CN110014443A - 用于机器人的关节结构 - Google Patents

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Abstract

本公开提供用于机器人的关节结构，其能够有助于减小使机器人中的关节移动的致动器的尺寸。根据本公开实施方式的用于机器人的关节结构是用于机器人的包括四连杆机构的关节结构，四连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆，其中，随着手指弯曲，弹性构件8扩张且其回复力增大，并且穿过第二旋转轴的中心的第二直线与弹性构件的另一端部固定至第三连杆的固定点之间的距离等于或长于穿过第一旋转轴的中心的第四直线与弹性构件的一个端部固定至第二连杆的固定点之间的距离，第二直线与穿过第二旋转轴的中心和第四旋转轴的中心的第一直线垂直，且第四直线与穿过第一旋转轴的中心和第三旋转轴的中心的第三直线垂直。

Description

用于机器人的关节结构
技术领域
本公开涉及用于机器人的关节结构，并且具体地涉及用于机器人手的手指结构。
背景技术
已经研发出模仿人手以使机器人能够执行复杂任务的机器人手。这种机器人手中的一些机械人手适于使得：当这些机器人手抓握作为目标物体的待被抓握的部件时，这些机器人手的手指与待被抓握的部件的外部形状配合。
例如，在日本未审查专利申请公报No.2002-103269(在下文中，被称为专利文献1)中所公开的用于机器人手的手指结构包括第一手指板、第二手指板和第三手指板。第一手指板和第二手指板通过扭转弹簧而被可旋转地彼此连接，扭转弹簧在手指弯曲时沿伸展方向施加回复力。此外，第二手指板和第三手指板也通过扭转弹簧而被可旋转地彼此连接，扭转弹簧在手指弯曲时沿伸展方向施加回复力。
在上述手指结构中，例如，当第一手指板在手指伸展的状态下与待被抓握的部件(在下文中，也被称为被抓握部件)接触时，第二手指板和第三手指板移动以抓握被抓握部件并且由此手指与被抓握部件配合。
发明内容
本发明人已经发现了以下问题。在专利文献1中所公开的手指结构中，第一指板和第二指板通过扭转弹簧而彼此连接，并且第二指板和第三指板通过扭转弹簧而彼此连接，这些扭转弹簧在手指弯曲时沿伸展方向施加回复力。因此，为了通过使用专利文献1中所公开的用于机器人手的手指结构来抓握被抓握部件，需要克服扭转弹簧的回复力的驱动力，从而引起下述问题：用于使手指移动的致动器比如伺服马达的尺寸增大。
本公开已经鉴于上述问题而完成，并且本公开的目的在于提供这样一种用于机器人的关节结构：该关节结构能够有助于减小用于使机器人中的关节移动的致动器的尺寸。
第一示例性方面是一种用于机器人的关节结构，该关节结构包括四连杆机构，其中，
该四连杆机构包括：
第一连杆，第一连杆构造成能够通过致动器而绕第一旋转轴旋转；
第二连杆，第二连杆构造成能够相对于第一连杆绕第一旋转轴旋转；
第三连杆，第三连杆构造成能够相对于第一连杆绕第二旋转轴旋转；和
第四连杆，第四连杆构造成能够相对于第二连杆绕第三旋转轴旋转并且能够相对于第三连杆绕第四旋转轴旋转，
第一旋转轴、第二旋转轴、第三旋转轴和第四旋转轴彼此不同，
该关节结构还包括第一弹性构件，第一弹性构件的一个端部固定至第二连杆，并且第一弹性构件的另一端部固定至第三连杆，
在手指的伸展状态被限定为初始状态的情况下，随着手指弯曲，第一弹性构件扩张并且第一弹性构件的回复力增大，并且
在手指的初始状态下，在与第一旋转轴延伸的方向垂直的平面上，穿过第二旋转轴的中心的第二直线与第一弹性构件的另一端部固定至第三连杆的固定点之间的距离等于或长于穿过第一旋转轴的中心的第四直线与第一弹性构件的一个端部固定至第二连杆的固定点之间的距离，第二直线与穿过第二旋转轴的中心和第四旋转轴的中心的第一直线垂直，并且第四直线与穿过第一旋转轴的中心和第三旋转轴的中心的第三直线垂直。
通过上述构型，当机器人手抓握被抓握部件时，第一弹性构件沿被抓握部件被抓握的方向施加力矩。因此，当机器人手抓握被抓握部件时，第一弹性构件的回复力被加到由致动器施加的驱动力上，使得机器人手可以用小的驱动力来抓握被抓握部件。因此，可以有助于减小用于使机器人中的关节移动的致动器的尺寸。
在上述用于机器人的关节结构中，第一弹性构件优选地是由树脂制成的环构件。
以这种方式，与使用螺旋弹簧等作为第一弹性构件的情况相比，用于安装第一弹性构件的空间可以变窄并且成本降低。
上述用于机器人的关节结构优选地还包括：
第五连杆，第五连杆构造成能够相对于第三连杆绕第五旋转轴旋转；以及
