(57)【要約】【課題】付加ビジョンセンサが不要でコンパクトであり、暗闇の中でもすべりによる落下することなく、把持することができるロボットハンドを提供する。【解決手段】指部を屈曲させることで物体を把持するロボットハンドであって、手掌部または指部に設けられた接触検出手段と、検出結果に応じて駆動部を制御する手段を有し、検出手段は、物体に光を照射する光源と、物体の光が照射された部位の画像情報を取り込むべく光を集光するレンズを具備したイメージセンサと、上記レンズの焦点を変化させるレンズ移動機構と、取り込んだ画像情報の差分に基づいて、物体の相対的な移動量を演算する演算手段と、を有し、レンズの焦点と物体の位置との一致・不一致を判断して手掌部または指部と物体との接触を検出するとともに物体の外形形状を検出し、かつ、物体表面の相対的な移動量を演算する手段と、を有して構成する。【選択図】図１
2011083858.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
手掌部と、手掌部に設けられた複数の指部と、指部を屈曲自在とする関節機構と、関節機構を駆動する駆動部と、を有し、指部を屈曲させることで物体を把持するロボットハンドであって、
前記手掌部または前記指部に設けられた物体との接触状態を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果に応じて駆動部を制御する制御手段と、を有し、
前記検出手段は、
物体に光を照射する光源と、
前期物体の光が照射された部位の画像情報を取り込むべく光を集光するレンズを具備したイメージセンサと、
上記レンズの焦点を変化させるレンズ移動機構と、
前記イメージセンサで取り込んだ画像情報の差分に基づいて、前記物体の相対的な移動量を演算する演算手段と、を有し、
前記演算手段は、
画像情報の差分の時間変化からレンズの焦点と物体の位置との一致・不一致を判断して手掌部または指部と物体との接触を検出する手段と、
物体の外形形状を検出し、かつ、物体表面の相対的な移動量を演算する手段と、を有している
ことを特徴とする、ロボットハンド。
【請求項２】
前記光源の照射角度を変化させる光源移動機構を具備した
ことを特徴とする、請求項１記載のロボットハンド。
【請求項３】
前記光源移動機構と、前記レンズ移動機構とが連動する
ことを特徴とする請求項２記載のロボットハンド。
【請求項４】
前記光源移動機構、あるいは、前記レンズ移動機構、あるいは、これらの連動する駆動手段が電磁駆動、静電駆動、圧電駆動、人工筋肉のうちの単数又は複数である
ことを特徴とする請求項２又は３記載のロボットハンド。
【請求項５】
前記レンズ移動機構は、レンズ厚みを変化させる
ことを特徴とする請求項１記載のロボットハンド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体を把持するロボットハンドに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にロボットハンドは、手掌部と、手掌部に設けられた複数の指部と、指部を屈曲自在とする関節機構と、関節機構を駆動する駆動部とを備え、制御装置により駆動部を制御することで指部を屈曲させて物体を把持するものである。ここで、大きさや形状などが不定の多種の物体を把持可能とするために、手掌部や指部に複数の圧力センサを設け、圧力センサの検出結果から手掌部や指部が物体に接触したか否かを判断し、その判断に応じて駆動部を制御するロボットハンドが提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
ところが、ロボットハンドで物体を把持する場合、物体の形状や表面の状態などによって把持された物体がすべり落ちてしまうことがある。上記圧力センサによって手掌部や指部と物体との接触状態を検出しているロボットハンドでは、圧力センサでは手掌部や指部に対する物体のすべりを検出することが困難であった。この技術課題を解決するために、ロボットハンドとして指部のうちの１本には、その先端側の部位にすべりセンサが設けてある。従来例のロボットハンド搭載のすべりセンサとして、指部に対する把持対象物のすべり量に応じたパルス数の検出信号を出力するものがある。
