(57)【要約】【課題】ハンドによる物品の把持安定性を考慮しながら、物品の持ち替えを行うことができるハンド制御装置を提供する。【解決手段】このハンド制御装置は、物体Ｏを支持している指１０，２０，３０，４０が物体Ｏに接触している複数の接触位置の各々に関して、物体Ｏの安定把持に対する寄与度を示す把持品質寄与度を求める把持品質評価手段と、把持品質寄与度が低い接触位置に対応する指１０を移動指として決定する移動指決定手段と、移動指として決定された指（例えば、指１０）が物体Ｏに対して移動するように指の駆動手段に制御指令を送る指移動制御手段とを備え、複数の接触位置の把持品質寄与度が、複数の接触位置の物体Ｏに対する相対位置および複数の接触位置の各々における指１０，２０，３０，４０と物体Ｏとの間の摩擦係数のうち少なくとも１つを用いて定義されるものである。【選択図】図１
2019010713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の指を用いて物体を把持するハンドを制御するハンド制御装置であって、
前記複数の指のうち前記物体を支持している指が前記物体に接触している複数の接触位置の各々に関して、前記物体の安定把持に対する寄与度を示す把持品質寄与度を求める把持品質評価手段と、
前記把持品質寄与度が低い前記接触位置に対応する前記指を移動指として決定する移動指決定手段と、
前記移動指として決定された前記指が前記物体に対して移動するように指の駆動手段に制御指令を送る指移動制御手段とを備え、
前記複数の接触位置の前記把持品質寄与度が、前記複数の接触位置の前記物体に対する相対位置および前記複数の接触位置の各々における前記指と前記物体との間の摩擦係数のうち少なくとも１つを用いて定義されるものであるハンド制御装置。
【請求項２】
前記把持品質評価手段が、前記複数の接触位置に対応する前記複数の指による前記物体の安定把持の定量評価を示す把持品質評価値も求めるように構成され、
前記移動指決定手段が、前記把持品質評価値が所定の閾値を下回る場合に、前記把持品質寄与度が低い前記接触位置に対応する前記指を移動指として決定するように構成され、
前記指移動制御手段による指移動制御は、前記把持品質評価値が前記閾値を下回る場合に実行されるように構成され、
前記把持品質評価値が、前記複数の接触位置の前記物体に対する相対位置および前記複数の接触位置の各々における前記指と前記物体との間の摩擦係数のうち少なくとも１つを用いて定義されるものである請求項１に記載のハンド制御装置。
【請求項３】
前記指移動制御手段が、前記駆動手段の駆動量又は駆動速度の目標値を得る最適化問題処理を行うように構成され、該最適化問題処理は、前記移動指として決定された前記指を前記把持品質評価値が大きくなる方向に移動させるような前記目標値を得るものである請求項２に記載のハンド制御装置。
【請求項４】
前記最適化問題処理は、前記把持品質評価値の１階時間微分を目的関数とし、前記目的関数が最大となるように、前記移動指として決定された前記指の関節を駆動するモータの前記駆動速度の目標値を得るものである請求項３に記載のハンド制御装置。
【請求項５】
前記把持品質評価値または前記各接触位置の前記把持品質寄与度が、前記複数の接触位置でそれぞれ生ずる接触力も用いて定義されるものである請求項１〜４の何れかに記載のハンド制御装置。
【請求項６】
前記指移動制御手段が、前記移動指として決定された前記指が前記物体に接触した状態で前記物体の表面に沿って移動するように前記駆動手段に前記制御指令を送る請求項１〜５の何れかに記載のハンド制御装置。
【請求項７】
前記接触位置が４つ存在する場合は、前記把持品質評価手段が、前記各接触位置について、当該接触位置以外の前記接触位置を通過する平面上に当該接触位置を投影した点を定義し、当該接触位置以外の前記接触位置と前記点とにより形成される四角形の面積を当該接触位置での前記把持品質寄与度として求め、又は、求められた前記四角形の面積の最小値を前記把持品質評価値として求めるように構成され、
前記移動指決定手段が、前記四角形の面積が小さい前記接触位置での前記把持品質寄与度が低いと判断するように構成されている請求項１〜６の何れかに記載のハンド制御装置。
【請求項８】
前記把持品質評価手段が、前記複数の接触位置の各々について、その接触位置において前記指を滑らせないような接触力のベクトルの集合を含む力円錐状空間を求めると共に、求められた前記力円錐状空間を用いて前記複数の接触位置の各々に関する前記把持品質寄与度を求めるように構成されている請求項１〜６の何れかに記載のハンド制御装置。
【請求項９】
前記把持品質評価手段が、前記複数の接触位置の各々について、その接触位置において前記指を滑らせないような接触力のベクトルの集合を含む力円錐状空間を求めると共に、求められた前記力円錐状空間を用いて前記把持品質評価値を求めるように構成されている請求項２に記載のハンド制御装置。
【請求項１０】
前記把持品質評価手段が、前記複数の接触位置の各々について、その接触位置において前記指を滑らせないような接触力の集合により生じる前記物体の重心周りのモーメントの集合を含むモーメント円錐状空間を求めると共に、求められた前記モーメント円錐状空間を用いて前記複数の接触位置の各々に関する前記把持品質寄与度を求めるように構成されている請求項１〜６、８および９の何れかに記載のハンド制御装置。
【請求項１１】
前記把持品質評価手段が、前記複数の接触位置の各々について、その接触位置において前記指を滑らせないような接触力の集合により生じる前記物体の重心周りのモーメントの集合を含むモーメント円錐状空間を求めると共に、求められた前記モーメント円錐状空間を用いて前記把持品質評価値を求めるように構成されている請求項２に記載のハンド制御装置。
【請求項１２】
前記把持品質評価手段が、前記各接触位置について、当該接触位置以外の前記接触位置の前記力円錐状空間と前記モーメント円錐状空間のうち少なくとも１種類を用いて当該接触位置の前記把持品質寄与度を求めるように構成されている請求項８または１０に記載のハンド制御装置。
【請求項１３】
前記把持品質評価手段が、前記複数の接触位置の各々について、その接触位置において前記指を滑らせないような接触力の集合により生じる前記物体の重心周りのモーメントの集合を含むモーメント円錐状空間を求め、
前記把持品質評価手段がさらに、前記各接触位置について、当該接触位置以外の前記接触位置の前記力円錐状空間および前記モーメント円錐状空間が全て含まれる最小凸空間を定義し、該凸空間のボリュームと、該凸空間の境界と前記物体の重心との最短距離との少なくとも一方を用いて、当該接触位置の前記把持品質寄与度を求めるように構成されている請求項８又は１２に記載のハンド制御装置。
【請求項１４】
前記各指について、該指の可動範囲、又は、ある方向へ指速度を出せないような指の特異姿勢に対する該指の現在の位置を示す把持可操作性評価値を求める把持可操作性評価手段を備え、
前記把持品質評価手段が、前記各指の前記把持可操作性評価値も用いて前記把持品質寄与度または前記把持品質評価値を求めるように構成されている請求項１〜１３の何れかに記載のハンド制御装置。
【請求項１５】
前記物体の位置および姿勢を検出する物体検出手段を備え、
前記各指が圧力分布センサを有するものであり、
コンピュータが、前記圧力分布センサの検出結果と前記物体検出手段による検出結果とに基づき、前記複数の接触位置の前記物体に対する相対位置を検出するように構成されている請求項１〜１４の何れかに記載のハンド制御装置。
【請求項１６】
前記各指が圧力分布センサを有するものであり、
コンピュータが、前記圧力分布センサの検出結果に基づき、前記各指について前記接触位置における前記物体との接触法線方向を推定するように構成されている請求項１〜１４の何れかに記載のハンド制御装置。
【請求項１７】
前記圧力分布センサの検出結果に基づき前記接触位置における前記物体の表面形状を推定する物体形状推定手段を備えている請求項１５又は１６に記載のハンド制御装置。
【請求項１８】
前記指移動制御手段が、前記物体形状推定手段により推定された前記表面形状に基づき、前記移動指として決定された前記指が前記物体から離れないように前記物体の表面に沿って移動するように、前記制御指令を前記駆動手段に送るように構成されている請求項１７に記載のハンド制御装置。
【請求項１９】
前記指移動制御手段が、前記物体に加わる重力および慣性力を補償しながら、前記ハンドに対する前記物体の位置姿勢を目標値に追従させる制御指令を前記駆動手段に送るように構成されている請求項１〜１８の何れかに記載のハンド制御装置。
【請求項２０】
前記指移動制御手段が、前記物体の慣性イナーシャのモデル誤差を不確実要素として扱い、前記物体の重力や形状、および前記物体に前記指以外から加わる外力を外乱として扱い、前記ハンドに対する前記物体の位置姿勢を目標値に追従させる制御指令をロバスト制御手法より生成するように構成されている請求項１〜１８の何れかに記載のハンド制御装置。
【請求項２１】
複数の指を用いて物体を把持するハンドを制御するハンド制御方法であって、
前記複数の指のうち前記物体を支持している指が前記物体に接触している複数の接触位置の各々に関して、前記物体の安定把持に対する寄与度を示す把持品質寄与度を求めるステップと、
前記把持品質寄与度が低い前記接触位置に対応する前記指を前記物体に対して移動する移動指として決定するステップとを有し、
前記複数の接触位置の前記把持品質寄与度が、前記複数の接触位置の前記物体に対する相対位置および前記複数の接触位置の各々における前記指と前記物体との間の摩擦係数のうち少なくとも１つを用いて定義されるものであるハンド制御方法。
【請求項２２】
複数の指を用いて物体を把持するハンドをシミュレーションするハンドのシミュレーション装置であって、
前記複数の指のうち前記物体を支持している指が前記物体に接触している複数の接触位置の各々に関して、前記物体の安定把持に対する寄与度を示す把持品質寄与度を求めるステップと、
前記把持品質寄与度が低い前記接触位置に対応する前記指を前記物体に対して移動する移動指として決定するステップとを有し、
前記複数の接触位置の前記把持品質寄与度が、前記複数の接触位置の前記物体に対する相対位置および前記複数の接触位置の各々における前記指と前記物体との間の摩擦係数のうち少なくとも１つを用いて定義されるものであるハンドのシミュレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はハンド制御装置、ハンド制御方法、およびハンドのシミュレーション装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、多指ハンドによる把持物の持ち替え（ハンド内マニピュレーション）制御手法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この文献は、指に実装された触覚センサにより、物体とハンドとの接点（接触位置）と、物体に作用する力（接触力）ベクトルを測定し、これらの力の合成力と合成モーメントがゼロになるように接触力の大きさと方向の調整を行い、一部の指を物体から離して再接触させることで、物体のバランスを維持したまま持ち替え動作を行うことを開示している。
【０００３】
また、２本指ハンドを利用して、１連の複雑な動作計画と状態遷移を行って、複数回に分けて物体を持ち替えることも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
また、ハンドの自由度を利用せずに、ハンドを実装しているロボットアームの自由度のみを利用して、物体を把持しながらその姿勢を変化させて持ち上げる制御手法も提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４８９０１９９号公報
【特許文献２】特許第６０５７８６２号公報
【特許文献３】特許第５２８９１７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の手法では、一部の指を物体から離して再接触させるように物体の持ち替え動作を行っている。しかし、指を物体から離す瞬間にハンドと物体の接触箇所が減って物体を落としやすくなるので、残りの指で物体を安定に把持し続けられるかどうかを考慮する必要がある。つまり、指を物体から離して動かす際に、把持の安定性を大幅に低下させて物体を落としてしまうことを回避できるように、どの指を動かしたら最も安定に把持し続けられるかを考慮し、持ち替え用の指を最適に決定する必要がある。当該課題は特許文献１において何ら考慮されていない。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ハンドによる物体の把持安定性を常に考慮しながら、該把持安定性が低下する場合は、安定把持に対する寄与度が低い指を移動指として決定し、該把持安定性を向上させるように該移動指を移動し、物体を安定に把持し続けながら、その持ち替え動作を行うことができるハンド制御装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の第１の態様は、複数の指を用いて物体を把持するハンドを制御するハンド制御装置であって、前記複数の指のうち前記物体を支持している指が前記物体に接触している複数の接触位置の各々に関して、前記物体の安定把持に対する寄与度を示す把持品質寄与度を求める把持品質評価手段と、前記把持品質寄与度が低い前記接触位置に対応する前記指を移動指として決定する移動指決定手段と、前記移動指として決定された前記指が前記物体に対して移動するように指の駆動手段に制御指令を送る指移動制御手段とを備え、前記複数の接触位置の前記把持品質寄与度が、前記複数の接触位置の前記物体に対する相対位置および前記複数の接触位置の各々における前記指と前記物体との間の摩擦係数のうち少なくとも１つを用いて定義されるものである。
