(57)【要約】【課題】ハンド部での多点接触による動作を可能とし、多点接触による押付力の力制御をより容易に行なうロボット装置を提供する。【解決手段】アーム部２０とハンド部３０とアーム制御部２００とを備えたマニュピレータ１０において、ハンド部３０は、掌部４０と、指部５０と、掌部４０の押付力を検出するタクタイルセンサ４２と、指部５０の押付力を検出するタクタイルセンサ５３と、指部５０の掌部４０に対する位置・姿勢を検出する力覚センサ５１とを有し、アーム制御部２００は、掌部４０の押付力と、指部５０の押付力と、指部５０の掌部４０に対する位置・姿勢とに基づいて、アーム部２０の制御目標を設定する。これによりハンド部３０における各種情報をフィードバックしてアーム部２０の制御が行なわれ、ハンド部３０での多点接触による動作を可能とし、多点接触による押付力の力制御をより容易に行なえる。【選択図】図１
2010131702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１リンク部と、
前記第１リンク部に対して相対運動する第２リンク部と、
前記第１リンク部の接触領域における接触荷重を検出する第１接触荷重検出部と、
前記第２リンク部の接触領域における接触荷重を検出する第２接触荷重検出部と、
前記第１リンク部の制御目標を設定する第１リンク部制御目標設定部と、
を備え、
前記第１リンク部制御目標設定部は、前記第１接触荷重検出部の接触荷重の検出値と、前記第２接触荷重検出部の接触荷重の検出値との差分を低減させるように、前記第１リンク部の制御目標を設定する、ロボット装置。
【請求項２】
第１リンク部と、
前記第１リンク部に対して相対運動する第２リンク部と、
前記第１リンク部に対する前記第２リンク部の位置及び姿勢の少なくともいずれかを検出する運動検出部と、
前記第１リンク部の接触領域における接触荷重を検出する第１接触荷重検出部と、
前記第２リンク部の接触領域における接触荷重を検出する第２接触荷重検出部と、
前記第１リンク部の制御目標を設定する第１リンク部制御目標設定部と、
を備え、
前記第１リンク部制御目標設定部は、前記第１接触荷重検出部の接触荷重の検出値と、前記第２接触荷重検出部の接触荷重の検出値と、前記運動検出部が検出した前記第１リンク部に対する前記第２リンク部の位置及び姿勢の少なくともいずれかとに基づいて、前記第１リンク部の制御目標を設定する、ロボット装置。
【請求項３】
アーム部と、
前記アーム部先端のハンド部と、
前記アーム部の制御目標を設定するアーム制御目標設定部と、
を備え、
前記ハンド部は、
前記アーム部先端に対して取付けられるベース部と、
前記ベース部に対して可動の少なくとも１つのリンク部と、
作業対象物の作業対象面に対する前記ベース部の接触領域における２箇所以上の点の押付力を検出するベース押付力検出部と、
前記作業対象物の前記作業対象面に対する前記リンク部の接触領域における点の押付力を検出するリンク押付力検出部と、
前記リンク部の前記ベース部に対する位置及び姿勢の少なくともいずれかを検出するリンク可動状態検出部と、
を有し、
前記アーム制御目標設定部は、前記ベース押付力検出部が検出した前記ベース部の接触領域における点の押付力と、前記リンク押付力検出部が検出した前記リンク部の接触領域における点の押付力と、リンク可動状態検出部が検出した前記リンク部の前記ベース部に対する位置及び姿勢の少なくともいずれかとに基づいて、前記アーム部の制御目標を設定する、ロボット装置。
【請求項４】
前記アーム制御目標設定部は、前記ベース部の接触領域、前記リンク部の接触領域、及び前記ベース部と前記リンク部とを合わせた全接触領域の少なくともいずれかにおける接触圧の分布状態が目標の状態に近づくように前記アーム部の制御目標を設定する、請求項３に記載のロボット装置。
【請求項５】
前記アーム制御目標設定部は、前記ベース部の接触領域、前記リンク部の接触領域、及び前記ベース部と前記リンク部とを合わせた全接触領域の少なくともいずれかにおける接触圧の圧力重心が、前記ベース部の接触領域、前記リンク部の接触領域、及び前記ベース部と前記リンク部とを合わせた全接触領域の少なくともいずれかそれぞれにおける幾何学的重心に近づくように前記アーム部の制御目標を設定する、請求項４に記載のロボット装置。
【請求項６】
前記リンク部の制御目標を設定するリンク制御目標設定部をさらに備え、
前記リンク制御目標設定部は、前記リンク押付力検出部が検出した前記リンク部の前記接触領域における点の押付力に基づいて、前記リンク部の接触領域における点の押付力が目標値と一致するように、前記リンク部の前記ベース部に対する位置及び姿勢の少なくともいずれかを制御するように前記リンク部の前記制御目標を設定する、請求項３〜５のいずれか１項に記載のロボット装置。
【請求項７】
前記アーム制御目標設定部は、前記アーム部の制御目標として前記アーム部の姿勢及び前記作業対象物に対して加える力の少なくともいずれかを制御目標として設定する、請求項３〜６のいずれか１項に記載のロボット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット装置に関し、特には、アーム部とハンド部とを備えたロボット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、アーム部とハンド部とを備えたロボット装置が提案され、工業分野のみならず、医療福祉、農業、安全システム等の様々な分野への応用が期待されている。特に、医療福祉の分野においては、少子高齢化に伴う労働人口の減少と要介護者の増加が見込まれるため、人と同じ環境で実作業支援を行なう人間共存型のロボット装置への期待が高まっている。
【０００３】
例えば、非特許文献１では、ロボットアーム先端に取り付けられた多数の指を備えた多指ハンドの指先部に圧力センサを設置したロボット装置が提案されている。この非特許文献１のロボット装置は、ハンドの指先部が人間の前腕部に触れている状態で、アームを前腕に沿って動かすと同時に、指先の圧力センサにより検出した押付力が目標値と一致するように指関節を制御することで、人の前腕部に対する清拭作業を行なうロボット装置が提案されている。
【非特許文献１】佐々木大輔、則次俊郎、高岩昌弘、「生活支援ロボットのための圧力検出型ソフト接触センサの開発」、日本機械学会、日本機械学会論文集（Ｃ編）、２００４年１月、７０巻６８９号、ｐ７７−ｐ８２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記技術では、人間の前腕部等の作業対象物に指先部だけで接触しており、接触面積が小さく作業効率が悪いという欠点がある。すなわち、上記技術では、ハンド部のベース部（掌部）も接触させたハンド部全面での倣い作業を行なっていない。ところが、ハンド部全面を作業対象物に接触させた場合には、多点接触での力学モデルが複雑になるという問題がある。掌部による押付力の調節はアームの力制御により行なわれるが、ハンド部とアーム部とが発生する力は影響し合うため、アームの力制御で発生させた押付力と、実際にハンド部の接触領域全面で発生させている押付力との関係は一定とならず、アーム部とハンド部とを協調させた力制御が必要となる。しかし、多点接触の複雑な力学モデルを解析した上で、アーム部とハンド部とが協調したハンド部全面での面倣い作業をさせる力制御を行なうことは困難である。
【０００５】
