JP6982289B2 - Hand robot and control method of hand robot - Google Patents
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Description
本発明は、隣接する節部間の関節を屈曲・伸展させるようにしたハンドロボット、及びハンドロボットの制御方法に関するものである。
The present invention relates to a hand robot in which joints between adjacent nodes are flexed and extended, and a control method for the hand robot.
従来、この種の発明には、例えば特許文献１に記載されるもののように、掌状に形成された基部と、この基部に支持されて屈曲運動する複数の指機構と、各指機構の指先部材に作用する６軸力、即ち、互いに直交する３軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）方向の並進力と各軸周りのモーメントとを測定する６軸力センサとを備え、前記６軸力センサから出力される６軸力の測定値に基づいて各指機構の指先力を制御するようにした５指型ハンド装置がある。
このような従来技術によれば、把持対象物の弾力性や硬度等に応じて６軸力センサの測定値が異なるため、その測定値に基づき、把持対象物の前記特性に応じた指先力を各指機構に与えることが可能になる。
Conventionally, in this type of invention, for example, as described in
According to such a conventional technique, the measured value of the 6-axis force sensor differs depending on the elasticity and hardness of the gripping object. Therefore, based on the measured value, the fingertip force according to the characteristic of the gripping object is applied. It becomes possible to give to each finger mechanism.
しかしながら、上記従来技術では、非常に高価で高重量かつ大型な６軸力センサを指機構毎に対応するように複数具備する必要がある。そこで、６軸力センサを手首部分のみに単数設けることも考えられるが、この場合には、センサを配置した部位よりも先端側の力・モーメントについては総和しか測定できず、例えば手首部分から離れた各指先部分の力を測定することはできない。したがって、高精度な制御は期待できない。
また、６軸力センサを指先や掌のみに設けた場合には、物体と接触している節部を特定することが困難である。
また、他の従来技術としては、各指の節部毎に触覚センサを設けるようにした発明（例えば、特許文献２参照）もあるが、触覚センサのみの情報に基づき指先力を推定するのは困難であり、力覚センサとの併用を要する。
However, in the above-mentioned conventional technique, it is necessary to provide a plurality of very expensive, heavy and large 6-axis force sensors for each finger mechanism. Therefore, it is conceivable to provide a single 6-axis force sensor only on the wrist part, but in this case, only the sum of the forces and moments on the tip side of the part where the sensor is placed can be measured, for example, away from the wrist part. It is not possible to measure the force of each fingertip. Therefore, high-precision control cannot be expected.
Further, when the 6-axis force sensor is provided only on the fingertip or the palm, it is difficult to identify the node in contact with the object.
Further, as another conventional technique, there is an invention in which a tactile sensor is provided for each node of each finger (see, for example, Patent Document 2), but the fingertip force is estimated based on the information of only the tactile sensor. It is difficult and needs to be used in combination with a force sensor.
このような課題に鑑みて、本発明は、以下の構成を具備するものである。
掌部と、根本側が関節を介して前記掌部に支持されるとともに長手方向の中途部分にも関節を有し、長手方向に隣り合う前記関節の間が節部である複数の指体と、前記関節毎に設けられたモータと、該モータ毎に設けられモータ側から入力部に加わる動力を出力部に伝達する動力伝達機構と、前記出力部の動力によって対応する前記関節を屈伸運動させる屈伸機構と、制御部とを具備し、前記根本側の関節により隣接する指体を接近離間方向へ回動させるとともに、前記中途部分の関節により各指体を前記接近離間方向に対する交差方向へ屈伸させるようにしたハンドロボットであって、前記関節毎に対応して、把持対象物側からの反力を測定する１軸力センサが設けられ、前記制御部が、複数の前記１軸力センサの力測定データに基づいて、前記各指体の指先力を算出するようにしたハンドロボットにおいて、前記制御部は、特定の節部の指先側に位置する前記１軸力センサによる力測定データと、前記特定の節部の指根本側に位置する１軸力センサによる力測定データとを比較し、これら力測定データの関係より、前記特定の節部に前記把持対象物との接触位置があるか否かを推定することを特徴とするハンドロボット。
In view of such problems, the present invention has the following configurations.
