JP6338026B1 - 把持力設定システム、把持力設定方法、及び把持力推定システム - Google Patents

Abstract

把持対象物の柔軟性に対応して把持機能を向上する。所定の把持特性にある把持対象物（１００）を把持するグリッパ（２）と、グリッパ（２）が試験把持力で把持した際の把持対象物（１００）の変形量を検出するカメラ（３）及び画像処理装置（４）と、試験把持力に対する変形量の比に基づいて算出された比変形特性値に基づいて把持対象物（１００）に対するグリッパ（２）の作業把持力を設定するコントローラ（５）と、を有する。コントローラ（５）は、比変形特性値が略一定となる試験把持力と変形量の線形比例領域内で作業把持力を設定する。

Description

開示の実施形態は、把持力設定システム、把持力設定方法、及び把持力推定システムに関する。

特許文献１には、柔らかさ指標が異なる複数種類の被把持物を把持可能に構成された把持装置が記載されている。

特開２０１５−８５４３９号公報

しかしながら、上記従来技術では、押圧部の機械的変位を当該押圧部の負荷圧力に変換しているだけであるため、柔らかさ指標が同じであっても個体別に形状や大きさにバラツキがある場合には被把持物を損傷させるか又は持ち上げが困難となりやすい。

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、把持対象物の柔軟性に対応して把持機能を向上できる把持力設定システム、把持力設定方法、及び把持力推定システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、所定の把持特性にある把持対象物を把持する把持部と、前記把持部が第１の把持力で把持した際の前記把持対象物の変形量を検出する検出部と、前記第１の把持力に対する前記変形量の比で算出された比変形特性値が略一定となる第１の把持力と変形量の線形比例領域内で、前記把持部が前記把持対象物を損傷させない最大の上限把持力と、前記把持部が前記把持対象物を持ち上げ可能な最小の下限把持力との間にある前記把持部の第２の把持力を、前記所定の把持特性にある把持対象物に対して設定する設定部と、を有する把持力設定システムが適用される。

また、本発明の別の観点によれば、把持力設定システムが備える演算装置に実行させる把持力設定方法であって、所定の把持特性にある把持対象物を把持することと、第１の把持力で把持した際の前記把持対象物の変形量を検出することと、前記第１の把持力に対する前記変形量の比を比変形特性値として算出することと、前記比変形特性値が略一定となる第１の把持力と変形量の線形比例領域内で、前記把持対象物を損傷させない最大の上限把持力と、前記把持対象物を持ち上げ可能な最小の下限把持力との間にある第２の把持力を、前記所定の把持特性にある把持対象物に対して設定することと、を実行させる把持力設定方法が適用される。

また、本発明の別の観点によれば、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の把持力設定システム、又は、請求項１１の把持力設定方法における前記所定の把持特性に対応した所定の変形特性にある把持対象物を把持する把持部と、前記把持部が前記把持対象物を把持した際の当該把持対象物全体の大きさに対する絶対形状変化量の比で当該把持対象物の変形量を検出する検出部と、前記変形量と前記比変形特性値に基づいて前記把持部が前記変形特性にある把持対象物を把持した際に付加した第３の把持力を推定する推定部と、を有する把持力推定システムが適用される。

また、本発明の別の観点によれば、所定の把持特性にある把持対象物を把持する手段と、
前記把持する手段が第１の把持力で把持した際の前記把持対象物の変形量を検出する手段と、前記第１の把持力に対する前記変形量の比で算出された比変形特性値が前記把持対象物の個体間で共通する把持力範囲内で前記把持対象物に対する前記把持する手段の第２の把持力を設定する手段と、を有する把持力設定システムが適用される。

本発明によれば、把持対象物の柔軟性に対応して把持機能を向上できる。

実施形態の把持力設定システムの概略的なシステムブロック構成の一例を表す図である。 カメラの撮像視野から見たグリッパ全体の外観を表す図である。 グリッパで把持した際に生じる把持対象物の形状変化の一例を表す図である。 柔軟物の食品である把持対象物の１個体について試験した結果の把持特性を示すグラフの一例を表す図である。 把持力設定処理を実現するためにコントローラのＣＰＵが実行する処理手順を表すフローチャートの一例である。 把持力設定処理を実現するためにコントローラのＣＰＵが実行する処理手順を表すフローチャートの一例である。 把持対象物が把持方向と直交する方向で変形指向性を有する場合を表す図である。 ３爪グリッパの側面図と平面図である。 ３爪グリッパを用いた場合の変形量の検出位置を説明する図である。 距離センサを用いた場合の変形量の検出位置を説明する図である。 把持力推定システムで用いる変形特性を示すグラフの一例を表す図である。 画像処理装置及びコントローラのハードウェア構成例を表すブロック図である。

以下、実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

＜把持力設定システムの概略構成＞
図１は、本実施形態の把持力設定システムの概略的なシステムブロック構成の一例を表している。この把持力設定システムは、生産機械等の把持部であるグリッパが所定の把持特性（後述）を有する把持対象物を把持、移送する実作業に対し、その把持特性に対応して付加すべき適切な作業把持力を設定する試験システムである。図１において把持力設定システム１は、グリッパ２と、カメラ３と、画像処理装置４と、コントローラ５と、サーボアンプ６とを有している。

グリッパ２（把持部）は、この例では回転型モータを駆動源とし、平行に配置された２つの把持爪２１に近接動作、離間動作を行わせることで、把持対象物１００を挟持、解放するアクチュエータである。本実施形態では、このグリッパ２が例えばアームマニプレータ（図示省略）のアーム先端部に固定され、把持対象物１００を把持した状態で持ち上げて移送する動作も行えるものとして想定している。なお、このグリッパ２の詳細な構成については後述の図２で説明する。

