CN109591041A - 指状机构、机械手和机械手控制方法 - Google Patents

指状机构、机械手和机械手控制方法 Download PDF

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Abstract

指状机构包括：第一骨构件和第二骨构件；沿着第一骨构件和第二骨构件的长度方向在端部可转动地联接第一骨构件和第二骨构件的第一转动芯；设置在第二骨构件相对于第一骨构件伸展的一侧并且沿着第一骨构件和第二骨构件的长度方向伸展的伸肌腱；设置于第一骨构件和第二骨构件并且引导伸肌腱使得伸肌腱与第一转动芯的表面的一部分接触的第一伸肌腱引导件；连接至伸肌腱并且伸展和屈曲伸肌腱的伸肌；设置在第一骨构件相对于第二骨构件屈曲的一侧并且沿着第一骨构件和第二骨构件的长度方向伸展的屈肌腱；设置于第一骨构件和第二骨构件并且引导屈肌腱使得屈肌腱与第一转动芯的表面的另一部分接触的第一屈肌腱引导件；以及连接至屈肌腱并且伸展和屈曲屈肌腱的屈肌。

Description

指状机构、机械手和机械手控制方法
技术领域
本申请涉及指状机构、机械手和机械手控制方法。
背景技术
近些年，模仿人手功能的机械手和装备有机械手的工业机器人被提出以抓握物体并进行一些工作(例如，参考日本专利申请公开号2008-32140、2011-245575、2015-221469、2011-67936和2004-42214)。
然而，在常规的机械手和常规的装备有机械手的工业机器人中，难以抓握并作用于不确定的柔软物体，例如柔软物体或形状不固定的物体。
发明内容
考虑到这种情况提出了本申请，本申请的目的是提供可以通过抓握不确定的柔软物体例如柔软物体或者形状不固定的物体来工作的指状机构、机械手和机械手控制方法。
根据一方面，指状机构包括：第一骨构件和第二骨构件；第一转动芯，其沿着第一骨构件和第二骨构件的长度方向在端部可转动地联接第一骨构件和第二骨构件；伸肌腱，其设置在第二骨构件相对于第一骨构件伸展的一侧，并且沿着第一骨构件和第二骨构件的长度方向伸展；第一伸肌腱引导件，其设置于第一骨构件和第二骨构件，并且引导伸肌腱使得伸肌腱与第一转动芯的表面的一部分接触；伸肌，其连接至伸肌腱并且伸展和屈曲伸肌腱；屈肌腱，其设置在第一骨构件相对于第二骨构件屈曲的一侧，并且沿着第一骨构件和第二骨构件的长度方向伸展；第一屈肌腱引导件，其设置于第一骨构件和第二骨构件，并且引导屈肌腱使得屈肌腱和第一转动芯的表面的另一部分接触；以及屈肌，其连接至屈肌腱并且伸展和屈曲屈肌腱。
根据一方面，机械手包括上述指状机构；增压电磁阀和减压电磁阀，设置在向指状机构所设有的麦吉本(Mckibben)气动致动器供给压缩空气的供给路径的中途；以及控制增压电磁阀和减压电磁阀的打开和关闭的控制单元，其中控制单元控制增压电磁阀和减压电磁阀的打开和关闭并且通过调节气动致动器中的气压来控制指状机构所设有的伸肌和屈肌的收缩程度。
根据一方面，一种控制方法，其中机械手包括上述指状机构；增压电磁阀和减压电磁阀，设置在向构成指状机构的伸肌和屈肌的麦吉本气动致动器供给压缩空气的供给路径中途；以及控制单元，其控制增压电磁阀和减压电磁阀的打开和关闭并且控制伸肌和屈肌的收缩程度，该方法包括：执行对增压电磁阀和减压电磁阀的打开和关闭控制以便通过控制单元执行以下操作。所述操作包括：在抓握待抓握物体的操作之前使得指状机构所设有的伸肌和屈肌的牵引力彼此对抗的稳固操作；根据待抓握物体的形状来抓握待抓握物体的适应性抓握操作；保持抓握状态的保持操作；解除保持操作的适应性解除操作；以及放松伸肌和屈肌的放松操作。
根据本申请，可以抓握并作用于不确定的柔软物体，诸如柔软物体和形状不固定的物体。
从以下结合附图的详细描述中，本发明的上述和其他目的和特征将更加明显。
附图说明
图1是描绘根据第一实施例的机械手的示意结构的外部视图；
图2是指状机构部分的外部视图；
图3是指状机构部分的外部视图；
图4是用于说明肌腱对抗关节的操作的说明图；
图5是说明指状物伸展情形的示意性说明图；
图6是描述指状物弯折情形的示意性说明图；
图7描绘了拇指状机构；
图8是肌腱的横截面图；
图9是说明根据第一实施例的机械手系统的大体结构的框图；
图10是说明机械手的控制系统的结构的框图；
图11是说明指状机构部分中的牵引力传递机构的说明图；
图12是说明电磁阀I到IV的控制状态的说明图；
图13是说明用于控制根据第一实施例的机械手的方法的流程图；
图14是说明根据第二实施例的机械手的控制过程的流程图；
图15是描绘形成围合的控制过程的流程图；
图16是描绘抓握操作的控制过程的流程图。
具体实施方式
在下文中，将基于描绘其实施例的附图具体地描述本发明。
(第一实施例)
图1是描绘根据第一实施例的机械手1000的示意结构的外部视图。根据本实施例的机械手1000设有指状机构部分100、前臂骨200、肌腱300、人工肌肉400、法兰500、电磁阀600以及控制板700。指状机构部分100的指状物各自被构造为根据受控的肌腱300的张力伸展或屈曲，从而通过人工肌肉400伸展或屈曲。本实施例的特征是，通过进行两种肌腱300(之后描述的伸肌腱300A和屈肌腱300B，见图4)的对抗控制，关节角度和力被自主控制以实现对抓握形式、保持力和指关节灵活性的控制(柔顺控制)。
人工肌肉400布置在前臂骨200周围。对应人类前臂骨的前臂骨200是对应从腕关节到臂关节的部分的构件。各自是例如麦吉本气动致动器的人工肌肉400供应有来自歧管650的空气，歧管650由电磁阀600的打开和关闭控制，并且人工肌肉400的收缩程度被控制。即，当空气被供给到人工肌肉400内部时，人工肌肉通过在其宽度方向扩张并在其长度方向收缩，从而收紧。相反地，当空气从人工肌肉400的内部被释放时，人工肌肉400通过在其宽度方向收紧并在其长度方向伸展而放松。
电磁阀600被安装在控制板700上的CPU701(见图10)控制。除了CPU701，控制板700可以安装有用于与CPU701进行通讯的各种界面的输入侧连接器和输出侧连接器，驱动电磁阀600的线圈的线圈驱动器，以及处理各种信号、电压和电流的各种电子装置例如运算放大器、比较器、晶体管、二极管和电阻。
人工肌肉400具有分别连接至肌腱300的远侧端部，并且具有分别连接至通用关节520的近侧端部。通用关节520被构造为分别在设置于法兰500的界定区域中的筋510内自由滑动。连接至人工肌肉400的肌腱300通过人工肌肉400收紧而伸展，通过人工肌肉400放松而缩短。
当麦吉本气动致动器在本申请中用作人工肌肉400而非气动致动器时，可以采取一种方法，其中通过使用马达和滑轮卷起肌腱300。而且，可以采取下面的方法或类似方法：通过使用线性马达直接伸展和屈曲肌腱300的方法；以及通过使用生物金属伸展和屈曲肌腱300的方法，生物金属是通过电流流动伸展和屈曲的纤维致动器。
图2和图3是指状机构部分100的外部视图。为了避免附图的复杂性，图2主要描绘了骨构件的结构，图3主要描绘了关节的结构。指状机构部分100包括如同人体的五个手指并且由以下五个指状物形成：第一指THUMB(也称作拇指或大拇指)、第二指IF(也称作食指)、第三指MF(也称作中指)、第四指RF(也称作无名指)以及第五指LF(也称作小指)。图2描绘了从人手的手掌侧观察的外部视图。因此，当正视图2时，前侧是与待抓握的物体OBJ(见图9)接触的部分。除了拇指THUMB，指状机构部分100的食指IF、中指MF、无名指RF和小指LF分别形成有远节指骨DP、中节指骨MIP、近节指骨PP和掌骨MEB。