【０００８】
前記態様によれば、複数の接触位置の各々の把持品質寄与度を導入し、把持品質寄与度が低い接触位置に対応する指を移動指として決定することで、把持安定性への寄与度が低い接触位置を変えてもよい接触位置に対応する指を移動指として決定する。移動指の把持品質寄与度は他の指の把持品質寄与度より低いので、移動指を物体から離したり、移動指から物体に与える接触力が低下した場合でも、物体の把持安定性の大幅な低下による物体落下の発生の可能性が低い。また、移動指を例えば把持品質寄与度が高くなる接触位置に移動することにより、物体の把持安定性を向上させることができる。
【０００９】
前記態様において、好ましくは、前記把持品質評価手段が、前記複数の接触位置に対応する前記複数の指による前記物体の安定把持の定量評価を示す把持品質評価値も求めるように構成され、前記指移動決定手段が、前記把持品質評価値が所定の閾値を下回る場合に、前記把持品質寄与度が低い前記接触位置に対応する前記指を移動指として決定するように構成され、前記指移動制御手段による指移動制御は、前記把持品質評価値が前記閾値を下回る場合に実行されるように構成され、前記把持品質評価値が、前記複数の接触位置の前記物体に対する相対位置および前記複数の接触位置の各々における前記指と前記物体との間の摩擦係数のうち少なくとも１つを用いて定義されるものである。
【００１０】
この構成により、物体の把持安定性を定量的に示す把持品質評価値が所定の閾値を下回る場合にのみ、移動指の決定が行われ当該指が移動されるので、不必要に指を動かすことによる物体の把持安定性の低下を防止することができる。
【００１１】
前記態様において、好ましくは、前記指移動制御手段が、前記駆動手段の駆動量又は駆動速度の目標値を得る最適化問題処理を行うように構成され、該最適化問題処理は、前記移動指として決定された前記指を前記把持品質評価値が大きくなる方向に移動させるような前記目標値を得るものである。
また、当該態様において、前記最適化問題処理は、前記把持品質評価値の１回時間微分を目的関数とし、前記目的関数が最大となるように、前記移動指として決定された前記指の関節を駆動するモータの前記駆動速度の目標値を得るものであることが好ましい。
【００１２】
前記把持品質評価値を大きくするために、該把持品質評価値そのものを目的関数として最大化すると、二次の非線形な最適化問題を解くことになり、必要な計算処理時間が長くなってしまうが、把持品質評価値の１回時間微分を目的関数として最大化することにより、二次形式を含まない線形な最適化問題とすることが可能となる。このため、計算処理時間が短くなり、把持品質評価値が大きくなるように移動指の関節速度の目標値を最適に決定することをリアルタイムに実現する上で極めて有利である。また、把持品質評価値の１回時間微分を最大化することで、把持品質評価値の増加量が最大となり、その結果、把持品質評価値は最大限に増加されるので、把持品質評価値そのものを最大化すると同じ効果がある。
【００１３】
これは、引用文献２で解決できない課題、すなわち、一連の複雑な動作計画と状態遷移を行うので、計算量が多く、リアルタイムな実現が困難である課題を解決できる。即ち、制御スピードの向上、生産効率の向上、および操作性の向上が常に求められる産業界において有用な技術である。
【００１４】
前記態様において、好ましくは、前記把持品質評価値および、前記各接触位置の前記把持品質寄与度が、前記複数の接触位置でそれぞれ生ずる接触力も用いて定義されるものである。
【００１５】
前記態様において、前記指移動制御手段が、前記移動指として決定された前記指が前記物体に接触した状態で前記物体の表面に沿って移動するように前記駆動手段に前記制御指令を送るように構成されていてもよい。
特許文献１では、物体の持ち替え動作を行う際に、一部の指を物体から離して移動した後に再接触させるので、物体から指を離す瞬間に残りの指で物体を安定把持できずに、物体を落としてしまう可能性がある。指総数が少なければ少ないほど、そのリスクは高い。本発明は、移動指を物体に常に接触させながら物体の表面に沿って移動させるような制御則も加えることで、このリスクをなくす又は低減する。
【００１６】
この構成では、把持安定性を向上させるために移動指を動かす時、指が常に物体の表面から離れることがないように指を動かしている。例えば、ゼロよりやや大きな正圧力を物体に加えながら、物体との接触接線方向への指速度を生成するような目標関節速度で指を動かす。このため、物体との接触の一部を一旦失うことで物体を落としてしまう状況を回避することが可能となる。
【００１７】
前記態様において、好ましくは、前記接触位置が４つ存在する場合は、前記把持品質評価手段が、前記各接触位置について、当該接触位置以外の前記接触位置を通過する平面上に当該接触位置を投影した点を定義し、当該接触位置以外の前記接触位置と前記点とにより形成される四角形の面積を当該接触位置での前記把持品質寄与度として求め、求められた前記四角形の面積の最小値を前記把持品質評価値として求めるように構成され、前記移動指決定手段が、前記四角形の面積が小さい前記接触位置での前記把持品質寄与度が低いと判断するように構成されている。
【００１８】
この構成では、例えば複数の接触位置の相対位置だけで、把持品質評価値および各接触位置の把持品質寄与度を求めることができるので、算出速度を向上することができ、把持品質評価値および各接触位置の把持品質寄与度の算出をリアルタイムに実現する上で極めて有利である。
【００１９】
前記態様において、好ましくは、前記把持品質評価手段が、前記複数の接触位置の各々について、その接触位置において前記指を滑らせないような接触力のベクトルの集合を含む力円錐状空間を求めると共に、求められた前記力円錐状空間を用いて前記複数の接触位置の各々に関する前記把持品質寄与度を求めるように構成されている。
【００２０】
前記態様において、好ましくは、前記把持品質評価手段が、前記複数の接触位置の各々について、その接触位置において前記指を滑らせないような接触力のベクトルの集合を含む力円錐状空間を求めると共に、求められた前記力円錐状空間を用いて前記把持品質評価値を求めるように構成されている。
【００２１】
この構成では、力円錐状空間はその接触位置において指を滑らせないような接触力のベクトル集合を含み、複数の接触位置の力円錐状空間に基づき把持品質寄与度が低い接触位置の特定をすることが可能となり、また、各接触位置での力と摩擦係数を把持安定性評価に盛り込んだ上でその寄与度を判定しているため、当該判定結果による当該特定の精度を向上する上で有利である。また、このような構成より、ハンドと物体の接触点は何点あっても、把持品質寄与度の判定結果による当該特定はできるので、汎用性が高い。
【００２２】
前記態様において、好ましくは、前記把持品質評価手段が、前記複数の接触位置の各々について、その接触位置において前記指を滑らせないような接触力の集合により生じる前記物体の重心周りのモーメントの集合を含むモーメント円錐状空間を求めると共に、求められた前記モーメント円錐状空間を用いて前記複数の接触位置の各々に関する前記把持品質寄与度を求めるように構成されている。
【００２３】
前記態様において、好ましくは、記指を滑らせないような接触力の集合により生じる前記物体の重心周りのモーメントの集合を含むモーメント円錐状空間を求めると共に、求められた前記モーメント円錐状空間を用いて前記把持品質評価値を求めるように構成されている。
【００２４】
この構成では、モーメント円錐状空間はその接触位置において指を滑らせないような接触力により生じる物体の重心周りのモーメントの集合を含み、複数の接触位置のモーメント円錐状空間に基づき把持品質寄与度が低い接触位置の特定をすることが可能となるので、各接触位置での力とモーメント、摩擦係数を把持安定性評価に盛り込んだ上でその寄与度を判定しているため、当該判定結果による当該特定の精度を向上する上で有利である。また、このような構成より、ハンドと物体の接触点は何点があっても、把持品質寄与度の判定結果による当該特定はできるので、汎用性が高い。
【００２５】
前記態様において、好ましくは、前記把持品質評価手段が、前記各接触位置について、当該接触位置以外の前記接触位置の前記力円錐状空間と前記モーメント円錐状空間のうち少なくとも１種類を用いて当該接触位置の前記把持品質寄与度を求めるように構成されている。
【００２６】
当該接触位置以外の接触位置は、移動指を移動する時に移動しない指と物体との接触が維持される接触位置であるから、このように求められた把持品質寄与度は、当該接触位置の指を離した後、又は、当該接触位置の指の接触力が低下した後の物体の安定把持状態を推定できるものとなる。このような観点から定義される把持品質寄与度を採用することにより、移動指の特定をより正確に行うことが可能となり、物体の把持安定性を最大限に向上する上で極めて有利である。
【００２７】
前記態様において、好ましくは、前記把持品質評価手段が、前記複数の接触位置の各々について、その接触位置において前記指を滑らせないような接触力の集合により生じる前記物体の重心周りのモーメントの集合を含むモーメント円錐状空間を求め、前記把持品質評価手段がさらに、前記各接触位置について、当該接触位置以外の前記接触位置の前記力円錐状空間および前記モーメント円錐状空間が全て含まれる最小凸空間を定義し、該凸空間のボリュームと、該凸空間の境界と前記物体の重心との最短距離との少なくとも一方を用いて、当該接触位置の前記把持品質寄与度を求めるように構成されている。
【００２８】
当該接触位置以外の接触位置は、移動指を移動する時に移動しない指と物体との接触が維持される接触位置であるから、このように定義された最小凸空間を用いた把持品質寄与度は、当該接触位置の指を離した後、又は、当該接触位置の指の接触力が低下した後の物体の安定把持状態を推定できるものとなる。このような観点から定義される把持品質寄与度を採用することにより、移動指の特定をより正確に行うことが可能となり、物体の把持安定性を最大限に向上する上で極めて有利である。
【００２９】
前記態様において、好ましくは、前記各指について、該指の可動範囲、又は、ある方向へ指速度を出せないような指の特異姿勢に対する該指の現在の位置を示す把持可操作性評価値を求める把持可操作性評価手段を備え、前記把持品質評価手段が、前記各指の前記把持可操作性評価値も用いて前記把持品質寄与度または前記把持品質評価値を求めるように構成されている。
【００３０】
把持可操作性評価値を導入することにより、物体が落ちにくく安定に把持されているか否かだけではなく、各指のメカ構造の制限（関節は両方向へ無限に回転できなく可動範囲が存在していること、または、構造的に指の特異姿勢が存在していること）により、各指が物体を目標位置姿勢に向かって操作していくうちに、物体を操作できないような位置または特異姿勢に近付いているか否か、どれだけ離れているかも定量評価することができるようになる。
例えば、各指関節の動作リミット位置に到達する前に、各指関節がその動作中央位置に戻るように把持可操作性評価値を最大化すると、各指がその関節動作リミットまたは指の特異姿勢の存在に制限されずに、物体を目標位置姿勢に向かってマニピュレーションする際に、動作リミットまたは特異姿勢に到達して物体の目標位置姿勢を実現できずにその位置で止まってしまい、または、その位置で関節のモータが発振してしまうような不利な状況が発生しなくなる。
【００３１】
前記態様において、好ましくは、前記物体の位置および姿勢を検出する物体検出手段を備え、前記各指が圧力分布センサを有するものであり、コンピュータが、前記圧力分布センサの検出結果と前記物体検出手段による検出結果とに基づき、前記複数の接触位置の前記物体に対する相対位置を検出するように構成されている。
この構成では、複数の接触位置の前記物体に対する相対位置を求めるために物体の３次元形状を教示する必要が無くなり、様々な物体の把持への適応性が高く、教示にかかる時間をなくして全体の作業時間を短縮し、作業効率と操作しやすさを向上する上で有利である。
【００３２】
前記態様において、好ましくは、前記各指が圧力分布センサを有するものであり、コンピュータが、前記圧力分布センサの検出結果に基づき、前記各指について前記接触位置における前記物体との接触法線方向を推定するように構成されている。
この構成では、各接触位置での接触法線方向を求めるために物体の３次元形状を教示する必要が無くなり、様々な物体の把持への適応性が高く、教示にかかる時間をなくして全体の作業時間を短縮し、作業効率と操作しやすさを向上する上で有利である。
【００３３】
前記態様において、前記圧力分布センサの検出結果に基づき前記接触位置における前記物体の表面形状を推定する物体形状推定手段を備えていてもよい。
この構成では、把持する物体の表面形状を推定するために物体の３次元形状を教示する必要が無くなり、様々な物体の把持への適応性が高く、教示にかかる時間をなくして全体の作業時間を短縮し、作業効率と操作しやすさを向上する上で有利である。
【００３４】
前記態様において、好ましくは、前記指移動制御手段が、前記物体形状推定手段により推定された前記表面形状に基づき、前記移動指として決定された前記指が前記物体から離れないように前記物体の表面に沿って移動するように、前記制御指令を前記駆動手段に送るように構成されている。
