JP2009045687A - 把持装置の把持制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 外力を検知するための専用のセンサを必要とせず、構造を簡単化し、製作コストの低減を図ることができる把持装置の把持制御装置を提供する。
【解決手段】 モータ回転角度の変化と電流検出値とから可動部に作用する外力を推定し、この推定外力が設定範囲になると位置制御を止めて電流制御手段１４により、把持力付与用設定電流値１９で電流制御を行わせる。
【選択図】 図３

Description

この発明は、工業分野から一般分野まで広く用いられる把持装置の把持制御装置に関し、例えば、比較的柔らかな物体から硬い物体を柔軟に把持することができる把持装置の把持制御装置に関する。

従来の把持装置では、把持手段は、把持対象物を把持する機構を有するロボットハンドと、把持する可動部に作用する外力を検知する力センサから構成され、この力センサからのセンサ信号の変化を受け把持出力を制御するものが提案されている（特許文献１，２）。
特開２００４−１６７６７４号公報 特開２００４−１６０５９４号公報

従来の把持装置では、可動部に作用する外力を検知するために専用のセンサが必要となるうえ、複雑な、構造、制御回路、および制御アルゴリズム等が求められる。そのため、把持装置の製作コストは高くなる。

この発明の目的は、外力を検知するための専用のセンサを必要とせず、構造を簡単化し、製作コストの低減を図ることができる把持装置の把持制御装置を提供することである。

この発明の把持装置１の把持制御装置２は、一または複数の可動部３〜８、および上記各可動部３〜８を動作させるモータＭを有し、上記可動部３〜８の動作によって把持対象物Ｗを把持する把持装置１において、上記可動部３〜８の動作を制御する把持制御装置２であって、前記モータＭの回転角度を検出する位置検知器１１と、前記モータＭの駆動電流を検出する電流検出器１２と、前記モータＭを位置制御する位置制御手段１３と、前記電流検出器１２の検出値に応じて前記モータＭの駆動電流を設定電流値に閉ループ制御する電流制御手段１４と、前記位置検出器１１の検出値と前記電流検出器１２の検出値とを監視し、モータ回転角度の変化と電流検出値とから前記可動部に作用する外力を推定する外力推定手段１５と、前記可動部３〜８が把持対象物Ｗの把持状態となる指令位置まで前記位置制御手段１３による位置制御を行わせ、前記外力推定手段１５による推定外力が設定範囲になると前記位置制御手段１３による位置制御を止めて前記電流制御手段１４により、把持力付与用設定電流値で電流制御を行わせる制御方法切換手段１６とを備えることを特徴とする。

この構成によると、この把持装置１は、モータＭにより可動部３〜８を動作させて把持対象物Ｗを把持するものである。位置検出器１１は、このモータＭの回転角度を検出し、電流検出器１２は、モータＭの駆動電流を検出する。位置制御手段１３はモータＭを位置制御し、電流制御手段１４は、電流検出器１２の検出値に応じてモータＭの駆動電流を設定電流値に閉ループ制御する。
ここで、把持対象物Ｗを把持する把持力はモータトルクに比例し、モータトルクはモータＭの駆動電流に比例する。そのため、モータ回転角度の変化と、モータＭの駆動電流とを検出し、演算することで可動部８等に作用する外力を推定する。すなわち、外力推定手段１５は、位置検出器１１の検出値と電流検出値１２の検出値とを監視する。これにより、モータ回転角度の変化と電流検出値１２とから可動部８等に作用する外力を推定する。さらに、制御方法切換手段１６は、推定外力が設定範囲になったか否かを判断する。上記設定範囲は、例えばしきい値を超える範囲である。外力推定手段１５による推定外力が設定範囲になっていないと判断すると、位置制御手段１３による位置制御を継続する。

