JPH10249767A - 移動型物体把持装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 把持対象物とロボットハンドの距離に関係な
く確実な把持を達成することと、過去に把持に成功した
物体と類似の硬さをもつ物体の把持を行う場合に把持動
作を高速化することである。 【解決手段】 従来の物体把持装置に推進系を追加する
ことにより、把持対象物とロボットハンドとの距離に関
係なく、ロボットハンドを物体把持に関し最適な相対位
置、相対姿勢に移動できるようにする。また、従来の物
体把持装置の制御方法に制御目標値の設定変更と制御系
パラメータの変更に関する学習機能を追加し、過去に把
持経験のある物体と同程度の硬さの物体の把持を行う場
合に把持達成までに要する時間を短縮する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ロボットハンド
及びロボットアームを用いた物体把持装置及びその制御
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の物体把持装置は、当出願人により
特願平４−２８２７６７にて既に提案しており、その装
置は、把持対象物との接触状態を検知できる接触セン
サ、把持対象物の把持間隔を計測できる位置センサ、把
持対象物より受ける反力を計測できる力センサ、把持対
象物とロボットハンドとの相対位置と相対姿勢を計測す
るための複数の視覚センサを搭載したロボットハンド
と、ロボットハンドを移動させるためのロボットアーム
と、接触センサ、位置センサ、力センサ、視覚センサの
４つの信号を入力処理し制御計算機へ送信するセンサ信
号処理部と、ロボットアーム駆動制御、ロボットハンド
による物体把持制御を行う制御計算機とを備えている。

【０００３】そして、従来の物体把持装置は以下のよう
に動作する。すなわち、視覚センサにより把持対象物の
ロボットハンドに対する相対位置と相対姿勢を計測し、
ロボットアームによりロボットハンドを把持対象物を把
持することのできる相対位置、相対姿勢にまで移動す
る。次にロボットハンドと把持対象物との接触を接触セ
ンサの応答により検出し、同時に、把持対象物の把持方
向の長さを位置センサにより計測し、その値を制御初期
値として制御計算機に記憶する。制御計算機は、把持対
象物との接触後の把持制御過程において、把持対象物変
形量、すなわち、計測された把持対象物の把持方向の長
さに関する変形目標率と、把持対象物からロボットハン
ドが受ける反力目標値という２つの制御目標値に対し、
位置センサの信号と力センサの信号をそれぞれフィード
バックしながら、位置制御と力制御を同時に行い、その
うちの一方の制御系が整定するまで制御を継続し、一方
の制御系が整定した時点で把持できたと判断し、ロボッ
トアームによりロボットハンドを鉛直上方へわずかに移
動し、その時の接触センサの出力から把持対象物とロボ
ットハンドの物体把持部との相対的な位置ずれの有無を
検出することにより把持対象物を完全に把持したかどう
かを判断し、相対的な位置ずれを検知した場合は、制御
目標値と制御系パラメータを変更した後、ロボットハン
ドを開いて把持対象物を一旦放し、視覚センサにより再
度把持対象物のロボットハンドに対する相対位置と相対
姿勢を計測し、ロボットアームによりロボットハンドを
再度把持対象物を把持できる位置まで移動した後再び把
持を試みる。本過程を繰り返し、最終的に把持対象物の
硬さに適応した制御方式で把持を達成する。なお、図５
は従来の物体把持装置の制御ブロック図であり、従来の
物体把持装置における制御信号の流れを示している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の物体把持装置で
は、把持対象物がロボットハンドから遠く離れた位置に
ある場合や、逆に把持対象物がロボットハンドに近接し
た位置にある場合に、ロボットアームの長さの制約か
ら、ロボットハンドを把持対象物の把持に対して最適な
相対位置と相対姿勢に制御することが困難な場合があ
り、把持の確実性を向上するうえで課題となっていた。
また、従来の物体把持装置の制御方法では、過去に把持
したことのある物体、または、それと同程度の硬さの物
体を把持する場合においても、あらかじめ制御計算機に
組み込まれた把持制御のパラメータ調整アルゴリズムに
従い制御を行うため、パラメータの調整過程を過去の把
持経験に基づいて短縮することができず、結果として把
持達成までの時間を短縮することが困難となり、把持動
作を高速化するうえで課題となっていた。

