WO2022004164A1 - ロボットハンドの制御装置および動作方法 - Google Patents

Abstract

指腹面が互いに向き合う第１指および第２指を備えるロボットハンドの制御装置である。対象物を判別可能に構成された対象物判別部と、対象物判別部により判別された対象物に応じ、第１動作モードと、第１動作モードよりも対象物に対する第１指および第２指の指腹部の接触面積が広い第２動作モードと、の間で動作モードを選択可能に構成された動作モード選択部と、動作モード選択部により選択された動作モードにより、対象物を把持する際の当該ロボットハンドの動作を制御可能に構成されたハンド制御部と、を備える。

Description

ロボットハンドの制御装置および動作方法

　本開示は、ロボットハンドの制御装置および動作方法に関する。

　平行グリッパを備えるロボットハンドおよび平行グリッパを効果器に備えるマニピュレータが既に知られている（特許文献１）。

特開２０１７－１６４８９９号公報

　平行グリッパによると、互いに平行な一組または一対の可動部材を互いに近付けたり、遠ざけたりして、対象物を把持することから、対象物との接触が線接触または点接触となる場合が多く、把持に際して対象物との間に形成される接触面積が狭い。多様な形状の対象物の安定した把持には、適切な接触面積を確保し、把持安定性を高めることが望まれるが、多自由度多指ハンドの採用によりこれを実現しようとすると、ロボットハンドの動作自由度を増大させる必要から、ロボットハンドの大型化を招くとともに、構造および制御の複雑化を招くという問題がある。

　把持安定性の確保と、大型化の抑制と、の両立を図ることのできる、ロボットハンドの制御装置および動作方法を提供することが望ましい。

　本開示の一実施の形態に係るロボットハンドの制御装置は、指腹面が互いに向き合う第１指および第２指を備えるロボットハンドの制御装置であり、対象物を判別可能に構成された対象物判別部と、対象物判別部により判別された対象物に応じ、第１動作モードと、第１動作モードよりも対象物に対する第１指および第２指の指腹面の接触面積が広い第２動作モードと、の間で動作モードを選択可能に構成された動作モード選択部と、動作モード選択部により選択された動作モードにより、対象物を把持する際の当該ロボットハンドの動作を制御可能に構成されたハンド制御部と、を備えたものである。

　本開示の一実施の形態に係るロボットハンドの動作方法は、指腹面が互いに向き合う第１指および第２指を備えるロボットハンドの動作方法であって、対象物を判別し、判別された対象物に応じ、第１動作モードと、第１動作モードよりも対象物に対する第１指および第２指の指腹面の接触面積が広い第２動作モードと、の間で動作モードを選択し、選択された動作モードにより、対象物を把持するようにしたものである。

図１は、本開示の第１実施形態に係るロボットハンドの外観を示す斜視図である。 図２は、同上実施形態に係るロボットハンドの各部寸法を示す説明図である。 図３は、同上実施形態に係るロボットハンドの各部寸法を、第２指の姿勢を変えて示す図である。 図４は、同上ロボットハンドの制御システムの構成を概略的に示す模式図である。 図５は、同上実施形態に係るロボットハンドが行う把持動作の全体的な流れを示すフローチャートである。 図６は、同上実施形態に係る第１動作モード（同一面上平行軌道把持モード）選択時における把持動作の具体的な内容を示すフローチャートである。 図７は、同上実施形態に係る第２動作モード（多点接触把持モード）選択時における把持動作の具体的な内容を示すフローチャートである。 図８は、第１動作モードにより、円柱状または球体状の対象物を把持する際の動作の例を示す。 図９は、第１動作モードにより、角柱状の対象物（薄細物を含む）を把持する際の動作の例を示す。 図１０は、第１動作モードにより、傾斜面物体またはテーパ形状の対象物を把持する際の動作の例を示す。 図１１は、第１動作モードにより、シェル形状の対象物を把持する際の動作の例を示す。 図１２は、第１動作モードにより、シェル形状の対象物を把持する際の動作の他の例を示す。 図１３は、第１動作モードにより、高さのある傾斜面物体を把持する際の動作の例を示す。 図１４は、第１動作モードにより、薄細物を側方から把持する際の動作の例を示す。 図１５は、第２動作モードにより、円柱状または球体状の対象物（特に直径または重量の大きなもの）を把持する際の動作の例を示す。 図１６は、第２動作モードにより、角柱状の対象物（特に高さまたは厚みのあるもの）を把持する際の動作の例を示す。 図１７は、第２動作モードにより、傾斜面物体（特に高さのあるもの）を把持する際の動作の例を示す。 図１８は、第２動作モードにより、円柱状の対象物（特にモーメント荷重の大きなもの）を把持する際の動作の例を示す。 図１９は、第２動作モードにより、テーパ形状の対象物を側方から把持する際の動作の例を示す。 図２０は、第１指を大きく開く第３動作モードにおけるロボットハンドの状態の例を示す。 図２１は、第３動作モードによる把持の活用例を示す。 図２２は、本開示の第１実施形態に係るロボットハンドの第１変形例を示す斜視図である。 図２３は、本開示の第１実施形態に係るロボットハンドの第２変形例を示す斜視図である。 図２４は、本開示の第２実施形態に係るロボットハンドの外観を示す斜視図である。

　以下、本開示の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下に説明される実施形態は、本開示の具体例であり、本開示に係る技術が以下の具体的態様に限定されるわけではない。また、本開示に係る各構成要素の配置、寸法および構成要素間の寸法比についても同様であり、各図に表示される例に限定されるわけではない。

　説明は、以下の順序で行う。
　１．第１実施形態
　１．１．ロボットハンドの構成
　１．１．１．全体構成
　１．１．２．制御システムの構成
　１．２．ロボットハンドの基本動作
　１．３．フローチャートによる説明
　１．４．ロボットハンドの各種動作
　１．４．１．第１動作モード（同一面上平行軌道把持モード）
　１．４．２．第２動作モード（多点接触把持モード）
　１．４．３．第３動作モード
　１．５．作用効果
　１．６．変形例の説明
　１．６．１．第１変形例
　１．６．２．第２変形例
　２．第２実施形態
　３．まとめ

＜１．第１実施形態＞
［１．１．ロボットハンドの構成］
（１．１．１．全体構成）
　図１は、本開示の第１実施形態に係るロボットハンドＨの外観を示す斜視図である。

　図２は、本実施形態に係るロボットハンドＨの各部寸法を示す説明図であり、図２（ａ）は、第２指３をやや屈曲させたハンドロボットＨを、手掌部１の中心軸Ａｘ０を含む前額面に対して垂直な方向からみた状態で示し、図２（ｂ）は、第２指３を伸展させたロボットハンドＨを、前額面に対して垂直な方向（上段）および水平面に対して垂直な方向（下段）からみた状態で示す。

　ロボットハンドＨは、操作アームＡの先端部に取り付けられ、マニピュレータの効果器を構成する。本実施形態では、マニピュレータは、直列型の構成であり、操作アームＡおよびロボットハンドＨを備える。操作アームＡは、基端部および終端部を有し、基端部から終端部に向けて軸方向に長い形状を有する。操作アームＡの基端部は、任意のロボット本体に取り付けることが可能である。ロボットハンドＨは、操作アームＡの終端部に接続される。本実施形態では、ロボットハンドＨは、手首部５を備え、この手首部５の関節動作により、操作アームＡの長手方向軸に対して平行または垂直な軸を中心に回転可能である。以下の説明では、操作アームＡの基端部から、ロボットハンドＨの指先部に向けて離れる側を遠位側とし、反対に、ロボットハンドＨの指先部から、操作アームＡの基端部に近付く側を近位側とする。

　ロボットハンドＨは、大別すると、手掌部１と、第１指２と、第２指３と、を備える。

　手掌部１は、ロボットハンドＨの指、つまり、次に述べる第１指２および第２指３を支える台座部となるものであり、第１指２の根元部と、第２指３の根元部と、の間の最短離間距離を定める。本実施形態では、最短離間距離とは、第２指３を手掌部１の中心軸Ａｘ０に対して平行に伸展させた状態で（図２（ｂ））、第１指２の根元部と、第２指３の根元部と、の間に形成される距離をいう。手掌部１は、近位側で手首部５に接続される一方、遠位側に指先部に向く面（以下「遠位面」という）１１を有する。

　第１指２は、手掌部１から遠位側に延び、手掌部１の中心軸Ａｘ０と向き合う指腹面２１を有する。本実施形態では、手掌部１の中心軸Ａｘ０は、操作アームＡの長手方向軸と合致し、遠位面１１を通過する。

　第２指３は、手掌部１から遠位側に延び、第１指２の指腹面２１に対して手掌部１の中心軸Ａｘ０を挟んで向き合う指腹面３１ａ、３１ｂを有する。第１指２の指腹面２１および第２指３の指腹面３１ａ、３１ｂは、ロボットハンドＨが把持の対象とする物体（以下「対象物」という）に対する接触面となるものである。つまり、ロボットハンドＨは、把持に際し、これらの指腹面２１、３１ａ、３１ｂで対象物に接触し、把持力を作用させる。本実施形態では、第１指２は、指先部から根元部の全体に亘って指腹面２１を有し、他方で、第２指３は、末節部ｌ３に指腹面３１ａを有するとともに、中節部ｌ２に指腹面３１ｂを有する。

