JP5803068B2

JP5803068B2 - ロボットアームの制御方法及びプログラム、ロボットハンド

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Publication number: JP5803068B2
Application number: JP2010185907A
Authority: JP
Inventors: 国大岩本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2010-08-23
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2030-08-23
Also published as: JP2012040666A

Description

本発明は、ロボットアームの制御方法及びプログラム、ロボットハンドに関し、特に外表部が柔軟部材で覆われたロボットハンドを備えるロボットアームの制御方法及びプログラム、ロボットハンドに関する。

近年、介護の現場や、家庭内でのロボットの利用が想定されている。そのため、ロボットハンドが周辺の物に接触しても、当該物やロボットハンド自身が損傷しない構成とする必要がある。
そのため、例えば特許文献１に開示のロボットアームは、ロボットハンドの表層が柔軟部材で覆われている。

特開平１１−２２６０６２号公報

しかし、特許文献１に開示のロボットアームのように、ロボットハンドの表層を柔軟部材で覆うと、ロボットハンドの厚さが増加してしまう。そのため、例えば皿をロボットハンドで挟持しようとしても、皿の外周縁と当該皿の載置面との間にロボットハンドを挿入することが困難となり、作業性が低下する。

本発明の目的は、このような問題を解決するためになされたものであり、作業性が高いロボットアームの制御方法及びプログラム、ロボットハンドを提供することである。

本発明に係るロボットアームの制御方法は、外表部が柔軟部材で覆われたロボットハンドを備えるロボットアームの制御方法であって、被挟持部材が置かれる載置面に前記柔軟部材を押し付け、推定した前記柔軟部材のつぶれ量を予め設定されたつぶれ量より大きくする工程と、前記ロボットハンドで前記被挟持部材を挟持する工程と、を備える。柔軟部材を所定のつぶれ量で押し潰して被挟持部材を挟持するので、被挟持部材を確実に挟持でき、作業性を向上させることができる。しかも、ロボットハンドの外表部が柔軟部材で覆われているので、ロボットハンドに被挟持部材の周辺に配置された物が接触しても損傷し難く、さらに人が接触しても安全である。また、ロボットハンド自身の損傷も防ぐことができる。

前記推定した前記柔軟部材のつぶれ量を予め設定されたつぶれ量より大きくする工程は、前記ロボットハンドを略鉛直方向に移動させて、前記柔軟部材を前記載置面に押し付ける工程と、前記柔軟部材のつぶれ量を推定する工程と、前記柔軟部材のつぶれ量が予め設定されたつぶれ量より大きくなるように、前記ロボットハンドを略鉛直方向に移動させる工程と、を備え、前記ロボットハンドで前記被挟持部材を挟持する工程は、前記ロボットハンドを前記載置面に沿って移動させる工程を備えること、が好ましい。ロボットハンドを略鉛直方向及び略水平方向に移動させているので、ロボットアームの制御が容易である。

前記柔軟部材のつぶれ量を推定する工程では、予め導き出した、前記ロボットハンドを前記載置面に押し付ける力と前記柔軟部材のつぶれ量との関係と、前記ロボットハンドを前記載置面に押し付けた際の押し付け力と、に基づいて、前記柔軟部材のつぶれ量を推定すること、が好ましい。この場合、ロボットアームの構成を簡易な構成で実現できる。

又は、前記柔軟部材のつぶれ量を推定する工程では、前記ロボットハンドの先端部に設けられた変位センサの測定値に基づいて、前記柔軟部材のつぶれ量を推定すること、が好ましい。この場合、変位センサを用いて直接的につぶれ量を導出するので、正確に当該つぶれ量を導出することができる。

