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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024113291
(43)【公開日】2024-08-22
(54)【発明の名称】把持装置及びその制御方法
(51)【国際特許分類】
B25J 15/08 20060101AFI20240815BHJP
【ＦＩ】
B25J15/08 S
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023018172
(22)【出願日】2023-02-09
(71)【出願人】
【識別番号】304020292
【氏名又は名称】国立大学法人徳島大学
(71)【出願人】
【識別番号】000003263
【氏名又は名称】三菱電線工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001427
【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】▲高▼岩 昌弘
(72)【発明者】
【氏名】西村 悠佑
(72)【発明者】
【氏名】山田 暢昭
【テーマコード（参考）】
3C707
【Ｆターム（参考）】
3C707ES03
3C707ES07
3C707ES10
3C707EV12
3C707MT05
3C707MT09
(57)【要約】
【課題】柔らかくて強く掴むことができない被把持物であっても移動時に滑ることなく搬送できるようにする。
【解決手段】駆動流体圧によって内部を加圧状態とすることにより伸長部位と非伸長部位とでひずみを発生させ、屈曲運動をすることにより、互いに協働して被把持物Ｐを掴む複数のソフトフィンガー４と、複数のソフトフィンガー４の少なくとも１つの先端に設けた６軸力覚センサ６と、６軸力覚センサ６の値から、被把持物Ｐの滑り動作の方向と同じ接線方向の力である剪断力ＦＢと、被把持物Ｐの表面に直交する方向の力である把持力ＦＡとの比よりなる滑り指標ＦＢ／ＦＡが所定閾値以上となったとき、滑りが発生したと判断して複数のソフトフィンガー４による把持力ＦＡを高くするように駆動流体圧を高めるコントローラ２０とを備える。
【選択図】図１Ｃ
【解決手段】駆動流体圧によって内部を加圧状態とすることにより伸長部位と非伸長部位とでひずみを発生させ、屈曲運動をすることにより、互いに協働して被把持物Ｐを掴む複数のソフトフィンガー４と、複数のソフトフィンガー４の少なくとも１つの先端に設けた６軸力覚センサ６と、６軸力覚センサ６の値から、被把持物Ｐの滑り動作の方向と同じ接線方向の力である剪断力ＦＢと、被把持物Ｐの表面に直交する方向の力である把持力ＦＡとの比よりなる滑り指標ＦＢ／ＦＡが所定閾値以上となったとき、滑りが発生したと判断して複数のソフトフィンガー４による把持力ＦＡを高くするように駆動流体圧を高めるコントローラ２０とを備える。
【選択図】図１Ｃ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
駆動流体圧によって内部を加圧状態とすることにより伸長部位と非伸長部位とでひずみを発生させ、屈曲運動をすることにより、互いに協働して被把持物を掴む複数のソフトフィンガーと、
前記複数のソフトフィンガーの少なくとも１つの先端に設けた力覚センサと、
前記力覚センサの値から、前記被把持物の滑り動作の方向と同じ接線方向の力である剪断力と、前記被把持物の表面に直交する方向の力である把持力との比よりなる滑り指標が所定閾値以上となったとき、滑りが発生したと判断して前記複数のソフトフィンガーによる把持力を高くする制御部とを備えている
ことを特徴とする把持装置。
前記複数のソフトフィンガーの少なくとも１つの先端に設けた力覚センサと、
前記力覚センサの値から、前記被把持物の滑り動作の方向と同じ接線方向の力である剪断力と、前記被把持物の表面に直交する方向の力である把持力との比よりなる滑り指標が所定閾値以上となったとき、滑りが発生したと判断して前記複数のソフトフィンガーによる把持力を高くする制御部とを備えている
ことを特徴とする把持装置。
【請求項2】
駆動流体圧によって内部を加圧状態とすることにより伸長部位と非伸長部位とでひずみを発生させ、屈曲運動をすることにより、互いに協働して被把持物を掴む複数のソフトフィンガーと、
前記複数のソフトフィンガーの少なくとも１つの先端に設けた力覚センサと、
前記ソフトフィンガーの伸長部位側に設けられ、伸長部位側にテンションを掛けることで、内部圧力増加による前記ソフトフィンガーの全体の剛性を向上させる弾性部材と、
前記力覚センサの値から、前記被把持物の表面に直交する方向の力である把持力を検出したとき、駆動流体圧を高めて内部圧力を増加させて前記複数のソフトフィンガーの剛性を高めるように前記駆動流体圧を高める制御部とを備えている
ことを特徴とする把持装置。
前記複数のソフトフィンガーの少なくとも１つの先端に設けた力覚センサと、
前記ソフトフィンガーの伸長部位側に設けられ、伸長部位側にテンションを掛けることで、内部圧力増加による前記ソフトフィンガーの全体の剛性を向上させる弾性部材と、
