JP2019084591A

JP2019084591A - ハンド機構

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Publication number: JP2019084591A
Application number: JP2017211675A
Authority: JP
Inventors: 嘉将遠藤; Kashiyo Endo; 健児日高; Kenji Hidaka
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2017-11-01
Filing date: 2017-11-01
Publication date: 2019-06-06
Anticipated expiration: 2037-11-01
Also published as: JP6927852B2; CN111295270A; WO2019087613A1; DE112018005186T5; CN111295270B; US11485025B2; US20200391390A1

Abstract

【課題】可動部を通るフレキシブルケーブルの寿命を延ばす。【解決手段】複数の指部を有し該指部によって対象物を把持するハンド機構であって、フレキシブルケーブルと、対象物の把持に伴って屈曲または伸展し、フレキシブルケーブルの経路を有すると共に、経路に第一面と屈曲部において第一面から屈曲した面である第二面とを有する関節部と、第一面とフレキシブルケーブルとの間に設けられ可撓性を有するシートであって、第二面とシートとの間に隙間を有するように形成されるシートと、を備える。【選択図】図１０

Description

本発明は、ハンド機構に関する。

ロボットアーム等に取り付けられ、複数の指部によって対象物を把持するハンド機構が開発されている。例えば、特許文献１には、複数の指部を有するハンド機構（多指ハンド部）と、該ハンド機構が先端に取り付けられたロボットアームと、を備えたロボット装置が開示されている。

特許第５５０５１３８号公報

ハンド機構では、指部の先端部に感圧センサを備えることがある。この感圧センサの出力信号を制御装置に入力するために、感圧センサにフレキシブルケーブルが接続されている。このフレキシブルケーブルの経路は、指部の内部に設けられている。指部には対象物を把持する際に屈曲または伸展する関節部が設けられており、フレキシブルケーブルはこの関節部を通ることになる。

対象物の把持に伴い関節部が屈曲または伸展を繰り返すと、その動作に合わせてフレキシブルケーブルも屈曲または伸展を繰り返す。ここで、関節部にエッジが存在し、フレキシブルケーブルが屈曲または伸展する際にフレキシブルケーブルがエッジに接触して擦れると、フレキシブルケーブルが摩耗する虞がある。また、エッジに沿ってフレキシブルケーブルが屈曲または伸展を繰り返すと、フレキシブルケーブルに疲労破壊が発生する虞もある。このようにして、フレキシブルケーブルの寿命が短くなると、ユーザがフレキシブルケーブルの交換作業を強いられることになる。なお、指部やアーム部に他のセンサやモータ等が備わり、それらに接続されるフレキシブルケーブルが関節部を通る場合にも同様のことが起こり得る。

本発明は、上記したような種々の実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、可動部を通るフレキシブルケーブルの寿命を延ばすことにある。

本発明の態様の一つは、複数の指部を有し該指部によって対象物を把持するハンド機構であって、フレキシブルケーブルと、前記対象物の把持に伴って屈曲または伸展し、前記フレキシブルケーブルの経路を有すると共に、前記経路に第一面と屈曲部において前記第一面から屈曲した面である第二面とを有する関節部と、前記第一面と前記フレキシブルケーブルとの間に設けられ可撓性を有するシートであって、前記第二面と前記シートとの間に隙間を有するように形成されるシートと、を備えるハンド機構である。

本発明によれば、可動部を通るフレキシブルケーブルの寿命を延ばすことができる。

実施形態に係るロボットアームの概略構成を示す図である。実施形態に係るハンド機構の斜視図である。実施形態に係るハンド機構の上面図である。実施形態に係るハンド機構の指部の側面図である。実施形態に係るハンド機構の指部の先端部側を図４の矢印Ａの方向から見た図である。実施形態に係るハンド機構の指部における第２関節部の可動範囲を示す図である。実施形態に係るハンド機構の指部における第１関節部の可動範囲を示す図である。実施形態に係るハンド機構の指部の第１指リンク部の先端側における感圧センサの配置を示す図である。実施形態に係る指部の第１関節部の概略構成を示す図である。エッジ付近の保護シートの状態を示した図である。

