CN109202942B - 手控制装置、手控制方法以及手的模拟装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种手控制装置、手控制方法以及手的模拟装置，该手控制装置具备：握持质量评价单元，其针对支撑物体(O)的手指(10、20、30、40)与物体(O)接触的多个接触位置的每一个位置，求出表示对物体(O)的稳定握持的贡献度的握持质量贡献度；移动手指确定单元，其将与握持质量贡献度低的接触位置对应的手指(10)确定为移动手指；以及手指移动控制单元，其向手指的驱动单元发送控制指令，以使确定为移动手指的手指相对于物体(O)移动，多个接触位置的握持质量贡献度利用多个接触位置相对于物体(O)的相对位置、和在多个接触位置的每一个位置上的手指(10、20、30、40)与物体(O)之间的摩擦系数中的至少一个进行定义。

Description

手控制装置、手控制方法以及手的模拟装置
技术领域
本发明涉及手控制装置、手控制方法以及手的模拟装置。
背景技术
近年来，提出了一种多指手对握持物的握持改变(手内操作)控制方法(例如，参照专利文献1)。该文献公开了：利用安装于手指上的触觉传感器测量物体与手的接触点(接触位置)和作用于物体上的力矢量(接触力矢量)，并调整接触力的大小与方向，以使这些力的合力和合力矩为0，通过使一部分手指离开物体并与物体再次接触，从而在保持物体平衡的状态下进行握持改变动作。
此外，还提出了，利用二指手进行一系列复杂的动作计划和状态转换，分多次改变握持物体(例如，参照专利文献2)。
此外，还提出了，不利用手的自由度，仅利用安装有手的机器人臂的自由度，在握持物体的同时使其姿态发生变化而举起来的控制方法(例如，参照专利文献3)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4890199号公报
专利文献2：日本专利第6057862号公报
专利文献3：日本专利第5289179号公报
发明内容
发明要解决的问题
在专利文献1的技术中，以使一部分手指离开物体并与物体再次接触的方式进行物体的握持改变动作。但是，由于在使手指离开物体的瞬间，手和物体的接触部位减少而容易使物体掉落，因而需要考虑是否能够利用其余的手指稳定地持续握持物体。即，使手指离开物体活动时，为了能够避免握持的稳定性大幅降低而使物体掉落，需要考虑活动哪根手指能够最稳定地持续握持，并优化地确定用于握持改变的手指。该问题在专利文献1中并未进行任何考虑。
本发明是鉴于这种情况而做出的，目的在于提供一种手控制装置，其始终考虑手对物体的握持稳定性，在该握持稳定性降低的情况下，将对稳定握持贡献度低的手指确定为移动手指，并移动该移动手指以提高该握持稳定性，在稳定地持续握持物体的同时，能够进行握持改变动作。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，本发明采用以下单元。
本发明的第一方案提供一种手控制装置，其控制使用多个手指握持物体的手，并具备：握持质量评价单元，其针对所述多个手指中的支撑所述物体的手指与所述物体接触的多个接触位置的每一个位置，求出表示对所述物体的稳定握持的贡献度的握持质量贡献度；移动手指确定单元，其将与所述握持质量贡献度低的所述接触位置对应的所述手指确定为移动手指；以及手指移动控制单元，其向手指的驱动单元发送控制指令，以使确定为所述移动手指的所述手指相对于所述物体移动，所述多个接触位置的所述握持质量贡献度利用所述多个接触位置相对于所述物体的相对位置、和在所述多个接触位置的每一个位置上的所述手指与所述物体之间的摩擦系数中的至少一个进行定义。
根据所述方案，通过导入多个接触位置各自的握持质量贡献度，将与握持质量贡献度低的接触位置对应的手指确定为移动手指，可以改变对握持稳定性贡献度低的接触位置，并将与该接触位置对应的手指确定为移动手指。由于移动手指的握持质量贡献度比其他手指的握持质量贡献度低，因此即使在移动手指离开物体，或者从移动手指向物体施加的接触力降低的情况下，因物体的握持稳定性大幅降低而导致物体掉落的可能性也低。此外，通过将移动手指移动至例如握持质量贡献度变高的接触位置，能够提高物体的握持稳定性。
在所述方案中，优选地，所述握持质量评价单元构成为，还求出握持质量评价值，所述握持质量评价值表示与所述多个接触位置对应的所述多个手指对所述物体的稳定握持的定量评价；所述移动手指确定单元构成为，当所述握持质量评价值低于预定的阈值时，将与所述握持质量贡献度低的所述接触位置对应的所述手指确定为移动手指；由所述手指移动控制单元进行的手指移动控制构成为，当所述握持质量评价值低于所述阈值时执行，所述握持质量评价值利用所述多个接触位置相对于所述物体的相对位置、和在所述多个接触位置的每一个位置上的所述手指与所述物体之间的摩擦系数中的至少一个进行定义。
根据该构成，由于仅在定量地表示物体的握持稳定性的握持质量评价值低于预定的阈值时，才进行移动手指的确定，并移动该手指，因此能够防止因不需要移动手指而导致的物体的握持稳定性的降低。
在所述方案中，优选地，所述手指移动控制单元构成为，进行获得所述驱动单元的驱动量或驱动速度的目标值的优化问题处理，该优化问题处理获得使确定为所述移动手指的所述手指向所述握持质量评价值变大的方向移动的所述目标值。
此外，在该方案中，优选地，所述优化问题处理将所述握持质量评价值的一次时间微分作为目标函数，获取马达的所述驱动速度的目标值，以使所述目标函数成为最大，所述马达驱动确定为所述移动手指的所述手指的关节。
为了增大所述握持质量评价值，若将该握持质量评价值自身作为目标函数最大化，则解决了二次的非线性优化问题，尽管需要的计算处理时间会变长，但通过将握持质量评价值的一次时间微分作为目标函数最大化，能够变为不包含二次型的线性优化问题。因此，极有利于实时地实现移动手指的关节速度的目标值的优化确定，以缩短计算处理时间，增大握持质量评价值Q。此外，通过使握持质量评价值的一次时间微分最大化，从而使握持质量评价值的增加量变为最大，其结果是，由于最大限度地增加了握持质量评价值，因此与使握持质量评价值自身最大化具有相同的效果。
这能够解决在对比文献2中不能解决的问题，即由于进行一系列复杂的动作计划和状态转换而导致计算量大，难以实时地实现的问题。即，在始终追求控制速度的提高、生产效率的提高以及操作性的提高的产业界是有用的技术。
在所述方案中，优选地，所述握持质量评价值和所述各接触位置的所述握持质量贡献度利用在所述多个接触位置分别产生的接触力进行定义。
在所述方案中，所述手指移动控制单元可以构成为，向所述驱动单元发送所述控制指令，以使确定为所述移动手指的所述手指以在与所述物体接触的状态下沿着所述物体的表面移动。
在专利文献1中，由于在进行物体的握持改变动作时，使一部分手指离开物体移动后与物体再次接触，因此在手指离开物体的瞬间，有可能剩余的手指不能稳定地握持物体而使物体掉落。手指总数越少，其风险越高。本发明通过还加入使移动手指在始终与物体接触的同时，沿着物体的表面移动的控制规则，从而消除或减少了该风险。
在该构成中，为了提高握持稳定性而移动移动手指时，以手指始终不离开物体的表面的方式移动手指。例如，在向物体施加比0稍大的正压力的同时，以向与物体的接触切线方向生成手指速度的目标关节速度移动手指。因此，能够避免因一旦失去与物体的接触的一部分而导致物体掉落的情况。
在所述方案中，优选地，在存在四个所述接触位置的情况下，所述握持质量评价单元构成为，针对所述各接触位置，定义将该接触位置投影在经过该接触位置以外的所述接触位置的平面上的点，并求出由该接触位置以外的所述接触位置与所述点所形成的四边形的面积作为该接触位置处的所述握持质量贡献度，求出所求出的所述四边形的面积的最小值作为所述握持质量评价值；所述移动手指确定单元构成为，判断所述四边形的面积小的所述接触位置处的所述握持质量贡献度低。
在该构成中，仅利用例如多个接触位置的相对位置，便能够求出握持质量评价值和各接触位置的握持质量贡献度，因而能够提高计算速度，极有利于实时地实现握持质量评价值和各接触位置的握持质量贡献度的计算。
在所述方案中，优选地，所述握持质量评价单元构成为，针对所述多个接触位置的每一个位置求出力圆锥状空间，并利用所求出的所述力圆锥状空间求出关于所述多个接触位置的每一个位置的所述握持质量贡献度，所述力圆锥状空间包含使所述手指在该接触位置不滑动的接触力的矢量集合。
在所述方案中，优选地，所述握持质量评价单元构成为，针对所述多个接触位置的每一个位置求出力圆锥状空间，并利用所求出的所述力圆锥状空间求出所述握持质量评价值，所述力圆锥状空间包含使所述手指在该接触位置不滑动的接触力的矢量集合。
在该构成中，力圆锥状空间包含使手指在该接触位置不滑动的接触力的矢量集合，基于多个接触位置的力圆锥状空间，能够确定握持质量贡献度低的接触位置，而且，由于在将各接触位置处的力和摩擦系数纳入握持稳定性评价中的基础上判定其贡献度，因而有利于提高基于该判定结果的该确定的准确度。此外，通过这种构成，无论手与物体的接触点有几点，均能够基于握持质量贡献度的判定结果进行该确定，因此通用性高。
在所述方案中，优选地，所述握持质量评价单元构成为，针对所述多个接触位置的每一个位置求出力矩圆锥状空间，并利用所求出的所述力矩圆锥状空间求出关于所述多个接触位置的每一个位置的所述握持质量贡献度，所述力矩圆锥状空间包含由使所述手指在该接触位置不滑动的接触力的集合所生成的围绕所述物体的重心的力矩的集合。
在所述方案中，优选地，构成为求出力矩圆锥状空间，并利用所求出的所述力矩圆锥状空间求出所述握持质量评价值，所述力矩圆锥状空间包含由使所述手指不滑动的接触力的集合所生成的围绕所述物体的重心的力矩的集合。
在该构成中，力矩圆锥状空间包含由使手指在该接触位置不滑动的接触力所生成的围绕物体的重心的力矩的集合，基于多个接触位置的力矩圆锥状空间，能够确定握持质量贡献度低的接触位置，由于在将各接触位置处的力和力矩、摩擦系数纳入到握持稳定性评价中的基础上判定其贡献度，因而有利于提高基于该判定结果的该确定的准确度。此外，通过这种构成，无论手与物体的接触点有几点，均能够基于握持质量贡献度的判定结果进行该确定，因此通用性高。
在所述方案中，优选地，所述握持质量评价单元构成为，针对所述各接触位置，利用该接触位置以外的所述接触位置的所述力圆锥状空间和所述力矩圆锥状空间中的至少一种求出该接触位置的所述握持质量贡献度。
由于该接触位置以外的接触位置为移动移动手指时不移动的手指与物体保持接触的接触位置，因此如此求出的握持质量贡献度能够推定，在该接触位置的手指离开后或该接触位置的手指的接触力降低后的物体的稳定握持状态。通过采用从该角度定义的握持质量贡献度，能够更准确地进行移动手指的确定，极有利于最大限度地提高物体的握持稳定性。
在所述方案中，优选地，所述握持质量评价单元构成为，针对所述多个接触位置的每一个位置求出力矩圆锥状空间，所述力矩圆锥状空间包含由使所述手指在该接触位置不滑动的接触力的集合所生成的围绕所述物体的重心的力矩的集合，所述握持质量评价单元进一步构成为，针对所述各接触位置定义最小凸空间，并利用该凸空间的体积、和该凸空间的边界与所述物体的重心之间的最短距离中的至少一个，求出该接触位置的所述握持质量贡献度，所述最小凸空间包含所有的该接触位置以外的所述接触位置的所述力圆锥状空间和所述力矩圆锥状空间。
由于该接触位置以外的接触位置为移动移动手指时不移动的手指与物体保持接触的接触位置，因此采用如此定义的最小凸空间的握持质量贡献度能够推定，在该接触位置的手指离开后或该接触位置的手指的接触力降低后的物体O的稳定握持状态。通过采用该角度定义的握持质量贡献度，能够更准确地进行移动手指的确定，极有利于最大限度地提高物体O的握持稳定性。
