JP4206305B2

JP4206305B2 - 多指ロボットハンドの制御方法及び装置

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Publication number: JP4206305B2
Application number: JP2003183586A
Authority: JP
Inventors: 聖星野
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2023-06-26
Also published as: JP2005014166A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多指ロボットハンドの制御方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
見まね学習により、人動作をロボットに模倣させようとするときには、人の随意動作による多関節運動軌道を定量的に再現し、ロボットに運動を実現するための制御パラメータを与える必要がある。人腕の制御に関しては、最適化規範の観点から躍度最小モデル［Ｔ．Ｆｌａｓｈ及びＮ．Ｈｏｇａｎが“Ｔｈｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎｏｆａｒｍｍｏｖｅｍｅｎｔｓ：Ａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙｃｏｎｆｉｒｍｅｄｍａｔｃｈｃｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ，”の名称で１９８５年発行の「ＪｕｒｎａｌｏｆＮｅｕｒｏｓｃｉｅｎｃｅ，５」の１６８８〜１７０３頁に発表した論文］、トルク変化最小モデル［Ｙ．Ｕｎｏ，Ｍ．Ｋａｗａｔｏ及びＲ．Ｓｕｚｕｋｉが、“Ｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｏｐｔｉｍａｌｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｉｎｈｕｍａｎｍｕｌｔｉｊｏｉｎｔａｒｍｍｏｖｅｍｅｎｔｓ − ｍｉｎｉｍｕｍｔｏｒｑｕｅ − ｃｈａｎｇｅｍｏｄｅｌ”の名称で１９８９年に「ＢｉｏｌｏｇｉｃａｌＣｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ，６１」の第８９〜１０１頁に発表した論文］、反射運動の観点から複数の反射運動の組み合わせによるモデル［城間智大，星野聖が、“原始反射の運動解析と人型ロボットアームによる随意運動制御”の名称で２００１年発行の「信学技報，ｖｏｌ．１０１，ｎｏ．１５４」の第１５〜２０頁に発表した論文］、［中村仁彦が、“反射行動の重ね合わせ理論とその多指ハンドの反射的把握動作への応用”の名称で１９９７年に「日本ロボット学会誌，ｖｏｌ．１５，ｎｏ．３」の第４４８〜４５９頁に発表した論文］、また神経振動子の数学モデルを用いた運動生成モデル［ＳｈｉｎｙａＫｏｔｏｓａｋａ及びＳｔｅｆａｎＳｃｈａａｌが、“神経振動子を用いたロボットのリズミックな運動生成”の名称で２００１年発行の「日本ロボット学会誌，ｖｏｌ．１９，ｎｏ．５」の第５８０〜５８３頁に発表した論文］などが提案されている。しかしながら従来は、ロボットハンドに見まね学習をさせる場合、重視すべき制御パラメータは人が決定しなければならなかった。またロボットハンドの多くは、特定の動作のみを目的としているために不必要な部位や自由度をカットされていたり、完全な人型多指ロボットハンドでも重量や大きさから人の手とは大きく異なってるため、個々の多指ロボットハンド毎に専用のデータグローブ等の遠隔操作装置を用意しなければならないのが現状である。
【０００３】
本発明の目的は、遠隔操作装置の構成の如何に係らず各種の多指ロボットハンドを遠隔制御することを可能にした多指ロボットハンドの制御方法及び装置を提供することにある。
【０００４】
