JP7015508B2 - Robot hand device - Google Patents

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Description

本発明は、ロボットハンド装置に関する。 The present invention relates to a robot hand device.

本出願人は、特許文献１のロボットハンドを提案している。図２は前記ロボットハンドを構成している各指を作動させる構成の原理図である。同図に示すように、指部材５０の基端は関節となる関節軸５２にて、隣接する指支持部材５４に回動自在に支持されている。なお、前記指支持部材５４は、隣接する他の指部材、または、掌部材である。指部材５０は、前記指支持部材５４に設けられた回転式モータである駆動モータ６０、及び駆動モータ６０の動力を伝達する伝達機構７０により作動する。 The applicant proposes the robot hand of Patent Document 1. FIG. 2 is a principle diagram of a configuration in which each finger constituting the robot hand is operated. As shown in the figure, the base end of the finger member 50 is rotatably supported by the adjacent finger support member 54 by the joint shaft 52 which is a joint. The finger support member 54 is another adjacent finger member or palm member. The finger member 50 is operated by a drive motor 60, which is a rotary motor provided on the finger support member 54, and a transmission mechanism 70 that transmits the power of the drive motor 60.

伝達機構７０は、ギヤヘッド７２、ギヤヘッド７２の入力軸と駆動モータ６０の出力軸間に設けられた平歯車列７４、ギヤヘッド７２の出力軸とボールネジ７８の入力軸間に設けられた平歯車列７６、ボールネジ７８により直動する直動体（例えばナット体）８０、直動体８０と関節軸５２間に連結された一対のリンク８１、８２とを有している。リンク８１，８２、ボールネジ７８、及び直動体８０は、スライダークランク機構を構成する。駆動モータ６０が回転すると、平歯車列７４、ギヤヘッド７２、及び平歯車列７６が作動してボールネジ７８が回転し、ボールネジ７８の回転により、直動体８０が移動することにより、一対のリンク８１、８２及び関節軸５２を介して指部材５０が回転する。 The transmission mechanism 70 includes a gear head 72, a spur gear train 74 provided between the input shaft of the gear head 72 and the output shaft of the drive motor 60, and a spur gear train 76 provided between the output shaft of the gear head 72 and the input shaft of the ball screw 78. It has a linearly moving body (for example, a nut body) 80 that is linearly moved by a ball screw 78, and a pair of links 81 and 82 that are connected between the linearly moving body 80 and the joint shaft 52. The links 81 and 82, the ball screw 78, and the linear moving body 80 constitute a slider crank mechanism. When the drive motor 60 rotates, the spur gear train 74, the gear head 72, and the spur gear train 76 operate to rotate the ball screw 78, and the rotation of the ball screw 78 causes the linear moving body 80 to move, so that the pair of links 81, The finger member 50 rotates via the 82 and the joint shaft 52.

上記のように構成された指部材５０（指）を有するロボットハンドの従来の制御方法について説明する。まず、この制御方法において、関係する各種のパラメータについて説明する。ボールネジ７８により生じる直動体８０の移動量ｘｂは、下記の通りである。 A conventional control method of a robot hand having a finger member 50 (fingers) configured as described above will be described. First, various parameters related to this control method will be described. The movement amount x b of the linear moving body 80 generated by the ball screw 78 is as follows.

Figure 0007015508000001
である。
モータトルクτＭにより生じるボールネジ７８の推力Ｆｂ を式（２）に示す。なお、ここより下の式には機構等の効率は含まれていない。
Figure 0007015508000001
 Is.
The thrust F b of the ball screw 78 generated by the motor torque τ M is shown in the equation (2). The formulas below this do not include the efficiency of the mechanism and the like.

Figure 0007015508000002
次に直動体８０の移動量ｘｂにより生じる関節角度θｊを式（３）に示す。なお、下付き「ｊ」は、ロボットハンド１０（図７参照）の関節の数である。
Figure 0007015508000002
 Next, the joint angle θ j caused by the movement amount x b of the linear moving body 80 is shown in Eq. (3). The subscript "j" is the number of joints of the robot hand 10 (see FIG. 7).

Figure 0007015508000003
Figure 0007015508000003

Figure 0007015508000004
Figure 0007015508000004

Figure 0007015508000005
Figure 0007015508000005

Figure 0007015508000006
Figure 0007015508000006

Figure 0007015508000007
Figure 0007015508000007

Figure 0007015508000008
直動体８０の推力Ｆｂにより生じる関節トルクτｊを式（９）に示す。
Figure 0007015508000008
 The joint torque τj generated by the thrust F b of the linear moving body 80 is shown in Eq. (9).

Figure 0007015508000009
関節角度θｊにより生じる指先位置ｘｆを式（１０）に示す。なお、下付の「ｆ」はロボットハンド１０の指先の数である。
Figure 0007015508000009
 The fingertip position x f generated by the joint angle θ j is shown in the equation (10). The "f" in the subscript is the number of fingertips of the robot hand 10.

Figure 0007015508000010
関節トルクτｊにより生じる指先力Ｆｆを式（１１）に示す。
Figure 0007015508000010
 The fingertip force F f generated by the joint torque τ j is shown in Eq. (11).

Figure 0007015508000011
Figure 0007015508000011

Figure 0007015508000012
駆動モータ６０の回転角度θＭと指先位置ｘｆの関係は、式（１０）により、非線形であることが分かる。また、駆動モータ６０のモータトルクτＭと指先力Ｆfとの関係も式（１２）により非線形であることが分かる。
Figure 0007015508000012
 It can be seen from the equation (10) that the relationship between the rotation angle θ M of the drive motor 60 and the fingertip position x f is non-linear. Further, it can be seen that the relationship between the motor torque τ M of the drive motor 60 and the fingertip force F f is also non-linear by the equation (12).

＜関節角度の制御＞
図７の制御ブロックで示すように、従来の一般的な関節角度のフィードバック制御では、例えばＰＩＤ制御により行っている。 <Control of joint angle>
As shown by the control block of FIG. 7, in the conventional general feedback control of the joint angle, for example, PID control is used.

このＰＩＤ制御について説明すると、図７に示すように、減算器１００により、図示しない上位制御部から出力された目標値であるθｊｄと、関節角度θｊとの偏差が算出され、該偏差は比例演算部１１０で比例ゲインが乗算されてその算出結果が加算器１６０に出力される。 Explaining this PID control, as shown in FIG. 7, the subtractor 100 calculates a deviation between θ jd , which is a target value output from a higher control unit (not shown), and a joint angle θ j , and the deviation is calculated. The proportional gain is multiplied by the proportional calculation unit 110, and the calculation result is output to the adder 160.

なお、関節角度θｊは、演算器１８０により式（１）、式（３）等に基づいて算出される。また、回転角度θＭは、駆動モータ６０に設けられた図示しない検出部（ロータリーエンコード等）により検出される。式（１）、式（３）及びこれらの式に関するパラメータは、固定値、または、式（５）～式（８）で算出される値である。前記固定値は、前記制御ブロックを実現する図示しない制御装置の記憶部に記憶される。以下、他の制御で使用される式、及び固定値も同様である。また、前記偏差は、積分器１２０及び積分ゲイン演算部１３０にて演算されてその演算結果が加算器１６０に出力される。また、前記偏差は、微分器１４０及び微分ゲイン演算部１５０にて演算されてその演算結果が加算器１６０に出力される。加算器１６０は、比例演算部１１０、積分ゲイン演算部１３０、及び微分ゲイン演算部１５０の出力値を加算して得たトルク指令ｕＭを、ロボットハンド１０の各指をそれぞれ駆動する駆動モータ６０の図示しないドライバに出力する。 The joint angle θ j is calculated by the arithmetic unit 180 based on the equations (1), (3) and the like. Further, the rotation angle θ M is detected by a detection unit (rotary encode or the like) provided on the drive motor 60 (not shown). The equation (1), the equation (3) and the parameters related to these equations are fixed values or values calculated by the equations (5) to (8). The fixed value is stored in a storage unit of a control device (not shown) that realizes the control block. Hereinafter, the same applies to the formulas and fixed values used in other controls. Further, the deviation is calculated by the integrator 120 and the integrator gain calculation unit 130, and the calculation result is output to the adder 160. Further, the deviation is calculated by the differentiator 140 and the differentiating gain calculation unit 150, and the calculation result is output to the adder 160. The adder 160 drives a drive motor 60 for driving each finger of the robot hand 10 with a torque command uM obtained by adding the output values of the proportional calculation unit 110, the integral gain calculation unit 130, and the differential gain calculation unit 150. Output to a driver (not shown).

図７に示す関節角度の制御（ＰＩＤ制御）で得られるトルク指令ｕＭは、式（１３）で表わすことができる。 The torque command uM obtained by the joint angle control (PID control) shown in FIG. 7 can be expressed by the equation (13).

