JP2009208213A - マニピュレータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多指部ハンドを備えたマニピュレータを小型化すること。
【解決手段】前記掌部に設けられたサーボ制御部と、前記掌部に設けられた電源部と、前記第２の節の外殻を形成するケース部に設けられた、前記第１および第２のアクチュエータをそれぞれ駆動する第１および第２のアンプ部と、を備え、前記サーボ制御部および前記電源部は、前記第１および第２のアンプ部に対し、前記指部の外部に設けられたケーブルを介して、それぞれアクチュエータ制御信号の伝送および駆動電源の供給を行う構成とした。また、前記第１および第２のアンプ部は、アンプ回路が実装されたプリント基板と、前記プリント基板を固定するモジュールケースと、を備え、前記アンプ回路の発熱部品は、前記モジュールケースに設けられた熱伝導シートに接触し、前記モジュールケースは、前記ケース部に外側から固定した。
【選択図】図３

Description

本発明は、多指によって物を把持する多指ハンドシステムおよびそれを用いたロボット用のマニピュレータ装置に関する。

従来のマニピュレータ装置は、マニピュレータのアクチュエータ制御用のサーボアンプをまとめて多指ハンドの手の甲に相当する部分に内蔵していた（例えば、特許文献１参照）。また、指の中に信号処理チップを内蔵しているものもある（例えば、特許文献２参照）。
図８において、１０１は多指部であり、1本の指が複数のアクチュエータ１０１ａとそれらを連結するリンク構造で構成されている。１０２は指のアクチュエータ１０１ａの動作を制御するサーボ制御装置であり、内部には多指部１０１を構成するすべてのアクチュエータ１０１ａの動作制御を行うサーボアンプ基板１０３が複数積層された状態で内蔵されている。サーボ制御装置１０２では発熱するサーボアンプ基板１０３の放熱用としてヒートパイプ１０７を設け、サーボアンプ基板１０３で発生する熱をヒートパイプ１０７を介してフレーム１０９とフィン１１１から放熱させるものである。
このように、従来のマニピュレータ装置は、指の制御用の複数のサーボアンプ基板を手の甲に相当する部分に設けたサーボ制御装置に集約して格納しているのである。
図９において、１２１は指の節の外殻を形成する筒体であり、筒体１２１の外周に感圧ゴム１２２とフレキシブル基板１２３を重ねて巻きつけている。フレキシブル基板１２３はその端部１２３ａ、１２３ｂの近傍を折り曲げられ、筒体１２１に設けられたスリット１２１ａを通って、その端部が筒体１２１の内部に配置される。フレキシブル基板１２３の筒体１２１の内部に配置される端部には感圧ゴム１２２で検出した圧力信号を処理する信号処理チップ１２４、１２５が実装されている。信号処理チップ１２４、１２５には処理された信号の出力用の接続線１２６が上位信号処理部（不図示）と接続されている。すなわち、感圧ゴム１２２で検出された圧力の信号はフレキシブル基板１２３を介して信号処理チップ１２４、１２５に入力され、信号処理チップ１２４、１２５で処理された圧力信号は上位の信号処理装置への出力として接続線１２６に出力される。
このように、従来のマニピュレータ装置は、フレキシブル基板により信号を接続するとともにフレキシブル基板に信号処理チップを実装して指内部に内蔵する構造としているのである。
特開２００７−１６０４８４号公報（第８頁、図１） 特開２００５−３４９４９３号公報（第７頁、図２）

