JP5588392B2

JP5588392B2 - マニプレータ装置

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Publication number: JP5588392B2
Application number: JP2011099781A
Authority: JP
Inventors: 真佐圓; 潔人伊藤; 善光柳川; 友美高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2031-04-27
Also published as: WO2012147595A1; US9144908B2; US20140148951A1; JP2012228764A

Description

本発明は、マニプレータ装置、特に生活空間向けのマニプレータ装置に関するものである。

マニプレータは主に生産現場で組立などに利用されてきたが、今後は病院など公共施設や家庭などの生活空間で人の活動を補助するものとしての利用にも期待がよせられている。生活空間での利用においては、硬さ、重さ、形状、大きさなどが異なる様々な物体の扱いを行う必要がある。

そのための手段としては、マニプレータの物体に接触する部分にセンサを配置し、このセンサからの情報を用いて制御を行うことが挙げられる。この用途のセンサとしては、物体とマニプレータとの間に発生する圧力を検知する圧力センサが代表的である。しかしながら、対象物が多岐にわたり硬度や重量が異なる場合、一定の圧力での操作は不都合があり、物体に応じてマニプレータが発生する力を変化させる必要がある。対象物体によらず一定の力で物体を操作すると、物体を破壊したり、物体を把持する際に滑り落ちたりということが発生する。これを解決する手段の一つは、マニプレータに対する物体の相対位置（滑り）を検知しそれを元に力を制御することである。

滑りを検知するセンシング方式は複数考えられる。生活空間での利用では、軽量物の操作も非常に重要となる。このような場合、センサにかかる力は微小であるため、センサの変形を必要としない光学式のセンサが有力な候補である。

光学式の滑りセンサを有効に働かせるためには、操作する物体に滑り検知ポイントを合わせる必要がある。特許文献１では、マニプレータの指に光学式の滑りセンサを実装し、指姿勢調整手段と少なくとも２つの感圧素子を設けることにより、その指の角度を滑りセンサにとって最適となるよう制御することが提案されている。

特開２０１０−２０１５３８号公報

生活空間での利用においては様々な大きさや形状の物体の操作をする必要があり、特許文献１に示される指先の角度の調整のみでは、操作物体がセンサの滑り検知ポイントに合わない場合が多々ある。例えば、円筒の物体や指に比べて小さな物体を操作する場合、指の一部の狭い部分のみが物体と接触し、滑りセンサがその接触部に配置されておらず滑りを検出できないという問題が発生する。

本発明は、物体を把持するマニプレータ装置において、様々な大きさや形状の物体をより適切な力で操作することを可能とすることを目的とする。

本願において開示される発明のうち代表的なものを挙げれば、下記の通りである。

本発明のマニプレータ装置は、アーム部とハンド部から成り、当該ハンド部は、対象物体を操作するための１つまたは複数の指部を有するマニプレータ装置であって、前記指部に、滑りセンサと、前記滑りセンサに近接する位置および前記滑りセンサから離れた位置に複数の接触センサを配置するとともに、前記滑りセンサから離れた位置に配置した接触センサが対象物体の接触を感知し前記滑りセンサに近接する位置に配置した接触センサが接触を感知しない場合に、前記滑りセンサの検知位置が前記対象物体の位置となるように、前記対象物体の接触を感知した接触センサと前記滑りセンサに近接する位置に配置した接触センサの距離だけ前記指部の位置を移動する制御を行う制御部を備えたものである。これにより、滑りセンサの滑り検知ポイントに操作物体が接触するように、マニプレータの指の位置を変更できる。

本発明のマニプレータ装置によれば、様々な大きさや形状の物体をより適切な力で操作することが可能になる。

本発明の実施例１のマニプレータシステムの構成図である。本発明の実施例１の指先端部の構成を示す図である。本発明の実施例１の位置調整の概要を示す図である。本発明の実施例１の指位置調整手順を示す図である。本発明の実施例１の物体持上げ手順を示す図である。本発明の実施例２の指先端部の構成を示す図である。本発明の実施例３の指先端部の構成を示す図である。本発明の実施例４の滑り検知のための構成を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

