JP2006000992A - ロボットハンド - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、把持対象物を壊してしまうことなく、より確実かつ安定して対象物を把持することの可能なロボットハンドを提供することにある。
【解決手段】 本発明のロボットハンドは、複数のリンク２とリンク２同士を連結する関節部１とを備えて構成された多関節の指Ｆを持つもので、各関節部１の屈曲内側に関節部１を覆うように弾性体３を備えている。この弾性体３は、その両端が関節部１をまたいでリンク２の屈曲内側表面に取り付けられると共に、その中央部が指Ｆに固定されていない。この中央部は、関節部１の屈曲に伴って屈曲内側に突出する。対象物を把持する際に指Ｆを曲げると、各弾性体の中央部がたわんで対象物の表面に押圧される。この結果、対象物は弾性体３によって押圧されて安定して把持される。弾性体３が程良く変形するため、把持に必要な押圧力を確保しつつも、対象物を握り潰してしまうようなことがない。
【選択図】 図２

Description

本発明は、複数のリンクとこれらを連結する関節部とで構成された多関節の指を持つロボットハンドに関する。

ロボットハンドを用いて対象物をつかむ際には、指の曲げ伸ばしに柔軟性が必要となる。指の曲げる量が少なければ、指の内側と対象物とが接触せず、対象物は滑り落ちてしまう。一方、指を曲げる量が多すぎれば、対象物が脆ければ壊してしまうし、対象物が丈夫であれば指側のアクチュエータに負荷がかかる。そこで、バネなどの弾性体を関節部などに組み込んだ柔軟関節を利用するなどして、指の曲げ伸ばしに柔軟性を持たせる手法が取られる。下記特許文献１に記載のロボットの指も、関節部内側に弾性体を配設している。
特開平６−２４８８５号公報

しかし、上述した柔軟関節などは、関節の回転方向にのみにしか柔軟性が働かない。このため、対象物を持ったまま向きを変えると、対象物がロボットハンドから抜け落ちやすくなる場合などがあった。また、リンク（指の関節と関節の間の部分）自体が剛体であると、柔軟関節を用いても指表面と対象物とは点接触あるいは線接触となり、十分な接触面積が得られずに十分な摩擦力を得られない場合があった。この場合も、対象物がロボットハンドから抜け落ちやすくなってしまう。これらの問題を解決するよりさらなる改良が要望されていた。さらに、別の問題として。関節部分への噛み込みを防止したいという要望もあった。従って、本願発明の目的は、把持対象物を壊してしまうことなく、より確実かつ安定して対象物を把持することの可能なロボットハンドを提供することにある。

請求項１に記載のロボットハンドは、複数のリンクとリンク同士を連結する関節部とを備えて構成された多関節の指を持つもので、各関節部の屈曲内側に該関節部を覆うように弾性体を備えている。この弾性体は、その両端が関節部をまたいでリンクの屈曲内側表面に取り付けられると共に、その中央部が指に固定されていない。この中央部は、関節部の屈曲に伴って屈曲内側に突出する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のロボットハンドにおいて、弾性体の各端部が、リンクに形成されたスリットに挿入されて係止されていることを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のロボットハンドにおいて、弾性体の各端部が、関節部の回転軸に対して直角な軸を中心に回転可能な部材を介してリンクに取り付けられていることを特徴としている。なお、ここに言う直角とは、９０°から１°もズレてはいけないということではなく、二つの軸がほぼ直角な位置関係にあることを指す。本請求項による効果を考慮すれば、直角を中心に多少の角度的なズレがあっても、許容されることは明らかである。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載のロボットハンドにおいて、弾性体が、複数の繊維状弾性体が束ねられて形成されていることを特徴としている。

請求項１に記載のロボットハンドによれば、対象物を把持する際に指を曲げると、各弾性体の中央部がたわみ、この中央部が掌側（屈曲内側）に位置する対象物の表面に押圧される。この結果、対象物は、関節のある方向から（人間の指を模した指とすれば３方向から）押圧され周囲から押さえつけられて安定して把持される。このとき、弾性体が程良く変形するため、把持に必要な押圧力を確保しつつも、対象物を握り潰してしまうようなことがない。また、弾性体が存在することで、関節部への挟み込みも防止することができる。

さらに、たわんだ弾性体の中央部が対象物に押しつけられることで、弾性体と対象物とは面接触することになる。この結果、ロボットハンドと把持対象物との間に有効に摩擦力が働き、把持した状態のまま向きを変えても対象物が抜け落ちにくくなり、確実にかつ安定して把持することができる。また、弾性体は対象物の外形に合わせて変形できるため、対象物によりフィットした状態で押圧される。この結果、把持した状態のまま向きを変えても対象物が抜け落ちにくくなり、確実にかつ安定して把持することができる。

