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JP7553423B2 - Robot System - Google Patents

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JP7553423B2 JP2021186430A JP2021186430A JP7553423B2 JP 7553423 B2 JP7553423 B2 JP 7553423B2 JP 2021186430 A JP2021186430 A JP 2021186430A JP 2021186430 A JP2021186430 A JP 2021186430A JP 7553423 B2 JP7553423 B2 JP 7553423B2
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Description

本開示は、物を把持するためのロボットシステムに関する。 This disclosure relates to a robot system for grasping an object.

指に相当する複数の接触要素と、接触要素を駆動する駆動機構と、駆動機構の動作を制御する制御装置とを備えたロボットハンドにおいて、物体の把持状態の安定性が高める技術が開示されている(例えば、特許文献1)。特許文献1の制御装置は、接触要素から物体に作用する作用力が満たすべき連立方程式を摩擦拘束条件下で解いて目標作用力を設定する。目標作用力が得られた場合には、制御装置は、接触要素から物体に対する作用力が目標作用力に一致するように駆動機構の動作を制御する。 A technology has been disclosed that improves the stability of an object's grip in a robot hand equipped with multiple contact elements equivalent to fingers, a drive mechanism that drives the contact elements, and a control device that controls the operation of the drive mechanism (for example, Patent Document 1). The control device in Patent Document 1 sets a target action force by solving simultaneous equations that must be satisfied by the action force acting on the object from the contact elements under friction constraint conditions. When the target action force is obtained, the control device controls the operation of the drive mechanism so that the action force from the contact elements on the object matches the target action force.

特許第5829103号公報Patent No. 5829103

摩擦拘束条件は、接触要素が物体に接触する接触点において、接触要素と物体とが相対的に滑らないことを示すものであり、一般に、作用力を示すベクトルが摩擦円錐内にあるという条件式で表現される。 The friction constraint condition indicates that the contact element and the object do not slip relative to each other at the contact point where the contact element comes into contact with the object, and is generally expressed as a conditional equation that states that the vector representing the acting force is within the friction cone.

特許文献1のロボットハンドでは、指の先端が略半球状をなすため、薄肉の物体を把持することが容易ではない。そこで、ロボットハンドによって把持できる物体の範囲を広げるべく、本願発明者らは、指に爪を設けることを想到した。しかし、爪の形状は指の形状よりも複雑であることが多く、接触点の取得が困難である。そのため、爪によって物体を把持した際に出力すべき目標作用力の算出が難しくなり、結果として爪によって把持することが容易ではないという問題があった。 In the robot hand of Patent Document 1, the tips of the fingers are roughly hemispherical, making it difficult to grasp thin objects. Therefore, in order to expand the range of objects that can be grasped by the robot hand, the inventors of the present application came up with the idea of providing claws on the fingers. However, the shape of the claws is often more complex than the shape of the fingers, making it difficult to obtain the contact points. This makes it difficult to calculate the target action force that should be output when grasping an object with the claws, resulting in the problem that it is not easy to grasp with the claws.

以上の背景に鑑み、本発明は、爪を備えた指機構を有するロボットハンドと、ロボットハンドを制御する制御装置とを備えたロボットシステムにおいて、ロボットハンドによって把持することのできる物体の範囲を広げることを課題とする。 In view of the above background, the present invention aims to expand the range of objects that can be grasped by a robot hand in a robot system that includes a robot hand having a finger mechanism with claws and a control device that controls the robot hand.

上記課題を解決するために本発明のある態様は、物体を把持するためのロボットシステム(1)であって、複数の指機構(24)、前記指機構のそれぞれに設けられた力覚センサ(26)、前記指機構をそれぞれ駆動する駆動装置(28)を備えたロボットハンド(2)と、前記駆動装置それぞれの駆動を制御する制御装置(20)と、を備え、前記指機構は指本体(30)と、前記指本体に設けられた爪(32)とを含み、前記制御装置は、前記力覚センサの取得結果に基づいて、前記指本体と前記物体との接触点(P)を取得し、前記物体を把持するために前記指本体のそれぞれが前記接触点において前記物体に作用するべき作用力の満たすべき複数の接触点把持条件の少なくとも一部を、前記爪が前記物体の外面に接触していると見做して変更することによって目標作用力を算出し、前記物体に前記目標作用力を加えるべく前記駆動装置のそれぞれを駆動する。 In order to solve the above-mentioned problems, one aspect of the present invention is a robot system (1) for grasping an object, comprising: a robot hand (2) having a plurality of finger mechanisms (24), force sensors (26) provided on each of the finger mechanisms, and drive units (28) for driving each of the finger mechanisms; and a control device (20) for controlling the driving of each of the drive units, wherein the finger mechanisms include a finger body (30) and a claw (32) provided on the finger body, and the control device acquires a contact point ( Pt ) between the finger body and the object based on the acquisition result of the force sensor, calculates a target action force by changing at least a portion of a plurality of contact point grasping conditions that should be satisfied for an action force that should act on the object at the contact point by each of the finger bodies in order to grasp the object, by regarding the claw as being in contact with an outer surface of the object, and drives each of the drive units to apply the target action force to the object.

本願発明者らは、指機構を爪によって把持できると見做して変更された条件に基づく目標作用力を出力するように駆動させると、爪によって物体を把持することのできる場合があることを見出した。この態様によれば、爪によって把持できると見做して条件を変更して目標作用力を算出する。駆動装置がその目標作用力を出力すべく指機構を駆動すると、爪によって把持できる場合が生じ得る。よって、爪によって把持できる可能性を考慮しない場合に比べて、ロボットハンドによって把持することのできる物体の範囲を広げることができる。 The inventors of the present application have found that if the finger mechanism is driven to output a target action force based on changed conditions assuming that the object can be grasped by the claws, there are cases where the object can be grasped by the claws. According to this aspect, the target action force is calculated by changing the conditions assuming that the object can be grasped by the claws. When the drive device drives the finger mechanism to output the target action force, there are cases where the object can be grasped by the claws. Therefore, the range of objects that can be grasped by the robot hand can be expanded compared to cases where the possibility of grasping by the claws is not taken into consideration.

上記の態様において、好ましくは、前記制御装置は、前記力覚センサの取得結果に基づいて前記接触点の位置を取得する接触点取得ステップ(ST11)と、前記接触点による把持を可能とするべく前記指本体のそれぞれが前記物体に作用する前記作用力が満たすべき複数の前記接触点把持条件を設定し、前記目標作用力を取得すべく、前記接触点把持条件の全てを満たす解を探索する本体作用力探索ステップ(ST12)と、前記本体作用力探索ステップにおいて解が取得できず、且つ、前記接触点が所定の爪接触条件を満たすときに、前記接触点把持条件の少なくとも一部を、前記接触点において前記爪が前記物体の前記外面に接触していると見做して変更することにより、爪把持条件を設定し、前記目標作用力を取得するべく前記爪把持条件を満たす解を探索する爪作用力探索ステップ(ST15)と、を順に実行する。 In the above aspect, preferably, the control device sequentially executes a contact point acquisition step (ST11) of acquiring the position of the contact point based on the result of acquisition by the force sensor, a body action force search step (ST12) of setting a plurality of contact point gripping conditions that should be satisfied by the action force acting on the object by each of the finger bodies to enable gripping at the contact point, and searching for a solution that satisfies all of the contact point gripping conditions to acquire the target action force, and a claw action force search step (ST15) of setting claw gripping conditions by changing at least a part of the contact point gripping conditions by regarding the claw as being in contact with the outer surface of the object at the contact point, and searching for a solution that satisfies the claw gripping conditions to acquire the target action force, when a solution cannot be acquired in the body action force search step and the contact point satisfies a predetermined claw contact condition.

この態様によれば、指本体によって把持する条件下で、作用力が物体を把持するために満たすべき解が取得できないときに、爪によって把持すると仮定した上で、条件の一部を変更することによって解の探索が行われる。このように指本体によって把持する条件下で、解が探索できない場合であっても、爪が接触することによって把持できる可能性を考慮して解の探索が行われるため、ロボットハンドによって把持することのできる物体の範囲を広げることができる。 According to this aspect, when a solution cannot be obtained that must be satisfied by the acting force to grasp an object under conditions in which the object is grasped by the finger body, a solution is searched for by changing some of the conditions on the assumption that the object is grasped by the claw. In this way, even when a solution cannot be searched for under conditions in which the object is grasped by the finger body, a solution is searched for by taking into consideration the possibility that the object can be grasped by contacting the claw, so that the range of objects that can be grasped by the robot hand can be expanded.

上記の態様において、好ましくは、前記制御装置は、前記接触点が前記指本体の所定の表面領域(R)内にあるときに、前記接触点が前記爪接触条件を満たすと判定し、前記表面領域は、前記接触点把持条件の少なくとも一部を前記爪が前記物体の前記外面に接触していると見做して変更することによって算出された前記目標作用力を出力すべく前記駆動装置が駆動したときに、前記爪が前記物体の前記外面に接触する領域内に設定されている。 In the above aspect, preferably, the control device determines that the contact point satisfies the claw contact condition when the contact point is within a predetermined surface area (R) of the finger body, and the surface area is set within the area where the claw contacts the outer surface of the object when the drive device is driven to output the target action force calculated by modifying at least a portion of the contact point gripping condition by regarding the claw as contacting the outer surface of the object.

この態様によれば、目標作用力を発揮すべく指機構を駆動させたときに、爪が物体に接触するか否かを接触点の位置に基づいて判定することができるため、その判定が容易である。 According to this aspect, when the finger mechanism is driven to exert a target force, it is possible to determine whether the nail will come into contact with an object based on the position of the contact point, making the determination easy.

上記の態様において、好ましくは、前記制御装置は、前記接触点把持条件のうち、前記作用力の前記指本体を前記物体に対して滑らせるように作用する成分が最大静止摩擦力以下であるという摩擦拘束条件を、前記爪が前記物体の前記外面に接触していると見做して変更することによって前記目標作用力を算出する。 In the above aspect, preferably, the control device calculates the target action force by modifying the friction constraint condition, which is one of the contact point gripping conditions that the component of the action force that acts to slide the finger body against the object is equal to or less than the maximum static friction force, by regarding the nail as being in contact with the outer surface of the object.

この態様によれば、爪によって物体を把持することができる条件を簡便に設定することができる。 This aspect makes it easy to set the conditions under which the claws can grasp an object.

上記の態様において、好ましくは、前記制御装置は、前記摩擦拘束条件を、前記爪が前記物体に作用するべき前記作用力に対応する力ベクトルが、半頂角(θ´)が前記爪と前記物体との最大静止摩擦係数(μ´)によって規定され、水平方向、前記物体が載置される載置面に平行な方向、及び、前記物体の前記外面に垂直な方向のいずれかの方向に軸線(52)が延びる円錐(54)内に含まれるという条件、前記円錐に外接する多角錐(60)内に含まれるという条件、及び、前記円錐に内接する多角錐(70)内に含まれるという条件のいずれかに変更する。 In the above aspect, preferably, the control device changes the friction constraint condition to one of the following: a force vector corresponding to the acting force that the claw should apply to the object is contained within a cone (54) whose half apex angle (θ') is determined by the maximum static friction coefficient (μs ' ) between the claw and the object, and whose axis (52) extends in any of the following directions: horizontally, parallel to the support surface on which the object is placed, and perpendicular to the outer surface of the object; the force vector is contained within a polygonal pyramid (60) circumscribing the cone; or the force vector is contained within a polygonal pyramid (70) inscribing the cone.

この態様によれば、爪が物体に対して滑ることなく、爪によって物体を把持することができる条件を簡便に設定することができる。 This aspect makes it easy to set conditions under which the claws can grip an object without slipping on the object.

上記の態様において、好ましくは、前記指本体の前記物体に接触可能な先端部分(38)は球面、長球面、又は扁球面の一部を構成する。 In the above aspect, preferably, the tip portion (38) of the finger body that can contact the object forms part of a sphere, an oblate spheroid, or a spherical surface.

この態様によれば、接触点を簡便に取得することができる。 This aspect makes it easy to obtain the contact point.

上記の態様において、好ましくは、前記物体が机の上面に載置されているときには、前記制御装置は、前記指機構を前記机の前記上面に接触させた後、前記指機構を前記上面に接触させたまま前記物体に向けて移動させるべく前記駆動装置を駆動し、前記指機構が前記物体に接触した後に、前記力覚センサの取得結果に基づいて前記接触点を取得する。 In the above aspect, preferably, when the object is placed on the top surface of a desk, the control device brings the finger mechanism into contact with the top surface of the desk, and then drives the drive device to move the finger mechanism toward the object while keeping it in contact with the top surface, and after the finger mechanism comes into contact with the object, obtains the contact point based on the results obtained by the force sensor.

この態様によれば、ロボットハンドによって物体を把持することのできる状態にあるか否かを適切に取得することができる。 This aspect makes it possible to properly determine whether or not the object is in a state where it can be grasped by the robot hand.

上記の態様において、好ましくは、前記制御装置は、前記指機構を前記物体に向けて移動させるべく前記駆動装置を駆動させているときに、前記力覚センサによって取得された前記指機構に加わる力ベクトルの前記机の前記上面の接線方向の成分である接触力の大きさが所定の閾値以上となったときに、前記指機構が前記物体に接触したと判定する。 In the above aspect, preferably, when the control device is driving the drive device to move the finger mechanism toward the object, the control device determines that the finger mechanism has come into contact with the object when the magnitude of the contact force, which is the tangential component of the force vector applied to the finger mechanism acquired by the force sensor, becomes equal to or greater than a predetermined threshold value.

この態様によれば、指機構が物体に接触したことを適切に判定できる。 This aspect makes it possible to properly determine when the finger mechanism has come into contact with an object.

上記の態様において、好ましくは、前記制御装置は、前記指機構の前記爪を前記机の前記上面に接触させた後、前記指機構の前記爪を前記上面に接触させたまま前記物体に向けて移動させるべく前記駆動装置を駆動し、前記机の前記上面と前記爪との間の動摩擦係数は、前記机の前記上面と前記指本体との間の動摩擦係数よりも小さい。 In the above aspect, preferably, the control device brings the claw of the finger mechanism into contact with the top surface of the desk, and then drives the drive device to move the claw of the finger mechanism toward the object while keeping it in contact with the top surface, and the coefficient of kinetic friction between the top surface of the desk and the claw is smaller than the coefficient of kinetic friction between the top surface of the desk and the finger body.

この態様によれば、物体に接触したことを的確に取得できる。 This aspect allows accurate detection of contact with an object.

上記の態様において、好ましくは、前記爪の剛性は前記指本体の剛性よりも高い。 In the above aspect, preferably, the rigidity of the nail is greater than the rigidity of the finger body.

この態様によれば、爪によって安定して物体を把持することができる。 This aspect allows the claws to stably grasp an object.

以上の態様によれば、爪を備えた指機構を有するロボットハンドと、ロボットハンドを制御する制御装置とを備えたロボットシステムにおいて、ロボットハンドによって把持することのできる物体の範囲を広げることができる。 According to the above aspects, in a robot system including a robot hand having a finger mechanism with claws and a control device that controls the robot hand, it is possible to expand the range of objects that can be grasped by the robot hand.

