特開 2024-170973 ロボットハンド

(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】P2024170973

(43)【公開日】2024-12-11

(54)【発明の名称】ロボットハンド

(51)【国際特許分類】

   B25J 15/08 20060101AFI20241204BHJP

【ＦＩ】

B25J15/08 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023087776

(22)【出願日】2023-05-29

(71)【出願人】

【識別番号】000005821

【氏名又は名称】パナソニックホールディングス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岡崎 安直

(72)【発明者】

【氏名】金田 侑

【テーマコード（参考）】

3C707

【Ｆターム（参考）】

3C707AS07

3C707BS10

3C707DS01

3C707ES03

3C707ET05

3C707EU07

3C707EU11

3C707EU12

3C707HS27

3C707KS33

3C707KX08

3C707LV10

3C707LW02

3C707LW07

(57)【要約】

【課題】把持状態に影響されることなく把持物体にかかる外力に対して力制御可能なロボットハンドを提供する。
【解決手段】少なくとも２本の指を有するハンド機構と、指に指先から指奥へ並んで配設された指に加わる力を検知する複数の力センサーと、複数の力センサーの検知した力に基づく力パターンにより力の印加状態を判断する力パターン判断手段と、力パターン判断手段の判断結果に基づき指にかかる力を制御する力制御手段とを有することを特徴とする。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも２本の指を有するハンド機構と、
前記指に指先から指奥へ並んで配設された指に加わる力を検知する複数の力センサーと、
前記複数の力センサーの検知した力に基づく力パターンにより力の印加状態を判断する力パターン判断手段と、
前記力パターン判断手段の判断結果に基づき前記指にかかる力を制御する力制御手段と、を有するロボットハンド。

【請求項2】

前記力制御手段は、把持物体にかかる外力を制御する外力制御手段である、請求項１のロボットハンド。

【請求項3】

前記力パターンは、前記複数の力センサーの検知した力より計算した外力のパターンである、請求項２のロボットハンド。

【請求項4】

前記力パターン判断手段は、それぞれの力センサーで検知し、計算される外力の向きに基づいて前記力パターンを場合分けする、請求項３のロボットハンド。

【請求項5】

前記力パターン判断手段は、それぞれの力センサーで検知し、計算される外力の有無に基づいて前記力パターンを場合分けする、請求項３のロボットハンド。

【請求項6】

前記力制御手段は、把持物体にかかる把持力を制御する把持力制御手段である、請求項１のロボットハンド。

【請求項7】

前記力パターンは、前記複数の力センサーの検知した力より計算した把持力のパターンである、請求項６のロボットハンド。

【請求項8】

前記力パターン判断手段は、それぞれの力センサーで検知し、計算される把持力の大小に基づいて前記把持力のパターンを場合分けし、把持位置を推定する、請求項７のロボットハンド。

【請求項9】

前記力パターンは、前記複数の力センサーの検知した力のパターンであり、前記力パターン判断手段は、それぞれの力センサーで検知した力の有無に基づいて前記力パターンを場合分けする、請求項６のロボットハンド。

【請求項10】

前記力パターン判断手段は、前記力パターンに基づいて安定把持状態であるかどうかを判断する、請求項９のロボットハンド。

【請求項11】

前記指は、把持物体を動かす並進駆動機構を有する、請求項１のロボットハンド。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ロボットアームのエンドエフェクタとして物体の把持を行うロボットハンドに関する技術である。

【背景技術】

【0002】

２指グリッパなどのロボットハンドはロボットアームのエンドエフェクタとして様々な形式が開発され、工場作業などで活用されている。

【0003】

ロボットハンドでは、組立作業や設置・陳列作業において把持物体を外環境と接触させ倣う動作をさせるニーズが高まっており、把持物体にかかる外力を制御する力制御機能を有することが望ましい。

【0004】

ロボットハンドによる力制御に関しては特許文献１において、平行リンク機構による平行グリッパ構造で片指を位置制御し把持位置を移動し、もう片指を力制御で追従させることで把持物体の姿勢を回転させる技術が開示されている。
（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第６７８４６５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１では、把持物体の姿勢を回転させることはできるが、把持物体にかかる外力を制御することができないという課題がある。また、外力の制御では把持状態によって、力センサー等で検知した力を単純にフィードバックするだけでは目的とする動作とならない場合があるという課題があった。

【0007】

本発明の目的は、上記従来の課題を解決し、把持状態に影響されることなく把持物体にかかる外力に対して力制御可能なロボットハンドを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の態様によれば、少なくとも２本の指を有するハンド機構と、
前記指に指先から指奥へ並んで配設された指に加わる力を検知する複数の力センサーと、
前記複数の力センサーの検知した力に基づく力パターンにより力の印加状態を判断する力パターン判断手段と、
前記力パターン判断手段の判断結果に基づき前記指にかかる力を制御する力制御手段と、を備える。

【発明の効果】

【0009】

本発明のロボットハンドによれば、指先と奥側に複数の力センサーを配置し、外力パターンに基づいて外力および把持力を計算することで、指先を支点とするモーメントが発生し、外力制御により外力とは逆向きに指が動作するという課題に対し、検出した外力の向きを反転させて外力制御を行う。その結果、指の動作方向が外力と同じ向きとなり、正常な力制御の動作とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の第１実施形態におけるロボットハンドの構成を示す図

