JP2009136939A

JP2009136939A - Robot hand

Info

Publication number: JP2009136939A
Application number: JP2007313338A
Authority: JP
Inventors: Masaki Takasan; 正己高三; Kenji Akiyama; 研司秋山
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2007-12-04
Filing date: 2007-12-04
Publication date: 2009-06-25

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small-size robot hand capable of detecting the hardness of an object despite a simple constitution. <P>SOLUTION: This robot hand allows a vibrator 3 of a first ultrasonic actuator U1 to generate ultrasonic waves with an object S clamped between a first finger portion F1 and a second finger portion F2, and measures a time required for the ultrasonic waves transmitting from the vibrator 3 of the first ultrasonic actuator U1 via a stator 5, a rotor 6, the first finger portion F1, the object S, the second finger portion F2, a rotor 6 and a stator 5 of a second ultrasonic actuator U2 to the vibrator 3. This robot hand calculates the thickness D of the object S from the positions of the finger portions F1 and F2 to calculate the length of the propagation route of the ultrasonic waves, calculates the transmission velocity of the ultrasonic waves in the object S based on the measured time required and the calculated length of the propagation route of the ultrasonic waves and detects the hardness of the object S based on the propagation velocity V1. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は、ロボットハンドに係り、特に物体の硬さを検知する多指ハンドに関する。 The present invention relates to a robot hand, and more particularly to a multi-finger hand that detects the hardness of an object.

ロボットハンドにより物体を把持して持ち上げるためには、把持力が必要となるが、把持しようとする物体の硬さに対応した把持力が要求される。例えば、軟らかい物体を大きな把持力で把持した場合には、その物体を破壊したり変形するおそれを生じることとなる。そこで、物体を把持する前に、その物体に適した把持力を決定することが望まれる。
特許文献１には、物体を把持する一対の指のうち一方の指から超音波を発したときの反射超音波と透過超音波をそれぞれの指で受信することにより、物体の硬さや状態を検知して適正な把持力を決定するロボットが開示されている。 In order to grip and lift an object with a robot hand, a gripping force is required, but a gripping force corresponding to the hardness of the object to be gripped is required. For example, when a soft object is gripped with a large gripping force, the object may be destroyed or deformed. Therefore, it is desired to determine a gripping force suitable for an object before gripping the object.
In Patent Document 1, the hardness and state of an object are detected by receiving reflected ultrasound and transmitted ultrasound when the ultrasound is emitted from one finger of a pair of fingers gripping the object. A robot that determines an appropriate gripping force is disclosed.

特開平１−２０５９９３号公報JP-A-1-205993

しかしながら、特許文献１のロボットでは、指を動かすための駆動手段とは別に、超音波送信器や超音波受信器を指に設置しなければならず、これら超音波送信器及び超音波受信器の設置スペースが必要になるために指が大型化するおそれがあると共に構成が複雑になるという問題がある。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、簡単な構成でありながら物体の硬さを検知することができる小型のロボットハンドを提供することを目的とする。 However, in the robot of Patent Document 1, an ultrasonic transmitter and an ultrasonic receiver must be installed on the finger separately from the driving means for moving the finger. These ultrasonic transmitter and ultrasonic receiver Since the installation space is required, there is a problem that the finger may be enlarged and the configuration is complicated.
The present invention has been made to solve such problems, and an object thereof is to provide a small robot hand that can detect the hardness of an object with a simple configuration.

この発明に係るロボットハンドは、少なくとも２つの指部と、各指部に対応して配置され且つそれぞれ圧電素子を振動体として用いて対応する指部を移動させる少なくとも２つの超音波アクチュエータと、各超音波アクチュエータを駆動させると共に、少なくとも２つの指部で物体を挟んだ状態でこれらの指部のうち１つの指部の超音波アクチュエータを駆動させることにより物体に超音波を与え、物体を挟んでいる少なくとも２つの指部のうちいずれかの指部の超音波アクチュエータにより物体を透過した超音波を検知して物体の硬さを検知する制御部とを備えたものである。 A robot hand according to the present invention includes at least two finger units, at least two ultrasonic actuators arranged corresponding to the respective finger units and moving the corresponding finger units using piezoelectric elements as vibrating bodies, While driving the ultrasonic actuator and driving the ultrasonic actuator of one of these fingers while holding the object between at least two fingers, an ultrasonic wave is applied to the object, And a controller that detects the hardness of the object by detecting the ultrasonic wave transmitted through the object by the ultrasonic actuator of one of the at least two fingers.

制御部は、各指部の位置から物体を挟んでいる少なくとも２つの指部の間隔を算出することで超音波の伝搬経路の長さの算出が可能となる。また、制御部は、物体に超音波を与えてから物体を透過した超音波を検知するまでの所要時間に基づいて物体中の超音波の伝搬速度を算出し、算出された伝搬速度に基づいて物体の硬さを検知することができる。
なお、物体に超音波を与えるための指部とは異なる指部によって、物体を透過した超音波を検知することができる。
あるいは、物体に超音波を与えるための指部と同一の指部によって、物体を透過した超音波を検知してもよい。この場合、物体を透過して指部と物体との接触面に対向する面で反射した後、再び物体を透過して戻ってきた超音波が検知される。
また、各指部と前記物体との接触位置を検出するセンサを備えてもよい。
好ましくは、制御部が、少なくとも２つの指部の指先で物体を挟んだ状態で物体の硬さを検知する。 The control unit can calculate the length of the ultrasonic wave propagation path by calculating the distance between at least two finger parts sandwiching the object from the position of each finger part. In addition, the control unit calculates the propagation speed of the ultrasonic wave in the object based on the required time from applying the ultrasonic wave to the object until detecting the ultrasonic wave transmitted through the object, and based on the calculated propagation speed. The hardness of the object can be detected.
In addition, the ultrasonic wave which permeate | transmitted the object can be detected with the finger part different from the finger part for giving an ultrasonic wave to an object.
Or you may detect the ultrasonic wave which permeate | transmitted the object with the finger part same as the finger part for giving an ultrasonic wave to an object. In this case, an ultrasonic wave that is transmitted through the object and reflected by the surface facing the contact surface between the finger portion and the object and then transmitted again through the object is detected.
Moreover, you may provide the sensor which detects the contact position of each finger | toe part and the said object.
Preferably, the control unit detects the hardness of the object in a state where the object is sandwiched between the fingertips of at least two finger parts.