本発明に係るロボットシステムが設けられたロボットの斜視図FIG. 1 is a perspective view of a robot provided with a robot system according to the present invention; ロボットハンドの斜視図、及び、二点鎖線で囲まれた部分の拡大図A perspective view of a robot hand and an enlarged view of the area enclosed by the two-dot chain line. 指腹部が物体に接触したときの指機構の側面図Side view of the finger mechanism when the finger pad is in contact with an object 接触処理のフローチャートContact Processing Flowchart なぞり操作が行われているときの指機構と机とを示す側面図FIG. 13 is a side view showing the finger mechanism and the desk when a tracing operation is being performed; 算出処理のフローチャートCalculation process flowchart 条件(C)を説明するための説明図FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining condition (C); 爪による把持を考慮して、摩擦拘束条件を変更することによって取得された作用力を出力したときの指機構の移動態様の例An example of the movement of the finger mechanism when the action force obtained by changing the friction constraint condition is output, taking into account the gripping by the claws. 条件(D)を説明するための説明図FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining condition (D); 第2実施形態に係る条件(C)を説明するための説明図FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining condition (C) according to the second embodiment. 第2実施形態に係る条件(C)の変形例を説明するための説明図FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining a modification of condition (C) according to the second embodiment. 条件(D)に対応する円錐の軸線方向に平行な単位ベクトルniの向き及び物体の形状の変形例を示す表A table showing the direction of the unit vector ni parallel to the axis direction of the cone and the deformation of the shape of the object corresponding to condition (D). 条件(D)に対応する円錐の軸線方向に平行な単位ベクトルniの向き及び物体の形状の変形例を示す表A table showing the direction of the unit vector ni parallel to the axis direction of the cone and the deformation of the shape of the object corresponding to condition (D). 条件(D)に対応する円錐の軸線方向に平行な単位ベクトルniの向き及び物体の形状及び配置の変形例を示す表A table showing the direction of the unit vector ni parallel to the axis direction of the cone and the modified shapes and arrangements of the objects corresponding to condition (D).

以下、本発明の本実施形態に係るロボットシステムについて、図面を参照しながら説明する。 The robot system according to this embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

<<第1実施形態>>
図1に示すように、ロボットシステム1はロボットハンド2を備えたロボット3に適用されている。本実施形態では、ロボットシステム1は、頭部5、胴体部6、腕部7、及び、脚部8を備えた人型ロボット(いわゆる、ヒューマノイドロボット)に搭載されている。ロボットハンド2は多指・多関節型のものであって、腕部7先端に設けられている。ロボットハンド2は、人間の手と同様に物体を把持する機能を奏する。但し、本発明に係るロボットシステム1は、工場などにおいて用いられ、同様にロボットハンド2を備えた作業用ロボットに適用されてもよい。
First Embodiment
As shown in Fig. 1, a robot system 1 is applied to a robot 3 equipped with a robot hand 2. In this embodiment, the robot system 1 is mounted on a humanoid robot equipped with a head 5, a torso 6, arms 7, and legs 8. The robot hand 2 is a multi-fingered, multi-jointed robot provided at the tip of the arm 7. The robot hand 2 has the function of grasping an object in the same manner as a human hand. However, the robot system 1 according to the present invention may also be applied to a work robot used in a factory or the like, which is similarly equipped with the robot hand 2.

ロボット3は頭部5に少なくとも一つの外界取得装置10を備えている。外界取得装置10は人間の視覚に相当する情報を取得する装置であり、頭部5前方の画像を取得するカメラによって構成されている。本実施形態では、ロボット3は2つの外界取得装置10を備え、外界取得装置10はそれぞれ頭部5の人の目に相当する位置にそれぞれ設けられている。頭部5には、その他、音声を発するスピーカや、外部の音声を取得するマイクを備えているとよい。 The robot 3 is equipped with at least one external world acquisition device 10 in the head 5. The external world acquisition device 10 is a device that acquires information equivalent to human vision, and is composed of a camera that acquires an image in front of the head 5. In this embodiment, the robot 3 is equipped with two external world acquisition devices 10, each of which is provided at a position on the head 5 that corresponds to a human eye. The head 5 may also be equipped with a speaker that emits sound and a microphone that acquires external sound.

ロボット3は外界取得装置10から情報を取得し、その情報に基づいて脚部8を動かし、二足歩行を行うことができる。また、ロボット3は、マイクを介して人の音声を取得し、スピーカを介して音を発し、人と会話を行うことができる。このような種々の動作を行うため、ロボット3には種々の動作に対応するシステムが構成されている。 The robot 3 acquires information from the external environment acquisition device 10, and based on that information, moves the legs 8 to walk on two legs. The robot 3 can also acquire human voices via a microphone, emit sounds via a speaker, and converse with people. To perform these various movements, the robot 3 is configured with a system that supports the various movements.

本発明に係るロボットシステム1はロボット3が物を把持するためのシステム(以下、把持システム1A)である。ここでは、把持システム1Aによって実現される動作であって、特に、机12の上面12Aに載置された正方形板状の物体14(例えば、プラスチックの板材)を把持する動作について説明する。 The robot system 1 according to the present invention is a system for a robot 3 to grasp an object (hereinafter, the grasping system 1A). Here, the operation realized by the grasping system 1A, in particular the operation of grasping a square plate-shaped object 14 (e.g., a plastic plate) placed on the top surface 12A of a desk 12, will be described.

把持システム1Aは、腕部7の一部を構成するロボットハンド2と、制御装置20とを備えている。 The gripping system 1A includes a robot hand 2 that forms part of the arm 7, and a control device 20.

図2に示すように、ロボットハンド2は腕部7の先端部分を構成する。ロボットハンド2は、掌部22と、掌部22から延びる複数の指機構24と、指機構24それぞれに設けられた複数の力覚センサ26と、それぞれが指機構24に対応する複数の駆動装置28とを備えている。 As shown in FIG. 2, the robot hand 2 constitutes the tip portion of the arm 7. The robot hand 2 includes a palm portion 22, a plurality of finger mechanisms 24 extending from the palm portion 22, a plurality of force sensors 26 provided on each of the finger mechanisms 24, and a plurality of drive devices 28 each corresponding to one of the finger mechanisms 24.

図2に示すように、掌部22は、略平板状をなす部材であり、人の手の掌に相当する部分を構成する。本実施形態では、掌部22には5つの指機構24が接続されているが、接続される指機構24の数は2以上であればよい。以下、親指、人差し指、中指、薬指、小指に対応する指機構24をそれぞれ、記載の順に、第1の指機構24A、第2の指機構24B、第3の指機構24C、第4の指機構24D、第5の指機構24Eと記載する。 As shown in FIG. 2, the palm portion 22 is a member having a substantially flat plate shape, and constitutes a portion corresponding to the palm of a human hand. In this embodiment, five finger mechanisms 24 are connected to the palm portion 22, but the number of finger mechanisms 24 connected may be two or more. Hereinafter, the finger mechanisms 24 corresponding to the thumb, index finger, middle finger, ring finger, and little finger will be referred to as the first finger mechanism 24A, the second finger mechanism 24B, the third finger mechanism 24C, the fourth finger mechanism 24D, and the fifth finger mechanism 24E, in the order of description.

指機構24はそれぞれ指本体30及び爪32を含む。 Each finger mechanism 24 includes a finger body 30 and a claw 32.

指本体30は、第1リンク30A、第2リンク30B、及び、第3リンク30Cを備えている。第1リンク30Aは基端において掌部22に対して回転可能に連結されている。第2リンク30Bは基端において第1リンク30Aの突端に回転可能に連結されている。第3リンク30Cは基端において第2リンク30Bの突端に回転可能に連結されている。第1リンク30A、第2リンク30B、及び、第3リンク30Cはそれぞれ、人の手の指の基節、中節及び末節にそれぞれ対応する。 The finger body 30 includes a first link 30A, a second link 30B, and a third link 30C. The first link 30A is rotatably connected to the palm portion 22 at its base end. The second link 30B is rotatably connected to the tip of the first link 30A at its base end. The third link 30C is rotatably connected to the tip of the second link 30B at its base end. The first link 30A, the second link 30B, and the third link 30C correspond to the proximal, middle, and distal phalanges of the fingers of a human hand, respectively.

本実施形態では、第1の指機構24Aを除き第1リンク30Aは掌部22に1軸回りに回転可能に連結されている。第1の指機構24Aを除き第1リンク30Aの回転軸(以下、第1軸L)は第1リンク30Aの延在方向に直交する方向に設定されている。第1の指機構24Aの第1リンク30Aは掌部22に、第1軸Lと、第1リンク30Aの延在方向に延びる軸Lとの2軸回りに回転可能に接続されている。第2リンク30Bは第1リンク30Aに1軸回りに回転可能に連結されている。第2リンク30Bの回転軸(以下、第2軸L)は第1軸Lに平行、且つ、第1リンク30Aの延在方向に対して垂直となるように設定されている。第3リンク30Cは第2リンク30Bに対して1軸回りに回転可能に連結されている。第3リンク30Cの回転軸(以下、第3軸L)は第1軸Lに垂直、且つ、第2リンク30Bの延在方向に対して垂直となるように設定されている。 In this embodiment, the first link 30A, except for the first finger mechanism 24A, is connected to the palm 22 so as to be rotatable around one axis. The rotation axis (hereinafter, the first axis L 1 ) of the first link 30A, except for the first finger mechanism 24A, is set in a direction perpendicular to the extension direction of the first link 30A. The first link 30A of the first finger mechanism 24A is connected to the palm 22 so as to be rotatable around two axes, the first axis L 1 and the axis L 0 extending in the extension direction of the first link 30A. The second link 30B is connected to the first link 30A so as to be rotatable around one axis. The rotation axis (hereinafter, the second axis L 2 ) of the second link 30B is set so as to be parallel to the first axis L 1 and perpendicular to the extension direction of the first link 30A. The third link 30C is connected to the second link 30B so as to be rotatable around one axis. The rotation axis of the third link 30C (hereinafter, the third axis L3 ) is set to be perpendicular to the first axis L1 and also perpendicular to the extension direction of the second link 30B.

図2の拡大図及び図3に示すように、第3リンク30Cは基端側において、第2リンク30Bに接続された基部36と、その基部36の先端に設けられた指腹部38とを備えている。基部36は円柱状をなしている。指腹部38は球体をその中心(以下、指先中心P)を通過し、指先中心Pを中心として第3リンク30Cの延在方向に平行な面Πと直交する面Πの2つの面で切断した形状(以下、四半球状)をなしている。指腹部38は第3リンク30C側の端面において基部36に接続されている。但し、指腹部38は四半球状のものには限定されず、半球体状や、半長球状、半扁球状、半円柱状のものであってもよい。ここで、半長球とは、長球(楕円を、長軸を回転軸として回転することによって得られる回転体)を、その中心を通過し、且つ、長軸又は短軸に直交する面で割ったものを意味する。半扁球とは、扁球(楕円を、短軸を回転軸として回転することによって得られる回転体)を、その中心を通過し、長軸又は短軸に直交する面で割ったものを意味する。但し、第3リンク30Cの先端形状はこれらの態様には限定されず、既知であり、且つ、その表面形状が簡便な数式で表せるものであれば、いかなる態様のものであってもよい。 As shown in the enlarged view of FIG. 2 and FIG. 3, the third link 30C includes a base 36 connected to the second link 30B at the base end side, and a finger pad 38 provided at the tip of the base 36. The base 36 is cylindrical. The finger pad 38 has a shape (hereinafter, a quarter hemisphere) in which a sphere passes through its center (hereinafter, fingertip center Pf ) and is cut by two planes, a plane Π1 parallel to the extension direction of the third link 30C and a plane Π2 perpendicular to the fingertip center Pf . The finger pad 38 is connected to the base 36 at the end face on the third link 30C side. However, the finger pad 38 is not limited to a quarter hemisphere, and may be a hemisphere, a semi-spherical sphere, a semi-oblate sphere, or a semi-cylindrical sphere. Here, a semi-prolate spheroid means a shape obtained by dividing a prolate spheroid (a rotating body obtained by rotating an ellipse around its major axis) by a plane passing through its center and perpendicular to the major or minor axis. A semi-oblate spheroid means a shape obtained by dividing an oblate spheroid (a rotating body obtained by rotating an ellipse around its minor axis) by a plane passing through its center and perpendicular to the major or minor axis. However, the tip shape of third link 30C is not limited to these modes and may be any mode as long as it is known and its surface shape can be expressed by a simple mathematical formula.

爪32は基端側において指腹部38又は基部36に結合され、基部36から離反する方向に延びている。本実施形態では、爪32は基端側において、基部36の突端面と、指腹部38の基部36の延在方向に平行な面とに結合されている。本実施形態では、爪32は、基部36の延在方向に平行な面に結合され、基部36から離反する方向に延びる爪本体32Aと、爪本体32Aの延出端において屈曲し、基部36の延在方向に対して直交且つ指腹部38に近づく方向に延びる延出部32Bとを備えている。指腹部38の外面上の点であって、爪32及び第3リンク30Cによって覆われていない部分は、指本体30の先端に位置し、物体14に接触可能な部分であって、球面の一部を構成する。換言すれば、指腹部38の外面上の点は、指先中心Pを中心とする一つの球体上に位置している。但し、例えば、指腹部38が、半長球状又は半扁球状をなす場合、指腹部38の外面上の点であって、爪32及び第3リンク30Cによって覆われていない部分はそれぞれ、指本体30の先端に位置し、物体14に接触可能な部分であって、長球面又は扁球面の一部を構成する。 The claw 32 is connected to the finger pad 38 or the base 36 at the base end side and extends in a direction away from the base 36. In this embodiment, the claw 32 is connected to the tip surface of the base 36 and a surface of the finger pad 38 parallel to the extension direction of the base 36. In this embodiment, the claw 32 is connected to the surface parallel to the extension direction of the base 36 and includes a claw body 32A extending in a direction away from the base 36 and an extension part 32B that is bent at the extension end of the claw body 32A and extends in a direction perpendicular to the extension direction of the base 36 and toward the finger pad 38. The point on the outer surface of the finger pad 38 that is not covered by the claw 32 and the third link 30C is located at the tip of the finger body 30, is a part that can contact the object 14, and forms a part of a sphere. In other words, the point on the outer surface of the finger pad 38 is located on a sphere centered on the fingertip center Pf . However, for example, when the finger pad 38 is semi-oblong or semi-oblate, the points on the outer surface of the finger pad 38 that are not covered by the nail 32 and the third link 30C are located at the tip of the finger body 30, are parts that can come into contact with the object 14, and form part of a prolate or oblate spheroid.

爪32は、机12の上面12Aとの間の摩擦係数(具体的には、動摩擦係数)が、指腹部38と机12の上面12Aとの間の摩擦係数(動摩擦係数)よりも小さくなる材料によって構成されているとよい。また、爪32の剛性(曲げ剛性、及び剪断剛性)は、指本体30よりも高く設定されている。 The claw 32 is preferably made of a material that has a smaller coefficient of friction (specifically, kinetic coefficient of friction) between the claw 32 and the top surface 12A of the desk 12 than the coefficient of friction (kinetic coefficient of friction) between the finger pad 38 and the top surface 12A of the desk 12. In addition, the rigidity (bending rigidity and shear rigidity) of the claw 32 is set higher than that of the finger body 30.

