(57)【要約】【課題】ロボットハンドによる対象物の把持位置を低コストで正確に推定する。【解決手段】ロボットハンドは、対象物５０を把持するための指部２０−１，２０−２と、第三指の指部２０−３と、制御装置とを備える。制御装置は、指部２０−１，２０−２による対象物５０の把持後に、指部２０−３を対象物５０に接触させるように指部２０−３の動作を制御する。そして、制御装置は、予め入手される対象物５０の形状データと、指部２０−３を対象物５０に接触させたときの指部２０−３の位置情報とに基づいて、指部２０−１，２０−２による対象物５０の把持位置を推定する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも３本の指を有するロボットハンドであって、
対象物を把持する複数の指と、
前記複数の指とは異なる少なくとも１本の指と、
前記複数の指による前記対象物の把持後に、前記少なくとも１本の指を前記対象物に接触させるように前記少なくとも１本の指の動作を制御する制御装置とを備え、
制御装置は、前記対象物の形状データと、前記少なくとも１本の指を前記対象物に接触させたときの前記少なくとも１本の指の位置情報とに基づいて、前記複数の指による前記対象物の把持位置を推定する、ロボットハンド。
【請求項２】
前記制御装置は、前記少なくとも１本の指を前記対象物に複数点で接触させるように前記少なくとも１本の指の動作を制御する、請求項１に記載のロボットハンド。
【請求項３】
前記制御装置は、前記少なくとも１本の指を前記対象物の表面に沿って移動させるように前記少なくとも１本の指の動作を制御する、請求項２に記載のロボットハンド。
【請求項４】
前記制御装置は、前記複数の指による前記対象物の把持位置の推定後、前記複数の指および前記少なくとも１本の指によって前記対象物を把持するように前記複数の指および前記少なくとも１本の指の動作を制御する、請求項１から３のいずれか１項に記載のロボットハンド。
【請求項５】
少なくとも３本の指を有するロボットハンドの制御方法であって、
少なくとも１本の指を残して複数の指で対象物を把持するステップと、
前記複数の指による前記対象物の把持後に前記少なくとも１本の指を前記対象物に接触させるステップと、
前記対象物の形状データと、前記少なくとも１本の指を前記対象物に接触させたときの前記少なくとも１本の指の位置情報とに基づいて、前記複数の指による前記対象物の把持位置を推定するステップとを含む、ロボットハンドの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ロボットハンドおよびその制御方法に関し、特に、ロボットハンドにより対象物を把持する際の制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開平４−３４３６９１号公報（特許文献１）は、把持対象物の位置・姿勢・形状等にフレキシブルに対応可能なロボットハンドの制御方法を開示する。この制御方法が適用されるロボットハンドは、把持対象物の位置・姿勢・形状を検出する３本の指を備える。中央の探索指を中心に左右の開閉指が開閉可能に構成され、各指の先端には距離センサが配置される。ロボットハンドは、開閉指を閉状態にして対象物に接近し、探索指の対象物への近接と同時に開閉指が開いて対象物表面をなぞることによって対象物のエッジを検出する。これにより、把持対象物の位置・姿勢・形状を推定することができるとされる（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−３４３６９１号公報
【特許文献２】特開平１１−２８６９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ロボットハンドによる対象物の把持位置が正確に把握できていないと、把持後の作業（対象物の移動や組立て等）を正確に実施することができない。上記特許文献１に記載の制御方法は、開閉指によって対象物のエッジを検出するものであり、対象物の幅を検知することにより対象物の姿勢は推定可能であっても、開閉指による対象物の把持位置を正確に検知することはできない。
【０００５】
