JP2017071021A - ロボットハンド - Google Patents

Abstract

【課題】ハンド部の回転可能角度を確保しつつ、手首関節部の駆動部の要求出力を低減することが可能な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、前腕部１２、手首関節部２０、ハンドリンク部１６及びハンド部１４を有する。ハンド部１４は、外界の物体９０に接触する接触部１４ａを有する。手首関節部２０におけるハンド部１４の回転中心Ｐは、接触部１４ａに接する仮想平面４０に沿った方向にハンド部１４の端部１４ｂから離れた位置にある。回転中心Ｐから荷重支持部３０の先端３４までの長さは、ハンドリンク部１６の根元部１６ａから回転中心Ｐまでの長さよりも短い。荷重支持部３０が仮想平面４０と接するか又は交わる第１の領域３０ａが存在し、第１の領域３０ａは、接触部１４ａよりも、荷重Ｆａの向きで回転中心Ｐを仮想平面４０に投影した仮想位置Ｐ１に近い。【選択図】図４

Description

本発明は、ロボットハンドに関する。

手先又はエンドエフェクタ等のハンド部とアーム部とが関節部を介して接続されて構成されたロボットハンドが広く用いられている。ロボットハンドの例として、例えば、特許文献１には、指手機構部（ハンド部）と、前腕部材（アーム部）と、手首機構部（手首関節部）とを有する５指手腕機構が開示されている。特許文献１において、指手機構部の前腕部材側の端部が、手首機構部の手首関節部材に接続されている。また、手首関節部材は、広角度で回転（屈曲）可能な構成となっている。これらの構成により、指手機構部（ハンド部）は、前腕部材に対し、両方向対称に広角度に屈曲することが可能である。

特開平７−２８５０８９号公報

特許文献１にかかるロボットハンドにおいては、ハンド部のアーム部側の端部が、手首関節部に接続されている。これによって、ハンド部が手首関節部の周りに回転するときに、ハンド部がアーム部に干渉することなく回転する。したがって、ハンド部の回転可能角度が広くなる。

一方、ハンド部のアーム部側の端部が手首関節部に接続されていると、ハンド部において物体に接触する接触部に接する面に沿った方向に、手首関節部がハンド部から離れた状態となる。この場合、ハンド部（接触部）を物体に接触させて、アーム部からの荷重をハンド部によって支持しようとすると、手首関節部に発生するモーメントが大きくなる。これは、ハンド部の接触部と手首関節部との距離が長くなることにより、手首関節部の回転中心と、接触部において力（物体からの反力）が作用する位置との距離に対応するモーメントアームが、大きくなるからである。

このように、手首関節部に発生するモーメントが大きくなると、手首関節部に設けられた駆動部（例えばモータ等）に要求されるトルクが大きくなるおそれがある。これによって、駆動部及び手首関節部が大型化し、それに伴って、ロボットハンドのサイズも大きくなるおそれがある。

本発明は、ハンド部の回転可能角度を確保しつつ、手首関節部の駆動部の要求出力を低減することが可能なロボットハンドを提供するものである。

本発明にかかるロボットハンドは、アーム部と、外界の物体に接触する接触部を有するハンド部と、前記アーム部の先端に設けられ、前記ハンド部の前記アーム部の側の第１の端部に設けられたリンク部を介して前記ハンド部を回転可能に支持する手首関節部であって、前記ハンド部を駆動させる駆動部を有する手首関節部と、前記アーム部の先端において、前記アーム部からの荷重を支持する荷重支持部と、を有し、前記手首関節部における前記ハンド部の回転中心は、前記接触部に接する仮想的な平面である仮想平面に沿った方向に前記接触部から離れた位置にあり、前記回転中心から前記荷重支持部の先端までの長さは、前記回転中心から前記リンク部の根元部までの長さよりも短く、前記荷重支持部が前記仮想平面と接するか又は交わる第１の領域が存在し、前記第１の領域は、前記接触部よりも、前記荷重の向きで前記回転中心を前記仮想平面に投影した仮想位置に近い。

回転中心から荷重支持部の先端までの長さが回転中心からリンク部の根元部までの長さよりも短いことによって、荷重支持部がハンド部と干渉しないので、ハンド部の回転可能角度を確保することができる。さらに、第１の領域が、接触部よりも仮想位置に近いことによって、モーメントアームを小さくすることができるので、手首関節部におけるモーメントを抑制でき、これにより、駆動部の要求トルクを低減することが可能となる。したがって、本発明にかかるロボットハンドは、ハンド部の回転可能角度を確保しつつ、手首関節部の駆動部の要求出力を低減することが可能となる。

また、好ましくは、前記荷重支持部は、前記手首関節部から突出するように設けられている。
荷重支持部がハンド部の回転動作に伴って姿勢が変化する構造部材に設けられている場合、ハンド部の回転に伴って荷重支持部の姿勢も変化するので、荷重支持部の干渉を防止するために、その姿勢変化に伴う荷重支持部の移動範囲に他の構造部材がないようにする必要がある。この場合、手首関節部の大きさを大きくする必要があり得る。一方、手首関節部は、ハンド部の回転動作に伴って姿勢が変化することがない。したがって、手首関節部に荷重支持部が設けられることによって、手首関節部を大きくしなくても、ハンド部が回転したときに荷重支持部が手首関節部の周りの構造部材と干渉することが防止される。つまり、本発明は、手首関節部の大型化を抑制することが可能となる。

また、好ましくは、前記荷重支持部は、弾性素材で形成されている。
上記のような構成とすることによって、荷重支持部が外界の物体と接触するときに面で接触し得るので、物体との接触領域における面圧を抑制することが可能となる。

また、好ましくは、前記荷重支持部の端部には、湾曲部が設けられている。
上記のような構成とすることによって、荷重支持部が外界の物体と接触する角度によらないで、物体との接触領域における面圧を抑制することが可能となる。

