JPWO2019065427A1 - ロボットハンドシステム制御方法およびロボットハンドシステム - Google Patents

Abstract

［課題］形状や大きさが一定せず、視覚センサでの認識が難しい対象物を把持可能なロボットハンドシステム制御方法およびロボットハンドシステムを提供する。［解決手段］面状のセンサ３０、５０を対象物に接近させまたは押し当てて対象物の位置を検知する工程と、検知された前記対象物の位置情報に基づいて、一対の把持面２７、４７を略平行に保ちながら当該一対の把持面の間隔を狭めて前記対象物を把持する工程と、を有するロボットハンドシステム１０制御方法。

Description

本発明はロボットアームの先端に取り付けて用いられるロボットハンドに関する。

産業用ロボットの適用範囲を拡大するために、様々な形状あるいは大きさの対象物を把持できるロボットハンドの開発が進んでいる。

例えば、特許文献１には、直線軸に沿ってスライドする１組のスライド部と、スライド部のそれぞれに固定され、先端部分に把持爪を有する把持部とを備え、把持部は、前記直線軸と把持爪の先端を含む平面と直交する回転軸まわりに回転する関節部を備えるハンドが記載されている。そして、略平行に対向させた把持爪を接近させてワークを把持することにより、異なる大きさや形状のワークを確実に把持することができることが記載されている。

特開２０１２−１７６４６１号公報 特開平０５−３３７８６４号公報

ところで、ロボットが位置や形状が一定しない対象物を扱う場合、一般的にはステレオカメラ等の視覚センサで対象物を認識し、その位置情報等に基づいてアーム・ハンドを動作させる。特許文献１に記載されたロボットハンドによれば形状や大きさが一定でない対象物を把持することができるが、その場合でも、把持する対象物のおおよその位置を予め取得する必要がある。

しかし、対象物の種類によっては、視覚センサによる位置情報の取得が難しい場合がある。例えばステレオカメラで位置情報を取得するには、各画像上に対応点を見つける必要があるが、形状が複雑で色が単調な対象物では、対応点とすべき特徴点を抽出することが難しい。そのような対象物の例としては、ハンバーグや鳥のから揚げなどの食品が挙げられる。また、そのような対象物が山積みされた状態では、視覚センサによる認識はさらに難しくなる。

視覚センサ以外のセンサを用いて対象物を認識する例として、特許文献２には、手先が作業対象物の表面をならい移動しながら、手先の先端部に設けられた力覚センサーにより作業対象物表面の穴の位置を検出する方法が記載されている。これにより、ロボットと作業対象物との相対位置と相対姿勢が不正確な場合でも作業対象物の穴の位置を検出できるとされる。

しかし、特許文献２では、作業対象物の相対位置は不明であるが、作業対象物の形状や穴の配置は既知である。特許文献２に記載された方法を形状や大きさが一定しない対象物に適用することはできなかった。

本発明は、上記を考慮してなされたものであり、視覚センサに頼らずに、形状や大きさが一定しない対象物を把持可能なロボットハンドシステムおよびロボットハンドシステム制御方法を提供することを目的とする。

本発明のロボットハンドシステム制御方法は、面状のセンサを対象物に接近させまたは押し当てて前記対象物の位置を検知する工程と、検知された前記対象物の位置情報に基づいて、一対の把持面を所定の角度に保ちながら当該一対の把持面の間隔を狭めて前記対象物を把持する工程とを有する。

この方法により、探索部により対象物のおおよその位置を検知し、第１把持面と第２把持面を略平行に保ちながら両者の間隔を狭めていくことによって、視覚センサによる認識が難しく、形状および／または大きさが一定でない対象物を把持できる。

本発明のロボットハンドシステムは、第１指部と第２指部と探索部とを有し、前記第１指部は、回転運動を行う第１関節および第２関節と、該第１指部の先端部に設けられた第１把持面とを有し、前記第２指部は、回転運動を行う第３関節および第４関節と、該第２指部の先端部に設けられた第２把持面とを有する。そして、前記第１ないし第４関節の回転軸が互いに平行であり、前記第１把持面および前記第２把持面は、前記第１ないし第４関節の回転運動によって正対可能に配置され、所定の角度に維持しながら間隔を増減可能である。そして、前記探索部は、面状の触覚センサまたは近接センサからなり、把持対象物の位置を検知する。

