JP5607888B2 - ロボット、ロボットハンド及びロボットハンドの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットに関するもので、特に、複数の指が備わるロボットハンド及びその制御方法に関するものである。

ロボットは、危険な作業環境内の作業、単純な反復作業、大きな力を必要とする作業などを人間の代わりに行う。最近、このロボットは、産業現場だけでなく、医療、軍事、宇宙、農業及び家事の分野にまで使用されている。

産業現場でのロボットは、溶接、組み立て、塗装及び検査を始めとして移送分野でも広く使用されている。移送分野で使用されるロボットの場合、移送対象物を安全かつ正確に把持及び移送することが重要である。

特許文献１（対象物探知式ロボットグリッパー）には、対象物体の平坦部に向かって一つ以上の光を照射し、平坦部から反射された一つ以上の光を受信することで対象物体の大きさ及び位置を認識し、対象物体を把持する技術が開示されている。
大韓民国公開特許公報１０-２００４-０１０７７１０

上記のような従来技術の場合、物体から反射される光を受信して距離を測定するので、平坦面を有する対象物体のみに適用することができる。

また、従来技術の場合、グリッパー自体を移動させながら、その受信角度を通して距離を測定するので、距離測定のためにグリッパーを移動させる追加的な過程が必要である。

また、従来技術の場合、光を用いるので、透明な物体を測定することができない。

本発明の目的は、把持しようとする物体の形状及び材質に関係なく、より迅速かつ正確に物体に接近し、安全に物体を把持することができるロボット、ロボットハンド及びロボットハンドの制御方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するために、本発明に係るロボットハンドの制御方法は、手の平と、複数の節を備えて手の平に連結される複数の指とを備えるロボットハンドの制御方法において、手の平に設置される第１距離センサーを用いて手の平を物体に接近させ、複数の指に設置される第２距離センサーを用いて複数の指を物体に接近させ、手の平及び複数の指を物体に接触させて物体を把持する。

また、複数の指を基底節から末端節の順に物体に接近させる。また、手の平、複数の指の基底節及び末端節を均一な距離及び速度で同時に物体に接近させる。また、手の平を物体に接近させる前に、物体がロボットハンドの中心部に位置するようにロボットハンドを制御することをさらに含む。

また、手の平を物体に接近させる前に、把持経路を生成し、把持経路に沿ってロボットハンドを物体に接近させることをさらに含む。また、物体を安全に把持するための一定の大きさの力を発生させるように、ロボットハンドを制御することをさらに含む。

また、距離を測定するとき、第１距離センサー及び第２距離センサーを時差をおいて順次的に動作させ、第１距離センサーと第２距離センサーの相互干渉を防止する。

上記のような目的を達成するために、本発明に係るロボットハンドの制御方法は、手の平と、複数の節を備えて手の平に連結される複数の指とを備えるロボットハンドの制御方法において、手の平に設置される第１距離センサー及び複数の指の末端節に設置される第２距離センサーを用いて、複数の指の末端節を均一な距離及び速度で同時に物体に接近させ、複数の指の末端節を物体に接触させて物体を把持する。

また、複数の指の末端節を物体に接近させる前に、物体が複数の指の末端節の間の中心部に位置するようにロボットハンドを制御することをさらに含む。また、複数の指の末端節を物体に接近させる前に、把持経路を生成し、把持経路に沿ってロボットハンドを物体に接近させることをさらに含む。

また、物体を安全に把持するための一定大きさの力を発生させるように、ロボットハンドを制御することをさらに含む。また、距離を測定するとき、第１距離センサー及び第２距離センサーを時差をおいて順次的に動作させ、第１距離センサーと第２距離センサーの相互干渉を防止する。

上記のような目的を達成するために、本発明に係るロボットハンドの制御方法は、手の平と、複数の節を備えて手の平に連結される複数の指とを備えるロボットハンドの制御方法において、手の平及び複数の指に設置される複数の距離センサーを用いて複数の距離センサーと物体との間の距離を測定し、測定された距離の情報に基づいて物体の形状を判断する。

また、ロボットハンドの現在位置及び姿勢に基づいて測定された距離情報から物体の形状を判断する。また、ロボットハンドの姿勢は、手の平に対する複数の指の相対的な方向及び角度によって定義される。

また、距離を測定するとき、複数の距離センサーを時差をおいて順次的に動作させ、複数の距離センサーの相互干渉を防止する。

上記のような目的を達成するために、本発明に係るロボットハンドは、手の平と、複数の節を備えて手の平に連結される複数の指と、手の平及び複数の指のうち少なくとも何れか一ヶ所に設置される距離センサーとを含む。

また、手の平及び複数の指のうち少なくとも何れか一ヶ所に設置される接触センサーをさらに含む。

また、距離センサーと接触センサーが一つのセンサーモジュールとして統合されて設置される。また、センサーモジュールがピエゾフィルムで設けられる。

また、距離センサーがロボットハンドの表皮下に埋め立てられる。また、距離センサーがロボットハンドの表皮下に一定深さだけ埋め立てられる。

また、複数の指をなす複数の節は、基底節及び末端節を含む。

また、距離センサーが複数の指の基底節及び末端節のうち少なくとも何れか一ヶ所に設置される。また、複数の節が基底節と末端節との間の中間節をさらに含み、距離センサーが複数の指の基底節、中間節及び末端節のうち少なくとも何れか一ヶ所に設置される。また、距離センサーは、手の平に設置されて遠距離を測定する第１距離センサーと、複数の指のうち少なくとも何れか一ヶ所に設置されて近距離を測定する第２距離センサーとを含んで構成される。