第六连杆，第六连杆构造成能够相对于第四连杆绕第六旋转轴旋转并且能够相对于第五连杆绕第七旋转轴旋转。
以这种方式，可以实现用于被抓握部件的精细配合运动。
上述用于机器人的关节结构优选地还包括第二弹性构件，第二弹性构件的一个端部固定至第四连杆，并且第二弹性构件的另一端部固定至第五连杆。
随着手指弯曲，第二弹性构件优选地扩张并且第二弹性构件的回复力增大。
在手指的初始状态下，在与第三旋转轴延伸的方向垂直的平面上，穿过第三旋转轴的中心的第六直线与第二弹性构件的另一端部固定至第五连杆的固定点之间的距离优选地等于或长于第六直线与第二弹性构件的一个端部固定至第四连杆的固定点之间的距离，第六直线与穿过第三旋转轴的中心和第六旋转轴的中心的第五直线垂直。
以这种方式，当第四连杆和第六连杆旋转时，第二弹性构件的回复力可以加到由致动器施加的驱动力上。
在上述用于机器人的关节结构中，第二弹性构件优选地是由树脂制成的环构件。
以这种方式，与使用螺旋弹簧等作为第二弹性构件的情况相比，用于安装第二弹性构件的空间可以变窄并且成本降低。
根据本公开，可以有助于减小用于使机器人中的关节移动的致动器的尺寸。
根据下文中给出的详细描述以及附图，本公开的以上及其他目的、特征和优点将被更全面地理解，以下详细描述和附图仅以说明的方式给出，并且因此不应被视为限制本公开。
附图说明
图1是示意性地示出了采用根据第一实施方式的用于机器人的关节结构的手指的初始状态的立体图；
图2是采用根据第一实施方式的用于机器人的关节结构的手指的分解图；
图3是用于说明在被抓握部件由采用根据第一实施方式的用于机器人的关节结构的手指抓握时执行的配合运动的图示；
图4是用于说明在被抓握部件由采用根据第一实施方式的用于机器人的关节结构的手指抓握时执行的配合运动的图示；
图5是用于说明在被抓握部件由采用根据第一实施方式的用于机器人的关节结构的手指抓握时执行的配合运动的图示；
图6是用于说明在被抓握部件由采用根据第一实施方式的用于机器人的关节结构的手指抓握时执行的配合运动的图示；
图7是示出了在被抓握部件由采用专利文献1中所公开的用于机器人手的关节结构的手指抓握时的弹性构件的机械特性的图示；
图8是示出了在被抓握部件由采用根据第一实施方式的用于机器人的关节结构的手指抓握时的弹性构件的机械特性的图示；
图9是用于说明根据第一实施方式的弹性构件的回复力的作用的图示；
图10是示出了在被抓握部件由采用根据第二实施方式的用于机器人的关节结构的手指抓握时的弹性构件的机械特性的图示；
图11是示意性地示出了根据第三实施方式的机器人手的构型的图；
图12是示意性地示出了根据第三实施方式的机器人手的食指的图；
图13是用于说明弹性构件在根据第三实施方式的机器人手的食指中的设置的图；
图14是示意性地示出了根据第三实施方式的机器人手的拇指的图示；以及
图15是图11中所示的部分XV的放大图。
具体实施方式
在下文中，参照附图对应用本公开的具体实施方式进行详细描述。然而，本公开不限于以下示出的实施方式。此外，为了使说明清楚，以下描述和附图被适当地简化。
<第一实施方式>
首先，对采用根据本实施方式的用于机器人的关节结构的手指的构型进行描述。图1是示意性地示出了采用根据本实施方式的用于机器人的关节结构的手指的初始状态的立体图。图2是采用根据本实施方式的用于机器人的关节结构的手指的分解图。
根据本实施方式的用于机器人的关节结构可以适当地用于例如模仿人手的机器人手的手指。如图1和图2中所示，采用根据本实施方式的用于机器人的关节结构的手指1包括第一连杆2、第二连杆3、第三连杆4、第四连杆5、第五连杆6、第六连杆7、以及弹性构件8，弹性构件8比如为螺旋弹簧，并且手指1可旋转地连接至手掌部分(未示出)。
在以下描述中，为了使说明清楚，通过使用三维(XYZ)坐标系来对处于初始状态的手指1的构型进行描述，在初始状态下，手指1被伸展。应当指出的是，X轴上的负侧(在下文中，简称为“X轴负侧”)对应于手指1的基部侧，并且X轴正侧对应于手指1的梢端部侧。此外，Z轴负侧对应于手的手掌侧，并且Z轴正侧对应于手的背部侧。
第一连杆2是通过设置在手掌部分中的比如伺服马达(未示出)的致动器而被旋转地驱动的驱动连杆。例如，作为基本构型，第一连杆2由大致矩形的板构件构成，该板构件在Y轴方向上具有小的厚度，并且在该板构件中，XZ平面上的长边长度与短边长度的比率较大。此外，第一连杆2相对于X轴朝向Z轴正侧倾斜约30°。第一连杆2包括第一旋转轴2a，第一旋转轴2a从第一连杆2的一个端部朝向Y轴正侧突出。第一旋转轴2a连接至致动器的旋转轴，使得旋转扭矩可以从致动器被传递至第一旋转轴2a。
