(57)【要約】【課題】人型のロボットハンドでは、指先が半球状であるため、物体操作中に指先と物体との間に転がり接触が生じ，接触点位置が変動する。そのため接触点位置変動を考慮しない制御では，物体に対して望み通りの操りを実現することができなかった。【解決手段】人型のロボットハンドにおいて、その指先力の制御に、指と把持する物体との接触点の変動を制御系の中に加える。さらに、該指先力制御系の外側に物体の位置及び姿勢のフィードバック制御系を付加する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
産業用又は個人用に用いられるロボットハンドにおいて、その指先力の制御に、指と把持する物体との接触点の変動を制御系の中に加えたことを特徴とする指先力の制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の指先力制御系の外側に、把持する物体の位置及び姿勢のフィードバック制御系を付加することを特徴とする指先力の制御方法。
【請求項３】
請求項１及び請求項２記載の制御系によって制御されることを特徴とするロボットハンド、又はロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は産業用又は個人用に用いられるロボットハンドにおける指の制御に関する
ものである。
【背景技術】
【０００２】
近年人間の手先のようにハンドリング能力の高いロボットハンドの開発が期待されている。このような人間型ハンドが実現できれば、産業分野において多品種少量生産システムにおける自動化の高効率化が期待できる。又家庭内において作業を行う福祉用ヒューマノイドロボットにおいても人型ハンドは必要である。
【０００３】
指先の動作を人間のそれに近づけるためのロボットハンドの制御方法については、
多数の公知文献があり、例えば、特許2615445号公報及び特開2004-167674号公報がある。
【０００４】
【特許文献１】特許2615445号公報
【特許文献２】特開2004-167674号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし，人型ハンドでは汎用性の高い操作が期待できる反面，指先が半球状であるため，物体操作中に指先と物体との間に転がり接触が生じ，接触点位置が変動する。そのため接触点位置変動を考慮しない制御では，物体に対して望み通りの操りを実現することができなかった。
【０００６】
又，位置制御ベースで物体の操りを行う場合には，物体に加える力を決定できずに，物体に過大な力を加えてしまう場合や把持力が小さくなり、物体を把持できないことがあった。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、物体に過大な力を加えることのないよう，又物体を十分把持できるように、把持物体の位置及び姿勢制御のための指先力を決定する方法を与えることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
産業用又は個人用に用いられるロボットハンドにおける指の制御に、該指と把持する物体との接触点の変動をその制御系の中に加えたことを特徴とする。
【０００９】
該指と把持する物体との接触点の変動を制御系に加えたものに、さらにその外側に
物体の位置及び姿勢のフィードバック制御系を付加することを特徴とする。又それら
の制御系によって制御される多指ロボットハンドである。
【発明の効果】
【００１０】
接触点位置の変動を考慮しない従来の方法では，操作中に摩擦条件を満たす限界を超えるため，操作中に滑りが発生して問題が生じる可能性がある。本発明によれば、
滑りが発生せず、本ロボットハンドによる操作を望み通りに行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
物体を望み通りに操るためには，外部から対象物へ力とモーメントを与えなくてはならない。それを生じさせるための力が各指の発生する指先力である。ここで指先力をf，物体に発生する力・モーメントをFoとすると以下の関係式が成立する。
【００１２】
【数１】
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【００１３】
数式(1)について，指の数をn本とすると各指が発生する指先力，および物体に生じる力・モーメントはそれぞれ数式（２）、（３）、となる。またGは、数式（４）で与えられる。数式(4)中のI3は三次元単位行列である。また，Riは歪対称行列であり，数式(5)となる。
【００１４】
【数２】
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【００１５】
【数３】
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【００１６】
【数４】
2007075929.tif 000006
【００１７】
【数５】
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【００１８】
なお，数式(5)中のrix  ,  riy  ,  rizは，図1に示す物体座標系での，把持物体の重心位置から指 iでの接触点に向かう接触点位置ベクトルriの各成分である。
【００１９】
又，指先力は把持物体を動作させるための力、操り力fmと，物体の運動には影響せずに物体を把持するための力、把持力fg  とに分けられる。ここで，操り力および把持力は以下のように表すことができる。ただしG+は行列Gの疑似逆行列である。
【００２０】
【数６】
2007075929.tif 000008
【００２１】
【数７】
2007075929.tif 000009
【００２２】
【数８】
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【００２３】
【数９】
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【００２４】
指先と対象物との接触は摩擦によってのみ維持されるので，滑りを発生させずに把持・操りを行うためには，指先が接触点において摩擦条件を満たす必要がある。ここで，指 iが対象物に発生させる指先力をfiとし，fiの物体表面の法線方向成分をfhi ,接線方向成分をftiとおくと，摩擦条件は数式（１０）となる。また， 指 iの接触点における物体表面内向き単位法線ベクトルをniとすると，fiとniとの内積は数式(11)となる。
【００２５】
【数１０】
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【００２６】
【数１１】
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【００２７】
ただし，qiは内向き単位法線ベクトルと指先ベクトルとのなす角である。また，指 iでの摩擦角βiは数式（１２）と表すことができる。よって、数式(10)は数式(13)と置き換えられる。
【００２８】
【数１２】
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【００２９】
【数１３】
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【００３０】