A palm portion, also have a joint in the middle portion in the longitudinal direction together with the root side is supported by the palm portion via a joint, and a plurality of fingers which is a knots portion between the joint adjacent longitudinally A motor provided for each joint, a power transmission mechanism provided for each motor that transmits power applied to the input unit from the motor side to the output unit, and bending and stretching movement of the corresponding joint by the power of the output unit. It is provided with a mechanism and a control unit, and the adjacent finger bodies are rotated in the approaching / separating direction by the joint on the root side, and each finger body is bent / extended in the crossing direction with respect to the approaching / separating direction by the joint in the middle portion. A uniaxial force sensor for measuring the reaction force from the gripping object side is provided for each of the joints, and the control unit controls the force of the plurality of uniaxial force sensors. In the hand robot that calculates the fingertip force of each finger body based on the measurement data, the control unit uses the force measurement data by the one-axis force sensor located on the fingertip side of a specific node and the force measurement data. Compared with the force measurement data by the one-axis force sensor located on the finger base side of the specific node, and based on the relationship of these force measurement data, whether or not the specific node has a contact position with the gripping object. A hand robot characterized by estimating.
本実施の形態では、以下の特徴を開示している。
第１の特徴は、ハンドロボットであって、掌部と、根本側が関節を介して前記掌部に支持されるとともに長手方向の中途部分にも関節を有する複数の指体と、前記関節毎に設けられたモータと、該モータ毎に設けられモータ側から入力部に加わる動力を出力部に伝達する動力伝達機構と、前記出力部の動力によって対応する前記関節を屈伸運動させる屈伸機構と、制御部とを具備し、前記根本側の関節により隣接する指体を接近離間方向へ回動させるとともに、前記中途部分の関節により各指体を前記接近離間方向に対する交差方向へ屈伸させるようにしたハンドロボットであって、
前記動力伝達機構毎に対応して、把持対象物側からの反力を測定する１軸力センサが設けられ、前記制御部が、複数の前記１軸力センサの力測定データに基づいて、前記各指体の指先力を算出するようにした。
この構成によれば、１軸力センサを用いた比較的安価で小型軽量な構造でもって指先力を高精度に測定することができる。
In this embodiment, the following features are disclosed.
The first feature is a hand robot, which has a palm portion, a plurality of finger bodies whose root side is supported by the palm portion via a joint and also has a joint in the middle portion in the longitudinal direction, and each of the joints. A motor provided, a power transmission mechanism provided for each motor that transmits the power applied to the input unit from the motor side to the output unit, and a bending / stretching mechanism that flexes and stretches the corresponding joint by the power of the output unit, and controls. A hand provided with a portion, in which adjacent finger bodies are rotated in the approaching / separating direction by the joint on the root side, and each finger body is bent / extended in the crossing direction with respect to the approaching / separating direction by the joint in the middle portion. Being a robot
A uniaxial force sensor for measuring the reaction force from the gripping object side is provided corresponding to each of the power transmission mechanisms, and the control unit is based on the force measurement data of the plurality of the uniaxial force sensors. The fingertip force of each finger body was calculated.
According to this configuration, the fingertip force can be measured with high accuracy with a relatively inexpensive, compact and lightweight structure using a uniaxial force sensor.
第２の特徴としては、省電力な態様とするために、前記動力伝達機構が、モータ側から前記入力部に加わる動力を前記出力部に伝達可能で且つ出力側から前記出力部に力が加わった際には前記出力部をロックする一方向動力伝達機構であり、前記１軸力センサが、前記一方向動力伝達機構よりも出力側に設けられている。 The second feature is that the power transmission mechanism can transmit the power applied to the input unit from the motor side to the output unit and the force is applied to the output unit from the output side in order to save power. In this case, it is a one-way power transmission mechanism that locks the output unit, and the one-axis force sensor is provided on the output side of the one-way power transmission mechanism.
第３の特徴としては、把持対象物に対する接触位置を認識できるように、前記指体毎の前記中途部分の関節が複数設けられ、前記制御部が、前記中途部分の複数の関節の前記力測定データに基づき、前記各指体における把持対象物との接触位置を算出するようにした。 As a third feature, a plurality of joints in the middle portion of each finger body are provided so that the contact position with respect to the gripping object can be recognized, and the control unit measures the force of the plurality of joints in the middle portion. Based on the data, the contact position with the gripping object in each finger body was calculated.
第４の特徴としては、各指体の先端位置を認識できるように、前記関節毎に、その関節の前後間の角度を測定する角度測定手段が設けられ、前記制御部が、前記指体毎に、複数の前記角度測定手段による角度測定データに基づき、前記各指体の先端位置を算出するようにした。 As a fourth feature, an angle measuring means for measuring the angle between the front and back of the joint is provided for each joint so that the position of the tip of each finger can be recognized, and the control unit controls each finger. In addition, the tip position of each finger body is calculated based on the angle measurement data by the plurality of angle measuring means.
