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(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】2024-05-21
(45)【発行日】2024-05-29
(54)【発明の名称】リンク機構
(51)【国際特許分類】
B25J 13/00 20060101AFI20240522BHJP
B25J 17/00 20060101ALI20240522BHJP
B25J 15/08 20060101ALI20240522BHJP
B25J 19/06 20060101ALI20240522BHJP
F16H 1/28 20060101ALI20240522BHJP
F16H 49/00 20060101ALI20240522BHJP
【ＦＩ】
B25J13/00 Z
B25J17/00 E
B25J15/08 J
B25J19/06
F16H1/28
F16H49/00 A
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2022529254
(86)(22)【出願日】2020-06-04
(86)【国際出願番号】 JP2020022131
(87)【国際公開番号】W WO2021245884
(87)【国際公開日】2021-12-09
【審査請求日】2023-04-05
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 ・刊行物名 小型・低摩擦アクチュエータＭａｇＬｉｎｋａｇｅの開発とハンド応用、学会発表＿予稿集、Ｎｏ．１９－２ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２０１９ ＪＳＭＥ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ，Ｈｉｒｏｓｈｉｍａ，Ｊａｐａｎ，Ｊｕｎｅ ５－８，２０１９ 発行日 令和 １年 ６月 ５日 ・集会名 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス 講演会 ２０１９ ｉｎ Ｈｉｒｏｓｈｉｍａ 開催場所 広島国際会議場（広島県広島市） 開催日 令和 １年 ６月 ５日 ・刊行物名 小型・低摩擦アクチュエータ”ＭａｇＬｉｎｋａｇｅ”を用いた低衝撃・ノンストップ把持、学会発表＿予稿集、第３７回日本ロボット学会学術講演会（２０１９年９月３日～７日） 発行日 令和 １年 ９月 ３日 ・広報資料 ＭａｇＬｉｎｋａｇｅ ｗｉｔｈ ＭａｇＴｒａｎ 発行日 令和 １年 ６月 １１日 ・広報資料 歯のない歯車 マグトラン（株式会社エフ・イー・シー） 発行日 令和 １年 ６月 ２５日 ・広報資料 壊さない、壊れないロボットハンド 発行日 令和 １年 １２月 １８日 ・刊行物名 鹿児島読売新聞掲載広告「日本のものづくりを支えるロボット工学研究」 発行日 令和 １年 １０月 ２６日 ・刊行物名 疑似ダイレクトドライブロボット「マグリンケージハンド」 発行日 令和 ２年 １月 ・広報資料 ＜小型・低摩擦アクチュエータ ＭａｇＬｉｎｋａｇｅを備えた多指ハンドシステム＞ 発行日 令和 １年 １１月 ２２日 ・広報資料 ＳＤＰ１６ＨＢ（ＭａｇＬｉｎｋａｇｅ仕様）の特徴 発行日 令和 ２年 ２月 １４日 ・刊行物名 日刊工業新聞 令和１年９月２７日付 発行日 令和 １年 ９月 ２７日
(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】110000338
【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ
(72)【発明者】
【氏名】小山 佳祐
【審査官】松浦 陽
(56)【参考文献】
【文献】特開２００５－１５３０４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－１３６２６０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１５／０５３００５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１３－１２１２６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－１６３１８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－２１１６６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０９０９９１２１（ＣＮ，Ａ）
【文献】小山佳祐，マグリンケージ，Keisuke Koyama HP [オンライン]，2019年12月26日，[検索日2020.08.05], インターネット＜URL: https://kk-hs-sa.website/research/maglinkage/index-j. html＞
【文献】小山佳祐，小型・低摩擦アクチュエータMagLinkageを備えた多指ハンドシステム，東京大学石川グ ループ研究室ホームページ [オンライン]，2019年09月01日，[検索日2020.08.05], インターネット＜ ＵＲＬ：http://ishikawa-vision.org/fusion/MagLinkage_hand/index-j.html＞
【文献】石田雅彦，『西日本製造技術イノベーション２０１９』現地レポート，みんなの試作広場（ｍｉｎｓａｋｕ） [オンライン]，2019年08月01日，[検索日:2020.08.05], インターネット＜ＵＲＬ：https:// minsaku.com/articles/post400/＞
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２５Ｊ １／００－２１／０２
Ｆ１６Ｈ １／２８
Ｆ１６Ｈ４９／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１リンクと、前記第１リンクの一端側に連結された第１関節と、
前記第１リンクの他端側に連結された第２関節と、
前記第２関節に一端側が連結された第２リンクと、
第３リンクと、
前記第３リンクの一端側に連結された第３関節と、
前記第３リンクの他端側に連結された第４関節と、
前記第４関節に一端側が連結された第４リンクとを備え、
前記第１関節、前記第２関節、前記第３関節、及び前記第４関節が、
モータと、
前記モータの回転軸に連結された第１磁石歯車と、
前記第１磁石歯車と磁気的に係合する第２磁石歯車と、
前記第２磁石歯車の回転軸に連結された遊星減速機とを備えたアクチュエータユニットを有し、
対象物を低衝撃で把持するために、前記第１関節をダンピング制御するとともに前記第２関節をコンプライアンス制御する第１フェーズと、前記第３関節を位置制御するとともに前記第４関節を前記対象物に向かって近づける第２フェーズと、前記第１関節を位置制御するとともに前記第４関節のコンプライアンス制御による仮想バネの変位が一定となるように第３関節を位置制御する第３フェーズとをこの順番に実行する第１制御回路をさらに備え、
前記第１関節、前記第１リンク、前記第２関節、及び前記第２リンクが、ロボットハンドの第１指を構成し、
前記第３関節、前記第３リンク、前記第４関節、及び前記第４リンクが、前記ロボットハンドの第２指を構成し、
前記第１関節が、前記ロボットハンドの前記第１指の根元関節であり、
前記第２関節が、前記ロボットハンドの前記第１指の指先関節であり、
前記第３関節が、前記ロボットハンドの前記第２指の根元関節であり、
前記第４関節が、前記ロボットハンドの前記第２指の指先関節であることを特徴とするリンク機構。
【請求項2】
前記モータが、前記遊星減速機の出力軸に外力トルクが作用した際に前記モータの回転軸が逆回転する逆回転量を計測するエンコーダを有する請求項１に記載のリンク機構。
