マニピュレータおよびロボット
【課題】機構や制御アルゴリズムを単純にしつつも、様々な形状の物体を確実に把持することができるマニピュレータを提供する。
【解決手段】複数の関節軸１１１，１１２，１１３及び複数のリンク１３１，１３２，１３３を有し、複数の関節軸１１１，１１２，１１３の回転角が一定の関係を保つように複数のリンク１３１，１３２，１３３が連動して閉じる方向に動く指１と、指１と対向して配置され、複数の関節軸２１１，２１２，２１３及び複数のリンク２１１，２１２，２１３を有し、複数のリンク２３１，２３２，２３３のうち根元側のリンク２３１から順に閉じる方向に動き、且つ根元側のリンク２３１が物体に接触すると、根元側のリンク２３１に隣り合うリンク２３２が閉じる方向に動く指２と、指１及び指２を駆動する駆動源１００，２００を備える。
【解決手段】複数の関節軸１１１，１１２，１１３及び複数のリンク１３１，１３２，１３３を有し、複数の関節軸１１１，１１２，１１３の回転角が一定の関係を保つように複数のリンク１３１，１３２，１３３が連動して閉じる方向に動く指１と、指１と対向して配置され、複数の関節軸２１１，２１２，２１３及び複数のリンク２１１，２１２，２１３を有し、複数のリンク２３１，２３２，２３３のうち根元側のリンク２３１から順に閉じる方向に動き、且つ根元側のリンク２３１が物体に接触すると、根元側のリンク２３１に隣り合うリンク２３２が閉じる方向に動く指２と、指１及び指２を駆動する駆動源１００，２００を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体を把持するマニピュレータおよびロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、主に工場等で用いられる、定型作業のみを行い、一定形状の物体のみを把持するようなロボットアームとグリッパが多く開発されてきた。しかし近年、人のそばで動き、人の生活を支援するアーム付きのサービスロボットが開発されてきている。このようなロボットでは、定型作業のみを行うのではなく、様々な状況に対応した作業を行わなければならない。又、扱う物も不定形状をしており、この不定形状の物体を確実に把持することが求められる。
【０００３】
このために、グリッパに取り付けた指の複数の関節を複数のアクチュエータで駆動し、物体の形状にならって把持を行う機構が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。又、複数の関節を駆動するアクチュエータを１つにし、各関節をワイヤで連結し、各関節を連動させることにより、物体の把持を行う機構が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。又、アクチュエータを１つにし、各関節に配置したクラッチを利用することで物体を包み込むように把持する機構が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００４】
しかしながら、特許文献１の機構では、複数のアクチュエータを用いるため、機構が複雑になり、また重量も増加する。更に複数のアクチュエータの制御も複雑になってしまう。又、特許文献２の機構では各関節が完全に一定の関係で連動してしまい、指が物体の表面形状に沿った姿勢をとることができない。又、特許文献３の機構では、各関節にクラッチを配置することで、機構は複雑になり、また重量も増加する。又、アクチュエータをできるだけ省略しようとした従来のグリッパでは、茶碗のような凹形状の物体や、箸のような細い棒状の物体等の様々な形状に対して同一の機構では対応できなかった。
【特許文献１】特開２００５−４６９８０号公報
【特許文献２】特開２００３−２１１３８３号公報
【特許文献３】特開２００４−２２３６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、機構や制御アルゴリズムを単純にしつつも、様々な形状の物体を確実に把持することができるマニピュレータおよびロボットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明の一態様によれば、（イ）複数の第１の関節軸及び複数の第１のリンクを有し、複数の第１の関節軸の回転角が一定の関係を保つように複数の第１のリンクが連動して閉じる方向に動く第１の指と、（ロ）第１の指と対向して配置され、複数の第２の関節軸及び複数の第２のリンクを有し、該複数の第２のリンクのうち根元側の第２のリンクから順に閉じる方向に動き、且つ根元側の第２のリンクが物体に接触すると、根元側の第２のリンクに隣り合う第２のリンクが閉じる方向に動く第２の指と、（ハ）第１及び第２の指を駆動する駆動源とを備えるマニピュレータが提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、機構や制御アルゴリズムを単純にしつつも、様々な形状の物体を確実に把持することができるマニピュレータおよびロボットを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、図面を参照して、本発明の第１〜第４の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【０００９】
又、以下に示す第１〜第４の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１０】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係るマニピュレータは、図１に示すように、複数第１のリンク１３１，１３２，１３３及び複数の関節軸１１１，１１２，１１３を有し、複数の関節軸１１１，１１２，１１３の回転角が一定の関係を保つように複数のリンク１３１，１３２，１３３が連動して閉じる方向に動く第１の指１と、第１の指１と対向して配置され、複数の関節軸２１１，２１２，２１３及び複数のリンク２１１，２１２，２１３を有し、複数のリンク２３１，２３２，２３３のうち根元側のリンク２３１から順に閉じる方向に動き、且つ根元側のリンク２３１が物体に接触すると、根元側のリンク２３１に隣り合うリンク２３２が閉じる方向に動く第２の指２と、第１の指１及び第２の指２をそれぞれ駆動する複数（２つ）の駆動源１００，２００を備えるグリッパである。
【００１１】
第１の指１及び第２の指２は、拳部３に取り付けられている。駆動源１００，２００は拳部３に組み込まれている。駆動源１００，２００としては、アクチュエータ等が使用可能である。駆動源１００，２００の駆動は、図示を省略した制御部により制御される。
【００１２】
第１の指１において、図２に示すように、駆動源１００に取り付けた駆動軸１１０にはプーリ１０１が固定されている。リンク１３１，１３２，１３３は、関節軸１１１，１１２，１１３を軸として回転自在にそれぞれ接合されている。関節軸１１１にはプーリ１０２及びプーリ１０２と一体化した歯車１４２が配置され、リンク１３１に固定されている。リンク１３１には更に回転軸１６１が回転自在に取り付けられ、回転軸１６１にはプーリ１０３と歯車１４３が一体となった伝達機構｛１０３，１４３｝が配置されている。関節軸１１２には、プーリ１０４及びプーリ１０４と一体化した歯車１４４が配置され、リンク１３２に固定されている。リンク１３２には回転軸１６２が回転自在に取り付けられ、回転軸１６２にはプーリ１０５と歯車１４５が一体となった伝達機構｛１０５，１４５｝が配置されている。関節軸１１３には、プーリ１０６が配置され、リンク１３３に固定されている。
【００１３】
プーリ１０１とプーリ１０２とはタイミングベルト１２１で連結され、プーリ１０３とプーリ１０４とはタイミングベルト１２２で連結され、プーリ１０５とプーリ１０６とはタイミングベルト１２３で連結されている。
【００１４】
駆動源１００を駆動すると、駆動源１００の動力がタイミングベルト１２１によりプーリ１０２に伝達され、プーリ１０２と一体化したリンク１３１が閉じる方向に動く。更に、プーリ１０２と一体化した歯車１４２と、歯車１４３とプーリ１０３が一体になった伝達機構｛１０３，１４３｝との間で動力が伝達される。この伝達機構｛１０３，１４３｝からタイミングベルト１２２によりプーリ１０４と一体化したリンク１３２に動力が伝達され、リンク１３２が閉じる方向に動く。更に、プーリ１０４と一体化した歯車１４４と、歯車１４５とプーリ１０５が一体になった伝達機構｛１０５，１４５｝との間で動力が伝達される。この伝達機構｛１０５，１４５｝からタイミングベルト１２３によりプーリ１０６と一体となったリンク１３３に動力が伝達され、リンク１３３が閉じる方向に動く。このように、関節軸１１１，１１２，１１３の回転角が一定の関係を保ちつつ連動して回転する。
【００１５】
一方、図１に示した第２の指２において、図３に示すように、駆動源２００に取り付けた駆動軸２１０にはプーリ２０１が固定されている。関節軸２１１には、プーリ２０２及びプーリ２０２と一体化しプーリ２０２よりも径が小さいプーリ２０３が回転自在に接合されている。関節軸２１２には、プーリ２０３よりも径が小さいプーリ２０４、及びプーリ２０４と一体化しプーリ２０４よりも径が大きいプーリ２０５が回転自在に接合されている。関節軸２１３には、プーリ２０５より径が小さいプーリ２０６が結合されている。
