JP2001277174A - 指関節機構及びそれを用いた把持ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 １本の指として機能する構成をシンプルに実
現でき、これを複数用いることで日常の生活用品等の対
象物を損傷なく確実につかみ持つ機能体を組み得る指関
節機構及びそれを用いた把持ユニットを提供する。 【解決手段】 多数のリンク棒２１〜２３をリンク基台
２０から順に連結して多節のリンク列（指リンク部２）
とし、リンク基台の軸孔２７に嵌め込んだスライド軸３
１を基板３０に固定し、リンク基台の両側に引っ張りば
ね３４，３５を掛け渡す。各リンク軸にプーリ４４〜４
６を付設し、リンク基台下部の駆動モータ４３に駆動プ
ーリ４０を連結し、伝達ワイヤ４１をそれらプーリに往
復に掛け渡して回転力を伝達して、先端リンク棒２３を
スライド軸の軸線方向へ折れ込む姿勢に回し動かす。リ
ンク基台はスライド軸周りに揺れ動く揺動と、当該軸線
方向への移動を許容するが、引っ張りばねで初期姿勢に
戻す復元力を付与する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多数のリンク棒を
リンク基台から順にそれぞれリンク軸により連結した多
節のリンク列による指関節機構及びそれを用いた把持ユ
ニットに関し、とりわけ、先端リンク棒を対象物へソフ
トに接触させるようにした指関節機構及びそれを用いた
把持ユニットに関する。

【０００２】

【従来の技術】対象物をつかむ機械装置に関しては、い
わゆるロボットハンドと呼ばれるものが知られており、
例えば２枚の平行平板をリンク機構等により開閉動作さ
せる２指構造の産業用ロボットハンドを、工場の生産ラ
イン等に適用している。そうした産業用ロボットハンド
の場合、つかみ持つ対象物は予め特定しており、取り扱
う対象物の種類にも制限があり多くはない。

【０００３】しかし、近年は生産ライン等での適用も多
様化しており、不特定の対象物をつかみ持つために、多
指多関節機構を備えて人間の手に似た機能を発現させよ
うとする把持装置の開発が進んでいる。例えば特開平５
−６９３７４号には３指構造のロボットハンドが開示さ
れており、特開平６−８１７８号には５指構造のロボッ
トハンドが開示されている。

【０００４】これらの多指構造のロボットハンドは前述
した２指構造のロボットハンドとは異なり、不特定の対
象物をつかみ持つために多指で多関節であることはもち
ろんのこと、各関節専用の駆動モータを備えて各関節を
独立に動作させる構成にしている。また、つかみ持つ力
（把持力）の加減については、駆動モータの出力を制御
することで実現しており、そのため、トルクセンサ等を
備えて各関節のトルクを計測してフィードバック制御
（自立制御）を行う構成を採る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、そうし
たロボットハンドにあっては、以下のような問題があっ
た。 （１） 構成要素が多くて複雑であり、必然的に重量が
重くなる問題がある。このため、人間の手程度の大きさ
に製作するのが難しく、高価なものになってしまい、ま
た、つかみ持つ力の加減に必要な制御を行う際にして
も、かなり難解な制御理論を時間をかけて修得する必要
があり、その制御理論が難解で煩雑であることは否めな
い。 （２） 従来のロボットハンドの多くは、もっぱら工場
の生産ライン等への適用に限られていて、そうした用途
での使用を前提に開発されているため、例えば手の不自
由な人の自立を支援するといった日常的な用途には対応
できない。つまり、あまりにも高価で重く複雑であるた
め、日常的な用途への適用は難しい。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであり、１本の指として機能する構成をシンプル
に実現でき、これを複数用いることで日常の生活用品等
の対象物を損傷なく確実につかみ持つ機能体を組み得る
指関節機構及びそれを用いた把持ユニットを提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために本発明の請求項１に示す指関節機構は、多数のリ
ンク棒をリンク基台から順にそれぞれリンク軸により連
結した多節のリンク列と、前記リンク基台を所定軸周り
に揺れ動く揺動動作を許容して支持すると共に当該軸線
方向への移動動作も許容するが、これら揺動及び移動動
作は初期姿勢に戻す復元力を付与しつつ許容する支持部
と、前記リンク列の先端リンク棒を前記軸線方向へ折れ
込む姿勢に回し動かす駆動手段とを備えて構成する。