【０００４】
このすべりセンサは、検出信号のパルス数をカウントすることで把持対象物のすべり量を判断し、角度センサ並びにトルクセンサの各センサ出力を参照しながら、すべり量がゼロとなるように駆動部を制御してロボットハンドの把持力を調整するため、ロボットハンドで把持された把持対象物がすべり落ちるのを防ぐことができる（例えば、特許文献２参照）。以下、この従来例について詳述する。
【０００５】
ロボットハンド２０は、図２に示すように手掌部５１と、手掌部５１に設けられた複数（本実施形態では３本）の指部５２と、指部５２を屈曲自在とする関節機構５３と、関節機構５３を駆動する駆動部５４とを備える。各指部５２は関節機構５３を介して順次連結された２つの部位からなり、駆動部５４を構成するアクチュエータ（図示せず）により関節機構５３を駆動して上記各部位が屈曲および回動するものである。但し、関節機構５３や駆動部５４は従来周知の技術を用いて実現可能なものとなっている。
【０００６】
３本の指部５２のうちの１本には、その先端側の部位にすべりセンサ１が設けられている。このすべりセンサ１は、図３に示すように把持対象物に向けて光を照射する発光素子１１と、把持対象物の光が照射された部位の画像情報を取り込む２次元のイメージセンサ１２と、イメージセンサ１２に光を集光するレンズ１３と、発光素子１１、イメージセンサ１３およびレンズ１４を保持する保持部材１６とを具備する。保持部材１６は、アクリル樹脂などの透光性を有する合成樹脂材料により、一面の中央に凹所１６ａを有する直方体状に形成され、凹所１６ａの底面にレンズ１４が埋設されるとともに、発光面を凹所１６ａに臨ませる形で発光ダイオードからなる発光素子１１が挿入されている。また、ＣＣＤ（電荷結合素子）からなるイメージセンサ１３は、後述するようにイメージセンサ１３で取り込んだ画像情報の差分に基づいてロボットハンド２０に対する把持対象物の相対的な移動量を演算する演算回路（図示せず）とともにプリント配線板１７に実装されており、凹所１６ａの底面に対向する外側面（図３における上面）に、イメージセンサ１３の受光面を凹所１６ａに臨ませるようにしてイメージセンサ１３と演算回路が実装されたプリント配線板１７が取り付けられている。
【０００７】
図４はすべりセンサ１の検出動作を説明図である。イメージセンサ１３はｍ×ｎ個の画素を有しており、各画素に入射する光の強度に応じた画素値からなる２次元の画像情報を所定のサンプリング周期で演算回路に順次出力している。
【０００８】
演算回路では、イメージセンサ１３から取り込んだ画像情報を二値化し、前回の画像情報（図４（ａ）参照）と今回の画像情報（図４（ｂ）参照）の差分、例えば、同一画素における前回の画素値と今回の画素値との排他的論理和を演算して画素値に変化があった場合に１（ＴＲＵＥ）、変化がなかった場合に０（ＦＡＬＳＥ）となる差分値を求め、さらに、このようにして求めた差分値の、マトリクス状に配置された画素の横方向（Ｘ軸方向）並びに縦方向（Ｙ軸方向）における算術和を求めるとともに、その算術和に応じたパルス数の矩形波パルスからなる検出信号を出力する（図４（ｃ）（ｄ）参照）。
【０００９】
すなわち、イメージセンサ１２から取り込まれる画像情報には、図４（ａ）（ｂ）に示すようにコントラスト（光強度）の高い部分イと低い部分ロとがあり、すべりセンサ１に対して把持対象物が移動する（すべる）ことによりコントラストの高い部分イの位置が変化した場合、その変化量（移動量）に応じたパルス数の検出信号が出力されることになり、すべりセンサ１に対して把持対象物が静止していればパルス数がゼロ、つまり検出信号が出力されないことになる。
【００１０】
一方、従来例のロボットハンドの制御部では、すべりセンサ１のセンサ出力（検出信号）のパルス数をカウントすることで把持対象物のすべり量を判断し、角度センサ（図示せず）並びにトルクセンサ（図示せず）の各センサ出力を参照しながら、すべり量がゼロとなるように駆動部２４を制御してロボットハンド２０の把持力を調整することにより、ロボットハンド２０で把持された把持対象物がすべり落ちるのを防いでいる。
【００１１】
