(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体を把持するロボットの多指多関節ハンドの制御装置において、
固定された作業座標系と、前記作業座標系上で並進および回転する一つの移動座標系を設け、前記移動座標系の原点を前記多指多関節ハンドにて把持された状態の把持物体内に設定し、前記移動座標系において記述されるベクトルによって前記多指多関節ハンドの各指先間の相対的な位置関係を表し、前記ベクトルを前記作業座標系に座標変換して前記指先の目標位置とする機能を備え、
前記ベクトルを一定に保ったままで、前記移動座標系の目標位置および姿勢を指令入力とすることを特徴とする多指多関節ハンドの制御装置。
【請求項２】
前記多指多関節ハンドの特定の一つの指先に対し、新たな位置、姿勢への運動を指令する入力が与えられる移動座標系変数出力部と、前記移動座標系において記述される前記指先のベクトルを記憶するベクトル記憶部と、前記移動座標系変数出力部の出力と前記ベクトル記憶部の情報を導入し座標変換演算を行う座標変換部と、前記座標変換部から制御目標値を受け前記多指多関節ハンドへ移動指令を出力する制御部とを設けたことを特徴とする請求項１記載の多指多関節ハンドの制御装置。
【請求項３】
物体を把持するロボットの多指多関節ハンドの制御装置において、
固定された作業座標系と、前記作業座標系上で並進および回転する一つの移動座標系を設け、前記移動座標系の原点を前記多指多関節ハンドにて把持された状態の把持物体内に設定し、前記移動座標系に基づく前記多指多関節ハンドの各指の動作を動作様式として予め複数記憶させて選択できるようにし、
前記移動座標系の位置姿勢と選択された前記動作様式とから前記多指多関節ハンドの制御目標値を算出し、前記移動座標系の位置姿勢と前記動作様式を規定する変数の一部とを操作して前記多指多関節ハンドに対して動作を指令することを特徴とする多指多関節ハンドの制御装置。
【請求項４】
複数個の前記動作様式を記憶しておき、複数個の前記動作様式からひとつを選択する入力に応じて、対応する動作様式を出力する動作様式記憶部と、移動変数指定の入力に基づいて前記移動座標系の位置姿勢を表す変数のうち動作指令変数として指令される変数を出力する移動座標系変数出力部と、動作指令変数の入力と前記動作様式記憶部からの入力と前記移動座標系変数出力部から動作指令変数として指令される変数とを受入れ制御目標値を演算導出する指令変換部と、前記制御目標値を受入れて前記多指多関節ハンドを制御する制御部とから構成されることを特徴とする請求項３記載の多指多関節ハンドの制御装置。
【請求項５】
前記多指多関節ハンドは、それぞれが３つの関節からなる３本の指を備え、各指先は空間３自由度で位置制御され、前記３本の指先で物体を掴む際の前記指先を開いたり閉じたりする動作は、前記移動座標系における動作様式として予め前記動作様式記憶部に記憶されており、
前記３本の指先が円周上に配置されるときは前記円周の半径を変数とし、前記３本の指先が三角形の頂点に配置されるときは二等辺三角形の頂点の高さを変数とし、前記変数を変化させることによって、前記指先の開閉移動を規定することを特徴とする請求項４記載の多指多関節ハンドの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体を把持する多指多関節を有するロボットハンドの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多指多関節ハンドは、１自由度の開閉しかできないグリッパ型のハンドとは異なり、多関節構造を流用した多様な動作が可能なので、汎用的なハンドとして使うことができる。
従来、ロボット多指多関節ハンドを指先で物体を把持したままで動作させる場合、把持状態を考慮して指先軌道を計算し、制御装置にそれぞれの指先の軌道指令を入力する。［以下、これを『従来例』という］。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来例ではロボット多指多関節ハンドの各指先の位置を指令として制御装置に入力しようとすると、物体を把持するための位置指令をそれぞれの指について計算してから入力しなければならない。また、指の本数が多くなると、入力する指先位置指令の数が多くなるという問題もある。
