JP3871293B2 - Object gripping control method by hand or manipulator - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットハンド又はマニピュレータによる物体の把持制御方法に関するもので、特に、重量及び摩擦係数が未知の物体をロボットハンド又はマニピュレータで把持し持ち上げるための把持制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ロボットハンドやマニピュレータにより、重量及び摩擦係数が未知の物体を把持し持ち上げ搬送等を行うには、この物体が把持力でつぶされず、かつ把持部から滑り落ちないように、必要最小限の力で把持する必要がある。このため、ロボットハンド等で把持し持ち上げようとしたときの物体の滑り変位や滑り速度を検出し、この検出情報をフィードバックし把持力を制御する物体把持方法や、さらに、物体の摩擦係数を検出する方法等の提案が、「日本ロボット学会誌 Vol.11 N0.7 959〜965頁 1993年」に記載されている。
【0003】
しかし、物体が滑りはじめる際の滑りを検出する方法では、ロボットハンドと物体との相対位置がわずかながら変化してしまい、物体を高精度に位置決めする等の作業には適さない。又、摩擦係数を検出する方法を用いれば物体が滑りはじめない範囲の適当な把持力を求めることができる。しかし、装置が複雑になるという欠点がある。
【0004】
そこで、本願発明の発明者等は、重量及び摩擦係数が未知の物体を曲面状弾性体で把持し、物体とこの曲面状弾性体の接触面に物体の荷重を受け接線方向に接線力を生じせしめ、そのときの曲面状弾性体内部のせん断ひずみ分布を観測し、接線力を増大させると、接触領域の端部から初期局所滑りの領域が成長していき、ひずみ分布が、最終的に全体が滑る場合の固有の分布となる。しかし、全体的に滑りが生じる分布にならないように接線力及び物体を把持する法線力を増加すれば、ロボットハンドやマニピュレータによって重量及び摩擦係数が未知の物体を把持し持ち上げることができることを、「日本機械学会論文集(C編)64巻620号 1998年4月 第1258〜第1265頁」で発表している。
【0005】
又、本願発明の発明者等は、上述した曲面状弾性体内部のせん断ひずみ分布を検出することができるセンサとして、曲面状のシリコーンゴム内部にひずみゲージを添付した薄板を均一間隔に複数枚配置し、これらひずみゲージによって上述したひずみ分布を測定できることを、「日本機械学会論文集64巻627号 C編 1998年11月 第4264〜第4270頁」で発表している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、重量及び摩擦係数が未知の物体を曲面状弾性体で把持し、この曲面状弾性体内部に配置したひずみゲージによってひずみ分布を検出し、このひずみ分布から、物体を握りつぶさず、かつ滑り落とさず、ロボットハンド等で物体を把持し持ち上げることが可能でることは、開示されているが、どのようなひずみ分布パターンを用いれば、物体を握りつぶさずかつ滑り落とさず持ち上げることができるか、又、その把持力制御方法も不明であった。
【0007】
そこで、本発明の目的は、重量及び摩擦係数が未知の物体をロボットハンド又はマニピュレータによって、把持位置のずれも生じることなく把持し持ち上げることができる把持制御方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内部に複数のセンサが分散されて配置された曲面状弾性体を物体把持面に有するフィンガを備えるロボットハンド又はマニピュレータによる物体把持制御方法であって、前記フィンガで物体を把持して持ち上げる際に、所定周期毎に前記各センサから得られた曲面状弾性体のせん断ひずみ又はせん断応力によって、曲面状弾性体と物体との間の固着領域の大きさを求め、該固着領域の大きさによって前記フィンガによる把持力及び持ち上げ力を制御することにより、物体を握りつぶすことなく、かつ、滑り落とすことなく持ち上げることができるようにしたものである。
【0009】
又、曲面状弾性体を介して物体を把持しているものであるから、把持力及び持ち上げ力は、フィンガの物体把持方向への移動量、持ち上げ方向の移動量に比例する。そこで、把持力及び持ち上げ力の制御を、フィンガの物体把持方向への移動量、物体を持ち上げる方向への移動量の制御によって行う。
【0010】
前記固着領域の大きさを求める例として、前記所定周期での各せん断ひずみの変化量を該所定周期で割ったひずみ変化速度の組、前記所定周期での各せん断ひずみの変化量を該所定周期での物体持ち上げ力の増加量で割った値の組、前記所定周期での各せん断ひずみの変化量を該所定周期での物体把持力の増加量で割った値の組、前記所定周期での各せん断ひずみの変化量を該所定周期での物体持ち上げ方向変位の増加量で割った値の組、前記所定周期での各せん断ひずみの変化量を該所定周期での物体把持方向変位の増加量で割った値の組、前記所定周期での各せん断応力の変化量を該所定周期で割ったせん断応力の時間微分の組、前記所定周期での各せん断応力の変化量を該所定周期での物体持ち上げ力の増加量で割った値の組、前記所定周期での各せん断応力の変化量を該所定周期での物体把持力の増加量で割った値の組、前記所定周期での各せん断応力の変化量を該所定周期での物体持ち上げ方向変位の増加量で割った値の組、前記所定周期でのせん断応力の変化量を該所定周期での物体把持方向変位の増加量で割った値の組のいずれか1組を求め、この求めた1組値の内で所定値を超えるものの数が基準値を越えるか否かで固着領域の大きさを判別し、該判別結果に基づいて前記フィンガによる把持力及び持ち上げ力を制御する。
【0011】
そして、把持力、持ち上げ力の制御としては、1組値の内で所定値を超えるものの数が、基準値より小さくなったときにはフィンガによって物体に向けて加えられる力ベクトルの前記所定周期毎の増分量を増大させ、逆に、基準値より大きくなったときには前記力ベクトルの前記所定周期毎の増分量を減少させるようにフィンガに加える力を制御する。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1は、重量と摩擦係数が未知の物体を把持し持ち上げる場合において、物体を把持するフィンガと物体間に加わる力を接触面に垂直な法線力(把持力)Fnと接触面に平行な接線力(摩擦力)Ftとに分けて解析した力関係の説明図である。摩擦力はクーロンの法則に従うものとし、簡単のため、動摩擦係数と静止摩擦係数は等しい値μであると仮定して解析している。
【0013】
フィンガで物体を把持してこの把持力(法線力)Fnと、垂直な上方向に持ち上げようとする力である接線力Ftにおいて、物体が滑る条件は
Ft=μ・Fn ・・・・(1)
である。又、自重mgの物体を持ち上げる条件は、
Ft=mg/2 ・・・・(2)
である。物体を持ち上げるには、まず法線力Fnを加え、その後、この加えた法線力Fnによって生じる摩擦力以下の接線力(持ち上げ力)Ftを徐々に増加して、接線力Ftが物体の重力mg以上になると、物体は持ち上がるものである。すなわち図1において、上記1式の直線の下側の領域を通る力増加曲線を得れば、物体は滑り落ちることなく、持ち上げることができるものである。
【0014】
法線力Fnが大きすぎると、物体はつぶれたり損傷を受けたりする可能性があるので、接線力Ftが物体の重力mgに達し物体を持ち上げるときの力の到達点Aの法線力
Fn=FL ・・・・(3)
は上記1式と2式の交点
Fn=mg/2μ ・・・・(4)
に十分に近いほどよい。
【0015】
そこで、本発明は、物体を持ち上げる力到達点Aの法線力(把持力)Fn=FLが上記1式と2式の交点Fn=mg/2μに近く、かつ常に図1における1式の直線の下側を通るように法線力Fn、接線力Ftを制御することによって、重量と摩擦係数が未知の物体をロボットハンド又はマニピュレータで把持し持ち上げることができる、ハンド又はマニピュレータによる物体把持制御方法を得ることにある。
【0016】
本発明は、曲面状弾性体でそのせん断ひずみ又はせん断応力を検出できるセンサを用いて、上記物体把持制御方法を得るもので、図2は、その一形態を示す図で、ロボットアーム21の先端手首22にロボットハンド10を取り付け、該ロボットハンド10のフィンガ11a、11bの先端には、物体Wを把持する面に対向して、上述した内部に複数のセンサが埋め込まれた曲面状弾性体で構成されたセンサ部12、12が取り付けられている。
【0017】
なお、センサ部12,12の曲面状弾性体の内部の構造は任意であり、フィンガは図2では2本の場合を示したが、その数は2以上の任意の数でよく人の手のように5本あってもよい。また、センサ部はフィンガのうちの1つ以上に配置されておればよく、図2に示すように対向するフィンガ11a、11bにそれぞれセンサ部12,12を設けてもよく、若しくは、一方のフィンガにのみセンサ部を設け、他方は、センサ部を構成しない曲面状弾性体でもよい。
【0018】
そして、このロボットハンド10のフィンガ11a、11bはサーボモータによって開閉ができ、さらに、この開閉方向に対して垂直方向に、このフィンガ部11をサーボモータで移動できるように構成されている。
【0019】
上述した曲面状弾性体13で構成されるセンサ部12は図3(a)に示すように円筒面状に形成しても、又は図3(b)に示すように球面状に形成してもよい。又、他の任意の曲率の面状に形成してもよいが、いずれにしても、曲面状になっていることにより、垂直反力(法線力)の大きさが場所によって異なり、後述する局所滑りが生じるような形状であればよい。
【0020】
