JP2009214269A - ロボットハンド - Google Patents

Abstract

【課題】掌方向への力を増大させ、把持対象物をつかむ圧力を減少させるロボットハンドを提供すこと。
【解決手段】ロボットハンド１は、指部の付け根側となる根本リンク１２１と、根本リンク１２１に接続された先端リンク１２２とを有する。そして先端リンク１２２は、把持対象物を把持する側の表面に第１領域Ａ１及び第２領域Ａ２を有しており、指先側の第１領域Ａ１はその表面が略平らに形成されており、根本リンク側１２１の第２領域Ａ２は内側が凹むように湾曲して形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、各関節がモータにより独立に制御されるロボットハンドに関する。

ロボットハンドにおける指の設計は、例えば物体の把持といったようなタスクの遂行に大きな影響を与える。近年の指の設計の研究においては、大部分が指の先端リンク（先端指節）の指先の形に焦点が当てられており、正確な把持が可能となっている。非特許文献１には、繊細な操作や微小物体の把持がいまだに困難であり、その原因は、センサや制御のクオリティのせいではなく、指先の設計にある、と記載されている。当該研究者らは、把持のロバスト性及び安定性を増加させるためにより柔らかい指先を作るよう取り組んでいる。非特許文献１に記載のとおり、近年のロボットハンドはよい成果を上げている。

図８（ａ）、図８（ｂ）は、従来のロボットハンドを示す図である。このように、両指部で把持対象物を抱え込むようにして把持する把持方法を挟み持ちということとする。図８（ａ）は、リンク（指節）が３つのロボットハンドであり、図８（ｂ）は、リンクが２つのロボットハンドである。ほとんどのロボットハンドは人間の指を真似して作られており、図８（ａ）に示すように、３つの関節からなる。このようなロボットハンドにおいて、よりたくさんのリンクを使用することは挟み持ちタスクの性能を向上する。ただし、３又はそれ以上のリンクの指を人間と同じくらい小さく作るのはその設計が難しい。
特開２００５−１３１７１９号公報 Ch. Borst, M. Fischer, S. Haidacher, H. Liu and G. Hirzinger, "Experiments an Experiences with an Anthropomorphic Hand", Robotics and Automation, 2003. Proceedings. ICRA apos;03. IEEE International Conference on Volume 1, Issue , 14-19 Sept. 2003 Page(s): 702 - 707 vol.1

しかしながら、従来のロボットハンドにおいて、先端リンクの把持対象物を把持する側の表面（接触表面）は、指先から関節まで直線的に形成されている。この接触表面の形状が直線的であると、把持対象物を把持する場合、指から掌に向く力は小さくなり（Ｆ１３）、把持対象物に対してより大きな圧力（Ｆ１１、Ｆ１２）が必要となるため、把持対象物にダメージを与える場合がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、掌方向への力を増大させ、把持対象物をつかむ圧力を減少させるロボットハンドを提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明に係るロボットハンドは、指部の付け根側となる根本リンクと、前記根本リンクに接続された先端リンクとを有し、前記先端リンクは、把持対象物を把持する側の表面に第１領域及び第２領域を有しており、指先側の前記第１領域はその表面が略平らに形成されており、前記根本リンク側の前記第２領域は内側が凹むように湾曲して形成されているものである。

本発明においては、根本リンクの物体（把持対象物）を把持する側の表面に第２領域として凹部を有するため、把持対象物を把持した場合、指表面から把持対象物中心に向く力を従来に比して低減し、指表面から掌側に向く力を大きくすることができる。第１領域は、指先側のリンクを把持対象物に押し当てて把持する平行持ち等に重要であり、第２領域、指部の各リンクで把持対象物を抱え込むようにして把持するは挟み持ち等に重要である。

また、前記第１領域の表面と前記先端リンクに隣接するリンクの前記把持対象物を把持する側の表面である隣接リンク表面とが略平行になるよう配置した場合、前記第１領域の表面が前記隣接リンク表面より前記把持対象物を把持する側に位置するものとすることができる。これにより、先端リンクの内側への曲げ量を低減することができ、第２領域表面から把持対象物にかかる圧力を低減することができる。

さらに、掌と、前記掌に取り付けられた前記根本リンク及び先端リンクを有する１以上の指部とを備えるものとすることができる。指部は何本有していてもよい。

さらにまた、前記指部は、前記根本リンクと前記先端リンクとの間に、１以上の中間リンクを有することができる。複数リンクの指部とすることにより、更に繊細な把持動作を行うことができる。

本発明によれば、掌方向への力を増大させ、把持対象物をつかむ圧力を減少させるロボットハンドを提供すことができる。

以下、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。図１は、本実施の形態にかかるロボットハンドを示す図である。ロボットハンド１は、掌部１１に接続された２つの指部１２、１３を有する。指部１２は、リンク（根本指節）１２１、リンク（先端指節）１２２を有する。根本側の根本リンク１２１は、掌に関節１２３を介して接続されている。指先側の先端リンク１２２は、関節１２３とは反対側の関節１２４により根本リンク１２１と接続されている。