ロボットハンドによる対象物の把持位置を正確に把握するためにカメラを用いることが考えられる。しかしながら、カメラでは、黒色の部品等を十分に認識できなかったり、カメラが１台の場合には、対象物の把持位置が十分に見えない場合もある。カメラを用いて対象物の把持位置を正確に把握するには、高精度のカメラを複数台設ける必要があり、設備コストが増大する。
【０００６】
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、ロボットハンドによる対象物の把持位置を低コストで正確に推定することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明によれば、ロボットハンドは、少なくとも３本の指を有するロボットハンドであって、対象物を把持する複数の指（以下では、纏めて「把持指」とも称する。）と、把持指とは異なる少なくとも１本の指（以下「第三指」とも称する。）と、制御装置とを備える。制御装置は、把持指による対象物の把持後に、第三指を対象物に接触させるように第三指の動作を制御する。そして、制御装置は、把持対象物の形状データと、第三指を対象物に接触させたときの第三指の位置情報とに基づいて、把持指による対象物の把持位置を推定する。
【０００８】
好ましくは、制御装置は、第三指を対象物に複数点で接触させるように第三指の動作を制御する。
【０００９】
さらに好ましくは、制御装置は、第三指を対象物の表面に沿って移動させるように第三指の動作を制御する。
【００１０】
好ましくは、制御装置は、把持指による対象物の把持位置の推定後、把持指および第三指によって対象物を把持するように把持指および第三指の動作を制御する。
【００１１】
また、この発明によれば、ロボットハンドの制御方法は、少なくとも３本の指を有するロボットハンドの制御方法であって、少なくとも１本の指（第三指）を残して複数の指（把持指）で対象物を把持するステップと、把持指による対象物の把持後に第三指を対象物に接触させるステップと、対象物の形状データと、第三指を対象物に接触させたときの第三指の位置情報とに基づいて、把持指による対象物の把持位置を推定するステップとを含む。
【発明の効果】
【００１２】
このロボットハンドにおいては、把持指とは異なる第三指を対象物に接触させることによって、把持指による対象物の把持位置を推定するので、複数台のカメラを用いることなく対象物の把持位置を正確に推定可能である。したがって、このロボットハンドによれば、対象物の把持位置を低コストで正確に推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の実施の形態によるロボットハンドにより対象物を把持する際の概略図である。
【図２】ロボットハンドをＹ軸正方向から見たときのロボットハンドの側面図である。
【図３】ロボットハンドをＸ軸正方向から見たときのロボットハンドの側面図である。
【図４】ロボットハンドをＺ軸正方向すなわち指先方向から見た図である。
【図５】ロボットハンドにより対象物を把持する際の指部の動作例を説明する第１の図である。
【図６】ロボットハンドにより対象物を把持する際の指部の動作例を説明する第２の図である。
【図７】ロボットハンドにより対象物を把持する際の指部の動作例を説明する第３の図である。
【図８】図１に示す制御装置の機能ブロック図である。
【図９】制御装置により実行される制御を説明するためのフローチャートである。
【図１０】第三指を対象物の表面に沿って移動させる場合の動作例を説明する第１の図である。
【図１１】第三指を対象物の表面に沿って移動させる場合の動作例を説明する第２の図である。
【図１２】変形例における制御装置により実行される制御を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１５】
図１は、この発明の実施の形態によるロボットハンドにより対象物を把持する際の概略図である。図２から図４は、図１に示したロボットハンドの構成を詳細に示した図である。なお、図１から図４中に示したＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに直交する軸であり、図２は、ロボットハンドをＹ軸正方向から見たときのロボットハンドの側面図である。図３は、ロボットハンドをＸ軸正方向から見たときのロボットハンドの側面図であり、図４は、ロボットハンドをＺ軸正方向すなわち指先方向から見た図である。
