WO2012147595A1 - マニプレータ装置 - Google Patents

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真 佐圓
潔人 伊藤
善光 柳川
友美 高橋
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株式会社日立製作所
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    • Y10S901/47—Optical

Definitions

  • the present invention relates to a manipulator device, particularly a manipulator device for living space.
  • Manipulators have been mainly used for assembly at production sites, but in the future, they are also expected to be used for assisting human activities in public facilities such as hospitals and living spaces such as homes. In use in a living space, it is necessary to handle various objects with different hardness, weight, shape, size, and the like.
  • a typical sensor for this application is a pressure sensor that detects pressure generated between an object and a manipulator.
  • operation at a constant pressure is inconvenient, and it is necessary to change the force generated by the manipulator according to the object.
  • the object When an object is operated with a constant force regardless of the target object, the object may be destroyed or slipped down when the object is gripped.
  • One means for solving this is to detect the relative position (slip) of the object with respect to the manipulator and control the force based on the detected position.
  • an optical slip sensor is mounted on a finger of a manipulator, and by providing a finger posture adjusting means and at least two pressure sensitive elements, the angle of the finger can be controlled to be optimal for the slip sensor. Proposed.
  • An object of the present invention is to make it possible to operate objects of various sizes and shapes with a more appropriate force in a manipulator device that grips an object.
  • a manipulator device includes an arm portion and a hand portion, and the hand portion includes a manipulator device having one or a plurality of finger portions for operating a target object.
  • a plurality of contact sensors are disposed at positions close to the slip sensor and at positions away from the slip sensor, and the contact sensors disposed at positions away from the slip sensor sense the contact of the target object to the slip sensor.
  • the contact sensor arranged at a close position does not detect contact
  • the contact sensor that detects the contact of the target object is close to the slip sensor so that the detection position of the slip sensor becomes the position of the target object.
  • a control unit that performs control to move the position of the finger unit by a distance of the contact sensor arranged at the position is provided. Thereby, the position of the finger of the manipulator can be changed so that the operation object contacts the slip detection point of the slip sensor.
  • the manipulator device of the present invention it becomes possible to operate objects of various sizes and shapes with a more appropriate force.
  • Example 1 of this invention It is a block diagram of the manipulator system of Example 1 of this invention. It is a figure which shows the structure of the finger
  • the slip sensor refers to a means or device for detecting a change in the relative position between the sensor and the object, and is an optical slip sensor shown in the first embodiment, which is shown in the fourth embodiment.
  • FIG. 1 shows one embodiment of the manipulator of the first embodiment.
  • the X-axis is taken from the left to the right
  • the Y-axis is taken from the bottom to the top
  • the Z-axis is taken from the back to the front.
  • the negative direction of the Z axis is the direction of gravity.
  • the subsequent figures in this application describe the XYZ axes so as to match this FIG.
  • the manipulator includes an arm part 1, a hand part 2, and a connecting part for connecting them.
  • the arm portion 1 is composed of pole portions 3 a and 3 b
  • the hand portion 2 is composed of finger portions 4 and 5
  • the connecting portion between the arm and the hand is composed of a slide-type joint portion 8.
  • the arm portion 1 and the hand portion 2 are provided with joint portions 6a, 6b, 6c, 7a, 7b, and 7c that perform rotation.
  • a slip sensor module 9 and a contact sensor module 10 are mounted on the fingertip portion 5 of the hand.
  • the contact sensor is a sensor that detects contact between an object and a manipulator, and corresponds to a touch display sensor or a pressure sensor.
  • the slide joint 8 is provided with a control unit 11 for integrated control of the operations of the hand unit 2 and the slide joint 8.
  • OBJ is an operation target.
  • FIG. 2 shows the structure of the fingertip portion 5.
  • (A) is sectional drawing of the side surface direction (figure from the same direction as the fingertip part 5 of FIG. 1) of the fingertip part 5
  • (b) is a figure of the abdominal surface which is a contact surface of a finger and an object.
  • (A) is sectional drawing in the tangent AA 'of (b).
  • An optical slip sensor module 9 and a contact sensor module 10 are provided on the frame 21 of the fingertip portion 5.
  • Reference numeral 22 denotes an LSI chip that processes and communicates information obtained from these sensors (9 and 10)
  • reference numeral 23 denotes a signal line connecting the sensor and the LSI chip 22
  • reference numeral 24 denotes an LSI chip 22.
  • Reference numeral 25 denotes a relay circuit for connecting a plurality of contact sensors CSG to the LSI chip 22.
  • the frame 21 is provided with a hole 27 for the optical slip sensor module 9.
  • the role of the LSI chip 22 is to perform signal processing such as digitization and noise removal on information from a plurality of sensors mounted on the finger, and collect the processed information and provide a set of signal lines to the control unit 11. Is to send via.
  • the optical slip sensor module 9 is an image of the light emitting element 28, the light guide element 29 for irradiating the object with the light output from the light emitting element, the image sensor 30, and the light incident from the hole 27.
  • a lens 31 that collects in the sensor section of the sensor 30 is provided.
  • the optical slip sensor module 9 irradiates the light output from the light emitting element toward the operation target object surface, acquires an image of the object surface irradiated with the light by the image sensor, and detects the slip sensor module from the time change of the image. The change of the relative position of the target object with respect to is calculated.
  • the slip sensor module 9 can detect the slip of the object that has contacted the hole 27.