また、距離センサーが超音波センサー、赤外線センサー、レーザーセンサー及び位置検出装置（ＰＳＤ）のうち何れか一つまたは二つ以上の組み合わせである。

上記のような目的を達成するために、本発明に係るロボットは、手の平と、複数の節を備えて手の平に連結される複数の指と、手の平及び複数の指のうち少なくとも何れか一ヶ所に設置される距離センサーとを含んで構成されるロボットハンドと；ロボットハンドが自由度を有して連結される腕と；周辺の映像を獲得するための映像装置と；を含む。

また、距離センサーの測定結果に基づいてロボットハンド及び腕を制御する演算部をさらに含み、この演算部は、映像装置を用いたロボットハンドと物体との間の距離測定結果に基づいてロボットハンドを物体に接近させ、距離センサーを用いたロボットハンドと物体との間の距離測定結果に基づいて物体を把持するようにロボットハンドを制御する。

本発明に係るロボットハンド及びその制御方法は、把持しようとする物体の形状及び材質と関係なしに、より迅速かつ正確に物体に接近し、安全に物体を把持することができる。

特に、本発明に係るロボットハンド及びその制御方法は、距離測定時にロボットハンドを動かすことなく、物体までの距離を測定することができる。

本発明の第１実施例に係るロボットハンドを示した図である。 図１に示したロボットハンドに設置される距離センサー及び接触センサーの設置構造を示した図である。 図１及び図２に示したロボットハンドの制御系統を示したブロック図である。 本発明の第２実施例に係るロボットハンドの制御方法を示したフローチャートである。 図４の制御方法によって制御されるロボットハンドの動作状態を示した図である。 本発明の第３実施例に係るロボットハンドの制御方法を示したフローチャートである。 図６の制御方法によって制御されるロボットハンドの動作状態を示した図である。 本発明の第４実施例に係るロボットハンドの制御方法を示したフローチャートである。 図８の制御方法によって制御されるロボットハンドの動作状態を示した図である。 本発明の第５実施例に係るビジョンシステムを備えるロボットを示した図である。 図１０に示したロボットハンドの制御系統を示したブロック図である。 本発明の第６実施例に係るロボットの制御方法を示したフローチャートである。 本発明の第７実施例に係るロボットハンドの制御方法を示したフローチャートである。

以下、本発明の好適な実施例を図１乃至図１３に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施例に係るロボットハンドを示した図である。図１に示すように、本発明の第１実施例に係るロボットハンド１００は、手の平１０２及びこの手の平１０２に連結される複数の指１０４から構成される。そして、複数の指１０４は、複数の節１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃからなる。

手の平１０２は、必ずしも面積を有する必要がなく、指１０４が関節で連結され、後で説明する距離センサー１０６を設置可能であればよい。

指１０４は、手の平１０２に直接連結される基底節１０４ａ、指１０４の末端をなす末端節１０４ｂ、及び基底節１０４ａと末端節１０４ｂとの間の中間節１０４ｃからなる。この中間節１０４ｃは、指１０４で要求される柔軟性によって備わらないか、二つ以上が備わる。末端節１０４ｂも、必要によって備わらないこともあり、基底節１０４ａのみで指１０４を構成することもできる。

手の平１０２には少なくとも一つの距離センサー１０６が設置され、複数の指１０４にも距離センサー１０８が設置される。複数の指１０４に設置される距離センサー１０８は、複数の指１０４のうち何れか一つに一つの距離センサー１０８のみが設置されるか、全ての指１０４の各節１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃごとに少なくとも一つの距離センサー１０８が設置される。また、距離センサー１０８は、各指１０４の基底節１０４ａのみに設置されるか、末端節１０４ｂのみに設置されるか、中間節１０４ｃのみに設置されることもある。すなわち、距離センサー１０６，１０８は、手の平１０２及び複数の指１０４の複数の節１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃのうち何れかに選択的に設置される。

この距離センサー１０６，１０８は、ロボットハンド１００を用いて作業を行うとき、ロボットハンド１００と作業対象である物体１１０との間の距離を検出するものである。この距離センサー１０６，１０８としては、超音波センサー、レーザーセンサー及び赤外線センサーなどのように、距離を測定可能なセンサーであれば何れを使用しても良い。

超音波センサーは、周波数が高いほど、その検出範囲が狭くなるので、必要以上に指向性になる。したがって、より安定的に距離を測定するためには、超音波センサーの検出範囲をやや広くすることが好ましい。このとき、複数の超音波センサー相互間の干渉に対する対策が必要である。超音波センサーの相互干渉に対する対策として、複数の超音波センサーを時差をおいて動作させることが挙げられる。すなわち、１０個の超音波センサーを運用するとき、これら１０個の超音波センサーを一度に一つずつ順に動作させると、複数の超音波センサーの相互干渉を避けることができる。超音波センサーの場合、超音波を発信した後、反射される超音波を受信するまでの時間が非常に短い。製品ごとに差はあるが、約１０個の超音波センサーを時差をおいて動作させるとしても、全体の動作時間が約０．１秒に過ぎないので、ロボットハンドの制御速度を大きく制限しない。

