JP5105147B2 - ロボットおよび制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、小形ながら高負荷の荷重に対応可能で、かつ、多様なパターンの操り動作を高精度で実現可能なロボットに関する。

産業用ロボットには各種作業を行なわせるためのハンド装置が具備されており、そのハンド装置としては、グリッパ型が広く普及している。グリッパ型のハンド装置は、例えば、
一対の平板を１ 軸あるいは平行な２ 軸に揺動自在に支持して開閉動作させる構成が挙げられ、一般には、高い強度を有し、高負荷に対応可能であり、単純な構成と相まって信頼性の面では高い評価を得ている。しかしながらグリッパ型では、構成が単純であるが故に、多様な作業への適用性に劣るという欠点があった。これを解決したものとしてグリッパ型でありながら軸配置を工夫して多様な把持形態を実現可能にする構成したものがある（例えば特許文献１）。しかし、人差し指に相当する部分が大きいため、ネジ等の小形軽量部品の把持には適していない。また、ウォームギヤとピニオンギヤを用いた構成のため、負荷側からの力に応じてならうことが不可能であり、柔軟性に欠けるという問題点がある。

そこで、小型軽量部品を器用に操ることを目的とし、人間と同様に多指多関節構造を有するハンド装置が提案されている（例えば特許文献２）。これは、人間の指に相当する多指多関節構造において、指部リンクあるいは掌部に内蔵した小形モータから、ワイヤあるいはピニオンギヤ等の伝達機構を介して、指関節を駆動する構成である。しかし、伝達機構が複雑になるため、出力の効率が低下する上にメンテナンス性が悪いという問題がある。

これに対し、指関節にモータを直接配置した構成が提案されている（例えば特許文献３）。この構成によれば、モータ出力をダイレクトに関節トルクとして使用できる上に、機構が単純なのでモータ交換等のメンテナンスも容易である。以下図に基づいて説明する。図１５は、特許文献３に示す実施例の構成を示す側面図である。図において、１はハンド基部、２ａおよび２ｂはハンド基部上に配置された指部である。指部２ａは人間の親指に、指部２ｂは人間の人差し指に相当し、互いに略対向する。指部２ａは指駆動手段３ａ〜３ｄをリンク４ａ〜４ｄで連結した構成になっている。リンク４ｄの先端には指先端部５ａが取り付けられている。指部２ｂは指駆動手段３ｅ〜３ｈをリンク４ｅ〜４ｈで連結した構成になっている。リンク４ｈの先端には指先端部５ｂが取り付けられている。指駆動手段３ａ〜３ｈのうち、３ｃ、３ｄ、３ｆ、３ｇおよび３ｈは図のＸ軸方向に回転軸を有し、指の屈曲伸展方向の動作が可能である。一方で３ｂは図のＺ軸方向に回転軸を有し、指をＶ字に開閉する方向の動作が可能である。また３ａおよび３ｅは図のＹ軸方向に回転軸を有し、指を捻る方向の動作が可能である。明細書には記載されていないが、図から指駆動手段３ａ〜３ｈには全て同じ特性のモータを使用しているものと見られる。１０は指駆動手段を制御する指制御手段であり、図示しない配線により指駆動手段３ａ〜３ｈに接続されている。指制御手段１０は、図示しない上位装置からの指令に基づき、指駆動手段３ａ〜３ｈの位置・速度・トルクの少なくとも１つを制御する。なお、特許文献３では指の総本数は４本であり、人差し指に相当する指部２ｂと同様の構成を持つ指部２ｃおよび２ｄが図１５のＸ軸方向に略平行に並んで配置されているが、説明では簡略化のため省略している。

図１６は、本従来例におけるハンド装置が、小形の対象物１２を把持している状態の側面図である。指制御手段１０は、指先端部５ａおよび５ｂの間に対象物１２を挟み込むような姿勢に指駆動手段３ａ〜３ｈを制御する。これにより、対象物の位置に合わせて指先姿勢を微妙に調節するなど、ハンド装置が保有する関節自由度を最大限に生かした自由度の高い把持動作を実現できる。
特開２００５−８８１４７号公報（図１） 特開２００３−１１７８７３号公報（図１） 特開２００５−３３５０１０号公報（図５および図６）