Figure 0007015508000013
＜指先位置の制御＞
次に、従来の指先位置の制御について説明する。図８の制御ブロックで示すように、従来の一般的な指先位置のフィードバック制御では、例えばＰＩＤ制御により行っている。このＰＩＤ制御について説明すると、図８に示すように、減算器２００により、図示しない上位制御部から出力された目標値であるｘｆｄと、ロボットハンド１０の指先位置ｘｆとの偏差が算出される。
Figure 0007015508000013
 <Control of fingertip position>
Next, the conventional control of the fingertip position will be described. As shown by the control block of FIG. 8, the conventional general feedback control of the fingertip position is performed by, for example, PID control. Explaining this PID control, as shown in FIG. 8, the subtractor 200 calculates the deviation between the target value x fd output from the upper control unit (not shown) and the fingertip position x f of the robot hand 10. To.

なお、指先位置ｘｆは、駆動モータ６０に設けられた図示しない検出部（ロータリーエンコード等）が検出した回転角度θＭを入力した演算器２８０により式（１０）、及び式（１０）に関連したパラメータを算出する式（３）～式（８）等に基づいて算出される。 The fingertip position x f is related to the equation (10) and the equation (10) by the arithmetic unit 280 inputting the rotation angle θ M detected by the detection unit (rotary encode or the like) provided in the drive motor 60. It is calculated based on the equations (3) to (8) and the like for calculating the parameters.

前記偏差は、比例演算部２１０で、比例ゲインが乗算されるとともにトルク変換されてその算出結果が加算器２６０に出力される。また、前記偏差は、積分器２２０で積分されて、積分ゲイン演算部２３０で積分ゲインが乗算されるとともにトルク変換されてその演算結果が加算器２６０に出力される。また、前記偏差は、微分器２４０で微分されて、微分ゲイン演算部２５０で微分ゲインが乗算されるとともにトルク変換されてその演算結果が加算器２６０に出力される。 The deviation is multiplied by the proportional gain and torque-converted by the proportional calculation unit 210, and the calculation result is output to the adder 260. Further, the deviation is integrated by the integrator 220, the integral gain is multiplied by the integral gain calculation unit 230, the torque is converted, and the calculation result is output to the adder 260. Further, the deviation is differentiated by the differentiator 240, the differentiating gain is multiplied by the differentiating gain calculation unit 250, the torque is converted, and the calculation result is output to the adder 260.

加算器２６０は、比例演算部２１０、積分ゲイン演算部２３０、及び微分ゲイン演算部２５０の出力値を加算して得たトルク指令ｕＭを、ロボットハンド１０の各指をそれぞれ駆動する駆動モータ６０の図示しないドライバに出力する。 The adder 260 is a drive motor 60 for driving each finger of the robot hand 10 with a torque command u M obtained by adding the output values of the proportional calculation unit 210, the integral gain calculation unit 230, and the differential gain calculation unit 250. Output to a driver (not shown).

図８に示す関節角度の制御（ＰＩＤ制御）で得られるトルク指令ｕＭは、式（１４）で表わすことができる。 The torque command uM obtained by the joint angle control (PID control) shown in FIG. 8 can be expressed by the equation (14).

Figure 0007015508000014
＜関節トルクの制御＞
従来の関節トルクの制御について説明する。図９の制御ブロックで示すように、従来の一般的な関節トルクのフィードバック制御では、例えばＰＩ制御により行っている。図９に示すように、減算器３００により、図示しない上位制御部から出力された目標値であるτｊｄと、関節トルクτｊとの偏差が算出される。前記関節トルクτｊは、図示しないモータトルクの検出部（例えばモータ電流の検出部）から出力したモータトルクτＭを入力する演算器３８０によって算出される。具体的には、演算器３８０は、式（９）及び式（９）中のパラメータを算出する式（２）～式（８）等に基づいて、関節トルクτｊを算出する。
Figure 0007015508000014
 <Control of joint torque>
The conventional joint torque control will be described. As shown by the control block of FIG. 9, in the conventional general joint torque feedback control, for example, PI control is used. As shown in FIG. 9, the subtractor 300 calculates the deviation between the target value τ jd output from the upper control unit (not shown) and the joint torque τ j . The joint torque τ j is calculated by a calculator 380 that inputs a motor torque τ M output from a motor torque detection unit (for example, a motor current detection unit) (not shown). Specifically, the arithmetic unit 380 calculates the joint torque τj based on the equations (9) and the equations (2) to (8) for calculating the parameters in the equation (9).

前記偏差は比例演算部３１０で、比例ゲインが乗算されてその算出結果が加算器３６０に出力される。また、前記偏差は、積分器３２０及び積分ゲイン演算部３３０により演算されてその演算結果が加算器３６０に出力される。加算器３６０は、比例演算部３１０、及び積分ゲイン演算部３３０の出力値を加算して得たトルク指令ｕＭを、ロボットハンド１０の各指をそれぞれ駆動する駆動モータ６０の図示しないドライバに出力する。 The deviation is multiplied by the proportional gain by the proportional calculation unit 310, and the calculation result is output to the adder 360. Further, the deviation is calculated by the integrator 320 and the integrator gain calculation unit 330, and the calculation result is output to the adder 360. The adder 360 outputs the torque command uM obtained by adding the output values of the proportional calculation unit 310 and the integral gain calculation unit 330 to a driver (not shown) of the drive motor 60 that drives each finger of the robot hand 10. do.

図９に示す関節トルクの制御（ＰＩ制御）で得られるトルク指令ｕＭは、式（１５）で表わすことができる。 The torque command uM obtained by the joint torque control (PI control) shown in FIG. 9 can be expressed by the equation (15).

Figure 0007015508000015
＜指先力の制御＞
従来の指先力の制御について説明する。図１０の制御ブロックで示すように、従来の一般的な指先力のフィードバック制御では、例えばＰＩ制御により行っている。図１０に示すように、減算器４００により、図示しない上位制御部から出力された目標値であるＦｆｄと、指先力Ｆｆとの偏差が算出される。前記指先力Ｆｆは、図示しないモータトルクの検出部（例えばモータ電流の検出部）から出力したモータトルクτＭを入力する演算器４８０によって算出される。具体的には、演算器４８０は、式（１２）及び式（１２）中のパラメータを算出する式（２）、式（９）等に基づいて、関節トルクτｊを算出する。前記偏差は比例演算部４１０で、比例ゲインが乗算されるとともにトルク変換されて加算器４６０に算出結果が出力される。
Figure 0007015508000015
 <Control of fingertip force>
The conventional control of fingertip force will be described. As shown by the control block of FIG. 10, in the conventional general feedback control of fingertip force, for example, PI control is used. As shown in FIG. 10, the subtractor 400 calculates the deviation between the fingertip force F f and the target value F fd output from the upper control unit (not shown). The fingertip force F f is calculated by a calculator 480 that inputs a motor torque τM output from a motor torque detection unit (for example, a motor current detection unit) (not shown). Specifically, the arithmetic unit 480 calculates the joint torque τj based on the equation (12) and the equations (2) and (9) for calculating the parameters in the equation (12). The deviation is multiplied by the proportional gain and torque-converted by the proportional calculation unit 410, and the calculation result is output to the adder 460.

また、前記偏差は、積分器４２０で積分されて、積分ゲイン演算部４３０で積分ゲインが乗算されるとともにトルク変換されてその演算結果が加算器４６０に出力される。また、目標値であるＦｆｄは、トルク変換部４４０でトルク変換されて、その演算結果が加算器４６０に出力される。加算器４６０は、比例演算部４１０、積分ゲイン演算部４３０及びトルク変換部４４０の出力値を加算して得たトルク指令ｕＭを、ロボットハンド１０の各指をそれぞれ駆動する駆動モータ６０の図示しないドライバに出力する。 Further, the deviation is integrated by the integrator 420, the integral gain is multiplied by the integral gain calculation unit 430, the torque is converted, and the calculation result is output to the adder 460. Further, the target value F fd is torque-converted by the torque conversion unit 440, and the calculation result is output to the adder 460. The adder 460 is an illustration of a drive motor 60 that drives each finger of the robot hand 10 with a torque command uM obtained by adding the output values of the proportional calculation unit 410, the integral gain calculation unit 430, and the torque conversion unit 440. Do not output to the driver.

図１０に示す関節角度の制御（ＰＩ制御）で得られるトルク指令ｕＭは、式（１６）で表わすことができる。 The torque command uM obtained by controlling the joint angle (PI control) shown in FIG. 10 can be expressed by the equation (16).

Figure 0007015508000016
Figure 0007015508000016

特開２０１４－５４７２０号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-54720

ところで、上記ロボットハンドの指部材の作動を上述したフィードバック制御で行う場合、前述したように、駆動モータ６０の回転角度θＭと指先位置ｘｆの関係は、式（１０）により、非線形となる。 By the way, when the operation of the finger member of the robot hand is performed by the feedback control described above, the relationship between the rotation angle θ M of the drive motor 60 and the fingertip position x f becomes non-linear according to the equation (10). ..

また、駆動モータ６０のモータトルクτＭと指先力Ｆｆとの関係も式（１２）により非線形となる。このため、上記従来の制御法は、モータ等の駆動部に関する作動状態パラメータと該駆動部により作動する指部材に関する作動状態パラメータとの関係が非線形の関係であるのに対して、その非線形に対応した制御が行えていないため、制御精度が悪い問題がある。 Further, the relationship between the motor torque τM of the drive motor 60 and the fingertip force F f is also non-linear according to the equation (12). Therefore, in the above-mentioned conventional control method, the relationship between the operating state parameter related to the drive unit such as a motor and the operating state parameter related to the finger member operated by the drive unit is a non-linear relationship, whereas the relationship corresponds to the non-linearity. There is a problem that the control accuracy is poor because the control is not performed.