第５の特徴としては、ハンドロボットの指先力測定方法であって、掌部と、根本側が関節を介して前記掌部に支持されるとともに長手方向の中途部分にも関節を有する複数の指体と、前記関節毎に設けられたモータと、該モータ毎に設けられモータ側から入力部に加わる動力を出力部に伝達する動力伝達機構と、前記出力部の動力によって対応する前記関節を屈伸運動させる屈伸機構とを具備し、前記根本側の関節により隣接する指体を接近離間方向へ回動させるとともに、前記中途部分の関節により各指体を前記接近離間方向に対する交差方向へ屈伸させるようにしたハンドロボットにおける指先力測定方法であって、前記動力伝達機構毎に、前記出力部に連動する１軸の回転運動のトルクを測定する１軸力センサを設け、複数の前記１軸力センサの力測定データに基づいて、前記各指体の指先力を算出するようにした。 The fifth feature is a method for measuring the fingertip force of a hand robot, in which the palm and the root side are supported by the palm via joints, and a plurality of finger bodies having joints in the middle part in the longitudinal direction. A motor provided for each joint, a power transmission mechanism provided for each motor that transmits power applied to the input unit from the motor side to the output unit, and a flexion / extension motion of the corresponding joint by the power of the output unit. It is provided with a bending and stretching mechanism that allows the joints on the root side to rotate the adjacent finger bodies in the approaching and separating directions, and the joints in the middle portion to bend and extend each finger body in the crossing direction with respect to the approaching and separating directions. This is a method of measuring fingertip force in a hand robot, in which a uniaxial force sensor for measuring the torque of a uniaxial rotary motion interlocked with the output unit is provided for each of the power transmission mechanisms, and a plurality of the uniaxial force sensors are provided. The fingertip force of each of the finger bodies was calculated based on the force measurement data.
＜具体的実施態様＞
次に、上記特徴を有する具体的な実施態様について、図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係るハンドロボットＡの一例を示している。
このハンドロボットＡは、基台１１上に固定された支持杆１２に、関節部１３を介して複数のアーム１４を屈曲伸展可能に接続してなるハンド移動機構１０と、このハンド移動機構１０の最先端側のアーム１４に接続されたハンド部２０と、これらハンド移動機構１０及びハンド部２０を制御する制御部３０と、把持対象物Ｘの初期位置や移動等を検出する把持対象物検出手段４０とを備える。
<Specific embodiment>
Next, a specific embodiment having the above characteristics will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an example of the hand robot A according to the present invention.
The hand robot A has a
複数のアーム１４は、図示しないモータ及びギヤ機構等により隣接するアーム間や、アーム１４と支持杆１２との間を屈曲・伸展させるように構成される。
これらのアーム１４のうち、その一部又は全部は、屈曲伸展運動の他、必要に応じて、長手方向を軸とした回転運動をするようにしてもよい。同様に、支持杆１２も、必要に応じて、長手方向を軸とした回転運動をするようにしてもよい。
The plurality of
A part or all of these
把持対象物検出手段４０は、単数又は複数の撮像素子（例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等）であり、把持対象物Ｘ及びハンド部２０等を撮像し、その位置座標や姿勢（角度）等のデータを制御部３０へ転送する。
なお、この把持対象物検出手段４０の他例としては、赤外線センサや超音波センサ等の非接触センサを用いた態様や、ハンド部２０の掌部２２や、その他の部分に配置された態様とすることも可能である。また、把持対象物検出手段４０を省いて、把持対象物Ｘの位置等を目視確認しながらハンド移動機構１０を手動操作する態様とすることも可能である。
The gripping object detecting means 40 is a single or a plurality of image pickup elements (for example, CCD, CMOS, etc.), captures the gripping object X, the