また、必要によって、一つのロボットハンド１００に超音波センサー、レーザーセンサー及び赤外線センサーなどを混合して使用しても良い。例えば、ロボットハンド１００の手の平１０２には、遠距離測定のためのレーザーセンサーが設置され、複数の指１０４には、近距離測定のための超音波センサーが設置される。この場合、ロボットハンド１００と物体１１０との間の距離が比較的遠い状態では、レーザーセンサーを用いてロボットハンド１００と物体１１０との間の距離を測定する。ロボットハンド１００と物体１１０との間の距離が比較的近い状態では、超音波センサーを用いてロボットハンド１００と物体１１０との間の距離を測定する。超音波センサーは、レーザーセンサーに比べて相対的に価格が低いので、これらレーザーセンサーと超音波センサーの組み合わせによって、遠距離測定及び近距離測定が全て可能になり、費用節減効果も提供される。ただし、遠距離測定が必要でない応用分野では、全てのセンサーとして超音波センサーなどの近距離センサーを用いてもよい。また、赤外線センサーと位置検出装置（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ；ＰＳＤ）の組み合わせも可能である。

ロボットハンド１００には、接触センサー（図示せず）も設置される。この接触センサーは、ロボットハンド１００と物体１１０との接触可否、及びロボットハンド１００と物体１１０との接触時にロボットハンド１００に加えられる力を測定する。この力の測定は、ロボットハンド１００が物体１１０を把持するなどの作業を行うときに必要なロボットハンド１００の制御量を決定するために参照される。

このようなロボットハンド１００の手の平１０２は、腕１１２に少なくとも１自由度以上を有して連結される。腕１１２は、必要によって単一のロッド形態で構成されるか、複数の関節を有するように構成される。この腕１１２は、ロボットハンド１００の移動範囲を拡張させる。

図２は、図１に示したロボットハンドに設置される距離センサー及び接触センサーの設置構造を示した図である。図２（Ａ）は、距離センサーと接触センサーが一つのセンサーモジュール１０８ａとして統合された場合を示す。すなわち、ピエゾフィルムでセンサーモジュール１０８ａを製作すると、ピエゾフィルムを通して超音波の発信及び受信が可能であるので、ロボットハンド１００と物体１１０との間の距離を測定することができる。また、ピエゾフィルムで製作されるセンサーモジュール１０８ａは、物体１１０がロボットハンド１００のセンサーモジュール１０８ａに接触するときに発生する力を検出することができ、物体１１０の接触可否及び接触時に加えられる力を検出することができる。

図２（Ｂ）は、距離センサー１０８ｂと接触センサー１０８ｃが別途に分離された場合で、距離センサー１０８ｂが指１０４の表皮の真下に埋め立てられる設置構造を示している。接触センサー１０８ｃは、物体１１０との接触可否を検出しなければならないので、手の平１００または指１０４の表面に可能な限り広い面積を有して設置されるべきである。これと異なり、距離センサー１０８ｂは、物体１１０との直接の接触が必要でないので、手の平１００または指１０４の表皮の真下に埋め立てられ、外部の衝撃などから保護される。

図２（Ｃ）は、距離センサー１０８ｄと接触センサー１０８ｅが別途に分離された場合で、距離センサー１０８ｄが指１０４の内部に一定の深さだけ埋め立てられる設置構造を示している。多くの種類の距離センサーは、音波、電波または光を発生させ、物体から反射されて戻る音波、電波及び光の状態変化（例えば、周波数や光量の変化）を検出し、この検出結果を通して距離センサーと物体との間の距離を測定する。したがって、距離センサーと物体との間の距離が過度に近いと、距離測定結果の正確度が低下する憂慮があるので、距離センサーと物体との距離を一定の大きさ以上に維持する必要がある。図２（Ｃ）に示すように、距離センサー１０８ｄを指１０４の内部に一定の深さだけ埋め立てると、物体１１０がロボットハンド１００に非常に近く接近するとしても、少なくとも距離センサー１０８ｄと物体１１０との間の距離が距離センサー１０８ｄの表面と指１０４の表面との間の距離Ｄだけ維持されるので、一定水準以上の距離測定の正確度が確保される。
図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）に示した接触センサー１０８ｃ，１０８ｅは、上述したピエゾフィルムなどで具現することができる。また、図２に示したセンサー設置構造は、指１０４だけでなく、手の平１０２に設置されるセンサーにも同一に適用される。

図３は、図１及び図２に示したロボットハンドの制御系統を示したブロック図である。図３に示すように、距離センサー１０６，１０８は、距離センサー１０６，１０８と物体１１０との間の距離情報を測定し、アナログ距離信号３０２ａを発生させる。アナログ-デジタルコンバーター（Ａ／Ｄ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）３０４は、このアナログ距離信号３０２をデジタル距離値３０２ｂに変換し、これを演算部３０６のモーション生成部３０８に伝送する。接触センサー１０８ｃ，１０８ｅは、接触センサー１０８ｃ，１０８ｅと物体１１０との接触可否によってオン／オフ形態のデジタル接触信号３１０を発生させ、これを演算部３０６のモーション生成部３０８に伝送する。接触センサー１０８ｃ，１０８ｅが単純な接触可否だけでなく、接触時に発生する加圧力の大きさも測定する場合、接触センサー１０８ｃ，１０８ｅは、物体１１０との接触時の加圧力の大きさを代表するアナログ加圧力信号を発生させ、アナログ-デジタルコンバーター３０４がこのアナログ加圧力信号をデジタル加圧力値に変換し、これを演算部３０６のモーション生成部３０８に伝送するように構成される。

