JP2665894B2 - 指状把持装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体の把持をする
指状把持装置に関し、特にロボットのマニピュレータ等
に用いられる指関節を有する指状把持装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】ロボット腕等の関節を有するマニピュレ
ータの制御は、腕が動作を行うために必要とされる各関
節毎の位置、速度、トルク等の目標状態を微小間隔毎に
計算して、その目標値をＤＣモータ等のアクチュエータ
に与えることにより実現されている。ロボットのマニピ
ュレータ等に用いられる指関節を有するハンドについて
も、上記のマニピュレータ制御方法が踏襲され、例えば
位置指令型制御が用いられる。位置指令型制御は、作業
対象と作業環境のモデルを計算機内に構築し、指先の通
るべき軌跡が与えられると、指先がその軌跡に沿って動
くために必要な各関節の動き、すなわち微小時間間隔毎
の位置を前もって計算し、その計算結果に従って各関節
を駆動することにより、これら関節が連接された先端に
ある指先の動きを制御しようとするものである。

【０００３】特公平６−７３８２８号公報は、計算量を
軽減するために先端の第１関節で力覚等の制御を行い、
他の関節で仮想の指先の位置制御を行うようにした指機
構の制御方法を開示するが、この方法も関節の制御によ
り指先位置を確定することに変わりがない。また、特開
平４−６９１８４号公報が、指にトルク検出器を設け、
指の把持力があらかじめ決められた複数段階の各段階に
到達する毎に順次次の段階の把持力を発生するようにし
たことによって、位置が正確でない対象物を指の位置と
合うようにずらして把持できるようにしたロボットハン
ドの把持制御方法を開示するが、この方法でも対象との
接触は指の先で行う。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のように
指先で対象物を把持する従来の把持装置は、作業対象と
作業環境のモデルを計算機内に構築しそれに基づいて目
的物の把持に至る把持計画を立て最終目標に至るまでの
各時点における全関節の目標値を算出してこれに従った
アクチュエータ駆動をする方式によるもので、膨大な量
の計算をこなす必要があるため、ワークステーション級
の大規模な高速の計算機を備えなければならない。ま
た、関節の数が増えるとそれに伴い級数的に計算量が増
大するため、実用のためには関節の数を抑える必要があ
った。本発明の目的は、ハンドによる把持に必要とする
計算量を抑えた新たなハンド機構と制御方法を提供する
ところにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、複数のジョイントと同数の指リンクを交互に連接し
て構成される本発明の指状把持装置は、各ジョイントが
自身に接続された先端側の指リンクを軸動させる駆動機
構と判断制御機構を備え、指リンクが腹部に接触検出器
を備え、判断制御機構が先端側指リンクの接触検出器と
根本側の隣接判断制御機構と先端側の隣接判断制御機構
とから情報信号を入力し、これら情報に基づいて駆動機
構を制御し、かつ先端側と根本側判断制御機構に情報信
号を出力するものであって、ジョイント毎の判断制御機
構をジョイントの連接順と対応するように連接したこと
を特徴とする。

【０００６】また、判断制御機構が、先端側判断制御機
構から接触信号を入力したときに根本側判断制御機構に
接触信号を出力し、根本側判断制御機構から入力する駆
動信号に基づいて駆動機構の駆動を開始し、駆動機構に
より駆動される先端側指リンクの接触検出器または先端
側判断制御機構から入力される接触信号に基づいて駆動
を停止すると共に先端側判断制御機構に駆動信号を出力
することを特徴とするものであることが好ましい。さら
に、接触検出器が、接触圧力に対応する出力を発生し所
定の閾値と比較して接触を判定するものであってよい。
また、本発明の指状把持装置は、さらにジョイント毎に
角度検出器を備え、指リンクの初期姿勢と駆動範囲の限
界における姿勢を検出するように構成されていてよい。
なお、本発明の指状把持装置は、所定の間隔で駆動機構
とそれと対になる接触検出器を設けて一方に屈曲するよ
うにした柔軟構造体から構成されたものであってよい。

【０００７】本発明の把持方法は、複数のジョイントと
同数の指リンクを交互に連接して構成される指状把持装
置において、各ジョイント毎に独立して、先端側に存在
するいずれかの指リンクが物と接触しているときには指
リンクを停止状態にして根本側ジョイントに接触してい
ることを表す接触信号を送出しかつ先端側ジョイントに
駆動トリガー信号を送出し、根本側の隣接ジョイントか
ら駆動トリガー信号を受け取ったときに前記先端側指リ
ンクを駆動することを特徴とする。また、本発明の指状
把持方法は、所定の接触圧により接触を認識しながら把
持動作を完了した後に、さらに高い接触圧により、完了
時の姿勢を起点として再び根本側ジョイントから把持動
作を繰り返すようにしてよい。