在所述方案中，优选地，所述手控制装置还具备握持可操作性评价单元，所述握持可操作性评价单元针对所述各个手指求出握持可操作性评价值，所述握持可操作性评价值表示该手指的可动范围、或相对于无法向某一方向达到手指速度的手指的奇异姿态的该手指的当前位置，所述握持质量评价单元构成为，还利用所述各个手指的所述握持可操作性评价值求出所述握持质量贡献度或所述握持质量评价值。
通过导入握持可操作性评价值，不仅能够定量评价物体是否难以掉落地被稳定握持，而且还能够定量评价由于各个手指的机械结构的限制(关节不能向两个方向无限地旋转，存在可动范围，或者存在结构性手指的奇异姿态)，在各个手指朝向目标位置姿态操作物体的过程中，是否正在接近无法操作物体的位置或奇异姿态，以及距离有多远。
例如，若在到达各个手指关节的动作极限位置前，使握持可操作性评价值最大化，以使各个手指关节返回到该动作中央位置，则各个手指不受该关节动作极限或手指的奇异姿态的存在的限制，在朝向目标位置姿态操作物体时，不会发生到达动作极限或奇异姿态而无法实现物体的目标位置姿态而停留在该位置，或在该位置关节的马达振动的不利情况。
在所述方案中，优选地，所述手控制装置具备物体检测单元，所述物体检测单元检测所述物体的位置和姿态，所述各个手指具有压力分布传感器，计算机构成为，基于所述压力分布传感器的检测结果和由所述物体检测单元产生的检测结果，检测所述多个接触位置相对于所述物体的相对位置。
在该构成中，为了求出多个接触位置相对于所述物体的相对位置，无需示教物体的三维形状，对各种各样的物体的握持的适应性高，省去了示教所耗费的时间，缩短了整体的作业时间，有利于提高作业效率和操作的容易性。
在所述方案中，优选地，所述各个手指具有压力分布传感器，计算机构成为，基于所述压力分布传感器的检测结果，针对所述各个手指推定在所述接触位置的与所述物体的接触法线方向。
在该构成中，为了求出各接触位置处的接触法线方向，无需示教物体的三维形状，对各种各样的物体的握持的适应性高，省去了示教所耗费的时间，缩短了整体的作业时间，有利于提高作业效率和操作的容易性。
在所述方案中，所述手控制装置可以具备物体形状推定单元，所述物体形状推定单元基于所述压力分布传感器的检测结果，推定在所述接触位置的所述物体的表面形状。
在该构成中，为了推定握持的物体的表面形状，无需示教物体的三维形状，对各种各样的物体的握持的适应性高，省去了示教所耗费的时间，缩短了整体的作业时间，有利于提高作业效率和操作的容易性。
在所述方案中，优选地，所述手指移动控制单元构成为，基于由所述物体形状推定单元推定的所述表面形状，向所述驱动单元发送所述控制指令，以使确定为所述移动手指的所述手指以不离开所述物体的方式沿着所述物体的表面移动。
此时，为了使移动手指沿着物体的表面移动，无需示教物体的三维形状，对各种各样的物体的握持的适应性高，省去了示教所耗费的时间，缩短了整体的作业时间，有利于提高作业效率和操作的容易性。
在所述方案中，优选地，所述手指移动控制单元构成为，在对施加于所述物体的重力和惯性力进行补偿的同时，向所述驱动单元发送控制指令，所述控制指令使所述物体相对于所述手的位置姿态跟随目标值。
专利文献1以仅使手和物体的接触力平衡的方式调整接触力。但是，这仅考虑获取静态的(static)平衡。虽然也需要考虑包括物体运动的情况的物体的动态(加速度和角加速度、速度和角速度、位置和姿态)或物体的重力，但专利文献1中完全没有考虑。因此，针对物体的重力方向朝向容易使物体掉落的方向的握持姿态的情况，或者物体受到预想不到的外力而移动、物体的惯性力达到无法忽视的值的情况，专利文献1未对物体的重力或惯性力进行补偿而进行握持改变动作，因而这些情况存在使物体掉落的问题。此外，不考虑物体的动态，即便进行握持改变动作，也不会进行使物体跟随指定的目标位置姿态的控制，存在不能操作物体至指定的物体的目标位置姿态的问题。
在上述构成中，考虑了物体的动态和重力，并且始终对物体的惯性力和重力进行补偿，因此解决了专利文献1的上述问题。
在所述方案中，优选地，所述手指移动控制单元构成为，将所述物体的惯性模型误差作为不确定因素处理，将所述物体的重力、形状、以及所述手指以外的物体向所述物体施加的外力作为外部干扰处理，通过鲁棒控制方法生成控制指令，所述控制指令使所述物体相对于所述手的位置姿态跟随目标值。
在实际应用由手进行的物体O的握持改变动作(手内操作)控制技术的过程中，存在遇到各种各样的问题无法按照目标实现的情况。例如，在用相同的手握持重量和形状都接近的多个苹果的情况下，由于这些苹果的重力、形状、惯性存在偏差，因此与模型存在误差，导致发生一个个的苹果不按照控制规则移动的问题。或者从各种各样的物体堆叠状态中取出一个物体时，相邻的物体O崩塌掉落，在受到该力的情况下，由于是在动作控制过程中受到预想不到的外力，因而会发生不能到达物体的目标位置姿态的问题。
在上述构成中，进行鲁棒控制，即便存在这些模型误差或预想不到的外力，也能够操作物体至目标的位置姿态，解决了实际应用时遇到的可能性高的问题。
本发明的第二方案为一种手控制方法，其控制使用多个手指握持物体的手，并包括以下步骤：针对所述多个手指中的支撑所述物体的手指与所述物体接触的多个接触位置的每一个位置，求出表示对所述物体的稳定握持的贡献度的握持质量贡献度；以及将与所述握持质量贡献度低的所述接触位置对应的所述手指确定为相对于所述物体移动的移动手指，所述多个接触位置的所述握持质量贡献度利用所述多个接触位置相对于所述物体的相对位置、和所述在多个接触位置的每一个位置上的所述手指与所述物体之间的摩擦系数中的至少一个进行定义。
根据第二方案，通过导入多个接触位置各自的握持质量贡献度，将与握持质量贡献度低的接触位置对应的手指确定为移动手指，可以改变对握持稳定性贡献度低的接触位置，并将与该接触位置对应的手指确定为移动手指。由于移动手指的握持质量贡献度比其他手指的握持质量贡献度低，因此即使在使移动手指离开物体，或者从移动手指向物体施加的接触力降低的情况下，因物体的握持稳定性大幅降低而导致物体掉落的可能性也低。此外，作为一个例子，通过将移动手指移动至例如握持质量贡献度变高的接触位置，能够提高物体的握持稳定性。
另外，在关于第一方案的手控制装置的上述所有的说明中，握持质量评价单元、移动手指确定单元、手指移动控制单元、握持可操作性评价单元、物体检测单元以及由物体形状推定单元进行的动作或能够进行的动作能够使用计算机处理或执行。即，也能够将第一方案的所述所有的手控制装置定义为执行由该各个单元所进行的处理或能够进行的处理的方法。
本发明的第三方案为一种手的模拟装置，其模拟使用多个手指握持物体的手，并具有：握持质量评价单元，其针对所述多个手指中的支撑所述物体的手指与所述物体接触的多个接触位置的每一个位置，求出表示对所述物体的稳定握持的贡献度的握持质量贡献度；以及移动手指确定单元，其将与所述握持质量贡献度低的所述接触位置对应的所述手指确定为相对于所述物体移动的移动手指，所述多个接触位置的所述握持质量贡献度利用所述多个接触位置相对于所述物体的相对位置、和在所述多个接触位置的每一个位置上的所述手指与所述物体之间的摩擦系数中的至少一个进行定义。
根据第三方案，通过导入多个接触位置各自的握持质量贡献度，将与握持质量贡献度低的接触位置对应的手指确定为移动手指，可以改变对握持稳定性贡献度低的接触位置，并将与该接触位置对应的手指确定为移动手指。由于移动手指的握持质量贡献度比其他手指的握持质量贡献度低，因此即使在使移动手指离开物体，或者从移动手指向物体施加的接触力降低的情况下，因物体的握持稳定性大幅降低而导致物体掉落的可能性也低。此外，作为一个例子，通过在模拟上将移动手指的接触位置移动至例如握持质量贡献度变高的接触位置，能够进行物体的握持稳定性是否提高等的模拟。
另外，在关于第一方案的手控制装置的上述所有的说明中，握持质量评价单元、移动手指确定单元、手指移动控制单元、握持可操作性评价单元、物体检测单元以及由物体形状推定单元进行的动作或能够进行的动作能够使用计算机处理或执行。即，假设例如在模拟装置中设定的手的模型为第一方案的手，第一方案的所述所有的手控制装置能够模拟第一方案的所述所有的手控制装置的各个单元进行的处理或能够进行的处理。即第一方案的所述所有的手控制装置也能够定义为，执行由该各个单元进行的处理或能够进行的处理的模拟装置。
发明效果
根据本发明，始终考虑由手进行的物体的握持稳定性，并且在该握持稳定性降低的情况下，将对稳定握持的贡献度低的手指确定为移动手指，并移动该移动手指以提高该握持稳定性，能够在稳定地持续握持物体的同时，进行物体的握持改变动作。
附图说明
图1是表示由本发明的一个实施方式所涉及的手控制装置进行的手的控制状态的一个例子的图。
图2是表示由一个实施方式所涉及的手控制装置进行的手的控制状态的其他例子的图。
图3是一个实施方式中所使用的手的结构示意图。
图4是一个实施方式的手控制装置的主要部分的功能框图。
图5是一个实施方式的手控制装置的主要部分的功能框图。
图6是一个实施方式的手控制装置的第一功能部的功能框图。
图7是一个实施方式的手控制装置的第二功能部的功能框图。
图8是一个实施方式的手控制装置的第三功能部的功能框图。
图9是一个实施方式的手控制装置的第三功能部的子功能框图。
图10是一个实施方式的手控制装置的第四功能部的功能框图。
图11是一个实施方式的手控制装置的第五功能部的功能框图。
图12是对在一个实施方式的手控制装置中所使用的力圆锥状空间进行说明的图。
图13是对在一个实施方式的手控制装置中所使用的最小凸包进行说明的图。
图14是对在一个实施方式的手控制装置中所使用的平面投影法进行说明的图。
图15是对一个实施方式的手控制装置的第四功能部的接触法线矢量的推定方法进行说明的图。
附图标记说明
1 手
10、20、30、40 手指
60 控制部
110 第一功能部
111 握持稳定性指标运算处理部
112 握持可操作性指标运算处理部
113 握持质量指标的合计运算处理部
120 第二功能部
121 阻抗控制运算处理部
122 接触力运算处理部
123 手指握持力优化运算处理部
124 手的雅可比矩阵运算处理部
125 手指关节转矩运算处理部
130 第三功能部
131 移动手指确定部
132 握持质量指标的时间微分运算处理部
132a 握持可操作性指标的时间微分运算处理部
132b 手的雅可比矩阵运算处理部
132c 握持稳定性指标的时间微分运算处理部
132d 握持质量指标的时间微分的合计运算处理部
133 握持质量指标的时间微分的优化运算处理部
134 手指关节转矩运算处理部
140 第四功能部
141 手的雅可比矩阵运算处理部
142 接触法线矢量推定运算处理部
150 第五功能部
151 鲁棒控制器运算处理部
152 反馈线性化运算处理部
153 手指动作控制运算处理部
O 物体
具体实施方式
下面参照附图对本发明的一个实施方式所涉及的手控制装置进行说明。例如图1和图2所示，该手控制装置控制手1。
如图1所示，该手1利用多个手指10、20、30、40握持物体O，并通过移动多个手指10、20、30、40，能够改变物体O相对于手1的相对位置和姿态。
例如图1和图2所示，能够使圆柱形和椭圆体的物体O围绕其中心轴旋转并上升。图1和图2的物体O的运动是一个例子，也能够在其他的方向上移动物体O，并使物体O变为其他姿态。例如，还能够使物体O围绕图1所示的各种轴线H1、H2、H3旋转。在本实施方式中，作为一个例子，对使物体A围绕其中心轴旋转并上升的情况进行说明。
其中，物体O可以是任何物体，在本实施方式中，作为一个例子，对利用多个手指10、20、30、40握持圆柱形物体O的情况进行说明。
