JP2009034744A - 制御装置および方法、並びにプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットハンドやマニピュレータにおける任意物体把持や操りを正確に行ったり、または人とより親和性の高い物理的インタラクションをとることができるようにする。
【解決手段】圧力中心演算部１２２は、圧力検出部４２からの分布圧力値を用いて、圧力中心位置を演算する。圧力中心移動演算部１２３は、圧力中心演算部１２２からの圧力中心位置を用いて、圧力中心の移動量を演算する。滑り覚検出部１２４は、圧力中心移動演算部１２３からの圧力中心移動演算値に、圧力中心移動演算値の大きさに応じた係数を乗算することで、圧力中心移動検出演算を行う。そして、滑り覚検出部１２４は、圧力中心移動検出演算の演算結果により、滑りを検出する。このように滑りを検出することで、一定の滑りを発生させながら、任意物体をより自然に取り扱うことができる。本発明は、ロボットハンドマニピュレータに適用できる。
【選択図】図７

Description

本発明は、制御装置および方法、並びにプログラムに関し、特に、対象物をすべらせながら取り扱うことができるようにロボットハンドを制御することができるようにした制御装置および方法、並びにプログラムに関する。

例えば、ある物体を把持して移動することができるロボットハンドに用いられる触覚センサとして、すべり覚（相対変位、すべり振動、せん断力）のセンサが挙げられる。

このすべり覚のセンサを利用するロボットハンドについては、例えば、把持対象物を把持中に多指多関節型ロボットハンドの指先で把持対象物のすべりを検出し、すべりを検出した場合、各指の把持力を所定量増加させ、すべりを防止するロボットハンドの把持制御方法が提案されている（特許文献１）。

また、ロボットハンドの指先に把持対象物の把持状態を検出する分布型力覚検出センサを装着し、圧力変化から重心位置の変化を検出し、把持対象物の重力方向への移動を妨げる位置にロボットハンドを回転させ、すべりを防止するロボットハンドの把持制御方法が提案されている（特許文献２）。

特開平４−１８９４８４号公報 特開平７−１８６０８３号公報

しかしながらすべり覚のセンサを利用するロボットハンドの把持制御方法は、上述したようにすべりを防止するためのもので、例えばペンなど長い棒状の物体の把持位置を変化させるために指先をすべらせるなど、物体を操作するために積極的にすべりを発生させる制御方法は存在しない。

例えば、人の指で、物体を素早く操作するためには、指先で物体をすべらせる動作が必要となるときがある。

また、把持対象物体を非常に弱い力で把持しないと対象物体が変形または破壊してしまうような場合に、例えば１秒間に数μｍのすべりのように極めてゆっくり滑らせてでも弱い力で把持することが必要となるときがある。

このように、ロボットハンドの動作制御において、積極的にすべりを発生させることは重要である。

産業用ロボットハンドでは、狙ったところに移動するのに高い精度の位置制御が必要だったり、対象物を確実に把持するために、対象物を限定して、すべり落とさないために十分に力を加えて把持することが行われる。また道具を使った作業においては専用工具を利用するなど動作に特化した使用方法が一般的である。

一方、家庭用ロボットハンドでは対象物を限定できないので壊さないように把持する技術が必要だったり、人がいる空間での作業となるので人と柔らかく接触するなどの技術が必要となる。また、なにか道具を使用する際にも人が使うのと同じような道具を使用することが求められる。

すなわち家庭用ロボットハンドにおいて、多種多様な大きさや形状、表面状態、重量の任意物体を器用に把持して操りを行ったり、人間と親和性の高い物理的インタラクションを行なうためには、「力の大きさ、方向、分布」に加えて「すべり」、「ころがり」、「振動」などの物体の動的挙動を検知出来ることが必要である。さらに、物体を把持する指先や皮膚にあたる部分には、把持に最適なやわらかさ（粘弾性・超弾性・ゴム的性質）と表面の摩擦によるグリップ性が必要である。

このように、特に、家庭でロボットハンドでは、産業用ロボットハンドに比べ、積極的にすべりを発生させてロボットハンドの動作を制御方法が必要となると考えられる。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、ロボットハンドによる物体の安定把持、器用な操りなどで必要な滑りの情報を取得し、その情報を利用して、把持の制御やロボットハンドの指先で物を滑らせながら扱うようなすべり制御を行うことができるようにするものである。

本発明の一側面の制御装置は、
対象物から受ける力を検出するセンサが設けられた動作部の動きを制御する制御装置において、
前記センサにより検出された検出値に基づいて、前記対象物と動作部の間の滑りを検出する滑り検出手段と、
前記検出手段により一定量の滑りが検出されるように、前記動作部の動きを制御手段と
を備える。

前記滑り検出手段は、
前記センサは、複数のエレメントで構成される圧力センサであり、
前記センサにより検出された圧力値を用いて、圧力中心位置を演算する圧力中心演算手段と、
前記圧力中心演算手段により演算された前記圧力中心位置の時間変化を用いて、前記圧力中心位置の移動値を演算する圧力中心移動演算手段と、
前記圧力中心移動演算手段により演算された前記圧力中心位置の移動値に基づいて、滑りを検出する検出手段と
を備えることができる。

前記センサは、その表面に粘弾性材料で構成される粘弾性体を有するようにすることができる。

前記滑り検出手段により検出した滑りは、滑り覚検出値、滑り覚検出値から求められる滑り速度または加速度であり、
前記制御手段は、一定の滑り覚検出値、滑り速度または加速度が検出されるように、前記動作部の動きを制御することができる。

前記制御手段は、一定量の滑りが検出されるように、前記動作部の位置、前記動作部の前記対象物に対する力を制御するを制御することができる。

前記制御手段は、滑りが検出されないように、前記操作部を制御することができる。

本発明の一側面の制御方法は、
対象物から受ける力を検出するセンサが設けられた動作部の動きを制御する制御装置において、
前記センサにより検出された検出値に基づいて、前記対象物と動作部の間の滑りを検出する滑り検出ステップと、
前記検出ステップにより一定量の滑りが検出されるように、前記動作部の動きを制御ステップと
を含む。

本発明の一側面の制御装置、制御方法、またはプログラムにおいては、
対象物から受ける力を検出するセンサが設けられた動作部の動きが制御される場合において、
前記センサにより検出された検出値に基づいて、前記対象物と動作部の間の滑りが検出され、
一定量の滑りが検出されるように、前記動作部の動きが制御される。

本発明によれば、例えばロボットハンドによる物体の安定把持、器用な操りなどで必要な滑りの情報を取得し、その情報を利用して、把持の制御やロボットハンドの指先で物を滑らせながら扱うすべり制御を行うことができるようにするものである。

以下に本発明の実施の形態を説明するが、本発明の構成要件と、明細書または図面に記載の実施の形態との対応関係を例示すると、次のようになる。この記載は、本発明をサポートする実施の形態が、明細書または図面に記載されていることを確認するためのものである。従って、明細書または図面中には記載されているが、本発明の構成要件に対応する実施の形態として、ここには記載されていない実施の形態があったとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件に対応するものではないことを意味するものではない。逆に、実施の形態が構成要件に対応するものとしてここに記載されていたとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件以外の構成要件には対応しないものであることを意味するものでもない。

本発明の一側面の制御装置は、対象物から受ける力を検出するセンサが設けられた動作部の動きを制御する制御装置において、
前記センサにより検出された検出値に基づいて、前記対象物と動作部の間の滑りを検出する滑り検出手段（例えば、図６のセンサ２１）と、
前記検出手段により一定量の滑りが検出されるように、前記動作部の動きを制御手段（例えば、図６のメイン制御部１０１とアクチュエータ１０２）と
を備える。

前記滑り検出手段は、
前記センサは、複数のエレメントで構成される圧力センサであり（例えば、図５）、
前記センサにより検出された圧力値を用いて、圧力中心位置を演算する圧力中心演算手段と（例えば、図７の圧力中心演算部１２２）、
前記圧力中心演算手段により演算された前記圧力中心位置の時間変化を用いて、前記圧力中心位置の移動値を演算する圧力中心移動演算手段（例えば、図７の圧力中心移動演算部１２３）と、
前記圧力中心移動演算手段により演算された前記圧力中心位置の移動値に基づいて、滑りを検出する検出手段（例えば、図７の滑り覚検出部１２４）と
を備える。

前記センサは、その表面に粘弾性材料で構成される粘弾性体を有する（例えば、図３）。

以下、図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、本発明を適用したロボットハンドマニピュレータの外観の構成例を表している。

