(57)【要約】【課題】ロボットハンドの大型化を回避しつつ、ロボットハンドの指にかかる複数の方向の力を検出する。【解決手段】ロボットハンドは、指部と、指部に取り付けられた光センサと、光センサに接続された制御装置（ＥＣＵ）とを備える。光センサは、指部の可動方向αに並べて指部に取り付けられた一対の送受光部と反射部との距離を検出可能に構成される。反射部は、送受光部の光源と対向する中心部分と、中心部分の外側に形成された環状の凹部とを含む。ＥＣＵは、送受光部と反射部との距離の検出値に応じて指部にかかる可動方向αの力を検出することに加えて、距離の検出値が不連続的に変化したか否か（反射面における検出光の反射位置が中心部分から凹部に変化したか否か）に基づいて指部にかかる突き指方向βの力を検出する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
指部を備えるロボットハンドであって、
第１方向に並べて前記指部に取り付けられた一対の送受光部および反射部を含んで構成され、前記送受光部と前記反射部との距離を検出可能な光センサ部と、
前記光センサ部の前記送受光部と前記反射部との検出距離に基づいて前記指部にかかる前記第１方向の力を検出する検出部とを備え、
前記反射部は、前記送受光部の光源と対向する中心部分と、前記中心部分の外側に環状に形成された環状部分とを有し、
前記検出部は、前記指部にかかる前記第１方向の力を検出することに加えて、前記環状部分での反射を検出したか否かに基づいて前記指部にかかる前記第１方向とは異なる第２方向の力を検出する、ロボットハンド。
【請求項２】
前記環状部分は、前記中心部分に対して段差を有する段差部を含み、
前記検出部は、前記段差部での反射によって前記検出距離が離散的に変化した場合に、前記第２方向の力が所定値を超えたと判定する、請求項１に記載のロボットハンド。
【請求項３】
前記環状部分は、前記中心部分に対して異なる色を有する変色部を含み、
前記検出部は、前記変色部での反射によって前記送受光部が受ける光の強度または波長が離散的に変化した場合に、前記第２方向の力が所定値を超えたと判定する、請求項１に記載のロボットハンド。
【請求項４】
前記環状部分は、前記中心部分に対して段差もしくは異なる色を有する第１領域と、前記中心部分および前記第１領域に対して段差もしくは異なる色を有する第２領域とを含み、
前記検出部は、前記送受光部の受光状態が前記中心部分に対応する状態から前記第１領域に対応する状態に変化した場合に前記中心部分と前記第１領域とを結ぶ方向の力が生じたと判定し、前記送受光部の受光状態が前記中心部分に対応する状態から前記第２領域に対応する状態に変化した場合に前記中心部分と前記第２領域とを結ぶ方向の力が生じたと判定する、請求項１に記載のロボットハンド。
【請求項５】
前記環状部分は、同心円状に所定間隔を隔てて複数設けられる、請求項１〜４のいずれかに記載のロボットハンド。
【請求項６】
前記第１方向は、前記指部の回動方向に沿う方向であり、
前記第２方向は、前記指部の長手方向の軸心に沿う方向である、請求項１〜５のいずれかに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、ロボットハンドの指にかかる外力を検出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
アームを備えるロボットにおいて、アームのたわみ（歪み）を光センサを用いて検出する技術が、たとえば特開平５−３０２８１７号公報（特許文献１）に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−３０２８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、複数の指を備えるロボットハンドで物体を把持する場合には、各指には様々な方向からの外力がかかるため、それら外力を適切に検出してロボットハンドの動作を制御する必要がある。しかしながら、複数方向の外力を特許文献１に開示された光センサにより検出しようとすると、同様の光センサを複数備える必要があり、ロボットハンドの指が大型化してしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ロボットハンドの大型化を回避しつつ、ロボットハンドの指にかかる複数の方向の力を検出することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るロボットハンドは、指部を備える。このロボットハンドは、第１方向に並べて指部に取り付けられた一対の送受光部および反射部を含んで構成され、送受光部と反射部との距離を検出可能な光センサ部と、光センサ部の送受光部と反射部との検出距離に基づいて指部にかかる第１方向の力を検出する検出部とを備える。反射部は、送受光部の光源と対向する中心部分と、中心部分の外側に環状に形成された環状部分とを有する。検出部は、指部にかかる第１方向の力を検出することに加えて、環状部分での反射を検出したか否かに基づいて指部にかかる第１方向とは異なる第２方向の力を検出する。