本発明によれば、ハンド部の回転可能角度を確保しつつ、手首関節部の駆動部の要求出力を低減することが可能なロボットハンドを提供できる。

実施の形態１にかかるロボットハンドを示す図である。 実施の形態１にかかるロボットハンドのハンド部の近傍の詳細を示した斜視図である。 実施の形態１にかかるロボットハンドのハンド部の近傍の詳細を示した正面図である。 実施の形態１にかかるロボットハンドのハンド部の近傍の詳細を示した正面図である。 実施の形態１にかかるロボットハンドのハンド部が屈曲軸の周りに回転している状態を示す図である。 実施の形態１にかかるロボットハンドのハンド部が物体と接触した状態を示す図である。 第１の比較例にかかるロボットハンドを示す図である。 第２の比較例にかかるロボットハンドを示す図である。 実施の形態２にかかるロボットハンドのハンド部の近傍の詳細を示した斜視図である。 実施の形態２にかかるロボットハンドのハンド部の近傍の詳細を示した正面図である。 実施の形態３にかかるロボットハンドのハンド部の近傍の詳細を示した斜視図である。 実施の形態３にかかるロボットハンドのハンド部の近傍の詳細を示した正面図である。 外界の物体の表面が平面でない場合に、実施の形態１にかかるロボットハンドのハンド部の接触部及び荷重支持部が物体の表面に接触した状態を示す図である。

（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、実施の形態１にかかるロボットハンド１を示す図である。ロボットハンド１は、複数の関節を有する多関節ロボットである。なお、図１には、ロボットハンド１がマニピュレータに適用された例を示しているが、実施の形態１にかかるロボットハンド１は、ヒューマノイドロボットのアームにも適用され得る。

ロボットハンド１は、ベース部２、肩部４、肩関節部６、上腕部８、肘関節部１０、前腕部１２、手首関節部２０、ハンドリンク部１６及びハンド部１４を有する。ベース部２は、土台９００に固定される。肩部４は、ベース部２から例えば垂直に突出するように設けられている。

肩関節部６は、肩部４と上腕部８との間に設けられている。肩関節部６は、上腕部８を回転可能に支持する。肩関節部６は、１軸、２軸又は３軸の回転軸と、回転軸を回転駆動させるモータとを有する。例えば、肩関節部６は、紙面に垂直な軸を中心として、上腕部８を回転可能に支持する。肘関節部１０は、上腕部８と前腕部１２との間に設けられている。肘関節部１０は、前腕部１２を回転可能に支持する。肘関節部１０は、１軸、２軸又は３軸の回転軸と、回転軸を回転駆動させるモータを有する。例えば、肘関節部１０は、紙面に垂直な軸を中心として、前腕部１２を回転可能に支持する。

手首関節部２０は、前腕部１２（アーム部）とハンド部１４との間に設けられている。そして、手首関節部２０は、前腕部１２の先端に設けられている。手首関節部２０は、ハンドリンク部１６を介してハンド部１４を回転可能に支持している。手首関節部２０は、１軸、２軸又は３軸の回転軸を有する。例えば、手首関節部２０は、少なくとも紙面に垂直な軸（屈曲軸）を中心として、ハンド部１４を回転可能に支持する。

ハンド部１４は、外界の物体９０に接触する接触部１４ａを有する。接触部１４ａを物体９０に接触させて、ロボットハンド１は、何らかの作業を行う。また、例えばベース部２には、各関節部（肩関節部６、肘関節部１０及び手首関節部２０）の関節角度を制御することで、ロボットハンド１の動作を制御する制御部３が設けられている。なお、ハンド部１４及び手首関節部２０については、以下に詳述する。

図２は、実施の形態１にかかるロボットハンド１のハンド部１４の近傍の詳細を示した斜視図である。また、図３及び図４は、実施の形態１にかかるロボットハンド１のハンド部１４の近傍の詳細を示した正面図である。また、図２には、ハンド部１４の接触部１４ａが平面で構成された例が示されているが、接触部１４ａは、平面のみで構成されている必要はない。例えば、接触部１４ａは、人間の手のひらのように曲面を有してもよい。

ここで、図３及び図４に示した仮想平面４０は、接触部１４ａに接する仮想的な平面である。また、図３は、前腕部１２に対する仮想平面４０の角度θｈが９０度である状態を示している。言い換えると、図３は、前腕部１２がハンド部１４に垂直である状態を示している。また、図４は、前腕部１２に対する仮想平面４０の角度θｈが９０度よりも小さい状態を示している。なお、仮想線４０ａは、仮想平面４０に平行な、仮想的な線である。

手首関節部２０は、互いに直交する２つの回転軸を有するジンバル機構で構成されている。具体的には、手首関節部２０は、互いに直交する屈曲軸２２及び揺動軸２４を有する。また、手首関節部２０は、屈曲軸２２及び揺動軸２４をそれぞれ回転駆動させるモータ２２ａ及びモータ２４ａを有している。手首関節部２０は、屈曲軸２２の両端が設けられた２面、揺動軸２４の両端が設けられた２面、前腕部１２の側の面、及びハンド部１４の側の面の６面からなる略六面体で構成されている。

ハンド部１４の前腕部１２の側の端部１４ｂ（第１の端部）には、２つのハンドリンク部１６（リンク）が、手首関節部２０を挟むように設けられている。２つのハンドリンク部１６は、屈曲軸２２の両端近傍にそれぞれ固定されている。モータ２２ａの回転駆動力（トルク）によって屈曲軸２２が回転すると、ハンドリンク部１６が屈曲軸２２の周りに回転するので、ハンド部１４は、屈曲軸２２の中心を回転中心Ｐとして、図２の矢印Ａの方向に回転（屈曲）する。つまり、モータ２２ａは、ハンド部１４を矢印Ａの方向に回転駆動させる。

前腕部１２のハンド部１４の側の端部１２ｂには、２つの前腕リンク部１３が、手首関節部２０を挟むように設けられている。２つの前腕リンク部１３は、揺動軸２４の両端近傍にそれぞれ固定されている。モータ２４ａの回転駆動力（トルク）によって揺動軸２４が回転すると、ハンドリンク部１６が揺動軸２４の周りに回転するので、ハンド部１４は、揺動軸２４の中心を回転中心Ｑとして、図２の矢印Ｂの方向に回転（揺動）する。つまり、モータ２４ａは、ハンド部１４を矢印Ｂの方向に回転駆動させる。

