WO2019097980A1

WO2019097980A1 - 把持システムおよび把持方法

Info

Publication number: WO2019097980A1
Application number: PCT/JP2018/039756
Authority: WO
Inventors: 嘉将遠藤
Original assignee: Thk株式会社
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2018-10-25
Publication date: 2019-05-23
Also published as: US20200269445A1; CN111356562A; DE112018005581T5; US11370130B2; JP2019089173A; JP7126817B2; CN111356562B

Abstract

本発明は、ハンド機構における各指部の関節部を駆動させるためのモータの大型化や該モータの発熱量の増加を抑制しつつ、対象物を安定して把持する。ハンド機構は、各指部における第１関節部を駆動させる第１駆動機構と、各指部における第１関節部よりも先端部から離れて位置する第２関節部を駆動させる第２駆動機構とを有している。また、第２駆動機構は第１駆動機構よりもバックドライバビリティが小さい機構である。そして、対象物に接触させた状態の把持用指部から該対象物に対して押圧力を付与する際には、第２駆動機構のモータを停止させたまま、第１駆動機構のモータを第１関節部が屈曲する方向に回転駆動させる。

Description

把持システムおよび把持方法

　本発明は、複数の指部により対象物を把持するハンド機構を備えた把持システム、および、該ハンド機構による対象物の把持方法に関する。

　従来、ロボット等に取り付けられるハンド機構が開発されている。また、ハンド機構として、複数の指部によって対象物を把持するものが知られている。例えば、特許文献１においては、複数の指部を有するハンド機構（手の平構造）であって、各指部に複数の関節部を有する構造が開示されている。この特許文献１に開示のハンド機構においては、各指部における各関節部が歯車（平歯車）の回転軸によって構成されている。さらに、各指部における各関節部の駆動ユニットとして、モータおよびウォームギアが設けられている。そして、モータの回転力がウォームギアおよび減速ギアを介して各関節部を構成する各歯車に伝達され、それによって、各関節部が駆動される。

特開２００３－２６６３５７号公報

　ハンド機構において、複数の指部によって対象物を安定して把持するためには、該対象物を把持している期間中、該指部から該対象物に対して適切な押圧力を継続して付与する必要がある。ここで、ハンド機構では、指部の関節部を駆動させるための駆動機構としてモータが用いられる場合がある。例えば、モータを回転駆動させ、その回転力をギア（平歯車、傘歯車、またはウォームギア等）によって関節部の回転軸に伝達させることで、該関節部を駆動させることができる。また、駆動機構としてモータを用いた場合、指部から対象物に対して押圧力を付与する際には、該指部の先端部を対象物に接触させた状態で、該指部の関節部が屈曲する方向にモータを回転駆動させる。

　このとき、指部において、対象物が接触する先端部から比較的離れている関節部の駆動機構によって該関節部を駆動させることで該対象物に対し十分な押圧力を付与しようとすると、該指部の先端部に荷重が掛かることで生じるモーメントに対抗するために、モータの出力をより大きくする必要がある。しかしながら、モータの出力を大きくすると、該モータの大型化や、該モータの発熱量の増加といった問題を招く虞がある。

　本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、複数の指部により対象物を把持するハンド機構を備えた把持システムにおいて、各指部の関節部を駆動させるためのモータの大型化や該モータの発熱量の増加を抑制しつつ、該対象物を安定して把持することが可能な技術を提供することを目的とする。

　本発明に係る把持システムは、複数の指部によって対象物を把持するハンド機構を備えた把持システムであって、前記ハンド機構の各指部には、第１関節部と、該第１関節部よりもその先端部から離れて位置する第２関節部とが形成されており、前記ハンド機構は、各指部における前記第１関節部を駆動させる第１駆動機構と、各指部における前記第２関節部を駆動させる第２駆動機構とを有し、前記第１駆動機構および前記第２駆動機構は、それぞれ、モータを含んで構成されており、且つ、前記第２駆動機構は前記第１駆動機構よりもバックドライバビリティが小さい機構であって、前記把持システムが、前記ハンド機構によって前記対象物を把持する際に該ハンド機構を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記ハンド機構によって前記対象物を把持する際に、前記複数の指部のうち該対象物の把持に用いる把持用指部の先端部を該対象物に接触させた状態で、該把持用指部における前記第２駆動機構のモータを停止させたまま、該把持用指部における前記第１駆動機構のモータを前記第１関節部が屈曲する方向に回転駆動させ、それによって、該把持用指部から該対象物に対して押圧力を付与する。

　本発明によれば、複数の指部により対象物を把持するハンド機構を備えた把持システムにおいて、各指部の関節部を駆動させるためのモータの大型化や該モータの発熱量の増加を抑制しつつ、該対象物を安定して把持することができる。

実施例に係るロボットアームの概略構成を示す図である。実施例に係るハンド機構の斜視図である。実施例に係るハンド機構の上面図である。実施例に係るハンド機構の指部の側面図である。実施例に係るハンド機構の指部の先端部側を図４の矢印Ａの方向から見た図である。実施例に係るハンド機構の、ベース部における指部の接続部近傍部分の内部構造、および、指部における基端部および第２関節部の内部構造を示す図である。実施例に係るハンド機構の、指部における第１関節部および第２指リンク部の内部構造を示す図である。実施例に係るハンド機構の指部における第２関節部の可動範囲を示す図である。実施例に係るハンド機構の指部における第１関節部の可動範囲を示す図である。実施例に係るハンド機構の指部の第１リンク部における感圧センサの配置を示す図である。実施例に係るアーム制御装置およびハンド制御装置に含まれる各機能部を示すブロック図である。実施例に係るアプローチ動作制御実行されたときのハンド機構の様子を時系列に沿って示した第１の図である。実施例に係るアプローチ動作制御実行されたときのハンド機構の様子を時系列に沿って示した第２の図である。実施例に係る把持動作制御実行されたときのハンド機構の様子を時系列に沿って示した第１の図である。実施例に係る把持動作制御実行されたときのハンド機構の様子を時系列に沿って示した第２の図である。実施例に係る把持動作制御のフローを示すフローチャートである。

