JP3721354B2 - ロボットハンド及びロボットハンドフィンガー - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットハンド及びロボットハンドフィンガーに関し、詳しくは、曲げ運動が可能なロボットハンドフィンガーを備え、このロボットハンドフィンガーにより物を安定して把持することができるように構成されたロボットハンドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１７は、従来の多関節式ロボットハンドの平面図であり、図１８は、このロボットハンドの動作を示す概念図である。
【０００３】
従来のロボットハンドは、産業用ロボットのアーム４１の先端にブラケット４１により取り付けられ、このブラケット４１に親指２０Ａ、人差し指２０Ｂ、中指２０Ｃ、薬指２０Ｄ及び小指２０Ｅが固定されている。これらの指２０Ａ〜２０Ｅのうち、親指２０Ａは、２つの関節３４及び３５により接続された３つの節２５〜２７を有する。また、人差し指２０Ｂ、中指２０Ｃ、薬指２０Ｄ及び小指２０Ｅは、３つの関節３１〜３３により接続された４つの節２１〜２４を有する。各指２０Ａ〜２０Ｅの節２１，２４及び２６には、空気圧シリンダー４３が内蔵されており、この空気圧シリンダー４３のピストンロッド４４の先端には、垂直ガイド孔４５が形成されている。各指２０Ａ〜２０Ｅの節２１〜２７のうち、末節骨２１及び２５（ｄｉｓｔａｌ ｐｈａｌａｎｘ）以外の節２２〜２４，２６及び２７の先端には、一対の突起４６が形成され、これらの突起４６には、対角線上にカム孔４７が形成されるとともに、軸孔５１が形成されている。各指２０Ａ〜２０Ｅの基節骨２４及び２７（ｐｒｏｘｉｍａｌ ｐｈａｌａｎｘ）以外の節２１〜２３，２５及び２６の基端には、一対の支持突起４８が形成され、これらの支持突起４８には、軸孔４９及び長孔５０が形成されている。そして、突起４６が一対の支持突起４８の間に嵌め込まれ、節が回転し得るように軸孔４９，５１に中心片５２が挿入される。さらに、長孔５０、ピストンロッド４４の垂直ガイド孔４５及びカム孔４７に支持ピン５３が挿入され、各指２０Ａ〜２０Ｅの曲げ運動を行うことが可能とされている。空気圧シリンダー４３を内蔵する節には、空気圧シリンダー４３の空気注入部５４，５５が構成されている。
【０００４】
このように構成される従来のロボットハンドは、別に設けられた制御部(図示せず)により各空気圧シリンダー４３に供給される圧力を制御して、各指２０Ａ〜２０Ｅに曲げ運動を行わせる。
【０００５】
ここで、従来の多関節式ロボットハンドの動作について説明する。
別に設けられた制御部(図示せず)により節２３の空気注入口５４に空気が供給されると、空気圧シリンダー４３のピストンロッド４４が前進し、支持ピン５３がカム孔４７内を案内されて垂直ガイド孔４５を下方に移動することで、節２２は、中心片５２を中心として上方に曲げ運動を行う。
【０００６】
そして、空気圧シリンダー４３の他の空気注入口５５に空気が供給されると、上記の過程が逆に進行し、節２２が再び伸ばされる。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第６２４７７３８号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような多関節式ロボットハンドには、各指２０Ａ〜２０Ｅを動かすために空気圧シリンダー４３が関節３１〜３５の数だけ必要であるため、ロボットハンドの構成部品が多数となるとともに、ロボットハンドが大型となるという不都合な点があった。
【０００９】
また、各指２０Ａ〜２０Ｅの曲げ運動がカム作用により行われるため、実際の指のように柔軟な動作を行わせることができないという不都合な点があった。
また、各指２０Ａ〜２０Ｅが直線的に配置されているうえ、ブラケット４１に固定されていて横運動を行うことができないので、工作物が球状である場合は、これを上手に把持させることができないという不都合な点があった。
【００１０】
また、従来の多関節式ロボットハンドは、把持しようとする工作物に応じて把持力を能動的に調整することができないため、工作物を破壊しないように安定して把持させることが困難であるという不都合な点があった。
【００１１】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、ロボットハンドにおいてロボットハンドフィンガーの横運動を可能にするリンク構造を構成し、実際の手の動きに近い動作を行わせることのできるロボットハンドを提供することを目的とする。