【０００７】
好ましくは、環状部分は、中心部分に対して段差を有する段差部を含む。検出部は、段差部での反射によって検出距離が離散的に変化した場合に、第２方向の力が所定値を超えたと判定する。
【０００８】
好ましくは、環状部分は、中心部分に対して異なる色を有する変色部を含む。検出部は、変色部での反射によって送受光部が受ける光の強度または波長が離散的に変化した場合に、第２方向の力が所定値を超えたと判定する。
【０００９】
好ましくは、環状部分は、中心部分に対して段差もしくは異なる色を有する第１領域と、中心部分および第１領域に対して段差もしくは異なる色を有する第２領域とを含む。検出部は、送受光部の受光状態が中心部分に対応する状態から第１領域に対応する状態に変化した場合に中心部分と第１領域とを結ぶ方向の力が生じたと判定し、送受光部の受光状態が中心部分に対応する状態から第２領域に対応する状態に変化した場合に中心部分と第２領域とを結ぶ方向の力が生じたと判定する。
【００１０】
好ましくは、環状部分は、同心円状に所定間隔を隔てて複数設けられる。
好ましくは、第１方向は、指部の回動方向に沿う方向である。第２方向は、指部の長手方向の軸心に沿う方向である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、指部に１つの光センサ部を取り付けることによって指部にかかる第１方向の力と第２方向の力とを検出することができる。そのため、ロボットハンドの大型化を回避しつつ、ロボットハンドの指にかかる複数の方向の力を検出することができる。
ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ロボットハンドの構成を模式的に示す図である。
【図２】光センサの構成を模式的に示す図である。
【図３】反射部の反射面を送受光部側から見た図である。
【図４】指部の可動方向αの力を検出する手法を説明するための図である。
【図５】指部の突き指方向βの力を検出する手法を説明するための図である。
【図６】反射部の反射面の変形例を示す図（その１）である。
【図７】反射部の反射面の変形例を示す図（その２）である。
【図８】光センサの変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
【００１４】
図１は、本実施の形態によるロボットハンド１の構成を模式的に示す図である。なお、図１に示すロボットハンド１の構成は、あくまで例示であってこれに限定されるものではない。
【００１５】
ロボットハンド１は、対象物２を把持するためのハンド部１０と、ハンド部１０が対象物２を把持可能な位置にハンド部１０を移動させて支持するためのアーム部４０とを含む。
【００１６】
ハンド部１０は、２本の指部２０と、２本の指部２０が所定距離を隔てて固定されるベース部３０とを含む。ベース部３０は、アーム部４０に支持される。
【００１７】
各指部２０は、指先部２１と、関節部２２と、指元部２３とを含む。指元部２３の一端はベース部３０に接続され、指元部２３の他端は関節部２２を介して指先部２１に接続される。
【００１８】
関節部２２は、指先部２１と指元部２３との間に設けられ、指先部２１を指元部２３に対して可動方向α（指元部２３の長手方向の軸心に略直交する方向）に回動可能に支持する。関節部２２は、指先部２１を可動方向αに回動させるためのアクチュエータ（たとえば超音波モータ）を備えて構成される。なお、指元部２３がベース部３０に対して回動可能となるように、指元部２３とベース部３０との間にも関節部２２と同様の関節部を設けるようにしてもよい。
【００１９】
ロボットハンド１を用いて対象物２を把持しようとする場合、まず、ハンド部１０を対象物２を把持可能な位置に移動させ、その後、対象物２に向けてハンド部１０を降下させるようにアーム部４０が駆動される。その後、指先部２１を可動方向αに回動させて対象物２を把持するように各指部２０の関節部２２のアクチュエータが駆動される。