図4は、曲面状弾性体13で構成されるセンサ部12の内部構造説明図である。図4(a)に示す例は、ひずみゲージ、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)などのセンサ14を弾性体13内に数枚埋め込む例である。この図4(a)に示す例は、センサとしてひずみゲージ14を貼り付けたリン青銅板等の板ばね14’が互いに平行で等間隔に接触面に対して約45度(必ずしも45度ではなく他の角度でもよい)傾けて曲面状弾性体13内に複数埋め込まれている。なお、ひずみゲージ14を直接埋め込む方法でも、さらには、片持ち梁状の位置にひずみゲージ14を貼り付ける方法でもよい。
【0021】
このセンサの場合、物体Wをこのセンサ部12,12の曲面状弾性体13で把持した際、曲面状弾性体13がたわみひずむので、このひずみを各ひずみゲージ14で検出し出力するようにしたものである。
【0022】
図4(b)に示すセンサ部12の例は、物体把持部とは反対側の面に突起を持つ曲面状弾性体15、透明な光導波路16、CCDなどの光検出部17をサンドイッチ状に並べて配置して構成されるセンサ部12である。曲面状弾性体15がせん断変形すると、突起は何らかの変形を受けるため、突起と光導波路16との接触部の形状が変化する。光導波路16に光を通過させ、検出部17から見ると光導波路16と突起が接触している部分が乱反射して明るく見えるので、画像処理することによって突起接触部の形状を把握することができる。この画像情報から、曲面状弾性体15のせん断ひずみ速度の分布又はせん断応力の時間微分の分布などを検出するようにする。
【0023】
図5は物体Wに上述したセンサ部12の曲面状弾性体13(15)を押圧し法線力Fnのみを加えたときと、接線力Ftをも加えたときのひずみ状態の説明図である。
【0024】
図5の左側は、法線力Fnのみを加えたときの図で、右側は、法線力Fnと接線力Ftを加えたときの図である。そして、曲面状弾性体13(15)の物体Wとの接触面付近を、法線力Fnのみ加えて変形した状態のときに10個の正方形に区画して考えている。法線力Fnのみを加えた左側の図では、曲面状弾性体13(15)の正方形の物体Wとの接触点1〜11は物体Wに固着(固定)している。そこで、右側の図のように上向きに接線力Ftも追加して加えると、曲面状弾性体13(15)はせん断ひずみを受けるので、正方形は菱形にせん断変形する。
【0025】
この点を詳細に検討すると、曲面状弾性体13(15)の物体Wへの接触領域の端の部分(この図5では点1〜3及び点9〜11)は、加わるせん断力が最大静止摩擦力を越えているために物体Wとの接触点は滑っている。しかし中心部(図5の例で点4〜8)は加わるせん断力が最大静止摩擦力を越えないので固着されたままである。その結果、固着部分の正方形は菱形となり相似形である。滑っている部分は、固着部分の菱形より滑っている分、正方形に近い形をしている。
【0026】
この図5の、左側と右側を比較してわかるように、曲面状弾性体13(15)と物体Wとの接触領域において、端の部分の滑りが生じた部分(この図5の点1〜3及び点9〜11)は、せん断ひずみが少なく、中心部の滑りがなく接触面が物体に固着している部分(図5の例で点4〜8)はせん断ひずみ量が大きいことを示している。すなわち、せん断ひずみの変化率は端部で小さく中心部で大きいことを示している。このことは、接線力(持ち上げ力)Ftを徐々に増加させ、せん断ひずみ変化速度を検出し、この値が基準値以上であるときは、曲面状弾性体12(15)と物体Wとの接触面での滑りが生ぜず固着しているものと想定でき、又基準値以下の場合には滑りが生じているものと想定することができる。
【0027】
以上のように、上記曲面状弾性体13(15)のひずみを上述したひずみゲージ等のセンサ14で検出し、曲面状弾性体13(15)のせん断ひずみの変化量の分布、せん断ひずみ速度の分布又はせん断応力の時間微分の分布などに基づいて、曲面状弾性体13(15)と物体Wとの間の固着領域の大きさに関連する量を検出し、その情報を利用してハンド又はマニピュレータに加える力又はその移動量を制御して物体を握りつぶすことも、滑り落とすことなく最適の把持力で把持し持ち上げることができる物体把持制御方法を得ることができる。
【0028】
すなわち、固着領域が小さくなったならば、物体Wは滑り落ちそうになっているのであるから、力ベクトルの向きが接触面の法線方向に近づくように図1に示す力増加曲線の傾きを小さくする(法線力Fnの増分を大きくする。または、接線力Ftの増分を小さくする)。逆に、固着領域が大きくなったならば、法線力が大きすぎて物体Wを握りつぶす可能性があるから、力ベクトルの向きが接触面の法線方向から遠ざかるように力増加曲線の傾きを大きくするようにすればよい(法線力Fnの増分を小さくする。または、接線力Ftの増分を大きくする)。このような力制御を行うことによって、重量及び摩擦係数が未知な物体を、簡単に、握りつぶさず、かつ滑り落とすことなく把持し持ち上げることができる。
【0029】
なお、物体Wを曲面状弾性体13(15)で把持し、その弾性力で物体Wを把持し持ち上げるものであるから、物体W及び曲面状弾性体13(15)に加わる力及び反力の法線力Fn、接線力(摩擦力)Ftは、曲面状弾性体13(15)の法線方向への移動量、接線方向への移動量に対応する。そのため、上述した固着領域の大きさに応じた力増加曲線の制御を曲面状弾性体13(15)の移動量、すなわちハンド10のフィンガ11a、11bの法線方向の移動量(開閉方向の移動量)、接線方向の移動量(フィンガ部11の垂直方向への移動量)を制御することによって達成することができる。
【0030】
図6は、上述した物体把持制御方法を適用した一実施形態のロボットシステムの要部ブロック図である。
符号30は、ロボット制御装置である。該制御装置30は、ロボットシステム全体を制御するプロセッサ31、該プロセッサ31とバス36で接続されたROM、RAM、不揮発性RAM等で構成されたメモリ32、ロボットへの各種指令や教示動作プログラムを教示するときに使用される表示装置付き教示操作盤33、ロボットに設けられたセンサや周辺機器のセンサやアクチュエータと接続される入出力回路34、ロボット各軸のサーボモータを駆動し、各軸の位置、速度さらには力を制御するサーボ制御回路35を備えている。
【0031】
ロボット本体20は、図示した例は、垂直方向に上下動する上下動軸24、該上下動軸の先端に設けられ垂直軸周りに旋回する第1のアーム23、該第1のアーム23の先端に軸支され垂直軸周りに旋回する第2のアーム21、該第2のアーム先端に設けられた手首22、該手首22には図2に示したように、ハンド10が取り付けられ、該ハンド10は、フィンガ11a、11bをサーボモータで開閉でき、かつ、このフィンガ部11をフィンガ11a、11bの開閉方向と垂直で、上下方向(重力方向)にサーボモータで移動させることができるものである。
【0032】
上述したロボットシステムは従来のロボットシステムとほぼ同一であるが、従来のロボットシステムと特別相違する点は、上述したようにハンド10が、フィンガ11a、11bの物体把持面に曲面状弾性体13(15)で構成するセンサ部12が取り付けられたものを使用している点、ハンド10のフィンガ11a、11bの開閉を行うサーボモータ(以下把持用サーボモータという)、物体を持ち上げるためにフィンガ部11を上下動させるサーボモータ(以下リフト用サーボモータという)を、ロボット制御装置30内に設けられた付加軸用サーボ制御回路35によって制御する点、及び、ハンド10に設けたセンサ部12の各ひずみゲージ等のセンサ14(なお、この実施形態では、図4(a)で示した曲面状弾性体13内に複数(M/2個)のひずみゲージ14が埋め込まれたセンサを使用している例を示す)からのひずみ量を示す出力信号を入出力回路34を介して、ロボット制御装置のプロセッサ31が検出できるようにしている点である。なお、ひずみゲージ14からの出力信号は入出力回路34内のA/D変換器でデジタル信号に変換されるものである。
【0033】
図7は、物体Wを把持し持ち上げるためにロボット制御装置30のプロセッサ31が実行する処理のフローチャートである。
ロボット制御装置30は、ハンド10のフィンガ11a、11bで物体Wを把持できる位置までロボット本体の各軸を駆動し位置決めした後、図7に示す処理を開始する。
【0034】
まず、把持用サーボモータへ低速でフィンガ11a、11bを閉じる方向への移動指令を出力する(ステップS1)。該把持用サーボモータのサーボ制御回路はこの移動指令を受け、該サーボモータに取り付けられたパルスコーダ等の位置・速度検出器からのフィードバック信号に基づいて位置・速度及び電流検出器からのフィードバック信号に基づいてトルク(電流)制御を行い、把持用サーボモータを駆動制御する。フィンガ11a、11bが移動し、曲面状弾性体12を介してフィンガ11a、11bが物体Wを把持し、センサ部12の曲面状弾性体13が変形し、その弾性力が負荷となり把持用サーボモータの駆動電流Ih が増大する。
【0035】
プロセッサ31は、この把持用サーボモータの駆動電流(フィードバック電流)Ih をサーボ制御回路35を介して検出し、該電流Ih が所定把持力(法線力)に対応する電流値I0 以上に達したか判断し(ステップS2)、達すると移動指令を停止し(ステップS3)、物体Wをハンド10で把持した状態を維持する。そして、センサ部12、12の各ひずみゲージ14から出力されるひずみ量の信号εiを入出力回路34を介して読み取り、各レジスタRi(ε)にそれぞれ格納する(ステップS4)。なお、本実施形態においては各センサ部12はひずみゲージ14を(M/2)個有しているものとし、各ゲージ14のひずみ量εiを記憶するレジスタRi(ε)は、i=1〜MのM個備えるものとしている。
【0036】
