JP2008264896A - ロボットハンド - Google Patents

Abstract

【課題】物体を把持した状態で指リンクの位置を固定するだけではなく、物体に及ぼす把持力を能動的に高めることが可能な指リンクの位置固定機構を有するロボットハンドを提供する。
【解決手段】ロボットハンド１は、指先リンク２３と、モータ２００と、モータ２００により回転駆動される入力プーリ２０２と、指先リンク２３に固定された出力プーリ２０４と、入力プーリ２０２と出力プーリ２０４との間に張られ、入力プーリ２０２の回転を出力プーリ２０４に伝達する少なくとも１つの帯状の伝達部材（ワイヤ２０３）と、ワイヤ２０３を押し付けて固定することで、出力プーリ２０４の回転を停止維持するとともに、押し付けられたワイヤ２０３の引張り力によって、指先リンク２３から把持された物体に作用する把持力を高める方向に出力プーリ２０４を付勢するようにしたクランプ部２０５とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、物体の把持を行うロボットハンドに関する。

ロボットハンドは、例えば特許文献1に開示されているように、掌部に複数の指部材が結合された構造を有する。また、各指部材は、複数の指リンクが関節によって連結された構造を有している。ロボットハンドは、各々の指部材が有する各関節をモータ等の動力源により回転駆動することで物体に指リンクを接触させ、指リンクから物体に対して力（把持力）を作用させて物体を把持する。

ロボットハンドが物体を把持した状態を維持するためには、物体に対する把持力を継続的に作用させる必要がある。このような継続的な把持力をモータ等の動力源によって生成し続けると動力源の負荷が大きくなる。そこで、動力源としてブレーキ付きモータを使用することや、動力源から関節への動力伝達手段としてセルフロック可能なウォームギアを使用することによって、物体を把持した状態で指リンクの位置を固定し、動力源を停止又は出力低下させることが従来から行われている。
特開２００６−２５５８０５号公報

物体を把持した状態で指リンクの位置を固定する手段として従来知られた機構では、指リンクの位置を固定することはできても、物体に及ぼす把持力を能動的に高めることは困難である。本発明は、上述した事情を考慮してなされたものであり、物体を把持した状態で指リンクの位置を固定するだけではなく、物体に及ぼす把持力を能動的に高めることが可能な指リンクの位置固定機構を有するロボットハンドの提供を目的とする。

本発明の第１の態様にかかるロボットハンドは、指リンクを動作させることで物体把持を行うロボットハンドであって、指リンクと、動力源と、前記動力源により回転駆動される入力輪と、前記指リンクに固定された出力輪と、前記入力輪と前記出力輪との間に張られ、前記入力輪の回転を前記出力輪に伝達する少なくとも１つの帯状の伝達部材と、前記伝達部材を押し付けて固定することで、前記出力輪の回転を停止維持するとともに、押し付けられた前記伝達部材の引張り力によって、前記指リンクから前記物体に作用する把持力を高める方向に前記出力輪を付勢するようにしたクランプ部とを備える。

上述したクランプ部は、帯状の伝達部材を固定することで指リンクの位置を固定するに留まらず、押し付けて固定された伝達部材の引張り力によって物体に作用する把持力を増大させることができる。つまり、上述した第１の態様にかかるロボットハンドは、クランプ部により伝達部材を押し付けて固定することによって、単に、物体を把持した状態で指リンクの位置を固定するだけではなく、把持された物体に及ぼす把持力を能動的に高めることができる。

また、上述した第１の態様にかかるロボットハンドは、複数の前記指リンクと、複数の前記指リンクの各々を駆動するための複数組の前記入力輪、前記出力輪及び前記伝達部材を有するとともに、前記クランプ部が複数の前記伝達部材を一括して押し付け固定するよう構成されてもよい。これにより、複数の指リンクを固定するためのクランプ部を共通化できるため、クランプ部を動作させるための動力源の数を削減でき、ロボットハンドの小型化に寄与できる。

