JP5045577B2 - ロボットハンド機構、ロボットハンド機構を備えたロボット及びロボットハンド機構の制御方法 - Google Patents

Description

この発明はロボットハンド機構に係り、特に対象物を把持して移動させる多指ロボットハンド機構に関する。また、この発明は上記ロボットハンド機構を備えたロボット及びロボットハンド機構の制御方法に関する。

特許文献１には、柔らかい対象物を２つの指片で把持して持ち上げるロボットハンドが開示されている。これによれば、指片には触覚センサが取り付けられており、指片と対象物とが触覚センサを介して接触するようになっている。ロボットハンドは、まず２つの指片と対象物とを接触させ、次いで把持力を徐々に増大させながら対象物を持ち上げる。対象物が持ち上げられる際、触覚センサからの出力に基づいて、指片と対象物との接触位置が検出される。この接触位置が変化している場合、ロボットハンドは指片と対象物との間に滑りが生じていると判定し、接触位置が変化しなくなるまで把持力を増大させる。接触位置が変化しなくなると、その時点における把持力、すなわち最小限の把持力を最適把持力として取得し、以後、同一の材質からなる対象物を最適把持力で把持するようになっている。

特開平８−３２３６７８号公報

ここで、ロボットハンドの一般的な用途として、把持した対象物を所定の位置から別の位置に移動させる用途が挙げられる。このような用途において、対象物が柔らかい場合、対象物を壊さないように最小限の把持力で把持するため、移動速度も低速にして慎重に移動させる必要がある。一方、対象物が硬く、最小限以上の把持力を加えても壊れない場合、把持力を増大させることによって移動速度も高速にすることができる。しかしながら、特許文献１に記載のロボットハンドは、対象物の硬さに応じて把持力を増減するように構成されておらず、常に最小限の把持力で把持するため、対象物が硬い場合でも移動速度を低速にする必要があり、効率が悪いという問題点を有していた。また、一般的に、ロボットハンドを用いた対象物の移動制御は、ロボットハンドに予め教示しておいた所定の速度、または操作者が指定した所定の速度で行なわれる。すなわち、不特定の硬さを有する対象物をその硬さに応じた最適な速度で移動させるためには、移動速度の教示または指定をその都度やり直す必要があり、効率が悪いという問題点を有していた。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、不特定の硬さを有する対象物に対して、その硬さに応じた最適な把持力及び速度での移動制御を行なうことを実現したロボットハンド機構を提供することを目的とする。また、この発明は、上記ロボットハンド機構を備えたロボット及びロボットハンド機構の制御方法を提供することを目的とする。

この発明に係るロボットハンド機構は、変位可能に設けられる複数の指部を備え、複数の指部を変位させて対象物を把持するとともに、把持した対象物を移動させるロボットハンド機構において、指部の変位量を検知する変位量検知部と、指部に設けられ、指部と対象物との間に作用する力のうち、少なくとも、指部が対象物に加える押圧力、及び指部と対象物との間に生じる摩擦力を検知する力覚センサと、対象物の把持及び移動を制御する制御部とをさらに備え、制御部は、力覚センサが検知した押圧力及び摩擦力に基づいて、対象物を把持するのに要する最小の把持力を取得するとともに、最小の把持力を取得する際に、変位量検知部が検知した指部の変位量に基づいて、対象物の硬さを判定し、対象物を、最小の把持力に基づく第一の把持力で把持するとともに第一の速度で移動させる第一の設定と、対象物を、第一の把持力より大きい第二の把持力で把持するとともに第一の速度より高速な第二の速度で移動させる第二の設定とを、対象物の硬さに基づいて切り替えることを特徴とするものである。

対象物を把持する指部に、指部が対象物に加える押圧力、及び指部と対象物との間に生じる摩擦力を検知する力覚センサを設けたので、単位時間内における摩擦力の変化量に基づいて、対象物が移動を開始したかどうかが判定できる。また、対象物が移動を開始したと判定した時点での押圧力が、対象物を把持するのに要する最小の把持力として取得される。さらに、上記の単位時間内における指部の変位量に基づいて、対象物の硬さを判定できる。判定した硬さに基づいて、対象物を把持する把持力と、把持した対象物を移動させる速度とを変化させるように構成したので、対象物が柔らかい場合、最小の把持力で把持するとともに低速で移動させることにより、対象物を壊さずに移動させることができる。一方、対象物が硬い場合は、把持力を増大させることによって高速で移動させることができる。したがって、不特定の硬さを有する対象物に対して、その硬さに応じた最適な把持力及び速度での移動制御をロボットハンド機構で行なうことが可能となる。

第二の把持力及び第二の速度は、対象物の硬さに応じて変化してもよい。対象物が硬ければ硬いほど把持力を大きくでき、且つ把持力を大きくした分だけ移動速度も高速にできるため、硬い対象物の移動に要する時間を短縮して効率を向上することができる。

対象物の硬さに関わらず、第一の設定で対象物を移動させる安静移動モード、対象物の硬さに基づいて、第一の設定と第二の設定とを切り替えて対象物を移動させ、第二の把持力及び第二の速度は、対象物の硬さに関わらず一定である二段階移動モード、及び対象物の硬さに基づいて、第一の設定と第二の設定とを切り替えて対象物を移動させ、第二の把持力及び第二の速度は、対象物の硬さに応じて変化する高速移動モードのいずれかを選択可能であって、制御部は、安静移動モード、二段階移動モード及び高速移動モードのうちの、選択されたいずれかに基づいて対象物の把持及び移動を制御してもよい。例えば、対象物が硬くても高速で移動させる必要がない場合に、第一の把持力及び第一の速度で対象物を移動させることによって電力消費量を低減する等、使用者の目的に応じて対象物の移動制御を行なうことができる。

制御部は、対象物の移動を開始した後に、対象物の硬さを判定してもよい。まず、第一の把持力で対象物を把持して移動を開始しておき、硬さを判定した後に、硬さに応じた把持力及び速度に変更される。すなわち、硬さを判定した後に移動を開始する場合と比較すると、移動に要する時間を短縮できる。