次に、把持用サーボモータへの移動指令量を記憶するレジスタPに「0」を格納し、リフト用サーボモータへの移動量を記憶するレジスタQに設定量「Δyb 」を設定する。さらに、リフト用サーボモータの駆動電流値IL を記憶するレジスタR(IL)に「0」をセットする(ステップS5)。なお、説明を簡単にするために、ハンド10のフィンガ11a、11bの開閉方向をX軸方向とし、又、リフト方向(重力方向)をY軸方向としている。又、後述するように、フィンガ11a、11bの閉じ方向への移動指令量は大きい量のΔxb と小さい量のΔxs が予め設定されており、リフト量(持ち上げ量)に対しても大きい量Δyb と小さい量Δys がそれぞれ予め設定されている。
【0037】
ステップS5の処理をした後、プロセッサ31は、ステップS6〜ステップS22の処理を所定周期Δt毎、実行する。
【0038】
まず、把持用サーボモータへレジスタPに記憶する移動量を出力し(最初はステップS5で設定された「0」が出力される)(ステップS6)、その後、リフト用サーボモータへレジスタQに記憶する移動量(最初はステップS5で設定されたΔyb )を出力し(ステップS7)、リフト用サーボモータを駆動する。なお、ステップS1、S2の処理で物体Wは所定の把持力(法線力)で把持されているから、リフト用サーボモータを駆動してフィンガ11a,11bを所定微少量Δyb だけ上昇させても、センサの曲面状弾性体13と物体Wとの接触面での滑りは局部的に発生しても、全体的な滑り現象は生じない。
【0039】
次に、リフト用サーボモータの駆動電流IL をサーボ制御回路35を介して読みとる(ステップS8)、なお、ステップS7の処理を行った後、駆動電流が安定するまで所定時間遅れてリフト用サーボモータの駆動電流IL を読みとるようにしてもよい。この読み取った駆動電流IL からレジスタR(IL )に記憶する値を差し引いた値が設定値β以下か判断する(ステップS9)。物体Wが持ち上がるまで、接線力(摩擦力)Ftは増大し、リフト用サーボモータに加わる負荷も増大すので駆動電流も増大する。しかし、物体Wが持ち上がると物体の重力mgのみが接線力としてリフト用サーボモータに負荷としてかかるのみとなるから、リフト用サーボモータの駆動電流は変化がなくなり前周期の検出値と今周期の検出値の差は非常に小さくなり、設定値β以下となる。
【0040】
最初のうちは、設定値βを越えるのでステップS9からステップS10に移行してステップS8で読みとった今周期のリフト用サーボモータの駆動電流値IL をレジスタR(IL)に格納する。
【0041】
次に、センサ部12のひずみゲージ14を指定する指標iを「1」にセットすると共にカウンタNを「0」にセットし(ステップS11)、ひずみゲージ14iから出力されるひずみ量εiを入出力回路34を介して読みとる(ステップS12)。そして、この読みとったひずみ量εiからレジスタRi(ε)の値(最初はステップS4で記憶した値)を減算し、その値を周期Δtで割ってひずみ量の変化速度(Δεi/Δt)を求める(ステップS13)。
【0042】
その後、ステップS12で読みとったひずみゲージ14iのひずみ量εiをレジスタRi(ε)に格納し(ステップS14)、ステップS13で求めたひずみ量の変化速度(Δεi/Δt)が設定値αを越えているか判断し(ステップS15)、越えていれば、カウンタNを「1」インクリメントし(ステップS16)、越えていなければ、カウントアップは行わずにステップS17に進む。ステップS17では、指標iを「1」インクリメントし、該指標iの値がセンサ部12,12のひずみゲージ14の数Mを越えているか判断し(ステップS18)、この指標iの値がひずみゲージ14の数Mを越えるまでステップS12からステップS18の処理を繰り返し実行し、各ひずみゲージ14iで検出されるひずみ量εiからその変化速度(Δεi/Δt)を求め、この変化速度が設定値αを越える数をカウンタで計数する。
【0043】
指標iの値がひずみゲージ14の数Mを越えると、ステップS19に移行し、カウンタNの値が設定基準値Nαを越えているか判断し、越えている場合には、フィンガ11a、11bを駆動する把持用サーボモータへの移動量を記憶するレジスタPに小さい量の設定値Δxs を格納し、リフト用のサーボモータへの移動量を記憶するレジスタQに大きい方の設定値Δyb を格納する(ステップS20)。
【0044】
又、カウンタNの値が設定基準値Nαを越えていないときには、カウンタNの値が設定基準値Nαより小さいか判断し(ステップS21)、小さくもないとき、すなわち、等しいときは、レジスタP、Qの値は変更せず、又、小さいときには、レジスタPに大きい方の設定値Δxb を、レジスタQには小さい方の設定値Δys を格納し(ステップS22)、当該処理周期の処理を終了する。以下各周期毎ステップS6以下の処理を繰り返し実行する。なお、図7の処理でステップS6以下の処理は所定周期Δt毎の処理であるが説明を簡単にするためにステップS22からステップS6に戻るように記載している。
【0045】
以上の通り、所定周期Δt毎、把持用サーボモータ、リフト用サーボモータにレジスタP、Qに格納された微少移動量の指令が出力され(ステップS6,S7)、物体Wへの把持力(法線力Fn)は増大し、かつ接線力(持ち上げ力であり摩擦力に対応する)も増大する。そして、前周期と今周期で検出された各ひずみゲージ14の出力から各ひずみゲージ14が配置された位置におけるひずみ速度(Δεi/Δt)を求め。このひずみ速度が所定基準値αを越える数をカウンタNで計数する(ステップS12〜ステップS18)。
【0046】
すなわち、前述したように、物体Wとセンサ12の曲面状弾性体13の接触面で滑りが生じている部分は前周期と今周期のひずみ量の変化が少ないからひずみ量の変化速度(Δεi/Δt)は小さく、設定基準値αを越えない。しかし、物体Wとセンサの曲面状弾性体の接触面が固着されている部分は、滑りが生じていないから、リフト用サーボモータでフィンガ11a、11bの移動に対応する分ひずみが増加している。そのため、ひずみ量の変化速度(Δεi/Δt)は設定基準値αを越える。これがカウンタNで計数される。その結果、カウンタNの値は、物体Wとセンサの曲面状弾性体の接触面が固着された領域の大きさを示すものとなる。
【0047】
そして、このカウンタNの値が設定基準値Nαを越えているときには、固着領域の大きさが設定基準値Nαに対応する大きさよりも大きく、接線力Ftに対して法線力Fnが大きいことを示している。さらに、この法線力Fnと接線力Ftの増加割合で増加させると、必要以上の法線力Fnが物体に加えられ、物体を握りつぶしてしまう可能性がある。そこで、この場合には、把持用サーボモータへの移動指令量を設定されている小さい方の量Δxs とし、かつリフト用サーボモータへの移動指令量を設定されている大きい方の量Δyb として、図1に示す力増加曲線の傾きを大きくする(ステップS20)。
【0048】
一方、カウンタNの値が設定基準値Nαを越えていないときには、固着領域の大きさが設定基準値Nαに対応する大きさよりも小さく、接線力Ftに対して法線力Fnが小さいことを示している。そして、この法線力Fnと接線力Ftの増加割合で増加させると、法線力Fn接線力Ftに対して相対的に小さいから、物体Wとセンサの曲面状弾性体13の接触面で全面的な滑りが生じ、物体Wを滑り落とす可能性がある。そこで、この場合には、把持用サーボモータへの移動指令量を設定されている大きい方の量Δxb とし、かつリフト用サーボモータへの移動指令量を設定されている大きい方の量Δys として、図1に示す力増加曲線の傾きを小さくする(ステップS22)。
【0049】
又、カウンタNの値が設定基準値Nαに等しい場合には、法線力Fnと接線力Ftの増加割合が現在の状態で最適な状態であるから、レジスタP、Qの値を変えずに、前周期に用いた値を使用して、力増加曲線の傾きを変えずに把持用サーボモータ、リフト用サーボモータを駆動する。
【0050】
なお、上述した基準値α、Nαは、実験若しくはシミュレーションによって最適値を求め、その値を設定するようにしている。
【0051】
以上のステップS6からステップS22の処理を所定周期Δt毎繰り返し実行し、物体Wが持ち上げられた後は、リフト用サーボモータ加わる負荷は、物体Wの自重mgであり変化がないから、リフト用サーボモータが物体Wを持ち上げその位置を保持するためのトルク、すなわち駆動電流値IL は変化がなくなる。そこで、ステップS9で、今周期で検出されたリフト用サーボモータの駆動電流値IL と前今周期で検出されたリフト用サーボモータの駆動電流値(レジスタR(IL)に記憶する値)差が設定値β以下の場合には、物体Wが持ち上げられたとして、この処理を終了する。
【0052】
上記実施形態では、ステップS13で、ひずみ量の変化速度(Δεi/Δt)を求めたが、所定周期Δtは一定であるから、ひずみの変化量Δεiを求めるようにしてもよい。この場合ステップS15の判断は、Δεi>α・Δt=設定値、となる。
【0053】
又、ひずみ量の変化速度の代わりに、ひずみの変化量Δεiを当該周期におけるリフト量Δyb 又はΔys 割って、接線力Ftの増加量に対するひずみ変化量の比を求め、又はひずみの変化量Δεiを当該周期におけるフィンガ11a、11bの移動量Δxb又はΔxsで割って、法線力接線力Fnの増加量に対するひずみ変化量の比を求め、これらの比の大きさによって、固着領域の大きさを判別するようにしてもよい。
【0054】
又、上記実施形態では、力増加曲線の傾きを変えるために、フィンガ11a、11bの移動量、及び、リフト量をΔxb 、Δxa 、Δyb 、Δys 、と大、小の量を設定し、力増加曲線の傾きを制御するようにしたが、どちらか一方を固定した値とし、他方を大、小2つの値を設定し力増加曲線の傾きを制御するように制御してもよい。例えば、リフト量をΔyと固定し、ステップS20ではフィンガ11a、11bの把持方向の移動量を小さい移動量Δxs に設定し、ステップS22では大きい移動量Δxb に設定すればよい。これにより、ステップS20での設定によって力増加曲線の傾きは大きくなり、ステップS22の設定によって傾きは小さくなる。同様にフィンガ11a、11bの移動量Δxを一定とし、リフト量をΔyb 、Δysと変え、力増加曲線の傾きを調整するようにしてもよい。