ロボットハンドマニピュレータは、図１の左側に示すように、ロボットハンド１とロボットハンド１を支持する支持部２で構成されている。

ロボットハンド１は、実際に動作する部分としての肩関節部１１−１、上腕部１１−２、肘関節部１１−３、前腕部１１−４、手首部１１−５、および手部１１−６などからなる（なお、これらを個々に区別する必要がない場合、関節部１１と称する）。

ロボットハンド１の上腕部１１−２および前腕部１１−４には、それぞれセンサ２１−１および２１−２が設けられている。また、図１の右側に拡大して示すように、ロボットハンド１の手部１１−６を構成する掌には、センサ２１−３および２１−４が設けられており、手部１１−６を構成する親指の指掌面における第１関節より上には、センサ２１−５、第１関節と第２関節の間には、センサ２１−６がそれぞれ設けられており、人指し指の指掌面における第１関節より上には、センサ２１−７、第１関節と第２関節の間には、センサ２１−８、そして第２関節と第３関節の間には、センサ２１−９がそれぞれ設けられている。

さらに、中指の指掌面における第１関節より上には、センサ２１−１０、第１関節と第２関節の間には、センサ２１−１１、そして第２関節と第３関節の間には、センサ２１−１２がそれぞれ設けられており、薬指の指掌面における第１関節より上には、センサ２１−１３、第１関節と第２関節の間には、センサ２１−１４、そして第２関節と第３関節の間には、センサ２１−１５がそれぞれ設けられており、小指の指掌面における第１関節より上には、センサ２１−１６、第１関節と第２関節の間には、センサ２１−１７、そして第２関節と第３関節の間には、センサ２１−１８がそれぞれ設けられている。

ロボットハンド１に設けられたセンサ２１−１乃至２１−１８（なお、特に区別する必要がない場合、以下、単にセンサ２１と称する。他の場合においても同様である）は、そのセンサ面に垂直な法線力（例えば、圧力）のみを検出する静電容量型圧力センサで構成され、その表面に、人間の皮膚のような柔らかさを有する粘弾性体を有している。この粘弾性体は、外部から受ける力とその形によって様々な形状に変化し、それによって内部のセンサ２１に対して圧力が拡散される。

センサ２１は、粘弾性体に物体が接触した際に、その拡散された圧力値（以下、分布圧力値とも称する）を検出し、検出した分布圧力値に基づいて、ロボットハンド１による物体の安定把持、器用な操りなどの複雑な制御を行うために必要な把持情報である、把持物体と指先間の滑りを検出する。

本実施の形態の把持、操りにおける「滑り」とは、次のように定義される。

一般的には、指と対象物の間の相対運動を「滑り」と呼ぶ。この相対運動には大きく分けて、「並進運動」と「回転運動」の２つがあり、前者の「並進運動」は、把持接触点における把持力（法線力）と直交する方向（せん断方向、接線方向）への運動であり、後者の「回転運動」は、接触を保ちながら回転移動する「転がり運動」と、把持接触点の「法線軸まわりの回転運動」である。これらを、それぞれ、並進滑り、回転滑りと呼んで区別するが、これらは、同時に組み合わさって発生することが多い。

また一方で、把持の安定性やロバスト性などを考慮すると、指先は柔軟な構造とすることが望ましい。この柔軟な指先で対象物を把持している際に対象物へのせん断力を加えていくと、接触領域の外周部から徐々に相対運動が生じて、固着領域と滑り領域が混在する「初期局所滑り」が発生する。さらに、せん断力を加えていくと、ある点を境にして、動摩擦係数に支配される運動状態（狭義の「滑り」）に至る。この滑り出しに相当する「初期局所滑り」時には、振動が発生するため、その観測が可能である。さらに、初期局所滑りに至る前の段階において、指先と対象物の接触領域は略不変であるものの、柔軟素材が変形して「ずれ」が発生する状態も存在する。

把持、操りにおいて、指と対象物の間の完全な相対運動のみを基に制御していたのでは制御の遅れによりうまく実現できないことが多い。したがって、「滑り」を予知し、未然に防ぐことも重要であると考え、上記の「初期局所滑り」および「ずれ」も含めたものまでを広義の「滑り」と呼ぶことにする。

なお、図１のセンサ２１においては、このように定義される「滑り」のうち、「初期局所滑り」および「ずれ」を含めた「並進運動」と「回転運動」を検出することができる。

ロボットハンドマニピュレータは、この滑りに基づき、ロボットハンド１の所定の関節部１１に内蔵されるアクチュエータ（図示せぬ）を制御して、積極的にすべりを発生させ、例えば図１に示されるペンなど長い棒状の持ち替え動作を自然に行わせることができる。

図２は、センサ２１の外観の構成例を示す斜視図である。

センサ２１は、大きく分けて、物体が触れる部分であって、変形する材料で構成されている入力部３１、入力部３１を支える固定部３２、および電源を入力し、センサ２１の検出結果などを、例えば、ロボットハンドマニピュレータのメイン制御部１０１（後述する図６）などに出力する外部接続部３３により構成されている。

図２の例において、入力部３１は、入力面３１ａが四角形である四角柱型で形成されている。なお、以下、特に言及しない場合、この入力面３１ａと平行な面を、ｘｙｚ座標系のｘｙ平面とし、入力面３１ａに垂直な方向をｚ軸方向として説明する。

図３は、図２のセンサ２１の内部構造を示している。図３の上側には、センサ２１を真上から見た上面図が、図３の下側には、センサ２１の側面断面図がそれぞれ示されている。

入力部３１は、大きく分けて、変形部４１および圧力検出部４２からなり、変形部４１を上層、圧力検出部４２を下層とする多層構造となっている。なお、図３上側において入力部３１および変形部４１は、内部構成がわかるように、段階的に透過された状態で示されている。

変形部４１は、例えば、シリコンゲル材料のような粘弾性特性を有する粘弾性材料（粘弾性体）で構成されており、外部からの荷重により容易に変形が可能である。

粘弾性材料には、耐熱、耐寒、しゅう動、耐摩擦性の高いシリコンゲルが適しているが、他の材料を用いることもできる。

また、固定部３２との境界は拘束面になっており、接着や一体成形により固着されている。そのため、ゴム材料同等の非圧縮性から、例えば、側面や上面の一部が膨らむ、いわゆるバルジング現象を起こすこととなり、その形は、荷重値や入力面形状により様々な特徴をあらわすことが、出願人による実験の結果、認められている。

図４は、変形部４１に用いられる粘弾性材料の圧縮および引張特性の例を示している。

縦軸は、粘弾性材料に働く荷重（外力）に抵抗して生じる応力［MPa］を表しており、横軸は、材料に荷重が働くことで現れる変形の、元の状態に対する度合いであるひずみ（歪）を表している。

ひずみが0.0である位置（すなわち、ひずみが生じていない位置）が粘弾性材料に外力が働いてない状態であり、ひずみが0.0である位置から圧縮の荷重が加わると、ひずみは、-0.8辺りまでしか変化せず、生じる応力は、ひずみが-0.5辺りまで、マイナス方向（図中下方向）に少しずつ増加し、ひずみが-0.6を超えた辺りから-0.8辺りまでは、急激に増加する。

一方、ひずみが0.0の位置から引張の荷重が加わると、ひずみは、2.0辺りまで変化し、生じる応力は、ひずみが2.0辺りまで、プラス方向（図中上方向）に、圧縮の場合の応力の増加に比してなだらかに増加する。

図３に戻り圧力検出部４２は、例えば、静電容量変化を利用して、圧力を検出する静電容量型圧力センサなどで構成されている。

変形部４１の変形によって応力分散が生じ、内部の圧力検出部４２に対して圧力が拡散されるので、粘弾性体の変形による補間特性に基づき、圧力検出部４２は、静電容量型圧力センサの空間分解能以上のセンシング性能を得ることができる。

図５は、図３の圧力検出部４２の詳細を示している。

圧力検出部４２は、例えば、フレキシブル基板５１上にマトリクス状に配置された複数の圧力検出素子（以下、センサエレメントとも称する）５２により構成される。すなわち、圧力検出部４２で構成されるセンサは、静電容量型圧力センサであり、分布型圧力センサとも呼ばれる。なお、図５の例においては、説明の便宜上、１つのセンサエレメントに符号を付し、他のセンサエレメントの符号は省略されている。

図５の例の場合、圧力検出部４２は、縦21列×横8行の168個のセンサエレメント５２により構成されており、センサエレメント５２の各列および各行からは、それぞれ、引き出し線が信号処理部５３に入力されている。これらの各センサエレメント５２により検出された分布圧力値は、この引き出し線を介して、信号処理部５３に入力され、信号処理部５３により所定の信号処理が行われる。そして、センサ２１の外部には、この信号処理の結果が出力される。