請求項２に記載のロボットハンドによれば、弾性体を簡単にロボットハンド本体に取り付けることができる。また、弾性体の脱着が行いやすいため、メンテナンスも行いやすくなる。さらに、把持対象物に応じた弾性体の付け替えにも容易に対応することが可能となる（弾性係数の異なるものや表面の形状［凹凸の有無など］の異なるものなど）。

請求項３に記載のロボットハンドによれば、例えば、関節部が指の曲げ方向以外の自由度を持っているような場合、例えば、関節部の回転軸に対してほぼ直角な軸を中心に回転する自由度を有しているような場合に、弾性体に無理な力を生じさせることがない。無理な力が生じないため、弾性体が不自然にたわんだりすることもなく、弾性体の中央部を確実に対象物に対して押圧させることができる。また、弾性体の耐久性を向上させることにもなる。また、指を、関節部の回転軸に対してほぼ直角な軸を中心に回転させる際に、これに抗う力を発生させることが無く、指と指との間で挟むような動作を行いやすくできる。

請求項４に記載のロボットハンドによれば、把持対象物の表面形状に対して馴染みが良く、より安定した把持が可能となる。また、対象物表面に馴染みやすいということは、弾性体自体に無理な応力がかかりにくくなるため、弾性体の耐久性が向上する。さらに、一枚物の弾性体では、一部に裂け目が生じるとそこが起点となって裂けが進行するが、このように繊維状のものを束ねたものとすれば、一本が切れただけでは悪影響がない。

本発明のロボットハンドの一実施形態について以下に説明する。本実施形態のロボットハンドＨ（手首相当部分より先端側の部分のみ）を図１に示す。図１に示されるように、このロボットハンドＨは、四つの指Ｔ，Ｆ（一つは人間の親指に相当する指Ｔ）と、掌に相当するベースと呼ばれる部分Ｐとを持っている。そして、指Ｔ以外の指Ｆは、ベースＰとの連結部も含めて、それぞれ三つの関節部１を備えている。各関節部１によってリンク２（及びベースＰ）が連結されている。なお、関節部１によって連結される部分として考えれば、ベースＰをリンク２の一種と考えることもできる。

これらの関節部１は、指ＦをベースＰ側に折り曲げるようにそれぞれ回転軸を備えている。これらの関節部１にはモータ（アクチュエータ）が内蔵されており、ロボットハンドＨの制御部からの駆動信号及び電力供給によってモータが駆動されて指Ｆの曲げ伸ばしが行われる。また、ベースＰと各指Ｆとの連結部には、上述した関節部１の他に、隣り合う指Ｆ同士の間を開いたり閉じたりするための関節部（図示せず）も組み込まれている。この関節部の回転軸は、上述した関節部１の回転軸に対してほぼ直角な回転軸を備えている。この関節部にもモータが内蔵されており、制御部によってその動きが制御される。

一方、親指に相当する指Ｔは、ベースＰとの連結部も含めて二つの関節部１を備えており、各関節部１によってリンク２（及びベースＰ）が連結さいる。これらの関節部１にもモータが内蔵されており、制御部からの駆動信号及び電力供給によってモータが駆動されて指Ｔの曲げ伸ばしが行われる。また、ベースＰと指Ｔとの連結部にも、隣の指Ｆとの間を開いたり閉じたりするための関節部（図示せず）と、指Ｔ全体を掌側に移動させる（掌を閉じる）ための関節部（図示せず）も組み込まれている。隣の指Ｆとの間を開いたり閉じたりするための関節部の回転軸は、上述した関節部１の回転軸に対してほぼ直角な回転軸を備えている。これらの関節部にもモータが内蔵されており、制御部によってその動きが制御される。

そして、上述したすべての関節部１の屈曲内側には、それぞれシート状の弾性体３が取り付けられている。弾性体３は、ゴム製のシート材で、関節部１をまたいでその両端が両側のリンク２に取り付けられている。弾性体３の中央部はどこにも固定されておらず、弾性体３はその両端でのみ固定されている。なお、このロボットハンドＨにおける指Ｆが曲げられる様子を図２に示す。図２（ａ）は指Ｆを一番伸ばした状態である。この状態では、弾性体３はある程度引き延ばされた状態となっている。

