JPH09300258A - 多指多関節ハンドの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ロボット多指多関節ハンドを指先で物体を把
持したままで動作させる場合、各指先の位置を指令とし
て制御装置に入力しようとすると、物体を把持するため
の位置指令をそれぞれの指について計算してから入力し
なければならないが、この煩瑣な手順を簡素化する手段
を得ることを目的とする。 【解決手段】 多指多関節ハンドの制御装置１内に設け
た移動座標系（変数出力部３）上でハンドの各指先位置
をベクトルＶ₁,Ｖ₂ …で記述し、そのベクトル一定に保
ったままで、移動座標系の位置姿勢を制御装置へ運動を
指令する入力２を与えることで、各指先の相対的な位置
関係を変えることなく、ベクトルＶ₁,Ｖ₂…と入力２を
作業座標に変換し、動作の各制御部４_a,４_b …を介して
物体を把持したままで多指多関節ハンドの指を動作させ
る手段を備えて成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体を把持する多
指多関節を有するロボットハンドの制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】多指多関節ハンドは、１自由度の開閉し
かできないグリッパ型のハンドとは異なり、多関節構造
を流用した多様な動作が可能なので、汎用的なハンドと
して使うことができる。従来、ロボット多指多関節ハン
ドを指先で物体を把持したままで動作させる場合、把持
状態を考慮して指先軌道を計算し、制御装置にそれぞれ
の指先の軌道指令を入力する。［以下、これを『従来
例』という］。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来例では
ロボット多指多関節ハンドの各指先の位置を指令として
制御装置に入力しようとすると、物体を把持するための
位置指令をそれぞれの指について計算してから入力しな
ければならない。また、指の本数が多くなると、入力す
る指先位置指令の数が多くなるという問題もある。さら
に、従来例は多指多関節ハンドを動作させようとする
と、動作を指定する変数が多いので、操作しにくいとい
う問題があった。例えば３関節指３本のハンドでは、単
純な関節角度制御でも９関節の変数を指定しなければな
らない。さらに、物体を掴んだり掴んだ物体の移動や回
転を行うような協調動作では、複数の指を、各指の相対
的な動作を考慮しながら同時に動作させる必要があり、
直感的に動作を指令することが困難である。ここにおい
て、本発明は、物体を把持するロボット多指多関節ハン
ドの制御装置において、少数の変数のみの操作による簡
潔な手法手順に基づいて、多指多関節ハンドを指令した
位置姿勢を執るように移動させる手段を備えた、すなわ
ち多指多関節ハンドへの動作指令が容易に行える機能を
備えた多指多関節ハンドの制御装置を提供することを目
的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、物体を把持するロボット多指多関節ハンド
の制御装置において、装置内に設けた移動座標系上でハ
ンドの各指先位置をベクトルで記述し、そのベクトルを
一定に保ったままで移動座標系の位置姿勢を制御装置へ
入力するように構成した多指多関節ハンドの制御装置で
ある。これにより、各指先の相対的な位置関係を変える
こよなく多指多関節ハンドを動作させることができ、従
って物体を把持したまま多指多関節ハンドを動作させる
ことができるように構成した多指多関節ハンドの制御装
置が得られる。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、物体を把持するロボットの多指多関節ハンドの制御
装置において、固定された作業座標系と、その作業座標
系内で並進および回転する一つの移動座標系を設け、そ
の移動座標系上で記述するベクトルによって指先の相対
的な位置関係を表し、そのベクトルを作業座標系に座標
変換して指先の目標位置とする機能を備え、前記ベクト
ルを一定に保ったままで、前記移動座標系の目標位置お
よび姿勢を指令入力とすることを特徴とする多指多関節
ハンドの制御装置としたものであり、これにより前記ベ
クトルを一定に保つことから、各指先の相対的な位置関
係を変えることなく多指多関節ハンドを動作させるるこ
とができ、従って物体を把持したままで多指多関節ハン
ドを動作させることができる。

【０００６】本発明の請求項２に記載の発明は、特定の
一つの指先の新たな位置，姿勢への運動を指令する入力
が与えられる移動座標系部と、前記指先の移動座標系に
おいて記述されるベクトルを記憶するベクトル記憶部
と、前記移動座標系部の出力と前記ベクトル記憶部の情
報を導入し座標変換を演算する座標変換部と、前記座標
変換部から制御目標値を受けて移動制御するように多指
多関節ハンドの指先へ出力する制御部とを設けたことを
特徴とする請求項１記載の多指多関節ハンドの制御装置
としたものであり、これにより記憶させた動作様式から
目的の動作を選択し、少数の変数を操作すると、選択し
た動作様式に基づいて、多指多関節ハンドの制御装置内
部でハンドの各関節の制御目標値が自動的に生成される
ので、多指多関節ハンドを動作させるための指令が簡単
になるという作用を有する。