なお、本発明において、滑りセンサとは、センサと物体との相対位置の変化を検知する手段やデバイスを示すものであり、実施例１に示される光学式の滑りセンサ、実施例４に示される接触式のセンサ、圧電素子を利用したセンサなどがある。

図１は、実施例１のマニプレータの一形態を示す。本図においては説明の便宜上、左から右に向かう方向にX軸を、下から上に向かう方向にY軸を、紙面の裏から表向きにZ軸をとる。Z軸の負方向が重力方向である。本願における以降の図は、この図１に合わせるようにXYZ軸を記載する。

マニプレータは、アーム部１と、ハンド部２と、これらを接続する接続部から構成されている。アーム部１はポール部３ａ、３ｂから構成されており、ハンド部２は指部４、５から構成されており、アームとハンドの接続部はスライド型接合部８から構成されている。アーム部１およびハンド部２には回転を行う関節部６ａ、６ｂ、６ｃ、７ａ、７ｂ、７ｃが設けられている。ハンドの指先部５には、滑りセンサモジュール９と、接触センサモジュール１０が搭載される。接触センサとは、物体とマニプレータの接触を検知するセンサであり、タッチディスプレイセンサや、圧力センサがこれにあたる。スライド型接合部８には、ハンド部２およびスライド型接合部８の動作を統合制御するための制御部１１が設けられている。OBJは操作対象物である。

図２は、指先部５の構造を示したものである。（ａ）は指先部５の側面方向（図１の指先部５と同方向からの図）の断面図であり、（ｂ）は指と物体との接触面である腹面の図である。（ａ）は、（ｂ）の接線AA’における断面図である。指先部５のフレーム２１には、光学式滑りセンサモジュール９および接触センサモジュール１０が設けられている。符号２２はこれらのセンサ（９と１０）から得られた情報の処理および通信を行うLSIチップであり、符号２３はセンサとLSIチップ２２を接続する信号線であり、符号２４はLSIチップ２２を実装するボードであり、符号２５は複数の接触センサCSGをLSIチップ２２に接続するための中継回路である。フレーム２１には光学式滑りセンサモジュール９用の穴２７が設けられている。また、LSIチップ２２の役割は、指に搭載された複数のセンサからの情報に対してデジタル化およびノイズ除去などの信号処理を行い、処理後の情報をまとめ制御部１１に一組みの信号線を介して送信することである。センサの近傍の指部内でデジタル化および信号処理を行うことで、制御部までの配線でのノイズの影響を受けにくくする効果および制御部の処理量を減らす効果がある。

上記の光学式滑りセンサモジュール９は、発光素子２８と、発光素子が出力した光を穴２７から物体に照射するための光ガイド素子２９と、イメージセンサ３０と、穴２７から入射した光をイメージセンサ３０のセンサ部に集めるレンズ３１を備える。光学式滑りセンサモジュール９は、発光素子が出力した光を操作対象物体表面に向けて照射し、光が照射された物体表面の画像をイメージセンサで取得し、その画像の時間変化から滑りセンサモジュールに対する対象物体の相対位置の変化を算出するものである。本図において、滑りセンサモジュール９は、穴２７の部分に接触した物体の滑りを検知できる。この滑りを検知できるポイントは滑り検知ポイントSPTとなり、それ以外の部分では滑りを検知することができない。

図２の（ｂ）に示すように、本願のマニプレータの指の腹面には、接触センサモジュール１０が設けられており、接触センサモジュール１０には複数の接触センサCSGが分布配置されている。本実施例において、接触センサCSG（−0）とCSG（＋0）が滑りセンサの検知ポイントSPTに近接して配置され、それ以外の接触センサ（CSG（−3）、CSG（−2）、CSG（−1）、CSG（1）、CSG（2））は指の腹面を広く覆うように配置されている点が、配置の特徴である。

また、接触センサCSG（−0）とCSG（＋0）の配置を、それらを結ぶ直線上に滑りセンサの検知ポイントがくるようにする点も配置の特徴である。接触センサCSG（−0）とCSG（＋0）により滑り検知ポイントの両側で物体と指部が接触していることを判断できる。これにより、一部のみが物体に接触しているという状態を減らすことが可能となる。

