マニピュレータ装置およびマニピュレータの制御方法
【課題】先端部の形状を有効に利用して把持する物体の姿勢制御を行うことができるマニピュレータ装置および制御方法を提供する。
【解決手段】各先端アーム２０，３０の先端には、先端アーム本体５２，７２に対して捻転可能であり、物体に当接可能な凸曲面状の先端曲面部５３，７３を備える。第一駆動手段５４ａ，５４ｂ，７４ａ，７４ｂにより、先端アーム本体５２，７２の基部に対する位置、姿勢の変更により、先端曲面部５３，７３の物体との接触位置における先端アーム軸に対する接触角度を変更できる。第二駆動手段５４ｃ、７４ｃにより、先端アーム本体５２，７２に対する先端曲面部５３，７３の先端アーム軸周りの捻転角度を変更できる。制御手段２は、接触角度を変更すると共に捻転角度を変更することにより、接触角度に応じた物体の動作を物体に行わせる。
【解決手段】各先端アーム２０，３０の先端には、先端アーム本体５２，７２に対して捻転可能であり、物体に当接可能な凸曲面状の先端曲面部５３，７３を備える。第一駆動手段５４ａ，５４ｂ，７４ａ，７４ｂにより、先端アーム本体５２，７２の基部に対する位置、姿勢の変更により、先端曲面部５３，７３の物体との接触位置における先端アーム軸に対する接触角度を変更できる。第二駆動手段５４ｃ、７４ｃにより、先端アーム本体５２，７２に対する先端曲面部５３，７３の先端アーム軸周りの捻転角度を変更できる。制御手段２は、接触角度を変更すると共に捻転角度を変更することにより、接触角度に応じた物体の動作を物体に行わせる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、ロボットハンドなどのマニピュレータ装置およびマニピュレータの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロボットハンドなどのマニピュレータとしては、国際公開第２００５／１０２６１９号（特許文献１）に記載されたものがある。特許文献１に記載のロボットハンドは、指先部が指根元部に対して捻転させることが記載されている。また、非特許文献１にも、指先旋回軸を有する多指ハンドについて記載されている。その他に、ロボットハンドについて種々の研究がされている。例えば、特許文献２〜５には、種々のロボットハンドが記載されている。
【０００３】
ここで、特許文献１に記載のロボットハンドは、捻転する部材が円柱状の外周面のみを用いているため、物体の動作は１つの回転軸のみである。一方、非特許文献１には、物体に２つの回転軸の動作をさせることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００５／１０２６１９号
【特許文献２】特開昭６０−１６７７９２号公報
【特許文献３】特開平３−２３９４９１号公報
【特許文献４】特開２００５−１４４５７３号公報
【特許文献５】特開２００８−８７１０５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】菅野了也、並木明夫「指先旋回軸を有する多指ハンドを用いた把持物体の姿勢制御」、ロボティクス・メカトロニクス講演会２００９ 講演論文集、２００９年５月２４日発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１〜５および非特許文献２には、ロボットハンドの先端を球面凸状に形成されているものがあるが、この形状を積極的に物体の姿勢制御に利用することはされていない。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、先端部の形状を有効に利用して把持する物体の姿勢制御を行うことができるマニピュレータ装置およびマニピュレータ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】
【０００８】
（マニピュレータ装置）
上記の課題を解決するため、本発明のマニピュレータ装置は、先端部を捻転する構造とし、且つ、当該先端部を凸曲面状に形成した上で、先端部の捻転軸（先端アーム軸）に対する物体との接触角度を変更すると共に先端部の捻転角度を変更することにより、接触角度に応じた物体の動作を物体に行わせるようにした。
【０００９】
すなわち、本発明のマニピュレータ装置は、
基部と、前記基部に連結され先端にて物体を把持可能な複数の先端アームと、前記基部に対する前記先端アームの位置および姿勢を変更する駆動手段と、前記駆動手段を制御することにより前記物体の位置および姿勢を制御する制御手段と、を備えるマニピュレータ装置であって、
各前記先端アームは、
前記基部に対して少なくとも１自由度を有するように連結された先端アーム本体と、
前記先端アーム本体に対して前記先端アーム本体の基端側から先端側に向かう先端アーム軸を中心に捻転可能となるように前記先端アーム本体の先端に設けられ、前記物体に当接可能な先端表面が凸曲面状に形成されている先端曲面部と、
を備え、
前記駆動手段は、
複数の前記先端アームのそれぞれにおいて、前記先端アーム本体の前記基部に対する位置および姿勢の少なくとも一つを変更することにより、前記先端曲面部のうち前記物体との接触位置における前記先端アーム軸に対する接触角度を変更可能な第一駆動手段と、
複数の前記先端アームの少なくとも一つにおいて、前記先端アーム本体に対する前記先端曲面部の前記先端アーム軸周りの捻転角度を変更可能な第二駆動手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記先端曲面部のうち前記物体との接触位置における前記先端アーム軸に対する接触角度を変更しながら、前記先端曲面部を前記物体に対して相対的に転がり運動するように、前記第一駆動手段および前記第二駆動手段を制御することにより、前記接触角度に応じた前記物体の姿勢に制御することとする。
【００１０】
このように、本発明によれば、把持する物体の姿勢を制御する際に、先端曲面部の凸曲面形状を有効に利用している。具体的には、先端曲面部のうち物体との接触位置における先端アーム軸に対する接触角度を変更することに加えて、先端曲面部の先端アーム軸周りの捻転角度を変更している。特に、物体の姿勢を変更しながら、位置を変更可能となる。例えば、物体に所定の第一軸周りに回転させながら、第一軸に直交する第二軸周りに回転させることができる。この動作により、接触角度に応じた物体の姿勢の変更を行うことができる。つまり、物体の姿勢制御の自由度が従来に比べて高くなる。
【００１１】
ここで、物体の形状や把持する位置によって、物体が安定した姿勢は異なる。本発明によれば、物体を把持する際において、物体と接触する位置は先端曲面部である。そのため、物体を把持する際に、先端曲面部のうち物体との接触位置は、物体が安定した姿勢となるように、変化していく。つまり、本発明によれば、先端曲面部によって物体を把持するため、物体の形状や把持する位置に関わりなく、安定して物体を把持することができる。
【００１２】
また、本発明のマニピュレータ装置において、
前記制御手段は、第一の前記先端アームの前記先端曲面部の前記接触位置と第二の前記先端アームの前記先端曲面部の前記接触位置とを結ぶ軸方向が目的の方向に一致するように、前記第一駆動手段により前記先端アーム本体の前記基部に対する位置および姿勢の少なくとも一つを制御してもよい。
【００１３】
ここで、複数の先端曲面部が先端曲面部の物体との接触位置における接触角度を変更しながら転がり運動する場合として、次の場合を例に挙げて説明する。２つの先端アームにより物体を把持している状態において、先端アーム本体の動作により第一軸周りに回転させ、両先端アームの先端曲面部の捻転により第一軸に直交する第二軸周りに回転させようとする場合を考える。ところが、この場合、それぞれの先端曲面部と物体との接触位置とを結ぶ軸方向が常に平行となるように動作させると、第二軸は平行な状態を保つことができない。つまり、物体を本来の第二軸周りに回転させることができていない。これは、それぞれの先端曲面部と物体との接触位置とを結ぶ軸方向と、第二軸とが常に一定ではないためである。そこで、第二軸を平行な状態に保つためには、それぞれの先端曲面部と物体との接触位置とを結ぶ軸方向を積極的に変更するように制御することで達成できる。つまり、本発明によれば、物体を第一軸周りに回転させながら、第二軸周りに回転させることができる。
【００１４】
また、本発明のマニピュレータ装置において、前記先端曲面部の表面は、弾性変形可能でとしてもよい。これにより、先端曲面部によって物体を把持する際に、先端曲面部が物体を押圧することによって、先端曲面部の表面が潰れるように弾性変形する。物体がどのような形状であっても、例えば、物体のうち先端曲面部に当接する部位が平面状の場合であっても、先端曲面部と物体は面接触が可能となる。つまり、先端曲面部は物体に対して、トルク（回転力）を伝達することができる。従って、確実に物体を回転させることができる。
【００１５】
また、本発明のマニピュレータ装置において、前記先端曲面部は、球面凸状に形成されるようにしてもよい。これにより、先端曲面部が物体に対して相対的に転がり運動をする際に、先端曲面部の姿勢に対して物体が非常に安定して滑らかに動作することができる。さらに、先端曲面部を球面凸状にすることで、先端曲面部のどの位置が物体に接触しているときに、物体がどのような姿勢となるかを、容易に把握することができる。つまり、物体の姿勢制御が容易となる。
【００１６】
また、本発明のマニピュレータ装置において、
前記制御手段は、前記先端曲面部のうち前記物体との接触位置における前記先端アーム軸に対する接触角度に応じて、前記先端曲面部の前記先端アーム本体に対する駆動トルクを制御するようにしてもよい。
【００１７】
ここで、同じ駆動トルクを先端曲面部に付与した場合には、先端曲面部における捻転軸上の点が物体に当接する場合（接触角度０°の場合）に、先端曲面部から物体に伝達される発生トルクが最も大きくなり、先端曲面部の捻転軸が先端曲面部と物体との接平面に平行の場合（接触角度９０°の場合）に発生トルクが最も小さくなる。そして、接触角度が、０°から９０°に変化するにつれて、発生トルクは徐々に小さくなるように変化する。このように、同じ駆動トルクを先端曲面部に付与したとしても、実際に先端曲面部から物体へ伝達される発生トルクは変化する。そこで、本発明のように、接触角度に応じて駆動トルクを変えることで、常に同じ発生トルクを与えることができる。もちろん、発生トルクを積極的に変化させることもでき、この場合には、その発生トルクに応じた駆動トルクを出力することになる。
【００１８】
また、本発明のマニピュレータ装置において、
前記マニピュレータ装置は、前記先端アームに設けられ、前記先端曲面部が前記物体に対して接触することにより生じる力を検出するセンサをさらに備え、
前記制御手段は、前記センサにより検出される前記力に基づいて、前記第二駆動手段を制御するようにしてもよい。
【００１９】
これにより、２つの先端アームの位置および姿勢の制御をより高精度に行うことができ、所望の物体の位置および姿勢とすることができる。
【００２０】
また、本発明のマニピュレータ装置において、
前記第二駆動手段は、複数の前記先端アームのそれぞれにおいて、前記先端アーム本体に対する前記先端曲面部の前記先端アーム軸周りの捻転角度を変更可能としてもよい。
【００２１】
つまり、複数の先端アームのそれぞれの先端曲面部の捻転角度を制御できるようになる。これにより、より複雑な物体の位置および姿勢の変化を実現することができる。つまり、物体の位置および姿勢の自由度が高くなる。
【００２２】
また、上述したように、複数の先端アームのそれぞれの先端曲面部の捻転角度を制御できる場合には、前記先端アーム本体は、前記基部に対して少なくとも２自由度を有するように連結されるようにしてもよい。このようにすることで、物体に直進軸３軸と回転軸３軸の合計６自由度を有するようにできる。
【００２３】
また、本発明のマニピュレータ装置において、
前記第二駆動手段は、複数の前記先端アームの何れかにおいて、前記先端アーム本体に対する前記先端曲面部の前記先端アーム軸周りの捻転角度を変更可能であり、
複数の前記先端アームの残りにおける前記先端曲面部は、前記物体の相対移動に伴って前記先端アーム本体に対する前記先端アーム軸周りに従動捻転するようにしてもよい。
【００２４】
この場合、例えば、先端アームが２つの場合には、１つの先端アームにおける先端曲面部の捻転角度を制御することができ、もう１つの先端アームにおける先端曲面部は、従動捻転することになる。これにより、駆動手段が少なくすることにより、低コスト化を図りつつ、姿勢変更が可能となる。
【００２５】
また、本発明のマニピュレータ装置において、
前記先端アームは、３つ以上であり、
前記第二駆動手段は、少なくとも２つの前記先端アームのそれぞれにおいて、前記先端アーム本体に対する前記先端曲面部の前記先端アーム軸周りの捻転角度を変更可能であり、
複数の前記先端アームの残りにおける前記先端曲面部は、前記物体の相対移動に伴って前記先端アーム本体に対する前記先端アーム軸周りに従動捻転するようにしてもよい。
【００２６】
つまり、３つの先端アームの場合には、２つの先端アームにおける先端曲面部の捻転角度を制御することができ、残りの１つの先端アームにおける先端曲面部は、従動捻転することになる。これにより、十分に、複雑な動きが可能となる。また、少なくとも１つの先端曲面部を従動捻転させることで、安定した物体の位置および姿勢を制御できる。
【００２７】
（マニピュレータの制御方法）
上述においては、本発明をマニピュレータ装置として把握して説明した。この他に、本発明は、マニピュレータの制御方法としても把握することができる。本発明のマニピュレータの制御方法は、先端部を捻転する構造とし、且つ、当該先端部を凸曲面状に形成した上で、先端部の捻転軸（先端アーム軸）に対する物体との接触角度を変更すると共に先端部の捻転角度を変更することにより、接触角度に応じた物体の動作を物体に行わせるようにした。