【図2A】本発明の第１実施形態におけるロボットハンドの開閉動作を示す図

【図2B】本発明の第１実施形態におけるロボットハンドの開閉動作を示す図

【図3】本発明の第１実施形態におけるロボットハンド制御手段の構成を示すブロック線図

【図4】本発明の第１実施形態におけるロボットハンド力制御手段の構成を示すブロック線図

【図5】本発明の第１実施形態におけるロボットハンドの外力パターンを説明する図

【図6】本発明の第１実施形態におけるロボットハンドの動作を示す図

【図7】本発明の第１実施形態におけるロボットハンドの動作を説明するフローチャート

【図8】本発明の第２実施形態におけるロボットハンド力制御手段の構成を示すブロック線図

【図9】本発明の第２実施形態におけるロボットハンドの把持力パターンを説明する図

【図10】本発明の第３実施形態におけるロボットハンド力制御手段の構成を示すブロック線図

【図11A】本発明の第３実施形態におけるロボットハンドの各力パターンを説明する図

【図11B】本発明の第３実施形態におけるロボットハンドの各力パターンを説明する図

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

【0012】

以下、図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。

【0013】

本発明の一態様に係るロボットハンドは、少なくとも２本の指を有するハンド機構と、前記指に指先から指奥へ並んで配設された指に加わる力を検知する複数の力センサーと、前記複数の力センサーの検知した力に基づく力パターンにより力の印加状態を判断する力パターン判断手段と、前記力パターン判断手段の判断結果に基づき前記指にかかる力を制御する力制御手段と、を備える。

【0014】

本態様によれば、力印加状態に応じた適切な力制御が可能となる。

【0015】

上記態様において、前記力制御手段は、把持物体にかかる外力を制御する外力制御手段であってもよい。

【0016】

本態様によれば、力の印加状態に応じた外力制御が可能となる。

【0017】

上記態様において、前記力パターンは、前記複数の力センサーの検知した力より計算した外力のパターンであってもよい。

【0018】

本態様によれば、把持物体にかかる外力の印加状態に応じた外力制御が可能となる。

【0019】

上記態様において、前記力パターン判断手段は、それぞれの力センサーで検知し、計算される外力の向きに基づいて前記力パターンを場合分けしてもよい。

【0020】

本態様によれば、把持状態にかかわらず、把持物体にかかる外力の印加方向と同じ方向に動作する外力制御が可能となる。

【0021】

上記態様において、前記力パターン判断手段は、それぞれの力センサーで検知し、計算される外力の有無に基づいて前記力パターンを場合分けしてもよい。

【0022】

本態様によれば、一部の力センサーの検知領域を外れた把持状態であっても外力の印加方向と同じ方向に動作する外力制御が可能となる。

【0023】

上記態様において、前記力制御手段は、把持物体にかかる把持力を制御する把持力制御手段であってもよい。

【0024】

本態様によれば、力の印加状態に応じた把持動作が可能となる。

【0025】

上記態様において、前記力パターンは、前記複数の力センサーの検知した力より計算した把持力のパターンであってもよい。

【0026】

本態様によれば、把持物体にかかる把持力の印加状態に応じた把持動作が可能となる。

【0027】

上記態様において、前記力パターン判断手段は、それぞれの力センサーで検知し、計算される把持力の大小に基づいて前記把持力パターンを場合分けし、把持位置を推定してもよい。

【0028】

本態様によれば、把持位置により適切な把持状態か判断でき、より確実な把持動作が可能となる。

【0029】

上記態様において、前記力パターンは。前記複数の力センサーの検知した力のパターンであり、前記力パターン判断手段は、それぞれの力センサーで検知した力の有無に基づいて前記力パターンを場合分けしてもよい。

【0030】

本態様によれば、把持物体の姿勢により適切な把持状態か判断でき、より確実な把持動作が可能となる。

【0031】

上記態様において、前記力パターン判断手段は、前記力パターンに基づいて安定把持状態であるかどうかを判断してもよい。

【0032】

本態様によれば、安定把持状態であるかどうかがわかるため、より確実な把持動作とすることができる。

【0033】

上記態様において、前記指は、把持物体を動かす並進駆動機構を有してもよい。

【0034】

本態様によれば、力パターンに基づき、より確実で安定な把持状態に持っていくことが可能となる。

【0035】

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

【0036】

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態におけるロボットハンド１の構成を示す図である。ロボットハンド１は、２指のグリッパであり、ハンド土台部２、平行リンク機構６Ｒ、６Ｌと指先機構７Ｒ、７Ｌからなる指機構３Ｒ、３Ｌ、ハンド制御手段８から構成される。

【0037】

ハンド土台部２には手首接続部５がある。手首接続部５は、多自由度ロボットアーム等に接続され、エンドエフェクタとして機能することが可能である。また、ハンド土台部２には指駆動サーボモーター９Ｒ、９Ｌが配設され、その出力軸には平行リンク機構６Ｒ、６Ｌが接続されており、指関節４Ｒ、４Ｌが構成されている。

【0038】

平行リンク機構６Ｒ、６Ｌは指駆動サーボモーター９Ｒ、９Ｌの出力軸に接続され駆動力を伝える能動リンク１０Ｒ、１０Ｌとサーボモーターの出力軸に接続されない受動リンク１１Ｒ、１１Ｌから構成される。

【0039】

平行リンク機構６Ｒ、６Ｌの先には、指先機構７Ｒ、７Ｌが接続されている。指先機構７Ｒ、７Ｌは、指骨格１２Ｒ、１２Ｌ、指内側並進駆動機構１３Ｒ、１３Ｌと力センサー１４Ｒｆ、１４Ｒｂ、１４Ｌｆ、１４Ｌｂとから構成される。