　本発明に係るハンド機構の各指部には、少なくとも、第１関節部および第２関節部が形成されている。そして、各指部において、該指部の先端部から第１関節部よりも離れた位置に第２関節部が形成されている。第１関節部は第１駆動機構によって駆動され、第２関節部は第２駆動機構によって駆動される。第１駆動機構および第２駆動機構はモータを含んで構成されている。つまり、各駆動機構において、モータが回転すると、その回転力が伝達機構を介して関節部の回転軸に伝達され、該関節部が駆動する。また、本発明に係るハンド機構では、第２駆動機構としては、第１駆動機構よりもバックドライバビリティが小さい機構が用いられている。

　ここで、ハンド機構によって対象物を把持する際に、複数の指部のうち該対象物の把持に用いる指部を把持用指部と称するものとする。把持用指部によって対象物を把持するためには、該把持用指部の先端部を該対象物に接触させた上で、該把持用指部から該対象物に対して押圧力を付与する必要がある。このとき、本発明に係る把持システムでは、制御装置が、把持用指部の先端部を対象物に接触させた状態で、該把持用指部における第２駆動機構のモータを停止させたまま、該把持用指部における第１駆動機構のモータを第１関節部が屈曲する方向に回転駆動させ、それによって、該把持用指部から該対象物に対して押圧力を付与する。つまり、把持用指部から対象物に対して押圧力を付与する際の駆動源としては第１駆動機構のモータのみを用いるものとする。なお、第２駆動機構のモータを停止させたままの状態としているときは、該モータに対して電流が供給されていても、供給されていなくてもよい。

　上述したように、本発明に係るハンド機構では、第２駆動機構は、第１駆動機構よりもバックドライバビリティ（逆可動性）が小さい。ここで、バックドライバビリティとは、駆動機構に対して駆動源（モータ）の駆動力の入力とは逆側から外力が入力された場合の該駆動機構の駆動のし易さを示す指標である。例えば、駆動機構が、モータの回転力を関節部の回転軸に伝達する伝達機構として歯車を含んで構成されている場合、バックドライバビリティは、互いに噛み合っている歯車に対してモータの駆動力の入力とは逆側から外力が入力された場合の該歯車の回転のし易さを示す指標である。つまり、本発明に係るハンド機構では、第２駆動機構は、第１駆動機構よりも、モータの駆動力の入力とは逆側から外力が入力された場合に駆動し難い。そのため、把持用指部において、第２駆動機構のモータを停止させたまま、第１駆動機構により第１関節部を駆動させることで把持用指部から対象物に対して押圧力を付与した場合でも、第２駆動機構がバックドライブしてしまうこと、すなわち、第２関節部が伸展方向に駆動してしまうことを抑制することができる。したがって、第１駆動機構のモータのみを駆動させた場合であっても、把持用指部から対象物に対して十分な押圧力を付与することができる。

　また、指部において第１関節部は第２関節部よりも先端部に近い位置にある。これにより、第２関節部を屈曲させたときよりも、第１関節部を屈曲させたときの方が、指部の先端部に荷重が掛かることで生じるモーメントが小さくなる。したがって、第２関節部を屈曲させたときよりも、第１関節部を屈曲させたときの方が、より小さいトルクで把持用指部から対象物に対して十分な押圧力を付与することができる。そのため、把持用指部において、第２駆動機構のモータを停止させたまま、第１駆動機構により第１関節部を駆動させることで該把持用指部から該対象物に対して押圧力を付与するようにすることで、各駆動機構における、モータの大型化や、モータの発熱量の増加を抑制しつつ、ハンド機構によって対象物を安定して把持することが可能となる。

　＜実施例＞
　以下、本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

　ここでは、本発明に係るハンド機構および把持システムをロボットアームに適用した場合について説明する。図１は、本実施例に係るロボットアームの概略構成を示す図である。ロボットアーム１は、ハンド機構２、アーム機構３、および台座部４を備えている。アーム機構３の一端にハンド機構２が取り付けられている。また、アーム機構３の他端が台座部４に取り付けられている。ハンド機構２は、アーム機構３に接続されたベース部２０と、該ベース部２０に設けられた４本の指部２１とを備えている。なお、ハンド機構２の詳細な構成については後述する。

