JP5614232B2 - Robot hand control device, control method, and control program - Google Patents
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Description
本発明は、ロボットハンドの制御に関し、特に指先が周囲の物体に接触した場合の安全制御に関するものである。 The present invention relates to control of a robot hand, and more particularly to safety control when a fingertip contacts a surrounding object.
リンク機構を自律的に制御することにより各種作業を実行するロボットハンドは、周囲の物体に接触した場合に当該物体に危害を加えないようにする安全制御を必要とする。 A robot hand that performs various operations by autonomously controlling the link mechanism requires safety control so as not to harm the object when it comes into contact with a surrounding object.
図5は、一般的な危険回避制御装置101の機能的な構成を示している。危険回避制御装置101は、ロボット動作計画部102、動作手順・動作コマンド生成部103、動作モード情報部104、信号処理回路部105、各軸トルク変化量検出部106、接触・衝突判断対処指令生成部107、各軸目標値生成部108、各軸モータ駆動サーボ制御部109を備える。
FIG. 5 shows a functional configuration of a general danger
ロボット動作計画部102は、人からまたはプログラムとして与えられるロボット作業指令を、各作業プロセスに必要となる動作手順に分解する。動作手順・動作コマンド生成部103は、ロボット動作計画部102で生成された動作手順に従って、動作コマンドを生成する。
The robot
動作モード情報部104は、動作手順・動作コマンド生成部103からのコマンドに基づいて、動作モードごとに設定した判断基準情報(各軸トルクの変化量の閾値)のうちその時の動作モードに対応するものを出力する。
The operation
信号処理回路部105は、アーム搭載移動ロボット110の各軸に設置した軸トルク検出器からの各軸トルクを入力する。各軸トルク変化量検出部106は、信号処理回路部105からの各軸トルクの変化量(以下、「各軸トルク変化量」と呼ぶ。)を検出する。
The signal
接触・衝突判断対処指令生成部107は、各軸トルク変化量検出部106からの各軸トルク変化量と動作モード情報部104からの判断基準情報を比較し、ある関節部の各軸トルクの変化量が判断基準情報よりも大きくなった場合、その関節軸より先端側に位置するアーム部において接触または衝突が生じたものと判断し、その時の動作モードに応じて、各軸目標値生成部108が動作手順・動作コマンド生成部103からのコマンドに従って生成した軌道目標値を調整するか、または各軸モータ駆動サーボ制御部109にモータを停止させる。
The contact / collision determination handling
アーム搭載移動ロボット110は、各軸モータ駆動サーボ制御部109により制御され関節軸に設置された軸トルク検出器により各軸トルクを検出する。
The arm-mounted
また、特許文献1に係るアーム搭載移動ロボットは、上述のような仕組みにより、ロボットアームの各軸トルク変化量があらかじめ設定した閾値より大きい場合に、ロボットアームが周囲の人または物に接触したと判定し、動作軌道を修正するかモータの駆動を停止させるものである。
Further, the arm-mounted mobile robot according to
しかしながら、上記のような危険回避制御を用いると、ロボットハンドの指先における物体の接触を検出することができない場合がある。例えば、ロボットハンドの指先で物体を突くような場合に、接触を検出できない可能性が高い。また、物体にはそれぞれ物性が備わっており、理想的には各接触物の物性に適合した危険回避制御が行われるべきである。 However, when the risk avoidance control as described above is used, the contact of an object at the fingertip of the robot hand may not be detected. For example, there is a high possibility that contact cannot be detected when an object is poke with the fingertip of a robot hand. Further, each object has physical properties, and ideally, risk avoidance control adapted to the physical properties of each contact object should be performed.
そこで、本発明は、ロボットハンドの指先における物体の接触を確実に検出すると共に、当該物体の物性を推定し、当該物性に適合した危険回避制御を実現することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to reliably detect contact of an object at the fingertip of a robot hand, estimate physical properties of the object, and realize danger avoidance control suitable for the physical property.
本発明の第1の態様は、複数のリンク及び前記リンク間を接続する複数の関節を備えるロボットハンドの制御装置であって、受信した動作要求に応じて動作指令を出力する動作指令生成手段と、前記動作指令に応じて決定される前記各関節の目標角度及び前記関節毎に設定されるゲインに基づいて、前記各関節を駆動させるトルク指令を出力するトルク指令生成手段と、先端に位置する第1指リンクの付け根部分に設けられる第1指関節に対して出力された前記トルク指令によるトルク値から前記第1指リンクの重量及び慣性力に抗するためのトルク値を減算した第1指関節接触トルクと、前記第1指関節と連結する第2指リンクの付け根部分に設けられる第2指関節に対して出力されたトルク指令によるトルク値から前記第2指関節より先端側の部分の重量及び慣性力に抗するためのトルク値を減算した第2指関節接触トルクとに基づいて、前記第1指リンク又は前記第2指リンクと物体との接触を検出し、前記第1指リンクの先端部である指先の位置が変化しないように前記第1指リンクを変位させる接触判定動作の実行時における前記第1指関節接触トルク及び前記第2指関節接触トルクが共に0でない場合に、前記指先と前記物体とが接触していると判定する接触判定手段と、前記指先が前記物体に接触していると判定された場合に、前記第1指関節接触トルク、前記第2指関節接触トルク、及び前記第1指関節の角度の検出値に基づいて、前記物体から前記指先への反力である接触力を推定する接触力推定手段と、前記指先が前記物体に接触していると判定された場合に、前記第1指関節接触トルク及び前記接触力に基づいて、前記接触力の方向と前記第1指リンクの長さ方向とにより形成される接触角度を推定する接触角度推定手段と、前記指先が前記物体に接触していると判定された場合に、前記指先を前記物体側に微小量移動させるヤング率推定動作の実行時における前記物体の微小変形量及び前記接触力に基づいて、前記物体のヤング率を推定するヤング率推定手段と、前記ヤング率及び前記接触角度に基づいて、前記指先が前記物体と接触する際の制御剛性が前記物体の剛性を超えないように、前記第1指関節に対する前記ゲイン及び前記第2指関節に対する前記ゲインを調整するゲイン調整手段とを備えるロボットハンドの制御装置である。 A first aspect of the present invention is a control device for a robot hand comprising a plurality of links and a plurality of joints connecting the links, and an operation command generating means for outputting an operation command in response to the received operation request; A torque command generating means for outputting a torque command for driving each joint based on a target angle of each joint determined according to the operation command and a gain set for each joint; A first finger obtained by subtracting a torque value for resisting the weight and inertial force of the first finger link from the torque value according to the torque command output to the first finger joint provided at the base portion of the first finger link. From the joint contact torque and the torque value by the torque command output to the second finger joint provided at the base portion of the second finger link connected to the first finger joint, the second finger joint is ahead. Detecting the contact between the first finger link or the second finger link and an object based on the weight of the side portion and the second finger joint contact torque obtained by subtracting the torque value for resisting the inertial force, The first finger joint contact torque and the second finger joint contact torque are both 0 when performing a contact determination operation for displacing the first finger link so that the position of the fingertip that is the tip of the first finger link does not change. If it is determined that the fingertip and the object are in contact with each other, contact determination means for determining that the fingertip is in contact with the object, and determining that the fingertip is in contact with the object, the first finger joint contact torque, Contact force estimation means for estimating a contact force, which is a reaction force from the object to the fingertip, based on a detected value of a two-finger joint contact torque and an angle of the first finger joint; and the fingertip contacts the object If it is determined that Contact angle estimation means for estimating a contact angle formed by the direction of the contact force and the length direction of the first finger link based on the first finger joint contact torque and the contact force; and When it is determined that the object is in contact with the object, the Young of the object is determined based on the amount of minute deformation of the object and the contact force when performing a Young's modulus estimation operation for moving the fingertip toward the object by a small amount. Based on the Young's modulus estimating means for estimating the rate, and the Young's modulus and the contact angle, the control stiffness when the fingertip comes into contact with the object does not exceed the stiffness of the object. A control device for a robot hand comprising: gain adjustment means for adjusting the gain and the gain for the second finger joint.
