| 【発明の名称】 |
滑り検出装置、滑り検出方法および滑り検出プログラム |
| 【発明者】 |
【氏名】張 暁友
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| 【要約】 |
【課題】簡易な構成で、把持部における滑りを高精度に検出すること。
【構成】対象物体と対象物体を把持する把持部との接触面の滑りを検出する滑り検出装置１は、接触面における圧力を検出する圧力検出手段３と、圧力検出手段３により検出された接触面の圧力に基づいて、接触面の圧力の中心位置Ｏｃを算出する中心位置算出手段５ａと、中心位置算出手段５ａにより算出された圧力の中心位置Ｏｃの変化量を算出する変化量算出手段５ｂと、把持部の把持力を算出する把持力算出手段５ｃと、変化量算出手段５ｂにより算出された圧力の中心位置Ｏｃの変化量と、把持力算出手段５ｃにより算出された把持部の把持力と、に基づいて、接触面に滑りが発生しているか否かを判定する滑り判定手段５ｄと、を備えている。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物体と該対象物体を把持する把持部との接触面の滑りを検出する滑り検出装置であって、
前記接触面における圧力を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段により検出された前記接触面の圧力に基づいて、該接触面の圧力の中心位置を算出する中心位置算出手段と、
前記中心位置算出手段により算出された前記圧力の中心位置の変化量を算出する変化量算出手段と、
前記圧力検出手段により検出された前記接触面における圧力に基づいて、前記把持部の把持力を算出する把持力算出手段と、
前記変化量算出手段により算出された前記圧力の中心位置の変化量と、前記把持力算出手段により算出された前記把持部の把持力と、に基づいて、前記接触面に滑りが発生しているか否かを判定する滑り判定手段と、を備える、ことを特徴とする滑り検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の滑り検出装置であって、
前記変化量算出手段により算出される前記圧力の中心位置の変化量は、該圧力の中心位置の相対変化率である、ことを特徴とする滑り検出装置。
【請求項３】
請求項２記載の滑り検出装置であって、
前記把持力算出手段は、前記把持力を含む重み関数を算出すると共に、
前記滑り判定手段は、前記圧力の中心位置の相対変化率と前記重み関数とを積算した値が所定閾値以上となるとき、前記接触面に滑りが発生したと判定する、ことを特徴とする滑り検出装置。
【請求項４】
対象物体と該対象物体を把持する把持部との接触面の滑りを検出する滑り検出方法であって、
前記接触面における圧力を検出する圧力検出ステップと、
前記圧力検出ステップにより検出された前記接触面の圧力に基づいて、該接触面の圧力の中心位置を算出する中心位置算出ステップと、
前記中心位置算出ステップにより算出された前記圧力の中心位置の変化量を算出する変化量算出ステップと、
前記圧力検出ステップにより検出された前記接触面における圧力に基づいて、前記把持部の把持力を算出する把持力算出ステップと、
前記変化量算出ステップにより算出された前記圧力の中心位置の変化量と、前記把持力算出ステップにより算出された前記把持部の把持力と、に基づいて、前記接触面に滑りが発生しているか否かを判定する滑り判定ステップと、を含む、ことを特徴とする滑り検出方法。
【請求項５】
対象物体と該対象物体を把持する把持部との接触面の滑りを検出する滑り検出プログラムであって、
前記接触面における圧力を検出する圧力検出手順と、
前記圧力検出手順により検出された前記接触面の圧力に基づいて、該接触面の圧力の中心位置を算出する中心位置算出手順と、
前記中心位置算出手順により算出された前記圧力の中心位置の変化量を算出する変化量算出手順と、
前記圧力検出手順により検出された前記接触面における圧力に基づいて、前記把持部の把持力を算出する把持力算出手順と、
前記変化量算出手順により算出された前記圧力の中心位置の変化量と、前記把持力算出手順により算出された前記把持部の把持力と、に基づいて、前記接触面に滑りが発生しているか否かを判定する滑り判定手順と、を含む、ことを特徴とする滑り検出プログラム。
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【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、対象物体と対象物体を把持する把持部との接触面の滑りを検出する滑り検出装置、滑り検出方法および滑り検出プログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、接触子の膨出部と、この膨出部に接触する対象物体との間に生じるせん断振動が圧力センサに伝達され、そのせん断振動の交流成分を検出する滑り検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特公平７−９０４８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来の滑り検出装置において、滑りを検出する為の専用のセンサが必要となり、センサ構造も複雑になる虞がある。したがって、当該装置の小型化が困難となり、例えば、ロボットハンド等に多数配置することが困難となることから、当該装置の空間分解能が低下する虞がある。