カメラ３は、この例では光学的に２次元の画像情報を取得する光学センサである。このカメラ３は、上記グリッパ２が把持する把持対象物１００の外観全体を常に同じ姿勢、間隔で撮像可能に固定設置されている。

画像処理装置４は、上記カメラ３で取得した画像情報に基づいて、グリッパ２が把持した際の把持対象物１００の変形量を形状情報として検出する。なお、この変形量の詳細については後述の図３で説明する。

コントローラ５は、後述する把持力設定処理の手順に従ってグリッパ２への動作指令（後述する試験把持力に準じるモータのトルク指令）を出力するとともに、上記画像処理装置４が検出した形状情報（変形量）に基づいて最終的に設定すべき作業把持力を算出する。なお、上記把持力設定処理の詳細については後述する図５、図６で説明する。

サーボアンプ６（モータ制御部）は、上記コントローラ５から出力された動作指令（トルク指令）に基づいて、グリッパ２のモータに給電する駆動電力を制御（トルク制御）する。

なお、カメラ３と画像処理装置４が各請求項記載の検出部に相当し、コントローラ５が各請求項記載の設定部に相当する。また、コントローラ５が、各請求項記載の第１の把持力に対する変形量の比で算出された比変形特性値が把持対象物１００の個体間で共通する把持力範囲内で把持対象物１００に対する把持する手段の第２の把持力を設定する手段、に相当する。

また、上述した画像処理装置４、コントローラ５、サーボアンプ６等における処理等は、これらの処理の分担の例に限定されるものではなく、例えば、更に少ない数の処理部（例えば１つの処理部）で処理されてもよく、また、更に細分化された処理部により処理されてもよい。また、画像処理装置４やコントローラ５は、後述するＣＰＵ９０１（図１２参照）が実行するプログラムにより実装されてもよいし、その一部又は全部がＡＳＩＣやＦＰＧＡ、その他の電気回路等の実際の装置により実装されてもよい。

上記構成の把持力設定システム１は、コントローラ５が後述する把持力設定処理の手順を実行することで、グリッパ２が試験体である把持対象物１００を繰り返し把持、移送するよう動作する。このとき、同一の把持特性（後述）にある複数の把持対象物１００に対して、グリッパ２がそれら把持対象物１００を個別に把持する際の試験把持力（第１の把持力）、つまりグリッパ２の２つの把持爪で挟持する際の圧接力を増減変化させる。そして持ち上げ動作時における把持対象物１００の落下の有無や、把持対象物１００の損傷状態を繰り返し確認することで、生産機械の実作業時に適用すべき適切な作業把持力（第２の把持力）を設定する。なお、一度適切な作業把持力が設定された後の実作業時には、コントローラ５がその作業把持力でサーボアンプ６に動作指令を出力しモータをトルク制御すればよいだけであるため、カメラ３及び画像処理装置４は不要となりシステムから撤去できる。

なお本実施形態では、把持力設定システム１が柔軟物を把持対象物１００としてグリッパ２で把持、移送するための作業把持力を設定する場合について説明する。ここで本実施形態における柔軟物とは、およそ一般的な人間の通常の握力でその形状が容易に変形し得る程度の柔軟性を有するものを意味し、例えばおにぎりやサンドイッチなどの食品や殻付き卵などの食材を一例として想定している。

＜グリッパの詳細構成＞
図２は、カメラ３の撮像視野から見たグリッパ２全体の外観を示している。この図２において、グリッパ２はモータ２２と、グリッパ本体２３と、２つの把持爪２１を有している。

モータ２２は、上述したように本実施形態の例では回転型モータを用いており、略直方体形状の筐体であるグリッパ本体２３の側面に固定されている。このモータ２２の軸回転出力がグリッパ本体２３内部に設けたボールねじ、ピニオンギア、ラックギア、及び直進ガイド等（以上、特に図示せず）からなる駆動機構を介して２つの把持爪２１の直動出力に変換される。モータ２２の正転と逆転を切り替えることで、それぞれの接触面を対向させた２つの把持爪２１どうしが相互に近接動作と離間動作を切り替えるよう動作する。そしてモータ２２のトルクを制御することで、２つの把持爪２１の間の把持力が制御される。以上のように機能することにより、グリッパ２は、２つの把持爪２１の間に配置された把持対象物１００に対する直線的な把持動作と解放動作が可能となる。

なお、グリッパ２は、比較的低い把持力を高い精度で出力可能に構成されることが望ましい。具体的には、低いトルクを高精度で出力制御可能なサーボモータをモータ２２に用いるとよい。また、把持爪２１を円滑に直動動作できるよう、低摩擦で高リードのボールねじや、低摩擦で回転と噛み合いが可能なピニオンギア及びラックギアや、低摩擦の直進ガイド機構を用いるとよい。また、把持対象物１００に対して十分な接触面積を確保するなどにより、比較的低い把持力でも安定した把持が可能な形状、材質、構成の把持爪２１を用いるとよい。また、グリッパ２全体の重心位置などを考慮した機械的構成の設計や、各部品の組み立てとその調整についても適切に配慮するとよい。

