JP2023043231A - ロボットの指機構および該指機構を備えたハンド機構 - Google Patents

Abstract

【課題】伸展／屈曲のためのアクチュエータが１つでよく、かつ破損に強い指機構を提供する。【解決手段】指機構１０Ａ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、中節骨に相当する第３骨部材１３と、末節骨に相当する第４骨部材１４と、リンク機構と、直動アクチュエータ２０とを備え、直動アクチュエータ２０は、第１骨部材１１の後背側において該第１骨部材１１に沿った方向に移動可能な摺動部材２４を含み、リンク機構は、基端部が摺動部材２４に回動可能に連結された第１リンク部材１５を含む。第１リンク部材１５は、好ましくは力センサ３０を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットの指機構および該指機構を備えたハンド機構に関する。

従来、ロボットの腕に作業対象物を保持する機能をもたせるために、種々の指機構およびハンド機構（マニピュレータ）が検討されている。その一例として、特許文献１では、複数の骨部材１０１，１０２，１０３，１０４と、複数のリンク部材１０５，１０６，１０７と、リンク部材の１つ（１０５）に組み込まれたステッピングモータ１０８と、直動アクチュエータ１０９とを備えた指機構１００（図８参照）、およびこれを２つ備えたハンド機構が提案されている。

特許第６５１３１１８号公報

上記従来の指機構１００は、２つのアクチュエータ１０８，１０９によって伸展／屈曲するように構成されているので、制御が複雑で、コストが高くつくという問題があった。また、上記従来の指機構１００は、ステッピングモータ１０８が腹側（屈曲内側）に設けられているので、掴んだ作業対象物とステッピングモータ１０８とが接触して該ステッピングモータ１０８が破損しかねないという問題もあった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、伸展／屈曲のためのアクチュエータが１つでよく、かつ破損に強い指機構およびハンド機構を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る指機構は、中手骨に相当する第１骨部材と、基節骨に相当する第２骨部材と、中節骨に相当する第３骨部材と、末節骨に相当する第４骨部材と、リンク機構と、直動アクチュエータとを備えたものであって、第２骨部材は、基端部が第１骨部材の先端部に回動可能に連結され、第３骨部材は、基端部が第２骨部材の先端部に回動可能に連結され、第４骨部材は、第１基端部が第３骨部材の先端部に回動可能に連結され、直動アクチュエータは、第１骨部材の後背側において該第１骨部材に沿った方向に移動可能な摺動部材を含み、リンク機構は、基端部が摺動部材に回動可能に連結された第１リンク部材と、第１基端部が第２骨部材の基端部とともに第１骨部材の先端部に回動可能に連結され、かつ第１基端部よりも後背側にある第２基端部が第１リンク部材の先端部に回動可能に連結された第２リンク部材と、基端部が第２リンク部材の先端部に回動可能に連結された第３リンク部材と、基端部が第２骨部材の中間部に回動可能に連結され、中間部が第３リンク部材の先端部に回動可能に連結され、かつ先端部が第４骨部材の第１基端部よりも後背側にある第２基端部に回動可能に連結された第４リンク部材と、を含むことを特徴とする。

上記指機構の直動アクチュエータは、第１骨部材に設けられたボールねじと、ボールねじを回転させるモータとをさらに含んでいてもよい。

上記指機構の第１リンク部材は、その先端部と基端部との間に作用する力を検出する力センサを含んでいることが好ましい。

上記指機構は、第４骨部材の先端部に設けられた指先部材をさらに備えていてもよい。

この場合、上記指機構は、指先部材の内部に設けられた物理量センサをさらに備えていてもよい。

また、この場合、上記指機構は、該指機構の内部において物理量センサの配線を案内する少なくとも１つのガイド部材をさらに備えていることが好ましい。

上記指機構は、第１骨部材、第２骨部材、第３骨部材、第４骨部材、第１リンク部材、第２リンク部材、第３リンク部材、第４リンク部材および指先部材から選ばれた、屈曲していくときに互いに接近する２つの部材間に設けられ、この２つの部材に該２つの部材が離れる方向の付勢力を作用させることにより該２つの部材間の距離を所定の距離に維持しようとする直動の付勢部材をさらに備えていることが好ましい。