このように従来のロボットハンドではすべりセンサ１を用いて指部５２と把持対象物の接触を検出しているため、すべりと接触の検出を同じ検出手段（すべりセンサ１）で兼用することで構成の簡略化が図れるとともに手掌部２１又は指部２２へのすべりセンサ１の取り付けスペースの確保が容易になるという利点がある。従って、例えばローラー等を設けてすべりを回転量により検出する接触式のものに比べて、例えば、センサ自体のすべりの影響による誤差等を考慮する必要がなくなり、これにより、すべり検出の精度を向上することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−２８７１８２号公報（第５−７頁、図１）
【特許文献２】特開２００５−１７７９７７号公報（第４−８頁、図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、従来のロボットハンドで物体を把持する際、必要な把持対象物の位置情報を得るために新たにビジョンセンサを付加しなければならず、ロボットハンドのシステムが大掛かりになるという問題があり、コンパクトなロボットハンドが実現できないという課題があった。また、昨今省エネルギーの観点からこのようなロボットハンドを使用する際に不要な照明は節約したいという要望があるが、ビジョンセンサ使用のために把持対象物周辺を照らさなければならず、照明の消費電力量が多くなるというような問題もあった。
【００１４】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、付加するビジョンセンサが不要でコンパクトなロボットハンドを実現するとともに照明のない暗闇の中でも把持対象物をすべりによる落下することなく、把持することができるロボットハンドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、本発明は、次のように構成されている。
請求項１に記載の発明は、手掌部と、手掌部に設けられた複数の指部と、指部を屈曲自在とする関節機構と、関節機構を駆動する駆動部と、を有し、指部を屈曲させることで物体を把持するロボットハンドであって、前記手掌部または前記指部に設けられた物体との接触状態を検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果に応じて駆動部を制御する制御手段と、を有し、前記検出手段は、物体に光を照射する光源と、前期物体の光が照射された部位の画像情報を取り込むべく光を集光するレンズを具備したイメージセンサと、上記レンズの焦点を変化させるレンズ移動機構と、前記イメージセンサで取り込んだ画像情報の差分に基づいて、前記物体の相対的な移動量を演算する演算手段と、を有し、前記演算手段は、画像情報の差分の時間変化からレンズの焦点と物体の位置との一致・不一致を判断して手掌部または指部と物体との接触を検出する手段と、物体の外形形状を検出し、かつ、物体表面の相対的な移動量を演算する手段と、を有していることを特徴としている。
また、前記光源の照射角度を変化させる光源移動機構を具備してもよい（請求項２）。
また、前記光源移動機構と、前記レンズ移動機構とが連動するものでもよい(請求項３)。
また、前記光源移動機構、あるいは、前記レンズ移動機構、あるいは、これらの連動する駆動手段が電磁駆動、静電駆動、圧電駆動、人工筋肉のうちの単数又は複数であることも好ましい（請求項４）。
また、前記レンズ移動機構は、レンズ厚みを変化させることが好ましい（請求項５）。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に記載の発明によると、物体を把持するロボットハンドで物体を把持する際、必要な把持対象物の位置情報を得るためにすべりセンサを利用できるので、ビジョンセンサが不要でコンパクトなロボットハンドを実現することができる。
また、請求項２に記載の発明によると、すべり検出に必要な発光素子を把持対象物検出モードでの照明として利用できるので、ロボットハンドを使用する際に不要な照明は節約でき、照明の消費電力量を下げることもできる。
請求項３に記載の発明によると、把持対象物検出モードからすべり検出モード切り替えの際にレンズ焦点変化と照射方向変化を同時にできるため、すべりセンサをよりコンパクトにでき、動作の時間短縮ができる。
