JP2009291853A - ロボット用ハンド - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、簡便な構成で対象物を確実に把持するロボットハンドを提供する。
【解決手段】各関節７を掌側に屈曲自在に連結し、かつ屈曲復帰手段を供えた複数個の可動指内に、可動指の伸張を誘導するワイヤ３を挿通すると共に、手首方向および手指方向に移動する手段を備え、前記移動手段にワイヤ３の片端を固定した、多指可動ロボット用のハンドにおいて、ハンドの掌部に前記移動手段の駆動源１を設け、駆動源１の動力が切断されている状態では、屈曲復帰手段により、ハンドが屈曲するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象物を確実に把持するロボットハンドに関する。

従来のロボットハンドは、親指を除く２本以上の手指に少なくとも１個の駆動源により各別に動作させ、かつ、各指関節を弾性的に保持することにより柔らかい把持動作を行うようにした多指可動ロボットハンドが提案されている(例えば、特許文献１参照)。
従来のロボットハンドは手指の骨格要素であるリンク材を回動自在に結合して関節を形成し、ほぼ平行に配置された示指、中指、環指及び小指と、それらの手指と対向するように配置された拇指を有し、それぞれの手指について前記関節となるリンク材の各回動支点を経由して牽引可能な可撓部材を繋設するとともに、該回動支点には各々ねじりバネを設けて手指の伸展方向に付勢してなり、前記可撓部材が、拇指を除き隣接する示指と中指、及び環指及び小指のそれぞれの指間に槓桿保持した動滑車を介在させ２指の各第一指部のリンク材の体部を始端または終端とする固定長の線条であって、該リンク材の各回動支点に自由回転プーリを軸支し、かつ、第二指骨部のリンク材の体部に設けた中間プーリを介して牽引可能に繋設したものであり、前記駆動源から発生する動力により前記動滑車の各保持位置を手首側又は手指側に往復移動させ、前記可撓部材を介して各手指を屈曲又は伸展方向に把持又は開放動作させる指関節駆動機構と、前記指関節駆動における前記可撓部材の張力を調整又は保持することにより、把持動作に係る各指関節が異径物を含む把持対象物の外形状に倣って包み込むように屈曲して把持力を維持する異径物把持機構を具備するものである。また、上記多指可動ロボットハンドにおいて、異径物を含む把持対象物に対して生体の把持動作に近い柔らかい挙動をするようにした多指可動ロボットハンドの把持制御方法であって、動滑車ユニットを駆動源から発生する動力により往復移動させ、手首側への移動に基づき動滑車を介した可撓部材を牽引し、ねじりバネの弾性力に抗しながらリンク材を手指の屈曲方向に掌握動作させて拇指を除く２本以上の指に把持力を発生させ、駆動停止又は移動停止に基づき把持状態を維持し、手指への移動に基づき前記可撓部材を弛緩又は送出し、前記ねじりバネの拘束を漸次開放し、前記リンク材を手指の伸展方向に復帰動作して前記２本以上の手指に復元力を発生させるように指関節を駆動するとともに、前記２本以上の手指と拇指を異径物を含む把持対象物に接触させて、前記指関節駆動における可撓部材の張力を調節または保持し、各指関節が把持対象物の外形状に倣って包み込むように屈曲させて把持力を付与又は維持し、伸展させて把持力を開放するための把持動作を制御するものである。
特許第３７９３７８５号公報（第５−７頁、図１）