指部は、圧電素子を振動体として用いる超音波モータによって駆動されて変位してもよい。超音波モータは、指部が所望の位置まで変位した後に給電を停止しても、その時点での把持力を保持できる。したがって、サーボモータ等、対象物を把持している間も給電を要する他のアクチュエータを用いた場合と比較すると、電力消費量を低減することができる。

この発明に係るロボットは、上述したこの発明のロボットハンド機構を備えることを特徴とするものである。

また、この発明に係るロボットハンド機構の制御方法は、変位可能に設けられる複数の指部を備え、複数の指部を変位させて対象物を把持するとともに、把持した対象物を移動させるロボットハンド機構の制御方法において、指部が対象物に加える押圧力と、指部と対象物との間に生じる摩擦力とを検知し、検知した押圧力及び摩擦力に基づいて、対象物を把持するのに要する最小の把持力を取得し、最小の把持力を取得する際に、指部の変位量を検知し、検知した指部の変位量に基づいて、対象物の硬さを判定し、対象物を、最小の把持力に基づく第一の把持力で把持するとともに第一の速度で移動させる第一の設定と、対象物を、第一の把持力より大きい第二の把持力で把持するとともに第一の速度より高速な第二の速度で移動させる第二の設定とを、対象物の硬さに基づいて切り替えることを特徴とするものである。

この発明によれば、不特定の硬さを有する対象物に対して、その硬さに応じた最適な把持力及び速度での移動制御をロボットハンド機構で行なうことが可能となる。

以下に、この発明の実施の形態について添付図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、この実施の形態１に係るロボットハンド機構１を用いたロボットの要部を示す。
尚、ロボットハンド機構１が位置する三次元空間の直交座標系を、図１に示すＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸によって規定する。Ｘ軸は水平な載置面Ｇに対して平行に延びる水平軸であり、Ｙ軸はＸ軸に対して垂直をなす鉛直軸である。Ｚ軸はＸ軸及びＹ軸に対して垂直をなす水平軸であって、図１の奥行方向に沿って延びている。また、把持及び移動の対象である対象物Ｏは、載置面Ｇ上に配置されている。ここで、対象物Ｏは、その硬さ、材質、形状や大きさ等が不特定となっている。

ロボットハンド機構１は、対象物Ｏを把持するための１対の指部２ａ及び２ｂと、指部２ａ及び２ｂが共に取り付けられる共通の基部３とを備えている。指部２ａ及び２ｂは基部３の底部に取り付けられており、基部３の頂部にはアーム４が取り付けられている。アーム４には駆動装置５が接続されており、駆動装置５がアーム４を駆動することによって、ロボットハンド機構１全体が三次元的に移動する。また、駆動装置５は、ロボットハンド機構１の動作を制御するための制御部６に電気的に接続されており、制御部６に制御されてアーム４を駆動する。

指部２ａ及び２ｂは同一の構成を有しており、円筒状の第一節２１をそれぞれ備えている。第一節２１の上端側は基部３の底部に固定されており、第一節２１の下端側には、サーボモータ７を介して略円筒状の第二節２２が連結されている。第二節２２は、サーボモータ７に駆動され、サーボモータ７を中心にしてＸ軸に沿った方向に変位可能となっている。すなわち、ロボットハンド機構１による対象物Ｏの把持は、指部２ａ及び２ｂのそれぞれの第二節２２を対象物Ｏに向けて変位させ、対象物Ｏを挟み込むとともに、その両側から押圧することによって行なわれる。また、サーボモータ７には、変位量検知手段としてのポテンショメータ８が取り付けられており、Ｘ軸に沿った第二節２２の変位量が検知可能となっている。

第二節２２の先端部には、第二節２２と対象物Ｏとの間に作用する力を検知するための力覚センサ９が設けられており、第二節２２と対象物Ｏとが、力覚センサ９を介して接触するようになっている。力覚センサ９としては、例えばニッタ株式会社製ＴＦＳ１２−１０等の６軸力覚センサが用いられる。６軸力覚センサとは、ある１点に力が作用する場合、その力の三次元直交座標系における各軸方向成分（Ｘ軸方向成分、Ｙ軸方向成分及びＺ軸方向成分）と、各軸周りのモーメントとを検知するセンサである。ロボットハンド機構１において、力覚センサ９は力のＸ軸方向成分とＹ軸方向成分とを用いており、対象物Ｏを把持して上方に持ち上げる場合を例とすると、第二節２２が対象物に加える押圧力（Ｘ軸方向成分）と、第二節２２と対象物Ｏとの間に生じる摩擦力（Ｙ軸方向成分）とを検知する。

図２に概略的に示すように、指部２ａ及び２ｂのサーボモータ７、ポテンショメータ８及び力覚センサ９は、それぞれ制御部６に電気的に接続されている。サーボモータ７は、制御部６に制御されて第二節２２を変位させる。また、ポテンショメータ８が検知した第二節２２の変位量、及び力覚センサ９が検知した力及びモーメントは、それぞれ制御部６に出力される。

次に、この発明の実施の形態１に係るロボットハンド機構１の動作について、図３に示すフローチャート及び図４〜６を用いて説明する。
まず、制御部６から対象物移動指示が出力される（ステップＳ１）。制御部６からの対象物移動指示を受け取った駆動装置５はアーム４を駆動して、ロボットハンド機構１を対象物Ｏの位置まで移動させる（ステップＳ２）。図４（ａ）に、ロボットハンド機構１が対象物Ｏの位置まで移動した様子を示す。ステップＳ２の終了時点において、指部２ａの第二節２２と指部２ｂの第二節２２とは変位を開始しておらず、これらの間に対象物Ｏが配置され、且つ互いに接触していない状態となっている。