この発明によれば、指部を移動させる超音波アクチュエータを用いて、物体に超音波を与えると共に物体を透過した超音波を検知するので、簡単な構成で且つ小型のロボットハンドでありながら物体の硬さを検知することができる。 According to the present invention, the ultrasonic actuator that moves the finger portion is used to apply an ultrasonic wave to the object and detect the ultrasonic wave that has passed through the object. Hardness can be detected.

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１
図１に、この発明の実施の形態１に係るロボットハンドを示す。共通の基部１に第１の超音波アクチュエータＵ１を介して第１の指部Ｆ１が連結されると共に第２の超音波アクチュエータＵ２を介して第２の指部Ｆ２が連結されている。第１の超音波アクチュエータＵ１は、基部１の上に配置された振動体３と、振動体３の上に配置され且つ振動体３に接する面とは反対側に凹部４が形成された固定子５と、固定子５の凹部４内にほぼ下半部が収容された略球体状の回転子６とを有している。そして、回転子６に、指部Ｆ１が固定されており、指部Ｆ１と固定子５とが可撓性の保持部材７で互いに移動自在に連結されている。第２の超音波アクチュエータＵ２は、第１の超音波アクチュエータＵ１と同一の構成を有している。なお、双方の超音波アクチュエータＵ１及びＵ２の振動体３がそれぞれ制御部８に電気的に接続されている。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
Embodiment 1
FIG. 1 shows a robot hand according to Embodiment 1 of the present invention. The first finger part F1 is connected to the common base 1 via the first ultrasonic actuator U1, and the second finger part F2 is connected via the second ultrasonic actuator U2. The first ultrasonic actuator U1 includes a vibrating body 3 disposed on the base 1, and a stator having a recess 4 formed on the opposite side of the surface disposed on the vibrating body 3 and in contact with the vibrating body 3. 5 and a substantially spherical rotor 6 in which the lower half is accommodated in the recess 4 of the stator 5. And the finger | toe part F1 is being fixed to the rotor 6, and the finger | toe part F1 and the stator 5 are connected with the flexible holding member 7 so that movement is mutually possible. The second ultrasonic actuator U2 has the same configuration as the first ultrasonic actuator U1. Note that the vibrating bodies 3 of both ultrasonic actuators U1 and U2 are electrically connected to the control unit 8, respectively.

図２に超音波アクチュエータＵ１及びＵ２の構造を示す。ここで、説明の便宜上、基部１から回転子６に向かってＺ軸が延び、Ｚ軸に対して垂直方向にＸ軸が、Ｚ軸及びＸ軸に対して垂直にＹ軸がそれぞれ延びているものとする。
基部１と固定子５とが振動体３内に通された連結ボルト９を介して互いに連結されている。固定子５の凹部４は、回転子６の直径より小さな内径を有する小径部１０と、回転子６の直径より大きな内径を有する大径部１１とからなり、これら小径部１０及び大径部１１との境界部にＸＹ平面上に位置する環状の段差１２が形成されている。回転子６はこの凹部４内の段差１２に当接した状態で回転可能に支持されている。また、指部Ｆ１及びＦ２と固定子５とを連結する保持部材７によって回転子６が固定子５の段差１２に対して加圧接触されている。 FIG. 2 shows the structure of the ultrasonic actuators U1 and U2. Here, for convenience of explanation, the Z-axis extends from the base 1 toward the rotor 6, the X-axis extends in a direction perpendicular to the Z-axis, and the Y-axis extends in a direction perpendicular to the Z-axis and the X-axis. Shall.
The base 1 and the stator 5 are connected to each other via a connecting bolt 9 that is passed through the vibrating body 3. The concave portion 4 of the stator 5 includes a small diameter portion 10 having an inner diameter smaller than the diameter of the rotor 6 and a large diameter portion 11 having an inner diameter larger than the diameter of the rotor 6, and the small diameter portion 10 and the large diameter portion 11. An annular step 12 located on the XY plane is formed at the boundary between the two. The rotor 6 is rotatably supported in contact with the step 12 in the recess 4. Further, the rotor 6 is in pressure contact with the step 12 of the stator 5 by the holding member 7 that connects the finger portions F1 and F2 and the stator 5.

振動体３は、固定子５に超音波振動を発生させて回転子６をＸ、Ｙ、Ｚの３軸の回りにそれぞれ回転させるためのものであり、それぞれＸＹ平面上に位置し且つ互いに重ね合わされた平板状の第１〜第３の圧電素子部３１〜３３を有している。これら第１〜第３の圧電素子部３１〜３３がそれぞれ制御部８に電気的に接続されている。 The vibrating body 3 is for generating ultrasonic vibrations in the stator 5 and rotating the rotor 6 about three axes of X, Y, and Z, respectively, which are positioned on the XY plane and overlap each other. Plate-shaped first to third piezoelectric element portions 31 to 33 are provided. These first to third piezoelectric element units 31 to 33 are electrically connected to the control unit 8, respectively.