　ロボットハンドＨは、手首部５により付与される自由度以外に、対象物の把持に資する４つの自由度を有する。

　ロボットハンドＨは、手掌部１に、第２指３を手掌部１に対して第１軸（第１ピッチ軸と呼ばれる場合がある）Ａｘ１を中心に回動可能に接続する近位関節ｊ１を備える。第２指３は、手掌部１に近い基節部（第１または基節リンクと呼ばれる場合がある）ｌ１と、基節部ｌ１よりも遠位側に備わる末節部（第３または末節リンクと呼ばれる場合がある）ｌ３と、基節部ｌ１および末節部ｌ３の間に備わる中節部（第２または中節リンクと呼ばれる場合がある）ｌ２と、を備えるとともに、２つの関節ｊ２、ｊ３を備える。１つは、中節部ｌ２を、基節部ｌ１に対し、第２軸（第２ピッチ軸と呼ばれる場合がある）Ａｘ２を中心に屈曲および伸展可能に接続する中間関節ｊ２であり、他の１つは、末節部ｌ３を、中節部ｌ２に対し、第３軸（第３ピッチ軸と呼ばれる場合がある）Ａｘ３を中心に屈曲および伸展可能に接続する遠位関節ｊ３である。本実施形態では、第１、第２および第３軸Ａｘ１、Ａｘ２、Ａ３は、互いに平行であり、第１軸Ａｘ１と手掌部１の中心軸Ａｘ０とは、互いに立体交差する位置関係にある。

　他方で、第１指２は、屈曲および伸展方向の自由度を持たず、手掌部１に対し、手掌部１の中心軸Ａｘ０と合致するかまたはこれに対して平行な第４軸（ピッチ軸ｐに対し、ヨー軸ｙと呼ばれる場合がある）Ａｘ４を中心に旋回可能である。第４軸Ａｘ４は、第１軸Ａｘ１に対して立体交差する位置にあり、本実施形態では、手掌部１の中心軸Ａｘ０と合致する。第１指２は、例えば、指先部から根元部までの全体を単一のリンク部材により形成することで、屈曲および伸展方向に剛性を持たせ、自由度のない構成とすることが可能である。

　このように、ロボットハンドＨは、対象物の把持に資する自由度として、次の４つを有する。第１は、手掌部１により第１指３に対して付与される１つの自由度（第４軸Ａｘ４を中心とする旋回方向の自由度）であり、第２は、手掌部１の近位関節ｊ１により第２指３に対して付与される１つの自由度（第１軸Ａｘ１を中心とする回転方向の自由度）であり、第３および第４は、第２指３自体が中間関節ｊ２および遠位関節ｊ３に有する２つの自由度（第２軸Ａｘ２および第３軸Ａｘ３を中心とする屈曲および伸展方向の自由度）である。

　本実施形態では、第１指２は、第２指３よりも指幅が狭く、図２（ｂ）に示すように、特に第１指２の指先部と第２指３の末節部ｌ３とを比較した場合に、第１指２の指先部（指幅Ｄ１）が第２指３の末節部ｌ３（指幅Ｄ２）よりも指幅が狭い。

　さらに、第１指２は、図２（ａ）および（ｂ）上段に示すように、指腹面２１がその根元部から先端部に近付くほど手掌部１の中心軸Ａｘ０から離れる形状を有する。つまり、第１指２の指腹面２１は、その根元部と先端部とをつなぐ直線を水準として、手掌部１の中心軸Ａｘ０から離れる方向に深さを増す凹面状をなす。第１指２の指腹面２１は、水平面による断面において、その端縁の描く形状が平面状であってもよいし、曲面状であってもよい。そして、第１指２は、図２（ａ）に示すように、指腹面２１の根元部と先端部とをつなぐ直線と手掌部１の中心軸Ａｘ０に対して平行な基準線との間に形成される角である初期開口角αを有する。初期開口角αは、１０度から６０度の範囲であるのが好ましく、本実施形態では、３０度である。第１指２が初期開口角αを有することで、把持の際に、第１指２の指腹面２１の、対象物に対する角度を合わせることが容易となる。

　本実施形態では、以上に加え、手首部５による自由度として、次の２つの自由度が設定される。手掌部１の中心軸（つまり、ヨー軸ｙ）を中心とする回転方向の１つの自由度と、第１軸Ａｘ１に対して平行な軸（つまり、ピッチ軸ｐ）を中心とする揺動方向の１つの自由度と、である。これにより、ロボットハンドＨは、手首部５により操作アームＡに対する捩じりを加えたり、手首部５を起点としてロボットハンドＨ全体を揺動させたりすることが可能である。ピッチ軸ｐを中心とする自由度に代えるかまたはこれに加え、手掌部１の中心軸Ａｘ０に対して垂直なロール軸ｒを中心とする揺動方向の自由度を付与することも可能である。

　ロボットハンドＨは、手首部５に自由度に応じた数のアクチュエータを備えるとともに、手掌部１（近位関節ｊ１を含む）、第２指３の中間関節ｊ２および遠位関節ｊ３のそれぞれにアクチュエータを備える。本実施形態では、近位関節ｊ１は、中間関節ｊ２および遠位関節ｊ３のいずれよりも大径であり、近位関節ｊ１に内蔵されるアクチュエータとして、中間関節ｊ２および遠位関節ｊ３に内蔵されるものよりも大きな出力のアクチュエータを採用することが可能である。例えば、適用可能なアクチュエータとして、電気モータを例示することが可能であり、近位関節ｊ１には、他の中間関節ｊ２および遠位関節ｊ３よりも高いトルクを出力可能な電気モータを採用することができる。

　本実施形態では、電子制御装置として構成されるコントロールユニット１０１が設けられ、コントロールユニット１０１により、アクチュエータの動作を制御することで、対象物を把持する際のロボットハンドＨの姿勢および動作を制御することが可能である。コントロールユニット１０１を含む制御システムについては後により詳しく説明する。

　図３は、本実施形態に係るロボットハンドＨの各部寸法を、第２指３の姿勢を変えて示す図である。図３（ａ）は、近位関節ｊ１を中間開度とし、中間関節ｊ２を伸展させ、遠位関節ｊ３を屈曲させた状態を示す。図３（ｂ）は、近位関節ｊ１を最大開度として、第２指３の基節部ｌ１が第１指２に対してなす角を最大に広げるとともに、中間関節ｊ２を屈曲させ、遠位関節ｊ３を伸展させた状態を示す。図３（ｃ）は、近位関節ｊ１を最小開度として、第２指３の基節部ｌ１が第１指２に対してなす角を最小に狭めるとともに、中間関節ｊ２および遠位関節ｊ３をいずれも伸展させた状態を示す。図３（ａ）および３（ｂ）において、第１指２の指先部と第２指３の末節部ｌ３とは、互いに同一面上にあり、図３（ｃ）において、第１指２の指腹面２１の根元部と先端部とをつなぐ直線と、第２指３の中節部ｌ２および末節部ｌ３の指腹面３１ａ、３１ｂに対して平行な直線とは、初期開口角αと等しい角度をなす。本実施形態では、第１指２の指先部の先端と第２指３の末節部ｌ３の先端とが同一面上にある場合に、「第１指２の指先部と第２指３の末節部ｌ３とは、同一面上にある」ものとする。同一面上にあることを判断する際の基準となる部位として、指先部ないし末節部ｌ３の先端に代え、把持に際して最も早く対象物に接触する部位を採用することも可能である。図３を参照して、ロボットハンドＨの構成についてさらに説明する。

　図３に示す寸法は、夫々次のようである。Ｌ１は、近位関節ｊ１の中心から中間関節ｊ２の中心までの基節部ｌ１の指腹面に沿う方向の長さであり、Ｌ２は、中間関節ｊ２の中心から遠位関節ｊ３の中心までの中節部ｌ２の指腹面３１ｂに沿う方向の長さであり、Ｌ３は、遠位関節ｊ３の中心から第２指３の先端、つまり、第２指３の末節部ｌ３の先端までの末節部ｌ３の指腹面３１ａに沿う方向の長さである。Ｌ４は、第１指２の長さであり、手掌部１の中心軸Ａｘ０（図２（ｂ））に対して平行な方向に定められる。Ｌ５は、第２指３の中間関節ｊ２および遠位関節ｊ３をいずれも伸展させた状態で遠位関節ｊ３の中心と第１指２の先端、つまり、第１指２の指先部の先端との間に形成される間隔であり、手掌部１の遠位面１１の広さを指標する。Ｌ６は、図３（ａ）に示す状態で第１指２の先端と第２指３の先端との間に形成される間隔であり、後に述べる第１動作モード（同一面上平行軌道把持モード）により把持可能な対象物の最大横幅寸法に相当する。Ｌ７は、第１指２の先端から手掌部１またはその遠位面１１までの高さであり、第１動作モードにより把持可能な対象物の最大高さ寸法に相当する。Ｌ８は、遠位関節ｊ３の直径であり、Ｌ９は、手首部の直径である。ここで、寸法Ｌ３、Ｌ７およびＬ８の間には、第１動作モードによる動作を可能とする条件として、下式（１）に示す関係が成立する。本実施形態では、近位関節ｊ１が手掌部１に含まれ、これにより、手掌部１の遠位面１１は、第１指２の付け根に隣接する部分から近位関節ｊ１の側面の一部にかけて延在する。本実施形態では、各節部ｌ１、ｌ２、ｌ３の長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３は、互いに等しい（下式（２））。さらに、本実施形態では、第２指３の末節部ｌ３は、遠位側ほど厚みが減少するテーパ形状を有する。
　Ｌ３＋Ｌ８／２≦Ｌ７　…（１）
　Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３　…（２）

