JP5300623B2 - ロボットハンド装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の指機構を備えたロボットハンド装置に関する。

従来、上記のようなロボットハンド装置として、基部から延設される４本の指機構及び各指機構を作動させる１つのモータを備えているものが知られている（特許文献１参照）。このロボットハンド装置には、各指機構を作動させるために各指機構に連結される４つの回動ローラと、各回動ローラに対してモータからの動力を異なるタイミングで伝達する動力伝達機構が設けられている。

このロボットハンド装置では、小指から順に折り曲げていくというような人間らしい把持動作を行うことができる。

特開２００６−１６７８３１号公報

しかしながら、上記の従来技術では、手の表現として４指と親指を開閉する動作を行うことはできるが、人間の手のように種々の動作表現をすることができないという課題がある。

本発明は、人間の手のように種々の動作表現をすることができるロボットハンド装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様のロボットハンド装置は、基部から延設される複数の指機構と、第１伝達機構を介して前記複数の指機構を夫々異なる位相で作動させる第１駆動モータと、第２伝達機構を介して前記複数の指機構を夫々異なる位相で作動させる第２駆動モータとを備え、
前記第１伝達機構及び前記第２伝達機構は、第１駆動モータ及び第２駆動モータの回転運動を前記指機構の搖動運動に変換するてこクランク機構であり、
前記指機構と、前記指機構と前記てこクランク機構のクランクとを連結しているリンクアームとの結合部には、前記指機構が直立した状態で固定された場合に、前記リンクアームが誘導される穴が形成されると共に、前記指機構が曲がる方向に前記リンクアームが付勢される付勢手段が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、各指機構は、第１伝達機構又は第２伝達機構を介して第１駆動モータ又は第２駆動モータにより夫々異なる位相で作動されるため、省スペースで人間の手のように種々の動作表現をすることができる。
また、第１駆動モータ及び第２駆動モータの回転運動をてこクランク機構で指機構の揺動運動に変換するため、滑らかに指機構を作動させることができる。
さらに、指機構とリンクアームの間にはリンクアームが誘導される穴が形成されているため、指機構が直立した状態で固定された場合に指機構の位相差を吸収することができる。また、指機構とリンクアームの間には指機構が曲がる方向にリンクアームが付勢される付勢手段が設けられているため、指機構とリンクアームがたつくことを防止することができる。

本発明の別態様のロボットハンド装置は、基部から延設される複数の指機構と、第１伝達機構を介して前記複数の指機構を夫々異なる位相で作動させる第１駆動モータと、第２伝達機構を介して前記複数の指機構を夫々異なる位相で作動させる第２駆動モータとを備え、
前記第１伝達機構及び前記第２伝達機構は、第１駆動モータ及び第２駆動モータの回転運動を前記指機構の搖動運動に変換するてこクランク機構であり、
前記てこクランク機構のクランク又はリンクアームは弾性体で形成され、前記クランク又はリンクアームに荷重が付与された場合に前記クランク又はリンクアームの有効長が変化すると共に、前記指機構が曲がる方向に前記リンクアームが付勢されるように取り付けられていることを特徴とする。

本発明によれば、各指機構は、第１伝達機構又は第２伝達機構を介して第１駆動モータ又は第２駆動モータにより夫々異なる位相で作動されるため、省スペースで人間の手のように種々の動作表現をすることができる。
また、第１駆動モータ及び第２駆動モータの回転運動をてこクランク機構で指機構の揺動運動に変換するため、滑らかに指機構を作動させることができる。
さらに、てこクランク機構のクランク又はリンクアームを弾性体で形成しているので、指機構が直立した状態で固定された場合に指機構の位相差を吸収することができる。また、指機構が曲がる方向にクランク又はリンクアームが付勢されているため、指機構ががたつくことを防止することができる。