モーション生成部３０８は、デジタル距離値３０２ｂ及びデジタル接触信号３１０に基づいてロボットハンド１００及び腕１１２の目標モーションを計画し、該当の情報をモーション制御部３１２に伝送する。目標モーションは、ロボットハンド１００に指示された作業を行うためにロボットハンド１００が取るべきモーションである。モーション制御部３１２は、計画された目標モーションの情報を受信し、ロボットハンド１００及び腕（手首関節を含む）１１２を制御するための目標制御入力３２２を生成する。ここで、目標制御入力３２２は、モーターの目標速度及び目標トルクを含む。モーション制御部３１２が生成する目標制御入力３２２は、腕駆動部３１４を通した腕関節モーター３１６の制御及び指駆動部３１８を通した指関節モーター３２０の制御に用いられる。

図３に示したロボットハンドの制御系統の場合、マッピングなどの方法を通して予め獲得した座標値形態の物体１１０の位置情報を用いてロボットハンド１００を物体１１０に接近させる。すなわち、腕１１２が設置されるベース（図示せず）に対する座標値形態の物体１１０の相対的位置情報を予め獲得して保存しておき、ロボットハンド１００を制御し、この物体１１０を対象にして与えられた作業を行うとき、この相対的位置情報に基づいて腕１１２を制御することで、ロボットハンド１００を物体１１０に接近させる。ただし、このときに使用される物体１１０の位置情報（座標）は、物体１１０の概略的な位置を表すだけで充分である。ロボットハンド１００が物体１１０の付近にまで接近した後には、距離センサー１０８を通して物体１１０との距離を感知して一層精密に接近する。

図４は、本発明の第２実施例に係るロボットハンドの制御方法を示したフローチャートで、図５は、図４の制御方法によって制御されるロボットハンドの動作状態を示した図である。図４及び図５において、ロボットハンド１００に与えられた作業は、物体１１０を把持することである。図４及び図５に示すように、ロボットハンド１００を物体１１０に接近するための移動経路である把持経路を生成する（４０２）。この把持経路は、予め提供されるロボットハンド１００に対する物体１１０の相対的位置情報に基づいて生成する。この把持経路に沿って、ロボットハンド１００が物体に接近するように腕１１２を制御する（４０４）。

ロボットハンド１００が物体１１０に接近すると、ロボットハンド１００の全ての距離センサー１０８と物体１１０との間の距離が同一になるように腕１１２及びロボットハンド１００を制御する（４０６）。腕１１２の制御によってロボットハンド１００が物体１１０に接近するとしても、ロボットハンド１００が物体１１０を把持可能な正確な位置に到達しないこともある。すなわち、図５（Ａ）に示すように、ロボットハンド１００と物体１１０の位置がやや食い違うと、測定距離５０２と他の測定距離５０４の大きさが互いに異なる（すなわち、距離５０２＜距離５０４）。これを通して、ロボットハンド１００は、把持しようとする物体１１０がロボットハンド１００の中央に位置せずに一方（測定距離５０２側）に偏っていることを認知する。物体１１０を正確に把持するためには、把持しようとする物体１１０がロボットハンド１００の中心部、すなわち、複数の指１０４の間の中央に位置することが好ましい。したがって、図５（Ｂ）に示すように、物体１１０が複数の指１０４の間の中央に位置するようにロボットハンド１００の位置及び複数の指１０４の姿勢を制御する。

物体１１０を実質的に把持するために、まず、手の平１０２の距離センサー１０６を通して手の平１０２と物体１１０との間の距離を測定しながら腕１１２を制御し、手の平１０２を物体１１０に接近させる（４０８）（図５（Ｃ）を参照）。その後、複数の指１０４の基底節１０４ａ、中間節１０４ｃ及び末端節１０４ｂを順次的に物体１１０に接近させ、ロボットハンド１００と物体１１０との接触を行う（４１０）（図５（Ｄ）及び図５（Ｅ）を参照）。

手の平１０２を物体１１０に接触させるとき、過度に大きい力を加えると、物体１１０の位置が変更されたり、物体１１０が破損する憂慮があるので、手の平１０２と物体１１０とを接触させる程度の力のみを加える。その後、指１０４を基底節１０４ａ、中間節１０４ｃ及び末端節１０４ｂの順に力を増加させながら物体１１０に接触させ、物体１１０を安全に把持するための一定大きさの力を発生させて物体１１０を把持する（４１２）。

上記のように、ロボットハンド１００を用いて物体１１０を把持するとき、手の平１０２、指の１０４の基底節１０４ａ、中間節１０４ｃ及び末端節１０４ｂを順次的に物体１１０に接触させると、物体１１０が破損しやすい弱い材質であるとしても、比較的安全に把持することができる。

図６は、本発明の第３実施例に係るロボットハンドの制御方法を示したフローチャートで、図７は、図６の制御方法によって制御されるロボットハンドの動作状態を示した図である。図６及び図７において、ロボットハンド１００に与えられた作業は、物体１１０を把持することである。図６及び図７に示すように、ロボットハンド１００を物体１１０に接近するための移動経路である把持経路を生成する（６０２）。この把持経路は、予め提供されるロボットハンド１００に対する物体１１０の相対的位置情報に基づいて生成する。この把持経路に沿って、ロボットハンド１００が物体に接近するように腕１１２を制御する（６０４）。