【０００８】請求項２に示す指関節機構は、前記駆動手
段として、前記リンク列の各リンク軸にプーリを設ける
が、先端リンク軸を先端リンク棒側に固着させると共
に、先端プーリのみを当該先端リンク軸と一体に固着さ
せて共に回転する設定とし、他所のプーリは自由に回転
する状態に付設し、前記リンク基台には動力源と連結し
た駆動プーリを設けて、当該駆動プーリに一端を連結し
た伝達ワイヤを前記プーリの並び列へ順に巻き掛けて先
端プーリから往復させて再び戻して駆動プーリに連結し
て回転力の伝達を行う構成にする。

【０００９】請求項３に示す指関節機構は、前記支持部
として、前記リンク基台に軸孔を設けて、当該軸孔にス
ライド軸を嵌め合わせると共に、当該リンク基台へ二つ
の引っ張りばねを対向する状態に掛け渡して当該リンク
基台を初期姿勢に戻す復元力を付与する構成にする。

【００１０】請求項４に示す把持ユニットは、請求項１
〜３に記載の指関節機構を、仮想軸の周りに多数配列し
て備え、それらの配列は各駆動源の起動時に、各先端リ
ンク棒が前記仮想軸へ向かって折れ込む姿勢に回り動く
設定として構成する。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる指関節機構
及びそれを用いた把持ユニットの実施形態を添付図面に
基づいて説明する。

【００１２】図１は、本発明の一実施形態を適用した把
持ユニットの斜視図である。

【００１３】この把持ユニット１０は、三つの指関節機
構１を、仮想軸Ｙの周りに配列する構成を採り、三つの
指関節機構１は共通の基台部３００で一体に支持し、そ
の基台部３００の下基板３１０を、図示しないアーム機
構の先端に取り付けてハンドリングする。

【００１４】三つの指関節機構１の配列は、各駆動源の
起動時に、各先端リンク棒２３が仮想軸Ｙへ向かって折
れ込む姿勢に回り動く設定としてあり、これらの先端リ
ンク棒２３がそれぞれ指先となって三者の内側に位置し
た対象物をつかみ持つ構成である。

【００１５】次に、単体の指関節機構１について説明す
る。

【００１６】指関節機構１は、図２，３に示すように、
多節のリンク列である指リンク部２，指リンク部２を支
持する基台部３，指リンク部２を駆動する駆動部４等を
備えて構成している。

【００１７】指リンク部２は、多数のリンク棒２１，２
２，２３をリンク基台２０から順にそれぞれリンク軸２
４，２５，２６により連結して多節のリンク列としてあ
る。つまり、リンク基台２０に第１リンク棒２１を第１
リンク軸２４により回転可能に連結し、第１リンク棒２
１に第２リンク棒２２を第２リンク軸２５により回転可
能に連結し、第２リンク棒２２に先端リンク棒２３を先
端リンク軸２６により回転可能に連結して、それら各リ
ンク軸２４〜２６が関節となる多節のリンク列を構成し
ている。

【００１８】基台部３は、中をくり抜いた基板３０にス
ライド軸３１を掛け渡して取り付けて、そのスライド軸
３１により、リンク基台２０を揺動及び移動動作可能に
支持する構成である。つまり、リンク基台２０に軸孔２
７を設けて、当該軸孔２７にスライド軸３１を嵌め合わ
せることでリンク基台２０を支持する。スライド軸３１
は、このリンク基台２０を貫通させた状態で基板３０へ
取り付け、基板３０の両端に設けたピン３２，３３とリ
ンク基台２０との間に、それぞれ引っ張りばね３４，３
５を掛け渡して対向する状態に配設し、これらの引っ張
りばね３４，３５により、リンク基台２０に互いに逆向
きの引っ張り力を加える構成にしている。