圧力検出部４２および信号処理部５３が配置されたフレキシブル基板５１の上に、粘弾性材料からなる変形部４１が配置されて、センサ２１が構成されている。

次に、図１のロボットハンドマニピュレータの電気的な構成を説明する。図６は、図１のロボットハンドマニピュレータの電気的な構成例を示している。

図６の例において、ロボットハンドマニピュレータは、メイン制御部１０１、アクチュエータ１０２−１，１０２−２，・・・およびセンサ２１−１，２１−２，・・・より構成されている。

図１に示したように所定の関節部１１に対応する所定の位置に配置されているセンサ２１は、電気的に図５に示したように圧力検出部４２および信号処理部５３を含んで構成されている。

センサ２１の圧力検出部４２は、複数のセンサエレメント５２（図５）により静電容量変化を検出原理として検出された分布圧力値を、信号処理部５３に出力する。なお、分布圧力値の検出原理は、静電容量変化以外であってもよい。例えば、抵抗値変化とすることもできるし、分布圧力値がとれるのであれば、感圧ゴムを並べただけのセンサであってもよい。

信号処理部５３は、圧力検出部４２からの分布圧力値を用いて、所定の信号処理（後述）を行うことで、把持物体と指先間の滑りを検出し、検出した滑りの情報を、メイン制御部１０１にリアルタイムに出力する。

メイン制御部１０１は、CPU(Central Processing Unit)やメモリ等を内蔵しており、CPUにおいて、メモリに記憶された制御プログラムが実行されることにより、各種の処理を行う。

すなわち、メイン制御部１０１は、各センサ２１により検出された把持物体と指先間の滑りの情報を受け、各センサ２１からの把持物体と指先間の滑りの情報に基づき、センサ２１自体の柔らかさおよび表面の摩擦によるグリップ性などを利用して、アクチュエータ１０２のうちの必要なものを制御して、所定の関節部１１を駆動させて、ロボットハンド１に、物体を把持させて、移動や運搬などを行わせる。

メイン制御部１０１はまた、物体を把持されて、移動や運搬などを行わせる際、各センサ２１からの把持物体と指先間の滑りの情報に基づき、アクチュエータ１０２のうちの必要なものを制御して、所定の関節部１１を駆動させて、積極的に、関節部１１と把持物体との間に滑りを発生させ、ロボットハンド１に、より高速にまたはより自然に物体の移動や運搬などを行わせることができる。

なお以下において、このように積極的に、関節部１１と把持物体との間に滑りを発生させ、ロボットハンド１を制御する処理を、すべり制御処理と称する。

各アクチュエータ１０２は、それぞれ、ロボットハンド１の所定の関節部１１（すなわち、肩関節部１１−１、肘関節部１１−３、手首部１１−５、手部１１−６）に内蔵されており、メイン制御部１０１からの駆動信号に従って所定の関節部１１を駆動させる。これにより、所定の関節部１１は、所定の自由度を持って回転することができるようになっている。

図７は、センサ２１の信号処理部５３の電気的な構成例を示している。圧力検出部４２からの分布圧力値の情報は、信号処理部５３の接触検出部１２１および圧力中心演算部１２２にそれぞれ入力される。

信号処理部５３の接触検出部１２１は、圧力検出部４２からの分布圧力値を用いて、各センサエレメント５２における接触検出を行い、センサ２１（変形部４１）への物体の接触検出が行われたセンサエレメント５２の情報を、圧力中心演算部１２２に出力する。

例えば、圧力検出部４２が、水平方向(x)にm個（x=0,1,2,…,m-1）、垂直方向(y)にn個(y=0,1,2,…,n-1)のm×n個（図５の例の場合は、縦を水平方向とみて、m=21,n=8）のセンサエレメント５２で構成されているとすると、接触検出部１２１は、それぞれのセンサエレメント５２の出力（すなわち、圧力値）P(x,y)がある閾値th(x,y)を超えた場合、すなわち、次の式（１）を満たした場合、そのセンサエレメント５２が、入力部３１（変形部４１）への物体の接触を検出したとする。なおth(x,y)は、全てのセンサエレメント５２に対して同じ閾値であってもよい。

また、接触検出部１２１は、それぞれのセンサエレメント５２の出力P(x,y)の総和がある閾値thを超えた場合、すなわち、次の式（２）を満たしたとき、それらのセンサエレメント５２が接触を検出したとしてもよい。

圧力中心演算部１２２は、圧力検出部４２からの分布圧力値を用いて、圧力中心位置を演算し、圧力中心移動演算部１２３に供給する。

具体的には、圧力検出部４２のセンサエレメント５２により検出される圧力値をP(x,y)として、各センサエレメント５２の単位面積をS(x,y)とすると、圧力中心位置COPx,COPyは、次の式（３）で求められる。

すなわち、式（３）の右辺の分母は法線方向にかかる力の総和であり、右辺の分子は、トルクの総和であるので、式（３）によれば、トルクがかかっている位置の代表点としての圧力中心位置が求められる。

なお、図５の例の場合のように、各センサエレメント５２の単位面積S(x,y)が全て同じ場合、圧力中心位置COPx,COPyは、簡易的に、次の式（４）で求められる。

なお、ここで、式（３）および式（４）では、全てのセンサエレメント５２の圧力値P(x,y)を用いたが、式（１）または式（２）を満たす、すなわち、接触を検出したセンサエレメント５２の圧力値P(x,y)のみを用いて、圧力中心位置COPx,COPyを求めることもできる。この場合、接触が検出されないときには圧力中止位置が求められないので、演算を止めておくことができる。

また、図５の例の場合、センサエレメント５２を水平方向および垂直方向にそれぞれ配置した例を説明しているが、センサエレメント５２は、水平方向だけや垂直方向だけに配置した場合にも同様な処理を行うことができる。センサエレメント５２を水平方向だけに配置した場合は、n=0の場合であり、圧力中心位置COPxの結果のみが用いられる。また、センサエレメント５２を垂直方向だけに配置した場合は、m=0の場合であり、圧力中心位置COPyの結果のみが用いられる。

以上のようにして求められる圧力中心位置COPx,COPyは、圧力値に応じて0≦COPx≦m-1, 0≦COPy≦n-1の値しかとらない。したがって、圧力中心位置COPx,COPyを圧力中心移動演算部１２３に渡すことにより、接触位置検出の検出結果が、圧力中心移動演算部１２３において利用可能になる。

圧力中心移動演算部１２３は、圧力中心演算部１２２からの圧力中心位置を時系列に蓄積する。圧力中心移動演算部１２３は、例えば、その蓄積された圧力中心位置の移動平均値の差分、または、圧力中心位置の差分を求め、求められた差分を、圧力中心移動演算値として、滑り覚検出部１２４に出力する。

例えば、圧力中心位置の時系列情報を、それぞれ、COPx(t)およびCOPy(t)とする。圧力中心移動演算部１２３は、微小な変動分を吸収するため、COPx(t)およびCOPy(t)に対して、ローパスフィルタ、または移動平均を行う。ここで、演算がより簡単な移動平均を用いた場合について説明する。なお、変動（ノイズ）が少ない場合には、ローパスフィルタや移動平均処理を行わなくてもよい。

移動平均をとる数をＭとすると、移動平均COPx_MA(t)およびCOPy_MA(t)は、時系列で蓄積されたCOPx(t)およびCOPy(t)を用いて、次の式（５）で表される。

圧力中心移動演算部１２３は、求められた移動平均COPx_MA(t)およびCOPy_MA(t)も時系列で蓄積する。圧力中心移動演算部１２３は、蓄積された移動平均値を用いて、圧力中心移動演算値を次の式（６）のようにして求める。

すなわち、式（６）においては、例えば、時刻tの移動平均値と、時刻t-1、時刻t-2、および時刻t-3などとの移動平均値との差分が求められる。すなわち、複数回の時間の変化が求められる。この移動平均値の差分である圧力中心移動演算値Dx(t,i)およびDy(t,i)は、滑り覚検出部１２４に出力される。

滑り覚検出部１２４は、例えば、圧力中心移動演算部１２３からの演算結果（すなわち、圧力中心移動演算値）を用いて、圧力中心移動検出演算を行い、圧力中心移動検出演算の演算結果により、滑りを検出したり、圧力中心移動演算部１２３からの演算結果を用いて、滑りを検出する。なお、圧力中心移動検出演算の演算結果を用いる場合には、滑り覚検出部１２４は、圧力中心移動演算値に、圧力中心移動演算値の大きさに応じた係数を乗算することで、圧力中心移動検出演算を行い、圧力中心移動検出演算の演算結果により、滑りを検出する。

