JPWO2019065426A1 - 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］所定の角度に維持した対向面を接近させて対象物を把持するロボットハンドにおいて、把持された対象物の形状や個数が様々な場合にも対応可能な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）と制御部（１３）と演算部（１４）とを有し、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、前記第１リンク構造の先端部（２９）に設けられた第１把持面（２７）と、該第１把持面に設けられた第１触覚センサ（３０）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、前記第２リンク構造の先端部（４９）に設けられた第２把持面（４７）と、該第２把持面に設けられた第２触覚センサ（５０）とを有する。そして、把持された前記対象物の形状および／または個数に応じて、前記第１把持面と前記第２把持面の成す角度を変化させる。

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２〜５には、把持面に面状の圧力センサを設けて、把持状態や滑りを検出するロボットハンドが記載されている。

特開２０１２−１７６４６１号公報 特開２０１３−０８６１８６号公報 特開２０１１−２２４６９５号公報 特開２００７−２５４２６６号公報 特開２００６−４２１０１５号公報

特許文献１に記載されたロボットハンドによれば形状や大きさ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、このように略平行な対向面を接近させて対象物を把持すると、例えば山積みされた状態から対象物取り上げる際に複数の対象物が把持されることがあり、対象物が１個ずつ供給されることを前提に後工程が設計されている場合に不都合が生じる。

また、特許文献２〜５によれば、不安定な把持状態を検出することができる。しかしながら、形状や大きさが一定でない対象物の場合、単純に把持力を増加させたり、把持動作をリトライしたりするだけでは、対象物の安定した搬送は実現できない。

本発明は、上記を考慮してなされたものであり、所定の角度に維持した対向面を接近させて対象物を把持するロボットハンドにおいて、把持された対象物の形状や個数が様々な場合にも対応可能な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指部と制御部と演算部とを有し、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指部の先端部に設けられた第１把持面と、該第１把持面に設けられた第１触覚センサとを有し、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２指部の先端部に設けられた第２把持面と、該第２把持面に設けられた第２触覚センサとを有し、前記第１ないし第４関節の回転軸が互いに平行である。そして、前記制御部は、前記第１ないし第４関節を回転運動させて、前記第１把持面と前記第２把持面を所定の角度に維持しながら、１または複数の対象物を把持するまで両把持面の間隔を狭め、前記演算部は前記第１触覚センサおよび前記第２触覚センサが取得した触覚像の解析により、把持された前記対象物の形状および／または個数を判定し、前記制御部は、前記演算部の判定結果に応じて、前記第１ないし第４関節を回転運動させて、前記第１把持面と前記第２把持面の成す角度を変化させる。

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把持面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、演算部により複数の対象物を把持した、または不安定な把持状態である、と判定された場合には、第１把持面と第２把持面が成す角度を前記所定の角度から変化させることによって、余分な対象物を解放したり、より安定な把持面角度に移動することが可能となる。

好ましくは、前記制御部は、前記演算部の判定結果に応じて、前記触覚像が最大となるように前記第１把持面と前記第２把持面の成す角度を変化させる。これにより、対象物をより安定に把持できる把持面角度に移動することが可能となる。

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指部は、前記第１ないし第４関節の回転軸と垂直をなす軸を回転軸として回転運動を行う関節をさらに有する。これにより、第１把持面および／または第２把持面を２方向に傾けることができる。

好ましくは、前記制御部は、前記対象物を把持するために前記第１把持面と前記第２把持面の間隔を狭めるときに、前記第１関節をトルク制御し、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把持面および前記第２把持面を前記所定の角度に維持するように位置制御する。これにより、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た場合で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。

本発明のロボットハンド制御方法は、２本の指の先端部に設けられ、表面に触覚センサが設けられた一対の把持面を所定の角度に維持しながら接近させて対象物を把持する工程と、前記触覚センサが触覚像を取得する工程と、前記触覚像を解析して、把持した前記対象物の形状および／または個数を判定する工程と、前記判定の結果に応じて、前記一対の把持面の成す角度を変化させる工程とを有する。

本発明のロボットハンドによれば、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、触覚センサが把持状態を検知し、演算部が把持された対象物の個数を判定するので、複数の対象物が把持された場合には、第１把持面と第２把持面が成す角度を前記所定の角度から変化させることによって、余分な対象物を解放することが可能となる。あるいは、対象物の形状に合わせて把持面の角度を変化させることで、安定した把持状態を維持できる。