この状態から、指Ｆを曲げる際には、図２（ｂ）に示されるように、各関節部１に組み込まれたモータを駆動させて指Ｆを曲げるが、このとき、弾性体の弾性復元力（縮もうとする力）図中の矢印のように作用する。このため、この弾性復元力の分だけ把持力を向上させることができ、対象物の安定した把持に寄与する。また、この弾性復元力の分は、対象物を把持する際にクッションのような役目をも持つこととなる。あるいは、この弾性復元力によって発生されるトルクの分だけ関節部１のモータに発生させるトルクを少なくできるので、モータの小型化も容易となる。

関節部１のモータをさらに駆動させて、図２（ｂ）の状態からさらに指Ｆを握り込ませると、図２（ｃ）に示されるように、弾性体３が自由長となったところで弾性体がたわみ始める。このたわみは、指Ｆの屈曲内側に突出するようになされている。これは、弾性体３の形状やその両端のリンク２への取り付け方などを工夫することで容易に可能となる。このため、図２（ｄ）に示されるように、細い棒状の物なども、弾性体３で周囲から押圧することで、安定して把持することが可能となる。また、このときの押圧力も弾性体の変形によって好適に調節されるため、把持対象物に過度な押圧力を作用させることもない。さらに、関節部１の屈曲内側を弾性体３が覆うので、関節部１への挟み込み（対象物の挟み込みなど）も確実に防止できる。

以下、弾性体３のリンク２（ベースＰ）への取付構造や弾性体３自体の構造についていくつかの例を説明する。まず、第一例を図３に示す。図３に示されるように、ここでは、弾性体３の各端部には円柱状部分３ａが形成されており、この円柱状部分３ａがリンク２に形成されたスリット２ａに挿入されて係止されている。図３（ｂ）は、指Ｆ，Ｔを伸ばした状態が示されており、弾性体３はある程度引き伸ばされた状態にある。この場合も、円柱状部分３ａの太さがスリット２ａよりも大きくされているため、弾性体３が外れてしまうようなことはない。

また、指Ｆ，Ｔを曲げる際には、一対の円柱状部分３ａがスリット２ａに係止されているので、上述した弾性復元力は有効に利用できる。なお、指Ｆ，Ｔの屈曲時に円柱状部分３ａがリンク２の内部に移動してしまうと、弾性体３の対象物への押圧力が減ったり、対象物に十分に押圧できないようなことが懸念される場合は、円柱状部分３ａの移動を規制する構造を採用すればよい。このようにすると、弾性体３の脱着を行いやすくなるので、メンテナンスを行いやすくなる。さらに、把持対象物に応じて弾性体３を付け替える場合などは、付け替えが容易となる（弾性係数の異なるものや表面の形状［凹凸の有無など］の異なるものなどに付け替える場合など）。

図４に第二例を示す。上述した実施形態の弾性体３はシート状のものであったが、この例における弾性体３は、図４（ａ）に示されるように、複数の繊維状弾性体が束ねられて形成されている。そして、束ねられた弾性体３の両端が、リンク２に固定されている。ここでは、弾性体３の端部をまとめたホルダ３ｂをリンク２に固定している。このようにすると、弾性体３の把持対象物の表面形状に対して馴染みが良く、より安定した把持が可能となる。また、対象物表面に馴染みやすいということは弾性体自体に無理な応力がかかりにくくなるため、弾性体３の耐久性を向上させることにもなる。さらに、繊維状弾性体が一本切れただけでは全く影響が無く、そこから弾性体３全体の破断に繋がることもない。

上述したシート状の弾性体３であると、張力が発生しているときにはまっすぐに伸びており、張力が無くなってたるみ始めてから把持対象物の表面への馴染みが可能となる。しかし、繊維状弾性体を束ねた弾性体３を採用すると、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示されるように、繊維状弾性体の長さのバラツキによって、張力を発生させつつたわませることができる。このため、十分な把持力と接触面積の確保とを両立でき、安定した把持を可能とすることができる。

さらに、このとき、繊維状弾性体を、図４（ａ）に示されるように、屈曲内側から見て楕円状となるように配置することが好ましい。弾性体３をこのような形状とすることで、図４（ｃ）に示されるように、張力を発生させつつ、屈曲内側に膨らんだ形にさせやすくなる。これによって、十分な把持力と接触面積の確保とを両立でき、安定した把持をより行いやすくなる。

なお、一つの弾性体３を構成する繊維状弾性体はすべてが同一特性でなければならないということではない。例えば、各繊維毎に特性（自然長・太さ・材質）を異ならせても良い。このようにすることで、把持対象物をより安定かつ確実に把持するように押圧力や接触面積、摩擦係数などをチューニングすることができる。例えば、表面側の弾性体を柔らかくして対象物に馴染みやすくすることができる。あるいは、それと同時に一部の繊維状弾性体に裂け強度の高いものを混ぜておいて耐久性を上げることも行う、ことなどができる。）