【０００４】
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、簡易な構成で、把持部における滑りを高精度に検出することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するための本発明の一態様は、
対象物体と該対象物体を把持する把持部との接触面の滑りを検出する滑り検出装置であって、
前記接触面における圧力を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段により検出された前記接触面の圧力に基づいて、該接触面の圧力の中心位置を算出する中心位置算出手段と、
前記中心位置算出手段により算出された前記圧力の中心位置の変化量を算出する変化量算出手段と、
前記圧力検出手段により検出された前記接触面における圧力に基づいて、前記把持部の把持力を算出する把持力算出手段と、
前記変化量算出手段により算出された前記圧力の中心位置の変化量と、前記把持力算出手段により算出された前記把持部の把持力と、に基づいて、前記接触面に滑りが発生しているか否かを判定する滑り判定手段と、を備える、ことを特徴とする滑り検出装置である。
【０００６】
この一態様によれば、滑り判定手段は、変化量算出手段により算出された圧力の中心位置の変化量と、把持力算出手段により算出された把持部の把持力と、に基づいて、接触面に滑りが発生しているか否かを判定する。把持部の把持力に応じて、接触面の圧力の中心位置の変化量が異なる。したがって、接触面の圧力の中心位置の変化量と、把持部の把持力と、を合わせて考慮して、接触面に滑りが発生しているか否かを判定することで、簡易な構成で、把持部における滑りを高精度に検出することができる。
【０００７】
この一態様において、前記変化量算出手段により算出される前記圧力の中心位置の変化量は、該圧力の中心位置の相対変化率であってもよい。これにより、接触面の圧力の中心位置の変化に混入するノイズの影響を低減することができ、把持部における滑りをより高精度に検出することができる。
【０００８】
この一態様において、前記把持力算出手段は、前記把持力を含む重み関数を算出すると共に、
前記滑り判定手段は、前記圧力の中心位置の相対変化率と前記重み関数とを積算した値が所定閾値以上となるとき、前記接触面に滑りが発生したと判定してもよい。例えば、上記重み関数は、把持力の増減に起因して、圧力の中心位置の相対変化率が変動するのを抑制するように設定される。したがって、複数の所定閾値を設定すること無く、単一の所定閾値を用いて把持部における滑りを簡易かつ高精度に検出することができる。また、複数の所定閾値を設定することが無い為、パラメータのチューニングが容易となる。
【０００９】
また、上記目的を達成するための本発明の一態様は、
対象物体と該対象物体を把持する把持部との接触面の滑りを検出する滑り検出方法であって、
前記接触面における圧力を検出する圧力検出ステップと、
前記圧力検出ステップにより検出された前記接触面の圧力に基づいて、該接触面の圧力の中心位置を算出する中心位置算出ステップと、
前記中心位置算出ステップにより算出された前記圧力の中心位置の変化量を算出する変化量算出ステップと、
前記圧力検出ステップにより検出された前記接触面における圧力に基づいて、前記把持部の把持力を算出する把持力算出ステップと、
前記変化量算出ステップにより算出された前記圧力の中心位置の変化量と、前記把持力算出ステップにより算出された前記把持部の把持力と、に基づいて、前記接触面に滑りが発生しているか否かを判定する滑り判定ステップと、を含む、ことを特徴とする滑り検出方法であってもよい。
【００１０】
さらに、上記目的を達成するための本発明の一態様は、
対象物体と該対象物体を把持する把持部との接触面の滑りを検出する滑り検出プログラムであって、
前記接触面における圧力を検出する圧力検出手順と、
前記圧力検出手順により検出された前記接触面の圧力に基づいて、該接触面の圧力の中心位置を算出する中心位置算出手順と、
前記中心位置算出手順により算出された前記圧力の中心位置の変化量を算出する変化量算出手順と、
前記圧力検出手順により検出された前記接触面における圧力に基づいて、前記把持部の把持力を算出する把持力算出手順と、
前記変化量算出手順により算出された前記圧力の中心位置の変化量と、前記把持力算出手順により算出された前記把持部の把持力と、に基づいて、前記接触面に滑りが発生しているか否かを判定する滑り判定手順と、を含む、ことを特徴とする滑り検出プログラムであってもよい。
【００１１】
なお、上記目的を達成するための本発明の一態様は、
対象物体を把持するハンド部材と、
前記ハンド部材の把持力を制御する把持制御手段と、を備えるロボットハンド装置であって、
前記対象物体と前記ハンド部材との接触面における圧力を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段により検出された前記接触面の圧力に基づいて、該接触面の圧力の中心位置を算出する中心位置算出手段と、
前記中心位置算出手段により算出された前記圧力の中心位置の変化量を算出する変化量算出手段と、