【0040】

指内側並進駆動機構１３Ｒ、１３Ｌは、指骨格１２Ｒ、１２Ｌの内側を通る並進駆動ベルト１５Ｒ、１５Ｌを駆動する機構である。並進駆動ベルト１５Ｒ、１５Ｌは、両端をそれぞれ、モーター側巻取りローラー１７Ｒ、１７Ｌとばね側巻取りローラー１９Ｒ、１９Ｌとに固定されており、指骨格１２Ｒ、１２Ｌの先端に配設された受動ローラー２０Ｒ、２０Ｌに掛かるように取り廻されている。モーター側巻取りローラー１７Ｒ、１７Ｌは、指骨格１２Ｒ、１２Ｌに配設された並進駆動機構サーボモーター１６Ｒ、１６Ｌの出力軸に接続される。ばね側巻取りローラー１９Ｒ、１９Ｌは、並進駆動機構巻きばね１８Ｒ、１８Ｌの出力軸に接続される。

【0041】

指骨格１２Ｒ、１２Ｌと並進駆動ベルト１５Ｒ、１５Ｌの間には、圧力に応じた電圧を出力する感圧シートと電圧回路で構成される力センサー１４Ｒｆ、１４Ｒｂ、１４Ｌｆ、１４Ｌｂとが配設されている。指骨格１２Ｒの先端側に位置する力センサー１４Ｒｆと、奥側に位置する力センサー１４Ｒｂとが並んで配設されている。また、指骨格１２Ｌの先端側に位置する力センサー１４Ｌｆと、奥側に位置する力センサー１４Ｌｂとが並んで配設されている。

【0042】

以上の機構構成によれば、指駆動サーボモーター９Ｒ、９Ｌを駆動することにより平行リンク機構６Ｒ、６Ｌが揺動動作し、指機構７Ｒ、７Ｌが平行移動し、図２Ａおよび図２Ｂに示すように開閉動作が実現する。

【0043】

また、並進駆動機構サーボモーター１６Ｒ、１６Ｌを駆動することにより、並進駆動ベルト１５Ｒ、１５Ｌは、モーター側巻取りローラー１７Ｒ、１７Ｌに巻き取られて行き、指先側から奥側へと並進移動する。一方、並進駆動機構サーボモーター１６Ｒ、１６Ｌを前記とは逆回転させると、並進駆動ベルト１５Ｒ、１５Ｌは、モーター側巻取りローラー１７Ｒ、１７Ｌから解放され、並進駆動機構巻きばね１８Ｒ、１８Ｌによる回転張力のため、ばね側巻取りローラー１９Ｒ、１９Ｌに巻き取られ、奥側から指先側へと並進移動する。

【0044】

図３は、ロボットハンド制御手段８の構成を示すブロック線図である。ロボットハンド制御手段８は図に示す指機構７Ｒ、７Ｌの位置ｈ＝（ｈ_R,ｈ_L）と外力f_ex、把持力ｆ_in、並進駆動ベルト１５Ｒ、１５Ｌの位置ｂ＝（ｂ_R,ｂ_L）を制御する。

【0045】

動作制御手段２１は、動作シーケンス制御手段３８と目標軌道生成手段３９で構成され、指機構７Ｒ、７Ｌの目標位置ｈ_ｄ＝（ｈ_Rｄ,ｈ_Lｄ）と力制御目標力ｆ_ｄ＝（ｆ_ｅｘｄ,ｆ_ｉｎｄ）、並進駆動ベルト１５Ｒ、１５Ｌの目標位置ｂ_ｄ＝（ｂ_Rｄ,ｂ_Lｄ）を出力する。

【0046】

動作シーケンス制御手段３８は、起動後のホームポジションへの移動動作、上位系４１からの開閉指示Ｃ_ｇおよび目標把持力ｆ_ｄに基づく指機構７Ｒ、７Ｌの開閉動作、並進駆動ベルト１５Ｒ、１５Ｌの動作の制御を行う。また、ロボットアーム制御系などの上位系よりロボットハンド開閉の指示ｃ_ｕを、通信インターフェースを通じて受け、開閉動作を実行し、開閉状態Ｒ_ｈを上位系４１へと通知する。

【0047】

目標軌道生成手段３９は、位置制御により指機構７Ｒ、７Ｌの位置ｈ＝（ｈ_R,ｈ_L）を目標到達位置ｈ_ｐ＝（ｈ_Rｐ,ｈ_Lｐ）へ、並進駆動ベルト１５Ｒ、１５Ｌの位置ｂ＝（ｂ_R,ｂ_L）を目標到達位置ｂ_ｐ＝（ｂ_Ｒｐ，ｂ_Ｌｐ）へ動作させるための目標位置ｈ_ｄ＝（ｈ_Rｄ,ｈ_Lｄ）、目標ベルト位置ｂ_ｄ＝（ｂ_Ｒｄ，ｂ_Ｌｄ）を、多項式補間を使用し時系列データとして時々刻々生成する。

【0048】

指逆運動学計算手段２２は、指機構７Ｒ、７Ｌの目標位置ｈ_ｄ＝（ｈ_Rｄ,ｈ_Lｄ）を逆運動学計算により、目標指関節角度ｑ_ｈｄ＝（ｑ_ｈＲｄ、ｑ_ｈＬｄ）に変換する。

【0049】

指関節角度誤差計算手段２３は、指関節角度誤差ｑ_ｈｅ＝（ｑ_ｈＲｅ、ｑ_ｈＬｅ）＝ｑ_ｈｄ－ｑ_ｈを計算する。

【0050】

指関節角度誤差補償手段２４は、ＰＤコントローラーであり、（式１）τ_ｈ＝Ｋ_ｐｑ_ｈｅ＋Ｋ_ｄｑ_ｈｅ／ｄｔにより指関節角度制御指令トルクτ_ｈが出力される。ただし、Ｋ_ｐは比例ゲイン、Ｋ_ｄは微分ゲインである。

