JP2010269397A - ロボットハンド装置 - Google Patents

Abstract

【課題】指機構の構造を簡単として軽量コンパクトに構成することができるロボットハンド装置を提供する。
【解決手段】手嘗部１と、指節部材７，９，１１を関節軸６，８，１０を介して連設してなる指機構２と、指節部材７，９，１１を貫通する撓み自在の回転伝達軸１８と、指節部材７，９，１１の雌ねじ部１５，１６，１７に螺合する雄ねじ部１９，２０，２１と、回転伝達軸１８を回転駆動するモータ２５とを設ける。回転伝達軸１８の回転により、指機構２の曲げ動作及び延ばし動作を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、屈伸動作する指機構を備えるロボットハンド装置に関する。

近年、ヒューマノイドロボットの腕体の先端に設けられ、人間の手のようなつかみ動作等を行うようにしたロボットハンド装置が知られている。この種のロボットハンド装置は、手嘗部から延設された指機構を備えている。該指機構は、複数の指節部材が関節を介して回動自在に連結されており、これにより、屈伸動作を行うことができるようになっている（特許文献１参照）。

ここで、特許文献１記載のものは、指機構の屈伸動作を駆動する駆動手段として、手嘗部側の指節部材に収容されたモータを備えている。モータの回転は、関節に内蔵されたギヤ群により屈伸運動に変換され、更に、各指節部材同士を連結する各関節にこの屈伸動作を伝達機構により伝達することにより、各指機構が連動して屈伸するようになっている。

特開２００３−１１７８７３号公報

しかしながら、上記の従来技術では、指機構を屈伸動作させるための機構の部品点数が多く、構造が複雑であるためにコンパクトに構成することが困難である。

本発明は、指機構の構造を簡単として軽量コンパクトに構成することができるロボットハンド装置を提供することを目的とする。

本発明は、ロボットの腕体の先端部に取り付けられる手嘗部と、該手嘗部から延設され、複数の指節部材を関節軸を介して順次連設してなる指機構と、該指機構の指腹側への曲げ動作及び指背側への延ばし動作を駆動する駆動手段とを備えたロボットハンド装置において、前記指機構は、各指節部材間の指背側に各関節軸を備え、前記駆動手段は、前記手嘗部から各指節部材を貫通して延びる撓み自在の回転伝達軸と、該回転伝達軸に設けられ、少なくとも指機構の先端に位置する指節部材に形成された雌ねじ部に螺合する雄ねじ部と、前記手嘗部に収容され、前記回転伝達軸を介して雄ねじ部を回転駆動するモータとを備え、前記雄ねじ部を正転させて指先方向に移動させることにより回転伝達軸に引っ張り力を付与して指機構の曲げ動作を行い、前記雄ねじ部を逆転させて回転伝達軸における引っ張り力を解除することにより指機構の延ばし動作を行うことを特徴とする。

本発明は、上記構成により、前記回転伝達軸を回転させることで、指腹側への曲げ動作及び指背側への延ばし動作が行える。即ち、回転伝達軸の回転に伴い雄ねじ部が回転する。このとき、雄ねじ部は、前記指節部材の雌ねじ部に螺合していることにより、回転伝達軸の回転方向に応じて前記指節部材の内部を移動する。

指節部材の先端方向に向かって雄ねじ部が移動したときには、回転伝達軸に引っ張り力が付与される。これに伴い、各指節部材が各関節軸を介して指腹側へ屈曲し、指機構の指腹側への曲げ動作が行われる。このとき、回転伝達軸は撓み自在であることにより指機構の屈曲形状に沿って撓み、、指機構の曲げ動作を円滑に行うことができる。

また、指節部材の基端方向に向かって雄ねじ部が移動したときには、回転伝達軸の引っ張り力が解除され、同時に回転伝達軸による延ばし方向への突っ張り力が指機構の先端に位置する指節部材に付与されることにより、指機構の延ばし動作を行うことができる。

このように、撓み自在の回転伝達軸と雄ねじ部とを設けて回転伝達軸を回転させるだけで、指機構の指腹側への曲げ動作及び指背側への延ばし動作を行うことができるので、指機構の構造を簡単として軽量コンパクトなロボットハンド装置を構成することができる。

また、本発明において、前記指機構の各指節部材は、前記回転伝達軸の貫通位置に雌ねじ部が形成され、前記回転伝達軸には、各指節部材の雌ねじ部に夫々螺合する雄ねじ部が設けられ、互いに隣り合う雄ねじ部のピッチは、指先側の雄ねじ部が前記手嘗部側の雄ねじ部よりも大とされていることを特徴とする。