【００２８】
すなわち、本発明のマニピュレータの制御方法は、
基部と、前記基部に連結され先端にて物体を把持可能な複数の先端アームと、を備えるマニピュレータの制御方法であって、
各前記先端アームは、
前記基部に対して少なくとも１自由度を有するように連結された先端アーム本体と、
前記先端アーム本体に対して前記先端アーム本体の基端側から先端側に向かう先端アーム軸を中心に捻転可能となるように前記先端アーム本体の先端に設けられ、前記物体に当接可能な先端表面が凸曲面状に形成されている先端曲面部と、
を備え、
前記制御方法は、
複数の前記先端アームのそれぞれにおいて、前記先端アーム本体の前記基部に対する位置および姿勢の少なくとも一つを変更することにより、前記先端曲面部のうち前記物体との接触位置における前記先端アーム軸に対する接触角度を変更させながら、前記先端曲面部を前記物体に対して相対的に転がり運動するように、制御することにより、前記接触角度に応じた前記物体の姿勢に制御することである。
【００２９】
本発明によれば、把持する物体の姿勢を制御する際に、先端曲面部の凸曲面形状を有効に利用している。具体的には、先端曲面部のうち物体との接触位置における先端アーム軸に対する接触角度を変更することに加えて、先端曲面部の先端アーム軸周りの捻転角度を変更している。特に、物体の姿勢を変更しながら、位置を変更可能となる。例えば、物体に所定の第一軸周りに回転させながら、第一軸に直交する第二軸周りに回転させることができる。この動作により、接触角度に応じた物体の姿勢の変更を行うことができる。つまり、物体の姿勢制御の自由度が従来に比べて高くなる。
【００３０】
ここで、物体の形状や把持する位置によって、物体が安定した姿勢は異なる。本発明によれば、物体を把持する際において、物体と接触する位置は先端曲面部である。そのため、物体を把持する際に、先端曲面部のうち物体との接触位置は、物体が安定した姿勢となるように、変化していく。つまり、本発明によれば、先端曲面部によって物体を把持するため、物体の形状や把持する位置に関わりなく、安定して物体を把持することができる。
【００３１】
また、上述した本発明のマニピュレータ装置における他の特徴部分について、本発明のマニピュレータの制御方法にも、実質的に同様に適用できる。この場合、同様の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第一実施形態：マニピュレータ装置の全体構成を示す図である。
【図２】マニピュレータ装置の各関節部を通る断面図である。
【図３】マニピュレータのモデル図である。
【図４】物体に第一動作をさせる場合のマニピュレータのモデル図である。
【図５】物体に第二動作をさせる場合のマニピュレータのモデル図である。
【図６】物体に第三動作をさせる場合のマニピュレータのモデル図である。
【図７】物体に第四動作をさせる場合のマニピュレータのモデル図である。（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、時系列にマニピュレータの動作を示す図である。
【図８】第四実施形態：マニピュレータのモデル図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
＜第一実施形態＞
第一実施形態のマニピュレータ装置について、図１〜図９を参照して説明する。本実施形態のマニピュレータ装置は、機械構造部分に相当するマニピュレータと、マニピュレータを制御する制御装置とにより構成される。このマニピュレータ装置は、種々の物体を把持し、把持した物体の位置および姿勢を変更することができる。ここで、物体の位置とは、例えば、３次元座標における位置を意味し、物体の姿勢とは、３次元座標系において物体の向きを意味する。つまり、物体の位置は、３次元座標により表すことができ、物体の姿勢は、ベクトルにより表すことができる。以下に、詳細に説明する。
【００３４】
（マニピュレータ装置の構成）
本実施形態のマニピュレータ装置の構成について、図１〜図３を参照して説明する。図１に示すように、マニピュレータ装置は、マニピュレータ１と、制御装置２とから構成される。
【００３５】
マニピュレータ装置を構成するマニピュレータ１と制御装置２の概要は、次のとおりである。マニピュレータ１は、２本のアーム２０，３０により構成され、各アーム２０，３０の先端曲面部５３，７３を捻転できる構造からなり、且つ、アーム２０，３０の先端曲面部５３，７３を凸曲面状に形成している。そして、アーム２０，３０の先端曲面部５３，７３によって、物体を把持可能となる。これらのアーム２０，３０は、位置および姿勢を変更することができる。制御装置２は、アーム２０，３０の先端曲面部５３，７３の捻転軸に対する物体との接触角度を変更すると共に先端曲面部５３，７３の捻転角度を変更することにより、アーム２０，３０の位置および姿勢を変更することができる。そして、制御装置２は、アーム２０，３０の位置および姿勢を変更することにより、物体の位置および姿勢を制御することができる。
【００３６】
マニピュレータ１は、詳細には、基部１０と、２本のアーム２０、３０と、駆動用モータ４１〜４６とから構成される。基部１０は、本実施形態においては、固定されている。この基部１０は、図２に示すように、基部下側プレート１１と、基部上側第一プレート１２と、基部上側第二プレート１３とから構成されている。基部上側第一プレート１２は、基部下側プレート１１に対して上側に離間し且つ対向した状態で、複数のピンにより固定されている。基部上側第二プレート１３は、基部下側プレート１１に対して上側に離間した状態で、複数のピンにより固定されている。基部上側第二プレート１３は、基部上側第一プレート１２よりも僅かに上側に位置している。
【００３７】
第一，第二アーム２０，３０は、基部１０に取り付けられ、それぞれの先端部を基部１０に対して移動することができる構成からなる。そして、第一，第二アーム２０，３０の先端部により、物体を把持し、且つ、物体の位置および姿勢を変更することができる。これら第一，第二アーム２０，３０は、同一構成からなる。そこで、以下の説明において、第一アーム２０について説明することとし、第二アーム３０については、対応する部材の符号を括弧書きにて記載する。なお、図２において、括弧なし符号は、第一アーム２０を構成する部材を示し、括弧内の符号は、第二アーム３０を構成する部材を示す。
【００３８】
第一アーム２０（３０）は、基部側アーム本体５１（７１）と、先端アーム本体５２（７２）と、先端曲面部５３（７３）と、駆動機構５４（７４）とから構成される。なお、先端アーム本体５２（７２）と先端曲面部５２は、本発明の「先端アーム」を構成する。
【００３９】
基部側アーム本体５１（７１）は、基部１０に対して図２の上下軸周りに揺動可能に連結されている。この基部側アーム本体５１（７１）は、距離を隔てて配置された一対のプレートと、一対のプレートを固定する複数のピンとから構成されている。そして、基部側アーム本体５１（７１）の基端側（図２の左側）に固定されているピン５１ａ（７１ａ）が、基部１０を構成する基部下側プレート１１と基部上側第二プレート１３に回転可能に支持されている。つまり、基部側アーム本体５１（７１）の先端側（図２の右側）が、ピン５１ａ（７１ａ）に対して、揺動可能となる。つまり、このピン５１ａ（７１ａ）は、第一関節部の回転中心としてのピンとなる。
【００４０】
先端アーム本体５２（７２）は、先端アーム本体５２（７２）は、基部側アーム本体５１（７１）の先端側に対して図２の上下軸周りに揺動可能に連結されている。この先端アーム本体５２（７２）は、距離を隔てて配置された一対のプレートと、一対のプレートを固定する複数のピンとから構成されている。そして、先端アーム本体５２（７２）の基端側（図２の左側）に固定されているピン５２ａ（７２ａ）が、基部側アーム本体５１（７１）の一対のプレートの先端側に回転可能に支持されている。つまり、先端アーム本体５２（７２）の先端側（図２の右側）が、ピン５２ａ（７２ａ）に対して、揺動可能となる。つまり、このピン５２ａ（７２ａ）が、第二関節部の回転中心としてのピンとなる。
【００４１】
先端曲面部５３（７３）は、先端アーム本体５２（７２）の先端側に設けられている。この先端曲面部５３（７３）は、先端アーム本体５２（７２）に対して、当該先端アーム本体５２（７２）の基端側から先端側に向かうアーム軸を中心に捻転可能となるようにされている。先端曲面部５３（７３）の先端表面が、物体に当接可能な部位となる。この先端曲面部５３（７３）の先端表面は、半球面凸状に形成されている。具体的には、半球面凸状の中央凸部が最も先端側に位置している。そして、先端曲面部５３（７３）は、物体に当接したときに僅かな範囲で面接触することができる程度に弾性変形可能な材料により形成されている。例えば、先端曲面部５３（７３）の先端表面は、シリコンゴム（ＳＲ）、天然ゴム（ＮＲ）、合成ゴム（ＮＢＲ）、ＥＰＤＭなどのゴム弾性体により形成されている。
【００４２】
駆動機構５４（７４）は、基部側アーム本体５１（７１）を基部１０に対して揺動可能とする第一駆動機構５４ａ（７４ａ）と、先端アーム本体５２（７２）を基部側アーム本体５１（７１）に対して揺動可能とする第二駆動機構５４ｂ（７４ｂ）と、先端曲面部５３（７３）を先端アーム本体５２（７２）に対して揺動可能とする第三駆動機構５４ｃ（７４ｃ）とから構成される。なお、駆動源は、後述する駆動用モータ４１〜４６である。
【００４３】
第一駆動機構５４ａ（７４ａ）は、第一プーリ１０１（２０１）と、第一駆動ベルト１０２（２０１）とから構成される。第一プーリ１０１（２０１）は、基部側アーム本体５１（７１）の基端側に固定されているピン５１ａ（７１ａ）に固定されている。第一駆動ベルト１０２（２０２）は、後述する第一駆動用モータ４１（４４）の出力軸と、第一プーリ１０１（２０１）とを懸架している。つまり、第一駆動ベルト１０２（２０２）は、第一駆動用モータ４１（４４）の駆動力を第一プーリ１０１（２０２）に伝達し、ピン５１ａ（７１ａ）を回転駆動している。
【００４４】
第二駆動機構５４ｂ（７４ｂ）は、第二プーリ１１１（２１１）と、第三プーリ１１２（２１２）と、第二駆動ベルト１１３（２１３）と、第三駆動ベルト１１４（２１４）とから構成される。第二プーリ１１１（２１１）は、基部側アーム本体５１（７１）の基端側に固定されているピン５１ａ（７１ａ）に回転可能に支持されている。第三プーリ１１２（２１２）は、先端アーム本体５２（７２）の基端側に固定されているピン５２ａ（７２ａ）に固定されている。第二駆動ベルト１１３（２１３）は、後述する第二駆動用モータ４２（４５）の出力軸と、第二プーリ１１１（２１１）とを懸架している。つまり、第二駆動ベルト１１３（２１３）は、第二駆動用モータ４２（４５）の駆動力を第二プーリ１１１（２１１）に伝達している。第三駆動ベルト１１４（２１４）は、第二プーリ１１１（２１１）と第三プーリ１１２（２１２）とを懸架している。つまり、第三駆動ベルト１１４（２１４）は、第二プーリ１１１（２１１）の回転力を第三プーリ１１２（２１２）に伝達し、ピン５２ａ（７２ａ）を回転駆動している。
【００４５】
第三駆動機構５４ｃ（７４ｃ）は、駆動側ベベルギヤ１２１（２２１）と、従動側ベベルギヤ１２２（２２２）と、第四プーリ１２３（２２３）と、第五プーリ１２４（２２４）と、第六プーリ１２５（２２５）と、第四駆動ベルト１２６（２２６）と、第五駆動ベルト１２７（２２７）とから構成される。駆動側ベベルギヤ１２１（２２１）は、先端アーム本体５２（７２）に、図２の上下軸周りに回転可能に支持されている。従動側ベベルギヤ１２２（２２２）は、先端アーム本体５２（７２）のアーム軸周りに回転可能となるように、先端アーム本体５２（７２）に支持されている。そして、従動側ベベルギヤ１２２（２２２）は、駆動側ベベルギヤ１２１（２２１）に噛合している。つまり、従動側ベベルギヤ１２２（２２２）は、駆動側ベベルギヤ１２１（２２１）の図２の上下軸周りの回転を、アーム軸周りの回転に変換している。そして、従動側ベベルギヤ１２２（２２２）の先端側は、先端曲面部５３（７３）に固定されている。
【００４６】
第四プーリ１２３（２２３）は、基部側アーム本体５１（７１）の基端側に固定されているピン５１ａ（７１ａ）に、回転可能に支持されている。第五プーリ１２４（２２４）は、先端アーム本体５２（７２）の基端側に固定されているピン５２ａ（７２ａ）に、回転可能に支持されている。第六プーリ１２５（２２５）は、駆動側ベベルギヤ１２１（２２１）の軸に固定されている。
【００４７】
第四駆動ベルト１２６（２２６）は、後述する第三駆動用モータ４３（４６）の出力軸と、第四プーリ１２３（２２３）とを懸架している。つまり、第四駆動ベルト１２６（２２６）は、第三駆動用モータ４３（４６）の駆動力を第四プーリ１２３（２２３）に伝達している。第五駆動ベルト１２７（２２７）は、第四プーリ１２３（２２３）と第五プーリ１２４（２２４）とを懸架している。つまり、第五駆動ベルト１２７（２２７）は、第四プーリ１２３（２２３）の回転力を第五プーリ１２４（２２４）に伝達している。第六駆動ベルト１２８（２２８）は、第五プーリ１２４（２２４）と第六プーリ１２５（２２５）とを懸架している。つまり、第六駆動ベルト１２８（２２８）は、第五プーリ１２４（２２４）の回転力を第六プーリ１２５（２２５）に伝達し、駆動側ベベルギヤ１２１（２２１）を回転駆動している。
【００４８】
第一駆動用モータ４１（４４）は、基部下側プレート１１に固定されている。この第一駆動用モータ４１（４４）には、例えば、ＤＣモータを適用している。さらに、第一駆動用モータ４１（４４）は、エンコーダを有している。そして、第一駆動用モータ４１（４４）の出力軸には、第一駆動ベルト１０２（２０２）が懸架されている。つまり、第一駆動用モータ４１（４４）は、第一駆動機構５４ａ（７４ａ）を介して、基部側アーム本体５１（７１）を基部１０に対して揺動する。
【００４９】