上記態様に係る装置によれば、ロボットハンドの指先が物体に接触したか否かが判定され、当該物体のヤング率が推定される。そして、推定されたヤング率に基づいて、当該物体に危害が加えられないように第1指関節及び第2指関節の制御ゲインが調整される。 According to the apparatus according to the above aspect, it is determined whether or not the fingertip of the robot hand has touched the object, and the Young's modulus of the object is estimated. Then, based on the estimated Young's modulus, the control gains of the first finger joint and the second finger joint are adjusted so as not to harm the object.
また、前記接触判定手段は、通常動作の実行時に前記第1指関節接触トルク及び前記第2指関節接触トルクが共に0でないことが検出された場合に、前記動作指令生成手段に対し前記接触判定動作を実行させる接触判定動作要求を出力することが好ましい。 In addition, the contact determination means determines the contact determination to the operation command generation means when it is detected that the first finger joint contact torque and the second finger joint contact torque are not 0 during execution of the normal operation. It is preferable to output a contact determination operation request for executing the operation.
また、前記接触判定手段は、前記接触判定動作の実行時において前記第1指関節接触トルク及び第2指関節接触トルクが共に0である場合には、前記第1指リンクのうち前記指先以外の部分と前記物体とが接触していると判定することが好ましい。 In addition, when the first finger joint contact torque and the second finger joint contact torque are both 0 at the time of executing the contact determination operation, the contact determination unit is configured such that the other than the fingertip of the first finger link. It is preferable to determine that the part is in contact with the object.
更に、前記接触判定手段は、前記接触判定動作の実行時において前記第1指関節接触トルクが0であり且つ前記第2指関節接触トルクが0でない場合には、前記第2指リンクと前記物体とが接触していると判定することが好ましい。 Further, the contact determination means may be configured to detect the second finger link and the object when the first finger joint contact torque is 0 and the second finger joint contact torque is not 0 when the contact determination operation is performed. Is preferably determined to be in contact.
更にまた、前記接触判定手段は、通常動作の実行時に前記第1指関節接触トルクから第N−1指関節接触トルク(Nは2以上の整数)が全て0であり且つ第N指関節接触トルクが0でない場合には、前記第N指リンクと前記物体とが接触していると判定することが好ましい。 Furthermore, the contact determination means is configured such that when the normal operation is performed, the N-1th finger joint contact torque (N is an integer equal to or greater than 2) is 0 from the first finger joint contact torque, and the Nth finger joint contact torque. When is not 0, it is preferable to determine that the N-th finger link and the object are in contact with each other.
また、前記接触判定手段は、前記通常動作の実行時に全ての前記関節についての前記関節接触トルクが0の場合には、全ての前記リンクは前記物体と接触していないと判定することが好ましい。 The contact determination means preferably determines that all the links are not in contact with the object when the joint contact torque for all the joints is 0 when the normal operation is performed.
また、下記発明の実施の形態において、前記接触力推定手段による前記接触力の推定、前記接触角度推定手段による前記接触角度の推定、前記ヤング率推定手段による前記ヤング率の推定、及び前記ゲイン調整手段による前記ゲインの調整の手法について、数式を挙げて具体的に示されている。 In the embodiment of the following invention, the contact force estimation by the contact force estimation means, the contact angle estimation by the contact angle estimation means, the Young's modulus estimation by the Young's modulus estimation means, and the gain adjustment The method of adjusting the gain by the means is specifically shown by using mathematical expressions.
また、本発明の第2の態様は、上記制御装置と同様の技術的思想に基づく制御方法である。 A second aspect of the present invention is a control method based on the same technical idea as that of the control device.
更に、本発明の第3の態様は、上記制御装置及び制御方法と同様の技術的思想に基づく制御用プログラムである。 Furthermore, a third aspect of the present invention is a control program based on the same technical idea as the control device and the control method.
本発明によれば、ロボットハンドの指先における物体の接触を検出し、当該物体の物性に適合した危険回避制御を実現することできる。これにより、例えば柔らかい物体に対しては、ロボットハンドの本来の動作を犠牲にしてもロボットハンドを駆動するための出力トルクを十分に抑制することで、当該物体への危害を確実に防止することができる。また、硬い物体に対しては、ロボットハンドの駆動トルクの抑制を比較的小さくすることで、当該物体への危害を防止しつつ、ロボットハンドの本来の動作を続行することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the contact of the object in the fingertip of a robot hand is detected, and danger avoidance control suitable for the physical property of the said object is realizable. As a result, for example, for a soft object, the output torque for driving the robot hand is sufficiently suppressed even at the sacrifice of the original operation of the robot hand, thereby reliably preventing harm to the object. Can do. For a hard object, it is possible to continue the original operation of the robot hand while preventing harm to the object by making the suppression of the driving torque of the robot hand relatively small.
