JPWO2019065425A1 - ロボットハンドおよびロボットハンド制御方法 - Google Patents

Abstract

［課題］形状が一定でなく、かつ柔軟で変形しやすい対象物の把持に適したロボットハンドを提供する。［解決手段］ロボットハンド（１１）は、第１指部（２１）と第２指部（４１）を有し、前記第１指部は、回転運動を行う第１関節（２３）および第２関節（２５）と、該第１指部の先端部（２９）に設けられた第１把持面（２７）とを有し、前記第２指部は、回転運動を行う第３関節（４３）および第４関節（４５）と、該第２指部の先端部（４９）に設けられた第２把持面（４７）とを有する。そして、前記第１関節が前記第１把持面と前記第２把持面の間隔を狭める方向にトルク制御され、少なくとも前記第２関節が、前記第１関節の動きに追随して、前記第１把持面と前記第２把持面を所定の角度に維持するよう位置制御されることにより、対象物を把持する。

Description

本発明はロボットアームの先端に取り付けて用いられるロボットハンドに関する。

産業用ロボットの適用範囲を拡大するために、様々な形状あるいは大きさの対象物を把持できるロボットハンドの開発が進んでいる。

例えば、特許文献１には、直線軸に沿ってスライドする１組のスライド部と、スライド部のそれぞれに固定され、先端部分に把持爪を有する把持部とを備え、把持部は、前記直線軸と把持爪の先端を含む平面と直交する回転軸まわりに回転する関節部を備えるハンドが記載されている。そして、略平行に対向させた把持爪を接近させてワークを把持することにより、異なる大きさや形状のワークを確実に把持することができることが記載されている。

また、特許文献２には、掌関節を介して挟角を増減可能に連結された２以上の掌板部と、掌板部に支持され、回転軸が平行に配置された指関節を有する複数の指部とを有するロボットハンドが記載されている。そして、その構造により、広い寸法範囲において把持対象物体を安定して把持できることが記載されている。

特開２０１２−１７６４６１号公報 特開２００８−１７８９３９号公報

特許文献１や特許文献２に記載されたロボットハンドによれば、形状が一定でない対象物を把持することができる。しかしながら、形状が一定でなく、かつ柔軟で変形しやすい対象物を把持することは依然として難しかった。例えば、野菜、果物、ハンバーグや鳥のから揚げなどの食品をロボットハンドで把持する場合、把持力が強すぎると形が崩れてしまうので、把持力を適切な大きさに調整できる機構が必要であった。

本発明は、上記を考慮してなされたものであり、形状が一定でなく、かつ柔軟で変形しやすい対象物の把持に適したロボットハンドおよびロボットハンド制御方法を提供することを目的とする。

本発明のロボットハンドは、第１指部と第２指部を有し、前記第１指部は、連結するリンクに垂直な軸の回りに回転運動を行う第１関節および第２関節と、該第１関節および該第２関節のそれぞれを駆動するアクチュエータと、該第１指部の先端部に設けられた第１把持面とを有し、前記第２指部は、連結するリンクに垂直な軸の回りに回転運動を行う第３関節および第４関節と、該第３関節および該第４関節のそれぞれを駆動するアクチュエータと、該第２指部の先端部に設けられた第２把持面とを有する。そして、前記第１ないし第４関節の回転軸が互いに平行であり、前記第１把持面および前記第２把持面は、前記第１ないし第４関節の回転運動によって正対可能に配置される。そして、前記第１関節が前記第１把持面と前記第２把持面の間隔を狭める方向にトルク制御され、少なくとも前記第２関節が、前記第１関節の動きに追随して、前記第１把持面と前記第２把持面を所定の角度に維持するよう位置制御されることにより、対象物を把持する。

