JP2009154234A - ロボットハンド装置 - Google Patents

Abstract

【課題】定格測定値の比較的小さな力センサを用いて指先力を高精度に制御することができ、しかも、指先部の外径や長さを小として繊細な把持動作が可能となるロボットハンド装置を提供する。
【解決手段】複数の関節を介して屈伸する指の指先部３に力センサ１２を設ける。力センサ１２は、その主軸１６が指先部３の先端９と関節６に隣接する指先部３の基端１０との間に形成された指先腹部１１に向くように傾斜した姿勢で指先部３の基端１０と関節６との間に取付けられる。そして、力センサ１２の主軸１６の延長軸線ｚは、指の長手方向に延びて指先部３の中心を通る第１の直線ａと、指先部３の基端１０において第１の直線ａに直交して指の屈曲方向側に延びる第２の直線ｂとの間を通り指先腹部１１に向かって延びる。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の関節を介して屈伸する指を備えるロボットハンド装置に関する。

この種のロボットハンド装置は、指を屈曲させることにより、指先部を把持対象物に当接させて把持対象物を把持する。このとき、把持対象物に過剰な力を加えたり、把持力が小さ過ぎたりすると、把持対象物を良好に把持することができない。そこで、指先部に作用する力を検出する力センサを指先部に設けると共に、指先部を柔軟表皮で覆うことにより接触面積や摩擦係数を増加させたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。これにより、力センサの検出に基づいて把持対象物に対する指先力を好適に制御すことができ、把持対象物を安定して確実に把持することができる。

また、指先部に設ける力センサとして、例えば６軸力センサ等の多軸力センサを用いることにより、指先力を高精度に制御することが可能となる。ここで、力センサについて６軸力センサを例に挙げて説明すると、６軸力センサは、６軸力夫々の力を分散して受けることができる機構を有し、互いに直交する３軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）方向の並進力と各軸周りのモーメントとを測定するものである。また、６軸力センサは、力の成分に対して感度の異なる歪部を複数備えており、測定可能な力の最大値（定格測定値）が各軸毎に異なっている。一般的には、３軸方向の並進力に対する定格測定値が各軸周りのモーメントに対する定格測定値より大きい。更に、３軸方向の並進力に対する定格測定値を比較すると、ｘ軸とｙ軸とに対して鉛直方向に延びるｚ軸の定格測定値が最も大きい。そして、通常は、定格測定値が最も大きい軸が主軸とされるので、６軸力センサにおいてはｚ軸が主軸となる。なお、６軸力センサ以外の多軸力センサであっても、定格測定値が最も大きい軸が主軸とされる。

また、この種の力センサは、両端面が取付け面とされていて、主軸が両取付け面の中央に位置している。このため、ロボットハンド装置の指先部に力センサを取付ける場合には、力センサの主軸の延長軸線が指の長手方向に沿って延びるようにして指先部の基端に取付けられる。

しかし、この種のロボットハンド装置において、把持対象物を把持したときに指先部に作用する力は、指先部の先端から受ける成分よりも、先端と基端との間の指先腹部から受ける成分のほうが大きいことが多い。従って、主軸の延長軸線が指の長手方向に沿って延びるような姿勢で力センサが取付けられていると、力センサは主軸方向に比べて小さな定格測定値とされている方向から大きな力を受けることになり、この力が定格測定値を越えて指先に作用した場合には、指先力の高精度な制御ができない。これを回避するために、定格測定値の大きな力センサを用いればよいが、定格測定値の大きな力センサはその外径や全長（主軸方向の長さ）も大きい。そして、力センサをその主軸が指の長手方向に沿うように指先部の基端に取付けたとき、力センサの外径に対応して指先部の外径も大きくなって指先を細くすることができず、また、力センサの全長に影響されて指先部の全長も不要に長くなるため、繊細な把持動作が得られなくなる。
特開２００５−８８０９６号公報

本発明は、以上の点に鑑み、定格測定値の比較的小さな力センサを用いて指先力を高精度に制御することができ、しかも、指先部の外径や長さを小として繊細な把持動作が可能となるロボットハンド装置を提供することを課題とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、関節を介して屈伸する指を備え、その指先部に作用する力を検出する力センサを備えて、指の屈曲により把持動作を行なうロボットハンド装置において、前記力センサは、指先側に面する端面と、関節側に面する端面と、両端面の中心線上に軸線が位置する主軸とを備え、該主軸が指先部の先端と関節に隣接する指先部の基端との間に形成された指先腹部に向くように傾斜した姿勢で指先部の基端と関節との間に取付けられ、前記力センサの主軸の延長軸線は、指の長手方向に延びて指先部の中心を通る第１の直線と、指先部の基端において該第１の直線に直交して指の屈曲方向側に延びる第２の直線との間を通り指先腹部に向かって延びることを特徴とする。

