JP3179464B2 - クラッチ機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明はロボット分野に関する。より詳しくは、本発
明は物体を操作するために使用する作動子（effector）
に関する。

発明の背景 産業市場における競争力及び効率の増大が強調される
結果、各種の生産作業の実行方法に劇的な変化が生じて
いる。ロボット装置は考えられる限りのあらゆる製造品
の製造工程にますます増大する数で採用されている。原
料の取扱から、製品の製造、貯蔵及び輸送まで、ロボッ
ト装置の融通性はインパクトを与えあるいは新たな効率
の基準を創出している。

過去20年間のロボット装置の驚異的な発達にもかかわ
らず、更なる改良あるいは成長の可能性には限界がない
様に見える。非常に重要な一つの分野は端部作動子（en
d effector）である。末端作動子は通常環境と相互作用
を行うロボット装置の部分と理解されている。大抵の工
業ロボット装置は大ざっぱにアーム（腕）として分類さ
れるから、端部作動子はロボット装置のハンド（手）と
いえる。一般に、端部作動子は独立に制御可能であり、
そのまま工具を操作したり、あるいは工作物、部品、あ
るいは材料を操作できる。端部作動子はまた環境と被操
作物に関する情報を得るのに理想的な手段である。理想
的には、端部作動子は各種の作業をその運動を制御する
プログラム命令を変更するだけで実行できるべきであ
る。しかし、実際にはこのことは端部作動子が広い範囲
の負荷条件及び位置条件、並びに各種の環境条件で動作
するため不可能である。ロボット装置の複雑さ及びそれ
が引き受けるべき仕事の種類の増大につれて、ロボット
装置が環境に影響を与えまた学習する様な改良が重要性
を増している。

ロボット学が進展するにつれ、未知の環境に接近可能
で各種の仕事を実行できる真にプログラム可能な装置が
制作できなければならない。こうした装置は宇宙、危険
な環境、軍事、及び海底探索等の新たな用途を刺激する
ことになろう。こうしてロボットは工業分野から、不特
定の環境で各種の仕事で遭遇する労働や危険を減じる一
般的な目標に向かっている。

従来の端部作動子は大きく分類して２種ある。これら
の一方の端部作動子は複雑な多フィンガー式ハンドと言
える。この方式は正確な指先の運動を行う能力により特
徴づけられ、小さな物体を正確、器用にかつ制御された
握持力で取り扱う能力を達成するのに成功を収めてい
る。この方式は人の運動を模擬しようとする擬人ハンド
を設計する試みを含んでいる。しかし、この第１の方式
の端部作動子は強度が不十分なこと、構造がもろいこ
と、過度に複雑である、といった欠点を有し、このため
厳しい環境で使用する装置としては有効性に乏しい。第
２の方式の端部作動子は大抵の工業用ロボット装置及び
複雑な装置に具備されている周知の単純なグリッパ（握
持子）である。この方式は強度が大きく頑丈であり、大
きな加重を支持でき、信頼性良く作働する。しかしなが
ら、この方式に特有の構造上の単純性及び制御系の単純
性のため多くの作業への適用範囲に制限が生じる。大抵
の場合は単独作業例えば溶接、塗装、穴明け、部品装
着、または材料移送等に有用である。特殊化した端部作
動子の設計及び構成において生じる費用、及びそれらを
交換する際の非能率は、しばしばロボット装置の最適作
働に対する大きな障害となる。

複雑な多フィンガーハンドの例はサラリスベリ，ジェ
ー・ケネス「ロボットハンドと操作のメカニックス」マ
サツセッツ州ケンブリッジ、The MIT Press発行、お
よびジャコブセン，エス「ユタ/MIT人工ハンドの設計」
に記載されており、ここに本明細書の一部として引用す
る。

サリスベリ氏のハンドは部品に３フィンガの先端で触
れるものであり、安定な握持を行うために摩擦的な抑止
力 と力フィードバックを利用している。構造はハンド
の見込み設計の数値分析の結果から導かれている。これ
らの結果から、３フィンガとフィンガあたり３個の関節
とからなるハンドが開発された。この装置は小さな物品
（直径2.5cmの球体を典型例として選択）のフィンガー
先端での操作を行う能力を有し、また小さな部品の運動
を可能にする様にプログラムされた。

上記のユタ/MITのハンドは本質的に人間の手を模擬す
る。４本のフィンガしかないが、各フィンガは４個の関
節を有し、擬人的な形状を有する。この方式は非常に高
価につき非常に複雑な制御技術と構造をを必要とする。
したがって、この方式は進んだ研究環境に限定される。

第２の方式の端部作動子、すなわち単純な方の、自由
度２のグリッパは、研究及び工業の分野で最も一般に使
用されている端部作動子である。これらのグリッパの例
の記載と図示はコイフェット，ピー及びチルーズ，エム
「ロボット技術入門」McGraw−Hill（1982）に記載され
ている。この文献の特に159−163頁をここに飲用する。
これらのグリッパは融通性が低いが一般に強固かつ頑丈
であり、経済的である。実際には、物品の変化により各
用途に応じて端部作動子の特定化が必要である。

