ｃ₀未満となったことが確認されたときにＳＴＥＰ−１１４で統合制御部７４に動作完了が通知される。而して（Ｃｓｉ−Ｃｔｉ）がＣ₀未満となるまでは、ＳＴＥＰ−１５０，１５１を経由してＳＴＥＰ−１０５に戻ることになる。
【００４２】
なお、この実施例では最終ゴールの位置のみが目標値として与えられる場合を例示しているが、途中の複数の通過点の位置を目標値として与えるやり方も公知である。またモータトルクの計算としては、公知の位置制御そのものであり、ＳＴＥＰ−１１１の計算過程に特に新規性はない。
【００４３】
次にＳＴＥＰ−１２０で、物を把持することを統合制御部７４から指令されていることが確認された場合について図７を参照しながら説明する。この際、把持命令と同時に統合制御部７４から把持のレベルが伝達されているものとする。たとえば柔らかい物を把持する場合には、行動計画部７１は知識ベース７２から対象物が柔らかいと言う情報を獲得することができ、「そっと」把持するように指令することができる。また行動計画部７１が指令する代わりに、それより上位にあるオペレータが「そっと掴め」と入力することも勿論可能である。本発明ではオペレータが指令しようが、行動計画部７１が指令を作りだそうが、いずれでもかまわない。
【００４４】
いずれにせよ、把持の強さが与えられるので、ＳＴＥＰ−１２１ではその強さに応じた目標指標Ｆｊｉが設定される。ここでは強い把持力のときは目標指標Ｆｊｉも大きいものとする。
【００４５】
次のＳＴＥＰ−１２２ではモータトルクが算出され、算出されたモータトルクがＳＴＥＰ−１２３で出力される。すなわちＳＴＥＰ−１２２では、圧力検出値Ｐｔｉに、モータ作動速度ωｔｉをβ倍したものを加えた値 (Ｐｔｉ＋βωｔｉ) が、目標指標Ｆｊｉに比べてどの程度足りないかを計算、その差分に適正ゲインＫｇｉを乗じたものがモータトルクＴｇｉとして算出される。なお、ωｔｉは微分値ではあるが、コンピュータのサンプリング時間が一定である性質を利用して、ωｔｉ＝Ｃｔｉ−Ｃ（ｔ−１）ｉとおくこともできる。
【００４６】
ここで、指が物体と接触するまでのモータ作動量Ｃｔｉおよび圧力検出値Ｐｔｉの変化を示すと、図８のようになる。物体と接触するまでは圧力は基本的に「０」であるが、本実施例では関節の戻し力を機械的なばねに頼っているので、そのばね力に抗して関節を曲げるための圧力が発生している。最初は電流値が高いが、その結果モータＭが回転し、エンコーダ８７の出力を微分した速度信号ωｔｉが増加し、やがて電流指令値は低減して一定の値に収斂する。したがって指が物を掴む速度も一定の速さとなる。この状態で指が対象物に接触すると、圧力検出値Ｐｔｉは急速に立ち上がる。このときの立ち上がり方は指の側の剛性が低い程、また相手の物体の剛性が低い程なだらかに立ち上がる。圧力検出値Ｐｔｉが増大することにより、 (Ｐｔｉ＋βωｔｉ）も大きくなり、今までの均衡は破られる。それにより｛Ｆｊｉ− (Ｐｔｉ＋βωｔｉ) ｝の値も小さくなるので電流指令値は小さくなり、結果的にωｔｉは小さく（遅く）なる。最後にＰｔｉがほぼＦｊｉに等しくなったときにモータＭの回転は停止し、把持動作が完了することになる。
【００４７】
このように、速度を代表する第１の指標ωｔｉと、接触圧力を代表する第２の指標Ｐｔｉとを使って第３の指標 (Ｐｔｉ＋βωｔｉ) を作成し、目標指標Ｆｊｉと当該第３の指標 (Ｐｔｉ＋βωｔｉ) とを比較することで、簡単に位置制御（または速度制御）と力制御とを融合することができる。しかも力の検出には広く用いられている安価な圧力センサＰＳを利用できるので、従来のように高価でデリケートなロードセルや６軸力センサを用いる必要がなく、しかも圧力センサＳＰは、マスタシリンダ６０から流体圧アクチュエータＡ₁₀，Ａ₁₁，Ａ₁₃，Ａ₂₁〜Ａ₂₃，Ａ₃₁〜Ａ₃₃，Ａ₄₁〜Ａ₄₃，Ａ₅₁〜Ａ₅₃までの流体管路のいずれに接続可能であり、設置位置の自由度が増大する。
【００４８】
ところで、物を掴む場合、対象物が把持運動の中心にあるとは限らない。例えば図９で示すように、ロボットの手首の位置及び方向が多少狂っていて、把持運動の中心に物体Ｏが二点鎖線で示す場所にあるものと思って把持したら、実際には実線の位置に物体Ｏがあったので、第１指Ｆ₁よりも先に第２指Ｆ₂が物体Ｏと接触を始めたとしよう。このようなことは人間でもしばしば経験する。しかし本実施例では、第１指Ｆ₁および第２指Ｆ₂とは同じ制御則で制御されており、力制御が加味されているために、初めに接触を開始した第２指Ｆ₂の運動速度は低下し、やがて第１指Ｆ₁の移動が追いついて最後には実線の位置の物体Ｏを同じ力で掴むことが可能となり、物体Ｏの位置と手首の位置との間に多少のずれがある場合でも、上手に掴むことができる。
【００４９】
