(57)【要約】【課題】物体がその載置箇所から安定に持ち上げられるようにハンドの動作を制御することができるシステム等を提供する。【解決手段】ハンド１が有する第１種の指機構１１〜１３の動きにより物体がつままれた上で、この物体の一部を載置箇所に当接させたままで他の部分が持ち上げられる。さらに、手の平部１０の位置および姿勢が制御されることにより、手の平部１０と物体との当接箇所が広げられる。そして、複数の指機構１１〜１５の動きが制御されることにより当該複数の指機構１１〜１５により物体が握られる。【選択図】  図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
手の平部と、前記手の平部から延設されている複数の指機構とを備えているロボットハンドの制御システムであって、
前記手の平部の位置および姿勢、ならびに、物体の位置および姿勢を認識する第１演算処理要素と、
前記第１演算処理要素による認識結果に基づき、前記手の平部の位置および姿勢ならびに前記複数の指機構の動きを制御する第２演算処理要素とを備え、
前記第２演算処理要素が、前記複数の指機構のうち２本以上の第１種の指機構の動きを制御することにより、ある箇所に載置されている前記物体を前記第１種の指機構につまませ、
前記手の平部の位置および姿勢ならびに前記第１種の指機構の動きのうち一部または全部を制御することにより、前記物体が前記第１種の指機構によりつままれた状態で、前記物体の一部が前記箇所に当接している一方、他の部分が前記箇所から浮くように前記物体の姿勢を変化させるとともに前記手の平部の一部を前記物体に当接させ、
前記複数の指機構のうち前記第１種の指機構と区分されている第２種の指機構の動きを制御することにより、前記第２種の指機構に前記物体の前記面から浮いている部分をつかませ、
前記手の平部の位置、姿勢または位置および姿勢を制御することにより、前記第２種の指機構により前記物体がつかまれている状態で前記手の平部と前記物体との当接箇所の面積を増加させ、かつ、
前記第１種の指機構の動きを制御することにより、前記第２種の指機構に加えて前記第１種の指機構に前記物体を握らせることを特徴とする制御システム。
【請求項２】
請求項１記載の制御システムにおいて、
前記第１演算処理要素が、前記物体における質量中心位置をはさんで質量密度が高い重量部分と、前記重量部分よりも質量密度が低い軽量部分との区分を認識し、
前記第２演算処理要素が前記第１種の指機構の動きを制御することにより、前記箇所に載置されている前記物体の前記軽量部分を前記第１種の指機構につまませ、
前記手の平部の位置および姿勢ならびに前記第１種の指機構の動きのうち一部または全部を制御することにより、前記物体の軽量部分が前記第１種の指機構によりつままれた状態で、前記物体が前記重量部分において前記箇所に当接している一方、前記軽量部分が前記箇所から浮くように前記物体の姿勢を変化させるとともに前記手の平部を部分的に前記物体に当接させることを特徴とする制御システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の制御システムにおいて、
前記第２演算処理要素が、前記第２種の指機構の動きを制御することにより、前記第２種の指機構に前記物体の前記箇所から浮いている部分をつかませた後、前記第１種の指機構の動きを制御することにより、前記第２種の指機構により前記物体がつかまれている状態で前記第１種の指機構を前記物体から離した上で、前記手の平部の位置、姿勢または位置および姿勢を制御することにより、前記手の平部と前記物体との当接箇所の面積を増加させることを特徴とする制御システム。
【請求項４】
請求項３記載の制御システムにおいて、
２本以上の前記第２種の指機構が存在し、
前記第２演算処理要素が、一部の前記第２種の指機構の動きを制御することにより、前記一部の第２種の指機構に前記物体の前記箇所から浮いている部分をつかませた後、前記第１種の指機構の動きを制御することにより、前記一部の第２種の指機構により前記物体がつかまれている状態で前記第１種の指機構を前記物体から離した上で、残りの前記第２種の指機構の動きを制御することにより、前記一部の第２種の指機構に加えて前記残りの第２種の指機構に前記物体の前記箇所から浮いている部分をつかませることを特徴とする制御システム。
【請求項５】
請求項１〜４のうち１つに記載の制御システムにおいて、
前記複数の指機構に能動的な動きの自由度の高低差が存在し、当該自由度が高い指機構を前記第１種の指機構としてその動きを制御するとともに、当該自由度が低い指機構を前記第２種の指機構としてその動きを制御することを特徴とする制御システム。
【請求項６】
請求項１〜５のうち１つに記載の制御システムにおいて、
前記手の平部の縁の一部が手の平面に連続する丸みを帯びた形状に形成され、
前記第２演算処理要素が、前記手の平部の位置および姿勢ならびに前記第１種の指機構の動きのうち一部または全部を制御することにより、前記手の平部の縁の丸みを帯びた形状に形成されている一部を前記物体に最初に当接させた後、前記手の平部の位置、姿勢または位置および姿勢を制御することにより、前記第２種の指機構により前記物体がつかまれている状態で前記手の平部の前記手の平面と前記物体との当接箇所の面積を増加させることを特徴とする制御システム。
【請求項７】
手の平部と、前記手の平部から延設されている複数の指機構と、請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の制御システムとを備えていることを特徴とするロボットハンド。
【請求項８】
コンピュータを請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の制御システムとして機能させることを特徴とするロボットハンドの制御プログラム。
【請求項９】
手の平部と、前記手の平部から延設されている複数の指機構とを備えているロボットハンドの制御方法であって、
前記手の平部の位置および姿勢、ならびに、物体の位置および姿勢を認識し、
前記認識結果に基づき、前記複数の指機構のうち２本以上の第１種の指機構の動きを制御することにより、ある箇所に載置されている前記物体を前記第１種の指機構につまませ、
前記手の平部の位置および姿勢ならびに前記第１種の指機構の動きのうち一部または全部を制御することにより、前記物体が前記第１種の指機構によりつままれた状態で、前記物体の一部が前記箇所に当接している一方、他の部分が前記箇所から浮くように前記物体の姿勢を変化させるとともに前記手の平部の一部を前記物体に当接させ、
前記複数の指機構のうち前記第１種の指機構と区分されている第２種の指機構の動きを制御することにより、前記第２種の指機構に前記物体の前記面から浮いている部分をつかませ、
前記手の平部の位置、姿勢または位置および姿勢を制御することにより、前記第２種の指機構により前記物体がつかまれている状態で前記手の平部と前記物体との当接箇所の面積を増加させ、かつ、
前記第１種の指機構の動きを制御することにより、前記第２種の指機構に加えて前記第１種の指機構に前記物体を握らせることを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手の平および手の平から延設されている複数の指を備え、手の平の位置および姿勢の調節、ならびに、複数の指のそれぞれの動きにより物体の把持作業等を実行するロボットハンドに関する。
【背景技術】
【０００２】
