JP2007216332A - Actuator, finger unit using it, and gripping hand - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エレクトロアクティブポリマーを変位部に用いた屈曲または旋回運動を行うアクチュエータに関する。 The present invention relates to an actuator that performs bending or turning motion using an electroactive polymer as a displacement portion.
柔軟な動作が可能であるエレクトロアクティブポリマーは、一般にバイアス機構が必要であり、従来のエレクトロアクティブポリマーとバイアス機構を一体化した構成として、図11に示すような屈曲機構をもつアクチュエータが提案されている(特許文献1)。
図11は、従来のエレクトロアクティブポリマーを用いたアクチュエータの側断面図である。図11において、このアクチュエータは、エレクトロアクティブポリマーからなる伸縮部1と、伸縮部(エレクトロアクティブポリマー)1に電圧を印加するためのリード2から成り、伸縮部1にバネ等のバイアス機構3を設けている。リード2の一方から正電位を、他方からは負電位を印加することで伸縮部1が伸張しようとするが、このときバイアス機構3 により伸縮部1 を伸張する方向の力が発生し、これにより伸張方向の力を発現する。また、上記伸張時と逆の電位をリード2に印加して伸縮部1が収縮する際には、バイアス機構3の力に抗して伸縮部1が収縮し、収縮方向の力を発現していた。
Electroactive polymers capable of flexible operation generally require a bias mechanism, and an actuator having a bending mechanism as shown in FIG. 11 has been proposed as a configuration in which a conventional electroactive polymer and a bias mechanism are integrated. (Patent Document 1).
FIG. 11 is a side sectional view of an actuator using a conventional electroactive polymer. In FIG. 11, this actuator includes an expansion /
また、従来のロボットハンドの指ユニットにおいては物体を把持するために電磁モータを駆動源として、1関節あたり1自由度の指ユニットを構成している。その構成は、指ユニットの各関節にあるシャフトに対し回転自由に嵌まっているプーリがあり、各関節のプーリは互いにベルトによって連結され、電磁モータにより駆動していた(特許文献2(図1))。また、把持する物体が卵のような壊れやすい物体である場合には、その物体を把持した時にそれを壊さないように、指先に力覚センサを装着し、センサ情報をフィードバックしながら柔軟把持をするための制御を行っていた(例えば、非特許文献1(表2))。
しかしながら、特許文献1のようなエレクトロアクティブポリマーを用いた場合は、バイアス機構が一体化しているため、装置が大型化するという問題があった。また、特許文献2のような従来のやり方では、関節の螺旋運動を行うことができず、把持するときに物体を潰したり、落下させて破損する場合や、物体を把持することが困難であるという問題点もあった。さらに、非特許文献1のようにセンサを多用する場合には、センサを配置することによるセンサ自身の大きさやセンサケーブルなどにより、ユニットが大きくなるという問題があった。
However, when the electroactive polymer as in
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、小型で簡素な屈曲機構を有し、大きな発生力するアクチュエータを提供することを目的とする。さらに、螺旋運動を行うことで、壊れやすい物体であっても破損することなく確実に把持することができる指ユニットおよび把持ハンドを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems of the prior art, and an object thereof is to provide an actuator that has a small and simple bending mechanism and generates a large force. It is another object of the present invention to provide a finger unit and a gripping hand that can reliably grip a fragile object without being damaged by performing a spiral motion.
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項1に記載の発明は、リンク部を有する骨格と、前記骨格に設けられたエレクトロアクティブポリマーからなる伸縮部と、前記骨格と前記伸縮部を被覆する被覆部とを備え、前記伸縮部へ電圧を印加して前記伸縮部を伸縮させることにより前記骨格を屈曲運動させるアクチュエータにおいて、前記被覆部は伸縮度の大きい弾性体とし、前記リンク部は前記骨格の一方を前記伸縮部を挟むコ字状とし、前記骨格の一方と前記骨格の他方とをクランクアームにより屈曲自在に結合したものである。
In order to solve the above problems, the present invention is configured as follows.