具体的には、図３に示されるように、第１の圧電素子部３１は、それぞれ円板形状を有する電極板３１ａ、圧電素子板３１ｂ、電極板３１ｃ、圧電素子板３１ｄ及び電極板３１ｅが順次重ね合わされた構造を有している。同様に、第２の圧電素子部３２は、それぞれ円板形状を有する電極板３２ａ、圧電素子板３２ｂ、電極板３２ｃ、圧電素子板３２ｄ及び電極板３２ｅが順次重ね合わされた構造を有し、第３の圧電素子部３３は、それぞれ円板形状を有する電極板３３ａ、圧電素子板３３ｂ、電極板３３ｃ、圧電素子板３３ｄ及び電極板３３ｅが順次重ね合わされた構造を有している。これらの圧電素子部３１〜３３が絶縁シート３４〜３７を介して固定子５及び基部１から、また互いに絶縁された状態で配置されている。 Specifically, as shown in FIG. 3, the first piezoelectric element portion 31 includes an electrode plate 31a, a piezoelectric element plate 31b, an electrode plate 31c, a piezoelectric element plate 31d, and an electrode plate 31e each having a disk shape. It has a structure that is sequentially stacked. Similarly, the second piezoelectric element portion 32 has a structure in which an electrode plate 32a, a piezoelectric element plate 32b, an electrode plate 32c, a piezoelectric element plate 32d, and an electrode plate 32e each having a disk shape are sequentially stacked. 3 has a structure in which an electrode plate 33a, a piezoelectric element plate 33b, an electrode plate 33c, a piezoelectric element plate 33d, and an electrode plate 33e each having a disk shape are sequentially stacked. These piezoelectric element portions 31 to 33 are arranged in a state of being insulated from the stator 5 and the base portion 1 through insulating sheets 34 to 37 and from each other.

図４に示されるように、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄは、Ｙ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３１ｂと圧電素子板３１ｄは互いに裏返しに配置されている。
第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄは、２分割されることなく全体がＺ軸方向（厚み方向）に膨張あるいは収縮の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３２ｂと圧電素子板３２ｄは互いに裏返しに配置されている。
第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄは、Ｘ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３３ｂと圧電素子板３３ｄは互いに裏返しに配置されている。 As shown in FIG. 4, the pair of piezoelectric element plates 31 b and 31 d of the first piezoelectric element portion 31 has portions that are divided into two in the Y-axis direction and have opposite polarities, and each has a Z-axis direction (thickness direction). The piezoelectric element plate 31b and the piezoelectric element plate 31d are disposed so as to be reversed with respect to each other.
The pair of piezoelectric element plates 32b and 32d of the second piezoelectric element portion 32 are polarized so as to be expanded or contracted in the Z-axis direction (thickness direction) as a whole without being divided into two. The element plate 32b and the piezoelectric element plate 32d are arranged inside out.
In the pair of piezoelectric element plates 33b and 33d of the third piezoelectric element portion 33, the portions divided into two in the X-axis direction have opposite polarities, and are opposite to expansion and contraction in the Z-axis direction (thickness direction), respectively. The piezoelectric element plate 33b and the piezoelectric element plate 33d are disposed so as to be reversed with respect to each other.

第１の圧電素子部３１の両面部分に配置されている電極板３１ａ及び電極板３１ｅと、第２の圧電素子部３２の両面部分に配置されている電極板３２ａ及び電極板３２ｅと、第３の圧電素子部３３の両面部分に配置されている電極板３３ａ及び電極板３３ｅがそれぞれ電気的に接地されている。また、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄの間に配置されている電極板３１ｃと、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄの間に配置されている電極板３２ｃと、第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄの間に配置されている電極板３３ｃがそれぞれ制御部８に電気的に接続されている。 An electrode plate 31a and an electrode plate 31e disposed on both surface portions of the first piezoelectric element portion 31, an electrode plate 32a and an electrode plate 32e disposed on both surface portions of the second piezoelectric element portion 32, and a third The electrode plate 33a and the electrode plate 33e disposed on both surface portions of the piezoelectric element portion 33 are electrically grounded. Further, the electrode plate 31 c disposed between the pair of piezoelectric element plates 31 b and 31 d of the first piezoelectric element portion 31 and the pair of piezoelectric element plates 32 b and 32 d of the second piezoelectric element portion 32 are disposed. The electrode plate 32 c disposed between the pair of piezoelectric element plates 33 b and 33 d of the third piezoelectric element portion 33 is electrically connected to the control unit 8.

次に、この実施の形態１に係るロボットハンドの動作について説明する。
第１の超音波アクチュエータＵ１の振動体３に対して、第１の圧電素子部３１の電極板３１ｃに超音波アクチュエータＵ１の固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄの２分割された部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、固定子５にＹ軸方向のたわみ振動を発生する。同様に、第２の圧電素子部３２の電極板３２ｃに交流電圧を印加すると、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄがＺ軸方向に膨張と収縮を繰り返し、固定子５にＺ軸方向の縦振動を発生する。さらに、第３の圧電素子部３３の電極板３３ｃに交流電圧を印加すると、第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄの２分割された部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、固定子５にＸ軸方向のたわみ振動を発生する。 Next, the operation of the robot hand according to the first embodiment will be described.
When an alternating voltage having a frequency close to the natural frequency of the ultrasonic actuator U1 is applied to the electrode plate 31c of the first piezoelectric element portion 31 with respect to the vibrating body 3 of the first ultrasonic actuator U1, the first piezoelectric element The two divided portions of the pair of piezoelectric element plates 31 b and 31 d of the portion 31 alternately expand and contract in the Z-axis direction, and generate flexural vibration in the Y-axis direction in the stator 5. Similarly, when an AC voltage is applied to the electrode plate 32c of the second piezoelectric element portion 32, the pair of piezoelectric element plates 32b and 32d of the second piezoelectric element portion 32 repeats expansion and contraction in the Z-axis direction, and the stator 5 generates longitudinal vibration in the Z-axis direction. Further, when an AC voltage is applied to the electrode plate 33c of the third piezoelectric element portion 33, the two divided portions of the pair of piezoelectric element plates 33b and 33d of the third piezoelectric element portion 33 expand and contract in the Z-axis direction. Are alternately repeated to generate a flexural vibration in the X-axis direction in the stator 5.

