把持機構
【課題】 弾性減衰要素による把持力によって対象物を把持する把持機構およびその制御装置を提供する。
【解決手段】 実施形態によれば、第１の把持部と第２の把持部により物体を把持する把持機構が提供される。前記第１の把持部と前記第２の把持部のいずれか一方は、固定部材と、前記固定部材に回動可能に接続される基端部材と、前記基端部材に接続され、弾性減衰要素により伸縮する受動直動リンク部材と、前記弾性減衰要素を１軸方向に直線移動させる１軸直動機構と、を具備する。該把持機構は、前記直線移動により前記弾性減衰要素が生ずる力を受けて前記基端部材が回動することにより前記物体を把持する。
【解決手段】 実施形態によれば、第１の把持部と第２の把持部により物体を把持する把持機構が提供される。前記第１の把持部と前記第２の把持部のいずれか一方は、固定部材と、前記固定部材に回動可能に接続される基端部材と、前記基端部材に接続され、弾性減衰要素により伸縮する受動直動リンク部材と、前記弾性減衰要素を１軸方向に直線移動させる１軸直動機構と、を具備する。該把持機構は、前記直線移動により前記弾性減衰要素が生ずる力を受けて前記基端部材が回動することにより前記物体を把持する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、把持機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
把持機構は、自動生産ラインでの把持装置、ロボットエンドエフェクタ、工作機械、産業用ロボット、サービスロボット（ハンド）等に設けられ、ワーク等の対象物を例えば持ち上げたり搬送したりする際にこれを把持する機構である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３５３２９号公報
【特許文献２】特開２００９−２３３７９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
弾性減衰要素による把持力によって対象物を把持する把持機構の提供が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態によれば、第１の把持部と第２の把持部により物体を把持する把持機構が提供される。前記第１の把持部と前記第２の把持部のいずれか一方は、固定部材と、前記固定部材に回動可能に接続される基端部材と、前記基端部材に接続され、弾性減衰要素により伸縮する受動直動リンク部材と、前記弾性減衰要素を１軸方向に直線移動させる１軸直動機構と、を具備する。該把持機構は、前記直線移動により前記弾性減衰要素が生ずる力を受けて前記基端部材が回動することにより前記物体を把持する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係る把持機構と制御装置を含む全体構成の概略図
【図２】把持機構の正面図
【図３】把持機構の機能的構成要素のブロック図
【図４】各動作モードの指令情報と判定部出力の一覧を示す図
【図５】把持機構の動作シーケンスを模式的に示す図
【図６】把持機構の動作シーケンスを示す図
【図７】把持機構が対象物を把持した状態を示す図
【図８】無負荷状態での弾性減衰要素の伸縮量データを取得する動作手順を示すフローチャート
【図９】接触検知の動作手順を示すフローチャート
【図１０】弾性減衰要素の伸縮量に関するセンサ出力値の推移を示すグラフ
【図１１】把持力推定の動作手順を示すフローチャート
【図１２】把持姿勢推定の動作手順を示すフローチャート
【図１３】第２の実施形態に係る把持機構の側面図
【図１４】第２の実施形態に係る弾性減衰要素の伸縮量に関するセンサ出力値の推移を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【０００７】
（第１の実施形態）
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。本実施形態は、対象物を把持する把持機構、および把持機構の制御装置に関する。把持対象物の固定状況および質量は既知であるものとする。
【０００８】
図１は第１の実施形態に係る把持機構と制御装置を含む全体構成の概略図、図２は把持機構の正面図、図３は把持機構の機能的構成要素のブロック図である。
【０００９】
図１に示すように、第１の把持部１１２は、固定部材１１２ａと、基端部材１１２ｂ、中間部材１１２ｃ、先端部材１１２ｄの３つの可動部材とを有する。第１の把持部１１２は、これら３つの可動部材により形成される１本の指に相当する。第２の把持部１１４は、第１の把持部１１２に対向するように設けられる別の指に相当する。第１の把持部１１２と第２の把持部１１４とによって対象物を把持する。このために上記可動部材およびこれを駆動する機構については、第１の把持部１１２と第２の把持部１１４の両者に設けてもよいし、第１の把持部１１２のみに設けても良い。図１は、第１の把持部１１２と第２の把持部１１４の両者が同一で可動の把持機構を有する構成に相当する。制御装置１２０からのモータ駆動指示により第１の把持部１１２と第２の把持部１１４はモータ駆動される。なお、図１においては第１の把持部１１２からのセンサ信号のみが制御装置１２０に供給されるように示されているが、同様の信号が第２の把持部１１４から制御装置１２０に供給される。あるいは、第２の把持部１１４からセンサ信号を出力しない構成としてもよい。この場合、第２の把持部１１４について、対象物との接触検知、把持力推定は行えない。
【００１０】
対向して配置される２つの把持部のうち、一方の把持部のみを可動の把持機構とした場合、他方の把持部は必ずしも図１のような指の形状でなくても良く、可動の把持部とともに対象物を把持できるように例えば壁面のような形状としてもよい。以下の説明では、第１の把持部１１２と第２の把持部１１４を総称して「把持部１１２」と称する。
【００１１】
固定部材１１２ａと基端部材１１２ｂは、固定ヒンジ部１１２ｇを介して回動可能に接続される。基端部材１１２ｂと中間部材１１２ｃは、第１ヒンジ部１１２ｈを介して回動可能に接続される。中間部材１１２ｃと先端部材１１２ｄは、第２ヒンジ部１１２ｉを介して回動可能に接続される。固定部材１１２ａは、固定ヒンジ部１１２ｇと同軸以外の位置に第４ヒンジ部１１２ｋを有する。基端部材１１２ｂは、中間部材１１２ｃ側の端部において第１ヒンジ部１１２ｈと同軸以外の位置に、第５ヒンジ部１１２ｌを有する。中間部材１１２ｃは、基端部材１１２ｂ側の端部において第１ヒンジ部１１２ｈと同軸以外の位置に、第６ヒンジ部１１２ｍを有する。先端部材１１２ｄは、中間部材１１２ｃ側の端部において第２ヒンジ部１１２ｉと同軸以外の位置に、第７ヒンジ部１１２ｎを有する。
【００１２】
また把持部１１２は、基端部材１１２ｂ、中間部材１１２ｃ、先端部材１１２ｄの３つの可動部材が連動して回動動作するように、第４ヒンジ部１１２ｋと第６ヒンジ部１１２ｍとを連結する第１リンク部材１１２ｅと、第５ヒンジ部１１２ｌと第７ヒンジ部１１２ｎとを連結する第２リンク部材１１２ｆとを備える。
【００１３】
また把持部１１２は、１軸直動機構１１３を有する。１軸直動機構１１３は、モータ（駆動手段）２０３に連結されたねじ軸１１３ａと、ロット１１１を有する。なお、図１にはモータ２０３は図示していない。ロット１１１は、モータ２０３によってねじ軸１１３ａが回転することにより直進運動する可動部である。ロット１１１は、第３ヒンジ部１１２ｊを有する。第３ヒンジ部１１２ｊは、弾性減衰要素を有する受動直動リンク部材１１０を介して第１ヒンジ部１１２ｈに連結される。