第一连杆2还包括第二旋转轴2b，第二旋转轴2b从第一连杆2的另一端部朝向Y轴负侧突出。当致动器的旋转扭矩被传递至第一旋转轴2a时，具有上述结构的第一连杆2绕第一旋转轴2a旋转。
第二连杆3连接成使得第二连杆3可以相对于第一连杆2绕设置在第一连杆2中的第一旋转轴2a旋转。例如，作为基本构型，第二连杆3由大致矩形的板构件构成，该板构件在Y轴方向上具有小的厚度，并且在该板构件中，XZ平面上的长边长度与短边长度的比率较大。此外，第二连杆3的长边的方向大致平行于X轴方向。
在第二连杆3的一个端部中形成有第一通孔3a，并且第一连杆2的第一旋转轴2a插入在该第一通孔3a中。此外，在第二连杆3的另一端部中形成有第二通孔3b。
第三连杆4连接成使得第三连杆4可以相对于第一连杆2绕设置在第一连杆2中的第二旋转轴2b旋转。例如，第三连杆4设置成大致平行于第二连杆3并且在沿Y轴方向观察时相对于第二连杆3稍微偏向Z轴正侧。此外，第三连杆4设置成使得在沿Z轴方向观察时，第三连杆4和第二连杆3将第一连杆2夹置于第三连杆4与第二连杆3之间。
作为基本构型，第三连杆4由大致矩形的板构件构成，该板构件在Y轴方向上具有小的厚度，并且在该板构件中，XZ平面上的长边长度与短边长度的比率较大。此外，第三连杆4的在X轴方向上的长度，即，第三连杆4的长边的长度，大致等于第二连杆3的长度。此外，在第三连杆4的一个端部中形成有第一通孔4a，并且第一连杆2的第二旋转轴2b被插入该第一通孔4a中。此外，第三连杆4包括旋转轴4b，该旋转轴4b从第三连杆4的另一端部朝向Y轴正侧突出。
第四连杆5连接成使得：第四连杆5可以相对于第二连杆3绕设置在第四连杆5中的旋转轴5d旋转，并且第四连杆5可以相对于第三连杆4绕设置在第三连杆4中的旋转轴4b旋转。例如，在沿Z轴方向观察时，第四连杆5设置在第二连杆3与第三连杆4之间。
作为基本构型，第四连杆5由在Y轴方向上具有小的厚度的板构件构成，并且第四连杆5在沿Y轴方向观察时是弯曲的(第四连杆5的细节稍后将进行描述)。此外，第四连杆5包括第一部分5a和第二部分5b。第一部分5a的长度大致等于第一连杆2的长度，并且第一部分5a设置成在沿Y轴方向观察时大致平行于第一连杆2。
具体地，第四连杆5的第一部分5a在位于第一部分5a与第二部分5b之间的弯曲起始部分处相对于第四连杆5的第二部分5b朝向Z轴正侧弯曲约30°。此外，在第四连杆5的第一部分5a的梢端部中形成有第一通孔5c，并且第三连杆4的旋转轴4b插入在该第一通孔5c中。此外，第四连杆5包括旋转轴5d，旋转轴5d从弯曲起始部分朝向Y轴正侧突出。旋转轴5d插入在第二连杆3的第二通孔3b中。
以这种方式，第一连杆2、第二连杆3和第三连杆4、以及第四连杆5的第一部分5a形成四部段平行连杆机构9。此外，当该平行连杆机构9旋转时，第四连杆5的第二部分5b绕第四连杆5的旋转轴5d旋转。第二部分5b大致沿X轴方向延伸，并且在第二部分5b的梢端部中形成有第二通孔5e。
然而，尽管在本实施方式中第一连杆2、第二连杆3和第三连杆4、以及第四连杆5的第一部分5a形成四部段平行连杆机构9，但是第一连杆2、第二连杆3和第三连杆4、以及第四连杆5的第一部分5a可以形成构成闭合连杆的任何类型的四连杆机构。
第五连杆6连接成使得第五连杆6可以相对于第三连杆4绕设置在第五连杆6中的第一旋转轴6a旋转。例如，第五连杆6在沿Y轴方向观察时相对于第四连杆5略微偏向Z轴正侧，并且第五连杆6在沿Z轴方向观察时相对于第三连杆4略微偏向Y轴负侧。
作为基本构型，第五连杆6由大致矩形的板构件构成，该板构件在Y轴方向上具有小的厚度，并且在该板构件中，XZ平面上的长边长度与短边长度的比率较大。此外，第五连杆6包括第一旋转轴6a，第一旋转轴6a从第五连杆6的一个端部朝向Y轴正侧突出，并且第一旋转轴6a插入在形成于第三连杆4的朝向Z轴正侧突出的突出部分4c中的第二通孔4d中。此外，第五连杆6包括第二旋转轴6b，第二旋转轴6b从第五连杆6的另一端部朝向Y轴正侧突出。
第六连杆7连接成使得：第六连杆7可以相对于第四连杆5绕设置在第六连杆7中的旋转轴7d旋转，并且第六连杆7可以相对于第五连杆6绕设置在第五连杆6中的第二旋转轴6b旋转。例如，当沿Z轴方向观察时，第六连杆7设置在第四连杆5与第五连杆6之间。
作为基本构型，第六连杆7由在Y轴方向上具有小的厚度的板构件构成，并且第六连杆7在沿Y轴方向观察时是弯曲的(第六连杆7的细节稍后将进行描述)。此外，第六连杆7包括第一部分7a和第二部分7b。第一部分7a的长度大致等于第一连杆2的长度，并且第一部分7a设置成在沿Y轴方向观察时大致平行于第一连杆2。第二部分7b大致沿X轴方向延伸。
