(57)【要約】【課題】把持する物体の摩擦係数を正確に把握することが可能であり、医療分野等のロボットハンドへの適用が可能な触覚センサー内蔵フィンガーを提供する。【解決手段】ロボットハンド１のフィンガー２，２は、先端の被覆体７が、シリコンゴムによって、外向きに突出した曲面を有する中空状に形成されている。また、被覆体７の内部には、曲げモーメント検知用のひずみゲージおよびねじりモーメント検知用のひずみゲージを貼着したコイルバネ９からなる触覚センサー１９，１９・・が、被覆体７の表面に対して略垂直となるように設置されている。さらに、被覆体７の内部には、シリコンゲルが充填されている。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体を把持するロボットハンドに搭載されるフィンガーであって、
先端の把持部が、弾性部材によって、外向きに突出した曲面を有する中空状に形成されており、
ひずみゲージを貼着したコイルバネからなる触覚センサーが、前記把持部の表面に対して略垂直となるように前記把持部の内部に設置されているとともに、
前記把持部の内部に、前記弾性部材より軟質な物質が充填されており、把持部の表層と内部とが非均一な構造になっていることを特徴とする触覚センサー内蔵ソフトフィンガー。
【請求項２】
把持部の表面が、蛇腹状構造を有していることを特徴とする請求項１に記載の触覚センサー内蔵ソフトフィンガー。
【請求項３】
把持部の内部に充填された物質が、ゲル状のシリコン樹脂であることを特徴とする請求項１、または請求項２に記載の触覚センサー内蔵ソフトフィンガー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体を把持するロボットハンドに搭載するフィンガーに関するものであり、詳しくは、医療用途に好適に用いることが可能な触覚センサーを内蔵したソフトタイプのフィンガーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ロボットハンドによって物体を把持する場合には、その物体が滑り落ちたり、潰れてしまったりしないように、物体の摩擦係数や重量等の性状に応じた適度な力で物体を把持する制御が必要である。それゆえ、ロボットハンド用のフィンガーの中には、把持する物体の性状を認識するための触覚センサーを先端に内蔵したものがある。かかる触覚センサー内蔵タイプのフィンガーとして、物体を把持する部分を弾性部材によって形成するとともに、ひずみゲージを貼着した板バネを触覚センサーとして弾性部材の内部に鉛直方向に沿って平行に配置させ、ひずみゲージによって検知されたせん断ひずみ量から物体の摩擦係数を推測し、把持動作の制御にフィードバックさせることができるようにしたものが知られている（たとえば、特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２５４８８４
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の触覚センサー内蔵フィンガーは、触覚センサーがひずみゲージを貼着した板バネであるため、一定の方向（鉛直方向）に加わるせん断ひずみを検知することができるものの、その他の方向に加わるひずみを検知することができない。したがって、把持する物体の摩擦係数を正確に把握することができない。それゆえ、上記従来の触覚センサー内蔵フィンガーは、医療分野のような繊細な触覚が必要とされる用途のロボットハンドへの適用が困難である。
【０００５】
本発明の目的は、上記従来の触覚センサー内蔵フィンガーが有する問題点を解消し、把持する物体の摩擦係数を正確に把握することが可能であり、医療分野等のロボットハンドへの適用が可能な触覚センサー内蔵フィンガーを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる本発明の構成のうち、請求項１に記載された発明の構成は、物体を把持するロボットハンドに搭載されるフィンガーであって、先端の把持部が、弾性部材によって、外向きに突出した曲面を有する中空状に形成されており、ひずみゲージを貼着したコイルバネからなる触覚センサーが、前記把持部の表面に対して略垂直となるように前記把持部の内部に設置されているとともに、前記把持部の内部に、前記弾性部材より軟質な物質が充填されており、把持部の表層と内部とが非均一な構造になっていることにある。
【０００７】
