JP7446581B2 - 振動センサを備えるロボットハンドおよびそれを備えるロボットシステム - Google Patents
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Description
本発明は、振動センサを備えるロボットハンドおよびそれを備えるロボットシステムに関する。
従来のロボットハンドでは、ロボットハンドの指部が物体に接触したことを感知するために、指先に作用する力を検出するためのセンサを利用している（例えば、特許文献１）。
指先に作用する力を検出するためには、力センサを直接力が作用する指先腹部に配置される必要がある。しかしながら、このような力センサは脆弱であるため、指先腹部に配置されたセンサが物体に衝突したり、何回か物体に接触するだけで、力センサが損傷するといった問題があった。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ロボットハンドの指部が物体に接触したことを感知することができると同時に、振動センサと物体との接触を低減することができるロボットハンドを提供することを目的とする。
本発明は、例えば、以下の項目を提供する。
（項目１）
基部と、
前記基部に結合された少なくとも１本の指部であって、少なくとも、前記基部に結合された基節と、先端の末節とを備える、少なくとも１本の指部と、
前記少なくとも１本の指部から伝わる振動を検出することが可能な振動センサと
を備えるロボットハンドであって、
前記ロボットハンドは、甲側と掌側とを有し、
前記振動センサは、前記甲側に配置されている、ロボットハンド。
（項目２）
前記振動センサは、前記基節と前記末節とを結ぶ線に沿って配置されている、項目１に記載のロボットハンド。
（項目３）
前記振動センサは、前記基節に配置されている、項目２に記載のロボットハンド。
（項目４）
前記振動センサは、前記基部に配置されている、項目２に記載のロボットハンド。
（項目５）
前記振動センサは、前記基節が結合される関節から延びるように配置されている、項目４に記載のロボットハンド。
（項目６）
前記振動センサは、外表面上に配置されている、項目１～５のいずれか一項に記載のロボットハンド。
（項目７）
前記振動センサは、前記基節の長さと略等しい長さを有する、項目１～６のいずれか一項に記載のロボットハンド。
（項目８）
前記振動センサは、棒状の形状を有する、項目１～７のいずれか一項に記載のロボットハンド。
（項目９）
前記振動センサは、コア導体と、前記コア導体の周囲を覆う圧電フィルムと、前記圧電フィルムの周囲を覆う外側導体とを含む、項目１～８のいずれか一項に記載のロボットハンド。
（項目１０）
前記振動センサは、高分子圧電振動センサである、項目１～９のいずれか一項に記載のロボットハンド。
（項目１１）
前記少なくとも１本の指部は、親指部と前記親指部と違う方向に延在する１以上の指部を含む、項目１～１０のいずれか一項に記載のロボットハンド。
（項目１２）
項目１～１０のいずれか一項に記載のロボットハンドと、
前記ロボットハンドと前記物体との接触位置を視覚的に検知するための接触位置検知手段と
を備えるロボットシステム。
（項目１３）
前記接触位置検知手段によって検知された接触位置と、前記振動センサによって感知された信号とに基づいて、物体に対する接触力を推定するための接触力推定手段をさらに備える、項目１２に記載のロボットシステム。
（項目１４）
前記少なくとの１本の指部は、親指部と前記親指部と違う方向に延在する１以上の指部を含む、項目１２または項目１３に記載のロボットシステム。
（項目１）
基部と、
前記基部に結合された少なくとも１本の指部であって、少なくとも、前記基部に結合された基節と、先端の末節とを備える、少なくとも１本の指部と、
前記少なくとも１本の指部から伝わる振動を検出することが可能な振動センサと
を備えるロボットハンドであって、
前記ロボットハンドは、甲側と掌側とを有し、
前記振動センサは、前記甲側に配置されている、ロボットハンド。
（項目２）
前記振動センサは、前記基節と前記末節とを結ぶ線に沿って配置されている、項目１に記載のロボットハンド。
（項目３）
前記振動センサは、前記基節に配置されている、項目２に記載のロボットハンド。
（項目４）
前記振動センサは、前記基部に配置されている、項目２に記載のロボットハンド。
（項目５）
前記振動センサは、前記基節が結合される関節から延びるように配置されている、項目４に記載のロボットハンド。
（項目６）
前記振動センサは、外表面上に配置されている、項目１～５のいずれか一項に記載のロボットハンド。
（項目７）
前記振動センサは、前記基節の長さと略等しい長さを有する、項目１～６のいずれか一項に記載のロボットハンド。
（項目８）
前記振動センサは、棒状の形状を有する、項目１～７のいずれか一項に記載のロボットハンド。
（項目９）
前記振動センサは、コア導体と、前記コア導体の周囲を覆う圧電フィルムと、前記圧電フィルムの周囲を覆う外側導体とを含む、項目１～８のいずれか一項に記載のロボットハンド。
（項目１０）
前記振動センサは、高分子圧電振動センサである、項目１～９のいずれか一項に記載のロボットハンド。
（項目１１）
