(57)【要約】【課題】  最適な把持力で対象物体を把持することが可能なロボットハンドの把持力制御方法を提供する。【解決手段】  実際に物体を把持する前に中指のみを把持対象物表面上を所定の押圧力で滑らせ（ステップＳ９）、その際の押圧力と摩擦力を検出し（ステップＳ１１）、その比から推定摩擦係数μｓを求めておく（ステップＳ１３）。求めた推定摩擦係数μｓを利用して滑りが発生しないよう把持力を維持しつつ（ステップＳ１９、Ｓ２１）、把持力が過剰とならないよう適切に制御することで（ステップＳ２３、Ｓ２５）、適切な把持力で物体を安定して保持する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多関節の多指を有するロボットハンドの把持力制御方法において、
少なくとも一指の指先における正圧力と摩擦力を検出する手段を備え、対象物体を把持する前に該検出手段に対応する指先を把持対象物体の表面で滑らせて、その際の摩擦力と正圧力から対象物体表面における摩擦係数を推定し、該推定摩擦係数を用いて物体の滑りを予想して把持力を適正に制御することを特徴とするロボットハンドの把持力制御方法。
【請求項２】
前記正圧力と摩擦力を検出する手段は、指の根元に配置される６軸力センサと、該センサの出力と、指先の位置、姿勢から正圧力と摩擦力を求める変換手段を備えていることを特徴とする請求項１記載のロボットハンドの把持力制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットハンドの把持力制御方法に関し、特に、多関節式の多指を有するロボットハンドの把持力制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用のほか医療・看護用や家庭用等幅広い分野へのロボット技術の適用が研究されている。適用分野が拡大するに連れてロボットハンドで把持する物体についても予め定められた形状・特性の物体に限られず、形状、表面材質、重量等の異なる物質を的確に把持する必要が生じてきた。
【０００３】
特許文献１に記載されている技術は、こうした汎用ロボットハンドにおける把持力制御方法に関するものであり、ロボットハンドの指先で滑りを検知した場合には、各指の把持力を所定量増大させるものである。
【特許文献１】特開平４−１８９４８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、この技術では、物体を持ち上げる際や、方向を変える際の適切な把持力を把握することができないため、滑り発生を抑制するために過剰な把持力で物体を把持する可能性があり、対象物によっては変形等を起こす可能性があり好ましくない。
【０００５】
そこで本発明は、最適な把持力で対象物体を把持することが可能なロボットハンドの把持力制御方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係るロボットハンドの把持力制御方法は、多関節の多指を有するロボットハンドの把持力制御方法において、少なくとも一指の指先における正圧力と摩擦力を検出する手段を備え、対象物体を把持する前に該検出手段に対応する指先を把持対象物体の表面で滑らせて、その際の摩擦力と正圧力から対象物体表面における摩擦係数を推定し、該推定摩擦係数を用いて物体の滑りを予想して把持力を適正に制御することを特徴とする。
【０００７】
把持する前に実際にロボットハンドの指先を対象物体の表面で滑らせることで、物体表面の静摩擦係数を計測する。この静摩擦係数を用いて物体表面における滑りの発生を予測し、滑りが発生しない適正な把持力で物体を把持する。
【０００８】
正圧力と摩擦力を検出する手段は、指の根元に配置される６軸力センサと、該センサの出力と、指先の位置、姿勢から正圧力と摩擦力を求める変換手段を備えていることを特徴とする。
【０００９】
指先の位置・姿勢、その際の６軸力センサの出力を基にして、指先部分における物体の表面に沿う方向の力（摩擦力）と表面に垂直な方向の圧力（正圧力）とを幾何変換により算出する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、対象物体の表面上でロボットハンドの指を滑らせることにより、対象物体の静摩擦係数を実際に測定し、この静摩擦係数を利用して滑りの判定と把持力の調整を行うので、滑りが発生しない適正な把持力で物体を把持することができる。これにより、過剰な把持力で物体を把持することがないので、変形しやすい物体も変形を起こすことなく把持することができる。また、物体を把持している際の向きの変更や、物体を持ち上げる際などに物体が滑って取り落とすようなことがなく、その取扱の自由度が増す。
【００１１】
指の根元に配置した６軸力センサにより正圧力、摩擦力を求めることで、指先にセンサを配置する必要がなくなり、センサの配置の自由度が増し、センサの損傷を抑制できる。また、高精度のセンサを用いることができ、制御精度の向上が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
【００１３】