即，第六连杆7的第一部分7a在位于第一部分7a与第二部分7b之间的弯曲起始部分处相对于第六连杆7的第二部分7b朝向Z轴正侧弯曲约30°。此外，在第六连杆7的第一部分7a的梢端部中形成有通孔7c，并且第五连杆6的第二旋转轴6b插入在通孔7c中。此外，第六连杆7包括旋转轴7d，旋转轴7d从弯曲起始部分朝向Y轴正侧突出。旋转轴7d插入在第四连杆5的第二通孔5e中。
在具有上述构型的第一连杆2、第二连杆3、第三连杆4、第四连杆5、第五连杆6和第六连杆7的初始状态下，第一连杆2的第一旋转轴2a是第二连杆3相对于第一连杆2的旋转轴，第一旋转轴2a的中心O1、第四连杆5相对于第二连杆3的旋转轴5d的中心O2、以及第六连杆7相对于第四连杆5的旋转轴7d的中心O3设置在平行于X轴的大致直的线上。
此外，在第一连杆2、第二连杆3、第三连杆4、第四连杆5、第五连杆6和第六连杆7的初始状态下，第二连杆3的位于Z轴负侧的侧部、第四连杆5的第二部分5b的位于Z轴负侧的侧部、以及第六连杆7的第二部分7b的位于Z轴负侧的侧部设置在平行于X轴的大致直的线上。
即，在第一连杆2、第二连杆3、第三连杆4、第四连杆5、第五连杆6和第六连杆7的初始状态下，第二连杆3、第四连杆5的第二部分5b和第六连杆7的第二部分7b沿X轴方向设置在大致直的线上。应当指出的是，第二连杆3形成手指1的基部部段，并且第四连杆5的第二部分5b形成手指1的中间部段。此外，第六连杆7的第二部分7b形成手指1的远端部段。
弹性构件8例如是螺旋弹簧。弹性构件8的一个端部固定至第二连杆3。弹性构件8的另一端部固定至第三连杆4。具有上述构型的弹性构件8设置在切口部分3c和切口部分4e中，在沿Y轴方向观察时，切口部分3c形成在第二连杆3的位于Z轴正侧的侧部上，切口部分4e形成在第三连杆4的位于Z轴负侧的侧部上。然而，弹性构件8不限于螺旋弹簧，并且也可以是其他类型的弹性构件。例如，可以使用拉伸弹簧、扭转弹簧等。
应当指出的是，关于根据本实施方式的弹性构件8，在手指1的初始状态下，在XZ平面上，第二直线L2与固定点J1之间的距离R1等于或长于第四直线L4与固定点J2之间的距离R2(见图3)，使得当手指1从初始状态改变成弯曲状态时，弹性构件8扩张并且弹性构件8的回复力增大(弹性构件8的细节稍后将进行描述)，其中，第二直线L2穿过第一连杆2的第二旋转轴2b的中心O4并且与第一直线L1垂直，第二旋转轴2b是第三连杆4相对于第一连杆2的旋转轴，第一直线L1穿过中心O4和第三连杆4的旋转轴4b的中心O5，旋转轴4b是第四连杆5相对于第三连杆4的旋转轴，弹性构件8的所述另一端部在固定点J1处固定至第三连杆4，第四直线L4穿过中心O1并且与穿过中心O1和O2的第三直线L3垂直，弹性构件8的所述一个端部在固定点J2处固定至第二连杆3。即，在手指1的初始状态下，弹性构件8相对于第一连杆2朝向X轴正侧倾斜。
接下来，对在被抓握部件(即，待被抓握的部件)由采用根据本实施方式的用于机器人的关节结构的手指1抓握时执行的配合运动进行描述。应当指出的是，配合运动是指手指1的运动，该运动被执行成使得手指1适应被抓握部件的外部形状。应当指出的是，在以下描述中，在图3至图6中，连杆的逆时针旋转方向被限定为正方向，并且连杆的顺时针旋转方向被限定为负方向。
图3至图6是用于说明在被抓握部件由采用根据本实施方式的用于机器人的关节结构的手指抓握时执行的配合运动的图示。如图3中所示，手指1在X轴正方向上伸展的状态被限定为初始状态。接下来，致动器(伺服马达)被驱动，并且因此第一连杆2绕第一连杆2的第一旋转轴2a沿正方向旋转。即，在手指1伸展的状态下，手指1绕第一旋转轴2a旋转，使得手指1移动成更靠近被抓握部件10。因此，第二连杆3与被抓握部件10接触，如图4中所示。
从该状态，当致动器被进一步驱动时，平行连杆机构9在如下状态下沿正方向旋转：第二连杆3的运动受被抓握部件10限制，即，第二连杆3用作静止连杆，如图5中所示。因此，第四连杆5的第二部分5b绕第四连杆5的旋转轴5d沿正方向旋转并且移动成更靠近被抓握部件10。此外，第六连杆7的第二部分7b绕第六连杆7的旋转轴7d沿正方向旋转并且移动成更靠近被抓握部件10。
因此，当致动器被进一步驱动时，平行连杆机构9在第二连杆3用作静止连杆的状态下沿正方向旋转，如图6中所示。因此，第四连杆5的第二部分5b绕第四连杆5的旋转轴5d沿正方向旋转并且与被抓握部件10接触。此外，第六连杆7的第二部分7b绕第六连杆7的旋转轴7d沿正方向旋转并且与被抓握部件10接触。以此方式，可以使手指1适应被抓握部件10的外部形状。