これによれば、回転伝達軸の回転により各指節部材毎に雄ねじ部が回転し、各指節部材間で回転伝達軸による引っ張り力を確実に発生させることができるので、関節毎の屈曲動作を確実に得ることができる。

また、本発明において、前記指機構を伸ばし動作方向に付勢する付勢手段を備えることが好ましい。これによれば、指節部材の基端方向に向かって雄ねじ部が移動して回転伝達軸の引っ張り力が解除されたとき、回転伝達軸による延ばし方向への突っ張り力が比較的弱くても、付勢手段の付勢により指機構の延ばし動作を迅速に行うことができる。しかも、指機構の延ばし動作に伴う回転伝達軸の撓みをなくすことができるので、延ばし動作を確実に行うことができる。

また、本発明においては、前記指機構の曲げ動作時に各指節部材間で前記回転伝達軸に当接して該回転伝達軸を屈曲案内するローラ部材を備えることが好ましい。これによれば、各指節部材が各関節軸を介して指腹側へ屈曲する際に、回転伝達軸を所定の屈曲位置で確実に屈曲させることができるので、指機構の曲げ動作を円滑に行うことができる。

また、本発明において、前記指機構が前記手嘗部に複数設けられているとき、前記駆動手段は、前記モータの回転を各指機構の前記回転伝達軸に夫々に分配する回転分配手段を備えることが好ましい。これによれば、複数の指機構の曲げ動作及び延ばし動作を単一のモータで駆動することができ、一層軽量コンパクトにすることができる。

本発明の一実施形態のロボットハンド装置の概略構成を示す説明図。 本実施形態のロボットハンド装置における指機構の構成を模式的に示す説明図。 図２の指機構の屈曲状態を模式的に示す説明図。

本実施形態のロボットハンド装置は、図１に示すように、手嘗部１と、該手嘗部１から延設された複数の指機構とを備えている。各指機構は、夫々、示指に相当する第１指機構２、中指に相当する第２指機構３、環指に相当する第３指機構４、及び小指に相当する第４指機構５からなる。なお、手嘗部１には、拇指に相当する拇指機構が設けられているがこの拇指機構の構成については省略する。手嘗部１は、図示しないロボットの腕体に取り付けられる。

第１指機構２は、図２に示すように、手嘗部１に第１関節軸６を介して揺動自在に連設された第１指節部材７と、第１指節部材７の先端側に第２関節軸８を介して揺動自在に連設された第２指節部材９と、第２指節部材９の先端側に第３関節軸１０を介して揺動自在に連設された第３指節部材１１とを備えている。各関節軸６，８，１０は、各指節部材７，９，１１の指背側に位置しており、各指節部材７，９，１１が各関節軸６，８，１０を介して指腹側に揺動することにより、図３に示すように、第１指機構２全体としての屈伸運動が行えるようになっている。また、各関節軸６，８，１０には、図示しないが、各指節部材７，９，１１を伸ばし動作方向に付勢するばね部材が内蔵されている。

図２に示すように、第１〜第３指節部材７，９，１１には、夫々、第１指機構２の延設方向に沿って形成された貫通孔１２，１３，１４が形成されている。各貫通孔１２，１３，１４の夫々の内面には、第１〜第３雌ねじ部１５，１６，１７が形成されている。第１〜第３雌ねじ部１５，１６，１７は夫々ねじピッチが異なっており、第１雌ねじ部１５より第２雌ねじ部１６のピッチが大とされ、第２雌ねじ部１６より第３雌ねじ部１７のピッチが大とされている。

第１〜第３指節部材７，９，１１の貫通孔１２，１３，１４には、手嘗部１から延びるフレキシブルワイヤ１８（回転伝達軸）が貫通して設けられている。フレキシブルワイヤ１８は、鋼線により撓み自在に形成され、その長手方向に所定間隔を存して、第１雌ねじ部１５に螺合する第１雄ねじ部１９と、第２雌ねじ部１６に螺合する第２雄ねじ部２０と、第３雌ねじ部１７に螺合する第３雄ねじ部２１とを備えている。