前記圧力検出手段により検出された前記接触面における圧力に基づいて、前記把持部の把持力を算出する把持力算出手段と、
前記変化量算出手段により算出された前記圧力の中心位置の変化量と、前記把持力算出手段により算出された前記把持部の把持力と、に基づいて、前記接触面に滑りが発生しているか否かを判定する滑り判定手段と、を備える、ことを特徴とするロボットハンド装置であってもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、簡易な構成で、把持部における滑りを高精度に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら実施例を挙げて説明する。なお、ロボットハンド装置等の基本概念、主要なハードウェア構成、作動原理、及び基本的な制御手法等については当業者には既知であるため、詳しい説明を省略する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施例に係る滑り検出装置のシステム構成を示すブロック図である。本実施例に係る滑り検出装置１は、例えばロボットハンド等が対象物体を把持する際に、後述のハンド部材１０１（図１０及び図１１）の指先部７と対象物体との接触面７ａにおける滑りを検出する。
【００１５】
滑り検出装置１は、指先部７の接触面７ａの圧力を検出する圧力センサ（圧力検出手段）３と、指先部７の接触面７ａの圧力の中心位置Ｏｃを算出する中心位置算出部（中心位置算出手段）５ａと、圧力の中心位置Ｏｃの相対変化率を算出する変化量算出部（変化量算出手段）５ｂと、ハンド部材１０１の把持力を算出する把持力算出部５ｃと、指先部７の接触面７ａに滑りが発生しているか否かを判定する滑り判定部（滑り判定手段）５ｄと、を備えている。
【００１６】
滑り検出装置１は、上述の滑り判定に関する処理を行う滑り検出ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ、電子制御装置）５を有している。また、滑り検出ＥＣＵ５は、主として、マイクロコンピュータから構成されており、制御、演算プログラムに従って各種処理を実行するとともに、当該装置１の各部を制御するＣＰＵ、このＣＰＵの実行プログラムを格納する上記ＲＯＭ、演算結果等を格納する読書き可能なＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、タイマ、カウンタ、入出力インターフェイス等を有している。また、タイマおよびカウンタはＲＯＭに格納され、ＣＰＵによって実行されるプログラムによって実現されている。
【００１７】
なお、中心位置算出部５ａ、変化量算出部５ｂ、把持力算出部５ｃおよび滑り判定部５ｄは、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）に格納され、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）によって実行されるプログラムによって、実現されている。
【００１８】
圧力センサ３は、ハンド部材（把持部）１０１の指先部７の接触面７ａに配設され、接触面７ａに掛かる圧力を検出する複数の圧力センサセル３ａを有している（図２（ａ））。
【００１９】
例えば、ハンド部材１０１の指先部７の接触面７ａには、複数の圧力センサセル３ａを有する圧力センサ３が配設されている。圧力センサセル３ａは、例えば縦４ｍｍ、横４ｍｍの大きさで矩形に形成されたセルが指先部７の曲面（図２（ａ））に沿って、２７個、配設されている（図２（ｂ））。また、圧力センサセル３ａは、コンデンサ型、圧電素子型（ピエゾ素子）等のセンサが用いられている。
【００２０】
なお、コンデンサ型の圧力センサセル３ａは、一対の電極を有し、圧力センサセル３ａに加わった圧力に応じて、この電極間の隙間が縮められ、静電容量が変化する。コンデンサ型の圧力センサセル３ａは、この静電容量の変化に応じて、電圧値を出力するものである。このように、複数の圧力センサセル３ａは、圧力に応じた電圧値を滑り検出ＥＣＵ５の中心位置算出部５ａ及び把持力算出部５ｃに送信する。
【００２１】
中心位置算出部５ａは、指先部７の接触面７ａの圧力の中心位置（以下、圧力中心位置と称す）Ｏｃを算出する。まず、中心位置算出部５ａは、圧力センサ３の各圧力センサセル３ａから送信された電圧値に基づいて、指先部７の接触面７ａにおける圧力分布を算出する。例えば、図３（ａ）に示す如く、指先部７が対象物体に接触しているときの圧力分布は、図３（ｂ）のようになる。
【００２２】
なお、図３（ｂ）は、圧力分布の概念図であり、Ｘ軸およびＹ軸は各圧力センサセル３ａの位置を示し、図３（ａ）の位置と対応している。また、図３（ｂ）において、Ｚ軸は各圧力センサセル３が出力する電圧値（圧力値）を示している。
【００２３】
中心位置算出部５ａは、算出された指先部７の接触面７ａおける圧力分布に基づいて、圧力中心位置Ｏｃを算出する（図３（ｂ））。
【００２４】
まず、中心位置算出部５ｂは、下記（１）式によりＸｃ及びＹｃを算出する。次に、中心位置算出手段５ｂは、下記（１）式により算出されたＸｃ及びＹｃを下記（２）式に代入して、指先部７の接触面７ａの圧力中心位置Ｏｃを算出する。
【００２５】
【数１】