すなわち、滑り覚検出部１２４は、圧力中心移動検出演算の演算結果、または、圧力中心移動演算部１２３からの演算結果が、所定の閾値（以下、判定用閾値と称する）を超えたか否かを判定し、判定用閾値を超えたと判定した場合、滑りを検出する。

例えば、滑り覚検出部１２４は、圧力中心移動演算部１２３からの圧力中心移動演算値Dx(t,i)およびDy(t,i)を用いて、式（７）を演算し、移動検出係数Kx(i)およびKy(i)を求める。

ここで、thresholdは一定値であり、Cs,Clは、0＜Cs＜Clの定数である。例えば、Cs=1、およびCl=2を用いる。したがって、threshold・iは、iが大きくなると大きくなる値である。すなわち、移動検出係数Kx(i)およびKy(i)は、圧力中心移動演算値Dx(t,i)およびDy(t,i)の大きさに応じて求められる係数、さらに具体的には、圧力中心移動演算値Dx(t,i)およびDy(t,i)の大きさと、時間に応じて大きくなる値との比較結果に応じて求められる係数である。なお、thresholdは可変の値であってもよい。

そして、滑り覚検出部１２４は、式（６）および式（７）により求められた値を用いて圧力中心移動検出演算を行う。この圧力中心移動検出演算の演算式は、式（８）で表される。

さらに、滑り覚検出部１２４は、式（８）により求めた値を用いて滑り覚検出演算を行う。この滑り覚検出演算の演算式は、式（９）で表される。

式（９）により求められる滑り覚検出値SdxおよびSdyは、滑り量が増大するとその量が増加し、方向成分がほぼ保存される性質を有する量である。そして、滑り覚検出部１２４は、この滑り覚検出値SdxおよびSdyが、判定用閾値を超えたと判定したときに、滑りを検出する。

なお、図２０を参照して後述するが、式（９）におけるNの値を大きく、式（７）におけるthresholdを小さくすることで、非常にゆっくりと滑る場合の滑りも検出することができるようになり、Nの値を小さく、thresholdを大きくすることで、高速に滑った場合の滑りのみを検出することができる。したがって、滑り覚検出部１２４においては、複数のNに対して、また複数のthresholdに対して演算を行うことで、複数の種類の滑り覚検出値SdxおよびSdyを取得することができ、それを、検出目的に応じて使い分けることができる。

以上のようにして、滑り覚検出部１２４により検出された滑りと滑りの方向は、滑りの情報として、メイン制御部１０１にリアルタイムに出力される。

図８は、すべり制御処理を実行する場合のメイン制御部１０１とアクチュエータ１０２の電気的な構成例を示している。なお図８の例では、メイン制御部１０１は、１つのアクチュエータ１０２−Ｍを内蔵する１つの関節部１１−Ｍ（図示せぬ）と把持対象物との間に所定の滑りが発生するように、その関節部１１−Ｍに設けられた１つのセンサ２１−Ｎからの検出結果に基づいて、そのアクチュエータ１０２−Ｍを制御するものとする。

メイン制御部１０１のすべり制御部５０１は、実行させるすべり制御処理により関節部１１−Ｍに発生させたいすべり量（すなわち滑り覚検出値SdxおよびSdy）（以下、適宜、目標滑り覚検出値と称する）を決定し、減算器５０２に供給する。

減算器５０２には、センサ２１−Ｎから検出されたすべり量（すなわちフォードバックされる滑り覚検出値SdxおよびSdy）（以下、適宜、検出滑り覚検出値と称する）が供給される。

減算器５０２は、すべり制御部５０１から供給された目標滑り覚検出値と、センサ２１から供給された検出滑り覚検出値とを減算し、その結果得られた両者の差分値を、すべり操作部５０３に供給する。

すべり操作部５０３は、減算器５０２から供給された差分値が減少するように関節部１１−Ｍを起動させるための制御信号（すなわち、目標滑り覚検出値が検出されるように関節部１１−Ｍを起動させるための制御信号）を、アクチュエータ１０２−Ｍに供給する。

アクチュエータ１０２−Ｍの調節部５１１は、メイン制御部１０１のすべり操作部５０３から供給された制御信号に応じた関節部１１−Ｍの位置や関節部１１−Ｍが発生する力（または受ける力）（以下、目標状態と称する）を示す信号を減算器５１２に供給する。

減算器５１２には、状態検出部５１４から、調節部５１１が出力する目標状態を示す信号に対応する、関節部１１−Ｍのいま現在の位置や発生している力（以下、適宜、検出状態と称する）を表す信号が供給される。

減算器５１２は、調節部５１１から供給された関節部１１−Ｍの目標状態を示す信号と、状態検出部５１４から供給された関節部１１−Ｍの検出状態を示す信号の差分を算出し、その結果得られた差分値を、駆動部５１３に供給する。

駆動部５１３は、減算器５１２から供給された差分値が減少するように関節部１１−Ｍを駆動させる。

状態検出部５１４は、アクチュエータ１０２−Ｍが内蔵されている関節部１１−Ｍの位置や発生している圧力等のその関節部１１−Ｍの状態を検出し、その状態を表す信号を減算器５１２にフィードバックする。

次に、センサ２１とメイン制御部１０１の動作を説明する。

はじめにセンサ２１の動作を、図９を参照して説明する。

図９は、荷重前の入力部３１の形状の例（上側）と荷重後の入力部３１の形状の例（下側）を示している。なお、図９の例において、図中右方向がｘｙｚ座標系のｘ軸の正方向を表し、図中上方向がｚ軸の正方向を表している。

指Ａなどの入力部３１の押下により入力部３１にｚ軸の負方向（図中下方向）に荷重Ｆｚがかけられると、入力部３１と固定部３２とは接着や一体成形により固着され、その境界は拘束面となっているとともに、変形部４１はゴム材料同等の非圧縮性であることから、変形部４１は徐々に変形し、応力分散により圧力分布が発生する。そして荷重後においては、点線に示されるもとの形状よりも側面や上面の一部が膨らむ、いわゆるバルジング現象が発生して、その状態における圧力分布が発生する。

すなわち圧力検出部４２を構成するセンサエレメント５２（図５）のうち、荷重Ｆｚによる圧力中心位置Ｃに位置するセンサエレメント５２が計測する圧力値は、図１０の圧力値と時間のグラフ（図１０の図中下のグラフ）に示されるように、段々と上がり、所定の値に達すると、その所定の値が維持される静定状態となる。

静定状態の圧力検出部４２における圧力値の分布は、図１０の圧力値とｘ軸方向の位置のグラフ（図１０の図中上のグラフ）に示されるように、圧力中心位置Ｃの圧力値を最大とし、圧力値の分布範囲の両端における圧力値を最小とした略左右対称の山なりの形状となる。

なお、圧力検出部４２の上に粘弾性がない場合には、指Ａとほぼ点接触状態となり圧力中心位置Ｃに位置するセンサエレメント５２の圧力値しか検出されないため、図１０の圧力値とｘ軸方向の位置のグラフのような圧力分布は発生しない。

このように荷重に応じて変形部４１が変化し、その変形に応じた圧力値が圧力検出部４２により検出される。なお圧力検出部４２の上に粘弾性体からなる変形部４１があることで、接触物（指Ａ）の接触面積以上の圧力分布が発生するので、広範囲の圧力分布となり、圧力中心演算結果のノイズが低減される。

図１１は、ずらし前の形状の例（上側）とずらし後の入力部３１の形状の例（下側）を示している。なお、図１１のずらし前の入力部３１の状態は、図９における荷重後の入力部３１の状態と同じ状態を表している。

図１１においては、ずらし前に示されるように、指Ａなどの入力部３１の押下により入力部３１にｚ軸の負方向（図中下方向）に荷重Ｆｚがかけられた後、ずらし後に示されるように、その指Ａが入力部３１を押下したまま、せん断力Ｆｓで、ｘ軸の正方向（図中右方向）にずらすずらし動作が行われる。

この場合、入力部３１は、ｘ軸の正方向へのずらし動作により、固定部３２との拘束面を固着させたまま、せん断変形し、その結果、ずらし前の荷重Ｆｚによる圧力中心位置Ｃに位置するセンサエレメント５２に対する圧力分布位置関係に変化が生じる。

図１１の例の場合、ずらし前の圧力中心位置Ｃから、ずらし後の圧力中心位置がｄずれてしまっている。また、せん断力が摩擦力を超えていない場合でも粘弾性体の柔軟構造により変形が発生し、圧力分布に変化が生じる。