在由手指1执行的上述配合运动中，如上所述，在手指1从初始状态变为弯曲状态时，弹性构件8扩张并且弹性构件8的回复力增大。即，弹性构件8为由手指1沿手指1抓握被抓握部件10的方向执行的配合运动提供动量。
接下来，对在被抓握部件10由采用根据本实施方式的用于机器人的关节结构的手指1抓握时执行的弹性构件8的回复力的作用进行描述。首先，作为比较示例，对在被抓握部件10由采用专利文献1中所公开的用于机器人手的手指结构的手指100抓握时的弹性构件101的回复力的作用进行描述。图7是示出了在被抓握部件由采用专利文献1中所公开的用于机器人手的手指结构的手指抓握时的弹性构件的机械特性的图示。
应当指出的是，为了便于理解根据本实施方式的手指1的弹性构件8的机械特性与专利文献1中所公开的手指100的弹性构件101的机械特性之间的差异，专利文献1中所公开的手指100具有的连杆结构与根据本实施方式的手指1的连杆结构相同，除了弹性构件101的位置之外。因此，在图7中，与本实施方式的附图标记相同的附图标记被赋予与根据本实施方式的手指1的连杆相对应的连杆。
如图7中所示，在专利文献1中所公开的手指100中，弹性构件101设置在形成于第二连杆3的一个端部中的突出部分3d与手掌部分102之间，使得沿手指100伸展的方向施加回复力。
当被抓握部件10由专利文献1中所公开的手指100以及手掌部分102抓握时的围绕第一连杆2的第一旋转轴2a的力矩t12由下面示出的<表达式1>表示。
<表达式1>t12＝-fr
在该表达式中，f是弹性构件101的回复力，并且r是中心O1与固定点j之间的在与弹性构件101的扩展/收缩方向垂直的方向上的距离，在固定点j处，弹性构件101固定至第二连杆3的突出部分3d。
上述力矩t12沿与致动器的驱动力P的方向相反的方向作用。因此，当致动器的驱动力P被施加至手指100时，手指100给予被抓握部件10的力矩可以由下面示出的<表达式2>表示。
<表达式2>P+t12＝P-fr
图8是示出了在被抓握部件由采用根据本实施方式的用于机器人的关节结构的手指抓握时的弹性构件的机械特性的图示。图9是用于说明根据本实施方式的弹性构件的回复力的作用的图示。应当指出的是，在图9中，图5中所示的手指1的状态由实线指示。此外，虚线表示如下状态：在被抓握部件10在图5中所示的手指1的状态下被移除并且因此手指1由于弹性构件8的回复力而伸展之后的手指1的状态。
如图8中所示，当被抓握部件10由根据本实施方式的手指1、以及手掌部分11抓握时，围绕第一连杆2的第一旋转轴2a的力矩T12可以由下面示出的<表达式3>表示。
<表达式3>T12＝Fc(R3-R2)
在表达式中，Fc是弹性构件8的回复力F的在与第三直线L3垂直的方向上的分量。此外，R3是第四直线L4与固定点J1之间的距离。
此外，对于根据本实施方式的手指1，如上所述，在手指1的初始状态下，存在关系R1>R2。因此，当第一连杆2绕第一旋转轴2a旋转时，关系R3>R2成立，并且因而在由手指1执行的配合运动期间产生手指1压靠被抓握部件10的力矩。即，如图9中所示，通过弹性构件8向手指1施加用于将手指1恢复成伸展状态的回复力。因此，当致动器的驱动力P被施加至手指1时，手指1给予被抓握部件10的力矩可以由下面示出的<表达式4>表示。
<表达式4>P+T12＝P+Fc(R3-R2)
如上所述，当被抓握部件10由专利文献1中所公开的手指100抓握时，弹性构件101沿与被抓握部件10被抓握的方向相反的方向施加力矩。因此，当被抓握部件10由手指100抓握时，从致动器的驱动力P减去弹性构件101的回复力。因此，需要克服弹性构件101的回复力的驱动力P，并且因此必须增大用于使手指100移动的致动器的尺寸。
与此相反，当被抓握部件10由根据本实施方式的手指1抓握时，弹性构件8沿被抓握部件10被抓握的方向施加力矩。因此，当被抓握部件10由手指1抓握时，弹性构件8的回复力被加到致动器的驱动力P上。因此，与专利文献1中所公开的手指100相比，可以仅用较小的驱动力P来抓握被抓握部件10。因此，手指1中所采用的根据本实施方式的用于机器人的关节结构可以有助于减小致动器的尺寸。此外，由于尺寸的这种减小，例如可以以低成本构造机器人手并减轻机器人手的重量。
此外，与专利文献1中所公开的手指100相比，根据本实施方式的手指1在致动器施加相同的驱动力时可以提供更大的抓握力并因此更牢固地抓握被抓握部件10。
<第二实施方式>
在第一实施方式中，对在第二连杆3与被抓握部件10接触时执行的手指1的配合运动进行描述。应当指出的是，类似的配合运动可以在第四连杆5的第二部分5b与被抓握部件10接触时执行。
