(57)【要約】【課題】  簡便な手法で硬さの異なる物体についても適切に把持することが可能な物体把持装置を提供する。【解決手段】  関節１５は、モータ１５５と、弾性要素１５２と、変位を計測するポテンショメータ１５３とを備えており、受動柔軟関節１５０と駆動関節としての機能を併せ持っている。モータドライバ７によりモータ１５５を駆動すると、指先が把持対象物に接触し、その後しばらくは、把持対象物９からの反力により弾性要素１５２が伸展するため、ポテンショメータ１５３で測定している関節１５自体の変位角には変化がない。その後、把持対象物９が変形をし始めると、変位角は再び増大するため、ポテンショメータ１５３の出力から変形を判定できる。この判定結果を基にして最大の把持力で物体を把持する。【選択図】  図２
2006035329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも対向する２本の指または腕を備え、アクチュエータによって前記指または腕の少なくとも一本を駆動させて物体を把持する物体把持装置において、
前記指または腕の少なくとも１カ所に配置され、前記アクチュエータの駆動に連動し、弾性要素を有する受動柔軟関節と、
前記柔軟関節の変位量を検出する変位量検出センサと、
前記アクチュエータ駆動時の前記変位量検出センサの出力変化から把持対象物からの反力状態を推定し、推定結果を基にして前記アクチュエータによる把持力を調整する把持力調整手段と、
を備えていることを特徴とする物体把持装置。
【請求項２】
前記把持力調整手段は、前記変位量検出センサの出力変化から把持対象物の変形開始を推定し、変形開始時点の把持力により把持対象物を把持することを特徴とする請求項１記載の物体把持装置。
【請求項３】
前記受動柔軟関節は、減衰要素を備えていることを特徴とする請求項１記載の物体把持装置。
【請求項４】
前記受動柔軟関節と前記アクチュエータは、回転軸が同軸に配置されていることを特徴とする請求項１記載の物体把持装置。
【請求項５】
前記アクチュエータはリニア駆動式であり、その駆動方向が前記受動柔軟関節の可動方向と一直線状に配置されていることを特徴とする請求項１記載の物体把持装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物を把持するロボットハンド等の物体把持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットハンドを用いて物体を把持する場合、適切な力（把持力）で物体を把持する必要がある。この適切な把持力を求めるためには、指先などの物体との接触部に圧力覚センサを配置し、その出力を基にして制御を行う手法があるが、圧力覚センサは高価であり、センサや配線等を配置するためにハンド自体が大型化する等の問題が指摘されている。さらに、実際の把持力算出に際しては、対象物の硬さや重さ、摩擦係数等を考慮する必要があるが、限定されていない種々の対象物を把持する必要がある場合には、正確な把持力を算出することができないという問題がある。
【０００３】
そこで、硬さの異なる物体を適切に把持する手法として、特許文献１〜３に記載された技術が提案されている。特許文献１に記載されている技術では、物体に接触したときの対向する指の間隔と、所定の把持力で把持したときの指の間隔との関係から物体の柔軟度を求めて把持を行っている。また、特許文献２および特許文献３に記載されている技術では、把持対象物の変形量か反力目標値のいずれかが満足される条件で把持を行うことで、把持対象物に応じた把持を行おうとするものである。
【特許文献１】特開平８−３２３６７８号公報
【特許文献２】特開平６−１２６６８４号公報
【特許文献３】実開平５−３１８８７号公報