【００１６】
プーリ２０１とプーリ２０２とはタイミングベルト２２１で連結され、プーリ２０３とプーリ２０４とはタイミングベルト２２２で連結され、プーリ２０５とプーリ２０６とはタイミングベルト２２３で連結されている。関節軸２１１，２１２，２１３には、隣合うリンク２３１，２３２，２３３同士を隣り合う前記第２のリンクを開く方向に付勢するように、弾性部材２４１，２４２，２４３がそれぞれ取り付けられている。弾性部材２４１，２４２，２４３としては、バネ等が使用可能である。
【００１７】
第２の指２は、根元側のリンク２３１から順に第１の指１側に閉じる方向に動き、リンク２３１が物体表面に接触すると、リンク２３１と隣り合うリンク２３２が閉じる方向に動く。リンク２３２が物体表面に接触すると、リンク２３２と隣り合うリンク２３３が閉じる方向に動く。このように、物体の表面形状に沿った形状でリンク２３１，２３２，２３３が閉じる方向に動く。
【００１８】
ここで、リンク２３１から順に閉じる方向に動く機構とするためには、弾性部材２４１，２４２，２４３による力が、駆動源２００の力をそれぞれ上回っている状態から、関節軸２１１から弾性部材２４３まで順に、弾性部材２４１，２４２，２４３による力よりも、駆動源２００による力が上回っていけばよい。つまり、第２の指２の根元側の関節軸１１１から順にｎ＝１、２、３・・・とする場合、ｎ番目の関節軸とｎ＋１番目の関節軸の間で動力伝達されるプーリ径をＲn、Ｒn+1、弾性部材の弾性係数をＫn、Ｋn+1とすると、これらの関係が下記式（１）を満たすようにする。
【００１９】
（Ｒn+1／Ｒn）＜（Ｋn+1／Ｋn）…（１）
次に、図４〜図８を用いて、コップのような円筒状の物体１０を把持する方法を説明する。
【００２０】
図４に示すように、円筒状の物体１０にグリッパが近づいた状態から、まず第１の指１が、関節軸１１１，１１２，１１３が一定の回転角で連動して閉じ始める。図５に示すように、第１の指１が物体１０と接した状態になると、第２の指２が閉じ始める。
【００２１】
第２の指２は、まず根元側の関節軸２１１から閉じ始める。図６に示すように、リンク２３１が物体１０に接すると、リンク２３２が閉じ始める。図７に示すようにリンク２３２が物体１０に接すると、リンク２３３が閉じ始める。この結果、図８に示すように第２の指２のリンク２３１，２３２，２３３が物体１０表面形状に沿うように閉じて、第１の指１及び第２の指２で物体１０を把持する。
【００２２】
このように、第２の指２が物体１０の表面形状に沿うように閉じることにより、物体１０と接触する面積を大きくすることができ、物体１０を確実に把持することができる。
【００２３】
又、関節軸１１１，１１２，１１３が一定の回転角で連動している第１の指１を先に閉じておくことで、第２の指２を閉じているときに、グリッパから物体１０が離れないように支えることができる。このため、物体１０が動いてグリッパとは逆方向に押し出されて把持できなくなってしまうことを防ぎ、確実に把持することができる。
【００２４】
次に、図９〜図１２を用いて、茶碗のような、支持部１１ｘが設けられた凹形状の物体１１を把持する方法を説明する。
【００２５】
まず、図９に示すように、第１の指１が閉じて凹形状の物体１１の外側に沿うような姿勢をとる。次に、第２の指２が、リンク２３１から閉じ始める。図１０に示すように、リンク２３１が物体１１の内側表面に接すると、リンク２３２が閉じ始める。図１１に示すようにリンク２３２が物体１１の内側表面に接すると、リンク２３３が閉じ始める。この結果、図１２に示すように、物体１１の内側に沿った形状になる。
【００２６】
このように、通常は把持しにくい凹形状の物体１１でも、第２の指２が物体１１の内側の表面に沿った形状となるので、接触面積を大きくすることができ、確実に把持することができる。
【００２７】
又、第２の指２を凹形状の物体１１に沿わせようとする場合、根元からリンク２３１，２３２，２３３が閉じる方向に動くという構成上、第２の指２の初期姿勢を図９のように外側に反り返る姿勢とし、この状態から閉じ始めるため、凹形状の物体１１表面にも沿わせることができる。
【００２８】
次に、図１３〜図１６を用いて、箸のような細い棒状の物体１２を把持する方法を説明する。
【００２９】
まず、図１３に示すように、第１の指１が閉じて棒状の物体１２に沿うような姿勢をとる。次に第２の指２がリンク２３１から閉じ始める。図１４に示すように、リンク２３１がリンク１３１に接すると、リンク２３２が閉じ始める。図１５に示すように、リンク２３２がリンク１３２に接すると、リンク２３３が閉じ始める。この結果、図１６に示すように、第１の指１及び第２の指２の先端で物体１２を挟んで持つことができる。
【００３０】
このように本発明の第１の実施の形態によれば、互いに異なる構造の第１の指１及び第２の指２を使用することで、できるだけ駆動源の数を減らし、機構や制御アルゴリズムを単純にしつつも、円筒形状の物体１０、凹形状の物体１１、細い棒状の物体１２等の様々な不定形状の物体に対して、物体の表面形状に沿った姿勢をとりながら、接触面積をできるだけ大きくして、確実に安定把持することができる。
【００３１】
（アームへの応用）
本発明の第１の実施の形態に係るマニピュレータの一例としてのグリッパを取り付けたアームについて説明する。
【００３２】
図１７に示すように、ロボット本体９５にアーム９８及びグリッパ９９が取り付けられている。アーム９８は、ロボット本体９５側から、肩関節８、上腕部７、肘関節６、前腕部５及び手首関節４を有する。肩関節８、肘関節６及び手首関節４のそれぞれは、１つもしくは複数の回転自在度を有する。なお、肩関節８、肘関節６及び手首関節４が合計で６自由度以上あれば、把持対象の物体１５に対してグリッパ９９を任意の位置、姿勢にもっていくことができる。更に、カメラ５ａを前腕部５に、グリッパ９９の方向を向けて配置する。グリッパ９９は、第１の指１、第２の指２及び拳部３を有する。
【００３３】
次に、本発明の第１の実施の形態に係るグリッパ９９を取り付けたアーム９８の動作について、図１８のフローチャートを参照しながら説明する。
【００３４】
ステップＳ２１において、把持対象の物体１５がありそうな場所にカメラ５ａが向くようアーム９８を制御する。この際には肩関節８、肘関節６及び手首関節４を動かして、カメラ５ａを把時対象の物体１５がありそうな方向に向ける。ステップＳ２２において、カメラ５ａで取得した画像から物体１５の位置を検出する。この処理としては、画像から物体１５の輪郭を切り出したり、色の違いから物体１５の位置を検出する。
【００３５】
ステップＳ２３において、把持対象の物体１５を検出できたか判断する。把持対象の物体１５を検出できたと判断した場合、ステップＳ２４において、把持対象の物体１５が、グリッパ９９の把持可能範囲に入るようアーム９８を制御する。「把時可能範囲」とは、グリッパ９９を閉じたときに物体１５を掴める範囲を意味し、概ね、グリッパ９９に近く、第１の指１及び第２の指２の中央にあるほど物体１５を掴める可能性が高くなる。アーム９８の制御は肩関節８、肘関節６及び手首関節４の自由度を動かして行う。ステップＳ２３において物体１５を検出できないと判断した場合、ステップＳ２１の手順に戻り、カメラ５ａの方向をもう一度変えてみる。
【００３６】
ステップＳ２５において、把持対象の物体１５がグリッパ９９の把持可能範囲内にあるか判断する。把持対象の物体１５がグリッパ９９の把持可能範囲にあると判断した場合、ステップＳ２６において、グリッパ９９を閉じて、物体１５を把持する。最後に、ステップＳ２７において、カメラ５ａでグリッパ９９の中に把持対象の物体１５があるか確認する。このとき、カメラ５ａの画像から物体１５の位置とグリッパ９９の位置を検出し、グリッパ９９の中に把時対象の物体１５があれば把時動作を完了する。
【００３７】
本発明の第１の実施の形態に係るグリッパ９９を取り付けたアーム９８によれば、グリッパ９９を適当な位置に移動させて物体１５を確実に把持することができる。
【００３８】
（ロボットへの応用）
本発明の第１の実施の形態の応用例として、マニピュレータの一例としての双腕ロボットについて説明する。本発明の第１の実施の形態に係るロボットは、図１９に示すように、複数（２つ）のアーム９８，９８ｘを搭載している。複数のアーム９８，９８ｘを用いて複数の作業を同時に行ったり、複数のアーム９８，９８ｘを協調させた作業を行うことができる。
【００３９】
ロボット本体９５には、図示を省略した制御部が内蔵されている。制御部は、グリッパ９９，９９ｘ及びアーム９８，９８ｘを含むロボット全体の制御を行う。ロボット全体は、移動機構９６により移動することができる。移動機構９６は例えば左右独立駆動車輪で構成される。移動機構９６を制御することにより、ロボット全体は目標位置姿勢に移動することができ、物体へのアプローチがしやすくなる。又、ロボット本体９５の低い位置には、周りの障害物を検出するセンサ９７が取り付けられている。
【００４０】
