(57)【要約】【課題】物体把持時における指先剥離に対応して、指先と把持物体が滑らないように接触を保つ。【解決手段】指が物体に接触した状態で、各指の基準座標系で構成される多角形の外接円の中心を疑似中心として計算し、各指の指先接触点から疑似中心へ向かう方向を接触力の向きに決定し、該向きが決定された各接触力にその大きさを与え、各指のハンド座標系の各軸方向の分力を決定する。外乱印加時に、把持物体の位置及び姿勢の変化量に比例した反力を各指の接触点における接触力に変換し、この接触力を基準把持力に重畳させる。【選択図】  図６Ｃ
2009269127.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の指を用いて物体を把持する把持装置であって、
前記の各指の把持物体の接触点における基本把持力の方向を決定する基本把持力方向決定手段と、
前記の各指の把持物体の接触点における基本把持力の大きさを決定する基本把持力の大きさ決定手段と、
把持物体の位置及び姿勢を計測する位置姿勢計測手段と、
外乱印加時において前記位置姿勢計測手段によって計測された把持物体の位置及び姿勢の変化量に比例した反力を前記の各指の接触点における接触力に変換する反力生成手段と、
前記基本把持力の大きさ決定手段により決定された大きさの基本把持力を用いて前記複数の指で把持物体を把持するように制御するとともに、前記反力生成手段により生成された反力を基本把持力に重畳させる指動作制御手段と、
を具備することを特徴とする把持装置。
【請求項２】
物体との接触点となる各指の指先は、ほぼ同一の半径からなる球面で構成され、
指毎に該球の中心を原点とする基準座標系が設定されるとともに、把持装置全体としてハンド座標系が設定され、
前記基本把持力方向決定手段は、指が物体に接触した状態で、各指（２指）の基準座標系で構成される直線を計算し、各指の指先接触点から前記直線の方向を接触力の向きに決定し、該向きが決定された各接触力にその大きさを与え、各指のハンド座標系の各軸方向の分力を決定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の把持装置。
【請求項３】
物体との接触点となる各指の指先は、ほぼ同一の半径からなる球面で構成され、
指毎に該球の中心を原点とする基準座標系が設定されるとともに、把持装置全体としてハンド座標系が設定され、
前記基本把持力方向決定手段は、指が物体に接触した状態で、各指の基準座標系で構成される多角形の外接円の中心を計算し、各指の指先接触点から外接円の中心へ向かう方向を接触力の向きに決定し、該向きが決定された各接触力にその大きさを与え、各指のハンド座標系の各軸方向の分力を決定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の把持装置。
【請求項４】
把持物体の大きさ並びに形状を識別する物体識別手段をさらに備え、
前記基本把持力の大きさ決定手段は、該識別された把持物体の大きさ並びに形状に基づいて基本把持力の大きさを決定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の把持装置。
【請求項５】
複数の指を用いて物体を把持する把持装置の制御方法であって、
前記の各指の把持物体の接触点における基本把持力の方向を決定する基本把持力方向決定ステップと、
前記の各指の把持物体の接触点における基本把持力の大きさを決定する基本把持力の大きさ決定ステップと、
把持物体の位置及び姿勢を計測する位置姿勢計測ステップと、
外乱印加時において前記位置姿勢計測ステップにおいて計測された把持物体の位置及び姿勢の変化量に比例した反力を前記の各指の接触点における接触力に変換する反力生成ステップと、
前記基本把持力の大きさ決定ステップにおいて決定された大きさの基本把持力を用いて前記複数の指で把持物体を把持するように制御するとともに、前記反力生成ステップにおいて生成された反力を基本把持力に重畳させる指動作制御ステップと、
を具備することを特徴とする把持装置の制御方法。
【請求項６】
物体との接触点となる各指の指先は、ほぼ同一の半径からなる球面で構成され、
指毎に該球の中心を原点とする基準座標系が設定されるとともに、把持装置全体としてハンド座標系が設定され、
前記基本把持力方向決定ステップでは、指が物体に接触した状態で、各指（２指）の基準座標系で構成される直線を計算し、各指の指先接触点から前記直線の方向を接触力の向きに決定し、該向きが決定された各接触力にその大きさを与え、各指のハンド座標系の各軸方向の分力を決定する、
ことを特徴とする請求項５に記載の把持装置の制御方法。
【請求項７】