【0055】
又、センサとして、ひずみ量を測定するセンサを用いたが、せん断ひずみを測定するセンサを用いても、本発明は適用できるものである。
【0056】
さらに上記実施形態は、物体W及び曲面状弾性体13に加わる力及び反力の法線力Fn、接線力(摩擦力)Ftは、曲面状弾性体13の法線方向への移動量、接線方向への移動量に対応するとして、固着領域の大きさに応じた力増加曲線の制御を曲面状弾性体13の移動量、すなわちハンド10のフィンガ11a、11bの法線方向の移動量(開閉方向の移動量)、接線方向の移動量(フィンガ部11の垂直方向への移動量)を制御した。この移動量を制御する代わりに、当然直接、法線力Fn、接線力Ftを制御するようにしてもよい。
【0057】
この場合、固着領域の大きさを判別するパラメータとして、上述したような、ひずみ量の変化量Δεiを時間Δtで割ったひずみ量の変化速度(Δεi/Δt)としてもよいが、むしろ、ひずみ量の変化量Δεiを当該周期における法線力増加量ΔFnまたは接線力増加量ΔFtで割った値とし、ステップS1で、ひずみ量の変化速度(Δεi/Δt)の代わりに、ひずみ量の変化量と法線力増加量との比(Δεi/ΔFn)、または、ひずみ量の変化量と接線力増加量の比(Δεi/ΔFt)を求め、ステップS14以下と同様の処理を行い固着領域の大きさを判別する。
【0058】
また、この場合には、把持用サーボモータ、リフト用サーボモータに対して、物体を把持する際に、法線力Fn、接線力Ftの力指令を与え、各サーボモータの駆動電流を検出する電流検出器からのフィードバック信号に基づいて、力のフィードバック制御を行うように切り替え、法線力Fn、接線力Ftを図7で示したアルゴリズムと同様な方法で調整し、力増加曲線の傾きを制御して物体を握りつぶすこともなく、かつ、滑り落とすこともなく持ち上げることができるようにする。
【0059】
又、把持用サーボモータ、リフト用サーボモータの一方は、位置の制御とし他方は力の制御としてもよい。例えば、リフト用サーボモータは位置の制御として、所定周期毎、所定量移動させ、把持用サーボモータは力の制御とし、法線力を所定周期毎、その大きさを調整しながら増大するようにすればよい。
【0060】
さらには、上記実施形態においては、フィンガ11a、11b及び該フィンガ部11を駆動するアクチュエータとして把持用サーボモータ、リフト用サーボモータを用いたが、油圧シリンダ、空気圧シリンダなどの流体シリンダ等の他のアクチュエータを用いてもよい。流体シリンダを用いる場合には、力制御による力増加曲線の傾き制御を行った方がよい。さらには、超音波モータ、高分子ゲルアクチュエータなどの他のアクチュエータを用いてもよい。
【0061】
又、上記実施形態では、ハンドのアクチュエータである把持用サーボモータ、リフト用サーボモータをロボット制御装置30によって制御する例を述べたが、ハンド自体に制御装置を備え、ロボット制御装置30から、物体の把持、持ち上げ指令がこのハンド制御装置に出されると、ハンド制御装置のプロセッサが図7に示す処理を行って、物体の把持、持ち上げ制御を行うようにしてもよい。
【0062】
【発明の効果】
本発明においては、重量及び摩擦係数が未知な物体を把持し、この物体を握りつぶすことも又滑り落とすこともなく持ち上げることができ、かつ、把持位置が変化しないことから、把持した物体を正確な位置に搬送位置決めすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】物体を把持し持ち上げる場合の力増加曲線の説明図である。
【図2】本発明の一実施形態におけるハンドの説明図である。
【図3】ハンドのフィンガ先端に取り付けるセンサの曲面状弾性体の説明図である。
【図4】センサの構造の説明図である。
【図5】物体と曲面状弾性体との接触面における滑り及び固着の現象の説明図である。
【図6】本発明の一実施形態のロボットシステムの概要説明図である。
【図7】同実施形態におけるロボット制御装置のプロセッサが実行する物体の把持、持ち上げ動作処理のフローチャートである。
【符号の説明】
10 ハンド
11 フィンガ部
11a、11b フィンガ
12 センサ部
W 物体
14 ひずみゲージ(センサ)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gripping control method for an object using a robot hand or manipulator, and more particularly to a gripping control method for gripping and lifting an object whose weight and friction coefficient are unknown by a robot hand or manipulator.
[0002]
[Prior art]
In order to grip an object with unknown weight and friction coefficient and lift it with a robot hand or manipulator, it is necessary to use the minimum necessary force so that the object is not crushed by the gripping force and does not slide off the gripping part. Need to grip. Therefore, it detects the object's sliding displacement and sliding speed when it is gripped and lifted by a robot hand, etc., and detects the object's friction coefficient by feeding back this detection information and controlling the gripping force. The proposal of the method etc. is described in "Journal of the Robotics Society of Japan Vol.11 N0.7 959-965 pages 1993".
[0003]
However, the method of detecting slipping when an object starts to slide is not suitable for work such as positioning the object with high accuracy because the relative position between the robot hand and the object changes slightly. Further, if a method for detecting the friction coefficient is used, an appropriate gripping force within a range where the object does not start to slide can be obtained. However, there is a drawback that the apparatus becomes complicated.
[0004]
In view of this, the inventors of the present invention hold an object of unknown weight and friction coefficient with a curved elastic body and receive a load of the object on the contact surface between the object and the curved elastic body to generate a tangential force in the tangential direction. When the shear strain distribution inside the curved elastic body is observed and the tangential force is increased, the region of initial local slip grows from the end of the contact region, and the strain distribution finally becomes the whole This is a unique distribution when sliding. However, if the tangential force and the normal force for gripping an object are increased so that the overall slip distribution does not occur, an object whose weight and friction coefficient are unknown can be gripped and lifted by a robot hand or manipulator. This is published in “Mechanical Society of Japan (C), Vol. 64, No. 620, April 1998, pages 1258 to 1265”.
