JPH0673828B2 - 人間形ロボット指機構の制御方法 - Google Patents

人間形ロボット指機構の制御方法

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JPH0673828B2
JPH0673828B2 JP33124589A JP33124589A JPH0673828B2 JP H0673828 B2 JPH0673828 B2 JP H0673828B2 JP 33124589 A JP33124589 A JP 33124589A JP 33124589 A JP33124589 A JP 33124589A JP H0673828 B2 JPH0673828 B2 JP H0673828B2
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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は人間形ロボット指機構の制御方法に関し、仮想
指先の概念を導入することにより容易に位置決め制御を
なし得るよう工夫したものである。
<従来の技術> ロボット指機構の技術は、まだグリッパ(1自由度程
度)の域をでておらず、人間の指構造を持つものは少な
い。高機能ロボット指機構としては、米国ユタ大学ハン
ド,JPL/スタンフォードハンド等があり、また日本では
工技院電子技術総合研究所(3本指ハンド),機械技術
研究所(5本指ハンド),早稲田大学(ミュージシャン
ロボット、5本指ハンド),三菱重工極限作業ロボット
ハンド(4本指)等がある。
上記ロボットハンドの構造は、電動モータや油圧もしく
は空圧シリンダをアクチュエータとし、ワイヤ・プーリ
系にて指の駆動を行ない、自由度構成は、人間の指とほ
ぼ同等である。
<発明が解決しようとする課題> 上述の如き、ロボット指機構の中で、力覚,圧覚等のセ
ンサを備えているものは少く、その制御は位置、速度の
制御が中心である。
また、従来のロボット指機構の研究対象は3本なり4
本,5本の指を用いて握る対象へのアクセス方法、すなわ
ち、いかにして各指を協調させて、制御するかといった
ものでありどちらかというと、腕の制御手法として論じ
られていることが多い。
更に詳言すると、人間の指構造を模倣したロボット指
は、第1図に示すように、その関節構造が4自由度とな
る。そこで、3次元空間において、指先の回転による姿
勢を無視し、単純に指先位置(Px,Py,Pz)より、各関
節の角度を決定しようとすると、 この場合、指先の位置と各関節角度の関係は式(1)の
ようになる。すなわち、Px=…,Py=…,Pz=…という
3つの式より、各関節角度θ1,θ2,θ3,θ4と4つの
変数を決定しなくてはならず、一意に関節角度θ1〜θ4
を決定することは不可能となる。よって、指先の姿勢を
示す。
を指先位置(Px,Py,Pz)に加えて指定して各関節角度
θ1〜θ4を求めざるを得ない。
すなわち、複雑な計算をより多くする必要が生じる上、
回転による姿勢を考慮することは、指先指定(ティーチ
ング,作業計画)において著しく直観性を損なうもので
ある。
したがって、指の本数が3本,4本と増えるに従って、指
全体の位置決めに対して、回転による姿勢が必要とな
り、位置指定も増々、複雑かつ、直観性のないものとな
る。
したがって、ロボット指の作業の機能性を失わせること
なく回転姿勢による複雑さを解決すれば、指先の位置を
1本指当り、単純に(x,y,z)のみの指定にて決定で
き、位置決め制御の単純化が図れる。
更に、例えば第3図に示すように、円柱25を指20,21,2
2,23で持って回転させようとすると、円柱(対象物)25
の“かたさ”“表面の摩擦”等を考慮して指先位置を設
定する必要があり厳密な位置指定は不可能である。
本発明は、上記従来技術に鑑み、制御を容易に行なうこ
とができるようになる人間形ロボット指機構の制御方法
を提供することを目的とする。
<課題を解決するための手段> 上記目的を達成する本発明の構成は下記の知見を基礎と
するものである。
すなわち、人間の指における第1関節(θ4に相当)
は、第2関節(θ3)と連動して動くことが多く、ロボ
ット指の第1関節角度(θ4)を厳密に指定すること