前記少なくとも１本の指部は、親指部と前記親指部と違う方向に延在する１以上の指部を含む、項目１～１０のいずれか一項に記載のロボットハンド。
（項目１２）
項目１～１０のいずれか一項に記載のロボットハンドと、
前記ロボットハンドと前記物体との接触位置を視覚的に検知するための接触位置検知手段と
を備えるロボットシステム。
（項目１３）
前記接触位置検知手段によって検知された接触位置と、前記振動センサによって感知された信号とに基づいて、物体に対する接触力を推定するための接触力推定手段をさらに備える、項目１２に記載のロボットシステム。
（項目１４）
前記少なくとの１本の指部は、親指部と前記親指部と違う方向に延在する１以上の指部を含む、項目１２または項目１３に記載のロボットシステム。
本発明によれば、ロボットハンドの指部が物体に接触したことを感知することができると同時に、物体との接触を低減した振動センサを備えるロボットハンドを提供することができる。このようなロボットハンドにおいては、振動センサが物体との接触によって損傷するおそれを抑制にすることができる。
以下、本発明を説明する。本明細書において使用される用語は、特に言及しない限り、当該分野で通常用いられる意味で用いられることが理解されるべきである。したがって、他に定義されない限り、本明細書中で使用される全ての専門用語および科学技術用語は、本発明の属する分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。矛盾する場合、本明細書（定義を含めて）が優先する。
本明細書において「約」は、後に続く数値の±１０％を意味する。
本明細書において「約」は、後に続く数値の±１０％を意味する。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
図１Ａは、本発明のロボットハンドの一例（ロボットハンド１００）の外観を示す図である。
ロボットハンド１００は、掌側と甲側とを有する。本明細書において「掌側」は、法線ベクトルがロボットハンドの掌が向く方向に成分を有する面を有する側のことを言い、「甲側」は、法線ベクトルがロボットハンドの甲が向く方向に成分を有する面を有する側のことを言う。図１Ａでは、右手用のロボットハンド１００の甲側が示されている。
ロボットハンド１００は、基部１１０と、基部１１０に結合された少なくとも１本の指部１２０と、少なくとも１本の指部１２０から伝わる振動を検出することが可能な振動センサ１３０とを備える。
基部１１０は、少なくとも１本の指部１２０のためのベースとなる部分である。基部１１０は、例えば、破線で示されるロボットアームの先端部に結合されることができる。
基部１１０内には、例えば、少なくとも１本の指部１２０を駆動するための機構が格納され得る。指部１２０を駆動するための機構は、指部の曲げ伸ばしが可能であれば任意の構成であり得る。例えば、ワイヤであってもよいし、リンク機構であってもよいし、ラックアンドピニオンであってもよい。１つの実施形態において、ワイヤであるが、本発明はこれに限定されない。ワイヤなどを駆動する駆動部は、ワイヤなどを駆動できれば任意の手段であり得る。例えば、モータであってもよいし、エアまたは油圧のシリンダなどであってもよい。また、駆動部は、ロボットハンドに設けてもよいし、ロボットハンドと別体として、ロボットアームまたはロボット本体に設けてもよい。
少なくとも１本の指部１２０は、少なくとも２つの節、すなわち、基部１１０に結合された基節１２１と、先端の末節１２２とを備える。
基節１２１と基部１１０とは、関節１２４を介して結合されることにより、指部１２０は、関節１２４周りに、基部１１０に対して回動することができる。関節１２４は、ヒトの手でいうところのＭＰ関節に相当し得る。
例えば、末節１２２は、関節１２５を介して基節１２１に結合され得る。これにより、末節１２２は、関節１２５周りに、基節１２１に対して回動することができる。このとき、関節１２５は、ヒトの手でいうところのＩＰ関節に相当し得る。
例えば、少なくとも１本の指部１２０は、図１Ａに示されるように、中節１２３をさらに備えてもよい。中節１２３は、関節１２６を介して基節１２１に結合され、関節１２７を介して末節１２２に結合され得る。これにより、中節１２３は、関節１２６周りに、基節１２１に対して回動することができ、末節１２２は、関節１２７周りに、中節１２３に対して回動することができる。このとき、関節１２６は、ヒトの手でいうところのＰＩＰ関節に相当し、関節１２７は、ヒトの手でいうところのＤＩＰ関節に相当し得る。
例えば、少なくとも１本の指部１２０は、追加の節をさらに備えるようにしてもよい。すなわち、少なくとも１本の指部１２０は、４つ以上の節を備えることができる。隣接する節同士が、関節を介して結合されることにより、各節は、隣接する節に対して回動することができる。
少なくとも１本の指部１２０の各節は、当該技術分野において公知の任意の手段によって、隣接する節に対して回動することができる。例えば、ワイヤを各節から延在させ、そのワイヤを牽引することによって、各節を隣接する節に対して回動させることができる。これにより、少なくとも１本の指部１２０を屈曲させることができる。一つの実施形態において、ワイヤを各節からロボット本体まで延在させ、ロボット本体に設けたワイヤ駆動用のモータを駆動させることによって、各節を関節周りに回動させることができる。これにより、少なくとも１本の指部１２０を屈曲させることができる。しかし、本発明はこれに限定されない。例えば、モータを各関節に搭載し、それぞれのモータを駆動させてもよいし、ワイヤを駆動するモータを基部に設けてもよい。