実施の形態1
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1は、実施の形態1に係るロボットハンド1の機能的な構成を示している。ロボットハンド1は、ハンド部11及び駆動力制御部12を備える。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a functional configuration of the
ハンド部11は、リンク機構21、関節モータ22、及び関節角度検出部23を備える。リンク機構21は、複数のリンク、リンク間を接続する関節機構等から構成される。リンク機構21は、ロボットハンド1の使用目的に応じて設計され、例えば物体の把持、運搬等が可能となるように構成される。関節モータ22は、電気信号に応じてその駆動軸が制御され、隣合うリンクの相対的な位置関係を変化させる。関節角度検出部23は、各関節モータ23の駆動軸の回転量及び回転方向を検出し、その検出結果を電気信号に変換して出力する。
The
駆動力制御部12は、動作指令生成部31、トルク生成指令部32、接触判定部33、接触力推定部34、ヤング率推定部35、接触角度推定部36、及びゲイン調整部37を備える。駆動力制御部12は、ハンド部11の指先が物体に接触したか否かを判定し、接触が確認された場合には当該物体のヤング率(接触物ヤング率)を推定し、当該接触物ヤング率に応じて、当該物体への危害を確実に防止できる範囲内で、指先の動きに直接関与するリンク機構21の第1指関節及び第2指関節の駆動トルクを制御する。
The driving
動作指令生成部31は、指先接触判定時には、接触判定部33からの接触判定動作要求Rcに応じて接触判定動作指令Ocを出力する。また、動作指令生成部31は、接触物ヤング率推定時には、ヤング率推定部35からのヤング率推定動作要求Ryに応じてヤング率推定動作指令Oyを出力する。更に、動作指令生成部31は、上記以外の場合、即ちハンド部11の本来の動作を実行する場合には、通常動作指令Owを出力する。
The operation
トルク生成指令部32は、指先接触判定時には、関節角度検出値θが接触判定動作指令Ocに追従するようなトルク指令Tcを出力する。また、トルク生成指令部32は、接触物ヤング率推定時には、関節角度検出値θがヤング率推定動作指令Oyに追従するようなトルク指令Tyを出力する。そして、トルク生成指令部32は、ハンド部11の指先が物体と接触している場合には、ヤング率推定部35が算出した接触物ヤング率推定値E2に応じてゲイン調整部37が設定する第1指関節制御ゲインG1及び第2指関節制御ゲインG2を用いて、関節角度検出値θが通常動作指令Owに追従するようなトルク指令Twを出力する。一方、ハンド部11の指先が接触物に接触していない場合には、あらかじめ設定された第1指関節制御ゲインG1と第2指関節制御ゲインG2を用いて、関節角度検出値θが通常動作指令Owに含まれる目標角度に追従するようなトルク指令Twを出力する。
At the time of fingertip contact determination, the torque
接触判定部33は、ハンド部11の指先又はその他の部分に物体が接触したか否かを判定し、その判定結果を指先接触判定結果Sとして出力する。
The
ここで、先ず図2においてハンド部11の構成例を説明する。図2は、本実施の形態に係るハンド部11の指のフリーボディー図である。図2において、第1指リンク41、第1指関節51、第2指リンク42、及び第2指関節52が示されている。
Here, first, a configuration example of the
第1指リンク41の一端が指先50である。指先50が物体に接触すると、指先50には物体からの反力である接触力Fが掛かる。尚、図示しないが、通常は第2指関節52に続いて第3指リンク、第3指関節、ロボットハンドの甲、ロボットハンドの手首関節、ロボットアームの前腕などが連結する。
One end of the
接触判定部33は、下記(1)〜(5)の手法により指先50と物体との接触、又は指先50以外の部分と物体との接触を検出する。
The
(1)トルク指令Twの成分のうち第1指関節51を駆動する第1指関節トルク指令T1rから重力と慣性による成分を減算したもの(以下「第1指関節接触トルクT1」と呼ぶ)と、第2指関節52を駆動する第2指関節トルク指令T2rから重力と慣性による成分を減算したもの(以下「第2指関節接触トルクT2」と呼ぶ)の両方が非0となった場合、第1指リンク41のどこかが物体に接触している可能性があると判断できるため、接触判定動作要求Rcを出力する。接触判定動作要求Rcを受信した動作指令生成部31は、第1指リンク41の指先50の位置はそのままでsgn(Δθ1)=−sgn(ΔT1)を満足するような接触判定動作指令Ocを出力する。その後、第1指関節接触トルクT1と第2指関節接触トルクT2の両方が非0のままである場合(第1指関節51を動かしても第1指リンク41にトルクがかかっている場合)には、「指先50が物体に接触した」と判定する。
(1) The component of the torque command Tw obtained by subtracting the component due to gravity and inertia from the first finger joint torque command T1r for driving the first finger joint 51 (hereinafter referred to as “first finger joint contact torque T1”). When both of the second finger joint torque command T2r for driving the second finger joint 52 subtracting components due to gravity and inertia (hereinafter referred to as “second finger joint contact torque T2”) are non-zero, Since it can be determined that there is a possibility that somewhere on the
(2)一方、上記sgn(Δθ1)=−sgn(ΔT1)を満足するような接触判定動作指令Ocを出力した後、第1指関節接触トルクT1と第2指関節接触トルクT2の両方が0となった場合(第1指関節51を動かすことにより第1指リンク41が物体から離れた場合)には、「第1指リンク41の指先50以外の部分が物体に接触した」と判定する。
(2) On the other hand, after outputting the contact determination operation command Oc that satisfies the above sgn (Δθ1) = − sgn (ΔT1), both the first finger joint contact torque T1 and the second finger joint contact torque T2 are 0. If it becomes (when the
(3)また、上記sgn(Δθ1)=−sgn(ΔT1)を満足するような接触判定動作指令Ocを出力した後、第1指関節接触トルクT1が0で、第2指関節接触トルクT2が非0となった場合には、「第2指リンク42が物体に接触した」と判定する。
(3) Also, after outputting a contact determination operation command Oc that satisfies the above sgn (Δθ1) = − sgn (ΔT1), the first finger joint contact torque T1 is 0 and the second finger joint contact torque T2 is When it becomes non-zero, it is determined that “the
(4)更に、上記sgn(Δθ1)=−sgn(ΔT1)を満足するような接触判定動作指令Ocを出力した後、第1指関節接触トルクT1から第N−1指関節接触トルクTN-1(Nは2以上の整数)が全て0で、第N指関節接触トルクTNのみが非0となった場合、「第N指リンクが物体に接触した」と判定する。 (4) Further, after outputting a contact determination operation command Oc that satisfies the above sgn (Δθ1) = − sgn (ΔT1), the first finger joint contact torque T1 to the N-1th finger joint contact torque TN-1 When (N is an integer of 2 or more) is all 0 and only the N-th finger joint contact torque TN is non-zero, it is determined that “the N-th finger link is in contact with the object”.
(5)更にまた、全ての指関節接触トルクが0の場合、「ハンド部11は物体に接触していない」と判定する。
(5) Furthermore, when all the finger joint contact torques are 0, it is determined that “the
接触力推定部34は、第1指関節接触トルクT1、第2指関節接触トルクT2、及び関節角度検出値θに基づいて、接触力の絶対値を推定し、接触力推定値Fとして出力する。
The contact
ヤング率推定部35は、接触力推定部34からの接触力推定値F及び接触角度推定部36からの接触角度推定値θfを受信すると、ヤング率推定動作要求Ryを動作指令生成部31に対して出力する。ヤング率推定動作要求Ryを受信した動作指令生成部31は、接触角度推定値θfに基づいて指先50の位置を物体に押し付ける方向に微小量(以下「微小変形量d」と呼ぶ)動作させるようなヤング率推定動作指令Oyを出力する。そして、ヤング率推定部35は、微小変形量d及びヤング率推定動作指令Oyによる動作時における接触力推定値Fに基づいて、当該物体のヤング率の推定値である接触物ヤング率推定値E2を出力する。
When the Young's
接触角度推定部36は、第1指関節接触トルクT1及び接触力推定値Fに基づいて、接触力Fが指先50に加わる角度の推定値である接触角度推定値θfを出力する。
The
ゲイン調整部37は、接触物ヤング率推定値E2及び接触角度推定値θf基づいて、ハンド部11の指が接触している物体を傷つけないようにトルク生成指令部32の第1指関節制御ゲインG1及び第2指関節制御ゲインG2を調整する。この時、その他の制御ゲイン、即ちロボットハンド1の他の関節を制御する制御ゲインは調整されない。
Based on the contact object Young's modulus estimated value E2 and the contact angle estimated value θf, the
上記駆動力制御部12は、マイクロプロセッサ等を用いたプログラマブル電子制御系、各種電気回路(論理回路)の組み合わせ等により構成される。
The driving
以下に、図1に示す各ブロックの具体的な動作原理について説明する。 Hereinafter, a specific operation principle of each block shown in FIG. 1 will be described.
