(57)【要約】      （修正有）【課題】物体に衝突する際に位置制御と力制御の切り替えを円滑に行なう。【解決手段】把持する物体の位置情報や形状情報が正確でないと、把持の失敗、把持対象物の転倒や破壊などの可能性がある。ロボット装置は、加速度制御をベースとして位置制御を行ない、指先や手先が物体に接触したときには、位置指令値を満足することよりも、大きな衝撃力を加えないことを優先する。また、指先や手先が物体などの外界と接触した直後から接触力を正確に加えることができ、把持や操作の計画が立て易い。位置制御中に物体と衝突しても所定値を超える接触力は発生せず、衝突した直後から与えられた接触力を追従する。【選択図】図１
2009066685.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のリンクとリンク可動部分である関節で構成される多リンク構造を持ち、少なくとも一部のリンクは位置制御並びに力制御の組み合わせにより駆動されるロボット装置であって、
位置制御並びに力制御の組み合わせにより駆動される前記リンクを位置制御する位置制御手段と、
前記リンクの位置制御を行なっている場合でも外力の大きさが設定値を超えないように位置制御より力制御を優先させる外力拘束付き位置制御手段と、
前記リンクの力制御を行なう力制御手段と、
前記位置制御手段、前記外力拘束付き位置制御手段、前記力制御手段を切り替えて前記関節の駆動を制御し、位置制御と力制御を統合する位置及び力制御統合手段と、
を具備することを特徴とするロボット装置。
【請求項２】
前記位置制御手段及び前記外力拘束付き位置制御手段は前記リンクに対する位置目標値から前記リンクの力目標値を生成し、
前記位置及び力制御統合手段は、前記位置制御手段、前記外力拘束付き位置制御手段、又は前記力制御手段が出力する力目標値から前記リンクの力指令値を生成する、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項３】
外乱オブザーバを用いて前記関節を駆動するモータに作用する各種の外乱を推定し、該外乱が制御系に及ぼす影響を前記位置及び力制御統合手段から出力される力指令値から除去することによって、前記関節に対してロバストな加速度制御を行なうロバスト加速度制御手段をさらに備える、
ことを特徴とする請求項２に記載のロボット装置。
【請求項４】
前記位置制御手段及び前記外力拘束付き位置制御手段は、ＰＤ制御器を用いて前記リンクに対する位置目標値を前記リンクの力目標値に変換する、
ことを特徴とする請求項２に記載のロボット装置。
【請求項５】
前記外力拘束付き位置制御手段は、所定の力制限値を設定し、前記リンクに対する位置目標値を変換して得られる力目標値が該力制限値を超えないときはそのまま出力し、該力目標値が該力制限値を超えるときには該力制限値に置き換えて出力する、
ことを特徴とする請求項２に記載のロボット装置。
【請求項６】
複数のリンクとリンク可動部分である関節で構成される多リンク構造を持ち、少なくとも一部のリンクは位置制御並びに力制御の組み合わせにより駆動されるロボット装置の制御方法であって、
位置制御並びに力制御の組み合わせにより駆動される前記リンクを位置制御する位置制御ステップと、
前記リンクの位置制御を行なっている場合でも外力の大きさが設定値を超えないように位置制御より力制御を優先させる外力拘束付き位置制御ステップと、
前記リンクの力制御を行なう力制御ステップと、
を具備することを特徴とするロボット装置の制御方法。
【請求項７】
前記位置制御ステップ及び前記外力拘束付き位置制御ステップでは前記リンクに対する位置目標値から前記リンクの力目標値を生成し、
前記位置制御ステップ、前記外力拘束付き位置制御ステップ、又は前記力制御ステップにより得られる力目標値から前記リンクの力指令値を生成する力指令値生成ステップをさらに備える、
ことを特徴とする請求項６に記載のロボット装置の制御方法。
【請求項８】
外乱オブザーバを用いて前記関節を駆動するモータに作用する各種の外乱を推定し、該外乱が制御系に及ぼす影響を前記位置及び力制御統合手段から出力される力指令値から除去することによって、前記関節に対してロバストな加速度制御を行なうロバスト加速度制御ステップをさらに備える、
ことを特徴とする請求項７に記載のロボット装置の制御方法。
【請求項９】
前記位置制御ステップ及び前記外力拘束付き位置制御ステップでは、ＰＤ制御器を用いて前記リンクに対する位置目標値を前記リンクの力目標値に変換する、
ことを特徴とする請求項７に記載のロボット装置の制御方法。
【請求項１０】
前記外力拘束付き位置制御ステップでは、所定の力制限値を設定し、前記リンクに対する位置目標値を変換して得られる力目標値が該力制限値を超えないときはそのまま出力し、該力目標値が該力制限値を超えるときには該力制限値に置き換えて出力する、
ことを特徴とする請求項７に記載のロボット装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体を把持するマニピュレータや脚式移動ロボットなど複数のリンクとリンク可動部分である関節で構成される多リンク構造を持つロボット装置及びロボット装置の制御方法に係り、特に、位置制御並びに力制御の組み合わせにより各リンクが制御されるロボット装置及びロボット装置の制御方法に関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、物体に衝突する際に位置制御と力制御の切り替えを行なうロボット装置及びロボット装置の制御方法に係り、特に、ロボット装置及びロボット装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
近年、物体を把持するマニピュレータや脚式移動ロボットなど、多関節ロボットの研究開発が行なわれている。これらロボット装置は、工場などでの製造作業の自動化や、原子力プラントなどの危険な現場における難作業の代行、あるいは介護やエンタテインメントを目的とする人とのインタラクションなど、さまざまな適用分野が考えられる。
【０００４】
複数のリンクとリンク可動部分である関節で構成される多リンク構造を持つロボットの制御方法として、例えば位置制御と力制御が挙げられる。位置制御は、アームの手先や指先などの基準位置を所定の位置座標における任意の位置に位置させる制御方法である。また、力制御は、作業対象に対して加えるべき力の目標値を直接的に受け、その目標値が示す力を実現する制御方法である。この他にも、間接的に仮想のインピーダンスを実現するような制御を行なうことによって、手先や指先など物体との接触位置に加わる外力を緩和するコンプライアンス制御などがある。
【０００５】
