JPH03196983A - 人間形ロボット指機構の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は人間形ロボット指機構の制御方法に関し、仮想
指先の概念を導入することにより容易に位置決め制御を
なし得るよう工夫したものである。

〈従来の技術〉 ロボット指機構の技術は、まだグリッパ（１自由度程度
）の域をでておらず、人間の指構造を持つものは少ない
。高機能ロボット指機構としては、米国ユタ大学ハンド
、　ＪＰＬ／スタンフォードハンド等があり、また日本
では工技院電子技術総合研究所（３本指ハンド）２機械
技術研究所（５本指ハンド）、早稲用大学（Ｅユージシ
ャンロボット、５本指ハンド）、三菱重工極限作業ロボ
ットハンド（４本指）等がある。

上記ロボットハンドの構造は、電動モータや油圧もしく
は空圧シリンダをアクチュエータとし、ワイヤ・プーリ
系にて指の駆動を行ない、自由度構成は、人間の指とほ
ぼ同等である。

〈発明が解決しようとする課題〉 上述の如き、ロボット指機構の中で、力覚。

圧覚等のセンサを備えているものは少く、その制御は位
置、速度の制御が中心である。

また、従来のロボット指機構の研究対象は３本なり４本
、５本の指を用いて握る対象へのアクセス方法、すなわ
ち、いかにして各指を協調させて、制御するかといった
ものでありどちらかというと、腕の制御手法として論し
られていることが多い。

更に詳言すると、人間の指構造を模倣したロボット指は
、第１図に示すように、その関節構造が４自由度となる
。そこで、３次元空間にわいて、指先の回転による姿勢
を無視し、単純に指先位置（Ｐ、、　Ｐ、、　Ｐつ）よ
り、各関節の角度を決定しようとすると、 Ｓｉ＝＝ｏｍ６　ｉ　　　Ｃｉ＝ｃｍθＩＣ１ｊ＝ｃａ
ｏ（θ１＋θＪ）など この場合、指先の位置と各関節角度の関係は式（１）の
ようになる。すなわち、Ｐ、＝・・Ｐ−・　　Ｐ＝・・
という３つの式より、各関節角度θ１．θ２．θ２．θ
４と４つの変数を決定しなくてはならず、−意に関節角
度θ、〜θ４を決定する乙とは不可能となる。よって、
指を指先位置（Ｐ、、　Ｐ、、　Ｐ、　）に加えて指定
して各関節角度θ、〜θ４を求めざるを得ない。

すなわち、複雑な計算をより多くする必要が生じろ上、
回転による姿勢を考慮することは、指先指定（ティーチ
ング、作業計画）において著しく直観性を損なうもので
ある。

したがって、指の本数が３本、４本と増えるに従って、
指全体の位置決めに対して、回転による姿勢が必要とな
り、位置指定も増々、複雑かっ、直観性のないものとな
る。

したがって、ロボット指の作業の機能性を失わせろこと
なく回転姿勢による複雑さを解決すれば、指先の位置を
１本指当り、単純に（ｘｐ　ｙｓ　ｚ）のみの指定にて
決定でき、位置決め制御の単純化が図れる。

更に、例えば第３図に示すように、円柱２５を指２０，
２１，２２，２３で持って回転させようとすると、円柱
（対象物）２５の“かたさ″゛表面摩擦”等を考慮して
指先位置を設定する必要があり厳密な位置指定は不可能
である。

本発明は、上記従来技術に鑑み、制御を容易に行なうこ
とができるようになる人間形ロボット指８ｊｉ＃ｉ４の
制御方法を提供することを目的とする。

く課題を解決するための手段〉 上記目的を達成する本発明の構成は下記の知見を基礎と
するものである。

すなわち、人間の指における第１関節（θ４に相当）は
、第２関節（６つ）と連動して動くことが多く、ロボッ
ト指の第１関節角度（θ４）を厳密に指定することは、
人間の指の高機能な作業性を考えても、さほど必要はな
いと思われる。

そこで、本発明ではこの第１関節（θ４）の位置決めは
行わず、指先に付属した力覚もしくは圧覚センサより得
られる力情報を基にした指先の力制御もしくは、把持す
る対象物の“表面のかたさ（剛性）″を考慮して行う関
節の剛性を制御するのみにし、θ４．θ２．θ３から指
先位置を決定、すなわち回転を無視した指先位置（ｘｐ
　ｙｐ　ｚ）よりθ、〜θ、を決定し、（Ｘｙ　ｙ＃Ｚ
）平面での指のもつ回転姿勢の禎雑さの解決を実現する
。

