(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、ロボットハンドの指先力の接線方向成分をより好適に検出することの可能なロボットハンド指先力検出方法を提供することにある。【解決手段】  本発明のロボットハンド指先力検出方法は、多関節（ＭＰ，ＰＩＰ，ＤＩＰ）の指Ｆを持つロボットハンドの指先に作用する指先力を検出するもので、指先腹部に配設された圧力センサによって指先力の指先腹部表面に対して垂直な法線成分Ｆｎを検出すると共に、各関節部分（ＭＰ，ＰＩＰ，ＤＩＰ）に作用するモーメント（Ｍｙｄ，Ｍｙｐ，Ｍｙｍ）を求め、検出した指先力の法線成分Ｆｎと求められた各関節部のモーメント（Ｍｙｄ，Ｍｙｐ，Ｍｙｍ）とに基づいて、指先力の接線成分を求めることを特徴としている。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多関節の指を持つロボットハンドの指先に作用する指先力を検出するロボットハンド指先力検出方法において、
指先腹部に配設された圧力センサによって前記指先力の指先腹部表面に対して垂直な法線成分を検出すると共に、各関節部分に作用するモーメントを求め、
検出した指先力の法線成分と求められた各関節部のモーメントとに基づいて、前記指先力の接線成分を求めることを特徴とするロボットハンド指先力検出方法。
【請求項２】
少なくとも一つの前記関節部分にアクチュエータが配設されており、該アクチュエータへの供給電力に基づいて、該関節部分に作用するモーメントを求めることを特徴とする請求項１に記載のロボットハンド指先力検出方法。
【請求項３】
少なくとも一つの前記関節部分がバネを内蔵した柔軟関節として構成されており、該バネの変位量とバネ定数に基づいて、該関節部分に作用するモーメントを求めることを特徴とする請求項１又は２に記載のロボットハンド指先力検出方法。
【請求項４】
多関節の指を持つロボットハンドの指先に作用する指先力を検出するロボットハンド指先力検出装置において、
指先腹部に配設され、前記指先力の指先腹部表面に対して垂直な法線成分を検出する圧力センサと、
各関節部に作用するモーメントを算出するモーメント算出手段と、
前記圧力センサによって検出された指先力の法線成分、及び、前記モーメント算出手段によって求められた各関節部のモーメントに基づいて、前記指先力の接線成分を求める指先力算出手段とを備えていることを特徴とするロボットハンド指先力検出装置。
【請求項５】
少なくとも一つの前記関節部分にアクチュエータが配設されており、前記モーメント算出手段は、該アクチュエータへの供給電力に基づいて、該関節部分に作用するモーメントを求めることを特徴とする請求項４に記載のロボットハンド指先力検出装置。
【請求項６】
少なくとも一つの前記関節部分がバネを内蔵した柔軟関節として構成されており、前記モーメント算出手段は、該バネの変位量とバネ定数とに基づいて、該関節部分に作用するモーメントを求めることを特徴とする請求項４又は５に記載のロボットハンド指先力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多関節の指を持つロボットハンドの指先に作用する指先力を検出するロボットハンド指先力検出方法と検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットハンドを用いて安定した物をつかんだり、もろい物をつかむときの力制御を行う際には、指先に働く力、特にその接線方向の力を検出することが有効である。このような接線方向の力を検出する方法としては、ロボットハンドの指先内部に６軸力覚センサを内蔵したり、指先内部の構造部材に歪みゲージを貼る手法（特許文献１）が主流であった。
【特許文献１】特開平６−１８２６８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
