(57)【要約】【課題】把持動作を行ったときの指部と対象物の接触の有無、および開き動作を行ったときの指部と対象物の接触の有無を簡素な構成で判定し、よってハンドの大型化や重量の増加を防止するようにしたロボットハンドの制御装置を提供する。【解決手段】前回目標回転角度θcmd_pと検出回転角度θactの差分たる第１の差分Δθ１と、最終目標回転角度θaimと検出回転角度θactの差分たる第２の差分Δθ２とを算出する（Ｓ１６，Ｓ１８）と共に、それらが所定範囲内にあるか否かを判断し（Ｓ２０，Ｓ２２，Ｓ４４）、その判断結果に基づいて指部と対象物の接触の有無を判定する（Ｓ３０，Ｓ４０，Ｓ５０）。具体的には、第１の差分Δθ１および第２の差分Δθ２が共に所定範囲外にあると判断されたとき、指部が対象物に接触したと判定し（Ｓ５０）、しからざるとき、指部と対象物は接触していないと判定する（Ｓ３０，Ｓ４０）。【選択図】図６
2005125462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の指リンクと、それらを連接する指関節とからなる指部を備えると共に、
ａ．前記指関節をその関節軸回りに回転させて前記連接された指リンクの相対角度を変化させるアクチュエータと、
ｂ．前記指関節の回転角度を検出する回転角度検出手段と、
ｃ．外部指令に応じて前記指関節の最終目標回転角度を決定する最終目標回転角度決定手段と、
ｄ．前記最終目標回転角度と前記検出された回転角度とに基づいて前記指関節の中間目標回転角度を算出する中間目標回転角度算出手段と、
および
ｅ．前記中間目標回転角度に基づいて前記アクチュエータの駆動を制御する制御手段と、
を備えたロボットハンドの制御装置であって、
ｆ．前記中間目標回転角度と前記検出された回転角度の差分たる第１の差分を算出する第１の差分算出手段と、
ｇ．前記最終目標回転角度と前記検出された回転角度の差分たる第２の差分を算出する第２の差分算出手段と、
ｈ．前記第１の差分および前記第２の差分のそれぞれが所定範囲内にあるか否か判断する判断する判断手段と、
および
ｉ．前記判断手段の判断結果に基づいて前記指部と対象物の接触の有無を判定する判定手段と、
を備えると共に、前記最終目標回転角度決定手段は、前記判定手段の判定結果に基づいて前記最終目標回転角度を修正するように構成したことを特徴とするロボットハンドの制御装置。
【請求項２】
前記判定手段は、前記第１の差分および前記第２の差分が共に前記所定範囲内にあると判断されたとき、前記指関節の回転角度が前記最終目標回転角度まで到達したと判定すると共に、前記最終目標回転角度決定手段は、前記指関節が前記最終目標回転角度まで到達したと判定されたとき、前記最終目標回転角度を保持するように構成したことを特徴とする請求項１記載のロボットハンドの制御装置。
【請求項３】
前記判定手段は、前記第１の差分が前記所定範囲内にあり、かつ前記第２の差分が前記所定範囲外にあると判断されたとき、前記指関節が前記最終目標回転角度に向けて回転させられていると判定すると共に、前記最終目標回転角度決定手段は、前記指関節が前記最終目標回転角度に向けて回転させられていると判定されたとき、前記最終目標回転角度を保持するように構成したことを特徴とする請求項１または２記載のロボットハンドの制御装置。
【請求項４】
前記判定手段は、前記第１の差分および前記第２の差分が共に前記所定範囲外にあると判断されたとき、前記回転角度が前記最終目標回転角度に到達する前に前記指部が対象物に接触したと判定すると共に、前記最終目標回転角度決定手段は、前記検出された回転角度が前記最終目標回転角度に到達する前に前記指部が対象物に接触したと判定されたとき、前記最終目標回転角度を前記検出された回転角度に修正するように構成したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のロボットハンドの制御装置。
【請求項５】
前記アクチュエータが電動モータであると共に、前記制御手段は、前記判定手段によって前記回転角度が前記最終目標回転角度に達する前に前記指部が対象物に接触したと判定されたとき、所定のデューティ比で前記電動モータに電流を供給するように構成したことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のロボットハンドの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ロボットハンドの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のロボットハンドの制御装置にあっては、一般に、ハンドに設けられた指部の手の平側あるいは指先に接触センサや力センサを配置し、その検出値に基づいて対象物を把持したか否か判定して指関節の回転角度（関節角度）を制御するようにしている（例えば特許文献１から３参照）。  
【特許文献１】特開平９−３００２５８号公報（図５など）
【特許文献２】特開平１０−１０００８９号公報（図３など）
【特許文献３】特許第２６６５８９４号公報（図２など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来技術のように指部の手の平側あるいは指先に接触センサや力センサを配置すると、構成が複雑になり、ハンドの大型化や重量の増加を伴うという不具合があった。
【０００４】
また、使用環境が限られている設置型の産業用ロボットなどに搭載されるロボットハンドにあっては、通常、作業領域内における対象物の予期しない位置変化がほとんど生じないため、ハンドの開き動作を行っているときに指部が対象物に接触する可能性は低い。一方、自律歩行が可能なヒューマノイド型ロボットなどに搭載されるロボットハンドにあっては、使用環境が多岐にわたり、例えば人の生活環境内で共存する場合には、作業領域内における対象物の位置が不規則に変化する可能性がある。このため、ヒューマノイド型ロボットなどに搭載されるロボットハンドにあっては、把持動作を行っているときの指部と対象物の接触の有無のみならず、開き動作を行っているときの指部と対象物の接触の有無も判定できることが望ましい。
【０００５】