ロボットには、産業用ロボットや民生用ロボットと大きく分けて２つの分野がある。産業用ロボットでは、ロボットハンドが物品を把持し、ハンドリングする物品の搬送用や部品を把持して組み立て動作をする等の組み立て用に用いられるケースが増えてきている。また、民生用ロボットでは、将来、家庭内で作業するようなロボットの構想もあり、人と共同して作業したり、人の代わりに作業するようなケースも考えられる。
このような用途に用いられるロボットハンドには、掴んだ物品を落下させないことは当然であるが、さらには異なる形状の物品に対しても確実に把持できることが要求される。たとえば、人間の手では丸いものを掴むときは包み込むように把持するし、長尺物を掴むときには指を揃えて掴む動作をする。これに似せた動作ができることで確実な物品把持ができるようなロボットハンドが要望されていた。
このようなロボットハンドを実現しようとすると、これまでは複数のアクチュエータを組み合わせて実現しようとするが、消費電力を低く抑えることもバッテリー駆動を想定した場合、作業を継続的に進めるためには必要とされていた。
従来のロボットハンドは、１つの駆動源で２本以上の指を駆動する場合、トルクを指毎に制御できず、指同士が平行に配置されているため、物体を把持するときは指の間隔で把持する構造となっている。一方、物体によっては柔らかい部分や触ると破損しやすい部分などがあり、このような物体を把持すること不可能であった。また、把持をネジ要素の摩擦力で行う場合、摩擦力は回動支点に設けたねじりバネの反力に抗して物体を把持するため、把持力が小さくなるというような問題が生じ、確実な把持ができないといった問題が生じていた。
また、従来のロボットハンドは、指同士が平行に配置された構成しか取れないために、丸い物品を把持する際に形態を変更することができないために、確実な把持ができないといった問題も生じていた。
さらに、従来のロボットでは、把持している状態では、モータに通電した状態を維持する必要があり、電力消費が大きくなるといった問題も生じていた。
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、簡便な構成で対象物を確実に把持するロボットハンド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、各関節を掌側に屈曲自在に連結し、かつ屈曲復帰手段を供えた複数個の可動指内に、可動指の伸張を誘導するワイヤを挿通すると共に、手首方向および手指方向に移動する手段を備え、前記移動手段にワイヤの片端を固定した、多指可動ロボット用のハンドにおいて、ハンドの掌部に前記移動手段の駆動源を設け、駆動源の動力が切断されている状態では、屈曲復帰手段により、ハンドが屈曲するものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載のロボットハンドにおいて、前記屈曲復帰手段は所定の対象物をハンドが把持した状態で駆動源の動力を切断しても少なくとも前記対象物が落下しない把持力を有するものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１記載のロボットハンドにおいて、前記屈曲復帰手段として、前記可動指の各関節にねじりバネを設けたことを特徴とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、各関節を掌側に屈曲自在に連結し、かつ屈曲復帰手段を供えた複数個の可動指内に、可動指の伸張を誘導するワイヤを挿通すると共に、手首方向および手指方向に移動する手段を備え、前記移動手段にワイヤの片端を固定した、多指可動ロボット用のハンドにおいて、可動指の根元に指ベース部を設け、ハンド掌部に対する、指ベース部の取付け角度を変えることで、可動指の動作方向を任意に変更できるようにしたものである。
また、請求項５に記載の発明は、請求項４記載のロボットハンドにおいて、可動指を示指、中指、環指の３指としたものである。
また、請求項６に記載の発明は、請求項４記載のロボットハンドにおいて、可動指を拇指、中指、環指の３指としたものである。
また、請求項７に記載の発明は、可動指が前記掌側にねじにより取り付け可能にされたものである。

請求項１に記載の発明によると、可動指の自由度に関係なく、可動指１つに１つの駆動源を設ければ良く、少ない駆動源で動作することができる。
また、請求項２に記載の発明によると、把持動作中に駆動源の電源が切断されても把持した状態を維持でき、駆動源に保持ブレーキを設ける必要がない。また、駆動源は可動指を伸展するために駆動され、ハンドリング対象物は、屈曲復帰手段による把持力のみで把持できることから、駆動dutyを下げることができ、駆動源の定格トルクも従来に比べ小さくできる。このため、駆動源を従来に比べ小形、軽量化できる。
また、請求項３に記載の発明によると、屈曲復帰手段として、各関節にねじりバネを設けたので、可動指の屈曲角度に関わらずほぼ同一のトルクを発生でき、可動指も簡単な構造で実現できる。
また、請求項４から７に記載の発明によると、把持対象物の形状に合せ、可動指の動作方向を調節できるので、産業用ロボットのハンドリング動作のような定型物のハンドリングにおいて確実に把持できるよう調整できるため、作業不良が減少し製品の品質を高めることができる。