The invention according to
請求項2に記載の発明は、リンク部を有する骨格と、前記骨格に設けられたエレクトロアクティブポリマーからなる伸縮部と、前記骨格と前記伸縮部を被覆する被覆部とを備え、前記伸縮部へ電圧を印加して前記伸縮部を伸縮させることにより前記骨格を屈曲運動させるアクチュエータにおいて、前記被覆部は伸縮度の大きい弾性体とし、前記伸縮部を第1と第2の2個とし、前記リンク部は前記骨格の一方を前記第1の伸縮部を挟むコ字状とし、前記骨格の一方と前記骨格の他方とをクランクアームにより屈曲自在に結合し、前記クランクアームと前記骨格の他方との間に前記第1の伸縮部の屈曲方向に対して90°異なる方向に屈曲するように前記第2の伸縮部を設け2方向に屈曲できるようにしたものである。
The invention according to
請求項3に記載の発明は、前記クランクアームがコ字状のコ字部材であり、前記伸縮部の一方端に軸支され回転自由に結合するジョイントと、前記骨格の一方の開放端に軸支され回転自由に結合する回転軸とを有するものである。 According to a third aspect of the present invention, the crank arm is a U-shaped U-shaped member, a joint that is pivotally supported by one end of the telescopic portion and is freely coupled to the shaft, and a shaft at one open end of the skeleton. And a rotating shaft that is supported to freely rotate.
請求項4に記載の発明は、前記他方の骨格を前記第2の伸縮部を挟むコ字部材とし、前記クランクアームに設けた支柱と、前記他方の骨格と前記支柱とを屈曲自在に結合するジョイントと、前記第2の伸縮部で発生した力を伝達する力伝達部とを設け、前記クランクアームと前記他方のコ字部材からなる骨格とを屈曲自在に結合し、前記第2の伸縮部が前記支柱を支点として梃子の原理が働くように配置されたものである。
請求項5に記載の発明は、請求項1から4記載のアクチュエータを少なくとも1個用いた指ユニットである。
請求項6に記載の発明は、請求項5記載の指ユニットを少なくとも1個用いて構成した把持ハンドである。
ものである。
According to a fourth aspect of the present invention, the other skeleton is a U-shaped member that sandwiches the second telescopic portion, and the support provided on the crank arm, the other skeleton, and the support are coupled flexibly. Providing a joint and a force transmission part for transmitting the force generated in the second extension part, and flexibly connecting the crank arm and the skeleton made of the other U-shaped member; Is arranged so that the principle of the lever works by using the support column as a fulcrum.
A fifth aspect of the present invention is a finger unit using at least one actuator according to the first to fourth aspects.
The invention described in
Is.
請求項1に記載の発明によると、エレクトロアクティブポリマーに対し被覆部の伸縮性によりバイアスをかけるので、小型で簡素な屈曲機構を有するアクチュエータを実現することができる。 According to the first aspect of the present invention, since the electroactive polymer is biased by the stretchability of the covering portion, an actuator having a small and simple bending mechanism can be realized.
請求項2、3に記載の発明によると、螺旋運動を行うことができるので、壊れやすい物体を柔軟に把持することができ、センサを必要としないため単純な構成で安価な指ユニットを構成することができる。また、モータやギアを用いないので、動作音が静かで、対人用途にも適している。 According to the second and third aspects of the present invention, since a spiral motion can be performed, a fragile object can be gripped flexibly, and a sensor is not required, so an inexpensive finger unit is configured with a simple configuration. be able to. In addition, since no motor or gear is used, the operation sound is quiet and suitable for personal use.
請求項4に記載の発明によると、梃子の原理を利用して、大きな発生力を得ることができる。 According to the fourth aspect of the present invention, a large generating force can be obtained by utilizing the principle of leverage.