しかしながら、上記した従来技術にあっては、指部の手の平側あるいは指先に接触センサや力センサを配置していたため、開き動作を行っているときの指部と対象物の接触の有無を判定することができなかった。尚、開き動作を行っているときの指部と対象物の接触の有無を判定するために、指部の手の甲側に接触センサなどを配置すると、構成がより複雑となって上記した不具合がより顕著になるのは言うまでもない。
【０００６】
従って、この発明の目的は上記した課題を解決することにあり、把持動作を行ったときの指部と対象物の接触の有無、および開き動作を行ったときの指部と対象物の接触の有無を簡素な構成で判定し、よってハンドの大型化や重量の増加を防止するようにしたロボットハンドの制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の第１の目的を達成するために、請求項１にあっては、複数個の指リンクと、それらを連接する指関節とからなる指部を備えると共に、前記指関節をその関節軸回りに回転させて前記連接された指リンクの相対角度を変化させるアクチュエータと、前記指関節の回転角度（関節角度）を検出する回転角度検出手段と、外部指令に応じて前記指関節の最終目標回転角度を決定する最終目標回転角度決定手段と、前記最終目標回転角度と前記検出された回転角度とに基づいて前記指関節の中間目標回転角度を算出する中間目標回転角度算出手段と、および前記中間目標回転角度に基づいて前記アクチュエータの駆動を制御する制御手段と、を備えたロボットハンドの制御装置であって、前記中間目標回転角度と前記検出された回転角度の差分たる第１の差分を算出する第１の差分算出手段と、前記最終目標回転角度と前記検出された回転角度の差分たる第２の差分を算出する第２の差分算出手段と、前記第１の差分および前記第２の差分のそれぞれが所定範囲内にあるか否か判断する判断手段と、および前記判断手段の判断結果に基づいて前記指部と対象物の接触の有無を判定する判定手段と、を備えると共に、前記最終目標回転角度決定手段は、前記判定手段の判定結果に基づいて前記最終目標回転角度を修正するように構成した。
【０００８】
また、請求項２にあっては、前記判定手段は、前記第１の差分および前記第２の差分が共に前記所定範囲内にあると判断されたとき、前記指関節の回転角度が前記最終目標回転角度まで到達したと判定すると共に、前記最終目標回転角度決定手段は、前記指関節が前記最終目標回転角度まで到達したと判定されたとき、前記最終目標回転角度を保持するように構成した。
【０００９】
また、請求項３にあっては、前記判定手段は、前記第１の差分が前記所定範囲内にあり、かつ前記第２の差分が前記所定範囲外にあると判断されたとき、前記指関節が前記最終目標回転角度に向けて回転させられていると判定すると共に、前記最終目標回転角度決定手段は、前記指関節が前記最終目標回転角度に向けて回転させられていると判定されたとき、前記最終目標回転角度を保持するように構成した。
【００１０】
また、請求項４にあっては、前記判定手段は、前記第１の差分および前記第２の差分が共に前記所定範囲外にあると判断されたとき、前記回転角度が前記最終目標回転角度に到達する前に前記指部が対象物に接触したと判定すると共に、前記最終目標回転角度決定手段は、前記検出された回転角度が前記最終目標回転角度に到達する前に前記指部が対象物に接触したと判定されたとき、前記最終目標回転角度を前記検出された回転角度に修正するように構成した。
【００１１】
また、請求項５にあっては、前記アクチュエータが電動モータであると共に、前記制御手段は、前記判定手段によって前記回転角度が前記最終目標回転角度に達する前に前記指部が対象物に接触したと判定されたとき、所定のデューティ比で前記電動モータに電流を供給するように構成した。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に係るロボットハンドの制御装置にあっては、複数個の指リンクと、それらを連接する指関節とからなる指部を備えると共に、前記指関節をその関節軸回りに回転させて前記連接された指リンクの相対角度を変化させるアクチュエータと、前記指関節の回転角度を検出する回転角度検出手段と、外部指令に応じて前記指関節の最終目標回転角度を決定する最終目標回転角度決定手段と、前記最終目標回転角度と前記検出された回転角度とに基づいて前記指関節の中間目標回転角度を算出する中間目標回転角度算出手段と、および前記中間目標回転角度に基づいて前記アクチュエータの駆動を制御する制御手段と、を備えたロボットハンドの制御装置であって、前記中間目標回転角度と前記検出された回転角度の差分たる第１の差分を算出する第１の差分算出手段と、前記最終目標回転角度と前記検出された回転角度の差分たる第２の差分を算出する第２の差分算出手段と、前記第１の差分および前記第２の差分のそれぞれが所定範囲内にあるか否か判断する判断手段と、および前記判断手段の判断結果に基づいて前記指部と対象物の接触の有無を判定する判定手段と、を備えると共に、前記最終目標回転角度決定手段は、前記判定手段の判定結果に基づいて前記最終目標回転角度を修正するように構成したので、把持動作を行ったときの指部と対象物の接触の有無、および開き動作を行ったときの指部と対象物の接触の有無を簡素な構成で（専用のセンサを設けることなく）判定することができ、よってハンドの大型化や重量の増加を防止することができる。また、その判定結果に基づいて最終目標回転角度を修正することで、対象物の破損やハンドの駆動系の損傷を防止することができる。
【００１３】
また、請求項２に係るロボットハンドの制御装置にあっては、前記判定手段は、前記第１の差分および前記第２の差分が共に前記所定範囲内にあると判断されたとき、前記指関節の回転角度が前記最終目標回転角度まで到達したと判定すると共に、前記最終目標回転角度決定手段は、前記指関節が前記最終目標回転角度まで到達したと判定されたとき、前記最終目標回転角度を保持するように構成したので、上記した効果に加え、操作者は指部と対象物の接触の有無に応じてハンドの動作指示を変更する必要がなく、よって操作者の負担を軽減させることができる。
【００１４】
