特許 7260877 ロボットハンド、ロボットハンドの制御装置、およびロボットシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-11

(45)【発行日】2023-04-19

(54)【発明の名称】ロボットハンド、ロボットハンドの制御装置、およびロボットシステム

(51)【国際特許分類】

   B25J 15/08 20060101AFI20230412BHJP

【ＦＩ】

B25J15/08 U

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2019095392

(22)【出願日】2019-05-21

(65)【公開番号】P2020189359

(43)【公開日】2020-11-26

【審査請求日】2021-12-13

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 ［開催日］平成３０年６月２日［集会名、開催場所］ロボティクス・メカトロニクス講演会２０１８ ｉｎ Ｋｉｔａｋｙｕｓｈｕｈｔｔｐ：／／ｒｏｂｏｍｅｃｈ．ｏｒｇ／２０１８／北九州国際コンベンションゾーン（北九州市小倉北区浅野地区）［公開者］小山 佳祐［公開のタイトル］「触覚機能を内包する高速・高精度近接覚センサー第１報：センサモジュールの開発と接触判定の実現－」［公開された発明の内容］ロボティクス・メカトロニクス講演会２０１８ ｉｎ Ｋｉｔａｋｙｕｓｈｕにて、触覚機能を内包する高速・高精度近接覚センサについて公開した。

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 ［ウェブサイト公開日（早期）］平成３０年６月２７日［ウェブサイトのアドレス］ｈｔｔｐｓ：／／ｉｅｅｅｘｐｌｏｒｅ．ｉｅｅｅ．ｏｒｇ／ｄｏｃｕｍｅｎｔ／８３９８４３８ｈｔｔｐｓ：／／ｉｅｅｅｘｐｌｏｒｅ．ｉｅｅｅ．ｏｒｇ／ｓｔａｍｐ／ｓｔａｍｐ．ｊｓｐ？ｔｐ＝＆ａｒｎｕｍｂｅｒ＝８３９８４３８［公開者］小山 佳祐、下条 誠、妹尾 拓、石川 正俊［公開のタイトル］「Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ Ｈｉｇｈ－Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ Ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｉｌｔ，Ｄｉｓｔａｎｃｅ，ａｎｄ Ｃｏｎｔａｃｔ」［公開された発明の内容］小山 佳祐、下条 誠、妹尾 拓、石川 正俊が、Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ Ｈｉｇｈ－Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ Ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｉｌｔ，Ｄｉｓｔａｎｃｅ，ａｎｄ Ｃｏｎｔａｃｔについて公開した。

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 ［開催日］平成３０年９月４日［集会名、開催場所］第３６回日本ロボット学会学術講演会ｈｔｔｐ：／／ｒｓｊ２０１８．ｒｓｊ－ｗｅｂ．ｏｒｇ／中部大学春日井キャンパス（愛知県春日井市松本町１２００） ［公開者］小山 佳祐［公開のタイトル］「触覚機能を内包する高速・高精度近接覚センサー第２報：高速視覚センサの併用による高難度キャッチ－」［公開された発明の内容］第３６回日本ロボット学会学術講演会にて、触覚機能を内包する高速・高精度近接覚センサについて公開した。

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 ［ウェブサイト公開日（早期）］平成３１年１月７日［ウェブサイトのアドレス］ｈｔｔｐｓ：／／ｉｅｅｅｘｐｌｏｒｅ．ｉｅｅｅ．ｏｒｇ／ｄｏｃｕｍｅｎｔ／８６０３７４７ｈｔｔｐｓ：／／ｉｅｅｅｘｐｌｏｒｅ．ｉｅｅｅ．ｏｒｇ／ｓｔａｍｐ／ｓｔａｍｐ．ｊｓｐ？ｔｐ＝＆ａｒｎｕｍｂｅｒ＝８６０３７４７［公開者］小山 佳祐、妹尾 拓、下条 誠、石川 正俊［公開のタイトル］「Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ Ｈｉｇｈ－Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ Ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｉｌｔ，Ｄｉｓｔａｎｃｅ，ａｎｄ Ｃｏｎｔａｃｔ」［公開された発明の内容］小山 佳祐、下条 誠、妹尾 拓、石川 正俊が、Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ Ｈｉｇｈ－Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ Ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｉｌｔ，Ｄｉｓｔａｎｃｅ，ａｎｄ Ｃｏｎｔａｃｔについて公開した。

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(73)【特許権者】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002789

【氏名又は名称】弁理士法人ＩＰＸ

(72)【発明者】

【氏名】石川 正俊

(72)【発明者】

【氏名】妹尾 拓

(72)【発明者】

【氏名】下条 誠

(72)【発明者】

【氏名】小山 佳祐

【審査官】杉山 悟史

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２９７２０６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００９－２７４２０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－０６９１８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－０３６１５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６０－２５０４０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０１９０５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１５－５３４４８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－１０３０３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３４９４９２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２５Ｊ １／００ ～ ２１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象物を把持するロボットハンドであって、
近接覚センサを有する把持部を備え、
前記近接覚センサは、
１００Ｈｚ以上である第１動作周波数で動作し、
０．５ｍｍ以下の分解能で前記対象物との距離、及び前記対象物との接触を計測可能に構成され、
前記把持部は、前記近接覚センサによって前記第１動作周波数で計測された距離に基づいて、前記対象物を把持可能に構成され、
前記把持部は、前記近接覚センサと前記対象物との距離が閾値以下に接近してから接触が検出されるまで、ダンピング制御を実行され、
前記ダンピング制御は、前記近接覚センサで計測された距離の微分値から算出された速度を減速する方向に調整する制御である、
ロボットハンド。