また、ハンドリンク部１６の幅Ｗ１は、２つの前腕リンク部１３の間隔よりも狭い。同様に、前腕リンク部１３の幅Ｗ２は、２つのハンドリンク部１６の間隔よりも狭い。これにより、ハンド部１４が屈曲軸２２又は揺動軸２４の周りに回転するときに、前腕リンク部１３とハンドリンク部１６とが互いに干渉することが抑制される。したがって、ハンド部１４の回転可能角度を広くすることができる。

また、図３に示すように、ハンド部１４の屈曲軸２２の回転中心Ｐは、仮想平面４０に沿った方向つまり仮想平面４０に平行な方向（矢印Ｃ１の方向）に、ハンド部１４の端部１４ｂから離れた位置にある。言い換えると、回転中心Ｐは、接触部１４ａの仮想平面４０に垂直な方向（矢印Ｃ２の方向）から外れた位置にある。このような構成によって、後述する第２の比較例と比較して、ハンド部１４が前腕部１２に干渉することが抑制されるので、ハンド部１４の回転可能角度を広くすることができる。

実施の形態１において、手首関節部２０のハンド部１４の側の面（つまり前腕部１２とは反対側の面）である端部２０ａ（第２の端部）には、荷重支持部３０が設けられている。荷重支持部３０は、前腕部１２の先端において、肩関節部６及び肘関節部１０の動作により前腕部１２に加えられる荷重Ｆａ（圧縮力）を支持する。具体的には後述するが、ハンド部１４の接触部１４ａが物体９０に接触したときに、荷重支持部３０も物体９０に接触し得る。これにより、前腕部１２からの荷重Ｆａが支持され得る。実施の形態１においては、荷重支持部３０は、手首関節部２０の端部２０ａから突出するように設けられている。

前腕部１２の長手方向に沿って回転中心Ｐを通る仮想線Ｌａを定義すると、仮想線Ｌａは、肘関節部１０の回転中心と手首関節部２０の回転中心Ｐとを結ぶ直線に略一致する。また、この仮想線Ｌａの向きは、前腕部１２に加えられる荷重Ｆａの向きと一致する。また、角度θｈは、仮想平面４０と仮想線Ｌａとの角度に一致する。ここで、実施の形態１においては、仮想線Ｌａは手首関節部２０を通るので、仮想線Ｌａは、荷重支持部３０を通り得る。

ハンド部１４の屈曲軸２２の回転中心Ｐから、荷重支持部３０の先端３４までの長さＤ１は、ハンドリンク部１６のハンド部１４における根元部１６ａから、回転中心Ｐまでの長さＤ２よりも短い。これにより、ハンド部１４が回転中心Ｐの周りに回転した場合であっても、荷重支持部３０はハンド部１４と干渉しない。したがって、ハンド部１４の回転可能角度が確保される、つまり、荷重支持部３０がハンド部１４の回転を妨げることが抑制される。

また、荷重支持部３０の太さは、前腕部１２からの荷重Ｆａに耐えうる程度に太い。一方、荷重支持部３０の太さは、ハンドリンク部１６及び前腕リンク部１３と干渉しない程度に細い。これにより、ハンド部１４の回転可能角度が確保され、かつ、荷重支持部３０が前腕部１２からの荷重Ｆａを支持することができる。

荷重支持部３０の素材は、スポンジ、ゴム又はウレタン等の柔軟な素材（弾性素材）で形成されていてもよい。荷重支持部３０が弾性素材で形成されていることにより、荷重支持部３０は、物体９０に接触したときに圧縮変形する。これにより、荷重支持部３０は、物体９０に面で接触する。また、荷重支持部３０が物体９０に接触するときの面の面積が大きいほど、面圧は小さくなる。そして、荷重支持部３０は、荷重支持部３０が物体９０に接触したときの面圧が物体９０の強度に対して十分小さくなる程度の柔軟性を有する。また、荷重支持部３０は、物体９０と接触したときに、物体９０に対して滑らない程度の摩擦係数を有する素材で形成され得る。また、荷重支持部３０は、物体９０と接触したときに物体９０に与える荷重Ｆａにより発生するせん断力及び圧縮力に耐えうる素材で形成される。

また、図３及び図４に示すように、荷重支持部３０は、仮想平面４０と接するか又は交わる程度に突出している。好適には、荷重支持部３０が仮想平面４０と交わることで、荷重支持部３０は、物体９０と接触するときに面で接触し得るので、荷重支持部３０が物体９０に接触したときの面圧を抑制することができる。なお、図３は角度θｈが９０度である場合が示されているが、図４に示すように、角度θｈが９０度ではない場合であっても、荷重支持部３０は、仮想平面４０と接するか又は交わるように構成される。つまり、荷重支持部３０が仮想平面４０と接するか又は交わる領域（第１の領域３０ａ）が存在する。なお、第１の領域３０ａは、荷重支持部３０が仮想平面４０と接する場合は点（又は線）であり、荷重支持部３０が仮想平面４０と交わる場合は面である。また、荷重支持部３０が仮想平面４０からどの程度突出するかは、ハンド部１４の接触部１４ａ（及び荷重支持部３０）が物体９０と接触したときのロボットハンド１の最適姿勢によって、適宜定められ得る。

また、荷重支持部３０の端部には、湾曲部３２が設けられている。湾曲部３２は、屈曲軸２２に沿った方向（紙面に垂直な方向）から見たときには円弧形状に形成され、揺動軸２４に沿った方向（図３の左右方向）から見たときには直線形状に形成されている。つまり、湾曲部３２は、円柱が高さ方法に沿って切断されてできた形状に形成されている。言い換えると、湾曲部３２は、「かまぼこ型」（barrel-vaulted shape）に形成されている。この場合、湾曲部３２の湾曲は、円柱の側面の一部に対応する。そして、望ましくは、湾曲部３２の円弧形状は、回転中心Ｐを中心とした円弧で形成される。言い換えると、湾曲部３２は、屈曲軸２２に垂直な面による断面が回転中心Ｐを中心とした円弧となるように形成されている。