また、上述した第１の態様にかかるロボットハンドにおいて、前記クランプ部は、モータと、スライダ部材と、前記モータと前記スライダ部材との間を、少なくとも第１連結部材及び第２連結部材によって連結し、前記モータの回転軸の回転運動を前記スライダ部材の直線運動に変換するクランク機構と、前記スライダ部材の直線運動方向に前記伝達部材を介して配置され、前記スライダ部材の直線運動によって押し付けられた前記伝達部材を前記スライダ部材との間に挟み込んで保持する壁部材とを備え、前記スライダ部材と前記壁部材によって前記伝達部材が固定される場合に、前記回転軸、前記第１連結部材と前記第２連結部材を連結する連結軸、及び前記第２連結部材と前記スライダ部材を連結する連結軸が同一直線上に位置するように、前記モータ、前記クランク機構及び前記スライダ部材が配置された構成とされてもよい。このような構成により、押し付けられた伝達部材の反作用力がモータの回転軸に真直ぐに作用する。つまり、伝達部材の反作用力に起因するトルクがモータに作用することを抑制できるため、伝達部材を押し付けて固定した状態を維持するために要するモータの出力を削減できる。

本発明により、物体を把持した状態で指リンクの位置を固定するだけではなく、物体に及ぼす把持力を能動的に高めることが可能な指リンクの位置固定機構を有するロボットハンドを提供できる。

以下では、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面において、同一要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略される。

図１は、本実施の形態にかかるロボットハンド１の外観を示す斜視図である。図１に示すように、ロボットハンド１は、掌部４に固定された４本の指を有する。ロボットハンド１は、これらの４本の指部材を動作させることで、物体の把持を行う。４本の指の内訳は、側面を対向させて配置されている３本の指部材２と、掌部４の表面（掌面）４１を挟んで３本の指部材２と対向する位置に配置された１本の指部材３である。

指部材２は、２つの関節２０及び２２を有する。指部材２の指根元側の関節である第１関節２０は、指根元リンク２１を回動可能に掌部４に結合している。指先側の関節である第２関節２２は、指先リンク２３を回動可能に第１リンク２１に結合している。

一方、指部材３も、指部材２と同様に、２つの関節３０及び３１を有する。指部材３の指根元側の関節である第１関節３０は、指根元リンク３１を回動可能に掌部４に結合している。指先側の関節である第２関節３２は、指先リンク３３を回動可能に第１リンク３１に結合している。

続いて、指部材２に含まれる指先リンク２３の駆動に関する構造について、図２を用いて説明する。図２は、３本の指部材２に含まれる指先リンク２３と、これらを駆動するための構成要素を示す斜視図である。図２において、モータ２００は、それぞれ１つの指先リンクを駆動するための動力源である。ワイヤ２０１は、モータ２００の回転軸と入力プーリ２０２の間に巻き掛けられおり、ワイヤ２０１の回転によってモータ２００の回転が入力プーリ２０２に伝達される。また、ワイヤ２０３は、入力プーリ２０２と、指先リンク２３に固定された出力プーリ２０４の間に巻き掛けられている。このため、ワイヤ２０３の回転によって入力プーリ２０２の回転が出力プーリ２０４に伝達される。このような構成により、ワイヤ２０１、入力プーリ２０２、ワイヤ２０３及び出力プーリ２０４を介してモータ２００の回転が指先リンク２３に伝達される。ロボットハンド１が物体を把持する場合には、モータ２００の正回転によって、指先リンク２３が掌内側に向けて駆動される。一方、ロボットハンド１が物体を解放する際には、モータ２００の逆回転によって、指先リンク２３が掌外側に向けて駆動される。

さらに、ロボットハンド１には、クランプ部２０５が設けられている。クランプ部２０５は、入力プーリ２０２の回転を出力プーリ２０４に伝達するための帯状の伝達部材であるワイヤ２０３を押し付けて固定するように構成される。本実施の形態のクランプ部２０５は、スライダ２０６と壁部材２０７を含む。スライダ２０６は、図２には示されていないモータ等の動力源により駆動されて壁部材２０７の方向（図２の矢印Ｄ１の方向）に移動し、ワイヤ２０３を押し付ける。壁部材２０７は、ワイヤ２０３を介してスライダ２０６と対向しており、スライダ２０６によって押し付けられたワイヤ２０３を、スライダ２０６との間に挟みこんで固定する。