此外，手1能够使用任何手，只要其具有多根包括至少一个旋转关节的手指即可，在本实施方式中，作为一个例子，如图1和图2所示，使用具有基部(手掌)50和分别由基部50支撑的多个手指10、20、30、40的手。
如图3所示，多个手指10、20、30、40分别具有：基端由基部50支撑的第一手指部11、21、31、41；基端由第一手指部11、21、31、41的前端支撑的第二手指部12、22、32、42；基端由第二手指部12、22、32、42的前端支撑的第三手指部13、23、33、43。另外，在图1和图2中，第一手指部11、21、31、41配置于基部50内或物体O的下方，无法看到。
此外，多个手指10、20、30、40分别具有：第一马达11a、21a、31a、41a，其使第一手指部11、21、31、41相对于基部50围绕竖直轴线旋转；第二马达12a、22a、32a、42a，其使第二手指部12、22、32、42相对于第一手指部11、21、31、41围绕与其长度轴线相交的轴线旋转；以及第三马达13a、23a、33a、43a，其使第三手指部13、23、33、43相对于第二手指部12、22、32、42围绕与其长度轴线相交的轴线旋转(参照图4)。
第一马达11a、21a、31a、41a、第二马达12a、22a、32a、42a以及第三马达13a、23a、33a、43a作为驱动手指10、20、30、40的驱动单元发挥功能，分别与控制部(控制单元)60连接。
控制部60由具备CPU等处理器、硬盘、RAM、ROM等存储装置、输入装置、显示装置等的计算机构成。
第一马达11a、21a、31a、41a、第二马达12a、22a、32a、42a以及第三马达13a、23a、33a、43a分别是内部具备编码器等旋转位置检测装置的能够控制旋转位置的马达，构成为向控制部60发送旋转位置检测装置的检测值。手指10、20、30、40的各个关节设置有角度传感器，可以使用该角度传感器的检测值代替旋转位置检测装置的检测值，也可以使用两个值。
无论在何种情况下，通过第一马达11a、21a、31a、41a的旋转位置检测装置或该位置的角度传感器，能够求出第一手指部的基端部的关节角度，通过第二马达12a、22a、32a、42a的旋转位置检测装置或该位置的角度传感器，能够求出第一手指部与第二手指部之间的关节角度，通过第三马达13a、23a、33a、43a的旋转位置检测装置或该位置的角度传感器，能够求出第二手指部与第三手指部之间的关节角度。即，旋转位置检测装置或角度传感器作为关节角度检测单元发挥功能。
进一步地，控制部60的存储装置中存储有第一马达11a、21a、31a、41a各自的动作范围、第二马达12a、22a、32a、42a各自的动作范围以及第三马达13a、23a、33a、43a各自的动作范围。该动作范围为手指10、20、30、40的各个关节通过与基部50、其他关节、其他障碍物等的关系能够移动的范围、人为设定的范围等。
例如，若手指10、20、30、40的第一手指部11、21、31、41的前端不配置于基部50的外周表面的外侧，则存在不能利用手指10、20、30、40良好地操作物体O的情况。其中，第一马达11a、21a、31a、41a以第一手指部11、21、31、41的中心轴线与基部50的径向相一致的位置为动作中心，向两侧旋转45°，此为动作范围。针对第二马达12a、22a、32a、42a和第三马达13a、23a、33a、43a也设定有动作范围和动作中心。
此外，各个手指10、20、30、40上设置有触觉传感器14、24、34、44。作为一个例子，触觉传感器14、24、34、44为设置于各个手指10、20、30、40的前端的压力分布传感器，当各个手指10、20、30、40的前端与物体O接触时，检测该接触位置的压力分布等。
在此，参照图1对移动物体O时的四根手指10、20、30、40的运动的一个例子进行说明。图1(A)中，各个手指10、20、30、40的前端以能够握持物体O的力与物体O的外周表面接触。在该状态下，通过使各个手指10、20、30、40的各个关节的马达运行而提供物体O围绕其中心轴旋转所需的接触力，从而使物体O旋转至图1(B)中所示的位置。此时，各个手指10、20、30、40的前端相对于基部50运动，各个手指10、20、30、40的姿态发生变化。
由于各个手指10、20、30、40能够采取的姿态和能够运动的范围受到限制，因此在各个手指10、20、30、40的前端不从图1(A)或图1(B)的接触位置移动而持续接触的状态下，不能使物体O围绕其中心轴例如向相同的方向连续旋转360°。
因此，使物体O相对于手1围绕其中心轴旋转，同时使四根手指10、20、30、40中的手指10返回到原来的位置，以改变手指10与物体O的接触位置(图1(C))，接着，其他手指20，30，40也与手指10同样地，一根接一根地返回到原来的位置，一根接一根地改变接触位置(图1(D))，通过重复这样的动作，逐渐改变各个手指10、20、30、40与物体O的接触位置(图1(E))，使物体O相对于手1围绕该中心轴旋转下去。
这样为了相对于手1移动物体O，例如图1(B)中改变手指10的接触位置的情况，在改变各个手指10、20、30、40与物体O的接触位置时，为了不掉落而稳定地持续握持并连续地操作物体(使其旋转、移动)，关于确定应该在什么时机改变哪根手指的接触位置，并且将手指移动至哪一个接触位置的处理，使用表示控制部60的功能的功能框图(图5～图11)进行说明。
图5是对用于控制各个马达的控制部60的整体功能进行说明的功能框图。如图5所示，控制部60具有第一至第五功能部110、120、130、140、150。第一至第五功能部110、120、130、140、150可以分别作为程序存储于控制部60的存储装置中，以使控制部60的处理器运行，还可以构成为由具有处理器、存储装置等的微型计算机构成的单元部件。
第一功能部110每隔预定时间，或每隔预定的控制周期，就计算握持质量评价值Q，并与阈值Qlim比较，所述握持质量评价值Q表示在利用多个手指10、20、30、40握持的状态下物体难以掉落的程度，稳定地握持到何种程度。在下述第一功能部110的说明中，对握持质量评价值Q与阈值Qlim进行更详细的说明。
在利用接触的所有的手指10、20、30、40计算出的握持质量评价值Q为阈值Qlim以上时，为了将所有的手指10、20、30、40都利用于由第二功能部120对物体运动的控制中，并实现物体O的目标位置姿态，计算出至少包括各个马达的目标转矩Tdes的各个马达的控制目标值。
在所述握持质量评价值Q为阈值Qlim以下时，利用第三功能部130计算出关于多个手指10、20、30、40的每一个手指的握持质量贡献度Q10、Q20、Q30、Q40，将计算出的握持质量贡献度低的一部分手指(例如与贡献度最低的Q10对应的手指10)确定为移动手指，并输出该手指的索引k(例如“10”)。将该一部分手指(例如手指10)以外的手指(例如手指20、30、40)利用于由第二功能部120对物体运动的控制，并至少计算出用于实现物体O的目标位置姿态的各个马达(除了该一部分手指10的驱动马达)的目标转矩Tdes。下面对第二功能部120进行详细说明。
所述一部分手指(例如手指10)被利用于由第三功能部130对手指移动动作的控制。第三功能部130为了移动该一部分手指(例如手指10)以提高所述握持质量评价值Q，而计算出至少包括该一部分手指的各个关节的马达的目标转矩Tkdes(例如T10des)的马达的控制目标值。下面对第三功能部130进行详细说明。
这些目标转矩Tdes、Tkdes提供给转矩跟随控制器160，转矩跟随控制器160利用目标转矩Tdes、Tkdes驱动各个马达。由此，各个手指10、20、30、40与物体O接触，在各个接触位置产生期望的接触力，通过该期望的接触力操作物体O至目标位置姿态。此外，当所述握持质量评价值Q低于阈值Qlim时，将该一部分手指(例如手指10)的接触位置改变为更好的位置，提高了所述握持质量评价值Q，从而提高了利用所有的手指10、20、30、40握持物体O的握持质量。
接着，将由各个触觉传感器14、24、34、44、各个马达的旋转位置检测装置的检测值、以及拍摄手指10、20、30、40和物体O的视觉传感器45等物体检测单元检测出的物体的当前位置姿态的检测结果等信息输入至第一功能部110，由第一功能部110利用这些值重新计算握持质量评价值Q，并重复上述第一功能部110至第三功能部130的控制。这样的控制在渐渐改变各个手指10、20、30、40的接触位置的同时，使物体O相对于手1的相对位置姿态跟随其目标值。
通过将物体的三维形状数据示教给控制部60，能够获得物体O与各个手指10、20、30、40的前端的每一个接触位置处的接触法线矢量。在不采用该方法的情况下，第四功能部140利用各个触觉传感器14、24、34、44的输出值(接触位置、压力分布)和手指的三维形状数据，获得物体O与各个手指10、20、30、40的前端在各自的接触位置的接触法线矢量。通过这些方法得到的接触法线矢量用于计算马达的控制目标值，所述马达的控制目标值至少包括各个手指10、20、30、40的各个马达的目标转矩Tdes。由此，不用将物体O的三维形状数据示教给控制部60，就能够实现各种物体O的握持。下面对第四功能部140进行详细说明。
第五功能部150进行鲁棒控制，即使存在握持的物体O的重量、形状、惯性的模型误差或预想不到的外力，也会将物体O操作至目标位置姿态。由此，在利用相同的手1握持重量、形状等与模型不同的情况的物体O(例如重量和形状相似的多个苹果)时，或者如握持并取出物体O时周围的物体O崩塌掉落的情况那样在握持的过程中受到预想不到的外力时，也能够不掉落地操作物体O，实现鲁棒性高的控制。下面对第五功能部150进行详细说明。
图6是表示第一功能部110的实现方法的一个例子的功能框图。
第一功能部110基于根据各个触觉传感器14、24、34、44的检测值而获得的各个手指10、20、30、40的前端与物体O的接触位置p、以及根据设置于各个手指10、20、30、40的各个关节的角度传感器的检测值而获得的各个关节的关节角度q，在握持稳定性指标运算处理部111中，计算出基于接触的多个手指10、20、30、40的所有的接触位置和关节角度的握持稳定性评价值Qo。此外，基于设置于各个手指10、20、30、40的各个关节的角度传感器的检测值，在握持可操作性指标运算处理部112中，计算出基于接触的多个手指10、20、30、40的所有关节角度的握持可操作性评价值Qh。
此外，还能够针对接触的多个手指10、20、30、40的每一个手指求出握持稳定性贡献度Qo10、Qo20、Qo30、Qo40。这样求出的握持稳定性贡献度Qo10、Qo20、Qo30、Qo40表示各个手指10、20、30、40对物体O的稳定的握持具有何种程度的贡献。还能够针对接触的多个手指10、20、30、40的每一个求出握持可操作性贡献度Qh10、Qh20、Qh30、Qh40。这样求出的握持可操作性贡献度Qh10、Qh20、Qh30、Qh40表示，在各个手指10、20、30、40的当前状态下，为了实现物体O的目标位置姿态，此后至到达不能操作物体的动作极限位置有多大程度的余量，或距离不能向某一方向达到手指速度的奇异姿态有多远。