前記力覚センサの値から、前記被把持物の表面に直交する方向の力である把持力を検出したとき、駆動流体圧を高めて内部圧力を増加させて前記複数のソフトフィンガーの剛性を高めるように前記駆動流体圧を高める制御部とを備えている
ことを特徴とする把持装置。
【請求項3】
前記ソフトフィンガーの先端に設けられ、被把持物への接触面積を変えることで前記被把持物を掴む把持角度変更機構をさらに有し、
前記力覚センサは、前記把持角度変更機構に設けられている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の把持装置。
前記力覚センサは、前記把持角度変更機構に設けられている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の把持装置。
【請求項4】
複数のソフトフィンガーと、前記複数のソフトフィンガーの少なくとも１つの先端に設けた力覚センサと、制御部とを備えた、把持装置の制御方法であって、
前記制御部により、駆動流体圧によって内部を加圧状態とすることにより伸長部位と非伸長部位とでひずみを発生させ、屈曲運動をすることにより、互いに協働して被把持物を掴み、
前記把持装置が接続された搬送手段により、前記被把持物を掴んだ状態で前記被把持物を搬送しながら前記制御部が、前記力覚センサの検出値から、前記被把持物の滑り動作の方向と同じ接線方向の力である剪断力と、前記被把持物の表面に直交する方向の力である把持力との比よりなる滑り指標を計算し、
前記制御部が、前記滑り指標が所定の閾値以上となったのを検出したときに、滑りが発生したと判定し、
前記制御部が、前記駆動流体圧を増加させ、前記被把持物が滑るのを防止する
ことを特徴とする把持装置の制御方法。
前記制御部により、駆動流体圧によって内部を加圧状態とすることにより伸長部位と非伸長部位とでひずみを発生させ、屈曲運動をすることにより、互いに協働して被把持物を掴み、
前記把持装置が接続された搬送手段により、前記被把持物を掴んだ状態で前記被把持物を搬送しながら前記制御部が、前記力覚センサの検出値から、前記被把持物の滑り動作の方向と同じ接線方向の力である剪断力と、前記被把持物の表面に直交する方向の力である把持力との比よりなる滑り指標を計算し、
前記制御部が、前記滑り指標が所定の閾値以上となったのを検出したときに、滑りが発生したと判定し、
前記制御部が、前記駆動流体圧を増加させ、前記被把持物が滑るのを防止する
ことを特徴とする把持装置の制御方法。
【請求項5】
複数のソフトフィンガーと、前記複数のソフトフィンガーの少なくとも１つの先端に設けた力覚センサと、前記ソフトフィンガーの伸長部位側に設けられ、伸長部位側にテンションを掛けることで、内部圧力増加による前記ソフトフィンガーの全体の剛性を向上させる弾性部材と、制御部とを備えた、把持装置の制御方法であって、
前記制御部により、駆動流体圧によって内部を加圧状態とすることにより伸長部位と非伸長部位とでひずみを発生させ、屈曲運動をすることにより、互いに協働して被把持物を掴み、
前記被把持物を掴んだ状態で、前記力覚センサの検出値から、前記被把持物の表面に直交する方向の力である把持力を検出し、
前記制御部が、前記把持力が０よりも大きくなったのを検出したときに、前記駆動流体圧を増加させて前記ソフトフィンガーの全体の剛性を向上させる前記把持装置が接続された搬送手段により前記被把持物を搬送する
ことを特徴とする把持装置の制御方法。
前記制御部により、駆動流体圧によって内部を加圧状態とすることにより伸長部位と非伸長部位とでひずみを発生させ、屈曲運動をすることにより、互いに協働して被把持物を掴み、
前記被把持物を掴んだ状態で、前記力覚センサの検出値から、前記被把持物の表面に直交する方向の力である把持力を検出し、
前記制御部が、前記把持力が０よりも大きくなったのを検出したときに、前記駆動流体圧を増加させて前記ソフトフィンガーの全体の剛性を向上させる前記把持装置が接続された搬送手段により前記被把持物を搬送する
ことを特徴とする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、駆動流体圧によって屈曲運動をすることにより、互いに協働して被把持物を掴む複数のソフトフィンガーと、これら複数のソフトフィンガーの先端に設けた力覚センサとを有する把持装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、例えば、特許文献１のように、ロボットの手首部とハンドとの間に６軸力覚センサを設け、この６軸力覚センサによって直交３軸に平行な力と各軸周りのモーメントとを検出し、力制御によって組付部品と被組付部品の相対的な並進位置ズレ及び角度ズレを能動的に修正する、多関節形のロボットが知られている。
【0003】