本発明の他の目的は、自由度の数（入出力の数）が異なっていたり、データグローブのセンサの位置と多指ロボットハンドに設けられたアクチュエータの位置が異なっている場合においても、データグローブ等の遠隔操作装置により多指ロボットハンドを高速・高精度に遠隔制御することができる多指ロボットハンドの制御方法及び装置を提供することにある。
【０００５】
本発明の他の目的は、データグローブ等の遠隔操作装置の出力の内容を問題とすることなくる多指ロボットハンドを制御することができる多指ロボットハンドの制御方法及び装置を提供することにある。
【０００６】
本発明は、関節角度を指示する関節角度指令値ｙに応じて動作するアクチュエータを備えたｋ個（ｋは正の整数）の関節を有する多指ロボットハンドを、操作者の手に装着されて操作者の手の動きに応じてｎ個（ｎは正の整数）の出力信号ｘｎを出力する遠隔指令装置を用いて制御する方法を改良の対象とする。本発明では、まずｋ個の関節のためのｋ個の関節角度指令値ｙそれぞれについて、予め各関節角度指令値ｙとｎ個の出力信号ｘｎとの間の対応関係を定める対応関係決定ステップを実施する。そして対応関係決定ステップで定めた対応関係とｎ個の出力信号ｘｎとに基づいてｋ個の関節角度指令値ｙを求めて多指ロボットハンドを制御する制御ステップを実施する。
【０００７】
本発明においては、特に、対応関係決定ステップをサンプリングステップと、偏回帰係数導出ステップと重回帰式決定ステップとから構成する。サンプリングステップでは、ｋ個の関節にそれぞれ予め定めた時系列関節角度パターンに従って関節角度指令値を入力して多指ロボットハンドを動作させた状態において、多指ロボットハンドの動きに倣うように操作者に遠隔指令装置を操作させる。そしてｎ個の出力信号ｘｎを時系列でｍ回（ｍはｎより大きい正の整数）サンプリングする。偏回帰係数導出ステップでは、時系列関節角度パターンと、ｍ回のサンプリングにより求めたｍ組の前記ｎ個の出力信号ｘｎとに基づいて重回帰分析を行い、ｋ個の関節のそれぞれについて偏回帰係数を導出する。そして重回帰式決定ステップでは、偏回帰係数導出ステップに基づいて定めたｋ個の関節毎の偏回帰係数を用いて、ｋ個の関節毎の関節角度指令値ｙとｎ個の出力信号ｘｎとの間の対応関係を定めるｋ個の重回帰式を決定する。制御ステップでは、ｋ個の重回帰式を対応関係として用いて、ｎ個の出力信号ｘｎを入力としてｋ個の関節角度指令値ｙを求めて多指ロボットハンドを制御する。
【０００８】
本発明によれば、遠隔操作指令装置を多指ロボットハンドの動きに合わせて動作させることにより、遠隔操作指令装置と多指ロボットハンドとの対応関係を求めることができ、遠隔操作装置の構成の如何に係らず各種の多指ロボットハンドを遠隔制御することができる。
【０００９】
特に、偏回帰係数導出ステップで、偏回帰係数を導出するために最小二乗法と特異値分解とを用いて重回帰回分析を行うと、迅速にしかもより高い精度で偏回帰係数を求めることができるので、制御の速度と精度を高めることができる。
【００１０】
なお遠隔指令装置としては、データグローブが好ましい。
【００１１】
また関節角度を指示する関節角度指令値ｙに応じて動作するアクチュエータを備えたｋ個（ｋは正の整数）の関節を有する多指ロボットハンドを、操作者の手に装着されて前記操作者の手の動きに応じてｎ個（ｎは正の整数）の出力信号ｘｎを出力する遠隔指令装置を用いて遠隔制御する本発明の多指ロボットハンドの制御装置は、対応関係決定手段と制御信号発生手段とから構成される。対応関係決定手段は、ｋ個の関節のためのｋ個の関節角度指令値ｙそれぞれについて、各関節角度指令値ｙとｎ個の出力信号ｘｎとの間の対応関係を予め定めるように構成されている。
【００１２】
本発明で用いる対応関係決定手段は、サンプリング手段と、偏回帰係数導出手段と、重回帰式決定手段とを備えている。サンプリング手段は、ｋ個の関節にそれぞれ予め定めた時系列関節角度パターンに従って関節角度指令値を入力して多指ロボットハンドを動作させた状態において、多指ロボットハンドの動きに倣うように操作者が遠隔指令装置を操作したときにｎ個の出力信号ｘｎを時系列でｍ回（ｍはｎより大きい正の整数）サンプリングする。また偏回帰係数導出手段は、時系列関節角度パターンと、ｍ回のサンプリングにより求めたｍ組のｎ個の出力信号ｘｎとに基づいて重回帰分析を行い、ｋ個の関節のそれぞれについて偏回帰係数を導出する。さらに重回帰式決定手段は、偏回帰係数導出手段が定めるｋ個の関節毎の偏回帰係数を用いて、ｋ個の関節毎の関節角度指令値ｙとｎ個の出力信号ｘｎとの間の対応関係を定めるｋ個の重回帰式を決定する。