従来のロボット装置は、制御上の簡便さやシステムの構成し易さから、位置制御によって駆動されるものが大半である。位置制御は、基本的に位置を保持することが目的であることから、俗に「硬い制御」と呼ばれ、外力に柔軟に応じたり、速度や加速度の制御を精密に行なったりするのには適さない。例えば物体を把持するなど多様な外界との物理インタラクションを行ないながらタスクを遂行するロボット装置は、本来は位置制御との親和性は低い。対象物に倣って動作したり、はめ合いなどを行なったりする作業は、位置制御型のロボットでは実現が困難である。
【０００６】
これに対し、ロボットにも人間の腕などと同じ力制御の機能を持たせれば、その適用作業範囲が飛躍的に拡大すると考えられている。力制御は、制御則、システム構成は複雑化するが、理想的には力制御系で駆動することが望ましいとされる。しかしながら、力制御によると、位置制御よりも駆動速度が遅くなるという作業時間の問題もある。
【０００７】
従来の力制御の研究事例としては、Ｘ軸方向に位置制御を行ないＹ軸方向に力制御を行なうといった具合に軸毎に位置と力のハイブリッド制御を行なう方法や（例えば、非特許文献１を参照のこと）、それを作業座標系を基準として展開する方法（例えば、非特許文献２を参照のこと）、指先に仮想ばねを配設した機械インピーダンス制御（例えば、非特許文献３を参照のこと）などが知られている。
【０００８】
しかしながら、これらの力制御方法は、接触面の幾何学的位置が既知であることを前提とすることや、誤差が存在して接触面で位置制御を行なったときに無理な力が加わってしまうこと、拘束空間を形成する接触面の弾性や摩擦係数の変動により設計仕様とはかけ離れた制御特性となること、あるいは制御系が不安定になることなどの問題点が指摘されている（例えば、特許文献１を参照のこと）。
【０００９】
また、座標系での成分毎に位置制御か力制御を選択マトリックスで指定するように構成した場合には、位置制御と力制御の切り替えが非連続であることから、切り替え時にショックが発生するという問題がある（例えば、特許文献２を参照のこと）。
【００１０】
特に手先や指先が物体に衝突する際に、その駆動方法を位置制御から力制御への切り替える必要がある。例えば、マニピュレータを質量−バネ−ダンパ系として把持系の安定性をリアプノフの直説法によって論じることで、衝突過程の制御を行なう方法が提案されているが（例えば、非特許文献４を参照のこと）、上述した機械インピーダンス制御（非特許文献３）と同様に幾何学的な誤差によっては接触面に対して無理な力が加わる場合がある。また、大きな衝撃力が発生しないようにあらかじめ接触前の最速接近速度を求め、接触後の力検出値がある閾値を越えた時点で位置制御から力制御に切り換える方法についても提案されているが（例えば、非特許文献５を参照のこと）、速度低下が作業効率の低下を招く可能性がある。また、ロバスト位置制御を内包して力制御を行なう方法についても提案されており（例えば、非特許文献６を参照のこと）、制御性能も高く広範な状況に対応でき実用性が高いと思われるが、実際の環境の剛性より制御系内で用いるノミナル剛性が小さい場合（すなわち、実際には硬い物体であるのに、軟らかい物体であると想定していた場合）に過大な力が発生する。また、切り換え時に一旦大きなダンピング特性を有する制御モードを挿入させる方法についても提案されているが（例えば、非特許文献７を参照のこと）、限られた状況でのみその動作目的が達成されるものであり実用性に欠けると思料される。
【００１１】
また、ツール座標系における方向成分毎の仮想的なバネ定数を増減することによって位置と力の協調の程度を設定し、これが中間的な値の場合には位置偏差に応じた力がつり合う点まで動作しようとしてバネで支えられているかのような動きをする方法について提案がなされているが（例えば、特許文献３を参照のこと）、仮想的なバネ定数の設定方法が不明確であり、また安定性を力センサ値及び力指令に対するローパス・フィルタのみで確保しようとしており応答性が悪くなることが予想される。
【００１２】
また、自由空間内の予想接触面までワークを位置制御により接近動作させ、次いで予想接触面から真の接触面まで位置制御による探索動作を行ない、力検出値がある閾値を超えた時点で力制御による接触動作に切り換えるロボット制御装置について提案がなされている（例えば、特許文献４を参照のこと）。このような制御方法は、安定性も考慮されたロバストな制御系であり制御モード切り替えも滑らかで実用性も高いと考えられるが、スライディングモード制御を用いることから制御系やその設計法が複雑になるという問題がある。
【００１３】
また、ロボットマニピュレータのエンドエフェクタの変位及び力を制御するための運動学的に安定したハイブリッド制御システムについて提案がなされているが（例えば、特許文献５を参照のこと）、接触面の幾何学的位置が既知であることを前提としているため、それに誤差がある場合過大な力の発生、不安定化が起こる場合があると思料される。
【００１４】
また、モータにより駆動される押圧部を位置制御からトルク制御に連続的に移行させる力制御装置について提案がなされており、位置制御の場合には、リミッタ手段により速度指令生成手段の指令速度で動作し、力検出手段からの力指令に近づいた場合には、力指令発生手段からの力指令に自動的に切替わるようになっている（例えば、特許文献６を参照のこと）。しかしながら、あらかじめ決められた切り替え位置において切り替えるので、接触面の幾何学的位置が既知であることを前提としているため、それに誤差がある場合過大な力を発生し、あるいは、不安定になることが懸念される。
【００１５】
【特許文献１】特許第３１０２４５１９号公報、段落０００２〜０００３
【特許文献２】特許第２７７０９８２号公報、第２頁右欄第３４行乃至同欄第４４行
【特許文献３】特許第２７７０９８２号公報、第３頁右欄第２１行乃至第４頁右欄第１０４行
【特許文献４】特許第３１０２４５１９号公報、段落０００９〜００１０５
【特許文献５】特開平５−１４３１６１号公報
【特許文献６】特開２００２−１７３５２号公報
【非特許文献１】Ｍ．Ｈ．Ｒａｉｂｅｒｔ 、Ｊｏｈｎ  Ｊ．Ｃｒａｉｇ：Ｈｙｂｒｉｄ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎ／Ｆｏｒｃｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ａｎｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  １０２，ＡＳＭＥ，ｐｐ．１０２６−１０３３，１９８１）
【非特許文献２】Ｏ．Ｋｈａｔｉｂ：Ａ  Ｕｎｉｆｉｅｄ  Ａｐｐｒｏａｃｈ  ｆｏｒ  Ｍｏｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｆｏｒｃｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｒｏｂｏｔ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ：Ｔｈｅ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ  Ｓｐａｃｅ  Ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ，ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｖｏｌ．ＲＡ−３，Ｎｏ．１０１９８７