【請求項3】
前記エンコーダにより計測された逆回転量に基づいて、前記遊星減速機の出力軸に作用する衝撃トルクを吸収するように前記モータを制御する第２制御回路をさらに備える請求項２に記載のリンク機構。
【請求項4】
前記第２制御回路が、前記第１磁石歯車及び前記第２磁石歯車の係合する磁極が切り替わるタイミングで生じるコギングトルクを補償するように前記モータを制御する請求項３に記載のリンク機構。
【請求項5】
前記第１磁石歯車及び前記第２磁石歯車が、前記モータの回転を直交変換する請求項１に記載のリンク機構。
【請求項6】
前記第１関節の前記第１磁石歯車及び前記第２磁石歯車の係合する磁極が切り替わるタイミングで生じるコギングトルクを補償するように前記モータを制御する制御回路をさらに備える請求項１に記載のリンク機構。
【請求項7】
前記第２リンクの他端側に仮想ダンパの力が作用するように前記第１関節のアクチュエータユニットをダンピング制御するとともに、前記第２リンクの他端側に仮想バネの力が作用するように前記第２関節のアクチュエータユニットをコンプライアンス制御する制御回路をさらに備える請求項１に記載のリンク機構。
【請求項8】
対象物を低衝撃で把持するために、前記第１関節をダンピング制御するとともに前記第２関節をコンプライアンス制御し、前記第３関節を角度制御するとともに前記第４関節をコンプライアンス制御した後、前記第１～第４関節を仮想バネと仮想ダンパを並列接続したモデルにより制御する制御回路をさらに備える請求項１に記載のリンク機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、バックドライバビリティを有するアクチュエータユニット及びこれを備えたリンク機構に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、モータの回転軸に連結されたハーモニックドライブ（登録商標）減速機と、このハーモニックドライブ（登録商標）減速機の出力軸に連結された第１傘歯車と、この第１傘歯車と係合する第２傘歯車とを有する関節を備えた高速度ロボットハンドが知られている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【文献】今井睦朗、他４名、「視覚フィードバックを用いた高速ハンドシステムの開発」、日本ロボット学会創立20周年記念学術講演会／講演論文集、2002年10月12～14日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、上記非特許文献１に記載の高速度ロボットハンドは、傘歯車を用いているため、低バックラッシと低摩擦とを両立することが困難であるという問題があり、また、機械的な歯の摩耗によりバックラッシが変動するという問題がある。このため、塑性変形モード、弾性変形制御モード、直列弾性体アクチュエータモードといった力制御、位置制御を実現することが困難である。
【0005】
本発明の目的は、低バックラッシと低摩擦とを両立することができるアクチュエータユニット及びこれを有するリンク機構を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るアクチュエータユニットは、モータと、前記モータの回転軸に連結された第１磁石歯車と、前記第１磁石歯車と磁気的に係合する第２磁石歯車と、前記第２磁石歯車の回転軸に連結された遊星減速機とを備えたことを特徴とする。
【0007】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るリンク機構は、第１リンクと、前記第１リンクの一端側に連結された第１関節と、前記第１リンクの他端側に連結された第２関節と、前記第２関節に一端側が連結された第２リンクとを備え、前記第１関節及び前記第２関節が、本発明の一態様に係るアクチュエータユニットを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、低バックラッシと低摩擦とを両立することができるアクチュエータユニット及びこれを有するリンク機構を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】実施形態１に係る多指ハンドの外観を示す画像である。
【図2】上記多指ハンドに設けられたアクチュエータユニットの構成を示す斜視図である。
【図3】上記アクチュエータユニットに設けられた指先関節をＰＤ角度制御した際の角度応答を示すグラフである。
【図4】上記指先関節をＰＤ角度制御した際の角速度応答を示すグラフである。
【図5】上記アクチュエータユニットに設けられた根元関節をＰＤ角度制御した際の角度応答を示すグラフである。
【図6】上記根元関節をＰＤ角度制御した際の角速度応答を示すグラフである。
【図7】上記根元関節の摩擦・コギングトルク制御の効果を示すグラフである。
【図8】上記多指ハンドに設けられた第１指のMaxwellモデル制御の仕組みを説明するための模式図である。
【図9】上記Maxwellモデル制御により制御された多指ハンドの第１指の軽量物体キャッチ動作を時系列的に示す図である。
【図10】比較例に係る制御モードにより制御された多指ハンドの第１指の軽量物体キャッチ動作を時系列的に示す図である。
【図11】上記Maxwellモデル制御及び上記比較例に係る制御モードにより制御された多指ハンドの第１指に作用する仮想バネ反力と経過時間との間の関係を示すグラフである。
【図12】実施形態２に係る多指ハンドの動作の第１フェーズを示す模式図である。
【図13】上記多指ハンドの動作の第２フェーズを示す模式図である。
【図14】上記多指ハンドの動作の第３フェーズを示す模式図である。
【図15】薄板状物体を高速に把持しようとする上記多指ハンドの動作を示す画像である。
【図16】上記薄板状物体を高速に把持した上記多指ハンドの動作を示す画像である。
【図17】上記多指ハンドの塑性変形制御モードの概念を示す模式図である。
【図18】上記多指ハンドの直列弾性体アクチュエータモード１の概念を示す模式図である。
【図19】机上の物体を横方向から高速に把持するために第１フェーズで制御された上記多指ハンドの動作を示す画像である。
【図20】机上の物体を横方向から高速に把持するために第２フェーズで制御された上記多指ハンドの動作を示す画像である。
【図21】机上の物体を横方向から高速に把持するために第３フェーズで制御された上記多指ハンドの動作を示す画像である。
【図22】上記多指ハンドの直列弾性体アクチュエータモード２の概念を示す模式図である。
【図23】上記多指ハンドの弾性変形制御モードの概念を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
（実施形態１）
（多指ハンド１５の構成）
図１は実施形態１に係る多指ハンド１５（リンク機構、ロボットハンド）の外観を示す画像である。多指ハンド１５は、第１指１０（リンク機構、ロボットハンド）と第２指１６（リンク機構、ロボットハンド）とを備える。第１指１０は、第１リンク１１と、第１リンク１１の一端側に連結された根元関節１２（第１関節）と、第１リンク１１の他端側に連結された指先関節１３（第２関節）と、指先関節１３に一端側が連結された第２リンク１４とを有する。第２指１６は、第３リンク１７と、第３リンク１７の一端側に連結された根元関節１８（第３関節）と、第３リンク１７の他端側に連結された指先関節１９（第４関節）と、指先関節１９に一端側が連結された第４リンク２０とを有する。根元関節１２・１８及び指先関節１３・１９のそれぞれは、アクチュエータユニット１を含む。
（多指ハンド１５の構成）