本発明の目的は、駆動部に関する作動状態パラメータと該駆動部により作動する指部材に関する作動状態パラメータとの関係が非線形の関係となっているロボットハンドの指部材の作動をフィードバック制御で制御する際に、その制御精度を向上することができるロボットハンド装置を提供することにある。 An object of the present invention is to control the operation of a finger member of a robot hand in which the relationship between the operating state parameter related to the driving unit and the operating state parameter related to the finger member operated by the driving unit is non-linear by feedback control. The present invention is to provide a robot hand device capable of improving the control accuracy.

本発明のロボットハンド装置は、指部材と、前記指部材を関節により揺動自在に支持する指支持部材と、を備え、前記指支持部材には、直動自在に設けられた直動体と、前記直動体の動力を前記指部材に対して非線形で伝達して揺動を付与する伝達機構と、前記直動体に動力を付与する駆動部と、前記指部材または前記関節の作動状態を示すパラメータを取得する作動状態取得部と、を有するロボットハンドと、前記指部材または前記関節の作動状態を示す前記パラメータに基づいて、前記駆動部を介して前記指部材または前記関節の作動をフィードバック制御する制御部を備えたロボットハンド装置であって、前記制御部は、前記フィードバック制御で得られる演算値に対して、第１行列と第２行列の積の逆行列を乗算して得られた結果を前記駆動部のドライバへ出力するものであり、第１行列は、可変値であって、前記直動体の作動状態パラメータと前記関節の作動状態パラメータのヤコビ行列であり、第２行列は、固定値であって、前記駆動部の作動状態パラメータと前記直動体の作動状態パラメータのヤコビ行列である。 The robot hand device of the present invention includes a finger member and a finger support member that swingably supports the finger member by a joint, and the finger support member includes a linearly moving body provided so as to be linearly movable. A transmission mechanism that transmits the power of the linear moving body non-linearly to the finger member to give swing, a drive unit that applies power to the linear moving body, and a parameter indicating an operating state of the finger member or the joint. The operation of the finger member or the joint is feedback-controlled via the drive unit based on the robot hand having the operation state acquisition unit and the parameter indicating the operation state of the finger member or the joint. It is a robot hand device provided with a control unit, and the control unit obtains a result obtained by multiplying the calculated value obtained by the feedback control by the inverse matrix of the product of the first matrix and the second matrix. It is output to the driver of the drive unit, the first matrix is a variable value, and is a Jacobi matrix of the operating state parameter of the linear moving body and the operating state parameter of the joint, and the second matrix is a fixed value . It is a Jacobi matrix of the operating state parameter of the driving unit and the operating state parameter of the linear moving body.

また、前記駆動部は回転式モータであり、前記直動体は前記回転式モータに作動連結されたボールネジにより直動するものであり、前記伝達機構はリンク機構で構成してもよい。 Further, the drive unit is a rotary motor, the linear moving body is linearly driven by a ball screw operated and connected to the rotary motor, and the transmission mechanism may be configured by a link mechanism.

また、前記駆動部は前記直動体を直動する直動モータであり、前記伝達機構はリンク機構としてもよい。
また、前記作動状態取得部は、前記関節の作動状態を示すパラメータとして前記関節の関節角度を検出または演算により取得するものであり、前記駆動部の作動状態パラメータは、前記駆動部の作動量であり、前記直動体の作動状態パラメータは、前記直動体の移動量であり、前記関節の作動状態パラメータは、関節角度としてもよい。 Further, the drive unit is a linear motor that linearly moves the linear moving body, and the transmission mechanism may be a link mechanism.
Further, the operating state acquisition unit acquires the joint angle of the joint as a parameter indicating the operating state of the joint by detecting or calculating, and the operating state parameter of the driving unit is the operating amount of the driving unit. The operating state parameter of the linear moving body is the amount of movement of the linear moving body, and the operating state parameter of the joint may be a joint angle.

また、前記作動状態取得部は、前記指部材の作動状態を示すパラメータとして前記指部材の先端位置を検出または演算により取得するものであり、前記駆動部の作動状態パラメータは、前記駆動部の作動量であり、前記直動体の作動状態パラメータは、前記直動体の移動量であり、前記関節の作動状態パラメータは、関節角度としてもよい。 Further, the operating state acquisition unit acquires the tip position of the finger member as a parameter indicating the operating state of the finger member by detection or calculation, and the operating state parameter of the driving unit is the operation of the driving unit. It is a quantity, the operating state parameter of the linear moving body is the movement amount of the linear moving body, and the operating state parameter of the joint may be a joint angle.

また、前記作動状態取得部は、前記関節の作動状態を示すパラメータとして前記関節の関節トルクを検出または演算により取得するものであり、前記駆動部の作動状態パラメータは、駆動部トルクであり、前記直動体の作動状態パラメータは、前記直動体の推力であり、前記関節の作動状態パラメータは、関節トルクとしてもよい。 Further, the operating state acquisition unit acquires the joint torque of the joint as a parameter indicating the operating state of the joint by detecting or calculating, and the operating state parameter of the driving unit is the driving unit torque. The operating state parameter of the linear moving body is the thrust of the linear moving body, and the operating state parameter of the joint may be the joint torque.

また、前記作動状態取得部は、前記指部材の作動状態を示すパラメータとして前記指部材の先端力を検出または演算により取得するものであり、前記駆動部の作動状態パラメータは、駆動部トルクであり、前記直動体の作動状態パラメータは、前記直動体の推力であり、前記関節の作動状態パラメータは、関節トルクとしてもよい。 Further, the operating state acquisition unit acquires the tip force of the finger member as a parameter indicating the operating state of the finger member by detecting or calculating, and the operating state parameter of the driving unit is the driving unit torque. The operating state parameter of the linear moving body is the thrust of the linear moving body, and the operating state parameter of the joint may be the joint torque.

本発明によれば、駆動部に関する作動状態パラメータと該駆動部により作動する指部材に関する作動状態パラメータとの関係が非線形の関係となっているロボットハンドの指部材の作動をフィードバック制御で制御する際に、その制御精度を向上することができる効果を奏する。 According to the present invention, when the operation of the finger member of the robot hand is controlled by feedback control in which the relationship between the operation state parameter related to the drive unit and the operation state parameter related to the finger member operated by the drive unit is non-linear. In addition, it has the effect of improving the control accuracy.

ロボットハンド装置の全体概略図。Overall schematic of the robot hand device. ロボットハンドの指部材の作動原理図。The operating principle diagram of the finger member of the robot hand. 第１実施形態のロボットハンドの制御ブロック図。The control block diagram of the robot hand of 1st Embodiment. 第２実施形態のロボットハンドの制御ブロック図。The control block diagram of the robot hand of the 2nd Embodiment. 第３実施形態のロボットハンドの制御ブロック図。The control block diagram of the robot hand of the 3rd embodiment. 第４実施形態のロボットハンドの制御ブロック図。The control block diagram of the robot hand of 4th Embodiment. 従来のロボットハンドの制御ブロック図。Control block diagram of a conventional robot hand. 従来のロボットハンドの制御ブロック図。Control block diagram of a conventional robot hand. 従来のロボットハンドの制御ブロック図。Control block diagram of a conventional robot hand. 従来のロボットハンドの制御ブロック図。Control block diagram of a conventional robot hand. 第５～８実施形態のロボットハンドの指部材の作動原理図。The working principle diagram of the finger member of the robot hand of 5th-8th Embodiment. スライダークランク機構の設計パラメータの説明図。Explanatory drawing of the design parameters of the slider crank mechanism.

（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した第１実施形態のロボットハンド装置を図１、図２、図３を参照して説明する。本実施形態は、関節角度を制御するための例である。 (First Embodiment)
Hereinafter, the robot hand device of the first embodiment embodying the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 2, and 3. This embodiment is an example for controlling the joint angle.

図１に示すようにロボットハンド装置は、ロボットハンド１０と、ロボットハンド１０を制御するロボットハンド制御装置２０を備えている。ロボットハンド制御装置２０は、制御部に相当する。本実施形態のロボットハンド１０を構成している各指を作動させる構成は、背景技術で説明した図２と同じであるため、各部材の詳細な説明を省略する。リンク８１、８２は、リンク機構に相当し、伝達機構７０は、リンク機構を有する。このことにより、駆動モータ６０の回転角度θＭと指先位置ｘｆの関係は、非線形であり、駆動モータ６０のモータトルクτＭと指先力Ｆｆとの関係も非線形となっている。 As shown in FIG. 1, the robot hand device includes a robot hand 10 and a robot hand control device 20 that controls the robot hand 10. The robot hand control device 20 corresponds to a control unit. Since the configuration for operating each finger constituting the robot hand 10 of the present embodiment is the same as that shown in FIG. 2 described in the background art, detailed description of each member will be omitted. The links 81 and 82 correspond to a link mechanism, and the transmission mechanism 70 has a link mechanism. As a result, the relationship between the rotation angle θ M of the drive motor 60 and the fingertip position x f is non-linear, and the relationship between the motor torque τ M of the drive motor 60 and the fingertip force F f is also non-linear.