請求項２に記載された発明の構成は、請求項１に記載された発明において、把持部の表面が、蛇腹状構造を有していることにある。
【０００８】
請求項３に記載された発明の構成は、請求項１、または請求項２に記載された発明において、把持部の内部に充填された物質が、ゲル状のシリコン樹脂であることにある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る触覚センサー内蔵ソフトフィンガー（以下、単にフィンガーという）の一実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係るフィンガーを用いたロボットハンドを示したものであり、ロボットハンド１は、２つの関節を有する２個のフィンガー２，２、基台１３、図示しない制御装置等によって構成されている。各フィンガー２，２は、第一アーム１５、第二アーム１６、第三アーム１７、第一アクチュエータ３ａ、第二アクチュエータ３ｂ、ヘッド部材１８等によって構成されている。
【００１０】
第一アーム１５は、基台１３の表面に対して略直角となるように固着されており、その第一アーム１５の先端に、第二アーム１６の基端が、回動可能に枢着されている。また、第二アーム１６の先端には、第三アーム１７の基端が、回動可能に枢着されている。そして、第二アーム１６の基端（第一アーム１５の先端）に、第一アクチュエータ３ａが設置されており、第三アーム１７の基端（第二アーム１６の先端）に、第二アクチュエータ３ｂが設置されている。アクチュエータ３ａ，３ｂには、それぞれ、交流式のサーボモーター（定格出力１．４Ｗ）、ハーモニックドライブギア（減速比１／８０）、光学式のエンコーダー（分解能１２８Ｐ／Ｒ）等が内蔵されている。
【００１１】
さらに、ヘッド部材１８のフレーム６には、金属によって扁平な直方体状（長さ×幅＝約３０ｍｍ×約２０ｍｍ）に形成された支持台４が固着されている。そして、その支持台４の前側には、シリコンゴム（信越化学工業社製  ＫＥ−１１６）によって形成された被覆体（把持部）７が装着されている。
【００１２】
図２は、被覆体７の斜視図であり、被覆体７は、上面を球面状に膨出させた形状に形成されている。そして、長手方向の曲率半径、幅方向の曲率半径が、それぞれ、約３４ｍｍ、約１４ｍｍに調整されている。また、上面の中央部分に、楕円状の接触部１４が設けられており、その接触部１４には、複数の曲面状突起１１，１１・・が、格子状に突設されている。
【００１３】
一方、図３は、ヘッド部材１８の中央部分（幅方向における中央部分）の鉛直断面を示したものであり、被覆体７は、厚さ約２．０ｍｍのシート状に形成されている（中空状になっている）。また、曲面状突起１１，１１・・の突出形状に合わせて内面が没入した状態になっている（すなわち、蛇腹状構造を有している）。加えて、被覆体７の中央の内面には、長手方向に沿って６個の係合突起１２，１２・・が設けられており、それらの係合突起１２，１２・・には、触覚センサー１９，１９・・が嵌め込み設置されている。
【００１４】
一方、支持台４の中央には、楕球状の隆起部５が設けられている。そして、その隆起部５には、長手方向に沿って、６個の係合突起８，８・・が突設されている。そして、それらの係合突起８，８・・には、各触覚センサー１９，１９・・の基端が嵌め込まれた状態になっている。さらに、被覆体７の内部（被覆体７と支持台４とによって閉塞された空間）には、ゲル状のシリコン樹脂（シリコンゲル、信越化学工業社製  ＫＥ１０４−Ｇｅｌ）２９が充填されている。
【００１５】
図４（ａ）は、触覚センサー１９の正面を示したものであり、触覚センサー１９は、断面円形の線素を捲回させたコイルバネ９（バネ線直径＝約０．２６ｍｍ、バネ長さ＝約５．０ｍｍ、バネ直径＝約２．０ｍｍ、）の下端際に、ひずみゲージ１０ａ，１０ａ、および、ひずみゲージ１０ｂ，１０ｂを貼着し、コイルバネ９の上端際に、ひずみゲージ１０ｃ，１０ｃ、および、ひずみゲージ１０ｄ，１０ｄを貼着したものである。なお、ひずみゲージ１０ａ〜１０ｄは、すべてシート状の同一タイプのもの（共和電業社製  ＫＦＲ−０２Ｎ−１２０−Ｃ１−１６  Ｎ１０Ｃ２）である。
【００１６】
また、図４（ｂ）は、コイルバネ９の下端際におけるひずみゲージ１０ａ，１０ａ、ひずみゲージ１０ｂ，１０ｂの貼着部分を上から見た状態を示したものであり、コイルバネ９の下端縁においては、ひずみゲージ１０ａ，１０ａと、ひずみゲージ１０ｂ，１０ｂとが、コイルバネ９の中心軸に対して９０度の角度をなすように配置されている。一方、図４（ｃ）は、コイルバネ９の上端際におけるひずみゲージ１０ｃ，１０ｃ、ひずみゲージ１０ｄ，１０ｄの貼着部分を上から見た状態を示したものであり、コイルバネ９の上端縁においては、ひずみゲージ１０ｃ，１０ｃと、ひずみゲージ１０ｄ，１０ｄとが、コイルバネ９の中心軸に対して９０度の角度をなすように配置されている。