本発明によれば、力センサが傾斜姿勢で指先部の基端に取付けられ、力センサの主軸の延長軸線が、把持対象物を把持したときに指先部に作用する力の成分が比較的大きい指先腹部に向かって延びるので、測定可能な力の最大値（定格測定値）が大きい主軸の軸線方向で指先部に作用する力の多くを受けることが可能となる。従って、指先部に作用する力を確実に検出することができ、指先力を高精度に制御することができる。しかも、力センサが傾斜姿勢とされていることにより、力センサの全長（指先側端面と関節側端面との間の寸法）に対して指先部と関節との間隔寸法を小さくして力センサを取付けることができ、また、力センサの外径による指先部の外径への影響を小とすることができるので、指先部の外径や全長を小とすることができ、繊細な把持動作を行なうことが可能となる。

本発明において採用する力センサは１軸力センサであっても有効であるが、力センサが６軸力センサ等の多軸力センサである場合に特に効果的である。例えば、６軸力センサでは、その主軸であるｚ軸の軸線方向並進力における定格測定値が最も大きいことは前述した通りである。そして、本発明における力センサとして６軸力センサを採用した場合には、定格測定値が最も大きい主軸の延長軸線が、前記第１の直線と前記第２の直線との間を通って指先腹部に向けられるので、指先部に作用する力の成分が比較的大きい指先腹部からの力の多くを主軸の軸線方向に受けることができる。このため、主軸に比べて小さな定格測定値とされているｘ軸やｙ軸に対して過大な力を受けることが回避でき、定格測定値の大きなものを用いなくても指先部に作用する力を確実に検出して高精度な指先力の制御を行うことができる。従って、定格測定値が比較的小さく小型の６軸力センサを用いることができるので、指先部の外径や全長を容易に小とすることができる。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態のロボットハンド装置の指を示す説明的側面図、図２は指先部の構成を示す説明的断面図である。

本実施形態のロボットハンド装置は、図１に示すように、屈伸する指１を備えている。このロボットハンド装置は、人間の手を模倣したものであり、母指、示指、中指、環指および小指に相当する５指を備えるが、図１においては示指に相当する指１のみを示し他の指を省略している。符号２は、手嘗部である。

図１に示すように、指１は、その指先部である末節部３と、中節部４と、基節部５とを備えており、この配置も人間の指に対応している。末節部３と中節部４とは第１関節６により屈曲自在に連結されている。中節部４と基節部５とは第２関節７により屈曲自在に連結されている。そして、基節部５は手嘗部２に第３関節８を介して屈曲自在に連結されている。末節部３、中節部４、及び基節部５は、各関節６，７，８を介して図示しないリンク機構により接続されており、第３関節８を回動させると第２関節７及び第１関節６の回動が連動して行なわれる。これによって、図１中仮想線で示すように、把持対象物Ｗに向かって末節部３、中節部４、及び基節部５を屈曲させ、把持対象物Ｗを把持する。なお、把持対象物Ｗを把持する際には、図示しないが、屈曲する指１の反対側からも母指に相当する他の指が把持対象物Ｗに当接される。また、第３関節８の回動は、図示しないが、手嘗部２の内部等に設けられた駆動源により駆動される。例えば、駆動源が電動モータである場合には電動モータの出力軸が第３関節８に接続される。この場合には、出力軸のトルクを制御することにより指１の指先部である末節部３が把持対象物Ｗに当接する力（指先力）が制御される。

次に、指先部である末節部３について説明する。図１及び図２に示すように、末節部３には、先端９と基端１０との間に指先腹部１１が形成されている。末節部３と第１関節６との間には、力センサである６軸力センサ１２が傾斜する姿勢で取付けられている。

末節部３は、図２に示すように、基部材１３と、基部材１３の表面を覆うようにして設けられた表皮部材１４とを備えている。表皮部材１４は、ウレタン等の柔軟性を有する材料により形成されており、末節部３の表面に高い摩擦係数が得られるようになっている。また、基部材１３は、硬質材料（合成樹脂或いは金属）により形成されている。