As another example of the gripping object detecting means 40, a mode using a non-contact sensor such as an infrared sensor or an ultrasonic sensor, or a mode arranged on the
また、ハンド移動機構１０の他例としては、関節部１３及びアーム１４の数が図示のものと異なる態様や、人腕型に構成された態様、図示しない周知のＸＹテーブルやリンク機構等を組み合わせた態様等とすることが可能である。
Further, as another example of the
ハンド部２０は、複数の関節を屈曲及び伸展させる複数の指体２１と、これら指体２１を支持する掌部２２とを具備している（図２参照）。
ここで、関節とは、指体２１の根本と掌部２２が連結された部分、各指体２１において隣接する節部１，２（又は２，３）同士が連結された部分を意味する。
The
Here, the joint means a portion where the root of the
指体２１は、物体の把持のために複数本必要であり、本実施態様によれば、３本設けている。
これら指体２１は、掌部２２の周縁に沿って略等間隔（図示例によれば角度１２０度の間隔）に配置される。
A plurality of
These
各指体２１は、その根本側が関節を介して掌部２２に枢支されるとともに、長手方向の中途部分が複数の関節を有する。
詳細に説明すれば、指体２１の根本側の節部３は、回転軸ａを有する関節を介して掌部２２に枢支されている。
また、節部２，３間と、節部１，２間は、それぞれ、回転軸ｂを有する関節を介して接続されている。
The root side of each
More specifically, the root-
Further, the
回転軸ａは、掌部２２の周縁に交差（図示例によれば直交）する軸であり、隣接する指体２１，２１を接近離間方向へ回動（内転及び外転と称する場合もある）させる。
The rotation axis a is an axis that intersects the peripheral edge of the palm portion 22 (orthogonally according to the illustrated example), and the
回転軸ｂは、その他の関節、すなわち節部１，２間と、節部２，３間に、それぞれ設けられる。この回転軸ｂは、図３に示す具体例によれば、パラレルリンク機構２１ｄ５を構成する一方のリンク部材２１ｄ５１の回転支点部分である。
各回転軸ｂは、各指体２１の指先側を、前記接近離間方向に対する交差方向へ屈伸させる。
すなわち、回転軸ａと回転軸ｂは、掌部２２の平面視上において交差（図示例によれば直交）するように位置している。
The rotation axis b is provided between the other joints, that is, between the
Each rotation axis b bends and stretches the fingertip side of each
That is, the rotation axis a and the rotation axis b are positioned so as to intersect (orthogonally according to the illustrated example) in the plan view of the
掌部２２は、図示例によれば平面視略円形状に構成され、上述した複数の指体２１を同方向へ突出させて支持しており、その裏面側がハンド移動機構１０の先端側に接続されている。
According to the illustrated example, the
ハンド部２０内には、回転軸ａ，ｂ毎に対応して、駆動源となるモータ２１ａと、このモータ２１ａの回転力を調整して伝達する調速機構２１ｂと、この調速機構２１ｂから入力部に加わる回転力を出力部に伝達する一方向動力伝達機構２１ｃと、前記出力部の回転力によって対応する関節を屈伸運動させる屈伸機構２１ｄとが設けられている。
また、各指体２１内の指先側には、弾性部２１ｅが設けられている。
そして、ハンド部２０内の各関節部分には、一方向動力伝達機構２１ｃ毎に対応して、把持対象物Ｘ側からの反力を測定する１軸力センサ２１ｇが設けられる。
さらに、ハンド部２０内には、関節毎に、その関節の前後間（具体的には、節部１と節部２の間、節部２と節部３の間、節部３と掌部２２の間）の角度を測定する角度測定手段２１ｈが設けられる。
In the
Further, an
A
Further, in the
節部１，２，３は、それぞれ、内部が中空の略筒状の部材である。
節部１は、節部に２に対し、回転軸ｂを支点にして回転するように接続される。同様に、節部２は、節部３に対し、同方向の回転軸ｂを支点にして回転するように接続されている。
また、節部３は、掌部２２に対し、回転軸ａを支点にして回転するように接続されている。
これら節部１，２，３は、剛性材料から形成してもよいが、把持対象物Ｘを把持した際の密着性を向上する観点からは弾性材料（例えば、ゴムやエラストマー樹脂、その他の弾性樹脂材料等）から形成するのが好ましい。
The
The
Further, the
These
モータ２１ａは、出力軸を突出させた電動の回転式モータであり、節部２、節部３、掌部２２の内部に、それぞれ設けられる。
このモータ２１ａの具体例としては、回転角を制御するようにしたステッピングモータや、ＤＣブラシレスモータ等が挙げられる。
The
Specific examples of the
調速機構２１ｂは、モータ２１ａの出力軸の回転を、予め設定された適宜な比率で減速し、一方向動力伝達機構２１ｃの入力部に伝達する機構であり、例えば、遊星歯車機構により構成される。
この調速機構２１ｂの他例としては、複数の歯車を適宜に組み合わせた機構や、直動ねじ機構、ハーモニックドライブ（登録商標）を用いた機構、これらの機構を適宜に組み合わせた機構等とすることも可能である。
The