ここでトルク制御とは、関節を回転させる、または回転させようとするトルクを一定に維持する制御である。位置制御とは、関節の回転位置を一定にする制御である。

この構成により、第１把持面と第２把持面を所定の角度に保ちながら両者の間隔を狭めていくことによって、形状および／または大きさが一定でない対象物を把持できる。さらに、対象物を把持した後は第１関節が一定のトルクを維持するので、対象物を把持した状態が維持される。このとき、把持力は第１関節のトルクで決まるので、対象物に応じた適切なトルクを第１関節に設定することで、柔軟で変形しやすい対象物を把持しても対象物を損壊することがない。このようにトルク制御と位置制御を組み合わせて各関節を連動して制御することで不定形な柔軟物を安定的に把持することができる。

上記ロボットハンドにおいて、前記第１関節が前記第１把持面と前記第２把持面の間隔を狭める方向にトルク制御され、前記第２ないし第４関節が、前記第１関節の動きに追随して、前記第１把持面と前記第２把持面を前記所定の角度に維持するよう位置制御されることにより、対象物を把持してもよい。

あるいは、上記ロボットハンドにおいて、前記第３関節および第４関節が位置制御により固定され、前記第１関節が前記第１把持面と前記第２把持面の間隔を狭める方向にトルク制御され、前記第２関節が、前記第１関節の動きに追随して、前記第１把持面と前記第２把持面を前記所定の角度に維持するよう位置制御されることにより、対象物を把持してもよい。

上記いずれかのロボットハンドにおいて、好ましくは、前記第１把持面と前記第２把持面を前記所定の角度に維持することが、前記第１把持面と前記第２把持面を略平行に維持することである。第１把持面と第２把持面の成す角度は対象物の形状に応じて決定することができるが、第１把持面と第２把持面を略平行に保つことで、より多様な形状の対象物の把持が容易となる。

好ましくは、前記アクチュエータがサーボモータである。これにより、位置制御およびトルク制御を容易に実現でき、ロボットハンドをコンパクトにできる。

好ましくは、前記第１関節が前記第２関節より前記第１指部の固定端に近い側に設けられる。これにより、対象物を把持するときに各関節の動作がより安定しやすい。

好ましくは、前記第１把持面および前記第２把持面が平面である。これにより、対象物個々の形状が大きく異なる場合でも、安定して把持できる。なお、把持面は完全にフラットな面でなくてもよい。例えば、表面にすべり止めの凹凸加工等を設けてもよく、全体的な形状として平面を構成していればよい。

好ましくは、前記第１指部および／または前記第２指部が、位置制御によって前記第１ないし第４関節と平行な回転軸の回りに回転運動を行う関節をさらに有する。指部の自由度を増やすことにより、より広い領域で対象物を把持できる。

本発明のロボットハンド制御方法は、第１関節と第２関節を有する第１指部の先端部に設けられた第１把持面と、第３関節と第４関節を有する第２指部の先端部に設けられた第２把持面とを所定の角度に向けて、前記第１把持面と前記第２把持面の間隔を広げて対象物に接近させる工程と、前記第１関節を前記第１把持面と前記第２把持面の間隔を狭める方向にトルク制御し、少なくとも前記第２関節を、前記第１関節の動きに追随して、前記第１把持面と前記第２把持面を前記所定の角度に維持するよう位置制御することにより、前記第１把持面と前記第２把持面の間隔を狭めて対象物を把持する工程とを有する。

本発明のロボットハンドまたはロボットハンド制御方法によれば、第１把持面と第２把持面を所定の角度に保ちながら両者の間隔を狭めていくので、形状および／または大きさが一定でない対象物を把持できる。さらに、対象物を把持した後は第１関節が一定のトルクを維持するので、対象物を把持した状態が維持される。このとき、把持力は第１関節のトルクで決まるので、対象物に応じた適切なトルクを第１関節に設定することで、柔軟で変形しやすい対象物を把持しても対象物を損壊することがない。このようにトルク制御と位置制御を組み合わせて各関節を連動して制御することで、本発明のロボットハンドおよびロボットハンド制御方法は、形状が一定でなく、かつ柔軟で変形しやすい対象物の把持に適する。

