JP6111700B2 - ロボット制御方法、ロボット制御装置、ロボットおよびロボットシステム - Google Patents

Description

本発明は、ロボット制御方法、ロボット制御装置、ロボットおよびロボットシステムに関する。

従来、吸着式のロボットの制御方法として、以下のようなものがある（特許文献１参照）。まず、ロボットハンドをワーク把持目標位置へ前進させ、把持状態を確認し、把持状態が良好でない場合は、ワーク把持目標位置を変更して、把持状態となるまでロボットハンドを前進させる。また、把持状態が良好である場合に、ワークの取出しのためロボットハンドを後退させ、再度把持状態を確認し、把持状態が良好でない場合は、ワーク把持目標位置を変更して、再度、ロボットハンドをワーク把持目標位置へ移動する。

特開２０１０−６９５４２号公報

しかしながら、上述の制御方法では、把持したときの把持状態は確認しているものの、作業中にワークが何かと衝突する、加減速によりワークに慣性力が加わる、ワークに他の部品を組み付けるなどして、重量が増加する、他の部品を組み付けるために他の部品に押し付けるなど、外力が加わったときには、ロボットハンドとワークの接触面で滑りが発生してしまい、把持し続けられなくなる、把持位置が変わってしまうなど、安定的に把持し続けられないことがあるという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、吸着機構を有するロボットが、上述したような衝突、慣性力、重量増加、他の物体への押し付けなどの予め想定した外力が加わったときにも、対象物を安定的に把持し続けられる把持形態を決定することができるロボット制御方法、ロボット制御装置、ロボットおよびロボットシステムを提供する。

（１）上記課題を解決するため、本発明によるロボット制御方法の一態様は、対象物を把持するために該対象物と接触する接触部のうち少なくとも一つに吸着機構を有し、前記対象物を把持するロボットのロボット制御方法であって、前記ロボットが前記対象物を把持する把持形態であって、前記接触部が接触する前記対象物上の位置を少なくとも特定する把持形態を選択する第１の過程と、前記選択した把持形態において、所定の外力を前記対象物に加えたときに、前記対象物を安定的に把持し続けられるか否かを事前に判定する第２の過程とを有し、前記所定の外力に対する抗力を発生させるために前記接触部が発生すべき力が、摩擦係数と、前記接触部の吸着機構による吸着力とで形成される摩擦円錐に含まれる場合に、安定的に把持し続けられると判定することを特徴とする。

上記構成によれば、吸着機構による吸着力も含めた摩擦に基づく滑らない条件を適用できるようになる。従って、吸着機構を有するロボットであっても、予め想定した所定の外力が加わったときにも、対象物を安定的に把持し続けられる把持形態を事前に決定することが可能になる。

（２）上記ロボット制御方法において、例えば、前記吸着機構による吸着力を、前記吸着機構が接触する前記対象物の接触面と、前記吸着機構とが成す角度に応じた値とする。

上記構成によれば、吸着機構による吸着力を、対象物の接触面と吸着機構とが成す角度に応じた値とするので、対象物の接触面と、吸着機構とが成す角度によって、吸引力が大きく変化する場合でも、安定的に把持し続けられる把持形態を適切に決定することが可能になる。

（３）上記ロボット制御方法において、例えば、前記所定の摩擦係数を予め決められた範囲内の値にして、前記第１の過程と、前記第２の過程とを実施した結果、前記第２の過程において、安定的に把持し続けられると判定した把持形態のうち、前記所定の摩擦係数が最も小さいときの把持形態を選択する第３の過程を有する。

上記構成によれば、安定的に把持し続けられる把持形態のうち、摩擦係数が最も小さくても成り立つものを選択することができるので、摩擦係数が、ロボットの経年劣化などにより、減少しても安定的に把持し続けられる把持形態を選択することができる。

（４）上記課題を解決するため、本発明によるロボット制御方法の一態様は、対象物を把持するために対象物と接触する接触部のうち少なくとも一つに吸着機構を有し、前記対象物を把持するロボットのロボット制御方法であって、前記対象物を把持する際に、前記吸着機構の非使用時における吸着面の法線が、前記接触部が接触する前記対象物の接触面に対して垂直となるように前記ロボットを制御することを特徴とする。

上記構成によれば、吸着機構の非使用時における吸着面の法線が、接触部が接触する前記対象物の接触面に対して垂直となるので、吸着機構による吸着力を効率よく用いて、対象物を安定的に把持し続けられるようにロボットを制御することができる。

（５）上記課題を解決するため、本発明によるロボット制御装置の一態様は、対象物を把持するために該対象物と接触する接触部のうち少なくとも一つに吸着機構を有し、前記対象物を把持するロボットを制御するロボット制御装置であって、所定の外力を前記対象物に加えられても、前記対象物を安定的に把持し続けることができる把持形態であって、前記接触部が接触する前記対象物上の位置を少なくとも特定する把持形態を、事前に決定する把持形態決定部と、前記決定した把持形態で、前記ロボットが前記対象物を把持するように、前記ロボットを制御する信号を生成するロボット制御信号生成部とを具備し、前記把持形態決定部は、前記所定の外力に対する抗力を発生させるために前記接触部が発生すべき力が、摩擦係数と該吸着機構による吸着力とで形成される摩擦円錐に含まれる場合に、前記所定の外力を前記対象物に加えられても前記対象物を安定的に把持し続けることができると判定することを特徴とする。
上記構成によれば、前述の一態様によるロボット制御方法と同様の作用効果を得ることができる。