従来のマニピュレータ装置は、指のアクチュエータ用のサーボアンプ基板をすべてサーボ制御装置に内蔵しているため、サーボアンプ基板の収納用スペースが必要であり、またサーボアンプ基板の放熱用にヒートパイプや放熱フィンが必要となり、手の甲に相当するサーボ制御装置が大きくなり、マニピュレータ装置として大きくなるという問題があった。
また、フレキシブル基板を利用して信号処理チップを指に内蔵する構造とする場合はフレキシブル基板は柔軟な構造であり、振動や衝撃を受けた場合に破断する可能性があり、また信号処理チップから発生する熱が放熱されにくいというような問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、指のアクチュエータ用のサーボアンプの一部であるアンプ回路を指に内蔵してサーボ制御装置を小型にするとともにアンプ回路を指内部に固定する機構を設けて振動や衝撃に強くするとともに、アンプ回路の熱を外部に放熱することができるマニピュレータ装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、掌部と複数の指部とを備えた多指ハンドであって、前記指部は、前記掌部に設けられた第３の節と、前記第３の節の先端に設けられた第２の節と、前記第２の節の先端に設けられた第１の節と、を備え、前記第１乃至第３の節がそれぞれ節の基端側に設けられた第１乃至第３のアクチュエータによって独立して駆動される多指ハンドにおいて、前記掌部に設けられたサーボ制御部と、前記掌部に設けられた電源部と、前記第２の節の外殻を形成するケース部に設けられた、前記第１および第２のアクチュエータをそれぞれ駆動する第１および第２のアンプ部と、を備え、前記サーボ制御部および前記電源部は、前記第１および第２のアンプ部に対し、前記指部の外部に設けられたケーブルを介して、それぞれアクチュエータ制御信号の伝送および駆動電源の供給を行うことを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、前記掌部に、前記第３のアクチュエータを駆動する第３のアンプ回路を備えたことを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、前記第１および第２のアンプ部は、アンプ回路が実装されたプリント基板と、前記プリント基板を固定するモジュールケースと、を備え、前記アンプ回路の発熱部品は、前記モジュールケースに設けられた熱伝導シートに接触し、前記モジュールケースは、前記ケース部に外側から固定されることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、前記ケース部の内部に前記ケーブルが接続される信号分配手段を備え、前記アクチュエータ制御信号および駆動電源は、前記信号分配手段を介して前記第１および第２のアンプ部に分配されることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、前記信号分配手段は、前記第１および第２のアンプ部にそれぞれ対応して接続される第１および第２のリジッド基板と前記第１および第２のリジッド基板を互いに電気的に接続するフレキシブルプリント基板とを備えたリジッドフレキシブル基板であることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、前記第２の節の内部に、前記第２のアクチュエータの回転を前記第１の節に伝達するための、複数の側面で構成される多角柱形状のリンク部材を備え、前記第１および第２のリジッド基板は、前記リンク部材の異なる側面にそれぞれ固定されることを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明は、前記第１および第２のリジッド基板は、それぞれ前記第１および第２のアンプ部に対応して接続されるコネクタ部を備え、前記アンプ部を前記ケースに外側から固定すると、前記コネクタ部で前記リジッド基板と前記アンプ部が電気的に接続されることを特徴とするものである。
請求項８に記載の発明は、前記第２の節の外殻を形成するケース部および前記リンク部材は、同一数の側面で構成される多角柱形状であり、前記第１および第２のリジッド基板は、前記リンク部材の異なる前記側面にそれぞれ固定され、前記第１および第２のアンプ部は、前記第１および第２のリジッド基板の固定された前記リンク部材の側面の外側に位置する前記ケース部の側面に外側から固定されることを特徴とするものである。
請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８いずれかに記載の多指ハンドを備えたことを特徴とするものである。

請求項１、２、９に記載の発明によると、指の制御用のアンプ回路の一部をサーボ制御装置から指に移すことができ、サーボ制御装置のアンプ回路用の収納スペースを削除して小形化することができる。また、アンプ回路を指のケースに固定することで振動に強くすることができる。
また、請求項３、９に記載の発明によると、またアンプ回路の発熱部とケース間に熱伝導シートを設けることによりアンプ回路の熱をケースに放熱することができる。
また、請求項４、５、９に記載の発明によると、指に内蔵する２台のアンプ回路間の接続に強固なリジッド部と柔軟なフレキシブル部を持つリジッドフレキシブル基板を使用して指のリンク部にリジッドフレキシブル基板を固定することにより、機械的に強固で指の構造に対応して固定できる接続方法とすることができる。
また、請求項６、７、８、９に記載の発明によると、アンプモジュールを節のケースの外側から固定するだけで、対面するリジッド基板と電気的接続が行われ、アンプモジュールの組み込み、メンテナンスが極めて容易である。

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。

図１は、３本の指を備えた本発明のマニピュレータ装置の構成図であって（ａ）はその構成の側面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａ方向から見た平面図である。
図において１、２、３は指部であり、それぞれ１ａ、１ｂ、１ｃ、２ａ、２ｂ、２ｃ、３ａ、３ｂ、３ｃの節から構成され、指部１、２と指部３とが対向する形で物体を把持できるようになっている。なお、（ａ）においては、指部２は指部１の背面に位置するため、現れていない。それぞれの節のサーボ制御装置側（基端側）の端には節の駆動用のアクチュエータが内蔵されている。４は掌部として設けられたサーボ制御装置であり、節１ｃ、２ｃ、３ｃの一端が回転可能に設けられている。また、節１ｂ、２ｂ、３ｂ、にはサーボ制御装置４からの制御ケーブル５がそれぞれ接続されている。なお、サーボ制御装置４は、掌部自体として構成されているが、掌部の内部に、サーボ制御装置４が設けられても構わない。