（１．１．２）制御システムの構成
　図４は、本実施形態に係るロボットハンドＨの制御システムＳの構成を概略的に示す模式図である。

　制御システムＳは、大別すると、コントロールユニット１０１（図１）と、各種センサ２０１～２０４と、各種アクチュエータＡＣＴと、を備える。先に述べたように、アクチュエータＡＣＴは、ロボットハンドＨの関節等、可動部に備わる電気モータを含む。

　センサ２０１～２０４は、ロボットハンドＨの異なる部位に設置され、ロボットハンドＨと対象物との位置関係を把握したり、対象物に対するロボットハンドＨの接触を検知したりするのに用いられる。

　センサ２０１は、手掌部１に設けられ、手掌部１に対する対象物の位置を検出したり、手掌部１の遠位面１１に対する対象物の接触を検知したりすることが可能である。センサ２０１に適用可能なものとして、触覚センサおよび近接覚センサを例示することが可能であり、視覚センサまたはカメラで代用することもできる。

　センサ２０２は、第１指２に設けられ、第１指２の指腹面２１に対する対象物の接触を検知する。センサ２０２に適用可能なものとして、触覚センサおよび近接覚センサを例示することが可能である。

　センサ２０３は、第２指３の中節部ｌ２に設けられ、中節部ｌ２の指腹面３１ｂに対する対象物の接触を検知する。センサ２０３に適用可能なものとして、触覚センサおよび近接覚センサを例示することが可能である。

　センサ２０４は、第２指３の末節部ｌ３に設けられ、末節部ｌ３の指腹面３１ａに対する対象物の接触を検知する。センサ２０４に適用可能なものとして、触覚センサおよび近接覚センサを例示することが可能である。

　本実施形態では、末節部ｌ３に設けられるセンサ２０４は、中節部ｌ２に設けられるセンサよりも高い分解能を有する一方、低い負荷レンジを有する。これは、対象物を把持する際のセンサ出力の用途の違いによる。後に述べる第１動作モード（同一面上平行軌道把持モード）では、比較的小さく、軽い物体を把持の対象とし、末節部ｌ３に備わる高分解能センサ２０４を用いてロボットハンドＨの把持力を制御する。これに対し、第２動作モード（多点接触把持モード）では、比較的大きく、重い物体を把持の対象とし、中節部ｌ２に備わる高負荷レンジセンサ２０３を用いてロボットハンドＨの把持力を制御する。このように、本実施形態では、対象物の大きさおよび形状等に応じ、センサ２０３、２０４の間で把持力の制御に用いられるセンサを切り換える。

　第２指３の中節部ｌ２および末節部ｌ３に加え、基節部ｌ１にセンサを設置し、対象物を把持する際のアクチュエータＡＣＴの制御に用いることも可能である。

　コントロールユニット１０１は、一例として、プロセッサ等が備わる中央演算装置（ＣＰＵ）、ＲＯＭおよびＲＡＭ等の各種記憶装置、入出力インターフェース等を備えるマイクロコンピュータとして構成され、センサ２０１～２０４からの検出信号を入力するとともに、入力されたセンサ信号に基づき、予め定められたプログラムの指令に従って演算を実行する。そして、演算の結果として得られた指令信号を、アクチュエータＡＣＴの駆動ユニットに出力する。

　本実施形態では、コントロールユニット１０１は、対象物を判別するとともに、判別された対象物に応じ、第１動作モード、つまり、同一面上平行軌道把持モードと、第２動作モード、つまり、多点接触把持モードと、の間で動作モードを選択する。そして、コントロールユニット１０１は、選択された動作モードにより、対象物を把持する際のロボットハンドＨの動作を制御する。ここで、第２動作モードは、比較的大きな対象物の把持に際して選択され、第１動作モードよりも対象物に対する第１指２および第２指３の指腹面２１、３１ａ、３１ｂの接触面積が広い動作モードとして特徴付けられる。本実施形態では、接触面積の切り換えは、手掌部１、第１指２および第２指３のうち、把持の際に対象物に接触させる部位を異ならせることによる。コントロールユニット１０１は、大別すると、対象物判別部１１１と、動作モード選択部１２１と、ハンド制御部１３１と、を備える。

　対象物判別部１１１は、対象物を判別する。本実施形態では、対象物の判別は、対象物の大きさ、形状および材質等の判別を含む。対象物の判別は、対象物に関するこれらの情報が定められたリストを予め作成し、コントロールユニット１０１に記憶させておくことにより達成可能であるし、対象物を撮影可能にカメラを設置し、このカメラにより得られる画像データ等に基づき、対象物の種類ないし属性を判別することによっても可能である。

　動作モード選択部１２１は、対象物判別部１１１により判別された対象物に応じ、第１動作モードと、第２動作モードと、の間で動作モードを選択する。

　具体的には、動作モード選択部１２１は、対象物の寸法を予め設定された基準寸法と比較し、対象物の寸法が基準寸法よりも小さい場合に、第１動作モードを選択する。他方で、動作モード選択部１２１は、対象物の寸法が基準寸法よりも大きい場合に、第２動作モードを選択する。先に述べたように、第２動作モードは、第１動作モードよりも対象物に対するロボットハンドＨの指腹面２１、３１ａ、３１ｂの接触面積が広い動作モードである。

　基準寸法は、例えば、第１指２の指先部と第２指３の末節部ｌ３とが手掌部１の中心軸Ａｘ０に対して垂直な同一面上にある状態で、これら各端部間の距離がとり得る最大値である。この場合の基準寸法は、図３（ａ）中、符号Ｌ６が示す寸法として与えられる。

　これに代え、基準寸法は、第１指２の先端と手掌部１の遠位面１１との間で、手掌部１の中心軸Ａｘ０に平行な方向に定められる距離であってもよい。この場合の基準寸法は、図３（ａ）および（ｂ）中、符号Ｌ７が示す寸法として与えられる。

　本実施形態では、動作モード選択部１２１は、対象物の横幅寸法が第１基準寸法Ｌ６よりも小さくかつ対象物の高さ寸法が第２基準寸法Ｌ７よりも小さい場合に、第１動作モードを選択し、対象物の横幅寸法が第１基準寸法Ｌ６よりも大きいか、そうでなければ、対象物の高さ寸法が第２基準寸法Ｌ７よりも大きい場合に、第２動作モードを選択する。

　ハンド制御部１３１は、動作モード選択部１２１により選択された動作モードにより、対象物を把持する際のロボットハンドＨの動作を制御する。

［１．２．ロボットハンドの基本動作］
　先に述べたように、第１動作モードと第２動作モードとは、把持の際に対象物とロボットハンドＨとの間に形成される接触面積の点で区別され、第１動作モードは、比較的小さな接触面積の動作モードとして、第２動作モードは、比較的大きな接触面積の動作モードとして、夫々特徴付けられる。さらに、本実施形態では、第１動作モードと第２動作モードとの間でロボットハンドＨが対象物に及ぼす把持力の大きさを異ならせ、これに併せ、把持力の制御に用いられるセンサ２０３、２０４の位置および特性、つまり、センサの分解能および負荷レンジを切り換える。

　図８は、第１動作モードにより、円柱状または球体状の対象物Ｔ１１を把持する際のロボットハンドＨの動作の例を示す。図８を例に説明すると、第１動作モードでは、対象物Ｔ１１に対してロボットハンドＨを適切に、具体的には、第１指２の指先部と第２指３の末節部ｌ３とを概ね対象物Ｔ１１の重心の高さに合わせて配置した後、第１指２の指先部を対象物に近付け、その指腹面２１を対象物の重心の高さにある側面に接触させる。第１動作モードにおいて、この第１指２による接触は、対象物に対するロボットハンドＨの最初の接触であり、この接触の際に、手掌部１の遠位面１１は、対象物と接触しておらず、対象物と手掌部１との間に、空間が残る。その後、第２指３の末節部ｌ３を対象物Ｔ１１に近付け、その指腹面３１ａを、対象物のうち、第１指２の指先部の指腹面２１と接触する側面とは反対側の側面に接触させる。ここで、第１動作モードでは、第２指３の末節部ｌ３を対象物Ｔ１１に近付ける際に、遠位関節ｊ３を適宜に作動させることで、第２指３の末節部ｌ３を、その先端が同一面Ｐ上の軌道を維持するように移動させる。換言すれば、第１動作モードでは、第２指３の末節部ｌ３を対象物Ｔ１１に近付ける間、その先端と第１指２の指先部の先端とは、常に同一面Ｐ上にある。第２指３の末節部ｌ３の指腹面３１ａを対象物に接触させた後、対象物に対し、ロボットハンドＨによる把持力を作用させ、対象物を把持する。