本願では、これらの接触センサを用いて操作物体の位置を検知し、操作物体の位置と滑り検知ポイントSPTが一致するよう制御する。これらの接触センサを用いると、接触センサCSG（−0）とCSG（＋0）の両方が操作物体との接触を検知した場合には滑りセンサが有効に働くようにマニプレータ位置が制御されていると判断でき、接触センサCSG（−0）とCSG（＋0）の何れか一方あるいは両方が接触を検知しない場合にはマニプレータの位置調整が必要と判断する。また、図２においては、接触センサCSG（−0）とCSG（＋0）の距離をDSA、それ以外の隣り合う接触センサCSG間の距離は一定のDSBとしている。

図３に上記の接触センサCSGを用いた指位置調整制御の概要を示す。本図の指先部５の構造は図２で示す構造と同一である。（ａ）は指位置調整前であり、（ｂ）は本願で示す指位置調整後の状態を示している。

調整前の（ａ）においては、操作物体OBJと指先部５が接触しているポイントが滑りセンサ検知ポイントSPTからずれており、滑りを評価できない。本例は、接触センサの内CSG（−3）のみが接触を検知している場合である。制御部は、接触センサCSG（−0）とCSG（＋0）が接触を検知していないことから、マニプレータの位置が適切でないことを認識し、接触センサCSG（−3）が接触を検知していることからマニプレータの位置の調整量を算出する。このケースにおいては、ハンド部を−X軸方向に（DSB×3＋DSA）の距離だけ位置調整する。

この位置調整後の状態を（ｂ）に示す。この結果、操作物体の位置と滑りセンサ検知ポイントが一致しており、滑りを正しく検知できる状態となる。この時、接触センサCSG（−0）とCSG（＋0）が接触を検知しており、制御部は正しく位置調整ができたことを認識できる。

図３のマニプレータの構造は、図１と同様である。本マニプレータの特徴の一つは、ハンド部２の位置をX軸方向（アーム部に対して前後方向）に簡便に調整するために、ハンド部２をX軸方向にスライドさせる機構を持つことである。接合部８の部分がスライダとなり、関節部６ｃと関節部７ａ間の距離を変更できる。この機構により、アーム部１の複数の関節を制御せずに、一つのアクチュエータ（モータなど）の制御でハンド部２のX軸方向の位置を変更でき、短い応答速度でハンド位置の調整が可能となる。
以上の指位置調整制御に必要な処理は、制御部１１にて行われる。

図４に、物体を掴み持上げる際のマニプレータの指位置調整制御手順を示す。本例においては、使用者がマニプレータのおおよその位置形状を指示し、細かな位置や力の調整をマニプレータが自動で行う半自動制御タイプのマニプレータに関する。

持ち上げ操作を開始すると（S401）、最初に使用者がマニプレータおよびそのハンドのおおよその位置形状を指示する。マニプレータはその指示に従って位置と形状を変更する（S402）。
次にマニプレータは、操作物体位置が滑り検知ポイントに一致するよう指の位置を調整する指位置調整動作を行う。この動作の過程では、まず、物体を掴むために、物体に指が接触するようにハンドを閉じる動作を行う（S403）。物体の指への接触は接触センサCSGを用いて検知し、CSGの何れかが接触を検知した時点でハンドを閉じる動作を停止する（接触検知時点より幾分ハンドが閉じることで、停止時には残りのCSGの内のいくつかは接触を検知する可能性がある）（S404）。ハンド閉動作停止後、制御部は、接触センサCSG（−0）とCSG（＋0）が接触を検知しているかどうかを確認する（S405）。これらが接触を検知している場合、ハンド位置は適切であると判断し持上げ動作に移行する（S409）。接触センサCSG（−0）とCSG（＋0）の何れかまたは両方が接触を検知していない場合は、ハンドを少し開く動作を行う（S406）。その後、滑り検知ポイントが操作物体位置と一致するようハンド位置調整量を算出する（S407）。ハンド位置調整量は、接触と検知している接触センサCSGの位置と、CSG（＋0）およびCSG（−0）の位置の差分から求める。次に、図３に示したハンド位置調整機構を用いて、ハンド位置を算出した調整量分だけ変更する（S408）。この調整後もう一度ハンド閉動作を行う（S403）。ハンド位置を調整したため滑り検知ポイントが操作物体位置と一致する。接触センサCSG（−0）とCSG（＋0）が接触を検知するのを確認後（S405）、持上げ動作に遷移する（S409）。