【０００７】請求項３に記載の発明は、前記移動座標系
の上で前記ハンドの規範となる動作様式を複数記憶させ
て選択できるようにし、前記移動座標系と前記動作様式
とから前記ハンドの制御目標値を算出することとし、前
記移動座標系と前記動作様式を規定する変数のうち一部
の変数のみを操作して動作を指令するこを特徴とする多
指多関節ハンドの制御装置としたものであり、これによ
り動作様式または移動変数の選択と１個程度の変数の操
作のみで動作指令が可能になるという作用を有する。

【０００８】請求項４に記載の発明は、複数個の動作様
式を記憶しておきこれを選択する入力に応じて特定の動
作様式を出力する動作様式記憶部と、移動変数指定に基
づいて移動座標系位置姿勢を表す変数のうち動作指令変
数として指令される変数が与えられる移動座標系と、移
動指令変数の入力と前記移動様式記憶部からの入力と前
記移動座標系とからの移動指令変数として指令される変
数とを受入れ制御目標値を演算導出する指令変換部と、
前記制御目標値を受入れて多指多関節ハンドを制御する
制御部から構成されるこを特徴とする請求項４記載の多
指多関節ハンドの制御装置としたものであり、これによ
り動作を指令するための入力が簡便化され得るという作
用を有する。

【０００９】請求項５に記載の発明は、制御する多指多
関節ハンドを３本の３関節指から成り、各指先を空間３
自由度で位置制御することし、前記３本の３関節指の指
先で物体を掴む時に、指を開いたり閉じたりする動作様
式として前記移動座標系の下で、円周上に指先が配置さ
れるときはその半径を変数とし、三角形の頂点に指先が
配置されるときは二等辺三角形の頂点の高さをそれぞれ
変化させることによって、指の開閉移動を規定するこを
特徴とする請求項５記載の多指多関節ハンドの制御装置
としたものであり、これにより最も簡潔な変数入力で物
体を把持しての移動ができるという作用を有する。

【００１０】請求項６に記載の発明は、前記多指多関節
ハンドの指先に力センサーを備え、その力検出情報を前
記制御部へ帰還して把持物体と前記指先との位置ずれを
調整することを特徴とする請求項１ないし請求項５のい
ずれかの項に記載の多指多関節ハンドの制御装置とした
ものであり、これにより把持物体への力情報を利用して
インピーダンス制御のような力帰還制御を行い、把持物
体とロボット指との位置ずれを補償するという作用を有
する。以下、本発明を、図面に示す実施の形態に基づい
て説明する。なお、全ての図面において、同一符号は同
一若しくは相当部材とする。

【００１１】（実施の形態１）図１は本発明の実施の形
態１の回路構成を示すブロック図である。制御装置１へ
多指多関節ハンドの運動を指令する入力２は、制御装置
１内で設定する移動座標系での位置および姿勢である。
移動座標系変数出力部３は入力された指令に従って位置
姿勢が変化する制御装置１において、物体を把持するた
めのハンドの指の相対的な位置関係を表すベクトルと変
数出力が、それぞれの指に関してベクトルＶ₁ 記憶部９
_a などで設定されており、これらのベクトルと変数出力
は座標変換部５_a で座標変換され、物体を把持した状態
で一定に保つ。

【００１２】ロボット指制御部４_a ，４_b …は、ロボッ
ト指の共通する基底に固定して設定された作業座標系に
座標変換手段５_a ，５_b …で座標変換され、それぞれの
ロボット指の位置指令としてロボット指制御部３_a ，３
_b … に送られる。このベクトルは、制御装置１内で移
動座標系から作業座標系に座標変換演算され、それぞれ
のロボット指の位置指令としてロボット指制御部４_a ，
４_b …に送られる。ロボット指制御部４_a ，４_b …は、
ロボット指６_a ，６_b …の共通する基底に固定して設定
された作業座標系の位置指令に従ってロボット指６_a ，
６_b…の位置姿勢の制御を行う。

