JP2009233790A - ロボットの関節構造、ロボットフィンガ及びロボットハンド - Google Patents

Abstract

【課題】一つの駆動手段によって３つの関節をスムーズに駆動させることができて、小型化及び軽量化が容易、かつ基端部材が把持物体と接触しても先端側に位置する関節構造が把持物体をなじんで把持することが可能なロボットの関節構造、これを備えたロボットフィンガ及びロボットハンドを提供すること。
【解決手段】固定部材４１と、基端部材４２と、中間部材４３と、先端部材４４と、前記基端部材４２と、前記中間部材４３とを連結するとともに、駆動手段４８の押圧力を分配して伝達する第１リンク部材と、前記基端部材４２と前記先端部材４４とを連結する第２リンク部材５０とを備え、前記駆動手段４８により、これら基端部材４２、中間部材４３及び先端部材４４の３つの可動部材がそれぞれ回動される構成とされていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、３つの関節を備えたロボットの関節構造、この関節構造を備えたロボットフィンガ及びロボットハンドに関するものである。

前述のロボットの関節構造としては、人間の指関節や腕関節の動作を元に構成されたものがある。このようなロボットの関節構造は、固定部材、基端部材、中間部材、先端部材の４つの部材と、固定部材と基端部材とを回動可能に接続する固定ヒンジ部、基端部材と中間部材とを回動可能に接続する第１ヒンジ部、中間部材と先端部材とを回動可能に接続する第２ヒンジ部の３つのヒンジ部（関節）とを備えている。
これら複数のヒンジ部（関節）を駆動させる方法として、例えば特許文献１では、各ヒンジ部（関節）にワイヤを巻回させて回転モータの動力を伝達して駆動させるものが提案されている。
また、特許文献２では、それぞれのヒンジ部（関節）に駆動手段を別途独立に設けたものが提案されている。
特開２００１−２７７１７５号公報 特開２００２−１１３６８１号公報

しかしながら、特許文献１のようにワイヤを用いたロボットの関節構造においては、ワイヤの伸びや切れ等のトラブルが発生し、頻繁にワイヤ交換を行う必要がある。しかも、ワイヤはギアやプーリに巻回されているため、その取り外しや装着に非常な手間を要する。また、ワイヤの伸びに起因して関節を精度良く動作させることができない。さらに、ワイヤでは部材を牽引することで関節を駆動させることになるため、関節の屈曲動作、伸長動作を行うワイヤをそれぞれ配置する必要がある。

また、特許文献２のように駆動手段を各関節ごとに設けたものでは、各関節または関節を中心として回動される部材に駆動手段を固定することになり、関節構造が大型化してしまう。一方、小型の駆動手段を使用すると、駆動力が小さくなって十分に関節を駆動させることができなくなり、把持力を確保することができなくなってしまう。
このように従来のロボットの関節構造においては、各関節に多くの機構を備える必要があり、小型化及び軽量化が困難であった。
また、従来のロボットの関節構造においては、リンクの動作が一義的に定まるために、基端部材が把持物体と接触すると中間部材や先端部材の動作が停止してしまい、関節構造を把持物体になじませて把持することが困難であった。

本発明は、前述の事情に鑑みてなされたものであって、一つの駆動手段によって３つの関節をスムーズに駆動させることができて、小型化及び軽量化が容易、かつ基端部材が把持物体と接触しても先端側に位置する関節構造が把持物体をなじんで把持することが可能なロボットの関節構造、これを備えたロボットフィンガ及びロボットハンドを提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明に係るロボットの関節構造は、一つの駆動手段が設けられた固定部材と、前記固定部材に固定ヒンジ部を介して一端が接続され、前記駆動手段によって前記固定ヒンジ部を中心として回動される基端部材と、前記基端部材の他端側に設けられた第１ヒンジ部に一端が接続されて前記第１ヒンジ部を中心に回動可能に配置された中間部材と、前記中間部材の他端側に設けられた第２ヒンジ部に一端が接続されて前記第２ヒンジ部を中心に回動可能に配置された先端部材と、前記基端部材と、前記中間部材と前記先端部材の少なくともいずれか一方とを連結するとともに、前記駆動手段の押圧力を前記基端部材と前記連結された部材とに分配して伝達する第１リンク部材と、前記基端部材と前記先端部材とを連結し、前記中間部材の回動に連動して前記先端部材を前記第２ヒンジ部回りに回動させる第２リンク部材とを備え、一つの前記駆動手段により、これら基端部材、中間部材及び先端部材の３つの可動部材が、前記固定ヒンジ部、前記第１ヒンジ部及び前記第２ヒンジ部の３つのヒンジ部回りにそれぞれ回動される構成とされていることを特徴とする。