【請求項2】

請求項１に記載のロボットハンドにおいて、
前記対象物は、ヤング率が５ＧＰａ以下である素材を含む柔軟物である、
ロボットハンド。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載のロボットハンドにおいて、
前記近接覚センサは、距離計測部と対象物接触部を具備し、
前記対象物接触部の対象物側端面は、前記距離計測部の対象物側端面よりも、対象物に近い距離差分値を有する位置に配置され、
前記距離計測部は、前記対象物と接触前状態である前記距離差分値よりも小さい距離を計測可能である、
ロボットハンド。

【請求項4】

請求項１～請求項３の何れか１つに記載のロボットハンドにおいて、
前記把持部は、一対の主指と１本の副指を備え、
前記主指は、互いに対向して対向方向に変位動作可能に構成され、
前記副指は、
前記近接覚センサを備え、
前記対向方向とは垂直方向に変位動作可能に構成され、
前記近接覚センサは対象物との角度を計測可能に構成される、
ロボットハンド。

【請求項5】

ロボットハンドの制御装置であって、前記ロボットハンドは、請求項１～請求項４の何れか１つに記載のロボットハンドであり、
本制御装置は、受信部と、制御部と、送信部とを備え、
前記受信部は、前記ロボットハンドにおける前記近接覚センサによって計測された距離を情報として受信可能に構成され、
前記制御部は、前記距離に基づいて、前記把持部を変位させるための制御信号を生成可能に構成され、
前記送信部は、前記制御信号を前記ロボットハンドに送信可能に構成される、
制御装置。

【請求項6】

請求項５に記載の制御装置において、
前記制御部は、前記距離の微分値に基づいて、前記把持部の速度を調整するための制御信号を生成可能に構成される、
制御装置。

【請求項7】

ロボットシステムであって、
ロボットハンドと、前記ロボットハンドの制御装置とを備え、
前記ロボットハンドは、請求項１～請求項４の何れか１つに記載のロボットハンドであり、
前記制御装置は、受信部と、制御部と、送信部とを備え、
前記受信部は、前記ロボットハンドにおける前記近接覚センサによって計測された距離を情報として受信可能に構成され、
前記制御部は、前記距離に基づいて、前記把持部を変位させるための制御信号を生成可能に構成され、
前記送信部は、前記制御信号を前記ロボットハンドに送信可能に構成される、
ロボットシステム。

【請求項8】

請求項７に記載のロボットシステムにおいて、
高速視覚センサをさらに具備し、
前記高速視覚センサは、１００Ｈｚ以上である第２動作周波数で動作する、
ロボットシステム。

【請求項9】

請求項８に記載のロボットシステムにおいて、
前記第１動作周波数と前記第２動作周波数の比率が整数である、
ロボットシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、産業用と医療用および家庭用などのロボットハンド、特に壊れやすい柔軟物を高速で把持する作業が必要なロボットハンド、ロボットハンドの制御装置、およびロボットシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

工業、商業、農業などの産業界、手術などの医療界、さらには家庭においてもロボットの活用が急激に進んでいる。その中で、例えば食料品業界では、果物やスティックケーキなどを箱詰めする様な作業がある。この様に、柔らかくて壊れやすい対象物を破壊的に潰すことなく、高速かつ高精度に把持することが可能なロボットが求められている。

【0003】

把持力を調節可能なロボットハンドとして特許文献１が提案されている。特許文献１では、ロボットハンドの指に複数の触覚センサを配置し、指先に対する対象物の当接の検出と、指の腹部による対象物の把持力を検出している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００５－３４９４９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１では、触覚センサを用いてロボットハンドと対象物の当接を検出している。すなわち、把持動作を実行する際に接触して初めて対象物の存在を検出することが可能となる。そのため、柔らかい対象物を高速に把持しようとした場合に、接触した時点ではロボットハンドの指部に大きなイナーシャが存在し、勢い余って柔らかい対象物を押し込んでしまい、弾性限度を超えて対象物を破壊してしまう可能性がある。

【0006】

本発明は、かかる事情を鑑みてなされたものであり、柔らかくて壊れやすい対象物を高速かつ高精度に把持可能な、ロボットハンド、ロボットハンドの制御装置、およびロボットシステム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】

【0007】

本発明によれば、対象物を把持するロボットハンドであって、近接覚センサを有する把持部を備え、前記近接覚センサは、１００Ｈｚ以上である第１動作周波数で動作し、０．５ｍｍ以下の分解能で前記対象物との距離を計測可能に構成され、前記把持部は、前記近接覚センサによって前記第１動作周波数で計測された距離に基づいて、前記対象物を把持可能に構成される、ロボットハンドが提供される。