また、上記課題を解決するために、本発明に係るハンド機構は、上記いずれかの指機構を複数本備えたことを特徴とする。

本発明によれば、伸展／屈曲のためのアクチュエータが１つでよく、かつ破損に強い指機構、および該指機構を備えたハンド機構を提供することができる。

本発明の第１実施例に係る指機構を側方から見た図である。 第１実施例に係る指機構を腹側（屈曲内側）から見た図である。 第１実施例に係る指機構を後背側（屈曲外側）から見た図である。 第１実施例に係る指機構の伸展／屈曲を示す図である。 第１実施例に係る指機構による作業対象物の保持を示す図である。 本発明の第２実施例に係る指機構を側方から見た図である。 本発明の第３実施例に係る指機構の一部を（Ａ）側方および（Ｂ）後背側から見た図である。 従来の指機構を側方から見た図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る指機構およびハンド機構の実施例について説明する。

［指機構（第１実施例）］
図１～図３に、本発明の第１実施例に係る指機構１０Ａを示す。これらの図に示すように、本実施例に係る指機構１０Ａは、人間の手の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、中節骨に相当する第３骨部材１３と、末節骨に相当する第４骨部材１４と、複数のリンク部材１５，１６，１７，１８からなるリンク機構と、直動アクチュエータ２０とを主に備えている。

第１骨部材１１は、金属板からなる本体部１１ａと、本体部１１ａの先端に設けられた該本体部１１ａよりも幅狭で肉厚な先端部１１ｂとを含んでいる。

第２骨部材１２は、中間部において“くの字”状に折れ曲がった金属板からなる。第２骨部材１２は、基端部が第１骨部材１１の先端部１１ｂに回動可能に連結されている（第１ジョイント３１）。

第３骨部材１３は、折れ曲がりのない直線状の金属板からなる。第３骨部材１３は、基端部が第２骨部材１２の先端部に回動可能に連結されている（第２ジョイント３２）。

第４骨部材１４は、略三角形状の金属板からなる。第４骨部材１４は、腹側（屈曲内側）にある基端部（第１基端部）が第３骨部材１３の先端部に回動可能に連結されている（第３ジョイント３３）。

直動アクチュエータ２０は、固定部材２２，２３によって第１骨部材１１の後背面１１ｃに固定されたボールねじ２１と、ボールねじ２１に螺合した摺動部材２４と、モータ２５と、モータ２５の出力軸の回転をボールねじ２１に伝達するプーリー２６，２７およびベルト２８とを含んでいる。モータ２５の出力軸が回転すると、ボールねじ２１も回転し、摺動部材２４が第１骨部材１１に沿って移動する。

第１リンク部材１５は、全体として棒状を有している。第１リンク部材１５は、基端部が摺動部材２４に回動可能に連結されている（第４ジョイント３４）。

第２リンク部材１６は、３つの頂点を有する金属板からなる。第２リンク部材１６は、腹側にある基端部（第１基端部）が第２骨部材１２の基端部とともに第１骨部材１１の先端部１１ｂに回動可能に連結されている（第１ジョイント３１）。また、第２リンク部材１６は、後背側にある基端部（第２基端部）が第１リンク部材１５の先端部に回動可能に連結されている（第５ジョイント３５）。

第３リンク部材１７は、“逆くの字”状に折れ曲がった金属板からなる。第３リンク部材１７は、基端部が第２リンク部材１６の先端部に回動可能に連結されている（第６ジョイント３６）。

第４リンク部材１８も、中間部において“逆くの字”状に折れ曲がった金属板からなる。第４リンク部材１８は、基端部が第２骨部材１２の中間部に回動可能に連結されるとともに（第７ジョイント３７）、中間部が第３リンク部材１７の先端部に回動可能に連結されている（第８ジョイント３８）。また、第４リンク部材１８は、先端部が第４骨部材１４の第２基端部（第１基端部よりも後背側にある基端部）に回動可能に連結されている（第９ジョイント３９）。

図２および図３に示すように、指機構１０Ａは、各２つの第２骨部材１２、第３骨部材１３、第４骨部材１４、第２リンク部材１６および第３リンク部材１７と、１つの第１リンク部材１５と、１つの第４リンク部材１８とを備えている。

第３リンク部材１７，１７は、先端部において第４リンク部材１８を挟み込むとともに、基端部において第４リンク部材１８と同じ厚みのスペーサ１７ａを挟み込んでいる。

第２リンク部材１６，１６は、第１基端部において第１骨部材１１（１１ｂ）を挟み込むとともに、第２基端部において第１リンク部材１５を挟み込んでいる。また、第２リンク部材１６，１６は、先端部において第３リンク部材１７，１７およびスペーサ１７ａを挟み込んでいる。