すなわち、図１２のずらし前とずらし後の圧力分布に示されるように、ずらし前の圧力分布（上側）は、圧力中心位置Ｃの圧力値を最大とし、圧力値の分布範囲の両端における圧力値を最小とした略左右対称の山なりの形状となっているが、ずらし後の圧力分布（下側）は、圧力値の分布範囲がずらし前よりも狭くなっており、さらに、ずらし前の圧力中心位置Ｃから、少し、ｘ軸の正方向へずれた位置の圧力値を最大として、ｘ軸の正方向よりもｘ軸の負方向になだらかな山なりの形状となる。すなわち、ずらしにより、圧力中心位置は変化する。

この圧力分布の変形量は、せん断力Ｆｓの大きさに依存して大きくなるため、例え入力部３１（変形部４１）の粘弾性体と接触物（指Ａ）との接触領域が略不変としても、圧力中心の変化を捉えることができ、広義の「滑り」を捉えることができる。したがって、ロボットハンド１によって把持を行っている際には、入力部３１の粘弾性体と接触物との間の完全な相対運動を基に把持力制御を行うよりも、「ずれ」の状態で滑りを検出し、把持力制御を行った方が有効であるといえる。

ここで、センサ２１への荷重抜重の実験の結果に基づいて、センサ２１の動作をさらに詳細に説明する。

図１３には、センサ２１への荷重抜重の実験概要と圧力検出部４２の詳細が示されている。この実験概要においては、図中右方向がｘｙｚ座標系のｘ軸の正方向を表し、図中上方向がｚ軸の正方向を表している。なお、センサ２１の圧力検出部４２の詳細においては、図中左方向がｘｙｚ座標系のｘ軸の正方向を表し、図中上方向がｙ軸の正方向を表している。

この実験においては、まず、略1500ms乃至4000ms間に、図１３の実線矢印に示されるように、センサ２１の粘弾性体からなる変形部４１に対して、先端に球Ｒを有するTipが、力Ｆｚ、所定の速度または加速度で押し込まれ、ｚ軸の負方向（図中下方向）に荷重がかけられることで、変形部４１の粘弾性体に、応力、ひずみ、ひずみＥ（エネルギ）が発生し、それにより、接触面積以上に圧力分布が拡散される。また、荷重をかけたまま一定時間(略4000ms乃至14500ms)経過した後で、略14500ms乃至17000ms間に、点線矢印に示されるように、抜重が行われる。そして、以上の変形部４１に対する荷重から抜重の間の、圧力検出部４２を構成するセンサエレメント５２（図１３の例の場合、ID(identification)1008乃至ID1175が付された21×8個の各センサエレメント５２）からの出力データが計測される。

図１４には、図１３の実験で計測された出力データが時間経過に沿って示されている。上から順に、所定のセンサエレメント５２の圧力値と時間のグラフ、接触素子数、接触面積、および接触素子の圧力値の総和と時間のグラフ、力および押し込み深さと時間のグラフが示されている。なお、この例においては、説明の便宜上、図１３においてハッチングが付されているIDのセンサエレメント５２の圧力値のみしか示されていない。

最上段において、グラフ１３１は、図１３のTipの真下に配置されるID1084のセンサエレメント５２から出力される圧力値を時間経過に沿って示している。以下、同様に、グラフ１３２は、ID1084のｘ軸の正方向側の隣に配置されるID1092のセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１３３は、ID1092のｘ軸の正方向側の隣に配置されるID1100のセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１３４は、ID1100のｘ軸の正方向側の隣に配置されるID1108のセンサエレメント５２から出力される圧力値を示している。

中段において、グラフ１３５は、接触閾値を超えたセンサエレメント５２からの圧力値の総和を時間経過に沿って示している。グラフ１３６（破線）は、接触閾値を超えたセンサエレメント５２の数（すなわち、接触素子数）を時間経過に沿って示しており、グラフ１３７は、グラフ１３６で示される接触素子数に基づいて求められる接触面積を時間経過に沿って示している。

最下段において、グラフ１３８は、入力部３１の上において６軸力センサで計測されるｚ軸方向（法線方向）の力Ｆｚ１を時間経過に沿って示しており、グラフ１３９は、Tipが変形部４１に押し込まれる深さ（ｚ軸方向の位置）を時間経過に沿って示している。なお、６軸力センサによる力Ｆｚ１は、後述する演算により求められる力Ｆｚと比較のために計測されている。

すなわち、グラフ１３１乃至グラフ１３４により、Tipの真下に配置されるID1084のセンサエレメント５２からの圧力値が最も大きい値であることがわかり、ID1084のセンサエレメント５２から３つ離れたID1108のセンサエレメント５２からの圧力値は、ずっと０であり、圧力値を検出していないことがわかる。また、荷重をかけたままであっても、グラフ１３１乃至グラフ１３４における略4000ms乃至14500msに示されるように、各センサエレメント５２出力される圧力値は、少しずつ下がっている。これは、粘弾性体の応力緩和によるものである。

また、これらのグラフ１３１乃至グラフ１３４が示す圧力値に基づいて、接触領域、接触面積、加重された力Ｆｚ、圧力中心位置COPx,COPyを算出することができる。具体的には、接触領域とは、グラフ１３６で示される接触素子数を表しており、接触領域は、センサエレメント５２毎に上述した式（１）が用いられ、接触閾値（例えば、th(x,y)）を超えたものが接触素子（すなわち、接触を検出したセンサエレメント）であるとして求められる。グラフ１３７で示される接触面積は、グラフ１３６で示される接触素子数に、素子面積を掛け合わせて求めることができる。また、力Ｆｚは、次の式（１０）を用いて求めることができる。すなわち、式（１０）で求められる力Ｆｚは、誤差などがあるが、グラフ１３８で示される力Ｆｚ１と略同じ値となる。

圧力中心位置COPx,COPyは、上述した式（３）（または式（４））で求めることができる。なお、図１３の例の場合、圧力中心位置COPx,COPyは、Tipの真下に配置されるID1084のセンサエレメント５２の位置となる。

図１５には、センサ２１への荷重後せん断力Ｆｓをかける実験概要と圧力検出部４２の詳細が示されている。実験概要においては、図中右方向がｘｙｚ座標系のｘ軸の正方向を表し、図中上方向がｚ軸の正方向を表している。なお、圧力検出部４２の詳細においては、図中左方向がｘｙｚ座標系のｘ軸の正方向を表し、図中上方向がｙ軸の正方向を表している。

この実験においては、まず、図１３の例と同様に、センサ２１の粘弾性体からなる変形部４１に対して、Tipが、力Ｆｚ、所定の速度または加速度で押し込まれ、ｚ軸の負方向（図中下方向）に荷重がかけられることで、変形部４１の粘弾性体に、応力、ひずみ、ひずみＥ（エネルギ）が発生し、それにより、接触面積以上に圧力分布が拡散される。その後、荷重をかけたまま、略1000ms乃至11000ms間に、図１５の実線矢印に示されるように、押し込み深さ−1.0mm、所定の速度または加速度で、ｘ軸の正方向（図中右側）にTipを移動させる（ずらす）せん断力がかけられ、そのままの状態で、所定の時間Tipを停止させている。そして、以上の間の、圧力検出部４２を構成するセンサエレメント５２（図１５の例の場合も、ID1008乃至ID1175が付された21×8の各センサエレメント５２）からの出力データが計測される。

図１６には、図１５の実験で計測された出力データが時間経過に沿って示されている。すなわち、上から順に、所定のセンサエレメント５２の圧力値と時間のグラフ、接触素子数、接触面積、および接触素子の圧力値の総和と時間のグラフ、Tipのｘ軸方向の位置、圧力中心位置、および圧力中心移動速度と時間のグラフ、並びに、力および回転力と時間のグラフが示されている。なお、この例においても、説明の便宜上、図１５においてハッチングが付されているIDのセンサエレメント５２の圧力値のみしか示されていない。

最上段において、グラフ１４１は、図１５のID1076のｘ軸の負方向側の隣に配置されるID1068のセンサエレメント５２から出力される圧力値を時間経過に沿って示している。以下、同様に、グラフ１４２は、ID1084のｘ軸の負方向側の隣に配置されるID1076のセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１４３は、Tipの真下に配置されるID1084のセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１４４は、ID1084のｘ軸の正方向側の隣に配置されるID1092のセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１４５は、ID1092のｘ軸の正方向側の隣に配置されるID1100のセンサエレメント５２から出力される圧力値を示している。

また、グラフ１４６は、ID1100のｘ軸の正方向側の隣に配置されるID1108のセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１４７は、ID1108のｘ軸の正方向側の隣に配置されるID1116のセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１４８は、ID1116のｘ軸の正方向側の隣に配置されるID1124のセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１４９は、ID1124のｘ軸の正方向側の隣に配置されるID1132のセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１５０は、ID1132のｘ軸の正方向側の隣に配置されるID1140のセンサエレメント５２から出力される圧力値を示している。