【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、特許文献２、特許文献３の技術は、力センサのほか、位置センサ、ずれセンサ、触覚センサ等を必要とし、ハンドの大型化や装置のコストアップという点で問題がある。また、特許文献１の技術は、圧力覚センサは不要となるものの、指先に触覚センサを必要としており、ハンドの大型化や装置のコストアップという点では同様である。さらに、いずれの技術でも物体の柔軟度が均一性を有することが前提となっており、異方性のある物体、例えば、表面の場所により材質が異なるような物体を異なる姿勢で把持する場合には適切な把持力で把持することが困難であるという問題がある。
【０００５】
把持に必要な物体の特性情報（摩擦係数・硬さ・重さ・形状等）をデータベースとして登録しておき、その情報を用いて把持を行う手法もあるが、この手法は把持する物体が限定されている場合にしか適用できず、不特定の物体を把持対象とする用途では適用できない。さらに、同一の物体であっても表面の状態（例えば、表面が濡れている場合）によって把持力は異なるため、現実的とはいえない。また、未登録の物体についても適切な把持力を求めることができないという問題がある。
【０００６】
そこで本発明は、簡便な手法で様々な物体を適切に把持することが可能な物体把持装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明に係る物体把持装置は、少なくとも対向する２本の指または腕を備え、アクチュエータによってこれらの指または腕の少なくとも一本を駆動させて物体を把持する物体把持装置において、これらの指または腕の少なくとも１カ所に配置され、アクチュエータの駆動に連動する弾性要素を有する受動柔軟関節と、柔軟関節の変位量を検出する変位量検出センサと、アクチュエータ駆動時の変位量検出センサの出力変化から把持対象物からの反力状態を推定し、推定結果を基にしてアクチュエータによる把持力を調整する把持力調整手段と、を備えていることを特徴とする。
【０００８】
把持力調整手段は、変位量検出センサの出力変化から把持対象物の変形開始を推定し、変形開始時点の把持力により把持対象物を把持するとよい。
【０００９】
物体を把持する場合には、対向する指または腕の間に把持対象物が入るように指または腕を配置し、アクチュエータを駆動して指または手により把持対象物を挟み込む。このとき、アクチュエータの駆動に応じて、まず、一方の指（手）を把持対象物の表面に接触させる。さらに、アクチュエータを駆動させると、受動柔軟関節の弾性要素が変形するが、指（手）の先端位置は保たれる。アクチュエータを引き続き駆動させると、弾性要素で発生する力と対象物の反力との釣り合いが崩れ、把持対象物が変形し始める。ここで、指（手）の接触と、この物体の変形開始に至る進展状況は、変位量検出センサの出力から判定できる。この物体の変形開始時の把持力で物体を把持することにより、十分な把持力を確保する。
【００１０】
この受動柔軟関節は、減衰要素を備えていてもよい。減衰要素を備えることで、弾性要素やアクチュエータに起因する振動成分を効果的に減衰させる。
【００１１】
受動柔軟関節とアクチュエータは、回転軸が同軸に配置されているとよい。あるいは、アクチュエータはリニア駆動式であり、その駆動方向が受動柔軟関節の可動方向と一直線状に配置されていてもよい。この場合、駆動関節と受動柔軟関節とが同一関節に配置される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、受動柔軟関節の変位から把持対象物体からの反力を推定するとともに、把持対象物体の変形を予測し、適切な力で物体を把持することができる。このときに把持対象物体表面の物性を予め把握する必要がないので、非常に柔らかい物体、脆い物体、不可逆的変形を起こしやすい物体を除けば、性状が未知の物体や性状が不均一な物体に対しても適切な把持力で把持を行うことができる。このため、予めデータベース等に登録しておく必要がなく、簡単な構成で把持を行うことができ、ハンド・指先の小型化が可能となる。また、実際に把持している物体の反力を用いて把持力を制御しているため、把持力の制御誤差を吸収することができる。特に、ロボットハンドを視覚装置により制御しているような場合に、視覚装置によるロボットハンドや物体の位置判定の誤差を吸収することができるという利点も有する。