【００１２】
本発明の他の目的は、ロボットハンドにクラッチ装置を搭載し、ロボットハンドフィンガーを動かすための駆動装置部品を削減することである。
本発明の更に別の目的は、ロボットハンドフィンガーに歪みゲージを取り付け、実際にロボットハンドフィンガーに作用している力の大きさを測定して、ロボットハンドの把持力を適切かつ能動的に制御することである。
【００１３】
本発明の更に別の目的は、ロボットハンドフィンガーの節を含んで前記リンク構造を構成し、少ない駆動装置部品で実際の手の動きに近い曲げ運動を行わせることである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
このため、本発明は、ハンド基底部と、ハンド基底部の側部に装着された移動フィンガーと、一端がハンド基底部に、他端が移動フィンガーにヒンジ結合され、移動フィンガーを横方向に移動可能に拘束する平行四辺形の４節リンクを構成する第１平行移動具及び第２平行移動具と、駆動モータと、この駆動モータと第１平行移動具又は第２平行移動具との間に介装され、この駆動モータの動力を伝達して、第１及び第２平行移動具をハンド基底部とのヒンジ結合軸を中心として回転させる平行移動動力伝達装置と、移動フィンガーに曲げ運動を行わせる移動フィンガー曲げ手段と、ハンド基底部の側部に固定された第１節、及びこの第1節の先端で第１関節によりヒンジ結合された第２節と、を有する固定フィンガーと、前記駆動モータと固定フィンガーとの間に介装され、前記駆動モータの動力を伝達して、固定フィンガーに曲げ運動を行わせる固定フィンガー曲げ手段と、移動フィンガーの曲げ運動に応じて、前記駆動モータからの動力を平行移動動力伝達装置と固定フィンガー曲げ手段との間で切り換えて伝達するクラッチ装置と、を含んでロボットハンドを構成する。
【００１７】
このような構成によれば、ロボットハンドフィンガーの横運動を可能にするリンク構造が構成され、ロボットハンドに実際の手の動きに近い動作を行わせることができる。
また、このように、ロボットハンドにクラッチ装置を具備することで、ロボットハンドフィンガーを動かすための駆動装置部品を削減することができる。
また、本発明は、ロボットハンドにおいて、移動フィンガー及び固定フィンガーに取り付けられた歪みゲージと、これらの歪みゲージに掛かる電圧値を測定して、ロボットハンドフィンガーに加えられている力の大きさを算出する演算部と、演算部で算出された力の大きさに基づいて、移動フィンガー及び固定フィンガーを駆動する駆動モータを制御する制御部と、を更に設ける。
【００１８】
これにより、実際にロボットハンドフィンガーに作用している力の大きさを測定して、ロボットハンドの把持力を適切かつ能動的に制御することが可能となる。
【００１９】
更に、本発明は、ロボットハンドにおいて、フィンガーの第１節と、一端が第１節の先端で第１関節によりヒンジ結合された第２節と、一端が第２節の先端で第２関節によりヒンジ結合された第３節と、フィンガーの第１関節と第２関節とを結ぶ直線と交差するように配置されるとともに、一端が第１節に、他端が第３節にヒンジ結合され、第３節を第２節の回転運動に従って運動するように拘束する４節リンクを構成する補助リンクと、を含んでロボットハンドフィンガーを構成する。
【００２０】
このような構成によれば、ロボットハンドフィンガーの節を含んでリンク構造が構成され、少ない駆動装置部品で実際の指の動きに近い曲げ運動を行わせることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るロボットハンド１の斜視図である。本実施形態に係るロボットハンド１は、柱状のハンド基底部１００と、ハンド基底部１００の側部に装着された移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃと、ハンド基底部１００の側面１０１に固定され、曲げ運動のみが可能な固定フィンガー２００Ａと、一端が移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃにヒンジ結合され、他端がハンド基底部１００にヒンジ結合された第１及び第２平行移動具としての平行移動具３１１，３１２と、これらの平行移動具３１１，３１２をハンド基底部１００とのヒンジ結合軸を中心として回転させる平行移動手段と、を含んで構成される。
