JP2017047509A - ハンド装置及び指 - Google Patents
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Abstract
Description
開発初期段階では、指の本数は3本ないし4本であるが、機構的には人間の手と同等程度の機構と自由度を持ち、種々の器用な把持、操りを行なうことが可能なハンドであった(非特許文献1参照)。
更に、一般的な要求事項として、簡易な構成、コンパクト、軽量であり低コストであるとともに、メンテナンス性、安全性に優れていることが望まれた。
上述の問題解決対策として、各リンク間の相対角度、トルクを検出するセンサを具備することで、制御型のワイヤ駆動方式が提案されている(特許文献1参照)。
又、各関節をワイヤにて駆動する方法の簡略化を生かし、ワイヤの伸びを吸収する構造にすると共に、ワイヤの張力を検出できる方法なども提案されている(特許文献2参照)。
更に、人間型ロボットのハンド構造として開発された代表的なものとしては以下の提案されている(特許文献3、特許文献4参照)。
又、人間の手の関節構造を機能達成するための代表的ハンド装置の構造的なものも提案されている(特許文献5参照)。
更に、指機構としての提案ではないが、屈曲多関節にかわる機構なども提案されている(特許文献6、特許文献7参照)。
具体的には、軽量コンパクトなアクチュエータで、人間と同様の指先力と指の曲げ角度を得ること、また、ハンドをコンパクトにするためには、駆動系の動力伝達方法と配置及び機構の改良など、更に、一般的な要求事項として、簡易な構成、コンパクト、軽量であり低コストであると共に、メンテナンス性、安全性に優れていることが望まれる。
本発明は、基部と該基部に取付けられた複数の指を備えるハンド装置において
前記基部は、並行配置された2つの搖動軸を備え、第1搖動軸に第1のスイング板を固着することにより、回動自在な第1の第4関節を構成し、第2搖動軸に第2のスイング板を固着することにより、回動自在な第2の第4関節を構成すると共に、第1のスイング板には1つの指を備え、第2のスイング板には複数の指を備え、
前記指の各々は、その基軸ベースとして根元サポータを有し、該根元サポータは、同軸入力軸を回転自在に軸支すると共に、第3指ハウジングを回転自在に軸支し、又、第1入力軸の一端が第3指ハウジングに固定されることで、第1入力軸の回転に対応して、根元サポータに対して第3指ハウジングが回動することにより回転自在な第3関節を構成し、
又、第2入力軸に対して斜交交差する第1斜交軸回りに、第3指ハウジングと第2指ハウジングが傾斜した相対する接触面で互いに相対回転を可能にすると共に、第2入力軸の先端部に取付けたピン歯車と、第2指ハウジングに固着されたピン歯車と噛合う傘歯車とを有し、第2入力軸の回転に対応して第1斜交軸回りに第2指ハウジングが回動することにより、第2関節を構成すると共に、
第2指ハウジングは、第3入力軸を回転自在に軸支すると共に、該第3入力軸に対して斜交交差する第2斜交軸回りに、傾斜した接触面で第2指ハウジングと第1指ハウジングとが互いに相対回転を可能にすると共に、第3入力軸の先端部に取付けたピン歯車と、第1指ハウジングに固着されたピン歯車と噛合う傘歯車とを有し、
第3入力軸の回転に対応して第2斜交軸回りに第1指ハウジングを回動することにより第1関節を構成した。
又、第2入力軸に対して斜交交差する第1斜交軸回りに、第3指ハウジングと第2指ハウジングが傾斜した相対する接触面で互いに相対回転を可能にすると共に、第2入力軸の先端部に取付けたピン歯車と、第2指ハウジングに固着されたピン歯車と噛合う傘歯車とを有し、
第2入力軸の回転に対応して第1斜交軸周りに第2指ハウジングを回動することにより第2関節を構成すると共に、