【０００５】

【課題を解決するための手段】第１の発明による移動型
物体把持装置は、従来の物体把持装置に対し、ロボット
ハンドとロボットアームを移動できる推進系を追加して
いる。このことにより、把持対象物がロボットハンドか
ら遠く離れた位置にある場合でも、逆に把持対象物がロ
ボットハンドに対し近接した位置にある場合でも、視覚
センサにより、ロボットハンドと把持対象物との相対位
置、相対姿勢を計測し、ロボットアーム、推進系を使用
して、ロボットハンドを物体把持に関し最適な相対位
置、相対姿勢に移動することができる。

【０００６】また、第２の発明による移動型物体把持装
置の制御方法は、従来の物体把持装置の制御方法に対
し、ロボットハンドとロボットアームを移動できる推進
系の制御機能を追加している。このことにより、把持動
作開始時に、把持対象物がロボットハンドから遠く離れ
た位置にある場合でも視覚センサにより、ロボットハン
ドと把持対象物との相対位置、相対姿勢を計測し、ロボ
ットアーム、推進系を制御することにより、ロボットハ
ンドを物体把持に関し最適な相対位置、相対姿勢に移動
することができる。

【０００７】また、第３の発明による移動型物体把持装
置の制御方法は、従来の物体把持装置の制御方法に対
し、把持動作リトライ時に推進系を動作させるようにし
ている。このことにより、ロボットハンドを再度把持対
象物を把持できる最適な相対位置と相対姿勢へ移動させ
ることができ、リトライ機能の精度を向上することがで
きる。

【０００８】また、第４の発明による移動型物体把持装
置の制御方法は、従来の物体把持装置の制御方法に対
し、制御目標値の設定変更と制御系パラメータの変更に
関する学習機能を追加している。このことにより、過去
に把持経験のある物体と同程度の硬さの物体の把持に際
し、制御目標値（変形目標率、反力目標値）の変更、及
びこれに伴う制御系パラメータの変更に関する試行錯誤
回数を削減することができ、結果として把持達成までの
時間を短縮することができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．図１は第１の発明の装置全体の構成図で
ある。１〜１２は図の説明に示した通りである。ロボッ
トハンド１の把持動作は、駆動部５、制御計算機４、セ
ンサ信号処理部３に電源を投入し、制御計算機４へ物体
把持を開始するための指令を入力した後開始される。ま
ず、視覚センサ１１により把持対象物のロボットハンド
１に対する相対位置と相対姿勢を計測し、この情報に基
づいて推進系１２及びロボットアーム２により把持対象
物を把持するための最適な相対位置、相対姿勢までロボ
ットハンド１を移動し、最終的にロボットハンド１が把
持対象物を把持するまで自動的に制御を行う。

【００１０】図２はロボットハンドの対象物把持部構体
１０に実装した３種のセンサ（接触センサ６、位置セン
サ８、力センサ９）の搭載方法である。接触センサ６に
は、超高感度圧力センサを使用している。このセンサ
は、接触センサレバー７を介して、間接的に把持対象物
と接触するようにしている。これは接触センサ６の耐荷
重制約と防水のためである。把持対象物とロボットハン
ドが接触しているかどうかは、把持対象物と接触センサ
レバー７との接触により生ずる荷重変化により判断す
る。位置センサ８には、トランスデューサを用いてい
る。対象物把持部構体の間隔に応じてトランスデューサ
からの電圧出力が変化するので、把持間隔を知ることが
できる。力センサ９には、高感度歪ゲージを使用してい
る。３つの力センサ９のうち、一つは接触センサレバー
７の後ろにあたる部分に取り付けられ、把持対象物の中
心にかかる力を検出できるように設置されている。把持
対象物から受ける力により、歪ゲージが変形するため抵
抗値が変化し、これを電圧変化として検知することで反
力を検出することができる。これら３種のセンサの出力
信号は、すべてセンサ信号処理部３へ送信されて、制御
計算機４が処理できるように変換される。