【００１４】
受動直動リンク部材１１０は、無負荷状態で伸びきった状態から負荷を与えて縮めると、元の状態に戻ろうとするような弾性部を有する。このような受動直動リンク部材１１０として、ガススプリングを用いてもよい。以下の説明では、受動直動リンク部材１１０のことを「ガススプリング１１０」と表記する。
【００１５】
第１の実施形態では、水平に配置される把持部１１２と、１軸直動機構１１３とが平行に配置される（水平配置）。具体的には、把持部１１２の固定部材１１２ａの長手方向と、１軸直動機構１１３のねじ軸１１３ａの長手方向とが平行となるような配置関係としている。この場合、ロット１１１の位置に対するガススプリング１１０の伸縮量の変化をグラフに示すと、固定ヒンジ部１１２ｇに最も接近した地点を頂点とする２次曲線となる。この点については図１０を参照して後述する。
【００１６】
図２から分かるように、基端部材１１２ｂは、対向配置された一対のプレートで構成される。各プレートの下端（固定部材側の端部）は、それぞれ固定ヒンジ部１１２ｇを介して固定部材１１２ａに連結される。基端部材１１２ｂのプレート間隔ｗ１は、固定部材１１２ａのプレート間隔ｗ２より広い。基端部材１１２ｂの各プレート上端（先端部材側の端部）は、それぞれ第１ヒンジ部１１２ｈを介して中間部材１１２ｃと連結される。基端部材１１２ｂのプレート間隔ｗ１は、中間部材１１２ｃの幅ｗ３より広い。ガススプリング１１０の一端は、第１ヒンジ部１１２ｈによって軸支される。ガススプリング１１０は、１軸直動機構１１３のロット１１１が直線移動すると、第１ヒンジ部１１２ｈを中心に回転する。ガススプリング１１０との機械的接触を防ぐために、固定部材１１２ａは開口した概略「コ」の字状をなしている。
【００１７】
第１リンク部材１１２ｅは、その一端が中間部材１１２ｃに回動可能に接続され、もう一端が固定部材１１２ａに回動可能に接続されている。第２リンク部材１１２ｆは、一端が基端部材１１２ｂに回動可能に接続され、もう一端が先端部材１１２ｄに回動可能に接続されている。これら第１リンク部材１１２ｅおよび第２リンク部材１１２ｆによれば、ガススプリング１１０からの押圧力が中間部材１１２ｃと先端部材１１２ｄとに伝達される。
【００１８】
基端部材１１２ｂは、固定部材１１２ａのメカストッパー１１５に接触すると、その動きが制止される。メカストッパー１１５は、後に説明する図５、図６に示した。
【００１９】
中間部材１１２ｃは、その下端が第１ヒンジ部１１２ｈを介して基端部材１１２ｂに連結される。また中間部材１１２ｃは、第１ヒンジ部１１２ｈと同軸以外の位置に、第１リンク部材１１２ｅと連結される回動可能な連結部を有する（第６ヒンジ部１１２ｍ）。中間部材１１２ｃの上端は、第２ヒンジ部１１２ｉを介して先端部材１１２ｄに連結される。
【００２０】
先端部材１１２ｄは、下側に向けて開口した断面が「コ」の字状をなしており、第２ヒンジ部１１２ｉを介して中間部材１１２ｃと連結され、第２ヒンジ部１１２ｉと同軸以外の位置に第２リンク部材１１２ｆと連結される回動可能な連結部を有する（第７ヒンジ部１１２ｍ）。
【００２１】
図３に示すように、駆動装置２０２によって駆動されるアーム２０１が接続され、アーム２０１には固定部材１１２ａが接続され、固定部材１１２ａには把持部１１２が回動可能に接続される。１軸直動機構１１３は、モータ２０３によって駆動される。モータ２０３の回転量はモータエンコーダ２０４によって読み取られ、モータ駆動サーボ制御部１０４に送られる。モータ駆動サーボ制御部１０４は、駆動装置２０２からの指示に従い、モータドライバ２０５を通じてモータ２０３を制御する。１軸直動機構１１３は、ガススプリング１１０を介して把持部１１２に接続される。１軸直動機構１１３および把持部１１２との位置関係に応じて変化するガススプリング１１０の伸縮量が、伸縮量検出センサ２０７によって検出される。また、１軸直動機構１１３が駆動された際の可動部分（ロット１１１）の移動量が、移動量検出センサ２０６によって検出される。
【００２２】
次に、図１に示した制御装置１２０について説明する。
【００２３】
図１に示したように、把持部１１２には制御装置１２０が接続される。制御装置１２０は、把持部１１２による接触検知、把持力推定、ならびに把持姿勢推定を行う。図３に示したように、１軸直動機構１１３は移動量検出センサ２０６を備えており、ガススプリング１１０は伸縮量検出センサ２０７を備えている。これらセンサ２０６，２０７によって検出されたセンサ信号（例えば電圧値）は、アンプ等の信号処理回路部１０５を介して制御装置１２０に取り込まれる。移動量検出センサ２０６としては、例えば、ポテンショメータ、静電容量型センサ、レーザ変位計測計やエンコーダなどを用いることができる。伸縮量検出センサ２０７としては、例えば、ポテンショメータ、レーザ変位計測計、パルスコーダなどを用いることができる。
【００２４】
以下、作業命令１０１に応じて制御装置１２０が把持部１１２による把持動作を制御する一連の動作を説明する。
【００２５】
まず、把持機構の一連の動作に関する作業命令１０１が動作コマンド生成部１０２に入力される。作業命令１０１はプログラムの形態であってもよい。パネル表示された作業命令１０１を制御装置１２０に対して人が入力したり、音声で指示しても良い。作業命令１０１を入力するための入力装置は、把持部１１２や制御装置１２０と一体型であってもよく、有線あるいは無線で把持部１１２や制御装置１２０と通信可能なものとして良い。
【００２６】
動作コマンド生成部１０２は、入力された作業命令１０１を各作業プロセスで必要となる動作手順に分解し、該動作手順を、モータ２０３に対する動作コマンドレベルの命令列に展開する。目標指令値生成部１０３は、生成された各動作コマンドに応じて、モータ２０３に対する各目標軌道および目標値を算出し、１軸直動機構１１３の駆動に関する目標指令値を出力する。モータ駆動サーボ制御部１０４は、目標指令値生成部１０３からの目標指令値に従って、モータが作業に応じた動作を実行するように該モータを制御する。
【００２７】
判定部１０６は、移動量検出センサ２０６および伸縮量検出センサ２０７からのセンサ信号に基づいて、把持部１１２の対象物への接触を検知する。また判定部１０６は、把持部１１２が対象物を把持している際の把持力を推定したり、対象物を把持している姿勢を推定するなどの各種判定処理を行う。判定部１０６によるこのような判定処理は、非接触状態でのロット１１１の各位置Ｌｉにおけるガススプリング１１０の伸縮量データの差分変化量を求めるなどの演算処理によって行う。
【００２８】
動作コマンド生成部１０２は、順次に出力され実行される動作コマンドに応じた動作モード情報を、実行作業の情報と共に動作モード情報部１０７に送る。動作モード情報部１０７には、様々な作業命令に対してそれに含まれる動作モード毎に定義されたロット１１１の位置情報Ｌｉおよびガススプリング１１０の伸縮量データからの出力値に対する基準値Ｖｂａ、把持力推定関数Ｆｆｏｒｃｅ、把持姿勢推定関数Ｆｆｏｒｍが設定されている。これら基準値等は、対象物との接触検知や把持力推定、把持姿勢推定に用いられる。
【００２９】
したがって、接触検知や把持力推定が判定部１０６によって行われた場合、定義された動作モードに応じたモータ２０３への対処制御方法に従い、判定部１０６からモータ駆動サーボ制御部１０４にモータ駆動停止やサーボロックのコマンドが送出されたり、場合によっては動作コマンド生成部１０２に目標値を修正する戻値コマンドが送られる。これにより、接触検知や把持力推定、把持姿勢推定に対する現状の動作に適した対応処理動作を実施し、把持動作の信頼性および確実性を確保するような駆動制御を行うことができる。