この場合、移動指を物体の表面に沿って移動させるために物体の３次元形状を教示する必要が無くなり、様々な物体の把持への適応性が高く、教示にかかる時間をなくして全体の作業時間を短縮し、作業効率と操作しやすさを向上する上で有利である。
【００３５】
前記態様において、好ましくは、前記指移動制御手段が、前記物体に加わる重力および慣性力を補償しながら、前記ハンドに対する前記物体の位置姿勢を目標値に追従させる制御指令を前記駆動手段に送るように構成されている。
特許文献１は、ハンドと物体の接触力だけで釣り合うように接触力の調整を行っている。しかし、これは静的な（static）釣り合いを取ることしか考慮していない。物体が運動する場合も含めて物体のダイナミックス（加速度と角加速度、速度と角速度、位置と姿勢）、または物体の重力も考慮する必要があるが、特許文献１では全く考慮していなかった。そのため、物体を落としやすい方向に物体の重力方向が向いているような把持姿勢の場合、または、予想しない外力を受けて物体が動いてしまい、物体の慣性力が無視できない値になる場合に対して、特許文献１は物体の重力や慣性力を補償せずに持ち替え動作を行っているので、これらの場合は物体を落としてしまう問題点がある。また、物体のダイナミックスを考慮しないまま持ち替え動作を行っても、指定された目標位置姿勢に追従させる制御が行われず、指定された物体の目標位置姿勢まで物体をマニピュレーションすることができない問題点がある。
前述の構成では、物体のダイナミックスと重力を考慮してあり、物体の慣性力および重力を常に補償しているので、特許文献１の前述の問題点を解決している。
【００３６】
前記態様において、好ましくは、前記指移動制御手段が、前記物体の慣性イナーシャのモデル誤差を不確実要素として扱い、前記物体の重力や形状、および前記物体に前記指以外から加わる外力を外乱として扱い、前記ハンドに対する前記物体の位置姿勢を目標値に追従させる制御指令をロバスト制御手法より生成するように構成されている。
ハンドによる物体の持ち替え動作（ハンド内マニピュレーション）制御技術を実用化していくうちに、様々な問題に遭遇して目標通りに実現できない場合がある。例えば、重さも形状も近い複数のリンゴを同じハンドで把持する場合、これらのリンゴの重力や形状、慣性イナーシャのバラツキが存在しているので、モデルとの誤差の存在により、一つ一つのリンゴが制御則通りに動かない問題が発生してしまう。または、様々な物体が積み上げている状態の中から１つの物体を取り出す時に、隣の物体が崩れて落ちてきて、その力を受けた場合、動作制御中に予想しない外力を受けることになるので、物体の目標位置姿勢に到達できない問題が発生してしまう。
前述の構成では、ロバスト制御を行って、これらのモデル誤差や予想しない外力が存在しても、目標の位置姿勢までに物体をマニピュレーションできるようにして、実用化に際して遭遇する可能性が高い問題を解決する。
【００３７】
本発明の第２の態様は、複数の指を用いて物体を把持するハンドを制御するハンド制御方法であって、前記複数の指のうち前記物体を支持している指が前記物体に接触している複数の接触位置の各々に関して、前記物体の安定把持に対する寄与度を示す把持品質寄与度を求めるステップと、前記把持品質寄与度が低い前記接触位置に対応する前記指を前記物体に対して移動する移動指として決定するステップとを有し、前記複数の接触位置の前記把持品質寄与度が、前記複数の接触位置の前記物体に対する相対位置および前記複数の接触位置の各々における前記指と前記物体との間の摩擦係数のうち少なくとも１つを用いて定義されるものである。
【００３８】
第２の態様によれば、複数の接触位置の各々の把持品質寄与度を導入し、把持品質寄与度が低い接触位置に対応する指を移動指として決定することで、把持安定性への寄与度が低い接触位置を変えてもよい接触位置に対応する指を移動指として決定する。移動指の把持品質寄与度は他の指の把持品質寄与度より低いので、移動指を物体から離したり、移動指から物体に与える接触力が低下した場合でも、物体の把持安定性の大幅な低下による物体落下の発生の可能性が低い。また、１例として、移動指を例えば把持品質寄与度が高くなる接触位置に移動することにより、物体の把持安定性を向上させることができる。
【００３９】
なお、第１の態様のハンド制御装置に関する上記全ての説明における、把持品質評価手段、移動指決定手段、指移動制御手段、把持可操作性評価手段、物体検出手段、および物体形状推定手段が行う動作、又は行うことができる動作は、コンピュータを使って処理又は実行することができる。つまり、第１の態様の前記全てのハンド制御装置は、その各手段が行っている処理又は行うことが可能な処理を実行する方法として定義することもできる。
【００４０】
本発明の第３の態様は、複数の指を用いて物体を把持するハンドをシミュレーションするハンドのシミュレーション装置であって、前記複数の指のうち前記物体を支持している指が前記物体に接触している複数の接触位置の各々に関して、前記物体の安定把持に対する寄与度を示す把持品質寄与度を求めるステップと、前記把持品質寄与度が低い前記接触位置に対応する前記指を前記物体に対して移動する移動指として決定するステップとを有し、前記複数の接触位置の前記把持品質寄与度が、前記複数の接触位置の前記物体に対する相対位置および前記複数の接触位置の各々における前記指と前記物体との間の摩擦係数のうち少なくとも１つを用いて定義されるものである。
【００４１】
第３の態様によれば、複数の接触位置の各々の把持品質寄与度を導入し、把持品質寄与度が低い接触位置に対応する指を移動指として決定することで、把持安定性への寄与度が低い接触位置を変えてもよい接触位置に対応する指を移動指として決定する。移動指の把持品質寄与度は他の指の把持品質寄与度より低いので、移動指を物体から離したり、移動指から物体に与える接触力が低下した場合でも、物体の把持安定性の大幅な低下による物体落下の発生の可能性が低い。また、１例として、移動指の接触位置をシミュレーション上で例えば把持品質寄与度が高くなる接触位置に移動することにより、物体の把持安定性が向上するか否か等のシミュレーションを行うことができる。
【００４２】
なお、第１の態様のハンド制御装置に関する上記全ての説明における、把持品質評価手段、移動指決定手段、指移動制御手段、把持可操作性評価手段、物体検出手段、および物体形状推定手段が行う動作、又は行うことができる動作は、コンピュータを使って処理又は実行することができる。つまり、第１の態様の前記全てのハンド制御装置は、例えばシミュレーション装置に設定されたハンドのモデルが第１の態様のハンドであるとして、第１の態様の前記全てのハンド制御装置の各手段が行っている処理又は行うことが可能な処理のシミュレーションを行うことができる。即ち、第１の態様の前記全てのハンド制御装置は、その各手段が行っている処理又は行うことが可能な処理を実行するシミュレーション装置として定義することもできる。
【発明の効果】
【００４３】
本発明によれば、ハンドによる物体の把持安定性を常に考慮しながら、該把持安定性が低下する場合は、安定把持に対する寄与度が低い指を移動指として決定し、該把持安定性を向上させるように該移動指を移動し、物体を安定に把持し続けながら、その持ち替え動作を行うことができるハンド制御装置の提供を目的とする。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態に係るハンド制御装置によるハンドの制御状態の一例を示す図である。
【図２】一実施形態に係るハンド制御装置によるハンドの制御状態の他の例を示す図である。
【図３】一実施形態に用いられるハンドの概略構成図である。
【図４】一実施形態のハンド制御装置の要部の機能ブロック図である。
【図５】一実施形態のハンド制御装置の要部の機能ブロック図である。
【図６】一実施形態のハンド制御装置の第１機能部の機能ブロック図である。
【図７】一実施形態のハンド制御装置の第２機能部の機能ブロック図である。
【図８】一実施形態のハンド制御装置の第３機能部の機能ブロック図である。
【図９】一実施形態のハンド制御装置の第３機能部のサブ機能ブロック図である。
【図１０】一実施形態のハンド制御装置の第４機能部の機能ブロック図である。
【図１１】一実施形態のハンド制御装置の第５機能部の機能ブロック図である。
【図１２】一実施形態のハンド制御装置で用いる力円錐状空間を説明する図である。
【図１３】一実施形態のハンド制御装置で用いる最小凸包を説明する図である。
【図１４】一実施形態のハンド制御装置で用いる平面投影法を説明する図である。
【図１５】一実施形態のハンド制御装置の第４機能部の接触法線ベクトルの推定方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
本発明の一実施形態に係るハンド制御装置を図面を参照して以下に説明する。このハンド制御装置は例えば図１や図２に示されるようなハンド１を制御するものである。
このハンド１は、図１に示すように、複数の指１０，２０，３０，４０により物体Ｏを把持し、複数の指１０，２０，３０，４０を動かすことにより、ハンド１に対して物体Ｏの相対位置や姿勢を変えることができるものである。
【００４６】
例えば、図１および図２に示すように、円柱型や楕円体の物体Ｏをその中心軸周りに回転させながら上昇させることができる。図１および図２の物体Ｏの動きは一例であり、その他の方向に物体Ｏを移動しながら物体Ｏを他の姿勢にすることも可能である。例えば、物体Ｏを図１に示す様々な軸線Ｈ１、Ｈ２，Ｈ３周りに回転させることも可能である。本実施形態では一例として物体Ａをその中心軸周りに回転させながら上昇させる場合について説明する。
【００４７】
ここで、物体Ｏはどのような物であってもよいが、本実施形態では一例として円柱型の物体Ｏを複数の指１０，２０，３０，４０により把持する場合について説明する。
また、ハンド１は、回転関節を少なくとも１つを含む指複数本を有するものであればどのようなものでも使えるが、本実施形態では一例として、図１および図２に示すように、基部（掌）５０と、基部５０にそれぞれ支持された複数の指１０，２０，３０，４０を有するものを使用する。
【００４８】
図３に示すように、複数の指１０，２０，３０，４０は各々、基部５０に基端が支持された第１指部１１，２１，３１，４１と、第１指部１１，２１，３１，４１の先端に基端が支持された第２指部１２，２２，３２，４２と、第２指部１２，２２，３２，４２の先端に基端が支持された第３指部１３，２３，３３，４３とを有する。なお、図１および図２では第１指部１１，２１，３１，４１は基部５０内又は物体Ｏの下に配置されており見えない。
【００４９】
また、複数の指１０，２０，３０，４０は各々、基部５０に対して第１指部１１，２１，３１，４１を鉛直軸線周りに回転させる第１のモータ１１ａ，２１ａ，３１ａ，４１ａと、第２指部１２，２２，３２，４２を第１指部１１，２１，３１，４１に対してその長手軸線に交差する軸線周りに回転させる第２のモータ１２ａ，２２ａ，３２ａ，４２ａと、第３指部１３，２３，３３，４３を第２指部１２，２２，３２，４２に対してその長手軸線に交差する軸線周りに回転させる第３のモータ１３ａ，２３ａ，３３ａ，４３ａとを有する（図４参照）。
【００５０】
第１のモータ１１ａ，２１ａ，３１ａ，４１ａ、第２のモータ１２ａ，２２ａ，３２ａ，４２ａ、および第３のモータ１３ａ，２３ａ，３３ａ，４３ａは指１０，２０，３０，４０を駆動する駆動手段として機能し、それぞれ制御部（制御手段）６０に接続されている。
制御部６０は、ＣＰＵ等のプロセッサ、ハードディスク、ＲＡＭ、ＲＯＭ等の記憶装置、入力装置、表示装置等を備えるコンピュータから成る。
【００５１】
第１のモータ１１ａ，２１ａ，３１ａ，４１ａ、第２のモータ１２ａ，２２ａ，３２ａ，４２ａ、および第３のモータ１３ａ，２３ａ，３３ａ，４３ａは各々、内部にエンコーダ等の回転位置検出装置を備える回転位置制御可能なモータであり、回転位置検出装置の検出値が制御部６０に送られるように構成されている。指１０，２０，３０，４０の各関節に角度センサを設け、当該角度センサの検出値を回転位置検出装置の検出値の代わりに用いてもよく、両方を用いてもよい。
【００５２】
何れにしても、第１のモータ１１ａ，２１ａ，３１ａ，４１ａの回転位置検出装置又は当該位置の角度センサにより、第１指部の基端部の関節角度を求めることが可能であり、第２のモータ１２ａ，２２ａ，３２ａ，４２ａの回転位置検出装置又は当該位置の角度センサにより、第１指部と第２指部との間の関節角度を求めることが可能であり、第３のモータ１３ａ，２３ａ，３３ａ，４３ａの回転位置検出装置又は当該位置の角度センサにより、第２指部と第３指部との間の関節角度を求めることが可能である。つまり、回転位置検出装置や角度センサは関節角度検出手段として機能する。
【００５３】
さらに、制御部６０は、記憶装置に第１のモータ１１ａ，２１ａ，３１ａ，４１ａの各々の動作範囲、第２のモータ１２ａ，２２ａ，３２ａ，４２ａの各々の動作範囲、および第３のモータ１３ａ，２３ａ，３３ａ，４３ａの各々の動作範囲が格納されている。この動作範囲は、指１０，２０，３０，４０の各関節が基部５０、他の関節、他の障害物等との関係で動ける範囲、人為的に設定された範囲等である。
【００５４】
例えば、指１０，２０，３０，４０の第１指部１１，２１，３１，４１の先端が基部５０の外周面よりも外側に配置されていないと、指１０，２０，３０，４０により物体Ｏを良好に操作することができない場合がある。ここで、第１のモータ１１ａ，２１ａ，３１ａ，４１ａは、第１指部１１，２１，３１，４１の中心軸線が基部５０の径方向と一致する位置を動作中心として両側に４５°回転するようになっており、これが動作範囲となっている。第２のモータ１２ａ，２２ａ，３２ａ，４２ａおよび第３のモータ１３ａ，２３ａ，３３ａ，４３ａについても動作範囲および動作中心が設定されている。
