(57)【要約】【課題】ロボットが操作対象物を取り落とさずに正確に把持するためロボットハンドと操作対象物の接触具合を正確に検知できるロボットを提供する。【解決手段】基部３０と、基部３０上に配置される２つのリンク機構６，７と、リンク機構６，７を屈曲伸展可能な駆動手段３，４，５とを備えたロボットにおいて、光透過性があってかつ複数の特徴点を備えた透過膜（ゴムメッシュ）２１を基部３０の操作対象物１１に接する面に設け、透過膜２１越しに操作対象物１１を撮像する撮像手段１６を設け、操作対象物１１把持時の透過膜２１の特徴点の歪みを撮像手段１６で撮像し、画像処理して操作対象物１１との接触具合を検知する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、前記基部上に配置される少なくとも２つのリンク機構と、前記リンク機構を屈曲伸展可能な駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手段とを備えたロボットにおいて、光透過性があってかつ複数の特徴点を備えた透過膜を前記基部の操作対象物に接する面に設けたことを特徴とするロボット。
【請求項２】
加圧によって変色する感圧変色素材を前記透過膜の表面に設けたことを特徴とする請求項１記載のロボット。
【請求項３】
加圧によって変色する感圧変色素材を前記リンク機構の表面に設けたことを特徴とする請求項１記載のロボット。
【請求項４】
前記透過膜に対して前記操作対象物の反対側に撮像手段を設けて、前記透過膜越しに前記操作対象物を撮像することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のロボット。
【請求項５】
前記撮像手段の撮像した画像データから前記特徴点の位置変化又は前記感圧変色素材の色変化を計測することにより、前記基部と又は前記リンク機構と前記操作対象物との接触を検出する画像処理部を設けたことを特徴とする請求項４記載のロボット。
【請求項６】
基部と、前記基部上に配置される少なくとも２つのリンク機構と、前記リンク機構を屈曲伸展可能な駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手段とを備えたロボットの接触検出方法において、光透過性があってかつ複数の特徴点を備えた透過膜を前記基部の操作対象物に接する面に設け、前記透過膜に対して前記操作対象物の反対側に撮像手段を設け、前記透過膜越しに前記操作対象物を前記撮像手段で撮像した画像データから前記特徴点の位置変化を計測することにより、前記基部と前記操作対象物との接触を検出することを特徴とするロボットの接触検出方法。
【請求項７】
基部と、前記基部上に配置される少なくとも２つのリンク機構と、前記リンク機構を屈曲伸展可能な駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手段とを備えたロボットの接触検出方法において、加圧によって変色する感圧変色素材を操作対象物に接触する予定の接触部位の表面に設け、前記操作対象物を撮像する撮像手段を設け、前記操作対象物を前記撮像手段で撮像した画像データから前記感圧変色素材の色変化を計測することにより、前記接触部位と前記操作対象物との接触を検出することを特徴とするロボットの接触検出方法。
【請求項８】
光透過性があってかつ複数の特徴点を備えた透過膜を前記基部の操作対象物に接する面に設け、前記透過膜に対して前記操作対象物の反対側に撮像手段を設け、前記透過膜越しに前記操作対象物を前記撮像手段で撮像した画像データから前記特徴点の位置変化を計測することにより、前記基部と前記操作対象物との接触を検出することを特徴とする請求項７記載のロボットの接触検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハンドリング作業を行うロボットに関するもので、特に基部と基部上に配置されるリンク機構とリンク機構を屈曲伸展させる駆動手段と駆動手段を制御する制御手段とを備えたフィンガ付きロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１０は公知のロボットの構成を表す図である。
図１０において、２はロボットハンドであり、マニピュレータ４１の先端に固定されている。マニピュレータ４１の他端はロボット本体４０に固定されている。