請求項5、6に記載の発明によると、単純な構成で安価な指ユニットおよび把持ハンドを構成することができる。 According to the fifth and sixth aspects of the invention, an inexpensive finger unit and gripping hand can be configured with a simple configuration.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1実施例を示す屈曲機構をもつアクチュエータの側断面図、図2は図1のA-A‘における断面図である。図において、1はエレクトロアクティブポリマーからなる伸縮部、2はリード、4は伸縮性を有するゴム製の被覆部、5aおよび5bはプラスティック製の骨格、6はクランクアーム、7は回転軸、8aおよび8bはジョイントである。伸縮部(エレクトロアクティブポリマー)1にはリード2が接続されている。また、伸縮部1はジョイント8aおよびジョイント8bにより、骨格5aとクランクアーム6とにそれぞれ結合されている。さらに、クランクアーム6の先端には骨格5bが結合されている。また、骨格5aおよび骨格5bの片端は、それぞれ被覆部4と結合している。
FIG. 1 is a side sectional view of an actuator having a bending mechanism according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view taken along line A-A 'in FIG. In the figure, 1 is a stretchable part made of an electroactive polymer, 2 is a lead, 4 is a rubber covered part having elasticity, 5a and 5b are plastic skeletons, 6 is a crank arm, 7 is a rotating shaft, 8a and 8b is a joint. A
本発明が特許文献1と異なる部分は、エレクトロアクティブポリマーのバイアス機構を被覆部にもたせ小型化を可能としたことと、被覆部が伸縮性を有していることである。
The difference between the present invention and
つぎに、本実施例の動作について、図3を用いて説明する。
図3は本発明のアクチュエータの動作を示す側断面図である。
(1)まず、図3(イ)に示すように伸縮部1を制御しない状態では、被覆部4の伸縮力により伸縮部1に対するバイアスとなり、屈曲していない状態となる。
(2)次に、図3(ロ)に示すように、伸縮部1を制御器(図示していない)により制御することにより、屈曲することができる。この動作は伸縮部1にリード2より通電し伸長させ、伸縮部1がクランクアーム6を骨格5bの在る方向へ押すことで、被覆部4の伸縮力に打ち勝ち回転軸7を中心にして屈曲動作させる。このとき、回転軸7を中心として回転できるように、ジョイント8aおよびジョイント8bは自由に回転できるようになっている。
(3)さらに、図3(ハ)に示すように、伸縮部1に通電する電圧の大きさを増すことにより屈曲度を大きく制御することができる。
Next, the operation of this embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 3 is a side sectional view showing the operation of the actuator of the present invention.
(1) First, as shown in FIG. 3 (a), when the
(2) Next, as shown in FIG. 3 (b), the
(3) Further, as shown in FIG. 3C, the degree of bending can be largely controlled by increasing the magnitude of the voltage applied to the expansion /
図4は、本発明の第2実施例を示すアクチュエータの側断面図、図5は図4のB-B‘における断面図である。図において、1aはエレクトロアクティブポリマーからなる第1の伸縮部、1bはエレクトロアクティブポリマーからなる第2の伸縮部、9は支柱、10は固定体、11は発生した力を伝達する力伝達部、12は屈曲ユニット、13は内外転ユニットである。その他の符号は、第1実施例と同じである。
屈曲ユニット12は、第1の伸縮部1a、リード2a、プラスティック製の骨格5a、クランクアーム6、回転軸7、ジョイント8aおよび8bで構成されており、第1の伸縮部1aはジョイント8aおよびジョイント8bにより、骨格5aとクランクアーム6とにそれぞれ結合されている。また、第1の伸縮部1aにはリード2aが接続されている。内外転ユニット13は、第2の伸縮部1b、リード2b、プラスティック製の骨格5b、支柱6、ジョイント8c、8dおよび8e、固定体10、力伝達部11で構成されており、第2の伸縮部1bの片端は骨格5bに結合している固定体10に固定され、第2の伸縮部1bにはリード2bが接続されている。また、屈曲ユニット12と内外転ユニット13は、内外転ユニット13の第2の伸縮部1bの片端に、ジョイント8dを介し取り付けられた力伝達部11が、屈曲ユニット12のクランクアーム6にジョイント8eを介して取り付けられることで結合されている。また、屈曲ユニット12の骨格5aおよび内外転ユニット13の骨格5bの片端は、それぞれ被覆部4と結合している。
4 is a side sectional view of an actuator showing a second embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a sectional view taken along the line BB ′ of FIG. In the figure, 1a is a first stretchable part made of an electroactive polymer, 1b is a second stretchable part made of an electroactive polymer, 9 is a support, 10 is a fixed body, 11 is a force transmission part for transmitting the generated force, Reference numeral 12 denotes a bending unit, and 13 denotes an inner / outer rotation unit. Other symbols are the same as those in the first embodiment.
