JP5267213B2

JP5267213B2 - 多指ハンドおよびロボット

Info

Publication number: JP5267213B2
Application number: JP2009048154A
Authority: JP
Inventors: 一成松崎; 巌佐々木
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2029-03-02
Also published as: JP2010201538A

Description

本発明は、物体を把持する多指ハンド及びロボットに関する。

一般にロボットハンドとして用いられる多指ハンドは、手掌部と、手掌部に設けられた複数の指部と、指部を屈曲自在とする関節機構と、関節機構を駆動する駆動部とを備え、制御装置により駆動部を制御することで指部を屈曲させて物体を把持するものである。
ここで、大きさや形状などが不定の多種の物体を把持可能とするために、手掌部や指部に複数の圧力センサを設け、圧力センサの検出結果から手掌部や指部が物体に接触したか否かを判断し、その判断に応じて駆動部を制御する多指ハンドが提案されている（特許文献１参照）。
ところが、多指ハンドで物体を把持する場合、物体の形状や表面の状態などによって把持された物体がすべり落ちてしまうことがある。上記圧力センサによって手掌部や指部と物体との接触状態を検出している多指ハンドでは、圧力センサでは手掌部や指部に対する物体のすべりを検出することが困難であった。この技術課題を解決するために、多指ハンドとして指部のうちの１本には、その先端側の部位にすべりセンサが設けてある。
従来例の多指ハンド搭載のすべりセンサとして、指部に対する把持対象物のすべり量に応じたパルス数の検出信号を出力するものがある。このすべりセンサは、検出信号のパルス数をカウントすることで把持対象物のすべり量を判断し、角度センサ並びにトルクセンサの各センサ出力を参照しながら、すべり量がゼロとなるように駆動部を制御して多指ハンドの把持力を調整するため、多指ハンドで把持された把持対象物がすべり落ちるのを防ぐことができる（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−２８７１８２号公報（第５−７頁、図１）特開２００５−１７７９７７号公報（第４−８頁、図３）

しかしながら、従来の多指ハンドでは物体の落下防止に用いられるイメージセンサ部は計測範囲が狭く、例えば、同様の原理を用いたオプティカルマウスセンサでは物体との基準位置２．４ｍｍに対して±０．１２ｍｍのギャップ管理が必要となる。
したがって、わずかな対象物との距離や角度の変動によって計測できなくなるといった問題がある。このようなセンサを用いて従来の多指ハンドのように指先で物体を把持する場合には、物体の大きさにより指先の角度が変わるためオプティカルマウスセンサでは正確な位置情報を得られず、把持力が調整できないといった問題が発生する。また、従来の多指ハンドでは把持力を検出するためのトルクセンサが指部の根元に配置されており、指の姿勢が変わるとトルクセンサの検出値も変動するため、正確な把持力を検出することができないという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、物体の形状に影響されることなく物体を傷付けることなく最適な力で把持できるようにした多指ハンドおよびロボットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、物体を把持する多指ハンドであって、手掌部と、前記手掌部に設けられた複数の指部と、前記指部を屈曲自在とする関節機構と、前記関節機構を駆動する駆動部と、前記指部に設けられた物体との接触力を検出する力検出手段と、前記指部に設けられた物体との相対位置を検出するためのすべり量検出手段と、前記すべり量検出手段の検出結果に応じて駆動部を制御する制御手段と、前記指部の先端部と物体との接触状態を調整するための指姿勢調整手段とを備え、前記力検出手段は、前記指部の前記先端部に設けた少なくとも２つの感圧素子からなり、前記すべり量検出手段は、前記物体に光を照射する光源と、前記物体の光が照射された部位の画像情報を取り込むイメージセンサと、前記イメージセンサで取り込んだ画像情報の差分に基づいて多指ハンドに対する物体の相対的な移動量を演算する演算手段とを具備し、前記指姿勢調整手段は、指先端部が回転３自由度について自由に姿勢を変えることができるジョイント機構と、姿勢を保持するためのロック機構とからなることを特徴とするものである。

物体との接触および物体の把持力を検出する感圧素子は、導電性ゴムシート、圧電セラミック、高分子圧電素子、静電容量センサ、歪ゲージのいずれかであることが好ましい（請求項２〜６）。
請求項７に記載の発明は、ロボットであってアームと、前記アームに取り付けられる請求項１〜６のいずれか１項に記載の多指ハンドとを有していることを特徴としている。

請求項１，７に記載の発明によると、２つ以上の感磁素子の信号と指姿勢調整手段を組み合わせることで指姿勢を物体側面と平行にすることができ、その結果、すべり検出手段と物体側面の位置および角度を一定に保つことができるため、安定かつ高精度に物体のすべり量を検出することができる。
請求項２〜６に記載の発明によると、感磁素子を導電性ゴムシート、圧電セラミック、高分子圧電素子、静電容量センサ、歪ゲージのいずれかにしているので、従来の力検出器と比較してコンパクトに構成することができる。