第二駆動用モータ４２（４５）は、基部上側第二プレート１３に固定されている。この第二駆動用モータ４２（４５）には、例えば、ＤＣモータを適用している。さらに、第二駆動用モータ４２（４５）は、エンコーダを有している。そして、第二駆動用モータ４２（４５）の出力軸には、第二駆動ベルト１１３（２１３）が懸架されている。つまり、第二駆動用モータ４２（４５）は、第二駆動機構５４ｂ（７４ｂ）を介して、先端アーム本体５２（７２）を、基部側アーム本体５１（７１）に対して揺動する。
【００５０】
第三駆動用モータ４３（４６）は、基部上側第一プレート１２に固定されている。この第三駆動用モータ４３（４６）には、例えば、ＤＣモータを適用している。さらに、第三駆動用モータ４３（４６）は、エンコーダを有している。そして、第三駆動用モータ４３（４６）の出力軸には、第四駆動ベルト１２６（２２６）が懸架されている。つまり、第三駆動用モータ４３（４６）は、第三駆動機構５４ｃ（７４ｃ）を介して、先端曲面部５３（７３）を、先端アーム本体５２（７２）に対してアーム軸周りに捻転する。
【００５１】
そして、制御装置２は、各駆動用モータ４１〜４６のエンコーダの出力値に基づいて、各駆動用モータ４１〜４６をそれぞれフィードバック制御する。つまり、制御装置２は、それぞれの先端曲面部５３（７３）の基部１０に対する位置を制御すると共に、先端曲面部５３（７３）の捻転角度を制御する。従って、制御装置２は、各駆動用モータ４１〜４６をそれぞれ制御することによって、物体の位置および姿勢を制御することになる。
【００５２】
図３のモデル図に示すように、基部側アーム本体５１（７１）は、第一駆動機構５４ａ（７４ａ）により基部１０に対して揺動し、先端アーム本体５２（７２）は、第二駆動機構５４ｂ（７４ｂ）により基部側アーム本体５１（７１）に対して揺動し、先端曲面部５３（７３）は、第三駆動機構５４ｃ（７４ｃ）により先端アーム本体５２（７２）に対して捻転する。
【００５３】
ここで、それぞれの先端曲面部５３，７３は、その先端表面における球面凸状のどの位置であっても物体を把持することができる。そして、第一アーム２０の先端曲面部５３のうち物体との接触位置をＰとし、第二アーム３０の先端曲面部７３のうち物体との接触位置をＱとする。
【００５４】
また、接触位置Ｐにおける、第一アーム２０の先端アーム本体５２のアーム軸に対する接触角度をφ１とする。ここで、接触角度φ１とは、接触位置Ｐの法線と、アーム軸とのなす角度である。従って、接触角度φ１が０°の場合は、接触位置Ｐがアーム軸上に位置している状態、先端曲面部５３の先端が物体に接触している状態である。また、接触角度φ１が９０°の場合には、先端曲面部５３の基端側が物体に接触している状態である。
【００５５】
また、接触位置Ｑにおける、第二アーム３０の先端アーム本体７２のアーム軸に対する接触角度をφ２とする。ここで、接触角度φ２とは、接触位置Ｑの法線と、アーム軸とのなす角度である。従って、接触角度φ２が０°の場合は、接触位置Ｑがアーム軸上に位置している状態、先端曲面部７３の先端が物体に接触している状態である。また、接触角度φ２が９０°の場合には、先端曲面部７３の基端側が物体に接触している状態である。
【００５６】
つまり、第一駆動機構５４ａおよび第二駆動機構５４ｂは、第一アーム２０の先端アーム本体５２の位置及び姿勢を変更することにより、第一アーム２０の先端曲面部５３における接触角度φ１を変更可能とするものである。第一駆動機構７４ａおよび第二駆動機構７４ｂは、第二アーム３０の先端アーム本体７２の位置及び姿勢を変更することにより、第二アーム３０の先端曲面部７３における接触角度φ２を変更可能とするものである。また、第三駆動機構５４ｃは、先端アーム本体５２，７２に対する先端曲面部５３，７３のアーム軸周りの捻転角度を変更可能とするものである。
【００５７】
（マニピュレータ１の動作）
次に、上述したマニピュレータ１が動作することにより、マニピュレータ１により把持する物体がどのように動作するかについて説明する。マニピュレータ１の動作は、上述したように、制御装置２によって制御されている。ここで、物体は、先端曲面部５３，７３を捻転させる場合には、先端曲面部５３，７３における接触角度φ１，φ２に応じた動作となる。つまり、接触角度φ１，φ２を変更することにより、マニピュレータ１により把持する物体の動作は、多数実現できる。以下に、それぞれの動作について説明する。
【００５８】
（第一動作）
まず、物体に第一動作をさせる場合における、マニピュレータ１の動作について、図４を参照して説明する。ここで、第一動作とは、Ｚ軸方向の移動である。また、この第一動作をさせる物体は、便宜上、直方体としている。そして、物体における直方体の対向する面を、それぞれの先端曲面部５３，７３により挟持している。
【００５９】
この場合、図４に示すように、一方の先端アーム本体５２のアーム軸と、他方の先端アーム本体７２のアーム軸とが、平行となるように、第一，第二駆動用モータ４１，４２，４４，４５を駆動する。ここでは、両アーム軸が、Ｙ軸に平行となるように、それぞれの第一関節角度および第二関節角度を制御している。ここで、第一関節角度とは、基部１０に対する基部側アーム本体５１，７１の揺動角度を意味し、第二関節角度とは、基部側アーム本体５１，７１に対する先端アーム本体５２，７２の揺動角度を意味する。また、捻転角度とは、先端アーム本体５２，７２に対する先端曲面部５３のアーム軸周りの角度を意味する。
【００６０】
このように、先端アーム本体５２，７２のアーム軸が平行になることで、先端曲面部５３，７３の捻転軸は、平行となる。つまり、この場合、第一アーム２０の先端曲面部５３における接触角度φ１（図３に示す）は、９０°であり、第二アーム３０の先端曲面部７３における接触角度φ２（図３に示す）は、９０°である。そして、この状態で、一方の先端曲面部５３の回転方向と他方の先端曲面部７３の回転方向が逆方向となるように、それぞれの第三駆動用モータ４３，４６を駆動する。その結果、物体は、Ｚ軸方向に移動する。
【００６１】
（第二動作）
次に、物体に第二動作をさせる場合における、マニピュレータ１の動作について、図５を参照して説明する。ここで、第二動作とは、Ｙ軸周りに回転する動作である。また、この第二動作をさせる物体は、便宜上、円柱状としている。そして、物体における円柱状の周面を、それぞれの先端曲面部５３，７３により挟持している。
【００６２】
この場合、図５に示すように、一方の先端アーム本体５２のアーム軸と、他方の先端アーム本体７２のアーム軸とが、Ｙ軸に平行となるように、第一，第二駆動用モータ４１，４２，４４，４５を駆動する。このように、先端アーム本体５２，７２のアーム軸がＹ軸に平行になることで、先端曲面部５３，７３の捻転軸は、Ｙ軸に平行となる。つまり、この場合、第一アーム２０の先端曲面部５３における接触角度φ１（図３に示す）は、９０°であり、第二アーム３０の先端曲面部７３における接触角度φ２（図３に示す）は、９０°である。
【００６３】
そして、この状態で、一方の先端曲面部５３の回転方向と他方の先端曲面部７３の回転方向が同じ方向となるように、それぞれの第三駆動用モータ４３，４６を駆動する。さらに、先端曲面部５３，７３の先端表面は、ゴムなどの弾性変形可能な材料に形成されている。従って、先端曲面部５３，７３と物体とは面接触している。その結果、物体は、Ｙ軸周りに回転する動作を行う。
【００６４】
（第三動作）
次に、物体に第三動作をさせる場合における、マニピュレータ１の動作について、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）を参照して説明する。ここで、第三動作は、Ｘ軸周りに回転する動作である。そして、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）は、何れも、物体に第三動作をさせる場合について示している。また、この第三動作をさせる物体は、便宜上、直方体としている。そして、物体における直方体の対向する面を、それぞれの先端曲面部５３，７３により挟持している。
【００６５】
図６（ａ）について説明する。図６（ａ）に示すように、一方の先端アーム本体５２のアーム軸と他方の先端アーム本体７２のアーム軸とが、Ｘ軸に平行であって、同軸上に位置するように、第一，第二駆動用モータ４１，４２，４４，４５を駆動する。この場合、先端曲面部５３，７３の捻転軸は、Ｘ軸に平行であって、同軸上に位置することになる。つまり、この場合、第一アーム２０の先端曲面部５３における接触角度φ１（図３に示す）は、０°であり、第二アーム３０の先端曲面部７３における接触角度φ２（図３に示す）は、０°である。そして、この状態で、一方の先端曲面部５３の回転方向と他方の先端曲面部７３の回転方向がＸ軸周りに同じ方向となるように、それぞれの第三駆動用モータ４３，４６を駆動する。その結果、物体は、Ｘ軸周りに回転する動作を行う。
【００６６】
図６（ｂ）について説明する。図６（ｂ）に示すように、第一アーム２０と第二アーム３０とは、Ｘ軸直交平面に対して対称的な形状となるように、第一関節角度および第二関節角度が決定されている。さらに、一方の先端アーム本体５２のアーム軸とＹ軸とのなす角度θ１が、０°＜θ１＜１８０°となるように位置決めされている。また、他方の先端アーム本体５２のアーム軸とＹ軸とのなす角度θ２は、角度θ１に一致するように位置決めされている。このとき、一方の先端アーム本体５２のアーム軸と他方の先端アーム本体７２のアーム軸とが交差するようにしている。
【００６７】
この場合、一方の先端曲面部５３のうち物体との接触位置（接触範囲の中心点）は、Ｐ１となる。他方の先端曲面部７３のうち物体との接触位置（接触範囲の中心点）は、Ｑ１となる。ここで、一方の先端曲面部５３が把持している物体の面において、一方の先端アーム本体５２のアーム軸上に位置する点は、Ａ１となる。また、他方の先端曲面部７３が把持している物体の面において、他方の先端アーム本体７２のアーム軸上に位置する点は、Ｂ１となる。そして、接触位置Ｐ１とアーム軸上点Ａ１との離間距離と、接触位置Ｑ１とアーム軸上点Ｂ１との離間距離とは、一致するようにしている。また、一方の接触位置Ｐ１と他方の接触位置Ｑ１とを結ぶ直線は、Ｘ軸に平行となる。従って、一方のアーム軸上点Ａ１と他方のアーム軸上点Ｂ１とを結ぶ直線も、Ｘ軸に平行となる。
【００６８】
この場合、第一アーム２０の先端曲面部５３における接触角度φ１（図３に示す）は、約４５°であり、第二アーム３０の先端曲面部７３における接触角度φ２（図３に示す）は、４５°である。この状態で、一方の先端曲面部５３の回転方向と他方の先端曲面部７３の回転方向がＸ軸直交平面に対して対称となる回転方向となるように、それぞれの第三駆動用モータ４３，４６を駆動する。そうすると、それぞれの先端曲面部５３，７３における接触位置Ｐ１，Ｑ１が、それぞれのアーム軸周りに回転する。その結果、物体は、一方のアーム軸上点Ａ１と他方のアーム軸上点Ｂ１とを結ぶ直線軸周りに回転する動作を行う。このとき、それぞれの先端曲面部５３，７３と物体とが相対的に転がり運動するように動作している。つまり、物体は、Ｘ軸周りに回転する。
【００６９】
図６（ｃ）について説明する。図６（ｃ）に示すように、第一アーム２０と第二アーム３０とは、Ｘ軸直交平面に対して非対称的な形状となるように、第一関節角度および第二関節角度が決定されている。さらに、一方の先端アーム本体５２のアーム軸とＹ軸とのなす角度θ３が、０°≦θ３＜１８０°となるように位置決めされている。これに対して、他方の先端アーム本体５２のアーム軸とＹ軸とのなす角度θ４（図示せず）は、０°≦θ４＜１８０°であって、角度θ３と異なるように位置決めされている。ただし、一方の先端アーム本体５２のアーム軸と他方の先端アーム本体７２のアーム軸とが交差するようにしている。なお、図６（ｃ）においては、角度θ４を０°としているため、図示していない。
【００７０】
この場合、一方の先端曲面部５３のうち物体との接触位置は、Ｐ２となる。他方の先端曲面部７３のうち物体との接触位置は、Ｑ２となる。ここで、一方の先端曲面部５３が把持している物体の面において、一方の先端アーム本体５２のアーム軸上に位置する点は、Ａ２となる。また、他方の先端曲面部７３が把持している物体の面において、他方の先端アーム本体７２のアーム軸上に位置する点は、Ｂ２となる。そして、接触位置Ｐ２とアーム軸上点Ａ２との離間距離は、接触位置Ｑ２とアーム軸上点Ｂ２との離間距離と異なるようにしている。また、一方のアーム軸上点Ａ２と他方のアーム軸上点Ｂ２とを結ぶ直線が、Ｘ軸に平行となるようにしている。つまり、一方の接触位置Ｐ２と他方の接触位置Ｑ２とを結ぶ直線は、Ｘ軸に平行とはならない。
【００７１】
この場合、第一アーム２０の先端曲面部５３における接触角度φ１（図３に示す）は、約４５°であり、第二アーム３０の先端曲面部７３における接触角度φ２（図３に示す）は、ほぼ０°である。この状態で、それぞれの第三駆動用モータ４３，４６を駆動する。このとき、一方の第三駆動用モータ４３による駆動トルクと、他方の第三駆動用モータ４６による駆動トルクとは、異なるようにしている。
【００７２】
ここで、第三駆動用モータ４３，４６が常に一定の駆動トルクを出力している場合には、先端曲面部５３，７３の回転力が物体に伝達する力（発生トルク）は、接触角度φ１，φ２に応じて異なる。例えば、第三駆動用モータ４３，４６が常に一定の駆動トルクを出力している場合には、接触角度φ１，φ２が０°の場合が最も発生トルクが大きくなり、接触角度φ１，φ２が大きくなるにつれて発生トルクが小さくなる。そして、上述したように、図６（ｃ）の状態では、一方の接触角度φ１と他方の接触角度φ２が異なる。そこで、Ｘ軸周りの発生トルクが同一となるように、それぞれの第三駆動用モータ４３，４６の駆動トルクを異なるように制御する。
【００７３】
