JP7442665B2 - 力検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、力検知装置に関する。本発明の態様は、力検知装置、力検知装置に作用する接触力の力成分を判定する方法、力検知装置を備えるロボットグリッパー、およびロボットグリッパーを備えるロボットに関する。

ロボットハンドおよびグリッパーを備えて構成されるロボット装置（本明細書において、ロボットまたはロボットグリッパーとも呼ばれうる）が、製造業などの産業において知られている。そのようなロボット装置の主要能力は、多くの場合、様々な物体を操作できることである。

ロボットグリッパーと物体との間の相互作用から生じる接触力は、ロボットグリッパーの指先内にセンサを設置することにより判定することができる。しかしながら、そのような配置は、複雑である（多数の力センサをグリッパーの接触面に配備する必要がある）か、またはロボットグリッパーに作用する接触力の法線成分しか判定できないという点で制約がある。

本発明は、上記の課題を軽減または実質的に軽減するロボットグリッパーを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態によれば、第１の端に第１のジョイントを有する第１のセグメントと、第２のジョイントにより第１のセグメントに連結されている第２のセグメントと、第３のジョイントにより第２のセグメントに連結されている第３のセグメントと、第３のセグメントに力が付加されたときにジョイントの各々におけるトルクを検知するトルク検知手段とを備え、第１のジョイント、第２のジョイント、および第３のジョイントは、同一の平面内に配置されており、かつ千鳥状に配置されている、ロボット指用の力検知装置が提供される。

本発明は、３つのセグメントと、千鳥状に配置されている３つの連携するジョイントとを備える力検知装置を提供する。各ジョイントにおけるトルクは、トルク検知手段により検知される。そのような配置によれば、第３のセグメントにおける接触力を検知でき、当該接触力の、第３のセグメントの面に対して法線的な成分および第３のセグメントの面に対して接線的な成分の両方を、接触力の位置と共に判定できる点で有利である。

トルク検知手段は、３つのジョイントについてのトルクデータを制御ユニットに出力する出力を備えてよい。そうすれば、トルクデータを、ジョイントの形状および第３のセグメントの接触面の形状の詳細と組み合わせて使用して、力検知装置に作用する接触力の力成分を判定することができる。

トルク検知手段は、第１のジョイント、第２のジョイント、および第３のジョイントの各々と連携させたトルクセンサを備えてよい。各ジョイントとトルクセンサとを連携させることにより、各ジョイントにおいて発生したトルクを正確に判定でき、便宜である。

トルクセンサは、連携するジョイントから定距離に配置された力センサとして提供されてよい。一構成において、ジョイントが配置されている同一の平面内の力検知装置を介してチャネルを設けてもよく、各チャネルは、一端に力センサを備え、他端にジョイントを備える。

力検知装置の３つのジョイントは、接触力が存在するときにのみ、限定的な屈曲および動きが可能な、回転不能なジョイントであってよい。

別の構成において、第１のジョイントは、回転可能であってよい。例えば、第１のジョイントは、ロボットグリッパーの指骨間またはロボットグリッパーのベース（手掌）部と指骨との間のジョイントであってよい。そのような配置により、ロボットグリッパーの指骨全体を力検知装置として動作させることができるようになる。本配置における第２のジョイントおよび第３のジョイントは、わずかに屈曲させるだけで、第２のジョイントおよび第３のジョイントにおいて、力センサを圧縮または押圧するのに十分な動きが生じるようにしてもよい。

第３のセグメントは、他のセグメントの少なくともいくつかを覆うように配置されてよい。なお、本発明に係る力検知装置は、第３のセグメントに作用する力（法線成分および接線成分の両方）を算出することができる。そのような算出が可能なのは、３つのジョイントが存在すること、およびそれらを千鳥状に配置したことによる。しかしながら、仮に、第１のセグメントまたは第２のセグメントに力が接触した場合、力成分を分解するのに必要なジョイントの数およびトルクデータが不足するであろう。より効果的な力検知装置を提供するため、第３のセグメントにより第１のセグメントおよび第２のセグメントを覆う構成とすることで、接触力は第３のセグメントに常に接触し、それにより力成分を分解できる。第１のセグメント、第２のセグメント、および第３のセグメントを直線状に配置した場合には、第３のセグメントを「折り返し」て第１および第２のセグメントを覆うようにしてもよい。