さらに、従来例は多指多関節ハンドを動作させようとすると、動作を指定する変数が多いので、操作しにくいという問題があった。例えば３関節指３本のハンドでは、単純な関節角度制御でも９関節の変数を指定しなければならない。さらに、物体を掴んだり掴んだ物体の移動や回転を行うような協調動作では、複数の指を、各指の相対的な動作を考慮しながら同時に動作させる必要があり、直感的に動作を指令することが困難である。
ここにおいて、本発明は、物体を把持するロボット多指多関節ハンドの制御装置において、少数の変数のみの操作による簡潔な手法手順に基づいて、多指多関節ハンドを指令した位置姿勢を執るように移動させる手段を備えた、すなわち多指多関節ハンドへの動作指令が容易に行える機能を備えた多指多関節ハンドの制御装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明は、物体を把持するロボット多指多関節ハンドの制御装置において、装置内に設けた移動座標系上でハンドの各指先位置をベクトルで記述し、そのベクトルを一定に保ったままで移動座標系の位置姿勢を制御装置へ入力するように構成した多指多関節ハンドの制御装置である。
これにより、各指先の相対的な位置関係を変えるこよなく多指多関節ハンドを動作させることができ、従って物体を把持したまま多指多関節ハンドを動作させることができるように構成した多指多関節ハンドの制御装置が得られる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、物体を把持するロボットの多指多関節ハンドの制御装置において、固定された作業座標系と、前記作業座標系上で並進および回転する一つの移動座標系を設け、前記移動座標系の原点を前記多指多関節ハンドにて把持された状態の把持物体内に設定し、前記移動座標系において記述されるベクトルによって前記多指多関節ハンドの各指先間の相対的な位置関係を表し、前記ベクトルを前記作業座標系に座標変換して前記指先の目標位置とする機能を備え、前記ベクトルを一定に保ったままで、前記移動座標系の目標位置および姿勢を指令入力とすることを特徴とするものであり、これにより前記ベクトルを一定に保つことから、各指先の相対的な位置関係を変えることなく多指多関節ハンドを動作させることができ、従って物体を把持したままで多指多関節ハンドを動作させることができる。
【０００６】
本発明の請求項２に記載の発明は、前記多指多関節ハンドの特定の一つの指先に対し、新たな位置，姿勢への運動を指令する入力が与えられる移動座標系変数出力部と、前記移動座標系において記述される前記指先のベクトルを記憶するベクトル記憶部と、前記移動座標系変数出力部の出力と前記ベクトル記憶部の情報を導入し座標変換演算を行う座標変換部と、前記座標変換部から制御目標値を受け前記多指多関節ハンドへ移動指令を出力する制御部とを設けたことを特徴とするものであり、これにより記憶させた動作様式から目的の動作を選択し、少数の変数を操作すると、選択した動作様式に基づいて、多指多関節ハンドの制御装置内部でハンドの各関節の制御目標値が自動的に生成されるので、多指多関節ハンドを動作させるための指令が簡単になるという作用を有する。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、物体を把持するロボットの多指多関節ハンドの制御装置において、固定された作業座標系と、前記作業座標系上で並進および回転する一つの移動座標系を設け、前記移動座標系の原点を前記多指多関節ハンドにて把持された状態の把持物体内に設定し、前記移動座標系に基づく前記多指多関節ハンドの各指の動作を動作様式として予め複数記憶させて選択できるようにし、前記移動座標系の位置姿勢と選択された前記動作様式とから前記多指多関節ハンドの制御目標値を算出し、前記移動座標系の位置姿勢と前記動作様式を規定する変数の一部とを操作して前記多指多関節ハンドに対して動作を指令することを特徴とするものであり、これにより動作様式または移動変数の選択と１個程度の変数の操作のみで動作指令が可能になるという作用を有する。
【０００８】