The bending unit 12 includes a first extendable portion 1a, a
本発明が特許文献1および特許文献2と異なる部分は、エレクトロアクティブポリマーのバイアス機構を被覆部にもたせ小型化を可能としたこと、螺旋運動ができること、梃子の原理を利用して確実に物体を把持することと、エレクトロアクティブポリマーが柔軟性のある物体であることである。
The present invention differs from
つぎに、本実施例の動作を、図4のB-B‘断面の二つの方向について説明する。
まず、図4のB-B‘断面に対して垂直方向へ屈曲動作する屈曲ユニット12について、図6を用いて説明する。
(1)図6(イ)に示すように第1の伸縮部1aを制御しない状態では、被覆部4の伸縮力により第1の伸縮部1aに対するバイアスとなり、屈曲していない状態となる。
(2)次に、図6(ロ)に示すように、第1の伸縮部1aを制御器(図示していない)により制御することにより、屈曲することができる。この動作は第1の伸縮部1aにリード2aより通電し伸長させ、第1の伸縮部1aがクランクアーム6を支柱6が在る方向へ押すことで、被覆部4の伸縮力に打ち勝ち回転軸7を中心にして屈曲動作させる。このとき、回転軸7を中心として回転できるように、ジョイント8aおよびジョイント8bは自由に回転できるようになっている。
(3)さらに、図3(ハ)に示すように、エレクトロアクティブポリマー1に通電する電圧の大きさを増すことにより屈曲度を大きく制御することができる。
Next, the operation of this embodiment will be described in two directions along the BB ′ cross section of FIG.
First, the bending unit 12 that bends in the direction perpendicular to the BB ′ cross section of FIG. 4 will be described with reference to FIG.
(1) As shown in FIG. 6 (a), in a state where the first stretchable portion 1a is not controlled, the stretchable force of the covering
(2) Next, as shown in FIG. 6 (b), the first telescopic portion 1a can be bent by being controlled by a controller (not shown). In this operation, the first expansion / contraction part 1a is energized and extended from the
(3) Further, as shown in FIG. 3C, the degree of bending can be largely controlled by increasing the magnitude of the voltage applied to the
つぎに、図4のB-B‘断面内での屈曲動作する内外転ユニット13について、図7を用いて説明する。
(1)図7(イ)に示すように第2の伸縮部1bを制御しない状態では、被覆部4の伸縮力により第2の伸縮部1bに対するバイアスとなり、屈曲していない状態となる。
(2)次に、図7(ロ)および(ハ)に示すように、第2の伸縮部1bを制御器により制御することにより、屈曲することができる。この動作は第2の伸縮部1bにリード2bより通電し伸長もしくは収縮させ、第2の伸縮部1bが力伝達部11をクランクアーム方向へ押すもしくは引くことで、被覆部4に伸縮力に打ち勝ちジョイント8cを中心にして屈曲動作させる。このとき、ジョイント8cを中心として回転できるように、ジョイント8dおよびジョイント8eは自由に回転できるようになっている。
Next, the inner / outer rotation unit 13 that performs the bending operation in the BB ′ cross section of FIG. 4 will be described with reference to FIG.
