JP2015058519A - ロボットハンド - Google Patents

Abstract

【課題】作用する外力の状態を検出する機構による指機構の体格の増大を抑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１００の複数の指機構１０，２０は、指節部１０ｂ，２０ｂ、第二関節部１１ｂ，２１ｂ及び駆動装置３１，３２を有する。第二関節部１１ｂ，２１ｂは、駆動装置３１，３２によって回転駆動される駆動プーリ１７，２７と、回転して指機構１０，２０を回動させる従動プーリ１３，２３と、駆動プーリ１７，２７及び従動プーリ１３，２３に巻回され伸縮性のあるタイミングベルト１５，２５とを有する。駆動プーリ１７，２７及び従動プーリ１３，２３には、回転角度を検知する駆動側回転センサ１８，２８及び従動側回転センサ１４，２４が設けられ、駆動装置３１，３２の制御装置３０は、駆動側回転センサ１８，２８及び従動側回転センサ１４，２４が検知した回転角度の差に基づき、指機構１０，２０に作用する力の状態を検出する。【選択図】図１

Description

この発明はロボットハンドに関する。

ロボットハンドは、対象物の把持や目標位置への移動などの動作時に、対象物や周囲の障害物に接触または衝突して外力を受ける。そして、ロボットハンドに作用する外力を検出することによって、ロボットハンドの動作制御が行われている。
特許文献１には、マニピュレータの関節に作用するトルクを検出する機構が記載されている。このマニピュレータは、マスタースレーブマニピュレータを構成し、マス上腕アーム、前腕アーム、手首フレーム及びグリップからなるマスターアームを備えている。そして、マスターアームでは、スレーブアームが受ける反作用力をグリップの操作者に伝達するために、スレーブアームの各関節が受けるトルクに応じたトルクを、モータの駆動力を用いてマスターアームの各関節に与える機構が組み込まれている。

さらに、上記機構には、各関節に与えるトルクをフィードバック制御できるように作用トルクを検出する機構も設けられている。例えば、手首フレームとグリップとの間における作用トルク検出機構では、手首フレームに埋め込まれたモータの駆動軸に設けられたプーリと、グリップの関節軸に設けられたプーリとが、タイミングベルトによって連結されている。さらに、タイミングベルトに対して外側から移動可能なテンションプーリが押し付けられ、それによりタイミングベルトに張力が与えられている。なお、テンションプーリは、力センサを間に挟んで押付ねじによって押圧されている。そして、力センサは、モータが駆動した際にタイミングベルトの張力が変化することによって変化するテンションプーリからの反力を検出する。そして、この反力の変化量に基づき、グリップの関節軸に作用するトルクが測定され、グリップの関節軸に与えるべきモータによるトルクがフィードバック制御される。

実開昭６３−４１４９５号公報

特許文献１における作用トルク検出機構では、力センサと、テンションプーリを移動させる機構とを設ける必要があり、これらはいずれもその体格が大きくなってしまう。特に、ロボットハンドでは、指機構の指先を細くしたいという要求があるため、指先の体格が増大することは大きな問題である。

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、作用する外力の状態を検出する機構による指機構の体格の増大を抑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は、指節部と、指節部を回動可能に支持する関節部と、関節部を駆動する駆動源とを有する複数の指機構を備えるロボットハンドにおいて、少なくとも１つの指機構に設けられ、少なくとも１つの指機構における関節部の駆動に関連する回転角度を検知する第一回転検知部及び第二回転検知部と、第一回転検知部及び第二回転検知部の検知結果に基づき、駆動源の動作を制御する制御手段とを備え、少なくとも１つの指機構における関節部は、駆動源によって回転駆動される駆動輪と、回転することによって指節部を回動させる従動輪と、駆動輪から従動輪にわたって巻回され、駆動輪の回転を従動輪に伝達する伸縮性のある無端帯状体とを有し、第一回転検知部は、駆動輪の回転角度を検知し、第二回転検知部は、従動輪の回転角度を検知し、制御手段は、第一検知部及び第二回転検知部から受け取る回転角度の差に基づき、指機構に作用する力の状態を検出する。

制御手段は、検知された駆動輪の回転角度と従動輪の回転角度との差が、駆動輪と従動輪とが無端帯状体を介して一体に回転する状態である定常状態における駆動輪の回転角度と従動輪の回転角度との差と異なると、指機構に作用する力の状態に変化が生じたと判定してもよい。
制御手段は、指機構の動作中、第二回転検知部によって従動輪の回転の停止を検知してから、第一回転検知部によって予め設定した閾値以上の回転角度での駆動輪の回転を検知すると、指機構が対象物に接触したと判定してもよい。
制御手段は、指機構の動作中、第二回転検知部によって従動輪の回転の停止を検知してから、第一回転検知部によって検知される駆動輪の回転角度の時間あたりの変化量が所定の変化量以下となると、指機構が対象物に接触したと判定してもよい。
制御手段は、指機構が対象物に接触したと判定すると、駆動源を停止してもよい。

制御手段は、指機構での把持対象の把持中、駆動輪の駆動を停止している状態で第二回転検知部によって予め設定した閾値以上の回転角度での従動輪の回転を検知すると、把持対象が指機構から離れたと判定してもよい。
制御手段は、指機構で把持を行っていない状態での駆動源の停止中、第二回転検知部によって予め設定した閾値以上の回転角度での従動輪の回転を検知すると、指機構に所定以上の外力が作用したと判定し、指機構を外力を受ける側と反対側に向かって回動させるように、駆動源を駆動させてもよい。