上から２段目において、グラフ１５１（破線）は、接触閾値を超えたセンサエレメント５２からの圧力値の総和を時間経過に沿って示している。グラフ１５２（グレイの線）は、接触閾値を超えたセンサエレメント５２の数（すなわち、接触素子数）を時間経過に沿って示しており、グラフ１５３は、グラフ１５２で示される接触素子数に基づいて求められる接触面積を時間経過に沿って示している。

上から３段目において、グラフ１５４は、ｘ軸方向のTipの位置を時間経過に沿って示している。グラフ１５５は、上述した式（３）（または式（４））で求められる圧力中心位置COPx,COPyのうちのCOPxを時間経過に沿って示しており、グラフ１５６は、圧力中心位置COPxの差分を時間で除算した圧力中心位置の移動速度を時間経過に沿って示している。

最下段において、グラフ１５７は、入力部３１の上において６軸力センサで計測されるｘ軸方向の力Ｆｘ１を時間経過に沿って示しており、グラフ１５８は、ｙ軸方向の力Ｆｙ１を時間経過に沿って示しており、グラフ１５９は、ｚ軸方向（法線方向）の力Ｆｚ１を時間経過に沿って示している。また、グラフ１６０は、入力部３１の上において６軸力センサで計測されるｘ軸を中心とした回転方向の力Ｍｘ１を時間経過に沿って示しており、グラフ１６１は、ｙ軸を中心とした回転方向の力Ｍｙ１を時間経過に沿って示しており、グラフ１６２は、ｚ軸を中心とした回転方向の力Ｍｚ１を時間経過に沿って示している。なお、６軸力センサによる力や回転力は、後述する演算により求められる力Ｆｚと比較のために計測されている。

すなわち、グラフ１４１乃至グラフ１５０により、最大の圧力値は、時間の経過に応じて、それぞれ、Tipの真下に配置されるID1084、ID1092、ID1100、ID1108、ID1116、ID1124、ID1132、ID1140の各センサエレメント５２からの圧力値となる。

また、図１３の例の場合と同様に、これらのグラフ１４１乃至グラフ１５０が示す圧力値に基づいて、接触領域、接触面積，力Ｆｚ,圧力中心位置COPx,COPyを算出することができる。具体的には、接触領域とは、グラフ１５２で示される接触素子数を表し、センサエレメント５２毎に上述した式（１）が用いられ、接触閾値を超えたものが接触素子（すなわち、接触を検出したセンサエレメント）であるとして求めることができる。グラフ１５３で示される接触面積は、グラフ１５２で示される接触素子数に、素子面積を掛け合わせて求めることができる。また、力Ｆｚは、上述した式（１０）を用いて求められる。すなわち、式（１０）で求められる力Ｆｚは、誤差などがあるが、グラフ１５９で示される力Ｆｚ１と略同じ値となる。

また、グラフ１５５で示される圧力中心位置COPxと、圧力中心位置COPyは、上述した式（３）（または式（４））で求めることができる。グラフ１５５で示される圧力中心位置COPxは、グラフ１５４で示されるTipの位置を少し先行はしているものの、グラフ１５４で示されるTipの位置とほぼ同様に移動している。

図１７は、図１５と同様の実験で計測された出力データの他の例を示している。図１７の例においては、上から順に、センサ２１が、Tipで、約6000ms前後に荷重開始され、約9000ms乃至12000msの辺りで移動（ずらし）が開始された場合における、所定のセンサエレメント５２の圧力値と時間のグラフ、接触素子数、接触面積、および接触素子の圧力値の総和と時間のグラフ、Tipのｘ軸方向の位置、圧力中心位置、および圧力中心移動速度と時間のグラフ、並びに、力および回転力と時間のグラフが示されている。なお、図１７のグラフは、図１６のグラフの他の例であり、その詳細な説明は基本的に同様であるため、繰り返しになるので適宜省略する。

最上段において、グラフ１７１は、グラフ１７３に示される圧力値を出力するセンサエレメント５２のｘ軸の負方向側の２つ隣に配置されるセンサエレメント５２から出力される圧力値を時間経過に沿って示している。以下、同様に、グラフ１７２は、グラフ１７３に示される圧力値を出力するセンサエレメント５２のｘ軸の負方向側の隣に配置されるセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１７３は、Tipの真下に配置されるセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１７４は、グラフ１７３に示される圧力値を出力するセンサエレメント５２のｘ軸の正方向側の隣に配置されるセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１７５は、グラフ１７４に示される圧力値を出力するセンサエレメント５２のｘ軸の正方向側の隣に配置されるセンサエレメント５２から出力される圧力値を示している。

また、グラフ１７６は、グラフ１７５に示される圧力値を出力するセンサエレメント５２のｘ軸の正方向側の隣に配置されるセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１７７は、グラフ１７６に示される圧力値を出力するセンサエレメント５２のｘ軸の正方向側の隣に配置されるセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１７８は、グラフ１７７に示される圧力値を出力するセンサエレメント５２のｘ軸の正方向側の隣に配置されるセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１７９は、グラフ１７８に示される圧力値を出力するセンサエレメント５２のｘ軸の正方向側の隣に配置されるセンサエレメント５２から出力される圧力値を示し、グラフ１８０は、グラフ１７９に示される圧力値を出力するセンサエレメント５２のｘ軸の正方向側の隣に配置されるセンサエレメント５２から出力される圧力値を示している。

上から２段目において、グラフ１８１は、接触閾値を超えたセンサエレメントからの圧力値の総和を時間経過に沿って示している。グラフ１８３は、接触閾値を超えたセンサエレメント数（接触素子数）に基づいて求められる接触面積を時間経過に沿って示している。

上から３段目において、グラフ１８４は、ｘ軸方向のTipの位置を時間経過に沿って示している。グラフ１８５は、上述した式（３）（または式（４））で求められる圧力中心位置COPx,COPyのうちのCOPxを時間経過に沿って示しており、グラフ１８６は、圧力中心位置COPxの差分を時間で除算した圧力中心位置の移動速度を時間経過に沿って示している。

最下段において、グラフ１８７は、入力部３１の上において６軸力センサで計測されるｘ軸方向の力Ｆｘ１を時間経過に沿って示しており、グラフ１８８は、ｙ軸方向の力Ｆｙ１を時間経過に沿って示しており、グラフ１８９は、ｚ軸方向（法線方向）の力Ｆｚ１を時間経過に沿って示している。また、グラフ１９０は、入力部３１の上において６軸力センサで計測されるｘ軸を中心とした回転方向の力Ｍｘ１を時間経過に沿って示しており、グラフ１９１は、ｙ軸を中心とした回転方向の力Ｍｙ１を時間経過に沿って示しており、グラフ１９２は、ｚ軸を中心とした回転方向の力Ｍｚ１を時間経過に沿って示している。

ここで、図１７の上から２段目におけるグラフ１８１およびグラフ１８３のTipの移動開始（すなわち、約8000ms乃至16000ms）近辺を、図１８に拡大して示す。グラフ１８３に示されるように、いままで（すなわち、略11000msの直前まで）安定していた接触面積が、急に減ったり、増えたりしている。すなわち、Tipの動き出し直前に、接触面積に、急に増えたりあるいは減少したりする大きな変化が見られる。

また、図１７の上から３段目におけるグラフ１８４乃至グラフ１８６のTipの移動開始（すなわち、約10000ms乃至11000ms）近辺を、図１９に拡大して示す。図１９の例においては、グラフ１８４は、太線で示され、グラフ１８５は、破線で示され、グラフ１８６は、一点鎖線で示されている。グラフ１８４で示されるTipの位置は、円Ａで示す辺りから移動を開始しているが、グラフ１８５に示される圧力中心位置COPxは、円Ａで示すTipが移動を開始するよりも略100ms前の円Ｂで示す辺りから変化を始めている。すなわち、Tipの動き出し直前に、圧力中心位置COPxにも大きな変化が見られる。

以上のTipの動き出し直前における接触面積や圧力中心位置COPxの大きな変化は、粘弾性体の変形によるものと思われ、これらは、センサ単体では得ることができない。したがって、図３に示されるように、センサ２１を粘弾性体からなる変形部４１と静電容量型圧力センサからなる圧力検出部４２の組み合わせで構成することにより、Tipの動き出し直前における接触面積や圧力中心位置の大きな変化の情報を取得することが可能になる。

図２０は、図１５と同様の実験方法により求められる滑り覚検出データを示している。図２０の例においては、Tipを押し込み深さ-1.0mmとなるようにｘ軸の負方向に荷重をかけたまま、さらに、1.0mmの速度でｘ軸の正方向に移動させた場合のTipの位置、圧力中心位置COPx、および移動平均COPx_MAと、それらから求められる３種類の滑り覚検出値が示されている。