本発明のロボットハンド装置において、前記第１駆動モータは、人差し指及び薬指に対応する前記指機構を作動させ、前記第２駆動モータは、中指及び小指に対応する前記指機構を作動させることが好ましい。

この形態によれば、第１駆動モータ及び第２駆動モータを正転及び逆転することにより、人間の手のように種々の動作を実現することができる。

本発明に係る第１実施形態のロボットハンド装置の一例を示す斜視図である。 図１のロボットハンド装置の指機構を示す図であり、（ａ）は指機構が直立した状態を示す斜視図、（ｂ）は指機構が直立した状態を示す側面図、（ｃ）は指機構が屈曲した状態を示す斜視図、（ｄ）は指機構が屈曲した状態を示す側面図である。 図１のロボットハンド装置の伝達機構を示す模式図である。 図１のロボットハンド装置の第１駆動モータ及び第２駆動モータが１回転した場合のロボットハンド装置の状態を示す図である。 図１のロボットハンド装置の指機構とリンクアームの連結部を示す拡大図である。 本発明に係る第２実施形態のロボットハンド装置を示す拡大図である。

[第１実施形態]
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。尚、本実施形態では、人間の手のように構成されるロボットハンド装置の指機構のうちの４本の指機構に対して本発明を適用した例を説明する。

本発明に係る第１実施形態のロボットハンド装置１０は、図１に示すように、人間の手のひらや手の甲の部分に相当する基部１２、基部１２の一端縁から略同一方向に延設される４本の指機構１４、第１伝達機構１６を介して複数の指機構１４を夫々異なる位相で作動させる第１駆動モータ１８、及び第２伝達機構２０を介して複数の指機構１４を夫々異なる位相で作動させる第２駆動モータ２２を備えている。

基部１２は、人間の手のひらの部分を構成するためにケース状に形成される不図示の手掌部と、人間の手の甲の部分を構成するためにケース状に形成される手甲部１２ａとで構成されている。手掌部と手甲部１２ａとで形成される空間内に、第１伝達機構１６、第２伝達機構２０、第１駆動モータ１８、及び第２駆動モータ２２等が収容されている。

指機構１４は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、３つの節間部材２６，２８，３０と、これらの節間部材２６，２８，３０同士や、根元側の節間部材２６と基部１２に固定されるフレームＦとを回動自在に連結する関節部材３２，３４，３６と、根元側の節間部材２６の動作に連動させて、その先の節間部材２８，３０を順次動作させるためのリンクアーム３８，４０とで主に構成されている。尚、以下の説明においては、便宜上、３つの節間部材２６，２８，３０を根元側から順に、根元部材２６、中間部材２８、指先部材３０ともいい、３つの関節部材３２，３４，３６を、根元側から順に第３関節部材３２、第２関節部材３４、第１関節部材３６ともいい、２つのリンクアーム３８，４０を、根元側から順に、第１リンクアーム３８、第２リンクアーム４０ともいう。また、以下の説明では、人差し指に相当する指機構１４のみを説明することとし、その他の中指、薬指、小指に相当する指機構１４については人差し指の機構と多少大きさが異なるだけで同様の構造となるのでその説明は省略することとする。

根元部材２６は、側面視で長方形の両端を半円状に形成したような形状となる部材であり、その基端部２６ａがフレームＦに固定された第３関節部材３２に回動自在に連結されると共に、その先端部２６ｂに第２関節部材３４を介して中間部材２８が回動自在に連結されている。また、根元部材２６には、その第３関節部材３２の近傍における手のひら側の適所に、ピンＰ１を介して第１伝達機構１６が回動自在に連結されると共に、その両端部２６ａ，２６ｂに、後記する第１リンクアーム３８に回動自在に連結される固定ピンＰ２およびピンＰ３を逃げるための逃げ溝２６ｃ，２６ｄが適宜形成されている。更に、根元部材２６には、その先端部２６ｂの手の甲側の適所に、ピンＰ４を介して第２リンクアーム４０が回動自在に連結されている。