物体を把持した上で、この物体を持ち替えるまたは持ち方を変えるようにロボットハンドの動作を制御する手法が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３４９４９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ある場所に載置されている物体が複数の指機構によりつままれ、しっかりと握られていない状態でこの場所から持ち上げられた場合、複数の指機構により指機構の力が不十分であるために物体が落下する可能性がある。特に、複数の指機構によりつまみあげられた際の物体のバランスが偏向している場合には、物体の姿勢が変化してしまい、その後、当該物体を握る際に支障をきたす可能性がある。物体を確実につまみあげようとするために指機構の力を強めることが考えられるが、その分だけ指機構を駆動させるための駆動機構の重量化および大型化を招くことになるので好ましくない。
【０００５】
そこで、本発明は、物体がその載置箇所から安定に持ち上げられるようにハンドの動作を制御することができるシステム等を提供することを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するための本発明の制御システムは、手の平部と、前記手の平部から延設されている複数の指機構とを備えているロボットハンドの制御システムであって、前記手の平部の位置および姿勢、ならびに、物体の位置および姿勢を認識する第１演算処理要素と、前記第１演算処理要素による認識結果に基づき、前記手の平部の位置および姿勢ならびに前記複数の指機構の動きを制御する第２演算処理要素とを備え、前記第２演算処理要素が前記複数の指機構のうち２本以上の第１種の指機構の動きを制御することにより、ある箇所に載置されている前記物体を前記第１種の指機構につまませ、前記手の平部の位置および姿勢ならびに前記第１種の指機構の動きのうち一部または全部を制御することにより、前記物体が前記第１種の指機構によりつままれた状態で、前記物体の一部が前記箇所に当接している一方、他の部分が前記箇所から浮くように前記物体の姿勢を変化させるとともに前記手の平部の一部を前記物体に当接させ、前記複数の指機構のうち前記第１種の指機構と区分されている第２種の指機構の動きを制御することにより、前記第２種の指機構に前記物体の前記面から浮いている部分をつかませ、前記手の平部の位置、姿勢または位置および姿勢を制御することにより、前記第２種の指機構により前記物体がつかまれている状態で前記手の平部と前記物体との当接箇所の面積を増加させ、かつ、前記第１種の指機構の動きを制御することにより、前記第２種の指機構に加えて前記第１種の指機構に前記物体を握らせることを特徴とする。
【０００７】
本発明の制御システムによれば、第１種の指機構の動きにより物体がつままれた上で、この物体の一部を載置箇所に当接させたままで他の部分が持ち上げられる。この際、物体の全質量が第１種の指機構にかかるわけではないので、物体をつまみ上げる程度に第１種の指機構の力を強める必要がない。したがって、第１種の指機構の駆動機構の軽量化または小型化が図られうる。
【０００８】
次に、手の平部の位置、姿勢または位置および姿勢が制御されることにより、手の平部と当該物体との当接箇所が広げられた上で、複数の指機構の動きが制御されることにより当該複数の指機構により物体が握られる。このため、物体が手の平部および複数の指機構のそれぞれに当接した状態でしっかりと握られる。そして、ハンドによりしっかりと握られた状態で物体がその載置箇所から安定に持ち上げられうる。
【０００９】
なお、本発明の構成要素が情報を「認識する」とは、コンピュータのハードウェア資源（ＣＰＵなど）としての当該構成要素が、情報を記憶装置から読み出すこと、情報をデータベースから検索すること、情報を受信すること、センサから出力等された基礎情報に基づいて適宜演算処理を実行することにより情報を測定、算定、推定または予測すること、および、情報を記憶装置に保存すること等、情報を必要とする演算処理等のために情報を利用可能な状態に準備するあらゆる情報演算処理を意味する。
【００１０】
第１発明の制御システムにおいて、前記第１演算処理要素が、前記物体における質量中心位置をはさんで質量密度が高い重量部分と、前記重量部分よりも質量密度が低い軽量部分との区分を認識し、前記第２演算処理要素が前記第１種の指機構の動きを制御することにより、前記箇所に載置されている前記物体の前記軽量部分を前記第１種の指機構につまませ、前記手の平部の位置および姿勢ならびに前記第１種の指機構の動きのうち一部または全部を制御することにより、前記物体の軽量部分が前記第１種の指機構によりつままれた状態で、前記物体が前記重量部分において前記箇所に当接している一方、前記軽量部分が前記箇所から浮くように前記物体の姿勢を変化させるとともに前記手の平部を部分的に前記物体に当接させてもよい（第２発明）。
【００１１】
当該構成の制御システムによれば、物体の質量分布の偏向性に鑑みて、第１種の指機構につまませる場所が選定されるので、第１種の指機構にかかる負荷が軽減される。このため、第１種の指機構によりつままれた状態で変更された物体の姿勢が安定に維持されうる。したがって、これに続いて前記のようにハンドにより物体がしっかりと握られることにより物体がその載置箇所から安定に持ち上げられうる。
【００１２】
第１または第２発明の制御システムにおいて、前記第２演算処理要素が、前記第２種の指機構の動きを制御することにより、前記第２種の指機構に前記物体の前記箇所から浮いている部分をつかませた後、前記第１種の指機構の動きを制御することにより、前記第２種の指機構により前記物体がつかまれている状態で前記第１種の指機構を前記物体から離した上で、前記手の平部の位置、姿勢または位置および姿勢を制御することにより、前記手の平部と前記物体との当接箇所の面積を増加させてもよい（第３発明）。
【００１３】
当該構成の制御システムによれば、第１種の指機構が物体から離されることにより、第１種の指機構および物体のそれぞれがお互いに相手方の動き等に束縛されなくなるので、その分だけ手の平部の位置、姿勢または位置および姿勢が容易に変更されうる。これにより、ハンドに物体をしっかりと握らせる観点から、手の平部と物体との当接箇所を適当かつ十分に広げることができる。その結果、前記のようにハンドにより物体がしっかりと握られ、物体がその載置箇所から安定に持ち上げられうる。
【００１４】
第３発明の制御システムにおいて、２本以上の前記第２種の指機構が存在し、前記第２演算処理要素が、一部の前記第２種の指機構の動きを制御することにより、前記一部の第２種の指機構に前記物体の前記箇所から浮いている部分をつかませた後、前記第１種の指機構の動きを制御することにより、前記一部の第２種の指機構により前記物体がつかまれている状態で前記第１種の指機構を前記物体から離した上で、残りの前記第２種の指機構の動きを制御することにより、前記一部の第２種の指機構に加えて前記残りの第２種の指機構に前記物体の前記箇所から浮いている部分をつかませてもよい（第４発明）。
【００１５】
当該構成の制御システムによれば、第２種の指機構のうち一部のみにより物体がつかまれ、残りの第２種の指機構および物体のそれぞれがお互いに相手方の動き等に束縛されなくなるので、その分だけ手の平部の位置、姿勢または位置および姿勢が容易に変更されうる。これにより、ハンドに物体をしっかりと握らせる観点から、手の平部と物体との当接箇所を適当かつ十分に広げることができる。その結果、前記のようにハンドにより物体がしっかりと握られ、物体がその載置箇所から安定に持ち上げられうる。
【００１６】
第１〜第４発明のうち１つの制御システムにおいて、前記複数の指機構に能動的な動きの自由度の高低差が存在し、当該自由度が高い指機構を前記第１種の指機構としてその動きを制御するとともに、当該自由度が低い指機構を前記第２種の指機構としてその動きを制御してもよい（第５発明）。
【００１７】
当該構成の制御システムによれば、能動的な動きの自由度が比較的高い第１種の指機構が物体を「つかむ」という動作よりも器用さが必要な「つまむ」という動作に適していることに鑑みて、複数の指機構のそれぞれの動作がその機能または役割に応じて適当に制御されうる。
【００１８】
