JPH04336987A - 把持装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フィンガによって物体
を把持する把持装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】平行グリッパに代表される物体把持装置
は、ロボットマニピュレータによる物体搬送作業などを
はじめとして、種々の産業分野で用いられている。図６
は従来の把持装置である平行グリッパ形ロボットハンド
の構成例を示している。このロボットハンドはハンド基
台１、可動フィンガ２、グリッパ駆動増幅器４などから
構成される。可動フィンガ２は、斜線で示した物体を把
持するために、フィンガ開閉指令に基づいてグリッパ駆
動増幅器４から発生される駆動力により矢印方向に駆動
される。ハンド基台１は通常はマニピュレータなどの空
間移動機構の先端に付設される。このように従来の把持
装置のほとんどは適当な機械的剛性を持つフィンガを開
閉することによって、剛な物体を比較的大きな力で把持
していた。しかしこの方式ではフィンガはあくまで受動
的な機械要素であり、把持物体に加わる作用力を能動的
に制御することは不可能であった。このため、場合によ
っては、物体に過大な把持力が作用して物体を破損した
り、あるいは把持力が過小なために物体が滑落するなど
の欠点があった。また、同様な理由で、従来の把持装置
は把持力の精密制御が必要な柔軟物体や弾性物体などの
把持には適用が困難であった。

【０００３】このような欠点を克服するため、フィンガ
を能動的に駆動することにより物体の把持力を制御する
技術が提案された。例えば、特開昭６０−１１８４８０
号公報に開示された技術は、力付与指令に基づいて力付
与手段であるフィンガを駆動することによりフィンガ位
置を制御し、物体を所定の力で把持しようとするもので
ある。しかしこの方法では把持力を直接検出する手段を
用いてないことから、把持力の精密な制御はそもそも不
可能であり、物体の寸法誤差などによっては実際に付与
される力が指令値と大きく異なる可能性が高いという欠
点がある。加えて、この方法には、物体を把持した後に
生ずる把持力の誤差を修正する手段もないという欠点が
ある。

【０００４】特開昭６０−１７２４８４号公報に開示さ
れている技術では、２本のフィンガにかかる力のうち、
小さい方の力が物体を把持するための力設定値と一致す
るようにフィンガの駆動を制御し、物体の滑落防止を図
っている。また、特開昭６２−１２０９９０号公報に開
示されている技術は、一方のフィンガを位置制御し、も
う一方のフィンガを力制御することにより、物体を所定
位置において所定の力で把持することをねらっている。 しかし前者では、最小の力が作用するフィンガ以外の残
りのフィンガに過大な力が作用する場合は考慮されてお
らず、後者でも位置制御されたフィンガ側では把持力を
制御できないという欠点がある。以上のような従来技術
の欠点は、以下のような観点から見るとより一層明らか
になる。

【０００５】前述のように、把持装置は通常マニピュレ
ータなどの空間移動機構の先端に付設され、マニピュレ
ータの移動によって把持物体は高速で搬送される。マニ
ピュレータの起動停止時には把持装置に大きな加速度変
化が生じ、同時に把持された物体にはこれに応じた慣性
力が生じる。同様な現象は、環境との衝突などによって
把持装置のハンド基台に衝撃外乱が作用する場合にも見
られる。この結果、物体の慣性力と可動フィンガによる
把持力との差異が生じることから、設定された物体把持
力に動的な変動が生じることになる。より具体的には、
例えば対向する２つの可動フィンガの場合、一方のフィ
ンガに加わる把持力は瞬間的に急増し、他方のフィンガ
に加わる把持力は逆に減少する。このような物体・把持
装置系のダイナミクスに因る現象はしばしば指摘され、
また物理モデルを用いた考察からも容易に推察できる。 このような急激な動的変動を吸収するには、把持力制御
系のフィードバックゲインを高くし制御系の応答性を改
善する方法が考えられるが、可動フィンガ系の機械的な
共振などのため一般にはゲインの増加には限界がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このようなことから、
従来の把持装置では、ハンド基台が高速に駆動された場
合に生ずる把持力の変動や、作業中に環境との相互作用
によってハンド基台に加わる衝撃外乱などによる把持力
の変動を積極的に吸収する手段をなんら提供していない
ために、把持された物体が破損したり、あるいは逆に滑
落したりするという欠点があった。