中間部材２８は、その外形が根元部材２６と略同様の形状となる部材であり、その基端部２８ａが第２関節部材３４を介して根元部材２６に回動自在に連結されると共に、その先端部２８ｂに第１関節部材３６を介して指先部材３０が回動自在に連結されている。また、中間部材２８には、その第２関節部材３４の近傍における手のひら側の適所に、ピンＰ３を介して第１リンクアーム３８が回動自在に連結されている。

指先部材３０は、その外形が根元部材２６と略同様の形状となる部材であり、その基端部３０ａが第１関節部材３６を介して中間部材２８に回動自在に連結されている。また、指先部材３０には、その第１関節部材３６の近傍における手のひら側の適所に、ピンＰ５を介して第２リンクアーム４０が回動自在に連結されている。

第１リンクアーム３８は、フレームＦと中間部材２８とに回動自在に連結される部材であり、図２（ｃ），（ｄ）に示すように、第１伝達機構１６によって根元部材２６が引っ張られて（矢印Ａ１）、根元部材２６が回動すると（矢印Ａ２）、これに応じて固定ピンＰ２を中心に回動して（矢印Ａ３）、ピンＰ３を介して中間部材２２を引っ張るように作用している（矢印Ａ４）。

第２リンクアーム４０は、根元部材２６と指先部材３０とに回動自在に連結される部材であり、前記したように第１リンクアーム３８で中間部材２８が引っ張られて（矢印Ａ４）、中間部材２８が回動すると（矢印Ａ５）、これに応じてピンＰ４を中心に回動して（矢印Ａ６）、ピンＰ５を介して指先部材３０を引っ張って（矢印Ａ７）、指先部材３０を回動させるように作用している（矢印Ａ８）。

尚、指機構１４を折り曲げた状態から伸ばすときには、矢印Ａ１〜Ａ８の向きが全て逆になるように、指機構１４が動作するようになっている。

以下、指機構１４を指機構（人差し指）１４ａ、指機構（中指）１４ｂ、指機構（薬指）１４ｃ、及び指機構（小指）１４ｄとする。

第１伝達機構１６は、第１駆動モータ１８の回転運動を指機構１４ａ，１４ｃの揺動運動に変換するものである。第１駆動モータ１８には、第１駆動モータ１８の回転軸１８ａと同軸に設けられ第１駆動モータ１８の回転が伝達されるプーリ１８ｂ、プーリ１８ｂの上方に設けられたプーリ１８ｃ、及びプーリ１８ｂの回転をプーリ１８ｃに伝達するベルト１８ｄにより回転軸１８ａの回転と連動して回転する回転軸１８ｅが設けられている。第１伝達機構１６は、第１駆動モータ１８の回転軸１８ｅの回転と連動する所定間隔で２個設けられたクランク４２，４４、及びクランク４２，４４と指機構１４ａ，１４ｃと連結するリンクアーム４６，４８とを備えている。

第２伝達機構２０は、第２駆動モータ２２の回転運動を指機構１４ｂ，１４ｄの揺動運動に変換するものである。第２駆動モータ２２には、第２駆動モータ２２の回転軸２２ａと同軸に設けられ第２駆動モータ２２の回転が伝達されるプーリ２２ｂ、プーリ２２ｂの上方に設けられたプーリ２２ｃ、及びプーリ２２ｂの回転をプーリ２２ｃに伝達するベルト２２ｄにより回転軸２２ａの回転と連動して回転する回転軸２２ｅが設けられている。第２伝達機構２０は、第２駆動モータ２２の回転と連動する所定間隔で２個設けられたクランク５０，５２、及びクランク５０，５２と指機構１４ｂ，１４ｄと連結するリンクアーム５４，５６とを備えている。