＜本実施形態の特徴＞
一般的に、所定の把持特性にある把持対象物１００が一律に同じ形状と大きさにある場合には、グリッパ２の把持爪２１を位置制御で駆動制御しても把持対象物１００を損傷させずに安定して把持し、移送させることが容易である。しかし、同じ把持特性にある把持対象物１００であっても個体別に形状や大きさにバラツキがある場合には、グリッパ２を位置制御させるとそのような形状や大きさのバラツキに対応できず、把持対象物１００を損傷させるか又は持ち上げが困難となりやすい。

一方近年では、例えば食品等に多くある柔軟物を把持対象物１００として把持し、移送する生産機械システムが要望されている。このように食品を把持対象物１００とした場合には特に、上述した個体差に加え、損傷させないための上限把持力と持ち上げるのに必要な下限把持力との間の差が小さい場合が多いため、グリッパ２が把持対象物１００に対して付加するべき把持力の調整設定と制御が困難となっていた。

これに対して本実施形態では、試験把持力（第１の把持力に相当）を増減変化させて把持試験を繰り返し行うことで、実作業時でグリッパ２が把持対象物１００に対して付加すべき作業把持力（第２の把持力に相当）を設定する。そしてこのときに用いる把持力設定システム１が、グリッパ２が試験把持力で把持した際の把持対象物１００の変形量を検出するカメラ３及び画像処理装置４と、試験把持力に対する変形量の比に基づいて算出された後述の比変形特性値に基づいて把持対象物１００に対するグリッパ２の作業把持力を設定するコントローラ５と、を有している。

ここで、同じ把持特性にある把持対象物１００どうしでは、形状や大きさなどの個体差に関係なく共通の比変形特性値を示す把持力領域が存在する。コントローラ５が、その把持力領域内で共通の作業把持力を設定することで、食品等のように上限把持力と下限把持力の差が小さい把持対象物１００であっても、個体別の形状や大きさのバラツキに柔軟に対応しつつ、損傷させずに安定した把持、移送が可能となる。以下、このように作業把持力を設定する手法について説明する。

＜作業把持力の設定手法について＞
図３は、上記グリッパ２で把持した際に生じる把持対象物１００の形状変化の一例を表しており、図３（ａ）は把持力を付加する前の状態を、図３（ｂ）は把持力を付加した後の状態をそれぞれ示している。なおこの図３中では、上記図２と同様のカメラ３の撮像視野のうち、モータ２２とグリッパ本体２３を省略して２つの把持爪２１とその間に位置する把持対象物１００の周辺だけを図示している。

図示する例では、把持対象物１００の原形が直径Ｄａの球体であり、図中の左右方向に所定の把持力が付加されたことで、その把持力付加方向にだけ径がＤｂ（＜Ｄａ）に圧縮変形されている。本実施形態の例では、把持力付加前における把持力付加方向での原形寸法Ｄａと、把持力付加後における把持力付加方向の変形寸法Ｄｂとの間の偏差寸法をΔＤ（絶対形状変化量）とし、原形寸法Ｄａに対する偏差寸法ΔＤの比ΔＤ／Ｄａ（いわゆる歪み）を変形量（形状情報）として上記画像処理装置４が出力する。具体的には、把持力を付加する前後の把持対象物１００全体の形状変化を上記カメラ３が撮像して２次元の画像情報を出力し、画像処理装置４はこの画像情報中における把持対象物１００の輪郭の変化から上記変形量を算出する。

ここで、把持対象物１００を構成する要素の材質や内部構造によっては、生じる変形量に幾何的な指向性を有する場合がある。つまり同一の把持対象物１００に対して同一の把持力を付加するとしても、その把持対象物１００の姿勢や把持力の付加方向によっては生じる変形量が変化する。本実施形態の把持力設定システム１では、同じ種類の把持対象物１００に対して同じ把持姿勢、同じ把持力付加方向で把持することで、変形量の発生指向性を一律に規定する。本実施形態では、このように特定の変形指向性に規定された場合も含め、同じ種類の把持対象物１００どうしで共通する把持力と変形量との間の関係特性を把持特性という。

図４は、柔軟物の食品である把持対象物１００の１個体について試験した結果の把持特性を示すグラフの一例を表している。この図４において、横軸は把持対象物１００に付加した試験把持力Ｆに対応しており、縦軸は把持対象物１００に生じた変形量Ｔ（歪み）に対応している。この図４のグラフに示す把持特性の例では、試験把持力Ｆが０からＦ_Ｈまでの範囲において、試験把持力Ｆに対する変形量Ｔの比Ｔ／Ｆである比変形特性値が略一定となる線形比例領域（つまりグラフが傾き一定の直線を描く領域）となっている。そして試験把持力ＦがＦ_Ｈより大きい領域では変形量Ｔが急激に増大する。

このように柔軟物を含む一般的な把持対象物１００の把持特性には、上記のような線形比例領域が一部に存在し、この線形比例領域内においては把持対象物１００がばね係数をともなう弾性的な性質（可逆的に変形する性質）を示すことになる。そして、この線形比例領域内においては、同じ種類の把持対象物１００どうしで形状や大きさなどの個体差に関係なく共通の比変形特性値を示すことが分かっている。

さらに、把持対象物１００を損傷させない最大の把持力である上限把持力Ｆ_Ｈと、把持対象物１００を持ち上げ可能な最小の把持力である下限把持力Ｆ_Ｌは、いずれもこの線形比例領域内に存在することが分かっている。したがって、上限把持力Ｆ_Ｈと下限把持力Ｆ_Ｌを確認してそれらの間に作業把持力を設定することで、同じ把持特性にある同じ種類の把持対象物１００に対してその形状や大きさなどの個体差に関係なく確実かつ適切な把持動作及び移送動作が可能となる。