この発明によるロボットハンドによれば、作用する外力の状態を検出する機構による指機構の体格の増大を抑えることが可能になる。

この発明の実施の形態に係るロボットハンドの構成を示す模式図である。 ケース１における、経過時間と、指機構の駆動プーリ及び従動プーリの回転角度との関係の一態様を示す図である。 ケース１における、経過時間と、指機構の駆動プーリ及び従動プーリの回転角度との関係の別の一態様を示す図である。 ケース１における、経過時間と、指機構の駆動プーリ及び従動プーリにおける時間あたりの回転角度量との関係の一態様を示す図である。 ケース２における、経過時間と、指機構の駆動プーリ及び従動プーリの回転角度との関係の一態様を示す図である。 ケース３における、経過時間と、指機構の駆動プーリ及び従動プーリの回転角度との関係の一態様を示す図である。

実施の形態
以下に、この発明の実施の形態について、添付図に基づいて説明する。
まず、この発明の実施の形態に係るロボットハンド１００の構成を説明する。
図１を参照すると、ロボットハンド１００は、ハンド基部１に設けられた複数の指機構１０及び２０を有している。なお紙面上では、複数の指機構のうちの２つが示されており、これら２つの指機構１０及び２０は、互いに向かって接近する又は離れる方向に屈折するように構成されている。

指機構１０及び２０はそれぞれ、その先端側から第一指節部１０ａ及び２０ａ、並びに第二指節部１０ｂ及び２０ｂによって構成されている。第一指節部１０ａ及び２０ａは、第二指節部１０ｂ及び２０ｂに設けられ且つ第一関節部１１ａ及び２１ａを構成する超音波モータによって、第二指節部１０ｂ及び２０ｂに回動自在に連結されている。第二指節部１０ｂ及び２０ｂはそれぞれ、第二関節部１１ｂ及び２１ｂによってハンド基部１に回動自在に連結されている。
さらに、第一指節部１０ａ及び２０ａと第二指節部１０ｂ及び２０ｂとにはそれぞれ、把持した際に把持対象物を傷つけないために、そして、把持対象物が滑り落ちないようにするために、各外表面の少なくとも把持部分に、弾性材料による被覆が施されている。

また、第二関節部１１ｂ及び２１ｂに連結される第二指節部１０ｂ及び２０ｂの端部にはそれぞれ、円板状の従動プーリ１３及び２３が従動軸１２及び２２を介して一体回転するように連結されている。つまり、第二指節部１０ｂ及び２０ｂと従動プーリ１３及び２３とはそれぞれ、従動軸１２及び２２を中心として、従動軸１２及び２２と共に一体に回転することができる。なお、従動プーリ１３及び２３は、ロボットハンド１００のハンド基部１内に部分的又は全体的に含まれている。
ここで、従動プーリ１３及び２３は、従動輪を構成している。

さらに、従動軸１２及び２２の周りにはそれぞれ、従動軸１２及び２２の回転角度、つまり従動プーリ１３及び２３の回転角度を検知するための従動側回転センサ１４及び２４が設けられている。ここで、従動側回転センサ１４及び２４は、第二回転検知部を構成している。
従動側回転センサ１４及び２４は、従動プーリ１３及び２３の回転角度、すなわち第二指節部１０ｂ及び２０ｂの回動角度を検知するために、従来のロボットハンドにも設けられるものである。そして、従動側回転センサ１４及び２４は、検知角度情報を送るように、ロボットハンド１００の制御手段である制御装置３０に電気的に接続されている。なお、従動側回転センサ１４及び２４には、エンコーダ、ポテンションセンサ等を用いることができる。

また、ロボットハンド１００は、ハンド基部１内に、第二指節部１０ｂ及び２０ｂをそれぞれ回動駆動するための第一駆動装置３１及び第二駆動装置３２を有している。第一駆動装置３１及び第二駆動装置３２のそれぞれの回転駆動軸は、ハンド基部１内に設けられた円板状の駆動プーリ１７及び２７の駆動軸１６及び２６と、回転駆動力を伝達できるように接続されている。駆動プーリ１７及び２７はそれぞれ、従動プーリ１３及び２３よりも大幅に小さい直径を有している。第一駆動装置３１及び第二駆動装置３２はそれぞれ、駆動軸１６及び２６を介して駆動プーリ１７及び２７を回転駆動することができ、電動モータ、超音波モータ等によって構成される。なお、第一駆動装置３１及び第二駆動装置３２は、その動作の制御を受けるように、制御装置３０に電気的に接続されている。
ここで、駆動プーリ１７及び２７は駆動輪を構成し、第一駆動装置３１及び第二駆動装置３２は駆動源を構成している。

さらに、駆動軸１６及び２６の周りにはそれぞれ、駆動軸１６及び２６の回転角度、つまり駆動プーリ１７及び２７の回転角度を検知するための駆動側回転センサ１８及び２８が設けられている。これら駆動側回転センサ１８及び２８は、第二指節部１０ｂ及び２０ｂの回動角度を検知しさえすればよかった従来のロボットハンドでは、設けられなかったものである。駆動側回転センサ１８及び２８は、検知角度情報を送るように、制御装置３０に電気的に接続されている。なお、駆動側回転センサ１８及び２８には、エンコーダ、ポテンションセンサ等を用いることができる。ここで、駆動側回転センサ１８及び２８は、第一回転検知部を構成している。