従来の多指多関節構造を有するハンド装置を備えたロボットには、ロボットアームの可搬重量からハンド装置の小型化の要求があるとともに、人間同等の指先の動きを求めるために細やかな動作と重量物の把持が要求されていた。細やかな動きを実現するためには、ねじ等の小形のものを取り扱う指部の小形化が重視されていた。しかしながら、指部の小形化をしていくと指駆動手段も小形なものとなり、出力の小さなモータを使用せざるを得なくなり、このために小形軽量の対象物を扱う細かい作業できるが、一方で重量物を把持することは出力不足により困難であった。
また、対象物に接触する際の衝撃が直接指駆動手段に伝わるため、指駆動手段が破損しやすいという問題点もあった。
また、対象物への接触を検知するためには指先端部あるいはハンド基部にセンサを取り付ける必要があり、コスト削減や省配線化の観点から問題があった。
また、従来は携帯端末等によって角度・角速度・角加速度の時系列情報からなる軌道を入力して教示し、これを制御装置に転送することで再生させていた。しかしこの方式では教示者にとって直感的な把握が難しく、教示に熟練が必要という問題点があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、小型軽量物の細かい把持と重量物の安定な把持を共に実現可能で、指駆動手段に無理な負荷を加えることがなく、さらに特別なセンサを用いることなく対象物との接触が検知可能な、汎用性の高いロボットを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、基部と、前記基部上に対向させて配置される１つの第１指機構および少なくとも１つの第２指機構と、前記指機構を駆動するとともに指機構の屈曲伸展関節をなす指駆動手段と、前記指駆動手段を制御する制御手段とを備えるハンドを有するロボットであって、
第１指機構及び第２指機構は、
各指駆動手段及び指先端部が順次リンクで結合された態様をなし、
前記第１指機構は、
他の指駆動手段よりも大きい駆動力を有する第１指駆動手段を最も基端側に備えるとともに、そこから先端側に向かって、第２指駆動手段、第３指駆動手段の順番で指駆動手段を備え、
前記第２指機構は、
第２指駆動手段を最も基端側に備えるとともに、そこから先端側に向かって、第３指駆動手段、他の第３指駆動手段の順番で指駆動手段を備え、
各指駆動手段は、
前記第１指機構をＹ軸に沿って伸展させた際には、第１指駆動手段の回転軸はＸ軸方向、隣接する前記第２指駆動手段の回転軸はＺ軸方向、さらに隣接する前記第３指駆動手段の回転軸はＸ軸方向、を向くように方向付けて設けられており、前記第２指機構をＹ軸に沿って伸展させた際には、第２指駆動手段の回転軸はＺ軸方向、隣接する前記第３指駆動手段の回転軸はＸ軸方向、さらに隣接する前記他の第３指駆動手段の回転軸はＸ軸方向、を向くように方向付けて設けられており、
前記第３指駆動手段には、
当該第３指駆動手段が、伸展する方向に所定量以上変位しないように機械的に抑止する伸展抑止手段が設けられており、
前記制御手段は、
前記第３指駆動手段を、自らの駆動力よりも大きい外力に対しては他動的に変位させることで、前記外力の少なくとも一部を前記伸展抑止手段により支持させるように制御することを特徴とするロボットである。
請求項２に記載の発明は、前記伸展抑止手段は、前記指機構の外観カバーを兼ねるものである。
請求項３に記載の発明は、前記指先端部の外面に爪部を備えるものである。
請求項４に記載の発明は、前記第３指駆動手段を、自らの駆動力よりも大きい外力に対しては他動的に変位させることで、前記外力の少なくとも一部を前記伸展抑止手段により支持させるように制御しつつ、
操作対象物が小型軽量物の場合は前記伸展抑止手段同士を当接させないように前記第３指駆動手段を操作し、
操作対象物が大型重量物の場合は前記伸展抑止手段同士を当接させるよう前記第３指駆動手段を操作するロボットの制御方法である。
請求項５に記載の発明は、前記操作対象物が前記大形重量物の場合、対向する前記各指機構の少なくともひとつを、伸展運動方向が重力方向となるような姿勢で把持操作を行うものである。
請求項６に記載の発明は、前記制御手段は、前記各指駆動手段が発生する駆動力が所定
値に達したか否かをもって、対象物に接触したか否かを判断することものである。
請求項７に記載の発明は、前記制御手段は、前記各指駆動手段が発生する前記駆動力の上限を変更可能なものである。
請求項８に記載の発明は、前記制御手段は、前記各指駆動手段が発生する前記駆動力の上限を、対象物に接触する前には低く、接触した後には高く設定するものである。
請求項９に記載の発明は、前記制御手段は、前記各指駆動手段が発生する駆動力の上限を、前記各指駆動手段の動作軌道を直接教示する時には低く、前記動作軌道を再生する時には高く設定するものである。
請求項１０に記載の発明は、前記制御手段は、前記各指駆動手段の発生する前記各指駆動力が上限値を越えた場合か、あるいは前記各指駆動手段の目標角度と現在角度との偏差が所定値に達したか否かの少なくとも何れかの条件から前記操作対象物に接触したか否かを判断するものである。

本発明によると、重量物の負荷を伸展抑止手段で受けることができるため、駆動手段に無理な負荷を与えることなく安定な操作を実現できる。また、基部に駆動手段を制御する制御手段を備えたことで、配線数を減らすことができ、省配線化を実現できる。
また、大きい駆動力を有する駆動手段を基部カバーに収めることができるため、人間と同じような違和感の無いデザインが実現でき、人間と同じような動きができることから細かい作業にも対応できるようになり、作業性が高くなり、細かい作業と高可搬重量を両立可能な汎用性の高いロボットを提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、以降の実施例では発明を実施するための最良の形態として、ロボットのハンド装置に適用した例を示す。

図１は、本発明のハンド装置の構成を示す側面図である。図において、１はハンド基部、２ａおよび２ｂはハンド基部１上に配置された指部である。指部２ａは人間の親指に、指部２ｂは人間の人差し指に相当し、互いに略対向する。指部２ａは指駆動手段３ａ〜３ｃをリンク４ａ〜４ｃで連結した構成になっている。リンク４ｃの先端には指先端部５ａが、さらに指先端部５ａの外面には爪部６ａが取り付けられている。指部２ｂは指駆動手段３ｄ〜３ｆをリンク４ｄ〜４ｆで連結した構成になっている。リンク４ｆの先端には指先端部５ｂが、さらに指先端部５ｂの外面には爪部６ｂが取り付けられている。指駆動手段３ａ〜３ｆのうち、３ａ、３ｃ、３ｅおよび３ｆは図のＸ軸方向に回転軸を有し、指の屈曲伸展方向の動作が可能である。一方で３ｂおよび３ｄは図のＺ軸方向に回転軸を有し、指をＶ字に開閉する方向の動作が可能である。指駆動手段３ａ〜３ｆのうち、指駆動手段３ａのみが大きい駆動力を有する大形アクチュエータを用いており、その他の指駆動手段３ｂ〜３ｆは小さい駆動力を有する小形アクチュエータを用いている。また指駆動手段３ｂ〜３ｆには例えば１００分の１以下の比較的小さな速比の減速機を用いており、出力側から回動することができる。すなわち、自らの駆動力よりも大きな外力に対しては他動的に変位する。