【００１３】図２は、この実施の形態１において制御装
置内に設定する座標系とベクトルの説明図である。ロボ
ット指の共通する基底には固定された作業座標系Σb が
設定してあり、ロボット指制御部４_a ，４_b …はこの作
業座標系Σb に基づいてロボット指６_a ，６_b …を制御
する。Σo は作業座標系Σb 内で移動する移動座標系で
位置と姿勢を表す。Ｖ1 およびＶ2 は、移動座標系Σo
において例えばペンダント，パソコン等で記述されるベ
クトルで、ロボット指６_a および６_b …の移動座標系Σ
o 上における相対位置を表す。例えば、ベクトルＶ1 は
３次元の直交座標として（Ｘ1,Ｙ1,Ｚ1)と表わせる。

【００１４】座標変換によって作業座標系Σb における
ロボット指６_a ，６_b …の目標位置Ｐ1 およびＰ2 は、
ベクトルＶ1 およびＶ2 と移動座標系Σo の位置姿勢を
表すＶo およびＲo によって、 Ｐi ＝Ｖo ＋Ｒo ・Ｖi ただし、i ＝１，２… と、座標変換することによって得られる。以上の説明で
は、多指多関節ハンドは２本指で示してあったが、指の
本数が増加したときも、同様な方法で適用でき、運動を
指令する入力は移動座標系Σo の位置姿勢を決める６変
数［図２に矢印で表したベクトルで示している、移動座
標系の位置に係るベクトルＶo と、回転行列Ｒo の各３
自由度の計６変数］だけでよい。また、移動座標系Σo
を多指多関節ハンドによって把持する物体に設定すれ
ば、移動座標系Σo の運動はそのまま把持物体の運動を
表すことになり、把持物体の動作を直接制御装置に指令
できる。

【００１５】（実施の形態２）図３は本発明の他の実施
の形態における制御装置の回路構成を示すブロック図、
図４と図５はロボット指先で把持物体を把持している状
態を表す説明図である。このロボット指制御部４_a ，４
_b …では、指先が確実に把持物体９を捉えるために、ロ
ボット指に取り付けられた力センサ７_a ，７_b …の力情
報８_a ，８_b …を利用してインピーダンス制御のような
力帰還制御を行い、把持物体とロボット指との位置ずれ
を補償する。このような多指多関節ハンド６_a ，６_b の
指先によって物体９を把持するときの力センサ７_a ，７
_b による力帰還制御の態様を図４と図５に示している。
すなわち、多指多関節ハンドがワークを把持してそれを
動作させる具体例の説明図を、図４と図５に示す。図４
は、多指多関節ハンドを適用してボルトやナット10の螺
子回しを行う状態を表す。図５は把持したペン11等の先
端位置の制御を行う状態を示す説明図を表している。

【００１６】（実施の形態３）図６は本発明の別の実施
の形態における回路構成を示すブロック図、図７はこの
別の実施の形態で動作する多指多関節ハンドと移動座標
系の模式図、図８はこの別の実施の形態における動作様
式の例を示す説明図である。図６において、60は制御装
置、61は制御される多指多関節ハンド、62は制御部へ制
御目標値を出力する移動指令部、63は移動座標系位置姿
勢を表す変数のうち動作指令変数として指令される変数
を選択する手段、64は多指多関節ハンド61の動作様式の
態様を決めておきそれを予め設定しておく動作様式記憶
部である。

【００１７】65は指令変換部で、動作様式記憶部64から
選択された動作様式と移動座標系の変数の出力手段63の
出力とをそれぞれ導入し、動作指令変数68から多指多関
節ハンド61に適した制御目標値56を出力する手段であ
る。制御目標値66を受け入れた制御部67は、制御される
多指多関節ハンドの一つの61を目的の位置姿勢になるよ
うに駆動制御する。なお、この別の実施の形態で制御す
る多指多関節ハンドの指先61a,61b,61c …は、図７に示
すように３本の３関節指から成り、各指先61a,61b,61c
を空間３自由度で位置制御できるものである。

【００１８】図８では、３本指ハンドの指先で物体を掴
む時に、指を開いたり閉じたりする動作様式の２つの例
を示し、こでの各指先61a,61b,61c は各指先の位置を表
している。図７に示すような移動座標系の下で、図８
(a) は円周上に指先が配置され、図８(b) では三角形の
頂点に指先が配置される。いずれも変数ｆ_1,ｆ₂ …を変
化させることによって、指の開閉動作を規定できる。つ
まり、図８(a) では、円の半径を表す変数ｆ₁ でそれぞ
れの指先が縁の中心に向かい、あるいは中心から遠ざか
る動作を規定する。図８(b) では、三角形の高さを表す
変数ｆ₂ で、指61a が指61b と指61c に向き合って互い
に近づく、あるは遠ざかる動作を規定する。