そこで、例えば、制御部８から第２の圧電素子部３２の電極板３２ｃと第３の圧電素子部３３の電極板３３ｃとの双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｘ軸方向のたわみ振動とＺ軸方向の縦振動とが組み合わされて回転子６と接触する固定子５の段差１２にＸＺ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介して回転子６がＹ軸回りに回転する。
同様に、制御部８から第１の圧電素子部３１の電極板３１ｃと第２の圧電素子部３２の電極板３２ｃとの双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｙ軸方向のたわみ振動とＺ軸方向の縦振動とが組み合わされて回転子６と接触する固定子５の段差１２にＹＺ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介して回転子６がＸ軸回りに回転する。
さらに、制御部８から第１の圧電素子部３１の電極板３１ｃと第３の圧電素子部３３の電極板３３ｃとの双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｘ軸方向のたわみ振動とＹ軸方向のたわみ振動とが組み合わされて回転子６と接触する固定子５の段差１２にＸＹ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介して回転子６がＺ軸回りに回転する。 Thus, for example, when an AC voltage having a phase shifted by 90 degrees is applied from the control unit 8 to both the electrode plate 32c of the second piezoelectric element unit 32 and the electrode plate 33c of the third piezoelectric element unit 33, X An elliptical vibration in the XZ plane is generated in the step 12 of the stator 5 in contact with the rotor 6 by combining the axial deflection vibration and the longitudinal vibration in the Z-axis direction, and the rotor 6 becomes Y through frictional force. Rotate around the axis.
Similarly, when an AC voltage having a phase shifted by 90 degrees is applied from the control unit 8 to both the electrode plate 31c of the first piezoelectric element unit 31 and the electrode plate 32c of the second piezoelectric element unit 32, the Y axis Direction vibration and Z-axis longitudinal vibration are combined to generate elliptical vibration in the YZ plane at the step 12 of the stator 5 that comes into contact with the rotor 6, and the rotor 6 moves to the X-axis via frictional force. Rotate around.
Further, when an AC voltage having a phase shifted by 90 degrees is applied from the control unit 8 to both the electrode plate 31c of the first piezoelectric element unit 31 and the electrode plate 33c of the third piezoelectric element unit 33, the X-axis direction The flexural vibration of the Y axis and the flexural vibration in the Y-axis direction combine to generate elliptical vibration in the XY plane at the step 12 of the stator 5 that contacts the rotor 6, and the rotor 6 rotates about the Z axis via frictional force. Rotate to.

このようにして第１の超音波アクチュエータＵ１の振動体３を駆動することにより、回転子６がＸ、Ｙ、Ｚの３軸の回りにそれぞれ回転し、これに伴って第１の指部Ｆ１が移動する。
同様にして、第２の超音波アクチュエータＵ２の振動体３を駆動することにより、第２の指部Ｆ２の移動が行われる。
制御部８は、各超音波アクチュエータＵ１及びＵ２の振動体３に印加する駆動電圧に基づいて、各指部Ｆ１及びＦ２の位置をそれぞれ把握すると共に、各指部Ｆ１及びＦ２のサイズ並びに各超音波アクチュエータＵ１及びＵ２のサイズを予め記憶しているものとする。 By driving the vibrating body 3 of the first ultrasonic actuator U1 in this way, the rotor 6 rotates around the three axes of X, Y, and Z, and accordingly, the first finger F1. Move.
Similarly, the second finger F2 is moved by driving the vibrating body 3 of the second ultrasonic actuator U2.
The control unit 8 grasps the positions of the finger portions F1 and F2 based on the drive voltages applied to the vibrating bodies 3 of the ultrasonic actuators U1 and U2, respectively, and determines the sizes of the finger portions F1 and F2 It is assumed that the sizes of the sonic actuators U1 and U2 are stored in advance.

ここで、把持対象となる物体Ｓの硬さを検知する方法について説明する。図５に示されるように、制御部８は、第１の指部Ｆ１と第２の指部Ｆ２を移動させて物体Ｓを挟み、このときの指部Ｆ１及びＦ２の位置と予め記憶している指部Ｆ１及びＦ２のサイズとから双方の指部Ｆ１及びＦ２の間隔すなわち物体Ｓの厚さＤを算出する。さらに、算出された物体Ｓの厚さＤ、指部Ｆ１及びＦ２のサイズ並びに各超音波アクチュエータＵ１及びＵ２のサイズに基づき、第１の超音波アクチュエータＵ１の振動体３から第１の指部Ｆ１、物体Ｓ及び第２の指部Ｆ２を経て第２の超音波アクチュエータＵ２の振動体３に至る超音波の伝搬経路の長さＬ１を算出する。 Here, a method for detecting the hardness of the object S to be grasped will be described. As shown in FIG. 5, the control unit 8 moves the first finger unit F1 and the second finger unit F2 to sandwich the object S, and stores in advance the positions of the finger units F1 and F2 at this time. The distance between the fingers F1 and F2, that is, the thickness D of the object S is calculated from the sizes of the fingers F1 and F2. Further, based on the calculated thickness D of the object S, the sizes of the finger portions F1 and F2, and the sizes of the ultrasonic actuators U1 and U2, the first finger portion F1 from the vibrating body 3 of the first ultrasonic actuator U1. Then, the length L1 of the ultrasonic wave propagation path that reaches the vibrating body 3 of the second ultrasonic actuator U2 through the object S and the second finger portion F2 is calculated.

次に、第１の指部Ｆ１と第２の指部Ｆ２で物体Ｓを挟んだままの状態で、制御部８は、第１の超音波アクチュエータＵ１の振動体３に電圧を印加することにより、回転子６を回転させることなく超音波振動を発生させる。例えば、第１〜第３の圧電素子部３１〜３３のうちいずれか１つの圧電素子部にのみ交流電圧を印加する、あるいは、２つ以上の圧電素子部に同位相の交流電圧をそれぞれ印加する等により、回転子６を回転させずに超音波振動を発生させることができる。
第１の超音波アクチュエータＵ１の振動体３により発生した超音波は、図５に矢印で示すように、第１の超音波アクチュエータＵ１の振動体３から固定子５及び回転子６を介して第１の指部Ｆ１に伝わり、第１の指部Ｆ１から物体Ｓに入り込み、物体Ｓを透過した後、第２の指部Ｆ２へと伝わり、さらに第２の指部Ｆ２から第２の超音波アクチュエータＵ２の回転子６及び固定子５を介して振動体３へ伝搬される。 Next, in a state where the object S is sandwiched between the first finger part F1 and the second finger part F2, the control unit 8 applies a voltage to the vibrating body 3 of the first ultrasonic actuator U1. The ultrasonic vibration is generated without rotating the rotor 6. For example, an AC voltage is applied only to any one of the first to third piezoelectric element units 31 to 33, or an AC voltage having the same phase is applied to two or more piezoelectric element units. For example, ultrasonic vibration can be generated without rotating the rotor 6.
The ultrasonic waves generated by the vibrating body 3 of the first ultrasonic actuator U1 are transmitted from the vibrating body 3 of the first ultrasonic actuator U1 through the stator 5 and the rotor 6 as indicated by arrows in FIG. 1 is transmitted to the first finger F1, enters the object S from the first finger F1, passes through the object S, is transmitted to the second finger F2, and is further transmitted from the second finger F2 to the second ultrasonic wave. It propagates to the vibrating body 3 via the rotor 6 and the stator 5 of the actuator U2.