請求項４に記載の発明によると、レンズ移動機構がより精確に駆動でき、必要な焦点距離が精密に駆動できる。
請求項５に記載の発明によるとレンズ駆動機構がより単純に実現でき、よりコンパクトなすべりセンサが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】いずれも本発明の実施例を示すロボットハンドに搭載のすべりセンサの断面図であり、（ａ）はすべり検出モード、（ｂ）は把持対象物検出モード、（ｃ）把持対象物検出モード（外部照明不要な場合）
【図２】従来例および本発明のロボットハンド斜視図
【図３】従来例のロボットハンドに搭載のすべりセンサの断面図
【図４】従来例および本発明のすべりセンサの動作説明図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１９】
図１は、本発明のロボットハンドのすべりセンサの断面図である。このすべりセンサ１は、把持対象物に向けて光を照射する発光素子１１と、発光素子の照射方向を変化させる発光素子駆動部１２と、把持対象物の光が照射された部位の画像情報を取り込む２次元のイメージセンサ１３と、イメージセンサ１３に光を集光するレンズ１４と、レンズを駆動する駆動機構１５と、発光素子１１、発光素子駆動部１２、イメージセンサ１３およびレンズ１４を含む駆動機構１５を保持する保持部材１６とを具備する。
【００２０】
保持部材１６は、アクリル樹脂などの透光性を有する合成樹脂材料により、一面の中央に凹所１６ａを有する直方体状に形成され、凹所１６ａの底面に駆動機構１５が埋設されるとともに、発光面を凹所１６ａに臨ませる形で発光ダイオードからなる発光素子１１が挿入されている。駆動機構１５は電磁アクチュエータ（図示せず）により回転駆動が直進駆動に変換されることにより動作する。
【００２１】
また、ＣＣＤ（電荷結合素子）からなるイメージセンサ１３は、後述するようにイメージセンサ１３で取り込んだ画像情報の差分に基づいてロボットハンド２０に対する把持対象物の相対的な移動量を演算する演算回路（図示せず）とともにプリント配線板１６に実装されており、凹所１６ａの底面に対向する外側面（図１における上面）に、イメージセンサ１３の受光面を凹所１６ａに臨ませるようにしてイメージセンサ１３と演算回路が実装されたプリント配線板１７が取り付けられている。
すべりセンサ１の検出動作は２つのモードに分かれる。１つはすべり検出モードで、もう１つは把持対象物検出モードである。
【００２２】
まず、すべり検出モードについて説明する。
図１（ａ）はすべりセンサ１のすべり検出モードを示す断面図である。このすべり検出モードでは駆動機構１５によってレンズ１４が最もＣＣＤ側に移動され、レンズ１４の焦点距離が、指部２２に把持対象物３が接触した状態におけるレンズ１４の中心から把持対象物までの距離に一致させてある。
【００２３】
図４はこのように調整されたすべりセンサ１のすべり検出モード動作を説明図である。イメージセンサ１３はｍ×ｎ個の画素を有しており、各画素に入射する光の強度に応じた画素値からなる２次元の画像情報を所定のサンプリング周期で演算回路に順次出力している。
【００２４】
演算回路では、イメージセンサ１３から取り込んだ画像情報を二値化し、前回の画像情報（図４（ａ）参照）と今回の画像情報（図４（ｂ）参照）の差分、例えば、同一画素における前回の画素値と今回の画素値との排他的論理和を演算して画素値に変化があった場合に１（ＴＲＵＥ）、変化がなかった場合に０（ＦＡＬＳＥ）となる差分値を求め、さらに、このようにして求めた差分値の、マトリクス状に配置された画素の横方向（Ｘ軸方向）並びに縦方向（Ｙ軸方向）における算術和を求めるとともに、その算術和に応じたパルス数の矩形波パルスからなる検出信号を出力する（図４（ｃ）（ｄ）参照）。
【００２５】
すなわち、イメージセンサ１２から取り込まれる画像情報には、図４（ａ）（ｂ）に示すようにコントラスト（光強度）の高い部分イと低い部分ロとがあり、すべりセンサ１に対して把持対象物が移動する（すべる）ことによりコントラストの高い部分イの位置が変化した場合、その変化量（移動量）に応じたパルス数の検出信号が出力されることになり、すべりセンサ１に対して把持対象物が静止していればパルス数がゼロ、つまり検出信号が出力されないことになる。
【００２６】