指部１３も同様に構成される。すなわち、指部１３は、根本リンク１３１、先端リンク１３２を有する。根本側の根本リンク１３１は、掌に関節１３３を介して接続されている。指先側の先端リンク１３２は、関節１３３とは反対側の関節１３４により根元リンク１３１と接続されている。

このように、各リンクを個別に駆動する関節が各リンクにそれぞれ設けられている。そして、掌部１１には、この関節を独立に制御する動力源としてモータ部１１１〜１１４が設けられている。角関節毎にモータと減速機を設け、それぞれ例えばＰＩＤ（Proportional Integral Derivative）制御により、角関節に個別に目標角度を与えることができる。モータ部１１１〜１１４により各関節が独立して制御されることから、各リンク（指節）が独立して駆動し、対象物１０を把持することができる。このことにより、さまざまなタイプのつかみ動作を可能にする。

ここで、本実施の形態にかかるロボットハンドは、その指先の形状に特徴を有する。ロボットハンドにおいて、指先を含む最も先端のリンクの対象物を把持する側の内側表面を湾曲させることで、対象物にかかる圧力を和らげ、当該内側表面から掌に向かう力を増大させる。次に、このような本実施の形態にかかるロボットの指の形状について更に詳細に説明する。

図２（ａ）、（ｂ）は、本実施の形態にかかるロボットハンドを示す側面図である。図２（ａ）に示すように、ロボットハンドは、掌部１１と指部１２を有する。指部１２は、関節で回転可動に接続された先端リンク１２２と根本リンク１２１とを有する。なお、本実施の形態においては、指部は１つのみ示しているが、本例のように２つの指節のみからなる場合は、２以上のリンクを有することが好ましい。また、本例においては、リンクが２つの指部を示しているが、リンクが３以上（関節が２以上）あってもよいことは勿論である。なお、関節が２以上ある場合は、指部は１以上あればよい。

そして、本実施の形態においては、掌部１１から最も離れたリンク（本実施の形態においては、先端リンク１２２）には、把持対象物を把持する側の表面に第１領域Ａ１及び第２領域Ａ２を有している。指先側の第１領域Ａ１は、その表面が直線的に形成されており、内側関節側の第２領域Ａ２は、内側が凹むように湾曲して形成されている。

さらに、図２（ａ）に示すように、第１領域Ａ１の表面と先端リンク１２２に隣接するリンク（本実施の形態においては、根本リンク１２１）の把持対象物を把持する側の表面である隣接リンク表面Ａ４とが略平行になるよう配置した場合、第１領域Ａ１の表面が隣接リンク表面Ａ４より把持対象物を把持する側に位置するよう構成されている。ここで、第１領域Ａ１の表面が隣接リンク表面Ａ４より内側に位置すればよく、当該第１領域Ａ１とは反対側の表面、すなわち把持対象物に接触しない側の表面はどのようであってもよい。したがって、図２（ｂ）に示すように、根本リンク１２１と先端リンク１２２とで鈍角を形成した場合に第１領域Ａ１の表面と隣接リンク表面Ａ４とが平行になるように構成してもよいし（１２２ａ）、先端リンク１２２の幅を根本リンク１２１の幅より太く構成しておき、根本リンク１２１側で根本リンク１２１の幅と一致するよう先端リンクの第２表面Ａ２を構成してもよい（１２２ｂ）。

図３には、比較のため、従来のロボットハンドの側面図を示す。図３に示すように、従来のロボットハンドにおいては、先端リンク２２２の把持対象物を把持する側の表面は、平らな面を有する物体接触領域Ａ１１のみからなる。先端リンク２２２の他の部分、例えば指先の領域Ａ１３等も把持動作には大切である。また、正確な把持には、指先の形状が大切なことは知られている。従来のロボットハンドにおいては、指の内側表面部分は、図３に示すように、直線的に形成された物体接触領域Ａ１１が形成されている。さらに、物体接触領域Ａ１１の表面と隣接するリンク２２１の表面Ａ１４とが同一位置で平行になるよう構成されている。すなわち、リンク２２１とリンク２２２の表面は直線的に形成される。

これに対し、本願発明者等が鋭意実験研究した結果、ロボットのすべての把持タスクにおいて、指の形状が大切であり、かつ最も大切な点は、先端リンク１２２の内側表面の形状であって、第１領域Ａ１は平らに、第２領域Ａ２は湾曲するように、更に好ましくは第１領域の表面Ａ１と隣接リンク表面Ａ４とを平行に配置した場合、第１領域Ａ１の表面が把持対象物側に突出するように形成することで、把持対象物に対する把持圧力を低減させ、逆に指表面から掌に向く力を増大させることができ、把持対象物をより傷つけずに把持することができることを見出した。

このように、本実施の形態においては、先端リンク１２２の内側表面領域を少なくとも２つの領域に分割する。１つは、指先側のリンクを把持対象物に押し当てて把持する平行持ちや二つ以上の先端領域Ａ３で挟んでつかむつまみ持ち（指点持ち）のための第１領域Ａ１であり、もう一つは２以上のリンクで把持対象物を抱え込むようにして把持する挟み持ちなどに好適な第２領域Ａ２とする。