当該構成は、ハンドの軽量化またはコンパクト化等のために一部の指機構に関係する構造または機構が簡略化されたことにより、当該一部の指機構の能動的な動きの自由度が他の指機構と比較して低く設計された場合に特に有意義である。
【００１９】
第１〜第５発明のうち１つの制御システムにおいて、前記手の平部の縁の一部が手の平面に連続する丸みを帯びた形状に形成され、前記第２演算処理要素が、前記手の平部の位置および姿勢ならびに前記第１種の指機構の動きのうち一部または全部を制御することにより、前記手の平部の縁の丸みを帯びた形状に形成されている一部を前記物体に最初に当接させた後、前記手の平部の位置、姿勢または位置および姿勢を制御することにより、前記第２種の指機構により前記物体がつかまれている状態で前記手の平部の前記手の平面と前記物体との当接箇所の面積を増加させてもよい（第６発明）。
【００２０】
当該構成の制御システムによれば、手の平部が丸みを帯びた部分において物体に最初に当接した際、この丸みを帯びた部分に連続している手の平面と物体との当接箇所を円滑に増加させることができる。これにより、ハンドに物体をしっかりと握らせる観点から、手の平部と物体との当接箇所を適当かつ十分に広げることができる。そして、前記のようにハンドにより物体がしっかりと握られ、物体がその載置箇所から安定に持ち上げられうる。
【００２１】
本発明のロボットハンドは、手の平部と、前記手の平部から延設されている複数の指機構と、第１〜第６発明のうちいずれか１つの制御システムとを備えていることを特徴とする。
【００２２】
本発明のロボットハンドの制御プログラムは、コンピュータを第１〜第６発明のうちいずれか１つの制御システムとして機能させることを特徴とする。
【００２３】
本発明の制御方法は、手の平部と、前記手の平部から延設されている複数の指機構とを備えているロボットハンドの制御方法であって、前記手の平部の位置および姿勢、ならびに、物体の位置および姿勢を認識し、前記認識結果に基づき、前記複数の指機構のうち２本以上の第１種の指機構の動きを制御することにより、ある箇所に載置されている前記物体を前記第１種の指機構につまませ、前記手の平部の位置および姿勢ならびに前記第１種の指機構の動きのうち一部または全部を制御することにより、前記物体が前記第１種の指機構によりつままれた状態で、前記物体の一部が前記箇所に当接している一方、他の部分が前記箇所から浮くように前記物体の姿勢を変化させるとともに前記手の平部の一部を前記物体に当接させ、前記複数の指機構のうち前記第１種の指機構と区分されている第２種の指機構の動きを制御することにより、前記第２種の指機構に前記物体の前記面から浮いている部分をつかませ、前記手の平部の位置、姿勢または位置および姿勢を制御することにより、前記第２種の指機構により前記物体がつかまれている状態で前記手の平部と前記物体との当接箇所の面積を増加させ、かつ、前記第１種の指機構の動きを制御することにより、前記第２種の指機構に加えて前記第１種の指機構に前記物体を握らせることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態としてのハンドを有するロボットの構成説明図。
【図２】ハンドの構成説明図。
【図３】ハンドの構成説明図。
【図４】ハンドが有する第１指機構の構成説明図。
【図５】ハンドが有する第２指機構の構成説明図。
【図６】ハンドおよび駆動装置の構成説明図。
【図７】ハンドの作動に関する説明図。
【図８】ハンドの制御システムの構成説明図。
【図９】ハンドの動作の制御方法に関する説明図。
【図１０】ハンドの動作による物体の把持動作の制御方法に関する説明図。
【図１１】ハンドの動作による物体の把持動作の制御方法に関する説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の一実施形態について図面を用いて説明する。
【００２６】
まず、本発明の一実施形態としてのロボットハンドを構成要素とするロボットの構成について説明する。
【００２７】
図１に示されているロボットＲは脚式移動ロボットであり、人間と同様に、基体Ｂ０と、基体Ｂ０の上方に配置された頭部Ｂ１と、基体Ｂ０の上部に上部両側から延設された左右の腕体Ｂ２と、左右の腕体Ｂ２のそれぞれの先端に設けられているハンド１と、基体Ｂ０の下部から下方に延設された左右の脚体Ｂ４とを備えている。なお、ロボットＲは脚式移動ロボットのみならず、ハンド１の位置および姿勢を変化させるための腕体Ｂ２に相当する機構を備えているあらゆる種類のロボットであってもよい。
【００２８】
ロボットＲはその動作を制御する制御装置２を備えている。制御装置２はロボットＲの内部ネットワークを通じて接続された主制御ユニットおよび一または複数の副制御ユニットより構成される分散制御装置であってもよい。
【００２９】
基体Ｂ０はヨー軸回りに相対的に回動しうるように上下に連結された上部および下部により構成されている。頭部Ｂ１は基体Ｂ０に対してヨー軸回りに回動する等、動くことができる。頭部Ｂ１には、ロボットＲの前方を撮像範囲とするＣＣＤカメラ、赤外線カメラ等、種々の周波数帯域における光を感知しうる左右一対の頭カメラＣ１が搭載されている。基体Ｂ０の下部には、ロボットＲの前方下方に向けて発せられた近赤外レーザー光の物体による反射光を検知することによりこの物体の位置や方位等を測定するための腰カメラ（アクティブセンサ）Ｃ２が搭載されている。
【００３０】
腕体Ｂ２は第１腕体リンクＢ２２と、第２腕体リンクＢ２４とを備えている。基体Ｂ０と第１腕体リンクＢ２１とは肩関節機構（第１腕関節機構）Ｂ２１を介して連結され、第１腕体リンクＢ２２と第２腕体リンクＢ２４とは肘関節機構（第２腕関節機構）Ｂ２３を介して連結され、第２腕体リンクＢ２４とハンド１とは手首関節機構（第３腕関節機構）Ｂ２５を介して連結されている。肩関節機構Ｂ２１はロール、ピッチおよびヨー軸回りの回動自由度を有し、肘関節機構Ｂ２３はピッチ軸回りの回動自由度を有し、手首関節機構Ｂ２５はロール、ピッチ、ヨー軸回りの回動自由度を有している。
【００３１】
脚体Ｂ４は第１脚体リンクＢ４２と、第２脚体リンクＢ４４と、足部Ｂ５とを備えている。基体Ｂ０と第１脚体リンクＢ４２とは股関節機構（第１脚関節機構）Ｂ４１を介して連結され、第１脚体リンクＢ４２と第２脚体リンクＢ４４とは膝関節機構（第２脚関節機構）Ｂ４３を介して連結され、第２脚体リンクＢ４４と足部Ｂ５とは足関節機構（第３脚関節機構）Ｂ４５を介して連結されている。
【００３２】
股関節機構Ｂ４１はロール、ピッチおよびロール軸回りの回動自由度を有し、膝関節機構Ｂ４３はピッチ軸回りの回動自由度を有し、足関節機構Ｂ４５はロールおよびピッチ軸回りの回動自由度を有している。股関節機構Ｂ４１、膝関節機構Ｂ４３および足関節機構Ｂ４５は「脚関節機構群」を構成する。なお、脚関節機構群に含まれる各関節機構の並進および回転自由度は適宜変更されてもよい。また、股関節機構Ｂ４１、膝関節機構Ｂ４３および足関節機構Ｂ４５のうち任意の１つの関節機構が省略された上で、残りの２つの関節機構の組み合わせにより脚関節機構群が構成されていてもよい。さらに、脚体Ｂ４が膝関節とは別の第２脚関節機構を有する場合、当該第２脚関節機構が含まれるように脚関節機構群が構成されてもよい。足部Ｂ５の底には着床時の衝撃緩和のため、特開２００１−１２９７７４号公報に開示されているような弾性素材Ｂ５２が設けられている。
【００３３】
〔ハンドに関する説明〕
ここで、ハンド１の構成について説明する。
【００３４】
ハンド１は、手の平部１０と、手の平部１０から延設されている５本の指機構１１〜１５とを備えている。手の平部１０は、各指機構を連結支持するフレーム１０１を備え、手の平部１０の表側が手の甲とされ裏側が手の平とされる。図３は、ハンド１の手の平側を示している。手の平部１０は手の平部表皮部材１０２により被覆されている。第１指機構１１、第２指機構１２、第３指機構１３、第４指機構１４および第５指機構１５のそれぞれは、人間の手の５本の指、すなわち、拇指、示指、中指、環指および小指のそれぞれに相当する。指機構１１〜１５のそれぞれは関節を露出させて指表皮部材（図示略）により被覆されている。