なお本実施形態の例では、上記の上限把持力Ｆ_Ｈの基準となる把持対象物１００の損傷有無の判定や、上記の下限把持力Ｆ_Ｌの基準となる把持対象物１００の持ち上げ可否の判定については、当該把持力設定システム１の操作者が目視での確認によって行う。

＜把持力設定処理の制御フロー＞
図５、図６は、以上説明した本実施形態による把持力設定処理を実現するために、コントローラ５のＣＰＵ９０１（演算装置；後述の図１２参照）が実行する処理手順を表すフローチャートの一例を示している。このフローに示す処理は、当該把持力設定システム１の起動時から開始される。

まずステップＳ５で、ＣＰＵ９０１は、変数としての試験把持力Ｆを０に初期設定する。

次にステップＳ１０へ移り、ＣＰＵ９０１は、把持対象物１００がグリッパ２に適正にセットする操作が完了するまでループ待機する。これは例えば、特に図示しない操作部を介して操作者からの開始指令が入力されたか否かを判定すればよい。

次にステップＳ１５へ移り、ＣＰＵ９０１は、この時点の試験把持力Ｆをトルク指令に変換してサーボアンプ６に出力する。これにより、モータ２２に給電する駆動電力が変化し、グリッパ２が試験把持力Ｆに相当する把持力で把持対象物１００を把持する。

次にステップＳ２０へ移り、ＣＰＵ９０１は、画像処理装置４から画像情報を取得してこの時点の把持対象物１００の変形量Ｔを検出する。

次にステップＳ２５へ移り、ＣＰＵ９０１は、特に図示しないアームマニプレータに対して指令を送り、把持対象物１００ごとグリッパ２を持ち上げる動作を行わせる。

次にステップＳ３０へ移り、ＣＰＵ９０１は、上記ステップＳ２５の持ち上げ動作により、グリッパ２が把持対象物１００を安定して持ち上げることができたか否かを判定する。上述したように、実際のこの判定は操作者の目視により行われ、特に図示しない操作部を介して操作者からの判定入力の内容で判定すればよい。もしくは、カメラ３で撮像した画像情報に基づいて画像処理装置４が判定してもよいし、またはグリッパ２の下方に接触センサ等を設けて把持対象物１００の落下検知に基づいて判定してもよい（図示省略）。把持対象物１００の持ち上げが成功していない場合、判定は満たされず、ステップＳ３５へ移る。

ステップＳ３５では、ＣＰＵ９０１は、試験把持力Ｆに比較的小さい刻み値ΔＦを加算して上記ステップＳ１０に戻り同様の手順を繰り返す。

一方、上記ステップＳ３０の判定において、把持対象物１００の持ち上げが成功した場合、判定が満たされ、ステップＳ４０へ移る。

ステップＳ４０では、ＣＰＵ９０１は、この時点の試験把持力Ｆで下限把持力Ｆ_Ｌを設定し、この時点で最新の変形量Ｔで下限変形量Ｔ_Ｌを設定する。

次にステップＳ４５へ移り、ＣＰＵ９０１は、上記ステップＳ１５と同様にこの時点の試験把持力Ｆをトルク指令に変換してサーボアンプ６に出力する。

次にステップＳ５０へ移り、ＣＰＵ９０１は、上記ステップＳ２０と同様に画像処理装置４から画像情報を取得してこの時点の把持対象物１００の変形量Ｔを検出する。

次にステップＳ５５へ移り、ＣＰＵ９０１は、グリッパ２が把持対象物１００を損傷させたか否かを判定する。上述したように、実際のこの判定は操作者の目視により行われ、特に図示しない操作部を介して操作者からの判定入力の内容で判定すればよい。このときの損傷の有無の基準としては、例えば可逆的に戻れないほどに把持対象物１００の形状が変形したか否か、もしくは卵の場合で殻が損傷するなどのように確実な傷や割れが生じたか否かで判定すればよい。把持対象物１００に損傷が生じていない場合、判定は満たされず、ステップＳ６０へ移る。

ステップＳ６０では、ＣＰＵ９０１は、試験把持力Ｆに比較的小さい刻み値ΔＦを加算して上記ステップＳ４５に戻り同様の手順を繰り返す。

一方、上記ステップＳ５５の判定において、把持対象物１００に損傷が生じた場合、判定が満たされ、ステップＳ６５へ移る。

ステップＳ６５では、ＣＰＵ９０１は、この時点の試験把持力ＦからΔＦを差し引いた値で上限把持力Ｆ_Ｈを設定し、この時点で２番目に最新の変形量Ｔで上限変形量Ｔ_Ｈを設定する。

次にステップＳ７０へ移り、ＣＰＵ９０１は、上記ステップＳ４０で設定した下限把持力Ｆ_Ｌに対する下限変形量Ｔ_Ｌの比で下限比変形特性値Ｒ_Ｌを算出し、上記ステップＳ６５で設定した上限把持力Ｆ_Ｈに対する上限変形量Ｔ_Ｈの比で上限比変形特性値Ｒ_Ｈを算出する。

次にステップＳ７０へ移り、ＣＰＵ９０１は、上記ステップＳ７０で算出した下限比変形特性値Ｒ_Ｌと上限比変形特性値Ｒ_Ｈが略一致しているか否かを判定する。下限比変形特性値Ｒ_Ｌと上限比変形特性値Ｒ_Ｈが一定以上相違している場合、判定は満たされず、上記ステップＳ５に戻り同様の手順を繰り返す。言い換えると、試験把持力Ｆが線形比例領域から逸脱して当該把持対象物１００に対する把持力設定処理が失敗したものとみなし、把持力設定処理を最初からやりなおす。

