JP2008168390A - ロボットハンド及びロボットハンドを有するロボット - Google Patents

Abstract

【課題】指リンクのストローク長を大きくとると共に、指リンクの駆動部の小型化を実現する。
【解決手段】指リンク１４に、物体又は連結された他の指リンク１４からＸ'方向に負荷が加わると（矢印Ａ）、指リンク１４のＸ'方向に回動し第１の歯車２４がＸ'方向に回転する。これにより、第１の歯車２４と対をなす第２の歯車３４がハウジング２０に対して入力側に移動し（矢印Ｂ）、第２の歯車３４と接するバネ３３が縮む。これによって、継ぎ手部２３全体がハウジング２０に対して、入力側に移動する。次に、出力側摩擦継ぎ手３１が入力側に押し出されるため（矢印Ｃ）、出力側摩擦継ぎ手３１に支持されているモータ２２の先端部が押し上げられ、モータ２２が回転軸２５ａを中心に上方に回動する（矢印Ｄ）。これにより、入力側回転軸２７の先端が上方に傾く。これに伴って、モータ２２に接続されたバネ３０が伸び、モータ２２を下方に押さえつけるよう作用する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、物体を把持するロボットハンド、及びこれを供えたロボットに関する。

ロボットハンドが有するロボットフィンガは、複数の指リンクが連結されて構成されている。この指リンクは、１つの指リンクに指リンクを駆動する駆動部が少なくとも１つ設けられる。しかしながら、この指リンクは、その体積が小さく、指リンクを駆動するモータとして大型で大出力のモータを搭載することができない。そのため、一般的には、指リンクを駆動する駆動部は、小出力の小型モータと、このモータの出力を所定の減速比で減速する変速機を組み合わせ、指リンクの駆動に必要な出力を得るよう構成されている。また、変速機の特性としては、ロボットハンドが物体を把持していない無負荷状態においては、減速比を小さくしてトルクを小さくして指リンクをすばやく所定の位置まで駆動し、ロボットハンドが物体を把持している負荷状態では、減速比を大きくしてトルクを大きくし大きな把持力を出力することが好ましい。

特許文献１には、指リンクの駆動部の変速機として用いることができるリンク式無段変速機が開示されている。このリンク式無段変速機は、図６に示すように、支持面Ｓに固定されたベースリンク部材６０と、ベースリンク部材６０の一端側に枢着された入力リンク部材６１と、ベースリンク部材６０の他端側に枢着された出力リンク部材６２と、一端が入力リンク部材６１に接続され、他端が出力リンク部材６２に接続された中間リンク部材６３とを備えて構成されている。また、入力リンク部材６１は、リンク要素６１Ａ、６１Ｂがピボット軸６４を介して連結されている。この連結部には、トーションばね６５が取り付けられており、トーションばね６５は、連結部の形状を一定に保つよう作用している。ベースリンク部材６０と入力リンク部材６１を接続する枢軸６６には、図示しないモータが接続されている。このモータを駆動することにより、リンク部材６１〜６３が連動する。この結果、各リンク部材６１〜６３の変形により減速比を変化させ、出力リンク部材６２を所定のストロークで動作させる。
特開２００５−９０５６２号公報

しかしながら、特許文献１に示されている指リンクの駆動部は、出力リンク部材６２の両端が他のリンク部材に連結されているため、出力リンク部材６２の可動するストロークが小さい。また、複数のリンク部材が連結されているため、駆動部全体の体積が大きい。また、負荷を受けた場合には、リンク部材全体が変形するため、出力部である出力リンク部材６２の位置が大きく動いてしまうという問題点があった。

本発明に係るロボットハンドは、ロボットフィンガを構成するリンク部材と、前記リンク部材を駆動するモータ部と、前記モータ部の動力を所定の減速比で前記リンク部材に伝達する継ぎ手部とを有し、前記モータ部は、モータと、前記モータの回転軸に接続され先端が球面に形成された入力側摩擦継ぎ手とを有し、前記継ぎ手部は、前記入力側摩擦継ぎ手と対向配置され、その球面に沿うように形成されたテーパ面を有し当該テーパ面で前記球面と摩擦接合する出力側摩擦継ぎ手と、前記リンク部材に付加される外力に応じて前記出力側摩擦継ぎ手を移動させ前記入力側摩擦継ぎ手との距離を変化させる移動機構とを有し、前記リンク部材に負荷される外力により、前記移動機構を介して前記継ぎ手部が前記モータ部方向に移動し、前記テーパ面に沿って前記入力側摩擦継ぎ手が移動することで前記減速比を変化させる。

