(57)【要約】【課題】３本以上の指部を備えるロボットハンドにおいて、対象物が基準位置からずれた位置にある場合であっても対象物を安定的に把持する。【解決手段】ロボットハンド（１）は、３本の指部（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ）と、３本の指部をそれぞれ動作させるためのアクチュエータ部（３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ）と、アクチュエータ部を制御するＥＣＵ（１００）とを備える。ＥＣＵ（１００）は、１本の指部（３Ａ）と残りの２本の指部（３Ｂ，３Ｃ）とで対象物を挟んで把持する際、１本の指部が目標位置（ＰＡ）に到達するまで１本の指部を対象物に向かうα方向に動かすようにアクチュエータ部（３０Ａ）を制御する「位置制御」を実行する（１１０）とともに、残りの２本の指部に対象物に向かうβ方向に作用するトルクを付与するようにアクチュエータ部（３０Ｂ，３０Ｃ）を制御する「トルク制御」を実行する（１２０）。【選択図】図２
2015214007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３本以上の指部を備え、前記３本以上の指部のうちの一部の指部と残部の指部とで対象物を挟んで把持するロボットハンドであって、
前記対象物を把持する第１方向に前記一部の指部を動かすための第１アクチュエータ部と、
前記対象物を把持する第２方向に前記残部の指部を動かすための第２アクチュエータ部と、
前記第１アクチュエータ部および前記第２アクチュエータ部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記一部の指部と前記残部の指部とで前記対象物を挟んで把持する際、前記一部の指部が目標位置ＰＡに到達するまで前記一部の指部を前記第１方向に動かすように前記第１アクチュエータ部を制御する位置制御を実行するとともに、前記残部の指部に所定トルクを付与するように前記第２アクチュエータ部を制御するトルク制御を実行する、ロボットハンド。
【請求項２】
前記制御部は、前記一部の指部が前記対象物を前記第１方向に押すトルクが、前記残部の指部が前記対象物を前記第２方向に押すトルクよりも大きくなるように、前記所定トルクの大きさを設定する、請求項１に記載のロボットハンド。
【請求項３】
前記制御部は、前記一部の指部および前記残部の指部の少なくとも一方の制御状態に応じて、前記トルク制御による前記所定トルクの大きさを変更する、請求項１または２に記載のロボットハンド。
【請求項４】
前記第２アクチュエータ部は、超音波モータであり、
前記トルク制御は、前記所定トルクの大きさが０になるように前記超音波モータを作動させる制御を含む、請求項１〜３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、３本以上の指部を備えるロボットハンドに関する。
【背景技術】
【０００２】
特開平３−９２２８０号公報（特許文献１）には、３本の指部を備えるロボットハンドが開示されている。各指部は、複数の指片をそれぞれ関節を介して順次連結し、各関節において基端側の指片と先端側の指片とを超音波モータによって回動可能に連結することによって構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平３−９２２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示されたロボットハンドで対象物を把持する場合には、各指部を位置制御によって制御することが一般的である。すなわち、各指部を各目標位置に動かすように、各関節部の超音波モータの回転角度(位置)および回転速度(移動速度)が制御される。目標位置は、対象物が予め決められた基準位置にあることを前提として、指部が対象物に接する位置に予め設定される。
【０００５】