第1指関節接触トルクT1及び第2指関節接触トルクT2は、図2から下記式(1),(2)となる。
ただし、l1は第1指リンク41の長さ、l2は第2指リンク42の長さである。式(1)と式(2)を接触力Fと、接触角度θfについて解くとそれぞれ下記式(3),(4)が得られる。
接触力推定部34は、式(3)により接触力推定値Fを推定し、接触角度推定部36は、式(4)により接触角度推定値θfを推定する。ここでは、簡単のため接触力と接触力推定値はともに同じ記号Fで表し、接触角度と接触角度推定値はともに同じ記号θfで表す。
The contact
一方、接触力FはK.L. Johnson, "Contact Mechanics", Cambridge University Press, 1985により、下記式(5)と表される。
ただし、E*は有効ヤング率、Rは指先曲率半径、dは微小変形量、E1は指先50のヤング率、ν1は指先50のポアソン比、E2は接触物ヤング率、ν2は接触物のポアソン比である。ここで、指先ヤング率E1と指先ポアソン比ν1は、ロボットハンド1の設計値より既知である。式(5)を接触物ヤング率E2について解くと下記式(数6)を得る。
ポアソン比は0と0.5の間の値を取るが、式(6)において接触物ポアソン比ν2は2乗の形で表れるのでν2=0.25に固定すると、接触物ヤング率E2の誤差は(0.5^2−0.25^2)/(1−0.5^2)・100=25[%]以内となる。本実施の形態において、接触物ヤング率E2は接触する物体により桁が大きく異なる物性値であり、後述する制御ゲインの設定においても25[%]の誤差は無視できると考えられる(接触物ヤング率推定値E2の25[%]誤差は、後述の制御ゲインの15[%]に相当する)。従って、接触物ポアソン比ν2を0.25に固定する。ヤング率推定部35は、式(6)により接触物ヤング率推定値E2を算出する。ここで、簡単のため、接触物ヤング率と接触物ヤング率推定値はともに同じ記号E2で表す。
The Poisson's ratio takes a value between 0 and 0.5, but the contact Poisson's ratio ν2 in the equation (6) is expressed in a square form, so if it is fixed at ν2 = 0.25, the error of the contact Young's modulus E2 Is within (0.5 ^ 2-0.25 ^ 2) / (1-0.5 ^ 2) · 100 = 25 [%]. In the present embodiment, the contact object Young's modulus E2 is a physical property value that varies greatly depending on the object to be contacted, and it is considered that an error of 25 [%] can be ignored even in the control gain setting described later (contact object Young's modulus). The 25 [%] error of the estimated value E2 corresponds to 15 [%] of the control gain described later). Accordingly, the contact object Poisson's ratio ν2 is fixed at 0.25. The Young's
ハンド部11の指が接触する物体を傷つけないためには、当該指をフィードバック制御した場合の剛性(以下、「制御剛性」と呼ぶ)が、物体の接触部分における剛性以下であればよい。たとえば、第1指関節51を位置比例速度比例制御する場合、図2のロボットハンドの指の閉ループ系運動方程式は下記式(7),(8)と表される。
ただし、J1は第1指関節51から見た第1指リンク41の慣性モーメント(以下、「第1指リンク慣性モーメント」と呼ぶ)、Kp1は第1指関節51の位置比例制御ゲイン(以下、「第1指関節位置比例制御ゲイン」と呼ぶ)、Kvj1は第1指関節51の速度比例制御ゲイン(以下、「第1指関節速度比例制御ゲイン」と呼ぶ)、J2は第2指関節52から見た第1指リンク41と第2指リンク42を合わせた慣性モーメント(以下、「第1第2指リンク慣性モーメント」と呼ぶ)、Kp2は第2指関節52の位置比例制御ゲイン(以下、「第2指関節位置比例制御ゲイン」と呼ぶ)、Kvj2は第2指関節52の速度比例制御ゲイン(以下、「第2指関節速度比例制御ゲイン」と呼ぶ)である。また、式(7),(8)において、第1指リンク41と第2指リンク42に掛かる重力の項と、それを支える第1指関節トルク指令Tr1と第2指関節トルク指令Tr2の成分は相殺されている。
However, J1 is the moment of inertia of the
第1指関節角度θ1のみに起因する上述の微小変形量dは、図2より下記式(9)と表される。
式(1),(7),(9)より下記式(10)が得られる。
ただし、M1は第1指リンク41の等価質量、D1は第1指リンク41の等価粘性係数、K1は第1指リンク41の等価剛性である。
Where M1 is the equivalent mass of the
同様に、第2指関節角度θ2のみに起因する上述の微小変形量dは、図2より下記式(11)と表される。
ここで、θ2は第2指関節52の角度である第2指関節角度を示す。式(2),(8),(11)より、下記式(12)が得られる。
ただし、M2は第2指リンク42の等価質量、D2は第2指リンク42の等価粘性係数、K2は第2指リンク42の等価剛性、δは第1指関節角度θ1、接触角度θf、第1指リンク長さl1、第2指リンク長さl2によって決定される定数である。制御剛性が接触物の接触部分における剛性と同じとなる条件は、式(10)より下記式(13)で表される。
ただし、lは接触物の表面層厚さであり、本実施の形態では指先50による接触で影響を与えうる厚さである指先曲率半径Rと同じとした(l=R)。また、式(10)より第1指関節51の所望の減衰係数(以下、「第1指関節減衰係数ζ1」と呼ぶ)は、下記式(14)と表される。
式(13),(14)を第1指関節位置比例制御ゲインKp1と第1指関節速度比例制御ゲインKvj1について解くと下記式(15),(16)が得られる。
同様に第2指関節位置比例制御ゲインKp2と第2指関節速度比例制御ゲインKvj2は、式(12)より下記式(17),(18)と求められる。
ただし、ζ2は第2指関節52の所望の減衰係数(以下、「第2指関節減衰係数」と呼ぶ)である。
Here,
関節ゲイン調整部37は、トルク生成指令部32の制御ゲインのうち第1指関節51と第2指関節52を制御する制御ゲインKp1,Kvj1,Kp2,Kvj2のみを式(15)から式(18)により調整することにより、接触物ヤング率E2に応じて接触物を傷つけない適切な制御剛性(たとえば、式(7)の制御剛性)によりハンド部11を制御する。
The joint
ここで、上述の接触物ヤング率推定値E2に生じる最大25[%]の誤差は、式(15)から式(18)に示すように各制御ゲインに対して1−√1.25=−0.15または1−√0.75=0.15の割合、すなわち最大15[%]の誤差となって現れる。しかしながら、サービスロボットに要求される動作精度に対して15[%]は無視できる誤差である。 Here, the maximum error of 25 [%] generated in the contact object Young's modulus estimated value E2 is 1−√1.25 = − for each control gain as shown in the equations (15) to (18). A ratio of 0.15 or 1−√0.75 = 0.15, that is, a maximum error of 15% appears. However, 15% is a negligible error with respect to the operation accuracy required for the service robot.