図１Ａに示される例では、ロボットハンド１００は、５本の指部１２０を備えているが、指部１２０の数は、示される数に限定されない。ロボットハンド１００は、１以上の任意の数の指部１２０を備えることができる。
例えば、ロボットハンド１００は、２本の指部１２０を備え得る。このとき、ヒトの親指と人差し指との位置関係のように、２本の指部が別方向に延在するように基部１１０に結合されることが好ましい。ロボットハンド１００は、２本の指部１２０を用いて、物体を把持することができるからである。
例えば、ロボットハンド１００は、３本の指部１２０を備え得る。このとき、ヒトの親指と人差し指と中指との位置関係のように、１本の指部（親指）と２本の指部（人差し指と中指）とが別方向に延在するように基部１１０に結合されることが好ましい。ロボットハンド１００は、３本の指部１２０を用いて、物体を３点から支持することができ、物体を強く保持することができるからである。
例えば、ロボットハンド１００は、５本の指部１２０を備え得る。このとき、ヒトの５本の指の位置関係のように、４本の指部と１本の指部とが別方向に延在するように基部１１０に結合されることが好ましい。ロボットハンド１００は、ヒトの手の動きを模倣して、物体を把持することができるからである。
振動センサ１３０は、少なくとも１本の指部１２０から伝わる振動を検出することが可能なように構成されている。ロボットハンド１００の少なくとも１本の指部１２０が物体に接触すると振動が生じるため、振動を検出することによって、少なくとも１本の指部１２０が物体に接触したことを感知することができる。振動センサ１３０は、振動を検出することによって、少なくとも１本の指部１２０の基節の先端が物体に接触した場合のみならず、少なくとも１本の指部１２０のいずれかの部位が物体に接触した場合も感知することができる。
一実施例において、少なくとも１本の指部１２０のそれぞれに対して、個々の振動センサ１３０が設けられる。例えば、ロボットハンド１００が２本の指部１２０を備える場合、ロボットハンド１００は、２個の振動センサ１３０を備え得る。例えば、ロボットハンド１００が３本の指部１２０を備える場合、ロボットハンド１００は、３個の振動センサ１３０を備え得る。例えば、ロボットハンド１００が５本の指部１２０を備える場合、ロボットハンド１００は、５個の振動センサ１３０を備え得る。これにより、複数の指部のうち、どの指部が物体に接触したかを感知することができる。
好ましい実施形態では、ロボットハンド１００が、ヒトの親指と人差し指との位置関係にある２本の指部１２０を備え、２本の指部１２０のそれぞれに対して個々の振動センサ１３０を備える。このとき、人差し指に相当する指部は、複数の指部が結合した板状の指部であってもよい。他の好ましい実施形態では、ロボットハンド１００が、ヒトの親指と人差し指と中指との位置関係にある３本の指部１２０を備え、３本の指部１２０のそれぞれに対して個々の振動センサ１３０を備える。例えば、２本の指部１２０または３本の指部１２０を用いて物体を把持したり、物体を操作したりする際に、各指部１２０が物体に接触することがある。例えば、ロボットハンド１００の死角において、指部１２０が意図せず物体に接触することもある。このような接触をも感知することにより、ロボットハンド１００の安全性および物体操作のし易さが向上し、身体性も向上し得る。ここで、身体性とは、人とロボットが一体になる感覚のことをいい、具体的には、身体所有感および運動主体感によって表される。
本発明における振動センサは、振動が検出可能なセンサであれば任意の形態であり得る。振動センサは、例えば、加速度センサまたは速度センサであり得る。加速度センサまたは速度センサは、検出信号を微分することなどで振動を検知することが可能である。振動センサは、接触により生じた指に起こる振動を直接的に検知する点で、指の微細な撓みの検知に特化した振動センサが好ましい。指の撓みの検知に特化した振動センサは、加速度センサまたは速度センサに比べて、指全体が一様に動いた場合には反応せず、接触により指に生じた振動を正確に検出することが可能であり、また構成が単純で故障などに対して高い信頼性を得ることが可能である。
振動センサ１３０は、例えば、圧電素子を備える。圧電素子は、圧電素子の変形による圧電効果によって電荷を生じるため、振動による変形で圧電素子から生じた電荷を検出することによって、振動を検出することができるものであれば任意の形態でありえる。圧電素子は、例えば、圧電特性を有するセラミックであってもよいし、高分子ポリマーから作製されてもよい。圧電特性を有するセラミックとしては、例えば、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などである。また、高分子ポリマーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）であり得る。好ましくは、圧電素子は高分子ポリマーから作製される。高分子ポリマーを用いることにより柔軟性があり、曲げに対する反応性が高く、また損傷しにくいという利点がある。