【００１３】
減衰要素を備えることで、振動成分が効果的に減衰でき、把持力の制御性が向上する。
【００１４】
駆動関節と受動柔軟関節とを同一関節に配置すれば、把持位置を別に検出するセンサがなくても、制御を行うことができるため、装置構成が簡便化して好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
【００１６】
図１は本発明に係る物体把持装置の一実施形態であるロボットハンド１００の概略図であり、図２は、そのブロック構成図である。
【００１７】
このロボットハンド１００は、基部３に対向する多関節の２指１、２（以下、第１指１、第２指２と称する。）が配置され、この２指１、２によって把持対象物９を挟み込んで把持するものである。第１指１は、３つの指節１０〜１２からなり、３つの関節１３〜１５により相互接続されるとともに、基部３へと接続されている。同様に第２指２も３つの指節２０〜２２からなり、３つの関節２３〜２５により相互接続されるとともに、基部３へと接続されている。この基部３は、図示していないアーム部に接続されている。
【００１８】
各関節１３〜１５、２３〜２５には、駆動用のモータ（アクチュエータ）が内蔵されているか、他の関節と連動して駆動するように構成されている。これにより、第１指１、第２指２とも最大３自由度のリンク系を構成している。ロボットハンド１００全体での自由度は最大で６となる。各関節１３〜１５、２３〜２５中で少なくとも独立稼働可能な関節には、関節の曲げ角度を検出するためのポテンショメータが配置される。また、関節を駆動するモータには、モータの駆動量を検出するモータエンコーダが配置されている。
【００１９】
このロボットハンド１００は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等で構成される制御部８により制御される。図２においては、第１指の基部３よりの関節１５のみを代表して記載している。制御部８には、ポテンショメータ１５３とモータエンコーダ１５６の出力信号が入力され、モータドライバ７により、関節１５内に設けられたモータ（アクチュエータ）１５５の動きを制御する。モータエンコーダ１５６は、モータ１５５の駆動量を検出する。一方、関節１５のモータ１５５には、減衰要素１５１と、弾性要素１５２が接続され、指節１４と基部３とを接続する構成をとる。モータ１５５により、関節１５は、駆動関節として機能するとともに、減衰要素１５１と弾性要素１５２により、関節１５は、受動柔軟関節１５０として機能する。なお、ポテンショメータ１５３は、指節１４と基部３との実際の角度を検出する。減衰要素１５１としては、オイルダンパ、粘性ダンパ、減衰ゴム等を用いることができる。弾性要素１５２としては、コイルバネ、板バネ、ゴム、ウレタン、シリコン等等の各種の弾性体を用いることができる。
【００２０】
制御部８には、別途制御用の情報として、把持対象物９の位置情報や形状情報等が入力される。この把持対象物９に関する情報は、例えば、カメラアイ等で把持対象物９の画像を撮像し、立体視を用いた画像処理により把握する手法等により取得することができる。
【００２１】
本実施形態における把持対象物９の把持動作について具体的に説明する。図３は、把持動作の制御処理のフローチャートであり、図４は、このときの関節１５内の各回転角等の関係を示しており、図５、図６は、図１に引き続く把持動作を説明する概略図である。また、図７は、ポテンショメータ１５３の出力の時間変化例を示す図である。
【００２２】