そこで、本発明の構成は、力制御が可能なアクチュエー
タにより駆動され、最高４自由度をもつ人間形ロボット
指８１構の制御方法であって、人間形ロボット指におけ
る最も指先側の関節である第１関節は関節剛性若しくは
力覚、圧覚を制御するとともに、残りの関節は仮想の指
先を設定した位置制御を行なうようにしたことを特撮と
する。

く作　　　用〉 上記構成の本発明によれば、未知数が最大３個の関節角
度θ、〜θ３となるので、指先位置（Ｐ、、　Ｐ、、　
Ｐ、　）を指定することで指先の位置制御が行なわれる
。

く実　施　例〉 以下本発明の実施例を回目に基づき詳細に説明する。

本実施例は、第１図に示すように第１〜第４関節１〜４
を有する４自由度のロボット指に適用するもので、この
ロボット指において、下式（３）から指先位置（ＰＸ、
　Ｐ、、　Ｐ□）を指定することで、各関節角度θ、〜
θ３を決定するものである。

とこで、仮想の指先位置を １”＝ｌ　＋ａ　−１・・・（４） ０＜ａ＜１ として決定する。

ここで、−二は単純には指リンク１３と１４の合成長さ
であるが、αという重み係数を用い、前記式（４）で与
えられる。前記ａの値は作業の種類により重み付けを行
ない、例えば下表のようにあらかじめ決定し、作業の種
類毎に値を定めておく。

作業動作と重み係数α すなわち、このａの値により指先の把持対象物への仮想
の接触点を指定するものと考える。この時第１関節は、
対象物への押し付はカ一定等、力に関する情報（剛性で
も可）を制御しておけばよい。

ロボット指におけろ作業動作を、前記ａの関係表におけ
る作業に対応させて第２図〜第５図に示す。

（ａｌ　　にぎり（第２図；親指２０２人指し指２１、
中指２２．薬指２３で円柱２５をにぎる場合） 第２関節部のリンク　（指のｖｉ）が円柱２５に接触し
ていることが多いと考えられる。第２図（ａＬ　（ｂｌ
に示すように、にぎった際に大体接触すると青火られる
点を指定すればよい。

例えば第１関節部は常に一定力（ｆｃｏ、、ｔ）で押し
付けていれば円柱２５との接触は常に保たれることにな
る。

（ｂ）つまみ（第３図；親指２０．大指し指２１、中指
２２．薬指２３で円柱２５をつまみ、回転する場合） 第１関節部のリンク（指の腹）が円柱２５と接触してい
る。位置指定は先のにぎりに従うこととし、例えば、第
３図（ａ）、　Ｔｂｌに示すように、円柱２５を回転さ
せようとした場合、単純にＰｉ　　（ｉ＝ｏ、１，２，
３）をＰｉ’に０を中心に回転させた位置に指定してお
けば、指のねじれ等を考慮せずとも常に円柱２５との接
触を保ったままの動きが実現できる。引きこすり（第４
図）、押しこすり（第５図）も同様の考え方でよい。

人間形ロボット指機構で三角柱を回転させる場合（つま
み動作を伴なう場合）を例に採り、本実施例を第６図（
ａｌ、　（ｂ）に基づき、更に詳細に説明する。

本例では説明を簡単にするため、三角柱２４をｘ、ｙ平
面内に２軸回りに回転させる。この場合、ＸｐＹ平面内
での指先（親指２０゜人指し指２１．中指２２．薬指２
３）の位置は、 Ｐｉ（ｘｉ、ｙｉ）→Ｐ’ｉ（ｘ’ｉ、　ｙ’ｉ）→Ｐ
’ｉ　（ｘ’ｉ、　ｙ’ｉ）というように順次変化して
いく。