ロボット本体９５の上方には頭部９１が配置され、ロボット本体９５に対して頭部９１の方向を変える駆動機構を介して連結されている。頭部９１には視覚９２，９２ｘが搭載されている。視覚９２，９２ｘは、例えばカメラ等を用いて画像処理によりアーム９８，９８ｘで作業をする場合の作業対象物の位置、姿勢検出等を行う。又、ロボットにはスピーカ及びマイク９３が取り付けられており、人間とコミュニケーションをとることもできる。ロボット本体９５にはアーム９８，９８ｘが取り付けられている。アーム９８，９８ｘは、肩関節８，８ｘ、上腕部７，７ｘ、肘関節６，６ｘ、前腕部５，５ｘ及び手首関節４，４ｘをそれぞれ備える。アーム９８，９８ｘのそれぞれには、グリッパ９９，９９ｘが取り付けられている。グリッパ９９，９９ｘは、第１の指１，１ｘ及び第２の指２，２ｘをそれぞれ備える。
【００４１】
本発明の第１の実施の形態に係るロボットは、図２０に示すように、大きいもしくは重い物体１６を持つ場合、２つのアーム９８，９８ｘ及びグリッパ９９，９９ｘを用いて物体１６を把持することができる。
【００４２】
次に、マニピュレータの動作を、図２１のフローチャートを参照しながら説明する。ステップＳ３１において、ロボットに搭載されている視覚９２，９２ｘで把持対象の物体１６の大きさ、位置を確認する。物体１６の検出はカメラ画像から物体１６の輪郭を抜き出したり、色の検出により物体１６を抜き出したりして行う。
【００４３】
ステップＳ３２において、このとき検出した物体１６がグリッパ９９，９９ｘのうち片方で持てる大きさかどうかを判断する。グリッパ９９，９９ｘのうち片方で持てないと判断した場合は、ステップＳ３３にぴて、移動機構９６とアーム９８，９８ｘを制御して物体１６の両側からグリッパ９９，９９ｘを近付ける。ステップＳ３４において、グリッパ９９，９９ｘで物体１６を挟んで把持する。ステップＳ３５において、最後に物体１６を把持できたかどうかを確認する。把持できたことを確認したら、処理を完了する。一方、物体１６を把持できていない場合、ステップＳ３１の手順に戻る。
【００４４】
ステップＳ３２において、グリッパ９９，９９ｘのうち片方で持てる大きさであると判断した場合には、ステップＳ３６において移動機構９６とアーム９８，９８ｘを用いて片方のグリッパ（例えばグリッパ９９）を把持対象の物体１６に近付け、ステップＳ３７において片方のグリッパ９９で物体１６を把持する。ステップＳ３８において物体１６を把持できたことを確認したら処理を完了する。一方、把持できなければステップＳ３３に進み２本のアーム９８，９８ｘ及びグリッパ９９，９９ｘを使って物体１６を把持する。
【００４５】
本発明の第１の実施の形態に係るロボットによれば、大きいもしくは重い物体１６に対しても両側から２つのアーム９８，９８ｘ及びグリッパ９９，９９ｘがアプローチすることにより、物体１６への接触面積をより大きくすることができ、物体１６を確実に把持することができる。
【００４６】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態では、柔軟部材を配置したグリッパについて説明する。物体を確実に把持するために、物体とグリッパとの接触面積をできるだけ増やしたいが、リンクのみでは限界がある。そこで、図２２に示すように、第１の指１及び第２の指２の表面に柔軟部材４１，４２，４３，４４，４５，４６を配置する。第１の指１及び第２の指２の間の拳部３の表面にも柔軟部材４０が配置されている。
【００４７】
第１の指１において、図２３に示すように、２枚の側板部材（第３のリンク）１３３は、図示を省略したねじ等を用いて中央部材１４で接合されている。
【００４８】
本発明の第２の実施の形態によれば、第１の指１及び第２の指２の表面に柔軟部材４１，４２，４３，４４，４５，４６を配置したことにより、物体との接触面積を更に大きくすることができる。
【００４９】
又、第１の指１及び第２の指２の構造を、図２３に示すような構造とすれば、第１の指１及び第２の指２の強度が確保でき、また組み立てやすく、メンテナンスもし易くなる。更に、柔軟部材４１，４２，４３，４４，４５，４６内には空間ができるので、柔軟部材が変形し易くなるという効果も有する。又、この空間に接触センサ等のセンサも配置して把持に利用することもできる。
【００５０】
又、本発明の第２の実施の形態に係るグリッパは、第１の実施の形態に係るグリッパと同様に、アームに取り付けることが可能であり、そのアームをロボットに取り付けることも可能である。
【００５１】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態では、複数の指を有するグリッパについて説明する。本発明の第３の実施の形態に係るグリッパは、図２４に示すように、複数の第２の指２，２ａ，２ｂ，２ｃを備える。
【００５２】
複数の第２の指２，２ａ，２ｂ，２ｃは１つの駆動源２００により駆動される。駆動源２００からタイミングベルト２２１を介して第２の関節軸（連結軸）２５１に駆動力が伝達される。関節軸２１１から複数の第２の指２，２ａ，２ｂ，２ｃのプーリ２０３，２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃを介して複数の第２の指２，２ａ，２ｂ，２ｃの指先へそれぞれのタイミングベルト２２２，２２２ａ，２２２ｂ，２２２ｃを介して動力が伝達される。
【００５３】
図２５に示すように、第１の指１及び複数の第２の指２，２ａ，２ｂ，２ｃを用いて、３次元形状の物体１５を把持することができる。ここで、図２４に示したタイミングベルト２２２，２２２ａ，２２２ｂ，２２２ｃの剛性を下げておけば、複数の第２の指２，２ａ，２ｂ，２ｃが同じ角度で動くのではなく、複数の第２の指２，２ａ，２ｂ，２ｃのそれぞれにかかる力によって、姿勢が変わる。つまり、複数の第２の指２，２ａ，２ｂ，２ｃが、３次元形状の物体１５の表面形状に沿った姿勢とすることができる。
【００５４】
本発明の第３の実施の形態によれば、３次元形状の物体１５をより確実に物体を把持することができる。又、１つの駆動源２００で複数の第２の指２，２ａ，２ｂ，２ｃを駆動するので、機構が複雑にしないで重量の増加も防止することができる。
【００５５】
なお、図２４では複数の第２の指２，２ａ，２ｂ，２ｃを説明したが、第１の指１を複数備えていても良く、第１の指１及び第２の指２の両方をそれぞれ複数備えていても良い。
【００５６】
又、本発明の第３の実施の形態に係るグリッパは、第１の実施の形態に係るグリッパと同様に、アームに取り付けることが可能であり、そのアームをロボットに取り付けることも可能である。
【００５７】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態として、接触センサを取り付けたグリッパについて説明する。図２６に示すように、第１の指１及び第２の指２の表面に、接触センサ５１，５２，５３及び接触センサ５４，５５，５６が取り付けられている。第１の指１及び第２の指２の間の拳部３の表面にも接触センサ５０が取り付けられている。
【００５８】
接触センサ５０，５１，５２，５３，５４，５５，５６は、物体との接触を検出する。接触センサ５０，５１，５２，５３，５４，５５，５６としては、ピエゾ素子等が使用可能である。接触センサ５０，５１，５２，５３，５４，５５，５６は、図示を省略した制御部に接続されている。制御部は、接触センサ５０，５１，５２，５３，５４，５５，５６による検出結果に応じて、第１の指１及び第２の指２の動作を制御する。
【００５９】
次に、図２６に示したグリッパの動作を、図２７のフローチャートを参照しながら説明する。
【００６０】
ステップＳ１１において、物体を把持するために第１の指１及び第２の指２を最大まで開く。ステップＳ１２において、第１の指１を閉じる方向に動く。ステップＳ１３において、第１の指１の指先の接触センサ５３が反応したら、第１の指１が物体に回り込んで接触し、第２の指２を動かす準備が整ったと判断して、ステップＳ１４において、第１の指１を停止する。
【００６１】
ステップＳ１５において、第２の指２を閉じる方向に動く。ステップＳ１６において、第２の指２を閉じているときに、第２の指２の指先の接触センサ５６が反応すれば、第２の指２も物体の表面形状に沿って展開し、物体を把持できたと判断して、ステップＳ１７において第２の指２を停止する。
【００６２】
ステップＳ１８において、最後に物体をきちんと把持できているかどうかを第１の指１の接触センサ５３及び第２の指２の接触センサ５６の両方が反応しているかどうかを確認する。両方の接触センサ５３，５６が反応していれば物体を確実に把持できているものと判断し、把持動作を終了する。一方、接触センサ５３，５６のいずれかが反応していなければ、確実な把持ができていないということで、ステップＳ１１の手順に戻り、もう一度最初から把持動作をやり直す。
【００６３】
本発明の第４の実施の形態によれば、接触センサ５０，５１，５２，５３，５４，５５，５６を使用することにより、より確実に物体を把持することができる。
【００６４】
なお、図２７を参照した説明では、接触センサ５３，５６の検出結果に応じて制御する一例を説明したが、他の接触センサ５０，５１，５２，５４，５５の検出結果を適宜使用しても良い。
