JPH0790486B2

JPH0790486B2 - 滑り検出装置及びロボットハンドの滑り検出装置

Info

Publication number: JPH0790486B2
Application number: JP63146941A
Authority: JP
Inventors: 敏夫堀内; 豊富田; 善明多賀
Original assignee: 山武ハネウエル株式会社
Priority date: 1988-06-16
Filing date: 1988-06-16
Publication date: 1995-10-04
Anticipated expiration: 2010-10-04
Also published as: JPH01316194A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の対象技術分野］この発明は対象物体とこの対象物体に接触する接触子と
の間の滑りを検出する滑り検出方法およびその装置に関
するものである。

［従来技術］従来ロボット等の機械においてはそのほとんどがティー
チング形と呼ばれるもので、ワークすなわち対象物体に
関する情報も既知である。したがってその機械はただ教
えられたとおりの動作を繰り返すのみであった。それゆ
え人間の指に相当する感覚が必要であるにもかかわら
ず、ロボットハンドの感覚器はさほど重要視されていな
いのが現状である。

今、未知の対象物体をＡ点からＢ点へ移動させるばあい
を想定し、ロボットハンドがその物体をつかんだと仮定
する。そしてロボットハンドが物体を持ち上げて移動す
るばあい、ロボットはそのアームを振るので、物体には
その重さ以上の力が加わり、これを取り落としたり、必
要以上の力でつかんでその物体をこわすおそれがある。
このような事態が発生してもロボットのアームはあらか
じめ定められた経路を移動する。

このため物体とロボットハンドとの間の滑りの発生を検
出する滑りセンサが必要とされ、ロボットアームの移動
中に対象物体に何が起きているかを検出することおよび
必要最小限の把持力を実現することが要求される。

したがってロボットハンドと保持される物体との間の滑
りの有無はハンドが確実に物体を保持するための重要な
判断基準である。

とくに人間の手や指に頼っていた作業を機械に代行させ
ることが要求される現在、滑りセンサは重要な機械的感
覚器として期待されている。

第15図は従来のロボットハンド37と対象物体17すなわち
ワークとの関係を示す概略図で、ハンド37はヒンジ44に
より一端をたがいに回動自在に連結された第１のハンド
37aと第２のハンド37bにより構成される。そしてこれら
第１および第２のハンドによって物体17が保持される。
第２のハンド37bには上下方向に沿って目盛46が設けら
れ、この目盛には指針48の一端が相対移動しうるように
対応し、かつその指針の他端は物体17に当接し、これに
よって滑りセンサ16が構成される。そしてこの滑りセン
サ16はハンド37と物体17との相対変位を目盛46上の基準
点Moと物体17の移動と連動する指針48との間の相対変位
として計測することによって行なわれる。すなわち指針
48が目盛46上の点Moにあるように物体17を保持すればこ
れが基準点となる。そしてハンド37を矢印Yu方向に引き
上げたとき物体17が矢印Yd方向に点線の位置まで滑ると
指針48は目盛46上の点M1を指すので滑りの有無と量が測
定される。

［この発明が解決しようとする問題点］第15図に示す滑りセンサ16においては指針48と物体17が
等価な運動をする必要があり、かつ指針48が物体17に対
して滑らないことが必要である。また物体17が変形し易
く柔らかい物体のばあい、滑り検出はより困難となる。
このようなばあい滑りセンサ16は物体17に接触する必要
のないセンサたとえば光学的センサが必要で、このばあ
い物体17とハンド37との間の相対変位の有無を知るため
には物体17に対する位置を特別に情報化する必要があ
る。

［発明の目的］この発明はこのような従来技術の問題点にかんがみ、簡
単な構成にして、かつ対象物体を損傷することなく、し
かも応答性の良好な、ひいては精度の高い滑りセンサを
提供することを目的とする。

［発明の概要］この発明はその目的を達成するために基体の内部に圧力
センサを収容するとともに、その基体には可とう性の材
料により形成された接触子を設け、さらに接触子と圧力
センサとは物理的媒体によって連結され、その接触子の
膨出部とこの膨出部に接触する物体との間に生ずるせん
断振動を圧力センサに伝達し、そのせん断振動の交流成
分を検出する。