【非特許文献３】Ｎ．Ｈｏｇａｎ：Ａｎ  Ａｐｐｒｏａｃｈ  ｔｏ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ： Ｐａｒｔ  １〜３，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ａｎｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  １０７，ＡＳＭＥ，１９８５
【非特許文献４】庄司、稲葉、福田、細貝共著「衝突を含むロボットマニピュレータの安定制御」（日本機械学会論文集（Ｃ編），Ｖｏｌ．５６−５２７，ｐｐ．１８４７−１８５３，１９９０）
【非特許文献５】北垣、内山共著「外部環境に対するマニピュレータの最適接近速度」（日本ロボット学会誌Ｖｏｌ．８−４，ｐｐ．４１０３−４２０，１９９０）
【非特許文献６】志村、堀共著「ロボットマニピュレータにおける力制御のロバスト化と衝突過程の制御」（日本ロボット学会誌１０１０２ ，ｐｐ．２３５−２４５，１９９３）
【非特許文献７】Ｏ． Ｋｈａｔｉｂ， Ｊ．Ｂｕｒｄｉｃ：Ｍｏｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｆｏｒｃｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｒｏｂｏｔ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ，ＩＥＥＥ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓａｎｄ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ｐｐ．１０３８１０１０３８６，１９８６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、位置制御並びに力制御の組み合わせにより各リンクが好適に制御される、優れたロボット装置及びロボット装置を提供することにある。
【００１７】
本発明のさらなる目的は、物体に衝突する際に位置制御と力制御の切り替えを円滑に行なうことができる、優れたロボット装置及びロボット装置を提供することにある。
【００１８】
本発明のさらなる目的は、位置制御中において接触対象となる物体の位置情報や形状情報が正確でない場合であっても、大きな衝撃力が加わらないようにすることができる、優れたロボット装置及びロボット装置を提供することにある。
【００１９】
本発明のさらなる目的は、位置制御中において接触対象となる物体の位置情報や形状情報が正確でないなどの理由によって物体と衝突したときであっても、その直後から与えられた接触力を好適に追従することができる、優れたロボット装置及びロボット装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、複数のリンクとリンク可動部分である関節で構成される多リンク構造を持ち、少なくとも一部のリンクは位置制御並びに力制御の組み合わせにより駆動されるロボット装置であって、
位置制御並びに力制御の組み合わせにより駆動される前記リンクを位置制御する位置制御手段と、
前記リンクの位置制御を行なっている場合でも外力の大きさが設定値を超えないように位置制御より力制御を優先させる外力拘束付き位置制御手段と、
前記リンクの力制御を行なう力制御手段と、
前記位置制御手段、前記外力拘束付き位置制御手段、前記力制御手段を切り替えて前記関節の駆動を制御し、位置制御と力制御を統合する位置及び力制御統合手段と、
を具備することを特徴とするロボット装置である。
【００２１】
多リンク構成のロボット装置におけるリンクの駆動方法は位置制御と力制御が挙げられる。物体に対するアプローチの際は位置制御を、物体の把持を行なう場合は力制御を、それぞれ行なう必要がある。本発明は、位置制御と力制御を統合したロボット装置であり、物体に衝突する際に位置制御と力制御の切り替えを行なうようになっている。ここで、位置制御と力制御の切り替えは各軸で切り替えるとともに、１つの軸においても位置制御、力制御を切り替えるようになっている。また、動作中においても切り替えができるので、ハンドの動作を妨げることがない。
【００２２】
ロボットの一般的な把持動作は、あらかじめ物体の位置情報、形状情報から接触位置を決定し、指先を移動して把持を行なう。しかし、位置情報や形状情報が正確でない場合には、把持の失敗や、把持対象物の転倒、破壊などの可能性がある。
【００２３】
これに対し、本発明では、物体の位置情報や形状情報の誤差に伴うこれらの障害を防止するために、位置制御手段と力制御手段とともに、外力拘束付き位置制御手段を備えており、指を物体に近づける（Ａｐｐｒｏａｃｈ）フェーズでは位置制御手段による制御が行なわれ、把持対象物体に力を印加する（Ｇｒａｓｐ）フェーズでは力制御手段による制御が行なわれるが、これらの２フェーズの間で指が物体に接触（若しくは衝突）する際（Ｃｏｎｔａｃｔ）において外力拘束付き位置制御手段による制御が行なわれる。外力拘束付き位置制御手段は、位置制御でアプローチ中に指先や手先が物体に接触したときには、位置目標値を満足することよりも、大きな衝撃力を加えないことを優先するようにしている。
【００２４】
前記位置制御手段及び前記外力拘束付き位置制御手段は前記リンクに対する位置目標値から前記リンクの力目標値を生成するので、ロボット装置は基本的に前記リンクに対して加速度制御を行なうように構成されている。そして、外力拘束付き位置制御手段は、所定の力制限値を設定し、前記リンクに対する位置目標値を変換して得られる力目標値が該力制限値を超えないときはそのまま出力し、該力目標値が該力制限値を超えるときには該力制限値に置き換えて出力するようになっている。したがって、例えば物体を把持するマニピュレータのリンクを位置制御中であっても、外力拘束条件を付与しておくことによって、物体との衝突時にはあらかじめ設定された接触力を大きく超えることなく、衝突した直後から与えられた接触力を追従することができる。
【００２５】
上述したように、本発明に係るロボット装置は、位置制御手段、外力拘束付き位置制御手段、及び力制御手段のいずれも加速度制御をベースとしているので、応答性が良く、ロバスト性も高く、制御系の設計方法も単純である。前記位置制御手段及び前記外力拘束付き位置制御手段は、例えばＰＤ（比例微分）制御器を用いて、前記関節に対する位置目標値を前記関節の力指令値に変換する。
