(57)【要約】      （修正有）【課題】構造体を、３次元的にフレキシブルな位置及び姿勢で非接触保持することを可能とする構造体の保持装置および保持方法を提供する。【解決手段】非接触物体保持ユニット１は、保持装置全体でｎ個、構造体保持部８内に設置されている。制御部５は複数の非接触物体保持ユニットを統括制御し、記憶部、演算部、操作部、判定部を有する。測定値１はそれぞれに対応する非接触物体保持ユニット１で測定されたパン角、チルト角、距離計測器での測定値であり、非接触物体保持ユニット１から制御部５に送出される。制御信号１は非接触物体保持ユニット１のパン角、チルト角、エアジェット流噴射機の噴射流量を制御するための信号であり、制御部５から非接触物体保持ユニット１に送出される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の球状物体をその一部に含み、前記複数個の球状物体が剛性的に結合されている構造体の保持装置において、パン角、チルト角の制御が可能な複数個のパンチルトアクチュエータと、前記複数のパンチルトアクチュエータそれぞれの上に載置した複数のエアジェット流噴射機と、前記複数個のパンチルトアクチュエータそれぞれの上に載置した複数の距離計測器からなる構造体保持部と、前記複数個のパンチルトアクチュエータと前記複数のエアジェット流噴射機を制御する制御部からなること特徴とする、構造体の保持装置。
【請求項２】
複数個の球状物体をその一部に含み、前記複数個の球状物体が剛性的に結合されている構造体の保持方法において、前記構造体保持部に複数個の非接触物体保持ユニットを設置し、前記制御部によって、前記複数個の非接触物体保持ユニットのパン角、チルト角、エアジェット噴射量を制御して、コアンダ効果を利用して、前記複数個の球状物体を、立体角を持った略逆円錐状のエアジェット流域内の所定の位置に保持することで、その一部に複数個の球状物体を含む構造体に機械的に接触することなく、構造体を任意の位置と姿勢を保って保持することを特徴とする、構造体の保持方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は球に代表される滑らかな凸形状物体（以下、球状物体と略記することがある。）を複数個その一部に含み、複数個の球状物体が剛性的に結合されている構造体（以下、構造体と略記することがある。）の保持装置及び保持方法に関し、より詳細には、パン角、チルト角の制御が可能な複数個のパンチルトアクチュエータそれぞれの上に載置した複数のエアジェット流噴射機によって、コアンダ効果を利用して前記複数個の球状物体をそれぞれジェット流域内に保持し、前記複数個のパンチルトアクチュエータのパン角、チルト角、エアジェット流噴射機の噴射流量を操作して前記複数個の球状物体を所定の位置に保持することで、構造体に機械的に接触することなく、構造体を任意の位置と姿勢を保って保持するための装置と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
医薬品、高級食材等、衛生上・品質保持上の観点から取扱いに注意を要する物体を、機械的に接触することなく位置決め保持するための非接触操作技術の開発が望まれている。これまでに、空気流や電磁界を利用して、限定された材質や形状を対象とした非接触物体操作技術が提案されているが、任意物体の位置と姿勢を３次元自由空間内で自由に制御可能なシステムは実現されていない。
【０００３】
非特許文献１には、よく知られたエアジェットのコアンダ効果を利用して球状物体をエアジェット流域中に保持するためのエアジェット流量、保持可能な物体重量等に関する研究成果が報告されているが、単一のエアジェットによる単一物体の保持に関する検討にとどまっており、複数のエアジェットを用いた構造体の位置と姿勢の保持に関する検討はなされていない。
【０００４】
非特許文献２には、テーブル上に載せられた任意物体の位置と姿勢を制御可能な、スチュワートプラットフォームと呼ばれる駆動機構が報告されている。これは、テーブルと6つの並進アクチュエータとがユニバーサルジョイントで機械的に結合されており非接触駆動方式ではない。また、各アクチュエータ同士の衝突を避ける必要性から、テーブルの駆動範囲を大きく取ることが難しいという欠点を有する。
【０００５】
特許文献１には、球状物体をエアジェット流域内に保持し、隣接するエアジェットに順次その保持を引き渡していくことで、単一の球状物体を非接触かつ任意の経路で搬送する技術が開示されているが、構造体の保持に関する検討はなされていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１８−１７７４７１公開公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Aaron Becker, Robert Sandheinrich, and Timothy Bretl, Automated Manipulation of Spherical Objects in Three Dimension Using A Gimbaled Air Jet,The 2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems,October11-15, 2009 St. Louis, USA