第３のセグメントは、第１のセグメントおよび第２のセグメントにわたって延在するように配置されているカバーにより囲まれてよく、カバーは、第１のセグメントおよび第２のセグメントから空隙を介して離間している。本配置は、第３のセグメントを装置の他の部分の上に折り返す代わりの代替手段である。カバーは、第１のセグメントおよび第２のセグメントを「遮蔽」するように配置され、これらのセグメントの領域上の物体が、実際にはカバーと接触する結果、３つのジョイントの全てにおいてトルクに変化が生じ、その変化が検知される。

力検知装置は、第４のジョイントを備えてよく、トルク検知手段は、第４のジョイントにおけるトルクを判定するように配置されてよく、第４のジョイントは、第１のジョイント、第２のジョイント、および第３のジョイントの平面の外に配置されている。第４のジョイントを、平面の外の位置であって、トルクの検出が可能な位置に配置することにより、第１のジョイント、第２のジョイント、および第３のジョイントの平面の外に作用する力の成分の判定が可能になるため、便宜である。

本発明の一態様によれば、本発明の上記の態様に係る力検知装置に作用する接触力の力成分を判定する方法が提供され、本方法は、物体が接触点において力検知装置の第３のセグメントの面に接触するときに力検知装置のジョイントの各々におけるトルクを測定することと、接触力の接触点の位置および接触力の力成分をトルクの測定値から判定することとを含む。

本方法は、力検知装置内でジョイントの千鳥状の配置におけるジョイントの１つに対する接触力の接触点を定義することと、接触力の力成分、力検知装置におけるジョイントの千鳥状の配置の寸法、および接触力の接触点に関して、各ジョイントにおけるトルクを定義することとを更に含んでよい。

力成分は、接触点において第３のセグメントの面に対して法線的な力成分と、接触点において第３のセグメントの面に対して接線的な力成分とを備えてよい。力検知装置がロボットグリッパーに組み込まれているとき、接触力の接線的な力成分を判定する機能により、そのようなロボットグリッパーは、物体を把持して、物体をグリッパーで持ち上げるときに当該物体が及ぼす接線的な力を判定することにより、持ち上げようとする物体の重量を判定できるようになる。

本開示に係る上記方法のステップの順序は、方法の特定の実施に応じてわずかに変更されてよく、例えば、いくつかのステップは、同時にまたは上述したのとは異なる順序で行われてよいことが分かる。

本発明の一態様によれば、ベース部と、ジョイントによりベース部に連結されている基節骨を備える第１の指と、ジョイントによりベース部に連結されている基節骨を備える第２の指とを備え、少なくとも１つの基節骨は、力検知装置を備える、ロボットグリッパーが提供される。

本発明に係る力検知装置は、有利には、ロボットグリッパーに組み込まれ、物体が把持されたときにグリッパーに生じる力を、当該グリッパーにより判定できるようにしてよい。便宜上、力検知装置は、ロボットグリッパーの潜在的な接触面の全てに組み込まれてよく、例えば、ロボットグリッパーの各基節骨が、力検知装置を備えてもよい。

本発明の一態様によれば、本発明の上記の態様に係るロボットグリッパーが提供され、当該ロボットグリッパーは本発明の方法を実施するように構成されている制御ユニットを備える。

本出願の範囲内において、前述の段落において、特許請求の範囲において、および／または以下の説明および図面において提示された様々な態様、実施形態、実施例、および代替案、ならびに、特に、その個々の特徴は、単独でまたは任意の組み合わせで理解されてよいことが明示的に意図されている。すなわち、全ての実施形態、および／または任意の実施形態の特徴は、当該特徴が矛盾しない限りにおいて、任意の方法および／または組み合わせで組み合わせることができる。出願人は、当初はそのように請求されていなくても、任意の他の請求項の任意の特徴に従属するように、および／または任意の他の請求項の任意の特徴を組み込むように、任意の最初に出願された請求項を補正する権利を含み、任意の最初に出願された請求項を変更する、またはそれに応じて任意の新規の請求項を出願する権利を留保する。