［実施例］以下図によってこの発明の一実施例について説明する。

すなわち第１図において基体１にはその一方の面側に筒
部２が一体に形成され、この筒部の端部には圧力に対し
て容易に変形し、かつ復元するすなわち弾力性を有する
材料たとえばゴムにより膜状に形成された接触子３が配
設される。そしてこの接触子は基体１の表面すなわち筒
部２の端面から所定の高さをもって球状に突出する膨出
部５を有している。

一方基体１にはその一方の面から他方の面に通ずる貫通
孔６が筒部２とほぼ同心に設けられる。そして基体１の
他方の面には圧力センサ７が設けられ、この連結部９は
貫通孔６に貫挿されたシールチューブ10の孔11に嵌挿さ
れる。これによって接触子３と圧力センサ７との間には
両者を流体的に連結する流体路12が形成される。また筒
部２にはその壁部を貫通する注入孔14が形成され、この
注入孔を通してその筒部内すなわち流体路12内に物理的
な媒体15たとえば流体、より具体的には水や油が注入さ
れ、この流体圧によって接触子３に膨出部５が形成され
る。

次にこのように構成される滑りセンサ16の動作原理につ
いて説明する。すなわち接触子３の膨出部５に生じたせ
ん断歪あるいはせん断応力は流体15を介して圧力センサ
７に伝達され、かつこれによって摩擦信号に変換され
る。滑りの有無の判定は摩擦信号の直流成分ではなく、
時間的に変動する広い周波数成分を有する交流成分、た
とえば不規則に変動する交流成分によって行う。直流成
分は滑りの有無に関係なく接触子３と物体17とが接触し
たときの法圧力に関係するもので、接触子３に対して滑
っていた物体17がたとえばロボットのハンドによって保
持し直されたときにも発生する。

このような原理に基づく滑りセンサの作用は次のとおり
である。

すなわち第２図において物体17が接触子３の表面に力Ｆ
で接触するとき点線の状態から実線の状態に変形し、こ
れによって接触子３の内部圧力Ｐも最初の圧力P₀からP₁
に上昇する。

そして接触子３と物体17との接触面に滑りが発生すると
き接触子３はせん断的に不規則に振動し、これに伴って
内部圧力Ｐも変動する。この内部圧力Ｐの変動は第１図
に示す物理的媒体15を介して圧力センサ７に伝えられ、
この圧力センサによって滑り信号が出力される。この時
圧力センサ７の直流成分は接触子３と物体17との接触を
反映し、また変動成分は接触子３と物体17との滑りを反
映する。そして接触子３の内部が流体15で満たされてい
るとき、接触子３のせん断振動は出力の変動成分に対応
する。

第３図は接触子３の物体17に対する接触状態の分布を等
圧線をもって示す。この図から接触子３の物体17に対す
る接触面は均一でなく部分的であることが理解されよ
う。この図では符号ａないしｆまでの６個の分布を例示
しているが、それぞれのせん断応力レベルは異なってい
る。また接触部分の個数にはばらつきがあり、滑りの発
生によって圧力分布が変動する。この不規則なせん断応
力変化を滑りセンサが検出し、かつ滑り信号を発生す
る。したがってこの滑りセンサにおいては接触子３と物
体17間に油を塗布しても油は接触部分に均一に分布する
ことはないので滑り信号が発生する。この滑り信号、よ
り正確には、対象物体17が滑り始めたかどうかを検出す
る信号である。