　＜アーム機構＞
　アーム機構３は、第１アームリンク部３１、第２アームリンク部３２、第３アームリンク部３３、第４アームリンク部３４、第５アームリンク部３５、および接続部材３６を備えている。そして、ハンド機構２のベース部２０が、アーム機構３の第１アームリンク部３１の一端側に形成された第１関節部３０ａに接続されている。第１関節部３０ａには、第１アームリンク部３１に対してハンド機構２を該第１アームリンク部３１の軸周りに回転させるためのモータ（図示略）が設けられている。第１アームリンク部３１の他端側は、第２関節部３０ｂで第２アームリンク部３２の一端側に接続されている。第１アームリンク部３１と第２アームリンク部３２とはその中心軸が垂直に交わるように接続されている。そして、第２関節部３０ｂには、第２アームリンク部３２に対して、第１アームリンク部３１を、その他端側を中心に該第２アームリンク部３２の軸周りに回転させるためのモータ（図示略）が設けられている。また、第２アームリンク部３２の他端側は、第３関節部３０ｃで第３アームリンク部３３の一端側に接続されている。第３関節部３０ｃには、第３アームリンク部３３に対して第２アームリンク部３２を相対的に回転させるためのモータ（図示略）が設けられている。

　同じように、第３アームリンク部３３の他端側は、第４関節部３０ｄで第４アームリンク部３４の一端側に接続されている。また、第４アームリンク部３４の他端側は、第５関節部３０ｅで第５アームリンク部３５に接続されている。そして、第４関節部３０ｄには、第４アームリンク部３４に対して第３アームリンク部３３を相対的に回転させるためのモータ（図示略）が設けられている。また、第５関節部３０ｅには、第５アームリンク部３５に対して第４アームリンク部３４を相対的に回転させるためのモータ（図示略）が設けられている。さらに、第５アームリンク部３５は、台座部４から垂直に配置された接続部材３６に第６関節部３０ｆで接続されている。第５アームリンク部３５と接続部材３６とは、それぞれの中心軸が同軸となるように接続されている。そして、第６関節部３０ｆには、第５アームリンク部３５を、該第５アームリンク部３５および接続部材３６の軸回りに回転させるためのモータ（図示略）が設けられている。アーム機構３をこのような構成とすることで、例えば、該アーム機構３を６自由度の自由度を有する機構とすることができる。

　＜ハンド機構＞
　次に、ハンド機構２の構成について図２から図１０に基づいて説明する。図２はハンド機構２の斜視図である。図３はハンド機構２の上面図である。なお、図３において、矢印は、各指部２１の回転可動範囲を示している。図２および図３に示すように、ハンド機構２においては、ベース部２０に４本の指部２１が、ハンド機構２の長手方向（図３において紙面に垂直な方向）の軸を中心とした円周上に、等角度間隔（すなわち９０ｄｅｇ間隔）に配置されている。また、４本の指部２１は全て同一の構造を有し且つ同一の長さである。但し、各指部２１の動作は、それぞれ独立して制御される。

　図４から図１０は、ハンド機構２の指部２１の構成およびその駆動機構について説明するための図である。図４は指部２１の側面図である。なお、図４では、ベース部２０が透過された状態で記載されており、ベース部２０の内部に位置する指部２１の一部の内部構造をも示している。また、図５は、指部２１の先端部側を図４の矢印Ａの方向から見た図である。なお、図４および図５では、後述する指部２１の第２指リンク部２１２の一部が透過された状態で記載されており、該第２指リンク部２１２の内部構造をも示されている。

　図２および図４に示すとおり、各指部２１は、第１指リンク部２１１、第２指リンク部２１２、および基端部２１３を有している。そして、指部２１の基端部２１３がベース部２０に接続されている。ここで、基端部２１３は、図３において矢印で示すように、ベース部２０に対して指部２１の長手方向（図３において紙面に垂直な方向）の軸回りに回転可能に接続されている。また、指部２１において、基端部２１３に第２指リンク部２１２の一端が接続されている。そして、この第２指リンク部２１２と基端部２１３との接続部に第２関節部２３が形成されている。

　ここで、図６に基づいて基端部２１３の駆動機構および第２関節部２３の駆動機構について説明する。図６は、ベース部２０における指部２１の接続部近傍部分の内部構造、および、指部２１における基端部２１３および第２関節部２３の内部構造を示す図である。この図６に示すように、ベース部２０の内部には歯車６５、歯車６６、第２モータ５２、および第３モータ５３が設けられている。歯車６５は、指部２１全体を回転させるための歯車であり、基端部２１３の回転軸に接続されている。歯車６６は第３モータ５３の回転軸に接続されている。そして、歯車６５と歯車６６とが噛み合っている。このような構成により、第３モータ５３が回転すると、その回転力が二つの歯車６５、６６を介して基端部２１３の回転軸に伝達される。その結果、基端部２１３が回転駆動され、それに伴って、図３において矢印で示す範囲で指部２１全体が回転駆動される。このように、歯車６５、歯車６６、および第３モータ５３が、基端部２１３を駆動するための駆動機構である。

　また、第２関節部２３の内部には、ウォームホイール６３と、該ウォームホイール６３に噛み合ったウォーム６４が設けられている。そして、第２関節部２３における第２指リンク部２１２の回転軸にウォームホイール６３が接続されている。また、ベース部２０の内部に設けられた第２モータ５２の回転軸にウォーム６４が接続されている。このような構成により、第２モータ５２が回転駆動すると、その回転力がウォーム６４およびウォームホイール６３によって第２指リンク部２１２の回転軸に伝達される。その結果、第２指リンク部２１２が、基端部２１３に対して相対的に回転駆動される。このように、ウォームホイール６３、ウォーム６４、および第２モータ５２が、第２関節部２３を駆動するための駆動機構（以下、「第２駆動機構」と称する場合もある。）である。つまり、第２駆動機構の歯車としてはウォームギアが用いられている。ここで、図７は、第２駆動機構により実現される、指部２１における第２関節部２３の可動範囲を示す図である。この図７に示すように、第２関節部２３は屈曲および伸展可能に形成されている。なお、第２モータ５２による駆動力と第３モータ５３による駆動力とは、それぞれ独立してその作動対象に伝わるように構成されている。