ロボットハンド１００が物体１１０に接近すると、ロボットハンド１００の全ての距離センサー１０８と物体１１０との間の距離が同一になるように腕１１２及びロボットハンド１００を制御する（６０６）。腕１１２の制御によってロボットハンド１００が物体１１０に接近するとしても、ロボットハンド１００が物体１１０を把持可能な正確な位置に到達しないこともある。すなわち、図７（Ａ）に示すように、ロボットハンド１００と物体１１０の位置がやや食い違うと、測定距離７０２と他の測定距離７０４の大きさが互いに異なる（すなわち、距離７０２＜距離７０４）。これを通して、ロボットハンド１００は、把持しようとする物体１１０がロボットハンド１００の中央に位置せずに一方（測定距離７０２側）に偏っていることを認知する。物体１１０を正確に把持するためには、把持しようとする物体１１０がロボットハンド１００の中心部、すなわち、複数の指１０４の間の中央に位置することが好ましい。したがって、図７（Ｂ）に示すように、物体１１０が複数の指１０４の間の中央に位置するようにロボットハンド１００の位置及び複数の指１０４の姿勢を制御する。

物体１１０を実質的に把持するために、手の平１０２及び複数の指１０４をそれぞれ均一な距離及び速度で物体１１０に接近させる（６０８）（図７（Ｃ）を参照）。手の平１０２及び複数の指１０４と物体１１０との距離を同一に維持しながら、物体１１０との距離を徐々に減らしていく。手の平１０２及び複数の指１０４が物体１１０に非常に近接すると、手の平１０２及び複数の指１０４が同時に物体１１０に接触するようにロボットハンド１００を制御する（６１０）（図７（Ｄ）を参照）。その後、物体１１０を安全に把持するための一定大きさの力を発生させ、物体１１０を把持する（６１２）。

上記のように、ロボットハンド１００を用いて物体１１０を把持するとき、手の平１０２及び複数の指１０４を同時に物体１１０に接触させると、手の平１０２及び複数の指１０４を順次的に接触させるときより迅速に物体１１０を把持することができる。

図８は、本発明の第４実施例に係るロボットハンドの制御方法を示したフローチャートで、図９は、図８の制御方法によって制御されるロボットハンドの動作状態を示した図である。図８及び図９において、ロボットハンド１００に与えられた作業は、ロボットハンド１００の大きさに比べて非常に小さい物体１１０を把持することである。図９に示すように、物体１１０の大きさが非常に小さいので、全体のロボットハンド１００を使用せずに、複数の指１０４の末端節１０８ｂのみで充分に把持することができる。必要によっては、二つの指１０４の末端節１０８ｂのみで物体１１０を把持することができる。したがって、複数の指１０４の末端節１０４ｂに設置されている距離センサー１０８のみを用いて物体１１０までの距離を測定する。図８及び図９に示すように、ロボットハンド１００を物体１１０に接近するための移動経路である把持経路を生成する（８０２）。この把持経路は、予め提供されるロボットハンド１００に対する物体１１０の相対的位置情報に基づいて生成する。この把持経路に沿って、ロボットハンド１００が物体に接近するように腕１１２を制御する（８０４）。

ロボットハンド１００が物体１１０に接近すると、ロボットハンド１００の複数の指１０４の末端節１０４ｂの距離センサー１０８と物体１１０との間の距離が同一になるように腕１１２及びロボットハンド１００を制御する（８０６）。腕１１２の制御によってロボットハンド１００が物体１１０に接近するとしても、ロボットハンド１００が物体１１０を把持可能な正確な位置に到達しないこともある。すなわち、図９（Ａ）に示すように、ロボットハンド１００と物体１１０の位置がやや食い違うと、測定距離９０２と他の測定距離９０４の大きさが互いに異なる（すなわち、距離９０２＜距離９０４）。これを通して、ロボットハンド１００は、把持しようとする物体１１０がロボットハンド１００の中心部、すなわち、複数の指１０４の間の中央に位置せずに一方（測定距離９０２側）に偏っていることを認知する。物体１１０を正確に把持するためには、把持しようとする物体１１０がロボットハンド１００の複数の指１０４の間の中央に位置することが好ましい。したがって、図９（Ｂ）に示すように、物体１１０が複数の指１０４の間の中央に位置するようにロボットハンド１００の位置及び複数の指１０４の姿勢を制御する。

物体１１０を実質的に把持するために、複数の指１０４の末端節１０４ｂを均一な距離及び速度で物体１１０に接近させる（８０８）（図９（Ｃ）を参照）。複数の指１０４の末端節１０４ｂと物体１１０との距離を同一に維持しながら、物体１１０との距離を徐々に減らしていく。複数の指１０４の末端節１０４ｂが物体１１０に非常に近接すると、複数の指１０４の末端節１０４ｂが同時に物体１１０に接触するようにロボットハンド１００を制御する（８１０）（図９（Ｄ）を参照）。その後、物体１１０を安全に把持するための一定大きさの力を発生させ、物体１１０を把持する（８１２）。

上記のように、把持しようとする物体１１０が非常に小さい場合、ロボットハンド１００全体を用いて物体１１０を把持するよりも、複数の指１０４の末端節１０４ｂのみを用いて物体１１０を把持することで、距離センサー１０８の使用頻度及び演算量を減少させることができる。

図１０は、本発明の第５実施例に係るビジョンシステムを備えるロボットを示した図である。図１０に示したロボット１００２は、図１及び図２に示したようなロボットハンド１００及び腕１１２を備えている。さらに、ロボット１００２の周辺映像を獲得可能な映像装置であるビジョンシステム１００４を備えている。特に、ビジョンシステム１００４は、ロボットハンド１００に対する物体１１０の相対位置を獲得し、ロボットハンド１００が物体１１０に接近するための経路を確保するために用いられる。

