JP2013169633A - ロボットハンド用の指機構及びこの指機構を備えるロボットハンド - Google Patents

Abstract

【課題】指先部だけの動きで把持特性の変更を行うことのできるロボットハンドの指機構及びこの指機構を備えるロボットハンドを提供する。
【解決手段】ロボットハンド１は、掌部２と、掌部２に接続された２本の指部３，３とを備えている。各指部３は、回転軸４を介して一端が掌部２に回転可能に設けられた基部５と、基部５の他端側に回転軸６を介して一端が回転可能に設けられた指先部７と、回転軸６を回転制御する超音波モータ８とを備えている。指先部７は、回転軸６を挟んで互いに異なる方向に延びる第１突出部１１及び第２突出部１２を有している。第１突出部１１は第１把持面１３を備え、第２突出部１２は第２把持面１４を備え、第１把持面１３及び第２把持面１４はそれぞれ、指先部７の回転軸６を挟んだ異なる側の面に設けられている。
【選択図】図１

Description

この発明は、ロボットハンド用の指機構及びこの指機構を備えるロボットハンドに関する。

ロボットハンドを構成する指先部には、種々の素材からなるものや種々の形状を有するものが開発されており、それぞれに一長一短があるため、全ての把持対象物に対して汎用的に把持することのできるロボットハンドは開発されていない。ロボットハンドの動作を人の手の動作に近づけるためには、例えば関節の数を増やして把持対象物との接触面を増やすことが考えられる。しかし、関節の数が増えるとそれらを駆動させるためのモータを増やす必要があり、ロボットハンドが大型化すると共にコストも増加してしまう。

これに対し、引用文献１には、２つの指先部の間に把持対象物を挟むことによって把持対象物を把持するグリッパが記載されている。このグリッパは、ハンド本体に対して２つの指先部のそれぞれの一端が回動可能に取り付けられると共に各指先部には異なる把持特性を有する２つのグリップ爪が設けられ、各指先部を１８０°反転させることによって２つの指先部の把持面となるグリップ爪が変更されるようになり、例えば把持対象物の種類等により、把持面となるグリップ爪を変更することができる。

特開２００７−１１８１４８号公報

しかしながら、特許文献１に記載のグリッパでは、各指先部を１８０°反転させると、２つの指先部が延びる方向、すなわち把持方向も１８０°逆向きになるため、把持方向を変更させないためには、指先部の回転と共にハンド本体自体も回転させる必要がある。このため、グリッパ自体が大型化しコストも高くなるといった問題点があった。そもそも、グリッパと異なり、ロボットハンドでは、把持対象物を把持するのに指先だけでなく掌部も用いるため、ロボットハンドの構成にこのグリッパの構成を適用したとしても、各指先部を１８０°回動させると掌部が反対側の部分になってしまうため、把持対象物の把持ができなくなってしまう。

この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、指先部だけの動きで把持特性の変更を行うことのできるロボットハンドの指機構及びこの指機構を備えるロボットハンドを提供することを目的とする。

この発明に係るロボットハンドの指機構は、基部と、基部に連結されると共に基部の長さ方向に直交する回転軸及び回転軸を回転制御するアクチュエータを有する関節部と、回転軸に連結されると共に基部に対して回転軸を中心として回転可能な指先部とを備え、指先部は、回転軸を挟んでそれぞれ異なる方向に延びる第１突出部及び第２突出部を有し、回転軸を回転制御して指先部を回転させることで、第１突出部及び前記第２突出部のいずれか一方が、前記指機構による把持動作に用いられる。回転軸を中心に指先部を回転させるだけで、指機構による把持対象物の把持動作に第１突出部と第２突出部とのいずれを用いるのかを任意に切り換え可能となる。
第１突出部及び第２突出部はそれぞれ、互いに異なる把持特性を有する把持面を備えてもよい。
基部及び指先部は互いに回転軸の長さ方向にずれて回転軸に連結され、指先部の第１突出部及び第２突出部が共に基部との干渉を回避して回転軸の周りに回転可能であってもよい。
アクチュエータは超音波モータであってもよい。
指先部の回転角を検出する回転角センサを備えてもよい。
この発明に係るロボットハンドは、上記のロボットハンド用の指機構と、掌部とを備える。