力覚センサ26は対応する指機構24の指本体30であって、第3リンク30Cの基部36先端に取り付けられている。力覚センサ26はいわゆる6軸力覚センサ(6軸力・モーメントセンサともいう)であって、指腹部38に加わる3つの直交軸方向の力成分(すなわち、力ベクトル)と、それぞれの軸回りのモーメント成分とを取得する。力覚センサ26は、例えば、ひずみゲージ式や、静電容量式、圧電式、光学式のいずれの方式に基づくものであってもよく、また、公知のMEMSと起歪体との複合センサによって構成されていてもよい。 The force sensor 26 is the finger body 30 of the corresponding finger mechanism 24, and is attached to the tip of the base 36 of the third link 30C. The force sensor 26 is a so-called six-axis force sensor (also called a six-axis force-moment sensor), and acquires the force components (i.e., force vectors) in the three orthogonal axis directions applied to the finger pad 38, and the moment components around each axis. The force sensor 26 may be based on, for example, a strain gauge type, a capacitance type, a piezoelectric type, or an optical type, or may be composed of a composite sensor of a known MEMS and a strain-generating body.

駆動装置28はそれぞれが腕部7に設けられた1以上のモータによって構成されている。駆動装置28の駆動力は動力伝達機構40を介して、対応する指機構24の第1リンク30A、第2リンク30B及び第3リンク30Cそれぞれに伝えられる。駆動装置28は駆動力を発生させることで、掌部22に対して第1リンク30Aを回転させることができ、第1リンク30Aに対して第2リンク30Bを回転させることができ、第2リンク30Bに対して第3リンク30Cを回転させることができる。これにより、駆動装置28は、対応する指本体30を屈曲・伸展(屈伸)させることができる。駆動装置28は、第1リンク30A、第2リンク30B及び第3リンク30Cの駆動量を積算することによって、各リンクの回転角度を取得する。但し、この態様には限定されず、掌部22及び第1リンク30Aの間、第1リンク30A及び第2リンク30Bの間、第2リンク30B及び第3リンク30Cの間等にそれぞれ回転角センサが設けられ、駆動装置28はその回転角センサの検出結果を取得してもよい。動力伝達機構40は、ワイヤやプーリ等によって構成されてもよく、指機構24を屈伸運動させるように駆動装置28の動力を伝達しうる構成であれば、いかなる構成であってもよい。 Each of the driving devices 28 is composed of one or more motors provided on the arm 7. The driving force of the driving device 28 is transmitted to the first link 30A, the second link 30B, and the third link 30C of the corresponding finger mechanism 24 via the power transmission mechanism 40. The driving device 28 generates a driving force to rotate the first link 30A relative to the palm 22, rotate the second link 30B relative to the first link 30A, and rotate the third link 30C relative to the second link 30B. This allows the driving device 28 to bend and extend (flex and extend) the corresponding finger body 30. The driving device 28 obtains the rotation angle of each link by accumulating the driving amount of the first link 30A, the second link 30B, and the third link 30C. However, this is not limited to the above embodiment, and a rotation angle sensor may be provided between the palm portion 22 and the first link 30A, between the first link 30A and the second link 30B, between the second link 30B and the third link 30C, etc., and the driving device 28 may acquire the detection results of the rotation angle sensor. The power transmission mechanism 40 may be composed of a wire, a pulley, etc., and may have any configuration as long as it can transmit the power of the driving device 28 to cause the finger mechanism 24 to bend and extend.

制御装置20は、CPU41(セントラル・プロセシング・ユニット。中央演算処理装置、プロセッサともいう)、RAM42A(ランダムアクセスメモリ)やROM42B(リードオンリーメモリ)等の主記憶装置42、及び、HDD(ハードディスクドライブ)やSSD(ソリッド・ステート・ドライブ)等の補助記憶装置43を備えたコンピュータによって構成されている。本実施形態では、制御装置20は、ロボット3の胴体部6に設けられている。 The control device 20 is composed of a computer equipped with a CPU 41 (Central Processing Unit, also called a processor), a main memory device 42 such as a RAM 42A (Random Access Memory) or a ROM 42B (Read Only Memory), and an auxiliary memory device 43 such as a HDD (Hard Disk Drive) or an SSD (Solid State Drive). In this embodiment, the control device 20 is provided in the torso 6 of the robot 3.

制御装置20は、外界取得装置10、力覚センサ26、及び、駆動装置28に接続されている。 The control device 20 is connected to the external environment acquisition device 10, the force sensor 26, and the drive device 28.

制御装置20は外界取得装置10によって取得した画像に基づいて、物体14の位置、大きさ及び外形を取得する。更に、制御装置20は外界取得装置10によって取得した画像から、補助記憶装置43(又は、主記憶装置42)に保持された学習モデルに基づいて、物体14の種類を識別する。例えば、制御装置20は、画像からロボット3の前方にある物体14が机12の上にあることや、机12の上に配置された物体14の種別、例えば、本や、コイン、プラスチック板材等を識別し、取得することができる。 The control device 20 acquires the position, size, and external shape of the object 14 based on the image acquired by the external world acquisition device 10. Furthermore, the control device 20 identifies the type of object 14 from the image acquired by the external world acquisition device 10 based on the learning model stored in the auxiliary memory device 43 (or the main memory device 42). For example, the control device 20 can identify and acquire from the image that the object 14 in front of the robot 3 is on the desk 12, and the type of object 14 placed on the desk 12, such as a book, coin, plastic plate, etc.

制御装置20は、次に、補助記憶装置43(又は、主記憶装置42)に保持された物体情報テーブルと、画像によって取得された物体14の大きさとに基づいて、物体14の重心の位置と、質量及び慣性モーメントテンソルとを推定する。物体情報テーブルには、物体14の名称、対応する標準的な大きさ、質量、密度、材質が記録されている。更に、物体情報テーブルには、物体14の側面と指腹部38の表面との間の最大静止摩擦係数μ及び動摩擦係数、物体14の側面と爪32との間の最大静止摩擦係数μs´及び動摩擦係数、物体14に加えることのできる最大荷重λmax、慣性モーメントテンソル等が記録されているとよい。 The control device 20 then estimates the position of the center of gravity, mass, and moment of inertia tensor of the object 14 based on the object information table stored in the auxiliary storage device 43 (or the main storage device 42) and the size of the object 14 acquired from an image. The object information table records the name of the object 14 and the corresponding standard size, mass, density, and material. Furthermore, the object information table may record the maximum static friction coefficient μs and kinetic friction coefficient between the side of the object 14 and the surface of the finger pad 38, the maximum static friction coefficient μs' and kinetic friction coefficient between the side of the object 14 and the nail 32, the maximum load λ max that can be applied to the object 14, the moment of inertia tensor, and the like.

制御装置20は更に、指本体30の指腹部38それぞれの形状に係る情報を記憶している。指腹部38の形状に係る情報は、例えば、指腹部38の形状を示す数式に含まれるパラメータであってよい。本実施形態では、指腹部38の形状が四半球状であるため、制御装置20は少なくともその四半球の半径rを記憶している。 The control device 20 further stores information related to the shape of each finger pad 38 of the finger body 30. The information related to the shape of the finger pad 38 may be, for example, a parameter included in a mathematical expression indicating the shape of the finger pad 38. In this embodiment, since the shape of the finger pad 38 is a quarter hemisphere, the control device 20 stores at least the radius r d of the quarter hemisphere.

制御装置20は、指本体30に設けられた第1リンク30A、第2リンク30B、及び第3リンク30Cをそれぞれ回転させるべく、駆動装置28を駆動させる。制御装置20は駆動装置28から第1リンク30A、第2リンク30B、及び第3リンク30Cそれぞれの回転角を取得する。制御装置20は取得した回転角に基づいて、指腹部38の位置及び姿勢を取得する。 The control device 20 drives the drive device 28 to rotate each of the first link 30A, the second link 30B, and the third link 30C provided on the finger body 30. The control device 20 acquires the rotation angles of each of the first link 30A, the second link 30B, and the third link 30C from the drive device 28. The control device 20 acquires the position and posture of the finger pad 38 based on the acquired rotation angles.

本実施形態では、制御装置20は、駆動装置28から、第iの指機構24(i=1~5)の指先中心Pfiの位置を示すベクトルpfiを取得することができる。更に、制御装置20は駆動装置28から、指腹部38に対応する球体を切断する二つの面Π1i、Π2iの法線方向を示す単位ベクトルπ1i、π2iをそれぞれ取得する。但し、面Π1iは第3リンク30Cの延在方向に平行となるように設定され、面Π2iは第3リンク30Cの延在方向に垂直となるように設定されている。また、単位ベクトルπ1i及びπ2iはそれぞれ、指腹部38が設けられている方向を向くように設定されている。各ベクトルは、図1に示すように、ロボット3が載置された空間内の所定の位置を基準として、水平方向前方をX軸、左方をY軸、鉛直上向きをZ軸とした絶対座標系によって表現されている。 In this embodiment, the control device 20 can obtain a vector pfi indicating the position of the fingertip center Pfi of the i-th finger mechanism 24 (i=1 to 5) from the driving device 28. Furthermore, the control device 20 obtains unit vectors π1i and π2i indicating the normal directions of two planes Π1i and Π2i cutting the sphere corresponding to the finger pad 38 from the driving device 28. However, the plane Π1i is set to be parallel to the extension direction of the third link 30C, and the plane Π2i is set to be perpendicular to the extension direction of the third link 30C. In addition, the unit vectors π1i and π2i are set to face the direction in which the finger pad 38 is provided. As shown in FIG. 1, each vector is expressed in an absolute coordinate system with the X0 axis in the horizontal forward direction, the Y0 axis to the left, and the Z0 axis vertically upward, based on a predetermined position in the space in which the robot 3 is placed.

fi、π1i、π2i及び半径rによって、第iの指機構24(i=1,2,3)の指腹部38の表面の点を示すベクトルxが満たすべき条件は式(1)によって表現される。 Using p fi , π 1i , π 2i and radius r d , the condition that must be satisfied by vector x i indicating a point on the surface of the finger pad 38 of the i-th finger mechanism 24 (i=1, 2, 3) is expressed by equation (1).

Figure 0007553423000001
Figure 0007553423000001

上記式(1)において、∩は「且つ」を示し、||x-pfi||は、ベクトルxの示す点と対応する指機構24の指先中心Pとの距離を示す。式(1)の一つ目の式と二つ目の式とはそれぞれ、指腹部38の表面の点が面Π1i、Π2iに対して単位ベクトルπ1i、π2iの向く側に位置していることを示している。式(1)の三つ目の式は、指腹部38の表面の点が指先中心Pを中心とする半径rの球面上に位置していることを示している。 In the above formula (1), ∩ indicates "and", and ||x i - p fi || indicates the distance between the point indicated by the vector x i and the fingertip center P f of the corresponding finger mechanism 24. The first and second formulas in formula (1) indicate that the point on the surface of the finger pad 38 is located on the side of the unit vectors π 1i and π 2i with respect to the surfaces Π 1i and Π 2i , respectively. The third formula in formula (1) indicates that the point on the surface of the finger pad 38 is located on a spherical surface of radius r d centered on the fingertip center P f .

次に、3つの指機構24(第1~第3の指機構24)によって、水平な上面12Aを有する机12の上の四角板状の物体14を把持する場合について、制御装置20が行う処理を説明する。制御装置20は、物体14を把持しようとするときには、まず、接触処理を実行する。接触処理は、指機構24それぞれを駆動し、指機構24を接触させるための処理である。以下、接触処理について図4に示すフローチャートを参照して説明する。 Next, the process performed by the control device 20 will be described when a square plate-shaped object 14 placed on a desk 12 having a horizontal upper surface 12A is grasped with three finger mechanisms 24 (first to third finger mechanisms 24). When the control device 20 attempts to grasp the object 14, it first executes a contact process. The contact process is a process for driving each of the finger mechanisms 24 and bringing the finger mechanisms 24 into contact. The contact process will be described below with reference to the flowchart shown in FIG. 4.

図4に示すように、制御装置20は、接触処理の最初のステップST1において、外界取得装置10によって取得した画像に基づいて机12の上にある物体14の外形を取得する。その後、制御装置20は、物体14の外形から重心の位置を推定し、その重心の位置を原点とする座標系(基準座標系)を設定する。本実施形態では、制御装置20は、基準座標系のX軸及びY軸をそれぞれ水平面に平行な方向に設定し、Z軸を鉛直上向きとなるように設定する。本実施形態では、机12の上面12Aは水平をなすため、X軸及びY軸は机12の上面12Aに平行となっている。基準座標系は、絶対座標系を並進させたものになるため、式(1)は、基準座標系においても成立する。制御装置20は、物体14の外形及び重心の位置の取得と、基準座標系の設定が完了すると、制御装置20はステップST2を実行する。 As shown in FIG. 4, in the first step ST1 of the contact process, the control device 20 acquires the outline of the object 14 on the desk 12 based on the image acquired by the external environment acquisition device 10. The control device 20 then estimates the position of the center of gravity from the outline of the object 14 and sets a coordinate system (reference coordinate system) with the position of the center of gravity as the origin. In this embodiment, the control device 20 sets the X-axis and Y-axis of the reference coordinate system in directions parallel to the horizontal plane, and sets the Z-axis to face vertically upward. In this embodiment, since the top surface 12A of the desk 12 is horizontal, the X-axis and Y-axis are parallel to the top surface 12A of the desk 12. Since the reference coordinate system is a translation of the absolute coordinate system, formula (1) also holds in the reference coordinate system. When the control device 20 completes the acquisition of the outline and the position of the center of gravity of the object 14 and the setting of the reference coordinate system, the control device 20 executes step ST2.

制御装置20は、ステップST2において、駆動装置28を駆動し、3つの指機構24の先端を机12の上に接触させる。このとき、制御装置20は、必要に応じて脚部8や胴体部等を駆動させてもよい。制御装置20はそれぞれ指機構24の先端がそれぞれ物体14(詳細には、物体14の外形)を外囲する位置に配置されるように、指機構24を制御する。 In step ST2, the control device 20 drives the drive device 28 to bring the tips of the three finger mechanisms 24 into contact with the top of the desk 12. At this time, the control device 20 may also drive the legs 8, the torso, etc., as necessary. The control device 20 controls the finger mechanisms 24 so that the tips of the finger mechanisms 24 are positioned in positions that surround the object 14 (more specifically, the outer shape of the object 14).

本実施形態では、指機構24の先端をそれぞれ物体14の互いに平行な面に対峙するように配置する。このとき、3つの指機構24はそれぞれ爪32において机12の上面12Aに接触している。制御装置20は、指機構24の先端(すなわち、爪32)が机12の上面12Aに接触したか否かを力覚センサ26による検出結果に基づいて判定するとよい。 In this embodiment, the tips of the finger mechanisms 24 are arranged to face parallel surfaces of the object 14. At this time, the claws 32 of each of the three finger mechanisms 24 are in contact with the top surface 12A of the desk 12. The control device 20 may determine whether the tips of the finger mechanisms 24 (i.e., the claws 32) have contacted the top surface 12A of the desk 12 based on the detection results of the force sensor 26.

3つの指機構24の先端がそれぞれ机12の上面12Aに接触すると、制御装置20はステップST2の処理を実行する。 When the tips of the three finger mechanisms 24 each come into contact with the top surface 12A of the desk 12, the control device 20 executes the processing of step ST2.