【0008】

本発明に係るロボットハンドでは、近接覚センサを用いることによって、ロボットハンドが対象物に接触する前から対象物との距離を計測することが可能であり、柔軟である対象物に対しても優しい保持動作を行うことが出来る。この近接覚センサを１００Ｈｚ以上という高い動作周波数かつ０．５ｍｍ以下という高分解能で対象物との距離を計測することにより、ロボットハンドおよびロボットシステム全体として、高速かつ高精度な把持動作を実施することが出来るという有利な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態に係るロボットハンド１の構成図。

【図2】本発明の実施形態に係る近接覚センサ１２の構成図。

【図3】第１実施形態に係るロボットシステム１００の機能ブロック図。

【図4】第２実施形態に係るロボットシステム１００の構成概略図。

【図5】第２実施形態に係るロボットシステム１００の機能ブロック図。

【図6】本発明の実施形態に係るロボットシステム１００の制御アクティビティ図。

【図7】第３実施形態に係るロボットハンド１が薄板の把持動作を行っていることを説明する図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。特に、本明細書において「部」とは、例えば、広義の回路によって実施されるハードウェア資源と、これらのハードウェア資源によって具体的に実現されうるソフトウェアの情報処理とを合わせたものも含みうる。また、本実施形態においては様々な情報を取り扱うが、これら情報は、０または１で構成される２進数のビット集合体として信号値の高低によって表されるデジタル信号情報と、電圧・電流が連続的に変化するアナログ信号情報で、広義の回路上で通信・演算が実行されうる。

【0011】

また、広義の回路とは、デジタル回路（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、アナログ回路（Ａｎａｌｏｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、回路類（Ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）、プロセッサ（Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、およびメモリ（Ｍｅｍｏｒｙ）等を少なくとも適当に組み合わせることによって実現される回路である。すなわち、デジタル回路としては、特定用途向け集積回路（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス（例えば、単純プログラマブル論理デバイス（Ｓｉｍｐｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ：ＳＰＬＤ）、複合プログラマブル論理デバイス（Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＰＬＤ）、およびフィールドプログラマブルゲートアレイ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ：ＦＰＧＡ））等を含むものである。また、アナログ回路としては抵抗、コンデンサ（Ｃａｐａｓｉｔｏｒ）、インダクタ（Ｉｎｄｕｃｔｏｒ）などの受動素子（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）、ダイオード（Ｄｉｏｄｅ）、トランジスタ（Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、サイリスタ（Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、ゲートターンオフサイリスタ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ－Ｏｆｆ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ：ＧＴＯ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＩＧＢＴ）などのディスクリート半導体（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、およびロックインアンプ（Ｌｏｃｋ－ｉｎ Ａｍｐｌｉｆｉｌｅｒ）、フィルタ（Ｆｉｌｔｅｒ）、コンパレータ（Ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ）などのアナログ集積回路（Ａｎａｌｏｇ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等を含むものである。さらに、デジタル回路とアナログ回路の境界部に、Ｄ／Ａコンバータ（Ｄｉｇｉｔａｌ－ｔｏ－Ａｎａｌｏｇ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）もしくはＡ／Ｄコンバータ（Ａｎａｌｏｇ－ｔｏ－Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を使用する回路構成も可能である。

【0012】

１．ロボットハンド１
第１章では、ロボットハンド１の構成について図面を用いて説明する。

【0013】

１．１ ロボットハンド１全体構成
図１は、本発明の実施形態に係るロボットハンド１の構成図である。図１では２本の指状である把持部１１（ａ）（ｂ）を有するロボットハンドを示している。ここでは、説明を簡単にするため、対象物ＯＢＪがｙｚ２次元平面状を移動するものとしている。対象物ＯＢＪの移動範囲が３次元空間である場合など、把持部１１は複数本あれば良く、本数は限定されない。把持部１１（ａ）（ｂ）は、それぞれ内側に変位動作（図１中矢印ｍａ、ｍｂ）することにより、矢印ｍｏ方向に移動してくる対象物ＯＢＪを挟む形で把持可能な構成となっている。

【0014】

指状の把持部１１（ａ）（ｂ）は指先に、それぞれ近接覚センサ１２（ａ）（ｂ）を有しており、把持部１１（ａ）（ｂ）内側に存在する対象物ＯＢＪに対して、距離および接触を計測可能な構成となっている。図１では、近接覚センサ１２（ａ）（ｂ）において、距離計測部１３および対象物接触部１４が配置されている場合を示している。なお、距離計測部１３と対象物接触部１４については後述する。