制御部３５はロボット制御部３７とマニピュレータ制御部３６とハンド制御部２９および画像処理部２３から成り、それぞれロボット４０、マニピュレータ４１、ロボットハンド２の制御およびカメラで撮像した画像を画像処理する。
図１０に示すように、多種の小部品の組み立てなど器用な動作を行う産業用ロボットやサービスロボット等のロボット４０のマニピュレータ４１の先端には、人間と同様の多指多関節構造を持つロボットハンド２が具備されており、さらに前記ロボットハンドおよび操作対象物の位置関係を把握するための画像を撮像するカメラ１６が具備されている。
マニピュレータ４１を構成するマニピュレータ関節軸（駆動手段）４２が駆動制御されることでロボット４０に対するロボットハンド２の位置および姿勢を変えることができる。ロボットハンド２は操作対象物１１を把持開放することでハンドリングなどの作業を行う。また、ロボットハンド２は操作対象物１１を把持開放するだけでなく、先端部を使用してボタンを押したりするなど、多様な作業ができる。
【０００３】
図１１は図１０のロボットを構成するロボットフィンガの機構を表す図で、（ａ）はロボットフィンガ１の伸展状態での側面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）はロボットフィンガ１の屈曲状態での側面図である。
図１１において、３０はマニピュレータに接続される基部、１は基部３０に接続されるロボットフィンガである。ロボットフィンガ１は関節軸を介して複数のリンクが連結されて成り、各関節軸を駆動することによりロボットフィンガ１を伸展および屈曲する。図１１（ａ）記載のロボットフィンガ１において第１リンク６は第１関節軸３を介して基部３０に接続されており、第１関節軸３は第１アクチュエータ１３で駆動される。第２リンク７は第２関節軸４を介して第１リンク６に接続されており、第２関節軸４は第２アクチュエータ１４で駆動される。指先リンク８は第３関節軸５を介して第２リンク７に固定されており、第３関節軸５は第３アクチュエータ１５で駆動される。ケーブル１０の一端は第１アクチュエータ、第２アクチュェータ、第３アクチュエータに接続されており、他端は図示しないフィンガ制御部９に接続されている。ケーブル１０はフィンガ制御部９と各アクチュエータ間で動力および信号を接続する。
このような構成でフィンガ制御部９が各アクチュエータを駆動制御することにより、ロボットフィンガ１を図１１（ａ）のように伸展、また図１１（ｂ）のように屈曲するのである。
【０００４】
図１２は基部に複数のロボットフィンガを配置したロボットハンドの構成を示す図で、（ａ）はロボットフィンガの伸展時の側面図、（ｂ）はロボットフィンガの伸展時の上面図、（ｃ）はロボットフィンガ１の屈曲時の側面図である。
図１２（ａ）において２はロボットハンド、３０はマニピュレータ３１に接続される基部、１は前記基部３０に接続される複数のロボットフィンガである。ロボットフィンガ１は複数のリンクが関節軸を介して回動自在に接続された構成になっている。関節軸に設けられたアクチュエータを回動制御することでリンク間の相対角度を変化させ、図１２（ｂ）のように操作対象物１１を把持することができるようになっている。
ロボットハンド２は基部３０にロボットフィンガ１を複数配置したものである。ここでは例として、２本のロボットフィンガが略対称に配置されかつ屈曲しても干渉しないように配置している。
このような構成で各ロボットフィンガ１を屈曲・伸展することでロボットハンド２を開閉し、操作対象物１１を把持開放する。
また、図１２に示したようにロボットフィンガ１全体を操作対象物１１に接触させる把持方法だけでなく、ロボットフィンガ１の先端を使用して小さい物体をつまみあげたり、片方のロボットフィンガ１だけを使用してボタンを押したりするなど、多様な作業を実施する機能を有している。
【０００５】
このような構成で、カメラ１６で撮像された画像を基に前記ロボットハンド２と操作対象物１１の位置関係を把握しながら前記ロボットハンド２を制御して操作対象物１１を掴むなどの作業を実施する。さらに、ロボットフィンガ１の先端の力センサ１２の値を制御装置に入力することで、ロボットフィンガ１の先端が操作対象物１１に接触しているかどうかを判定する。