[0005]
In addition, the inventors of the present invention arrange a plurality of thin plates with strain gauges attached to the inside of the curved silicone rubber as a sensor capable of detecting the shear strain distribution inside the curved elastic body described above. In addition, the fact that the strain distribution described above can be measured by these strain gauges is disclosed in “The Japan Society of Mechanical Engineers, Vol. 64, No. 627, Volume C, November 1998, pages 4264 to 4270”.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, an object whose weight and friction coefficient are unknown is gripped by a curved elastic body, a strain distribution is detected by a strain gauge arranged inside the curved elastic body, and the object is not crushed from this strain distribution. It is disclosed that an object can be grasped and lifted by a robot hand or the like without sliding down, but any strain distribution pattern can be used to lift an object without squeezing and sliding down. Also, the gripping force control method was unknown.
[0007]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a grip control method capable of gripping and lifting an object whose weight and friction coefficient are unknown by a robot hand or a manipulator without causing a shift in grip position.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a robot hand or manipulator provided with a finger having a curved elastic body on the object gripping surface in which a plurality of sensors are dispersed and arranged. An object gripping control method according to When gripping and lifting an object with a finger, Every predetermined period The size of the fixed region between the curved elastic body and the object due to the shear strain or shear stress of the curved elastic body obtained from each sensor. The Seeking Size of the fixed area By controlling the gripping force and lifting force by the fingers, the object can be lifted without being crushed and slipped off.
[0009]
Further, since the object is gripped via the curved elastic body, the gripping force and the lifting force are proportional to the movement amount of the finger in the object gripping direction and the movement amount in the lifting direction. Therefore, the gripping force and the lifting force are controlled by controlling the movement amount of the finger in the object gripping direction and the movement amount in the direction of lifting the object.
[0010]
As an example of obtaining the size of the fixed region, the strain change rate obtained by dividing the amount of change in each shear strain in the predetermined period by the predetermined period. set, A value obtained by dividing the amount of change in each shear strain in the predetermined cycle by the increase in the object lifting force in the predetermined cycle. set, A value obtained by dividing the amount of change in each shear strain in the predetermined cycle by the amount of increase in the object gripping force in the predetermined cycle. set, A value obtained by dividing the amount of change in each shear strain in the predetermined period by the amount of increase in displacement in the object lifting direction in the predetermined period. set, A value obtained by dividing the amount of change in each shear strain in the predetermined cycle by the amount of increase in displacement in the object gripping direction in the predetermined cycle. set, The time derivative of the shear stress obtained by dividing the amount of change of each shear stress in the predetermined cycle by the predetermined cycle. set, A value obtained by dividing the amount of change in each shear stress in the predetermined cycle by the increase in the object lifting force in the predetermined cycle. set, A value obtained by dividing the amount of change in each shear stress in the predetermined period by the amount of increase in the object gripping force in the predetermined period. set, A value obtained by dividing the amount of change in each shear stress in the predetermined period by the increase in displacement in the object lifting direction in the predetermined period. set, A value obtained by dividing the amount of change in shear stress in the predetermined cycle by the amount of increase in displacement in the object gripping direction in the predetermined cycle. Pair of Any one Pair Sought and this set of sought of The size of the fixing region is determined based on whether or not the number of values exceeding a predetermined value exceeds a reference value, and the gripping force and lifting force by the finger are controlled based on the determination result.
[0011]
And one set of controls for gripping force and lifting force of When the number of values exceeding the predetermined value is smaller than the reference value, the increment of the force vector applied to the object by the finger is increased for each predetermined period, and conversely, it is larger than the reference value. Sometimes, the force applied to the finger is controlled so as to decrease the increment of the force vector for each predetermined period.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows that when an object having an unknown weight and friction coefficient is gripped and lifted, the force applied between the finger that grips the object and the object is normal force (grip force) Fn perpendicular to the contact surface and parallel to the contact surface. It is explanatory drawing of the force relationship analyzed by dividing into tangential force (friction force) Ft. The frictional force is assumed to follow Coulomb's law, and for the sake of simplicity, the dynamic friction coefficient and the static friction coefficient are assumed to be the same value μ.
[0013]
With this gripping force (normal force) Fn by gripping an object with a finger and a tangential force Ft that is a force to lift vertically upward, the condition for the object to slide is
Ft = μ · Fn (1)
It is. In addition, the condition for lifting an object of its own weight mg is
Ft = mg / 2 (2)
It is. In order to lift an object, first, a normal force Fn is applied, and then a tangential force (lifting force) Ft below a frictional force generated by the applied normal force Fn is gradually increased so that the tangential force Ft becomes the gravity of the object. When it is above mg, the object will lift. That is, in FIG. 1, if a force increase curve passing through the region below the straight line of the above formula 1 is obtained, the object can be lifted without sliding down.
[0014]
If the normal force Fn is too large, the object may be crushed or damaged. Therefore, the normal force of the force reaching point A when the tangential force Ft reaches the object gravity mg and lifts the object.
Fn = FL (3)
Is the intersection of 1 and 2 above
Fn = mg / 2μ (4)
It is better to be close enough.
[0015]
Therefore, according to the present invention, the normal force (gripping force) Fn = FL of the force reaching point A for lifting the object is close to the intersection Fn = mg / 2μ between the above formulas 1 and 2, and the straight line of the formula 1 in FIG. Controlling the normal force Fn and tangential force Ft so as to pass below the object, an object whose weight and coefficient of friction are unknown can be gripped and lifted with a robot hand or manipulator, and an object gripping control method using a hand or manipulator There is in getting.
[0016]
The present invention obtains the object gripping control method using a sensor that can detect the shear strain or shear stress with a curved elastic body, and FIG. The robot hand 10 is attached to the wrist 22, and the tips of the fingers 11a and 11b of the robot hand 10 are curved elastic bodies in which a plurality of sensors are embedded in the above-described manner facing the surface that grips the object W. The configured sensor units 12 and 12 are attached.
[0017]
In addition, the internal structure of the curved elastic body of the sensor units 12 and 12 is arbitrary, and the number of fingers is two in FIG. 2, but the number of fingers may be an arbitrary number of 2 or more. There may be five. Moreover, the sensor part should just be arrange | positioned at one or more of the fingers, and as shown in FIG. 2, you may provide the sensor parts 12 and 12 in the fingers 11a and 11b which oppose, respectively, or one finger | toe. A curved elastic body that does not constitute the sensor unit may be provided on the other side.
[0018]
The fingers 11a and 11b of the robot hand 10 can be opened and closed by a servo motor, and the finger portion 11 can be moved by the servo motor in a direction perpendicular to the opening and closing direction.
[0019]
The sensor unit 12 constituted by the curved elastic body 13 described above may be formed in a cylindrical shape as shown in FIG. 3A, or may be formed in a spherical shape as shown in FIG. Good. In addition, although it may be formed in a surface shape with any other curvature, in any case, the magnitude of the vertical reaction force (normal force) varies depending on the location due to the curved surface shape, which will be described later. Any shape that causes local slipping may be used.
[0020]
FIG. 4 is an explanatory diagram of the internal structure of the sensor unit 12 composed of the curved elastic body 13. The example shown in FIG. 4A is an example in which several sensors 14 such as strain gauges and PVDF (polyvinylidene fluoride) are embedded in the elastic body 13. In the example shown in FIG. 4 (a), leaf springs 14 'such as phosphor bronze plates with strain gauges 14 attached as sensors are parallel to each other at an equal interval of about 45 degrees (not necessarily 45 degrees) with respect to the contact surface. A plurality of other angles may be embedded in the curved elastic body 13 at an angle. Note that a method of directly embedding the strain gauge 14 or a method of attaching the strain gauge 14 to a cantilevered position may be used.
[0021]
In the case of this sensor, when the object W is gripped by the curved elastic body 13 of the sensor parts 12 and 12, the curved elastic body 13 is bent and distorted, so this strain is detected by each strain gauge 14 and output. Is.
[0022]
In the example of the sensor unit 12 shown in FIG. 4B, a curved elastic body 15 having a protrusion on the surface opposite to the object gripping unit, a transparent optical waveguide 16, and a photodetection unit 17 such as a CCD are sandwiched. It is the sensor part 12 comprised by arranging and arranging. When the curved elastic body 15 undergoes shear deformation, the protrusion undergoes some deformation, so that the shape of the contact portion between the protrusion and the optical waveguide 16 changes. When light is passed through the optical waveguide 16 and viewed from the detection unit 17, the portion where the optical waveguide 16 and the projection are in contact appears diffusely reflected and appears bright, so that the shape of the projection contact portion can be grasped by image processing. . From this image information, the distribution of the shear strain rate of the curved elastic body 15 or the time differential distribution of the shear stress is detected.
[0023]
FIG. 5 is an explanatory diagram of a strain state when the curved elastic body 13 (15) of the sensor unit 12 described above is pressed against the object W and only the normal force Fn is applied, and when the tangential force Ft is also applied. .