【００２２】
ここで、ハンド基底部１００は、八角柱状の側板１０１と、側板１０１の上面を覆う上板１０２と、を含んで構成される。また、移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃが装着される側板１０１には、平行移動具３１１，３１２が挿入される開口１０３が形成されている。
【００２３】
ロボットハンドフィンガー２００Ａ〜２００Ｃは、１つ以上の節から構成されており、曲げ運動のみを行うことができる固定フィンガー２００Ａと、曲げ運動及び横運動の双方を行うことができる移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃと、を含んで構成される。固定フィンガー２００Ａは、親指のような役割を担うものであり、曲げ運動のみを行うように、その第１節２５１がハンド基底部１００の側板１０１に固定されている。一方、移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃは、他の指(例えば、人差し指及び薬指)のような役割を担うものであり、曲げ運動に加えて横運動も行うことができるように、平行移動具３１１，３１２によりハンド基底部１００に装着されている。
【００２４】
ロボットハンドフィンガー２００Ａ〜２００Ｃは、いずれもハンド基底部１００の側方に位置する第１節２２１，２５１と、一端が第１節２２１，２５１の先端にヒンジ結合された第２節２２２，２５２と、一端が第２節２２２，２５２の先端にヒンジ結合された第３節２２３，２５３と、第１節２２１，２５１と第２節２２２，２５２とをヒンジ結合する第１関節２１１，２４１と、第２節２２２，２５２と第３節２２３，２５３とをヒンジ結合する第２関節２１２，２４２と、を含んで構成される。
【００２５】
そして、ロボットハンド１には、ロボットハンドフィンガー２００Ａ〜２００Ｃの第３節２２３，２５３に（ここでは、物体を把持する際にその物体に接触する面と反対の面である。）に歪みゲージ５０１，５０２が取り付けられている。
【００２６】
移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃの第１節２２１は、ハンド基底部１００に向かう面に平行移動具３１１，３１２が挿入される開口２３１が形成されている。
【００２７】
移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃは、ハンド基底部１００を基準として対称に構成されており、対称的な横運動を行うことができる。
図２は、ロボットハンド１の移動フィンガー２００Ｂの側面図である。
【００２８】
移動フィンガー２００Ｂは、一端が第１節２２１にヒンジ結合されるとともに、他端が第３節２２３にヒンジ結合され、第３節２２３を第２節２２２の回転運動に従って運動するように拘束する４節リンクを構成する補助リンク２２８と、移動フィンガー２００Ｂに曲げ運動を行わせる移動フィンガー曲げ手段２６０と、を含んで構成される。
【００２９】
ここで、補助リンク２２８は、移動フィンガー２００Ｂの第１関節２１１及び第２関節２１２を結ぶ直線と交差するように配設されている。補助リンク２２８の容易な装着のため、一端が第１節２２１に固定され、他端が補助リンク２２８にヒンジ結合されるコネクター２２４を設けるとよい。
【００３０】
移動フィンガー曲げ手段２６０は、第２節２２２の第１節側連結部に形成された曲げウォームギア２６１と、曲げウォームギア２６１と噛み合う曲げウォーム２６２と、曲げウォーム２６２を駆動する第1駆動モータ２６３と、を含んで構成される。
【００３１】
曲げウォームギア２６１は、第１関節２１１を包囲するように形成され、曲げウォーム２６２は、第1駆動モータ２６３の回転軸２６４に結合されている。
図２に示すカム係止突起４５１、カム従動子４５２、固定子４５３及びワイヤーガイド４５４については、後述する。
【００３２】
図３〜５は、移動フィンガー２００Ｂの動作を段階別に示したものであり、図３は、曲げた状態の移動フィンガー２００Ｂの側面図、図４は、伸ばした状態の移動フィンガー２００Ｂの側面図、図５は、反り返した状態の移動フィンガー２００Ｂの側面図である。
【００３３】
移動フィンガー２００Ｂの４節リンクは、第１関節２１１及び補助リンク２２８の第１節側ヒンジ結合軸２２６の間を結ぶ第１リンク２２９Ａと、補助リンク２２８で構成される第２リンク２２９Ｂと、第２節２２２で構成される第３リンク２２９Ｃと、第２関節２１２及び補助リンク２２８の第３節側ヒンジ結合軸２２７の間を結ぶ第４リンク２２９Ｄとで構成される。