（６）上記課題を解決するため、本発明によるロボットの一態様は、対象物を把持するために該対象物と接触する接触部のうち少なくとも一つに吸着機構を有し、前記対象物を把持するロボットであって、所定の外力を前記対象物に加えられても、前記対象物を安定的に把持し続けることができる把持形態であって、前記接触部が接触する前記対象物上の位置を少なくとも特定する把持形態を、事前に決定する把持形態決定部と、前記決定した把持形態で、前記ロボットが前記対象物を把持するように、前記ロボットを制御する信号を生成するロボット制御信号生成部とを具備し、前記把持形態決定部は、前記所定の外力に対する抗力を発生させるために前記接触部が発生すべき力が、摩擦係数と該吸着機構による吸着力とで形成される摩擦円錐に含まれる場合に、前記所定の外力を前記対象物に加えられても前記対象物を安定的に把持し続けることができると判定することを特徴とする。
上記構成によれば、前述の一態様によるロボット制御方法と同様の作用効果を得ることができる。

（７）上記課題を解決するため、本発明によるロボットシステムの一態様は、対象物を把持するために該対象物と接触する接触部のうち少なくとも一つに吸着機構を有し、前記対象物を把持するロボットと、前記ロボットを制御する制御装置とを具備し、前記制御装置は、所定の外力を前記対象物に加えられても、前記対象物を安定的に把持し続けることができる把持形態であって、前記接触部が接触する前記対象物上の位置を少なくとも特定する把持形態を、事前に決定する把持形態決定部と、前記決定した把持形態で、前記ロボットが前記対象物を把持するように、前記ロボットを制御する信号を生成するロボット制御信号生成部とを具備し、前記把持形態決定部は、前記所定の外力に対する抗力を発生させるために前記接触部が発生すべき力が、摩擦係数と該吸着機構による吸着力とで形成される摩擦円錐に含まれる場合に、前記所定の外力を前記対象物に加えられても前記対象物を安定的に把持し続けることができると判定することを特徴とする。
上記構成によれば、前述の一態様によるロボット制御方法と同様の作用効果を得ることができる。

本発明の態様によれば、吸着機構を有するロボットであっても、予め想定した外力が加わったときにも、対象物を安定的に把持し続けられる把持形態を決定することができる。

本発明の第１の実施形態によるロボットシステム１０の構成を示す外観図である。 同実施形態によるロボットハンド１０３の構成を示す外観図である。 同実施形態による制御装置１０１の構成を示す概略ブロック図である。 同実施形態による制御装置１０１の動作を説明するフローチャートである。 同実施形態による把持形態決定部１１４による安定領域の算出処理を説明するフローチャートである。 吸着機構が無い場合の滑らない条件を説明する概念図である。 吸着機構がある場合の滑らない条件を説明する概念図である。 同実施形態による円錐の多角錐による近似を説明する概念図である。 同実施形態による図１０、図１１で例示する安定領域の把持形態を示す平面図である。 同実施形態による図９の把持形態の安定領域の平面図である。 同実施形態による図９の把持形態の安定領域の斜視図である。 本発明の第２の実施形態による吸着機構と接触面とがなす角による接し方の違いを説明する図である。 同実施形態による吸着機構の非使用時吸着面の法線と接触面の法線とのなす角と吸着力との関係を示すグラフである。 同実施形態による制御装置１０１の動作を説明するフローチャートである。

［第１の実施形態］
図１は、本実施形態に係るロボットシステム１０の構成を示す外観図である。本実施形態に係るロボットシステム１０は、ロボット１１０、制御装置１０１、カメラ１０４を含んで構成される。ロボット１１０は、マニュピレータ１０２と、ロボットハンド１０３とを含んで構成される。対象物１０５は、ロボットシステムの作業対象の例であり、ロボット１１０は、作業を行うために、対象物１０５を把持する。

ロボットハンド１０３は、マニュピレータ１０２の先端に取り付けられており、対象物１０５を把持するための複数の指を有する。マニュピレータ１０２は、一端が台座などに固定されており、他端にロボットハンド１０３が取り付けられている。マニュピレータ１０２は、各関節を動かすことで、対象物１０５を把持させる位置、姿勢に、ロボットハンド１０３を移動させる。カメラ１０４は、対象物１０５を撮像し、撮像結果の画像信号を制御装置１０１に入力する。なお、制御装置１０１が対象物１０５の形状を算出できるように、カメラ１０４は、複数視点から対象物１０５を撮像し、それらの画像信号を制御装置１０１に入力する。複数視点から撮像するために、カメラ１０４を移動させても良いし、複数のカメラを含んでいても良い。制御装置１０１は、カメラ１０４から受けた画像信号を参照し、ロボットハンド１０３が安定的に対象物１０５を把持できる姿勢を算出し、該姿勢でロボットハンド１０３が対象物１０５を把持するように、ロボット１１０を制御する。なお、以下の各実施形態において、安定的に対象物１０５を把持できるとは、ロボットハンド１０３が対象物１０５を把持している状態で、予め想定された外力が対象物１０５に加わったときに、ロボットハンド１０３と対象物１０５との間の接触点において、滑りが発生しないことをいう。