【００６５】
又、本発明の第４の実施の形態に係るグリッパは、第１の実施の形態に係るグリッパと同様に、アームに取り付けることが可能であり、そのアームをロボットに取り付けることも可能である。
【００６６】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第４の実施の形態及びその応用例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替第１の実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００６７】
例えば、リンク１３１，１３２，１３３及び関節軸１１１，１１２，１１３を有する第１の指１と、リンク２３１，２３２，２３３及び関節軸２１１，２１２，２１３を有する第２の指２を説明したが、第１の指１及び第２の指２のそれぞれは、２つのリンク及び２つの関節以上で構成される多関節の構造であれば良い。
【００６８】
又、第２の指２は、弾性部材２４１，２４２，２４３として同じ弾性力のものを用い、プーリ径を変えることで式（１）を満たす構造としたが、式（１）を満たす構造であれば特に限定されず、例えば弾性部材２４１，２４２，２４３として異なる弾性力のものを用いプーリ径が同じ構造にしても良い。
【００６９】
又、第１の指１と第２の指２の長さはそれぞれ特に限定されず、マニピュレータの用途等により適宜設定されるものである。
【００７０】
このように、本発明はここでは記載していない様々な第１の実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパの構成の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパの第１の指１を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパの第２の指２を示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパの動作を説明するための概略図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパによる基本動作を説明するための概略図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパによる基本動作を説明するための概略図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパによる基本動作を説明するための概略図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパによる基本動作を説明するための概略図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパによる凹形状の物体の把持動作を説明するための概略図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパによる凹形状の物体の把持動作を説明するための概略図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパによる凹形状の物体の把持動作を説明するための概略図である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパによる凹形状の物体の把持動作を説明するための概略図である。
【図１３】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパによる細い物体の把持動作を説明するための概略図である。
【図１４】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパによる細い物体の把持動作を説明するための概略図である。
【図１５】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパによる細い物体の把持動作を説明するための概略図である。
【図１６】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパによる細い物体の把持動作を説明するための概略図である。
【図１７】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパを取り付けたアームを示す概略図である。
【図１８】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパを取り付けたアームの把持動作を説明するためのフローチャートである。
【図１９】本発明の第１の実施の形態に係るロボットを示す概略図である。
【図２０】本発明の第１の実施の形態に係るロボットの把持動作を説明するための概略図である。
【図２１】本発明の第１の実施の形態に係るロボットの把持動作を説明するためのフローチャートである。
【図２２】本発明の第２の実施の形態に係るグリッパを示す断面図である。
【図２３】本発明の第２の実施の形態に係るグリッパを示す断面図である。
【図２４】本発明の第３の実施の形態に係るグリッパを示す断面図である。
【図２５】本発明の第３の実施の形態に係るグリッパを示す断面図である。
【図２６】本発明の第４の実施の形態に係るグリッパを示す断面図である。
【図２７】本発明の第４の実施の形態に係るグリッパの把持動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００７２】
１…第１の指
２…第２の指
３…拳部
４，４ｘ…手首関節
５，５ｘ…前腕部
５ａ…カメラ
６，６ｘ…肘関節
７，７ｘ…上腕部
８，８ｘ…肩関節
１０，１１，１２，１５，１６…物体
１１ｘ…支持部
１４…中央部材
４０，４１，４２，４３，４４，４５，４６…柔軟部材
５０，５１，５２，５３，５４，５５，５６…接触センサ
９１…頭部
９２，９２ｘ…視覚
９３…スピーカ及びマイク
９５…ロボット本体
９６…移動機構
９７…センサ
９８，９８ｘ…アーム
９９，９９ｘ…グリッパ
１００，２００…駆動源
１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，２０１，２０２，２０３，２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃ，２０４，２０５，２０６…プーリ
１１１，１１２，１１３…第１の関節軸
１２１，１２２，１２３，２２１，２２２，２２２ａ，２２２ｂ，２２２ｃ，２２３…タイミングベルト
１３１，１３２，１３３…第１のリンク
１４２，１４３，１４４，１４５…歯車
１１０，２１０…駆動軸
１６１，１６２…回転軸
２１１，２１２，２１３…第２の関節軸
２３１，２３２，２３３…第２のリンク
２４１，２４２，２４３…弾性部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体を把持するマニピュレータおよびロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、主に工場等で用いられる、定型作業のみを行い、一定形状の物体のみを把持するようなロボットアームとグリッパが多く開発されてきた。しかし近年、人のそばで動き、人の生活を支援するアーム付きのサービスロボットが開発されてきている。このようなロボットでは、定型作業のみを行うのではなく、様々な状況に対応した作業を行わなければならない。又、扱う物も不定形状をしており、この不定形状の物体を確実に把持することが求められる。
【０００３】
このために、グリッパに取り付けた指の複数の関節を複数のアクチュエータで駆動し、物体の形状にならって把持を行う機構が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。又、複数の関節を駆動するアクチュエータを１つにし、各関節をワイヤで連結し、各関節を連動させることにより、物体の把持を行う機構が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。又、アクチュエータを１つにし、各関節に配置したクラッチを利用することで物体を包み込むように把持する機構が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００４】
しかしながら、特許文献１の機構では、複数のアクチュエータを用いるため、機構が複雑になり、また重量も増加する。更に複数のアクチュエータの制御も複雑になってしまう。又、特許文献２の機構では各関節が完全に一定の関係で連動してしまい、指が物体の表面形状に沿った姿勢をとることができない。又、特許文献３の機構では、各関節にクラッチを配置することで、機構は複雑になり、また重量も増加する。又、アクチュエータをできるだけ省略しようとした従来のグリッパでは、茶碗のような凹形状の物体や、箸のような細い棒状の物体等の様々な形状に対して同一の機構では対応できなかった。
【特許文献１】特開２００５−４６９８０号公報