【００３４】
そして、第１駆動モータ２６３が作動すると、その動力が曲げウォーム２６２及び曲げウォームギア２６１を介して伝達され、第２節２２２が第１関節２１１を中心として回転する。ここで、第１リンク２２９Ａが固定されているため、第３リンク２２９Ｃ（すなわち、第２節２２２）が回転すると、これに従って第４リンク２２９Ｄが回転する。このようにして、第１駆動モータ２６３により第２節２２２を回転させると、４節リンクの作用により第３節２２３が第２節２２２に対して一定の相対角度で回転し、移動フィンガー２００Ｂの曲げ運動が行われる。なお、以上の動作原理は、他の移動フィンガー２００Ｃについても同様である。
【００３５】
図６は、本発明の第２の実施形態に係るロボットハンドの移動フィンガー２００Ｂの側面図である。
本実施形態に係る移動フィンガー２００Ｂの構成は、第１の実施形態に係る移動フィンガー２００Ｂ（図２）と比較して、移動フィンガー曲げ手段の構成を除いて同様である。
【００３６】
本実施形態に係る移動フィンガー２００Ｂの移動フィンガー曲げ手段２７０は、一端が第２節２２２の側面に固定された支持部材２７１にヒンジ結合され、他端が第1節２２１のうち前記第２節２２２の側面と同じ側に向く側面に固定された支持部材２７２にヒンジ結合された引張手段２７３を含んで構成される。
【００３７】
そして、引張手段２７３の動力（引込力及び押出力）が第２節２２２に伝達され、前述同様の４節リンクの作用により移動フィンガー２００Ｂの曲げ運動が行われる。引張手段２７３には、直線運動を行う空気圧シリンダー又は油圧シリンダーを採用することができる。
ところで、以上に述べた実施形態において、移動フィンガー２００Ｃは、移動フィンガー２００Ｂと比較して、カム係止突起４５１、カム従動子４５２、固定子４５３及びワイヤーガイド４５４を除いて同様に構成される。すなわち、移動フィンガー２００Ｃは、カム係止突起４５１、カム従動子４５２、固定子４５３及びワイヤーガイド４５４を含んでいない。
【００３８】
図７は、第１の実施形態に係るロボットハンド１（図１）の部分切開斜視図である。
ロボットハンド１の固定フィンガー２００Ａは、一端が第１節２５１にヒンジ結合されるとともに、他端が第３節２５３にヒンジ結合され、第３節２５３を第２節２５２の回転運動に従って運動するように拘束する４節リンクを構成する補助リンク(図示せず)と、固定フィンガー２００Ａに曲げ運動を行わせる固定フィンガー曲げ手段と、を含んで構成される。
【００３９】
ここで、図示しない補助リンクは、固定フィンガー２００Ａの第１関節２４１と第２関節２４２とを結ぶ直線と交差するように配設されている。
固定フィンガー曲げ手段は、固定フィンガー２００Ａの第２節２５２の第１節側連結部に形成された曲げウォームギア２６５と、曲げウォームギア２６５と噛み合うように配設された曲げウォーム２６６と、曲げウォーム２６６を駆動する第２駆動モータ４０２と、を含んで構成される。
【００４０】
上記のように、本実施形態に係る各ロボットハンドフィンガー２００Ａ〜２００Ｃは、３つ以上の節を有し、これらの節が４節リンクの作用により連動するように構成されているので、駆動モータの設置台数を抑えて、実際の指の動きに近い曲げ運動を行わせることが可能とされている。
【００４１】
ところで、ロボットハンド１の平行移動具３１１，３１２は、図１に示したように、移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃをハンド基底部１００に対して横方向に移動可能に拘束する平行四辺形の４節リンクを構成するため、一端がハンド基底部１００にヒンジ結合されるとともに、他端が移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃにヒンジ結合されている。平行移動具３１１，３１２は、これらが平行四辺形の対向する２辺を形成するように互いに対向して配設されている。そして、平行移動具３１１，３１２は、ハンド基底部１００の側板１０１に形成された開口１０３に一端が挿入されるとともに、移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃの第１節２２１の側面に形成された開口２３１に他端が挿入されている。平行移動具３１１，３１２は、移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃ毎に１つずつ設けられている。