【0051】

力センサー１４Ｒ_ｆ、１４Ｒ_ｂ、１４Ｌ_ｆ、１４Ｌ_ｂからは、かかった力に応じた電圧Ｖ_ｆＡ＝（Ｖ_ｆＡＲｆ、Ｖ_ｆＡＲｂ、Ｖ_ｆＡＬｆ、Ｖ_ｆＡＬｂ）が出力され、Ａ／Ｄ変換器３７によりデジタル値Ｖ_ｆＤ＝（Ｖ_ｆＤＲｆ、Ｖ_ｆＤＲｂ、Ｖ_ｆＤＬｆ、Ｖ_ｆＤＬｂ）としてロボットハンドＩ／Ｏ３４に取り込まれ、力ｆ_ｓ＝（ｆ_Ｒｆ、ｆ_Ｒｂ，ｆ_Ｌｆ、ｆ_Ｌｂ）へと変換され力制御手段４０に入力される。

【0052】

力制御手段４０の詳細を図４に示す。外力・把持力計算手段４６にはｆ_ｓが入力され、外力ｆ_ｅｘと把持力ｆ_ｉｎが計算される。

【0053】

外力ｆ_ｅｘに関しては、外力先端成分ｆ_ｅｘｆが（式２）ｆ_ｅｘｆ＝（ｆ_Ｒｆ－ｆ_Ｌｆ）／２によって計算され、外力奥側成分ｆ_ｅｘｂが（式３）ｆ_ｅｘｂ＝（ｆ_Ｒｂ－ｆ_Ｌｂ）／２によって計算される（外力計算手段４７）。

【0054】

外力ｆ_ｅｘは、外力パターン判断手段４８において図５に示す次の４つの外力パターンの場合分けで計算される。

【0055】

外力パターン（１）では、長尺把持物体かつ指先から離れた場所での接触を伴う作業において、ｆ_ｅｘｂ＝０の場合、（式４）ｆ_ｅｘ＝－ｆ_ｅｘｆで計算される。

【0056】

外力パターン（２）では、上記以外の作業において、ｆ_ｅｘｂ＝０の場合、（式５）ｆ_ｅｘ＝ｆ_ｅｘｆで計算される。

【0057】

外力パターン（３）では、ｓｉｇ（ｆ_ｅｘｂ）＝ｓｉｇ（ｆ_ｅｘｆ）の場合、（式６）ｆ_ｅｘ＝ｆ_ｅｘｆ＋ｆ_ｅｘｂで計算される。

【0058】

外力パターン（４）では、ｓｉｇ（ｆ_ｅｘｂ）＝－ｓｉｇ（ｆ_ｅｘｆ）の場合、（式７）ｆ_ｅｘ＝ｆ_ｅｘｆ－ｆ_ｅｘｂで計算される。

【0059】

上記外力パターン（１）および（４）では、指先部分が支点となり、モーメントＭが発生する効果が大きく現れるため、力センサーでは、印加される外力ｆ_ｅｘａとは逆向きの力が発生することになる。これに対応するため、外力パターン判断手段４８は、外力パターン（１）および（４）では、力を反転して外力ｆ_ｅｘを計算することにより、外力制御において印加外力と同じ向きに指が動作するようにする。

【0060】

外力パターン（１）と（２）の判断に関しては、対象となる把持物体の形状情報および作業の動作内容より事前に計画されることで判断され、動作シーケンス制御手段３８が信号ｐとして外力パターン判断手段４８に指令する。あるいは、画像認識により把持物体の形状情報および作業の動作内容を認識することで外力パターン（１）と（２）の判断が行われ、動作シーケンス制御手段３８が信号ｐとして外力パターン判断手段４８に指令することも可能である。

【0061】

把持力ｆ_ｉｎは、（式８）ｆ_ｉｎ＝（ｆ_Ｒｆ＋ｆ_Ｒｂ＋ｆ_Ｌｆ＋ｆ_Ｌｂ）／２によって計算される（把持力計算手段４９）。

【0062】

外力誤差計算手段４２は、外力誤差ｆ_ｅｘｅ＝ｆ_ｅｘｄ－ｆ_ｅｘを計算する。

【0063】

外力誤差補償手段４３は、ＰＤコントローラーであり、（式９）ｆ_ｅｘｃ＝Ｋ_ｐｆｅｘｆ_ｅｘｅ＋Ｋ_ｄｆｅｘｄｆ_ｅｘｅ／ｄｔにより外力制御指令力ｆ_ｅｘｃが出力される。ただし、Ｋ_ｐｆｅｘは比例ゲイン、Ｋ_ｆｄｅｘは微分ゲインである。

【0064】

把持力誤差計算手段２５は、把持力誤差ｆ_ｉｎｅ＝ｆ_ｉｎｄ－ｆ_ｉｎを計算する。

【0065】

把持力誤差補償手段２６は、ＰＤコントローラーであり、（式１０）ｆ_ｉｎｃ＝Ｋ_ｐｆｉｎｆ_ｉｎｅ＋Ｋ_ｄｆｉｎｄｆ_ｉｎｅ／ｄｔにより把持力制御指令力ｆ_ｉｎｃが出力される。ただし、Ｋ_ｐｆｉｎは比例ゲイン、Ｋ_ｄｆｉｎは微分ゲインである。

【0066】

外力制御指令力ｆ_ｅｘｃは、外力制御切換手段４４へ入力され、外力制御切換手段４４は動作制御手段２１からの位置・力制御選択指令ｓに基づき出力値を選択して切り替える。外力制御切換手段４４は、ｓ＝１の場合、０を出力し、ｓ＝２の場合ｆ_ｅｘｃを出力する。これにより、ｓ＝１の場合、把持力の力制御のみ行われ、ｓ＝２の場合、把持力と外力の同時制御が行われる。