计算出的Qo和Qh在握持质量指标的合计运算处理部113中代入预定的式子中，计算出综合地表示握持稳定性评价值Qo和握持可操作性评价值Qh的握持质量评价值Q。此外，计算出的Qo10、Qo20、Qo30、Qo40和Qh10、Qh20、Qh30、Qh40在所述合计运算处理部113中代入预定的式子中，计算出分别综合地表示握持稳定性贡献度Qo10、Qo20、Qo30、Qo40和握持可操作性贡献度Qh10、Qh20、Qh30、Qh40的握持质量贡献度Q10、Q20、Q30、Q40。所述预定的式子可以将Qo与Qh、或Qo10、Qo20、Qo30、Qo40与Qh10、Qh20、Qh30、Qh40直接相加，也可以将Qo与Qh、或Qo10、Qo20、Qo30、Qo40与Qh10、Qh20、Qh30、Qh40分别乘以不同的权重系数再相加。
接着，将求出的握持质量评价值Q与阈值Qlim进行比较，当握持质量评价值Q为阈值Qlim以上时，将所有的手指10、20、30、40利用于由第二功能部120对物体运动的控制。另一方面，当所述握持质量评价值Q为阈值Qlim以下时，将与针对各个手指的每一个手指计算出的握持质量贡献度Q10、Q20、Q30、Q40中的低的值对应的一部分手指(例如与最低的Q10对应的手指10)以外的手指(例如手指20、30、40)利用于由第二功能部120对物体运动的控制。
其中，握持稳定性评价值Qo和握持稳定性贡献度Qo10、Qo20、Qo30、Qo40能够从各种这样的角度进行定义，求出这些值的方法也各种各样，可以使用任何方法，下面对其中好的方法进行说明。
(求出握持稳定性评价值Qo和握持稳定性贡献度Qo10、Qo20、Qo30、Qo40的第一个例子)
不掉落地稳定握持物体O的前提是，在物体O与手指10、20、30、40中的支撑物体O的手指的接触点(接触位置)处不发生滑动。因此，能够用摩擦和接触力来定义握持稳定性评价值Qo。更具体地，能够使用物体O与支撑物体O的手指10、20、30、40的各个接触点的相对于物体O的相对位置、各接触点的接触力(大小、方向)、物体O与各个手指10、20、30、40之间的摩擦系数等信息进行定义。
例如基于库仑摩擦模型，若由物体O与各个手指10、20、30、40的接触在各接触位置处所产生的摩擦力不超过最大静止摩擦力，则判断该接触位置处的该手指与物体O之间不发生滑动。即，例如手指10与物体O之间的接触力f在切平面上的分量(与接触法线垂直的平面上的分量)ft0不超过最大静止摩擦力fμ＝μf⊥(μ：库仑摩擦系数；f⊥：正压力，即f在接触法线方向的分量)的接触力f，是不引起该手指与物体O之间的滑动的接触力。
在各接触点处，不引起滑动的接触力f的候补群是基于库仑摩擦系数μ、正压力f⊥、顶角为2tan－1μ的三维圆锥状矢量空间(参照图12)。
不引起滑动而稳定地握持物体O的接触力需要存在于图12的力圆锥状空间内。基于触觉传感器14、24、34、44的检测值，设定影响该力圆锥状空间的大小(体积)的候补组内的正压力f⊥(各接触力f的法线方向的分量)的矢量的长度。由于力圆锥状空间内的任意的接触力f会产生一个围绕物体O的重心G的力矩，因而存在与这种期望的接触力的力圆锥状空间对应的力矩的圆锥状空间(参照图13)。这种期望的力矩圆锥状空间基于库仑摩擦系数μ、正压力f⊥、物体O的重心到各接触点的距离矢量进行定义，是与所述力圆锥状矢量空间基底矢量不同的另一个三维圆锥状矢量空间。
对于一个接触点，存在一个不引起滑动的接触力的候补组(三维圆锥状矢量空间)，和一个由该接触力的候补组产生的围绕物体O的重心G的力矩的候补组(三维圆锥状矢量空间)。不掉落地稳定握持物体O的接触力和力矩需要存在于这些矢量空间内。在本实施方式中，将包括所有的用于握持物体O或假定用于握持物体O的多个接触点的力圆锥状空间和力矩圆锥状空间的最小凸集合称为关于握持稳定性的最小凸包。
最小凸包是具有六维的凸空间，有时也称为grasp wrench space，是用于稳定握持物体O的期望的力和力矩的稳定候补组。
如果物体O的重心进入该凸空间(grasp wrench space)内，则能够判断握持是稳定的。物体O的重心G的位置存在于该凸空间内，且由于距离该凸空间的边界越远，重心G越难以到该凸空间以外，因此用于稳定握持的力与力矩的候补变多。即，由于不引起滑动的保持物体O的平衡的力与力矩的组合变多，因此能够判断握持稳定性(握持稳定性评价值Qo)高。
此外，由于该凸空间的体积越大，越容易包含物体O的重心，重心G越不容易到该凸空间之外，因此用于稳定握持的力与力矩的候补变多。即，由于不引起滑动的保持物体O的平衡的力与力矩的组合变多，因此能够判断握持稳定性(握持稳定性评价值Qo)高。
作为判断指标的一个例子，如下述式子(1)，将物体O的重心G的位置到该凸空间的边界的最短距离ε与该凸空间的体积V的线性组合定义为握持稳定性评价值Qo并计算出。
数式(1)：
Qo＝w11∈+w12V (1)
如此定义的Qo无论为几点接触都能够使用。
作为本实施方式的一部分，针对多个手指10、20、30、40分别求出握持稳定性贡献度Qo10、Qo20、Qo30、Qo40。首先，针对手指10的握持稳定性贡献度Qo10，求出包括所有的该手指10以外的与物体O接触的所有手指20、30、40的各接触点的各力圆锥状空间和各力矩圆锥状空间的最小凸集合(握持稳定性贡献度的最小凸包)，对于该凸集合，用所述式子(1)计算为握持稳定性贡献度Qo10。即手指10的握持稳定性贡献度Qo10成为用手指10以外的手指20、30、40握持物体O时的稳定性评价。
同样地，针对手指20、30、40也分别求出握持稳定性贡献度，由此，针对多个手指10、20、30、40求出各自的握持稳定性贡献度Qo20、Qo30、Qo40。
(求出握持稳定性评价值Qo和握持稳定性贡献度Qo10、Qo20、Qo30、Qo40的第二例)
也有如下方法：将第一个例子中用摩擦和力矢量三维地定义握持稳定性评价值Qo和握持稳定性贡献度Qo10、Qo20、Qo30、Qo40的问题简化，在几何学级别上二维地思考握持稳定性(图14参照)。
例如，在手指10、20、30、40与物体O以四点接触的情况下，能够将一个接触点投影到由其余的三个接触点形成的平面上，将由所述其余的三个接触点和所述投影后的点x形成的四边形的面积或利用该面积计算出的值作为握持稳定性评价值Qo。并且，能够判断四边形的面积越大，握持越稳定。
作为具体的例子，在将手指10、20、30、40的接触点中的一个点设为s，所述其余的三个点设为p1、p2、p3的情况下，分别针对将手指10、20、30、40作为s的情况，计算所述四边形的面积，所述四边形的面积如下述式子(2)仅利用各接触点的位置信息进行计算，将计算出的最小值定义为握持稳定性评价值Qo，能够定量地评价握持稳定性。
数式(2)：
QO＝Area(p1，p2，p3，proj(s)) (2)
p1、p2、p3、s分别表示例如以物体O的重心G为原点的三维坐标系中的位置(位置矢量)，图14中的x是将s投影于过p1、p2、p3的平面上时的位置。如此定义的握持稳定性评价值Qo仅在接触点为四个点的情况下有效。
作为本实施方式的一部分，针对多个手指10、20、30、40分别求出握持稳定性贡献度Qo10、Qo20、Qo30、Qo40。首先，将手指10的接触点设为s，将其余手指20、30、40的接触点分别设为p1、p2、p3，如上所述求出四边形的面积，该面积为手指10的握持稳定性贡献度Qo10。同样，针对手指20，30，40分别求出握持稳定性贡献度Qo20、Qo30、Qo40，由此，针对多个手指10、20、30、40分别求出握持稳定性贡献度Qo10、Qo20、Qo30、Qo40。
另外，在所述第一和第二例中，示出了采用三维坐标中的各接触点、物体O的重心的位置的例子，但仅采用各接触点、物体O的重心的相对位置也能实施第一和第二例。
作为握持稳定性贡献度Qo10、Qo20、Qo30、Qo40，除了所述两种定义以外，也能够采用利用物体O与各个手指10、20、30、40的接触位置、接触力、摩擦系数定义的其他指标。
作为一个例子，在所述第一个例子中，也能够利用针对多个手指10、20、30、40分别求出的所述力圆锥状空间来求出多个手指10、20、30、40的各自的握持稳定性贡献度Qo10、Qo20、Qo30、Qo40。各力圆锥状空间是相对于该接触点的接触法线以tan－1μ的角度打开的三维圆锥状空间，表示在该接触点不滑动而能够施加给物体O的力矢量的束。
例如，针对某个接触点，能够求出力圆锥状空间的体积、以及该接触点与物体O的重心G的连接直线与该接触圆锥状空间的接触法线所形成的重心方向角度，并计算出握持稳定性贡献度Qo10、Qo20、Qo30、Qo40，若力圆锥状空间的体积大且重心方向角度小，则为对物体O的稳定握持的贡献度高的评价，反之，则为对稳定握持物体O的贡献度低的评价。通过针对所有接触点求出该握持稳定性贡献度，从而能够找出对物体O的稳定握持的贡献度低的接触点。
此外，物体O具有简单的形状，在各个手指10、20、30、40的可动范围受限等的情况下，即便不考虑多个手指10、20、30、40各自的接触位置在三维坐标中的位置，有时也能够求出多个手指10、20、30、40各自的握持稳定性贡献度Qo10、Qo20、Qo30、Qo40。
例如，苹果等的表面状态或表面的细微的形状并不固定，但在物体O的整体具有简单的形状的情况下，假设所述力圆锥状空间的接触法线的方向根据各个手指10、20、30、40的运动发生唯一的变化，则所述力圆锥状空间的体积或打开的角度(tan－1μ)可以根据各个触觉传感器14、24、34、44的检测结果发生变化。
具体地，由于苹果表面具有的微小的凹凸，该微小的凹凸由触觉传感器14、24、34、44检测出，因而能够利用触觉传感器14、24、34、44的检测结果调整各接触点的摩擦系数μ，并用调整后的μ分别求出多个手指10、20、30、40的所述力圆锥状空间。
针对某个接触点，能够求出力圆锥状空间的体积、以及由该接触点与物体O的重心G的连接直线与该力圆锥状空间的接触法线所形成的重心方向角度与tan－1μ的比例，并且计算出握持稳定性贡献度Qo10、Qo20、Qo30、Qo40，若力圆锥状空间的体积大且该比例小，则为对物体O的稳定握持的贡献度高的评价，反之，则为对物体O的稳定握持的贡献度低的评价。
作为其他例子，在所述第一个例子中，能够利用针对多个手指10、20、30、40分别求出的所述力矩圆锥状空间，求出多个手指10、20、30、40各自的握持稳定性贡献度Qo10、Qo20、Qo30、Qo40。各力矩圆锥状空间表示该接触点围绕物体O的重心G能够施加的力矩的束。
例如，针对某个接触点，能够求出力矩圆锥状空间的体积、以及由该接触点与物体O的重心G的连接直线与该力矩圆锥状空间的中心轴线所形成的重心方向角度，并且计算出握持稳定性贡献度Qo10、Qo20、Qo30、Qo40，若力矩圆锥状空间的体积大且重心方向角度小，则为对物体O的稳定握持的贡献度高的评价，反之，则为对物体O的稳定握持的贡献度低的评价。通过针对所有接触点求出该握持稳定性贡献度，能够找出对物体O的稳定握持的贡献度低的接触点。
握持可操作性评价值Qh或握持可操作性贡献度Qh10、Qh20、Qh30、Qh40也能够从各种各样角度进行定义，求出这些值的方法也各种各样，可以使用任何方法，下面对其中好的方法进行说明。
例如，能够考虑各个手指关节的动作极限所引起的制约会对物体O的操作性带来多大程度的影响，来定义握持可操作性评价值Qh。在该情况下，针对各个手指关节，能够利用关节的当前位置qij(第j手指的第i关节的关节角度)和该关节的动作极限(关节动作范围的最小值qi min.j和最大值qi max.j)信息，计算关节当前位置qij与关节动作中心位置(qi min.j+qi max.j)/2之间的差的平方，并将计算出的结果乘以－1，而定义为握持可操作性评价值Qh。
数式(3)：
Figure BDA0001711347240000201
数式(4)：