クランプ部２０５の動作を図３（ａ）乃至（ｃ）を用いて詳しく説明する。図３（ａ）乃至（ｃ）は、指先リンク２３とこれを駆動する構成要素を示す側面図である。図３（ａ）は、ロボットハンド１が把持動作を行う前であり、クランプ部２０５によるワイヤ２０３の押し付け固定も行われていない状態を示している。

図３（ｂ）は、物体（不図示）の把持のために、指先リンク２３が掌内側に向けて動作し、指先リンク２３が物体（不図示）に接触した状態を示している。このとき、指先リンク２３から物体（不図示）に対して把持力Ｆ_Ｈが作用する。なお、図３（ｂ）では、クランプ部２０５によるワイヤ２０３の押し付け固定は行われておらず、把持力Ｆ_Ｈはモータ２００の駆動力によって生成される。

図３（ｃ）は、図３（ｂ）の後に、クランプ部２０５によるワイヤ２０３の押し付け固定が行われた状態を示している。つまり、図３（ｃ）の状態では、モータ２００の回転を停止しても、クランプ部２０５によってワイヤ２０３の回転が停止維持され、出力プーリ２０４及び指先リンク２３の動作も固定される。これにより、モータ２００を停止させても、継続的な把持力Ｆ_Ｈを物体（不図示）に作用させ続けることができる。

さらに、図３（ｃ）に示すように、ワイヤ２０３がスライダ２０６によって押し付けられることにより、ワイヤ２０３の引張り力とワイヤ２０３と出力プーリ２０４の間の摩擦力によって、出力プーリ２０４及びこれに固定された指先リンク２３が、掌内側方向に付勢される。つまり、クランプ部２０５によってワイヤ２０３を押し付けて固定することによって、モータ２００に負荷を掛けることなく継続的な把持力Ｆ_Ｈを物体（不図示）に作用させるだけでなく、さらに、物体（不図示）に作用する把持力Ｆ_Ｈを増大させることができる。

なお、クランプ部２０５は、指先リンク２３から物体（不図示）に作用する把持力を高めるように押し付け固定すればよく、例えば、図４（ｃ）に示すように、スライダ２０６がワイヤ２０３を押し付ける方向は、図３（ｃ）と反対方向であってもよい。なお、図４（ａ）乃至（ｃ）は、スライダ２０６によるワイヤ２０３の押し付け方向を図３（ａ）乃至（ｃ）と反対方向にした場合の図であり、図４（ａ）乃至（ｃ）に示す動作状態は、それぞれ図３（ａ）乃至（ｃ）に対応する。

また、クランプ部２０５により固定するワイヤは、指先リンク２３に固定された出力プーリ２０４に直接巻き掛けられたワイヤ２０３でなくてもよい。例えば、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、入力プーリ２０２と出力プーリ２０４の間に、中継プーリ３０２が配置され、モータ２００から出力プーリ２０４への動力伝達が、中継ワイヤ３０１及び中継プーリ３０２を介して行われる場合を考える。この場合、図５（ｂ）に示すように、クランプ部２０５による押し付け固定は、ワイヤ２０３ではなくワイヤ３０１に対して行ってもよい。押し付けられた中継ワイヤ３０１の引張り力によって中継プーリ３０２が付勢されるため、中継プーリ３０２によってワイヤ２０３が図（ｂ）下方向に引っ張られる。このため、ワイヤ２０３が押し付けられる図３（ｃ）及び図４（ｃ）と同様に、図５（ｂ）においても、出力プーリ２０４及び指先リンク２３が掌内側方向に付勢され、指先リンク２３から物体（不図示）に作用する把持力Ｆ_Ｈを増大させることができる。