図２は本発明のマニピュレータ装置の構成を示すブロック図であり、（ａ）は全体構成を示す図、（ｂ）はアンプ回路の構成を示す図である。いずれの指部も同様の構成となっているので、簡略化のため、１本の指部についてのみ示している。図２において６、７、８は指部のアクチュエータであり、指先から６、７、８の順に配置される。２１、２２、２３はアクチュエータの駆動用のアンプ回路であり、アクチュエータとアクチュエータケーブル１５で接続される。図２（ｂ）に示すようにアンプ回路２１はアクチュエータを駆動する駆動出力を発生する駆動回路１７と駆動回路を制御する駆動制御回路１６で構成される。他のアンプ回路も同じ構成である。アンプ回路２１、２２はリジッドフレキシブル基板（信号分配手段）１０とコネクタ２５、２７で接続され、リジッドフレキシブル基板１０は制御ケーブル５とコネクタ１３でサーボ制御装置４と接続される。ここで、リジッドフレキシブル基板とは、フレキシブルプリント基板とリジッド基板（一般的な板状のプリント基板）とを一体化した基板である。サーボ制御装置４は制御回路２８と電源回路３２、アンプ回路２３を内蔵し、制御回路２８にはアンプ回路と制御信号２９、３０、３１が、また上位の制御装置からの通信ケーブル１４が接続される。ここで、制御信号は、アクチュエータへの移動指令信号及びアクチュエータからの位置フィードバック信号である。電源回路３２からはアンプ回路への電源出力３４が接続されている。アクチュエータ８はサーボ制御装置４に内蔵されるため、アンプ回路２３もサーボ制御装置４に内蔵され、制御回路からの制御信号３１と電源出力３４はサーボ制御装置内で直接接続される。アンプ回路２１と２２への制御信号２９、３０と電源出力３４は制御ケーブル５で一旦リジッドフレキシブル基板１０にコネクタ１３で接続された後、リジッドフレキシブル基板１０内でアンプ２１、アンプ２２に分離され、コネクタ２５、２７を介して接続される。
このようにアンプ２１と２２は制御ケーブル５とリジッドフレキシブル基板１０を介してサーボ制御装置４から分離して配置される。指部の動作を制御する場合、図示しない上位制御装置で各指の動作制御のパターンを生成し、それを通信ケーブル１４によってサーボ制御装置４にシリアル通信の信号として送る。サーボ制御装置４では通信ケーブル１４によって送られた制御パターンの信号を制御回路２８で受信し、それから各指の各アクチュエータの動作制御の信号を生成する。制御回路２８で生成された各アクチュエータの動作制御の信号は制御信号２９、３０、３１で各アクチュエータを駆動するアンプ回路の駆動制御回路に伝送され、アンプ回路の駆動制御回路からの制御出力信号により駆動回路の制御を行う。
本発明が従来技術と異なる部分は、アンプ回路をサーボ制御装置から分離して配置する機構を設け、またサーボ制御装置とアンプ回路間をリジッドフレキシブル基板で集約して接続する構成とした部分である。

図３は指部１の節１ｂの構成を示す図であり、（ａ）は節の側面からの透視図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａからの透視図、（ｃ）は（ａ）のＢ-Ｂ´間の断面図である。指部２と３も同じ構成である。アクチュエータ６の固定子６ｂとアクチュエータ７の回転子７ａ間はリンク１１で直接接続されており、アクチュエータ７が動作すると、アクチュエータ６が回転子７ａの回転中心軸回りに回転移動するようになっている。すなわち、リンク１１は、アクチュエータ７の回転を節１ａに伝達する。リンク１１の周囲にはリジッドフレキシブル基板１０がコの字型に曲げた形で固定され、リジッドフレキシブル基板１０上のコネクタ２７とアンプ回路をプリント基板上に実装したアンプモジュール（アンプ部）９とがコネクタ２５で接続される。アンプモジュール９のコネクタ２６にはアクチュエータからのアクチュエータケーブル１５が接続され、リジッドフレキシブル基板のコネクタ１３にはサーボ制御装置からの制御ケーブル５が接続される。このようにサーボ制御装置と分離されたアンプ回路は指の節の内部に配置される。