図１に示すように、ロボットハンド制御装置２０は、図示しないＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）及び、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等を備えている。本実施形態では、前記ＣＰＵにより、上位制御部３０と、モータ制御部４０とが構成される。上位制御部３０は、ロボットハンド１０を制御するための各種指令値（すなわち、目標値）をモータ制御部４０に出力する。モータ制御部４０は、前記各種指令値に基づいて、トルク指令ｕＭを、駆動部としての駆動モータ６０のドライバ１２に出力する。ドライバ１２はトルク指令ｕＭに基づいて駆動モータ６０を駆動する。 As shown in FIG. 1, the robot hand control device 20 includes a CPU (central processing unit), a ROM (read-only memory), a RAM (random access memory), and the like (not shown). In the present embodiment, the upper control unit 30 and the motor control unit 40 are configured by the CPU. The upper control unit 30 outputs various command values (that is, target values) for controlling the robot hand 10 to the motor control unit 40. The motor control unit 40 outputs the torque command uM to the driver 12 of the drive motor 60 as the drive unit based on the various command values. The driver 12 drives the drive motor 60 based on the torque command uM .

図１、図２に示すように駆動モータ６０には、モータの回転角度θＭを検出する検出部６２、及びモータトルクτＭを検出する検出部６４を備えている。検出部６２は、例えば、ロータリーエンコード等からなる。検出部６４は、例えば、トルクセンサにて構成してもよく、或いは、ドライバ１２から付与される駆動モータ６０に付与されるモータ電流を検出して、該モータ電流に基づいてトルクを検出するようにしてもよい。 As shown in FIGS. 1 and 2, the drive motor 60 includes a detection unit 62 for detecting the rotation angle θ M of the motor and a detection unit 64 for detecting the motor torque τ M. The detection unit 62 includes, for example, rotary encoding or the like. The detection unit 64 may be configured by, for example, a torque sensor, or detects the motor current applied to the drive motor 60 applied by the driver 12 and detects the torque based on the motor current. You may do it.

＜関節角度の制御＞
次にロボットハンド制御装置２０によるロボットハンド１０の関節角度のフィードバック制御について説明する。 <Control of joint angle>
Next, feedback control of the joint angle of the robot hand 10 by the robot hand control device 20 will be described.

図３に示すように、本実施形態の関節角度のフィードバック制御は、ＰＩＤ制御である。本実施形態では、背景技術で説明した図７の制御ブロックの構成中、加算器１６０の出力側に、乗算器１７０が設けられているところが、異なっているため、背景技術で説明した各制御ブロックと同一または相当する構成については、同一符号を付して、その説明を省略する。 As shown in FIG. 3, the feedback control of the joint angle of the present embodiment is PID control. In the present embodiment, in the configuration of the control block of FIG. 7 described in the background technology, the multiplier 170 is provided on the output side of the adder 160, which is different. Therefore, each control block described in the background technology is different. The same or equivalent configurations are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

乗算器１７０は、加算器１６０から出力された演算値に（Ｊ２Ｊ１）－１を乗算し、得た値をトルク指令ｕＭとして、図１に示す、ドライバ１２に出力する。
図３に示す関節角度の制御（ＰＩＤ制御）で得られるトルク指令ｕＭは、式（１７）で表わすことができる。 The multiplier 170 multiplies the calculated value output from the adder 160 by (J 2 J 1 ) -1 , and outputs the obtained value as a torque command u M to the driver 12 shown in FIG.
The torque command uM obtained by the joint angle control (PID control) shown in FIG. 3 can be expressed by the equation (17).

Figure 0007015508000017
ここで、Ｊ２及びＪ１は、式（１９）及び式（１８）で表わされる。
Figure 0007015508000017
 Here, J 2 and J 1 are represented by the equations (19) and (18).

Figure 0007015508000018
Figure 0007015508000018

Figure 0007015508000019
なお、Ｊ１は、固定値（すなわち、定数）となるため、予めゲイン（比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲイン）に含ませてもよい。また、Ｊ２は、可変値であり、乗算器１７０が演算する。
Figure 0007015508000019
 Since J 1 has a fixed value (that is, a constant), it may be included in the gain (proportional gain, integral gain, differential gain) in advance. Further, J 2 is a variable value and is calculated by the multiplier 170.

Ｊ１は、駆動モータ６０（駆動部）の回転角度θＭ（作動量）と、直動体の移動量のヤコビ行列であって、第２行列に相当する。また、前記回転角度は、駆動部の作動量及び、駆動部の作動状態パラメータに相当する。 J 1 is a Jacobian determinant of the rotation angle θ M (operating amount) of the drive motor 60 (driving unit) and the moving amount of the linear moving body, and corresponds to the second matrix. Further, the rotation angle corresponds to the operating amount of the driving unit and the operating state parameter of the driving unit.

一方、Ｊ２は、直動体の移動量と関節角度のヤコビ行列であって、第１行列に相当する。関節角度は、関節の作動状態パラメータに相当する。また、演算器１８０は、作動状態取得部に相当する。 On the other hand, J 2 is a Jacobian determinant of the amount of movement of the linear moving body and the joint angle, and corresponds to the first matrix. The joint angle corresponds to the operating state parameter of the joint. Further, the arithmetic unit 180 corresponds to an operating state acquisition unit.

本実施形態では、下記の特徴を有する。
（１）上記のように、本実施形態では、関節角度のフィードバック制御で得られる演算値に対して、第１行列と第２行列の積の逆行列を乗算して得られた結果をドライバ１２へ出力する。このため、直動体８０の動力を指部材５０に対して非線形で伝達して揺動を付与する伝達機構を有していても、ロボットハンドの指部材の作動を、すなわち、関節角度をフィードバック制御で制御する際に、その制御精度を向上することができる。 The present embodiment has the following features.
(1) As described above, in the present embodiment, the driver 12 obtains the result obtained by multiplying the calculated value obtained by the feedback control of the joint angle by the inverse matrix of the product of the first matrix and the second matrix. Output to. Therefore, even if the robot hand has a transmission mechanism that transmits the power of the linear moving body 80 to the finger member 50 in a non-linear manner to impart swing, the operation of the finger member of the robot hand, that is, the joint angle is feedback-controlled. When controlling with, the control accuracy can be improved.

（第２実施形態）
図４を参照して、第２実施形態のロボットハンド装置、すなわち、指先位置の制御を行うロボットハンド装置を説明する。なお、本実施形態を含めた、以下の実施形態では、ロボットハンド装置のハード構成は、第１実施形態と同様であるため、ハード構成の説明を省略する。 (Second Embodiment)
The robot hand device of the second embodiment, that is, the robot hand device that controls the fingertip position will be described with reference to FIG. In the following embodiments including the present embodiment, the hardware configuration of the robot hand device is the same as that of the first embodiment, and therefore the description of the hardware configuration will be omitted.

＜指先位置の制御＞
次に指先位置のフィードバック制御について説明する。
図４に示すように、本実施形態の指先位置のフィードバック制御は、ＰＩＤ制御である。本実施形態では、背景技術で説明した図８の制御ブロックの構成中、加算器２６０の出力側に、乗算器２７０が設けられているところが異なっているため、背景技術で説明した各制御ブロックと同一または相当する構成については、同一符号を付して、その説明を省略する。 <Control of fingertip position>
Next, the feedback control of the fingertip position will be described.
As shown in FIG. 4, the feedback control of the fingertip position of the present embodiment is PID control. In the present embodiment, in the configuration of the control block of FIG. 8 described in the background technology, the multiplier 270 is provided on the output side of the adder 260, so that it is different from each control block described in the background technology. The same or equivalent configurations are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

乗算器２７０は、加算器２６０から出力された演算値に（Ｊ２Ｊ１）－１を乗算し、得た値をトルク指令ｕＭとして、図１に示すドライバ１２に出力する。なお、乗算器２７０は、前記実施形態の乗算器１７０と同様の構成である。 The multiplier 270 multiplies the calculated value output from the adder 260 by (J 2 J 1 ) -1 , and outputs the obtained value as a torque command u M to the driver 12 shown in FIG. The multiplier 270 has the same configuration as the multiplier 170 of the embodiment.

図４に示す関節角度の制御（ＰＩＤ制御）で得られるトルク指令ｕＭは、式（２０）で表わすことができる。 The torque command uM obtained by the joint angle control (PID control) shown in FIG. 4 can be expressed by the equation (20).

Figure 0007015508000020
本実施形態では、演算器２８０は、作動状態取得部に相当する。
Figure 0007015508000020
 In the present embodiment, the arithmetic unit 280 corresponds to the operating state acquisition unit.