【００１６】
図１から図４を参照して、ロボットハンド１は、ベース１０と、指部２０−１〜２０−３と、カメラ３０と、制御装置４０とを備える。この実施の形態では、ロボットハンド１は３本の指を有するものとして代表的に説明されるが、指の数は３本以上であってもよい。たとえば、人間の手と同様に指を５本とし、ベース１０を掌のように形成してもよい。そして、この実施の形態では、ロボットハンド１によって対象物５０を把持する場合について説明する。
【００１７】
なお、以下では、指部２０−１〜２０−３の各々について重複説明を避けるために、指部２０−１〜２０−３を互いに区別することなく、指部２０−１〜２０−３の各々を単に指部２０とも称する場合がある。
【００１８】
指部２０は、第１リンク２２と、第２リンク２４と、第１関節部２６と、第２関節部２８とを含む。この実施の形態では、指部２０は、２つのリンクと２つの関節部とを有するものとして代表的に説明されるが、リンクの数および関節部の数は３つ以上であってもよい。
【００１９】
第２関節部２８は、ベース１０に設けられる。第２リンク２４の一端は、第２関節部２８に連結され、第２リンク２４の他端は、第１関節部２６に連結される。第１リンク２２の一端は、第１関節部２６に連結され、第１リンク２２の他端は指先となる。
【００２０】
第１関節部２６は、第１リンク２２と第２リンク２４との間に設けられ、回転関節を含んで構成される。第２関節部２８も、回転関節を含んで構成される。この実施の形態では、第２関節部２８は、前後／左右に作動可能に構成される。第１関節部２６および第２関節部２８の各々には、回転関節を駆動する図示しないアクチュエータが設けられ、制御装置４０からの制御信号に従って回転関節が所望の角度に制御される。アクチュエータとしては、超音波モータや電動モータ等の種々のモータを採用し得る。
【００２１】
一例として、第１関節部２６は、Ｙ軸方向を回転軸とする回転関節を含む。第２関節部２８は、Ｘ軸方向を回転軸とする回転関節と、Ｙ軸方向を回転軸とする回転関節とを含む。なお、ベース１０は、図示しないロボットアームに接続されており、把持対象物に対してＺ軸回り方向に任意に回転可能に構成される。上記のような回転関節を有する指部２０−１，２０−２によって、対象物５０を挟むようにして把持することができる。この実施の形態では、指部２０−１，２０−２は、対象物５０を把持するための「把持指」である。
【００２２】
指部２０−３については、指先を構成する第１リンク２２−３の把持面が対象物５０の様々な位置に接触可能なように、指部２０−３がさらにＺ軸方向に回転可能に構成される（図４）。すなわち、この実施の形態では、第２関節部２８−３は、前後方向／左右方向／回転が可能な３自由度に構成される。なお、指部２０−１，２０−２についても、Ｚ軸方向に回転可能に構成してもよい。
【００２３】
この指部２０−３は、把持指である指部２０−１，２０−２による対象物５０の把持位置を推定するための「第三指」である。すなわち、この実施の形態では、指部２０−１，２０−２により対象物５０を把持した後、指部２０−１，２０−２による対象物５０の把持位置を正確に把握するために、指部２０−１，２０−２とは異なる指部２０−３を対象物５０に接触させる。そして、指部２０−３を対象物５０に接触させたときの指部２０−３の位置情報と、予め入手される対象物５０の形状データとに基づいて、指部２０−１，２０−２による対象物５０の把持位置が推定される。この推定方法については、後ほど詳しく説明する。
【００２４】
第１関節部２６および第２関節部２８の各々には、関節角度を検出するための角度センサが設けられる（図示せず）。指部２０−１〜２０−３の各々について、第１関節部２６および第２関節部２８の各々の関節角度に基づいて、指先である第１リンク２２の位置を算出することができる。なお、第１リンク２２の把持面と把持対象物との接触状態を検知する接触センサを設けてもよい。
【００２５】