【００１３】
また制御信号発生手段は、対応関係決定手段が求めた対応関係とｎ個の出力信号ｘｎとに基づいてｋ個の関節角度指令値ｙを求め、ｋ個の関節角度指令値ｙを示す制御信号を多指ロボットハンドのｋ個の関節を駆動する駆動装置に出力するように構成されている。具体的に、制御信号発生手段は、ｋ個の重回帰式を対応関係として用いて、ｎ個の出力信号ｘｎを入力としてｋ個の関節角度指令値ｙを求める。
【００１４】
本発明の装置によれば、自動で遠隔操作指令装置と多指ロボットハンドとの対応関係を求めることができ、遠隔操作装置の構成の如何に拘わらず各種の多指ロボットハンドを簡単に遠隔制御することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。まず実施の形態で用いる多指ロボットハンドの機構について説明する。図１は、発明者等が開発した本実施の形態で制御の対象とする公知の多指ロボットハンド１の平面図であり、図２は図１のロボットハンドの内部に配置されたアクチュエータ２（エンコーダ内蔵型超小形モータ）の配置構成を示す図である。なおこの多指ロボットハンドの詳細は、特開２００３−１１７８７３号公報に示されている。この多指ロボットハンド１の各関節の可動範囲は、親指の内外旋が１２０°であり、内外転が６０°である。そして各５本指の屈曲、伸展は第２関節に連動して行われ、第２関節の可動範囲は１１２°であり、第１関節はその７／１０倍、第３関節は５／７倍となっている。指の開閉は薬指に連動して、人指し指、小指が動き、中指は動かない。また薬指の開閉可動範囲は１５°であり、人指し指はその−１２．８／１５倍であり、小指は３１．３／１倍となっている。これらの構成によって、拇指と小指の接触が可能になり人の手指の可動域を十分に実現できている。
【００１６】
各関節のアクチュエータ２には、ＤＣマイクロモータを使用している。各指の第２関節、拇指の内外旋、内外転部位とアブダクション用に掌の内部にそれぞれアクチュエータ２が設置されている。各関節の制御は、図示しない制御用計算機からの指令を受けて動作し、内部にＤ／Ａコンバータや、小型サーボモータ専用ドライバー（マイクロサーボ）が配置された駆動装置３を介して、各アクチュエータ２のモータにかける電圧を変化させることで行う。各アクチュエータ２のモータには、インクリメンタルシャフトエンコーダが内蔵されている。このエンコーダの出力は、軸速度、回転方向の検出の他に、位置制御に使用できる。各関節の角度情報は、ギヤを介して分解能を挙げたエンコーダを介して図示しない制御用計算機にフィードバックされる機構を持っている。エンコーダ自体の分解能は１６［Ｐｕｌｓｅ／Ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ］である。指の開閉部のエンコーダには減速比１／４００のギアを介しており、換算分解能は６４００［Ｐｕｌｓｅ／Ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ］となる。その他のエンコーダには減速比１／５０のギアを介しており、換算分解能は８００［Ｐｕｌｓｅ／Ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ］となる。
【００１７】
多指ロボットハンドを有効に制御するためには、まず各アクチュエータの特性を把握しておく必要がある。そこで、ステップ状の入力指令（この場合アクチュエータ制御の指令電圧）をモータに与えて関節角度の応答特性を測った。結果の一例を図３（Ａ）乃至（Ｃ）に示し、指令電圧と関節角速度の関係を図４に示す。これらのグラフにより、指令電圧に対する角速度の関係が線形であることがわかる。
【００１８】
この関係から各指の制御関数に用いるために傾きａ_ｉｊと切片ｂ_ｉｊを求め以下の式を用いて制御関数とした。
【００１９】
【数１】