また、特許文献２のように、少なくとも一指の指先における正圧力と摩擦力を検出する手段を備え、対象物体を把持する前に検出手段に対応する指先を把持対象物体の表面で滑らせて、その際の摩擦力と正圧力から対象物体表面における摩擦係数を推定し、この推定摩擦係数を用いて物体の滑りを予想して把持力を適正に制御するロボットハンドの把持力制御方法が知られている。この正圧力と摩擦力を検出する手段は、指の根元に配置される６軸力センサと、この６軸力センサの出力、指先の位置、姿勢から正圧力及び摩擦力を求める変換手段とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】実開平３－１９６８３号公報
【特許文献2】特開２００５－１４４５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記特許文献１及び２に示されるような、電動モータや油圧アクチュエータにより駆動されるロボットハンドは、主として工場で用いられる高剛性且つ高把持力なロボットハンドであり、食品や小部品などの比較的小さな、定型でなくて壊れやすい軽量の被把持物のハンドリングには適していない。また、このようなロボットハンドは、重量のあるアームを高速で動かすため、その作業範囲内に作業者が入ると危険であり、協働ロボットとしての使用については制約を受ける。
【0006】
一方、流体を駆動源としてフィンガー部を屈曲させて被把持物を把持するソフトフィンガーを有するロボットハンドも知られている。このソフトフィンガーによれば、壊れやすい被把持物のハンドリングも可能であるが、電動モータや油圧アクチュエータによって駆動されるロボットハンドに比べて把持力が弱いため、把持中の搬送時に移動の加減速に対応できず、柔らかく掴んだ被把持物が意図せず滑って飛んでしまうという問題がある。
【0007】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、柔らかくて強く掴むことができない被把持物であっても移動時に滑ることなく搬送できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記の目的を達成するために、第１の発明では、
駆動流体圧によって内部を加圧状態とすることにより伸長部位と非伸長部位とでひずみを発生させ、屈曲運動をすることにより、互いに協働して被把持物を掴む複数のソフトフィンガーと、
前記複数のソフトフィンガーの少なくとも１つの先端に設けた力覚センサと、
前記力覚センサの値から、前記被把持物の滑り動作の方向と同じ接線方向の力である剪断力と、前記被把持物の表面に直交する方向の力である把持力との比よりなる滑り指標が所定閾値以上となったとき、滑りが発生したと判断して前記複数のソフトフィンガーによる把持力を高くする制御部とを備えている。
駆動流体圧によって内部を加圧状態とすることにより伸長部位と非伸長部位とでひずみを発生させ、屈曲運動をすることにより、互いに協働して被把持物を掴む複数のソフトフィンガーと、
前記複数のソフトフィンガーの少なくとも１つの先端に設けた力覚センサと、
前記力覚センサの値から、前記被把持物の滑り動作の方向と同じ接線方向の力である剪断力と、前記被把持物の表面に直交する方向の力である把持力との比よりなる滑り指標が所定閾値以上となったとき、滑りが発生したと判断して前記複数のソフトフィンガーによる把持力を高くする制御部とを備えている。
【0009】
通常、摩擦係数は基本的に互いに接触している物体表面の特性で決まる値であることから、把持力の大きさに無関係である。このため、質量や圧壊度が異なる種々の被把持物を把持対象とした場合であっても、上記の構成のような滑り指標を設定して閾値を超えた場合に、把持力を大きくすることで、効果的に被把持物の滑りを防止できる。
【0010】
第２の発明では、駆動流体圧によって内部を加圧状態とすることにより伸長部位と非伸長部位とでひずみを発生させ、屈曲運動をすることにより、互いに協働して被把持物を掴む複数のソフトフィンガーと、
前記複数のソフトフィンガーの少なくとも１つの先端に設けた力覚センサと、
前記ソフトフィンガーの伸長部位側に設けられ、伸長部位側にテンションを掛けることで、内部圧力増加による前記ソフトフィンガーの全体の剛性を向上させる弾性部材と、
前記力覚センサの値から、前記被把持物の表面に直交する方向の力である把持力を検出したとき、駆動流体圧を高めて内部圧力を増加させて前記複数のソフトフィンガーの剛性を高めるように前記駆動流体圧を高める制御部とを備えている。
前記複数のソフトフィンガーの少なくとも１つの先端に設けた力覚センサと、
前記ソフトフィンガーの伸長部位側に設けられ、伸長部位側にテンションを掛けることで、内部圧力増加による前記ソフトフィンガーの全体の剛性を向上させる弾性部材と、
前記力覚センサの値から、前記被把持物の表面に直交する方向の力である把持力を検出したとき、駆動流体圧を高めて内部圧力を増加させて前記複数のソフトフィンガーの剛性を高めるように前記駆動流体圧を高める制御部とを備えている。
【0011】