　また、図４および図５に示すように、指部２１においては、第２指リンク部２１２の他端に第１指リンク部２１１の一端が接続されている。そして、この第１指リンク部２１１と第２指リンク部２１２との接続部に第１関節部２２が形成されている。ここで、図８に基づいて第１関節部２２の駆動機構について説明する。図８は、指部２１における第１関節部２２および第２指リンク部２１２の内部構造を示す図である。第１関節部２２の内部には、互いに噛み合った二つの傘歯車６１、６２が設けられている。そして、第１関節部２２における第１指リンク部２１１の回転軸に一方の傘歯車６１が接続されている。また、第２指リンク部２１２の内部に設けられた第１モータ５１の回転軸に他方の傘歯車６２が接続されている。このような構成により、第１モータ５１が回転駆動すると、その回転力が二つの傘歯車６１、６２によって第１指リンク部２１１の回転軸に伝達される。その結果、第１指リンク部２１１が、第２指リンク部２１２に対して相対的に回転駆動される。このように、傘歯車６１、傘歯車６２、および第１モータ５１が、第１関節部２２を駆動するための駆動機構（以下、「第１駆動機構」と称する場合もある。）である。つまり、第１駆動機構の歯車としては傘歯車が用いられている。ここで、図９は、第１駆動機構の駆動力により実現される、指部２１における第１関節部２２の可動範囲を示す図である。この図９に示すように、第１関節部２２は屈曲および伸展可能に形成されている。

　また、図２および図４に示すように、本実施例では、指部２１において、第１関節部２２よりも先端部側の第１指リンク部２１１よりも、該第１関節部２２よりベース部２０側（基端部２１３側）の第２指リンク部２１２の方が長くなっている。

　また、図２、図４、図５、および図１０に示すように、本実施例では、指部２１の第１指リンク部２１１の先端側に感圧センサ７０が設けられている。感圧センサ７０は、第１指リンク部２１１の先端部に作用する外力（圧力）を検出するセンサである。また、図４に示すように、感圧センサ７０は、第１指リンク部２１１における、第１関節部２２の屈曲方向側の壁面（以下、「屈曲側壁面」と称する場合もある。）２１５および伸展方向側の壁面（以下、「伸展側壁面」と称する場合もある。）２１６の両面に設けられている。ここで、本実施例では、第１指リンク部２１１の先端側における屈曲側壁面２１５は曲面状に形成されている。そこで、図１０に示すように、第１指リンク部２１１の先端側における屈曲側壁面２１５には、複数の感圧センサ７０をその曲面形状に沿って並べて設置してもよい。なお、感圧センサ７０としては、圧電式やひずみゲージ式、静電容量式等、周知のどのような方式のセンサを用いてもよい。

　＜台座部＞
　次に、台座部４に内蔵された、アーム制御装置４２およびハンド制御装置４３の構成について図１１に基づいて説明する。アーム制御装置４２はロボットアーム１のアーム機構３を制御するための制御装置である。ハンド制御装置４３はロボットアーム１のハンド機構２を制御するための制御装置である。図１１は、アーム制御装置４２およびハンド制御装置４３に含まれる各機能部を示すブロック図である。

　アーム制御装置４２は、アーム機構３の各関節部に設けられたモータを駆動するための駆動信号を生成する複数のドライバを含み、各ドライバからの駆動信号が対応する各モータに供給されるように構成される。また、アーム制御装置４２は、演算処理装置及びメモリを有するコンピュータを含んでいる。そして、アーム制御装置４２は、機能部として、アーム制御部４２０およびモータ状態量取得部４２１を有している。これらの機能部は、アーム制御装置４２に含まれるコンピュータにおいて所定の制御プログラムが実行されることで形成される。

　アーム制御部４２０は、ハンド制御装置４３が有する機能部である後述の対象物情報取得部４３０によって取得された対象物情報に基づいて各ドライバから駆動信号を供給することで、アーム機構３の各関節部３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆに設けられたモータを制御する。そして、アーム制御部４２０は、各モータを制御することでアーム機構３を動かし、それによって、ハンド機構２を、対象物の把持のために適した所定の把持可能位置に移動させる。また、アーム機構３の各関節部３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆに設けられたモータには、それぞれの回転状態に関する状態量（モータの回転軸の回転位置や回転速度等）を検出するエンコーダ（図示略）が設けられている。そして、各モータのエンコーダによって検出された各モータの状態量が、アーム制御装置４２のモータ状態量取得部４２１に入力される。そして、アーム制御部４２０は、モータ状態量取得部４２１に入力された各モータの状態量に基づいて、例えば、ハンド機構２が所定の把持可能位置に移動するように各モータをサーボ制御する。

　また、ハンド制御装置４３は、ハンド機構２に設けられた各モータを駆動するための駆動信号を生成する複数のドライバを含み、各ドライバからの駆動信号が対応する各モータに供給されるように構成される。また、ハンド制御装置４３は、演算処理装置及びメモリを有するコンピュータを含んでいる。そして、ハンド制御装置４３は、機能部として、対象物情報取得部４３０、ハンド制御部４３１、モータ状態量取得部４３２、センサ情報取得部４３３を有している。これらの機能部は、ハンド制御装置４３に含まれるコンピュータにおいて所定の制御プログラムが実行されることで形成される。