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、本発明のハンドの一実施例の構造図である。図において、駆動源は１、可動指は２、ワイヤは３、指ベースは４、ハンド掌部は５、プーリは６、関節は７、コイルバネは８、ネジ要素は１０である。

駆動源１は回転型モータとボールネジ等のネジ要素１０を組合せたもので構成されており、ハンド掌部５に指と同一の数の駆動源１を配置し、駆動源１に接続されたネジ要素１０により、ネジ要素の先端が手首方向または手指方向に往復移動するとともに、各指には複数の回転自在の関節７を設け、各関節７には関節７を支点とするプーリ６と各関節７を伸展方向に駆動するコイルバネ８を設ける。ネジ要素１０にワイヤ３の一方端を固定し、各関節７のプーリ６を介して指先端にワイヤ３のもう片端を固定する。ネジ要素１０を手首方向に移動すると、ワイヤ３が牽かれ可動指２は伸展する。ネジ要素１０を手指方向に動かすと可動指２は、コイルバネ８の復元力により屈曲する。このとき各関節７のコイルバネ８は可動指２が握られた状態で所定の把持力の最大値となるよう選定しておく。図２は本発明の一実施例の上面図、図３は正面図を示したものである。本例は中指２１、示指２２、環指２４の３本の可動指で構成されたハンドである。上面から見ると３本の可動指は平行に配置されているが、正面から見ると示指と環指の指ベース４は、ハンド掌部端側に対し傾いて配置されている。このため可動指を屈曲させていくと示指２２と環指２４の先端が中指２１に接近し、最終的には可動指２の先端同士が接触する状態となる。
図４はハンドが把持対象物１１を把持した状態を示したものである。把持対象物１１が大きな場合は可動指の屈曲は少ないため指同士の左右の間隔は広く、把持対象物１１が小さいと指同士の左右の間隔が狭くなり、屈曲量だけでなく指の間隔も把持対象物１１の大きさに合わせ変化する。本発明の技術分野はロボットハンドによる搬送、組立て作業であるが、このような用途の場合、ハンドの汎用性は要求されるものの、把持対象物１１は頻繁に変わるものではないので、ロボットの設置時に把持時の指間隔を把持対象物１１に合わせておけば良い。
図５は指ベース４の取付け部を示したものである。指ベース４のハンド掌部５との取付けはベース固定部９にて行う。ベース固定部９にはネジが切ってあり、ハンド掌部５にはタップが立てられている。ベース固定部９のネジをハンド掌部５のタップに取付けることで指ベース４はハンド掌部５に取付けられる。ベース固定部９のネジにはナット１２が取付けられており、指ベース４の取付け角度が所定の角度となるようナット１２で調整する。本例では中指２１に対する示指２２と環指２４の取付け角度をそれぞれθ１、θ２としている。ベース固定部９のネジ部は中空穴１３となっており、この中空穴１３にワイヤ３を通して可動指先端へ力を伝達している。このような構造により中空穴１３は指ベース４の回転中心となるため、取付け角θは可動指２の動作に影響することはない。図６は本発明の別の実施例を示したものである。本例は中指２１、示指２２、拇指２３の３本の可動指でハンドを構成した例である。拇指２３の駆動源１は他の駆動源１に対して直交した位置に配置されており、拇指２３のワイヤ３はハンド掌部５に設けられたプーリ６を介して、拇指２３に取付けられている。