本発明に係るプログラムは、外表部が柔軟部材で覆われたロボットハンドを備えるロボットアームを制御するプログラムであって、コンピュータに、被挟持部材が置かれる載置面に前記柔軟部材を押し付け、推定した前記柔軟部材のつぶれ量を予め設定されたつぶれ量より大きくする処理と、前記ロボットハンドで前記被挟持部材を挟持する処理と、を実行させることを特徴とする。柔軟部材を所定のつぶれ量で押し潰して被挟持部材を挟持するので、被挟持部材を確実に挟持でき、作業性を向上させることができる。しかも、ロボットハンドの外表部が柔軟部材で覆われているので、ロボットハンドに被挟持部材の周辺に配置された物が接触しても損傷し難く、さらに人が接触しても安全である。また、ロボットハンド自身の損傷も防ぐことができる。

本発明に係るロボットアームは、ロボットハンドと、前記ロボットハンドの外表部を覆い、衝撃吸収性を有する柔軟部材と、前記柔軟部材を覆い、耐摩耗性能及び滑り性能、伸縮性能を有する表皮と、を備える。ロボットハンドは、柔軟部材が表皮で覆われるので、被挟持部材の載置面に沿って良好に移動することができ、その際に損傷し難い。

以上、説明したように、本発明によると、作業性の高いロボットアームの制御方法及びプログラム、ロボットハンドを提供することができる。

本発明に係る実施の形態１のロボットハンド（ハンド部）を用いたロボットアームを概略的に示す図である。ロボットアームの制御系を示すブロック図である。本発明に係る実施の形態１のロボットアームの制御方法を示す流れ図である。ハンド部の角度と、アーム部とハンド部との連結部に作用する荷重と、柔軟部材のつぶれ量と、を定義する図である。本発明に係る実施の形態２のロボットハンドを用いたロボットアームを概略的に示す図である。ロボットアームの異なる制御系を示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

＜実施の形態１＞
本実施の形態に係るロボットアームの制御方法及びプログラム、ロボットハンドは、例えば一般的なロボットで実施することができる。つまり、ロボットは、例えばロボットアームのハンド部で挟持する被挟持部材をステレオカメラ（図示を省略）で撮像する。そして、ロボットは、撮像した画像情報に基づいて、予め記憶部に格納されているテンプレートから当該被挟持部材の形状を取得すると共に、被挟持部材の位置情報を取得する。さらにロボットは、取得した被挟持部材の形状、位置情報及び記憶部に格納されているプログラム等に基づいて、ロボットアームのハンド部のアプローチ（移動経路）を算出し、ロボットアームのアーム部及びハンド部を制御する。

ここで、図１に示すように、本実施の形態のロボットアーム１００も、アーム部１１０と、ハンド部（ロボットハンド）１２０と、を備える。アーム部１１０は、例えば第１のアーム１１１と、第２のアーム１１２と、を備える。第１のアーム１１１の一方の端部は、ロボットの本体部（図示を省略）に回転可能に連結されている。第２のアーム１１２の一方の端部は、第１のアーム１１１の他方の端部に回転可能に連結されている。ハンド部１２０の基部は、第２のアーム１１２の他方の端部に回転可能に連結されている。各連結部（関節部）には、図２に示すように、第１〜第３の駆動モータ２１０〜２３０が設けられている。第１の駆動モータ２１０は、第１のアーム１１１に回転駆動力を与える。第２の駆動モータ２２０は、第２のアーム１１２に回転駆動力を与える。第３の駆動モータ２３０は、ハンド部１２０に回転駆動力を与える。

ハンド部１２０は、第１の挟持部１２１と、第２の挟持部１２２と、を備える。第１の挟持部１２１と第２の挟持部１２２とは、第４の駆動モータ２４０によって開閉動作する。第１の挟持部１２１は、基部側挟持片１２１１と、先端側挟持片１２１２と、を備える。基部側挟持片１２１１と先端側挟持片１２１２とは、回転可能に連結されている。第２の挟持部１２２も、基部側挟持片１２２１と、先端側挟持片１２２２と、を備える。基部側挟持片１２２１と先端側挟持片１２２２とは、回転可能に連結されている。各連結部には、第５、第６の駆動モータ２５０、２６０が設けられている。第５の駆動モータ２５０は、第１の挟持部１２１の先端側挟持片１２１２に回転駆動力を与える。第６の駆動モータ２６０は、第２の挟持部１２２の先端側挟持片１２２２に回転駆動力を与える。