この構成のロボットの関節構造においては、駆動手段の押圧力を、基端部材と、中間部材と先端部材の少なくともいずれか一方とに分配して伝達するので、駆動手段の押圧力が基端部材と、中間部材と先端部材の少なくともいずれか一方に伝達され、基端部材がワークと接触して回動できない状態となっても中間部材と先端部材の少なくともいずれかは基端部材と独立して回動するのでワークになじんだ把持をすることができる。
また、一つの駆動手段によって基端部材、中間部材及び先端部材の３つの可動部材が連動して駆動されるので、関節ごとに２以上のワイヤを配置したり、駆動手段を配置したりする必要がなく、このロボットの関節構造を小型化することができる。
さらに、固定部材に駆動手段が設けられているので、基端部材、中間部材、先端部材を軽量化することができる。

また、前記第１リンク部材は、一端が前記基端部材に接続される基端側リンクと、一端が前記基端側リンクの他端側に配されたリンク軸部に接続されて前記基端側リンクに対して回動自在とされるとともに、他端側が前記中間部材に接続される先端側リンクとを備え、前記基端側リンクに、前記押圧力を受ける押圧力受部を形成してもよい。
この場合、第１リンク部材に入力された押圧力は、基端側リンクを介して基端部材及び中間部材に配分して伝達され、基端部材を固定部材に対して回動させるとともに中間部材を基端部材に対して第１ヒンジ部回りに回動させるので、基端部材の回動が停止されても、中間部材、先端部材が回動される。
また、先端側リンクがリンク軸部を中心に基端側リンクに対して回動可能とされているので、基端部材がワークに接触して停止すると、先端側リンクと基端側リンクとの交差角度が拡がって駆動手段の前進がすべて中間部材に伝達されて、中間部材、先端部材の回動を継続する。
その結果、基端部材がワークに接触しても中間部材、先端部材がワークになじんでワークを安定して把持することができる。

ここで、前記駆動手段、前記固定部材、前記基端部材、前記中間部材及び前記先端部材を、長手方向に縦列するように配置し、前記固定ヒンジ部、前記第１ヒンジ部及び前記第２ヒンジ部を、それぞれの回転軸線が前記長手方向に対して直交するとともに互いに平行となるように配置し、一つの前記駆動手段により、前記基端部材、前記中間部材及び前記先端部材を同一平面上で回動するように構成してもよい。
この場合には、駆動手段も縦列するように配置されるので、関節構造の一層の小型化を図ることができる。

また、前記駆動手段としてリニアアクチュエータを用いてもよい。リニアアクチュエータのロッドを進退させることで、基端部材を押圧又は牽引して固定ヒンジ部回りに回動させることができる。ここで、リニアアクチュエータの推力を大きくすることで、把持力を大きくすることができる。

また、これらの関節構造を適用してロボットフィンガを構成してもよい。さらに、このロボットフィンガを複数用いてロボットハンドを構成してもよい。

本発明によれば、一つの駆動手段によって３つの関節をスムーズに駆動させることができて、小型化及び軽量化が容易で、かつ基端部材が把持物体と接触しても先端側に位置する関節構造が把持物体をなじんで把持することが可能なロボットの関節構造、これを備えたロボットフィンガ及びロボットハンドを提供することができる。
また、駆動手段が一つであるから、各関節ごとに駆動手段を配した従来の技術に比して駆動手段の占有スペースがそれほど制限されず、故に、大型にして大出力の駆動手段を採用でき、結果、人間と同じ大きさのハンドで人間と同程度の握力を実現することが可能である。

以下に、本発明の第１の実施形態であるロボットの関節構造が適用されたロボットフィンガについて、図１〜図３を参照して説明する。
本実施形態であるロボットフィンガ４０は、図１に示すように、固定部材４１と、基端部材４２、中間部材４３、先端部材４４の３つの可動部材と、固定部材４１と基端部材４２とを回動可能に接続する固定ヒンジ部４５、基端部材４２と中間部材４３とを回動可能に接続する第１ヒンジ部４６、中間部材４３と先端部材４４とを回動可能に接続する第２ヒンジ部４７の３つのヒンジ部（関節）とを備えている。