第１実施形態のロボットハンドの構造を示す図である。 第１実施形態のロボットハンドによる把持動作を説明する図である。 第２実施形態のロボットハンドの構造を示す図である。 第２実施形態のロボットハンドによる把持動作を説明する図である。 関節の数と把持位置の関係を説明する図である。

本発明のロボットハンドの第１実施形態を図１および図２に基づいて説明する。

図１において、本実施形態のロボットハンド１１は、基部１２、第１指部２１および第２指部４１を有する。ロボットハンド１１は基部１２をロボットアームの先端に取り付けて用いられる。

第１指部２１は、リンク２２の基端側が基部１２に固定され（固定端２８）、リンク２２とリンク２４を連結する第１関節２３と、リンク２４とリンク２６を連結する第２関節２５を有し、先端部２９に第１把持面２７が設けられている。

第１関節２３は、リンク２２とリンク２４のリンク間角度θ１を増減するように、連結するリンク２２、２４に垂直な回転軸の回りに回転運動する。同様に、第２関節２５は、リンク２４とリンク２６のリンク間角度θ２を増減するように、連結するリンク２４、２６に垂直な回転軸の回りに回転運動する。

第１関節２３および第２関節２５は、それぞれが独立したアクチュエータ（図示せず）によって駆動される。アクチュエータは回転アクチュエータであり、好ましくはサーボモータである。後述する位置制御やトルク制御を容易に実現できるからである。また、サーボモータは、好ましくは、駆動する第１関節または第２関節の近傍に設けられる。伝達機構を省いてロボットハンド１０の構造を単純化できるからである。

第１関節２３は位置制御およびトルク制御可能であり、第２関節２５は位置制御可能である。トルク制御とは、関節を回転させる、または回転させようとするトルクを一定に維持する制御である。モータのトルクは電流と相関があるので、具体的にはモータに供給される電流を一定にするように制御される。位置制御とは、関節の回転位置（角度）を一定にする制御であり、関節が目標位置まで到達した後は、その位置を維持する。サーボモータを用いる場合は、通常、位置制御の機構がモータの機能として組み込まれている。

なお、サーボモータ以外の例えばステッピングモータを用いてトルク制御や位置制御を実現するには、モータを微小量ずつ回転させながら、力覚センサ等からのフィードバックや位置コントローラ等を利用して回転方向を調整する。

第２指部４１は、第１指部２１と同様の構造を有する。第２指部４１は、リンク４２の基端側が基部１２に固定され（固定端４８）、リンク４２とリンク４４を連結する第３関節４３と、リンク４４とリンク４６を連結する第４関節４５を有し、先端部４９に第２把持面４７が設けられている。第３関節および第４関節は、隣接するリンク間の角度θ３、θ４を増減するように回転運動する。第３関節および第４関節は、それぞれが独立したアクチュエータ（図示せず）によって駆動され、アクチュエータは回転アクチュエータであり、好ましくはサーボモータである。第３関節および第４関節は位置制御可能である。

第１関節２３と第２関節２５の位置関係は、図１のように、トルク制御される第１関節をそれに追随する第２関節より第１指部２１の固定端２８に近い側に設けることが好ましい。トルク制御は連続制御であり、固定端に近い側の関節をトルク制御すると、そのトルクは対象物に近い側の関節の姿勢に依らず常に対象物に対して作用する。これにより、後述する把持動作時に、各関節の運動が安定する。対して位置制御は不連続制御（トルク制御関節から角度を周期的に取得して従動関節に指令）となる。そのため、対象物に近い側の関節をトルク制御した場合、従動する固定端側の関節によって把持面の位置が急激に移動することがあり、弾性変形の少ない対象物等ではトルクが作用しない時間が断続的に生じることがある。特に、固定端側と先端側の関節に同じ角速度のモータを使用すると、周速の差によってもトルクの変動や断絶が発生しやすい。