次いで、制御部６は対象物の持ち上げ及び把持の開始指示を出力する（ステップＳ３）。開始指示を受け取ったサーボモータ７は、図４（ａ）の矢印Ａで示すように、指部２ａ及び指部２ｂのそれぞれの第二節２２を、Ｘ軸に沿って対象物Ｏに向かう方向に変位させる。図４（ｂ）に示すように、指部２ａ及び２ｂのそれぞれの第二節２２が変位して対象物Ｏに接触すると、駆動装置５がアーム４を駆動して、図４（ｂ）の矢印Ｂで示すように、ロボットハンド機構１をＹ軸に沿って上方側に移動させる。また、サーボモータ７は、対象物Ｏに加える押圧力Ｆｘを徐々に増大させるように第二節２２を駆動する。

指部２ａ及び２ｂのそれぞれの第二節２２が対象物Ｏに接触し、ロボットハンド機構１の上方側への移動が開始されると、制御部６は、力覚センサ９から出力される力データの取得を開始する（ステップＳ４）。力データとは具体的に、第二節２２と対象物Ｏとの間に作用する力のうち、第二節２２が対象物に加える押圧力Ｆｘ（Ｘ軸方向成分）、及びロボットハンド機構１が上方側に移動するのに伴って、第二節２２と対象物Ｏとの間に生じる摩擦力Ｆｙ（Ｙ軸方向成分）である。また、ロボットハンド機構１が上方側への移動を開始した時点において、第二節２２が対象物Ｏに加える押圧力Ｆｘは、対象物Ｏを把持して持ち上げるのに十分な大きさではなく、第二節２２と対象物とに間には滑りが生じている状態となっている。すなわち、ロボットハンド機構１自体は上方へ移動しているが対象物Ｏは載置面Ｇ上から持ち上げられることなく、対象物Ｏに対して第二節２２が滑りながら移動している状態となっている。

ここで、対象物Ｏが把持されて持ち上がるための条件について説明する。図４（ｃ）に示すように、ロボットハンド機構１が対象物Ｏを持ち上げた状態において、対象物Ｏの質量ｍ、重力加速度ｇとすると、対象物Ｏには重力ｍｇが作用している。また、指部２ａ及び２ｂのそれぞれの第二節２２と対象物Ｏとの間には、摩擦力Ｆｙが重力ｍｇとは反対側の方向に作用している。すなわち、摩擦力Ｆｙが下記（１）式を満たせば、対象物Ｏは、第二節２２から滑り落ちることなく支えられ、持ち上げられることになる。
Ｆｙ＝ｍｇ×１／２・・・（１）
摩擦力Ｆｙが上記（１）式の条件を満たした時点において、第二節２２が対象物Ｏに加えていた押圧力Ｆｘが、対象物Ｏを把持するのに要する最小の把持力となる。

ステップＳ４で力データＦｘ、Ｆｙの取得が開始されると、制御部６は、所定の単位時間Δｔ間における摩擦力Ｆｙの変化量に基づいて、対象物Ｏが持ち上がったかどうかの判定を開始する（ステップＳ５）。ここで、図５に、第二節２２と対象物Ｏとが接触した時点以降における押圧力Ｆｘ及び摩擦力Ｆｙの時間軸に沿った推移を示す。対象物Ｏが把持されて持ち上げられると、第二節２２と対象物Ｏとの間には滑りが生じなくなるため、それ以降、摩擦力Ｆｙは一定の値となる。すなわち、対象物Ｏが持ち上がったかどうかの判定は、下記（２）式によって判定される。
Ｆｙ（ｔ）−Ｆｙ（ｔ−Δｔ）＜Ｆｔｈ・・・（２）
（２）式において、Ｆｙ（ｔ）は、第二節２２と対象物Ｏとが接触した時点から時間ｔ経過した時点における摩擦力Ｆｙを表す。また、Ｆｔｈは予め決められて、制御部６に記憶されている閾値である。

単位時間Δｔ間における摩擦力Ｆｙの変化量（Ｆｙ（ｔ）−Ｆｙ（ｔ−Δｔ））が（２）式の条件を満たさない場合、処理はステップＳ４に戻り、引き続き押圧力Ｆｘを徐々に増大させながら、力データが取得される。単位時間Δｔ間における摩擦力Ｆｙの変化量が（２）式の条件を満たすと、対象物Ｏが持ち上がったと判定される。ここで、対象物Ｏが持ち上がったと判定された時点での摩擦力Ｆｙは、同時に（１）式を満たしており、この時点で対象物Ｏに加えられていた押圧力Ｆｘが、対象物Ｏを把持するのに要する最小の把持力となる。対象物Ｏが持ち上がったと判定されると、制御部６は、判定された時間ｔにおける押圧力Ｆｘ、すなわち最小の把持力に基づく第一の把持力を取得する。具体的には、対象物Ｏが持ち上がったと判定された時間ｔにおける押圧力Ｆｘを、第一の把持力である最小把持力Ｆｘｍｉｎとして取得する（ステップＳ６）。

次いで、制御部６は、対象物Ｏが持ち上がったかどうかを判定した際の単位時間Δｔ間に、ポテンショメータ８が検知した第二節２２の変位量に基づいて、対象物Ｏの硬さを判定する（ステップＳ７）。ここで、図５に、対象物Ｏが柔らかい場合の第二節２２の変位量Ｘｓ（ｔ）、対象物Ｏが硬い場合の第二節２２の変位量Ｘｈ（ｔ）を示す。図５の変位量Ｘｓ（ｔ）で示されるように、対象物Ｏが柔らかい場合は、持ち上がった時点である時間ｔ以降も第二節２２から加えられる押圧力Ｆｘによって変形し続ける。一方、図５の変位量Ｘｈ（ｔ）で示されるように、対象物Ｏが硬い場合は、時間ｔ以降はあまり変形しない。したがって、単位時間Δｔ間における第二節２２の変位量ΔＸｓよりΔＸｈの方が小さい値となる。