本実施形態では、下記の特徴を有する。
（１）本実施形態では、指先位置のフィードバック制御で得られる演算値に対して、第１行列と第２行列の積の逆行列を乗算して得られた結果をドライバ１２へ出力する。このため、直動体８０の動力を指部材５０に対して非線形で伝達して揺動を付与する伝達機構を有していても、ロボットハンドの指部材の作動を、すなわち、指先位置をフィードバック制御で制御する際に、その制御精度を向上することができる。 The present embodiment has the following features.
(1) In the present embodiment, the result obtained by multiplying the calculated value obtained by the feedback control of the fingertip position by the inverse matrix of the product of the first matrix and the second matrix is output to the driver 12. Therefore, even if the robot hand has a transmission mechanism that non-linearly transmits the power of the linear moving body 80 to the finger member 50 to impart swing, the operation of the finger member of the robot hand, that is, the feedback control of the fingertip position is controlled. When controlling with, the control accuracy can be improved.

（第３実施形態）
図５を参照して、第３実施形態のロボットハンド装置、すなわち、関節トルクの制御を行うロボットハンド装置を説明する。 (Third Embodiment)
The robot hand device of the third embodiment, that is, the robot hand device that controls the joint torque will be described with reference to FIG.

＜関節トルクの制御＞
図５に示すように、本実施形態の関節トルクのフィードバック制御は、ＰＩ制御である。本実施形態では、背景技術で説明した図９の制御ブロックの構成中、加算器３６０の出力側に、乗算器３７０が設けられているところが、異なっているため、背景技術で説明した各制御ブロックと同一または相当する構成については、同一符号を付して、その説明を省略する。 <Control of joint torque>
As shown in FIG. 5, the feedback control of the joint torque of the present embodiment is PI control. In the present embodiment, in the configuration of the control block of FIG. 9 described in the background technology, the multiplier 370 is provided on the output side of the adder 360, which is different. Therefore, each control block described in the background technology is different. The same or equivalent configurations are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

乗算器３７０は、加算器３６０から出力された演算値に（Ｊ４Ｊ３）－１を乗算し、得た値をトルク指令ｕＭとして、図１に示す、ドライバ１２に出力する。
図５に示す関節トルクの制御（ＰＩ制御）で得られるトルク指令ｕＭは、式（２１）で表わすことができる。 The multiplier 370 multiplies the calculated value output from the adder 360 by (J 4 J 3 ) -1 , and outputs the obtained value as the torque command u M to the driver 12 shown in FIG.
The torque command uM obtained by the joint torque control (PI control) shown in FIG. 5 can be expressed by the equation (21).

Figure 0007015508000021
ここで、Ｊ３及びＪ４は、式（２２）及び式（２３）で表わされる。
Figure 0007015508000021
 Here, J 3 and J 4 are represented by the equations (22) and (23).

Figure 0007015508000022
Figure 0007015508000022

Figure 0007015508000023
なお、Ｊ３は、固定値となるため、予めゲイン（比例ゲイン、積分ゲイン）に含ませてもよい。
Figure 0007015508000023
 Since J 3 has a fixed value, it may be included in the gain (proportional gain, integrated gain) in advance.

Ｊ３は、駆動モータ６０（駆動部）のモータトルクτＭと、直動体の推力のヤコビ行列であって、第２行列に相当する。ここで前記モータトルクτＭは、駆動部の作動状態パラメータ及び駆動部トルクに相当する。直動体の推力は、直動体の作動状態パラメータに相当する。 J 3 is a Jacobian determinant of the motor torque τ M of the drive motor 60 (drive unit) and the thrust of the linear moving body, and corresponds to the second matrix. Here, the motor torque τM corresponds to the operating state parameter of the driving unit and the torque of the driving unit. The thrust of the linear moving body corresponds to the operating state parameter of the linear moving body.

一方、Ｊ４は、直動体の推力と関節トルクのヤコビ行列であって、第１行列に相当する。関節トルクは、関節の作動状態パラメータに相当する。また、演算器３８０は、作動状態取得部に相当する。 On the other hand, J 4 is a Jacobian determinant of thrust and joint torque of a linear moving body, and corresponds to the first matrix. The joint torque corresponds to the operating state parameter of the joint. Further, the arithmetic unit 380 corresponds to an operating state acquisition unit.

本実施形態では、下記の特徴を有する。
（１）上記のように、本実施形態では、関節トルクのフィードバック制御で得られる演算値に対して、第１行列と第２行列の積の逆行列を乗算して得られた結果をドライバ１２へ出力する。このため、直動体８０の動力を指部材５０に対して非線形で伝達して揺動を付与する伝達機構を有していても、ロボットハンドの指部材の作動を、すなわち、関節トルクをフィードバック制御で制御する際に、その制御精度を向上することができる。 The present embodiment has the following features.
(1) As described above, in the present embodiment, the driver 12 obtains the result obtained by multiplying the calculated value obtained by the feedback control of the joint torque by the inverse matrix of the product of the first matrix and the second matrix. Output to. Therefore, even if the robot hand has a transmission mechanism that non-linearly transmits the power of the linear moving body 80 to the finger member 50 to impart swing, the operation of the finger member of the robot hand, that is, the joint torque is feedback-controlled. When controlling with, the control accuracy can be improved.

（第４実施形態）
図６を参照して、第４実施形態のロボットハンド装置、すなわち、指先力の制御を行うロボットハンド装置を説明する。 (Fourth Embodiment)
The robot hand device of the fourth embodiment, that is, the robot hand device that controls the fingertip force will be described with reference to FIG.

＜指先力の制御＞
図６に示すように、本実施形態の指先力のフィードバック制御は、ＰＩ制御である。
本実施形態では、背景技術で説明した図１０の制御ブロックの構成中、加算器４６０の出力側に、乗算器４７０が設けられているところが、異なっているため、背景技術で説明した各制御ブロックと同一または相当する構成については、同一符号を付して、その説明を省略する。 <Control of fingertip force>
As shown in FIG. 6, the feedback control of the fingertip force of the present embodiment is PI control.
In the present embodiment, in the configuration of the control block of FIG. 10 described in the background technology, the multiplier 470 is provided on the output side of the adder 460, which is different. Therefore, each control block described in the background technology is different. The same or equivalent configurations are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

乗算器４７０は、加算器４６０から出力された演算値に（Ｊ４Ｊ３）－１を乗算し、得た値をトルク指令ｕＭとして、図１に示す、ドライバ１２に出力する。
図６に示す指先力の制御（ＰＩ制御）で得られるトルク指令ｕＭは、式（２４）で表わすことができる。 The multiplier 470 multiplies the calculated value output from the adder 460 by (J 4 J 3 ) -1 , and outputs the obtained value as the torque command u M to the driver 12 shown in FIG.
The torque command uM obtained by the fingertip force control (PI control) shown in FIG. 6 can be expressed by the equation (24).

Figure 0007015508000024
演算器４８０は、作動状態取得部に相当する。
Figure 0007015508000024
 The arithmetic unit 480 corresponds to an operating state acquisition unit.

本実施形態では、下記の特徴を有する。
（１）本実施形態では、指先力のフィードバック制御で得られる演算値に対して、第１行列と第２行列の積の逆行列を乗算して得られた結果をドライバ１２へ出力する。このため、直動体８０の動力を指部材５０に対して非線形で伝達して揺動を付与する伝達機構を有していても、ロボットハンドの指部材の作動を、すなわち、指先力をフィードバック制御で制御する際に、その制御精度を向上することができる。 The present embodiment has the following features.
(1) In the present embodiment, the result obtained by multiplying the calculated value obtained by the feedback control of the fingertip force by the inverse matrix of the product of the first matrix and the second matrix is output to the driver 12. Therefore, even if the robot hand has a transmission mechanism that non-linearly transmits the power of the linear moving body 80 to the finger member 50 to impart swing, the operation of the finger member of the robot hand, that is, the fingertip force is feedback-controlled. When controlling with, the control accuracy can be improved.

次に、第５～８実施形態について説明する。
図１１に示すように、第５～８実施形態のロボットハンド装置は、第１～４実施形態のハード構成中、ボールネジ７８、及び伝達機構７０（ギヤヘッド７２、平歯車列７４、７６）が省略されるとともに、直動体８０の回転式モータである駆動モータ６０を、直動モータ（例えば、リニアモータ）に変更したものである。すなわち、スライダークランク機構の構成が変更されている。図１１では、直動モータ９０は、フラット型のリニアモータであって、交互にＮＳの磁石列（図示しない）を可動方向へ配列した固定子９２上を、直動体である可動子９４が直動するようにされている。ロボットハンド装置の他の構成は、第１～第４実施形態と同様に構成されている。なお、リニアモータは、フラット型に限定するものではなく、他の形式のものであってもよい。 Next, the fifth to eighth embodiments will be described.
As shown in FIG. 11, the robot hand devices of the fifth to eighth embodiments have the ball screw 78 and the transmission mechanism 70 ( gear head 72, spur gear trains 74, 76) in the hardware configuration of the first to fourth embodiments. Is omitted, and the drive motor 60, which is a rotary motor of the linear motor 80, is changed to a linear motor (for example, a linear motor). That is, the configuration of the slider crank mechanism has been changed. In FIG. 11, the linear motor 90 is a flat linear motor, and the actuator 94, which is a linear motor, is directly placed on the stator 92 in which NS magnet rows (not shown) are alternately arranged in the movable direction. It is designed to move. Other configurations of the robot hand device are the same as those of the first to fourth embodiments. The linear motor is not limited to the flat type, and may be of another type.