さらに、駆動プーリ１７の外周から従動プーリ１３の外周にわたって掛け渡されてこれら２つのプーリの全体に対して外周に巻回されるようにして、無端帯状で弾性つまり伸縮性を有するタイミングベルト１５が設けられている。これにより、第一駆動装置３１が駆動すると、駆動軸１６を中心に駆動プーリ１７が回転駆動され、さらに、駆動プーリ１７の回転力がタイミングベルト１５を介して従動プーリ１３に伝達し、従動プーリ１３及び第二指節部１０ｂが、従動軸１２を中心として駆動プーリ１７と同方向に、且つ回転速度を駆動プーリ１７から大幅に減速して、回転する。

また、駆動プーリ２７の外周から従動プーリ２３の外周にわたって掛け渡されてこれら２つのプーリの全体に対して外周に巻回されるようにして、無端帯状で弾性つまり伸縮性を有するタイミングベルト２５が設けられている。これにより、第二駆動装置３２が駆動すると、駆動軸２６を中心に駆動プーリ２７が回転駆動され、さらに、駆動プーリ２７の回転力がタイミングベルト２５を介して従動プーリ２３に伝達し、従動プーリ２３及び第二指節部２０ｂが、従動軸２２を中心として駆動プーリ２７と同方向に、且つ回転速度を駆動プーリ２７から大幅に減速して、回転する。
ここで、タイミングベルト１５及び２５は、無端帯状体を構成し、従動プーリ１３、駆動プーリ１７及びタイミングベルト１５は、第二関節部１１ｂを構成し、従動プーリ２３、駆動プーリ２７及びタイミングベルト２５は、第二関節部２１ｂを構成している。

次に、この発明の実施の形態に係るロボットハンド１００の動作を説明する。
図１を参照すると、ロボットハンド１００の制御装置３０は、例えば、対象物を把持して移動する把持指令を受け取ると、ハンド基部１が連結された図示しないアームを動作させてハンド基部１を対象物の近傍に移動させる。さらに、制御装置３０は、第一駆動装置３１、第二駆動装置３２、並びに第一関節部１１ａ及び２１ａの超音波モータを適宜選択して駆動し、指機構１０及び２０に回動、屈折させて、対象部を把持させる。このとき、制御装置３０は、駆動側回転センサ１８及び２８、並びに従動側回転センサ１４及び２４から受け取る回転角度情報から、第二指節部１０ｂ及び２０ｂの回動角度を検知して、指機構１０及び２０の状態を判定し、指機構１０及び２０の動作を制御する。そして、制御装置３０は、把持完了後、図示しないアームを動作させてハンド基部１を移動目的地に移動し、さらに、第一駆動装置３１、第二駆動装置３２、並びに第一関節部１１ａ及び２１ａの超音波モータを適宜選択して駆動して、指機構１０及び２０に把持した対象物を離させる。
上述の一連の把持動作に代表される動作の中で、制御装置３０は、例えば、下記のようなケースについて指機構１０及び２０に作用する外力を検出することで、ロボットハンド１００の動作の制御にフィードバックさせている。つまり、「ケース１：把持の際に指機構が対象物に接触したか」、「ケース２：対象物を把持しているか」、及び「ケース３：把持状態でない指機構に対象物による衝突が発生したか」である。

「ケース１（把持の際に指機構が対象物に接触したか）の場合」
このケースでは、制御装置３０は、指機構１０及び２０に作用する外力（対象物からの反力）の状態を検出することによって、把持の際に指機構１０及び２０が対象物に接触したかを判定し、この判定結果を把持動作の制御にフィードバックする。
指機構１０及び２０を接近させて対象物を把持する動作を行う際、第一駆動装置３１及び第二駆動装置３２を稼動させて指機構１０及び２０を動作させるが、指機構１０及び２０が対象物に当接すると、指機構１０及び２０が動作を停止し従動プーリ１３及び２３が回転を停止する。

しかしながら、タイミングベルト１５及び２５は弾性（伸縮性）を有するため、稼働中の第一駆動装置３１及び第二駆動装置３２は、駆動プーリ１７及び２７に対して、従動プーリ１３及び２３との間のタイミングベルト１５及び２５を伸長させつつ把持動作を行う方向へ、回転を継続させる。そして、第一駆動装置３１及び第二駆動装置３２は、その回転駆動力とタイミングベルト１５及び２５の張力とが釣り合う時点まで、駆動プーリ１７及び２７の回転を継続させようとする。このとき、タイミングベルト１５では、駆動プーリ１７及び従動プーリ１３を挟んで指機構２０側（つまり、対象物側）となる内側部位１５ａが伸び、駆動プーリ１７及び従動プーリ１３を挟んで指機構２０と反対側となる外側部位１５ｂが縮んで緩む。同様に、タイミングベルト２５では、駆動プーリ２７及び従動プーリ２３を挟んで指機構１０側（つまり、対象物側）となる内側部位２５ａが伸び、駆動プーリ２７及び従動プーリ２３を挟んで指機構１０と反対側となる外側部位２５ｂが縮んで緩む。