上記（１）式において、ｉ及びｊは任意の自然数を示しており、ｖ（ｉ、ｊ）は、Ｘ方向がｉ、Ｙ方向がｊに対応する位置の電圧値の大きさを示している。
【００２６】
【数２】
ところで、指先部７の接触面７ａと対象物体とに滑りが発生する際、指先部７の接触面７ａと対象物体との間に、固着状態と滑り状態とが交互に現れ、圧力中心位置Ｏｃは振動する。圧力中心位置Ｏｃの振動成分には、種々のノイズが混在している。このノイズの影響で、例えば、圧力中心位置Ｏｃの振幅の変化に基づいて、指先部７の接触面７ａの滑りを精度良く判定することが困難となる。そこで、変化量算出部５ｂにより、まず指先部７の接触面７ａの圧力中心位置Ｏｃの相対変化率が算出され、滑り判定部５ｄはこの相対変化率を含む滑り判定関数Ｐ（ｋ）に基づいて、指先部７の接触面７ａに滑りが発生したか否かを判定する。これにより、上記圧力中心位置Ｏｃの振動成分に混在するノイズの影響を低減でき、より高精度に滑りの判定を行うことができる。
【００２７】
変化量算出部５ｂは、指先部７の接触面７ａの圧力中心位置Ｏｃの相対変化率を下記（３）式により算出する。
【００２８】
【数３】
なお、上記（３）式におけるサンプリング周期と比較して、圧力中心位置Ｏｃの振動周期は長くなる。この為、上記（３）式のように、現在のサンプリング点の値（Ｏｃ（ｋ））からｎ個前（例えば、ｎ＝４）のサンプリング点の値（Ｏｃ（ｋ−ｎ））との相対変化率を算出している。
【００２９】
把持力算出部５ｃは、圧力センサ３の各圧力センサセル３ａから送信された電圧値の総和Ｖａを算出する。さらに、把持力算出部５ｃは、算出した各圧力センサセルの電圧値の総和Ｖａを含む重み関数Ｇ（Ｖａ）を、下記（４）式のように算出する。なお、下記（４）式において、α及びβは任意の定数である。
【００３０】
【数４】
なお、ハンド部材１０１の把持力Ｆにより、指先部７の接触面７ａの圧力中心位置Ｏｃの相対変化率は、変動する。図４は、ハンド部材１０１の把持力Ｆと、各圧力センサセル３ａの電圧値の総和Ｖａおよび圧力中心位置Ｏｃの相対変化率の平均値との関係の一例を示している。
【００３１】
図４に示す如く、ハンド部材１０１の把持力Ｆが増加すると、圧力センサ３の各圧力センサセル３ａの電圧値の総和Ｖａが増加し、一方で、圧力中心位置Ｏｃの相対変化率の平均値は減少する。したがって、ハンド部材１０１の把持力Ｆに起因して、指先部７の接触面７ａの圧力中心位置Ｏｃの相対変化率の変動が抑制されるように、重み関数Ｇ（Ｖａ）の各定数α、βが設定されるのが好ましい。
【００３２】
例えば、ハンド部材１０１の把持力Ｆが増加すると、圧力中心位置Ｏｃの相対変化率の平均値が減少する為、重み関数Ｇ（Ｖａ）の値が増加するように重み関数Ｇ（Ｖａ）の各定数α、βが設定される。
【００３３】
一方、ハンド部材１０１の把持力Ｆが減少すると、圧力中心位置Ｏｃの相対変化率の平均値が増加する為、重み関数Ｇ（Ｖａ）の値が減少するように、重み関数の各定数α、βが設定される。このように、重み関数Ｇ（Ｖａ）を用いて、ハンド部材１０１の把持力Ｆに起因する、圧力中心位置Ｏｃの相対変化率の変動を抑制し、後述の滑り判定を高精度に行うことができる。
【００３４】
滑り判定部（滑り判定手段）５ｄは、上記（３）式により算出される圧力中心位置Ｏｃの相対変化率と、上記（４）式により算出される重み関数Ｇ（Ｖａ）とを積算することで、上記変動を抑制した、下記（５）式に示す滑り判定関数Ｐ（ｋ）を設定する。そして、滑り判定部５ｄは、この滑り判定関数Ｐ（ｋ）に基づいて、指先部７の接触面７ａに滑りが発生したか否かを判定する。
【００３５】
【数５】
なお、上記（５）式において、Ｋは任意の定数である。
【００３６】
滑り判定部５ｄは、上記（５）式により算出された滑り判定関数Ｐ（ｋ）の値が所定閾値Ｘ以上となるときに、指先部７の接触面７ａにおいて滑りが発生したと判定する。
【００３７】
一方、滑り判定部５ｄは、上記（５）式により算出された滑り判定関数Ｐ（ｋ）の値が所定閾値Ｘより小さくなるときに、指先部７の接触面７ａにおいて滑りが発生していないと判定する。なお、所定閾値Ｘ、上記（４）式の定数ｎ、α、βおよび上記（５）式の定数Ｋは、例えば、後述の滑り試験装置５０により予め実験的に求められ、滑り検出ＥＣＵ５のＲＯＭに設定されていてもよい。
【００３８】
図５は、本実施例に係る滑り検出装置１の滑り判定を試験する為の滑り試験装置５０の一例を示す図である。
【００３９】
図５に示す滑り試験装置５０は、水平方向へスライド可能なスライド機構５１と、スライド機構５１をスライドさせるモータ等の駆動部５３とを備えている。モータ５３には、モータ５３の駆動を制御するパーソナルコンピュータ（ＰＣ）５５がモータドライバ５７を介して接続されている。
【００４０】
パーソナルコンピュータ５５によって、モータ５３の駆動を制御することで、スライド機構５１のスライド速度を任意に設定することができる。スライド機構５１の上面には、電子秤等の荷重計測器５９が配置され、この電子秤５９の上には、対象物体が載せられている。
【００４１】
対象物体には、上述の圧力センサ３が配設された指先部７が当接されている。指先部７の圧力センサ３は、滑り検出ＥＣＵ５に接続されている。指先部７は、指先部７を任意の位置に固定できる、回転機構、スタンド等からなり固定部材６１によって固定されている。電子秤５９により、指先部７の接触面７ａに掛かる荷重が計測される。