本発明は、このような実情に鑑みなされたものであり、その目的は、アーム部とハンド部とを備えたロボット装置において、面倣い作業等のハンド部での多点接触による動作を可能とし、ハンド部での多点接触による押付力の力制御をより容易に行なうことが可能なロボット装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、第１リンク部と、第１リンク部に対して相対運動する第２リンク部と、第１リンク部の接触領域における接触荷重を検出する第１接触荷重検出部と、第２リンク部の接触領域における接触荷重を検出する第２接触荷重検出部と、第１リンク部の制御目標を設定する第１リンク部制御目標設定部とを備え、第１リンク部制御目標設定部は、第１接触荷重検出部の接触荷重の検出値と、第２接触荷重検出部の接触荷重の検出値との差分を低減させるように、第１リンク部の制御目標を設定するロボット装置である。
【０００７】
この構成によれば、第１リンク部と、第１リンク部に対して相対運動する第２リンク部と、第１リンク部の接触領域における接触荷重を検出する第１接触荷重検出部と、第２リンク部の接触領域における接触荷重を検出する第２接触荷重検出部と、第１リンク部の制御目標を設定する第１リンク部制御目標設定部とを備えるロボット装置において、第１リンク部制御目標設定部は、第１接触荷重検出部の接触荷重の検出値と、第２接触荷重検出部の接触荷重の検出値との差分を低減させるように、第１リンク部の制御目標を設定するため、第１リンク部と第２リンク部との接触荷重の差分が低減されることになり、第１リンク部と第２リンク部とで面倣い作業等の多点接触による動作を可能とし、多点接触による押付力の力制御をより容易に行なうことが可能となる。
【０００８】
また、本発明は、第１リンク部と、第１リンク部に対して相対運動する第２リンク部と、第１リンク部に対する第２リンク部の位置及び姿勢の少なくともいずれかを検出する運動検出部と、第１リンク部の接触領域における接触荷重を検出する第１接触荷重検出部と、第２リンク部の接触領域における接触荷重を検出する第２接触荷重検出部と、第１リンク部の制御目標を設定する第１リンク部制御目標設定部とを備え、第１リンク部制御目標設定部は、第１接触荷重検出部の接触荷重の検出値と、第２接触荷重検出部の接触荷重の検出値と、運動検出部が検出した第１リンク部に対する第２リンク部の位置及び姿勢の少なくともいずれかとに基づいて、第１リンク部の制御目標を設定するロボット装置である。
【０００９】
この構成によれば、第１リンク部と、第１リンク部に対して相対運動する第２リンク部と、第１リンク部に対する第２リンク部の位置及び姿勢の少なくともいずれかを検出する運動検出部と、第１リンク部の接触領域における接触荷重を検出する第１接触荷重検出部と、第２リンク部の接触領域における接触荷重を検出する第２接触荷重検出部と、第１リンク部の制御目標を設定する第１リンク部制御目標設定部とを備えたロボット装置において、第１リンク部制御目標設定部は、第１接触荷重検出部の接触荷重の検出値と、第２接触荷重検出部の接触荷重の検出値と、運動検出部が検出した第１リンク部に対する第２リンク部の位置及び姿勢の少なくともいずれかとに基づいて、第１リンク部の制御目標を設定するため、第１リンク部の制御目標の設定に、第１リンク部の接触荷重と、第２リンク部の接触荷重と、第１リンク部に対する第２リンク部の位置及び姿勢の少なくともいずれかとがフィードバックされることになり、第１リンク部と第２リンク部とで面倣い作業等の多点接触による動作を可能とし、多点接触による押付力の力制御をより容易に行なうことが可能となる。
【００１０】
なお、本願において、「位置及び姿勢の少なくともいずれか」とは、例えば、位置の３自由度と、姿勢の３自由度とがあり、合計で６自由度ある場合において、これらの６自由度の組合せのすべてを含むものとする。例えば、位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と姿勢（φ，θ，Ψ）とに対し、位置Ｘと姿勢θのみの２自由度の場合をはじめ、姿勢θ、φのみの２自由度の場合や、位置Ｘ，Ｙと姿勢θ，Ψの４自由度の場合等を全て含むものとする。
【００１１】
また、本発明は、アーム部と、アーム部先端のハンド部と、アーム部の制御目標を設定するアーム制御目標設定部と、を備え、ハンド部は、アーム部先端に対して取付けられるベース部と、ベース部に対して可動の少なくとも１つのリンク部と、作業対象物の作業対象面に対するベース部の接触領域における２箇所以上の点の押付力を検出するベース押付力検出部と、作業対象物の作業対象面に対するリンク部の接触領域における点の押付力を検出するリンク押付力検出部と、リンク部のベース部に対する位置及び姿勢の少なくともいずれかを検出するリンク可動状態検出部と、を有し、アーム制御目標設定部は、ベース押付力検出部が検出したベース部の接触領域における点の押付力と、リンク押付力検出部が検出したリンク部の接触領域における点の押付力と、リンク可動状態検出部が検出したリンク部のベース部に対する位置及び姿勢の少なくともいずれかとに基づいて、アーム部の制御目標を設定する、ロボット装置である。
【００１２】
この構成によれば、アーム部と、アーム部先端のハンド部と、アーム部の制御目標を設定するアーム制御目標設定部とを備えたロボット装置において、ハンド部は、アーム部先端に対して取付けられるベース部と、ベース部に対して可動の少なくとも１つのリンク部と、作業対象物の作業対象面に対するベース部の接触領域における２箇所以上の点の押付力を検出するベース押付力検出部と、作業対象物の作業対象面に対するリンク部の接触領域における点の押付力を検出するリンク押付力検出部と、リンク部のベース部に対する位置及び姿勢の少なくともいずれかを検出するリンク可動状態検出部とを有するため、ベース部の接触領域における２箇所以上の点の押付力、リンク部の接触領域における点の押付力並びにリンク部のベース部に対する位置及び姿勢の少なくともいずれかといったハンド部における各種の情報を検出することができる。さらに、アーム制御目標設定部は、ベース押付力検出部が検出したベース部の接触領域における点の押付力と、リンク押付力検出部が検出したリンク部の接触領域における点の押付力と、リンク可動状態検出部が検出したリンク部のベース部に対する位置及び姿勢の少なくともいずれかとに基づいて、アーム部の制御目標を設定するため、ハンド部における各種の情報をフィードバックしてアーム部の制御が行なわれることになり、面倣い作業等のハンド部での多点接触による動作を可能とし、ハンド部での多点接触による押付力の力制御をより容易に行なうことが可能となる。
【００１３】
この場合、アーム制御目標設定部は、ベース部の接触領域、リンク部の接触領域、及びベース部とリンク部とを合わせた全接触領域の少なくともいずれかにおける接触圧の分布状態が目標の状態に近づくようにアーム部の制御目標を設定することが好適である。
【００１４】
この構成によれば、アーム制御目標設定部は、ベース部の接触領域、リンク部の接触領域、及びベース部とリンク部とを合わせた全接触領域の少なくともいずれかにおける接触圧の分布状態が目標の状態に近づくようにアーム部の制御目標を設定するため、ベース部の接触領域、リンク部の接触領域、及びベース部とリンク部とを合わせた全接触領域の少なくともいずれかにおいて、より作業対象物の形状に合ったアーム部の制御が可能となる。
【００１５】