【００１１】図３は把持対象物の把持達成に至るまでの
物体把持装置の動作シーケンスである。まず、視覚セン
サ１１により把持対象物のロボットハンド１に対する相
対位置と相対姿勢を計測１３し、この情報に基づいて制
御計算機４による推進系１２の制御、ロボットアーム２
の駆動制御によりロボットハンド１が把持対象物を把持
するために最適な相対位置、相対姿勢を確立１４し、次
に制御計算機４からの指令により把持対象物の把持を開
始１５する。この間ロボットハンド１の物体把持部構体
１０は一定速度で把持対象物に接近する。物体把持部構
体１０の把持対象物との接触１６は接触センサ６が検知
する。接触センサ６は、対象物把持部構体１０の両側に
ついており、両方の接触センサ６が把持対象物との接触
を検知した時の位置センサ８の値を把持対象物体の把持
方向の長さとして記憶し位置制御系の制御目標値の設定
に使用する。次に、位置制御＆力制御１７を開始する。
この過程から、ロボットハンド１は２つの制御系により
制御されることになる。１つは、把持対象物変形率を目
標とする位置制御系である。もう１つは、把持対象物か
らロボットハンド１の対象物把持部構体１０の受ける反
力目標値を制御目標値とする力制御系である。制御計算
機４は、これら２つの制御系のうちどちらか一方が制御
目標値に整定するまで、位置センサ８、力センサ９の出
力をフィードバックしながら、ロボットハンド１を制御
する。両制御モードの切り分けの例を簡単に示すと次の
通りである。例えば、把持対象物が豆腐のように、柔ら
かい物体の時は、位置制御による変形目標率に制御さ
れ、ベアリングボールのように硬い物体であれば、ほと
んど変形が発生しないため、力制御による反力目標値に
制御される。位置制御達成１９または、力制御達成２０
と判断した時点で、ロボットアーム２によりわずかに鉛
直上方へ把持対象物を持ち上げ２０、その時、接触セン
サ６の出力により把持失敗２１を検知した場合は、その
時の制御方式、制御目標値、制御系パラメータを物体把
持制御情報データベースに蓄積し、更に物体把持の試行
回数が２回以上の時は、今までの制御目標値と制御系パ
ラメータの変更過程を物体把持制御情報データベース中
の制御目標値変更履歴データや制御系パラメータ変更履
歴データと比較２３し、類似の制御目標値変更履歴や制
御系パラメータ変更履歴が存在する場合は、その時の把
持達成時の制御目標値、制御系パラメータを次回の物体
把持の制御目標値、制御系パラメータとして設定する。
なお、制御目標値の修正は、位置制御達成１９により把
持できたと判断した場合は、位置制御の目標値、制御系
パラメータを変更２５し、力制御達成１８により把持で
きたと判断した場合は、力制御の目標値、制御系パラメ
ータを変更２４することで対応する。次に、ロボットハ
ンド１を開き２６、視覚センサ１１により再度把持対象
物のロボットハンド１に対する相対位置と相対姿勢を計
測し、この情報に基づいて推進系１２とロボットアーム
２により把持対象物を再度把持できる最適な相対位置、
相対姿勢までロボットハンド１を移動し、再び物体把持
を試みる。以上のように制御目標値及び、制御系パラメ
ータを修正しながら、最終的に把持達成２２されるまで
この過程を繰り返す。

【００１２】図４はこの発明による物体把持の制御ブロ
ック図であり、各信号の流れを示している。図４は把持
対象物の変形目標率を目標とする位置制御、反力目標値
を目標とする力制御という２つのフィードバック制御が
同時に実行されることを示している。また、制御計算機
４は、接触センサ６の信号から、把持達成が確実に行わ
れたかどうかを判断し、もし把持が不完全ないし失敗し
た場合は、視覚センサ１１からの信号から把持対象物の
ロボットハンドに対する相対位置と相対姿勢を算出し、
推進系１２とロボットアーム２に対しロボットハンド１
を把持対象物を再度把持できる相対位置、相対姿勢まで
移動するための指令を出力し、ロボットハンド１が把持
対象物を再度把持できる位置まで移動したことを確認
後、位置制御及び力制御を再度実行する。また、制御目
標値と制御系パラメータの設定変更は、制御計算機４に
おける物体把持制御情報データベースとの比較により、
常時最適な設定を行う。物体把持制御情報データベース
は、１つの物体の把持において把持達成までに実施した
制御方式（位置制御にて把持したのかそれとも力制御に
て把持したのか。）、制御目標値の初期値及び変更分含
めた全設定値、制御系パラメータの初期値及び変更分含
めた全設定値を１セットの情報とし、これを把持物体ご
とにまとめたものである。また、物体把持制御情報デー
タベースへのデータの付加は、把持の成否の判断後に実
施し、付加するデータは、制御方式、制御目標値、制御
系パラメータの３種類である。