これらの第１〜第６の駆動モータ２１０〜２６０は、上述したように被挟持部材の形状、位置情報及び記憶部３００に格納されているプログラム等に基づいて、制御部４００に制御される。

ここで、本実施の形態のロボットアームは、一般的なロボットアームと同様に、各連結部やハンド部１２０の先端部には、例えば角度センサや力覚センサ等が設けられている。ちなみに、図２では、本実施の形態に直接関係するアーム部１１０とハンド部１２０との連結部に設けられた力覚センサ５００のみを図示している。

第１及び２の挟持部１２１、１２２の外表部は、柔軟部材６００で覆われている。柔軟部材６００は、衝撃吸収性の高いゴム、ゲル、発泡材等の材質から成る。ここで、柔軟部材６００は、衝撃エネルギーを抑制するために軽量な材質から成ることが好ましい。さらに、柔軟部材６００は、基部側挟持片と先端側挟持片との連結部の回転動作を阻害しないように、伸縮可能な材質から成ることが好ましい。ここで、柔軟部材６００は、局所的な圧力偏在を防ぐ観点、及び親和性の観点から表面が丸みを帯びた形状とされていることが好ましい。

柔軟部材６００の外表部は、表皮７００で覆われている。表皮７００は、被挟持部材の載置面への接触や摺動に耐えることができる耐摩耗性、当該載置面上を良好に滑ることができる滑り性能、及び基部側挟持片と先端側挟持片との連結部の回転動作を阻害しない伸縮性能を有する。一般的に柔軟部材は耐摩耗性や滑り性能が低いが、本実施の形態のハンド部１２０は、柔軟部材６００が表皮７００で覆われるので、被挟持部材の載置面に沿って良好に移動することができ、その際に損傷し難い。

このようなロボットアーム１００を用いて、以下に説明するようにロボットアームの制御方法を実現できる。ここでは、図３に示すように、ハンド部１２０で皿８００を挟持する動作を説明する。ちなみに、記憶部３００には、ハンド部１２０で挟持する皿の形状を特定するためのテンプレートが複数格納されている。また、記憶部３００には、制御部４００に対して、柔軟部材６００が所定のつぶれ量となるようにハンド部１２０を略鉛直方向に移動させた後に、当該ハンド部１２０を皿８００の載置面に沿わせて略水平方向に移動させ、当該ハンド部１２０で皿８００を挟持させる制御を実現するプログラムが格納されている。また、記憶部３００には、図４に示すように定義される、ハンド部１２０の第２の挟持部１２２の角度θ１と、アーム部１１０とハンド部１２０との連結部に作用する荷重Ｆと、柔軟部材６００のつぶれ量ΔＸと、の関係を示す情報が格納されている。さらに記憶部３００には、テンプレートで示される皿の形状毎に、予め実験等によって導出した、ハンド部１２０で皿を挟持する際に柔軟部材６００に生じさせるつぶれ量やハンド部１２０の第２の挟持部１２２の角度が格納されている。なお、本実施の形態のつぶれ量は、第２の挟持部１２２が所定の角度θ１とされ、且つ第２の挟持部１２２の先端部が皿８００の載置面に略接触した状態で、柔軟部材６００が最も押し潰された箇所のつぶれ量、即ち押し潰された高さである。但し、つぶれ量として採用する箇所は任意の箇所で良い。

先ず、ハンド部１２０で皿８００を挟持するために、制御部４００は、ステレオカメラ（図示を省略）を制御して皿８００を撮像し、撮像した画像情報を記憶部３００に格納する。

次に、制御部４００は、予め記憶部３００に格納されている皿のテンプレートと、撮像した画像情報と、を読み出し、皿８００の形状情報、位置情報及び当該皿８００をハンド部１２０で挟持する際の柔軟部材６００のつぶれ量やハンド部１２０の第２の挟持部１２２の角度を導出する。