ロボットのフィンガの制御系の複雑性を減じるため、
及び作動装置の数を減じるために、剛性結合された関節
を特徴とする設計が提案されている。関節の剛性結合は
各作動装置の一組の関節角度を規定する。例えば、２個
の関節が半径r₁及びr₂を有するプーリで結合されると、
関節運動角度をφ_１、φ_２は次式で定義される。

φ₁/r₁＝r₂/r₂ 結合した関節を有するフィンガの例は本出願人の所有
するリイバー他の米国特許出願第101142号に記載されて
いる。リーバ他は２つの作働装置を有する３関節フィン
ガを記載し、固定された剛性結合を作るために使用する
ケーブル掛けを表すマトリックス法を使用することによ
り、関節間のかかる結合を表示し且つ最適化を行う方法
を提案している。リーバ他のこの結合は関節間の既知の
比率を維持するので、それら握り中に包み込める物品の
種類は限定される。

スキナIIの米国特許第3866966号に記載されているよ
うに、掌にフィンガを置く作用もまた物品の操作に所定
の役割を果たすことができる。スキナに記載された３フ
ィンガ式ハンドは、フィンガ12、12a、12bをフィンガの
基部リンクと一致する軸の周りに回転できる掌構造を有
する。したがって、一般に掌に向いていてそれと一緒に
物品の周りに閉じることができるフィンガの掌側の面
は、掌に対して各位置に対して回転できる。スキナはこ
うして各フィンガに回転自由度を与えるが、フィンガの
掌に対する平行移動はできないので、いろいろな協動す
る及び／または対抗する配向移動の達成を可能にできな
い。

したがって、単純なグリッパの場合の得られる単純
さ、強固さ、制御容易さと、より複雑な多フィンガ式ハ
ンドの融通性と器用さを兼備した装置に対する必要性が
あるが実現されていない。したがって、本発明の目的は
従来のグリッパよりも大きな自由度と融通性を有し、し
かも従来の複雑な多フィンガ式ハンドには見られない強
固で有用且つ安価な構造のグリッパを提供することであ
る。

充分な数の自由度をフィンガと掌の間に有し、それに
より各種の握りを達成できるロボットハンドのための構
造を提供することが望まれる。各関節に対する作働装置
は構造を単純化し、動力伝達系の複雑化と非能率を減じ
るために各関節の近くに配置すべきである。従って、特
定の握りの形を作るのに必要な作働装置の数を減少する
のが有利である。それゆえ、本発明の目的は握り形の種
類と器用さを最大にし、一方では作働装置の数を最小に
する掌−フィンガ−作働装置構造を提供することにあ
る。本発明の他の目的は、本発明で使用されるハンドに
使用されるフィンガがそれらが取り付けられる掌に対し
て様々な方位で配向出来るようにすることである。固い
握りを行なうには、ロボットフィンガのような関節のあ
る部材が物品の周りを包むことが出来る必要がある。さ
らに、この作用は握持すべき物品の形状に関する予備知
識がほとんどなしに実行出来ること、又関節をサーボル
ープで制御することなしに達成出来ることが望ましい。
従って、本発明の更に他の目的は、物品の形状に順応し
て確実で包囲形の握りを行なう関節つき部材を提供する
ことである。本発明は更に、この作用を行なうのに、一
連の関節作働用の制御指令を必要としないで機械的イン
テリジェンスに基いて行なう関節つき部材を提供するこ
とにある。物品の意図した握持は物品が様々な方位を取
ることにより握りの安定性に影響するために失敗するこ
とがある。本発明の他の目的は、握りの安定性を決定出
来る触覚センサを装備した物品の取扱い装置を提供する
ことにある。本発明の更に他の目的は、触覚センサによ
り収集された情報を利用して装置の方位を安定な握りが
達成出来る方法を提供することにある。

本発明の実施例のあるものの目的は、フィンガが閉鎖
握りを行なうときに充分な柔軟性を有する一方で、それ
らに対向する力に対しては堅く抵抗するフィンガを提供
することにある。

発明の概要 本発明のこれら及び他の目的は、掌（てのひら）及び
少なくとも一つの関節運動出来る部材よりなるロボット
ハンドにより達成される。好ましい実施例では、３つの
関節つき部材が存在し、その内２つの部材はそれらが掌
の周辺の回りで相対位置を変化し得るようにして掌に回
転自在に取り付けられる。これらの２つの部材は単一の
作働装置により作働されるもので、それらの運動は同一
且つ反対となるように関連付けられる。３番目の関節つ
き部材は静止状態に留まる。３つの全ての部材の開閉運
動はそれらが取り付けられている独立の作働装置により
独立に操作出来る。

本発明の重要な一面は関節つき部材の関節に柔軟性を
具備させることであり、これによりこれらの部材は物品
の周りにまとい付くことが出来る。最も好ましくはウオ
ムギヤとクラッチ機構を設けて一つの関節を所定の大き
さのトルク水準で解離させ（これは遠隔調整させても良
い）、他の関節は続けて駆動させることが出来る。他の
実施例においては、この柔軟性は腱の一部を形成するば
ね又は弾性手段と、この実施例のプーリ動力伝達系とに
より与えられる。