は、人間の指の高機能な作業性を考えても、さほど必要
はないと思われる。
そこで、本発明ではこの第1関節(θ4)の位置決めは
行わず、指先に付属した力覚もしくは圧覚センサより得
られる力情報を基にした指先の力制御もしくは、把持す
る対象物の“表面のかたさ(剛性)”を考慮して行う関
節の剛性を制御するのみにし、θ1,θ2,θ3から指先
位置を決定、すなわち回転を無視した指先位置(x,y,
z)よりθ1〜θ3を決定し、(x,y,z)平面での指のもつ
回転姿勢の複雑さの解決を実現する。
そこで、本発明の構成は、力制御が可能なアクチュエー
タにより駆動され、最高4自由度をもつ人間形ロボット
指機構の制御方法であって、人間形ロボット指における
最も指先側の関節である第1関節は関節剛性若しくは力
覚,圧覚を制御するとともに、残りの関節は仮想の指先
を設定した位置制御を行なうようにしたことを特徴とす
る。
<作用> 上記構成の本発明によれば、未知数が最大3個の関節角
度θ1〜θ3となるので、指先位置(Px,Py,Pz)を指定
することで指先の位置制御が行なわれる。
<実施例> 以下本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。
本実施例は、第1図に示すように第1〜第4関節1〜4
を有する4自由度のロボット指に適用するもので、この
ロボット指において、下式(3)から指先位置(Px
Py,Pz)を指定することで,各関節角度θ1〜θ3を決定
するものである。
ここで、仮想の指先位置を ▲l 3▼=l3+α・l4 …(4) 0<α<1 として決定する。
ここで、▲l 3▼は単純には指リンクl34の合成長
さであるが、αという重み係数を用い、前記式(4)で
与えられる。前記αの値は作業の種類により重み付けを
行ない、例えば下表のようにあらかじめ決定し、作業の
種類毎に値を定めておく。
すなわち、このαの値により指先の把持対象物への仮想
の接触点を指定するものと考える。この時第1関節は、
対象物への押し付け力一定等、力に関する情報(剛性で
も可)を制御しておけばよい。
ロボット指における作業動作を、前記αの関係表におけ
る作業に対応させて第2図〜第5図に示す。
(a)にぎり(第2図;親指20,人指し指21,中指22,薬
指23で円柱25をにぎる場合) 第2関節部のリンク(指の腹)が円柱25に接触している
ことが多いと考えられる。第2図(a),(b)に示す
ように、にぎった際に大体接触すると考えられる点を指
定すればよい。例えば第1関節部は常に一定力
(fconst)で押し付けていれば円柱25との接触は常に保
たれることになる。
(b)つまみ(第3図;親指20,人指し指21,中指22,薬
指23で円柱25をつまみ、回転する場合) 第1関節部のリンク(指の腹)が円柱25と接触してい
る。位置指定は先のにぎりに従うこととし、例えば、第
3図(a),(b)に示すように、円柱25を回転させよ
うとした場合、単純にPi(i=0,1,2,3)をPi′に0を
中心に回転させた位置に指定しておけば、指のねじれ等
を考慮せずとも常に円柱25との接触を保ったままの動き
が実現できる。引きこすり(第4図)、押しこすり(第
5図)も同様の考え方でよい。
人間形ロボット指機構で三角柱を回転させる場合(つま
み動作を伴なう場合)を例に採り、本実施例を第6図
(a),(b)に基づき、更に詳細に説明する。
本例では説明を簡単にするため、三角柱24をx,y平面内
にZ軸回りに回転させる。この場合、x,y平面内での指
先(親指20,人指し指21,中指22,薬指23)の位置は、 Pi(xi,yi)→P′i(x′i,y′i)→P″i(x″i,
y″i)というように順次変化していく。
一方、指先と三角柱24の接触は第7図(a)に示す通り
である。同図において、第1関節1の関節角度θ4は厳
密に規定する必要はなく、指の腹部分が三角柱24に触れ
てさえいればよい(To点)。また、第7図(b)は、第
2関節2より長さlЕ3+αl4先にある仮想指先をT′点
(仮想接触点)に設定すると、第1関節1が一定力(f
const)で押し付けるような力制御をしていれば、必ず
三角柱24との接触点Tが実現できることの説明図であ
る。従って、第4図(a)と同様の作用が得られ、Z軸
上の座標も決まる。
このようにして決定されたx,y,z空間中での位置Pi(xi,
