WO2020194393A1 - ロボットハンド、ロボットハンド制御方法及びプログラム - Google Patents

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gripping object
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gripping
robot hand
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真司 川上
征久 唐子
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オムロン株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a robot hand, a robot hand control method, and a robot hand control program.
  • a technique related to control of a robot hand has been proposed when a gripping object such as a work is gripped by a robot hand, the gripped object is conveyed, or the gripped object is assembled to an object to be assembled.
  • the knuckle, the actuator that drives the knuckle, and the plurality of finger mechanisms each having a link that is supported by the knuckle and operates under the driving force of the actuator, and the actuators of the plurality of finger mechanisms are independent of each other.
  • a grasping hand equipped with a strain detection unit for detecting a knuckle has been proposed.
  • the motion control unit of this grasping type hand cooperatively controls a plurality of actuators of a plurality of finger mechanisms based on the operating position of the knuckle detected by the position detection unit and the strain of the link detected by the strain detection unit. Adjust the gripping force of the finger mechanism.
  • the conventional method of assembling the gripped object gripped by the robot hand to the assembly destination object has the following problems.
  • FIGS. 24 to 27 a case where the ring, which is the gripping object, is assembled to the shaft, which is the assembly destination object, will be described as an example.
  • first method a method in which a two-finger industrial gripper and a wrist force sensor are combined (hereinafter, referred to as "first method")
  • first method a method in which a two-finger industrial gripper and a wrist force sensor are combined. Since it is directly transmitted to the object, the contact force at the time of high-speed assembly becomes shocking, and the gripped object may be destroyed or damaged. Therefore, the assembly work cannot be speeded up.
  • the second method As a method that can avoid the problem of hardness of the gripper and the robot of the first method, as shown in FIG. 25, a method that combines an industrial gripper and a wrist complyer (hereinafter referred to as “the second method”) is used. is there. Assembling work can be speeded up as compared with the first method, but there is a limit because the problem of the weight of the gripper remains.
  • the alignment between the gripping object and the assembly destination object depends on the passive movement of the gripping object due to the contact force received from the assembly destination object, so that the objects that can be handled are limited.
  • the direction of passive movement due to the contact force (broken line arrow in FIG. 25) is aligned with respect to the direction of the contact force received by the gripping object from the assembly destination object (solid line arrow in FIG. 25). It does not correspond to the direction of operation.
  • the second method As a method that can avoid the problem that the weight of the gripper remains and the problem that the object is limited in the second method, as shown in FIG. 26, a method that combines a hand with a flexible element and a visual sensor (hereinafter, "the second method"). There is a method of 3). In the example of FIG. 26, the joint of the hand is a flexible element.
  • the third method since the relative position-posture relationship between the gripping object and the assembly destination object is acquired by the visual sensor, the conditions that can be assembled are limited due to the problem of occlusion. For example, as shown in FIG. 26, when the assembly work area is inside the case, the gripping object and the assembly destination object may not be visible from the visual sensor outside the case. In addition, the visual sensor at the top of the assembly work area cannot accurately acquire the angles of the gripping object and the assembly destination object, and is sufficient information to estimate the relative position-posture relationship between the gripping object and the assembly destination object. May not be obtained.
  • the third method there is a method that combines a hand with a flexible element and a finger force sensor (hereinafter referred to as "fourth method").
  • the fingertips are often spherical, and as shown in FIG. 27, the contact force between the gripping object and the assembly destination object during high-speed assembly is used.
  • Hysteretic slippage occurs between the gripping object and the fingertip, that is, slippage occurs in which the slipped state is not restored even when the contact force becomes zero, and the hand does not return to the original gripping posture. This phenomenon deteriorates the estimation result of the relative position and orientation of the gripping object and the assembly destination object, which makes the assembly itself difficult.
  • the present invention has been made in view of the above points, and is a robot hand, a robot hand control method, and a program capable of performing assembly work at high speed while alleviating the impact between the gripping object and the assembly destination object.
  • the purpose is to provide.
  • the robot hand includes a hand having a mechanism for preventing displacement of the gripped object at a contact portion with the gripped object and a mechanism for moving in different directions with three degrees of freedom by an external force.
  • a sensor that detects the amount of displacement of the hand from a dynamically balanced state before the external force is applied, and the gripping object based on the amount of displacement detected by the sensor.
  • the gripping object Based on the estimation unit that estimates the displacement amount of the position and posture of the gripping object when assembling to the assembly destination object, and the displacement amount of the position and posture of the gripping object estimated by the estimation unit, the gripping object.
  • the robot hand when an external force is applied to a hand having a mechanism for preventing displacement of the gripped object and a mechanism for moving in different directions with three degrees of freedom by an external force at a contact portion with the gripped object.
  • the sensor detects the amount of displacement of the hand from the mechanically balanced state before the addition of.
  • the estimation unit estimates the displacement amount of the position and posture of the gripping object when the gripping object is assembled to the assembly destination object based on the displacement amount detected by the sensor, and the control unit is estimated by the estimation unit.
  • the hand is controlled so that the gripping object is assembled to the attachment destination object based on the displacement amount of the position and posture of the gripping object.
  • the assembly work can be performed at high speed while alleviating the impact between the gripping object and the assembly destination object.
  • the estimation unit estimates an error in the relative position and posture of the gripping object and the assembly destination object based on the estimated displacement of the position and posture of the gripping object
  • the control unit estimates the error in the position and posture of the gripping object.
  • the gripping object is assembled to the assembly destination object.
  • the hand can be controlled so as to be assembled in. Thereby, for example, it is possible to realize simple control such as controlling the hand so that the error of the relative position and posture between the gripping object and the assembly destination object becomes zero.
  • the estimation unit is the gripping object. From the x-component and y-component of the displacement amount of the posture, it is possible to estimate the relative position error between the gripping object and the assembled object in the xy plane. Thereby, for example, simple control such as controlling the hand so as to make the error of the relative position and posture between the gripping object and the assembly destination object in the xy plane zero can be realized.
  • control unit so as to assemble the gripping object to the assembly destination object based on the displacement amount of the position and posture of the gripping object estimated by the estimation unit and a predetermined motion plan.
  • the hand can be controlled. Thereby, for example, it is possible to realize simple control such as controlling the hand so that the position and posture of the gripping object are in a predetermined state.
  • the displacement prevention mechanism can have a notch shape in which the contact portion with the gripping object has a surface in contact with the upper part of the gripping object and a surface in contact with the side surface of the gripping object.
  • the hand may have a suction pad at a contact portion with the gripping object.
  • the suction pad itself may be used as the displacement prevention mechanism.
  • the hand may be a holding hand provided with a plurality of fingers having a rotation mechanism for rotating the entire finger, or a plurality of fingers whose position and posture of the fingertip can be controlled by the rotation angle of the joint. Can be done.
  • a hand having a mechanism for preventing displacement of the gripped object at a contact portion with the gripped object and a mechanism for moving in different directions with three degrees of freedom by an external force, and an external force on the hand.
  • the estimation unit is detected by the sensor in a robot hand provided with a sensor that detects the displacement amount of the hand from the state before the external force is applied, an estimation unit, and a control unit. Based on the displacement amount, the displacement amount of the position and posture of the gripping object when the gripping object is assembled to the assembly destination object is estimated, and the control unit estimates the position of the gripping object estimated by the estimation unit. This is a method of controlling the hand so that the gripping object is assembled to the assembly destination object based on the displacement amount of the posture.
  • the robot hand control program according to the present invention is a program for causing a computer to function as an estimation unit and a control unit constituting the robot hand.
  • the method, and the program according to the present invention the displacement amount of the position and posture of the gripping object at the time of assembly estimated from the displacement amount from the mechanically balanced state when an external force is applied to the hand.
  • the robot hand 100 includes an arm 10, a hand 12 attached to the tip of the arm 10, and a displacement sensor 14 that detects the angle of the joints of the arm 10 and the hand 12. It includes a controller 16 that controls the operation of the arm 10 and the hand 12.