ここで、ｓｇｎ_ｊは屈曲及び伸展時に１，−１の値をとる２値関数、Ｖ（ｔ）は時刻ｔにおける各関節への指令電圧値、θｄ（ｔ）は時系列角度指令値θの時刻ｔにおける目標角速度、ｉはロボットハンドの各関節に対応し、ｊは屈曲・進展の状態を表す。
【００２０】
しかし、この式だけでは角速度の大きさにより慣性力がかかりオーバーシュートが発生する。そこで角加速度に比例して指令電圧値を抑制・促進させる項を加えのが下記の式である。
【００２１】
【数２】

上記式において、ｆ（）は予備実験により得られた慣性力抑制のための関数で２次関数の式である。このようにして求めた制御関数を用いサイン波、ＦＭ変調波の時系列角度変化指令を入力したときの追従結果を図５及び図６に示す。図５はサイン波入力に対する追従性能を示し、図６はサインＦＭ変調波入力に対する追従性能を示す。これらの結果から、ゆっくりとした動作から比較的早い動作、変調波に対しても良好な追従特性が得られることが分かる。
【００２２】
図７は、遠隔指令装置として使用するデータグローブ４の一例の概略構成を示す図である。このデータグローブ４には、手袋形の本体の関節部分を中心にして約１６箇所の位置に分散して位置センサが備えられた構成を有している。具体的には、Ｖｉｒｔｕａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製のｃｙｂｅｒｇｌｏｖｅ（商標）をデータグローブとして用いている。このデータグローブのセンサ５は、拇指を除く各指のＭＰ（中手指節関節），ＰＩＰ（近位指節間関節）に一つずつ、拇指にはＭＰ、ＰＩＰ、ＤＩＰ（遠位節間関節）についており、また各指の間にあるアブダクションを計測するセンサーと掌の中央のセンサーとで計１６ヶ所に設置されている各センサー５はそれぞれ歪曲（ひずみ）度を数値化して６０〜８０Ｈｚで出力する仕様を有している。掌の中央に設置されているセンサー５は掌全体の歪曲度を計測するものであり、対する人型ロボットハンドにはその機構は備わっていないため、この実施の形態では、この中央のセンサー５は使用しない。
【００２３】
本実施の形態の多指ロボットハンド制御方法及び装置は、人の手指動作を操作者が手に装着したデータグローブによりデータ化し、これを計算機に取り込んで多指型ロボットハンドの制御指令値に変換し、データグローブを装着した操作者の手の動作と同様の動作をロボットハンドで実現させる。
【００２４】
データグローブによるロボットハンドの制御法においてもっとも単純な方法としては、サイバーグローブから出力されるデータを３次元座標位置に変換しロボットハンドの関節と対になる部分の角度情報を時系列で取り出し、それをロボットハンドに実行させて、ロボットハンドを動作させるという手段がある。しかし、この方法を用いるとデータグローブの各センサーから出力される１６個の値がそれぞれ各関節のＸ座標、Ｙ座標、Ｚ座標、ピッチ角、ヨー角、ロール角に変換され、一単位時刻あたり１００ものデータが生成されることとなり、これからロボットハンドの動作に必要な８関節分のデータを抽出して使用することは計算効率や時間効率を考える面からも最適ではない。
【００２５】
人手指は拇指を除く四指に至って、他の四指の影響を少なからず受ける。その特徴を定量的に表すこともこの制御方法及び装置において重要であると考える。そこでデータグローブで得られるデータからロボットハンド制御用の指令値への変換式に本発明の実施の形態では、重回帰式を用いる。
【００２６】
ロボットハンドの各関節に対し重回帰式を立てるためにはまず重回帰分析を行い偏回帰係数を求める必要がある。そこで重回帰分析用のデータを取得するためにデータグローブ装着者は予め定めた時系列関節角度パターンに従って関節角度指令値を駆動装置３に入力して、ロボットハンドを動作させる。なお駆動装置３に指令を与える制御装置は、ロボットハンド１にあらかじめ重回帰分析に有効な動作を行わせる予め定めた時系列関節角度パターンの関節角度指令値を記憶している。そしてこのロボットハンドの動作に従い即ち倣って、データグローブを装着した操作者には、データグローブを装着した手において、指の屈伸、アブダクション等の動作を事前に行ってもらう。本発明では、このようにして計測したデータグローブ４の出力と計測に用いたロボットハンドの時系列関節角度パターンとを重回帰分析にかけ、各関節ごとの偏回帰係数を導き出す。下記の式は本実施の形態で用いる重回帰分析に用いる式である。
【００２７】
【数３】