【００３５】
〔第１指機構に関する説明〕
第１指機構１１は、図２に模式的に示されているように手の平部１０に固定されているリンク部材からＣＭ１関節、ＣＭ２関節、ＭＰ関節およびＩＰ関節を順に介して接続されている複数の指リンク部材を備えている。
【００３６】
ＣＭ１関節およびＣＭ２関節は回動自由度「２」の「手首中手関節機構」を構成する。ＣＭ１関節およびＣＭ２関節は相互に直交または略直交する軸線回りに回動する。ＭＰ関節は回動自由度「１」の「拇指中手指節関節機構」を構成する。ＩＰ関節は回動自由度「１」の「拇指指節間関節機構」を構成する。ＣＭ２関節、ＭＰ関節およびＩＰ関節は相互に平行または略平行な軸線回りに回動する。
【００３７】
第１指機構１１はＣＭ２関節、ＭＰ関節およびＩＰ関節の回動により屈伸運動し、たとえば、手の平部１０の手の平側に向かって折れ曲がる等の動作が可能とされている。ＣＭ１関節は第１指機構１１を手の平側に対向するように回動させる。
【００３８】
〔第２〜第５指機構に関する説明〕
指機構１１〜１５のそれぞれは、図２に模式的に示されているように手の平部１０に固定されているリンク部材からＭＰ１関節、ＭＰ２関節、ＰＩＰ関節およびＤＩＰ関節を順に介して接続されている複数の指リンク部材を備えている。
【００３９】
ＭＰ１関節およびＭＰ２関節は回動自由度「２」の「中手指節関節機構」を構成する。ＭＰ１関節およびＭＰ２関節は相互に直交する軸線回りに回動する。ＰＩＰ関節は回動自由度「１」の「近位指節間関節機構」を構成する。ＤＩＰ関節は回動自由度「１」の「遠位指節間関節機構」を構成する。ＭＰ２関節、ＰＩＰ関節およびＤＩＰ関節は相互に平行または略平行な軸線回りに回動する。
【００４０】
指機構１２〜１５のそれぞれはＭＰ２関節、ＰＩＰ関節およびＤＩＰ関節の回動により屈伸運動し、たとえば、手の平部１０の手の平側に向かって折れ曲がる等の動作が可能とされている。ＭＰ１関節は、指機構１２〜１５が相互に近接または離間するように指機構１１〜１５のそれぞれを揺動させ、人間にたとえると手を広げる等の動作が可能とされている。
【００４１】
〔センサの説明〕
指機構１１〜１５のそれぞれは、図３および図４または図５に示されているように、６軸力センサＳ１を備えている。６軸力センサＳ１は、各指機構の指先部材に傾斜する姿勢で取付けられている。６軸力センサＳ１は、各指機構の指先部材に作用する６軸力、すなわち、互いに直交する３軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）方向の並進力と各軸回りのモーメントとを測定する。そして、６軸力センサＳ１から出力される６軸力の測定値に基づいて各指機構における力の強弱および向き等が制御される。
【００４２】
手の平部１０の手の平側における複数の箇所に、各箇所における荷重または圧力に応じた信号を出力する圧力センサＳ２が設けられている。同様に指機構１１〜１５のそれぞれの指腹側の複数個所に、各箇所における荷重または圧力に応じた信号を出力する圧力センサＳ２が設けられていてもよい。
【００４３】
〔第１種の指機構（器用指）および第２種の指機構（力指）に関する説明〕
５つの指機構１１〜１５は能動的な動きの自由度の高低に応じて第１種の指機構と、第２種の指機構とに区分されている。第１指機構１１、第２指機構１２および第３指機構１３は当該自由度が高い「第１種の指機構」に区分されている。第４指機構１４および第５指機構１５は第１種の指機構よりも当該自由度が低い「第２種の指機構」に区分されている。
【００４４】
〔第１種の指機構の説明〕
〔第１指機構の構成〕
第１種の指機構に区分されている第１指機構１１は、図４に示されているように、ＣＭ２関節の回動軸ＣＭ２１（手首中手関節機構の第２の回動軸）を回動させる第１の従動流体圧シリンダ３２（ＣＭ２）と、ＭＰ関節の回動軸ＭＰ１を回動させる第２の従動流体圧シリンダ３２（ＭＰ）とを備えている。
【００４５】
第１の従動流体圧シリンダ３２（ＣＭ２）のシリンダ本体３２１（ＣＭ２）は、ＣＭ１関節の回動軸（手首中手関節の第２の回動軸）とされており、回動自在に前記手の平部１０のフレーム１０１に支持されている。
【００４６】
このように、第１の従動流体圧シリンダ３２（ＣＭ２）のシリンダ本体３２１（ＣＭ２）をＣＭ１関節回動軸として兼用することにより、第１の従動流体圧シリンダ３２（ＣＭ２）とＣＭ１関節の回動軸とを別々に設けた場合に比べてコンパクトとなる。しかも、ＣＭ１関節の回動に伴う第１の従動流体圧シリンダ３２（ＣＭ２）の揺動は全くなく、その揺動スペースが不要となるので極めてコンパクトに構成することができる。
【００４７】
第２の従動流体圧シリンダ３２（ＭＰ）のシリンダ本体３２１（ＭＰ）は、ＣＭ２関節の回動軸ＣＭ２１を介して第１の従動流体圧シリンダ３２（ＣＭ２）に回動自在に連結されている。
【００４８】
第２の従動流体圧シリンダ３２（ＭＰ）のシリンダ本体３２１（ＭＰ）に流体を供給する配管３２４（ＭＰ）は、ＣＭ２関節の回動軸ＣＭ２１の内部に収容されている。これにより、ＣＭ２関節の回動時に配管３２４（ＭＰ）が邪魔にならず、第１指機構１１の屈伸動作を円滑に行うことができる。
【００４９】
ＭＰ関節には連結部材ＩＰＬ１を介してＩＰ関節が連結されている。ＩＰ関節の回動軸ＩＰ１には、前記指先部材が回動自在に連結されている。連結部材ＩＰＬ１は、その一端がＭＰ関節の回動軸ＭＰ１に回動自在に連結され、他端がＩＰ関節の回動軸ＩＰ１に連結されている。
【００５０】
さらに、ＭＰ関節とＩＰ関節との間には、リンク部材ＩＰＬ２（リンク機構）が設けられている。リンク部材ＩＰＬ２は、第２の従動流体圧シリンダ３２（ＭＰ）のシリンダ本体３２１（ＭＰ）と指先部材の６軸力センサＳ１を支持する支持部材ＩＰＬ３とを連結する。
【００５１】
第１の従動流体圧シリンダ３２（ＣＭ２）は、シリンダ本体３２１（ＣＭ２）内部に流体が供給されることによりピストン３２２（ＣＭ２）が摺動し、ピストンロッド３２３（ＣＭ２）が伸縮してＣＭ２関節を回動させる。これにより、第２指機構１２がＣＭ２関節において屈伸する。
【００５２】
第２の従動流体圧シリンダ３２（ＭＰ）は、シリンダ本体３２１（ＭＰ）内部に流体が供給されることによりピストン３２２（ＭＰ）が摺動し、ピストンロッド３２３（ＭＰ）が伸縮してＭＰ関節を回動させる。このとき、ＭＰ関節とＩＰ関節とが、連結部材ＩＰＬ１とリンク部材ＩＰＬ２とにより連結されていることにより、第２の従動流体圧シリンダ３２（ＭＰ）の動きによるＭＰ関節の回動に追従してＩＰ関節が回動する。
【００５３】
ＩＰ関節は、第２の従動流体圧シリンダ３２（ＭＰ）によるＭＰ関節の回動に連動するように構成されているので、人間の指の動きに近い動作が得られるだけでなく、ＩＰ関節を駆動するためのシリンダ等が不要となり、第１指機構１１を軽量に構成することができる。
【００５４】
以上の構成により、第１指機構１１は、第１の従動流体圧シリンダ３２（ＣＭ２）および第２の従動流体圧シリンダ３２（ＭＰ）のピストンロッド３２３（ＣＭ２），３２３（ＭＰ）を伸長させることによりを折り曲げ状態となり、ピストンロッド３２３（ＣＭ２），３２３（ＭＰ）を収縮させることにより延ばし状態となる。
【００５５】
第１指機構１１のＣＭ１関節は、図３に示されているように、各指機構の配列方向に沿ってピストンロッド３２３（ＣＭ１）が伸縮する第３の従動流体圧シリンダ３２（ＣＭ１）により回動される。第１指機構１１は、第３の従動流体圧シリンダ３２（ＣＭ１）のピストンロッド３２３（ＣＭ１）を伸長させることにより、手の平部１０の手の平側に回動し、第３の従動流体圧シリンダ３２（ＣＭ１）のピストンロッド３２３（ＣＭ１）を収縮させることにより第２指機構１２に隣り合う方向に回動する。