  • the robot hand 100 executes an operation of assembling the gripping object 20 gripped by the hand 12 to the assembling destination object 22.
  • a ring which is an example of the gripping object 20
  • a shaft which is an example of the assembly destination object 22
  • the arm 10 is, for example, a vertical articulated mechanism having a configuration of 6 degrees of freedom required for movement in a three-dimensional space.
  • the degree of freedom of the arm 10 may be 7 degrees of freedom, which is 6 degrees of freedom plus redundant degrees of freedom.
  • the arm 10 controls the position and posture of the hand 12 in response to an instruction from the controller 16.
  • the hand 12 has a mechanism for preventing the gripping object 20 from shifting at a portion in contact with the gripping object 20, and also has a mechanism for moving in different directions with three degrees of freedom by an external force.
  • the hand 12 is a three-finger articulated mechanism.
  • the hand 12 has a mechanism connected by joints, and grips an object by controlling the angle of the joints.
  • the joint includes a joint drive actuator such as an electric motor and a joint drive actuator controller such as a microcomputer.
  • the joint drive actuator controller determines the torque value of the joint drive actuator so that the fingertip of the hand 12 can grip the object based on the value detected by the displacement sensor 14 described later.
  • the joint drive actuator applies torque to the joint based on the torque value determined by the joint drive actuator controller.
  • the joint has high back drivability that can be back driven by an external force generated during assembly, and a mechanical equilibrium point can be created by a joint driving actuator or the like.
  • Back drivability means that when an external force is applied to the output node in an actuator or power transmission mechanism, the output node moves due to the external force
  • high back drivability means that the output node moves even with a smaller external force. That is.
  • the mechanical equilibrium point is the value of displacement in a dynamical system in which the displacement of the mass point system changes with time due to the force, when the force is in a stationary state without changing with time under constant conditions. Is.
  • the fingertip of the hand 12 is a contact portion with the gripping object 20, and as a misalignment prevention mechanism, as shown in FIG. 3, a surface S1 in contact with the upper part of the gripping object 20 and a surface S2 in contact with the side surface of the gripping object 20. It has a notch shape having.
  • the shape of the fingertip is not limited to the case where the surface S2 has a valley shape as shown in FIG.
  • the surface S2 may be bowl-shaped.
  • a shape having high gripping stability may be adopted.
  • the displacement sensor 14 is a sensor such as an encoder that can detect the current angle of a joint. In the present embodiment, the displacement sensor 14 subtracts the amount of displacement of the joint from the mechanical equilibrium point, that is, the angle when the gripping object 20 is not subjected to the contact force, from the angle when the contact force is applied. The value is output to the controller 16. Although FIG. 1 shows only one displacement sensor 14, the displacement sensor 14 is provided at each joint.
  • the controller 16 is realized by an information processing device such as a computer.
  • FIG. 5 shows the hardware configuration of the controller 16.
  • the controller 16 includes a CPU (Central Processing Unit) 32, a memory 34, a storage device 36, an input device 38, an output device 40, an optical disk drive device 42, and a communication interface (I / F) 44. ..
  • Each configuration is communicably connected to each other via a bus.
  • the storage device 36 stores a robot hand control program for executing the robot hand control process.
  • the CPU 32 is a central arithmetic processing unit, which executes various programs and controls each configuration. That is, the CPU 32 reads the program from the storage device 36 and executes the program using the memory 34 as a work area. The CPU 32 controls each of the above configurations and performs various arithmetic processes according to the program stored in the storage device 36.
  • the memory 34 is composed of a RAM (Random Access Memory), and temporarily stores programs and data as a work area.
  • the storage device 36 is composed of a ROM (Read Only Memory) and an HDD (Hard Disk Drive) or an SSD (Solid State Drive), and stores various programs including an operating system and various data.
  • the input device 38 is a device for performing various inputs such as a keyboard and a mouse.
  • the output device 40 is a device for outputting various information such as a display and a printer. By adopting a touch panel display as the output device 40, it may function as an input device 38.
  • the optical disc drive device 42 reads data stored in various recording media (CD-ROM, Blu-ray disc, etc.), writes data to the recording medium, and the like.
  • the communication I / F44 is an interface for communicating with other devices, and for example, standards such as Ethernet (registered trademark), FDDI, and Wi-Fi (registered trademark) are used.
  • the controller 16 includes a preparation unit 50, an estimation unit 52, and a control unit 54 as a functional configuration.
  • Each functional configuration is realized by the CPU 32 reading the robot hand control program stored in the storage device 36, expanding the robot hand control program in the memory 34, and executing the program.
  • the preparation unit 50 prepares before the assembly operation. Specifically, the preparation unit 50 acquires information necessary for the assembly operation, accepts an operation plan (details will be described later), grips the gripping object 20 by the hand 12, and hands the hand 12 up to the vicinity of the assembly work area. Controls to move it.
  • the estimation unit 52 Based on the displacement amount detected by the displacement sensor 14, the estimation unit 52 generates the gripping object 20 due to the contact force that the gripping object 20 receives from the assembly destination object 22 when the gripping object 20 is assembled to the assembly destination object 22. Estimate the displacement amount of the position and posture (hereinafter referred to as "position and posture displacement amount"). Further, the estimation unit 52 determines the relative position and posture error between the gripping object 20 and the assembly destination object 22 based on the estimated position / posture displacement amount of the gripping object 20 (hereinafter, “relative position / posture error”). ) Is estimated.
  • the estimation unit 52 is a gripping object generated by the contact force that the gripping object 20 receives from the assembly destination object 22 based on the displacement amount ( ⁇ q) from the mechanical equilibrium point of the joint of the hand 12 detected by the displacement sensor 14.
  • the position-orientation displacement amount ( ⁇ p, ⁇ ) of 20 is estimated.
  • the estimation unit 52 estimates the relative position / orientation error ( ⁇ e) between the gripping object 20 and the assembly destination object 22 from the estimated position / orientation displacement amount ( ⁇ p, ⁇ ) of the gripping object 20.
  • the definition of ⁇ e differs depending on the gripping object 20, the assembly destination object 22, and the motion plan for assembling the gripping object 20 to the assembly destination object 22.
  • the motion plan is a state transition using sensor values to surely (and in some cases, at high speed) complete the work such as assembly.
  • the combination of state estimation based on sensor values and robot control based on the estimation results, which is executed in each state, is called skill. That is, the motion plan shows the process of achieving the target state of the skill other than the mere motion plan that only generates the motion.
  • the motion plan is also called an motion strategy.
  • the estimation by the estimation unit 52 will be described in more detail by taking as an example the case where the ring which is the gripping object 20 is inserted into the shaft which is the assembly destination object 22.
  • FIG. 8 is an example of the mechanism diagram of the i-th finger.
  • equation (1) by averaging the p i of each fingertip position displacement amount ⁇ p of the ring from the initial position and orientation is obtained.
  • the position displacement amount ⁇ p of the ring is the position of the ring center point (d1) when there is no contact force from the shaft and the ring center point (d2) when there is contact force from the shaft.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the vector in the position error direction at the time of two-point contact and the vector in the attitude displacement direction of the ring.
  • In Top View (xy plane) shown in FIG. 10, two vectors are orthogonal to each other. Using this orthogonal relationship, e is estimated from ⁇ by the following equation (3).
  • ez 0 is set in order to match the dimensions.
  • FIG. 13 shows the comparison result between the estimated value and the true value of e by the estimation unit 52. It can be said that the estimation accuracy is sufficient to feed back the robot movement and control the assembly work.
  • the displacement prevention mechanism on the fingertip of the hand 12
  • a hysteresis-like slip occurs between the gripping object 20 and the fingertip. Since it is guaranteed that the displacement of the finger joints constituting the hand 12 from the mechanical equilibrium point is derived from the contact force received by the gripping object 20 from the assembled object 22, the above estimation is made. It can be done with high accuracy.
  • the control unit 54 is based on the position-posture displacement amount of the gripping object 20 estimated by the estimation unit 52, the relative position-posture error between the gripping object 20 and the assembly destination object 22, and a predetermined operation plan.