このように、リンク部材に負荷される外力によって入力側摩擦継ぎ手と出力側摩擦継ぎ手との距離を変化させて減速比を変化させることにより、負荷される外力に応じた駆動力をリンク部材に供給することができる。

また、上記のロボットハンドにおいては、前記移動機構は、前記継ぎ手部の回転軸の回転運動を前記リンク部材の可動方向への動力に変換するギアを備えることが好ましい。このように、回転軸の回転運動をギアを介してリンク部材の可動方向の動力に変換することで、ギアに接続されたリンク部材のストロークを大きくとることができる。

また、上記したロボットハンドにおいて、前記移動機構は、前記継ぎ手部の回転軸の周方向に歯車を有する第１の歯車と、前記第１の歯車と一対のギアを構成し前記継ぎ手部の回転軸の回転を前記リンク部材の駆動方向に変換する第２の歯車とを有することが好ましい。このように、第１の歯車と第２の歯車によって継ぎ手部の回転をリンク部材の駆動方向に変換することによって、リンク部材をリンク部材の駆動方向いっぱいに動作させることができる。

また、上記したロボットハンドにおいて、前記モータ部に接続され、前記入力側継ぎ手を前記出力側継ぎ手に押圧する弾性部材を有することが好ましい。このように、モータ部に弾性部材を接続し、テーパ面と球面との摩擦を増大させることによって、入力側摩擦継ぎ手から出力側摩擦継ぎ手へ動力を効率よく伝達することができる。

本発明のロボットハンドによれば、リンク部材に外力が負荷された場合には、継ぎ手部が回転軸方向に移動して、入力側継ぎ手部と出力側継ぎ手部の接点が変化することにより減速比を大きくし、ロボットハンドの把持力を大きくすることができる。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係るロボットハンド１０の全体斜視図である。ロボットハンド１０は、アーム１１の先端に対して回動可能に接続された拳１２と、この拳１２に一端が接続された複数本の指１３を備えている。それぞれの指１３は、複数の指リンク１４が連結されて構成されている。指リンク１４は、指先側を先端部とすると、基端部を中心にＸ−Ｘ'方向に回動可能に連結されている。ロボットハンド１０は、複数の指リンク１４をＸ−Ｘ'方向に任意に回動させることにより、物体などを把持できるよう構成されている。

図２は、指リンク１４及び指リンク１４の駆動部１５を示す断面図である。なお、指リンク１４は、他の指リンク１４と連結するよう構成されているが、ここでは説明を簡略化するため、１つの指リンク１４と、この指リンク１４を駆動する駆動部１５について説明する。図２に示すように、駆動部１５は、ハウジング２０と、モータ２２と、継ぎ手部２３とを備えている。なお、紙面の左方向をＹ方向とし右方向をＺ方向と定義する。

ハウジング２０は、上方が開口した箱型形状を有している。ハウジング２０の内部には、ハウジング２０の内部空間を２つに分割するように仕切り部材２０ａが形成されている。また、仕切り部材２０ａの高さ方向の中央には、軸孔２０ｄが形成されている。ここで、仕切り部材２０ａよりＹ方向の空間を入力側空間Ｉとし、仕切り部材２０ａよりＺ方向の空間を出力側空間ＩＩとする。仕切り部材２０ａの先端には、出力側空間ＩＩの一部を覆うように、Ｚ方向に延びた指リンク支持部材２０ｂが形成されている。指リンク支持部材２０ｂの先端には、指リンク１４の回動方向であるＸ−Ｘ'方向に回転する第１の歯車２４が接続されている。また、第１の歯車２４の回転軸２４ａには、図示しない位置において、指リンク１４の基端部が固定接続されている。これにより、第１の歯車２４がＸ−Ｘ'方向に回転すると、指リンク１４もＸ−Ｘ'方向に回動するよう構成されている。

入力側空間Ｉには、モータ２２が設置されている。ハウジング２０のＹ方向の側面２０ｃの上方には、リンク部材２５を介してモータ２２の基端部が支持されている。モータ２２は、モータ２２の有する入力側回転軸２７と直交する回転軸２５ａを中心に回動可能である。モータ２２は、リンク部材２５側から順に、モータ本体２６、入力側回転軸２７、入力側摩擦継ぎ手部２８を備えている。モータ本体２６は、制御入力に応じて回転速度が変化するよう構成されている。なお、モータ本体２６は、小出力な小型モータによって構成することができる。モータ本体２６の先端には、入力側回転軸２７が接続されている。また、入力側回転軸２７の先端には、入力側回転軸２７と一体となって回転する入力側摩擦継ぎ手２８が接続されている。入力側摩擦継ぎ手２８は、先端方向に球面を有する半円球形状を有している。また、モータ本体２６の下方には、他端がハウジング２０に接続されたバネ３０が接続されている。