【特許文献２】特開２００３−２１１３８３号公報
【特許文献３】特開２００４−２２３６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、機構や制御アルゴリズムを単純にしつつも、様々な形状の物体を確実に把持することができるマニピュレータおよびロボットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明の一態様によれば、（イ）複数の第１の関節軸及び複数の第１のリンクを有し、複数の第１の関節軸の回転角が一定の関係を保つように複数の第１のリンクが連動して閉じる方向に動く第１の指と、（ロ）第１の指と対向して配置され、複数の第２の関節軸及び複数の第２のリンクを有し、該複数の第２のリンクのうち根元側の第２のリンクから順に閉じる方向に動き、且つ根元側の第２のリンクが物体に接触すると、根元側の第２のリンクに隣り合う第２のリンクが閉じる方向に動く第２の指と、（ハ）第１及び第２の指を駆動する駆動源とを備えるマニピュレータが提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、機構や制御アルゴリズムを単純にしつつも、様々な形状の物体を確実に把持することができるマニピュレータおよびロボットを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、図面を参照して、本発明の第１〜第４の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【０００９】
又、以下に示す第１〜第４の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１０】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係るマニピュレータは、図１に示すように、複数第１のリンク１３１，１３２，１３３及び複数の関節軸１１１，１１２，１１３を有し、複数の関節軸１１１，１１２，１１３の回転角が一定の関係を保つように複数のリンク１３１，１３２，１３３が連動して閉じる方向に動く第１の指１と、第１の指１と対向して配置され、複数の関節軸２１１，２１２，２１３及び複数のリンク２１１，２１２，２１３を有し、複数のリンク２３１，２３２，２３３のうち根元側のリンク２３１から順に閉じる方向に動き、且つ根元側のリンク２３１が物体に接触すると、根元側のリンク２３１に隣り合うリンク２３２が閉じる方向に動く第２の指２と、第１の指１及び第２の指２をそれぞれ駆動する複数（２つ）の駆動源１００，２００を備えるグリッパである。
【００１１】
第１の指１及び第２の指２は、拳部３に取り付けられている。駆動源１００，２００は拳部３に組み込まれている。駆動源１００，２００としては、アクチュエータ等が使用可能である。駆動源１００，２００の駆動は、図示を省略した制御部により制御される。
【００１２】
第１の指１において、図２に示すように、駆動源１００に取り付けた駆動軸１１０にはプーリ１０１が固定されている。リンク１３１，１３２，１３３は、関節軸１１１，１１２，１１３を軸として回転自在にそれぞれ接合されている。関節軸１１１にはプーリ１０２及びプーリ１０２と一体化した歯車１４２が配置され、リンク１３１に固定されている。リンク１３１には更に回転軸１６１が回転自在に取り付けられ、回転軸１６１にはプーリ１０３と歯車１４３が一体となった伝達機構｛１０３，１４３｝が配置されている。関節軸１１２には、プーリ１０４及びプーリ１０４と一体化した歯車１４４が配置され、リンク１３２に固定されている。リンク１３２には回転軸１６２が回転自在に取り付けられ、回転軸１６２にはプーリ１０５と歯車１４５が一体となった伝達機構｛１０５，１４５｝が配置されている。関節軸１１３には、プーリ１０６が配置され、リンク１３３に固定されている。
【００１３】
プーリ１０１とプーリ１０２とはタイミングベルト１２１で連結され、プーリ１０３とプーリ１０４とはタイミングベルト１２２で連結され、プーリ１０５とプーリ１０６とはタイミングベルト１２３で連結されている。
【００１４】
駆動源１００を駆動すると、駆動源１００の動力がタイミングベルト１２１によりプーリ１０２に伝達され、プーリ１０２と一体化したリンク１３１が閉じる方向に動く。更に、プーリ１０２と一体化した歯車１４２と、歯車１４３とプーリ１０３が一体になった伝達機構｛１０３，１４３｝との間で動力が伝達される。この伝達機構｛１０３，１４３｝からタイミングベルト１２２によりプーリ１０４と一体化したリンク１３２に動力が伝達され、リンク１３２が閉じる方向に動く。更に、プーリ１０４と一体化した歯車１４４と、歯車１４５とプーリ１０５が一体になった伝達機構｛１０５，１４５｝との間で動力が伝達される。この伝達機構｛１０５，１４５｝からタイミングベルト１２３によりプーリ１０６と一体となったリンク１３３に動力が伝達され、リンク１３３が閉じる方向に動く。このように、関節軸１１１，１１２，１１３の回転角が一定の関係を保ちつつ連動して回転する。
【００１５】
一方、図１に示した第２の指２において、図３に示すように、駆動源２００に取り付けた駆動軸２１０にはプーリ２０１が固定されている。関節軸２１１には、プーリ２０２及びプーリ２０２と一体化しプーリ２０２よりも径が小さいプーリ２０３が回転自在に接合されている。関節軸２１２には、プーリ２０３よりも径が小さいプーリ２０４、及びプーリ２０４と一体化しプーリ２０４よりも径が大きいプーリ２０５が回転自在に接合されている。関節軸２１３には、プーリ２０５より径が小さいプーリ２０６が結合されている。
【００１６】
プーリ２０１とプーリ２０２とはタイミングベルト２２１で連結され、プーリ２０３とプーリ２０４とはタイミングベルト２２２で連結され、プーリ２０５とプーリ２０６とはタイミングベルト２２３で連結されている。関節軸２１１，２１２，２１３には、隣合うリンク２３１，２３２，２３３同士を隣り合う前記第２のリンクを開く方向に付勢するように、弾性部材２４１，２４２，２４３がそれぞれ取り付けられている。弾性部材２４１，２４２，２４３としては、バネ等が使用可能である。
【００１７】
第２の指２は、根元側のリンク２３１から順に第１の指１側に閉じる方向に動き、リンク２３１が物体表面に接触すると、リンク２３１と隣り合うリンク２３２が閉じる方向に動く。リンク２３２が物体表面に接触すると、リンク２３２と隣り合うリンク２３３が閉じる方向に動く。このように、物体の表面形状に沿った形状でリンク２３１，２３２，２３３が閉じる方向に動く。
【００１８】
ここで、リンク２３１から順に閉じる方向に動く機構とするためには、弾性部材２４１，２４２，２４３による力が、駆動源２００の力をそれぞれ上回っている状態から、関節軸２１１から弾性部材２４３まで順に、弾性部材２４１，２４２，２４３による力よりも、駆動源２００による力が上回っていけばよい。つまり、第２の指２の根元側の関節軸１１１から順にｎ＝１、２、３・・・とする場合、ｎ番目の関節軸とｎ＋１番目の関節軸の間で動力伝達されるプーリ径をＲn、Ｒn+1、弾性部材の弾性係数をＫn、Ｋn+1とすると、これらの関係が下記式（１）を満たすようにする。
【００１９】
（Ｒn+1／Ｒn）＜（Ｋn+1／Ｋn）…（１）
次に、図４〜図８を用いて、コップのような円筒状の物体１０を把持する方法を説明する。
【００２０】
図４に示すように、円筒状の物体１０にグリッパが近づいた状態から、まず第１の指１が、関節軸１１１，１１２，１１３が一定の回転角で連動して閉じ始める。図５に示すように、第１の指１が物体１０と接した状態になると、第２の指２が閉じ始める。
【００２１】
第２の指２は、まず根元側の関節軸２１１から閉じ始める。図６に示すように、リンク２３１が物体１０に接すると、リンク２３２が閉じ始める。図７に示すようにリンク２３２が物体１０に接すると、リンク２３３が閉じ始める。この結果、図８に示すように第２の指２のリンク２３１，２３２，２３３が物体１０表面形状に沿うように閉じて、第１の指１及び第２の指２で物体１０を把持する。
【００２２】
このように、第２の指２が物体１０の表面形状に沿うように閉じることにより、物体１０と接触する面積を大きくすることができ、物体１０を確実に把持することができる。
【００２３】
又、関節軸１１１，１１２，１１３が一定の回転角で連動している第１の指１を先に閉じておくことで、第２の指２を閉じているときに、グリッパから物体１０が離れないように支えることができる。このため、物体１０が動いてグリッパとは逆方向に押し出されて把持できなくなってしまうことを防ぎ、確実に把持することができる。
【００２４】
次に、図９〜図１２を用いて、茶碗のような、支持部１１ｘが設けられた凹形状の物体１１を把持する方法を説明する。
【００２５】
まず、図９に示すように、第１の指１が閉じて凹形状の物体１１の外側に沿うような姿勢をとる。次に、第２の指２が、リンク２３１から閉じ始める。図１０に示すように、リンク２３１が物体１１の内側表面に接すると、リンク２３２が閉じ始める。図１１に示すようにリンク２３２が物体１１の内側表面に接すると、リンク２３３が閉じ始める。この結果、図１２に示すように、物体１１の内側に沿った形状になる。