  • the arm 10 and the hand 12 are controlled so that the gripping object 20 is assembled to the assembly destination object 22.
  • the control unit 54 controls the hand 12 so that the relative position-posture error ( ⁇ e) becomes zero by using the position-posture displacement amount ( ⁇ p, ⁇ ) as a constraint condition.
  • FIG. 14 is a flowchart showing the flow of the robot hand control process executed by the CPU 32 of the controller 16.
  • the CPU 32 reads the robot hand control program from the storage device 36, expands it into the memory 34, and executes it, the CPU 32 functions as each functional configuration of the controller 16, and the robot hand control process shown in FIG. 14 is executed.
  • the preparation unit 50 acquires information such as the types, dimensional parameters, and positions of the gripping object 20 and the assembly destination object 22.
  • This information may be acquired from the CAD data input in advance, or the information input by the user may be acquired.
  • step S14 the preparation unit 50 receives and determines from the user the gripping posture of the gripping object 20 and the operation plan for assembling the gripping object 20 to the assembly destination object 22.
  • step S16 the preparation unit 50 brings the hand 12 closer to the gripping object 20 and causes the hand 12 to grip the gripping object 20 in the gripping posture determined in step S14.
  • step S18 the preparation unit 50 lifts the gripping object 20 to a position where it is not in contact with anything other than the fingertips of the hand 12. That is, a mechanical equilibrium point is created.
  • step S22 the preparation unit 50 controls the arm 10 and the hand 12 to assemble the gripping object 20 gripped by the hand 12 based on the position of the assembly destination object 22 acquired in step S12. It approaches the destination object 22.
  • step S30 the estimation unit 52 and the control unit 54 execute the operation plan determined in step S14.
  • the ring insertion operation plan for inserting the ring into the shaft will be described with reference to FIG.
  • the ring insertion operation plan (S30) is started, it is monitored whether or not the Z position of the ring is equal to or less than the threshold value Th by the state determination (S302).
  • the threshold Th can be defined as the value of the Z position when the ring is inserted into the shaft. Further, when the ring insertion operation is started, the ring axis alignment skill (S304) is called.
  • the estimation unit 52 estimates and the control unit 54 controls the hand 12. Specifically, the estimation unit 52 uses the above equations (1) to (3) to determine the direction vector (e) of the ring center seen from the shaft center and the Z component of the displacement in which the ring moves due to the contact force from the shaft. ( ⁇ Z) is estimated. Then, the control unit 54 applies torque to each joint of the hand 12 to control the operation of the hand 12 so that the gripping object 20 moves in each of the X, Y, and Z directions at the following speeds.
  • Velocity in XY direction: Gxy ⁇ (-e) (Gxy: constant gain)
  • the hand has a mechanism for preventing the gripped object from shifting at a contact portion with the gripped object and a mechanism for moving in different directions with three degrees of freedom by an external force. .. Further, when an external force is applied, the hand is displaced from the mechanically balanced state before the external force is applied. That is, it has back drivability. Then, the sensor detects the displacement amount, and based on the detected displacement amount, estimates the position / orientation displacement amount of the gripping object and the relative position / orientation error between the gripping object and the assembly destination object, and uses the estimated information. Based on this, the hand is controlled so that the gripping object is assembled to the attachment destination object.
  • the back drivability of the hand can alleviate the impact when the gripping object and the assembly destination object come into contact with each other, and can also cause displacement of the gripping object at the time of contact.
  • by providing a displacement prevention mechanism on the fingertips it is possible to prevent a hysteresis-like displacement at the time of contact, and it is guaranteed that the above displacement amount is derived from the contact force received by the gripping object from the assembly destination object.
  • the assembling work can be accurately controlled by using the above displacement amount, so that even when assembling objects having a small clearance while mitigating the impact between the gripping object and the assembling destination object. ,
  • the assembly work can be performed at high speed.
  • the estimation by the estimation unit is based on the premise that the robot operation is fed back, it is sufficient that the estimation is monotonous as shown in FIG. That is, since the absolute accuracy of estimation is not required, it is not necessary to provide an expensive sensor. Further, since the absolute accuracy of the estimation is not required, the estimation can be performed at high speed, and the assembly operation can be realized by a simple feedback control rule such as speed proportional control. Therefore, the adjustment parameters for control are reduced, and the adjustment becomes easy.
  • the gripping object is the ring
  • the assembly destination object is the shaft
  • the assembly operation of inserting the ring into the shaft has been described, but this embodiment can also be applied to other assembly operations. it can.
  • the present embodiment can be applied to the assembly operation of inserting the male connector into the female connector.
  • the present embodiment When gripping such a rectangular parallelepiped gripping object with a three-finger hand, as shown in FIG. 16, it is stable when one finger grips the long side portion and the remaining two fingers grip the corner facing the long side. , The operation plan described later can be realized.
  • FIG. 17 shows an example of the operation plan in this case.
  • the state determination (S312) monitors whether or not ⁇ Z is equal to or higher than the threshold value Thz, and the Z-plane alignment skill (S314). Is called.
  • the estimation unit 52 estimates the displacement ( ⁇ X, ⁇ Y, ⁇ Z) in which the gripping object 20 moves due to an external contact force according to the above equation (1). Then, the control unit 54 applies torque to each joint of the hand 12 to control the operation of the hand 12 so that the gripping object 20 moves in each of the X, Y, and Z directions at the following speeds.
  • the force applied from the fingertip of the hand 12 to the point A in FIG. 18 becomes a moment, and the male connector is slightly displaced in the posture of entering the inside of the female connector with the wire B as the rotation axis.
  • the state determination (S312) is completed, the next state determination (S316) is started, it is monitored whether or not ⁇ X is equal to or higher than the threshold value Thx, and the X-plane alignment skill (S318) is monitored. ) Is called.
  • the estimation unit 52 estimates ( ⁇ X, ⁇ Y, ⁇ Z) in the same manner as the Z-plane alignment skill (S314). Then, the control unit 54 controls the operation of the hand 12 as follows.
  • this is an operation of shifting in the X direction while continuing pressing in the Z direction and stopping when a certain amount of contact force is detected in the X direction.
  • the portion of line C is in contact.
  • the state determination (S316) is completed, the next state determination (S320) is started, it is monitored whether or not ⁇ Y is equal to or higher than the threshold value Thy, and the Y-plane alignment skill (S322) is monitored. ) Is called.
  • the estimation unit 52 estimates ( ⁇ X, ⁇ Y, ⁇ Z) in the same manner as the Z-plane alignment skill (S314). Then, the control unit 54 controls the operation of the hand 12 as follows.
  • this is an operation of shifting in the Y direction while continuing pressing in the Z direction and the X direction, and stopping when a certain contact force is detected in the Y direction.
  • the portion of line D is in contact.
  • the state determination (S320) When ⁇ Y ⁇ threshold value Thy, the state determination (S320) is completed, the next state determination (S324) is started, and it is monitored whether ⁇ Z is the threshold value Thz1 or more and Z is the threshold value Thz2 or more. , Z-plane alignment skill (S326) is called. In the state determination of S324, the state may be determined from the characteristics of the time series waveform of ⁇ Z.
  • the Z-plane alignment skill (S326) is the same as the Z-plane alignment skill (S314). This is an operation in which the pressing in the X direction and the Y direction is continued so that the contact force becomes a minute state, the pressing is performed in the Z direction, and the pressing is stopped after being pushed to some extent in the Z direction.
  • the present embodiment can be applied to the assembly operation of inserting the peg into the hole.
  • a columnar gripping object is gripped with a three-finger hand, as shown in FIG. 19, it is stable when the fingers are arranged so as to be arranged at every 120 ° along the circumference, and an operation plan described later is performed. realizable.
  • the peg is pressed in the Z direction by the same skill as the Z plane alignment of the above connector insertion operation plan. Then, while continuing the pressing in the Z direction, a simple vibration-like movement is generated in the X-direction and the Y-direction, and the peg estimated as the center of the simple vibration-like movement so that the axes of the peg and the hole coincide with each other. The average of the amount of positional displacement of is adopted. The amount of position displacement of the peg can be estimated by the same method as ⁇ p of the ring.