このフローの最中に、今まで一定であった圧力レベルが増大した時点を検知し、且つ把持が完了した時点を検知することで、相手物体の剛性値を確認可能である。その剛性確認の処理は次の通りである。先ず図８で示す直線の傾き｛Ｐｔｉ−Ｐ（ｔ−１）ｉ｝／ωｔｉが有意に増大して基準値αｔｈ以上となったかどうかがＳＴＥＰ−１２４で検討される。この際、物体と指とが接触する迄は圧力レベルは前述の通り概ね一定であり、物体と接触した時点で、圧力は上昇を始めることになる。すなわち傾き｛Ｐｔｉ−Ｐ（ｔ−１）ｉ｝／ωｔｉが始めてαｔｈ以上となったときが物体と接触した時点である。ＳＴＥＰ−１２４ではこの接触の有無が判断され、接触が検知できた場合には、ＳＴＥＰ−１２５においてそのときの圧力がＰｔｈｉ、モータ作動量がＣｔｈｉとして記憶される。把持が完了した時点はＰｔｉ≒Ｆｊｉであったから、これを逆に言えばωｔｉ≒０である。したがって把持が完了するときには、ωｔｉが極めて小さい正の値ω₀以下となったかどうかを調べれば判るものであり、それがＳＴＥＰ−１２６で判断される。而して初めてωti≦ω₀となったときの圧力がＰｅｉ、モータ作動量がＣｅｉとしてＳＴＥＰ−１２７で記憶される。ここで（Ｐｅｉ−Ｐｔｈｉ）／（Ｃｅｉ−Ｃｔｈｉ）を計算すれば、この値は図８の立ち上がり曲線の平均傾きを表している。これは相手の物体と自分のハンドの剛性の総和に他ならず、ＳＴＥＰ−１２８で剛性値ＩがＩ＝（Ｐｅｉ−Ｐｔｈｉ）／（Ｃｅｉ−Ｃｔｈｉ）として演算される。
【００５０】
次のＳＴＥＰ−１２９では、各指（ｉ：１〜ｎ）についての剛性値Ｉの単純平均値が演算され、その平均剛性値Σｉ／ｎが物体の平均剛性値として、行動計画部７１にフィードバックされる。而して行動計画部７１において上記フィードバック情報が知識ベース７２に登録処理することで、この次に掴むときの指令レベルが改善される。例えば、最初に対象物体の硬さが判らない時には用心の為に「そっと」掴め、と言う指令を与えたとしても、一回目の試行で相手の硬さが硬いと判れば、次からは早く掴むことを指令できる。また最初に人間が与えた知識が間違っていたといしても、一度掴めば、その間違いを正すことも可能になる。
【００５１】
なお、ＳＴＥＰ−１２２において算出されるトルクＴｈ１は、把持が完了した時点から第１指Ｆ₁全体の位置制御を行って把持状態を保持するためのトルクであり、このトルクＴｈｉもＳＴＥＰ−１２３で出力される。
【００５２】
次にＳＴＥＰ−１３０において、相対的に動くものを引きつける場合であると判断された場合について説明する。この場合のモータトルクはＳＴＥＰ−１３１で算出されるが、例えば第１指Ｆ₁全体および第３指Ｆ₃と、第３指Ｆ₃以外の指Ｆ₂，Ｆ₄，Ｆ₅とでは異なる計算式により、ＳＴＥＰ−１３１においてモータトルクが算出される。すなわち特定位置に在る特定指である第１指Ｆ₁全体（ｉ＝１）と、特定位置に対向する対向位置に位置する複数の対向指である第２ないし第４指Ｆ₂〜Ｆ₅のうちの第１対向指である第３指Ｆ₃（ｉ＝５）とは、モータ作動量Ｃｔｉが目標値Ｃｅｉとなるような位置制御が実行されて把持したときの位置を保持するが、第２対向指である第２指Ｆ₂（ｉ＝３，４）、第４および第５指Ｆ₄，Ｆ₅（ｉ＝６）については、それらの第２対向指に作用する外力を代表する指標Ｐｔｉを含む制御則（ＳＴＥＰ−１２２においてＴｇｉを得る計算式）が継続される。但しゲインＫｇｉは保持に適した別のゲインＫｈｉに変更される。また目標指標ＦｊｉはＳＴＥＰ−１２１で定められた値が引き続き用いられる。而して得られたモータトルクはＳＴＥＰ−１３２で出力される。
【００５３】
この状態で物体を持ち上げると第３指Ｆ₃以外の指Ｆ₂，Ｆ₄，Ｆ₅には撓んだ紐から過大な力がかかり、Ｐｔｉが大きくなるので、モータＭｉは逆回転し、全部の指Ｆ₂〜Ｆ₅に均等な荷重がかかるようになる。
【００５４】
また上記動作では、第１指Ｆ₁（親指）の負荷が減少して、ほっておけば荷重Ｐｔ２を維持しようとしてモータＭ２が追従運動を初め、結果的にその荷重は他の指Ｆ₂，Ｆ₃，Ｆ₄，Ｆ₅を伸展させる無駄な動きを誘発する。これを防止するために、ＳＴＥＰ−１３３では第１指Ｆ₁を駆動するモータＭ２の作動速度ωｔ２が極小に設定された設定値ω２₀を超えるかどうかが判定され、ωｔ２＞ω２₀であったときには上記負荷の減少に応じてモータＭ２が作動しているとして、ＳＴＥＰ−１３４で当該モータＭ２についてのみ目標指標Ｆｊ２が小さく修正される。すなわち、この実施例では一定量ΔＦを減じて目標指標Ｆｊ２が弱められる。尚、目標指標Ｆｊ２を弱める手法としては、上述のように一定量ΔＦを減じる以外にも、１０％とか一定の割合で弱める手法などをとってもよく、その場合にも同様な効果をもたらし得ることは明白である。