すなわち、対象物Ｏの硬さは、時間ｔの時点での第二節２２の変位量をＸ（ｔ）とすると、下式（３）によって判定される。
Ｘ（ｔ）−Ｘ（ｔ−Δｔ）＞Ｘｆ・・・（３）
ここで、（３）式のＸｆは、予め決められて、制御部６に記憶されている閾値である。第二節２２の変位量Ｘ（ｔ）が（３）式の条件を満たし、対象物Ｏが柔らかいと判定されると、制御部６はサーボモータ７に把持動作終了指示を出力する（ステップＳ８）。把持動作終了指示を受け取ったサーボモータ７は、対象物Ｏに加える押圧力Ｆｘを増大させるのを終了し、以後、ステップＳ６で取得した最小把持力Ｆｘｍｉｎで対象物Ｏを把持し続けるように第二節２２を駆動する。一方、第二節２２の変位量Ｘ（ｔ）が（３）式の条件を満たさず、対象物Ｏが硬いと判定された場合、制御部６は、後述するステップＳ１１に処理を移す。尚、制御部６は、第二節２２と対象物Ｏとの間に生じている摩擦力Ｆｙと、単位時間Δｔ間に置ける第二節２２の変位量とを直接的に検知しているため、対象物Ｏの硬さ、材質、形状や大きさ等が不特定であっても、その硬さを判定することができる。

ステップＳ８で把持動作が終了すると、制御部６は、アーム４の移動速度を第一の速度である一定の低速移動用速度Ｖｓ（図６参照）に設定する。これにより、最小把持力Ｆｘｍｉｎで把持するとともに、低速移動用速度Ｖｓで移動させる第一の設定がなされる。アーム４の移動速度が低速移動用速度Ｖｓに設定されると、制御部６は、アーム４が低速移動用速度Ｖｓで移動するように駆動装置５を制御する。アーム４は、最小把持力Ｆｘｍｉｎで把持した対象物Ｏを、低速移動用速度Ｖｓで所定の位置から別の位置に移動させる（ステップＳ１０）。対象物Ｏの移動が完了すると処理が終了し、ステップＳ１に戻って次の対象物Ｏを移動させるか、または待機状態となる。

一方、ステップＳ７において対象物Ｏが硬いと判定された場合、制御部６は、第二節２２から対象物Ｏに加えられる押圧力Ｆｘを徐々に増大させ続けるようにサーボモータ７を制御するとともに、力データを取得する（ステップＳ１１）。次いで、押圧力Ｆｘが下式（４）を満たすかどうかの判定が行なわれる（ステップＳ１２）。
Ｆｘ（ｔ）＞α×Ｆｘｍｉｎ（ただしα＞１）・・・（４）
（４）式において、αは予め決められて制御部６に記憶されている所定の係数であり、Ｆｘ（ｔ）が（４）式の条件を満たすことにより、対象物Ｏが最小把持力Ｆｘｍｉｎより大きい第二の把持力で把持される。

押圧力Ｆｘ（ｔ）が変化して（４）式の条件を満たすと、制御部６はサーボモータ７に把持動作終了指示を出力され、以後、対象物Ｏがα×Ｆｘｍｉｎより大きい把持力で把持し続けられる（ステップＳ１３）。把持動作が終了すると、制御部６は、アーム４の移動速度を低速移動用速度Ｖｓより高速な第二の移動速度である一定の高速移動用速度Ｖｆ（図６参照）に設定する（ステップＳ１４）。これにより、対象物Ｏを最小把持力より大きい把持力で把持するとともに、高速移動用速度Ｖｆで移動させる第二の設定がなされる。アーム４の移動速度が高速移動用速度Ｖｆに設定されると、処理はステップＳ１０に移り、制御部６は、アーム４が移動する速度を変化させ、高速移動用速度Ｖｆで移動するように駆動装置５を制御する。アーム４は、α×Ｆｘｍｉｎより大きい把持力で把持した対象物Ｏを、高速移動用速度Ｖｆで所定の位置から別の位置に移動させ、処理が終了される。

以上のように、対象物Ｏを把持する指部２ａ及び２ｂのそれぞれの第二節２２に、第二節２２が対象物Ｏに加える押圧力Ｆｘ、及び第二節２２と対象物Ｏとの間に生じる摩擦力Ｆｙを検知する力覚センサ９を設けたので、単位時間Δｔ間における摩擦力Ｆｙの変化量に基づいて、対象物Ｏが持ち上がったかどうかが判定できる。また、対象物Ｏが持ち上がったと判定した時間ｔの時点での押圧力Ｆｘが、対象物Ｏを把持するのに要する最小把持力Ｆｘｍｉｎとして取得される。さらに、単位時間Δｔ間における第二節２２の変位量Ｘに基づいて、対象物Ｏの硬さを判定できる。判定した硬さに基づいて、対象物を把持する把持力と、把持した対象物を移動させる速度とを変化させるように構成したので、対象物が柔らかい場合、最小把持力Ｆｘｍｉｎで把持するとともに低速移動用速度Ｖｓで移動させることにより、対象物Ｏを壊さずに移動させることができる。一方、対象物Ｏが硬い場合は、把持力を増大させ、最小把持力Ｆｘｍｉｎより大きい把持力で把持することによって、低速移動用速度Ｖｓより高速な高速移動用速度Ｖｆで移動させることができる。したがって、不特定の硬さを有する対象物Ｏに対して、その硬さに応じた最適な把持力及び速度での移動制御をロボットハンド機構１で行なうことが可能となる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係るロボットハンド機構について説明する。この実施の形態２に係るロボットハンド機構は、実施の形態１におけるロボットハンド機構に対し、対象物が硬いと判定された場合の制御方法を変更したものである。尚、以下の実施の形態において、図１〜６の参照符号と同一の符号は同一または同様の構成であるので、その詳細な説明は省略する。
図７に、この実施の形態２に係るロボットハンド機構における把持力及び移動速度の設定を示す。尚、図７は、対象物Ｏの硬さを横軸で示すとともに、一方の縦軸に対象物Ｏに加えられる把持力Ｆｘを示し、他方の縦軸に対象物Ｏの移動速度Ｖを示したものである。図７に示されるように、対象物Ｏが柔らかいと判定された場合は、実施の形態１と同様、対象物Ｏを最小把持力Ｆｘｍｉｎで把持するとともに低速移動用速度Ｖｓで移動させる。