（第５実施形態）
第５実施形態は、図１及び図１１で示すロボットハンド装置が、関節角度を制御するための例である。 (Fifth Embodiment)
A fifth embodiment is an example in which the robot hand device shown in FIGS. 1 and 11 controls the joint angle.

＜関節角度の制御＞
図３において、本実施形態では、乗算器１７０は、加算器１６０から出力された演算値に（Ｊ２Ｊ１）－１を乗算し、得た値をトルク指令ｕＭとして、図１に示す、ドライバ１２に出力する。 <Control of joint angle>
In FIG. 3, in the present embodiment, the multiplier 170 multiplies the calculated value output from the adder 160 by (J 2 J 1 ) -1 , and the obtained value is shown in FIG. 1 as the torque command u M. , Output to driver 12.

なお、本実施形態では、上述したように直動モータ９０により、可動子９４（直動体）を駆動するため、ヤコビ行列Ｊ１＝１である。このことから、実質的には、乗算器１７０は、（Ｊ２）－１を乗算することになる。 In this embodiment, the Jacobian determinant J 1 = 1 because the mover 94 (linear moving body) is driven by the linear motion motor 90 as described above. From this, in effect, the multiplier 170 multiplies (J 2 ) -1 .

図３に示す関節角度の制御（ＰＩＤ制御）で得られるトルク指令ｕＭは、式（２５）で表わすことができる。 The torque command uM obtained by the joint angle control (PID control) shown in FIG. 3 can be expressed by the equation (25).

Figure 0007015508000025
（第６実施形態）
第６実施形態は、図１及び図１１で示すロボットハンド装置が、指先位置を制御するための例である。
Figure 0007015508000025
 (Sixth Embodiment)
The sixth embodiment is an example in which the robot hand device shown in FIGS. 1 and 11 controls the fingertip position.

＜指先位置の制御＞
図４において、本実施形態では、乗算器２７０は、加算器２６０から出力された演算値に（Ｊ２）－１を乗算し、得た値をトルク指令ｕＭとして、図１に示す、ドライバ１２に出力する。 <Control of fingertip position>
In FIG. 4, in the present embodiment, the multiplier 270 multiplies the calculated value output from the adder 260 by (J 2 ) -1 , and the obtained value is used as the torque command uM , which is the driver shown in FIG. Output to 12.

第５実施形態と同様に本実施形態では、乗算器１７０が（Ｊ２）－１を乗算することは、第１実施形態が、（Ｊ２Ｊ１）－１を乗算していることと相違しているように見えるが、上述したように直動モータ９０により、可動子９４（直動体）を駆動するため、ヤコビ行列Ｊ１＝１である。このことから、（Ｊ２Ｊ１）－１を乗算していると同義である。 Similar to the fifth embodiment, in the present embodiment, the multiplier 170 multiplying by (J 2 ) -1 is different from the first embodiment multiplying by (J 2 J 1 ) -1 . However, as described above, the Jacobian determinant J 1 = 1 because the mover 94 (linear moving body) is driven by the linear motion motor 90. From this, it is synonymous with multiplying (J 2 J 1 ) -1 .

図４に示す指先位置の制御（ＰＩＤ制御）で得られるトルク指令ｕＭは、式（２６）で表わすことができる。 The torque command uM obtained by controlling the fingertip position (PID control) shown in FIG. 4 can be expressed by the equation (26).

Figure 0007015508000026
（第７実施形態）
第７実施形態は、図１及び図１１で示すロボットハンド装置が、関節トルクを制御するための例である。
Figure 0007015508000026
 (7th Embodiment)
A seventh embodiment is an example in which the robot hand device shown in FIGS. 1 and 11 controls joint torque.

＜関節トルクの制御＞
図５において、本実施形態では、乗算器３７０は、加算器３６０から出力された演算値に（Ｊ４Ｊ３）－１を乗算し、得た値をトルク指令ｕＭとして、図１に示す、ドライバ１２に出力する。 <Control of joint torque>
In FIG. 5 , in the present embodiment, the multiplier 370 multiplies the calculated value output from the adder 360 by (J 4 J 3 ) -1 , and the obtained value is shown in FIG. 1 as the torque command uM . , Output to driver 12.

なお、本実施形態では、上述したように直動モータ９０により、可動子９４（直動体）を駆動するため、ヤコビ行列Ｊ３＝１である。このことから、実質的には、乗算器３７０は、（Ｊ４）－１を乗算することになる。 In this embodiment, the Jacobian determinant J3 = 1 because the mover 94 (linearly moving body) is driven by the linearly driven motor 90 as described above. From this, the multiplier 370 is substantially multiplied by (J 4 ) -1 .

図５に示す関節トルクの制御（ＰＩ制御）で得られるトルク指令ｕＭは、式（２７）で表わすことができる。 The torque command uM obtained by the joint torque control (PI control) shown in FIG. 5 can be expressed by the equation (27).

Figure 0007015508000027
（第８実施形態）
第８実施形態は、図１及び図１１で示すロボットハンド装置が、指先力を制御するための例である。
Figure 0007015508000027
 (8th Embodiment)
The eighth embodiment is an example in which the robot hand device shown in FIGS. 1 and 11 controls the fingertip force.

＜指先力の制御＞
図６において、本実施形態では、乗算器４７０は、加算器４６０から出力された演算値に（Ｊ４Ｊ３）－１を乗算し、得た値をトルク指令ｕＭとして、図１に示す、ドライバ１２に出力する。 <Control of fingertip force>
In FIG. 6, in the present embodiment, the multiplier 470 multiplies the calculated value output from the adder 460 by (J 4 J 3 ) -1 , and the obtained value is shown in FIG. 1 as the torque command uM . , Output to driver 12.

なお、本実施形態では、上述したように直動モータ９０により、可動子９４（直動体）を駆動するため、ヤコビ行列Ｊ３＝１である。このことから、実質的には、乗算器４７０は、（Ｊ４）－１を乗算することになる。 In this embodiment, the Jacobian determinant J3 = 1 because the mover 94 (linearly moving body) is driven by the linearly driven motor 90 as described above. From this, the multiplier 470 is substantially multiplied by (J 4 ) -1 .

図６に示す指先力の制御（ＰＩＤ制御）で得られるトルク指令ｕＭは、式（２８）で表わすことができる。 The torque command uM obtained by the fingertip force control (PID control) shown in FIG. 6 can be expressed by the equation (28).

Figure 0007015508000028
なお、本発明の実施形態は前記実施形態に限定されるものではなく、下記のように変更しても良い。
Figure 0007015508000028
 The embodiment of the present invention is not limited to the above embodiment, and may be changed as follows.

・第１実施形態及び第５実施形態では、関節角度θｊを演算器１８０で算出したが、関節角度θｊを検出する角度検出部を作動状態取得部として関節軸５２に設けて、演算器１８０を省略してもよい。 -In the first embodiment and the fifth embodiment, the joint angle θ j is calculated by the calculator 180, but an angle detection unit for detecting the joint angle θ j is provided on the joint shaft 52 as an operating state acquisition unit, and the calculator is provided. 180 may be omitted.

・第２実施形態及び第６実施形態では、指先位置ｘｆを演算器２８０で算出したが、指先位置ｘｆを検出する位置検出部を作動状態取得部として指部材５０に設けて、演算器２８０を省略してもよい。 -In the second embodiment and the sixth embodiment, the fingertip position x f is calculated by the arithmetic unit 280, but the fingertip position x f is provided on the finger member 50 as the operating state acquisition unit, and the arithmetic unit is provided. 280 may be omitted.

・第３実施形態及び第７実施形態では、関節トルクτjを演算器３８０で算出したが、関節トルクτjを検出する関節トルク検出部を作動状態取得部として関節軸５２に設けて、演算器３８０を省略してもよい。 -In the third embodiment and the seventh embodiment, the joint torque τ j is calculated by the calculator 380, but the joint torque detection unit for detecting the joint torque τ j is provided on the joint shaft 52 as the operating state acquisition unit for calculation. The vessel 380 may be omitted.

・第４実施形態及び第８実施形態では、指先力Ｆｆを演算器４８０で算出したが、指先力Ｆｆを検出する指部材５０の先端に設けて、演算器４８０を省略してもよい。例えば、圧力センサを作動状態取得部として、指部材が物を把持する指先に設けて、該圧力センサにより指先力Ｆｆを検出するようにしてもよい。 -In the fourth embodiment and the eighth embodiment, the fingertip force F f is calculated by the arithmetic unit 480, but even if the fingertip force F f is provided at the tip of the finger member 50 for detecting the fingertip force F f and the arithmetic unit 480 is omitted. good. For example, a pressure sensor may be provided as an operating state acquisition unit at the fingertip where the finger member grips an object, and the fingertip force F f may be detected by the pressure sensor.

・ＰＩＤ制御で説明した実施形態（第１実施形態、第２実施形態、第５実施形態、第６実施形態）を、ＰＩ制御、ＰＤ制御またはＰ制御に変更してもよい。
・ＰＩ制御で説明した実施形態（第３実施形態、第４実施形態、第７実施形態、及び第８実施形態）を、ＰＩＤ制御、ＰＤ制御またはＰ制御に変更してもよい。 -The embodiment described in PID control (first embodiment, second embodiment, fifth embodiment, sixth embodiment) may be changed to PI control, PD control or P control.
-The embodiments described in PI control (third embodiment, fourth embodiment, seventh embodiment, and eighth embodiment) may be changed to PID control, PD control, or P control.