そうすると、それぞれの先端曲面部５３，７３における接触位置Ｐ２，Ｑ２が、それぞれのアーム軸周りに回転すると共に、それぞれの先端曲面部５３，７３によるＸ軸周りの発生トルクも同一となる。このとき、少なくとも先端曲面部５３と物体とが相対的に転がり運動するように動作している。その結果、物体は、一方のアーム軸上点Ａ２と他方のアーム軸上点Ｂ２とを結ぶ直線軸周りに回転する動作を行う。つまり、物体は、Ｘ軸周りに回転する。
【００７４】
（第四動作）
次に、物体に第四動作をさせる場合における、マニピュレータ１の動作について、図７を参照して説明する。ここで、第四動作とは、Ｘ軸周りに回転しながら、同時にＺ軸周りに回転する動作である。また、この第四動作をさせる物体は、便宜上、直方体としている。そして、物体における直方体の対向する面を、それぞれの先端曲面部５３，７３により挟持している。
【００７５】
第四動作は、上述した第三動作（Ｘ軸周りの回転）を行いながら、Ｚ軸周りに回転する動作を行うものである。ここで、本実施形態のマニピュレータ１は、基部側アーム本体５１，７１および先端アーム本体５２，７２の位置を制御することにより、物体をＺ軸周りに回転させることができる。また、第三動作において、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）にて示したように、各アーム２０，３０がどのような位置にある場合であっても、物体をＸ軸周りに回転させることができることを説明した。つまり、両者を同時に制御することで、第四動作を実現することができる。以下に、図７を参照して説明する。
【００７６】
まず、図７（ａ）に示すように、基部側アーム本体５１，７１および先端アーム本体５２，７２を位置決めする。そして、それぞれの先端曲面部５３，７３を捻転させる。この状態は、第三動作を説明する図６（ｂ）にて説明した状態に一致する。つまり、接触角度φ１，φ２（図３に示す）を変更しながら、先端曲面部５３，７３と物体とが相対的に転がり運動するように動作する。
【００７７】
続いて、図７（ｂ）に示すように、先端曲面部５３，７３の位置が、Ｚ軸周りに回転するように、基部側アーム本体５１，７１および先端アーム本体５２，７２を移動させる。そして、図７（ｂ）に示す状態は、第三動作を説明する図６（ｃ）にて説明した状態に一致する。そして、図７（ａ）から図７（ｂ）の状態に移行する間において、物体におけるそれぞれのアーム軸上点（図６（ｃ）における点Ａ２，Ｂ２）がＸ軸に平行な状態を維持するように、一方の先端曲面部５３と物体との接触位置および他方の先端曲面部７３と物体との接触位置が、徐々に変化する。
【００７８】
続いて、図７（ｃ）に示すように、先端曲面部５３，７３の位置が、Ｚ軸周りに回転するように、基部側アーム本体５１，７１および先端アーム本体５２，７２を移動させる。続いて、図７（ｄ）に示すように、先端曲面部５３，７３の位置が、Ｚ軸周りに回転するように、基部側アーム本体５１，７１および先端アーム本体５２，７２を移動させる。この図７（ｄ）の状態は、図７（ｂ）のＸ軸直交平面に対称的な状態となる。そして、図７（ａ）に戻る。このように、物体を、Ｘ軸周りに回転させながら、同時にＺ軸周りに回転させることができる。
【００７９】
（効果）
以上説明したように、本実施形態のマニピュレータ装置によれば、把持する物体の姿勢を制御する際に、先端曲面部５３，７３の凸曲面形状を有効に利用している。具体的には、先端曲面部５３，７３のうち物体との接触位置Ｐ，Ｑにおけるアーム軸に対する接触角度φ１，φ２を変更することに加えて、先端曲面部５３，７３のアーム軸周りの捻転角度を変更している。この動作により、接触角度φ１，φ２に応じた物体の姿勢の変更を行うことができる。つまり、物体の姿勢制御の自由度が従来に比べて高くなる。
【００８０】
ここで、物体の形状や把持する位置によって、物体が安定した姿勢は異なる。本実施形態のマニピュレータ装置によれば、物体を把持する際において、物体と接触する位置は先端曲面部５３，７３である。そのため、物体を把持する際に、先端曲面部５３，７３のうち物体との接触位置Ｐ，Ｑは、物体が安定した姿勢となるように、変化していく。つまり、先端曲面部５３，７３によって物体を把持するため、物体の形状や把持する位置に関わりなく、安定して物体を把持することができる。
【００８１】
＜第二実施形態＞
第二実施形態のマニピュレータ装置について説明する。本実施形態のマニピュレータ装置は、先端曲面部５３，７３の先端表面に力センサを設けている。この力センサは、先端曲面部５３，７３が物体に接触することにより生じる力を検出する。そして、制御装置２が、この力センサにより検出する力に基づいて、各駆動用モータ４１〜４６を制御する。これにより、第一，第二アーム２０，３０の位置および姿勢の制御をより高精度に行うことができ、所望の物体の位置および姿勢とすることができる。なお、力センサの位置は、例えば、従動側ベベルギヤ１２２，２２２に設け、従動側ベベルギヤ１２２，２２２に係る力を検出することもできる。
【００８２】
＜第三実施形態＞
第三実施形態のマニピュレータ装置について説明する。第一実施形態においては、先端曲面部５３，７３は、それぞれ第三駆動用モータ４３，４６により捻転角度を変更可能とした。つまり、第一実施形態においては、制御装置２により、先端曲面部５３，７３の捻転角度を制御することとした。
【００８３】
この他に、一方の先端曲面部７３の回転を駆動するための第三駆動機構７４ｃをなくすようにすることもできる。つまり、第一アーム２０の先端曲面部５３は、第三駆動用モータ４３により捻転角度を制御することができるが、第二アーム３０の先端曲面部７３は、捻転角度を制御できない。つまり、物体の位置および姿勢の変更は、第一駆動用モータ４１，４４、第二駆動用モータ４２，４５および第三駆動用モータ４３により行われる。この場合、第二アーム３０の先端曲面部７３は、物体の位置または姿勢の変更に伴って、従動捻転する。この場合、駆動手段が少なくなる。その結果、低コスト化を図りつつ、物体の位置および姿勢の変更が可能となる。ただし、第一実施形態に比べると、物体の位置および姿勢の変更の自由度は低くなる。
【００８４】
＜第四実施形態＞
第四実施形態のマニピュレータ装置について図８を参照して説明する。第一実施形態においては、２つのアーム２０，３０を有する構成とした。本実施形態のマニピュレータ装置は、図８に示すように、３つのアームを有する構成とする。３つのアームのうち、２つのアームの構成は、第一実施形態のアームと同様の構成からなる。残りの１つのアームは、先端曲面部の駆動機構がない構成とする。つまり、当該残りの１つのアームの先端曲面部は、捻転角度の制御ができず、従動捻転する。
【００８５】
つまり、３つのアームの場合には、２つのアームにおける先端曲面部の捻転角度を制御することができ、残りの１つのアームにおける先端曲面部は、従動捻転することになる。これにより、十分に、複雑な動きが可能となる。また、少なくとも１つの先端曲面部を従動捻転させることで、安定した物体の位置および姿勢を制御できる。
【符号の説明】
【００８６】
１：マニピュレータ、 ２：制御装置
１０：基部、 １１：基部下側プレート、 １２：基部上側第一プレート
１３：基部上側第二プレート
２０：第一アーム、 ３０：第二アーム
４１，４４：第一駆動用モータ、 ４２，４５：第二駆動用モータ
４３，４６：第三駆動用モータ
５１，７１：基部側アーム本体、 ５１ａ：ピン
５２，７２：先端アーム本体、 ５２ａ：ピン
５３，７３：先端曲面部
５４：駆動機構、 ５４ａ，７４ａ：第一駆動機構（第一駆動手段）
５４ｂ，７４ｂ：第二駆動機構（第一駆動手段）
５４ｃ，７４ｃ：第三駆動機構（第二駆動手段）
１０１：第一プーリ、 １０２：第一駆動ベルト
１１１：第二プーリ、 １１２：第三プーリ、 １１３：第二駆動ベルト
１１４：第三駆動ベルト
１２１：駆動側ベベルギヤ、 １２２：従動側ベベルギヤ、 １２３：第四プーリ
１２４：第五プーリ、 １２５：第六プーリ、 １２６：第四駆動ベルト
１２７：第五駆動ベルト、 １２８：第六駆動ベルト
Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２：アーム軸上点
Ｐ，Ｐ１，Ｐ２，Ｑ，Ｑ１，Ｑ２：接触位置
φ１，φ２：接触角度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、ロボットハンドなどのマニピュレータ装置およびマニピュレータの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロボットハンドなどのマニピュレータとしては、国際公開第２００５／１０２６１９号（特許文献１）に記載されたものがある。特許文献１に記載のロボットハンドは、指先部が指根元部に対して捻転させることが記載されている。また、非特許文献１にも、指先旋回軸を有する多指ハンドについて記載されている。その他に、ロボットハンドについて種々の研究がされている。例えば、特許文献２〜５には、種々のロボットハンドが記載されている。
【０００３】
ここで、特許文献１に記載のロボットハンドは、捻転する部材が円柱状の外周面のみを用いているため、物体の動作は１つの回転軸のみである。一方、非特許文献１には、物体に２つの回転軸の動作をさせることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００５／１０２６１９号
【特許文献２】特開昭６０−１６７７９２号公報
【特許文献３】特開平３−２３９４９１号公報
【特許文献４】特開２００５−１４４５７３号公報
【特許文献５】特開２００８−８７１０５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】菅野了也、並木明夫「指先旋回軸を有する多指ハンドを用いた把持物体の姿勢制御」、ロボティクス・メカトロニクス講演会２００９ 講演論文集、２００９年５月２４日発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１〜５および非特許文献２には、ロボットハンドの先端を球面凸状に形成されているものがあるが、この形状を積極的に物体の姿勢制御に利用することはされていない。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、先端部の形状を有効に利用して把持する物体の姿勢制御を行うことができるマニピュレータ装置およびマニピュレータ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】
【０００８】
（マニピュレータ装置）
上記の課題を解決するため、本発明のマニピュレータ装置は、先端部を捻転する構造とし、且つ、当該先端部を凸曲面状に形成した上で、先端部の捻転軸（先端アーム軸）に対する物体との接触角度を変更すると共に先端部の捻転角度を変更することにより、接触角度に応じた物体の動作を物体に行わせるようにした。
【０００９】
すなわち、本発明のマニピュレータ装置は、
基部と、前記基部に連結され先端にて物体を把持可能な複数の先端アームと、前記基部に対する前記先端アームの位置および姿勢を変更する駆動手段と、前記駆動手段を制御することにより前記物体の位置および姿勢を制御する制御手段と、を備えるマニピュレータ装置であって、
各前記先端アームは、
前記基部に対して少なくとも１自由度を有するように連結された先端アーム本体と、
前記先端アーム本体に対して前記先端アーム本体の基端側から先端側に向かう先端アーム軸を中心に捻転可能となるように前記先端アーム本体の先端に設けられ、前記物体に当接可能な先端表面が凸曲面状に形成されている先端曲面部と、
を備え、
前記駆動手段は、
複数の前記先端アームのそれぞれにおいて、前記先端アーム本体の前記基部に対する位置および姿勢の少なくとも一つを変更することにより、前記先端曲面部のうち前記物体との接触位置における前記先端アーム軸に対する接触角度を変更可能な第一駆動手段と、
複数の前記先端アームの少なくとも一つにおいて、前記先端アーム本体に対する前記先端曲面部の前記先端アーム軸周りの捻転角度を変更可能な第二駆動手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記先端曲面部のうち前記物体との接触位置における前記先端アーム軸に対する接触角度を変更しながら、前記先端曲面部を前記物体に対して相対的に転がり運動するように、前記第一駆動手段および前記第二駆動手段を制御することにより、前記接触角度に応じた前記物体の姿勢に制御することとする。
【００１０】
このように、本発明によれば、把持する物体の姿勢を制御する際に、先端曲面部の凸曲面形状を有効に利用している。具体的には、先端曲面部のうち物体との接触位置における先端アーム軸に対する接触角度を変更することに加えて、先端曲面部の先端アーム軸周りの捻転角度を変更している。特に、物体の姿勢を変更しながら、位置を変更可能となる。例えば、物体に所定の第一軸周りに回転させながら、第一軸に直交する第二軸周りに回転させることができる。この動作により、接触角度に応じた物体の姿勢の変更を行うことができる。つまり、物体の姿勢制御の自由度が従来に比べて高くなる。
【００１１】
ここで、物体の形状や把持する位置によって、物体が安定した姿勢は異なる。本発明によれば、物体を把持する際において、物体と接触する位置は先端曲面部である。そのため、物体を把持する際に、先端曲面部のうち物体との接触位置は、物体が安定した姿勢となるように、変化していく。つまり、本発明によれば、先端曲面部によって物体を把持するため、物体の形状や把持する位置に関わりなく、安定して物体を把持することができる。
【００１２】
また、本発明のマニピュレータ装置において、
前記制御手段は、第一の前記先端アームの前記先端曲面部の前記接触位置と第二の前記先端アームの前記先端曲面部の前記接触位置とを結ぶ軸方向が目的の方向に一致するように、前記第一駆動手段により前記先端アーム本体の前記基部に対する位置および姿勢の少なくとも一つを制御してもよい。
【００１３】