  • the relative position / orientation error between the gripping object 20 and the assembly destination object 22 is not used, so the estimation unit 52 need only estimate the position displacement amount of the gripping object 20.
  • the hand 12 has an articulated and multi-finger type configuration, and as a mechanism for preventing the gripping object 20 from shifting, the shape of the fingertip of the hand 12 which is a contact portion with the gripping object 20 is shown in FIGS. 3 or 4. The case where the shape is as shown has been described, but the present invention is not limited to this.
  • a suction pad may be used as a hand having a mechanism for preventing the gripping object from shifting at a contact portion with the gripping object and a mechanism for moving in different directions with three degrees of freedom by an external force.
  • the displacement sensor 14 capable of detecting the displacement amount of the pushing amount and the displacement amount of 3 degrees of freedom of the twist amount ⁇ 2 may be provided.
  • a holding hand having a suction pad with a displacement sensor 14 on the fingertip may be used.
  • each of the plurality of fingers (two in the example of FIG. 22) constituting the holding hand has a rotation mechanism for rotating the entire finger.
  • a suction pad with a displacement sensor 14 may be provided at the fingertip of the articulated and multi-finger type hand.
  • the displacement amount detected by the displacement sensor 14 can be used for estimation and control in the same manner as in the above embodiment.
  • various processors other than the CPU may execute the robot hand control process executed by the CPU reading the software (program) in the above embodiment.
  • PLD Programmable Logic Device
  • FPGA Field-Programmable Gate Array
  • ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • An example is a dedicated electric circuit or the like, which is a processor having a circuit configuration designed exclusively for the purpose.
  • the robot hand control process may be executed by one of these various processors, or a combination of two or more processors of the same type or different types (for example, a plurality of FPGAs, and a CPU and an FPGA). It may be executed by combination etc.).
  • the hardware structure of these various processors is, more specifically, an electric circuit in which circuit elements such as semiconductor elements are combined.
  • the mode in which the robot hand control program is stored (installed) in the storage device in advance has been described, but the present invention is not limited to this.
  • the program is provided in a form recorded on a recording medium such as a CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory), a DVD-ROM (Digital Versail Disc Read Only Memory), or a USB (Universal Serial Bus) memory. Further, the program may be downloaded from an external device via a network.

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Abstract

把持物体(20)と組付先物体(22)との衝撃を緩和しつつ、高速に組付作業を行うことができるロボットハンド、ロボットハンド制御方法及びプログラムを提供する。ロボットハンド(100)は、把持物体(20)との接触部分にズレ防止機構と、外力によって異方向に3自由度で可動する機構とを有するハンド(12)と、ハンド(12)に外力が加わったときに、外力が加わる前の力学的に平衡な状態からのハンド(12)の変位量を検出する変位センサ(14)と、変位センサ(14)により検出された変位量に基づいて、把持物体(20)を組付先物体(22)に組み付ける際の把持物体(20)の位置姿勢変位量を推定する推定部、及び推定部により推定された把持物体の位置姿勢変位量に基づいて、把持物体(20)を組付先物体(22)に組み付けるように、ハンド(12)を制御する制御部を含むコントローラ(16)とを備える。

Description

ロボットハンド、ロボットハンド制御方法及びプログラム
 本発明は、ロボットハンド、ロボットハンド制御方法、及びロボットハンド制御プログラムに関する。
 ロボットハンドでワークなどの把持物体を把持して、把持物体を搬送したり、組付先の物体に組み付けたりする場合における、ロボットハンドの制御に関する技術が提案されている。
 例えば、3指の多関節機構のロボットハンドとカメラとを用いて、物体の位置や角度などの状態を推定し、物体の状態に基づいてロボットハンドを制御する技術が提案されている(非特許文献1)。
 また、指関節、指関節を駆動するアクチュエータ、及び指関節に支持され、アクチュエータの駆動力下で動作するリンクをそれぞれに有する複数の指機構と、複数の指機構のそれぞれのアクチュエータを、互いに独立して制御可能な動作制御部と、複数の指機構のそれぞれの指関節の作動位置を検出する位置検出部と、複数の指機構の各々に設けられ、指機構に加わる力によりリンクに生ずるひずみを検出するひずみ検出部とを備える把握型ハンドが提案されている。この把握型ハンドの動作制御部は、位置検出部が検出した指関節の作動位置と、ひずみ検出部が検出したリンクのひずみとに基づき、複数の指機構のアクチュエータを協調制御して、複数の指機構による把握力を調整する。
特開2006-102920号公報