この場合、アーム制御目標設定部は、ベース部の接触領域、リンク部の接触領域、及びベース部とリンク部とを合わせた全接触領域の少なくともいずれかにおける接触圧の圧力重心が、ベース部の接触領域、リンク部の接触領域、及びベース部とリンク部とを合わせた全接触領域の少なくともいずれかにおける幾何学的重心に近づくようにアーム部の制御目標を設定することが好適である。
【００１６】
この構成によれば、アーム制御目標設定部は、ベース部の接触領域、リンク部の接触領域、及びベース部とリンク部とを合わせた全接触領域の少なくともいずれかにおける接触圧の圧力重心が、ベース部の接触領域、リンク部の接触領域、及びベース部とリンク部とを合わせた全接触領域の少なくともいずれかそれぞれにおける幾何学的重心に近づくようにアーム部の制御目標を設定するため、例えば、ベース部の接触領域における接触圧の圧力重心が、ベース部の接触領域における幾何学的重心と一致した押圧等が可能となり、ベース部の接触領域において、より作業対象物の形状に合ったアーム部の制御が可能となる。
【００１７】
また、リンク部の制御目標を設定するリンク制御目標設定部をさらに備え、リンク制御目標設定部は、リンク押付力検出部が検出したリンク部の接触領域における点の押付力に基づいて、リンク部の接触領域における点の押付力が目標値と一致するように、リンク部のベース部に対する位置及び姿勢の少なくともいずれかを制御するようにリンク部の制御目標を設定することが好適である。
【００１８】
この構成によれば、リンク部の制御目標を設定するリンク制御目標設定部は、リンク押付力検出部が検出したリンク部の接触領域における点の押付力に基づいて、リンク部の接触領域における点の押付力が目標値と一致するように、リンク部のベース部に対する位置及び姿勢の少なくともいずれかを制御するようにリンク部の制御目標を設定するため、様々な形状の作業対象物に対して柔軟に適応して、リンク部の接触領域の押付力を目標値にすることが可能となる。
【００１９】
さらに、アーム制御目標設定部は、アーム部の制御目標としてアーム部の姿勢及び作業対象物に対して加える力の少なくともいずれかを制御目標として設定することが好適である。
【００２０】
この構成によれば、アーム制御目標設定部は、アーム部の制御目標としてアーム部の姿勢及び作業対象物に対して加える力のいずれかを制御目標として設定するため、アーム部の姿勢及び作業対象物に対して加える力の少なくともいずれかの制御は、ハンド部における各種の情報をフィードバックして行なわれることになり、面倣い作業等のハンド部での多点接触による動作を可能とし、ハンド部での多点接触による押付力の力制御をより容易に行なうことが可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のロボット装置によれば、アーム部とハンド部とを備えたロボット装置において、面倣い作業等のハンド部での多点接触による動作を可能とし、ハンド部での多点接触による押付力の力制御をより容易に行なうことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００２３】
本実施形態では、本発明に係るロボット装置を、ロボット装置のマニュピレータに適用する。本実施形態のマニュピレータは医療福祉等の分野において、清拭作業等に用いられるものである。
【００２４】
図１は、実施形態に係るマニュピレータの構成を示す側面図である。図１に示すように、本実施形態のマニュピレータ１０は、アーム部２０とアーム部先端のハンド部３０とを備えている。アーム部２０は、人間の肩、肘及び手首に相当する部分の６自由度に受動柔軟関節２１がそれぞれ設けられている。受動柔軟関節２１それぞれは、各々の関節の角度を検出するセンサが内蔵されており、アーム部２０の姿勢を検出するようになっている。受動柔軟関節２１は、内部に機械ばねを搭載している。これにより、受動柔軟関節２１は、環境との接触を伴う作業においてモデル化誤差や環境認識誤差が生じたとしても，機械的受動性でそれらを吸収しながら高速かつ安定した作業遂行を行うことが可能となる。また、受動柔軟関節２１は、人への追従性に優れるため、速やかな力低減が図れる等、人との接触時の安全性を高めることが可能となる。
【００２５】
アーム部２０は、人との接触時の安全性を高めるため、表面に衝突安全被覆・接触センサ２２を有する。衝突安全被覆・接触センサ２２は、アーム部２０表面の接触圧情報を利用した安全制御と、アーム部２０表面との接触を活用しながら介助動作や重量物の運搬を行うことも可能とされている。人間の手首に相当する部分に設けられた力覚センサ２３は、６軸力覚センサであり、アーム部２０の作業対象物に対して加える力を検出するためのものである。
【００２６】
ハンド部３０は、アーム部２０先端に対して取付けられる掌部（ベース部）４０と、掌部４０に対して可動の指部５０を有している。掌部４０は、人との接触時の安全性、安定性及び追従性を高める柔軟肉４１を有している。掌部４０の全面には、分布型圧力センサであるタクタイルセンサ（ベース押付力検出部）４２を有している。タクタイルセンサは、人等の作業対象物の作業対象面に対する掌部４０の接触領域における少なくとも２箇所以上の点の押付力を検出することが可能とされている。
【００２７】
指部５０は、合計４本の指を有し、人の親指に相当する指には、掌部４０との付け根の関節を含め各々１自由度の２つの関節が設けられ、その他の各指には掌部４０との付け根の関節を含め各々１自由度の３つの関節が設けられている。各関節には力覚センサ（リンク可動状態検出部）５２が設けられ、各指の作業対象物に加える力を検出する他、指部５０の掌部４０に対する位置及び姿勢を検出するようになっている。また、指部５０の全面には、分布型圧力センサであるタクタイルセンサ（リンク押付力検出部）５３が設けられ、人等の作業対象物の作業対象面に対する指部５０の各指の接触領域における点の押付力を検出することが可能とされている。
【００２８】
図２は、実施形態に係るマニュピレータ１０の制御系を示すブロック図である。図２に示すように、マニュピレータ制御系１００は、制御対象であるマニュピレータ１０のアーム部２０とハンド部３０とに対して、アーム制御部（アーム制御目標設定部）２００とハンド制御部（ハンド制御目標設定部）３００とを有する。アーム部２０からのアーム部２０の端部位置、端部姿勢及び端部発生力に関する信号は、アーム制御部２００の端部位置検出部２０１、端部姿勢検出部２０２及び端部発生力検出部２０３に入力される。
【００２９】
端部位置検出部２０１からの検出信号は、アーム制御部２００の位置制御部２０４によって処理され、位置制御部２０４はアーム部２０の位置の制御目標値を算出する。端部姿勢検出部２０２からの検出信号は、アーム制御部２００の姿勢制御部２０５によって処理され、姿勢制御部２０５はこれに基づきアーム部２０の姿勢の制御目標値を算出する。また、姿勢制御部２０５は、ハンド制御部３００の圧力検出部３０２から、ハンド部３０の掌部４０の押圧力に関する検出信号を入力され、これに基づきアーム部２０の姿勢の制御目標値を算出する。
【００３０】
端部発生力検出部２０３からの検出信号は、アーム制御部２００の力制御部２０６によって処理され、これに基づき力制御部２０６はアーム部２０の作業対象物に加える力の制御目標値を算出する。また、力制御部２０６は、ハンド制御部３００の関節角度検出部３０１から、指部５０の掌部４０に対する位置及び姿勢に関する検出信号を入力され、これに基づき力制御部２０６はアーム部２０の作業対象物に加える力の制御目標値を算出する。さらに、力制御部２０６は、ハンド制御部３００の圧力検出部３０２から、ハンド部３０の指部５０の押圧力に関する検出信号を入力され、これに基づき力制御部２０６はアーム部２０の作業対象物に加える力の制御目標値を算出する。