第2指ハウジングは、第3入力軸を回転自在に軸支すると共に、該第3入力軸に対して斜交交差する第2斜交軸回りに、傾斜した接触面で第2指ハウジングと第1指ハウジングとが互いに相対回転を可能にすると共に、第3入力軸の先端部に取付けたピン歯車と、第1指ハウジングに固着されたピン歯車と噛合う傘歯車とを有し、
第3入力軸の回転に対応して第2斜交軸周りに第1指ハウジングを回動することにより第1関節を構成した。
根元サポータ又は 指ハウジングに軸支された入力軸に対して斜交交差する斜交軸回りに、該指ハウジングと対接する指ハウジングが傾斜した相対する接触面で互いに相対回転を可能にすると共に、傾斜した該接触面は入力軸に対して45度の傾斜角とした。
第2関節、及び第1関節を斜交軸回転関節とすることで、相対する接触面で相対回転をする斜交軸回りの傾斜した接触面の直径が大きく取れることで、剛性の高い関節にすることができた。
更に、本発明では、この指ハウジングを中空構造し、内部に関節駆動のための動力伝導機構を内蔵すると共に、
関節駆動のための伝導機構をピン歯車と噛合う傘歯車による直接回転力伝導とし、ピン歯車径を大きく設定できるので、伝導能力も大きくでき、更に、簡易な歯車構成により伝導効率が高く、更に、各関節を独立駆動方式にして、如何なる関節状態においても、各関節を円滑に作動することができると共に、関節駆動力は一定になり、関節の動作範囲を独立で決めることができると共に、関節の十分な曲げ角度を得ることができる。
指ハウジングと対接する指ハウジングが傾斜した相対する接触面で互いに相対回転を可能にすると共に、傾斜した該接触面は入力軸に対して45度の傾斜角としたことにより、指の屈曲形態は、指ハウジングが直線状に並ぶ配列状態から、各指ハウジングが直角に整列しコの字状の配列状態まで、関節の曲げ角度を得ることができる。
更に、斜交軸回転関節構造は密閉構造が可能になることで、クリーンなハンド装置及び指になる。
この方式の軸干渉問題は、逆の発想によれば、一意的な動作以外の操作が可能であることであり、制御的には目的に適合させる可能性があることでもある。
ここでは、アクチュエータは減速機、回転検出器付きモータとし、第1入力軸、第2入力軸へは歯車列を介し、第3入力軸へはカップリングを介して結合するものとした。
図1は本発明を実施したハンド装置の概観を示すものである。本発明のハンド装置は、基部1と第1指21、第2指22、第3指23とで構成される。
尚、第1指21,第2指22、第3指23は同様に構成されている。
基部1の基本構造は、手の平の開閉動作を行なうために、基部ベース2に回動自在に取り付けられた第1揺動軸3と該軸3に固定された第1のスイング板4と第2揺動軸5と該軸5に固定された第2のスイング板6、及びこれらの部材を回動させるための手の平開閉ドライブユニット7、更には、ハンド装置を含めた制御のためのコントローラ8と基部ベース蓋9からなる。
第1のスイング板4,第2のスイング板6の駆動概要を以下に示す。
手の平開閉ドライブユニット7は、第4アクチュエータ10を動力源とし、歯付きベルトプーリ11を歯付きベルト12を介して、第2揺動軸5を回動する。
更に、第1揺動軸3と第2揺動軸5の一端に取り付けられた第1基部歯車13と第2基部歯車14の歯車結合により、第1のスイング板4と第2のスイング板6を相対する方向へ揺動させる。
又、指21を装着するために第1のスイング板4には、第1穴部と第2のスイング板6には、第2穴部と第3穴部が設けられている。
図3に、第1のスイング板4と第2のスイング板6へ指21の連結概要と動作概要を示す。
ここで、人間の拇指に対応する第1指21は第1のスイング板4の対応する第1穴部15へ、第2指22、第3指23は、第2のスイング板6の対応する第2穴部16、第3穴部17へ取り付けられる。この連結状態の概要は図1にも示されている。
第1スイング板4、第2スイング板6の揺動方向はS1、S2方向である。 従って、第1スイング板4、第2スイング板6に取り付けられた第1指21と第2指22、第3指23が開閉動作を行なうことができる。