Other examples of the
一方向動力伝達機構２１ｃは、調速機構２１ｂの出力軸から入力部に加わる双方向の回転力を出力部に伝達可能で且つ出力側（具体的にはギヤ群２１ｄ１）から前記出力部に回転力が加わった際には前記出力部をロックする機構であり、前記出力部の回転力により、対応する関節（図３によれば節部１，２間）を屈曲させる。
この一方向動力伝達機構２１ｃには、例えば、再公表特許ＷＯ２０１３／１３３１６２号公報に開示される発明を用いることが可能である。
なお、一方向動力伝達機構２１ｃの他例としては、ウォームギア機構や、すべりねじ機構、あるいは、これらの機構を適宜に組み合わせた態様等とすることも可能である。
The one-way
For this one-way
As another example of the one-way
屈伸機構２１ｄは、一方向動力伝達機構２１ｃの出力部の回転力により各関節を屈曲させる機構である。
この屈伸機構２１ｄは、図３に示す一例によれば、一方向動力伝達機構２１ｃの回転力を伝達するギヤ群２１ｄ１と、ギヤ群２１ｄ１の出力側のギヤの回転力により回転する雄ネジ状部材２１ｄ２と、雄ネジ状部材２１ｄ２に螺合されたナット状部材２１ｄ３と、ナット状部材２１ｄ３に枢支されたリンク部材２１ｄ４と、リンク部材２１ｄ４の進退により二本の平行なリンク部材２１ｄ５１，２１ｄ５２を回動させるパラレルリンク機構２１ｄ５とを具備して構成される。
なお、この屈伸機構２１ｄは、各関節を屈曲伸展させる機構であれば、図示例以外の周知の機構とすることが可能である。
The bending /
According to an example shown in FIG. 3, the bending /
The flexion /
弾性部２１ｅは、指体２１の最先端側における指腹部寄りに配置され、屈伸機構２１ｄの先端側に枢支された受け部材２１ｆに固定されている。
この弾性体２１ｅは、例えば、ニトリルゴムや、シリコン樹脂、ウレタン樹脂等、適宜な弾性を有し、且つ把持対象物Ｘを滑らせないように適宜な摩擦係数の材料が選定される。
この弾性体２１ｅは、指体２１全体のバックラッシュによる変位量と、指体２１全体において弾性体２１ｅよりも駆動源側の弾性変形の量とを加えた変化量よりも大きい必要最小限の弾性変形をするように、その弾性率が適宜に設定されている。
The
For the
The
また、１軸力センサ２１ｇは、複数の指体２１が把持対象物Ｘを把持した際に、把持対象物Ｘ側からの反力を受ける回転部分に設けられる。
この１軸力センサ２１ｇは、図３に示す一例によれば、パラレルリンク機構２１ｄ５を構成する一方のリンク部材２１ｄ５１の回転支点部分（回転軸ｂ）に設けられ、ハンド部２０がその指先側で把持対象物Ｘを把持した際に、リンク部材２１ｄ５１に作用するトルクを測定する。
この１軸力センサ２１ｇは、複数の回転軸ａ，ｂにそれぞれ対応して設けられる。そして、回転軸ａに対応する１軸力センサ２１ｇは、回転軸ｂに対応する１軸力センサ２１ｇに対し、軸方向が直交している。
この１軸力センサ２１ｇによる測定値（以降、力測定データと称する）は、制御部３０に送信される。
Further, the
According to an example shown in FIG. 3, the one-
The
The value measured by the
角度測定手段２１ｈは、モータ２１ａの出力により回転する回転部分の回転角度より、対応する関節前後間の角度を求める構成とすればよい。
図示例によれば、角度測定手段２１ｈは、ギヤ群２１ｄ１の一つのギヤの回転角度を測定するエンコーダを備え、このエンコーダによる測定値を制御部３０へ送信し、制御部３０が前記エンコーダの測定値を関節前後間の角度に変換する。
The angle measuring means 21h may be configured to obtain the angle between the front and back of the corresponding joint from the rotation angle of the rotating portion rotated by the output of the
According to the illustrated example, the angle measuring means 21h includes an encoder that measures the rotation angle of one gear of the gear group 21d1, transmits the measured value by this encoder to the
制御部３０は、例えば、電源、モータドライバ等を含む制御回路、及びコンピュータ等によって構成され、ハンド部２０の全て（図示例によれば９つ）の１軸力センサ２１ｇの力測定データに基づいて、各指体２１の指先力を算出する。さらに、この制御部３０は、前記算出値に応じて、ハンド部２０の動作を制御する。
The
ここで、指先力とは、複数の指体２１が把持対象物Ｘを把持した際に、各指体２１における把持対象物Ｘとの接触位置Ｐに作用する力やモーメント等として表現される力情報である。この指先力は、例えば、図４に示すように、各指体２１の長手方向の中途部分により把持対象物Ｘを把持した場合には、その中途部分における把持対象物Ｘとの接触位置Ｐに作用する前記力情報を意味する。
Here, the fingertip force is a force expressed as a force or a moment acting on the contact position P with the gripping object X in each
また、制御部３０は、指体２１毎の複数の関節の前記力測定データに基づき、各指体２１における把持対象物Ｘとの接触位置Ｐを算出する。
例えば、図４に示すように、ハンド部２０が、各指体２１の中途部分に位置する節部２を把持対象物Ｘに接触させて、把持対象物Ｘを把持している場合には、節部２よりも指先側の１軸力センサ２１ｇによる力測定データが、節部２よりも指の根本側の１軸力センサ２１ｇによる力測定データよりも小さくなるため、これら力測定データの関係より、各指体２１における把持対象物Ｘとの接触位置Ｐを推定することができる。