【００２６】
また、本発明に係るロボット装置は、位置制御と力制御を統合するために、位置制御手段並びに外力拘束付き位置制御手段は、位置目標値から力目標値を生成しているので、位置制御と力制御間の切り換え時の挙動は滑らかである。そして、接触時に発生する外力の大きさに応じて自動的に位置制御から力制御に切り替わり、その直後から外力は与えられた最大外力値を追従するので、その後の力制御による把持制御との連携が行ない易い。例えば、指先や手先が物体などの外界と接触したときには、その直後から接触力を正確に加えることができるので、把持や操作の計画が立て易い。
【００２７】
また、本発明に係るロボット装置は、ロバストな加速度制御を行なうようになっている。力制御の手法として、逆動力学演算補償などの線形化を用いる手法などが挙げられるが、本発明に係るロボット装置は、いわゆる外乱オブザーバによって推定される外乱トクルを用いたロバスト制御によって線形化されるため、特段の線形化手段を備える必要ない。外乱オブザーバによるロバスト制御では、重力や遠心力、コリオリ力の影響とともにモデル化し難いギア摩擦やケーブルの重量などの影響もオブザーバにより推定して抑圧する。また、計算コストの面でも有利であるため、制御周期を短くすることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、位置制御並びに力制御の組み合わせにより各リンクが好適に制御される、優れたロボット装置及びロボット装置を提供することができる。
【００２９】
また、本発明によれば、物体に衝突する際に位置制御と力制御の切り替えを円滑に行なうことができる、優れたロボット装置及びロボット装置を提供することができる。
【００３０】
また、本発明によれば、位置制御中において接触対象となる物体の位置情報や形状情報が正確でない場合であっても、大きな衝撃力が加わらないようにすることができる、優れたロボット装置及びロボット装置を提供することができる。
【００３１】
また、本発明によれば、位置制御中において接触対象となる物体の位置情報や形状情報が正確でないなどの理由によって物体と衝突したときであっても、その直後から与えられた接触力を好適に追従することができる、優れたロボット装置及びロボット装置を提供することができる。
【００３２】
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】
【００３３】
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。
【００３４】
本発明は、複数のリンクとリンク可動部分である関節で構成される多リンク構造を持つロボット装置に関するものであり、少なくとも一部のリンクを位置制御並びに力制御の組み合わせにより駆動するという、位置制御と力制御を統合したハイブリッド制御システムを適用している。物体に対するアプローチの際は位置制御を、物体の把持を行なう場合は力制御をそれぞれ行なう必要があるが、本発明に係るロボット装置は、物体に衝突する際に位置制御と力制御の切り替えを行なうようになっている。
【００３５】
また、接触する（例えば、マニピュレータで把持する）物体の位置情報や形状情報に誤差があるときには、把持の失敗や、把持対象物の転倒や破壊などの可能性がある。これに対し、本発明に係るロボット装置は、位置制御でアプローチ中に指先や手先が物体に接触したときには、位置目標値を満足することよりも、大きな衝撃力を加えないことを優先するようにしている。したがって、位置制御中であっても、物体との衝突時にはあらかじめ設定された接触力を大きく超えることなく、衝突した直後から与えられた接触力を追従することができる。
制御システム構成：
【００３６】
図１には、制御対象となるロボット装置のリンクや関節の駆動を制御するための制御システムの構成を模式的に示している。図示の制御システム１００は、電流制御で駆動されるサーボ・モータ及び機械系をプラント（Ｐｌａｎｔ）１０４とし、位置制御と力制御を統合的に行なう位置及び力制御統合部（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｆｏｒｃｅ／Ｐｏｓｏｔｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）１０１と、座標空間変換部（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ／Ｓｐａｃｅ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）１０２と、ロバスト角加速度制御部（Ｒｏｂｕｓｔ  Ａｎｇｕｌａｒ  Ａｃｃｅｌａｒａｔｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）１０３と、座標空間逆変換部１０５を備えている。
【００３７】
位置及び力制御統合部１０１は、力制御モード時には力目標値ＦCNTcmdを入力し、位置制御モード時には位置目標値ＰCNTcmdを入力するが、いずれの制御モードにおいても力指令値ＦCNTrefを出力する。当該制御システム１００は、すべての制御モードにおいて加速度制御をベースとしており、位置及び力制御統合部１０１は、位置制御モード時には位置目標値から力目標値への変換を行なう。
【００３８】
また、位置及び力制御統合部１０１は、位置制御と力制御を統合し、物体に対するアプローチの際は位置制御を、物体の把持を行なう場合は力制御をそれぞれ行なうが、把持しようとする物体の位置情報や形状情報の誤差に起因する把持の失敗や、把持対象物の転倒、破壊などの障害を防止するために、外力拘束付き位置制御手段を備えており、位置目標値を満足することよりも、大きな衝撃力を加えないことを優先するようにしている。外力拘束付き位置制御の詳細については後述に譲る。
【００３９】
座標空間変換部１０２は、ベース座標系で記述された目標値を、任意の座標系（例えば、後述する「接触基準座標系」）に変換する処理を行なう。具体的には、位置及び力制御統合部１０１から力指令値ＦCNTrefを入力すると、力制御のための座標系で表される力指令としての力指令値ＦCNTrefを、関節空間における関節角ｑについての角加速度指令としての角加速度指令値に変換する。
【００４０】
ロバスト角加速度制御部１０３は、角加速度指令値を入力すると、電流制御により駆動するプラント１０４、すなわち関節駆動用サーボ・モータの駆動を制御するための電流指令値Ｉrefを生成する。本実施形態では、ロバスト角加速度制御部１０３は、外乱トルクを推定する外乱オブザーバ機能を備え、ロバストな力制御を実現することができる。
【００４１】
プラント１０４を構成する関節駆動用サーボ・モータは、入力した電流指令値Ｉrefに応じたトルクＦを出力する。サーボ・モータの出力トルクＦや回転角度ｑは当該モータのギア出力段でモニタされる。