従って、ロボットハンドの制御部では、すべりセンサ１のセンサ出力（検出信号）のパルス数をカウントすることで把持対象物のすべり量を判断し、角度センサ（図示せず）並びにトルクセンサ（図示せず）の各センサ出力を参照しながら、すべり量がゼロとなるように駆動部２４を制御してロボットハンド２０の把持力を調整することにより、ロボットハンド２０で把持された把持対象物がすべり落ちるのを防ぐことができる。
【００２７】
次に把持対象物検出モードについて説明する。
図１（ｂ）および（ｃ）はすべりセンサ１の把持対象物検出モードを示す断面図である。この把持対象物検出モードでは駆動機構１５によってレンズ１４がＣＣＤと反対側に移動し、レンズ１３の焦点距離がすべりセンサから数ｍから十数ｍに一致させてある。このように調整されたすべりセンサ１はカメラとして機能し、把持対象物を検出することができる。
【００２８】
以下、本発明におけるロボットハンドを用いて、把持対象物検出からすべりがなく把持対象物を把持する動作について述べる。
把持対象物の３次元形状はあらかじめデータとしてロボットハンドに入力されている。
ロボットハンドにおけるすべりセンサの装着場所は、ロボットハンドで把持対象物を把持した際に、すべり検出が有効である指の任意の場所である。
【００２９】
把持対象物があらかじめ設置されている場所に、ロボットハンドのすべりセンサが把持対象物に向けられ、その方向へアプローチさせる。この際、すべりセンサは把持対象物検出モードでセットされている。あらかじめ入力されている把持対象物の任意断面と同等の図形を認識したら、その図形の入力値の大きさとセンサにより検出したデータとの比較により、把持対象物までの距離を推定する。検出した把持対象物のデータとあらかじめ入力された把持対象物の任意断面データを比較して、把持対象物を把持すべき方向を上にするようにロボットハンドでの把持作業を演算する。次に、すべりセンサのレンズを移動させ、すべり検出モードにして、指先が把持対象物に近づくようにロボットハンドを把持対象物に近づける。最終的に、ロボットハンドは把持対象物を把持し、持ち上げ、すべりセンサによりすべらないように適切に把持することができる。
【００３０】
以上、本発明の把持対象物検出モードとすべり検出モードを切り替えることが可能なすべりセンサを備えたロボットハンドについて説明したが、レンズ１４の駆動機構１５は電磁駆動だけでなく、静電駆動、圧電駆動あるいはいわゆる人工筋肉で駆動させてもよい。
さらに、レンズの焦点距離を駆動機構により変化させる方法で説明したが、レンズ自体の厚みを変化させることにより実現することもできる。
また、発光素子１１は発光ダイオードの例を述べたが、発光レーザを用いてもよく、この場合、光源の指向性が高くなり、より精度の高いすべり検出が可能となる。
【００３１】
以上、いわゆるユニバーサルハンドと呼ばれるロボットハンドを例に図に基づいて述べたが、いわゆるメカニカルハンドと呼ばれるエンドエフェクタでも本発明は適用可能であり、単にグリッパと呼ばれるツールもこれに含まれる。
【００３２】
このように、物体を把持するロボットハンドで物体を把持する際、必要な把持対象物の位置情報を得るためにすべりセンサを利用できるので、ビジョンセンサが不要でコンパクトなロボットハンドを実現することができる。また、図１（ｃ）のようにすべり検出に必要な発光素子を把持対象物検出モードでの照明として利用できるので、ロボットハンドを使用する際に不要な照明は節約でき、照明の消費電力量を下げることもできる。なお、発光素子駆動部１２とレンズ１４の駆動機構１５を連動させることにより、すべりセンサ１の構造をよりコンパクトにすることができる。
【符号の説明】
【００３３】
１  すべりセンサ
３  把持対象物
１１  発光素子
１２  発光素子駆動部
１３  イメージセンサ
１４  レンズ
１５  レンズ駆動機構
１６  保持部材
１６ａ  保持部凹部
１７  プリント配線板
２  ロボットハンド
２１  手掌部
２２  指部
２３  関節機構
【図１】
2011083858.tif 000003
【図２】
2011083858.tif 000004
【図３】
2011083858.tif 000005
【図４】
2011083858.tif 000006