図２は、本実施形態に係るロボットハンド１０３の構成を示す外観図である。ロボットハンド１０３は、対象物１０５を把持するための３本の指１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃを有しており、各指１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃの先端部には、吸着機構１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃを有する。これらの吸着機構１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃは、各吸着機構１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃが有する吸盤内と負圧を発生させるポンプとがチューブを介して接続されており、対象物１０５を把持する際に、対象物１０５を吸着する。これら吸着機構１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ各々が、対象物１０５を吸着する力を吸着力という。また、ロボットハンド１０３が何も把持していないときの、吸着機構１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ各々の吸盤の外縁部を含む面を、以降、非使用時吸着面という。図２に示すロボットハンド１０３では、この非使用時吸着面は、指１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ各々において吸着機構１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃが設けられている面と平行である。

図３は、本実施形態における制御装置１０１の構成を示す概略ブロック図である。制御装置１０１は、対象物形状取得部１１１、ロボット構造記憶部１１２、把持形態候補算出部１１３、把持形態決定部１１４、想定外力記憶部１１５、ロボット制御信号生成部１１６を含んで構成される。対象物形状取得部１１１は、カメラ１０４から入力された画像信号を参照して、対象物１０５の形状を表す形状データを算出する。なお、本実施形態では、対象物形状取得部１１１は、カメラ１０４からの画像信号を参照して、対象物１０５の形状を算出するとしたが、ＣＡＤ（Computer Aided Design）などで生成された形状を表す形状データを他装置から取得するようにしてもよい。

ロボット構造記憶部１１２は、ロボット１１０の各関節の屈折可能範囲、許容トルク、関節間の支持部材の長さ、各吸着機構の吸着力など、ロボット１１０の構造を示す情報を記憶する。把持形態候補算出部１１３は、対象物形状取得部１１１が取得した対象物１０５の形状データと、ロボット構造記憶部１１２が記憶するロボット１１０の構造を示す情報とを参照して、ロボット１１０の構造上、対象物１０５を把持することができる全ての把持形態を算出し、把持形態候補Ｐ_ｊ（ｊ＝１、２、…Ｎｇ）とする。Ｎｇは、把持形態候補の数である。本実施形態では、把持形態候補Ｐ_ｊは、ロボットハンド１０３の指１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ各々の対象物１０５との接触位置ｒ_ｉ（ｉ＝１、２、３）を含む情報である。

想定外力記憶部１１５は、作業中に対象物１０５に対して加わると想定される外力の大きさと方向と該外力によるモーメントとを予め記憶している。把持形態決定部１１４は、把持形態候補算出部１１３が算出した把持形態の候補Ｐ_ｊの中から、想定外力記憶部１１５が記憶している外力が対象物１０５に加えられても安定的に対象物１０５を把持可能な把持形態を選択する。把持形態の選択方法の詳細については後述する。

ただし、本実施形態の把持形態決定部１１４では、このとき、指１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ各々が対象物１０５に対象物１０５に対して加える力の、該指と対象物１０５との接触面に対して平行な方向の成分が、該力の接触面に対して垂直な方向の成分と該指の吸着機構による吸着力との合力に対して所定の摩擦係数を乗じた値以下であることが、安定的に把持し続けられる条件に含まれている。ロボット制御信号生成部１１６は、把持形態決定部１１４が決定した把持形態で、ロボット１１０が対象物１０５を把持するように、ロボット１１０を制御する。

図４は、本実施形態における制御装置１０１の動作を説明するフローチャートである。まず、制御装置１０１の対象物形状取得部１１１が、カメラ１０４から入力された画像信号を参照して、対象物１０５の形状データを算出する（ステップＳａ１）。次に、把持形態候補算出部１１３は、ステップＳａ１にて算出した形状データと、ロボット構造記憶部１１２が記憶するロボット１１０の構造を示す情報とを参照して、（１）式に示す把持形態の全ての把持形態候補Ｐ_ｊ（ｊ＝１、２、…ｌ）を算出する（ステップＳａ２）。

次に、把持形態決定部１１４は、各指１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃと、対象物１０５との接触点における摩擦係数μを「０」と仮定する（ステップＳａ３）。さらに、把持形態決定部１１４は、変数ｍを「０」に初期化する（ステップＳａ４）。この変数ｍは、以下のループ中に検出した安定的に把持可能な把持形態候補のインデックスｊを記憶するための変数である。次に、把持形態決定部１１４は、摩擦係数μが所定の最大摩擦係数μ_ｍａｘ以上となるか（μが≧μ_ｍａｘ）、変数ｍが０でなくなる（ｍ≠０）まで、摩擦係数μの値を徐々に大きくしながら、以下のステップＳａ６からステップＳａ１１を繰り返す（ステップＳａ５）。

把持形態決定部１１４は、以下の様にして、ステップＳａ７からステップＳａ１０の処理を、ｊ＝１、２、…、Ｎgの各々について行う（ステップＳａ６）。すなわち、把持形態決定部１１４は、全ての把持形態候補Ｐ_ｊについて、ステップＳａ７からステップＳａ１０の処理を行う。まずステップＳａ７では、把持形態決定部１１４は、該把持形態候補Ｐ_ｊでの安定領域Ｒ_{ｓｔａｂｌｅｊ}を算出する（ステップＳａ７）。安定領域Ｒ_{ｓｔａｂｌｅｊ}とは、外力の作用点各々および外力の方向各々についての、当該把持形態候補Ｐ_ｊで安定的に把持可能な最大の外力（許容外力）を表すベクトルからなる集合である。以下では、簡単のため、外力の作用点が一つの場合について説明する。なお、安定領域Ｒ_{ｓｔａｂｌｅｊ}の算出方法については、後述する。