リンク４ｂ〜４ｆには、指が伸展する側に指伸展抑止手段７ａ〜７ｅが取り付けられている。指伸展抑止手段７ａ〜７ｅは指部の外観カバーを兼用しており、隣の指伸展抑止手段と当接することにより、指駆動手段の伸展方向の回転を抑止する。例えば指伸展抑止手段７ｃと７ｄが接することにより、指駆動手段３ｅの伸展方向の回転が妨げられる。すなわち、指伸展抑止手段７ｃと７ｄが接した位置からさらに指部２ｂを伸展させようとする外力が働いても、指伸展抑止手段７ｃと７ｄが外力を受けるため、指駆動手段３ｅは回転しない。リンク４ｂ〜４ｆには、さらに指が屈曲する側に指屈曲抑止手段８ａ〜８ｅが取り付けられている。指屈曲抑止手段８ａ〜８ｅは指部の外観カバーを兼用しており、隣の指屈曲抑止手段と当接することにより、指駆動手段の屈曲方向の回転を抑止する。また、指屈曲抑止手段８ａ〜８ｅの外面には軟部材９ａ〜９ｅが取り付けられている。軟部材９ａ〜９ｅは滑り止めと衝撃吸収の役割を果たす。１０は指駆動手段を制御する指制御手段であり、図示しない配線により指駆動手段３ａ〜３ｆに接続されている。１１はハンド基部１、指駆動手段３ａおよび指制御手段１０を覆う掌部カバーである。指制御手段１０は、図示しない上位装置からの指令に基づき、指駆動手段３ａ〜３ｆの位置・速度・トルクの少なくとも１つを制御する。上位装置は画像認識やＩＤタグ等の検出手段により、事前に対象物の外形寸法や重量などの情報を取得し、これを指制御手段１０に通知する。また、上位装置と指制御手段１０間では、ハンド装置の状態、たとえば、教示モードや運転モードの切換や、指制御手段からの異常発生に伴う処理命令等も通知される。
本発明が従来技術と異なる部分は、少なくとも１つの駆動手段が、他の指駆動手段よりも大きい駆動力を有し、他の駆動手段は、自らの駆動力よりも大きい外力に対して他動的に変位するとともに、伸展する方向の変位を所定位置において抑止する伸展抑止手段を備えた部分である。

図２は、本実施例におけるハンド装置が、ネジ等の小形軽量部品を把持している状態の側面図である。対象物１２が小形軽量物の場合には、指部２ａと指部２ｂが略対向する関係で把持動作を行う。指制御手段１０は、上位装置から得られた画像認識やＩＤタグ等の検出手段により、事前に対象物の外形寸法や重量などの情報から指駆動手段３ｂ〜３ｆの目標回転角度を指令し、小形軽量部品を把持する。この時、指制御手段１０は、指伸展抑止手段７ａ〜７ｅおよび指屈曲抑止手段８ａ〜８ｅがいずれも互いに接しないような角度範囲を保つように指駆動手段３ａ〜３ｆを制御する。これにより、対象物の位置に合わせて指先姿勢を微妙に調節するなど、ハンド装置が保有する関節自由度を最大限に生かした自由度の高い把持動作を実現できる。なお、指先端部５ａおよび５ｂの表面にゴム等の柔軟部材を用いることで、対象物１２を傷つけず、また滑ることなく安定してつまむことができる。さらに小さな対象物の場合には、爪部６ａおよび６ｂを用いたつまみ動作も可能である。

図３は、本実施例におけるハンド装置が、鋼板等の大形重量部品を把持している状態の側面図である。上位装置から得られた画像認識やＩＤタグ等の検出手段により、事前に対象物の外形寸法や重量などの情報から図示しないロボットアームにより手首を反転させ、指部２ａを上に、指部２ｂを下にする。指制御手段１０は、指伸展抑止手段７ａと７ｂが当接するように指駆動手段３ｃを、指伸展抑止手段７ｃと７ｄが当接するように指駆動手段３ｅを、また指伸展抑止手段７ｄと７ｅが当接するように指駆動手段３ｆを回転制御する。そのうえで指駆動手段３ａを制御し、指部２ａと２ｂの間に対象物１２を挟み込むように把持する。対象物１２の荷重は指伸展抑止手段７ａ〜７ｅおよび指駆動手段３ａが受けるため、指駆動手段３ｃ、３ｅおよび３ｆは把持のためのトルクを出力する必要が無い。なお、指駆動手段３ｂ、３ｄには回転方向以外に力・モーメントが加わることになるが、これもカバーに当接機構をもつことで回避できる。例えば掌部カバー１１と指駆動手段３ｄは互いに接しており、指部２ｂの伸展方向に加わる力とモーメントを掌部カバー１１が受けることで、指駆動手段３ｄに過大な負荷を与えないようになっている。また、上記実施の形態では指伸展抑止手段７ａ〜７ｅを互いに当接させてから把持動作を行うように制御しているが、指伸展抑止手段７ａ〜７ｅが互いに当接させる準備動作を行なわず、直接把持させても同様の効果が得られる。すなわち、指駆動手段３ａにより対象物１２を挟み込む動作を行なっていく過程で、指駆動手段３ｃ、３ｅおよび３ｆには伸展方向に出力軸側から外力が加わる。この外力が指駆動手段の駆動力を超えると、指駆動手段は外力の方向に他動的に変位するので、結局は指伸展抑止手段７ａ〜７ｅが互いに当接する位置まで動作することになる。
尚、ここでは平板鋼板を例に重量物の把持について説明したが、球状や円筒状の物体であっても各々の指部の隣合った指伸展抑止手段が互いに当接した関係が保たれるように把持することで確実に重量物を把持することが可能である。