【００５５】
また、各指１０，２０，３０，４０には触覚センサ１４，２４，３４，４４が設けられている。触覚センサ１４，２４，３４，４４は、一例として、各指１０，２０，３０，４０の先端に設けられた圧力分布センサであり、各指１０，２０，３０，４０の先端が物体Ｏに接触した際に、当該接触位置の圧力分布等を検出する。
【００５６】
ここで、物体Ｏを動かす場合の４本の指１０，２０，３０，４０の動きの一例を、図１を参照しながら説明する。図１（Ａ）では各指１０，２０，３０，４０の先端は物体Ｏを把持可能な力で物体Ｏの外周面に接触しており、その状態で物体Ｏがその中心軸周りに回転するために必要な接触力を、各指１０，２０，３０，４０の各関節のモータを動かして提供することにより、物体Ｏが図１（Ｂ）で示される位置まで回転する。この時、各指１０，２０，３０，４０の先端が基部５０に対して動き、各指１０，２０，３０，４０の姿勢が変化する。
【００５７】
各指１０，２０，３０，４０が取ることができる姿勢や動ける範囲は限られているので、各指１０，２０，３０，４０の先端が図１（Ａ）や図１（Ｂ）の接触位置から移動せずに接触し続けたままで、物体Ｏをその中心軸周りに例えば同じ方向へ３６０°連続的に回転させることはできない。
このため、ハンド１に対して物体Ｏをその中心軸周りに回転させながら、４本の指１０，２０，３０，４０のうち指１０の物体Ｏとの接触位置を変えるように指１０の位置を戻し（図１（Ｃ））、続いて他の指２０，３０，４０も指１０と同様に１本ずつ接触位置を変えるように１本ずつ位置を戻し（図１（Ｄ））、このような動作を繰り返すことにより各指１０，２０，３０，４０の物体Ｏとの接触位置を徐々に変えていき（図１（Ｅ））、ハンド１に対して物体Ｏをその中心軸周りに回転させていく。
【００５８】
このようにハンド１に対して物体Ｏを動かすために、例えば図１（Ｂ）で指１０の接触位置を変える場合のように各指１０，２０，３０，４０の物体Ｏとの接触位置を変える時、物体を落とさずに安定に把持し続けながら連続的にマニピュレーションする（回転、移動させる）ために、どのタイミングでどの指の接触位置を変えるべきか、さらに、どの接触位置に指を移動したらよいかを決めるかについて、制御部６０の機能を示す機能ブロック図（図５〜図１１）を用いて説明する。
【００５９】
図５の機能ブロック図は、各モータを制御するための制御部６０の全体的な機能を説明するものである。図５に示されているように、制御部６０は、第１〜第５機能部１１０，１２０，１３０，１４０，１５０を有する。第１〜第５機能部１１０，１２０，１３０，１４０，１５０は各々、プログラムとして制御部６０の記憶装置に格納されて制御部６０のプロセッサを動作させるものであってもよく、プロセッサ、記憶装置等を有するマイクロコンピュータから成るユニット部品として実装させていてもよい。
【００６０】
第１機能部１１０は、所定時間ごと、又は、所定の制御周期ごとに、複数の指１０，２０，３０，４０で把持している状態はどれだけ物体を落としにくく安定に把持しているかを示す把持品質評価値Ｑを算出し、閾値Ｑｌｉｍと比較する。把持品質評価値Ｑと閾値Ｑｌｉｍについては下記第１機能部１１０の説明でより詳細に述べる。
接触している全ての指１０，２０，３０，４０を用いて算出される把持品質評価値Ｑが閾値Ｑｌｉｍ以上である場合は、全ての指１０，２０，３０，４０を第２機能部１２０による物体運動制御に利用し、物体Ｏの目標位置姿勢を実現するため、各モータの目標トルクＴｄｅｓを少なくとも含む各モータの制御目標値を算出する。
【００６１】
前記把持品質評価値Ｑが閾値Ｑｌｉｍ以下である場合は、第３機能部１３０より、複数の指１０，２０，３０，４０の各々に関する把持品質寄与度Ｑ１０，Ｑ２０，Ｑ３０，Ｑ４０を算出し、算出した把持品質寄与度が低い一部の指（例えば、最も寄与度が低いＱ１０に対応する指１０）を移動指として決定し、この指のインデックスｋ（例えば、「１０」）を出力する。当該一部の指（例えば、指１０）以外の指（例えば、指２０，３０，４０）を第２機能部１２０による物体運動制御に利用し、物体Ｏの目標位置姿勢を実現するための各モータ（当該一部の指１０の駆動モータを除く）の目標トルクＴｄｅｓを少なくとも算出する。第２機能部１２０についても下記詳述する。
前記一部の指（例えば指１０）は、第３機能部１３０による指移動動作制御に利用される。第３機能部１３０は、前記把持品質評価値Ｑを向上するように当該一部の指（例えば、指１０）を移動させるため、当該一部の指の各関節のモータの目標トルクＴｋｄｅｓ（例えば、Ｔ１０ｄｅｓ）を少なくとも含むモータの制御目標値を算出する。第３機能部１３０についても下記詳述する。
【００６２】
これらの目標トルクＴｄｅｓ，Ｔｋｄｅｓはトルク追従制御器１６０に提供され、トルク追従制御器１６０が目標トルクＴｄｅｓ，Ｔｋｄｅｓを用いて各モータを駆動する。これにより、各指１０，２０，３０，４０は物体Ｏと接触し、各々の接触位置に望ましい接触力が発生し、当該望ましい接触力により物体Ｏが目標位置姿勢までマニピュレーションされる。また、前記把持品質評価値Ｑが閾値Ｑｌｉｍを下回る場合は、当該一部の指（例えば、指１０）の接触位置がより良い位置に変えられ、前記把持品質評価値Ｑが向上され、これにより全ての指１０，２０，３０，４０により物体Ｏを把持する把持品質が向上される。
【００６３】
続いて、各触覚センサ１４，２４，３４，４４、各モータの回転位置検出装置の検出値、指１０，２０，３０，４０および物体Ｏを撮像する視覚センサ４５等の物体検出手段により検出される、物体の現在位置姿勢の検出結果等の情報が第１機能部１１０に入力され、これら値を用いて第１機能部１１０により新たに把持品質評価値Ｑが算出され、上記の第１機能部１１０から第３機能部１３０までの制御が繰り返される。これにより、各指１０，２０，３０，４０の接触位置を徐々に変えながら、ハンド１に対する物体Ｏの相対位置姿勢をその目標値に追従させる。
【００６４】
物体の３次元形状データを制御部６０に教示して物体Ｏと各指１０，２０，３０，４０の先端との各々の接触位置での接触法線ベクトルを得ることができるが、当該方法を採用しない場合、第４機能部１４０は、各触覚センサ１４，２４，３４，４４の出力値（接触位置、圧力分布）と指の３次元形状データとを用いて、物体Ｏと各指１０，２０，３０，４０の先端との各々の接触位置での接触法線ベクトルを得る。これら方法により得られた接触法線ベクトルは、各指１０，２０，３０，４０の各モータの目標トルクＴｄｅｓを少なくとも含むモータの制御目標値を算出するために用いられる。これにより、物体Ｏの３次元形状データを制御部６０に教示せずに、様々な物体Ｏの把持を実現することが可能となる。第４機能部１４０についても下記詳述する。
【００６５】
第５機能部１５０は、把持している物体Ｏの重さ、形状、慣性イナーシャのモデル誤差や、予想しない外力が存在しても、目標位置姿勢まで物体Ｏをマニピュレーションするロバスト制御を行う。これにより、重さ、形状等がモデルと異なる場合がある物体Ｏ（例えば重さや形状が似ている複数のリンゴ）を同じハンド１で把持し、又は、物体Ｏを把持して取り出す時、周囲の物体Ｏが崩れ落ちてきた場合のように、把持中に予想しない外力を受けた場合も、物体Ｏを落とすことなくマニピュレーションし、ロバスト性の高い制御を実現することができる。第５機能部１５０についても下記詳述する。
【００６６】
図６の機能ブロック図は、第１機能部１１０の実現方法の一例を示す。
第１機能部１１０は、各触覚センサ１４，２４，３４，４４の検出値から得られる各指１０，２０，３０，４０の先端と物体Ｏとの接触位置ｐと、各指１０，２０，３０，４０の各関節に設けられた角度センサの検出値から得られる各関節の関節角度ｑに基づき、把持安定性指標の演算処理部１１１において、接触している複数の指１０，２０，３０，４０全ての接触位置と関節角度に基づいた把持安定性評価値Ｑｏを算出する。また、各指１０，２０，３０，４０の各関節に設けられた角度センサの検出値に基づき、把持可操作性指標の演算処理部１１２において、接触している複数の指１０，２０，３０，４０全ての関節角度に基づいた把持可操作性評価値Ｑｈを算出する。
【００６７】
また、接触している複数の指１０，２０，３０，４０の各々について把持安定性寄与度Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０を求めることもできる。このように求められた把持安定性寄与度Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０は、各指１０，２０，３０，４０が物体Ｏの安定な把持にどの程度貢献しているかを示すものである。接触している複数の指１０，２０，３０，４０の各々について把持可操作性寄与度Ｑｈ１０，Ｑｈ２０，Ｑｈ３０，Ｑｈ４０を求めることもできる。このように求められた把持可操作性寄与度Ｑｈ１０，Ｑｈ２０，Ｑｈ３０，Ｑｈ４０は、各指１０，２０，３０，４０の現在の状態において、物体Ｏの目標位置姿勢を実現するために、この先に物体を操作できないような動作リミット位置に到達するまでどの程度の余裕があるか、または、ある方向へ指速度を出せないような特異姿勢からどれだけ遠く離れているかを示すものである。
【００６８】
算出したＱｏとＱｈは、把持品質指標の合計演算処理部１１３で所定の式に代入され、把持安定性評価値Ｑｏと把持可操作性評価値Ｑｈを総合的にあらわした把持品質評価値Ｑが算出される。また、算出したＱｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０とＱｈ１０，Ｑｈ２０，Ｑｈ３０，Ｑｈ４０は、前記合計演算処理部１１３で所定の式に代入され、把持安定性寄与度Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０と把持可操作性寄与度Ｑｈ１０，Ｑｈ２０，Ｑｈ３０，Ｑｈ４０とをそれぞれ総合的にあらわした把持品質寄与度Ｑ１０，Ｑ２０，Ｑ３０，Ｑ４０が算出される。前記所定の式は、ＱｏとＱｈを、または、Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０とＱｈ１０，Ｑｈ２０，Ｑｈ３０，Ｑｈ４０を、そのまま加算するものでもよく、ＱｏとＱｈを、または、Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０とＱｈ１０，Ｑｈ２０，Ｑｈ３０，Ｑｈ４０を、それぞれ異なる重み係数をかけてから加算するものでもよい。
【００６９】
続いて、求められた把持品質評価値Ｑが閾値Ｑｌｉｍと比較され、把持品質評価値Ｑが閾値Ｑｌｉｍ以上である場合は、全ての指１０，２０，３０，４０を第２機能部１２０による物体運動制御に利用する。一方、前記把持品質評価値Ｑが閾値Ｑｌｉｍ以下になる場合は、各指の各々について算出した把持品質寄与度Ｑ１０，Ｑ２０，Ｑ３０，Ｑ４０の中の低い値に対応する一部の指（例えば、最も低いＱ１０に対応する指１０）以外の指（例えば、指２０，３０，４０）を第２機能部１２０による物体運動制御に利用する。
【００７０】
ここで、把持安定性評価値Ｑｏおよび把持安定性寄与度Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０は様々な観点から定義することが可能であり、それらを求める手法も様々あり、どのような手法を用いてもよいが、その中で良好な方法を以下説明する。
【００７１】
（把持安定性評価値Ｑｏおよび把持安定性寄与度Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０を求める第１の例）
物体Ｏを落とさずに安定して把持するためには、物体Ｏと、指１０，２０，３０，４０のうち物体Ｏを支持しているものとの接触点（接触位置）において滑りが発生しないことが前提である。このため、摩擦と接触力とで把持安定性評価値Ｑｏを定義することができる。より具体的には、物体Ｏとそれを支持する指１０，２０，３０，４０との各接触点の物体Ｏに対する相対位置や、各接触点での接触力（大きさ、方向）、物体Ｏと各指１０，２０，３０，４０との間の摩擦係数などの情報を用いて定義することができる。
【００７２】
例えばクーロン摩擦モデルに基づき、物体Ｏと各指１０，２０，３０，４０との接触により各接触位置で発生する摩擦力が最大静止摩擦力を超えないなら、当該接触位置での当該指と物体Ｏの間の滑りは発生しないと判断する。即ち、例えば指１０と物体Ｏとの間の接触力ｆの接平面上の成分（接触法線と垂直である平面上の成分）ｆｔ０は、最大静止摩擦力ｆμ＝μｆ⊥（μ：クーロン摩擦係数、ｆ⊥：正圧力、つまりｆの接触法線方向の成分）を超えないような接触力ｆは、当該指と物体Ｏの間の滑りを起こさないような接触力である。
【００７３】
各接触点において、滑りを起こさないような接触力ｆの候補群は、クーロン摩擦係数μ、正圧力ｆ⊥に基づき、頂角が２ｔａｎ−１μとなる３次元の円錐状ベクトル空間である（図１２参照）。
滑りを起こさずに物体Ｏを安定に把持するための接触力は図１２の力円錐状空間に存在する必要がある。当該力円錐状空間の大きさ（ボリューム）に影響する候補群内の正圧力ｆ⊥（各接触力ｆの法線方向の成分）のベクトルの長さは、触覚センサ１４，２４，３４，４４の検出値に基づき設定される。力円錐状空間内の任意の接触力ｆにより、物体Ｏの重心Ｇ周りのモーメントが１つ発生するので、このような望ましい接触力の力円錐状空間に対応するモーメントの円錐状空間が存在することになる（図１３参照）。このような望ましいモーメント円錐状空間は、クーロン摩擦係数μ、正圧力ｆ⊥、物体Ｏの重心から各接触点までの距離ベクトルに基づいて定義され、前記力円錐状ベクトル空間とは基底ベクトルが異なるもう１つの３次元の円錐状ベクトル空間である。