この構成により、探索部により対象物のおおよその位置を検知し、第１把持面と第２把持面を略平行に保ちながら両者の間隔を狭めていくことによって、視覚センサによる認識が難しく、形状および／または大きさが一定でない対象物を把持できる。

好ましくは、前記第１把持面と前記第２把持面を前記所定の角度に維持することが、前記第１把持面と前記第２把持面を略平行に維持することである。第１把持面と第２把持面の成す角度は対象物の形状に応じて決定することができるが、第１把持面と第２把持面を略平行に保つことで、より多様な形状の対象物の把持が容易となる。

好ましくは、前記第１把持面および前記第２把持面が平面である。これにより、対象物個々の形状が大きく異なる場合でも、安定して把持できる。なお、把持面は完全にフラットな面でなくてもよい。例えば、表面にすべり止めの凹凸加工等を設けてもよく、全体的な形状として平面を構成していればよい。

好ましくは、前記探索部が、前記第１把持面に設けられた第１触覚センサと前記第２把持面に設けられた第２触覚センサにより構成される。このように、探索部をロボットハンドの一部に組み込むと、システム全体の構成を簡略化できるし、対象物を探索して把持するときのロボットハンドの移動量が少なくなるというメリットがある。

あるいは、前記探索部は、前記第１指部および前記第２指部を含むロボットハンド本体と別に設けられていてもよい。

好ましくは、前記第１関節がトルク制御され、少なくとも前記第２関節が、前記第１関節の動きに追随して、前記第１把持面および前記第２把持面を前記所定の角度に維持するように位置制御される。これにより、対象物を把持した後は第１関節が一定のトルクを維持するので、対象物を把持した状態が維持される。このとき、把持力は第１関節のトルクで決まるので、対象物に応じた適切なトルクを第１関節に設定することで、柔軟で変形しやすい対象物を把持した場合でも対象物を損壊することがない。このようにトルク制御と位置制御を組み合わせて各関節を連動して制御することで不定形な柔軟物を安定的に把持することができる。

本発明のロボットハンドシステム制御方法またはロボットハンドシステムによれば、視覚センサによる認識が難しい対象物であっても、探索部によりおおよその位置を検知でき、第１把持面と第２把持面を略平行に保ちながら接近させて把持するので、形状および／または大きさが一定でない対象物を把持できる。このように、本発明のロボットハンドシステム制御方法およびロボットハンドシステムは、形状や大きさが一定でなく、かつ視覚センサによる認識が難しい対象物の把持に適する。

本発明の一実施形態のロボットハンドシステムの構造を示す図である。 本発明の一実施形態のロボットハンドシステムの把持動作を説明する図である。 複数の対象物を把持したときの動作を説明する図である。 図３Ａの状態で触覚センサが取得する触覚像である。 本発明の他の実施形態のロボットハンドシステムの構造を示す図である。 関節の数と把持位置の関係を説明する図である。

本発明のロボットハンドの第１実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。

図１において、本実施形態のロボットハンドシステム１０はロボットハンド１１からなり、ロボットハンド１１には探索部１５が組み込まれている。ロボットハンド１１は、基部１２、第１指部２１、第２指部４１を有する。ロボットハンド１１は基部１２をロボットアーム９０の先端に取り付けて用いられる。

第１指部２１は、リンク２２の基端側が基部１２に固定され（固定端２８）、リンク２２とリンク２４を連結する第１関節２３と、リンク２４とリンク２６を連結する第２関節２５を有し、先端部２９に第１把持面２７が設けられている。

第１関節２３は、リンク２２とリンク２４のリンク間角度θ１を増減するように、連結するリンク２２、２４に垂直な回転軸の回りに回転運動する。同様に、第２関節２５は、リンク２４とリンク２６のリンク間角度θ２を増減するように、連結するリンク２４、２６に垂直な回転軸の回りに回転運動する。