図５は、実施の形態１にかかるロボットハンド１のハンド部１４が屈曲軸２２の周りに回転している状態を示す図である。図５においては、ハンド部１４は、（ａ）の状態（図３の状態に対応）から、（ｂ）の状態（図２の状態に対応）に回転し、さらに、（ｃ）の状態に回転している。言い換えると、前腕部１２の長手方向の向きが下向きであるとすると、ハンド部１４の接触部１４ａが、下を向いた状態（ａ）、横を向いた状態（ｂ）、上を向いた状態（ｃ）と移行するように回転する。

ここで、上述したように、ハンド部１４の屈曲軸２２の回転中心Ｐは、接触部１４ａに接する仮想平面４０に沿った方向に、ハンド部１４の端部１４ｂから離れた位置にある。また、上述したように、荷重支持部３０は、ハンド部１４、ハンドリンク部１６及び前腕リンク部１３と干渉しないサイズで構成されている。したがって、荷重支持部３０は、ハンド部１４の回転を妨げることはない。したがって、ハンド部１４の回転可能角度（図５に示したθａ以上の角度）が確保され得る。

ここで、仮に、荷重支持部３０に湾曲部３２が設けられておらず、矩形形状である場合、ハンド部１４の角度及び荷重支持部３０のサイズによっては、荷重支持部３０の角部がハンド部１４（ハンドリンク部１６の根元部１６ａ）と干渉する可能性がある。一方、本実施の形態においては、荷重支持部３０に湾曲部３２が設けられているので、荷重支持部３０には、ハンド部１４（ハンドリンク部１６の根元部１６ａ）と干渉するような角部はない。したがって、より確実に、ハンド部１４の回転可能角度が確保され得る。さらに、湾曲部３２が、回転中心Ｐを中心とした円弧形状に形成されることによって、湾曲部３２の湾曲が、ハンドリンク部１６の根元部１６ａの回転の軌跡と沿ったものとなる。したがって、さらに確実に、ハンド部１４の回転可能角度が確保され得る。

また、図３及び図４に示すように、屈曲軸２２に平行な方向から見たときに、回転中心Ｐを荷重Ｆａの向きで仮想平面４０に投影した位置を、仮想位置Ｐ１とする。つまり、仮想位置Ｐ１は、仮想平面４０と仮想線Ｌａとの交点に対応する。このとき、仮想平面４０上において、接触部１４ａと仮想位置Ｐ１との距離を、距離Ｄ３とする。なお、距離Ｄ３の接触部１４ａにおける基準は、接触部１４ａの手首関節部２０の側の端部としている。

図３に示した状態の場合、角度θｈは９０度であるので、仮想位置Ｐ１は、第１の領域３０ａに含まれる。したがって、第１の領域３０ａと仮想位置Ｐ１との距離（Ｄ４）は、略０であるとみなし得る。したがって、Ｄ３＞Ｄ４である。なお、仮に、仮想位置Ｐ１と、第１の領域３０ａにおいて仮想位置Ｐ１から最も遠い点との距離を距離Ｄ４としても、Ｄ３＞Ｄ４となる。したがって、図３においては、荷重支持部３０が仮想平面４０と接するか又は交わる第１の領域３０ａは、接触部１４ａよりも、仮想位置Ｐ１に近い。

また、図４に示した状態の場合、前腕部１２が傾くことにより、仮想位置Ｐ１は、第１の領域３０ａから外れた状態となる。この場合であっても、Ｄ３＞Ｄ４となる。これは、第１の領域３０ａの任意の点をＤ４の基準とした場合であっても成り立ちうる。したがって、本実施の形態においては、荷重支持部３０が仮想平面４０と接するか又は交わる第１の領域３０ａは、接触部１４ａよりも、仮想位置Ｐ１に近い。つまり、実施の形態１においては、回転中心Ｐを含む手首関節部２０に荷重支持部３０が設けられているので、角度θｈにより荷重支持部３０が仮想平面４０と接するか又は交わるとき、第１の領域３０ａは、接触部１４ａよりも仮想位置Ｐ１に近くなる。

図６は、実施の形態１にかかるロボットハンド１のハンド部１４が物体９０と接触した状態を示す図である。図６においては、図４のように、仮想平面４０に対する前腕部１２（仮想線Ｌａ）の角度θｈは、９０度未満となっている。ここで、前腕部１２からの荷重Ｆａが、仮想線Ｌａに沿って回転中心Ｐに向かって加わっている。この場合、荷重支持部３０が物体９０の表面９０ａと接触し、接触領域３０ｃが形成されている。これによって、荷重支持部３０が荷重Ｆａを支持する。

ここで、本実施の形態にかかる荷重支持部３０は、弾性素材で形成されているので、物体９０に面で接触する。したがって、接触領域３０ｃにおける面圧を抑制することが可能となる。また、角度θｈによって、荷重支持部３０が仮想平面４０から突出する長さが異なり得る。しかしながら、実際に荷重支持部３０が物体９０に接触する際には、荷重支持部３０が弾性素材で形成されていることから、この差分が吸収される。つまり、荷重支持部３０が仮想平面４０から突出する長さが長い角度θｈにおいては、荷重支持部３０が物体９０に接触するときに、荷重支持部３０が大きく圧縮変形する。これにより、角度θｈによらず、接触部１４ａ及び荷重支持部３０の接触状態を安定させることができる。

また、仮に、荷重支持部３０に湾曲部３２が設けられておらず、矩形形状である場合、前腕部１２の角度θｈによっては、荷重支持部３０の角部が物体９０の表面９０ａに接触することがある。角部が物体９０の表面９０ａと接触すると、接触領域３０ｃが非常に小さくなる。これにより、接触領域３０ｃにおける面圧が高くなり、物体９０が破損するおそれがある。

一方、本実施の形態にかかる荷重支持部３０には湾曲部３２が設けられているので、荷重支持部３０の端部には、接触領域３０ｃが小さくなるような角部はない。したがって、荷重支持部３０が物体９０の表面９０ａと接触する角度（角度θｈ）によらないで、接触領域３０ｃにおける面圧を抑制することが可能となる。さらに、湾曲部３２が、回転中心Ｐを中心とした円弧形状に形成されることによって、角度θｈによらないで、接触領域３０ｃの形状を一定に近づけることができる。これにより、角度θｈが変化した場合でも、接触領域３０ｃの面積を安定化することができる。したがって、接触領域３０ｃにおける面圧を安定させることができる。また、これにより、荷重支持部３０が物体９０の表面９０ａと接触する角度（角度θｈ）によらないで、接触領域３０ｃの面積を大きくすることができる。したがって、さらに確実に、接触領域３０ｃにおける面圧を抑制することが可能となる。