そこで、ロボットハンド２が操作対象物１１に近づくと、カメラ１６で撮像された画像には操作対象物１１がロボットハンド２に隠れてしまって映らず、この撮像された画像に基づいてロボットハンド２と操作対象物１１の位置関係を把握することが困難となり、ロボットハンド２の制御が不正確になるという問題があった。
また、ロボットフィンガ１の先端の力センサ１２への配線ケーブルが存在するため、ロボットフィンガ１が太くなり、したがって装置が大型化・重量化し、また外観が悪くなってしまうという問題があった。
このような問題に対して、ロボットハンドの親指基部または手のひら部に撮像手段を固定して撮像することで各指と対象物の位置関係を把握し、各指の制御を正確に行う多自由度多指ハンドが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−３４９４９０号（第１５−１６頁、図１２０）
【０００６】
特許文献１記載の発明は、カメラ側から撮像された画像に操作対象物を常に映し、かつ、カメラにより撮像された画像に基づいてハンドの制御を容易に行えるようにするもので、カメラを手の平側で、親指の親指フレームの上に支持するようにして、関節周りを親指フレームと共に手の平に対して平行回転するようにしたことで、多自由度多指ハンドが操作対象物に接近したときでも、各指と操作対象物の位置関係を明確に撮像することができ、各指の制御を正確に行なうことができる、という発明である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１記載の発明においては、ロボットハンドと操作対象物が接触しているか、またロボットハンドが操作対象物を掴んでいるか、といった接触・把持の判定ができず、操作対象物を取り落としてしまう場合があった。
また、各指の先端が対象物に接触しているかどうかは画像だけでは判定することができないので、別途、カセンサを配置して、これにより接触したかどうかを判定しようとすると、配線ケーブルが必要となり、したがって装置が大型化・重量化し、また外観が悪くなってしまうという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、把持しているかどうかを判定でき、さらにロボットハンドと操作対象物の接触具合を検知でき、しかも装置が大型化・重量化することのないロボットハンドおよびロボットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。
請求項１記載のロボットの発明は、基部と、前記基部上に配置される少なくとも２つのリンク機構と、前記リンク機構を屈曲伸展可能な駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手段とを備えたロボットにおいて、光透過性があってかつ複数の特徴点を備えた透過膜を前記基部の操作対象物に接する面に設けたことを特徴としている。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のロボットにおいて、加圧によって変色する感圧変色素材を前記透過膜の表面に設けたことを特徴としている。
請求項３記載の発明は、請求項１記載のロボットにおいて、加圧によって変色する感圧変色素材を前記リンク機構の表面に設けたことを特徴としている。
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載のロボットにおいて、前記透過膜に対して前記操作対象物の反対側に撮像手段を設けて、前記透過膜越しに前記操作対象物を撮像することを特徴としている。
請求項５記載の発明は、請求項４記載のロボットにおいて、前記撮像手段の撮像した画像データから前記特徴点の位置変化又は前記感圧変色素材の色変化を計測することにより、前記基部と又は前記リンク機構と前記操作対象物との接触を検出する画像処理部を設けたことを特徴している。
請求項６記載のロボットの接触検出方法の発明は、基部と、前記基部上に配置される少なくとも２つのリンク機構と、前記リンク機構を屈曲伸展可能な駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手段とを備えたロボットの接触検出方法において、光透過性があってかつ複数の特徴点を備えた透過膜を前記基部の操作対象物に接する面に設け、前記透過膜に対して前記操作対象物の反対側に撮像手段を設け、前記透過膜越しに前記操作対象物を前記撮像手段で撮像した画像データから前記特徴点の位置変化を計測することにより、前記基部と前記操作対象物との接触を検出することを特徴としている。