Figure BDA0001711347240000202
此外，握持可操作性贡献度Qh10、Qh20、Qh30、Qh40是分别针对手指10、20、30、40计算出的。具体地，分别将j＝10、j＝20、j＝30、j＝40代入下述式子，将计算出的结果作为Qh10、Qh20、Qh30、Qh40。
数式(5)：
Figure BDA0001711347240000203
通过求解使Qh为最大的优化问题，从而生成使各个手指关节始终返回到其关节的关节动作中心位置的控制信号。由此，各个手指关节始终在远离动作极限(关节动作范围的最小值qi min.j和最大值qi max.j)的状态下持续动作。
此外，还有将包含所有的各个手指的雅可比矩阵的矩阵J代入下述式子(6)，并将计算出的结果定义为Qh的方法。
数式(6)：
Figure BDA0001711347240000204
握持可操作性贡献度Qh10、Qh20、Qh30、Qh40是将仅包含手指10、20、30、40各自的雅可比矩阵的矩阵J代入数式(6)，分别计算出的值。
在所述矩阵J的奇异值σ1、σ2……σn中，只要有一个值为0，则该手指不能向某一方向移动，从而不能向该方向操作物体O。k是权重系数，det(X)是矩阵X的行列式，JT是矩阵J的转置矩阵。求解如此定义的使Qh最大化的优化问题，以避免手的手指发生奇异姿态导致丧失对物体O的操作性的情况的发生。
握持可操作性评价值Qh或握持可操作性贡献度Qh10、Qh20、Qh30、Qh40不限于所述两种定义，是根据手1的各个手指关节的角度信息定义的指标。
另外，在本实施方式中，所述关节动作范围和关节动作中心位置从各个马达的输出轴经由齿轮等传递机构传递至各个关节轴之后，进一步地，分别与由手的机械结构施加限制后的动作范围和动作中心位置相对应。
基于如上所述求出的握持稳定性评价值Qo和握持可操作性评价值Qh，如前面所述计算出握持质量评价值Q。此外，基于如上所述求出的握持稳定性贡献度Qo10、Qo20、Qo30、Qo40和握持可操作性贡献度Qh10、Qh20、Qh30、Qh40，如前面所述计算握持质量贡献度Q10、Q20、Q30、Q40。
其中，握持的物体O和手指10、20、30、40的规格是各种各样的，根据这些规格，能够不利用握持可操作性评价值Qh，仅利用握持稳定性评价值Qo求出握持质量评价值Q。此外，还能够不利用握持可操作性贡献度Qh10、Qh20、Qh30、Qh40，仅利用握持稳定性贡献度Qo10、Qo20、Qo30、Qo40求出握持质量贡献度Q10、Q20、Q30、Q40。
另一方面，能够利用合计运算处理部113，将握持稳定性评价值Qo与握持可操作性评价值Qh进行线性组合，从而计算出握持质量评价值Q。此外，还能够由合计运算处理部113利用握持稳定性贡献度Qo10与握持可操作性贡献度Qh10的线性组合、Qo20与Qh20的线性组合、Qo30与Qh30的线性组合、Qo40与Qh40的线性组合，分别计算出握持质量贡献度Q10、Q20、Q30、Q40。例如，能够分别在乘以不同的权重系数后进行加法运算而计算出。
数式(7)：
Q＝w1Qo+ω2Qh (7)
数式(8)：
Q10＝w11Qo10+w21Qh10 (8)
数式(9)：
Q20＝w12Qo20+w22Qh20 (9)
数式(10)：
Q30＝ω13QO30+w23Qh30 (10)
数式(11)：
Q40＝w14QO40+w24Qh40 (11)
图7是表示第二功能部120的实现方法的一个例子的功能框图。
第二功能部120利用用于实现物体O的目标位置姿态的阻抗控制运算处理部121，利用物体O的当前位置姿态的信息来计算使与物体O的目标位置姿态的差收敛为0所需的外力Fimp，其中，所述物体O的当前位置姿态的信息是利用各种传感器的检测信息而获得的。能够利用三维视觉传感器的检测信息，或通过三维激光传感器确定安装于物体O的表面的多个标识器的位置而检测物体O的当前位置姿态的单元的检测信息等作为该各种传感器的检测值。
所述计算出的Fimp输入至物体运动控制所需的接触力运算处理部122，基于物体的动力学模型(详见后述)计算出期望的接触力Fdes。计算出的Fdes输入至手指握持力优化运算处理部123。此外，由触觉传感器检测出的各接触位置的当前压力Fact也输入至所述手指握持力优化运算处理部123，并通过求解手指握持力的优化问题(详见后述)，计算出手1的目标握持力f＊。此外，在手的雅可比矩阵运算处理部124中，利用由设置于手1的手指10、20、30、40的各个关节上的角度传感器检测出的当前关节角度q计算手的雅可比矩阵J，计算出的值输入至手指关节转矩运算处理部125，对f＊进行逆转换，对依存于关节速度的离心力等进行补偿，从而计算出手1的各个手指关节的目标转矩Tdes。
所述计算出的目标转矩Tdes提供至手指10、20、30、40的各个关节的驱动马达，由此驱动手1。其结果是，通过使手1以目标转矩运动，使各个手指10、20、30、40与物体O接触，以提供目标握持力f＊，由此产生期望的接触力Fdes。物体O受到这样的期望的接触力Fdes，***作至目标位置姿态。
所述物体的运动学模型是指，考虑物体的动态(加速度和角加速度、速度和角速度、位置、姿态)和重力，将来自手1的接触力作为外力考虑的物体的动力学模型。利用该模型计算出期望的接触力，便能计算出始终补偿了物体O的重力与惯性力的目标接触力。
所述手指握持力的优化问题是指，为了使安装于手指10、20、30、40上的触觉传感器14、24、34、44所检测出的当前压力与目标接触力的差为最小而决定期望的握持力的优化问题。由此，决定跟随Fdes所需的手1的握持力的最优解f＊。
图8是表示第三功能部130的实现方法的一个例子的功能框图。
第三功能部是，利用手指10、20、30、40握持物体O的握持质量评价值Q低于阈值Qlim时所进行的手指移动控制。移动手指确定部131选定最适合的被移动的手指(移动手指)，并输出该手指的索引k(最优选定方法见后述)。例如选定手指10作为移动手指。
接着，利用预先示教给控制部60的物体O的三维形状数据，计算出物体O与确定为移动手指的手指10的接触法线矢量nk1(后述)，并将由手指10的触觉传感器14检测出的接触点的位置p和由手指10的各个关节的角度传感器检测出的关节角度q，与索引k一同输入至握持质量指标的时间微分运算处理部132，计算出关于移动的手指10的握持质量贡献度的时间微分Q’k(以下，为了方便，除数式外，以“’”表示一阶时间微分)。
将所述计算出的Q’k输入至握持质量指标的时间微分的优化运算处理部133，以使Q’k为最大的方式确定移动手指10的目标关节速度，其结果是，计算出q’kdes为最优解。将计算出的q’kdes输入至手指关节转矩运算处理部134，计算用于实现q’kdes所需的目标关节转矩Tkdes。将计算出的Tkdes提供给手指10的马达11a、12a、13a，驱动手指10。其结果是，移动手指10以目标关节速度q’kdes运动，由此，Q’k变为最大，因此最大限度地增加了Qk。
移动手指10移动至握持质量评价值Q最大限度增大的更佳的接触位置，通过在该位置使手指10与物体O接触，从而物体O的握持质量提高，而且，脱离低于阈值Qlim的不佳握持状态，变为握持质量(握持稳定性、握持可操作性)高的握持状态。
下面对所述移动手指的最佳选定方法的一个例子进行说明。首先，从手指10、20、30、40中暂且选择一个手指，例如，选择手指10计算该握持质量贡献度Q10，同样地，也暂且选择其他所有的手指，分别计算各自的握持质量贡献度，例如Q20、Q30、Q40，并对计算出的握持质量贡献度Q10、Q20、Q30、Q40进行比较。其中，握持质量贡献度的计算由握持质量评价单元(第一功能部)进行，并将该计算结果发送至第三功能部的移动手指确定部131，计算结果的比较和移动手指的确定由移动手指确定部131进行。
具有最高的Q10、Q20、Q30、Q40的手指是能够获得最稳定的握持状态的手指，对握持稳定性的贡献度最高，而且，距离关节动作极限位置(或手指的奇异姿态)最远，位于更容易控制的位置。因此，判断该手指不是相对于物体O应当移动的手指。另一方面，计算出的Q10、Q20、Q30、Q40最低的手指对握持稳定性的贡献度最低，而且距离关节动作极限位置(或手指的奇异姿态)最近，位于更难以控制的位置，因此，最好使该手指移动，并将该手指选为移动手指。即便是计算出的Q10、Q20、Q30、Q40的值为第二或第三小的手指，当计算出的Q10、Q20、Q30、Q40的值例如小于预定的阈值时，也能够将该手指选为移动手指。
关于将物体的三维形状数据不示教给控制部60而由第四功能部140推定接触法线矢量nk1将在后面叙述。另外，所述手指移动动作生成向手指10(确定为移动手指的手指)的相对于物体O的的接触切线方向的手指速度，计算出使相对于物体O的接触法线方向的正压力的值始终比0稍大所需的手指关节目标速度，并换算成目标转矩指令提供给手指10的马达11a、12a、13a，由此使手指10移动。因此，手指10沿着物体O的表面移动。其结果是，不会发生在手指进行移动动作时，移动的手指离开物体O而导致接触点个数减少以及握持不稳定的情况。
所述优化问题如式(12)所示，采用握持质量评价值的时间微分Q’作为目标函数使其最大化，求解线性优化问题，确定最优目标关节速度q’kdes。
数式(12)：
Figure BDA0001711347240000241
也有采用握持质量评价值Q自身作为目标函数的显而易见的选择，在该情况下，由于握持质量评价值Q为包含关节角度qk的二次型的函数，因此成为求解二次的非线性优化问题，需要的计算处理时间变长。其中，将通过进行一阶时间微分而从关节角度qk变为关节速度q’k的不包括二次型的握持质量评价值的时间微分Q’作为目标函数。采用如下方法：求解进行其最大化的线性优化问题，确定能够实时实现的最佳目标关节速度q’kdes，而移动移动手指。
图9是表示第三功能部130的“握持质量贡献度的时间微分运算处理部”的更详细的实现方法的一个例子的功能框图。
接收到由移动手指确定部131确定的移动的手指，例如手指10的索引k＝10，将该索引k与由手指10的各个关节的角度传感器检测出的关节角度q一同输入至握持可操作性指标的时间微分运算处理部132a，将索引k＝10代入下述式子(13)，计算出握持可操作性贡献度的时间微分Q’kh。
数式(13)：
Figure BDA0001711347240000242
所述手指索引k与所述检测出的关节角度q输入至手的雅可比矩阵运算处理部132b，计算出移动手指10的雅可比矩阵J10。此外，利用预先示教到控制部60中的物体O的三维形状数据计算出物体O与移动手指10的接触法线矢量nk(后述)，如下述式子(14)所示，与由移动的手指10的触觉传感器14检测出的接触点的位置p或所述计算出的移动手指10的雅可比矩阵J10一同代入握持稳定性指标的时间微分运算处理部132c，计算出移动手指10的握持稳定性贡献度的时间微分Q’ko。
数式(14)：
Figure BDA0001711347240000251
计算出的两个握持质量贡献度的时间微分Q’ko与Q’kh输入至握持质量指标的时间微分的合计运算处理部132d，求出移动手指10的握持质量贡献度的时间微分Q’k。该Q’k利用下述式子(15)也能计算出。
数式(15)：
Figure BDA0001711347240000252
作为所述接触法线矢量nk的求出方法，能够不将物体O的三维形状数据示教给控制部60，而通过第四功能部140推定所述接触法线矢量nk。关于第四功能部将在后面叙述。此外，所述握持质量贡献度的时间微分Q’k能够通过将所述握持稳定性贡献度的时间微分Q’ko与所述握持可操作性贡献度的时间微分Q’kh进行线性组合而计算出。例如，能够在乘以各不相同的权重系数后进行加法运算而计算出。