図5、図6、図7、図8に詳細図及び断面図を示す。
指21の根元部の第3関節24は、入出力部が同軸構造の一般的な回転関節であり、第2関節25、及び第1関節26は入出力部が特定の角度に固定された斜交軸回転関節を採用し、第1関節26、第2関節25、第3関節24の3関節を協調制御することで指の屈曲動作を達成することを特徴としている。
以下、各指ハウジングの構造について説明する。
又、他端も同様に、第1指ハウジング51との対接のために球形部の切断面近傍外周にバンド状の第21突起部50を設けると共に、第1指ハウジングの第12環状溝部55と勘合する第21環状突起部49を設ける。
更に、シェル化した円柱内部に、第3入力軸38に対する第2軸受け部43を形成したものが基本構造である。
また、第2指ハウジング41には、以下の第3入力軸38、ピン歯車60、傘歯車61が組み込まれる。
第3入力軸38は、軸受け部43に取付けると共に、第3入力軸38の先端部にピン歯車60を固定する。
他方の球面部の第23シェル化内部面44に、第1斜交軸29と同軸に傘歯車61を挿入固着する。
また、第1指ハウジング51には、以下の傘歯車61が組み込まれる。
球面部の第12シェル化内部面54に、第2斜交軸30と同軸に傘歯車61を挿入固着する。
更に、第1指ハウジング51の先端部に指先部56を取り付ける。
更に、第2入力軸37に対して斜交交差し、球状部の中心を通る第1斜交軸29に直交する面で第3指ハウジング31の球状部は切断された面を持ち、該面と第2指ハウジング41の相対する切断面とが第32合せ面47と第23合せ面48とで互いに相対回転を可能とすると共に、第2指ハウジング41の球状の第23シェル化内部面44に第1斜交軸29と同軸上に、ピン歯車60に対応する傘歯車61が挿入固着されている。 従って、第2指ハウジング41が、第2入力軸37の回動により、ピン歯車60と傘歯車61の歯車列伝導により、第3指ハウジング31に対して、回動自在となる第2関節25が形成される。
また、第3入力軸38に対して斜交交差し、球状部の中心を通る第2斜交軸30に直交する面で第2指ハウジング41の球状部は切断された面を持ち、該面と第1指ハウジング51の相対する切断面とが第21合せ面52と第12合せ面53とで互いに相対回転を可能とすると共に、第1指ハウジング51の球状の第12シェル化内部面54に第2斜交軸30と同軸上に、ピン歯車60に対応する傘歯車61が挿入固着されている。 従って、第1指ハウジング51が、第3入力軸36の回動により、ピン歯車60と傘歯車61の歯車列伝導により、第2指ハウジング41に対して、回動自在となる第1関節26が形成される。
また、対象物を把持するときに、対象物の保護を目的として、第3指ハウジング31の円筒部の外周に取付け可能な第3指部弾性体緩衝材57を、第二指ハウジング41の円筒部の外周に取付け可能な第2指部弾性体緩衝材58を、第1指ハウジング51の円筒部の外周に取付け可能な第1指部弾性体緩衝材59を付加することもある。
第3関節24、第2関節25、第1関節26は、第1入力軸36、第2入力軸37、第3入力軸38を介して、第1アクチュエータ72、第2アクチュエータ73、第3アクチュエータ74の協調制御により駆動される。
第1アクチュエータ72、第2アクチュエータ73は駆動部ユニット71に配置され、該駆動部ユニット71が根元サポータ32に取付けられると第1アクチュエータ72の出力部の第1駆動歯車65と第1入力軸36の第1被動歯車66が結合し、第2アクチュエータ73の出力部の第2駆動歯車67と第2入力軸36の第2被動歯車68が結合するように構成されている。また、第3アクチュエータ74は第2指ハウジング41に配置され、第3アクチュエータ74の出力部と第3入力軸38とをカップリング69を介して結合することで駆動部は構成される。
従って、第1アクチュエータ72は、第1入力軸36を駆動することで、第3関節24を介して、第3指ハウジング31を回動している。