【０００７】本発明の目的は、フィンガを搭載するハン
ド基台が高速に駆動された場合に生ずる把持力の変動や
、ハンド基台の運動中に環境との相互作用によって生ず
る衝撃外乱などによる把持力の変動により、把持されて
いる物体の破損や滑落が生じる恐れがない把持装置を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の把持装置は、ハ
ンド基台と、該ハンド基台上に搭載され、物体を把持す
る１個の可動フィンガと１個の固定フィンガまたは２個
の可動フィンガと、前記可動フィンガによる物体の把持
力を検出する把持力センサと、該把持力センサからの信
号に基づくフィードバック量により前記把持力を制御す
る把持力制御系と、前記ハンド加速度に基づいて補正駆
動信号を発生する補正信号発生器と、該補正駆動信号に
基づくフィードフォワード量を、前記可動フィンガを駆
動するフィンガ駆動増幅器の入力信号に加算する加算器
とを有する。

【０００９】

【作用】本発明は、可動フィンガを搭載するハンド基台
の加速度に基づく補正駆動入力を、可動フィンガの把持
力制御系におけるフィンガ駆動入力に加算して把持力を
高精度に制御するものである。

【００１０】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する、図１は本発明の第１の実施例の把持装置を
示す図で、同図（１）は機構構成を示す図、同図（２）
は制御系構成を示す図である。本実施例の把持装置は、
ハンド基台１と、可動フィンガ２と、固定フィンガ３と
、可動フィンガ２による物体の把持力ｆｓ　を検出する
把持力センサ５と、ハンド基台１の加速度を検出する加
速度センサ６と、該加速度に基づいて補正駆動信号を発
生する補正信号発生器９と、減算器１０、補償器７、加
算器１１、駆動増幅器４からなり、可動フィンガ２によ
って物体に加えられる把持力ｆｓ　が把持力目標値ｆｒ
ｅｆに一致するように可動フィンガ系ダイナミクス８の
可動フィンガ２を駆動制御する把持力フィードバック制
御系で構成されている。

【００１１】次に、本実施例の動作を説明する。まず、
可動フィンガ２を駆動して固定フィンガ３との間で物体
を把持する。このとき把持力センサ５、補償器７、駆動
増幅器４などによって把持力フィードバック制御系を構
成し、可動フィンガ２によって物体に加えられる作用力
が把持力目標値ｆｒｅｆ　に一致するように可動フィン
ガ２を駆動制御する。同時にハンド基台１の加速度αを
加速度センサ６で検出し、これを分岐させて補正信号発
生器９に入力し、加速度αに基づく補正駆動信号をフィ
ンガ把持力制御系の補償器７の出力と加算し、駆動増幅
器４に入力する。この結果、全体としては、フィンガの
ローカルな把持力フィードバック制御系に加え、基台加
速度αに基づくフィードフォワード制御系を構成したこ
とになる。なお、図１（２）中の破線は、ハンド基台１
が動くことによって加速度外乱が可動フィンガ系ダイナ
ミクス８に不可避的に混入することを示している。

【００１２】以上示した制御の流れは、フィンガや物体
のダイナミクスを陽に記述すると一層明らかになる。図
２はその説明のために導入したハンドによる物体把持モ
デルである。図中、ｍ、ｃ、ｋはそれぞれ質量、ダンピ
ング、スティフネスを表し、添え字ａ、ｓ、ｅ、ｏはそ
れぞれ可動フィンガ２、把持力センサ５、フィンガチッ
プ（物体と接触する部分）、物体を表す。なお、可動フ
ィンガ２は高速で運動すると振動するので、この場合、
２つの部分（質量ｍａ１とｍａ２）からなるとモデル化
されている。