本発明の実施例を示す多指ハンドの側面図本発明の多指ハンドに搭載のすべりセンサの断面図本発明の多指ハンドの把持方法のフロー本発明の多指ハンドの把持方法のフロー（ステップ量調整）

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。

図１は、本発明の多指ハンドの側面図である。多指ハンド２０は、図１に示すように手掌部２１と、手掌部２１に設けられた複数の指部２２と指部２２を屈曲自在とする関節駆動部２５と、指部２２に内包された指姿勢調整手段２６と、指部２２のうちの１本の先端に設けられたセンサ部１０とを備える。
関節駆動部２５は例えば減速機およびセンサと組み合わされた回転モータであり、上位から指令を送ることでモータが回転し、その結果、指部２２が屈曲動作し、物体３を把持することができる。指姿勢調整手段２６は例えば回転３自由度について自在に可動できるボールジョイントとボールジョイントを保持するためのロック機構からなり、ロック機構はボールジョイントの側面を押圧するものであり、押し付け力を発生するための駆動源には圧電素子やソレノイドなどが用いられる。

次に図２を用いてセンサ部１０の構造を説明し、物体３の把持方法を説明する。センサ部１０は物体３に向けて光を照射する発光素子１１と、物体３の光が照射された部位の画像情報を取り込む２次元のイメージセンサ１２と、イメージセンサ１２に光を集光する集光レンズ１３と、発光素子１１、イメージセンサ１２およびレンズ１３を保持する保持部材１４とを具備する。また、物体３との接触する保持部材１４の表面には力検出手段１６が設けられている。
保持部材１４は、アクリル樹脂などの透光性を有する合成樹脂材料により、一面の中央に凹所１４ａを有する直方体状に形成され、凹所１４ａの底面にレンズ１３が埋設されるとともに、発光面を凹所１４ａに臨ませる形で発光ダイオードからなる発光素子１１が挿入されている。また、イメージセンサ１２は、後述するようにイメージセンサ１２で取り込んだ画像情報の差分に基づいて多指ハンド２０に対する物体３の相対的な移動量を演算する演算回路（図示せず）とともにプリント配線板１５に実装されており、凹所１４ａの底面に対向する外側面（図２における上面）に、イメージセンサ１２の受光面を凹所１４ａに臨ませるようにしてイメージセンサ１２と演算回路が実装されたプリント配線板１５が取り付けられている。また、力検出手段１６は感圧素子であり、保持部材１４の表面に複数個配置されている。

このような構造において、まず関節駆動部２５を動作させてセンサ部１０を物体３に接近させる。センサ面と物体３の把持面とが平行になっていない状態では保持部材１４の表面に配置した複数の感圧素子のうちの１つが物体３と接触する。このとき指姿勢調整手段２６はフリー状態としている。さらにセンサ部１０を物体３に接近させるとセンサ部１０の表面は物体３の表面に倣うように姿勢を変えるため、順次残りの感圧素子が物体３と接触することになる。すべての感圧素子が接触し、計測される力がほぼ等しいときにセンサ部１０と物体の把持面が平行となる。センサ部１０と物体の把持面を平行にすることでセンサ部１０に搭載しているイメージセンサ１２へ確実に画像情報を取り込むことができる。イメージセンサ１２によって把持した際の物体３のすべりの有無を検出し、すべりが発生しないように把持力を調整したのちに、物体３を所定の場所へ移動させる。

次に、図２を用いてすべりセンサ１０の検出原理を説明する。イメージセンサ１２はＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｉｏｄｅ）やＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などの撮像素子で、ピクセルと呼ばれる複数の画素が２次元方向に配列されている。発光ダイオードからなる発光素子１１により物体３が照射されると照射された部位の画像情報がレンズ１３を介してイメージセンサ１２に取り込まれる。画像データは周期的に演算装置（図示せず）に出力される。演算処理においては逐次２つの画像を比較して共通部分を見つけ出し、２つの画像が２次元方向にそれぞれどれくらいシフトしているかをイメージセンサの画素数として検出し、移動量に換算している。

本実施例では力検出手段に感圧素子を用いているので、感圧素子について具体的に記述する。感圧素子は、導電性ゴムシート、圧電セラミック、高分子圧電素子、静電容量センサ、歪ゲージのいずれかである。

導電性ゴムシートからなる感圧素子はシリコーンなどの絶縁性ポリマーに導電粒子を分散して作製された薄いシートを微小寸法に裁断したものである。
圧電セラミックからなる感圧素子は、例えばゾルゲル法と呼ばれる金属の有機または無機化合物の溶液をゲルとして固化し、ゲルを熱処理することで薄膜作製したものである。
高分子圧電素子からなる感圧素子は、パウダー状のＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）を溶融し、高圧力で冷却して作製された薄いシートを微小寸法に裁断したものである。
静電容量センサからなる感圧素子は、絶縁膜を介して平面電極を対向させて作製したものである。歪ゲージからなる感圧素子は、カンチレバー形状をした薄膜の小形歪ゲージをゴムシートに埋め込んだものである。以上より、記述された感圧素子はすべて薄膜やフィルムにより成形可能で、指先端部にコンパクトに配設することが可能である。また、感圧素子は前述した素子に限定されるものではない。圧力および力に対応した信号を出力する素子であれば本発明は適用可能である。