【０００８】本発明の指状把持装置によれば、ジョイン
ト毎に独立した判断制御機構がジョイント内からの情報
と隣接して接続される判断制御機構との間で交換される
情報だけを用いて、ジョイントと指リンクの単位毎に独
立した単純な同一の判断論理に基づいて指リンク駆動を
制御することにより、複数連接されたジョイントと指リ
ンクが全体となって把持対象を確実に把持することがで
きる。したがって全体のリンクの動きを想定して駆動計
画を立てて全ジョイントの調和的な駆動を行う必要がな
いから、演算装置の負荷は極めて軽く、把持装置自体に
分散して組み込む場合にも、また全体を１カ所に据えた
計算機で中央制御する場合にも経済的に装置を構成する
ことができる。

【０００９】また、接触検出器が、接触圧力に対応する
出力を発生し所定の閾値と比較して接触を判定するもの
であれば、閾値を適当に設定することにより対象物の強
度に適した把握力で把持することができる。また、初め
に対象物を軽く把握して、しかる後により高い閾値を設
定してさらに固く握り込むことができるから、対象が軟
弱な物であってもしっかりと把持することができる。ま
た、さらにジョイント毎に角度検出器を備え、指リンク
の初期姿勢と駆動範囲の限界における姿勢を検出するよ
うに構成された指状把持装置は、指リンクの駆動限界に
達したときに駆動機構の駆動を停止して次段のジョイン
トに駆動トリガー信号を伝達するようにして、把持動作
にかかわらず対象に接触しない場合にも把持動作を継続
させて把持を完了に至らしめることができる。また、指
リンクが初期姿勢状態にあることを確認することによ
り、駆動論理が正しく実施されているかを確認できるほ
か、指状把持装置のリセットが正確に実施できる。な
お、指状把持装置が柔軟構造体から構成されたものであ
れば、傷つきやすい把持対象も優しく把握して傷を付け
ることがない。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の指状把持装置は、ロボッ
ト等の腕の先端に取り付けて対象物を把持するために使
用される。この指状把持装置は複数の指リンクをジョイ
ントにより連接して構成されたものであって、指リンク
の腹部には接触センサが設けられ、ジョイントには指リ
ンクを根本側の指リンクに対して相対的に回転駆動する
駆動機構を備え、さらにジョイント毎に対応する判断制
御機構を有している。本発明の指状把持装置は掌部の周
辺に複数取り付けて手のように構成して使用するのが一
般的であるが、極めて長い１本の指状把持装置だけを用
い蛇のように巻き付けて対象物を把持するようにするこ
とも可能である。

【００１１】指リンクの腹部に備えた接触センサは指リ
ンクが対象物と接触しているか否かを検出して、検出信
号を発生する。接触センサは物体との接触の有無を二値
信号で知らせるものであってもよいが、接触圧を測定で
きるアナログ式のものであってもよい。アナログ式セン
サを用いたときは接触圧に検出閾値を設定してその値と
の大小を判断することにより把持を確実に認識できるほ
か、把持力を設定することも可能になる。また、異なる
閾値を段階的に用いることにより初めに大まかに把握し
た後にさらに確実に把持するようなアルゴリズムを組む
ことも可能になる。

【００１２】ジョイントには指先側の指リンクを掌側
（あるいは根本側。以下において掌側と表現する）の指
リンクに対して相対的に回転駆動する駆動機構が備えら
れる。駆動機構はＤＣモータやパルスモータ、あるいは
空気式アクチュエータや油圧式アクチュエータなど、種
々のものが適用できる。対象物をやさしく丁寧に扱うた
めには連続的な変位を与えられるようなタイプの駆動機
構がより好ましい。ジョイントにはまた、ホール効果素
子を用いるセンサやエンコーダなどの角度センサが設け
られて、指リンクの回転角を測定してその測定値を出力
する。この角度センサの出力によりリンク機構の初期状
態や変位範囲の限界状態を判別するが、従来技術におけ
る各リンク毎の姿勢制御に必要とされるような精度が要
求されるものではない。