又、第2アクチュエータ73は、第2入力軸37を駆動することで、ピン歯車60を回動し、ピン歯車60と傘歯車61の歯車列伝導により、第2関節25を介して、第2指ハウジング41を回動する。
更に、第3アクチュエータ74は、第3入力軸38を駆動することで、ピン歯車60を回動し、ピン歯車60と傘歯車61の歯車列伝導により、第1関節26を介して、第1指ハウジング51を回動する。
各指ハウジングを任意な状態へ回動するには、各アクチュエータの協調制御が必要である。
実施例のピン歯車60、対応する傘歯車61、及び概略歯車構成を図9(a)、(b)、(c)に示す。
ピン歯車60の歯数は20、傘歯車61の歯数は30とし、歯のピッチ誤差は、ピン歯車60の軸方向取り付け調整で行なうものとした。
図10、図11、図12に各指ハウジングの中心軸が同一平面上にある各指ハウジングの概観、及び、該平面で切断したときの断面図を示す。
図10(a),(b)は各指ハウジングが一直線になった状態の外観及び断面図。
図11(a),(b)は各指ハウジングが0〜90度になった状態の外観及び断面図。
図12(a),(b)は各指ハウジングが90度になった状態の外観、及び断面図。
(実施例2)
本実施例2の場合には、図13に示す様に、第3入力軸37を駆動する第3アクチュエータ74を駆動部ユニット71に配置すると共に、第3アクチュエータ74の出力軸と第3入力軸38とをフレキシブルシャフト70で結合する構成とし、指の慣性モーメントを小さくすることで、指の応答性の向上を図ったことを特徴とするものである。
又、図示していない各種センサなどの電気信号伝送用のケーブル76は第2入力軸37、第3入力軸38の中空部と切欠部を経由して基部1のコントローラ8へ接続できる構造になっている。
(実施例3)
本実施例3の場合には、図14に示す様に、入出力軸交差角が45度の内接歯車構成であり、駆動側はピン傘歯車62であり、歯部をボール形状に置換されたものであり、被駆動側の歯車は、ピン傘歯車62に対応した内接型の傘歯車63であり、歯部を円柱状に削除したものとした。
ピン傘歯車63の小径化により、コンパクト化を図ったことを特徴とする。
尚、ピン傘歯車62の歯数は15、対応する内接型傘歯車63の歯数は30とし、歯のピッチ誤差は、ピン傘歯車62の軸方向取り付け調整で行なう。
(実施例4)
本実施例4の場合には、指21の斜交軸回転関節を駆動する歯車列を摩擦輪に置換した動力伝導方式である(図示せず)。
尚、本実施例には、摩擦輪のスリップ制御のために、別途、各指ハウジングの相互変位を検出する検出器を指21設けることが必要である。
指21の斜交軸回転関節の駆動を摩擦輪による動力伝導方式にすることで、指21にかかる過負荷を防止できるようにしたことが特徴である。
本発明のアクチュエータは、減速機、回転センサ付きのモータで説明したが、
本構成は、回転入力軸へ駆動系から動力を伝達することにより、関節部を制御するものであり、駆動系は、回転動力を制御できるものであればよい、
一般的には、回転モータが簡便であるが、流体伝導式の回転体でも良い。
又、油圧モータ系、ねじ方式などの直線回転変換系でもよい。
更に、上記、アクチュエータの配置の自由度を高め、遠隔制御方式にするには、フレキシブルシャフトによることも可能である。
4・・・・第1のスイング板、 5・・・・第2揺動軸、
6・・・・第2のスイング板 、7・・・・開閉ドライブユニット、
8・・・・コントローラ、 9・・・・基部ベース蓋、
10・・・・第4アクチュエータ、 12・・・・歯付きベルト
21・・・・指、 24・・・・第3関節、 25・・・・第2関節、
26・・・・第1関節、 27・・・・第1の第4関節、
28・・・・第2の第4関節、 29・・・・第1斜交軸、
30・・・・第2斜交軸、 31・・・・第3指ハウジング、
32・・・・根元サポータ、 36・・・・第1入力軸、
37・・・・第2入力軸、 38・・・・第3入力軸、