【００４２】
座標空間逆変換部１０５は、接触基準座標系で得られるモータの出力トルクＦ並びに回転角度ｑをベース座標系に座標変換して、位置及び力制御統合部１０１へフィードバックする力制御信号ＦCNT及び位置制御信号ＰCNTを生成する。
【００４３】
以下では、複数本の指からなるマニピュレータで物体を把持する場合を例にとって、制御システム１００を構成する各機能モジュール１０１〜１０５における動作若しくは処理手順について詳解する。
【００４４】
ロバスト角加速度制御部：
本実施形態では、ロバスト角加速度制御部１０３内では、外乱オブザーバを用いてモータに作用する各種の外乱を推定し、この外乱が制御系に及ぼす影響を除去することによって、ロバストな加速度制御系を構築している。
【００４５】
モータに作用する外乱トルクＦdisは、下式（１）のように表すことができる。但し、下式において、Ｉrefはモータ（プラント１０４）に入力される電流指令値、Ｊはモータ・イナーシャ、Ｋtはモータのトルク定数、θはモータ角度、ωはモータ角速度であり、下付きの添え字ｎは公称値であることを表している。
【００４６】
【数１】
2009066685.tif 000003
【００４７】
上式（１）の右辺において、第１項は慣性変動、第２項はトルク・リップル、第３項のＦcはクーロン摩擦力、第４項のＤωは粘性摩擦力、第５項のＦextは外力を、それぞれ表している。
【００４８】
図２には、ロバスト角加速度制御部１０３の制御ブロック図を示している。同図中の点線で囲った部分が外乱オブザーバに相当し、サーボ・モータの自重の影響や減速ギアにおける摩擦、ケーブルの重さの影響などの外乱を抑圧し、当該制御系のロバスト性を向上させている。
【００４９】
ロバスト角加速度制御部１０３には、座標空間変換部１０２から関節への指令として回転角度ｑについての角加速度指令値が入力され、これにギア比（Ｇｅａｒ  Ｒａｔｉｏ）を乗算することで、モータ（すなわち減速前）の角速度ωの時間微分が得られる。さらにゲインＪn／Ｋtnを乗算することで（Ｊnはモータ・イナーシャの公称値、トルク定数のＫtnはＫtの公称値）、モータに対する目標値である電流指令値Ｉrefが得られる。そして、電流指令値Ｉrefにトルク定数Ｋtを乗算した値が理論上のモータの出力トルクとなる。
【００５０】
ここで、上式（１）の右辺の第３乃至第５項に相当するクーロン摩擦力、粘性摩擦力、並びに外力が外乱として印加される。これらの外乱を上記の理論的なモータ出力トルクから減算してから、モータ・イナーシャで除算し且つ時間軸で積分をとると、モータの角速度ωとなる。これをさらに時間軸で積分すると、モータの回転角θとなる。回転角θはモータの減速ギアの出力段に設けられたエンコーダなどから検出することが可能である。
【００５１】
Ｋtは現実のトルク定数であるが、その公称値Ｋtnしか分からない。言い換えれば、電流指令値Ｉrefにトルク定数Ｋtnを乗算した見かけ上の出力トルクしか知りえない。他方、モータの回転角の擬似微分をとることで、モータの角速度ωの推定値が得られる。
【００５２】
電流指令値Ｉref及びモータの角速度ωが遮断周波数ｇdisの帯域を持つ角度の擬似微分により検出可能であるとき、外乱オブザーバは、上式（１）で示される外乱力を、１次のローパス・フィルタを介して下式（２）のように推定することができる。
【００５３】
【数２】
2009066685.tif 000004
【００５４】
但し、遮断周波数ｇdisは抑圧する外乱の帯域を決定するための、外乱オブザーバに与えられる設定パラメータであり、下式（３）のように表される。
【００５５】
【数３】
2009066685.tif 000005
【００５６】
ロバスト角加速度制御部１０３は、上式（２）に示した推定外乱トルクをトルク定数の公称値Ｋtnで除算して補償電流Ｉcmpに変換し（下式（４）を参照のこと）、これを電流指令値Ｉrefにフィードバックすることによって、外乱に対してロバストな制御系を構築することができる。
【００５７】
【数４】
2009066685.tif 000006
【００５８】
モータの挙動は、Ｊn及びＢnの理想的なモータでトルク指令値のトルクを発生させた挙動と一致する。よって、Ｊn／Ｋtnのゲインにより加速度制御系になる。すなわち、制御システム１００は、加速度制御をベースとしている。
【００５９】
なお、外乱オブザーバについては以下の３つの文献に記載されている。
【００６０】
（１）Ｋ．Ｏｈｉｓｈｉ，Ｋ．Ｏｈｎｉｓｈｉ  Ｋ． Ｍｉｙａｃｈｉ：“Ｔｏｒｑｕｅ−Ｓｐｅｅｄ  Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＤＣ  Ｍｏｔｏｒ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｌｏａｄ  Ｔｏｒｑｕｅ  Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ”（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＩＥＥＪ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｐｏｗｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ＩＰＥＣ−ＴＯＫＹＯ，Ｖｏｌ．２，ｐｐ．１０２０９−１０２１６，１９８３）
（２）Ｋ．Ｏｈｎｉｓｈｉ，Ｎ．Ｍａｔｓｕｉ，Ｙ．Ｈｏｒｉ：“Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ，Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄ  Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｉｎ  Ｍｏｔｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｓｔｅｍ”（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＩＥＥＥ，Ｖｏｌ．８２，Ｎｏ．８，ｐｐ．１０２５３−１０２６５，１９９４）
（３）Ｋ．Ｏｈｎｉｓｈｉ，Ｍ．Ｓｈｉｂａｔａ，Ｔ．Ｍｕｒａｋａｍｉ：“Ｍｏｔｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｆｏｒ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ”（ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．１，Ｎｏ．１，ｐｐ．５６−６７，Ｍａｒｃｈ，１９９６）
【００６１】
座標空間変換部：