【００１３】判断制御機構は、自身より掌側にあるいず
れかのジョイントで駆動機構が駆動されているときには
自身の駆動機構を停止状態に保持し、すぐ掌側の隣接ジ
ョイントで指リンクが対象物と接触したときに駆動機構
を駆動開始し、指先側ジョイントの指リンクが対象物と
接触したときに駆動を停止する。また、リセット指示が
あるときには指リンクを初期姿勢に戻すように働く。こ
のような機能を達成するため、各ジョイントにおける判
断制御機構は、自身の駆動機構で駆動される指リンクの
腹部に設置された接触センサからの接触信号を入力す
る。また、各判断制御機構は指先側の判断制御機構から
接触ＯＮ信号を入力する。接触ＯＮ信号はそれより指先
側で指リンクが物に接触していることを示す信号であ
る。接触ＯＮ信号は判断制御機構で使用されると共に、
そのまま掌側の隣接判断制御機構に転送される。従って
隣接する指先側ジョイントから入力した接触ＯＮ信号に
より、指先側にあるいずれかのジョイントで指リンクが
対象物に接触しているか否かを知ることができる。

【００１４】また、各ジョイントにおける判断制御機構
は、隣接する掌側ジョイントから駆動ＯＮ信号を入力す
ると共に、隣接する指先側ジョイントに駆動ＯＮ信号を
出力する。駆動ＯＮ信号は一旦駆動された駆動機構が接
触信号を受け取って停止状態になったときに始めて発生
するものであるが、駆動ＯＮ信号を受け取ったジョイン
トが既に接触ＯＮ信号を受け取っていれば、改めて駆動
機構を駆動することなく、駆動ＯＮ信号をそのままより
指先側のジョイントに伝達する。従って、各判断制御機
構は隣接する掌側ジョイントから入力した駆動ＯＮ信号
により掌側にあるいずれかのジョイントで駆動機構が駆
動されているか否かを知ることができる。判断制御機構
はまた角度センサの測定値に基づいて、指リンクの初期
姿勢やリンク機構の可動限界を認識して、初期状態への
復帰や装置の停止操作を的確に行う。なお、指リンクが
対象と接触しないときには、ジョイントの可動限界に達
したときに物と接触したとみなして同じアルゴリズムで
装置を操作すればよい。

【００１５】各ジョイントの判断制御機構で上記アルゴ
リズムに従った制御を行うことにより、本発明の指状把
持装置は全体として以下のような作動をすることにな
る。操作開始の指令に応じて、最も掌側のジョイントが
その指リンクを腹側に回転させる。このとき指先側の指
リンクは初期姿勢を保って直線状に伸びた状態で回転す
る。やがて対象物にいずれかの指リンクが接触すると最
も掌側の指リンクが回転運動を停止し、接触した指リン
クのすぐ指先側のジョイントの駆動機構がその指リンク
を腹側に回転するように駆動し始め、指状把持装置は対
象物に巻き付くような動作を始める。やがて再びより指
先側の指リンクが接触するとこれまで回転駆動されてい
た指リンクが停止して、新たに接触した指リンクより指
先側の指リンクが巻き付き方向に運動し始める。このよ
うにして指状把持装置は対象物をしっかりと把持するよ
うになる。

【００１６】なお、各指リンク毎に最大可動限界が決ま
っており、この値に達するまでに接触信号が発生しない
ときには、接触信号が発生したと同じようにより指先側
の指リンクに対して駆動ＯＮ信号を送るようにしてお
く。最先端指リンクが最大可動限界に達したときには把
持動作が終了したものとみなして次の工程に移るように
する。また、操作開始からこれまでの間に接触信号を受
け取ることができなかったときは把持に失敗したことに
なるので、把持をやり直す等の対策が必要となる。以上
の説明から明らかなように、判断制御機構におけるアル
ゴリズムはジョイント毎に同じであり、しかもきわめて
単純で入力すべき信号もごく少ないから、論理演算回路
と入出力回路をジョイント毎に分散して設置することも
可能になる。勿論、制御装置を中央に設けて集中的に制
御する場合にも、入出力信号や演算量が少なく低度の演
算装置で満足のゆく制御が可能となる。

【００１７】

【実施例】図１から図４に基づいて、本発明の指状把持
装置の実施態様を具体的に示す第１の実施例を説明す
る。図１は本発明の第１実施例の４関節指を４本備えた
ハンドを示す斜視図である。図２は、１本の第１実施例
の指状把持装置を示す機構図である。図３は、ジョイン
ト毎の判断制御機構に対する入出力を示すブロック図で
ある。図４は、ジョイントのモータ駆動状態遷移図であ
る。