第２骨部材１２，１２は、基端部において第２リンク部材１６，１６および第１骨部材１１（１１ｂ）を挟み込んでいる。また、第２骨部材１２，１２は、中間部において第２リンク部材１６の厚みと第３リンク部材１７の厚みを足し合わせた厚みを有する２つのスペーサ１２ａ，１２ａおよび第４リンク部材１８を挟み込んでいる。

第３骨部材１３，１３は、基端部において第２骨部材１２，１２を挟み込んでいる。また、第３骨部材１３，１３は、先端部において第２骨部材１２と同じ厚みのスペーサ１３ａ，１３ａおよび第４骨部材１４，１４を挟み込んでいる。

第４骨部材１４，１４は、第２基端部において第３リンク部材１７と同じ厚みのスペーサ１４ａ，１４ａおよび第４リンク部材１８を挟み込んでいる。

図１～図３に示すように、本実施例に係る指機構１０Ａは、力センサ３０と、指先部材４０と、腹部材４１とをさらに備えている。

指先部材４０は、第４骨部材１４の先端部に設けられている。指先部材４０は、グリップ性能を高めるために設けられた不図示の凹凸を有する第１グリップ面４０ａおよび第２グリップ面４０ｂを有している。

力センサ３０は、第１リンク部材１５よりも大径の円筒状を有し、第１リンク部材１５の基端部と先端部との間に設けられている。力センサ３０は、第１リンク部材１５の先端部と基端部との間に作用する力、すなわち、環境が指先部材４０に作用させた力を検出する。

腹部材４１は、第２骨部材１２，１２の間に設けられている。腹部材４１は、第２骨部材１２，１２よりもやや屈曲内側に位置する第３グリップ面４１ａを有している。腹部材４１は、指機構１０Ａが図１～図３に示した姿勢をとっているとき、すなわち、第１骨部材１１および第２骨部材１２が同一直線上に並んでいるときに、第１骨部材１１の先端部１１ｂに当接し、第２骨部材１２が屈曲内側に傾くのを規制する。

モータ２５が回転して摺動部材２４が固定部材２２に近づく方向に移動すると、指機構１０Ａは屈曲していく（図４（Ｃ）→（Ｂ）→（Ａ）参照）。一方、モータ２５が逆方向に回転して摺動部材２４が固定部材２３に近づく方向に移動すると、指機構１０Ａの姿勢は伸展していく（同図（Ａ）→（Ｂ）→（Ｃ）参照）。

本実施例に係る指機構１０Ａは、指先部材４０の第２グリップ面５０ｂと第２骨部材１２に設けられた腹部材４１の第３グリップ面４１ａとによって、作業対象物Ｘを抱え込むように保持することができる（図５（Ａ）参照）。また、２つの指機構１０Ａ，１０Ａが向かい合わせに配置されている場合、指機構１０Ａ，１０Ａは、指先部材４０，４０の第１グリップ部４０ａ，４０ａによって作業対象物Ｘをつまむように保持することもできる（図５（Ｂ）参照）。また、この場合、指機構１０Ａ，１０Ａは、一方の指機構１０Ａの第２グリップ面５０ｂおよび第３グリップ面４１ａと他方の指機構１０Ａの第２グリップ面５０ｂおよび第３グリップ面４１ａとによって、作業対象物Ｘを抱え込むように保持することもできる（図５（Ｃ）参照）。

このように、本実施例に係る指機構１０Ａでは、伸展／屈曲の際に作動させるべきアクチュエータが直動アクチュエータ２０のモータ２５のみである。また、本実施例に係る指機構１０Ａでは、直動アクチュエータ２０が後背側に配置されている。このため、本実施例に係る指機構１０Ａによれば、２つ以上のアクチュエータを作動させなければならない場合に比べて制御負担が軽減されるとともに、機械的に比較的脆弱な部分（直動アクチュエータ２０）が作業対象物との接触により破損するのを防ぐことができる。

さらに、本実施例に係る指機構１０Ａでは、指全体にかかる外力および駆動力を検出する力センサ３０が後背側に配置されている。このため、本実施例に係る指機構１０Ａによれば、機械的に比較的脆弱な部分（力センサ３０）が作業対象物との接触により破損するのを防ぎながら、力センサ３０の検出結果を用いた力制御により伸展／屈曲を行うこともできる。

［指機構（第２実施例）］
第１実施例に係る指機構１０Ａは、図４（Ｂ）に示したような中間的な姿勢をとっているときに、指先部材４０が自重により垂れ下がり、直動アクチュエータ２０を作動させていないにもかかわらず図４（Ａ）に示した屈曲姿勢に近い姿勢を勝手にとることがあった。すなわち、指機構１０Ａでは、指先部材４０の位置が一意に決まらない場合があった。