請求項４に記載の発明は、複数個の前記動作様式を記憶しておき、複数個の前記動作様式からひとつを選択する入力に応じて、対応する動作様式を出力する動作様式記憶部と、移動変数指定の入力に基づいて前記移動座標系の位置姿勢を表す変数のうち動作指令変数として指令される変数を出力する移動座標系変数出力部と、動作指令変数の入力と前記動作様式記憶部からの入力と前記移動座標系変数出力部から動作指令変数として指令される変数とを受入れ制御目標値を演算導出する指令変換部と、前記制御目標値を受入れて前記多指多関節ハンドを制御する制御部とから構成されることを特徴とするものであり、これにより動作を指令するための入力が簡便化され得るという作用を有する。
【０００９】
請求項５に記載の発明は、前記多指多関節ハンドは、それぞれが３つの関節からなる３本の指を備え、各指先は空間３自由度で位置制御され、前記３本の指先で物体を掴む際の前記指先を開いたり閉じたりする動作は、前記移動座標系における動作様式として予め前記動作様式記憶部に記憶されており、前記３本の指先が円周上に配置されるときは前記円周の半径を変数とし、前記３本の指先が三角形の頂点に配置されるときは二等辺三角形の頂点の高さを変数とし、前記変数を変化させることによって、前記指先の開閉移動を規定することを特徴とするものであり、これにより最も簡潔な変数入力で物体を把持しての移動ができるという作用を有する。
【００１０】
以下、本発明を、図面に示す実施の形態に基づいて説明する。なお、全ての図面において、同一符号は同一若しくは相当部材とする。
【００１１】
（実施の形態１）図１は本発明の実施の形態１の回路構成を示すブロック図である。制御装置１へ多指多関節ハンドの運動を指令する入力２は、制御装置１内で設定する移動座標系でのハンドの指の位置および姿勢である。移動座標系変数出力部３は入力された指令に従ってハンドの指の位置姿勢を変化させる制御装置１において、物体を把持するためのハンドの指の相対的な位置関係を表すベクトルと変数出力が、それぞれの指に関してベクトルＶ1 記憶部９a などで設定されており、これらのベクトルと変数出力は座標変換部５a で座標変換され、物体を把持した状態で一定に保つ。
【００１２】
ハンドの指の相対的な位置関係を表すベクトルは、制御装置１内で移動座標系から作業座標系に座標変換演算され、それぞれのロボット指の位置指令としてロボット指制御部４a ，４b …に送られる。ロボット指制御部４a ，４b …は、ロボット指６a ，６b …の共通する基底に固定して設定された作業座標系の位置指令に従ってロボット指６a ，６b…の位置姿勢の制御を行う。
【００１３】
図２は、この実施の形態１において制御装置内に設定する座標系とベクトルの説明図である。
ロボット指の共通する基底には固定された作業座標系Σb が設定してあり、ロボット指制御部４a ，４b …はこの作業座標系Σb に基づいてロボット指６a ，６b …を制御する。
Σo は作業座標系Σb 内で移動する移動座標系で位置と姿勢を表す。
Ｖ1 およびＶ2 は、移動座標系Σo において例えばペンダント，パソコン等で記述されるベクトルで、ロボット指６a および６b …の移動座標系Σo 上における相対位置を表す。例えば、ベクトルＶ1 は３次元の直交座標として（Ｘ1,Ｙ1,Ｚ1)と表わせる。
【００１４】
座標変換によって作業座標系Σb におけるロボット指６a ，６b …の目標位置Ｐ1 およびＰ2 は、ベクトルＶ1 およびＶ2 と移動座標系Σo の位置姿勢を表すＶo およびＲo によって、
Ｐi ＝Ｖo ＋Ｒo ・Ｖi
ただし、i ＝１，２…
と、座標変換することによって得られる。
以上の説明では、多指多関節ハンドは２本指で示してあったが、指の本数が増加したときも、同様な方法で適用でき、運動を指令する入力は移動座標系Σo の位置姿勢を決める６変数［図２に矢印で表したベクトルで示している、移動座標系の位置に係るベクトルＶo と、回転行列Ｒo の各３自由度の計６変数］だけでよい。
また、移動座標系Σo を多指多関節ハンドによって把持する物体に設定すれば、移動座標系Σo の運動はそのまま把持物体の運動を表すことになり、把持物体の動作を直接制御装置に指令できる。
【００１５】
（実施の形態２）
図３は本発明の他の実施の形態における制御装置の回路構成を示すブロック図、図４と図５はロボット指先で把持物体を把持している状態を表す説明図である。
このロボット指制御部４a ，４b …では、指先が確実に把持物体９を捉えるために、ロボット指に取り付けられた力センサ７a ，７b …の力情報８a ，８b …を利用してインピーダンス制御のような力帰還制御を行い、把持物体とロボット指との位置ずれを補償する。