図１は実施形態１に係る多指ハンド１５（リンク機構、ロボットハンド）の外観を示す画像である。多指ハンド１５は、第１指１０（リンク機構、ロボットハンド）と第２指１６（リンク機構、ロボットハンド）とを備える。第１指１０は、第１リンク１１と、第１リンク１１の一端側に連結された根元関節１２（第１関節）と、第１リンク１１の他端側に連結された指先関節１３（第２関節）と、指先関節１３に一端側が連結された第２リンク１４とを有する。第２指１６は、第３リンク１７と、第３リンク１７の一端側に連結された根元関節１８（第３関節）と、第３リンク１７の他端側に連結された指先関節１９（第４関節）と、指先関節１９に一端側が連結された第４リンク２０とを有する。根元関節１２・１８及び指先関節１３・１９のそれぞれは、アクチュエータユニット１を含む。
【0011】
図２はアクチュエータユニット１の構成を示す斜視図である。アクチュエータユニット１は、ダイレクトドライブモータ２（モータ）と、ダイレクトドライブモータ２の回転軸６に連結された第１磁石歯車３と、第１磁石歯車３と磁気的に係合する第２磁石歯車４と、第２磁石歯車４の回転軸に連結された遊星減速機５とを備える。第１磁石歯車３及び第２磁石歯車４は、Ｎ極とＳ極とが外周面に円周方向に沿って交互に配置されており、ダイレクトドライブモータ２の回転を直交変換する。なお、第１磁石歯車３及び第２磁石歯車４は平行に配置されてもよい。
【0012】
ダイレクトドライブモータ２は、遊星減速機５の出力軸８に外力トルクが作用した際にダイレクトドライブモータ２の回転軸６が逆回転する逆回転量を計測するエンコーダ７を有する。
【0013】
アクチュエータユニット１は、エンコーダ７により計測された逆回転量に基づいて、遊星減速機５の出力軸８に作用する衝撃トルクを吸収するようにダイレクトドライブモータ２を制御する制御回路９をさらに備える。
【0014】
制御回路９は、第１磁石歯車３及び第２磁石歯車４の係合する磁極が切り替わるタイミングで生じるコギングトルクを補償するようにダイレクトドライブモータ２を制御する。
【0015】
図１に示す多指ハンド１５は、衝撃吸収キャッチを実現し、アクチュエータユニット１を８個用いている。このアクチュエータユニット１は、図２に示すように、小型のダイレクトドライブモータ２の回転軸６を第１及び第２磁石歯車３・４により直交変換し、遊星減速機５で回転速度をロボット応用に適した速度域まで減速する。
【0016】
ダイレクトドライブモータ２、低減速比の遊星減速機５、及び第１及び第２磁石歯車３・４を組み合わせたアクチュエータユニット１は、第１及び第２磁石歯車３・４を採用したことにより、低摩擦・低バックラッシが実現されているため、バックドライバビリティが非常に優れている。
【0017】
そして、アクチュエータユニット１は、ダイレクトドライブモータ２、第１及び第２磁石歯車３・４、遊星減速機５の順番に連結されているので、遊星減速機５が第１及び第２磁石歯車３・４のトルクを増幅する。前述した非特許文献１に記載の高速度ロボットハンドは、磁石歯車の前段に連結された減速機でトルク増幅が行われるため、結果的に発揮できるトルクは磁石歯車の最大伝達トルク（極小）になり、小トルクしか発揮できない。これに対して、実施形態１に係るアクチュエータユニット１は、第１及び第２磁石歯車３・４の後段に連結された遊星減速機５でトルク増幅が行われるため、大きいトルクを発揮することができる。
【0018】
また、ダイレクトドライブモータ２の長手方向と出力軸８とが直交した位置関係にあるため、小型のロボットハンド・脚ロボットを構成することが容易である。
【0019】
この低摩擦・低バックラッシが実現されたアクチュエータユニット１を備える多指ハンド１５を用いることにより、衝撃吸収制御（Ｍａｘｗｅｌｌモデル制御）を外界センサレス・サーボ制御のみで実現することができた。ロボットハンドにおいて、サーボ制御のみで衝撃吸収制御を実現した例はこれまでになく、本実施形態が初の報告である。
【0020】
アクチュエータのバックドライバビリティを向上するために、トルクセンシングと摩擦補償制御を組み合わせる手法や、出力軸のバックラッシを利用する制御手法が提案されている。
【0021】
しかしながら、小型のロボットハンドや脚ロボットを構成する際に問題となる「アクチュエータと出力軸の配置」は上記提案で考慮されていない。一方、油圧駆動アクチュエータを用いた高バックドライバブルハンドの従来例もあるが、油漏れし辛く、かつ応答性の良い小型の油圧駆動アクチュエータの入手は現在でも難しい。最近は、高バックドライバビリティな直列弾性アクチュエータ（Series Elastic Actuator(SEA)）が何種類か販売されているが、サイズが大きいという問題がある。また、アクチュエータの出力軸が対象物や環境と接触した際に、接触を維持しながら衝撃を吸収する高応答な力制御が可能であるか否かは直列弾性アクチュエータで検証されていない。従って、多指ハンドや脚ロボットをコンパクトに構成可能な小型・高速・高バックドライブアクチュエータを新たに開発する必要があった。
【0022】
実施形態１に係るアクチュエータユニット１を備えた多指ハンド１５の主な寸法・仕様を（表１）及び（表２）に示す。
【表1】
【0023】
【表2】
【0024】
根元関節１２では大トルクを発揮するために、直径１８ｍｍのＤＤモータ（MDS-2018，マイクロテック・ラボラトリー株式会社）と高トルクタイプの磁石歯車（FD22S-C-SA，株式会社エフ・イー・シー）を採用した。一方、指先関節１３は小サイズと滑らかな回転の実現を重視し、直径１３ｍｍのＤＤモータ（MDS-1318）と低コギングタイプの磁石歯車（FD22-C-SA）を用いた。
【0025】
最大トルクは、指先関節１３で０．４１Ｎｍ、根元関節１２で１．０Ｎｍであり、最大回転速度は両関節共に１８２ｒｐｍである。減速比は、従来の高速ハンドが１／５０－１／１００であるのに対し、本多指ハンド１５では両関節共に１／１６．４である。従来の定格スペックの高速ハンドに比較すると、指先関節１３の最大トルクは２．１倍、根元関節１２の最大トルクは１．１倍であり、多指ハンド１５は減速比を小さくしつつトルクアップを実現した。但し、１指２関節モジュールの第１指１０の重量は、従来の高速ハンドが１１０ｇであるのに対し、本多指ハンド１５は２８０ｇである。また各関節の最高回転速度は従来の定格スペックの高速ハンド基準で０．９倍である。従って、高速位置決め制御には従来の高速ハンドが適しており、高ダイナミックレンジでの力制御には本多指ハンド１５が適している。
【0026】
（表３）に指先関節１３及び根元関節１２のダイレクトドライブモータ２の回転軸６側での静止摩擦トルク、クーロン摩擦トルク、及び粘性摩擦トルクを示す。
【0027】
【表3】
【0028】
（角度・角速度追従特性）
指先関節１３・根元関節１２の角度・角速度の応答特性を検証するために、下記ＰＤ（Proportional-Differential、比例微分）制御式（１）による目標角度への追従実験を行った。
指先関節１３・根元関節１２の角度・角速度の応答特性を検証するために、下記ＰＤ（Proportional-Differential、比例微分）制御式（１）による目標角度への追従実験を行った。
【0029】
【数1】
【0030】
【数2】
図３及び図４より、指先関節１３は角度・角速度共に目標値への追従性能が良い。指先関節１３は低コギングの磁石歯車を採用したことで、摩擦・コギング補償無しで滑らかな角度・速度制御が可能である。
【0031】
一方、図５及び図６より、根元関節１２は－５～５ｒａｄ／ｓの角速度域で角速度の脈動が生じている。根元関節１２にはトルクを重視して大トルクの磁石歯車を採用したが、この結果、磁石歯車の磁極が切り替わるタイミングで生じるコギングトルクが無視できないレベルとなり、速度の脈動が生じたと考えられる。
【0032】
（摩擦・コギングトルクモデルと補償制御）
より滑らかに 根元関節１２の角度・角速度を制御するために、摩擦・コギングモデルを導入する。モデルを単純にするために、１リンク１慣性系とし、磁石歯車のコギングトルクはｃｏｓ波形で近似する。この摩擦・コギングトルクモデルを下記式（３）に示す。
より滑らかに 根元関節１２の角度・角速度を制御するために、摩擦・コギングモデルを導入する。モデルを単純にするために、１リンク１慣性系とし、磁石歯車のコギングトルクはｃｏｓ波形で近似する。この摩擦・コギングトルクモデルを下記式（３）に示す。