  • the point at which this slip can be detected is the slip detection point SPT, and the slip cannot be detected at other portions.
  • a contact sensor module 10 is provided on the abdominal surface of the finger of the manipulator of the present application, and a plurality of contact sensors CSG are distributed in the contact sensor module 10.
  • the contact sensors CSG ( ⁇ 0) and CSG (+0) are arranged close to the detection point SPT of the slip sensor, and the other contact sensors (CSG ( ⁇ 3), CSG ( ⁇ 2), CSG) (-1), CSG (1), and CSG (2)) are characterized in that they are arranged so as to cover the abdominal surface of the finger widely.
  • the arrangement of the contact sensors CSG ( ⁇ 0) and CSG (+0) is characterized in that the detection point of the slip sensor comes on a straight line connecting them. With the contact sensors CSG ( ⁇ 0) and CSG (+0), it can be determined that the object and the finger are in contact on both sides of the slip detection point. Thereby, it is possible to reduce a state in which only a part is in contact with the object.
  • the position of the operation object is detected using these contact sensors, and control is performed so that the position of the operation object matches the slip detection point SPT.
  • the manipulator position is controlled so that the slip sensor works effectively when both of the contact sensors CSG ( ⁇ 0) and CSG (+0) detect contact with the operation object. If one or both of the contact sensors CSG ( ⁇ 0) and CSG (+0) do not detect contact, it is determined that the position adjustment of the manipulator is necessary.
  • the distance between the contact sensors CSG ( ⁇ 0) and CSG (+0) is DSA
  • the distance between the other adjacent contact sensors CSG is constant DSB.
  • Fig. 3 shows an overview of finger position adjustment control using the above contact sensor CSG.
  • the structure of the fingertip portion 5 in this figure is the same as the structure shown in FIG. (A) is before finger position adjustment, (b) has shown the state after finger position adjustment shown by this application.
  • the point where the operation object OBJ and the fingertip part 5 are in contact with each other is deviated from the slip sensor detection point SPT, and slip cannot be evaluated.
  • the CSG ( ⁇ 3) of the contact sensors detects contact.
  • the control unit recognizes that the position of the manipulator is not appropriate because the contact sensors CSG (-0) and CSG (+0) do not detect contact, and the contact sensor CSG (-3) detects contact. Therefore, the adjustment amount of the position of the manipulator is calculated. In this case, the position of the hand unit is adjusted by a distance of (DSB ⁇ 3 + DSA) in the ⁇ X axis direction.
  • the structure of the manipulator in FIG. 3 is the same as that in FIG.
  • One of the features of this manipulator is that it has a mechanism that slides the hand part 2 in the X-axis direction in order to easily adjust the position of the hand part 2 in the X-axis direction (front-back direction with respect to the arm part). is there.
  • the joint 8 becomes a slider, and the distance between the joint 6c and the joint 7a can be changed.
  • the position of the hand unit 2 in the X-axis direction can be changed by controlling one actuator (such as a motor) without controlling multiple joints of the arm unit 1, and the hand position can be adjusted with a short response speed. It becomes.
  • the processing necessary for the above finger position adjustment control is performed by the control unit 11.
  • Figure 4 shows the manipulator finger position adjustment control procedure for grasping and lifting an object.
  • the present invention relates to a semi-automatic control type manipulator in which a user designates an approximate position and shape of the manipulator, and the manipulator automatically adjusts a fine position and force.
  • the user When the lifting operation is started (S401), the user first designates the approximate position and shape of the manipulator and its hand.
  • the manipulator changes the position and shape according to the instruction (S402).
  • the manipulator performs a finger position adjustment operation for adjusting the finger position so that the operation object position matches the slip detection point.
  • a finger position adjustment operation for adjusting the finger position so that the operation object position matches the slip detection point.
  • S403 In the process of this operation, first, in order to grasp the object, an operation of closing the hand so that the finger contacts the object is performed (S403).
  • the contact of the object with the finger is detected using the contact sensor CSG, and the operation of closing the hand is stopped when any of the CSGs detects the contact (the hand is closed somewhat from the contact detection time, and remains at the stop. Some of the CSG's may detect contact) (S404).
  • the control unit confirms whether the contact sensors CSG ( ⁇ 0) and CSG (+0) detect contact (S405). If the contact is detected, it is determined that the hand position is appropriate and the operation moves to the lifting operation (S409). When one or both of the contact sensors CSG ( ⁇ 0) and CSG (+0) do not detect contact, an operation of slightly opening the hand is performed (S406). Thereafter, the hand position adjustment amount is calculated so that the slip detection point matches the operation object position (S407). The hand position adjustment amount is obtained from the difference between the position of the contact sensor CSG detected as contact and the positions of CSG (+0) and CSG ( ⁇ 0). Next, the hand position adjustment mechanism shown in FIG.
  • FIG. 5 shows a control procedure for lifting an object after the finger position adjusting operation mainly shown in FIG.
  • the grip force of the hand is adjusted to an appropriate force that is not too strong to prevent the object from slipping using a slip sensor.
  • the hand unit is moved by a predetermined small amount in the Z direction of FIGS. 1, 2, and 3 (S504), and the slip amount detected by the slip sensor 9 at that time is acquired (S506).
  • the shape of the hand part is changed by a predetermined amount in the finger closing direction (S506), and this is repeated until the slip in the Z-axis direction becomes zero. (Hand part shape adjustment). Rotational slip may occur instead of sliding in one direction in the Z direction.