以下、本開示の１つ以上の実施形態を、単なる例示として、添付の図面を参照して説明する。
力検知装置を備えるロボットグリッパーであって、本発明の一実施形態に係る開構成のグリッパーの側面図である。 図１のロボットグリッパーの斜視図である。 図１のロボットグリッパーを別の開構成とした場合の斜視図である。 物体を把持している図１のロボットグリッパーの側面図である。 物体を把持している図１のロボットグリッパーの斜視図である。 物体を把持している図１のロボットグリッパーの平面図である。 力検知装置の第３のセグメントの側面図および接触力を示す図である。 本発明の一実施形態に係る接触力の力成分を算出する手順を示すフローチャートである。 ロボットグリッパーを備えるロボットを示す図である。

以下、図面を参照して、本開示の一般的な実施形態および特定の実施形態を説明する。図面内では、同様の特徴には同様の符号を付して示す。

図１は、本発明の実施形態に係るロボットグリッパー１０の側面図を示す。グリッパー１０は、ベース部１２と、第１の指１４と、第２の指１６とを備える。

第１の指１４は、ジョイント２０によりベース部１２に連結される第１の指骨、または基節骨１８を備える。第２の指１４は、（ベース部）ジョイント２４によりベース部１２に連結される第１の指骨（基節骨）２２を備える。第２の指１６は、（指骨）ジョイント２８により隣接した基節骨２２に連結される第２の指骨（末節骨）２６を更に備える。第１および第２の指（１４、１６）は、互いに対向可能である。

図１に示すように、ベース部は、互いに９０度に配置される第１の内面３０および第２の内面３１を備える。ベース部のこれらの内面（３０、３１）は、物体の把持を補助するテクスチャ面を備える。この面は、例えば、ゴム引き材料を含みうる。ロボットグリッパーは、手首連結部３２を追加的に備え、グリッパー１０のロボットアーム（図１では図示せず）への連結を可能にする。

図１は、ベース部１２の面３０および第１の指１４の内面３４が互いに平行である、十分に開いた形状のグリッパー１０を示す。追加的に、第２の指１６の第１および第２の指骨（２２、２６）は、ベース部１２の内面３１に平行な直線を画定する。図１に示すように、第１の指１４は、第２の指１６に対して９０度にある。

図１に示すロボットグリッパー１０に関しては、奇数のジョイント（この場合、３つのジョイント）と、奇数の指骨とがある。対向可能な指に奇数の指骨を有するハンドの存在により、結果として、グリッパーの指が、把持する動作および摘まむ動作、ならびに対向可能な２つの指の間で物体を転がすなどの、より複雑な動作を実行可能にする「手のような」グリッパー１０が得られる。

図２は、図１のグリッパー１０の斜視図である。図３は、図１のグリッパーの別の斜視図であり、当該グリッパーの第２の指１６の第２の指骨２６が第１の指１４の指骨１８に平行である、別の「開」構成を示す。

各ジョイント（２０、２４、２８）は、軸を中心に回転可能である。図１に示すように、各ジョイント（２０、２４、２８）の軸は、互いに平行であり、図の平面に対して垂直である。各ジョイントは、それぞれモーターを備え、ロボットグリッパーを十分に駆動させ、それによりグリッパーが取りうる把持姿勢が補助されるようにする。

各ジョイントのモーターは、ジョイントと直接連携されてよい。そのような構成により、手首接続部に連結されているグリッパーを、交換用グリッパー（損傷の場合）または代替的なロボットマニピュレーターと交換することが容易になる。代替的に、各ジョイントのモーターは、グリッパー１０から離れて（例えば、手首接続部３２を介してグリッパー１０に取り付けられたアーム内に）配置されてよく、好適な機械式または油圧式の腱様（tendon）システムを介してジョイントに連結されてよい。この構成は、グリッパー内においてモーターを各ジョイントと共にそのまま配置する場合と比較して、グリッパーをより小型に設計することが可能となる。