第１指機構２は以上の構成により、フレキシブルワイヤ１８を回転させることで、指腹側への曲げ動作及び指背側への延ばし動作を行うことができるようになっている。即ち、図２に示す延ばし状態でフレキシブルワイヤ１８を正転させると、各雄ねじ部１９，２０，２１が各指節部材７，９，１１内を指先方向に移動する。これにより、各雄ねじ部１９，２０，２１のピッチの違いから、各指節部材７，９，１１間に張力が生じて第１指機構２の曲げ動作が確実且つ滑らかに行われ、図３に示すように、第１指機構２が屈曲する。また、図３に示す屈曲状態でフレキシブルワイヤ１８を逆転させると、各雄ねじ部１９，２０，２１が各指節部材７，９，１１内を指基方向に移動し、各指節部材７，９，１１間の張力が解除される。そして、各関節軸６，８，１０に内蔵された各ばね部材の付勢により延ばし動作中におけるフレキシブルワイヤ１８の弛み等が取り除かれて、第１指機構２の延ばし動作が確実に行われ、図１に示すように、第１指機構２が延ばし状態となる。

更に、手嘗部１における第１指節部材７側の端部と、第１指節部材７における第２指節部材９側の端部と、第２指節部材９における第３指節部材１１側の端部との夫々には、ローラ部材２２，２３，２４が設けられている。各ローラ部材２２，２３，２４により、第１指機構２の曲げ姿勢に対応するようにフレキシブルワイヤ１８が屈曲するので、曲げ動作中におけるフレキシブルワイヤ１８の弛み等を取り除いて第１指機構２を確実に屈曲させることができる。

なお、第１指機構２の構成は上述の通りであるが、第２〜第４指機構３，４，５の各指機構も第１指機構２と同じ構成であるため、その説明を省略する。

前記手嘗部１は、単一のモータ２５と、モータ２５の回転を各指機構２，３，４，５のフレキシブルワイヤ１８に分配する回転分配手段２６とを備えている。なお、フレキシブルワイヤ１８、各雄ねじ部１９，２０，２１、モータ２５、及び回転分配手段２６は、本発明における駆動手段を構成するものである。

回転分配手段２６は、モータ２５に接続される入力軸２７と、各指機構２，３，４，５のフレキシブルワイヤ１８に接続される４つの出力軸２８，２９，３０，３１と、入力軸２７と各出力軸２８，２９，３０，３１との間で回転を伝達するギヤ群とを備えている。ここで、ギヤ群の構成の一例について説明する。入力軸２７には第１駆動ギヤ３２が設けられている。第１駆動ギヤ３２には、３つの伝達ギヤ３３，３４，３５を介して第２駆動ギヤ３６が噛合する。これにより第１駆動ギヤ３２と第２駆動ギヤ３６とは同速で同一方向に回転する。なお、本実施形態では第１駆動ギヤ３２と第２駆動ギヤ３６とに３つの伝達ギヤ３３，３４，３５を介在させているが、伝達ギヤの数及び径は手嘗部１の内部空間の大きさに応じて設定すればよく、第１駆動ギヤ３２と第２駆動ギヤ３６とを同一回転方向とする場合には伝達ギヤの数は奇数であればよい。第２駆動ギヤ３６には第１従動ギヤ３７と第２従動ギヤ３８とが夫々噛合する。第１従動ギヤ３７は第１出力軸２８を一体に備え、第１出力軸２８は第１指機構２のフレキシブルワイヤ１８の基端部に連結されている。第２従動ギヤ３８は第２出力軸２９を一体に備え、第２出力軸２９は第２指機構３のフレキシブルワイヤ１８の基端部に連結されている。同じように、第１駆動ギヤ３２には第３従動ギヤ３９と第４従動ギヤ４０とが夫々噛合する。第３従動ギヤ３９は第３出力軸３０を一体に備え、第３出力軸３０は第３指機構４のフレキシブルワイヤ１８の基端部に連結されている。第４従動ギヤ４０は第４出力軸３１を一体に備え、第４出力軸３１は第４指機構５のフレキシブルワイヤ１８の基端部に連結されている。以上の構成によるギヤ群により入力軸２７の回転が各出力軸２８，２９，３０，３１に分配される。

そして、回転分配手段２６を設けたことにより、単一のモータ２５であっても、第１〜第４指機構２，３，４，５の曲げ動作及び延ばし動作を確実に駆動することができる。

また、本実施形態においては、第１〜第４従動ギヤ３７，３８，３９，４０はそのギヤ比（従動ギヤの歯数／駆動ギヤの歯数）が互いに異なっている。即ち、第１従動ギヤ３７から第４従動ギヤ４０にかけて次第にギヤ比が小となるように、各従動ギヤ３７，３８，３９，４０の歯数が設定されている。こうすることにより、第４指機構５の曲げ速度が最も速く、第１指機構２の曲げ速度が最も遅くなるので、人間の握り動作に近い動きを得ることができる。