把持対象物Ｗを把持すると、その反力によりモータ速度が低下し、その結果、誘起電圧が低下して電流値が増加する。これにより、前記推定外力が設定範囲になったと判断すると、制御方法切換手段１６は、この位置制御を止めて電流制御手段１４により、把持力付与用設定電流値で電流制御を行わせる。
このように、力センサ等を用いることなく、トルク制御に必要となる電流検出器１２を外力検知用のセンサとして利用するため、把持制御装置２の構造を簡単化し、製作コストの低減を図ることができる。また、センサが少なくてすむため、把持装置１の構成の簡単化にもつながる。

前記制御方法切換手段１６は、前記位置制御手段１３により位置制御を行う間、前記把持力付与用設定電流値よりも低い接近動作用設定電流値で、前記電流制御手段１４による電流制御を行わせるものとすることが望ましい。この場合、把持対象物Ｗや把持装置自体の損傷を防止することができる。

前記把持装置１は前記可動部を複数有し、個々の回動部毎に前記モータＭを有し、これら複数のモータＭをそれぞれ制御する可動部個別制御部９のうちの全てまたはいずれか複数の可動部個別制御部９が、それぞれ前記位置制御手段１３、電流制御手段１４、外力推定手段１５、および制御方法切換手段１６を有するものとしても良い。この場合、複数の可動部３〜８を有する多軸の把持装置１を実現することができ、この把持装置１を適用し得る汎用性を高めることができる。

前記複数の可動部個別制御部９が、それぞれ前記位置制御手段１３、電流制御手段１４、外力推定手段１５、および制御方法切換手段１６を有する発明において、前記複数の可動部個別制御部９における位置制御手段１３に対して、把持対象物Ｗの形状に応じて設定される各可動部３〜８の位置指令値を記憶した動作パターン設定部１０を設けることで、複数の可動部３〜８を有する把持装置１を制御対象としながら、位置制御が簡単に行える。

前記制御方法切換手段１６は、把持解除指令があるまで、前記把持力付与用設定電流値で電流制御を維持させるものであっても良い。この場合、把持対象物Ｗを確実に把持し続けることができ、可動部３〜８を任意の位置に動作させて把持対象物Ｗを移動させることが可能となる。

前記把持装置１が多関節ロボットであり、複数の可動部３〜８のうち、少なくとも把持対象物Ｗに直接に接する可動部であるフィンガ部８を駆動するモータＭの制御部である可動部個別制御部９が、前記位置制御手段１３、電流制御手段１４、外力推定手段１５、および制御方法切換手段１６を有するものとしても良い。この場合、フィンガ部８に作用する外力を外力推定手段１５により推定して、この推定外力が設定範囲になったと判断すると、この可動部個別制御部９のうちの制御方法切換手段１６は、位置制御から適正な電流制御つまりトルク制御に切り替える。したがって、フィンガ部８は、比較的柔らかな把持対象物Ｗから硬い把持対象物Ｗにわたって柔軟に把持することができる。

この発明の把持装置の把持制御装置は、一または複数の可動部、および上記各可動部を動作させるモータを有し、上記可動部の動作によって把持対象物を把持する把持装置において、上記可動部の動作を制御する把持制御装置であって、前記モータの回転角度を検出する位置検知器と、前記モータの駆動電流を検出する電流検出器と、前記モータを位置制御する位置制御手段と、前記電流検出器の検出値に応じて前記モータの駆動電流を設定電流値に閉ループ制御する電流制御手段と、前記位置検出器の検出値と前記電流検出器の検出値とを監視し、モータ回転角度の変化と電流検出値とから前記可動部に作用する外力を推定する外力推定手段と、前記可動部が把持対象物の把持状態となる指令位置まで前記位置制御手段による位置制御を行わせ、前記外力推定手段による推定外力が設定範囲になると前記位置制御手段による位置制御を止めて前記電流制御手段により、把持力付与用設定電流値で電流制御を行わせる制御方法切換手段とを備える。このため、外力を検知するための専用のセンサを必要とせず、構造を簡単化し、製作コストの低減を図ることができる。

この発明の一実施形態を図１ないし図４と共に説明する。本実施形態に係る把持装置は、多関節ロボットに適用した例である。この実施形態では、６軸の自由度を持つ多関節ロボットに適用したが、６軸に限定されるものではない。また、上記多関節ロボット以外の工作機械のローディング装置、産業機械等にこの把持装置を適用することも可能である。なお、以下の説明は、把持装置の把持制御方法についての説明をも含む。