【００２６】
このように、通常は把持しにくい凹形状の物体１１でも、第２の指２が物体１１の内側の表面に沿った形状となるので、接触面積を大きくすることができ、確実に把持することができる。
【００２７】
又、第２の指２を凹形状の物体１１に沿わせようとする場合、根元からリンク２３１，２３２，２３３が閉じる方向に動くという構成上、第２の指２の初期姿勢を図９のように外側に反り返る姿勢とし、この状態から閉じ始めるため、凹形状の物体１１表面にも沿わせることができる。
【００２８】
次に、図１３〜図１６を用いて、箸のような細い棒状の物体１２を把持する方法を説明する。
【００２９】
まず、図１３に示すように、第１の指１が閉じて棒状の物体１２に沿うような姿勢をとる。次に第２の指２がリンク２３１から閉じ始める。図１４に示すように、リンク２３１がリンク１３１に接すると、リンク２３２が閉じ始める。図１５に示すように、リンク２３２がリンク１３２に接すると、リンク２３３が閉じ始める。この結果、図１６に示すように、第１の指１及び第２の指２の先端で物体１２を挟んで持つことができる。
【００３０】
このように本発明の第１の実施の形態によれば、互いに異なる構造の第１の指１及び第２の指２を使用することで、できるだけ駆動源の数を減らし、機構や制御アルゴリズムを単純にしつつも、円筒形状の物体１０、凹形状の物体１１、細い棒状の物体１２等の様々な不定形状の物体に対して、物体の表面形状に沿った姿勢をとりながら、接触面積をできるだけ大きくして、確実に安定把持することができる。
【００３１】
（アームへの応用）
本発明の第１の実施の形態に係るマニピュレータの一例としてのグリッパを取り付けたアームについて説明する。
【００３２】
図１７に示すように、ロボット本体９５にアーム９８及びグリッパ９９が取り付けられている。アーム９８は、ロボット本体９５側から、肩関節８、上腕部７、肘関節６、前腕部５及び手首関節４を有する。肩関節８、肘関節６及び手首関節４のそれぞれは、１つもしくは複数の回転自在度を有する。なお、肩関節８、肘関節６及び手首関節４が合計で６自由度以上あれば、把持対象の物体１５に対してグリッパ９９を任意の位置、姿勢にもっていくことができる。更に、カメラ５ａを前腕部５に、グリッパ９９の方向を向けて配置する。グリッパ９９は、第１の指１、第２の指２及び拳部３を有する。
【００３３】
次に、本発明の第１の実施の形態に係るグリッパ９９を取り付けたアーム９８の動作について、図１８のフローチャートを参照しながら説明する。
【００３４】
ステップＳ２１において、把持対象の物体１５がありそうな場所にカメラ５ａが向くようアーム９８を制御する。この際には肩関節８、肘関節６及び手首関節４を動かして、カメラ５ａを把時対象の物体１５がありそうな方向に向ける。ステップＳ２２において、カメラ５ａで取得した画像から物体１５の位置を検出する。この処理としては、画像から物体１５の輪郭を切り出したり、色の違いから物体１５の位置を検出する。
【００３５】
ステップＳ２３において、把持対象の物体１５を検出できたか判断する。把持対象の物体１５を検出できたと判断した場合、ステップＳ２４において、把持対象の物体１５が、グリッパ９９の把持可能範囲に入るようアーム９８を制御する。「把時可能範囲」とは、グリッパ９９を閉じたときに物体１５を掴める範囲を意味し、概ね、グリッパ９９に近く、第１の指１及び第２の指２の中央にあるほど物体１５を掴める可能性が高くなる。アーム９８の制御は肩関節８、肘関節６及び手首関節４の自由度を動かして行う。ステップＳ２３において物体１５を検出できないと判断した場合、ステップＳ２１の手順に戻り、カメラ５ａの方向をもう一度変えてみる。
【００３６】
ステップＳ２５において、把持対象の物体１５がグリッパ９９の把持可能範囲内にあるか判断する。把持対象の物体１５がグリッパ９９の把持可能範囲にあると判断した場合、ステップＳ２６において、グリッパ９９を閉じて、物体１５を把持する。最後に、ステップＳ２７において、カメラ５ａでグリッパ９９の中に把持対象の物体１５があるか確認する。このとき、カメラ５ａの画像から物体１５の位置とグリッパ９９の位置を検出し、グリッパ９９の中に把時対象の物体１５があれば把時動作を完了する。
【００３７】
本発明の第１の実施の形態に係るグリッパ９９を取り付けたアーム９８によれば、グリッパ９９を適当な位置に移動させて物体１５を確実に把持することができる。
【００３８】
（ロボットへの応用）
本発明の第１の実施の形態の応用例として、マニピュレータの一例としての双腕ロボットについて説明する。本発明の第１の実施の形態に係るロボットは、図１９に示すように、複数（２つ）のアーム９８，９８ｘを搭載している。複数のアーム９８，９８ｘを用いて複数の作業を同時に行ったり、複数のアーム９８，９８ｘを協調させた作業を行うことができる。
【００３９】
ロボット本体９５には、図示を省略した制御部が内蔵されている。制御部は、グリッパ９９，９９ｘ及びアーム９８，９８ｘを含むロボット全体の制御を行う。ロボット全体は、移動機構９６により移動することができる。移動機構９６は例えば左右独立駆動車輪で構成される。移動機構９６を制御することにより、ロボット全体は目標位置姿勢に移動することができ、物体へのアプローチがしやすくなる。又、ロボット本体９５の低い位置には、周りの障害物を検出するセンサ９７が取り付けられている。
【００４０】
ロボット本体９５の上方には頭部９１が配置され、ロボット本体９５に対して頭部９１の方向を変える駆動機構を介して連結されている。頭部９１には視覚９２，９２ｘが搭載されている。視覚９２，９２ｘは、例えばカメラ等を用いて画像処理によりアーム９８，９８ｘで作業をする場合の作業対象物の位置、姿勢検出等を行う。又、ロボットにはスピーカ及びマイク９３が取り付けられており、人間とコミュニケーションをとることもできる。ロボット本体９５にはアーム９８，９８ｘが取り付けられている。アーム９８，９８ｘは、肩関節８，８ｘ、上腕部７，７ｘ、肘関節６，６ｘ、前腕部５，５ｘ及び手首関節４，４ｘをそれぞれ備える。アーム９８，９８ｘのそれぞれには、グリッパ９９，９９ｘが取り付けられている。グリッパ９９，９９ｘは、第１の指１，１ｘ及び第２の指２，２ｘをそれぞれ備える。
【００４１】
本発明の第１の実施の形態に係るロボットは、図２０に示すように、大きいもしくは重い物体１６を持つ場合、２つのアーム９８，９８ｘ及びグリッパ９９，９９ｘを用いて物体１６を把持することができる。
【００４２】
次に、マニピュレータの動作を、図２１のフローチャートを参照しながら説明する。ステップＳ３１において、ロボットに搭載されている視覚９２，９２ｘで把持対象の物体１６の大きさ、位置を確認する。物体１６の検出はカメラ画像から物体１６の輪郭を抜き出したり、色の検出により物体１６を抜き出したりして行う。
【００４３】
ステップＳ３２において、このとき検出した物体１６がグリッパ９９，９９ｘのうち片方で持てる大きさかどうかを判断する。グリッパ９９，９９ｘのうち片方で持てないと判断した場合は、ステップＳ３３にぴて、移動機構９６とアーム９８，９８ｘを制御して物体１６の両側からグリッパ９９，９９ｘを近付ける。ステップＳ３４において、グリッパ９９，９９ｘで物体１６を挟んで把持する。ステップＳ３５において、最後に物体１６を把持できたかどうかを確認する。把持できたことを確認したら、処理を完了する。一方、物体１６を把持できていない場合、ステップＳ３１の手順に戻る。
【００４４】
ステップＳ３２において、グリッパ９９，９９ｘのうち片方で持てる大きさであると判断した場合には、ステップＳ３６において移動機構９６とアーム９８，９８ｘを用いて片方のグリッパ（例えばグリッパ９９）を把持対象の物体１６に近付け、ステップＳ３７において片方のグリッパ９９で物体１６を把持する。ステップＳ３８において物体１６を把持できたことを確認したら処理を完了する。一方、把持できなければステップＳ３３に進み２本のアーム９８，９８ｘ及びグリッパ９９，９９ｘを使って物体１６を把持する。
【００４５】
本発明の第１の実施の形態に係るロボットによれば、大きいもしくは重い物体１６に対しても両側から２つのアーム９８，９８ｘ及びグリッパ９９，９９ｘがアプローチすることにより、物体１６への接触面積をより大きくすることができ、物体１６を確実に把持することができる。
【００４６】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態では、柔軟部材を配置したグリッパについて説明する。物体を確実に把持するために、物体とグリッパとの接触面積をできるだけ増やしたいが、リンクのみでは限界がある。そこで、図２２に示すように、第１の指１及び第２の指２の表面に柔軟部材４１，４２，４３，４４，４５，４６を配置する。第１の指１及び第２の指２の間の拳部３の表面にも柔軟部材４０が配置されている。
【００４７】
第１の指１において、図２３に示すように、２枚の側板部材（第３のリンク）１３３は、図示を省略したねじ等を用いて中央部材１４で接合されている。
【００４８】
本発明の第２の実施の形態によれば、第１の指１及び第２の指２の表面に柔軟部材４１，４２，４３，４４，４５，４６を配置したことにより、物体との接触面積を更に大きくすることができる。