  • the slip sensor detects rotational slip S507
  • the position of the hand unit is first changed by a predetermined amount in the positive direction of the Z axis (S510). The upper part of the object is gripped, and rotation can be suppressed. However, if the detection point of the slip sensor deviates from the operating object, the position in the Z-axis direction is restored.
  • the position of the hand unit is changed in the X-axis direction by a predetermined amount (S510).
  • S510 the position of the hand unit is changed in the X-axis direction by a predetermined amount.
  • the above-mentioned hand shape adjustment is performed once again. If the slip can be eliminated by these adjustments, the lifting operation is performed as it is (S512). If slippage is detected even after these adjustments, the user is notified.
  • an optical slip sensor module includes a plurality of components such as a light source, a lens, and a sensor, it can be mounted in a volume equivalent to a human finger. It is difficult to make it very small and it is not realistic.
  • Example 1 a form in which a slip sensor and a contact sensor are mounted on the fingertip portion 5 is shown.
  • sensors that detect force. For example, if a finger is equipped with force sensors in multiple axis directions (3 axes, 6 axes, etc.) and the force received by the manipulator from the object can be recognized, the actuator that drives the manipulator can be controlled more accurately. .
  • the manipulator is an operation type manipulator operated in real time, the force received by the manipulator can be fed back to the operator.
  • FIG. 6 shows a form in which the force sensor is mounted on the same fingertip.
  • the force sensor 61 can detect the forces in the three-axis directions of XYZ shown in the drawing.
  • Examples of force sensors include those using strain gauges, optical sensors using light emitting elements and position detectors, and sensors using piezoelectric elements.
  • the contact sensor CSG in the present embodiment is a sensor that detects whether or not it is touched (one axis (Y direction in this example), the gradation may be a low gradation such as 1 bit), whereas the force sensor in the present embodiment.
  • 61 is for detecting multi-axis forces in multiple gradations.
  • the optical slip sensor 9 is mounted on the frame 62 on the finger pad surface, and the multiaxial force sensor 61 is disposed on the finger back side of the slip sensor 9.
  • the fingertip frame is composed of a frame 62 on the finger pad surface and a frame 63 serving as a base.
  • the base frame 63 is connected to the joints on the base side of the finger (7b and 7c in FIG. 1), and the frame 62 on the finger pad surface is configured to be movable with respect to the base frame 63.
  • the sensor is fixed to the base frame 63, and the slip sensor 9 and the contact sensor 10 are fixed to the frame 62 on the finger pad surface.
  • the fingertip abdominal portion including the finger pad surface frame 62, the contact sensor 10, and the slip sensor 9 is displaced relative to the fingertip base portion including the base frame 63 and the force sensor 61.
  • a force is applied to the force sensor in contact with the fingertip abdomen, and the force sensor detects the force.
  • Reference numeral 64 in the drawing is a material (such as rubber) having a softness that does not impair the displacement of the fingertip abdomen relative to the fingertip base.
  • the cross section of the base frame 63 has a comb structure.
  • the comb portion 65 is a portion for fixing the force sensor 61
  • the comb portion 66 is a portion for protecting the LSI chip 22 and the board 24.
  • the force sensor has been described as having multiple axes. However, although less information is obtained, a uniaxial force sensor can also be used.
  • the mounting shown in the present embodiment makes it possible to mount both an optical slip sensor with a strict measurement distance and a limited deformation amount and a force sensor that requires deformation at the fingertip.
  • the force sensor By mounting the force sensor not on the surface of the finger but inside, the volume of the sensor can be increased and the dynamic range of the sensor can be widened. Further, as a secondary effect, since the fingertip abdomen is movable with respect to the base, the flexibility of the finger is increased.
  • FIG. 7 shows a form in which the contact sensor CSG of the fingertip portion 5 is different from the first embodiment.
  • This figure corresponds to FIG. 2B in the first embodiment.
  • a plurality of contact sensor arrays are mounted in the Z direction (direction perpendicular to the front-rear direction of the fingertip portion on the finger pad surface).
  • both contact sensors CSG2 ( ⁇ 0) and CSG2 (+0) detect contact, it is determined that the slip detection point SPT is in contact with the object. For example, if only CSG1 (2) detects contact, both CSG2 ( ⁇ 0) and CSG2 (+0) will place finger positions in the negative Z-axis and negative X-axis directions to detect contact Make adjustments.
  • the operability of an object having few flat portions in the Z-axis direction is improved and finer finger position adjustment is possible.
  • FIG. 8 shows a form in which slipping is detected by a method different from that in the first, second, and third embodiments.
  • (A) is the figure which showed the state at the time of lifting an object from the upper direction
  • (b) is the figure which showed this from the horizontal direction.
  • the manipulator shown in FIG. 1 has dedicated slip detection tentacles 81, 82, 83 for detecting slip.
  • a contact sensor CSG is mounted on the lower surface (operation object contact surface) of the slip detection tentacle 83 (FIG. 8C).
  • the shape of the tentacle for slip detection is controlled so as to contact the upper surface of the operation object OBJ, and the position of the tentacle for slip detection is fixed at that position.
  • the contact sensor of the slip detection tentacle 83 is in a state of detecting contact. After that, the object is lifted.