ここで、荷重支持部３０が物体９０の表面９０ａと接触するとき、荷重Ｆａに対する反力Ｆｂが、物体９０の表面９０ａから接触領域３０ｃの内部の作用点３０ｐに加わる。ここで、反力Ｆｂと荷重Ｆａとは、仮想線Ｌａの方向について釣り合っているので、反力Ｆｂの向きは荷重Ｆａの向きと平行であるが逆方向であり、反力Ｆｂの大きさは荷重Ｆａの大きさと等しい。

一方、反力Ｆｂの方向は、仮想線Ｌｂに沿っている。ここで、図６に示すように、仮想平面４０に対する前腕部１２（仮想線Ｌａ）の角度θｈが９０度よりも小さいと、仮想線Ｌｂは、仮想線Ｌａからずれる。このずれがモーメントアームＭ１となって、前腕部１２にモーメント（図６の状態では反時計回りの方向）が発生する。したがって、前腕部１２には矢印Ｅの方向に倒れる力が働く。この矢印Ｅの方向の力に抗するため、手首関節部２０のモータ２２ａは、屈曲軸２２に反時計回り方向にトルクＴ１を発生させる。これにより、ハンド部１４が物体９０を押圧するので、前腕部１２が矢印Ｅの方向に倒れることが抑制される。つまり、角度θｈが図６に示した角度に維持される。なお、トルクＴ１は、荷重Ｆａと、モーメントアームＭ１に応じて出力される。

ここで、仮想位置Ｐ１と作用点３０ｐとの距離をＤ４とすると、モーメントアームＭ１は、Ｄ４＊ｓｉｎθｈで表される。そして、前腕部１２に発生するモーメントは、Ｆａ＊Ｍ１＝Ｆａ＊Ｄ４＊ｓｉｎθｈと表される。そして、モータ２２ａの最大トルクをＴ１ｍａｘとすると、Ｔ１ｍａｘ＞Ｆａ＊Ｍ１（＝Ｆａ＊Ｄ４＊ｓｉｎθｈ）を満たす。

（比較例）
ここで、本実施の形態との比較例について説明する。
図７は、第１の比較例にかかるロボットハンド１００を示す図である。第１の比較例にかかるロボットハンド１００は、荷重支持部３０がない点で、実施の形態１にかかるロボットハンド１と異なる。ロボットハンド１２０のそれ以外の構成については、実施の形態１にかかるロボットハンド１と実質的に同様である。また、図７における角度θｈは、図６における角度θｈと同じとする。

ロボットハンド１００には荷重支持部３０がないので、前腕部１２から荷重Ｆａが加わった状態でハンド部１４の接触部１４ａが物体９０に接触すると、ハンド部１４が荷重Ｆａを支持することとなる。このとき、接触部１４ａには、反力Ｆｂが加わる。なお、実施の形態１との比較のため、反力Ｆｂが、接触部１４ａの手首関節部２０の側の端部に加わるとしている。ここで、反力Ｆｂと荷重Ｆａとは、仮想線Ｌａの方向について釣り合っているので、反力Ｆｂの向きは荷重Ｆａの向きと平行であるが逆方向であり、反力Ｆｂの大きさは荷重Ｆａの大きさと等しい。

一方、反力Ｆｂの方向は、仮想線Ｌｂに沿っている。ここで、図７に示すように回転中心Ｐが、仮想平面４０に沿った方向（矢印Ｃ１の方向）に、ハンド部１４の端部１４ｂから離れた位置にある。これによって、上述したように、仮想位置Ｐ１と端部１４ｂとの間に、距離Ｄ３の隔たりが生じている。したがって、仮想線Ｌｂは、仮想線Ｌａからずれる。このずれがモーメントアームＭ２となる。ここで、図７に示したように、接触部１４ａと物体９０との接触状態を維持し、前腕部１２の構造部材（前腕リンク部１３等）及び手首関節部２０が物体９０に接触しないようにするために、手首関節部２０のモータ２２ａは、屈曲軸２２に反時計回り方向にトルクＴ２を発生させる。これにより、ハンド部１４が物体９０を押圧し、角度θｈが維持されるので、接触部１４ａと物体９０との接触状態が維持される。なお、トルクＴ２は、荷重Ｆａと、モーメントアームＭ２に応じて出力される。

仮想位置Ｐ１と端部１４ｂとの距離をＤ３とすると、モーメントアームＭ２は、Ｄ３＊ｓｉｎθｈで表される。そして、屈曲軸２２の周りのモーメントは、Ｆｂ＊Ｍ２＝Ｆａ＊Ｄ３＊ｓｉｎθｈと表される。そして、モータ２２ａの最大トルクをＴ２ｍａｘとすると、Ｔ２ｍａｘ＞Ｆｂ＊Ｍ２（＝Ｆａ＊Ｄ４＊ｓｉｎθｈ）を満たす。

ここで、上述したように、Ｄ３＞Ｄ４であるので、モーメントアームＭ１は、モーメントアームＭ２よりも小さくなる。したがって、図６に示した状態におけるモーメントは、図７に示した状態におけるモーメントよりも小さくなる。これは、第１の領域３０ａが接触部１４ａよりも仮想位置Ｐ１に近いからである。そして、図６に示した状態を維持するために必要なトルクＴ１は、図７に示した状態を維持するためのトルクＴ２よりも小さくなる。言い換えると、実施の形態１にかかるロボットハンド１は、荷重支持部３０を有しており、第１の領域３０ａが接触部１４ａよりも仮想位置Ｐ１に近いため、モーメントアームを小さくすることができ、したがって、手首関節部２０におけるモーメントを抑制できる。したがって、実施の形態１にかかるロボットハンド１は、第１の比較例にかかるロボットハンド１００と比較して、モータ２２ａの要求トルク（要求出力）を低減することが可能となる。これにより、モータ２２ａ及び手首関節部２０のサイズの増大を抑制できる。