物体との接触点となる各指の指先は、ほぼ同一の半径からなる球面で構成され、
指毎に該球の中心を原点とする基準座標系が設定されるとともに、把持装置全体としてハンド座標系が設定され、
前記基本把持力方向決定ステップでは、指が物体に接触した状態で、各指の基準座標系で構成される多角形の外接円の中心を計算し、各指の指先接触点から外接円の中心へ向かう方向を接触力の向きに決定し、該向きが決定された各接触力にその大きさを与え、各指のハンド座標系の各軸方向の分力を決定する、
ことを特徴とする請求項５に記載の把持装置の制御方法。
【請求項８】
把持物体の大きさ並びに形状を識別する物体識別ステップをさらに備え、
前記基本把持力の大きさ決定ステップでは、該識別された把持物体の大きさ並びに形状に基づいて基本把持力の大きさを決定する、
ことを特徴とする請求項５に記載の把持装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の指を用いて物体を把持する把持装置及びその制御方法に係り、特に、産業用ロボットや人型ロボットなどの多関節ロボットアームの先端のエンド・エフェクタとして装着される把持装置及びその制御方法に関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、物体把持時に指先剥離を考慮した把持装置及びその制御方法に係り、特に、指先と把持物体が滑らないように接触を保つ把持装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
現在、多方面の分野においてロボットが普及している。一般に、ロボットは、多関節からなる可動部を備え、コンピュータ操作により複雑な動作を自動的に行なう。また、産業用ロボットや人型ロボットなどの多関節ロボットアームの先端には、物体の把持を行なうために、多指からなる把持装置が搭載されることが多い。
【０００４】
例えば、３本のアームを同期して回動させることにより、把持動作において各把持部を互いに等しい移動量でワークの中心に向かって移動させる把持装置について提案がなされている（例えば、特許文献１を参照のこと）。この把持装置によれば、３つのアームを回動させるので、各アームの把持部の変位量を容易に同一に設定し得るとともに、３つのアームの動作が同一乃至対称的であるから、回転機構の構造が簡単になる。
【０００５】
また、力検出手段を備えた多関節指を複数有する多関節多指ハンドの各指をコンプライアンス制御する多関節多指ハンドの物体把持方法について提案がなされており（例えば、特許文献２を参照のこと）、物体を把持するために指を閉じていく動作の過程で各々の指の検出力を監視し、検出力によって指が物体に接触したことを検知した時点で、指の前記動作を停止させることによって指位置を定め、すべての指が前記の手順で位置を定めた後、把持力を発生させて物体を把持することにより、コンプライアンス制御の目標力が実際に発生する力に正確に反映されるようにしている。
【０００６】
また、複数の指機構のそれぞれの指関節の作動位置を検出する位置検出部と、複数の指機構の各々に設けられ、指機構に加わる力によりリンクに生ずる歪みを検出する歪み検出部とを具備し、動作制御部は、位置検出部が検出した指関節の作動位置と、歪み検出部が検出したリンクの歪みに基づいて、複数の指機構のアクチュエータを協調制御して、複数の指機構による把握力を調整する把持型ハンドについて提案がなされている（例えば、特許文献３を参照のこと）。
【０００７】
複数の指を用いて物体を把持する把持装置に関しては既に数多の研究例があるが、把持物体の位置と姿勢の拘束時に指先の剛性制御を用い、且つ指先剥離が無いことを前提とするものが殆どである。すなわち、指先の剛性（つまり、バネ及びダンパ要素を考慮したインピーダンス制御系）で物体の位置姿勢を間接的に制御し、指先剥離の問題は陽に考えられていない。物体把持時に指先剥離が生じると、指先から把持物体が滑り落ち、物体の落下に伴う破損や事故を招来する。
【０００８】
【特許文献１】特開平７−２７６２８３号公報
【特許文献２】特開２００７−７８５９号公報
【特許文献３】特開２００６−１０２９２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、産業用ロボットや人型ロボットなどの多関節ロボットアームの先端のエンド・エフェクタとして装着され、複数の指を用いて物体を好適に把持することができる、優れた把持装置及びその制御方法を提供することにある。
【００１０】
本発明のさらなる目的は、物体把持時における指先剥離に対応して、指先と把持物体が滑らないように接触を保つことができる、優れた把持装置及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、複数の指を用いて物体を把持する把持装置であって、