図１は本発明に係るロボットハンドの把持力制御方法によって制御されるロボットハンドの構成を示す図であり、図２は、その制御系、つまり、本発明に係るロボットハンドの把持力制御方法を実行する制御系を示すブロック構成図である。
【００１４】
本実施形態のロボットハンド１は、母指１０、示指１１、中指１２、薬指１３の４指からなる。母指１０は、４つの関節ごとにそれぞれモータ１４が配置された４自由度のリンク系であり、根元に６軸力センサ１５が配置されている。この６軸力センサ１５は、互いに直交する３軸方向のそれぞれに沿う方向の力と、各軸方向回りの力を独立に検出可能なセンサである。他の３指１１〜１３は、最先端の関節を除く３つの間節ごとにそれぞれモータ１４が配置され、最先端の関節は、隣接する関節と連動する構成とされている（連動関節１７）。したがって、４関節でそれぞれ３自由度のリンク系を構成する。ロボットハンド１全体の自由度は１３となる。各指１１〜１３の根元にはそれぞれ母指１０と同様に６軸力センサ１５が配置されている。これらの各指の先端１０ｔ〜１３ｔは、曲面形状の弾性体で構成されている。さらに、各関節には、関節の曲げ角度を検出するためのエンコーダポテンションメータ１６が配置されている。
【００１５】
制御系は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵ等で構成される制御ＥＣＵ２を中心に構成されており、把持対象物の画像を撮影するカメラアイ３の出力画像から画像認識によって対象物の形状・位置を認識する画像認識部２０と、認識結果を基にして把持位置・把持姿勢を計算する把持姿勢演算部２１と、ロボットハンド１の動きを制御するハンド制御部２２とを有している。ハンド制御部２２には、上述した各６軸力センサ１５と、エンコーダポテンションメータ１６の各出力信号が入力され、モータドライバ４により、各モータ１４の動きを制御する。
【００１６】
制御系は、このような構成に限られるものではなく、指示された姿勢となるようロボットハンド１の動きを制御する制御部と、画像認識装置や把持姿勢の演算部を、別体としてもよい。また、ハードウェア的に区分されていてもソフトウェア的に区分されていてもよい。
【００１７】
続いて、このロボットハンド１によって把持対象物を把持する際の制御方法を具体的に説明する。図３は、制御処理のフローチャートであり、図４は、把持制御時のロボットハンド１の母指１０と中指１２の動きを説明する簡略図であり、図５は、その際の摩擦力と正圧力の時間変化を示す図である。
【００１８】
最初に、カメラアイ３から入力された画像情報を基にして、画像認識部２０が画像認識により、把持対象物の３次元的位置と形状を認識する（ステップＳ１）。得られた把持対象物の位置・形状情報を基にして把持姿勢演算部２１は、把持姿勢を算出する（ステップＳ３）。具体的には、対象物上の把持位置を算出し、これを基に各関節の位置、角度を逆算し、現在のロボットハンド１の位置から、この把持位置に至る経路を演算することで、把持姿勢を求める。
【００１９】
把持姿勢が得られたら、ハンド制御部２２は、エンコーダポテンションメータ１６の出力が所定の角度位置となるようモータドライバ４によりロボットハンド１の各モータ１４を制御することで、各指の先端を求めた把持位置へと配置する（ステップＳ５）。このとき、中指１２は、図４に示される０位置にある。
【００２０】
次に中指１２の先端のみを把持対象物６の表面から離して、位置Ａへと移動させる（ステップＳ７）。具体的には、図４に示されるように中指１２の先端が位置０に位置している状態において、その第３関節（図中３と記されている関節部）のモータ１４を駆動させて第３関節から先端部を、この第３関節を中心に時計方向に角度θだけ回転させて、その先端を把持対象物６の表面から離す。次に、第２関節（図中２と記されている関節部）のモータ１４を駆動させて、この第２関節を中心に第２関節から先端部を反時計方向に回転させることで、中指１２の先端部を位置Ａに到達させる。
【００２１】
そして、位置Ａから位置０を通過して位置Ｂに至るまで中指を所定の正圧力（押圧力）で把持対象物６の表面へと押し当てながらその表面上を滑らせる（ステップＳ９）。具体的には、位置Ａから中指の第３関節を反時計方向に略等速で角度２θだけ回転させる。第４関節（図中４と記されている関節部）は、第３関節と連動する関節であるため、第４関節も第３関節と同じ速度で同じ方向に回転する。このとき、所定の正圧力が維持されているか否かは、中指１２の根元に配置されている６軸力センサ１５の出力と、その際の中指１２の姿勢から幾何変換により求めることができる。そして、正圧力が略一定に維持されるよう第２関節の回転量をフィードバック制御する。
【００２２】
把持対象物６の表面上で中指１２を滑らせている間、中指１２の先端に付与される正圧力（押圧力）Ｎとともに、中指１２先端の移動方向（滑り方向）に働く力＝摩擦力Ｆを検出する（ステップＳ１１）。そして、把持対象物６の表面位置０付近を通過する際の平均摩擦力Ｆと平均正圧力Ｎとの比（Ｆ／Ｎ）から推定摩擦係数μＳを求める（ステップＳ１３）。推定摩擦係数μＳ算出後は、中指１２の先端位置を位置０へと戻す（ステップＳ１５）。これは、まず、中指１２の第３関節を時計方向にθ回転させることで、中指１２の先端を把持対象物６の表面から離し、その後に中指１２の第２関節を反時計方向に駆動させることで行うことができる。そして、求めた推定摩擦係数μＳを用いて各指で付与する正圧力を制御して把持対象物６を把持する。