図１に示すように、この把持装置１は、複数の可動部、各可動部を動作させるモータＭ、および可動部の動作を制御する把持制御装置２を有する。上記複数の可動部は、ベース部３、連結部４、アーム本体部５、アーム部６、アーム先端部７、およびフィンガ部８である。これらのうちベース部３は、設置面に設置されるベース台ＢＤに対し、上下方向軸心回りに旋回可能に設けられる。連結部４は、この連結部４の一端がベース部３に対し水平軸心回りに回動可能に設けられ、アーム本体部５は、連結部４の他端に対し水平軸心回りに回動可能に設けられる。アーム部６は連結部４から突出する棒状部材であり、連結部４に対し長手方向軸心回りに回動可能に設けられる。アーム先端部７は、アーム部６の一端に回動可能に設けられる。フィンガ部８は、把持対象物Ｗに直接に接する可動部であり、アーム先端部７に対し動作可能に設けられる。

図２（Ｂ）に示すように、前記フィンガ部８は、例えば、フィンガ部本体２３と、このフィンガ部本体２３に付設されたレール２４に直動案内される一対の直動軸受２５，２５と、フィンガ部本体２３に離隔して配置され、かつ上記レール２４の長手方向に直交する方向に所定小距離突出するフランジ２３ａ，２３ａと、これらフランジ２３ａ，２３ａに回動可能に支持され、前記長手方向に平行に設けられるねじ軸２６と、一方のフランジ２３ａに固着され前記ねじ軸２６を回転させるモータＭとを有する。さらに、フィンガ部８は一対のボールナット２７，２７を有し、各ボールナット２７は直動軸受２５に固着されると共にねじ軸２６に螺合されている。

このねじ軸２６は、図２（Ｂ）における長手方向右半部に対し長手方向左半部が逆ねじに一体に形成されている。これらねじ軸２６の長手方向右半部に一方のボールナット２７を螺合し、ねじ軸２６の長手方向左半部に他方のボールナット２７を螺合している。これらボールナット２７，２７に、把持対象物Ｗを把持する把持部８ａ，８ａを一体に設けている。前記モータＭの駆動によりねじ軸２６を回転させると、両ボールナット２７，２７は互いに近接離隔するように移動する。これにより、把持部８ａ，８ａは把持対象物Ｗを把持または把持解除する。なお、フィンガ部８は、上記ボールねじ機構を用いたものに限定されず、例えば、ラックアンドピニオン機構等を用いたものであってもよい。

上記個々の可動部毎にモータＭを備えており、図３に示すように、前記把持制御装置２は、これら複数のモータＭをそれぞれ制御する可動部個別制御部９を有する。すなわち、把持制御装置２は、複数の可動部個別制御部９と、後述する動作パターン設定部１０とを有する。この把持制御装置２は、例えば、論理回路等の電子回路、またはコンピュータによって構成される。
各可動部個別制御部９は、位置検出器１１、電流検出器１２、位置制御手段１３、電流制御手段１４、外力推定手段１５、および制御方法切換手段１６を有する。前記動作パターン設定部１０は、複数の可動部個別制御部９における位置制御手段１３に対して、把持対象物Ｗの形状に応じて設定される各可動部の位置指令値１７を記憶している。動作パターン設定部１０は、例えば、読み書き可能な図示外のメモリ等によって実現される。

各可動部個別制御部９において、位置制御手段１３と、電流制御手段１４と、モータＭと、位置検出器１１と、外力推定手段１５と、制御方法切換手段１６とは電気的に接続されている。これらのうち位置検出器１１は、モータＭの回転角度を検出するものであり、例えば、このモータＭに付属の位置検出手段、またはモータＭとは別体のエンコーダ等からなるものにより構成される。位置検出器１１は、可動部の位置を検出するものであってもよい。
前記電流検出器１２は、モータＭの駆動電流を検出可能にこのモータＭに電気的に接続されている。前記動作パターン設定部１０に電気的に接続される位置制御手段１３は、前記モータＭを位置制御するものである。