本発明はまた物品を包み込むように握持するのに物品
の形状に関する事前の詳細な知識を必要としない反復的
な方法により物品を握持できる方法を提供することであ
る。この方法は握りの安定性が触覚センサにより決定さ
れ、握りが不安定だと決定されたら握持装置が再位置決
めされ、安定性が再び決定される。各試行ごとに収集さ
れた情報はこうして物品の空間位置特性に関して学習す
るために利用される。

図面の簡単な説明 第１図は本発明により構成したロボットハンドの斜視
図である。

第２図は本発明により構成したフィンガ関節、掌、フ
ィンガ構造を示す平面図である。

第３図は本発明に従って構成したロボットフィンガと
駆動手段の一部破断側面図である。

第４図は第３図の線４−４に沿った、本発明に従って
構成した解離グリップ駆動手段の部分断面側面図であ
る。

第５図は第３図に示したフィンガの正面図で、関節作
働のある面を示す。

第６図は本発明のフィンガの他の実施例である。

第７図ないし第7D図は本発明のハンドによって達成で
きる各種の握持を一度に示す説明図である。

第８図は本発明の原理を使用して物品を握持する方法
を示す流れ図である。

好ましい実施例の説明 第１図を参照するに、本発明に従って構成されるロボ
ットハンド装置は全体的に10で示してある。ロボットハ
ンド装置10は掌20、実質的な静止フィンガ30、第１の回
転フィンガ40、及び第２の回転フィンガ45を含む。これ
らの３つのフィンガ30、40、45は掌70に結合されてい
る。第１図に矢印で示したように、回転フィンガ40、45
はそれぞれの掌軸70の周りに回転駆動される。本発明の
一つの面によると、フィンガ40、45は各々単独の作働装
置80（この図では見えない）により駆動され、それらの
掌軸70の周りの回転が同一且つ反対方向となるように機
械的にリンクされている。静止フィンガ30は掌軸70の周
りに回転しない。しかし、全ての３つのフィンガ30、4
0、45は掌20の方へ独立に操作でき、これにより握持を
行なうことが出来る。

フィンガ30、40、45に結合された掌20は、直列リンク
の関節と呼ぶことが出来る。掌20の周りのフィンガ30、
40、45の配置は第２図に示してある。この配置は、関節
への固定点間の距離が各リンクをそのいずれかの側のリ
ンクと平行にさせるように選択されることにより、最適
化される。この分野の通常の知識を有する者にはこの条
件が各種の握りを行なうのに有用であることが分かるで
あろう。幅ｗのリンクを有するフィンガに対して、もし
も半径ｄの円がフィンガと掌の各取り付け点の回転中心
を通るならば、リンクを平行にする円の直径は次式で記
述出来る。

ｄ≦w/｛2sin（θ/2）｝＋w_s ここにθ＝２π/n及びｎは零番リンク（この例では掌
軸70）の周りに回るフィンガの数であり、w_sは掌内に置
かれた静止フィンガの幅である。好ましい実施例では２
つの回転フィンガ40、45の数は２であるからｎ＝２であ
る。フィンガの回転中心間の距離はｄに対する式により
制御される。好ましい実施例では、第３の非回転フィン
ガ30が追加されていて、握持の融通性を増している。当
業者は任意数のフィンガがこのような円の周りに配置出
来ること、又この式を使用することによりそれらのリン
クがある制限運動範囲で平行になることが分かるであろ
う。更に、例えば好ましい実施例で示されたような、非
回転フィンガ、固定柱又は板、あるいは他の装置等の、
付加により広範囲の有用なハンド構造が可能になる。

第３図を見ると、各フィンガ30、40、45は掌軸70によ
り掌20に取り付けられている。第３図に示されている回
転フィンガ40、45の場合には、掌軸70はその周りのフィ
ンガの回転を可能にし、それにより、掌20に面している
フィンガのリンク62、64の面66、68として定義される掌
側の面の相対向き、及びフィンガと掌の相対位置の両者
を変化させる。各フィンガ30、40、45は各自のグリップ
駆動装置50により各個に操作される。本発明のハンドの
好ましい例では、３つのグリップ駆動装置50があり、各
一つが各フィンガを担当する。第４の駆動装置は握り駆
動装置80で、稼動フィンガ40、45を各自の掌軸70の周り
に回転させる。各グリップ駆動装置50は機械的にフィン
ガに結合されている。好ましい実施例では、トルクをグ
リップ駆動装置50から第１フィンガ関節72に伝達するの
はウオーム歯車120である。ウオーム歯車は両方向への
正確な回転運動を可能にし、寸法特性に対する充分な強
度を与え、更に負荷で生じるトルクに対する抵抗能力
（つまりウオーム歯車が逆駆動されないこと）を与える
利点を有する。第１関節72は掌リンク60と第１フィンガ
リンク62を結合する。第２関節74は第１リンク62の末端
部にあって、それを第２リンク64に結合する。本発明の
他の特徴に従って、第１関節72と第２関節74は、掌リン
ク60と第１リンク62との間の角度を変えると第２リンク
64の角度が一定の仕方で当然に変化するように機械的に
結合されている。従って、単一グリップ駆動装置50は関
節結合により２つの関節72、74に運動を生じる。この特
徴は第３図に示した仮想線を見れば理解出来る。各フィ
ンガは更に好ましくは触覚センサ及びフィードバック手
段200を有し、それにより握持すべき物品に関する情報
をハンド制御装置250に与える。第１図及び第３図に示
したように、触覚センサ及びフィードバック手段200は
本発明のハンドの掌20の表面に設けることが出来る。