【0033】
【数3】
【数4】
【0034】
【数5】
【0035】
図７は根元関節１２の摩擦・コギングトルク制御の効果を示すグラフである。縦軸が角速度、横軸は時間であり、線Ｌ１が理想値、線Ｌ２がＰＤ制御のみの場合での角速度値、線Ｌ３がＰＤ制御と摩擦・コギングトルク補償制御を組み合わせて実行した際の角速度値である。図７より、摩擦・コギングトルク補償制御を用いた線Ｌ３は、角速度０～２ｒａｄ／ｓ内での追従特性が、ＰＤ制御のみの線Ｌ２よりも向上し、明らかに角速度の脈動が減少した。しかしながら、角速度－５～０ｒａｄ／ｓの区間では、摩擦・コギングトルク補償制御を用いた線Ｌ３の方が速度の脈動が増加している。このため、この摩擦・コギングトルクモデルでは関節回転方向の切り替わりを含むタスクで滑らかに角度・角速度を制御することは困難である。但し、物体の衝撃吸収キャッチタスクでは、一方向に滑らかに角度・角速度を制御できれば良いため、本摩擦・コギングトルクモデルを用いる。
【0036】
（衝撃吸収キャッチ）
実施形態１に係る多指ハンド１５の第１指１０（第２指１６）は、摩擦が極端に小さい機構であるため、小さい外力が加わった際でも関節がバックドライブし、このバックドライブの回転量をダイレクトドライブモータ２側のエンコーダ７で正確に計測できる。この特徴は、外界センサレスで精度の高い把持力の推定や、インピーダンス制御を行う際に有利である。実施形態１では、本発明者らが提案している直列インピーダンス制御（Ｍａｘｗｅｌｌモデル制御）が多指ハンド１５の第１指１０により実現可能かを検証した。
実施形態１に係る多指ハンド１５の第１指１０（第２指１６）は、摩擦が極端に小さい機構であるため、小さい外力が加わった際でも関節がバックドライブし、このバックドライブの回転量をダイレクトドライブモータ２側のエンコーダ７で正確に計測できる。この特徴は、外界センサレスで精度の高い把持力の推定や、インピーダンス制御を行う際に有利である。実施形態１では、本発明者らが提案している直列インピーダンス制御（Ｍａｘｗｅｌｌモデル制御）が多指ハンド１５の第１指１０により実現可能かを検証した。
【0037】
通常のインピーダンス制御ではバネとダンパを並列接続したｖｏｉｇｔモデルが用いられるが、物体や環境と衝突した後に初期位置に戻ろうとする反力が必ず発生する。この反力は、制御対象が物体を高速キャッチする際に弾き返す原因となる。
【0038】
そこで、バネとダンパを直列接続したＭａｘｗｅｌｌモデルを用いる制御方法が提案されている。このＭａｘｗｅｌｌモデルでは、塑性変形的な挙動（初期位置に戻ろうとする反力が発生しない挙動）を実現するため、軽量な物体を弾き返さずにキャッチする場合に有効である。本実施形態に係る手法は、多指ハンド１５の指先関節１３により仮想的なバネ力を発生させ、このバネ力のフィードバックに基づき根元関節１２をダンピング制御することで直列接続されたバネ・ダンパモデルを表現する。
【0039】
シミュレーションや、実物のバネをアクチュエータの手先に取り付けて変位を計測することで物体を弾き返さずにキャッチする例がこれまでに示されている。しかしながら、機構系の摩擦の問題と物体との接触を維持することの難しさにより、ロボットハンドにおいてサーボ制御のみでのＭａｘｗｅｌｌモデル制御はこれまでに実現されていない。
【0040】
（制御式）
実施形態１では、アクチュエータユニット１の高いバックドライバビリティを生かして、Ｍａｘｗｅｌｌモデル制御を実現する。従来手法では位置ベース制御が用いられてきたが、この位置ベース制御の手法では、摩擦の影響を位置制御ループで小さくできる反面、物体と指先との接触を保つためには非常に高い制御応答性が必要になり安定した制御が難しかった。
実施形態１では、アクチュエータユニット１の高いバックドライバビリティを生かして、Ｍａｘｗｅｌｌモデル制御を実現する。従来手法では位置ベース制御が用いられてきたが、この位置ベース制御の手法では、摩擦の影響を位置制御ループで小さくできる反面、物体と指先との接触を保つためには非常に高い制御応答性が必要になり安定した制御が難しかった。
【0041】
そこで、実施形態１では、トルクベース制御を用いることで、アクチュエータユニット１の高いバックドライブ特性を生かし、物体と指先との接触を保ちやすくする。
【0042】
図８は多指ハンド１５に設けられた第１指１０のＭａｘｗｅｌｌモデル制御の仕組みを説明するための模式図である。
【0043】
図８に示す通り、第１指１０の第２リンク１４の指先に仮想的なバネを設定し、指先 関節１３の初期角度θｉｎｉｔｉａｌ‐２を基準にして式（５）により仮想バネ力Ｆｓｐｒｉｎｇを計算する。
【0044】
【数6】
【0045】
【数7】
【0046】
【数8】
【0047】
（実験）
図９はＭａｘｗｅｌｌモデル制御により制御された多指ハンドの第１指１０の軽量物体キャッチ動作を時系列的に示す図である。図１０は比較例に係る制御モードにより制御された多指ハンドの第１指１０の軽量物体キャッチ動作を時系列的に示す図である。前述した構成要素と同様の構成要素には同様の参照符号を付している。これらの構成要素の詳細な説明は繰り返さない。
図９はＭａｘｗｅｌｌモデル制御により制御された多指ハンドの第１指１０の軽量物体キャッチ動作を時系列的に示す図である。図１０は比較例に係る制御モードにより制御された多指ハンドの第１指１０の軽量物体キャッチ動作を時系列的に示す図である。前述した構成要素と同様の構成要素には同様の参照符号を付している。これらの構成要素の詳細な説明は繰り返さない。
【0048】
トルクベースＭａｘｗｅｌｌモデル制御で軽量な物体２１を弾かずにキャッチ可能かを検証した。物体２１は１００ｇの鉄製円柱とし、傾斜面上を転がせて加速させた後に水平面上で１指２関節モジュールである第１指１０の指先２２に衝突させた。なお、指先２２はアルミ平板を用いた。実験の再現性を高めるために、指先２２の面と物体２１と実験装置の表面とに約０．２ｍｍ厚の滑り止めテープを貼りつけた。
【0049】
図９に示す通り、トルクベースのＭａｘｗｅｌｌモデル制御を根元関節１２と指先関節１３とに用いることで、指先２２は物体２１を弾かずに接触を保ち続けることができた。
【0050】
一方、図１０には根元関節１２のダンピング制御ゲインを零とし、指先関節１３のバネ挙動のみでキャッチした際の様子が示されている。この場合は、接触後に指先２２が物体２１を弾き返してしまい、接触を維持することはできなかった。根元関節１２の摩擦・コギングトルク補償制御をオフにした場合も同様に、接触後に指先２２が物体２１を弾き返してしまい、接触を維持することはできなかった。
【0051】
図１１はＭａｘｗｅｌｌモデル制御及び比較例に係る制御モードにより制御された多指ハンド１５の第１指１０に作用する仮想バネ反力と経過時間との間の関係を示すグラフである。波形Ｗ１はＭａｘｗｅｌｌモデル制御で摩擦・コギング補償制御があるときの仮想バネ反力を示し、波形Ｗ２はＭａｘｗｅｌｌモデル制御で摩擦・コギング補償制御が無いときの仮想バネ反力を示し、波形Ｗ３は根元関節１２のダンピング制御ゲイン零での仮想バネ反力を示している。
【0052】
波形Ｗ１の場合で最も撃力が小さく、かつ接触時間も増加している。波形Ｗ１では仮想バネ力のピークが二つあるが、これはＭａｘｗｅｌｌモデル制御のダンピング制御ゲインを比較的大きく設定したため、一度目の衝突の後にわずかに物体２１から指先２２が離れ、その後二回目の衝突が起こったためである。連続的に接触を維持し続けるためにはダンピング制御ゲインを適切に設定することと、静止摩擦を補償する方法が必要である。以上の結果から、多指ハンド１５の第１指１０とトルクベースＭａｘｗｅｌｌ制御及び摩擦・コギングトルク補償制御との組み合わせにより、物体２１の衝突時に撃力を低減させて接触時間を増加させることが可能である。これらの効果により、軽量物体を跳ね返さずにキャッチすることが可能となった。
【0053】