【００１８】図１と図２を参照すると、円柱状の掌１の
周囲に関節指２が４本等間隔に取り付けられている。関
節指２は４本の指リンクＬと４個のジョイントＪから成
り、ジョイントのうち１個は内転関節Ｊ１で、関節指２
を掌１に結合して関節指を掌の軸に対する垂直方向に軸
動させることができ、また他の３個のジョイントＪ２、
Ｊ３、Ｊ４は伸転関節で、それぞれ指リンクＬ１、Ｌ
２、Ｌ３、Ｌ４同士を結合して掌１の軸方向に軸動させ
ることができる。最も指先側にある指リンクＬ４は、先
端が物を把持しやすいように摩擦の大きい材質で覆われ
ている。指リンクＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の軸動方向の
少なくとも１面には、圧覚センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ
４が設けられており、指リンクが物と接触するとそれを
検出して信号を発生する。また各ジョイントには、指リ
ンクを軸の周りに回転させるアクチュエータとしてそれ
ぞれＤＣモータＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４が設けられてい
る。ＤＣモータＭ１は、指リンクＬ１を図面と平行な軸
の周りを図面に垂直な方向に軸動させ、残りのＤＣモー
タＭ２、Ｍ３、Ｍ４は指リンクＬ２、Ｌ３、Ｌ４を図面
に垂直な軸の周りに図面に平行に軸動させるようになっ
ている。また各ジョイントには、エンコーダＥ１、Ｅ
２、Ｅ３、Ｅ４が設けられていて、掌側の指リンクの向
きを基準とした指先側の指リンクの相対回転角度を測定
し、角度信号を発生する。ジョイントＪｉ毎に対応する
判断制御装置Ｃｉが分散配置されていて、必要な信号を
入力してアクチュエータＭｉの駆動を制御し、さらにア
クチュエータや接触状態に対応する適切な信号を掌側と
指先側の隣接ジョイントＪｉ−１、Ｊｉ＋１に付属する
判断制御装置Ｃｉ−１、Ｃｉ＋１に伝達する。

【００１９】各ジョイントＪｉに付属する判断制御装置
Ｃｉは、隣接するジョイントＪｉ−１、Ｊｉ＋１の判断
制御装置との信号のやり取り以外には、自身のジョイン
トＪｉとそのアクチュエータＭｉにより駆動される指リ
ンクＬｉに付属するセンサＳｉからの信号出力を入力す
るだけで、状況を判断しアクチュエータＭｉを駆動して
指リンクＬｉを制御することができる。図３に示したブ
ロック図により、判断制御装置の入出力を説明する。掌
側から数えてｉ番目のジョイントＪｉは指リンクＬｉを
掌側の指リンクＬｉ−１と回動可能に結合している。ま
た指リンクＬｉは指先側のジョイントＪｉ＋１により指
先側の指リンクＬｉ＋１と連結している。ジョイントＪ
ｉでは、付属の判断制御装置Ｃｉからの制御信号に従っ
てモータＭｉを駆動して指リンクＬｉを制御し指リンク
Ｌｉの角度をエンコーダＥｉで検出して出力する。ま
た、指リンクが対象物と接触すると圧覚センサＳｉがそ
の接触を検出して検出信号を出力する。

【００２０】判断制御装置Ｃｉは、圧覚センサＳｉから
接触検出信号と、エンコーダＥｉから角度信号を入力
し、また、掌側の隣接ジョイントＪｉ−１に付属する判
断制御装置Ｃｉ−１から、自身より掌側に存在するアク
チュエータが駆動されているかを示す駆動ＯＮ信号を入
力し、さらに指先側隣接ジョイントＪｉ＋１に付属する
判断制御装置Ｃｉ＋１から、自身に結合される指リンク
Ｌｉより指先側に存在する指リンクが物体に接触してい
るかを示す接触ＯＮ信号と、初期リンク角度へ復帰させ
ることを要求するリセット信号を入力する。また、これ
ら入力信号に基づいて、必要に応じてモータＭｉを駆動
する駆動電圧を発生してモータＭｉに供給し、さらに掌
側のジョイントＪｉ−１の判断制御装置Ｃｉ−１に対し
て、指リンクＬｉあるいはそれより指先側の指リンクが
物体に接触しているときに接触ＯＮ信号を供給し、また
必要なときにはリセット信号を供給する。さらにまた、
自身のアクチュエータ用モータＭｉが停止されたとき
に、指先側のアクチュエータモータＭｉ＋１を駆動する
ための駆動ＯＮ信号を指先側隣接ジョイントＪｉ＋１の
判断制御装置Ｃｉ＋１に対して供給する。あるいは、自
身のアクチュエータ用モータＭｉとより掌側のモータが
いずれも停止状態であること表す信号を供給するように
してもよい。リセットするときには、指先側の指リンク
から順番に把握を解除していく必要があるため、指先側
判断制御機構で指リンクを初期状態に復帰させたことを
確認した後に隣接する掌側判断制御機構にリセット信号
を発生するように構成されている。