固定部材４１は、上方（図中矢印Ｚで示す）に向けて開口した概略「コ」の字状をなしており、その後端上部には、駆動手段であるリニアアクチュエータ４８を揺動可能に軸支する支軸部４１Ａが設けられている。
また、固定部材４１の先端側（図中、矢印Ｘで示す）には、基端部材４２と連結される固定ヒンジ部４５が形成されている。
この固定部材４１に支持されるリニアアクチュエータ４８は、概略円柱状をなすアクチュエータ本体４８Ａとアクチュエータ本体４８Ａに対して進退可能に動作するロッド４８Ｂとを有し、ロッド４８Ｂの先端部には、ロッド４８Ｂの先端部から上方に伸びる係止部４８Ｓが形成されている。
なお、本実施形態において、リニアアクチュエータ４８は電動式にて、ロッド４８Ｂの進退量を調節可能とされており、先端側に向かうにしたがい固定部材４１に対して漸次上方側に傾斜する方向にロッド４８Ｂが進退するように配置されている。

基端部材４２は、一対のプレートが互いに対向するように配置され、これら一対のプレートの下端部分が連結された構造とされており、その幅（図中矢印Ｙ方向長さ）は、固定部材４１の一対の支持部材４１Ｃ同士の距離よりも狭くされている。基端部材４２の後端上部には、後述する第１リンク部材４９の一端が軸支される第１支軸部４２Ａが形成され、後述する基端側リンク４９Ａの一端に形成された支軸部４９Ｄにより第１のリンク部材４９が回動自在に接続されている。

第１リンク部材４９は、一端が基端部材４２に接続されるとともに基端部材４２を介して固定部材４１に接続される基端側リンク４９Ａと、一端が基端側リンク４９Ａの他端側に配されたリンク軸部４９Ｅに接続されて基端側リンク４９Ａと回動自在とされるとともに、他端が中間部材４３に接続される先端側リンク４９Ｂとを備え、第１リンク部材４９は、基端部材４２と、中間部材４３とを連結するとともに、リニアアクチュエータ４８の押圧力を基端部材４２と中間部材４３とに分配して伝達するようになっている。

基端側リンク４９Ａには、押圧力を受ける押圧力受部材（押圧力受部）４９Ｃが配置され、この押圧力受部材４９Ｃの支軸部４９Ｄ側にはリニアアクチュエータ４８の係止部４８Ｓが当接可能とされる受圧部（図示せず）が形成されている。
また、基端側リンク４９Ａには、支軸部４９Ｄを挟んで押圧力受部材４９Ｃと反対側にスプリング受部４９Ｔが形成されている。

スプリング受部４９Ｔと、先端側リンク４９Ｂの先端側上部とは、コイルスプリング６０により接続されており、リニアアクチュエータ４８のロッド４８Ｂが後退した場合に第１リンク部材４９の屈曲が復元するように構成されている。
また、リニアアクチュエータ４８の係止部４８Ｓが基端側リンク４９Ａの受圧部に当接してストッパーとして機能するため、基端部材４２に対して中間部材４３がワークＷを把持するのとは反対方向に逆折れするのが防止されるとともに、基端部材４２にワークＷが接触した後に初めて中間部材４３が屈曲を開始するようになっている。

押圧力受部４９Ｃは、基端側リンク４９Ａの略中央部に配置され、リニアアクチュエータ４８の動作するロッド４８Ｂの先端に形成された取付部が嵌合されて押圧力が伝達されるとともに、基端側リンク４９Ａが回動する方向に回動可能とされている。

また、第１リンク部材４９の厚さ（図中矢印Ｙ方向長さ）は、前述の基端部材４２の一対のプレート同士の間の距離よりも薄くされ、一対のプレート同士の間を移動できるように構成されている。

基端部材４２の先端側下部には、図２に示すように、中間部材４３と連結される第１ヒンジ部４６が、基端部材４２の先端上部には、後述する第２リンク部材５０の一端が軸支される第３支軸部５３が形成されている。
また、基端部材４２の後端側下部に形成された第５支軸部５１は固定ヒンジ部４５にて固定部材４１と連結されている。

中間部材４３は、下側に向けて開口した断面「コ」の字状をなしており、その幅（図中矢印Ｙ方向長さ）は、基端部材４２の一対のプレートの幅よりも狭くされている。また、中間部材４３の後端下部（一端）は、第１ヒンジ部４６に連結されている。この第１ヒンジ部４６の上側基端側には、前述の第１リンク部材４９の他端、すなわち先端側リンク４９Ｂの他端が軸支される第２支軸部５２が形成されている。
また、中間部材４３の先端側上部には、先端部材４４が連結される第２ヒンジ部４７が配設されている。