図５は、図４において主に示した指位置調整動作の後の、物体を持上げる際の制御手順を示す。この持上げ動作においては滑りセンサを利用して物体が滑らない程度の強すぎない適切な力にハンドの握力を調整する。本例においては、Z軸の正の方向に持上げる場合について記載する。
持上げ動作においては、ハンド部を図１、図２、図３のZ方向に予め決めておいた微小量移動させ（S504）、その時に滑りセンサ９が検知した滑り量を取得する（S506）。滑りセンサがZ軸方向の滑りを検知した場合は、ハンド部の形状を指を閉じる方向に予め決めておいた量だけ変化させ（S506）、これをZ軸方向の滑りが0になるまで繰り返す（ハンド部形状調整）。
Z方向への1方向の滑りではなく、回転滑りが発生する場合もある。滑りセンサが回転滑りを検知すると（S507）、ハンド部の位置を先ずZ軸の正の方向に予め決めておいた量だけ変化させる（S510）。物体のより上部を掴むことになり回転を抑制できる。ただし、これによって滑りセンサの検知ポイントが操作物体とずれた場合には、Z軸方向の位置を元に戻す。また、Z軸方向の調整によっても回転が抑制できない場合は、ハンド部の位置をX軸方向へ予め決めておいた量だけ変化させる（S510）。これらZ軸、X軸の位置調整を行った場合、上記のハンド部形状調整をもう一度行う。
これらの調整により滑りを排除できた場合はそのまま持上げ動作を行う（S512）。これらの調整を経ても滑りが検出される場合は使用者に通知を行う。

生活空間で様々な大きさや形状の物体の操作を行う際には滑り検出ポイントに物体がうまく接触するとは限らず問題となるが、本発明を用いるとこの問題を解決できる。別の方法として、滑りセンサモジュールを複数実装するという手段が考えられるが、光学式滑りセンサモジュールは、光源、レンズ、センサなど複数の部品を含むため、人の指程度の体積に多数搭載できる程度に小さくするのは困難であり、現実的ではない。

実施例１では、指先部５に滑りセンサと接触センサを実装した形態について示した。これらのセンサに加え、力を検知するセンサの搭載も有効である。例えば、複数軸方向（3軸、6軸など）の力センサを指部に具備しマニプレータが物体から受ける力を認識できると、マニプレータを駆動するアクチュエータの制御をより正確に行うことが可能となる。また別の用途として、人がリアルタイムで操作する操作型のマニプレータである場合、マニプレータが受ける力を操作者にフィードバックすることが可能となる。

図６では、力センサを同一指先部に実装する形態について示す。３軸の場合、力センサ６１は図に記したXYZの３軸方向の力を検出できる。力センサには、ひずみゲージを用いたもの、発光素子とポジションディテクタを用いた光学式のもの、圧電素子を用いたものなどがある。本実施例における接触センサCSGは接触したかどうかを検出するセンサ（1軸（本例ではY方向）、階調は１bitなど低階調でよい）であるのに対し、本実施例における力センサ６１は多軸の力を多階調で検出するものである。

光学式滑りセンサと多軸の力センサの両方を、狭い指先部の表面に実装するのは困難である。この理由は、光学式滑りセンサが対象物までの距離を一定近距離（例えば、1mm以下の誤差）に保つことが必要である一方で、一般に力センサは検出部の変形を必要とし、ダイナミックレンジを確保しようとするとある程度の体積の変形部分が必要となるためである。変形を許容しない光センサと、変形が必要な力センサという、矛盾する要求をもつ両センサを指の狭エリアに実装する方式が必要である。