【００２１】図４により、ジョイントＪｉにおけるモー
タＭｉの駆動状態遷移の様子を説明する。モータＭｉに
は、停止している停止状態３と指が開く方向に駆動する
指開状態４と指を閉じる方向に駆動する指閉状態５の３
個の状態がある。判断制御装置Ｃｉは、同じ入力信号が
あってもモータＭｉの状態に基づいて制御内容を変化さ
せなければならない。すなわち、モータが停止状態１に
あるときに駆動ＯＮ信号を掌側の判断制御装置Ｃｉ−１
から入力すれば、モータＭｉを閉側に駆動して指閉状態
５に遷移させる。また接触ＯＮ信号を自身の接触検出セ
ンサＳｉあるいは指先側の判断制御装置Ｃｉ＋１から入
力したときは、掌側の判断制御装置Ｃｉ−１に接触ＯＮ
信号をを供給し、指先側の判断制御装置Ｃｉ＋１に駆動
ＯＮ信号供給する。あるいは、指先側の判断制御装置Ｃ
ｉ＋１からリセット信号を受け取ったときにはモータＭ
ｉを指リンクが開方向に動いて指開状態４に遷移させる
ように制御する。このときエンコーダＥｉで開度を監視
しておき、初期姿勢たとえば相対角度０度に至ったとき
に、モータを停止状態３にして掌側隣接の判断制御装置
Ｃｉ−１にリセット信号を供給する。

【００２２】また、モータＭｉが指開状態４にある場合
に、駆動ＯＮ信号を掌側の判断制御装置Ｃｉ−１から入
力しても、手の中で物体が移動したことを意味するだけ
で、リセット動作を優先するべきであるため無視して指
を開く動作を継続する。接触ＯＮ信号を入力したとき
も、同様にリセット動作を優先して指を開く動作を継続
する。また、リセット信号を改めて受けたときにも、状
態を変化させる必要はないので同じ状態を継続する。さ
らに、モータＭｉが指閉状態５にあるときに駆動ＯＮ信
号を入力したとすれば、引き続きモータＭｉを閉側に駆
動する。接触ＯＮ信号を入力したときは、モータ停止状
態３で同じ接触ＯＮ信号を受け取ったときと同じく、モ
ータＭｉの駆動を停止して停止状態３に遷移させ、掌側
の判断制御装置Ｃｉ−１に接触ＯＮ信号を供給し、指先
側の判断制御装置Ｃｉ＋１に駆動ＯＮ信号を供給する。
また、リセット信号を受け取ったときには、他の場合と
同じく、モータＭｉを指リンクが開方向に駆動するよう
に制御し、エンコーダＥｉで開度を監視して初期姿勢に
至ったときに、モータを停止して掌側隣接の判断制御装
置Ｃｉ−１にリセット信号を供給する。

【００２３】以上のように構成された本発明の指状把持
装置は、始めに操作者の把持開始指令により最も掌側の
指リンクＬ１が結合されたジョイントＪ１の判断制御装
置Ｃ１に駆動ＯＮ信号が与えられる。駆動ＯＮ信号を受
けた掌に結合されたジョイントＪ１はそのモータＭ１を
指リンクＬ１が閉方向に回転するように駆動する。この
とき他のジョイントのモータは駆動されないので、指先
側のリンクは全て初期状態と保ったまま、すなわち例え
ば直線状態を保持したまま指が閉じていく。そのうち
に、いずれかの指リンクＬｉが把持対象物体と接触し、
圧覚センサＳｉから接触検出信号が出力される。する
と、ジョイントＪｉのモータＭｉが駆動されている場合
には駆動を停止して、さらに掌側の隣接ジョイントＪｉ
−１に接触ＯＮ信号を供給し、また指先側の隣接ジョイ
ントＪｉ＋１に駆動ＯＮ信号を供給する。接触ＯＮ信号
は掌側の判断制御装置に順次伝達されて、それぞれ制御
対象となるモータが停止される。なお、モータＭｉが駆
動されていないときには状態を変化させる必要がないこ
とはいうまでもない。

【００２４】以上のようにして、対象物体に接触した指
リンクの駆動を停止し、同時に接触ＯＮ信号を発するこ
とによりそれより掌側の指リンクの駆動を停止するとと
もに、接触した指リンクより指先側の隣接指リンクを対
象物体に巻き付く方向に駆動する。次にさらに指先側に
あるいずれかの指リンクが対象物体に接触すると接触し
た指リンクとそれより掌側にある指リンクは駆動を停止
してその先の指リンクが巻き付き方向に駆動される。以
下同様のことが繰り返され、最終的に最先端の指リンク
すなわち指先が把持対象に接触したところで把持が完了
する。このようにして、対象物体は本発明の指状把持装
置に確実に把持されることになる。全部の最先端ジョイ
ントが駆動ＯＮ信号を発すると把持が完了したことにな
り、把持の完了はこれら信号の論理積により簡単に判定
することができる。