【００２０】
この際、対象物２を落下させたり破損させたりすることを防止するためには、指先部２１が可動方向αに対象物２を把持する力（以下、単に「可動方向αの力」ともいう）を検出することが望ましい。
【００２１】
また、対象物２に向けてハンド部１０を移動させているときに、指先部２１が障害物に衝突すると、指部２０には、たとえば突き指方向β（指元部２３の長手方向の軸心に沿う方向）に大きな力がかかる。このように突き指方向βに大きな力がかかることによって指部２０が破損するおそれがある。そのため、可動方向αの力（対象物２の把持力）に加えて、突き指方向βの力も検出することが望ましい。
【００２２】
ところが、仮に可動方向αの力を検出するセンサと突き指方向βの力を検出するセンサとをそれぞれ別々に指部２０に設けると、指部２０が大型化してしまう。すなわち、指部２０の全長が長くなったり指部２０の幅が太くなったりしてしまい、小さい対象物２を把持できなくなることが懸念される。また、可動部付近に多数の配線が設けられることとなり、指部２０の円滑な動作に支障をきたすおそれがある。
【００２３】
そこで、本実施の形態においては、１つの指部２０に１つの光センサ６０を取り付け、この１つの光センサ６０の出力に基づいて可動方向αの力と突き指方向βの力とを別々に検出する。
【００２４】
各指部２０には、それぞれ１つの光センサ６０が取り付けられる。本実施の形態においては、光センサ６０は、指元部２３の根元部分（ベース部３０との接続箇所に近い部分）に取り付けられる。これにより、対象物２に近い指先部２１周辺に光センサ６０や配線を配置する必要がなくなるため、対象物２との干渉による故障や断線が回避される。なお、光センサ６０の構成については後述する。
【００２５】
光センサ６０には、電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ、以下「ＥＣＵ」という）１００が電気的に接続されている。ＥＣＵ１００は、必ずしもハンド部１０に取り付ける必要がないため、本実施の形態においてはハンド部１０から離れた位置に配置されている。
【００２６】
ＥＣＵ１００は、光センサ６０の出力に基づいて、指元部２３にかかる可動方向αの力と突き指方向βの力とを別々に検出する。
【００２７】
図２は、光センサ６０の構成を模式的に示す図である。光センサ６０は、指元部２３の根元部分の表面（内周面あるいは外周面）に、貼り付けシート６２によって貼り付けられる。
【００２８】
光センサ６０は、可動方向αに並べて対向するように配置された一対の送受光部７０および反射部８０と、送受光部７０および反射部８０を収容する筐体６１とで構成される。
【００２９】
送受光部７０は、反射部８０に向けて検出光（たとえば赤外光）を照射する光源を含む送光部と、送光部の側方に隣接して設けられ反射部８０で反射された検出光を受けるＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を含む受光部とを備える。
【００３０】
反射部８０は、可動方向αと直交する平面状の反射面を有する。送受光部７０の光源から照射された検出光は反射部８０の反射面で反射される。反射部８０の反射面で反射された検出光は、送受光部７０のＰＳＤに受光される。
【００３１】
この光センサ６０は、送受光部７０の光源と反射部８０との距離の変化に応じて送受光部７０のＰＳＤ上の受光位置が変化すること（三角測量法）を利用して、送受光部７０のＰＳＤ上の受光位置から送受光部７０と反射部８０との距離ｄを検出可能に構成される。なお、三角測量法による距離の検出原理については周知であるため、ここでの詳細な説明は繰り返さない。
【００３２】
図３は、反射部８０の反射面を送受光部７０側から見た図である。指元部２３に歪みが生じていない状態では、送受光部７０からの検出光が反射面の中心点８１に照射されるように、送受光部７０と反射部８０との位置関係が調整されている。
【００３３】
反射面は、送受光部７０の光源と対向する中心点８１を含む平面状の中心部分と、中心部分の外側に設けられた環状の凹部８２とを有する。この凹部８２は、中心部分の平面に対して所定距離だけ窪んでいる。このような凹部８２による段差を中心部分の外側に設けることにより、検出光の反射位置が中心部分から凹部８２に変化したときに距離ｄの検出値を離散的に（不連続的に）変化させることができる。
【００３４】
図４は、光センサ６０の出力を用いてＥＣＵ１００が可動方向αの力を検出する手法を説明するための図である。
【００３５】