次に、把持形態決定部１１４は、想定外力記憶部１１５が記憶する全ての想定外力が、安定領域Ｒ_{ｓｔａｂｌｅｊ}に含まれているか否かを判定する（ステップＳａ８）。すなわち、把持形態決定部１１４は、各想定外力について、安定領域Ｒ_{ｓｔａｂｌｅｊ}のうち、当該想定外力と同じ方向の大きさが、当該想定外力の大きさよりも大きいか否かを判定する。一部でも想定外力が、安定領域Ｒ_{ｓｔａｂｌｅｊ}に含まれていないときは（ステップＳａ８−Ｎｏ）、ステップＳａ１１に遷移する。

一方、全て想定外力が、安定領域Ｒ_{ｓｔａｂｌｅｊ}に含まれているときは（ステップＳａ８−Ｙｅｓ）、把持形態決定部１１４は、安定領域Ｒ_{ｓｔａｂｌｅｊ}の大きさ（体積）が、それまでに検出された安定的に把持可能な把持形態候補の安定領域の中で最大であるか否かを判定する（ステップＳａ９）。具体的には、把持形態決定部１１４は、安定領域Ｒ_{ｓｔａｂｌｅｊ}の大きさが、安定領域Ｒ_{ｓｔａｂｌｅｍ}の大きさよりも大きいか否かを判定する。なお、ｍが「０」のときは、安定領域Ｒ_{ｓｔａｂｌｅｍ}の大きさは「０」である。最大であるときは（ステップＳａ９−Ｙｅｓ）、変数ｍにｊの値を代入し（ステップＳａ１０）、ステップＳａ１１に遷移する。最大でないときは（ステップＳａ９−Ｎｏ）、そのままステップＳａ１１に遷移する。

ステップＳａ１１では、把持形態決定部１１４は、ステップＳａ６で定義したループの終了条件を判定する。すなわち、把持形態決定部１１４は、ｊ＝１、２、…、Ｎｆの全てについて、ステップＳａ７からＳａ１０を処理済みのときは、ステップＳａ１２に進み、それ以外のときは、ｊをインクリメントして、ステップＳａ７に戻る。
ステップＳａ１２では、把持形態決定部１１４は、ステップＳａ５で定義したループの終了条件を判定する。すなわち、把持形態決定部１１４は、変数ｍが「０」でないとき、または、μ≧μ_ｍａｘであるときは、ループを終了してステップＳａ１３に進み、それ以外のときは、摩擦係数μの値をΔμだけ増加させてステップＳａ６に戻る。

ステップＳａ１３では、把持形態決定部１１４は、変数ｍ≠０であるか否かを判定する。変数ｍ≠０であると判定したときは（ステップＳａ１３−Ｙｅｓ）、把持形態決定部１１４は、把持形態候補Ｐ_ｍを、安定的に対象物１０５を把持可能な把持形態として選択し、ロボット制御信号生成部１１６は、該把持形態でロボット１１０が対象物１０５を把持するように、ロボット１１０を制御する。
また、ステップＳａ１３にて、変数ｍ≠０でないと判定したときは（ステップＳａ１３−Ｎｏ）、把持形態決定部１１４は、安定的に対象物１０５を把持可能な把持形態がない旨を通知して、処理を終了する。

図５は、把持形態決定部１１４による安定領域の算出処理を説明するフローチャートである。図５のフローチャートは、図４のステップＳａ７の処理を説明するフローチャートである。まず、把持形態決定部１１４は、把持形態候補Ｐ_ｊが示す指の配置から把握写像Ｇを導出する（ステップＳｂ１）。ここで、把握写像Ｇは、以下に示す式（２）により定義される行列である。

ただし、Ｉ_３は、３行３列の単位行列であり、［ｒ_ｉＸ］は下記の式（３）で定義される行列である。また、（ｒ_ｉｘ、ｒ_ｉｙ、ｒ_ｉｚ）は、当該把持形態Ｐ_ｊにおいて、ｉ番目の指が対象物１０５と接触する点の座標である。

次に、把持形態決定部１１４は、全ての指１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃについて、ロボット構造記憶部１１２が記憶するロボットハンド１０３の各関節を駆動するモーターなどの駆動部の許容トルクから、接触力の範囲を導出する（ステップＳｂ２）。ここで、接触力は、各指１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃが、対象物１０５に対して作用させる力を発生させるために、各関節の駆動部が発生させるトルクであり、ベクトルで表される。例えば、ｉ番目の指の接触力f_ｉは、ｉ番目の指の各関節の駆動部が発生するトルクτ_ｉのｘ軸回り成分、ｙ軸回り成分、ｚ軸回り成分を要素とする。したがって、接触力f_ｉは、ｉ番目の指の関節を駆動する駆動部の数に３を乗じた数の要素を持つ。ここでは、ｉ番目の指の駆動トルクτ_ｉの各要素が許容トルクの最小値と最大値の間にあることをτ_ｉｍｉｎ≦|τ_ｉ|≦τ_ｉｍａｘと表記する。