Further, the
For example, as shown in FIG. 4, when the
また、制御部３０は、指体２１毎に、複数の角度測定手段２１ｈによる複数の角度測定データに基づき、各指体２１の先端位置Ｔを算出する。
Further, the
次に、各指体２１の先端位置Ｔの算出手順、各指体２１の指先力の算出手順、各指体２１における把持対象物Ｘとの接触位置Ｐの算出手順、把持対象物Ｘを強固に把持したときの力の算出手順等について詳細に説明する。
Next, the procedure for calculating the tip position T of each
＜各指体２１の先端位置Ｔの算出手順＞
節部１の長さをｌ1、節部２の長さをｌ2、節部３の長さをｌ3、節部１の関節角度をｑ1、節部２の関節角度をｑ2，節部３の関節角度をｑ3とする。なお、関節角度ｑ1〜ｑ3は、それぞれ、上記角度測定手段２１ｈによる角度測定データに対応する。
例えば、図５のような関節配置であれば、幾何学的な関係より各指体２１の先端位置Ｔは次式を用いて算出する。
<Procedure for calculating the tip position T of each
The length of the
For example, in the case of the joint arrangement as shown in FIG. 5, the tip position T of each
＜各指体２１の指先力の算出手順＞
節部１の関節トルクをτ1、節部２の関節トルクをτ2、節部３の関節トルクをτ3とする。このとき、指先力Ｆは次式により算出する。なお、関節トルクτ1〜τ3は、それぞれ、上記１軸力センサ２１ｇの力測定データに対応する。
<Procedure for calculating the fingertip force of each
Let the joint torque of the joint 1 be τ 1 , the joint torque of the joint 2 be τ 2 , and the joint torque of the joint 3 be
ただし、ＪTが正則でないとき、指先力Ｆは一意に算出できない。 However, when J T is not regular, the fingertip force F cannot be calculated uniquely.
また
すなわち、指先力Ｆを一意に算出するには少なくとも３個の１軸トルクセンサ（上記１軸力センサ）が必要である。３個以上のトルクセンサを利用すれば、最小二乗法等により指先力Ｆを精度よく算出することができる。 That is, at least three uniaxial torque sensors (the uniaxial force sensor) are required to uniquely calculate the fingertip force F. If three or more torque sensors are used, the fingertip force F can be calculated accurately by the method of least squares or the like.
＜各指体２１における把持対象物Xとの接触位置Pの算出手順＞
接触位置が指１本に１箇所とした場合、関節トルクτ1、τ2、τ3（上記力測定データ）より接触位置Ｐを次のように算出する。
・τ1＝τ2＝τ3＝０のとき、非接触である。
・τ1＝τ2＝０、τ3≠０のとき、接触位置Ｐは節部３である。
・τ1＝０、τ2≠０、τ3≠０のとき、接触位置Ｐは節部２である。
・τ1≠０、τ2≠０、τ3≠０のとき、接触位置Ｐは節部１である。
複数の接触位置とした場合、次のように算出する。
・τ1＝τ2＝τ3＝０のとき、非接触である。
・τ1＝τ2＝０、τ3≠０のとき、接触位置Ｐは節部３である。
・τ1＝０、τ2≠０、τ3≠０のとき、接触位置Ｐは節部２（確定）、節部３（候補）である。
・τ1≠０、τ2≠０、τ3≠０のとき、接触位置Ｐは節部１（確定）、節部２（候補）、節部３（候補）である。
<Procedure for calculating the contact position P with the gripping object X on each
When the contact position is one for each finger, the contact position P is calculated as follows from the joint torques τ 1 , τ 2 , and τ 3 (the above-mentioned force measurement data).
・ When τ 1 = τ 2 = τ 3 = 0, there is no contact.
When τ 1 = τ 2 = 0 and τ 3 ≠ 0, the contact position P is the
When τ 1 = 0, τ 2 ≠ 0, and τ 3 ≠ 0, the contact position P is the
When τ 1 ≠ 0, τ 2 ≠ 0, and τ 3 ≠ 0, the contact position P is the
When there are multiple contact positions, the calculation is as follows.
・ When τ 1 = τ 2 = τ 3 = 0, there is no contact.
When τ 1 = τ 2 = 0 and τ 3 ≠ 0, the contact position P is the
When τ 1 = 0, τ 2 ≠ 0, and τ 3 ≠ 0, the contact positions P are node 2 (determined) and node 3 (candidate).
When τ 1 ≠ 0, τ 2 ≠ 0, and τ 3 ≠ 0, the contact positions P are node 1 (determined), node 2 (candidate), and node 3 (candidate).