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。 図２Ｃの状態で触覚センサが取得する触覚像である。 第１実施形態のロボットハンドによる他の把持動作を説明する図である。 図４Ａおよび図４Ｂの状態で触覚センサが取得する触覚像である。 第２実施形態のロボットハンドの構造を示す図である。 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〜図５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、第２指部４１、制御部１３および演算部１４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と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と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、好ましくは、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。

好ましくは、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、具体的にはモータの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。

第１把持面２７の表面には、第１触覚センサ３０が設けられている。第１触覚センサは、圧力・変位を取得する要素がマトリクス状に配列された面状のセンサである。第１触覚センサは、ロボットハンド１１が対象物を把持したときに、第１把持面に作用する圧力を検出して、その分布を触覚像として取得する。第１触覚センサの種類は特に限定されず、導電性ゴム型、導電性ペイント型、光導波路型など、各種公知のセンサを用いることができる。第１触覚センサは、好ましくは、第１把持面の全面に設けられる。第１把持面のどの部分で対象物を把持しても検知できるからである。

図１において、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２把持面４７の表面には、第２触覚センサ５０が設けられている。第２触覚センサは、好ましくは第２把持面の全面に設けられる。

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。

制御部１３はロボットハンド１１全体の動作を制御する。具体的な動作の例は後述する。

演算部１４は、第１触覚センサ３０および第２触覚センサ５０が取得した触覚像を読み込み、触覚像を解析して把持した対象物の形状や個数を判定する。また、演算部は、それ以外に、把持した対象物の位置などの把持状態を求めてもよい。

次に、本実施形態のロボットハンド１１の動作を説明する。ここでは、第１関節をトルク制御し、第２〜第４関節を第１関節の動きに追随させて位置制御する方法を説明する。

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４７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の所要の角度は制御部１３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を略平行に維持しながら、両把持面の間隔を狭める。具体的には、例えば第１関節２３を、両把持面の間隔を狭める方向にトルク制御により回転させ、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関節２５、第３関節４３および第４関節４５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２Ｃ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。

次いで、第１触覚センサ３０および第２触覚センサ５０によって、触覚像が取得される。図３に、第１触覚センサ３０による触覚像（図３左側）と第２触覚センサ５０による触覚像（図３右側）の例を示す。両把持面に複数の対象物（例えばＷ１とＷ２）が把持された場合には、触覚像の島が複数に分裂して現れる。演算部１４がこの触覚像を読み込み、触覚像の島の数や形状から、把持した対象物の個数を判断する。演算部による解析には、公知の方法を用いることができる。例えば、触覚像を濃淡画像として、閾値を徐々に大きくしながら二値化し、現れた島の数を数えることができる。また、第１触覚センサによる触覚像と第２触覚センサからの触覚像の島の重心位置がほぼ対応していれば、それらの島は同一の対象物によるものと判断できる。

演算部１４により複数の対象物が把持されていると判断された場合は、図２Ｄを参照して、第１把持面２７と第２把持面４７の成す角度を平行から変化させる。本実施形態では、両把持面を側方（図２Ｄの手前または奥）から見てくさび型となるように角度を変化させる。両把持面の成す角度を変化させるには、例えば図２Ｄでは、第１関節２３を、両把持面の間隔を狭める方向にトルク制御により回転させ、両把持面が所定の角度を成すための第２関節２５、第３関節４３および第４関節４５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ればよい。これにより、１個の対象物Ｗ１だけを把持し続け、余分の対象物Ｗ２を解放することができる。なお、把持した対象物の個数の判断が難しい場合は、第１把持面と第２把持面の間隔を広げて、すべての対象物を解放することもできる。

あるいは、多くの突状部を有する対象物を把持する場合に、図４Ａ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Ｗ３をその突状部で挟んだ場合には、触覚像が最大となるように第１把持面と第２把持面の成す角度を変化させることができる。図４Ａの把持状態では、図５Ａを参照して、第１触覚センサ３０による触覚像（図５Ａ左側）と第２触覚センサ５０による触覚像（図５Ａ右側）の面積が小さくなる。これに対しては、第１関節２３、第２関節２５、第３関節４３および第４関節４５を制御して第１把持面と第２把持面の成す角度を変化させながら触覚像の面積を解析し、２つの触覚像の面積が最大となる角度で第１〜第４関節を停止させる。図５Ｂを参照して、２つの触覚像の面積が最大となると、図４Ｂを参照して、第１把持面および第２把持面は対象物Ｗ３をより安定に把持できる。