また、請求項３に係るロボットハンドの制御装置にあっては、前記判定手段は、前記第１の差分が前記所定範囲内にあり、かつ前記第２の差分が前記所定範囲外にあると判断されたとき、前記指関節が前記最終目標回転角度に向けて回転させられていると判定すると共に、前記最終目標回転角度決定手段は、前記指関節が前記最終目標回転角度に向けて回転させられていると判定されたとき、前記最終目標回転角度を保持するように構成したので、上記した効果に加え、操作者は指部と対象物の接触の有無に応じてハンドの動作指示を変更する必要がなく、よって操作者の負担を軽減させることができる。
【００１５】
また、請求項４に係るロボットハンドの制御装置にあっては、前記判定手段は、前記第１の差分および前記第２の差分が共に前記所定範囲外にあると判断されたとき、前記回転角度が前記最終目標回転角度に到達する前に前記指部が対象物に接触したと判定すると共に、前記最終目標回転角度決定手段は、前記検出された回転角度が前記最終目標回転角度に到達する前に前記指部が対象物に接触したと判定されたとき、前記最終目標回転角度を前記検出された回転角度に修正するように構成したので、上記した効果に加え、操作者は指部と対象物の接触の有無に応じてハンドの動作指示を変更する必要がなく、よって操作者の負担を軽減させることができる。
【００１６】
また、請求項５に係るロボットハンドの制御装置にあっては、前記アクチュエータが電動モータであると共に、前記制御手段は、前記判定手段によって前記回転角度が前記最終目標回転角度に達する前に前記指部が対象物に接触したと判定されたとき、所定のデューティ比で前記電動モータに電流を供給するように構成したので、上記した効果に加え、対象物の把持を継続するときの消費電力を低減することができると共に、電動モータへの負担を軽減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面に即してこの発明に係るロボットハンドの制御装置を実施するための最良の形態について説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、この発明に係るロボットハンドの制御装置が搭載されるロボットの正面図であり、図２はその右側面図である。
【００１９】
図１に示すように、ロボット１０は、２本の脚部１２を備えると共に、その上方には上体（基体）１４が設けられる。上体１４のさらに上方には頭部１６が形成されると共に、上体１４の両側には２本の腕部１８が連結される。左右の腕部１８の先端にはハンド（ロボットハンド）２０が連結される。また、図２に示すように、上体１４の背部には格納部２２が設けられ、その内部にはＥＣＵ（電子制御ユニット）２４やバッテリ２６などが収容される。
【００２０】
尚、ロボット１０は、左右の脚部１２のそれぞれについて６つの自由度を与えられ、これら６×２＝１２個の関節を駆動する電動モータをＥＣＵ２４で算出された制御値に基づいて動作させることにより、足全体に所望の動きを与えることができ、ロボット１０を任意に３次元空間を移動させることができる。また、左右の腕部１８のそれぞれについても５つの自由度を与えられ、これら５×２＝１０個の関節を駆動する電動モータをＥＣＵ２４で算出された制御値に基づいて動作させることにより、腕部全体に所望の動きを与えることができる。さらに、左右のハンド２０のそれぞれについても、後述の如く１４つの自由度を与えられ、これら１４×２＝２８個の関節を駆動する電動モータをＥＣＵ２４で算出された制御値に基づいて動作させることにより、ハンド２０に把持などの所望の動きを与えることができる。このように、ロボット１０は、人の形状を模した自律歩行が可能なヒューマノイド型ロボットである。
【００２１】
図３は、ハンド２０を手の平側から見た平面図である。
【００２２】
図３に示す如く、ハンド２０は、手掌部３０と、手掌部３０に接続された第１から第５の指部３２〜４０とから構成される。第１から第５の指部３２〜４０は、それぞれ人の手の親指、人差し指、中指、薬指および小指に相当する。
【００２３】
手掌部３０は、手の平側の面を形成する手の平形成部材４２と、手の甲側の面を形成する手の甲形成部４４とからなり、その基端部は、前記した腕部１８に接続される
【００２４】
第１から第５の各指部は、複数個の指リンクと、それらを連接する指関節とからなる。具体的に説明すると、第１の指部３２（親指）は、末節リンク３２ａと、基節リンク３２ｂと、それらを接続する第１関節３２Ａと、基節リンク３２ｂを手掌部３０に固定された
中手リンク３２ｃに接続する第２関節３２Ｂとからなる。また、第２の指部３４（人差し指）は、末節リンク３４ａと、中節リンク３４ｂと、基節リンク３４ｃと、末節リンク３４ａと中節リンク３４ｂを接続する第１関節３４Ａと、中節リンク３４ｂと基節リンク３４ｃを接続する第２関節３４Ｂと、基節リンク３４ｃを手掌部３０に固定された中手リンク３４ｄに接続する第３関節３４Ｃとからなる。尚、第３の指部３６、第４の指部３８および第５の指部４０は、第２の指部３４と同様に構成される。
【００２５】
図４は、第２の指部３４の分解斜視図である。
【００２６】
図４に示す如く、中手リンク３４ｄには、第１の電動モータ（アクチュエータ。具体的には、ステッピングモータ）３４ｄ１と、その出力を減速する遊星歯車減速機などからなる第１の減速機構３４ｄ２と、第３関節３４Ｃの回転角度（関節角度）を検出する第１のエンコーダ３４ｄ３とが配置される。第１の電動モータ３４ｄ１の出力軸と、第１の減速機構３４ｄ２の入力軸と、第１のエンコーダ３４ｄ３の回転軸は、第１のベルト３４ｄ４を介して接続される。
【００２７】
第１の減速機構３４ｄ２の回転出力部３４ｄ５には、結合部３４ｄ６が設けられる。結合部３４ｄ６は、図示しないボルトによって基節リンク３４ｃに固定される。このように、中手リンク３４ｄと基節リンク３４ｃは、第３関節３４Ｃの関節軸３４ＣＳ（第１の減速機構３４ｄ２の出力軸）を介して相対角度変化自在に連結される。
【００２８】
また、基節リンク３４ｃには、第２の電動モータ（アクチュエータ。具体的には、ステッピングモータ）３４ｃ１と、その出力を減速する遊星歯車減速機などからなる第２の減速機構３４ｃ２と、第２関節３４Ｂの回転角度（関節角度）を検出する第２のエンコーダ３４ｃ３とが配置される。第２の電動モータ３４ｃ１の出力軸と、第２の減速機構３４ｃ２の入力軸と、第２のエンコーダ３４ｃ３の回転軸は、第２のベルト３４ｃ４を介して接続される。
【００２９】