指先に作用する力（指先力）の接線成分を測るためには、直接それを検出するか、多軸力覚センサによって直交する３軸方向の力を計測してから接線方向の成分を算出するなどの方法が考えられる。しかし、現時点では、接線方向の力を直接計測するセンサは開発されていない。また、多軸力覚センサについては、小型サイズの物はまだ製造が困難で、製造されたとしてもかなり高価になる。このため、全ての指先に多軸力覚センサを内蔵することは現実的ではない。なお、ロボットハンドを人間並の外形サイズに収めようとした場合は、センサのサイズはφ１０ｍｍ程度とする必要がある。しかし、現状では、このようなサイズで人間と同様の耐荷重（例えば、５０Ｎ）と必要な精度（例えば、１％ＦＳ未満）を備えたものは存在しない。
【０００４】
上述したように、歪みゲージを用いる手法もあるが、この場合は、必要な精度を得ようとすると、高精度なキャリブレーション用の治具や計測器が必要となるため、現実的ではない。また、歪みゲージを用いた場合も、３軸方向の力を測定してから接線方向の成分を算出することとなるが、配線が６本必要となり、配線やコネクタのためのスペースの確保も困難である。圧電式センサを用いる場合もノイズ対策のために太いケーブルと大きなコネクタが必要となるため、やはりスペース的に困難である。従って、本願発明の目的は、ロボットハンドの指先力の接線方向成分をより好適に検出することの可能なロボットハンド指先力検出方法と検出装置とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に記載のロボットハンド指先力検出方法は、多関節の指を持つロボットハンドの指先に作用する指先力を検出するもので、指先腹部に配設された圧力センサによって指先力の指先腹部表面に対して垂直な法線成分を検出すると共に、各関節部分に作用するモーメントを求め、検出した指先力の法線成分と求められた各関節部のモーメントとに基づいて、指先力の接線成分を求めることを特徴としている。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のロボットハンド指先力検出方法において、少なくとも一つの関節部分にアクチュエータが配設されており、このアクチュエータへの供給電力に基づいて、その関節部分に作用するモーメントを求めることを特徴としている。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のロボットハンド指先力検出方法において、少なくとも一つの関節部分がバネを内蔵した柔軟関節として構成されており、このバネの変位量とバネ定数に基づいて、その関節部分に作用するモーメントを求めることを特徴としている。
【０００８】
請求項４に記載のロボットハンド指先力検出装置は、多関節の指を持つロボットハンドの指先に作用する指先力を検出するもので、指先腹部に配設され、指先力の指先腹部表面に対して垂直な法線成分を検出する圧力センサと、各関節部に作用するモーメントを算出するモーメント算出手段と、圧力センサによって検出された指先力の法線成分、及び、モーメント算出手段によって求められた各関節部のモーメントに基づいて、指先力の接線成分を求める指先力算出手段とを備えていることを特徴としている。
【０００９】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のロボットハンド指先力検出装置において、少なくとも一つの関節部分にアクチュエータが配設されており、モーメント算出手段は、このアクチュエータへの供給電力に基づいて、その関節部分に作用するモーメントを求めることを特徴としている。
【００１０】
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載のロボットハンド指先力検出装置において、少なくとも一つの関節部分がバネを内蔵した柔軟関節として構成されており、モーメント算出手段は、このバネの変位量とバネ定数とに基づいて、その関節部分に作用するモーメントを求めることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載のロボットハンド指先力検出方法によれば、指先力の指先表面に対する法線成分を検出すると共に、指関節部のモーメント力を検出し、これらの値から指先力自体と指先力の接線成分とを求めることで、複雑な計測機構を伴うことなく、また、計測機構の大型化を伴うことなく、正確に指先力の接線成分を検出することができる。