続いて以下では、クランプ部２０５の好ましい構成例について説明する。図６は、クランプ部２０５の構成例を示す斜視図である。図６において、モータ４００は、スライダ２０６を動作させる動力源である。モータ４００とスライダ２０６の間は、第１連結部材４０１及び第２連結部材４０２によって連結されている。第１連結部材４０１及び第２連結部材４０２はクランク機構を構成しており、第１連結部材４０１及び第２連結部材４０２によって、モータ４００の回転軸Ｒ１の回転運動がスライダ２０６の直線運動に変換される。なお、図６には示されていないが、スライダ２０６の直線運動のため、クランプ部２０５は、スライダ２０６を案内するガイド部材４０３を有する。

図６に示したクランプ部２０５の動作について、図７（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。図７（ａ）は、クランプ部２０５がワイヤ２０３を固定していない状態を示す側面図である。なお、図７（ａ）中のＲ２は第１連結部材４０１と第２連結部材４０２を連結する連結軸であり、Ｒ３は第２連結部材４０２とスライダ２０６を連結する連結軸である。また、図７（ａ）中に示したガイド部材４０３（４０３ａ及び４０３ｂ）は、上述したように、スライダ２０６を案内する。スライダ２０６がガイド部材４０３ａ及びｂの間を摺動することで、スライダ２０６の運動方向が直線Ｌ１上に規定される。

一方、図７（ｂ）は、ワイヤ２０３が固定された状態を示す側面図である。モータ４００が回転すると、スライダ２０６は、クランク機構、つまり第１連結部材４０１及び第２連結部材４０２の作用により壁部材２０７に向けて押し出される。このような動作によって、ワイヤ２０３がスライダ２０６により押し付けられるとともに、スライダ２０６と壁部材２０７の間に挟まれて固定される。なお、モータ４００を逆回転させるとスライダ２０６は壁部材２０７から離れる方向に運動し、ワイヤ２０３の押し付け固定が解除される。

なお、図６に示したようなクランク機構によりスライダ２０６を動作させる場合には、スライダ２０６がワイヤ２０３を押し付けて固定した状態において、図７（ｂ）に示すように、モータ４００の回転軸Ｒ１と、クランク機構を構成する部材の連結軸Ｒ２及びＲ３とが同一直線Ｌ１上に位置するように構成することが望ましい。このように構成しておけば、押し付けられたワイヤ２０３の反作用力がモータ４００の回転軸Ｒ１に真直ぐに作用する。つまり、ワイヤ２０３の反作用力に起因するトルクがモータ４００に作用することを抑制できるため、ワイヤ２０３を押し付けて固定した状態を維持するために要するモータ４００の出力を削減できる。

なお、図１に示した本実施の形態にかかるロボットハンド１の外観構造は一例に過ぎず、指の本数や配置は任意に選択可能である。また、上述した発明の実施の形態では、複数の指部材２対応した複数の指先リンク２３を動作させるための複数のワイヤ２０３をスライダ２０６と壁部材２０７により一括して固定する構成を説明した。このような構成に依れば、クランプ部２０５を動作させるための動力源の数を削減でき、ロボットハンド１の小型化に寄与できる。しかしながら、各々のワイヤ２０３を個別に固定する構成としてもよいし、任意の数を単位として固定する構成としてもよいことはもちろんである。

また、上述した発明の実施の形態では、指先リンク２３を動作させるためのワイヤ２０３を押し付け固定する場合を説明したが、本発明は、指根元リンク２１を動作させるためのワイヤを押し付け固定する場合にも適用可能である。さらに、指部材が３つ以上のリンクにより構成される場合は、いずれのリンクに対しても本発明の構成を適用することができる。

また、上述した発明の実施の形態で説明したワイヤ２０３及び中継ワイヤ３０１は、動力源であるモータ２００の出力を指先リンク２３に伝達するための帯状の伝達部材の一例である。つまり、これらのワイヤに代えて、摩擦ベルト、タイミングベルト又はチェーン等のその他の帯状の伝達部材を用いてもよい。また、チェーンを用いる場合は、プーリ２０２、２０４及び３０２に代えて、チェーンに係合するスプロケットを用いればよい。