【００２３】
具体的な把持制御においては、まず、６軸力センサの出力から各指先における摩擦力Ｆと把持力（正圧力）Ｎとを検出する（ステップＳ１７）。そして、把持対象物６表面でのロボットハンド１の滑り判定を行う（ステップＳ１９）。この滑り判定は、所定の安全係数をα（α＞１）とするとき、Ｆ＞μｓ／α×Ｎを満たす場合に滑り発生と判定するとよい。
【００２４】
滑りが発生していると判定した場合には、把持力を増大させる制御を行う（ステップＳ２１）。例えば、各指の第２関節のモータの回転量を増大させる。ここで、前回のタイムステップにおける第２関節の曲げ角度をωold、今回のタイムステップにおける第２関節の目標曲げ角度をωとすると、ω＝ωold＋ｋ１×（Ｆ−μｓ／α×Ｎ）と設定する（ｋ１は把持力増加用の制御ゲインである）とよい。
【００２５】
滑りが発生していないと判定した場合には、把持力が過大か否かの判定を行う（ステップＳ２３）。この把持力過剰か否かの判定は、所定の余裕係数をβ（β＞１）とするとき、Ｆ＜μｓ／β×Ｎを満たす場合に滑り発生と判定するとよい。なお、βはαと等しくても良いが、把持力の微少な増大と減少とを周期的に繰り返す制御となるのを避けるため、β＞αとし、その差を有為な量に設定することが好ましい。
【００２６】
把持力が過大と評価したときは、把持力を減少させる制御を行う（ステップＳ２５）。例えば、各指の第２関節のモータの回転量を増大させる。ここで、前回のタイムステップにおける第２関節の曲げ角度をωold、今回のタイムステップにおける第２関節の目標曲げ角度をωとすると、ω＝ωold−ｋ２×（Ｆ−μｓ／β×Ｎ）と設定する（ｋ２は把持力減少用の制御ゲインである）とよい。なお、上記の制御例で、ωおよびωoldは、角度ではなく、角速度指令値としてもよい。
【００２７】
把持力が適正と判断した場合、および、増減制御を終了した場合には、ステップＳ１７へと戻るループ処理により、対象物を把持し続ける。対象物に対して別の操作を行う指令（対象物を移動させる、あるいは、対象物の姿勢を変える等）があった場合には、ループを抜けて別の指令を実行する。対象物の姿勢が変化したり、その他の外力により把持力に垂直な方向の重力成分・外力成分が発生する場合には、把持力制御においてこれらの外力成分を勘案して判定・制御を行う。
【００２８】
本発明によれば、物体表面の摩擦係数を実際に計測し、計測した摩擦係数を用いて把持力を滑りの発生せず、かつ、過剰とならない適切な把持力に維持するため、対象物を最小限の把持力で安定的に把持することができる。そのため、対象物が変形しやすい物体や破損しやすい物体である場合に、過剰な把持力で対象物を変形させたり、破損させたりする心配がなく、安全に対象物を把持して、取り扱うことが可能となり、ロボットハンドで取扱が可能な対象物の範囲が拡大し、その活用が図れる。
【００２９】
以上の説明では、指先にかかる正圧力（把持力）と、摩擦力を指の根元にある６軸力センサの出力を基にして判定したが、センサは指の根元ではなく、途中に設けてもよいし、指先にセンサを配置してもよい。
【００３０】
また、指は４指に限られず、対向する２指以上があれば、２指、３指あるいは５指以上であってもよい。また、対向する指の組み合わせは、上述したように１指−多指の組み合わせに限られるものではなく、２指−２指や２指−３指等の組み合わせとしてもよい。
【００３１】
ここでは、中指のみを滑らせて表面の摩擦係数を測定したが、他の指で摩擦係数を測定してもよく、２指以上で摩擦係数の測定を行ってもよい。さらに、物体の把持面のそれぞれについて摩擦係数の測定を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る把持力制御方法によって制御されるロボットハンドの構成を示す図である。
【図２】本発明に係るロボットハンドの把持力制御方法を実行する制御系を示すブロック構成図である。
【図３】図２の制御系による把持制御処理のフローチャートである。
【図４】図２の制御時のロボットハンドの母指と中指の動きを説明する簡略図である。
【図５】図３、図４の制御の際の摩擦力と正圧力の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…ロボットハンド、２…制御ＥＣＵ、３…カメラアイ、４…モータドライバ、６…把持対象物、１０…母指、１１…示指、１２…中指、１３…薬指、１０ｔ〜１３ｔ…先端、１４…モータ、１５…６軸力センサ、１６…エンコーダポテンションメータ、２０…画像認識部、２１…把持姿勢演算部、２２…ハンド制御部、Ｆ…摩擦力、Ｎ…正圧力（把持力）、μＳ…推定摩擦係数。
【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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