上記構成により、重量物の負荷を指伸展抑止手段で受けることができるため、指駆動手段に無理な負荷を与えることなく安定な把持を実現できる。また、指伸展抑止手段と外観カバーを兼ねることで、部品点数を抑えることができ、コストを低減できる。また、大きな駆動力の指駆動手段３ａを親指根元に配置することで、掌部カバー１１に収めることができるため、人間の掌部と同じような違和感の無いデザインが実現できる。また小形軽量物と大形重量物とで把持方法を切り替えることにより、細かい作業と高可搬重量を両立可能な汎用性の高いハンド装置を提供できる。

図４は、本実施例におけるハンド装置が、机等の固定物１３の上に置かれた紙等の対象物１２を図のＹ軸正方向に引き寄せている状態の側面図である。また、図５はこの時の指制御手段１０の制御フロー、図６は引き寄せ動作の推移を示す図である。まず、指駆動手段３ｂを略９０°回転させることで、指部２ａを固定物１３と干渉しないように図のＸ軸方向に退避させる（ステップＳ１）。指制御手段１０は、指伸展抑止手段７ｃ〜７ｅおよび指屈曲抑止手段８ｃ〜８ｅがいずれも互いに接しないような姿勢に指駆動手段を移動させる（ステップＳ２）。この状態で、ハンド基部１に接続されている図示しないロボットアームを、図のＺ軸負方向に運動させる（ステップＳ３、図６ａ）。指先端部５ｂが対象物１２に接触する（図６ｂ）と、対象物１２からの外力がリンクを介して指駆動手段３ｅおよび３ｆに伝わる。指駆動手段３ｅおよび３ｆが外力に抗して指令位置を保持しようとすると、発生する駆動力が大きくなる。指制御手段１０は、指駆動手段３ｅおよび３ｆの駆動力があらかじめ定められた所定値Ｔ１を超えたか否かを監視し（ステップＳ４）、超えた場合には対象物１２に接触したと判断する（ステップＳ５）。超えない場合にはアームがＺ軸限界に達していないか調べ（ステップＳ６）、達していなければ引き続きステップＳ４に戻って駆動力の監視を続ける。もし接触しないままアームがＺ軸限界に達した場合には、エラーと判断して上位制御装置に通知する（ステップＳ７）。以上により、指先端部５ｂに接触センサなどの検出器を何ら追加することなく、対象物との接触を検出することができる。
ここで、駆動力の検出にはモータへのトルク指令、電流指令または電流フィードバックの値のいずれか、複数の組合せにより求めることができる。

指制御手段１０が対象物１２との接触を検知すると（ステップＳ５）、図示しないロボットアームのＺ軸負方向の動作を停止させ、続いてＹ軸正方向に並進させる（ステップＳ８、図６ｃ）。指先端部５ｂは指駆動手段３ｅおよび３ｆの駆動力によって対象物１２に押し付けられているため、ロボットアームの動作に従って対象物１２も引き寄せられる。指制御手段１０は、指駆動手段３ｅおよび３ｆの駆動力があらかじめ定められた所定値Ｔ１を下回るか否かを監視し（ステップＳ９）、下回った場合には対象物１２および固定物１３から離間した（図６ｄ）と判断する（ステップＳ１０）。下回らない場合にはアームがＹ軸限界に達していないか調べ（ステップＳ１１）、達していなければ引き続きステップＳ９に戻って駆動力の監視を続ける。もし離間しないままアームがＹ軸限界に達した場合には、エラーと判断して上位制御装置に通知する（ステップＳ１２）。
指制御手段１０が対象物１２との離間を検知すると（ステップＳ５）、図示しないロボットアームのＹ軸正方向の動作を停止させ（ステップＳ１３）、続いて指駆動手段３ｂを略−９０°回転させることで、指部２ａを把持準備姿勢に移動させる（ステップＳ１４、図６ｅ）。引き続き指駆動手段３ａにより対象物１２を把持する（ステップＳ１５、図６ｆ）。

