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
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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。
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
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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WO2019065427A1 (ja) | 2019-04-04 |
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