【0067】

力－トルク変換手段２７には、ｓ＝１の場合、（ｆ_Ｒｃ，ｆ_Ｌｃ）＝（ｆ_ｅｘｃ＋ｆ_ｉｎｃ，ｆ_ｅｘｃ－ｆ_ｉｎｃ）が入力され、ｓ＝２の場合、（ｆ_Ｒｃ，ｆ_Ｌｃ）＝（ｆ_ｉｎｅ、－ｆ_ｉｎｅ）が入力される。（ｆ_Ｒｃ，ｆ_Ｌｃ）は、それぞれ右指機構３Ｒの力制御指令と左指機構３Ｌの力制御指令である。

【0068】

制御トルクτ_ｆへの変換は、（式１１）τ_ｆ＝（ｆ_Ｒｃｌ_ｐ／ｃｏｓｑ_ｈｒ，ｆ_Ｌｃｌ_ｐ／ｃｏｓｑ_ｈＬ）によって行われる。ただし、ｌ_ｐは平行リンク機構６Ｒ、６Ｌのリンク長である。

【0069】

位置・力制御選択手段２８は、動作制御手段２１からの位置・力制御選択指令ｓに基づき出力値を選択して切り替える。ｓ＝０の場合、τ_ｈを出力し指位置を制御する位置制御が行われる。また、ｓ＝１あるいはｓ＝２の場合、τ_ｆを出力し、ｓ＝１の場合、左右の指の中間位置がハンドの中央位置になるように保ったまま把持力を制御する力制御が行われ、ｓ＝２の場合、把持力と外力が同時制御される力制御が行われる。

【0070】

ベルト逆運動学計算手段２９は、逆運動学計算により目標ベルト位置ｂ_ｄ＝（ｂ_Ｒｄ，ｂ_Ｌｄ）から目標巻取りローラー角ｑ_ｂｄ＝（ｑ_ｂＲｄ，ｑ_ｂＬｄ）に変換する。

【0071】

ベルトローラー角度誤差計算手段３０は、ｑ_ｂｅ＝（ｑ_ｂＲｅ，ｑ_ｂＬｅ）＝ｑ_ｂｄ－ｑ_ｂを計算する。

【0072】

４５は指－ベルト連動手段であり、指の動きとベルトの動きを連動させる。ｓ＝２が指令され、外力・把持力制御が実行される際、左右の指の中間位置がハンド中央位置からずれる動きとなった時、平行リンク機構であるために左右の指先位置が指の長さ方向でずれことになる。これに対応するため、指－ベルト連動手段４５は左右のベルトの位置を（式１２）Δｈ_ｂｄ＝（ｌ_ｐｃｏｓｑ_ｈＲ－ｌ_ｐｃｏｎｓｑ_ｈＲｃ，ｌ_ｐｃｏｓｑ_ｈＬ－ｌ_ｐｃｏｓｑ_ｈＬｃ）に基づきΔｈ_ｂｄ調整し、把持物体に剪断力が加わらないようにする。ただし、（ｑ_ｈＲｃ，ｑ_ｈＬｃ）は位置制御から力制御に切り替えた瞬間の（ｑ_ｈＲ、ｑ_ｈＬ）、ｌ_ｐは平行リンク機構６のリンク長である。

【0073】

ベルトローラー角度誤差補償手段３１は、ＰＤコントローラーであり、（式１３）τ_ｂ＝Ｋ_ｂｐｑ_ｂｅ＋Ｋ_ｂｄｄｑ_ｂｅ／ｄｔによりベルトローラー角度制御指令力τ_ｂが出力される。ただし、Ｋ_ｂｐは比例ゲイン、Ｋ_ｂｖは微分ゲインである。

【0074】

以上の制御指令τ_ｈｄまたはτ_ｆ、およびτ_ｂは、ロボットハンドＩ／Ｏ３４に入力され、モータードライバー３６ｈ_Ｒ，３６ｈ_Ｌ，３６ｂ_Ｒ，３６ｂ_Ｌ，に指令され、指駆動サーボモーター９Ｒ、９Ｌおよび並進駆動機構サーボモーター１６Ｒ、１６Ｌを駆動する。

【0075】

また、ロボットハンドＩ／Ｏ３４は、モータードライバーから送信される指駆動サーボモーター９Ｒ、９Ｌおよび並進駆動機構サーボモーター１６Ｒ、１６Ｌのエンコーダ値の入力を受け、現在の指関節角度ｑ_ｈ＝（ｑ_ｈＲ、ｑ_ｈＬ）、現在のベルトローラー角度ｑ_ｂ＝（ｑ_ｂＲ、ｑ_ｂＬ）へ変換し出力する。

【0076】

指順運動学計算手段３２は、現在の指関節角度ｑ_ｈ＝（ｑ_ｈＲ、ｑ_ｈＬ）から現在の指位置ｈ＝（ｈ_Ｒ，ｈ_Ｌ）へと変換する。

【0077】

ベルト順運動学計算手段３３は、現在のベルトローラー角度ｑ_ｂ＝（ｑ_ｂＲ、ｑ_ｂＬ）から現在のベルト位置ｂ＝（ｂ_Ｒ，ｂ_Ｌ）へと変換する。

【0078】

以上説明した図３に示すフィードバック制御系により、ｓ＝０で位置制御が指定された場合、指機構７Ｒ、７Ｌの現在の指位置ｈ＝（ｈ_Ｒ，ｈ_Ｌ）が目標位置ｈ_ｄ＝（ｈ_Rｄ,ｈ_Lｄ）へと制御される。また、ｓ＝１で把持力の力制御が指定された場合、左右の指の中間位置がハンドの中央位置になるように保ったまま、指機構７Ｒ、７Ｌによる現在の把持力ｆ_ｉｎが目標把持力ｆ_ｉｎｄに制御される。また、ｓ＝２の場合、指機構７Ｒ、７Ｌによる現在の把持力ｆ_ｉｎが目標把持力ｆ_ｉｎｄに制御されるとともに、現在の外力ｆ_ｅｘが目標外力ｆ_ｅｘｄに外力が同時制御される力制御が行われる。さらに、並進駆動ベルト１５Ｒ、１５Ｌの現在のベルト位置ｂ＝（ｂ_Ｒ，ｂ_Ｌ）が目標ベルト位置ｂ_ｄ＝（ｂ_Ｒｄ，ｂ_Ｌｄ）に制御される。