駆動力Ｔ１を超えて接触を検知した状態から、さらに外力が加わって指駆動手段の駆動力上限Ｔ２を超えた場合には、既に述べたように指駆動手段は外力に従って他動的に変位する。これによってハンド装置が外環境に加える力を制限することができる。ここで、上位装置から得られた画像認識やＩＤタグ等の検出手段により、事前に対象物の外形寸法や重量などの情報から、指制御手段１０により前記駆動力上限Ｔ２は設定可能であるので、力の強弱すなわち指部の柔らかさを任意に調整することができる。例えば、対象物に接触する前に駆動力の上限を低く（柔らかく）設定することにより、接触時に受ける外力を逃がすことができるので、指駆動手段の破損を防ぎ、耐久性を向上できる。一方で対象物に接触した後には駆動力の上限を高く（硬く）設定することにより、把持に必要なトルクを出力し、安定かつ確実な把持を実現できる。
これまで述べたようなハンド装置の指駆動手段の動作を教示するために、上位装置から指制御手段へ教示モードである通知を受け、指制御手段は、動作軌道を教示する時には駆動力の上限を低く設定する。これにより教示時にはリンクの一部を教示者がつかんで動かしたい方向に力を加えることで、直接リンクを動かしてその間の角度・角速度・角加速度を時系列情報として記憶する、いわゆる直接教示が可能となり、より直感的な教示操作が可能になる。また、再生時には、上位装置から指制御手段へ運転モードである通知を受け、指制御手段は、駆動力の上限を高く設定し、記憶した角度・角速度・角加速度の時系列情報を指令値として出力することにより、教示した軌道を精度良く再生することができる。
対象物との接触を検出する方法としては、駆動力が上限値を超えるという判定方法の他に、前記駆動手段の目標角度と現在角度との偏差が所定値に達したか否かをもって、判定する方法も考えられ、指制御手段が駆動力と偏差の両方の条件、または何れか一方の駆動力が上限値を越えた場合か、あるいは偏差が所定値に達したか否かから対象物との接触を検出することができる。本手法によれば、駆動手段に備えられた位置検出器をもって正確に接触の有無を判断することができる。
さらに、駆動手段に絶対位置検出器（アブソリュートエンコーダ）を搭載していない場合には、駆動手段の絶対位置を同定する、いわゆる原点出し動作が必要となる。初期設定時の駆動手段を伸展方向に駆動させ、伸展抑止手段に当接して駆動手段が発生する駆動力が所定値に達するまで動作させることで、前記駆動手段の初期角度を同定することができる。また屈曲方向に駆動しても同様の効果が得られる。

尚、図１に示す指駆動手段３ｂ〜３ｆの配置構成はあくまで一例であり、これ以外にも例えば指駆動手段３ｄがＹ軸を回転中心とする構成や、屈曲伸展方向の指駆動手段が１軸多い構成など、図１以外の軸配置構成の場合であっても本発明の効果が同様に得られることは明らかである。また上記実施例では簡略化のため指部２ａおよび２ｂのみの構成としているが、物体を安定的に把持するためには３本以上の指部を有することが望ましい。例えば、人差し指に相当する指部２ｂと同様の構成を持つ指部２ｃが、図１のＸ軸方向に略平行に並んで配置される構成が考えられる。この場合であっても、本実施例で説明した効果が同様に得られることは明らかである。またそれ以外の指部の構成であっても、同様の効果が期待できる。
また、ハンド装置に留まらず、ロボットアーム装置を一例とするその他のリンク機構においても、本発明は同様に展開可能である。

図７は、本発明の多指ロボットハンド装置の一例を示す構成図である。図７において、１０００は本発明による多指ロボットハンド装置の多指ハンド部であり、３つの関節を有する指１１００、１２００を有している。なお、図７では簡単のため指２本、指の関節数３の場合を示しているが、指の本数や関節数は特にこれに限定するものではない。
本発明が実施例１と異なる点は、各関節に備えた指駆動手段にプーリを備え、基部に備えた大形アクチュエータにより各関節に備えた指駆動手段のプーリを駆動することで、精密な動作から重量物の操作まで行えるようにしたことである。
図において、１１０１、１１０２、１１０３は指１１００の関節部に配置され関節を精密に駆動する指駆動手段である。このため、高精度なエンコーダを備えた小形モータなどから構成される。各指駆動手段はリンク１１１２、１１１３により次の指駆動手段に接続されている。例えば、指駆動手段１１０１と指駆動手段１１０２ならば、指駆動手段１１０１本体とリンク１１１２が接続され、リンク１１１２と指駆動手段１１０２の回転軸が接続されている。リンク１１１１は指駆動手段１１０１を、多指ハンド部１を図示しないロボットアームに取り付けるための基部１１２０に固定するものであり、リンク１１１４は指駆動手段１１０３の回転軸と指先１１１０を接続するものである。１１００ａ、１１００ｂは後述する外部動力部２００からの動力を各関節に伝達する動力伝達手段であり、本実施例ではフレキシブルチューブ１１０６、１１０７とワイヤー１１０４、１１０５からなっている。ワイヤー１１０６、１１０７の端部は、指駆動手段の回転軸に取り付けられたプーリ１１０８、１１０９に、ワイヤー１１０３、１１０４を引くことによりそれぞれの関節が動作するように取り付けられている。また、フレキシブルチューブ１１０６、１１０７の端部はチューブ止め１１１５、１１１６に固定されている。ワイヤー１１０３、１１０４はフレキシブルチューブ１１０６，１１０７を内通してプーリ１１０８、１１０９に接続されており、ワイヤー１１０３，１１０４は、フレキシブルチューブ１１０６，１１０７を通ることで緩みが生じることなく、一定の張力を保持したまま、配線されている。
以上は指１１００について説明したが、指１２００についても同様の構成である。
図７において、２００は外部動力部である。外部動力部２００は、指１１００、１２００の各関節に対応するモータ２０１〜２０４を有し、各モータの軸にはプーリ２５〜２８が取り付けられている。ここで、外部動力部２００に用いられるモータ２０１〜２０４は、精密な動作に用いられるものではないので、高精度なエンコーダは必要とされず、高出力であることが望まれる。プーリ２０５、２０６には、動力伝達手段１１ａ、１１ｂのワイヤー１１０４、１１０５が巻きつけられ固定されている。プーリ２０７、２０８も同様に指１２の関節に対応する動力伝達手段のワイヤーが固定されている。２１０〜２１２は基部２１３に固定されたチューブ止めであり、フレキシブルチューブの端部が固定されている。
以上の構成で外部動力部２のモータ２０１〜２０４をワイヤーを引く方向に回転させると、各指の対応する関節が曲がる。
なお、本実施例において、指駆動手段１１０１は指１１００を曲げる関節ではないため外部動力源との接続を行っていないが、必要であるならば動力源と動力伝達手段を設けて接続しても良い。
本実施例においては、動力伝達手段をフレキシブルチューブとワイヤーで構成したが、外部動力源から各関節まで動力を伝達できるのならばこの限りではなく、他の機構等による動力伝達手段を用いても良い。
本実施例においては、外部動力部２の動力源としてモータを用いたが、モータ以外の圧力を用いるような動力源を用いても良く、また、基部２１３に全ての動力源を配置せず分散配置しても良い。
図８は本実施例の多指ロボットハンド装置を駆動するための電気的構成を示す図である。図８において、３０１は予め定められたプログラムに従って、指駆動手段１１０１、１１０２、１１０３を駆動する指制御手段３０２、３０３、３０４に動作指令を出力し、また、３０１は、外部動力源２００のモータ２０１〜２０４を駆動させる指制御手段３１１〜３１４指令する上位装置である。指制御手段３０２、３０３、３０４は、上位装置３０１からの指令に従って指駆動手段１１０１、１１０２、１１０３を駆動するものであり、指駆動手段１１０１、１１０２、１１０３に組み込まれたエンコーダからの情報を用いて、回転や位置の制御を行うものである。
図９は本実施例における多指ロボットハンド装置の動作方向を示す図である。指１１００および１２００の付け根の指駆動手段（指１１００における１１０１）は、図３に示すように指全体を回転させるものである。その他の指駆動手段（指１１００における１１０２、１１０３）は指を曲げるものである。本実施例の多指ロボットハンド装置を用いての物体の把持は、図３に示すように、指１１００と指１２００を近づく方向に曲げることで行う。