ここで，数式(11), (12), (13)より指 iにおける摩擦条件は、数式（１４）となる。た
だし，miは指 iにおける物体と指先との最大静止摩擦係数である。また，数式(14)は
指先力の終点が図2に示す摩擦円錐の内部に存在するという条件と等価である。
【００３１】
【数１４】
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【００３２】
つぎに，提案する指先力決定方法を2本指での物体操作を例にして説明する。2本指での把持・操りにおいてGは数式(15)となる。したがって，数式(6)，(7)，(15)より操り力fmを導出することができる。
【００３３】
【数１５】
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【００３４】
把持力の決定手法について示す．把持力は物体の運動に影響を与えないため，以下の条件を満たさなくてはいけない。
(a)  各指の把持力は接触点を結んだ直線と平行
(b)  各指の把持力は同じ大きさであり逆向き
指
1における把持力の大きさをh ，単位ベクトルをeとすると指 1，2の把持力fg1 ，fg2は数式(16)，(17)となる。
【００３５】
【数１６】
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【００３６】
【数１７】
2007075929.tif 000019
【００３７】
なお，把持力単位ベクトルeの向きは図3に示すように物体形状や接触点位置に依存する。指 iが発生する指先力fiは操り力と把持力との合力である。ここで，指 iにおける操り力fmiの大きさをai ，単位ベクトルをmiとすると指1，2の指先力は数式(18)，(19)となる。
【００３８】
【数１８】
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【００３９】
【数１９】
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【００４０】
指 1，2における摩擦条件は数式(14)から，数式(20)，(21)となる。
【００４１】
【数２０】
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【００４２】
【数２１】
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【００４３】
数式(20)，(21)においてa1，a2，m1，m2については、数式(6)より求めることができ、
単位法線ベクトルn1，n2については，指先端に取り付けられた6軸力センサの出力より導出可能である。また，把持力単位ベクトルeについては，接触点位置から導出できる。なお指先接触点位置についても、6軸力センサ出力から導出可能である。つまり，指先と物体との最大静止摩擦係数が既知の場合、数式(20)，(21)において未知となるのは，把持力の大きさhのみである。
【００４４】
物体の把持や操りにおいて、指先と物体の間には滑りが生じてはならないため、各指
先力が摩擦条件を満たす必要がある。また、物体に対して過大な力を加えると物体を変形させる可能性が大きく、さらにハンドに取り付けられている力センサを破壊しかねないため、指先力は小さい方が望ましい。よって，数式(17)，(20)，(21)を満たす内で hが最小となるものを求めれば，物体に対して望みの操り力を加えられ，摩擦条件を満たす最小の指先力を計算できる。
【００４５】
さらに，物体操作中の接触点位置変化に応じて，数式(17)，(20)，(21)から指先力を導出し，それを力指令として各指ロボットに与えることで，接触点位置変動を考慮した操りが実現可能である。
【００４６】
前記において，本手法における物体操作の指令となる指先力の導出方法について述べた。しかし，生成した指令を指先の力指令として与えるだけでは，フィードフォワードのみで制御することになるため，把持物体に対して外乱力が加わった場合等には，望みの操作を実現することが困難となる。そこで，本手法では指先力制御系の外側に物体の位置や姿勢のフィードバック制御系を付加し，物体に外乱が加わった場合にも，目標位置や姿勢に追従するシステムを構成する。その制御系を図4に示す。
【００４７】
本手法を用い把持物体操作のシミュレーションを行った。把持物体を質量0.10[kg]の直方体の剛体，指先との摩擦係数を0.3とし，指先と物体との関係は転がりありの点接触とする。初期把持状態を図5に，シミュレーション各パメータを表 1に示す。また物体重心位置をOとし，指 iにおける接触点位置をpiとする。なお，制御器ゲインはコントローラゲインは位置の偏差に対して比例，積分，微分の各ゲインをそれぞれ8.0 , 3.0 , 1.5とし，姿勢の偏差に関してはそれぞれ0.08 , 0.02 , 0.005とした。
【００４８】
【表１】
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【００４９】
物体操作は初期把持状態から1.0[sec]経過後に開始とし，操作内容は物体重心位置Oを姿勢変化させずに，基準座標系x，y方向にそれぞれ0.01[m]動作させ，操作中の指先力および接触点位置の変化を確かめる。シミュレーション結果を図6に示す。
【００５０】
図6のシミュレーション結果より，初期把持状態においては物体の重力を補償する力のみ発生していることがわかる。1.0[sec]経過後に操作が開始されると，接触点位置の変化に応じた指先力が導出され，それにより望みの操りを実現できていることがわかる。
【００５１】
次に、転がりを考慮しない場合と本手法との比較を行う．操作内容は前述の場合と同様とし、
操作中の指 iにおける指先力方向と法線方向との差をΔqiとして比較を行い，滑りが発生せず
に操りが行えているかを確認した。結果を図7に示す。
【００５２】
図7より接触点位置の変動を考慮しない場合には，    操作中に摩擦条件を満たす限界である約17[deg]  (=atan0.3[rad])を超えており，操作中に滑りが発生していることがわかる。また，操作によっては物体の姿勢が発散する現象が起きたため, 転がりによる接触点位置変動を考慮する本手法の有効性が確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明によれば、人間型のロボットハンドによる把持物体の操りを実現できるため、産業分野において，多品種少量生産システムにおける自動化の高効率化が可能である。また家庭内における福祉用ヒューマノイドロボットにおいても、有用な作業を可能ならしめる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】物体座標系の図である。
【図２】摩擦円錐を説明した図である。
【図３】2本指による把持の図である。
【図４】制御系の概略図である。
【図５】初期状態での把持を示す図である。
【図６】シミュレーションの結果を示す図である。
【図７】転がりありとなしとを比較した図である。
【符号の説明】
【００５５】
1   指１
2          
指２
【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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