図４はアンプモジュールの指の節への取り付けを示す構造図であり、（ａ）は側面からの透視図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａからの透視図である。節１ｂのケース１２は側面及び上面の一部がくりぬいてあり、そのくりぬいた部分にアンプモジュール９が２台はめ込まれる。
図５はアンプモジュール９の詳細な構成を示す図であり、（ａ）はアンプモジュールの断面図、（ｂ）は矢視Ａから見た図である。アンプモジュール９のモジュールケース３５には指の節のケース１２のくりぬいた部分と接合するような外形であり、ケース１２に設けられた固定ネジ穴４０に合致する位置に固定用貫通ネジ穴３９が設けられており、固定用貫通ネジ穴３９からケースの固定用ネジ穴４０にネジを通して固定する。アンプモジュール９のモジュールケース３５にはアンプ回路２１の外形と合致する収納スペースがあり、そのスペースにアンプ回路２１を収納する。アンプ回路２１の収納後、アンプ回路の抜け防止のため固定用の固定板３８をモジュールケースに設けられたネジ穴４１にネジを通して固定する。またアンプ回路２１の駆動回路等の発熱部品３７とモジュールケース３５の間には熱伝導シート３６が設けられ、発熱部３７の熱をモジュールケース３５に放熱する。モジュールケース３５と節のケース１２の接合部に熱伝導用のグリスを塗布することでモジュールケース３５からの熱を節のケース１２全体に伝導させる。

図６はリンク１１へのリジッドフレキシブル基板１０の固定を示す構成図である。（ａ）は節の側面からの透視図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａからの透視図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ´間の断面図である。リジッドフレキシブル基板１０はコネクタが実装され強度が必要な部分はリジッド構造（リジッド基板）とし、リンク１１に巻きつけるため柔軟さが必要な部分はフレキシブル構造（フレキシブルプリント基板）とする。図６（ｃ）の１０ａ、１０ｂ、１０ｃはリジッド構造（リジッド基板）、１０ｄ、１０ｅはフレキシブル構造（フレキシブルプリント基板）となっている。リジッドフレキシブル基板１０のリジッド構造部には固定用ネジ貫通穴４２が設けられ、リンク１１には固定用ネジ穴４３が設けられており、固定用ネジ貫通穴４２を通してネジ穴４３にネジで固定する。
図７はリジッドフレキシブル基板１０の構造を示す図であり、基板を展開した状態を示す。リジッドフレキシブル基板のリジッド構造部１０ａ、１０ｂ、１０ｃがフレキシブル構造部１０ｄ、１０ｅで接続される構造である。基板上にはアンプモジュール接続用コネクタ２７と制御ケーブル接続用コネクタ１３、固定用ネジ貫通穴４２が設けられている。また、図示しないが基板上にはコネクタ１３からコネクタ２７への制御信号及び電源出力の接続用パターンが設けられている。

このように、アンプ回路をサーボ制御装置から分離して指の内部に配置する機構を備えるため、サーボ制御装置を小形化することができる。また、アンプを指の内部に配置してその発生する熱を指のケースに逃がすようにすることでアンプ回路の発熱を抑え、熱源を分散して多指ハンド全体を放熱体とすることで放熱フィンなどの放熱対策が不要となる。さらにサーボ制御装置と指に内蔵するアンプ回路との接続を制御ケーブルのみとすることができ、省配線化することもできる。
また、リンク１１と節のケース１２をともに４つの側面で構成される四角柱形状とし、リジッド基板の固定されたリンク側面の外側に位置する節のケース１２の側面上に、アンプモジュール９を固定することにより、対応するアンプモジュール９とリジッド基板とが電気的に接続されるように構成されているので、組立、メンテナンスが極めて容易である。

なお、指部および節の数は上記実施例に限定されない。指部の数については、物品を把持するために必要であれば任意でよく、また、節の数については、少なくとも３つ以上のものについても、容易に適用可能である。また、リンク１１と節のケース１２は、四角柱形状に限らず、複数の側面で構成される相似形の多角柱形状であれば任意の形状でよい。

本発明のマニピュレータ装置の側断面図 本発明のマニピュレータ装置の構成を示すブロック図 本発明のマニピュレータ装置の指の側断面図 本発明のマニピュレータ装置のアンプモジュールの取付けを示す構造図 本発明のマニピュレータ装置のアンプモジュールの構造図 本発明のマニピュレータ装置のリジッドフレキシブル基板の取付けを示す構造図 本発明のマニピュレータ装置のリジッドフレキシブル基板の構造図 従来のマニピュレータ装置の構造図 従来のマニピュレータ装置のチップを内蔵した指の構造を示す断面図