【００５５】
このようにして目標指標Ｆｊ２は、モータＭ２の正回転持続に伴って順次弱められ、それにより第１指Ｆ₁の追従運動が停止される。
【００５６】
ところで、第１指Ｆ₁の追従運動を阻止するのは、第３実施例で後述するように、第１指Ｆ₁を位置制御として現在位置を保持するように制御することでも達成可能である。而して、そのような位置制御で保持するときには追従運動が全く生じない利点があるのに対し、ここで開示した方法で第１指Ｆ₁の追従運動を阻止した場合には、第１指Ｆ₁の位置を保持するための電流が実質的に「０」となり、省エネルギー化を図ることが可能となる。
【００５７】
ＳＴＥＰ−１３０において、動くものを引きつける動作ではないと判定されたときには、ＳＴＥＰ−１４１〜１４４の処理に進み、相対的に動くものを第１指Ｆ₁で押すことになる。これらのＳＴＥＰ−１４１〜１４４では、第１指Ｆ₁と、その他の指Ｆ₂〜Ｆ₄とで異なる計算式によりモータトルクが算出され、モータＭｉ（ｉ＝３〜６）が設定値ωｉ₀（ｉ＝３〜６）を超えたときにモータｉが作動しているとして、目標指標Ｆｊｉ（ｉ＝３〜６）が小さく修正される。
【００５８】
この第１実施例によれば、速度を代表する第１の指標ωｔｉと、接触圧力を代表する第２の指標Ｐｔｉとを単純に加算するだけで、第３の指標（Ｐｔｉ＋βωｔｉ）を合成し、これを目標指標Ｆｊｉと比較することで、位置制御（または速度制御）と力制御とを融合することができ、しかもその計算式は極めて単純なものであるから、計算機資源を小さなもので間に合わせることができる。
【００５９】
また人工ハンドと相対的に運動するような物体を動かすとき、注目する指だけを位置制御で制御し、残りの指をそのまま力と位置の合成指標で制御するので、相手によく馴染んだ姿勢をとることができる。相手の物体がハンドに対して相対的に動くような場合、各指Ｆ₁〜Ｆ₅が均一な力で負担を分担できる利点がある。
【００６０】
図１０ないし図１３は本発明の第２実施例を示すものであり、上記第１実施例に対応する部分には同一の参照符号を付す。
【００６１】
先ず図１０において、ハンド制御部７７´は、中央演算回路８１と、６つの流体圧源Ｓ１〜Ｓ６に対応した６つのモータ回路ＭＣ１´〜ＭＣ６´とを備えるものである。図５で示した第１実施例のモータ回路ＭＣ１〜ＭＣ６に対して、各モータ回路ＭＣ１´〜ＭＣ６´が異なる点は、マスターシリンダ６０と指関節の流体圧アクチュエータＡ₁₀，Ａ₁₁，Ａ₁₃，Ａ₂₁〜Ａ₂₃，Ａ₃₁〜Ａ₃₃，Ａ₄₁〜Ａ₄₃，Ａ₅₁〜Ａ₅₃との間に、適切な大きさの絞り９０が設けられることである。この絞り９０により、マスターシリンダ６０から送りだされる作動流体の量が単位時間当たり多ければ（即ち流速が速ければ）、絞り９０の前後に圧力差を生じさせることができ、圧力センサＰＳはその差圧分だけ高い圧力を検出することになる。これを指の運動の立場から見れば、指の握る運動速度が速いほど、実際の指を駆動する圧力よりも高い圧力を圧力センサＰＳは検出することになる。
【００６２】
ところで、第１実施例では、エンコーダ８７が検出したモータＭの回転速度の微分値と圧力センサＰＳが検出した圧力値とを加算したのであるが、この第２実施例では、既に圧力センサＰＳの検出した量にモータＭの回転速度の情報が含まれていることになる。したがって中央演算回路８１側で二つの情報を加算する必要はなくなる。
【００６３】
この第２実施例における制御アルゴリズムは図１１および図１２で示される。而してこの第２実施例では、ハンドの運動が、「特定の姿勢をとる」、「把持する」、「保持する」、ならびに一度把持したものを放す「開放する」の４つの運動しかとらせないものとしている。
【００６４】
図１１で示すアルゴリズムは、図６で示した第１実施例のアルゴリズムと基本的に同一であり、ＳＴＥＰ−２０１〜２０６では、ゲイン設定値Ｋｓｉ，ｋｓｉ，Ｋｇｉ，β，Ｋｈｉ，ｋｈｉ，Ｋｒｉ，ｋｒｉおよび目標指標Ｆｊｉなどの読み込み、統合制御部７４（図４参照）からの指令読み込み、ならびにモータ回路ＭＣ１〜ＭＣ６からのモータ作動量検出値Ｃｔｉ、圧力検出値Ｐｔｉおよびモータ作動速度ωｔｉの読み込がなされる。
【００６５】
またＳＴＥＰ−２１０において、特定の姿勢をとることを統合制御部７４から指令されていることが確認されたときには、ＳＴＥＰ−２１１〜２１４において、統合制御部７４から与えられたモータ作動量目標値Ｃｓｉに向けた位置制御が実行され、（Ｃｓｉ−Ｃｔｉ）がＣ₀未満となるまでは、ＳＴＥＰ−２５０，１５１を経由してＳＴＥＰ−１０５に戻る処理が繰り返して実行されることになる。
【００６６】