出力側空間ＩＩには、継ぎ手部２３の一部が設置されている。ハウジング２０のＺ方向の側面２０ｅには、軸孔２０ｄと高さ方向に一致する位置に、軸孔２０ｆが形成されている。この軸孔２０ｄ及び軸孔２０ｆには、所定の隙間を介して継ぎ手部２３が有する出力側回転軸３２が貫通している。入力側空間Ｉに突出した出力側回転軸３２の先端には、出力側になるに従って半径Ｒ１が増大するテーパ面３１ａを有した出力側摩擦継ぎ手３１が接続されている（図３）。出力側摩擦継ぎ手３１は、出力側回転軸３２と一体となって回転するよう構成されている。このテーパ面３１ａをＹ−Ｚ方向に切った断面は、入力側摩擦継ぎ手２８の球面に沿うよう曲率を有しており、このテーパ面３１ａの曲率半径Ｒ２は、入力側摩擦継ぎ手２８半径ｒよりやや大きくなるよう構成されている（図３）。また、図２に示すように、入力側摩擦継ぎ手２８の球面２８ａは、出力側摩擦継ぎ手３１のテーパ面３１ａに接点Ｐで接している。すなわち、入力側摩擦継ぎ手２８と出力側摩擦継ぎ手３１は、一対となって、接点Ｐの摩擦によってモータ２６の回転運動を出力側回転軸の回転運動に変換する第１伝達機構３６を構成している。

出力側空間ＩＩに位置する出力側回転軸３２には、第２の歯車３４が接続されている。第２の歯車３４は、出力側回転軸３２と一体となって回転するよう構成されている。第２の歯車３４は、周方向に歯車が形成されており、第２の歯車３４と第１の歯車２４は歯合するよう構成されている。すなわち、第１の歯車２４の回転軸２４ａは、出力側回転軸３２と直行している。第１の歯車２４と第２の歯車３４は、出力側回転軸３２の回転運動を指リンク１４の回動運動に変換する第２伝達機構３７を構成している。また、第２の歯車３４と仕切り部材２０ａとの間には、バネ３３が介されている。

図３は、図２の一部拡大図である。図３に示すように、入力側回転軸２７が水平状態では、入力側摩擦継ぎ手２８の球面２８ａの下方と、出力側摩擦継ぎ手３１の入力側が接点Ｐにおいて接している。ここで、入力側回転軸２７の回転中心と接点Ｐとの距離をＬ１とし、出力側回転軸３２の回転中心と接点Ｐとの距離をＬ２とする。そこで、入力回転軸２７が水平状態では、（距離Ｌ１：距離Ｌ２）＝（３：１）であるとする。

このように構成された駆動部１５では、モータ２６の動力が第１伝達機構３６によって出力側回転軸３２の回転運動に変換され、続いて、第２伝達機構３７によって出力側回転軸３２の回転運動が指リンク１４の回動運動に変換される。ここで、第１伝達機構３６においては、所定の減速比で動力が伝達される。なお、減速比は、（出力側の回転半径（距離Ｌ１）／入力側の回転半径（距離Ｌ２））で示すことができるため、図３においては、減速比は１／３となる。

次に、ロボットハンド１０（図１）が物体を把持しようとするときの動作について説明する。ロボットハンド１０が物体を把持するときには、各指リンク１４に負荷が加わることとなる。図４は、指リンク１４に負荷が加わったときの指リンク１４及び指リンク１４の駆動部１５を示す断面図である。

はじめに、指リンク１４に、物体又は連結された他の指リンク１４からＸ'方向に負荷が加わると（矢印Ａ）、指リンク１４がＸ'方向に回動し、第１の歯車２４がＸ'方向に回転する。これにより、第１の歯車２４と対をなす第２の歯車３４がハウジング２０に対してＹ方向に移動し（矢印Ｂ）、第２の歯車３４と接するバネ３３が縮む。この結果、継ぎ手部２３全体がハウジング２０に対して、Ｙ方向に移動する。これに伴い、出力側摩擦継ぎ手３１がＹ方向に押し出されるため（矢印Ｃ）、出力側摩擦継ぎ手３１に支持されているモータ２２の先端部が押し上げられ、モータ２２が回転軸２５ａを中心に上方に回動する（矢印Ｄ）。これにより、入力側回転軸２７の先端が上方に傾く。また、これに伴って、モータ２２に接続されたバネ３０が伸び、モータ２２を下方に押さえつけるよう作用する。