・前記第２実施形態及び第６実施形態では、指先位置の制御としたが、指先以外の、指部材の先端位置のフィードバック制御にすることも可能である。
・伝達機構７０はリンク機構に限定するものではなく、非線形で動力を伝達する他の機構であってもよい。 -In the second embodiment and the sixth embodiment, the fingertip position is controlled, but it is also possible to perform feedback control of the tip position of the finger member other than the fingertip.
The transmission mechanism 70 is not limited to the link mechanism, and may be another mechanism that transmits power in a non-linear manner.

＜ロボットハンドの設計方法＞
図１２を参照して、ロボットハンドの設計方法を説明する。
スライダークランク機構を利用したロボットハンドの設計パラメータは、指部材の指長ｒ、スライダークランク機構の設計パラメータｌ１，ｌ２，ｌ３，ｘ、指先力Ｆｆ、関節トルクτｊである。 <Robot hand design method>
A method of designing a robot hand will be described with reference to FIG.
The design parameters of the robot hand using the slider crank mechanism are the finger length r of the finger member, the design parameters l 1 , l 2 , l 3 , x, the fingertip force F f , and the joint torque τ j of the slider crank mechanism.

これらの設計パラメータの設計方法は、（１）指先力Ｆｆ、指長ｒ、（２）関節トルクτｊ、（３）スライダークランク機構の設計パラメータｌ１，ｌ２，ｌ３，ｘ、（４）ボールネジ（ネジ部材）と駆動モータ（駆動部）間の減速機構に関する設計パラメータ、（５）モータ特性、のそれぞれの決定が必要である。 The design methods of these design parameters are as follows: (1) fingertip force F f , finger length r, (2) joint torque τ j , (3) slider crank mechanism design parameters l 1 , l 2 , l 3 , x, ( It is necessary to determine 4) design parameters related to the reduction mechanism between the ball screw (screw member) and the drive motor (drive unit), and (5) motor characteristics.

一般的には、決定した（１）の設計パラメータを基に（３）～（５）の設計パラメータを試行錯誤的に求める。なお、（２）の関節トルクτｊは、（１）のパラメータが決定されれば、式（１１）に基づいて一般的に一意に決まる。 Generally, the design parameters (3) to (5) are obtained by trial and error based on the determined design parameters (1). The joint torque τj in (2) is generally uniquely determined based on the equation (11) once the parameter in (1) is determined.

しかし、例えば、（４）、（５）の設計パラメータを決定してこれらを条件にしても、（３）は複数のパラメータ候補が存在するため、一意に決定することができない。なお、第１実施形態では、ボールネジ７８と駆動モータ６０（駆動部）間の減速機構は、平歯車列７４、７６、ギヤヘッド７２にて構成されている。このため、（４）の、ボールネジとモータ（駆動部）間の減速機構に関連するパラメータは、ギヤヘッド減速比Ｇｈ、機構減速比（平歯車等）Ｇｂ、ホールネジのリードＰｈである。 However, for example, even if the design parameters of (4) and (5) are determined and these conditions are satisfied, (3) cannot be uniquely determined because there are a plurality of parameter candidates. In the first embodiment, the reduction mechanism between the ball screw 78 and the drive motor 60 (drive unit) is composed of spur gear trains 74 and 76 and a gear head 72. Therefore, the parameters related to the reduction mechanism between the ball screw and the motor (drive unit) in (4) are the gear head reduction ratio G h , the mechanism reduction ratio (spur gear or the like) G b , and the hole screw lead Ph .

ここで、ロボット指の小型化、ひいてはロボットハンドの小型化を課題の一つとした場合、（４）及び（５）の設計パラメータについては、駆動モータ及びボールネジを小型とするための選択肢は限定される。 Here, when the miniaturization of the robot finger and the miniaturization of the robot hand are one of the issues, the options for miniaturizing the drive motor and the ball screw are limited for the design parameters (4) and (5). To.

このため、前記小型化を課題とすることを前提にして（４）及び（５）を決定し、これを条件として、図１２に示すようにスライダークランク機構の設計パラメータｌ１，ｌ２，ｌ３，ｘで囲まれる面積（または和）が最小となるように決定すれば、小型化の課題を解決することができる。なお、（４）及び（５）の設計パラメータの設定時期は、（１）及び（２）の設定時期よりも前、後、または同時であってもよい。 Therefore, (4) and (5) are determined on the premise that the miniaturization is an issue, and on the condition of these, the design parameters l 1 , l 2 , l of the slider crank mechanism are shown in FIG. 3. If the area (or sum) surrounded by x is determined to be the minimum, the problem of miniaturization can be solved. The design parameter setting time of (4) and (5) may be before, after, or at the same time as the setting time of (1) and (2).

上記のことから、ロボット指でロボットハンドの小型化の課題を解決するロボットハンドの設計パラメータの設計方法として、下記の技術的思想が見いだせる。
＜本発明以外の技術的思想＞
指部材と、前記指部材を関節により揺動自在に支持する指支持部材と、を備え、
前記指支持部材には、駆動部と、前記駆動部の回転を減速する減速機構と、前記減速機構を介して前記駆動部の動力を前記関節に伝達する伝達機構とを備え、
前記伝達機構は、ネジ部材と、前記ネジ部材により直動する直動体及び該直動体の直動を前記関節に非線形で伝達して揺動を前記指部材に付与する複数のリンクとにより構成されるスライダークランク機構を含む、ロボットハンドの設計方法において、前記指部材の指長及び指先力を決定する第１段階と、前記指先力に基づいて、関節トルクを算出する第２段階と、第１段階及び第２段階の順番よりも前、或いは後、或いは同時に行われる第３段階であって、ロボットハンドの最小化を目的にして前記減速機構に関する設計パラメータと、前記駆動部の特性を選択する第３段階と、前記スライダークランク機構の設計パラメータを求める際、該スライダークランク機構の設計パラメータで二次元的に囲まれる形状の面積を最小化することにより、該スライダークランク機構の設計パラメータを算出する第４段階を含むロボットハンドの設計方法。 From the above, the following technical idea can be found as a design method of the design parameters of the robot hand that solves the problem of miniaturization of the robot hand with the robot finger.
<Technical ideas other than the present invention>
A finger member and a finger support member that swingably supports the finger member by a joint are provided.
The finger support member includes a drive unit, a deceleration mechanism for decelerating the rotation of the drive unit, and a transmission mechanism for transmitting the power of the drive unit to the joint via the deceleration mechanism.
The transmission mechanism is composed of a screw member, a linear moving body that is linearly moved by the screw member, and a plurality of links that transmit the linear motion of the linear motion to the joint in a non-linear manner and impart swing to the finger member. In a robot hand design method including a slider crank mechanism, a first step of determining the finger length and fingertip force of the finger member, a second step of calculating joint torque based on the fingertip force, and a first step. The third stage, which is performed before, after, or at the same time as the stage and the second stage, selects the design parameters related to the deceleration mechanism and the characteristics of the drive unit for the purpose of minimizing the robot hand. When the design parameters of the slider crank mechanism are obtained in the third step, the design parameters of the slider crank mechanism are calculated by minimizing the area of the shape two-dimensionally surrounded by the design parameters of the slider crank mechanism. A method of designing a robot hand including the fourth stage.

１０…ロボットハンド、１２…ドライバ、
２０…ロボットハンド制御装置（制御部）、
３０…上位制御部、４０…モータ制御部、５０…指部材、
５２…関節軸（関節）、５４…指支持部材、６０…駆動モータ、
６２、６４…検出部、７０…伝達機構、７２…ギヤヘッド、
７４、７６…平歯車列、７８…ボールネジ、８０…直動体、
８１、８２…リンク（リンク機構）、９０…直動モータ、９２…固定子、
９４…可動子（直動体）、１００…減算器、１１０…比例演算部、
１２０…積分器、１３０…積分ゲイン演算部、１４０…微分器、
１５０…微分ゲイン演算部、１６０…加算器、１７０…乗算器、
１８０…演算器（作動状態取得部）、２００…減算器、
２１０…比例演算部、２２０…積分器、２３０…積分ゲイン演算部、
２４０…微分器、２５０…微分ゲイン演算部、２６０…加算器、
２７０…乗算器、２８０…演算器（作動状態取得部）、
３００…減算器、３１０…比例演算部、３２０…積分器、
３３０…積分ゲイン演算部、３６０…加算器、３７０…乗算器、
３８０…演算器（作動状態取得部）、４００…減算器、
４１０…比例演算部、４２０…積分器、４３０…積分ゲイン演算部、
４４０…トルク変換部、４６０…加算器、４７０…乗算器、
４８０…演算器（作動状態取得部）。 10 ... robot hand, 12 ... driver,
20 ... Robot hand control device (control unit),
30 ... Upper control unit, 40 ... Motor control unit, 50 ... Finger member,
52 ... Joint axis (joint), 54 ... Finger support member, 60 ... Drive motor,
62, 64 ... Detection unit, 70 ... Transmission mechanism, 72 ... Gear head,
74, 76 ... Spur gear train, 78 ... Ball screw, 80 ... Linear moving body,
81, 82 ... Link (link mechanism), 90 ... Linear motor, 92 ... Stator,
94 ... Movable element (linear moving body), 100 ... Subtractor, 110 ... Proportional arithmetic unit,
120 ... Integrator, 130 ... Integral gain calculation unit, 140 ... Differentiator,
150 ... differential gain calculation unit, 160 ... adder, 170 ... multiplier,
180 ... Adder (operating state acquisition unit), 200 ... Subtractor,
210 ... proportional calculation unit, 220 ... integrator, 230 ... integral gain calculation unit,
240 ... Differentiator, 250 ... Differentiating gain calculation unit, 260 ... Adder,
270 ... Multiplier, 280 ... Arithmetic (operating state acquisition unit),
300 ... subtractor, 310 ... proportional arithmetic unit, 320 ... integrator,
330 ... Integral gain calculation unit, 360 ... Adder, 370 ... Multiplier,
380 ... Adder (operating state acquisition unit), 400 ... Subtractor,
410 ... proportional calculation unit, 420 ... integrator, 430 ... integral gain calculation unit,
440 ... Torque converter, 460 ... Adder, 470 ... Multiplier,
480 ... Arithmetic unit (operating state acquisition unit).