第１関節２３および第２関節２５は、好ましくは、それぞれが独立したアクチュエータ（図示せず）によって駆動される。アクチュエータは回転アクチュエータであり、好ましくはサーボモータである。後述する位置制御やトルク制御を容易に実現できるからである。また、サーボモータは、好ましくは、駆動する第１関節または第２関節の近傍に設けられる。伝達機構を省いてロボットハンド１１の構造を単純化できるからである。

好ましくは、第１関節２３は位置制御およびトルク制御可能であり、第２関節２５は位置制御可能である。トルク制御とは、関節を回転させる、または回転させようとするトルクを一定に維持する制御である。モータのトルクは電流と相関があるので、具体的にはモータに供給される電流を一定にするように制御される。位置制御とは、関節の回転位置（角度）を一定にする制御であり、関節が目標位置まで到達した後は、その位置を維持する。サーボモータを用いる場合は、通常位置制御の機構がモータの機能として組み込まれている。

第１把持面２７の表面には、第１触覚センサ３０が設けられている。第１触覚センサは、圧力・変位を取得する要素がマトリクス状に配列された面状のセンサである。第１触覚センサは、ロボットハンド１１が対象物を把持したときに、第１把持面に作用する圧力を検出して、その分布を触覚像として取得する。第１触覚センサの種類は特に限定されず、導電性ゴム型、導電性ペイント型、光導波路型など、各種公知のセンサを用いることができる。第１触覚センサは、好ましくは、第１把持面の全面に設けられる。

第２指部４１は、第１指部２１と同様の構造を有する。第２指部４１は、リンク４２の基端側が基部１２に固定され（固定端４８）、リンク４２とリンク４４を連結する第３関節４３と、リンク４４とリンク４６を連結する第４関節４５を有し、先端部４９に第２把持面４７が設けられている。第３関節および第４関節は、隣接するリンク間の角度θ３、θ４を増減するように回転運動する。第３関節および第４関節は、それぞれが独立したアクチュエータ（図示せず）によって駆動され、アクチュエータは回転アクチュエータであり、好ましくはサーボモータである。第３関節および第４関節は位置制御可能である。第２把持面４７の表面には、第２触覚センサ５０が設けられている。第２触覚センサは、好ましくは第２把持面の全面に設けられる。

第１把持面２７および第２把持面４７は、対象物を両者の間に挟むことで把持する。第１把持面および第２把持面は好ましくは平面である。多様な形状の対象物を把持しやすいからである。また、第１把持面と第２把持面は、第１〜第４関節の旋回運動によって、正対可能に設けられている。本実施形態では、第１指部２１および第２指部４１が同一平面上にあり、第１ないし第４関節の回転軸が当該平面に垂直で、すべて平行であることにより、第１把持面と第２把持面が正対可能となっている。また、第１〜第４関節を適切に動作させることにより、第１把持面と第２把持面を所定の角度で対向させたまま、例えば略平行に対向させたまま、両者の間隔を変化させることが可能である。

本実施形態の探索部１５は、第１触覚センサ３０と第２触覚センサ５０によって構成され、これらのセンサを用いて対象物の位置を探索する。好ましくは第１把持面２７と第２把持面４７が１８０度に開いて一つの平面を構成する（後述する図２Ａ参照）。なお、探索部１５は第１触覚センサまたは第２触覚センサのいずれか一方だけで構成されていてもよい。また、探索部を構成するセンサは、触覚センサには限られず、静電容量型などの面状の近接センサであってもよい。

次に、本実施形態のロボットハンド１１の動作を説明する。ここでは、第１関節をトルク制御し、第２〜第４関節を第１関節の動きに追随させて位置制御して、山積みされた状態から対象物を取り上げる方法を説明する。

図２Ａを参照して、まず、第１触覚センサ３０と第２触覚センサ５０を１８０度に開き、第１および第２触覚センサからなる探索部１５を対象物の山に押し当てて、把持すべき対象物のおおよその位置を取得する。このとき、センサの圧力をフィードバックして、探索部を対象物に強く押し当て過ぎないように制御することが好ましい。また、好ましくは、探索部のセンサ面を水平にして上から押し当てる。対象物をより確実に検知するためである。ロボットハンド１１の位置を少しずつずらしながら探索動作を複数回行ってもよい。