【００１９】なお、動作様式を規定する補助変数とし
て、図８(a) では角度変数θ₁ とθ ₂、図８(b) では三
角形の底辺長変数ｒ₁ とｒ₂ があり、これによって指の
配置を調整できるので、多指多関節ハンドの持つ自由度
性を活用して、把持物体の形状に対応することも可能で
ある。ただし、これらは動作様式の目的である指の開閉
動作中には変化させる必要はない。動作指令部62には図
８で示したような動作様式が64に記憶されており、操作
者や上位装置( 不図示) からの入力に従って、記憶され
た動作様式を選択し、移動変数指定の入力に応じてこの
場合は移動座標系変数出力部63で移動座標系に対する指
令変数を指定する。

【００２０】動作座標系と選択された動作様式から、指
令変換部65が制御目標値66となる多指多関節ハンド61の
指先位置を算出する。制御部67は、制御目標値66に従っ
て指先位置制御を行い、多指多関節ハンド61を移動させ
る。図８で示した移動様式によれば、ｆ_1,ｆ₂ …という
変数を変化させるだけで、指の開閉移動を行わせること
ができ、事前に図８(a) または図８(b) の移動様式を選
択することによって、異なる開閉移動が実行可能であ
る。同様に、移動座標系63は６個（位置，姿勢各３個の
自由度）の変数で規定できるが、この中から１方向の移
動または回転を表す変数を取り出し、これを変化させこ
とで、各多指多関節ハンドの指先を協調させながら規定
の方向に移動または回転させることもできる。

【００２１】例えば、移動であればＸ座標変数のみを変
化させ、他の５変数（Ｙ，Ｚ座標の２変数と回転角度の
３変数）および動作様式の全変数は一定値に固定すれば
良い。このような、動作様式または移動座標系を選定す
る変数の中から、目的の動作を規定する変数のみを取り
出し、動作指令変数68として制御装置60に入力できるよ
うにしている。こうすることによって、この制御装置60
を使う操作者は、１個程度の変数を操作するだけで、多
指多関節ハンドの機能的な動作を行わせることができ
る。なお、制御部67は指先位置制御だけでなく、関節角
度制御または力制御やコンプライアンス制御等の制御手
法を使っても良く、制御部67の機能に応じた制御目標値
を生成する機能を、指令変換部65に具備させれば良い。

【００２２】ところで、多指多関節ハンドの指先61a,61
b,61c が把持する物体は、把持される度に多指多関節ハ
ンドの指間の相対的な位置関係は変わるけれども、先の
いずれの実施の形態でも同一のワークの把持ということ
であり、把持する状態が変わると、ベクトルＶ_1,Ｖ₂ …
を把持状態に合わせて調整するが、把持状態が一旦確定
すれば、滑りや転がりは無視して、ベクトルＶ_1,Ｖ₂ …
は一定としている。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、多指
多関節ハンドの制御装置内に設けた移動座標系上でハン
ドの各指先位置をベクトルで記述し、そのベクトルを一
定に保ったままで移動座標系の位置姿勢を制御装置へ入
力としたので、各指先の相対的な位置関係を変えること
なく多指多関節ハンドの指をを動作させることができ、
従って物体を把持したままで多指多関節ハンドを動作さ
せることもできる。また、物体を把持するための前記ベ
クトルを一旦設定してしまえば、運動を指令する入力変
数の数は、指の本数が多くなった場合にも、移動座標系
の位置姿勢を示す６変数で済み、指令入力を簡素化でき
る効果もある。さらに、移動座標系と動作様式を規定し
て、目的とする移動において変化させる変数を極く少数
の動作指令変数に集約させたので、多指多関節ハンドが
多自由度を有するにも関わらず、動作中に指令する変数
は少数で済み、動作指令が簡略化されるという特段の効
果を奏することができる。さらにまた、動作様式は制御
装置内に複数記憶させて選択することができるので、簡
略な指令で多種類の動作を使い分けることができるとい
う有利な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態における回路構成を示す
ブロック図