【0015】

図１における近接覚センサ１２（ａ）（ｂ）は、非接触から接触状態までを高速かつ高精度に計測可能な構成となっている。移動する対象物ＯＢＪに対して高速かつ高精度な把持動作の目的を達成するには、近接覚センサ１２の計測周期である第１動作周波数は、１００Ｈｚ以上と高いものが好ましく、さらに好ましいのは５００Ｈｚ以上である。具体的には例えば、１００、１２０、１４０、１６０、１８０、２００、２２０、２４０、２６０、２８０、３００、３２０、３４０、３６０、３８０、４００、４２０、４４０、４６０、４８０、５００、５２０、５４０、５６０、５８０、６００、６２０、６４０、６６０、６８０、７００、７２０、７４０、７６０、７８０、８００、８２０、８４０、８６０、８８０、９００、９２０、９４０、９６０、９８０、１０００、１０２０、１０４０、１０６０、１０８０、１１００、１１２０、１１４０、１１６０、１１８０、１２００、１２２０、１２４０、１２６０、１２８０、１３００、１３２０、１３４０、１３６０、１３８０、１４００、１４２０、１４４０、１４６０、１４８０、１５００、１５２０、１５４０、１５６０、１５８０、１６００、１６２０、１６４０、１６６０、１６８０、１７００、１７２０、１７４０、１７６０、１７８０、１８００、１８２０、１８４０、１８６０、１８８０、１９００、１９２０、１９４０、１９６０、１９８０、２０００であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であっても良い。

【0016】

また、近接覚センサ１２が計測する距離の分解能は、０．５ｍｍ以下と小さいものが好ましく、さらに好ましくは０．２ｍｍ以下である。具体的には例えば、具体的には例えば、０．０２、０．０４、０．０６、０．０８、０．１、０．１２、０．１４、０．１６、０．１８、０．２、０．２２、０．２４、０．２６、０．２８、０．３、０．３２、０．３４、０．３６、０．３８、０．４、０．４２、０．４４、０．４６、０．４８、０．５ｍｍであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であっても良い。

【0017】

上記の高速度かつ高分解能を達成できれば、近接覚センサ１２のうち距離計測部１３の方式は限定されず、光反射方式、超音波反射時間方式、電磁誘導方式（渦電流方式）、静電容量方式などが適用可能である。この中でもＬＥＤやフォトダイオードを構成要素とし、位相情報を利用した光反射方式が小型化の観点で有利である。

【0018】

図１に示す把持部１１（ａ）（ｂ）ではそれぞれ２つの関節型である駆動部１５を有している。ロボットハンド１全体として、対象物ＯＢＪを把持可能とできる方向および変位距離を確保できる構成であれば、駆動部１５の個数は限定されない。また、駆動部１５の方式も多関節型以外に、直線型のアクチュエータの組み合わせなど任意の方式で構わない。さらには駆動源も電力に限定されず、油圧、空気圧なども利用可能である。

【0019】

１．２ 近接覚センサ１２
本実施形態に係る近接覚センサ１２の構成を図２に示す。土台となる近接覚センサベース１６の対象物ＯＢＪ側に、距離計測部１３と対象物接触部１４を配置している。対象物接触部１４の対象物ＯＢＪ側端面１４ｅは、距離計測部１３の対象物ＯＢＪ側端面１３ｅよりも対象物ＯＢＪに近い位置にあり、その距離差分値がｄｇである。このように配置することにより、ロボットハンド１が把持動作を行う際には対象物接触部１４が対象物ＯＢＪに接触して把持動作を行うこととなる。

【0020】

対象物接触部１４の配置は必須では無く、距離計測部１３が対象物ＯＢＪに接触する形で把持動作を実行することも可能であるが、対象物接触部１４を配置することにより以下の動作が可能となる。対象物接触部１４の対象物ＯＢＪ側端面１４ｅと対象物ＯＢＪとの間の距離ｄｏは、距離計測部１３が計測した対象物ＯＢＪとの距離ｄｍから距離差分値ｄｇを引いた（ｄｍ－ｄｇ）となる。このとき、距離計測部１３の計測可能最小距離が距離差分値ｄｇよりも小さくすることができれば、対象物接触部１４の対象物ＯＢＪ側端面１４ｅと対象物ＯＢＪとの間の距離ｄｏが０になるまで計測可能となる。換言すると、近接覚センサ１２が、距離計測部１３と対象物接触部１４を具備し、前記対象物接触部１４の対象物ＯＢＪ側端面１４ｅは、前記距離計測部１３の対象物ＯＢＪ側端面１３ｅよりも、対象物に近い距離差分値ｄｇを有する位置に配置され、前記距離計測部１３は、前記対象物と接触前状態である前記距離差分値ｄｇよりも小さい距離を計測可能に構成すれば、距離計測部１３の計測値ｄｍの最小値が０で無くても、近接覚センサ１２全体としては対象物ＯＢＪとの距離ｄｏを接触する距離０まで計測可能である。

【0021】

さらに、対象物接触部１４を、弾性率が既知である弾性体で構成すれば、近接覚センサ１２と対象物ＯＢＪが接触した後の把持動作による対象物接触部１４の変形量すなわち距離差分値ｄｇの変化量を計測し、その変化量から対象物ＯＢＪに印加されている圧力を計測できるという利点も有する。

【0022】

２．ロボットシステム１００
第２章では、ロボットシステム１００の構成について図面を用いて説明する。図３に第１実施形態に係るロボットシステム１００の機能ブロック図を示す。ロボットシステム１００は、第１章で説明したロボットハンド１および制御装置２よりより構成されている。制御装置２に関してこれから詳しく説明する。