一方、対象物Ｏが硬いと判定された場合において、把持力Ｆｘ及び高速移動用速度Ｖｆは、実施の形態１において対象物Ｏが持ち上がったかどうかを判定した際の単位時間Δｔ間における第二節２２の変位量ΔＸに応じて変化するようになっている。具体的には、把持力Ｆｘ＝ｆ（ΔＸ）、高速移動用速度Ｖｆ＝ｆ（ΔＸ）となっており、変位量ΔＸが小さければ小さいほど、すなわち対象物Ｏが硬ければ硬いほど、把持力Ｆｘ及び高速移動用速度Ｖｆが大きくなるようになっている。その他の構成及び制御方法については、実施の形態１と同様である。

このように、対象物Ｏが硬い場合の把持力Ｆｘ及び高速移動用速度Ｖｆを、対象物Ｏの硬さに応じて変化するように構成したので、対象物Ｏが硬ければ硬いほど把持力Ｆｘを大きくでき、且つ把持力Ｆｘを大きくした分だけ高速移動用速度Ｖｆも高速にできるため、対象物が硬い場合の移動に要する時間を短縮して効率を向上することができる。尚、把持力Ｆｘ及び速度Ｖｆを、図７（ａ）に示されるように線型に変化させることに限定するものではなく、例えば、図７（ｂ）に示すように段階的に増加（非線型に変化）させることも可能である。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係るロボットハンド機構について説明する。この実施の形態３に係るロボットハンド機構は、実施の形態１におけるロボットハンド機構の動作が制御部によって切り替えられていたのに対し、使用者が動作を選択可能であるように構成したものである。
ロボットハンド機構１の制御部６（図１参照）には、図８（ａ）〜（ｃ）に示す安静移動モード、二段階移動モード及び高速移動モードが予め記憶されており、これらの動作モードに従って、ロボットハンド機構１が動作するようになっている。また、これらの動作モードは、例えば制御部に電気的に接続された図示しない操作部等を操作することにより、ロボットハンド機構１の操作者が選択可能となっている。

図８（ａ）に示す安静移動モードにおいて、ロボットハンド機構１は、対象物Ｏを、その硬さに関わらず実施の形態１における最小把持力Ｆｘｍｉｎで把持するように構成されている。また、ロボットハンド機構１は、最小把持力Ｆｘｍｉｎで把持した対象物Ｏを、その硬さに関わらず実施の形態１における低速移動用速度Ｖｓで移動するように構成されている。
図８（ｂ）に示す二段階移動モードは、実施の形態１におけるロボットハンド機構１の制御方法と同様であり、対象物Ｏの硬さに応じて、把持力及び移動速度を二段階に切り替えるものである。また、図８（ｃ）に示す高速移動モードは、実施の形態２におけるロボットハンド機構１の制御方法と同様であり、対象物Ｏが硬いと判定された場合に、その硬さに応じて把持力及び移動速度を変化させ、対象物Ｏが硬ければ硬いほど高速で移動させるようにしたものである。その他の構成については実施の形態１と同様である。

このように、操作者が安静移動モード、二段階移動モード及び高速移動モードを選択可能としたので、例えば、対象物Ｏが硬くても高速で移動させる必要がない場合に、最小把持力Ｆｘｍｉｎ及び低速移動用速度Ｖｓで対象物Ｏを移動させることによって電力消費量を低減する等、使用者の目的に応じて対象物の移動制御を行なうことができる。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４に係るロボットハンド機構について説明する。この実施の形態４に係るロボットハンド機構は、実施の形態１におけるロボットハンド機構に対して、対象物の硬さを判定する処理の順番を変更したものである。
図９に、この実施の形態４に係るロボットハンド機構の動作を示すフローチャートを示す。図１３において、ステップＳ２１〜ステップＳ２６については、実施の形態１におけるステップＳ１〜ステップＳ６（図３参照）とそれぞれ同様であるため、その説明は省略する。

制御部６は、ステップＳ２５において対象物Ｏが持ち上がったと判定し、ステップＳ２６で最小把持力Ｆｘｍｉｎを取得すると、アーム４の移動速度を低速移動用速度Ｖｓ（図６参照）に設定する（ステップＳ２７）。次いで、制御部６は、対象物Ｏの硬さ判定を行なう前に移動開始指令を出力し、最小把持力Ｆｘｍｉｎ及び低速移動用速度Ｖｓで、対象物Ｏの移動を開始させる（ステップＳ２８）。対象物Ｏの移動が開始されると、制御部６は対象物Ｏを移動させながら、実施の形態１におけるステップＳ７と同様に、単位時間Δｔ間における第二節２２の変位量に基づいて、対象物Ｏの硬さを判定する（ステップＳ２９）。対象物Ｏの硬さが柔らかいと判定されると、制御部６は、把持動作終了指令を出力する（ステップＳ３０）。

ここで、制御部６は、既に最小把持力Ｆｘｍｉｎ及び低速移動用速度Ｖｓで対象物Ｏを移動させ始めている。したがって、制御部６は、低速移動用速度Ｖｓを保持する指令を出力し（ステップＳ３１）、アーム４は、低速移動用速度Ｖｓでの移動を継続し（ステップＳ３１）、対象物Ｏの移動を完了させる。

一方、ステップＳ２９で対象物Ｏが硬いと判定された場合、制御部６は対象物Ｏを低速移動用速度Ｖｓで移動させながら、実施の形態１のステップＳ１１と同様に、第二節２２が対象物Ｏに加える押圧力を増大させる（ステップ３３）。次いで、実施の形態１におけるステップＳ１２〜Ｓ１４と同様に、対象物Ｏを最小把持力より大きい把持力で把持するとともに、移動速度を高速移動用速度Ｖｆに設定し（ステップＳ３４〜３６）、ステップＳ３２に処理を戻す。対象物Ｏの移動速度は、ステップＳ３６にて高速移動用速度Ｖｆに設定されたため、制御部６はステップ３２で低速移動用速度Ｖｓから高速移動用速度Ｖｆに増速し、対象物Ｏの移動を完了させる。