先端部材４４は、中間部材４３と同様に下側に向けて開口した断面「コ」の字状をなしており、その基端上部が第２ヒンジ部４７に連結されている。また、この第２ヒンジ部４７の下側には、前述の第２リンク部材５０の他端が軸支される第４支軸部５４が形成されている。

また、基端部材４２に形成された第３支軸部５３と先端部材４４に形成された第４支軸部５４とが、プレート状の第２リンク部材５０によって連結されている。この第２リンク部材５０は、中間部材４３の両側に配置され、第２リンク部材５０の厚さ（図中矢印Ｙ方向長さ）は前述の基端部材４２の内側空間の幅と中間部材４３の外側の幅の１／２よりも薄くされている。第４支軸部５４の軸部５４Ａは、第２のリンク部材５０の先端側に形成された支軸部に挿通されており、第２のヒンジ部４７は、先端部材４４と中間部材４３に挿通されている。
第２リンク部材５０の回動に応じて先端部材４４が第４支軸部５４の軸部５４Ａ回りに回動するように構成されている。

次に、このロボットフィンガ４０の動作について説明する。
リニアアクチュエータ４８のロッド４８Ｂを前進させると、第１のリンク部材４９の基端側リンク４９Ａに設けられた押圧力受部材４９Ｃが押圧され、基端側リンク４９Ａが先端側に移動する。
基端側リンク４９Ａが先端側に移動すると、基端部材４２の第１支軸部４２Ａが前進して基端部材４２を固定ヒンジ部４５の回りに回動させる。
また、これに伴って第１のリンク部材４９を構成する先端側リンク４９Ｂが先端側に移動するとともに、基端側リンク４９Ａと先端側リンク４９Ｂとがリンク軸部４９Ｅを中心とする角度が拡がる方向に回動することにより第２支軸部５２が先端側に移動して中間部材４３が第１ヒンジ部４６回りに回動する。
また、中間部材４３が第１ヒンジ部４６回りに回動するのにあわせて第２リンク部材５０に規制された先端部材４４が第４支軸部５４回りに回動し、中間部材４３の第１ヒンジ部４６回りの回動に伴って先端部材４４も第１ヒンジ部４６回りに移動しようとする。ここで、第４支軸部５４は、第２リンク部材５０によって基端部材４２の第３支軸部５３に連結されているので、第３支軸部５３を中心とした円周方向に移動が規制される。これにより、第２リンク部材５０が先端部材４４を牽引して、先端部材４４は第２ヒンジ部４７を中心として回動することになる。
また、基端部材４２がワークＷと接触して固定ヒンジ４５回りに回動することができなくなった場合、基端側リンク４９Ａと先端側リンク４９Ｂとのリンク軸部４９Ｅを中心とした角度が拡がる方向の回動のみが行なわれて、アクチュエータ４８の押圧力が中間部材４３に伝達されて第２支軸部５２が先端側に移動して中間部材４３が第１ヒンジ部４６回りに回動する。
その結果、基端部材４２がワークＷと接触して固定ヒンジ４５回りの回動ができなくなっても中間部材４３を第１ヒンジ部４６回りに回動させるとともに、先端部材４４を第２ヒンジ部４７回りに回転させて、ロボットフィンガ４０を、図３のように屈曲させることができる。

この構成のロボットフィンガ４０によれば、第１リンク部材４９が、基端側リンク４９Ａと、先端側リンク部４９Ｂとを備え、押圧力受部材４９Ｃを介して基端側リンク４９Ａに入力されたリニアアクチュエータ４８からの押圧力が、基端部材４２とともに中間部材４３に分配して伝達されることで、基端部材４２、中間部材４３、先端部材４４が、それぞれ固定ヒンジ部４５、第１ヒンジ部４６、第２ヒンジ部４７回りに独立して回動されるので、基端部材４２がワークＷに接触した場合でも中間部材４３及び先端部材４４が屈曲してワークＷになじんだ把持動作をすることができる。
したがって、ひとつのリニアアクチュエータ４８によって、多種のワークＷを安定して把持することができる。

以上、本発明の実施形態であるロボットの関節構造を適用したロボットフィンガ４０について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態に係る２つのロボットフィンガ４０を対向するように配置してロボットハンドを構成してもよい。
また、ロボットの関節構造は、ロボットフィンガを構成するのみでなく、ロボットアームに適用してもよい。この場合には、固定ヒンジ部が肩関節に相当し、第１ヒンジ部がひじ関節に相当し、第２ヒンジ部が手首関節に相当することになる。