【００１９】このように、リンク基台２０は、その軸孔
２７をスライド軸３１に貫通させて支持しているので、
スライド軸３１の軸周りに揺れ動く揺動及び当該軸線方
向への移動が可能であり、引っ張りばね３４，３５によ
り引っ張り力を対向させて加えているので、その力が揺
動及び移動動作を戻す復元力になり、初期姿勢を保とう
とする。

【００２０】なお、リンク基台２０の軸孔２７には、軸
スラスト用のベアリングを取り付け、スライド軸３１の
両端には回転用のベアリングを取り付ける。また、ピン
３２，３３は、これより太い支柱３６，３７の頭部であ
り、基板３０の裏側から貫通させて固着してあって、基
板３０の裏側に延びた支柱３６，３７の先端に、固定用
のねじ孔を形成してある。

【００２１】駆動部４は、指リンク部２の各リンク軸２
４，２５，２６にプーリ４４，４５，４６を設けると共
に、それらのプーリ４４，４５，４６に、リンク基台２
０の下部に配置した駆動プーリ４０から伝達ワイヤ４１
を掛け渡して回転力の伝達を行う構成である。

【００２２】つまり、第１リンク軸２４には第１プーリ
４４を嵌め込み、第２リンク軸２５に第２プーリ４５を
嵌め込み、先端リンク軸２６に先端プーリ４６を嵌め込
む。このとき、先端リンク軸２６を先端リンク棒２３側
に固着させると共に、先端プーリ４６のみを当該先端リ
ンク軸２６と一体に固着させて共に回転する設定とし、
他所のプーリ４４，４５は自由に回転する状態に付設す
る。そして、リンク基台２０の下部には、ブラケット４
２を設けて駆動モータ４３を固定し、その駆動モータ４
３の回転軸に駆動プーリ４０を連結する。伝達ワイヤ４
１は、駆動プーリ４０に一端を連結して、他端をまずプ
ーリの並び列へ順に巻き掛けて先端プーリ４６から往復
させて再び戻して駆動プーリ４０に連結し、これにより
回転力の伝達を行う。

【００２３】この１本の伝達ワイヤ４１は、各リンク軸
２４，２５，２６に付設した各プーリ４４，４５，４６
に対して巻き掛けているだけであり、相互の摩擦力によ
って駆動力を伝達させる構成である。

【００２４】従って、駆動プーリ４０を回転させたとき
には、回転力は先端プーリ４６まで伝わり、その先端プ
ーリ４６を先端リンク軸２６及び先端リンク棒２３に固
着させてあるので、その結果、先端リンク棒２３を軸線
方向へ折れ込む姿勢に回し動かすことができる。

【００２５】このような構成によれば、スライド軸３１
に支持させた指リンク部２（リンク基台２０）は、図４
に示すように、スライド軸３１の回りに揺れ動く揺動動
作の自由度を有すると共に、図５に示すように、スライ
ド軸３１上を移動する移動動作の自由度も有する。

【００２６】指リンク部２の先端リンク棒２３を折れ込
む姿勢に回し動かす直接的な駆動源は駆動モータ４３で
あり、リンク基台２０の揺動及び移動動作に関しては、
対向させた引っ張りばね３４，３５により初期姿勢に戻
す復元力を持たせてある。

【００２７】そして、この対向する引っ張りばね３４，
３５は、当該指関節機構１を複数用いてつかみ持つ動作
を行う際に、先端リンク棒２３が対象物へ触れるときに
衝撃を吸収する緩衝動作を行うことになり、スライド軸
３１に貫通させたリンク基台２０に連係する緩衝機能部
となる。つまり、駆動モータ４３を起動することでは、
指リンク部２の先端リンク棒２３が対象物へ向かって折
れ込む姿勢に回り動き、やがて接触する。このとき、指
リンク部２のリンク基台２０はスライド軸３１に関して
揺動動作，移動動作を許容されているので、先端リンク
棒２３の接触による反力加速度によって揺動動作，移動
動作が複合した変位を起こすが、これは引っ張りばね３
４，３５がひずむことでエネルギを吸収する。即ち、対
向する引っ張りばね３４，３５はスライド軸３１に貫通
させたリンク基台２０に連係して衝撃を吸収する緩衝機
能部となり、先端リンク棒２３を対象物へソフトに接触
させることができる。