このように、最小把持力Ｆｘｍｉｎ及び低速移動用速度Ｖｓで対象物Ｏさせてから、対象物Ｏの硬さを判定するように構成したので、硬さを判定した後に移動を開始する場合と比較すると、移動に要する時間を短縮できる。

実施の形態５．
次に、この発明の実施の形態５に係るロボットハンド機構について説明する。この実施の形態５に係るロボットハンド機構は、実施の形態１に係るロボットハンド機構におけるサーボモータの代わりに超音波モータを用いて構成したものである。
図１０に示すように、ロボットハンド機構３１の基部３の底部には、１対の超音波モータ４１ａ及び４１ｂが取り付けられており、超音波モータ４１ａ及び４１ｂには、指部３２がそれぞれ連結されている。超音波モータ４１ａ及び４２ｂは同一の構成を有しており、指部３２の先端部には、実施の形態１と同様の力覚センサ９が設けられている。

超音波モータ４１ａ及び４１ｂは、基部３に上端側を固定された振動体４２をそれぞれ備えており、振動体４２の下端部には、固定子４３と、固定子４３内にほぼ半分を収容された球形の回転子４４とが設けられている。回転子４４には指部３２が固定されており、指部３２と固定子４３とが、可撓性の保持部材４５によって連結されている。また、回転子４４は固定子４３内で回転可能となっており、それにより、指部３２が変位可能となっている。

図１１に示すように、基部３と固定子４３とは、振動体４２内を通過する連結ボルト３３によって固定されている。固定子４３の下端部には凹部４３ａが形成されており、この凹部４３ａ内に回転子４４が回転可能に収容されている。また、回転子４４は、指部３２と固定子４３とを連結する保持部材４５によって、固定子４３の凹部４３ａに対して接触するように保持されている。振動体４２は、固定子４３に超音波振動を発生させて回転子４４を回転させるためのものであり、円板状の部材である３つの圧電素子部５１〜５３が重ね合わされて構成されている。また、これらの圧電素子部５１〜５３は、制御部６０に電気的に接続されている。

図１２に示すように、圧電素子部５１は、電極板５１ａ、圧電素子板５１ｂ、電極板５１ｃ、圧電素子板５１ｄ及び電極板５１ｅが順次重ね合わされた構造を有している。また、圧電素子部５２も同様に、電極板５２ａ、圧電素子板５２ｂ、電極板５２ｃ、圧電素子板５２ｄ及び電極板５２ｅが順次重ね合わされた構造を有しており、圧電素子部５３も、電極板５３ａ、圧電素子板５３ｂ、電極板５３ｃ、圧電素子板５３ｄ及び電極板５３ｅが順次重ね合わされた構造を有している。これらの圧電素子部５１〜５３が絶縁シート５４〜５７を介して基部３及び固定子４３に対して絶縁され、且つ互いに絶縁された状態で配置されている。

図１３に示すように、圧電素子部５１の圧電素子板５１ｂ及び５１ｄは、図１２に示すＸ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＹ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行なうように分極されており、圧電素子板５１ｂと圧電素子板５１ｄとは、互いに裏返しとなるように配置されている。また、圧電素子部５２の圧電素子板５２ｂ及び５２ｄは、２分割されることなく全体がＹ軸方向（厚み方向）に膨張あるいは収縮の変形挙動を行なうように分極されており、圧電素子板５２ｂと圧電素子板５２ｄとが互いに裏返しとなるように配置されている。圧電素子部５３の圧電素子板５３ｂ及び５３ｄは、Ｚ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＹ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行なうように分極されており、圧電素子板５３ｂと圧電素子板５３ｄとが互いに裏返しとなるように配置されている。

圧電素子部５１の両面部分に配置されている電極板５１ａ及び電極板５１ｅと、圧電素子部５２の両面部分に配置されている電極板５２ａ及び電極板５２ｅと、圧電素子部５３の両面部分に配置されている電極板５３ａ及び電極板５３ｅとは、それぞれ電気的に接地されている。また、圧電素子部５１の圧電素子板５１ｂ及び５１ｄの間に配置されている電極板５１ｃと、圧電素子部５２の圧電素子板５２ｂ及び５２ｄの間に配置されている電極板５２ｃと、圧電素子部５３の圧電素子板５３ｂ及び５３ｄの間に配置されている電極板５３ｃとは、それぞれ制御部６０に電気的に接続されている。その他の構成については、実施の形態１と同様である。

次に、この実施の形態５に係るロボットハンド機構３１の動作について説明する。尚、ロボットハンド機構３１の動作において、実施の形態１に係るロボットハンド機構１の動作と異なるのは指部３２を超音波モータ４１ａ及び４１ｂで駆動する点、指部３２の変位量を検知する点、及び実施の形態１におけるステップＳ８及びＳ１３（図３参照）で説明した把持動作の終了時における動作が異なる点のみであるため、その他の説明については省略する。

まず、超音波モータ４１ａ及び４１ｂによって、指部３２を変位させる点について説明する。超音波モータ４１ａ及び４１ｂのそれぞれの振動体４２に対して、圧電素子部５１の電極板５１ｃに、超音波モータ４１ａの固有振動数に近い周波数の交流電圧が印加される。電極板５１ｃに交流電圧が印加されると、圧電素子部５１の圧電素子板５１ｂ及び５１ｄの２分割された部分がＹ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、固定子４３にＸ軸方向のたわみ振動が発生する。同様に、圧電素子部５２の電極板５２ｃに交流電圧を印加すると、圧電素子部５２の圧電素子板５２ｂ及び５２ｄがＹ軸方向に膨張と収縮を繰り返し、固定子４３にＹ軸方向の縦振動が発生する。さらに、圧電素子部５３の電極板５３ｃに交流電圧を印加すると、圧電素子部５３の圧電素子板５３ｂ及び５３ｄの２分割された部分がＹ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、固定子４３にＺ軸方向のたわみ振動が発生する。