高分子ポリマーから作製された圧電素子を有する高分子圧電振動センサ１３０は、少なくともコア導体と圧電フィルムと外側導体とから構成される。コア導体は、例えば、直径約０．５０ｍｍ～約１．５０ｍｍの略円柱形、例えば、直径約１．０２ｍｍの略円柱形を有し得る。コア導体は、例えば、銅、銀、金、銀メッキ銅等の材料から構成され得る。
圧電フィルムは圧電素子として機能するものであって、コア導体の周囲を覆うように被覆されている。圧電フィルムは、例えば、コア導体の周囲をらせん状に巻き付けられ得る。圧電フィルムは、例えば、約２０μｍ～約１３０μｍの厚さを有し得、例えば、約２８μｍ、約５２μｍ、約１１０μｍ等の厚さを有し得る。
外側導体は、圧電フィルムの周囲を覆うように被覆されている。外側導体を設けることにより、コア導体は信号線、外側導体はアース電線の機能を有し得る。外側導体は、例えば、直径約０．５０ｍｍ～約１．５０ｍｍの略円筒形を有し得る。外側導体は、例えば、銅、銀、金等の材料から構成され得る。外側導体は、例えば、編組銅線であり得る。
高分子圧電振動センサ１３０では、例えば、外側導体を覆う外側ジャケットを設けてもよい。外側ジャケットは、絶縁体としての機能を有する。外側ジャケットは、例えば、絶縁性を有するポリマー材料、例えば、高密度ポリエチレンから作製され得る。
圧電フィルムは圧電素子として機能するものであって、コア導体の周囲を覆うように被覆されている。圧電フィルムは、例えば、コア導体の周囲をらせん状に巻き付けられ得る。圧電フィルムは、例えば、約２０μｍ～約１３０μｍの厚さを有し得、例えば、約２８μｍ、約５２μｍ、約１１０μｍ等の厚さを有し得る。
外側導体は、圧電フィルムの周囲を覆うように被覆されている。外側導体を設けることにより、コア導体は信号線、外側導体はアース電線の機能を有し得る。外側導体は、例えば、直径約０．５０ｍｍ～約１．５０ｍｍの略円筒形を有し得る。外側導体は、例えば、銅、銀、金等の材料から構成され得る。外側導体は、例えば、編組銅線であり得る。
高分子圧電振動センサ１３０では、例えば、外側導体を覆う外側ジャケットを設けてもよい。外側ジャケットは、絶縁体としての機能を有する。外側ジャケットは、例えば、絶縁性を有するポリマー材料、例えば、高密度ポリエチレンから作製され得る。
振動センサ１３０は、甲側であれば任意の位置に設けられ得る。甲側に設けることにより、少なくとも１本の指部１２０を使って物体を掴むなどの動作をする場合に、振動センサ１３０が物体に接触するおそれを少なくすることができる。１つの実施形態において、図１Ａに示されるように、ロボットハンド１００の甲側の基節１２１に配置されている。これにより、少なくとも１本の指部１２０が物体に接触するときの振動を確実に検出することができると同時に、少なくとも１本の指部１２０の指先で物体を掴んだりする際に振動センサ１３０が物体に直接接触することが無くなる。従って、振動センサ１３０の、物体との接触による損傷を防止することができる。
各振動センサ１３０は、図１Ａに示されるように、ロボットハンド１００の甲側で、それぞれの指部１２０の基節１２１と末節１２２とを結ぶ線１４０に沿って配置されることが好ましい。これにより、少なくとも１本の指部１２０が物体に接触するときの振動を確実に検出することができると同時に、少なくとも１本の指部１２０が物体に接触するときに振動センサ１３０が物体に直接接触することをさらに低減にすることができる。従って、振動センサ１３０の、物体との接触による損傷をさらに低減することができる。
振動センサ１３０は、例えば、ロボットハンド１００の甲側の基節１２１の外表面上に配置されることが好ましい。これにより、例えば、振動センサ１３０が、基節１２１の内部に配置される場合に比べて、振動を精度よく検出することができる。ロボットハンド１００の甲側の基節の外表面は、少なくとも１本の指部１２０と物体との接触によって最も大きく変形する部分であり、基節の甲側の外表面上に配置された振動センサ１３０は、接触による振動がわずかであっても基節の甲側の外表面の変形を精度よく検出することができ、ひいては、振動を精度よく検出することができる。また、手の掌側に設ける場合に比べて、手の甲側に設ける方が、物体との接触を防止することが可能であり、振動センサの損傷を抑制することが可能となる。
振動センサ１３０の形状は、任意の形状であり得る。例えば、シート状であってもよいし、板状であってもよいし、棒状であってもよい。例えば、棒状の形状は、長手方向の長さが短手方向の長さの２倍以上、または３倍以上、または４倍以上、または５倍以上である形状であり得る。振動センサ１３０は、好ましくは、棒状である。棒状の振動センサは、棒状の長手方向を指部の長手方向に沿って配置することができるため、装着性が向上する。また、シート状や板状の振動センサを指部の周りを覆うように指部の短手方向に沿って巻き付ける場合に比べて、物体との接触が抑制され、損傷の危険性を低減することが可能となる。また、棒状とすることによって圧電素子の変形の異方性が少なく、より高精度の測定が可能となる。さらには、棒状の振動センサは、省スペースで実装可能であるという利点も有する。例えば、少なくとも１本の指部１２０の基節１２１に設けられたスリット内に振動センサ１３０を嵌め込むことによって、振動センサ１３０をロボットハンド１００に容易に装着することができる。例えば、バンド、テープ等を巻き付けることによって、少なくとも１本の指部１２０の基節１２１に振動センサ１３０を固定することによって、振動センサ１３０をロボットハンド１００に容易に装着することもできる。棒状の断面形状は任意であり得る。例えば、略円形状であってもよいし、略矩形状であってもよいし、略多角形状であってもよい。好ましくは、断面が略円形状であり、さらに好ましくは、円形状である。断面を円形状とすることによって、検出感度の異方性が少なく、より高精度での測定が可能となる。振動センサ１３０の断面が円形状である場合、断面における直径は、例えば、約２．５０ｍｍ～約３．５０ｍｍであり得、例えば、約２．６７ｍｍ、約２．６９ｍｍ等であり得る。