两个肌腱300也设置于每个指状物(见图4)。设置于每个指状物的两个肌腱300是之后描述的伸肌腱300A和屈肌腱300B。每个肌腱300从掌骨MEB的长度方向、通过掌指关节MP沿近节指骨PP的长度方向延伸，进一步地，从近节指骨PP的长度方向、通过近端指间关节PIP沿中节指骨MIP的长度方向延伸，并且进一步地，从中节指骨MIP的长度方向、通过远端指间关节DIP沿远节指骨DP的长度方向延伸。两个肌腱300的远侧端部被固定至远节指骨DP。食指IF、中指MF、无名指RF和小指LF集成在腕骨CB的端部，腕骨CB的另一端部通过腕管180联接至手关节190。设有沿着腕管180的厚度方向穿过的多个孔，通过这些孔，多个肌腱300沿着预定方向被定向以固定至图1中描绘的人工肌肉400的一个端部。在本实施例中，骨构件在长度方向的尺寸长于其在宽度方向的尺寸不是必须的，并且伸展或屈曲骨构件的肌腱300的设置方向被称作长度方向。
当待抓握的物体OBJ被保持时检测保持力的力传感器160可以设置于这样的部分：该部分例如是各个指状物的远节指骨DP、中节指骨MIP、近节指骨PP和掌骨MEB中的至少一个并且和待抓握的物体接触(即手的手掌侧)。而且，关节部可以各自设有检测相互联接的构件之间的角度(关节角度)的角度传感器170。这些力传感器160和角度传感器170在本发明的指状机构部分100中不是必要部件。然而，当提前知道待抓握物体OBJ的形状和硬度时，通过附接这样的传感器可以自动控制每个指状物的运动范围。
在与图2的指状机构部分100的结构完全相同的图3中，改变了外观的角度。与图2中相同的部分用相同的参考标记指示。为了避免附图的复杂性，在每个指状物的远节指骨DP、中节指骨MIP、近节指骨PP和掌骨MEB等处没有描绘参考标记。图3适合于进一步详细描绘拇指THUMB的腕掌关节CM(CMX、CMY)的部分。
尽管拇指THUMB和其他指状物一样包括远节指骨DP、近节指骨PP和掌骨MEB(MEB1、MEB2)，但是它没有其他指状物具有的中节指骨MIP。不像其他指状物，掌骨MEB形成有分开的第一掌骨MEB1和第二掌骨MEB2。凭此结构，不像其他腕掌关节CM，拇指THUMB的腕掌关节CM形成有第一腕掌关节CMX和第二腕掌关节CMY。第一腕掌关节CMX连结第一掌骨MEB1和第二掌骨MEB2，第二腕掌关节CMY连结第二掌骨MEB2和腕骨CB。
通过将作为拇指THUMB基础的腕掌关节分为两个关节，拇指THUMB的自由度增加，特别地，由于拇指THUMP可以面对小指LF的角度的宽度增大，抓握物体的力得到改善。
尽管在图1到3中描绘了具有五个指状物的指状机构部分100的示例，但是指状物的数量不被限制于5个并且仅需要大于1个。例如，当指状机构部分100形成有两个指状物时，其形成有拇指THUMB和食指IF，当指状机构部分100形成有三个指状物时，进一步增加了中指MF。进一步地，例如，准备各自对应食指IF的四个指状物，从而多个指状物由同样的指状物形成。
图4是用于说明肌腱对抗关节的操作的说明图。作为和术语“肌腱对抗关节”相似的术语，所谓的“对抗肌腱驱动”是已知的。可以说这些在使得两个肌腱(伸肌腱和屈肌腱)彼此对抗上是大体相同的。然而，肌腱对抗关节的不同之处在于将重要性放在适于执行对抗肌腱驱动的关节的结构上。换言之，也可以说根据本实施例的肌腱对抗关节是具有合适结构的关节，其中关节转动的大小可以通过彼此对抗的肌腱唯一地确定。图4中描绘的肌腱对抗关节和其基本操作普遍适用于图2和3中描绘的拇指THUMB、食指IF、中指MF、无名指RF和小指LF。
如图4所描绘的，指状机构部分100设有第一骨构件1、第二骨构件2、第三骨构件3和第四骨构件4。这些骨构件由例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚树脂(ABS)制成。在第一骨构件1的远侧端部设有肌腱引导件G1和G2。第一骨构件1和第二骨构件2通过转动芯11可转动地联接，第二骨构件2和第三骨构件3通过转动芯12可转动地联接，第三骨构件3和第四骨构件4通过转动芯13可转动地联接。转动芯11到13分别对应本发明的关节。在第二骨构件2的近侧端部设有肌腱引导件G3和G4，在第二骨构件2的远侧端部设有肌腱引导件G5和G6。在第三骨构件3的近侧端部设有肌腱引导件G7和G8，在第三骨构件3的远侧端部设有肌腱引导件G9和G10。肌腱引导件G1到G10可以由例如与第一到第四骨材料1到4的材料相同的材料或PE(聚乙烯)、PA(聚酰胺)等制成。
图4描绘了伸肌腱300A和屈肌腱300B被肌腱引导件G1到G10引导以与转动芯11到13接触的情形。转动芯11具有横截面形状是部分圆形的曲面部且与第二骨构件2一体形成。而且，转动芯12具有横截面形状是部分圆形的曲面部且与第三骨构件3一体形成。进一步地，转动芯13具有横截面形状是部分圆形的曲面部且与第四骨构件4一体形成。
尽管在图4的示例中转动芯11到13与第二到第四骨材料2到4中的任一个一体形成，它们也可以与第一到第四骨材料1到4分开提供。而且，转动芯11到13的形状不限于圆形，也可以是椭圆的。毋庸赘言，该形状可以是圆形和椭圆形的结合。在任何情况下，转动芯11到13的形状是不限制的，只要转动芯11到13的表面部分上设有弧状部，并且转动芯11到13与伸肌腱300A和屈肌腱300B的接触长度通过肌腱引导件G1到G10的工作而改变。
图4描绘了伸肌腱300A和屈肌腱300B从近侧向远侧，即从第一骨构件1向第四骨构件4伸展，同时与转动芯11到14的曲面部接触的情形。伸肌腱300A设在人手的手背侧，而屈肌腱300B设在人手的手掌侧。伸肌腱300A的一端连接到人工肌肉400A(见图5，下文中也称作伸肌400A)，人工肌肉400A是指状机构部分100所设有的人工肌肉400之一。存在一种担忧，即，伸肌腱300A的另一端和第四骨构件4彼此固定的部分接收拉伸应力使得其机械强度变差。为了避免该问题，它们没有被完全固定，并且为了减小应力，例如伸肌腱300A通过关联至第一骨构件4的一部分而被附接。
屈肌腱300B的一端连接到人工肌肉400B(见图5，下文中也称作屈肌400B)，人工肌肉400B是指除了连接有伸肌腱300A的人工肌肉400A之外的人工肌肉400。和伸肌腱300A的情况类似，存在一种担忧，即，屈肌腱300B的另一端和第四骨构件4彼此固定的部分接收拉伸应力使得其机械强度变差。为了避免该问题，它们没有被完全固定，并且为了减小应力，例如屈肌腱300B通过关联至第一骨构件4的一部分而被附接。
作为弹性体的肌腱300通过伸肌的牵引力Fe和屈肌的牵引力Ff伸展，并且引起根据伸展量的内部张力。利用肌腱300的横截面A，肌腱300的应变ε，以及肌腱300的杨氏模量E，抵抗牵引力Fe和Ff的内部张力由A×E×ε给出。此处，肌腱300的应变ε由取肌腱300的自由长度L0和伸展量ΔL根据E＝ΔL/L0给出。
当伸肌的牵引力是Fe和屈肌的牵引力是Ff时，屈肌腱300B的伸展量Lf(DIP)、LF(PIP)和Lf(MP)和伸肌腱300A的伸展量Le(DIP)、Le(PIP)和Le(MP)通过以下方式获得：
Fe＝A×E×(Lf(MP)+Lf(PIP)+Lf(DIP))/Lf0，以及
Ff＝A×E×(Le(MP)+Le(PIP)+Le(DIP))/Le0。
此处，假设横截面积A和杨氏模量E对伸肌腱300A和屈肌腱300B两者而言是相同的。而且，伸肌腱300A的自由长度是Le0，屈肌腱300B的自由长度是Lf0。上述两个公式表明伸肌400A的牵引力和屈肌腱300B的内部张力彼此相等，屈肌400B的牵引力和伸肌腱300A的内部张力彼此相等。