前記の各指の把持物体の接触点における基本把持力の方向を決定する基本把持力方向決定手段と、
前記の各指の把持物体の接触点における基本把持力の大きさを決定する基本把持力の大きさ決定手段と、
把持物体の位置及び姿勢を計測する位置姿勢計測手段と、
外乱印加時において前記位置姿勢計測手段によって計測された把持物体の位置及び姿勢の変化量に比例した反力を前記の各指の接触点における接触力に変換する反力生成手段と、
前記基本把持力の大きさ決定手段により決定された大きさの基本把持力を用いて前記複数の指で把持物体を把持するように制御するとともに、前記反力生成手段により生成された反力を基本把持力に重畳させる指動作制御手段と、
を具備することを特徴とする把持装置である。
【００１２】
従来から研究開発されている把持装置は、把持物体の位置と姿勢の拘束時に指先の剛性制御を用い、且つ指先剥離が無いことを前提とするものが殆どである。これらにおいては、指先の剛性（つまりバネ及びダンパ要素を考慮したインピーダンス制御系）で物体の位置姿勢を間接的に制御し、指先剥離の問題は陽に考えられていない。
【００１３】
複数の指を備えた把持装置が物体把持時に指先と把持物体が滑らずに接触を保つためには、把持物体の表面の法線方向中心に張られる摩擦円錐内に適切な接触力を印加しなければならない。また、本発明者は、把持物体の位置姿勢の拘束を指先の剛性（インピーダンス成分）に任せてしまうのではなく、把持物体の（重心などの）基準座標系の位置姿勢変位に対して指先接触力を発生させる方が自然であり、指先剥離にも容易に対応可能であると思料する。
【００１４】
そこで、本発明に係る把持装置は、把持物体の指先剥離に対応するために、把持物体の（重心などの）基準座標系の位置及び姿勢の変位に対して指先接触力を発生させるようにしている。
【００１５】
物体との接触点となる各指の指先は、ほぼ同一の半径からなる球面で構成され、また、指毎に該球の中心を原点とする基準座標系が設定されるとともに、把持装置全体としてハンド座標系が設定されるとする。このような場合、基本把持力方向決定手段は、指が物体に接触した状態で、各指（２指）の基準座標系で構成される直線を計算し、各指の指先接触点から前記直線の方向を接触力の向きに決定し、該向きが決定された各接触力にその大きさを与え、各指のハンド座標系の各軸方向の分力を決定することができる。
【００１６】
あるいは、前記基本把持力方向決定手段は、指が物体に接触した状態で、各指の基準座標系で構成される多角形の外接円の中心を疑似中心として計算し、各指の指先接触点から疑似中心へ向かう方向を接触力の向きに決定し、該向きが決定された各接触力にその大きさを与え、各指のハンド座標系の各軸方向の分力を決定することができる。
【００１７】
指先基準座標系の位置と姿勢の検知結果より、把持物体の疑似中心座標を実時間で計算することは可能である。また、物体を把持しているとき、その物体の初期の疑似中心座標から把持物体の疑似中心座標が微小量動くことを検知することが可能であるから、把持物体との指先接触力を実時間で検知するとともに実時間で制御することができる。そして、疑似中心座標の変位量に応じた反力を指先接触力に発生することを用いて、把持物体を把持した初期の位置姿勢と同じ値に実時間で安定に保つことができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、産業用ロボットや人型ロボットなどの多関節ロボットアームの先端のエンド・エフェクタとして装着され、複数の指を用いて物体を好適に把持することができる、優れた把持装置及びその制御方法を提供することができる。
【００１９】
また、本発明によれば、物体把持時における指先剥離に対応して、指先と把持物体が滑らないように接触を保つことができる、優れた把持装置及びその制御方法を提供することができる。
【００２０】
本発明に係る把持装置は、把持物体の位置姿勢の拘束を指先の剛性（インピーダンス成分）に任せてしまうのではなく、把持物体の（重心などの）基準座標系の位置姿勢変位に対して指先接触力を発生させるので、指先剥離に容易に対応することができる。
【００２１】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００２３】
図１には、本発明の一実施形態に係る物体把持システムの構成を示している。図示の物体把持システム１０は、多関節アーム部１１と、多関節アーム部１１の先端のエンド・エフェクタとして装着される物体把持部１２と、物体把持部１２に把持された物体の大きさを識別する物体識別部１３と、当該システム１０全体の動作を統括的にコントロールする制御部１４で構成される。