本発明の他の重要な特徴は第４図に示されている。フ
ィンガ30、40、45のグリップ駆動装置50は全体的に100
で示した新規な解離クラッチを有する。好ましい実施例
においては、クラッチ100の外側本体102はほぼウオーム
歯車の形に構成されている。従って、ウオームねじ101
は各フィンガ30、40、45にある第１関節72を駆動するウ
オーム輪120と作用する。

クラッチ機構の外側本体102の第１端には、一体の又
は固着した円筒部107が第１取付箇所で回転軸受172によ
り支持されている。外側本体102は軸方向接触のスラス
ト軸受又は保持子106により軸方向に運動しないように
拘束されている。解離クラッチ100が取り付けられる剛
性結合の必要な箇所は、一般にクラッチハウジング180
により与えられる。

第４図に示されているように、外側本体102のねじ孔1
03の閉鎖端部には弾性手段160が配置されている。好ま
しい例においては、弾性手段はＯ型リングであり、例え
ばゴム、ネオプレン、又はシリコーンのような弾性体か
ら構成される。所望により、ばね又はベルビルワッシャ
ーを代わりに使用して偏倚に比例した抵抗力を生じる手
段として機能させても良い。更に弾性手段160は比較的
高いばね常数を有すること、すなわち比較的小さい偏倚
で比較的大きい抵抗力を生じることが望ましい。その結
果、小さい力を生じるのに必要な偏倚と、大きい力を生
じるのに必要な偏倚との直性距離差は比較的小さい。

他の実施例においては、外側本体102は孔103を取り囲
む円筒状壁に切り込んだ１本以上の軸方向スロットを有
しても良く、これによりコレットのような確実ロック特
性を有する装置とすることが出来る。他の変形例とし
て、軸孔103はテーパを有しても良く、これにより同じ
く解離トルクが達成されたときに実質的なロック状態を
与える。

クラッチ部110はねじ孔103に嵌合される。クラッチ部
分110はねじ孔103のねじ筋104にかみ合うような寸法を
有するねじ筋111を有する。クラッチ部110の第１端は一
体的な又は固着した平歯車130として構成される。クラ
ッチ部110に固定した平歯車130は入力トルクをクラッチ
機構に伝導する駆動歯車105にかみ合っている。入力ト
ルクは駆動モータ175又は他の作働源から供給される。
この入力トルクを直接又は電動装置を介して任意の動力
電動源から供給することが出来ることは当業者には明ら
かであろう。更に、平歯車105、130は動力伝達の任意手
段例えば、ベルト−プーリで、摩擦輪で、あるいはチェ
ーン−スプロケットに置換出来ることも明らかである。

クラッチ部110の平滑な孔135内には軸140が嵌合され
ている。軸140及び孔135は滑り嵌めされている。軸140
の一端は孔135の中ではなくて第２の取り付け箇所で回
転軸受け170により支持されている。こうしてクラッチ
部110は端部が軸受け170により支持された軸140上に支
持されている。軸の他端は軸受け106により自由回転す
る外側本体102の中に支持され、全体装置の回転を可能
にし、又関節72の位置に作用する。

クラッチ部110に固定した平歯車130は半径方向に向い
たねじ孔152を有する。このねじ孔は歯車の外周から平
滑孔135にむけて延びている。軟質先端135を有する止め
ねじ150がねじ孔152にねじ込まれている。軟質先端は好
ましくはナイロン製であるが、他の先端155と平滑軸140
との間に摩擦抵抗を生じるが軸140を傷付けない材料代
替しても良い。別法として、止めねじ150全体をこのよ
うな材料から製作しても良い。先端155を備えた止めね
じ150はねじ孔152にねじ込んだのちに容易に軟質先端13
5を平滑孔135の面に一致させることが出来るように容易
に操作出来る充分な長さを有する。

動作において、クラッチ部110は先ず外側本体102に弾
性手段160に接触するまでねじ込まれる。弾性手段160の
直線偏倚が増すと精密ねじ104、111の間の摩擦力は増す
から、外側本体へのクラッチ部110のねじの締め込み又
はそれからの緩めに必要なトルクは同様に増す。この事
実は、解離トルクの値を、クラッチ部110を外側本体102
にねじ込むのに必要なトルクを測定することにより予め
測定しておくことを可能にする。

品物の握持を行なうために、平歯車130又は他の動力
電動手段がクラッチ部110を逆回転（すなわちねじを弛
める方向の回転）させると、２つの状況のいずれかが起
きる。一つは、ウオーム輪120の動きに抵抗する外部ト
ルクがねじ筋104、111の摩擦力を超えるに充分な場合で
ある。この条件はフィンガが更に閉鎖するを妨げる障害
物に出会ったときである。この場合、クラッチ部110は
外部本体102から弛められてウオーム輪120は結果的に運
動しない。そうすると装置は自由、つまり解離する。し
かし、もしもウオーム輪120に抵抗する力がねじ筋104、
111の間の摩擦力を超えなければ、クラッチ部110は外側
本体102からねじ戻されることはなく、平歯車130と一体
になって回転し、ウオームのねじ筋101がウオーム輪120
を回転させる。