【００３１】
アーム制御部２００の位置制御部２０４、姿勢制御部２０５及び力制御部２０６は、各々の制御目標値をアーム駆動部２５０に出力し、アーム部２０を制御する。
【００３２】
一方、ハンド部３０からのハンド部３０の指部５０の各関節角度、並びに掌部４０及び指部５０の押付力に関する信号は、ハンド制御部３００の関節角度検出部３０１及び圧力検出部３０２にそれぞれ入力される。関節角度検出部３０１からの指部５０の各関節角度に関する検出信号と、圧力検出部３０２からの掌部４０及び指部５０の押付力に関する検出信号とは、ハンド制御部３０３によって処理され、これらに基づきハンド制御部３０３は、指部５０の各関節角度並びに掌部４０及び指部５０の押付力の制御目標値を算出する。
【００３３】
関節角度検出部３０１は、上述のようにアーム制御部２００の力制御部２０６に対して指部５０の掌部４０に対する位置及び姿勢に関する検出信号を出力する。また、圧力検出部３０２は、上述のようにアーム制御部２００の力制御部２０６に対してハンド部３０の指部５０の押圧力に関する検出信号を出力する。さらに、圧力検出部３０２は、上述のようにアーム制御部２００の姿勢制御部２０５に対して掌部４０の押圧力に関する検出信号を出力する。
【００３４】
ハンド制御部３０３は、各々の制御目標値をハンド駆動部３５０に出力し、ハンド部３０を制御する。
【００３５】
図３は、実施形態に係る指とアームとの協調のための制御アーキテクチャーを示すブロック図である。図３に示すように、手首力センサ４０１からの検出信号は圧力制御４０５のために利用される。手掌接触状態４０２における圧力偏差は姿勢制御４０４のために利用され、手掌接触状態４０２の制御にフィードバックされる。手指接触状態４０３における接触力は指間接コンプライアンス制御４０６のために利用され、手指接触状態４０３の制御にフィードバックされる。さらに、手指接触状態４０３における接触力は圧力制御４０５のためにも利用され、圧力制御４０５により手掌接触状態４０２の制御が行われる。
【００３６】
本実施形態において、ハンド部３０全体を作業対象物に接触させるためには、大きく分けて二つの部位に分けることにより簡単に考えることができる。図４は、本実施形態に係るマニュピレータの全体の制御フローを示す図である。図４に示すように、本実施形態では、ハンド部３０の根元に位置する掌部４０とハンド部３０の先端に位置する指部５０の２つに分けることとする。
【００３７】
まず、掌部４０の接触について考える。本実施形態では、アーム部２０の手先関節で掌部４０の接触状態を制御する。具体的には、掌部４０の接触圧の偏りを無くすための（１）アーム手先姿勢制御Ａ、及び掌部（パーム）４０の押付力を一定に保つための（２）アーム手先力修正制御Ｂが必要となる。さらに、指部５０が作業対象物に倣うための（３）手指コンプライアンス制御Ｃが必要となる。以上の基本的な３つの制御に加えて、アーム部２０においては、清拭方向への移動を行うための制御が必要となる。
【００３８】
図４に示すように、アーム手先姿勢制御Ａは、アーム５２０の手先位置（関節角度）５２１、ハンド５３０の接触圧情報５３１及び関節角度５３２の情報に基づいて行われ、アーム５２０の手先位置５２１にフィードバックされる。アーム手先力修正制御Ｂは、アーム５２０の手先位置５２１、手首力情報５２２、ハンド５３０の接触圧情報５３１及び関節角度５３２の情報に基づいて行われ、アーム５２０の手先位置５２１にフィードバックされる。アーム５２０の手先位置５２１は位置制御５２３に利用される。手指コンプライアンス制御Ｃは、ハンド５３０の接触圧情報５３１及び関節角度５３２の情報に基づいて行われ、ハンド５３０の関節角度５３２にフィードバックされる。以下、各部の制御について詳細を説明する。
【００３９】
（１  アームコンプライアンス制御）
（１．１  アームハイブリッド制御）
本実施形態では、アーム部２０の押付方向に力制御、掌部４０の接触を確保するための手先姿勢制御、及び清拭方向への位置制御が必要となるため、これらをハイブリッド制御により行う。そこで、ハイブリッド制御について以下に簡単に説明する。
【００４０】
（１．１．１  位置制御）
目標とする位置に対して並進力としての引力が働くようなポテンシャル場を張り、ロボットの制御対象部位に位置制御用力ベクトルＲＦＰｏｓを作用させる。ただし、添え字Ｒは力ベクトルが基準座標系で示されていることを表している。引力の強さは目標位置Ｐｒｅｆ＝［ｘｒｅｆ  ｙｒｅｆ  ｚｒｅｆ］Ｔと現在位置Ｐ＝［ｘ  ｙ  ｚ］Ｔとの偏差ΔＰの関数として以下の式を用いる。
ＦＰｏｓ＝ＦＰｏｓｍａｘ（１−ｅ−αｐｏｓΔＰ）
ΔＰ＝｜Ｐｒｅｆ−Ｐ｜＝｛（ｘｒｅｆ−ｘ）２＋（ｙｒｅｆ−ｙ）２＋（ｚｒｅｆ−ｚ）２｝１／２          （１）
【００４１】
偏差と引力との強さの関係を図５に示す。この関数を用いることで、ある程度以上離れた地点での作用力を一定値ＦＰｏｓｍａｘにすることができ、αＰｏｓを調節することで目標値近傍の引力の強さを変化させることができる。
【００４２】
このようにして求まった引力を下式（２）によって目標位置に向けてロボットに作用させる。
ＲＦＰｏｓ＝［ＦＰｏｓ，ｘ  ＦＰｏｓ，ｙ  ＦＰｏｓ，ｚ］Ｔ
＝［｛（ｘｒｅｆ−ｘ）／ΔＰ｝ＦＰｏｓ｛｛（ｙｒｅｆ−ｙ）／ΔＰ｝｝ＦＰｏｓ｛｛（ｚｒｅｆ−ｚ）／ΔＰ｝｝ＦＰｏｓ］          （２）
【００４３】
（１．１．２  姿勢制御）
目標とする姿勢に対してモーメント力としての引力が働くようなポテンシャル場を張り、ロボットの制御対象部位に姿勢制御用ベクトルＲＭＯｒｉを作用させる。姿勢制御用ベクトルの生成手法の詳細な説明の前に、姿勢制御において重要となる姿勢の表現法と回転行列について説明する。
【００４４】
基準座標系をΣＡとし、その原点をＯＡ、直行する３軸をＸＡ、ＹＡ、ＺＡとする。また、目標とする姿勢の座標系をΣＢとし、その原点をＯＢ、直行する３軸をＸＢ、ＹＢ、ＺＢとする。また、ＸＢ、ＹＢ、ＺＢの方向を向く単位ベクトルをΣＡで表したものをＡｘＢ、ＡｙＢ、ＡｚＢと書くことにする。このときΣＡから見た目標姿勢は｛ＡｘＢ、ＡｙＢ、ＡｚＢ｝で表現することができる。なお、左上の添字Ａはそのベクトルが座標系ΣＡで表されていることを示す。以後も特に断らない限りベクトルにお左上付き添字はこの約束に従うものとする。
【００４５】
ここで、姿勢は３つのベクトル｛ＡｘＢ、ＡｙＢ、ＡｚＢ｝で表現することができるが、これらを、
ＡＲＢ＝［ＡｘＢ、ＡｙＢ、ＡｚＢ］
と行列の形にまとめて表したものを回転行列と呼ぶ。
【００４６】
ＡＲＢは９つの変数を持つがこれらの中で独立な成分は３つであり、基準座標系ΣＡから、ある固定された軸周りの回転を３回順次行なった結果としてとらえ、これら３つの回転各でΣＢの姿勢を表すものとして、オイラー角やロール角・ピッチ角・ヨー角による表現が知られている。オイラー角とロール角・ピッチ角・ヨー角との違いは、３つの回転の回転軸の取り方が異なるのみである。
【００４７】
以下、本実施形態で用いているオイラー角について説明する。
ｉ）まず、ΣＡをＺＡ軸まわりに角度φだけ回転させた座標系ΣＡ’とする。
ii）次にΣＡ’をYＡ’軸まわりに角度θだけ回転させたものを座標系ΣＡ”とする。
iii）最後にΣＡ”をＺＡ”軸まわりに角度Ψだけ回転させたものをΣＢとする。
【００４８】