Yutaro Matsui, Yuji Yamakawa, and Masatoshi Ishikawa, " Cooperative Operation between a Human and a Robot based on Real-time Measurement of Location and Posture of Target Object by High-speed Vision", 2017 IEEE Conference on Control Technology and Applications (CCTA), August 27-30, 2017.
 ロボットハンドで把持した把持物体を組付先物体に組み付ける従来の手法には、以下のような問題がある。なお、以下の図24~図27では、把持物体であるリングを、組付先物体であるシャフトに組み付ける場合を例に説明する。
 例えば、図24に示すように、2本指の産業用グリッパと手首力覚センサとを組み合わせた方式(以下、「第1の方式」という)では、グリッパ及びロボットの硬さ及び重さが把持物体にダイレクトに伝わるため、高速組付時の接触力が衝撃的となり、把持物体が破壊又は損傷するおそれがある。そのため、組付作業を高速化することができない。
 第1の方式のグリッパ及びロボットの硬さの問題を回避できる方式として、図25に示すように、産業用グリッパとリストコンプライアンサとを組み合わせた方式(以下、「第2の方式という」)がある。第1の方式よりは、組付作業の高速化を図れるが、グリッパの重さの問題が残るため限界がある。そもそも、把持物体と組付先物体との位置合わせは、把持物体が組付先物体から受ける接触力による受動的動作に頼るため、対応できる物体が限定される。例えば、図25の例では、把持物体が組付先物体から受ける接触力の方向(図25中の実線矢印)に対する、接触力による受動動作の方向(図25中の破線矢印)は、位置合わせ動作の方向に対応していない。
 第2の方式のグリッパの重さが残る問題、及び物体が限定される問題を回避できる方式として、図26に示すように、柔軟要素付ハンドと視覚センサとを組み合わせた方式(以下、「第3の方式」という)がある。図26の例では、ハンドの関節が柔軟要素である。第3の方式では、把持物体と組付先物体との相対的な位置姿勢関係を視覚センサで取得するため、オクルージョンの問題から組付可能な条件が限定される。例えば、図26に示すように、組付作業領域がケース内にある場合など、ケース外の視覚センサからは、把持物体及び組付先物体が見えない場合がある。また、組付作業領域の上部の視覚センサでは、把持物体や組付先物体の角度が正確に取得できず、把持物体と組付先物体との相対的な位置姿勢関係を推定するに足る情報が得られない場合がある。
 第3の方式のオクルージョン問題を回避できる方式として、柔軟要素付ハンドと指力覚センサとを組み合わせた方式(以下、「第4の方式」という)がある。この方式は、非特許文献1に記載の技術のように、指先が球形であることが多く、図27に示すように、高速組付時の把持物体と組付先物体との接触力で、把持物体と指先との間にヒステリシス的な滑り、すなわち、接触力がゼロになっても滑った状態が元に戻らず、ハンドが元の把持姿勢に復帰しないような滑りが生じる。この現象は、把持物体と組付先物体との相対的な位置姿勢の推定結果を劣化させるため、組付そのものが困難となる。
 本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、把持物体と組付先物体との衝撃を緩和しつつ、高速に組付作業を行うことができるロボットハンド、ロボットハンド制御方法及びプログラムを提供することを目的とする。
 上記目的を達成するために、本発明に係るロボットハンドは、把持物体との接触部分に前記把持物体のズレ防止機構と、外力によって異方向に3自由度で可動する機構とを有するハンドと、前記ハンドに外力が加わったときに、前記外力が加わる前の力学的に平衡な状態からの前記ハンドの変位量を検出するセンサと、前記センサにより検出された変位量に基づいて、前記把持物体を組付先物体に組み付ける際の前記把持物体の位置及び姿勢の変位量を推定する推定部と、前記推定部により推定された前記把持物体の位置及び姿勢の変位量に基づいて、前記把持物体を前記組付先物体に組み付けるように、前記ハンドを制御する制御部と、を含んで構成されている。
 本発明に係るロボットハンドによれば、把持物体との接触部分に把持物体のズレ防止機構と、外力によって異方向に3自由度で可動する機構とを有するハンドに外力が加わったときに、外力が加わる前の力学的に平衡な状態からのハンドの変位量をセンサが検出する。そして、推定部が、センサにより検出された変位量に基づいて、把持物体を組付先物体に組み付ける際の把持物体の位置及び姿勢の変位量を推定し、制御部が、推定部により推定された把持物体の位置及び姿勢の変位量に基づいて、把持物体を組付先物体に組み付けるように、ハンドを制御する。これにより、把持物体と組付先物体との衝撃を緩和しつつ、高速に組付作業を行うことができる。
 また、前記推定部は、推定した前記把持物体の位置及び姿勢の変位量に基づいて、前記把持物体と前記組付先物体との相対的な位置及び姿勢の誤差を推定し、前記制御部は、前記推定部により推定された前記把持物体の位置及び姿勢の変位量と、前記相対的な位置及び姿勢の誤差と、予め定めた動作計画とに基づいて、前記把持物体を前記組付先物体に組み付けるように、前記ハンドを制御することができる。これにより、例えば、把持物体と組付先物体との相対的な位置及び姿勢の誤差をゼロにするようにハンドを制御するなど、簡易な制御を実現することができる。
 また、前記推定部は、前記把持物体と前記組付先物体とが、水平面であるx-y平面における位置誤差が補償されることにより回転誤差も補償される関係である場合、前記把持物体の姿勢の変位量のx成分及びy成分から、x-y平面における前記把持物体と前記組付先物体との相対的な位置の誤差を推定することができる。これにより、例えば、x-y平面における把持物体と組付先物体との相対的な位置及び姿勢の誤差をゼロにするようにハンドを制御するなど、簡易な制御を実現することができる。
 また、前記制御部は、前記推定部により推定された前記把持物体の位置及び姿勢の変位量と、予め定めた動作計画とに基づいて、前記把持物体を前記組付先物体に組み付けるように、前記ハンドを制御することができる。これにより、例えば、把持物体の位置及び姿勢が所定の状態になるようにハンドを制御するなど、簡易な制御を実現することができる。
 また、前記ズレ防止機構は、前記把持物体との接触部分を、前記把持物体の上部と接する面と前記把持物体の側面と接する面とを有する切り欠き形状とすることができる。
 また、前記ハンドは、前記把持物体との接触部分に吸着パッドを有していてもよい。この場合、吸着パッドそのものを前記ズレ防止機構として用いてもよい。
 また、前記ハンドを、指部全体を回転させるための回転機構を有する複数の指部を備えた挟持ハンドとしたり、関節の回転角度により指先部分の位置及び姿勢を制御可能な複数の指部としたりすることができる。
 また、本発明に係るロボットハンド制御方法は、把持物体との接触部分に前記把持物体のズレ防止機構と、外力によって異方向に3自由度で可動する機構とを有するハンドと、前記ハンドに外力が加わったときに、前記外力が加わる前の状態からの前記ハンドの変位量を検出するセンサと、推定部と、制御部とを備えたロボットハンドにおいて、前記推定部が、前記センサにより検出された変位量に基づいて、前記把持物体を組付先物体に組み付ける際の前記把持物体の位置及び姿勢の変位量を推定し、前記制御部が、前記推定部により推定された前記把持物体の位置及び姿勢の変位量に基づいて、前記把持物体を前記組付先物体に組み付けるように、前記ハンドを制御する方法である。
 また、本発明に係るロボットハンド制御プログラムは、コンピュータを、上記のロボットハンドを構成する推定部及び制御部として機能させるためのプログラムである。
 本発明に係るロボットハンド、方法、及びプログラムによれば、ハンドに外力が加わったときの、力学的に平衡な状態からの変位量から推定される組み付け時の把持物体の位置及び姿勢の変位量に基づいて、把持物体を組付先物体に組み付けるように、ハンドを制御することにより、把持物体と組付先物体との衝撃を緩和しつつ、高速に組付作業を行うことができる。
本実施形態に係るロボットハンドの構成を示す概略図である。 組付作業の一例を説明するための図である。 ハンドのズレ防止機構の一例を示す図である。 ハンドのズレ防止機構の他の例を示す図である。 コントローラのハードウェア構成を示すブロック図である。 コントローラの機能構成を示すブロック図である。 推定部による推定の概要を説明するための図である。 i番目の指の機構図の一例である。 リングの位置変化量を説明するための図である。 2点接触時の位置誤差方向とリングの姿勢変位方向とのベクトルの関係を示す図である。 相対的位置姿勢誤差を説明するための図である。 相対的位置姿勢誤差を説明するための図である。 eの推定値と真値との比較結果を示す図である。 ロボットハンド制御処理の流れを示すフローチャートである。 リング挿入動作計画の一例を示すシーケンス図である。 コネクタ挿入の組付動作を示す図である。 コネクタ挿入動作計画の一例を示すシーケンス図である。 コネクタ挿入の組付動作を説明するための図である。 ペグ挿入の組付動作を示す図である。 ハンドの他の構成例を示す図である。 ハンドの他の構成例を説明するための図である。 ハンドの他の構成例を示す図である。 ハンドの他の構成例を示す図である。 従来方式の問題点を説明するための図である。 従来方式の問題点を説明するための図である。 従来方式の問題点を説明するための図である。 従来方式の問題点を説明するための図である。
