JP2018167378A - 人間型ハンドにおける手首の回転構造 - Google Patents

Abstract

【課題】物体把持負担を軽くする人間型ハンドにおける手首の回転構造を提供する。【解決手段】従来の人間型ハンド或いは実際の人体の手の構造と比較して、本発明の場合は、掌基板４の回動中心となる軸５と拇指機構６のＣＭ関節部１５との間隔が狭くなっている。その結果、手首の回転中心と物体を把持した際の物体の重心位置との距離が短くなり、手首の回転中心に作用するモーメントが小さくなる。【選択図】 図４

Description

本発明は、複数本の指機構を備えた人間型ハンドのうち、特に物体把持負担を軽くする人間型ハンドにおける手首の回転構造に関する。

図４は人間の手の関節を説明した図であり、拇指はＣＭ関節、ＭＰ関節、ＩＰ関節を中心に屈曲及びある程度の回転を行い、示指、中指、環指及び小指はＭＰ関節、ＰＩＰ関節及びＤＩＰ関節を中心に屈曲及びある程度の回転を行う。

上記の人間の手を模した複数の指機構によって物体（部品など）を把持して、移送したり回転させたりする人間型ハンドが特許文献１及び特許文献２に開示されている。

図５（ａ）は特許文献１に開示される人間型ハンドの概略を説明したものであり、掌基板に対し、各指機構のＣＭ関節に相当する部分がユニバーサルジョイントを介して連結されている。尚、掌基板とアームとの連結部についての詳細についての開示はない。

図５（ｂ）は特許文献２に開示される人間型ハンドの概略を説明したものであり、この人間型ハンドは、各拇指機構のＣＭ関節に相当する部分が掌基板に回動自在に連結され、拇指以外の他の指機構のＭＰ関節に相当する部分が掌基板に回動自在に連結されている。この先行技術も掌基板とアームとの連結部についての詳細についての開示はない。

人間の腕に相当するアーム部の先端に掌基板を連結する場合、上記の特許文献に限らず、一般的に拇指機構のＣＭ関節との関連は考慮せず、掌基板の回動中心と拇指機構のＣＭ関節とは大きく離れている。

特許第４４６２７４２号公報 特開２０１０−２６４５４８号公報

従来の人間型ハンドによって物体を把持し、持ち上げたり、移動したり或いは回転させる場合、ハンドの手首部分に大きなモーメントが作用し、このため大出力のアクチュエータ（駆動源）が必要となる。

また、手首部分に大きなモーメントが作用すると、他の部分も構造的に当該モーメントに打ち勝つ構造にしなければならず、全体的に大型化したり、重くなってしまう。

本発明者らは、人間の手の構造を忠実に検証した結果、物体を把持したときには掌が内側に湾曲して、手首部分の回動中心が相対的に物体の重心を受ける拇指のＣＭ関節に近づくことを知見した。

本発明は上記知見に基づきなしたものであり、本発明はアームの先端に連結された掌基板に拇指機構を含む複数本の指機構を取付けた人間型ハンドにおける手首の回転構造であって、前記掌基板は掌基板を含む平面に略直交する軸を中心として回動自在に支持され、この掌基板の回動中心は手首の回内・回外軸と直交する前記拇指機構のＣＭ関節を通る水平軸よりも指先寄りで、示指、中指、環指及び小指のＣＭ関節を結ぶ線よりも手元側で、拇指機構のＣＭ関節を通る垂直軸よりも中央寄りで、且つ小指のＣＭ関節を通る垂直軸よりも中央寄りの領域内に設定した。

前記掌基板の回動中心は前記領域内で、拇指機構を含む複数本の指機構によって物体を把持した際の当該回動中心に作用するモーメントが最も小さくなる位置とするのが最も好ましい。

また、アームの先端部がアーム本体に対し回動自在とされている場合には、この先端部の回動軸と前記掌基板の回転軸とは略直交するように配置することが好ましい。

本発明に係る人間型ハンドによれば、大重量の物体であっても従来よりも低出力のアクチュエータ（駆動源）で、持ち上げたり、移動させたり或いは回転させることができる。

また、各関節部等に無理な力が作用することがなく、ロボットの動きがスムーズになり、且つ軽量化も達成できる。

本発明に係る手首の回転構造を適用した人間型ハンドの全体図。 （ａ）は同人間型ハンドの尺屈状態を示す図、（ｂ）は撓屈状態を示す図。 （ａ）は手首の回内・回外軸と掌基板の回転中心とがオフセットされた別実施例を示す図、（ｂ）は掌基板の回転中心に２自由度ないしは３自由度を付与した別実施例を示す図。 人間の手の関節を説明した図。 （ａ）は特許文献１で提案された人間型ハンドを示す図、（ｂ）は特許文献２で提案された人間型ハンドを示す図。