振動センサの長手方向の長さは、少なくとも、基節１２１の長さの約５０％以上であり得、好ましくは、基節１２１の長さの約７０％以上であり得、さらに好ましくは、基節の長さと略等しい長さであり得る。ここで、「基節の長さと略等しい長さ」は、基節の長さの±１０％の範囲内の長さを含む。振動センサ１３０の長手方向の長さが長いほど、振動センサ１３０は、撓みやすく、接触による振動がわずかであっても撓むことができる結果、振動を精度よく検出することができる。
振動センサ１３０は、感知された振動を表す信号を任意の形態で出力することができる。例えば、振動センサ１３０は、感知された振動を表す電圧信号を出力するようにしてもよいし、感知された振動を表す電流信号を出力するようにしてもよい。
図１Ｂは、本発明のロボットハンドの別の一例（ロボットハンド１００’）の外観を示す図である。図１Ｂでは、図１Ａと同様に、右手用のロボットハンド１００’の甲側が示されている。
ロボットハンド１００’は、ロボットハンド１００と同様の構成を有するが、振動センサ１３０が、少なくとも１本の指部１２０の基節１２１ではなく、基部１１０に配置されている点で、ロボットハンド１００と異なっている。図１Ｂでは、図１Ａに示される構成要素と同じの構成要素には同じ参照番号を付し、ここでは説明を省略する。
振動センサ１３０は、図１Ｂに示されるように、ロボットハンド１００の甲側の基部１１０に配置されている。これにより、少なくとも１本の指部１２０が物体に接触するときの振動を検出することができると同時に、少なくとも１本の指部１２０が物体に接触するときに振動センサ１３０が物体に直接接触する可能性を排除することができる。従って、振動センサ１３０が物体との接触によって損傷するおそれを排除することができる。
各振動センサ１３０は、図１Ｂに示されるように、ロボットハンド１００の甲側で、それぞれの指部１２０の基節１２１と末節１２２とを結ぶ線１４０に沿って配置されることが好ましい。これにより、各振動センサ１３０が、それぞれの指部１２０に最も近くなり、各振動センサ１３０は、それぞれの指部１２０が物体に接触するときの振動を確実に検出することができ、他の指部１２０が物体と接触したときの振動を誤検出する可能性を低減することができる。
振動センサ１３０は、例えば、基節１２１が接続される関節１２４から延びるように基部の甲側に配置されることが好ましい。これにより、振動センサ１３０を少なくとも１本の指部１２０にできる限り近づけることにより、少なくとも１本の指部１２０が物体に接触するときの振動をより精度よく検出することができるようになる。
図１Ａおよび図１Ｂを参照して説明した例では、振動センサ１３０がロボットハンド１００の甲側の基節１２１または基部１１０に配置されることを説明したが、振動センサ１３０の配置はこれらに限定されない。振動センサ１３０は、ロボットハンド１００の甲側である限り、任意の位置に配置されることができる。ロボットハンド１００の甲側であれば、少なくとも１本の指部１２０が物体に接触するときの振動を検出することができると同時に、少なくとも１本の指部１２０が物体に接触するときに振動センサ１３０が物体に直接接触する可能性を低減することができるからである。
図２は、本発明のロボットハンド１００を備えるロボットシステム１０００の構成の一例を示す図である。
ロボットシステム１０００は、少なくとも、ロボットハンド１００と、撮像手段２００と、コントローラ３００とを備える。ロボットシステム１０００は、ロボットハンド１００の代わりに、ロボットハンド１００’を備えることができる。
ロボットハンド１００（またはロボットハンド１００’）は、図１Ａ（または図１Ｂ）を参照して上述した構成と同様の構成を有する。従って、ここでは、説明を省略する。
撮像手段２００は、例えば、被写体の画像（静止画および／または動画）を撮像可能なカメラを含み得る。撮像手段２００は、例えば、被写体の３次元位置を算出可能な画像を撮像するように構成され得る。例えば、撮像手段２００は、３次元画像を撮像するカメラ（デプスカメラ）を含み得、後述するコントローラ３００は、撮像された３次元画像から、被写体の３次元位置を算出することができる。例えば、撮像手段２００は、複数のカメラを含み得、後述するコントローラ３００は、複数のカメラによって複数の方向から撮像された複数の画像から、被写体の３次元位置を算出することができる。
コントローラ３００は、インターフェース部３１０と、プロセッサ部３２０と、メモリ部３３０とを備える。