図3は、本実施の形態に係る駆動力制御部12による制御の流れを示している。接触判定部33(図1参照)は、第1指関節接触トルクT1及び第2指関節接触トルクT2が共に非0であるか否かを判定し(S1)、非0である場合(Y)には、接触判定動作要求Rcを出力する(S2)。Rcの出力を受けて、動作指令生成部31は接触判定動作指令Ocを出力し、トルク生成指令部32はOcに応じてトルク指令Tcを出力する(S3)。
FIG. 3 shows a flow of control by the driving
次いで、接触判定部33は、Tcに含まれるT1及びT2が非0であるか否かを判定し(S4)、非0である場合(Y)には、指先50が物体に接触していると判定し(S5)、指先接触判定結果Sを出力する(S6)。Sの出力を受けて、接触力推定部34は接触力推定値Fを推定して出力し、接触角度推定部36は接触角度推定値θfを推定して出力する(S7)。F及びθfの出力を受けて、ヤング率推定部35はヤング率推定動作要求Ryを出力する(S8)。Ryの出力を受けて、動作指令生成部31はヤング率推定動作指令Oyを出力し、トルク生成指令部32はOyに応じてトルク指令Tyを出力する(S9)。その後、ヤング率推定部35は、F及び関節角度検出値θに基づいて接触物ヤング率推定値E2を推定して出力する(S10)。ゲイン調整部37は、E2及びθf基づいて、第1指関節制御ゲインG1及び第2指関節制御ゲインG2を調整する(S11)。そして、動作指令生成部31は、調整されたG1及びG2を用いて通常動作指令Owを出力し、トルク生成指令部32はOwに応じてトルク指令Twを出力する(S12)。
Next, the
ステップS4において、T1及びT2が共に非0ではない場合(N)には、接触判定部33は、T1及びT2が共に0であるか否かを判定する(S15)。ステップS15において、T1及びT2が共に0である場合(Y)には、第1指リンク41のうち指先50以外の部分が物体に接触していると判定され(S16)、これに応じて他の適宜な制御が実行される(S17)。一方、ステップS15において、T1及びT2が共に0でない場合(N)には、T1が0であり且つT2が非0であるか否かが判定される(S20)。ステップS20において、T1が0であり且つT2が非0でない場合(N)には、ステップS1に戻り、T1が0であり且つT2が非0である場合(Y)には、第2指リンク42が物体に接触していると判定され(S21)、これに応じて他の適宜な制御が実行される(S22)。
If both T1 and T2 are not non-zero in step S4 (N), the
ステップS1において、T1及びT2が共に非0ではない場合(N)には、接触判定部33は、T1及びT2だけでなく、図示しない第3番目から第N番目の関節の接触トルクT3〜TNについて判定し(S30)、T1〜TN-1が0であり且つTNが非0である場合(Y)には、第N指リンクが物体に接触していると判定され(S31)、これに応じて他の適宜な制御が実行される(S32)。一方、ステップS30において、T1〜TN-1が0であり且つTNが非0ではない場合(N)には、T1〜TNが全て0であるか否かを判定される(S35)。ステップS35において、T1〜TNが全て0である場合(Y)には、ハンド部11を構成するいずれのリンクも物体に接触していないと判定され(S36)、通常動作のOw及びTwが出力され、T1〜TNが全て0ではないと判定された場合(N)には、ステップS1に戻る。
In step S1, when both T1 and T2 are not non-zero (N), the
以上のように、本実施の形態に係るロボットハンド1によれば、ハンド部11の指先50が物体に接触したか否かを判定し、当該物体のヤング率を推定し、接触物のヤング率に応じて調整した第1指関節51と第2指関節52の制御ゲインG1,G2に基づいて、当該物体を傷つけないようにロボットハンド1を制御することができる。
As described above, according to the
以下に、実施の形態1に係るロボットハンド1のシミュレーション結果を示す。シミュレーションに用いた数値は以下の通りである。
l1=20×10^−3[m]、
l2=20×10^−3[m]、
E1=106×10^9[Pa]、
ν1=0.39、
E2=2×10^3[Pa]、
ν2=0.45、
R=5×10^−3[m]、
ζ1=1、
ζ2=1、
m1=30×10^−3[kg]、
m2=30×10^−3[kg]、
r1=5×10^−3[m]、
r2=5×10^−3[m]
The simulation result of the
l1 = 20 × 10 ^ −3 [m],
l2 = 20 × 10 ^ −3 [m],
E1 = 106 × 10 ^ 9 [Pa],
ν1 = 0.39,
E2 = 2 × 10 ^ 3 [Pa],
ν2 = 0.45,
R = 5 × 10 ^ −3 [m],
ζ1 = 1,
ζ2 = 1,
m1 = 30 × 10 ^ −3 [kg],
m2 = 30 × 10 ^ −3 [kg],
r1 = 5 × 10 ^ −3 [m],
r2 = 5 × 10 ^ −3 [m]
ただし、m1は第1指リンク41の質量、m2は第2指リンク42の質量、r1は第1指リンク41の半径、r2は第2指リンク42の半径である。
Here, m1 is the mass of the
本シミュレーションは、図2に示すロボットハンド1の指を曲げる動作中に物体と接触した場合の数値計算例を示す。
This simulation shows an example of numerical calculation when an object is touched during the operation of bending the finger of the
図4Aは、第1指関節角度θ1と接触角度θfの時間変化を示す。実線は第1指関節角度θ1、破線は接触角度θfを表す。図4Aに示すように、上述の通常動作指令Owに従って第1指関節51を曲げ、0.5[s]において物体とハンド部11の指とが接触した。そして、上述の指先接触判定用指令Ocにより指先50が接触したことを確認した後、0.55[s]まで上述の接触物ヤング率推定用指令Oyにより動作し、0.55[s]において第1指関節51と第2指関節52の制御ゲインKp1,Kvj1,Kp2,Kvj2が調整された。その後、指先50を同じ位置に保っている。
FIG. 4A shows temporal changes in the first finger joint angle θ1 and the contact angle θf. The solid line represents the first finger joint angle θ1, and the broken line represents the contact angle θf. As shown in FIG. 4A, the first finger joint 51 was bent in accordance with the normal operation command Ow described above, and the object and the finger of the
図4Bは、物体の変形量を示す。図4Bが示すように、0.5[s]においてハンド部11の指が物体に接触するまではハンド部11から物体に対して力が加わっていないため、物体の変形量は0である。0.5[s]において指が物体に接触し、指先50が接触したことが判定されている。その後、物体の変形量は増加し始め、接触物ヤング率推定用指令Oyにより物体の変形量が1×10^−3[m]となるまで増加する。0.55[s]において接触物ヤング率E2の推定が完了し、第1指関節51と第2指関節52の制御ゲインKp1,Kvj1,Kp2,Kvj2が調整される。その後、指先50は同じ位置に保たれ、物体の変形量は一定に保たれている。
FIG. 4B shows the deformation amount of the object. As shown in FIG. 4B, since no force is applied to the object from the
図4Cは、第1指関節接触トルクT1と第2指関節接触トルクT2を示す。実線は第1指関節接触トルクT1であり、破線は第2指関節接触トルクT2である。0.5[s]において指先接触判定用指令Ocにより、第1指関節角度θ1を増加させても第1指関節接触トルクT1と第2指関節接触トルクT2は共に0とならない。そのため、接触判定部33は、指先50が物体と接触したと判定し、接触力Fの推定、接触角度θfの推定、接触物ヤング率E2の推定を継続している。第1指関節接触トルクT1と第2指関節接触トルクT2は共に、0.5[s]と0.55[s]の間、接触物ヤング率推定用指令Oyによって指先50が物体に押し込まれるにしたがって増加し、その後指先50の位置を保っているため一定値を取っている。0.5[s]において指先50が物体に接触した後、第2指関節接触トルクT2が第1指関節接触トルクT1よりも大きな値を取っているのは、第2指関節52の方が、第1指関節51よりも物体から離れているためである。
FIG. 4C shows the first finger joint contact torque T1 and the second finger joint contact torque T2. The solid line is the first finger joint contact torque T1, and the broken line is the second finger joint contact torque T2. Even when the first finger joint angle θ1 is increased by the fingertip contact determination command Oc at 0.5 [s], both the first finger joint contact torque T1 and the second finger joint contact torque T2 do not become zero. Therefore, the
図4Dは、接触力と接触力推定値を示す。実線は接触力推定値、破線は接触力を示す。同図が示すように、接触力推定部34によって算出された接触力推定値は接触力と一致している。
FIG. 4D shows the contact force and the estimated contact force value. The solid line indicates the estimated contact force, and the broken line indicates the contact force. As shown in the figure, the estimated contact force value calculated by the contact
図4Eは接触角度と接触角度推定値を示す。実線は接触角度推定値、破線は接触角度を示す。同図が示すように、接触角度推定部36によって算出された接触角度推定値は接触角度と一致している。
FIG. 4E shows the contact angle and the estimated contact angle value. A solid line indicates a contact angle estimated value, and a broken line indicates a contact angle. As shown in the figure, the contact angle estimated value calculated by the contact
図4Fは、接触物ヤング率と接触物ヤング率推定値を示す。実線は接触物ヤング率推定値、破線は接触物ヤング率を示す。同図において、接触物ヤング率推定値は0.5[s]において指先50の接触を確認した直後に推定されていることが示されている。接触物ポアソン比ν2は0.45であるのに対し、上述のようにヤング率推定部35では式(6)のν2を0.25に固定しているため、接触物ヤング率推定値は実際の接触物ヤング率よりも(0.45^2−0.25^2)/(1−0.45^2)・100=17[%]大きい値を取っている。接触物ヤング率推定値の17[%]の誤差は、制御ゲインに対して1−√1.17=−0.08の割合、すなわち8[%]の誤差しか生じないので、サービスロボットに要求される動作精度に対して無視できる誤差である。
FIG. 4F shows the contact object Young's modulus and the contact object Young's modulus estimated value. The solid line indicates the contact object Young's modulus estimated value, and the broken line indicates the contact object Young's modulus. In the figure, it is shown that the contact object Young's modulus estimated value is estimated immediately after confirming the contact of the