 以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において同一又は等価な構成要素及び部分には同一の参照符号を付与している。また、図面の寸法及び比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
 図1に示すように、本実施形態に係るロボットハンド100は、アーム10と、アーム10の先端に取り付けられたハンド12と、アーム10及びハンド12の関節の角度を検出する変位センサ14と、アーム10及びハンド12の動作を制御するコントローラ16とを含んで構成される。ロボットハンド100は、ハンド12で把持された把持物体20を組付先物体22に組み付ける動作を実行する。本実施形態では、図2に示すように、把持物体20の一例であるリングを、組付先物体22の一例であるシャフトに挿入する場合を例に説明する。なお、ロボットハンド100は、本発明のロボットハンドの一例である。
 アーム10は、例えば、3次元空間における動作に必要な6自由度の構成を備えた垂直多関節型の機構である。なお、アーム10の自由度は、6自由度に冗長自由度を加えた7自由度としてもよい。アーム10は、コントローラ16からの指示に応じて、ハンド12の位置及び姿勢を制御する。
 ハンド12は、把持物体20との接触部分に把持物体20のズレ防止機構を有すると共に、外力によって異方向に3自由度で可動する機構を有する。本実施形態では、ハンド12は、3指の多関節機構である。ハンド12は、関節で連結された機構を有し、関節の角度を制御することで物体の把持を行う。
 関節は、電動モータ等の関節駆動用アクチュエータと、マイコン等の関節駆動用アクチュエータ制御器とを備える。関節駆動用アクチュエータ制御器は、後述する変位センサ14で検出された値に基づいて、ハンド12の指先で物体の把持が行えるように関節駆動用アクチュエータのトルク値を決定する。関節駆動用アクチュエータは、関節駆動用アクチュエータ制御器で決定されたトルク値に基づいて、関節にトルクを与える。
 また、関節は、組付時に発生する外力によってバックドライブ可能な高いバックドライバビリティを有し、関節駆動用アクチュエータなどによって力学的平衡点を作ることができる。バックドライバビリティとは、アクチュエータや動力伝達機構において、その出力節に外力を加えたときに、外力によってその出力節が動くことであり、高いバックドライバビリティとは、より小さな外力でも出力節が動くことである。また、力学的平衡点とは、力によって質点系の変位が時間的に変化する力学系において、力が一定な条件下で、時間的変化が起きずに静止状態となったときの変位の値である。
 また、ハンド12の指先は、把持物体20との接触部分であり、ズレ防止機構として、図3に示すように、把持物体20の上部と接する面S1と把持物体20の側面と接する面S2とを有する切り欠き形状を備える。これにより、把持物体20に対し上向き又は横向きの接触力が加わった際に、把持物体20と指先との間にヒステリシス的な滑りが生じなくなる。結果、ハンド12を構成する指の関節の力学的平衡点からの変位が、把持物体20が外部(組付先物体22)から受ける接触力由来であることが保証される。
 なお、指先の形状は、図3に示すように、面S2が谷状の場合に限定されない。例えば、図4に示すように、面S2は椀状であってもよい。把持物体20の形状を考慮して、把持安定性の高い形状を採用すればよい。
 変位センサ14は、例えば、エンコーダなど、関節の現在角度を検出可能なセンサである。本実施形態においては、変位センサ14は、関節の力学的平衡点からの変位量、すなわち、把持物体20に接触力がかかっていないときの角度を、接触力がかかっているときの角度から引いた値をコントローラ16に出力する。なお、図1では、変位センサ14を1か所のみ図示しているが、変位センサ14は各関節に設けられている。
 コントローラ16は、コンピュータ等の情報処理装置により実現される。図5に、コントローラ16のハードウェア構成を示す。図5に示すように、コントローラ16は、CPU(Central Processing Unit)32、メモリ34、記憶装置36、入力装置38、出力装置40、光ディスク駆動装置42、及び通信インタフェース(I/F)44を有する。各構成は、バスを介して相互に通信可能に接続されている。
 記憶装置36には、ロボットハンド制御処理を実行するためのロボットハンド制御プログラムが格納されている。CPU32は、中央演算処理ユニットであり、各種プログラムを実行したり、各構成を制御したりする。すなわち、CPU32は、記憶装置36からプログラムを読み出し、メモリ34を作業領域としてプログラムを実行する。CPU32は、記憶装置36に記憶されているプログラムに従って、上記各構成の制御及び各種の演算処理を行う。
 メモリ34は、RAM(Random Access Memory)により構成され、作業領域として一時的にプログラム及びデータを記憶する。記憶装置36は、ROM(Read Only Memory)、及びHDD(Hard Disk Drive)又はSSD(Solid State Drive)により構成され、オペレーティングシステムを含む各種プログラム、及び各種データを格納する。
 入力装置38は、例えば、キーボードやマウス等の、各種の入力を行うための装置である。出力装置40は、例えば、ディスプレイやプリンタ等の、各種の情報を出力するための装置である。出力装置40として、タッチパネルディスプレイを採用することにより、入力装置38として機能させてもよい。光ディスク駆動装置42は、各種の記録媒体(CD-ROM又はブルーレイディスクなど)に記憶されたデータの読み込みや、記録媒体に対するデータの書き込み等を行う。
 通信I/F44は、他の機器と通信するためのインタフェースであり、例えば、イーサネット(登録商標)、FDDI、Wi-Fi(登録商標)等の規格が用いられる。
 次に、コントローラ16の機能構成について説明する。図6に示すように、コントローラ16は、機能構成として、準備部50と、推定部52と、制御部54とを含む。各機能構成は、CPU32が記憶装置36に記憶されたロボットハンド制御プログラムを読み出し、メモリ34に展開して実行することにより実現される。
 準備部50は、組付動作前の準備を行う。具体的には、準備部50は、組付動作に必要な情報の取得、動作計画(詳細は後述)の受け付け、ハンド12による把持物体20の把持、及び組付作業領域付近までのハンド12を移動させるための制御等を行う。
 推定部52は、変位センサ14により検出された変位量に基づいて、把持物体20を組付先物体22に組み付ける際に、把持物体20が組付先物体22から受ける接触力により生じる把持物体20の位置及び姿勢の変位量(以下、「位置及姿勢変位量」という)を推定する。また、推定部52は、推定した把持物体20の位置姿勢変位量に基づいて、把持物体20と組付先物体22との相対的な位置及び姿勢の誤差(以下、「相対的位置姿勢誤差」という)を推定する。
 図7を参照して、推定部52による推定の概要を説明する。
 推定部52は、変位センサ14で検出された、ハンド12の関節の力学的平衡点からの変位量(Δq)に基づいて、把持物体20が組付先物体22から受ける接触力によって生じる把持物体20の位置姿勢変位量(Δp,Δθ)を推定する。推定部52は、推定した把持物体20の位置姿勢変位量(Δp,Δθ)から、把持物体20と組付先物体22との相対的位置姿勢誤差(Δe)を推定する。Δeの定義は、把持物体20及び組付先物体22と、把持物体20を組付先物体22へ組み付けるための動作計画によって異なる。
 動作計画とは、組付などの作業を確実(かつ、場合によっては高速に)完了させるための、センサ値を用いた状態遷移である。各状態で実行する、センサ値に基づく状態の推定と、推定結果に基づくロボットの制御との組をスキルという。すなわち、動作計画は、動作生成のみを行う単なるモーションプラン以外のスキルの目標状態を達成するプロセスを示す。なお、動作計画は動作戦略とも呼ばれる。
 把持物体20であるリングを組付先物体22であるシャフトに挿入する場合を例に、推定部52による推定をより詳細に説明する。
 ハンド12の運動学に基づいて、各指の関節角度qから、各指先の並進位置pを算出する。図8は、i番目の指の機構図の一例である。指先の並進位置pは、関節角q=[qiIP,qiMP,qiTM、指に関する順運動学をFKfingerとすると、p=FKfinger(q)により算出する。次に、各指先の無負荷時の並進位置を初期値pi0とし、各指先の並進変位Δpを、Δp=pi0-pにより算出する。そして、下記(1)式に示すように、各指先のpを平均することによって、初期位置姿勢からのリングの位置変位量Δpが求まる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 リングの位置変位量Δpは、図9に示すように、シャフトからの接触力がないときのリング中心点(d1)の位置と、シャフトからの接触力があるときのリング中心点(d2)の位置との差(ΔX,ΔY,ΔZ)である。