インターフェース部３１０は、コントローラ３００の外部と情報のやり取りを行う。コントローラ３００のプロセッサ部３２０は、インターフェース部３１０を介して、コントローラ３００の外部から情報を受信することが可能であり、コントローラ３００の外部に情報を送信することが可能である。インターフェース部３１０は、任意の形式で情報のやり取りを行うことができる。
インターフェース部３１０は、例えば、ロボットハンド１００と情報のやり取りを行うことができる。例えば、コントローラ３００のプロセッサ部３２０は、インターフェース部３１０を介して、ロボットハンド１００の振動センサ１３０から信号を受信することができる。例えば、コントローラ３００のプロセッサ部３２０は、インターフェース部３１０を介して、ロボットハンド１００の駆動部に制御信号を送信することができる。
インターフェース部３１０は、例えば、撮像手段２００と情報のやり取りを行うことができる。例えば、コントローラ３００のプロセッサ部３２０は、インターフェース部３１０を介して、撮像手段２００から画像を受信することができる。例えば、コントローラ３００のプロセッサ部３２０は、インターフェース部３１０を介して、撮像手段２００に制御信号を送信することができる。
プロセッサ部３２０は、コントローラ３００の処理を実行し、かつ、コントローラ３００全体の動作を制御する。プロセッサ部３２０は、メモリ部３３０に格納されているプログラムを読み出し、そのプログラムを実行する。これにより、コントローラ３００を所望のステップを実行するシステムとして機能させることが可能である。プロセッサ部３２０は、単一のプロセッサによって実装されてもよいし、複数のプロセッサによって実装されてもよい。
プロセッサ部３２０は、例えば、撮像手段２００からインターフェース部３１０を介して受信された画像に基づいて、ロボットハンド１００と物体との接触位置を特定するように構成されることができる。すなわち、プロセッサ部３２０は、撮像手段２００と組み合わさることにより、ロボットハンド１００と物体との接触位置を視覚的に検知するための接触位置検知手段を構成し得る。
プロセッサ部３２０は、当該技術分野において公知の画像処理技術を用いて、ロボットハンド１００と物体との接触位置を特定することができる。例えば、プロセッサ部３２０は、撮像手段２００によって撮像された複数の方向からの複数の画像から、ロボットハンド１００と物体との接触位置を視覚的に特定することができる。例えば、プロセッサ部３２０は、撮像手段２００によって撮像された３次元画像から、ロボットハンド１００の３次元位置と、物体の３次元位置とを算出し、ロボットハンド１００の３次元位置と物体の３次元位置とを比較することにより、ロボットハンド１００と物体との接触位置を特定することができる。例えば、プロセッサ部３２０は、撮像手段２００によって撮像された複数の方向からの複数の画像から、ロボットハンド１００の３次元位置と、物体の３次元位置とを算出し、ロボットハンド１００の３次元位置と物体の３次元位置とを比較することにより、ロボットハンド１００と物体との接触位置を特定することができる。
プロセッサ部３２０は、例えば、ロボットハンド１００の振動センサ１３０からインターフェース部３１０を介して受信された信号と、上述した接触位置検知手段によって検知された接触位置とに基づいて、物体に対する接触力を推定するように構成されることができる。すなわち、プロセッサ部３２０は、接触力推定手段を構成し得る。
接触力推定手段は、例えば、ロボットハンド１００と物体との接触位置と、振動センサ１３０からの信号の強度との関係から、接触力を推定することができる。例えば、或る位置において、或る接触力でロボットハンド１００と物体と接触させる実験を行い、そのときに振動センサ１３０によって感知された信号の強度と、接触位置と、接触力との関係をモデル化しておくことによって、接触力推定手段は、そのモデルを用いて、接触力を推定することができる。
振動センサ１３０からの信号の強度と、接触位置と、接触力との関係は、例えば、回帰モデルを用いてモデル化され得る。例えば、接触位置と振動センサ１３０からの信号の強度とを説明変数とし、接触力を目的変数として、回帰モデルを用いてモデル化することができる。回帰モデルは、例えば、線形回帰モデルであってもよいし、非線形回帰モデルであってもよい。
振動センサ１３０からの信号の強度と、接触位置と、接触力との関係は、例えば、ニューラルネットワークを用いてモデル化され得る。例えば、接触位置と振動センサ１３０からの信号の強度とを入力用教師データとし、接触力を出力用教師データとして、ニューラルネットワークの各ノードの係数を計算することによってモデル化することができる。ニューラルネットワークは、任意の数の層を有することができる。
接触力推定手段が接触力を推定することができるため、ロボットハンド１００は、接触力を感知するための力センサを備える必要がなくなる。このような力センサは、脆弱で破損し易いため、力センサを備える必要がないことにより、ロボットハンド１００のメンテナンスや感度調節に要する労力を低減することが可能になる。
さらに、接触力推定手段によって推定された接触力は、ロボットハンド１００を制御するために利用され得る。例えば、接触力推定手段によって推定された接触力に基づいて、適切な力で物体を保持するようにロボットハンド１００を制御することができるようになる。これは、特に、ロボットハンド１００が３本以上の指部を備える場合に有効である。接触力推定手段によって推定された接触力に基づいて、３本以上の指部１２０それぞれにかかる力を制御することにより、保持し難い物体であっても、３点以上から適切な力で保持することができる。