【００１３】図２の制御系にこのモデルを適用すると系
の状態方程式は次式（１）、（２）となる。 ｄｘ／ｄｔ＝Ａｘ＋Ｂｕ　　…（１） ｙ＝Ｃｘ　　…（２） ここで、 ｘ＝［ｘａ１、ｄｘａ１／ｄｔ、Ｘａ２、ｄｘａ２／ｄ
ｔ、ｘｅ　、ｄｘｅ／ｄｔｘｅ　、Ｘｏ、ｄｘｏ　／ｄ
ｔ］Ｔｕ＝ｆａ　、ｙ＝ｆｓ　、 Ａ：８×８特性マトリクス、Ｂ＝８×１入力ベクトルＣ
：１×８出力ベクトル、ｆａ　：可動フィンガ入力、ｆ
ｓ　：センサ検出力 いま、フィンガのローカルな把持力制御系補償器７での
力の比例フィードバックゲインをＨｂ　、また補正信号
発生器９での比例加速度フィードフォワードゲインをＨ
ｆ　とすると、可動フィンガ２への入力は次式（３）で
与えられる。

【００１４】 　　ｆａ　＝ｆｒｅｆ‐Ｈｂ　（ｆｒｅｆ　−ｆｓ　）
＋Ｈｆ　α　　…（３）図２のモデルは１アクチュエー
タ１センサ系であり、左側、すなわち可動フィンガ２側
での把持力変動ｆＬ　と、右側、すなわち固定フィンガ
３側での把持力変動ｆＲ　のそれぞれを独立には制御で
きない。しかし比例フィードバックゲインＨｂ　と比例
加速度フィードフォワードゲインＨｆ　を調整すること
により、可動フィンガ２側と固定フィンガ３側で把持力
をほぼ均等とすることができる。 すなわち把持力目標値ｆｒｅｆ　からの左右の把持力変
動ｆＲ　とｆＬ　の低周波変動成分が相等しいとすると
次式（４）が得られる。

【００１５】ｐＨｆ　＋ｑＨｂ　＝１　　…（４）ここ
で、 ｐ＝（ｋｏ１＋ｋｏ２）／ｒ、ｑ＝−ｋｏ１（ｍｅ　＋
ｍｏ　）／ｒ、 ｒ＝ｋｏ１Ｍ＋Ｋｏ２（ｍｏ１＋ｍｏ２），Ｍ＝ｍｏ１
＋ｍｏ２＋ｍｅ　＋ｍｏ　、 したがって、一定の制約条件のもとで比例フィードバッ
クゲインＨｂ　を決めれば、比例加速度フィードフォワ
ードゲインＨｆ　は式（４）により決定できる。もちろ
んこの逆もまた可能である。

【００１６】このような構造になっていることによる効
果について、以下では物体・把持装置系の把持搬送作業
を例にとり説明する。図３に作業の概念図を示す。マニ
ピュレータ１２の手先には把持装置１３が搭載され、把
持装置１３の把持力とマニピュレータ駆動力とはそれぞ
れ独立に制御されるものとする。マニピュレータ１２の
移動加速度は作用力制御の観点からは把持力制御系への
外乱とみなせる。そこで、把持・搬送作業中に物体１４
が落下せずかつ破壊されないための把持力変動ｆＲ　、
ｆＬ　に関する作業条件として、次式（５）が考えれら
る。

【００１７】 ｆｍｉｎ　−ｆｒｅｆ　＜ｆ＜ｆｍａｘ　−ｆｒｅｆ　
　　…（５）ここで、 ｆ＝ｆＲ　または−ｆＬ　、 ｆｍｉｎ　：把持装置・対象物体間臨界摩擦抗力、ｆｍ
ａｘ　：対象物体臨界強度、 ｆｒｅｆ　：把持力目標値（一定値）、図２より、把持
力変動ｆは明らかにマニピュレータ手先加速度αの関数
として与えられることから、式（５）の作業条件は加速
度αの許容値を定める条件に他ならない。なお、加速度
αはマニピュレータ手先に取り付けた加速度センサによ
っても検出できるが、マニピュレータが高性能なエンコ
ーダをジョイントに持つ場合には、それを用いて手先加
速度を推定することも可能である。