上記式において、ｆ（）の式は最小二乗法による重回帰分析を行う関数であり、ｙ_ｎ（ｔ）はロボットハンドの時系列関節角度パターンであり、ｘ_０（ｔ），ｘ_１（ｔ），．．．，ｘ_ｊ（ｔ）はデータグローブ４から出力された値であり、ｂ_ｎｊは偏回帰係数、Ｃｎは定数を示す。ｎはロボットハンドの各関節に対応し、関節数分８つの重回帰分析を行うことを意味する。
【００２８】
ロボットハンド１の制御対象の各関節一つに対して下記式を立てる。
【００２９】
【数４】

ここで、説明変数ｘｎ，ｊにはデータグローブ４からの出力値、目的変数θｊはロボットハンド１での制御対象となる関節各度の指令値である。上記式中のΣの上限値１６は、データグローブ４のセンサの数である。この重回帰式で出される値はデータグローブ４での各指の関節角度の値であるので、この値をロボットハンドの角度指令値として制御を行えばよいことになる。
【００３０】
本発明の多指ロボットハンドの制御装置の実施の形態の一例の概略構成を図８に示す。この実施の形態の制御装置では、関節角度を指示する関節角度指令値ｙに応じて動作するアクチュエータを備えたｋ個（ｋは正の整数）の関節を有する多指ロボットハンド１を制御するものとする。そしてデータグローブ４は、操作者の手に装着されて操作者の手の動きに応じてｎ個（ｎは正の整数）の出力信号ｘｎを出力する遠隔指令装置を構成している。この多指ロボットハンドの制御装置は、対応関係決定手段６と制御信号発生手段７とを備えている。対応関係決定手段６は、ｋ個の関節のためのｋ個の関節角度指令値ｙそれぞれについて、各関節角度指令値ｙとｎ個の出力信号ｘｎとの間の対応関係を予め定めるように構成されている。具体的には、対応関係決定手段６は、時系列関節角度パターン記憶手段６１と、サンプリング手段６２と、偏回帰係数導出手段６３と、重回帰式決定手段６４とを備えている。
【００３１】
サンプリング手段６３は、ｋ個の関節（実際にはアクチュエータ２）にそれぞれ予め定めた時系列関節角度パターン記憶手段６１に記憶した時系列関節角度パターンに従って関節角度指令値を入力して多指ロボットハンド１を動作させた状態において、多指ロボットハンド１の動きに倣うように操作者がデータグローブ４を操作したときにｎ個の出力信号ｘｎを時系列でｍ回（ｍはｎより大きい正の整数）サンプリングする。サンプリング手段６２はサンプリングを開始する前に時系列関節角度パターン記憶手段６１に指令を与え、時系列関節角度パターン記憶手段６１は駆動装置３に予め定めた関節角度指令値を出力する。なお時系列関節角度パターンは、Ｎ次元空間をまんべんなく動くような任意の関数指令を多指ロボットハンドの関節（アクチュエータ）に与えるように構成するのが好ましい。駆動手段３は、これを受けて多指ロボットハンド１を動作させる。
【００３２】
偏回帰係数導出手段６３は、時系列関節角度パターン記憶手段６１に記憶した時系列関節角度パターンと、サンプリング手段６２から出力されるｍ回のサンプリングにより求めたｍ組のｎ個の出力信号ｘｎとに基づいて重回帰分析を行い、ｋ個の関節のそれぞれについて偏回帰係数を導出する。
【００３３】
重回帰式決定手段６４、偏回帰係数導出手段６３が定めたｋ個の関節毎の偏回帰係数を用いて、ｋ個の関節毎の関節角度指令値ｙとｎ個の出力信号ｘｎとの間の対応関係を定めるｋ個の重回帰式を決定する。
【００３４】
そして制御信号発生手段７は、対応関係決定手段６の重回帰式決定手段６４が求めた対応関係とｎ個の出力信号ｘｎとに基づいて、ｋ個の関節角度指令値ｙを求め、ｋ個の関節角度指令値ｙを示す制御信号を多指ロボットハンドのｋ個の関節を駆動するための駆動装置３に出力するように構成されている。この制御信号発生手段７は、重回帰式決定手段６４が求めたｋ個の重回帰式を対応関係として用い、ｎ個の出力信号ｘｎを入力としてｋ個の関節角度指令値ｙを求める。
【００３５】
重回帰式決定手段６４で決定するデータグローブ４の出力と多指ロボットハンド１の関節角度との対応を示す重回帰式は以下のようの形で記述することもできる。
【００３６】
【数５】