一方、下限比変形特性値Ｒ_Ｌと上限比変形特性値Ｒ_Ｈが略一致している場合、判定が満たされ、ステップＳ８０へ移る。

ステップＳ８０では、ＣＰＵ９０１は、下限比変形特性値Ｒ_Ｌと上限比変形特性値Ｒ_Ｈの平均値で作業把持力Ｆｓを設定し、このフローを終了する。

＜本実施形態の効果＞
以上説明したように、本実施形態の把持力設定システム１によれば、試験把持力を増減変化させて把持試験を繰り返し行うことで、実作業時でグリッパ２が把持対象物１００に対して付加すべき作業把持力を設定する。そしてこの把持力設定システム１が、グリッパ２が試験把持力で把持した際の把持対象物１００の変形量を検出するカメラ３及び画像処理装置４と、試験把持力に対する変形量の比に基づいて算出された比変形特性値に基づいて把持対象物１００に対するグリッパ２の作業把持力を設定するコントローラ５と、を有している。

ここで、同じ把持特性にある把持対象物１００どうしでは、形状や大きさなどの個体差に関係なく共通の比変形特性値を示す把持力領域が存在する。上記コントローラ５が、その把持力領域内で共通の作業把持力を設定することで、食品等のように上限把持力と下限把持力の差が小さい把持対象物１００であっても、実作業において個体別の形状や大きさのバラツキに柔軟に対応しつつ、損傷させずに安定した把持、移送が可能となる。この結果、把持対象物１００の柔軟性に対応した把持機能を向上させることができる。

また、本実施形態では特に、コントローラ５は、比変形特性値が略一定となる試験把持力と変形量の線形比例領域内で作業把持力を設定する。上述した個体間共通の比変形特性値を示す把持力領域は、各個体で比変形特性値が略一定となる試験把持力と変形量の線形比例領域内に存在する。このような線形比例領域内で作業把持力を設定することで、実作業において適切な作業把持力の設定が可能となる。

なお本実施形態では、上記図４に示したように試験把持力Ｆが０から上限把持力Ｆ_Ｈまでの範囲で線形比例領域となる場合を説明したが、把持態様物の構成によっては例えば０＜Ｆ＜Ｆ_Ｈの範囲で線形比例領域となる場合もある。この場合には、単位試験把持力当たりの変形量の変化率（つまり直線グラフの傾き）を比変形特性値と置き換えることで、当該線形比例領域内においては比変形特性値が略一定と解釈できる（以上、図示省略）。

また、本実施形態では特に、コントローラ５は、グリッパ２が把持対象物１００を損傷させない最大の上限把持力と、グリッパ２が把持対象物１００を持ち上げ可能な最小の下限把持力を設定し、作業把持力は上限把持力と下限把持力の間に設定する。このように、上述した線形比例領域内でさらに上限把持力と下限把持力を確認し、その上でそれらの間に作業把持力を設定することで、把持動作と移送動作を実行するためにより適切で確実な設定が可能となる。また本実施形態では、上限把持力と下限把持力の平均値で作業把持力を設定したが、これに限られない。例えば上限把持力と下限把持力の間の差に十分な余裕がある場合には、上限把持力と下限把持力のいずれか一方に対して所定のマージン係数を乗算した値で作業把持力を設定してもよい。例えば、把持対象物１００の損傷を防ぐことを重視する場合には、上限把持力に１未満のマージン係数を乗算した値で作業把持力を設定してもよい。また、把持対象物１００の確実な持ち上げ動作を重視する場合には、下限把持力に１より大きいマージン係数を乗算した値で作業把持力を設定してもよい。

また、本実施形態では特に、把持対象物１００の変形量を検出する機能部（カメラ３と画像処理装置４）において、把持対象物１００の形状を光学的手法により検知する光学センサ（カメラ３）を有している。これにより、把持対象物１００に対して非接触で精度の高い変形量の検出が可能であり、特に衛生面を重視すべき食品が把持対象物１００である場合には有用である。

また、本実施形態では特に、上記光学センサが、把持対象物１００の全体形状を撮像するカメラ３であることにより、把持対象物１００の把持位置の変動や個体別の形状及び大きさのバラツキに柔軟に対応した変形量の検出が可能となる。

また、本実施形態では特に、カメラ３及び画像処理装置４が、把持対象物１００全体の大きさに対する絶対形状変化量の比（いわゆる歪み）で変形量を検出することにより、特に把持対象物１００の個体別の大きさのバラツキを相殺した適切な作業把持力の設定が可能となる。なお、絶対形状変化量である偏差寸法ΔＤそのものを変形量として検出してもよい。

また、本実施形態では特に、カメラ３と画像処理装置４は、グリッパ２が試験把持力を付加する把持方向と同方向で変形量を検出する。これにより、特に把持方向に変形しやすい（把持方向と異なる方向に変形しにくい）把持特性にある把持対象物１００に対して有効な変形量の検出精度（作業把持力の設定精度）を向上できる。

なお、生産機械における把持対象物１００の把持姿勢やグリッパ２の把持方向の都合から、把持方向と異なる方向で把持対象物１００の変形量が大きく検出しやすい場合がある。例えば図３に対応する図７に示すように、把持対象物１００によっては、把持方向と直交する図中の上下方向で大きく変形量が検出されやすい把持特性を有する場合がある。これに対応してカメラ３と画像処理装置４が試験把持力を付加する把持方向と異なる方向（例えば図中の上方から下方へ向かう方向、又は紙面直交方向；図示省略）で変形量を検出してもよい。これにより、特に把持方向と異なる方向に変形しやすい把持特性にある把持対象物１００に対して有効な変形量の検出精度（作業把持力の設定精度）を向上できる。