図１２において、ＳＴＥＰ−２２０で把持することが選択されたときには、ＳＴＥＰ−２２１〜２３０の処理が実行される。この際、圧力センサＰＳによる圧力検出値Ｐｔｉは既に速度成分を含んでいるので、ＳＴＥＰ−２２２でのモータトルクの算出にあたって計算式には速度情報量は入ってこず、単純に目標指標Ｆｊｉと圧力検出値Ｐｔｉとの差分に、適切なゲインＫｇｉを乗じた量がモータトルクＴｇｉとして得られることになる。
【００６７】
ところで、この第２実施例では、物体の剛性値を計算する為の別の技術が示されている。即ち図１３で明らかなように、モータ作動速度ωｔｉは、物体と接触するまでは実質的に一定であるが、物体と接触が始まると急速に低下し、やがては０となる。したがってＳＴＥＰ−２２４では、いずれかの指が物体と接触したかどうか、すなわち図１３の曲線が初めて負となったかどうかが判定される。この際、誤差を考慮して、｛ωｔｉ−ω（ｔ−１）ｉ｝が設定値「−ε（εは正）」以下となったかどうかによってモータ作動速度ωｔｉを示す曲線の勾配が負になったかどうかを確認することが望ましい。
【００６８】
ＳＴＥＰ−２２４でいずれかの指が物体と接触したことが確認されたときには、その指に対応するモータのモータ作動量Ｃｔｈおよび時刻ＴｔｈがＳＴＥＰ−２２５で記憶される。また以前にいずれかの指が物体と接触していたことがＳＴＥＰ−２２６で確認されたときにはＳＴＥＰ−２２５を迂回してＳＴＥＰ−２２６に至る。
【００６９】
その後、ＳＴＥＰ−２２７〜２３０の処理が実行されるが、初めてωti≦ω₀となったことがＳＴＥＰ−２２７で確認されたときに、そのときのモータ作動量がＣｅ、時刻がＴｅとしてＳＴＥＰ−２２８で記憶され、ＳＴＥＰ−２２８で剛性値ＩがＩ＝（Ｔｅ−Ｔｔｈ）／（Ｃｅ−Ｃｔｈ）として演算される。すなわち各指から検出されたＩを単純平均するのではなく初めに接触した指が検出した剛性値Ｉをもって当該物体の剛性値が代表されることになる。その後、ＳＴＥＰ−２３０では、剛性値Ｉが行動計画部７１にフィードバックされ、行動計画部７１では上記フィードバック情報が知識ベース７２に登録処理される。
【００７０】
次に把持しないことが選択されると、ＳＴＥＰ−２３１において、把持したものを運んだり、移動したりするための「保持する」を選択するかしないかの選別がなされる。而して「保持する」が選択されると、ＳＴＥＰ−２３２でモータトルクが算出され、ＳＴＥＰ−２３３で算出されたモータトルクが算出される。
【００７１】
ところで、この実施例では保持の姿勢は全ての指についてとられる。したがって第１実施例で説明したバッグのようなものを運ぶ場合には、ハンド全体の形は把持したときのままであるから、紐の変形に追従したものとはならない欠点を持つが、制御そのものは第１実施例より簡潔である。この際の目標値としては、把持したときの最後に検出したモータ作動量Ｃe が採用される。
【００７２】
ＳＴＥＰ−２３１で、保持することも選択されなかったときには、ＳＴＥＰ−２４１〜２４４の処理が実行され、把持状態を解除する運動が自動的に選択される。ところで、把持状態を解除するためのポーズは、「特定の姿勢」の一つであるが、この例では特に解除姿勢を特定している。而してＳＴＥＰ−２４１ではその姿勢に特有の目標置Ｃｒｉが与えられ、この目標値に追従するように、既存の位置制御を働かせている。目標値Ｃｒｉは、例えば「気を付け」のときの人間の姿勢のように、各指を真っ直ぐに伸ばした時のモータ位置が適切な事例の一つである。
【００７３】
この第２実施例で特筆すべきは、関節の駆動速度を絞り９０による流体の絞り抵抗で置換したことであり、この置換により、速度情報と力情報とが同じ物理単位となり、検出が一つのセンサＰＳで行えるようになることである。例示のものは、微分回路８５で得られたモータ作動速度ωやカウンター値を用いているが、これは剛性の推定などに用いる為のものであり、関節の制御そのものには無用となっている。
【００７４】
尚、絞り９０は特定の絞りであってもよいし、また管路全体の抵抗値で代用することもあり、後者の場合には視覚的に認識できる形状的な絞りは不要となる。
【００７５】
図１４および図１５は本発明の第３実施例の制御アルゴリズムを示すものであり、このアルゴリズムで開示する技術は、図９で説明したような不具合が生じたときに、その不具合を上位の制御部に通知しておくことで、少なくとも次回からは手首の位置（および方向）をより正確に制御できる技術である。またこのアルゴリズムが適用されるハンド制御部は、図１０で示されたものである。
【００７６】
この制御アルゴリズムでは、図１４におけるＳＴＥＰ−３０１〜３０６、ＳＴＥＰ−３１０〜３１４，ＳＴＥＰ−３５０，３５１は、図１１で示した第２実施例の制御アルゴリズムにおけるＳＴＥＰ−２０１〜２０６，ＳＴＥＰ−２１０〜２１４、ＳＴＥＰ−２５０，２５１とほぼ同一である。