触覚像が最大かどうかの判定は、触覚像の面積に限らず、触覚像の分布範囲が最も広くなったときを触覚像が最大と判断してもよい。例えば、図５Ａ左側の触覚像において、最も遠い２点ＰＱの距離が最大となるように第１把持面と第２把持面の成す角度を変化させてもよいし、触覚像の全体を内包する最も小さな長方形Ｒの面積が最大となるように両把持面の成す角度を変化させてもよい。または、触覚像を触覚点の集合と考え、触覚点の偏差や分散等の統計値を計算することで触覚像の分布範囲の広がりを判断してもよい。

このように、本実施形態のロボットハンド１１は、第１把持面２７と第２把持面４７を略平行に保ちながら両把持面の間隔を狭めて対象物を把持し、複数の対象物が把持された場合は、両把持面の成す角度を変化させて余分な対象物を解放することが可能であり、対象物の把持状態が不安定な場合は、両把持面の成す角度を変化させてより安定な把持状態を実現可能である。

また、第１関節２３をトルク制御し、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ることにより、対象物を把持した後は第１関節が一定のトルクを維持し、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。なお、第３関節および第４関節を位置制御により固定して、第１関節をトルク制御し、第２関節のみを第１関節の動きに追随させても同様の効果が得られる。

次に、本発明のロボットハンドの第２実施形態を図６に基づいて説明する。

図６において、本実施形態のロボットハンド１９は、第１指部２１に関節３２を有し、第２指部４１に関節５２を有する点で第１実施形態のロボットハンド１１と異なる。

関節３２は、第１ないし第４関節の回転軸と垂直をなす回転軸の回りに回転運動する。関節５２は、連結するリンク４６、５３の中心線と一致する回転軸の回りに回転運動する。これにより、第１把持面２７および第２把持面４７を、両把持面を基端側または先端側（図６の上方または下方）から見てくさび型となるように、角度を変化させることも可能となる。

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が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７Ａを参照して、各指部の関節の数が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７Ｂ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７Ｃ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
１３ 制御部
１４ 演算部
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
３０ 第１触覚センサ
３２ 関節
３３ リンク
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
５０ 第２触覚センサ
５２ 関節
５３ リンク
５４ 関節
９０ ロボットアーム
Ｗ、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３ 対象物
θ１、θ２、θ３、θ４ リンク間角度

Claims (7)

1. 第１指部と第２指部と制御部と演算部とを有し、
   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指部の先端部に設けられた第１把持面と、該第１把持面に設けられた第１触覚センサとを有し、
   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２指部の先端部に設けられた第２把持面と、該第２把持面に設けられた第２触覚センサとを有し、
   前記第１ないし第４関節の回転軸が互いに平行であり、
   前記制御部は、前記第１ないし第４関節を回転運動させて、前記第１把持面と前記第２把持面を所定の角度に維持しながら、１または複数の対象物を把持するまで両把持面の間隔を狭め、
   前記演算部は前記第１触覚センサおよび前記第２触覚センサが取得した触覚像の解析により、把持された前記対象物の形状および／または個数を判定し、
   前記制御部は、前記演算部の判定結果に応じて、前記第１ないし第４関節を回転運動させて、前記第１把持面と前記第２把持面の成す角度を変化させる、
   ロボットハンド。
2. 前記制御部は、前記演算部の判定結果に応じて、前記触覚像が最大となるように前記第１把持面と前記第２把持面の成す角度を変化させる、
   請求項１に記載のロボットハンド。
3. 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または２に記載のロボットハンド。
4. 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１〜３のいずれか一項に記載のロボットハンド。
5. 前記第１指部および／または前記第２指部は、前記第１ないし第４関節の回転軸と垂直をなす軸を回転軸として回転運動を行う関節をさらに有する、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のロボットハンド。
6. 前記制御部は、前記対象物を把持するために前記第１把持面と前記第２把持面の間隔を狭めるときに、前記第１関節をトルク制御し、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把持面および前記第２把持面を前記所定の角度に維持するように位置制御する、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のロボットハンド。
7. ２本の指の先端部に設けられ、表面に触覚センサが設けられた一対の把持面を所定の角度に維持しながら接近させて対象物を把持する工程と、
   前記触覚センサが触覚像を取得する工程と、
   前記触覚像を解析して、把持した前記対象物の形状および／または個数を判定する工程と、
   前記判定の結果に応じて、前記一対の把持面の成す角度を変化させる工程と、
   を有するロボットハンド制御方法。

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