以下に図面を参照して、本発明を実施するための形態を説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

本発明に係るハンド機構によれば、エッジ上にシートが備わるため、フレキシブルケーブルが直接エッジに接触することを抑制できる。また、第二面とシートとの間に隙間を有するようにシートが形成されており、シートがエッジに沿って屈曲していないため、フレキシブルケーブルの曲率半径が過度に小さくなることを抑制できる。また、シートは可撓性を有するため、関節部の屈曲及び伸展に合わせて変形することができるので、フレキシブルケーブルの動きを妨げることを抑制できる。これらにより、エッジが原因となるフレキシブルケーブルの摩耗や疲労破壊が起こることを抑制できる。

＜実施形態＞
ここでは、本発明に係るハンド機構をロボットアームに適用した場合について説明する。図１は、本実施形態に係るロボットアームの概略構成を示す図である。ロボットアーム１は、ハンド機構２、アーム機構３、および台座部４を備えている。アーム機構３の一端にハンド機構２が取り付けられている。また、アーム機構３の他端が台座部４に取り付けられている。ハンド機構２は、アーム機構３に接続されたベース部２０と、該ベース部２０に可動自在に支持された複数の指部２１（図１に示す例では、４本の指部２１）と、を備えている。

＜ハンド機構＞
次に、ハンド機構２の構成について図２から図８に基づいて説明する。図２はハンド機構２の斜視図である。図３はハンド機構２の上面図である。なお、図３において、矢印は、各指部２１の回転可動範囲を示している。図２および図３に示すように、ハンド機構２においては、ベース部２０に４本の指部２１が、ハンド機構２の長手方向（図３において紙面に垂直な方向）の軸を中心とした円周上に、等角度間隔（すなわち９０ｄｅｇ間隔）に配置されている。また、４本の指部２１は全て同一の構造を有し且つ同一の長さである。ただし、各指部２１の動作は、それぞれ独立して制御される。

図４から図８は、ハンド機構２の指部２１の構成およびその駆動機構について説明するための図である。図４は指部２１の側面図である。なお、図４では、ベース部２０が透過された状態で記載されており、ベース部２０の内部に位置する指部２１の一部の内部構造をも示している。また、図５は、指部２１の先端部側を図４の矢印Ａの方向から見た図である。なお、図４および図５では、後述する指部２１の第２指リンク部２１２の一部が透
過された状態で記載されており、該第２指リンク部２１２の内部構造をも示されている。

図２および図４に示すとおり、各指部２１は、第１指リンク部２１１、第２指リンク部２１２、および基端部２１３を有している。そして、指部２１の基端部２１３がベース部２０に接続されている。ここで、基端部２１３は、図３において矢印で示すように、ベース部２０に対して指部２１の長手方向（図３において紙面に垂直な方向）の軸回りに回転可能に接続されている。また、指部２１において、基端部２１３に第２指リンク部２１２の一端が接続されている。そして、この第２指リンク部２１２と基端部２１３との接続部に第２関節部２３が形成されている。また、図４および図５に示すように、指部２１においては、第２指リンク部２１２の他端に第１指リンク部２１１の一端が接続されている。そして、この第１指リンク部２１１と第２指リンク部２１２との接続部に第１関節部２２が形成されている。

また、図４に示すように、ベース部２０の内部には第２モータ５２および第３モータ５３が設けられている。第３モータ５３は基端部２１３をその軸回りに回転駆動させるためのモータである。第３モータ５３の回転力が歯車を介して基端部２１３の回転軸に伝達されることで、基端部２１３が回転駆動し、それに伴って、図３において矢印で示す範囲で指部２１全体が回転駆動される。また、第２モータ５２は、第２関節部２３において、第２指リンク部２１２を基端部２１３に対して相対的に回転駆動させるためのモータである。第２モータ５２の回転力が第２指リンク部２１２の回転軸に伝達される。その結果、図６において矢印で示す範囲で、第２指リンク部２１２が基端部２１３に対して相対的に回転駆動される。図６に示すように、第２関節部２３は屈曲および伸展可能に形成されている。なお、第２モータ５２による駆動力と第３モータ５３による駆動力とは、それぞれ独立してその作動対象に伝わるように構成されている。