　対象物情報取得部４３０は、ハンド機構２よって把持すべき対象物に関する情報である対象物情報を取得する。ここで、対象物情報には、対象物の形状、寸法、およびその位置に関する情報、並びに、対象物周囲の環境情報（対象物の周囲に存在する該対象物以外の物に関する情報であり、例えば、対象物が収容されている容器の形状や当該容器における対象物の並びに関する情報）等が含まれる。この対象物情報取得部４３０は、ユーザーによって入力された対象物情報を取得してもよい。また、対象物を含む画像を撮像する視覚センサが設けられている場合、対象物情報取得部４３０は、該視覚センサによって撮像された画像から対象物情報を取得してもよい。

　また、ハンド制御部４３１は、対象物情報取得部４３０によって取得された対象物情報に基づいて各ドライバから駆動信号を供給することで、ハンド機構２の各指部２１を駆動させる各第１モータ５１、各第２モータ５２、および各第３モータ５３を制御する。例えば、ハンド制御部４３１は、アーム制御部４２０によってアーム機構３が制御されることで所定の把持可能位置に移動されたハンド機構２によって対象物を把持するために、ハンド機構２の各第１モータ５１、各第２モータ５２、および各第３モータ５３を制御する。また、ハンド機構２の各第１モータ５１、各第２モータ５２、および各第３モータ５３には、それぞれの回転状態に関する状態量（モータの回転軸の回転位置や回転速度等）を検出するエンコーダ（図示略）が設けられている。そして、各モータ５１、５２、５３のエンコーダによって検出された各モータ５１、５２、５３の状態量が、ハンド制御装置４３のモータ状態量取得部４３２に入力される。そして、ハンド制御部４３１は、モータ状態量取得部４３２に入力された各モータ５１、５２、５３の状態量に基づいて、例えば、複数の指部２１によって対象物を把持するように、各指部２１における各モータ５１、５２、５３をサーボ制御する。

　さらに、ハンド制御装置４３はセンサ情報取得部４３３を有している。センサ情報取得部４３３には、ハンド機構２の各指部２１の第１指リンク部２１１に設けられた感圧センサ７０の検出値が入力される。そして、ハンド制御部４３１は、センサ情報取得部４３３によって取得された各感圧センサ７０の検出値に基づいて、各指部２１の対象物への接触を検知でき、その検知信号に基づいて各指部２１における各モータ５１、５２、５３を制御することもできる。

　なお、ハンド機構２によって対象物を把持する場合、少なくとも２本の指部２１によって対象物を挟み込む必要がある。以下においては、ハンド機構２によって対象物を把持する際に該対象物１０を挟み込むのに用いられる指部を「把持用指部」と称する場合もある。ハンド機構２によれば、４本の指部２１のうち２本の指部を把持用指部として用いて対象物を把持することもでき、また、４本の指部２１のうち３本の指部を把持用指部として用いて対象物を把持することもでき、また、４本の指部２１の全てを把持用指部として用いて対象物を把持することもできる。

　＜アプローチ動作制御および把持動作制御＞
　ここで、本実施例に係るロボットアーム１において、対象物を把持する際に行われるアプローチ動作制御および把持動作制御について図１２Ａから図１２Ｄに基づいて説明する。ハンド機構２における把持用指部によって対象物を把持するためには、該把持用指部によって該対象物を挟み込む前に、該対象物が少なくとも２本の把持用指部の先端部の間に位置した状態となる所定の把持可能位置にハンド機構２を移動させる必要がある。このようにハンド機構２を所定の把持可能位置に移動させる制御をアプローチ動作制御と称する。また、ハンド機構２が所定の把持可能位置に位置決めされた後、把持用指部によって該対象物を挟み込むための制御を把持動作制御と称する。なお、図１２Ａから図１２Ｄにおいては、ハンド機構２おける第２指部２１Ｂおよび第３指部２１Ｃを把持用指部とする場合の動作を示している。また、図１２Ａから図１２Ｄにおいては、便宜的に、ハンド機構２における第１指部２１Ａ、第２指部２１Ｂ、および第３指部２１Ｃのみを図示しており、第４指部２１Ｄの図示を省略している。

　アプローチ動作制御においては、図１２Ａに示すように、先ず、ハンド機構２の形態を、対象物１０の把持において把持用指部として用いる第２指部２１Ｂおよび第３指部２１Ｃのそれぞれの先端部（第２指部２１Ｂの第１指リンク部２１１Ｂの先端部と第３指部２１Ｃの第１指リンク部２１１Ｃの先端部）の互いの間隔を、対象物１０における面Ｓ１（図１２Ａから図１２Ｄにおいて向かって左側の面）と面Ｓ２（図１２Ａから図１２Ｄにおいて向かって右側の面）との間の幅ｄｔよりも大きい所定の初期間隔ｄｆに広げた形態であるアプローチ形態に制御する。そして、アプローチ形態に制御されたハンド機構２を対象物１０に近づける。なお、図１２Ａにおける白抜き矢印はハンド機構２の移動方向を示している。