図２Ｂを参照して、第１把持面２７と第２把持面４７を略平行に保ちながら対象物の幅より少し広く開く。ロボットアーム９０を動作させて、ロボットハンド１１を対象物の近くに移動させ、対象物Ｗが第１把持面２７と第２把持面３７の間に入るようにロボットハンドを前進させる。この間、第１関節２３、第２関節２５、第３関節４３および第４関節４５の所要の角度は図示しない制御部により計算され、第１関節２３、第２関節２５、第３関節４３および第４関節４５はすべて制御部によって位置制御されて所要の角度を取る。

図２Ｃを参照して、第１関節２３を、第１把持面２７と第２把持面４７を略平行に維持しながら接近させる。具体的には、第１関節２３を、両把持面の間隔を狭める方向にトルク制御により回転させ、第１関節の角度を、サーボモータに組み込まれたエンコーダ等により検出して、両把持面を平行に保つための第２関節２５、第３関節４３および第４関節４５の目標位置を制御部が計算し、第２〜第４関節を目標位置に位置制御する。

図２Ｄを参照して、第１把持面２７と第２把持面４７によって対象物Ｗが把持されると、第１関節２３のトルクと反力が釣り合った時点で第１関節は回転を停止し、第１関節に追随する第２関節２５、第３関節４３および第４関節４５も停止する。その後は、第１関節がトルク制御されているので、対象物を一定のトルクで把持した状態が維持される。ただし、何らかの原因で反力が小さくなれば、第１関節は両把持面２７、４７の間隔を狭める方向にさらに回転するし、反力が大きくなれば、第１関節は両把持面２７、４７の間隔を拡げる方向に後退する。

このように、本実施形態のロボットハンドシステム１０はロボットハンド１１からなり、ロボットハンド１１に組み込まれた探索部１５によって対象物のおおよその位置を検知し、第１把持面２７と第２把持面４７を略平行に保ちながら両把持面の間隔を狭めて対象物を把持する。

また、第１関節２３をトルク制御し、第２関節２５、第３関節４３および第４関節４５を第１関節の動きに追随させることにより、対象物を把持した後は第１関節が一定のトルクを維持し、対象物を把持した状態が維持される。このとき、把持力は第１関節のトルクで決まるので、対象物に応じた適切なトルクを第１関節に設定することで、柔軟で変形しやすい対象物を把持しても対象物を損壊することがない。なお、第３関節および第４関節を位置制御により固定して、第１関節をトルク制御し、第２関節のみを第１関節の動きに追随させても同様の効果が得られる。

なお、本実施形態のように、第１および第２把持面２７、４７にそれぞれ触覚センサ３０、５０を設けた場合には、複数の対象物が把持された場合にも対応できる。以下に説明する。

第１把持面２７および第２把持面４７が対象物を把持すると、両把持面の表面に設けられた第１触覚センサ３０および第２触覚センサ５０によって、触覚像が取得される。図３Ａのように複数の対象物Ｗ１、Ｗ２が把持された場合には、触覚像上に島が複数に***して現れる。図４に、第１触覚センサによる触覚像（図４左側）と第２触覚センサによる触覚像（図４右側）の例を示す。

次いで、図示しない演算部にこの触覚像を読み込み、触覚像の島の数や形状から、把持した対象物の個数を判断する。演算部による画像解析には、公知の方法を用いることができる。例えば、触覚像を濃淡画像として、閾値を徐々に大きくしながら二値化し、現れた島の数を数えることができる。また、第１触覚センサによる触覚像と第２触覚センサからの触覚像の島の重心位置がほぼ対応していれば、それらの島は同一の対象物によるものと判断できる。

演算部により複数の対象物が把持されていると判断された場合は、図３Ｂを参照して、第１把持面２７と第２把持面４７の成す角度を平行から変化させる。本実施形態では、両把持面を側方（図３Ｂの手前または奥）から見てくさび型となるように角度を変化させる。両把持面の成す角度を変化させるには、例えば図３Ｂでは、第１関節２３を、両把持面の間隔を狭める方向にトルク制御により回転させ、両把持面が所定の角度を成すための第２関節２５、第３関節４３および第４関節４５の目標位置を制御部が計算し、第２〜第４関節を目標位置に位置制御すればよい。これにより、１個の対象物Ｗ１だけを把持し続け、余分の対象物Ｗ２を解放することができる。なお、把持した対象物の個数の判断が難しい場合は、第１把持面と第２把持面の間隔を広げて、すべての対象物を解放することもできる。