また、図４および図５に示すように、第２指リンク部２１２の内部には第１モータ５１が設けられている。第１モータ５１は、第１関節部２２において、第１指リンク部２１１を第２指リンク部２１２に対して相対的に回転駆動させるためのモータである。第１モータ５１の回転力が歯車を介して第１指リンク部２１１の回転軸に伝達される。その結果、図７において矢印で示す範囲で、第１指リンク部２１１が第２指リンク部２１２に対して相対的に回転駆動される。図７に示すように、第１関節部２２は屈曲および伸展可能に形成されている。

また、図２、図４、図５、および図８に示すように、本実施形態では、指部２１の第１指リンク部２１１の先端側に感圧センサ７０が設けられている。感圧センサ７０は、第１指リンク部２１１の先端部に作用する外力（圧力）を検出するセンサである。また、図４に示すように、感圧センサ７０は、第１指リンク部２１１における、第１関節部２２の屈曲方向側の壁面（以下、「屈曲側壁面」と称する場合もある。）２１５および伸展方向側の壁面（以下、「伸展側壁面」と称する場合もある。）２１６の両面に設けられている。ここで、本実施形態では、第１指リンク部２１１の先端側における屈曲側壁面２１５は曲面状に形成されている。そこで、図８に示すように、第１指リンク部２１１の先端側における屈曲側壁面２１５には、複数の感圧センサ７０をその曲面形状に沿って並べて設置してもよい。

＜アーム機構＞
アーム機構３は、第１アームリンク部３１、第２アームリンク部３２、第３アームリンク部３３、第４アームリンク部３４、第５アームリンク部３５、および接続部材３６を備えている。各アームリンク部には、軸周りに回転させるためのモータ（図示略）が設けられている。アーム機構３をこのような構成とすることで、例えば、該アーム機構３を６自由度の自由度を有する機構とすることができる。

＜台座部＞
台座部４には、ハンド機構２及びアーム機構３を制御するための制御装置（図示略）が内蔵されている。制御装置は、ハンド機構２及びアーム機構３に設けられた各モータを駆動するための駆動信号を生成する複数のドライバを含み、各ドライバからの駆動信号が対応する各モータに供給されるように構成される。また、制御装置には、感圧センサ７０からの信号が入力される。制御装置は、演算処理装置およびメモリを有するコンピュータを含んでいる。また、制御装置は、所定の制御プログラムを記憶しており、このプログラムを実行することにより、ハンド機構２及びアーム機構３を制御する。

＜関節部＞
図９は、指部２１の第１関節部２２の概略構成を示す図である。図９では一部の機構を省略している。指部２１の第１指リンク部２１１の先端側には図７で示したように感圧センサ７０が設けられており、感圧センサ７０はフレキシブルケーブル２００を介して制御装置に接続されている。フレキシブルケーブル２００は、平板導体を並列に並べて全体を絶縁体で覆った電線であり、可撓性を有する。平板導体には例えば銅を用いることができる。また、絶縁体には例えばポリイミド又はポリエステルを用いることができる。

フレキシブルケーブル２００は、第１指リンク部２１１から台座部４まで配線されているため、第１関節部２２の内部にもフレキシブルケーブル２００の経路が存在する。第１関節部２２の屈曲及び伸展の際には、その動きに合わせてフレキシブルケーブル２００が変形することで、該フレキシブルケーブル２００の断線が抑制され、電気的な接続が維持される。

しかし、第１関節部２２の屈曲または伸展の際に、フレキシブルケーブル２００が第１関節部２２に形成されているエッジ２０１に接触する場合がある。ここでいうエッジ２０１は、第１関節部２２を形成している部材の表面において、凸状に屈曲している箇所である。図９に示すエッジ２０１は、第１関節部２２の屈曲の際にフレキシブルケーブル２００が接触し得る箇所に存在している。エッジ２０１は、２つの面（第一面２０３及び第二面２０４）の交線で形成されている。したがって、第二面２０４は、エッジ２０１（屈曲部）において第一面２０３から屈曲した面である。すなわち、本実施例においてはエッジ２０１が、本発明における屈曲部に相当する。

仮に、第１関節部２２が屈曲を繰り返す度にエッジ２０１にフレキシブルケーブル２００が接触するような構造だった場合、エッジ２０１がフレキシブルケーブル２００を摩耗させる。また、エッジ２０１（屈曲部）によってフレキシブルケーブル２００が折れ曲がると、疲労破壊を招く虞がある。なお、屈曲部には面取りがなされたものや、曲面を持ったものを含むことができる。例えば、屈曲部を曲面で形成し、その曲率半径を大きくすることにより摩耗や疲労破壊が起こることをある程度は抑制できるが、第１関節部２２が屈曲を繰り返すうちに摩耗や疲労が進む虞がある。