６軸力センサ１２は、図２に示すように、末節部３に面する端面である指先側端面１５が末節部３の基部材１３に当接され、指先側端面１５の中心部から突出する主軸１６が、図示しないネジ部材等により基部材１３に強固に連結されている。また、第１関節６に面する端面である６軸力センサ１２の関節側端面１７は、第１関節６に接続された連結部材１８に図示しないネジ部材等により強固に連結されている。

６軸力センサ１２は、末節部３に作用する６軸力、即ち、互いに直交する３軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）方向の並進力と各軸周りのモーメントとを測定する。そして、６軸力センサ１２から出力される６軸力の測定値に基づいて指先力の制御が行なわれる。

６軸力センサ１２における６軸力の夫々の測定値には、各軸力に対する測定可能な力の最大値（定格測定値）が定められており、一般に、主軸１６の軸線であるｚ軸の軸線方向並進力の定格測定値が最も大きい。一方、図１において仮想線示したように、指１による把持動作において、末節部３が把持対象物Ｗに当接した際に末節部３が受ける応力は、末節部３の先端９側からの成分、即ち、図２に示すように、指１の長手方向に延びて末節部３の中心を通る第１の直線ａの方向からの成分よりも、末節部３の指先腹部１１側からの成分のほうが大きいことが多い。

そこで、図２に示すように、６軸力センサ１２は、その主軸１６が末節部３の指先腹部１１に向くように傾斜した姿勢で取付けられ、主軸１６の延長軸線ｚ（即ちｚ軸）は、第１の直線ａと、末節部３の基端１０において第１の直線ａに直交して指の屈曲方向側に延びる第２の直線ｂとの間を通り指先腹部１１に向かって延びている。

こうすることにより、６軸力センサ１２は、把持動作時に付与される力の大部分を、定格測定値の最も大きいｚ軸である主軸１６で受けることができるので、各軸全体的に比較的小さな定格測定値の６軸力センサ１２を用いても、末節部３に作用する力を確実に測定することができる。しかも、一般的な６軸力センサにおいては、定格測定値の大きなものよりも定格測定値の小さなものが小型である場合が多い。従って、本実施形態のように６軸力センサ１２を傾斜姿勢として主軸１６を指先腹部１１に向けるだけで、比較的小型の６軸力センサ１２を用いることができる。しかも、６軸力センサ１２を傾斜姿勢とすることで、図１に示すように、６軸力センサ１２を第１関節６の略上方位置に配設することができるので、第１関節６から末節部３の基端１０までの距離を小とすることができ、末節部３の全長（第１の直線ａの方向の長さ）も不要に長くならない。更に、６軸力センサ１２が傾斜姿勢であれば、６軸力センサ１２を指先腹部１１に隣接させずに末節部３の基端１０に取付けることができて、６軸力センサ１２を末節部３の表皮部材１４で覆う必要もなく、６軸力センサ１２の外形に影響されずに末節部３を比較的細く形成することも可能となる。

なお、本実施形態においては、示指に相当する指１についてのみ説明をしたが、図示しない他の３指、即ち、人間の中指、環指および小指に相当する３指についても、指１と同様に構成することが好ましい。

また、本実施形態においては、力センサとして６軸力センサ１２を採用したが、これに限らず、１軸力センサでもよく、或いは、主軸が最大定格測定値とされた多軸力センサであってもよい。

本発明の一実施形態のロボットハンド装置の指を示す説明的側面図。 本実施形態における指先部の構成を示す説明的断面図。

符号の説明

１…指、３…末節部（指先部）、６…関節、９…先端（指先部の先端）、１０…基端（指先部の基端）、１１…指先腹部、１２…６軸力センサ（力センサ）、１５…指先側端面（指先部側に面する端面）、１７…関節側端面（関節側に面する端面）、１６…主軸、ｚ…主軸の延長軸線、ａ…第１の直線、ｂ…第２の直線。

Claims (1)

1. 関節を介して屈伸する指を備え、その指先部に作用する力を検出する力センサを備えて、指の屈曲により把持動作を行なうロボットハンド装置において、
   前記力センサは、指先部側に面する端面と、関節側に面する端面と、両端面の中心線上に軸線が位置する主軸とを備え、該主軸が指先部の先端と関節に隣接する指先部の基端との間に形成された指先腹部に向くように傾斜した姿勢で指先部の基端と関節との間に取付けられ、
   前記力センサの主軸の延長軸線は、指の長手方向に延びて指先部の中心を通る第１の直線と、指先部の基端において該第１の直線に直交して指の屈曲方向側に延びる第２の直線との間を通り指先腹部に向かって延びることを特徴とするロボットハンド装置。

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