請求項７記載のロボットの接触検出方法の発明は、基部と、前記基部上に配置される少なくとも２つのリンク機構と、前記リンク機構を屈曲伸展可能な駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手段とを備えたロボットの接触検出方法において、加圧によって変色する感圧変色素材を操作対象物に接触する予定の接触部位の表面に設け、前記操作対象物を撮像する撮像手段を設け、前記操作対象物を前記撮像手段で撮像した画像データから前記感圧変色素材の色変化を計測することにより、前記接触部位と前記操作対象物との接触を検出することを特徴としている。
請求項８記載の発明は、請求項７記載のロボットの接触検出方法において、光透過性があってかつ複数の特徴点を備えた透過膜を前記基部の操作対象物に接する面に設け、前記透過膜に対して前記操作対象物の反対側に撮像手段を設け、前記透過膜越しに前記操作対象物を前記撮像手段で撮像した画像データから前記特徴点の位置変化を計測することにより、前記基部と前記操作対象物との接触を検出することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１記載の発明によると、光透過性があってかつ複数の特徴点を備えた透過膜を基部の操作対象物に接する面に設けたので、ロボットハンドが操作対象物をしっかり把持しているかどうかを判定するのに用いることができる。
請求項２および３記載の発明によると、加圧によって変色する感圧変色素材を前記透過膜の表面又はリンク機構の表面に設けたので、指先に力センサを配置することなくロボットフィンガの先端と操作対象物とに干渉があることを検知することができるため、ロボットフィンガに付随する配線を減少することができ、さらに外観を向上させることができるようになる。
請求項４記載の発明によると、透過膜に対して操作対象物の反対側に撮像手段を設けて、前記透過膜越しに前記操作対象物を撮像することで、正確な把持の検知や、操作対象物が透過膜に接触している部分の形状を検知に役立てることができる。
請求項５記載の発明によると、撮像手段の撮像した画像データから特徴点の位置変化又は感圧変色素材の色変化を画像処理部で処理することにより、正確な把持の検知や、操作対象物が透過膜に接触している部分の形状を検知できるので、ロボットハンドに対する操作対象物の位置姿勢を把握し、正確に作業できるようになる。
請求項６記載の発明によると、光透過性があってかつ複数の特徴点を備えた透過膜を基部の操作対象物に接する面に設けたので、ロボットハンドが操作対象物をしっかり把持しているかどうかを判定するのに用いることができる。
請求項７記載の発明によると、加圧によって変色する感圧変色素材を設けたので、指先に力センサを配置することなくロボットフィンガの先端と操作対象物とに干渉があることを検知することができるようになる。
請求項８記載の発明によると、撮像手段の撮像した画像データから特徴点の位置変化又は感圧変色素材の色変化を画像処理部で処理することにより、正確な把持の検知や、操作対象物が透過膜に接触している部分の形状を検知できるので、ロボットハンドに対する操作対象物の位置姿勢を把握し、正確に作業できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１はカメラおよび透過膜を配置したロボットハンドを示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
図において、１はロボットフィンガ、２はロボットハンド、３は第１関節軸（第１駆動手段）、４は第２関節軸（第２駆動手段）、５は第３関節軸（第３駆動手段）、６は第１リンク、７は第２リンク、８は指先リンクである。１６はカメラ、２１は本発明で使用されるゴムメッシュ（特徴点付き透過膜）、２２はゴムメッシュ２２の固定部、２３は画像処理部である。なお、１１はロボットハンド２の前方にある操作対象物である。
図１はロボットフィンガ１が伸展した状態で、ロボットハンド２の前方に操作対象物１１がある状態である。