【００７４】
１つの接触点につき、滑りを起こさない接触力の候補群（３次元の円錐状ベクトル空間）１つと、それにより生ずる物体Ｏの重心Ｇ周りのモーメントの候補群（３次元の円錐状ベクトル空間）１つが存在している。物体Ｏを落とさずに安定して把持するための接触力やモーメントは、これらのベクトル空間に存在する必要がある。物体Ｏの把持に用いている、又は、物体Ｏの把持に用いることを想定する複数の接触点の力円錐状空間およびモーメント円錐状空間を全て含む最小の凸集合を本実施形態では把持安定性に関する最小凸包と称する。
【００７５】
最小凸包は６次元を有する凸空間であり、ｇｒａｓｐ  ｗｒｅｎｃｈ  ｓｐａｃｅと称することもある。物体Ｏを安定して把持するための望ましい力とモーメントの安定候補群である。
当該凸空間（ｇｒａｓｐ  ｗｒｅｎｃｈ  ｓｐａｃｅ）内に物体Ｏの重心が入っているなら、把持は安定していると判断することができる。物体Ｏの重心Ｇの位置が当該凸空間内に存在し、且つ、当該凸空間の境界から遠いほど、重心Ｇは当該凸空間の外に出にくいため、安定して把持するための力とモーメントの候補が多くなる。つまり、滑りを起こさずに物体Ｏのバランスを取れるような力とモーメントの組合せが多くなるので、把持安定性（把持安定性評価値Ｑｏ）は高いと判断できる。
【００７６】
また、当該凸空間のボリュームが大きい程、物体Ｏの重心を包含し易くなり、重心Ｇが当該凸空間の外に出にくくなるため、安定して把持するための力とモーメントの候補が多くなる。つまり、滑りを起こさずに物体Ｏのバランスを取れるような力とモーメントの組合せが多くなるので、把持安定性（把持安定性評価値Ｑｏ）は高いと判断できる。
【００７７】
判断指標の一例としては、下記式（１）のように、物体Ｏの重心Ｇの位置から当該凸空間の境界までの最短距離εと、当該凸空間のボリュームＶの線形結合を、把持安定性評価値Ｑｏとして定義して算出する。
【数１】
2019010713.tif 000003
このように定義したＱｏは、何点接触であっても用いることができる。
【００７８】
本実施形態の一部として、複数の指１０，２０，３０，４０の各々について、把持安定性寄与度Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０を求める。先ず、指１０についての把持安定性寄与度Ｑｏ１０は、当該指１０以外の物体Ｏと接触している全ての指２０，３０，４０の各接触点の各力円錐状空間および各モーメント円錐状空間を全て含む最小の凸集合（把持安定性寄与度の最小凸包）を求め、当該凸集合について前記式（１）で把持安定性寄与度Ｑｏ１０として算出する。つまり、指１０についての把持安定性寄与度Ｑｏ１０は、指１０以外の指２０，３０，４０で物体Ｏを把持している時の安定性評価となる。
【００７９】
同様に、指２０，３０，４０についてもそれぞれ把持安定性寄与度を求め、これにより、複数の指１０，２０，３０，４０の各々について把持安定性寄与度Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０が求められる。
【００８０】
（把持安定性評価値Ｑｏおよび把持安定性寄与度Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０を求める第２の例）
第１の例のように把持安定性評価値Ｑｏおよび把持安定性寄与度Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０を摩擦と力ベクトルで三次元的に定義する問題を簡略化し、把持安定性を幾何学レベルで二次元的に考える手法もある（図１４参照）。
例えば、物体Ｏに指１０，２０，３０，４０が４点で接触している場合は、１つの接触点を残りの３つの接触点がなす平面に投影し、前記残りの３つの接触点と前記投影後の点ｘとで形成される四角形の面積や、当該面積を用いて算出される値を、把持安定性評価値Ｑｏとすることができる。そして、四角形の面積が大きいほど、把持が安定していると判断することができる。
【００８１】
具体的な例としては、指１０，２０，３０，４０の接触点のうち、１つの点をｓとし、前記残りの３点をｐ１、ｐ２、ｐ３とした場合、下記式（２）のように各接触点の位置情報のみにより算出される前記四角形の面積を、指１０，２０，３０，４０をｓとした場合についてそれぞれ算出し、算出した値が最も小さいものを把持安定性評価値Ｑｏとして定義し、把持安定性を定量的に評価することができる。
【数２】
2019010713.tif 000004
【００８２】
ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｓはそれぞれ、例えば物体Ｏの重心Ｇを原点とする３次元座標系における位置（位置ベクトル）をあらわし、図１４におけるｘは、ｐ１、ｐ２、ｐ３を通る平面上にｓを投影した時の位置である。このように定義した把持安定性評価値Ｑｏは接触点が４点のみである場合に有効である。
【００８３】
本実施形態の一部として、複数の指１０，２０，３０，４０の各々について、把持安定性寄与度Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０を求める。先ず、指１０の接触点をｓとし、残りの指２０，３０，４０の接触点をそれぞれｐ１、ｐ２、ｐ３とし、前述のように四角形の面積を求め、これが指１０についての把持安定性寄与度Ｑｏ１０となる。同様に、指２０，３０，４０についてもそれぞれ把持安定性寄与度Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０を求め、これにより、複数の指１０，２０，３０，４０の各々について把持安定性寄与度Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０が求められる。
【００８４】
なお、前記第１および第２の例では、３次元座標における各接触点や物体Ｏの重心の位置を用いるものを示したが、各接触点や物体Ｏの重心の相対位置を用いるだけでも第１および第２の例を実施することができる。
【００８５】
把持安定性寄与度Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０として、前記２種類の定義にされるもの以外に、物体Ｏと各指１０，２０，３０，４０との接触位置、接触力、摩擦係数を用いて定義される他の指標を用いることもできる。
一例として、前記第１の例において、複数の指１０，２０，３０，４０の各々についての把持安定性寄与度Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０を、複数の指１０，２０，３０，４０の各々について求められる前記力円錐状空間を用いて求めることもできる。各力円錐状空間は、その接触点の接触法線に対しｔａｎ−１μの角度で開く３次元の円錐状空間であり、その接触点で物体Ｏに対して滑らせないように与え得る力ベクトルの束を示すものである。
【００８６】
例えば、ある接触点について、力円錐状空間のボリュームと、当該接触点と物体Ｏの重心Ｇとを繋ぐ直線が当該接触円錐状空間の接触法線となす重心方向角度とを求め、力円錐状空間のボリュームが大きく重心方向角度が小さいと物体Ｏの安定把持に対する貢献度が高い評価となり、逆であれば物体Ｏの安定把持に対する貢献度が低い評価となる把持安定性寄与度Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０を算出することができる。当該把持安定性寄与度を全ての接触点について求めることにより、物体Ｏの安定把持に対する貢献度が低い接触点を見つけることができる。
【００８７】
また、物体Ｏが単純な形状を有しており、各指１０，２０，３０，４０の可動範囲が限られている場合等は、複数の指１０，２０，３０，４０の各々の接触位置の３次元座標における位置を考慮せずとも、複数の指１０，２０，３０，４０の各々についての把持安定性寄与度Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０を求めることが可能な場合がある。
【００８８】
例えば、物体Ｏがリンゴ等の表面状態や表面の細かな形状が一定ではないが、全体として単純な形状を有している場合、前記力円錐状空間の接触法線の方向は各指１０，２０，３０，４０の動きに応じて一義的に変化するものとし、前記力円錐状空間のボリュームや開く角度（ｔａｎ−１μ）が各触覚センサ１４，２４，３４，４４の検出結果に応じて変化するようにしてもよい。
【００８９】
具体的には、リンゴの表面は微小な凹凸があり、それが触覚センサ１４，２４，３４，４４により検出されるので、触覚センサ１４，２４，３４，４４の検出結果を用いて各接触点の摩擦係数μを調整し、調整したμで複数の指１０，２０，３０，４０の各々についての前記力円錐状空間を求めることもできる。
【００９０】
ある接触点について、力円錐状空間のボリュームと、当該接触点と物体Ｏの重心Ｇとを繋ぐ直線が当該力円錐状空間の接触法線となす重心方向角度のｔａｎ−１μに対する割合を求め、力円錐状空間のボリュームが大きく当該割合が小さいと物体Ｏの安定把持に対する貢献度が高い評価となり、逆であれば物体Ｏの安定把持に対する貢献度が低い評価となる把持安定性寄与度Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０を算出することができる。
【００９１】
他の例として、前記第１の例において、複数の指１０，２０，３０，４０の各々についての把持安定性寄与度Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０を、複数の指１０，２０，３０，４０の各々について求められる前記モーメント円錐状空間を用いて求めることもできる。各モーメント円錐状空間は、その接触点に物体Ｏの重心Ｇ周りに加え得るモーメントの束を示すものである。
【００９２】
例えば、ある接触点について、モーメント円錐状空間のボリュームと、当該接触点と物体Ｏの重心Ｇとを繋ぐ直線が当該モーメント円錐状空間の中心軸線となす重心方向角度とを求め、モーメント円錐状空間のボリュームが大きく重心方向角度が小さいと物体Ｏの安定把持に対する貢献度が高い評価となり、逆であれば物体Ｏの安定把持に対する貢献度が低い評価となる把持安定性寄与度Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０を算出することができる。当該把持安定性寄与度を全ての接触点について求めることにより、物体Ｏの安定把持に対する貢献度が低い接触点を見つけることができる。
【００９３】
把持可操作性評価値Ｑｈまたは把持可操作性寄与度Ｑｈ１０，Ｑｈ２０，Ｑｈ３０，Ｑｈ４０も、様々な観点から定義することが可能であり、それらを求める手法も様々あり、どのような手法を用いてもよいが、その中で良好な方法を以下説明する。
【００９４】
例えば、各指関節の動作リミットによる制約が、どれだけ物体Ｏの操作性に影響を与えるかを考慮し、把持可操作性評価値Ｑｈを定義することができる。この場合、各指関節に対して、関節の現在位置ｑｉｊ（第ｊ指の第ｉ関節の関節角度）およびその関節の動作リミット（関節動作範囲の最小値ｑｉｍｉｎ．ｊと最大値ｑｉｍａｘ．ｊ）情報を用いて、関節現在位置ｑｉｊと関節動作中心位置である（ｑｉｍｉｎ．ｊ＋ｑｉｍａｘ．ｊ）／２の差の２乗というような計算を行い、算出した結果に−１を乗じて把持可操作性評価値Ｑｈとして定義することができる。
【００９５】
【数３】
2019010713.tif 000005
【数４】
2019010713.tif 000006
また、把持可操作性寄与度Ｑｈ１０，Ｑｈ２０，Ｑｈ３０，Ｑｈ４０は、指１０，２０，３０，４０の各々について算出されるものである。具体的に、下記数式にｊ=１０, ｊ=２０, ｊ=３０, ｊ=４０をそれぞれ代入して算出したものをＱｈ１０，Ｑｈ２０，Ｑｈ３０，Ｑｈ４０とする。
【数５】
2019010713.tif 000007
【００９６】
Ｑｈが最大となるような最適化問題を解くことで、各指関節を常にその関節の関節動作中心位置に戻すような制御信号が生成されるようになる。これにより、各指関節が動作リミット（関節動作範囲の最小値ｑｉｍｉｎ．ｊと最大値ｑｉｍａｘ．ｊ）から常に遠く離れる状態で動作し続けることになる。
【００９７】
また、各指のヤコビ行列全てを含んだ行列Ｊを下記式（５）に代入し算出した結果をＱｈとして定義する手法もある。
【数６】
2019010713.tif 000008
把持可操作性寄与度Ｑｈ１０，Ｑｈ２０，Ｑｈ３０，Ｑｈ４０は、指１０，２０，３０，４０の各々のヤコビ行列のみを含んだ行列Ｊを数式（６）に代入し、それぞれ算出されたものとする。
【００９８】
前記行列Ｊの特異値σ１，σ２，・・・，σｎの中、１つの値でもゼロになると、ある方向に当該指を動かすことができなくなり、その方向へ物体Ｏを操作できなくなる。ｋは重み係数であり、ｄｅｔ（Ｘ）は行列Ｘの行列式であり、ＪＴは行列Ｊの転置行列である。このように定義したＱｈを最大化する最適化問題を解き、ハンド指の特異姿勢の発生により物体Ｏへの操作性を失う状況の発生を回避する。
【００９９】
把持可操作性評価値Ｑｈまたは把持可操作性寄与度Ｑｈ１０，Ｑｈ２０，Ｑｈ３０，Ｑｈ４０は、前記２種類の定義に限定されずに、ハンド１の各指関節の角度情報に基づいて定義される指標である。