次に、把持形態決定部１１４は、全ての指１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃについて、摩擦円錐から指先が滑らない条件を導出する（ステップＳｂ３）。ｉ番目の指先が滑らない条件は、該指先がその駆動部により駆動されることで対象物１０５に作用させる力である接触力のうち、接触面に対して平行な方向の成分が、指先が対象物１０５に作用させる接触力のうち接触面を押す力（接触面に対して垂直な方向の成分）と吸着機構による吸着力との合力に摩擦系数μを乗じた値以下であることである。このような条件を満たす、指先が対象物１０５に作用させる力ベクトルの集合が描く円錐を、摩擦円錐という。この摩擦円錐は、接触力と吸着力と摩擦係数μとで決まる。本実施形態では、このような指先が滑らない条件を、式（４）で表す。この式（４）では、摩擦円錐を多角錐で近似している。なお、式（４）およびその導出方法の詳細については後述する。

ここで、接触力ｆ_ｉは、ｉ番目の指がその関節をモーターなどで駆動されることで対象物１０５に作用させる力である。この接触力ｆ_ｉは、外力に対する抗力を発生させるために各指が発生すべき力でもある。ｆｓｍａｘ_ｉは、ｉ番目の指の吸着機構の吸着力の最大値である。ベクトルｎ_ｉは、ｉ番目の指と対象物１０５との接触面の単位法線ベクトルである。ベクトルｎ_ｉは、対象物１０５の内側を向いている。また、ベクトルＶ_ｉは、摩擦円錐を近似する多角錐の各面の法線ベクトルからなる集合である。これらの法線ベクトルも該多角錐の内側を向いている。なお、滑らない条件は、Ｖ_ｉに含まれる全ての単位法線ベクトルについて、式（４）が成り立つことである。

次に、把持形態決定部１１４は、全ての外力の方向および作用点について、ステップＳｂ５の処理を行うために、外力の方向と作用点との組み合わせのうち未処理のものを選択し、該選択した組み合わせに応じたベクトルｕを選択する（ステップＳｂ４）。このベクトルｕは、選択した作用点に、選択した方向の大きさ１の外力が加わったときに、対象物１０５に加わる外力のｘ軸成分、ｙ軸成分、ｚ軸成分、外力によるモーメントのｘ軸回り成分、ｙ軸回り成分、ｚ軸回り成分を要素とする。次に、ステップＳｂ５では、ステップＳｂ２の駆動トルクτ_ｉの各要素の範囲と、ステップＳｂ３の式（４）との条件を満たす、ステップＳｂ４で選択したベクトルｕに応じた作用点、方向の外力の大きさWの最大値を算出する。この最大値の算出は、公知の線形計画法を用いて、以下の式を解くことで行う。

なお、上述の式において、行列Ｊ_ｉは、接触力ｆ_ｉを駆動トルτ_ｉに変換するヤコビ行列であり、図２のように指１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ各々が複数関節を有しているときは把持形態によっても変わる。また、ベクトルｗ_ｅは、ベクトルｕに応じた作用点、方向に、大きさＷの外力が加えられたときの、対象物１０５に加わる外力のｘ軸成分、ｙ軸成分、ｚ軸成分、モーメントのｘ軸回り成分、ｙ軸回り成分、ｚ軸回り成分を要素とする。ベクトルｋは、行列Ｇが正方行列ではないため現れるベクトルである。そのため、予め決められた範囲内の値各々をベクトルｋに代入した場合それぞれについて、上述の式を解き、その中でのＷの最大値を解とする。
次に、把持形態決定部１１４は、全ての外力の方向について、処理済みであるか否かを判定する（ステップＳｂ６）。全て処理済みであるときは、把持形態決定部１１４は、各方向における外力の最大値Ｗｍａｘに該方向の単位ベクトルｕを乗じたベクトルＷｍａｘの集合を、安定領域Ｒｓｔａｂｌｅとし（ステップＳｂ７）、処理を終了する。未処理の方向があるときは、ステップＳｂ４に戻る。

図６は、吸着機構が無い場合の滑らない条件を説明する概念図である。図６では、指の番号を表すiを省略して、対象物１０５の接触面Ｓ上の接触点ｐに、ロボットハンド１０３のｉ番目の指による接触力ｆが働いている場合を示す。ここでは、説明を簡易にするために、接触面をＸＹ平面に平行な面とする。摩擦力は、接触力ｆの接触面Ｓに垂直な成分ｆｚに摩擦係数μを乗じたμｆｚである。したがって、滑らない条件は、接触力ｆの接触面に平行な成分ｆｘｙが、摩擦力μｆｚ以下であることである。ここで、ｔａｎθ＝μとしたときに、接触点ｐを通り、接触面の法線とθの角をなす線ｍｌを母線とする円錐を考える。すると、この円錐内に、接触力ｆが収まっていれば、ｆｘｙ≦μｆｚが成り立つので、この円錐内に接触力ｆが収まっていることが滑らない条件であると言える。