图10是表示第四功能部140的实现方法的一个例子的功能框图。
由手指关节的角度传感器检测出的当前关节角度q输入至手的雅可比矩阵运算处理部141，计算出手的雅可比矩阵J。计算出的J与由触觉传感器14、24、34、44检测出的各接触点的位置p和各接触点的压力fact，或手指10、20、30、40的外形信息一同输入至基于触觉传感器信息和手指外形信息进行接触法线矢量推定运算处理部142，分别计算出物体O与各个手指10、20、30、40的接触法线矢量n10、n20、n30、n40。
基于触觉传感器信息和手指外形信息进行接触法线矢量推定运算处理部142的具体的推定方法在图15中示出。另外，尽管图15使用容易理解的二维的图示出，但本推定在三维中也有效。
在手指的表面或握持对象物的表面柔软的情况下，与握持物接触时不是完全的一点接触，而是在手指的表面上发生稍微的变形，从而变成以多个点或面接触。
作为一个例子，通过安装于手指10上的压力分布型触觉传感器14检测出三个点具有的压力值大于0，对在接触位置p11检测出压力f11，在接触位置p12检测出压力f12，在接触位置p13检测出压力f13的情况进行说明。在该情况下，接触位置p11、p12、p13是从位于触觉传感器14的坐标系的原点观察的位置矢量，计算出其平均位置矢量p1以作为接触位置。
此外，利用手指10的外形数据，计算出f11、f12、f13各自的压力方向，与由触觉传感器14检测出的压力的大小进行组合，计算出压力矢量f11、f12、f13，计算出其平均压力矢量f1以作为压力矢量。沿着压力矢量方向的方向的单位矢量是想求出的接触法线矢量n10。接触位置是计算出的p1位置矢量。
另外，本方法不限于三点接触，在多个点(2点以上)接触的情况中有效。此外，在手指10、20、30、40的表面硬的情况下，当握持对象物的表面也硬等时，有时接触点为一点。此时，不进行矢量的平均计算，而由触觉传感器14输出的一点的接触位置成为p1，由触觉传感器14输出的一点的压力的大小为f1的大小，通过与上述相同的方法，利用手指10的外形数据计算出n10，f1的方向与n10的方向相同。由此，能够不限于接触点的个数，推定接触法线矢量nk。另外，例如，推定与推定的接触法线矢量为直角的方向(即接触切线方向)为局部的物体O的表面形状，通过连续地推定接触法线矢量，能够沿接触切线方向移动移动手指，使移动手指不离开物体O。
图11是表示第五功能部150的实现方法的一个例子的功能框图。
第五功能部是用于替代第二功能部(物体运动的操作控制器)的功能部。第五功能部在物体O的重力、形状、惯性模型误差、或预想不到的外力存在的情况下，将物体O的重力、形状的模型误差和外力作为外部干扰处理，物体O的惯性作为不确定因素处理，即便受到其影响也进行鲁棒控制，使物体O追随目标位置姿态。
根据物体的目标位置姿态r和存在传感器噪声n的输出y(例如利用视觉传感器识别出的物体O的当前位置姿态)的信息，计算物体O的目标位置姿态的跟随误差e，计算出的跟随误差e输入至用于计算出输入u的鲁棒控制器运算处理部151，计算出输入u。在计算出的u中加入外部干扰udis后输入至反馈线性化运算处理部152，计算出进行反馈线性化的目标接触力Fdes。
所述计算出的目标接触力Fdes输入至用于实现物体O的目标位置姿态的手指动作控制运算处理部153，计算出使物体O跟随目标位置姿态所需的关节目标转矩Tdes。第五功能部150将这样的目标转矩作为转矩指令提供给手1的各个手指关节的马达，从而手1运动，发生(或改变)手1的手指10、20、30、40与物体O的接触。
受到由手1的手指10、20、30、40的运动所产生的接触力，物体O运动，其位置姿态发生变化。由各种传感器(例如，三维视觉传感器)采用识别信息取得物体的当前位置姿态，并反馈加入传感器噪声n的输出。由此，更新物体O的目标位置姿态的跟随误差e，反复进行鲁棒控制，即便存在外部干扰与不确定因素，也使物体O跟随目标位置姿态。
还能够对所述握持稳定性评价值Qo如下进行定义：将以各个手指与物体O的所有的接触位置(接触点)为顶点的多角形或多面体(例如，当三个点接触时，以所述三个接触点为顶点的三角形，以不存在于相同平面内的四点接触时，以所述四个接触点为顶点的四面体)的中心至物体O的重心的距离d1乘以－1定义为握持稳定性评价值Qo。如此定义的Qo越大，所述多角形或多面体的中心与所述物体O的重心的位置错开就越小，判断物体O难以掉落，握持稳定性高。
利用所述握持稳定性评价值Qo的定义，作为一个例子，对具有四根手指的手的每一个手指均与物体O在一个接触位置接触时的各个手指的握持稳定性贡献度Qo10、Qo20、Qo30、Qo40的计算方法进行说明。例如，手指10的握持稳定性贡献度Qo10为，将除去了手指10，以其余的手指20、30、40的接触位置(接触点)为顶点的三角形的中心至物体O的重心的距离d10乘以－1计算出作为握持稳定性评价值Qo10，即Qo10＝－d10。同样，Qo20＝－d20，Qo30＝－d30，Qo40＝－d40。将与Qo10、Qo20、Qo30、Qo40之中的最小值对应的手指作为移动手指。
还能够对所述握持稳定性评价值Qo如下进行定义：在各个手指与物体O的多个接触位置，将包括所有的各个接触位置的所述力圆锥状空间、所述力矩圆锥状空间的所述最小凸包的中心至物体O的重心的距离d2乘以－1定义为握持稳定性评价值Qo。如此定义的Qo越大，所述最小凸包的中心与所述物体O的重心的位置错开就越小，判断物体O难以掉落，握持稳定性高。
利用所述握持稳定性评价值Qo的定义，作为一个例子，对具有四根手指的手的每一个手指均与物体O在一个接触位置接触时的各个手指的握持稳定性贡献度Qo10、Qo20、Qo30、Qo40的计算方法进行说明。例如，手指10的握持稳定性贡献度Qo10为，计算出除了该手指10，包括所有的剩余的手指20、30、40在各自的接触位置的力圆锥状空间、力矩圆锥状空间的最小凸包的中心至物体O的重心的距离d102作为握持稳定性评价值Qo10，即Qo10＝d102。同样地，Qo20＝d202，Qo30＝d302，Qo40＝d402。将与Qo10、Qo20、Qo30、Qo4之中的最小值对应的手指作为移动手指。
在本实施方式中，握持稳定性指标运算处理部111、握持可操作性指标运算处理部112和握持质量的合计运算处理部113作为握持质量评价单元发挥功能，其中，握持可操作性指标运算处理部112作为握持可操作性评价单元发挥功能，移动手指确定部131作为移动手指确定单元发挥功能，第二功能部120、第三功能部130和第五功能部作为手指移动控制单元发挥功能，物体检测单元利用视觉传感器45的检测结果检测物体O的位置姿态。下面对具有这种相应单元的装置进行说明。
本实施方式是对利用多个手指握持物体O的手1进行控制的手控制装置，具备：握持质量评价单元，其针对所述多个手指中的支撑所述物体O的手指与所述物体接触的多个接触位置的每一个位置，求出表示对所述物体O的稳定握持的贡献度的握持质量贡献度；移动手指确定单元，其将与所述握持质量贡献度低的所述接触位置对应的所述手指确定为移动手指；以及手指移动控制单元，其向作为手指的驱动单元的各个马达发送控制指令，以使确定为所述移动手指的所述手指相对于所述物体移动，所述多个接触位置的所述握持质量贡献度利用所述多个接触位置的相对于所述物体O的相对位置、和在所述多个接触位置的每一个位置上的所述手指与所述物体O之间的摩擦系数中的至少一个进行定义。
另外，“所述多个手指中的支撑所述物体O的手指与所述物体接触的多个接触位置”是指，在手1上设置有五根手指，其中四根与物体O接触并握持物体O，剩余一根手指不用于握持物体O的情况下，该四根手指与物体O接触的四个接触位置。
此外，“将与所述握持质量贡献度低的所述接触位置对应的所述手指确定为移动手指”不仅包括与握持质量贡献度低的一个接触位置对应的一根手指确定为移动手指，还包括在使用五根手指时等，将与握持质量贡献度低的两个接触位置对应的两根手指确定为移动手指的情况。
根据该构成，通过导入多个接触位置各自的握持质量贡献度，将与握持质量贡献度低的接触位置对应的手指确定为移动手指，可以改变对握持稳定性贡献度低的接触位置，将该接触位置对应的手指确定为移动手指。在移动手指(例如手指10)的握持质量贡献度Q10比其他手指的握持质量贡献度Q20、Q30、Q40低的情况下，即便移动手指10离开物体O或者移动手指10施加给物体O的接触力降低的情况，因物体O的握持稳定性大幅降低而导致物体掉落的发生的可能性低。而且，通过将移动手指10移动至例如握持质量贡献度Q10高的接触位置，能够提高物体O的握持稳定性。
在本实施方式中，所述握持质量评价单元构成为，还求出握持质量评价值Q，所述握持质量评价值Q表示与所述多个接触位置对应的所述多个手指对所述物体O的稳定握持的定量评价；所述移动手指确定单元构成为，当所述握持质量评价值Q低于预定的阈值Qlim时，将与所述握持质量贡献度低的所述接触位置对应的所述手指确定为移动手指；由所述手指移动控制单元进行的手指移动控制构成为，当所述握持质量评价值Q低于所述阈值Qlim时执行，所述握持质量评价值Q利用所述多个接触位置相对于所述物体O的相对位置、和在所述多个接触位置的每一个位置上的所述手指和所述物体之间的摩擦系数中的至少一个进行定义。
根据该构成，由于仅在定量地表示物体O的握持稳定性的握持质量评价值Q低于预定的阈值Qlim的情况下，才进行移动手指的确定，并移动该手指，因此能够防止因不需要移动手指而导致的物体O的握持稳定性的降低。
在本实施方式中，所述手指移动控制单元构成为，进行优化问题处理，获得所述驱动单元的驱动量或驱动速度的目标值，该优化问题处理获得使确定为所述移动手指的所述手指向所述握持质量评价值Q变大的方向移动的所述目标值。
此外，在本实施方式中，在所述构成中，所述优化问题处理将所述握持质量评价值Q的一次时间微分Q’作为目标函数，获取马达的所述驱动速度的目标值，以使所述目标函数为最大，所述马达驱动确定为所述移动手指的所述手指的关节。
为了增大所述握持质量评价值Q，若将该握持质量评价值Q自身作为目标函数最大化，则解决了二次的非线性优化问题，尽管需要的计算处理时间会变长，但通过将握持质量评价值Q的一次时间微分Q’作为目标函数最大化，能够变为不包含二次型的线性优化问题。因此，极有利于实时地实现移动手指的关节速度的目标值的优化确定，以缩短计算处理时间，或者增大握持质量评价值Q。此外，通过使握持质量评价值Q的一次时间微分Q’最大化，从而使握持质量评价值Q的增加量变为最大，其结果是，最大限度地增加了握持质量评价值Q，与使握持质量评价Q值自身最大化具有相同的效果。
在本实施方式中，所述握持质量评价值Q和所述各接触位置的所述握持质量贡献度Q10、Q20、Q30、Q40还利用在所述多个接触位置分别产生的接触力进行定义。
在本实施方式中，所述手指移动控制单元构成为，向所述驱动单元发送所述控制指令，以使确定为所述移动手指的所述手指在与所述物体O接触的状态下沿着所述物体O的表面移动。
在进行物体的握持改变动作时，在使一部分手指离开物体O移动后与物体O再次接触的情况下，在手指离开物体O的瞬间，有可能利用剩下的手指不能稳定地握持物体O而使物体O掉落。手指总数越少，其风险越高。本发明通过还加入使移动手指在始终与物体接触的同时，沿着物体的表面移动的控制规则，从而消除或减少了该风险。
在该构成中，为了提高握持稳定性而移动移动手指时，以手指始终不离开物体O的表面的方式移动手指。例如，在向物体O施加比0稍大的正压力的同时，以在与物体O的接触切线方向上生成手指速度的目标关节速度移动手指。因此，能够避免因一旦失去与物体O的接触的一部分而导致物体O掉落的情况。