(1) As shown in FIG. 7 (a), in a state where the second
(2) Next, as shown in FIGS. 7B and 7C, the second
さらに、上記の屈曲ユニット12および内外転ユニット13の屈曲動作を組み合わせること、すなわち第1の伸縮部1aおよび第2の伸縮部1bを同時に制御することで、屈曲ユニット12に対して内外転ユニット13が旋廻動作する。
Further, by combining the bending operations of the bending unit 12 and the inner / outer rotation unit 13 described above, that is, by simultaneously controlling the first extension / contraction part 1a and the second extension /
図8は、本発明の第3実施例を示す側断面図である。内外転ユニット13の支柱6は、クランクアーム6の中央より力伝達部11と反対側に片寄って配置されている。この状態で、第2の伸縮部1bに通電し伸縮させることで、ジョイント8cを中心にしてA-A‘断面内で屈曲動作する。このとき、支柱6が力伝達部11と反対側に片寄っているので、梃子の原理により第2の伸縮部1bの発生力を拡大し、大きな屈曲する力を得る。
FIG. 8 is a side sectional view showing a third embodiment of the present invention. The
図9は、本発明の第4実施例を示す側断面図である。図9において、14aは第1関節、14bは第2関節、14cは第3関節である。第1関節14aは、屈曲ユニット12aと内外転ユニット13、第2関節14bは屈曲ユニット12b、第3関節14cは屈曲ユニット12cでそれぞれ構成されている。
これらの屈曲ユニット12a、12b、12cをそれぞれ独立に制御器により制御することにより、図9(ロ)および(ハ)に示すように第1関節14a、第2関節14b、第3関節14cをそれぞれ独立に動かし、屈曲機構を自由に屈曲することができる。また、屈曲ユニット12aと内外転ユニット13を制御器によりそれぞれ独立に制御することにより、第1関節14aを旋回運動させることができる。図9では、関節数が3つの構成としたが、屈曲ユニット12を複数配置し、多関節とすることも可能である。また、図9では内外転ユニット13は第1関節14aのみに配置しているが、この内外転ユニット13をどの関節に配置してもよく、どの関節においても旋回運動が可能である。さらに、この屈曲機構の旋廻動作を指ユニットに適応することで、単純な構成で安価な指ユニットの構成を可能とした。
FIG. 9 is a side sectional view showing a fourth embodiment of the present invention. In FIG. 9, 14a is a first joint, 14b is a second joint, and 14c is a third joint. The first joint 14a includes a bending unit 12a and an internal / external rotation unit 13, the second joint 14b includes a bending unit 12b, and the third joint 14c includes a bending unit 12c.
By controlling these bending units 12a, 12b, and 12c independently by a controller, as shown in FIGS. 9 (b) and (c), the first joint 14a, the second joint 14b, and the third joint 14c, respectively. It can be moved independently and the bending mechanism can be bent freely. In addition, the first joint 14a can be turned by controlling the bending unit 12a and the inner / outer rotation unit 13 independently by a controller. In FIG. 9, the number of joints is three, but a plurality of bending units 12 may be arranged to form a multi-joint. In FIG. 9, the inner / outer rotation unit 13 is disposed only in the first joint 14a. However, the inner / outer rotation unit 13 may be disposed in any joint, and the turning motion is possible in any joint. Furthermore, by applying the turning operation of this bending mechanism to the finger unit, it is possible to construct an inexpensive finger unit with a simple configuration.