＜把持対象物Ｘを強固に把持したときの力の算出手順＞
把持対象物Ｘを指３本により強固に把持したとき、指と把持対象物は一体と考える。
ｉ指ｊ関節の関節トルクをτij、関節位置をｒij、トルクセンサの出力軸を表す単位ベクトルをｕij、把持対象物Ｘに作用する合力をｆcと合モーメントをｎcとする（図６参照）。
ｉ指ｊ関節にて計測される力ｆijとモーメントｎijのつり合いには次式の関係がある。
<Procedure for calculating the force when the gripping object X is firmly gripped>
When the gripping object X is firmly gripped by three fingers, the fingers and the gripping object are considered to be one.
Let the joint torque of the i-finger j joint be τ ij , the joint position be r ij , the unit vector representing the output axis of the torque sensor be u ij , the resultant force acting on the gripping object X be f c, and the resultant moment be n c ( See FIG. 6).
The balance between the force f ij and the moment n ij measured at the i-finger j joint has the following relationship.
このとき、ｉ指第ｊ関節のトルクセンサの出力τijは次式である。 At this time, the output τ ij of the torque sensor of the i-finger joint j is given by the following equation.
例えば、指３本の第２関節と第３関節において、次のようなセンサ出力を得る。 For example, the following sensor outputs are obtained at the second joint and the third joint of three fingers.
ただし、
行列Ｕが正則になるトルクセンサの配置では、力ｆc、モーメントｎcは、次式により算出できる。 In the arrangement of the torque sensor in which the matrix U is regular, the force f c and the moment n c can be calculated by the following equations.
このように、力ｆc、モーメントｎcを一意に算出するには、少なくとも6個の1軸トルクセンサ（上記１軸力センサ）が必要となる。
6個以上のトルクセンサを利用できれば、最小二乗法等により力ｆc、モーメントｎcを精度よく算出できる。
As described above, in order to uniquely calculate the force f c and the moment n c , at least six uniaxial torque sensors (the uniaxial force sensor) are required.
If six or more torque sensors can be used, the force f c and the moment n c can be calculated accurately by the method of least squares or the like.
よって、上記構成のハンドロボットＡ及び指先力測定方法によれば、６軸力センサや触覚センサ等を用いた従来技術に比較し、安価で小型軽量な構造でもって指先力や、各指体２１における把持対象物Ｘとの接触位置Ｐ、各指体２１の指先位置等を高精度に測定することができ、さらには、把持対象物Ｘの弾力性や硬度、接触位置等に応じて各指体２１を好適に動作させることができる。
Therefore, according to the hand robot A and the fingertip force measuring method having the above configuration, the fingertip force and each
なお、図２に示す一例によれば、節部３について、回転軸ａによって隣接する指体２１，２１を接近離間方向へ回動（内転及び外転）させるようにしているが、他例としては、節部３の根本側に回転軸ａに交差する回転軸（図示せず）を加えて、節部３を、前記接近離間方向及びこの接近離間方向に交差する方向等を含む複数方向に回動可能な態様とすることも可能である。
同様に、節部１，２についても、回転軸ｂ以外の回転軸を加えて、図示以外の方向にも回動可能な構成とすることが可能である。
According to an example shown in FIG. 2, the
Similarly, the
また、図示例によれば、指体２１を掌部２２周縁に沿って略等間隔に配置したが、他例としては、一本の指体（親指）と他の複数の指体とを対向するように人の手形に配置した態様等、複数の指体のうち、その一部又は全部の間隔を異ならせることも可能である。
Further, according to the illustrated example, the
また、１軸力センサ２１ｇの配置は、図示例に限定されず、例えば、１軸力センサ２１ｇを一方向動力伝達機構２１ｃの出力軸に直結した態様等、一方向動力伝達機構２１ｃよりも出力側の適宜箇所に１軸力センサ２１ｇを配置することが可能である。
Further, the arrangement of the
また、角度測定手段２１ｈの配置も、図示例に限定されず、例えば、モータ２１ａの回転軸の回転量（回転角度）を測定するように角度測定手段２１ｈを設けた態様や、雄ネジ状部材２１ｄ２の回転量を測定するように角度測定手段２１ｈを設けた態様等、上記と同様に機能するように角度測定手段２１ｈを適宜箇所に配置することが可能である。
Further, the arrangement of the angle measuring means 21h is not limited to the illustrated example, and for example, an embodiment in which the angle measuring means 21h is provided so as to measure the rotation amount (rotation angle) of the rotation shaft of the
また、上記実施態様では、モータの好ましい一例として、電動の回転式モータを用いたが、このモータの他例としては、超音波モータや、直動モータ、電力以外の動力により駆動するモータとすることも可能である。 Further, in the above embodiment, an electric rotary motor is used as a preferable example of the motor, but as another example of this motor, an ultrasonic motor, a linear motor, or a motor driven by a power other than electric power is used. It is also possible.