次に動作について図１を用いて説明する。最初に各可動指２が伸展する方向に駆動源１を動作し、ハンドが開いた状態とする。その状態のまま、ロボットのアームを動かして把持対象物１１にハンドを接近させる。次に各可動指２を所定の角度まで位置制御により屈曲させた後、トルク制御に切替える。この時のトルクは可動指２に設けられたコイルバネ８によるトルクから把持に必要なトルクを差し引いたもので、トルクの向きは可動指２を伸展させる方向である。コイルバネ８によるトルクは駆動源によるトルクより大きいので可動指２は把持対象物１１に接触するまで屈曲し、この時点での各可動指２の把持力は所定の値となっている。把持対象物に凹凸があっても指毎に独立に駆動できるため、対象物の形状に合った把持姿勢が可能であり把持対象物１１を確実に把持できる。把持状態でロボットのアームを動かして把持対象物１１を移動先へ動かした後、各可動指２が伸展する方向に駆動源１を動作し、ハンドが開いた状態として、把持対象物１１を開放する。ハンドが把持状態に無い時はアームを素早く可動できるが、把持状態では対象物落下の心配や対象物そのものの対振動性などからアームを素早く動かすことができない場合があり、一般的なハンドリング動作においては、把持していない状態に比べ把持状態の時間が長くなる。本発明では把持時に駆動源が発生しなければならないトルクはコイルバネによるトルクから把持に必要なトルクを差し引いたトルクだけで良く、駆動源のトルクで把持する場合に比べ、小さなトルクですむため、駆動源そのものを小形化できる。また万一、停電等で駆動源の電源が切れた場合でも把持力はコイルバネ８が発生しているため、把持対象物１１が落下することは無く、駆動源にブレーキ等の姿勢保持手段を設ける必要も無いという利点がある。

本発明の一実施例の可動指構造図 本発明の一実施例のハンド上面図 本発明の一実施例のハンド正面図 本発明の一実施例の把持状態を示す図 指ベースの説明図 本発明の一実施例のハンド上面図

符号の説明

１ 駆動源
２ 可動指
３ ワイヤ
４ 指ベース
５ ハンド掌部
６ プーリ
７ 関節
８ コイルバネ
９ ベース固定部
１０ ネジ要素
１１ 把持対象物
１２ ナット
１３ 中空穴
２１ 中指
２２ 示指
２３ 拇指
２４ 環指

Claims (7)

1. 各関節を掌側に屈曲自在に連結し、かつ屈曲復帰手段を供えた複数個の可動指内に、可動指の伸張を誘導するワイヤを挿通すると共に、手首方向および手指方向に移動する手段を備え、前記移動手段にワイヤの片端を固定した、多指可動ロボット用のハンドにおいて、
   ハンドの掌部に前記移動手段の駆動源を設け、駆動源の動力が切断されている状態では、屈曲復帰手段により、ハンドが屈曲することを特徴とする、多指可動ロボット用ハンド。
2. 前記屈曲復帰手段は所定の対象物をハンドが把持した状態で駆動源の動力を切断しても少なくとも前記対象物が落下しない把持力を有することを特徴とする、請求項１記載の多指可動ロボット用ハンド。
3. 前記屈曲復帰手段として、前記可動指の各関節にねじりバネを設けたことを特徴とする、請求項１記載の多指可動ロボット用ハンド。
4. 各関節を掌側に屈曲自在に連結し、かつ屈曲復帰手段を供えた複数個の可動指内に、可動指の伸張を誘導するワイヤを挿通すると共に、手首方向および手指方向に移動する手段を備え、前記移動手段にワイヤの片端を固定した、多指可動ロボット用のハンドにおいて、
   可動指の根元に指ベース部を設け、ハンド掌部に対する、指ベース部の取付け角度を変えることで、可動指の動作方向を任意に変更できるようにしたことを特徴とする、多指可動ロボット用ハンド。
5. 可動指を示指、中指、環指の３指としたことを特徴とする請求項４記載のロボット用ハンド。
6. 可動指を拇指、中指、環指の３指としたことを特徴とする請求項４記載のロボット用ハンド。
7. 可動指が前記掌側にねじにより取り付け可能にされたことを特徴とする請求項４記載のロボット用ハンド。

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