图10是示出了在被抓握部件由采用根据本实施方式的用于机器人的关节结构的手指抓握时的弹性部件的机械特性的图示。应当指出的是，在图10中，紧接在第四连杆5的第二部分5b与被抓握部件10接触之后的手指1的状态由虚线表示。此外，实线表示手指1的如下状态：在该状态下，致动器被驱动并且配合运动被执行。
如图10中所示，当被抓握部件10由根据本实施方式的手指1、以及手掌部分11抓握时，从手指1施加至被抓握部件10的力Ft由下面示出的<表达式5>表示。
<表达式5>Ft＝R4(P+T12)＝R4(P+Fc(R3-R2))
在表达式中，R4是中心O1与接触点C之间的距离，在接触点C处，第四连杆5的第二部分5b与被抓握部件10相接触。
在该状态下，力Ft被沿通过使用中心O1与接触点C之间的部段作为直径而绘制的圆的切线方向施加，并且力Ft被朝向被抓握部件10施加。因此，在本实施方式中，弹性构件8的回复力也被加到致动器的驱动力P上。因此，与专利文献1中所公开的手指100相比，可以仅用很小的驱动力P来抓握被抓握部件10。
应当指出的是，当致动器被进一步驱动时，第四连杆5从图10中所示的手指1的状态绕旋转轴5d沿正方向旋转，从而将被抓握部件10朝向第二连杆3拉动。同时，第六连杆7绕旋转轴7d沿正方向旋转并且由此适应被抓握部件10(的外部形状)。因而，最后，第二连杆3、第四连杆5的第二部分5b和第六连杆7的第二部分7b与被抓握部件10相接触，从而可以使得手指1适应被抓握部件10(的外部形状)。
应当指出的是，在上述第一实施方式和第二实施方式中，第二连杆3、第四连杆5的第二部分5b和第六连杆7的第二部分7b在手指1的初始状态下设置在大致直的线上。然而，第二连杆3、第四连杆5的第二部分5b和第六连杆7的第二部分7b可以在初始状态下设置在略微弯曲的线上。
此外，连杆2、3、4、5、6和7中的每个连杆的形状及其布置不限于任何特定的形状和布置。此外，旋转轴与通孔之间的关系也不限于任何特定的关系。简而言之，唯一的要求如下。即，第二连杆3应当能够相对于第一连杆2旋转；第三连杆4应当能够相对于第一连杆2旋转；第四连杆5应当能够相对于第二连杆3和第三连杆4旋转；第五连杆6应当能够相对于第三连杆4旋转；并且第六连杆7应当能够相对于第四连杆5和第五连杆6旋转。此外，在手指1的初始状态下，应当满足关系“(距离R1)>(距离R2)”。
应当指出的是，可以省略第五连杆6和第六连杆7。然而，通过设置第五连杆6和第六连杆7，可以实现用于被抓握部件10的精细配合运动。<第三实施方式>
图11是示意性地示出了根据本实施方式的机器人手的构型的图示。
图12是示意性地示出了根据本实施方式的机器人手的食指的图示。图13是用于说明在根据本实施方式的机器人手的食指中的弹性构件的设置的图示。图14是示意性地示出了根据本实施方式的机器人手的拇指的图示。图15是图11中示出的部分XV的放大图。
如图11中所示，根据本实施方式的机器人手30包括手掌部分31、食指32、中指33、无名指34、小指35和拇指36。此外，在手指32、33、34、35和36中的每个手指中采用根据第一实施方式的用于机器人手的手指结构。应当指出的是，尽管图11中所示的手掌部分31构成手背，但手掌部分31可以构成掌心。
应当指出的是，除了连杆的长度以外，食指32、中指33、无名指34和小指35具有彼此大致相同的构型。因此，仅将食指32作为代表性示例进行描述。如图12中所示，根据本实施方式的食指32包括第一连杆41、第二连杆42、第三连杆43、第四连杆44、第五连杆45、第六连杆46、第一弹性构件47和第二弹性构件48。此外，这些连杆和这些弹性构件的连接关系与根据第一实施方式的手指1的连杆和弹性构件的连接关系大致相同。
即，第一连杆41对应于根据第一实施方式的手指1的第一连杆2，并且第二连杆42对应于根据第一实施方式的手指1的第二连杆3。第三连杆43对应于根据第一实施方式的手指1的第三连杆4，并且第四连杆44对应于根据第一实施方式的手指1的第四连杆5。第五连杆45对应于根据第一实施方式的手指1的第五连杆6，并且第六连杆46对应于根据第一实施方式的手指1的第六连杆7。
然而，根据本实施方式的第一连杆41构成具有致动器50的小齿轮51的锥齿轮。即，第一连杆41是盘形齿轮，该盘形齿轮具有沿着侧表面的周缘形成的齿。此外，第二连杆42的一个端部可旋转地连接至第一旋转轴41a，第一旋转轴41a固定至第一连杆41的大致中央部。此外，第三连杆43的一个端部通过设置在第一连杆41中的第二旋转轴41b可旋转地连接至第一连杆41的侧表面。