また、制御装置３０は、駆動側回転センサ１８及び２８、並びに従動側回転センサ１４及び２４を用いて駆動プーリ１７及び２７の回転角度、並びに従動プーリ１３及び２３の回転角度を取得している。
そして、指機構１０及び２０における可動部分である連結部分には遊びやバックラッシュがあり、タイミングベルト１５及び２５にも僅かに撓みがある場合がある。さらに、対象物を把持する際には、指機構１０及び２０は、対象物に単に当接するだけでなく、対象物から反力を受けるように把持力を伴った状態で対象物に接触する必要がある。
このため、制御装置３０は、指機構１０及び２０が対象物に当接して従動プーリ１３及び２３の回転が停止した時点から駆動プーリ１７及び２７が所定の回転量以上回転した場合に、指機構１０及び２０が対象物に把持力を伴った状態で接触したと判定し、第一駆動装置３１及び第二駆動装置３２を停止する。このとき、内側部位１５ａ及び２５ａが伸びることによるタイミングベルト１５及び２５の張力が、把持力として作用する。

なお、上記所定の回転量とは、従動プーリ１３及び２３の回転が停止した時点からの、駆動プーリ１７及び２７の回転角度であってもよく、駆動プーリ１７及び２７が回転を継続した時間であってもよく、又は、駆動プーリ１７及び２７の時間あたりの回転角度量としてもよい。

上記所定の回転量を回転角度とする場合、経過時間と指機構１０の駆動プーリ１７の回転角度及び従動プーリ１３の回転角度との関係を示す図２を図１とあわせて参照する。なお、指機構２０おいても、駆動プーリ２７及び従動プーリ２３は、指機構１０と同様の動作を示す。
制御装置３０は、時間ｔ１において、対象物の把持動作を行うために第一駆動装置３１及び第二駆動装置３２を起動して駆動プーリ１７，２７及び従動プーリ１３，２３を回転駆動する（点Ａ１−１，Ｂ１−１）。そして、時間ｔ２において、指機構１０，２０が対象物に当接し従動プーリ１３，２３が回転を停止する（点Ａ１−２，Ｂ１−２）。しかしながら、回転駆動力の付与が継続している駆動プーリ１７，２７は、指機構１０，２０の遊びやバックラッシュを解消すると共にタイミングベルト１５，２５の内側部位１５ａ，２５ａを伸長させつつ、回転を継続する。そして、駆動プーリ１７，２７は、伸長に伴い増加するタイミングベルト１５，２５の張力によってその回転速度を減少させていき、時間ｔ３において回転を停止する（点Ａ１−３）。

これにより、制御装置３０は、駆動側回転センサ１８，２８によって駆動プーリ１７，２７の停止を検知し、指機構１０，２０が対象物に把持力を伴って接触したと判定して第一駆動装置３１及び第二駆動装置３２を停止する。このとき、対象物には、タイミングベルト１５，２５の張力による把持力が作用している。なお、点Ａ１−２から点Ａ１−３に至るまでの駆動プーリ１７，２７の回転角度量Ｒ１を予め閾値に設定しておくことによって、制御装置３０は、点Ａ１−２の時点から駆動プーリ１７，２７が回転角度量Ｒ１だけ回転すると、第一駆動装置３１及び第二駆動装置３２を停止するようにしてもよい。

また、図１とあわせて図３を参照すると、制御装置３０は、指機構１０，２０が対象物に把持力を伴って接触したと判定できる状態であれば、点Ａ１−３の時間ｔ３よりも前の時点である時間ｔ４の点Ａ１−４に駆動プーリ１７，２７の回転が達したとき、第一駆動装置３１及び第二駆動装置３２を停止してもよい。このとき、点Ａ１−２から点Ａ１−４に至るまでの駆動プーリ１７，２７の回転角度量Ｒ２を予め閾値に設定しておくことによって、制御装置３０は、点Ａ１−２の時点から駆動プーリ１７，２７が回転角度量Ｒ２だけ回転すると、指機構１０，２０が対象物に把持力を伴って接触したと判定して第一駆動装置３１及び第二駆動装置３２を停止する。その結果、タイミングベルト１５，２５の内側部位１５ａ，２５ａの張力が図２の場合に比べて小さくなるため、対象物に作用する把持力も小さくなり、過度な把持力の付与による対象物の破損を防ぐことができる。

上記所定の回転量を回転継続時間とする場合、図３における点Ａ１−２の時点から所定の時間にわたって駆動プーリ１７，２７が回転すると、制御装置３０が第一駆動装置３１及び第二駆動装置３２を停止する。上記所定の時間は、点Ａ１−２の時点からの指機構１０，２０が対象物に把持力を伴って接触したと判定できる状態に至るまでの時間であり、点Ａ１−２の時点での駆動プーリ１７，２７の回転速度等から予め設定して制御装置３０に記憶させておくことができる。

上記所定の回転量を時間あたりの回転角度量とする場合、経過時間と、指機構１０の駆動プーリ１７の時間あたりの回転角度量（回転速度）及び従動プーリ１３の時間あたりの回転角度量（回転速度）との関係を示す図４を図１とあわせて参照する。なお、指機構２０おいても、駆動プーリ２７及び従動プーリ２３は、指機構１０と同様の動作を示す。
制御装置３０は、図３の場合と同様に、点Ａ１−４の時点で指機構１０，２０が対象物に把持力を伴って接触したと判定し、第一駆動装置３１及び第二駆動装置３２の稼動を停止する。