  • the slip detection tentacle 83 moves away from the object, the slip detection tentacle contact sensor CSG does not detect contact, and the manipulator can detect that the object has slipped. .
  • Examples 1, 2, 3, and 4 the contents of the invention are shown by taking up the manipulator, but these contents apply to the entire work machine that operates some object, and the shape is similar to that of a human hand.
  • the manipulator is not limited to a narrow sense.
  • the optical type is taken up and described as the slip sensor. However, it is not necessarily limited to the optical type, and the contact state shown in Example 4 or a piezoelectric element is used. Sensor may be used.
  • slip detection is also effective for the operation of tracing the object surface with the fingertip of the manipulator.
  • the operating object can be operated at the slip detection point.
  • the object does not always come into good contact with the slip detection point, but this problem can be solved.

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Abstract

　物体を把持するマニプレータ装置において、様々な大きさや形状の物体をより適切な力で操作することを可能とする。 アーム部とハンド部から成り、当該ハンド部は、対象物体を操作するための１つまたは複数の指部を有するマニプレータ装置であって、前記指部に、滑りセンサと、前記滑りセンサに近接する位置および前記滑りセンサから離れた位置に複数の接触センサを配置するとともに、前記滑りセンサから離れた位置に配置した接触センサが対象物体の接触を感知し前記滑りセンサに近接する位置に配置した接触センサが接触を感知しない場合に、前記滑りセンサの検知位置が前記対象物体の位置となるように、前記対象物体の接触を感知した接触センサと前記滑りセンサに近接する位置に配置した接触センサの距離だけ前記指部の位置を移動する制御を行う制御部を備える。

Description

マニプレータ装置
　本発明は、マニプレータ装置、特に生活空間向けのマニプレータ装置に関するものである。
　マニプレータは主に生産現場で組立などに利用されてきたが、今後は病院など公共施設や家庭などの生活空間で人の活動を補助するものとしての利用にも期待がよせられている。生活空間での利用においては、硬さ、重さ、形状、大きさなどが異なる様々な物体の扱いを行う必要がある。
　そのための手段としては、マニプレータの物体に接触する部分にセンサを配置し、このセンサからの情報を用いて制御を行うことが挙げられる。この用途のセンサとしては、物体とマニプレータとの間に発生する圧力を検知する圧力センサが代表的である。しかしながら、対象物が多岐にわたり硬度や重量が異なる場合、一定の圧力での操作は不都合があり、物体に応じてマニプレータが発生する力を変化させる必要がある。対象物体によらず一定の力で物体を操作すると、物体を破壊したり、物体を把持する際に滑り落ちたりということが発生する。これを解決する手段の一つは、マニプレータに対する物体の相対位置（滑り）を検知しそれを元に力を制御することである。
　滑りを検知するセンシング方式は複数考えられる。生活空間での利用では、軽量物の操作も非常に重要となる。このような場合、センサにかかる力は微小であるため、センサの変形を必要としない光学式のセンサが有力な候補である。
　光学式の滑りセンサを有効に働かせるためには、操作する物体に滑り検知ポイントを合わせる必要がある。特許文献１では、マニプレータの指に光学式の滑りセンサを実装し、指姿勢調整手段と少なくとも２つの感圧素子を設けることにより、その指の角度を滑りセンサにとって最適となるよう制御することが提案されている。
特開２０１０－２０１５３８号公報
　生活空間での利用においては様々な大きさや形状の物体の操作をする必要があり、特許文献１に示される指先の角度の調整のみでは、操作物体がセンサの滑り検知ポイントに合わない場合が多々ある。例えば、円筒の物体や指に比べて小さな物体を操作する場合、指の一部の狭い部分のみが物体と接触し、滑りセンサがその接触部に配置されておらず滑りを検出できないという問題が発生する。
　本発明は、物体を把持するマニプレータ装置において、様々な大きさや形状の物体をより適切な力で操作することを可能とすることを目的とする。
　本願において開示される発明のうち代表的なものを挙げれば、下記の通りである。