図10は、本発明の第5実施例を示す側断面図である。図10において、15aは第1指、15bは第2指である。第1指15aおよび第2指15bは、屈曲ユニット12と内外転ユニット13、および被覆部4で構成されている。
これらの屈曲ユニット12および内外転ユニット13をそれぞれ独立に制御器により制御することにより、第1指15aおよび第2指15bは屈曲および旋回運動させることができる。
なお、本実施例では、第1指15aおよび第2指15bともに関節数を1つの構成としたが、屈曲ユニット12および内外転ユニット13を複数配置し、多関節とすることも可能である。また、第1指15aおよび第2指15bの2本の指での構成としたが、指を3本以上配置することも可能である。さらに、この指を把持ハンドに適応することで、単純な構成で安価な把持ハンドの構成を可能とした。
FIG. 10 is a side sectional view showing a fifth embodiment of the present invention. In FIG. 10, 15a is a first finger and 15b is a second finger. The first finger 15 a and the second finger 15 b are constituted by the bending unit 12, the inner / outer rotation unit 13, and the covering
By controlling the bending unit 12 and the inner / outer rotation unit 13 independently by a controller, the first finger 15a and the second finger 15b can be bent and swiveled.
In the present embodiment, the number of joints is one for both the first finger 15a and the second finger 15b, but a plurality of bending units 12 and adduction / extraction units 13 may be arranged to form a multi-joint. Moreover, although it was set as the structure with two fingers, the 1st finger 15a and the 2nd finger 15b, it is also possible to arrange | position three or more fingers. Furthermore, by applying this finger to the gripping hand, it is possible to construct an inexpensive gripping hand with a simple configuration.
1 伸縮部(エレクトロアクティブポリマー)
1a 第1の伸縮部
1b 第2の伸縮部1b
2、2a、2b リード
3 バイアス機構
4 被覆部
5a、5b 骨格
6 クランクアーム
7 回転軸
8a、8b、8c、8d、8e ジョイント
9 支柱
10 固定体
11 力伝達部
12、12b、12c 屈曲ユニット
13 内外転ユニット
14a 第1関節
14b 第2関節
14c 第3関節
15a 第1指
15b 第2指
1 Stretchable part (electroactive polymer)
1a 1st expansion-
2, 2a,
Claims (6)
前記被覆部は伸縮度の大きい弾性体とし、前記リンク部は前記骨格の一方を前記伸縮部を挟むコ字状とし、前記骨格の一方と前記骨格の他方とをクランクアームにより屈曲自在に結合したことを特徴とするアクチュエータ。 A skeleton having a link portion; an elastic portion made of an electroactive polymer provided on the skeleton; and a covering portion that covers the skeleton and the elastic portion; and applying a voltage to the elastic portion to In an actuator that flexes and moves the skeleton by expanding and contracting,
The covering portion is an elastic body having a large degree of expansion and contraction, the link portion is formed in a U shape with one of the skeletons sandwiching the expansion and contraction portion, and one of the skeletons and the other of the skeletons are flexibly coupled by a crank arm. An actuator characterized by that.
前記被覆部は伸縮度の大きい弾性体とし、前記伸縮部を第1と第2の2個とし、前記リンク部は前記骨格の一方を前記第1の伸縮部を挟むコ字状とし、前記骨格の一方と前記骨格の他方とをクランクアームにより屈曲自在に結合し、前記クランクアームと前記骨格の他方との間に前記第1の伸縮部の屈曲方向に対して90°異なる方向に屈曲するように前記第2の伸縮部を設け2方向に屈曲できるようにしたことを特徴とするアクチュエータ。 A skeleton having a link portion; an elastic portion made of an electroactive polymer provided on the skeleton; and a covering portion that covers the skeleton and the elastic portion; and applying a voltage to the elastic portion to In an actuator that flexes and moves the skeleton by expanding and contracting,
The covering portion is an elastic body having a high degree of expansion and contraction, the expansion and contraction portions are first and second, and the link portion is formed in a U shape with one of the skeletons sandwiching the first expansion and contraction portion. One side of the frame and the other side of the skeleton are connected to be freely bent by a crank arm, and bend between the crank arm and the other side of the skeleton in a direction different by 90 ° with respect to the bending direction of the first telescopic portion. The actuator is characterized in that the second expansion / contraction part is provided to be bent in two directions.
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