第１伝達機構１６及び第２伝達機構２０の作動は、図３に示すようにてこクランク機構として模式的に表示することができる。

入力軸である第１駆動モータ１８の回転軸１８ｅ及び第２駆動モータ２２の回転軸２２ｅの回転運動は、第１駆動モータ１８の回転軸１８ｅ及び第２駆動モータ２２の回転軸２２ｅと同軸となるように設けられ第１駆動モータ１８の回転軸１８ｅ及び第２駆動モータ２２の回転軸２２ｅから所定の距離一方向に延びる入力節としてのクランク４２，４４，５０，５２の回転運動に変換される。

クランク４２，４４，５０，５２の回転運動は、クランク４２，４４，５０，５２と指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄとを連結する連結節であるリンクアーム４６，４８，５４，５６で指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄに伝達される。

指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄでは、指根元軸である指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの基端部２６ａの第３関節部材３２で所定角度だけ回転され、指根元軸から所定の距離一方向に延びる出力節としての指機構の揺動運動に変換される。

尚、入力軸である第１駆動モータ１８の回転軸１８ｅ、及び第２駆動モータ２２の回転軸２２ｅ、並びに指根元軸である指機構１４の基端部２６ａの第３関節部材３２は、固定節としてのフレームＦに回動自在に固定されている。

また、入力節であるクランク４２とクランク４４、及びクランク５０とクランク５２とは、第１駆動モータ１８の回転軸１８ｅ及び第２駆動モータ２２の回転軸２２ｅから所定の距離延びる方向を所定角度異なるように構成することにより所定の位相差が設けられている。

次に、図４を参照して、ロボットハンド装置１０の第１駆動モータ１８及び第２駆動モータ２２を３６０°回転した場合のロボットハンド装置１０の状態について説明する。尚、左側面視でクランクが時計回り方向に回転することを正転とし、反時計回り方向に回転することを逆転とする。

第１状態は、クランク４２，４４，５０，５２が所定の角度位置（基準位置）から回転角度が０°である状態であり、この場合は、指機構１４ａ、指機構１４ｂ、指機構１４ｃ、及び指機構１４ｄが全て直立している。

第２状態は、クランク４２，４４，５０，５２が基準位置から４５°正転（３１５°逆転）した状態であり、この場合、指機構１４ａは浅い所定の角度で屈曲しており、指機構１４ｂは中位の所定の角度で屈曲しており、指機構１４ｃは中位の所定の角度で屈曲しており、及び指機構１４ｄは浅い所定の角度で屈曲している。

第３状態は、クランク４２，４４，５０，５２が基準位置から９０°正転（２７０°逆転）した状態であり、この場合、指機構１４ａは第２状態より大きく浅い所定角度で屈曲しており、指機構１４ｂは第２状態より大きく深い所定の角度で屈曲しており、指機構１４ｃは第２状態より大きく深い所定の角度で屈曲しており、及び指機構１４ｄは第２状態より大きい浅い所定角度屈曲している。

第４状態は、クランク４２，４４，５０，５２が基準位置から１３５°正転（２２５°逆転）した状態であり、この場合、指機構１４ａは第３状態より大きく中位の所定の角度で屈曲しており、指機構１４ｂは第３状態より大きく深い所定の角度で屈曲しており、指機構１４ｃは第３状態より大きく深い所定の角度で屈曲しており、指機構１４ｄは第３状態より大きく中位の所定の角度で屈曲している。

第５状態は、クランク４２，４４，５０，５２が基準位置から１８０°正転（１８０°逆転）した状態であり、この場合、指機構１４ａは第４状態より大きく深い所定の角度で屈曲しており、指機構１４ｂは第４状態より小さく深い所定の角度で屈曲しており、指機構１４ｃは第４状態より小さい深い所定の角度で屈曲しており、指機構１４ｄは第４状態より大きく深い所定の角度で屈曲している。