この問題を解決するべく、本発明の第２実施例に係る指機構１０Ｂは、図６に示すように、ガスシリンダからなる直動付勢部材５０をさらに備えている。本実施例に係る指機構１０Ｂのその他の構成は第１実施例に係る指機構１０Ａと共通しているので、説明を省略する。

直動付勢部材５０は、２つの第４骨部材１４，１４の間の空間に配置することができる程度の径の棒状を有している。直動付勢部材５０は、一端部が第４リンク部材１８の先端部近傍に回動可能に連結されるとともに（第１０ジョイント５１）、他端部が指先部材４０の内部の所定の位置に回動可能に連結されている（第１１ジョイント５２）。

図４（Ａ），（Ｂ）から理解されるように、指先部材４０が自重により垂れ下がると、第１０ジョイント５１が第１１ジョイント５２に接近する。本実施例の直動付勢部材５０は、この接近を妨げることにより、指先部材４０が勝手に垂れ下がるのを防ぐことができる。ただし、指先部材４０に、指先部材４０を押し下げる比較的大きな力（直動付勢部材５０の設定値を上回る大きな力）が作用した場合は、直動付勢部材５０が縮み、指先部材４０は下方に移動する。そして、指先部材４０に作用していた比較的大きな力がなくなると、直動付勢部材５０が元の長さまで伸び、指先部材４０は元に位置に戻る。

本実施例に係る指機構１０Ｂによれば、指先部材４０の位置を一意に決めることができる。このことは、作業対象物を安全に、かつ確実に保持するために非常に重要である。なお、図８に示した従来の指機構１００は、いわゆる劣駆動機構になっているため、指先の位置が一意に決まらないことがある。

［指機構（第３実施例）］
図７に、本発明の第３実施例に係る指機構１０Ｃの一部を示す。同図に示すように、本実施例に係る指機構１０Ｃは、加速度センサ６０と、加速度センサ６０の配線６０ａを案内する配線ガイド部材６１とをさらに備えている。本実施例に係る指機構１０Ｃのその他の構成は第１実施例に係る指機構１０Ａと共通しているので、説明を省略する。

加速度センサ６０は、指先部材４０の内部に設けられている。加速度センサ６０に接続された配線６０ａは、指先部材４０の後背面から引き出されている。また、配線ガイド部材６１は、一方の第４骨部材１４の一側面（他方の第４骨部材１４の方を向いていない側面）に取り付けられている。配線ガイド部材６１は、配線６０ａを通すための穴を有している。

指先部材４０から引き出された配線６０ａは、配線ガイド部材６１に案内されて第３ジョイント３３の近傍を通り、第３骨部材１３の一側面（他方の３骨部材１３の方を向いた側面）に設けられた不図示の結束バンド（２つ目の配線ガイド部材）に案内されて第２ジョイント３２および第７ジョイント３７の間を通り、腹部材４１の後背面に設けられた溝（３つ目の配線ガイド部材）に案内されて第１ジョイント３１の近傍に至る。

本実施例に係る指機構１０Ｃによれば、繊細かつ緻密な制御にとって有用な指先の加速度情報を加速度センサ６０から得ることができる。

また、指機構１０Ｃによれば、加速度センサ６０の配線６０ａのほとんどが指機構１０Ｃの内部に留まるので、作業対象物との接触等による配線６０ａの断線を防ぐことができる。さらに、指機構１０Ｃでは、配線６０ａが第３ジョイント３３、第２ジョイント３２、第７ジョイント３７および第１ジョイント３１の近傍を通るので、図４に示した姿勢変化を考慮して配線６０ａの長さに多くの余裕をもたせておく必要がない。

［ハンド機構（実施例）］
本発明の実施例に係るハンド機構は、第１実施例に係る指機構１０Ａ、第２実施例に係る指機構１０Ｂまたは第３実施例に係る指機構１０Ｃを少なくとも１本、好ましくは複数本備えている。例えば、本実施例に係るハンド機構は、２本の指機構１０Ａのみを備えていてもよいし、２本の指機構１０Ａおよび１本の指機構１０Ｃを備えていてもよい。

［指機構およびハンド機構の変形例］
以上、本発明に係る指機構および該指機構を備えたハンド機構の実施例について説明してきたが、本発明はこれらに限定されるものではない。