次に本発明の多指ハンドを用いた把持方法について図３により説明する。図３は把持方法のフローチャートである。まず関節駆動部の回転モータの回転速度を設定し速度制御により指駆動部を動作させてセンサ部１０を物体３に接近させると同時に力検出手段１６の信号を比較し、すべての感圧センサの信号が増加するとともにすべての感圧センサ信号の差が許容値以内であるかどうかを判断する。

許容値に入っていない場合はさらに指関節部を駆動させてセンサ部１０を物体３に近づける。許容値に収まった場合はモータ制御を位置制御に切り替え、ステップ量を設定したのち移動量を指令値としてモータへ送る。これにより指部は把持方向へ動く。把持方向への動作が完了したのち指部を上下方向に動作させ、同時にイメージセンサ１２より得られる画像情報を基にすべりの有無およびすべり量を検出する。すべりが発生した場合にはステップ量だけ把持位置を移動させ、すべりが発生しなくなるまでこの工程を繰り返す。すべりが発生しない場合は指駆動部を動作させて物体３を所定の位置まで移動させる。移動完了後、物体３をリリースしてすべての動作は完了する。

図４は、演算部にて検出されるすべり量を基にすべり速度を算出し、得られたすべり速度に応じてステップ量を調整する場合のフローである。すべりが発生したのちの一定時間後に演算部で得られたすべり速度Ａに比例した操作量Ａ’をステップ量に掛け合わせて新しいステップ量としている。

以上、本発明の多指ハンドと把持方法について説明したが、センサ１０にあるすべり検出部における光源に関しては発光ダイオードのほかに面発光レーザを使用してイメージセンサ１２で得られる干渉パターンのシフト量からすべり量を算出してもよい。また、いわゆるユニバーサルハンドと呼ばれる指数２本の場合の多指ハンドを例に図に基づいて述べたが、指数はこれに限定されるものではない。さらに、いわゆるメカニカルハンドと呼ばれるエンドエフェクタでも本発明は適用可能であり、単にグリッパと呼ばれるツールもこれに含まれる。

このように、指部先端に配設した力検出手段と指姿勢調整手段を組み合わせることで把持対象の物体の形状が変化してもすべり検出部を物体表面に倣うように接触させることができるので正確かつ安定してすべり量を検出することができる。また、接触の有無および把持力を検出する感圧素子に薄膜およびフィルム材からなる素子を用いているので、多指ハンドの指部を大きくすることなしにコンパクトに配置することができる。また、把持動作の工程に応じて制御方法を変えているので、高速かつ最適な把持力で物体を把持することができる。さらに、すべりセンサの信号を利用して関節駆動部の位置増分値を効率よく設定することができるので、作業時間を短縮することができる。

３物体
１０センサ部（すべりセンサ）
１１発光素子
１２イメージセンサ
１３レンズ
１４保持部材
１４ａ保持部凹部
１５プリント配線板
１６力検出手段
２０多指ハンド
２１手掌部
２２指部
２３関節機構
２４駆動部
２５関節駆動部
２６指姿勢調整手段

Claims

物体を把持する多指ハンドであって、
手掌部と、
前記手掌部に設けられた複数の指部と、
前記指部を屈曲自在とする関節機構と、
前記関節機構を駆動する駆動部と、
前記指部に設けられた物体との接触力を検出する力検出手段と、
前記指部に設けられた物体との相対位置を検出するためのすべり量検出手段と、
前記すべり量検出手段の検出結果に応じて駆動部を制御する制御手段と、
前記指部の先端部と物体との接触状態を調整するための指姿勢調整手段とを備え、
前記力検出手段は、前記指部の前記先端部に設けた少なくとも２つの感圧素子からなり、
前記すべり量検出手段は、
前記物体に光を照射する光源と、
前記物体の光が照射された部位の画像情報を取り込むイメージセンサと、
前記イメージセンサで取り込んだ画像情報の差分に基づいて多指ハンドに対する物体の相対的な移動量を演算する演算手段とを具備し、
前記指姿勢調整手段は、
指先端部が回転３自由度について自由に姿勢を変えることができるジョイント機構と、
姿勢を保持するためのロック機構とからなる
ことを特徴とする多指ハンド。
前記感圧素子は、導電性ゴムシートによって構成される
ことを特徴とする請求項１記載の多指ハンド。
前記感圧素子は、圧電セラミックによって構成される
ことを特徴とする請求項１記載の多指ハンド。
前記感圧素子は、高分子圧電素子によって構成される
ことを特徴とする請求項１記載の多指ハンド。
前記感圧素子は、静電容量センサによって構成される
ことを特徴とする請求項１記載の多指ハンド。
前記感圧素子は、歪ゲージによって構成される
ことを特徴とする請求項１記載の多指ハンド。
アームと、
前記アームに取り付けられる請求項１〜６のいずれか１項に記載の多指ハンドとを有している
ことを特徴とする、ロボット。