次に、多指ロボットハンド装置の動作について述べる。
上位装置３０１は、実施例１同様に、画像認識やＩＤタグ等の検出手段により、事前に対象物の外形寸法や重量などの情報を取得し、これを指制御手段に通知する。これにより、作業する把持方法が選択される。
精密で複雑な作業を行う場合は各関節を指駆動手段１１０１、１１０２、１１０３のみで動作させる。この時、外部動力源２のモータ２０１〜２０４には、上位装置３０１からの指令されず、駆動力が発生しない。このため、指駆動手段１１０１、１１０２、１１０３…が自由に動作できるようにしておく。これにより、指駆動手段１１０１、１１０２、１１０３…は、外部動力源２のモータ２０１〜２０４に動作を阻害されずに、上位装置３０１からの指令に従って動作できるため、多指ロボットハンド装置は精密で複雑な作業を行うことができる。また、別な方法として上位装置３０１が指制御装置３０２、３０３、３０４へ指令を送り、指駆動手段１１０１、１１０２、１１０３を動作させた際に、上位装置３０１が指制御装置３０２、３０３、３０４から各指駆動手段の軸位置を取得し、取得した位置に倣うようにモータ２０１〜２０４を回転させるようドライバ３１１〜３１４へ指令を送ることで指駆動手段１１０１、１１０２、１１０３の動作を阻害しないようにすることもできる。
次に、多指ロボットハンド装置で強い力が必要な場合について、重量のあるワークを多指ロボットハンド装置で把持し搬送する場合を例として動作を述べる。
まず、精密な作業を行う場合と同様に、外部動力源２の各モータ２０１〜２０４に動力を発生させない状態で、指駆動手段１１０１、１１０２、１１０３を用いてワークを把持する。この状態でワークを搬送した場合、ワーク重量を支える関節の曲げ位置を指駆動手段では保持できずワーク落下等が発生する。そこで、指駆動手段１１０１、１１０２、１１０３でのワークの把持を完了した後、上位装置３０１はドライバ３１１〜３１４へ指令を送り、発生した動力が動力伝達手段１１００ａ、１１００ｂで伝達されワークを把持する方向へ各関節を動作させるようにモータ２０１〜２０４を動作させる。以上のようにしてモータ２０１〜２０４の動力が多指ロボットハンド装置の把持力となるため、ワーク落下等を発生させずに重量のあるワークを搬送することができる。
モータ２０１〜２０４で動力を発生させると指駆動手段１１０１、１１０２、１１０３により発生する把持力よりも強い把持力が発生するため、各関節が動くことが考えられる。この場合、指制御装置３０２、３０３、３０４は関節をもとの位置に戻すように指駆動手段１１０１、１１０２、１１０３を動かそうとするが、これはモータ２０１〜２０４で発生した動力と競合する方向であるので把持力の低下やアクチュエータの破損を引き起こす可能性がある。そのため、上位装置３０１は、指制御装置３１１〜３１４にモータ２０１〜２０４で動力を発生するよう指令した後、指制御装置３０２、３０３、３０４に対してサーボをＯＦＦするよう指令し、モータ２０１〜２０４の動力でのみでワークを把持するように切り替えを行う。または、上位装置３０１は、モータ２０１〜２０４により関節がどれだけ動いたかを指制御装置３０２、３０３、３０４を通して知ることが可能である。そこで、関節の動作に倣うように指令を送ることでアクチュエータと外部動力部２の双方で発生する力を把持力として利用することも可能である。
搬送を完了した後、上位装置３０１は指制御装置３１１〜３１４に対して、ワークを解放する方向に関節を動作させるように指令しワークを解放する。ワークを解放した後、上位装置３０１は指制御装置３０２、３０３，３０４に対してサーボをＯＮするように指令する。
以上のように、外部動力部２による動力を使用するようにすることで、一つの多指ロボットハンド装置を用いて、精密で複雑な作業と強い力が必要な作業の双方を行うことができるようになる。