このように、制御回路９は、第２リンク１４に仮想ダンパの力が作用するように根元関節１２のアクチュエータユニット１をダンピング制御するとともに、第２リンク１４に仮想バネの力が作用するように指先関節１３のアクチュエータユニット１をコンプライアンス制御する。
【0054】
（実施形態１の効果）
実施形態１によれば、新しい小型・低摩擦のアクチュエータユニット１とＭａｘｗｅｌｌモデル制御を用いた衝撃吸収キャッチを実現することができる。小型のダイレクトドライブモータ２、遊星減速機５の組み合わせにより、減速比を小さくしつつ、かつトルクアップを達成した。第１及び第２磁石歯車３・４を用いて回転軸６を直交変換することで、極めて高いバックドライバビリティを持つ多指ハンド１５を小型サイズで実現した。この他、第１及び第２磁石歯車３・４のメリットとしては、メンテナンスフリー、トルクリミッタ機能の付加がある。
実施形態１によれば、新しい小型・低摩擦のアクチュエータユニット１とＭａｘｗｅｌｌモデル制御を用いた衝撃吸収キャッチを実現することができる。小型のダイレクトドライブモータ２、遊星減速機５の組み合わせにより、減速比を小さくしつつ、かつトルクアップを達成した。第１及び第２磁石歯車３・４を用いて回転軸６を直交変換することで、極めて高いバックドライバビリティを持つ多指ハンド１５を小型サイズで実現した。この他、第１及び第２磁石歯車３・４のメリットとしては、メンテナンスフリー、トルクリミッタ機能の付加がある。
【0055】
根元関節１２で低速域において磁石歯車のコギングトルクによる回転速度の脈動が発生する問題に対して、実施形態１では、単純な摩擦・コギングトルクモデルによる補償制御を導入した。ボールキャッチのように、一方向のみに滑らかに関節を駆動することが重要であるタスクにおいて、実施形態１に係る摩擦・コギングトルクモデルによる補償制御が有効である．
実施形態１に係るアクチュエータユニット１を用いることで、Ｍａｘｗｅｌｌモデル制御を用いた衝撃吸収キャッチを初めてサーボ制御のみで実現した。実験結果から、物体２１との衝突による撃力の発生時間は１８０～２８０ｍｓと極めて短く、この短い時間内に衝撃を低減するためには、高バックドライバビリティなアクチュエータユニット１に係る機構と高速なトルクベース制御との組み合わせが有効である。さらに、高速ビジョンセンサや高速・高精度近接覚センサと多指ハンド１５との組み合わせにより、より高度で高速なキャッチタスクや製品の組立 タスクの高機能化を目指すことができる。
実施形態１に係るアクチュエータユニット１を用いることで、Ｍａｘｗｅｌｌモデル制御を用いた衝撃吸収キャッチを初めてサーボ制御のみで実現した。実験結果から、物体２１との衝突による撃力の発生時間は１８０～２８０ｍｓと極めて短く、この短い時間内に衝撃を低減するためには、高バックドライバビリティなアクチュエータユニット１に係る機構と高速なトルクベース制御との組み合わせが有効である。さらに、高速ビジョンセンサや高速・高精度近接覚センサと多指ハンド１５との組み合わせにより、より高度で高速なキャッチタスクや製品の組立 タスクの高機能化を目指すことができる。
【0056】
（実施形態２）
実施形態２では、実施形態１で前述した多指ハンド１５と衝撃吸収制御とを用いた把持動作を提案する。この把持動作では、外界センサレスで一方の第１指１０を把持対象物と接触させながら、他方の第２指１６を接近させることで、多指ハンド１５の手先を停止させることなく把持を行う。多指ハンド１５の高いバックドライバビリティと衝撃吸収制御の組み合わせにより、高速かつシームレスな動作を実現できる点と、把持の衝撃力を小さくできる点が有効である。
実施形態２では、実施形態１で前述した多指ハンド１５と衝撃吸収制御とを用いた把持動作を提案する。この把持動作では、外界センサレスで一方の第１指１０を把持対象物と接触させながら、他方の第２指１６を接近させることで、多指ハンド１５の手先を停止させることなく把持を行う。多指ハンド１５の高いバックドライバビリティと衝撃吸収制御の組み合わせにより、高速かつシームレスな動作を実現できる点と、把持の衝撃力を小さくできる点が有効である。
【0057】
準静的な把持動作では、１）物体形状に沿った指先配置と、２）物体重量や摩擦係数に応じた把持力調整が重要視される。しかしながら、動く物体を把持する場合やロボット自身が移動しながら把持を行う場合は、これらに加えて、３）把持の衝撃力を吸収して物体を弾くことを防止する手法と、４）動作全体の高速化のためにリーチングから把持までをシームレスに実行する手法も必要である。特にベアリングなどの小型部品やプラスチック製品の組立などでは、ハンド指先よりも把持物体の方が、重量が軽いケースが多く、把持動作を高速化するにつれ物体を弾く失敗例が顕著に表れる。また、従来手法ではリーチング動作と把持動作には別々の手法を用いる場合が多く、この制御の切り替え時にロボットの動作が途切れ途切れになる問題があった。実施形態２では実施形態１に係る多指ハンド１５と衝撃吸収制御（Ｍａｘｗｅｌｌモデル制御）を用いることで、物体を弾かずにシームレスな動作で把持する動作を提案する。
【0058】
（把持動作）
図１２は実施形態２に係る多指ハンド１５の動作の第１フェーズを示す模式図である。図１３は多指ハンド１５の動作の第２フェーズを示す模式図である。図１４は多指ハンド１５の動作の第３フェーズを示す模式図である。前述した構成要素と同様の構成要素には同様の参照符号を付している。これらの構成要素の詳細な説明は繰り返さない。
図１２は実施形態２に係る多指ハンド１５の動作の第１フェーズを示す模式図である。図１３は多指ハンド１５の動作の第２フェーズを示す模式図である。図１４は多指ハンド１５の動作の第３フェーズを示す模式図である。前述した構成要素と同様の構成要素には同様の参照符号を付している。これらの構成要素の詳細な説明は繰り返さない。
【0059】
多指ハンド１５の２指４関節での動作フェーズの切り替わりを説明する。まず、図１２に示すように、第１フェーズで多指ハンド１５の全体を右方向に移動させて第１指１０を物体２１に接触させる。そして、図１３に示すように、第２フェーズで第２指１６を物体２１に第１指１０と反対側からアプローチさせる。最後に、図１４に示すように、第３フェーズで第１指１０及び第２指１６により把持力調整を行う。なお、触覚センサや近接 覚センサは使用せず、第１指１０及び第２指１６の関節角度フィードバックのみを用いる。
【0060】
第１指１０の根元関節１２及び指先関節１３、並びに、第２指１６の根元関節１８及び指先関節１９には、実施形態１で前述したアクチュエータユニット１が設けられる。このアクチュエータユニット１は、小型のダイレクトドライブモータ２（マイクロテック・ラボラトリー株式会社製）と直交軸変換型の第１及び第２磁石歯車３・４（株式会社エフ・イー・シー製）と、小型の遊星減速機５（株式会社信電舎製）とで構成される小型・低 摩擦アクチュエータである（図２）。小型のダイレクトドライブモータ２と小型の遊星減速機５（減速比約１／１６）により低減速比ながら高トルクを発揮できる。さらに、ダイレクトドライブモータ２の回転軸６を第１及び第２磁石歯車３・４で直交変換することで小型・低摩擦な機構を実現している。出力軸８に外力トルクが加わった際に小トルクで逆回転し、この回転量をダイレクトドライブモータ２側のエンコーダ７で計測可能である。この高いバックドライバビリティと角度計測を利用することにより、アクチュエータユニット１は、角度フィードバックのみ（外界センサレス）でコンプライアンス制御やダンピング制御を実装できる利点を有する。
【0061】
（動作フェーズ）
第１～第３フェーズ全ての中で、第１指１０の指先関節１３の関節角度θ２及び第２指１６の指先関節１９の関節角度θ４はコンプライアンス制御される。そしてこの関節角度θ２又はθ４の変位が閾値以上になった際に物体２１と接触したと判定し、第１指１０又は第２指１６の根元関節１２又は１８の関節角度θ１又はθ３の制御を切り替える。根元関節１２・１８の制御にはダンピング制御又は位置制御を用いる。