应当指出的是，在本实施方式中，尽管第一连杆41通过由致动器50执行的旋转驱动而旋转，但是第一连杆41也可以通过由线性致动器执行的线性驱动而旋转。此外，致动器50的驱动力可以通过使用线材、同步带等而被传递至第一连杆41。
第一弹性构件47例如是由树脂比如橡胶制成的环构件，并且第一弹性构件47在第二连杆42和第三连杆43上延展。如上所述，第一弹性构件47是通过由树脂制成的环构件而形成的。因此，与例如使用螺旋弹簧等作为第一弹性构件47的情况相比，用于安装第一弹性构件47的空间可以变窄并且成本降低。应当指出的是，在第二连杆42和第三连杆43中优选地形成有切口部分，使得第一弹性构件47钩挂在切口部分上并固定至切口部分。
应当指出的是，食指32具有与根据第一实施方式的手指1的构型大致相同的构型。因此，在下文中，通过使用根据第一实施方式的手指1的构型来对第一弹性构件47的设置进行描述。如图13中所示，在食指32的初始状态下，在XZ平面上，第二直线L6与固定点J3之间的距离R5等于或长于第四直线L8与固定点J4之间的距离R6，其中，第二直线L6穿过第一连杆41的第二旋转轴41b的中心O6并且与第一直线L5垂直，第二旋转轴41b是第三连杆43相对于第一连杆41的旋转轴，第一直线L5穿过中心O6和第三连杆43的旋转轴43b的中心O7，旋转轴43b是第四连杆44相对于第三连杆43的旋转轴，第一弹性构件47在固定点J3处固定至第三连杆4，第四直线L8穿过第一连杆41的第一旋转轴41a的中心O8并且与第三直线L7垂直，第一旋转轴41a是第二连杆42相对于第一连杆41的旋转轴，第三直线L7穿过中心O8和第四连杆44相对于第二连杆42的旋转轴44a的中心O9，第一弹性构件47在固定点J4处固定至第二连杆42。即，在食指32的初始状态下，第一弹性构件47相对于第一连杆41朝向X轴正侧倾斜。以这种方式，与第一实施方式类似，当食指32弯曲时，第一弹性构件47的回复力可以加到致动器的驱动力P上。
第二弹性构件48例如是由树脂比如橡胶制成的环构件，并且第二弹性构件48在第四连杆44和第五连杆45上延展。应当指出的是，如图13中所示，在食指32的初始状态下，在XY平面上，第六直线L10与固定点J5之间的距离R7等于或长于第六直线L10与固定点J6之间的距离R8，其中，第六直线L10穿过中心O9并且与第五直线L9垂直，第五直线L9穿过中心O9和第六连杆46相对于第四连杆44的旋转轴46a的中心O10，第二弹性构件48在固定点J5处固定至第五连杆45，第二弹性构件48在固定点J6处固定至第四连杆44。即，大体地说，固定点J5在食指32的初始状态下相对于固定点J6设置在食指32的指尖侧。
以这种方式，类似于第一弹性构件47，当食指32在由食指32执行的配合运动中从初始状态变为弯曲状态时，第二弹性构件48扩张并且第二弹性构件48的回复力增大。因此，当第四连杆44和第六连杆46旋转时，第二弹性构件48的回复力可以加到致动器的驱动力P上。
另外，第二弹性构件48也是通过由树脂制成的环构件而形成的。因此，与例如使用螺旋弹簧等作为第二弹性构件48的情况相比，用于安装第二弹性构件48的空间可以变窄并且成本降低。应当指出的是，在第四连杆44和第五连杆45中优选地形成有切口部分，使得第二弹性构件48钩挂在切口部分上并固定至切口部分。
应当指出的是，第一弹性构件47和第二弹性构件48不限于由树脂制成的环构件。即，像第一实施方式的情况那样，第一弹性构件47和第二弹性构件48可以是螺旋弹簧。此外，第一弹性构件47和第二弹性构件48不限于由橡胶制成的弹性构件，并且第一弹性构件47和第二弹性构件48可以是产生回复力的任何类型的构件。应当指出的是，可以省略第二弹性构件48。
如图14中所示，拇指36包括基部部分61、第一连杆62、第二连杆63、第三连杆64、第四连杆65和弹性构件66。基部部分61通过旋转轴67可旋转地连接至手掌部分31以使拇指36能够向内及向外旋转。旋转轴67连接至第一致动器68，使得旋转扭矩可以从第一致动器68被传递至旋转轴67。当第一致动器68被驱动时，拇指36绕旋转轴67向内或向外旋转。以这种方式，拇指36可以与食指32等相对。
第一连杆62形成为盘状。此外，第一连杆62基于第二致动器69的旋转扭矩而绕第一旋转轴62a旋转，第一旋转轴62a大致固定至第一连杆62的中央部。第二连杆63对应于根据第一实施方式的手指1的第二连杆3并且形成拇指36的基部部段。此外，第二连杆63的一个端部可旋转地连接至第一连杆62的第一旋转轴62a。