次に、制御部４００は、予め記憶部３００に格納されているプログラムを読み出し、プログラム、皿８００の形状情報、位置情報及び当該皿８００をハンド部１２０で挟持する際の柔軟部材６００のつぶれ量やハンド部１２０の第２の挟持部１２２の角度に基づいて、ハンド部１２０の当該皿８００へのアプローチを導出する。

次に、制御部４００は、導出したアプローチに基づいて第４〜第６の駆動モータ２４０〜２６０を制御し、図３（ａ）に示すように、ハンド部１２０の第２の挟持部１２２を導出した角度に配置する。さらに制御部４００は、導出したアプローチに基づいて第１〜第３の駆動モータ２１０〜２３０を制御し、ハンド部１２０を略鉛直方向に移動させる。ここで、制御部４００は、図３（ｂ）に示すように、第２の挟持部１２２の柔軟部材６００を皿８００の載置面に押し付けて、柔軟部材６００のつぶれ量が予め定められたつぶれ量より大きくなるように、ハンド部１２０を略鉛直方向に移動させる。つまり、制御部４００には、第２の挟持部１２２を導出した角度に維持した状態で、当該第２の挟持部１２２の外表部を覆う柔軟部材６００を皿８００の載置面に押し付けた際に、アーム部１１０とハンド部１２０との連結部に作用する荷重Ｆが、力覚センサ５００から入力される。制御部４００は、入力された荷重Ｆから現在の柔軟部材６００のつぶれ量を算出し、当該つぶれ量が予め設定されたつぶれ量より大きくなるように、第１〜第３の駆動モータ２１０〜２３０を制御する。このとき、ハンド部１２０の外表部は柔軟部材６００や表皮７００で覆われているので、皿８００の載置面が損傷し難い。

次に、制御部４００は、第１〜第３の駆動モータ２１０〜２３０を制御して、図３（ｃ）に示すように、柔軟部材６００が所定のつぶれ量となった状態を維持し、ハンド部１２０を皿８００の載置面に沿って移動させる。つまり、本実施の形態の制御部４００は、第１〜第３の駆動モータ２１０〜２３０をプライアンス制御し、ハンド部１２０を皿８００の載置面に沿って移動させる。その結果、ハンド部１２０の第２の挟持部１２２の先端側挟持片１２２２は、皿８００の外周縁と当該皿８００の載置面との間に挿入される。このとき、柔軟部材６００の外表部は、滑り性能を有する表皮７００で覆われているので、ハンド部１２０は皿８００の載置面上をスムーズに移動することができる。また、表皮７００は、耐摩耗性を有するので、ハンド部１２０における皿８００の載置面上での移動を繰り返しても、損傷し難い。なお、本実施の形態の制御部４００は、第１〜第３の駆動モータ２１０〜２３０をプライアンス制御しているが、プライアンス制御しない構成でも略同様に実施できる。

次に、制御部４００は、第４の駆動モータ２４０を制御し、図３（ｄ）に示すように、ハンド部１２０の第１の挟持部１２１と第２の挟持部１２２とで皿８００の外周縁を挟持する。それと共に、制御部４００は、第１〜第３の駆動モータ２１０〜２３０を制御し、ハンド部１２０で皿８００を良好に挟持できるように、ハンド部１２０を若干下方に移動させる。なお、本実施の形態では、第１の挟持部１２１と第２の挟持部１２２とを回転させて皿８００を挟持するため、ハンド部１２０を若干下方に移動させているが、第１の挟持部１２１のみを回転させて皿８００を挟持する際には、ハンド部１２０を下方に移動させる必要がない。

このようなロボットアームの制御方法及びプログラム、ロボットハンドは、ハンド部１２０の外表部が柔軟部材６００や表皮７００で覆われているので、ハンド部１２０に被挟持部材の周辺に配置された物が接触しても損傷し難く、さらに人が接触しても安全である。また、ハンド部１２０自身の損傷も防ぐことができる。