【００３０】
動作モード情報部１０７における作業の設定例について、図４を参照して説明する。
【００３１】
図４は、各動作モードの指令情報と判定部出力の一覧を示す図である。これは、動作モード情報部１０７における各動作モードに対する定義・設定内容の一例である。図４に示すように、動作モードの種類として、
（１）接触検知モード
（２）把持力推定モード
（３）把持姿勢推定モード
（４）低消費電力把持モード
の４つの動作モードが定義されている。
【００３２】
それぞれの動作モードに対して、指令情報１０８として、
（１）接触検知モードの場合は伸縮量変化検出のための判断基準値Ｖｂａを任意指定、
（２）把持力推定モードの場合は弾性減衰要素の各伸縮量に対する発生力との関係式Ｆｆｏｒｃｅの利用、
（３）把持姿勢推定モードの場合はリンク間の幾何学的な拘束関係式Ｆｆｏｒｍの利用、
（４）低消費電力把持モードの場合はモータの駆動停止
が定められている。
【００３３】
また、判定部１０６には、各動作モードの指令情報１０８ごとに、モータ駆動サーボ制御部１０４に対する駆動停止・ロック指令、あるいは動作コマンド生成部１０２に対する戻り値コマンド等の判定部出力の内容が設定される。図４に示すように、動作モードによっては、モータ２０３を駆動停止させたりサーボロックを維持して姿勢の保持状態を保つ等、それぞれの動作モードに従って異なる処理が定義される。
【００３４】
次に、第１の実施形態に係る把持機構の動作について、図５〜図７に示す動作概要図、および図８〜図１２に示す各動作モードのフローチャートを用いて説明する。
【００３５】
まず図５〜図７を参照して把持部１１２の動作を説明する。本実施形態において、１軸直動機構１１３のロット１１１は、モータ２０３により駆動される。図５において、ロット１１１は、モータ２０３によってねじ軸１１３ａが回転することにより直進運動する。ロット１１１の進退量は、ねじ軸１１３ａの回転量によって調節可能である。ロット１１１がねじ軸１１３ａの一方の端部からもう一方の端部まで移動する間において、ガススプリング１１０が受動回転支点である固定ヒンジ部１１２ｇの位置を通過するとガススプリング１１０の反力による受動回転支点まわりの回転力方向が切り替わり、それにともない基端部材１１２ｂ、中間部材１１２ｃ、先端部材１１２ｄの３つの可動部材が連動して回動し、指の開閉動作である屈曲動作が行われる。その際の、基端部材１１２ｂ、中間部材１１２ｃ、先端部材１１２ｄの３つの可動部材の動きを図６に示す。図７（ａ）は、対象物を把持せずに把持部１１２が屈曲している状態を示しており、図７（ｂ）は、把持部１１２が把持対象物を把持している様子を示している。図７（ａ）の状態と図７（ｂ）の状態とでガススプリング１１０の伸縮量は異なる。
【００３６】
上記（１）の接触検知モードの動作に関して図８〜図１０を用いて説明する。図８に示す動作は、接触検知の際の比較データに用いるために、無接触状態でのロット１１１の各位置Ｌｉにおける弾性減衰要素の伸縮量のデータＶｔｈ（Ｌｉ）を取得するものである。モータ駆動サーボ制御部１０４からモータ駆動指示が出力される（ステップＳ１）。モータ駆動サーボ制御部１０４からのモータ駆動指示を受け取った把持部１１２は、１軸直動機構１１３を駆動して、無接触状態でのロット１１１の各位置Ｌｉにおける弾性減衰要素の伸縮量のデータＶｔｈ（Ｌｉ）を取得し記憶する（ステップＳ２）。データ取得後、モータ駆動サーボ制御部１０４からモータ駆動停止命令が出力される（ステップＳ３）。
【００３７】
次に、図９および図１０を参照して接触検知動作を説明する。モータ駆動サーボ制御部１０４からの把持対象物への移動指示を受け取った駆動装置２０２はアーム２０１を駆動し、把持部１１２を対象物の位置まで移動させる（ステップＳ１１）。ステップＳ１１の終了時点において、把持部１１２の変位は開始しておらず、把持機構の動作範囲に対象物が配置され、かつ互いに接触していない状態となっている。次いで、図８のフローチャートに従って取得した無接触状態でのロット１１１の各位置Ｌｉにおける弾性減衰要素の伸縮量のデータＶｔｈ（Ｌｉ）を読み出す（ステップＳ１２）。人やプログラムからの入力情報に基づいて決定される判断基準値情報（閾値）Ｖｂａを指令情報１０８として、動作モード情報部１０７から読み込む（ステップＳ１３）。次いで、モータ駆動サーボ制御部１０４は対象物を把持するためのモータ駆動指示を出力する（ステップＳ１４）。１軸直動機構１１３の駆動にともない、ロット１１１の各位置Ｌｉにおける弾性減衰要素の伸縮量のデータＶｅｘｐ（Ｌｉ）を取得する（ステップＳ１５）。把持動作時に、把持制御部１０９の判定部１０６は、無接触状態でのロット１１１の各位置Ｌｉにおける弾性減衰要素の伸縮量のデータＶｔｈ（Ｌｉ）と把持動作状態でのロット１１１の各位置Ｌｉにおける弾性減衰要素の伸縮量のデータＶｅｘｐ（Ｌｉ）との差分量と、判断基準値Ｖｂａとを比較する（ステップＳ１６）。接触検知後、モータの駆動を停止またはサーボロック動作を行う（ステップＳ１７）。
図１０は、ロット１１１の各位置Ｌｉにおける弾性減衰要素の伸縮量の出力値データＶｔｈ（Ｌｉ），Ｖｅｘｐ（Ｌｉ）を用いて、対象物体との接触を精度良くかつ簡単に検出するための検出方法を説明する図である。
【００３８】
判定部１０６は、伸縮量検出センサ２０７から数ミリ秒単位のサンプリングで出力値を取り込み、無接触状態でのロット１１１の各位置Ｌｉにおける弾性減衰要素の伸縮量のデータＶｔｈ（Ｌｉ）との差分変化量Ｄを求めて、差分変化量Ｄが所定の条件（例えば判断基準値Ｖｂａ以上の差分変化量）を満たした場合に、接触を検出したものと判断する。具体的には、物体接触検知は、無接触状態での２次曲線状の変化値からの乖離量の検出に基づいて行う。これは、把持部１１２は連動して各関節部が屈曲するため、対象物と接触することにより指の各関節角度は固定され、１軸直動機構１１３の移動にともないガススプリング１１０の伸縮量は無接触状態とは異なる挙動を示す現象を利用している。
【００３９】
上記（２）の把持力推定モードの動作に関して図１１を用いて説明する。図１１に示すように、モータ駆動サーボ制御部１０４からモータ駆動指示が出力される（ステップＳ２１）。モータ駆動サーボ制御部１０４からのモータ駆動指示を受け取った把持部１１２は、１軸直動機構１１３を駆動して駆動状態でのロット１１１の各位置Ｌｉにおける弾性減衰要素の伸縮量のデータＶｅｘｐ（Ｌｉ）を随時取得する（ステップＳ２２）。把持部１１２の各関節部は連動して屈曲することから、１軸直動機構１１３のロット１１１の位置に対する把持部１１２の屈曲姿勢は、ガススプリング１１０の伸縮量と合わせて幾何的に一意に定まる。この一意に定まる把持姿勢およびガススプリング１１０の伸縮量の計測値から、把持力を推定する（ステップＳ２３）。最後に、モータの駆動を停止またはサーボロック動作を行う（ステップＳ２４）。
動作モードが（３）把持姿勢推定モードの場合の動作に関して図１２を用いて説明する。図１２に示すように、モータ駆動サーボ制御部１０４からモータ駆動指示が出力される（ステップＳ３１）。モータ駆動サーボ制御部１０４からのモータ駆動指示を受け取った把持部１１２は、１軸直動機構１１３を駆動して、駆動状態でのロット１１１の各位置Ｌｉにおける弾性減衰要素の伸縮量のデータＶｅｘｐ（Ｌｉ）を随時取得する（ステップＳ３２）。把持部１１２の各関節部は連動して屈曲することから、１軸直動機構１１３のロット１１１の任意の位置に対する把持部１１２の屈曲姿勢は、ガススプリング１１０の伸縮量と合わせて幾何的な拘束関係を利用して推定することができる。（ステップＳ３３）。最後に、モータの駆動を停止またはサーボロック動作を行う（ステップＳ３４）。