　図１５は、第２動作モードにより、円柱状または球体状の対象物（特に直径または重量の大きなもの）Ｔ７１、Ｔ７２を把持する際のロボットハンドＨの動作の例を示す。図１５を例に説明すると、第２動作モードでは、ロボットハンドＨを対象物Ｔ７１、Ｔ７２に近付け、対象物Ｔ７１、Ｔ７２に対し、手掌部１の遠位面１１を接触させる。第２動作モードにおいて、この手掌部１による接触は、対象物Ｔ７１、Ｔ７２に対するロボットハンドＨの最初の接触である。その後、第１指２の指先部を対象物Ｔ７１、Ｔ７２に近付け、その指腹面２１を概ね対象物Ｔ７１、Ｔ７２の重心の高さにある側面に接触させる。第１指２による接触後、第２指３を対象物Ｔ７１、Ｔ７２に近付け、中節部ｌ２の指腹面３１ｂおよび末節部ｌ３の指腹面３１ａをこの順で対象物Ｔ７１、Ｔ７２の側面に接触させる。ここで、第２動作モードでは、第１指２の指先部および第２指３の末節部ｌ３だけでなく、手掌部１および第２指３の中節部ｌ２も対象物Ｔ７１、Ｔ７２の把持ないし把持力の形成に加わることで、対象物Ｔ７１、Ｔ７２に対する多点接触が実現され、接触面積が増大する。第２指３の中節部ｌ２および末節部ｌ３の指腹面３１ａ、３１ｂを対象物Ｔ７１、Ｔ７２に接触させた後、対象物に対し、ロボットハンドＨによる把持力を作用させ、対象物を把持する。

　以上が、対象物の把持に際してロボットハンドＨが行う基本的な動作である。本実施形態では、上記以外に、第１動作モードまたは第２動作モードに分類される派生モードとして、次の２つを採用する。

　１つは、側面が傾斜を有していたり、テーパ形状であったりする物体を把持の対象とする場合の派生モードであり、第１動作モードに分類される。具体的には、対象物に第２指３の末節部ｌ３の指腹面３１ａを接触させるのに先立ち、第１指２を第４軸Ａｘ４を中心に旋回させ、第１指２の指腹面２１の向きを対象物の側面の向きに近付け、指腹面２１の傾斜と対象物の側面の傾斜とを整合させる。図１３は、この派生モードの例として、第１動作モードにより、高さのある傾斜面物体Ｔ５１を把持する際のロボットハンドＨの動作を示す。

　他の１つは、横幅Ｗが狭かったり、高さＨが低かったりするが、モーメント荷重が大きい物体（例えば、フライパンの取っ手または先の長いロッドのようなもの）を把持の対象とする場合の派生モードであり、第２動作モードに分類される。具体的には、対象物に手掌部１の遠位面１１を接触させ、さらに、第１指２の指腹面２１を接触させた後、近位関節ｊ１を回転させるとともに、中間関節ｊ２および遠位関節ｊ３を屈曲させる。このように、第２指３を閉じるようにして、第２指３により対象物を包囲し、把持力を作用させる。これは、フォームクロージャとして一般的に知られる把持形態である。図１８は、この派生モードの例として、円柱状の対象物（特にモーメント荷重の大きなもの）Ｔ１０１を把持する際のロボットハンドＨの動作を示す。

［１．３．フローチャートによる説明］
　図４は、本開示の第１実施形態に係るロボットハンドＨが行う把持動作の全体的な流れを示すフローチャートである。図５は、本実施形態に係る第１動作モード（同一面上平行軌道把持モード）選択時における把持動作の具体的な内容を示すフローチャートであり、図６は、本実施形態に係る第２動作モード（多点接触把持モード）選択時における把持動作の具体的な内容を示すフローチャートである。図４から６に示す動作は、コントロールユニット１０１により制御され、把持の対象とする物体（対象物）が特定されるたびに実行される。

　Ｓ１０１では、対象物１０１を認識する。

　Ｓ１０２では、対象物１０１の寸法を取得する。本実施形態では、対象物のうち、ロボットハンドＨによる把持力を作用させる部位の横幅寸法Ｗと、対象物の高さ寸法Ｈと、を取得する。

　Ｓ１０３では、把持の際に対象物からかかる負荷が標準負荷の範囲内にあるか否かを判定する。負荷が標準負荷の範囲内にある場合は、Ｓ１０４へ進み、標準負荷の範囲内にない場合は、Ｓ１０７へ進む。標準負荷は、対象物の重量または対象物からロボットハンドＨにかかるモーメント荷重として定めることが可能である。

　Ｓ１０４では、対象物の横幅寸法Ｗが第１基準寸法Ｌ６以下であるか否かを判定する。横幅寸法Ｗが第１基準寸法Ｌ６以下である場合は、Ｓ１０５へ進み、第１基準寸法Ｌ６を超える場合は、Ｓ１０７へ進む。

　Ｓ１０５では、対象物の高さ寸法Ｈが第２基準寸法Ｌ７以下であるか否かを判定する。高さ寸法Ｈが第２基準寸法Ｌ７以下である場合は、Ｓ１０６へ進み、第２基準寸法Ｌ７を超える場合は、Ｓ１０７へ進む。

　Ｓ１０６では、ロボットハンドＨの動作モードとして、第１動作モードを選択する。

　Ｓ１０７では、ロボットハンドＨの動作モードとして、第２動作モードを選択する。

　第１動作モードが選択された場合は、図５に示すフローチャートに移り、第１動作モードにより対象物を把持する。

　Ｓ２０１では、第１指２の指先部を概ね対象物の重心の高さに合わせるとともに、第１指２の指腹面２１が対象物の側面に対して概ね平行となるように、第１指２の指先部の角度を調整する。この調整は、主に手首部５の動作により可能である。

　Ｓ２０２では、第１指２の指先部を対象物に近付け、その指腹面２１を対象物の重心の高さにある側面に接触させる。

　Ｓ２０３では、対象物のうち、第１指２の指先部の指腹面２１と接触する側面とは反対側の側面の角度を計測する。

　Ｓ２０４では、第２指３の末節部ｌ３の角度を計測された角度に近付けるように調整する。この調整は、近位関節ｊ１、中間関節ｊ２および遠位関節ｊ３を適宜に動作させることによる。そして、遠位関節ｌ３を、調整後の末節部ｌ３の角度を維持するように動かしながら、第２指３の末節部ｌ３を対象物に近付ける。ここで、必要に応じ、第１指２を第４軸Ａｘ４を中心に相対的に回転させることで、末節部ｌ３の角度を維持する動作を補助することが可能である。

　Ｓ２０５では、第２指３の末節部ｌ３の指腹面３１ａを、対象物の反対側面に接触させる。

　Ｓ２０６では、対象物に対し、ロボットハンドＨによる把持力を作用させ、把持を完了する。

　第２動作モードが選択された場合は、図６に示すフローチャートに移り、第２動作モードにより対象物を把持する。

　Ｓ３０１では、第２指３を近位関節ｌ１の動作により第１軸Ａｘ１を中心として外方に回転させ、第１指２と第２指３との間に形成される開口を、把持の対象とする物体を受容可能な程度に広げる。

　Ｓ３０２では、ロボットハンドＨを対象物に近付け、対象物に対し、手掌部１の遠位面１１を接触させる。

　続くＳ２０２およびそれ以降では、第１動作モードのＳ２０２からＳ２０６と同様の動作を行う。つまり、第１指２の指先部を対象物に近付け、その指腹面２１を対象物の重心の高さにある側面に接触させ（Ｓ２０２）、第１指２の指先部の指腹面２１と接触する側面とは反対側の対象物の側面の角度を計測し（Ｓ２０３）、第２指３の末節部ｌ３の角度を計測された角度に近付けるように調整するとともに、調整後の末節部ｌ３の角度を維持しながら、第２指３の末節部ｌ３を対象物に近付け（Ｓ２０４）、指腹面３１ａを対象物の反対側面に接触させ（Ｓ２０５）、さらに、対象物に対する把持力を形成して（Ｓ２０６）、把持を完了する。