上記式においてＨＡＮＤ _ｋは、多指ロボットハンドのｋ番目の関節値，ａ _０は残差、ａ _ｉはｉ番目のデータグローブ出力にかかる偏回帰係数、ＧＬＯＶＥ _ｉはｉ自由度のデータグローブ出力、ｍは測定回数である。また上記式中のΣの上限値１６は、データグローブ４のセンサの数である。なお上記式を用いる場合には、行が列より大きくなり（ｍ＞ｉ）、優決定となる。そのため特異値分解を用いて最適解としての偏回帰係数を求めることが好ましい。
【００３７】
図９は、図８の対応関係決定手段６の主要部をコンピュータを用いて実現する場合に用いるソフトウエアのアルゴリズムを示すフローチャートである。まずステップＳＴ１では、データグローブ４と時系列関節角度パターンのデータ対を獲得する。即ち多指ロボットハンド１の各関節可動域をまんべんなく動かすような関数を多指ロボットハンド１に与えて駆動し、多指ロボットハンド１に合わせて操作者の手指も同じ動作を行う。多指ロボットハンド１のある関節角度または関節角度指令値をｙ（時系列関節角度パターンに従って与えられる値）とし、ｎ個のデータグローブ出力をａｎ（サンプリング値）とすると，次式のように時刻１〜ｍまでの時系列データが得られる。
【００３８】
【数６】

ただし上記式において、ｍ＞ｎである。また前提として，ｘにはシステム雑音，量子化誤差などの雑音が含まれるものとする。
【００３９】
次にステップＳＴ２進んで、データ対をベクトルと行列の形式で表現すると、ｙ＝［Ｈ］ｘのように表現することができる。ただしこの式におけるｙ、ｘ及び［Ｈ］は下記の通りである。
【００４０】
【数７】

次にステップＳＴ３で、最小二乗法による解ｘ⁻の推定を開始する。この推定の過程において、偏回帰係数が求められる。最小二乗法に用いる式は以下の式である。
【００４１】
【数８】

次にステップＳＴ４から、ヤコビ法による（［Ｈ］^ｔ［Ｈ］）の計算を開始する。すなわち直交行列Ｐを使って（［Ｈ］^ｔ［Ｈ］）（＝［Ａ］）を簡単な形の類似行列［Ｂ］に変換する。言い換えれば、すなわち，［Ｐ］^−１［Ａ］［Ｐ］＝［Ｂ］を計算する．
次にステップＳＴ５で、行列［Ａ］の非対角要素のうちの絶対値最大のものａ_ｋｌ（＝ａ_ｌｋ）を選ぶ。そして次にステップＳＴ６において、ａ_ｋｋ＝ａ_ｌｌ＝ｃｏｓθ、ａ_ｋｌ＝−ｓｉｎθ、ａ_ｌｋ＝ｓｉｎθとする単位行列［Ｐ］を作る。
【００４２】
次にステップＳＴ７へと進んでｃとθの値を決定する。θは、下記の行列により求める。
【００４３】
【数９】

ただし、上記式においてｋ＜ｌである。
【００４４】
次にステップＳＴ８へと進んで、［Ｐ］^ｔ［Ａ］［Ｐ］を計算して新しい［Ａ］とする。次にステップＳＴ９で、行列［Ｐ］の積から固有ベクトルＶを下記の式で求める。
【００４５】
【数１０】