【0023】

２．１ 制御装置２
図３に示す通り、制御装置２は、受信部２１と、送信部２２と、記憶部２３と、制御部２４とを有し、これらの構成要素が制御装置２の内部において通信バス２０を介して電気的に接続されている。以下、各構成要素についてさらに説明する。

【0024】

＜受信部２１＞
受信部２１は、ロボットハンド１内の近接覚センサ１２が計測した情報ｓｐを受信する機能を有する。ＵＡＲＴ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ／Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）、ＩＥＥＥ１３９４、Ｔｈｕｎｄｅｒｂｏｌｔ、有線ＬＡＮネットワーク通信等といった有線型の通信手段が好ましいものの、無線ＬＡＮネットワーク通信、５Ｇ／ＬＴＥ／３Ｇ等のモバイル通信、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）通信等を必要に応じて含めてもよい。これらは一例であり、専用の通信規格を採用してもよい。すなわち、これら複数の通信手段の集合として実施することがより好ましい。

【0025】

図３においては、簡単のため１つの近接覚センサ１２から１本の線で接続されている様子を示しているが、複数の近接覚センサ１２からそれぞれ別に専用線で接続しても良いし、ロボットハンド１内で複数の近接覚センサ１２が計測した情報を論理的に纏めた後で、物理的な接続はまとめて１つとする構成とすることも可能である。

【0026】

＜送信部２２＞
送信部２２は、後に説明する制御部２４で生成した制御信号ｓｄを、ロボットハンド１の駆動部１５向けに送信するものである。通信手段は受信部２１と同様に有線型や無線型の通信手段を用いることが可能であり、限定されない。
＜記憶部２３＞
記憶部２３は、様々な情報を記憶する揮発性又は不揮発性の記憶媒体である。これは、例えばソリッドステートドライブ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ：ＳＳＤ）等のストレージデバイスとして、あるいは、プログラムの演算に係る一時的に必要な情報（引数、配列等）を記憶するランダムアクセスメモリ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ：ＲＡＭ）等のメモリとして実施されうる。また、これらの組合せであってもよい。

【0027】

特に、記憶部２３は、個々の作業種別や作業内容に関する各種パラメータ、対象物ＯＢＪに関して形状や材質に関する情報を記憶している。

【0028】

また、記憶部２３は、制御部２４によって実行される制御装置２に係る種々のプログラム等を記憶している。具体的には例えば、後述する粗位置制御、近接位置制御、ダンピング制御、接触検出などを演算し、制御信号ｓｄを生成するプログラムである。

【0029】

＜制御部２４＞
制御部２４は、制御装置２に関連する全体動作の処理・制御を行う。制御部２４は、例えば不図示の中央処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：ＣＰＵ）である。制御部２４は、記憶部２３に記憶された所定のプログラムを読み出すことによって、制御装置２に係る種々の機能を実現する。具体的には、対象物ＯＢＪ毎に予め与えられた情報、受信部２１を介して受信した近接覚センサ１２が計測した情報を基に制御信号ｓｄを生成し、送信部２２を介して駆動部１５に送出する機能が該当する。

【0030】

すなわち、ソフトウェア（記憶部２３に記憶されている）による情報処理がハードウェア（制御部２４）によって具体的に実現されることで、粗位置制御部２４１、近接位置制御部２４２、ダンピング制御部２４３、接触検出部２４４として実行されうる。なお、図３においては、単一の制御部２４として表記されているが、実際はこれに限るものではなく、機能ごとに複数の制御部２４を有するように実施してもよい。またそれらの組合せであってもよい。以下、粗位置制御部２４１、近接位置制御部２４２、ダンピング制御部２４３、接触検出部２４４についてさらに詳述する。

【0031】

［粗位置制御部２４１］
粗位置制御部２４１は、ソフトウェア（記憶部２３に記憶されている）による情報処理がハードウェア（制御部２４）によって具体的に実現されているものである。粗位置制御部２４１は、近接覚センサ１２の計測可能範囲内に対象物ＯＢＪが位置するように、精度の粗い位置制御を行うもので、ロボットハンド１の駆動部１５に対する制御信号ｓｄを生成する。生産ラインなどにおいて、予め設定された位置となるようにロボットハンド１を制御することも可能であるし、後述する第２実施形態の様に、近接覚センサ１２とは別に広い計測範囲でロボットハンド１と対象物ＯＢＪの位置関係を計測可能なセンサを有する場合は、その計測結果を用いて粗位置制御を行うことも可能である。