在本实施例中，转动芯11到13的半径(直径)从远侧向近侧逐渐增加(在下文中，称作转动倾斜)。即，半径(直径)按转动芯13、转动芯12和转动芯11的顺序变大。优选地，转动倾斜的比例是10％到40％。特别地，转动芯11到13的半径之间的比例(r(MP):r(PIP):r(DIP))被设定为1.62:1.27:1。通过提供这样的转动倾斜，转动顺序为：在掌指关节MP的转动完成后，近端指间关节PIP开始转动，在近端指间关节PIP的转动完成后，远端指间关节DIP开始转动。当这应用于待抓握物体OBJ的抓握时，在掌指关节MP的转动首先被与待抓握物体OBJ接触的近节指骨PP限制的情况下，近端指间关节PIP转动，并且中节指骨MIP与待抓握物体OBJ接触。其后，远端指间关节DIP转动，并且远节指骨DP与待抓握物体OBJ接触。此处，转动芯11到13和肌腱300之间的接触长度直接通过每个关节处的转动半径和转动角度获得。例如，屈肌腱300B在掌指关节MP处的接触长度Lf(MP)通过转动半径r(MP)×转动角度获得。这同样适用于与其他关节的接触长度以及伸肌腱300A与关节之间的接触长度。
图5是说明指状物伸展情形的示意性说明图。图5描绘了人工肌肉400A的宽度方向最扩张并且人工肌肉400B的宽度方向最放松的情形。该情形是伸肌腱300A最伸展，屈肌腱300B最放松，并且远节指骨DP、中节指骨MIP、近节指骨PP和掌骨MEB大体位于一条线的情形。通过使用图4来说明该情形，屈肌腱300B的伸展量Lf(DIP)、Lf(PIP)和Lf(MP)是最大的，并且伸肌腱300A的伸展量Le(DIP)、Le(PIP)和Le(MP)是最小的。当伸肌腱300A的牵引力是Fe且屈肌腱300B的牵引力是Ff时，它们通过以下方式获得：
Fe＝A×E×(Lf(MP)+Lf(PIP)+Lf(DIP))/Lf0，以及
Ff＝A×E×(Le(MP)+Le(PIP)+Le(DIP))/Le0≒0。
此处，假设横截面积A和杨氏模量E对伸肌腱300A和屈肌腱300B两者而言是相同的。而且，伸肌腱300A的自由长度是Le0，屈肌腱300B的自由长度是Lf0。
图6是描述指状物弯折情形的示意性说明图。图6描绘了人工肌肉400B的宽度方向最扩张并且人工肌肉400A的宽度方向最放松的情形。该情形是屈肌腱300B最弯折，伸肌腱300A最放松，并且远节指骨DP、中节指骨MIP、近节指骨PP和掌骨MEB的邻接骨以例如60度到90度的角度布置的情形。通过使用图4来说明该情形，在图6的情形中，屈肌腱300B的伸展量Lf(DIP)、Lf(PIP)和Lf(MP)是最小的并且伸肌腱300A的伸展量Le(DIP)、Le(PIP)和Le(MP)是最大的。当伸肌腱300A的牵引力是Fe且屈肌腱300B的牵引力是Ff时，它们通过以下方式获得：
Fe＝A×E×(Lf(MP)+Lf(PIP)+Lf(DIP))/Lf0≒0，以及
Ff＝A×E×(Le(MP)+Le(PIP)+Le(DIP))/Le0。
此处，假设横截面积A和杨氏模量E对伸肌腱300A和屈肌腱300B两者而言是相同的。而且，伸肌腱300A的自由长度是Le0，屈肌腱300B的自由长度是Lf0。
如图5和图6所描绘的，在人工肌肉400A和400B的端部设有圆形的通用关节520。这是为了无论人工肌肉400A和400B的扩张程度(收缩程度)如何，连接伸肌腱300A和屈肌腱330B的线段以及它们所连接的通用关节520的中心P沿着宽度方向在人工肌肉400A和400B的中心线CL上重合。以此结构，人工肌肉4000A和400B的运动变得平滑，施加到伸肌腱300A和屈肌腱300B以及人工肌肉400A和400B上的负载被减轻。
图7描绘了拇指THUMB的机构。不像其他四个指状物的机构，拇指THUMB设有四个肌腱314、324、334和344以及分别单独驱动它们的四个人工肌肉412、422、432和442。
拇指THUMB设有远节指骨DP、近节指骨PP和掌骨MEB，第一腕掌关节CMX设在掌骨MEB的中部内，并且掌骨MEB被分为第一掌骨MEB1和第二掌骨MEB2。远节指骨DP和近节指骨PP通过指间关节IP可转动地联接，近节指骨PP和第一掌骨MEB1通过掌指关节MP可转动地联接，第一掌骨MEB1和第二掌骨MEB2通过第一腕掌关节CMX可转动地联接，第二掌骨MEB2和腕骨CB通过第二腕掌关节CMY可转动地联接。
设置于拇指THUMB的指间关节IP、掌指关节MP和第一腕掌关节CMX通过肌腱324和334的张力而转动。通过人工肌肉422和432的扩张和收缩分别为肌腱324和334提供张力。肌腱324用作使拇指THUMB伸展的所谓的伸肌腱，肌腱334用作使拇指THUMB屈曲的所谓的屈肌腱。肌腱324和334不参与第二腕掌关节CMY的转动。以下也将肌腱324称作伸肌腱324，也将肌腱334称作屈肌腱334。
不像其他关节，设置于拇指THUMB的第二腕掌关节CMY通过肌腱314和344的张力而转动。通过人工肌肉412和422的扩张和收缩分别为肌腱314和344提供张力。肌腱344控制拇指THUMB的内收肌的工作。内收肌是将拇指THUMB向小指LF拉动的肌肉。根据待抓握物体OBJ的大小和形状来控制拇指THUMB和其他指状物之间的面对距离和相对距离，这为待抓握物体OBJ的抓握提供了稳定性和合适的保持强度。肌腱314和肌腱344作用相反。也就是说，肌腱314控制外展肌的使得拇指THUMB的位置进一步远离小指LF侧的运动。这提供了根据待抓握物体OBJ的大小和形状的分离操作的迅捷和安全性。以下也称肌腱314为外展肌腱314，也称肌腱344为内收肌腱344。
人工肌肉412、422、432和442的伸展和收缩通过从歧管650侧供给的空气的增压和减压等控制，歧管650由图1中描绘的电磁阀600驱动。空气从空气供给喷嘴/吸气喷嘴530(见图11)被供给，空气供给喷嘴/吸气喷嘴530分别设在附接至法兰500和筋510侧的人工肌肉412、422、432和442的一端侧。
图8是肌腱300的横截面图。肌腱300具有由芯部310和护套部320形成的复合结构，芯部310通过人工肌肉400的牵引力弹性应变，护套部320保护芯部310。对于芯部310，使用合成树脂纤维，诸如尼龙或聚乙烯，其杨氏模量为例如0.5GPa至2GPa。芯部310将内部张力FI转化为作用于肌腱对抗关节上的力。
护套部320可以由与芯部310相同的材料制成。其中诸如乙烯基的树脂组合物被编织成圆柱形状的护套部320可以以比对芯部310小的力伸展。护套部320的功能是防止芯部310与构件(例如转动芯11至13和肌腱引导件G1至G10)接触并且防止由于摩擦等引起的牵引力的损失和与芯部310的磨损。
图9是说明根据第一实施例的机械手系统的大体结构的框图。根据第一实施例的机械手系统设有上述机械手1000，安装有机械手1000的机器人ROB，为机器人ROB提供各种指令的控制器CON，以及使包括待抓握物体OBJ的周围环境成像的成像装置CAM。
作为所谓的计算机装置的控制器CON包括接受各种信息片段的输入接口，基于通过输入接口接受的信息进行各种种类的算法处理和信息处理的处理电路，以及将由处理电路产生的信息输出到外面的输出接口(这些未被描绘)。控制器CON接受例如P&P条件(取和放条件)的输入，其是用于与待抓握物体OBJ相关的抓握和放置的控制条件。P&P条件可以由操作或管理机械手1000的用户根据待抓握物体OBJ适当地设置。待抓握物体OBJ是任意物体。例如，它可以是柔软的物体，诸如水果/蔬菜(例如桃子或西红柿)，或者食物(例如炸丸子或一块炸鸡)。此外，它可以是具有不确定形状的物体，例如沙拉或配菜。而且，待抓握物体OBJ可以是比较小的物体，例如玩具。P&P条件可以包括诸如待抓握物体OBJ的重量、形状、柔软度、颜色、光泽等的条件。