ただし、上記式において［Ｐ］^ｔ _（Ｎ）はN回目の変換に用いた行列［Ｐ］である。
【００４６】
次にステップＳＴ１０へと進み、［Ａ］のどの非対角要素も収束条件＜０．０００１なら終了し、そうでなければステップＳＴ５へと戻る。ここで行列［Ｂ］の対角要素が固有値となる。＋
次にステップＳＴ１１へと進んで解に含まれる雑音を抑制する。ステップＳＴ１２では、固有値（λ₁,λ₂,・・・λ_n）を（１／（λ₁＋υ），１／（λ₂＋υ），・・・１／（λ_n+υ））と置き換えて逆行列（［Ｈ］^t［Ｈ］）^-1を求める。
【００４７】
但し（［Ｈ］^t［Ｈ］）^-1 ＝［Ｕ］［Ａ］^-1［Ｕ］^t である。またベクトルｕ_ｉは［Ｈ］^t［Ｈ］の固有ベクトルである。また［Ｕ］＝［ｕ₁,ｕ₂,・・・ｕ_N］である。更に［Ａ］^-1 は下記のように表される。
【００４８】
【数１１】

そしてステップＳＴ１３で最小二乗法による解ｘ⁻の推定を終了する。
【００４９】
上記フローチャートのアルゴリズムに従えば、偏回帰係数を導出するために最小二乗法と特異値分解とを用いて重回帰分析を行うことになる。なお上記ステップＳＴ４〜ＳＴ１０までが特異値分解を実施しているステップである。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、遠隔操作指令装置を多指ロボットハンドの動きに合わせて動作させることにより、遠隔操作指令装置と多指ロボットハンドとの対応関係を求めることができ、遠隔操作装置の構成の如何に係らず各種の多指ロボットハンドを遠隔制御することができる利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明者等が開発した本実施の形態で制御の対象とする公知の多指ロボットハンド１の平面図である。
【図２】図１のロボットハンドの内部に配置されたアクチュエータの配置構成を示す図である。
【図３】（Ａ）乃至（Ｃ）は、ステップ状の入力指令をモータに与えて関節角度の応答特性を測った結果の一例を示す図である。
【図４】指令電圧と関節角速度の関係を示す図である。
【図５】サイン波入力に対する追従性能を示す図である。
【図６】サインＦＭ変調波入力に対する追従性能を示す図である。
【図７】遠隔指令装置として使用するデータグローブの一例の概略構成を示す図である。
【図８】多指ロボットハンドの制御装置の実施の形態の一例の概略構成を示す図である。
【図９】図８の対応関係決定手段の主要部をコンピュータを用いて実現する場合に用いるソフトウエアのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１多指ロボットハンド
２アクチュエータ
３駆動装置
４データグローブ
５センサー
６対応関係決定手段
７制御信号発生手段
６１時系列関節角度パターン記憶手段
６２サンプリング手段
６３偏回帰係数導出手段
６４重回帰式決定手段