カメラ３０は、ベース１０の指部２０−１〜２０−３側に設けられ、たとえば、指部２０−１〜２０−３の略中央においてベース１０に設置される。カメラ３０は、ロボットハンド１の把持対象物を認識するためのものであり、ロボットハンド１は、カメラ３０からの画像に基づいて対象物５０を認識して対象物５０を掴む。なお、このカメラ３０は、対象物５０の認識および最初の把持動作に用いられ、指部２０−１，２０−２による対象物５０の把持位置の正確な推定には用いられない。カメラ３０では、把持対象物によっては指部２０−１，２０−２の把持位置が見えない場合もあり、カメラ３０は、対象物を掴む程度の精度は有するものの、対象物の把持位置を正確に検知するだけの精度（確実に検知することを含む。）を有していないからである。
【００２６】
なお、カメラ３０の設置場所は、図示した場所に限定されるものではなく、その他の場所に設置してもよい。たとえば、カメラは、ロボットハンド１とは独立して設けられた、ロボットハンド１の可動範囲を撮影する固定方式のものとしてもよい。
【００２７】
制御装置４０は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、記憶装置、入出力バッファ等を含み（いずれも図示せず）、各種センサからの信号の入力や関節部のアクチュエータへの制御信号の出力等によるロボットハンド１の制御を行なう。具体的には、制御装置４０は、カメラ３０の画像に基づいて対象物５０を認識し、対象物５０を掴むように指部２０−１，２０−２の動作を制御する。指部２０−１，２０−２により対象物５０が把持されると、制御装置４０は、指部２０−３を対象物５０に接触させるように指部２０−３の動作を制御する。そして、制御装置４０は、指部２０−３が対象物５０に接触したときの指部２０−３の位置情報と、予め入手される対象物５０の形状データとに基づいて、指部２０−１，２０−２による対象物５０の把持位置を推定する。
【００２８】
なお、これらの制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。なお、制御装置４０の設置場所については、ロボットハンド１に付随して設けてもよいし（図２）、ロボットハンド１から離れた位置に設けてもよい。
【００２９】
図５から図７は、ロボットハンド１により対象物５０を把持する際の指部２０−１〜２０−３の動作例を説明するための図である。なお、これらの図は、対象物５０、および対象物５０に接触する指部２０−１〜２０−３の先端部を模式的に示した平面図である。
【００３０】
図５を参照して、図示しないカメラ３０の画像に基づいて、指部２０−１，２０−２によって対象物５０が把持される。そして、指部２０−１，２０−２の各関節部の角度検出値に基づいて指部２０−１，２０−２の指先位置が求められ、指部２０−１，２０−２の指先位置の相対関係と対象物５０の形状データとから、対象物５０のどの面において指部２０−１，２０−２により対象物５０が把持されているかが推定される。
【００３１】
なお、この時点では、指部２０−１，２０−２により対象物５０のどの面を把持しているかは推定できても、指部２０−１，２０−２による正確な把持位置までは特定できない。すなわち、指部２０−１，２０−２が接触している面のどの位置において把持されているかまでは特定することはできない。
【００３２】
図６を参照して、指部２０−１，２０−２による対象物５０の把持後、第三指の指部２０−３が対象物５０に接触させられる。そして、指部２０−３の各関節部の角度検出値に基づいて、指部２０−３の指先位置が求められる。この図６では、指部２０−３が対象物５０の幅狭部分に接触したことが分かる。これにより、対象物５０の姿勢が推定される。なお、指部２０−３は、指部２０−１の近傍から動かすとよい。既に対象物５０に接触している指部２０−１を動作の起点にすることで、指部２０−３を対象物５０に速やかに接触させることができるからである。
【００３３】
図７を参照して、第三指の指部２０−３が移動し、図６に示した接触位置とは別の位置において第三指の指部２０−３が対象物５０に接触させられる。この図７では、最初の接触位置とは異なる面において、第三指の指部２０−３を対象物５０に接触させている。そして、指部２０−３の各関節部の角度検出値に基づいて、指部２０−３の指先位置が求められる。これにより、対象物５０の姿勢が絞り込まれ、指部２０−１〜２０−３の指先位置の相対関係から、指部２０−１，２０−２による対象物５０の把持位置が推定される。