 次に、下記(2)式に示すように、各指の変位の1次モーメントp×Δpを平均することによって、初期位置姿勢からのリングの姿勢変位量Δθが求まる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 なお、角度に相当する量を得るためには、半径で割る必要があるが、シャフトとの相対位置誤差補償を制御ベースで行う場合、後述の通り角度の絶対精度は不要であるため、ここでは省略する。
 リングのシャフトへの挿入では、x-y平面における位置誤差が補償されれば、リングとシャフトとの幾何学的関係から受動的に回転誤差も補償される。よって、リングとシャフトとの位置誤差方向eが推定できれば十分である。リングとシャフトとの2点接触における幾何学的拘束条件に基づいて、リングの姿勢変位量Δθからeを算出する。図10は、2点接触時の位置誤差方向のベクトルとリングの姿勢変位方向のベクトルとの関係を示す図である。図10に示すTop View(x-y平面)において、2つのベクトルが直交している。この直交関係を利用して、下記(3)式により、Δθからeを推定する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 eは、図11に示すように、シャフトの中心点(d3)からリング中心点(d4)へのベクトルであり、図12に示すように、x-y平面における2次元の情報であるので、(3)式では次元を合わせるため、e=0としている。
 図13に、推定部52によるeの推定値と真値との比較結果を示す。ロボット動作にフィードバックして組付作業の制御を行うには十分な推定精度であるといえる。上述したように、ハンド12の指先にズレ防止機構を設けたことで、把持物体20に対し上向き又は横向きの接触力が加わった際に、把持物体20と指先との間にヒステリシス的な滑りが生じなくなり、ハンド12を構成する指の関節の力学的平衡点からの変位が、把持物体20が組付先物体22から受ける接触力由来であることが保証されるため、上記のような推定を精度良く行うことができる。
 制御部54は、推定部52により推定された把持物体20の位置姿勢変位量と、把持物体20と組付先物体22との相対的位置姿勢誤差と、予め定めた動作計画とに基づいて、把持物体20を組付先物体22に組み付けるように、アーム10及びハンド12を制御する。具体的には、制御部54は、位置姿勢変位量(Δp,Δθ)を制約条件に用いて、相対位置姿勢誤差(Δe)をゼロにするようにハンド12を制御する。
 次に、本実施形態に係るロボットハンド100の作用について説明する。
 図14は、コントローラ16のCPU32により実行されるロボットハンド制御処理の流れを示すフローチャートである。CPU32が記憶装置36からロボットハンド制御プログラムを読み出して、メモリ34に展開して実行することにより、CPU32がコントローラ16の各機能構成として機能し、図14に示すロボットハンド制御処理が実行される。
 まず、ステップS12で、準備部50が、把持物体20及び組付先物体22の種類、寸法パラメータ、位置等の情報を取得する。この情報は、予め入力されているCADデータから取得したり、ユーザにより入力された情報を取得したりすればよい。
 次に、ステップS14で、準備部50が、把持物体20の把持姿勢、及び把持物体20を組付先物体22に組み付けるための動作計画をユーザから受け付け、決定する。
 次に、ステップS16で、準備部50が、ハンド12を把持物体20に接近させ、上記ステップS14で決定した把持姿勢で把持物体20をハンド12で把持させる。
 次に、ステップS18で、準備部50が、把持物体20がハンド12の指先以外と接触していない状態になる位置まで持ち上げる。すなわち、力学的平衡点を作る。
 次に、ステップS20で、準備部50が、各関節の変位センサ14から、各関節の角度qi0を取得し、pi0=FKfinger(qi0)により、力学的平衡点を示す初期値pi0算出し、所定の記憶領域に記憶する。
 次に、ステップS22で、準備部50が、アーム10及びハンド12を制御して、上記ステップS12で取得した組付先物体22の位置に基づいて、ハンド12で把持された把持物体20を組付先物体22に接近させる。
 次に、ステップS30で、推定部52及び制御部54により、上記ステップS14で決定された動作計画が実行される。
 図15を参照して、リングをシャフトに挿入するリング挿入動作計画について説明する。リング挿入動作計画(S30)が開始すると、状態判定により、リングのZ位置が閾値Th以下となったか否かが監視される(S302)。閾値Thは、リングがシャフトに挿入された状態のZ位置の値として定めておくことができる。また、リング挿入動作が開始されると、リング軸合わせスキル(S304)が呼び出される。
 リング軸合わせスキルでは、推定部52による推定と、制御部54によるハンド12の制御が行われる。具体的には、推定部52が、上記(1)式~(3)式により、シャフト中心から見たリング中心の方向ベクトル(e)、及びシャフトからの接触力でリングが動く変位のZ成分(ΔZ)を推定する。そして、制御部54が、X、Y、Zの各方向に、以下のような速度で把持物体20が移動するように、ハンド12の各関節にトルクを与え、ハンド12の動作を制御する。
  Z方向速度:=目標速度-Gz・ΔZ (Gz:定数ゲイン)
  XY方向速度:=Gxy・(-e)  (Gxy:定数ゲイン)
 シャフト中心とリング中心とが一致すると、リングがシャフトに挿入され、状態判定でZ≦Thと判定され、リング軸合わせスキルを終了すると共に、リング挿入動作計画が完了する。
 以上説明したように、本実施形態に係るロボットハンドによれば、ハンドは、把持物体との接触部分に把持物体のズレ防止機構と、外力によって異方向に3自由度で可動する機構とを有する。また、ハンドは、外力が加わったときに、外力が加わる前の力学的に平衡な状態から変位する。すなわち、バックドライバビリティを有する。そして、センサがその変位量を検出し、検出された変位量に基づいて、把持物体の位置姿勢変位量及び把持物体と組付先物体との相対的位置姿勢誤差を推定し、推定した情報に基づいて、把持物体を組付先物体に組み付けるように、ハンドを制御する。
 このように、ハンドのバックドライバビリティにより、把持物体と組付先物体との接触時の衝撃を緩和することができると共に、接触時に把持物体に変位を発生させることができる。また、指先にズレ防止機構を備えたことで、接触時のヒステリシス的なズレを防止でき、上記の変位量が、把持物体が組付先物体から受ける接触力由来のものであることが保証される。これにより、上記の変位量を用いて、組付作業を精度良く制御することができるため、把持物体と組付先物体との衝撃を緩和しつつ、クリアランスが小さい物体同士の組み付けであっても、高速に組付作業を行うことができる。
 また、推定部による推定は、ロボット動作にフィーバックすることが前提であるので、図13に示したような単調増加性さえあればよい。すなわち、推定の絶対精度は不要であるため、高価なセンサを設ける必要はない。また、推定の絶対精度が不要であることから、高速に推定することができ、例えば速度比例制御のような単純なフィードバック制御則で組付動作を実現することができる。このため、制御のための調整パラメータが減り、調整も簡単になる。
 なお、上記実施形態では、把持物体がリング、組付先物体がシャフトで、リングをシャフトに挿入する組付動作について説明したが、本実施形態は、他の組付動作にも適用することができる。
 例えば、図16に示すように、オスコネクタをメスコネクタに挿入する組付動作に本実施形態を適用することができる。このような直方体の把持物体を3指ハンドで把持する場合、図16に示すように、1つの指で長辺部分を、残り2つの指でその長辺に対向する角を把持すると安定すると共に、後述する動作計画を実現できる。
 この場合の動作計画の一例を図17に示す。図17に示すように、コネクタ挿入動作計画(S31)が開始されると、状態判定(S312)により、ΔZが閾値Thz以上となったか否かが監視されると共に、Z面アライメントスキル(S314)が呼び出される。
 Z面アライメントスキルでは、推定部52が、上記(1)式により、外部からの接触力で把持物体20が動く変位(ΔX,ΔY,ΔZ)を推定する。そして、制御部54が、X、Y、Zの各方向に、以下のような速度で把持物体20が移動するように、ハンド12の各関節にトルクを与え、ハンド12の動作を制御する。
  X方向速度:=-Gx・ΔX
  Y方向速度:=-Gy・ΔY
  Z方向速度:=目標速度-Gz・ΔZ (Gx、Gy、Gz:定数ゲイン)
 これは、図18の上段に示すように、オスコネクタをXY方向に意図的にずらした位置で、Z方向に押し当てる動作である。ハンド12の指先から図18中の点Aにかかる力がモーメントとなり、オスコネクタは線Bを回転軸としてメスコネクタの内側に入り込む形で微小に姿勢変位する。
 ΔZ≧閾値Thzとなると、状態判定(S312)が完了し、次の状態判定(S316)が開始して、ΔXが閾値Thx以上となったか否かが監視されると共に、X面アライメントスキル(S318)が呼び出される。
 X面アライメントスキルでは、Z面アライメントスキル(S314)と同様に、推定部52が(ΔX,ΔY,ΔZ)を推定する。そして、制御部54が、以下のようにハンド12の動作を制御する。
  X方向速度:=目標速度-Gx・ΔX