このとき、ΣＡからみたΣＢの姿勢は３つの角度の組（φ，θ，Ψ）で表現でき、この組をオイラー角と呼ぶ。これら３つの回転の合成からなる回転行列ＡＲＢは、下式（３）に示すようになる。
【数１】
2010131702.tif 000003
【００４９】
ロボットの姿勢を制御する際に、このオイラー角やロール角・ピッチ角・ヨー角をそのまま用いるには、３つの回転軸を順番に制御しなければ目標とする姿勢を実現することができない。よって、３つの軸周りのモーメントを同時に作用させて制御するためには、これを直接用いることができないことが判る。
【００５０】
そこで、目標姿勢へ到達するためのモーメントをある一つの座標系で一度に算出する方法が必要になる。姿勢は、オイラー角、ロール角・ピッチ角・ヨー角などのように表現法がいくつか考えられるが、回転行列に関しては一意である。そして、この回転行列は単純に座標系と座標系との関係を示しているものなので、この回転行列をもとに考えることとする。
【００５１】
基本的にはロボットの任意の部位における姿勢を制御することができるが、ここでは、説明の便宜のため、手先姿勢ΣＨが基準座標ΣＲにおいてオイラー角（φ，θ，Ψ）で表現されている場合について考える。また、目標姿勢は回転行列で表現できれば、オイラー角、及びロール角・ピッチ角・ヨー角のどちらで表現されていてもかまわない。
【００５２】
姿勢制御用力ベクトルの生成手法は以下の手順で行なう。
１）オイラー角によって基準座標系で表現された目標姿勢Φ＝（φ，θ，Ψ）の回転行列を求める。
【数２】
2010131702.tif 000004
【００５３】
２）目標姿勢の回転変換行列を手先座標系で表現しなおす。
【数３】
2010131702.tif 000005
【００５４】
３）目標姿勢座標の各軸に対応する単位ベクトル｛ＨＸｒｅｆ ＨＹｒｅｆ ＨＺｒｅｆ｝の手先座標系における偏差｛ΔＨΦｘ  ΔＨΦｙ  ΔＨΦｚ｝を算出する。偏差｛ΔＨΦｘ  ΔＨΦｙ  ΔＨΦｚ｝を算出した式を下式（６）に示す。また、手先座標系における目標姿勢座標の各軸を表したものを図６（ａ）〜（ｃ）に示す。
ΔＨΦｘ＝ａｔａｎ２（Ｒ３２，Ｒ２２）
ΔＨΦｙ＝ａｔａｎ２（Ｒ１３，Ｒ３３）                          (６）
ΔＨΦｚ＝ａｔａｎ２（Ｒ２１，Ｒ１１）
【００５５】
４）各軸周りの偏差に対応した目標姿勢用力ベクトルを手先座標系で算出する。この際、力ベクトルの大きさは、位置制御用力ベクトルの大きさを決めるのと同じ指数関数で求める。偏差の大きさは各軸周りの偏差のノルムを用い、各成分を決める際にもこれを用いる。
ＭＯｒｉ＝ＭＯｒｉｍａｘ（１−ｅ−αＯｒｉΔΦ）
ΔΦ＝（ΔＨΦｘ２＋ΔＨΦｙ２＋ΔＨΦｚ２）１／２
ＲＭＯｒｉ＝［ＭＯｒｉ，ｘＭＯｒｉ，ｙＭＯｒｉ，ｚ］Ｔ                    (７）
［（ΔＨΦｘ／ΔΦ）ＭＯｒｉ（ΔＨΦｙ／ΔΦ）ＭＯｒｉ（ΔＨΦｚ／ΔΦ）Ｍｏｒｉ］Ｔ
【００５６】
５）手先座標系で示された目標姿勢用力ベクトルを基準座標系で表現しなおすと下式（８）のようになる。
ＲＭＯｒｉ＝ＲＲＨＨＭＯｒｉ                                        （８）
【００５７】
（１．１．３  コンプライアンス制御）
ロボットの行なう作業の中には、ドアの開閉等のように手先位置の厳密な制御のみではなく、環境との接触力を制御する必要があるものが多い。そこで、本実施形態では、位置制御・姿勢制御をベースとして構築が可能なコンプライアンス制御を用いて力制御を行なう。なお、本実施形態ではコンプライアンス制御により力制御を行なうが、制御手法はこれに限定されるものではない。
【００５８】
力はロボットの手首部に搭載された力覚センサ２３を用いて検出することを想定すると、手先力を制御するためには、ハンド部３０の自重をキャンセルし、手首にかかる負荷から手先力を推定することが必要となる。
【００５９】
（１．１．４  ハンドの自重キャンセル）
６軸力覚センサである力覚センサ２３が手首に搭載されていた場合、センサで検出される力には常にハンド部３０の自重による力も検出されており、外力を算出するには自重を差し引かなければならない。よって、力覚センサ２３で検出されるハンド部３０の自重を算出することとする。
【００６０】
手首座標における力覚センサ２３の位置をＷＰＳ＝［ｘｗ−ｓ，ｙｗ−ｓ，ｚｗ−ｓ］、ハンド部３０の重心位置をＷＰＨｇ＝［ｘｗ−Ｈｇ，ｙｗ−Ｈｇ，Ｚｗ−Ｈｇ］とすると、力覚センサ２３とハンド部３０の重心との同次変換行列は下式（９）（１０）のように求まる。
【数４】
2010131702.tif 000006
【００６１】
基準座標系で表したハンド分３０の重心に加わる重力は、下式（８）のようになる。
ＲＦＨｇ・Ｈｇ＝［０  ０  −ｍＨｇ］Ｔ，ＲＭＨｇ・Ｈｇ＝［０  ０  ０］Ｔ    （１１）
【００６２】
これをハンド部３０の重心座標系で表現すると、下式（１２）のようにできる。
ＨｇＦＨｇ，Ｈｇ＝ＨｇＲＲ・ＲＦＨｇ，Ｈｇ，ＨｇＭＨｇ，Ｈｇ＝ＨｇＲＲ・ＲＭＨｇ，Ｈｇ
ＨｇＲＲ＝（ＲＲＨｇ）Ｔ                                    （１２）
【００６３】
そこで、６軸力覚センサである力覚センサ２３で計測されるハンド部３０の自重ＳＦｓ，Ｈｇ，ＳＭｓ，Ｈｇは、下式（１３）のように求まる。
【数５】
2010131702.tif 000007
【００６４】
ただし、上式（１３）において、記号［・×］は、任意の３次元ベクトルａ＝［ａｘａｙａｚ］Ｔに対して、以下に示す関係を意味する。
【数６】
2010131702.tif 000008
【００６５】
（１．１．５  手首の力センサを用いた手先力の算出）
手首の力センサで検出した手首座標系の力をもとに、手先の負荷を基準座標系で算出する。まず、手首にかかるハンド部３０の自重を算出したのと同じ要領で、手先にかかる負荷を手先座標系で下式（１４）のように算出する。
【数７】
2010131702.tif 000009
【００６６】
そこで、算出した手先座標系における手先力は、下式（１５）のように基準座標系で表現しなおすことができる。
ＲＦＨ，ｅｘｔ＝ＲＲＨ・ＨＦＨ，ｅｘｔ              （１５）
ＲＭＨ，ｅｘｔ＝ＲＲＨ・ＨＭＨ，ｅｘｔ
【００６７】
（１．１．６  仮想コンプライアンスに基づく並進力の制御）
仮想コンプライアンス制御を用いて並進力を制御するということは、設定した手先コンプライアンスを実現するように手先の位置を制御するということである。コンプライアンスは力による仮想バネ変位の分だけ目標手先位置をずらすことで実現されるが、ここではその仮想変位を算出する。なお、本実施形態では仮想コンプライアンス制御を用いて並進力を制御するが、制御手法はこれに限定されない。
【００６８】
目標位置、仮想バネ変位、修正された目標位置をそれぞれＰｒｅｆ，Ｐｃｍｐ，Ｐｒｅｆ’とすると下式（１６）が成り立つ。
Ｐｒｅｆ’＝Ｐｒｅｆ＋Ｐｃｍｐ                    （１６）
【００６９】
そこで、目標手先力ＲＦＨ，ｒｅｆ、手先力ＲＦＨ、手先コンプライアンス行列ＣＨ，Ｐが与えられた場合、仮想バネ変位は下式（１７）より求まる。
【数８】
2010131702.tif 000010
【００７０】
（１．１．７  仮想コンプライアンス制御によるモーメント力の制御）