【００４９】
又、第１の指１及び第２の指２の構造を、図２３に示すような構造とすれば、第１の指１及び第２の指２の強度が確保でき、また組み立てやすく、メンテナンスもし易くなる。更に、柔軟部材４１，４２，４３，４４，４５，４６内には空間ができるので、柔軟部材が変形し易くなるという効果も有する。又、この空間に接触センサ等のセンサも配置して把持に利用することもできる。
【００５０】
又、本発明の第２の実施の形態に係るグリッパは、第１の実施の形態に係るグリッパと同様に、アームに取り付けることが可能であり、そのアームをロボットに取り付けることも可能である。
【００５１】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態では、複数の指を有するグリッパについて説明する。本発明の第３の実施の形態に係るグリッパは、図２４に示すように、複数の第２の指２，２ａ，２ｂ，２ｃを備える。
【００５２】
複数の第２の指２，２ａ，２ｂ，２ｃは１つの駆動源２００により駆動される。駆動源２００からタイミングベルト２２１を介して第２の関節軸（連結軸）２５１に駆動力が伝達される。関節軸２１１から複数の第２の指２，２ａ，２ｂ，２ｃのプーリ２０３，２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃを介して複数の第２の指２，２ａ，２ｂ，２ｃの指先へそれぞれのタイミングベルト２２２，２２２ａ，２２２ｂ，２２２ｃを介して動力が伝達される。
【００５３】
図２５に示すように、第１の指１及び複数の第２の指２，２ａ，２ｂ，２ｃを用いて、３次元形状の物体１５を把持することができる。ここで、図２４に示したタイミングベルト２２２，２２２ａ，２２２ｂ，２２２ｃの剛性を下げておけば、複数の第２の指２，２ａ，２ｂ，２ｃが同じ角度で動くのではなく、複数の第２の指２，２ａ，２ｂ，２ｃのそれぞれにかかる力によって、姿勢が変わる。つまり、複数の第２の指２，２ａ，２ｂ，２ｃが、３次元形状の物体１５の表面形状に沿った姿勢とすることができる。
【００５４】
本発明の第３の実施の形態によれば、３次元形状の物体１５をより確実に物体を把持することができる。又、１つの駆動源２００で複数の第２の指２，２ａ，２ｂ，２ｃを駆動するので、機構が複雑にしないで重量の増加も防止することができる。
【００５５】
なお、図２４では複数の第２の指２，２ａ，２ｂ，２ｃを説明したが、第１の指１を複数備えていても良く、第１の指１及び第２の指２の両方をそれぞれ複数備えていても良い。
【００５６】
又、本発明の第３の実施の形態に係るグリッパは、第１の実施の形態に係るグリッパと同様に、アームに取り付けることが可能であり、そのアームをロボットに取り付けることも可能である。
【００５７】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態として、接触センサを取り付けたグリッパについて説明する。図２６に示すように、第１の指１及び第２の指２の表面に、接触センサ５１，５２，５３及び接触センサ５４，５５，５６が取り付けられている。第１の指１及び第２の指２の間の拳部３の表面にも接触センサ５０が取り付けられている。
【００５８】
接触センサ５０，５１，５２，５３，５４，５５，５６は、物体との接触を検出する。接触センサ５０，５１，５２，５３，５４，５５，５６としては、ピエゾ素子等が使用可能である。接触センサ５０，５１，５２，５３，５４，５５，５６は、図示を省略した制御部に接続されている。制御部は、接触センサ５０，５１，５２，５３，５４，５５，５６による検出結果に応じて、第１の指１及び第２の指２の動作を制御する。
【００５９】
次に、図２６に示したグリッパの動作を、図２７のフローチャートを参照しながら説明する。
【００６０】
ステップＳ１１において、物体を把持するために第１の指１及び第２の指２を最大まで開く。ステップＳ１２において、第１の指１を閉じる方向に動く。ステップＳ１３において、第１の指１の指先の接触センサ５３が反応したら、第１の指１が物体に回り込んで接触し、第２の指２を動かす準備が整ったと判断して、ステップＳ１４において、第１の指１を停止する。
【００６１】
ステップＳ１５において、第２の指２を閉じる方向に動く。ステップＳ１６において、第２の指２を閉じているときに、第２の指２の指先の接触センサ５６が反応すれば、第２の指２も物体の表面形状に沿って展開し、物体を把持できたと判断して、ステップＳ１７において第２の指２を停止する。
【００６２】
ステップＳ１８において、最後に物体をきちんと把持できているかどうかを第１の指１の接触センサ５３及び第２の指２の接触センサ５６の両方が反応しているかどうかを確認する。両方の接触センサ５３，５６が反応していれば物体を確実に把持できているものと判断し、把持動作を終了する。一方、接触センサ５３，５６のいずれかが反応していなければ、確実な把持ができていないということで、ステップＳ１１の手順に戻り、もう一度最初から把持動作をやり直す。
【００６３】
本発明の第４の実施の形態によれば、接触センサ５０，５１，５２，５３，５４，５５，５６を使用することにより、より確実に物体を把持することができる。
【００６４】
なお、図２７を参照した説明では、接触センサ５３，５６の検出結果に応じて制御する一例を説明したが、他の接触センサ５０，５１，５２，５４，５５の検出結果を適宜使用しても良い。
【００６５】
又、本発明の第４の実施の形態に係るグリッパは、第１の実施の形態に係るグリッパと同様に、アームに取り付けることが可能であり、そのアームをロボットに取り付けることも可能である。
【００６６】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第４の実施の形態及びその応用例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替第１の実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００６７】
例えば、リンク１３１，１３２，１３３及び関節軸１１１，１１２，１１３を有する第１の指１と、リンク２３１，２３２，２３３及び関節軸２１１，２１２，２１３を有する第２の指２を説明したが、第１の指１及び第２の指２のそれぞれは、２つのリンク及び２つの関節以上で構成される多関節の構造であれば良い。
【００６８】
又、第２の指２は、弾性部材２４１，２４２，２４３として同じ弾性力のものを用い、プーリ径を変えることで式（１）を満たす構造としたが、式（１）を満たす構造であれば特に限定されず、例えば弾性部材２４１，２４２，２４３として異なる弾性力のものを用いプーリ径が同じ構造にしても良い。
【００６９】
又、第１の指１と第２の指２の長さはそれぞれ特に限定されず、マニピュレータの用途等により適宜設定されるものである。
【００７０】
このように、本発明はここでは記載していない様々な第１の実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパの構成の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパの第１の指１を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパの第２の指２を示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパの動作を説明するための概略図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパによる基本動作を説明するための概略図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパによる基本動作を説明するための概略図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパによる基本動作を説明するための概略図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパによる基本動作を説明するための概略図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパによる凹形状の物体の把持動作を説明するための概略図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパによる凹形状の物体の把持動作を説明するための概略図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパによる凹形状の物体の把持動作を説明するための概略図である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパによる凹形状の物体の把持動作を説明するための概略図である。
【図１３】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパによる細い物体の把持動作を説明するための概略図である。