【００２４】
物体把持部１２は、複数（例えば３本以上）の指を備えた把持装置（マニピュレータ）である。各指の関節自由度など、本発明の要旨は特定の把持装置の構成に限定されるものではない。また、物体の把持を始めとした装置駆動は、制御部１４の制御下による多関節アーム部１１と物体把持部１２の協働的な動作によって実現する。但し、多関節アーム部１１の構成やその動作自体は本発明の要旨に直接関連しないので、本明細書では詳細な説明を省略する。
【００２５】
物体識別部１３は、例えばカメラと、その撮影画像を識別する画像認識手段により構成することができる。また、物体識別部１３の他の例として、把持物体に搭載されたＲＦＩＤタグを読み取るタグ・リーダを用いることができ、物体を識別してその大きさを特定することができる。
【００２６】
ここで、複数の指を備えた把持装置が物体把持時に指先と把持物体が滑らずに接触を保つためには、把持物体の表面の法線方向中心に張られる摩擦円錐内に適切な接触力を印加しなければならない。本実施形態に係る物体把持システム１０では、把持物体の指先剥離に対応するために、把持物体の（重心などの）基準座標系の位置姿勢変位に対して指先接触力を発生させるようにしている。また、外力や把持物体移動時の慣性力などの外乱による物体の位置姿勢の変化を打ち消すためには、上記の接触力を保持しつつ外乱を打ち消す反力を重畳して印加しなければならず、すなわち、その反力の量と方向を決定する必要がある。
【００２７】
図２には、本実施形態に係る把持装置が、物体把持時に指先と把持物体が滑らずに接触を保つように適切な接触力を印加するとともに、物体把持中に発生する外乱を打ち消すための反力の量と方向を決定するための概略的な処理手順をフローチャートの形式で示している。図示の通り、この処理手順は、基本把持力の方向決定（Ｓ１）、基本把持力の大きさ決定（Ｓ２）、外乱印加時の物体の位置姿勢の変化量計測（Ｓ３）、外乱に対する反力生成（Ｓ４）の各処理ステップからなる。各処理ステップは、例えば制御部１４が所定のプログラム・コードを実行するという形態で実現される。以下、各処理ステップについて詳解する。
【００２８】
基本把持力の方向決定：
まず、各指の把持物体の接触点における基本把持力の方向を決定する（図２のステップＳ１）。基本把持力の方向を決定するための方法について、図３を参照しながら説明する。
【００２９】
物体把持部１２が備える３本の指は例えば親指（Ｔｈｕｍｂ）３１とこれに対向する人差し指（Ｉｎｄｅｘ）３２並びに中指（Ｍｉｄｄｌｅ）３３に相当し、図３Ａに示すように、親指３１と人差し指３２並びに中指３３の間隔を徐々に狭めていき、挟み込むようにして把持物体３４を把持することができる。この場合の物体把持部１２と把持物体３４との接触点は各指３１、３２、３３の指先の３点となる。
【００３０】
本実施形態では、各指は基準座標系を持つ。把持物体３４との接触点となる各指３１、３２、３３の指先はほぼ同一の半径からなる球面を以って構成されており、それぞれこの球の中心には指先毎のｘｙ基準座標系の原点３５、３６、３７が設定されている。
【００３１】
各指３１、３２、３３の指先の基準座標系は、指の関節角度を用いた順運動学演算により求めることができる。そして、図３Ａに示したように３本の指３１、３２、３３が把持物体３４に接触した状態で、各指先の基準座標系の原点（指先中心）３５、３６、３７を頂点とする多角形（ここでは３角形）３８の外接円３９の中心４０を計算する（図３Ｂを参照のこと）。
【００３２】
外接円３９の中心４０は、具体的には以下の方法により計算することができる。
【００３３】
（１）各指３１、３２、３３の指先の原点３５、３６、３７を結ぶ直線の式を求める（図３Ｅを参照のこと）。
（２）各直線に対して、垂直２等分線を求める（図３Ｆを参照のこと）。
（３）それら垂直２等分線が交わる点が求める外接円３９の中心４０である（図３Ｇを参照のこと）。
【００３４】
この外接円３９の中心４０は、把持物体３４の重心のほぼ近くにあると推定されるから、本実施形態では把持物体３４の「疑似中心」として扱う。そして、各指３１、３２、３３の指先接触点から疑似中心（外接円３９の中心４０方向）を基本把持力４１、４２、４３の方向とする（図３Ｃを参照のこと）。各指３１、３２、３３の基本把持力４１、４２、４３の大きさは、次ステップＳ２で決定されるが、例えば事前情報によって決まっている値とする。
【００３５】
各指３１、３２、３３の指先の基準座標系の位置と姿勢の検知結果より、把持物体３４の疑似中心座標を実時間で計算することは可能である。
【００３６】