なお、光学センサがカメラ３である場合には、撮像視野における把持対象物１００の投影面積について変形量を検出してもよい。この場合には、試験把持力の付加に対応して投影面積（もしくは表面積）が変化しやすい把持特性にある把持対象物１００に対して特に有効な変形量の検出精度（作業把持力の設定精度）を向上できる。

また、本実施形態では特に、把持対象物１００を直接把持するアクチュエータが、モータ２２で駆動するグリッパ２であることにより、把持対象物１００に対する把持力の幾何的、電気的な解析が容易となる。

また、本実施形態では特に、試験把持力又は作業把持力に基づくトルク制御でモータ２２を駆動制御するサーボアンプ６を有していることにより、把持対象物１００に対してグリッパ２が付加する把持力の電気的制御が容易となる。なお、グリッパ２を駆動するモータ２２は回転型に限られず、直動型のリニアモータを適用してもよい。この場合には、コントローラ５がサーボアンプ６に出力する動作指令が把持力と同等の推力指令となり、サーボアンプ６はリニアモータを推力制御してグリッパ２に把持力を出力させる。

なお、上記実施形態では食品や食材程度の柔軟性を有する物を把持対象物としていたが、これに限られない。例えば、ガラスやプラスチックなどを材料として付加する把持力の大きさや方向によっては破損する可能性のある物品（構造体）を把持対象物として適用することにも好適である。

＜変形例＞
なお、開示の実施形態は、上記に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を説明する。

＜３爪グリッパを用いる場合＞
上記実施形態では、平行に配置された２つの把持爪２１で把持対象物１００を挟持するよう把持するグリッパ２を用いた場合を説明したが、これに限られない。他にも、図８に示すように円周上の等間隔な配置で３つの把持爪３１を有する３爪グリッパ３０を用いてもよい。図８（ａ）は側方から見た３爪グリッパ３０全体の外観を示しており、図８（ｂ）は上方から見た３爪グリッパ３０全体の外観を示している。この図８において、３爪グリッパ３０は１つのモータ３２と、グリッパ本体３３と、３つの把持爪３１を有している。

モータ３２は、回転型モータを用いており、略円柱形状の筐体であるグリッパ本体３３の一方（図８（ａ）中の下方）の端面に固定されている。このモータ３２の軸回転出力がグリッパ本体３３内部に設けたピニオンギア、従動ギア、ラックギア、及び直進ガイド等（以上、特に図示せず）からなる駆動機構を介して３つの把持爪３１の直動出力に変換される。モータ３２の正転と逆転を切り替えることで、それぞれ接触面をグリッパ本体３３の中心点Ｐに向けた３つの把持爪３１が当該中心点Ｐに向かう近接動作と離間動作を切り替えるよう動作する。そしてモータ３２のトルクを制御することで、３つの把持爪３１の間の把持力が制御される。以上のように機能することにより、３爪グリッパ３０は、３つの把持爪３１の間に配置された把持対象物１００に対する放射状的な把持動作と解放動作が可能となる。

なお、この３爪グリッパ３０においても、比較的低い把持力を高い精度で出力可能に構成されることが望ましい。具体的には、低いトルクを高精度で出力制御可能なサーボモータをモータ３２に用いるとよい。また、把持爪３１を円滑に直動動作できるよう、低摩擦で回転と噛み合いが可能なピニオンギア及びラックギアや、低摩擦の直進ガイド機構を用いるとよい。また、把持対象物１００に対して十分な接触面積を確保するなどにより、比較的低い把持力でも安定した把持が可能な形状、材質、構成の把持爪３１を用いるとよい。また、３爪グリッパ３０全体の重心位置などを考慮した機械的構成の設計や、各部品の組み立てとその調整についても適切に配慮するとよい。

このような３爪グリッパ３０を用いる場合には、例えば上記図３に対応する図９に示すように、各把持爪３１の把持方向に沿ってグリッパ本体３３の中心点Ｐから把持爪３１の接触面までの把持対象物１００の偏差寸法ΔＲに基づいて変形量を検出すればよい。このためには、カメラ３はグリッパ本体３３の中心軸上（紙面手前側）に配置することが望ましい。以上のような３爪グリッパ３０は、例えばおむすび、おはぎ、卵のような、略三角柱形状や略回転体形状の把持対象物１００を安定的に把持するのに好適である。

＜光学センサに距離センサを用いる場合＞
上記実施形態では、把持対象物１００の変形量を検出するための光学センサとしてカメラ３を用いた場合を説明したが、これに限られない。他にも、上記カメラ３の代わりに距離センサを用いて把持対象物１００の変形量を検出してもよい。この距離センサ４０は、図１０に示すように、レーザー光Ｌ１を把持対象物１００に向けて投光してから把持対象物１００の表面からの反射光Ｌ２を受光するまでの時間差に基づいて把持対象物１００の表面までの距離（表面の位置）を測定する光学センサである。この場合でも、図１０（ａ）に示すようにグリッパ２の把持方向と同一方向で変形量を検出したり、または図１０（ｂ）に示すようにグリッパ２の把持方向と異なる方向で変形量を検出するなど、把持対象物１００の変形指向性に応じた方向での変形量の検出が可能である。この距離センサ４０を用いた場合でも、把持対象物１００の形状や大きさに個体差がなく、また把持対象物１００の把持位置が常に固定されている場合には、上記カメラ３を用いた場合と同等に把持対象物１００の変形量を検出できる。