図５に、図４の一部拡大図を示す。入力側回転軸２７の先端が上方に傾いた状態では、入力回転軸２７が水平（図３）であるときに対し、接点Ｐが入力側摩擦継ぎ手２８の球面２８ａに対して上方に位置し、出力側摩擦継ぎ手３１に対してＺ方向に位置している。ここで、入力側回転軸２７の回転中心と接点Ｐとの距離をＬ１と、出力側回転軸３２の回転中心と接点Ｐとの距離をＬ２の比は、（距離Ｌ１：距離Ｌ２）＝（２：３）となる。そのため、入力側回転軸２７の先端が上方に傾いた状態では、減速比は３／２となる。よって、入力側回転軸２７が水平状態であるときよりも、減速比は大きくなる。

このように構成された指リンク１４及び指リンク１４の駆動部１５では、ロボットハンド１０が物体を把持していないときには、図２に示すように、入力側回転軸２７が水平となって、モータ２２と継ぎ手部２３が離れた状態に位置しており、出力側摩擦継ぎ手３１の接点Ｐにおける回転半径は小さい。これにより、減速比を小さくし、指リンク１４の動作をすばやく所定の位置まで駆動することができる。一方、図４に示すように、ロボットハンド１０が物体を把持するときには、モータ２２と継ぎ手部２３は近接し、出力側摩擦継ぎ手部３１の接点における回転半径は図２に比べて大きい。これにより、減速比を大きくし、大きな出力（把持力）を得ることができる。

また、図２に示すように、指リンク１４は、その端部が指リンク１４の回動方向であるＸ−Ｘ'方向に回転する第１の歯車に接続されているため、駆動部１５に対してＸ−Ｘ'方向の可動角いっぱいまで回動することができる。これにより、指リンク１４のストロークを大きくとることができる。

また、ロボットハンド１０が物体を把持したときなどに指リンク１４に負荷が加わると、この負荷と減速比がつり合うまで指リンク１４が負荷の加わる方向にバックストロークするが、本実施形態では、指リンク１４とモータ２２との間に介する部材が継ぎ手部２３のみであるため、このバックストロークを小さくすることができる。

また、本実施形態では、モータ２２から指リンク１４へ動力を伝達する継ぎ手部２３では、第１伝達機構３６及び第２伝達機構３７が一体となって動作するため、この継ぎ手部２３を小型化することができる。これにより、指リンク１４の駆動部１５の小型化を図ることができる。

本発明の実施形態に係るロボットハンド１０の全体斜視図である。 指リンク１４及び指リンク１４の駆動部１５を示す断面図である。 図２の一部拡大図である。 指リンク１４に負荷が加わったときの指リンク１４及び指リンク１４の駆動部１５を示す断面図である。 図４の一部拡大図である。 従来の指リンクの駆動部を示す図である。

符号の説明

１４…指リンク
２０…ハウジング
２２…モータ
２３…継ぎ手部
２４…第１の歯車
２５…リンク部材
２６…モータ本体
２７…入力側回転軸
２８…入力側摩擦継ぎ手
３１…出力側摩擦継ぎ手
３２…出力側回転軸
３４…第２の歯車

Claims (4)

1. ロボットフィンガを構成するリンク部材と、
   前記リンク部材を駆動するモータ部と、
   前記モータ部の動力を所定の減速比で前記リンク部材に伝達する継ぎ手部とを有し、
   前記モータ部は、
   モータと、
   前記モータの回転軸に接続され先端が球面に形成された入力側摩擦継ぎ手とを有し、
   前記継ぎ手部は、
   前記入力側摩擦継ぎ手と対向配置され、その球面に沿うように形成されたテーパ面を有し当該テーパ面で前記球面と摩擦接合する出力側摩擦継ぎ手と、
   前記リンク部材に付加される外力に応じて前記出力側摩擦継ぎ手を移動させ前記入力側摩擦継ぎ手との距離を変化させる移動機構とを有し、
   前記リンク部材に付加される外力により、前記移動機構を介して前記継ぎ手部が前記モータ部方向に移動し、前記テーパ面に沿って前記入力側摩擦継ぎ手が移動することで前記減速比を変化させるロボットハンド。
2. 前記移動機構は、前記継ぎ手部の回転軸の回転運動を前記リンク部材の可動方向への動力に変換するギアを備えた請求項１記載のロボットハンド。
3. 前記移動機構は、
   前記継ぎ手部の回転軸の周方向に歯車を有する第１の歯車と、
   前記第１の歯車と一対のギアを構成し前記継ぎ手部の回転軸の回転を前記リンク部材の駆動方向に変換する第２の歯車とを有する
   請求項１又は２記載のロボットハンド。
4. 前記モータ部に接続され、前記入力側継ぎ手を前記出力側継ぎ手に押圧する弾性部材を有する請求項１乃至３記載のロボットハンド。

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