仮想コンプライアンス制御によって並進力を制御するということは、設定した手先コンプライアンスを実現するように手先の姿勢を制御するということである。並進力の制御の場合には、力による仮想バネ変位の分だけ目標手先位置をずらせば良かったが、モーメント力制御の場合は、常に現在の手先姿勢を基準にしなければならないため、目標姿勢との偏差を修正することで実現される。なお、本実施形態では、仮想コンプライアンス制御によって並進力を制御するが、制御手法はこれに限定されるものではない。
【００７１】
目標手先モーメントＲＭＨ，ｒｅｆ、手先力ＲＭＨ、仮想手先コンプライアンスＣＨ，Φが基準座標系で与えられた場合、基準座標系における仮想バネ変位ＲΦｃｍｐは下式（１８）により求まる。
【数９】
2010131702.tif 000011
【００７２】
これを手先座標系に変換して目標姿勢との偏差に加えて姿勢制御を行なうことで、モーメント力制御が可能となる。目標姿勢との偏差、仮想バネ変位、修正された偏差をそれぞれΔＨΦ、ＨΦｃｍｐ、ΔＨΦ’とすると、下式（１９）が成り立つ。
ΔＨΦ’＝ΔＨΦ＋ＨΦｃｍｐ
ＨΦｃｍｐ＝（ＲＲＨ）ＴＲΦｃｍｐ                      （１９）
【００７３】
（１．２  アーム手先姿勢修正）
本実施形態では、図７（ａ）（ｃ）のように掌部４０のみや指部５０のみで作業対象物Ｏに接触するのではなく、図７（ｂ）のように掌部４０及び指部５０全面を均等に作業対象物Ｏに接触させるためにアーム手先姿勢修正を行なう。まず、姿勢修正に用いる情報について考察を行なう。
【００７４】
図８（ａ）に示す従来の倣い動作のように接触モデルを１点接触として扱い、手首の力覚センサを用いて制御する場合は、接触モデルは単純であり、手首力覚情報から接触状態は一意に求める事ができる。これに対して、多指ハンドを用いた倣い動作のように多点接触が起きる場合を考えると、図８（ｂ）に示すように、作業対象物Ｏの形状によっては、手指姿態が動的に変化したり、指列が大きく屈曲して作業対象物Ｏに回り込むような状況においてハンド部３０の中に対向する内力が発生する。
【００７５】
これによって力学モデルは格段に複雑化し、手首力情報だけでは接触状態は一意に求めることができない。例えば、図８（ｂ）のような状況において、掌部４０の一部が作業対象物Ｏに接触していないにも関わらず、対向する内力が発生していることによって、手首力覚センサではモーメントが釣り合うということが起きる。
【００７６】
そこで、本実施形態では、従来のような手首力覚情報ではなく、掌部圧力分布情報を用いてアーム手先姿勢修正を行なう。
【００７７】
本実施形態における姿勢修正を行なう上での基本的な考え方は、掌部４０の接触圧重心ＰＣＧと掌部４０の幾何学重心ＧＣＧとが一致するように姿勢修正モーメントを求める。姿勢修正モーメントを求める手順としては、掌部４０に配置される圧力分布センサであるタクタイルセンサ４２を、図９（ａ）のように幾何学重心ＧＣＧを中心に４分割し、各部の圧力をそれぞれＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４とおく。続いて下式（２０）のように掌部４０の上下・左右にかかる圧力の偏差から修正モーメントＭｘ，Ｍｙを算出した。なお、下式（２０）においてＫｘ，Ｋｙはそれぞれ任意の定数である。
Ｍｘ＝Ｋｘ｛（Ｐ１＋Ｐ２）−（Ｐ３＋Ｐ４）｝
Ｍｙ＝Ｋｙ｛（Ｐ１＋Ｐ３）−（Ｐ２＋Ｐ４）｝          （２０）
【００７８】
本実施形態では、このようにして求めた修正モーメントに基づき、図９（ｂ）に示すように、アーム姿勢コンプライアンス制御にて釣り合い状態へ遷移、掌部４０全面を接触させることとした。なお、本実施形態においては、掌部４０の接触圧重心ＰＣＧと掌部４０の幾何学重心ＧＣＧとが一致するように姿勢修正モーメントを求める他、掌部４０の一部分を作業対象物Ｏに特に強く押し付ける等の制御目標の設定も可能である。あるいは、上記制御手法は、指部５０の圧力分布情報を用いてアーム手先姿勢修正を行なうようにしても良い。さらには、掌部４０及び指部５０の接触領域を合わせた全接触領域を考え、当該全接触領域の圧力偏在を低減させるようにしても良く、この場合、掌部４０及び指部５０の接触領域を合わせた全接触領域の接触圧重心と幾何学的重心とが近づき、一致するように制御しても良い。
【００７９】
（１．３  アーム手先力修正）
指姿勢に寄らずハンド部３０での押付力を一定に保つために、アーム手先力修正を行なった。従来の倣い動作では、エンドエフェクタの形状は変化しないので手先力は一定であった。しかし、多指ハンドを用いた倣い動作では、対象形状により指姿勢が変化するため、それに伴い手先力も変化しなければならない。図１０（ａ）（ｂ）に示すように、手先力Ｆｚ、掌部荷重Ｆｐ、各指先力をＦｔｉ（ｉ＝１〜４）、各指先姿勢θｉ（ｉ＝１〜４）とおく。αは掌部４０と指部５０との面積の比から求まる定数である。
【００８０】
下式（２１）のようにＦｚは求まり、図１１に示すように、指先角度が大きくなるに伴い図１０（ｂ）に示す指先力のＦｚ方向成分が小さくなるのでＦｚも小さくなり、指先角度が９０ｄｅｇの時点でＦｚとＦｐが釣り合うことになる。これにより、指先姿勢に寄らずハンド部３０全体での押付力を一定とすることができる。なお、本実施形態では、ハンド部３０全体での押付力は一定に制御するのみならず、所定の目標値と一致させるように制御することも可能である。
Ｆｚ＝Ｆｐ＋ΣＦｔｉ×ｃｏｓθｉ
＝αΣＦｔｉ＋ΣＦｔｉ×ｃｏｓθｉ          （２１）
【００８１】
（２  手指コンプライアンス制御）
（２．１  手指コンプライアンス制御の必要性）
安全性・作業性の高い清拭作業を行なうにはハンド部３０全面が偏りなく作業対象物Ｏに接触していることが重要である。そして、掌部４０の接触については、上述のアーム手先姿勢・力修正制御によって行なう。続いて指部５０の接触についてはハンド指部関節のコンプライアンス制御にて行なう。なお、本実施形態では手指コンプライアンス制御を採用するが、制御手法はこれに限定されない。
【００８２】
本実施形態の多指ロボットハンドの掌部４０は平面であり、その機構的制約から、小さな曲率を有する対象に全面で倣うことは難しい。しかし、図１２に示すように、指部５０は比較的に小さな構造部品から構成されており、また、冗長性を有しているために、図１３（ａ）（ｂ）に示すように小さな凹凸にたいしてもきめ細かに倣うことが可能と考えられる。さらに、指部５０の関節に受動柔軟関節を搭載し、掌部４０全面に柔軟被覆を搭載するなど構造的柔軟性を有しているため、特別な制御無しでも高応答に倣う事が可能である。このように本実施形態のハンド部３０は倣い動作をさせるのに適したハードウェアと言える。
【００８３】
しかし、図１３（ａ）（ｂ）に示すように、柔軟関節の可動伸展角には限界があり、柔軟被覆も一定以上の圧力がかかると底付きを起こすため、大きな変位には対応することができないという問題がある。さらに、変位や急激な荷重変化を受け流すことはできるが、あうまで力を制御しているわけではないので、作業対象物Ｏにかかる荷重を一定に保つことは困難である。
【００８４】
以上のことから、本実施形態では、高応答な構造的柔軟性に加え、大きな変位にも適応し荷重を一定にする手指コンプライアンス制御を実装する。
【００８５】
（２．２  手指コンプライアンス制御の制御構造）
制御対象とする関節は図１２に示す多指の関節ＭＰ・ＰＩＰ、母指の関節ＭＰ・ＩＰの計８関節とし、各関節は独立して制御する。制御方法はその節と末節にかかる荷重がある一定値よりも大きい場合には、その部位に最も近い根元の関節を伸展駆動させ、その節と末節にかかる荷重がある一定値よりも小さい場合には、その部位に最も近い根元の関節を屈曲駆動させることとした。駆動の際の指令角は曲率関数を用いて算出した。曲率関数とは、予め図１３（ｂ）に示すように、作業対象物の５０〜∞ｍｍの曲率に沿うように関節角を設定し、曲率と関節角との関係性を関数化したものである。図１４に示すように、根元の関節ＭＰについて多項式（Ｉ１）が成り立ち、関節ＰＩＰについて多項式（Ｉ３）が成り立つ。