机器人ROB例如是N-JIKU(申请人的商标)，其连接到控制器CON并安装有机械手1000。通过控制器CON将包括上述P&P条件的各种条件输入到机器人ROB中。基于通过控制器CON输入的各种条件，机器人ROB根据待抓握物体OBJ向机械手1000提供各种数据片段和各种操作指令，例如关节角度和抓握力。
当接受与待抓握物体OBJ的抓握有关的操作指令时，机械手1000进入操作以抓握待抓握物体OBJ。在抓握操作中，存在需要关于放置待抓握物体OBJ的地方的周围环境的信息的情况。例如通过从成像装置CAM获得待抓握物体OBJ放置处的周围环境的成像数据并且分析获得的成像数据，控制器CON能够获得关于放置待抓握物体OBJ的地方的周围环境的信息。此外，控制器CON可以通过分析从成像装置CAM获得的成像数据来获得关于待抓握物体OBJ的三维信息，以确定抓握位置、抓握姿势等。控制器CON基于通过分析输入的P&P条件和成像数据而获得的与待抓握物体OBJ的周围环境有关的信息和三维信息，提供符合待抓握物体OBJ的操作指令。机械手1000基于从控制器CON提供的操作指令对指状机构部分100处的关节角度和力进行自主控制，从而实现对抓握形式、保持力、指关节灵活性等的控制(柔顺控制)。
当可以预先向控制器CON提供与待抓握物体OBJ的周围环境有关的信息时，由于不需要来自成像装置CAM的成像数据，所以机械手系统不必包括成像装置CAM。
图10是说明机械手1000的控制系统的结构的框图。图10描绘了构成机械手1000的指状机构的关节、人工肌肉和肌腱以及电磁阀之间的连接。虽然为了简化附图，在图10中仅描绘了拇指THUMB和食指IF面向待抓握物体OBJ的情形，但是中指MF、无名指RF和小指LF具有与食指IF相同的关节并且也接触或面向待抓握物体OBJ。
拇指THUMB包括远节指骨DP、近节指骨PP和掌骨MEB。力传感器160附接至远节指骨DP，另一力传感器160附接至近节指骨PP。力传感器160检测拇指THUMB提供至待抓握物体OBJ的接触力。进一步地，从上述给出的描述中显而易见，骨通过指间关节IP、掌指关节MP、第一腕掌关节CMX和第二腕掌关节CMY可转动地联接在一起。角度传感器170附接至指间关节IP、掌指关节MP、第一腕掌关节CMX和第二腕掌关节CMY中的每一个。角度传感器检测关节角度，即骨之间的相对倾斜角度，并将其输出到CPU701。
通过向控制板700提供各种操作指令来进行对拇指THUMB的基本控制，控制板700控制整个机械手1000和安装在其上的CPU701。可以通过例如图9描绘的控制器CON提供操作指令。
当例如用于抓握待抓握物体OBJ的抓握指令通过外部输入手段(例如控制器CON)被输入到安装在控制板700上的CPU701时，CPU701将控制信号传递到电磁阀612、622、632和642以屈曲和伸展指状物。已接收到控制信号的电磁阀612、622、632和642进行供给和排出控制，从而人工肌肉400(具体地，外展肌412、伸肌422、屈肌432和内收肌442)伸展和收紧。供给和排出控制是向人工肌肉400(412、422、432、442)内侧供给空气的增压处理或用于从人工肌肉400排出空气的减压处理。
通过人工肌肉400(412、422、432、442)的伸展和收缩，引起拉动肌腱314、324、334和344的牵引力，其中在肌腱314、324、334和344上出现张力(见图7)。
作用在外展肌腱314和内收肌腱344上的张力控制第二腕掌关节CMY。尽管在图7的描述中也提到了，但是设置于拇指THUMB的第二腕掌关节CMY没有设置于其他指状物。
作用在伸肌腱324上的张力用作转动除了第二腕掌关节CMY之外的关节的力矩。因此，该张力用作转动指间关节IP、掌指关节MP和第一腕掌关节CMX的力矩。
作用在屈肌腱334上的张力33用作转动除了第二腕掌关节CMY之外的关节的力矩。因此，该张力用作转动指间关节IP、掌指关节MP和第一腕掌关节CMX的力矩。
以上已描述了拇指THUMB的每个关节的转动控制。尽管在图7中也提到了，但是拇指THUMB的特征是除了设置于其他指状物的肌腱300以外，增加了控制外展肌的运动的外展肌腱314和控制内收肌的运动的内收肌腱344，从而拇指THUMB的运动范围比之前大。
接下来将描述食指IF的结构。食指IF包括远节指骨DP、中节指骨MIP、近节指骨PP和掌骨MEB。力传感器160附接至远节指骨DP、中节指骨MIP和近节指骨PP。力传感器160检测食指IF提供至待抓握物体OBJ的接触力。从上述给出的描述中显而易见，骨通过远端指间关节DIP、近端指间关节PIP和掌指关节MP可转动地联接在一起。角度传感器170附接至远端指间关节DIP、近端指间关节PIP和掌指关节MP中的每一个。角度传感器170检测关节角度，即骨之间的相对倾斜角度，并将其输出到CPU701。
同拇指THUMB的基本控制类似，通过向安装在机械手1000的控制板700上的CPU701提供各种操作指令来进行对食指IF的基本控制。可以通过例如图9描绘的控制器CON提供操作指令。
当例如用于抓握待抓握物体OBJ的抓握指令通过外部输入手段(例如控制器CON)被输入时，CPU701将控制信号传递到电磁阀652和662以屈曲和伸展指状物。已接收到控制信号的电磁阀652和662进行供给和排出控制，从而人工肌肉400(具体地，伸肌400A和屈肌400B)伸展和收紧。具体地，供给和排出控制是向人工肌肉400(400A、400B)内侧供给空气的增压处理或用于从人工肌肉400排出空气的减压处理。
通过人工肌肉400(400A、400B)的伸展和收缩，引起拉动伸肌腱300A和屈肌腱300B的牵引力，由此在伸肌腱300A和屈肌腱300B上出现张力。这些张力成为转动关节的力矩。即，作用在伸肌腱300A和屈肌腱300B上的张力用作转动远端指间关节DIP、近端指间关节PIP和掌指关节MP的力矩。
附接至拇指THUMB、食指IF、中指MF、无名指RF和小指LF中的每一个的力传感器160向CPU701输出与接触力有关的传感器值。而且，附接至每个指状物的每个关节的角度传感器170向CPU701输出与每个关节的关节角度有关的传感器值。这些传感器值可以通过控制板700输出到控制器CON。机械手1000的用户可以基于力传感器160和角度传感器170的传感器值决定是否保持或更改或修改P&P条件的当前状态。
上述机械手1000和指状机构部分100的操作和控制是为了反馈抓握力和关节角度，继而根据待抓握物体OBJ的大小、形状、柔软度等调节和控制控制条件，这是机械手的柔顺控制。
图11是说明指状机构部分100中的牵引力传递机构的说明图。图11描绘了指状机构部分100的关节、人工肌肉和肌腱以及电磁阀之间的连接，并且描绘了拇指THUMB和食指IF接触或靠近待抓握物体OBJ的情形。尽管为了简化附图，图11仅描绘了两个指状物的关节，但是中指MF、无名指RF和小指LF也具有与食指IF相同的关节并且面向待抓握物体OBJ。