図８は、第２の比較例にかかるロボットハンド１２０を示す図である。ロボットハンド１２０は、前腕部１２と、関節部１２２と、ハンド部１２４とを有する。関節部１２２には屈曲軸２２が設けられており、関節部１２２に内蔵されたモータによって屈曲軸２２が回転駆動することで、ハンド部１２４が矢印Ａの方向に回転する。また、ハンド部１２４は、物体９０に接触する接触部１２４ａを有する。

図８に示すように、ハンド部１２４の屈曲軸２２の回転中心Ｐは、接触部１２４ａに接する仮想平面４０に沿った方向（矢印Ｃ１の方向）に、ハンド部１２４の端部１２４ｂから離れているわけではない。言い換えると、回転中心Ｐは、接触部１２４ａの仮想平面４０に垂直な方向（矢印Ｃ２の方向）にある。このような構成により、前腕部１２に荷重Ｆａが加わった場合、仮想線Ｌａは接触部１２４ａを通り得るので、接触部１２４ａに加えられる反力Ｆｂの向きは、仮想線Ｌａ上にある。これにより、第２の比較例においては、荷重Ｆａによるモーメントは発生しない。したがって、第２の比較例においては、荷重Ｆａを支持するためにモータの要求トルクを増大させる必要はない。

しかしながら、回転中心Ｐが、接触部１２４ａの仮想平面４０に垂直な方向（矢印Ｃ２の方向）にあるため、ハンド部１２４が矢印Ａの方向に回転すると、ハンド部１２４は前腕部１２と干渉する。したがって、実施の形態１にかかるロボットハンド１と比較して、ハンド部の回転可能角度が小さくなってしまう。

一方、実施の形態１にかかるロボットハンド１は、上述したように、ハンド部１４の回転可能角度を確保することが可能である。さらに、実施の形態１にかかるロボットハンド１は、上述したように、荷重Ｆａを支持するためのモータの要求トルクを低減させることができる。つまり、実施の形態１にかかるロボットハンド１においては、ハンド部１４の回転可能角度を確保することと、手首関節部２０のモータの要求トルクを低減することとを、両立させることができる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２について説明する。実施の形態１にかかるロボットハンド１においては、手首関節部２０は２つの回転軸（屈曲軸２２及び揺動軸２４）を有する。一方、実施の形態２にかかるロボットハンド１においては、手首関節部が１つの回転軸を有している点で、実施の形態１にかかるロボットハンド１と異なる。実施の形態２にかかるロボットハンド１のその他の構成部分については、実施の形態１にかかるロボットハンド１と実質的に同様であるので、説明を省略する。

図９は、実施の形態２にかかるロボットハンド１のハンド部１４の近傍の詳細を示した斜視図である。また、図１０は、実施の形態２にかかるロボットハンド１のハンド部１４の近傍の詳細を示した正面図である。なお、以下の説明において、実施の形態１と実質的に同一の構成部分については、同一の符号が付されている。

実施の形態２にかかるロボットハンド１は、少なくとも、前腕部１２、手首関節部５０、ハンドリンク部１６及びハンド部１４を有する。手首関節部５０は、前腕部１２とハンド部１４との間に設けられており、ハンドリンク部１６を介してハンド部１４を回転可能に支持している。手首関節部５０は、屈曲軸２２と、屈曲軸２２を矢印Ａの方向に回転駆動させるモータ２２ａとを有する。手首関節部５０は、前腕部１２の端部１２ｂに固定されている。なお、手首関節部５０の上記以外の構成については、手首関節部２０と同じである。また、手首関節部５０のハンド部１４の側の面である端部５０ａ（第２の端部）には、実施の形態１と同様の荷重支持部３０が設けられている。荷重支持部３０は、実施の形態１と同様の湾曲部３２を有する。

実施の形態２にかかるロボットハンド１のように、ハンド部１４の回転軸が１軸であったとしても、ハンド部１４と、屈曲軸２２と、荷重支持部３０との関係は、実施の形態１のように回転軸が２軸である場合と同じである。したがって、実施の形態２にかかるロボットハンド１も、上述したような、実施の形態１にかかるロボットハンド１と実質的に同様の効果を奏することができる。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３について説明する。実施の形態３にかかるロボットハンド１は、手首関節部２０ではなく前腕部１２の構造部材に荷重支持部が設けられている点で、実施の形態１と異なる。実施の形態３にかかるロボットハンド１のその他の構成部分については、実施の形態１にかかるロボットハンド１と実質的に同様であるので、説明を省略する。

図１１は、実施の形態３にかかるロボットハンド１のハンド部１４の近傍の詳細を示した斜視図である。また、図１２は、実施の形態２にかかるロボットハンド１のハンド部１４の近傍の詳細を示した正面図である。なお、以下の説明において、実施の形態１と実質的に同一の構成部分については、同一の符号が付されている。

実施の形態３においては、２つの前腕リンク部１３の一方の先端に、荷重支持部６０が設けられている。図１１及び図１２には、２つの前腕リンク部１３のうち、ハンド部１４の接触部１４ａの側の前腕リンク部１３ａに、荷重支持部６０が設けられた例が示されている。しかしながら、前腕部１２とハンド部１４との最適姿勢によっては、ハンド部１４の接触部１４ａとは反対側の前腕リンク部１３ｂに、荷重支持部６０が設けられてもよい。

荷重支持部３０と同様に、荷重支持部６０は、前腕部１２に加えられる荷重Ｆａを支持する。なお、荷重支持部６０の素材は、実施の形態１にかかる荷重支持部３０の素材と同様であってもよい。また、荷重支持部６０の太さは、前腕部１２からの荷重に耐えうる程度に太い。これにより、荷重支持部６０は、前腕部１２からの荷重Ｆａを支持することができる。

一方、荷重支持部６０の幅は、ハンドリンク部１６と干渉しない程度に細い。さらに、回転中心Ｐから荷重支持部６０の先端６４までの長さＤ５は、ハンドリンク部１６の根元部１６ａから回転中心Ｐまでの長さＤ２よりも短い。これにより、ハンド部１４が屈曲軸２２の回転中心Ｐの周りに回転した場合であっても、荷重支持部６０はハンド部１４と干渉することが抑制される。したがって、ハンド部１４の回転可能角度が確保される、つまり、ハンド部１４の回転を妨げることが抑制される。