【００８６】
本実施形態によれば、アーム部２０と、アーム部２０先端のハンド部３０と、アーム部２０の制御目標を設定するアーム制御部２００とを備えたマニュピレータ１０において、ハンド部３０は、アーム部２０先端に対して取付けられる掌部４０と、掌部４０に対して可動の少なくとも１つの指部５０と、作業対象物Ｏの作業対象面に対する掌部４０の接触領域における２箇所以上の点の押付力を検出するタクタイルセンサ４２と、作業対象物Ｏの作業対象面に対する指部５０の接触領域における点の押付力を検出するタクタイルセンサ５３と、指部５０の掌部４０に対する位置及び姿勢を検出する力覚センサ５２とを有するため、掌部４０の接触領域における２箇所以上の点の押付力、指部５０の接触領域における点の押付力並びに指部５０の掌部４０に対する位置及び姿勢といったハンド部３０における各種の情報を検出することができる。さらに、アーム制御部２００は、タクタイルセンサ４２が検出した掌部４０の接触領域における点の押付力と、タクタイルセンサ５３が検出した指部５０の接触領域における点の押付力と、力覚センサ５２が検出した指部５０の掌部４０に対する位置及び姿勢とに基づいて、アーム部２０の制御目標を設定するため、ハンド部３０における各種の情報をフィードバックしてアーム部２０の制御が行なわれることになり、面倣い作業等のハンド部３０での多点接触による動作を可能とし、ハンド部３０での多点接触による押付力の力制御をより容易に行なうことが可能となる。
【００８７】
すなわち、図３３に示す従来のマニュピレータ制御系９００では、アーム制御部２００によるアーム制御とハンド制御部３００によるハンド制御とが協調しておらず、人間の前腕部等の作業対象物に指先部だけで接触しており、接触面積が小さく作業効率が悪いという欠点がある。しかし、本実施形態では、アーム制御部２００によるアーム制御とハンド制御部３００によるハンド制御とを協調させて力制御を行うことにより、多点での倣い作業と力制御とを容易に行なうことが可能となる。
【００８８】
また、本実施形態によれば、アーム制御部２００は、掌部４０の接触領域における接触圧の分布状態が目標の状態に近づくように、例えば、掌部４０の接触領域における接触圧力重心ＰＣＧが、掌部４０の接触領域における幾何学的重心ＧＣＧと一致するようにアーム部２０の制御目標を設定するため、掌部４０の接触領域における接触圧力重心ＧＣＧが、ベース部の接触領域における幾何学的重心ＧＣＧと一致した押圧が可能となり、掌部４０の接触領域において、より偏りのない作業対象物の形状に合ったアーム部２０の制御が可能となる。
【００８９】
また、本実施形態によれば、指部５０の制御目標を設定するハンド制御部３００は、タクタイルセンサ５３が検出した指部５０の接触領域における点の押付力に基づいて、指部５０の接触領域における点の押付力が所定の目標値と一致するように、例えば、指部５０の接触領域における点の押付力が一定となるように、指部５０の掌部４０に対する位置及び姿勢をコンプライアンス制御により制御するように指部５０の制御目標を設定するため、様々な形状の作業対象物Ｏに対して柔軟に適応して、指部５０の接触領域の押付力を一定にすることが可能となる。
【００９０】
さらに、本実施形態によれば、アーム制御部２００は、アーム部２０の制御目標としてアーム部２０の姿勢及び作業対象物に対して加える力を制御目標として設定するため、アーム部２０の姿勢及び作業対象物に対して加える力の制御は、ハンド部３０における各種の情報をフィードバックして行なわれることになり、面倣い作業等のハンド部３０での多点接触による動作を可能とし、ハンド部での多点接触による押付力の力制御をより容易に行なうことが可能となる。
【００９１】
（実験例）
以下、本実施形態の実験例について説明する。上述の実施形態のマニュピレータ１０を用いて清拭作業を行い評価した。試験用の作業対象物としては、図１５（ａ）〜（ｃ）に示すような様々な曲率の曲面、凹凸を有する作業対象物Ｏ，Ｏ’，Ｏ”を用いた。対象部位はφ１００及びφ２００の円柱部に対して、横方向へのスライド、及び指先方向への回りこみを行なった。また、凹凸に対しても回り込む清拭作業を行なった。
【００９２】
マニュピレータ１０の制御方法は、本発明の手法を用いた制御と、従来手法を模擬し、ハンド部３０を平面として扱い、手先の押付方向及び位置の制御のみを用いた制御の二通りで比較を行った。試験装置としては、図１６に示すように、重ねた清拭タオルＴの間に分布型圧力センサＳを配し、清拭作業時の作業対象物Ｏ，Ｏ’，Ｏ”にかかる圧力分布状況を計測する事により行なった。評価項目としては、接触面積と圧力偏在とし、これらを計測し安全性・作業性の観点から評価を行なった。
【００９３】
なお、圧力分布センサの諸元は、
メーカー：ＮＩＴＴＡ
型番（商品名）：Ｉ−Ｓｃａｎ１５０−０．５
空間分解能［ｍｍ］：３．７５
セル数：１９３６
感圧部分サイズ［ｍｍ］：１６５×１６５
厚さ［ｍｍ］：０．１
感圧範囲［ｋｇｆ／ｃｍ２］：０．０５〜０．５
圧力分解能［ｂｉｔ］：８
サンプリング周期［ｍｓ］：１０
【００９４】
図１５（ａ）に示す二つの異なる曲率（φ１００及びφ２００）を有し当該異なる曲率の部位に段差を有する作業対象物Ｏ、図１５（ｂ）に示す当該異なる曲率の部位がなだらかな傾斜となっている作業対象物Ｏ’、及び図１５（ｃ）に示すφ２００の曲面に半径６０ｍｍ、高さ３０ｍｍの凸部Ｐを有する作業対象物Ｏ”に対して、ハンド部３０側面方向、及び指先方向へ清拭を行なった。
【００９５】
（実験例１）
φ１００及びφ２００の二つの曲率をなだらかにせず段差状にした作業対象物Ｏに対して、本発明の手法で制御されたマニュピレータ１０により、ハンド部３０側面方向への清拭を行なった。結果を図１７（ａ）〜（ｆ）、図１８及び図１９に示す。図１７〜１９より、動作は段差に対して各指が独立して倣い、荷重は全ての部位においてほぼ一定に収まり、接触面積は全ての部位においてほぼ一定に収まり、荷重中心はほぼ手指の中心に納まっていることが判る。
【００９６】
（比較例１）
φ１００及びφ２００の二つの曲率をなだらかにせず段差状にした作業対象物Ｏに対して、アーム手先姿勢制御をＯＦＦにしたマニュピレータ１０により、ハンド部３０側面方向への清拭を行なった。結果を図２０（ａ）〜（ｄ）、図２１及び図２２に示す。図２０〜２２より、動作は手先姿勢修正制御が入っていないために掌部４０の接触が維持できず、荷重は手指全体ではほぼ一定だが、掌部４０及び指部５０それぞれでの変化が激しく、接触面積は全ての部位において大きな変化があり、安定した接触維持ができず、荷重中心はハンド幾何学中心ＧＣＧから大きく逸脱していることが判る。
【００９７】
（実験例２）
φ１００及びφ２００の二つの曲率をなだらかな傾斜にした作業対象物Ｏ’に対して、本発明の手法で制御されたマニュピレータ１０により、ハンド部３０側面方向への清拭を行なった。結果を図２３（ａ）〜（ｄ）、図２４及び図２５に示す。図２３〜２５より、動作は比較的小さな曲率から平面への移行においても安定して倣い、荷重は全ての部位においてほぼ一定に収まり、接触面積は全ての部位においてほぼ一定に収まり、荷重中心はほぼ手指の中心に納まっていることが判る。