【００１７】
さらに、図５（ａ）は、ひずみゲージ１０ａ，１０ａを貼着した線素を示したものであり、ひずみゲージ１０ａ，１０ａは、コイルバネ９の線素の上下において線素に沿って貼着されている（なお、ひずみゲージ１０ｂ，１０ｂは、ひずみゲージ１０ａ，１０ａと同様な配置で貼着されている）。一方、図５（ｂ）は、ひずみゲージ１０ｃ，１０ｃの貼着部分を示したものであり、ひずみゲージ１０ｃ，１０ｃは、コイルバネ９の線素に対して、それぞれ、約４５度、約１３５度傾斜するように貼着されている（なお、ひずみゲージ１０ｄ，１０ｄは、ひずみゲージ１０ｃ，１０ｃと同様な配置で貼着されている）。また、ひずみゲージ１０ａ，１０ａ、ひずみゲージ１０ｂ，１０ｂ、ひずみゲージ１０ｃ，１０ｃ、および、ひずみゲージ１０ｄ，１０ｄのリード線２０，２０・・は、支持台４の内部を通って支持台４の外部へ導出されている（図１参照）。
【００１８】
かかる触覚センサー１９においては、コイルバネ９がせん断変形（図４（ａ）の矢印Ａ方向へ変形）すると、線素に曲げモーメント（図５（ａ）の矢印方向のモーメント）が加わり、線素表面が伸縮変形する。コイルバネ９の下端際のひずみゲージ１０ａ，１０ａおよびひずみゲージ１０ｂ，１０ｂは、そのようにコイルバネ９がせん断変形する際に、線素に加わる曲げモーメントを感度良く検知する。一方、コイルバネ９が伸縮変形（図４（ａ）の矢印Ｂ方向へ変形）すると、線素にねじりモーメント（図５（ｂ）の矢印方向のモーメント）が加わり、線素表面がせん断変形する。コイルバネ９の上端際のひずみゲージ１０ｃ，１０ｃおよびひずみゲージ１０ｄ，１０ｄは、そのようにコイルバネ９が伸縮変形する際に、線素に加わるねじりモーメントを感度良く検知する。また、ひずみゲージ１０ａ，１０ａとひずみゲージ１０ｂ，１０ｂとがコイルバネ９の中心軸に対して９０度の角度をなすように配置されているため、ひずみゲージ１０ａ，１０ａ・・およびひずみゲージ１０ｂ，１０ｂ・・がコイルバネ９の線素に加わる曲げモーメントを検知できない特異点を生じさせず、コイルバネ９がいかなる方向にせん断された場合でも、ひずみゲージ１０ａ，１０ａ・・およびひずみゲージ１０ｂ，１０ｂ・・が、コイルバネ９の線素に加わるわずかな曲げモーメントをも敏感に検知する。
【００１９】
一方、図６は、ロボットハンド１の制御機構を示したものである。ロボットハンドを制御する制御装置２１は、ＣＰＵ２２、メモリ２３等を有しており、ＣＰＵ２２が、Ｉ／Ｏインターフェース２４を介して、フィンガー２，２のアクチュエータ３ａ，３ｂ・・に内蔵されたサーボモーター２５，２５・・、エンコーダー２６，２６・・と接続されている。また、触覚センサー１９，１９・・に設けられたひずみゲージ１０ａ，１０ａ・・、ひずみゲージ１０ｂ，１０ｂ・・、ひずみゲージ１０ｃ，１０ｃ・・、および、ひずみゲージ１０ｂ，１０ｂ・・が、アンプ（増幅器）２８に接続されており、制御装置２１のＣＰＵ２２が、Ｉ／Ｏインターフェース２４を介して、アンプ２８と接続されている。また、制御装置２１のＣＰＵ２２は、Ｉ／Ｏインターフェース２４を介して、入力手段２７と接続されている。
【００２０】
以下、ロボットハンド１の作動内容について説明する。ロボットハンド１は、入力手段を利用して所定の入力をすると、エンコーダー２６，２６・・、ひずみゲージ１０ａ，１０ｂ・・からの情報に基づいて、サーボモーター２５，２５・・を駆動させることによって、第一〜第三アーム１５〜１７が屈曲し、フィンガー２，２の先端部分が物体の把持（掴持）を行う。
【００２１】
摩擦係数の小さい（滑り易い）物体を把持する場合には、図７（ａ）の如く、物体Ｍとの接触点を中心として、被覆体７の曲面状突起１１，１１・・が被覆体７の表面に沿った方向に動こうとするために、各触覚センサー１９，１９・・のコイルバネ９に、せん断させようとする力（図４（ａ）における矢印Ａ方向の力）が加わり、線素に曲げモーメントが加わることになる。したがって、摩擦係数の小さい物体Ｍを把持する場合には、曲げモーメントを検知するひずみゲージ１０ａ，１０ａ・・およびひずみゲージ１０ｂ，１０ｂ・・からの検知信号の強度が大きくなる。
【００２２】