拇指THUMB设有指间关节IP、掌指关节MP和第一腕掌关节CMX。伸肌腱324和屈肌腱334悬挂在指间关节IP、掌指关节MP和第一腕掌关节CMX的曲面部(弧状部)上，并且从近侧向远侧即从第一腕掌关节CMX向指间关节IP延伸。伸肌腱324和屈肌腱334的一端分别连接到人工肌肉422和432的一端，并且人工肌肉422和432的另一端设有空气供给喷嘴/吸气喷嘴530。人工肌肉422和432的空气供给喷嘴/吸气喷嘴530分别连接至电磁阀622和632侧。
拇指THUMB进一步设有第二腕掌关节CMY。第二腕掌关节CMY控制拇指THUMB的外展肌412和内收肌442的操作。外展肌腱314和内收肌腱344悬挂在第二腕掌关节CMY上。外展肌腱314和内收肌腱344的一端连接到人工肌肉412和442的一端，人工肌肉412和442的另一端设有空气供给喷嘴/吸气喷嘴530。空气供给喷嘴/吸气喷嘴530分别连接至电磁阀612和642侧。
食指IF设有远端指间关节DIP、近端指间关节PIP、掌指关节MP和腕掌关节CM。伸肌腱300A和屈肌腱300B悬挂在这些关节的曲面部(弧状部)上，并且从近侧向远侧即从腕掌关节CM向远端指间关节DIP延伸。伸肌腱300A和屈肌腱300B的一端分别连接到伸肌400A和屈肌400B的一端，并且伸肌400A和屈肌400B的另一端连接到空气供给喷嘴/吸气喷嘴530的一端。空气供给喷嘴/吸气喷嘴530的另一端连接至电磁阀652和662侧。
尽管为了简化附图和说明，图11图示了食指IF，而由于中指MF、无名指RF和小指LF也具有与食指IF基本上类似的结构，因此省略对它们的描述。
现在，通过使用驱动拇指THUMB侧的电磁阀622和632作为示例，将描述其操作的共享、工作等。电磁阀622由作为电磁阀I和电磁阀II的两个阀形成。电磁阀I用于为人工肌肉442增压从而人工肌肉442在宽度方向上扩张。当人工肌肉442在宽度方向上扩张时，伸肌腱324沿着人工肌肉442的长度方向被拉动。提供这种工作的电磁阀I的阀功能将在本说明书中称为“伸肌增压”。
电磁阀II用于为人工肌肉442减压从而人工肌肉442在宽度方向上收紧并在长度方向上伸展。当人工肌肉442在长度方向上伸展时，伸肌腱324向第一腕掌关节CMX运动。提供这种工作的电磁阀II的阀功能将在本说明书中称为“伸肌减压”。
电磁阀III用于为人工肌肉432增压从而人工肌肉432在宽度方向上扩张。当人工肌肉432在宽度方向上扩张时，屈肌腱334沿着人工肌肉432的长度方向被拉动。提供这种工作的电磁阀III的阀功能将在本说明书中称为“屈肌增压”。
电磁阀IV用于为人工肌肉432减压从而人工肌肉432在宽度方向上收紧并在长度方向上伸展。当人工肌肉432在长度方向上伸展时，屈肌腱334向第一腕掌关节CMX运动。提供这种工作的电磁阀IV的阀功能将在本说明书中称为“屈肌减压”。
从给出的描述中显而易见，在根据本实施例的机械手1000中，由于四个电磁阀I到IV用于在转动拇指THUMB的关节方面控制伸肌腱324和屈肌腱334，通过电磁阀I到IV的打开和关闭的组合可以产生16种不同的控制状态。而且，这同样适用于其他指状物。可以通过使用四个电磁阀来控制伸肌腱300A和屈肌腱300B，并且通过电磁阀I到IV的打开和关闭的组合可以产生用于每个指状物的16种不同的控制状态。
图12是说明电磁阀I到IV的控制状态的说明图。图12描绘了图11中描绘的电磁阀I、II、III和IV的打开和关闭操作之间的关系，这些阀的阀功能，以及指状机构部分100的操作。
电磁阀I的阀功能包括“伸肌增压”。“伸肌增压”是这样的操作：通过向400A和422供给空气而为400A和422增压以使它们在宽度方向上扩张，从而使得伸肌腱300A和324被拉向人工肌肉400A和422。
电磁阀II的阀功能包括“伸肌减压”。“伸肌减压”是这样的操作：为人工肌肉400A和422减压以使它们在宽度方向上收紧并在长度方向上伸展，即，使得伸肌腱300A和324朝向掌指关节MP放松。
电磁阀III的阀功能包括“屈肌增压”。“屈肌增压”是这样的操作：通过向人工肌肉400B和432供给空气而为人工肌肉400B和432增压以使它们在宽度方向上扩张并在长度方向上s，从而使得屈肌腱300B和334被拉向人工肌肉400A和432。
电磁阀IV的阀功能包括“屈肌减压”。“屈肌减压”是这样的操作：为人工肌肉400B和432减压以使它们在宽度方向上收紧并在长度方向上伸展，即，使得屈肌腱300B和332朝向掌指关节MP放松。
通过电磁阀I到IV的打开和关闭状态的组合准备16种不同的阀状态(控制状态)。阀状态0表示电磁阀I到IV的四个阀都是关闭的。在阀状态0，伸肌腱300A和屈肌腱300B(伸肌腱324和屈肌腱334)处于彼此对抗的状态。
阀状态1是仅有电磁阀IV打开而剩下的三个电磁阀关闭的控制状态。
阀状态2是仅有电磁阀III打开而剩下的三个电磁阀I、II和IV关闭的控制状态。当进行所谓的“额外收紧物体”时，使用阀状态2，其中通过在宽度方向上扩张人工肌肉400B和432，屈肌腱300B和334被拉向人工肌肉400B和432以增加关节和待抓握物体OBJ之间的接触强度。
在阀状态3，电磁阀I和II关闭而电磁阀III和IV打开。在阀状态3，屈肌增压和屈肌减压可以组合使用。通过结合这两个压力和控制时间，可以实现正常控制中不能期待的瞬态控制。
阀状态4是仅有电磁阀II打开而剩下的三个电磁阀I、III和IV关闭的控制状态。
在阀状态5中，电磁阀II和IV打开而电磁阀I和III关闭。当进行所谓的指状物拉动以分离指状物与指状物所接触的待抓握物体OBJ时，应用阀状态5。通过同时进行伸肌减压和屈肌减压来放松人工肌肉400，并且施加到关节和肌腱300的不必要的力被排除以便避免其劣化。
在阀状态6中，电磁阀II和III打开而电磁阀I和IV关闭。当待抓握物体OBJ被抓握时，应用阀状态6。当待抓握物体OBJ被抓握时，优选的指状物姿势是与待抓握物体OBJ接触的手掌侧上的力增加而手背侧上的力放松的情形。因此，伸肌400A和422被减压并且屈肌400B和432被增压。
在阀状态7中，电磁阀I关闭而剩下的电磁阀II至IV全部打开。在阀状态7中，电磁阀III和IV的状态与阀状态3中的状态相同并且均打开。
在阀状态8中，电磁阀I打开而剩下的电磁阀全部关闭。在阀状态8中，电磁阀的打开和关闭状态与阀状态7中的电磁阀的打开和关闭状态相反。在阀状态8中，伸肌400A和422(伸肌腱300A和324)伸展，关节基本上沿一条直线对准。通过控制阀状态8，对待抓握物体OBJ的增压被解除。
在阀状态9中，电磁阀I和IV打开而电磁阀II和III关闭。在阀状态9中，伸肌400A和422(伸肌腱300A和324)伸展，屈肌400B和432(屈肌腱300B和334)放松，这是最适合于从待抓握物体OBJ释放指状物的状态。
在阀状态10中，电磁阀I和III打开而电磁阀II和IV关闭。在阀状态10中，伸肌400A和422(伸肌腱300A和324)与屈肌400B和432(屈肌腱300B和334)都伸展，并且伸肌400A和422(伸肌腱300A和324)与屈肌400B和432(屈肌腱300B和334)处于彼此对抗的状态。当检查人工肌肉400的初始状态以及当关节收紧即关节的灵活性降低时，应用该状态。
机械手1000可以通过电磁阀I至IV的组合采用阀状态11至15中描绘的状态。例如，通过对阀状态11的控制以及减压量和减压时间的组合，可以对屈肌400和432的操作提供各种改变。
在阀状态12到14中，由于伸肌400A和422(伸肌腱300A和324)的增压和减压可以同时打开，因此可以通过增压量和增压时间以及进一步地减压量和减压时间的组合对伸肌400A和422的操作提供各种改变。