メモリ部３３０は、コントローラ３００の処理を実行するために必要とされるプログラムやそのプログラムの実行に必要とされるデータ等を格納する。メモリ部３３０は、ロボットハンド１００の物体に対する接触力を推定するための処理をプロセッサ部３２０に行わせるためのプログラム（例えば、後述する図３に示される処理を実現するプログラム）を格納してもよい。ここで、プログラムをどのようにしてメモリ部３３０に格納するかは問わない。例えば、プログラムは、メモリ部３３０にプリインストールされていてもよい。あるいは、プログラムは、インターフェース部３１０を介して接続され得るネットワークを経由してダウンロードされることによってメモリ部３３０にインストールされるようにしてもよい。この場合、ネットワークの種類は問わない。メモリ部３３０は、任意の記憶手段によって実装され得る。
図２に示される例では、コントローラ３００の各構成要素がコントローラ３００内に設けられているが、本発明はこれに限定されない。コントローラ３００の各構成要素のいずれかがコントローラ３００の外部に設けられることも可能である。例えば、プロセッサ部３２０、メモリ部３３０のそれぞれが別々のハードウェア部品で構成されている場合には、各ハードウェア部品が任意のネットワークを介して接続されてもよい。このとき、ネットワークの種類は問わない。各ハードウェア部品は、例えば、ＬＡＮを介して接続されてもよいし、無線接続されてもよいし、有線接続されてもよい。コントローラ３００は、特定のハードウェア構成には限定されない。プロセッサ部３２０をデジタル回路ではなくアナログ回路によって構成することも本発明の範囲内である。コントローラ３００の構成は、その機能を実現できる限りにおいて上述したものに限定されない。
図３は、コントローラ３００による処理の一例を示すフローチャートである。コントローラ３００のプロセッサ部３２０が、ロボットハンド１００の物体に対する接触力を推定するための処理４００を行う。
ステップＳ４０１において、プロセッサ部３２０は、ロボットハンド１００と物体との接触位置を特定する。プロセッサ部３２０は、例えば、撮像手段２００からインターフェース部３１０を介して受信された画像に基づいて、ロボットハンド１００と物体との接触位置を特定することができる。
プロセッサ部３２０は、当該技術分野において公知の画像処理技術を用いて、ロボットハンド１００と物体との接触位置を特定することができる。例えば、プロセッサ部３２０は、撮像手段２００によって撮像された複数の方向からの複数の画像から、ロボットハンド１００と物体との接触位置を視覚的に特定することができる。例えば、プロセッサ部３２０は、撮像手段２００によって撮像された３次元画像から、ロボットハンド１００の３次元位置と、物体の３次元位置とを算出し、ロボットハンド１００の３次元位置と物体の３次元位置とを比較することにより、ロボットハンド１００と物体との接触位置を特定することができる。例えば、プロセッサ部３２０は、撮像手段２００によって撮像された複数の方向からの複数の画像から、ロボットハンド１００の３次元位置と、物体の３次元位置とを算出し、ロボットハンド１００の３次元位置と物体の３次元位置とを比較することにより、ロボットハンド１００と物体との接触位置を特定することができる。
ロボットハンド１００と物体との接触位置を特定することは、特に、ロボットハンド１００が、ヒトの親指と人差し指との位置関係にある２本の指部１２０を備え、２本の指部１２０のそれぞれに対して個々の振動センサ１３０を備える場合に好ましい。また、ロボットハンド１００が、ヒトの親指と人差し指と中指との位置関係にある３本の指部１２０を備え、３本の指部１２０のそれぞれに対して個々の振動センサ１３０を備える場合にも好ましい。例えば、２本の指部１２０または３本の指部１２０を用いて物体を把持したり、物体を操作したりする際に、指部の１２０と物体との接触のみならず、接触位置を視覚的に特定することにより、ロボットハンド１００による物体操作のし易さが向上し、身体性も向上し得る。
ロボットハンド１００と物体との接触位置を特定することは、特に、ロボットハンド１００が、ヒトの親指と人差し指との位置関係にある２本の指部１２０を備え、２本の指部１２０のそれぞれに対して個々の振動センサ１３０を備える場合に好ましい。また、ロボットハンド１００が、ヒトの親指と人差し指と中指との位置関係にある３本の指部１２０を備え、３本の指部１２０のそれぞれに対して個々の振動センサ１３０を備える場合にも好ましい。例えば、２本の指部１２０または３本の指部１２０を用いて物体を把持したり、物体を操作したりする際に、指部の１２０と物体との接触のみならず、接触位置を視覚的に特定することにより、ロボットハンド１００による物体操作のし易さが向上し、身体性も向上し得る。
ステップＳ４０２において、プロセッサ部３２０は、振動センサ１３０によって感知された信号をインターフェース部３１０を介して受信する。振動センサ１３０によって感知された信号は、例えば、電圧信号であり得る。