　ここで、アプローチ形態は、ハンド機構２の第２指部２１Ｂと第３指部２１Ｃとで対象物１０が把持された際に、これら以外の指部である第１指部２１Ａと第４指部２１Ｄは対象物１０に接触しないような形態として設定される。このようなアプローチ形態は、対象物情報取得部４３０によって取得された対象物１０の形状および寸法に関する情報に基づいて決定される。このとき、第２アプローチ形態における第２指部２１Ｂの先端部と第３指部２１Ｃの先端部との間の所定の初期間隔ｄｆは、対象物情報取得部４３０によって取得された対象物１０における面Ｓ１と面Ｓ２との間の幅ｄｔに基づいて決定される。また、ハンド機構２の形態をアプローチ形態に制御する際には、各指部２１における第１関節部２２、第２関節部２３、および基端部２１３を駆動させる各モータ５１，５２，５３がハンド制御装置４３によってサーボ制御される。

　さらに、アプローチ動作制御においては、ハンド機構２の形態をアプローチ形態とした状態で、該ハンド機構２を所定の把持可能位置に移動させるべく、アーム機構３の各モータがアーム制御装置４２によってサーボ制御される。この場合における所定の把持可能位置は、図１２Ｂに示すように、第２指部２１Ｂの先端部と第３指部２１Ｃの先端部との間に対象物１０の面Ｓ１と面Ｓ２とが位置した状態となる位置である。また、ハンド機構２を所定の把持可能位置に位置決めする際には、対象物情報取得部４３０によって取得された対象物１０の位置情報に基づいて、アーム制御装置４２によってアーム機構３が制御される。

　上記のようなアプローチ動作制御によってハンド機構２が所定の把持可能位置に位置決めされた後、把持動作制御が行われる。把持動作制御では、先ず、把持用指部の先端部を対象物１０に接触させる。つまり、図１２Ｃに示すように、第２指部２１Ｂの先端部を対象物１０の面Ｓ１に接触させるとともに、第３指部２１Ｃの先端部を対象物１０の面Ｓ２に接触させる。このとき、ハンド制御装置４３が、第２指部２１Ｂおよび第３指部２１Ｃのそれぞれにおいて、第２関節部２３が屈曲する方向に第２モータ５２を回転駆動させる。そして、ハンド制御装置４３は、各指部２１Ｂ，２１Ｃの先端部に設けられた感圧センサ７０によって対象物へ１０の接触が検知された時点で、該接触が検知された指部における第２モータ５２の駆動を停止させる。つまり、把持動作制御においては、把持用指部の先端部が対象物１０に接触した時点で、該把持用指部における各関節部の駆動機構の作動が一旦停止された状態となる。

　その上で、把持動作制御においては、把持用指部から対象物１０に対して押圧力を付与する必要がある。そこで、本実施例に係る把持動作制御では、ハンド制御装置４３が、先端部が対象物１０に接触している状態の第２指部２１Ｂおよび第３指部２１Ｃそれぞれにおいて、第１駆動機構における第１モータ５１を第１関節部２２が屈曲する方向に回転駆動させる。なお、このときに、第２駆動機構における第２モータ５２は停止させたままとする。これにより、図１２Ｄにおいて白抜き矢印で示すように、第２指部２１Ｂおよび第３指部２１Ｃから対象物１０に対して押圧力が付与されることになる。その結果、第２指部２１Ｂおよび第３指部２１Ｃによって対象物１０が把持される。

　ここで、上述したように、本実施例に係るハンド機構２では、各指部２１において、第１関節部２２を駆動させるための第１駆動機構の歯車としては二つの傘歯車６１，６２が用いられている。また、各指部２１において、第２関節部２３を駆動させるための第２駆動機構の歯車としては、ウォームホイール６３およびウォーム６４からなるウォームギアが用いられている。一般に、ウォームギアはバックドライバビリティが非常に小さい歯車である。そのため、各把持用指部において、第２駆動機構の第２モータ５２を停止させたまま第１駆動機構の第１モータ５１を回転駆動させることで第１関節部２２のみを駆動させ、それによって、把持用指部から対象物１０に対して押圧力を付与した場合でも、ウォームギア６３，６４がバックドライブしてしまうことを抑制することができる。すなわち、把持用指部から対象物１０に対して押圧力を付与しようとした場合に、該把持用指部の第２関節部２３が伸展方向に駆動してしまうことを抑制することができる。したがって、第１駆動機構の第１モータ５１のみを駆動させた場合であっても、把持用指部から対象物１０に対して十分な押圧力を付与することができる。

　また、各指部２１において第１関節部２２は第２関節部２３よりも先端部に近い位置にある。そのため、対象物１０に押圧力を付与する際に、把持用指部において、第２関節部２３を屈曲させるよりも、第１関節部２２を屈曲させる方が、その先端部に荷重が掛かることで生じるモーメントが小さくなる。したがって、把持動作制御においては、第２関節部２３を屈曲させることで対象物１０に対して押圧力を付与するよりも、第１関節部２２を屈曲させることで対象物１０に対して押圧力を付与した方が、より小さいトルクで把持用指部から対象物１０に対して十分な押圧力を付与することができる。換言すれば、第２関節部２３を屈曲させることで対象物１０に対して十分な押圧力を付与しようとすると、第１関節部２２を屈曲させる場合よりも大きなトルクが必要となる。そこで、本実施例に係る把持動作制御において把持用指部から対象物１０に対して押圧力を付与する際には、第２駆動機構の第２モータ５２は停止させたまま、第１駆動機構の第１モータ５１によって第１関節部２２を駆動させる。つまり、対象物１０に対して押圧力を付与するための駆動源を第１モータ５１のみとする。これにより、指部２１の各関節部の駆動機構における、モータの大型化や、モータの発熱量の増加を抑制しつつ、ハンド機構２によって対象物１０を安定して把持することが可能となる。