【非特許文献２】Stewart, D.(1965-1966). “A Platform with Six Degrees of Freedom”. Proc. Institution of Mechanical Engineers (UK) 180(Pt1, No15)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、構造体を、３次元空間内で任意の位置と姿勢を保った状態で保持することができる装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
係る目的を達成するための本発明の構造体の保持装置は、複数個の球状物体をその一部に含み、前記複数個の球状物体が剛性的に結合されている構造体の保持装置において、パン角、チルト角の制御が可能な複数個のパンチルトアクチュエータと、前記複数のパンチルトアクチュエータそれぞれの上に載置した複数のエアジェット流噴射機と、前記複数個のパンチルトアクチュエータそれぞれの上に載置した複数の距離計測器からなる構造体保持部と、前記複数個のパンチルトアクチュエータと前記複数のエアジェット流噴射機を制御する制御部からなること特徴とする。
以下、パンチルトアクチュエータとその上に載置されたエアジェット流噴射機と距離計測器のセットを非接触物体保持ユニットと略記することがある。
【００１０】
係る目的を達成するための本発明の構造体の保持方法は、複数個の球状物体をその一部に含み、前記複数個の球状物体が剛性的に結合されている構造体の保持方法において、前記構造体保持部に複数個の非接触物体保持ユニットを設置し、前記制御部によって、前記複数個の非接触物体保持ユニットのパン角、チルト角、エアジェット噴射量を制御して、コアンダ効果を利用して、前記複数個の球状物体を、立体角を持った略逆円錐状のエアジェット流域内の所定の位置に保持することで、その一部に複数個の球状物体を含む構造体に機械的に接触することなく、構造体を任意の位置と姿勢を保って保持することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明の、構造体の保持装置及び保持方法によれば、コアンダ効果を利用して構造体の一部を構成する複数個の球状物体をエアジェット流域内に非接触で保持することで、構造体全体を非接触で、任意の位置と姿勢を保った状態で保持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施状態の一例を模式的に示す図である。
【図２】コアンダ効果を利用してエアジェット流域内に球状物体を保持する非接触物体保持ユニットとその座標系を示す図である。
【図３】構造体の保持装置の装置構成を示す図である。
【図４】構造体の保持装置での座標系を示す図である。図４（a）は物体保持部の座標系と構造体の座標系を示す図である。図４（b）は物体保持部の座標系と構造体の座標系の関係を示す図である。図４（c）は物体保持部上での、各非接触物体保持ユニットの座標系を示す図である。
【図５】本発明の実現可能性を確認するための、３個の球状物体を高剛性ワイヤで接続した構造体の位置・姿勢操作実験の概要を示す図である。
【図６】構造体をXP軸方向に並進させた状態を示す図である。
【図７】図６に示したXP軸方向並進時の構造体の重心OPの軌跡を示す図である。
【図８】構造体をZP軸方向に回転させた状態を示す図である。
【図９】図８に示したZP軸方向回転時の構造体を構成する３つの球状物体の、XP-YP平面上での軌跡を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。各図において、同一の構成要素は同一番号をつけて示し、簡略化のためその説明を省略することがある。
【００１４】
図１は本発明の実施状態の一例を模式的に示したものであり、３個の球状物体２が高剛性のワイヤ６で結合された構造体７が３つの非接触物体保持ユニット５で保持された状態を示している。
【００１５】
図２は非接触物体保持ユニット１とその座標系を示す図である。
図２において２は球状物体であり、コアンダ効果によって、エアジェット流噴射機３から噴射されるジェット流域内に保持されている。
４は非接触物体保持ユニット１の座標原点と球状物体２との距離を測定するための距離計測器である。
ジェット流噴射機３、距離計測器４は、図には示さなかった２軸以上の自由度を持つパンチルトアクチュエータ上に載置されている。
球状物体２の位置座標は、ジェット流噴射機のパン角θ、チルト角φ、距離計測器での測定値lを用いて、パンチルトアクチュエータ上の基準点を原点とする球面座標系で把握することができる。
【００１６】
図３は本発明の構造体保持装置の装置構成を示す図である。
図３において、１は２軸以上の自由度を持つパンチルトアクチュエータと、該パンチルトアクチュエータ上に載置されて球状物体２に向けてジェット状の流体を噴射するエアジェット流噴射機３と、前記パンチルトアクチュエータ上に載置されて該パンチルトアクチュエータと前記球状物体２との距離を測定する距離計測器４から成る非接触物体保持ユニットであり、保持装置全体でｎ個、構造体保持部８内に設置されている。
５は前記ｎ個の非接触物体保持ユニットを統括制御するための制御部であり、その内部には、図には示さなかった記憶部、演算部、操作部、判定部を有する。