【0079】

ロボットハンド制御手段８は、ハードウェア的には制御プログラムを実行する制御コンピュータ３５とモータードライバー３６ｈ_Ｒ、３６ｈ_Ｌ、３６ｂ_Ｒ、３６ｂ_ＬとＡ／Ｄ変換器３７により構成されている。そして、ロボットハンド制御手段８のうちのモータードライバー３６ｈ_Ｒ、３６ｈ_Ｌ、３６ｂ_Ｒ、３６ｂ_ＬとＡ／Ｄ変換器３７を除く部分は、制御コンピュータ３５で実行される制御プログラムとしてソフトウェア的に実現される。よって、例えば、それぞれの動作を構成するステップを有するコンピュータプログラムとして、記憶装置（ハードディスク等）などの記録媒体に読み取り可能に記憶させ、そのコンピュータプログラムをコンピュータの一時記憶装置（半導体メモリ等）に読み込んでＣＰＵを用いて実行することにより、後述する各ステップを実行することができる。

【0080】

指関節４Ｒ、４Ｌ、モーター側巻取りローラー１７Ｒ、１７Ｌの角度センサーである指駆動サーボモーター９Ｒ、９Ｌ、並進駆動機構サーボモーター１６Ｒ、１６Ｌのエンコーダより出力される角度パルス情報ｐ_ｈＲ，ｐ_ｈＬ，ｐ_ｂＲ、ｐ_ｂＬは、モータードライバー３６ｈ_Ｒ、３６ｈ_Ｌ、３６ｂ_Ｒ、３６ｂ_Ｌに取り込まれ、角度情報α_ｈＲ、α_ｈＬ，α_ｂＲ、α_ｂＬへと変換されロボットハンド制御手段８に出力される。

【0081】

ロボットハンド制御手段８は、取り込んだ角度情報に基づいて、指関節４Ｒ，４Ｌおよびモーター側巻取りローラー１７Ｒ、１７Ｌの制御指令値をそれぞれ算出する。算出された各制御指令値は、モータードライバー３６ｈ_Ｒ、３６ｈ_Ｌ、３６ｂ_Ｒ、３６ｂ_Ｌに与えられ、モータードライバー３６ｈ_Ｒ、３６ｈ_Ｌ、３６ｂ_Ｒ、３６ｂ_Ｌによってロボットハンド１の指駆動サーボモーター９Ｒ、９Ｌ、並進駆動機構サーボモーター１６Ｒ、１６Ｌが駆動される。

【0082】

モータードライバー３６ｈ_Ｒ、３６ｈ_Ｌ、３６ｂ_Ｒ、３６ｂ_ＬおよびＡ／Ｄ変換器３７は、EtherCAT（登録商標）などのネットワーク通信により制御コンピュータ３５に接続されており、角度情報や制御指令値のやり取りが可能である。

【0083】

図６に示す動作を例にロボットハンドの動作について図７のフローチャートを使って説明する。

【0084】

ステップＳ１では、ロボットハンドの起動後、モータードライバーの原点出し機能により指機構７Ｒ、７Ｌおよび並進駆動ベルト１５Ｒ、１５Ｌの可動機構限界まで動作させ当てて停止させる（図６のＳ－１の動作）。

【0085】

ステップＳ２では、ロボットハンドＩ／Ｏ３４は、可動機構限界で停止した状態を受け、ロボットハンドの中央線が指機構７Ｒ、７Ｌの原点に、並進駆動ベルト１５Ｒ、１５Ｌの全長の中央が原点になるように現在の指関節角度ｑ_ｈ＝（ｑ_ｈＲ、ｑ_ｈＬ）、ベルトローラー角度ｑ_ｂ＝（ｑ_ｂＲ、ｑ_ｂＬ）を調整し出力する。

【0086】

ステップＳ３では、可動機構限界への移動完了後、動作制御手段２１は指機構７Ｒ、７Ｌをホームポジションｈ_Ｈ＝（ｈ_ＨＲ，ｈ_ＨＬ）へ、並進駆動ベルト１５Ｒ、１５Ｌをホームポジションｂ_Ｈ＝（０、０）へ移動する動作を生成し、動作させる（図６のＳ－３の動作）。

【0087】

その後、ステップＳ４では、ロボットアームにより物体を把持するための位置にロボットハンドが移動され上位系からの把持指令がＣ_ｇ＝１に切り替わったらステップＳ５に進む（図６のＳ－４の動作）。

【0088】

ステップＳ５では、動作シーケンス制御手段３８がｓ＝１を出力して制御系を把持力制御に切り替える。

【0089】

ステップＳ６では、位置・力制御選択手段がτ_ｆを選択してトルク指令τ_ｄとして出力することで、指機構７Ｒ、７Ｌが動作し、物体を力ｆ_ｉｎｄにて把持する（図６のＳ－６の動作）。