本発明のクラッチ機構100の動作は止めねじ150の調整
によっても調整される。第４図を見るに、止めねじ150
は先端155と平滑軸140との間に摩擦力を作り出す。クラ
ッチ部が外側本体102にねじ込まれあるいはねじ戻され
る際に、先端155により作られた摩擦力はこの運動を妨
げる。先端150により与えられる摩擦力は通常解離トル
クよりはやや小さいが、もしもフィンガの運動に抵抗す
るトルクが先端155によって作り出される摩擦力を超え
るに必要な大きさに減じると、再び外側本体101を回転
させ始める。本発明のこの特徴は、もしも例えば物品が
握りの中で移動するなどにより負荷状態が変動すると、
関節の再結合を生じる。

各フィンガ30、40、45の第２関節は第５図に示された
作働装置175により作働される。本発明の特徴に従っ
て、駆動モータその他の作働装置175に固着された平歯
車105は第２ウオーム歯車140に固定した第２平歯車132
を駆動する。このウオーム歯車は第２ウオーム輪142を
駆動して回転させる。第２ウオーム輪142に固定したタ
イミングベルトプーリ144も又回転する。タイミングベ
ルト148はこの動力を第２関節に結合された第２タイミ
ングベルトプーリ146に伝動する。従って第１及び第２
関節は結合している。この結合は２つの関節72、74の間
の相対運動がウオーム歯車102、140及びウオーム輪12
0、142の間の歯車減速比により支配されることを示して
いる。別法として、従来慣用のプーリ及び腱又は他の動
力伝動装置を、タイミングベルト146及びタイミングプ
ーリ144、148の代わりに使用しても良い。

動作において、フィンガ又は他の関節つき装置であっ
て本発明の解離型クラッチ機構100を具備した装置は、
先ず相対空間位置と、クラッチ機構100が被駆動関節72
へのトルク伝動を中止することが所望されるトルク（つ
まり解離トルク）の大きさとの両面から調整される。こ
れは先ず駆動モータ175を一方向に回転させて被駆動フ
ィンガを開放位置又は握持作用を行なった後で開放状態
へ戻ることが望まれる位置へ駆動することにより実行さ
れる。握持が行なわれたら、作働装置175の回転を反転
して、クラッチ部110を外側本体102の中へとそれが弾性
手段160に接触するまで後退させる。この時点で、ウオ
ームねじ101はウオーム輪120に係合して回転させ、各フ
ィンガ30、40、45をその握持状態から開放させる。各フ
ィンガ30、40、45はフィンガが延びだして第３図のよう
に作働装置50の構造部分に接触したとき、それらに固有
の伸長限界停止を行なう。

更に本発明に従って構成した各フィンガ30、40、45は
動力を単一の作働装置から第１関節72及び第２関節74に
伝達する手段を具備するが、これらの関節の相対運動は
柔軟結合となっている。上記の解離クラッチ機構100は
フィンガ30、40、45に自律的に物品を包み込む能力を有
する（制御装置250からの別個の一連の指示を要しな
い）。この特徴は握持を実行し、又フィンガを作働させ
る単一作働装置を制御するのに必要なアルゴリズムを簡
略化する。この能力は更に包み込むような握持に利用さ
れる。これらの実行は第３図に最もよく示されている。
包み込み握持に対しては、安定性は物品と各リンク62、
64の掌側面66、68の少なくとも１点との間の接触に依存
する。つまり、接触は末端の最後のリンク64（フィンガ
先端）ではなくて、リンク62、64の内面で生じなければ
ならない。包み込む形の握持は強力且つ安定である。こ
れは物品の摩擦力によらないからである。例えば、包み
込み式の握持のすぐれた安定性は、人がハンドルを握る
際に行なう握りの場合に対比出来る。

上記の新規なクラッチ機構は、握持すべき物品の形状
に関する事前の知識なしに包み込み形式の握持を行なう
のに必要な順応性を新規なクラッチ機構を備えている。
上記のようにクラッチ機構100は一体のウオーム歯車減
速機構を有し、又第１関節72の運動をあるしきい値トル
クで停止させる。クラッチ機構100は完全に開放したと
きに関節を常に同じ相対位置に戻すための固有の記憶手
段を有する。これは各クラッチ機構の内部に設けた弾性
手段160の相互作用により行なわれる。クラッチ部110の
精密ねじ111を使用して予め適当な解離トルクに調節す
ることにより、握りの強さとクラッチ機構の記憶機能が
達成出来る。

解離トルクが、フィンガがそれらの停止体に対して完
全に開放すると、フィンガに加わるモータトルクに比例
すること、又各握持動作の前に変更出来ることは当業者
には明らかである。この特徴は、これらのフィンガを使
用しているハンドは、卵や軽い電球のような脆い物品を
持ち上げ可能にし、同時にハンマのような工具を取り扱
うための頑丈さを備えている。