本変形例は、比較的安価な距離センサ４０を光学センサとして用いることで、カメラ３を用いた場合よりも簡易かつ製造コストを抑えた構成での変形量の検出が可能となる。

また、本変形例では特に、距離センサ４０が把持対象物１００の表面の変位で変形量を検出することにより、画像処理装置４での処理負担も軽減されて簡易かつ迅速な変形量の検出が可能となる。

＜検出した変形量に基づいて把持力を推定する場合＞
上記実施形態では、一度適切な作業把持力を設定した後の実作業時には、変形量の検出が不要であるとしてシステムからカメラ３と画像処理装置４を撤去していた。しかし、実作業時においてもカメラ３と画像処理装置４により把持対象物１００の変形量を検出し、その変形量に基づいてその時点で当該把持対象物１００に付加されている把持力（第３の把持力）を推定してもよい。

この場合には、同じ把持対象物１００に対して既に把持力設定処理で求めた上記図４の把持特性について横軸座標と縦軸座標を入れ替えることで、図１１に示すような変形特性を求めることができる。つまり図１１に示す変形特性のグラフは、横軸を検出値である変形量に対応させ、縦軸を推定値である把持力に対応させたものである。コントローラ５はこの変形特性に基づいて、画像処理装置４から検出された変形量に対応する把持力を推定できる。またこの変形特性においては、グリッパ２が把持対象物１００を損傷させない最大の上限変形量と、グリッパ２が把持対象物１００を持ち上げ可能な最小の下限変形量も既知となっている。それら上限変形量と下限変形量の間で作業変形量を設定すれば、把持動作と移送動作を実行するためにより適切で確実な設定が可能となる。なお、この変形例におけるカメラ３と画像処理装置４が各請求項記載の検出部に相当し、コントローラ５が各請求項記載の推定部に相当し、システム全体が各請求項記載の把持力推定システムに相当する。

以上説明したように、本変形例の把持力推定システムによれば、グリッパ２が所定の変形特性にある把持対象物１００を把持した際の当該把持対象物１００の変形量を検出するカメラ３及び画像処理装置４と、変形量に基づいてグリッパ２が把持対象物１００を把持した際に付加した把持力を推定するコントローラ５と、を有している。これにより、グリッパ２の把持爪２１に圧接センサを設けて把持力を検出する場合と比較して、非接触により衛生的かつ耐久性の高い把持力の検出が可能となる。

また例えば、コントローラ５やサーボアンプ６の仕様によっては、トルク制御（推力制御、電流制御）ができずに位置制御や速度制御しかできない場合がある。これに対して本変形例では、カメラ３と画像処理装置４で検出した変形量に基づいてコントローラ５がその時点で把持対象物１００に付加されている把持力を推定し、この把持力推定値をフィードバックして把持力を作業把持力に一致させるよう位置制御又は速度制御を行うことができる。

なお、把持対象物１００の種類に依存する把持力と変形量の間の関係、つまり上述した把持特性や変形特性については、対応する把持力と変形量の対を教師データとしたいわゆる機械学習（ベイジアンネットワーク、サポートベクトルマシン、ディープラーニング等）により取得してもよい。この場合には、光学センサをカメラ３とすることで、変形量を特定の変形指向性に基づく寸法変化に限られず、把持対象物１００全体の形状変化量として検出することもできる。

＜画像処理装置、コントローラのハードウェア構成例＞
次に、図１２を参照しつつ、コントローラ５及び画像処理装置４のハードウェア構成例について説明する。なお、コントローラ５と画像処理装置４は、それぞれ図１２に示す同等のハードウェア構成にあるとして説明する。

図１２に示すように、画像処理装置４及びコントローラ５は、例えば、ＣＰＵ９０１と、ＲＯＭ９０３と、ＲＡＭ９０５と、ＡＳＩＣ又はＦＰＧＡ等の特定の用途向けに構築された専用集積回路９０７と、入力装置９１３と、出力装置９１５と、記録装置９１７と、ドライブ９１９と、接続ポート９２１と、通信装置９２３とを有する。これらの構成は、バス９０９や入出力インターフェース９１１を介し相互に信号を伝達可能に接続されている。

プログラムは、例えば、ＲＯＭ９０３やＲＡＭ９０５、記録装置９１７等に記録しておくことができる。

また、プログラムは、例えば、フレキシブルディスクなどの磁気ディスク、各種のＣＤ・ＭＯディスク・ＤＶＤ等の光ディスク、半導体メモリ等のリムーバブルな記録媒体９２５に、一時的又は永続的に記録しておくこともできる。このような記録媒体９２５は、いわゆるパッケージソフトウエアとして提供することもできる。この場合、これらの記録媒体９２５に記録されたプログラムは、ドライブ９１９により読み出されて、入出力インターフェース９１１やバス９０９等を介し上記記録装置９１７に記録されてもよい。

また、プログラムは、例えば、ダウンロードサイト・他のコンピュータ・他の記録装置等（図示せず）に記録しておくこともできる。この場合、プログラムは、ＬＡＮやインターネット等のネットワークＮＷを介し転送され、通信装置９２３がこのプログラムを受信する。そして、通信装置９２３が受信したプログラムは、入出力インターフェース９１１やバス９０９等を介し上記記録装置９１７に記録されてもよい。