第４図は第１図に示す滑りセンサ16を用いて滑り信号を
発生させるための概要図で、滑りセンサ16を固定し、そ
の接触子３を物体17に接触させた状態で、この物体をＸ
方向に移動させると、第５図に例示するような滑り信号
が発生する。すなわちこの図は滑りセンサ16の滑り信号
波形であり、また第６図は第５図に対応した滑り信号の
パワースペクトラムである。接触子３と物体17との間に
滑りがまったくないばあい、たとえば第６図のようなば
あいには８［Hz］以下の周波数範囲に見られるパワーは
雑音レベル以下である。そして接触子３と物体17との間
にある速度をもった滑りが発生すると速度に応じたパワ
ースペクトラムが発生する。このばあい高速フーリエ変
換等を用いて滑り信号を解析して滑りの有無を求めるこ
とによりロボットハンドの制御や物体の移動の制御を行
うことができるが、必ずしも高速フーリエ変換によらな
くてもよい。そこで滑り信号をたとえば８［Hz］以下の
低周波領域に中心周波数をもつ狭帯域フィルタを通し、
その出力の振幅を観測し、あるしきい値を越えた時点で
滑ったとする手法を用いることで判断機能が簡略化さ
れ、解析時間も無視でき、かつ実用的でもある。なおフ
ィルタの帯域は滑りのない時入ってくる外来ノイズより
大きな滑り信号が得られる値に設定する必要がある。も
ちろん第６図に示す特性は一つの例であって、この発明
はその周波数範囲に限定されるものではない。

なお第７図に示すものはピエゾ抵抗効果素子を用いた滑
りセンサで、第１図に示すものと同様に基体１の一方の
面に接触子３が配設され、球状の膨出部５を有してい
る。これは接触子３の接触面が平面であると物体17に対
する傾きが問題となるためである。また基体１の他方の
面側には電極18a,18bを有するピエゾ素子18が配設され
る。そして電極18a,18bはリード線19,19によって出力端
子20,20に導かれる。

なお上記圧力センサ７としてはこれ以外に作動トランス
形，圧電効果形，音叉形あるいは容量形等種々のものを
採用することが可能である。

次にこの発明における滑り検出装置をロボットに適用し
た例について第８図ないし第10図を参照して説明する。

すなわち第８図および第９図において基台21には一対の
支柱23,23が垂直に樹設され、その上端には水平方向に
延びる腕24がそれぞれ設けられ、さらにこの腕はその端
部において連結杆25により互いに連結される。昇降ロッ
ド26,26は腕24,24を垂直方向に貫通し、この腕によって
昇降自在に案内される。そして昇降ロッド26,26の下端
には支持体28が固定される。この支持体には水平ロッド
29が昇降ロッド26,26と直交する方向に貫通し、かつ支
持体28に回転自在に支持される。さらに水平ロッド29の
支持体28から延びる部分には図に示してないがこの支持
体を境にしてたがいに反対方向のねじ部が設けられる。
また支持体28内には図に示してないがステッピングモー
タからなるグリップモータが設けられる。一方腕24,24
間には滑車32が設けられ、また基台21上にはステッピン
グモータを内蔵するウインチ33が設けられる。そして滑
車32にはワイヤ34が掛けられ、その一端は支持体28に連
結され、またその他端はウインチ33に連結される。

移動子35,35は水平ロッド29と螺合する雌ねじ（図に示
してない）を有し、その水平ロッドの回転によってその
水平ロッド上を移動する。また支持体28には水平ロッド
29と対称に１対の案内ロッド36,36がたがいに所定の距
離をおいて設けられ、かつこの案内ロッドは移動子35,3
5を摺動自在に貫通している。さらに移動子35,35には矩
形のハンド37がそれぞれ固定され、かつこれらのハンド
はたがいに対向している。そしてこれらのハンドには第
１図に示す構成を有する滑りセンサ16が複数個マトリク
ス状に配設される。第９図においては９個の滑りセンサ
が示されているが、これは水平方向および垂直方向の滑
りを検出するために基本的にＴ字状あるいは十字状に配
列することが望ましい。

なおウインチ33のステッピングモータはこの実施例にお
いては１パルス当り0.9度回転するもので、ハンド37を
１パルス当り３ミクロン動かすようにされている。

またハンド37上の滑りセンサ16,16はハンド37上に直接
形成することも可能で、またハンド37上に１個ずつ植
設、あるいは１つの滑りのセンサユニットとして構成し
たものを取付けてもよい。第８図および第９図に示すロ
ボットの制御回路が第10図に示される。