　本発明のマニプレータ装置は、アーム部とハンド部から成り、当該ハンド部は、対象物体を操作するための１つまたは複数の指部を有するマニプレータ装置であって、前記指部に、滑りセンサと、前記滑りセンサに近接する位置および前記滑りセンサから離れた位置に複数の接触センサを配置するとともに、前記滑りセンサから離れた位置に配置した接触センサが対象物体の接触を感知し前記滑りセンサに近接する位置に配置した接触センサが接触を感知しない場合に、前記滑りセンサの検知位置が前記対象物体の位置となるように、前記対象物体の接触を感知した接触センサと前記滑りセンサに近接する位置に配置した接触センサの距離だけ前記指部の位置を移動する制御を行う制御部を備えたものである。これにより、滑りセンサの滑り検知ポイントに操作物体が接触するように、マニプレータの指の位置を変更できる。
　本発明のマニプレータ装置によれば、様々な大きさや形状の物体をより適切な力で操作することが可能になる。
本発明の実施例１のマニプレータシステムの構成図である。 本発明の実施例１の指先端部の構成を示す図である。 本発明の実施例１の位置調整の概要を示す図である。 本発明の実施例１の指位置調整手順を示す図である。 本発明の実施例１の物体持上げ手順を示す図である。 本発明の実施例２の指先端部の構成を示す図である。 本発明の実施例３の指先端部の構成を示す図である。 本発明の実施例４の滑り検知のための構成を示す図である。
　以下に、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
　なお、本発明において、滑りセンサとは、センサと物体との相対位置の変化を検知する手段やデバイスを示すものであり、実施例１に示される光学式の滑りセンサ、実施例４に示される接触式のセンサ、圧電素子を利用したセンサなどがある。
　図１は、実施例１のマニプレータの一形態を示す。本図においては説明の便宜上、左から右に向かう方向にX軸を、下から上に向かう方向にY軸を、紙面の裏から表向きにZ軸をとる。Z軸の負方向が重力方向である。本願における以降の図は、この図１に合わせるようにXYZ軸を記載する。
　マニプレータは、アーム部１と、ハンド部２と、これらを接続する接続部から構成されている。アーム部１はポール部３ａ、３ｂから構成されており、ハンド部２は指部４、５から構成されており、アームとハンドの接続部はスライド型接合部８から構成されている。アーム部１およびハンド部２には回転を行う関節部６ａ、６ｂ、６ｃ、７ａ、７ｂ、７ｃが設けられている。ハンドの指先部５には、滑りセンサモジュール９と、接触センサモジュール１０が搭載される。接触センサとは、物体とマニプレータの接触を検知するセンサであり、タッチディスプレイセンサや、圧力センサがこれにあたる。スライド型接合部８には、ハンド部２およびスライド型接合部８の動作を統合制御するための制御部１１が設けられている。OBJは操作対象物である。
　図２は、指先部５の構造を示したものである。（ａ）は指先部５の側面方向（図１の指先部５と同方向からの図）の断面図であり、（ｂ）は指と物体との接触面である腹面の図である。（ａ）は、（ｂ）の接線AA’における断面図である。指先部５のフレーム２１には、光学式滑りセンサモジュール９および接触センサモジュール１０が設けられている。符号２２はこれらのセンサ（９と１０）から得られた情報の処理および通信を行うLSIチップであり、符号２３はセンサとLSIチップ２２を接続する信号線であり、符号２４はLSIチップ２２を実装するボードであり、符号２５は複数の接触センサCSGをLSIチップ２２に接続するための中継回路である。フレーム２１には光学式滑りセンサモジュール９用の穴２７が設けられている。また、LSIチップ２２の役割は、指に搭載された複数のセンサからの情報に対してデジタル化およびノイズ除去などの信号処理を行い、処理後の情報をまとめ制御部１１に一組みの信号線を介して送信することである。センサの近傍の指部内でデジタル化および信号処理を行うことで、制御部までの配線でのノイズの影響を受けにくくする効果および制御部の処理量を減らす効果がある。
　上記の光学式滑りセンサモジュール９は、発光素子２８と、発光素子が出力した光を穴２７から物体に照射するための光ガイド素子２９と、イメージセンサ３０と、穴２７から入射した光をイメージセンサ３０のセンサ部に集めるレンズ３１を備える。光学式滑りセンサモジュール９は、発光素子が出力した光を操作対象物体表面に向けて照射し、光が照射された物体表面の画像をイメージセンサで取得し、その画像の時間変化から滑りセンサモジュールに対する対象物体の相対位置の変化を算出するものである。本図において、滑りセンサモジュール９は、穴２７の部分に接触した物体の滑りを検知できる。この滑りを検知できるポイントは滑り検知ポイントSPTとなり、それ以外の部分では滑りを検知することができない。
　図２の（ｂ）に示すように、本願のマニプレータの指の腹面には、接触センサモジュール１０が設けられており、接触センサモジュール１０には複数の接触センサCSGが分布配置されている。本実施例において、接触センサCSG（－0）とCSG（＋0）が滑りセンサの検知ポイントSPTに近接して配置され、それ以外の接触センサ（CSG（－3）、CSG（－2）、CSG（－1）、CSG（1）、CSG（2））は指の腹面を広く覆うように配置されている点が、配置の特徴である。
　また、接触センサCSG（－0）とCSG（＋0）の配置を、それらを結ぶ直線上に滑りセンサの検知ポイントがくるようにする点も配置の特徴である。接触センサCSG（－0）とCSG（＋0）により滑り検知ポイントの両側で物体と指部が接触していることを判断できる。これにより、一部のみが物体に接触しているという状態を減らすことが可能となる。