在本实施方式中，当存在四个所述接触位置时，所述握持质量评价单元构成为，针对所述各接触位置，定义将该接触位置投影在经过该接触位置以外的所述接触位置的平面上的点，求出由该接触位置以外的所述接触位置与所述点所形成的四边形的面积作为该接触位置处的所述握持质量贡献度，并求出所求出的所述四边形的面积的最小值作为所述握持质量评价值Q；所述移动手指确定单元构成为，判断所述四边形的面积小的所述接触位置处的所述握持质量贡献度低。
在该构成中，例如仅利用多个接触位置的相对位置，便能够求出握持质量评价值和各接触位置的握持质量贡献度，因而能够提高计算速度，极为有利于实时地实现握持质量评价值和各接触位置的握持质量贡献度的计算。
在本实施方式中，所述握持质量评价单元构成为，针对所述多个接触位置的每一个位置求出力圆锥状空间，并利用所求出的所述力圆锥状空间求出关于所述多个接触位置的每一个位置的所述握持质量贡献度，所述力圆锥状空间包含使所述手指在该接触位置不滑动的接触力的矢量集合。
此外，在本实施方式中，所述握持质量评价单元构成为，针对所述多个接触位置的每一个位置求出力圆锥状空间，并利用所求出的所述力圆锥状空间求出所述握持质量评价值，所述力圆锥状空间包含使所述手指在该接触位置不滑动的接触力的矢量集合。
在该构成中，力圆锥状空间包含使手指在该接触位置不滑动的接触力的矢量集合，基于多个接触位置的力圆锥状空间，能够确定握持质量贡献度低的接触位置，而且，在将各接触位置的力和摩擦系数纳入到握持稳定性评价中的基础上判定其贡献度，因而有利于提高基于该判定结果的该确定的准确度。此外，通过这种构成，无论手1与物体O的接触点有几点，均能够基于握持质量贡献度的判定结果进行该确定，因此通用性高。
在本实施方式中，所述握持质量评价单元构成为，针对所述多个接触位置的每一个位置求出力矩圆锥状空间，并利用所求出的所述力矩圆锥状空间求出所述握持质量评价值或关于所述多个接触位置的每一个位置的所述握持质量贡献度，所述力矩圆锥状空间包含由使所述手指在该接触位置不滑动的接触力的集合所生成的围绕所述物体的重心的力矩的集合。
此外，在本实施方式中，构成为求出力矩圆锥状空间，并利用所求出的所述力矩圆锥状空间求出所述握持质量评价值，所述力矩圆锥状空间包含由使所述手指不滑动的接触力的集合所生成的围绕所述物体O的重心的力矩的集合。
在该构成中，由于力矩圆锥状空间包含由使手指在该接触位置不滑动的接触力所生成的围绕物体的重心的力矩的集合，基于多个接触位置的力矩圆锥状空间，能够确定握持质量贡献度低的接触位置，因此在将各接触位置的力和力矩、摩擦系数纳入到握持稳定性评价中的基础上判定其贡献度，因而有利于提高基于该判定结果的该确定的准确度。此外，通过这种构成，无论手1与物体O的接触点有几点，均能够基于握持质量贡献度的判定结果进行该确定，因此通用性高。
在本实施方式中，所述握持质量评价单元构成为，针对所述各接触位置，利用该接触位置以外的所述接触位置的所述力圆锥状空间和所述力矩圆锥状空间中的至少一种求出该接触位置的所述握持质量贡献度。
由于该接触位置以外的接触位置为移动移动手指时不移动的手指与物体O保持接触的接触位置，因此如此求出的握持质量贡献度能够推定，该接触位置的手指离开后或该接触位置的手指的接触力降低后的物体O的稳定握持状态。通过采用从这种角度定义的握持质量贡献度，能够更准确地进行移动手指的确定，极有利于最大限度地提高物体O的握持稳定性。
在本实施方式中，所述握持质量评价单元构成为，针对所述多个接触位置的每一个位置求出力矩圆锥状空间，所述力矩圆锥状空间包含由使所述手指在该接触位置不滑动的接触力的集合所生成的围绕所述物体的重心的力矩的集合，所述握持质量评价单元进一步构成为，针对所述各接触位置定义最小凸空间，并利用该凸空间的体积、和该凸空间的边界与所述物体O的重心G之间的最短距离中的至少一个，求出该接触位置的所述握持质量贡献度，该最小凸空间包含所有的该接触位置以外的所述接触位置的所述力圆锥状空间和所述力矩圆锥状空间。
由于该接触位置以外的接触位置为移动移动手指时不移动的手指与物体保持接触的接触位置，因此采用如此定义的最小凸空间的握持质量贡献度能够推定，该接触位置的手指离开后或该接触位置的手指的接触力降低后的物体O的稳定握持状态。通过采用从该角度定义的握持质量贡献度，能够更准确地进行移动手指的确定，极有利于最大限度地提高物体O的握持稳定性。
在本实施方式中，所述手控制装置具备握持可操作性评价单元，所述握持可操作性评价单元针对所述各个手指求出握持可操作性评价值，所述握持可操作性评价值表示该手指的可动范围或相对于无法向某一方向达到手指速度的手指的奇异姿态的该手指的当前位置，所述握持质量评价单元构成为，还利用所述各个手指的所述握持可操作性评价值求出所述握持质量贡献度或所述握持质量评价值。
通过导入握持可操作性评价值，不仅能够定量评价物体O是否难以掉落地被稳定握持，而且还能够定量评价由于各个手指的机械结构的限制(关节不能向两个方向无限地旋转，存在可动范围，或者存在结构性手指的奇异姿态)，在各个手指朝向目标位置姿态操作物体O的过程中，是否正在接近无法操作物体O的位置或奇异姿态，以及距离有多远。
例如，若在到达各个手指关节的动作极限位置前，使握持可操作性评价值最大化，以使各个手指关节返回到该动作中央位置，则各个手指不受该关节动作极限或手指的奇异姿态的存在的限制，在朝向目标位置姿态操作物体O时，不会发生到达动作极限或奇异姿态而无法实现物体O的目标位置姿态而停留在该位置，或在该位置关节的马达振动的不利情况。
在本实施方式中，所述手控制装置具备物体检测单元，所述物体检测单元检测所述物体O的位置和姿态，所述各个手指具有压力分布传感器，计算机构成为，基于所述压力分布传感器的检测结果和由所述物体检测单元产生的检测结果，检测所述多个接触位置相对于所述物体的相对位置。
在该构成中，为了求出多个接触位置相对于所述物体O的相对位置，无需示教物体O的三维形状，对各种各样的物体O的握持的适应性高，省去了示教所耗费的时间，缩短了整体的作业时间，有利于提高作业效率和操作的容易性。
在本实施方式中，所述各个手指具有压力分布传感器，计算机构成为，基于所述压力分布传感器的检测结果，针对所述各个手指推定在所述接触位置的与所述物体O的接触法线方向。
在该构成中，为了求出各接触位置的接触法线方向，无需示教物体O的三维形状，对各种各样的物体O的握持的适应性高，省去了示教所耗费的时间，缩短了整体的作业时间，有利于提高作业效率和操作的容易性。
在本实施方式中，所述首控制装置具备物体形状推定单元，所述物体形状推定单元基于所述压力分布传感器的检测结果，推定所述接触位置处的所述物体的表面形状。
在该构成中，为了推定握持的物体O的表面形状，无需示教物体的三维形状，对各种各样的物体O的握持的适应性高，省去了示教所耗费的时间，缩短了整体的作业时间，有利于提高作业效率和操作的容易性。
在本实施方式中，所述手指移动控制单元构成为，基于由所述物体形状推定单元推定的所述表面形状，向所述驱动单元发送所述控制指令，以使确定为所述移动手指的所述手指以不离开所述物体O的方式沿着所述物体O的表面移动。
在该情况下，为了使移动手指沿着物体O的表面移动，无需示教物体O的三维形状，对各种各样的物体的握持的适应性高，省去了示教所耗费的时间，缩短了整体的作业时间，有利于提高作业效率和操作的容易性。
在本实施方式中，所述手指移动控制单元构成为，对施加于所述物体O上的重力和惯性力进行补偿，同时向所述驱动单元发送控制指令，所述控制指令使所述物体O相对于所述手的的位置姿态跟随目标值。
在使物体的重力方向朝向容易使物体掉落的方向的握持姿态的情况下，或者物体受到预想不到的外力而移动、物体的惯性力达到不能忽视的值的情况下，若未对物体的重力或惯性力进行补偿而进行握持改变动作，则存在使物体O掉落的问题。此外，不考虑物体O的动态，即便进行握持改变动作，也不会进行使物体O跟随指定的目标位置姿态的控制，存在无法操作物体O至指定的物体O的目标位置姿态的问题。
在上述构成中，考虑了物体O的动态和重力，并且始终对物体O的惯性力和重力进行补偿。
在本实施方式中，所述手指移动控制单元构成为，将所述物体O的惯性模型误差作为不确定因素处理，将所述物体O的重力、形状、以及所述手指以外向所述物体O施加的外力作为外部干扰处理，通过鲁棒控制方法生成控制指令，所述控制指令使所述物体O相对于所述手1的位置姿态跟随目标值。
在实际应用由手1进行的物体O的握持改变动作(手内操作)控制技术的过程中，存在遇到各种各样的问题无法按照目标实现的情况。例如，在用相同的手1握持重量和形状都接近的多个苹果的情况下，由于这些苹果的重力、形状、惯性存在偏差，因此与模型存在误差，导致发生一个个的苹果不按照控制规则移动的问题。或者从各种各样的物体O堆叠状态中取出一个物体时，相邻的物体O崩塌掉落，在受到该力的情况下，由于是在动作控制过程中受到预想不到的外力，因而会发生不能到达物体O的目标位置姿态的问题。
在上述构成中，进行鲁棒控制，即便存在这些模型误差或预想不到的外力，也能够操作物体O至目标的位置姿态，解决了实际应用时遇到的可能性高的问题。
另外，在关于本实施方式的手控制装置的上述所有的说明中，握持质量评价单元、移动手指确定单元、手指移动控制单元、握持可操作性评价单元、物体检测单元以及物体形状推定单元所进行的动作或者能够进行的动作能够使用计算机处理或执行。即，本实施方式的所述所有的手控制装置也能够定义为执行该各个单元所进行的处理或能够进行的处理的方法。
此外，本实施方式的所述所有的手控制装置，假设例如设定在模拟装置中的手的模型为本实施方式的手1，则能够模拟本实施方式的所述所有的手控制装置的各个单元所进行的处理或能够进行的处理。即，本实施方式的所述所有的手控制装置也能够定义为，执行该各个单元所进行的处理或能够进行的处理的模拟装置。
此外，具备所述手控制装置的手(手装置)1也能够达成本实施方式的所述所有的手控制装置的所述作用和效果，并且具备该手1的机器人也能够达成本实施方式的所述所有的手控制装置的所述作用和效果。
以往，为了使握持物为所期望的位置姿态，将握持的物体先放置于临时放置台上，再重新握持。于是便存在不能进行高速的动作，并且临时放置台的设计制造也会花费成本和工时，还需要临时放置动作的示教等各种问题。通过进行本实施方式的手内操作控制，实现了高速的动作、作业时间的缩短和成本削减、示教工时的最小化，为提高产业界的生产性做出了贡献。

Claims (33)

1.一种手控制装置，其特征在于，所述手控制装置控制使用多个手指握持物体的手，并具备：
握持质量评价单元，其针对所述多个手指中的支撑所述物体的手指与所述物体接触的多个接触位置的每一个位置，求出表示对所述物体的稳定握持的贡献度的握持质量贡献度；
移动手指确定单元，其将与所述握持质量贡献度低的所述接触位置对应的所述手指确定为移动手指；以及
手指移动控制单元，其向手指的驱动单元发送控制指令，以使确定为所述移动手指的所述手指相对于所述物体移动，
所述多个接触位置的所述握持质量贡献度利用所述多个接触位置相对于所述物体的相对位置、和在所述多个接触位置的每一个位置上的所述手指与所述物体之间的摩擦系数中的至少一个进行定义。
2.根据权利要求1所述的手控制装置，其特征在于，
所述握持质量评价单元构成为，还求出握持质量评价值，所述握持质量评价值表示与所述多个接触位置对应的所述多个手指对所述物体的稳定握持的定量评价；
所述移动手指确定单元构成为，当所述握持质量评价值低于预定的阈值时，将与所述握持质量贡献度低的所述接触位置对应的所述手指确定为移动手指；