すなわち片方のハンド37aに設けられる９個の滑りセン
サの中、５個の滑りセンサ16a,16b,16c,16dおよび16eが
増幅器38すなわち38a,38b,38c,38dおよび38eにそれぞれ
接続される。そしてそれらの滑りセンサの中,16dおよび
16eで示す２個は滑り検出と荷重検出とを兼ねており、
また16a,16bおよび16cで示す３個は専ら荷重検出に用い
られる。なお物体17が対称形のばあいには16dおよび16e
は滑り検出用とし、また16a,16bおよび16cを荷重検出用
とし、かつ16dおよび16eが物体17の重心を持つとすれば
この物体の滑りと荷重および姿勢を知ることができる。

増幅器38の中、滑りセンサ16a,16b,16cおよび16dにそれ
ぞれ接続された増幅器38a,38b,38cおよび38dの出力端は
アナログ−ディジタルコンバータ39の入力端に接続され
る。また滑りセンサ16d,16eに接続された増幅器38d,38e
は差動増幅器40の入力端に接続され、さらにこの差動増
幅器の出力端は交流成分検出手段を構成するACカップリ
ング41および差動増幅器42を介してローパスフィルタ43
に接続され、かつこのローパスフィルタはアナログ−デ
ィジタルコンバータ39に接続される。そしてこのアナロ
グ−ディジタルコンバータはコンピュータ45に接続され
る。またこのコンピュータの出力端にはドライバ47が接
続され、さらにこのドライバの出力端は支持体28に設け
たグリップモータ27およびウインチ33のモータ31にそれ
ぞれ接続される。

ハンド37a,37bを動かすためのシーケンスの要点は第11
図のフローチャートに示される。

第８図ないし第11図において、今、ハンド37a,37bはた
がいに全開状態に離間した状態すなわち定位置にあり、
かつ両ハンド間に物体17すなわちワークが存在するもの
とする。この状態でロボットを始動させるとグリップモ
ータ27によってハンド37a,37bはたがいに接近し、その
間隔を狭める。そして中央の滑りセンサ16dが物体17に
当るとその信号は増幅器38dおよびアナログ−ディジタ
ルコンバータ39を介してコンピュータ45に送られる。滑
りセンサ16dすなわち物体17に0.1［Ｎ］の力が加わる
と、コンピュータ45はドライバ47に４パルス分ハンド37
を上昇させるように指令する。すなわち0.1［Ｎ］の力
が物体17に加わるということはこの物体がハンド37a,37
b間に存在し、かつ持上げることが可能であることを示
す。したがってドライバ47の出力によってウインチ33の
ステッピングンモータ31が始動し、ワイヤ34の巻取りを
開始する。そしてハンド37a,37bが物体17を持上げつつ
あるとき、滑りセンサ16d,16eの出力信号が６×10
^-4［Ｎ］より小さければ物体17とハンド37a,37b間に滑
りがないものとしてさらに１パルス分ハンド37を上昇さ
せる。このときもし滑り信号が６×10^-4［Ｎ］より大き
いばあいには物体17とハンド37a,37b間に滑りが発生し
ているものとしてコンピュータ45はハンド37a,37bの間
隔を狭めるよう指令を出す。ここで滑り信号は滑りセン
サ16d,16eの出力差によって作られる。すなわち両滑り
センサ16d,16eの出力は増幅器38d,38eによってそれぞれ
増幅され、この出力は差動増幅器40によって力の差とな
ってACカップリング41に与えられる。さらにこのACカッ
プリング41によってその力の差は力の変化率となり、さ
らにこの信号はコンパレータ42を介し、ローパスフィル
タ43によってノイズ分が除かれ、さらにアナログ−ディ
ジタルコンバータ39に与えられる。

なお他の滑りセンサ16a,16bおよび16cは物体17のその他
の位置の圧力を検出し、この信号は増幅器38a,38bおよ
び38cを介してアナログ−ディジタルコンバータ39に与
えられる。

このようにしてハンド37は必要最小限の力で物体17をこ
の物体との間に滑りが生じないように確実に把持するこ
とができる。

またハンド37のあらかじめ定めておいた上昇距離の範囲
内で引き続き信号が発生するばあいにはハンド37は物体
17を保持できないものとしてハンド37を物体17とともに
降下させ、そのハンド37を開くようにプログラムを組
み、これによって安全を図ることも可能である。