グリッパーは、第１の手の位置と第２の手の位置との間で動けるように、手首連結部を中心に回転可能であってよい。

図１（図２、および図３）に示すロボットグリッパーの各指（１４、１６）には、力検知装置が追加的に設けられている。後述するように、力検知装置を使用して、（例えば、物体と接触したことにより）ロボットの指に作用する力の接触点の位置を特定することができる。力検知装置を使用して、指に作用する力の（指の面に対する）法線的な力および接線的な力を追加的に判定してよい。

図１に示すように、指１４の指骨１８は、（ジョイント２０が組み込まれた）ベースセグメント４０と、（ベース部１２から遠位の指骨１８の先端に配置された）力検知装置４２とを備える。力検知装置は、第１のセグメント、第２のセグメント、および第３のセグメント（４４、４６、４８）を備え、３つのセグメントは、第１のセグメント４２が指１４のベースセグメント４０に隣接するように構成されている。

第１のセグメント４４は、ベースセグメント４０と第１のセグメント４４との間に第１のジョイント５０を備える。第２のセグメント４６は、第２のジョイント５２により第１のセグメント４４に連結されている。第３のセグメント４８は、第３のジョイント５４により第２のセグメントに連結されている。

ジョイント５０、５２、５４は回転可能なジョイントではないこと、かつ３つのセグメント４４、４６、４８は互いに対して実質的に固定されていることが分かる。しかしながら、３つのセグメントは、互いに対して任意の動きができないわけではなく、力が指１４に作用するとき、指１４の構造にわずかな圧縮または伸縮が生じることになる。結果として、指が物体と接触するとき、３つのセグメントの間にわずかな相対運動が生じることになる。

力検知装置４２は、図１に示す力センサ５６（ベースセグメント４０と第１のセグメント４４との間に配置されている）、力センサ５８（第１および第２のセグメント（４４、４６）の間に配置されている）、及び力センサ６０（第２および第３のセグメント（４６、４８）の間に配置されている）の３つの力センサで構成されるトルク検知手段を更に備える。

図１に示すように、ジョイント（５０、５２、５４）および力センサ（５６、５８、６０）は、指１４の長手方向軸に垂直に走るチャネル（６２、６４、６６）のどちらかの端に配置されている。

第３のセグメント４８は、第１のセグメント４４および第２のセグメント４６を部分的に覆うカバー部６８を備えるように成形されている。図１において、第３のセグメントが折り返されて、カバー部６８が第１のセグメントおよび第２のセグメントの内面３４を覆うようにしているのが分かる。

第１のジョイント、第２のジョイント、および第３のジョイント（５０、５２、５４）は、同一の平面内に配置され、更に、千鳥状に配置されている。以下で図７を参照して詳細に説明するように、ジョイントをこのように配置することにより、第３のセグメント４８に作用する力の法線成分および接線成分の両方を判定することができる。

指１６は、指１４における力検知装置４２と同様の構成の力検知装置４２ａを備える。力検知装置４２ａの対応する機構は、ラベル付けされている（例えば、第１のセグメント、第２のセグメント、および第３のセグメント（４４ａ、４６ａ、４８ａ）、ジョイント（５０ａ、５２ａ、５４ａ）、力センサ（５６ａ、５８ａ、６０ａ）、チャネル（６２ａ、６４ａ、６６ａ）、およびカバー部６８ａ）。

力検知装置４２および力検知装置４２ａにおけるトルク検知手段の出力は、図６および図７を参照して、以下に更に詳細に説明するように、把持された物体に付加される力を判定可能な制御ユニット（図示せず）に送信されてよい。

制御ユニットは、グリッパー１０の操作を制御するモーターに制御信号を送信するように追加的に構成されてよい。

図１乃至図３において、力検知装置（４２、４２ａ）は、指（１４、１６）の先端に示されている。本発明の各実施形態に係る力検知装置を備えるロボットの指については、代替的な構成も可能である。