そして、ここまでで求めた各指３１、３２、３３の基本把持力４１、４２、４３の大きさと方向より、各指３１、３２、３３の基本座標系の各軸方向の分力を決定する（図３Ｄを参照のこと）。基本把持力の大きさに関しては、後に紹介する。
【００３７】
なお、物体上で指先が滑らないようにするためには、単指による物体との接触の場合は、接触力が接触点での接平面の法線方向であればよいが、複数指での把持の場合は物体の中心に働く各指による合力を考慮する必要がある。把持物体の表面の法線方向中心に張られる摩擦円錐内に接触力を印加するようにしておき、この方法で力の方向を定め適切な接触力を与えることで把持が可能となる。
【００３８】
２本指の場合については、外接円の中心を求めずに、各指先の基準座標系を通る直線を求め、その直線上の点（例えば内分点や中点）を擬似中心として扱う。
【００３９】
基本把持力の大きさ決定：
次いで、各指の把持物体の接触点における基本把持力の大きさを決定する（図２のステップＳ２）。
【００４０】
本実施形態では、画像情報による見かけ（大きさ）や形状による事前の記憶、ＲＦＩＤなどの電子タグの情報などを基に、基本把持力を設定する。そして、制御部１４は、決定された基本把持力を用いて、物体を把持するように各指の動作を制御する。
【００４１】
図３Ｃに示したように、先行ステップＳ１では、外接円３９の中心４０すなわち疑似中心に向けて基本把持力の方向が決定される。その際、図３Ｃ中で参照番号４１、４２、４３で示した各基本把持力の大きさを決定する。ｉ番目の指先の基本把持力の大きさをｆiとし、指先と把持物体間の静止摩擦係数をμ、把持物体の質量をＭ、重力加速度をｇとおくと、把持物体にはＷ＝Ｍｇの重力が作用することから（図４を参照のこと）、下式を満たすように各指先の基本把持力の大きさｆiを選ぶ必要がある。
【００４２】
【数１】
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【００４３】
具体的には、把持物体を撮像した画像情報を基に、把持物体の大きさに応じてｆiを大きくする、把持物体に付されたＲＦＩＤタグから読み出された識別情報を基にｆiを設定する、といった方法が考えられる。
【００４４】
外乱印加時の物体の位置姿勢の変化量計測：
次いで、物体把持中は把持物体の位置及び姿勢を計測し続け、外乱印加時には、把持物体の位置及び姿勢の変化量を出力する（図２のステップＳ３）。
【００４５】
先行ステップＳ１で求めた、把持開始時の把持物体の擬似中心の位置を初期把持位置（記号：Ｘ０）とする（図５Ａを参照のこと）。その後、実時間で現在の擬似中心の位置（記号：Ｘ）を随時計算し、さらに初期把持位置との差分を計算する。その差分は外乱が印加された時の物体の擬似中心の移動量となる（図５Ｂを参照のこと）。本明細書では、この擬似中心の移動量を把持物体の移動量として扱うことにする。
【００４６】
各指先の基準座標系は、指の関節角度を用いた順運動学演算により求めることができる。図３Ｂを参照しながら説明したように、３本の指が物体に接触した状態で、各指先の基準座標系で構成される多角形（ここでは３角形）３８の外接円３９の中心４０を計算する。
【００４７】
外乱に対する反力生成：
そして、外乱印加時における把持物体の位置及び姿勢の変化量に比例した反力を各指の接触点における接触力に変換し、各指先に作用させることで、把持物体の位置姿勢が安定するように（すなわち、振動などが発生しないように）保持する（図２のステップＳ４）。
【００４８】
親指３１、人差し指３２、並びに中指３３からなる物体把持部１２で断面円形の把持物体３４を把持した初期把持位置の疑似中心をＸ0とし、外力や慣性力といった外乱によって把持物体の疑似中心がＸに変化したとする（図６Ａを参照のこと）。このとき、把持物体の疑似中心の変位の大きさと方向に比例した反力を計算し、併せてその反力のｘ、ｙ軸方向の力成分を計算する（図６Ｂを参照のこと）。そして、計算した反力をｘ、ｙ軸方向の分力にし、各々が作用するべき指から接触力として作用させるようにする（図６Ｃを参照のこと）。
【００４９】
ここで、親指３１、人差し指３２、並びに中指３３に対し、ハンド座標系ＸＹ各軸方向にバネが設けられ、把持物体がバネで包み込まれているモデル（図７Ａを参照のこと）を用いて反力について考察する。バネ定数をＫとし、外乱などによる把持物体がΔｘだけ変化したとすると、反力はＫΔｘとなる。初期把持位置での基本把持力をＦ0とすると、反力ＫΔｘを基本把持力Ｆ0に重畳させた把持力ＦはＦ＝Ｆ0＋ＫΔｘとなる。
【００５０】
把持物体の疑似中心が初期把持位置Ｘ０（ｘ0，ｙ0）から外乱などにより位置Ｘ（ｘ，ｙ）に変位したとすると、上記の把持力は下式のように親指、人差し指、並びに中指の指先接触力に変換することができる。