Claims

関節角度を指示する関節角度指令値ｙに応じて動作するアクチュエータを備えたｋ個（ｋは正の整数）の関節を有する多指ロボットハンドを、操作者の手に装着されて前記操作者の手の動きに応じてｎ個（ｎはｋより大きい正の整数）の出力信号ｘｎを出力する遠隔指令装置を用いて制御する方法であって、
前記ｋ個の関節のためのｋ個の関節角度指令値ｙそれぞれについて、予め各関節角度指令値ｙと前記ｎ個の出力信号ｘｎとの間の対応関係を定める対応関係決定ステップと、
前記対応関係決定ステップで定めた前記対応関係と前記ｎ個の出力信号ｘｎとに基づいて前記ｋ個の関節角度指令値ｙを求めて前記多指ロボットハンドを制御する制御ステップとからなり、
前記対応関係決定ステップは、
前記ｋ個の関節にそれぞれ予め定めた時系列関節角度パターンに従って関節角度指令値を入力して前記多指ロボットハンドを動作させた状態において、前記多指ロボットハンドの動きに倣うように前記操作者に前記遠隔指令装置を操作させて前記ｎ個の出力信号ｘｎを時系列でｍ回（ｍはｎより大きい正の整数）サンプリングするサンプリングステップと、
前記時系列関節角度パターンと、前記ｍ回のサンプリングにより求めたｍ組の前記ｎ個の出力信号ｘｎとに基づいて重回帰分析を行い、前記ｋ個の関節のそれぞれについて偏回帰係数を導出する偏回帰係数導出ステップと、
前記偏回帰係数導出ステップに基づいて定めた前記ｋ個の関節毎の前記偏回帰係数を用いて、前記ｋ個の関節毎の前記関節角度指令値ｙと前記ｎ個の出力信号ｘｎとの間の前記対応関係を定めるｋ個の重回帰式を決定する重回帰式決定ステップとからなり、
前記制御ステップでは、前記ｋ個の重回帰式を前記対応関係として用いて、前記ｎ個の出力信号ｘｎを入力として前記ｋ個の関節角度指令値ｙを求めて、前記多指ロボットハンドを、前記操作者の手に装着されて前記操作者の手の動きに応じて前記ｎ個の出力信号ｘｎを出力する遠隔指令装置を用いて制御する方法。
請求項１に記載の方法であって、前記偏回帰係数導出ステップでは、前記偏回帰係数を導出するために最小二乗法と特異値分解とを用いて前記重回帰分析を行って、前記多指ロボットハンドを、前記操作者の手に装着されて前記操作者の手の動きに応じて前記ｎ個の出力信号ｘｎを出力する遠隔指令装置を用いて制御する方法。
請求項１に記載の方法であって、前記遠隔指令装置がデータグローブである、前記多指ロボットハンドを、前記操作者の手に装着されて前記操作者の手の動きに応じて前記ｎ個の出力信号ｘｎを出力する遠隔指令装置を用いて制御する方法。
関節角度を指示する関節角度指令値ｙに応じて動作するアクチュエータを備えたｋ個（ｋは正の整数）の関節を有する多指ロボットハンドを、操作者の手に装着されて前記操作者の手の動きに応じてｎ個（ｎはｋより大きい正の整数）の出力信号ｘｎを出力する遠隔指令装置を用いて遠隔制御する多指ロボットハンドの制御装置であって、
前記ｋ個の関節のためのｋ個の関節角度指令値ｙそれぞれについて、各関節角度指令値ｙと前記ｎ個の出力信号ｘｎとの間の対応関係を予め定める対応関係決定手段と、
前記対応関係決定手段が定めた前記対応関係と前記ｎ個の出力信号ｘｎとに基づいて前記ｋ個の関節角度指令値ｙを求め、前記ｋ個の関節角度指令値ｙを示す制御信号を前記多指ロボットハンドの前記ｋ個の関節に出力する制御信号発生手段とからなり、
前記対応関係決定手段は、
前記ｋ個の関節にそれぞれ予め定めた時系列関節角度パターンに従って関節角度指令値を入力して前記多指ロボットハンドを動作させた状態において、前記多指ロボットハンドの動きに倣うように前記操作者が前記遠隔指令装置を操作したときに前記ｎ個の出力信号ｘｎを時系列でｍ回（ｍはｎより大きい正の整数）サンプリングするサンプリング手段と、
前記時系列関節角度パターンと、前記ｍ回のサンプリングにより求めたｍ組の前記ｎ個の出力信号ｘｎとに基づいて重回帰分析を行い、前記ｋ個の関節のそれぞれについて偏回帰係数を導出する偏回帰係数導出手段と、
前記偏回帰係数導出ステップに基づいて定めた前記ｋ個の関節毎の前記偏回帰係数を用いて、前記ｋ個の関節毎の前記関節角度指令値ｙと前記ｎ個の出力信号ｘｎとの間の前記対応関係を定めるｋ個の重回帰式を決定する重回帰式決定手段とを備えており、
前記制御信号発生手段は、前記ｋ個の重回帰式を前記対応関係として用いて、前記ｎ個の出力信号ｘｎを入力として前記ｋ個の関節角度指令値ｙを求め、前記多指ロボットハンドを、前記操作者の手に装着されて前記操作者の手の動きに応じて前記ｎ個の出力信号ｘｎを出力する遠隔指令装置を用いて制御する装置。
請求項４に記載の装置であって、前記偏回帰係数導出手段は、前記偏回帰係数を導出するために最小二乗法と特異値分解とを用いて前記重回帰分析を行う、前記多指ロボットハンドを、前記操作者の手に装着されて前記操作者の手の動きに応じて前記ｎ個の出力信号ｘｎを出力する遠隔指令装置を用いて制御する装置。