例えば、指１４に示すように、力検知装置４２は、指骨１８の先端にあり、指骨は、ベースセグメント４０を更に備える。代替的な構成においては、力検知装置４２は、指骨１８の全長にわたって延在してよい。そのような代替的な構成においては、第１のジョイント５０を別途設ける必要はなく、ベースジョイント２０が力検知装置４２の一部として代わりに使用されてよい（すなわち、ベースジョイント２０が、力検知装置４２の「第１のジョイント」を形成する）。そのような構成においては、第１の検知装置４２の第１のジョイントが回転可能なジョイントであるのに対して、第２のジョイント５２および第３のジョイント５４は、上述のように実質的に固定されている。

更なる代替的な構成においては、ロボットの指の各指骨（例えば、指１６の指骨２２、２６）が、力検知装置４２を備えてよい。

図４および図５に、物体８０と相互作用するときの図１のグリッパー１０を示す。各図から分かるように、物体８０は、力検知装置（４２、４２ａ）のカバー部（６８、６８ａ）に接触する。

図６は、物体８０を垂直に掴んで把持している図１乃至図５に係るグリッパー１０の側面図を示す。本図において、重力の方向８２と、物体８０の重量８４とが示される。物体に作用するグリッパー１０からの接触力８６も示される。

図７にグリッパー１０の略図を示す。本図を参照して、グリッパーが物体と相互作用するときにグリッパー１０に作用する力ｆ_ｃの成分（ｆ_ｃｘ、ｆ_ｃｙ）を説明する。

図７は、カバー部６８ならびに第１のジョイント５０、第２のジョイント５２、および第３のジョイント５４と共に、力検知装置４２の第３のセグメント４８を示す。

図１にも示すように、力検知装置４２の３つのジョイント（５０、５２、５４）は、同一の平面（図の平面）内にあり、千鳥状に配置されている。

図７に示すように、３つのジョイントにより形成された千鳥形（triangle）は、底辺寸法２ａ、および底辺（ジョイント５０、５４）から頂点（ジョイント５２）までの高さが寸法ｂの二等辺三角形または正三角形である。

図７において、ｘ軸は指のセグメント４８の長手方向軸に平行であり、ｙ軸は長手方向軸に垂直であり、ｘ、ｙ軸は３つのジョイント（５０、５２、５４）と同一の平面内にある。ジョイント５４を原点とすると、接触力９０は、（ｘ_ｐ、ｈ）に位置する。

上述した方法により、力検知手段の第３のセグメント４８に作用している力ｆ_ｃのｘおよびｙ成分を、その力の接触点の位置と共に判定することができる。

図７に示す配置において、セグメント４８の頂面（すなわち、ｆ_ｃが作用する面）がｘ方向のセグメントが延在する範囲にわたって水平な直線であるため、セグメントのプロファイルは一定である（言い換えれば、セグメント４８の深さは、一定値ｈである）。しかしながら、第３のセグメントの異なるプロファイルに対して、例えば、ｈ（ｘ）＝ｍｘ＋ｑ（傾斜線）または二次曲線に対して、力を演算してもよいことが分かる。

図７に示すように、力ｆ_ｃは、図の平面において作用する。力ｆ_ｃが紙面の内外に（すなわち、ｚ軸を図の平面に垂直とした場合のｚ軸方向に）作用している成分を有する場合には、成分ｆ_ｃｚを判定するため、第４の力センサ（図示せず）がロボットグリッパー１０に搭載されてよい。

図８は、グリッパーが物体と相互作用するときにグリッパー１０に作用している接触力の成分を判定する手順を示すフローチャートである。

ステップ１００において、物体が第３のセグメントの面と接触すると、力検知装置４２の各ジョイント（５０、５２、５４）におけるトルクが測定される。

ステップ１０２において、接触力ｆ_ｃの接触点９０が、千鳥状に配置されたジョイントのうち、１つのジョイントに対して定義される（図７との関連で上で説明したように、この接触点は、ｘ_ｐ、ｈである）。

ステップ１０４において、接触力の力成分、力検知装置におけるジョイントの千鳥状配置の寸法、および接触力の接触点に基づいて、各点におけるトルクが定義される。

ステップ１０６において、接触点における接触力の力成分は、測定されたトルク値から判定できる。図７との関連で上に示されたように、力成分の値（ｆ_ｃｘ、ｆ_ｃｙは、既知であるパラメーターに基づいて全体的に定義（ジョイントの千鳥状配置の寸法）、または測定することができる（３つのジョイントにおけるトルク測定値）。