動作において、各フィンガは第３図のように開放し、
鎖線で示した閉鎖位置に移動させられる。フィンガと物
品が接触しなければ、両関節はそれぞれの減速機構によ
り規定される関係をもちながら移動する。フィンガの第
１関節72が予め設定した解離トルクよりも大きい値を必
要とする場合には、駆動モータ又は作働装置175を脱結
合する。この脱結合されたフィンガは、逆回転出来ない
ウオーム歯車減速器のためにその位置とトルクを受動的
に保持する。解離トルクよりも大きいトルクに遭遇した
第２フィンガ74はフィンガ作働装置に結合されたままで
あり、回転を続ける。もしも物品が握持の範囲内で移動
し、第１関節72が作り出すトルクがねじ152の作るトル
クよりも低くなれば、第１関節は作働装置175との結合
を回復して再び解離トルクとなるまで移動する。

本発明で使用されるフィンガの利点は、当業者には直
ちに明らかであろう。先ず、フィンガの掌側の面と物品
の間の多点接触は大抵の物品で最も起こり易いであろ
う。第２に脱結合（解離）ののちには、第２関節74は積
極的に制御される。しきい値解離トルクが第１関節72に
加わると、関節トルクは中間となり、次の一つの式で関
係付けられる。

t₁/G₁＋t₂/G₂＝t_motor ただしt₁、t₂は関節１と２でのトルクであり、G₁、G₂
は関節１、２に対する減速比であり、t_motorはモータ又
は作働装置のトルクである。フィンガの第１関節72が解
離値よりも大きいトルクに遭遇した後、各関節に加わる
トルクは次式で表わされる。

t₁＝ｔ_かいり、 t₂＝G₂［t_motor−ｔ_かいり/G₁］ ここにｔ_かいりは止めねじ152によるトルクである。
こうして、解離ののちには第２関節72の周りのトルクは
式中の唯一の変数であるモータ175の出力トルクを調整
することにより独立して制御できる。

本発明の好ましい実施例として記載されたクラッチの
他の利点は、動力伝動手段として逆駆動出来ないウオー
ム歯車列101、102の使用からえられる。その結果、大き
な接触力がハンドの構成材料の強度限界に対して抵抗す
る。包み込み握持の使用は、本発明のハンドが大きな関
節トルクを生じるかなり重い物品を持ち上げることを許
容する。もしも、動力伝達手段が逆回転するとしたら、
こうした大きい関節トルクに抵抗するために大型の作働
モータが必要になる。本発明のフィンガにより使用され
る作働モータは同様な能力の従来装置のそれよりも小型
且つ軽量で良いから、各フィンガの根元に取り付けられ
る。上記のように、作働装置175は直接このウオーム歯
車102、140を駆動するから、所望されないバックラッシ
ュは最小限度に抑制される。第２関節74を駆動するタイ
ミング（調時）ベルト146は短いために減少出来る固有
の弾性を有する唯一の部材である。別の実施例では従来
の腱（tendon）又は他の動力伝動手段を用いて更にこの
条件を緩和する。本発明はモータの周りに正確なサーボ
制御ループを閉じさせる。総合的な結果は動力伝動にお
いてフィンガ作働装置に最小の誤差しか生じさせない。
フィンガの根元すなわち基部に作働モータを取り付ける
他の利益は、全て４つのモータは掌の下に取り付けられ
ることである。第１図で分かるように、センサ及び動力
ケーブル240は同じく掌の下にあるコネクタ230に接続し
ている。その結果、ロボットの腕及び制御系統に迅速に
着脱出来る自己完結的ユニットが得られる。このこと
は、本発明のフィンガを取り付けるべきロボットの腕が
多重端部作働子と共に使用されることが意図される場合
には重要な利点である。又、ロボットの腕又は作働子の
修理を行なう場合には、又は単一作働子が異なったロボ
ットの腕と共に使用される場合には重要な利点である。

本発明の他の実施例は第６図に示される。２つの関節
32、374は順応性の腱（tendon）320で結合されている。
順応性の腱320は順応部325を有する。順応性の腱320は
好ましくは動作中に遭遇する負荷が弾性限界以内に納ま
るようなばね又は弾性材料で製作する。図示の腱による
方法の利点は、腱が閉鎖時にのみ関節に順応性を示すこ
とである。図示にフィンガは既に述べた態様で関節37
2、374を駆動するための作働装置を使用する。しかし、
動力は作働装置から腱372を経て第１関節342の周りに自
由に回転するプーリ300に伝動する。第２関節374の回転
はそれに固定されたプーリ315を回転させる。このプー
リの回転は順応性の腱320を回転しない固定プーリの周
りに巻き付けあるいは巻き戻し、それにより第１関節37
2の周りの運動を生じる。かくして、第１関節の運動は
第２関節の作働に依存し、関節間の相対偏倚はプーリの
直径比によって支配される。順応部325は一端第１関節
が抵抗に遭遇したら第２関節を連続して運動させる。第
１関節の運動を阻止する抵抗力の大きさは順応部325の
ばね常数を調整することにより制御される。従って、２
つの関節の相対運動は結合されるがそれは順応運動であ
る。