　本願では、これらの接触センサを用いて操作物体の位置を検知し、操作物体の位置と滑り検知ポイントSPTが一致するよう制御する。これらの接触センサを用いると、接触センサCSG（－0）とCSG（＋0）の両方が操作物体との接触を検知した場合には滑りセンサが有効に働くようにマニプレータ位置が制御されていると判断でき、接触センサCSG（－0）とCSG（＋0）の何れか一方あるいは両方が接触を検知しない場合にはマニプレータの位置調整が必要と判断する。また、図２においては、接触センサCSG（－0）とCSG（＋0）の距離をDSA、それ以外の隣り合う接触センサCSG間の距離は一定のDSBとしている。
　図３に上記の接触センサCSGを用いた指位置調整制御の概要を示す。本図の指先部５の構造は図２で示す構造と同一である。（ａ）は指位置調整前であり、（ｂ）は本願で示す指位置調整後の状態を示している。
　調整前の（ａ）においては、操作物体OBJと指先部５が接触しているポイントが滑りセンサ検知ポイントSPTからずれており、滑りを評価できない。本例は、接触センサの内CSG（－3）のみが接触を検知している場合である。制御部は、接触センサCSG（－0）とCSG（＋0）が接触を検知していないことから、マニプレータの位置が適切でないことを認識し、接触センサCSG（－3）が接触を検知していることからマニプレータの位置の調整量を算出する。このケースにおいては、ハンド部を－X軸方向に（DSB×3＋DSA）の距離だけ位置調整する。
　この位置調整後の状態を（ｂ）に示す。この結果、操作物体の位置と滑りセンサ検知ポイントが一致しており、滑りを正しく検知できる状態となる。この時、接触センサCSG（－0）とCSG（＋0）が接触を検知しており、制御部は正しく位置調整ができたことを認識できる。
　図３のマニプレータの構造は、図１と同様である。本マニプレータの特徴の一つは、ハンド部２の位置をX軸方向（アーム部に対して前後方向）に簡便に調整するために、ハンド部２をX軸方向にスライドさせる機構を持つことである。接合部８の部分がスライダとなり、関節部６ｃと関節部７ａ間の距離を変更できる。この機構により、アーム部１の複数の関節を制御せずに、一つのアクチュエータ（モータなど）の制御でハンド部２のX軸方向の位置を変更でき、短い応答速度でハンド位置の調整が可能となる。
  以上の指位置調整制御に必要な処理は、制御部１１にて行われる。
　図４に、物体を掴み持上げる際のマニプレータの指位置調整制御手順を示す。本例においては、使用者がマニプレータのおおよその位置形状を指示し、細かな位置や力の調整をマニプレータが自動で行う半自動制御タイプのマニプレータに関する。
　持ち上げ操作を開始すると（S401）、最初に使用者がマニプレータおよびそのハンドのおおよその位置形状を指示する。マニプレータはその指示に従って位置と形状を変更する（S402）。
  次にマニプレータは、操作物体位置が滑り検知ポイントに一致するよう指の位置を調整する指位置調整動作を行う。この動作の過程では、まず、物体を掴むために、物体に指が接触するようにハンドを閉じる動作を行う（S403）。物体の指への接触は接触センサCSGを用いて検知し、CSGの何れかが接触を検知した時点でハンドを閉じる動作を停止する（接触検知時点より幾分ハンドが閉じることで、停止時には残りのCSGの内のいくつかは接触を検知する可能性がある）（S404）。ハンド閉動作停止後、制御部は、接触センサCSG（－0）とCSG（＋0）が接触を検知しているかどうかを確認する（S405）。これらが接触を検知している場合、ハンド位置は適切であると判断し持上げ動作に移行する（S409）。接触センサCSG（－0）とCSG（＋0）の何れかまたは両方が接触を検知していない場合は、ハンドを少し開く動作を行う（S406）。その後、滑り検知ポイントが操作物体位置と一致するようハンド位置調整量を算出する（S407）。ハンド位置調整量は、接触と検知している接触センサCSGの位置と、CSG（＋0）およびCSG（－0）の位置の差分から求める。次に、図３に示したハンド位置調整機構を用いて、ハンド位置を算出した調整量分だけ変更する（S408）。この調整後もう一度ハンド閉動作を行う（S403）。ハンド位置を調整したため滑り検知ポイントが操作物体位置と一致する。接触センサCSG（－0）とCSG（＋0）が接触を検知するのを確認後（S405）、持上げ動作に遷移する（S409）。
　図５は、図４において主に示した指位置調整動作の後の、物体を持上げる際の制御手順を示す。この持上げ動作においては滑りセンサを利用して物体が滑らない程度の強すぎない適切な力にハンドの握力を調整する。本例においては、Z軸の正の方向に持上げる場合について記載する。
  持上げ動作においては、ハンド部を図１、図２、図３のZ方向に予め決めておいた微小量移動させ（S504）、その時に滑りセンサ９が検知した滑り量を取得する（S506）。滑りセンサがZ軸方向の滑りを検知した場合は、ハンド部の形状を指を閉じる方向に予め決めておいた量だけ変化させ（S506）、これをZ軸方向の滑りが0になるまで繰り返す（ハンド部形状調整）。
  Z方向への1方向の滑りではなく、回転滑りが発生する場合もある。滑りセンサが回転滑りを検知すると（S507）、ハンド部の位置を先ずZ軸の正の方向に予め決めておいた量だけ変化させる（S510）。物体のより上部を掴むことになり回転を抑制できる。ただし、これによって滑りセンサの検知ポイントが操作物体とずれた場合には、Z軸方向の位置を元に戻す。また、Z軸方向の調整によっても回転が抑制できない場合は、ハンド部の位置をX軸方向へ予め決めておいた量だけ変化させる（S510）。これらZ軸、X軸の位置調整を行った場合、上記のハンド部形状調整をもう一度行う。