一方滑りセンサ16は第12図（ａ）（ｂ）に示すようにハ
ンド37の一部に凹部50を形成し、この凹所内に収容する
とともに膨出部５をハンド37の面から所定の高さ突出さ
せることも可能であり、また物体17が軽量のばあいには
滑りセンサ16によってその物体を直接つかむことも可能
であって、この発明の範囲内で種々の手段を採用するこ
とができる。

第13図はロボットの他の例を示すもので、ハンド37a,37
b間にコップ状の容器からなる物体17が保持され、一方
のハンド37aに滑りセンサ16が設けられる。物体17とタ
ンク52間には配管53が設けられ、かつこの配管の途中に
はコック54が設けられる。そしてタンク52には液体55が
満たされる。

最初物体17が空の状態で、ハンド37a,37bが物体17を保
持し、かつこれを持上げ始めたとする。このときコック
54を開いて液体55を物体17すなわち容器中に注入すると
物体17とハンド37間に滑りが発生し、これを滑りセンサ
16が検出するとハンド37は物体17を持直し、すなわち前
よりも強い力で物体17をつかむ。さらにこの物体すなわ
ち容器中に注入される液体55の量が増加するとそれにつ
れてハンド37a,37bの保持力が増加し、そのハンドは物
体17の把持を継続する。

第14図はロボットのさらに他の例を示すもので、物体17
の揺れを検出するためのものである。

すなわちハンド37にはその軸心線に沿う第１の方向と、
この第１の方向と交差する第２の方向に沿って複数の滑
りセンサ16,16を配設したもので、物体17が最初実線で
示すようにその軸心線がハンド37の軸心線に一致してい
る状態から一点鎖線で示す状態に振れたばあい、物体17
とハンド37との間には滑りが発生し、これを滑りセンサ
16,16が検出する。なお滑りセンサ16,16は十字状に配列
されているため、各センサの信号を座標系として取込む
ことにより物体17の振れの方向も知ることができる。

［発明の効果］この発明は上述のように接触子３を弾力性を有する材料
により形成しているので、変形し易く、したがってこれ
に接触する物体17がこわれ易いものや、傷が付き易いも
のにあってもそれを損傷することがなく、かつ物体17と
の接触面積を大きくすることができるので、この物体と
の間に生ずるせん断振動を確実に受取ることができる。
また接触子３は変形が容易であることから物体17との間
の摩擦力が小さいばあい、とくに接触子３と物体17との
間に油を塗布しても膨出部５におけるせん断歪を大きく
することができる。

さらにこの発明は接触子３のせん断振動の交流成分を検
出するようにしているので、滑り、とくに滑り始めたか
どうかを高い精度をもって検出することができるという
効果がある。