【００４０】
動作モードが（４）低消費電力把持モードの場合の動作に関して説明する。これは本実施形態の機構では、モータ２０３への供給電力を絶っても、１軸直動機構１１３が逆回転しないことから、把持状態が維持される原理を利用したモードである。本モードでは、モータ２０３の駆動停止を実施する。
【００４１】
以上説明した本実施形態の把持機構は、１軸直動機構１１３の移動とガススプリング１１０の反力方向の切替を利用して把持部１１２の開閉（屈曲）動作を実現している。１軸直動機構１１３を利用することにより、モータ出力容量に比して反発力の大きい（出力容量の大きい）ガススプリング１１０を選択することができ、これにより高い把持力を実現することが可能である。さらに、ガススプリング１１０の反発力とコンプライアンス性により、把持対象物の外形形状に応じた把持を実現することができる。把持対象物からの反力が直接的にモータ２０３に伝わらないため、モータ２０３に無理な負荷がかかることを防ぐことができる（過負荷防止機能）。また、把持対象物をガススプリング１１０の反発力で把持することから、モータ２０３への電力供給を絶っても把持の維持が可能であり、そのような動作では省電力化を実現することができる。把持部１１２の開閉角度は、部材間のリンク機構をどのように配置するかによって予め規定することができる。また、ロット１１１の位置とガススプリング１１０の伸縮量から指形状が一意に定まることから、本実施形態の把持部１１２を複数利用することにより、把持対象物のおおよその外形形状を推定することが可能となり、視覚情報が制限される環境下でも物体形状を予測できるという利点がある。
【００４２】
また本実施形態では、把持対象物の形状が変化すると（空箱の潰れる現象など）、把持部１１２の屈曲角が変化する。それに伴い、そのロット１１１の位置に対するガススプリング１１０の伸縮量が変化するため、対象物の変形に対応することができる。把持力は把持位置に応じて直接測定する構成であることから、把持位置によって弾性の異なる不均質な場合でも適切な把持力で対象物を把持することができる。また、ガススプリング１１０による弾性減衰要素を備えることで、把持対象物の外形形状の変形などに起因する外乱によって発生する把持部１１２の振動的な動きが抑制され、物体の変形に追従した把持が可能であり、把持制御の制御性が向上する。
【００４３】
ガススプリング１１０の減衰要素としては、オイルダンパ、粘性ダンパ、減衰ゴム等を用いることができる。ガススプリング１１０の弾性要素としては、コイルバネ、板バネ、ゴム、ウレタン、シリコン等の各種の弾性体を用いることができる。
【００４４】
なお本実施形態は、把持対象物が非常に柔らかい物体（例えば、柔らかいタオルや紙風船等）や不可逆的に変形するような物体（液体や粉末が入った袋等）、きわめて脆い物体（薄いガラス製品等）を除き、広範囲の物体に対して適用可能である。
【００４５】
上の説明では、多指により、手中に収まる程度の比較的小型の対象物を把持する場合を想定して説明したが、片手では把持することが困難な大型の対象物を複数の腕により挟み込んで把持する場合にも本発明は好適に適用することができる。
【００４６】
以上、第１の実施形態について説明したが、実施形態は上述したものに限定されることなく、その技術的思想を逸脱しない範囲で適時変更可能である。
【００４７】
（第２の実施形態）
図１３は、第２の実施形態に係る把持機構の側面図である。第２の実施形態である把持機構は、１軸直動機構１１３のロット１１１が直線移動するのに伴い、弾性減衰要素を有するガススプリング１１０の伸縮量が線形に変化するように、固定部材１１２ａに平行な面ｐから任意の角θｆほど１軸直動機構１１３を傾斜して配置した点で第１の実施形態とは異なる（傾斜配置）。
【００４８】
このような第２の実施形態では、ロット１１１の各位置Ｌｉにおける弾性減衰要素の伸縮量のデータＶｔｈ（Ｌｉ）は、図１０に示したような２次曲線状の出力変化とはならず、図１４に示すような線形の出力変化を得ることができる。したがって、任意の伸縮量センサ出力値の値からロット１１１位置を一意に定めることができ、移動量検出センサ２０６が１軸直動上に不要となるという利点がある。
【００４９】
なお、上述した実施形態においては、駆動手段として電動のモータ２０３を用いる構成を例に挙げて説明したが、駆動手段はこれに限定されることはなく、エアシリンダや油圧シリンダ等を利用することも可能である。ただし、把持部１１２の屈曲姿勢を任意に変更したい場合には、１軸直動機構１１３のロット１１１の進退量を調整し得るアクチュエータとする必要がある。
【００５０】
また、図３には、移動量検出センサ２０６とモータエンコーダ２０４を備える構成を示したが、１軸直動機構１１３の進退量情報を得るにはどちらか一方だけでも可能である。
【００５１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５２】
１０１…作業命令
１０２…動作コマンド生成部
１０３…目標指令値生成部
１０４…モータ駆動サーボ制御部
１０５…信号処理回路部
１０６…判定部
１０７…動作モード情報部
１０８…指令情報
１０９…把持制御部
１１０…ガススプリング（弾性減衰要素を有する受動直動リンク部材）
１１１…ロット（１軸直動機構の可動部）
１１２…第１の把持部
１１２ａ…固定部材
１１２ｂ…基端部材
１１２ｃ…中間部材
１１２ｄ…先端部材
１１２ｅ…第１リンク部材
１１２ｆ…第２リンク部材
１１２ｇ…固定ヒンジ部
１１２ｈ…第１ヒンジ部
１１２ｉ…第２ヒンジ部
１１２ｊ…第３ヒンジ部
１１２ｋ…第４ヒンジ部
１１２ｌ…第５ヒンジ部
１１２ｍ…第６ヒンジ部
１１２ｎ…第７ヒンジ部
１１３…１軸直動機構
１１４…第２の把持部
１１５…メカストッパー
１２０…制御装置
２０１…アーム
２０２…駆動装置
２０３…モータ
２０４…モータエンコーダ
２０５…モータドライバ
２０６…移動量検出センサ
２０７…伸縮量検出センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、把持機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
把持機構は、自動生産ラインでの把持装置、ロボットエンドエフェクタ、工作機械、産業用ロボット、サービスロボット（ハンド）等に設けられ、ワーク等の対象物を例えば持ち上げたり搬送したりする際にこれを把持する機構である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３５３２９号公報
【特許文献２】特開２００９−２３３７９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
弾性減衰要素による把持力によって対象物を把持する把持機構の提供が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態によれば、第１の把持部と第２の把持部により物体を把持する把持機構が提供される。前記第１の把持部と前記第２の把持部のいずれか一方は、固定部材と、前記固定部材に回動可能に接続される基端部材と、前記基端部材に接続され、弾性減衰要素により伸縮する受動直動リンク部材と、前記弾性減衰要素を１軸方向に直線移動させる１軸直動機構と、を具備する。該把持機構は、前記直線移動により前記弾性減衰要素が生ずる力を受けて前記基端部材が回動することにより前記物体を把持する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係る把持機構と制御装置を含む全体構成の概略図