【００２５】なお、以上の操作において、指状把持装置
のどの指リンクにも対象物が接触しない場合もあり得る
が、この場合はモータを駆動し続けて、相対角度センサ
すなわちエンコーダにより関節可動範囲の限界に達した
ことを検出したときに、接触センサが接触を検出したと
同じく、指先側の隣接ジョイントのモータを駆動開始す
るようにすればよい。また、最先端の指リンクが把持対
象に接触しない場合も関節可動範囲の限界に達したとこ
ろで把持が完了したとみなすことができる。このよう
に、本発明の指状把持装置によれば、各ジョイント毎に
独立した簡単な論理に従った操作で確実な把持を完了さ
せることができ、従来方法による場合のような対象のモ
デル化や各指の到達すべき位置姿勢を予め計画する把持
計画を必要としない。また、指先だけで対象物を摘むの
ではなく指の腹部分も利用して対象物を把持するため、
従来方法では把持が困難であった柔軟物や持つと変形す
るような物でもしっかりと把持することが可能になる。

【００２６】図５は、第２の実施例を示す図面である。
第２実施例は、多数の関節を有する１本の指状把持装置
であるが、手のように掌と複数の指を持つのではなく対
象物に絡みついて把持するものである。指状把持装置２
は掌１などにジョイントで結合しており、対象物に絡み
つくのに十分な長さと十分な数の関節を備えている。ま
た、何重にも絡み付くためには螺旋状に巻くようにする
必要があり、指リンクの長手方向とジョイント部の回転
軸の軸方向は直角からずらしてある。本実施例における
指状把持装置２が対象物に巻き付くためのアルゴリズム
は第１実施例で説明したものと全く同じである。

【００２７】図６は、第３の実施例を示す図面である。
接触センサとして、指２のどちらの脇に接触したかを検
出できるようなものが選ばれる。例えば、指腹部の両脇
の稜線部に接触センサを並べてもよいし、接触位置が抵
抗値の差で検出できる感圧抵抗素子や導電性素子などの
圧覚センサを腹部を横断するように貼付してもよい。ま
た、最も根本側のジョイントＪ１の回転方向が指の屈折
方向と直交するようにしてある。指を巻き付けるときに
対象物体は必ずしも指の向きに直交する方向に配置され
ていない。このようなときに接触信号を受けてそのまま
把持完了とすると、その後物体を運搬する間に把持が緩
んで取り落とす可能性がある。このような場合には、指
の向きを対象物に対して直交するように補正することが
望ましい。

【００２８】本実施例の指状把持装置２は、対象物６と
の接触位置を判断し、指腹部の稜線の一方の側で接触し
ている場合には指全体を内転させて接触位置が指２の内
側に移動するように構成することにより、偏りがあると
きに指２の向きを正して把持を確実なものにすることが
できるようにしたものである。指２の向きが正しく直っ
たことは、例えば対象物６が指腹部の両方の稜線部に接
触することを検出することで確認できる。内転制御方法
には、最も根本側のジョイントＪ１以外の対象物に巻き
付く指に関するジョイントＪ２〜Ｊ４の制御と同時に平
行して制御するものと、ジョイントＪ２〜Ｊ４の制御が
終了して把持終了信号を受け取った後に実施する方法と
がある。後者による場合は、内転により対象と指の関係
が変化して指の接触状態が変化するので、これを補償す
るため、再度巻き付き動作を行う必要がある。なお、内
転は設定可能な任意の角度ステップで行うようにする。

【００２９】図７は、第４の実施例を示す図面である。
第１から第３の実施例では明確な関節からなる指構造を
使用したが、必ずしも関節構造を有する物でなく連続体
で柔軟に屈曲するようなものであってもよい。第４実施
例の指状把持装置２は、指の背側内部に空気圧により伸
縮する空気室７を設け、この空気室にはエアチューブ８
を介して圧空を給気・排気できる。指の背側の空気室７
が伸びると指の腹側が縮んで指が内側に曲がるようにな
っている。根本側からの駆動信号を受けると、空気室７
に圧空が供給されて指が内側に曲がる。指の腹側には接
触センサＳが貼付されていて、対象物６との接触を検出
するとその部分の背側に位置する空気室７への新たな圧
空供給を断ち、また駆動信号を発してそれより先端側の
空気室に圧空を供給する。このように第１実施例と同じ
論理に従って対象物６に巻き付きこれを把持することが
できる。特に、対象物が表面が柔らかく傷つきやすい物
であるときには、指表面の材質を柔軟なものとすること
が好ましい。