制御装置20はステップST2において、駆動装置28を駆動し、指機構24をそれぞれ物体14の側面に向けて移動させる。このとき、制御装置20は、指機構24の先端(すなわち、爪32)が机12の上面12Aに接触した状態に維持されたまま、指機構24が物体14に向けて移動するなぞり動作を行うように、駆動装置28を制御する。本実施形態では、制御装置20は、指機構24が物体14の重心に向かって移動するように、駆動装置28を制御する。制御装置20は、なぞり動作中に、机12の上面12Aに平行な面内方向の力が極力発生しないように、駆動装置28を制御するとよい。 In step ST2, the control device 20 drives the drive device 28 to move each of the finger mechanisms 24 toward the side of the object 14. At this time, the control device 20 controls the drive device 28 so that the finger mechanism 24 performs a tracing motion in which the tip of the finger mechanism 24 (i.e., the claw 32) is maintained in contact with the top surface 12A of the desk 12 and the finger mechanism 24 moves toward the object 14. In this embodiment, the control device 20 controls the drive device 28 so that the finger mechanism 24 moves toward the center of gravity of the object 14. The control device 20 may control the drive device 28 so that, during the tracing motion, the generation of in-plane forces parallel to the top surface 12A of the desk 12 is minimized.

なぞり動作中に、制御装置20は、指機構24が物体14に触れたか否かを判定する判定処理を継続して行う。判定処理において、図5に示すように、制御装置20は、力覚センサ26によって取得された力ベクトル(検出力F)の机12の上面12Aの法線方向(すなわち、Z方向)の成分Fdzを無視し、力ベクトルの机12の上面12Aの接線方向(机12の上面12A、すなわち水平面に平行な方向。すなわち、XY方向。図5の実線矢印を参照)の成分(接触力F)に基づいて指機構24が物体14に触れたか否かを判定する。 During the tracing operation, the control device 20 continues to perform a determination process to determine whether or not the finger mechanism 24 has touched the object 14. In the determination process, as shown in Fig. 5, the control device 20 ignores a component Fdz of a force vector (detection force Fd ) acquired by the force sensor 26 in the normal direction (i.e., Z direction) of the top surface 12A of the desk 12, and determines whether or not the finger mechanism 24 has touched the object 14 based on a component (contact force Ft ) of the force vector in the tangential direction (direction parallel to the top surface 12A of the desk 12, i.e., the horizontal plane; i.e., XY directions; see the solid arrow in Fig. 5) of the force vector.

具体的には、制御装置20は、力覚センサ26によって取得された力ベクトルを適宜、座標変換することにより、基準座標系の力ベクトルに変換する。その後、制御装置20は、XY方向の力成分(すなわち、接触力F)のみを抽出し、両者を2乗して合算して、その平方根を算出することによって、XY面内の力(すなわち、接触力F)の大きさを取得する。制御装置20は、取得された接触力Fの大きさ(XY面内の力の大きさ)が所定の閾値以上となったときに、対応する指機構24が物体14に接触したと判定し、対応する指機構24の移動を停止する。接触力Fの大きさが閾値未満であるときには、制御装置20は、対応する指機構24がまだ物体14に接触していないと判定し、対応する指機構24を物体14に向けて移動させるべく、駆動装置28を制御する。すべての指機構24が接触すると、制御装置20は、接触処理を終える。 Specifically, the control device 20 converts the force vector acquired by the force sensor 26 into a force vector in a reference coordinate system by appropriately performing coordinate conversion. After that, the control device 20 extracts only the force components in the XY directions (i.e., the contact force F t ), squares and adds them, and calculates the square root to acquire the magnitude of the force in the XY plane (i.e., the contact force F t ). When the magnitude of the acquired contact force F t (the magnitude of the force in the XY plane) is equal to or greater than a predetermined threshold, the control device 20 determines that the corresponding finger mechanism 24 has contacted the object 14, and stops the movement of the corresponding finger mechanism 24. When the magnitude of the contact force F t is less than the threshold, the control device 20 determines that the corresponding finger mechanism 24 has not yet contacted the object 14, and controls the drive device 28 to move the corresponding finger mechanism 24 toward the object 14. When all the finger mechanisms 24 have come into contact, the control device 20 ends the contact process.

指機構24の接触が確認された後、制御装置20は算出処理を実行する。算出処理は、指機構24において出力すべき目標作用力を算出する処理である。以下、制御装置20が実行する算出処理について、図6に示すフローチャートを参照して説明する。 After the contact of the finger mechanism 24 is confirmed, the control device 20 executes a calculation process. The calculation process is a process for calculating a target action force to be output by the finger mechanism 24. The calculation process executed by the control device 20 will be described below with reference to the flowchart shown in FIG. 6.

制御装置20は、算出処理の最初のステップST11(接触点取得ステップ)において、力覚センサ26によって取得された3軸方向の成分によって表される力ベクトルと、各軸回りのモーメントとを取得する。次に、制御装置20は、力覚センサ26によって取得された力ベクトルとモーメントと、補助記憶装置43(又は、主記憶装置42)に保持された指腹部38の形状とに基づいて、公知の算出方法により接触点Pが満たすべき条件式を設定する。 In the first step ST11 (contact point acquisition step) of the calculation process, the control device 20 acquires a force vector represented by components in the three axial directions and moments around each axis acquired by the force sensor 26. Next, the control device 20 sets a conditional expression that should be satisfied by the contact point Pt by a known calculation method based on the force vector and moment acquired by the force sensor 26 and the shape of the finger pad 38 stored in the auxiliary storage device 43 (or the main storage device 42).

制御装置20はこのとき、指腹部38と物体14との接触によって、力のみが伝達され、接触面44法線まわりの回転モーメントが伝達されないというハードフィンガコンタクトであるとしてもよい。接触点Pの算出方法としては、例えば、永田ら、「指先力覚センサの開発と接触点検出誤差評価」、日本ロボット学会誌、vol.14,No.8,pp.1221~1228(1996)に基づくものであってよい。 At this time, the control device 20 may assume that the contact between the finger pad 38 and the object 14 is a hard finger contact in which only force is transmitted and no rotation moment around the normal to the contact surface 44 is transmitted. The method of calculating the contact point Pt may be based on, for example, Nagata et al., "Development of a Fingertip Force Sensor and Evaluation of Contact Point Detection Error," Journal of the Robotics Society of Japan, vol. 14, No. 8, pp. 1221-1228 (1996).

本実施形態では、制御装置20は、永田らの方法に基づいて、第1~第3の指機構24の力覚センサ26によって取得された力ベクトルとモーメントとを用い、式(1)と、下の式(2)とを同時に満たす解であるベクトルxi(i=1,2,3)を探索する。 In this embodiment, the control device 20 uses the force vectors and moments acquired by the force sensors 26 of the first to third finger mechanisms 24 based on the method of Nagata et al. to search for vectors xi (i = 1, 2, 3) that are solutions that simultaneously satisfy equation (1) and equation (2) below.

Figure 0007553423000002
Figure 0007553423000002

式(2)において、fは第iの指機構24に設けられた力覚センサ26が取得した力ベクトルであり、mは第iの指機構24に設けられた力覚センサ26が取得したモーメントである。Kiは未知数である。上記の式(2)は、永田らのpp.1224に記載された式(2)に相当する。 In formula (2), f i is a force vector acquired by the force sensor 26 provided on the i-th finger mechanism 24, and m i is a moment acquired by the force sensor 26 provided on the i-th finger mechanism 24. Ki is an unknown quantity. The above formula (2) corresponds to formula (2) described on page 1224 of Nagata et al.

制御装置20は、永田らの方法と同様に、力ベクトルが指腹部38の表面に対して内向きに作用することを考慮しながら、式(1)、(2)を連立して未知数Kを解き、得られたKiを式(2)に代入することによって、第1~第3の指機構24それぞれに対して接触点Pの位置を示すベクトルxを探索する。 As in the method of Nagata et al., the control device 20 solves the unknowns K i by solving equations (1) and (2) simultaneously while taking into consideration that the force vector acts inward on the surface of the finger pad 38, and substitutes the obtained K i into equation (2) to search for vectors x i indicating the positions of contact points P t for each of the first to third finger mechanisms 24.

制御装置20は式(1)と式(2)とを同時に満たす解が得られた、すなわち、指腹部38の表面上に存在する接触点Pの位置(詳細には、その位置を示すベクトルx)が得られた場合には、制御装置20は、ステップST12の処理を実行する。第1~第3の指機構24のいずれかにおいて、解が得られない、すなわち、指腹部38の表面上に存在する接触点Pの位置を示すベクトルxが得られなかった場合、制御装置20は目標作用力を算出することなく算出処理を終える。 When the control device 20 obtains a solution that simultaneously satisfies both equations (1) and (2), that is, when the control device 20 obtains the position of the contact point Pt on the surface of the finger pad 38 (more specifically, the vector x i indicating the position), the control device 20 executes the process of step ST12. When the control device 20 cannot obtain a solution for any of the first to third finger mechanisms 24, that is, when the control device 20 cannot obtain the vector x i indicating the position of the contact point Pt on the surface of the finger pad 38, the control device 20 ends the calculation process without calculating the target acting force.

制御装置20は、ステップST12(本体作用力探索ステップ)において、接触点Pにおいて物体14を安定的に把持するべく、第1~第3の指機構24の指本体30のそれぞれが接触点Pにおいて物体14に作用するべき作用力が満たすべき次の3つの条件(A)~(C)を設定し、全ての条件を満たす解を探索する。以下、必要に応じて、条件(A)~(C)をそれぞれ、接触点把持条件と記載する。 In step ST12 (body acting force search step), the control device 20 sets the following three conditions (A) to ( C ) that should be satisfied by the acting forces that should be applied to the object 14 at the contact point Pt of each of the finger bodies 30 of the first to third finger mechanisms 24 in order to stably grasp the object 14 at the contact point Pt, and searches for a solution that satisfies all of the conditions. Hereinafter, the conditions (A) to (C) will be referred to as contact point grasping conditions, respectively, as necessary.

条件(A)は、安定的に把持するという観点から、物体14と指腹部38との間に相対速度及び相対角速度に時間変化が生じない条件である。条件(A)は以下の式(3)で表される。(3)の条件式は、相対速度ベクトル、及び、相対角速度ベクトルを要素とする一般速度ベクトルに対する運動方程式を立て、加速度、角加速度をそれぞれ零に設定することによっても導くことができる。 Condition (A) is a condition that, from the viewpoint of stable gripping, there is no change over time in the relative velocity and relative angular velocity between the object 14 and the finger pad 38. Condition (A) is expressed by the following equation (3). Condition (3) can also be derived by formulating an equation of motion for a general velocity vector whose elements are the relative velocity vector and the relative angular velocity vector, and setting the acceleration and angular acceleration to zero.

Figure 0007553423000003
Figure 0007553423000003

ここで、式(3)のFexは机12からの力(抗力や摩擦力等)を除く物体14に加わる外力(重力等)を示す。Fexの算出の際に、制御装置20は、外界取得装置10によって取得した画像に基づいて物体14の種別を取得し、その種別に基づいて、物体情報テーブルを参照することによって、物体14の質量などを取得(又は、推定)するとよい。 Here, F ex in formula (3) indicates an external force (gravity, etc.) acting on the object 14 excluding forces (resistance, friction, etc.) from the desk 12. When calculating F ex , the control device 20 may acquire the type of the object 14 based on the image acquired by the external world acquisition device 10, and acquire (or estimate) the mass, etc. of the object 14 by referring to the object information table based on the type.

式(3)のλ、λ、λは第1~第3の指機構24の接触点Pそれぞれの座標系(以下、接触点座標系)で表現された指腹部38それぞれから物体14に加わる作用力を示すベクトル(力ベクトル)を表す。以下、接触点座標系の接触面44の法線方向であって物体14に向かう方向をz軸正の方向とし、接触面44の接線方向をx軸、y軸とする(図3参照)。 In equation (3), λ 1 , λ 2 , and λ 3 represent vectors (force vectors) indicating the acting forces applied to the object 14 from each of the finger pads 38 expressed in the coordinate system (hereinafter, contact point coordinate system) of each of the contact points Pt of the first to third finger mechanisms 24. Hereinafter, the normal direction of the contact surface 44 in the contact point coordinate system, which is the direction toward the object 14, is defined as the positive z-axis direction, and the tangential directions of the contact surface 44 are defined as the x-axis and y-axis (see FIG. 3 ).

また、式(1)のJ、J、Jは第1~第3の指機構24の接触に関するヤコビ行列であって、はそれぞれ対応するヤコビ行列の転置行列を示す。はそれぞれ第1~第3の指機構24の接触点座標系における作用力を示す力ベクトルを基準座標系の作用力を示す力ベクトルに変換する。例えば、基準座標系における第1~第3の指機構24から物体14に作用する作用力f、f,及びfはそれぞれ以下のように表される。 Furthermore, J 1 , J 2 , and J 3 in formula (1) are Jacobian matrices related to contact of the first to third finger mechanisms 24, and t J 1 , t J 2 , and t J 3 respectively indicate the transposes of the corresponding Jacobian matrices. t J 1 , t J 2 , and t J 3 respectively convert force vectors indicating the acting forces in the contact point coordinate system of the first to third finger mechanisms 24 into force vectors indicating the acting forces in the reference coordinate system. For example, acting forces f 1 , f 2 , and f 3 acting on the object 14 from the first to third finger mechanisms 24 in the reference coordinate system are respectively expressed as follows:

Figure 0007553423000004
Figure 0007553423000004

式(3)のΛは、λ、λ、及び、λを縦に並べたベクトルを示し、Jはを横に並べた行列を示している。式(3)のJΛは、基準座標系で表現された作用力の総和、すなわちf+f+fを示している。式(3)は物体14に加わる外力Fexと作用力の総和との和が零であること、すなわち、外力と作用力とが釣り合っていることを表している。上記の式(3)は、特許第5829103号公報に示された式06に対応している。 In formula (3), Λ indicates a vector in which λ 1 , λ 2 , and λ 3 are arranged vertically, and t J indicates a matrix in which t J 1 , t J 2 , and t J 3 are arranged horizontally. In formula (3), t JΛ indicates the sum of the acting forces expressed in the reference coordinate system, that is, f 1 + f 2 + f 3. Formula (3) indicates that the sum of the external force Fex applied to the object 14 and the sum of the acting forces is zero, that is, the external force and the acting force are balanced. The above formula (3) corresponds to formula 06 shown in Japanese Patent No. 5829103.

条件(B)は、指腹部38が接触している物体14から離れる方向に移動しない、換言すれば、指腹部38に物体14から離れる方向に力がかからない条件である。条件(B)は、以下の式(5)によって表される。 Condition (B) is a condition in which the finger pad 38 does not move in a direction away from the object 14 in contact with it, in other words, no force is applied to the finger pad 38 in a direction away from the object 14. Condition (B) is expressed by the following equation (5).