【００２８】従って、図１に示す把持ユニット１０によ
り対象物をつかみ持つ動作を行う際は、各指関節機構１
において、駆動部４を起動させることにより、先端リン
ク棒２３が対象物へ向けて折れ込む姿勢に回り動き、対
象物へ先端リンク棒２３が接触する瞬間に発生する衝撃
は、基台部３（３００）の引っ張りばね３４，３５が吸
収する。そして、指リンク部２がさらに閉じ動作を継続
すれば、リンク基台２０が対象物から押し退けられるよ
うに外側へ移動し、この移動では引っ張りばね３４，３
５をひずませるので、それら引っ張りばね３４，３５に
ひずみエネルギを蓄えることで必要量を越えた把持力を
吸収することになる。

【００２９】即ち、把持ユニット１０のつかみ持つ動作
では、三つの指リンク部２が対象物に触れて把持を開始
してから次にこれを解放するまでの間、三つの駆動モー
タ４３には所定の駆動力を発生させ続ければよく、可変
制御する必要がない。この駆動力の発生中は、三つの指
リンク部２は、それぞれが対象物に押し付け力を一定に
加えることになり、三つの押し付け力が中心軸（仮想軸
Ｙ）へ向かうので対象物をつかみ持つことができ、これ
らの押し付け力が把持力になる。各指関節機構１では、
駆動部４が巻き掛け伝達を行う構成なので、その押し付
け力が伝達ワイヤ４１と各プーリ４０，４４〜４６との
摩擦力によって決まり、伝達ワイヤがスリップを起こす
摩擦力が上限になる。しかし、押し付け力（把持力）が
上限に達する範囲では、それぞれのリンク基台２０は、
押し付け力の反力によって仮想軸Ｙから離れる方向にス
ライドして、ひずみエネルギを蓄えながらバランスする
状態になる。従って、必要十分な把持力が対象物に加わ
り、必要量を越えた分はひずみエネルギとして吸収する
ことができる。

【００３０】また、各駆動部４が１本の伝達ワイヤ４１
により巻き掛け伝達を行う構成なので、過大な力が加わ
った際はスリップし、これによっても必要量を越えた把
持力を吸収することができる。従ってこれは逆に、指リ
ンク部２…及び対象物の双方が、過大な力によって損傷
することを回避できることになる。

【００３１】このように、本発明にかかる把持ユニット
１０によれば、日常の生活用品等の対象物に対して必要
十分な把持力を加えてつかみ持つことができる。特に、
柔軟な対象物でも適切な把持力を加えることができ、こ
れを損傷なく確実につかみ持つことができる。

【００３２】ところで、各指関節機構１のリンク基台２
０は、揺動動作と移動動作の２つの自由度を有するの
で、図１に示す把持ユニット１０では、三つの指関節機
構１が２つずつ、合計６つの自由度を有している。

【００３３】そして、把持ユニット１０のつかみ持つ動
作では、前述したように、対象物を確実に把持した後も
駆動モータ４３には所定の駆動力を発生させ続けるの
で、各関節つまり各指リンク部２の各リンク軸２４〜２
６には一定のトルクが加わり続けている。このため、各
指リンク部２における自由度は、ほとんど失われた状態
になる。

【００３４】しかし、たとえ各指リンク部２の関節の自
由度がほとんど失われた状態になったとしても、対象物
とそれを把持する三つの指リンク部２とを含めた把持系
全体ではリンク基台２０（支持側）の６つの自由度によ
り、図６に示すように、蓄えたひずみエネルギの範囲内
において柔軟で自由な運動が行える。

【００３５】この場合、各関節のトルク値をフィードバ
ックするような自立制御はもちろん不要であり、指関節
機構１の構成はすこぶるシンプルといえる。このため、
指関節機構１を複数用いる把持ユニット１０についても
小型で軽いものに構成でき、安価に実現することができ
る。