駆動プーリ１７，２７は、時間ｔ１（点Ａ１−１）で一定の回転速度で回転が開始され、それに伴い、従動プーリ１３，２３が時間ｔ１（点Ｂ１−１）でより低い一定の回転速度で回転が開始される。時間ｔ２で、対象物への指機構１０，２０の当接により従動プーリ１３，２３の回転が停止（点Ｂ１−２）し、その後、駆動プーリ１７，２７は、回転速度を低下させつつ回転を継続する（点Ａ１−２）。そして、時間ｔ４において、回転速度が閾値ｖ１に達すると、制御装置３０は、第一駆動装置３１及び第二駆動装置３２を停止する。図４では、閾値ｖ１は、回転速度が０に近づいた領域に設定している。そして、回回転速度が０に近づいた領域では、タイミングベルト１５，２５が伸長してその張力が増大しているため、対象物に対する十分な把持力を得ることができる。

また、本ケースでは対象物の把持中の把持力の大きさを検出することが可能である。
制御装置３０は、指機構１０，２０が対象物に当接して従動プーリ１３，２３が回転を停止した時点から駆動プーリ１７，２７の回転を停止するまでの駆動プーリ１７，２７の回転角度から、タイミングベルト１５，２５の内側部位１５ａ，２５ａそれぞれにおける伸び量を算出することができる。これらの伸び量から把持によるタイミングベルト１５及び２５における張力の増加量を算出することができ、算出した張力の増加量から指機構１０及び２０に作用する把持力を算出することができる。

「ケース２（対象物を把持しているか）の場合」
図１を参照すると、このケースでは、制御装置３０は、第一駆動装置３１及び第二駆動装置３２を停止して対象物を把持している最中における指機構１０及び２０に作用する外力（対象物からの反力）の変化を検出することによって、対象物の把持が解除されたかを判定し、この判定結果を把持動作の制御にフィードバックする。
ケース１で上述したように、指機構１０及び２０が対象物を把持した状態のタイミングベルト１５では、内側部位１５ａが伸びて外側部位１５ｂが緩み、内側部位１５ａの張力が外側部位１５ｂの張力よりも大きくなっている。同様に、タイミングベルト２５でも、内側部位２５ａが伸びて外側部位２５ｂが緩み、内側部位２５ａの張力が外側部位２５ｂの張力よりも大きくなっている。
また、指機構１０及び２０が対象物を把持している状態では、駆動プーリ１７及び２７、並びに従動プーリ１３及び２３は回転を停止しており、制御装置３０は、このときの各プーリの回転角度を記憶している。

そして、対象物を把持している状態で、対象物が衝突する、対象物が滑り落ちる等で対象物が指機構１０及び２０の間から逸脱すると、対象物からの反力を失った指機構１０及び２０の従動プーリ１３及び２３は、タイミングベルト１５及び２５の内側部位１５ａ及び２５ａの張力によって、回転させられる。このとき、駆動プーリ１７及び２７は駆動装置３１及び３２によって停止状態に維持されるため、タイミングベルト１５及び２５はそれぞれ、内側部位１５ａ及び２５ａと外側部位１５ｂ及び２５ｂとの張力を均等にするように動作して、第二指節部１０ｂ及び２０ｂを互いに接近させる方向に従動プーリ１３及び２３を回転させる。
そして、制御装置３０は、駆動側回転センサ１８及び２８が示す駆動プーリ１７及び２７の停止状態と、従動側回転センサ１４及び２４が示す従動プーリ１３及び２３の上述の回転動作とから、対象物の把持が解除されたことを検知する。

ここで、本ケースにおける経過時間と指機構１０の駆動プーリ１７の回転角度及び従動プーリ１３の回転角度との関係を示す図５を図１とあわせて参照する。なお、指機構２０おいても、駆動プーリ２７及び従動プーリ２３は、指機構１０と同様の動作を示す。
時間ｔａにおいて、対象物が、把持されている指機構１０及び２０から逸脱する（点Ｂ２−１）。このとき、駆動プーリ１７，２７は、駆動装置３１，３２の作用によって停止されたままである（回転角度一定を維持する）が、対象物からの反力を失った従動プーリ１３，２３は、タイミングベルト１５，２５の内側部位１５ａ，２５ａの張力によって、回転させられる。そして、タイミングベルト１５，２５の内側部位１５ａ，２５ａと外側部位１５ｂ，２５ｂとの張力が釣り合うと、従動プーリ１３，２３の回転が停止する（点Ｂ２−２）。なお、従動プーリ１３，２３は、点Ｂ２−１から点Ｂ２−２に至る過程で回転角度量Ｒ３だけ回転する。

制御装置３０は、駆動側回転センサ１８，２８によって駆動プーリ１７，２７の停止を検知すると共に、従動側回転センサ１４，２４によって回転角度量Ｒ３の従動プーリ１３，２３の回転を検知することで、対象物の把持が解除されたと判定する。なお、回転角度量Ｒ３を予め閾値に設定しておくことによって、制御装置３０は、点Ｂ２−１の時点から従動プーリ１３，２３が回転角度量Ｒ３だけ回転すると、対象物の把持が解除されたと判定してもよい。
また、指機構１０，２０による対象物の把持が解除されることが確実な状態であれば、対象物の把持解除判定の閾値を回転角度量Ｒ３よりも小さいＲ４（時間ｔｃ、点Ｂ２−３の時点）としてもよい。