なお、本実施形態では、前記関節動作範囲および関節動作中心位置は、各モータの出力軸からギアなどの伝達機構を介して各関節軸まで伝達した後、さらに、ハンドのメカ構造による制限も加えた後の動作範囲および動作中心位置とそれぞれ対応している。
【０１００】
上記のように求められた把持安定性評価値Ｑｏと把持可操作性評価値Ｑｈに基づき、前述のように把持品質評価値Ｑが算出される。また、上記のように求められた把持安定性寄与度Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０と把持可操作性寄与度Ｑｈ１０，Ｑｈ２０，Ｑｈ３０，Ｑｈ４０に基づき、前述のように把持品質寄与度Ｑ１０，Ｑ２０，Ｑ３０，Ｑ４０が算出される。
ここで、把持する物体Ｏや指１０，２０，３０，４０の仕様は様々であり、これら仕様に応じて、把持可操作性評価値Ｑｈを用いず、把持安定性評価値Ｑｏだけで把持品質評価値Ｑを求め、また、把持可操作性寄与度Ｑｈ１０，Ｑｈ２０，Ｑｈ３０，Ｑｈ４０を用いず、把持安定性寄与度Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０だけで把持品質寄与度Ｑ１０，Ｑ２０，Ｑ３０，Ｑ４０を求めることも可能である。
【０１０１】
一方、把持品質評価値Ｑを、合計演算処理部１１３により、把持安定性評価値Ｑｏと把持可操作性評価値Ｑｈを線形結合して算出することも可能である。また、把持品質寄与度Ｑ１０，Ｑ２０，Ｑ３０，Ｑ４０を、合計演算処理部１１３により、把持安定性寄与度Ｑｏ１０と把持可操作性寄与度Ｑｈ１０を、Ｑｏ２０とＱｈ２０を、Ｑｏ３０とＱｈ３０を、Ｑｏ４０とＱｈ４０をそれぞれ線形結合して算出することも可能である。例えば、それぞれに異なる重み係数を掛けた後に和演算を行って算出することができる。
【数７】
2019010713.tif 000009
【数８】
2019010713.tif 000010
【数９】
2019010713.tif 000011
【数１０】
2019010713.tif 000012
【数１１】
2019010713.tif 000013
【０１０２】
図７の機能ブロック図は、第２機能部１２０の実現方法の一例を示す。
第２機能部１２０は、各種センサによる検出情報を用いて得られる物体Ｏの現在位置姿勢の情報を用いて、物体Ｏの目標位置姿勢との差がゼロに収束されていくように必要な外力Ｆｉｍｐを、物体Ｏの目標位置姿勢の実現のためのインピーダンス制御の演算処理部１２１を用いて算出する。当該各種センサの検出値としては、３次元の視覚センサの検出情報、または、物体Ｏの表面に実装される複数マーカの位置を３次元のレーザセンサより確定して物体Ｏの現在位置姿勢を検出する手段の検出情報等を用いることができる。    
【０１０３】
前記算出したＦｉｍｐは物体運動制御に必要な接触力の演算処理部１２２に入力され、物体の動力学モデル（詳細は後述する）に基づいて望ましい接触力Ｆｄｅｓが算出される。算出されたＦｄｅｓは指把持力の最適化演算処理部１２３に入力され、また、触覚センサより検出した各接触位置での現在の圧力Ｆactも前記指把持力の最適化演算処理部１２３に入力され、指把持力の最適化問題（詳細は後述する）を解くことにより、ハンド１による目標把持力ｆ＊が算出される。また、ハンドヤコビ行列の演算処理部１２４では、ハンド１の指１０，２０，３０，４０の各関節に設けられた角度センサが検出する現在の関節角度ｑを用いてハンドヤコビ行列Ｊが算出され、算出した値が指関節トルクの演算処理部１２５に入力され、ｆ＊に対する逆変換を行い、関節速度に依存する遠心力なども補償してハンド１の各指関節の目標トルクＴｄｅｓが算出される。
【０１０４】
前記算出された目標トルクＴｄｅｓは指１０，２０，３０，４０の各関節の駆動モータに提供され、これによりハンド１が駆動される。その結果、ハンド１が目標トルクで動くことにより目標把持力ｆ＊が提供されるように各指１０，２０，３０，４０が物体Ｏと接触し、これにより望ましい接触力Ｆｄｅｓが発生する。物体Ｏはこのような望ましい接触力Ｆｄｅｓを受けて目標位置姿勢までマニピュレーションされる。
【０１０５】
前記物体の運動学モデルとは、物体のダイナミックス（加速度および角加速度、速度および角速度、位置、姿勢）と、重力とを考慮し、ハンド１からの接触力を外力として考える物体の動力学モデルである。このモデルを利用して望ましい接触力を算出すると、物体Ｏの重力と慣性力が常に補償されたような目標接触力が算出される。
【０１０６】
前記指把持力の最適化問題とは、指１０，２０，３０，４０に実装された触覚センサ１４，２４，３４，４４が検出する現在の圧力と目標接触力の差が最小となるように望ましい把持力を決めるような最適化問題である。これにより、Ｆｄｅｓに追従するのに必要なハンド１の把持力の最適解ｆ＊が決められる。
【０１０７】
図８の機能ブロック図は、第３機能部１３０の実現方法の一例を示す。
第３機能部は、指１０，２０，３０，４０により物体Ｏを把持する把持品質評価値Ｑが閾値Ｑｌｉｍを下回る場合に行われる指移動制御である。移動指の決定部１３１は、移動させる指（移動指）を最適に選定し、その指のインデックスｋを出力する（最適な選定方法は後述する）。例えば指１０が移動指として選定される。
【０１０８】
続いて、制御部６０に予め教示されている物体Ｏの３次元形状データを利用して物体Ｏと、移動指として決定された指１０との接触法線ベクトルｎｋ１（後述する）が算出され、指１０の触覚センサ１４が検出した接触点の位置ｐと、指１０の各関節の角度センサが検出した関節角度ｑとが、インデックスｋと共に把持品質指標の時間微分の演算処理部１３２に入力され、移動する指１０に関する把持品質寄与度の時間微分Ｑ’ｋ（以下、便宜上、数式以外では１階時間微分を「’」としてあらわす。）が算出される。
【０１０９】
前記算出されたＱ’ｋは把持品質指標の時間微分の最適化演算処理部１３３に入力され、Ｑ’ｋが最大となるように移動指１０の目標関節速度を決め、その結果、ｑ’ｋｄｅｓが最適解として算出される。算出されたｑ’ｋｄｅｓは指関節トルクの演算処理部１３４に入力され、ｑ’ｋｄｅｓを実現するために必要な目標関節トルクＴｋｄｅｓが算出される。算出されたＴｋｄｅｓが指１０のモータ１１ａ，１２ａ，１３ａに提供され、指１０が駆動される。その結果、移動指１０が目標関節速度ｑ’ｋｄｅｓで動き、これによりＱ’ｋが最大となるためＱｋが最大限に増加される。
【０１１０】
把持品質評価値Ｑが最大限に増大されたようなより良い接触位置まで移動指１０が移動し、当該位置で指１０が物体Ｏに接触することにより物体Ｏの把持品質が高くなり、また、閾値Ｑｌｉｍを下回るような好ましくない把持状態を脱し、把持品質（把持安定性、把持可操作性）の高い把持状態に変化する。
【０１１１】
前記移動指の最適な選定方法の一例について以下説明する。先ず、指１０，２０，３０，４０の中から仮に指を１つ選んで、例えば、指１０を選んでその把持品質寄与度Ｑ１０を計算し、他の全ての指も同様に仮に選んで各々の把持品質寄与度、例えばＱ２０，Ｑ３０，Ｑ４０をそれぞれ計算し、計算された把持品質寄与度Ｑ１０，Ｑ２０，Ｑ３０，Ｑ４０を比較する。ただし、把持品質寄与度の計算は、把持品質評価手段（第１機能部）より行われ、その計算結果が第３機能部の移動指の決定部１３１に送られ、計算結果の比較と移動指の決定は移動指の決定部１３１より行われる。
【０１１２】
最も高いＱ１０，Ｑ２０，Ｑ３０，Ｑ４０を有する指は、最も安定な把持状態を得ることができる指であり、把持安定性への寄与度が最も高く、さらに、関節動作リミット位置（または指の特異姿勢）から最も遠く離れていて、より制御し易い位置にある。このため、当該指は物体Ｏに対して移動すべき指ではないと判断する。一方、算出したＱ１０，Ｑ２０，Ｑ３０，Ｑ４０が最も低い指は、把持安定性への寄与度が最も低く、さらに、関節動作リミット位置（または指の特異姿勢）に最も近く、より制御しにくい位置にある。このため、移動した方がよい指であり、移動指として選択する。算出したＱ１０，Ｑ２０，Ｑ３０，Ｑ４０の値が２番目又は３番目に小さい指であっても、算出したＱ１０，Ｑ２０，Ｑ３０，Ｑ４０の値が例えば所定の閾値より小さい場合に、その指を移動指として選択することもできる。
【０１１３】
物体の３次元形状データを制御部６０に教示せずに、第４機能部１４０によって接触法線ベクトルｎｋ１を推定することについては、後述する。なお、前記指移動動作は、物体Ｏに対する指１０（移動指として決定された指）の接触接線方向への指速度を生成し、物体Ｏに対する接触法線方向の正圧力が常にゼロよりやや大きな値となるように必要な指関節目標速度を算出し、目標トルク指令に換算して指１０のモータ１１ａ，１２ａ，１３ａに提供し、これにより指１０を動かす。このため、指１０は物体Ｏの表面に沿って移動する。その結果、指の移動動作時に移動する指が物体Ｏから離れて接触点数が減り把持が不安定になることがない。
【０１１４】
前記最適化問題は、式（１２）のように、目的関数として把持品質評価値の時間微分Ｑ’を採用してその最大化を行い、線形な最適化問題を解いて、最適となる目標関節速度ｑ’ｋｄｅｓを決める。
【数１２】
2019010713.tif 000014
【０１１５】
目的関数として把持品質評価値Ｑそのものを採用する自明な選択もあるが、この場合、把持品質評価値Ｑは関節角度ｑｋの二次形式を含む関数となるため、二次の非線形な最適化問題を解くことになり、所要な計算処理時間が長くなってしまう。ここで、１階時間微分を取ることより、関節角度ｑｋから関節速度ｑ’ｋになったものの二次形式を含まない把持品質評価値の時間微分Ｑ’を目的関数とする。その最大化を行う線形な最適化問題を解き、リアルタイムに実現できる最適な目標関節速度ｑ’ｋｄｅｓを決めて移動指を動かす方法を採用している。
【０１１６】
図９の機能ブロック図は、第３機能部１３０の「把持品質寄与度の時間微分の演算処理部」のより詳しい実現方法の一例を示す。
移動指の決定部１３１が決定した移動する指、例えば指１０のインデックスｋ＝１０を受取り、当該インデックスｋが、指１０の各関節の角度センサが検出した関節角度ｑと共に、把持可操作性指標の時間微分の演算処理部１３２ａに入力され、インデックスｋ＝１０を下記式（１３）に代入し、把持可操作性寄与度の時間微分Ｑ’ｋｈが算出される。
【数１３】
2019010713.tif 000015
【０１１７】
前記指インデックスｋと、前記検出された関節角度ｑとが、ハンドヤコビ行列の演算処理部１３２ｂに入力され、移動指１０のヤコビ行列Ｊ１０が算出される。また、予め制御部６０に教示してある物体Ｏの３次元形状データを利用して物体Ｏと移動指１０の接触法線ベクトルｎｋ（後述する）が算出され、下記式（１４）のように、移動する指１０の触覚センサ１４が検出した接触点の位置ｐ、または前記算出した移動指１０のヤコビ行列Ｊ１０と共に、把持安定性指標の時間微分の演算処理部１３２ｃに代入され、移動指１０の把持安定性寄与度の時間微分Ｑ’ｋｏが算出される。
【数１４】
2019010713.tif 000016
【０１１８】
算出された２つの把持品質寄与度の時間微分Ｑ’ｋｏとＱ’ｋｈが、把持品質指標の時間微分の合計演算処理部１３２ｄに入力され、移動指１０の把持品質寄与度の時間微分Ｑ’ｋが求められる。当該Ｑ’ｋは下記式（１５）を用いても算出できる。
【数１５】
2019010713.tif 000017
【０１１９】
前記接触法線ベクトルｎｋの求め方として、物体Ｏの３次元形状データを制御部６０に教示せずに、第４機能部１４０により前記接触法線ベクトルｎｋを推定することもできる。第４機能部については後述する。また、前記把持品質寄与度の時間微分Ｑ’ｋは、前記把持安定性寄与度の時間微分Ｑ’ｋｏと、前記把持可操作性寄与度の時間微分Ｑ’ｋｈとを線形結合して算出することができる。例えば、それぞれ異なる重み係数を掛けた後に和演算を行って算出することができる。
【０１２０】
図１０の機能ブロック図は、第４機能部１４０の実現方法の一例を示す。
指関節の角度センサが検出した現在の関節角度ｑがハンドヤコビ行列の演算処理部１４１に入力され、ハンドヤコビ行列Ｊが算出される。算出されたＪは、触覚センサ１４，２４，３４，４４が検出した各接触点の位置ｐと各接触点での圧力ｆａｃｔ、または指１０，２０，３０，４０の外形情報と共に、触覚センサ情報および指外形情報による接触法線ベクトル推定の演算処理部１４２に入力され、物体Ｏと各指１０，２０，３０，４０との接触法線ベクトルｎ１０, ｎ２０, ｎ３０, ｎ４０がそれぞれ算出される。
【０１２１】
触覚センサ情報および指外形情報による接触法線ベクトル推定の演算処理部１４２における具体的な推定方法を図１５に示す。なお、図１５は理解が容易である２次元の図で示しているが、本推定３次元においても有効である。
指の表面や把持対象物の表面が軟らかい場合は、把持物と接触する時は完全な１点接触ではなく、指の表面に多少の変形が発生して、複数点又は面で接触することになる。
【０１２２】
一例として、指１０に実装する圧力分布型触覚センサ１４により、圧力がゼロより大きな値を持つところが３点検出され、接触位置ｐ１１に圧力ｆ１１、接触位置ｐ１２に圧力ｆ１２、接触位置ｐ１３に圧力ｆ１３が検出された場合について説明する。この場合は、接触位置ｐ１１、ｐ１２、ｐ１３は触覚センサ１４にある座標系の原点から見た位置ベクトルであり、その平均位置ベクトルｐ１を接触位置として算出する。
【０１２３】
また、指１０の外形データを利用して、ｆ１１、ｆ１２、ｆ１３のそれぞれの圧力の方向を算出し、触覚センサ１４が検出した圧力の大きさと組み合わせて、圧力ベクトルｆ１１、ｆ１２、ｆ１３を算出し、その平均圧力ベクトルｆ１を圧力ベクトルとして算出する。圧力ベクトルの方向に沿う方向の単位ベクトルは、求めたい接触法線ベクトルｎ１０である。接触位置は、算出したｐ１位置ベクトルである。