上記の構成によると、さらに、弾性部材を伸長部位側に設けることにより、弾性部材が設けられていない場合と同じ湾曲角度を得るためには、より高い内部圧力が必要となり、結果としてソフトフィンガーの剛性を高めることが可能となる。このような拮抗状態にすることで、湾曲角度や把持力を不変のままソフトフィンガーの剛性のみを可変にできる。つまり、被把持物に最適な把持力を維持したまま、搬送の加減速時に剛性を高めることで指先部に作用する慣性力の影響を低減することができ、また、ソフトフィンガーの剛性を高く設定しておけば、搬送用のマニピュレータ加速度＝ソフトフィンガーの加速度とみなすことができ、どの程度の加速度であれば指先で滑りが生じないというような計画ができる。
【0012】
第３の発明では、第１又は第２の発明において、
前記ソフトフィンガーの先端に設けられ、被把持物への接触面積を変えることで前記被把持物を掴む把持角度変更機構をさらに有し、
前記力覚センサは、前記把持角度変更機構に設けられている。
前記ソフトフィンガーの先端に設けられ、被把持物への接触面積を変えることで前記被把持物を掴む把持角度変更機構をさらに有し、
前記力覚センサは、前記把持角度変更機構に設けられている。
【0013】
上記の構成によると、把持角度変更機構を設けているので、適切な角度とすることで、大きさの異なる被把持物に把持力を加えることができる。また、その先端に力覚センサを設けているので、適切に把持力を検出できる。
【0014】
第４の発明では、
複数のソフトフィンガーと、前記複数のソフトフィンガーの少なくとも１つの先端に設けた力覚センサと、制御部とを備えた、把持装置の制御方法であって、
前記制御部により、駆動流体圧によって内部を加圧状態とすることにより伸長部位と非伸長部位とでひずみを発生させ、屈曲運動をすることにより、互いに協働して被把持物を掴み、
前記把持装置が接続された搬送手段により、前記被把持物を掴んだ状態で前記被把持物を搬送しながら前記制御部が、前記力覚センサの検出値から、前記被把持物の滑り動作の方向と同じ接線方向の力である剪断力と、前記被把持物の表面に直交する方向の力である把持力との比よりなる滑り指標を計算し、
前記制御部が、前記滑り指標が所定の閾値以上となったのを検出したときに、滑りが発生したと判定し、
前記制御部が、前記駆動流体圧を増加させ、前記被把持物が滑るのを防止する構成とする。
複数のソフトフィンガーと、前記複数のソフトフィンガーの少なくとも１つの先端に設けた力覚センサと、制御部とを備えた、把持装置の制御方法であって、
前記制御部により、駆動流体圧によって内部を加圧状態とすることにより伸長部位と非伸長部位とでひずみを発生させ、屈曲運動をすることにより、互いに協働して被把持物を掴み、
前記把持装置が接続された搬送手段により、前記被把持物を掴んだ状態で前記被把持物を搬送しながら前記制御部が、前記力覚センサの検出値から、前記被把持物の滑り動作の方向と同じ接線方向の力である剪断力と、前記被把持物の表面に直交する方向の力である把持力との比よりなる滑り指標を計算し、
前記制御部が、前記滑り指標が所定の閾値以上となったのを検出したときに、滑りが発生したと判定し、
前記制御部が、前記駆動流体圧を増加させ、前記被把持物が滑るのを防止する構成とする。
【0015】
摩擦係数は基本的に互いに接触している物体表面の特性で決まる値であることから、把持力の大きさに無関係である。このため、質量や圧壊度が異なる種々の被把持物を把持対象とした場合であっても、上記の構成のような滑り指標を設定して閾値を超えた場合に、駆動流体圧を増加させることで、把持力を向上させるなどにより、効果的に被把持物の滑りを防止できる。
【0016】
第５の発明では、
複数のソフトフィンガーと、前記複数のソフトフィンガーの少なくとも１つの先端に設けた力覚センサと、前記ソフトフィンガーの伸長部位側に設けられ、伸長部位側にテンションを掛けることで、内部圧力増加による前記ソフトフィンガーの全体の剛性を向上させる弾性部材と、制御部とを備えた、把持装置の制御方法であって、
前記制御部により、駆動流体圧によって内部を加圧状態とすることにより伸長部位と非伸長部位とでひずみを発生させ、屈曲運動をすることにより、互いに協働して被把持物を掴み、
前記被把持物を掴んだ状態で、前記力覚センサの検出値から、前記被把持物の表面に直交する方向の力である把持力を検出し、
前記制御部が、前記把持力が０よりも大きくなったのを検出したときに、前記駆動流体圧を増加させて前記ソフトフィンガーの全体の剛性を向上させる前記把持装置が接続された搬送手段により前記被把持物を搬送する構成とする。
複数のソフトフィンガーと、前記複数のソフトフィンガーの少なくとも１つの先端に設けた力覚センサと、前記ソフトフィンガーの伸長部位側に設けられ、伸長部位側にテンションを掛けることで、内部圧力増加による前記ソフトフィンガーの全体の剛性を向上させる弾性部材と、制御部とを備えた、把持装置の制御方法であって、
前記制御部により、駆動流体圧によって内部を加圧状態とすることにより伸長部位と非伸長部位とでひずみを発生させ、屈曲運動をすることにより、互いに協働して被把持物を掴み、
前記被把持物を掴んだ状態で、前記力覚センサの検出値から、前記被把持物の表面に直交する方向の力である把持力を検出し、
前記制御部が、前記把持力が０よりも大きくなったのを検出したときに、前記駆動流体圧を増加させて前記ソフトフィンガーの全体の剛性を向上させる前記把持装置が接続された搬送手段により前記被把持物を搬送する構成とする。