図１１は、図１０に示したロボットハンドの制御系統を示したブロック図である。図１１に示すように、距離センサー１０６，１０８は、距離センサー１０６，１０８と物体１１０との間の距離情報を測定し、アナログ距離信号１１０２ａを発生させる。アナログ-デジタルコンバーター（Ａ／Ｄ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１１０４は、このアナログ距離信号１１０２ａをデジタル距離値１１０２ｂに変換し、これを演算部１１０６のモーション生成部１１０８に伝送する。接触センサー１０８ｃ，１０８ｅは、接触センサー１０８ｃ，１０８ｅと物体１１０との接触可否によってオン／オフ形態のデジタル接触信号１１１０を発生させ、これを演算部１１０６のモーション生成部１１０８に伝送する。接触センサー１０８ｃ，１０８ｅが単純な接触可否だけでなく、接触時に発生する加圧力の大きさも測定する場合、接触センサー１０８ｃ，１０８ｅは、物体１１０と接触時の加圧力の大きさを代表するアナログ加圧力信号を発生させ、アナログ-デジタルコンバーター１１０４がこのアナログ加圧力信号をデジタル加圧力値に変換し、演算部１１０６のモーション生成部１１０８に伝送するように構成される。

ビジョンシステム１００４は、ロボット１００２周辺の映像情報１１２４、特に、ロボットハンド１００に対する物体１１０の相対的位置情報を獲得するものである。この映像情報１１２４は、与えられた作業を行うためにロボットハンド１００を物体１１０にまで接近させるときに用いられる。

モーション生成部１１０８は、ロボット１００２周辺の映像情報１１２４、デジタル距離値１１０２ｂ及びデジタル接触信号１１１０に基づいてロボットハンド１００及び腕１１２の目標モーションを計画し、該当の情報をモーション制御部１１１２に伝送する。目標モーションは、ロボットハンド１００に指示された作業を行うためにロボットハンド１００が取るべきモーションである。モーション制御部１１１２は、計画された目標モーションの情報を受信し、ロボットハンド１００及び腕（手首関節を含む）１１２を制御するための目標制御入力１１２２を生成する。ここで、目標制御入力１１２２は、モーターの目標速度及び目標トルクを含む。モーション制御部１１１２が生成する目標制御入力１１２２は、腕駆動部１１１４を通した腕関節モーター１１１６の制御及び指駆動部１１１８を通した指関節モーター１１２０の制御に用いられる。

図１２は、本発明の第６実施例に係るロボットの制御方法を示したフローチャートである。特に、図１２は、ビジョンシステムを用いてロボットハンド１００に対する物体１１０の相対位置を把握し、この相対位置に基づいてロボットハンド１００を物体１１０に接近させるための把持経路を確保する制御方法を示した図である。図１２に示すように、ビジョンシステム１００４を用いてロボット１００２周辺の映像を獲得する（１２０２）。モーション生成部１１０８は、ロボット１００２周辺の映像からロボットハンド１００に対する物体１１０の相対位置を把握し（１２０４）、この相対位置に基づいてロボットハンド１００が物体１１０に接近するための把持経路を生成する（１２０６）。把持経路が生成されると、この把持経路に沿って、ロボットハンド１００が物体１１０に接近するように腕１１２を制御する（１２０８）。ロボットハンド１００が物体１１０に接近すると、ロボットハンド１００が物体１１０に接触するように腕１１２及びロボットハンド１００を制御する（１２１０）。この接触は、手の平１０２及び複数の指１０４に設置される距離センサー１０６，１０８及び接触センサー１０８ｃ，１０８ｅの測定結果を用いて行われる。その後、物体１１０を安全に把持するための一定大きさの力を発生させ、物体１１０を把持する（１２１２）。

図１３は、本発明の第７実施例に係るロボットハンドの制御方法を示したフローチャートである。図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）に示すように、ロボットハンド１００に設置される複数の距離センサー１０８を用いると、物体１３１０ａ，１３１０ｂの形状を把握することができる。ロボットハンド１００の手の平１０２に対する複数の指１０４の相対的角度θ１，θ２，θ３が一定であり、その角度を予め知っているとき、複数の距離センサー１０８から検出される距離値は、物体１３１０ａ，１３１０ｂの形状によって互いに異なる値を有するようになる。したがって、ロボットハンド１００の手の平１０２に対する複数の指１０４の相対的角度θ１，θ２，θ３が予め定められた角度になるようにロボットハンド１００を制御し、このとき、複数の距離センサー１０８から検出される距離値を通して物体１３１０ａ，１３１０ｂの形状を判断することができる。

１００ ロボットハンド
１０２ 手の平
１０４ 指
１０４ａ 基底節
１０４ｂ 末端節
１０４ｃ 中間節
１０６、１０８、１０８ｂ、１０８ｄ 距離センサー
１０８ａ センサーモジュール
１０８ｃ、１０８ｅ 接触センサー
１１０ 物体
１１２ 腕
３０２ａ、１１０２ａ アナログ距離信号
３０２ｂ、１１０２ｂ デジタル距離値
３０４、１１０４ アナログ−デジタルコンバーター
３０６、１１０６ 演算部
３０８、１１０８ モーション生成部
３１０、１１１０ デジタル接触信号
３１２ モーション制御信号
３１４、１１１４ 腕駆動部
３１６、１１１６ 腕関節モーター
３１８、１１１８ 指駆動部
３２０、１１２０ 指関節モーター
３２２、１１２２ 目標制御入力
５０２、５０４、７０２、７０４、９０２、９０４ 測定距離
１００２ ロボット
１００４ ビジョンシステム
１１１２ モーション制御部
１１２４ 映像信号
１３１０ａ、１３１０ｂ 物体