また、プログラムは、例えば、適宜の外部接続機器９２７に記録しておくこともできる。この場合、プログラムは、適宜の接続ポート９２１を介し転送され、入出力インターフェース９１１やバス９０９等を介し上記記録装置９１７に記録されてもよい。

そして、ＣＰＵ９０１が、上記記録装置９１７に記録されたプログラムに従い各種の処理を実行することにより、各請求項記載の検出部、設定部、又は推定部等による処理が実現される。この際、ＣＰＵ９０１は、例えば、上記記録装置９１７からプログラムを直接読み出して実行してもよいし、ＲＡＭ９０５に一旦ロードした上で実行してもよい。更にＣＰＵ９０１は、例えば、プログラムを通信装置９２３やドライブ９１９、接続ポート９２１を介し受信する場合、受信したプログラムを記録装置９１７に記録せずに直接実行してもよい。

また、ＣＰＵ９０１は、必要に応じて、例えばマウス・キーボード・マイク（図示せず）等の入力装置９１３から入力する信号や情報に基づいて各種の処理を行ってもよい。

そして、ＣＰＵ９０１は、上記の処理を実行した結果を、例えば表示装置や音声出力装置等の出力装置９１５から出力してもよく、さらにＣＰＵ９０１は、必要に応じてこの処理結果を通信装置９２３や接続ポート９２１を介し送信してもよく、上記記録装置９１７や記録媒体９２５に記録させてもよい。

なお、以上の説明における「垂直」とは、厳密な意味での垂直ではない。すなわち、「垂直」とは、設計上、製造上の公差、誤差が許容され、「実質的に垂直」という意味である。

なお、以上の説明における「平行」とは、厳密な意味での平行ではない。すなわち、「平行」とは、設計上、製造上の公差、誤差が許容され、「実質的に平行」という意味である。

なお、以上の説明における「等しい」とは、厳密な意味ではない。すなわち、「等しい」とは、設計上、製造上の公差、誤差が許容され、「実質的に等しい」という意味である。

また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。

その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１ 把持力設定システム（把持力推定システム）
２ グリッパ（把持部）
３ カメラ（検出部、光学センサ）
４ 画像処理装置（検出部）
５ コントローラ（設定部、推定部）
６ サーボアンプ（モータ制御装置）
２１ 把持爪
２２ モータ
２３ グリッパ本体
３０ ３爪グリッパ（把持部）
３１ 把持爪
３２ モータ
３３ グリッパ本体
４０ 距離センサ（光学センサ）
１００ 把持対象物

Claims (12)

1. 所定の把持特性にある把持対象物を把持する把持部と、
   前記把持部が第１の把持力で把持した際の前記把持対象物の変形量を検出する検出部と、
   前記第１の把持力に対する前記変形量の比で算出された比変形特性値が略一定となる第１の把持力と変形量の線形比例領域内で、前記把持部が前記把持対象物を損傷させない最大の上限把持力と、前記把持部が前記把持対象物を持ち上げ可能な最小の下限把持力との間にある前記把持部の第２の把持力を、前記所定の把持特性にある把持対象物に対して設定する設定部と、
   を有することを特徴とする把持力設定システム。
2. 前記検出部は、前記把持対象物の形状を光学的手法により検知する光学センサを有することを特徴とする請求項１記載の把持力設定システム。
3. 前記光学センサは、前記把持対象物の全体形状を撮像するカメラであることを特徴とする請求項２記載の把持力設定システム。
4. 前記検出部は、前記把持対象物全体の大きさに対する絶対形状変化量の比で前記変形量を検出することを特徴とする請求項３記載の把持力設定システム。
5. 前記光学センサは、前記把持対象物の表面の位置を計測する距離センサであることを特徴とする請求項２記載の把持力設定システム。
6. 前記検出部は、前記把持対象物の表面の変位で前記変形量を検出することを特徴とする請求項５記載の把持力設定システム。
7. 前記検出部は、前記第１の把持力を付加する把持方向と異なる方向で前記変形量を検出することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の把持力設定システム。
8. 前記検出部は、前記第１の把持力を付加する把持方向と同方向で前記変形量を検出することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の把持力設定システム。
9. 前記把持部は、モータで駆動するグリッパであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の把持力設定システム。
10. 前記第１の把持力又は前記第２の把持力に基づくトルク制御又は推力制御で前記モータを駆動制御するモータ制御部を有することを特徴とする請求項９記載の把持力設定システム。
11. 把持力設定システムが備える演算装置に実行させる把持力設定方法であって、
    所定の把持特性にある把持対象物を把持することと、
    第１の把持力で把持した際の前記把持対象物の変形量を検出することと、
    前記第１の把持力に対する前記変形量の比を比変形特性値として算出することと、
    前記比変形特性値が略一定となる第１の把持力と変形量の線形比例領域内で、前記把持対象物を損傷させない最大の上限把持力と、前記把持対象物を持ち上げ可能な最小の下限把持力との間にある第２の把持力を、前記所定の把持特性にある把持対象物に対して設定することと、
    を実行させることを特徴とする把持力設定方法。
12. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の把持力設定システム、又は、請求項１１の把持力設定方法における前記所定の把持特性に対応した所定の変形特性にある把持対象物を把持する把持部と、
    前記把持部が前記把持対象物を把持した際の当該把持対象物の変形量を検出する検出部と、
    前記変形量と前記比変形特性値に基づいて前記把持部が前記変形特性にある把持対象物を把持した際に付加した第３の把持力を推定する推定部と、
    を有することを特徴とする把持力推定システム。
    

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