しかしながら、複数の指部のすべてを位置制御によって制御する場合、すべての指部の位置が各目標位置に規制される。そのため、対象物が基準位置からずれた位置にあると、一部の指部が対象物に接触せず、対象物を安定的に把持できなくなるおそれがある。
【０００６】
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、３本以上の指部を備えるロボットハンドにおいて、対象物が基準位置からずれた位置にある場合であっても対象物を安定的に把持することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係るロボットハンドは、３本以上の指部を備え、３本以上の指部のうちの一部の指部と残部の指部とで対象物を挟んで把持する。このロボットハンドは、対象物を把持する第１方向に一部の指部を動かすための第１アクチュエータ部と、対象物を把持する第２方向に残部の指部を動かすための第２アクチュエータ部と、第１アクチュエータ部および第２アクチュエータ部を制御する制御部とを備える。制御部は、一部の指部と残部の指部とで対象物を挟んで把持する際、一部の指部が目標位置に到達するまで一部の指部を第１方向に動かすように第１アクチュエータ部を制御する位置制御を実行するとともに、残部の指部に所定トルクを付与するように第２アクチュエータ部を制御するトルク制御を実行する。
【０００８】
このような構成によれば、対象物を把持する際、一部の指部の位置を位置制御によって目標位置に規制しつつ、残部の指部をトルク制御によって制御することで残部の指部の位置を特定の位置には規制せずに対象物の実際の位置に合わせて柔軟に変動させることができる。そのため、すべての指部を位置制御によって制御する場合よりも、すべての指部を対象物に接触させ易くすることができる。その結果、対象物が基準位置からずれた位置にある場合であっても、対象物を安定的に把持することができる。
【０００９】
好ましくは、制御部は、一部の指部が対象物を第１方向に押すトルクが、残部の指部が対象物を第２方向に押すトルクよりも大きくなるように、トルク制御による所定トルクの大きさを設定する。
【００１０】
このような構成によれば、一部の指部を目標位置に向けて第１方向に動かす過程で一部の指部と残部の指部とが対象物に接触した場合においても、一部の指部が対象物を押しながら目標位置まで移動し、残部の指部が対象物に押されながら対象物の実際の位置に合わせて移動する。そのため、一部の指部が目標位置に達した時点で、すべての指部（一部の指部および残部の指部）を対象物に接触させた状態にすることができる。
【００１１】
好ましくは、制御部は、一部の指部および残部の指部の少なくとも一方の制御状態に応じて、トルク制御による所定トルクの大きさを変更する。
【００１２】
このような構成によれば、たとえば、一部の指部が目標位置に近づくほどトルク制御による所定トルクを大きくすることができる。これにより、対象物の移動速度を徐々に低下させながら対象物を停止させることができる。そのため、対象物が停止するときに対象物に作用する慣性力を小さくでき、慣性力によって対象物が落下するといったことを防止することができる。
【００１３】
好ましくは、第２アクチュエータ部は、超音波モータである。トルク制御は、所定トルクの大きさが０になるように超音波モータを作動させる制御を含む。
【００１４】
このような構成によれば、超音波モータを作動させることによって残部の指部が対象物を押し付けるトルクを０にできるため、対象物に掛かる負荷を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ロボットハンドの斜視図である。
【図２】指部の制御に関する構造を模式的に示す図である。
【図３】指部で対象物を把持する場合の各指部の動きを模式的に例示した図である。
【図４】本発明に対する比較例を模式的に例示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