【0090】

ステップＳ７では、動作シーケンス制御手段３８が到達時間ｔ_{ｂｐｄｕｐ}、目標到達位置ｂ_ｐｄ＝（ｂ_ｐｄｕｐ、ｂ_ｐｄｕｐ）を出力し、並進駆動ベルト１５Ｒ、１５Ｌを動作させ、把持物体を距離ｂ_ｐｄｕだけ引き上げる（図６のＳ－７の動作）。

【0091】

ステップＳ８では、ロボットアームによりはめ合い動作を行うための位置に、ロボットハンドが移動される（図６のＳ－８の動作）。

【0092】

ステップＳ９では、動作シーケンス制御手段３８がｓ＝２を出力して制御系を外力・把持力制御に切り替える。

【0093】

ステップＳ１０では、動作シーケンス制御手段３８が到達時間ｔ_{ｂｐｄｄｗ}、目標到達位置ｂ_ｐｄ＝（ｂ_ｐｄｄｗ、ｂ_{ｐｄｄｗｐ}）を出力し、並進駆動ベルト１５Ｒ、１５Ｌを動作させ把持物体を引き下げる。

【0094】

ステップＳ１１では、把持物体の接触による停止を検知する。把持物体がそれ以上下降できなくなると、並進駆動機構サーボモーター１６Ｒまたは１６Ｌの負荷が増え、モーター駆動電流が増加するため、接触の検知が可能である。モータードライバー３６ｂ_Ｒ，３６ｂ_Ｌは、並進駆動ベルト１５Ｒ、１５Ｌを停止させる。

【0095】

ステップＳ１１において、接触による停止を検知しなかった場合、ステップＳ１２に進み外力・把持力計算手段にて把持パターンの判断を行う。

【0096】

把持物体が降下しはめ合い部品に接触すると、外力ｆ_ｅｘａが加わり、外力先端成分ｆ_ｅｘｆが発生すると共に、支点によるモーメント効果のため、ｆ_ｅｘｆとは逆向きの外力奥側成分ｆ_ｅｘｂが発生し、外力・把持力計算手段は、外力パターン（４）であると判断する。この判断により、外力ｆ_ｅｘは式７により計算され、指機構はｆ_ｅｘａに押されるように右向きに動作し（図６のＳ－１２Ａの動作）、把持物体はやがてはめ合いの穴に到達する。（図６のＳ－１２Ｂの動作）

【0097】

本作業での把持物体は長尺であり、ステップＳ１２での動作では、指先より遠い位置での接触になるため、動作シーケンス制御手段はｐ＝１を出力し、外力パターン（１）を候補として挙げる。そして、出力把持物体がさらに降下し、力センサー１４Ｒｂ、１４Ｌｂの領域から外れｆ_ｅｘｂ＝０となると、外力・内力計算手段は外力パターン（１）であると判断し、外力ｆ_ｅｘは式４で計算され、外力の力制御が引き続き働くことではめ合い動作が実行される（図６のＳ－１２Ｃの動作）

【0098】

ステップＳ１１において、接触による停止を検知した場合、ステップＳ１３では動作シーケンス制御手段３８が並進駆動ベルト１５Ｒ、１５Ｌの停止を検知すると、ｓ＝０を出力することで、指機構７Ｒ、７Ｌの制御を位置制御に切り替える（図６のＳ－１３の動作）。

【0099】

ステップＳ１４では、動作シーケンス制御手段３８がｈ_ｐｂ＝（ｈ_ＨＲ，ｈ_ＨＬ）、ｔ_ｐｈ＝ｔ_Ｈを出力すると、指機構７Ｒ、７ＬはｔＨの移動時間でホームポジションへと移動し把持物体を開放する（図６のＳ－１４の動作）。

【0100】

ステップＳ１５では、動作シーケンス制御手段３８は上位系にはめ合い動作完了を通知するために、把持完了信号Ｒ_Ｈ＝０を出力し、ステップＳ４に戻り次の動作へ進む。

【0101】

以上、本発明に係る実施形態によれば、指先と奥側に複数の力センサーを配置し、外力・把持力計算手段において外力パターン（１）～（４）に基づいて、外力ｆ_ｅｘおよび把持力を計算することに特徴がある。

【0102】

従来の１つの指に１つの力センサーを配置する構成では、図５の外力パターン（４）に示すように、把持物体が指先方向に長く、指先から離れた位置に外力ｆ_ｅｘａが加わると指先を支点とするモーメントＭが発生し、その効果により力ｆ_ｅｘｂが発生し力センサーに検知される。このため、ｆ_ｅｘｂに対する外力制御により、外力ｆ_ｅｘａとは逆向きに指が動作するという課題が発生する。

【0103】

この課題に対し、本発明に係る実施形態によれば外力パターン（４）の場合にｆ_ｅｘａの向きを反転させて外力制御を行うため、指の動作方向は外力ｆ_ｅｘａと同じ向きとなり、正常な力制御の動作となる。これにより、把持状態に影響されることなく把持物体にかかる外力に対して力制御可能なロボットハンド１を提供することができる。

【0104】

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態におけるロボットハンド１は、図８に示すように外力・把持力計算手段４６において、把持力パターン判断手段５０が配設されていることが特徴である。その他の構成は第１実施形態の場合と同様であるので、詳細説明は省略する。

【0105】

把持力ｆ_ｉｎに関しては、把持力先端成分ｆ_ｉｎｆが（式１４）ｆ_ｉｎｆ＝（ｆ_Ｒｆ＋ｆ_Ｌｆ）／２によって計算され、把持力奥側成分ｆ_ｉｎｂが（式１５）ｆ_ｉｎｂ＝（ｆ_Ｒｂ＋ｆ_Ｌｂ）／２によって計算される（把持力計算手段４９）。