ここで、複数の先端曲面部が先端曲面部の物体との接触位置における接触角度を変更しながら転がり運動する場合として、次の場合を例に挙げて説明する。２つの先端アームにより物体を把持している状態において、先端アーム本体の動作により第一軸周りに回転させ、両先端アームの先端曲面部の捻転により第一軸に直交する第二軸周りに回転させようとする場合を考える。ところが、この場合、それぞれの先端曲面部と物体との接触位置とを結ぶ軸方向が常に平行となるように動作させると、第二軸は平行な状態を保つことができない。つまり、物体を本来の第二軸周りに回転させることができていない。これは、それぞれの先端曲面部と物体との接触位置とを結ぶ軸方向と、第二軸とが常に一定ではないためである。そこで、第二軸を平行な状態に保つためには、それぞれの先端曲面部と物体との接触位置とを結ぶ軸方向を積極的に変更するように制御することで達成できる。つまり、本発明によれば、物体を第一軸周りに回転させながら、第二軸周りに回転させることができる。
【００１４】
また、本発明のマニピュレータ装置において、前記先端曲面部の表面は、弾性変形可能でとしてもよい。これにより、先端曲面部によって物体を把持する際に、先端曲面部が物体を押圧することによって、先端曲面部の表面が潰れるように弾性変形する。物体がどのような形状であっても、例えば、物体のうち先端曲面部に当接する部位が平面状の場合であっても、先端曲面部と物体は面接触が可能となる。つまり、先端曲面部は物体に対して、トルク（回転力）を伝達することができる。従って、確実に物体を回転させることができる。
【００１５】
また、本発明のマニピュレータ装置において、前記先端曲面部は、球面凸状に形成されるようにしてもよい。これにより、先端曲面部が物体に対して相対的に転がり運動をする際に、先端曲面部の姿勢に対して物体が非常に安定して滑らかに動作することができる。さらに、先端曲面部を球面凸状にすることで、先端曲面部のどの位置が物体に接触しているときに、物体がどのような姿勢となるかを、容易に把握することができる。つまり、物体の姿勢制御が容易となる。
【００１６】
また、本発明のマニピュレータ装置において、
前記制御手段は、前記先端曲面部のうち前記物体との接触位置における前記先端アーム軸に対する接触角度に応じて、前記先端曲面部の前記先端アーム本体に対する駆動トルクを制御するようにしてもよい。
【００１７】
ここで、同じ駆動トルクを先端曲面部に付与した場合には、先端曲面部における捻転軸上の点が物体に当接する場合（接触角度０°の場合）に、先端曲面部から物体に伝達される発生トルクが最も大きくなり、先端曲面部の捻転軸が先端曲面部と物体との接平面に平行の場合（接触角度９０°の場合）に発生トルクが最も小さくなる。そして、接触角度が、０°から９０°に変化するにつれて、発生トルクは徐々に小さくなるように変化する。このように、同じ駆動トルクを先端曲面部に付与したとしても、実際に先端曲面部から物体へ伝達される発生トルクは変化する。そこで、本発明のように、接触角度に応じて駆動トルクを変えることで、常に同じ発生トルクを与えることができる。もちろん、発生トルクを積極的に変化させることもでき、この場合には、その発生トルクに応じた駆動トルクを出力することになる。
【００１８】
また、本発明のマニピュレータ装置において、
前記マニピュレータ装置は、前記先端アームに設けられ、前記先端曲面部が前記物体に対して接触することにより生じる力を検出するセンサをさらに備え、
前記制御手段は、前記センサにより検出される前記力に基づいて、前記第二駆動手段を制御するようにしてもよい。
【００１９】
これにより、２つの先端アームの位置および姿勢の制御をより高精度に行うことができ、所望の物体の位置および姿勢とすることができる。
【００２０】
また、本発明のマニピュレータ装置において、
前記第二駆動手段は、複数の前記先端アームのそれぞれにおいて、前記先端アーム本体に対する前記先端曲面部の前記先端アーム軸周りの捻転角度を変更可能としてもよい。
【００２１】
つまり、複数の先端アームのそれぞれの先端曲面部の捻転角度を制御できるようになる。これにより、より複雑な物体の位置および姿勢の変化を実現することができる。つまり、物体の位置および姿勢の自由度が高くなる。
【００２２】
また、上述したように、複数の先端アームのそれぞれの先端曲面部の捻転角度を制御できる場合には、前記先端アーム本体は、前記基部に対して少なくとも２自由度を有するように連結されるようにしてもよい。このようにすることで、物体に直進軸３軸と回転軸３軸の合計６自由度を有するようにできる。
【００２３】
また、本発明のマニピュレータ装置において、
前記第二駆動手段は、複数の前記先端アームの何れかにおいて、前記先端アーム本体に対する前記先端曲面部の前記先端アーム軸周りの捻転角度を変更可能であり、
複数の前記先端アームの残りにおける前記先端曲面部は、前記物体の相対移動に伴って前記先端アーム本体に対する前記先端アーム軸周りに従動捻転するようにしてもよい。
【００２４】
この場合、例えば、先端アームが２つの場合には、１つの先端アームにおける先端曲面部の捻転角度を制御することができ、もう１つの先端アームにおける先端曲面部は、従動捻転することになる。これにより、駆動手段が少なくすることにより、低コスト化を図りつつ、姿勢変更が可能となる。
【００２５】
また、本発明のマニピュレータ装置において、
前記先端アームは、３つ以上であり、
前記第二駆動手段は、少なくとも２つの前記先端アームのそれぞれにおいて、前記先端アーム本体に対する前記先端曲面部の前記先端アーム軸周りの捻転角度を変更可能であり、
複数の前記先端アームの残りにおける前記先端曲面部は、前記物体の相対移動に伴って前記先端アーム本体に対する前記先端アーム軸周りに従動捻転するようにしてもよい。
【００２６】
つまり、３つの先端アームの場合には、２つの先端アームにおける先端曲面部の捻転角度を制御することができ、残りの１つの先端アームにおける先端曲面部は、従動捻転することになる。これにより、十分に、複雑な動きが可能となる。また、少なくとも１つの先端曲面部を従動捻転させることで、安定した物体の位置および姿勢を制御できる。
【００２７】
（マニピュレータの制御方法）
上述においては、本発明をマニピュレータ装置として把握して説明した。この他に、本発明は、マニピュレータの制御方法としても把握することができる。本発明のマニピュレータの制御方法は、先端部を捻転する構造とし、且つ、当該先端部を凸曲面状に形成した上で、先端部の捻転軸（先端アーム軸）に対する物体との接触角度を変更すると共に先端部の捻転角度を変更することにより、接触角度に応じた物体の動作を物体に行わせるようにした。
【００２８】
すなわち、本発明のマニピュレータの制御方法は、
基部と、前記基部に連結され先端にて物体を把持可能な複数の先端アームと、を備えるマニピュレータの制御方法であって、
各前記先端アームは、
前記基部に対して少なくとも１自由度を有するように連結された先端アーム本体と、
前記先端アーム本体に対して前記先端アーム本体の基端側から先端側に向かう先端アーム軸を中心に捻転可能となるように前記先端アーム本体の先端に設けられ、前記物体に当接可能な先端表面が凸曲面状に形成されている先端曲面部と、
を備え、
前記制御方法は、
複数の前記先端アームのそれぞれにおいて、前記先端アーム本体の前記基部に対する位置および姿勢の少なくとも一つを変更することにより、前記先端曲面部のうち前記物体との接触位置における前記先端アーム軸に対する接触角度を変更させながら、前記先端曲面部を前記物体に対して相対的に転がり運動するように、制御することにより、前記接触角度に応じた前記物体の姿勢に制御することである。
【００２９】
本発明によれば、把持する物体の姿勢を制御する際に、先端曲面部の凸曲面形状を有効に利用している。具体的には、先端曲面部のうち物体との接触位置における先端アーム軸に対する接触角度を変更することに加えて、先端曲面部の先端アーム軸周りの捻転角度を変更している。特に、物体の姿勢を変更しながら、位置を変更可能となる。例えば、物体に所定の第一軸周りに回転させながら、第一軸に直交する第二軸周りに回転させることができる。この動作により、接触角度に応じた物体の姿勢の変更を行うことができる。つまり、物体の姿勢制御の自由度が従来に比べて高くなる。
【００３０】
ここで、物体の形状や把持する位置によって、物体が安定した姿勢は異なる。本発明によれば、物体を把持する際において、物体と接触する位置は先端曲面部である。そのため、物体を把持する際に、先端曲面部のうち物体との接触位置は、物体が安定した姿勢となるように、変化していく。つまり、本発明によれば、先端曲面部によって物体を把持するため、物体の形状や把持する位置に関わりなく、安定して物体を把持することができる。
【００３１】
また、上述した本発明のマニピュレータ装置における他の特徴部分について、本発明のマニピュレータの制御方法にも、実質的に同様に適用できる。この場合、同様の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第一実施形態：マニピュレータ装置の全体構成を示す図である。
【図２】マニピュレータ装置の各関節部を通る断面図である。
【図３】マニピュレータのモデル図である。
【図４】物体に第一動作をさせる場合のマニピュレータのモデル図である。
【図５】物体に第二動作をさせる場合のマニピュレータのモデル図である。
【図６】物体に第三動作をさせる場合のマニピュレータのモデル図である。
【図７】物体に第四動作をさせる場合のマニピュレータのモデル図である。（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、時系列にマニピュレータの動作を示す図である。
【図８】第四実施形態：マニピュレータのモデル図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
＜第一実施形態＞
第一実施形態のマニピュレータ装置について、図１〜図９を参照して説明する。本実施形態のマニピュレータ装置は、機械構造部分に相当するマニピュレータと、マニピュレータを制御する制御装置とにより構成される。このマニピュレータ装置は、種々の物体を把持し、把持した物体の位置および姿勢を変更することができる。ここで、物体の位置とは、例えば、３次元座標における位置を意味し、物体の姿勢とは、３次元座標系において物体の向きを意味する。つまり、物体の位置は、３次元座標により表すことができ、物体の姿勢は、ベクトルにより表すことができる。以下に、詳細に説明する。
【００３４】
（マニピュレータ装置の構成）
本実施形態のマニピュレータ装置の構成について、図１〜図３を参照して説明する。図１に示すように、マニピュレータ装置は、マニピュレータ１と、制御装置２とから構成される。
【００３５】
マニピュレータ装置を構成するマニピュレータ１と制御装置２の概要は、次のとおりである。マニピュレータ１は、２本のアーム２０，３０により構成され、各アーム２０，３０の先端曲面部５３，７３を捻転できる構造からなり、且つ、アーム２０，３０の先端曲面部５３，７３を凸曲面状に形成している。そして、アーム２０，３０の先端曲面部５３，７３によって、物体を把持可能となる。これらのアーム２０，３０は、位置および姿勢を変更することができる。制御装置２は、アーム２０，３０の先端曲面部５３，７３の捻転軸に対する物体との接触角度を変更すると共に先端曲面部５３，７３の捻転角度を変更することにより、アーム２０，３０の位置および姿勢を変更することができる。そして、制御装置２は、アーム２０，３０の位置および姿勢を変更することにより、物体の位置および姿勢を制御することができる。
【００３６】
マニピュレータ１は、詳細には、基部１０と、２本のアーム２０、３０と、駆動用モータ４１〜４６とから構成される。基部１０は、本実施形態においては、固定されている。この基部１０は、図２に示すように、基部下側プレート１１と、基部上側第一プレート１２と、基部上側第二プレート１３とから構成されている。基部上側第一プレート１２は、基部下側プレート１１に対して上側に離間し且つ対向した状態で、複数のピンにより固定されている。基部上側第二プレート１３は、基部下側プレート１１に対して上側に離間した状態で、複数のピンにより固定されている。基部上側第二プレート１３は、基部上側第一プレート１２よりも僅かに上側に位置している。
【００３７】
第一，第二アーム２０，３０は、基部１０に取り付けられ、それぞれの先端部を基部１０に対して移動することができる構成からなる。そして、第一，第二アーム２０，３０の先端部により、物体を把持し、且つ、物体の位置および姿勢を変更することができる。これら第一，第二アーム２０，３０は、同一構成からなる。そこで、以下の説明において、第一アーム２０について説明することとし、第二アーム３０については、対応する部材の符号を括弧書きにて記載する。なお、図２において、括弧なし符号は、第一アーム２０を構成する部材を示し、括弧内の符号は、第二アーム３０を構成する部材を示す。
【００３８】
第一アーム２０（３０）は、基部側アーム本体５１（７１）と、先端アーム本体５２（７２）と、先端曲面部５３（７３）と、駆動機構５４（７４）とから構成される。なお、先端アーム本体５２（７２）と先端曲面部５２は、本発明の「先端アーム」を構成する。
【００３９】
基部側アーム本体５１（７１）は、基部１０に対して図２の上下軸周りに揺動可能に連結されている。この基部側アーム本体５１（７１）は、距離を隔てて配置された一対のプレートと、一対のプレートを固定する複数のピンとから構成されている。そして、基部側アーム本体５１（７１）の基端側（図２の左側）に固定されているピン５１ａ（７１ａ）が、基部１０を構成する基部下側プレート１１と基部上側第二プレート１３に回転可能に支持されている。つまり、基部側アーム本体５１（７１）の先端側（図２の右側）が、ピン５１ａ（７１ａ）に対して、揺動可能となる。つまり、このピン５１ａ（７１ａ）は、第一関節部の回転中心としてのピンとなる。