この発明によれば、回転軸を中心に指先部を回転させるだけで、指機構による把持対象物の把持動作に第１突出部と第２突出部とのいずれを用いるのかを任意に切り換え可能となるので、指先部だけの動きで把持特性の変更を行うことができる。

この発明の実施の形態１に係る指機構を備えたロボットハンドの構成模式図である。 実施の形態１に係る指機構を備えたロボットハンドにおける基部と指先部との連結部分の側面図である。 実施の形態１に係る指機構を備えたロボットハンドにおいて、基部及び指先部の回転角の定義を説明するための図である。 実施の形態１に係る指機構を備えたロボットハンドの動作を説明するための図である。 実施の形態１に係る指機構を備えたロボットハンドにおける基部と指先部との連結部分の変形例の側面図である。 実施の形態２に係る指機構を備えたロボットハンドの構成模式図である。 実施の形態３に係る指機構を備えたロボットハンドの構成模式図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この実施の形態１に係る指機構を備えたロボットハンドの構成模式図を図１に示す。ロボットハンド１は、掌部２と、掌部２に接続された２本の指部３，３とを備えている。各指部３は、回転軸４を介して一端が掌部２に回転可能に設けられた基部５と、基部５の他端側に回転軸６を介して回転可能に設けられた指先部７と、回転軸６を回転制御するアクチュエータである超音波モータ８とを備えている。回転軸４及び６はそれぞれ、基部５の長さ方向に直交するように基部５に連結されている。回転軸６と超音波モータ８とは、関節部１５を構成する。超音波モータ８は他の公知のアクチュエータに比べて小型で高トルクなので、基部５に容易に搭載することができる。これにより、指部３ひいてはロボットハンド１を小型にすることができる。また、掌部２には、回転軸４を回転制御するアクチュエータ２０が設けられている。

指先部７は、回転軸６を挟んで互いに異なる方向に延びる第１突出部１１及び第２突出部１２を有している。第１突出部１１は第１把持面１３を備え、第２突出部１２は第２把持面１４を備えている。第１把持面１３及び第２把持面１４はそれぞれ、指先部７の回転軸６を挟んだ異なる側の面に設けられており、回転軸６を中心に指先部７を回転させた際に、把持対象物Ｏに対向するようになっている。第１把持面１３は、例えば柔軟なゴム材料からなり、平面形状の平面部１３ａを有している。第２把持面１４は、例えば第１把持面１３よりも硬いゴム材料からなり、第２把持面１４の幅方向（図１の紙面に対して垂直な方向）に延びる山部分１４ａ及び谷部分１４ｂが交互に配置された凹凸部を有している。このように、第１把持面１３と第２把持面１４とはそれぞれ異なる材料からなると共に異なる形状を有していることから、把持対象物Ｏに第１把持面１３及び第２把持面１４が接触する際に把持対象物Ｏへ与える物理的影響（接触面積や押圧力等）、すなわち把持特性（この場合では、第１把持面１３及び第２把持面１４それぞれの形状及びゴム材料の硬さ）が、第１把持面１３と第２把持面１４とで互いに異なっている。

回転軸６には、指先部７の回転角を検出するための回転角センサ９が設けられている。また、回転軸４には、基部５の回転角を検出するための回転角センサ２１が設けられている。回転角センサ９と、超音波モータ８と、回転角センサ２１と、アクチュエータ２０とはそれぞれ、制御部１０に電気的に接続されている。尚、基部５及び指先部７それぞれの回転角の定義については後述する。