このように、本実施形態のロボットハンド１１では、複数の対象物が把持された場合は、両把持面の成す角度を変化させて、余分な対象物を解放する。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で変形が可能である。

例えば、探索部をロボットハンド本体とは別に設けてもよい。図５に示すロボットシステム６０は、ロボットハンド本体１９と、別に設けられた探索部１７からなる。探索部１７は面状の触覚センサまたは近接センサによって構成され、リンク構造１６によって、ロボットハンド本体とは別に制御される。

また、例えば、上記各実施形態では、各指部が有する関節の数が２であったが、第１指部２１および／または第２指部４１が、位置制御によって第１ないし第４関節と平行な回転軸の回りに回転運動を行う関節をさらに有していてもよい。図６Ａを参照して、各指部の関節の数が２である場合、第１把持面２７と第２把持面４７は１点でのみ正対して接触できる。これに対して、図６Ｂを参照して、一方の指部に関節５４を追加すると、略Ｙ方向に延びるある領域内で両把持面が正対して接触できる。さらに、図６Ｃを参照して、両方の指部に関節３４、５４を追加すると、ＸおよびＹ方向に広がるある領域内で両把持面が正対して接触できる。

１０、６０ ロボットハンドシステム
１１、１９ ロボットハンド（ロボットハンド本体）
１２ 基部
１５ 探索部
１６ リンク構造
１７ 探索部
２１ 第１指部
２２、２４、２６ リンク
２３ 第１関節
２５ 第２関節
２７ 第１把持面
２８ 固定端
２９ 先端部
３０ 第１触覚センサ
３４ 関節
４１ 第２指部
４２、４４、４６ リンク
４３ 第３関節
４５ 第４関節
４７ 第２把持面
４８ 固定端
４９ 先端部
５０ 第２触覚センサ
５４ 関節
９０ ロボットアーム
Ｗ、Ｗ１、Ｗ２ 対象物
θ１、θ２、θ３、θ４ リンク間角度

Claims (7)

1. 面状のセンサを対象物に接近させまたは押し当てて前記対象物の位置を検知する工程と、
   検知された前記対象物の位置情報に基づいて、一対の把持面を所定の角度に保ちながら当該一対の把持面の間隔を狭めて前記対象物を把持する工程と、
   を有するロボットハンドシステム制御方法。
2. 第１指部と第２指部と探索部とを有し、
   前記第１指部は、回転運動を行う第１関節および第２関節と、該第１指部の先端部に設けられた第１把持面とを有し、
   前記第２指部は、回転運動を行う第３関節および第４関節と、該第２指部の先端部に設けられた第２把持面とを有し、
   前記第１ないし第４関節の回転軸が互いに平行であり、
   前記第１把持面および前記第２把持面は、前記第１ないし第４関節の回転運動によって正対可能に配置され、所定の角度に維持しながら間隔を増減可能であり、
   前記探索部は、面状の触覚センサまたは近接センサからなり、把持対象物の位置を検知する、
   ロボットハンドシステム。
3. 前記第１把持面と前記第２把持面を前記所定の角度に維持することが、前記第１把持面と前記第２把持面を略平行に維持することである、
   請求項２に記載のロボットハンドシステム。
4. 前記第１把持面および前記第２把持面が平面である、
   請求項２または３に記載のロボットハンドシステム。
5. 前記探索部が、前記第１把持面に設けられた第１触覚センサと前記第２把持面に設けられた第２触覚センサにより構成される、
   請求項２〜４のいずれか一項に記載のロボットハンドシステム。
6. 前記探索部が、前記第１指部および前記第２指部を含むロボットハンド本体と別に設けられた、
   請求項２〜４のいずれか一項に記載のロボットハンドシステム。
7. 前記第１関節がトルク制御され、少なくとも前記第２関節が、前記第１関節の動きに追随して、前記第１把持面および前記第２把持面を前記所定の角度に維持するように位置制御される、
   請求項２〜６のいずれか一項に記載のロボットハンドシステム。

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