図4A〜4Fの結果に基づいて、関節ゲイン調整部37が式(15)から式(18)を用いて算出した制御ゲインは、それぞれKp1=8.49[s^−1]、Kvj1=1.42×10^−4[N・m・s/rad]、Kp2=9.39[s^−1]、Kvj2=1.13×10^−3[N・m・s/rad]となった。このことから、第1指関節51は速度ループが5.41[Hz]、位置ループが8.49[Hz]、第2指関節52は速度ループが5.98[Hz]、位置ループが9.39[Hz]のバンド幅で、接触物ヤング率に応じてその剛性と同程度の制御剛性により柔軟なハンド部11の制御を実施していることが分かる。
Based on the results of FIGS. 4A to 4F, the control gains calculated by the joint
ただし、上述の制御ゲインの算出において使用した第1指リンク慣性モーメントJ1と第1第2指リンク慣性モーメントJ2は、下記式(19),(20)により算出した。
ここで、J10は第1指リンク41の重心周りの慣性モーメント、J20は第2指リンク42の重心周りの慣性モーメントであり、重心位置はそれぞれ第1指リンク41、第2指リンク42を2等分した点に位置するとした。
Here, J10 is the moment of inertia around the center of gravity of the
以上のように、本実施の形態に係るロボットハンド1によれば、ハンド部11の指先50が物体に接触したか否かを判定し、当該物体のヤング率を推定し、接触物のヤング率に応じて調整した第1指関節51と第2指関節52の制御ゲインKp1,Kvj1,Kp2,Kvj2に基づいて、当該物体を傷つけないようにロボットハンド1を制御することができる。
As described above, according to the
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
本発明は、例えば家事手伝いロボット、接客ロボット、介護ロボット、リハビリロボット等のロボットハンドを備えたサービスロボット全般に適用できる。 The present invention can be applied to all service robots including robot hands such as a robot for helping with housework, a customer service robot, a care robot, and a rehabilitation robot.
1 ロボットハンド
11 ハンド部
12 駆動力制御部
21 リンク機構
22 関節モータ
23 関節角度検出部
31 動作指令生成部
32 トルク指令生成部
33 接触判定部
34 接触力推定部
35 ヤング率推定部
36 接触角度推定部
37 ゲイン調整部
41 第1指リンク
42 第2指リンク
50 指先
51 第1指関節
52 第2指関節
Oc 接触判定動作指令
Oy ヤング率推定動作指令
Ow 通常動作指令
Tc,Ty,Tw トルク指令
T1 第1指関節接触トルク
T2 第2指関節接触トルク
Rc 接触判定動作要求
Ry ヤング率推定動作要求
S 指先接触判定結果
F 接触力推定値
θ 関節角度検出値
θf 接触角度推定値
E2 接触物ヤング率推定値
G1 第1指関節制御ゲイン
G2 第2指関節制御ゲイン
DESCRIPTION OF
Claims (23)
受信した動作要求に応じて動作指令を出力する動作指令生成手段と、
前記動作指令に応じて決定される前記各関節の目標角度及び前記関節毎に設定されるゲインに基づいて、前記各関節を駆動させるトルク指令を出力するトルク指令生成手段と、
先端に位置する第1指リンクの付け根部分に設けられる第1指関節に対して出力された前記トルク指令によるトルク値から前記第1指リンクの重量及び慣性力に抗するためのトルク値を減算した第1指関節接触トルクと、前記第1指関節と連結する第2指リンクの付け根部分に設けられる第2指関節に対して出力されたトルク指令によるトルク値から前記第2指関節より先端側の部分の重量及び慣性力に抗するためのトルク値を減算した第2指関節接触トルクとに基づいて、前記第1指リンク又は前記第2指リンクと物体との接触を検出し、前記第1指リンクの先端部である指先の位置が変化しないように前記第1指リンクを変位させる接触判定動作の実行時における前記第1指関節接触トルク及び前記第2指関節接触トルクが共に0でない場合に、前記指先と前記物体とが接触していると判定する接触判定手段と、
前記指先が前記物体に接触していると判定された場合に、前記第1指関節接触トルク、前記第2指関節接触トルク、及び前記第1指関節の角度の検出値に基づいて、前記物体から前記指先への反力である接触力を推定する接触力推定手段と、
前記指先が前記物体に接触していると判定された場合に、前記第1指関節接触トルク及び前記接触力に基づいて、前記接触力の方向と前記第1指リンクの長さ方向とにより形成される接触角度を推定する接触角度推定手段と、
前記指先が前記物体に接触していると判定された場合に、前記指先を前記物体側に微小量移動させるヤング率推定動作の実行時における前記物体の微小変形量及び前記接触力に基づいて、前記物体のヤング率を推定するヤング率推定手段と、
前記ヤング率及び前記接触角度に基づいて、前記指先が前記物体と接触する際の制御剛性が前記物体の剛性を超えないように、前記第1指関節に対する前記ゲイン及び前記第2指関節に対する前記ゲインを調整するゲイン調整手段と、
を備えるロボットハンドの制御装置。 A control device for a robot hand comprising a plurality of links and a plurality of joints connecting the links,
An operation command generating means for outputting an operation command in response to the received operation request;
Torque command generating means for outputting a torque command for driving each joint based on a target angle of each joint determined according to the operation command and a gain set for each joint;
A torque value for resisting the weight and inertial force of the first finger link is subtracted from the torque value according to the torque command output to the first finger joint provided at the base portion of the first finger link located at the tip. From the first finger joint contact torque and the torque value by the torque command output to the second finger joint provided at the base portion of the second finger link connected to the first finger joint, the tip from the second finger joint Detecting the contact between the first finger link or the second finger link and an object based on the weight of the side portion and the second finger joint contact torque obtained by subtracting the torque value for resisting the inertial force, The first finger joint contact torque and the second finger joint contact torque are both 0 when performing a contact determination operation for displacing the first finger link so that the position of the fingertip that is the tip of the first finger link does not change. Not The case, the contact determination unit and said and said fingertip object is in contact,
When it is determined that the fingertip is in contact with the object, the object is based on detected values of the first finger joint contact torque, the second finger joint contact torque, and the angle of the first finger joint. Contact force estimation means for estimating a contact force that is a reaction force from the fingertip to the fingertip;
When it is determined that the fingertip is in contact with the object, a direction of the contact force and a length direction of the first finger link are formed based on the first finger joint contact torque and the contact force. Contact angle estimating means for estimating a contact angle to be performed;
When it is determined that the fingertip is in contact with the object, based on the amount of minute deformation of the object and the contact force when performing a Young's modulus estimation operation for moving the fingertip to the object side by a minute amount, A Young's modulus estimating means for estimating the Young's modulus of the object;
Based on the Young's modulus and the contact angle, the gain for the first finger joint and the second finger joint are controlled so that the control rigidity when the fingertip contacts the object does not exceed the rigidity of the object. Gain adjusting means for adjusting the gain;
A robot hand control device comprising:
請求項1に記載のロボットハンドの制御装置。 The contact determination unit performs the contact determination operation on the operation command generation unit when it is detected that the first finger joint contact torque and the second finger joint contact torque are not 0 during execution of the normal operation. Output a contact judgment operation request to be executed,
The robot hand control device according to claim 1.