順応性部材で結合した関節の利点は、物体の形状に順
応することである。関節が剛性結合の場合には関節の各
増分に体してただ一組の関節角度しかない。従って、少
なくとも２つの掌面で握持する物品の形状がわずかな変
動範囲でのみ使用出来るに過ぎない。実施には、大抵の
物品は単一点で剛性のフィンガに接触する。順応性の腱
が使用される、フィンガは物品を包み込み又少なくとも
二つの異なった表面の内面に少なくとも一つの接触点を
生じる。図示のフィンガの腱かけ通しは閉鎖時にのみ順
応性であるから大きな接触力を作用出来る。しかし、順
応性の腱は剛性結合の関節の不都合を除去して多重接触
点を可能にする。

第７〜7D図に示したように本発明の他の実施例は掌20
及びフィンガ30、40、45の新規な構造である。好ましい
実施例においては１つのフィンガ30は固定であり、その
掌軸70の周りに回転しない。しかし２つのフィンガは同
一回転角度で且つ反対方向に回転する。これらのフィン
ガの回転は単一の作働装置80による駆動で得られる。し
たがって、本発明の掌とフィンガの関節は掌20の周りに
１自由度の運動を許容する。この構成により掌20はフィ
ンガ30、40、45と相互作用して物品の取扱の際に工具と
して使用される。したがって、掌は20は物品を保持する
台とかけ、押しつけるとかの表面として使用できる。し
かし触角センサ210を情報収集装置として組み込めば物
品の徴表を得ることができる。触角センサ210は掌20の
面上に位置して物品の接触位置に関する情報を制御装置
250へ送り、第３図のようにフィンガ30、40、45の掌側
の面上に位置したセンサ200により送られる情報と一緒
に使用される。こうして収集された情報は掌及びフィン
ガが協動して作用して、物品の形状に関する情報をあら
かじめプログラム等をしないでも複雑な形状の物品を確
実に握用する。

第７〜7D図に示したように、本発明の好ましい掌及び
フィンガ構造は端部作動子の多様な握持形態を可能にす
る。第7A図は可動フィンガ40、45が一緒に固定フィンガ
30から見て掌の反対側に回転してきた時に（矢印）、生
じるはさみグリップを示す。これらの２本のフィンガの
面内は摩擦による握持であり、はさみフックで手術を受
けたヒトが使用するものとにている。他の握りの形態は
第7B図に示す円筒グリップである。これは可動フィンガ
40、45が固定フィンガ30に対抗している場合に生じる。
固定フィンガは可動フィンガの間を通ることができるの
で、この態様は小さな円筒状物品から大きい四角形の箱
形の形状及び寸法を包含し得る。第７図に示した球状グ
リップではフィンガ30、40、45は約120度離れている。
強力グリップではフィンガの掌側の面は球体を掌へ押し
つけ、精密グリップでは３点は３側面の指先グリップを
形成する。他のグリップの形態は第7D図に示したよう
に、フィンガ40、45をそれらが互いに対抗するまで回転
させることにより得られる。先端握持モードは物品を操
作するのに使用できる。このグリップは安定性に摩擦を
利用しているが、起き方のぎこちない場合にまたは小さ
な物体を操作するのに有用である。最後の第7C図に示し
たように鈎グリップはフィンガの３つのグリップ形態を
掌の面と共に使用する。これによると２種類のグリップ
が可能となる。一つはフィンガが鈎状をなしている場合
にハンドル等の物品を握持する消極グリップであり、他
は３つのフィンガで物品を掌に押しつける態様である積
極グリップである。このグリップは包み込み形式のグリ
ップができない場合に他のハンドと協動して大きな平面
状の物品例えばテーブルの端部を持ち上げるのに有用で
ある。

本発明の他の重要な特徴は上記の装置の制御である。
本発明の各種の特徴は好ましくは第１図に示したハンド
組立体と組み合わせる。本発明にしたがって構成したハ
ンドの制御はハンド自体に備わった機械的なインテリジ
ェンス（器用さ）によりおおいに単純化され、関節運動
をししかも包み込み握りを行うことができるハンドに関
連したコンピュータ費用を節約する。第８図には好まし
いグリップ（握持）計画アルゴリズムを示す。

第８図に示したアルゴリズムの基本的な目的は方針を
探ることにより握持動作を実行し計画を単純化すること
である。研究によると黙視観察やレーザ観察装置のよう
な遠隔センサに加えて積極センサを使用することが必要
なことがわかった。その上、人の心理的な研究により重
量や体積のような構造上の特性を決定するのに物品の安
定性の考慮及び運動を必要とする多数の探究手順が定め
られている。物品の特徴に対する事前の知識がほとんど
ない場合には、フィンガの物品との接触位置を計算する
のに物品の詳細な情報を必要とする洗練された握持計画
ルーチンを実行することはできない。

本発明にしたがって構成されたフィンガ及び他のフィ
ンガは物品に合わせて自分自身を成形する。安定した握
持はしたがって近似的な空間位置以上のものが得られ
る。このアルゴリズムの相互作用的な性格により、取り
扱い装置及び制御装置は引き続く握持動作の間に集積さ
れた物品の形状に関する情報を処理及び結合することに
より物品について知ることができる。

第８図を参照すると、握持計画アルゴリズムは適当な
開始場所400で始まる。この時点では制御装置は取扱装
置を位置決めし、フィンガを握持動作の開始を行う適当
な位置にセットする。ステップ410は「リーチ」とラベ
ルしてある。このステップが実行されると、ロボットの
腕は掌が物品に接触するまで移動する。このステップは
まずロボット腕が荒い取扱を実行するための取扱及び制
御能力に依存している。ロボット腕の制御装置はこれら
の運動を物品との接触を感知する掌の面上の触角センサ
からの情報に基づいて行う。