【0032】

［近接位置制御部２４２］
近接位置制御部２４２は、ソフトウェア（記憶部２３に記憶されている）による情報処理がハードウェア（制御部２４）によって具体的に実現されているものである。ロボットハンド１内の近接覚センサ１２が計測した距離に基づいて、ロボットハンド１が対象物ＯＢＪを把持できる様に精度が高い位置制御を行うものである。複数の把持部１１毎に配置された近接覚センサ１２毎にその時点での目標距離ｄｒｅｆが設定され、実際に近接覚センサ１２で計測された距離ｄｏ（図２参照）との間の差分値（ｄｏ－ｄｒｅｆ）を基に把持部１１の近接覚センサ１２（指先）位置を修正する。また、複数の近接覚センサ１２、具体的には例えば図１における近接覚センサ１２（ａ）と近接覚センサ１２（ｂ）の距離計測結果から対象物ＯＢＪの幅を計測することが可能であり、あらかじめ記憶部２３に設定されている幅の値との誤差を検出し、それに基づく近接覚センサ１２位置の目標値の補正も行う。

【0033】

［ダンピング制御部２４３］
ダンピング制御部２４３は、ソフトウェア（記憶部２３に記憶されている）による情報処理がハードウェア（制御部２４）によって具体的に実現されているものである。上述した粗位置制御部２４１および近接位置制御部２４２による制御によって、対象物ＯＢＪを把持することは可能であるが、対象物ＯＢＪに凹凸がある場合などでは、早い速度で把持部１１が対象物ＯＢＪに衝突する場合がある。対象物ＯＢＪが剛体である場合には特に問題にはならないが、対象物ＯＢＪが柔軟物、具体的には例えばヤング率が５ＧＰａ以下であるような素材を含む場合には、接触直後の対象物ＯＢＪの変形（潰れ）が大きくなる。そのとき、対象物ＯＢＪの弾性変形領域（弾性限度）を超えて潰れた場合には塑性変形が起きてしまい、すなわち対象物ＯＢＪが破壊されてしまう。

【0034】

この塑性変形を防ぐために、近接覚センサ１２で計測した距離の微分値から把持部１１（近接覚センサ１２）の速度を算出し、近接覚センサ１２の速度を減速する方向に調整するダンピング制御を行う。このダンピング制御は近接覚センサ１２が対象物ＯＢＪに接近してからのみ実行することで、把持動作全体の高速動作からの逸脱は最小に抑えることが可能である。

【0035】

［接触検出部２４４］
接触検出部２４４は、ソフトウェア（記憶部２３に記憶されている）による情報処理がハードウェア（制御部２４）によって具体的に実現されているものである。接触検出部２４４は、対象物ＯＢＪが近接覚センサ１２の対象物接触部１４に接触した状態を検出するものである。図２における対象物接触部１４の対象物ＯＢＪ側端面１４ｅと対象物ＯＢＪとの距離ｄｏが０となったときを接触と定義する。近接覚センサ１２の距離計測部１３が計測した対象物ＯＢＪとの距離ｄｍおよび順運動学で計算した近接覚センサ１２位置の変化より接触を検出することが可能である。

【0036】

検出方法としては、１）距離計測部１３が計測した距離ｄｍが、対象物接触部１４の対象物ＯＢＪ側端面１４ｅと、距離計測部１３の対象物ＯＢＪ側端面１３ｅの位置の差分値ｄｇと等しくなった時点を接触と判定する。および、２）近接覚センサ１２の位置の移動量と距離の変化量の差を計算し、その差が予め設定した閾値を上回った時点を接触と判定する、という２つの方法を取ることが出来る。２方法の選択は限定されないが、表面が滑らかな対象物ＯＢＪには方法１）を、凹凸の程度が大きい対象物ＯＢＪには方法２）を適用することが好ましい。

【0037】

さらに、１．２節でも記述したとおり、対象物接触部１４を、弾性率が既知である弾性体で構成すれば、近接覚センサ１２と対象物ＯＢＪが接触した後の把持動作による対象物接触部１４の変形量すなわち距離（位置）の差分値ｄｇの変化量を計測することで、その変化量から対象物ＯＢＪに印加されている圧力（把持力）を計算することが可能となる。この様に間接的に圧力を計測できれば、対象物ＯＢＪの重量やロボットシステム１００に与えられた作業内容毎に異なる最適な圧力で対象物ＯＢＪを把持する制御を行うことが出来る。

【0038】

２．２ 第２実施形態
図４に本発明の第２実施形態に係るロボットシステム１００の構成概略図、図５に当該ロボットシステム１００の機能ブロック図を示す。第２実施形態では、カメラ型の高速視覚センサ３（ａ）３（ｂ）を配置している。図４では２つの高速視覚センサ３を配置して対象物ＯＢＪの３次元空間座標を広範囲に計測可能とした場合を示しているが高速視覚センサ３の個数は限定されず、例えばコンベア上を移動する対象物ＯＢＪを計測する場合などでは２次元計測で充分であり高速視覚センサ３の数も１つとすることが出来る。