すなわち、上段、中段、下段において、グラフ１９４は、Tipのｘ軸方向の位置を示しており、グラフ１９５は、ｘ軸方向の圧力中心位置COPxを示しており、グラフ１９６は、移動平均COPx_MAを示している。そして、上段において、グラフ１９７は、式（９）（または式（１２）や式（１４））においてNを大きくし、式（７）においてthresholdを小さくした低速（Low Speed）の滑り覚検出値を示している。中段において、グラフ１９８は、Nとthresholdを、上段と下段の中間的な値とした中速（Medium Speed）の滑り覚検出値を示している。また、下段において、グラフ１９９は、Nを小さく、thresholdを大きくした高速（High Speed）の滑り覚検出値を示している。

グラフ１９７に示されるように、低速の滑り覚検出値は、静止中は、略０を示し、滑り出してから滑り終わるまで、0.5乃至1.5程度の値を示し、停止後は、±0.25の値を示している。グラフ１９８に示されるように、中速の滑り覚検出値は、静止中は、略０を示し、滑り出してから滑り終わるまで、0.1乃至0.4程度の値を示し、停止後は、±0.15の値を示している。グラフ１９９に示されるように、高速の滑り覚検出値は、静止中は、略０を示し、滑り出してから滑り終わるまで、0.02乃至0.06程度の値を示し、停止後は、±0.03の値を示している。

すなわち、高速の滑り覚検出値は、低速の滑り覚検出値に比して微小の値であり、低速の滑りの方が、滑っている間と滑っていない間を容易に検出することができる。

以上の特徴、すなわち、粘弾性体の特性や、圧力値から取得される圧力中心位置などを使用することにより、物体との接触面で発生する滑りを検出することが可能となる。

なお、上記説明においては、ｘ軸について説明を行ったが、ｙ軸の場合も同様に滑りを検出することができる。

次に、すべり制御処理を実行する場合のメイン制御部１０１とアクチュエータ１０２のの動作を説明する。

ここではロボットハンドマニピュレータが、図２１に示すように、図１の関節部１１に相当する縦長の四角柱のハンド部６１１とハンド部６１２からなるロボットハンドと、図１の支持部２に相当する支持部６０１から構成されているものとする。図中右方向がｘｙｚ座標系のｚ軸の正方向を表し、図中下方向がｘ軸の正方向を表している。

ハンド部６１１とハンド部６１２は、支持部６０１に、図中水平方向に移動可能に取り付けられている。ハンド部６１１，６１２の対象物６５１を把持する側には（すなわち内側には）、所定の大きさのセンサ２１がそれぞれ１１個縦方向に一列に設けられている。なおセンサ２１が１１個設けられている部分全体を、センサ６１３とセンサ６１４と称する。

ロボットハンドマニピュレータは、ハンド部６１１とハンド部６１２の間に把持されている球状（約φ50mm）の対象物６５１（静止している対象物６５１）を一定の速度ですべらせながら図中下方向に移動させる（すなわち落下させる）すべり制御処理を実行する。

図２１の対象物６５１とセンサ６１３との接触部分を拡大した図２２に示す、センサ６１３の変形部４１（粘弾性体）を弾性体と仮定すると、センサ６１３は、センサ６１３の法線方向に、その弾性体のばね係数ｋと、対象物６５１（図中、実線でその一部が示されている対象物６５１）による変形部４１の押し込み深さｚから式（１１）により得られる力Ｆzを発生する。なお図中右方向がｘｙｚ座標系のｚ軸の正方向を表し、図中下方向がｘ軸の正方向を表している。

また、センサ６１３のせん断方向に、対象物６５１が移動しようとする力（すなわち落下しようとする力）Ｆsが発生する。

すなわちセンサ６１３は、例えば図１１および図１２を参照して上述したように、法線方向の力Ｆzとせん断方法の力Ｆsにより生じる圧力分布により、対象物６５１の滑り覚検出値（この例の場合、滑りはｘ軸方向のみに発生するので滑り覚検出値Sdx）を計測することができるので、ロボットハンドマニピュレータは、センサ６１３により計測される滑り覚検出値Sdxおよびセンサ６１４により計測される滑り覚検出値Sdxを参照しながら、例えば滑り覚検出値Sdxが一定の量となるように、センサ６１３またはセンサ６１４の法線方向の力Ｆzを調整する処理を行う。

具体的には、簡単のために、図２１においてハンド部６１２が固定され、ハンド部６１１のみを可動させるものとすると、所定の滑り覚検出値Sdxが得られる圧力分布が得られるように押し込み深さｚを調整すべく、ハンド部６１１の図中左右方向の位置が調整される。

図２３および図２４には、このすべり制御処理を実行した場合の各種測定データが示されている。

図２３の最上段には、ハンド部６１１の位置と対象物６５１の位置の関係が示され、中段には、ハンド部６１１の位置と法線方向の力Ｆzとの関係を示し、最下段には、対象物６５１の位置と接触素子数との関係が示されている。

図２４の上段には、対象物６５１の位置と圧力中心位置との関係が示され、下段には、対象物６５１の位置と滑り覚検出値との関係が示されている。

図２３および図２４の曲線７０１は、対象物６５１の位置を時間経過に沿って表している。静止状態の対象物６５１は、ｘｙｚ座標系において、ｘ軸上の少しマイナス側に位置する。

図２３の曲線７０２は、ハンド部６１１の位置を時間経過に沿って表している。ハンド部６１１は、ステッピングモータにより支持部６０１に沿って水平方向に移動されるものとし、ハンド部６１１の位置は、そのステップ数で表されている。ステップ数が大きな値になることは、図２１において右方向に移動したことを意味し、ステップ数が小さな値にあることは、図２１において左方に移動したことを意味する。なおこの例の場合、ステップ数が１だけ変化した場合、２μｍだけ水平方向に移動する。

図２３の曲線７０３は、法線方向の力Ｆzを時間経過に沿って表している。なお法線方向の力Ｆzは、式（１０）により求められる。

図２３の曲線７０４は、接触素子数（すなわち接触閾値を超えたセンサエレメント５２数）を時間経過に沿って表している。

図２４の曲線７０５は、式（３）（または式（４））で求められる圧力中心位置を時間経過に沿って表している。

図２４の曲線７０６は、滑り覚検出値（この例のｘ軸方向にのみ滑りが発生するので滑り覚検出値Sdx）を時間経過に沿って表している。この滑り覚検出値は、式（９）により求められる。

図２３および図２４によれば、時間計測から約２秒経過後にすべり制御処理が開始される。なおこの例の場合目標滑り覚検出値Sdxは１である。すべり制御処理開始から時間計測後約１２秒経過後までの間、ハンド部６１１は、図２１中、左側方向（すなわち対象物６５１を放す方向）に少しずつ移動している。そのハンド部６１１の移動により、押し込み深さｚ（図２２）が小さくなり、法線方向の力Ｆzが小さくなるので（式（１１））、せん断方向の力Ｆsが、法線方向の力Ｆzと静止摩擦係数との乗算値である最大摩擦力を上回ったとき、対象物６５１の移動（落下）が開始され、対象物６５１がゆっくり移動する。

その後、対象物６５１の移動速度が増し、時間計測後約１７秒経過後において、目標の滑り覚検出値Sdxが得られている。

このように目標の滑り覚検出値Sdxが得られるようになると、その目標滑り覚検出値Sdxが維持できるように、ハンド部６１１の位置が調整される。

例えばセンサ６１３と移動中の対象物６５１の接触部分との摩擦力が動摩擦力のみと仮定した場合、動摩擦力ｆcは、式（１２）により求められるので、このときの動摩擦力ｆcが維持できるように、埋め込み深さｚが、ハンド部６１１の位置を変更することによって調整される。

図２３の例では、ハンド部６１１が少しずつ図２１において右方向に移動するようにして調整されている。

以上のように、すべり制御処理を行うようにすることにより、対象物６５１を滑り覚検出値Sdx＝１ですべらせながら操作することができる。

なおこの例では、所定の滑り覚検出値（滑り覚検出値Sdx＝１）が得られるようにすべり制御処理が実行されたが、滑り覚検出値から所定の滑り速度（滑り覚検出値を所定の時間で除算する結果得られた値）や加速度（例えば滑り覚検出値を時間で微分して得られる値）をさらに算出し、所定の滑り速度や加速度が得られるようにすべり制御処理を実行することもできる。また当然、例えば目標とする滑り覚検出値を０とすれば、滑りが発生しないようにロボットハンドを制御することもできる。