第１領域Ａ１は、平らな平面からなるが、これは平行持ちに重要となる。第２領域Ａ２は、内側に突出した第１表面Ａ１から隣接する根元リンクを結ぶ円弧を有する。これにより、挟み持ちのような把持をサポートすることができる。すなわち、挟み持ちのような把持の場合には、先端リンク１２２の第２領域Ａ２が先に把持対象物に接触する。そして、掌部１１の方向の力を受け取るために、第２領域Ａ２の表面にカーブを作ることにより、力の方向がより掌側に向くようになる。

次に、挟み持ち、指点持ち、平行持ちについて説明する。図４乃至図６は、それぞれ挟み持ち、指点持ち、平行持ちの様子を示すロボットハンドである。図中、実線で示すのが本実施の形態にかかるロボットハンド、破線で示すのは比較のために示す従来のロボットハンドである。

図４では、挟み持ちにおける１つの長所を示めす。従来のロボットハンドは、把持対象物に対して大きな圧力Ｆ１１、Ｆ１２を与えるとともに、掌方向に対する力Ｆ１３が、本実施の形態にかかるロボットハンドより小さい。すなわち、本実施の形態においては、第２領域Ａ２が湾曲して形成されているため、把持対象物に対する力Ｆ１の向きが変更され、結果、把持対象物に対する圧力Ｆ２が従来より小さくなる一方で、第２領域Ａ２から掌部１方向にかかる力Ｆ３を大きくすることができる。

なお、図５、図６に示す指点持ち、平行持ちにおいては、本実施の形態及び従来のロボットハンド共に把持動作を行うことができる。指点持ちでは、指先の第３領域Ａ３が使用される。さらに、先端リンクの外側方向への大きな曲げは問題になることがあるが、本実施の形態にかかるロボットハンドは、平行持ちにおいて、従来に比べても先端リンクが外側に曲がる角度を小さいものとすることができる。

なお、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、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。例えば、本実施の形態にかかるロボットハンドにおいて、例えば、ゴムバンド、ワイヤ駆動関節、人工筋肉、ギア列など、指の関節に対するモータの力の伝達方法はどのようなものであってもよい。さらに、ロボットハンドは、１つ又は複数の指を有するハンド、複数の関節を有するハンドなど、どのようなロボットハンドにも適用可能である。

例えば、グリッパの平行爪や、平行持ち、はさみ持ちにおいては、把持対象物が指の位置に関してどこにあるかに依存する。また、先端リンクを本実施の形態のように形成することにより、１本指で２以上のリンクを有する場合、例えば図７に示すｎリンク振り子においては、より先端側のリンク（指先に近い側の指節）に向く力が形成される。さらに、１本の指で１つのリンクのみ（掌に取り付けられた１つの動作可能なリンクのみ）のロボットハンドの場合、掌と指の間に、第２領域により把持対象物のための空間が形成され、把持対象物の中心ではなく掌方向への力が生成され易くなる。

本発明の実施の形態にかかるロボットハンドを示す図である。 本発明の実施の形態にかかるロボットハンドを示す側面図である。 従来のロボットハンドの側面図を示す。 本発明の実施の形態にかかるロボットハンドにおける挟み持ち動作を示す図である。 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点持ち動作を示す図である。 本発明の実施の形態にかかるロボットハンドにおける平行持ち動作を示す図である。 本発明をｎリンク振り子に適用した場合を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、従来のロボットハンドを示す図である。

符号の説明

１ ロボットハンド
１０ 対象物
１１ 掌部
１２、１３ 指部
１２１、１３１ 根本リンク
１２２、１３２ 先端リンク
１２３、１３４、１３３、１３４ 関節
Ａ１ 第１領域
Ａ２ 第２領域
Ａ３ 第３領域
Ａ４ 隣接リンク表面

Claims (4)

1. 指部の付け根側となる根本リンクと、
   前記根本リンクに接続された先端リンクとを有し、
   前記先端リンクは、把持対象物を把持する側の表面に第１領域及び第２領域を有しており、指先側の前記第１領域はその表面が略平らに形成されており、前記根本リンク側の前記第２領域は内側が凹むように湾曲して形成されている、ロボットハンド。
2. 前記第１領域の表面と前記先端リンクに隣接するリンクの前記把持対象物を把持する側の表面である隣接リンク表面とが略平行になるよう配置した場合、前記第１領域の表面が前記隣接リンク表面より前記把持対象物を把持する側に位置する
   ことを特徴とする請求項１記載のロボットハンド。
3. 掌と、
   前記掌に取り付けられた前記根本リンク及び先端リンクを有する１以上の指部とを備える
   ことを特徴とする請求項１又は２記載のロボットハンド。
4. 前記指部は、前記根本リンクと前記先端リンクとの間に、１以上の中間リンクを有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のロボットハンド。

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