在阀状态15中，由于不仅伸肌400A和422(伸肌腱300A和324)的增压和减压可以同时打开，而且屈肌400B和432(屈肌腱300B和334)的增压和减压也可以同时打开，因此可以组合使用伸肌400A和422以及屈肌400B和432的操作。在根据本实施例的指状机构的控制中，通过使用用于一个指状物的四个电磁阀I至IV和两个人工肌肉400A和400B(或422和432)来转动关节，获得了能够对指状物进行各种操作的特征。对于拇指THUMB，由于两个电磁阀612和642也用于对外展肌412和内收肌442的操作控制进行操作控制，因此获得了能够表现得类似于人的手指和手的特征。
下面将描述用于控制机械手1000的方法。
图13是说明用于控制根据第一实施例的机械手1000的方法的流程图。当从控制器CON接受与开始抓握有关的操作指令时，安装在机械手1000所设有的控制板700上的CPU701执行稳固控制(步骤S101)。此处，稳固控制是将伸肌腱300A的牵引力和屈肌腱300B的牵引力置于它们彼此对抗的初始状态。具体地，CPU701控制电磁阀I到IV的打开和关闭进入上述阀状态10，并且控制伸肌400A和屈肌400B均进入增压状态。伸肌400A和屈肌400B均沿着宽度方向扩张并沿着长度方向收紧，以借此拉动伸肌腱300A和屈肌腱300B，从而其牵引力彼此对抗。这同样适用于拇指THUMB所设有的伸肌422和屈肌432。
然后，CPU701将指状机构部分100的控制状态转换到适应性抓握(步骤S102)。该适应性抓握是这样的操作：根据待抓握物体OBJ的形状沿着待抓握物体OBJ放置指状机构部分100的指状物并且使机械手1000开始抓握待抓握物体OBJ。具体地，CPU701控制电磁阀I到IV的打开和关闭进入上述阀状态6，并且控制伸肌400A进入减压状态且屈肌400B进入增压状态。伸肌腱300A的张力变弱使得能够控制将指状机构部分100的指状物沿着待抓握物体OBJ放置。这同样适用于拇指THUMB所设有的伸肌422和屈肌432。从步骤S101的稳固控制到步骤S102的适应性抓握的转换可以在从控制器CON接收到操作指令时执行，或者可以在从转换到稳固控制经过设定时间之后自动执行。
然后，CPU701将指状机构部分100的控制状态转换为保持(步骤S103)。保持是保持由机械手1000抓握的待抓握物体OBJ的操作。具体地，CPU701控制电磁阀I至IV的打开和关闭进入上述阀状态0，并且将伸肌腱300A和屈肌腱300B的张力控制为它们被保持的状态。这同样适用于拇指THUMB所设有的伸肌腱324和屈肌腱334。从步骤S102的适应性抓握到步骤S103的保持的转换可以在接收到来自控制器CON的操作指令时执行，或者可以在从转换到适应性抓握经过设定时间之后自动执行。
当从控制器CON接受提供解除抓握操作的指令的操作指令时，CPU701将指状机构部分100的控制状态控制为适应性解除(步骤S104)。适应性解除是用于解除在步骤S103的保持操作的操作。CPU701控制电磁阀I至IV的打开和关闭进入上述阀状态9，并且控制伸肌400A进入增压状态且屈肌400B进入减压状态。通过增加伸肌腱300A的张力并减小屈肌腱300B的张力，可以解除保持操作。这同样适用于拇指THUMB所设有的伸肌422和屈肌432。
然后，CPU701确定是否结束抓握(步骤S105)。当从控制器CON接受与抓握结束指令有关的操作指令时，CPU701确定结束抓握。当确定不结束抓握时(步骤S105：否)，CPU701将处理返回到步骤S102并且执行从步骤S102到S104的一系列处理以抓握另一个待抓握物体OBJ。
另一方面，当确定结束抓握时(步骤S105：是)，CPU701将指状机构部分100的控制状态控制为放松(步骤S106)。放松是用于指状物拉动以避免指状机构部分100与待抓握物体OBJ以及容纳待抓握物体OBJ的盒子、容器等接触的操作，以及用于保护肌腱300和人工肌肉400的操作。CPU701控制电磁阀I至IV的打开和关闭进入上述阀状态5，并且控制伸肌400A和屈肌400B都进入减压状态。这同样适用于拇指THUMB所设有的伸肌422和屈肌432。
虽然在本实施例中进行对任意阀状态0至16的控制，但是可以采用其中两个阀状态以时间间隔交替切换的结构。通过以时间间隔切换伸肌增压、伸肌减压、屈肌增压和屈肌减压的状态，可以实现正常控制不能期望的瞬态控制。
如上所述，在第一实施例中，由于转动芯11至13通过伸肌腱300A和屈肌腱300B的张力而转动，并且在伸肌腱300A和屈肌腱300B的张力彼此平衡的情形下自动地停止转动，因此具有不确定形状的柔软物体可以被抓握而不会被压碎。
此外，在第一实施例中，可以根据伸肌腱300A和屈肌腱300B的物理特性唯一地确定张力。
此外，在本实施例中，由于与伸肌腱300A和屈肌腱300B的接触长度按转动芯11、12和13的顺序变长，因此当抓握待抓握物体OBJ时，可以在指状物关节扩宽后产生包围待抓握物体OBJ(抓握形式)的指状物形式，即使待抓握物体OBJ是具有不确定形状的柔软物体，也可以适当地抓握它。
(第二实施例)
在第二实施例中，将描述一种结构，其中基于指状机构部分100所设有的角度传感器和力传感器的输出来进行反馈控制。
图14是说明根据第二实施例的机械手1000的控制过程的流程图。当从控制器CON接受与开始抓握有关的操作指令时，安装在机械手1000所设有的控制板700上的CPU701执行稳固控制(步骤S201)。此处，稳固控制是将伸肌腱300A的牵引力和屈肌腱300B的牵引力置于它们彼此对抗的初始状态。具体地，CPU701控制电磁阀I到IV的打开和关闭进入上述阀状态10，并且控制伸肌400A和屈肌400B均进入增压状态。伸肌400A和屈肌400B均沿着宽度方向扩张并沿着长度方向收紧，以借此拉动伸肌腱300A和屈肌腱300B，从而其牵引力彼此对抗。这同样适用于拇指THUMB所设有的伸肌422和屈肌432。
然后，CPU701将指状机构部分100的控制状态转换到形成围合(步骤S202)。形成围合是确定当机械手1000安装在机器人ROB上并且待抓握物体OBJ被抓握和释放时操作的允许范围和允许区域。机械手1000需要根据待抓握物体OBJ的大小和形状，待抓握物体OBJ放置处的周围环境的情形，以及容纳待抓握物体OBJ的周围环境的情形来运转。例如，当将桃子放入盒子中或从盒子中取出桃子时，由于指状机构的角度在盒子的末端时和在盒子的中间时必须是不同的，因此需要鉴于这种情况来设定围合的形成。将参考图15中描绘的流程图详细描述形成围合中的控制过程。
然后，CPU701将指状机构部分100的控制状态转换为抓握(步骤S203)。抓握与第一实施例中描述的适应性抓握基本相同，并且是这样的操作：根据待抓握物体OBJ的形状沿着待抓握物体OBJ放置指状机构部分100的指状物并使机械手1000开始抓握待抓握物体OBJ。将参考图16中描绘的流程图详细描述抓握中的控制过程。
然后，CPU701将指状机构部分100的控制状态转换为保持(步骤S204)。保持是保持由机械手1000抓握的待抓握物体OBJ的操作。具体地，CPU701控制电磁阀I至IV的打开和关闭进入上述阀状态0，并且将伸肌腱300A和屈肌腱300B的张力控制为它们被保持的状态。从步骤S203的抓握到步骤S204的保持的转换可以在接收到来自控制器CON的操作指令时执行，或者可以在从转换到抓握状态经过设定时间之后自动执行。