そこで本実施形態ではフレキシブルケーブル２００とエッジ２０１との間に、可撓性を有するシート状の部材である保護シート２０２を設けた。図１０は、エッジ２０１付近の保護シート２０２の状態を示した図である。なお、第一面２０３及び第二面２０４は、第１関節部２２を構成する部材の表面である。保護シート２０２は、フレキシブルケーブル２００に例えば接着剤を用いて接着されている。また、保護シート２０２は、第一面２０３上において、フレキシブルケーブル２００とエッジ２０１との間に挟み込まれており、第一面２０３と保護シート２０２とは例えば接着剤により固定されている。したがって、フレキシブルケーブル２００は、第一面２０３との間に保護シート２０２を挟んだ状態で第一面２０３に沿って配置されている。

一方、保護シート２０２は、第二面２０４には接着されていない。そのため、保護シート２０２は、図１０におけるエッジ２０１で屈曲せずに、第一面２０３から第二面２０４上の空間に突出する。すなわち、保護シート２０２は、エッジ２０１から第一面２０３の面方向に突出する。保護シート２０２は、可撓性を有するために第二面２０４上の空間において撓むことができる。このように、保護シート２０２が撓んだとしても、第二面２０４と保護シート２０２との間に隙間を有するように、該保護シート２０２が形成されている。なお、保護シート２０２が第二面２０４に接触しないように第二面２０４側に撓むことが可能となるように、保護シート２０２の材料及び形状が決められる。

このように、保護シート２０２を配置することにより、フレキシブルケーブル２００が、エッジ２０１に接触することが抑制される。したがって、第１関節部２２の屈曲時に、エッジ２０１でフレキシブルケーブル２００が擦れて摩耗することを抑制できる。

また、第１関節部２２の屈曲時に、フレキシブルケーブル２００は保護シート２０２と一体となって撓むため、フレキシブルケーブル２００が単体で撓む場合と比較すると、撓み難くなる。すなわち、仮にエッジ２０１上にフレキシブルケーブル２００を直接配線した場合には、エッジ２０１上でフレキシブルケーブル２００が屈曲し、このときのエッジ２０１上におけるフレキシブルケーブル２００の曲率半径は比較的小さくなる。一方、保護シート２０２上に配線したフレキシブルケーブル２００は、屈曲時にエッジ２０１周辺で最小となる曲率半径（図１０参照。）が比較的大きくなる。したがって、第１関節部２２が屈曲を繰り返したときにフレキシブルケーブル２００が屈曲を繰り返したとしても、そのときの曲率半径が比較的大きいために、疲労破壊が起こり難くなる。

保護シート２０２がエッジ２０１から第二面２０４の上部に突出する長さの上限値は、フレキシブルケーブル２００が他の部材に接触しないように決定される。保護シート２０２が長すぎると、フレキシブルケーブル２００が撓み難くなるため、第１関節部２２が屈曲したときに、フレキシブルケーブル２００が十分に撓まずに他の部材に接触する虞がある。したがって、他の部材への接触を抑制するように、保護シート２０２の長さが決定される。

また、保護シート２０２がエッジ２０１から第二面２０４の上部に突出する長さの下限値は、フレキシブルケーブル２００の摩耗や疲労強度が許容範囲となるように決定される。例えば、保護シート２０２が短すぎると、第１関節部２２が屈曲したときに保護シート２０２が十分に撓まないために、保護シート２０２の端部においてフレキシブルケーブル２００が屈曲し易くなる。この場合、保護シート２０２の端部においてフレキシブルケーブル２００の疲労破壊が起こり易くなる。このような疲労破壊を抑制するように、保護シート２０２の長さを設定する。

以上のことを考慮して、保護シート２０２がエッジ２０１から第二面２０４の上部に突出する長さを、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。また、保護シート２０２の幅は、フレキシブルケーブル２００の幅以上とすることで、フレキシブルケーブル２００がエッジ２０１に直接接触することを抑制する。