【００７７】
図１５において、ＳＴＥＰ−３２０で把持するモードが選択されたときには、ＳＴＥＰ−３２１〜３２９の処理が実行されるが、ＳＴＥＰ−３２０〜３２３の処理は図１２で示した第２実施例の制御アルゴリズムにおけるＳＴＥＰ−２２０〜２２３と同一である。
【００７８】
ＳＴＥＰ−３２４では、圧力Ｐｔｉが初めて設定値Ｐｔｈ以上となったかどうかにより、いずれかの指が物体と接触したかどうかが確認され、いずれかの指が初めて物体と接触したことが確認されたときには、ＳＴＥＰ−３２５において、その時の各指の位置が記憶される。すなわちＳＴＥＰ−３２５では、いずれかの指が物体と接触したときに、接触時点における各指について、駆動しているモータＭの自由度区別番号「ｉ」とモータ作動量Ｃｔｈｉ−１とが記憶される。また以前にいずれかの指が物体と接触していたことがＳＴＥＰ−３２６で確認されたときにはＳＴＥＰ−３２５を迂回してＳＴＥＰ−３２７に至る。
【００７９】
ＳＴＥＰ−３２７では、初めて物体と接触した指と対向位置に在る指が物体と接触したかどうかが、圧力Ｐｔｉ≦Ｐｔｈとなったかどうかにより確認される。例えば第２〜５指のいずれかが最初に対象物体と接触した場合、対向位置にある指とは第１指（親指）のことである。而してＳＴＥＰ−３２８では、対向位置にある指の位置が記憶される。例えば第２〜５指のいずれかが最初に対象物体と接触した場合、対向位置にある指とは第１指（親指）のことであり、ＳＴＥＰ−３２８では、その対向指を駆動するモータの作動量Ｃｔｈｉ−２（この例ではｉ＝２）が記憶される。
【００８０】
而してＳＴＥＰ−３２９では、前回記憶した当該対向位置にある指の位置と今回計測された同じ指の位置との差が、手首関節の位置ずれの程度を表すものとして算出され、差分Ｅが上位制御部にフィードバックされる。上位の制御部では、前記差分Ｅをもとに、実施例時間で手首位置を修正することもできるし、あるいは今回の修正は行わず、次回、同じように物体を掴む時、この誤差を考慮した位置に手首を持ってくることもできる。本発明では、この誤差をどのように利用するか迄は議論していない。掴む物体は今回と同じでも、違っていても構わない。要するに位置決めのプロセスに誤差が内在していたことを意味しているので、誤差を生じている事実、及びその誤差の程度を検知できる手法を提供しているのである。
【００８１】
以上で述べた手法は、図９に示すような二次元平面内のずれの検出に有効であるが、この技術は、次のように三次元空間内でのずれの検出にも拡大利用可能である。すなわち図９に示した対象物体が長い棒状のものであり、その棒状物体がハンドに対して傾いている場合でも、その傾き誤差の検出が可能となるものである。その際、三次元空間内での位置ずれ検出には、たとえば第２指Ｆ₂が最初に対象物体に接触し、第５指Ｆ₅が最後に接触したとすれば、最初に第２指Ｆ₂が接触したときの第５指Ｆ₅の位置と、接触したときの第５指Ｆ₅の位置との差分から、前記棒状物体に対するハンドの傾き誤差を推定し得ることは当該技術分野の技術者には容易に理解できよう。
【００８２】
さらにこの第３実施例では、前述のようにバッグを下げたときの特定の指（先の説明では第３指）が重さに耐えきれず後退することを防止する別の技術が開示されている。ＳＴＥＰ−３２０で把持モードが否定されると、この実施例ではＳＴＥＰ−３３１〜３３４の「保持」モードに自動的に移行する。而してＳＴＥＰ−３３１では、第１指Ｆ₁は、その追従運動を防止する手段として、把持で最終的に安定したとき作動量Ｃｅｉを目標とする位置制御が実行され、他の指はそのまま力制御とする。但しゲインは保持の場合に適したゲインＫｈｉに変更されている。
【００８３】
次のＳＴＥＰ−３３２では、ＳＴＥＰ−３３１で得られたトルクが出力される。またＳＴＥＰ−３３３では、第３指Ｆ₃にのみ注目し、第３指Ｆ₃に関連するモータＭ５が逆転していてωｔｉが負と検出されれば、目標指標Ｆｊ５が小さ過ぎたので、これを一定量ΔＦだけ補強する。しかしωｔ５が負を示さなければ、持っているバッグの重さは十分に軽いのであると判断し、何もしない。ΔＦの補強が十分かどうかは１サイクル実行してみた上で判断し、足りなければ更にΔＦの補強を行う。こうして遂にはωｔ５の値は負を示さなくなるから、あらゆるバッグの重さに対応できる。この例では第３指Ｆ₃に注目したが、他の指でも構わないし、場合によっては第２、第３指の２本を監視して後退防止しても構わない。
【００８４】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行うことが可能である。
【００８５】