図７は、吸着機構がある場合の滑らない条件を説明する概念図である。図６と同様に、指の番号を表すiを省略して、対象物１０５の接触面Ｓ上の接触点ｐに、ロボットハンド１０３のｉ番目の指による接触力ｆが働いているときに、吸着機構が有る場合は、摩擦力は、接触力ｆの接触面Ｓに垂直な成分ｆｚと、吸着機構による吸着力ｆｓｍａｘとの和に、摩擦係数μを乗じたμ（ｆｚ＋ｆｓｍａｘ）である。すなわち、ｆｘｙ≦μ（ｆｚ＋ｆｓｍａｘ）が滑らない条件である。この条件は、吸着機構が無い場合の円錐（線ｍｌを母線とする円錐）を、接触面Ｓの外側に吸着力ｆｓｍａｘだけ平行移動した円錐（線ｍｌ’を母線とする円錐）内に、接触力ｆが収まっていることと言える。また、吸着機構が無い場合の円錐（線ｍｌを母線とする円錐）内に、接触面Ｓの単位法線ベクトルｎに吸着力ｆｓｍａｘを乗じたベクトルと、接触力ｆとの和が収まっていることとも言える。

図８は、円錐の多角錐による近似を説明する概念図である。本実施形態では、図７で説明した滑らない条件、吸着機構が無い場合の円錐（線ｍｌを母線とする円錐）内に、接触面Ｓの単位法線ベクトルｎに吸着力ｆｓｍａｘを乗じたベクトルと、接触力ｆとの和が収まっていることを、多角錐を用いて近似する。すなわち、滑らない条件を、該円錐を近似する多角錐内に、接触面Ｓの単位法線ベクトルｎに吸着力ｆｓｍａｘを乗じたものと、接触力ｆとの和が収まっていることとする。

図８では、円錐を６角錐で近似する場合を示す。図８の６角錐は、線ｍｌを母線とする円錐に内接する６角錐である。したがって、この６角錐の各辺が、接触面Ｓの単位法線ベクトルｎとなす角は、θである。この６角錐内にあるベクトルａが収まるということは、６角錐の面の６角錐内向きの法線ベクトルｖ_ｌ全てと、該ベクトルａとがなす角が９０度以下であることである。すなわち、全てのｖ_ｌについて、法線ベクトルｖ_ｌとベクトルａとの内積が正の値となることである。

これを、上述の滑らない条件に適用すると、全てのｖ_ｌについて、接触面Ｓの単位法線ベクトルｎに吸着力ｆｓｍａｘを乗じたものと、接触力ｆとの和と、法線ベクトルｖ_ｌとの内積が正の値となることである。これを式で書くと、以下の式（５）となる。さらに、両辺に−１を乗じて、法線ベクトルｖ_ｌの集合を、Ｖ_ｉとすると、式（６）、すなわち式（４）が得られる。

図９は、図１０、図１１で例示する安定領域の把持形態を示す平面図である。以下では、説明の簡単のために、ロボットハンド１０３は、２本の指１３０ａ、１３０ｂを有しているとして説明する。図５のフローチャートで説明したように、把持形態決定部１１４は、各把持形態について、安定領域を算出する。図９で示す把持形態の例では、対象物１０５は正方形であり、該正方形の重心を原点とし、対角線の一方をｘ軸、他方をｙ軸とするように座標系がとられている。指１３０ａと指１３０ｂは、対象物１０５のｙ軸の正の方向から、左右対称に接し、対象物１０５を把持している。

図１０は、図９の把持形態の安定領域の平面図である。図１０において、横軸は、許容外力のｘ軸成分Ｗｘ［Ｎ］、縦軸は、許容外力のｙ軸成分Ｗｙ［Ｎ］である。図１０に示す安定領域の形状は、ｘ軸方向には対称であるのに対し、ｙ軸方向は、マイナス側よりもプラス側の方が大きくなっている。すなわち、指１３０ａ、１３０ｂに押し付ける方向である、ｙの正方向は許容外力が大きく、指１３０ａ、１３０ｂから引っ張る方向である、ｙの負方向は許容外力が小さくなることを示している。

図１１は、図９の把持形態の安定領域の斜視図である。図１１において、斜め手前への軸は、許容外力のｘ軸成分Ｗｘ［Ｎ］、斜め奥への軸は、許容外力のｙ軸成分Ｗｙ［Ｎ］である。これらの軸に垂直な軸は、許容外力のｚ軸回りのモーメントＭｚ［Ｎｍ］である。ｘ軸方向、ｙ軸方向に比べて、ｚ軸成分の値が小さいことから、図９のｘｙ平面に対して垂直な方向の許容外力が小さいことが分かる。なお、図１１に示す図では、ｘ軸方向の許容外力や、ｘ軸回り、ｙ軸回り、ｚ軸回りのモーメントは図示していない。

このように、本実施形態における把持形態決定部１１４は、想定外力に対する抗力を発生させるために指１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ各々が発生すべき力が、摩擦係数と当該指の吸着機構による吸着力と当該指が駆動されて発生する接触力で形成される摩擦円錐に含まれることが、安定的に把持し続けられる条件に含まれている。このため、予め想定した想定外力が加わったときにも、接触面において滑らない、対象物１０５を安定的に把持し続けられる把持形態を事前に決定することができる。

また、把持形態決定部１１４は、把持形態候補の中から把持形態を選択する際に、摩擦係数を０から最大値まで徐々に大きくしながら、安定的に把持し続けられる把持形態を探索し、最初に見付けたものを選択している。このため、安定的に把持し続けられる把持形態のうち、摩擦係数が最も小さくても成り立つものを選択することができる。したがって、摩擦係数が、ロボットハンド１０３の経年劣化などにより、減少しても、安定的に把持し続けられる把持形態を採用できる。