このようにして超音波が第２の超音波アクチュエータＵ２の振動体３に到達すると、その超音波の振動モードに応じて、振動体３を構成する第１〜第３の圧電素子部３１〜３３のうち少なくとも１つの圧電素子部に電圧が発生する。そこで、制御部８は、第１の超音波アクチュエータＵ１の振動体３に電圧を印加して超音波振動を発生させた時点から第２の超音波アクチュエータＵ２の振動体３に超音波が到達して電圧が発生するまでの所要時間Ｔ１を計測する。
さらに、制御部８は、算出された超音波の伝搬経路の長さＬ１と計測された所要時間Ｔ１とに基づいて物体Ｓ中の超音波の伝搬速度Ｖ１を算出する。
一般に、物質の硬さが硬くなるほど超音波の伝搬速度は速くなることが知られている。このため、制御部８は、算出された伝搬速度Ｖ１に基づいて物体Ｓの硬さを検知することができる。 When the ultrasonic wave reaches the vibrating body 3 of the second ultrasonic actuator U2 in this way, the first to third piezoelectric element portions 31 to 33 constituting the vibrating body 3 are set according to the vibration mode of the ultrasonic wave. A voltage is generated in at least one of the piezoelectric element portions. Therefore, the control unit 8 applies the voltage to the vibrating body 3 of the first ultrasonic actuator U1 to generate ultrasonic vibration, and the ultrasonic wave reaches the vibrating body 3 of the second ultrasonic actuator U2. The required time T1 until the voltage is generated is measured.
Further, the control unit 8 calculates the ultrasonic wave propagation velocity V1 in the object S based on the calculated ultrasonic wave propagation path length L1 and the measured required time T1.
In general, it is known that the propagation speed of ultrasonic waves increases as the hardness of a substance increases. For this reason, the control part 8 can detect the hardness of the object S based on the calculated propagation velocity V1.

このようにして物体Ｓの硬さを検知することにより、指部Ｆ１及びＦ２による把持力を物体Ｓの硬さに適した値に調整することができ、物体Ｓを破壊したり変形するおそれを生じることなく、確実に物体Ｓを把持することが可能となる。
指部Ｆ１及びＦ２を移動させる超音波アクチュエータＵ１及びＵ２を用いて、物体Ｓに超音波を与えると共に物体Ｓを透過した超音波を検知するので、専用のセンサを取り付けなくても物体Ｓの硬さを検知することができ、簡単な構成で且つ小型のロボットハンドが実現される。 By detecting the hardness of the object S in this way, the gripping force by the finger portions F1 and F2 can be adjusted to a value suitable for the hardness of the object S, and there is a risk that the object S will be destroyed or deformed. The object S can be reliably gripped without occurring.
The ultrasonic actuators U1 and U2 that move the fingers F1 and F2 are used to apply ultrasonic waves to the object S and detect ultrasonic waves that have passed through the object S. Therefore, a small robot hand with a simple configuration can be realized.

実施の形態２
図６に、この発明の実施の形態２に係るロボットハンドを示す。この実施の形態２は、図１に示した実施の形態１のロボットハンドと同じ構成を有しているが、物体Ｓに超音波振動を与えた指部で、物体Ｓを透過した超音波の検知をも行うようにしたものである。
実施の形態２における物体Ｓの硬さの検知方法について説明する。第１の指部Ｆ１と第２の指部Ｆ２で物体Ｓを挟んだままの状態で、制御部８は、第１の超音波アクチュエータＵ１の振動体３に電圧を印加することにより、回転子６を回転させることなく超音波振動を発生させる。超音波は、図６に実線矢印で示すように、第１の超音波アクチュエータＵ１の振動体３から固定子５及び回転子６を介して第１の指部Ｆ１に伝わり、第１の指部Ｆ１と物体Ｓとの接触面Ｓ１を通って物体Ｓに入り込み、物体Ｓを透過する。そして、接触面Ｓ１に対向する面すなわち第２の指部Ｆ２と物体Ｓとの接触面Ｓ２で反射した超音波が、図６に破線矢印で示すように、再び物体Ｓを透過して第１の指部Ｆ１へと伝わり、さらに第１の指部Ｆ１から第１の超音波アクチュエータＵ１の回転子６及び固定子５を介して振動体３へ伝搬される。
なお、物体Ｓが有する複数の面のうち、第１の指部Ｆ１に接触する接触面Ｓ１と第２の指部Ｆ２に接触する接触面Ｓ２は互いに平行である。
ただし、物体Ｓ中における超音波の伝搬経路の長さを把握することができれば、接触面Ｓ１と接触面Ｓ２は互いに平行でなくてもよい。 Embodiment 2
FIG. 6 shows a robot hand according to Embodiment 2 of the present invention. The second embodiment has the same configuration as the robot hand of the first embodiment shown in FIG. 1, but the ultrasonic wave transmitted through the object S is transmitted by the finger portion that applied ultrasonic vibration to the object S. Detection is also performed.
A method for detecting the hardness of the object S in the second embodiment will be described. In a state where the object S is sandwiched between the first finger part F1 and the second finger part F2, the control unit 8 applies a voltage to the vibrating body 3 of the first ultrasonic actuator U1 to thereby rotate the rotor. Ultrasonic vibration is generated without rotating 6. The ultrasonic wave is transmitted from the vibrating body 3 of the first ultrasonic actuator U1 to the first finger part F1 via the stator 5 and the rotor 6 as shown by solid line arrows in FIG. The light enters the object S through the contact surface S1 between F1 and the object S, and passes through the object S. Then, the ultrasonic wave reflected by the surface facing the contact surface S1, that is, the contact surface S2 between the second finger portion F2 and the object S, passes through the object S again as shown by the broken line arrow in FIG. Is transmitted to the vibrating body 3 via the rotor 6 and the stator 5 of the first ultrasonic actuator U1 from the first finger section F1.
Of the plurality of surfaces of the object S, the contact surface S1 that contacts the first finger portion F1 and the contact surface S2 that contacts the second finger portion F2 are parallel to each other.
However, as long as the length of the propagation path of the ultrasonic wave in the object S can be grasped, the contact surface S1 and the contact surface S2 do not have to be parallel to each other.