そして、把持中でも、駆動プーリ１７，２７の連結部分等が遊びやバックラッシュでがたつく場合や、把持した対象物が揺動する場合、従動側回転センサ１４，２４及び駆動側回転センサ１８，２８の両方の検知回転角度に変化が生じることがある。このような場合、上述の閾値を、微小に変化する駆動プーリ１７，２７の回転角度量を考慮したものをすることによって、制御装置３０は、連結部分等の遊び、バックラッシュ、対象物の揺動等による影響に関係なく確実な把持解除の判定を行うことができる。

「ケース３（把持状態でない指機構に対象物による衝突が発生したか）の場合」
このケースでは、制御装置３０は、把持をせずに第一駆動装置３１及び第二駆動装置３２を停止している状態にある指機構１０及び２０に作用する外力の状態を検出することによって、例えば、ハンド基部１の移動中における指機構１０又は２０へ障害物等の対象物による衝突が発生したことを判定し、この判定結果を指機構１０及び２０の動作の制御にフィードバックする。

指機構１０が対象物による衝突を受けるとした、本ケースにおける経過時間と指機構１０の駆動プーリ１７の回転角度及び従動プーリ１３の回転角度との関係を示す図６を図１とあわせて参照する。
時間ｔαで指機構１０が衝突を受ける（点Ｂ３−１）と、指機構１０は回動して従動プーリ１３を回転させる。この場合、指機構１０が指機構２０と反対側に向かって回動すると仮定すると、駆動停止している第一駆動装置３１が駆動プーリ１７を停止状態（回転角度一定状態）に維持するため、従動プーリ１３に作用する回転力は、タイミングベルト１５の内側部位１５ａを伸長させつつ従動プーリ１３を回転させる。つまり、衝撃を受ける過程では、従動プーリ１３のみが回転する。

そして、制御装置３０は、時間ｔβにおいて、従動側回転センサ１４が検知する点Ｂ３−１からの従動プーリ１３の回転角度量が閾値Ｒ５に達する（点Ｂ３−２）と、指機構１０に所定以上の衝撃による外力が作用したと判定し、この外力を逃がすために、指機構１０を指機構２０と反対側、つまり外力を受ける側と反対側に向かって回動させるような制御を行う（点Ａ３−２）。このとき、制御装置３０は、衝撃による外力が作用する方向に沿って第二指節部１０ｂを回動させるように、第一駆動装置３１を起動して駆動プーリ１７を回転駆動する。これにより、タイミングベルト１５の内側部位１５ａに作用する張力が低減され、タイミングベルト１５から駆動プーリ１７及び従動プーリ１３が受ける力も低減する。
さらに、制御装置３０は、時間ｔγにおいて、駆動プーリ１７及び従動プーリ１３がタイミングベルト１５を介して一体に回転する状態、つまり、タイミングベルト１５に伸びを生じずに互いの減速比に従って回転する状態になると、第一駆動装置３１を停止し、駆動プーリ１７及び従動プーリ１３が停止状態となる（点Ａ３−３、点Ｂ３−３）。

上述のように、ロボットハンド１００において、制御装置３０は、上記ケース１〜３では、駆動プーリ１７，２７及び従動プーリ１３，２３が、タイミングベルト１５に伸びを生じずに互いの減速比に従って回転する状態である定常状態（両方が停止している状態も含む）から逸脱した状態となると、指機構１０又は２０に外力（若しくは反力）が作用した、又は作用する外力（若しくは反力）が変化したと判定する。そして、制御装置３０は、上記ケース１〜３の他、指機構１０又は２０に外力（又は反力）が作用する様々な場合における外力（又は反力）の状態を同様に検出することができる。

このように、この発明に係るロボットハンド１００は、第二指節部１０ｂ，２０ｂと、第二指節部１０ｂ，２０ｂを回動可能に支持する第二関節部１１ｂ，２１ｂと、第二関節部１１ｂ，２１ｂを駆動する駆動装置３１，３２とを有する複数の指機構１０，２０を備える。さらに、ロボットハンド１００は、指機構１０，２０に設けられ且つ指機構１０，２０における第二関節部１１ｂ，２１ｂの駆動に関連する回転角度を検知する従動側回転センサ１４，２４及び駆動側回転センサ１８，２８と、従動側回転センサ１４，２４及び駆動側回転センサ１８，２８の検知結果に基づき、駆動装置３１，３２の動作を制御する制御装置３０とを備えている。第二関節部１１ｂ，２１ｂは、駆動装置３１，３２によって回転駆動される駆動プーリ１７，２７と、回転することによって第二指節部１０ｂ，２０ｂを回動させる従動プーリ１３，２３と、駆動プーリ１７，２７から従動プーリ１３，２３にわたって巻回され、駆動プーリ１７，２７の回転を従動プーリ１３，２３に伝達する伸縮性のあるタイミングベルト１５，２５とを有している。駆動側回転センサ１８，２８は、駆動プーリ１７，２７の回転角度を検知し、従動側回転センサ１４，２４は、従動プーリ１３，２３の回転角度を検知する。制御装置３０は、駆動側回転センサ１８，２８及び従動側回転センサ１４，２４から受け取る回転角度の差に基づき、指機構１０，２０に作用する力の状態を検出する。