【００５６】
図４に示されているように、第１の従動流体圧シリンダ３２（ＣＭ２）のシリンダ本体３２１（ＣＭ２）への流体の供給は、ＣＭ１関節の回動軸である第１の従動流体圧シリンダ３２（ＣＭ２）のシリンダ本体３２１（ＣＭ２）の軸受け部１０１の内部に形成された流体路３２（ＣＭ２）４を介して行われる。これにより、第１の従動流体圧シリンダ３２（ＣＭ２）のシリンダ本体３２１（ＣＭ２）を円滑に回動させることができ、ＣＭ１関節の回動により第１指機構１１が円滑に動かされうる。
【００５７】
図３および図４に示されているように、ＣＭ１関節、ＣＭ２関節およびＭＰ関節のそれぞれにはコイルばね（ねじりばね）ＣＭ１２、ＣＭ２２およびＭＰ２のそれぞれが設けられている。ＭＰ関節およびＣＭ２関節の各コイルばねＭＰ２，ＣＭ２２は、第１指機構１１を延ばし方向に付勢する。ＣＭ１関節のコイルばねＣＭ１２は、第１の従動流体圧シリンダ３２（ＣＭ２）のシリンダ本体３２１（ＣＭ２）の外周を包囲するようにして設けられ、第１指機構１１を第２指機構１２に隣り合う方向に回動する方向に付勢する。言い換えれば、各コイルばねＣＭ１２、ＣＭ２２およびＭＰ２の付勢方向は、３つの従動流体圧シリンダ３２（ＣＭ１）、３２（ＣＭ２）および３２（ＭＰ）の各ピストンロッド３２３（ＣＭ１）、３２３（ＣＭ２）および３２３（ＭＰ）の収縮方向と同じ方向とされている。
【００５８】
〔第２指機構の構成〕
第２指機構１２は、図５に示されているようにＭＰ２関節の回動軸ＭＰ２１（中手指節関節の第１の回動軸）を回動させる第１の従動流体圧シリンダ３２（ＭＰ２）と、ＰＩＰ関節の回動軸ＰＩＰ１を回動させる第２の従動流体圧シリンダ３２（ＰＩＰ）とを備えている。
【００５９】
第１の従動流体圧シリンダ３２（ＭＰ２）のシリンダ本体３２１（ＭＰ２）は、人間の中手骨に相当し、ＭＰ１関節の回動軸ＭＰ１１（中手指節関節機構の第１の回動軸）により回動自在に前記手の平部１０のフレーム１０１（図１参照）に支持されている。第２の従動流体圧シリンダ３２（ＰＩＰ）のシリンダ本体３２１（ＰＩＰ）は、人間の基節骨に相当し、ＭＰ２関節の回動軸ＭＰ２１を介して第１の従動流体圧シリンダ３２（ＭＰ２）に回動自在に連結されている。
【００６０】
第２の従動流体圧シリンダ３２（ＰＩＰ）のシリンダ本体３２１（ＰＩＰ）に流体を供給する配管３２４（ＰＩＰ）は、ＭＰ２関節の回動軸ＭＰ２１の内部に収容されている。これにより、ＭＰ２関節の回動時に配管３２４（ＰＩＰ）が邪魔にならず、第２指機構１２の屈伸動作を円滑に行うことができる。
【００６１】
また、第２の従動流体圧シリンダ３２（ＰＩＰ）のシリンダ本体３２１（ＰＩＰ）を第２指機構１２の長手方向に沿ってＭＰ２関節とＰＩＰ関節との間に配設することにより、第２指機構１２をコンパクトに構成することができる。
【００６２】
ＰＩＰ関節には、人間の中節骨に相当する連結部材ＤＩＰＬ１を介してＤＩＰ関節が連結されている。ＤＩＰ関節の回動軸ＤＩＰ１には、前記指先部材に連設された６軸力センサＳ１を支持する支持部材ＤＩＰＬ２が回動自在に連結されている。連結部材ＤＩＰＬ１は、その一端がＰＩＰ関節の回動軸ＰＩＰ１に回動自在に連結され、他端がＤＩＰ関節の回動軸ＤＩＰ１に連結されている。
【００６３】
さらに、ＰＩＰ関節とＤＩＰ関節との間には、リンク部材ＤＩＰＬ３（リンク機構）が設けられている。リンク部材ＤＩＰＬ２は、第２の従動流体圧シリンダ３２（ＰＩＰ）のシリンダ本体３２１（ＰＩＰ）と指先部材の６軸力センサＳ１を支持する支持部材ＤＩＰＬ２とを連結する。
【００６４】
第１の従動流体圧シリンダ３２（ＭＰ２）は、シリンダ本体３２１（ＭＰ２）内部に流体が供給されることによりピストン３２２（ＭＰ２）が摺動し、ピストンロッド３２３（ＭＰ２）が伸縮してＭＰ２関節を回動させる。これにより、第２指機構１２がＭＰ２関節を介して屈伸する。
【００６５】
第２の従動流体圧シリンダ３２（ＰＩＰ）は、シリンダ本体３２１（ＰＩＰ）内部に流体が供給されることによりピストン３２２（ＰＩＰ）が摺動し、ピストンロッド３２３（ＰＩＰ）が伸縮してＰＩＰ関節を回動させる。このとき、ＰＩＰ関節とＤＩＰ関節とが、連結部材ＤＩＰＬ１とリンク部材ＤＩＰＬ３とにより連結されているので、第２の従動流体圧シリンダ３２（ＰＩＰ）によるＰＩＰ関節の回動に追従してＤＩＰ関節が回動する。
【００６６】
ＤＩＰ関節は、第２の従動流体圧シリンダ３２（ＰＩＰ）によるＰＩＰ関節の回動に連動するように構成されているので、人間の指の動きに近い動作が得られるだけでなく、ＤＩＰ関節を駆動するためのシリンダ等が不要となり、第２指機構１２を軽量に構成することができる。
【００６７】
以上の構成により、第２指機構１２は、第１の従動流体圧シリンダ３２（ＭＰ２）および第２の従動流体圧シリンダ３２（ＰＩＰ）のピストンロッド３２３（ＭＰ２），３２３（ＰＩＰ）を伸長させることにより折り曲げ状態となり、ピストンロッド３２３（ＭＰ２），３２３（ＰＩＰ）を収縮させることにより延ばし状態となる。
【００６８】
第２指機構１２のＭＰ１関節は、図３に示されているように、各指機構の配列方向に沿ってピストンロッド３２３（ＭＰ１）が伸縮する第３の従動流体圧シリンダ３２（ＭＰ１）により回動される。第３の従動流体圧シリンダ３２（ＭＰ１）は、ピストンロッド３２３（ＭＰ１）を伸長させることにより第２指機構１２を第３指機構１３に近接する方向に揺動させ、ピストンロッド３２３（ＭＰ１）を収縮させることにより第２指機構１２を第３指機構１３から離反する方向に揺動させる。
【００６９】
図５に示されているように、ＭＰ１関節、ＭＰ２関節およびＰＩＰ関節のそれぞれにはコイルばね（ねじりばね）ＭＰ１２、ＭＰ２２およびＰＩＰ２のそれぞれが設けられている。ＰＩＰ関節およびＭＰ２関節の各コイルばねＰＩＰ２，ＭＰ２２は、第２指機構１２を延ばし方向に付勢する。ＭＰ１関節のコイルばねＭＰ１２は、第２指機構１２を第３指機構１３から離反させる方向に付勢する。言い換えれば、各コイルばねＭＰ１２、ＭＰ２２およびＰＩＰ２の付勢方向は、３つの従動流体圧シリンダ３２（ＭＰ１）、３２（ＭＰ２）および３２（ＰＩＰ）のピストンロッド３２３（ＭＰ１）、３２３（ＭＰ２）および３２３（ＰＩＰ）の収縮方向と同じ方向とされている。
【００７０】
以上、第１種の指機構とされる第２指機構１２の構成を詳しく述べたが、第１種の指機構とされる第３指機構１３の構成も第２指機構１２と同じである。
【００７１】
〔第２種の指機構の構成〕
第２種の指機構に区分されている第４指機構１４および第５指機構１５のそれぞれは、第２指機構１２の上述した構成のうち、第３の従動流体圧シリンダ３２（ＭＰ１）が省略されていることを除き、第２指機構１２と同じ構成である。第４指機構１４および第５指機構１５は、第３の従動流体圧シリンダ３２（ＭＰ１）が省略されているため、ＭＰ１関節が力動作に応じて自在に回動し、ＭＰ１関節のコイルばねＭＰ１２の付勢により所定位置に自然復帰するようになっている。すなわち、第２種の指機構はこの分だけ能動的な動きの自由度が第１種の指機構よりも低くなっている。
【００７２】
〔駆動装置の構成〕
ハンド１の駆動機構の構成について説明する。駆動機構は、図６に示されている複数の駆動流体圧シリンダ（マスタシリンダ）３１と、複数の従動流体圧シリンダ（スレーブシリンダ）３２（ｉ）（ｉ＝ＣＭ１，ＣＭ２，ＭＰ，ＭＰ１，ＭＰ２，ＰＩＰ）とを構成要素としている（図３、図４および図５参照）。駆動流体圧シリンダ３１は従動流体圧シリンダ３２（ｉ）のそれぞれに対応して合計１３個設けられている。駆動流体圧シリンダ３１とハンド１の従動流体圧シリンダ３２（ｉ）とは流体圧伝達管３３（配管）を介して各別に接続される。流体圧伝達管３３は流体圧力に応じて径または断面積が変化しうる程度の柔軟性を有している。
【００７３】