図１は、本実施の形態によるロボットハンド１の斜視図である。ロボットハンド１は、掌部２と、３本の指部３Ａ〜３Ｃとを含む。なお、指部の本数は４本以上であってもよい。
【００１８】
指部３Ａは、指先部１０Ａと、指基部２０Ａとを含む。指基部２０Ａは、第１指基部２１Ａと第２指基部２２Ａとに分割されている。指先部１０Ａは、第１指基部２１Ａに対して回転軸Ｓ１を中心軸として回動可能に連結される。第１指基部２１Ａは、第２指基部２２Ａに対して回転軸Ｓ２を中心軸として回動可能に連結される。第２指基部２２Ａは、掌部２に対して回転軸Ｓ３を中心軸として回動可能に連結される。
【００１９】
指部３Ａの各関節部（指先部１０Ａと第１指基部２１Ａとの連結部分、第１指基部２１Ａと第２指基部２２Ａとの連結部分、第２指基部２２Ａと掌部２との連結部分）には、それぞれ超音波モータが設けられる。指部３Ａは、各関節部にそれぞれ設けられた超音波モータを駆動させることによって動作する。
【００２０】
指部３Ｂおよび指部３Ｃは、指部３Ａと対向するように配置される。指部３Ｂおよび指部３Ｃの構成は、基本的に指部３Ａと同じである。すなわち、指部３Ｂは、指先部１０Ｂと、指基部２０Ｂ（第１指基部２１Ｂおよび第２指基部２２Ｂ）とを含み、各関節部にそれぞれ設けられた超音波モータを駆動させることによって動作する。同様に、指部３Ｃは、指先部１０Ｃと、指基部２０Ｃ（第１指基部２１Ｃおよび第２指基部２２Ｃ）とを含み、各関節部にそれぞれ設けられた超音波モータを駆動させることによって動作する。
【００２１】
ロボットハンド１は、３本の指部３Ａ〜３Ｃの動作を制御することによって、３本の指部３Ａ〜３Ｃの間の領域にある対象物を、１本の指部３Ａと、残りの２本の指部３Ｂ，３Ｃとで挟んで把持することができる。
【００２２】
図２は、３本の指部３Ａ〜３Ｃの制御に関する構造を模式的に示す図である。ロボットハンド１は、各指部３Ａ〜３Ｃを動作させるためのアクチュエータ部３０Ａ〜３０Ｃと、アクチュエータ部３０Ａ〜３０Ｃの駆動を制御するＥＣＵ（Electronic  Control  Unit）１００とを備える。
【００２３】
アクチュエータ部３０Ａは、指部３Ａの各関節部にそれぞれ設けられた超音波モータによって構成される。同様に、アクチュエータ部３０Ｂは指部３Ｂの各関節部にそれぞれ設けられた超音波モータによって構成され、アクチュエータ部３０Ｃは指部３Ｃの各関節部にそれぞれ設けられた超音波モータによって構成される。
【００２４】
ＥＣＵ１００は、図示しないＣＰＵ（Central  Processing  Unit）およびメモリを内蔵し、当該メモリに記憶された情報などに基づいてアクチュエータ部３０Ａ〜３０Ｃを駆動するための指令信号をアクチュエータ部３０Ａ〜３０Ｃに出力する。
【００２５】
ＥＣＵ１００は、１本の指部３Ａを制御する位置制御部１１０と、残りの２本の指部３Ｂ，３Ｃを制御するトルク制御部１２０とを含む。
【００２６】
位置制御部１１０は、対象物を把持する際に、指部３Ａの指先部１０Ａが予め定められた目標位置ＰＡに到達するまで指部３Ａを対象物に向かうα方向に動かすようにアクチュエータ部３０Ａを制御する「位置制御」を実行する。
【００２７】
目標位置ＰＡは、対象物の基準位置（対象物が設置されていると想定される位置）の内部に設けられる。したがって、位置制御開始時の対象物の位置が基準位置から多少ずれていたとしても、指部３Ａが目標位置ＰＡに到達する過程で指部３Ａは対象物に接触する。
【００２８】
位置制御部１１０は、位置制御の実行中に指先部１０Ａが対象物に接触した場合に指部３Ａが対象物をα方向に押し付けるトルクが「トルクＴａ」となるように、アクチュエータ部３０Ａを制御する。
【００２９】
位置制御部１１０は、指先部１０Ａが目標位置ＰＡに到達した場合、指部３Ａの位置制御を停止する（すなわちアクチュエータ部３０Ａを構成する超音波モータの通電を停止する）。なお、指先部１０Ａが目標位置ＰＡに到達したか否かの判定は、たとえば、各超音波モータの回転角を検出するセンサ（図示せず）の出力に基づいて行なうことができる。