【0017】
上記の構成によると、弾性部材を伸長部位側に設けることにより、弾性部材が設けられていない場合と同じ湾曲角度を得るためには、より高い内部圧力が必要となり、結果としてソフトフィンガーの剛性を高めることが可能となる。このような拮抗状態にすることで、湾曲角度や把持力を不変のままソフトフィンガーの剛性のみを可変にできる。つまり、把持力を検出したときに、その被把持物に最適な把持力を維持したまま、搬送の加減速時に剛性を高めることで指先部に作用する慣性力の影響を低減することができ、また、ソフトフィンガーの剛性を高く設定しておけば、搬送用のマニピュレータ加速度＝指先の加速度とみなすことができ、どの程度の加速度であれば指先で滑りが生じないというような計画ができる。
【発明の効果】
【0018】
以上説明したように、本発明によれば、滑り指標が所定閾値以上となったとき、滑りが発生したと判断してソフトフィンガーによる把持力を高くするか、又は把持力を検出したときに複数のソフトフィンガーの剛性を高めるように、駆動流体圧を高めるようにしたことにより、柔らかくて強く掴むことができない被把持物であっても移動時に滑ることなく搬送できる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1A】本願発明の実施形態１に係る把持装置の一対のソフトフィンガーが伸長した非把持状態を示す斜視図である。
【図1B】本願発明の実施形態１に係る把持装置の一対のソフトフィンガーが屈曲した把持状態を示す斜視図である。
【図1C】本願発明の実施形態１に係る把持装置の一対のソフトフィンガーが屈曲して被把持物を掴んだ状態を示す正面図である。
【図2A】非把持状態での圧力室の様子を示す断面図である。
【図2B】把持状態での圧力室の様子を示す断面図である。
【図3】６軸力覚センサ測定部の検知要素を示す斜視図である。
【図4】摩擦力の式及びそれを説明するための図である。
【図5】本願発明の実施形態１に係る把持装置のブロック図である。
【図6】本願発明の実施形態２に係る把持装置の背面ベルトを有するソフトフィンガーを示す側面図である。
【図7】本願発明の実施形態２に係る把持装置の制御フローを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0021】
（実施形態１）
図１Ａ～図２Ｂは、本発明の実施形態の把持装置１を示し、この把持装置１は、第１指部２と第２指部３の２本のソフトフィンガー４を有する。各ソフトフィンガー４は、駆動流体圧によって内部を加圧状態とすることにより伸長部位と非伸長部位とでひずみを発生させ、屈曲運動をすることにより、互いに協働して被把持物Ｐ（図１Ｃにのみ示す）を掴むように構成されている。ソフトフィンガー４は、被把持物Ｐの構成に合わせて３本以上設けられていてもよい。把持装置１は、例えば、電動モータ等で駆動される、搬送手段としての搬送用多軸ロボットの先端に、エンドエフェクタ部として接続されている。
図１Ａ～図２Ｂは、本発明の実施形態の把持装置１を示し、この把持装置１は、第１指部２と第２指部３の２本のソフトフィンガー４を有する。各ソフトフィンガー４は、駆動流体圧によって内部を加圧状態とすることにより伸長部位と非伸長部位とでひずみを発生させ、屈曲運動をすることにより、互いに協働して被把持物Ｐ（図１Ｃにのみ示す）を掴むように構成されている。ソフトフィンガー４は、被把持物Ｐの構成に合わせて３本以上設けられていてもよい。把持装置１は、例えば、電動モータ等で駆動される、搬送手段としての搬送用多軸ロボットの先端に、エンドエフェクタ部として接続されている。
【0022】
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、ソフトフィンガー４は、例えば、主にエラストマやゴム部材等の弾性部材で構成され、内部に駆動流体が流れ込む流体室４ａ，４ｂを有する。流体室４ａには、エアチューブ７を介してコンプレッサなどの圧力源８（図５にのみ示す）から所定圧力のエアが供給され、非伸長部位で被把持物Ｐに向かって内側に屈曲する。なお、図２Ａ、図２Ｂは、第２指部３のソフトフィンガー４について描いているが、基本的に第１指部２と第２指部３の２本のソフトフィンガー４は、互いに左右対称形状である。
【0023】
それぞれのソフトフィンガー４の先端には、被把持物Ｐへの接触面積を変えることで被把持物Ｐを掴む把持角度変更機構５が設けられている。この把持角度変更機構５は、後述するコントローラ２０の指示により駆動される揺動手段（サーボモータなど）５ａにより揺動軸５ｂを中心に揺動されるようになっている。例えば、小さい被把持物Ｐをつまむような場合、図１Ｃで上方に向かって、つまり、サーボモータ５ａを微調整し、より屈曲させる方向に把持角度変更機構５を回動させることで、把持角度変更機構５の先端部分を互いに近付けるようにして小さめの被把持物Ｐを掴む。逆に大きめの被把持物Ｐを掴む場合は、図１Ｂで下方に向かって、つまり、サーボモータ５ａを微調整し、拡げる方向に把持角度変更機構５を回動させることで、把持角度変更機構５の先端部分を互いに少し離すようにして、先端の腹部分で大きめの被把持物Ｐを掴むように構成されている。