複数の駆動流体圧シリンダ３１のそれぞれはロボットＲの適当な箇所（たとえば基体Ｂ０または腕体Ｂ２の内部空間）にユニットとしてあるいは分散して配置されている。
【００７４】
駆動流体圧シリンダ３１は、内部に流体を収容するシリンダ本体３１１と、シリンダ本体３１１の内部を摺動するピストン（マスタピストン）３１２と、ピストン３１２に連設された中空のピストンロッド３１３とを備えている。さらに、駆動流体圧シリンダ３１は、ピストンロッド３１３の軸線に沿ってピストンロッド３１３内に挿入されるボールネジ３１４と、ピストンロッド３１３の内部に固設されてボールネジ３１４に螺合する螺合部材３１５と、ボールネジ３１４を回転駆動することにより螺合部材３１５を介してピストンロッド３１３を進退させるモータ３０（回転駆動装置）と、モータ３０の作動量を検出するためのエンコーダＳ３とを備えている。駆動流体圧シリンダ３１には、シリンダ本体３１１の内部の流体圧力に応じた信号を出力する圧力センサＳ４が設けられている。
【００７５】
モータ３０は、回転伝達手段としてのプーリ３０１，３０３に掛けわたされたベルト３０２を介してボールネジ３１４を回転駆動する。これにより、モータ３０の出力軸３００とピストンロッド３１３との軸線が平行となり、モータ３０をシリンダ本体３１１に隣設することができてコンパクトに形成される。
【００７６】
この構成により、図７に模式的に示されているように、マスタピストン３１２が前進駆動されることにより、駆動流体圧シリンダ３１から流体が流出し、配管３３を介してそれに対応する従動流体圧シリンダ３２（ｉ）に流体が流入し、従動流体圧シリンダ３２（ｉ）のピストン（スレーブピストン）３２２（ｉ）が前進することにより指機構１１〜１５のそれぞれが駆動される。これとは逆にマスタピストン３１２が後退駆動されることにより、駆動流体圧シリンダ３１から流体が流入し、配管３３を介してそれに対応する従動流体圧シリンダ３２（ｉ）から流体が流出し、従動流体圧シリンダ３２（ｉ）のピストン３２２（ｉ）が後退することにより指機構１１〜１５のそれぞれが駆動される。
【００７７】
［ハンドの動作制御］
制御装置２はコンピュータ（ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等のメモリ、ならびに、Ａ／Ｄ回路およびＩ／Ｏ回路等の回路により構成されている。）により構成されている。制御装置２によれば、ＣＰＵによりメモリから制御プログラムが適宜読み出され、読み出されたプログラムにしたがってハンド１の動作が制御される。
【００７８】
制御装置２はロボットＲに搭載されている複数のアクチュエータ４のそれぞれの動作を制御することにより、腕体Ｂ２の各関節機構における動き、および、脚体Ｂ４の各関節における動き等を制御する。制御装置２はマスタピストン３１２の位置を制御することにより指機構１１〜１５のそれぞれの動きまたは力を制御する。
【００７９】
制御装置２は図９に示されているように第１演算処理要素２１と、第２演算処理要素２２とを備えている。
【００８０】
第１演算処理要素２１は、指機構１１〜１５のそれぞれの先端部に設けられている６軸力センサＳ１の出力信号に基づき、指機構１１〜１５のそれぞれの先端部における物体との当接位置、物体に与える圧力および圧力の方向を測定する。第１演算処理要素２１は、手の平部１０の手の平側における複数個所に配置されている複数の圧力センサＳ２のそれぞれの出力信号等に基づき、手の平部１０における荷重中心の位置と、手の平部１０にかかる荷重とを測定する。第１演算処理要素２１は、エンコーダＳ３および流体圧力センサＳ４のそれぞれの出力信号に基づき、従動流体圧シリンダ３２（ｉ）のピストン３２２（ｉ）の位置、さらには、指機構１１〜１５のそれぞれの各関節ｉにおける回動角度を測定する。
【００８１】
第２演算処理要素２２は、物体がハンド１によって把持されることにより複数の指機構１１〜１５および手の平部１０のそれぞれに当接している状態において、手の平部１０における荷重中心の測定位置が目標手の平領域ＰＡに含まれるとともに、手の平部１０にかかる荷重の測定値が目標荷重範囲に含まれるように、複数の指機構１１〜１５のそれぞれから物体にかける圧力を制御する。第２演算処理要素２２は、指機構１１〜１５のそれぞれの各関節ｉにおける回動角度の測定結果に基づき、当該回動角度、ひいては、指機構１１〜１５のそれぞれの位置および姿勢を制御する。
【００８２】
前記構成のロボットＲ、ハンド１および制御装置２の機能について説明する。
【００８３】
［基本制御］
指機構１１〜１５のそれぞれの各関節における回動角度（スレーブ関節角度）θslvは、エンコーダＳ３および流体圧力センサＳ４のそれぞれの出力信号に基づき、第１演算処理要素２１により関係式（１）〜（６）にしたがって測定される。
【００８４】
説明のため、図７に示されているように、指機構１１〜１５のそれぞれを構成する指リンク部材の揺動軸の方向がＺ方向として定義され、従動ピストン３２２（ｉ）の進退方向がＸ方向として定義されている直交座標系を考える。
【００８５】
回動角度（スレーブ関節角度）θslvは関係式（１）により表現される。
【００８６】
θslv＝φ＋tan-1（h／Px）−θ0 （θ0＞0），
φ＝cos-1{(Px2＋(L2)2＋h2−(L1)2)／(2L(Px2＋h2)1/2)}−θ0  ‥（１）
「h」はクランクオフセットであり、指リンク部材の揺動軸と、ロッド３２３（ｉ）の後端揺動軸とのＹ方向の間隔である。「L1」はロッド３２３（ｉ）の後端揺動軸と先端揺動軸との間隔（ロッド長）である。「L2」は指リンク部材の揺動軸と、ロッド３２３（ｉ）の先端揺動軸との間隔（クランク長）である。クランクオフセットh、ロッド長L1およびクランク長L2の値はメモリに保存されている。
【００８７】
「Px」はスレーブピストン３２２（ｉ）の位置（スレーブピストン位置）Pxであり、関係式（２）により表現される。
【００８８】
Px＝P0−Strkslv  ‥（２）
「P0」はスレーブピストン３２２（ｉ）の基準位置である。
【００８９】
「Strkslv」はスレーブピストン３２２（ｉ）の基準位置p0からの変位量（スレーブストローク）であり、関係式（３）により表現される。
【００９０】
Strkslv＝Strkmst・（Smst／Sslv）−StrkOffsetmst＋StrkExpslv  ‥（３）
「Smst」はマスタピストン３１２の断面積である。「Sslv」はスレーブピストン３２２（ｉ）の断面積である。「StrkOffsetmst」はマスタピストン３１２のオフセット（マスタストロークオフセット）である。断面積SmstおよびSslvまたはその比率（Smst／Sslv）、ならびに、マスタストロークオフセットStrkOffsetmstの値はメモリに保存されている。
【００９１】
「Strkmst」はマスタピストン３１２の変位量（マスタストローク）であり、エンコーダＳ３の出力信号に応じたモータ３０の回動位置MotPosmstに基づき、関係式（４）にしたがって算定されうる。
【００９２】
Strkmst＝MotPosmst・Rr  ‥（４）
「Rr」はプーリ３０１，３０３およびベルト３０２により構成されている減速機構（図６参照）の減速比であり、メモリにあらかじめ保存されている。
【００９３】
「StrkExpslv」は配管３３の断面積変化または膨張もしくは収縮によるスレーブストローク変位量であり、スレーブピストン３２３（ｉ）の断面積Sslvおよび配管膨張量Exppipに基づき、関係式（５）にしたがって算定されうる。
【００９４】
SstrkExpslv＝Exppip／Sslv  ‥（５）  
「Exppip」は配管膨張量（体積変化量）であり、流体圧力センサＳ４の出力信号に応じた測定流体圧Prsactに加えて、油圧目標値Prscmd、配管３３の柔軟性の高低を表わす係数Kpipおよび配管３３の長さLpipに基づき、関係式（６）にしたがって表現される。油圧目標値Prscmd、配管３３の柔軟性の高低を表わす係数Kpipおよび配管３３の長さLpipはメモリに保存されている。