【００９８】
（実験例３）
φ１００及びφ２００の二つの曲率をなだらかな傾斜にした作業対象物Ｏ’に対して、φ２００の曲率の箇所で本発明の手法で制御されたマニュピレータ１０により、指先方向への清拭を行なった。また、指先方向から手首方向へ戻す清拭も行なった。結果を図２６（ａ）〜（ｄ）、図２７（ａ）〜（ｄ）、図２８及び図２９に示す。図２６〜２９より、動作は手先の角度が０〜８０ｄｅｇ程度変化し、手先角度が８０ｄｅｇ付近になるとやや振動したが、おおむね安定して倣っていることが判る。また、掌部４０の荷重が手先角度が増えるにつれて徐々に大きくなる傾向があり、指部５０の荷重が他の動作に比べて低いことが判る。接触面積は掌部４０の面積は手先角度が増えるにつれ徐々に大きくなる傾向があり、指部５０の面積は他の動作に比べて小さいことが判る。荷重中心は掌部４０に偏りがちではあるが、変化量は少ないことが判る。
【００９９】
（実験例４）
図１５（ｃ）に示すφ２００の曲面に半径６０ｍｍ、高さ３０ｍｍの凸部Ｐを有する作業対象物Ｏ”に対して、本発明の手法で制御されたマニュピレータ１０により、指先方向へ回り込む清拭を行なった。結果を図３０（ａ）〜（ｅ）、図３１、及び図３２に示す。図３０〜３２より、動作は人差し指、中指が凸部に接触したが、各指が独立に動作し作業対象物Ｏ”に倣っていることが判る。荷重は、掌部４０の荷重が、手先角度が増えるにつれ徐々に大きくなる傾向があることが判り、反対に指部５０の荷重は手先角度が増えるにつれ小さくなっていくことが判る。接触面積は凸部Ｐがあると指が振動するため、接触面積も波立っていることが判る。荷重中心は凸部Ｐに入ると一旦指部５０側に荷重中心が移動するが、しばらくすると中心に戻ってくることが判る。
【０１００】
以上の実験例の結果をまとめると、安全性については、曲面に対し常にハンド部３０全体がなじむことにより、動作開始時から終了時にわたり常に接色面積が大きくなった。また、凹凸に対し指部５０がなじむ事により、局所的圧力偏在を防ぎ、圧力分散することが確認された。また、作業性については、本実施形態の制御手法により、接触面積は大きくなり、圧力偏在も少ないため、清拭面積の増大及び拭き残し箇所の減少といった効果が確認された。特に、曲面においては接触面積の積分値は本実施形態の制御手法による制御有りと無しとでは２倍程度の差が確認され、本実施形態の制御手法の効果が大きく現われる結果となった。
【０１０１】
尚、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】実施形態に係るマニュピレータの構成を示す側面図である。
【図２】実施形態に係るマニュピレータの制御系を示すブロック図である。
【図３】実施形態に係る指とアームとの協調のための制御アーキテクチャーを示すブロック図である。
【図４】本実施形態に係るマニュピレータの全体の制御フローを示す図である。
【図５】位置制御のためのポテンシャル関数を示すグラフ図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、手先座標における目標姿勢座標の各軸を示した図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、手先姿勢と各点の押付力との関係を示す図である。
【図８】（ａ）はマニュピレータにおける作業対象物への一点接触を示す図であり、（ｂ）はマニュピレータにおける作業対象物への多点接触を示す図である。
【図９】（ａ）はハンド部の接触領域の圧力分布を示す図であり、（ｂ）はハンド部の圧力分布情報を活用したアーム手先姿勢修正を示す図である。
【図１０】（ａ）はハンド指姿勢の変化を示す図であり、（ｂ）はハンド指姿勢の変化に伴うアーム手先力修正を示す図である。
【図１１】手先力と指先姿勢との関係を示すグラフ図である。
【図１２】手指コンプライアンス制御における手指の動作を示す図である。
【図１３】（ａ）は手指の各関節の動きと作用する力とを示す図であり、（ｂ）は作業対象物の大きさ応じた手指の動作を示す図である。
【図１４】作業対象物の大きさに対する関節指令角度の曲率関数を示すグラフ図である。
【図１５】（ａ）は実験例で用いた段差を有する作業対象物を示す斜視図であり、（ｂ）は実験例で用いた傾斜を有する作業対象物を示す斜視図であり、（ｃ）は実験例で用いた突出部を有する作業対象物を示す斜視図である。
【図１６】実験例で用いた清拭タオルを示す図である。
【図１７】（ａ）〜（ｆ）は、実験例１におけるマニュピレータの動作と接触領域の圧力分布とを示す図である。
【図１８】実験例１における部位ごとの時間に対する荷重を示すグラフ図である。
【図１９】実験例１における部位ごとの時間に対する接触面積を示すグラフ図である。
【図２０】（ａ）〜（ｄ）は、比較例１におけるマニュピレータの動作と接触領域の圧力分布とを示す図である。
【図２１】比較例１における部位ごとの時間に対する荷重を示すグラフ図である。
【図２２】比較例１における部位ごとの時間に対する接触面積を示すグラフ図である。
【図２３】（ａ）〜（ｄ）は、実験例２におけるマニュピレータの動作と接触領域の圧力分布とを示す図である。
【図２４】実験例２における部位ごとの時間に対する荷重を示すグラフ図である。
【図２５】実験例２における部位ごとの時間に対する接触面積を示すグラフ図である。
【図２６】（ａ）〜（ｄ）は、実験例３における指先方向へ倣うマニュピレータの動作と接触領域の圧力分布とを示す図である。
【図２７】（ａ）〜（ｄ）は、実験例３における指先方向とは逆方向に倣うマニュピレータの動作と接触領域の圧力分布とを示す図である。
【図２８】実験例３における部位ごとの時間に対する荷重を示すグラフ図である。
【図２９】実験例３における部位ごとの時間に対する接触面積を示すグラフ図である。
【図３０】（ａ）〜（ｅ）は、実験例４におけるマニュピレータの動作と接触領域の圧力分布とを示す図である。
【図３１】実験例４における部位ごとの時間に対する荷重を示すグラフ図である。
【図３２】実験例４における部位ごとの時間に対する接触面積を示すグラフ図である。
【図３３】従来のマニュピレータの制御系を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１０…マニュピレータ、２０…アーム部、２１…受動柔軟関節、２２…衝突安全被覆・接触センサ、２３…力覚センサ、３０…ハンド部、４０…掌部、４１…柔軟肉、４２…タクタイルセンサ、５０…指部、５１…受動柔軟関節、５２…力覚センサ、１００…マニュピレータ制御系、２００…アーム制御部、２０１…端部位置検出部、２０２…端部姿勢検出部、２０３…端部発生力検出部、２０４…位置制御部、２０５…姿勢制御部、２０６…力制御部、２５０…アーム駆動部、３００…ハンド制御部、３０１…関節角度検出部、３０２…圧力検出部、３０３…ハンド制御部、３５０…ハンド駆動部、４０１…手首力センサ、４０２…掌接触状態、４０３…手指接触状態、４０４…姿勢制御、４０５…圧力制御、４０６…指関節コンプライアンス制御、５２０…アーム、５２１…手先位置、５２２…手首力情報、５２３…位置制御、５３０…ハンド、５３１…接触圧情報、５３２…関節角度、９００…マニュピレータ制御系、Ａ…姿勢制御、Ｂ…力制御、Ｃ…手指コンプライアンス制御。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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