【００３０】また、鈴森康一等が日本ロボット学会誌１
１巻３号３８５〜３９０頁に開示したフレキシブルマイ
クロアクチュエータ（ＦＭＡ）のような流体アクチュエ
ータを利用することも可能である。ＦＭＡは、内部が軸
に沿って３室に分かれた繊維とゴムの複合材料からでき
ており、３つの圧力室に適当な差圧を与えれば任意の方
向に湾曲させることができ、３室の内圧の組み合わせに
より任意方向への湾曲と軸方向への伸縮を行うことがで
きる。流体としては通常、空気が用いられる。なお、本
実施例では駆動機構として空気室を用いているが、駆動
信号に応動して指構造を屈曲させるものであれば、ＤＣ
モータ等も利用することができる。

【００３１】図８は、本発明の指状把持装置の第５の実
施例における集中制御系を示すブロック図である。本発
明は信号処理を伴う論理演算を各指リンクに分散させて
行うことができることが大きな特徴であるが、これは必
ずしも演算装置を分散して設置しなければならないとい
うことではない。中央演算処理装置を設けて集中的に演
算処理を行う場合にも、十分本発明の効果を享受するこ
とができるばかりでなく、各指リンクについての制御論
理が単純で、外部機器との情報交換量やリンク間の情報
交換量が小さいため、簡単な制御器を用いて容易に制御
系を構成することができる。

【００３２】図８において、計算機ＣＵは前記アルゴリ
ズムを実行するプログラムを搭載して、第１実施例にお
ける４関節４本指の手を制御している。各指毎にジョイ
ントが４個ずつあるので、手全体では、モータＭは１６
台、回転角度を検出するエンコーダＥは１６台、指リン
クの接触を検出する接触センサＳは１６台、さらに掌に
１個の接触センサＳが設けられている。計算機ＣＵは各
モータＭを停止・正転・逆転制御する信号をモータドラ
イブＭＤに送り、モータドライブＭＤがこの信号を変成
して駆動電圧を発生して実際のモータＭを制御する。エ
ンコーダＥから出力される回転に関係する信号はエンコ
ーダカウンタＥＣで角度信号に変成されて計算機ＣＵに
入力される。また圧覚センサＳからの出力信号はセンサ
ドライバＳＤで接触圧力に対応する信号に変換されて計
算機ＣＵに供給される。計算機ＣＵは、オペレータから
指示を受けるためのキーを搭載したキーボードＫＢある
いはコンソールを備えている。オペレータはキーを介し
て、把持装置に把持開始・リセット・状態保持・内外転
４軸操作を指示することができる。リセットの指示が出
されたときは、リセット信号が各指状把持装置２の指先
リンクＬ４に伝達され、把持開始の指示が出されたとき
は、把持開始信号が各指の掌１に接続されたジョイント
Ｊ１に伝達される。また計算機ＣＵはＣＲＴディスプレ
ーを備えて指状把持装置２の状態を表示するようになっ
ている。

【００３３】上記実施例では、図１に表現したように、
複数の指で対象物を取り囲むようにして握ることにより
物を把持する場合について説明した。しかし、本発明の
指状把持装置は、中空の物体を対象とするときには、図
１とは逆にゆでだこの足のように反らせて把持面および
接触検出センサ面が外側に向く姿勢をとらせ、掌側から
順に指リンクを直立する方向に駆動することにより、複
数の指が対象物の内径表面を外側に押圧して把持するよ
うにすることもできる。なお、指の一方の面だけに接触
センサを設けるのでなく両面にそれぞれ設けていずれの
面でも接触把持できるように構成してもよい。また、接
触圧検出センサがアナログ式であるときは、初めに低い
閾値を設定して接触を検出しながら軽く接触した状態で
対象物を把握し、そのままの姿勢で高い閾値に切り替え
た上で、改めて掌側のジョイントから順に握り締めてい
くようにさせることもできる。この場合は、初めの把握
力は低い接触圧に規制され、次いで高い接触圧下で把握
されることになり、変形しやすい物体でも初めに優しく
把握することから変形して逃げることを防ぎ、２段目の
把握により確実に把持することができる。なお、増し締
めは検出した接触圧に基づいて行う代わりに、各ジョイ
ントにおいて適当な所定角度、たとえば５度だけ締め込
むようにすることも可能である。このようにする場合
は、検出器が簡単になりアルゴリズムが単純になるとい
う利点がある。