なお、本実施形態では、摩擦係数が最も小さくても成り立つものを選択するために、摩擦係数を０から最大値まで徐々に大きくしながら探索し、最初に見付けたものとしているが、０から最大値までを探索し、見付けたものの内、摩擦係数が最も小さいときのものとするようにしてもよい。

［第２の実施形態］
第１の実施形態では、ロボットハンド１０３の指１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃが、対象物１０５に接する位置を把持形態として定義した。第２の実施形態では、指１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃが接する位置に加え、吸着機構と接触面とがなす角を把持形態とする。第２の実施形態におけるロボットシステムは、図１に示す構成と同様であるが、制御装置１０１の把持形態候補算出部１１３と把持形態決定部１１４の一部のみが異なるので、これらの異なる部分のみを説明し、その他の部分は省略する。まず、吸着機構と接触面とがなす角と、吸着力との関係について説明する。

図１２は、吸着機構と接触面とがなす角による接し方の違いを説明する図である。図１２の左図は、吸着機構１３１ａの非使用時吸着面の法線と、対象物１０５の接触面の法線とが成す角度が０度の状態で、吸着機構１３１ａが対象物１０５と接している場合を示す。この場合、吸着機構１３１ａの吸盤が対象物１０５に接している面積は、最大であり、吸着力ｆｓｍａｘ_ｉは最大値である。なお、非使用時吸着面は、上述したようにロボットハンド１０３が何も把持していないときの、吸着機構１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ各々の吸盤の外縁部を含む面である。

図１２の中図は、吸着機構１３１ａの非使用時吸着面の法線と、対象物１０５の接触面の法線とが成す角度がαの状態で、吸着機構１３１ａが対象物１０５と接している場合を示す。この場合、吸着機構１３１ａの吸盤は引っ張られるために、対象物１０５に接している面積は、左図に比べて小さくなり、吸着力ｆｓｍａｘ_ｉは最大値より小さくなる。また、図１２の右図は、吸着機構１３１ａの非使用時吸着面の法線と、対象物１０５の接触面の法線とがなす角度が大きいために、吸盤の片側が対象物１０５から離れてしまっている場合を示す。この場合、吸着機構１３１ａによる吸引力ｆｓｍａｘ_ｉは、ほぼ「０」である。

図１３は、吸着機構の非使用時吸着面の法線と接触面の法線とのなす角と吸着力との関係を示すグラフである。図１３において、横軸は吸着機構の非使用時吸着面の法線と、接触面の法線とがなす角αであり、縦軸は吸着力ｆｓｍａｘ_ｉである。図１２で示したように、吸着機構の非使用時吸着面の法線と、接触面の法線とがなす角αが０度のとき、吸着力ｆｓｍａｘ_ｉは最大値ｂとなり、角αが増えるに従い、吸着力ｆｓｍａｘ_ｉは減少する。さらに、角αが一定の値ｃを超えると、吸着力ｆｓｍａｘ_ｉはほぼ「０」となってしまう。このような関係を式で表すと、式（７）となる。

図１４は、本実施形態における制御装置１０１の動作を説明するフローチャートである。図１４に示すフローチャートは、図４のフローチャートとは、ステップＳａ２、Ｓａ７各々に変えて、ステップＳｃ２、Ｓｃ７を有する点のみが異なる。ステップＳｃ２では、把持形態候補算出部１１３は、ステップＳａ１にて算出した形状データと、ロボット構造記憶部１１２が記憶するロボット１１０の構造を示す情報とを参照して、（８）式に示す把持形態の全ての候補Ｐ_ｊ（ｊ＝１、２、…Ｎｇ）を算出する。

ステップＳｃ７では、把持形態決定部１１４は、ステップＳａ２と同様にして、安定領域を算出するが、このとき吸着力ｆｓｍａｘ_ｉをステップＳａ２のように固定値とせず、式（７）を用いて算出する。すなわち、吸着力ｆｓｍａｘ_ｉを角度αに応じた値として、安定領域を算出する。

このように、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、吸着機構を有するロボットハンド１０３が、対象物１０５を安定的に把持し続けられる把持形態を適切に決定することができる。また、安定的に把持し続けられる把持形態のうち、摩擦係数が最も小さくても成り立つものを選択することができる。

さらに、本実施形態では、把持形態候補Ｐ_ｊに、指１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃの位置だけでなく、各吸着機構１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃの非使用時吸着面の法線と、対象物１０５の接触面の法線とがなす角α_１ｊ、α_２ｊ、α_３ｊを含め、吸着力ｆｓｍａｘ_ｉを、これらの角に応じた値としている。このため、角αによって、吸着力が大きく変化する場合でも、安定的に把持し続けられる把持形態を適切に決定することができる。

なお、式（７）では、吸着機構の非使用時吸着面の法線と対象物１０５の接触面の法線とがなす角αが０度のときに、吸着力が最大となる。このため、第２の実施形態における制御装置１０１は、各吸着機構１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃの非使用時吸着面の法線が、対象物１０５の接触面と垂直になるように、ロボット１０１を制御する。