測定値i（i=1,2,・・・,n）はそれぞれに対応する非接触物体保持ユニットiで測定されたパン角、チルト角、距離計測器での測定値であり、非接触物体保持ユニットiから制御部５に送出される。
制御信号i（i=1,2,・・・,n）は非接触物体保持ユニットiのパン角、チルト角、エアジェット流噴射機の噴射流量を制御するための信号であり、制御部５から非接触物体保持ユニットiに送出される。
なお、構造体保持部８内に設置する非接触物体保持ユニットの数nは、構造体７を構成する球状物体２の数、構造体７の重量等によって、設計上の観点から決定すべきであることは勿論である。
（記憶部の機能）
予め、構造体の位置座標値、各非接触物体保持ユニットの座標原点の位置座標値、各非接触物体保持ユニットの性能情報等が設定・記憶されている。
（演算部の機能）
記憶部に記憶されている構造体７の位置座標値、各非接触物体保持ユニットの原点座標値、各非接触物体保持ユニットの性能情報等から、複数個の球状物体を保持する非接触物体保持ユニットの選定、当該非接触物体保持ユニットへの制御信号の算出等を行う。
（操作部の機能）
演算部で得られた結果に基づいて、非接触物体保持ユニットに制御信号を送出して非接触物体保持ユニットを操作する。
【００１７】
図１に示す３個の球状物体を正三角形の頂点として含む構造体を例に、非接触物体保持ユニットの制御法を、以下の流れに沿って説明する。
（１）装置各部位の位置と姿勢を厳密に記述するために適宜座標系を定義・導入する。
（２）３つのエアジェットアクチュエータが設置される静止面と、浮上構造体の位置と姿勢を表現する同次変換行列との幾何学的関係を求める。
（３）パラレルリンク機構の順運動学解として、３つのエアジェットアクチュエータのパンチルト角度及び球状物体浮上距離を決めた際の、上記同次変換行列を計算する。
（４）パラレルリンク機構の逆運動学解として、上記同次変換行列を決めた際の、３つのエアジェットアクチュエータのパンチルト角度及び球状物体浮上距離を計算する。
（５）（４）で計算された球状物体浮上距離を実現するエアジェット噴出量を計算する。
１．構造体保持装置での座標系
図４は本発明の構造体保持装置での座標系を示したものであり、図４（a）は構造体７上での座標系と構造体保持部８上での座標系を、図４（b）は構造体保持部８の座標系と構造体７の座標系の関係を、図４（c）は非接触物体保持ユニットの座標系を示したものである。
図４（a）においてΣPは１辺の長さがlPの正三角形状構造体７の重心OPに固定された構造体座標系XPYPZP,ΣBは構造体保持部８上に設置された３つの非接触物体保持ユニットの位置を頂点とした１辺の長さがlBの正三角形の重心OBに固定された造体保持部座標系XBYBZBを表し、ΣBiはi番目の非接触物体保持ユニットの座標原点biに固定された球面座標系θiφiを表す。
図４（b）は構造体７の重心OP,構造体７の各頂点Pi（すなわち、i番目の球状物体の位置），構造体保持部８の重心OB、構造体保持部８の頂点Bi（すなわち、i番目の非接触物体保持ユニット位置）の関係を位置ベクトルとして表したものであり、BPPはOBに対するOPの位置ベクトルを、PPPiはOPに対するi 番目の球状物体の位置ベクトルを、BPBiはOBに対するi番目の非接触物体保持ユニットの位置ベクトルを、BPPiはOBに対するi番目の球状物体の位置ベクトルを表している。
図４（c）はi番目の非接触物体保持ユニットの座標原点Biに固定された球面座標系θiφilを表している。
２．構造体の姿勢
簡単のため、以下では、非接触物体保持ユニットiが球状物体iを保持するとして説明する。
ΣPの原点OBはP1,P2,P3の重心位置であり、BPPとBPPiの関係を示す式（１）が得られる。
BPP = ( BPP1 + BPP2 + BPP3 )/ 3                        （１）
また、構造体７の姿勢行列をBRP = (BxP ：Byp： Bzp)∈R3×3とすると、BRPは式（２）、式（３）、式（４）で表せる。
BxP  = ( BPP3 - BPP2 )/ lP                               （２）  
ByP  = ( BPP2 + BPP3 - 2BPP1 )/ √３×lP                  （３）
BzP  = BxP × ByP                                                   （４）                                                                      
ここに、式（４）中の記号×はベクトルの外積を示す。
また、座標系ΣBiは座標系ΣBをPPBi平行移動したものであることから、座標系ΣBiから見
た構造体７上の球状物体Piの位置BiPPiは式（５）で表せる。
BiPPi = BPPi - BPBi                                            （５）
３．構造体の順運動学解
構造体７上の各球状物体Pｉの位置BPPiは一辺がlpの正三角形頂点に存在する。従って、式（６）の制約条件を満たす範囲でｂPPiを任意に決定すると、座標系ΣBから座標系ΣPへの同時変換行列BTPは式（７）で表せる。
ベクトルノルム（ BPP1 - BPP2 ）＝ ベクトルノルム（ BPP2 - BPP3 ）