請求項1又は2に記載のロボットハンドの制御装置。 When the first finger joint contact torque and the second finger joint contact torque are both 0 at the time of executing the contact determination operation, the contact determination unit is configured to detect a portion of the first finger link other than the fingertip. Determining that the object is in contact;
The robot hand control device according to claim 1 or 2.
請求項1〜3のいずれか1つに記載のロボットハンドの制御装置。 When the first finger joint contact torque is 0 and the second finger joint contact torque is not 0 when the contact determination operation is performed, the contact determination unit determines that the second finger link and the object are Determine that you are in contact,
The control apparatus of the robot hand as described in any one of Claims 1-3.
請求項1〜4のいずれか1つに記載のロボットハンドの制御装置。 When the normal operation is performed, the contact determination unit is configured such that all the N-1th finger joint contact torques (N is an integer equal to or greater than 2) are 0 and the Nth finger joint contact torque is not 0. In the case, it is determined that the N-th finger link and the object are in contact with each other.
The control apparatus of the robot hand as described in any one of Claims 1-4.
請求項1〜5のいずれか1つに記載のロボットハンドの制御装置。 The contact determination means determines that all the links are not in contact with the object when the joint contact torque for all the joints is 0 when the normal operation is performed.
The control apparatus of the robot hand as described in any one of Claims 1-5.
請求項1〜6のいずれか1つに記載のロボットハンドの制御装置。
F:前記接触力
l1:前記指先と前記第1指関節の間の長さ
l2:前記第1指関節と前記第2指関節の間の長さ
θ1:前記第1指関節の角度 The contact force estimating means estimates the contact force by the following equation (1).
The robot hand control device according to any one of claims 1 to 6.
F: the contact force l 1: the length between the fingertip and the first finger joint l 2: the length between the first finger joint and the second finger joint θ 1: the angle of the first finger joint
請求項1〜7のいずれか1つに記載のロボットハンドの制御装置。
θf:接触角度
T1:前記第1指関節接触トルク
F:前記接触力
l1:前記指先と前記第1指関節の間の長さ The contact angle estimation means estimates the contact angle by the following equation (2):
The robot hand control device according to any one of claims 1 to 7.
θf: contact angle T1: the first finger joint contact torque F: the contact force l1: the length between the fingertip and the first finger joint
請求項1〜8のいずれか1つに記載のロボットハンドの制御装置。
R:前記指先の曲率半径
E1:前記指先のヤング率
ν1:前記指先のポアソン比
ν2:固定パラメータ
d:前記微小変形量 The Young's modulus estimating means estimates the Young's modulus by the following equation (3).
The control apparatus of the robot hand as described in any one of Claims 1-8.
R: radius of curvature of the fingertip E1: Young's modulus of the fingertip ν1: Poisson's ratio ν2 of the fingertip: fixed parameter d: the amount of minute deformation
請求項1〜9のいずれか1つに記載のロボットハンドの制御装置。 The gain adjusting means only determines the gains of the first finger joint and the second finger joint so that the rigidity of the closed loop system of the robot hand matches the rigidity of the object based on the estimated Young's modulus. Adjust the
The control apparatus of the robot hand as described in any one of Claims 1-9.
前記ゲイン調整手段は、下記式(4)〜(7)により前記第1指関節及び前記第2指関節の前記ゲインを調整する、
請求項1〜10のいずれか1つに記載のロボットハンドの制御装置。
Kp1:前記第1指関節の位置比例制御ゲイン
Kvj1:前記第1指関節の速度比例制御ゲイン
Kp2:前記第2指関節の位置比例制御ゲイン
Kvj2:前記第2指関節の速度比例制御ゲイン
J1:前記第1指関節からみた前記指先と前記第1指関節の間の慣性モーメント
J2:前記第2指関節からみた前記第1指関節と前記第2指関節の間の慣性モーメント
ζ1:所望の減衰係数
ζ2:所望の減衰係数 The torque command generation means controls the first finger joint and the second finger joint by position proportional speed proportional control,
The gain adjusting means adjusts the gains of the first finger joint and the second finger joint according to the following formulas (4) to (7).
The control apparatus of the robot hand as described in any one of Claims 1-10.
Kp1: Position proportional control gain of the first finger joint Kvj1: Speed proportional control gain of the first finger joint Kp2: Position proportional control gain of the second finger joint Kvj2: Speed proportional control gain of the second finger joint J1: Moment of inertia J2 between the fingertip and the first finger joint viewed from the first finger joint: Moment of inertia ζ1 between the first finger joint and the second finger joint viewed from the second finger joint: Desired damping Coefficient ζ2: Desired damping coefficient
受信した動作要求に応じて動作指令を出力する動作指令生成ステップと、
前記動作指令に応じて決定される前記各関節の目標角度及び前記関節毎に設定されるゲインに基づいて、前記各関節を駆動させるトルク指令を出力するトルク指令生成ステップと、
先端に位置する第1指リンクの付け根部分に設けられる第1指関節に対して出力された前記トルク指令によるトルク値から前記第1指リンクの重量及び慣性力に抗するためのトルク値を減算した第1指関節接触トルクと、前記第1指関節と連結する第2指リンクの付け根部分に設けられる第2指関節に対して出力されたトルク指令によるトルク値から前記第2指関節より先端側の部分の重量及び慣性力に抗するためのトルク値を減算した第2指関節接触トルクとに基づいて、前記第1指リンク又は前記第2指リンクと物体との接触を検出し、前記第1指リンクの先端部である指先の位置が変化しないように前記第1指リンクを変位させる接触判定動作の実行時における前記第1指関節接触トルク及び前記第2指関節接触トルクが共に0でない場合に、前記指先と前記物体とが接触していると判定する接触判定ステップと、
前記指先が前記物体に接触していると判定された場合に、前記第1指関節接触トルク、前記第2指関節接触トルク、及び前記第1指関節の角度の検出値に基づいて、前記物体から前記指先への反力である接触力を推定する接触力推定ステップと、
前記指先が前記物体に接触していると判定された場合に、前記第1指関節接触トルク及び前記接触力に基づいて、前記接触力の方向と前記第1指リンクの長さ方向とにより形成される接触角度を推定する接触角度推定ステップと、
前記指先が前記物体に接触していると判定された場合に、前記指先を前記物体側に微小量移動させるヤング率推定動作の実行時における前記物体の微小変形量及び前記接触力に基づいて、前記物体のヤング率を推定するヤング率推定ステップと、
前記ヤング率及び前記接触角度に基づいて、前記指先が前記物体と接触する際の制御剛性が前記物体の剛性を超えないように、前記第1指関節に対する前記ゲイン及び前記第2指関節に対する前記ゲインを調整するゲイン調整ステップと、
を備えるロボットハンドの制御方法。 A method for controlling a robot hand comprising a plurality of links and a plurality of joints connecting the links,
An operation command generation step for outputting an operation command in response to the received operation request;
A torque command generation step for outputting a torque command for driving each joint based on a target angle of each joint determined according to the operation command and a gain set for each joint;
A torque value for resisting the weight and inertial force of the first finger link is subtracted from the torque value according to the torque command output to the first finger joint provided at the base portion of the first finger link located at the tip. From the first finger joint contact torque and the torque value by the torque command output to the second finger joint provided at the base portion of the second finger link connected to the first finger joint, the tip from the second finger joint Detecting the contact between the first finger link or the second finger link and an object based on the weight of the side portion and the second finger joint contact torque obtained by subtracting the torque value for resisting the inertial force, The first finger joint contact torque and the second finger joint contact torque are both 0 when performing a contact determination operation for displacing the first finger link so that the position of the fingertip that is the tip of the first finger link does not change. Not The case, the contact determination step and said and said fingertip object is in contact,