【００４０】
先端アーム本体５２（７２）は、先端アーム本体５２（７２）は、基部側アーム本体５１（７１）の先端側に対して図２の上下軸周りに揺動可能に連結されている。この先端アーム本体５２（７２）は、距離を隔てて配置された一対のプレートと、一対のプレートを固定する複数のピンとから構成されている。そして、先端アーム本体５２（７２）の基端側（図２の左側）に固定されているピン５２ａ（７２ａ）が、基部側アーム本体５１（７１）の一対のプレートの先端側に回転可能に支持されている。つまり、先端アーム本体５２（７２）の先端側（図２の右側）が、ピン５２ａ（７２ａ）に対して、揺動可能となる。つまり、このピン５２ａ（７２ａ）が、第二関節部の回転中心としてのピンとなる。
【００４１】
先端曲面部５３（７３）は、先端アーム本体５２（７２）の先端側に設けられている。この先端曲面部５３（７３）は、先端アーム本体５２（７２）に対して、当該先端アーム本体５２（７２）の基端側から先端側に向かうアーム軸を中心に捻転可能となるようにされている。先端曲面部５３（７３）の先端表面が、物体に当接可能な部位となる。この先端曲面部５３（７３）の先端表面は、半球面凸状に形成されている。具体的には、半球面凸状の中央凸部が最も先端側に位置している。そして、先端曲面部５３（７３）は、物体に当接したときに僅かな範囲で面接触することができる程度に弾性変形可能な材料により形成されている。例えば、先端曲面部５３（７３）の先端表面は、シリコンゴム（ＳＲ）、天然ゴム（ＮＲ）、合成ゴム（ＮＢＲ）、ＥＰＤＭなどのゴム弾性体により形成されている。
【００４２】
駆動機構５４（７４）は、基部側アーム本体５１（７１）を基部１０に対して揺動可能とする第一駆動機構５４ａ（７４ａ）と、先端アーム本体５２（７２）を基部側アーム本体５１（７１）に対して揺動可能とする第二駆動機構５４ｂ（７４ｂ）と、先端曲面部５３（７３）を先端アーム本体５２（７２）に対して揺動可能とする第三駆動機構５４ｃ（７４ｃ）とから構成される。なお、駆動源は、後述する駆動用モータ４１〜４６である。
【００４３】
第一駆動機構５４ａ（７４ａ）は、第一プーリ１０１（２０１）と、第一駆動ベルト１０２（２０１）とから構成される。第一プーリ１０１（２０１）は、基部側アーム本体５１（７１）の基端側に固定されているピン５１ａ（７１ａ）に固定されている。第一駆動ベルト１０２（２０２）は、後述する第一駆動用モータ４１（４４）の出力軸と、第一プーリ１０１（２０１）とを懸架している。つまり、第一駆動ベルト１０２（２０２）は、第一駆動用モータ４１（４４）の駆動力を第一プーリ１０１（２０２）に伝達し、ピン５１ａ（７１ａ）を回転駆動している。
【００４４】
第二駆動機構５４ｂ（７４ｂ）は、第二プーリ１１１（２１１）と、第三プーリ１１２（２１２）と、第二駆動ベルト１１３（２１３）と、第三駆動ベルト１１４（２１４）とから構成される。第二プーリ１１１（２１１）は、基部側アーム本体５１（７１）の基端側に固定されているピン５１ａ（７１ａ）に回転可能に支持されている。第三プーリ１１２（２１２）は、先端アーム本体５２（７２）の基端側に固定されているピン５２ａ（７２ａ）に固定されている。第二駆動ベルト１１３（２１３）は、後述する第二駆動用モータ４２（４５）の出力軸と、第二プーリ１１１（２１１）とを懸架している。つまり、第二駆動ベルト１１３（２１３）は、第二駆動用モータ４２（４５）の駆動力を第二プーリ１１１（２１１）に伝達している。第三駆動ベルト１１４（２１４）は、第二プーリ１１１（２１１）と第三プーリ１１２（２１２）とを懸架している。つまり、第三駆動ベルト１１４（２１４）は、第二プーリ１１１（２１１）の回転力を第三プーリ１１２（２１２）に伝達し、ピン５２ａ（７２ａ）を回転駆動している。
【００４５】
第三駆動機構５４ｃ（７４ｃ）は、駆動側ベベルギヤ１２１（２２１）と、従動側ベベルギヤ１２２（２２２）と、第四プーリ１２３（２２３）と、第五プーリ１２４（２２４）と、第六プーリ１２５（２２５）と、第四駆動ベルト１２６（２２６）と、第五駆動ベルト１２７（２２７）とから構成される。駆動側ベベルギヤ１２１（２２１）は、先端アーム本体５２（７２）に、図２の上下軸周りに回転可能に支持されている。従動側ベベルギヤ１２２（２２２）は、先端アーム本体５２（７２）のアーム軸周りに回転可能となるように、先端アーム本体５２（７２）に支持されている。そして、従動側ベベルギヤ１２２（２２２）は、駆動側ベベルギヤ１２１（２２１）に噛合している。つまり、従動側ベベルギヤ１２２（２２２）は、駆動側ベベルギヤ１２１（２２１）の図２の上下軸周りの回転を、アーム軸周りの回転に変換している。そして、従動側ベベルギヤ１２２（２２２）の先端側は、先端曲面部５３（７３）に固定されている。
【００４６】
第四プーリ１２３（２２３）は、基部側アーム本体５１（７１）の基端側に固定されているピン５１ａ（７１ａ）に、回転可能に支持されている。第五プーリ１２４（２２４）は、先端アーム本体５２（７２）の基端側に固定されているピン５２ａ（７２ａ）に、回転可能に支持されている。第六プーリ１２５（２２５）は、駆動側ベベルギヤ１２１（２２１）の軸に固定されている。
【００４７】
第四駆動ベルト１２６（２２６）は、後述する第三駆動用モータ４３（４６）の出力軸と、第四プーリ１２３（２２３）とを懸架している。つまり、第四駆動ベルト１２６（２２６）は、第三駆動用モータ４３（４６）の駆動力を第四プーリ１２３（２２３）に伝達している。第五駆動ベルト１２７（２２７）は、第四プーリ１２３（２２３）と第五プーリ１２４（２２４）とを懸架している。つまり、第五駆動ベルト１２７（２２７）は、第四プーリ１２３（２２３）の回転力を第五プーリ１２４（２２４）に伝達している。第六駆動ベルト１２８（２２８）は、第五プーリ１２４（２２４）と第六プーリ１２５（２２５）とを懸架している。つまり、第六駆動ベルト１２８（２２８）は、第五プーリ１２４（２２４）の回転力を第六プーリ１２５（２２５）に伝達し、駆動側ベベルギヤ１２１（２２１）を回転駆動している。
【００４８】
第一駆動用モータ４１（４４）は、基部下側プレート１１に固定されている。この第一駆動用モータ４１（４４）には、例えば、ＤＣモータを適用している。さらに、第一駆動用モータ４１（４４）は、エンコーダを有している。そして、第一駆動用モータ４１（４４）の出力軸には、第一駆動ベルト１０２（２０２）が懸架されている。つまり、第一駆動用モータ４１（４４）は、第一駆動機構５４ａ（７４ａ）を介して、基部側アーム本体５１（７１）を基部１０に対して揺動する。
【００４９】
第二駆動用モータ４２（４５）は、基部上側第二プレート１３に固定されている。この第二駆動用モータ４２（４５）には、例えば、ＤＣモータを適用している。さらに、第二駆動用モータ４２（４５）は、エンコーダを有している。そして、第二駆動用モータ４２（４５）の出力軸には、第二駆動ベルト１１３（２１３）が懸架されている。つまり、第二駆動用モータ４２（４５）は、第二駆動機構５４ｂ（７４ｂ）を介して、先端アーム本体５２（７２）を、基部側アーム本体５１（７１）に対して揺動する。
【００５０】
第三駆動用モータ４３（４６）は、基部上側第一プレート１２に固定されている。この第三駆動用モータ４３（４６）には、例えば、ＤＣモータを適用している。さらに、第三駆動用モータ４３（４６）は、エンコーダを有している。そして、第三駆動用モータ４３（４６）の出力軸には、第四駆動ベルト１２６（２２６）が懸架されている。つまり、第三駆動用モータ４３（４６）は、第三駆動機構５４ｃ（７４ｃ）を介して、先端曲面部５３（７３）を、先端アーム本体５２（７２）に対してアーム軸周りに捻転する。
【００５１】
そして、制御装置２は、各駆動用モータ４１〜４６のエンコーダの出力値に基づいて、各駆動用モータ４１〜４６をそれぞれフィードバック制御する。つまり、制御装置２は、それぞれの先端曲面部５３（７３）の基部１０に対する位置を制御すると共に、先端曲面部５３（７３）の捻転角度を制御する。従って、制御装置２は、各駆動用モータ４１〜４６をそれぞれ制御することによって、物体の位置および姿勢を制御することになる。
【００５２】
図３のモデル図に示すように、基部側アーム本体５１（７１）は、第一駆動機構５４ａ（７４ａ）により基部１０に対して揺動し、先端アーム本体５２（７２）は、第二駆動機構５４ｂ（７４ｂ）により基部側アーム本体５１（７１）に対して揺動し、先端曲面部５３（７３）は、第三駆動機構５４ｃ（７４ｃ）により先端アーム本体５２（７２）に対して捻転する。
【００５３】
ここで、それぞれの先端曲面部５３，７３は、その先端表面における球面凸状のどの位置であっても物体を把持することができる。そして、第一アーム２０の先端曲面部５３のうち物体との接触位置をＰとし、第二アーム３０の先端曲面部７３のうち物体との接触位置をＱとする。
【００５４】
また、接触位置Ｐにおける、第一アーム２０の先端アーム本体５２のアーム軸に対する接触角度をφ１とする。ここで、接触角度φ１とは、接触位置Ｐの法線と、アーム軸とのなす角度である。従って、接触角度φ１が０°の場合は、接触位置Ｐがアーム軸上に位置している状態、先端曲面部５３の先端が物体に接触している状態である。また、接触角度φ１が９０°の場合には、先端曲面部５３の基端側が物体に接触している状態である。
【００５５】
また、接触位置Ｑにおける、第二アーム３０の先端アーム本体７２のアーム軸に対する接触角度をφ２とする。ここで、接触角度φ２とは、接触位置Ｑの法線と、アーム軸とのなす角度である。従って、接触角度φ２が０°の場合は、接触位置Ｑがアーム軸上に位置している状態、先端曲面部７３の先端が物体に接触している状態である。また、接触角度φ２が９０°の場合には、先端曲面部７３の基端側が物体に接触している状態である。
【００５６】
つまり、第一駆動機構５４ａおよび第二駆動機構５４ｂは、第一アーム２０の先端アーム本体５２の位置及び姿勢を変更することにより、第一アーム２０の先端曲面部５３における接触角度φ１を変更可能とするものである。第一駆動機構７４ａおよび第二駆動機構７４ｂは、第二アーム３０の先端アーム本体７２の位置及び姿勢を変更することにより、第二アーム３０の先端曲面部７３における接触角度φ２を変更可能とするものである。また、第三駆動機構５４ｃは、先端アーム本体５２，７２に対する先端曲面部５３，７３のアーム軸周りの捻転角度を変更可能とするものである。
【００５７】
（マニピュレータ１の動作）
次に、上述したマニピュレータ１が動作することにより、マニピュレータ１により把持する物体がどのように動作するかについて説明する。マニピュレータ１の動作は、上述したように、制御装置２によって制御されている。ここで、物体は、先端曲面部５３，７３を捻転させる場合には、先端曲面部５３，７３における接触角度φ１，φ２に応じた動作となる。つまり、接触角度φ１，φ２を変更することにより、マニピュレータ１により把持する物体の動作は、多数実現できる。以下に、それぞれの動作について説明する。
【００５８】
（第一動作）
まず、物体に第一動作をさせる場合における、マニピュレータ１の動作について、図４を参照して説明する。ここで、第一動作とは、Ｚ軸方向の移動である。また、この第一動作をさせる物体は、便宜上、直方体としている。そして、物体における直方体の対向する面を、それぞれの先端曲面部５３，７３により挟持している。
【００５９】
この場合、図４に示すように、一方の先端アーム本体５２のアーム軸と、他方の先端アーム本体７２のアーム軸とが、平行となるように、第一，第二駆動用モータ４１，４２，４４，４５を駆動する。ここでは、両アーム軸が、Ｙ軸に平行となるように、それぞれの第一関節角度および第二関節角度を制御している。ここで、第一関節角度とは、基部１０に対する基部側アーム本体５１，７１の揺動角度を意味し、第二関節角度とは、基部側アーム本体５１，７１に対する先端アーム本体５２，７２の揺動角度を意味する。また、捻転角度とは、先端アーム本体５２，７２に対する先端曲面部５３のアーム軸周りの角度を意味する。
【００６０】
このように、先端アーム本体５２，７２のアーム軸が平行になることで、先端曲面部５３，７３の捻転軸は、平行となる。つまり、この場合、第一アーム２０の先端曲面部５３における接触角度φ１（図３に示す）は、９０°であり、第二アーム３０の先端曲面部７３における接触角度φ２（図３に示す）は、９０°である。そして、この状態で、一方の先端曲面部５３の回転方向と他方の先端曲面部７３の回転方向が逆方向となるように、それぞれの第三駆動用モータ４３，４６を駆動する。その結果、物体は、Ｚ軸方向に移動する。
【００６１】
（第二動作）
次に、物体に第二動作をさせる場合における、マニピュレータ１の動作について、図５を参照して説明する。ここで、第二動作とは、Ｙ軸周りに回転する動作である。また、この第二動作をさせる物体は、便宜上、円柱状としている。そして、物体における円柱状の周面を、それぞれの先端曲面部５３，７３により挟持している。
【００６２】
この場合、図５に示すように、一方の先端アーム本体５２のアーム軸と、他方の先端アーム本体７２のアーム軸とが、Ｙ軸に平行となるように、第一，第二駆動用モータ４１，４２，４４，４５を駆動する。このように、先端アーム本体５２，７２のアーム軸がＹ軸に平行になることで、先端曲面部５３，７３の捻転軸は、Ｙ軸に平行となる。つまり、この場合、第一アーム２０の先端曲面部５３における接触角度φ１（図３に示す）は、９０°であり、第二アーム３０の先端曲面部７３における接触角度φ２（図３に示す）は、９０°である。
【００６３】
そして、この状態で、一方の先端曲面部５３の回転方向と他方の先端曲面部７３の回転方向が同じ方向となるように、それぞれの第三駆動用モータ４３，４６を駆動する。さらに、先端曲面部５３，７３の先端表面は、ゴムなどの弾性変形可能な材料に形成されている。従って、先端曲面部５３，７３と物体とは面接触している。その結果、物体は、Ｙ軸周りに回転する動作を行う。
【００６４】
（第三動作）