それゆえ、ひずみゲージ１０ａ，１０ａ・・およびひずみゲージ１０ｂ，１０ｂ・・からの検知信号の強度が大きい場合には、制御装置２１のＣＰＵ２２は、摩擦係数の小さい物体であると判断し、小さな摩擦係数に応じた適切な把持力で物体を把持するように、各アクチュエータ３ａ，３ｂ・・のサーボモーター２５，２５・・を駆動制御する。
【００２３】
一方、摩擦係数の大きい（滑りにくい）物体を把持する場合には、図７（ｂ）の如く、被覆体７の曲面状突起１１，１１・・に被覆体７の表面に沿った力が作用するものの、その力が被覆体７と物体との間に働く摩擦力と打ち消し合うために、各触覚センサー１９，１９・・のコイルバネ９に、せん断させようとする力（図４（ａ）における矢印Ａ方向の力）がほとんど加わらない。したがって、摩擦係数の大きい物体Ｍを把持する場合には、曲げモーメントを検知するひずみゲージ１０ａ，１０ａ・・およびひずみゲージ１０ｂ，１０ｂ・・からの検知信号の強度が小さくなる。
【００２４】
それゆえ、ひずみゲージ１０ａ，１０ａ・・およびひずみゲージ１０ｂ，１０ｂ・・からの検知信号の強度が小さい場合には、制御装置２１のＣＰＵ２２は、摩擦係数の大きい物体であると判断し、大きな摩擦係数に応じた適切な把持力で物体を把持するように、各アクチュエータ３ａ，３ｂ・・のサーボモーター２５，２５・・を駆動制御する。
【００２５】
また、物体を把持する場合には、ひずみゲージ１０ｃ，１０ｃおよびひずみゲージ１０ｄ，１０ｄが、コイルバネ９の伸縮変形に伴って線素に加わるねじりモーメントを感度良く検知することにより、把持力の適切な制御に寄与する。
【００２６】
また、ロボットハンド１においては、フィンガー２が把持動作を実行する際に、シリコンゴムによって中空状に形成された被覆体７が、把持する物体と接触した場合に、微小な力で大きく変形して物体との接触面積を大きくすることにより、被覆体７に加わる力を正確に触覚センサー１９，１９・・のコイルバネ９に伝達する。したがって、ひずみゲージ１０ａ，１０ａ・・およびひずみゲージ１０ｂ，１０ｂ・・による曲げモーメントの検知、および、ひずみゲージ１０ｃ，１０ｃ・・およびひずみゲージ１０ｄ，１０ｄ・・によるねじりモーメントの検知が高感度なものとなる。また、被覆体７内に充填されたシリコン樹脂２９が、被覆体７の過度の変形を防止するため、ひずみゲージ１０ａ，１０ａ・・およびひずみゲージ１０ｂ，１０ｂ・・による曲げモーメントの検知、および、ひずみゲージ１０ｃ，１０ｃ・・およびひずみゲージ１０ｄ，１０ｄ・・によるねじりモーメントの検知が、誤差を含まない正確なものとなる。
【００２７】
フィンガー２，２は、上記の如く、先端の被覆体７（把持部）が、シリコンゴムによって、外向きに突出した曲面を有する中空状に形成されており、ひずみゲージ１０ａ，１０ｂ・・を貼着したコイルバネ９からなる触覚センサー１９，１９・・が、被覆体７の表面に対して略垂直となるように被覆体７の内部に設置されているとともに、被覆体７の内部に、シリコンゴムより軟質な物質であるゲル状のシリコン樹脂（シリコンゲル）２９が充填されており、被覆体７の表層と内部とが非均一な構造になっている。したがって、触覚センサー１９，１９・・がいかなる方向にせん断された場合でも、ひずみゲージ１０ａ，１０ａ・・およびひずみゲージ１０ｂ，１０ｂ・・がコイルバネ９の線素に加わるわずかな曲げモーメントをも敏感に検知し、把持する物体の摩擦係数を正確に推測することができる（すなわち、触覚センサー１９，１９・・が人体の皮膚の内側に位置したマイスナー小体と近似した作用をする）。それゆえ、推測された物体の摩擦係数をロボットハンド１による把持動作の制御にフィードバックすることによって、摩擦係数が不明な物体であっても確実に把持することが可能となる。また、触覚センサー１９，１９・・により、把持する物体の摩擦係数を非常に正確に推測することができるため、繊細な触覚を必要とする医療用のロボットハンドへも好適に使用することができる。
【００２８】
また、フィンガー２，２は、被覆体７の表面が、蛇腹状構造を有しているため、滑りやすい物体と接触した場合に被覆体７が必要以上に横滑りしないので、把持する物体の摩擦係数を誤差なくきわめて正確に予測することが可能となる。
【００２９】
さらに、フィンガー２，２は、被覆体７の内部に充填された物質が、ゲル状のシリコン樹脂（シリコンゲル）２９であるため、被覆体７の内部の物質の性状が長期間に亘って安定しているので、長期間に亘って、把持する物体の摩擦係数をきわめて正確に予測することができる。