yi,zi)から、式(3)の連立方程式を解いて、各関節
角度θ1〜θ3を算出し、各関節駆動のアクチュエータへ
出力する。
因に、第7図(a)のTo点もTo(x,y,z)で決まってい
るのであるが、前記<発明が解決しようとする課題>の
項でも述べた通り、4関節の場合、式(1)により、各
関節角度θ1〜θ4を求めようとしても3元連立に4つの
変数をもっているため、解が得られない。そこで、この
場合には回転による姿勢(ロール・ピッチ・ヨーやオイ
ラ角等の指定方式)を指定する必要がある〔式
(2)〕。
かかる手法は、すでに確立されているものでTo点を決定
することはできるが、物体との摩擦による指のねじれ等
を考慮する必要があり、特に物体の繰りを扱う場合非常
に複雑化する難点がある。
第8図は本実施例を適用するロボット指機構の駆動系の
一例を示す説明図である。同図に示すように、この駆動
系は、電気モータ10をアクチュエータとし、ワイヤ12を
介して指関節を構成する指リンク駆動プーリ17を駆動す
ることで、指の動きを実現するものである。このとき、
位置制御は、電気モータ10の回転角を検出する位置セン
サ11もしくは、関節の回転角を検出する位置センサ15等
の情報を利用して行なう。要するに、指関節の回転角を
自在に操れる手法であれば良い。また、力制御は指リン
ク16に取りつけた力センサ13もしくは、指リンク駆動プ
ーリ17にかけられたワイヤ12に設置した張力センサ14等
の情報を利用して行う。これも位置制御の場合と同様で
力を自在に操れるものであれば良い。関節の剛性制御は
位置フィードバックゲインもしくは、力フィードバック
ゲイン等を可変にすることで実施すれば良い。要するに
いずれも従来の制御手法を利用することで実現し得る。
<発明の効果> 以上実施例とともに具体的に説明したように、本発明に
よれば、一般に、x,y,z3次元空間での位置決めは、x,y,
zの位置と、各軸回りの回転、計6つの変数により指定
し、各関節角度を決定しなければならないのに対し、直
観性の良いx,y,z3つの位置により、人間形4自由度迄の
人間形ロボット指の指先の指定ができるばかりでなく、
回転の姿勢を考慮した効果と同等もしくはそれ以上の効
果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例を適用する4自由度の人間形ロ
ボット指を示す説明図、第2図〜第5図は前記ロボット
指による作業を説明するための説明図、第6図(a)は
前記ロボット指で三角柱を回転させる場合の三角柱の把
持態様を示す説明図、第6図(b)はその把持される三
角柱を示す斜視図、第7図(a),(b)は前記把持態
様を指先部分を対象に拡大して示す説明図、第8図は本
発明の実施例を適用するロボット指機構の駆動系の一例
を示す説明図である。 図面中、 1は第1関節、 2は第2関節、 3は第3関節、 4は第4関節、 θ1,θ2,θ3,θ4は関節角度である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川内 直人 兵庫県高砂市荒井町新浜2丁目1番1号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−217073(JP,A) 特開 昭62−120990(JP,A)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】力制御が可能なアクチュエータにより駆動
    され、最高4自由度をもつ人間形ロボット指機構の制御
    方法であって、人間形ロボット指における最も指先側の
    関節である第1関節は関節剛性若しくは力覚,圧覚を制
    御するとともに、残りの関節は仮想の指先を設定した位
    置制御を行なうようにしたことを特徴とする人間形ロボ
    ット指機構の制御方法。
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JP4715296B2 (ja) * 2005-05-12 2011-07-06 トヨタ自動車株式会社 ロボットハンドの持ち替え把持制御方法。
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