また、本実施の形態のロボットアームの制御方法は、柔軟部材６００を所定のつぶれ量で押し潰して被挟持部材を挟持するので、確実に被挟持部材を挟持することができ、作業性を向上させることができる。

さらに本実施の形態のロボットアームの制御方法は、ハンド部１２０を略鉛直方向及び略水平方向に移動させているので、第１〜第６の駆動モータ２１０〜２６０の制御が容易である。

しかも、本実施の形態のロボットアームの制御方法は、ハンド部１２０の第２の挟持部１２２の角度θ１と、アーム部１１０とハンド部１２０との連結部に作用する荷重Ｆと、柔軟部材６００のつぶれ量ΔＸと、の関係を示す情報を用いて、柔軟部材６００のつぶれ量を導出する。そのため、ハンド部１２０に柔軟部材６００のつぶれ量を導出するためのセンサ等が必要なく、簡単な構成で実現できる。

＜実施の形態２＞
なお、実施の形態１では、アーム部１１０とハンド部１２０との連結部に設けられた力覚センサ５００を用いて柔軟部材６００のつぶれ量を導出したが、この限りでない。つまり、図５及び６に示すように、第２の挟持部１２２の先端側挟持片１２２２の先端部に設けた変位センサ９００を用いて柔軟部材６００のつぶれ量を導出しても良い。さらに具体的に云うと、変位センサ９００は、ポテンショメータを備えており、先端側挟持片１２２２の先端部に設けられている。ポテンショメータは、当該ポテンショメータの回転片９１０の回転角を検出して制御部４００に出力する。ここで、記憶部３００には、図５に示すように定義される、回転片９１０の回転角θ２と、柔軟部材６００のつぶれ量ΔＸと、の関係を示す情報が格納されている。また、記憶部３００には、テンプレートで示される皿の形状毎に、予め実験等によって導出した、ハンド部１２０で皿を挟持する際に柔軟部材６００に生じさせるつぶれ量や回転片９１０の回転角が格納されている。制御部４００は、記憶部３００に格納されている、回転片９１０の回転角θ２と、柔軟部材６００のつぶれ量ΔＸと、の関係を示す情報、及びハンド部１２０で皿を挟持する際に柔軟部材６００に生じさせるつぶれ量や回転片９１０の回転角などを読み出し、これらとポテンショメータから入力される回転片９１０の回転角θ２とを用いて、柔軟部材６００が所定のつぶれ量となるように、第１〜第６の駆動モータ２１０〜２６０を制御する。このように本実施の形態のロボットアームの制御方法は、変位センサを用いて直接的につぶれ量を導出するので、正確に当該つぶれ量を導出することができる。

以上、本発明に係るロボットアームの制御方法及びプログラム、ロボットハンドの実施の形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。

上記実施の形態では、ハンド部１２０を略鉛直方向及び略水平方向にしか移動させていないが、被挟持部材の近傍までハンド部１２０を斜め方向に移動させても良い。要するに、柔軟部材６００を一旦被挟持部材の載置面で押し潰し、柔軟部材６００が押し潰された状態で被挟持部材をハンド部１２０で挟持すれば良い。

上記実施の形態では、レバー（回転片）式のポテンショメータを用いたが、押しボタン式等でも良く、要するに柔軟部材のつぶれ量を導出できれば良い。
上記実施の形態では、ハンド部１２０を第１の挟持部１２１と第２の挟持部１２２とで構成したが、ハンド部１２０の構成はこの限りでなく、一般的なロボットハンドで採用される構成を用いることができる。
上記実施の形態では、アーム部１１０を第１のアーム１１１と第２のアーム１１２とで構成したが、アームの数は特に限定されず、アームの回転方向も特に限定しない。

上記実施の形態では、アーム部１１０とハンド部１２０との連結部に設けた力覚センサ５００を用いて柔軟部材６００のつぶれ量を導出しているが、第１のアーム１１１と第２のアーム１１２との連結部に設けた力覚センサや第１のアーム１１１とロボットの本体部との連結部に設けた力覚センサ等を用いて柔軟部材６００のつぶれ量を導出しても良い。