【００９５】
Exppip＝（Prscmd−Prsact）・Kpip・Lpip  ‥（６）
第１演算処理要素２１により前記のように測定されたスレーブ関節角度θslvに加えて、後述するように６軸力センサＳ１および圧力センサＳ２のそれぞれの出力信号に基づき、第２演算処理要素２２により指機構１１〜１５のそれぞれの動きまたは力が制御される。
【００９６】
［応用制御］
第１演算処理要素２１により、手の平部１０の位置および姿勢、ならびに、ハンド１を用いた把持対象である物体の位置、姿勢、形状およびサイズ等、当該物体を把持するために必要な情報が認識される（図９／ＳＴＥＰ００２）。
【００９７】
ロボットＲの物体把持動作の制御のため、ロボット座標系のほか、手首座標系、ハンド座標系および物体座標系が定義される。「ロボット座標系」は、世界座標系におけるロボットＲの位置および姿勢を定義するために定義される。「手首座標系」は、たとえば、手首関節機構Ｂ２５の代表点を原点とし、かつ、手首関節機構Ｂ２５の３つの回動軸を３つの直交軸として定義される。「ハンド座標系」は、たとえば、手の平部１０の手の平面上の一点を原点とし、手の平面に平行な一対の直交軸をｘ軸およびｙ軸とし、かつ、手の平面に垂直な軸をｚ軸として定義される。「物体座標系」は、たとえば、物体の代表点を原点として定義される。ロボット座標系に対する手首座標系およびハンド座標系のそれぞれの位置および姿勢は、肩関節機構Ｂ２１、肘関節機構Ｂ２３および手首関節機構Ｂ２５の屈曲角度等、ロボットＲの動作により変動する因子、ならびに、メモリに保存されている第１腕体リンクＢ２２および第２腕体リンクＢ２２の長さ等、ロボットＲのサイズを表わす一定の因子に基づき、順運動学計算法にしたがって算出されうる。
【００９８】
手の平部１０の位置および姿勢は腕体Ｂ２の各関節機構の屈曲角度を測定するためのロータリエンコーダ等、ロボットＲの動作状態に応じたセンサからの出力信号に基づいて測定される。手の平部１０の位置および姿勢はロボット座標系における座標値またはオイラー角によって認識される。ロータリエンコーダ等の動作状態センサの出力信号に基づき、ロボットＲの腕体Ｂ２および脚体Ｂ４のそれぞれの位置および姿勢も認識されうる。
【００９９】
頭カメラＣ１および腰カメラＣ２のうち一方または両方を通じて得られた画像解析により、固定座標系（ロボットＲの動きとは無関係に固定されている座標系）における基体Ｂ０の位置および姿勢が認識される。
【０１００】
エンコーダＳ３の出力信号に応じたモータ３０の作動量に基づき、指機構１１〜１５のそれぞれの先端部の位置および姿勢が認識される。各指機構の先端部の位置は、エンコーダＳ３の出力信号に応じた各関節機構の屈曲角度、ハンド座標系において不変の各指機構の根元部の位置、および、各指機構の指節リンクの長さ等に基づき、順運動学計算法にしたがって、算出されたハンド座標系における位置および姿勢として定義される。
【０１０１】
物体の位置、姿勢、形状およびサイズは、頭カメラＣ１および腰カメラＣ２のうち一方または両方により撮像されたロボットＲの周辺範囲の画像に基づいて認識される。物体の位置および姿勢はロボット座標系における座標値およびオイラー角によって認識される。ロボット座標系にける物体の位置および姿勢は、ロボットＲの位置および姿勢（たとえば基体Ｂ０の位置および基本前額面の姿勢）が変化することにより変化するので、逐次認識または測定される。なお、認識対象となる情報の一部または全部がロボットＲの外部にある端末装置から制御装置２に入力されることにより、当該入力情報が第１演算処理要素２１により認識されてもよい。
【０１０２】
また、第１演算処理要素２１により認識された物体の位置等に基づき、第２演算処理要素２２によってアクチュエータ４の動作が制御されることにより、ハンド１により物体を把持するためのロボットＲの予備的動作が制御される（図９／ＳＴＥＰ００４）。具体的には、必要に応じて脚体Ｂ４が動かされることによりロボットＲの位置および姿勢が調節される。その上で、腕体Ｂ２が動かされることにより手の平部１０が当該物体を把持するのに適当な位置および姿勢に調節される。
【０１０３】
さらに、第１演算処理要素２１により認識された物体の位置および姿勢等に基づき、第２演算処理要素２２により指機構１１〜１５のそれぞれの動きおよび必要に応じて腕体Ｂ２の動きが制御されることによって物体がハンド１により把持される。ここでは物体としてハンマーが例として採用される。なお、ハンド１の把持対象となる物体の種類はさまざまに変更されうる。
【０１０４】
具体的には、まず、第１指機構１１の先端部が物体の一部（ハンマーの柄）の一方側に当接する一方、第２指機構１２および第３指機構１３のそれぞれの先端部が当該物体の一部の他方側に当接するように、第１種の指機構１１〜１３のそれぞれの動きが制御される（図９／ＳＴＥＰ００６）。これにより、図１０（ａ）に示されているように当該物体が第１種の指機構１１〜１３によりつままれた状態になる。
【０１０５】
６軸力センサＳ１の出力に基づき、第１種の指機構１１〜１３のそれぞれの先端部が受ける荷重およびその方向が第１演算処理要素２１により測定される。当該測定結果に基づき、第１種の指機構１１〜１３のそれぞれの物体をつまむ力の強弱および方向が制御されうる。
【０１０６】
また、物体の姿勢を変化させるように手の平部１０の位置および姿勢、ならびに、第１種の指機構１１〜１３の動きのうち一部または全部が制御される（図９／ＳＴＥＰ００８）。
【０１０７】
これにより、図１０（ｂ）に示されているように物体が第１種の指機構１１〜１３によりつままれた状態で、物体の一部（ハンマーの頭部）が載置箇所に当接している一方、他の部分（ハンマーの柄）が載置箇所から浮くように物体の姿勢が調節される。物体座標系の１つの軸回りに手首座標系が回動するように腕体Ｂ２が駆動されることにより物体の姿勢が変更される。
また、図１０（ｃ）に示されているように手の平部１０の一部を物体に当接させられる。手の平部１０において物体に最初に当接させられる部分は、断面視で手の平面に連続しており、対象物の多少の誤差または対象物の計測誤差があっても好適に接触を検出することができるように丸みを帯びた形状とされている（図１０（ｃ）参照）。
【０１０８】
さらに、第２種の指機構１４〜１５の一方の指機構である第５指機構１５が曲げられて物体を巻き込むように、第５指機構１５の動きが制御される（図９／ＳＴＥＰ０１０）。これにより、図１１（ａ）に示されているように第５指機構１５に物体の載置箇所から浮いている部分（ハンマーの柄）をつかませる。
【０１０９】
さらに、第１種の指機構１１〜１３のそれぞれの先端部が物体から離れるように第１種の指機構１１〜１３の動きが制御される（図９／ＳＴＥＰ０１２）。これにより、図１１（ｂ）に示されているように第５指機構１５により物体がつかまれている状態で第１種の指機構１１〜１３が物体から離される。
【０１１０】
続いて、手の平部１０と物体との当接箇所の面積を増加させるように手の平部１０の位置、姿勢または位置および姿勢が制御される（図９／ＳＴＥＰ０１４）。これにより、図１１（ｃ）に示されているように、手の平部１０がその手の平面を物体に当接させるように、手の平座標系の１つの軸回りにまたは物体に最初に当接させた部分を支点として傾動される。
【０１１１】
また、第２種の指機構１４〜１５のうち他方の指機構である第４指機構１４が曲げられて物体を巻き込むように、第４指機構１４の動きが制御される（図９／ＳＴＥＰ０１６）。これにより、図１１（ｃ）に示されているように第５指機構１５に加えて第４指機構１４により物体の載置箇所から浮いている部分（ハンマーの柄）をつかませる。なお、第４指機構１４から物体にかけられる圧力が徐々に強められる一方、第５指機構１５から物体にかけられる圧力が徐々に弱められるように、第４指機構１４および第５指機構１５のそれぞれの動作が制御されてもよい。