位置及び力制御統合部１０１は、ベース座標系のみではなく任意の座標系で行なうことができると便利である。そこで、座標空間変換部１０２では、「接触基準座標系」を設定し、この座標系において目標値を用意し、制御を行なう。
【００６２】
座標空間変換部１０２は、下式（５）を用いて、位置及び力制御統合部１０１から入力される力指令値ＦCNTrefを関節角加速度指令値に変換する。すなわち、ハンドのベース座標系への変換行列BASEＴCNTを用いて座標変換し、ヤコビアンの転置行列ＪａｃｏTによって関節トルクへ変換し、関節イナーシャの公称値Ｊnの逆数を力指令値ＦCNTrefに掛けることによって、関節角加速度指令値が得られる。
【００６３】
【数５】
2009066685.tif 000007
【００６４】
他方、座標空間逆変換部１０５は、接触基準座標系で得られるモータの出力トルクＦ並びに回転角度ｑを、下式（６）及び（７）を用いてベース座標系に座標変換して、位置及び力制御統合部１０１へフィードバックする力制御値ＦCNT及び位置制御値ＰCNTを生成する。
【００６５】
【数６】
2009066685.tif 000008
【００６６】
【数７】
2009066685.tif 000009
【００６７】
ここで、ｆ（ｑ）は、関節角度ｑから指先位置BASEＰへの変換（順キネマティクス）を表している。
【００６８】
位置及び力制御統合部：
複数本の指からなるマニピュレータで物体を把持する場合、その動作は、図３に示すように、位置制御（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）モードによって指を物体に近づける（Ａｐｐｒｏａｃｈ）フェーズと、力制御（Ｆｏｒｃｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）モードによって把持対象物体に力を印加する（Ｇｒａｓｐ）フェーズが存在する。また、これらの２フェーズの間で指が物体に接触（若しくは衝突）する際（Ｃｏｎｔａｃｔ）において、位置制御を行なっている場合でも外力の大きさが設定値を超えないように位置制御より力制御を優先させる制御モードを有し、これを「外力拘束付き位置制御」（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｗｉｔｈ  Ｆｏｒｃｅ  Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ）モードと呼ぶ。
【００６９】
図４には、これらの３つの制御モードを切り替える状態遷移図を示している。これらの３つの制御モード間では、お互いに自由に切り替えることができる。制御モード間の遷移時間は１秒間としている。また、外力拘束付き位置制御モードの場合、外力が設定値を超えないように瞬間的に、且つ、連続に力制御に切り替わる。
【００７０】
位置制御と力制御の切り替えが非連続であると切り替え時にショックが発生する問題があることは既に述べた。本実施形態では、位置及び力制御統合部１０１は、位置制御モードから力制御モードに至るまで連続性を保ち滑らかな動作を実現するようになっている。
【００７１】
図５には、位置及び力制御統合部１０１の構成を示している。同図中のスイッチＳＷ１及びＳＷ２は、現在の制御モードに応じて下表に示すように切り替える。但し、目標値を連続にするために、ＳＷ１の切り替え時には端子１と端子２の値を徐々にクロスフェードさせる。また、ＳＷ２の切り替え時にはリミッタのリミット値をＦCNTmaxとＰＤ制御器（後述）の出力とをクロスフェードさせる。これらモード間の遷移時間は１．０秒とした。また、外力拘束付き位置制御モードでは、外力に応じてリミッタが作動する際には、瞬時に位置制御と力制御が切り替わる。
【００７２】
【表１】
2009066685.tif 000010
【００７３】
力制御モード下では、図５中のＳＷ１及びＳＷ２ともに端子１側に接続される。したがって、位置及び力制御統合部１０１は、入力される力目標値ＦCNTcmdと、モータ（プラント４）の出力段でのトルク検出結果から得られる力制御値ＦCNTに基づいて、下式（８）に示すような力指令値ＦCNTrefを生成する。
【００７４】
【数８】
2009066685.tif 000011
【００７５】
位置制御モード下では、図５中のＳＷ１及びＳＷ２ともに端子２側に接続される。本実施形態では、加速度制御をベースとしており、ＰＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ：比例微分）制御器によって位置目標値を力目標値に変換するようになっている。したがって、ＰＤ制御器は、入力される位置目標値ＰCNTcmdと、モータ（プラント４）の出力段での関節位置検出結果から得られる位置制御値ＰCNTに基づいて、下式（１０）に示すような力目標値ＦCNTcmdを生成する。そして、位置及び力制御統合部１０１は、ＰＤ制御器が出力する力目標値ＦCNTcmdと、モータ（プラント４）の出力段でのトルク検出結果から得られる力制御値ＦCNTに基づいて、下式（９）に示すような力指令値ＦCNTrefを生成する。
【００７６】
【数９】
2009066685.tif 000012
【００７７】
【数１０】
2009066685.tif 000013
【００７８】
外力拘束付き位置制御モード下では、図５中のＳＷ１は端子２側に、ＳＷ２は端子１側にそれぞれ接続される。本実施形態では、加速度制御をベースとしており、ＰＤ制御器は、入力される位置目標値ＰCNTcmdと、モータ（プラント４）の出力段での関節位置検出結果から得られる位置制御値ＰCNTに基づいて、下式（１２）に示すような力目標値ＦCNTcmdを生成する（同上）。また、外力拘束付き位置制御モード下では、位置目標値ＰCNTcmdを満足することよりも、大きな衝撃力を加えないことを優先するために、力目標値CNTcmdに制限するためのリミッタが配設されている。このリミッタには、力制限値ＦCNTmaxが設定され、力目標値ＦCNTcmdが力制限値ＦCNTmaxを超えないときはそのまま出力し、力目標値ＦCNTcmdが力制限値ＦCNTmaxを超えるときには力制限値ＦCNTmaxに置き換えて出力するようになっている。そして、位置及び力制御統合部１０１は、リミッタから出力される力目標値ＦCNTcmd又は力制限値ＦCNTmaxと、モータ（プラント４）の出力段でのトルク検出結果から得られる力制御値ＦCNTに基づいて、下式（１１）に示すような力指令値ＦCNTrefを生成する。
【００７９】
【数１１】
2009066685.tif 000014
【００８０】
【数１２】
2009066685.tif 000015
【００８１】
このように外力拘束付き位置制御モード下では、力目標値ＦCNTcmdに制限を加えることによって、外力の大きさがリミッタの設定値を超えないようにすることができ、切り替え時にもいても後段のロバスト角加速度制御部１０３に入力される力指令値ＦCNTrefが連続になる、という点を十分理解されたい。