また、保護シート２０２自体がフレキシブルケーブル２００を摩耗させることを抑制するように、保護シート２０２の材料を選定してもよい。この場合、保護シート２０２の硬度を、フレキシブルケーブル２００の硬度以下に設定すれば、フレキシブルケーブル２００の摩耗を抑制できる。また、保護シート２０２がエッジ２０１によって摩耗することを抑制するという観点からは、保護シート２０２の硬度は高いほうがよい。したがって、保護シート２０２及びフレキシブルケーブル２００の摩耗を抑制するためには、保護シート
２０２の硬度を、フレキシブルケーブル２００の硬度以下の範囲でなるべく高くしたほうがよい。そうすると、保護シート２０２の硬度と、フレキシブルケーブル２００の硬度とが同程度になるように、保護シート２０２の材料を選定してもよい。この場合、フレキシブルケーブル２００の材料と保護シート２０２の材料とを同じにしてもよい。例えば、電気的にどこにも接続されていないフレキシブルケーブルを保護シート２０２として用いてもよい。

なお、本実施形態おいては、第１関節部２２の屈曲時にフレキシブルケーブル２００がエッジ２０１に接触する構造を例に挙げて説明したが、これに代えて、第１関節部２２の伸展時にフレキシブルケーブルがエッジに接触する構造を有していたとしても、エッジとフレキシブルケーブルとの間に保護シートを設けることにより、第１関節部２２の伸展時におけるフレキシブルケーブルの摩耗及び疲労破壊を抑制できる。

また、本実施形態おいては、第１関節部２２を通る感圧センサ７０用のフレキシブルケーブル２００について説明したが、保護シート２０２はこれに限らず他の箇所を通っているフレキシブルケーブル２００に用いることもできる。すなわち、他の箇所に存在するエッジ上をフレキシブルケーブル２００が通る場合には、その箇所に保護シートを設けることにより、フレキシブルケーブル２００の摩耗及び疲労破壊を抑制できる。

例えば、感圧センサ７０に接続されているフレキシブルケーブル２００は、第１指リンク部２１１から台座部４まで配線されているため、第２関節部２３の内部も通る。したがって、第２関節部２３においても、同様に保護シート２０２を設けることで、フレキシブルケーブル２００の摩耗及び疲労破壊を抑制できる。

また、例えば、第２指リンク部２１２の内部に備わる第１モータ５１に電力を供給するためにフレキシブルケーブルを用いることも考えられる。このフレキシブルケーブルは、第２関節部２３を通るため、該第２関節部２３にエッジが存在する場合には、上記説明と同様にして保護シート２０２を設けることにより、フレキシブルケーブルの摩耗及び疲労破壊を抑制できる。

さらに、アーム機構３内においても同様にして保護シート２０２を設けることもできる。

以上のように本実施形態によれば、保護シート２０２を設けることによりフレキシブルケーブル２００の摩耗及び疲労破壊を抑制できる。したがって、フレキシブルケーブル２００の交換サイクルを長くすることができるため、メンテナンスの手間を軽減できる。

１・・・ロボットアーム、２・・・ハンド機構、２１・・・指部、２００・・・フレキシブルケーブル、２０１・・・エッジ、２０２・・・保護シート

Claims

複数の指部を有し該指部によって対象物を把持するハンド機構であって、
フレキシブルケーブルと、
前記対象物の把持に伴って屈曲または伸展し、前記フレキシブルケーブルの経路を有すると共に、前記経路に第一面と屈曲部において前記第一面から屈曲した面である第二面とを有する関節部と、
前記第一面と前記フレキシブルケーブルとの間に設けられ可撓性を有するシートであって、前記第二面と前記シートとの間に隙間を有するように形成されるシートと、
を備えるハンド機構。
前記シートは、前記第一面に固定され、前記屈曲部から前記第一面の面方向に突出することで前記第二面と前記シートとの間に隙間を形成する請求項１に記載のハンド機構。
前記シートの硬度が、前記フレキシブルケーブルの硬度以下に設定される請求項１または２に記載のハンド機構。
前記シートの硬度が、前記フレキシブルケーブルの硬度と同じに設定される請求項３に記載のハンド機構。
前記シートは、前記フレキシブルケーブルと同じ材料を用いて形成される請求項１から４の何れか１項に記載のハンド機構。