なお、上述の各実施形態において、ロボットハンド１０３は、３つの指１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃを有するとして説明したが、指は１つであってもよいし、２つであってもよいし、３つを超えていても良い。
また、ロボットハンド１０３が有する全ての指が吸着機構を有しているが、一部のみが吸着機構を有していても良い。その場合、吸着機構を有していない指のｆｓｍａｘ_ｉは、０である。
また、吸着機構は、ポンプと接続されていない単なる吸盤であってもよいし、電磁石などの磁石であってもよい。
また、図１では、マニュピレータ１０２として、６軸の場合を示したが、軸数が６未満、あるいは軸数が７以上のマニュピレータ、走行可能な装置に設置されたマニュピレータなど、どのようなマニュピレータであってもよい。

また、図１における制御装置１０１の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより制御装置１０１を実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。

また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。

以上、本発明の各実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変形が可能である。

１０…ロボットシステム、１０１…制御装置、１０２…マニュピレータ、１０３…ロボットハンド、１０４…カメラ、１０５…対象物、１１０…ロボット、１１１…対象物形状取得部、１１２…ロボット構造記憶部、１１３…把持形態候補算出部、１１４…把持形態決定部、１１５…想定外力記憶部、１１６…ロボット制御信号生成部、１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ…指、１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ…吸着機構

Claims (6)

1. 対象物を把持するために該対象物と接触する接触部のうち少なくとも一つに吸着機構を有し、前記対象物を把持するロボットのロボット制御方法であって、
   前記ロボットが前記対象物を把持する把持形態であって、前記接触部が接触する前記対象物上の位置を少なくとも特定する把持形態を選択する第１の過程と、
   前記選択した把持形態において、所定の外力を前記対象物に加えたときに、前記対象物を安定的に把持し続けられるか否かを事前に判定する第２の過程と
   を有し、
   前記所定の外力に対する抗力を発生させるために前記接触部が発生すべき力が、前記吸着機構による吸着力により拡大された前記接触部が駆動されて発生する力の摩擦円錐に含まれる場合に、安定的に把持し続けられると判定すること
   を特徴とするロボット制御方法。
2. 前記吸着機構による吸着力を、前記吸着機構が接触する前記対象物の接触面と、前記吸着機構とが成す角度に応じた値とすること
   を特徴とする請求項１に記載のロボット制御方法。
3. 前記所定の摩擦係数を予め決められた範囲内の値にして、前記第１の過程と、前記第２の過程とを実施した結果、前記第２の過程において、安定的に把持し続けられると判定した把持形態のうち、前記所定の摩擦係数が最も小さいときの把持形態を選択する第３の過程を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のロボット制御方法。
4. 対象物を把持するために該対象物と接触する接触部のうち少なくとも一つに吸着機構を有し、前記対象物を把持するロボットを制御するロボット制御装置であって、
   所定の外力を前記対象物に加えられても、前記対象物を安定的に把持し続けることができる把持形態であって、前記接触部が接触する前記対象物上の位置を少なくとも特定する把持形態を、事前に決定する把持形態決定部と、
   前記決定した把持形態で、前記ロボットが前記対象物を把持するように、前記ロボットを制御する信号を生成するロボット制御信号生成部と
   を具備し、
   前記把持形態決定部は、前記所定の外力に対する抗力を発生させるために前記接触部が発生すべき力が、摩擦係数と該吸着機構による吸着力とで形成される摩擦円錐に含まれる場合に、前記所定の外力を前記対象物に加えられても前記対象物を安定的に把持し続けることができると判定すること
   を特徴とするロボット制御装置。
5. 対象物を把持するために該対象物と接触する接触部のうち少なくとも一つに吸着機構を有し、前記対象物を把持するロボットであって、
   所定の外力を前記対象物に加えられても、前記対象物を安定的に把持し続けることができる把持形態であって、前記接触部が接触する前記対象物上の位置を少なくとも特定する把持形態を、事前に決定する把持形態決定部と、
   前記決定した把持形態で、前記ロボットが前記対象物を把持するように、前記ロボットを制御する信号を生成するロボット制御信号生成部と
   を具備し、
   前記把持形態決定部は、前記所定の外力に対する抗力を発生させるために前記接触部が発生すべき力が、摩擦係数と該吸着機構による吸着力とで形成される摩擦円錐に含まれる場合に、前記所定の外力を前記対象物に加えられても前記対象物を安定的に把持し続けることができると判定すること
   を特徴とするロボット。
6. 対象物を把持するために該対象物と接触する接触部のうち少なくとも一つに吸着機構を有し、前記対象物を把持するロボットと、
   前記ロボットを制御する制御装置と
   を具備し、
   前記制御装置は、
   所定の外力を前記対象物に加えられても、前記対象物を安定的に把持し続けることができる把持形態であって、前記接触部が接触する前記対象物上の位置を少なくとも特定する把持形態を、事前に決定する把持形態決定部と、
   前記決定した把持形態で、前記ロボットが前記対象物を把持するように、前記ロボットを制御する信号を生成するロボット制御信号生成部と
   を具備し、
   前記把持形態決定部は、前記所定の外力に対する抗力を発生させるために前記接触部が発生すべき力が、前記吸着機構による吸着力により拡大された前記接触部が駆動されて発生する力の摩擦円錐に含まれる場合に、前記所定の外力を前記対象物に加えられても前記対象物を安定的に把持し続けることができると判定すること
   を特徴とするロボットシステム。