【図１４】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパによる細い物体の把持動作を説明するための概略図である。
【図１５】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパによる細い物体の把持動作を説明するための概略図である。
【図１６】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパによる細い物体の把持動作を説明するための概略図である。
【図１７】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパを取り付けたアームを示す概略図である。
【図１８】本発明の第１の実施の形態に係るグリッパを取り付けたアームの把持動作を説明するためのフローチャートである。
【図１９】本発明の第１の実施の形態に係るロボットを示す概略図である。
【図２０】本発明の第１の実施の形態に係るロボットの把持動作を説明するための概略図である。
【図２１】本発明の第１の実施の形態に係るロボットの把持動作を説明するためのフローチャートである。
【図２２】本発明の第２の実施の形態に係るグリッパを示す断面図である。
【図２３】本発明の第２の実施の形態に係るグリッパを示す断面図である。
【図２４】本発明の第３の実施の形態に係るグリッパを示す断面図である。
【図２５】本発明の第３の実施の形態に係るグリッパを示す断面図である。
【図２６】本発明の第４の実施の形態に係るグリッパを示す断面図である。
【図２７】本発明の第４の実施の形態に係るグリッパの把持動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００７２】
１…第１の指
２…第２の指
３…拳部
４，４ｘ…手首関節
５，５ｘ…前腕部
５ａ…カメラ
６，６ｘ…肘関節
７，７ｘ…上腕部
８，８ｘ…肩関節
１０，１１，１２，１５，１６…物体
１１ｘ…支持部
１４…中央部材
４０，４１，４２，４３，４４，４５，４６…柔軟部材
５０，５１，５２，５３，５４，５５，５６…接触センサ
９１…頭部
９２，９２ｘ…視覚
９３…スピーカ及びマイク
９５…ロボット本体
９６…移動機構
９７…センサ
９８，９８ｘ…アーム
９９，９９ｘ…グリッパ
１００，２００…駆動源
１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，２０１，２０２，２０３，２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃ，２０４，２０５，２０６…プーリ
１１１，１１２，１１３…第１の関節軸
１２１，１２２，１２３，２２１，２２２，２２２ａ，２２２ｂ，２２２ｃ，２２３…タイミングベルト
１３１，１３２，１３３…第１のリンク
１４２，１４３，１４４，１４５…歯車
１１０，２１０…駆動軸
１６１，１６２…回転軸
２１１，２１２，２１３…第２の関節軸
２３１，２３２，２３３…第２のリンク
２４１，２４２，２４３…弾性部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の第１の関節軸及び複数の第１のリンクを有し、前記複数の第１の関節軸の回転角が一定の関係を保つように前記複数の第１のリンクが連動して閉じる方向に動く第１の指と、
前記第１の指と対向して配置され、複数の第２の関節軸及び複数の第２のリンクを有し、該複数の第２のリンクのうち根元側の第２のリンクから順に閉じる方向に動き、且つ前記根元側の第２のリンクが物体に接触すると、前記根元側の第２のリンクに隣り合う第２のリンクが閉じる方向に動く第２の指と、
前記第１及び第２の指を駆動する駆動源
とを備えることを特徴とするマニピュレータ。
【請求項２】
前記第２の指が、
前記複数の第２の関節軸にそれぞれ配置された複数のプーリと、
隣合う前記プーリ間で動力をそれぞれ伝達する複数の伝達機構と、
前記複数の第２の関節軸にそれぞれ配置され、隣合う前記第２のリンクを隣り合う前記第２のリンクを開く方向に付勢する複数の弾性部材
とを更に備え、
前記複数の第２の関節軸のうち先端の第２の関節軸に配置された前記プーリが前記複数の第２のリンクのうち先端の第２のリンクに固定され、
前記複数の第２の関節軸のうち先端の第２の関節軸以外の第２の関節軸に配置された前記プーリが対応する前記第２の関節軸に対して回転自在である
ことを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項３】
前記複数の第２の関節軸に対して根元側の第２の関節軸から順にｎ＝１、２、３、・・・とする場合、ｎ番目及びｎ＋１番目の第２の関節軸に配置されたプーリ径をそれぞれＲn、Ｒn+1とし、前記弾性部材の弾性係数をそれぞれＫn、Ｋn+1とすると、（Ｒn+1／Ｒn）＜（Ｋn+1／Ｋn）の関係を満たすことを特徴とする請求項２に記載のマニピュレータ。
【請求項４】
ロボット本体と、
前記ロボット本体に取り付けた複数のアームと、
前記複数のアームの先端にそれぞれ取り付けられた、請求項１〜３のいずれか１項に記載された複数のマニピュレータと、
前記複数のアーム及び前記複数のグリッパを前記物体を把持するように制御する制御部
とを備えることを特徴とするロボット。
【請求項５】
前記制御部が、
前記複数のアーム及び前記複数のマニピュレータのうち一対のアーム及びマニピュレータで前記物体を把持することができるか否か判断し、
前記物体を把持できないと判断したとき、前記一対のアーム及びマニピュレータと該一対のアーム及マニピュレータと異なる一対のアーム及びマニピュレータとを前記物体を把持するように制御する
ことを特徴とする請求項４に記載のロボット。
【請求項１】
複数の第１の関節軸及び複数の第１のリンクを有し、前記複数の第１の関節軸の回転角が一定の関係を保つように前記複数の第１のリンクが連動して閉じる方向に動く第１の指と、
前記第１の指と対向して配置され、複数の第２の関節軸及び複数の第２のリンクを有し、該複数の第２のリンクのうち根元側の第２のリンクから順に閉じる方向に動き、且つ前記根元側の第２のリンクが物体に接触すると、前記根元側の第２のリンクに隣り合う第２のリンクが閉じる方向に動く第２の指と、
前記第１及び第２の指を駆動する駆動源
とを備えることを特徴とするマニピュレータ。
【請求項２】
前記第２の指が、
前記複数の第２の関節軸にそれぞれ配置された複数のプーリと、
隣合う前記プーリ間で動力をそれぞれ伝達する複数の伝達機構と、
前記複数の第２の関節軸にそれぞれ配置され、隣合う前記第２のリンクを隣り合う前記第２のリンクを開く方向に付勢する複数の弾性部材
とを更に備え、
前記複数の第２の関節軸のうち先端の第２の関節軸に配置された前記プーリが前記複数の第２のリンクのうち先端の第２のリンクに固定され、
前記複数の第２の関節軸のうち先端の第２の関節軸以外の第２の関節軸に配置された前記プーリが対応する前記第２の関節軸に対して回転自在である
ことを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項３】
前記複数の第２の関節軸に対して根元側の第２の関節軸から順にｎ＝１、２、３、・・・とする場合、ｎ番目及びｎ＋１番目の第２の関節軸に配置されたプーリ径をそれぞれＲn、Ｒn+1とし、前記弾性部材の弾性係数をそれぞれＫn、Ｋn+1とすると、（Ｒn+1／Ｒn）＜（Ｋn+1／Ｋn）の関係を満たすことを特徴とする請求項２に記載のマニピュレータ。
【請求項４】
ロボット本体と、
前記ロボット本体に取り付けた複数のアームと、
前記複数のアームの先端にそれぞれ取り付けられた、請求項１〜３のいずれか１項に記載された複数のマニピュレータと、
前記複数のアーム及び前記複数のグリッパを前記物体を把持するように制御する制御部
とを備えることを特徴とするロボット。
【請求項５】
前記制御部が、
前記複数のアーム及び前記複数のマニピュレータのうち一対のアーム及びマニピュレータで前記物体を把持することができるか否か判断し、
前記物体を把持できないと判断したとき、前記一対のアーム及びマニピュレータと該一対のアーム及マニピュレータと異なる一対のアーム及びマニピュレータとを前記物体を把持するように制御する
ことを特徴とする請求項４に記載のロボット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【公開番号】特開２００９−２８８５９（Ｐ２００９−２８８５９Ａ）
【公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１９６３２７（Ｐ２００７−１９６３２７）
【出願日】平成１９年７月２７日（２００７．７．２７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月２７日（２００７．７．２７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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