図１０は本発明の第３の実施例の外部動力部２００の構成を示す図である。２０１〜２０３は第１の実施例と同様である。２１４〜２１７は動力切断手段であり、上位装置３０１からの指令によりモータ２０１〜２０４とプーリ２０５〜２０８間の動力伝達の接続、切断を行うものである。動力切断手段２１４〜２１７は、例えば、電磁クラッチや電磁ブレーキで構成されている。つまり、対面構造を有し、一方が強磁性材または軟磁性材からなり、対向する面に電磁石を配置した構成である。電磁石への通電の有無による吸引力でクラッチ機構やブレーキ機構といった構成が得られるものである。
以上の構成の外部動力部２００を用いた場合、アクチュエータ１１０１、１１０２，１１０３…を用いて精密で複雑な作業を行う際に、動力切断手段２１４〜２１７を用いて動力源であるモータ２０１〜２０４を切り離すことにより、モータ２０１〜２０４が指駆動手段１１０１、１１０２、１１０３の負荷とならなくなるため、動作速度や精度を向上することができる。
また、本実施例では動力切断手段を外部動力部２に配置したが、多指ハンド部１のプーリ１１０８、１１０９と指駆動手段１１０２、１１０３の軸間に配置して動力源を切り離せるようにしても良い。

図１１は、本発明のハンド装置が、複数の指を一体化する一体化機構を有する場合の側面図および矢視図である。図において、２１はハンド基部、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３３はハンド基部上に配置された指部である。指部３３は人間の親指に、指部３０ａ、３０ｂ、３０ｃはそれ以外の指に相当し、互いに略対向する。指部３０ａ、３０ｂ、３０ｃは指駆動手段２３ａをリンク２２で連結した構成になっている。指部３０ａと３０ｃの基部には、ボールねじ駆動やボイスコイルモータなどからなる直動機構２４ａ、２４ｃを備えており、図示しない駆動手段により図の矢印の方向に指部３０ａおよび３０ｃを移動可能な構成となっている。２５は指部３０ｂの各リンクに備えられた突部、２６は指部３０ａおよび３０ｃの各リンクに備えられた凹部である。また、２７は押付け力により伸縮可能な弾性部材である。

直動機構２４ａ、２４ｃにより指部３０ａ、３０ｃを指部３０ｂに寄り付く方向に移動し、凸部２５を凹部２６に勘合させることにより３本の指部３０ａ、３０ｂ、３０ｃが略一体化される。一体化時の指部の動作方法としては、次の２つの方法がある。第１には３本の指部をすべて駆動し、協調制御により同期動作させるものである。つまり、指部に配置された図示しない角度検出器からの信号をもとに、各指部の角度および把持力を制御するように図示しない制御装置で演算し、アクチュエータへの駆動電流または電圧を供給する。また、第２の方法としては１本の指部のみ駆動させ、他の指部はその指部の動きに従動させる方法である。たとえば、指部３０ｂのアクチュエータにより動作させて把持することができる。さらに言うと、各指部の駆動手段の駆動容量は必ずしも同じである必要はなく、駆動容量の異なる駆動手段を混在させ、把持する対象物によって使用する駆動手段を使い分けてもよい。

図１２は、本発明のハンド装置が、突起のある対象物３１を持ち上げようとしている状態を示す図である。図のように、対象物３１の突起部が１本の指部３０ｂのみに当たっている。各指部が単独で存在する場合、指部３０ｂに対象物３１の荷重がすべてかかり、指部３０ｂのみで対象物３１の全荷重を支えなければならなかった。しかし、本発明のハンド装置のように、３０ａ、３０ｂ、３０ｃが一体化機構により一体化されていれば、３０ｂにかかる荷重は、３０ａ、３０ｃにも分散され、一本の指部にかかる荷重は軽減される。このように、複数の指部を一体化することにより、１本の指部にかかる荷重が他の指部に分散され、指部を駆動する駆動手段の過負荷エラーや指部の破損を防ぐことができ、より安定した把持動作を行なうことができる。図１３は、本発明のハンド装置が、対象物３１の端部を指部３０ｃのみで持ち上げようとしている状態を示す図である。図１３においても、指部３０ｃにかかる荷重は、３０ａ、３０ｂに分散され、図１２の場合と同様の効果を得ることができる。

図１４は、本発明のハンド装置が、指部の長手方向と垂直な方向に対象物３１を持ち上げようとしている状態を示す図である。図のように指部３０ａ、３０ｂ、３０ｃが一体化されていれば、対象物３１を図の方向に持ち上げる場合、各指部が単独に配置されている場合よりも剛性が高くなり、より重い対象物を安定して把持することができる。特に、図中の回転駆動手段２３ｂのように、荷重方向と同方向に回動可能な駆動軸を持つ指部を一体化する場合、特に有効である。