たとえば、指先部２１を回動させて対象物２を把持する場合を想定する。この場合、対象物２に接触した指先部２１が対象物２から受ける反力によって指元部２３には可動方向αの歪みが生じる。この歪みによって光センサ６０の筐体６１も可動方向αに歪む（図４では圧縮されている場合を例示している）ため、送受光部７０と反射部８０との距離ｄが変化する。
【００３６】
この点を利用し、ＥＣＵ１００は、距離ｄの検出値に応じて可動方向αの力を検出する。なお、この歪みは対象物２に把持力を与える時間の経過に応じて連続的に変化するため、図４に示すように、距離ｄも時間の経過に応じて連続的に変化する。また、指先部２１で対象物２を把持している状態では、突き指方向βの力はほとんど作用しないため、突き指方向βの歪みもほとんど生じない。
【００３７】
図５は、光センサ６０の出力を用いてＥＣＵ１００が突き指方向βの力を検出する手法を説明するための図である。
【００３８】
たとえば、指先部２１が障害物３に当接している状態でアーム部４０がハンド部１０を突き指方向βに押している場合を想定する。この場合、障害物３から受ける反力によって指元部２３には突き指方向βの歪みが生じる。この歪みによって光センサ６０の筐体６１も突き指方向βに歪むため、反射部８０の反射面における検出光の反射位置が中心点８１から突き指方向βにずれる。そして、突き指方向βの歪みが大きく反射位置が反射面の中心部分から凹部８２にまで変化すると、図５に示すように、凹部８２の段差（窪み）によって距離ｄの検出値が不連続的に変化（増加）することになる。
【００３９】
この点を利用し、ＥＣＵ１００は、距離ｄの検出値が不連続的に変化した（単位時間あたりの変化量がしきい値を超えた）か否かに基づいて突き指方向βの力を検出する。具体的には、ＥＣＵ１００は、凹部８２での反射を距離ｄの検出値が不連続的に変化したか否かで判別し、距離ｄの検出値が不連続的に変化した場合、突き指方向βの力が許容値（指部２０が破損しない範囲の力）を超えたことを検出する。ＥＣＵ１００は、距離ｄの検出値が連続的に変化している場合（単位時間あたりの変化量がしきい値未満である場合）、突き指方向βの力が許容値未満であると検出する。
【００４０】
なお、実際には、可動方向αの歪みと突き指方向βの歪みとが複合的に生じる。ＥＣＵ１００は、距離ｄの検出値が連続的に変化している場合には、突き指方向βの力が許容値未満であると判定するとともに、距離ｄの検出値に応じて可動方向αの力を検出する。一方、距離ｄの検出値が不連続的に変化した場合には、ＥＣＵ１００は、突き指方向βの力が許容値を超えていると判定し、指部２０の動作を停止するもしくは突き指方向βの力が許容値未満となるように関節部２２あるいはアーム部４０を駆動する。
【００４１】
以上のように、本実施の形態によるロボットハンド１は、可動方向αに並べて指部２０に取り付けられた一対の送受光部７０と反射部８０との距離ｄを検出可能な光センサ６０と、光センサ６０に電気的に接続されたＥＣＵ１００とを備える。反射部８０は、送受光部７０の光源と対向する中心部分と、中心部分の外側に形成された環状の凹部８２とを有する。ＥＣＵ１００は、送受光部７０と反射部８０との距離ｄの検出値に応じて可動方向αの力を検出することに加えて、距離ｄの検出値が離散的に変化したか否か（反射面における検出光の反射位置が中心部分から凹部８２に変化したか否か）に基づいて突き指方向βの力が許容値を超えたか否かを検出する。これにより、指部２０に取り付ける光センサが１つであっても、指部２０にかかる複数方向の力（可動方向αの力および突き指方向βの力）を別々に検出することができる。そのため、ロボットハンド１の大型化を回避しつつ（指部２０周辺の省スペース化を実現しつつ）、指部２０にかかる複数方向の力を検出することができる。
【００４２】
＜反射部８０の反射面の変形例＞
本実施の形態では、反射部８０の反射面の中心部分の外側に、中心部分よりも窪んだ凹部８２を設けた。しかしながら、中心部分の外側に設けられる構成は、反射面における反射位置が中心部分から中心部分の外側に変化したときに送受光部７０による受光状態が離散的に変化する構成であればよく、必ずしも凹部８２に限定されるものではない。
【００４３】
たとえば、中心部分の外側の環状部分に、凹部８２に代えて、中心部分よりも所定距離だけ突き出た凸部を設けるようにしてもよい。このようにしても、反射位置が中心部分から中心部分の外側に変化したときに凸部の段差（突き出し）によって距離ｄの検出値を離散的に変化させることができる。
【００４４】