【図２】把持機構の正面図
【図３】把持機構の機能的構成要素のブロック図
【図４】各動作モードの指令情報と判定部出力の一覧を示す図
【図５】把持機構の動作シーケンスを模式的に示す図
【図６】把持機構の動作シーケンスを示す図
【図７】把持機構が対象物を把持した状態を示す図
【図８】無負荷状態での弾性減衰要素の伸縮量データを取得する動作手順を示すフローチャート
【図９】接触検知の動作手順を示すフローチャート
【図１０】弾性減衰要素の伸縮量に関するセンサ出力値の推移を示すグラフ
【図１１】把持力推定の動作手順を示すフローチャート
【図１２】把持姿勢推定の動作手順を示すフローチャート
【図１３】第２の実施形態に係る把持機構の側面図
【図１４】第２の実施形態に係る弾性減衰要素の伸縮量に関するセンサ出力値の推移を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【０００７】
（第１の実施形態）
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。本実施形態は、対象物を把持する把持機構、および把持機構の制御装置に関する。把持対象物の固定状況および質量は既知であるものとする。
【０００８】
図１は第１の実施形態に係る把持機構と制御装置を含む全体構成の概略図、図２は把持機構の正面図、図３は把持機構の機能的構成要素のブロック図である。
【０００９】
図１に示すように、第１の把持部１１２は、固定部材１１２ａと、基端部材１１２ｂ、中間部材１１２ｃ、先端部材１１２ｄの３つの可動部材とを有する。第１の把持部１１２は、これら３つの可動部材により形成される１本の指に相当する。第２の把持部１１４は、第１の把持部１１２に対向するように設けられる別の指に相当する。第１の把持部１１２と第２の把持部１１４とによって対象物を把持する。このために上記可動部材およびこれを駆動する機構については、第１の把持部１１２と第２の把持部１１４の両者に設けてもよいし、第１の把持部１１２のみに設けても良い。図１は、第１の把持部１１２と第２の把持部１１４の両者が同一で可動の把持機構を有する構成に相当する。制御装置１２０からのモータ駆動指示により第１の把持部１１２と第２の把持部１１４はモータ駆動される。なお、図１においては第１の把持部１１２からのセンサ信号のみが制御装置１２０に供給されるように示されているが、同様の信号が第２の把持部１１４から制御装置１２０に供給される。あるいは、第２の把持部１１４からセンサ信号を出力しない構成としてもよい。この場合、第２の把持部１１４について、対象物との接触検知、把持力推定は行えない。
【００１０】
対向して配置される２つの把持部のうち、一方の把持部のみを可動の把持機構とした場合、他方の把持部は必ずしも図１のような指の形状でなくても良く、可動の把持部とともに対象物を把持できるように例えば壁面のような形状としてもよい。以下の説明では、第１の把持部１１２と第２の把持部１１４を総称して「把持部１１２」と称する。
【００１１】
固定部材１１２ａと基端部材１１２ｂは、固定ヒンジ部１１２ｇを介して回動可能に接続される。基端部材１１２ｂと中間部材１１２ｃは、第１ヒンジ部１１２ｈを介して回動可能に接続される。中間部材１１２ｃと先端部材１１２ｄは、第２ヒンジ部１１２ｉを介して回動可能に接続される。固定部材１１２ａは、固定ヒンジ部１１２ｇと同軸以外の位置に第４ヒンジ部１１２ｋを有する。基端部材１１２ｂは、中間部材１１２ｃ側の端部において第１ヒンジ部１１２ｈと同軸以外の位置に、第５ヒンジ部１１２ｌを有する。中間部材１１２ｃは、基端部材１１２ｂ側の端部において第１ヒンジ部１１２ｈと同軸以外の位置に、第６ヒンジ部１１２ｍを有する。先端部材１１２ｄは、中間部材１１２ｃ側の端部において第２ヒンジ部１１２ｉと同軸以外の位置に、第７ヒンジ部１１２ｎを有する。
【００１２】
また把持部１１２は、基端部材１１２ｂ、中間部材１１２ｃ、先端部材１１２ｄの３つの可動部材が連動して回動動作するように、第４ヒンジ部１１２ｋと第６ヒンジ部１１２ｍとを連結する第１リンク部材１１２ｅと、第５ヒンジ部１１２ｌと第７ヒンジ部１１２ｎとを連結する第２リンク部材１１２ｆとを備える。
【００１３】
また把持部１１２は、１軸直動機構１１３を有する。１軸直動機構１１３は、モータ（駆動手段）２０３に連結されたねじ軸１１３ａと、ロット１１１を有する。なお、図１にはモータ２０３は図示していない。ロット１１１は、モータ２０３によってねじ軸１１３ａが回転することにより直進運動する可動部である。ロット１１１は、第３ヒンジ部１１２ｊを有する。第３ヒンジ部１１２ｊは、弾性減衰要素を有する受動直動リンク部材１１０を介して第１ヒンジ部１１２ｈに連結される。
【００１４】
受動直動リンク部材１１０は、無負荷状態で伸びきった状態から負荷を与えて縮めると、元の状態に戻ろうとするような弾性部を有する。このような受動直動リンク部材１１０として、ガススプリングを用いてもよい。以下の説明では、受動直動リンク部材１１０のことを「ガススプリング１１０」と表記する。
【００１５】
第１の実施形態では、水平に配置される把持部１１２と、１軸直動機構１１３とが平行に配置される（水平配置）。具体的には、把持部１１２の固定部材１１２ａの長手方向と、１軸直動機構１１３のねじ軸１１３ａの長手方向とが平行となるような配置関係としている。この場合、ロット１１１の位置に対するガススプリング１１０の伸縮量の変化をグラフに示すと、固定ヒンジ部１１２ｇに最も接近した地点を頂点とする２次曲線となる。この点については図１０を参照して後述する。
【００１６】
図２から分かるように、基端部材１１２ｂは、対向配置された一対のプレートで構成される。各プレートの下端（固定部材側の端部）は、それぞれ固定ヒンジ部１１２ｇを介して固定部材１１２ａに連結される。基端部材１１２ｂのプレート間隔ｗ１は、固定部材１１２ａのプレート間隔ｗ２より広い。基端部材１１２ｂの各プレート上端（先端部材側の端部）は、それぞれ第１ヒンジ部１１２ｈを介して中間部材１１２ｃと連結される。基端部材１１２ｂのプレート間隔ｗ１は、中間部材１１２ｃの幅ｗ３より広い。ガススプリング１１０の一端は、第１ヒンジ部１１２ｈによって軸支される。ガススプリング１１０は、１軸直動機構１１３のロット１１１が直線移動すると、第１ヒンジ部１１２ｈを中心に回転する。ガススプリング１１０との機械的接触を防ぐために、固定部材１１２ａは開口した概略「コ」の字状をなしている。
【００１７】
第１リンク部材１１２ｅは、その一端が中間部材１１２ｃに回動可能に接続され、もう一端が固定部材１１２ａに回動可能に接続されている。第２リンク部材１１２ｆは、一端が基端部材１１２ｂに回動可能に接続され、もう一端が先端部材１１２ｄに回動可能に接続されている。これら第１リンク部材１１２ｅおよび第２リンク部材１１２ｆによれば、ガススプリング１１０からの押圧力が中間部材１１２ｃと先端部材１１２ｄとに伝達される。
【００１８】
基端部材１１２ｂは、固定部材１１２ａのメカストッパー１１５に接触すると、その動きが制止される。メカストッパー１１５は、後に説明する図５、図６に示した。
【００１９】