当从控制器CON接受提供解除抓握操作的指令的操作指令时，CPU701将指状机构部分100的控制状态控制为适应性解除(步骤S205)。适应性解除是用于解除在步骤S204的保持操作的操作。CPU701控制电磁阀I至IV的打开和关闭进入上述阀状态9，并且控制伸肌400A进入增压状态且屈肌400B进入减压状态。通过增加伸肌腱300A的张力并减小屈肌腱300B的张力，可以解除保持操作。这同样适用于拇指THUMB所设有的伸肌422和屈肌432。
然后，CPU701确定是否结束抓握(步骤S206)。当从控制器CON接受与抓握结束指令有关的操作指令时，CPU701确定结束抓握。当确定不结束抓握时(步骤S105：否)，CPU701将处理返回到步骤S202并且执行从步骤S202到S205的一系列处理以抓握另一个待抓握物体OBJ。
另一方面，当确定结束抓握(步骤S206：是)手，CPU701将指状机构部分100的控制状态控制为放松(步骤S207)。放松是用于指拉动以避免指状机构部分100与待抓握物体OBJ以及容纳待抓握物体OBJ的盒子、容器等接触的操作，以及用于保护肌腱300和人工肌肉400的操作。CPU701控制电磁阀I至IV的打开和关闭进入上述阀状态5，并且控制伸肌400A和屈肌400B都进入减压状态。这同样适用于拇指THUMB所设有的伸肌422和屈肌432。
图15是描绘形成围合的控制过程的流程图。安装在机械手1000所设有的控制板700上的CPU701通过控制器CON接受针对关节角度的目标角度和接触力的设定值(步骤S211)。
当获得来自每个传感器的传感器输出时(步骤S212)，CPU701确定力传感器160的传感器值是否高于设定值(步骤S213)。当力传感器160的传感器值高于设定值时(步骤S213：是)，CPU701通知控制器CON完成(步骤S215)，并且结束根据该流程图的处理。
当确定力传感器160的传感器值不大于设定值时(步骤S213：否)，CPU701确定由角度传感器170测量的关节角度是否基本上等于目标角度(步骤S214)。当确定由角度传感器170测量的关节角度基本上等于目标角度时(步骤S214：是)，CPU701在步骤S215提供完成通知并且结束根据该流程图的处理。
当确定由角度传感器170的传感器值指示的关节角度与目标角度基本上不同时(步骤S214：否)，CPU701确定由角度传感器170测量的关节角度是否大于目标角度(步骤S216)。
当确定由角度传感器170测量的关节角度大于目标角度时(步骤S216：是)，CPU701控制电磁阀I至IV的打开和关闭，并且控制屈肌400B和432进入减压状态且伸肌400A和422进入增压状态(步骤S217)。步骤S217的处理对应于图12的阀状态9，并且对应于适应性解除的操作。也就是说，角度传感器值高于目标值表示面对的骨之间的距离小于目标值，因此，在稍微增加距离的方向上进行控制。在控制到上述控制状态之后，CPU701将处理返回到步骤S212。
另一方面，当确定由角度传感器170测量的关节角度不大于目标角度时(步骤S216：否)，CPU 701控制电磁阀I至IV的打开和关闭，并且控制屈肌400B和432进入增压状态且伸肌400A和422进入减压状态(步骤S218)。步骤S218对应于图12的阀状态6，并且对应于“适应性抓握”的操作。也就是说，角度传感器值低于目标值表示面对的骨之间的距离大于目标值，因此，在稍微减小距离的方向上进行控制。在控制到上述控制状态之后，CPU 701将处理返回到步骤S212。
图16是描绘抓握操作的控制过程的流程图。安装在机械手1000所设有的控制板700上的CPU701通过控制器CON接受针对关节角度的目标角度和抓握力的设定值(步骤S221)。
当获得来自每个传感器的传感器输出时(步骤S222)，CPU701确定由角度传感器170测量的关节角度是否大于目标角度(步骤S223)。当确定由角度传感器170测量的关节角度大于目标角度时(步骤S223：是)，CPU701通知控制器CON完成(步骤225)并且结束根据该流程图的处理。
当确定由角度传感器170测量的关节角度不大于目标角度时(步骤S223：否)，CPU701确定力传感器160的传感器值(即，抓握力)是否基本等于设定值(步骤S224)。当确定力传感器160的传感器值基本上等于目标角度时(步骤S214：是)，CPU701在步骤S225提供完成通知并且结束根据该流程图的处理。
当确定力传感器160的传感器值基本不同于设定值时(步骤S224：否)，CPU701确定力传感器160的传感器值是否高于设定值(步骤S226)。当力传感器160的传感器值高于设定值时(步骤S226：是)，CPU701控制电磁阀I至IV的打开和关闭，并且控制屈肌400B和432进入减压状态且伸肌400A和422进入增压状态(步骤S227)。步骤S227对应于图12的阀状态9，并且对应于适应性解除的操作。也就是说，力传感器值高于目标值表示抓握力大，因此，在减小抓握力的方向上进行控制。在控制到上述控制状态之后，CPU701将处理返回到步骤S222。
当确定力传感器160的传感器值不大于设定值时(步骤S226：否)，CPU701控制电磁阀I至IV的打开和关闭，并且控制屈肌400B和432进入增压状态且伸肌400A和422进入减压状态(步骤S228)。步骤S228对应于图12的阀状态6，并且等同于适应性抓握的操作。也就是说，力传感器值低于目标值表示抓握力弱，因此，在增大抓握力的方向上进行控制。在控制到上述控制状态之后，CPU701将处理返回到步骤S222。
如上所述，在第二实施例中，由于可以基于力传感器160和角度传感器170的传感器输出执行反馈控制，因此能够实现自主地控制抓握待抓握物体OBJ的抓握形式、保持力、指关节灵活性等的柔顺控制。
这里公开的实施例应该在所有方面被认为是说明性的而不是限制性的。本发明的范围不是由上面给出的定义限定，而是由权利要求限定，并且包含落入与权利要求等同的定义和范围内的所有改变。

Claims (33)

1.一种指状机构，包括：
第一骨构件和第二骨构件；
第一转动芯，第一转动芯沿着第一骨构件和第二骨构件的长度方向在端部可转动地联接所述第一骨构件和第二骨构件；
伸肌腱，伸肌腱设置在第二骨构件相对于第一骨构件伸展的一侧，并且沿着第一骨构件和第二骨构件的长度方向伸展；
第一伸肌腱引导件，第一伸肌腱引导件设置于第一骨构件和第二骨构件，并且引导伸肌腱使得伸肌腱与第一转动芯的表面的一部分接触；
伸肌，伸肌连接至伸肌腱，并且伸展和屈曲伸肌腱；
屈肌腱，屈肌腱设置在第一骨构件相对于第二骨构件屈曲的一侧，并且沿着第一骨构件和第二骨构件的长度方向伸展；
第一屈肌腱引导件，第一屈肌腱引导件设置于第一骨构件和第二骨构件，并且引导屈肌腱使得屈肌腱与第一转动芯的表面的另一部分接触；
屈肌，屈肌连接至屈肌腱，并且伸展和屈曲屈肌腱。
2.根据权利要求1所述的指状机构，进一步包括：
第三骨构件；
第二转动芯，第二转动芯在第二骨构件的、与第一骨构件联接的端部相对的一侧的端部处可转动地联接第三骨构件的端部；
第二伸肌腱引导件，第二伸肌腱引导件设置于第二骨构件和第三骨构件，并且引导伸肌腱使得伸肌腱与第二转动芯的表面的一部分接触；以及
第二屈肌腱引导件，第二屈肌腱引导件设置于第二骨构件和第三骨构件，并且引导屈肌腱使得屈肌腱与第二转动芯的表面的另一部分接触。
3.根据权利要求2所述的指状机构，进一步包括：
第四骨构件；
第三转动芯，第三转动芯在第三骨构件的、与第二骨构件联接的端部相对的一侧的端部处可转动地联接第四骨构件的端部；
第三伸肌腱引导件，第三伸肌腱引导件设置于第三骨构件和第四骨构件中的至少一个，并且引导伸肌腱使得伸肌腱与第三转动芯的表面的一部分接触；以及