[0024]
The left side of FIG. 5 is a diagram when only normal force Fn is applied, and the right side is a diagram when normal force Fn and tangential force Ft are applied. The vicinity of the contact surface of the curved elastic body 13 (15) with the object W is considered to be divided into 10 squares when only the normal force Fn is applied and deformed. In the figure on the left side where only the normal force Fn is applied, the contact points 1 to 11 of the curved elastic body 13 (15) with the square object W are fixed (fixed) to the object W. Therefore, when the tangential force Ft is also added upward as shown in the right figure, the curved elastic body 13 (15) is subjected to shear strain, so that the square is shear-deformed into a rhombus.
[0025]
If this point is examined in detail, the shearing force applied to the end portions (points 1 to 3 and points 9 to 11 in FIG. 5) of the curved elastic body 13 (15) to the object W is maximum static. Since the frictional force is exceeded, the contact point with the object W is slipping. However, the central portion (points 4 to 8 in the example of FIG. 5) remains fixed because the applied shear force does not exceed the maximum static friction force. As a result, the square of the fixed part becomes a rhombus and has a similar shape. The sliding part has a shape close to a square as much as it slides from the rhombus of the fixed part.
[0026]
As can be seen by comparing the left side and the right side in FIG. 5, in the contact region between the curved elastic body 13 (15) and the object W, the portion where the end portion slips (the points 1 to 1 in FIG. 5). 3 and points 9 to 11) indicate that the shear strain is small and the portion where the contact surface is fixed to the object without slipping in the center (points 4 to 8 in the example of FIG. 5) has a large amount of shear strain. ing. That is, the change rate of the shear strain is small at the end and large at the center. This means that the tangential force (lifting force) Ft is gradually increased and the shear strain change rate is detected. When this value is equal to or greater than the reference value, the curved elastic body 12 (15) and the object W are in contact with each other. It can be assumed that there is no slippage on the surface and is fixed, and if it is below the reference value, it can be assumed that slipping has occurred.
[0027]
As described above, the strain of the curved elastic body 13 (15) is detected by the above-described sensor 14 such as a strain gauge, and the distribution of the change in shear strain of the curved elastic body 13 (15) and the shear strain rate are measured. Based on the distribution or the distribution of time differential of shear stress, etc., an amount related to the size of the fixed region between the curved elastic body 13 (15) and the object W is detected, and the hand or It is possible to obtain an object gripping control method in which the force applied to the manipulator or the amount of movement thereof is controlled to squeeze the object or the object can be gripped and lifted with an optimal gripping force without slipping down.
[0028]
That is, since the object W is about to slip down if the fixing region is reduced, the slope of the force increase curve shown in FIG. 1 is set so that the direction of the force vector approaches the normal direction of the contact surface. Decrease (increase normal force Fn increment or decrease tangential force Ft increment). On the contrary, if the sticking area becomes large, the normal force may be too large and the object W may be crushed. Therefore, the inclination of the force increase curve so that the direction of the force vector is far from the normal direction of the contact surface. May be increased (decrease the increment of the normal force Fn or increase the increment of the tangential force Ft). By performing such force control, an object whose weight and friction coefficient are unknown can be easily grasped and lifted without being crushed and slipped.
[0029]
Since the object W is gripped by the curved elastic body 13 (15), and the object W is gripped and lifted by the elastic force, the force and reaction force applied to the object W and the curved elastic body 13 (15) are reduced. The normal force Fn and the tangential force (friction force) Ft correspond to the amount of movement of the curved elastic body 13 (15) in the normal direction and the amount of movement in the tangential direction. Therefore, the control of the force increase curve according to the size of the above-described fixing region is performed by the amount of movement of the curved elastic body 13 (15), that is, the amount of movement in the normal direction of the fingers 11a and 11b of the hand 10 Amount), and the amount of movement in the tangential direction (the amount of movement of the finger portion 11 in the vertical direction) can be achieved.
[0030]
FIG. 6 is a principal block diagram of a robot system according to an embodiment to which the object gripping control method described above is applied.
Reference numeral 30 denotes a robot control device. The control device 30 includes a processor 31 for controlling the entire robot system, a memory 32 composed of ROM, RAM, nonvolatile RAM, etc. connected to the processor 31 and a bus 36, various commands and teaching operation programs for the robot. The teaching operation panel 33 with a display device used when teaching, the input / output circuit 34 connected to the sensor provided in the robot, the sensor and actuator of the peripheral device, the servo motor of each axis of the robot, A servo control circuit 35 for controlling the position, speed and force is provided.
[0031]
In the illustrated example, the robot body 20 includes a vertical movement shaft 24 that moves up and down in the vertical direction, a first arm 23 that is provided at the distal end of the vertical movement shaft and pivots about the vertical axis, and a distal end of the first arm 23. 2, a second arm 21 that pivots around a vertical axis, a wrist 22 provided at the tip of the second arm, and a hand 10 is attached to the wrist 22 as shown in FIG. 10 can open and close the fingers 11a and 11b by a servo motor, and can move the finger portion 11 vertically by the servo motor in the vertical direction (gravity direction) perpendicular to the opening and closing direction of the fingers 11a and 11b. .
[0032]
The above-described robot system is almost the same as the conventional robot system, but is different from the conventional robot system in that the hand 10 has a curved elastic body 13 (on the object gripping surfaces of the fingers 11a and 11b as described above. 15) The sensor unit 12 to which the sensor unit 12 is attached is used, a servo motor for opening and closing the fingers 11a and 11b of the hand 10 (hereinafter referred to as a gripping servo motor), and a finger unit 11 for lifting an object. Is controlled by a servo control circuit 35 for an additional axis provided in the robot controller 30, and each strain of the sensor unit 12 provided in the hand 10. A sensor 14 such as a gauge (in this embodiment, a plurality of (in the curved elastic body 13 shown in FIG. Output signal indicating the amount of strain from the sensor using the sensor with embedded (2) strain gauges 14) is detected by the processor 31 of the robot controller via the input / output circuit 34. It is a point. The output signal from the strain gauge 14 is converted into a digital signal by an A / D converter in the input / output circuit 34.
[0033]
FIG. 7 is a flowchart of processing executed by the processor 31 of the robot control device 30 in order to grip and lift the object W.
The robot control device 30 drives and positions each axis of the robot main body to a position where the object W can be gripped by the fingers 11a and 11b of the hand 10, and then starts the processing shown in FIG.
[0034]
First, a movement command in the direction of closing the fingers 11a and 11b at a low speed is output to the gripping servo motor (step S1). The servo control circuit of the gripping servo motor receives this movement command, and based on the feedback signal from the position / velocity detector such as a pulse coder attached to the servo motor, converts the position / velocity and current detector to the feedback signal. Torque (current) control is performed based on this, and drive control of the gripping servo motor is performed. The fingers 11a and 11b move, the fingers 11a and 11b grip the object W via the curved elastic body 12, the curved elastic body 13 of the sensor unit 12 is deformed, and the elastic force becomes a load, and the gripping servo motor. Drive current Ih increases.
[0035]
The processor 31 detects the drive current (feedback current) Ih of the gripping servomotor via the servo control circuit 35, and the current Ih has reached a current value I0 or more corresponding to a predetermined gripping force (normal force). (Step S2), when it reaches, the movement command is stopped (step S3), and the state in which the object W is held by the hand 10 is maintained. Then, the strain amount signal εi output from each strain gauge 14 of the sensor unit 12, 12 is read through the input / output circuit 34 and stored in each register Ri (ε) (step S4). In the present embodiment, each sensor unit 12 has (M / 2) strain gauges 14, and the register Ri (ε) for storing the strain amount εi of each gauge 14 has i = 1 to 1. It is assumed that M of M are provided.
[0036]
Next, “0” is stored in the register P that stores the movement command amount to the gripping servomotor, and the set amount “Δyb” is set to the register Q that stores the movement amount to the lift servomotor. Further, "0" is set in a register R (IL) that stores the drive current value IL of the lift servomotor (step S5). In order to simplify the description, the opening / closing direction of the fingers 11a and 11b of the hand 10 is defined as the X-axis direction, and the lift direction (gravity direction) is defined as the Y-axis direction. Further, as will be described later, the movement command amount in the closing direction of the fingers 11a and 11b is preset with a large amount Δxb and a small amount Δxs, and a large amount Δyb with respect to the lift amount (lifting amount). Each small amount Δys is preset.
[0037]
After performing the process of step S5, the processor 31 executes the processes of step S6 to step S22 every predetermined period Δt.
[0038]
First, the movement amount stored in the register P is output to the gripping servo motor ("0" set in step S5 is output first) (step S6), and then stored in the register Q to the lift servo motor. The amount of movement (initially Δyb set in step S5) is output (step S7), and the lift servomotor is driven. Since the object W is gripped with a predetermined gripping force (normal force) in the processing of steps S1 and S2, even if the lift servomotor is driven to raise the fingers 11a and 11b by a predetermined minute amount Δyb. Even if the slip at the contact surface between the curved elastic body 13 of the sensor and the object W occurs locally, the overall slip phenomenon does not occur.