なおここでは図２１に示したような簡単なロボットハンドを例として説明したが、図１に示したような多指多関節型ロボットハンドにも当然適用することができる。

以上により、本発明を適用したセンサによれば、ロボットハンドによる物体の安定把持、器用な操りなどで必要な滑りの情報を取得し、その情報を利用して、把持の制御やロボットハンドの指先で把持対象物を滑らせながら扱うような操り制御を行うことができる。

なお、上記説明においては、圧力検出部４２が静電容量変化を検出原理として分布圧力値を検出すると説明したが、静電容量変化に限らず、圧力検出部４２は、例えば、抵抗値変化を検出原理として分布圧力値を検出するように構成することもできるし、また、分布圧力値がとれるのであれば、感圧ゴムを並べただけのセンサで構成することもできる。

また、上記説明においては、センサ２１がロボットハンドマニピュレータの腕や手などに設けられる場合を説明したが、本発明は、各種ロボットの関節機構部、ゲームのコントローラやジョイスティック、様々な入力装置、衝撃吸収装置、生態計測装置、ヘルスケア商品、スポーツ分野などの分野や製品などにも適用することができる。

上述した一連の処理は、ハードウエアにより実行させることもできるし、ソフトウエアにより実行させることもできる。

一連の処理をソフトウエアにより実行させる場合には、そのソフトウエアを構成するプログラムが、専用のハードウエアに組み込まれているコンピュータ、または、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能な、例えば汎用のパーソナルコンピュータなどに、プログラム記録媒体からインストールされる。

図２５は、上述した一連の処理をプログラムにより実行するパーソナルコンピュータ３０１の構成の例を示すブロック図である。CPU（Central Processing Unit）３１１は、ROM（Read Only Memory）３１２、または記憶部３１８に記憶されているプログラムに従って各種の処理を実行する。RAM（Random Access Memory）３１３には、CPU３１１が実行するプログラムやデータなどが適宜記憶される。これらのCPU３１１、ROM３１２、およびRAM３１３は、バス３１４により相互に接続されている。

CPU３１１にはまた、バス３１４を介して入出力インタフェース３１５が接続されている。入出力インタフェース３１５には、上述したセンサ２１、キーボード、マウス、マイクロホンなどよりなる入力部３１６、ディスプレイ、スピーカなどよりなる出力部３１７が接続されている。CPU３１１は、入力部３１６から入力される指令に対応して各種の処理を実行する。そして、CPU３１１は、処理の結果を出力部３１７に出力する。

入出力インタフェース３１５に接続されている記憶部３１８は、例えばハードディスクからなり、CPU３１１が実行するプログラムや各種のデータを記憶する。通信部３１９は、インターネットやローカルエリアネットワークなどのネットワークを介して外部の装置と通信する。

また、通信部３１９を介してプログラムを取得し、記憶部３１８に記憶してもよい。

入出力インタフェース３１５に接続されているドライブ３２０は、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、或いは半導体メモリなどのリムーバブルメディア３２１が装着されたとき、それらを駆動し、そこに記録されているプログラムやデータなどを取得する。取得されたプログラムやデータは、必要に応じて記憶部３１８に転送され、記憶される。

コンピュータにインストールされ、コンピュータによって実行可能な状態とされるプログラムを格納するプログラム記録媒体は、図２５に示すように、磁気ディスク（フレキシブルディスクを含む）、光ディスク（CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory),DVD(Digital Versatile Disc)を含む）、光磁気ディスク、もしくは半導体メモリなどよりなるパッケージメディアであるリムーバブルメディア３２１、または、プログラムが一時的もしくは永続的に格納されるROM３１２や、記憶部３１８を構成するハードディスクなどにより構成される。プログラム記録媒体へのプログラムの格納は、必要に応じてルータ、モデムなどのインタフェースである通信部３１９を介して、ローカルエリアネットワーク、インターネット、デジタル衛星放送といった、有線または無線の通信媒体を利用して行われる。

なお、本明細書において、プログラム記録媒体に格納されるプログラムを記述するステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理をも含むものである。

また、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に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において種々の変更が可能である。

本発明を適用したロボットハンドマニピュレータの外観の構成例を示す図である。 図１のセンサの外観の構成例を示す斜視図である。 図２のセンサの内部の構成例を示す図である。 粘弾性材料の圧縮および引張特性の例を示す図である。 図２の圧力検出部を構成する静電容量型圧力センサの構造例を示す図である。 ロボットハンドマニピュレータの内部の電気的な構成例を示すブロック図である 図６の信号処理部の構成例を示すブロック図である。 図６のメイン制御部１０１とアクチュエータ１０２の電気的な構成例を示すブロック図である。 荷重前と荷重後の入力部の形状の例を示す図である。 図９の場合の圧力値と時間のグラフおよび圧力値と位置のグラフを示す図である。 ずらし前とずらし後の入力部の形状の例を示す図である。 図１１の場合の圧力値と位置のグラフを示す図である。 センサへの荷重抜重の実験を説明する図である。 図１３の実験で計測された出力データを示す図である。 センサへのせん断力をかける実験を説明する図である。 図１５の実験で計測された出力データを示す図である。 図１５の実験で計測された出力データの他の例を示す図である。 図１７の接触面積のグラフを拡大して示す図である。 図１７の圧力中心位置のグラフを拡大して示す図である。 図１５の実験で求められる滑り覚検出データを示す図である。 本発明を適用した他のロボットハンドマニピュレータの外観の構成例を示す図である。 図２１のセンサ６１３の対象物６５１との接触部分を拡大した図である。 図２１の実験で計測された出力データを示す図である。 図２１の実験で計測された出力データの他の例を示す図である。 本発明を適用したパーソナルコンピュータの構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１ ロボットハンド， １１ 関節部， ２１ センサ， ３１ 入力部， ３２ 固定部， ３３ 外部接続部， ４１ 変形部， ４２ 圧力検出部， ５２ センサエレメント， ５３ 信号処理部， １０１ メイン制御部， １０２ アクチュエータ， １２１ 接触検出部， １２２ 圧力中心演算部， １２３ 圧力中心移動演算部， １２４ 滑り覚検出部， ５０１ すべり制御部， ５０２ 減算器， ５０３ すべり操作部， ５１１ 調節部， ５１２ 減算器， ５１３ 駆動部， ５１４ 状態検出部

Claims (8)

1. 対象物から受ける力を検出するセンサが設けられた動作部の動きを制御する制御装置において、
   前記センサにより検出された検出値に基づいて、前記対象物と動作部の間の滑りを検出する滑り検出手段と、
   前記検出手段により一定量の滑りが検出されるように、前記動作部の動きを制御手段と
   を備える制御装置。
2. 前記滑り検出手段は、
   前記センサは、複数のエレメントで構成される圧力センサであり、
   前記センサにより検出された圧力値を用いて、圧力中心位置を演算する圧力中心演算手段と、
   前記圧力中心演算手段により演算された前記圧力中心位置の時間変化を用いて、前記圧力中心位置の移動値を演算する圧力中心移動演算手段と、
   前記圧力中心移動演算手段により演算された前記圧力中心位置の移動値に基づいて、滑りを検出する検出手段と
   を備える請求項１の制御装置。
3. 前記センサは、その表面に粘弾性材料で構成される粘弾性体を有する
   請求項２に記載の検出装置。
4. 前記滑り検出手段により検出した滑りは、滑り覚検出値、滑り覚検出値から求められる滑り速度または加速度であり、
   前記制御手段は、一定の滑り覚検出値、滑り速度または加速度が検出されるように、前記動作部の動きを制御する
   請求項３に記載の制御装置。
5. 前記制御手段は、一定量の滑りが検出されるように、前記動作部の位置、前記動作部の前記対象物に対する力を制御するを制御する
   請求項１に記載の制御装置。
6. 前記制御手段は、滑りが検出されないように、前記操作部を制御する
   請求項１に記載の制御装置。
7. 対象物から受ける力を検出するセンサが設けられた動作部の動きを制御する制御方法において、
   前記センサにより検出された検出値に基づいて、前記対象物と動作部の間の滑りを検出する滑り検出ステップと、
   前記検出ステップにより一定量の滑りが検出されるように、前記動作部の動きを制御ステップと
   を含む制御方法。
8. 対象物から受ける力を検出するセンサが設けられた動作部の動きを制御する制御処理をコンピュータに実行させるプログラムにおいて、
   前記センサにより検出された検出値に基づいて、前記対象物と動作部の間の滑りを検出する滑り検出ステップと、
   前記検出ステップにより一定量の滑りが検出されるように、前記動作部の動きを制御ステップと
   を含む制御処理をコンピュータに実行させるプログラム。

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