41・・・・第2指ハウジング、 45・・・・第23環状突起部、
46・・・・バンド状の第23突起部、 51・・・・第1指ハウジング、
54・・・・第12シェル化内部面、 55・・・・第12環状溝部、
56・・・・指先部、 60・・・・ピン歯車、 61・・・・傘歯車、
69・・・・カップリング、 72・・・・第1アクチュエータ
73・・・・第2アクチュエータ、 74・・・・第3アクチュエータ
Claims (3)
- 基部と該基部に取付けられた複数の指を備えるハンド装置において、
前記基部は、並行配置された2つの搖動軸を備え、第1搖動軸に第1のスイング板を固着することにより、回動自在な第1の第4関節を構成し、第2搖動軸に第2のスイング板を固着することにより、回動自在な第2の第4関節を構成すると共に、第1のスイング板には1つの指を備え、第2のスイング板には複数の指を備え、
前記指の各々は、その基軸ベースとして根元サポータを有し、該根元サポータは、同軸入力軸を回転自在に軸支すると共に、第3指ハウジングを回転自在に軸支し、又、第1入力軸の一端が第3指ハウジングに固定されることで、第1入力軸の回転に対応して、根元サポータに対して第3指ハウジングが回動することにより回転自在な第3関節を構成し、
又、第2入力軸に対して斜交交差する第1斜交軸回りに、第3指ハウジングと第2指ハウジングが傾斜した相対する接触面で互いに相対回転を可能にすると共に、第2入力軸の先端部に取付けたピン歯車と、第2指ハウジングに固着されたピン歯車と噛合う傘歯車とを有し、第2入力軸の回転に対応して第1斜交軸回りに第2指ハウジングが回動することにより、第2関節を構成すると共に、
第2指ハウジングは、第3入力軸を回転自在に軸支すると共に、該第3入力軸に対して斜交交差する第2斜交軸回りに、傾斜した接触面で第2指ハウジングと第1指ハウジングとが互いに相対回転を可能にすると共に、第3入力軸の先端部に取付けたピン歯車と、第1指ハウジングに固着されたピン歯車と噛合う傘歯車とを有し、
第3入力軸の回転に対応して第2斜交軸回りに第1指ハウジングを回動することにより第1関節を構成することを特徴とするハンド装置。 - ロボット及びマニピュレータ用のハンド装置に使用する指において、
該指は、その基軸ベースとして根元サポータを有し、該根元サポータは同軸入力軸を回転自在に軸支すると共に、第3指ハウジングを回転自在に軸支し、又、第1入力軸の一端が第3指ハウジングに固定されることで、第1入力軸の回転に対応して、根元サポータに対して第3指ハウジング回動することにより回転自在な第3関節を構成し、
又、第2入力軸に対して斜交交差する第1斜交軸回りに、第3指ハウジングと第2指ハウジングが傾斜した相対する接触面で互いに相対回転を可能にすると共に、第2入力軸の先端部に取付けたピン歯車と、第2指ハウジングに固着されたピン歯車と噛合う傘歯車とを有し、
第2入力軸の回転に対応して第1斜交軸周りに第2指ハウジングを回動することにより第2関節を構成すると共に、
第2指ハウジングは、第3入力軸を回転自在に軸支すると共に、該第3入力軸に対して斜交交差する第2斜交軸回りに、傾斜した接触面で第2指ハウジングと第1指ハウジングとが互いに相対回転を可能にすると共に、第3入力軸の先端部に取付けたピン歯車と、第1指ハウジングに固着されたピン歯車と噛合う傘歯車とを有し、
第3入力軸の回転に対応して第2斜交軸周りに第1指ハウジングを回動することにより第1関節を構成することを特徴とする指。 - 根元サポータ又は 指ハウジングに軸支された入力軸に対して斜交交差する斜交軸回りに、該指ハウジングと対接する指ハウジングが傾斜した相対する接触面で互いに相対回転を可能にすると共に、傾斜した該接触面は入力軸に対して45度の傾斜角をなした特許請求範囲の第2項に記載の指。
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