第１把持面２７および第２把持面４７は、対象物を両者の間に挟むことで把持する。第１把持面および第２把持面は好ましくは平面である。多様な形状の対象物を把持しやすいからである。また、第１把持面と第２把持面は、第１〜第４関節の回転運動によって、正対可能に設けられている。本実施形態では、第１指部２１および第２指部４１が同一平面上にあり、第１ないし第４関節の回転軸が当該平面に垂直で、すべて平行であることにより、第１把持面と第２把持面が正対可能となっている。また、第１〜第４関節を適切に動作させることにより、第１把持面と第２把持面を所定の角度で対向させたまま、例えば略平行に対向させたまま、両者の間隔を変化させることが可能である。

次に、本実施形態のロボットハンド１１による対象物の把持動作を説明する。

図２Ａを参照して、まず、視覚センサ等により対象物Ｗを認識し、第１把持面２７と第２把持面４７を略平行に保ちながら対象物の幅より少し広く開く。ロボットアーム９０を動作させて、ロボットハンド１１を対象物の近くに移動させ、対象物Ｗが第１把持面２７と第２把持面３７の間に入るようにロボットハンドを前進させる。この間、第１関節２３、第２関節２５、第３関節４３および第４関節４５の所要の角度は図示しない制御部により計算され、第１関節２３、第２関節２５、第３関節４３および第４関節４５はすべて制御部によって位置制御されて所要の角度を取る。

図２Ｂを参照して、第１関節２３を、第１把持面２７と第２把持面４７の間隔を狭める方向に、トルク制御により回転させる。

第１関節２３が回転すると、第１把持面２７と第２把持面４７の平行関係が崩れるので、図２Ｃを参照して、第２関節２５、第３関節４３および第４関節４５を第１関節の動きに追随させて、両把持面２７、４７の平行関係を維持する。具体的には、第１関節の角度を、サーボモータに組み込まれたエンコーダ等により検出して、両把持面を平行に保つための第２〜第４関節の目標位置を制御部が計算し、第２〜第４関節を目標位置に位置制御する。

図２Ｄを参照して、第１把持面２７と第２把持面４７によって対象物Ｗが把持されると、第１関節２３のトルクと反力が釣り合った時点で第１関節は回転を停止し、第１関節に追随する第２関節２５、第３関節４３および第４関節４５も停止する。その後は、第１関節がトルク制御されているので、対象物を一定のトルクで把持した状態が維持される。ただし、何らかの原因で反力が小さくなれば、第１関節は両把持面２７、４７の間隔を狭める方向にさらに回転するし、反力が大きくなれば、第１関節は両把持面２７、４７の間隔を拡げる方向に後退する。

このように、本実施形態のロボットハンド１１では、第１関節２３が第１把持面２７と第２把持面４７の間隔を狭める方向にトルク制御され、第２関節２５、第３関節４３および第４関節４５が第１関節の動きに追随して、第１把持面と第２把持面を略平行に維持するよう位置制御されることにより、対象物Ｗが把持される。

次に、本発明のロボットハンドの第２実施形態を図３および図４に基づいて説明する。

図３において、本実施形態のロボットハンド１９の物理的構成は第１実施形態のロボットハンド１１と同じである。以下の説明において、各部の符号は図１と同じ符号を用いる。

本実施形態のロボットハンド１９は、対象物を把持するときに、第３関節４３および第４関節４５の角度が位置制御により固定され、トルク制御される第１関節２３の動きに第２関節２５だけが追随する点で、第１実施形態のロボットハンド１１と異なる。

ロボットハンド１９によれば、図４を参照して、対象物Ｗの下から第２把持面４７をあてがい、上から第１把持面２７で押さえるようにして対象物を把持することができる。第３関節４３および第４関節４５は位置制御により所定の角度に固定されているので、この方法は比較的重量のある対象物を第２把持面に載せて把持するのに適している。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で変形が可能である。