通常のロボットハンドでは、指機構の動作状態を検出するために従動プーリに回転センサが設けられている。本発明のロボットハンド１００は、元々指機構１０，２０に設けられている従動側回転センサ１４，２４に加えて、駆動プーリ１７，２７に駆動側回転センサ１８及び２８を加えただけの構成を有している。よって、ロボットハンド１００では、駆動プーリ、従動プーリ並びにタイミングベルトからなる機構に変更を加えることなく、駆動側回転センサ１８，２８を加えるのみで、指機構１０及び２０に作用する外力の状態を検出することができるようになる。よって、指機構１０及び２０の体格の増大を抑えつつ、指機構１０及び２０に作用する外力の状態の検出が可能になる。

また、ロボットハンド１００において、制御装置３０は、検知された駆動プーリ１７，２７の回転角度と従動プーリ１３，２３の回転角度との差が、駆動プーリ１７，２７と従動プーリ１３，２３とがタイミングベルト１５，２５を介して一体に回転する状態である定常状態における駆動プーリ１７，２７の回転角度と従動プーリ１３，２３の回転角度との差と異なると、指機構１０，２０に作用する力の状態に変化が生じたと判定する。指機構１０，２０に作用する外力が変化すると、従動プーリ１３，２３に作用する負荷が変化し、従動プーリ１３，２３の回転が妨害される。このとき、伸縮性のあるタイミングベルト１５，２５を伸長又は収縮させつつ駆動プーリ１７，２７が回転を継続するため、従動プーリ１３，２３と駆動プーリ１７，２７とは、これらプーリ間における回転角度の差を上記定常状態に維持できなくなる。

指機構１０，２０に作用する力の状態に変化が生じたとする上記判定において、制御装置３０は、指機構１０，２０の動作中、従動側回転センサ１４，２４によって従動プーリ１３，２３の回転の停止を検知してから、駆動側回転センサ１８，２８によって予め設定した閾値以上の回転角度での駆動プーリ１７，２７の回転を検知すると、指機構１０，２０が対象物に接触したと判定する。指機構１０，２０が把持対象に当接すると、従動プーリ１３，２３の回転が停止させられるが、回転を継続しようとする駆動プーリ１７，２７は、タイミングベルト１５，２５を伸長させつつ把持方向へ回転を継続する。そして、ロボットハンド１００の可動部分に遊びやバックラッシュがある場合や、タイミングベルト１５，２５に撓みがある場合、従動プーリ１３，２３が回転を停止した直後では駆動プーリ１７，２７が回転しても、指機構１０，２０は把持力を生じるようには把持対象に接触していない。しかしながら、把持対象への指機構１０，２０の接触判定のために、従動プーリ１３，２３の停止後の駆動プーリ１７，２７の回転角度に閾値を設けることによって、把持対象に対して把持力を生じるような接触状態の判定が可能になる。

または、上記制御装置３０による接触判定は、指機構１０，２０の動作中、従動側回転センサ１４，２４によって従動プーリ１３，２３の回転の停止を検知してから、駆動側回転センサ１８，２８によって検知される駆動プーリ１７，２７の回転角度の時間あたりの変化量が所定の変化量以下となった場合である。指機構１０，２０が把持対象に当接すると、従動プーリ１３，２３が回転を停止し、駆動プーリ１７，２７が回転を継続してタイミングベルト１５，２５を伸長させる。タイミングベルト１５，２５が伸長すればするほどその張力が増加するため、駆動プーリ１７，２７は、回転角度の時間あたりの変化量である回転速度を低下させる。駆動プーリ１７，２７の回転速度が所定値以下となる場合では、タイミングベルト１５，２５には十分な張力が発生しており、この張力は、把持力を生じるように指機構１０，２０を把持対象に接触させることができる。

また、指機構１０，２０に作用する力の状態に変化が生じたとする上記判定において、制御装置３０は、指機構１０，２０での把持対象の把持中、駆動プーリ１７，２７の駆動を停止している状態で従動側回転センサ１４，２４によって予め設定した閾値以上の回転角度での従動プーリ１３，２３の回転を検知すると、把持対象が指機構１０，２０から離れたと判定する。指機構１０，２０による把持中、伸長したタイミングベルト１５，２５の張力が、指機構１０，２０に対して、互いに接近させる方向である把持動作をさせる方向に作用している。このため、指機構１０，２０から把持対象が逸脱して把持状態が解除されると、指機構１０，２０は、タイミングベルト１５，２５の張力によって互いに接近する方向に動作する。そして、従動プーリ１３，２３が閾値以上の回転角度で回転した場合を把持解除の判定基準とすることによって、把持中における揺れ、可動部分の遊びやバックラッシュ等によって従動プーリ１３，２３が微小に回転する場合を、把持解除の判定から除外することができる。

また、上記指機構１０，２０に作用する力の状態に変化が生じたとする判定において、制御装置３０は、指機構１０及び２０で把持を行っていない状態での駆動装置３１及び３２の停止中、従動側回転センサ１４又は２４によって予め設定した閾値以上の回転角度での従動プーリ１３又は２３の回転を検知すると、指機構１０又は２０に所定以上の外力が作用したと判定し、指機構１０又は２０を外力を受ける側と反対側に向かって回動させるように、駆動装置３１又は３２を駆動させる。指機構１０又は２０に衝突による外力が作用すると、指機構１０又は２０、及び従動プーリ１３又は２３には回転力が作用するが、駆動プーリ１７及び２７は、停止状態の駆動装置３１及び３２によって停止状態に保持されている。よって、上記回転力は、タイミングベルト１５又は２５を伸長させつつ、指機構１０又は２０、及び従動プーリ１３又は２３を回転させる。さらに、従動プーリ１３又は２３の回転角度が閾値以上になると、タイミングベルト１５又は２５の張力によって、タイミングベルト１５又は２５、従動プーリ１３又は２３、及び駆動プーリ１７及び２７に作用する負荷が大きくなるため、指機構１０又は２０を動作させてタイミングベルト１５又は２５の張力を低減し、負荷を低減することができる。