図５に第三例を示す（弾性体３は、リンク２−ベースＰ間のもののみを図示してある）。ここでは、弾性体３（図４の繊維状弾性体を束ねたもの）のリンク２（ベースＰ）への取り付けを、関節部１の回転軸に対して直角な軸を中心に回転可能なベアリング４を介して行っている。本実施形態のロボットハンドＨは、上述したように、関節部１（リンク２−ベースＰ間の関節部１）が指Ｆの曲げ方向以外の自由度を持っている。具体的には、図５中の太い矢印で示される自由度を有している。このようなベアリング４を介して弾性体３を取り付けることで、太い矢印で示されるように指Ｆを動かしてもベアリング４が回転するため、弾性体３によってこの動きを妨げる弾性復元力が生じない。この結果、弾性体３を設けたときに、指Ｆ，Ｔの間で何かを挟み込もうとするようなときの把持力を低下させることを防止できる。

次に、弾性体３の弾性復元力（縮む力）によって関節部１に発生するトルクについて簡単に説明する。このトルクは、弾性体３（ここではシート状のゴム製のもの）の特性及び設置位置によって調節ができる。ここで、トルクの計算を行う。ゴムの特性は、ヤング率Ｅ＝８Ｎ／ｍｍ^２，断面積Ａ＝８ｍｍ^２（厚み１ｍｍ，幅１５ｍｍ），自然長ｌ_０＝７．０７ｍｍである。また、関節回転軸からリンク２表面（弾性体３取付部）までの距離ｔ＝１０ｍｍ，関節回転軸から弾性体取付部までのリンク２に沿った距離ｐ＝１５ｍｍとする（図６参照）。なお、ここでの弾性体３は二つのリンク２に対して対称に取り付けられている。

上述したように各値を設定し、さらに、関節部１の両側の二つのリンク２のなす角をθとすると、弾性体３の長さｌは下記式（１）によって表される。

また、弾性体の弾性復元力Ｆは下記式（２）によって表される。

さらに、関節回転軸から弾性体３までの距離ｒは下記式（３）によって表される。

そして、最終的に、弾性体３の弾性復元力によって関節部１に作用するトルクＴは、Ｔ＝Ｆｒ…（４）として算出できる。関節角θとトルクＴとの関係をグラフにしたものが図７であり、弾性体３によってこのような補助トルクを得ることができる。なお、上述した自然長ｌ_０は、上述した寸法を持つロボットハンドＨの指Ｆにおいて関節角θが９０°である時の弾性体３の長さｌに等しい。

なお、本発明のロボットハンドは、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、弾性体は、その両端が接着されることでリンクに固定されても良い。ただし、この場合は、シリコン系の固まっても硬くならないものが好ましい。また、弾性体をロボットハンドのカバーや人工皮膚と一体的に構成させても良い。ただし、この場合も、関節部を覆う弾性体としての部分の両端はリンクに固定され、中央部は固定されていない状態とされる。

本発明のロボットハンドの一実施形態を示す正面図である。 図１のロボットハンドの指の動きを示す側面図である。 弾性体の取り付け方法の一例を示す（ａ）正面図、（ｂ）側断面図である。 弾性体の形態の他例を示す（ａ）正面図、（ｂ）側断面図［指が伸ばされた状態］、（ｃ）側断面図［指が曲げられた状態］である。 弾性体の取り付け方法の他例を示す正面図である。 関節部の各部寸法を示す説明図である。 関節角とトルクとの関係を示すグラフである。

符号の説明

Ｆ，Ｔ…指、Ｈ…ロボットハンド、Ｐ…ベース、１…関節部、２…リンク、２ａ…スリット、３…弾性体、３ａ…円柱状部分、３ｂ…ホルダ、４…ベアリング。

Claims (4)

1. 複数のリンクと該リンク同士を連結する関節部とを備えて構成された多関節の指を持つロボットハンドにおいて、各関節部の屈曲内側に該関節部を覆うように弾性体を備えており、前記弾性体は、その両端が前記関節部をまたいで前記リンクの屈曲内側表面に取り付けられると共に、その中央部が前記指に固定されておらず、該中央部は、前記関節部の屈曲に伴って屈曲内側に突出することを特徴とするロボットハンド。
2. 前記弾性体の各端部が、前記リンクに形成されたスリットに挿入されて係止されていることを特徴とする請求項１に記載のロボットハンド。
3. 前記弾性体の各端部が、前記関節部の回転軸に対して直角な軸を中心に回転可能な部材を介して前記リンクに取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のロボットハンド。
4. 前記弾性体が、複数の繊維状弾性体が束ねられて形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のロボットハンド。

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