[0039]
Next, the drive current IL of the lift servomotor is read through the servo control circuit 35 (step S8). After the process of step S7, the lift servomotor is delayed by a predetermined time until the drive current becomes stable. The drive current IL may be read. It is determined whether the value obtained by subtracting the value stored in the register R (IL) from the read drive current IL is equal to or less than the set value β (step S9). Until the object W is lifted, the tangential force (frictional force) Ft increases and the load applied to the lift servomotor also increases, so that the drive current also increases. However, when the object W is lifted, only the gravity mg of the object is applied as a load to the lift servomotor as a tangential force, so that the drive current of the lift servomotor does not change and the detection value of the previous cycle and the detection of the current cycle The difference between the values becomes very small, and is less than the set value β.
[0040]
At first, it exceeds the set value β Ru Then, the process proceeds from step S9 to step S10, and the drive current value IL of the lift servomotor of the current cycle read in step S8 is stored in the register R (IL).
[0041]
Next, the index i specifying the strain gauge 14 of the sensor unit 12 is set to “1” and the counter N is set to “0” (step S11), and the strain amount εi output from the strain gauge 14i is input / output. Reading is performed via the circuit 34 (step S12). Then, the value of the register Ri (ε) (initially stored in step S4) is subtracted from the read strain amount εi, and the value is divided by the period Δt to obtain the strain rate change rate (Δεi / Δt). (Step S13).
[0042]
Thereafter, the strain amount εi of the strain gauge 14i read in step S12 is stored in the register Ri (ε) (step S14), and the strain change rate (Δεi / Δt) obtained in step S13 exceeds the set value α. Counter N is incremented by "1" (step S16), and if not exceeded, no count up is performed. To Tep S1 Proceed to 7. In step S17, the index i is incremented by “1”, and it is determined whether the value of the index i exceeds the number M of the strain gauges 14 of the sensor units 12 and 12 (step S18). The process from step S12 to step S18 is repeatedly executed until the number M of 14 is exceeded, the change rate (Δεi / Δt) is obtained from the strain amount εi detected by each strain gauge 14i, and this change rate sets the set value α. Counter exceeding number N Count with.
[0043]
When the value of the index i exceeds the number M of the strain gauges 14, the process proceeds to step S 19, where it is determined whether the value of the counter N exceeds the set reference value Nα, and if it exceeds, the fingers 11 a and 11 b are driven. The smaller set value Δxs is stored in the register P that stores the movement amount to the gripping servomotor, and the larger set value Δyb is stored in the register Q that stores the movement amount to the lift servomotor ( Step S20).
[0044]
When the value of the counter N does not exceed the set reference value Nα, it is determined whether the value of the counter N is smaller than the set reference value Nα (step S21). The value of Q is not changed, and when it is small, the larger setting value Δxb is stored in the register P, and the smaller setting value Δys is stored in the register Q (step S22), and the processing of the processing cycle is finished. . Thereafter, the processes in and after step S6 are repeatedly executed for each cycle. In the process of FIG. 7, the process after step S6 is a process for every predetermined period Δt, but for the sake of simplicity, the process returns from step S22 to step S6.
[0045]
As described above, the minute movement amount commands stored in the registers P and Q are output to the gripping servo motor and the lift servo motor every predetermined period Δt (steps S6 and S7), and the gripping force (method) on the object W is calculated. The linear force Fn) increases and the tangential force (lifting force and corresponding to frictional force) also increases. Then, the strain rate (Δεi / Δt) at the position where each strain gauge 14 is arranged is obtained from the output of each strain gauge 14 detected in the previous period and the present period. The counter N counts the number at which the strain rate exceeds a predetermined reference value α (steps S12 to S18).
[0046]
That is, as described above, the portion where the slip occurs on the contact surface between the object W and the curved elastic body 13 of the sensor 12 has little change in the strain amount in the previous cycle and the current cycle, so the change rate of the strain amount (Δεi / Δt) is small and does not exceed the set reference value α. However, since the portion where the contact surface between the object W and the curved elastic body of the sensor is fixed does not slip, the lift servomotor increases the strain corresponding to the movement of the fingers 11a and 11b. . For this reason, the strain rate change rate (Δεi / Δt) exceeds the set reference value α. This is counted by the counter N. As a result, the value of the counter N indicates the size of the area where the contact surface between the object W and the curved elastic body of the sensor is fixed.
[0047]
When the value of the counter N exceeds the set reference value Nα, the size of the fixing region is larger than the size corresponding to the set reference value Nα, and the normal force Fn is larger than the tangential force Ft. Show. Furthermore, if the normal force Fn and the tangential force Ft are increased at an increasing rate, an excessive normal force Fn may be applied to the object, and the object may be crushed. Therefore, in this case, the movement command amount to the gripping servomotor is set to the smaller amount Δxs, and the movement command amount to the lift servomotor is set to the larger amount Δyb, The inclination of the force increase curve shown in FIG. 1 is increased (step S20).
[0048]
On the other hand, when the value of the counter N does not exceed the set reference value Nα, it indicates that the size of the fixing region is smaller than the size corresponding to the set reference value Nα, and the normal force Fn is smaller than the tangential force Ft. ing. When the normal force Fn and the tangential force Ft are increased at an increasing rate, the normal force Fn Is Since it is relatively small with respect to the tangential force Ft, there is a possibility that the entire surface slips on the contact surface between the object W and the curved elastic body 13 of the sensor, and the object W slips. Therefore, in this case, the movement command amount to the gripping servo motor is set as the larger amount Δxb, and the movement command amount to the lift servo motor is set as the larger amount Δys. The inclination of the force increase curve shown in FIG. 1 is reduced (step S22).
[0049]
In addition, when the value of the counter N is equal to the set reference value Nα, the increasing ratio of the normal force Fn and the tangential force Ft is the optimum state in the current state, so that the values of the registers P and Q are not changed. Using the values used in the previous cycle, the gripping servo motor and the lift servo motor are driven without changing the inclination of the force increase curve.
[0050]
The above-described reference values α and Nα are obtained by setting optimum values through experiments or simulations.
[0051]
After the processes from step S6 to step S22 are repeatedly executed every predetermined period Δt and the object W is lifted, the load applied to the lift servomotor is the weight W of the object W and does not change. The torque for the motor to lift the object W and hold the position, that is, the drive current value IL is not changed. Therefore, in step S9, the difference between the drive current value IL of the lift servomotor detected in the current cycle and the drive current value (value stored in the register R (IL)) of the lift servomotor detected in the previous cycle is calculated. If it is less than or equal to the set value β, it is determined that the object W has been lifted, and this process ends.
[0052]
In the above embodiment, the strain change rate (Δεi / Δt) is obtained in step S13. However, since the predetermined period Δt is constant, the strain change amount Δεi may be obtained. In this case, the determination in step S15 is Δεi> α · Δt = set value.
[0053]
Instead of the strain change rate, the strain change Δεi is divided by the lift amount Δyb or Δys in the cycle to obtain the ratio of the strain change amount to the increase in the tangential force Ft, or the strain change amount Δεi is calculated. Dividing by the movement amount Δxb or Δxs of the fingers 11a and 11b in the period, the ratio of the strain change amount to the increase amount of the normal force tangential force Fn is obtained, and the size of the fixing region is determined by the magnitude of these ratios. You may make it do.
[0054]
In the above embodiment, in order to change the inclination of the force increase curve, the movement amount and lift amount of the fingers 11a and 11b are set to Δxb, Δxa, Δyb, Δys and large and small amounts to increase the force. The slope of the curve is controlled, but one of the values may be fixed, and the other may be set to two values, large and small, to control the slope of the force increase curve. For example, the lift amount is fixed to Δy, the movement amount in the gripping direction of the fingers 11a and 11b is set to a small movement amount Δxs in step S20, and the large movement amount Δxb is set in step S22. Thereby, the inclination of the force increase curve is increased by the setting in step S20, and the inclination is decreased by the setting in step S22. Similarly, the movement amount Δx of the fingers 11a and 11b may be fixed, the lift amount may be changed to Δyb and Δys, and the slope of the force increase curve may be adjusted.
[0055]
Moreover, although the sensor which measures the amount of distortion was used as a sensor, even if it uses the sensor which measures a shearing strain, this invention is applicable.
[0056]
Further, in the above embodiment, the normal force Fn and the tangential force (friction force) Ft of the force and reaction force applied to the object W and the curved elastic body 13 are the amount of movement of the curved elastic body 13 in the normal direction, the tangent In order to correspond to the amount of movement in the direction, the control of the force increase curve according to the size of the fixing region is performed by the amount of movement of the curved elastic body 13, that is, the amount of movement in the normal direction of the fingers 11a and 11b of the hand 10 The amount of movement in the direction), and the amount of movement in the tangential direction (the amount of movement of the finger portion 11 in the vertical direction) were controlled. Naturally, the normal force Fn and the tangential force Ft may be directly controlled instead of controlling the movement amount.