【００３６】ところで、対象物を把持ユニット１０につ
かみ持たせた後、アーム機構を動作させて他所へ移すこ
とを考えると、対象物をつかみ持った把持系全体の６つ
の自由度を制限したいケースもある。つまり、アーム機
構による移動中には障害物と接触する事態も考えられ
る。そして、把持ユニット１０でつかみ持った対象物が
例えば液体を入れた容器では、これをつかみ持つ把持系
全体の自由度が高いと、つまりリンク基台２０（支持
側）が比較的に柔軟な支持を行うのでは、障害物と接触
した際に中身をこぼしてしまうおそれがある。このた
め、そうしたケースでは液体入りの容器を移動中にもし
っかりと保持したく、支持側の剛性を高めに設定した
い。

【００３７】この対策には、緩衝機能部を構成する引っ
張りばね３４，３５を、例えば形状記憶合金により形成
した形状記憶ばねに変更すればよく、支持側の剛性を高
めたい場合に、形状記憶ばねを加熱してばね定数を高く
変化させればよい。これによれば、必要な時だけ把持ユ
ニット１０の支持側の剛性を高くすることができ、把持
系全体の６つの自由度を制限できる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、以
下の優れた効果を発揮する。 （１） 請求項１に記載の発明では、多数のリンク棒を
リンク基台から順にそれぞれリンク軸により連結した多
節のリンク列と、リンク基台を所定軸周りに揺れ動く揺
動動作を許容して支持すると共に当該軸線方向への移動
動作も許容するが、これら揺動及び移動動作は初期姿勢
に戻す復元力を付与しつつ許容する支持部と、リンク列
の先端リンク棒を軸線方向へ折れ込む姿勢に回し動かす
駆動手段とを備えて構成するので、駆動手段を起動する
ことにより、先端リンク棒を、軸線方向に置いた対象物
へ向けて折れ込む姿勢に回し動かすことができ、接触さ
せることができる。この接触ではリンク基台が復元力に
抗して変位するので衝撃を緩和，吸収でき、ソフトな接
触を行える。

【００３９】この場合、各関節のトルク値をフィードバ
ックするような自立制御はもちろん不要であり、１本の
指として機能する構成をシンプルに実現できる。従っ
て、これを複数用いることで日常の生活用品等の対象物
を損傷なく確実につかみ持つ機能体を組み得る。 （２） 請求項２に記載の発明では、駆動手段として、
リンク列の各リンク軸にプーリを設けるが、先端リンク
軸を先端リンク棒側に固着させると共に、先端プーリの
みを当該先端リンク軸と一体に固着させて共に回転する
設定とし、他所のプーリは自由に回転する状態に付設
し、リンク基台には動力源と連結した駆動プーリを設け
て、当該駆動プーリに一端を連結した伝達ワイヤをプー
リの並び列へ順に巻き掛けて先端プーリから往復させて
再び戻して駆動プーリに連結して回転力の伝達を行う構
成にするので、駆動プーリを回転させることで回転力は
先端プーリまで伝わる。そして、その先端プーリを先端
リンク軸及び先端リンク棒に固着させてあるので、伝達
ワイヤで伝えた回転力により、先端リンク棒を軸線方向
へ折れ込む姿勢に回し動かすことができる。

【００４０】また、１本の伝達ワイヤを各リンク軸に設
けたプーリへ巻き掛けて、相互の摩擦力によって駆動力
を伝達する構成なので、過大な力が加わった際はスリッ
プし、従って必要量を越えた把持力を吸収することがで
きる。これは逆に、多節のリンク列及び対象物の双方
が、過大な力によって損傷することを回避できることに
なる。 （３） 請求項３に記載の発明では、支持部として、リ
ンク基台に軸孔を設けて、当該軸孔にスライド軸を嵌め
合わせると共に、当該リンク基台へ二つの引っ張りばね
を対向する状態に掛け渡して当該リンク基台を初期姿勢
に戻す復元力を付与する構成にするので、リンク基台は
スライド軸の軸周りに揺れ動く揺動及び当該軸線方向へ
の移動が可能になる。そして、引っ張りばねにより引っ
張り力を対向させて加えているので、その力が揺動及び
移動動作を戻す復元力になり、初期姿勢を保とうとす
る。