さらに、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、既に述べた本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。

本発明の実施の形態にかかるロボットハンドの外観を示す斜視図である。 本発明の実施の形態にかかるロボットハンドにおける指先リンクの駆動に関する構造を示す斜視図である。 本発明の実施の形態にかかるロボットハンドにおけるワイヤ固定動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかるロボットハンドにおけるワイヤ固定動作を説明するための側面図である。 本発明の実施の形態にかかるロボットハンドにおけるワイヤ固定動作を説明するための側面図である。 本発明の実施の形態にかかるロボットハンドが有するクランプ部の構造を示す斜視図である。 本発明の実施の形態にかかるロボットハンドが有するクランプ部の動作を説明するための側面図である。

符号の説明

１ ロボットハンド
２ 指部材
３ 指部材
４ 掌部
２０ 第１関節
２１ 指根元リンク
２２ 第２関節
２３ 指先リンク
３０ 第１関節
３１ 指根元リンク
３２ 第２関節
３３ 指先リンク
４１ 掌面
２００ モータ
２０１ ワイヤ
２０２ 入力プーリ
２０３ ワイヤ
２０４ 出力プーリ
２０５ クランプ部
２０６ スライダ
２０７ 壁部材
３０１ 中継ワイヤ
３０２ 中継プーリ
４００ モータ
４０１ 第１連結部材
４０２ 第２連結部材
４０３ａ、４０３ｂ ガイド部材
Ｒ１ モータ回転軸
Ｒ２ 連結軸
Ｒ３ 連結軸

Claims (5)

1. 指リンクを動作させることで物体把持を行うロボットハンドであって、
   指リンクと、
   動力源と、
   前記動力源により回転駆動される入力輪と、
   前記指リンクに固定された出力輪と、
   前記入力輪と前記出力輪との間に張られ、前記入力輪の回転を前記出力輪に伝達する少なくとも１つの帯状の伝達部材と、
   前記伝達部材を押し付けて固定することで、前記出力輪の回転を停止維持するとともに、押し付けられた前記伝達部材の引張り力によって、前記指リンクから前記物体に作用する把持力を高める方向に前記出力輪を付勢するようにしたクランプ部と、
   を備えるロボットハンド。
2. 複数の前記指リンクと、複数の前記指リンクの各々を駆動するための複数組の前記入力輪、前記出力輪及び前記伝達部材を有し、
   前記クランプ部は、複数の前記伝達部材を一括して押し付け固定す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. 前記クランプ部は、
   モータと、
   スライダ部材と、
   前記モータと前記スライダ部材との間を、少なくとも第１連結部材及び第２連結部材によって連結し、前記モータの回転軸の回転運動を前記スライダ部材の直線運動に変換するクランク機構と、
   前記スライダ部材の直線運動方向に前記伝達部材を介して配置され、前記スライダ部材の直線運動によって押し付けられた前記伝達部材を前記スライダ部材との間に挟み込んで保持する壁部材とを備え、
   前記スライダ部材と前記壁部材によって前記伝達部材が固定される場合に、前記回転軸、前記第１連結部材と前記第２連結部材を連結する連結軸、及び前記第２連結部材と前記スライダ部材を連結する連結軸が同一直線上に位置するように、前記モータ、前記クランク機構及び前記スライダ部材が配置された請求項１に記載のロボットハンド。
4. 複数の前記指リンクと、複数の前記指リンクの各々を駆動するための複数組の前記入力輪、前記出力輪及び前記伝達部材を有し、
   前記スライダ部材と前記壁部材は、複数の前記伝達部材を一括して挟み込むことで複数の前記伝達部材を一括して固定する請求項３に記載のロボットハンド。
5. 前記スライダ部材の直線運動を案内するガイド部材をさらに備える請求項３又は４に記載のロボットハンド。

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