【００３４】

【発明の効果】本発明の把持装置は、指先だけでなく指
の腹部で対象物を把持するから柔軟な物体でも確実に把
持できる。また、指リンクと把持対象が接触したことを
検出してアクチュエータの駆動を停止するだけで把持を
行うので、アクチュエータに高い位置決め精度を要求し
ないから、経済的に装置を構成することができる。さら
に、制御は自身と隣接組織からのわずかな入出力情報を
用いたごく単純な論理演算を実行すれば足りるので、制
御装置をユニット毎に分散して置くことができ、また集
中制御する場合にも単純な論理を実行する簡単な制御装
置で十分で、高級な演算装置を必要としない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の指状把持装置を用いたハ
ンドを示す斜視図である。

【図２】第１実施例の指状把持装置を示す機構図であ
る。

【図３】第１実施例の判断制御機構に対する入出力を示
すブロック図である。

【図４】第１実施例の状態遷移図である。

【図５】本発明の第２実施例の指状把持装置を示す図面
である。

【図６】本発明の第３実施例の指状把持装置を示す図面
である。

【図７】本発明の第４実施例の指状把持装置を示す図面
である。

【図８】本発明の第５実施例の指状把持装置における集
中制御系を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ 掌 ２ 指状把持装置 ３ 停止状態 ４ 指開状態 ５ 指閉状態 ６ 把持対象物 ７ 空気室 Ｃ 判断制御機構 Ｅ エンコーダ Ｊ ジョイント Ｌ 指リンク Ｍ モータ Ｓ 接触センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−69184（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−82683（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−40965（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−157967（ＪＰ，Ａ) 実開 昭56−1170（ＪＰ，Ｕ) 実開 平６−53083（ＪＰ，Ｕ) 特公 平６−73828（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のジョイントと同数の指リンクを交
   互に連接して構成される指状把持装置であって、 前記ジョイントはおのおの、自身に接続された先端側の
   前記指リンクを軸動させる駆動機構と判断制御機構を備
   え、 前記指リンクはおのおの、腹部に接触検出器を備え、 前記判断制御機構が、対応するジョイントの先端側指リ
   ンクの前記接触検出器と根本側に隣接する他の判断制御
   機構と先端側に隣接する他の判断制御機構とから情報信
   号を入力し、これら情報に基づいて対応ジョイントの駆
   動機構を制御し、かつ前記先端側判断制御機構と前記根
   本側判断制御機構に情報信号を出力するものであって、 該ジョイント毎の判断制御機構を前記ジョイントの連接
   順と対応するように連接した指状把持装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の指状把持装置であって、 前記判断制御機構が、前記先端側判断制御機構から接触
   信号を入力したときに前記根本側判断制御機構に接触信
   号を出力し、前記根本側判断制御機構から入力する駆動
   信号に基づいて前記駆動機構の駆動を開始し、該駆動機
   構により駆動される先端側指リンクの前記接触検出器ま
   たは前記先端側判断制御機構から入力される接触信号に
   基づいて前記駆動を停止すると共に前記先端側判断制御
   機構に駆動信号を出力することを特徴とする指状把持装
   置。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の指状把持装置
   であって、 前記接触検出器が、接触圧力に対応する出力を発生し所
   定の閾値と比較して接触を判定するものであることを特
   徴とする指状把持装置。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の指
   状把持装置であって、 さらに前記ジョイントに角度検出器を備え、該ジョイン
   トに駆動される指リンクの初期姿勢と駆動範囲の限界に
   おける姿勢を検出することを特徴とする指状把持装置。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれかに記載の指
   状把持装置において、 前記複数のジョイントと同数の指リンクの連接体に替え
   て、所定の間隔で駆動機構とそれと対になる接触検出器
   を設けて一方に屈曲するようにした柔軟構造体から構成
   されたことを特徴とする指状把持装置。
6. 【請求項６】 複数のジョイントと同数の指リンクを交
   互に連接して構成される指状把持装置において、 各ジョイント毎に独立して、先端側に存在するいずれか
   の指リンクが物と接触しているときには該ジョイントに
   接続する先端側指リンクを停止状態にして根本側ジョイ
   ントに接触していることを表す接触信号を送出しかつ先
   端側ジョイントに駆動トリガー信号を送出し、根本側の
   隣接ジョイントから駆動トリガー信号を受け取ったとき
   に前記先端側指リンクを駆動することを特徴とする把持
   方法。
7. 【請求項７】 請求項６記載の指状把持方法であって、 所定の接触圧閾値により前記接触を認識しながら把持動
   作を完了した後に、該接触圧閾値より高い接触圧閾値を
   用い、完了時の姿勢を起点として再び根本側ジョイント
   から把持動作を繰り返すことを特徴とする把持方法。