【0024】
２本のソフトフィンガー４の先端（すなわち、把持角度変更機構５の先端）には、それぞれ６軸力覚センサ６が設けられている。図３に示すように、６軸力覚センサ６は、公知のものであり、その６軸センサ測定部６ａは、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸並びにこれらのＸ，Ｙ，Ｚ軸周りのモーメントの６つの情報を入手するように構成されている。
【0025】
また、図１では、２本のソフトフィンガーの先端のそれぞれに６軸力覚センサが設けられているが、どちらか1本のソフトフィンガーの先端に６軸力覚センサが設けられていればよい。
【0026】
詳細は後述するが、図５に示すように、本実施形態の把持装置１は、制御部としてのコントローラ２０を備えている。このコントローラ２０は、マイクロコンピュータ等よりなり、６軸力覚センサ６の値から、被把持物Ｐの滑り動作の方向と同じ接線方向の力である剪断力ＦＢと、被把持物Ｐの表面に直交する方向の力である把持力ＦＡとの比よりなる滑り指標ＦＢ／ＦＡが所定閾値以上となったとき、滑りが発生したと判断して複数のソフトフィンガー４による把持力ＦＡを高くするように構成されている。
【0027】
（滑り検知と把持力制御）
図５に示すように、本実施形態の把持力制御では、コントローラ２０がソフトフィンガー４の駆動流体圧力を制御することにより、ソフトフィンガー４の屈曲動作及び把持力ＦＡの制御を行う。
図５に示すように、本実施形態の把持力制御では、コントローラ２０がソフトフィンガー４の駆動流体圧力を制御することにより、ソフトフィンガー４の屈曲動作及び把持力ＦＡの制御を行う。
【0028】
まず、コントローラ２０により、搬送手段としての搬送用多軸ロボットを駆動して被把持物Ｐの近傍まで、図１Ａで示す非把持状態の一対のソフトフィンガー４を近付ける。
【0029】
次いで、圧力源８からの圧縮エアの駆動流体圧によってソフトフィンガー４の内部を加圧状態とすることにより伸長部位と非伸長部位とでひずみを発生させ、屈曲運動をすることにより、図１Ｃに示すように、互いに協働して被把持物Ｐを掴む。このとき、コントローラ２０は、曲げセンサ２１の角度θを見ながらサーボモータ５ａも調整して一対のソフトフィンガー４の先端で被把持物Ｐを掴む。つまり、被把持物Ｐの把持を行うため目標とする角度θまでの指部屈曲し、又は被把持物Ｐにソフトフィンガー４が接触し一定の把持力ＦＡを得るまでソフトフィンガー４が屈曲し、初期の把持状態を得る。
【0030】
本実施形態では、把持角度変更機構５を設けているので、適切な角度とすることで、大きさの異なる被把持物Ｐに把持力ＦＡを加えることができ、その先端に６軸力覚センサ６を設けているので、適切に把持力ＦＡを検出できる。また、被把持物Ｐが比較的柔らかい食品等であれば、先端に６軸力覚センサ６を設けても耐久性の面で問題は生じ難い。
【0031】
ここで、図４を用いて基本的な摩擦力の式について説明する。物体に外力が加わった場合、摩擦力Ｆは、物体に加わる垂直抗力Ｎに対して摩擦係数がμとすると、Ｆ＝μ×垂直抗力Ｎとなる。
【0032】
本実施形態において、把持した被把持物Ｐが滑り始めるのは、指先の６軸力覚センサ６の表面と被把持物Ｐ表面との間に作用する最大静止摩擦力が被把持物Ｐに作用する重力を下回った瞬間に生じる。この最大静止摩擦力は、静止摩擦係数をμ、被把持物Ｐ表面に直交する方向の力（以下、把持力という）をＦＡとすると、μＦＡと表される。
【0033】
μは定数であるため、ＦＡに対して閾値を設ける等により、滑り検出を行うという考えもあるが、質量や圧壊の度合いが異なる種々の被把持物Ｐの把持を想定すると、最大静止摩擦力の大きさにも大小の幅が存在し、ＦＡに対する閾値の設定は容易ではない。
【0034】
そのため、被把持物Ｐの表面において、滑り動作方向と同じ接線方向の力（以下、剪断力という）ＦＢとの比である滑り指標ＦＢ／ＦＡを考える。
【0035】
被把持物Ｐが安定して保持されている状態では、ＦＢ／ＦＡの値は、物理的な意味を持たないが、滑り出す瞬間及び滑っている状態では、ＦＢ／ＦＡはそれぞれ静摩擦係数、動摩擦係数に相当する。
【0036】
これらの摩擦係数は、基本的に互いに接触している物体表面の特性で決まる値であり、把持力ＦＡの大きさに無関係である。
【0037】
このため、本実施形態は、質量や圧壊度が異なる種々の被把持物Ｐを把持対象とした場合であっても、ＦＢ／ＦＡを滑り指標とし、これに閾値を設けることで、滑り検出が可能になるという考えに基づく。
【0038】
そして、指部先端に設けた６軸力覚センサ６により、６軸力及びモーメントの検知を行い、滑り指標ＦＢ／ＦＡを用いて滑りの検出を行う。滑り指標ＦＢ／ＦＡが所定の閾値Ｔｈ以上となった場合、すなわち、ハイパスフィルタ２２により、閾値Ｔｈ以下のときは０とし、それ以外は通過させることで、閾値Ｔｈを超えたときには滑りが発生したと判断し、コントローラ２０は、通常の圧力制御弁への入力情報に追加の値μ０を追加し、駆動流体の制御圧力ｐを増加させるように制御する。