  Y方向速度:=-Gy・ΔY
  Z方向速度:=-Gz・ΔZ
 これは、図18の中段に示すように、Z方向への押し付けは継続しながら、X方向にずらし、X方向にある程度の接触力が検知されたら止める動作である。図18の例では、線Cの部分が接触している。
 ΔX≧閾値Thxとなると、状態判定(S316)が完了し、次の状態判定(S320)が開始して、ΔYが閾値Thy以上となったか否かが監視されると共に、Y面アライメントスキル(S322)が呼び出される。
 Y面アライメントスキルでは、Z面アライメントスキル(S314)と同様に、推定部52が(ΔX,ΔY,ΔZ)を推定する。そして、制御部54が、以下のようにハンド12の動作を制御する。
  X方向速度:=-Gx・ΔX
  Y方向速度:=目標速度-Gy・ΔY
  Z方向速度:=-Gz・ΔZ
 これは、図18の下段に示すように、Z方向及びX方向の押し付けは継続しながら、Y方向にずらし、Y方向にある程度の接触力が検知されたら止める動作である。図18の例では、線Dの部分が接触している。
 ΔY≧閾値Thyとなると、状態判定(S320)が完了し、次の状態判定(S324)が開始して、ΔZが閾値Thz1以上、かつZが閾値Thz2以上となったか否かが監視されると共に、Z面アライメントスキル(S326)が呼び出される。なお、S324の状態判定では、ΔZの時系列波形の特徴から状態を判定してもよい。Z面アライメントスキル(S326)は、Z面アライメントスキル(S314)と同様である。これは、X方向及びY方向の押し付けは接触力が微小状態になるように継続しながら、Z方向に押し入れ、Z方向にある程度押し込んだら止める動作である。
 また、他の例として、図19に示すように、ペグを穴へ挿入する組付動作に本実施形態を適用することができる。このような円柱状の把持物体を3指ハンドで把持する場合、図19に示すように、円周に沿って120°毎に指を配置するように把持すると安定すると共に、後述する動作計画を実現できる。
 この場合の動作計画では、上記のコネクタ挿入動作計画のZ面アライメントと同様のスキルにより、ペグをZ方向に押し付ける。そして、Z方向への押し付けは継続しながら、X方向及びY方向に単振動状の動きを生成し、ペグと穴との軸が一致するよう、単振動状の動きの中心として、推定したペグの位置変位量の平均を採用する。ペグの位置変位量は、リングのΔpと同じ手法で推定することができる。
 なお、コネクタ挿入及びペグ挿入の例では、把持物体20と組付先物体22との相対位置姿勢誤差は用いないため、推定部52は、把持物体20の位置変位量のみ推定すればよい。
 また、上記実施形態では、ハンド12を多関節多指型の構成とし、把持物体20のズレ防止機構として、把持物体20との接触部分であるハンド12の指先の形状を図3又は図4に示すような形状とする場合について説明したが、これに限定されない。
 例えば、図20に示すように、把持物体との接触部分に把持物体のズレ防止機構と、外力によって異方向に3自由度で可動する機構を有するハンドとして、吸着パッドを用いる構成としてもよい。この場合、図21に示すように、吸着パッドの変位量として、押込量と、ねじれ量×2の3自由度分の変位量を検出可能な変位センサ14を設ければよい。
 また、例えば、図22に示すように、指先に変位センサ14付きの吸着パッドを備えた挟持ハンドとしてもよい。この場合、挟持ハンドを構成する複数(図22の例では2つ)の指部の各々は、指部全体を回転させるための回転機構を有することが望ましい。また、他の例として、図23に示すように、多関節多指型のハンドの指先に、変位センサ14付きの吸着パッドを備えてもよい。
 いずれの構成においても、変位センサ14で検出される変位量を用いて、上記実施形態と同様に推定及び制御を行うことができる。
 また、上記実施形態でCPUがソフトウェア(プログラム)を読み込んで実行したロボットハンド制御処理を、CPU以外の各種のプロセッサが実行してもよい。この場合のプロセッサとしては、FPGA(Field-Programmable Gate Array)等の製造後に回路構成を変更可能なPLD(Programmable Logic Device)、及びASIC(Application Specific Integrated Circuit)等の特定の処理を実行させるために専用に設計された回路構成を有するプロセッサである専用電気回路等が例示される。また、ロボットハンド制御処理を、これらの各種のプロセッサのうちの1つで実行してもよいし、同種又は異種の2つ以上のプロセッサの組み合わせ(例えば、複数のFPGA、及びCPUとFPGAとの組み合わせ等)で実行してもよい。また、これらの各種のプロセッサのハードウェア的な構造は、より具体的には、半導体素子等の回路素子を組み合わせた電気回路である。
 また、上記各実施形態では、ロボットハンド制御プログラムが記憶装置に予め記憶(インストール)されている態様を説明したが、これに限定されない。プログラムは、CD-ROM(Compact Disc Read Only Memory)、DVD-ROM(Digital Versatile Disc Read Only Memory)、及びUSB(Universal Serial Bus)メモリ等の記録媒体に記録された形態で提供されてもよい。また、プログラムは、ネットワークを介して外部装置からダウンロードされる形態としてもよい。
10   アーム
12   ハンド
14   変位センサ
16   コントローラ
20   把持物体
22   組付先物体
32   CPU
34   メモリ
36   記憶装置
38   入力装置
40   出力装置
42   光ディスク駆動装置
44   通信I/F
50   準備部
52   推定部
54   制御部

Claims (10)

  1.  把持物体との接触部分に前記把持物体のズレ防止機構と、外力によって異方向に3自由度で可動する機構とを有するハンドと、
     前記ハンドに外力が加わったときに、前記外力が加わる前の力学的に平衡な状態からの前記ハンドの変位量を検出するセンサと、
     前記センサにより検出された変位量に基づいて、前記把持物体を組付先物体に組み付ける際の前記把持物体の位置及び姿勢の変位量を推定する推定部と、
     前記推定部により推定された前記把持物体の位置及び姿勢の変位量に基づいて、前記把持物体を前記組付先物体に組み付けるように、前記ハンドを制御する制御部と、
     を含むロボットハンド。
  2.  前記推定部は、推定した前記把持物体の位置及び姿勢の変位量に基づいて、前記把持物体と前記組付先物体との相対的な位置及び姿勢の誤差を推定し、
     前記制御部は、前記推定部により推定された前記把持物体の位置及び姿勢の変位量と、前記相対的な位置及び姿勢の誤差と、予め定めた動作計画とに基づいて、前記把持物体を前記組付先物体に組み付けるように、前記ハンドを制御する
     請求項1に記載のロボットハンド。
  3.  前記推定部は、前記把持物体と前記組付先物体とが、水平面であるx-y平面における位置誤差が補償されることにより回転誤差も補償される関係である場合、前記把持物体の姿勢の変位量のx成分及びy成分から、x-y平面における前記把持物体と前記組付先物体との相対的な位置の誤差を推定する請求項2に記載のロボットハンド。
  4.  前記制御部は、前記推定部により推定された前記把持物体の位置及び姿勢の変位量と、予め定めた動作計画とに基づいて、前記把持物体を前記組付先物体に組み付けるように、前記ハンドを制御する請求項1に記載のロボットハンド。
  5.  前記ズレ防止機構は、前記把持物体との接触部分を、前記把持物体の上部と接する面と前記把持物体の側面と接する面とを有する切り欠き形状としたことである請求項1~請求項4のいずれか1項に記載のロボットハンド。
  6.  前記ハンドは、前記把持物体との接触部分に吸着パッドを有する請求項1~請求項4のいずれか1項に記載のロボットハンド。
  7.  前記ハンドを、指部全体を回転させるための回転機構を有する複数の指部を備えた挟持ハンドとした請求項1~請求項6のいずれか1項に記載のロボットハンド。
  8.  前記ハンドを、関節の回転角度により指先部分の位置及び姿勢を制御可能な複数の指部とした請求項1~請求項6のいずれか1項に記載のロボットハンド。
  9.  把持物体との接触部分に前記把持物体のズレ防止機構と、外力によって異方向に3自由度で可動する機構とを有するハンドと、前記ハンドに外力が加わったときに、前記外力が加わる前の状態からの前記ハンドの変位量を検出するセンサと、推定部と、制御部とを備えたロボットハンドにおいて、
     前記推定部が、前記センサにより検出された変位量に基づいて、前記把持物体を組付先物体に組み付ける際の前記把持物体の位置及び姿勢の変位量を推定し、
     前記制御部が、前記推定部により推定された前記把持物体の位置及び姿勢の変位量に基づいて、前記把持物体を前記組付先物体に組み付けるように、前記ハンドを制御する
     ロボットハンド制御方法。
  10.  コンピュータを、請求項1~請求項8のいずれか1項に記載のロボットハンドを構成する推定部及び制御部として機能させるためのロボットハンド制御プログラム。
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