【００３４】
図８は、図１に示した制御装置４０の機能ブロック図である。図８を参照して、制御装置４０は、動作制御部４２と、把持位置推定部４４とを含む。動作制御部４２は、カメラ３０（図２，４）によって撮影される画像をカメラ３０から受ける。また、動作制御部４２は、指部２０−１〜２０−３の各関節部に設けられる角度センサから各関節部の角度検出値を受ける。さらに、動作制御部４２は、把持対象である対象物５０の形状データを受ける。
【００３５】
そして、動作制御部４２は、上記の情報に基づいて、指部２０−１，２０−２によって対象物５０を把持するように指部２０−１，２０−２の各関節のアクチュエータを制御する。さらに、指部２０−１，２０−２によって対象物５０が把持されると、動作制御部４２は、指部２０−３を対象物５０に接触させるように指部２０−３の各関節のアクチュエータを制御する。
【００３６】
指部２０−３が対象物５０に接触すると、把持位置推定部４４は、指部２０−３の各関節部の角度情報に基づいて指部２０−３の位置情報を算出し、その算出された指部２０−３の位置情報と対象物５０の形状データとに基づいて、指部２０−１，２０−２による対象物５０の把持位置を推定する。より詳しくは、把持位置推定部４４は、指部２０−３の各関節部の角度情報に基づいて、指部２０−３が対象物５０に接触したときの指部２０−３の対象物５０との接触位置を算出する。そして、把持位置推定部４４は、指部２０−３の対象物５０との接触位置に基づいて、指部２０−３と指部２０−１，２０−２との相対位置関係を算出するとともにその算出結果を対象物５０の形状データと対比することによって、指部２０−１，２０−２による対象物５０の把持位置を推定する。
【００３７】
なお、指部２０−３の対象物５０との接触は、図６，７に示したように複数点であることが好ましい。但し、把持対象物の形状が単純な場合には（たとえば単純な直方体など）、指部２０−３と対象物５０との接触が１点であっても指部２０−１，２０−２による対象物５０の把持位置を推定できる場合もあり、指部２０−３の対象物５０との接触は、必ずしも複数点に限定されるものではない。
【００３８】
図９は、制御装置４０により実行される制御を説明するためのフローチャートである。このフローチャートは、制御装置４０に予め格納されたプログラムを所定周期で実行することによって実現される。あるいは、一部のステップについては、専用のハードウェア（電子回路）を構築して処理を実現することも可能である。
【００３９】
図９を参照して、制御装置４０は、把持対象物（対象物５０）の形状データが入力されているか否かを判定する（ステップＳ１０）。把持対象物の形状データがない場合には（ステップＳ１０においてＮＯ）、以降の一連の処理が実行されることなくステップＳ６０へ処理が移行される。
【００４０】
ステップＳ１０において対象物５０の形状データが存在するものと判定されると（ステップＳ１０においてＹＥＳ）、制御装置４０は、カメラ３０の画像に基づいて、指部２０−１，２０−２の各関節部のアクチュエータを制御することによって、指部２０−１，２０−２により対象物５０を把持する（ステップＳ２０）。
【００４１】
指部２０−１，２０−２により対象物５０が把持されると（ステップＳ３０においてＹＥＳ）、制御装置４０は、指部２０−３の各関節部のアクチュエータを制御することによって、第三指の指部２０−３を対象物５０に接触させる（ステップＳ４０）。そして、制御装置４０は、予め入手される対象物５０の形状データと、指部２０−３が対象物５０に接触したときの指部２０−３の位置情報とに基づいて、指部２０−１，２０−２による対象物５０の把持位置を推定する（ステップＳ５０）。
【００４２】
なお、特に図示しないが、指部２０−１，２０−２による対象物５０の把持位置が推定された後、指部２０−３をさらに用いて対象物５０をより安定的に把持する場合の指部２０−３の把持位置を対象物５０の形状データに基づいて決定してもよい。
【００４３】
あるいは、指部２０−１，２０−２による対象物５０の把持位置が推定された後、指部２０−１，２０−２により対象物５０を安定的に把持可能か否かを判定し、対象物５０を安定的に把持できないと判定された場合には、対象物５０の掴み直しを行なったり、指部２０−３を用いて対象物５０の掴み変えを行なうようにしてもよい。