【０１２４】
なお、本手法は、３点接触に限定されず、複数点（２点以上）接触の場合において有効である。また、指１０，２０，３０，４０の表面が硬い場合、把持対象物の表面も硬い場合等には、接触点が１点となる時がある。この時、ベクトルの平均計算を行わず、触覚センサ１４が出力する１点の接触位置そのものがｐ１となり、触覚センサ１４が出力する１点の圧力の大きさそのものがｆ１の大きさとなり、前記と同様な方法により、指１０の外形データを利用してｎ１０が算出され、ｆ１の方向はｎ１０の方向と同じとなる。これにより、接触点の数に限定されずに、接触法線ベクトルｎkを推定することができる。なお、例えば、推定した接触法線ベクトルと直角な方向（即ち、接触接線方向）が局部的な物体Ｏの表面形状であると推定し、接触法線ベクトルを連続的に推定することにより、接触接線方向に移動指を動かし、移動指を物体Ｏから離さないようにすることも可能である。
【０１２５】
図１１の機能ブロック図は、第５機能部１５０の実現方法の一例を示す。
第５機能部は、第２機能部（物体運動のマニピュレーションコントローラ）の代わりに使用される機能部である。第５機能部では、物体Ｏの重力、形状、慣性イナーシャのモデル誤差、または予想しない外力が存在する場合は、物体Ｏの重力、形状のモデル誤差と外力を外乱として扱い、物体Ｏの慣性イナーシャを不確定要素として扱い、その影響を受けてもロバスト制御を行って物体Ｏを目標位置姿勢に追随させることを行う。
【０１２６】
物体の目標位置姿勢ｒと、センサノイズｎが存在している出力ｙ（例えば視覚センサを用いて識別した物体Ｏの現在位置姿勢）との情報により、物体Ｏの目標位置姿勢の追従誤差ｅを算出し、算出された追従誤差ｅが、入力ｕを算出するためのロバストコントローラの演算処理部１５１に入力され、入力ｕが算出される。算出されたｕに外乱ｕｄｉｓが加わったものが、フィードバック線形化の演算処理部１５２に入力され、フィードバック線形化が行われるような目標接触力Ｆｄｅｓが算出される。
【０１２７】
前記算出された目標接触力Ｆｄｅｓが、物体Ｏの目標位置姿勢の実現のための指動作制御の演算処理部１５３に入力され、物体Ｏを目標位置姿勢に追従させるために必要な関節目標トルクＴｄｅｓが算出される。このような目標トルクをトルク指令として第５機能部１５０がハンド１の各指関節のモータに提供することにより、ハンド１が動き、ハンド１の指１０，２０，３０，４０と物体Ｏとの接触が発生（または変化）する。
【０１２８】
ハンド１の指１０，２０，３０，４０の動きにより生じる接触力を受けて物体Ｏが動き、その位置姿勢が変化する。物体の現在位置姿勢を各種センサ（例えば、３次元の視覚センサ）による認識情報を用いて取得し、センサノイズｎが加わったものをフィードバックさせる。これにより、物体Ｏの目標位置姿勢の追従誤差ｅを更新して、ロバスト制御を繰り返していき、外乱と不確実要素が存在しても、物体Ｏを目標位置姿勢に追従させる。
【０１２９】
前記把持安定性評価値Ｑｏは、以下のように定義することもできる。各指と物体Ｏの全ての接触位置（接触点）を頂点とする多角形または多面体（例えば、３点接触の場合は、その３つの接触点を頂点とする三角形であり、同じ平面内に存在しないような４点で接触する場合は、その４つの接触点を頂点とする四面体である）の中心から、物体Ｏの重心までの距離ｄ１に−１を乗じて把持安定性評価値Ｑｏとして定義する。このように定義したＱｏが大きいほど、前記多角形または多面体の中心と前記物体Ｏの重心の位置ズレが小さく、物体Ｏを落としにくくて把持安定性が高いと判断する。
【０１３０】
前記把持安定性評価値Ｑｏの定義を利用して、一例として、４本指を有するハンドのそれぞれの指が物体Ｏと１つの接触位置で接触している場合、各指の把持安定性寄与度Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０の計算方法を説明する。例えば、指１０の把持安定性寄与度Ｑｏ１０は、当該指１０を除き、残りの指２０，３０，４０の接触位置（接触点）を頂点とする三角形の中心から、物体Ｏの重心までの距離ｄ１０に−１を乗じて把持安定性評価値Ｑｏ１０として算出する。Ｑｏ１０＝−ｄ１０となる。同様に、Ｑｏ２０＝−ｄ２０，Ｑｏ３０＝−ｄ３０，Ｑｏ４０＝−ｄ４０となる。Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０の中の最小値に対応する指を移動指とする。
【０１３１】
前記把持安定性評価値Ｑｏは、以下のように定義することもできる。各指と物体Ｏの複数接触位置において、それぞれ接触位置での前記力円錐状空間、前記モーメント円錐状空間を全て含む前記最小凸包の中心から、物体Ｏの重心までの距離ｄ２に−１を乗じて把持安定性評価値Ｑｏとして定義する。このように定義したＱｏが大きいほど、前記最小凸包の中心と前記物体Ｏの重心の位置ズレが小さく、物体Ｏを落としにくくて把持安定性が高いと判断する。
【０１３２】
前記把持安定性評価値Ｑｏの定義を利用して、一例として、４本指を有するハンドのそれぞれの指が物体Ｏと１つの接触位置で接触している場合、各指の把持安定性寄与度Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０の計算方法を説明する。例えば、指１０の把持安定性寄与度Ｑｏ１０は、当該指１０を除き、残りの指２０，３０，４０のそれぞれの接触位置での力円錐状空間、モーメント円錐状空間を全て含む最小凸包の中心から、物体Ｏの重心までの距離ｄ１０２を把持安定性評価値Ｑｏ１０として算出する。Ｑｏ１０＝ｄ１０２となる。同様に、Ｑｏ２０＝ｄ２０２，Ｑｏ３０＝ｄ３０２，Ｑｏ４０＝ｄ４０２となる。Ｑｏ１０，Ｑｏ２０，Ｑｏ３０，Ｑｏ４０の中の最小値に対応する指を移動指とする。
【０１３３】
本実施形態では、把持安定性指標の演算処理部１１１、把持可操作性指標の演算処理部１１２、および把持品質の合計演算処理部１１３が、把持品質評価手段として機能し、このうち、把持可操作性指標の演算処理部１１２が把持可操作性評価手段として機能し、移動指の決定部１３１が移動指決定手段として機能し、第２機能部１２０、第３機能部１３０、および第５機能部が指移動制御手段として機能し、物体検出手段は視覚センサ４５の検出結果を用いて物体Ｏの位置姿勢を検出するものである。このような対応があるものとして、以下説明する。
【０１３４】
本実施形態は、複数の指を用いて物体Ｏを把持するハンド１を制御するハンド制御装置であって、前記複数の指のうち前記物体Ｏを支持している指が前記物体に接触している複数の接触位置の各々に関して、前記物体Ｏの安定把持に対する寄与度を示す把持品質寄与度を求める把持品質評価手段と、前記把持品質寄与度が低い前記接触位置に対応する前記指を移動指として決定する移動指決定手段と、前記移動指として決定された前記指が前記物体に対して移動するように指の駆動手段である各モータに制御指令を送る指移動制御手段とを備え、前記複数の接触位置の前記把持品質寄与度が、前記複数の接触位置の前記物体Ｏに対する相対位置および前記複数の接触位置の各々における前記指と前記物体Ｏとの間の摩擦係数のうち少なくとも１つを用いて定義されるものである。
【０１３５】
なお、「前記複数の指のうち前記物体Ｏを支持している指が前記物体に接触している複数の接触位置」とは、ハンド１に５本の指が設けられていて、そのうち４本が物体Ｏに接触して物体Ｏを把持し、残り１本の指が物体Ｏの把持に利用されていない場合、当該４本の指が物体Ｏに接触している４つの接触位置を指す。
また、「前記把持品質寄与度が低い前記接触位置に対応する前記指を移動指として決定する」は、把持品質寄与度が低い１つの接触位置に対応する１本の指を移動指として決定することだけではなく、５本の指を使っている場合等に把持品質寄与度が低い２つの接触位置に対応する２本の指を移動指として決定する場合も含む。
【０１３６】
この構成によれば、複数の接触位置の各々の把持品質寄与度を導入し、把持品質寄与度が低い接触位置に対応する指を移動指として決定することで、把持安定性への寄与度が低い接触位置を変えてもよい接触位置に対応する指を移動指として決定する。移動指（例えば指１０）の把持品質寄与度Ｑ１０は他の指の把持品質寄与度Ｑ２０，Ｑ３０，Ｑ４０より低い場合、移動指１０を物体Ｏから離したり、移動指１０から物体Ｏに与える接触力が低下した場合でも、物体Ｏの把持安定性の大幅な低下による物体落下の発生の可能性が低い。また、移動指１０を例えば把持品質寄与度Ｑ１０が高くなる接触位置に移動することにより、物体Ｏの把持安定性を向上させることができる。
【０１３７】
本実施形態は、前記把持品質評価手段が、前記複数の接触位置に対応する前記複数の指による前記物体Ｏの安定把持の定量評価を示す把持品質評価値Ｑも求めるように構成され、前記指移動決定手段が、前記把持品質評価値Ｑが所定の閾値Ｑｌｉｍを下回る場合に、前記把持品質寄与度が低い前記接触位置に対応する前記指を移動指として決定するように構成され、前記指移動制御手段による指移動制御は、前記把持品質評価値Ｑが前記閾値Ｑｌｉｍを下回る場合に実行されるように構成され、前記把持品質評価値Ｑが、前記複数の接触位置の前記物体Ｏに対する相対位置および前記複数の接触位置の各々における前記指と前記物体との間の摩擦係数のうち少なくとも１つを用いて定義されるものである。
【０１３８】
この構成により、物体Ｏの把持安定性を定量的に示す把持品質評価値Ｑが所定の閾値Ｑｌｉｍを下回る場合にのみ、移動指の決定が行われ当該指が移動されるので、不必要に指を動かすことによる物体Ｏの把持安定性の低下を防止することができる。
【０１３９】
本実施形態は、前記指移動制御手段が、前記駆動手段の駆動量又は駆動速度の目標値を得る最適化問題処理を行うように構成され、該最適化問題処理は、前記移動指として決定された前記指を前記把持品質評価値Ｑが大きくなる方向に移動させるような前記目標値を得るものである。
また本実施形態は、前記構成において、前記最適化問題処理は、前記把持品質評価値Ｑの１階時間微分Ｑ’を目的関数とし、前記目的関数が最大となるように、前記移動指として決定された前記指の関節を駆動するモータの前記駆動速度の目標値を得るものである。
【０１４０】
前記把持品質評価値Ｑを大きくするために、該把持品質評価値Ｑそのものを目的関数として最大化すると、二次の非線形な最適化問題を解くことになり、必要な計算処理時間が長くなってしまうが、把持品質評価値Ｑの１階時間微分Ｑ’を目的関数として最大化することにより、二次形式を含まない線形な最適化問題とすることが可能となる。このため、計算処理時間が短くなり、把持品質評価値Ｑが大きくなるように移動指の関節速度の目標値を最適に決定することをリアルタイムに実現する上で極めて有利である。また、把持品質評価値Ｑの１階時間微分Ｑ’を最大化することで、把持品質評価値Ｑの増加量が最大となり、その結果、把持品質評価値Ｑは最大限に増加されるので、把持品質評価値Ｑそのものを最大化すると同じ効果がある。
【０１４１】
本実施形態では、前記把持品質評価値Ｑおよび、前記各接触位置の前記把持品質寄与度Ｑ１０，Ｑ２０，Ｑ３０，Ｑ４０が、前記複数の接触位置でそれぞれ生ずる接触力も用いて定義されるものである。
【０１４２】
本実施形態では、前記指移動制御手段が、前記移動指として決定された前記指が前記物体Ｏに接触した状態で前記物体Ｏの表面に沿って移動するように前記駆動手段に前記制御指令を送るように構成されてる。
物体の持ち替え動作を行う際に、一部の指を物体Ｏから離して移動した後に再接触させる場合は、物体Ｏから指を離す瞬間に残りの指で物体Ｏを安定把持できずに、物体Ｏを落としてしまう可能性がある。指総数が少なければ少ないほど、そのリスクは高い。本発明は、移動指を物体に常に接触させながら物体の表面に沿って移動させるような制御則も加えることで、このリスクをなくす又は低減する。
【０１４３】
この構成では、把持安定性を向上させるために移動指を動かす時、指が常に物体Ｏの表面から離れることがないように指を動かしている。例えば、ゼロよりやや大きな正圧力を物体Ｏに加えながら、物体Ｏとの接触接線方向への指速度を生成するような目標関節速度で指を動かす。このため、物体Ｏとの接触の一部を一旦失うことで物体Ｏを落としてしまう状況を回避することが可能となる。
【０１４４】
本実施形態では、前記接触位置が４つ存在する場合は、前記把持品質評価手段が、前記各接触位置について、当該接触位置以外の前記接触位置を通過する平面上に当該接触位置を投影した点を定義し、当該接触位置以外の前記接触位置と前記点とにより形成される四角形の面積を当該接触位置での前記把持品質寄与度として求め、求められた前記四角形の面積の最小値を前記把持品質評価値Ｑとして求めるように構成され、前記移動指決定手段が、前記四角形の面積が小さい前記接触位置での前記把持品質寄与度が低いと判断するように構成されている。
【０１４５】
この構成では、例えば複数の接触位置の相対位置だけで、把持品質評価値および各接触位置の把持品質寄与度を求めることができるので、算出速度を向上することができ、把持品質評価値および各接触位置の把持品質寄与度の算出をリアルタイムに実現する上で極めて有利である。
【０１４６】
本実施形態では、前記把持品質評価手段が、前記複数の接触位置の各々について、その接触位置において前記指を滑らせないような接触力のベクトルの集合を含む力円錐状空間を求めると共に、求められた前記力円錐状空間を用いて前記複数の接触位置の各々に関する前記把持品質寄与度を求めるように構成されている。
【０１４７】