図９は、上記の図１乃至図７のいずれかに係るアーム１２２とロボットグリッパー１０とを備えるロボット１２０を示す。

添付の特許請求の範囲に規定される本開示の範囲から逸脱することなく、上記の実施例に対しては多くの変更が可能である。

Claims (12)

1. 第１の端に第１のジョイントを有する第１のセグメントと、
   第２のジョイントにより前記第１のセグメントに連結されている第２のセグメントと、
   第３のジョイントにより前記第２のセグメントに連結されている第３のセグメントと、
   前記第３のセグメントに力が付加されたときに、前記ジョイントの各々におけるトルクを検知するトルク検知手段と
   を備える力検知装置であって、
   前記第１のジョイント、前記第２のジョイント、および前記第３のジョイントは、同一の平面内に配置されており、かつ千鳥状に配置されており、
   前記トルク検知手段は、前記第１のジョイント、前記第２のジョイント、および前記第３のジョイントの各々と連携させたトルクセンサを備え、
   各トルクセンサは、力センサを備え、
   前記第３のセグメントは、前記第１及び第２のセグメントの少なくともいくつかを覆うように配置されているカバー部を備え、
   前記平面内において前記力検知装置には複数のチャネルが設けられ、各チャネルは、一端に力センサを備え、他端にジョイントを備え、前記複数のチャネル同士は相互に並列に配置されており、各チャネルの延在する方向は、前記第３のセグメントに付加された力が作用する前記カバー部の面に対して垂直な方向である、ロボット指用の力検知装置。
2. 前記トルク検知手段は、前記３つのジョイントについてのトルクデータを制御ユニットに出力する出力を備える、請求項１に記載の力検知装置。
3. 前記第１のジョイントは、回転可能である、請求項１または２に記載の力検知装置。
4. 前記カバー部は、前記第１のセグメントおよび前記第２のセグメントにわたって延在し前記第３のセグメントを囲むように配置されており、前記カバー部は、前記第１のセグメントおよび前記第２のセグメントから空隙を介して離間している、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の力検知装置。
5. 前記第１のジョイント、前記第２のジョイント、および前記第３のジョイントの前記平面の外に配置されている第４のジョイントにおいてトルク検知手段を備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の力検知装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の力検知装置に作用している接触力の力成分を判定する方法であって、
   物体が接触点において前記力検知装置の前記第３のセグメントの前記面に接触するときに、前記力検知装置の前記ジョイントの各々における前記トルクを測定することと、
   前記接触点の位置および前記接触力の前記力成分を、前記トルクの測定値から判定することと
   を含む方法。
7. 前記力検知装置内におけるジョイントの千鳥状の配置において、前記ジョイントの１つに対する前記接触力の前記接触点を定義することと、
   前記接触力の前記力成分、前記力検知装置における前記ジョイントの千鳥状の配置の寸法、および前記接触力の前記接触点に関して、前記各ジョイントにおける前記トルクを定義することと
   を更に含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記力成分は、前記接触点において前記第３のセグメントの前記面に対して法線的な前記力成分と、前記接触点において前記第３のセグメントの前記面に対して接線的な前記力成分とを備える、請求項７に記載の方法。
9. ベース部と、
   ジョイントにより前記ベース部に連結されている基節骨を備える第１の指と、
   ジョイントにより前記ベース部に連結されている基節骨を備える第２の指と
   を備え、
   少なくとも１つの基節骨は、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の力検知装置を備える、ロボットグリッパー。
10. 各基節骨は、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の力検知装置を備える、請求項９に記載のロボットグリッパー。
11. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の力検知装置を有し、
    請求項６乃至８のいずれか一項に記載の方法を実施するように構成された制御ユニットを備える、請求項９または請求項１０に記載のロボットグリッパー。
12. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の力検知装置または請求項９乃至１１のいずれか一項に記載のロボットグリッパーを備えるロボット。

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