　Ｓ２０６における把持力の形成は、例えば、次のように行うことが可能である。

　対象物にロボットハンドＨとの接触部、本実施形態では、第１指２および第２指３の指腹面２１、３１ａ、３１ｂに対する滑り（指腹面２１、３１ａ、３１ｂに対する対象物全体の相対的な移動が生じている状態をいい、以下「全体滑り」という場合がある）が生じる前の「部分滑り」の状態を検出する。部分滑りとは、対象物に全体滑りが生じる前の、ロボットハンドＨとの接触部の一部にのみ、動きが生じているに過ぎない状態をいう。部分滑りの検出は、例えば、センサ素子の表面がウレタンゲルまたはシリコンゲル等の粘性または弾性材料で被覆された分布型の圧力センサにより行うことが可能である。被覆材料の摩擦係数が互いに異なる少なくとも２つの圧力センサを指腹面２１、３１ａ、３１ｂの異なる部位に設置し、これら複数の圧力センサから出力される信号をもとに、摩擦係数が低い材料により被覆された一部のセンサ素子からの出力にのみ、対象物の動きに応じた圧力の変化が生じている状態を検知する。そして、部分滑りが生じている場合は、ロボットハンドＨの把持力を現状のままで維持し、他方で、全体滑りが生じている場合は、ロボットハンドＨの把持力を増大させ、対象物の脱落を防止する。いずれの圧力センサからの出力においても対象物の動きに応じた圧力の変化がない場合は、現状の把持力に余裕があるものとして、把持力を減少させることが可能である。これにより、アクチュエータの駆動に消費される電力の削減を図ることが可能である。部分滑りの監視を通じて得られる把持力は、対象物に全体滑りを生じさせない程度の最小限の把持力である。

［１．４．ロボットハンドの各種動作］
　第１動作モードおよび第２動作モードによる具体的な対象物の把持について、以下に例示する。

（１．４．１．第１動作モード（同一面上平行軌道把持モード））
　図８は、円柱状または球体状の物体Ｔ１１を把持の対象とする場合の第１動作モードによる動作の例を示す。第１指２の指先部の指腹面２１を対象物の重心の高さ付近の側面に接触させ、第２指３の末節部ｌ３を同一面Ｐ上の軌道に沿って対象物Ｔ１１に近付け、その指腹面３１ａを指腹面２１とは反対側の側面に接触させる。

　図９は、（ａ）角柱状の物体Ｔ２１、（ｂ）一辺の寸法が小さい細小物Ｔ２２、（ｃ）厚みの小さい薄細物Ｔ２３を把持の対象とする場合の第１動作モードによる動作の例を示す。この場合のロボットハンドＨの動作は、図８に示すのと同様であるが、特に図９（ｂ）および（ｃ）に示す細小物Ｔ２２および薄細物Ｔ２３の把持では、手首部５の状態を固定したままにおくことが可能であり、操作アームＡを含むマニピュレータ全体でのマニピュレーション負荷が低く抑えられる。

　図１０は、（ａ）側面に傾斜を有する傾斜面物体（例えば、高さの低い三角柱または四角錐）Ｔ３１、（ｂ）側面がテーパ形状である物体（例えば、コップのようなもの）Ｔ３２を把持の対象とする場合の第１動作モードによる動作の例を示す。この場合のロボットハンドＨの動作は、第２指３の末節部ｌ３を対象物Ｔ３１、Ｔ３２に近付ける際に遠位関節ｊ３が付与する回転角度が大きい点に特徴がある。

　図１１は、シェル形状の物体として、（ａ）円筒状のものＴ４１、（ｂ）深さのある皿型のものＴ４２、（ｃ）側面にテーパ形状を有する椀型のものＴ４３を把持の対象とする場合の第１動作モードによる動作の例を示す。図１２は、シェル形状の他の物体として、深さのない（つまり、浅い）皿型のものＴ４４を把持の対象とする場合の第１動作モードによる動作の例を示す。本実施形態において、シェル形状とは、円筒、倒置円錐、切頭倒置円錐および半球等を薄肉で造形した形状をいい、例えば、コップ、大小各種の皿、小鉢、お椀等の形状がこれに該当する。シェル形状を有する対象物Ｔ４１、Ｔ４２、Ｔ４３、Ｔ４４に対し、上縁近傍のシェル内面に対し、第１指２の指先部の指腹面２１を角度を合わせた状態で接触させ、対象物の重心の高さ付近のシェル外面に第２指３の末節部ｌ３の指腹面３１ａを接触させることで、対象物の淵をつまむようにして把持する。

　図１３は、高さのある傾斜面物体（例えば、底面のうち、二辺が他の一辺と比較して長い三角柱または高さのある四角推）Ｔ５１を把持の対象とする場合の第１動作モードによる動作の例を示す。ロボットハンドＨを寝かせ、対象物Ｔ５１に対して側方から接近させる。第１指２の第４軸Ａｘ４を中心とする相対的な回転により第１指２の指先部の角度を合わせ、その指腹面２１を対象物Ｔ５１の側面に接触させた後、第２指３の末節部ｌ３を、遠位関節ｊ３の動作により末節部ｌ３を調整後の角度に維持しながら対象物Ｔ５１の重心の高さ付近にある反対側の側面に近付け、その指腹面３１ａを接触させる。

　図１４は、厚みの小さい薄細物Ｔ６１を把持の対象とする場合の第１動作モードによる動作の例を示す。この場合のロボットハンドＨの動作は、図１３に示すのと同様であり、把持の際に、ロボットハンドＨを寝かせ、対象物Ｔ６１に対して側方から近付ける。第１指２の指先部の指腹面２１を対象物の側面に接触させた後の動作において、第２指３の末節部ｌ３を対象物Ｔ６１の反対側の側面に近付ける際に、同一面上の軌道を維持するのが、第１指２の指先部の側面ないし側縁と、第２指３の末節部ｌ３の側面ないし側縁と、である点に特徴がある。

（１．４．２．第２動作モード（多点接触把持モード））
　図１５は、円柱状または球体状の物体（特に直径または重量の大きなもの）Ｔ７１、Ｔ７２を把持の対象とする場合の第２動作モードによる動作の例を示す。近位関節ｊ１の動作によりロボットハンドＨの指が開いた状態で対象物Ｔ７１、Ｔ７２に接近させ、手掌部１の遠位面１１を接触させる。その後、第１指２の指先部の指腹面２１を対象物Ｔ７１、Ｔ７２の側面に接触させ、第２指３を、中節部ｌ２の指腹面３１ｂ、末節部ｌ３の指腹面３１ａの順で、対象物Ｔ７１、Ｔ７２の反対側の側面に接触させる。この際、第１指２の指先部の指腹面２１および第２指３の末節部ｌ３の指腹面３１ａを接触させるのは、対象物Ｔ７１、Ｔ７２の重心の高さに近いほど好適である。

　図１６は、角柱状の物体（例えば、特に高さまたは厚みのある直方体または立方体）Ｔ８１を把持の対象とする場合の第２動作モードによる動作の例を示す。図１７は、傾斜面物体（例えば、底面のうち、二辺が他の一辺と比較して特に長い三角柱または特に高さのある四角推）Ｔ９１を把持の対象とする場合の第２動作モードによる動作の例を示す。この場合のロボットハンドＨの動作は、図１５に示すのと同様である。

　図１８は、円柱状または長尺上の物体（例えば、フライパンの取っ手等、特にモーメント荷重の大きなもの）Ｔ１０１を把持の対象とする場合の第２動作モードによる動作の例を示す。対象物Ｔ１０１に手掌部１の遠位面１１を接触させ、さらに、第１指２の指腹面２１（この場合は、第１指１の付け根に近い指腹面）を接触させた後、近位関節ｊ１を回転させるとともに、中間関節ｊ２および遠位関節ｊ３を屈曲させ、第２指３を閉じるようにして、対象物Ｔ１０１を包囲する。

　図１９は、側面がテーパ形状である物体Ｔ１１１を把持の対象とする場合の第２動作モードによる動作の例を示す。この場合のロボットハンドＨの動作は、異なる動作モードによるものであるが、図１３に示すのに近似する。ロボットハンドＨを寝かせ、対象物Ｔ１１１に対し、手首部５の動作により第１指２の指先部の角度を合わせた状態で側方から接近させる。そして、手掌部１の遠位面１１を対象物Ｔ１１１に接触させた後、第１指２の指先部の指腹面２１を対象物Ｔ１１１の側面に接触させ、さらに、第１指２を第４軸Ａｘ４を中心として相対的に回転させることで、第２指３の末節部ｌ３の角度を調整して、対象物Ｔ１１１の側面の傾斜に合わせ、対象物Ｔ１１１の反対側の側面に対し、末節部ｌ３を調整後の角度に維持しながら近付け、指腹面３１ａを接触させる。

（１．４．３．第３動作モード）
　以上に加え、本実施形態では、第１指２を手掌部１の中心軸Ａｘ０に対して垂直な面内で広げる第３動作モードを採用する。

　図２０は、第１指２を大きく、例えば、第１指２の指腹面２１の向く方向と、第２指３の指腹面３１ａ、３１ｂの向く方向と、のなす角が、９０度を超える最大開度にまで開く第３動作モードにおけるロボットハンドＨの状態の例を示す。第３動作モードにより、手掌部１を大きく開くことができ、第２指３全体の指腹面３１ａ、３１ｂを用いた用途に対応可能となる。