符号の説明

１、２、３ 指部
１ａ、２ａ、３ａ 節
１ｂ、２ｂ、３ｂ 節
１ｃ、２ｃ、３ｃ 節
４ サーボ制御装置
５ 制御ケーブル
６、７ 、８アクチュエータ
６ａ、７ａ 回転子
６ｂ、７ｂ 固定子
９ アンプモジュール
１０ リジッドフレキシブル基板
１１ リンク
１２ ケース
１３、２５、２６、２７ コネクタ
１４ 通信ケーブル
１５ アクチュエータケーブル
２１、２２、２３ アンプ回路
２８ 制御回路
２９、３０、３１ 制御信号
３２ 電源回路
３３ 電源ケーブル
３４ 電源出力
３５ モジュールケース
３６ 熱伝導シート
３７ 発熱部
３８ 固定板
３９、４１、４２ 固定用ネジ貫通穴
４０、４３ 固定用ネジ穴
１０１ 多指部
１０１ａ アクチュエータ
１０１ｂ アクチュエータケーブル
１０２ サーボ制御装置
１０３ サーボアンプ基板
１０４ 電源ケーブル
１０５ 通信ケーブル
１０７ ヒートパイプ
１０９ フレーム
１１１ フィン

Claims (9)

1. 掌部と複数の指部とを備えた多指ハンドであって、
   前記指部は、前記掌部に設けられた第３の節と、前記第３の節の先端に設けられた第２の節と、前記第２の節の先端に設けられた第１の節と、を備え、前記第１乃至第３の節がそれぞれ節の基端側に設けられた第１乃至第３のアクチュエータによって独立して駆動される多指ハンドにおいて、
   前記掌部に設けられたサーボ制御部と、
   前記掌部に設けられた電源部と、
   前記第２の節の外殻を形成するケース部に設けられた、前記第１および第２のアクチュエータをそれぞれ駆動する第１および第２のアンプ部と、を備え、
   前記サーボ制御部および前記電源部は、前記第１および第２のアンプ部に対し、前記指部の外部に設けられたケーブルを介して、それぞれアクチュエータ制御信号の伝送および駆動電源の供給を行うことを特徴とする多指ハンド。
2. 前記掌部に、前記第３のアクチュエータを駆動する第３のアンプ回路を備えたことを特徴とする請求項１記載の多指ハンド。
3. 前記第１および第２のアンプ部は、アンプ回路が実装されたプリント基板と、前記プリント基板を固定するモジュールケースと、を備え、
   前記アンプ回路の発熱部品は、前記モジュールケースに設けられた熱伝導シートに接触し、前記モジュールケースは、前記ケース部に外側から固定されることを特徴とする請求項１または２に記載の多指ハンド。
4. 前記ケース部の内部に前記ケーブルが接続される信号分配手段を備え、
   前記アクチュエータ制御信号および駆動電源は、前記信号分配手段を介して前記第１および第２のアンプ部に分配されることを特徴とする請求項１または２に記載の多指ハンド。
5. 前記信号分配手段は、前記第１および第２のアンプ部にそれぞれ対応して接続される第１および第２のリジッド基板と前記第１および第２のリジッド基板を互いに電気的に接続するフレキシブルプリント基板とを備えたリジッドフレキシブル基板であることを特徴とする請求項４記載の多指ハンド。
6. 前記第２の節の内部に、前記第２のアクチュエータの回転を前記第１の節に伝達するための、複数の側面で構成される多角柱形状のリンク部材を備え、
   前記第１および第２のリジッド基板は、前記リンク部材の異なる側面にそれぞれ固定されることを特徴とする請求項５記載の多指ハンド。
7. 前記第１および第２のリジッド基板は、それぞれ前記第１および第２のアンプ部に対応して接続されるコネクタ部を備え、
   前記アンプ部を前記ケースに外側から固定すると、前記コネクタ部で前記リジッド基板と前記アンプ部が電気的に接続されることを特徴とする請求項６記載の多指ハンド。
8. 前記第２の節の外殻を形成するケース部および前記リンク部材は、同一数の側面で構成される多角柱形状であり、
   前記第１および第２のリジッド基板は、前記リンク部材の異なる前記側面にそれぞれ固定され、
   前記第１および第２のアンプ部は、前記第１および第２のリジッド基板の固定された前記リンク部材の側面の外側に位置する前記ケース部の側面に外側から固定されることを特徴とする請求項５記載の多指ハンド。
9. 請求項１乃至８いずれかに記載の多指ハンドを備えたマニピュレータ装置。

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