【００４４】
以上のように、この実施の形態においては、対象物５０を把持する指部２０−１，２０−２とは異なる指部２０−３を対象物５０に接触させることによって、指部２０−１，２０−２による対象物５０の把持位置を推定するので、カメラを用いることなく対象物５０の把持位置を正確に推定可能である。したがって、この実施の形態によれば、対象物の把持位置を低コストで正確に推定することができる。
【００４５】
また、この実施の形態によれば、指部２０−３を対象物５０と複数点で接触させることによって、対象物５０の形状が複雑な場合でも指部２０−１，２０−２による対象物５０の把持位置を推定することができる。
【００４６】
また、この実施の形態によれば、指部２０−３は対象物５０の把持に用いることも可能であるので、指部２０−３を用いて指部２０−１，２０−２による対象物５０の把持位置を推定した後、対象物５０の把持に指部２０−３をさらに用いることによって対象物５０をより安定的に把持することができる。
【００４７】
［変形例］
図１０や図１１に示すように、第三指の指部２０−３を対象物５０の表面に沿って移動させることによって、対象物５０の姿勢をより正確に推定することが可能である。その結果、指部２０−１，２０−２による対象物５０の把持位置をより正確に推定することが可能となる。
【００４８】
図１２は、この変形例における制御装置４０により実行される制御を説明するためのフローチャートである。図１１を参照して、このフローチャートは、図９に示したフローチャートにおいてステップＳ４５をさらに含む。すなわち、ステップＳ４０において第三指の指部２０−３が対象物５０に接触すると、制御装置４０は、指部２０−３の各関節部のアクチュエータを制御することによって、対象物５０の表面に沿って指部２０−３を移動させる（ステップＳ４５）。なお、対象物５０の表面に沿って指部２０−３を滑らかに移動させるには、指部２０−３と把持対象物との接触状態を検知する接触センサを指部２０−３に設けることが好ましい。
【００４９】
そして、制御装置４０は、ステップＳ５０へ処理を進め、ステップＳ５０において、対象物５０の表面に沿って指部２０−３を移動させたときの指部２０−３の位置情報（指部２０−３の対象物５０との接触位置）と対象物５０の形状データとに基づいて、指部２０−１，２０−２による対象物５０の把持位置が推定される。
【００５０】
以上のように、この変形例によれば、指部２０−３を対象物５０の表面に沿って移動させるので、対象物５０の姿勢をより正確に推定することができる。その結果、指部２０−１，２０−２による対象物５０の把持位置をより正確に推定することができる。
【００５１】
なお、上記の各実施の形態においては、ロボットハンド１は３本の指を有し、指部２０−１，２０−２を把持指とし、指部２０−３を第三指としたが、４本以上の指を備えるロボットハンドにおいて、把持指は３本以上であってもよいし、第三指は複数であってもよい。
【００５２】
なお、この発明によるロボットハンドの大きさは限定されない。この発明は、指部２０−１〜２０−３の各々が「アーム」と呼べるような大きさのロボットハンドも含むものである。
【００５３】
なお、上記において、指部２０−１，２０−２は、この発明における「複数の指」の一実施例に対応し、指部２０−３は、この発明における「少なくとも１本の指」の一実施例に対応する。
【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、上記した実施の形態の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、１０  ベース、２０−１〜２０−３  指部、２２−１〜２２−３  第１リンク、２４−１〜２４−３  第２リンク、２６−１〜２６−３  第１関節部、２８−１〜２８−３  第２関節部、３０  カメラ、４０  制御装置、４２  動作制御部、４４  把持位置推定部、５０  対象物。
【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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