Figure 0007553423000005
Figure 0007553423000005

ここで、式(5)のλ1z、λ2z、及び、λ3zはそれぞれ、第1~第3の指機構24の指腹部38において加わる作用力の接触面44法線方向(z軸方向)の成分であり、物体14に向く方向が正であるように設定されている。式(5)は、第1~第3の指機構24の指腹部38において加わる作用力の接触面44法線方向の成分(z成分)がそれぞれ0以上であることを示している。更に、本実施形態では、物体14に過剰な作用力が加わることや、駆動装置28の出力の限界を考慮して、作用力の接触面44法線方向の成分は物体14に加えることのできる最大荷重λmax以下に設定される。制御装置20は物体情報テーブルを参照し、物体14の種別に基づいて、最大荷重λmaxを設定するとよい。 Here, λ 1z , λ 2z , and λ 3z in formula (5) are components of the acting force applied to the finger pads 38 of the first to third finger mechanisms 24 in the normal direction (z-axis direction) of the contact surface 44, and are set so that the direction toward the object 14 is positive. Formula (5) indicates that the components (z components) of the acting force applied to the finger pads 38 of the first to third finger mechanisms 24 in the normal direction of the contact surface 44 are each equal to or greater than 0. Furthermore, in this embodiment, in consideration of the application of an excessive acting force to the object 14 and the output limit of the drive device 28, the components of the acting force in the normal direction of the contact surface 44 are set to be equal to or less than the maximum load λ max that can be applied to the object 14. The control device 20 may refer to the object information table and set the maximum load λ max based on the type of the object 14.

条件(C)は、指腹部38が接触点Pにおいて物体14に対して滑らない条件(すなわち、摩擦拘束条件)である。条件(C)は、作用力の指腹部38(指本体30)を物体14に対して滑らせるように作用する成分が最大静止摩擦力以下であることと表現することができる。具体的には、作用力の接触面44の接線方向の成分(x、y成分)が最大静止摩擦係数μと作用力の接触面44法線方向成分の積以下であることである。すなわち、条件(C)は以下の式(6)で表される。 Condition (C) is a condition under which the finger pad 38 does not slip relative to the object 14 at the contact point Pt (i.e., a friction constraint condition). Condition (C) can be expressed as a component of the acting force that causes the finger pad 38 (finger body 30) to slide relative to the object 14 being equal to or less than the maximum static friction force. Specifically, the component (x, y components) of the acting force in the tangential direction of the contact surface 44 is equal to or less than the product of the maximum static friction coefficient μs and the component of the acting force in the normal direction to the contact surface 44. That is, condition (C) is expressed by the following formula (6).

Figure 0007553423000006
Figure 0007553423000006

式(6)は、指腹部38から物体14に加わる作用力に対応する力ベクトルが、接触点Pを頂点とし、接触面44に垂直な軸44Aを中心軸とする円錐50(いわゆる摩擦円錐)の内部にあることを意味している。ここで、円錐50の半頂角θは最大静止摩擦係数μによって規定され、具体的には、θ=arctan(μ)と表される。 Equation (6) means that the force vector corresponding to the acting force applied from the finger pad 38 to the object 14 is inside a cone 50 (so-called friction cone) whose apex is the contact point Pt and whose central axis is an axis 44A perpendicular to the contact surface 44. Here, the half apex angle θ of the cone 50 is determined by the maximum static friction coefficient μs , and specifically, is expressed as θ=arctan( μs ).

条件(C)は、式(6)の代わりに、以下の式(7)によって表されていてもよい。 Condition (C) may be expressed by the following formula (7) instead of formula (6).

Figure 0007553423000007
Figure 0007553423000007

式(7)のeziは、第iの指機構24(i=1~3)の接触点座標系におけるz軸方向の単位ベクトルである(図7を参照)。式(6)と式(7)とはそれぞれ式変形により相互に変換することができる等価な式である。式(7)は、特開2007-75929号公報の数式(14)に示された式と同様の式である。 In formula (7), e zi is a unit vector in the z-axis direction in the contact point coordinate system of the i-th finger mechanism 24 (i=1 to 3) (see FIG. 7). Formulas (6) and (7) are equivalent formulas that can be converted into each other by transformation. Formula (7) is the same as formula (14) in JP 2007-75929 A.

次に、制御装置20は条件(A)~(C)の全て(接触点把持条件の全て)を満たす解Λを探索する。例えば、特許第5829103号公報に記載されているように、制御装置20は、定常反復法であるGuss-Seidel法を用いて、式(3)の連立方程式の解を取得してもよい。Guss-Seidel法を用いた場合には、制御装置20は連立方程式を変換した連立漸化式に基づいて、解を逐次探索する。その際、特許第5829103号公報に記載されているように、制御装置20は、今回解と前回解との偏差が許容範囲に収まった場合、今回解を式(3)の連立方程式の解として取得してもよい。 Next, the control device 20 searches for a solution Λ that satisfies all of the conditions (A) to (C) (all of the contact point gripping conditions). For example, as described in Japanese Patent No. 5829103, the control device 20 may obtain a solution to the simultaneous equations of Equation (3) using the Guss-Seidel method, which is a stationary iterative method. When the Guss-Seidel method is used, the control device 20 sequentially searches for a solution based on a simultaneous recurrence formula that converts the simultaneous equations. In this case, as described in Japanese Patent No. 5829103, if the deviation between the current solution and the previous solution falls within an allowable range, the control device 20 may obtain the current solution as the solution to the simultaneous equations of Equation (3).

但し、式(3)の連立方程式の解の探索方法はこの方法には限定されず、例えば、ヤコビ法や、SOR法等の他の定常反復法、また、共役勾配法等の非定常反復法に基づくものであってもよい。更に、制御装置20は、作用力の接触面44法線方向成分が負になる(指先から物体14から離れる方向に作用力が働く)場合は、その作用力を零となるように固定し、式(3)の連立方程式の解の探索を行ってもよい。 However, the method of searching for the solution to the simultaneous equations of equation (3) is not limited to this method, and may be based on other steady-state iterative methods such as the Jacobi method or the SOR method, or on non-steady-state iterative methods such as the conjugate gradient method. Furthermore, when the component of the acting force normal to the contact surface 44 becomes negative (the acting force acts in a direction away from the fingertip to the object 14), the control device 20 may fix the acting force to zero and search for the solution to the simultaneous equations of equation (3).

制御装置20は、式(3)の連立方程式の解が、条件(C)を満たすか否かを判定するときには、指腹部38の形状に基づいて、接触面44に垂直なベクトルを取得し、その垂直なベクトルを中心軸とする摩擦円錐を設定する。このとき、制御装置20は、物体情報テーブルを参照し、物体14の側面と指腹部38の表面との間の最大静止摩擦係数μを取得して、半頂角θを算出するとよい。 When the control device 20 determines whether the solution of the simultaneous equations of formula (3) satisfies condition (C), it obtains a vector perpendicular to the contact surface 44 based on the shape of the finger pad 38 and sets a friction cone with the perpendicular vector as its central axis. At this time, the control device 20 may refer to the object information table to obtain the maximum static friction coefficient μs between the side surface of the object 14 and the surface of the finger pad 38 and calculate the half apex angle θ.

制御装置20は、条件(A)、(B)及び(C)の全てを満たす解が取得できたときは、ステップST13の処理を、解が取得できなかったときはステップST14の処理を実行する。 When the control device 20 obtains a solution that satisfies all of conditions (A), (B), and (C), it executes the process of step ST13, and when the control device 20 cannot obtain a solution, it executes the process of step ST14.

制御装置20はステップST13において、条件(A)、(B)及び(C)の全てを満たす解を目標作用力に設定して、算出処理を終える。 In step ST13, the control device 20 sets the solution that satisfies all of conditions (A), (B), and (C) as the target action force, and ends the calculation process.

制御装置20は、ステップST14において、ステップST11において取得した接触点Pすべてが爪接触条件を満たすか否かを判定する。爪接触条件とは、ステップST11において得られた接触点Pにおいて爪32が物体14の側面に当接していると見做して接触点把持条件の少なくとも一部(具体的には摩擦拘束条件)を変更して、ステップST12と同様に解を探索し、その解に相当する作用力を出力させたときに、例えば、図8に示すように、指機構24が移動し、結果として、爪32が物体14の外面に触れるための条件である。爪接触条件は、結果として、すくなくとも爪32が物体14の外面に触れるための条件であって、詳細には、爪32のみが物体14の外面に触れる条件と、爪32及び指本体30が同時に物体14の外面に接触する条件とを含む。 In step ST14, the control device 20 determines whether or not all of the contact points Pt obtained in step ST11 satisfy the claw contact condition. The claw contact condition is a condition under which, when a solution is searched for in the same manner as in step ST12 by changing at least a part of the contact point gripping condition (specifically, the friction constraint condition) by assuming that the claw 32 is in contact with the side surface of the object 14 at the contact point Pt obtained in step ST11, and an acting force corresponding to the solution is output, the finger mechanism 24 moves as shown in FIG. 8, and as a result, the claw 32 comes into contact with the outer surface of the object 14. The claw contact condition is a condition under which, as a result, at least the claw 32 comes into contact with the outer surface of the object 14, and in detail, includes a condition under which only the claw 32 comes into contact with the outer surface of the object 14 and a condition under which the claw 32 and the finger body 30 come into contact with the outer surface of the object 14 at the same time.

本願発明者らは、指腹部38の爪32の突端に近接する表面領域(以下、爪接触領域R、図2の着色された部分を参照)内に接触点Pが位置するときには、爪接触条件を満たすことを見出した。そこで、本実施形態では、制御装置20は爪接触領域Rを予め補助記憶装置43(又は、主記憶装置42)に記憶し、接触点Pが爪接触表面領域内にある場合に、爪接触条件を満たすと判定する。爪接触領域Rは爪接触条件を満たす領域内に設定されていれば、その範囲や分布には限定されない。爪接触領域Rは、例えば、指腹部38と爪32先端との距離が所定値以下の範囲として設定されていてもよい。 The inventors of the present application have found that the nail contact condition is satisfied when the contact point Pt is located within a surface region (hereinafter, referred to as the nail contact region R, see the colored portion in FIG. 2) close to the tip of the nail 32 of the finger pad 38. In this embodiment, the control device 20 stores the nail contact region R in advance in the auxiliary storage device 43 (or the main storage device 42), and determines that the nail contact condition is satisfied when the contact point Pt is within the nail contact surface region. The nail contact region R is not limited to a specific range or distribution as long as it is set within a region that satisfies the nail contact condition. The nail contact region R may be set, for example, as a range in which the distance between the finger pad 38 and the tip of the nail 32 is equal to or less than a predetermined value.

制御装置20は接触点Pがそれぞれ爪接触条件を満たすときにはステップST15の処理を実行する。 When the contact point Pt satisfies the respective claw contact conditions, the control device 20 executes the process of step ST15.

制御装置20はステップST15(爪作用力探索ステップ)において、複数の接触点把持条件の少なくとも一部を、接触点Pにおいて爪32が物体14の外面に接触していると見做して変更することによって目標作用力となる解を探索する。 In step ST15 (jaw action force search step), the control device 20 searches for a solution that results in the target action force by modifying at least a part of the multiple contact point gripping conditions by assuming that the claw 32 is in contact with the outer surface of the object 14 at the contact point Pt .

ここでは、制御装置20は、接触点把持条件のうち、摩擦拘束条件(条件(B))を変更する。具体的には、制御装置20は、摩擦拘束条件を、爪32が接触点Pにおいて物体14の外面に水平方向に接触していると見做して、その見做された状態で、爪32が物体14に対して滑らないという条件(D)に変更する。 Here, the control device 20 changes the friction constraint condition (condition (B)) among the contact point gripping conditions. Specifically, the control device 20 changes the friction constraint condition to condition (D) in which the claw 32 is assumed to be in horizontal contact with the outer surface of the object 14 at the contact point Pt , and the claw 32 does not slip relative to the object 14 in this assumed state.

条件(D)は、爪32が物体14に作用するべき作用力に対応する力ベクトルが水平方向に延びる軸線を中心とする円錐内に含まれるという条件である。 Condition (D) is a condition that the force vector corresponding to the force that the claw 32 should exert on the object 14 is contained within a cone centered on an axis extending horizontally.

条件(D)は、具体的には、以下の式(8)によって表される。 Specifically, condition (D) is expressed by the following formula (8):

Figure 0007553423000008
Figure 0007553423000008

図9に示すように、式(8)のnは第iの指機構24の接触点Pでの接触面44の法線方向の単位ベクトルeziを水平面内に回転した単位ベクトルを示す。l、mはそれぞれnに直交する単位ベクトルを示す。また、式(8)中の「・」は内積を示し、例えば、ベクトルaとベクトルbの内積a・bは、tabと等しい(但し、taはベクトルaを転置したものを表す)。条件(D)は以下の式(9)によって表されていてもよい。 9, n i in formula (8) represents a unit vector obtained by rotating, into a horizontal plane, a unit vector e zi in the normal direction of the contact surface 44 at the contact point P t of the i-th finger mechanism 24. l i and m i each represent a unit vector perpendicular to n i . In addition, "·" in formula (8) represents an inner product, and for example, the inner product a·b of vector a and vector b is equal to tab (where ta represents the transpose of vector a). Condition (D) may be expressed by the following formula (9).

Figure 0007553423000009
Figure 0007553423000009

式(8)及び式(9)はそれぞれ、指腹部38から物体14に加わる作用力に対応する力ベクトルがそれぞれ、水平方向に延びる軸線52を中心軸とする円錐54(図9参照)内に含まれることを意味している。ここで、円錐の半頂角θ´は爪32と物体14との最大静止摩擦係数μs´によって規定され、具体的には、θ´=arctan(μ´)と表される。制御装置20は物体情報テーブルを参照して、最大静止摩擦係数μs´を取得するとよい。 Equation (8) and equation (9) each mean that the force vector corresponding to the acting force applied from the finger pad 38 to the object 14 is contained within a cone 54 (see FIG. 9 ) having a horizontally extending axis 52 as its central axis. Here, the half apex angle θ' of the cone is defined by the maximum static friction coefficient μs' between the nail 32 and the object 14, and is specifically expressed as θ'=arctan( μs '). The control device 20 may refer to the object information table to obtain the maximum static friction coefficient μs'.

制御装置20は、式(3)、式(5)及び式(8)を用いて、条件(A),(B)、及び(D)を満たす解を探索する。但し、制御装置20は、式(8)(又は式(9))のf、f,fをヤコビ行列J、J、Jによってそれぞれ、λ,λ,及びλに置き換えた式、式(3)及び式(5)と連立することによって解を探索するとよい。また、式(3)の連立方程式の解の探索は、ステップST2と同様の方法、例えば、Guss-Seidel法に基づくものであってよい。制御装置20は、式(3)の連立方程式を変換した連立漸化式に基づいて、解を逐次探索してもよい。その際、特許第5829103号公報に記載されているように、制御装置20は、今回解と前回解との偏差が許容範囲に収まった場合、今回解を式(3)の連立方程式の解として取得するとよい。 The control device 20 searches for a solution that satisfies the conditions (A), (B), and (D) using the formulas (3), (5), and (8). However, the control device 20 may search for a solution by simultaneously solving the formulas ( 3 ) and (5) in which f 1 , f 2 , and f 3 in the formula (8) (or the formula (9)) are replaced with λ 1 , λ 2 , and λ 3 by the Jacobian matrices J 1 , J 2 , and J 3, respectively. The search for a solution to the simultaneous equations of the formula (3) may be based on the same method as in step ST2, for example, the Guss-Seidel method. The control device 20 may sequentially search for a solution based on simultaneous recurrence formulas obtained by converting the simultaneous equations of the formula (3). In this case, as described in Japanese Patent No. 5,829,103, if the deviation between the current solution and the previous solution falls within an allowable range, the control device 20 may obtain the current solution as the solution to the simultaneous equations of equation (3).