【００３０】
なお、本発明に係るフィンガーの構成は、上記した各実施例の態様に何ら限定されるものではなく、被覆体（把持部）、ゲル状物質、触覚センサー、支持台、アクチュエータ等の形状・構造等の構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。
【００３１】
たとえば、本発明のフィンガーを搭載するロボットハンドは、２本のフィンガーを搭載したものに限定されず、３本以上のフィンガーを搭載したものでも良い。また、フィンガーは、サーボモーターによってアームの屈曲動作を実行するものに限定されず、他の駆動装置によってアームの屈曲、伸縮等の作動をするものに変更することも可能である。
【００３２】
さらに、被覆体（把持部）を形成する弾性部材は、シリコンゴムに限定されず、合成ゴムやエラストマー等に変更することも可能である。さらに、中空状の把持部内に充填する物質は、ゲル状のシリコン樹脂に限定されず、把持部を形成するシリコンゴムより軟質な合成ゴムや、エラストマー等のシリコンゲル以外のゲル状物質等に変更することも可能である。
【００３３】
一方、把持部の内部に設置する触覚センサーの個数は、６個に限定されず、必要に応じて、適宜増減することができる。また、触覚センサーは、コイルバネに曲げモーメント検知用のひずみゲージとねじりモーメント検知用のひずみゲージとを設置したものに限定されず、曲げモーメント検知用のひずみゲージのみを搭載したものでも良い。さらに、曲げモーメント検知用のひずみゲージを複数搭載したものに限定されず、曲げモーメント検知用のひずみゲージを１個のみ搭載したものでも良い。加えて、コイルバネの弾性率や形状も、フィンガーの用途に合わせて、適宜変更することができる。
【００３４】
【発明の効果】
請求項１に記載されたフィンガーは、先端の把持部が、弾性部材によって、外向きに突出した曲面を有する中空状に形成されており、ひずみゲージを貼着したコイルバネからなる触覚センサーが、把持部の表面に対して略垂直となるように把持部の内部に設置されているとともに、把持部の内部に、弾性部材より軟質な物質が充填されており、把持部の表層と内部とが非均一な構造になっている。したがって、触覚センサーがいかなる方向にせん断された場合でも、ひずみゲージがコイルバネの線素に加わるわずかな曲げモーメントをも敏感に検知し、把持する物体の摩擦係数を正確に推測することができる。それゆえ、推測された物体の摩擦係数をロボットハンドによる把持動作の制御にフィードバックすることによって、摩擦係数が不明な物体であっても確実に把持することが可能となる。また、触覚センサーにより、把持する物体の摩擦係数を非常に正確に推測することができるため、繊細な触覚を必要とする医療用のロボットハンドへも好適に使用することができる。
【００３５】
請求項２に記載されたフィンガーは、把持部の表面が、蛇腹状構造を有しているため、滑りやすい物体と接触した場合に把持部が必要以上に横滑りしないので、把持する物体の摩擦係数を誤差なくきわめて正確に予測することが可能となる。
【００３６】
請求項３に記載されたフィンガーは、把持部の内部に充填された物質が、ゲル状のシリコン樹脂であるため、把持部の内部の物質の性状が長期間に亘って安定しているので、長期間に亘って、把持する物体の摩擦係数をきわめて正確に予測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ロボットハンドを示す説明図である。
【図２】被覆体の斜視図である。
【図３】ヘッド部材の断面を示す説明図である。
【図４】触覚センサーを示す説明図である。
【図５】ひずみゲージを貼着したコイルバネの線素を示す説明図である。
【図６】ロボットハンドの制御機構を示す説明図である。
【図７】物体を把持する際に被覆体が変形する様子を示す説明図である。
【符号の説明】
１・・ロボットハンド、２・・フィンガー（触覚センサー内蔵ソフトフィンガー）、７・・被覆体（把持部）、９・・コイルバネ、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ・・ひずみゲージ、１１・・曲面状突起、１９・・触覚センサー、２９・・シリコン樹脂（ゲル状物質）。
【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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