【００８２】
例えば、Ｔ．Ｍｕｒａｋａｍｉ，Ｔ．Ｙｕ，Ｆ．Ｏｈｎｉｓｈｉ，Ｋ．，“Ｔｏｒｑｕｅ  ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｉｎ  ｍｕｌｔｉｄｅｇｒｅｅ−ｏｆ−ｆｒｅｅｄｏｍ  ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ”（ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．２，ｐｐ．２５９−２６５，Ａｐｒ，１９９３）などの従来研究では、力指令値から加速度参照値を生成し、関節角加速度指令値へ変換する方法が提案されている。この変換にはヤコビ行列の逆行列を使用する必要があり、特異姿勢において不安定になるという問題がある。これに対し、本実施形態では、座標空間変換部１０２はヤコビ行列の転置行列ＪａｃｏTによって力指令値をトルク指令値に変換しており（式（５）を参照のこと）、特異姿勢においても不安定化しない。
【００８３】
把持制御：
ここでは、ロボット・ハンド・マニピュレータを用いた物体の把持動作に上記の位置制御及び力制御によるハイブリッド制御を適用したときの制御方法について説明する。
【００８４】
図６には、ロボット・ハンド・マニピュレータの外観構成を示している。また、図７には、図６に示したロボット・ハンド・マニピュレータの関節自由度構成を示している。図示のロボット・ハンド・マニピュレータ１は、掌部１０４と、その上面に配置された、人間の拇指、中指及び示指に相当する指機能を有する拇指１０１、中指１０２及び示指１０３の指機構から構成されている。ロボット・ハンド・マニピュレータ１は、例えば、人間の腕に相当する移動体装置（図示しない）に装着され、また人間の目に相当する撮像装置（図示しない）に接続されている。
【００８５】
ロボット・ハンド・マニュピレータ１は、撮像装置から得られた把持対象物としての物体の撮像画像に応じて、移動装置により、ロボット・ハンド・マニピュレータ１全体がその物体に向かって移動されるとともに、拇指１１、中指１２及び示指１３が、その物体を把持するようになされている。
【００８６】
拇指１１、中指１２及び示指１３は、初期状態において、拇指１１の指先腹面に相当する面と、中指１２及び示指１３の指先腹面に相当する面がそれぞれ向かい合うように配置されている。拇指１１乃至示指１３は、それぞれ、第１関節乃至第４関節の４つの関節を有し、それにより４自由度の運動が可能に構成されている。
【００８７】
拇指１１の各関節は、各駆動軸が、駆動部２１−１乃至駆動部２１−４により駆動されることにより運動する。拇指１１の第４関節（根元の関節）は、駆動部２１−１により、図２に示す、ヨー軸Ｊ１．１を中心に回転し、第３関節は、駆動部２１−２により、ヨー軸Ｊ１．２を中心に回転する。また、第２関節は、駆動部２１−３により、ロール軸Ｊ１．３を中心に回転し、第１関節は、駆動部２１−４により、ロール軸Ｊ１．４を中心に回転する。したがって、拇指１１は、拇指１１の位置を、軸Ｊ１．１と軸Ｊ１．２を中心に中指１２及び示指１３に対して対向して移動（即ち旋回）させることができるとともに、その指先部１１Ａ（すなわち拇指の指先に相当する部分）を、中指１２及び示指１３に対向する側又はその反対側に曲げることができるようになされている。
【００８８】
なお、拇指１１の軸Ｊ１．１は、中指１２及び示指１３の根元位置（掌部１４との接合位置）Ｐ１２とＰ１３の中間の位置に存在する。
【００８９】
中指１２の各関節は、各駆動軸が、駆動部２２−１乃至駆動部２２−４により駆動されることにより運動する。中指１２の第４関節（根元の関節）は、駆動部２２−１により、ロール軸Ｊ２．１を中心に回転する。第３関節は、駆動部２２−２により、ロール軸Ｊ２．２を中心に回転し、第２関節は、駆動部２２−３により、ロール軸Ｊ２．３を中心に回転し、第１関節は、駆動部２２−４により、ロール軸Ｊ２．４を中心に回転する。したがって、中指１２は、その指先部１２Ａ（すなわち中指の指先に相当する部分）を、拇指１１に対向する側又はその反対側に曲げることができるとともに、中指１２全体を示指１３が位置する側又はその反対側に傾けることができるようになされている。
【００９０】
示指１３は、中指１２と同一機構を有している。即ち示指１３の各関節は、各駆動軸が、駆動部２３−１乃至駆動部２３−４により駆動されることにより運動する。示指１３の第４関節（根元の関節）は、駆動部２３−１により、ロール軸Ｊ３．１を中心に回転する。第３関節は、駆動部２３−２により、ロールＪ３．２を中心に回転し、第２関節は、駆動部２３−３により、ロール軸Ｊ３．３を中心に回転し、第１関節は、駆動部２３−４により、ロール軸Ｊ３．４を中心に回転する。したがって、示指１３は、その指先部１３Ａが、拇指１１に対向する側又はその反対側に曲げることができるとともに、示指１３全体を中指１２が位置する側又はその反対側に傾けることができるようになされている。
【００９１】
なお、ハンドの手首部から指先までの長さは１９１［ｍｍ］、指の長さは１６２［ｍｍ］、質量１．０［ｋｇ］である。各指に４自由度、総計１２自由度から構成され、各軸は起動トルク８．７×１０-3［Ｎｍ］及び５．６×１０-3［Ｎｍ］の２種類のモータと、１／１００〜１／２００の４種類の減速器からなる。また、モータ出力段に１６０００ｐｕｌｓｅ／ｒｅｖのエンコーダを備えている。高分解能のエンコーダは一般的に大きなサイズになる傾向があるが、図８に示すようにエンコーダの配置をモータ及び減速器と並列にすることによって減速器での変換効率向上や、短い指の長さが実現した。この駆動系構成は、２種類のモータ、４種類の減速器を組み合わせて指先発生力やハンド形状、把持形態に対して最適な設計を行なっている。把持形態に関しては、Ｋａｍａｋｕｒａ把持形態を参考にした。
【００９２】
各指先には６軸力センサを備え、また、分布型接触センサにより約３［ｍｍ］の間隔で法線方向の圧力を計測できる。また、指先表面は粘弾性体によって覆われている。親指指先で４．０［Ｎ］、人差し指、中指指先で２．０［Ｎ］の力を発生できることを確認している。
【００９３】
コントローラは米Ｉｎｔｅｌ社のＰｅｎｔｉｕｍ（登録商標）４（３．８ＧＨｚ）を搭載したＰＣ上で集中制御を行ない、電流指令値をサーボ・アンプに対して入力する。リアルタイムＯＳ、ＲＴＬｉｎｕｘＰｒｏ２．２を使用し、制御周期は０．２５［ｍｓｅｃ］である。
【００９４】
このハンドは安川電機製ロボットアーム（ＭＯＴＯＭＡＮ−ＵＰＪ）に装着さている。アームは位置制御で動作する。同一ＰＣからロボットアームのサーボパックに対し電流指令値を出力しフィードバック制御を行なっているが、位置制御のロバスト性を向上させるための外乱オブザーバと、手先での振動を抑圧するための制振制御を併用している。
【００９５】