ここで、例えば、制御部６０から圧電素子部５２の電極板５２ｃと圧電素子部５３の電極板５３ｃとの双方に、位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｚ軸方向のたわみ振動とＹ軸方向の縦振動とが組み合わされて回転子４４と接触する固定子４３の凹部４３ａにＹＺ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介して回転子４４がＸ軸回りに回転する。同様に、制御部６０から圧電素子部５１の電極板５１ｃと圧電素子部５２の電極板５２ｃとの双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｘ軸方向のたわみ振動とＹ軸方向の縦振動とが組み合わされて回転子４４と接触する固定子４３の凹部４３ａにＸＹ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介して回転子４４がＺ軸回りに回転する。さらに、制御部６０から圧電素子部５１の電極板５１ｃと圧電素子部５３の電極板５３ｃとの双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｚ軸方向のたわみ振動とＸ軸方向のたわみ振動とが組み合わされて回転子４４と接触する固定子４３の凹部４３ａにＸＺ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介して回転子４４がＹ軸回りに回転する。

このようにして超音波モータ４１ａ及び４１ｂのそれぞれの振動体４２を駆動することにより、回転子４４がＸ、Ｙ、Ｚの３軸の回りにそれぞれ回転し、これに伴って指部３２を変位させることが可能となる。また、制御部６０は、超音波モータ４１ａ及び４１ｂの振動体４２に印加する駆動電圧に基づいて、１対の指部３２の位置をそれぞれ把握することが可能であり、指部３２のサイズ及び超音波モータ４１ａ及び４１ｂのサイズを予め記憶している。すなわち、制御部６０は、振動体４２に印加する駆動電圧に基づいて指部３２の変位量を検知することが可能であり、制御部６０が、ロボットハンド機構３１における変位量検出部を構成する。

以上のように指部３２を変位させ、対象物Ｏが持ち上がったかどうかの判定（図３のステップＳ５）、最小把持力Ｆｘｍｉｎの取得（ステップＳ６）、及び対象物Ｏの硬さの判定（ステップＳ７）が終了し、把持動作終了（ステップＳ８）となると、制御部６０は、超音波モータ４１ａ及び４１ｂへの交流電圧の印加、すなわち給電を停止する。ここで、超音波モータ４１ａ及び４１ｂは、給電を停止されてもその時点における把持力を保持できるため、給電停止以降、最小把持力Ｆｘｍｉｎでの把持を継続する。ステップＳ７で対象物Ｏが硬いと判定された場合の把持動作終了（ステップＳ１３）においても同様である。

このように、指部３２を変位させるために超音波モータ４１ａ及び４１ｂを用いても実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、把持動作終了以降に超音波モータ４１ａ及び４１ｂに継続して給電し続ける必要がないため、サーボモータ等、対象物Ｏを把持している間、常に給電を必要とする他のアクチュエータを用いた場合と比較すると、電力消費量を低減することができる。

実施の形態１〜５において、ロボットハンド機構は対象物を上方に持ち上げてから移動させていたが、移動させる際に持ち上げることに限定するものではない。例えば、図１４に示すように、対象物Ｏを載置面Ｇ上に載置したまま、引っ張って移動させることも可能である。この場合、図１５に示すように、対象物Ｏが移動を開始するまでは対象物Ｏと載置面Ｇとの間に静摩擦が作用した状態であり、第二節２２が対象物Ｏに加える押圧力Ｆｘが増大するにつれて、第二節２２と対象物Ｏとの間に作用する摩擦力も増大する。押圧力Ｆｘが増大して対象物Ｏが把持され、図１４に示す矢印Ｃの方向への移動を開始すると、対象物Ｏと載置面Ｇとの間に作用する摩擦力Ｆｙが静摩擦から動摩擦に変化する。摩擦力Ｆｙが静摩擦から動摩擦に変化すると、図１５の時間ｔの時点に示すように、時間の経過に伴って増大していた摩擦力Ｆｙが急激に減少し、時間ｔの直前より小さい値になるとともに、以後、そのまま一定の値で推移する。このように、摩擦力Ｆｙが段差状に減少する時点を取得することによって、実施の形態１と同様にロボットハンド機構１を制御することが可能となる。

また、実施の形態１〜５において、力覚センサによって検知された力及びモーメントのうち、指部が対象物に加える押圧力と指部と対象物との間に生じる摩擦力とを用いたが、さらに、他の方向成分の力やモーメントを反映させることも可能である。例えば、対象物を把持して移動を開始した際に、対象物に働く慣性に起因して発生し、指部と対象物との間に作用する力を検知し、それに応じて、移動途中に把持力及び移動速度を補正する等の制御をおこなうことが可能である。

実施の形態１〜５で対象物が柔らかいと判定された場合の第一の設定において、第一の把持力及び第一の速度は対象物の硬さに関わらず一定であったが、これらが一定であることに限定するものではない。実施の形態２で第二の把持力及び第二の速度を硬さに応じて変化させたのと同様に、第一の把持力及び第一の速度を変化させることも可能である。また、例えば、第一の把持力及び第一の速度を増大させる勾配（第一の設定）が、第二の把持力及び第二の速度を増大させる勾配（第二の設定）より緩やかになるように設定し、対象物の硬さに応じて、第一の設定及び第二の設定の両方が変化するように構成することも可能である。

実施の形態１〜５において、ロボットハンド機構を、一対の指部を有する二指ロボットハンド機構として説明したが、指部の本数を限定するものではなく、三本以上の指部を有する多指ロボットハンド機構として構成することも可能である。