【００５１】
【数２】
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【００５２】
上式について、図７Ｂを参照しながら説明する。ハンド座標系がｘｙ直交座標系からなる場合、外乱などにより疑似中心座標は、初期把持位置Ｘ０から変位して、第１象限、第２象限、第３象限、第４象限のうちいずれかに存在することになる。疑似中心座標が第１象限に存在するとき（すなわち、ｘ≧ｘ０、ｙ≧ｙ０）、上式のうち、（１−１）、（１−２）、（１−３）が動作する。また、疑似中心座標が第２象限に存在するとき（すなわち、ｘ≧ｘ０、ｙ＜ｙ０）、上式のうち、（１−１）、（１−３）、（１−４）、（１−６）が動作する。また、疑似中心座標が第３象限に存在するとき（すなわち、ｘ＜ｘ０、ｙ＜ｙ０）、上式のうち、（１−１）、（１−４）、（１−５）、（１−６）が動作する。また、疑似中心座標が第４象限に存在するとき（すなわち、ｘ＜ｘ０、ｙ≧ｙ０）、上式のうち、（１−１）、（１−２）、（１−５）が動作する。
【００５３】
図８には、親指、人差し指、並びに中指の３本指からなる物体把持部１２で断面略正方形の把持物体を把持し、振り回したときの疑似中心の挙動を示している。図８Ａは、把持物体の位置及び姿勢の変化による擬似中心の変化量に比例した反力からなる指先接触力を各指の基本把持力に重畳させるという制御を行なった場合の把持物体の疑似中心の変位を示しており、図８Ｂには、同制御を行なわなかった場合の把持物体の疑似中心の変位を示している。両図を比較して分かるように、把持物体の位置及び姿勢の変化量に比例した反力を生成し、これを各指の接触力に変換して基本把持力に重畳する制御を行なうことで、把持物体に外乱が印加されても初期の位置及び姿勢を保つことができる。これに対し、かかる制御を行なわないと、指が慣性力などの外乱に対向できず、把持物体の疑似中心は移動し、やがては指の間から抜け落ちてしまうであろう。
【００５４】
このように指先と把持物体が剥離しないように基本把持力を保持しつつ、外乱印加時の反力からなる指先接触力を重畳させることで、指先と把持物体が剥離することなく把持物体の位置姿勢を安定（振動などが無い状態）に保持することができる。
【００５５】
上述したように、指先基準座標系の位置と姿勢の検知結果より、把持物体の疑似中心座標を実時間で計算することは可能である。また、物体を把持しているとき、その物体の初期の疑似中心座標から把持物体の疑似中心座標が微小量動くことを検知することが可能であるから、把持物体との指先接触力を実時間で検知するとともに実時間で制御することができる。そして、疑似中心座標の変位量に応じた反力を指先接触力に変換することを用いて、把持物体を把持した初期の位置姿勢と同じ値に実時間で安定に保つことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。
【００５７】
本発明に係る把持装置は、産業用ロボットや人型ロボットなどの多関節ロボットアームの先端のエンド・エフェクタとして装着して用いることができる。物体を把持して何処かへ移動させる際、例えば横の物を縦に置くなど、把持物体の姿勢の変化を伴う。ハンド座標系の位置姿勢の変動に伴って、把持している物体に慣性力（移動時の慣性起因）や外乱力（把持物体を持ち上げ又は降ろし時の急激な力成分の増減）が作用した場合であっても、ハンド座標系からみた把持初期の位置姿勢を保持することができる。
【００５８】
また、物体を把持し、移動させて、人にその把持物体を渡そうとする際には、上記と同様に慣性力や人との物体受け渡し時の外乱が作用する。この場合にも、ハンド座標系からみた把持初期の位置姿勢を保持することができる。
【００５９】
あるいは、把持物体移動中に予期せぬ状況で物体を外環境に衝突させた際にも、ハンド座標系からみた把持初期の位置姿勢を保持することができる。
【００６０】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る物体把持システムの構成を示した図である。
【図２】図２は、本発明に係る把持装置が、物体把持時に指先と把持物体が滑らずに接触を保つように適切な接触力を印加するとともに、物体把持中に発生する外乱を打ち消すための反力の量と方向を決定するための概略的な処理手順を示したフローチャートである。