　また、本実施例に係るハンド機構２の各指部２１において、仮に、第２駆動機構のみならず第１駆動機構の歯車としてもウォームギアを用いた場合、第１駆動機構の歯車として他の種類の歯車を用いた場合に比べて、指部２１の先端部に何らかの外力が作用したときに第１関節部２２が該外力によって屈曲または伸展し難くなる。つまり、外力による衝撃を第１関節部２２の動きによって吸収し難くなる。また、一般に、ウォームギアは減速比が比較的高い。そのため、第１駆動機構の歯車としてもウォームギアを用いた場合、第１駆動機構の歯車として他の種類の歯車を用いた場合に比べて、第１駆動機構の歯車として傘歯車を用いた場合に比べて、第１関節部２２を駆動させる際の効率が低下してしまうことになる。さらに、第１駆動機構の歯車としてもウォームギアを用いた場合、指部２１の第１関節部２２にウォームホイールを設けることになる。そのため、第１関節部２２が大きくなってしまう。

　そこで、本実施例に係るハンド機構２では、第１駆動機構の歯車としては、ウォームギアよりもバックドライバビリティが大きく、また、減速比が低い傘歯車を用いる。これにより、指部２１の先端部に何らかの外力が作用したときに、該外力による衝撃を第１関節部２２の動きによって吸収し易くなる。また、第１関節部２２を駆動させる際の効率を高めることができる。また、第１関節部２２が大きくなってしまうことも抑制することができる。なお、第１駆動機構の歯車として傘歯車以外の歯車を用いることもできる。ただし、第１駆動機構の歯車として傘歯車を用いることで、他の種類の歯車を用いた場合に比べて、第１関節部２２が大きくなってしまうことをより抑制し易くなる。

　＜把持動作制御のフロー＞
　次に、本実施例に係る把持動作制御のフローについて図１３に示すフローチャートに基づいて説明する。この把持動作制御のフローは、アプローチ動作制御によってハンド機構２が所定の把持可能位置に位置決めされた後、ハンド制御装置４３において所定の制御プログラムが実行されることで実現される。

　本フローでは、先ずＳ１０１において、今回の把持動作制御におけるハンド機構２の把持用指部のうち先端部が対象物に接触していない各把持用指部における第２モータ５２が、第２関節部２３が屈曲する方向に駆動される。これによって、対象物に接触していない把持用指部の先端部が対象物に向って移動する。なお、アプローチ動作制御が完了した直後は、全ての把持用指部が対象物には接触していない状態となっている。そのため、この場合は、Ｓ１０１において、全ての把持用指部における第２モータ５２が駆動される。

　そして、次に、Ｓ１０２において、各把持用指部の感圧センサ７０によって対象物への接触が検知されたか否かが判別される。Ｓ１０２において否定判定された場合、Ｓ１０１の処理が再度実行される。一方、Ｓ１０２において肯定判定された場合、次にＳ１０３において、感圧センサ７０によって対象物への接触が検知された把持用指部における第２モータ５２の駆動が停止される。このとき、対象物への接触が検知された把持用指部における第２モータ５２への電力供給を停止してもよい。次に、Ｓ１０４において、全ての把持用指部について、対象物への接触が検知されたか否かが判別される。Ｓ１０４において否定判定された場合、Ｓ１０１の処理が再度実行される。これにより、対象物に接触していない把持用指部における第２モータ５２の駆動が継続される。ただし、この場合でも、すでに対象物への接触が検知されている把持用指部については、第２モータ５２の駆動を停止した状態が維持される。そして、Ｓ１０１からＳ１０４の処理が繰り返されることで、全ての把持用指部が対象物に接触するまでの間、感圧センサ７０によって対象物へ１０の接触が検知された時点でそれぞれの把持用指部における第２モータ５２の駆動が順次停止されることになる。

　そして、Ｓ１０４において肯定判定された場合、次にＳ１０５の処理が実行される。Ｓ１０５においては、全ての把持用指部が対象物に接触している状態で、該全ての把持用指部の第１モータ５１が、第１関節部２２が屈曲する方向に回転駆動される。このとき、各把持用指部における第２モータ５２は停止されたままの状態が維持される。つまり、各把持用指部における第２モータ５２への電力供給を停止したままとしてもよい。これにより、各把持用指部における第１モータ５１のみを駆動源として各把持用指部によって対象物が押圧される。なお、Ｓ１０５においては、必ずしも全ての把持用指部の第１モータ５１を作動させる必要はない。つまり、１本の把持用指部の第１モータ５１のみを作動させることで該把持用指部によって対象物１０を押圧してもよい。

　次に、Ｓ１０６において、把持用指部による対象物の把持が完了したか否かが判別される。なお、把持用指部による対象物の把持が完了したか否かは、各把持用指部の先端部の位置、または、各把持用指部の感圧センサ７０によって検出される圧力に基づいて判別することができる。このＳ１０６において否定判定された場合、Ｓ１０５の処理が継続される。一方、Ｓ１０６において肯定判定された場合、次にＳ１０７において、各把持用指部の第１モータ５１の駆動が停止される。これにより、その時点での、各把持用指部の先端部の位置、または、各把持用指部によって対象物にかけられる圧力が維持された状態となる。そして、今回の把持動作制御が完了したことになる。なお、Ｓ１０７においては、各把持用指部の第１モータ５１に供給する電力を、Ｓ１０６で肯定判定された時点の電力に維持するようにしてもよい。