【００４２】
上述の如く、図５に示す滑り試験装置５０により、次に述べる試験を行う。例えば、把持力（電子秤の値）を１５０ｇ、３００ｇ、５００ｇとし、計測開始約３０秒後に、スライド機構５１を０．１６７ｍｍ／ｓの速度でスライドさせるものとする。また、上記（４）式において、α＝１、β＝１とし、上記（５）式において、ｎ＝４とする。
【００４３】
図６（ａ）及び（ｂ）乃至図８（ａ）及び（ｂ）は、上記滑り試験装置５０による滑り試験の結果の一例を示す図である。
【００４４】
また、図６（ａ）は、把持力１５０ｇのときの、重み関数Ｇ（Ｖａ）を含まない滑り判定関数Ｐ（ｋ）’の値の時系列変化の一例を示す図である。図６（ｂ）は、把持力１５０ｇのときの、重み関数Ｇ（Ｖａ）を含む滑り判定関数Ｐ（ｋ）の値の時系列変化の一例を示す図である。図７（ａ）は、把持力３００ｇのときの、重み関数Ｇ（Ｖａ）を含まない滑り判定関数Ｐ（ｋ）’の値の時系列変化一例を示す図である。図７（ｂ）は、把持力３００ｇのときの、重み関数Ｇ（Ｖａ）を含む滑り判定関数Ｐ（ｋ）の値の時系列変化の一例を示す図である。図８（ａ）は、把持力５００ｇのときの、重み関数Ｇ（Ｖａ）を含まない滑り判定関数Ｐ（ｋ）’の値の時系列変化の一例を示す図である。図８（ｂ）は、把持力５００ｇのときの、重み関数Ｇ（Ｖａ）を含む滑り判定関数Ｐ（ｋ）の値の時系列変化の一例を示す図である。
【００４５】
図６（ａ）乃至図８（ａ）に示すように、ハンド部材１０１の把持力Ｆが１５０ｇから５００ｇへと増加すると、圧力中心位置Ｏｃの相対変化率が減少し、重み関数Ｇ（Ｖａ）を含まない滑り判定関数Ｐ（ｋ）’の値が減少する。
【００４６】
一方で、図６（ｂ）乃至図８（ｂ）に示すように、ハンド部材１０１の把持力Ｆが１５０ｇから５００ｇへと増加したとしても、圧力中心位置Ｏｃの相対変化率の減少が重み関数Ｇ（Ｖａ）の値の増加によって相殺される為、滑り判定関数Ｐ（ｋ）の変動が抑制される。
【００４７】
例えば、所定閾値Ｘ＝０．５が設定されている場合を想定すると、ハンド部材１０１の把持力Ｆが１５０ｇ、３００ｇ、５００ｇのいずれのときでも、滑り判定関数Ｐ（ｋ）の値が所定閾値Ｘ＝０．５を超える。したがって、実際に指先部７の接触面７ａに滑りが発生しているとき、図６（ｂ）乃至図８（ｂ）に示す如く、把持力Ｆの増減にかかわらず、滑り判定部５ｄは、指先部７の接触面７ａに滑りが発生していることを、より確実に判定することができる。すなわち、滑り判定をより高精度に行うことが可能となる。
【００４８】
一方、ハンド部材１０１の把持力Ｆが３００ｇ、５００ｇのとき、重み関数Ｇ（Ｖａ）を含まない滑り判定関数Ｐ（ｋ）’の値は、所定閾値Ｘ＝０．５を超えないことがある。
【００４９】
なお、この滑り試験装置５０の試験結果を用いて、重み関数Ｇ（Ｖａ）の定数α、βを同定してもよい。これより、簡易かつ高精度に重み関数Ｇ（Ｖａ）の定数α、βを設定することができる。
【００５０】
次に、本実施例に係る滑り検出装置１がロボットハンド装置１００に搭載された場合について説明する。
【００５１】
図９は、本実施例に係る滑り検出装置１が搭載されたロボットハンド装置１００のシステム構成を示す概略のブロック図である。
【００５２】
ロボットハンド装置１００は、上述の分布型の圧力センサ３が配設され、任意の形状の対象物体を把持することが可能なハンド部材１０１を備えている（図１０及び図１１）。
【００５３】
ハンド部材１０１は、例えば、図１０及び図１１に示す如く、親指に相当する第一指１１、人差指に相当する第二指１２、中指に相当する第三指１３、及び薬指に相当する第四指１４を備えている。各指１１、１２、１３、１４の先端には、上記指先部７が設けられている。
【００５４】
また、第一指１１には第一指第一関節１１Ａ、第一指第二関節１１Ｂ、及び第一指第三関節１１Ｃが設けられており、第二指１２には、第二指第一関節１２Ａ、第二指第二関節１２Ｂ、及び第二指第三関節１２Ｃが設けられている。さらに、第三指１３には、第三指第一関節１３Ａ、第三指第二関節１３Ｂ、及び第三指第三関節１３Ｃが設けられており、第四指１４には、第四指第一関節１４Ａ、第四指第二関節１４Ｂ、及び第四指第三関節１４Ｃが設けられている。
【００５５】
第一指１１における付根部分には、第一指１１を第二指１２乃至第四指１４に対向させる第一指対向関節１１Ｇが設けられている。対向関節１１Ｇは、後述の掌部１６に平行する鉛直軸周りに第一指１１を第二指１２乃至第四指１４に対向可能としている。
【００５６】
第二指１２における付根部分には、第二指１２を揺動させる第二指揺動関節１２Ｇが設けられている。揺動関節１２Ｇは、後述の掌部１６に直交する水平軸周りに第二指１２を揺動可能としている。
【００５７】
また、第三指１３及び第四指１４における夫々の付根部分には、第三指１３及び第四指１４を揺動させる第三指揺動関節１３Ｇ及び第四指揺動関節１４Ｇが設けられている。揺動関節１３Ｇ、１４Ｇは、第三指１３及び第四指１４を掌部１６に直交する水平軸周りに夫々揺動させる。
【００５８】
これらの第二指１２乃至第四指１４の第三関節１２Ｃ、１３Ｃ、１４Ｃを除く各関節１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１２Ａ、１２Ｂ、１３Ａ、１３Ｂ、１４Ａ、１４Ｂ及び、対向関節１１Ｇ、揺動関節１２Ｇ、１３Ｇ、１４Ｇには、図９に示すモータドライバ１０７に接続されたモータ１０５が夫々設けられている。