このような多指多関節ハンド６a ，６b の指先によって物体９を把持するときの力センサ７a ，７b による力帰還制御の態様を図４と図５に示している。
すなわち、多指多関節ハンドがワークを把持してそれを動作させる具体例の説明図を、図４と図５に示す。
図４は、多指多関節ハンドを適用してボルトやナット10の螺子回しを行う状態を表す。図５は把持したペン11等の先端位置の制御を行う状態を示す説明図を表している。
【００１６】
（実施の形態３）図６は本発明の別の実施の形態における回路構成を示すブロック図、図７はこの別の実施の形態で動作する多指多関節ハンドと移動座標系の模式図、図８はこの別の実施の形態における動作様式の例を示す説明図である。図６において、60は制御装置、61は制御される多指多関節ハンド、62は制御部へ制御目標値を出力する動作指令部、63は移動座標系位置姿勢を表す変数のうち動作指令変数として指令される変数を選択する手段、64は多指多関節ハンド61の動作様式の態様を決めておきそれを予め設定しておく動作様式記憶部である。
【００１７】
65は指令変換部で、動作様式記憶部64から選択された動作様式と移動座標系の変数の出力手段63の出力とをそれぞれ導入し、動作指令変数68から多指多関節ハンド61に適した制御目標値66を出力する手段である。制御目標値66を受け入れた制御部67は、制御される多指多関節ハンドの一つの指を目的の位置姿勢になるように駆動制御する。なお、この別の実施の形態で制御する多指多関節ハンドの指先61a,61b,61c …は、図７に示すように３本の３関節指から成り、各指先61a,61b,61c を空間３自由度で位置制御できるものである。
【００１８】
図８では、３本指ハンドの指先で物体を掴む時に、指を開いたり閉じたりする動作様式の２つの例を示し、ここでの各指先61a,61b,61c は各指先の位置を表している。図７に示すような移動座標系の下で、図８(a) は円周上に指先が配置され、図８(b) では三角形の頂点に指先が配置される。いずれも変数ｆ1,ｆ2 …を変化させることによって、指の開閉動作を規定できる。つまり、図８(a) では、円の半径を表す変数ｆ1 でそれぞれの指先が縁の中心に向かい、あるいは中心から遠ざかる動作を規定する。図８(b) では、三角形の高さを表す変数ｆ2 で、指61a が指61b と指61c に向き合って互いに近づく、あるいは遠ざかる動作を規定する。
【００１９】
なお、動作様式を規定する補助変数として、図８(a) では角度変数θ1 とθ 2、図８(b) では三角形の底辺長変数ｒ1 とｒ2 があり、これによって指の配置を調整できるので、多指多関節ハンドの持つ自由度性を活用して、把持物体の形状に対応することも可能である。ただし、これらは動作様式の目的である指の開閉動作中には変化させる必要はない。動作指令部62には図８で示したような動作様式が動作様式記憶部64に記憶されており、操作者や上位装置( 不図示) からの入力に従って、記憶された動作様式を選択し、移動変数指定の入力に応じてこの場合は移動座標系変数出力部63で移動座標系に対する指令変数を指定する。
【００２０】
移動座標系と選択された動作様式から、指令変換部65が制御目標値66となる多指多関節ハンド61の指先位置を算出する。制御部67は、制御目標値66に従って指先位置制御を行い、多指多関節ハンド61を移動させる。図８で示した動作様式によれば、ｆ1,ｆ2 …という変数を変化させるだけで、指の開閉移動を行わせることができ、事前に図８(a) または図８(b) の動作様式を選択することによって、異なる開閉移動が実行可能である。同様に、移動座標系は６個（位置，姿勢各３個の自由度）の変数で規定できるが、この中から１方向の移動または回転を表す変数を取り出し、これを変化させることで、各多指多関節ハンドの指先を協調させながら規定の方向に移動または回転させることもできる。
【００２１】
例えば、移動であればＸ座標変数のみを変化させ、他の５変数（Ｙ，Ｚ座標の２変数と回転角度の３変数）および動作様式の全変数は一定値に固定すれば良い。このような、動作様式または移動座標系を選定する変数の中から、目的の動作を規定する変数のみを取り出し、動作指令変数68として制御装置60に入力できるようにしている。こうすることによって、この制御装置60を使う操作者は、１個程度の変数を操作するだけで、多指多関節ハンドの機能的な動作を行わせることができる。