カメラ１６はゴムメッシュ２１越しにロボットハンド２の前方を撮像できる位置に配置されている。カメラ１６は撮像した画像を画像処理部２３に出力する。ゴムメッシュ２１は弾力性のある格子状の平板であり、固定部２２を介して対向する２辺を基部３０に固定されており、加えられた力に応じて変形する。
この構成で、カメラ１６はゴムメッシュ２１越しにロボットハンド２前方を撮像するのである。
図１の本発明が図１１の従来例と異なる点は、基部３０に撮像手段であるカメラ１６および透過膜であるゴムメッシュ２１を配置した点である。本実施例で用いるゴムメッシュ２１は、透明の弾性膜に格子模様が施されたものであり、格子模様の交点を特徴点として説明する。
図２は図１（ｂ）の矢印Ａの方向からの断面図である。図において、１はロボットフィンガ、１６はカメラ、２１は本発明で使用されるゴムメッシュ、２２はゴムメッシュ２２の固定部、３０は基部である。
図３は図１の状態でカメラ１６がゴムメッシュ２１越しに操作対象物１１を撮像した画像を示す図である。図において、１はロボットフィンガ、１１は操作対象物、２１はゴムメッシュ、２４はゴムメッシュ２２の交点、３０は基部である。この図では、図１のようにロボットフィンガ１がまだ操作対象物１１を把持していない状態であるので、ゴムメッシュ２１は歪んでおらず、メッシュは正方形を保っている。
一方、図４はロボットハンド１が操作対象物１１を把持した状態を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。図において、ロボットフィンガ１は操作対象物１１を両指で把持しているので、固定部２２に固定されたゴムメッシュ２１は操作対象物１１に接触して、圧迫され、操作対象物１１の輪郭に沿って引っ張られるため、歪み、そのゴムメッシュ２２の交点２４は正方形を保持できなくなる。
画像処理部２３（図４）では図３の画像から画像の特徴量として、特徴点であるゴムメッシュ２１の交点２４の位置を求める。また、ロボットハンド２に対する操作対象物１１の位置と姿勢を算出し、ロボットフィンガ１および基部３０で構成された把持部の内側に操作対象物１１が入るようにロボットハンド２の位置を制御する。その後、ロボットフィンガ１を屈曲させて操作対象物１１を把持するのであるが、このとき、操作対象物１１がゴムメッシュ２１に押し付けられるので前述のようにゴムメッシュ２１が図４のように変形する。
図５は図４の状態でカメラ１６が撮像した画像を示す図である。図から判るように、ゴムメッシュ２１が変形した画像が得られる。
画像処理部２３では図５の画像の特徴量であるゴムメッシュ２１の交点２４の位置を求め、図３で得られた位置と比較して変化していることから、操作対象物１１がゴムメッシュ２１に押さえつけられていることを認識できる。
また、ゴムメッシュ２１の交点２４の位置から、そのゴムメッシュ２１に加えられている力が測定できる。
さらに、操作対象物１１とゴムメッシュ２１が接触している部分の形状を検知できるので、ロボットハンド２に対する操作対象物１１の位置姿勢を把握できるようになっている。
これにより、操作対象物１１に加えられている把持力を測定できるとともに、操作対象物１１を把持した状態でマニピュレータ４１を動作させた際のゴムメッシュ２１の形状の変化を監視できるので、操作対象物１１を把持できているかどうかを判定できることとなる。すなわち、ロボットハンド２が操作対象物１１を把持しているかどうかを判定できるので、取り落とさずに把持することができる。
さらに、操作対象物１１をテーブル上の目標位置に設置する際に、操作対象物１１の傾きなどを調整し、正確に作業ができるようになる。
【実施例２】
【００１２】
次に、本発明の実施例２について、ロボットフィンガ１の先端で操作対象物１１を押す作業を例にとって説明する。
実施例２が実施例１と異なる点は、ロボットフィンガ１の先端に圧力の強さに応じて色が変化する感圧変色素材から成る感圧変色部（液晶板）２５を設けた点である。感圧変色素材２５の例として液晶板が挙げられる。ここでは例として、圧力がかかっていない状態では白色で、圧力の強さに応じて灰色を通して徐々に黒色に変化していく液晶板２５をロボットフィンガ１の先端に配置している。また、操作対象物の例として、ボタン２６を用いて説明する。
図６は本発明のロボットハンドの構成を表す図であり、ロボットフィンガの先端が操作対象物であるボタンにまだ接触していない状態を示している。
図において、１はロボットフィンガ、２はロボットハンド、１６はカメラ、２３は画像処理部、３０は基部である。２５は実施例２でロボットフィンガ１の先端に設けられた液晶板、２６はボタンである。
図７は図６の状態でカメラ１６が撮像した画像を示す図である。
図６では、ロボットフィンガ１がまだボタン２６を押圧していない状態であるので、図７の液晶板２５は白色を呈している。
【００１３】
図８は実施例２のロボットハンド２のロボットフィンガ１の先端と操作対象物であるボタン２６が接触している状態を示す。
この構成で、図８に示すようにロボットフィンガ１の先端がボタン２６に接触すると液晶板２５が白色から灰色、黒色に変色する。図９は図８の状態でカメラ１６が撮像した画像であり、図７では液晶板２５の色が変化していなかったのが、図９では液晶板２５の色が黒く変化している画像が得られる。
そこで、画像処理部２３（図８）は液晶板２５の色の濃淡によってロボットフィンガ１の先端に加わっている力の大きさを判断し、その判断結果をロボットの制御装置に出力する。
このようにして実施例２では、ロボットフィンガ１の先端に加わる力を色の変化で検知できるため、従来のような指先に力センサを配置するようなことをしなくても、ロボットフィンガ１の先端とボタン２６とに干渉があることを検知することができるので、ロボットフィンガ１に付随する配線を減少することができ、したがってまた、装置が大型化・重量化し、また外観が悪くなってしまうといった問題も一切なくなる。
また、本発明は液晶板をロボットフィンガ先端に配置するだけではなくて、透過膜やリンク上に配置しても同様な効果が得られるものである。
例えば、透過膜に固定した液晶板２５によれば、カメラ１６で撮像された画像の色の変化から透過膜と操作対象物に加わっている握力を検知できるので、圧力センサや力センサを接続する際に必要なロボットハンドに付随する配線を減少することができ、さらに外観を向上させることができる。
以上、本発明によれば、ロボットハンドと操作対象物が接触しているか、またロボットハンドが操作対象物を掴んでいるか、といった接触・把持の判定が正確にでき、したがってまた、操作対象物を取り落としてしまうといったことの起きないロボットが得られる。
また、力センサにより接触したかどうかを判定する必要もなくなるので、配線ケーブルが不要となり、したがって装置が小型化・軽量化ができ、外観が良くなる。
なお、本発明はロボットに限らず、家電製品などにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例１のロボットの構成を表す図である。
【図２】本発明の実施例１のロボットの断面図である。
【図３】ロボットハンド未把持時に撮像された実施例１のカメラ画像である。
【図４】本発明の実施例１のロボットの構成を表す図である。
【図５】ロボットハンド把持時に撮像された実施例１のカメラ画像である。
【図６】本発明の実施例２のロボットの構成を表す図である。
【図７】ロボットハンド未把持時に撮像された実施例２のカメラ画像である。
【図８】本発明の実施例２のロボットの構成を表す図である。
【図９】ロボットハンド把持時に撮像された実施例２のカメラ画像である。
【図１０】従来の一般的なロボットの構成を表す図である。
【図１１】従来の一般的な多指多軸ロボットハンドの構成を表す図である。
【図１２】図１０のロボットのロボットフィンガの構成を表す図である。
【符号の説明】
【００１５】
１  ロボットフィンガ
２  ロボットハンド
３  第１関節軸（第１駆動手段）
４  第２関節軸（第２駆動手段）
５  第３関節軸（第３駆動手段）
６  第１リンク
７  第２リンク
８  指先リンク
９  フィンガ制御部
１０  ケーブル
１１  操作対象物
１２  力センサ
１３  第１アクチュエータ
１４  第２アクチュエータ
１５  第３アクチュエータ
１６  カメラ
２１  ゴムメッシュ
２２  固定部
２３  画像処理部
２４  交点
２５  液晶板
２６  ボタン
２９  ハンド制御部
３０  基部
３５  制御部
３６  ロボット制御部
３７  マニピュレータ制御部
４０  ロボット
４１  マニピュレータ
４２  マニピュレータ関節軸
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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