また、駆動手段として、例えば電動のリニアアクチュエータを備えたものとして説明したが、駆動手段はこれに限定されることはなく、エアシリンダや油圧シリンダ等を利用することも可能である。但し、ロボットフィンガの屈曲状態を任意に変えたい場合は、出力ロッドの進退量を調節し得るアクチュエータとする必要がある。
さらに、固定部材、基端部材、中間部材、先端部材の個々の形状は、本実施形態に限定されることはなく、任意の形状とすることができる。ただし、固定ヒンジ部を中心とした基端部材の回動方向と第１支軸部を中心とした第２支軸部２回動方向とが異なるように、かつ、第１ヒンジ部を中心とした中間部材１３の回動方向と第３支軸部を中心とした第４支軸部の回動方向とが異なるように構成する必要がある。

また、第１の実施形態では、第１リンク部材４９を構成する先端側リンク４９Ｂの他端側が中間部材４３に接続される場合について説明したが、例えば、先端側リンク４９Ｂの他端側を中間部材４３と先端部材４４の双方に、又は先端部材４４に接続する構成としてもよい。
また、固定ヒンジ部４５、第１ヒンジ部４６、第２ヒンジ部４７のうちの１つ以上に、そのヒンジ部４５、４６、４７に接続された可動部材が回動方向とは反対側に押圧力が作用した際に一定量揺動可能かつ押圧力が作用しなくなった場合に元の位置に復帰する倣い機構が設けてもよい。

本発明の第１の実施形態であるロボットフィンガの伸長した状態における斜視図である。 図１に示すロボットフィンガの側面図である。 図１に示すロボットフィンガを屈曲させてワークを把持した状態における側面図である。

符号の説明

４０ ロボットフィンガ
４１ 固定部材
４２ 基端部材
４３ 中間部材
４４ 先端部材
４５ 固定ヒンジ部
４６ 第１ヒンジ部
４７ 第２ヒンジ部
４８ リニアアクチュエータ（駆動手段）
４９ 第１リンク部材
４９Ａ 基端側リンク
４９Ｂ 先端側リンク
４９Ｃ 押圧力受部材（押圧力受部）
４９Ｅ リンク軸部
５０ 第２リンク部材
３０、６０、９０ ロボットハンド

Claims (6)

1. 一つの駆動手段が設けられた固定部材と、
   前記固定部材に固定ヒンジ部を介して一端が接続され、前記駆動手段によって前記固定ヒンジ部を中心として回動される基端部材と、
   前記基端部材の他端側に設けられた第１ヒンジ部に一端が接続されて前記第１ヒンジ部を中心に回動可能に配置された中間部材と、
   前記中間部材の他端側に設けられた第２ヒンジ部に一端が接続されて前記第２ヒンジ部を中心に回動可能に配置された先端部材と、
   前記基端部材と、前記中間部材と前記先端部材の少なくともいずれか一方とを連結するとともに、前記駆動手段の押圧力を前記基端部材と前記連結された部材とに分配して伝達する第１リンク部材と、
   前記基端部材と前記先端部材とを連結し、前記中間部材の回動に連動して前記先端部材を前記第２ヒンジ部回りに回動させる第２リンク部材と、を備え、
   一つの前記駆動手段により、これら基端部材、中間部材及び先端部材の３つの可動部材が、前記固定ヒンジ部、前記第１ヒンジ部及び前記第２ヒンジ部の３つのヒンジ部回りにそれぞれ回動される構成とされていることを特徴とするロボットの関節構造。
2. 前記第１リンク部材は、
   一端が前記基端部材に接続される基端側リンクと、
   一端が前記基端側リンクの他端側に配されたリンク軸部に接続されて前記基端側リンクに対して回動自在とされるとともに、他端側が前記中間部材に接続される先端側リンクと、を備え、
   前記基端側リンクに、前記押圧力を受ける押圧力受部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のロボットの関節構造。
3. 前記駆動手段、前記固定部材、前記基端部材、前記中間部材及び前記先端部材は、長手方向に縦列するように配置され、前記固定ヒンジ部、前記第１ヒンジ部及び前記第２ヒンジ部は、それぞれの回転軸線が前記長手方向に対して直交するとともに互いに平行に配置されており、
   一つの前記駆動手段により、前記基端部材、前記中間部材及び前記先端部材は、同一平面上で回動するように構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のロボットの関節構造。
4. 前記駆動手段がリニアアクチュエータであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のロボットの関節構造。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のロボットの関節構造を備えたことを特徴とするロボットフィンガ。
6. 請求項５に記載されたロボットフィンガを複数備えたことを特徴とするロボットハンド。

Images