【0039】

図５に示すとおり、この高速視覚センサ３の計測結果情報ｓｃは、受信部２１を介して制御部２４に供給され、制御部２４内の粗位置制御部２４１で活用される。

【0040】

図４、図５における高速視覚センサ３は、移動する対象物ＯＢＪに対して高速な位置計測が求められる。高速視覚センサ３の計測周期（フレームレート）である第２動作周波数は、１００Ｈｚ以上と高いものが好ましく、さらに好ましいのは５００Ｈｚ以上である。具体的には例えば、１００、１２０、１４０、１６０、１８０、２００、２２０、２４０、２６０、２８０、３００、３２０、３４０、３６０、３８０、４００、４２０、４４０、４６０、４８０、５００、５２０、５４０、５６０、５８０、６００、６２０、６４０、６６０、６８０、７００、７２０、７４０、７６０、７８０、８００、８２０、８４０、８６０、８８０、９００、９２０、９４０、９６０、９８０、１０００、１０２０、１０４０、１０６０、１０８０、１１００、１１２０、１１４０、１１６０、１１８０、１２００、１２２０、１２４０、１２６０、１２８０、１３００、１３２０、１３４０、１３６０、１３８０、１４００、１４２０、１４４０、１４６０、１４８０、１５００、１５２０、１５４０、１５６０、１５８０、１６００、１６２０、１６４０、１６６０、１６８０、１７００、１７２０、１７４０、１７６０、１７８０、１８００、１８２０、１８４０、１８６０、１８８０、１９００、１９２０、１９４０、１９６０、１９８０、２０００であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であっても良い。

【0041】

粗位置制御部２４１では高速視覚センサ３の計測情報が、近接位置制御部２４２では近接覚センサ１２の計測情報が用いられるが、粗位置制御と近接位置制御は瞬間的に切り替えるのではなく、粗位置制御１００％である状態から、近接位置制御が可能になった時点から徐々に近接位置制御の割合を増やして、最終的に近接位置制御１００％とすることで、連続性が高い制御を行うことが出来る。その際には近接覚センサ１２の第１動作周波数と高速視覚センサ３の第２動作周波数が１を含む整数比であることが好ましい。整数比とすることで、動作周波数が遅い方のセンサ動作時には、固定時間差である他方のセンサの計測結果を活用することが出来るため、円滑な制御移行を行うことが可能となる。

【0042】

３ 制御プロセス
第３章では、ロボットシステム１００の制御プロセスについて記述する。図６はロボットシステム１００が対象物ＯＢＪに対して把持作業を実行する制御アクティビティ図である。以下、図面を参照しながら説明する。

【0043】

（アクティビティＡ１）
ロボットシステム１００としての作業開始後に先ず粗位置制御部２４１が粗位置制御として、対象物ＯＢＪに近接覚センサ１２（把持部１１）を接近させる制御を実行する。２．１節で記述した様に予め設定された動作となる様に制御を行うことも可能であるし、２．２節で記述した様に高速視覚センサ３の計測結果を用いて制御を行うことも可能である。

【0044】

（アクティビティＡ２）
アクティビティＡ１の粗位置制御の結果、対象物ＯＢＪと近接覚センサ１２間の距離が第１閾値以下に接近したら近接位置制御部２４２が近接覚センサ１２を用いた近接位置制御を開始する。ここで第１閾値は、近接覚センサ１２の計測可能最大距離よりも小さい値が設定される。近接位置制御により対象物ＯＢＪと近接覚センサ１２間の距離が第２閾値以下に接近したらアクティビティＡ３が起動され、第３閾値以下に接近したら、アクティビティＡ１が終了し、第４閾値以下に接近したらアクティビティＡ４が起動される。図６では、第２閾値、第３閾値、第４閾値の順に小さい場合を示しているが、これらの大小関係はこの順番に限定されない。

【0045】

（アクティビティＡ３）
アクティビティＡ２の近接位置制御の結果、対象物ＯＢＪと近接覚センサ１２間の距離が第２閾値以下に接近したらダンピング制御が行われる。２．１節で記述したように、ダンピング制御は近接覚センサ１２で計測した距離の微分値から速度を算出して、近接覚センサ１２の速度を減速する方向に調整する。このダンピング制御は接触が検出されるまで継続される。

【0046】

（アクティビティＡ４）
アクティビティＡ２の近接位置制御の結果、対象物ＯＢＪと近接覚センサ１２間の距離が第４閾値以下に接近したら接触検出処理が実行される。２．１節で記述したように、接触検出には距離計測部１３が計測した対象物ＯＢＪとの距離ｄｍや順運動学で計算した近接覚センサ１２位置の変化により、接触状態を検出する。必要に応じ対象物接触部１４の変形量から対象物ＯＢＪに加わる圧力を計算することも可能である。接触が検出された、あるいは対象物ＯＢＪに加わる圧力が予め設定された段階で把持作業制御が終了となる。

【0047】

図６では、それぞれのアクティビティは１つずつ示しているが、複数の把持部１１を有するロボットシステム１００においては、全ての把持部への制御を同一タイミングで行う必要は無く、把持部１１毎に異なるタイミングで制御を実行することも可能であることに留意されたい。

【0048】

４．ロボットハンド１の変形例
第４章では第３実施形態について説明する。第３実施形態として、把持部１１として１対の主指１１（ａ）、１１（ｂ）と１本の副指１１（ｃ）を備えたロボットハンド１を図７に示す。主指１１（ａ）と主指１１（ｂ）は互いに対向して対向方向に変位動作可能に構成されている。また、副指１１（ｃ）は主指１１（ａ）、１１（ｂ）の対向方向とは垂直方向に変位動作可能に構成されている。