[0057]
In this case, the parameter for determining the size of the fixed region may be the strain change rate (Δεi / Δt) obtained by dividing the strain change Δεi by the time Δt as described above. Is obtained by dividing the change amount Δεi by the normal force increase amount ΔFn or the tangential force increase amount ΔFt in the period, step S1 3 In place of the strain change rate (Δεi / Δt), the ratio of the strain change to the normal force increase (Δεi / ΔFn), or the ratio of the strain change to the tangential force increase (Δεi / ΔFt) is obtained, and the same process as in step S14 and subsequent steps is performed to determine the size of the fixed region.
[0058]
Further, in this case, when gripping an object to the gripping servo motor and the lift servo motor, a force command of normal force Fn and tangential force Ft is given, and the drive current of each servo motor is detected. Based on the feedback signal from the current detector, switching to force feedback control is performed, and the normal force Fn and tangential force Ft are adjusted in the same manner as the algorithm shown in FIG. It is controlled so that the object can be lifted without being crushed and without sliding down.
[0059]
Further, one of the gripping servo motor and the lift servo motor may be a position control and the other may be a force control. For example, the lift servomotor is moved by a predetermined amount every predetermined cycle as the position control, and the gripping servomotor is controlled by force, and the normal force is increased while adjusting the magnitude every predetermined cycle. do it.
[0060]
Further, in the above embodiment, the gripping servo motor and the lift servo motor are used as the fingers 11a and 11b and the actuator for driving the finger portion 11, but other fluid cylinders such as a hydraulic cylinder and a pneumatic cylinder are used. An actuator may be used. When using a fluid cylinder, it is better to control the inclination of the force increase curve by force control. Furthermore, other actuators such as an ultrasonic motor and a polymer gel actuator may be used.
[0061]
In the above-described embodiment, an example in which the gripping servo motor and the lift servo motor, which are actuators of the hand, are controlled by the robot control device 30 has been described. However, the hand itself includes a control device, and the robot control device 30 When a gripping / lifting command is issued to the hand control device, the processor of the hand control device may perform processing shown in FIG. 7 to perform gripping / lifting control of the object.
[0062]
【The invention's effect】
In the present invention, an object having an unknown weight and coefficient of friction can be gripped, and the object can be lifted without being crushed or slipped, and the gripping position does not change. It is possible to carry and position at a proper position.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a force increase curve when an object is gripped and lifted.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a hand according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory view of a curved elastic body of a sensor attached to a finger tip of a hand.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a sensor structure.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a phenomenon of slipping and sticking on a contact surface between an object and a curved elastic body.
FIG. 6 is a schematic explanatory diagram of a robot system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a flowchart of an object gripping and lifting operation process executed by the processor of the robot control apparatus according to the embodiment;
[Explanation of symbols]
10 hands
11 Finger part
11a, 11b Finger
12 Sensor part
W object
14 Strain gauge (sensor)

Claims (5)

内部に複数のセンサが分散されて配置された曲面状弾性体を物体把持面に有するフィンガを備えるロボットハンド又はマニピュレータによる物体把持制御方法であって、前記フィンガで物体を把持して持ち上げる際に、所定周期毎に前記各センサから得られた曲面状弾性体のせん断ひずみ又はせん断応力によって、曲面状弾性体と物体との間の固着領域の大きさを求め、該固着領域の大きさによって前記フィンガによる把持力及び持ち上げ力を制御することを特徴とするハンド又はマニピュレータによる物体把持制御方法。  An object gripping control method by a robot hand or a manipulator having a finger having a curved elastic body arranged in a plurality of sensors in the object gripping surface, and gripping and lifting an object by the finger, The size of the fixed area between the curved elastic body and the object is obtained by the shear strain or shear stress of the curved elastic body obtained from each sensor at predetermined intervals, and the finger is determined by the size of the fixed area. An object gripping control method using a hand or a manipulator, characterized by controlling a gripping force and a lifting force caused by a hand. 前記把持力及び持ち上げ力の制御は、フィンガの物体把持方向への移動量、物体を持ち上げる方向への移動量の制御によって行われる請求項1記載のハンド又はマニピュレータによる物体把持制御方法。  2. The object gripping control method using a hand or a manipulator according to claim 1, wherein the gripping force and the lifting force are controlled by controlling a movement amount of the finger in the object gripping direction and a movement amount in the direction of lifting the object. 前記センサは曲面状弾性体のせん断ひずみを検出するセンサで、前記各センサから得られた曲面状弾性体のせん断ひずみより、前記所定周期での各せん断ひずみの変化量を該所定周期で割ったひずみ変化速度の組、前記所定周期での各せん断ひずみの変化量を該所定周期での物体持ち上げ力の増加量で割った値の組、前記所定周期での各せん断ひずみの変化量を該所定周期での物体把持力の増加量で割った値の組、前記所定周期での各せん断ひずみの変化量を該所定周期での物体持ち上げ方向変位の増加量で割った値の組、前記所定周期での各せん断ひずみの変化量を該所定周期での物体把持方向変位の増加量で割った値の組のいずれか1組を求め、この求めた1組値の内で所定値を超えるものの数が基準値を越えるか否かで固着領域の大きさを判別し、該判別結果に基づいて前記フィンガによる把持力及び持ち上げ力を制御する請求項1又は請求項2記載のハンド又はマニピュレータによる物体把持制御方法。The sensor is a sensor for detecting the shear strain of a curved elastic body, and the amount of change in each shear strain in the predetermined cycle is divided by the predetermined cycle from the shear strain of the curved elastic body obtained from each sensor. strain rate of change in the set, the value divided by the increment of the object lifting force of the variation of each shear strain in the predetermined period at a predetermined period set, the shear strain variation of the predetermined in the predetermined cycle A set of values divided by the amount of increase in the object gripping force in a cycle, a set of values obtained by dividing the amount of change in each shear strain in the predetermined cycle by the increase in displacement in the object lifting direction in the predetermined cycle , the predetermined cycle obtains one set of pairs divided by the increase in the object gripping direction displacement at the predetermined cycle variation of the shear strain at, although more than a predetermined value among the set of values the calculated Depending on whether the number exceeds the reference value Discriminated, object grasping control method according to claim 1 or hand or manipulator of claim 2, wherein controlling the gripping force and lifting force by the finger based on 該判 by results of. 前記センサは曲面状弾性体のせん断応力を検出するセンサで、前記各センサから得られた曲面状弾性体のせん断応力より、前記所定周期での各せん断応力の変化量を該所定周期で割ったせん断応力の時間微分の組、前記所定周期での各せん断応力の変化量を該所定周期での物体持ち上げ力の増加量で割った値の組、前記所定周期での各せん断応力の変化量を該所定周期での物体把持力の増加量で割った値の組、前記所定周期での各せん断応力の変化量を該所定周期での物体持ち上げ方向変位の増加量で割った値の組、前記所定周期でのせん断応力の変化量を該所定周期での物体把持方向変位の増加量で割った値の組のいずれか1組を求め、この求めた1組値の内で所定値を超えるものの数が基準値を越えるか否かで固着領域の大きさを判別し、該判別結果に基づいて前記フィンガによる把持力及び持ち上げ力を制御する請求項1又は請求項2記載のハンド又はマニピュレータによる物体把持制御方法。The sensor is a sensor for detecting the shear stress of the curved elastic body, and the amount of change in each shear stress in the predetermined period is divided by the predetermined period from the shear stress of the curved elastic body obtained from each sensor. the time derivative of the set of shear stress, the object lifting force divided by the amount of increase in the predetermined period the amount of change in the shear stress at a predetermined period set, the variation of the shear stress at the predetermined cycle said predetermined set of values divided by the increment of object grasping force at periodic set of objects lifted divided by the amount of increase in the direction displacement at the predetermined cycle an amount of change in the shear stress at the predetermined cycle, the the variation of the shear stress at a predetermined period determined either set of pairs divided by the increment of the object gripping direction displacement at the predetermined period exceeds a predetermined value among the set of values the calculated Determining the size of the fixed area based on whether the number of objects exceeds the reference value Claim 1 or claim 2 object grasping control method by the hand or manipulator according to control clamping force and the lifting force by the finger based on 該判 by results. 前記1組値の内で所定値を超えるものの数が、基準値より小さくなったときにはフィンガによって物体に向けて加えられる力ベクトルの前記所定周期毎の増分量を増大させ、逆に、基準値より大きくなったときには前記力ベクトルの前記所定周期毎の増分量を減少させるようにフィンガに加える力を制御する請求項3又は請求項4に記載のハンド又はマニピュレータによる物体把持制御方法。The number of those exceeding the predetermined value among the set values, increases the increment of the predetermined period for each of the force vector exerted toward the object by the finger when it becomes smaller than the reference value, on the contrary, the reference value 5. The object gripping control method using a hand or a manipulator according to claim 3 or 4, wherein the force applied to the finger is controlled so as to decrease the increment of the force vector for each predetermined period when the force vector becomes larger.
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