【００５９】
また、第一指１１における第一指第一関節１１Ａと第一指第二関節１１Ｂとの間には、第一指第一リンク１１Ｄが設けられ、第一指第二関節１１Ｂと第一指第三関節１１Ｃとの間には、第一指第二リンク１１Ｅが設けられ、第一指第三関節１１Ｃの先端には、第一指第三リンク１１Ｆが設けられている。
【００６０】
第二指１２における第二指第一関節１２Ａと第二指第二関節１２Ｂとの間には、第二指第一リンク１２Ｄが設けられ、第二指第二関節１２Ｂと第二指第三関節１２Ｃとの間には、第二指第二リンク１２Ｅが設けられ、第二指第三関節１２Ｃの先端には、第二指第三リンク１２Ｆが設けられている。
【００６１】
さらに、第三指１３における第三指第一関節１３Ａと第三指第二関節１３Ｂとの間には、第三指第一リンク１３Ｄが設けられ、第三指第二関節１３Ｂと第三指第三関節１３Ｃとの間には、第三指第二リンク１３Ｅが設けられ、第三指第三関節１３Ｃの先端には、第三指第三リンク１３Ｆが設けられている。
【００６２】
第四指１４における第四指第一関節１４Ａと第四指第二関節１４Ｂとの間には、第四指第一リンク１４Ｄが設けられ、第四指第二関節１４Ｂと第四指第三関節１４Ｃとの間には、第四指第二リンク１４Ｅが設けられ、第四指第三関節１４Ｃの先端には、第四指第三リンク１４Ｆが設けられている。
【００６３】
さらに、第二指揺動関節１２Ｇと第二指第一関節１２Ａとの間には、第二揺動リンク１２Ｈが設けられている。同様に、第三揺動関節１３Ｇと、第三指第一関節１３Ａとの間、及び第四指揺動関節１４Ｇと、第四指第一関節１４Ａとの間には、夫々図示しない第三指揺動リンク及び第四指揺動リンクが設けられている。
【００６４】
また、ハンド部材１０１は、拇指球１５及び掌部１６を有している。拇指球１５には、第一指１１が取り付けられている。
【００６５】
また、拇指球１５は、鉛直軸周りに回転可能とされており、拇指球１５とともに第一指１１が鉛直軸周りに回転可能とされている。掌部１６には、第二指１２乃至第四指１４が取り付けられている。
【００６６】
第一指１１乃至第四指１４の各リンク１１Ｄ〜１１Ｆ、１２Ｄ〜１２Ｆ、１３Ｄ〜１３Ｆ、１４Ｄ〜１４Ｆ及び拇指球１５、掌部１６、指先部７には、夫々緩衝パッド（柔軟肉）１７が取り付けられている。各緩衝パッド１７には、上記分布型の圧力センサ３が埋め込まれている。
【００６７】
なお、第二指１２乃至第四指１４の第二関節１２Ｂ〜１４Ｂと第三関節１２Ｃ〜１４Ｃとは、相互に連動する連動関節３０となっている。連動関節３０において、第二関節１２Ｂ〜１４Ｂと第三関節１２Ｃ〜１４Ｃとの間には、リンク部材３１が設けられている。
【００６８】
また、上述の如く、第二関節１２Ｂ〜１４Ｂにはモータ１０５が設けられているが、第三関節１２Ｃ〜１４Ｃにはモータ１０５が設けられていない。そして、第二関節１２Ｂ〜１４Ｂに設けられたモータ１０５が回転駆動することで、第二関節１２Ｂ〜１４Ｂが回転する。第二関節１２Ｂ〜１４Ｂが回転すると、この回転力がリンク部材３１を介して、第三関節１２Ｃ〜１４Ｃに伝達され、第三関節１２Ｃ〜１４Ｃは第二関節１２Ｂ〜１４Ｂとともに回転する。
【００６９】
このように、第一指１１の自由度は４とされており、さらに他の第二指１２乃至第四指１４の自由度は３とされ、ハンド部材１０１全体として、１３の自由度を有している。また、ハンド部材１０１で対象物体を把持する際には、例えば、第一指１１と第三指１３とが対向する状態となるように、第一指１１が前側に回り込む。こうして、対象物体を把持する。
【００７０】
モータドライバ１０７には、モータドライバ１０７を介して、各モータ１０５、１１７を制御する制御ＥＣＵ１０９が接続されている。
【００７１】
例えば、各関節１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１２Ａ、１２Ｂ、１３Ａ、１３Ｂ、１４Ａ、１４Ｂ及び、対向関節１１Ｇ、揺動関節１２Ｇ、１３Ｇ、１４Ｇ（以下、関節部材と総称する）の角度指令信号をモータドライバ１０７に送信することで、モータ１０５を制御して、関節部材を目標の関節角度に制御する。
【００７２】
また、ハンド部材１０１の関節部材には、当該関節部材の位置（関節角度等）を検出するエンコーダ・ポテンショメータ等の関節位置検出センサ１１１が配設されている。エンコーダ・ポテンショメータ１１１には制御ＥＣＵ１０９が接続され、制御ＥＣＵ１０９はエンコーダ・ポテンショメータ１１１により検出された関節部材の位置（指関節角度）等に基づいて、モータ１０５の制御を行う。
【００７３】
ハンド部材１０１には、ハンド部材１０１を任意の方向へ移動させ、複数の関節を有するアーム部材１１５が連結されている。アーム部材１１５は、例えばロボット本体に連結されている。
【００７４】
アーム部材１１５の各関節には、アーム部材１１５の各関節を、駆動させるモータ１１７が連結されている。また、アーム部材１１５の各関節には各関節の位置（関節角度等）を検出するエンコーダ・ポテンショメータ１１２が配設されている。
【００７５】