【0039】
つまり、安定して把持している状態から滑り検出を行うことを想定すると、ＦＢ／ＦＡにハイパスフィルタ２２をかけるとより効果的になる。これは、安定把持時には、ＦＢ／ＦＡは一定値をとるが、ハイパスフィルタ２２の作用により、このような直流成分が除去され、安定把持時には、ＦＢ／ＦＡは０となるので、滑り発生時におけるＦＢ／ＦＡの動的な変化に閾値Ｔｈを設定するのが容易となる。
【0040】
そこで、本実施形態では、搬送用多軸ロボットにより、被把持物Ｐを掴んだ状態で上下方向及び水平方向に加減速運動又は等速度運動をして被把持物Ｐを搬送しながら、コントローラ２０が、６軸力覚センサ６の検出値から、被把持物Ｐの滑り動作の方向と同じ接線方向の力である剪断力ＦＢと、被把持物Ｐの表面に直交する方向の力である把持力ＦＡとの比よりなる滑り指標ＦＢ／ＦＡを計算する。
【0041】
次いで、コントローラ２０が、滑り指標ＦＢ／ＦＡが所定の閾値Ｔｈ以上となったのを検出したときに、滑りが発生したと判定する。具体的には、コントローラ２０は、上述したハイパスフィルタ２２を有しており、滑り指標ＦＢ／ＦＡが閾値Ｔｈ以上となったときには（ＦＢ／ＦＡ≧閾値Ｔｈ）、コントローラ２０が、圧力制御弁９に新たな制御入力μ０を追加して制御入力ｕを送信し、駆動流体圧を増加させ、被把持物Ｐが滑るのを防止する。
【0042】
したがって、本実施形態に係る把持装置１によると、滑り指標ＦＢ／ＦＡが所定閾値Ｔｈ以上となったとき、滑りが発生したと判断してソフトフィンガー４による把持力ＦＡを高くすることにより、滑ることなく搬送できる。
【0043】
（実施形態２）
図６及び図７は本発明の実施形態２に係る把持装置１’を示し、弾性ベルト１０を有する点が異なる点で上記実施形態１と異なる。なお、本実施形態では、図１Ａ～図５と同じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
図６及び図７は本発明の実施形態２に係る把持装置１’を示し、弾性ベルト１０を有する点が異なる点で上記実施形態１と異なる。なお、本実施形態では、図１Ａ～図５と同じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【0044】
－弾性ベルトの構成－
本実施形態では、上記実施形態１の構成に加え、図６に示すように、ソフトフィンガー４の伸長部位側に、この伸長部位側にテンションを掛けることで、内部圧力増加によるソフトフィンガー４の全体の剛性を向上させる、弾性部材としての弾性ベルト１０が設けられている。この弾性ベルト１０の材質は特に限定されないが、例えば帯状のゴム製ベルトとする。
本実施形態では、上記実施形態１の構成に加え、図６に示すように、ソフトフィンガー４の伸長部位側に、この伸長部位側にテンションを掛けることで、内部圧力増加によるソフトフィンガー４の全体の剛性を向上させる、弾性部材としての弾性ベルト１０が設けられている。この弾性ベルト１０の材質は特に限定されないが、例えば帯状のゴム製ベルトとする。
【0045】
弾性ベルトの張力付与及び張力解放については、ロボットハンドに設置した駆動装置にて行う。この駆動装置については、揺動駆動するサーボモータやエアロータリーシリンダ等を用いた巻取による方法、小サイズの直動シリンダ、マッキベン型のソフトアクチュエータ等といった、小ストロークでの一方向への引張と解放による方法などが挙げられる。ベルト部に張力を付与し、張力を解放することができればよいため、特にその駆動機構、駆動手法について制限を受けるものではない。
【0046】
－指部の可変剛性制御－
次に、弾性ベルト１０が設けられている場合の指部の可変剛性制御フローについて図７を用いて説明する。
次に、弾性ベルト１０が設けられている場合の指部の可変剛性制御フローについて図７を用いて説明する。
【0047】
まず、上述したように、把持装置１’に、上述した弾性ベルト１０を設けておく。そして、制御部としてのコントローラ２０が、把持力が発生したと判定して駆動流体圧を増加させたときに、ソフトフィンガー４の全体の剛性を向上させることで、搬送の加減速時に指先部に作用する慣性力の影響を低減する。この指部の剛性増加は、指部の屈曲及び把持動作を阻害しないように把持状態をとった後に行われる。
【0048】
具体的には、まず、ステップＳ０１において、コントローラ２０の指示により、把持装置１’による把持が開始される。詳しい説明は省略するが、コントローラ２０の指示により、搬送用多軸ロボットがソフトフィンガー４を被把持物Ｐのある位置まで移動させる。
【0049】
次いで、ステップＳ０２において、コントローラ２０によって圧力制御弁９（図５にのみ示す）に対して制御入力が行われ、ソフトフィンガー４に圧力ｐのエアが送り込まれる。すると、ソフトフィンガー４の屈曲が開始され、図１Ｃに示すように、食品などの被把持物Ｐが掴まれる把持状態となる。
【0050】
次いで、ステップＳ０３において、コントローラ２０は、６軸力覚センサ６によって得られた情報を元に把持力ＦＡが所定値α以上であるかどうかを判定する。ＦＡがα以上であれば（ＦＡ≧α）、ステップＳ０４に進み、ＦＡがαよりも小さいときには（ＦＡ＜α）、ステップＳ０２に戻る。