制御装置20は、条件(A)、(B)及び(D)の全てを満たす解Λ(λ,λ,及びλ)が取得できたときは、ステップST16の処理を実行し、解Λが取得できなかったときは、算出処理を終える。 When the control device 20 acquires a solution Λ (λ 1 , λ 2 , and λ 3 ) that satisfies all of the conditions (A), (B), and (D), it executes the process of step ST16, and when the control device 20 cannot acquire a solution Λ, it ends the calculation process.

制御装置20は、ステップST16において、ステップST15において取得した解Λを目標作用力に設定する。設定が完了すると、算出処理を終える。 In step ST16, the control device 20 sets the solution Λ obtained in step ST15 as the target action force. When the setting is complete, the calculation process ends.

制御装置20は、算出処理において、目標作用力が取得できたときには、出力処理を実行する。制御装置20は出力処理において、接触点Pにおいて物体14に目標作用力を加えるべく駆動装置28をそれぞれ駆動し、指機構24を作動させる。目標作用力が取得できなかったときには、制御装置20は駆動装置28を作動させることなく、例えば、スピーカから所定の音を発生させることによって、目標作用力が取得できなかったことを外部に通知するとよい。 When the target action force is acquired in the calculation process, the control device 20 executes the output process. In the output process, the control device 20 drives the drive devices 28 to apply the target action force to the object 14 at the contact point Pt , and operates the finger mechanism 24. When the target action force cannot be acquired, the control device 20 may notify the outside that the target action force could not be acquired, for example, by generating a predetermined sound from a speaker, without operating the drive devices 28.

次に、このように構成したロボットシステム1の動作及び効果について説明する。 Next, we will explain the operation and effects of the robot system 1 configured in this way.

制御装置20は、ステップST1において爪32を机12の上面12Aに接触させた後、ステップST2においてその接触した状態を維持したまま、指機構24を物体14に向けて移動させる。指機構24を物体14に向けて移動させている間、制御装置20は、指機構24が物体14に触れたか否かを判定する判定処理を継続して行う。 In step ST1, the control device 20 brings the claw 32 into contact with the top surface 12A of the desk 12, and then in step ST2, while maintaining the contact state, moves the finger mechanism 24 toward the object 14. While the finger mechanism 24 is being moved toward the object 14, the control device 20 continues to perform a determination process to determine whether the finger mechanism 24 has touched the object 14.

判定処理において、制御装置20は、指機構24に加わる力ベクトルの机12の上面12Aの接線方向の成分、すなわち接触力Fが閾値以上になったときに、指機構24が物体14に接触したと判定する。このように、判定処理において、制御装置20は、力ベクトルの机12の上面12Aの法線方向の成分(鉛直成分、Z軸方向の成分)を無視することによって、指機構24が机12の上面12Aに載置された物体14からの受ける力に基づいて判定処理を行うことができるため、物体14に接触したことを適切に判定することができる。 In the determination process, the control device 20 determines that the finger mechanism 24 has come into contact with the object 14 when the component of the force vector applied to the finger mechanism 24 in the tangential direction of the top surface 12A of the desk 12, i.e., the contact force Ft, becomes equal to or greater than a threshold value. In this manner, in the determination process, the control device 20 can perform the determination process based on the force that the finger mechanism 24 receives from the object 14 placed on the top surface 12A of the desk 12 by ignoring the components of the force vector in the normal direction of the top surface 12A of the desk 12 (vertical component, component in the Z-axis direction), and can therefore appropriately determine that the finger mechanism 24 has come into contact with the object 14.

指機構24に加わる力ベクトルの机12の上面12Aの接線方向の成分(XY面内の成分)には、接触によって物体14から受ける力と、指機構24と机12の上面12Aとの間の動摩擦力とが含まれる。爪32と机12の上面12Aとの動摩擦係数は、机12の上面12Aと指本体30(指腹部38)との間の動摩擦係数よりも小さくなるように設定されている。そのため、指機構24に加わる力ベクトルの机12の上面12Aの接線方向の成分のうち、接触によって物体14から受ける力以外の成分が小さくなる。よって、例えば、動摩擦力の揺らぎの影響が小さくなり、物体14に接触したことを的確に判定することができる。 The tangential component of the force vector applied to the finger mechanism 24 to the top surface 12A of the desk 12 (component in the XY plane) includes the force received from the object 14 by contact and the kinetic friction force between the finger mechanism 24 and the top surface 12A of the desk 12. The kinetic friction coefficient between the nail 32 and the top surface 12A of the desk 12 is set to be smaller than the kinetic friction coefficient between the top surface 12A of the desk 12 and the finger body 30 (finger pad 38). Therefore, among the tangential components of the force vector applied to the finger mechanism 24 to the top surface 12A of the desk 12, the components other than the force received from the object 14 by contact are smaller. Therefore, for example, the influence of fluctuations in the kinetic friction force is reduced, and it is possible to accurately determine that the object 14 has been contacted.

机12の上に載置された物体14を把持するときには、指機構24が物体14に触れるとともに、机12の上面12Aに触れる可能性がある。よって、力覚センサ26によって検出される力ベクトルには、机12から指機構24に加わる抗力や摩擦力が含まれるため、力覚センサ26によって物体14から指機構24に加わる荷重のみを分離することは容易ではない。そこで、本発明では、制御装置20は、ステップST2において、力覚センサ26によって取得される接触力Fの変化によって、第1~第3の指機構24が物体14に接触する。このように、接触力Fの変化によって、物体14に指機構24が接触したことが確認されるため、力覚センサ26によって取得される力ベクトルの値のみで物体14に接触したことを判定する場合に比べて、指機構24の物体14への接触の検出精度が高められる。更に、接触確認をした後に、制御装置20は、ステップST11において、接触点Pを取得し、その接触点Pを用いて目標作用力を設定する。そのため、指機構24が接触していないにも関わらず、目標作用力が設定されることが防止できる。 When gripping the object 14 placed on the desk 12, the finger mechanism 24 may touch the object 14 and the top surface 12A of the desk 12. Therefore, since the force vector detected by the force sensor 26 includes the resistance and friction applied from the desk 12 to the finger mechanism 24, it is not easy for the force sensor 26 to separate only the load applied from the object 14 to the finger mechanism 24. Therefore, in the present invention, the control device 20 causes the first to third finger mechanisms 24 to contact the object 14 in step ST2 based on a change in the contact force F t acquired by the force sensor 26. In this way, the contact of the finger mechanism 24 with the object 14 is confirmed based on the change in the contact force F t , so that the detection accuracy of the contact of the finger mechanism 24 with the object 14 is improved compared to the case where the contact with the object 14 is determined based only on the value of the force vector acquired by the force sensor 26. Furthermore, after the contact confirmation, the control device 20 acquires the contact point P t in step ST11 and sets the target action force using the contact point P t . Therefore, it is possible to prevent the target action force from being set even when the finger mechanism 24 is not in contact.

制御装置20は、ステップST12において、指腹部38が接触点Pにおいて物体14に接触したまま、物体14を把持するために作用力が満たすべき条件(接触点把持条件)を設定し、その条件を満たす解の探索を行う。ステップST12において解が取得できなかったときは、制御装置20はステップST14において爪32が接触しうる条件(爪接触条件)を満たすか否かを判定する。爪接触条件を満たすと判定したときには、制御装置20は、ステップST15において、爪32によって把持すると仮定して、接触点把持条件のうち摩擦拘束条件を爪32によって把持できると見做して変更し、再度、解の探索を行う。 In step ST12, the control device 20 sets a condition (contact point gripping condition) that must be satisfied by the acting force in order to grip the object 14 while the finger pad 38 is in contact with the object 14 at the contact point Pt, and searches for a solution that satisfies the condition. If a solution cannot be acquired in step ST12, the control device 20 determines in step ST14 whether or not the condition (nail contact condition) under which the claw 32 can come into contact is satisfied. If it is determined that the claw contact condition is satisfied, the control device 20 assumes in step ST15 that the object will be gripped by the claw 32, changes the friction constraint condition among the contact point gripping conditions by regarding the object as being grippable by the claw 32, and searches for a solution again.

ステップST15において解を取得できたときには、制御装置20は目標作用力を設定する。その後、その目標作用力を出力すべく、指機構24が作動する。このように、指腹部38によって把持することのできる解が取得できない場合であっても、爪32が接触し、爪32によって把持することのできる可能性を考慮して解の探索が行われる。これにより、爪32によって物体14が把持する場合が生じ易くなり、爪32によって把持する可能性を考慮しない場合に比べて、ロボットハンド2によって把持することのできる物体14の範囲を広げることができる。 When a solution can be obtained in step ST15, the control device 20 sets a target action force. The finger mechanism 24 then operates to output the target action force. In this way, even if a solution that can be grasped by the finger pad 38 cannot be obtained, a solution is searched for taking into account the possibility that the claw 32 will come into contact and be able to grasp the object by the claw 32. This makes it easier for the object 14 to be grasped by the claw 32, and it is possible to expand the range of objects 14 that can be grasped by the robot hand 2 compared to when the possibility of grasping by the claw 32 is not considered.

また、制御装置20は、爪接触条件を満たすか否かを、接触点Pが爪接触領域R内に位置しているか否かによって判定する。そのため、その判定が容易である。 Moreover, the control device 20 determines whether or not the pawl contact condition is satisfied based on whether or not the contact point Pt is located within the pawl contact region R. Therefore, the determination is easy.

制御装置20はステップST15において、摩擦拘束条件を爪32によって把持できると見做して、力ベクトルがそれぞれ、水平方向に延びる軸線52を中心軸とする円錐54内に含まれるという条件に変更する。そのため、爪32の突端面がどのように物体14に触れるか等の情報を用いることなく条件の変更を行うことができるため、その条件変更を簡便に行うことができる。 In step ST15, the control device 20 assumes that the friction constraint condition can be grasped by the claws 32, and changes the condition to one in which the force vectors are contained within a cone 54 with a horizontal axis 52 as its central axis. Therefore, the condition can be changed without using information such as how the tip surface of the claws 32 touches the object 14, and the condition can be changed easily.

また、ステップST16においては、指腹部38上の接触点Pにおいて爪32が物体14に接触すると見做して解の探索が行われる。よって、実際に指腹部38を駆動しても、爪32によって把持できない解が目標作用力として取得される虞がある。本実施形態では、接触点Pが爪接触領域R内に位置する、すなわち、接触点Pが爪32の突端面に近接するとき(ST15においてYes)に、接触点Pにおいて爪32が物体14に接触すると見做して解の探索が行われる(ST16)。よって、指腹部38上の接触点Pを用いて解を探索し、指機構24を駆動した場合であっても、爪32が実際に接触する位置は、指腹部38上の接触点Pからは大きくずれることがないため、爪32で把持するとして厳密に計算した場合に近い解が取得でき、爪32による把持を行うことが可能となる。 In step ST16, a solution is searched for assuming that the nail 32 contacts the object 14 at the contact point Pt on the finger pad 38. Therefore, even if the finger pad 38 is actually driven, there is a risk that a solution that does not allow the nail 32 to grip the object 14 may be acquired as the target acting force. In this embodiment, when the contact point Pt is located within the nail contact region R, that is, when the contact point Pt approaches the tip surface of the nail 32 (Yes in ST15), a solution is searched for (ST16) assuming that the nail 32 contacts the object 14 at the contact point Pt . Therefore, even if a solution is searched for using the contact point Pt on the finger pad 38 and the finger mechanism 24 is driven, the position where the nail 32 actually contacts does not deviate significantly from the contact point Pt on the finger pad 38, so that a solution close to the case of a strict calculation assuming gripping with the nail 32 can be acquired, and gripping with the nail 32 can be performed.

上記実施形態では、指腹部38の形状は四半球状をなすように設定されている。そのため、式(1)に示すように、指腹部38の表面形状が簡素な式で表現できる。よって、接触点Pの取得が容易になる。また、爪32の剛性(曲げ剛性、及び剪断剛性)は、指本体30よりも高く設定されているため、爪32によって物体を安定して把持することができる。 In the above embodiment, the shape of the finger pad 38 is set to be a quarter hemisphere. Therefore, as shown in formula (1), the surface shape of the finger pad 38 can be expressed by a simple formula. This makes it easy to obtain the contact point Pt . In addition, the rigidity (bending rigidity and shear rigidity) of the nail 32 is set to be higher than that of the finger body 30, so that an object can be stably grasped by the nail 32.

<<第2実施形態>>
第2実施形態に係る制御装置20は、条件(C)及び条件(D)の判定が異なり、他の構成は第1実施形態と同様であるため、他の構成については説明を省略する。
<<Second embodiment>>
The control device 20 according to the second embodiment judges conditions (C) and (D) differently, but other configurations are similar to those of the first embodiment, so description of the other configurations will be omitted.

第1実施形態において、制御装置20は、作用力に対応する力ベクトルが接触面44に直交する垂線を軸線とする摩擦円錐の内部に含まれるか否かによって条件(C)を満たすか否かを判定していたが、本実施形態では、制御装置20は、作用力に対応する力ベクトルが四角錐60の内部に含まれるか否かによって条件(C)を満たすか否かを判定する。 In the first embodiment, the control device 20 determined whether condition (C) is satisfied based on whether the force vector corresponding to the acting force is contained within the friction cone whose axis is a perpendicular line perpendicular to the contact surface 44. In this embodiment, the control device 20 determines whether condition (C) is satisfied based on whether the force vector corresponding to the acting force is contained within the pyramid 60.

具体的には、制御装置20は、以下の式(10)を満たすときに、条件(C)を満たすと判定する。 Specifically, the control device 20 determines that condition (C) is satisfied when the following formula (10) is satisfied:

Figure 0007553423000010
Figure 0007553423000010

図10に示すように、式(10)は、作用力に対応する力ベクトルが、式(6)によって示される円錐50に外接する四角錐60(円錐50を含み、且つ、その円錐50に接する四角錐60)の内部に含まれる条件に対応する。x軸方向は例えば爪32から指腹部38に向く方向(単位ベクトルπ1iの方向)に設定されているとよい。 10, formula (10) corresponds to the condition that the force vector corresponding to the acting force is included inside a pyramid 60 circumscribing the cone 50 shown in formula (6) (the pyramid 60 including the cone 50 and in contact with the cone 50). The x-axis direction may be set, for example, in the direction from the nail 32 to the finger pad 38 (the direction of the unit vector π 1i ).

また、第1実施形態において、制御装置20は、作用力に対応する力ベクトルが水平方向に延びる軸線を中心とする円錐の内部に含まれるか否かによって条件(D)を満たすか否かを判定していたが、本実施形態では、制御装置20は、作用力に対応する力ベクトルが水平方向に延びる軸線を中心とする四角錐の内部に含まれるか否かによって条件(D)を満たすか否かを判定する。 In the first embodiment, the control device 20 determined whether condition (D) is satisfied based on whether the force vector corresponding to the acting force is included inside a cone centered on an axis extending horizontally. In this embodiment, the control device 20 determines whether condition (D) is satisfied based on whether the force vector corresponding to the acting force is included inside a quadrangular pyramid centered on an axis extending horizontally.