第２の減速機構３４ｃ２の回転出力部３４ｃ５には、結合部３４ｃ６が設けられる。結合部３４ｃ６は、図示しないボルトによって中節リンク３４ｂに固定される。このように、基節リンク３４ｃと中節リンク３４ｂは、第２関節３４Ｂの関節軸３４ＢＳ（第２の減速機構３４ｃ２の出力軸）を介して相対角度変化自在に連結される。
【００３０】
また、中節リンク３４ｂには、第３の電動モータ（アクチュエータ。具体的には、ステッピングモータ）３４ｂ１と、その出力を減速する遊星歯車減速機などからなる第３の減速機構３４ｂ２と、第１関節３４Ａの回転角度（関節角度）を検出する第３のエンコーダ３４ｂ３とが配置される。第３の電動モータ３４ｂ１の出力軸と、第３の減速機構３４ｂ２の入力軸と、第３のエンコーダ３４ｂ３の回転軸は、第３のベルト３４ｂ４を介して接続される。
【００３１】
第３の減速機構３４ｂ２の回転出力部３４ｂ５には、ピン孔３４ｂ６が穿設される。末節リンク３４ａには、前記ピン孔３４ｂ６に対応するピン孔３４ａ１が穿設され、それらに図示しないピンを挿通することにより、中節リンク３４ｂと末節リンク３４ａが連結される。
【００３２】
また、中節リンク３４ｂと末節リンク３４ａは、さらにアーム３４ａ２を介して接続される。アーム３４ａ２は、その一端が末節リンク３４ａの適宜位置に回転自在に取り付けられる一方、他端が中節リンク３４ｂの適宜位置に回転自在に取り付けられ、第２の指部３４の長手方向に対して傾斜した姿勢で配置される。
【００３３】
このように、中節リンク３４ｂと末節リンク３４ａは、第１関節３４Ａを構成する二つの関節軸３４ＡＳ１（第３の減速機構３４ｂ２の出力軸）と３４ＡＳ２（ピン孔３４ｂ６，３４ａ１の中心軸）を介して相対角度変化自在に接続される。尚、末節リンク３４ａの先端には、高い柔軟性と摩擦係数を備えた指先部３４ａ３が取り付けられる。
【００３４】
第１の電動モータ３４ｄ１の回転出力は、第１のベルト３４ｄ４を介して第１の減速装置３４ｄ２に伝達され、よって第３関節３４Ｃがその関節軸３４ＣＳ回りに回転されて基節リンク３４ｃと中手リンク３４ｄの相対角度が変化される。また、第２の電動モータ３４ｃ１の回転出力は、第２のベルト３４ｃ４を介して第２の減速装置３４ｃ２に伝達され、よって第２関節３４Ｂがその関節軸３４ＢＳ回りに回転されて中節リンク３４ｂと基節リンク３４ｃの相対角度が変化される。
【００３５】
また、第３の電動モータ３４ｂ１の回転出力は、第３のベルト３４ｂ４を介して第３の減速装置３４ｂ２に伝達され、よって第１関節３４Ａが一方の関節軸３４ＡＳ１回りに回転されて末節リンク３４ａと中節リンク３４ｂの相対角度が変化される。このとき、前記したアーム３４ａ２の作用により、末節リンク３４ａと中節リンク３４ｂは他方の関節軸３４ＡＳ２回りにさらに相対角度が変化される。即ち、第１関節３４Ａの回転角度は、二つの関節軸３４ＡＳ１と３４ＡＳ２の回転角度の合算値となる。
【００３６】
第３の指部３６、第４の指部３８および第５の指部４０も、第２の指部３４と同様に構成され、それぞれの指部に３個ずつ配置された電動モータ（図示せず）を駆動することにより、第１から第３関節をそれらの関節軸回りに回転させて各リンクの相対角度を変化させる。また、第１の指部３２は、第３関節と中節リンク（そこに配置される電動モータ、減速装置、エンコーダを含む）を備えないことを除いて第２の指部３４と同様に構成され、中手リンク３２ａと基節リンク３２ｂに配置された２個の電動モータ（図示せず）を駆動することにより、第１および第２関節を回転させて各リンクの相対角度を変化させる。
【００３７】
以上のように、この実施例に係るハンド２０にあっては、各指部に３個あるいは２個ずつ配置された電動モータを駆動することにより、各指部を屈曲・伸展させ、対象物の把持動作などを行うことができる。
【００３８】
次いで、図５以降を参照してこの発明に係るロボットハンドの制御装置の動作について説明する。
【００３９】
図５は、その動作を機能的に示すブロック図である。図５に示す如く、コントローラ５０を介して操作者から入力されたハンド２０の動作指示（外部入力）に応じた指関節の指示回転角度θouter_input[rad]は、最終目標回転角度決定部５２に入力される。尚、コントローラ５０は、ロボット１０と離間した位置に配置されると共に、有線あるいは無線を介してＥＣＵ２４と通信自在に構成される。
【００４０】
最終目標回転角度決定部５２は、入力された指示回転角度θouter_inputと後述する各値に基づいて最終目標回転角度θaim[rad]（最終的に目標とすべき指部の回転角度（関節角度））を決定し、ランプ波軌道生成部５４に出力する。ランプ波軌道生成部５４は、入力された最終目標回転角度θaimなどに基づいて微小間隔毎の目標回転角度θcmd_ramp[rad]を生成する。ここで、「微小間隔」とは、制御周期を意味し、この実施例にあっては５ｍｓｅｃとする。尚、最終目標回転角度決定部５２およびランプ波軌道生成部５４の処理は、後に詳説する。
【００４１】
ランプ波軌道生成部５４から出力された目標回転角度θcmd_rampは、第１のフィルタ５６および第２のフィルタ５８（一次遅れ要素）を介してフィルタ通過後目標回転角度θcmd[rad]（前記した中間目標回転角度。具体的には、最終目標回転角度θaimに向けて指部の回転角度を誘導する、中間的な目標回転角度（関節角度））に変換される。そして、減算器６０において、フィルタ通過後目標回転角度θcmdから前記したエンコーダによって検出された指関節の検出回転角度θact[rad]を減算した後、乗算器６２で位置ゲインＫｐ[1/sec]を乗算し、さらに加算器６４で速度ＦＦ（フィードフォワード）回転角速度ωff[rad/sec]（後述）を加算することにより、目標回転角速度ωcmd[rad/sec]が算出される。目標回転角速度ωcmdは、図示しないモータドライバに入力され、モータドライバは、入力された目標回転角速度ωcmdに応じた電流を前記した電動モータに供給する。
【００４２】
また、フィルタ通過後目標回転角度θcmdは、前回値保存部６６に入力され、前回目標回転角度θcmd_p[rad]として保存される。保存された前回目標回転角度θcmd_pは、外部入力に応じた回転角速度リミットωlim[rad/sec]と前記した最終目標回転角度θaimと共にランプ波軌道生成部５４に入力される。
【００４３】