【００３０】
トルク制御部１２０は、対象物を把持する際に、残りの２本の指部３Ｂ，３Ｃに対象物に向かうβ方向に作用するトルクを付与するようにアクチュエータ部３０Ｂ，３０Ｃを制御する「トルク制御」を実行する。
【００３１】
トルク制御部１２０は、トルク制御の実行中に指先部１０Ｂが対象物に接触した場合に指部３Ｂが対象物をβ方向に押し付けるトルクが「トルクＴｂ」となるようにアクチュエータ部３０Ｂを制御する。本実施の形態において、トルクＴｂは０よりも大きい値に設定される。
【００３２】
トルク制御部１２０は、トルク制御の実行中に指先部１０Ｃが対象物に接触した場合に指部３Ｃが対象物をβ方向に押し付けるトルクが「トルクＴｃ」となるようにアクチュエータ部３０Ｃを制御する。本実施の形態において、トルクＴｃは０よりも大きい値に設定される。
【００３３】
指部３Ａが対象物をα方向に押し付けるトルクＴａ、指部３Ｂが対象物をβ方向に押し付けるトルクＴｂ、指部３Ｃが対象物をβ方向に押し付けるトルクＴｃは、「Ｔａ＞Ｔｂ＋Ｔｃ＋Ｆ」の関係式を満たす値に設定される。ここで、「Ｆ」は、指部３Ａが対象物をα方向に押した場合に指部３Ａが対象物から受けるフリクショントルクである。
【００３４】
上記の関係式「Ｔａ＞Ｔｂ＋Ｔｃ＋Ｆ」が満たされる場合、指部３Ａを目標位置ＰＡに向けてα方向に動かす過程で指部３Ａと指部３Ｂ，３Ｃの少なくとも一方とが対象物に接触しても、指部３Ａが対象物を押しながらα方向に移動し、指部３Ｂ，３Ｃが対象物に押されながら対象物の実際の位置に合わせて移動することになる。
【００３５】
なお、本実施の形態においては、トルクＴａ，Ｔｂ，Ｔｃの大きさは、上記の関係式「Ｔａ＞Ｔｂ＋Ｔｃ＋Ｆ」を満たす固定値とされる。
【００３６】
トルク制御部１２０は、指先部１０Ａが目標位置ＰＡに到達した場合、指部３Ｂ，３Ｃのトルク制御を停止する（すなわちアクチュエータ部３０Ｂ，３０Ｃを構成する超音波モータの通電を停止する）。
【００３７】
図３は、３本の指部３Ａ〜３Ｃで対象物５０を把持する場合の各指部３Ａ〜３Ｃの動きを模式的に例示した図である。図３においては、制御開始時の対象物５０の位置が、基準位置から図３の上側にずれていた場合を想定する。
【００３８】
対象物５０を把持する動作が開始されると、図３（Ａ）に示すように、指部３Ａは位置制御によって目標位置ＰＡに向けてα方向に動かされ、指部３Ｂ，３Ｃはトルク制御によってβ方向に動かされる。
【００３９】
その後、図３（Ｂ）に示すように、指部３Ａが対象物５０に接触し、かつ指部３Ｂが指部３Ｃよりも先に対象物５０に接触すると、指部３Ａが対象物をα方向に「トルクＴａ」で押し付け、指部３Ｂが対象物をβ方向に「トルクＴｂ」で押し付ける状態となる。この状態において、上記の関係式「Ｔａ＞Ｔｂ＋Ｔｃ＋Ｆ」から明らかなように、トルクＴａ，Ｔｂが「Ｔａ＞Ｔｂ＋Ｆ」の関係を満たす。そのため、指部３Ａが対象物５０を押しながら目標位置ＰＡに向けてα方向に移動し、指部３Ｂが対象物５０に押されながら対象物５０の実際の位置に合わせてβ方向とは反対のα方向に移動する。
【００４０】
なお、図３（Ｂ）においては、指部３Ｂが指部３Ｃよりも先に対象物５０に接触する場合を例示したが、逆に指部３Ｃが指部３Ｂよりも先に対象物５０に接触した場合においても同様の動きとなる。すなわち、上記の関係式「Ｔａ＞Ｔｂ＋Ｔｃ＋Ｆ」から明らかなように、トルクＴａ，Ｔｃが「Ｔａ＞Ｔｃ＋Ｆ」の関係を満たすため、指部３Ａが対象物５０を押しながら目標位置ＰＡに向けてα方向に移動し、指部３Ｃが対象物５０に押されながら対象物５０の実際の位置に合わせてβ方向とは反対のα方向に移動する。
【００４１】