ステップＳ４０３において、プロセッサ部３２０は、ステップＳ４０１で特定された接触位置と、ステップＳ４０２で受信された信号とに基づいて、ロボットハンド１００の物体に対する接触力を推定する。
プロセッサ部３２０は、例えば、ロボットハンド１００と物体との接触位置と、振動センサ１３０からの信号の強度との関係から、接触力を推定することができる。例えば、プロセッサ部３２０は、振動センサ１３０によって感知される信号の強度と、接触位置と、接触力との関係をモデル化したモデルを用いて、接触力を推定することができる。例えば、プロセッサ部３２０は、ステップＳ４０１で特定された接触位置と、ステップＳ４０２で受信された信号の強度とをモデルに入力することにより、接触力の推定値をモデルからの出力として得ることができる。
処理４００によって推定された接触力は、例えば、ロボットハンド１００を制御するために利用され得る。例えば、接触力推定手段によって推定された接触力に基づいて、適切な力で物体を保持するようにロボットハンド１００を制御することができるようになる。これは、特に、ロボットハンド１００が少なくとも３本の指部を含み、少なくとも３本の指部のうちの３本の指部が、親指と人差し指と中指との位置関係で基部に結合される場合に有効である。接触力推定手段によって推定された接触力に基づいて、親指と人差し指と中指との位置関係にある３本の指部１２０それぞれにかかる力を制御することにより、保持し難い物体であっても、少なくとも３点から適切な力で保持することができる。
上述した例では、特定の順序で処理が行われることを説明したが、各処理の順序は説明されたものに限定されず、論理的に可能な任意の順序で行われ得る。例えば、ステップＳ４０１の前にステップＳ４０２が行われるようにしてもよい。
図３を参照して上述した例では、図３に示される各ステップの処理は、プロセッサ部３２０とメモリ部３３０に格納されたプログラムとによって実現することが説明されたが、本発明はこれに限定されない。図３に示される各ステップの処理のうちの少なくとも１つは、制御回路などのハードウェア構成によって実現されてもよい。
以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
本発明は、ロボットハンドの指部が物体に接触したことを感知することができると同時に、振動センサと物体との接触を低減することができるロボットハンドを提供するものとして有用である。
１００、１００’ ロボットハンド
１１０ 基部
１２０ 指部
１２１ 基節
１２２ 末節
１２３ 中節
１２４、１２５、１２６、１２７ 関節
１３０ 振動センサ
２００ 撮像手段
３００ コントローラ
１０００ ロボットシステム
１１０ 基部
１２０ 指部
１２１ 基節
１２２ 末節
１２３ 中節
１２４、１２５、１２６、１２７ 関節
１３０ 振動センサ
２００ 撮像手段
３００ コントローラ
１０００ ロボットシステム
Claims (12)
- 基部と、
前記基部に結合された少なくとも１本の指部であって、少なくとも、前記基部と関節を介して結合された基節と、前記基節と少なくとも１つの関節を介して結合された先端の末節とを備える、少なくとも１本の指部と、
前記少なくとも１本の指部から伝わる振動を検出することが可能な振動センサと
を備えるロボットハンドであって、
前記ロボットハンドは、甲側と掌側とを有し、
前記振動センサは、前記甲側であって前記基節と前記末節とを結ぶ直線に沿って前記末節以外の位置に配置されている、ロボットハンド。 - 前記振動センサは、前記基節または前記基部に配置されている、請求項１に記載のロボットハンド。
- 前記振動センサは、前記基節が結合される関節から延びるように配置されている、請求項２に記載のロボットハンド。
- 前記振動センサは、外表面上に配置されている、請求項１～３のいずれか一項に記載のロボットハンド。
- 前記振動センサは、前記基節の長さと略等しい長さを有する、請求項１～４のいずれか一項に記載のロボットハンド。
- 前記振動センサは、棒状の形状を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載のロボットハンド。
- 前記振動センサは、コア導体と、前記コア導体の周囲を覆う圧電フィルムと、前記圧電フィルムの周囲を覆う外側導体とを含む、請求項１～６のいずれか一項に記載のロボットハンド。
- 前記振動センサは、高分子圧電振動センサである、請求項１～７のいずれか一項に記載のロボットハンド。
- 前記少なくとも１本の指部は、親指部と前記親指部と違う方向に延在する１以上の指部を含む、請求項１～８のいずれか一項に記載のロボットハンド。
- 請求項１～８のいずれか一項に記載のロボットハンドと、
前記ロボットハンドと物体との接触位置を視覚的に検知するための接触位置検知手段と
を備えるロボットシステム。 - 前記接触位置検知手段によって検知された接触位置と、前記振動センサによって感知された信号とに基づいて、前記物体に対する接触力を推定するための接触力推定手段をさらに備える、請求項１０に記載のロボットシステム。
- 前記少なくとの１本の指部は、親指部と前記親指部と違う方向に延在する１以上の指部を含む、請求項１０または請求項１１に記載のロボットシステム。
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