【図２】本発明の一実施の形態の制御装置における座標
系とベクトルの説明図

【図３】本発明の他の実施の形態における回路構成を示
すブロック図

【図４】ロボット指先で第１の把持物体（ボルトやナッ
ト）を把持している状態を表す説明図

【図５】ロボット指先で第１の把持物体（ボルトやナッ
ト）を把持している状態を表す説明図

【図６】本発明の別の実施の形態における回路構成を示
すブロック図

【図７】本発明の別の実施の形態で移動する多指多関節
ハンドと移動座標系の模式図

【図８】本発明の別の実施の形態おける動作様式の例を
示し(a) は動作様式を選択するのは円の半径を表す変数
ｆ₁ でそれぞれの指先が円の中心に向かい、あるいは中
心から遠ざかる動作を規定する説明図(b) は動作様式を
選択するのは三角形の高さを表す変数ｆ₂ で指51a が指
51b と指51c に向き合って互いに近づく、あるは遠ざか
る動作を規定する説明図

【符号の説明】

１,60 制御装置 ２ 制御装置に設定した移動座標系の位置姿勢入力指令 ３ 制御装置に設定した移動座標系変数出力部 ４_a ，４_b ,67a ロボット指制御部 ５_a ，５_b ロボット指制御部４_a ，４_b に送られるロ
ボット指の作業座標系における目標位置 ６_a ，６_b ,61 _a ，61 _b ,61 _c ロボット指 ７_a ，７_b 力センサ ８_a ，８_b 力情報 ９a ベクトルＶ1 の記憶部 ９b ベクトルＶ2 の記憶部 10 把持物体（ボルトやナット） 11 把持物体（ペン） 61 多指多関節ハンド 62 動作指令部 63 移動座標系変数出力部 64 動作様式記憶部 65 指令変換部 66 制御目標値 Ｖ_1,Ｖ₂ ベクトル Σ₀ 回転行列 Σ_b 作業座標系 Ｒ₀ 移動座標系

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】物体を把持するロボットの多指多関節ハン
   ドの制御装置において、固定された作業座標系と、その
   作業座標系内で並進および回転する一つの移動座標系を
   設け、その移動座標系上で記述するベクトルによって指
   先の相対的な位置関係を表し、そのベクトルを作業座標
   系に座標変換して指先の目標位置とする機能を備え、前
   記ベクトルを一定に保ったままで、前記移動座標系の目
   標位置および姿勢を指令入力とすることを特徴とする多
   指多関節ハンドの制御装置。
2. 【請求項２】特定の一つの指先の新たな位置，姿勢への
   運動を指令する入力が与えられる移動座標系部と、前記
   指先の移動座標系において記述されるベクトルを記憶す
   るベクトル記憶部と、前記移動座標系部の出力と前記ベ
   クトル記憶部の情報を導入し座標変換を演算する座標変
   換部と、前記座標変換部から制御目標値を受けて移動制
   御するように多指多関節ハンドの指先へ出力する制御部
   とを設けたことを特徴とする請求項１記載の多指多関節
   ハンドの制御装置。
3. 【請求項３】前記移動座標系の上で前記ハンドの規範と
   なる動作様式を複数記憶させて選択できるようにし、前
   記移動座標系と前記動作様式とから前記ハンドの制御目
   標値を算出することとし、前記移動座標系と前記動作様
   式を規定する変数のうち一部の変数のみを操作して動作
   を指令するこを特徴とする多指多関節ハンドの制御装
   置。
4. 【請求項４】複数個の動作様式を記憶しておきこれを選
   択する入力に応じて特定の動作様式を出力する動作様式
   記憶部と、移動変数指定に基づいて移動座標系位置姿勢
   を表す変数のうち動作指令変数として指令される変数が
   与えられる移動座標系と、移動指令変数の入力と前記移
   動様式記憶部からの入力と前記移動座標系とからの移動
   指令変数として指令される変数とを受入れ制御目標値を
   演算導出する指令変換部と、前記制御目標値を受入れて
   多指多関節ハンドを制御する制御部から構成されるこを
   特徴とする請求項４記載の多指多関節ハンドの制御装
   置。
5. 【請求項５】制御する多指多関節ハンドを３本の３関節
   指から成り、各指先を空間３自由度で位置制御すること
   し、前記３本の３関節指の指先で物体を掴む時に、指を
   開いたり閉じたりする動作様式として前記移動座標系の
   下で、円周上に指先が配置されるときはその半径を変数
   とし、三角形の頂点に指先が配置されるときは二等辺三
   角形の頂点の高さをそれぞれ変化させることによって、
   指の開閉移動を規定するこを特徴とする請求項５記載の
   多指多関節ハンドの制御装置。
6. 【請求項６】 前記多指多関節ハンドの指先に力センサ
   ーを備え、その力検出情報を前記制御部へ帰還して把持
   物体と前記指先との位置ずれを調整することを特徴とす
   る請求項１ないし請求項５のいずれかの項に記載の多指
   多関節ハンドの制御装置。