このようにして戻ってきた超音波が第１の超音波アクチュエータＵ１の振動体３に到達すると、その超音波の振動モードに応じて、振動体３を構成する第１〜第３の圧電素子部３１〜３３のうち少なくとも１つの圧電素子部に電圧が発生する。そこで、制御部８は、第１の超音波アクチュエータＵ１の振動体３に電圧を印加して超音波振動を発生させた時点から、戻ってきた超音波がこの第１の超音波アクチュエータＵ１の振動体３に到達して電圧が発生するまでの所要時間Ｔ２を計測する。 When the ultrasonic waves that have returned in this way reach the vibrating body 3 of the first ultrasonic actuator U1, the first to third piezoelectric element portions that constitute the vibrating body 3 according to the ultrasonic vibration mode. A voltage is generated in at least one piezoelectric element portion among 31 to 33. Therefore, the control unit 8 applies a voltage to the vibrating body 3 of the first ultrasonic actuator U1 to generate ultrasonic vibration, and the returned ultrasonic wave is vibration of the first ultrasonic actuator U1. The required time T2 until the voltage is generated after reaching the body 3 is measured.

また、制御部８は、算出された物体Ｓの厚さＤ、第１の指部Ｆ１のサイズ並びに第１の超音波アクチュエータＵ１のサイズに基づき、第１の超音波アクチュエータＵ１の振動体３から第１の指部Ｆ１を経て物体Ｓを往復し、再び第１の指部Ｆ１を経て第１の超音波アクチュエータＵ１の振動体３に至る超音波の伝搬経路の長さＬ２を算出する。
制御部８は、算出された超音波の伝搬経路の長さＬ２と計測された所要時間Ｔ２とに基づいて物体Ｓ中の超音波の伝搬速度Ｖ２を算出し、さらに、算出された伝搬速度Ｖ２に基づいて物体Ｓの硬さを検知する。 Further, the control unit 8 determines from the vibrating body 3 of the first ultrasonic actuator U1 based on the calculated thickness D of the object S, the size of the first finger F1, and the size of the first ultrasonic actuator U1. The length L2 of the propagation path of the ultrasonic wave that travels back and forth through the object S via the first finger part F1 and reaches the vibrating body 3 of the first ultrasonic actuator U1 through the first finger part F1 again is calculated.
The control unit 8 calculates the ultrasonic propagation velocity V2 in the object S based on the calculated ultrasonic propagation path length L2 and the measured required time T2, and further calculates the calculated propagation velocity V2. Based on this, the hardness of the object S is detected.

実施の形態３
図７に、この発明の実施の形態３に係るロボットハンドを示す。上記の実施の形態１及び２では、物体Ｓに対する指部Ｆ１及びＦ２の接触部の位置に応じて超音波の伝搬経路の長さＬ１及びＬ２が変化することとなる。そこで、この実施の形態３は、指先で物体Ｓに接触することにより、超音波の伝搬経路の長さを安定化しようとするものである。 Embodiment 3
FIG. 7 shows a robot hand according to Embodiment 3 of the present invention. In the first and second embodiments described above, the lengths L1 and L2 of the ultrasonic wave propagation paths change according to the positions of the contact portions of the finger portions F1 and F2 with respect to the object S. Therefore, the third embodiment attempts to stabilize the length of the ultrasonic propagation path by contacting the object S with the fingertip.

第１の超音波アクチュエータＵ１の回転子６に第１節Ｆ１１を固定すると共に第１節Ｆ１１の先端に第２節Ｆ１２を連結し、これら第１節Ｆ１１及び第２節Ｆ１２により第１の指部Ｆ１を構成している。第１節Ｆ１１と第２節Ｆ１２は、図示しない連結機構を介して互いに連結され、回転子６の回転に応じてそれぞれ所定の動きをするように構成されている。同様に、第２の超音波アクチュエータＵ２の回転子６に第１節Ｆ２１を固定すると共に第１節Ｆ２１の先端に第２節Ｆ２２を連結し、これら第１節Ｆ２１及び第２節Ｆ２２により第２の指部Ｆ２を構成している。第１節Ｆ２１と第２節Ｆ２２は、図示しない連結機構を介して互いに連結され、回転子６の回転に応じてそれぞれ所定の動きをするように構成されている。 The first node F11 is fixed to the rotor 6 of the first ultrasonic actuator U1, and the second node F12 is connected to the tip of the first node F11. The first finger F11 and the second node F12 are used to connect the first finger. Part F1 is configured. The first node F11 and the second node F12 are connected to each other via a connection mechanism (not shown), and are configured to perform predetermined movements according to the rotation of the rotor 6. Similarly, the first node F21 is fixed to the rotor 6 of the second ultrasonic actuator U2, and the second node F22 is connected to the tip of the first node F21. The first node F21 and the second node F22 are used to 2 fingers F2 are formed. The first node F21 and the second node F22 are connected to each other via a connection mechanism (not shown), and are configured to perform predetermined movements according to the rotation of the rotor 6.