【００１２】
請求項２に記載のロボットハンド指先力検出方法によれば、関節部分に関節を動かすアクチュエータが配設されている場合は、アクチュエータに与えられる電力に基づいて関節部分に作用するモーメントを求めることで、容易かつ正確にモーメントを求めることができる。
【００１３】
請求項３に記載のロボットハンド指先力検出方法によれば、関節部分がいわゆる柔軟関節として構成されている場合は、柔軟関節部に内蔵されるバネの変位量とバネ定数とに基づいて関節部分に作用するモーメントを求めることで、容易かつ正確にモーメントを求めることができる。
【００１４】
請求項４に記載のロボットハンド指先力検出装置によれば、指先力の指先表面に対する法線成分をタクタイルセンサなどの圧力センサによって検出すると共に、指関節部のモーメント力をモーメント検出手段によって検出し、これらの値から指先力自体と指先力の接線成分とを求めることで、複雑な計測機構を伴うことなく、また、装置の大型化を伴うことなく、正確に指先力の接線成分を検出することができる。
【００１５】
請求項５に記載のロボットハンド指先力検出装置によれば、関節部分に関節を動かすアクチュエータが配設されている場合は、モーメント算出手段がアクチュエータに与えられる電力に基づいて関節部分に作用するモーメントを求めるので、容易かつ正確にモーメントを求めることができる。
【００１６】
請求項６に記載のロボットハンド指先力検出方法によれば、関節部分がいわゆる柔軟関節として構成されている場合は、モーメント手段が柔軟関節部に内蔵されるバネの変位量とバネ定数とに基づいて関節部分に作用するモーメントを求めるので、容易かつ正確にモーメントを求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の指先力検出方法及び検出装置の一実施形態について以下に説明する。本実施形態の検出装置を備えたロボットハンドＨの構成を図１に示す。図１に示されるように、このロボットハンドは、四つの指Ｔ，Ｆ（一つは人間の親指に相当する指Ｔ）を持っている。そして、各指の円柱で示された部分が各関節の回動可能方向を示している。円柱の中心軸が各関節の回転軸を示す。即ち、親指に相当する指Ｔ以外の指Ｆの根本部分の関節は、二自由度を有している。各指Ｔ，Ｆの指先の腹側表面には、図２に示されるように、タクタイルセンサＳが配設されている。タクタイルセンサＳは、行列状に並べられた複数のセルからなる分布型圧力センサである。
【００１８】
親指に相当する指以外の指Ｆの一本に関して、図３に別の図として示す。図３には、指先力の算出に際して用いられる各点での座標軸なども示されている。この指Ｆにおいて指先力を算出する際には、根本部分の関節の二自由度のうちの一方のみが必要であるため、図２には一方（他の関節と平行な回動軸を有する方）のみを示してある。指Ｆは、三つの関節を有しているが、これらの関節は指先側から、ＤＩＰ関節、ＰＩＰ関節、ＭＰ屈曲関節と呼ばれる。本実施形態では、ＤＩＰ関節がいわゆる柔軟関節とされており、残りのＰＩＰ関節及びＭＰ屈曲関節にはモータ（アクチュエータ）が内蔵されている。
【００１９】
モータを駆動させることで、指を曲げ伸ばしさせることができる。また、柔軟関節Ｐは、コイルバネｐ１やトーションバネ等の弾性体と、その変位量（変位角）を検出する角度検出センサｐ２（ポテンショメータ，光学式／磁気式エンコーダ，レゾルバなど）から構成されている。柔軟関節は、物をつかむときなどに、モータによる指先の変位量が物に対してずれても、この変位量のズレ分を吸収して指先を確実に物の表面に接触させる役割がある。
【００２０】
図３の各座標系について簡単に説明する。まず、ロボットハンドＨに対して、任意の点Ｏを原点とするｘｙｚ座標系が設定される。これは、ロボットハンドＨの本体に対して固定的に設定される。これに対して、後述するその他の座標系は、指Ｆの関節が動かされることで、ロボットハンドＨ本体、即ち、このｘｙｚ座標系に対して傾くこととなる。次に、上述したＭＰ屈曲関節の中心Ｍを原点とするｘｍｙｍｚｍ座標系（ＭＰ屈曲関節座標系）が設定される。ＭＰ屈曲関節は、このｘｍｙｍｚｍ座標系のｙｍ軸を回転軸として回動を行う。