ランプ波軌道生成部５４は、上記した各入力値に基づいて前記した目標回転角度θcmd_rampを算出する。具体的には、先ず、目標回転角度θcmd_rampに最終目標回転角度θaimを代入する。そして、下記の式１に従って回転角速度ωを算出する。尚、式１でDELTA_Tは制御周期（微小期間）を意味し、この実施例においては、５[msec]に設定される。
ω＝(θcmd_ramp−θcmd_p)／DELTA_T      式１
【００４４】
次いで、回転角速度ωのリミットチェックを行う。具体的には、回転角速度ωが回転角速度リミットωlimの範囲内にあるか否か判断し、範囲内にあるときは回転角速度ωの算出値を保持し、範囲外にあるときは回転角速度ωに回転角速度リミットωlimを代入する。そして、回転角速度ωと前回目標回転角度θcmd_pとに基づき、下記の式２に従って目標回転角度θcmd_rampを算出する。
θcmd_ramp＝θcmd_p＋ω×DELTA_T      式２
【００４５】
また、前回目標回転角度θcmd_pは、前記したフィルタ通過後目標回転角度θcmdと共に速度ＦＦ（フィードフォワード）回転角速度計算部６８にも入力される。速度ＦＦ回転角速度計算部６８は、下記の式３に従って前記した速度ＦＦ回転角速度ωffを算出する。
ωff＝(θcmd−θcmd_p)／DELTA_T      式３
【００４６】
尚、図５において、コントローラ５０、電動モータおよびエンコーダ以外は、全てＥＣＵ２４の内部構成を示す。
【００４７】
また、前回目標回転角度θcmd_pは、最終目標回転角度決定部５２にも入力される。最終目標回転角度決定部５２は、さらに検出回転角度θactが入力され、各入力値に基づいて前記した最終目標回転角度θaimを決定する。
【００４８】
図６および図７は、最終目標回転角度決定部５２における最終目標回転角度θaimの修正処理を示すフローチャートである。図示のプログラムは、ＥＣＵ２４において前記した制御周期（５ｍｓｅｃ）ごとに実行される。
【００４９】
以下、図６および図７を参照してかかる処理について説明すると、先ず、Ｓ１０において、第１のタイマservo_timeの値が０を超えているか否か判断する。尚、第１のタイマservo_timeは、このフローチャートの最後のステップでカウントアップされる。即ち、Ｓ１０での判断は、図示のプログラム（最終目標回転角度θaimの修正処理）の実行が初めてでないか否か判断することに相当する。
【００５０】
Ｓ１０で否定されるときは、次いでＳ１２に進み、ハンド２０の動作状態を示すステータスstatusをREACH（後述）に設定し、Ｓ１４に進んでステータスstatusを前回値（以下「前回ステータスstatus_p」という）として保存する。尚、Ｓ１０で肯定されたときは、前回のプログラム実行時において後述するステップで設定されたステータスstatusを、前回ステータスstatus_pとして保存する。
【００５１】
次いでＳ１６に進み、前回目標回転角度θcmd_pから検出回転角度θactを減算し、第１の差分Δθ１[rad]を算出する。そして、さらにＳ１８に進み、最終目標回転角度θaimから検出回転角度θactを減算し、第２の差分Δθ２[rad]を算出する。尚、最終目標回転角度θaimの初期値は、指示回転角度θouter_inputとされる。
【００５２】
次いでＳ２０に進み、第１の差分Δθ１の絶対値がロック検出角度detect_th[rad]（例えば０．０１[rad]（約０．６[deg]））以下か否か、換言すれば、第１の差分Δθ１が、所定範囲内（プラス・マイナスdetect_th内）にあるか否か判断する。ここで、ロック検出角度detect_thは、図８に示すように、回転各速度リミットωlimが大きくなるに従って大きな値となるように設定される。
【００５３】
Ｓ２０で肯定されて前回目標回転角度θcmd_pと検出回転角度θactの差分たる第１の差分Δθ１が所定範囲内にある、換言すれば、前回目標回転角度θcmd_pに検出回転角度θactが追従していると判断されるときは、次いでＳ２２に進み、第２の差分Δθ２の絶対値が前記したロック検出角度detect_th以下か否か、換言すれば、第２の差分Δθ２が、所定範囲内（プラス・マイナスdetect_th内）にあるか否か判断する。
【００５４】
Ｓ２２で肯定されて最終目標回転角度θaimと検出回転角度θactの差分たる第２の差分Δθ２が所定範囲内にあると判断されるときは、次いでＳ２４に進み、第１のカウンタreach_cntの値を１つインクリメントし、さらにＳ２６に進んで第１のカウンタreach_cntの値が所定値detect_cnt（例えば３）を超えたか否か判断する。
【００５５】
Ｓ２６で否定されるときはＳ２８に進んで前回ステータスstatus_pを今回値とする（前回ステータスstatus_pを保持する）一方、Ｓ２６で肯定されるときは次いでＳ３０に進み、検出回転角度θactが最終目標回転角度θaimに到達したと判定してステータスstatusをREACHに設定する。即ち、ステータスstatusが「REACH」であるということは、検出回転角度θactが最終目標回転角度θaimに到達したことを意味する。そして、さらにＳ３２に進んで第１のカウンタreach_cntと、第２のカウンタmove_cnt（後述）と、第３のカウンタlock_cnt（後述）の値を全て０にリセットする。
【００５６】
このように、この実施例にあっては、検出回転角度θactが前回目標回転角度θcmd_pおよび最終目標回転角度θaimに近似した（即ち、第１の差分Δθ１と第２の差分Δθ２が共に所定範囲内（プラス・マイナスdetect_th内）にある）状態が所定時間継続したとき（第１のカウンタreach_cntの値が所定値detect_cntに達したとき）に、検出回転角度θactが最終目標回転角度θaimに到達したと判定するようにした。
【００５７】
一方、Ｓ２２で否定されて最終目標回転角度θaimと検出回転角度θactの差分たる第２の差分Δθ２が所定範囲外にあると判断されるときは、次いでＳ３４に進み、第２のカウンタmove_cntの値を１つインクリメントし、さらにＳ３６に進んで第２のカウンタmove_cntの値が前記した所定値detect_cntを超えたか否か判断する。
【００５８】