また、実施の形態のロボットハンド１００では、駆動プーリ１７，２７、タイミングベルト１５，２５、及び、従動プーリ１３，２３を介して、駆動装置３１，３２の駆動力を、指機構１０，２０に伝達していたが、これに限定されるものでない。駆動プーリ及び従動プーリをギヤとし、タイミングベルトを金属製又は弾性材料（伸縮性を有する材料）からなるチェーンとしてもよい。つまり、駆動装置３１，３２の駆動力を、無端帯状の部材及び回転部材を介して、指機構１０，２０に伝達する構成であればよい。
また、実施の形態のロボットハンド１００では、指機構１０及び２０はそれぞれ、２つの指節部及び２つの関節部をもつ構造を有していたが、これに限定されるものでなく、３つ以上の指節部及び３つ以上の関節部を有していてもよい。また、指機構１０と２０とで、備えている指節部及び関節部の数が異なっていてもよい。
また、実施の形態のロボットハンド１００は、２つの指機構１０及び２０を有していたが、３つ以上の指機構を有してもよい。

１０，２０ 指機構、１０ａ，２０ａ 第一指節部、１０ｂ，２０ｂ 第二指節部、１１ａ，２１ａ 第一関節部、１１ｂ，２１ｂ 第二関節部（関節部）、１３，２３ 従動プーリ（従動輪）、１４，２４ 従動側回転センサ（第二回転検知部）、１５，２５ タイミングベルト（無端帯状体）、１７，２７ 駆動プーリ（駆動輪）、１８，２８ 駆動側回転センサ（第一回転検知部）、３０ 制御装置（制御手段）、３１ 第一駆動装置（駆動源）、３２ 第二駆動装置（駆動源）、１００ ロボットハンド。

Claims (7)

1. 指節部と、前記指節部を回動可能に支持する関節部と、前記関節部を駆動する駆動源とを有する複数の指機構を備えるロボットハンドにおいて、
   少なくとも１つの前記指機構に設けられ、前記少なくとも１つの指機構における前記関節部の駆動に関連する回転角度を検知する第一回転検知部及び第二回転検知部と、
   前記第一回転検知部及び前記第二回転検知部の検知結果に基づき、前記駆動源の動作を制御する制御手段と
   を備え、
   前記少なくとも１つの指機構における関節部は、
   前記駆動源によって回転駆動される駆動輪と、
   回転することによって前記指節部を回動させる従動輪と、
   前記駆動輪から前記従動輪にわたって巻回され、前記駆動輪の回転を前記従動輪に伝達する伸縮性のある無端帯状体と
   を有し、
   前記第一回転検知部は、前記駆動輪の回転角度を検知し、
   前記第二回転検知部は、前記従動輪の回転角度を検知し、
   前記制御手段は、前記第一検知部及び前記第二回転検知部から受け取る回転角度の差に基づき、前記指機構に作用する力の状態を検出する、ロボットハンド。
2. 前記制御手段は、検知された前記駆動輪の回転角度と前記従動輪の回転角度との差が、前記駆動輪と前記従動輪とが前記無端帯状体を介して一体に回転する状態である定常状態における前記駆動輪の回転角度と前記従動輪の回転角度との差と異なると、前記指機構に作用する力の状態に変化が生じたと判定する請求項１に記載のロボットハンド。
3. 前記制御手段は、前記指機構の動作中、前記第二回転検知部によって前記従動輪の回転の停止を検知してから、前記第一回転検知部によって予め設定した閾値以上の回転角度での前記駆動輪の回転を検知すると、前記指機構が対象物に接触したと判定する請求項２に記載のロボットハンド。
4. 前記制御手段は、前記指機構の動作中、前記第二回転検知部によって前記従動輪の回転の停止を検知してから、前記第一回転検知部によって検知される前記駆動輪の回転角度の時間あたりの変化量が所定の変化量以下となると、前記指機構が対象物に接触したと判定する請求項２に記載のロボットハンド。
5. 前記制御手段は、前記指機構が対象物に接触したと判定すると、前記駆動源を停止する請求項３または４に記載のロボットハンド。
6. 前記制御手段は、前記指機構での把持対象の把持中、前記駆動輪の駆動を停止している状態で前記第二回転検知部によって予め設定した閾値以上の回転角度での前記従動輪の回転を検知すると、前記把持対象が前記指機構から離れたと判定する請求項２に記載のロボットハンド。
7. 前記制御手段は、前記指機構で把持を行っていない状態での前記駆動源の停止中、前記第二回転検知部によって予め設定した閾値以上の回転角度での前記従動輪の回転を検知すると、前記指機構に所定以上の外力が作用したと判定し、前記指機構を外力を受ける側と反対側に向かって回動させるように、前記駆動源を駆動させる請求項２に記載のロボットハンド。

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