　図２１は、第３動作モードによる把持の活用例を示す。一対のロボットハンドＨを互いに鏡面対称に配置することで、双腕を用いた両手での把持を実行可能とし、対象物Ｔ１２１を広い平面で支えたり、両側から挟んで持ったりするアプローチをとることが可能となる。

［１．５．作用効果］
　ロボットアーム等のマニピュレータに備わる効果器として代表的な平行グリッパによると、互いに平行な一組または一対の可動部材を互いに近付けたり、遠ざけたりして、対象物を把持することから、対象物との接触が線接触または点接触となる場合が多く、安定して把持することのできる対象物の形状が限定される。多様な形状の対象物の安定した把持には、対象物に対するロボットハンドの接触部の位置および対象物に接近させる際のロボットハンドまたはその指の角度を制御可能とすることが望ましい。しかし、ロボットハンドの動作自由度を増大させる必要があり、ロボットハンドの大型化、さらに、構造および制御の複雑化を招くという問題がある。そして、ロボットハンドの大型化は、ロボットハンドを支持するアームに対する負荷の増大を招くことから、適用可能な用途が制限されるという問題を誘起する。

　ここで、ロボットハンドを多自由度多指構成とすることで、把持安定性の確保を図ることが可能である。しかし、多自由度多指ハンドでは、大型化および構造の複雑化を避けることができず、制御も複雑なものとなる傾向にあるうえ、その多くの例において、ＤＩＰ関節とＰＩＰ関節とを連動させる機構が採用されるため、充分な操作性を確保することが困難である。腱駆動による劣駆動ハンドによっても同様であり、指同士の相対的な角度の調整に充分に対応することは困難である。

　これに対し、本実施形態によれば、対象物の大きさおよび形状等に応じ、第１指２および第２指３の指腹面２１、３１ａ、３１ｂの相対的な位置および角度を変化させることで、対象物の把持に必要なロボットハンドＨの接触面積を確保し、ロボットハンドＨの把持安定性を確保することが可能となる。

　具体的には、対象物を判別し、その結果に応じて対象物に対する第１指２および第２指３の指腹面２１、３１ａ、３１ｂの接触面積を切換可能としたことで、対象物の大きさおよび形状等に応じた広さの接触面積により対象物を把持することが可能となる。これにより、所要の把持力を得るうえでより適切な広さの接触面積を形成することが可能となり、把持安定性を高めることができる。

　ここで、比較的小さな対象物の把持には、接触面積が狭い第１動作モードを選択し、比較的大きな対象物の把持には、接触面積が広い第２動作モードを選択することで、接触面積の適正化を図ることが可能である。

　そして、第２指３には、近位関節ｊ１のほか、中間関節ｊ２および遠位関節ｊ３による屈曲および伸展方向の自由度を与える一方、第１指１には、屈曲および伸展方向の自由度を与えず、簡素な構成によりロボットハンドＨを具現可能としたことで、指に与える自由度の数を必要最小限に止め、部品点数の増大を抑制することが可能となる。このように、本実施形態によれば、把持安定性の確保と、自由度の増大による伴う大型化の抑制と、の両立を図り、併せて、構造および制御の複雑化を抑えることができる。

　異なる部位に設置された複数のセンサのうち、制御に用いられるセンサを動作モードに応じて切り換えることで、実際の接触面積を把握するとともに、適切な把持力の形成に有用なセンサ情報を取得することが可能となる。具体的には、第１動作モードでは、末節部ｌ３に備わる高分解能センサを採用することで、比較的小さく、軽い対象物に対する把持力の形成に有用なセンサ情報を取得することができ、他方で、第２動作モードでは、中節部ｌ２に備わる高負荷レンジセンサを採用することで、比較的大きく、重い対象物に対する把持力の形成に有用なセンサ情報を取得することができる。

　第１動作モードでは、初めに、第１指２の指腹面２１を対象物に接触させ、続いて、第２指３の末節部ｌ３を、調整後の角度を維持しながら同一面上の軌道に沿って対象物に近付け、その指腹面３１ａを対象物の側面に接触させることで、第２指３の末節部ｌ３を近付ける間の対象物の移動を抑えながら、指腹面３１ａをその全体に亘って対象物の側面に接触させることが可能である。

　そして、第１指２を第４軸Ａｘ４を中心に旋回可能とし、指腹面３１ａを対象物の側面に接触させるのに先立ち、第１指２をこの第４軸Ａｘ４を中心として相対的に旋回させ、第１指２の指腹面２１と第２指３の指腹面３１ａ、３１ｂとの間に形成される角を変化させることで、傾斜面またはテーパ形状等、互いに平行な把持面のない対象物についてもできるだけ広い接触面積による把持を実現することが可能となる。これにより、把持安定性の更なる向上を図ることができる。

　他方で、第２動作モードでは、対象物に対し、初めに、手掌部１の遠位面１１を接触させ、続いて、第１指２の指腹面２１を接触させた後、第２指３の中節部ｌ２の指腹面３１ｂおよび末節部ｌ３の指腹面３１ａをこの順で接触させることで、把持の間における対象物の移動を抑えながら、ロボットハンドＨの指腹面２１、３１ａ、３１ｂをその全体に亘って対象物と接触させ、第１指２および第２指３の全体を用いて把持力を形成することが可能となる。

　第１指２が屈曲および伸展方向の自由度を持たないことで、重量の大きな対象物に対する高負荷なマニピュレーションが可能となる。例えば、対象物を押す、引く、回す、潰す、叩く、擦る、支える、引っ掛けて動かすといったマニピュレーションが可能となる。さらに、バックラッシによる関節のがたつきがないため、第１指２による高精度な操作が可能となる。そして、自由度の削減により、関節をなくすことができることで、防水、防塵等の処理を施すことが容易となる。

　第１指２の指幅、特に第１指２の指先部の指幅が狭いことで、細かな対象物に対するマニピュレーションが可能となる。例えば、狭い窪み、凹部に指先部を差し込んだり（取っ手に引っ掛けて、対象部を引く）、狭い表面を指頭部で押したりする（対象物を局所的に押す）といった動作を行うことが容易となる。さらに、シェル形状を有する対象物に対し、シェル内面に第１指２の指腹面２１を当てる一方、シェル外面に第２指の、特にその末節部ｌ３の指腹面３１ａを当てることで、対象物の淵をつまむようにして、シェル内面およびシェル外面の双方に対する接触面積を確保し、安定した把持を提供することが可能となる。

　他方で、第２指３の指幅が広いことで、第２指３の関節を駆動するアクチュエータの搭載空間を確保するとともに（換言すれば、大型のアクチュエータを搭載して、把持力の増大を図る）、第２指３にセンサを搭載することが容易となる。例えば、関節の間のリンク部分、つまり、基節部ｌ１、中節部ｌ２および末節部ｌ３のそれぞれに、複数のセンサを搭載することが可能となる。

　手掌部１に対し、第１指２をその中心軸Ａｘ０に対して平行な第４軸Ａｘ４を中心に旋回可能としたことで、第１指２および第２指３の指腹面２１、３１ａ、３１ｂの相対的な角度を、手掌部１の中心軸Ａｘ０に対して垂直な面内で変化させ、傾斜面ないしテーパ形状を有する対象物に対し、指腹部の角度または向きを合致させて把持することが可能となる。さらに、把持の際に、対象物の寸法に応じて第１指２および第２指３の位置関係を調節し、把持力の適正化を図ることが可能となる。第１指２を第４軸Ａｘ４を中心に旋回させ、第１軸２と第２指３とを互いに近付け、ロボットハンドＨ全体が占める空間の容積を縮小させることで、収納空間の削減および狭所における用途への対応を可能とすることができる。

　第１指２を手掌部１の中心軸Ａｘ０に対して垂直な面内で広げることで、人との握手等、接触を伴うインタラクションを自然に実行することを可能とするとともに、手掌部１を大きく開いた状態での用途（例えば、台を拭くといった動作）に対応することが可能となる。そして、このような動作モードにある一対のロボットハンドＨを互いに鏡面対称に配置することで、双腕を用いた両手での把持を実行可能とし、対象物を大きな平面で支えたり、両側から挟んで持ったりするアプローチをとることが可能となり、その場合に、第１指２が邪魔になるのを回避することができる。

　手首部５により、第１指２の指腹面２１が対象物に接触する際の角度を調節可能とし、より高い把持安定性を実現することが可能となる。

［１．６．変形例の説明］
（１．６．１．第１変形例）
　図２２は、本開示の第１実施形態に係るロボットハンドＨの第１変形例を示す斜視図である。

　第１変形例では、第２指３の各節部ｌ１、ｌ２、ｌ３に、対象物の把持を支援する把持アシストユニットＵを設置する。把持アシストユニットＵに適用可能なものとして、粘着力または摩擦力を調整可能とした可変粘着ユニットまたは可変摩擦ユニットを例示することが可能である。把持アシストユニットＵとして、対象物に対して吸引力を働かせ、この吸引力を調整可能とした可変吸引ユニットを採用することも可能である。