本発明の第１実施例を示すハンド装置の側面図 本発明のハンド装置が小形軽量部品を把持している状態の側面図 本発明のハンド装置が大形重量部品を把持している状態の側面図 本発明のハンド装置が対象物を引き寄せている状態の側面図 本発明のハンド装置における指制御装置の制御フロー 本発明のハンド装置が対象物を引き寄せる動作の推移を示す側面図 本発明の第２実施例を示す多指ロボットハンド装置の構成図 本発明の第２実施例を示す多指ロボットハンド装置の電気的構成を示す図 本発明の第２実施例を示す多指ロボットハンド装置の動作方向を示す図 本発明の第３実施例の外部動力部の構成を示す図 本発明のハンド装置が一体化機構を有する場合の側面図および矢視図 本発明のハンド装置の作業状態を示す断面図 本発明のハンド装置の作業状態を示す断面図 本発明のハンド装置の作業状態を示す側面図 従来例を示すハンド装置の側面図 従来例のハンド装置が小形軽量部品を把持している状態の側面図

符号の説明

１ ハンド基部
２ 指部
３ 指駆動手段
４ リンク
５ 指先端部
６ 爪部
７ 指伸展抑止手段
８ 指屈曲抑止手段
９ 軟部材
１０ 指制御手段
１１ 掌部カバー
１２ 対象物
１３ 固定物

Claims (10)

1. 基部と、前記基部上に対向させて配置される１つの第１指機構および少なくとも１つの第２指機構と、前記指機構を駆動するとともに指機構の屈曲伸展関節をなす指駆動手段と、前記指駆動手段を制御する制御手段とを備えるハンドを有するロボットであって、
   第１指機構及び第２指機構は、
   各指駆動手段及び指先端部が順次リンクで結合された態様をなし、
   前記第１指機構は、
   他の指駆動手段よりも大きい駆動力を有する第１指駆動手段を最も基端側に備えるとともに、そこから先端側に向かって、第２指駆動手段、第３指駆動手段の順番で指駆動手段を備え、
   前記第２指機構は、
   第２指駆動手段を最も基端側に備えるとともに、そこから先端側に向かって、第３指駆動手段、他の第３指駆動手段の順番で指駆動手段を備え、
   各指駆動手段は、
   前記第１指機構をＹ軸に沿って伸展させた際には、第１指駆動手段の回転軸はＸ軸方向、隣接する前記第２指駆動手段の回転軸はＺ軸方向、さらに隣接する前記第３指駆動手段の回転軸はＸ軸方向、を向くように方向付けて設けられており、前記第２指機構をＹ軸に沿って伸展させた際には、第２指駆動手段の回転軸はＺ軸方向、隣接する前記第３指駆動手段の回転軸はＸ軸方向、さらに隣接する前記他の第３指駆動手段の回転軸はＸ軸方向、を向くように方向付けて設けられており、
   前記第３指駆動手段には、
   当該第３指駆動手段が、伸展する方向に所定量以上変位しないように機械的に抑止する伸展抑止手段が設けられており、
   前記制御手段は、
   前記第３指駆動手段を、自らの駆動力よりも大きい外力に対しては他動的に変位させることで、前記外力の少なくとも一部を前記伸展抑止手段により支持させるように制御することを特徴とするロボット。
2. 前記伸展抑止手段は、前記指機構の外観カバーを兼ねることを特徴とする請求項１に記載のロボット。
3. 前記指先端部の外面に爪部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のロボット。
4. 請求項１に記載のロボットを制御する方法であって、
   前記制御手段は、
   前記第３指駆動手段を、自らの駆動力よりも大きい外力に対しては他動的に変位させることで、前記外力の少なくとも一部を前記伸展抑止手段により支持させるように制御しつつ、
   操作対象物が小型軽量物の場合は前記伸展抑止手段同士を当接させないように前記第３指駆動手段を操作し、
   操作対象物が大型重量物の場合は前記伸展抑止手段同士を当接させるよう前記第３指駆動手段を操作するロボットの制御方法。
5. 前記操作対象物が前記大形重量物の場合、対向する前記各指機構の少なくともひとつを、伸展運動方向が重力方向となるような姿勢で把持操作を行うことを特徴とする請求項４に記載のロボットの制御方法。
6. 前記制御手段は、前記各指駆動手段が発生する駆動力が所定値に達したか否かをもって、対象物に接触したか否かを判断することを特徴とする請求項４または５に記載のロボットの制御方法。
7. 前記制御手段は、前記各指駆動手段が発生する前記駆動力の上限を変更可能であることを特徴とする請求項６に記載のロボットの制御方法。
8. 前記制御手段は、前記各指駆動手段が発生する前記駆動力の上限を、対象物に接触する前には低く、接触した後には高く設定することを特徴とする請求項６に記載のロボットの制御方法。
9. 前記制御手段は、前記各指駆動手段が発生する駆動力の上限を、前記各指駆動手段の動作軌道を直接教示する時には低く、前記動作軌道を再生する時には高く設定することを特徴とする請求項６に記載のロボットの制御方法。
10. 前記制御手段は、前記各指駆動手段の発生する前記各指駆動力が上限値を越えた場合か、あるいは前記各指駆動手段の目標角度と現在角度との偏差が所定値に達したか否かの少なくとも何れかの条件から前記操作対象物に接触したか否かを判断することを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載のロボットの制御方法。
    

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