ここで、図４に示されるように、基部３に対する指節１４の変位角をθjntとし、モータ１５５による設定変位角である駆動関節角をθactとし、受動柔軟関節１５０の伸展による変位角である受動柔軟関節伸展角をθcmpとする。
【００２３】
まず、制御部８は、受信した把持対象物９の位置情報等を基にして、図示していないアーム部を駆動することにより、第１指１と第２指２とで把持対象物９を挟み込める位置に基部３を移動させる（ステップＳ１）。このとき、第１指１と第２指２とは開かれた状態にある。このロボットハンド１００の移動は、アーム部によるものに限られるものではなく、ロボットハンド１００が脚部や台車を有するロボットに取り付けられている場合にはその脚部・台車の移動やその他の本体部分の運動によって実現されてもよい。
【００２４】
次に、モータドライバ７により、第１指１と第２指２の各関節に配置されたモータ等を駆動することで、第１指１と第２指２の先端を把持対象物９が接触可能な位置に配置する（ステップＳ２）。ここでは、指先を確実に接触させる必要はなく、後述するようにその後は関節１５のみの駆動で把持対象物９との接触が可能な位置まで移動させれば足りる。
【００２５】
この状態から、モータドライバ７により、関節１５以外のモータの駆動を停止し（ステップＳ３）、関節１５のモータ１５５のみを図１で反時計回りに駆動を続ける（ステップＳ４）。次に、ポテンショメータ１５３の出力から変位角θjntの時間変化量Δθjntを求めてその値を判定する（ステップＳ５）。
【００２６】
第１指１と第２指２の先端が把持対象物９に接触していない条件下では、θjnt＝θactとなる。このため、図１、図４において時計回りを正にとるとθjntは減少する（図７参照）。一方、第１指１と第２指２の先端が把持対象物９に接触する（このときのθjntとθactをθ０とする。）と、以後、Δθjntは０になる。そこで、Δθjntが０になるまで、ステップＳ５へ戻るループ処理を継続する。この状態では、関節１５のモータ１５５の駆動は継続される。
【００２７】
第１指１と第２指２の先端が把持対象物９に接触後、さらに、モータ１５５の駆動を続けていくと、第１指１の位置関係は変動しないまま関節１５（受動柔軟関節１５０）内の弾性要素１５２が伸展する（図５参照）。この状態においては、モータ１５５の駆動によりθactは変動するが、θjntはθ０のまま変化せず（図７参照）、Δθact＝−Δθcmpが成立する。さらに、モータ１５５の駆動を続けていくと、最大反力Ｆと弾性要素１５２で発生する力が釣り合いが崩れ、把持対象物９が変形し始める（図６参照。なお、この図は説明の理解を容易にするため、変形状態を誇張して描いているのであって、実際の制御においては、微細な変形にとどまる）。このとき、|Δθact|＞|Δθcmp|となる。このため、θjntは再び減少し始める（図７参照）。
【００２８】
そこで、Δθjntを判定し（ステップＳ６）、これが再び変化し始めるまでステップＳ６へと戻るループ処理を行う。一方、θjntが再び減少し始めた場合（この時点でのθactの値をθ１とする。）には、ステップＳ７へと移行してモータ１５５の駆動を停止し、処理を終了する。これにより、θact≒θ１となるよう把持を行うことになる。なお、この時点でモータ１５５の駆動角を少し戻すと、物体の弾性により変形前の状態へと戻すことができ好ましい。
【００２９】
このように、受動柔軟関節１５０内の弾性要素１５２を弾性により変形させることで、最大反力Ｆを把握することができ、把持対象物８が変形しない限界の最大の把持力で物体を把持することができる。この最大把持力を把持位置に応じて直接測定しているため、把持対象物８の物性が未知の場合（初見の物体）や把持位置によって弾性の異なる不均質な場合でも適切な把持力で把持対象物８を把持することができる。
【００３０】