図２に示されるように、基部５及び指先部７は、回転軸６の長さ方向にずれて回転軸６に連結されて、指先部７が基部５に対して回転する際に基部５と指先部７との間に隙間Ｇが存在している。このような構成により、回転軸６を中心に指先部７を回転させたときに指先部７が基部５に当たってそれ以上の回転が抑制されることを防ぐことができ、その結果、指先部７は基部５に対して３６０°の回転が可能となる。尚、基部５と指先部７との間に隙間Ｇが存在しなくても、基部５と指先部７とが接しながら基部５に対して指先部７が３６０°回転可能な形態でも、指先部７は基部５に干渉されないので同じ効果を得ることができる。

図３（ａ）に示されるように、基部５と指先部７とが直線状になっており、かつ、第１把持面１３が指部３の先端に位置しているときを、指先部７の回転角は０°であるとする。指先部７が矢印Ａの方向に回転するにつれて指先部７の回転角が増加することとし、図３（ｂ）に示されるように、基部５と指先部７とが直線状になり、かつ、第２把持面１４が指部３の先端に位置するようになると、指先部７の回転角は１８０°となる。指先部７の回転角が０°から１８０°までの範囲のとき、制御部１０（図１参照）は、第１把持面１３が把持対象物Ｏ（図１参照）との接触面として使用されている、すなわち、第１突出部１１が、指部３による把持対象物Ｏの把持動作に用いられていると認識する。さらに指先部７が矢印Ａの方向に回転するにつれて指先部７の回転角が増加し、指先部７の回転角が３６０°になると再び図３（ａ）の状態になる。指先部７の回転角が１８０°から３６０°までの範囲のとき、制御部１０は、第２把持面１４が把持対象物Ｏとの接触面として使用されている、すなわち、第２突出部１２が、指部３による把持対象物Ｏの把持動作に用いられていると認識する。

基部５の回転角については、図３（ａ）や（ｂ）に示されるように、基部５が掌部２に対して垂直の状態を９０°の回転角とし、基部５がもう一方の基部５に近づく方向に回転すると回転角が減少し、基部５がもう一方の基部５から離れる方向に回転すると回転角が増加するものと定義する。従って、実施の形態１に係るロボットハンド１では、基部５は、０°から１８０°までの回転角の範囲で、回転軸４を中心に回転可能である。

次に、この発明の実施の形態１に係る指機構を備えたロボットハンドの動作について説明する。
図４（ａ）に示されるように、把持対象物Ｏが柔らかい材料からなり壊れやすいものである場合には、把持対象物Ｏとの接触面として、第１把持面１３を使用する。制御部１０（図１参照）は、各指部３の超音波モータ８を動作させて、基部５と指先部７とを直線状にする（指先部７の回転角を０°にする）と共に、基部５，５間で掌部２に把持対象物Ｏが接するようにするために、アクチュエータ２０（図１参照）を動作させて、基部５の回転角を９０°から１８０°の間の適当な回転角になるようにする。

図４（ｂ）に示されるように、制御部１０は、各指部３のアクチュエータ２０を動作させて、各基部５が把持対象物Ｏに接するように各基部５を回転させると共に、超音波モータ８（図１参照）を動作させて、各指先部７の第１把持面１３が把持対象物Ｏに対し、把持対象物Ｏを持ち上げたときに把持対象物Ｏが落下しないほど十分な押圧力を与えるまで各指先部７を回転角が増加する方向に回転させる。第１把持面１３は、柔軟なゴム材料から形成されていることにより、その平面部１３ａが把持対象物Ｏに接触する際に変形して、比較的大きな接触面積で把持対象物Ｏとの接触が可能となる。これにより、第１把持面１３から把持対象物Ｏに与える押圧力が分散するため、柔らかい材料からなり壊れやすい把持対象物Ｏであっても、把持対象物Ｏの変形を最小限に抑えて、すなわち把持対象物Ｏの破壊を防ぎながら、把持対象物Ｏを把持することができる。尚、把持対象物Ｏを放す場合には、上記動作とは逆の動作を行えばよい。