Claims (29)

1. 手の平と、複数の節を備えて前記手の平に連結される複数の指とを備えるロボットハンドの制御方法であって、
   前記手の平に設置された少なくとも一つの第１距離センサーを用いて物体までの距離を測定するステップと、
   前記複数の指に設置された複数の第２距離センサーのうち少なくとも一つを用いて前記物体までの距離を測定するステップと、
   前記手の平に設置される前記第１距離センサーを使用して前記手の平を前記物体に接近させるステップと、
   前記複数の指に設置される前記複数の第２距離センサーを使用して前記複数の指を前記物体に接近させるステップと、
   前記手の平及び前記複数の指を前記物体に接触させて前記物体を把持するステップと、を含み
   前記第１距離センサーの測定可能距離は、前記第２距離センサーの測定可能距離より長く、
   前記物体までの距離が既定の距離を越える場合は前記第１距離センサーを使用し、かつ、前記物体までの距離が既定の距離以下の場合は前記第２距離センサーを使用して前記物体までの距離を測定し、
   前記複数の第２距離センサーを使用するとき、時差をおいて順次的に前記複数の第２距離センサーをそれぞれ動作させ、前記複数の第２距離センサー間の相互干渉を防止する、
   ことを特徴とするロボットハンドの制御方法。
2. 前記複数の指を基底節から末端節の順に前記物体に接近させる請求項１に記載のロボットハンドの制御方法。
3. 前記手の平、前記複数の指の基底節及び末端節を均一な距離及び速度で同時に前記物体に接近させる請求項１に記載のロボットハンドの制御方法。
4. 前記手の平を前記物体に接近させる前に、前記物体が前記ロボットハンドの中心部に位置するように前記ロボットハンドを制御することをさらに含む請求項１に記載のロボットハンドの制御方法。
5. 前記手の平を前記物体に接近させる前に、把持経路を生成し、前記把持経路に沿って前記ロボットハンドを前記物体に接近させることをさらに含む請求項１に記載のロボットハンドの制御方法。
6. 前記物体を安全に把持するための一定大きさの力を発生させるように、前記ロボットハンドを制御することをさらに含む請求項５に記載のロボットハンドの制御方法。
7. 前記第１距離センサー及び前記第２距離センサーの少なくとも１つと前記物体との間の距離を測定することをさらに含み、前記第１距離センサー及び前記第２距離センサーの少なくとも１つと前記物体との間の距離を測定するとき、前記第１距離センサー及び前記第２距離センサーを時差をおいて順次的に動作させ、前記第１距離センサーと前記第２距離センサーの相互干渉を防止する請求項１に記載のロボットハンドの制御方法。
8. 手の平と、複数の節を備えて前記手の平に連結される複数の指とを備えるロボットハンドの制御方法であって、
   前記手の平に設置された少なくとも一つの第１距離センサーを用いて物体までの距離を測定するステップと、
   前記複数の指に設置された複数の第２距離センサーのうち少なくとも一つを用いて前記物体までの距離を測定するステップと、
   前記手の平に設置される前記第１距離センサー及び前記複数の指の末端節に設置される前記複数の第２距離センサーを用いて、前記複数の指の末端節を均一な距離及び速度で同時に物体に接近させるステップと、
   前記複数の指の末端節を前記物体に接触させて前記物体を把持するステップと、を含み
   前記第１距離センサーの測定可能距離は、前記第２距離センサーの測定可能距離より長く、
   前記物体までの距離が既定の距離を越える場合は前記第１距離センサーを使用し、かつ、前記物体までの距離が既定の距離以下の場合は前記第２距離センサーを使用して前記物体までの距離を測定し、
   前記複数の第２距離センサーを使用するとき、時差をおいて順次的に前記複数の第２距離センサーをそれぞれ動作させ、前記複数の第２距離センサー間の相互干渉を防止する、
   ことを特徴とするロボットハンドの制御方法。
9. 前記複数の指の末端節を前記物体に接近させる前に、
   前記物体が前記複数の指の末端節の間の中心部に位置するように前記ロボットハンドを制御することをさらに含む請求項８に記載のロボットハンドの制御方法。
10. 前記複数の指の末端節を前記物体に接近させる前に、
    把持経路を生成し、
    前記把持経路に沿って前記ロボットハンドを前記物体に接近させることをさらに含む請求項８に記載のロボットハンドの制御方法。
11. 前記物体を安全に把持するための一定大きさの力を発生させるように、前記ロボットハンドを制御することをさらに含む請求項１０に記載のロボットハンドの制御方法。
12. 距離を測定するとき、前記第１距離センサー及び前記第２距離センサーを時差をおいて順次的に動作させ、前記第１距離センサーと前記第２距離センサーの相互干渉を防止する請求項８に記載のロボットハンドの制御方法。
13. 手の平と、複数の節を備えて前記手の平に連結される複数の指とを備えるロボットハンドの制御方法であって、
    前記手の平に設置された少なくとも一つの第１距離センサーを用いて物体までの距離を測定するステップと、
    前記複数の指に設置された複数の第２距離センサーのうち少なくとも一つを用いて前記物体までの距離を測定するステップと、
    前記測定された距離の情報に基づいて前記物体の形状を判断するステップと、を含み