たとえば、指の本数は５本の例を示したが、本数の多寡は技術内容を基本的に制約するものでもない。指を動かすアクチュエータも直線運動形式のものを例示しているが、これも本質的なものではなく、例えば回転式のアクチュエータを使用しても本発明は適用可能である。
【００８６】
【発明の効果】
以上のように請求項１記載の発明によれば、力制御および位置（または速度）制御を統一した極めて単純な制御則でリンク結合体の器用な運動を実現することができ、手首の位置決め精度が甘くてもその誤差を吸収して目標物を確実に掴むとともに把持した後の物体を特定指側に引き付ける際に物体によく馴染んだ姿勢をとることができる。
【００８７】
また請求項２記載の発明によれば、物体を特定指側に引きつける際に特定指にかかる外力の減少に応じた無駄な追従運動が生じるのを防止することができる。
【００８８】
請求項３記載の発明によれば、力制御および位置（または速度）制御を統一した極めて単純な制御則でリンク結合体の器用な運動を実現することができ、手首の位置決め精度が甘くてもその誤差を吸収して目標物を確実に掴むとともに把持した後の物体を特定指で押す際に物体に馴染んだ姿勢をとることができる。
【００８９】
請求項４記載の発明によれば、物体を特定指で押す際に対向指に無駄な動きが生じることを防止することができる。
【００９０】
請求項５記載の発明によれば、力制御および位置（または速度）制御を統一した極めて単純な制御則でリンク結合体の器用な運動を実現することができ、手首の位置決め精度が甘くてもその誤差を吸収して目標物を確実に掴むとともに把持した後の物体を保持する際に物体に馴染んだ姿勢をとることができる。
【００９１】
請求項６記載の発明によれば、安価な圧力センサおよび微分回路を用いることにより安価で確実な制御装置を提供することができる。
【００９２】
請求項７記載の発明によれば、指の物体への接触を確実にかつ容易に検知することができる。
【００９３】
請求項８記載の発明によれば、目標物を確実に掴むことを可能とした上で、目標物とハンドとの位置のずれ量を検出して次の制御に活かすことができる。
【００９４】
請求項９記載の発明によれば、目標物を確実に掴むことを可能とした上で、指が物体に触れることで物体の剛性を詳細に検知し、その検知結果を次の制御に活かすことが可能となる。
【００９５】
さらに請求項１０記載の発明によれば、速度情報および力情報を１つの圧力センサで検出することにより、力制御および位置（または速度）制御を統一した極めて単純な制御則でリンク結合体の器用な運動を実現することができ、目標物を確実に掴むとともに簡潔な制御で把持した後の物体を保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例を適用したロボットの外観図である。
【図２】ロボットのハンド（右手）の機構を手の甲側から見た平面図である。
【図３】ハンドの駆動回路図である。
【図４】ロボット全体の制御ブロック図である。
【図５】ハンドの制御ブロック図である。
【図６】制御アルゴリズムの一部を示す図である。
【図７】制御アルゴリズムの残部を示す図である。
【図８】ハンドが物体を掴む際の物体の硬さに応じた反力の変化を示す図である。
【図９】ハンドが物体を把持しようとする際の説明図である。
【図１０】第２実施例のハンドの制御ブロック図である。
【図１１】制御アルゴリズムの一部を示す図である。
【図１２】制御アルゴリズムの残部を示す図である。
【図１３】物体への接触時の駆動速度の変化を示す図である。
【図１４】第３実施例の制御アルゴリズムの一部を示す図である。
【図１５】制御アルゴリズムの残部を示す図である。
【符号の説明】
１１，１２，１４，２１〜２４，３１〜３４，４１〜４４，５１〜５４・・・リンク
８１・・・駆動制御手段としての中央演算回路
８５・・・第１検出手段としての微分回路
８７・・・作動変位量代表指標検出手段としてのエンコーダ
９０・・・絞り手段である絞り
Ａ₁₀，Ａ₁₁，Ａ₁₃，Ａ₂₁〜Ａ₂₃，Ａ₃₁〜Ａ₃₃，Ａ₄₁〜Ａ₄₃，Ａ₅₁〜Ａ₅₃・・・流体圧アクチュエータ
Ｆ₁〜Ｆ₅・・・指
Ｈ・・・ハンド
ＰＳ・・・第２検出手段としての圧力センサ
Ｍ・・・モータ
Ｓ１〜Ｓ６・・・流体圧源

Claims