【図３Ａ】図３Ａは、基本把持力の方向を決定するための方法を説明するための図であり、具体的には、３本の指で物体を把持する様子を示した図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、基本把持力の方向を決定するための方法を説明するための図であり、具体的には、各指先が把持物体に接触した状態で各指の基準座標系の原点で構成される多角形の外接円の中心を求める様子を示した図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、基本把持力の方向を決定するための方法を説明するための図であり、具体的には、各指の指先接触点から外接円の中心方向に接触力の向きを決定する様子を示した図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、基本把持力の方向を決定するための方法を説明するための図であり、具体的には、各指のハンド座標系の各軸方向の分力を決定する様子を示した図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは、基本把持力の方向を決定するための方法を説明するための図であり、具体的には、外接円の中心を計算する様子を示した図である。
【図３Ｆ】図３Ｆは、基本把持力の方向を決定するための方法を説明するための図であり、具体的には、外接円の中心を計算する様子を示した図である。
【図３Ｇ】図３Ｇは、基本把持力の方向を決定するための方法を説明するための図であり、具体的には、外接円の中心を計算する様子を示した図である。
【図４】図４は、各指の基本把持力の大きさを決定する方法を説明するための図であり、具体的には、初期状態で把持物体に加わる力を示した図である。
【図５Ａ】図５Ａは、外乱印加時の物体の位置姿勢の変化量を計測する様子を示した図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、外乱印加時の物体の位置姿勢の変化量を計測する様子を示した図である。
【図６Ａ】図６Ａは、把持物体に印加される外乱に対して反力を生成する処理を説明するための図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、把持物体に印加される外乱に対して反力を生成する処理を説明するための図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、把持物体に印加される外乱に対して反力を生成する処理を説明するための図である。
【図７Ａ】図７Ａは、外乱に対する反力を生成する方法を説明するための図であり、具体的には、ハンド座標系ＸＹ各軸方向にバネが設けられ、把持物体がバネで包み込まれているモデルを示した図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａに示したモデルを用いて把持物体に作用させるべき各指先反力を説明するための図である。
【図８Ａ】図８Ａは、親指、人差し指、並びに中指の３本指からなる物体把持部１２で断面略正方形の把持物体を把持し、振り回したときの疑似中心の挙動を示した図であり、具体的には、把持物体の位置及び姿勢の変化量に比例した反力からなる接触力を各指の基本把持力に重畳させる制御を行なった場合の把持物体の疑似中心の変位を示した図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、親指、人差し指、並びに中指の３本指からなる物体把持部１２で断面略正方形の把持物体を把持し、振り回したときの疑似中心の挙動を示した図であり、具体的には、把持物体の位置及び姿勢の変化量に比例した反力からなる接触力を各指の基本把持力に重畳させる制御を行なわなかった場合の把持物体の疑似中心の変位を示した図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０…物体把持システム
１１…多関節アーム部
１２…物体把持部
１３…物体識別部
１４…制御部
３１…親指
３２…人差し指
３３…中指
３４…把持物体
３５…親指の指先の原点
３６…人差し指の指先の原点
３７…中指の指先の原点
３８…各指先の基準座標系の原点３５、３６、３７を頂点とする３角形
３９…３角形の外接円
４０…外接円３９の中心
４１…親指の指先に作用する基本把持力
４２…人差し指の指先に作用する基本把持力
４３…中指の指先に作用する基本把持力
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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【図４】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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