【００１３】

【発明の効果】第１の発明によれば、把持対象物がロボ
ットハンドから遠く離れた位置にある場合でも逆に把持
対象物がロボットハンドに対し近接した位置にある場合
でも、視覚センサにより、ロボットハンドと把持対象物
との相対位置、相対姿勢を計測し、ロボットアーム、推
進系を使用して、ロボットハンドを物体把持に関し最適
な相対位置、相対姿勢に移動できる効果がある。

【００１４】また、第２の発明によれば、把持対象物の
硬さが未知である場合、把持対象物体が複数あってそれ
らの硬さに非常にばらつきがある場合に有効である。特
に、他天体（月、火星など）上のような極限環境におけ
る物体把持作業においては、把持対象に関する硬さ情報
は殆どない状況下で物体を把持しなければならず、その
際に把持対象物の硬さに適応した把持を行うことができ
る。更に、視覚センサ、ロボットアーム、推進系を有し
ており、把持動作にとって常に最適にロボットハンドと
把持対象物との間の相対位置、相対姿勢を制御すること
ができる。

【００１５】また、第３の発明によれば、把持動作リト
ライ時に推進系を動作させることにより、ロボットハン
ドを再度把持対象物を把持できる最適な相対位置と相対
姿勢へ移動させることができ、リトライ機能の精度を向
上できる効果がある。

【００１６】また、第４の発明によれば、物体把持を完
了するごとに制御計算機上の物体把持制御情報データベ
ースに把持制御に必要な情報が蓄積され、次の物体の把
持に際しては、物体把持制御情報データベースから物体
把持に必要な情報を選択できるため、特に過去に把持経
験のある硬さの物体と同程度の硬さの物体の把持では把
持達成までに要する試行錯誤過程を最小にし、把持の時
間短縮を可能にする効果がある。更に、物体把持制御情
報データベースから、把持対象物の硬さに関する物理的
情報を得ることができるという効果もある。すなわち、
どのような制御過程を経て把持されたかを知ることによ
り、把持対象物の硬さに関する判断基準が得られるから
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明による移動型物体把持装置の実施の
形態１における全体構成図である。