その後、図３（Ｃ）に示すように、指部３Ａ，３Ｂに加えて指部３Ｃも対象物５０に接触すると、指部３Ａが対象物をα方向に「トルクＴａ」で押し付け、指部３Ｂが対象物をβ方向に「トルクＴｂ」で押し付け、指部３Ｃが対象物をβ方向に「トルクＴｃ」で押し付ける状態となる。この状態において、トルクＴａ，Ｔｂ，Ｔｃが上記の関係式「Ｔａ＞Ｔｂ＋Ｔｃ＋Ｆ」を満たすことから、指部３Ａが対象物５０を押しながら目標位置ＰＡに向けてα方向にさらに移動し、指部３Ｂ，３Ｃが対象物５０に押されながら対象物５０の実際の位置に合わせてβ方向とは反対のα方向に移動する。
【００４２】
そして、図３（Ｄ）に示すように、指部３Ａが目標位置ＰＡに達すると、指部３Ａの位置制御および指部３Ｂ，３Ｃのトルク制御が停止される。そのため、対象物５０が基準位置からずれていた場合であっても、指部３Ａが目標位置ＰＡに達した時点ですべての指部３Ａ〜３Ｃが対象物５０に接触している。このような状態で位置制御およびトルク制御が停止されるため、３本の指部３Ａ〜３Ｃによって対象物５０を安定的に把持することができる。
【００４３】
なお、超音波モータは、一般的に、停止時（非通電時）には、ロータがステータに面接触して摩擦保持される。したがって、対象物５０は、３本の指部３Ａ〜３Ｃの各超音波モータ停止時の摩擦保持力によって把持される。
【００４４】
図４は、本発明に対する比較例を模式的に例示した図である。図４には、３本の指部３Ａ〜３Ｃをすべて位置制御によって制御した場合（従来相当の制御を行なった場合）の各指部３Ａ〜３Ｃの動きが示されている。
【００４５】
図４（Ａ）に示すように、対象物５０が基準位置にあった場合には、指部３Ａ〜３Ｃを目標位置ＰＡ〜ＰＣにそれぞれ移動させることによって指部３Ａ〜３Ｃが対象物５０に接触する。
【００４６】
しかしながら、対象物５０が基準位置からすれていた場合には、図４（Ｂ）に示すように、指部３Ａ〜３Ｃを目標位置ＰＡ〜ＰＣにそれぞれ移動させても、指部３Ａ，３Ｂだけが対象物５０に接触し、指部３Ｃは対象物５０に接触しない状態が生じ得る。このような状態では、３本の指部３Ａ〜３Ｃで対象物を安定的に把持することができない。この対策として、対象物５０の位置を規制するガイドを設置するなどのハードウェア対策を行なうと、コスト増につながる。
【００４７】
これに対し、本実施の形態においては、ハードウェア対策を必要とせず、一部の指部を位置制御によって制御し残部の指部をトルク制御によって制御するという制御変更のみで、対象物の位置ずれを吸収することができる。そのため、安価でロバストな把持手法を実現することができる。
【００４８】
以上のように、本実施の形態によるロボットハンド１は、３本の指部３Ａ〜３Ｃで対象物を挟んで把持する際、指部３Ａを位置制御によって制御し、残りの指部３Ｂ，３Ｃをトルク制御によって制御する。
【００４９】
そのため、指部３Ａの位置を位置制御によって目標位置ＰＡに規制しつつ、残りの指部３Ｂ，３Ｃの位置を特定の位置には規制せずに対象物５０の実際の位置に合わせて柔軟に変動させることができる。そのため、対象物が基準位置からずれた位置にある場合であっても、すべての指部３Ａ〜３Ｃを対象物に接触させて対象物を安定的に把持することができる。
【００５０】
特に、本実施の形態においては、上述の関係式「Ｔａ＞Ｔｂ＋Ｔｃ＋Ｆ」に示したように、指部３Ａが対象物をα方向に押すトルクＴａが、残りの指部３Ｂ，３Ｃが対象物をβ方向に押すトルクＴａ，Ｔｂの合計よりも大きくなるように設定される。
【００５１】
そのため、指部３Ａを目標位置ＰＡに向けてα方向に動かす過程で、指部３Ａと指部３Ｂ，３Ｃの少なくとも一方とが対象物に接触した場合においても、指部３Ａが対象物を押しながらα方向に移動し、指部３Ｂ，３Ｃが対象物に押されながら対象物５０の実際の位置に合わせて柔軟に移動する。そのため、指部３Ａが目標位置ＰＡに達した時点で、すべての指部３Ａ〜３Ｃを対象物に接触させた状態にすることができる。
【００５２】
＜変形例＞
上述の実施の形態は、たとえば以下のように変更することができる。
【００５３】