由所述手指移动控制单元进行的手指移动控制构成为，当所述握持质量评价值低于所述阈值时执行，
所述握持质量评价值利用所述多个接触位置相对于所述物体的相对位置、和在所述多个接触位置的每一个位置上的所述手指与所述物体之间的摩擦系数中的至少一个进行定义。
3.根据权利要求2所述的手控制装置，其特征在于，
所述手指移动控制单元构成为，进行获得所述驱动单元的驱动量或驱动速度的目标值的优化问题处理，该优化问题处理获得使确定为所述移动手指的所述手指向所述握持质量评价值变大的方向移动的所述目标值。
4.根据权利要求3所述的手控制装置，其特征在于，
所述优化问题处理将所述握持质量评价值的一次时间微分作为目标函数，并获得马达的所述驱动速度的目标值，以使所述目标函数成为最大，所述马达驱动确定为所述移动手指的所述手指的关节。
5.根据权利要求2所述的手控制装置，其特征在于，
所述握持质量评价值或所述各接触位置的所述握持质量贡献度还利用在所述多个接触位置分别产生的接触力进行定义。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的手控制装置，其特征在于，
所述手指移动控制单元向所述驱动单元发送所述控制指令，以使确定为所述移动手指的所述手指在与所述物体接触的状态下沿所述物体的表面移动。
7.根据权利要求2所述的手控制装置，其特征在于，
在存在四个所述接触位置的情况下，所述握持质量评价单元构成为，针对所述各接触位置，定义将该接触位置投影在经过该接触位置以外的所述接触位置的平面上的点，并求出由该接触位置以外的所述接触位置与所述点所形成的四边形的面积作为该接触位置处的所述握持质量贡献度，或者求出所求出的所述四边形的面积的最小值作为所述握持质量评价值；
所述移动手指确定单元构成为，判断所述四边形的面积小的所述接触位置处的所述握持质量贡献度低。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的手控制装置，其特征在于，
所述握持质量评价单元构成为，针对所述多个接触位置的每一个位置求出力圆锥状空间，并利用所求出的所述力圆锥状空间求出关于所述多个接触位置的每一个位置的所述握持质量贡献度，所述力圆锥状空间包含使所述手指在该接触位置不滑动的接触力的矢量集合。
9.根据权利要求6所述的手控制装置，其特征在于，
所述握持质量评价单元构成为，针对所述多个接触位置的每一个位置求出力圆锥状空间，并利用所求出的所述力圆锥状空间求出关于所述多个接触位置的每一个位置的所述握持质量贡献度，所述力圆锥状空间包含使所述手指在该接触位置不滑动的接触力的矢量集合。
10.根据权利要求2所述的手控制装置，其特征在于，
所述握持质量评价单元构成为，针对所述多个接触位置的每一个位置求出力圆锥状空间，并利用所求出的所述力圆锥状空间求出所述握持质量评价值，所述力圆锥状空间包含使所述手指在该接触位置不滑动的接触力的矢量集合。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的手控制装置，其特征在于，
所述握持质量评价单元构成为，针对所述多个接触位置的每一个位置求出力矩圆锥状空间，并利用所求出的所述力矩圆锥状空间求出关于所述多个接触位置的每一个位置的所述握持质量贡献度，所述力矩圆锥状空间包含由使所述手指在该接触位置不滑动的接触力的集合所生成的围绕所述物体的重心的力矩的集合。
12.根据权利要求6所述的手控制装置，其特征在于，
所述握持质量评价单元构成为，针对所述多个接触位置的每一个位置求出力矩圆锥状空间，并利用所求出的所述力矩圆锥状空间求出关于所述多个接触位置的每一个位置的所述握持质量贡献度，所述力矩圆锥状空间包含由使所述手指在该接触位置不滑动的接触力的集合所生成的围绕所述物体的重心的力矩的集合。
13.根据权利要求8所述的手控制装置，其特征在于，
所述握持质量评价单元构成为，针对所述多个接触位置的每一个位置求出力矩圆锥状空间，并利用所求出的所述力矩圆锥状空间求出关于所述多个接触位置的每一个位置的所述握持质量贡献度，所述力矩圆锥状空间包含由使所述手指在该接触位置不滑动的接触力的集合所生成的围绕所述物体的重心的力矩的集合。
14.根据权利要求10所述的手控制装置，其特征在于，
所述握持质量评价单元构成为，针对所述多个接触位置的每一个位置求出力矩圆锥状空间，并利用所求出的所述力矩圆锥状空间求出关于所述多个接触位置的每一个位置的所述握持质量贡献度，所述力矩圆锥状空间包含由使所述手指在该接触位置不滑动的接触力的集合所生成的围绕所述物体的重心的力矩的集合。
15.根据权利要求2所述的手控制装置，其特征在于，
所述握持质量评价单元构成为，针对所述多个接触位置的每一个位置求出力矩圆锥状空间，并利用所求出的所述力矩圆锥状空间求出所述握持质量评价值，所述力矩圆锥状空间包含由使所述手指在该接触位置不滑动的接触力的集合所生成的围绕所述物体的重心的力矩的集合。
16.根据权利要求8所述的手控制装置，其特征在于，
所述握持质量评价单元构成为，针对所述各接触位置，利用该接触位置以外的所述接触位置的至少所述力圆锥状空间求出该接触位置的所述握持质量贡献度。
17.根据权利要求10所述的手控制装置，其特征在于，
所述握持质量评价单元构成为，针对所述各接触位置，利用该接触位置以外的所述接触位置的至少所述力圆锥状空间求出该接触位置的所述握持质量贡献度。
18.根据权利要求11所述的手控制装置，其特征在于，
所述握持质量评价单元构成为，针对所述各接触位置，利用该接触位置以外的所述接触位置的至少所述力矩圆锥状空间求出该接触位置的所述握持质量贡献度。
19.根据权利要求15所述的手控制装置，其特征在于，
所述握持质量评价单元构成为，针对所述各接触位置，利用该接触位置以外的所述接触位置的至少所述力矩圆锥状空间求出该接触位置的所述握持质量贡献度。
20.根据权利要求13所述的手控制装置，其特征在于，
所述握持质量评价单元构成为，针对所述各接触位置，利用该接触位置以外的所述接触位置的至少所述力矩圆锥状空间求出该接触位置的所述握持质量贡献度。
21.根据权利要求8所述的手控制装置，其特征在于，
所述握持质量评价单元构成为，针对所述多个接触位置的每一个位置求出力矩圆锥状空间，所述力矩圆锥状空间包含由使所述手指在该接触位置不滑动的接触力的集合所生成的围绕所述物体的重心的力矩的集合，
所述握持质量评价单元进一步构成为，针对所述各接触位置定义最小凸空间，并利用该凸空间的体积、和该凸空间的边界与所述物体的重心之间的最短距离中的至少一个，求出该接触位置的所述握持质量贡献度，所述最小凸空间包含所有的该接触位置以外的所述接触位置的所述力圆锥状空间和所述力矩圆锥状空间。
22.根据权利要求16所述的手控制装置，其特征在于，
所述握持质量评价单元构成为，针对所述多个接触位置的每一个位置求出力矩圆锥状空间，所述力矩圆锥状空间包含由使所述手指在该接触位置不滑动的接触力的集合所生成的围绕所述物体的重心的力矩的集合，
所述握持质量评价单元进一步构成为，针对所述各接触位置定义最小凸空间，并利用该凸空间的体积、和该凸空间的边界与所述物体的重心之间的最短距离中的至少一个，求出该接触位置的所述握持质量贡献度，所述最小凸空间包含所有的该接触位置以外的所述接触位置的所述力圆锥状空间和所述力矩圆锥状空间。
23.根据权利要求20所述的手控制装置，其特征在于，
所述握持质量评价单元构成为，针对所述多个接触位置的每一个位置求出力矩圆锥状空间，所述力矩圆锥状空间包含由使所述手指在该接触位置不滑动的接触力的集合所生成的围绕所述物体的重心的力矩的集合，
所述握持质量评价单元进一步构成为，针对所述各接触位置定义最小凸空间，并利用该凸空间的体积、和该凸空间的边界与所述物体的重心之间的最短距离中的至少一个，求出该接触位置的所述握持质量贡献度，所述最小凸空间包含所有的该接触位置以外的所述接触位置的所述力圆锥状空间和所述力矩圆锥状空间。
24.根据权利要求2所述的手控制装置，其特征在于，
所述手控制装置具备握持可操作性评价单元，所述握持可操作性评价单元针对所述各个手指求出握持可操作性评价值，所述握持可操作性评价值表示该手指的可动范围、或相对于无法向某一方向达到手指速度的手指的奇异姿态的该手指的当前位置，
所述握持质量评价单元构成为，还利用所述各个手指的所述握持可操作性评价值求出所述握持质量贡献度或所述握持质量评价值。
25.根据权利要求1至5中任一项所述的手控制装置，其特征在于，
所述手控制装置具备物体检测单元，所述物体检测单元检测所述物体的位置和姿态，
所述各个手指具有压力分布传感器，
计算机构成为，基于所述压力分布传感器的检测结果和由所述物体检测单元产生的检测结果，检测所述多个接触位置相对于所述物体的相对位置。
26.根据权利要求1至5中任一项所述的手控制装置，其特征在于，
所述各个手指具有压力分布传感器，
计算机构成为，基于所述压力分布传感器的检测结果，针对所述各个手指推定在所述接触位置的与所述物体的接触法线方向。
27.根据权利要求25所述的手控制装置，其特征在于，
所述手控制装置具备物体形状推定单元，所述物体形状推定单元基于所述压力分布传感器的检测结果，推定在所述接触位置的所述物体的表面形状。
28.根据权利要求26所述的手控制装置，其特征在于，
所述手控制装置具备物体形状推定单元，所述物体形状推定单元基于所述压力分布传感器的检测结果，推定在所述接触位置的所述物体的表面形状。
29.根据权利要求27所述的手控制装置，其特征在于，
所述手指移动控制单元构成为，基于由所述物体形状推定单元推定的所述表面形状，向所述驱动单元发送所述控制指令，以使确定为所述移动手指的所述手指以不离开所述物体的方式沿着所述物体的表面移动。
30.根据权利要求1至5中任一项所述的手控制装置，其特征在于，
所述手指移动控制单元构成为，在对施加于所述物体的重力和惯性力进行补偿的同时，向所述驱动单元发送控制指令，所述控制指令使所述物体相对于所述手的位置姿态跟随目标值。
31.根据权利要求1至5中任一项所述的手控制装置，其特征在于，
所述手指移动控制单元构成为，将所述物体的惯性模型误差作为不确定因素处理，将所述物体的重力、形状、以及所述手指以外的物体向所述物体施加的外力作为外部干扰处理，通过鲁棒控制方法生成控制指令，所述控制指令使所述物体相对于所述手的位置姿态跟随目标值。
32.一种手控制方法，其特征在于，所述手控制方法控制使用多个手指握持物体的手，并包括以下步骤：
针对所述多个手指中的支撑所述物体的手指与所述物体接触的多个接触位置的每一个位置，求出表示对所述物体的稳定握持的贡献度的握持质量贡献度；以及
将与所述握持质量贡献度低的所述接触位置对应的所述手指确定为相对于所述物体移动的移动手指，
所述多个接触位置的所述握持质量贡献度利用所述多个接触位置相对于所述物体的相对位置、和在所述多个接触位置的每一个位置上的所述手指与所述物体之间的摩擦系数中的至少一个进行定义。
33.一种手的模拟装置，其特征在于，所述手的模拟装置模拟使用多个手指握持物体的手，并具有：
握持质量评价单元，其针对所述多个手指中的支撑所述物体的手指与所述物体接触的多个接触位置的每一个位置，求出表示对所述物体的稳定握持的贡献度的握持质量贡献度；以及
移动手指确定单元，其将与所述握持质量贡献度低的所述接触位置对应的所述手指确定为相对于所述物体移动的移动手指，
所述多个接触位置的所述握持质量贡献度利用所述多个接触位置相对于所述物体的相对位置、和在所述多个接触位置的每一个位置上的所述手指与所述物体之间的摩擦系数中的至少一个进行定义。
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