例えば、直動アクチュエータ２０は、ボールねじ２１と摺動部材２４とを組み合わせたものに限定されない。

また、力センサ３０は、第３リンク部材１７または第４リンク部材１８に含まれていてもよい。

また、力計測が不要な場合は、力センサ３０を省略して第１リンク部材１５をシンプルな棒としてもよい。

また、直動付勢部材５０は、ガスシリンダに限定されない。

また、直動付勢部材５０の取り付け位置は、骨部材１１，１２，１３，１４、リンク部材１５，１６，１７、８および指先部材４０から選ばれた、屈曲していくときに互いに接近する任意の２つの部材間（例えば、第２骨部材１２と第３リンク部材１７との間）であってもよい。

また、指先部材４０の内部のセンサ６０は、加速度以外の物理量を計測するセンサであってもよい。

また、配線ガイド部材６１の構成および位置は、第３実施例の構成および位置に限定されない。ただし、これらを変更する場合は、姿勢変化に伴って配線６０ａの経路が極端に長くなったり短くなったりすることのないよう留意すべきである。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 指機構
１１ 第１骨部材
１２ 第２骨部材
１３ 第３骨部材
１４ 第４骨部材
１５ 第１リンク部材
１６ 第２リンク部材
１７ 第３リンク部材
１８ 第４リンク部材
２０ 直動アクチュエータ
２１ ボールねじ
２２ 固定部材
２３ 固定部材
２４ 摺動部材
２５ モータ
２６ プーリー
２７ プーリー
２８ ベルト
３０ 力センサ
３１ 第１ジョイント
３２ 第２ジョイント
３３ 第３ジョイント
３４ 第４ジョイント
３５ 第５ジョイント
３６ 第６ジョイント
３７ 第７ジョイント
３８ 第８ジョイント
３９ 第９ジョイント
４０ 指先部材
４１ 腹部材
５０ 直動付勢部材
５１ 第１０ジョイント
５２ 第１１ジョイント
６０ 加速度センサ
６１ 配線ガイド部材

Claims (8)

1. 中手骨に相当する第１骨部材と、基節骨に相当する第２骨部材と、中節骨に相当する第３骨部材と、末節骨に相当する第４骨部材と、リンク機構と、直動アクチュエータとを備えた指機構であって、
   前記第２骨部材は、基端部が前記第１骨部材の先端部に回動可能に連結され、
   前記第３骨部材は、基端部が前記第２骨部材の先端部に回動可能に連結され、
   前記第４骨部材は、第１基端部が前記第３骨部材の先端部に回動可能に連結され、
   前記直動アクチュエータは、前記第１骨部材の後背側において該第１骨部材に沿った方向に移動可能な摺動部材を含み、
   前記リンク機構は、
   基端部が前記摺動部材に回動可能に連結された第１リンク部材と、
   第１基端部が前記第２骨部材の基端部とともに前記第１骨部材の先端部に回動可能に連結され、かつ前記第１基端部よりも後背側にある第２基端部が前記第１リンク部材の先端部に回動可能に連結された第２リンク部材と、
   基端部が前記第２リンク部材の先端部に回動可能に連結された第３リンク部材と、
   基端部が前記第２骨部材の中間部に回動可能に連結され、中間部が前記第３リンク部材の先端部に回動可能に連結され、かつ先端部が前記第４骨部材の前記第１基端部よりも後背側にある第２基端部に回動可能に連結された第４リンク部材と、
   を含む
   ことを特徴とする指機構。
2. 前記直動アクチュエータは、前記第１骨部材に設けられたボールねじと、前記ボールねじを回転させるモータとをさらに含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の指機構。
3. 前記第１リンク部材は、その先端部と基端部との間に作用する力を検出する力センサを含む
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の指機構。
4. 前記第４骨部材の先端部に設けられた指先部材をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の指機構。
5. 前記指先部材の内部に設けられた物理量センサをさらに備える
   ことを特徴とする請求項４に記載の指機構。
6. 前記指機構の内部において前記物理量センサの配線を案内する少なくとも１つのガイド部材をさらに備える
   ことを特徴とする請求項５に記載の指機構。
7. 前記第１骨部材、前記第２骨部材、前記第３骨部材、前記第４骨部材、前記第１リンク部材、前記第２リンク部材、前記第３リンク部材、前記第４リンク部材および前記指先部材から選ばれた、屈曲していくときに互いに接近する２つの部材間に設けられ、前記２つの部材に該２つの部材が離れる方向の付勢力を作用させることにより該２つの部材間の距離を所定の距離に維持しようとする直動の付勢部材をさらに備える
   ことを特徴とする請求項４～６のいずれ一項に記載の指機構。
8. 請求項１～７のいずれか一項に記載の指機構を複数本備えたことを特徴とするハンド機構。

Images