また、中心部分の外側の環状部分に、凹部８２に代えて、中心部分とは異なる色を有する変色部を設けるようにしてもよい。このようにすると、反射位置が中心部分から中心部分の外側に変化したときに、送受光部７０が受ける検出光の強度または波長を離散的に変化させることができる。したがって、ＥＣＵ１００は、送受光部７０が受ける検出光の強度または波長が離散的に変化したことを検出することによって、突き指方向βの力が許容値を超えたと検出することができる。
【００４５】
また、中心部分の外側の環状部分を複数の領域に分け、各領域で段差、色、段差および色の組合せの少なくともいずれかをそれぞれ異ならせるようにしてもよい。たとえば、図６に示すように、中心部分の外側の環状部分に、中心部分に対して色は同じであるが段差を有する凹部８２が形成される第１領域と、中心部分に対して段差は有しないが色が異なる変色部８３が形成される第２領域とが設けられる反射部８０Ａを採用してもよい。このようにすると、力の作用方向をより正確に検出することができる。すなわち、ＥＣＵ１００は、距離ｄの検出値が離散的に変化した場合には中心部分と第１領域とを結ぶ方向の力が生じたと検出し、検出光の強度または波長が離散的に変化した場合には中心部分と第２領域とを結ぶ方向の力が生じたと検出することができる。
【００４６】
また、中心部分の外側に、同心円状に所定間隔を隔てて、中心部分に対して段差あるいは異なる色を有する複数の環状部分を設けるようにしてもよい。たとえば、図７に示すように、凹部８２に内側に、同心円状に所定間隔を隔てて凹部８４がさらに設けられる反射部８０Ｂを採用してもよい。このようにすると、距離ｄの検出値を離散的に変化した回数に応じて突き指方向βの力の大きさを検出することが可能となる。なお、各環状部分で、段差、色、段差および色の組合せの少なくともいずれかをそれぞれ異ならせるようにすると、突き指方向βの力の大きさをより正確に検出することができる。
【００４７】
＜光センサ６０の変形例＞
本実施の形態による光センサ６０に代えて、図８に示す光センサ６０Ａを採用してもよい。
【００４８】
図８に示す光センサ６０Ａは、光センサ６０に対して、反射部８０の背面に検出光を受光する受光部９０を追加したものである。このように、送受光部７０の内部だけでなく、反射部８０の背面にも受光部９０を設けることで、反射部８０を通過した光の受光位置あるいは受光量に基づいて突き指方向βの力を検出することができる。
【００４９】
＜その他の変形例＞
本実施の形態では、指部２０の本数を２本としたが、指部の本数はこれに限定されない。すなわち、指部の本数は３本以上であってもよいし１本であってもよい。また、図１に例示したロボットハンド１では、指部２０の関節部２２の数（指部２０の自由度の数）を１つとしているが、指部の関節部の数はこれに限定されない。すなわち、指部の関節部の数を２つ以上としてもよい。
【００５０】
また、本実施の形態では、光センサ６０を貼り付けシート６２によって指元部２３に貼り付けたが、光センサ６０を指元部２３に取り付ける手法はこれに限定されない。たとえば、ボルト等で指元部２３に固定するようにしてもよい。
【００５１】
また、本実施の形態では、光センサ６０が筐体６１で覆われていたが、筐体６１を省いて送受光部７０および反射部８０を指元部２３に直接取り付けるようにしてもよい。
【００５２】
また、本実施の形態では、光センサ６０を指元部２３に取り付けたが、光センサ６０の取り付け位置は指元部２３に限定されない。たとえば、光センサ６０を指先部２１に取り付けるようにしてもよい。
【００５３】
また、本実施の形態では、ＥＣＵ１００をハンド部１０から離れた位置に配置しているが、ＥＣＵ１００をハンド部１０のいずれかの箇所に取り付けるようにしてもよい。
【００５４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５５】
１  ロボットハンド、２  対象物、３  障害物、１０  ハンド部、２０  指部、２１  指先部、２２  関節部、２３  指元部、３０  ベース部、４０  アーム部、６０  光センサ、６１  筐体、６２  貼り付けシート、７０  送受光部、８０，８０Ａ，８０Ｂ  反射部、８１  中心点、８２，８４  凹部、８３  変色部、９０  受光部、１００  ＥＣＵ。
【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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