また、物体の表面状態が異なる場合、例えば、表面が濡れて滑りやすくなっている場合と乾いている場合においてもそれぞれ適切な把持力で把持を行うことができる。さらに、同じ物体であっても把持するときのロボットハンド１００の姿勢が異なる場合においても適切な把持力で把持を行うことができるため物体を把持する際の姿勢の自由度が増し、把持制御の制御性が向上するという利点も有する。このように、多種多様な物体を多種多様な姿勢で把持させることが可能となるため、特に、生活共存型のロボットのロボットハンド制御として有効である。
【００３１】
この最大把持力の測定は、受動柔軟関節１５０内の弾性要素１５２と、ポテンショメータ１５３により行っているため、装置構成が簡単ですみ、低コストで実現が可能である。また、最大把持力で把持することで、外乱に強く安定した把持が実現できる。減衰要素１５１を備えることで、外乱による関節部分の振動的な動きが発生することがなく、把持制御の制御性が向上する。
【００３２】
さらに、把持対象物の反力状態を基にして把持力を制御しているため、モデル等や登録されている物体の性状データを用いて求めた把持力により制御を行う場合と異なり、把持力の制御誤差を吸収することができ、把持制御の精度が向上する。さらに、例えば、視覚装置からの把持対象物の位置情報を用いて制御を行う場合にも、位置情報の認識誤差を吸収して適切な把持を行うことができる。
【００３３】
ただし、把持対象物が、非常に柔らかい物体（例えば、柔らかいタオルや紙風船等）や不可逆的に変形するような物体（液体や粉末が入った袋等）やきわめて脆い物体（薄いガラス製品等）の場合には、図７におけるθ０とθ１の間隔が極端に短かくなったり、θ０とθ１間のような平坦部が見られなかったり、このような傾向に至る前に対象物が破損したりするため、最大把持力を適切に把握することができない。しかし、これらの対象物を除けば本実施形態は、広範囲の物体に対して適用が可能である。
【００３４】
例えば、柔軟関節の弾性要素の剛性よりも比較的低剛性で、かつ、限界荷重以下の荷重により著しい剛性変化をきたす対象物を把持する場合にも対象物を適切な強さで把持することが可能となる。もちろん、線型剛性を有する対象物や非線形剛性を示す対象物に対しても適切な把持力を達成することができる。
【００３５】
図８（ａ）〜図８（ｄ）は、この第１の実施形態の変形形態を示す構成図である。図８（ａ）に示されるロボットハンド１００ａは、第２指２ａは基部３ａと一体化され、その位置関係は固定されている。一方、第１指１ａは、受動柔軟関節と駆動関節をかねた関節１５ａで指節１０ａが接続された単関節構造であり、第１指１ａを駆動して第２指２ａとの間に把持対象物９を挟み込む構成を有している。
【００３６】
図８（ｂ）に示されるロボットハンド１００ｂは、さらに第２指２ｂの基部３ｂとの一体化を進めた構成を有している。この実施形態では、第１指１ａは、関節１４ｂ、１５ｂを有する２関節構成であり、受動柔軟関節と駆動関節をかねた関節１５ｂと、駆動関節である関節１４ｂを有している。
【００３７】
図８（ｃ）に示されるロボットハンド１００ｃは、第１の実施形態のロボットハンド１００を単関節構成としたものであり、受動柔軟関節と駆動関節をかねた関節１５ｃによって接続されている第１指１ｃと駆動関節である関節２５ｃによって接続されている第２指２ｃとを有している。
【００３８】
図８（ｄ）に示されるロボットハンド１００ｄは、第１指１ｄと、第２指２ｄの両方が駆動部４とケーブル５によって接続され、駆動部４によりケーブルを図の上下に移動させることで第１指１ｄと、第２指２ｄの駆動を制御する。この実施形態においては駆動部４内のモーターとケーブル５の間に弾性要素が配置されており、駆動部４が受動柔軟関節をかねる構成となっている。そして、回転系の角度検出センサに代えて変位検出センサが用いられる。なお、両者を併用することもできる。
【００３９】