制御ＥＣＵ１０９には、対象物体の画像を認識する画像認識装置１１３が接続されている。画像認識装置１１３は、対象物体の画像を撮影する為のＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）等からなるカメラ１１３ａと、カメラ１１３ａにより撮影された画像に対し所定処理を施す画像処理部１１３ｂと、を有している。なお、カメラ１１３ａは、例えば、ロボット本体の頭部に配設してもよい。
【００７６】
画像認識装置１１３は、画像処理部１１３ｂにより処理された対象物体の処理画像に基づいて、対象物体の位置、形状、大きさ等の画像情報を認識する。画像認識装置１１３は、認識した対象物体の画像情報を制御ＥＣＵ１０９に送信する。
【００７７】
制御ＥＣＵ１０９は、把持位置・姿勢算出部１０９ａと、制御系目標値生成部１０９ｂと、アーム・ハンド制御１０９ｃと、を有している。
【００７８】
把持位置・姿勢算出部１０９ａは、画像認識装置１１３から送信された対象物体の画像情報に基づいて、対象物体を把持する為に好適なハンド部材１０１の把持位置及び把持姿勢を算出する。
【００７９】
制御系目標値生成部１０９ｂは、把持位置・姿勢算出部１０９ａにより算出された把持位置及び把持姿勢に基づいて、制御系目標値（例えば、目標の指関節角度、把持力）を生成する。
【００８０】
アーム・ハンド制御部１０９ｃは、制御系目標値生成部１０９ｂにより生成された制御系目標値に基づいて、モータドラバ１０７を介して、モータ１０５、１１７を制御することで、ハンド部材１０１の関節部材及びアーム部材１１５の関節を制御する。
【００８１】
制御ＥＣＵ１０９には、上述した滑り検出ＥＣＵ５が接続されている。制御ＥＣＵ１０９のアーム・ハンド制御部１０９ｃは、例えば、エンコーダ・ポテンショメータ１１１により検出された関節部材の指関節角度と、制御系目標値生成部１０９ｂにより算出された目標の指関節角度と、上述した滑り検出ＥＣＵ５の滑り判定手段５ｄによる判定と、に基づいて、モータ１０５のフィードバック制御を行っている。
【００８２】
なお、本実施例に係るロボットハンド装置１００は、例えば、人型ロボットに搭載されてもよい。この場合、人型ロボットは、移動部と、頭部と、左右一対のアーム部材１１５と、左右一対のアーム部材１１５に連結された左右一対のハンド部材１０１と、を有する構成であってもよい。
【００８３】
次に、本実施例に係る滑り検出装置１を搭載したロボットハンド装置１００の制御処理について説明する。図１２は、本実施例に係る滑り検出装置１を搭載したロボットハンド装置１００の制御処理のフローの一例を示すフローチャートである。なお、図１２に示す制御処理ルーチンは所定の微小時間毎に繰返し実行される。
【００８４】
画像認識装置１１３は対象物体を認識し、その画像情報を制御ＥＣＵ１０９に送信する。制御ＥＣＵ１０９の把持位置・姿勢算出部１０９ａは、送信された対象物体の画像情報に基づいて、対象物体を把持する為に好適なハンド部材１０１の把持位置及び把持姿勢を算出する。
【００８５】
また、制御系目標値生成部１０９ｂは、把持位置・姿勢算出部１０９ａにより算出された把持位置・及び把持姿勢に基づいて、モータ１０５の制御目標値を算出する。
【００８６】
制御ＥＣＵ１０９のアーム・ハンド制御部１０９ｃは、算出された制御目標値に基づいて、モータ１０５を制御して、ハンド部材１０１により対象物体を把持させる（Ｓ１００）。
【００８７】
次に、制御ＥＣＵ１０９はモータドライバ１０７及びモータ１１７を介して、アーム部材１１５を制御することで、ハンド部材１０１によって把持された対象物体を、指示された方向に移動させる（Ｓ１１０）。
【００８８】
例えば、このアーム部材１１５による移動の際、滑り検出ＥＣＵ５の中心位置算出部５ａは、圧力センサ３の各圧力センサセル３ａから送信された電圧値に基づいて、ハンド部材１０１の緩衝パッド１７の接触面７ａにおける圧力中心位置Ｏｃを、上記（１）式及び（２）式により算出する（Ｓ１２０）。
【００８９】
その後、変化量算出部５ｂは、中心位置算出部５ａにより算出された緩衝パッド１７の接触面７ａおける圧力中心位置Ｏｃに基づいて、圧力中心位置Ｏｃの相対変化率を、上記（３）式により算出する。（Ｓ１３０）
把持力算出部５ｃは、圧力センサ３の各圧力センサセル３ａから送信された電圧値の総和（把持力）Ｖａを算出し、上記（４）式に示す重み関数Ｇ（Ｖａ）を算出する（Ｓ１４０）。
【００９０】
滑り判定部５ｄは、変化量算出部５ｂにより算出された圧力中心位置Ｏｃの相対変化率と、把持力算出部５ｃにより算出された重み関数Ｇ（Ｖａ）と、に基づいて、滑り判定関数Ｐ（ｋ）を設定する（Ｓ１５０）。
【００９１】
次に、滑り判定部５ｄは、滑り判定関数Ｐ（ｋ）の値が所定閾値Ｘ以上となるか否かを判定する（Ｓ１６０）。
【００９２】
滑り判定部５ｄは、滑り判定関数Ｐ（ｋ）の値が所定閾値Ｘ以上となり、ハンド部材１０１の緩衝パッド１７との接触面７ａにおいて滑りが発生したと判定すると（Ｓ１６０のＹｅｓ）、制御ＥＣＵ１０９に対して滑り判定信号を送信する。
【００９３】
制御ＥＣＵ１０９は、滑り検出ＥＣＵ５の滑り判定部５ｄから滑り判定信号を受信すると、ハンド部材１０１が対象物体を把持する際の把持力が増加するように、モータ１０５を制御する（Ｓ１７０）。
【００９４】
一方、滑り判定部５ｄは、滑り判定関数Ｐ（ｋ）の値が所定閾値Ｘより小さく、対象物体とハンド部材１０１の緩衝パッド１７との接触面７ａにおいて滑りが発生していないと判定すると（Ｓ１６０のＮｏ）、制御ＥＣＵ１０９に対して滑り判定信号を送信すること無く、本制御ルーチンよる処理を終了する。