第１～第３フェーズ全ての中で、第１指１０の指先関節１３の関節角度θ２及び第２指１６の指先関節１９の関節角度θ４はコンプライアンス制御される。そしてこの関節角度θ２又はθ４の変位が閾値以上になった際に物体２１と接触したと判定し、第１指１０又は第２指１６の根元関節１２又は１８の関節角度θ１又はθ３の制御を切り替える。根元関節１２・１８の制御にはダンピング制御又は位置制御を用いる。
【0062】
第１フェーズと第２フェーズでは第１指１０の根元関節１２はダンピング制御され、第１指１０の指先関節１３のコンプライアンス制御と合わせて塑性変形的挙動を実現する。この塑性変形挙動により、物体２１と第１指１０の衝突時の平均撃力を低下させること で、第１指１０は物体２１を弾くことなく接触を維持する。そして、第１指１０の指先関節１３の関節角度θ２の角度変化が閾値を超えた時点で第１フェー ズから第２フェーズに切り替える。
【0063】
第２フェーズでは、第２指１６の根元関節１８の関節角度θ３を位置制御し、物体２１に向かって第２指１６をアプローチさせる。そして、第２指１６の指先関節１９の関節角度θ４の変位が閾値以上になったタイミングで第３フェーズに切り替える。
【0064】
第３フェーズでは、第１指１０の根元関節１２の関節角度θ１と第２指１６の根元関節１８の関節角度θ３共に位置制御を行う。第１指１０の関節角度θ１は第３フェーズ開始時点での角度を維持し、第２指１６の関節角度θ３は、指先関節１９のコンプライアンス制御による仮想バネの変位が一定となるように把持力調整を行う。
【0065】
本手法では指先関節１３・１９は常にコンプライアンス制御されているため、物体２１と指先との間の接触を維持しやすい利点がある。また、フィードバックループは多指ハンド１５の制御のみで閉じているため、多指ハンド１５を搭載するロボットアーム側の制御はＰｔｏＰ（Point to Point）の位置制御のみ行えばよい。ロボットアームの手先位置を把持対象物の物体２１に向かって移動させれば、後は自動的に多指ハンド１５が物体２１との接触を検知し、衝撃吸収制御を行いつつ物体２１を把持する点が本手法の特徴である。
【0066】
このように、制御回路９Ａは、物体２１を低衝撃で把持するために、根元関節１２をダンピング制御するとともに指先関節１３をコンプライアンス制御する第１フェーズと、根元関節１８を位置制御するとともに指先関節１９を物体２１に向かって近づける第２フェーズと、根元関節１２を位置制御するとともに指先関節１９のコンプライアンス制御による仮想バネの変位が一定となるように根元関節１８を位置制御する第３フェーズとをこの順番に実行する。
【0067】
（把持実験）
合計４つのアクチュエータユニット１を用いて２指４関節の多指ハンド１５を構成し、この多指ハンド１５をユニバーサルロボット社のアーム（ＵＲ５ｅ）に取り付けた。アクチュエータユニット１のモータドライバはリアルタイム制御器（ｄＳＰＡＣＥ）と接続され、１ｍｓごとにエンコーダ７の角度フィードバックと、アクチュエータユニット１のトルク制御（電流制御）を行った。なお、リアルタイム制御器上ではエンコーダ７の角度を用いてトルク指令値型のＰＤ位置制御又は衝撃吸収制御を行った。上記アームのコントローラとリアルタイム制御器はＩＯ（Input Output）ポートのみで接続されており、アーム動作開始のタイミングのみリアルタイム制御器から信号が送られる。上記アームのコントローラはこの信号を受けてアーム手先位置のフィードフォワード制御を開始する。なお、このアーム手先位置の目標値は物体２１の設置位置を中心にして±３０ミリメートルのそれぞれの地点を上記アームが通過するように設定し、物体２１の配置誤差に対応できるようにした。
合計４つのアクチュエータユニット１を用いて２指４関節の多指ハンド１５を構成し、この多指ハンド１５をユニバーサルロボット社のアーム（ＵＲ５ｅ）に取り付けた。アクチュエータユニット１のモータドライバはリアルタイム制御器（ｄＳＰＡＣＥ）と接続され、１ｍｓごとにエンコーダ７の角度フィードバックと、アクチュエータユニット１のトルク制御（電流制御）を行った。なお、リアルタイム制御器上ではエンコーダ７の角度を用いてトルク指令値型のＰＤ位置制御又は衝撃吸収制御を行った。上記アームのコントローラとリアルタイム制御器はＩＯ（Input Output）ポートのみで接続されており、アーム動作開始のタイミングのみリアルタイム制御器から信号が送られる。上記アームのコントローラはこの信号を受けてアーム手先位置のフィードフォワード制御を開始する。なお、このアーム手先位置の目標値は物体２１の設置位置を中心にして±３０ミリメートルのそれぞれの地点を上記アームが通過するように設定し、物体２１の配置誤差に対応できるようにした。
【0068】
多指ハンド１５は、ペットボトル、缶、電話子機を把持することができた。第１指１０が物体２１に衝突した後に第２指１６が物体２１に接近し、その後、第１指１０、第２指１６ともに物体２１の両側面を把持して持ち上げることができた。ペットボトル、缶、電話子機のそれぞれの物体２１は重量やサイズが異なるが、同一パラメータで把持することが可能であった。本手法は、アームの手先のアプローチ方向に配置される物体２１の位置誤差と物体２１の幅の誤差に対してロバストであり、シームレスな動作で物体２１からの衝撃力を低減しつつ物体２１を把持することが達成可能である。
【0069】
（低衝撃ノンストップ把持（アーム上下動作））
図１５は薄板状の物体２１Ａを高速に把持しようとする多指ハンド１５の動作を示す画像である。図１６は物体２１Ａを高速に把持した多指ハンド１５の動作を示す画像である。図１７は多指ハンド１５の塑性変形制御モードの概念を示す模式図である。図１８は多指ハンド１５の直列弾性体アクチュエータモード１の概念を示す模式図である。前述した構成要素と同様の構成要素には同様の参照符号を付している。これらの構成要素の詳細な説明は繰り返さない。
図１５は薄板状の物体２１Ａを高速に把持しようとする多指ハンド１５の動作を示す画像である。図１６は物体２１Ａを高速に把持した多指ハンド１５の動作を示す画像である。図１７は多指ハンド１５の塑性変形制御モードの概念を示す模式図である。図１８は多指ハンド１５の直列弾性体アクチュエータモード１の概念を示す模式図である。前述した構成要素と同様の構成要素には同様の参照符号を付している。これらの構成要素の詳細な説明は繰り返さない。
【0070】
アーム２３に取り付けられた多指ハンド１５は、第１指１０と第２指１６を備える。まず、机上に配置された薄板状の物体２１Ａに対して、アーム２３を矢印Ａ１に示すように上方向からアプローチさせて第１指１０の第２リンク１４の先端を物体２１Ａに接触させた。物体２１Ａは名刺である。
【0071】
第１指１０は、図１７に示される塑性変形モードで動作させた。この塑性変形モードは、実施形態１で前述した塑性変形モードに相当する。指先関節１３のアクチュエータユニット１は、第２リンク１４の先端に仮想バネ力が作用するように制御される。根元関節１２のアクチュエータユニット１は、第２リンクの先端に仮想ダンパの力が作用するように制御される。これにより、物体２１Ａからの衝撃力が吸収される。
【0072】
次に、第２指１６を、図１８に示される直列弾性体アクチュエータモード１で動作させた。指先関節１９のアクチュエータユニット１は、第４リンク２０の先端に仮想バネ力が作用するように制御される。根元関節１８のアクチュエータユニット１は、指先関節１９の制御による仮想ばね力の変位が一定となるように把持力制御を行って物体２１Ａに対する一定の接触力を維持する。
【0073】
多指ハンド１５は、机上の名刺である物体２１Ａを低衝撃ノンストップで高速に把持することができた。アプローチから把持までに要した時間は１秒以下であった。
【0074】
（低衝撃ノンストップ把持（アーム左右動作））