【０１１２】
そして、第１種の指機構１１〜１３のそれぞれが曲げられて物体を巻き込むように、第１指機構１１、第２指機構１２および第３指機構１３のそれぞれの動きが制御される（図９／ＳＴＥＰ０１８）。これにより、図１１（ｄ）に示されているように第２種の指機構１４〜１５に加えて第１種の指機構１１〜１３に物体を握らせる。
【０１１３】
なお、図１１（ｄ）に示されているようにハンド１により物体が握られている状態で、指機構１１〜１５の動きが制御されることにより、手の平部１０にかかる荷重および荷重中心位置が微調整されてもよい。手の平部１０にかかる荷重および荷重中心位置は、手の平部１０の手の平側の複数箇所に配置されている荷重センサＳ２の出力信号に基づいて制御されうる。第１演算処理要素２１により、手の平部１０に配置されている複数の圧力センサＳ２の出力信号に基づき、手の平部１０における荷重中心ｐ０および手の平部１０にかかる荷重ｆ０が測定される。当該算定方法は特開２００７−１９６３７２号公報に詳細に説明されているので、ここでは説明を省略する。
【０１１４】
前記機能を発揮するハンド１によれば、第１種の指機構１１〜１３の動きにより物体がつままれた上で、この物体の一部を載置箇所に当接させたままで他の部分が持ち上げられる（図９／ＳＴＥＰ００６〜ＳＴＥＰ００８、図１０（ａ）（ｂ）参照）。この際、物体の全質量が第１種の指機構１１〜１３にかかるわけではないので、物体をつまみ上げる程度に第１種の指機構１１〜１３の力を強める必要がない。したがって、第１種の指機構１１〜１３の駆動機構３の軽量化または小型化が図られうる。
【０１１５】
また、能動的な動きの自由度が比較的高い第１種の指機構１１〜１３が物体を「つかむ」という動作よりも器用さが必要な「つまむ」という動作に適していることに鑑みて、複数の指機構１１〜１５のそれぞれの動作がその機能または役割に応じて適当に制御されうる。当該構成は、ハンド１の軽量化またはコンパクト化等のために一部の指機構に関係する構造または機構が簡略化されたことにより、当該一部の指機構の能動的な動きの自由度が他の指機構と比較して低く設計された場合に特に有意義である。
【０１１６】
さらに、手の平部１０の位置および姿勢が制御されることにより、手の平部１０と物体との当接箇所が広げられる（図９／ＳＴＥＰ０１４、図１１（ｃ）参照）。この際、第５指機構１５により物体がつかまれている状態で第１種の指機構１１〜１３が物体から離されている（図９／ＳＴＥＰ０１２、図１１（ｂ）参照）。また、第２種の指機構の１つである第４指機構１４により物体はつかまれていない（図１１（ｃ）参照）。これにより、指機構１１〜１４のそれぞれと物体とがお互いに相手方の動き等に束縛されなくなるので、その分だけ手の平部２０の位置、姿勢または位置および姿勢が容易に変更されうる。
【０１１７】
また、手の平部１０の縁の一部であって物体に最初に当接する部分が手の平面に連続する丸みを帯びた形状に形成されている。このため、手の平部１０が丸みを帯びた部分において物体に最初に当接した後、この丸みを帯びた部分に連続している手の平面と物体との当接箇所を円滑に増加させることができる（図９／ＳＴＥＰ００８、ＳＴＥＰ０１４、図１０（ｃ）、図１１（ｃ）参照）。
【０１１８】
さらに、複数の指機構１１〜１５の動きが制御されることにより当該複数の指機構１１〜１５により物体が握られる（図９／ＳＴＥＰ０１８）。このため、物体が手の平部１０および複数の指機構１１〜１５のそれぞれに当接した状態でしっかりと握られる。そして、ハンド１によりしっかりと握られた状態で物体がその載置箇所から安定に持ち上げられうる。
【０１１９】
本発明の他の実施形態として次のようなハンド１による物体把持方法が実行されてもよい。
【０１２０】
まず、第１演算処理要素２１が物体の重量部分および軽量部分を認識する。「重量部分」は物体の質量中心位置をはさんで質量密度が高い部分を意味する。物体がハンマーである場合にはその頭部（正確には頭部の根元付近を除く部分）が重量部分に該当する。「軽量部分」は重量部分よりも質量密度が低い部分を意味する。物体がハンマーである場合にはその柄（正確には柄および頭部の根元付近を含む部分）が軽量部分に該当する。
【０１２１】
たとえば、頭カメラＣ１を通じて得られた画像解析により物体が頭部および柄を有するハンマーであることがデータベースまたは記憶装置に保存されている複数種類の物体のテンプレートを用いたパターンマッチング等により認識される。ハンマーの頭部が重量部分に該当すること、および、ハンマーの柄が軽量部分に該当することはデータベースまたは記憶装置から検索等される。
【０１２２】
そして、第２演算処理要素２２が第１演算処理要素２１による当該認識結果に基づき、物体の軽量部分（たとえばハンマーの柄）を第１種の指機構１１〜１３につまませ、物体が重量部分（たとえばハンマーの頭部）において載置箇所（たとえばテーブル）に当接している一方、軽量部分が載置箇所から浮くように物体の姿勢を変化させる（図１０（ａ）（ｂ）参照）。たとえば、物体の重量部分として認識されるハンマーの頭部が、物体の軽量部分として認識されるハンマーの柄に直交する軸を有する柱状である場合、当該柱の中心軸が物体座標系のｘ軸として定義され、ハンマーの柄の長手方向に伸びる軸が物体座標系のｙ軸として定義される。
【０１２３】
当該構成の制御システムによれば、物体の質量分布の偏向性に鑑みて、第１種の指機構１１〜１３につまませる場所が選定されるので、第１種の指機構１１〜１３にかかる負荷が軽減される。このため、第１種の指機構１１〜１３によりつままれた状態で変更された物体の姿勢が安定に維持されうる。したがって、これに続いて前記のようにハンド１により物体がしっかりと握られることにより物体がその載置箇所から安定に持ち上げられうる。
【０１２４】
なお、つまみ動作用の第１種の指機構は最低２本あればよく、つかみ動作用の第２種の指機構は１本以上あればよいので、指機構の数は３、４または６等、３以上の任意の数に変更されてもよい。
【０１２５】
前記実施形態ではＭＰ１関節（またはＣＭ１関節）の能動的な回動自由度が差別化されることにより、第１種および第２種の指機構の間で能動的な動きの自由度が差別化された。そのほか、ＭＰ１関節（またはＣＭ１関節）、ＭＰ２関節（またはＣＭ２関節）、ＰＩＰ関節（またはＭＰ関節）およびＤＩＰ関節（またはＩＰ関節）の任意の組み合わせにおける能動的な回動自由度が差別化されることにより、第１種および第２種の指機構の間で能動的な動きの自由度が差別化されてもよい（図２参照）。
【０１２６】
手の平部１０の位置、姿勢または位置および姿勢を変化させる際（図９／ＳＴＥＰ０１４、図１１（ｂ）（ｃ）参照）、第１種の指機構１１〜１３のうち一部または全部が物体に当接したままであってもよい。また、第２種の指機構１４〜１５の全部により物体がつかまれている状態で、手の平部１０の位置、姿勢または位置および姿勢を変化させてもよい。
【０１２７】
なお、ハンド１の各指機構は、たとえば特開２００３−１８１７８７号公報に記載されているハンドと同様に、ワイヤおよびプーリ等を介して原動機（電動モータ）の力が伝達されることにより駆動されてもよい。この場合も、複数の指機構が第１種の指機構と第２種の指機構とが区分されてもよい。
【符号の説明】
【０１２８】
１‥ハンド、２‥制御装置、１０‥手の平部、１１‥第１指機構、１２‥第２指機構、１３‥第３指機構、１４‥第４指機構、１５‥第５指機構、２１‥第１演算処理要素、２２‥第２演算処理要素
【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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