中間部材１１２ｃは、その下端が第１ヒンジ部１１２ｈを介して基端部材１１２ｂに連結される。また中間部材１１２ｃは、第１ヒンジ部１１２ｈと同軸以外の位置に、第１リンク部材１１２ｅと連結される回動可能な連結部を有する（第６ヒンジ部１１２ｍ）。中間部材１１２ｃの上端は、第２ヒンジ部１１２ｉを介して先端部材１１２ｄに連結される。
【００２０】
先端部材１１２ｄは、下側に向けて開口した断面が「コ」の字状をなしており、第２ヒンジ部１１２ｉを介して中間部材１１２ｃと連結され、第２ヒンジ部１１２ｉと同軸以外の位置に第２リンク部材１１２ｆと連結される回動可能な連結部を有する（第７ヒンジ部１１２ｍ）。
【００２１】
図３に示すように、駆動装置２０２によって駆動されるアーム２０１が接続され、アーム２０１には固定部材１１２ａが接続され、固定部材１１２ａには把持部１１２が回動可能に接続される。１軸直動機構１１３は、モータ２０３によって駆動される。モータ２０３の回転量はモータエンコーダ２０４によって読み取られ、モータ駆動サーボ制御部１０４に送られる。モータ駆動サーボ制御部１０４は、駆動装置２０２からの指示に従い、モータドライバ２０５を通じてモータ２０３を制御する。１軸直動機構１１３は、ガススプリング１１０を介して把持部１１２に接続される。１軸直動機構１１３および把持部１１２との位置関係に応じて変化するガススプリング１１０の伸縮量が、伸縮量検出センサ２０７によって検出される。また、１軸直動機構１１３が駆動された際の可動部分（ロット１１１）の移動量が、移動量検出センサ２０６によって検出される。
【００２２】
次に、図１に示した制御装置１２０について説明する。
【００２３】
図１に示したように、把持部１１２には制御装置１２０が接続される。制御装置１２０は、把持部１１２による接触検知、把持力推定、ならびに把持姿勢推定を行う。図３に示したように、１軸直動機構１１３は移動量検出センサ２０６を備えており、ガススプリング１１０は伸縮量検出センサ２０７を備えている。これらセンサ２０６，２０７によって検出されたセンサ信号（例えば電圧値）は、アンプ等の信号処理回路部１０５を介して制御装置１２０に取り込まれる。移動量検出センサ２０６としては、例えば、ポテンショメータ、静電容量型センサ、レーザ変位計測計やエンコーダなどを用いることができる。伸縮量検出センサ２０７としては、例えば、ポテンショメータ、レーザ変位計測計、パルスコーダなどを用いることができる。
【００２４】
以下、作業命令１０１に応じて制御装置１２０が把持部１１２による把持動作を制御する一連の動作を説明する。
【００２５】
まず、把持機構の一連の動作に関する作業命令１０１が動作コマンド生成部１０２に入力される。作業命令１０１はプログラムの形態であってもよい。パネル表示された作業命令１０１を制御装置１２０に対して人が入力したり、音声で指示しても良い。作業命令１０１を入力するための入力装置は、把持部１１２や制御装置１２０と一体型であってもよく、有線あるいは無線で把持部１１２や制御装置１２０と通信可能なものとして良い。
【００２６】
動作コマンド生成部１０２は、入力された作業命令１０１を各作業プロセスで必要となる動作手順に分解し、該動作手順を、モータ２０３に対する動作コマンドレベルの命令列に展開する。目標指令値生成部１０３は、生成された各動作コマンドに応じて、モータ２０３に対する各目標軌道および目標値を算出し、１軸直動機構１１３の駆動に関する目標指令値を出力する。モータ駆動サーボ制御部１０４は、目標指令値生成部１０３からの目標指令値に従って、モータが作業に応じた動作を実行するように該モータを制御する。
【００２７】
判定部１０６は、移動量検出センサ２０６および伸縮量検出センサ２０７からのセンサ信号に基づいて、把持部１１２の対象物への接触を検知する。また判定部１０６は、把持部１１２が対象物を把持している際の把持力を推定したり、対象物を把持している姿勢を推定するなどの各種判定処理を行う。判定部１０６によるこのような判定処理は、非接触状態でのロット１１１の各位置Ｌｉにおけるガススプリング１１０の伸縮量データの差分変化量を求めるなどの演算処理によって行う。
【００２８】
動作コマンド生成部１０２は、順次に出力され実行される動作コマンドに応じた動作モード情報を、実行作業の情報と共に動作モード情報部１０７に送る。動作モード情報部１０７には、様々な作業命令に対してそれに含まれる動作モード毎に定義されたロット１１１の位置情報Ｌｉおよびガススプリング１１０の伸縮量データからの出力値に対する基準値Ｖｂａ、把持力推定関数Ｆｆｏｒｃｅ、把持姿勢推定関数Ｆｆｏｒｍが設定されている。これら基準値等は、対象物との接触検知や把持力推定、把持姿勢推定に用いられる。
【００２９】
したがって、接触検知や把持力推定が判定部１０６によって行われた場合、定義された動作モードに応じたモータ２０３への対処制御方法に従い、判定部１０６からモータ駆動サーボ制御部１０４にモータ駆動停止やサーボロックのコマンドが送出されたり、場合によっては動作コマンド生成部１０２に目標値を修正する戻値コマンドが送られる。これにより、接触検知や把持力推定、把持姿勢推定に対する現状の動作に適した対応処理動作を実施し、把持動作の信頼性および確実性を確保するような駆動制御を行うことができる。
【００３０】
動作モード情報部１０７における作業の設定例について、図４を参照して説明する。
【００３１】
図４は、各動作モードの指令情報と判定部出力の一覧を示す図である。これは、動作モード情報部１０７における各動作モードに対する定義・設定内容の一例である。図４に示すように、動作モードの種類として、
（１）接触検知モード
（２）把持力推定モード
（３）把持姿勢推定モード
（４）低消費電力把持モード
の４つの動作モードが定義されている。
【００３２】
それぞれの動作モードに対して、指令情報１０８として、
（１）接触検知モードの場合は伸縮量変化検出のための判断基準値Ｖｂａを任意指定、
（２）把持力推定モードの場合は弾性減衰要素の各伸縮量に対する発生力との関係式Ｆｆｏｒｃｅの利用、
（３）把持姿勢推定モードの場合はリンク間の幾何学的な拘束関係式Ｆｆｏｒｍの利用、
（４）低消費電力把持モードの場合はモータの駆動停止
が定められている。
【００３３】
また、判定部１０６には、各動作モードの指令情報１０８ごとに、モータ駆動サーボ制御部１０４に対する駆動停止・ロック指令、あるいは動作コマンド生成部１０２に対する戻り値コマンド等の判定部出力の内容が設定される。図４に示すように、動作モードによっては、モータ２０３を駆動停止させたりサーボロックを維持して姿勢の保持状態を保つ等、それぞれの動作モードに従って異なる処理が定義される。
【００３４】
次に、第１の実施形態に係る把持機構の動作について、図５〜図７に示す動作概要図、および図８〜図１２に示す各動作モードのフローチャートを用いて説明する。
【００３５】
まず図５〜図７を参照して把持部１１２の動作を説明する。本実施形態において、１軸直動機構１１３のロット１１１は、モータ２０３により駆動される。図５において、ロット１１１は、モータ２０３によってねじ軸１１３ａが回転することにより直進運動する。ロット１１１の進退量は、ねじ軸１１３ａの回転量によって調節可能である。ロット１１１がねじ軸１１３ａの一方の端部からもう一方の端部まで移動する間において、ガススプリング１１０が受動回転支点である固定ヒンジ部１１２ｇの位置を通過するとガススプリング１１０の反力による受動回転支点まわりの回転力方向が切り替わり、それにともない基端部材１１２ｂ、中間部材１１２ｃ、先端部材１１２ｄの３つの可動部材が連動して回動し、指の開閉動作である屈曲動作が行われる。その際の、基端部材１１２ｂ、中間部材１１２ｃ、先端部材１１２ｄの３つの可動部材の動きを図６に示す。図７（ａ）は、対象物を把持せずに把持部１１２が屈曲している状態を示しており、図７（ｂ）は、把持部１１２が把持対象物を把持している様子を示している。図７（ａ）の状態と図７（ｂ）の状態とでガススプリング１１０の伸縮量は異なる。