一方、指先と三角柱２４の接触は第７図（ａ）に示す通
りである。同図において、第１関節１の関節角度θ４１
よ１５３密に規定する必要はなく指の腹部分が三角柱２
４に触れてさえいればよい（Ｔｏ点）。また、第７図（
ｂｌは、第２関節２より長さｌ、＋ａｌ、先にある仮想
指先をＴ′点（仮想接触点）に設定すると、第１関節１
が一定力（ｆｃ。。、、）で押し付けるような力制御を
していれば、必ず三角柱２４との接触点Ｔが実現できる
ことの説明図である。従って、第４図体）と同様の作用
が得られ、Ｚ軸上の座標も決まる。

このようにして決定されたＸ、　ｙ、Ｚ空間中ての位Ｖ
！ｌＰｉ　（ｘｉ、　ｙｉ、　ｚｉ　）から、式（３）
の連立方程式を解いて、各関節角度θ、〜θ。

を算出し、各関節駆動のアクチュエータへ出力する。

囚に、第７図（ａ）のＴｏ点もＴｏ　（ｘ、　ｙｐ　Ｚ
）で決まっているのであるが、前記〈発明が解決しよう
とする課題〉の項でも述べた通り、４関節の場合、式（
１）により、各関節角度０１〜θ４を求めようとしても
３元連立に４つの変数をもっているため、解が得られな
い。そこで、乙の場合には回転による姿勢Ｃ口〜ル・ピ
ッチ・ヨーやオイラ角等の指定方式）を指定する必要が
ある〔式（２）〕。

かかる手法は、すでに確立されているもので１０点を決
定することはできるが、物体との摩擦による指のねじれ
等を考慮する必要があり、特に物体の操りを扱う場合非
常に複雑化する難点がある。

第８図は本実施例を適用するロボット指機構の駆動系の
一例を示す説明図である。同図に示すように、乙の駆動
系は、電気モータ１０をン゛クチュエータとし、ワイヤ
１２を介して指関節を構成する指リンク駆動プーリ１７
をｇｊＡ動することて、指の動きを実現するものである
。このとき、位置制御は、電気モータ１０の回転角を検
出する位置センサ１１もしくは、関節の回転角を検出す
る位Ｕセンサ１５等の情報を利用して行う。要するに、
指関節の回転角を自在に操れる手法であれば良い。また
、力制御は指リンク１６に取りつけな力センサ１３もし
くは、指リンク駆動プーリ１７にかけられたワイヤ１２
に設置した張力センサ１４等の情報を利用して行う。こ
れも位置１ｉＩｌｆｉｌの場合と同様で力を自在に操れ
るものであれば良い。関節の剛性制御は位置フィードバ
ックゲインもしくは、カフィードバックゲイン等を可変
にすることで実施すれば良い。要するにいずれも従来の
制御手法を利用することで実現し得る。

〈発明の効果〉 以上実施例とともに具体的に説明したように、本発明に
よれば、一般に、ｘ、ｙ、ｚ３次次元間での位置決めは
、Ｘ＃Ｖ＃　ｚの位置と、各軸回りの回転、計６つの変
数により指定し、各関節角度を決定しなければならない
のに対し、ｉ？ｆｆＩＱ性の良いｘ、ｙ、ｚ３つの位置
により、人間形４自由度迄の人間形ロボット詣の指先の
指定ができるばかりでなく、回転の姿勢を考慮した効果
と同等もしくはそれ以上の効果が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を適用する４自由度の人間形ロ
ボット指を示す説明図、第２図〜第５図は前記ロボット
指による作業を説明するための説明図、第６図（ａ）は
前記ロボット指で三角柱を回転させる場合の三角柱の把
持態様を示す説明図、第６図（ｂｌはその把持される三
角柱を示す斜視図、第７図偵Ｌ（ｂ）は前記把持態様を
指先部分を対象に拡大して示す説明図、第８図は本発明
の実施例を適用するロボット指機構の駆動系の一例を示
す説明図である。 図　面　中、 １は第１関節、 ２は第２関節、 ３は第３関節、 ４は第４関節、 θ１．θ２．θ５．θ４は関節角度である。 １ （ａｌ Ｉｂ） 第６ 図 （Ｏ＜ａ＜＋）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 力制御が可能なアクチュエータにより駆動され、最高４
   自由度をもつ人間形ロボット指機構の制御方法であって
   、人間形ロボット指における最も指先側の関節である第
   １関節は関節剛性若しくは力覚、圧覚を制御するととも
   に、残りの関節は仮想の指先を設定した位置制御を行な
   うようにしたことを特徴とする人間形ロボット指機構の
   制御方法。