（１．６．２．第２変形例）
　図２３は、本開示の第１実施形態に係るロボットハンドＨの第２変形例を示す斜視図である。

　第２変形例では、ロボットハンドＨに、基節部ｌ１、中節部ｌ２および末節部ｌ３の相対的な位置関係を固定可能に構成されたブレーキ機構Ｂを設置する。適用可能なブレーキ機構Ｂとして、ワイヤ駆動式のブレーキ機構を例示することが可能である。ブレーキ機構により、アクチュエータによる把持力を支援するとともに、アクチュエータの出力に依存しない、ブレーキ機構のメカリミットによる把持力を形成することが可能となる。

　ブレーキ機構に代えるかまたはこれに加え、近位関節ｊ１、中間関節ｊ２および遠位関節ｊ３を第２指３の屈曲または伸展方向に付勢可能に付勢機構を設けることも可能である。付勢機構により、ロボットハンドＨの停止時に、指を折るように第２指３を屈曲させることで、ロボットハンドＨ全体が占める空間の容積を縮小し、収納空間の削減を図ることが可能となる。

＜２．第２実施形態＞
　図２４は、本開示の第２実施形態に係るロボットハンドＨ’の外観を示す斜視図である。

　本実施形態では、ロボットハンドＨ’に備わる第１指２および第２指３の指幅の大小関係が、先の第１実施形態とは逆である。このように、ロボットハンドＨ’は、指幅（特に先端部の指幅）が広い第１指２と、指幅（特に末節部の指幅）が第１指２よりも狭い第２指３と、を有する構成とすることも可能である。第１指２に屈曲および伸展方向の自由度がなく、第２指３が近位、中間および遠位の各関節ｊ１、ｊ２、ｊ３による３つの自由度を有することは、先の第１実施形態と同様である。

　以上の説明では、２つの指を有し、一方の指（第１指２）は、屈曲および伸展方向の自由度を持たず、他方の指（第２指３）は、第１軸Ａｘ１を中心とする回転方向の自由度を有するとともに、第２軸Ａｘ２および第３軸Ａｘ３を中心とする屈曲および伸展方向の自由度を有するロボットハンドＨを採用し、このロボットハンドＨに対する本開示に係る技術の適用について、その一例を説明した。しかし、適用可能なロボットハンドＨは、これに限定されるものではない。把持の際に対象物と指腹面との間に形成される接触面積、換言すれば、把持の際に対象物に接触させる部位を切換可能に構成されたロボットハンドであれば、いかなるものをも採用することが可能である。

＜３．まとめ＞
　以上、本開示における実施の形態について、図面を参照して詳細に説明した。本開示における実施形態によれば、把持安定性の確保と、大型化の抑制と、の両立を図ることが可能である。

　本開示の技術は、以上の具体的態様に限定されるものではなく、種々の変形が可能であり、変形例の組み合わせも可能である。

　さらに、各実施形態で説明された構成および動作の全てが本開示の構成および動作として必須であるとは限らない。例えば、各実施形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素は、任意の構成要素として理解されるべきである。

　本明細書および添付の特許請求の範囲全体で使用される用語は、「限定的でない」用語として解釈されるべきである。例えば、「含む」または「含まれる」との用語は、「含まれるとして記載された態様に限定されない」と解釈されるべきであり、「有する」との用語は、「有するとして記載された態様に限定されない」と解釈されるべきである。

　本明細書で使用された用語には、単に説明の便宜のために使用され、構成および動作等の限定を目的としないものが含まれる。例えば、「右」、「左」、「上」および「下」等の用語は、参照すべき図面上での方向を示すに過ぎない。さらに、「内側」および「外側」等の用語は夫々、注目要素の中心に向かう方向、注目要素の中心から離れる方向を示す。これらの用語に類似しまたはこれらの用語と同旨の用語についても同様である。

　本開示の技術は、以下の構成を有するものであってもよい。以下の構成を有する本開示の技術によれば、把持安定性の確保と、大型化の抑制と、の両立を図ることが可能である。本開示の技術が奏する効果は、必ずしもこれに限定されるものではなく、本明細書に記載されたいずれの効果であってもよい。

（１）指腹面が互いに向き合う第１指および第２指を備えるロボットハンドの制御装置であって、対象物を判別可能に構成された対象物判別部と、前記対象物判別部により判別された対象物に応じ、第１動作モードと、前記第１動作モードよりも前記対象物に対する前記第１指および前記第２指の指腹面の接触面積が広い第２動作モードと、の間で動作モードを選択可能に構成された動作モード選択部と、前記動作モード選択部により選択された動作モードにより、前記対象物を把持する際の当該ロボットハンドの動作を制御可能に構成されたハンド制御部と、を備える、ロボットハンドの制御装置。
（２）前記ロボットハンドの異なる部位に設置された複数のセンサをさらに備え、前記ハンド制御部は、前記選択された動作モードに応じ、前記対象物を把持する際の制御に用いられるセンサを、前記複数のセンサの間で切り換える、上記（１）のロボットハンドの制御装置。
（３）前記ハンド制御部は、前記対象物を把持する際の当該ロボットハンドの把持力であるハンド把持力を制御可能にさらに構成され、前記ハンド制御部は、前記ハンド把持力の制御に用いられるセンサを、前記複数のセンサの間で切り換える、上記（２）のロボットハンドの制御装置。
（４）手掌部をさらに備え、前記第１指および前記第２指は、夫々前記手掌部から遠位側に延び、前記ハンド制御部は、前記選択された動作モードに応じ、前記手掌部、前記第１指および前記第２指のうちで把持の際に前記対象物に接触させる部位を異ならせる、上記（１）から上記（３）のいずれか１つのロボットハンドの制御装置。
（５）前記ロボットハンドは、手掌部と、前記手掌部から遠位側に延びる第１指と、前記手掌部から遠位側に延び、前記第１指に対して指腹面が互いに向き合う第２指と、を備え、前記手掌部は、前記第２指を当該手掌部に対して第１軸を中心に回動可能に接続する近位関節を有し、前記第１指は、屈曲および伸展方向の自由度を持たず、前記第２指は、前記手掌部に近い基節部と、前記基節部よりも遠位側に備わる末節部と、前記基節部および前記末節部の間に備わる中節部と、を備えるとともに、前記中節部が、前記基節部に対し、第２軸を中心に屈曲および伸展可能に接続され、前記末節部が、前記中節部に対し、第３軸を中心に屈曲および伸展可能に接続された、上記（１）から上記（３）のいずれか１つのロボットハンドの制御装置。
（６）前記ハンド制御部は、前記選択された動作モードに応じ、前記手掌部、前記第２指の前記末節部および前記中節部のうちで把持の際に前記対象物に接触させる部位を異ならせる、上記（５）のロボットハンドの制御装置。
（７）前記第２指の前記末節部に備わる第１センサと、前記第２指の前記中節部に備わる第２センサと、をさらに備え、前記ハンド制御部は、前記対象物を把持する際の当該ロボットハンドの把持力であるハンド把持力を制御可能にさらに構成され、前記第１動作モードにおいて、前記第１センサからの信号に基づき、前記ハンド把持力を制御する、上記（５）または上記（６）のロボットハンドの制御装置。
（８）前記第１センサは、前記第２センサよりも高い分解能を有する、上記（７）のロボットハンドの制御装置。
（９）前記第２指の前記末節部に備わる第１センサと、前記第２指の前記中節部に備わる第２センサと、をさらに備え、前記ハンド制御部は、前記対象物を把持する際の当該ロボットハンドの把持力であるハンド把持力を制御可能にさらに構成され、前記第２動作モードにおいて、前記第２センサからの信号に基づき、前記ハンド把持力を制御する、上記（５）または上記（６）のロボットハンドの制御装置。
（１０）前記第２センサは、前記第１センサよりも高い負荷レンジを有する、上記（９）のロボットハンドの制御装置。
（１１）前記動作モード選択部は、前記対象物の寸法が予め設定された基準寸法よりも小さい場合に、前記第１動作モードを選択し、前記対象物の寸法が前記基準寸法よりも大きい場合に、前記第２動作モードを選択する、上記（５）から上記（１０）のいずれか１つのロボットハンドの制御装置。
（１２）前記基準寸法は、前記第１指の前記指先部と前記第２指の末節部とが前記手掌部の中心軸に対して垂直な同一面内にある状態で、前記各端部間の距離がとり得る最大値である、上記（１１）のロボットハンドの制御装置。
（１３）前記基準寸法は、前記第１指の指先部の先端と前記手掌部の遠位面との間で、前記手掌部の中心軸に平行な方向に定められる距離である、上記（１１）のロボットハンドの制御装置。
（１４）前記ハンド制御部は、前記第１動作モードにおいて、前記対象物に対し、前記第１指の指腹面を最初に接触させる、上記（１１）から上記（１３）のいずれか１つのロボットハンドの制御装置。
（１５）前記ハンド制御部は、前記第１動作モードにおいて、前記対象物に前記第１指の指腹面を接触させた後、前記第２指の末節部と前記第１指の指先部とを同一面上で互いに近付けて、前記対象物に接触させる、上記（１４）のロボットハンドの制御装置。
（１６）前記第１指は、前記手掌部に対し、その中心軸と合致するかまたはこれに対して平行な第４軸を中心に旋回可能に構成され、前記ハンド制御部は、前記第１動作モードまたは前記第２動作モードにおいて、前記対象物に前記第２指の指腹面を接触させるのに先立ち、前記第１指を前記第４軸を中心として相対的に旋回させ、前記第１指の指腹面と前記第２指の指腹面との間に形成される角を変化させる、上記（１４）または上記（１５）のロボットハンドの制御装置。
（１７）前記ハンド制御部は、前記第２動作モードにおいて、前記対象物に対し、前記手掌部の遠位面を最初に接触させる、上記（１１）から上記（１６）のいずれか１つのロボットハンドの制御装置。
（１８）前記ハンド制御部は、前記第２動作モードにおいて、前記対象物に前記手掌部の遠位面を接触させた後、前記第１指の指腹面を接触させ、その後、前記第２指の指腹面をさらに接触させる、上記（１７）のロボットハンドの制御装置。
（１９）前記ハンド制御部は、前記第２動作モードにおいて、前記対象物に前記第１指の指腹面を接触させた後、前記第２指を閉じて、前記第２指に前記対象物を包囲させる、上記（１８）のロボットハンドの制御装置。
（２０）指腹面が互いに向き合う第１指および第２指を備えるロボットハンドの動作方法であって、対象物を判別し、判別された対象物に応じ、第１動作モードと、前記第１動作モードよりも前記対象物に対する前記第１指および前記第２指の指腹面の接触面積が広い第２動作モードと、の間で動作モードを選択し、選択された動作モードにより、前記対象物を把持する、ロボットハンドの動作方法。