このように、各指部Ｆ１及びＦ２をそれぞれ第１節と第２節から形成したことにより、図７に示されるように、物体Ｓを双方の指部Ｆ１及びＦ２の第２節Ｆ１２及びＦ２２の指先で挟むことができる。このため、第１の超音波アクチュエータＵ１の振動体３から物体Ｓを介して第２の超音波アクチュエータＵ２の振動体３へと至る超音波の伝搬経路の長さ、あるいは、第１の超音波アクチュエータＵ１の振動体３から物体Ｓを往復して再び第１の超音波アクチュエータＵ１の振動体３へと戻る超音波の伝搬経路の長さが安定し、これにより、精度よく物体Ｓの硬さを検知することが可能となる。 Thus, by forming each finger part F1 and F2 from the first node and the second node, respectively, as shown in FIG. 7, the object S is moved to the second nodes F12 and F22 of both finger parts F1 and F2. Can be pinched with your fingertips. For this reason, the length of the ultrasonic wave propagation path from the vibrating body 3 of the first ultrasonic actuator U1 to the vibrating body 3 of the second ultrasonic actuator U2 via the object S, or the first ultrasonic wave The length of the ultrasonic wave propagation path returning from the vibrating body 3 of the actuator U1 to the vibrating body 3 of the first ultrasonic actuator U1 after reciprocating from the vibrating body 3 to the object S is stabilized. Can be detected.

実施の形態４
図８に、この発明の実施の形態４に係るロボットハンドを示す。この実施の形態４は、図１に示した実施の形態１のロボットハンドにおいて、双方の指部Ｆ１及びＦ２の表面にそれぞれマトリクスセンサＭ１及びＭ２を配設し、物体Ｓに対する指部Ｆ１及びＦ２の接触部の位置を検知するように構成したものである。 Embodiment 4
FIG. 8 shows a robot hand according to Embodiment 4 of the present invention. In the fourth embodiment, in the robot hand of the first embodiment shown in FIG. 1, matrix sensors M1 and M2 are disposed on the surfaces of both finger portions F1 and F2, respectively, and the finger portions F1 and F2 with respect to the object S are provided. It is comprised so that the position of the contact part may be detected.

マトリクスセンサＭ１及びＭ２は、例えば、多数の微小圧電素子を配列したものから構成され、物体Ｓに接触した際に物体Ｓから受ける加圧力に起因して接触箇所の微小圧電素子から発生する電圧を検出することにより、物体Ｓに対する接触部の位置を検知することができる。あるいは、多数の微小光電センサを配列したマトリクスセンサを用いて、局部的な明るさの変化から接触部の位置を検知したり、多数の微小電極を配列したマトリクスセンサを用いて、局部的な静電容量の変化に基づいて接触部の位置を検知することもできる。
このようなマトリクスセンサＭ１及びＭ２により、物体Ｓに対する指部Ｆ１及びＦ２の接触部の位置を検知すれば、超音波の伝搬経路の長さを決定することができ、精度よく物体Ｓの硬さを検知することが可能となる。 The matrix sensors M1 and M2 are composed of, for example, an array of a large number of micro-piezoelectric elements. The matrix sensors M1 and M2 generate a voltage generated from the micro-piezoelectric elements at the contact location due to the pressure applied from the object S when contacting the object S. By detecting, the position of the contact portion with respect to the object S can be detected. Alternatively, using a matrix sensor in which a large number of micro photoelectric sensors are arranged, the position of the contact portion is detected from a local change in brightness, or in a local sensor using a matrix sensor in which a large number of micro electrodes are arranged. The position of the contact portion can also be detected based on the change in electric capacity.
If such matrix sensors M1 and M2 detect the positions of the contact portions of the fingers F1 and F2 with respect to the object S, the length of the ultrasonic wave propagation path can be determined, and the hardness of the object S can be accurately determined. Can be detected.

その他の実施の形態
上記の実施の形態１〜４では、超音波の伝搬速度に基づいて物体Ｓの硬さを検知したが、伝搬速度以外にも、物体を透過した超音波の振幅の減衰度、位相のズレ量等を検出して物体Ｓの硬さを検知することもできる。
厚さＤが既知である物体Ｓに対しては、物体Ｓを挟んでいる指部の間隔の算出を省略してもよい。
物体Ｓを挟んでいる指部の間隔は、予め指部に取り付けられた距離センサによって検出することもできる。
上記の実施の形態１〜４では、２本の指部で物体Ｓを挟んだ状態で物体Ｓの硬さを検知したが、同様にして、３本以上の指部を有する多指ハンドを構成し、３本以上の指部を物体Ｓに接触させ、複数の異なる伝搬経路に基づいてそれぞれ物体Ｓの硬さを検知することもできる。このようにすれば、物体Ｓの内部が２種以上の異なる材質で構成されていること、物体Ｓの内部に内蔵物または中空部が存在すること等を検知することも可能となる。
上記の実施の形態１〜４では、制御部８が、各超音波アクチュエータＵ１及びＵ２の振動体３に印加する駆動電圧に基づいて、各指部Ｆ１及びＦ２の位置をそれぞれ把握したが、これに限るものではなく、専用の位置センサを用いて各指部Ｆ１及びＦ２の位置を検出することもできる。
上述した実施の形態１〜４のロボットハンドは、それぞれ自走式ロボットに搭載して使用することができる。 Other Embodiments In the first to fourth embodiments described above, the hardness of the object S is detected based on the propagation speed of the ultrasonic wave. However, in addition to the propagation speed, the degree of attenuation of the amplitude of the ultrasonic wave transmitted through the object The hardness of the object S can also be detected by detecting the amount of phase shift or the like.
For the object S having a known thickness D, the calculation of the interval between the finger portions sandwiching the object S may be omitted.
The interval between the finger parts sandwiching the object S can also be detected by a distance sensor attached to the finger parts in advance.
In the first to fourth embodiments described above, the hardness of the object S is detected in a state where the object S is sandwiched between two fingers. Similarly, a multi-finger hand having three or more fingers is configured. In addition, the hardness of the object S can be detected based on a plurality of different propagation paths by bringing three or more fingers into contact with the object S. In this way, it is also possible to detect that the inside of the object S is made of two or more different materials, the presence of a built-in object or a hollow part in the object S, and the like.
In the above first to fourth embodiments, the control unit 8 grasps the positions of the finger portions F1 and F2 based on the drive voltages applied to the vibrating bodies 3 of the ultrasonic actuators U1 and U2. The position of each finger part F1 and F2 can also be detected using a dedicated position sensor.
The robot hands of Embodiments 1 to 4 described above can be used by being mounted on a self-propelled robot.