【００２１】
さらに、上述したＰＩＰ関節の中心Ｐを原点とするｘｐｙｐｚｐ座標系（ＰＩＰ関節座標系）が設定される。ＰＩＰ関節は、このｘｐｙｐｚｐ座標系のｙｐ軸を回転軸として回動を行う。同様に、上述したＤＩＰ関節の中心Ｄを原点とするｘｄｙｄｚｄ座標系（ＤＩＰ関節座標系）が設定される。ＤＩＰ関節は、このｘｄｙｄｚｄ座標系のｙｄ軸を回転軸として回動を行う。また、指先力が作用する点Ａを原点とするｘＡｙＡｚＡ座標系（接触位置座標系）も設定される。
【００２２】
以下、上述したロボットハンドＨの指Ｆのモデルを用いて、指先力を算出する具体的手順を説明する。指Ｆの指先の一点Ａに、指先力ＦＡおよびこの指先力ＦＡ回りにモーメントＭＡが作用している。指先力ＦＡの算出にあたって、以下の行列群を定義する。接触位置（点Ａ）の座標は、タクタイルセンサＳの各セル毎に、ｘｄｙｄｚｄ座標系上で予め決定できる。また、ここで、ＭＰ屈曲関節の回動角をθｍ、ＰＩＰ関節の回動角をθｐ、ＤＩＰ関節の回動角をθｄとする。また、ｓｉｎθｍをＳｍ、ｃｏｓθｍをＣｍと表す。同様に、ｓｉｎθｐ＝Ｓｐ、ｃｏｓθｐ＝Ｃｐ、ｓｉｎθｄ＝Ｓｄ、ｃｏｓθｄ＝Ｃｄと表す。また、Ｓｄｐ＝ｓｉｎ（θｄ＋θｐ）、Ｃｄｐ＝ｃｏｓ（θｄ＋θｐ）と表す。
【数１】
2005329512.tif 000003
【数２】
2005329512.tif 000004
【００２３】
ここで、行列ｏＴｍはｘｙｚ座標系とｘｍｙｍｚｍ座標系との間の変換時に用いる行列、行列ｍＴｐはｘｍｙｍｚｍ座標系とｘｐｙｐｚｐ座標系との間の変換時に用いる行列、行列ｐＴｄはｘｐｙｐｚｐ座標系とｘｄｙｄｚｄ座標系との間の変換時に用いる行列、行列ｄＴＡはｘｄｙｄｚｄ座標系とｘＡｙＡｚＡ座標系との間の変換時に用いる行列である。ベクトルｌｏはｘｙｚ座標系でのベクトルＯＭに等しい。ベクトルｌｍはｘｍｙｍｚｍ座標系でのベクトルＭＰに等しい。ベクトルｌｐはｘｐｙｐｚｐ座標系でのベクトルＰＤに等しい。ベクトルｌｄはｘｄｙｄｚｄ座標系でのベクトルＤＡに等しい。
【００２４】
また、接触位置（点Ａ）での法線ベクトルをベクトルｎＡを以下のように定義する。なお、ベクトルｎＡは、タクタイルセンサＳの各セル毎に予め設定される。
【数３】
2005329512.tif 000005
【００２５】
さらに、指先力ＦＡの法線成分の大きさＦｎは、タクタイルセンサＳの検出圧力αとタクタイルセンサＳのセル面積Ａとを用いて、Ｆｎ＝αＡと表される。なお、このとき、複数のセルで圧力が検出されるような場合は、各セル毎の結果を合算してもよいし、最大の値を検出したセルで代表するなどすればよい。合算する場合は、接触位置Ａの座標［＝ベクトルｌｄ］や、対応するベクトルｎＡも合成される。
【００２６】
またさらに、ＭＰ屈曲関節に内蔵されたモータへの供給電流をＩｍ、このモータのトルク定数をｔｍとすると、ＭＰ屈曲関節に作用するモーメント（トルク）ＭｙｍはＭｙｍ＝ｔｍ・Ｉｍとして算出できる。同様に、ＰＩＰ関節に内蔵されたモータへの供給電流をＩｐ、このモータのトルク定数をｔｐとすると、ＰＩＰ関節に作用するモーメント（トルク）ＭｙｐはＭｙｐ＝ｔｐ・Ｉｐとして算出できる。また、ＤＩＰ関節の柔軟関節Ｐの変位量（変位角）をθｄ、柔軟関節Ｐのバネｐ１のバネ定数をｋｄとすると、ＤＩＰ関節に作用するモーメント（トルク）ＭｙｄはＭｙｄ＝ｋｄ・θｄとして算出できる。
【００２７】
上述したように各値を定義したが、まず、ＤＩＰ関節でのモーメントＭｄの釣り合いを考えると、次式が成立する。
【数４】
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【００２８】
ここで、ｙ成分（ｘｄｙｄｚｄ座標系のｙｄ軸回りのモーメント）の釣り合いから、次式（Ｉ）が成立する。
【数５】
2005329512.tif 000007
【００２９】
同様にして、ＰＩＰ関節でのモーメントＭｐの釣り合いを考えると、次式が成立する。
【数６】
2005329512.tif 000008
【００３０】
ここで、ｙ成分（ｘｐｙｐｚｐ座標系のｙｐ軸回りのモーメント）の釣り合いから、次式（ＩＩ）が成立する。