（１）  上述の実施の形態においては、トルク制御によるトルクＴｂ，Ｔｃを固定値とした。しかしながら、トルク制御によるトルクＴｂ，Ｔｃを、指部３Ａおよび指部３Ｂ，３Ｃの少なくともいずれかの状態（位置や移動速度）に応じて変動する可変値としてもよい。
【００５４】
たとえば、指部３Ａが目標位置ＰＡに近づくほどトルクＴｂ，Ｔｃを大きくするようにしてもよい。このようにすると、対象物の移動速度を徐々に低下させながら対象物を停止させることができる。これにより、対象物が停止するときに対象物に作用する慣性力を小さくできるため、慣性力によって対象物が落下するといったことを防止することができる。
【００５５】
（２）  上述の実施の形態においては、トルク制御によるトルクＴｂ，Ｔｃを０よりも大きい値としたが、トルク制御によるトルクＴｂ，Ｔｃが０となるようにアクチュエータ部３０Ｂ，３０Ｃ（超音波モータ）を作動させるようにしてもよい。
【００５６】
このようにすると、トルク制御によって制御される指部３Ｂ，３Ｃが対象物を押し付けるトルクＴｂ，Ｔｃを０にできるため、対象物に掛かる負荷を最小限に抑えることができる。
【００５７】
なお、上述したように、超音波モータは、一般的に、停止時（非通電時）には、ロータがステータに面接触して摩擦保持される。そのため、トルクＴｂ，Ｔｃを０にするためには、超音波モータの通電制御を行なって超音波モータを作動させる必要がある。
【００５８】
（３）  上述の実施の形態においては、指先部１０Ａが目標位置ＰＡに到達した場合に位置制御およびトルク制御を停止したが、位置制御およびトルク制御の停止条件はこれに限定されない。
【００５９】
たとえば、各指部３Ａ〜３Ｃが対象物に接触したことを検出するための外部センサ（たとえば接触センサ、カメラなど）を設け、各指部３Ａ〜３Ｃが対象物に接触したことを外部センサが検出した場合に位置制御およびトルク制御を停止するようにしてもよい。
【００６０】
このようにすると、すべての指部３Ａ〜３Ｃが対象物に接触したことを接触センサによって確実に検出してから位置制御およびトルク制御を停止することができる。また、カメラ等により、指部３Ａ〜３Ｃが対象物を把持する姿勢なども検出することができる。
【００６１】
（４）  上述の実施の形態においては、１本の指部３Ａを位置制御によって制御し、２本の指部３Ｂ，３Ｃをトルク制御によって制御したが、位置制御によって制御される指部およびトルク制御によって制御される指部の配置および本数はこれに限定されない。
【００６２】
たとえば、２本の指部３Ｂ，３Ｃを位置制御によって制御し、１本の指部３Ａをトルク制御によって制御するようにしてもよい。
【００６３】
上述した実施の形態およびその変形例については、適宜組合せることも可能である。
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】
【００６４】
１  ロボットハンド、２  掌部、３Ａ，３Ｂ，３Ｃ  指部、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ  指先部、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ  指基部、２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ  第１指基部、２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ  第２指基部、３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ  アクチュエータ部、５０  対象物、１００  ＥＣＵ、１１０  位置制御部、１２０  トルク制御部。
【図１】
2015214007.tif 000003
【図２】
2015214007.tif 000004
【図３】
2015214007.tif 000005
【図４】
2015214007.tif 000006