一方、把持対象物Ｏが硬い材料からなり重いものである場合には、把持対象物Ｏとの接触面として、第２把持面１４を使用する。制御部１０は、各指部３の超音波モータ８を動作させて、基部５と指先部７とを直線状にする（指先部７の回転角を１８０°にする）と共に、基部５，５間で掌部２に把持対象物Ｏが接するようにするために、アクチュエータ２０を動作させて、基部５の回転角を９０°から１８０°の間の適当な回転角になるようにする。この後の動作は、把持対象物Ｏとの接触面が第２把持面１４である点を除き、上記動作と同じである。ただし、把持対象物Ｏは硬い材料からなり重いものであるため、第２把持面１４から把持対象物Ｏに与える押圧力は、上記動作の場合よりも大きくする必要がある。第２把持面１４は凹凸部を有しているので、把持対象物Ｏが指部３，３間を滑り落ちるのを防ぐ効果がある。

このように、回転軸６を中心に指先部７を回転させるだけで、指部３による把持対象物Ｏの把持動作に第１突出部１１と第２突出部１２とのいずれを用いるのかを任意に選択可能となるので、指先部７だけの動きで把持特性の変更を行うことができる。

実施の形態１では、第１把持面１３は、柔軟なゴム材料からなり、平面形状の平面部１３ａを有すると共に、第２把持面１４は、第１把持面１３よりも硬いゴム材料からなり、ギザギザの形状を有していたがこの形態に限定するものではない。第１把持面１３及び第２把持面１４それぞれによって把持対象物Ｏに与えられる物理的影響が異なればどのような形態であってもよく、第１把持面１３及び第２把持面１４それぞれが、同じ材料からなると共にサイズや形状が異なる形態、異なる材料からなると共にサイズや形状が同じ形態、材料、サイズ、形状のいずれもが異なる形態等どのような形態であってもよい。これとは異なり、第１把持面１３及び第２把持面１４それぞれが同じ把持特性を有する形態、すなわちそれぞれが同じ材料からなると共にサイズや形状が同じ形態であってもよい。この場合には、異なる性質の把持対象物Ｏを把持する目的では性能が劣るが、第１把持面１３及び第２把持面１４のいずれかが摩耗や損傷をした場合に他方に切り替えればよいので、耐久性に優れることとなる。

実施の形態１では、指先部７において、第１突出部１１と第２突出部１２とが一体となっていたが、この形態に限定するものではない。図５（ａ）及び（ｂ）に示されるように、第１突出部１１と第２突出部１２とがそれぞれ別体となり、基部５に対してそれぞれ反対側に設けられる構成であってもよい。この形態でも、第１突出部１１及び第２突出部１２が回転軸６の長さ方向に基部５からずれて回転軸６に連結されて、第１突出部１１が基部５に対して回転する際に第１突出部１１と基部５との間に隙間Ｇ’が存在し（図５（ａ）参照）、第２突出部１２が基部５に対して回転する際に第２突出部１２と基部５との間に隙間Ｇ”が存在する（図５（ｂ）参照）。その結果、第１突出部１１及び第２突出部１２はそれぞれ基部５に対して３６０°の回転が可能となる。尚、隙間Ｇ’及びＧ”が存在しなくても、基部５と第１突出部１１及び第２突出部１２とが接しながら基部５に対して第１突出部１１及び第２突出部１２がそれぞれ３６０°回転可能な形態でもよい。

実施の形態１では、回転軸６を中心に指先部７を回転させるためのアクチュエータとして超音波モータ８を使用していたが、これに限定するものではなく、任意のアクチュエータを使用することができる。また、使用するアクチュエータによって、搭載する箇所も基部５に限定するものではなく、任意の個所に搭載してもよい。

実施の形態１では、回転軸４及び６それぞれに回転角センサ２１及び９が設けられていたが、この形態に限定するものではない。超音波モータ８やアクチュエータ２０内の図示しない歯車等の位置から制御部１０が指先部７及び基部５の回転角を認識するようにしてもよい。この場合には、制御部１０が回転角センサを構成する。