＝ ベクトルノルム（ BPP3 - BPP1 ）=  lP  （６）
BTP(1,1) = BRP RTP(1,2) = BPP BTP(2,1) = 0     BTP(2,2 )= 1         （７）
ここに、BTP(i,j)は、BTPのi行j列要素を示す。
４．構造体の逆運動学解
BTPが与えられた時の（即ち、構造体７の位置や姿勢が与えられた時）のBPPiは（即ち、構造体保持部８に対して球状物体ｉが移動すべき位置は）、式（１）、式（２）、式（３）の連立方程式の解として、式（８）、式（９）、式（１０）と表せる。
BPP1 = BPP + lP/√3×ByP                                        （８）
BPP2 = BPP - lP/2×BxP - lP/2√3×ByP                              （９）
BPP3 = BPP + lP/2×BxP - lP/2√3×ByP                             （１０）
５．非接触物体保持ユニットの制御
式（８）、式（９）、式（１０）で示される構造体７の逆運動学解BPPiが与えられた時、図４（c）から、非接触物体保持ユニットｉの変数（θｉ、φｉ、ｌｉ）Ｔは式（１２）で与えられる。
即ち、ｉ番目の非接触物体保持ユニットのパン角θｉ、チルト角φｉ、球状物体との距離ｌｉを式（１１）の値に保つことで、構造体７の位置と姿勢を式（７）で示された状態に保持することが可能となる。
θi = -tan-1(yi/zi)、    φi = tan-1(xi/zi)、    li = (Xi2+Yi2+Zi2)1/2                    （１１）
６．接触物体保持ユニットのエアジェット噴出量の制御
非接触物体保持ユニットｉのパン角θｉ、チルト角φｉについてはパンチルトアクチュエータのパン角とチルト角を調整してエアジェット噴出機からのエアジェット噴出方向を調整することで設定可能であるが、球状物体との距離ｌｉについては、距離計測器４による距離の確認とエアジェット噴射量の調整を同時に実施する必要がある。
非接触物体保持ユニットｉのエアジェット噴射機の噴射量ui(t)は以下のPID制御演算により計算することができる。 
Ui(t) = PID(li(t)-lact (t)                                      （１２）
ここに、lacti(t)は距離測定器４での現在の測定値、li(t)は設定目標距離である。
【実施例】
【００１８】
以下、本発明の構造体保持装置および構造体保持方法の実現可能性を確認するため、３つの球状物体を高剛性ワイヤで接続した構造体を３つの非接触物体保持ユニットで保持する実験とその結果について、図５、図６、図７、図８、図９を用いて、説明する。
図５は、実験に用いた３つの非接触物体保持ユニット（図中ではノズル１、２、３と記載）の配置状態を示したものであり、それぞれの非接触物体保持ユニットは300ｍｍの間隔で同一平面上に配置した。
実験に用いた各機器は以下のとおりである。
制御用ＰＣ：GIGARYTE DualBIOSTM
パンチルトアクチュエータ：PTU-D46（SUSTAINable Robotics）
距離計測器：レーザ式距離計測器 leap motion
ジェット流噴射機：エアノズル SMC社製KN-Q06-20  
電空レギュレータ：ITV2050-2138S （SMC社製）
また、球状物体としては、直径7.5mm、重量10.2gの球体を使用し、それぞれの球状物体の中心間距離が300mmとなるよう、高剛性ワイヤで接続した。
構造体全体重量は36.9gである。
さらに、パンチルトアクチュエータ上に搭載した距離計測器とは別に、外部にセンサ(マイクロソフト、kinect)を設置して３つの球状物体のＸ座標値、Ｙ座標値を測定した。
図６は構造体をXP軸方向に並進させた状態を示す図であり、図７はそのときの構造体の重心OPの軌跡を示す図である。
図８は構造体をZP軸方向に回転させた状態を示す図であり、図９はそのときの構造体
を構成する３つの球状物体の、XP-YP平面上での軌跡を示す図である。
図６、図７、図８、図９から判るように、本発明の構造体の保持装置及び保持方法によって、XP軸方向への約100ｍｍの並進とZP軸周り約30度の回転運動が実現されている。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明によれば、複数個の球状物体をその一部に含み、前記複数個の球状物体が剛性的に結合されている構造体を、コアンダ効果を利用して前記複数個の球状物体をエアジェット流域内に非接触で保持することで、構造体または構造体内あるいは構造体上に載置された被搬送物を、その位置及び姿勢について、高い自由度で保持することができる。
【符号の説明】
【００２０】
１   非接触物体保持ユニット
２   球状物体
３   エアジェット流噴射機
４   距離計測器
５   制御部
６   ワイヤ
７   構造体
８   構造体保持部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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