第三连杆64对应于根据第一实施方式的手指1的第三连杆4。第三连杆64的一个端部通过设置在第一连杆62中的第二旋转轴62b可旋转地连接至第一连杆62的侧表面。第四连杆65对应于根据第一实施方式的手指1的第六连杆7并且形成拇指36的端部部段。此外，第四连杆65通过设置在第四连杆65上的旋转轴65a可旋转地连接至第二连杆63的另一端部，并且第四连杆65还通过设置在第三连杆64中的旋转轴64a可旋转地连接至第三连杆64的另一端部。
在具有上述构型的机器人手30中，手指32、33、34、35和36中的每个手指均是通过采用与第一实施方式的弹性构件的布置类似的弹性构件的布置而构造的。因此，类似于第一实施方式，可以有助于减小致动器50和第二致动器69的尺寸。此外，由于尺寸的这种减小，可以减小机器人手30的尺寸并减轻机器人手30的重量。
应当指出的是，根据本实施方式的无名指34和小指35优选地基于一个致动器50的驱动力而移动。具体地，如图15中所示，无名指34的第一连杆41的第一旋转轴41a通过万向节70连接至小指35的第一连杆41的第一旋转轴41a。
以这种方式，无名指34和小指35可以基于一个致动器50的驱动力而移动，从而使得可以减小机器人手30的尺寸并且甚至进一步减轻机器人手30的重量。应当指出的是，可以使无名指34和小指35通过连杆结构而单独地执行用于被抓握部件的配合运动。
应当指出的是，食指32、中指33、无名指34和小指35也可以构造成能够像拇指36的情况那样向内及向外旋转。
此外，尽管根据本实施方式的机器人手30包括食指32、中指33、无名指34、小指35和拇指36，但是手指的数目不限于任何特定的数目。
尽管根据上述实施方式的用于机器人的关节结构适用于机器人手的手指，但是应用不限于手指。即，该关节结构可以适用于机器人的其他关节部位。
根据由此描述的公开内容，将显而易见的是，本公开的各实施方式可以以多种方式变化。这些变型不应被视为是背离本公开的主旨和范围，并且对于本领域技术人员显而易见的所有这些改型意在包括在所附权利要求的范围内。

Claims (5)

1.一种用于机器人的关节结构，所述关节结构包括四连杆机构，其中，
所述四连杆机构包括：
第一连杆，所述第一连杆构造成能够通过致动器而绕第一旋转轴旋转；
第二连杆，所述第二连杆构造成能够相对于所述第一连杆绕所述第一旋转轴旋转；
第三连杆，所述第三连杆构造成能够相对于所述第一连杆绕第二旋转轴旋转；以及
第四连杆，所述第四连杆构造成能够相对于所述第二连杆绕第三旋转轴旋转并且能够相对于所述第三连杆绕第四旋转轴旋转，
所述第一旋转轴、所述第二旋转轴、所述第三旋转轴和所述第四旋转轴彼此不同，
所述关节结构还包括第一弹性构件，所述第一弹性构件的一个端部固定至所述第二连杆，并且所述第一弹性构件的另一端部固定至所述第三连杆，
在手指的伸展状态被定义为初始状态的情况下，随着所述手指弯曲，所述第一弹性构件扩张并且所述第一弹性构件的回复力增大，并且
在所述手指的所述初始状态下，在与所述第一旋转轴延伸的方向垂直的平面上，穿过所述第二旋转轴的中心的第二直线与所述第一弹性构件的所述另一端部固定至所述第三连杆的固定点之间的距离等于或长于穿过所述第一旋转轴的中心的第四直线与所述第一弹性构件的所述一个端部固定至所述第二连杆的固定点之间的距离，所述第二直线与穿过所述第二旋转轴的中心和所述第四旋转轴的中心的第一直线垂直，并且所述第四直线与穿过所述第一旋转轴的中心和所述第三旋转轴的中心的第三直线垂直。
2.根据权利要求1所述的用于机器人的关节结构，其中，所述第一弹性构件是由树脂制成的环构件。
3.根据权利要求1或2所述的用于机器人的关节结构，还包括：
第五连杆，所述第五连杆构造成能够相对于所述第三连杆绕第五旋转轴旋转；以及
第六连杆，所述第六连杆构造成能够相对于所述第四连杆绕第六旋转轴旋转并且能够相对于所述第五连杆绕第七旋转轴旋转。
4.根据权利要求3所述的用于机器人的关节结构，还包括第二弹性构件，所述第二弹性构件的一个端部固定至所述第四连杆，并且所述第二弹性构件的另一端部固定至所述第五连杆，其中，
随着所述手指弯曲，所述第二弹性构件扩张并且所述第二弹性构件的回复力增大，以及
在所述手指的所述初始状态下，在与所述第三旋转轴延伸的方向垂直的平面上，穿过所述第三旋转轴的中心的第六直线与所述第二弹性构件的所述另一端部固定至所述第五连杆的固定点之间的距离等于或长于所述第六直线与所述第二弹性构件的所述一个端部固定至所述第四连杆的固定点之间的距离，所述第六直线与穿过所述第三旋转轴的中心和所述第六旋转轴的中心的第五直线垂直。
5.根据权利要求4所述的用于机器人的关节结构，其中，所述第二弹性构件是由树脂制成的环构件。
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