【図２】 この発明による移動型物体把持装置の実施の
形態１におけるロボットハンド１に搭載する３種のセン
サの配置図である。

【図３】 この発明による移動型物体把持装置の実施の
形態１において最終的な物体把持に至るまでの制御動作
シーケンスを示した図である。

【図４】 この発明による移動型物体把持装置の実施の
形態１において移動型物体把持装置の制御信号の流れを
示すブロック図である。

【図５】 従来の物体把持装置における制御信号の流れ
を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ ロボットハンド、２ ロボットアーム、３ センサ
信号処理部、４ 制御計算機、５ 駆動部、６ 接触セ
ンサ、７ 接触センサレバー、８ 位置センサ、９ 力
センサ、１０ 対象物把持部構体、１１ 視覚センサ、
１２ 推進系。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 把持対象物との接触状態を検知する少な
   くとも２個の接触センサと、把持対象物の把持間隔を計
   測できる位置センサと、把持の際、把持対象物より受け
   る反力を計測できる少なくとも２つの力センサを搭載し
   た１組の対象物把持部構体と、前記対象物把持部構体を
   把持方向に対し直線運動させるための駆動機構及びモー
   タからなるロボットハンドと、把持対象物と前記ロボッ
   トハンドとの相対位置と相対姿勢を計測するための複数
   の視覚センサと、前記４種のセンサからの信号を制御計
   算機の処理できる信号に変換後、制御計算機に送信する
   センサ信号処理部と、前記センサ信号処理部からの把持
   対象物の把持状態に関する信号を入力し、前記ロボット
   ハンドの物体把持動作を制御するための信号を生成する
   制御計算機と、前記制御計算機からの前記ロボットハン
   ド制御信号を前記ロボットハンドを駆動するための電力
   に変換して、前記ロボットハンドのモータへ送り、更に
   前記４種のセンサへの電力を供給するための駆動部と、
   前記ロボットハンドと接続し、これを移動させるための
   ロボットアームと、前記ロボットアーム及び前記ロボッ
   トハンドの位置を移動するための推進系と前記ロボット
   アームの運動及び前記推進系を制御するための信号を生
   成する前記制御計算機と、前記制御計算機からの信号を
   前記ロボットアーム、前記推進系を駆動するための電力
   に変換し、これを前記ロボットアームと前記推進系へ供
   給する前記駆動部とを有する移動型物体把持装置。
2. 【請求項２】 視覚センサにより把持対象物のロボット
   ハンドに対する相対位置と相対姿勢で計測し、推進系と
   ロボットアームによりロボットハンドを把持対象物を把
   持することのできる相対位置、相対姿勢にまで移動し、
   次にロボットハンドを把持対象物に接触するまで動か
   し、把持対象物との接触を接触センサの応答により検知
   し、同時に把持対象物の把持方向の長さを位置センサに
   より計測し、その値を制御初期値として制御計算機に記
   憶し、次に制御計算機は、把持対象物変形量、すなわ
   ち、計測された把持対象物の把持方向の長さに関する変
   形目標率と、把持対象物からロボットハンドの対象物把
   持部構体の受ける反力目標値という２つの制御目標値を
   設定したうえで、ロボットハンドの把持動作を開始さ
   せ、これら２つの制御目標値に対してそれぞれ位置セン
   サの信号と力センサの信号をフィードバックして位置制
   御と力制御の２つの制御を実施し、このうちの一方の制
   御が達成されるまで物体把持動作を行う過程を有し、結
   果として位置制御系と力制御系が把持対象物体によって
   自律的に選択されることを特徴とする請求項１記載の移
   動型物体把持装置の制御方法。
3. 【請求項３】 把持対象物の変形目標ないし対象物把持
   部構体の受ける反力目標値のどちらか一方が制御目標値
   に整定した時点で把持できたと判断し、ロボットハンド
   を、鉛直上方へわずかに移動し、その時の接触センサの
   出力により把持対象物を完全に把持したかどうかを判断
   し、不完全な把持状態の場合には、制御目標値と制御系
   パラメータを修正し、把持動作を中断して把持対象物を
   放し、視覚センサにより再度把持対象物のロボットハン
   ドに対する相対位置と相対姿勢を計測し、推進系とロボ
   ットアームによりロボットハンドを再度把持対象物を把
   持できる相対位置と相対姿勢へ移動し、把持失敗（把持
   対象物落下）を検知した場合も同様に、視覚センサによ
   り再度把持対象物のロボットハンドに対する相対位置と
   相対姿勢を計測し、制御目標値と制御系パラメータを修
   正し、推進系とロボットアームによりロボットハンドを
   再度把持対象物を把持できる相対位置と相対姿勢へ移動
   した後、再び物体把持の過程を行うようなリトライ機能
   を有することを特徴とする請求項１記載の移動型物体把
   持装置の制御方法。
4. 【請求項４】 ある１つの把持対象物の把持達成までに
   要した制御目標値（変形目標率と反力目標値）と位置制
   御系及び力制御系のパラメータの変更履歴をその把持対
   象物固有の物体把持制御情報としてデータベースに蓄
   え、次に別の把持対象物の把持動作に際し、把持開始か
   ら現在までの制御目標値（変形目標率、反力目標値）と
   位置制御系及び力制御系のパラメータの変更傾向を上記
   データベースと逐次比較し、類似の変更傾向にあると判
   断した場合は、その後の把持動作における制御目標値と
   制御系パラメータの設定は、過去に把持に成功した時の
   制御目標値と制御系パラメータを設定することにより、
   把持達成までに要する制御目標値（変形目標率、反力目
   標値）と制御系パラメータの変更に要する試行錯誤回数
   を削減し、把持達成に至る時間を短縮できるような学習
   機能を有することを特徴とする請求項１記載の移動型物
   体把持装置の制御方法。