図１９は机上の物体２１Ｂを横方向から高速にピックアップするために第１フェーズで制御された多指ハンド１５の動作を示す画像である。図２０は物体２１Ｂを横方向から高速に把持するために第２フェーズで制御された多指ハンド１５の動作を示す画像である。図２１は物体２１Ｂを横方向から高速に把持するために第３フェーズで制御された多指ハンド１５の動作を示す画像である。図２２は多指ハンド１５の直列弾性体アクチュエータモード２の概念を示す模式図である。図２３は多指ハンド１５の弾性変形制御モードの概念を示す模式図である。前述した構成要素と同様の構成要素には同様の参照符号を付している。これらの構成要素の詳細な説明は繰り返さない。
図１９は机上の物体２１Ｂを横方向から高速にピックアップするために第１フェーズで制御された多指ハンド１５の動作を示す画像である。図２０は物体２１Ｂを横方向から高速に把持するために第２フェーズで制御された多指ハンド１５の動作を示す画像である。図２１は物体２１Ｂを横方向から高速に把持するために第３フェーズで制御された多指ハンド１５の動作を示す画像である。図２２は多指ハンド１５の直列弾性体アクチュエータモード２の概念を示す模式図である。図２３は多指ハンド１５の弾性変形制御モードの概念を示す模式図である。前述した構成要素と同様の構成要素には同様の参照符号を付している。これらの構成要素の詳細な説明は繰り返さない。
【0075】
アーム２３に取り付けられた多指ハンド１５は、第１指１０と第２指１６を備える。まず、机上に配置された物体２１Ｂに対して、アーム２３を矢印Ａ２に示すように横方向からアプローチさせて第１指１０の第２リンク１４の先端を物体２１Ｂに接触させた。物体２１Ｂは電話子機である。第１指１０は、前述した塑性変形モードで動作させた。これにより、物体２１Ａからの衝撃力が吸収される。
【0076】
次に、第２指１６を、図２２に示される直列弾性体アクチュエータモード２で動作させた。指先関節１９のアクチュエータユニット１は、第４リンク２０の先端に仮想バネ力が作用するように制御される。根元関節１８のアクチュエータユニット１は、角度の位置が制御される。これにより、物体２１Ｂに接触するまで第２指１６の第４リンク２０の指先が物体２１Ｂにアプローチする。
【0077】
次に、第１指１０及び第２指１６を図２３に示される弾性変形制御モードで動作させた。指先関節１３・１９及び根元関節１２・１８のアクチュエータユニット１は、仮想バネと仮想ダンパを並列接続したｖｏｉｇｔモデルにより制御される。これにより、第１指１０及び第２指１６と物体２１Ｂとの間で一定の接触力が維持される。
【0078】
多指ハンド１５は、机上の電話子機の物体２１Ｂを低衝撃ノンストップで高速に把持することができた。アプローチから把持までに要した時間は１秒以下であった。
【0079】
このように、制御回路９Ａは、物体２１Ｂを低衝撃で把持するために、根元関節１２をダンピング制御するとともに指先関節１３をコンプライアンス制御し、根元関節１８を角度制御するとともに指先関節１９をコンプライアンス制御した後、根元関節１２、指先関節１３、根元関節１８、及び指先関節１９を仮想バネと仮想ダンパを並列接続したモデルにより制御する。
【0080】
（実施形態２の効果）
実施形態２によれば、高いバックドライバビリティを持つアクチュエータユニット１と衝撃吸収制御とを用いた動的な把持動作を実現することができる。この把持動作は、関節角度フィードバックのみで物体との接触検知と衝撃吸収制御を行い、アーム手先位置を動作し続けながら把持を行う。指先関節１３・１９は常にコンプライアンス制御されるため、物体２１Ａ・２１Ｂとの接触を維持しやすい長所がある。第１指１０、第２指１６の根元関節１２・１８の動作フェーズ切り替えはあるものの、非接触から接触後までシームレスに動作し続けるため、移動しながら高速に把持することに適した動作である。また、フィードバックループが多指ハンド１５側で閉じているため、多指ハンド１５とアーム２３の制御を非同期とできる利点がある。この利点により、ユニバーサルロボット社のアーム（ＵＲ５ｅ）以外の他のアームに多指ハンド１５を装着することができる。多指ハンド１５を装着したアームの手先位置を物体２１Ａ・２１Ｂに向かってアプローチさせれば、後は多指ハンド１５側で自動的に、物体２１Ａ・２１Ｂの位置とその幅寸法に応じて把持動作を実行するため、非常に単純な制御系でロバストな把持動作が可能である。
実施形態２によれば、高いバックドライバビリティを持つアクチュエータユニット１と衝撃吸収制御とを用いた動的な把持動作を実現することができる。この把持動作は、関節角度フィードバックのみで物体との接触検知と衝撃吸収制御を行い、アーム手先位置を動作し続けながら把持を行う。指先関節１３・１９は常にコンプライアンス制御されるため、物体２１Ａ・２１Ｂとの接触を維持しやすい長所がある。第１指１０、第２指１６の根元関節１２・１８の動作フェーズ切り替えはあるものの、非接触から接触後までシームレスに動作し続けるため、移動しながら高速に把持することに適した動作である。また、フィードバックループが多指ハンド１５側で閉じているため、多指ハンド１５とアーム２３の制御を非同期とできる利点がある。この利点により、ユニバーサルロボット社のアーム（ＵＲ５ｅ）以外の他のアームに多指ハンド１５を装着することができる。多指ハンド１５を装着したアームの手先位置を物体２１Ａ・２１Ｂに向かってアプローチさせれば、後は多指ハンド１５側で自動的に、物体２１Ａ・２１Ｂの位置とその幅寸法に応じて把持動作を実行するため、非常に単純な制御系でロバストな把持動作が可能である。
【0081】
実施形態１及び２に係るアクチュエータユニット１は下記（表４）に示すように、従来のダイレクトドライブモータ、直列弾性アクチュエータ（ＳＥＡ）、ソフトロボット、及び油圧に係る構成と比較して、比較的サイズが小さく、力／変位のヒステリシスが小さく、可変インピーダンス、寿命／耐久性、及び要素部品の入手性が優れている。
【0082】
【表4】
実施形態１及び２に係るアクチュエータユニット１を備えた多指ハンド１５は、ロボットハンド、多脚ロボットに適用することができる他、種々の用途に用いることができる。
【0083】
例えば、手の麻痺が生じた時のリハビリテーションのために、装着者の各指に実物のバネが連結され、手を開く方向に当該バネが各指を引っ張り、装着者が手を握る動作開く動作を繰り返すことにより手の麻痺から回復するトレーニングを行うリハビリテーション機器に、アクチュエータユニット１を適用することにより、バネの長さ、強さを制御により変更することができる。
【0084】
また、ドアの開閉装置にアクチュエータユニット１の衝撃吸収制御を適用することにより、ドアに作用する衝撃力に対する安全性を高めることができる。
【0085】
さらに、包丁等の危険物が収納され得るキッチン等の引き出しにアクチュエータユニット１の衝撃吸収制御を適用することにより、当該引き出しに作用する衝撃力に対する安全性を高めることもできる。
【0086】
〔まとめ〕
本発明の態様１に係るアクチュエータユニット１は、モータ（ダイレクトドライブモータ２）と、前記モータ（ダイレクトドライブモータ２）の回転軸６に連結された第１磁石歯車３と、前記第１磁石歯車３と磁気的に係合する第２磁石歯車４と、前記第２磁石歯車４の回転軸に連結された遊星減速機５とを備える。
本発明の態様１に係るアクチュエータユニット１は、モータ（ダイレクトドライブモータ２）と、前記モータ（ダイレクトドライブモータ２）の回転軸６に連結された第１磁石歯車３と、前記第１磁石歯車３と磁気的に係合する第２磁石歯車４と、前記第２磁石歯車４の回転軸に連結された遊星減速機５とを備える。
【0087】
この特徴によれば、モータにより生成されたトルクは第１磁石歯車及び第２磁石歯車を介して低バックラッシ、低摩擦損失で伝達される。そして、遊星減速機でこのトルクは増幅される。即ち、この結果、低バックラッシ、低摩擦、大トルクのアクチュエータユニットを構成することができる。
【0088】
本発明の態様２に係るアクチュエータユニット１は、上記態様１において、前記モータ（ダイレクトドライブモータ２）が、前記遊星減速機５の出力軸８に外力トルクが作用した際に前記モータ（ダイレクトドライブモータ２）の回転軸６が逆回転する逆回転量を計測するエンコーダ７を有することが好ましい。