ハンド制御装置は実際の握持をステップ420「フレッ
クス」のステップで実行する。このステップの実行は特
定数の関節に結合するリンクとの接触がなされるまでフ
ィンガが閉じる動作である。好ましい実施例では、図示
のアルゴリズムは本発明により構成されたハンドと共に
実行される。したがって、フィンガは接触が掌と第１関
節、を結合するリンク及びフィンガ先端を含むリンクで
あって第２関節に結合されたものに対してなされるまで
閉じられる。制御装置は末端リンクがフィンガの末端へ
の接触が、数種の望ましくない条件、例えば物品が遠過
ぎるとか、小さ過ぎて安定したハンドの包み込みが型の
グリップができないとかの条件を表示できることを認識
するようにプログラムされている。このステップでハン
ドの制御装置及び腕の制御装置は関節角度をほぼ等しく
保ち、それにより物品をハンドのグリップ内に位置付け
るように作用する。好ましいアルゴリズムの第１の判断
ステップはステップ430「閉鎖」で表されている。閉鎖
は安定な握持が得られるかどうかを決定するのに必要な
計算を行うブール演算である。閉鎖の安定性を決定する
のに必要なパラメータの検討に対しては公知例がある。
このアルゴリズムはまた握持を維持するのに必要なトル
クを計算する。もしも握持が所定の安定性を決定するパ
ラメータの範囲に入れば、アルゴリズムはステップ440
「絞り」を実行する。これはモータのトルクを握持に必
要な値に増す。このステップの後で、握持アルゴリズム
は終了し、ハンド制御装置が他の命令を待つ。しかしも
しも十分に握持が安定でないと決定されたら、ステップ
450「フレックスなし」が実行され、ハンドのフィンガ
は元の開放位置に復帰する。最後に「フレックスなし」
が実行された後に第６のステップ460「後退」が実行さ
れる。後退中に腕は握持される物品から離れる。この制
御ステップ、例えばリーチはハンドが取りつけてある腕
の制御及び運動能力に依存している。本発明の方法によ
り意図されている握持計画の相互作用的な性格はステッ
プ470「握り」を参照することによりわかる。このステ
ップはロボットの腕とハンドが次の握持実行の試みのた
めに従うべき軌跡を含む。実行される計画は前回までの
握持の試みから収集した情報、物品及び実行する仕事の
蓄積情報を使用することができ、あるいは、最も簡単に
は腕を所定の位置に整列させることができる。例えば、
好ましい例では、後退ステップの後、腕が接近する角度
を15度修正することができる。握りの計算及び命令が実
行されたら、ステップ480「再配置」に進み腕を次の握
持動作に進める。アルゴリズムはリセットされ矢印のよ
うに「リーチ」に行き、安定握持が再び探索される。各
種の相互作用的な握持は、各不安定性が物品の空間特性
及び配向に関する情報に加えられる。この情報は更なる
握持、蓄積、または後日のための他の情報に合体される
ように処理できる。

以上に若干の実施例を特に説明したが、本発明の範囲
内で他の実施例が可能なことは当業者には明らかであろ
う。本発明は上に記載の相対寸法に拘束されるものでは
なく広範囲な構造に適用可能であるものと理解された
い。新規なクラッチ機構は同様にここに開示した相対寸
法及び用途に限定されない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−17727（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−140450（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−158059（ＪＰ，Ｕ) 米国特許3215234（ＵＳ，Ａ) 米国特許4272973（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16D 43/21 B25J 15/08

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）第１のねじ筋を外周の一部に有し、
   且つ第１の軸孔を有するほぼ円筒形のクラッチ手段、 （ｂ）前記クラッチ手段の前記第１の軸孔に滑動自在に
   配置されたほぼ円筒形の軸、 （ｃ）前記クラッチ手段を作動する手段、 （ｄ）前記クラッチ手段と前記軸の間に調整可能な摩擦
   力を作り出し前記クラッチ手段の運動を調整する摩擦手
   段、 （ｅ）第２のほぼ円筒形の軸に支持されたほぼ円筒形の
   外側本体であって、その一部に回転自在の関節を作動す
   るウオームを有し、且つ前記外側本体中に更に前記第１
   のねじ筋にはまり合う第２のねじ筋を備えた第２の軸孔
   を有するもの、及び （ｆ）前記第２のねじ筋を有する前記第２の軸孔の一部
   に配置された弾性手段であって、前記クラッチ手段が前
   記弾性部材を押圧するまで前記クラッチ手段が前記第２
   の軸孔にねじ込まれたときに前記クラッチ手段からの力
   を前記円筒形の外側本体に伝動する弾性手段、よりなる
   クラッチ機構であって、 前記作動手段の回転力は、前記関節を作動させるウオー
   ムに伝動され、前記関節が抵抗を受けたとき、前記第１
   のねじ筋は前記クラッチ手段が前記弾性手段から離れる
   方向にねじ戻されて前記力の伝動を停止するようにし
   た、クラッチ機構。