第三屈肌腱引导件，第三屈肌腱引导件设置于第三骨构件和第四骨构件中的至少一个，并且引导屈肌腱使得屈肌腱与第三转动芯的表面的另一部分接触。
4.根据权利要求3所述的指状机构，其中：
第一骨构件、第二骨构件、第三骨构件和第四骨构件分别是掌骨、近节指骨、中节指骨和远节指骨。
5.根据权利要求1所述的指状机构，其中：
伸肌腱和屈肌腱是分别通过伸肌和屈肌的牵引力而伸展的弹性体，
当伸肌腱和屈肌腱的横截面积是A，杨氏模量是E，且应变是ε时，在伸肌腱和屈肌腱中产生的内部张力F由F＝A×E×ε给出，并且当伸肌腱和屈肌腱的自由长度和伸展量分别是L0和ΔL时，应变ε由ε＝ΔL/L0表示。
6.根据权利要求3所述的指状机构，其中：
伸肌腱和屈肌腱是分别通过伸肌和屈肌的牵引力而伸展的弹性体，
当伸肌腱和屈肌腱的横截面积是A，杨氏模量是E，伸肌腱的自由长度是Le0，伸肌腱通过第一转动芯、第二转动芯和第三转动芯的伸展量分别是Le(MP),Le(PIP)和Le(DIP)，屈肌腱的自由长度是Lf0，屈肌腱通过第一转动芯、第二转动芯和第三转动芯的伸展量分别是Lf(MP),Lf(PIP)和Lf(DIP)时，
伸肌腱的牵引力Fe和屈肌腱的牵引力Ff是：
Fe＝A×E×(Lf(MP)+Lf(PIP)+Lf(DIP)/Lf0,和
Ff＝A×E×(Le(MP)+Le(PIP)+Le(DIP)/Le0。
7.根据权利要求6所述的指状机构，其中：
当伸肌腱最伸展时，伸肌腱的伸展量之和Le(MP)+Le(PIP)+Le(DIP)是最大的，并且屈肌腱的伸展量之和Lf(DIP)+Lf(PIP)+Lf(MP)是最小的。
8.根据权利要求6所述的指状机构，其中：
当屈肌腱最伸展时，屈肌腱的伸展量之和Lf(DIP)+Lf(PIP)+Lf(MP)是最大的，并且伸肌腱的伸展量之和Le(MP)+Le(PIP)+Le(DIP)是最小的。
9.根据权利要求1所述的指状机构，其中：
伸肌腱和屈肌腱包括芯部和保护芯部的护套部。
10.根据权利要求9所述的指状机构，其中：
芯部是具有0.5GPa至2.0GPa杨氏模量的合成树脂纤维。
11.根据权利要求3所述的指状机构，其中：
伸肌腱和屈肌腱相对于第一转动芯、第二转动芯和第三转动芯的接触长度按第一转动芯、第二转动芯和第三转动芯的顺序增长。
12.根据权利要求3所述的指状机构，其中：
第一转动芯、第二转动芯和第三转动芯中的每一个包括凸状曲面部，并且
曲面部的曲率半径按第一转动芯、第二转动芯和第三转动芯的顺序增大。
13.根据权利要求12所述的指状机构，其中：
第一转动芯的曲率半径比第二转动芯的曲率半径大10％至40％，第二转动芯的曲率半径比第三转动芯的曲率半径大10％至40％。
14.根据权利要求12所述的指状机构，其中：
第一转动芯、第二转动芯和第三转动芯的曲率半径之间的比为1.62：1.27：1。
15.根据权利要求3所述的指状机构，其中：
第n个转动芯(n为1、2、3中的任一个)被固定至第n个骨构件或第(n+1)个骨构件。
16.根据权利要求3所述的指状机构，其中：
第n个转动芯(n为1、2、3中的任一个)与第n个骨构件和第(n+1)个骨构件分开提供。
17.根据权利要求3所述的指状机构，其中：
第一至第四骨构件、第一至第三伸肌腱引导件和第一至第三屈肌腱引导件由相同材料制成。
18.根据权利要求17所述的指状机构，其中：
第一至第四骨构件、第一至第三伸肌腱引导件和第一至第三屈肌腱引导件由ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)树脂制成。
19.根据权利要求3所述的指状机构，其中：
设有多个指状物，并且
多个指状物中的每一个包括第一至第m(m是2、3、4中的任一个)个骨构件、第一至第(m-1)个转动芯、第一至第(m-1)个伸肌腱引导件、第一至第(m-1)个屈肌腱引导件、伸肌腱、屈肌腱、伸肌和屈肌。
20.根据权利要求19所述的指状机构，其中：
多个指状物包括食指、中指、无名指和小指中的至少一个。
21.根据权利要求19所述的指状机构，其中：
多个指状物包括拇指，并且
拇指还包括外展肌腱与伸展和屈曲外展肌腱的外展肌，以及内收肌腱与伸展和屈曲内收肌腱的内收肌。
22.根据权利要求1所述的指状机构，其中：
伸肌和屈肌中的每一个包括麦吉本气动致动器。
23.根据权利要求1所述的指状机构，其中：
伸肌和屈肌中的每一个包括马达和滑轮，并且是通过驱动马达使伸肌腱和屈肌腱卷起的一种类型的人工肌肉。
24.根据权利要求1所述的指状机构，其中：
伸肌和屈肌中的每一个是使用线性马达或生物金属的线性运动类型的人工肌肉。
25.一种机械手，包括：
根据权利要求1所述的指状机构；和
控制指状机构所设有的伸肌和屈肌的收缩程度的控制单元。
26.一种机械手，包括：
根据权利要求22的指状机构；
增压电磁阀和减压电磁阀，所述增压电磁阀和减压电磁阀设置在向指状机构所设有的麦吉本气动致动器供给压缩空气的供给路径的中途；以及
控制增压电磁阀和减压电磁阀的打开和关闭的控制单元，其中
控制单元控制增压电磁阀和减压电磁阀的打开和关闭，并且通过调节气动致动器中的气压来控制指状机构所设有的伸肌和屈肌的收缩程度。
27.一种机械手控制方法，其中机械手包括：根据权利要求22所述的指状机构；增压电磁阀和减压电磁阀，所述增压电磁阀和减压电磁阀设置在向构成指状机构的伸肌和屈肌的麦吉本气动致动器供给压缩空气的供给路径的中途；以及控制单元，所述控制单元控制增压电磁阀和减压电磁阀的打开和关闭并且控制伸肌和屈肌的收缩程度，所述方法包括：
执行对增压电磁阀和减压电磁阀的打开和关闭控制以便通过控制单元执行以下操作：
其中所述操作包括：
在抓握待抓握物体的操作之前使得指状机构所设有的伸肌和屈肌的牵引力彼此对抗的稳固操作；
根据待抓握物体的形状来抓握待抓握物体的适应性抓握操作；
保持抓握状态的保持操作；
解除保持操作的适应性解除操作；以及
放松伸肌和屈肌的放松操作。
28.根据权利要求27所述的机械手控制方法，其中：
当执行稳固操作时，控制单元进行控制以为分别构成伸肌和屈肌的气动致动器中的每一个打开增压电磁阀并关闭减压电磁阀。
29.根据权利要求27所述的机械手控制方法，其中：
当执行适应性抓握操作时，控制单元进行控制以为构成伸肌的气动致动器关闭增压电磁阀并打开减压电磁阀，并且进行控制以为构成屈肌的气动致动器打开增压电磁阀并关闭减压电磁阀。
30.根据权利要求27所述的机械手控制方法，其中：
当执行保持操作时，控制单元进行控制以为分别构成伸肌和屈肌的气动致动器中的每一个关闭增压电磁阀和减压电磁阀。
31.根据权利要求27所述的机械手控制方法，其中：
当执行适应性解除操作时，控制单元进行控制以为构成屈肌的气动致动器打开增压电磁阀并关闭减压电磁阀，并且进行控制以为构成屈肌的气动致动器关闭增压电磁阀并打开减压电磁阀。
32.根据权利要求27所述的机械手控制方法，其中：
当执行放松操作时，控制单元进行控制以为分别构成伸肌和屈肌的气动致动器中的每一个关闭增压电磁阀并打开减压电磁阀。
33.根据权利要求27所述的机械手控制方法，其中：
机械手还包括：
力传感器，力传感器检测与待抓握物体的接触力；以及
角度传感器，角度传感器检测每个骨构件的转动角度，其中，
控制单元基于力传感器和角度传感器的输出来控制增压电磁阀和减压电磁阀的打开和关闭，并且通过调节气动致动器中的气压来控制指状机构的伸肌和屈肌的收缩程度。
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