前記位置制御手段１３は、動作パターン設定部１０から与えられた位置指令値１７となるように、モータＭの回転角度（３６０°を超える場合を含む）を制御する手段であり、位置検出器１１の検出値を用いて閉ループ制御する。なお、位置制御手段１３は、フィードフォワード制御による開ループ制御を行うものであってもよい。

前記電流制御手段１４は、電流検出器１２の検出値に応じてモータＭの駆動電流を設定電流値に閉ループ制御する。すなわち、設定電流値と電流検出器１２の検出値とを比較部２２で比較し、設定電流値となるように制御する。この閉ループ制御された電流値は、アンプ１８を介してデータ駆動電流として増幅されモータＭに伝達される。外力推定手段１５は、位置検出器１１の検出値と電流検出器１２の検出値とを監視し、演算式またはテーブル等によって定められた設定規則に従い、モータ回転角度の変化と電流検出値とからこの可動部に作用する外力を推定する。
前記制御方法切換手段１６は、可動部が把持対象物Ｗの把持状態となる把持位置、図２のフィンガ部８の実線位置Ｐ１まで位置制御手段１３により位置制御を行わせる。さらに制御方法切換手段１６は、外力推定手段１５による推定外力が設定範囲になる、つまり電流検出器１２で検出した電流値がしきい値を超えると、位置制御を止めて電流制御を行わせる。
すなわちフィンガ部８が把持対象物Ｗを把持してその把持対象物Ｗからの反力Ｆ１によりモータ速度が低下し、その結果誘起電圧が低下して電流検出器１２の検出値が増加して電流値が所定のしきい値を越えると、位置制御手段１３により位置制御を止める。そして、制御方法切換手段１６は、電流制御手段１４により把持力付与用設定電流値１９で電流制御を行わせる。さらに、制御方法切換手段１６は、把持解除指令があるまで、この把持力付与用設定電流値１９で電流制御を維持させる機能を有する。

前記制御方法切換手段１６は、位置制御手段１３により位置制御を行う間において、可動部の初期動作段階では、後述する接近動作用設定電流値２０よりも電流値の高い通常動作用設定電流値２１で、電流制御手段１４により電流制御を実行し、可動部の把持対象物Ｗへの接近動作段階では、把持力付与用設定電流値１９よりも電流値の低い接近動作用設定電流値２０で、電流制御手段１４により電流制御を行わせるものとしている。接近動作用設定電流値２０は、フィンガ部８で把持対象物Ｗを把持するとき、この把持対象物Ｗがつぶれない程度の電流値である。

図４は、この把持制御装置の把持制御を段階的に表すフローチャートである。この把持制御装置２が操作者のスイッチ操作、または上位制御装置の設定プログラム等に基づく把持動作指令を受けると（ステップＳ１）、ステップＳ２に移行する。このステップＳ２において、位置制御手段１３によりモータＭを位置制御し、各可動部を把持姿勢へ移動させる。この位置制御を行う間、把持力付与用設定電流値１９よりも低い接近動作用設定電流値２０で、電流制御手段１４による電流制御を行わせている。

その後、ステップＳ３に移行し、制御方法切換手段１６は、外力推定手段１５による推定外力が設定範囲になったか否かを判断する。否との判断で、ステップＳ２に戻る処理を繰り返し行う。この推定外力が設定範囲になった、つまり電流検出器１２の検出値が増加して電流値が所定のしきい値を越えたと判断すると、ステップＳ４に移行する。このステップＳ４において、制御方法切換手段１６は、位置制御手段１３による位置制御を止めて電流制御手段１４により、把持力付与用設定電流値１９で電流制御を行わせる。ステップＳ５では、この電流制御による適正トルクで把持対象物Ｗを把持する。その後、制御方法切換手段１６は、例えば、把持解除指令があるか否かを判断する。否との判断で、把持力付与用設定電流値１９で電流制御を維持させ、ステップＳ５に戻る。把持解除指令ありとの判断で、把持力付与用設定電流値１９での電流制御を解除し、例えば、通常動作用設定電流値２１で可動部のモータＭを位置制御し、把持解除する。その後ステップＳ１に戻る。