【数７】
2005329512.tif 000009
【００３１】
同様にして、ＭＰ屈曲関節でのモーメントＭｍの釣り合いを考えると、次式が成立する。
【数８】
2005329512.tif 000010
【００３２】
ここで、ｙ成分（ｘｍｙｍｚｍ座標系のｙｍ軸回りのモーメント）の釣り合いから、次式（ＩＩＩ）が成立する。
【数９】
2005329512.tif 000011
【００３３】
そして、上記（Ｉ），（ＩＩ），（ＩＩＩ）式を解くことで、指先力ＦＡのｚ成分ＦｚＡとｘ成分ＦｘＡとを下記式（ＩＶ），（Ｖ）のように得ることができる。
【数１０】
2005329512.tif 000012
【００３４】
ここで、指先力のベクトルＦＡの法線ベクトルＦｎは、ＦＡの法線方向の正射影と考えられるので、以下の式（ＶＩ）が成り立つ。
【数１１】
2005329512.tif 000013
【００３５】
法線ベクトルＦｎの大きさは、上述したようにタクタイルセンサＳの出力に等しく、ベクトルｎＡは単位ベクトルなので、以下の式（ＶＩＩ）が成立する。
【数１２】
2005329512.tif 000014
【００３６】
そして、上記（ＩＶ），（Ｖ），（ＶＩＩ）式から、指先力ＦＡのｙ成分ＦｙＡを下記式（ＶＩＩＩ）のように得ることができる。
【数１３】
2005329512.tif 000015
【００３７】
これによって、指先力（ベクトル）ＦＡのｘＡｙＡｚＡ座標系における直交三軸方向の成分（ＦｘＡ，ＦｙＡ，ＦｚＡ）が得られたことになる。ここで、法線ベクトルＦｎが上記式（ＶＩ）によって求まることから、接線ベクトルＦｓは以下の式（ＩＸ）によって求められる。
【数１４】
2005329512.tif 000016
【００３８】
このように、指先力の接線方向成分を検出することですべり（つかんでいる物がすべること）の検出が可能となり、安定した把持が可能となる。従来のように、指先の分布型接触センサの接触しているセルが変わることによってすべりを検出することに加えて、本実施形態では、静止摩擦係数μが既知であれば、（接線ベクトルＦｓの大きさ）＞μ×（法線ベクトルＦｎの大きさ）となったときにすべり始めたことを検出することもできる。あるいは、指の表面にシリコンなどの弾性体が貼り付けられている場合は、すべりが発生するとすべりが止まったり、またすべり始めたりをを繰り返す、いわゆる、スティックスリップ振動が発生する。このため、検出された接線ベクトルＦｓの大きさが、増減を繰り返して振動する場合には、スティックスリップ振動、即ち、すべりが発生していると判断することができる。また、本実施形態の方法及び装置によれば、多軸力覚センサを用いる必要がないため、装置の小型化や低コスト化が容易である。
【００３９】
なお、上述したアクチュエータや柔軟関節の変位角検出センサ等は、図示されないコントロールユニットに接続されており、このコントロールユニットによって、上述したモーメントの算出や力の算出を行っている。また、アクチュエータはこのコントロールユニットによってその動作が制御されている。コントロールユニット内には、ＣＰＵやＲＯＭ，ＲＡＭ等が搭載されており、ＲＯＭ内に格納されたプログラムによって上述した演算が行われる。即ち、このコントロールユニットが、モーメント算出手段や指先力算出手段として機能している。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の指先力検出装置の一実施形態を備えたロボットハンドを示す斜視図である。
【図２】図１のロボットハンドの指先部分を示す斜視図である。
【図３】図１のロボットハンドの指を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４１】
Ｆ，Ｔ…指、Ｈ…ロボットハンド、Ｐ…柔軟関節、ｐ１…コイルバネ、ｐ２…角度検出センサ、Ｓ…タクタイルセンサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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