    前記第１距離センサーの測定可能距離は、前記第２距離センサーの測定可能距離より長く、
    前記物体までの距離が既定の距離を越える場合は前記第１距離センサーを使用し、かつ、前記物体までの距離が既定の距離以下の場合は前記第２距離センサーを使用して前記物体までの距離を測定し、
    前記複数の第２距離センサーを使用するとき、時差をおいて順次的に前記複数の第２距離センサーをそれぞれ動作させ、前記複数の第２距離センサー間の相互干渉を防止する、
    ことを特徴とするロボットハンドの制御方法。
14. 前記ロボットハンドの現在位置及び姿勢に基づいて前記測定された距離情報から前記物体の形状を判断する請求項１３に記載のロボットハンドの制御方法。
15. 前記ロボットハンドの姿勢は、前記手の平に対する前記複数の指の相対的な方向及び角度によって定義される請求項１４に記載のロボットハンドの制御方法。
16. 距離を測定するとき、前記複数の距離センサーを時差をおいて順次的に動作させ、前記複数の距離センサーの相互干渉を防止する請求項１３に記載のロボットハンドの制御方法。
17. 手の平と、
    複数の節を備えて前記手の平に連結される複数の指と、
    前記手の平に設置され、物体までの距離を測定する少なくとも一つの第１距離センサーと、
    前記複数の指に設置され、前記物体までの距離を測定する複数の第２距離センサーと、を含み
    前記第１距離センサーの測定可能距離は、前記第２距離センサーの測定可能距離より長く、
    前記物体までの距離が既定の距離を越える場合は前記第１距離センサーを使用し、かつ、前記物体までの距離が既定の距離以下の場合は前記第２距離センサーを使用して前記物体までの距離を測定し、
    前記複数の第２距離センサーを使用するとき、時差をおいて順次的に前記複数の第２距離センサーをそれぞれ動作させ、前記複数の第２距離センサー間の相互干渉を防止する、
    ことを特徴とするロボットハンド。
18. 前記手の平及び前記複数の指のうち少なくとも何れか一ヶ所に設置される接触センサーをさらに含む請求項１７に記載のロボットハンド。
19. 前記第２距離センサーと前記接触センサーが一つのセンサーモジュールとして統合されて設置される請求項１８に記載のロボットハンド。
20. 前記センサーモジュールがピエゾフィルムで設けられる請求項１９に記載のロボットハンド。
21. 前記第２距離センサーが前記ロボットハンドの表皮下に埋め立てられる請求項１７に記載のロボットハンド。
22. 前記第２距離センサーが前記ロボットハンドの前記表皮下に一定深さだけ埋め立てられる請求項２１に記載のロボットハンド。
23. 前記複数の指をなす前記複数の節は、基底節及び末端節を含む請求項１７に記載のロボットハンド。
24. 前記第２距離センサーが前記複数の指の前記基底節及び前記末端節のうち少なくとも何れか一ヶ所に設置される請求項２３に記載のロボットハンド。
25. 前記複数の節が前記基底節と前記末端節との間の中間節をさらに含み、
    前記第２距離センサーが前記複数の指の前記基底節、前記中間節及び前記末端節のうち少なくとも何れか一ヶ所に設置される請求項２３に記載のロボットハンド。
26. 前記第１距離センサーは、前記手の平に設置されて遠距離を測定し、
    前記第２距離センサーは、前記複数の指に設置されて近距離を測定する請求項１７に記載のロボットハンド。
27. 前記第１距離センサー及び前記第２距離センサーは、超音波センサー、赤外線センサー、レーザーセンサー及び位置検出装置（ＰＳＤ）のうち何れか一つまたは二つ以上の組み合わせである請求項１７に記載のロボットハンド。
28. 手の平と、複数の節を備えて前記手の平に連結される複数の指を備え、
    前記手の平に設置され、物体まで距離を測定する少なくとも一つの第１距離センサーと、
    前記複数の指に設置され、前記物体までの距離を測定する複数の第２距離センサーと、を含んで構成されるロボットハンドと；
    前記ロボットハンドが自由度を有して連結される腕と；
    周辺の映像を獲得するための映像装置と；を含むロボットであり、
    前記第１距離センサーの測定可能距離は、前記第２距離センサーの測定可能距離より長く、
    前記物体までの距離が既定の距離を越える場合は前記第１距離センサーを使用し、かつ、前記物体までの距離が既定の距離以下の場合は前記第２距離センサーを使用して前記物体までの距離を測定し、
    前記複数の第２距離センサーを使用するとき、時差をおいて順次的に前記複数の第２距離センサーをそれぞれ動作させ、前記複数の第２距離センサー間の相互干渉を防止する、
    ことを特徴とするロボット。
29. 前記第１距離センサー及び前記第２距離センサーの測定結果に基づいて前記ロボットハンド及び前記腕を制御する演算部をさらに含み、
    前記演算部は、
    前記映像装置を用いた前記ロボットハンドと物体との間の距離測定結果に基づいて前記ロボットハンドを前記物体に接近させ、
    前記第１距離センサー及び前記第２距離センサーを用いた前記ロボットハンドと前記物体との間の距離測定結果に基づいて前記物体を把持するように、前記ロボットハンドを制御する請求項２８に記載のロボット。
    

Images