以上説明した把持装置１の把持制御装置２によると、位置検出器１１は、モータＭの回転角度を検出し、電流検出器１２は、モータＭの駆動電流を検出する。位置制御手段１３はモータＭを位置制御し、電流制御手段１４は、電流検出器１２の検出値に応じてモータＭの駆動電流を設定電流値に閉ループ制御する。
ここで、把持対象物Ｗを把持する把持力はモータトルクに比例し、モータトルクはモータＭの駆動電流に比例する。そのため、モータＭの回転角度の変化と、モータＭの駆動電流とを検出し、演算することで可動部に作用する外力を推定する。すなわち、外力推定手段１５は、位置検出器１１の検出値と電流検出器１２の検出値とを監視する。これにより、モータ回転角度の変化と電流検出値とから可動部に作用する外力を推定する。さらに、制御方法切換手段１６は、推定外力が設定範囲になったか否かを判断する。外力推定手段１５による推定外力が設定範囲になっていないと判断すると、位置制御手段１３による位置制御を継続する。

把持対象物Ｗをフィンガ部８により把持すると、その反力によりモータ速度が低下し、その結果、誘起電圧が低下して電流値が増加する。これにより、前記推定外力が設定範囲になったと判断すると、制御方法切換手段１６は、この位置制御を止めて電流制御手段１４により、把持力付与用設定電流値１９で電流制御を行わせる。
このように、力センサ等を用いることなく、トルク制御に必要となる電流検出器１２を外力検知用のセンサとして利用するため、把持制御装置２の構造を簡単化し、製作コストの低減を図ることができる。また、センサが少なくてもすむため、把持装置１の構造を簡単化し、製作コストの低減を図ることができる。

本実施形態において、制御方法切換手段１６は、位置制御手段１３により位置制御を行う間、把持力付与用設定電流値１９よりも低い接近動作用設定電流値２０で、電流制御手段１４による電流制御を行わせている。この場合、把持対象物Ｗや把持装置自体の損傷を防止することができる。

本実施形態において、把持装置１は可動部を複数有し、個々の可動部毎に前記モータＭを有し、これら複数のモータＭをそれぞれ制御する可動部個別制御部９のうちの全てまたはいずれか複数の可動部個別制御部９が、それぞれ前記位置制御手段１３、電流制御手段１４、外力推定手段１５、および制御方法切換手段１６を有するものとしている。この場合、複数の可動部を有する多軸の把持装置、例えば多関節ロボット等を実現することができ、この把持装置を適用し得る汎用性を高めることができる。また、例えば、一の可動部で把持対象物Ｗを押さえながら、他の可動部でこの把持対象物Ｗを把持することが可能となる。この場合に、把持対象物Ｗを押える可動部に対する可動部個別制御部９を、上記位置制御手段１３と、電流制御手段１４と、外力推定手段１５とを有する構成とする。このように、複数の可動部を連動させて種々の大きさ、形状の把持対象物Ｗを容易に把持することができる。その他、可動性のある把持対象物Ｗを複数の可動部を連動させて把持することも可能となる。

この把持制御装置２は、前記複数の可動部個別制御部９における位置制御手段１３に対して、把持対象物Ｗの形状に応じて設定される各可動部の位置指令値１７を記憶した動作パターン設定部１０を設けたものとしている。したがって、複数の可動部を有する把持装置１を制御対象としながら、位置制御が簡単に行える。