また、実施の形態１と同様に、荷重支持部６０は、仮想平面４０と接するか又は交わる程度に突出している。つまり、実施の形態１と同様に、荷重支持部６０が仮想平面４０と接するか又は交わる領域（第１の領域６０ａ）が存在する。好適には、荷重支持部６０が仮想平面４０と交わることで、荷重支持部６０は、物体９０と接触するときに面で接触するので、荷重支持部６０が物体９０に接触したときの面圧を抑制することができる。また、荷重支持部６０が仮想平面４０からどの程度突出するかは、ハンド部１４の接触部１４ａ（及び荷重支持部６０）が物体９０と接触したときのロボットハンド１の最適姿勢によって、適宜定められ得る。

また、荷重支持部６０の端部には、湾曲部６２が設けられている。湾曲部６２は、屈曲軸２２に沿った方向から見たときには円弧形状に形成されている。さらに、実施の形態３にかかる湾曲部６２は、揺動軸２４に沿った方向から見たときにも円弧形状に形成されている。つまり、湾曲部６２は、球が切断されてできた形状に形成されている。言い換えると、湾曲部６２は、「半球型」に形成され得る。

そして、望ましくは、湾曲部６２の円弧形状は、手首関節部２０の回転中心を中心とした円弧で形成されている。つまり、屈曲軸２２に沿った方向から見たときの湾曲部６２の円弧形状は、回転中心Ｐを中心とした円弧で形成されている。また、望ましくは、揺動軸２４に沿った方向から見たときの湾曲部６２の円弧形状は、回転中心Ｑを中心とした円弧で形成されている。このように、荷重支持部６０に湾曲部６２が形成されていることによって、実施の形態１と同様に、荷重支持部６０が物体９０と接触したときに角部ではなく面で接触するので、荷重支持部６０が物体９０と接触したときの面圧を抑制することが可能となる。

なお、実施の形態１においては、荷重支持部３０は手首関節部２０に設けられている。したがって、ハンド部１４の接触部１４ａ及び荷重支持部３０が物体９０と接触したときの荷重支持部３０の姿勢は、屈曲軸２２の回転角度のみに依存し、揺動軸２４の回転角度には依存しない。言い換えると、実施の形態１の場合、接触部１４ａが物体９０と接触したときに図４において前腕部１２が手前側又は奥側に傾いた状態でも、揺動軸２４に沿った方向から見たときの荷重支持部３０の姿勢は、物体９０の表面９０ａに対して傾いていない。したがって、実施の形態１にかかる荷重支持部３０の湾曲部３２は、回転中心Ｐを中心とした円弧形状に形成されているのみでよい。

一方、実施の形態３においては、荷重支持部６０は前腕部１２の構造部材（前腕リンク部１３ａ）に設けられている。したがって、ハンド部１４の接触部１４ａ及び荷重支持部６０が物体９０と接触したときの荷重支持部６０の姿勢は、屈曲軸２２の回転角度だけでなく、揺動軸２４の回転角度にも依存する。言い換えると、実施の形態３の場合、接触部１４ａが物体９０と接触したときに図１２において前腕部１２が手前側又は奥側に傾いた状態では、前腕部１２の傾きに伴って、揺動軸２４に沿った方向から見たときの荷重支持部６０の姿勢も、物体９０の表面９０ａに対して傾く。

したがって、実施の形態３にかかる荷重支持部６０の湾曲部６２は、回転中心Ｐを中心とした円弧形状に形成されているだけでなく、回転中心Ｑを中心とした円弧形状にも形成されている。これにより、実施の形態３において、ハンド部１４が揺動軸２４の周りに回転した場合であっても、荷重支持部６０は、物体９０の表面９０ａと面で接触する。したがって、この場合であっても、荷重支持部６０が物体９０と接触したときの面圧を抑制することが可能である。なお、上記のように、実施の形態３にかかる荷重支持部６０の湾曲部６２よりも、実施の形態１にかかる荷重支持部３０の湾曲部３２の方が、単純な形状に形成され得る。

また、実施の形態３にかかる荷重支持部６０は、第１の領域６０ａと仮想位置Ｐ１との距離Ｄ４が、接触部１４ａと仮想位置Ｐ１との距離Ｄ３よりも小さくなるように、構成されている。これにより、実施の形態１と同様に、第１の比較例と比較して、モーメントアームを小さくすることができるので、モータ２２ａの要求トルクを低減させることができる。これにより、実施の形態３においても、モータ２２ａ及び手首関節部２０のサイズの増大を抑制できる。つまり、実施の形態３にかかるロボットハンド１においても、ハンド部１４の回転可能角度を確保することと、手首関節部２０のモータの要求トルクを低減することとを、両立させることができる。

なお、実施の形態３にかかる荷重支持部６０は、前腕部１２の構造部材である前腕リンク部１３に設けられている。ここで、前腕リンク部１３はハンド部１４の回転動作に伴って姿勢が変化する。したがって、荷重支持部６０による干渉を防ぐために、姿勢変化に伴う荷重支持部６０の移動範囲に、他の構造部材（例えばハンドリンク部１６）がないようにする必要がある。この場合、屈曲軸２２の長さを長くして２つのハンドリンク部１６の間隔を大きくする等、手首関節部２０のサイズを大きくする必要があり得る。一方、実施の形態１にかかるロボットハンド１においては、ハンド部１４の回転動作に伴って姿勢が変化することがない手首関節部２０に荷重支持部３０が設けられている。したがって、実施の形態１においては、実施の形態３と比較して、手首関節部２０のサイズを大きくしなくても、ハンド部１４が回転したときに荷重支持部３０が手首関節部の周りの構造部材と干渉することが防止される。言い換えると、実施の形態１にかかるロボットハンド１の方が、手首関節部２０の大型化を抑制することができる。

また、前腕リンク部１３ａよりも手首関節部２０の方が、回転中心Ｐに近い。したがって、図１２の例（実施の形態３）よりも図４の例（実施の形態１）の方が、設計上、距離Ｄ４を距離Ｄ３よりも短くしやすい。したがって、実施の形態１にかかるロボットハンド１の方が、実施の形態３にかかるロボットハンド１よりも、設計の自由度が大きくなる。