力制御によって把持する場合、接触力に少しでも誤差が存在すると物体が徐々に移動しはじめる。このようなケースは多軸力センサに存在する軸間干渉などの微小なオフセット状のノイズによっても発生する。本実施形態では、把持対象物体表面に対して垂直な方向へ「外力拘束付き位置制御」、接線方向へ位置制御を行い、このような問題を防止する。
【００９６】
そのために、図６に示すように位置力統合制御のための座標系を設定し、この座標系の各軸上で独立して制御する。例えば、ｘ軸ｚ軸において位置制御を行ないｙ軸において力制御を行なえば、指先はｙ軸に平行な直線上を移動する。基本的にこの座標軸はワールド空間内に固定されているが、把持対象物変更時など必要な場合には変化させることも可能である。
【００９７】
位置力統合制御の特性を確認するために、親指を固定された金属板に押し当てる実験を行なった。時刻ｔ＝０において指は壁から離れており、ｔ＝０．６からｔ＝３．６の間に位置指令値を壁に近づけて行き、そのまま壁の位置よりも奥まで移動させる。ｔ＝３において壁と衝突して停止する。制御モードはｔ＝０からｔ＝２の間が位置制御、ｔ＝２からｔ＝６が力拘束位置制御、ｔ＝６からｔ＝１０は力制御のモードである。
【００９８】
図９には、指の押し当て実験の位置応答結果を示している。ｔ＝０．６からｔ＝３．６の間に位置指令値を壁に近づけて行き、そのまま壁の位置よりも奥まで移動させる。ｔ＝３において壁と衝突して停止する。
【００９９】
また、図１０には、指の押し当て実験の力応答結果を示している。衝突時（ｔ＝３ｓｅｃ）、力指令値をステップ状に変化させた場合（ｔ＝７．６ｓｅｃ）いずれもオーバージュートも小さい。（制御系で用いている１００ｒａｄ／ｓｃｅのローパス・フィルタ以外、グラフ表示のための平滑化は行なっていない。）同図より、衝突時の力リミット値は１．０Ｎであるが、衝突時の衝撃力も抑えられ滑らかであることが分かる。
【０１００】
また、図１１には、力のステップ応答を示している。同図は指令値をステップ状に１．０Ｎから２．０Ｎへ増加させた部分を拡大したものであり、立ち上がり時間は３０ｍｓｅｃ程度である。減速器を有する多関節形ハンドとしては極めて良い結果である。また、ギア摩擦や、自重はケーブルなどの外乱も抑圧できている。また、各モード切り替えも滑らかであることが分かる。
【０１０１】
なお、力拘束位置制御モードの場合に指が物体に押し当てられている場合は、力リミット値を変化させると接触力が追従する。この挙動は、力制御モードの力指令値追従特性と同等である。
【０１０２】
さらに、位置力統合制御を用いて物体の把持を行なった。力制御を用いたメリットの１つは、物体の形状が厳密に分からない場合においても、安定に把持ができることである。実験においては、形状・質量・剛性の異なる物体を用意し、把持を行なった。図１２には、把持した後、位置制御されているアームによって物体を持ち上げて移動する実験を行なった様子のスナップ写真を示している。ａはガラス製のグラス、ｂは紙コップの把持を行なっている様子である。物体のプロパティは同図中に示している。直径や質量の異なる物体も把持できている。ｃにゆでタマゴ、ｄに生タマゴを把持した例を示している。変形量を少なくするためにｂは接触力を弱く（０．２５Ｎ）している他はａ、ｃ、は同一制御パラメータ、同一把持力（１．５Ｎ）によって実現している。
【０１０３】
ｅとｆは２本の指でサイズの異なる豆腐を把持しているが、この両者も同一制御パラメータ、同一把持力１．０Ｎで把持している。
【０１０４】
なお、グラスの把持においてグラスの初期位置がずれていた場合でも力リミット値を０．１５Ｎに設定しているため、先に接触した指がグラスを倒すことなく停止し、その後接触した指とともに安定に把持する。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
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。
【０１０６】
本明細書では複数本の指からなるマニピュレータで物体を把持する場合を例にとって説明してきたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。複数のリンクとリンク可動部分である関節を備えた多リンク構造で、且つ、物体などの外界との接触を行なう機会のある他のさまざまなタイプのロボット装置に対しても、同様に本発明を適用することができる。
【０１０７】
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】
【０１０８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るロボット装置の制御システムの構成を模式的に示した図である。
【図２】図２は、ロバスト角加速度制御部１０３の制御ブロック図である。
【図３】図３は、複数本の指からなるマニピュレータで物体を把持する動作フェーズを説明するための図である。
【図４】図４は、位置制御モード、外力拘束付き位置制御モード、力制御モードの３つの制御モードを切り替える状態遷移図である。
【図５】図５は、位置及び力制御統合部１０１の構成を示した図である。
【図６】図６は、ロボット・ハンド・マニピュレータの外観構成を示した図である。
【図７】図７は、図６に示したロボット・ハンド・マニピュレータの関節自由度構成を示した図である。
【図８】図８は、図６に示したロボット・ハンド・マニピュレータの指におけるモータ、減速器、エンコーダの配置例を示した図である。
【図９】図９は、指の押し当て実験の位置応答結果を示した図である。
【図１０】図１０は、指の押し当て実験の力応答結果を示した図である。
【図１１】図１１は、力のステップ応答を示した図である。
【図１２】図１２は、さまざまな物体を把持する様子を示した図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１…ロボット・ハンド・マニュピレータ
１１…拇指
１２…中指
１３…示指
１４…手首部
２１〜２３…駆動部
１００…制御システム
１０１…位置及び力制御統合部
１０２…座標空間変換部
１０３…ロバスト角加速度制御部
１０４…プラント
１０５…座標空間逆変換部
【図１】
2009066685.tif 000016
【図２】
2009066685.tif 000017
【図３】
2009066685.tif 000018
【図４】
2009066685.tif 000019
【図５】
2009066685.tif 000020
【図６】
2009066685.tif 000021
【図７】
2009066685.tif 000022
【図９】
2009066685.tif 000023
【図１０】
2009066685.tif 000024
【図１１】
2009066685.tif 000025
【図８】
2009066685.tif 000026
【図１２】
2009066685.tif 000027