Ｓ３６で否定されるときは次いでＳ３８に進んで前回ステータスstatus_pを保持する一方、Ｓ３６で肯定されるときは次いでＳ４０に進み、指関節が最終目標回転角度θaimに向けて回転中と判定してステータスstatusをMOVEに設定する。即ち、ステータスstatusが「MOVE」であるということは、指関節が最終目標回転角度θaimに向けて回転中であることを意味する。そして、Ｓ４２に進んで第１のカウンタreach_cntと、第２のカウンタmove_cntと、第３のカウンタlock_cntの値を全て０にリセットする。
【００５９】
このように、検出回転角度θactが前回目標回転角度θcmd_pに近似し（第１の差分Δθ１が所定範囲内（プラス・マイナスdetect_th内）にあり）、かつ最終目標回転角度θaimには至っていない（第２の差分Δθ２が所定範囲外（プラス・マイナスdetect_th外）にある）状態が所定時間継続したとき（第２のカウンタmove_cntの値が所定値detect_cntに達したとき）に、指関節が最終目標回転角度θaimに向けて回転中と判定するようにした。
【００６０】
また、Ｓ２０で否定されて前回目標回転角度θcmd_pと検出回転角度θactの差分たる第１の差分Δθ１が所定範囲外にある、換言すれば、前回目標回転角度θcmd_pに検出回転角度θactが追従していないと判断されるときは、次いでＳ４４に進み、第２の差分Δθ２の絶対値が前記したロック検出角度detect_th以下か否か判断する。
【００６１】
Ｓ４４で肯定されるとき（通常はあり得ない）はＳ３８に進んで前回ステータスstatus_pを保持する一方、Ｓ４４で否定されて最終目標回転角度θaimと検出回転角度θactの差分たる第２の差分Δθ２が所定範囲外にあると判断されるときは、次いでＳ４６に進み、第３のカウンタlock_cntの値を１つインクリメントし、さらにＳ４８に進んで第３のカウンタlock_cntの値が前記した所定値detect_cntを超えたか否か判断する。
【００６２】
Ｓ４８で否定されるときはＳ３８で前回ステータスstatus_pを保持する一方、Ｓ４８で肯定されるときは、次いでＳ５０に進み、指部が最終目標回転角度θaimに到達する以前に対象物に接触して停止（ロック）したと判定してステータスstatusをLOCKに設定する。即ち、ステータスstatusが「LOCK」であるということは、指部が最終目標回転角度θaimに到達する以前に対象物に接触して停止したことを意味する。そして、Ｓ５２に進んで第１のカウンタreach_cntと、第２のカウンタmove_cntと、第３のカウンタlock_cntの値を全て０にリセットする。
【００６３】
このように、検出回転角度θactが前回目標回転角度θcmd_pおよび最終目標回転角度θaimに近似しない（第１の差分Δθ１と第２の差分Δθ２が共に所定範囲外（プラス・マイナスdetect_th外）にある）状態が所定時間継続したとき（第３のカウンタlock_cntの値が所定値detect_cntに達したとき）に、指部が対象物に接触して停止したと判定するようにした。
【００６４】
尚、前述の如く、ロック検出角度detect_thを回転各速度リミットωlimが大きくなるに従って大きな値となるように設定したので、ハンド２０の駆動速度が大きい場合であっても、その動作状態が上記３種（「REACH」、「MOVE」、「LOCK」）のいずれにあるか精度良く判定することができる。
【００６５】
プログラムは次いで、図７に示すＳ５４に進み、ステータスstatusがLOCKに設定されているか否か判断する。Ｓ５４で否定されるときは、次いでＳ５６に進み、書き換えフラグrewrite_flg（後述）のビットを０にリセットする。
【００６６】
一方、Ｓ５４で肯定されるときは、次いでＳ５８に進み、第２のタイマrewrite_timeの値が所定時間detect_time、具体的には、５００[msec]に達したか否か判断する。Ｓ５８で肯定されるときは、Ｓ５６に進んで書き換えフラグrewrite_flgのビットを０にリセットする一方、Ｓ５８で否定されるときは、次いでＳ６０に進み、書き換えフラグrewrite_flgのビットを１にセットする。
【００６７】
次いでＳ６２に進み、書き換えフラグrewrite_flgのビットが１にセットされているか否か判断する。Ｓ６２で否定されるときは、次いでＳ６４に進み、最終目標回転角度θaimに指示回転角度θouter_inputをセットする。即ち、最終目標回転角度θaimを指示回転角度θouter_inputに決定する。尚、最終目標回転角度θaimの初期値は、前記したように指示回転角度θouter_inputであることから、ここでの処理は、最終目標回転角度θaimの値を保持することに相当する。そして、Ｓ６６に進んで第２のタイマrewrite_timeの値を０にリセットした後、Ｓ６８に進んで第１のタイマservo_timeの値を５[msec]だけカウントアップして終了する。
【００６８】
他方、Ｓ６２で肯定されるときは、次いでＳ７０に進み、最終目標回転角度θaimに検出回転角度θactをセットする。即ち、最終目標回転角度θaimを、指示回転角度θouter_inputから検出回転角度θactに修正（決定）する。そして、Ｓ７２に進んで第２のタイマrewrite_timeの値を５[msec]だけカウントアップすると共に、Ｓ６８で第１のタイマservo_timeを５[msec]だけカウントアップして終了する。
【００６９】
以上のように、この発明の第１実施例にあっては、前回目標回転角度θcmd_p（フィルタ通過後目標回転角度θcmdの前回値）と検出回転角度θactの差分たる第１の差分Δθ１と、最終目標回転角度θaimと検出回転角度θactの差分たる第２の差分Δθ２とを算出すると共に、それらが所定範囲内にあるか否か判断し、その判断結果に基づいて指部と対象物の接触の有無を判定する、具体的には、第１の差分Δθ１および第２の差分Δθ２が共に所定範囲外にあると判断されたとき、指部が対象物に接触したと判定し（Ｓ５０）、しからざるとき、指部と対象物は接触していないと判定する（Ｓ３０，Ｓ４０）ように構成したので、把持動作を行ったときの指部と対象物の接触の有無、および開き動作を行ったときの指部と対象物の接触の有無を簡素な構成で（専用のセンサを設けることなく）判定することができ、よってハンド２０の大型化や重量の増加を防止することができる。