When it is determined that the fingertip is in contact with the object, the object is based on detected values of the first finger joint contact torque, the second finger joint contact torque, and the angle of the first finger joint. A contact force estimation step for estimating a contact force that is a reaction force from the fingertip to the fingertip;
When it is determined that the fingertip is in contact with the object, a direction of the contact force and a length direction of the first finger link are formed based on the first finger joint contact torque and the contact force. A contact angle estimation step for estimating a contact angle to be performed;
When it is determined that the fingertip is in contact with the object, based on the amount of minute deformation of the object and the contact force when performing a Young's modulus estimation operation for moving the fingertip to the object side by a minute amount, A Young's modulus estimation step for estimating the Young's modulus of the object;
Based on the Young's modulus and the contact angle, the gain for the first finger joint and the second finger joint are controlled so that the control rigidity when the fingertip contacts the object does not exceed the rigidity of the object. A gain adjustment step for adjusting the gain;
A method for controlling a robot hand comprising:
請求項12に記載のロボットハンドの制御方法。 In the contact determination step, when it is detected that the first finger joint contact torque and the second finger joint contact torque are not 0 at the time of executing the normal operation, the contact determination operation is performed on the operation command generation unit. Outputting a contact determination operation request to be executed;
The method for controlling a robot hand according to claim 12.
請求項12又は13に記載のロボットハンドの制御方法。 In the contact determination step, when the first finger joint contact torque and the second finger joint contact torque are both 0 at the time of executing the contact determination operation, a portion other than the fingertip of the first finger link Determining that the object is in contact;
The method of controlling a robot hand according to claim 12 or 13.
請求項12〜14のいずれか1つに記載のロボットハンドの制御方法。 In the contact determination step, when the first finger joint contact torque is 0 and the second finger joint contact torque is not 0 when the contact determination operation is performed, the second finger link and the object are Determining that they are in contact with each other;
The method for controlling a robot hand according to any one of claims 12 to 14.
請求項12〜15のいずれか1つに記載のロボットハンドの制御方法。 In the contact determination step, the N-1th finger joint contact torque (N is an integer equal to or greater than 2) from the first finger joint contact torque is all 0 and the Nth finger joint contact torque is not 0 when the normal operation is performed. A step of determining that the Nth finger link and the object are in contact with each other;
The method of controlling a robot hand according to any one of claims 12 to 15.
請求項12〜16のいずれか1つに記載のロボットハンドの制御方法。 The contact determination step includes a step of determining that all the links are not in contact with the object when the joint contact torque for all the joints is 0 when the normal operation is performed.
The method of controlling a robot hand according to any one of claims 12 to 16.
請求項12〜17のいずれか1つに記載のロボットハンドの制御方法。
F:前記接触力
l1:前記指先と前記第1指関節の間の長さ
l2:前記第1指関節と前記第2指関節の間の長さ
θ1:前記第1指関節の角度 In the contact force estimation step, the contact force is estimated by the following equation (8).
The method for controlling a robot hand according to any one of claims 12 to 17.
F: the contact force l 1: the length between the fingertip and the first finger joint l 2: the length between the first finger joint and the second finger joint θ 1: the angle of the first finger joint
請求項12〜18のいずれか1つに記載のロボットハンドの制御方法。
θf:接触角度
T1:前記第1指関節接触トルク
F:前記接触力
l1:前記指先と前記第1指関節の間の長さ In the contact angle estimation step, the contact angle is estimated by the following equation (9).
The method for controlling a robot hand according to any one of claims 12 to 18.
θf: contact angle T1: the first finger joint contact torque F: the contact force l1: the length between the fingertip and the first finger joint
請求項12〜19のいずれか1つに記載のロボットハンドの制御方法。
R:前記指先の曲率半径
E1:前記指先のヤング率
ν1:前記指先のポアソン比
ν2:固定パラメータ
d:前記微小変形量 In the Young's modulus estimation step, the Young's modulus is estimated by the following equation (10).
The method for controlling a robot hand according to any one of claims 12 to 19.
R: radius of curvature of the fingertip E1: Young's modulus of the fingertip ν1: Poisson's ratio ν2 of the fingertip: fixed parameter d: the amount of minute deformation
請求項12〜20のいずれか1つに記載のロボットハンドの制御方法。 In the gain adjustment step, based on the estimated Young's modulus, only the gains of the first finger joint and the second finger joint are set so that the rigidity of the closed loop system of the robot hand matches the rigidity of the object. Adjust the
The method for controlling a robot hand according to any one of claims 12 to 20.
前記ゲイン調整ステップは、下記式(11)〜(14)により前記第1指関節及び前記第2指関節の前記ゲインを調整するステップを有する、
請求項12〜21のいずれか1つに記載のロボットハンドの制御方法。
Kp1:前記第1指関節の位置比例制御ゲイン
Kvj1:前記第1指関節の速度比例制御ゲイン
Kp2:前記第2指関節の位置比例制御ゲイン
Kvj2:前記第2指関節の速度比例制御ゲイン
J1:前記第1指関節からみた前記指先と前記第1指関節の間の慣性モーメント
J2:前記第2指関節からみた前記第1指関節と前記第2指関節の間の慣性モーメント
ζ1:所望の減衰係数
ζ2:所望の減衰係数 The torque command generation step includes a step of controlling the first finger joint and the second finger joint by position proportional speed proportional control,
The gain adjusting step includes a step of adjusting the gains of the first finger joint and the second finger joint according to the following formulas (11) to (14):
The control method of the robot hand according to any one of claims 12 to 21.
Kp1: Position proportional control gain of the first finger joint Kvj1: Speed proportional control gain of the first finger joint Kp2: Position proportional control gain of the second finger joint Kvj2: Speed proportional control gain of the second finger joint J1: Moment of inertia J2 between the fingertip and the first finger joint viewed from the first finger joint: Moment of inertia ζ1 between the first finger joint and the second finger joint viewed from the second finger joint: Desired damping Coefficient ζ2: Desired damping coefficient
前記コンピュータに、
請求項12〜22のいずれか1つに記載の方法を実行させる、
ロボットハンドの制御用プログラム。 A program for controlling a robot hand that operates on a computer that controls a robot hand including a plurality of links and a plurality of joints connecting the links ,
In the computer,
A method according to any one of claims 12-22 is performed.
Robot hand control program.
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