具体的には、制御装置20は、以下の式(11)を満たすときに、条件(D)を満たすと判定する。 Specifically, the control device 20 determines that condition (D) is satisfied when the following formula (11) is satisfied:

Figure 0007553423000011
Figure 0007553423000011

式(10)は、作用力に対応する力ベクトルが、式(8)によって示される円錐54に外接する四角錐(不図示)の内部に含まれる条件に対応する。例えば、単位ベクトルlは、指機構24が接する物体14の側面に平行(又は、垂直)となるように設定されているとよい。 Equation (10) corresponds to the condition that the force vector corresponding to the acting force is included inside a square pyramid (not shown) circumscribing the cone 54 represented by equation (8). For example, the unit vector l i may be set to be parallel (or perpendicular) to the side surface of the object 14 that the finger mechanism 24 comes into contact with.

次に、このように構成したロボットシステム1の効果について説明する。 Next, we will explain the effects of the robot system 1 configured in this way.

制御装置20は、条件(C)及び条件(D)を示す式として式(10)及び式(11)を用いる。条件(C)及び条件(D)に対応する四角錐はそれぞれ円錐を(多角錐によって)近似したものであり、式(10)及び式(11)にはそれぞれ、平方根が含まれない。このように、円錐を四角錐(多角錐)によって近似することで、指腹部38や爪32によって物体14を把持することができる条件を簡便に設定することができ、解の探索が容易になる。 The control device 20 uses equations (10) and (11) as equations showing condition (C) and condition (D). The square pyramids corresponding to condition (C) and condition (D) are respectively approximations of a circular cone (using a polygonal pyramid), and equations (10) and (11) do not contain square roots. In this way, by approximating a circular cone with a square pyramid (polygonal pyramid), the conditions for grasping the object 14 with the finger pad 38 or nail 32 can be easily set, making it easier to search for a solution.

<<第3実施形態>>
第3実施形態においては、基準座標系の設定と、式(8)における単位ベクトルの向きとが第1実施形態と異なり、他の構成については第1実施形態と同様である。よって、他の構成については、説明を省略する。
<<Third embodiment>>
In the third embodiment, the setting of the reference coordinate system and the direction of the unit vector in the formula (8) are different from those in the first embodiment, but the other configurations are the same as those in the first embodiment, and therefore the description of the other configurations will be omitted.

制御装置20は、ステップST1において、外界取得装置10によって机12の上面12Aを撮像し、取得した画像から、水平面に対する机12の上面12Aの傾きを取得する。その後、制御装置20は、基準座標系を机の上面12Aに沿う方向にX軸、Y軸を設定し、その上面12Aの法線方向にZ軸を設定する。また、制御装置20は、式(8)のnを第iの指機構24の接触点Pでの接触面44の法線方向の単位ベクトルを机12の上面12Aに平行な面内に回転した単位ベクトルとし、l、mはそれぞれnに直交する単位ベクトルとして設定する。 In step ST1, the control device 20 captures an image of the top surface 12A of the desk 12 using the external environment acquisition device 10, and acquires the inclination of the top surface 12A of the desk 12 with respect to a horizontal plane from the acquired image. After that, the control device 20 sets the X-axis and Y-axis of the reference coordinate system in the direction along the top surface 12A of the desk, and sets the Z-axis in the normal direction of the top surface 12A. The control device 20 also sets n i in formula (8) as a unit vector obtained by rotating the unit vector in the normal direction of the contact surface 44 at the contact point P t of the i-th finger mechanism 24 into a plane parallel to the top surface 12A of the desk 12, and sets l i and m i as unit vectors perpendicular to n i .

次に、このように構成したロボットシステム1の効果について説明する。式(8)のnが机12の上面12Aに平行をなすように設定されているため、条件(D)は、作用力を示す力ベクトルが机12の上面12Aに平行な方向に延びる軸線を中心とする円錐内に含まれるという条件によって表される。但し、その円錐の半頂角θ´は第1実施形態と同様に、爪32と物体14との最大静止摩擦係数μ´によって規定され、θ´=arctan(μ´)と表される。これにより、第1実施形態と同様に、制御装置20は、爪32と物体14との接触点Pを取得することなく、爪32と物体14との間で滑ることがないとする条件(D)を簡便に設定することができる。 Next, the effect of the robot system 1 configured in this manner will be described. Since n i in formula (8) is set to be parallel to the top surface 12A of the desk 12, the condition (D) is expressed by the condition that the force vector indicating the acting force is included in a cone centered on an axis extending in a direction parallel to the top surface 12A of the desk 12. However, the half apex angle θ' of the cone is determined by the maximum static friction coefficient μ s ' between the claw 32 and the object 14, as in the first embodiment, and is expressed as θ' = arctan(μ s '). As a result, as in the first embodiment, the control device 20 can easily set the condition (D) that there is no slippage between the claw 32 and the object 14 without obtaining the contact point P t between the claw 32 and the object 14.

<<第4実施形態>>
第4実施形態においては、基準座標系の設定と、式(11)における単位ベクトルの向きとが第2実施形態と異なり、他の構成については第2実施形態と同様である。また、基準座標系の設定は第3実施形態と同様である。式(11)における単位ベクトルl、mi、の向きはそれぞれ、第3実施形態における式(8)のる単位ベクトルl、m、nの向きと同じ向きに設定されている。
<<Fourth embodiment>>
In the fourth embodiment, the setting of the reference coordinate system and the direction of the unit vector in formula (11) are different from those in the second embodiment, but the other configurations are the same as those in the second embodiment. The setting of the reference coordinate system is the same as that in the third embodiment. The directions of the unit vectors l i , m i , and n i in formula (11) are set to the same directions as the unit vectors l i , m i , and n i in formula (8) in the third embodiment.

次に、このように構成したロボットシステム1の効果について説明する。式(8)のnが机12の上面12A(載置面ともいう)に平行をなすように設定されているため、条件(D)は、作用力に対応する力ベクトルが、半頂角θ´が爪32と物体14との最大静止摩擦係数μ´によって規定された、机12の上面12A(載置面)に平行な方向に延びる軸線とする円錐を含み、円錐の外面に当接する四角円錐内にあるという条件によって表される。半頂角θ´は、θ´=arctan(μ´)と表される。これにより、第2実施形態と同様に、制御装置20は、爪32と物体14との接触点Pを取得することなく、爪32と物体14との間で滑ることがないとする条件(D)を簡便に設定することができる。 Next, the effect of the robot system 1 configured in this manner will be described. Since n i in formula (8) is set to be parallel to the upper surface 12A (also referred to as the placement surface) of the desk 12, condition (D) is expressed by the condition that the force vector corresponding to the acting force is within a square cone that includes a cone whose axis extends in a direction parallel to the upper surface 12A (placement surface) of the desk 12 and is defined by the maximum static friction coefficient μ s ' between the claw 32 and the object 14 and abuts on the outer surface of the cone. The half apex angle θ' is expressed as θ'=arctan(μ s '). As a result, similar to the second embodiment, the control device 20 can easily set the condition (D) that there is no slip between the claw 32 and the object 14 without acquiring the contact point P t between the claw 32 and the object 14.

<<第5実施形態>>
第5実施形態においては、基準座標系の設定と、式(8)における単位ベクトルの向きとが第1実施形態と異なり、他の構成については第1実施形態と同様である。よって、他の構成については、説明を省略する。
<<Fifth embodiment>>
In the fifth embodiment, the setting of the reference coordinate system and the direction of the unit vector in the formula (8) are different from those in the first embodiment, but the other configurations are the same as those in the first embodiment, and therefore the description of the other configurations will be omitted.

制御装置20は、ステップST1において、外界取得装置10によって取得した机12の上の物体14の画像から、物体14の端面の鉛直方向に対する傾きを取得する。その後、制御装置20は、基準座標系を端面に垂直な面内にX軸、Y軸を設定し、その端面に平行、且つ、机12の上面12Aから離れる向きにZ軸を設定する。また、制御装置20は、式(8)のnを第iの指機構24の接触点Pでの接触面44の法線方向の単位ベクトルを端面に垂直な面内に回転した単位ベクトルとし、l、mはそれぞれnに直交する単位ベクトルとして設定する。 In step ST1, the control device 20 acquires the inclination of the end face of the object 14 with respect to the vertical direction from the image of the object 14 on the desk 12 acquired by the external environment acquisition device 10. Thereafter, the control device 20 sets the X-axis and Y-axis of the reference coordinate system in a plane perpendicular to the end face, and sets the Z-axis parallel to the end face and in a direction away from the top surface 12A of the desk 12. The control device 20 also sets n i in formula (8) as a unit vector obtained by rotating a unit vector in the normal direction of the contact surface 44 at the contact point P t of the i-th finger mechanism 24 into a plane perpendicular to the end face, and sets l i and m i as unit vectors orthogonal to n i .

次に、このように構成したロボットシステム1の効果について説明する。式(8)のnが机12の上面12Aに平行をなすように設定されているため、条件(D)は、作用力を示す力ベクトルが物体14の端面に垂直な方向に延びる軸線とする円錐内に含まれるという条件によって表される。但し、その円錐の半頂角θ´は第1実施形態と同様に、爪32と物体14との最大静止摩擦係数μ´によって規定され、θ´=arctan(μ´)と表される。これにより、第1実施形態と同様に、制御装置20は、爪32と物体14との接触点Pを取得することなく、爪32と物体14との間で滑ることがないとする条件(D)を簡便に設定することができる。 Next, the effect of the robot system 1 configured in this manner will be described. Since n i in formula (8) is set to be parallel to the top surface 12A of the desk 12, condition (D) is expressed by the condition that the force vector indicating the acting force is contained within a cone whose axis extends in a direction perpendicular to the end surface of the object 14. However, the half apex angle θ' of the cone is determined by the maximum static friction coefficient μ s ' between the claw 32 and the object 14, as in the first embodiment, and is expressed as θ' = arctan(μ s '). As a result, as in the first embodiment, the control device 20 can easily set condition (D) that there is no slippage between the claw 32 and the object 14 without obtaining the contact point P t between the claw 32 and the object 14.

<<第6実施形態>>
第6実施形態においては、基準座標系の設定と、式(11)における単位ベクトルの向きとが第2実施形態と異なり、他の構成については第2実施形態と同様である。また、基準座標系の設定は第4実施形態と同様である。式(11)における単位ベクトルn、l、mの向きはそれぞれ、第4実施形態における式(8)の単位ベクトルn、l、mの向きと同じ向きに設定されている。
<<Sixth embodiment>>
In the sixth embodiment, the setting of the reference coordinate system and the direction of the unit vector in formula (11) are different from those in the second embodiment, but the other configurations are the same as those in the second embodiment. The setting of the reference coordinate system is the same as that in the fourth embodiment. The directions of the unit vectors n i , l i , and m i in formula (11) are set to the same directions as the directions of the unit vectors n i , l i , and m i in formula (8) in the fourth embodiment.

次に、このように構成したロボットシステム1の効果について説明する。式(7)のnが机12の上面12Aに平行をなすように設定されているため、条件(D)は、作用力に対応する力ベクトルが、半頂角θ´が爪32と物体14との最大静止摩擦係数μ´によって規定された物体14の端面に垂直な方向に延びる軸線とする円錐を含み、円錐の外面に当接する四角円錐内にあるという条件によって表される。半頂角θ´は、θ´=arctan(μ´)と表される。これにより、第2実施形態と同様に、制御装置20は、爪32と物体14との接触点Pを取得することなく、爪32と物体14との間で滑ることがないとする条件(D)を簡便に設定することができる。 Next, the effect of the robot system 1 configured in this manner will be described. Since n i in formula (7) is set to be parallel to the top surface 12A of the desk 12, condition (D) is expressed by the condition that the force vector corresponding to the acting force is within a square cone that includes a cone whose half apex angle θ′ is an axis extending in a direction perpendicular to the end surface of the object 14 defined by the maximum static friction coefficient μ s ′ between the claw 32 and the object 14 and abuts on the outer surface of the cone. The half apex angle θ′ is expressed as θ′=arctan(μ s ′). As a result, similar to the second embodiment, the control device 20 can easily set condition (D) that there is no slip between the claw 32 and the object 14 without obtaining the contact point P t between the claw 32 and the object 14.

以上で具体的な実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態や変形例に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、ロボットシステム1がヒューマノイドロボットに適用される例について記載したが、この態様には限定されない。 This concludes the explanation of the specific embodiment, but the present invention is not limited to the above embodiment or modified examples, and can be implemented in a wide variety of variations. For example, the above embodiment describes an example in which the robot system 1 is applied to a humanoid robot, but the present invention is not limited to this aspect.

上記実施形態において、机12の上面12Aが水平であり、物体14の端面が垂直であるという条件下で、式(7)及び式(10)に示される円錐及び四角錐がそれぞれ水平方向に延びる軸線を中心とするように設定されていた。しかし、机12の上面12Aが水平でない場合や、物体14の端面が垂直でない場合であっても、制御装置20は、ステップST12及びステップST15において、それぞれ式(7)及び式(10)に基づいて、解の探索を行ってもよい。 In the above embodiment, under the condition that the top surface 12A of the desk 12 is horizontal and the end surface of the object 14 is vertical, the cone and pyramid shown in equations (7) and (10) are set to have their centers on axes that extend horizontally. However, even if the top surface 12A of the desk 12 is not horizontal or the end surface of the object 14 is not vertical, the control device 20 may search for a solution based on equations (7) and (10) in steps ST12 and ST15, respectively.

上記第2実施形態、第4実施形態、及び、第6実施形態において、条件(C)及び条件(D)がそれぞれ、作用力を示す力ベクトルが円錐に外接する四角錐内に含まれる条件によって表されていたが、四角錐には限定されず、円錐に外接する多角錐(詳細には凸多角錐。好ましくは正凸多角錐)内に含まれる条件によって表されていてもよい。 In the second, fourth, and sixth embodiments, condition (C) and condition (D) are each expressed by a condition that the force vector indicating the acting force is contained within a square pyramid circumscribing the cone, but this is not limited to a square pyramid, and may be expressed by a condition that the force vector is contained within a polygonal pyramid (more specifically, a convex polygonal pyramid, preferably a regular convex polygonal pyramid) circumscribing the cone.

上記第2実施形態、第4実施形態、及び、第6実施形態において、条件(C)及び条件(D)がそれぞれ、作用力を示す力ベクトルが円錐に外接する四角錐内に含まれる条件によって表されていたが、外接する四角錐には限定されず、図11に示すように、円錐に内接する多角錐70(詳細には凸多角錐。好ましくは正凸多角錐)内に含まれる条件によって表されていてもよい。 In the second, fourth, and sixth embodiments, condition (C) and condition (D) are each expressed by a condition that the force vector indicating the acting force is contained within a quadrangular pyramid circumscribing the cone, but this is not limited to a circumscribing quadrangular pyramid, and may be expressed by a condition that the force vector is contained within a polygonal pyramid 70 (more specifically, a convex polygonal pyramid, preferably a regular convex polygonal pyramid) inscribing the cone, as shown in FIG. 11.

上記実施形態において、物体14は正方形板状をなす例について記載したが、この態様には限定されない。図12~図14に示すように物体14は円板状、楕円板状、三角形板状、五角形板状等、いかなる形状をなしていてもよく、また、どのように配置されていてもよい。 In the above embodiment, the object 14 is described as being a square plate, but this is not limited to this. As shown in Figures 12 to 14, the object 14 may be in any shape, such as a circular plate, an elliptical plate, a triangular plate, a pentagonal plate, or the like, and may be arranged in any manner.