実施の形態１では、２本の指部３の指先部７がいずれも、把持対象物Ｏとの接触面として、第１把持面１３または第２把持面１４のいずれか一方であったが、この形態に限定するものではない。片方の指部３の指先部７は、第１把持面１３が把持対象物Ｏと接触し、他方の指部３の指先部７は、第２把持面１４が把持対象物Ｏと接触するような形態であってもよい。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る指機構を備えたロボットハンドについて説明する。尚、以下の実施の形態において、図１〜５の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この発明の実施の形態２に係るロボットハンドは、実施の形態１に対して、第１突出部１１及び第２突出部１２自体の形態をそれぞれ異なるようにしたものである。

図６に示されるように、ロボットハンド３１において、指先部７の第１突出部１１は、回転軸６から離れる方向に向かって厚さが減少する形状を有し、第１突出部１１を回転軸６の長さ方向に見たときに、第１突出部１１は三角形の形状を有している。第２突出部１２も第１突出部１１と同様の形状を有しているが、第１突出部１１のサイズは、第２突出部１２のサイズよりも小さくなっている。第１突出部１１及び第２突出部１２が有する第１把持面１３及び第２把持面１４はそれぞれ、同じ材料から形成されると共に同じ形状を有するが、第１突出部１１及び第２突出部１２それぞれの大きさに比例するようにして、第２把持面１４のサイズが第１把持面１３のサイズよりも大きくなっている。その他の構成は、実施の形態１と同じである。尚、図６では、図１に図示されている超音波モータ８と、回転角センサ９及び２１と、アクチュエータ２０と、制御部１０とは図示を省略している。

図６に示されるように、把持対象物Ｏのサイズが比較的小さい場合には、小さいサイズの第１突出部１１を、指部３による把持対象物Ｏの把持動作に用いる。この場合には、把持対象物Ｏは、掌部２や基部５に接触せずに、各指部３の第１突出部１１によって挟まれるようにして把持されることとなり、小さな物体をピンセットで挟むような感覚で把持対象物Ｏを把持することになる。一方、把持対象物Ｏのサイズが比較的大きい場合には、実施の形態１と同じ動作により、大きいサイズの第２突出部１２を、指部３による把持対象物Ｏの把持動作に用いる。この場合には、把持対象物Ｏは、掌部２と、基部５と、第２突出部１２に接して、これらに握られるような感覚で把持されることになる。

このように、指先部７が、それぞれサイズの異なる第１突出部１１及び第２突出部１２を有することにより、把持対象物Ｏのサイズに合わせて、回転軸６を中心に指先部７を回転させるだけで、指部３による把持対象物Ｏの把持動作に第１突出部１１と第２突出部１２とのいずれを用いるのかを任意に選択可能となるので、指先部７だけの動きで把持特性の変更を行うことができる。

実施の形態２では、第１突出部１１及び第２突出部１２はそれぞれ、サイズは異なるものの同様の形状を有していたが、この形態に限定するものではない。形状のみが異なる形態や、形状及びサイズの両方が異なる形態であってもよい。また、実施の形態２では、第１把持面１３及び第２把持面１４はそれぞれ、サイズのみが異なっていたが、この形態に限定するものではない。実施の形態１と同様に、材質、形状も異なっていてもよい。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係る指機構を備えたロボットハンドについて説明する。
この発明の実施の形態３に係るロボットハンドは、実施の形態１に対して、指先部７に設ける把持面の数を増やしたものである。

図７（ａ）に示されるように、ロボットハンド４１は、指先部７の第１突出部１１に、第１突出部１１の長さ方向に関して第１把持面１３と対称な位置に第３把持面４３が設けられている。また、指先部７の第２突出部１２に、第２突出部１２の長さ方向に関して第２把持面１４と対称な位置に第４把持面４４が設けられている。基部５の回転角を、実施の形態１で定義したものとすると、基部５は、０°から３６０°までの回転角の範囲で、回転軸４を中心に回転可能である。その他の構成は、実施の形態１と同じである。尚、図７（ａ）及び（ｂ）では、図１に図示されている超音波モータ８と、回転角センサ９及び２１と、アクチュエータ２０と、制御部１０とは図示を省略している。