更に、図示しないが、入力軸２７又は各出力軸２８，２９，３０にトルクセンサを設けることが好ましい。これによれば、トルクセンサの検出トルクに基づいてモータ２５を制御することができ、例えば、各指機構２，３，４，５の曲げ動作に際して何れかの指機構に過大な負荷が生じた時点でモータ２５を停止させることができる。

以上のように、本実施形態によれば、フレキシブルワイヤ１８及び各雄ねじ部１９，２０，２１の回転により各指節部材７，９，１１の曲げ動作が円滑に行えるだけでなく、部品転数も少なくすることができ、軽量コンパクトなロボットハンド装置を得ることができる。

なお、本実施形態においては、第１〜第３指節部材７，９，１１の全てに雌ねじ部１５，１６，１７を設け、フレキシブルワイヤ１８に各雌ねじ部１５，１６，１７に螺合する雄ねじ部１９，２０，２１を設けて、各指節部材７，９，１１毎に確実に連動して滑らかに屈曲するように構成した例を示したが、それ以外に、図示しないが、指機構２（３，４，５）の曲げ動作及び延ばし動作を行うのみであれば、第３指節部材１１のみに雌ねじ部２１を設け、フレキシブルワイヤ１８にはこの雌ねじ部２１に螺合する雄ねじ部２１を設けておけばよい。これによれば、指機構２（３，４，５）を一層構造簡単として軽量コンパクトに構成することができる。

また、本実施形態においては、撓み自在の回転伝達軸として鋼線によるフレキシブルワイヤ１８を採用した例を示したが、回転伝達軸として採用できるものとして、図示しないが、複数のユニバーサルジョイントを連設してなるフレキシブルシャフト等を挙げることができる。

また、本実施形態においては、回転分配手段２６を設けて単一のモータ２５により各指機構２，３，４，５のフレキシブルワイヤ１８を回転させることができる構成を示したが、それ以外に、図示しないが、４つのモータを設けて、その夫々に各指機構２，３，４，５のフレキシブルワイヤ１８を接続してもよい。こうすることにより、各指機構２，３，４，５を独立して駆動することができ、各指機構２，３，４，５毎に曲げ動作及び延ばし動作を行って、複雑な動作を得ることができる。

１…手嘗部、２，３，４，５…指機構、６，８，１０…関節軸、７，９，１１…指節部材、１５，１６，１７…雌ねじ部、１８…フレキシブルワイヤ（回転伝達軸）、１９，２０，２１…雄ねじ部、２２，２３，２４…ローラ部材、２５…モータ、２６…回転分配手段。

Claims (5)

1. ロボットの腕体の先端部に取り付けられる手嘗部と、該手嘗部から延設され、複数の指節部材を関節軸を介して順次連設してなる指機構と、該指機構の指腹側への曲げ動作及び指背側への延ばし動作を駆動する駆動手段とを備えたロボットハンド装置において、
   前記指機構は、各指節部材間の指背側に各関節軸を備え、
   前記駆動手段は、前記手嘗部から各指節部材を貫通して延びる撓み自在の回転伝達軸と、
   該回転伝達軸に設けられ、少なくとも指機構の先端に位置する指節部材に形成された雌ねじ部に螺合する雄ねじ部と、前記手嘗部に収容され、前記回転伝達軸を介して雄ねじ部を回転駆動するモータとを備え、
   前記雄ねじ部を正転させて指先方向に移動させることにより回転伝達軸に引っ張り力を付与して指機構の曲げ動作を行い、前記雄ねじ部を逆転させて回転伝達軸における引っ張り力を解除することにより指機構の延ばし動作を行うことを特徴とするロボットハンド装置。
2. 前記指機構の各指節部材は、前記回転伝達軸の貫通位置に雌ねじ部が形成され、
   前記回転伝達軸には、各指節部材の雌ねじ部に夫々螺合する雄ねじ部が設けられ、
   互いに隣り合う雄ねじ部のピッチは、指先側の雄ねじ部が前記手嘗部側の雄ねじ部よりも大とされていることを特徴とする請求項１記載のロボットハンド装置。
3. 前記指機構を伸ばし動作方向に付勢する付勢手段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装置。
4. 前記指機構の曲げ動作時に各指節部材間で前記回転伝達軸に当接して該回転伝達軸を屈曲案内するローラ部材を備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載のロボットハンド装置。
5. 前記指機構は、前記手嘗部に複数設けられており、
   前記駆動手段は、前記モータの回転を各指機構の前記回転伝達軸に夫々に分配する回転分配手段を備えことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載のロボットハンド装置。

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