次に、物体に第三動作をさせる場合における、マニピュレータ１の動作について、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）を参照して説明する。ここで、第三動作は、Ｘ軸周りに回転する動作である。そして、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）は、何れも、物体に第三動作をさせる場合について示している。また、この第三動作をさせる物体は、便宜上、直方体としている。そして、物体における直方体の対向する面を、それぞれの先端曲面部５３，７３により挟持している。
【００６５】
図６（ａ）について説明する。図６（ａ）に示すように、一方の先端アーム本体５２のアーム軸と他方の先端アーム本体７２のアーム軸とが、Ｘ軸に平行であって、同軸上に位置するように、第一，第二駆動用モータ４１，４２，４４，４５を駆動する。この場合、先端曲面部５３，７３の捻転軸は、Ｘ軸に平行であって、同軸上に位置することになる。つまり、この場合、第一アーム２０の先端曲面部５３における接触角度φ１（図３に示す）は、０°であり、第二アーム３０の先端曲面部７３における接触角度φ２（図３に示す）は、０°である。そして、この状態で、一方の先端曲面部５３の回転方向と他方の先端曲面部７３の回転方向がＸ軸周りに同じ方向となるように、それぞれの第三駆動用モータ４３，４６を駆動する。その結果、物体は、Ｘ軸周りに回転する動作を行う。
【００６６】
図６（ｂ）について説明する。図６（ｂ）に示すように、第一アーム２０と第二アーム３０とは、Ｘ軸直交平面に対して対称的な形状となるように、第一関節角度および第二関節角度が決定されている。さらに、一方の先端アーム本体５２のアーム軸とＹ軸とのなす角度θ１が、０°＜θ１＜１８０°となるように位置決めされている。また、他方の先端アーム本体５２のアーム軸とＹ軸とのなす角度θ２は、角度θ１に一致するように位置決めされている。このとき、一方の先端アーム本体５２のアーム軸と他方の先端アーム本体７２のアーム軸とが交差するようにしている。
【００６７】
この場合、一方の先端曲面部５３のうち物体との接触位置（接触範囲の中心点）は、Ｐ１となる。他方の先端曲面部７３のうち物体との接触位置（接触範囲の中心点）は、Ｑ１となる。ここで、一方の先端曲面部５３が把持している物体の面において、一方の先端アーム本体５２のアーム軸上に位置する点は、Ａ１となる。また、他方の先端曲面部７３が把持している物体の面において、他方の先端アーム本体７２のアーム軸上に位置する点は、Ｂ１となる。そして、接触位置Ｐ１とアーム軸上点Ａ１との離間距離と、接触位置Ｑ１とアーム軸上点Ｂ１との離間距離とは、一致するようにしている。また、一方の接触位置Ｐ１と他方の接触位置Ｑ１とを結ぶ直線は、Ｘ軸に平行となる。従って、一方のアーム軸上点Ａ１と他方のアーム軸上点Ｂ１とを結ぶ直線も、Ｘ軸に平行となる。
【００６８】
この場合、第一アーム２０の先端曲面部５３における接触角度φ１（図３に示す）は、約４５°であり、第二アーム３０の先端曲面部７３における接触角度φ２（図３に示す）は、４５°である。この状態で、一方の先端曲面部５３の回転方向と他方の先端曲面部７３の回転方向がＸ軸直交平面に対して対称となる回転方向となるように、それぞれの第三駆動用モータ４３，４６を駆動する。そうすると、それぞれの先端曲面部５３，７３における接触位置Ｐ１，Ｑ１が、それぞれのアーム軸周りに回転する。その結果、物体は、一方のアーム軸上点Ａ１と他方のアーム軸上点Ｂ１とを結ぶ直線軸周りに回転する動作を行う。このとき、それぞれの先端曲面部５３，７３と物体とが相対的に転がり運動するように動作している。つまり、物体は、Ｘ軸周りに回転する。
【００６９】
図６（ｃ）について説明する。図６（ｃ）に示すように、第一アーム２０と第二アーム３０とは、Ｘ軸直交平面に対して非対称的な形状となるように、第一関節角度および第二関節角度が決定されている。さらに、一方の先端アーム本体５２のアーム軸とＹ軸とのなす角度θ３が、０°≦θ３＜１８０°となるように位置決めされている。これに対して、他方の先端アーム本体５２のアーム軸とＹ軸とのなす角度θ４（図示せず）は、０°≦θ４＜１８０°であって、角度θ３と異なるように位置決めされている。ただし、一方の先端アーム本体５２のアーム軸と他方の先端アーム本体７２のアーム軸とが交差するようにしている。なお、図６（ｃ）においては、角度θ４を０°としているため、図示していない。
【００７０】
この場合、一方の先端曲面部５３のうち物体との接触位置は、Ｐ２となる。他方の先端曲面部７３のうち物体との接触位置は、Ｑ２となる。ここで、一方の先端曲面部５３が把持している物体の面において、一方の先端アーム本体５２のアーム軸上に位置する点は、Ａ２となる。また、他方の先端曲面部７３が把持している物体の面において、他方の先端アーム本体７２のアーム軸上に位置する点は、Ｂ２となる。そして、接触位置Ｐ２とアーム軸上点Ａ２との離間距離は、接触位置Ｑ２とアーム軸上点Ｂ２との離間距離と異なるようにしている。また、一方のアーム軸上点Ａ２と他方のアーム軸上点Ｂ２とを結ぶ直線が、Ｘ軸に平行となるようにしている。つまり、一方の接触位置Ｐ２と他方の接触位置Ｑ２とを結ぶ直線は、Ｘ軸に平行とはならない。
【００７１】
この場合、第一アーム２０の先端曲面部５３における接触角度φ１（図３に示す）は、約４５°であり、第二アーム３０の先端曲面部７３における接触角度φ２（図３に示す）は、ほぼ０°である。この状態で、それぞれの第三駆動用モータ４３，４６を駆動する。このとき、一方の第三駆動用モータ４３による駆動トルクと、他方の第三駆動用モータ４６による駆動トルクとは、異なるようにしている。
【００７２】
ここで、第三駆動用モータ４３，４６が常に一定の駆動トルクを出力している場合には、先端曲面部５３，７３の回転力が物体に伝達する力（発生トルク）は、接触角度φ１，φ２に応じて異なる。例えば、第三駆動用モータ４３，４６が常に一定の駆動トルクを出力している場合には、接触角度φ１，φ２が０°の場合が最も発生トルクが大きくなり、接触角度φ１，φ２が大きくなるにつれて発生トルクが小さくなる。そして、上述したように、図６（ｃ）の状態では、一方の接触角度φ１と他方の接触角度φ２が異なる。そこで、Ｘ軸周りの発生トルクが同一となるように、それぞれの第三駆動用モータ４３，４６の駆動トルクを異なるように制御する。
【００７３】
そうすると、それぞれの先端曲面部５３，７３における接触位置Ｐ２，Ｑ２が、それぞれのアーム軸周りに回転すると共に、それぞれの先端曲面部５３，７３によるＸ軸周りの発生トルクも同一となる。このとき、少なくとも先端曲面部５３と物体とが相対的に転がり運動するように動作している。その結果、物体は、一方のアーム軸上点Ａ２と他方のアーム軸上点Ｂ２とを結ぶ直線軸周りに回転する動作を行う。つまり、物体は、Ｘ軸周りに回転する。
【００７４】
（第四動作）
次に、物体に第四動作をさせる場合における、マニピュレータ１の動作について、図７を参照して説明する。ここで、第四動作とは、Ｘ軸周りに回転しながら、同時にＺ軸周りに回転する動作である。また、この第四動作をさせる物体は、便宜上、直方体としている。そして、物体における直方体の対向する面を、それぞれの先端曲面部５３，７３により挟持している。
【００７５】
第四動作は、上述した第三動作（Ｘ軸周りの回転）を行いながら、Ｚ軸周りに回転する動作を行うものである。ここで、本実施形態のマニピュレータ１は、基部側アーム本体５１，７１および先端アーム本体５２，７２の位置を制御することにより、物体をＺ軸周りに回転させることができる。また、第三動作において、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）にて示したように、各アーム２０，３０がどのような位置にある場合であっても、物体をＸ軸周りに回転させることができることを説明した。つまり、両者を同時に制御することで、第四動作を実現することができる。以下に、図７を参照して説明する。
【００７６】
まず、図７（ａ）に示すように、基部側アーム本体５１，７１および先端アーム本体５２，７２を位置決めする。そして、それぞれの先端曲面部５３，７３を捻転させる。この状態は、第三動作を説明する図６（ｂ）にて説明した状態に一致する。つまり、接触角度φ１，φ２（図３に示す）を変更しながら、先端曲面部５３，７３と物体とが相対的に転がり運動するように動作する。
【００７７】
続いて、図７（ｂ）に示すように、先端曲面部５３，７３の位置が、Ｚ軸周りに回転するように、基部側アーム本体５１，７１および先端アーム本体５２，７２を移動させる。そして、図７（ｂ）に示す状態は、第三動作を説明する図６（ｃ）にて説明した状態に一致する。そして、図７（ａ）から図７（ｂ）の状態に移行する間において、物体におけるそれぞれのアーム軸上点（図６（ｃ）における点Ａ２，Ｂ２）がＸ軸に平行な状態を維持するように、一方の先端曲面部５３と物体との接触位置および他方の先端曲面部７３と物体との接触位置が、徐々に変化する。
【００７８】
続いて、図７（ｃ）に示すように、先端曲面部５３，７３の位置が、Ｚ軸周りに回転するように、基部側アーム本体５１，７１および先端アーム本体５２，７２を移動させる。続いて、図７（ｄ）に示すように、先端曲面部５３，７３の位置が、Ｚ軸周りに回転するように、基部側アーム本体５１，７１および先端アーム本体５２，７２を移動させる。この図７（ｄ）の状態は、図７（ｂ）のＸ軸直交平面に対称的な状態となる。そして、図７（ａ）に戻る。このように、物体を、Ｘ軸周りに回転させながら、同時にＺ軸周りに回転させることができる。
【００７９】
（効果）
以上説明したように、本実施形態のマニピュレータ装置によれば、把持する物体の姿勢を制御する際に、先端曲面部５３，７３の凸曲面形状を有効に利用している。具体的には、先端曲面部５３，７３のうち物体との接触位置Ｐ，Ｑにおけるアーム軸に対する接触角度φ１，φ２を変更することに加えて、先端曲面部５３，７３のアーム軸周りの捻転角度を変更している。この動作により、接触角度φ１，φ２に応じた物体の姿勢の変更を行うことができる。つまり、物体の姿勢制御の自由度が従来に比べて高くなる。
【００８０】
ここで、物体の形状や把持する位置によって、物体が安定した姿勢は異なる。本実施形態のマニピュレータ装置によれば、物体を把持する際において、物体と接触する位置は先端曲面部５３，７３である。そのため、物体を把持する際に、先端曲面部５３，７３のうち物体との接触位置Ｐ，Ｑは、物体が安定した姿勢となるように、変化していく。つまり、先端曲面部５３，７３によって物体を把持するため、物体の形状や把持する位置に関わりなく、安定して物体を把持することができる。
【００８１】
＜第二実施形態＞
第二実施形態のマニピュレータ装置について説明する。本実施形態のマニピュレータ装置は、先端曲面部５３，７３の先端表面に力センサを設けている。この力センサは、先端曲面部５３，７３が物体に接触することにより生じる力を検出する。そして、制御装置２が、この力センサにより検出する力に基づいて、各駆動用モータ４１〜４６を制御する。これにより、第一，第二アーム２０，３０の位置および姿勢の制御をより高精度に行うことができ、所望の物体の位置および姿勢とすることができる。なお、力センサの位置は、例えば、従動側ベベルギヤ１２２，２２２に設け、従動側ベベルギヤ１２２，２２２に係る力を検出することもできる。
【００８２】
＜第三実施形態＞
第三実施形態のマニピュレータ装置について説明する。第一実施形態においては、先端曲面部５３，７３は、それぞれ第三駆動用モータ４３，４６により捻転角度を変更可能とした。つまり、第一実施形態においては、制御装置２により、先端曲面部５３，７３の捻転角度を制御することとした。
【００８３】
この他に、一方の先端曲面部７３の回転を駆動するための第三駆動機構７４ｃをなくすようにすることもできる。つまり、第一アーム２０の先端曲面部５３は、第三駆動用モータ４３により捻転角度を制御することができるが、第二アーム３０の先端曲面部７３は、捻転角度を制御できない。つまり、物体の位置および姿勢の変更は、第一駆動用モータ４１，４４、第二駆動用モータ４２，４５および第三駆動用モータ４３により行われる。この場合、第二アーム３０の先端曲面部７３は、物体の位置または姿勢の変更に伴って、従動捻転する。この場合、駆動手段が少なくなる。その結果、低コスト化を図りつつ、物体の位置および姿勢の変更が可能となる。ただし、第一実施形態に比べると、物体の位置および姿勢の変更の自由度は低くなる。
【００８４】
＜第四実施形態＞
第四実施形態のマニピュレータ装置について図８を参照して説明する。第一実施形態においては、２つのアーム２０，３０を有する構成とした。本実施形態のマニピュレータ装置は、図８に示すように、３つのアームを有する構成とする。３つのアームのうち、２つのアームの構成は、第一実施形態のアームと同様の構成からなる。残りの１つのアームは、先端曲面部の駆動機構がない構成とする。つまり、当該残りの１つのアームの先端曲面部は、捻転角度の制御ができず、従動捻転する。
【００８５】
つまり、３つのアームの場合には、２つのアームにおける先端曲面部の捻転角度を制御することができ、残りの１つのアームにおける先端曲面部は、従動捻転することになる。これにより、十分に、複雑な動きが可能となる。また、少なくとも１つの先端曲面部を従動捻転させることで、安定した物体の位置および姿勢を制御できる。
【符号の説明】
【００８６】
１：マニピュレータ、 ２：制御装置
１０：基部、 １１：基部下側プレート、 １２：基部上側第一プレート
１３：基部上側第二プレート
２０：第一アーム、 ３０：第二アーム
４１，４４：第一駆動用モータ、 ４２，４５：第二駆動用モータ
４３，４６：第三駆動用モータ
５１，７１：基部側アーム本体、 ５１ａ：ピン
５２，７２：先端アーム本体、 ５２ａ：ピン
５３，７３：先端曲面部
５４：駆動機構、 ５４ａ，７４ａ：第一駆動機構（第一駆動手段）