【００７０】
さらに、前記判定結果に基づいて最終目標回転角度θaimを修正する、具体的には、指部が最終目標回転角度θaimに到達する以前に対象物に接触したと判定されてステータスstatusがLOCKに設定され（Ｓ５０）、書き換えフラグrewrite_flgのビットが１にセットされたとき（Ｓ６０）、指示回転角度θouter_inputに応じて決定された最終目標回転角度θaimを検出回転角度θactに修正する（即ち、指部の動作を停止させる。Ｓ７０））ように構成したので、対象物の破損やハンド２０の駆動系（遊星歯車減速機や電動モータなど）の損傷を防止することができる。
【００７１】
また、最終目標回転角度θaimが検出回転角度θactに修正されてからの経過時間（第２のタイマrewrite_timeの値）が所定時間detect_time（例えば５００[msec]）に達したとき（Ｓ５８で肯定されたとき）、書き換えフラグrewrite_flgのビットを０にリセット（Ｓ５６）して最終目標回転角度θaimを指示回転角度θouter_inputに復帰させることで、図９に示すように、指部と対象物の接触が解除されたときに、検出回転角度θactを操作者から入力された指示回転角度θouter_input（最終目標回転角度θaim）に速やかに到達させるようにした。尚、指部と対象物の接触が継続されているときは、図６および図７に示すフローチャートの処理に従って再び最終目標回転角度θaimが検出回転角度θactに修正される。
【００７２】
このように、検出回転角度θactが最終目標回転角度θaimに到達する前に指部が対象物に接触したと判定されたとき、最終目標回転角度θaimを検出回転角度θactに修正して指部の動作を停止させると共に、指部と対象物の接触が解除されたときは最終目標回転角度θaimを指示回転角度θouter_input復帰させるようにしたので、操作者は指部と対象物の接触の有無に応じてハンド２０の動作指示（指示回転角度θouter_input）を変更する必要がなく、よって操作者の負担を軽減させることができる。
【００７３】
図１０は、指部と対象物が接触しているときに電動モータに供給される電流波形を示すタイムチャートである。
【００７４】
図１０において、電流波形（パルス波形）の立ち上がっている期間は、最終目標回転角度θaimが指示回転角度θouter_inputに復帰されてから、検出回転角度θactに再度修正されるまでの期間である。
【００７５】
以下、図１１を参照してこの電流波形の立ち上がっている期間について具体的に説明する。最終目標回転角度θaimが指示回転角度θouter_inputに復帰されると、各電動モータへの通電が再開される。このとき、指部と対象物が接触していると、検出回転角度θactが前回目標回転角度θcmd_pに追従しないことから、図示の如く第１の差分Δθ１が徐々に増加する。尚、第１の差分Δθ１の増加の度合いは、電動モータの回転数、減速装置の減速比、第１のフィルタ５６および第２のフィルタ５８の時定数に応じて決定される。
【００７６】
第１の差分Δθ１がロック検出角度detect_thに到達すると、カウンタlock_cntのカウントアップが開始される（尚、第１の差分Δθ１がロック検出角度detect_thに到達する状況下では、第２の差分Δθ２は既にロック検出角度detect_thに到達している）。そして、カウンタlock_cntの値が所定値detect_cntに達すると、指部が対象物に接触したと判定し、最終目標回転角度θaimが検出回転角度θactにセットされる。
【００７７】
最終目標回転角度θaimが検出回転角度θactにセットされると、第１の差分Δθ１および第２の差分Δθ２が共にロック検出角度detect_thの範囲内となる（検出回転角度θactが最終目標回転角度θaimに到達したと判定される）ことから、各電動モータへの通電が停止される（非通電とされる）。電動モータへの通電の停止は、タイマrewrite_timeの値が所定時間detect_timeに達するまで継続される。
【００７８】
ここで、上記した構成から理解できるように、ロック検出角度detect_th、所定値detect_cnt、所定時間detect_time、さらには電動モータの回転数、減速装置の減速比、第１のフィルタ５６および第２のフィルタ５８の時定数を適宜な値に設定することにより、電流波形の立ち上がっている期間、即ち、供給電流のデューティ比を適宜な値に調整することができる。この実施例にあっては、供給電流のデューティ比が約２０％になるように、上記の各値を設定した。これにより、指部と対象物が接触を継続するとき（より詳しくは、対象物の把持を継続するとき）の消費電力を低減することができると共に、電動モータへの負担を軽減することができる。特に、この実施例に係るロボット１０のような自律型の２足歩行ロボットにあっては、搭載するバッテリ容量に制限が生じると共に、環境内を移動するのに大きな消費電力が必要とされることから、対象物の把持という継続的に行われる可能性のある動作の消費電力を低減することは、非常に有効である。
【００７９】
尚、電動モータに電力が供給されていないときは、前記した遊星歯車減速機などからなる各減速装置の自縛現象（self  locking。入力軸側から出力軸側を駆動することはできるが、出力軸側から入力軸側を駆動することはできない特性）を意図的に用いることにより、指部の姿勢（回転角度）を維持するようにした。
【００８０】