１００ロボットアーム
１１０アーム部、１１１第１のアーム、１１２第２のアーム
１２０ハンド部、１２１第１の挟持部、１２２第２の挟持部
２１０〜２６０第１〜第６の駆動モータ
３００記憶部
４００制御部
５００力覚センサ
６００柔軟部材
７００表皮
８００皿
９００変位センサ、９１０回転片
１２１１、１２２１基部側挟持片
１２１２、１２２２先端側挟持片

Claims

第１の把持部及び第２の把持部の外表部が柔軟部材で覆われ、前記柔軟部材に比べて高い耐摩耗性能及び滑り性能を有する表皮で前記柔軟部材の外表部が覆われたロボットハンドを備えるロボットアームの制御方法であって、
被把持部材が置かれる載置面に前記柔軟部材を押し付け、推定した前記柔軟部材のつぶれ量を予め設定されたつぶれ量より大きくする工程と、
前記載置面に前記表皮を接触させた状態で前記ロボットハンドを前記載置面に沿って移動させ、前記第１の把持部と前記第２の把持部とで前記被把持部材を把持する工程と、
を備えることを特徴とするロボットアームの制御方法。
前記推定した前記柔軟部材のつぶれ量を予め設定されたつぶれ量より大きくする工程は、
前記ロボットハンドを略鉛直方向に移動させて、前記柔軟部材を前記載置面に押し付ける工程と、
前記柔軟部材のつぶれ量を推定する工程と、
前記柔軟部材のつぶれ量が予め設定されたつぶれ量より大きくなるように、前記ロボットハンドを略鉛直方向に移動させる工程と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のロボットアームの制御方法。
前記柔軟部材のつぶれ量を推定する工程では、
予め導き出した、前記ロボットハンドを前記載置面に押し付ける力と前記柔軟部材のつぶれ量との関係と、前記ロボットハンドを前記載置面に押し付けた際の押し付け力と、に基づいて、前記柔軟部材のつぶれ量を推定することを特徴とする請求項２に記載のロボットアームの制御方法。
前記柔軟部材のつぶれ量を推定する工程では、
前記ロボットハンドの先端部に設けられた変位センサの測定値に基づいて、前記柔軟部材のつぶれ量を推定することを特徴とする請求項２に記載のロボットアームの制御方法。
第１の把持部及び第２の把持部の外表部が柔軟部材で覆われ、前記柔軟部材に比べて高い耐摩耗性能及び滑り性能を有する表皮で前記柔軟部材の外表部が覆われたロボットハンドを備えるロボットアームを制御するプログラムであって、
コンピュータに、
被把持部材が置かれる載置面に前記柔軟部材を押し付け、推定した前記柔軟部材のつぶれ量を予め設定されたつぶれ量より大きくする処理と、
前記載置面に前記表皮を接触させて前記ロボットハンドを前記載置面に沿って移動させ、前記第１の把持部と前記第２の把持部とで前記被把持部材を把持する処理と、
を実行させることを特徴とするプログラム。
第１の把持部と第２の把持部とで被把持部材を把持するロボットハンドであって、
前記第１の把持部の把持面に対して逆側の面を覆い、衝撃吸収性を有する第１の柔軟部材と、
前記第２の把持部の把持面に対して逆側の面を覆い、衝撃吸収性を有する第２の柔軟部材と、
前記第１の柔軟部材における前記第１の把持部側に対して逆側の面を覆い、耐摩耗性能及び滑り性能、伸縮性能を有する第１の表皮と、
前記第２の柔軟部材における前記第２の把持部側に対して逆側の面を覆い、耐摩耗性能及び滑り性能、伸縮性能を有する第２の表皮と、
を備え、
前記第１の表皮は、前記第１の柔軟部材に比べて高い耐摩擦性能及び滑り性能を有し、
前記第２の表皮は、前記第２の柔軟部材に比べて高い耐摩擦性能及び滑り性能を有することを特徴とするロボットハンド。