第６状態は、クランク４２，４４，５０，５２が基準位置から２２５°正転（１３５°逆転）した状態であり、この場合、指機構１４ａは第５状態より大きく深い所定の角度で屈曲しており、指機構１４ｂは第５状態より小さく中位の所定の角度で屈曲しており、指機構１４ｃは第５状態より小さい中位の所定の角度で屈曲しており、指機構１４ｄは第５状態より大きく深い所定の角度で屈曲している。

第７状態は、クランク４２，４４，５０，５２が基準位置から２７０°正転（９０°逆転）した状態であり、指機構１４ａは第６状態より小さい深い所定の角度で屈曲しており、指機構１４ｂは第６状態より小さく浅い所定の角度で屈曲しており、指機構１４ｃは第６状態より小さい浅い所定の角度で屈曲しており、指機構１４ｄは第６状態より小さい深い所定の角度で屈曲している。

第８状態は、クランク４２，４４，５０，５２が基準位置から３１５°正転（４５°逆転）した状態であり、指機構１４ａは第７状態より小さい中位の所定の角度で屈曲しており、指機構１４ｂは第７状態より小さく浅い所定の角度で屈曲しており、指機構１４ｃは第７状態より小さい浅い所定の角度で屈曲しており、指機構１４ｄは第７状態より小さい中位の所定の角度で屈曲している。

次に、図５を参照して、指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄとリンクアーム４６，４８，５４，５６の結合部を説明する。

指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄとリンクアーム４６，４８，５４，５６との結合部には、指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが直立した状態で固定された場合にリンクアーム４６，４８，５４，５６が誘導される長円穴５８が形成されていると共に、指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが曲がる方向にリンクアーム４６，４８，５４，５６が付勢されるスプリング（付勢手段）６０が設けられている。

指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの基端部２６ａには、リンクアーム４６，４８，５４，５６が移動する左壁６２及び右壁６４を有する空間である切欠部６６が形成されている。

切欠部６６の左右壁６２，６４には、リンクアーム４６，４８，５４，５６に対応する長円穴５８が形成されている。

長円穴５８は、指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが回動自在に連結されている第３関節部材３２の回転中心から半径方向に所定の距離の位置に所定の距離円弧状に形成されている。

指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄとリンクアーム４６，４８，５４，５６との結合は、指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄに対して回動自在であるピンＰ１が左右壁６２，６４及びリンクアーム４６，４８，５４，５６を貫通することで結合されている。

指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが曲がる方向にリンクアーム４６，４８，５４，５６を付勢しているスプリング６０は、第３関節部材３２に巻かれて一端部が指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄに固定され、他端部がリンクアーム４６，４８，５４，５６の上端を押圧するように設けられている。

以上、本実施形態のロボットハンド装置１０によれば、指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは、第１伝達機構１６又は第２伝達機構２０を介して第１駆動モータ１８又は第２駆動モータ２２により夫々異なる位相で作動されるため、省スペースで人間の手のように種々の動作表現をすることができる。

また、第１駆動モータ１８は、人差し指及び薬指に対応する指機構１４ａ，１４ｃを作動させ、第２駆動モータ２２は、中指及び小指に対応する指機構１４ｂ，１４ｄを作動させるため、第１駆動モータ１８及び第２駆動モータ２２を正転及び逆転することにより、人間の手のように種々の動作表現をすることができる。

また、第１伝達機構１６及び第２伝達機構２０は、第１駆動モータ１８及び第２駆動モータ２２の回転運動を指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの揺動運動に変換するてこクランク機構であるため、滑らかに指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを作動させることができる。

また、指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄとリンクアーム４６，４８，５４，５６の間にはリンクアーム４６，４８，５４，５６が誘導される円弧状に形成された長円穴５８が形成されているため、指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが直立した状態で固定された場合に指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの位相差を吸収することができる。また、指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄとリンクアーム４６，４８，５４，５６の間には指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが曲がる方向にリンクアーム４６，４８，５４，５６が付勢されるスプリング６０が設けられているため、指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄとリンクアーム４６，４８，５４，５６がたつくことを防止することができる。