【００９５】
以上、本実施例に係る滑り検出装置１において、滑り判定部５ｄは、変化量算出部５ｂにより算出された圧力中心位置Ｏｃの相対変化率と、把持力算出部５ｃにより算出された重み関数Ｇ（Ｖａ）と、に基づいて、滑り判定関数Ｐ（ｋ）を設定し、この滑り判定関数Ｐ（ｋ）の値が所定閾値Ｘ以上となるか否かを判定する。これにより、通常の圧力センサ３を用いて、指先部７と対象物体との接触面７ａにおける滑りを高精度に検出することができる。また、上述のように専用の滑りセンサを必要とせず、簡易なセンサ構成で実現可能となることからコスト低減に繋がる。さらに、簡易な構成であることから、小型化も容易に可能となる為、高い空間分解能を実現できる。
【００９６】
さらに、圧力センサ３が埋め込まれたハンド部材１０１の緩衝パッド１７と対象物体との間の滑りを検出する場合に、緩衝パッド１７の変形に影響されることがない。したがって、ハンド部材１０１の緩衝パッド１７と対象物体との間の滑りを高精度に検出することができる。
【００９７】
以上、本発明を実施するための最良の形態について一実施例を用いて説明したが、本発明はこうした一実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、上述した一実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明は、例えば、対象物体をハンド部材により把持するロボットハンド装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本発明の一実施例に係る滑り検出装置のシステム構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）指先部の接触面に圧力センサが配設された状態の一例を示す図である。（ｂ）指先部の接触面に複数の圧力センサセルを有する圧力センサが平面的に配置された状態の一例を示す図である。
【図３】（ａ）指先部が対象物体に接触している状態の一例を示す図である。（ｂ）指先部が対象物体に接触しているときの圧力分布を示す概念図の一例である。
【図４】ハンド部材の把持力と、各圧力センサセルの電圧値の総和および圧力中心位置の相対変化率の平均値との関係の一例を示す図である。
【図５】本発明の一実施例に係る滑り検出装置の滑り判定を試験する為の滑り試験装置の一例を示す図である。
【図６】（ａ）把持力が１５０ｇのときの重み関数を含まない滑り判定関数の値の時系列変化の一例を示す図である。（ｂ）把持力が１５０ｇのときの重み関数を含む滑り判定関数の値の時系列変化の一例を示す図である。
【図７】（ａ）把持力が３００ｇのときの重み関数を含まない滑り判定関数の値の時系列変化の一例を示す図である。（ｂ）把持力が３００ｇのときの重み関数を含む滑り判定関数の値の時系列変化の一例を示す図である。
【図８】（ａ）把持力が５００ｇのときの重み関数を含まない滑り判定関数の値の時系列変化の一例を示す図である。（ｂ）把持力が５００ｇのときの重み関数を含む滑り判定関数の値の時系列変化の一例を示す図である。
【図９】本発明の一実施例に係る滑り検出装置が搭載されたロボットハンド装置のシステム構成を示す概略のブロック図である。
【図１０】ハンド部材を横方向から見た側面図である
【図１１】ハンド部材を上方から見た図である。
【図１２】本発明の一実施例に係る滑り検出装置を搭載したロボットハンド装置の制御処理のフローの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１００】
１ 滑り検出装置
３ 圧力センサ
３ａ 圧力センサセル
５ 滑り検出ＥＣＵ
５ａ 中心位置算出部
５ｂ 変化量算出部
５ｃ 把持力算出部
５ｄ 滑り判定部
７ 指先部
７ａ 接触面
１００ ロボットハンド装置
１０１ ハンド部材
１１５ アーム部材
１０９ 制御ＥＣＵ
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３２０７
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
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| 【出願日】 |
平成１８年８月３０日（２００６．８．３０） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７０１５０
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
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| 【公開番号】 |
特開２００８−５５５４０（Ｐ２００８−５５５４０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成２０年３月１３日（２００８．３．１３） |
| 【出願番号】 |
特願２００６−２３４０７４（Ｐ２００６−２３４０７４） |
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