次に、この発明の実施の形態３に係る指機構を備えたロボットハンドの動作について説明する。
第１把持面１３及び第２把持面１４の切り替えの目的及び動作については、実施の形態１と同じである。図７（ａ）には、実施の形態１と同じ動作で第１把持面１３を接触面として把持対象物Ｏを把持した状態が示されている。この状態から回転軸４を中心に基部５を１８０°反転させると、図７（ｂ）に示されるように、掌部２に関して図７（ａ）に図示された形態とは反対側で、第３把持面４３が把持対象物Ｏとの接触面となる形態となる。この形態での把持対象物Ｏを把持する動作は、実施の形態１と同様である。第３把持面４３の把持特性を第１把持面１３及び第２把持面１４の把持特性と異なるものにすることで、把持できる把持対象物Ｏの特性を広げることができる。

図７（ｂ）の状態で、回転軸６を中心に指先部を矢印Ｂの方向に回転すると、第４把持面４４が把持対象物Ｏとの接触面となる形態となる。この形態での把持対象物Ｏを把持する動作は、第３把持面４３が把持対象物Ｏとの接触面となる形態の場合の動作と同じである。第４把持面４４の把持特性を、第１把持面１３、第２把持面１４、第３把持面４３の把持特性と異なるものにすることで、把持できる把持対象物Ｏの特性をさらに広げることができる。

実施の形態３では、第１把持面１３、第２把持面１４、第３把持面４３、第４把持面４４の把持特性がすべて異なっていたが、この形態に限定するものではない。これらすべての把持特性が同じ形態や、これらのうちの２つまたは３つの把持特性が同じ形態であってもよい。

実施の形態１〜３では、指部３は２本であったが、３本以上であってもよい。この場合、基部５の回転軸４がそれぞれ直線状に配列された形態でもよく、同一平面状に非直線状に配列された形態でもよく、同一平面状に配列されていない形態でもよい。また、実施の形態１〜３では、指部３は、基部５及び指先部７の２つの部分から構成されていたが、この形態に限定するものではない。指部は、３つ以上の部分から構成されていてもよく、この場合には、一番先端に位置する部分が、実施の形態１〜３に係る指先部７の構成を有していればよい。

１，３１，４１ ロボットハンド、２ 掌部、３ 指部（指機構）、５ 基部、６ 回転軸、７ 指先部、８ 超音波モータ（アクチュエータ）、９ 回転角センサ、１１ 第１突出部、１２ 第２突出部、１３ 第１把持面、１４ 第２把持面、１５ 関節部、Ｇ，Ｇ’，Ｇ” 隙間。

Claims (6)

1. 基部と、
   該基部に連結されると共に該基部の長さ方向に直交する回転軸及び該回転軸を回転制御するアクチュエータを有する関節部と、
   前記回転軸に連結されると共に前記基部に対して前記回転軸を中心として回転可能な指先部と
   を備えるロボットハンド用の指機構であって、
   前記指先部は、前記回転軸を挟んでそれぞれ異なる方向に延びる第１突出部及び第２突出部を有し、
   前記回転軸を回転制御して前記指先部を回転させることで、前記第１突出部及び前記第２突出部のいずれか一方が、前記指機構による把持動作に用いられるロボットハンド用の指機構。
2. 前記第１突出部及び前記第２突出部はそれぞれ、互いに異なる把持特性を有する把持面を備える、請求項１に記載のロボットハンド用の指機構。
3. 前記基部及び前記指先部は互いに前記回転軸の長さ方向にずれて該回転軸に連結され、前記指先部の前記第１突出部及び前記第２突出部が共に前記基部との干渉を回避して前記回転軸の周りに回転可能である、請求項１または２に記載のロボットハンド用の指機構。
4. 前記アクチュエータは超音波モータである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のロボットハンド用の指機構。
5. 前記指先部の回転角を検出する回転角センサを備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載のロボットハンド用の指機構。
6. 複数の請求項１〜５のいずれか一項に記載のロボットハンド用の指機構と、
   掌部と
   を備えるロボットハンド。

Images