本発明に係る人間型ハンドにおける手首の回転構造は、アーム１の本体に山形をなす先端部２が軸３を中心として回動自在に取付けられ、この先端部２の中央に掌基板４が前記軸３と直交方向の軸５を中心として回動自在に取付けられている。前記軸３は手首の垂直面内の回動中心軸であり且つ手首の回内・回外軸Ｌ０と直交している。

前記先端部２の形状は左右の辺が内側に湾曲した山形をしているため、人間型ハンドに腕の長さ方向の力が作用した場合に伸びるか縮むことができ、これによって例えば指先部が何らかの障害物に当った場合などに指先部の破損を有効に防止している。

前記掌基板４の水平面内での回動中心軸５は、拇指機構のＣＭ関節部１５を通り且つ前記回内・回外軸Ｌ０と直交する水平軸Ｌ１と、示指機構７、中指機構８、環指機構９及び小指機構１０のＣＭ関節部２５をつないだ線Ｌ２と、前記拇指機構のＣＭ関節部１５を通る前記軸Ｌ０と平行な垂直軸Ｌ３と、前記小指機構１０のＣＭ関節部２５を通る前記軸Ｌ０と平行な垂直軸Ｌ４とで囲まれた領域内に設定されている。このように設定することで、回動中心軸５は比較的拇指機構のＣＭ関節部１５に近づく結果となり、回動中心軸５に作用するモーメントが小さくなる。

前記したように、掌基板４には、拇指機構６、示指機構７、中指機構８、環指機構９及び小指機構１０が取付けられている。
拇指機構６は中手骨に相当する第１骨部材１１と、基節骨に相当する第２骨部材１２と、末節骨に相当する第３骨部材１３とを備え、第１骨部材１１の基端部は前記掌基板４の裏面側にＣＭ関節部１５を介して回動自在に連結され、第２骨部材１２の基端部は前記第１骨部材１１の先端部にＭＰ関節部１６を介して回動自在に連結され、第３骨部材１３の基端部は前記第２骨部材１２の先端部にＩＰ関節部１７を介して回動自在に連結されている。

前記第１骨部材１１から第３骨部材１３に沿ってリンク機構２０が配設され、このリンク機構２０に牽引動作或いは引張動作を行わせることで、前記第１骨部材１１から第４骨部材１４は各関節部１５、１６、１７を中心として回動（屈曲）動作を行う。

示指機構７、中指機構８、環指機構９及び小指機構１０は同じ構造であるので、小指機構１０に図番を付して説明する。
各指機構は中手骨に相当する第１骨部材２１と、基節骨に相当する第２骨部材２２と、中節骨に相当する第３骨部材２３と、末節骨に相当する第４骨部材２４とを備え、第１骨部材２１の基端部は前記掌基板４の表面側にユニバーサルジョイントからなるＣＭ関節部２５を介して回動自在に連結されている。

また、第２骨部材２２の基端部は前記第１骨部材２１の先端部にＭＰ関節部２６を介して回動自在に連結され、第３骨部材２３の基端部は前記第２骨部材２２の先端部にＰＩＰ関節部２７を介して回動自在に連結され、第４骨部材２４の基端部は前記第３骨部材２３の先端部にＤＩＰ関節部２８を介して回動自在に連結されている。

前記第１骨部材２１から第４骨部材２４に沿ってリンク機構３０が配設され、このリンク機構３０に牽引動作或いは引張動作を行わせることで、前記第１骨部材２１から第４骨部材２４は各関節部２５、２６、２７、２８を中心として回動（屈曲）動作を行う。

ここで、前記リンク機構２０とリンク機構３０とは連動しており、アクチュエータなどを駆動することで、拇指機構６、示指機構７、中指機構８、環指機構９及び小指機構１０は同時に動作を行う。

図２（ａ）は前記掌基板４の回動中心軸５中心として、水平面内で反時計方向に回動した尺屈状態を示し、（ｂ）は軸Ｌ０を中心として、水平面内で時計方向に回動した撓屈状態を示す。

本発明の場合は、掌基板４は湾曲しないが、当初より掌基板４の水平面内での回動中心軸５が前記したように、線分Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４で囲まれる領域内に設定されているため、拇指機構６のＣＭ関節部１５との間隔が比較的小さく、回動中心軸５を中心に回動しても手首との距離が大きく変動しないで、手首の回転中心に作用するモーメントの変動も小さくなる。