【0106】

把持力ｆ_ｉｎは、（式１６）ｆ_ｉｎ＝ｆ_ｉｎｆ＋ｆ_ｉｎｂによって計算される（把持力計算手段４９）。

【0107】

把持力パターン判断手段５０では、図９に示す次の５つの把持力パターンの場合分けで概ねの把持位置を推定する。

【0108】

把持力パターン（１）は、ｆ_ｉｎｆ＞０、ｆ_ｉｎｂ＝０の場合のパターンであり、指先端側での把持（力センサー１４Ｒ_ｆ、１４Ｌ_ｆの領域での把持）位置となるパターンである。

【0109】

把持力パターン（２）は、ｆ_ｉｎｆ＞ｆ_ｉｎｂ＞０の場合のパターンであり、中央付近指先寄りでの把持位置となるパターンである。

【0110】

把持力パターン（３）は、ｆ_ｉｎｆ≒ｆ_ｉｎｂの場合のパターンであり、中央付近での把持（力センサー１４Ｒ_ｆ、１４Ｒ_ｂの境界付近）位置となるパターンである。

【0111】

把持力パターン（４）は、ｆ_ｉｎｂ＞ｆ_ｉｎｆ＞０の場合のパターンであり、中央付近指奥側寄りでの把持位置となるパターンである。

【0112】

把持力パターン（５）は、ｆ_ｉｎｂ＞０、ｆ_ｉｎｆ＝０の場合のパターンであり、指奥側での把持（力センサー１４Ｒ_ｂ、１４Ｌ_ｂの領域での把持）位置となるパターンである。

【0113】

本発明の第２実施形態によれば、把持力パターン判断手段５０を有することにより、概ねの把持位置を推定できるため、把持力パターン信号ｓ_ｉｎを動作制御手段２１に送信し、並進駆動ベルト１５Ｒ、１５Ｌを駆動することで、どのような把持状態からでも指中央付近での把持である把持力パターン（３）に持ち込むことができ、安定で確実な把持を実現することができる。

【0114】

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態におけるロボットハンド１は、図１０に示すように外力・把持力計算手段４６において、各力パターン判断手段５１が配設されていることが特徴である。その他の構成は、第１実施形態の場合と同様であるので詳細説明は省略する。

【0115】

各力パターン判断手段５１では、図１１Ａおよび図１１Ｂに示す３点で支持される安定把持状態か２点で支持される不安定把持状態かを判断する。

【0116】

各力パターン（Ａ）は、ｆ_Ｌｆ＞０、ｆ_Ｌｂ＞０、ｆ_Ｌｆ＞０の場合のパターンであり、安定把持状態を示すパターンである。

【0117】

各力パターン（Ｂ）は、ｆ_Ｌｆ＝０、ｆ_Ｌｂ＞０、ｆ_Ｌｆ＞０の場合のパターンであり、不安定把持状態を示すパターンである。

【0118】

上記以外にも物体の他の姿勢に対する各力パターンが存在するが、同様であるため詳細は省略する。

【0119】

本発明の第３実施形態によれば、各力パターン判断手段５１を有することにより安定把持状態であるかどうかを推定できるため、各力パターン信号ｓ_ｓｔを動作制御手段２１に送信し、並進駆動ベルト１５Ｒ、１５Ｌを駆動することで、安定把持状態に持ち込むことができるため、物体を落下させることなく確実な把持を実現することができる。

【0120】

なお、上記実施形態では指機構を平行リンク機構としたが、これに限られるわけではなく、例えば直動機構で平行指駆動を行うなど他の機構でも効果を発揮する。

【0121】

また、上記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

【産業上の利用可能性】

【0122】

本発明のロボットハンド、ロボットハンドの制御装置、制御方法、及び制御プログラムは、ロボットアームのエンドエフェクタとして物品の把持に使用可能な、グリッパハンド、グリッパハンド制御装置、制御方法、及び制御プログラムとして有用である。

【符号の説明】

【0123】

１ ロボットハンド
２ ハンド土台部
３ 指機構
４ 指関節
５ 手首接続部
６ 平行リンク機構
７ 指先機構
８ ロボットハンド制御手段
９ 指駆動サーボモーター
１０ 能動リンク
１１ 受動リンク
１２ 指骨格
１３ 指内側並進駆動機構
１４ 力センサー
１５ 並進駆動ベルト
１６ 並進駆動機構サーボモーター
１７ モーター側巻取りローラー
１８ 並進駆動機構巻きばね
１９ ばね側巻取りローラー
２０ 受動ローラー
２１ 動作制御手段
２２ 指逆運動学計算手段
２３ 指関節角度誤差計算手段
２４ 指関節角度誤差補償手段
２５ 把持力誤差計算手段
２６ 把持力誤差補償手段
２７ 力－トルク変換手段
２８ 位置・力制御選択手段
２９ ベルト逆運動学計算手段
３０ ベルトローラー角度誤差計算手段
３１ ベルトローラー角度誤差補償手段
３２ 指順運動学計算手段
３３ ベルト順運動学計算手段
３４ ロボットハンドＩ／Ｏ
３５ 制御コンピュータ
３６ モータードライバー
３７ Ａ／Ｄ変換器
３８ 動作シーケンス制御手段
３９ 目標軌道生成手段
４０ 力制御手段
４１ 上位系
４２ 外力誤差計算手段
４３ 外力誤差補償手段
４４ 外力制御切換手段
４５ 指－ベルト連動手段
４６ 外力・把持力計算手段
４７ 外力計算手段
４８ 外力パターン判断手段
４９ 把持力計算手段
５０ 把持力パターン判断手段
５１ 各力パターン判断手段

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11A】

【図11B】