この発明の実施の形態１に係るロボットハンドを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the robot hand which concerns on Embodiment 1 of this invention. 実施の形態１で用いられた超音波アクチュエータの構成を示す断面図である。2 is a cross-sectional view showing a configuration of an ultrasonic actuator used in Embodiment 1. FIG. 実施の形態１で用いられた振動体の構成を示す部分断面図である。3 is a partial cross-sectional view illustrating a configuration of a vibrating body used in Embodiment 1. FIG. 実施の形態１で用いられた振動体の３対の圧電素子板の分極方向を示す斜視図である。3 is a perspective view showing polarization directions of three pairs of piezoelectric element plates of a vibrating body used in Embodiment 1. FIG. 実施の形態１のロボットハンドにより物体の硬さを検知する際の超音波の伝搬経路を示す正面図である。FIG. 3 is a front view showing a propagation path of ultrasonic waves when the hardness of an object is detected by the robot hand according to the first embodiment. 実施の形態２に係るロボットハンドを示す正面図である。6 is a front view showing a robot hand according to Embodiment 2. FIG. 実施の形態３に係るロボットハンドを示す斜視図である。FIG. 9 is a perspective view showing a robot hand according to a third embodiment. 実施の形態４に係るロボットハンドを示す正面図である。FIG. 10 is a front view showing a robot hand according to a fourth embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１基部、３振動体、４凹部、５固定子、６回転子、７保持部材、８制御部、９連結ボルト、１０小径部、１１大径部、１２段差、Ｕ１，Ｕ２超音波アクチュエータ、Ｓ物体、Ｆ１，Ｆ２指部、Ｆ１１，Ｆ２１第１節、Ｆ１２，Ｆ２２第２節、Ｍ１，Ｍ２マトリクスセンサ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base part, 3 vibrating body, 4 recessed part, 5 stator, 6 rotor, 7 holding member, 8 control part, 9 connection bolt, 10 small diameter part, 11 large diameter part, 12 level difference, U1, U2 ultrasonic actuator, S Object, F1, F2 Finger, F11, F21 Section 1, F12, F22 Section 2, M1, M2 Matrix sensor.

Claims

少なくとも２つの指部と、
各指部に対応して配置され且つそれぞれ圧電素子を振動体として用いて対応する指部を移動させる少なくとも２つの超音波アクチュエータと、
各超音波アクチュエータを駆動させると共に、少なくとも２つの指部で物体を挟んだ状態でこれらの指部のうち１つの指部の超音波アクチュエータを駆動させることにより前記物体に超音波を与え、前記物体を挟んでいる少なくとも２つの指部のうちいずれかの指部の超音波アクチュエータにより前記物体を透過した超音波を検知して前記物体の硬さを検知する制御部と
を備えたことを特徴とするロボットハンド。 At least two fingers;
At least two ultrasonic actuators arranged corresponding to each finger and moving the corresponding finger using each piezoelectric element as a vibrator;
Each ultrasonic actuator is driven, and an ultrasonic wave is applied to the object by driving the ultrasonic actuator of one of the fingers in a state where the object is sandwiched between at least two fingers. And a controller that detects the hardness of the object by detecting the ultrasonic wave transmitted through the object by an ultrasonic actuator of one of the at least two fingers. Robot hand.

前記制御部は、各指部の位置から前記物体を挟んでいる少なくとも２つの指部の間隔を算出することで超音波の伝搬経路の長さを算出する請求項１に記載のロボットハンド。 The robot hand according to claim 1, wherein the control unit calculates the length of an ultrasonic wave propagation path by calculating an interval between at least two finger parts sandwiching the object from the position of each finger part.

前記制御部は、前記物体に超音波を与えてから前記物体を透過した超音波を検知するまでの所要時間に基づいて前記物体中の超音波の伝搬速度を算出し、算出された伝搬速度に基づいて前記物体の硬さを検知する請求項１または２に記載のロボットハンド。 The control unit calculates a propagation speed of the ultrasonic wave in the object based on a required time from applying the ultrasonic wave to the object to detecting the ultrasonic wave transmitted through the object, and calculates the calculated propagation speed. The robot hand according to claim 1, wherein the hardness of the object is detected based on the robot hand.

前記物体を透過した超音波を検知するための指部は、前記物体に超音波を与えるための指部とは異なるものである請求項１〜３のいずれか一項に記載のロボットハンド。 The robot hand according to any one of claims 1 to 3, wherein a finger part for detecting an ultrasonic wave transmitted through the object is different from a finger part for applying an ultrasonic wave to the object.

前記物体を透過した超音波を検知するための指部は、前記物体に超音波を与えるための指部と同一のものであり、前記物体を透過して前記指部と前記物体との接触面に対向する面で反射した後、再び前記物体を透過して戻ってきた超音波を検知する請求項１〜３のいずれか一項に記載のロボットハンド。 The finger part for detecting the ultrasonic wave transmitted through the object is the same as the finger part for applying an ultrasonic wave to the object, and the contact surface between the finger part and the object through the object The robot hand according to any one of claims 1 to 3, wherein an ultrasonic wave that is transmitted through the object and returned after being reflected by a surface facing the robot is detected.

各指部と前記物体との接触位置を検出するセンサを備えた請求項１〜５のいずれか一項に記載のロボットハンド。 The robot hand according to claim 1, further comprising a sensor that detects a contact position between each finger and the object.

前記制御部は、少なくとも２つの指部の指先で物体を挟んだ状態で前記物体の硬さを検知する請求項１〜６のいずれか一項に記載のロボットハンド。 The robot hand according to claim 1, wherein the control unit detects the hardness of the object in a state where the object is sandwiched between fingertips of at least two finger parts.