以上の如く、この発明の第１実施例にあっては、複数個の指リンク（末節リンク３２ａ〜４０ａ、中節リンク３４ｂ〜４０ｂ、基節リンク３２ｂ，３４ｃ〜４０ｃ、中手リンク３２ｃ，３４ｄ〜４０ｄ）と、それらを連接する指関節（第１関節３２Ａ〜４０Ａ、第２関節３２Ｂ〜４０Ｂ、第３関節３４Ｃ〜４０Ｃ）とからなる指部（第１から第５の指部３２〜４０）を備えると共に、前記指関節をその関節軸（３４ＡＳ１，３４ＡＳ２，３４ＢＳ，３４ＣＳなど）回りに回転させて前記連接された指リンクの相対角度を変化させるアクチュエータ（電動モータ３４ｂ１，３４ｃ１，３４ｄ１など）と、前記指関節の回転角度（θact）を検出する回転角度検出手段（エンコーダ３４ｂ３，３４ｃ３，３４ｄ３など）と、外部指令（指示回転角度θouter_input）に応じて前記指関節の最終目標回転角度（θaim）を決定する最終目標回転角度決定手段（ＥＣＵ２４、最終目標回転角度決定部５２）と、前記最終目標回転角度と前記検出された回転角度とに基づいて前記指関節の中間目標回転角度（フィルタ通過後目標回転角度θcmd）を算出する中間目標回転角度算出手段（ＥＣＵ２４、ランプ波起動生成部５４、第１のフィルタ５６、第２のフィルタ５８）と、および前記中間目標回転角度に基づいて前記アクチュエータの駆動を制御する制御手段（ＥＣＵ２４）と、を備えたロボットハンド２０の制御装置であって、前記中間目標回転角度（具体的には、フィルタ通過後目標回転角度θcmdの前回値である前回目標回転角度θcmd_p）と前記検出された回転角度の差分たる第１の差分（Δθ１）を算出する第１の差分算出手段（ＥＣＵ２４、最終目標回転角度決定部５２、Ｓ１６）と、前記最終目標回転角度と前記検出された回転角度の差分たる第２の差分（Δθ２）を算出する第２の差分算出手段（ＥＣＵ２４、最終目標回転角度決定部５２、Ｓ１８）と、前記第１の差分および前記第２の差分のそれぞれが所定範囲内にあるか否か判断する判断手段（ＥＣＵ２４、最終目標回転角度決定部５２、Ｓ２０，Ｓ２２，Ｓ４４）と、および前記判断手段の判断結果に基づいて前記指部と対象物の接触の有無を判定する判定手段（ＥＣＵ２４、最終目標回転角度決定部５２、Ｓ３０，Ｓ４０，Ｓ５０）と、を備えると共に、前記最終目標回転角度決定手段は、前記判定手段の判定結果に基づいて前記最終目標回転角度を修正する（Ｓ７０）ように構成した。
【００８１】
また、前記判定手段は、前記第１の差分および前記第２の差分が共に前記所定範囲内にあると判断されたとき、前記指関節の回転角度が前記最終目標回転角度まで到達したと判定する（Ｓ３０）と共に、前記最終目標回転角度決定手段は、前記指関節が前記最終目標回転角度まで到達したと判定されたとき、前記最終目標回転角度を保持する（Ｓ６４）ように構成した。
【００８２】
また、前記判定手段は、前記第１の差分が前記所定範囲内にあり、かつ前記第２の差分が前記所定範囲外にあると判断されたとき、前記指関節が前記最終目標回転角度に向けて回転させられていると判定する（Ｓ４０）と共に、前記最終目標回転角度決定手段は、前記指関節が前記最終目標回転角度に向けて回転させられていると判定されたとき、前記最終目標回転角度を保持する（Ｓ６４）ように構成した。
【００８３】
また、前記判定手段は、前記第１の差分および前記第２の差分が共に前記所定範囲外にあると判断されたとき、前記回転角度が前記最終目標回転角度に到達する前に前記指部が対象物に接触したと判定する（Ｓ５０）と共に、前記最終目標回転角度決定手段は、前記検出された回転角度が前記最終目標回転角度に到達する前に前記指部が対象物に接触したと判定されたとき、前記最終目標回転角度を前記検出された回転角度に修正する（Ｓ７０）ように構成した。
【００８４】
また、前記アクチュエータが電動モータであると共に、前記制御手段は、前記判定手段によって前記回転角度が前記最終目標回転角度に達する前に前記指部が対象物に接触したと判定されたとき、所定のデューティ比で前記電動モータに電流を供給するように構成した。
【００８５】
尚、上記において、指部に力センサや接触センサを配置し、それらの検出値も勘案して指部と対象物の接触の有無を判定するようにしても良い。
【００８６】
また、指関節を回転させて連接された指リンクの相対角度を変化させるアクチュエータとしてステッピングモータを使用したが、指関節を回転させることのできるアクチュエータであれば、ＤＣモータやロータリソレノイドなど、他のアクチュエータを使用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】この発明の第１実施例に係るロボットハンドの制御装置が搭載されるロボットの正面図である。
【図２】図１に示すロボットの右側面図である。
【図３】図１に示すハンドを手の平側から見た平面図である。
【図４】図３に示す第２の指部の分解斜視図である。
【図５】図１に示す装置の動作を機能的に示すブロック図である。
【図６】図１に示す装置の動作の前半部分を示すフローチャートである。
【図７】図１に示す装置の動作の後半部分を示すフローチャートである。
【図８】図６フローチャートで使用されるロック検出角度に対する回転角速度リミットの特性を示す特性図である。
【図９】図７フローチャートで決定される最終目標回転角度に対する検出回転角度の追従関係を示すタイムチャートである。
【図１０】図３に示す指部が対象物と接触しているときの、電動モータに供給される電流波形を示すタイムチャートである。
【図１１】図３に示す指部が対象物と接触しているときの、電動モータへの供給電流のデューティ比を説明するタイムチャートである。
【符号の説明】
【００８８】
２０    ロボットハンド
２４    ＥＣＵ（制御手段、最終目標回転角度決定手段、中間目標回転角度算出手段、第１の差分算出手段、第２の差分算出手段、判断手段、判定手段）
３２〜４０    第１から第５の指部
３２ａ〜４０ａ    末節リンク（指リンク）
３４ｂ〜４０ｂ    中節リンク（指リンク）
３２ｂ，３４ｃ〜４０ｃ    基節リンク（指リンク）
３２ｃ，３４ｄ〜４０ｄ    中手リンク（指リンク）
３４ｂ１，３４ｃ１，３４ｄ１    電動モータ（アクチュエータ）
３４ｂ３，３４ｃ３，３４ｄ３    エンコーダ（回転角度検出手段）
３２Ａ〜４０Ａ    第１関節（指関節）
３２Ｂ〜４０Ｂ    第２関節（指関節）
３４Ｃ〜４０Ｃ    第３関節（指関節）
３４ＡＳ１，３４ＡＳ２，３４ＢＳ，３４ＣＳ    関節軸
５２    最終目標回転角度決定部（最終目標回転角度決定手段、第１の差分算出手段、第２の差分算出手段、判断手段、判定手段）
５４    ランプ波起動生成部（中間目標回転角度算出手段）
５６    第１のフィルタ（中間目標回転角度算出手段）
５８    第２のフィルタ（中間目標回転角度算出手段）
【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】
2005125462.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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