次に、本発明に係る物体把持装置の第２の実施形態であるロボットハンド１００ｅについて説明する。図９に示される本実施形態のロボットハンド１００ｅの基本構成は図１に示される第１の実施形態のロボットハンド１００と同じである。相違点は、第１指１ｅの関節の構成であり、基部３ｅ側から２番目の関節１４ｅを駆動関節とし、先端側の関節１３ｅを受動柔軟関節としている。さらに、指先の把持対象物との接触面１６ｅには、接触位置を検出するためのタクタイルセンサが配置されている。
【００４０】
本実施形態における把持対象物９の把持動作について図９〜図１１を参照して具体的に説明する。図１０は、動作時の指の幾何学的関係を模式的に示す図であり、図１１は、把持動作の制御処理のフローチャートである。
【００４１】
まず、制御部８は、受信した把持対象物９の位置情報等を基にして、図示していないアーム部を駆動することにより、第１指１と第２指２とで把持対象物９を挟み込める位置に基部３を移動させ（ステップＳ１１）、タクタイルセンサの出力を参照しながら、モータドライバ７により、第１指１ｅと第２指２ｅの各関節に配置されたモータ等を駆動することで、第１指１ｅと第２指２ｅの先端を把持対象物９に接触させる（ステップＳ１２）。
【００４２】
本実施形態ではタクタイルセンサを備えていることにより、把持対象物９と、第１指１ｅと第２指２ｅとの接触を確実に判定することができる。
【００４３】
第１指１ｅと第２指２ｅの先端が把持対象物９に接触した状態においては、図１０で破線で示されるように、駆動関節である関節１４ｅと、受動柔軟関節である関節１３ｅ、把持対象物９と第１指１ｅの接触点Ｐとは一直線状に並ぶ。このときの関節１４ｅと関節１３ｅの距離をｌ１、関節１３ｅと接触点Ｐとの距離をｌ２とし、この状態からさらに駆動を続けた場合の関節１４ｅの駆動角度をθact、関節１３ｅ部分での伸展角をθcmpとする。そして、関節１４ｅの位置を原点にとり、接触時の関節１４ｅと関節１３ｅを結ぶ線をｘ軸方向にとる座標系を考える。この場合、破線で示される接触時点では、当然θact＝θcmp＝０となり、接触点Ｐの位置座標は（ｌ１＋ｌ２，０）となる。
【００４４】
そこで、この接触時点での位置関係を記憶しておき（ステップＳ１３）、モータドライバ７により駆動関節となる関節１４ｅのみのモータの駆動を継続する（ステップＳ１４）。
【００４５】
第１指１ｅと第２指２ｅの先端が把持対象物９に接触後、さらに、関節１４ｅのモータの駆動を続けていくと、関節１３ｅ内の弾性要素が伸展して、関節１３ｅが時計回りに駆動する。このとき、第１指１ｅと把持対象物９の接触点Ｐは、関節１４ｅとの相対位置関係は同一位置に保たれるが、第１指１ｅの先端の指節１０ｅ内における位置は指先方向へと移動する。このため、接触点Ｐと関節１３ｅの距離は接触開始時点のｌ２より長くなる。接触開始時点におけるｌ２をｌ２ｉとすると以下の関係が成立する。
【００４６】
ｌ１sinθact＝ｌ２sinθcmp
ｌ１cosθact＋ｌ２cosθcmp＝ｌ１＋ｌ２ｉ
さらに、関節１４ｅ内のモータの駆動を続けていくと、最大反力Ｆと関節１３ｅの弾性要素で発生する力が釣り合いが崩れ、把持対象物９が変形し始める。このときには、以下の関係が成立する。
【００４７】
ｌ１sinθact＜ｌ２sinθcmp
したがって、ｌ１sinθactとｌ２sinθcmpとを比較し（ステップＳ１５）、両者が同一な場合には、ステップＳ１４へ戻るループ処理を継続し、両者が釣り合わなくなった時点でステップＳ１６へと移行して駆動関節である関節１４ｅのモータの駆動を停止し、処理を終了することにより、第１の実施形態と同様に物体が変形し始めた時点の把持力で物体の把持を行うことができる。なお、この時点で関節１４ｅのモータの駆動角を少し戻すと、物体の弾性により変形前の状態へと戻すことができ好ましいことも第１の実施形態と同様である。
【００４８】