本発明は上述した実施態様に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜変更可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately modified without changing the gist of the present invention.
１，２，３：節部
１０：ハンド移動機構
２０：ハンド部
２２：掌部
２１：指体
２１ａ：モータ
２１ｃ：一方向動力伝達機構
２１ｇ：１軸力センサ
２１ｄ：屈伸機構
２１ｈ：角度測定手段
３０：制御部
ａ，ｂ：回転軸
Ａ：ハンドロボット
Ｐ：接触位置
Ｘ：把持対象物
1, 2, 3: Knot 10: Hand movement mechanism 20: Hand part 22: Palm part 21:
Claims (5)
前記関節毎に対応して、把持対象物側からの反力を測定する１軸力センサが設けられ、
前記制御部が、複数の前記１軸力センサの力測定データに基づいて、前記各指体の指先力を算出するようにしたハンドロボットにおいて、
前記制御部は、特定の節部の指先側に位置する前記１軸力センサによる力測定データと、前記特定の節部の指根本側に位置する１軸力センサによる力測定データとを比較し、これら力測定データの関係より、前記特定の節部に前記把持対象物との接触位置があるか否かを推定することを特徴とするハンドロボット。 A palm portion, also have a joint in the middle portion in the longitudinal direction together with the root side is supported by the palm portion via a joint, and a plurality of fingers which is a knots portion between the joint adjacent longitudinally A motor provided for each joint, a power transmission mechanism provided for each motor that transmits power applied to the input unit from the motor side to the output unit, and bending and stretching movement of the corresponding joint by the power of the output unit. It is provided with a mechanism and a control unit, and the joints on the root side rotate adjacent finger bodies in the approaching and separating directions, and the joints in the middle portion bend and extend each finger body in the crossing direction with respect to the approaching and separating directions. It ’s a hand robot
A uniaxial force sensor that measures the reaction force from the gripping object side is provided for each joint.
In a hand robot in which the control unit calculates the fingertip force of each finger body based on the force measurement data of the plurality of uniaxial force sensors.
The control unit compares the force measurement data by the uniaxial force sensor located on the fingertip side of the specific node with the force measurement data by the uniaxial force sensor located on the finger root side of the specific node. , A hand robot characterized in that it estimates whether or not there is a contact position with the gripping object in the specific node from the relationship of these force measurement data.
前記制御部が、前記指体毎に、複数の前記角度測定手段による角度測定データに基づき、前記各指体の先端位置を算出するようにしたことを特徴とする請求項１〜３何れか１項記載のハンドロボット。 For each of the joints, an angle measuring means for measuring the angle between the front and back of the joint is provided.
Any one of claims 1 to 3 characterized in that the control unit calculates the tip position of each finger body for each finger body based on the angle measurement data by the plurality of angle measuring means. The hand robot described in the section.
前記関節毎に対応して、把持対象物側からの反力を測定する１軸力センサを設け、
複数の前記１軸力センサの力測定データに基づいて、前記各指体の指先力を算出するようにしたハンドロボットの制御方法において、
特定の節部の指先側に位置する前記１軸力センサによる力測定データと、前記特定の節部の指根本側に位置する１軸力センサによる力測定データとを比較し、これら力測定データの関係より、前記特定の節部に前記把持対象物との接触位置があるか否かを推定することを特徴とするハンドロボットの制御方法。
A palm portion, also have a joint in the middle portion in the longitudinal direction together with the root side is supported by the palm portion via a joint, and a plurality of fingers which is a knots portion between the joint adjacent longitudinally A motor provided for each joint, a power transmission mechanism provided for each motor that transmits power applied to the input unit from the motor side to the output unit, and bending and stretching movement of the corresponding joint by the power of the output unit. A hand equipped with a mechanism so that the joints on the root side rotate the adjacent finger bodies in the approaching and separating directions, and the joints in the middle portion bend and extend each finger body in the crossing direction with respect to the approaching and separating directions. It ’s a robot control method .
In response to each of the joints, it provided one-axis force sensor for measuring the reaction force from the grasped object side,
In the control method of the hand robot that calculates the fingertip force of each finger body based on the force measurement data of the plurality of the one-axis force sensors.
The force measurement data by the one-axis force sensor located on the fingertip side of the specific node is compared with the force measurement data by the one-axis force sensor located on the finger root side of the specific node, and these force measurement data are compared. A method for controlling a hand robot, which estimates whether or not there is a contact position with the gripping object at the specific node based on the above relationship.
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