上記実施形態において、単位ベクトルnは、接触面44の法線ベクトルを水平面内、机12の上面12Aに平行な面内、又は、物体14の端面に垂直な面内となるように回転させることによって構成されていたが、単位ベクトルnは水平方向に延び、且つ、物体14に向く方向であればいかなる方向であってもよい。例えば、図11~図13に示す表の左から1列目に示すように、第1~第3の指機構24(24A、24B、24C)に対応する単位ベクトルn(n、n、n)が平行をなすように設定されていてもよい。また、左から2列目に示すように、単位ベクトルn(n、n、n)が物体14の中心や重心に向く方向に設定されていてもよい。 In the above embodiment, the unit vector n i is configured by rotating the normal vector of the contact surface 44 to be in a horizontal plane, in a plane parallel to the top surface 12A of the desk 12, or in a plane perpendicular to the end surface of the object 14. However, the unit vector n i may be in any direction as long as it extends horizontally and faces the object 14. For example, as shown in the first column from the left in the tables shown in Figs. 11 to 13, the unit vectors n i (n 1 , n 2 , n 3 ) corresponding to the first to third finger mechanisms 24 (24A, 24B, 24C) may be set to be parallel to each other. Also, as shown in the second column from the left, the unit vectors n i ( n 1 , n 2 , n 3 ) may be set to be directed toward the center or center of gravity of the object 14.

上記実施形態において、式(6)及び式(7)の物体14と指腹部38との間の最大静止摩擦係数μと、式(8)及び式(9)の物体14と爪32との間の最大静止摩擦係数μs´とをそれぞれ異なる文字で記載したが、最大静止摩擦係数μと最大静止摩擦係数μs´とは同一の値に設定されていてもよい。 In the above embodiment, the maximum static friction coefficient μs between the object 14 and the finger pad 38 in equations (6) and (7) and the maximum static friction coefficient μs' between the object 14 and the nail 32 in equations (8) and (9) are written with different letters, but the maximum static friction coefficient μs and the maximum static friction coefficient μs ' may be set to the same value.

この他、各部材や部位の具体的構成や配置、数量、角度、素材等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更することができる。一方、上記実施形態に示した各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜選択することができる。 In addition, the specific configuration, arrangement, quantity, angle, material, etc. of each member or part can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. On the other hand, not all of the components shown in the above embodiment are necessarily required, and can be selected as appropriate.

1 :ロボットシステム
1A :把持システム
2 :ロボットハンド
20 :制御装置
24 :指機構
28 :駆動装置
30 :指本体
32 :爪
38 :指腹部
52 :軸線
54 :円錐
R :爪接触領域
θ´ :半頂角
μs´ :最大静止摩擦係数
1: Robot system 1A: Grip system 2: Robot hand 20: Control device 24: Finger mechanism 28: Driving device 30: Finger body 32: Claw 38: Finger pad 52: Axis 54: Cone R: Claw contact area θ': Half apex angle μs': Maximum static friction coefficient

Claims (8)

物体を把持するためのロボットシステムであって、
複数の指機構、前記指機構のそれぞれに設けられた力覚センサ、前記指機構をそれぞれ駆動する駆動装置を備えたロボットハンドと、
前記駆動装置それぞれの駆動を制御する制御装置と、を備え、
前記指機構は指本体と、前記指本体に設けられた爪とを含み、
前記制御装置は、前記力覚センサの取得結果に基づいて、前記指本体と前記物体との接触点を取得し、前記物体を把持するために前記指本体のそれぞれが前記接触点において前記物体に作用するべき作用力の満たすべき複数の接触点把持条件の少なくとも一部を、前記爪が前記物体の外面に接触していると見做して変更することによって目標作用力を算出し、前記物体に前記目標作用力を加えるべく前記駆動装置のそれぞれを駆動し、
前記制御装置は、
前記力覚センサの取得結果に基づいて前記接触点の位置を取得する接触点取得ステップと、
前記接触点による把持を可能とするべく前記指本体のそれぞれが前記物体に作用する前記作用力が満たすべき複数の前記接触点把持条件を設定し、前記目標作用力を取得すべく、前記接触点把持条件の全てを満たす解を探索する本体作用力探索ステップと、
前記本体作用力探索ステップにおいて解が取得できず、且つ、前記接触点が所定の爪接触条件を満たすときに、前記接触点把持条件の少なくとも一部を、前記接触点において前記爪が前記物体の前記外面に接触していると見做して変更することにより、爪把持条件を設定し、前記目標作用力を取得するべく前記爪把持条件を満たす解を探索する爪作用力探索ステップと、を順に実行するロボットシステム。
1. A robotic system for grasping an object, comprising:
a robot hand including a plurality of finger mechanisms, a force sensor provided in each of the finger mechanisms, and a drive device that drives each of the finger mechanisms;
A control device for controlling the driving of each of the driving devices,
The finger mechanism includes a finger body and a claw provided on the finger body,
the control device acquires contact points between the finger bodies and the object based on the results acquired by the force sensor, calculates a target action force by modifying at least a portion of a plurality of contact point gripping conditions that should be satisfied by the action force that each of the finger bodies should apply to the object at the contact point in order to grip the object, by regarding the claws as being in contact with an outer surface of the object, and drives each of the drive devices to apply the target action force to the object ;
The control device includes:
a contact point acquisition step of acquiring a position of the contact point based on an acquisition result of the force sensor;
a body action force search step of setting a plurality of contact point gripping conditions that should be satisfied by the action forces acting on the object by each of the finger bodies so as to enable gripping at the contact points, and searching for a solution that satisfies all of the contact point gripping conditions to obtain the target action force;
a claw action force search step in which, when a solution cannot be obtained in the body action force search step and the contact point satisfies a predetermined claw contact condition, at least a part of the contact point gripping condition is changed by regarding the claw as being in contact with the outer surface of the object at the contact point, thereby setting a claw gripping condition, and a claw action force search step in which a solution that satisfies the claw gripping condition is searched for to obtain the target action force .
前記制御装置は、前記接触点が前記指本体の所定の表面領域内にあるときに、前記接触点が前記爪接触条件を満たすと判定し、
前記表面領域は、前記接触点把持条件の少なくとも一部を前記爪が前記物体の前記外面に接触していると見做して変更することによって算出された前記目標作用力を出力すべく前記駆動装置が駆動したときに、前記爪が前記物体の前記外面に接触する領域内に設定されている請求項1に記載のロボットシステム。
the control device determines that the contact point satisfies the nail contact condition when the contact point is within a predetermined surface area of the finger body;
2. The robot system according to claim 1, wherein the surface area is set within an area where the claw contacts the outer surface of the object when the drive unit is driven to output the target action force calculated by modifying at least a portion of the contact point gripping condition by assuming that the claw is in contact with the outer surface of the object.
物体を把持するためのロボットシステムであって、
複数の指機構、前記指機構のそれぞれに設けられた力覚センサ、前記指機構をそれぞれ駆動する駆動装置を備えたロボットハンドと、
前記駆動装置それぞれの駆動を制御する制御装置と、を備え、
前記指機構は指本体と、前記指本体に設けられた爪とを含み、
前記制御装置は、前記力覚センサの取得結果に基づいて、前記指本体と前記物体との接触点を取得し、前記物体を把持するために前記指本体のそれぞれが前記接触点において前記物体に作用するべき作用力の満たすべき複数の接触点把持条件の少なくとも一部を、前記爪が前記物体の外面に接触していると見做して変更することによって目標作用力を算出し、前記物体に前記目標作用力を加えるべく前記駆動装置のそれぞれを駆動し、
前記制御装置は、前記接触点把持条件のうち、前記作用力の前記指本体を前記物体に対して滑らせるように作用する成分が最大静止摩擦力以下であるという摩擦拘束条件を、前記爪が前記物体の前記外面に接触していると見做して変更することによって前記目標作用力を算出し、
前記制御装置は、前記摩擦拘束条件を、前記爪が前記物体に作用するべき前記作用力に対応する力ベクトルが、半頂角が前記爪と前記物体との最大静止摩擦係数によって規定され、水平方向、前記物体が載置される載置面に平行な方向、及び、前記物体の前記外面に垂直な方向のいずれかの方向に軸線が延びる円錐内に含まれるという条件、前記円錐に外接する多角錐内に含まれるという条件、及び、前記円錐に内接する多角錐内に含まれるという条件のいずれかに変更するロボットシステム。
1. A robotic system for grasping an object, comprising:
a robot hand including a plurality of finger mechanisms, a force sensor provided in each of the finger mechanisms, and a drive device that drives each of the finger mechanisms;
A control device for controlling the driving of each of the driving devices,
The finger mechanism includes a finger body and a claw provided on the finger body,
the control device acquires contact points between the finger bodies and the object based on the results acquired by the force sensor, calculates a target action force by modifying at least a portion of a plurality of contact point gripping conditions that should be satisfied by the action force that each of the finger bodies should apply to the object at the contact point in order to grip the object, by regarding the claws as being in contact with an outer surface of the object, and drives each of the drive devices to apply the target action force to the object;
the control device calculates the target acting force by modifying a friction constraint condition, among the contact point gripping conditions, that a component of the acting force that acts to slide the finger body against the object is equal to or less than a maximum static friction force, by regarding the nail as being in contact with the outer surface of the object;
The control device changes the friction constraint condition to one of the following: a force vector corresponding to the acting force that the claw should apply to the object is contained within a cone whose half apex angle is determined by the maximum static friction coefficient between the claw and the object, and whose axis extends in any of the following directions: horizontally, parallel to a support surface on which the object is placed, and perpendicular to the outer surface of the object; the force vector is contained within a polygonal pyramid circumscribing the cone; and the force vector is contained within a polygonal pyramid inscribing the cone.
物体を把持するためのロボットシステムであって、
複数の指機構、前記指機構のそれぞれに設けられた力覚センサ、前記指機構をそれぞれ駆動する駆動装置を備えたロボットハンドと、
前記駆動装置それぞれの駆動を制御する制御装置と、を備え、
前記指機構は指本体と、前記指本体に設けられた爪とを含み、
前記制御装置は、前記力覚センサの取得結果に基づいて、前記指本体と前記物体との接触点を取得し、前記物体を把持するために前記指本体のそれぞれが前記接触点において前記物体に作用するべき作用力の満たすべき複数の接触点把持条件の少なくとも一部を、前記爪が前記物体の外面に接触していると見做して変更することによって目標作用力を算出し、前記物体に前記目標作用力を加えるべく前記駆動装置のそれぞれを駆動し、
前記指本体の前記物体に接触可能な先端部分は球面、長球面、又は扁球面の一部を構成するロボットシステム。
1. A robotic system for grasping an object, comprising:
a robot hand including a plurality of finger mechanisms, a force sensor provided in each of the finger mechanisms, and a drive device that drives each of the finger mechanisms;
A control device for controlling the driving of each of the driving devices,
The finger mechanism includes a finger body and a claw provided on the finger body,
the control device acquires contact points between the finger bodies and the object based on the results acquired by the force sensor, calculates a target action force by modifying at least a portion of a plurality of contact point gripping conditions that should be satisfied by the action force that each of the finger bodies should apply to the object at the contact point in order to grip the object, by regarding the claws as being in contact with an outer surface of the object, and drives each of the drive devices to apply the target action force to the object;
A robot system in which a tip portion of the finger body capable of contacting the object constitutes a part of a sphere, a prolate spheroid, or an oblate spheroid.
物体を把持するためのロボットシステムであって、
複数の指機構、前記指機構のそれぞれに設けられた力覚センサ、前記指機構をそれぞれ駆動する駆動装置を備えたロボットハンドと、
前記駆動装置それぞれの駆動を制御する制御装置と、を備え、
前記指機構は指本体と、前記指本体に設けられた爪とを含み、
前記制御装置は、前記力覚センサの取得結果に基づいて、前記指本体と前記物体との接触点を取得し、前記物体を把持するために前記指本体のそれぞれが前記接触点において前記物体に作用するべき作用力の満たすべき複数の接触点把持条件の少なくとも一部を、前記爪が前記物体の外面に接触していると見做して変更することによって目標作用力を算出し、前記物体に前記目標作用力を加えるべく前記駆動装置のそれぞれを駆動し、
前記物体が机の上面に載置されているときには、
前記制御装置は、前記指機構を前記机の前記上面に接触させた後、前記指機構を前記上面に接触させたまま前記物体に向けて移動させるべく前記駆動装置を駆動し、前記指機構が前記物体に接触した後に、前記力覚センサの取得結果に基づいて前記接触点を取得するロボットシステム。
1. A robotic system for grasping an object, comprising:
a robot hand including a plurality of finger mechanisms, a force sensor provided in each of the finger mechanisms, and a drive device that drives each of the finger mechanisms;
A control device for controlling the driving of each of the driving devices,
The finger mechanism includes a finger body and a claw provided on the finger body,
the control device acquires contact points between the finger bodies and the object based on the results acquired by the force sensor, calculates a target action force by modifying at least a portion of a plurality of contact point gripping conditions that should be satisfied by the action force that each of the finger bodies should apply to the object at the contact point in order to grip the object, by regarding the claws as being in contact with an outer surface of the object, and drives each of the drive devices to apply the target action force to the object;
When the object is placed on the top surface of the desk,
The control device brings the finger mechanism into contact with the top surface of the desk, and then drives the drive device to move the finger mechanism toward the object while keeping it in contact with the top surface, and after the finger mechanism comes into contact with the object, acquires the contact point based on the result acquired by the force sensor.
前記制御装置は、前記指機構を前記物体に向けて移動させるべく前記駆動装置を駆動させているときに、前記力覚センサによって取得された前記指機構に加わる力ベクトルの前記机の前記上面の接線方向の成分である接触力の大きさが所定の閾値以上となったときに、前記指機構が前記物体に接触したと判定する請求項5に記載のロボットシステム。 6. The robot system according to claim 5, wherein the control device determines that the finger mechanism has come into contact with the object when, while driving the drive device to move the finger mechanism toward the object, a magnitude of a contact force, which is a tangential component of a force vector applied to the finger mechanism and acquired by the force sensor , becomes equal to or greater than a predetermined threshold value. 前記制御装置は、前記指機構の前記爪を前記机の前記上面に接触させた後、前記指機構の前記爪を前記上面に接触させたまま前記物体に向けて移動させるべく前記駆動装置を駆動し
前記机の前記上面と前記爪との間の動摩擦係数は、前記机の前記上面と前記指本体との間の動摩擦係数よりも小さい請求項6に記載のロボットシステム。
The robot system of claim 6, wherein the control device brings the claw of the finger mechanism into contact with the upper surface of the desk, and then drives the drive device to move the claw of the finger mechanism toward the object while keeping it in contact with the upper surface, and a dynamic friction coefficient between the upper surface of the desk and the claw is smaller than a dynamic friction coefficient between the upper surface of the desk and the finger body.
前記爪の剛性は前記指本体の剛性よりも高い請求項1~請求項7のいずれか1つの項に記載のロボットシステム。 8. The robot system according to claim 1, wherein the claw has a rigidity higher than a rigidity of the finger body.
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