Claims (8)

指部材と、前記指部材を関節により揺動自在に支持する指支持部材と、を備え、前記指支持部材には、直動自在に設けられた直動体と、前記直動体の動力を前記指部材に対して非線形で伝達して揺動を付与する伝達機構と、前記直動体に動力を付与する駆動部と、前記指部材または前記関節の作動状態を示すパラメータを取得する作動状態取得部と、を有するロボットハンドと、
前記指部材または前記関節の作動状態を示す前記パラメータに基づいて、前記駆動部を介して前記指部材または前記関節の作動をフィードバック制御する制御部を備えたロボットハンド装置であって、
前記制御部は、前記フィードバック制御で得られる演算値に対して、第１行列と第２行列の積の逆行列を乗算して得られた結果を前記駆動部のドライバへ出力するものであり、
第１行列は、可変値であって、前記直動体の作動状態パラメータと前記関節の作動状態パラメータのヤコビ行列であり、
第２行列は、固定値であって、前記駆動部の作動状態パラメータと前記直動体の作動状態パラメータのヤコビ行列であるロボットハンド装置。 A finger member and a finger support member that swingably supports the finger member by a joint are provided, and the finger support member includes a linearly moving body provided so as to be linearly movable and the power of the linearly moving body is applied to the finger. A transmission mechanism that non-linearly transmits to a member to give a swing, a drive unit that applies power to the linear moving body, and an operation state acquisition unit that acquires a parameter indicating an operation state of the finger member or the joint. With a robot hand,
A robot hand device including a control unit that feedback-controls the operation of the finger member or the joint via the drive unit based on the parameter indicating the operating state of the finger member or the joint.
The control unit outputs the result obtained by multiplying the calculated value obtained by the feedback control by the inverse matrix of the product of the first matrix and the second matrix to the driver of the drive unit.
The first matrix is a variable value and is a Jacobian determinant of the operating state parameter of the linear moving body and the operating state parameter of the joint.
The second matrix is a robot hand device having a fixed value and is a Jacobian determinant of the operating state parameter of the driving unit and the operating state parameter of the linear moving body. 指部材と、前記指部材を関節により揺動自在に支持する指支持部材と、を備え、前記指支持部材には、直動自在に設けられた直動体と、前記直動体の動力を前記指部材に対して非線形で伝達して揺動を付与する伝達機構と、前記直動体に動力を付与する駆動部と、を有するロボットハンドと、A finger member and a finger support member that swingably supports the finger member by a joint are provided, and the finger support member includes a linearly moving body provided so as to be linearly movable and the power of the linearly moving body is applied to the finger. A robot hand having a transmission mechanism that non-linearly transmits to a member to give a swing, and a drive unit that gives power to the linear moving body.
前記指部材または前記関節の作動状態を示すパラメータを取得する作動状態取得部を有し、前記指部材または前記関節の作動状態を示す前記パラメータに基づいて、前記駆動部を介して前記指部材または前記関節の作動をフィードバック制御する制御部を備えたロボットハンド装置であって、It has an operating state acquisition unit that acquires a parameter indicating the operating state of the finger member or the joint, and based on the parameter indicating the operating state of the finger member or the joint, the finger member or the finger member or A robot hand device provided with a control unit that feedback-controls the operation of the joint.
前記制御部は、前記フィードバック制御で得られる演算値に対して、第１行列と第２行列の積の逆行列を乗算して得られた結果を前記駆動部のドライバへ出力するものであり、The control unit outputs the result obtained by multiplying the calculated value obtained by the feedback control by the inverse matrix of the product of the first matrix and the second matrix to the driver of the drive unit.
第１行列は、可変値であって、前記直動体の作動状態パラメータと前記関節の作動状態パラメータのヤコビ行列であり、The first matrix is a variable value and is a Jacobian determinant of the operating state parameter of the linear moving body and the operating state parameter of the joint.
第２行列は、固定値であって、前記駆動部の作動状態パラメータと前記直動体の作動状態パラメータのヤコビ行列であるロボットハンド装置。The second matrix is a Jacobian determinant which is a fixed value and is a Jacobian determinant of the operating state parameter of the driving unit and the operating state parameter of the linear moving body. 前記駆動部は回転式モータであり、前記直動体は前記回転式モータに作動連結されたボールネジにより直動するものであり、前記伝達機構はリンク機構である請求項１または請求項２に記載のロボットハンド装置。 The drive unit is a rotary motor, the linear moving body is linearly driven by a ball screw operated and connected to the rotary motor, and the transmission mechanism is a link mechanism according to claim 1 or 2 . Robot hand device. 前記駆動部は前記直動体を直動する直動モータであり、前記伝達機構はリンク機構である請求項１または請求項２に記載のロボットハンド装置。 The robot hand device according to claim 1 or 2 , wherein the drive unit is a linear motor that linearly moves the linear moving body, and the transmission mechanism is a link mechanism. 前記作動状態取得部は、前記関節の作動状態を示すパラメータとして前記関節の関節角度を検出または演算により取得するものであり、
前記駆動部の作動状態パラメータは、前記駆動部の作動量であり、
前記直動体の作動状態パラメータは、前記直動体の移動量であり、
前記関節の作動状態パラメータは、関節角度である請求項３または請求項４に記載のロボットハンド装置。 The operating state acquisition unit detects or calculates the joint angle of the joint as a parameter indicating the operating state of the joint, and acquires the joint angle.
The operating state parameter of the driving unit is the operating amount of the driving unit.
The operating state parameter of the linear moving body is the amount of movement of the linear moving body.
The robot hand device according to claim 3 or 4 , wherein the operating state parameter of the joint is a joint angle. 前記作動状態取得部は、前記指部材の作動状態を示すパラメータとして前記指部材の先端位置を検出または演算により取得するものであり、
前記駆動部の作動状態パラメータは、前記駆動部の作動量であり、
前記直動体の作動状態パラメータは、前記直動体の移動量であり、
前記関節の作動状態パラメータは、関節角度である請求項３または請求項４に記載のロボットハンド装置。 The operating state acquisition unit acquires the tip position of the finger member as a parameter indicating the operating state of the finger member by detecting or calculating.
The operating state parameter of the driving unit is the operating amount of the driving unit.
The operating state parameter of the linear moving body is the amount of movement of the linear moving body.
The robot hand device according to claim 3 or 4 , wherein the operating state parameter of the joint is a joint angle. 前記作動状態取得部は、前記関節の作動状態を示すパラメータとして前記関節の関節トルクを検出または演算により取得するものであり、
前記駆動部の作動状態パラメータは、駆動部トルクであり、
前記直動体の作動状態パラメータは、前記直動体の推力であり、
前記関節の作動状態パラメータは、関節トルクである請求項３または請求項４に記載のロボットハンド装置。 The operating state acquisition unit detects or calculates the joint torque of the joint as a parameter indicating the operating state of the joint, and acquires the joint torque.
The operating state parameter of the drive unit is the drive unit torque.
The operating state parameter of the linear moving body is the thrust of the linear moving body.
The robot hand device according to claim 3 or 4 , wherein the operating state parameter of the joint is a joint torque. 前記作動状態取得部は、前記指部材の作動状態を示すパラメータとして前記指部材の先端力を検出または演算により取得するものであり、
前記駆動部の作動状態パラメータは、駆動部トルクであり、
前記直動体の作動状態パラメータは、前記直動体の推力であり、
前記関節の作動状態パラメータは、関節トルクである請求項３または請求項４に記載のロボットハンド装置。 The operating state acquisition unit acquires the tip force of the finger member as a parameter indicating the operating state of the finger member by detecting or calculating.
The operating state parameter of the drive unit is the drive unit torque.
The operating state parameter of the linear moving body is the thrust of the linear moving body.
The robot hand device according to claim 3 or 4 , wherein the operating state parameter of the joint is a joint torque.
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