【００１８】このような作業において、例えば本発明を
用いず、フィンガの把持力制御系が単純なフィードバッ
クのみとした場合には、マニピュレータ手先の高速運動
に伴ってハンド基台に生じる加速度によって、物体の把
持力変動は作業条件の上限および下限から大きく逸脱す
る。一方、図４は、本発明の把持装置におけるｆＲ　お
よびｆＬ　をｆｒｅｆ　に重畳して示したものである。 いずれも変動は作業条件の範囲内にあり、しかも両者の
大きさはほぼ等しいことがわかる。このように、フィー
ドバックとフィードフォワードを併用した把持力制御法
、さらに上で示したような補償器の設計法によれば、１
アクチュエータ１センサの場合でも左右の把持変動をほ
ぼ均等にしかも小さく抑えることが可能になる。したが
って、把持力に生ずる動的な変動が低減される。

【００１９】図５は本発明の第２の実施例の把持装置を
示す図で、同図（１）は機構構成を示す図、同図（２）
は制御系構成を示す図である。本実施例では、物体は２
つの可動フィンガ２によって把持され、把持力センサ５
も両可動フィンガ２に取り付けられている。両可動フィ
ンガ２には加速度αの作用によって大きさが等しく逆向
きの把持力変動が作用することになることから、一方の
把持力制御系の補正信号発生器９には加速度信号をその
まま、他方には符号反転器９’を通して加速度を入力し
てやればよい。このように本実施例の場合は２アクチュ
エータ２センサ系となるため、左右の可動フィンガ２で
それぞれ把持力を調整することが可能になる。もちろん
この場合は多変数制御系として設計を行うことが前提と
なる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、ハンド基
台の加速度に基づく補正駆動信号を、物体把持力制御系
における可動フィンガの駆動入力に加算することにより
、把持力の動的な変動が大きく低減されるので、ハンド
基台の急激な起動停止や、環境からハンド基台への衝撃
外乱の作用などがあっても、把持力が過大になって物体
が破損したり、あるいは逆に把持力が過小となって物体
が滑落したりする危険が減少し、所定の作業条件を満足
する安定な物体把持が実現されるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の把持装置を示す図で、
同図（１）は機構構成を示す図、同図（２）は制御系構
成を示す図である。

【図２】物体把持ダイナミクスモデルを示す図である。

【図３】物体の把持搬送作業の概念図である。

【図４】把持力の変動を示すグラフである。

【図５】本発明の第２の実施例の把持装置を示す図で、
同図（１）は機構構成を示す図、同図（２）は制御系構
成を示す図である。

【図６】把持装置の従来例を示す概略図である。

【符号の説明】

１　　　　ハンド基台 ２　　　　可動フィンガ ３　　　　固定フィンガ ４　　　　フィンガ駆動増幅器 ５　　　　把持力センサ ６　　　　加速度センサ ７　　　　把持力制御系補償器 ８　　　　可動フィンガ系ダイナミクス９　　　　補正
信号発生器 ９’　　　　符号反転器 １０　　　　減算器 １１　　　　加算器 １２　　　　マニピュレータ １３　　　　把持装置 １４　　　　物体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ハンド基台と、該ハンド基台上に搭載
   され、物体を把持する１個の可動フィンガと１個の固定
   フィンガまたは２個の可動フィンガと、前記可動フィン
   ガによる物体の把持力を検出する把持力センサと、該把
   持力センサからの信号に基づくフィードバック量により
   前記把持力を制御する把持力制御系と、前記ハンド基台
   の加速度に基づいて補正駆動信号を発生する補正信号発
   生器と、該補正駆動信号に基づくフィードフォワード量
   を、前記可動フィンガを駆動するフィンガ駆動増幅器の
   入力信号に加算する加算器とを有する把持装置。