【００３６】
上記（１）の接触検知モードの動作に関して図８〜図１０を用いて説明する。図８に示す動作は、接触検知の際の比較データに用いるために、無接触状態でのロット１１１の各位置Ｌｉにおける弾性減衰要素の伸縮量のデータＶｔｈ（Ｌｉ）を取得するものである。モータ駆動サーボ制御部１０４からモータ駆動指示が出力される（ステップＳ１）。モータ駆動サーボ制御部１０４からのモータ駆動指示を受け取った把持部１１２は、１軸直動機構１１３を駆動して、無接触状態でのロット１１１の各位置Ｌｉにおける弾性減衰要素の伸縮量のデータＶｔｈ（Ｌｉ）を取得し記憶する（ステップＳ２）。データ取得後、モータ駆動サーボ制御部１０４からモータ駆動停止命令が出力される（ステップＳ３）。
【００３７】
次に、図９および図１０を参照して接触検知動作を説明する。モータ駆動サーボ制御部１０４からの把持対象物への移動指示を受け取った駆動装置２０２はアーム２０１を駆動し、把持部１１２を対象物の位置まで移動させる（ステップＳ１１）。ステップＳ１１の終了時点において、把持部１１２の変位は開始しておらず、把持機構の動作範囲に対象物が配置され、かつ互いに接触していない状態となっている。次いで、図８のフローチャートに従って取得した無接触状態でのロット１１１の各位置Ｌｉにおける弾性減衰要素の伸縮量のデータＶｔｈ（Ｌｉ）を読み出す（ステップＳ１２）。人やプログラムからの入力情報に基づいて決定される判断基準値情報（閾値）Ｖｂａを指令情報１０８として、動作モード情報部１０７から読み込む（ステップＳ１３）。次いで、モータ駆動サーボ制御部１０４は対象物を把持するためのモータ駆動指示を出力する（ステップＳ１４）。１軸直動機構１１３の駆動にともない、ロット１１１の各位置Ｌｉにおける弾性減衰要素の伸縮量のデータＶｅｘｐ（Ｌｉ）を取得する（ステップＳ１５）。把持動作時に、把持制御部１０９の判定部１０６は、無接触状態でのロット１１１の各位置Ｌｉにおける弾性減衰要素の伸縮量のデータＶｔｈ（Ｌｉ）と把持動作状態でのロット１１１の各位置Ｌｉにおける弾性減衰要素の伸縮量のデータＶｅｘｐ（Ｌｉ）との差分量と、判断基準値Ｖｂａとを比較する（ステップＳ１６）。接触検知後、モータの駆動を停止またはサーボロック動作を行う（ステップＳ１７）。
図１０は、ロット１１１の各位置Ｌｉにおける弾性減衰要素の伸縮量の出力値データＶｔｈ（Ｌｉ），Ｖｅｘｐ（Ｌｉ）を用いて、対象物体との接触を精度良くかつ簡単に検出するための検出方法を説明する図である。
【００３８】
判定部１０６は、伸縮量検出センサ２０７から数ミリ秒単位のサンプリングで出力値を取り込み、無接触状態でのロット１１１の各位置Ｌｉにおける弾性減衰要素の伸縮量のデータＶｔｈ（Ｌｉ）との差分変化量Ｄを求めて、差分変化量Ｄが所定の条件（例えば判断基準値Ｖｂａ以上の差分変化量）を満たした場合に、接触を検出したものと判断する。具体的には、物体接触検知は、無接触状態での２次曲線状の変化値からの乖離量の検出に基づいて行う。これは、把持部１１２は連動して各関節部が屈曲するため、対象物と接触することにより指の各関節角度は固定され、１軸直動機構１１３の移動にともないガススプリング１１０の伸縮量は無接触状態とは異なる挙動を示す現象を利用している。
【００３９】
上記（２）の把持力推定モードの動作に関して図１１を用いて説明する。図１１に示すように、モータ駆動サーボ制御部１０４からモータ駆動指示が出力される（ステップＳ２１）。モータ駆動サーボ制御部１０４からのモータ駆動指示を受け取った把持部１１２は、１軸直動機構１１３を駆動して駆動状態でのロット１１１の各位置Ｌｉにおける弾性減衰要素の伸縮量のデータＶｅｘｐ（Ｌｉ）を随時取得する（ステップＳ２２）。把持部１１２の各関節部は連動して屈曲することから、１軸直動機構１１３のロット１１１の位置に対する把持部１１２の屈曲姿勢は、ガススプリング１１０の伸縮量と合わせて幾何的に一意に定まる。この一意に定まる把持姿勢およびガススプリング１１０の伸縮量の計測値から、把持力を推定する（ステップＳ２３）。最後に、モータの駆動を停止またはサーボロック動作を行う（ステップＳ２４）。
動作モードが（３）把持姿勢推定モードの場合の動作に関して図１２を用いて説明する。図１２に示すように、モータ駆動サーボ制御部１０４からモータ駆動指示が出力される（ステップＳ３１）。モータ駆動サーボ制御部１０４からのモータ駆動指示を受け取った把持部１１２は、１軸直動機構１１３を駆動して、駆動状態でのロット１１１の各位置Ｌｉにおける弾性減衰要素の伸縮量のデータＶｅｘｐ（Ｌｉ）を随時取得する（ステップＳ３２）。把持部１１２の各関節部は連動して屈曲することから、１軸直動機構１１３のロット１１１の任意の位置に対する把持部１１２の屈曲姿勢は、ガススプリング１１０の伸縮量と合わせて幾何的な拘束関係を利用して推定することができる。（ステップＳ３３）。最後に、モータの駆動を停止またはサーボロック動作を行う（ステップＳ３４）。
【００４０】
動作モードが（４）低消費電力把持モードの場合の動作に関して説明する。これは本実施形態の機構では、モータ２０３への供給電力を絶っても、１軸直動機構１１３が逆回転しないことから、把持状態が維持される原理を利用したモードである。本モードでは、モータ２０３の駆動停止を実施する。
【００４１】
以上説明した本実施形態の把持機構は、１軸直動機構１１３の移動とガススプリング１１０の反力方向の切替を利用して把持部１１２の開閉（屈曲）動作を実現している。１軸直動機構１１３を利用することにより、モータ出力容量に比して反発力の大きい（出力容量の大きい）ガススプリング１１０を選択することができ、これにより高い把持力を実現することが可能である。さらに、ガススプリング１１０の反発力とコンプライアンス性により、把持対象物の外形形状に応じた把持を実現することができる。把持対象物からの反力が直接的にモータ２０３に伝わらないため、モータ２０３に無理な負荷がかかることを防ぐことができる（過負荷防止機能）。また、把持対象物をガススプリング１１０の反発力で把持することから、モータ２０３への電力供給を絶っても把持の維持が可能であり、そのような動作では省電力化を実現することができる。把持部１１２の開閉角度は、部材間のリンク機構をどのように配置するかによって予め規定することができる。また、ロット１１１の位置とガススプリング１１０の伸縮量から指形状が一意に定まることから、本実施形態の把持部１１２を複数利用することにより、把持対象物のおおよその外形形状を推定することが可能となり、視覚情報が制限される環境下でも物体形状を予測できるという利点がある。
【００４２】
また本実施形態では、把持対象物の形状が変化すると（空箱の潰れる現象など）、把持部１１２の屈曲角が変化する。それに伴い、そのロット１１１の位置に対するガススプリング１１０の伸縮量が変化するため、対象物の変形に対応することができる。把持力は把持位置に応じて直接測定する構成であることから、把持位置によって弾性の異なる不均質な場合でも適切な把持力で対象物を把持することができる。また、ガススプリング１１０による弾性減衰要素を備えることで、把持対象物の外形形状の変形などに起因する外乱によって発生する把持部１１２の振動的な動きが抑制され、物体の変形に追従した把持が可能であり、把持制御の制御性が向上する。
【００４３】