  これらの調整により滑りを排除できた場合はそのまま持上げ動作を行う（S512）。これらの調整を経ても滑りが検出される場合は使用者に通知を行う。
　生活空間で様々な大きさや形状の物体の操作を行う際には滑り検出ポイントに物体がうまく接触するとは限らず問題となるが、本発明を用いるとこの問題を解決できる。別の方法として、滑りセンサモジュールを複数実装するという手段が考えられるが、光学式滑りセンサモジュールは、光源、レンズ、センサなど複数の部品を含むため、人の指程度の体積に多数搭載できる程度に小さくするのは困難であり、現実的ではない。
　実施例１では、指先部５に滑りセンサと接触センサを実装した形態について示した。これらのセンサに加え、力を検知するセンサの搭載も有効である。例えば、複数軸方向（3軸、6軸など）の力センサを指部に具備しマニプレータが物体から受ける力を認識できると、マニプレータを駆動するアクチュエータの制御をより正確に行うことが可能となる。また別の用途として、人がリアルタイムで操作する操作型のマニプレータである場合、マニプレータが受ける力を操作者にフィードバックすることが可能となる。
　図６では、力センサを同一指先部に実装する形態について示す。３軸の場合、力センサ６１は図に記したXYZの３軸方向の力を検出できる。力センサには、ひずみゲージを用いたもの、発光素子とポジションディテクタを用いた光学式のもの、圧電素子を用いたものなどがある。本実施例における接触センサCSGは接触したかどうかを検出するセンサ（1軸（本例ではY方向）、階調は１bitなど低階調でよい）であるのに対し、本実施例における力センサ６１は多軸の力を多階調で検出するものである。
　光学式滑りセンサと多軸の力センサの両方を、狭い指先部の表面に実装するのは困難である。この理由は、光学式滑りセンサが対象物までの距離を一定近距離（例えば、1mm以下の誤差）に保つことが必要である一方で、一般に力センサは検出部の変形を必要とし、ダイナミックレンジを確保しようとするとある程度の体積の変形部分が必要となるためである。変形を許容しない光センサと、変形が必要な力センサという、矛盾する要求をもつ両センサを指の狭エリアに実装する方式が必要である。
　このため、本実施の形態においては、図6に示すように、光学式滑りセンサ９を指腹面のフレーム６２に実装し、この滑りセンサ９の指背面側に多軸力センサ６１を配置する。指先部のフレームは指腹面のフレーム６２と、ベースとなるフレーム６３からなる。ベースとなるフレーム６３が指の根元側の関節（図1の７ｂ、７ｃ）に接続されており、このベースとなるフレーム６３に対して指腹面のフレーム６２は可動となるように構成され、力センサはベースとなるフレーム６３に対して固定され、滑りセンサ９と接触センサ１０は指腹面のフレーム６２に対して固定される。物体操作時に指先部の腹面に力がかかると、指腹面のフレーム６２と接触センサ１０と滑りセンサ９を含む指先腹部は、ベースとなるフレーム６３と力センサ６１を含む指先ベース部に対して変位する。この時、指先腹部に接触している力センサに力がかかり、力センサはその力を検知する。本図の符号６４の部分は指先腹部の指先ベース部に対する変位が損なわれない柔らかさを有する物質（ゴムなど）である。また、図6の（ａ）に示すようにベースとなるフレーム６３の断面は櫛形構造となる。櫛部６５は力センサ６１を固定するための部分であり、櫛部６６はLSIチップ２２とボード２４を保護するための部分である。
  本実施例において、力センサが多軸のもので説明したが、得られる情報は少なくなるが、1軸の力センサでも用いることができる。
　本実施例に示した実装により、測定距離に厳しく変形量に制約のある光学式滑りセンサと変形が必要な力センサの両方を指先部に実装することが可能となる。力センサを指の表面でなく内部に実装することで、センサの体積を大きくすることができ、センサのダイナミックレンジを広くすることができる。また、副次的な効果としては、指先腹部がベース部に対して可動する構造となるため、指の柔軟性が高まるという点がある。
　図7に、指先部５の接触センサCSGの配置が、実施例１とは異なる形態を示す。本図は実施例１における図２（ｂ）に対応する。本実施の形態では、Z方向（指腹面における指先部の前後方向に垂直な方向）に複数の接触センサ列が実装される。
  本例では、接触センサCSG2（－0）とCSG2（＋0）の両方が接触を検知する場合に、滑り検知ポイントSPTが物体に接触していると判断する。例えば、CSG1（2）のみが接触を検知した場合には、CSG2（－0）とCSG2（＋0）の両方が接触を検知するようZ軸の負の方向とX軸の負の方向に指位置調整を行う。
　本実施例によれば、Z軸方向に対して平らな部分が少ない物体などの操作性が向上し、より細かな指位置調整が可能となる。
　図８は、実施例1、2、3とは異なる方式で滑りを検知する形態を示す。（ａ）は物体を持ち上げる際の状態を上方向から示した図であり、（ｂ）はこれを水平方向から示した図である。
　本形態では、図1に示すマニプレータに対して、滑りを検知する専用の滑り検知用触手８１，８２，８３を有する。この滑り検知用触手８３の下面（操作物体接触面）には接触センサCSGが実装される（図8（ｃ））。
　次に物体を持ち上げる際の手順を示す。操作物体OBJの上面に接触させるよう滑り検知用触手の形状を制御し、その位置で滑り検知用触手の位置を固定する。この時、滑り検知用触手８３の接触センサは接触を検知した状態となる。
  その後、物体を持ち上げる動作を行う。物体が上手く持ち上げられず滑りが発生した場合は、滑り検知用触手８３が物体から離れ、滑り検知用触手の接触センサCSGが接触を検知しない状態となり、本マニプレータは物体が滑ったことを検知できる。