このため、本実施の形態においては、図6に示すように、光学式滑りセンサ９を指腹面のフレーム６２に実装し、この滑りセンサ９の指背面側に多軸力センサ６１を配置する。指先部のフレームは指腹面のフレーム６２と、ベースとなるフレーム６３からなる。ベースとなるフレーム６３が指の根元側の関節（図1の７ｂ、７ｃ）に接続されており、このベースとなるフレーム６３に対して指腹面のフレーム６２は可動となるように構成され、力センサはベースとなるフレーム６３に対して固定され、滑りセンサ９と接触センサ１０は指腹面のフレーム６２に対して固定される。物体操作時に指先部の腹面に力がかかると、指腹面のフレーム６２と接触センサ１０と滑りセンサ９を含む指先腹部は、ベースとなるフレーム６３と力センサ６１を含む指先ベース部に対して変位する。この時、指先腹部に接触している力センサに力がかかり、力センサはその力を検知する。本図の符号６４の部分は指先腹部の指先ベース部に対する変位が損なわれない柔らかさを有する物質（ゴムなど）である。また、図6の（ａ）に示すようにベースとなるフレーム６３の断面は櫛形構造となる。櫛部６５は力センサ６１を固定するための部分であり、櫛部６６はLSIチップ２２とボード２４を保護するための部分である。
本実施例において、力センサが多軸のもので説明したが、得られる情報は少なくなるが、1軸の力センサでも用いることができる。

本実施例に示した実装により、測定距離に厳しく変形量に制約のある光学式滑りセンサと変形が必要な力センサの両方を指先部に実装することが可能となる。力センサを指の表面でなく内部に実装することで、センサの体積を大きくすることができ、センサのダイナミックレンジを広くすることができる。また、副次的な効果としては、指先腹部がベース部に対して可動する構造となるため、指の柔軟性が高まるという点がある。

図7に、指先部５の接触センサCSGの配置が、実施例１とは異なる形態を示す。本図は実施例１における図２（ｂ）に対応する。本実施の形態では、Z方向（指腹面における指先部の前後方向に垂直な方向）に複数の接触センサ列が実装される。
本例では、接触センサCSG2（−0）とCSG2（＋0）の両方が接触を検知する場合に、滑り検知ポイントSPTが物体に接触していると判断する。例えば、CSG1（2）のみが接触を検知した場合には、CSG2（−0）とCSG2（＋0）の両方が接触を検知するようZ軸の負の方向とX軸の負の方向に指位置調整を行う。

本実施例によれば、Z軸方向に対して平らな部分が少ない物体などの操作性が向上し、より細かな指位置調整が可能となる。

図８は、実施例1、2、3とは異なる方式で滑りを検知する形態を示す。（ａ）は物体を持ち上げる際の状態を上方向から示した図であり、（ｂ）はこれを水平方向から示した図である。

本形態では、図1に示すマニプレータに対して、滑りを検知する専用の滑り検知用触手８１，８２，８３を有する。この滑り検知用触手８３の下面（操作物体接触面）には接触センサCSGが実装される（図8（ｃ））。

次に物体を持ち上げる際の手順を示す。操作物体OBJの上面に接触させるよう滑り検知用触手の形状を制御し、その位置で滑り検知用触手の位置を固定する。この時、滑り検知用触手８３の接触センサは接触を検知した状態となる。
その後、物体を持ち上げる動作を行う。物体が上手く持ち上げられず滑りが発生した場合は、滑り検知用触手８３が物体から離れ、滑り検知用触手の接触センサCSGが接触を検知しない状態となり、本マニプレータは物体が滑ったことを検知できる。
逆に滑りが発生せず物体を上手く持ち上げられた場合は、滑り検知用触手８３が物体から離れず、滑り検知用触手の接触センサCSGは接触を検知した状態を持続する。これにより本マニプレータは物体が滑らなかったことを検知できる。
本方式は、接触センサのみで滑りが検知できること、および、上面に接触センサが触れられる物体の場合には指位置調整が必要ないことという利点を持つ。

以上、実施例1、2、3、4では、マニプレータをとりあげ発明の内容を示したが、これらの内容は何らかの物体を操作する作業機械全体に当てはまるものであり、人の手に形状が類似する狭義のマニプレータに限定するものではない。また、実施例1、2、3においては滑りセンサとして光学式を取り上げ記載したが、必ずしも光学式に限定するものではなく、実施例４に示される接触状態を検知するものや、圧電素子を利用したセンサでもよい。

滑りセンサを用いると、物体が滑らない程度の適切な力をかけ物体を掴むという処理が可能となり、重さや摩擦係数や形状などが分からない様々な物体を掴むことが可能となる。また、滑りの検知は、物体表面をマニプレータの指先でなぞる操作にも有効である。