ガススプリング１１０の減衰要素としては、オイルダンパ、粘性ダンパ、減衰ゴム等を用いることができる。ガススプリング１１０の弾性要素としては、コイルバネ、板バネ、ゴム、ウレタン、シリコン等の各種の弾性体を用いることができる。
【００４４】
なお本実施形態は、把持対象物が非常に柔らかい物体（例えば、柔らかいタオルや紙風船等）や不可逆的に変形するような物体（液体や粉末が入った袋等）、きわめて脆い物体（薄いガラス製品等）を除き、広範囲の物体に対して適用可能である。
【００４５】
上の説明では、多指により、手中に収まる程度の比較的小型の対象物を把持する場合を想定して説明したが、片手では把持することが困難な大型の対象物を複数の腕により挟み込んで把持する場合にも本発明は好適に適用することができる。
【００４６】
以上、第１の実施形態について説明したが、実施形態は上述したものに限定されることなく、その技術的思想を逸脱しない範囲で適時変更可能である。
【００４７】
（第２の実施形態）
図１３は、第２の実施形態に係る把持機構の側面図である。第２の実施形態である把持機構は、１軸直動機構１１３のロット１１１が直線移動するのに伴い、弾性減衰要素を有するガススプリング１１０の伸縮量が線形に変化するように、固定部材１１２ａに平行な面ｐから任意の角θｆほど１軸直動機構１１３を傾斜して配置した点で第１の実施形態とは異なる（傾斜配置）。
【００４８】
このような第２の実施形態では、ロット１１１の各位置Ｌｉにおける弾性減衰要素の伸縮量のデータＶｔｈ（Ｌｉ）は、図１０に示したような２次曲線状の出力変化とはならず、図１４に示すような線形の出力変化を得ることができる。したがって、任意の伸縮量センサ出力値の値からロット１１１位置を一意に定めることができ、移動量検出センサ２０６が１軸直動上に不要となるという利点がある。
【００４９】
なお、上述した実施形態においては、駆動手段として電動のモータ２０３を用いる構成を例に挙げて説明したが、駆動手段はこれに限定されることはなく、エアシリンダや油圧シリンダ等を利用することも可能である。ただし、把持部１１２の屈曲姿勢を任意に変更したい場合には、１軸直動機構１１３のロット１１１の進退量を調整し得るアクチュエータとする必要がある。
【００５０】
また、図３には、移動量検出センサ２０６とモータエンコーダ２０４を備える構成を示したが、１軸直動機構１１３の進退量情報を得るにはどちらか一方だけでも可能である。
【００５１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５２】
１０１…作業命令
１０２…動作コマンド生成部
１０３…目標指令値生成部
１０４…モータ駆動サーボ制御部
１０５…信号処理回路部
１０６…判定部
１０７…動作モード情報部
１０８…指令情報
１０９…把持制御部
１１０…ガススプリング（弾性減衰要素を有する受動直動リンク部材）
１１１…ロット（１軸直動機構の可動部）
１１２…第１の把持部
１１２ａ…固定部材
１１２ｂ…基端部材
１１２ｃ…中間部材
１１２ｄ…先端部材
１１２ｅ…第１リンク部材
１１２ｆ…第２リンク部材
１１２ｇ…固定ヒンジ部
１１２ｈ…第１ヒンジ部
１１２ｉ…第２ヒンジ部
１１２ｊ…第３ヒンジ部
１１２ｋ…第４ヒンジ部
１１２ｌ…第５ヒンジ部
１１２ｍ…第６ヒンジ部
１１２ｎ…第７ヒンジ部
１１３…１軸直動機構
１１４…第２の把持部
１１５…メカストッパー
１２０…制御装置
２０１…アーム
２０２…駆動装置
２０３…モータ
２０４…モータエンコーダ
２０５…モータドライバ
２０６…移動量検出センサ
２０７…伸縮量検出センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の把持部と第２の把持部により物体を把持する把持機構であって、
前記第１の把持部と前記第２の把持部のいずれか一方は、
固定部材と、
前記固定部材に回動可能に接続される基端部材と、
前記基端部材に接続され、弾性減衰要素により伸縮する受動直動リンク部材と、
前記弾性減衰要素を１軸方向に直線移動させる１軸直動機構と、を具備し、
前記直線移動により前記弾性減衰要素が生ずる力を受けて前記基端部材が回動することにより前記物体を把持する把持機構。
【請求項２】
前記弾性減衰要素の伸縮量を検出してセンサ信号を出力する伸縮量検出センサと、
前記センサ信号の変化に基づいて前記物体との接触を検知し、前記物体を把持している把持力を推定する制御部と、
をさらに具備する請求項１記載の把持機構。
【請求項３】
前記基端部材に回動可能に接続される中間部材と、
前記中間部材に回動可能に接続される先端部材と、
前記固定部材と前記中間部材とを連結し、前記受動直動リンク部材の伸縮により前記中間部材を回動させる第１のリンク部材と、
前記基端部材と前記先端部材とを連結し、前記中間部材の回動により前記先端部材を回動させる第２のリンク部材と、
をさらに具備する請求項１又は２記載の把持機構。
【請求項４】
前記固定部材に対し前記１軸直動機構を傾斜して取り付けたことにより、前記伸縮量検出センサが線形のセンサ信号を出力する請求項２記載の把持機構。
【請求項１】
第１の把持部と第２の把持部により物体を把持する把持機構であって、
前記第１の把持部と前記第２の把持部のいずれか一方は、
固定部材と、
前記固定部材に回動可能に接続される基端部材と、
前記基端部材に接続され、弾性減衰要素により伸縮する受動直動リンク部材と、
前記弾性減衰要素を１軸方向に直線移動させる１軸直動機構と、を具備し、
前記直線移動により前記弾性減衰要素が生ずる力を受けて前記基端部材が回動することにより前記物体を把持する把持機構。
【請求項２】
前記弾性減衰要素の伸縮量を検出してセンサ信号を出力する伸縮量検出センサと、
前記センサ信号の変化に基づいて前記物体との接触を検知し、前記物体を把持している把持力を推定する制御部と、
をさらに具備する請求項１記載の把持機構。
【請求項３】
前記基端部材に回動可能に接続される中間部材と、
前記中間部材に回動可能に接続される先端部材と、
前記固定部材と前記中間部材とを連結し、前記受動直動リンク部材の伸縮により前記中間部材を回動させる第１のリンク部材と、
前記基端部材と前記先端部材とを連結し、前記中間部材の回動により前記先端部材を回動させる第２のリンク部材と、
をさらに具備する請求項１又は２記載の把持機構。
【請求項４】
前記固定部材に対し前記１軸直動機構を傾斜して取り付けたことにより、前記伸縮量検出センサが線形のセンサ信号を出力する請求項２記載の把持機構。
【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】
【公開番号】特開２０１３−７１２２４（Ｐ２０１３−７１２２４Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１３２９７（Ｐ２０１１−２１３２９７）
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「次世代ロボット知能化技術開発プロジェクト、作業知能（社会・生活分野）の開発、作業知能（社会・生活分野）の研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「次世代ロボット知能化技術開発プロジェクト、作業知能（社会・生活分野）の開発、作業知能（社会・生活分野）の研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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