【００４１】駆動手段を起動して、リンク列の先端リン
ク棒を対象物に接触させることでは、リンク基台はスラ
イド軸に関して揺動動作，移動動作を許容されているの
で、先端リンク棒の接触による衝撃のエネルギは引っ張
りばねがひずむことで吸収でき、そのため先端リンク棒
を対象物へソフトに接触させることができる。 （４） 請求項４に記載の発明では、請求項１〜３に記
載の指関節機構を、仮想軸の周りに多数配列して備え、
それらの配列は各駆動源の起動時に、各先端リンク棒が
仮想軸へ向かって折れ込む姿勢に回り動く設定として構
成するので、仮想軸に置いた対象物を、周囲の指関節機
構の先端リンク棒で押さえ込むことができ、つかみ持つ
ことができる。そして、先端リンク棒の接触は、衝撃を
緩和，吸収したソフトな接触になるので、日常の生活用
品等の対象物を損傷なく確実につかみ持つことができ
る。

【００４２】この場合、各指関節機構の構成がシンプル
であることから、それを複数用いる把持ユニットについ
ても小型で軽いものに構成でき、安価に実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示し、把持ユニットの斜
視図である。

【図２】図１の把持ユニットに用いた指関節機構を示す
斜視図である。

【図３】図２の指関節機構の側面図である。

【図４】リンク基台の揺動動作を説明する模式図であ
る。

【図５】リンク基台の移動動作を説明する模式図であ
る。

【図６】図１の把持ユニットのつかみ持つ動作を説明す
る模式図である。

【符号の説明】

１ 指関節機構 ２ 指リンク部（リンク列） ３ 基台部（支持部） ４ 駆動部（駆動手段） １０ 把持ユニット ２０ リンク基台 ２１ 第１リンク棒 ２２ 第２リンク棒 ２３ 先端リンク棒 ２４ 第１リンク軸 ２５ 第２リンク軸 ２６ 先端リンク軸 ３０ 基板 ３１ スライド軸 ３２，３３ ピン ３４，３５ 引っ張りばね ３６，３７ 支柱 ４０ 駆動プーリ ４１ 伝達ワイヤ ４２ ブラケット ４３ 駆動モータ ４４ 第１プーリ ４５ 第２プーリ ４６ 先端プーリ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多数のリンク棒をリンク基台から順にそ
   れぞれリンク軸により連結した多節のリンク列と、前記
   リンク基台を所定軸周りに揺れ動く揺動動作を許容して
   支持すると共に当該軸線方向への移動動作も許容する
   が、これら揺動及び移動動作は初期姿勢に戻す復元力を
   付与しつつ許容する支持部と、前記リンク列の先端リン
   ク棒を前記軸線方向へ折れ込む姿勢に回し動かす駆動手
   段とを備えたことを特徴とする指関節機構。
2. 【請求項２】 前記駆動手段は、前記リンク列の各リン
   ク軸にプーリを設けるが、先端リンク軸を先端リンク棒
   側に固着させると共に、先端プーリのみを当該先端リン
   ク軸と一体に固着させて共に回転する設定とし、他所の
   プーリは自由に回転する状態に付設し、前記リンク基台
   には動力源と連結した駆動プーリを設けて、当該駆動プ
   ーリに一端を連結した伝達ワイヤを前記プーリの並び列
   へ順に巻き掛けて先端プーリから往復させて再び戻して
   駆動プーリに連結して回転力の伝達を行う構成にしたこ
   とを特徴とする請求項１に記載の指関節機構。
3. 【請求項３】 前記支持部は、前記リンク基台に軸孔を
   設けて、当該軸孔にスライド軸を嵌め合わせると共に、
   当該リンク基台へ二つの引っ張りばねを対向する状態に
   掛け渡して当該リンク基台を初期姿勢に戻す復元力を付
   与する構成にしたことを特徴とする請求項１または２に
   記載の指関節機構。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかに記載の指関
   節機構を、仮想軸の周りに多数配列して備え、それらの
   配列は各駆動源の起動時に、各先端リンク棒が前記仮想
   軸へ向かって折れ込む姿勢に回り動く設定としたことを
   特徴とする把持ユニット。