本発明を用いると、操作物体を滑り検出ポイントで操作することができる。生活空間で様々な大きさや形状の物体の操作を行う際には滑り検出ポイントに物体がうまく接触するとは限らず問題となるが、この問題を解決できる。

１マニプレータのアーム部
２マニプレータのハンド部
３ａ、３ｂアーム部を構成するポール部
４ハンド部を構成する指部
５ハンド部を構成する指先部
６ａ、６ｂ、６ｃアーム部の関節部
７ａ、７ｂ、７ｃハンド部の関節部
８スライド型接合部
９滑りセンサモジュール
１０接触センサモジュール
１１ハンド部および接合部の統合制御部
２１指先部のフレーム
２２センサ情報処理LSIチップ
２３信号線
２４センサ情報処理ボード
２５中継回路
２８発光素子
３０イメージセンサ
６１力センサ
６２指腹面のフレーム
６３ベースとなるフレーム
８１、８２、８３滑り検知用触手
OBJ 操作対象物体
CSG 接触センサ
SPT 滑り検知ポイント。

Claims

アーム部とハンド部から成り、当該ハンド部は、対象物体を操作するための１つまたは複数の指部を有するマニプレータ装置であって、
前記指部に、滑りセンサと、前記滑りセンサに近接する位置および前記滑りセンサから離れた位置に複数の接触センサを配置するとともに、
前記滑りセンサから離れた位置に配置した接触センサが対象物体の接触を感知し前記滑りセンサに近接する位置に配置した接触センサが接触を感知しない場合に、前記滑りセンサの検知位置が前記対象物体の位置となるように、前記対象物体の接触を感知した接触センサと前記滑りセンサに近接する位置に配置した接触センサの距離だけ前記指部の位置を移動する制御を行う制御部を備えたことを特徴とするマニプレータ装置。
請求項1記載のマニプレータ装置において、
前記制御部は、前記指部により対象物体を把持して持ち上げた場合に、前記滑りセンサにより滑りを検知すると、前記指部による対象物体の把持力を強めるように調整することを特徴とするマニプレータ装置。
請求項２記載のマニプレータ装置において、
前記制御部は、前記指部により対象物体を把持して持ち上げた場合に、前記滑りセンサにより回転滑りを検知すると、前記指部による対象物体の把持位置を変更することを特徴とするマニプレータ装置。
請求項１記載のマニプレータ装置において、
前記ハンド部を前記アーム部に対して前後方向に移動するスライド機構を有することを特徴とするマニプレータ装置。
請求項１記載のマニプレータ装置において、
前記滑りセンサは、発光素子とイメージセンサを含む光学式滑りセンサであることを特徴とするマニプレータ装置。
請求項１記載のマニプレータ装置において、
前記滑りセンサに近接する接触センサは、それらのうちの２つを結ぶ直線上に前記滑りセンサの滑り検知ポイントがくるように配置されることを特徴とするマニプレータ装置。
請求項１記載のマニプレータ装置において、
前記指部は、更に、力センサを備え、
前記指部のフレームは、その相対位置が変化するベース部のフレームと指腹部のフレームからなる構造を有し、
前記滑りセンサおよび前記接触センサと、前記力センサとはそれらの異なるフレームに実装されることを特徴とするマニプレータ装置。
請求項７記載のマニプレータ装置において、
前記滑りセンサと前記接触センサは物体接触面の情報を検知できるように前記指腹部のフレームに固定され、前記力センサは前記ベース部のフレームに固定され、
前記力センサは、前記ベース部のフレームと、前記指腹部のフレームとの間に配置され、これらの間に生じる力を検知することを特徴とするマニプレータ装置。
請求項７記載のマニプレータ装置において、
前記力センサは、多軸の力センサであることを特徴とするマニプレータ装置。
請求項１記載のマニプレータ装置において、
前記指部に配置する複数の接触センサとして、指先方向に垂直な方向に、複数の接触センサ列を配置することを特徴とするマニプレータ装置。
請求項１記載のマニプレータ装置において、
前記滑りセンサとして、滑り検知用触手を有し、当該滑り検知用触手の物体接触面に接触センサを実装した滑りセンサを用いることを特徴とするマニプレータ装置。