本実施形態では、複数のモータＭをそれぞれ制御する可動部個別制御部９のうちの全ての可動部個別制御部９が、それぞれ位置制御手段１３、電流制御手段１４、外力推定手段１５、および制御方法切換手段１６等を有する構成になっているが、必ずしもこの形態に限定されるものではない。例えば、全ての可動部個別制御部９のうちのいずれか複数の可動部個別制御部９が、それぞれ位置制御手段１３、電流制御手段１４、外力推定手段１５、および制御方法切換手段１６等を有する構成になっていても良い。ただし、上記複数の可動部個別制御部９は、少なくとも把持対象物Ｗに直接に接するフィンガ部８を動作させるモータＭの可動部個別制御部を含む。
また、単軸の把持装置を設け、把持対象物Ｗに直接に接する可動部を動作させるモータＭだけに可動部個別制御部９を設けた形態にすることも可能である。この場合でも、本実施形態と同様の効果を奏する。

本実施形態では、接近動作用設定電流値２０を設定しているが、この設定を省略することも可能である。この場合、制御系を簡単化し、把持装置の製作コストをより低減することができる。電流検出器１２は、モータＭに付設されてこのモータＭの駆動電流を直接検出するものであっても良い。この場合、部品点数を低減し、構造を簡単化することができる。

（Ａ）はこの発明の一実施形態に係る把持装置の側面図、（Ｂ）は同把持装置が把持対象物を把持する前段階を表す側面図である。 （Ａ）は同把持装置の要部と把持対象物とを拡大して表す図、（Ｂ）は同把持装置のフィンガ部を拡大して表す図である。 同把持装置の把持制御装置の電気的構成を表すブロック図である。 同把持制御装置の把持制御を段階的に表すフローチャートである。

符号の説明

１…把持装置
２…把持制御装置
３…ベース部
４…連結部
５…アーム本体部
６…アーム部
７…アーム先端部
８…フィンガ部
９…可動部個別制御部
１０…動作パターン設定部
１１…位置検出器
１２…電流検出器
１３…位置制御手段
１４…電流制御手段
１５…外力推定手段
１６…制御方法切換手段
Ｍ…モータ
Ｗ…把持対象物

Claims (6)

1. 一または複数の可動部、および上記各可動部を動作させるモータを有し、上記可動部の動作によって把持対象物を把持する把持装置において、上記可動部の動作を制御する把持制御装置であって、
   前記モータの回転角度を検出する位置検知器と、前記モータの駆動電流を検出する電流検出器と、前記モータを位置制御する位置制御手段と、前記電流検出器の検出値に応じて前記モータの駆動電流を設定電流値に閉ループ制御する電流制御手段と、前記位置検出器の検出値と前記電流検出器の検出値とを監視し、モータ回転角度の変化と電流検出値とから前記可動部に作用する外力を推定する外力推定手段と、前記可動部が把持対象物の把持状態となる指令位置まで前記位置制御手段による位置制御を行わせ、前記外力推定手段による推定外力が設定範囲になると前記位置制御手段による位置制御を止めて前記電流制御手段により、把持力付与用設定電流値で電流制御を行わせる制御方法切換手段とを備えることを特徴とする把持装置の把持制御装置。
2. 請求項１において、前記制御方法切換手段は、前記位置制御手段により位置制御を行う間、前記把持力付与用設定電流値よりも低い接近動作用設定電流値で、前記電流制御手段による電流制御を行わせるものとした把持装置の把持制御装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記把持装置は前記可動部を複数有し、個々の回動部毎に前記モータを有し、これら複数のモータをそれぞれ制御する可動部個別制御部のうちの全てまたはいずれか複数の可動部個別制御部が、それぞれ前記位置制御手段、電流制御手段、外力推定手段、および制御方法切換手段を有する把持装置の把持制御装置。
4. 請求項３において、前記複数の可動部個別制御部における位置制御手段に対して、把持対象物の形状に応じて設定される各可動部の位置指令値を記憶した動作パターン設定部を設けた把持装置の把持制御装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記制御方法切換手段は、把持解除指令があるまで、前記把持力付与用設定電流値で電流制御を維持させる把持装置の把持制御装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記把持装置が多関節ロボットであり、複数の可動部のうち、少なくとも把持対象物に直接に接する可動部であるフィンガ部を駆動するモータの制御部である可動部個別制御部が、前記位置制御手段、電流制御手段、外力推定手段、および制御方法切換手段を有するものとした把持装置の把持制御装置。

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