本実施形態では、第１の実施形態と異なり、受動柔軟関節と駆動関節とを別の関節に配置している。受動柔軟関節となる関節１３ｅに駆動関節としての機能をもたせないことで、関節１３ｅの幅（図９における紙面に直交する方向の距離）を短縮して小型化することができるため、把持対象物９が小さな場合に特に有効である。
【００４９】
次に、本発明に係る物体把持装置の第３の実施形態であるロボットハンド１００ｆについて具体的に説明する。図１２に示される本実施形態のロボットハンド１００ｆの基本構成は図９に示される第２の実施形態のロボットハンド１００ｅと同じである。相違点は、受動柔軟関節である関節１３ｅが駆動関節である関節１４ｅとギア比１対１で連動して駆動する構成となっている点である。
【００５０】
本実施形態における把持対象物９の把持動作について図１２〜図１４を参照して具体的に説明する。図１３は、動作時の指の幾何学的関係を模式的に示す図であり、図１４は、把持動作の制御処理のフローチャートである。
【００５１】
まず、制御部８は、受信した把持対象物９の位置情報等を基にして、図示していないアーム部を駆動して（ステップＳ２１）、関節を駆動させることで、第１指１ｆと第２指２ｆの先端を把持対象物９に接触させる（ステップＳ２２）までの動作は第２の実施形態と同様である。
【００５２】
本実施形態でもタクタイルセンサを備えていることにより、把持対象物９と、第１指１ｆと第２指２ｆとの接触を確実に判定することができる。
【００５３】
この実施形態では、関節１４ｆと関節１３ｆとが連動して駆動するため、第１指１ｆと第２指２ｆの先端が把持対象物９に接触した状態においては、図１３に破線で示されるように、駆動関節である関節１４ｆと、受動柔軟関節である関節１３ｆの駆動角度θactは同一になる。ここで、関節１４ｆの位置を原点にとり、指節１２ｆ方向をｙ軸方向とする直交座標系を考える。このときの関節１４ｆと関節１３ｆの距離をｌ１、関節１３ｆと接触点Ｐとの距離をｌ２とし、関節１３ｆ部分での伸展角をθcmpとする。このときθcmp＝０となり、接触点Ｐのｙ軸の位置座標はｌ１cossθact＋ｌ２cos2θactで表せる。これを初期位置ｙ０として記憶し（ステップＳ２３）、モータドライバ７により駆動関節となる関節１４ｆのみのモータの駆動を継続する（ステップＳ２４）。
【００５４】
第１指１ｆと第２指２ｆの先端が把持対象物９に接触後、さらに、関節１４ｆのモータの駆動を続けていくと、関節１３ｆ内の弾性要素が伸展して、関節１３ｆには反時計回りの駆動力と時計回りの伸展による反力とが発生する。このとき、第１指１ｆと把持対象物９の接触点Ｐは、関節１４ｆとの相対位置関係は同一位置に保たれるが、第１指１ｆの先端の指節１０ｆ内における位置は指先方向へと移動する。このため、以下の関係が成立する。
【００５５】
ｌ１cosθact＋ｌ２cos（２θact−θcmp）＝ｙ０
さらに、関節１４ｆ内のモータの駆動を続けていくと、最大反力Ｆと関節１３ｆ内の弾性要素で発生する力が釣り合いが崩れ、把持対象物９が変形し始める。このときには、以下の関係が成立する。
【００５６】
ｌ１cosθact＋ｌ２cos（２θact−θcmp）＜ｙ０
したがって、ｌ１cosθact＋ｌ２cos（２θact−θcmp）とｙ０とを比較し（ステップＳ２５）、両者が同一な場合には、ステップＳ２４へ戻るループ処理を継続し、両者が釣り合わなくなった時点でステップＳ２６へと移行して駆動関節である関節１４ｆのモータの駆動を停止し、処理を終了することにより、第１、第２の実施形態と同様に物体が変形し始めた時点の把持力で物体の把持を行うことができる。なお、この時点で関節１４ｆのモータの駆動角を少し戻すと、物体の弾性により変形前の状態へと戻すことができ好ましいことも第１、第２の実施形態と同様である。
【００５７】
本実施形態では、第２の実施形態と異なり、受動柔軟関節を駆動関節の連動関節とすることで把持対象物９に対する指先の角度を垂直に近い角度にすることができる。このため、駆動関節のトルクを把持対象物９に押しつける方向で加えることができるため、駆動関節のモータのトルクが小さい場合でも、把持力を大きくとることができ、安定した把持を行うことができる。