　上記フローによれば、把持用指部の先端部を対象物に接触させる際には、把持用指部における第２モータ５２を駆動源として把持用指部が作動することになる。ただし、このときには、把持用指部の第２関節部２３を駆動させるとともに、該把持用指部における第１モータ５１を駆動源として該把持用指部の第１関節部２２も駆動させるようにしてもよい。一方、対象物に先端部が接触した状態の把持用指部によって該対象物に押圧力を付与する際には、該把持用指部における第１モータ５１のみを駆動源として把持用指部が作動することになる。

　（変形例）
　なお、上記実施例では、ハンド機構２の各指部２１の各関節部２２、２３の駆動機構としてモータおよび歯車が用いられている構成を例に挙げて説明したが、モータの回転力を関節部の回転軸に伝達する伝達機構は必ずしも歯車でなくてもよい。例えば、歯車に代えてタイミングベルトを用いてもよい。また、各関節部２２、２３の駆動機構として直動アクチュエータを用いてもよい。ただし、駆動機構の構成に関わらず、第２関節部２３を駆動させるための第２駆動機構としては、第１関節部２２を駆動させるための第１駆動機構よりもバックドライバビリティが小さい機構を用いるものとする。

１・・・ロボットアーム、２・・・ハンド機構、２０・・・ベース部、２１・・・指部、２２・・・第１関節部、２３・・・第２関節部、２１１・・・第１指リンク部、２１２・・・第２指リンク部、２１３・・・基端部、３・・・アーム機構、３０ａ・・・第１関節部、３０ｂ・・・第２関節部、３０ｃ・・・第３関節部、３０ｄ・・・第４関節部、３０ｅ・・・第５関節部、３０ｆ・・・第６関節部、３１・・・第１アームリンク部、３２・・・第２アームリンク部、３３・・・第３アームリンク部、３４・・・第４アームリンク部、３５・・・第５アームリンク部、３６・・・接続部材、４・・・台座部、４２・・・アーム制御装置、４２０・・・アーム制御部、４２１・・・モータ状態量取得部、４３・・・ハンド制御装置、４３０・・・対象物情報取得部、４３１・・・ハンド制御部、４３２・・・モータ状態量取得部、４３３・・・センサ情報取得部、５１・・・第１モータ、５２・・・第２モータ、５３・・・第３モータ、６１、６２・・・傘歯車、６３・・・ウォームホイール、６４・・・ウォーム、６５、６６・・・歯車、７０・・・感圧センサ

Claims

　複数の指部によって対象物を把持するハンド機構を備えた把持システムであって、
　前記ハンド機構の各指部には、第１関節部と、該第１関節部よりもその先端部から離れて位置する第２関節部とが形成されており、
　前記ハンド機構は、各指部における前記第１関節部を駆動させる第１駆動機構と、各指部における前記第２関節部を駆動させる第２駆動機構とを有し、
　前記第１駆動機構および前記第２駆動機構は、それぞれ、モータを含んで構成されており、且つ、前記第２駆動機構は前記第１駆動機構よりもバックドライバビリティが小さい機構であって、
　前記把持システムが、前記ハンド機構によって前記対象物を把持する際に該ハンド機構を制御する制御装置を備え、
　前記制御装置は、前記ハンド機構によって前記対象物を把持する際に、前記複数の指部のうち該対象物の把持に用いる把持用指部の先端部を該対象物に接触させた状態で、該把持用指部における前記第２駆動機構のモータを停止させたまま、該把持用指部における前記第１駆動機構のモータを前記第１関節部が屈曲する方向に回転駆動させ、それによって、該把持用指部から該対象物に対して押圧力を付与する把持システム。
　前記第１駆動機構および前記第２駆動機構には、それぞれ、前記モータの回転力を関節部の回転軸に伝達する伝達機構として歯車を含んで構成されており、且つ、前記第２駆動機構の歯車は前記第１駆動機構の歯車よりもバックドライバビリティが小さい歯車である請求項１に記載の把持システム。
　前記第１駆動機構の歯車としてウォームギア以外の種類の歯車が用いられており、前記第２駆動機構の歯車としてウォームギアが用いられている請求項２に記載の把持システム。
　前記第１駆動機構の歯車として傘歯車が用いられている請求項３に記載の把持システム。
　複数の指部を備えたハンド機構によって対象物を把持する把持方法であって、
　前記ハンド機構の各指部には、第１関節部と、該第１関節部よりもその先端部から離れて位置する第２関節部とが形成されており、
　前記ハンド機構は、各指部における前記第１関節部を駆動させる第１駆動機構と、各指部における前記第２関節部を駆動させる第２駆動機構とを有し、
　前記第１駆動機構および前記第２駆動機構は、それぞれ、モータを含んで構成されており、且つ、前記第２駆動機構は前記第１駆動機構よりもバックドライバビリティが小さい機構であって、
　前記把持方法が、
　前記ハンド機構によって前記対象物を把持する際に、前記複数の指部のうち該対象物の把持に用いる把持用指部の先端部を該対象物に接触させるステップと、
　前記把持用指部の先端部を該対象物に接触させた状態で、該把持用指部における前記第２駆動機構のモータを停止させたまま、該把持用指部における前記第１駆動機構のモータを前記第１関節部が屈曲する方向に回転駆動させ、それによって、該把持用指部から該対象物に対して押圧力を付与するステップと、を有する把持方法。