（変形例）
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、本実施の形態においては、手首関節部に内蔵された駆動部がモータである例について説明したが、駆動部はモータに限られない。例えば、駆動部は、油圧シリンダであってもよい。

また、上述した実施の形態においては、ロボットハンド１がマニピュレータに適用された例が示されているが、ロボットハンド１は、ヒューマノイドロボットのアームにも適用され得る。この場合、ハンド部１４は、指部を有してもよい。また、この場合、接触部１４ａは、曲面を有してもよい。また、この場合、仮想平面４０は、指部を含み曲面で形成された接触部１４ａに接する仮想的な平面である。

また、上述した実施の形態では、荷重支持部は湾曲部を有するとしたが、荷重支持部は、必ずしも湾曲部を有しなくてもよい。例えば、肩関節部６及び肘関節部１０の関節角度によって、荷重支持部が物体９０の表面９０ａに対し常に同じ角度（例えば垂直）で物体９０に接触するような制御が可能である場合がある。この場合、その荷重支持部の物体９０と接触する端部が平面で形成されれば、その平面で常に物体９０と接触し得るので、接触面積が大きくなり、荷重Ｆａによる荷重支持部における接触領域における面圧が低減される。つまり、荷重支持部に湾曲部を設けなくても、接触領域における面圧を低減することができる。一方、荷重支持部が湾曲部を有することにより、荷重支持部が物体９０の表面９０ａに対してどのような角度で物体９０と接触した場合でも、接触領域における面圧を低減することができる。

また、上述した実施の形態では、物体９０の表面９０ａが平面である場合が例示されているが、表面９０ａは、平面であるとは限らない。この場合、接触部１４ａの全体が物体９０の表面９０ａと接触する必要はない。つまり、このとき、荷重支持部が物体９０と接触し、接触部１４ａの一部が物体９０と接触した状態となる。この場合であっても、荷重支持部は前腕部１２からの荷重Ｆａを支持することができる。また、本実施の形態にかかる荷重支持部が弾性素材で形成されることによって、表面９０ａが平面でない場合であっても、表面９０ａの高低差がある程度吸収され得る。つまり、荷重支持部３０に接触する表面９０ａの高さが、接触部１４ａに接触する表面９０ａの位置の高さよりも高い場合、表面９０ａが平面である場合（つまり高さが同じである場合）と比較して、荷重支持部３０がより大きく圧縮変形する。これにより、接触部１４ａが表面９０ａに接触する面積を大きくすることができる。なお、荷重支持部３０に接触する表面９０ａの高さが、接触部１４ａに接触する表面９０ａの位置の高さよりも低い場合は、接触部１４ａを弾性素材で形成することで、接触部１４ａが表面９０ａに接触する面積を大きくすることができる。つまり、本実施の形態においては、接触部１４ａ及び荷重支持部３０の接触状態を安定させることができる。

なお、ハンド部１４の接触部１４ａが、表面９０ａが平面である物体９０のみと接触する場合、ハンドリンク部１６に荷重支持部を設けてもよい。しかしながら、このような構成とすると、ハンド部１４に対する荷重支持部の自由度が０となってしまう。したがって、表面９０ａが平面でない場合に、接触部１４ａが表面９０ａと接触しても荷重支持部が表面９０ａに接触せず、荷重を支持できない可能性がある。また、このような構成とすると、ハンド部１４の回転動作に伴って荷重支持部が他の構造部材（例えば前腕リンク部１３）と干渉することを防止するため、荷重支持部の移動範囲に他の構造部材がないようにする必要がある。そのため、手首関節部の大きさを大きくする必要がある。

しかしながら、実施の形態１では、上述した構成のため、上記の問題は生じない。つまり、実施の形態１では、ハンド部１４に対する荷重支持部の自由度が０ではないので、図１３に示すように、表面９０ａが平面でない場合であっても、接触部１４ａが表面９０ａと接触したときに、荷重支持部３０が表面９０ａと接触することができる。また、上述したように、実施の形態１では、荷重支持部３０が手首関節部２０に設けられているので、手首関節部２０の大きさを大きくすることが抑制することが可能となる。

１・・・ロボットハンド、１２・・・前腕部、１４・・・ハンド部、１４ａ・・・接触部、１４ｂ・・・端部、１６・・・ハンドリンク部、１６ａ・・・根元部、２０・・・手首関節部、２０ａ・・・端部、２２・・・屈曲軸、２２ａ・・・モータ、２４・・・揺動軸、２４ａ・・・モータ、３０・・・荷重支持部、３０ａ・・・第１の領域、３０ｃ・・・接触領域、３０ｐ・・・作用点、３２・・・湾曲部、３４・・・先端、４０・・・仮想平面、５０・・・手首関節部、５０ａ・・・端部、６０・・・荷重支持部、６０ａ・・・第１の領域、６２・・・湾曲部、６４・・・先端

Claims (4)

1. アーム部と、
   外界の物体に接触する接触部を有するハンド部と、
   前記アーム部の先端に設けられ、前記ハンド部の前記アーム部の側の第１の端部に設けられたリンク部を介して前記ハンド部を回転可能に支持する手首関節部であって、前記ハンド部を駆動させる駆動部を有する手首関節部と、
   前記アーム部の先端において、前記アーム部からの荷重を支持する荷重支持部と、
   を有し、
   前記手首関節部における前記ハンド部の回転中心は、前記接触部に接する仮想的な平面である仮想平面に沿った方向に前記接触部から離れた位置にあり、
   前記回転中心から前記荷重支持部の先端までの長さは、前記回転中心から前記リンク部の根元部までの長さよりも短く、
   前記荷重支持部が前記仮想平面と接するか又は交わる第１の領域が存在し、前記第１の領域は、前記接触部よりも、前記荷重の向きで前記回転中心を前記仮想平面に投影した仮想位置に近い
   ロボットハンド。
2. 前記荷重支持部は、前記手首関節部から突出するように設けられている
   請求項１に記載のロボットハンド。
3. 前記荷重支持部は、弾性素材で形成されている
   請求項１又は２に記載のロボットハンド。
4. 前記荷重支持部の端部には、湾曲部が設けられている
   請求項３に記載のロボットハンド。

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