【0089】
上記構成によれば、遊星減速機の出力軸に作用する外力トルクを検知することができる。
【0090】
本発明の態様３に係るアクチュエータユニット１は、上記態様２において、前記エンコーダ７により計測された逆回転量に基づいて、前記遊星減速機５の出力軸８に作用する衝撃トルクを吸収するように前記モータ（ダイレクトドライブモータ２）を制御する制御回路９・９Ａをさらに備えることが好ましい。
【0091】
上記構成によれば、外界センサを用いることなくサーボ制御のみで衝撃吸収制御（Ｍａｘｗｅｌｌモデル制御）を実現することができる。
【0092】
本発明の態様４に係るアクチュエータユニット１は、上記態様３において、前記制御回路９・９Ａが、前記第１磁石歯車３及び前記第２磁石歯車４の係合する磁極が切り替わるタイミングで生じるコギングトルクを補償するように前記モータ（ダイレクトドライブモータ２）を制御することが好ましい。
【0093】
上記構成によれば、第１及び第２磁石歯車に大トルクの磁石歯車を採用することができる。
【0094】
本発明の態様５に係るアクチュエータユニット１は、上記態様１において、前記第１磁石歯車３及び前記第２磁石歯車４が、前記モータ（ダイレクトドライブモータ２）の回転を直交変換することが好ましい。
【0095】
上記構成によれば、アクチュエータユニットをコンパクトに構成することができる。
【0096】
本発明の態様６に係るリンク機構（多指ハンド１５、第１指１０、第２指１６）は、第１リンク１１と、前記第１リンク１１の一端側に連結された第１関節（根元関節１２）と、前記第１リンク１１の他端側に連結された第２関節（指先関節１３）と、前記第２関節（指先関節１３）に一端側が連結された第２リンク１４とを備え、前記第１関節（根元関節１２）及び前記第２関節（指先関節１３）が、本発明の態様１に係るアクチュエータユニット１を有する。
【0097】
この特徴によれば、第１関節及び第２関節の摩擦を極端に小さくすることができる。
【0098】
本発明の態様７に係るリンク機構（多指ハンド１５、第１指１０、第２指１６）は、上記態様６において、前記第１関節（根元関節１２）の前記第１磁石歯車３及び前記第２磁石歯車４の係合する磁極が切り替わるタイミングで生じるコギングトルクを補償するように前記モータ（ダイレクトドライブモータ２）を制御する制御回路９・９Ａをさらに備えることが好ましい。
【0099】
上記構成によれば、トルクを重視して大トルクの磁石歯車を採用する第１関節のアクチュエータユニットの第１及び第２歯車の磁極が切り替わるタイミングで生じるコギングトルクを低減することができる。
【0100】
本発明の態様８に係るリンク機構（多指ハンド１５、第１指１０、第２指１６）は、上記態様６において、前記第２リンク１４の他端側に仮想ダンパの力が作用するように前記第１関節（根元関節１２）のアクチュエータユニット１をダンピング制御するとともに、前記第２リンク１４の他端側に仮想バネの力が作用するように前記第２関節（指先関節１３）のアクチュエータユニット１をコンプライアンス制御する制御回路９・９Ａをさらに備えることが好ましい。
【0101】
上記構成によれば、リンク機構が物体を衝撃を吸収しながらキャッチすることができる。
【0102】
本発明の態様９に係るリンク機構（多指ハンド１５）は、上記態様６において、第３リンク１７と、前記第３リンク１７の一端側に連結された第３関節（根元関節１８）と、前記第３リンク１７の他端側に連結された第４関節（指先関節１９）と、前記第４関節（指先関節１９）に一端側が連結された第４リンク２０とをさらに備え、前記第３関節（根元関節１８）及び前記第４関節（指先関節１９）が、本発明の態様１に係るアクチュエータユニット１を有することが好ましい。
【0103】
上記構成によれば、第３関節及び第４関節の摩擦を極端に小さくすることができる。
【0104】
本発明の態様１０に係るリンク機構（多指ハンド１５）は、上記態様９において、対象物（物体２１・２１Ａ）を低衝撃で把持するために、前記第１関節（根元関節１２）をダンピング制御するとともに前記第２関節（指先関節１３）をコンプライアンス制御する第１フェーズと、前記第３関節（根元関節１８）を位置制御するとともに前記第４関節（指先関節１９）を前記対象物（物体２１・２１Ａ）に向かって近づける第２フェーズと、前記第１関節（根元関節１２）を位置制御するとともに前記第４関節（指先関節１９）のコンプライアンス制御による仮想バネの変位が一定となるように第３関節（根元関節１８）を位置制御する第３フェーズとをこの順番に実行する制御回路９Ａをさらに備えることが好ましい。
【0105】
上記構成によれば、多指ハンドの高いバックドライバビリティと衝撃吸収制御の組み合わせにより、高速かつシームレスな把持動作を実現でき、また、把持動作の衝撃力を小さくすることができる。
【0106】
本発明の態様１１に係るリンク機構（多指ハンド１５）は、上記態様９において、対象物（物体２１Ｂ）を低衝撃で把持するために、前記第１関節（根元関節１２）をダンピング制御するとともに前記第２関節（指先関節１３）をコンプライアンス制御し、前記第３関節（根元関節１８）を角度制御するとともに前記第４関節（指先関節１９）をコンプライアンス制御した後、前記第１～第４関節（根元関節１２・指先関節１３・根元関節１８・指先関節１９）を仮想バネと仮想ダンパを並列接続したモデルにより制御する制御回路９Ａをさらに備えることが好ましい。
【0107】
上記構成によれば、机上の物体を低衝撃ノンストップで高速に把持することができる。
【0108】
本発明の態様１２に係るリンク機構（多指ハンド１５）は、上記態様６において、前記第１関節（根元関節１２）が、ロボットハンドの根元関節であり、前記第２関節（指先関節１３）が、前記ロボットハンドの指先関節であることが好ましい。
【0109】
上記構成によれば、第１関節及び第２関節の摩擦が極端に小さいロボットハンドを提供することができる。
【0110】
本発明の態様１３に係るリンク機構（多指ハンド１５）は、上記態様９において、前記第１関節（根元関節１２）、前記第１リンク１１、前記第２関節（指先関節１３）、及び前記第２リンク１４が、ロボットハンドの第１指１０を構成し、前記第３関節（根元関節１８）、前記第３リンク１７、前記第４関節（指先関節１９）、及び前記第４リンク２０が、前記ロボットハンドの第２指１６を構成することが好ましい。
【0111】
上記構成によれば、第１関節～第４関節の摩擦が極端に小さいロボットハンドを提供することができる。
【0112】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
【符号の説明】
【0113】
１ アクチュエータユニット
２ ダイレクトドライブモータ（モータ）
３ 第１磁石歯車
４ 第２磁石歯車
５ 遊星減速機
６ 回転軸
７ エンコーダ
８ 出力軸
９ 制御回路
１０ 第１指（リンク機構、ロボットハンド）
１１ 第１リンク
１２ 根元関節（第１関節）
１３ 指先関節（第２関節）
１４ 第２リンク
１５ 多指ハンド（リンク機構、ロボットハンド）
１６ 第２指（リンク機構、ロボットハンド）
１７ 第３リンク
１８ 根元関節（第３関節）
１９ 指先関節（第４関節）
２０ 第４リンク
２１ 物体（対象物）
２ ダイレクトドライブモータ（モータ）
３ 第１磁石歯車
４ 第２磁石歯車
５ 遊星減速機
６ 回転軸
７ エンコーダ
８ 出力軸
９ 制御回路
１０ 第１指（リンク機構、ロボットハンド）
１１ 第１リンク
１２ 根元関節（第１関節）
１３ 指先関節（第２関節）
１４ 第２リンク
１５ 多指ハンド（リンク機構、ロボットハンド）
１６ 第２指（リンク機構、ロボットハンド）
１７ 第３リンク
１８ 根元関節（第３関節）
１９ 指先関節（第４関節）
２０ 第４リンク
２１ 物体（対象物）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】