【0051】
ステップＳ０４では、コントローラ２０は、ソフトフィンガー４が把持状態にあると判断し、弾性ベルトに張力を与え、内部流体圧力を増加させ指剛性を向上させる処理を開始する。具体的には、ソフトフィンガー４の強度から設定されるソフトフィンガー４の内部流体圧力まで流体圧を増加させる。このとき、弾性ベルト１０がソフトフィンガー４の伸長部位側に設けられて屈曲駆動が制限されているので、流体圧が増加してもソフトフィンガー４の内部圧力のみが上昇し、被把持物Ｐに加わる把持力ＦＡ自体は上昇せず、被把持物Ｐが潰れてしまうことはない。
【0052】
そのソフトフィンガー４の剛性が向上して被把持物Ｐが加減速時の慣性力の影響を受け難くなった状態で、ステップＳ０５に進み、コントローラ２０は搬送用多軸ロボットに指示を出して、加減速を伴う搬送動作を行う。このとき、ソフトフィンガー４の剛性が向上して指先部が加減速時の慣性力の影響を受け難くなった状態なので、慣性力の影響による把持力の変動を抑えられる。この結果、把持姿勢が崩れて被把持物が落下することを抑えられる。
【0053】
ステップＳ０６で被把持物Ｐが目標位置に移動させられると、把持終了動作が行われる。具体的には、把持力ＦＡが０となるように、コントローラ２０は、指示を出す。本実施形態では、圧力制御弁９に制御信号を送り、流体圧を低下させ、ソフトフィンガー４の屈曲度を低減し、被把持物Ｐを離す。
【0054】
次いで、ステップＳ０７において、ＦＡ＝０になったかどうかが判定され、０になるとステップＳ０８に進み、０になるまでステップＳ０６に戻って把持終了動作が行われる。なお、本実施形態では、指剛性をある程度保ったまま、ＦＡを０にすることができる。
【0055】
その後、ステップＳ０８で、流体圧が低下され、さらに弾性ベルトの張力が解放されることにより指剛性が低下する。
【0056】
次いで、ステップＳ０９に進んで、コントローラ２０は、搬送用多軸ロボットに指示を出して次の被把持物Ｐ’の位置へ復帰移動が行われる。その後、ステップＳ０２に戻る。
【0057】
このように、本実施形態では、弾性ベルト１０を伸長部位側に設けたが、弾性ベルト１０が設けられていない場合と同じ指部の屈曲角度を得るためには、より高い内部圧力が必要となり、結果としてソフトフィンガー４の剛性を高めることが可能となる。
【0058】
このような拮抗状態にすることで、屈曲角度や把持力ＦＡを不変のままソフトフィンガー４の剛性のみを可変にできる。
【0059】
つまり、被把持物Ｐに最適な把持力ＦＡを維持したまま、搬送の加減速時に剛性を高めることで指先部に作用する慣性力の影響を低減することができる。
【0060】
したがって、本実施形態に係る把持装置１’によると、６軸力覚センサ６によって把持力ＦＡを検出したときに、複数のソフトフィンガー４の剛性を高めるように駆動流体圧を高めるようにしたことにより、柔らかくて強く掴むことができない被把持物Ｐであっても移動時に滑ることなく搬送できる。
【0061】
（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
【0062】
すなわち、上記実施形態では、力覚センサは、６軸力覚センサ６としたが、これに限定されず、例えば、複数のひずみゲージを適切な位置に設けてもよい。
【0063】
また、上記実施形態では、制御部としてもコントローラ２０の一例として、マイクロコンピュータを説明した。ただし、コントローラ２０は、「把持装置１」を制御するものであれば、物理的にどのように構成してもよい。例えば、コントローラ２０は、マイクロコンピュータやプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）等のように、ソフトウェア（プログラム）を利用するものであってもよい。あるいは、コントローラ２０は、ハードウェア（回路部品）を組み合わせて実現してもよい。
【0064】
なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【符号の説明】
【0065】
１，１’ 把持装置
２ 第１指部
３ 第２指部
４ ソフトフィンガー
４ａ 流体室
４ｃ 被把持物側壁部
４ｄ 側壁部
４ｅ 伸長部位側壁部
５ 把持角度変更機構
５ａ サーボモータ
５ｂ 揺動軸
６ ６軸力覚センサ（力覚センサ）
６ａ ６軸センサ測定部
７ エアチューブ
８ 圧力源
９ 圧力制御弁
１０ 弾性ベルト（弾性部材）
２０ コントローラ（制御部）
２１ 曲げセンサ
２２ ハイパスフィルタ
２ 第１指部
３ 第２指部
４ ソフトフィンガー
４ａ 流体室
４ｃ 被把持物側壁部
４ｄ 側壁部
４ｅ 伸長部位側壁部
５ 把持角度変更機構
５ａ サーボモータ
５ｂ 揺動軸
６ ６軸力覚センサ（力覚センサ）
６ａ ６軸センサ測定部
７ エアチューブ
８ 圧力源
９ 圧力制御弁
１０ 弾性ベルト（弾性部材）
２０ コントローラ（制御部）
２１ 曲げセンサ
２２ ハイパスフィルタ
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