なお、制御部67は指先位置制御だけでなく、関節角度制御または力制御やコンプライアンス制御等の制御手法を使っても良く、制御部67の機能に応じた制御目標値を生成する機能を、指令変換部65に具備させれば良い。
【００２２】
ところで、多指多関節ハンドの指先61a,61b,61c が把持する物体は、把持される度に多指多関節ハンドの指間の相対的な位置関係は変わるけれども、先のいずれの実施の形態でも同一のワークの把持ということであり、把持する状態が変わると、ベクトルＶ1,Ｖ2 …を把持状態に合わせて調整するが、把持状態が一旦確定すれば、滑りや転がりは無視して、ベクトルＶ1,Ｖ2 …は一定としている。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、多指多関節ハンドの制御装置内に設けた移動座標系上でハンドの各指先位置をベクトルで記述し、そのベクトルを一定に保ったままで移動座標系の位置姿勢を制御装置へ入力としたので、各指先の相対的な位置関係を変えることなく多指多関節ハンドの指を動作させることができ、従って物体を把持したままで多指多関節ハンドを動作させることもできる。また、物体を把持するための前記ベクトルを一旦設定してしまえば、運動を指令する入力変数の数は、指の本数が多くなった場合にも、移動座標系の位置姿勢を示す６変数で済み、指令入力を簡素化できる効果もある。さらに、移動座標系と動作様式を規定して、目的とする移動において変化させる変数を極く少数の動作指令変数に集約させたので、多指多関節ハンドが多自由度を有するにも関わらず、動作中に指令する変数は少数で済み、動作指令が簡略化されるという特段の効果を奏することができる。さらにまた、動作様式は制御装置内に複数記憶させて選択することができるので、簡略な指令で多種類の動作を使い分けることができるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における回路構成を示すブロック図
【図２】本発明の一実施の形態の制御装置における座標系とベクトルの説明図
【図３】本発明の他の実施の形態における回路構成を示すブロック図
【図４】ロボット指先で第１の把持物体（ボルトやナット）を把持している状態を表す説明図
【図５】ロボット指先で第１の把持物体（ボルトやナット）を把持している状態を表す説明図
【図６】本発明の別の実施の形態における回路構成を示すブロック図
【図７】本発明の別の実施の形態で移動する多指多関節ハンドと移動座標系の模式図
【図８】本発明の別の実施の形態おける動作様式の例を示し(a) は動作様式を選択するのは円の半径を表す変数ｆ1 でそれぞれの指先が円の中心に向かい、あるいは中心から遠ざかる動作を規定する説明図(b) は動作様式を選択するのは三角形の高さを表す変数ｆ2 で指61a が指61b と指61c に向き合って互いに近づく、あるいは遠ざかる動作を規定する説明図
【符号の説明】
１,60 制御装置
２ 制御装置に設定した移動座標系の位置姿勢入力指令
３ 制御装置に設定した移動座標系変数出力部
４a ，４b ,67 ロボット指制御部
５a ，５b ロボット指制御部４a ，４b に送られるロボット指の作業座標系における目標位置
６a ，６b ,61 a ，61 b ,61 c ロボット指
７a ，７b 力センサ
８a ，８b 力情報
９a ベクトルＶ1 の記憶部
９b ベクトルＶ2 の記憶部
10 把持物体（ボルトやナット）
11 把持物体（ペン）
61 多指多関節ハンド
62 動作指令部
63 移動座標系変数出力部
64 動作様式記憶部
65 指令変換部
66 制御目標値
Ｖ1,Ｖ2 ベクトル
Σ0 移動座標系
Σb 作業座標系
Ｒ0 回転行列
【図１】
0003904036.tif 000002
【図２】
0003904036.tif 000003
【図３】
0003904036.tif 000004
【図４】
0003904036.tif 000005
【図５】
0003904036.tif 000006
【図６】
0003904036.tif 000007
【図７】
0003904036.tif 000008
【図８】
0003904036.tif 000009