例えば、上記各実施形態では、各指部が有する関節の数（自由度）は２であったが、第１指部２１および／または第２指部４１が、位置制御によって連結するリンクに垂直であって第１ないし第４関節と平行な回転軸の回りに回転運動を行う関節をさらに有していてもよい。図５Ａを参照して、各指部の自由度が２である場合、第１把持面２７と第２把持面４７は１点でのみ正対して接触できる。これに対して、図５Ｂを参照して、一方の指部に関節５４を追加すると、略Ｙ方向に延びるある領域内で両把持面が正対して接触できる。さらに、図５Ｃを参照して、両方の指部に関節３４、５４を追加すると、ＸおよびＹ方向に広がるある領域内で両把持面が正対して接触できる。

１１、１９ ロボットハンド
１２ 基部
２１ 第１指部
２２、２４、２６ リンク
２３ 第１関節
２５ 第２関節
２７ 第１把持面
２８ 固定端
２９ 先端部
３４ 関節
４１ 第２指部
４２、４４、４６ リンク
４３ 第３関節
４５ 第４関節
４７ 第２把持面
４８ 固定端
４９ 先端部
５４ 関節
９０ ロボットアーム
Ｗ 対象物
θ１、θ２、θ３、θ４ リンク間角度

Claims (9)

1. 第１指部と第２指部を有し、
   前記第１指部は、回転運動を行う第１関節および第２関節と、該第１関節および該第２関節のそれぞれを駆動するアクチュエータと、該第１指部の先端部に設けられた第１把持面とを有し、
   前記第２指部は、回転運動を行う第３関節および第４関節と、該第３関節および該第４関節のそれぞれを駆動するアクチュエータと、該第２指部の先端部に設けられた第２把持面とを有し、
   前記第１ないし第４関節の回転軸が互いに平行であり、
   前記第１把持面および前記第２把持面は、前記第１ないし第４関節の回転運動によって正対可能に配置され、
   前記第１関節が前記第１把持面と前記第２把持面の間隔を狭める方向にトルク制御され、少なくとも前記第２関節が、前記第１関節の動きに追随して、前記第１把持面と前記第２把持面を所定の角度に維持するよう位置制御されることにより、対象物を把持する、
   ロボットハンド。
2. 前記第１関節が前記第１把持面と前記第２把持面の間隔を狭める方向にトルク制御され、前記第２ないし第４関節が、前記第１関節の動きに追随して、前記第１把持面と前記第２把持面を前記所定の角度に維持するよう位置制御されることにより、対象物を把持する、
   請求項１に記載のロボットハンド。
3. 前記第３関節および第４関節が位置制御により固定され、前記第１関節が前記第１把持面と前記第２把持面の間隔を狭める方向にトルク制御され、前記第２関節が、前記第１関節の動きに追随して、前記第１把持面と前記第２把持面を前記所定の角度に維持するよう位置制御されることにより、対象物を把持する、
   請求項１に記載のロボットハンド。
4. 前記第１把持面と前記第２把持面を前記所定の角度に維持することが、前記第１把持面と前記第２把持面を略平行に維持することである、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のロボットハンド。
5. 前記アクチュエータがサーボモータである、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のロボットハンド。
6. 前記第１関節が前記第２関節より前記第１指部の固定端に近い側に設けられた、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のロボットハンド。
7. 前記第１把持面および前記第２把持面が平面である、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載のロボットハンド。
8. 前記第１指部および／または前記第２指部が、位置制御によって前記第１ないし第４関節と平行な回転軸の回りに回転運動を行う関節をさらに有する、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載のロボットハンド。
9. 第１関節と第２関節を有する第１指部の先端部に設けられた第１把持面と、第３関節と第４関節を有する第２指部の先端部に設けられた第２把持面とを所定の角度に向けて、前記第１把持面と前記第２把持面の間隔を広げて対象物に接近させる工程と、
   前記第１関節を前記第１把持面と前記第２把持面の間隔を狭める方向にトルク制御し、少なくとも前記第２関節を、前記第１関節の動きに追随して、前記第１把持面と前記第２把持面を前記所定の角度に維持するよう位置制御することにより、前記第１把持面と前記第２把持面の間隔を狭めて対象物を把持する工程と、
   を有するロボットハンド制御方法。

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