またこの発明における滑りセンサはこれをロボットのハ
ンド等に適用したばあいに物体17すなわちワークの表面
が研磨面であったり切削油が付着していたり、あるいは
物体17の重量が変化しても接触子３と物体17との間の滑
りを精度良く検出できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明における滑り検出装置の１実施例を示
す縦断面図、第２図は第１図における接触子の物体によ
る変形状態を示す縦断面図、第３図は第２図における接
触子の物体に対する接触状態を示す分布図、第４図は第
１図に示す滑りセンサを用いて滑り信号を発生させるた
めの概要図、第５図は第４図における滑りセンサの滑り
信号出力を示す波形図、第６図は第５図に対応した滑り
信号パワースペクトラムを示す特性図、第７図は第１図
に示す圧力センサとしてピエゾ素子を用いたばあいの縦
断面図、第８図は第１図に示す滑りセンサを適用したロ
ボットの正面図、第９図は同側面図、第10図は第８図お
よび第９図に示すロボットのブロック図、第11図は第８
図および第９図に示すロボットの制御を示す流れ図、第
12図はロボットハンドの変形例を示す側断面図、第13図
はロボットの他の例を示す側面図、第14図はロボットの
さらに他の例を示す側面図、第15図は従来の滑り検出装
置の側面図である。１……基体、２……筒部、３……接触子、５……膨出
部、６……貫通孔、７……圧力センサ、９……連結部、
10……シールチューブ、11……孔、12……流体路、14…
…注入孔、15……物理的な媒体、16……滑りセンサ、17
……物体、18……ピエゾ素子、19……リード線、20……
端子、21……基台、23……支柱、24……腕、25……連結
杆、26……昇降ロッド、27……グリップモータ、28……
支持体、29……水平ロッド、31……ステッピングモー
タ、32……滑車、33……ウインチ、34……ワイヤ、35…
…移動子、36……案内ロッド、37……ハンド、38……増
幅器、39……アナログ−ディジタルコンバータ、40……
差動増幅器、41……ACカップリング、42……差動増幅
器、43……ローパスフィルタ、45……コンピュータ、47
……ドライバ、50……凹部、52……タンク、53……配
管、54……コック、55……液体。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体（１）に設けた圧力センサ（７）と、
上記基体（１）に設けられ、かつ弾力性の膜により形成
されるとともに、上記基体（１）の基準面から突出する
膨出部（５）を有する接触子（３）と、この接触子
（３）と上記圧力センサ（７）との間に形成され、上記
接触子（３）と上記圧力センサ（７）とをたがいに流体
的に連結する流体路（12）と、この流体路（12）内に満
たされ、上記接触子（３）と上記圧力センサ（７）とを
たがいに圧力的に連結し、かつ上記膨出部（５）とこの
膨出部（５）に接触する物体（17）との間の摩擦によっ
て生ずるせん断振動を上記圧力センサ（７）に伝達する
流体からなる物理的な媒体（15）、および上記圧力セン
サ（７）の出力から上記せん断振動の時間的に変動する
広い周波数成分を有する交流成分を検出する交流成分検
出手段とを備えた滑り検出装置。
【請求項２】つかもうとする物体（17）に対して接近お
よび離間自在に、かつ昇降自在に支持したハンド（37）
と、このハンド（37）の内部に設けられた圧力センサ
（７）と、上記ハンド（37）に設けられ、かつ弾力性の
材料により形成された接触子（３）と、上記ハンド（3
7）において、この接触子（３）と上記圧力センサ
（７）との間に形成され、上記接触子（３）と上記圧力
センサ（７）とをたがいに流体的に連結する流体路（1
2）、およびこの流体路（12）内に満たされ、上記接触
子（３）と上記圧力センサ（７）とをたがいに圧力的に
連結し、上記ハンド（37）を上記物体（17）に対して接
近させて、この物体（17）に上記接触子（３）を接触さ
せた状態で、上記ハンド（37）を上昇させたとき、上記
接触子（３）と上記物体（17）との間の摩擦によって生
ずるせん断振動を上記圧力センサ（７）に伝達する流体
からなる物理的な媒体（15）と、上記圧力センサ（７）
の出力から上記せん断振動の時間的に変動する広い周波
数成分を有する交流成分を検出する交流成分検出手段を
備えたロボットハンドの滑り検出装置。
【請求項３】つかもうとする物体（17）に対して接近お
よび離間自在に、かつ昇降自在に支持したハンド（37）
と、このハンド（37）の内部に設けられた圧力センサ
（７）と、上記ハンド（37）に設けられ、かつ弾力性の
膜により形成されるとともに、上記ハンド（37）の上記
物体（17）と対向する面から所定の高さをもって突出す
る膨出部（５）を有する接触子（３）と、上記ハンド
（37）において、この接触子（３）と上記圧力センサ
（７）との間に形成され、上記接触子（３）と上記圧力
センサ（７）とをたがいに流体的に連結する流体路（1
2）、およびこの流体路（12）内に満たされ、上記接触
子（３）と上記圧力センサ（７）とをたがいに圧力的に
連結し、上記ハンド（37）を上記物体（17）に対して接
近させて、この物体（17）に上記接触子（３）を接触さ
せた状態で、上記ハンド（37）を上昇させたとき、上記
接触子（３）と上記物体（17）との間の摩擦によって生
ずるせん断振動を上記圧力センサ（７）に伝達する流体
からなる物理的な媒体（15）と、上記圧力センサ（７）
の出力から上記せん断振動の時間的に変動する広い周波
数成分を有する交流成分を検出する交流成分検出手段を
備えたロボットハンドの滑り検出装置。