【００５８】
図１５〜図１９は、さらに別の実施形態のロボットハンドを示す図である。図１５に示される実施形態は、第１の実施形態の第１指１に加えて、これに並伸する第３指６ｇを配置したものである。この実施形態では、各指に対して上述した制御を行ってもよいし、第１指１ｇ、第３指６ｇの一方を固定し、他方について制御を行ってもよい。
【００５９】
図１６に示される実施形態は、図１５に示される実施形態の駆動関節を兼ねた柔軟関節の位置を１関節分先端側（１５ｇ→１４ｈ）に移動させた点のみが相違する。駆動関節と柔軟関節を同じ関節位置に配置すると、その部分の幅（紙面に直交する方向の長さ）が太くなるが、指の根本ではなく、これより先端位置にこの関節を配置することで、基部３ｈを大型化することなく、駆動関節を兼ねた柔軟関節を配置することが容易になる。
【００６０】
図１７は、第２、第３の実施形態を多指化したものであり、図１８は、柔軟関節の数を増やした形態である。これらの形態においても本発明は好適に適用可能である。
【００６１】
以上の説明では、多指により、手中に収まる程度の比較的小型の対象物を把持する場合を例に説明したが、片手では把持することが困難な大型の対象物を複数の腕により挟み込んで把持する場合にも本発明は好適に適用することができる。この場合には、一方の腕、または手の関節を柔軟受動関節として利用すればよく、３次元方向のいずれの方向からの把持にも好適に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明に係る物体把持装置の一実施形態であるロボットハンド１００の概略図である。
【図２】図１のロボットハンドのブロック構成図である。
【図３】第１の実施形態における把持動作の制御処理のフローチャートである。
【図４】関節１５内の回転角の関係を示す図である。
【図５】把持動作の図１に引き続いた状態を示す図である。
【図６】把持動作の図５に引き続いた状態を示す図である。
【図７】エンコーダポテンションメータ１５３の出力の時間変化例を示す図である。
【図８】第１の実施形態の変形形態を示す図である。
【図９】本発明に係る物体把持装置の第２の実施形態の概略図である。
【図１０】図９のロボットハンドの動作時の指の幾何学的関係を模式的に示す図である。
【図１１】図９のロボットハンドの把持動作の制御処理のフローチャートである。
【図１２】本発明に係る物体把持装置の第３の実施形態の概略図である。
【図１３】図１２のロボットハンドの動作時の指の幾何学的関係を模式的に示す図である。
【図１４】図１２のロボットハンドの把持動作の制御処理のフローチャートである。
【図１５】さらに別の実施形態のロボットハンドの概略図である。
【図１６】さらに別の実施形態のロボットハンドの概略図である。
【図１７】さらに別の実施形態のロボットハンドの概略図である。
【図１８】さらに別の実施形態のロボットハンドの概略図である。
【符号の説明】
【００６３】
１…ギア比、１、２、６…指、３…基部、４…駆動部、５…ケーブル、７…モータドライバ、８…制御部、８…把持対象物、８…特開平、９…把持対象物、１０〜１２、２０〜２２…指節、１３〜１５、２３〜２５…関節、１６…指先、１７…弾性要素、２５…関節、１００…ロボットハンド、１５０…受動柔軟関節、１５１…減衰要素、１５２…弾性要素、１５３…ポテンショメータ、１５５…モータ、１５６…モータエンコーダ、Ｆ…最大反力、Ｐ…接触点、θact…駆動角度、θjnt…変位角、θcmp…伸展角。
【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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