[第２実施形態]
次に、図６に示す第２実施形態のロボットハンド装置について説明する。図６において、上記第１実施形態と同じ構成部材又は部分には同じ符号を付し、説明を省略する。

図６において、指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄとクランク４２，４４，５０，５２とは、それぞれ弾性部材６８で結合されている。各弾性部材６８は、荷重が付与された場合に有効長が変化すると共に、指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが曲がる方向に付勢されるように取り付けられている。

弾性部材６８は、切欠部６６に挿入可能な幅と伸縮自在な長さを有してＺ字状に屈曲した帯板として形成され、一端部はクランク４２，４４，５０，５２に、他端部はピンＰ１に、それぞれ回動自在に連結されている。弾性部材６８の素材としては、ゴムメタル等が挙げられる。

本実施形態によれば、指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄとクランク４２，４４，５０，５２は、有効長が変化する弾性部材６８で結合されているので、指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが直立した状態で固定された場合に指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの位相差を吸収することができる。また、弾性部材６８により指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが曲がる方向に付勢されているため、指機構１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄががたつくことを防止することができる。

尚、本実施形態において、クランク４２，４４，５０，５２を弾性部材で形成して、弾性部材６８をリンクアーム４６，４８，５４，５６にすることもできる。

１０…ロボットハンド装置、１２…基部、１２ａ…手甲部、１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ…指機構、１６…第１伝達機構、１８…第１駆動モータ、２０…第２伝達機構、２２…第２駆動モータ、２６…根元部材、２６ａ…基端部、２６ｂ…先端部、２６ｃ，２６ｄ…逃げ溝、２８…中間部材、３０…指先部材、３２…第３関節部材、３４…第２関節部材、３６…第１関節部材、３８…第１リンクアーム、４０…第２リンクアーム、４２，４４，５０，５２…クランク、４６，４８，５４，５６…リンクアーム、５８…長円穴、６０…スプリング、６２…左壁、６４…右壁、６６…切欠部、６８…弾性部材、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５…ピン、Ｆ…フレーム。

Claims (3)

1. 基部から延設される複数の指機構と、
   第１伝達機構を介して前記複数の指機構を夫々異なる位相で作動させる第１駆動モータと、
   第２伝達機構を介して前記複数の指機構を夫々異なる位相で作動させる第２駆動モータとを備え、
   前記第１伝達機構及び前記第２伝達機構は、第１駆動モータ及び第２駆動モータの回転運動を前記指機構の搖動運動に変換するてこクランク機構であり、
   前記指機構と、前記指機構と前記てこクランク機構のクランクとを連結しているリンクアームとの結合部には、前記指機構が直立した状態で固定された場合に、前記リンクアームが誘導される穴が形成されると共に、前記指機構が曲がる方向に前記リンクアームが付勢される付勢手段が設けられていることを特徴とするロボットハンド装置。
2. 基部から延設される複数の指機構と、
   第１伝達機構を介して前記複数の指機構を夫々異なる位相で作動させる第１駆動モータと、
   第２伝達機構を介して前記複数の指機構を夫々異なる位相で作動させる第２駆動モータとを備え、
   前記第１伝達機構及び前記第２伝達機構は、第１駆動モータ及び第２駆動モータの回転運動を前記指機構の搖動運動に変換するてこクランク機構であり、
   前記てこクランク機構のクランク又はリンクアームは弾性体で形成され、前記クランク又はリンクアームに荷重が付与された場合に前記クランク又はリンクアームの有効長が変化すると共に、前記指機構が曲がる方向に前記リンクアームが付勢されるように取り付けられていることを特徴とするロボットハンド装置。
3. 請求項１又は２記載のロボットハンド装置において、
   前記第１駆動モータは、人差し指及び薬指に対応する前記指機構を作動させ、前記第２駆動モータは、中指及び小指に対応する前記指機構を作動させることを特徴とするロボットハンド装置。