　本出願は、日本国特許庁において２０２０年６月２９日に出願された日本特許出願番号２０２０－１１２１３６号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願の全ての内容を参照によって本出願に援用する。

　当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。

Claims (20)

1. 　指腹面が互いに向き合う第１指および第２指を備えるロボットハンドの制御装置であって、
   　対象物を判別可能に構成された対象物判別部と、
   　前記対象物判別部により判別された対象物に応じ、第１動作モードと、前記第１動作モードよりも前記対象物に対する前記第１指および前記第２指の指腹面の接触面積が広い第２動作モードと、の間で動作モードを選択可能に構成された動作モード選択部と、
   　前記動作モード選択部により選択された動作モードにより、前記対象物を把持する際の当該ロボットハンドの動作を制御可能に構成されたハンド制御部と、
   　を備える、ロボットハンドの制御装置。
2. 　前記ロボットハンドの異なる部位に設置された複数のセンサをさらに備え、
   　前記ハンド制御部は、前記選択された動作モードに応じ、前記対象物を把持する際の制御に用いられるセンサを、前記複数のセンサの間で切り換える、
   　請求項１に記載のロボットハンドの制御装置。
3. 　前記ハンド制御部は、前記対象物を把持する際の当該ロボットハンドの把持力であるハンド把持力を制御可能にさらに構成され、
   　前記ハンド制御部は、前記ハンド把持力の制御に用いられるセンサを、前記複数のセンサの間で切り換える、
   　請求項２に記載のロボットハンドの制御装置。
4. 　手掌部をさらに備え、
   　前記第１指および前記第２指は、夫々前記手掌部から遠位側に延び、
   　前記ハンド制御部は、前記選択された動作モードに応じ、前記手掌部、前記第１指および前記第２指のうちで把持の際に前記対象物に接触させる部位を異ならせる、
   　請求項１に記載のロボットハンドの制御装置。
5. 　前記ロボットハンドは、
   　手掌部と、
   　前記手掌部から遠位側に延びる第１指と、
   　前記手掌部から遠位側に延び、前記第１指に対して指腹面が互いに向き合う第２指と、
   　を備え、
   　前記手掌部は、前記第２指を当該手掌部に対して第１軸を中心に回動可能に接続する近位関節を有し、
   　前記第１指は、屈曲および伸展方向の自由度を持たず、
   　前記第２指は、
   　前記手掌部に近い基節部と、前記基節部よりも遠位側に備わる末節部と、前記基節部および前記末節部の間に備わる中節部と、を備えるとともに、
   　前記中節部が、前記基節部に対し、第２軸を中心に屈曲および伸展可能に接続され、
   　前記末節部が、前記中節部に対し、第３軸を中心に屈曲および伸展可能に接続された、
   　請求項１に記載のロボットハンドの制御装置。
6. 　前記ハンド制御部は、前記選択された動作モードに応じ、前記手掌部、前記第２指の前記末節部および前記中節部のうちで把持の際に前記対象物に接触させる部位を異ならせる、
   　請求項５に記載のロボットハンドの制御装置。
7. 　前記第２指の前記末節部に備わる第１センサと、前記第２指の前記中節部に備わる第２センサと、をさらに備え、
   　前記ハンド制御部は、前記対象物を把持する際の当該ロボットハンドの把持力であるハンド把持力を制御可能にさらに構成され、前記第１動作モードにおいて、前記第１センサからの信号に基づき、前記ハンド把持力を制御する、
   　請求項５に記載のロボットハンドの制御装置。
8. 　前記第１センサは、前記第２センサよりも高い分解能を有する、
   　請求項７に記載のロボットハンドの制御装置。
9. 　前記第２指の前記末節部に備わる第１センサと、前記第２指の前記中節部に備わる第２センサと、をさらに備え、
   　前記ハンド制御部は、前記対象物を把持する際の当該ロボットハンドの把持力であるハンド把持力を制御可能にさらに構成され、前記第２動作モードにおいて、前記第２センサからの信号に基づき、前記ハンド把持力を制御する、
   　請求項５に記載のロボットハンドの制御装置。
10. 　前記第２センサは、前記第１センサよりも高い負荷レンジを有する、
    　請求項９に記載のロボットハンドの制御装置。
11. 　前記動作モード選択部は、前記対象物の寸法が予め設定された基準寸法よりも小さい場合に、前記第１動作モードを選択し、前記対象物の寸法が前記基準寸法よりも大きい場合に、前記第２動作モードを選択する、
    　請求項５に記載のロボットハンドの制御装置。
12. 　前記基準寸法は、前記第１指の前記指先部と前記第２指の末節部とが前記手掌部の中心軸に対して垂直な同一面内にある状態で、前記各端部間の距離がとり得る最大値である、
    　請求項１１に記載のロボットハンドの制御装置。
13. 　前記基準寸法は、前記第１指の指先部の先端と前記手掌部の遠位面との間で、前記手掌部の中心軸に平行な方向に定められる距離である、
    　請求項１１に記載のロボットハンドの制御装置。
14. 　前記ハンド制御部は、前記第１動作モードにおいて、前記対象物に対し、前記第１指の指腹面を最初に接触させる、
    　請求項１１に記載のロボットハンドの制御装置。
15. 　前記ハンド制御部は、前記第１動作モードにおいて、前記対象物に前記第１指の指腹面を接触させた後、前記第２指の末節部と前記第１指の指先部とを同一面上で互いに近付けて、前記対象物に接触させる、
    　請求項１４に記載のロボットハンドの制御装置。
16. 　前記第１指は、前記手掌部に対し、その中心軸と合致するかまたはこれに対して平行な第４軸を中心に旋回可能に構成され、
    　前記ハンド制御部は、前記第１動作モードまたは前記第２動作モードにおいて、前記対象物に前記第２指の指腹面を接触させるのに先立ち、前記第１指を前記第４軸を中心として相対的に旋回させ、前記第１指の指腹面と前記第２指の指腹面との間に形成される角を変化させる、
    　請求項１４に記載のロボットハンドの制御装置。
17. 　前記ハンド制御部は、前記第２動作モードにおいて、前記対象物に対し、前記手掌部の遠位面を最初に接触させる、
    　請求項１１に記載のロボットハンドの制御装置。
18. 　前記ハンド制御部は、前記第２動作モードにおいて、前記対象物に前記手掌部の遠位面を接触させた後、前記第１指の指腹面を接触させ、その後、前記第２指の指腹面をさらに接触させる、
    　請求項１７に記載のロボットハンドの制御装置。
19. 　前記ハンド制御部は、前記第２動作モードにおいて、前記対象物に前記第１指の指腹面を接触させた後、前記第２指を閉じて、前記第２指に前記対象物を包囲させる、
    　請求項１８に記載のロボットハンドの制御装置。
20. 　指腹面が互いに向き合う第１指および第２指を備えるロボットハンドの動作方法であって、
    　対象物を判別し、
    　判別された対象物に応じ、第１動作モードと、前記第１動作モードよりも前記対象物に対する前記第１指および前記第２指の指腹面の接触面積が広い第２動作モードと、の間で動作モードを選択し、
    　選択された動作モードにより、前記対象物を把持する、
    　ロボットハンドの動作方法。

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