【0049】

副指１１（ｃ）は指先側に近接覚センサ１２（ｃ）を具備しており、この近接覚センサ１２は距離だけではなく、傾き角度を計測可能に構成されている。傾き角度の計測方式は限定されるものでは無いが、例えば、ＬＥＤやフォトダイオードを構成要素とし、位相情報を利用した光反射方式を適用することが可能である。

【0050】

この１対の主指１１（ａ）、１１（ｂ）と１本の副指１１（ｃ）を備えたロボットハンド１は、図７に示す様な薄板状対象物ＰＥＧをフレームＦＲＭに挿入させる作業を効率良く実施することが可能である。手順を以下に説明する。（Ａ）先ず、主指１１（ａ）と主指１１（ｂ）で薄板状対象物ＰＥＧを把持し、副指１１（ｃ）でその上部を支えることにより、薄板状対象物ＰＥＧが１方向にのみ回転可能な状態とする。ロボットハンド１全体を下方向に回転させて、薄板状対象物ＰＥＧとフレームＦＲＭを接触させる。このとき、薄板状対象物ＰＥＧの姿勢変化を近接覚センサ１２（ｃ）で検出する。（Ｂ）続いて、ロボットハンド１全体を旋回運動など変位させ、薄板状対象物ＰＥＧとフレームＦＲＭを接触したままなぞり動作を行う。このなぞり動作の間、近接覚センサ１２（ｃ）は薄板状対象物ＰＥＧの姿勢計測を継続する。薄板状対象物ＰＥＧとフレームＦＲＭの開口部が一致したところで、薄板状対象物ＰＥＧの角度θが変化するのでその時点でなぞり動作を終了する。（Ｃ）近接覚センサ１２（ｃ）の対象物接触部１４が予め設定された閾値を超えるまで下方向に変位動作を行う。以上の制御により薄板状対象物ＰＥＧをフレームＦＲＭに挿入することが出来る。このとき、薄板状対象物ＰＥＧは１方向にのみ回転する様に把持されているため、極めて小さい接触力で挿入動作を実行することができる。

【0051】

５．結言
以上の様に、本実施形態によれば、柔らかくて壊れやすい対象物ＯＢＪを高速かつ高精度に把持可能な、ロボットハンド１、ロボットハンド１の制御装置２、およびロボットシステム１００を実施することが出来る。

【0052】

かかるロボットハンド１は、対象物を把持するロボットハンド１であって、近接覚センサを１２有する把持部１１を備え、前記近接覚センサ１２は、１００Ｈｚ以上である第１動作周波数で動作し、０．５ｍｍ以下の分解能で前記対象物ＯＢＪとの距離を計測可能に構成され、前記把持部１１は、前記近接覚センサ１２によって前記第１動作周波数で計測された距離に基づいて、前記対象物ＯＢＪを把持可能に構成される、ロボットハンド１である。

【0053】

かかるロボットハンド１の制御装置２は、前記ロボットハンドは、請求項１～請求項４の何れか１つに記載のロボットハンド１であり、本制御装置は、受信部２１と、制御部２４と、送信部２２とを備え、前記受信部２１は、前記ロボットハンド１における前記近接覚センサ１２によって計測された距離を情報ｓｐとして受信可能に構成され、前記制御部２４は、前記距離に基づいて、前記把持部１１を変位させるための制御信号ｓｄを生成可能に構成され、前記送信部２２は、前記制御信号ｓｄを前記ロボットハンド１に送信可能に構成される、制御装置２である。

【0054】

かかるロボットシステム１００は、ロボットハンド１と、前記ロボットハンド１の制御装置２とを備え、前記ロボットハンド１は、請求項１～請求項４の何れか１つに記載のロボットハンド１であり、前記制御装置２は、受信部２１と、制御部２４と、送信部２２とを備え、前記受信部２１は、前記ロボットハンド１における前記近接覚センサ１２によって計測された距離を情報ｓｐとして受信可能に構成され、前記制御部２４は、前記距離に基づいて、前記把持部１１を変位させるための制御信号ｓｄを生成可能に構成され、前記送信部２２は、前記制御信号ｓｄを前記ロボットハンド１に送信可能に構成される、ロボットシステム１００である。

【0055】

最後に、本発明に係る種々の実施形態を説明したが、これらは、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。当該新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。当該実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0056】

１ ：ロボットハンド
１１ ：把持部
１２ ：近接覚センサ
１３ ：距離計測部
１４ ：対象物接触部
１５ ：駆動部
１６ ：近接覚センサベース
２ ：制御装置
２０ ：通信バス
２１ ：受信部
２２ ：送信部
２３ ：記憶部
２４ ：制御部
２４１ ：粗位置制御部
２４２ ：近接位置制御部
２４３ ：ダンピング制御部
２４４ ：接触検出部
３ ：高速視覚センサ
１００ ：ロボットシステム
ＯＢＪ ：対象物
ＰＥＧ ：薄板状対象物
ＦＲＭ ：フレーム
θ ：角度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】