相対運動可能に結合される複数のリンク（１１，１２，１４，２１〜２４，３１〜３４，４１〜４４，５１〜５４）と、それらのリンクの少なくとも１つに連結されるアクチュエータ（Ａ₁₀，Ａ₁₁，Ａ₁₃，Ａ₂₁〜Ａ₂₃，Ａ₃₁〜Ａ₃₃，Ａ₄₁〜Ａ₄₃，Ａ₅₁〜Ａ₅₃）とをそれぞれ有して相互に対向し得る位置に配置される複数の指（Ｆ₁〜Ｆ₅）を備え、物体の把持または保持が可能な人工ハンドにおいて、各指の運動速度を代表する第１の指標を検出する第１検出手段（８５）と、各指に加わる外力を代表する第２の指標を検出する第２検出手段（ＰＳ）と、前記複数の指のうち特定位置に配置される少なくとも１本の特定指（Ｆ₁）と共働して物体の把持動作を含む動作を行うべく特定位置に対向する対向位置に配置される残余の複数の対向指（Ｆ₂〜Ｆ₅）のうち少なくとも１本である第１対向指（Ｆ₃）の曲げ方向の作動変位量を代表する作動変位量代表指標を検出する作動変位量代表指標検出手段（８７）と、前記各指の行動計画を定める行動計画部（７１）と、該行動計画部からの指令に応じて前記アクチュエータの作動を制御する駆動制御手段（８１）とを備え、所定の強さで物体を把持した後に物体を前記特定指側に引きつけるようにした指令が前記行動計画部から出されたときに前記駆動制御手段は、物理単位が統一された第１および第２の指標を合成することで物体を把持する強さを代表する第３の指標を推定し、推定した第３の指標が前記所定の強さに対応した所定の目標値と一致するようにアクチュエータの作動量を定めて物体を把持するように前記アクチュエータの作動を制御した後、物体の引きつけにあたっては物体の把持を完了した時点での第１対向指（Ｆ ₃ ）の作動変位量代表指標を維持するとともに各対向指のうち第１対向指とは異なる少なくとも１本の第２対向指（Ｆ₂，Ｆ₄，Ｆ₅）および前記特定指に関しては前記第３の指標が前記所定の目標値に一致するように前記アクチュエータの作動を制御することを特徴とする人工ハンドにおける運動制御装置。
前記駆動制御手段（８１）は、把持した物体を前記特定指（Ｆ₁）側に引きつける際に前記特定指に加わる外力が減少したときには、前記特定指に関する前記所定の目標値を減少させることを特徴とする請求項１記載の人口ハンドにおける運動制御装置。
相対運動可能に結合される複数のリンク（１１，１２，１４，２１〜２４，３１〜３４，４１〜４４，５１〜５４）と、それらのリンクの少なくとも１つに連結されるアクチュエータ（Ａ₁₀，Ａ₁₁，Ａ₁₃，Ａ₂₁〜Ａ₂₃，Ａ₃₁〜Ａ₃₃，Ａ₄₁〜Ａ₄₃，Ａ₅₁〜Ａ₅₃）とをそれぞれ有して相互に対向し得る位置に配置される複数の指（Ｆ₁〜Ｆ₅）を備え、物体の把持または保持が可能な人工ハンドにおいて、各指の運動速度を代表する第１の指標を検出する第１検出手段（８５）と、各指に加わる外力を代表する第２の指標を検出する第２検出手段（ＰＳ）と、前記複数の指のうち特定位置に配置される少なくとも１本の特定指（Ｆ₁）の曲げ方向の作動変位量を代表する作動変位量代表指標を検出する作動変位量代表指標検出手段（８７）と、前記各指の行動計画を定める行動計画部（７１）と、該行動計画部からの指令に応じて前記アクチュエータの作動を制御する駆動制御手段（８１）とを備え、前記特定位置に対向する対向位置に配置される対向指（Ｆ ₂ 〜Ｆ ₅ ）および前記特定指の協働によって物体を所定の強さで把持した後に物体を前記特定指で押すようにした指令が前記行動計画部から出されたときに前記駆動制御手段は、物理単位が統一された第１および第２の指標を合成することで物体を把持する強さを代表する第３の指標を推定し、推定した第３の指標が前記所定の強さに対応した所定の目標値と一致するようにアクチュエータの作動量を定めて物体を把持するように前記アクチュエータの作動を制御した後、物体を前記特定指で押すにあたっては物体の把持を完了した時点での前記特定指の作動変位量代表指標を維持するように特定指を作動せしめるとともに前記対向指に関しては前記第３の指標が前記所定の目標値に一致するように前記アクチュエータの作動を制御することを特徴とする人工ハンドにおける運動制御装置。
前記駆動制御手段（８１）は、把持した物体を前記特定指（Ｆ₁）で押す際に前記対向指（Ｆ₂〜Ｆ₅）に加わる外力が減少したときには、前記対向指に関する前記所定の目標値を減少させることを特徴とする請求項３記載の人口ハンドにおける運動制御装置。
相対運動可能に結合される複数のリンク（１１，１２，１４，２１〜２４，３１〜３４，４１〜４４，５１〜５４）と、それらのリンクの少なくとも１つに連結されるアクチュエータ（Ａ₁₀，Ａ₁₁，Ａ₁₃，Ａ₂₁〜Ａ₂₃，Ａ₃₁〜Ａ₃₃，Ａ₄₁〜Ａ₄₃，Ａ₅₁〜Ａ₅₃）とをそれぞれ有して相互に対向し得る位置に配置される複数の指（Ｆ₁〜Ｆ₅）を備え、物体の把持または保持が可能な人工ハンドにおいて、各指の運動速度を代表する第１の指標を検出する第１検出手段（８５）と、各指に加わる外力を代表する第２の指標を検出する第２検出手段（ＰＳ）と、前記複数の指のうち特定位置に配置される少なくとも１本の特定指（Ｆ₁）の曲げ方向の作動変位量を代表する作動変位量代表指標を検出する作動変位量代表指標検出手段（８７）と、前記各指の行動計画を定める行動計画部（７１）と、該行動計画部からの指令に応じて前記アクチュエータの作動を制御する駆動制御手段（８１）とを備え、前記特定位置に対向する対向位置に配置される対向指（Ｆ ₂ 〜Ｆ ₅ ）および前記特定指の協働によって物体を所定の強さで把持した後に物体を保持する指令が前記行動計画部から出されたときに前記駆動制御手段は、物理単位が統一された第１および第２の指標を合成することで物体を把持する強さを代表する第３の指標を推定し、推定した第３の指標が前記所定の強さに対応した所定の目標値と一致するようにアクチュエータの作動量を定めて物体を把持するように前記アクチュエータの作動を制御した後、物体を保持するにあたっては物体の把持を完了した時点での前記作動変位量代表指標を維持するように前記特定指を作動せしめるとともに前記対向指に関しては前記第３の指標が前記所定の目標値に一致するように前記アクチュエータの作動を制御することを特徴とする人工ハンドにおける運動制御装置。
前記アクチュエータ（１１，１２，１４，２１〜２４，３１〜３４，４１〜４４，５１〜５４）は、モータ（Ｍ）の作動に応じた流体圧を発生する流体圧源（Ｓ１〜Ｓ６）が接続される流体圧アクチュエータであり、第１検出手段（８５）は、前記モータ（Ｍ）に機械的に係合するエンコーダ（８７）の出力を微分して速度情報を作りだす微分回路であり、第２検出手段は流体圧源からアクチュエータに供給される作動流体の圧力を検出する圧力センサであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の人工ハンドにおける運動制御装置。
前記駆動制御手段（８１）が、前記圧力センサによる検出圧力の変化に応じて指（Ｆ ₁ 〜Ｆ ₅ ）が物体と接触し始めたことを認識することを特徴とする請求項６記載の人工ハンドにおける運動制御装置。
前記駆動制御手段（８１）が、前記第１および第２の指標の変化から各々の指（Ｆ ₁ 〜Ｆ ₅ ）と物体との接触開始を検知し、各々の指（Ｆ ₁ 〜Ｆ ₅ ）が当該物体と接触を開始した時刻に差があるときにはその差分を基に人工ハンドおよび当該物体間の相対位置ずれを推定することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の人工ハンドにおける運動制御装置。
指（Ｆ ₁ 〜Ｆ ₅ ）の位置を代表する指標を検出する検出手段を備え、前記駆動制御手段（８１）は、前記指（Ｆ ₁ 〜Ｆ ₅ ）の少なくとも１つが物体と接触するとき、第１または第２の指標の変化に基づいて各々の指と当該物体との接触の有無を検知し、接触開始後の第２の指標ならびに当該指の位置を代表する指標に基づいて当該物体の剛性値を推定し、前記剛性値に基づいて前記目標値を変更することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の人工ハンドにおける運動制御装置。
相対運動可能に結合される複数のリンク（１１，１２，１４，２１〜２４，３１〜３４，４１〜４４，５１〜５４）と、それらのリンクの少なくとも１つに連結されるアクチュエータ（Ａ ₁₀ ，Ａ ₁₁ ，Ａ ₁₃ ，Ａ ₂₁ 〜Ａ ₂₃ ，Ａ ₃₁ 〜Ａ ₃₃ ，Ａ ₄₁ 〜Ａ ₄₃ ，Ａ ₅₁ 〜Ａ ₅₃ ）とをそれぞれ有して相互に対向し得る位置に配置される複数の指（Ｆ ₁ 〜Ｆ ₅ ）を備え、物体の把持または保持が可能な人工ハンドにおいて、モータ（Ｍ）の作動に応じた流体圧を発生するようにして流体圧アクチュエータである前記アクチュエータに接続される流体圧源（Ｓ１〜Ｓ６）と、流体圧を絞るようにして前記流体圧源およびアクチュエータ間を結ぶ流体管路に設けられる絞り手段（９０）と、該絞り手段（９０）を作動流体が通過するときに生ずる圧力損失が流体流速を代表するとともに流体圧力が外力を代表することに基づいて絞り手段（９０）の上流側で前記流体管路に設けられる圧力センサ（ＰＳ）と、前記複数の指の曲げ方向の作動変位量を代表する作動変位量代表指標をそれぞれ検出する作動変位量代表指標検出手段（８７）と、前記各指の行動計画を定める行動計画部（７１）と、該行動計画部からの指令に応じて前記アクチュエータの作動を制御する駆動制御手段（８１）とを備え、前記特定位置に対向する対向位置に配置される対向指（Ｆ ₂ 〜Ｆ ₅ ）および前記特定指の協働によって物体を所定の強さで把持した後に物体を保持する指令が前記行動計画部から出されたときに前記駆動制御手段は、前記圧力センサ（ＰＳ）の検出値が前記所定の強さに対応した所定の目標値と一致するようにアクチュエータの作動量を定めて物体を把持するように前記アクチュエータの作動を制御した後、物体を保持するにあたっては物体の把持を完了した時点での前記各指の前記作動変位量代表指標を維持するように前記アクチュエータの作動を制御することを特徴とする人工ハンドにおける運動制御装置。