また、本実施形態では、前記把持品質評価手段が、前記複数の接触位置の各々について、その接触位置において前記指を滑らせないような接触力のベクトルの集合を含む力円錐状空間を求めると共に、求められた前記力円錐状空間を用いて前記把持品質評価値を求めるように構成されている。
【０１４８】
この構成では、力円錐状空間はその接触位置において指を滑らせないような接触力のベクトル集合を含み、複数の接触位置の力円錐状空間に基づき把持品質寄与度が低い接触位置の特定をすることが可能となり、また、各接触位置での力と摩擦係数を把持安定性評価に盛り込んだ上でその寄与度を判定しているため、当該判定結果による当該特定の精度を向上する上で有利である。また、このような構成より、ハンド１と物体Ｏの接触点は何点あっても、把持品質寄与度の判定結果による当該特定はできるので、汎用性が高い。
【０１４９】
本実施形態では、前記把持品質評価手段が、前記複数の接触位置の各々について、その接触位置において前記指を滑らせないような接触力の集合により生じる前記物体の重心周りのモーメントの集合を含むモーメント円錐状空間を求めると共に、求められた前記モーメント円錐状空間を用いて前記把持品質評価値、または、前記複数の接触位置の各々に関する前記把持品質寄与度を求めるように構成されている。
【０１５０】
また、本実施形態では、記指を滑らせないような接触力の集合により生じる前記物体Ｏの重心周りのモーメントの集合を含むモーメント円錐状空間を求めると共に、求められた前記モーメント円錐状空間を用いて前記把持品質評価値を求めるように構成されている。
【０１５１】
この構成では、モーメント円錐状空間はその接触位置において指を滑らせないような接触力により生じる物体の重心周りのモーメントの集合を含み、複数の接触位置のモーメント円錐状空間に基づき把持品質寄与度が低い接触位置の特定をすることが可能となるので、各接触位置での力とモーメント、摩擦係数を把持安定性評価に盛り込んだ上でその寄与度を判定しているため、当該判定結果による当該特定の精度を向上する上で有利である。また、このような構成より、ハンド１と物体Ｏの接触点は何点があっても、把持品質寄与度の判定結果による当該特定はできるので、汎用性が高い。
【０１５２】
本実施形態では、前記把持品質評価手段が、前記各接触位置について、当該接触位置以外の前記接触位置の前記力円錐状空間と前記モーメント円錐状空間のうち少なくとも１種類を用いて当該接触位置の前記把持品質寄与度を求めるように構成されている。
【０１５３】
当該接触位置以外の接触位置は、移動指を移動する時に移動しない指と物体Ｏとの接触が維持される接触位置であるから、このように求められた把持品質寄与度は、当該接触位置の指を離した後、又は、当該接触位置の指の接触力が低下した後の物体Ｏの安定把持状態を推定できるものとなる。このような観点から定義される把持品質寄与度を採用することにより、移動指の特定をより正確に行うことが可能となり、物体Ｏの把持安定性を最大限に向上する上で極めて有利である。
【０１５４】
本実施形態では、前記把持品質評価手段が、前記複数の接触位置の各々について、その接触位置において前記指を滑らせないような接触力の集合により生じる前記物体の重心周りのモーメントの集合を含むモーメント円錐状空間を求め、前記把持品質評価手段がさらに、前記各接触位置について、当該接触位置以外の前記接触位置の前記力円錐状空間および前記モーメント円錐状空間が全て含まれる最小凸空間を定義し、該凸空間のボリュームと、該凸空間の境界と前記物体Ｏの重心Ｇとの最短距離との少なくとも一方を用いて、当該接触位置の前記把持品質寄与度を求めるように構成されている。
【０１５５】
当該接触位置以外の接触位置は、移動指の移動動作に影響されずに変化しないような接触位置であるから、このように定義された最小凸空間を用いた把持品質寄与度は、当該接触位置の指を離した後、又は、当該接触位置の指の接触力が低下した後の物体Ｏの安定把持状態を推定できるものとなる。このような観点から定義される把持品質寄与度を採用することにより、移動指の特定をより正確に行うことが可能となり、物体Ｏの把持安定性を最大限に向上する上で極めて有利である。
【０１５６】
本実施形態では、前記各指について、該指の可動範囲、又は、ある方向へ指速度を出せないような指の特異姿勢に対する該指の現在の位置を示す把持可操作性評価値を求める把持可操作性評価手段を備え、前記把持品質評価手段が、前記各指の前記把持可操作性評価値も用いて前記把持品質寄与度または前記把持品質評価値を求めるように構成されている。
【０１５７】
把持可操作性評価値を導入することにより、物体Ｏが落ちにくく安定に把持されているか否かだけではなく、各指のメカ構造の制限（関節は両方向へ無限に回転できなく可動範囲が存在していること、または、構造的に指の特異姿勢が存在していること）により、各指が物体Ｏを目標位置姿勢に向かって操作していくうちに、物体Ｏを操作できないような位置または特異姿勢に近付いているか否か、どれだけ離れているかも定量評価することができるようになる。
例えば、各指関節の動作リミット位置に到達する前に、各指関節がその動作中央位置に戻るように把持可操作性評価値を最大化すると、各指がその関節動作リミットまたは指の特異姿勢の存在に制限されずに、物体Ｏを目標位置姿勢に向かってマニピュレーションする際に、動作リミットまたは特異姿勢に到達して物体Ｏの目標位置姿勢を実現できずにその位置で止まってしまい、または、その位置で関節のモータが発振してしまうような不利な状況が発生しなくなる。
【０１５８】
本実施形態では、前記物体Ｏの位置および姿勢を検出する物体検出手段を備え、前記各指が圧力分布センサを有するものであり、コンピュータが、前記圧力分布センサの検出結果と前記物体検出手段による検出結果とに基づき、前記複数の接触位置の前記物体に対する相対位置を検出するように構成されている。
この構成では、複数の接触位置の前記物体Ｏに対する相対位置を求めるために物体Ｏの３次元形状を教示する必要が無くなり、様々な物体Ｏの把持への適応性が高く、教示にかかる時間をなくして全体の作業時間を短縮し、作業効率と操作しやすさを向上する上で有利である。
【０１５９】
本実施形態では、前記各指が圧力分布センサを有するものであり、コンピュータが、前記圧力分布センサの検出結果に基づき、前記各指について前記接触位置における前記物体Ｏとの接触法線方向を推定するように構成されている。
この構成では、各接触位置での接触法線方向を求めるために物体Ｏの３次元形状を教示する必要が無くなり、様々な物体Ｏの把持への適応性が高く、教示にかかる時間をなくして全体の作業時間を短縮し、作業効率と操作しやすさを向上する上で有利である。
【０１６０】
本実施形態では、前記圧力分布センサの検出結果に基づき前記接触位置における前記物体Ｏの表面形状を推定する物体形状推定手段を備えている。
この構成では、把持する物体Ｏの表面形状を推定するために物体の３次元形状を教示する必要が無くなり、様々な物体Ｏの把持への適応性が高く、教示にかかる時間をなくして全体の作業時間を短縮し、作業効率と操作しやすさを向上する上で有利である。
【０１６１】
本実施形態では、前記指移動制御手段が、前記物体形状推定手段により推定された前記表面形状に基づき、前記移動指として決定された前記指が前記物体Ｏから離れないように前記物体Ｏの表面に沿って移動するように、前記制御指令を前記駆動手段に送るように構成されている。
この場合、移動指を物体Ｏの表面に沿って移動させるために物体Ｏの３次元形状を教示する必要が無くなり、様々な物体の把持への適応性が高く、教示にかかる時間をなくして全体の作業時間を短縮し、作業効率と操作しやすさを向上する上で有利である。
【０１６２】
本実施形態では、前記指移動制御手段が、前記物体Ｏに加わる重力および慣性力を補償しながら、前記ハンド１に対する前記物体Ｏの位置姿勢を目標値に追従させる制御指令を前記駆動手段に送るように構成されている。
物体を落としやすい方向に物体の重力方向が向いているような把持姿勢の場合、または、予想しない外力を受けて物体が動いてしまい、物体の慣性力が無視できない値になる場合に対して、物体の重力や慣性力を補償せずに持ち替え動作を行っていると、物体Ｏを落としてしまう問題点がある。また、物体Ｏのダイナミックスを考慮しないまま持ち替え動作を行っても、指定された目標位置姿勢に追従させる制御が行われず、指定された物体Ｏの目標位置姿勢まで物体Ｏをマニピュレーションすることができない問題点がある。
前述の構成では、物体Ｏのダイナミックスと重力を考慮してあり、物体Ｏの慣性力および重力を常に補償している。
【０１６３】
本実施形態では、前記指移動制御手段が、前記物体Ｏの慣性イナーシャのモデル誤差を不確実要素として扱い、前記物体Ｏの重力や形状、および前記物体Ｏに前記指以外から加わる外力を外乱として扱い、前記ハンド１に対する前記物体Ｏの位置姿勢を目標値に追従させる制御指令をロバスト制御手法より生成するように構成されている。
ハンド１による物体Ｏの持ち替え動作（ハンド内マニピュレーション）制御技術を実用化していくうちに、様々な問題に遭遇して目標通りに実現できない場合がある。例えば、重さも形状も近い複数のリンゴを同じハンド１で把持する場合、これらのリンゴの重力や形状、慣性イナーシャのバラツキが存在しているので、モデルとの誤差の存在により、一つ一つのリンゴが制御則通りに動かない問題が発生してしまう。または、様々な物体Ｏが積み上げている状態の中から１つの物体を取り出す時に、隣の物体Ｏが崩れて落ちてきて、その力を受けた場合、動作制御中に予想しない外力を受けることになるので、物体Ｏの目標位置姿勢に到達できない問題が発生してしまう。
前述の構成では、ロバスト制御を行って、これらのモデル誤差や予想しない外力が存在しても、目標の位置姿勢までに物体Ｏをマニピュレーションできるようにして、実用化に際して遭遇する可能性が高い問題を解決する。
【０１６４】
なお、本実施形態のハンド制御装置に関する上記全ての説明における、把持品質評価手段、移動指決定手段、指移動制御手段、把持可操作性評価手段、物体検出手段、および物体形状推定手段が行う動作、又は行うことができる動作は、コンピュータを使って処理又は実行することができる。つまり、本実施形態の前記全てのハンド制御装置は、その各手段が行っている処理又は行うことが可能な処理を実行する方法として定義することもできる。
【０１６５】
また、本実施形態の前記全てのハンド制御装置は、例えばシミュレーション装置に設定されたハンドのモデルが本実施形態のハンド１であるとして、本実施形態の前記全てのハンド制御装置の各手段が行っている処理又は行うことが可能な処理のシミュレーションを行うことができる。即ち、本実施形態の前記全てのハンド制御装置は、その各手段が行っている処理又は行うことが可能な処理を実行するシミュレーション装置として定義することもできる。
【０１６６】
また、前記ハンド制御装置を備えたハンド（ハンド装置）１も、本実施形態の前記全てのハンド制御装置の前記作用および効果を達成できるものであり、当該ハンド１を備えたロボットも本実施形態の前記全てのハンド制御装置の前記作用および効果を達成できるものである。
【０１６７】
従来は把持物を所望の位置姿勢にするために、把持した物体を一度仮置き台の上に置き、把持し直すようにした。それでは高速な動作ができない、また、仮置き台の設計製造にコストと工数もかかり、仮置き動作の教示も必要など、様々な問題点があった。本実施形態のハンド内マニピュレーション制御を行うことで、高速な動作、作業時間の短縮とコストカット、教示工数の最小化を実現し、産業界においての生産性向上に貢献する。
【符号の説明】
【０１６８】
１  ハンド
１０，２０，３０，４０  指
６０  制御部
１１０  第１機能部
１１１  把持安定性指標の演算処理部
１１２  把持可操作性指標の演算処理部
１１３  把持品質指標の合計演算処理部
１２０  第２機能部
１２１  インピーダンス制御の演算処理部
１２２  接触力の演算処理部
１２３  指把持力の最適化演算処理部
１２４  ハンドヤコビ行列の演算処理部
１２５  指関節トルクの演算処理部
１３０  第３機能部
１３１  移動指の決定部
１３２  把持品質指標の時間微分の演算処理部
１３２ａ  把持可操作性指標の時間微分の演算処理部
１３２ｂ  ハンドヤコビ行列の演算処理部
１３２ｃ  把持安定性指標の時間微分の演算処理部
１３２ｄ  把持品質指標の時間微分の演算処理部
１３３  把持品質指標の時間微分の最適化演算処理部
１３４  指関節トルクの演算処理部
１４０  第４機能部
１４１  ハンドヤコビ行列の演算処理部
１４２  接触法線ベクトル推定の演算処理部
１５０  第５機能部
１５１  ロバストコントローラの演算処理部
１５２  フィードバック線形化の演算処理部
１５３  指動作制御の演算処理部
Ｏ  物体
【図１】
2019010713.tif 000018
【図２】
2019010713.tif 000019
【図３】
2019010713.tif 000020
【図４】
2019010713.tif 000021
【図５】
2019010713.tif 000022
【図６】
2019010713.tif 000023
【図７】
2019010713.tif 000024
【図８】
2019010713.tif 000025
【図９】
2019010713.tif 000026
【図１０】
2019010713.tif 000027
【図１１】
2019010713.tif 000028
【図１２】
2019010713.tif 000029
【図１３】
2019010713.tif 000030
【図１４】
2019010713.tif 000031
【図１５】
2019010713.tif 000032