実際の人間の手は、掌基板４に相当する部分は複数の骨からなっており、物体を把持する場合は、上記の複数の骨の間が変化することで、上記の複数の骨が変化して適切な形状になる。

人間の手は、複数の骨からなる掌基板４に相当する部分に接触させるように物体を持つと、この物体の重心と拇指のCM関節とが近づくため、手首の回転中心に作用するモーメントが小さくなる。

図３（ａ）及び（ｂ）は別実施例を示す図であり、（ａ）に示す実施例にあっては、手首の回内・回外回転軸Ｌ０と掌基板４の回動中心軸５とがオフセットした状態を示しており、（ｂ）に示す実施例にあっては掌基板４の回動中心軸５として多自由度機構を採用することで自由度を高めている。図ではジンバル機構により実現した実施例を示すが、実施に際しては２自由度ないしは３自由度を付与できれば他の手法であってもよい。

何れの場合も、掌基板４の回動中心軸５を拇指機構のＣＭ関節部１５を通る水平軸Ｌ１と、示指機構７、中指機構８、環指機構９及び小指機構１０のＣＭ関節部２５をつないだ線Ｌ２と、前記拇指機構のＣＭ関節部１５を通る垂直軸Ｌ３と、前記小指機構１０のＣＭ関節部２５を通る垂直軸Ｌ４とで囲まれる領域内に設定することで、手首に作用するモーメントの変動が小さくなるようにしている。

図示例では、掌基板４の回動中心となる軸５と拇指機構６のＣＭ関節部１５との間隔は狭くて両者が離れた例を示したが、軸５とＣＭ関節部１５とが厚み方向で重なる配置としてもよい。

本発明に係る人間型ハンドにおける手首の回転構造は必ずしも５本指の人間型ハンドに限定されず２本以上の指機構を持ち、物体を把持する構造のものであれば適用可能である。

１…アーム、２…アームの先端部、３…軸、４…掌基板、５…掌基板の回動中心軸、６…拇指機構、７…示指機構、８…中指機構、９…環指機構、１０…小指機構、１１…第１骨部材、１２…第２骨部材、１３…第３骨部材、１５…ＣＭ関節部、１６…ＭＰ関節部、１７…ＩＰ関節部、２０…リンク機構、２１…第１骨部材、２２…第２骨部材、２３…第３骨部材、２４…第４骨部材、２５…ＣＭ関節部、２６…ＭＰ関節部、２７…ＰＩＰ関節部、２８…ＤＩＰ関節部、３０…リンク機構。
Ｌ０…手首の回内・回外軸
Ｌ１…拇指機構のＣＭ関節部を通り且つ回内・回外軸Ｌ０と直交する水平軸
Ｌ２…示指機構、中指機構、環指機構及び小指機構のＣＭ関節部をつないだ線
Ｌ３…拇指機構のＣＭ関節部を通る垂直軸
Ｌ４…小指機構のＣＭ関節部を通る垂直軸

Claims (4)

1. アームの先端部に連結された掌基板に拇指機構を含む複数本の指機構を取付けた人間型ハンドにおける手首の回転構造であって、前記掌基板は掌基板を含む平面に略直交する軸を中心として水平面内で回動自在に支持され、この掌基板の回動中心は手首の回内・回外軸と直交する前記拇指機構のＣＭ関節を通る水平軸と、示指機構、中指機構、環指機構及び小指機構のＣＭ関節部を結ぶ線と、拇指機構のＣＭ関節部を通る垂直軸と、小指機構のＣＭ関節部を通る垂直軸とで形成される領域内に設定されていることを特徴とする人間型ハンドにおける手首の回転構造。
2. 請求項１に記載の人間型ハンドにおいて、前記掌基板の回動中心は、前記領域内で前記拇指機構を含む複数本の指機構によって物体を把持した際の当該回動中心に作用するモーメントが最も小さくなる位置とすることを特徴とする人間型ハンドにおける手首の回転構造。
3. 請求項１に記載の人間型ハンドにおいて、前記アームの先端部はアーム本体に対し回動自在に支持され、この先端部の回動軸に対し、前記掌基板の回転軸は略直交することを特徴とする人間型ハンドにおける手首の回転構造。
4. 請求項１に記載の人間型ハンドにおいて、前記アームの先端部に連結された前記掌基板を２自由度ないしは３自由度で回動自在に支持するように構成されていることを特徴とする人間型ハンドにおける手首の回転構造。

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