  逆に滑りが発生せず物体を上手く持ち上げられた場合は、滑り検知用触手８３が物体から離れず、滑り検知用触手の接触センサCSGは接触を検知した状態を持続する。これにより本マニプレータは物体が滑らなかったことを検知できる。
  本方式は、接触センサのみで滑りが検知できること、および、上面に接触センサが触れられる物体の場合には指位置調整が必要ないことという利点を持つ。
　以上、実施例1、2、3、4では、マニプレータをとりあげ発明の内容を示したが、これらの内容は何らかの物体を操作する作業機械全体に当てはまるものであり、人の手に形状が類似する狭義のマニプレータに限定するものではない。また、実施例1、2、3においては滑りセンサとして光学式を取り上げ記載したが、必ずしも光学式に限定するものではなく、実施例４に示される接触状態を検知するものや、圧電素子を利用したセンサでもよい。
　滑りセンサを用いると、物体が滑らない程度の適切な力をかけ物体を掴むという処理が可能となり、重さや摩擦係数や形状などが分からない様々な物体を掴むことが可能となる。また、滑りの検知は、物体表面をマニプレータの指先でなぞる操作にも有効である。
　本発明を用いると、操作物体を滑り検出ポイントで操作することができる。生活空間で様々な大きさや形状の物体の操作を行う際には滑り検出ポイントに物体がうまく接触するとは限らず問題となるが、この問題を解決できる。
１　マニプレータのアーム部
２　マニプレータのハンド部
３ａ、３ｂ　アーム部を構成するポール部
４　ハンド部を構成する指部
５　ハンド部を構成する指先部
６ａ、６ｂ、６ｃ　アーム部の関節部
７ａ、７ｂ、７ｃ　ハンド部の関節部
８　スライド型接合部
９　滑りセンサモジュール
１０　接触センサモジュール
１１　ハンド部および接合部の統合制御部
２１　指先部のフレーム
２２　センサ情報処理LSIチップ
２３　信号線
２４　センサ情報処理ボード
２５　中継回路
２８　発光素子
３０　イメージセンサ
６１　力センサ
６２　指腹面のフレーム
６３　ベースとなるフレーム
８１、８２、８３　滑り検知用触手
OBJ　操作対象物体
CSG　接触センサ
SPT　滑り検知ポイント。

Claims (11)

  1. 　アーム部とハンド部から成り、当該ハンド部は、対象物体を操作するための１つまたは複数の指部を有するマニプレータ装置であって、
    　前記指部に、滑りセンサと、前記滑りセンサに近接する位置および前記滑りセンサから離れた位置に複数の接触センサを配置するとともに、
    　前記滑りセンサから離れた位置に配置した接触センサが対象物体の接触を感知し前記滑りセンサに近接する位置に配置した接触センサが接触を感知しない場合に、前記滑りセンサの検知位置が前記対象物体の位置となるように、前記対象物体の接触を感知した接触センサと前記滑りセンサに近接する位置に配置した接触センサの距離だけ前記指部の位置を移動する制御を行う制御部を備えたことを特徴とするマニプレータ装置。
  2. 　請求項1記載のマニプレータ装置において、
    　前記制御部は、前記指部により対象物体を把持して持ち上げた場合に、前記滑りセンサにより滑りを検知すると、前記指部による対象物体の把持力を強めるように調整することを特徴とするマニプレータ装置。
  3. 　請求項２記載のマニプレータ装置において、
    　前記制御部は、前記指部により対象物体を把持して持ち上げた場合に、前記滑りセンサにより回転滑りを検知すると、前記指部による対象物体の把持位置を変更することを特徴とするマニプレータ装置。
  4. 　請求項１記載のマニプレータ装置において、
    　前記ハンド部を前記アーム部に対して前後方向に移動するスライド機構を有することを特徴とするマニプレータ装置。
  5. 　請求項１記載のマニプレータ装置において、
    　前記滑りセンサは、発光素子とイメージセンサを含む光学式滑りセンサであることを特徴とするマニプレータ装置。
  6. 　請求項１記載のマニプレータ装置において、
    　前記滑りセンサに近接する接触センサは、それらのうちの２つを結ぶ直線上に前記滑りセンサの滑り検知ポイントがくるように配置されることを特徴とするマニプレータ装置。
  7. 　請求項１記載のマニプレータ装置において、
    　前記指部は、更に、力センサを備え、
    　前記指部のフレームは、その相対位置が変化するベース部のフレームと指腹部のフレームからなる構造を有し、
    　前記滑りセンサおよび前記接触センサと、前記力センサとはそれらの異なるフレームに実装されることを特徴とするマニプレータ装置。
  8. 　請求項７記載のマニプレータ装置において、
    　前記滑りセンサと前記接触センサは物体接触面の情報を検知できるように前記指腹部のフレームに固定され、前記力センサは前記ベース部のフレームに固定され、
    　前記力センサは、前記ベース部のフレームと、前記指腹部のフレームとの間に配置され、これらの間に生じる力を検知することを特徴とするマニプレータ装置。
  9. 　請求項７記載のマニプレータ装置において、
    　前記力センサは、多軸の力センサであることを特徴とするマニプレータ装置。
  10. 　請求項１記載のマニプレータ装置において、
    　前記指部に配置する複数の接触センサとして、指先方向に垂直な方向に、複数の接触センサ列を配置することを特徴とするマニプレータ装置。
  11. 　請求項１記載のマニプレータ装置において、
    　前記滑りセンサとして、滑り検知用触手を有し、当該滑り検知用触手の物体接触面に接触センサを実装した滑りセンサを用いることを特徴とするマニプレータ装置。
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