５４ｂ，７４ｂ：第二駆動機構（第一駆動手段）
５４ｃ，７４ｃ：第三駆動機構（第二駆動手段）
１０１：第一プーリ、 １０２：第一駆動ベルト
１１１：第二プーリ、 １１２：第三プーリ、 １１３：第二駆動ベルト
１１４：第三駆動ベルト
１２１：駆動側ベベルギヤ、 １２２：従動側ベベルギヤ、 １２３：第四プーリ
１２４：第五プーリ、 １２５：第六プーリ、 １２６：第四駆動ベルト
１２７：第五駆動ベルト、 １２８：第六駆動ベルト
Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２：アーム軸上点
Ｐ，Ｐ１，Ｐ２，Ｑ，Ｑ１，Ｑ２：接触位置
φ１，φ２：接触角度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、前記基部に連結され先端にて物体を把持可能な複数の先端アームと、前記基部に対する前記先端アームの位置および姿勢を変更する駆動手段と、前記駆動手段を制御することにより前記物体の位置および姿勢を制御する制御手段と、を備えるマニピュレータ装置であって、
各前記先端アームは、
前記基部に対して少なくとも１自由度を有するように連結された先端アーム本体と、
前記先端アーム本体に対して前記先端アーム本体の基端側から先端側に向かう先端アーム軸を中心に捻転可能となるように前記先端アーム本体の先端に設けられ、前記物体に当接可能な先端表面が凸曲面状に形成されている先端曲面部と、
を備え、
前記駆動手段は、
複数の前記先端アームのそれぞれにおいて、前記先端アーム本体の前記基部に対する位置および姿勢の少なくとも一つを変更することにより、前記先端曲面部のうち前記物体との接触位置における前記先端アーム軸に対する接触角度を変更可能な第一駆動手段と、
複数の前記先端アームの少なくとも一つにおいて、前記先端アーム本体に対する前記先端曲面部の前記先端アーム軸周りの捻転角度を変更可能な第二駆動手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記先端曲面部のうち前記物体との接触位置における前記先端アーム軸に対する接触角度を変更しながら、前記先端曲面部を前記物体に対して相対的に転がり運動するように、前記第一駆動手段および前記第二駆動手段を制御することにより、前記接触角度に応じた前記物体の姿勢に制御することを特徴とするマニピュレータ装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記制御手段は、第一の前記先端アームの前記先端曲面部の前記接触位置と第二の前記先端アームの前記先端曲面部の前記接触位置とを結ぶ軸方向が目的の方向に一致するように、前記第一駆動手段により前記先端アーム本体の前記基部に対する位置および姿勢の少なくとも一つを制御することを特徴とするマニピュレータ装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記先端曲面部の表面は、弾性変形可能であることを特徴とするマニピュレータ装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項において、
前記先端曲面部は、球面凸状に形成されていることを特徴とするマニピュレータ装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項において、
前記制御手段は、前記先端曲面部のうち前記物体との接触位置における前記先端アーム軸に対する接触角度に応じて、前記先端曲面部の前記先端アーム本体に対する駆動トルクを制御することを特徴とするマニピュレータ装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項において、
前記マニピュレータ装置は、前記先端アームに設けられ、前記先端曲面部が前記物体に対して接触することにより生じる力を検出するセンサをさらに備え、
前記制御手段は、前記センサにより検出される前記力に基づいて、前記第二駆動手段を制御することを特徴とするマニピュレータ装置。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項において、
前記第二駆動手段は、複数の前記先端アームのそれぞれにおいて、前記先端アーム本体に対する前記先端曲面部の前記先端アーム軸周りの捻転角度を変更可能であることを特徴とするマニピュレータ装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記先端アーム本体は、前記基部に対して少なくとも２自由度を有するように連結されていることを特徴とするマニピュレータ装置。
【請求項９】
請求項１〜６の何れか一項において、
前記第二駆動手段は、複数の前記先端アームの何れかにおいて、前記先端アーム本体に対する前記先端曲面部の前記先端アーム軸周りの捻転角度を変更可能であり、
複数の前記先端アームの残りにおける前記先端曲面部は、前記物体の相対移動に伴って前記先端アーム本体に対する前記先端アーム軸周りに従動捻転することを特徴とするマニピュレータ装置。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れか一項において、
前記先端アームは、３つ以上であり、
前記第二駆動手段は、少なくとも２つの前記先端アームのそれぞれにおいて、前記先端アーム本体に対する前記先端曲面部の前記先端アーム軸周りの捻転角度を変更可能であり、
複数の前記先端アームの残りにおける前記先端曲面部は、前記物体の相対移動に伴って前記先端アーム本体に対する前記先端アーム軸周りに従動捻転することを特徴とするマニピュレータ装置。
【請求項１１】
基部と、前記基部に連結され先端にて物体を把持可能な複数の先端アームと、を備えるマニピュレータの制御方法であって、
各前記先端アームは、
前記基部に対して少なくとも１自由度を有するように連結された先端アーム本体と、
前記先端アーム本体に対して前記先端アーム本体の基端側から先端側に向かう先端アーム軸を中心に捻転可能となるように前記先端アーム本体の先端に設けられ、前記物体に当接可能な先端表面が凸曲面状に形成されている先端曲面部と、
を備え、
前記制御方法は、
複数の前記先端アームのそれぞれにおいて、前記先端アーム本体の前記基部に対する位置および姿勢の少なくとも一つを変更することにより、前記先端曲面部のうち前記物体との接触位置における前記先端アーム軸に対する接触角度を変更させながら、前記先端曲面部を前記物体に対して相対的に転がり運動するように、制御することにより、
前記接触角度に応じた前記物体の姿勢に制御することを特徴とするマニピュレータの制御方法。
【請求項１】
基部と、前記基部に連結され先端にて物体を把持可能な複数の先端アームと、前記基部に対する前記先端アームの位置および姿勢を変更する駆動手段と、前記駆動手段を制御することにより前記物体の位置および姿勢を制御する制御手段と、を備えるマニピュレータ装置であって、
各前記先端アームは、
前記基部に対して少なくとも１自由度を有するように連結された先端アーム本体と、
前記先端アーム本体に対して前記先端アーム本体の基端側から先端側に向かう先端アーム軸を中心に捻転可能となるように前記先端アーム本体の先端に設けられ、前記物体に当接可能な先端表面が凸曲面状に形成されている先端曲面部と、
を備え、
前記駆動手段は、
複数の前記先端アームのそれぞれにおいて、前記先端アーム本体の前記基部に対する位置および姿勢の少なくとも一つを変更することにより、前記先端曲面部のうち前記物体との接触位置における前記先端アーム軸に対する接触角度を変更可能な第一駆動手段と、
複数の前記先端アームの少なくとも一つにおいて、前記先端アーム本体に対する前記先端曲面部の前記先端アーム軸周りの捻転角度を変更可能な第二駆動手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記先端曲面部のうち前記物体との接触位置における前記先端アーム軸に対する接触角度を変更しながら、前記先端曲面部を前記物体に対して相対的に転がり運動するように、前記第一駆動手段および前記第二駆動手段を制御することにより、前記接触角度に応じた前記物体の姿勢に制御することを特徴とするマニピュレータ装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記制御手段は、第一の前記先端アームの前記先端曲面部の前記接触位置と第二の前記先端アームの前記先端曲面部の前記接触位置とを結ぶ軸方向が目的の方向に一致するように、前記第一駆動手段により前記先端アーム本体の前記基部に対する位置および姿勢の少なくとも一つを制御することを特徴とするマニピュレータ装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記先端曲面部の表面は、弾性変形可能であることを特徴とするマニピュレータ装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項において、
前記先端曲面部は、球面凸状に形成されていることを特徴とするマニピュレータ装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項において、
前記制御手段は、前記先端曲面部のうち前記物体との接触位置における前記先端アーム軸に対する接触角度に応じて、前記先端曲面部の前記先端アーム本体に対する駆動トルクを制御することを特徴とするマニピュレータ装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項において、
前記マニピュレータ装置は、前記先端アームに設けられ、前記先端曲面部が前記物体に対して接触することにより生じる力を検出するセンサをさらに備え、
前記制御手段は、前記センサにより検出される前記力に基づいて、前記第二駆動手段を制御することを特徴とするマニピュレータ装置。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項において、
前記第二駆動手段は、複数の前記先端アームのそれぞれにおいて、前記先端アーム本体に対する前記先端曲面部の前記先端アーム軸周りの捻転角度を変更可能であることを特徴とするマニピュレータ装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記先端アーム本体は、前記基部に対して少なくとも２自由度を有するように連結されていることを特徴とするマニピュレータ装置。
【請求項９】
請求項１〜６の何れか一項において、
前記第二駆動手段は、複数の前記先端アームの何れかにおいて、前記先端アーム本体に対する前記先端曲面部の前記先端アーム軸周りの捻転角度を変更可能であり、
複数の前記先端アームの残りにおける前記先端曲面部は、前記物体の相対移動に伴って前記先端アーム本体に対する前記先端アーム軸周りに従動捻転することを特徴とするマニピュレータ装置。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れか一項において、
前記先端アームは、３つ以上であり、
前記第二駆動手段は、少なくとも２つの前記先端アームのそれぞれにおいて、前記先端アーム本体に対する前記先端曲面部の前記先端アーム軸周りの捻転角度を変更可能であり、
複数の前記先端アームの残りにおける前記先端曲面部は、前記物体の相対移動に伴って前記先端アーム本体に対する前記先端アーム軸周りに従動捻転することを特徴とするマニピュレータ装置。
【請求項１１】
基部と、前記基部に連結され先端にて物体を把持可能な複数の先端アームと、を備えるマニピュレータの制御方法であって、
各前記先端アームは、
前記基部に対して少なくとも１自由度を有するように連結された先端アーム本体と、
前記先端アーム本体に対して前記先端アーム本体の基端側から先端側に向かう先端アーム軸を中心に捻転可能となるように前記先端アーム本体の先端に設けられ、前記物体に当接可能な先端表面が凸曲面状に形成されている先端曲面部と、
を備え、
前記制御方法は、
複数の前記先端アームのそれぞれにおいて、前記先端アーム本体の前記基部に対する位置および姿勢の少なくとも一つを変更することにより、前記先端曲面部のうち前記物体との接触位置における前記先端アーム軸に対する接触角度を変更させながら、前記先端曲面部を前記物体に対して相対的に転がり運動するように、制御することにより、
前記接触角度に応じた前記物体の姿勢に制御することを特徴とするマニピュレータの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−６２７８８（Ｐ２０１１−６２７８８Ａ）
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１６９９３（Ｐ２００９−２１６９９３）
【出願日】平成２１年９月１８日（２００９．９．１８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００９年５月２４日 社団法人日本機械学会発行、「ロボティクス・メカトロニクス講演会２００９ 講演論文集 Ｎｏ．０９−４」（ＤＶＤ−ＲＯＭ）、講演概要目次番号：２Ａ２−Ａ１４
【出願人】（０００２１９６０２）東海ゴム工業株式会社 (1,983)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１８日（２００９．９．１８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００９年５月２４日 社団法人日本機械学会発行、「ロボティクス・メカトロニクス講演会２００９ 講演論文集 Ｎｏ．０９−４」（ＤＶＤ−ＲＯＭ）、講演概要目次番号：２Ａ２−Ａ１４
【出願人】（０００２１９６０２）東海ゴム工業株式会社 (1,983)
【Ｆターム（参考）】
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