実施の形態１〜５において、対象物がロボットハンド機構に持ち上げられるための条件を、指部と対象物との間に作用する摩擦力Ｆｙ、対象物に作用する重力ｍｇとして、
Ｆｙ＝ｍｇ×１／２
として説明したが、所定値以上の加速度ａで対象物を持ち上げる場合、上式を、
Ｆｙ＝ｍ（ｇ＋ａ）×１／２
として、対象物を持ち上げる加速度ａを加味した制御を行なうことも可能である。

この発明の実施の形態１に係るロボットハンド機構の構成を示す概略図である。 実施の形態１に係るロボットハンド機構の構成を示す概略図である。 実施の形態１に係るロボットハンド機構の動作を説明するためのフローチャートである。 実施の形態１に係るロボットハンド機構の動作を説明するための概略図である。 実施の形態１に係るロボットハンド機構において検知される押圧力、摩擦力及び変位量の、時間軸に沿った推移を示す概略図である。 実施の形態１に係るロボットハンド機構における移動制御の切り替えを説明するための概略図である。 この発明の実施の形態２に係るロボットハンド機構における移動制御の切り替えを説明するための概略図である。 この発明の実施の形態３に係るロボットハンド機構における移動制御の切り替えを説明するための概略図である。 この発明の実施の形態４に係るロボットハンド機構の動作を説明するためのフローチャートである。 この発明の実施の形態５に係るロボットハンド機構の構成を示す概略図である。 実施の形態５に係るロボットハンド機構の超音波モータの構造を示す概略図である。 実施の形態５に係るロボットハンド機構の超音波モータの構造を示す概略図である。 実施の形態５に係るロボットハンド機構の超音波モータの構造を示す概略図である。 この発明の変形例を説明するための概略図である。 図１４の変形例におけるロボットハンド機構の動作を説明するための概略図である。

符号の説明

１，３１ ロボットハンド機構、２ａ，２ｂ，３２ 指部、５ 駆動装置、６，６０ 制御部、８ ポテンショメータ（変位量検知手段）、９ 力覚センサ、４１ａ，４１ｂ 超音波モータ、４２ 振動体、５１，５２，５３ 圧電素子部（圧電素子）、６０ 制御部（変位量検知部）、Ｆｘ 押圧力、Ｆｘｍｉｎ 最小把持力（第一の把持力）、Ｆｙ 摩擦力、Ｏ 対象物、Ｖｆ 高速移動用速度（第二の速度）、Ｖｓ 低速移動用速度（第一の速度）。

Claims (7)

1. 変位可能に設けられる複数の指部を備え、前記複数の指部を変位させて対象物を把持するとともに、把持した前記対象物を移動させるロボットハンド機構において、
   前記指部の変位量を検知する変位量検知部と、
   前記指部に設けられ、前記指部と前記対象物との間に作用する力のうち、少なくとも、前記指部が前記対象物に加える押圧力、及び前記指部と前記対象物との間に生じる摩擦力を検知する力覚センサと、
   前記対象物の把持及び移動を制御する制御部と
   をさらに備え、
   前記制御部は、
   前記力覚センサが検知した前記押圧力及び前記摩擦力に基づいて、前記対象物を把持するのに要する最小の把持力を取得するとともに、
   前記最小の把持力を取得する際に、前記変位量検知部が検知した前記指部の変位量に基づいて、前記対象物の硬さを判定し、
   前記対象物を、前記最小の把持力に基づく第一の把持力で把持するとともに第一の速度で移動させる第一の設定と、
   前記対象物を、前記第一の把持力より大きい第二の把持力で把持するとともに前記第一の速度より高速な第二の速度で移動させる第二の設定と
   を、前記対象物の前記硬さに基づいて切り替えることを特徴とするロボットハンド機構。
2. 前記第二の把持力及び前記第二の速度は、前記対象物の前記硬さに応じて変化する請求項１に記載のロボットハンド機構。
3. 前記対象物の前記硬さに関わらず、前記第一の設定で前記対象物を移動させる安静移動モード、
   前記対象物の前記硬さに基づいて、前記第一の設定と前記第二の設定とを切り替えて前記対象物を移動させ、前記第二の把持力及び前記第二の速度は、前記対象物の前記硬さに関わらず一定である二段階移動モード、及び
   前記対象物の前記硬さに基づいて、前記第一の設定と前記第二の設定とを切り替えて前記対象物を移動させ、前記第二の把持力及び前記第二の速度は、前記対象物の前記硬さに応じて変化する高速移動モード
   のいずれかを選択可能であって、
   前記制御部は、前記安静移動モード、前記二段階移動モード及び前記高速移動モードのうちの、選択されたいずれかに基づいて前記対象物の前記把持及び前記移動を制御する請求項１または２に記載のロボットハンド機構。
4. 前記制御部は、前記対象物の前記移動を開始した後に、前記対象物の前記硬さを判定する請求項１〜３のいずれか１項に記載のロボットハンド機構。
5. 前記指部は、圧電素子を振動体として用いる超音波モータによって駆動されて変位する請求項１〜４のいずれか１項に記載のロボットハンド機構。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のロボットハンド機構を備えたロボット。
7. 変位可能に設けられる複数の指部を備え、前記複数の指部を変位させて対象物を把持するとともに、把持した前記対象物を移動させるロボットハンド機構の制御方法において、
   前記指部が前記対象物に加える押圧力と、前記指部と前記対象物との間に生じる摩擦力とを検知し、
   検知した前記押圧力及び前記摩擦力に基づいて、前記対象物を把持するのに要する最小の把持力を取得し、
   前記最小の把持力を取得する際に、前記指部の変位量を検知し、
   検知した前記指部の前記変位量に基づいて、前記対象物の硬さを判定し、
   前記対象物を、前記最小の把持力に基づく第一の把持力で把持するとともに第一の速度で移動させる第一の設定と、
   前記対象物を、前記第一の把持力より大きい第二の把持力で把持するとともに前記第一の速度より高速な第二の速度で移動させる第二の設定と
   を、前記対象物の前記硬さに基づいて切り替えることを特徴とするロボットハンド機構の制御方法。

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