【００４２】
平行移動手段は、第２駆動モータ４０２と、第２駆動モータ４０２と一方の平行移動具３１１，３１２との間に介装された平行移動動力伝達装置と、を含んで構成され、平行移動動力伝達装置は、第２駆動モータ４０２の動力を伝達して、平行移動具３１１，３１２がハンド基底部１００とのヒンジ結合軸を中心として回転するように、第２駆動モータ４０２と前記一方の平行移動具３１１，３１２とを接続している。また、第２駆動モータ４０２は、ハンド基底部１００内に回転軸が上板１０２に向くように配設されている。
【００４３】
本実施形態では、平行移動動力伝達装置は、移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃの第２平行移動具３１２のヒンジ結合軸外周に形成された移動ウォームギア４１１と、これら２つの移動ウォームギア４１１と同時に噛み合うように配設された移動ウォーム４１２と、第２駆動モータ４０２から移動ウォーム４１２に動力を伝達し、及びこの伝達を遮断するクラッチ装置４３０と、を含んで構成される。移動ウォームギア４１１は、他の平行移動具３１１に形成されてもよい。
【００４４】
ここで、移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃは、これらの横運動のために設けられた第２駆動モータ４０２、移動ウォーム４１２及び移動ウォームギア４１１とは別個の駆動モータ、ウォーム及びウォームギアにより曲げ運動を行うように構成されているので、移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃの曲げ運動と横運動との間に機械的干渉が発生することはない。
【００４５】
また、１つの駆動モータ４０２により２つの移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃが同時に横運動を行うように構成されているので、少ない駆動装置部品で移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃに実際の指の動きに近い横運動を行わせることができる。
【００４６】
クラッチ装置４３０は、移動ウォーム４１２が第２駆動モータ４０２により駆動されるように構成されるとともに、第２駆動モータ４０２の動力が、移動フィンガー２００Ｂの曲げ運動に応じて平行移動動力伝達装置と固定フィンガー曲げ手段とで切り換えて伝達されるように構成されている。
【００４７】
クラッチ装置４３０は、第２駆動モータ４０２の回転軸に固定された第３ベベルギア４３３と、第３ベベルギア４３３と対向させて、固定フィンガー曲げウォーム２６６の駆動軸に固定された第５ベベルギア４３５と、移動ウォーム４１２の駆動軸に固定された第４ベベルギア４３４と、移動ウォーム４１２の駆動軸と平行に配置され、第３ベベルギア４３３及び第５ベベルギア４３５の間を長さ方向に移動可能に装着されたクラッチ軸４３７と、移動フィンガー２００Ｂの曲げ運動をクラッチ軸４３７の直線運動に変換するカム装置と、第３ベベルギア４３３及び第５ベベルギヤ４３５と同時に噛み合うようにクラッチ軸４３７に固定された第６ベベルギア４３６と、クラッチ軸４３７の移動により第３ベベルギア４３３及び第４ベベルギア４３４と夫々噛み合うようにクラッチ軸４３７に固定された第１ベベルギア４３１及び第２ベベルギア４３２と、を含んで構成される。
【００４８】
図８，９は、クラッチ装置４３０の動作の概念図である。
図８に示すように、クラッチ装置４３０のカム装置は、移動フィンガー２００Ｂの第２節２２２の第1節側連結部に形成されたカム係止突起４５１と、カム係止突起４５１が回転することで、カム係止突起４５１が当接して直線運動を行うカム従動子４５２と、カム従動子４５２とクラッチ軸４３７とを連結するワイヤー４５６と、ワイヤー４５６を被覆するワイヤーガイド４５４と、ワイヤーガイド４５４を移動フィンガー２００Ｂに対して第１節２２１内で固定する固定子４５３と、移動フィンガー２００Ｂの第２節２２２が反対方向に回転してカム従動子４５２を解放したときにクラッチ軸４３７を元の位置に戻すため、クラッチ軸４３７とワイヤーガイド４５４との間に介装された復帰手段４４０と、を含んで構成される。
【００４９】
ここで、復帰手段４４０は、側面をハンド基底部１００に付着して固定されるとともに、ワイヤーガイド４５４が固定された固定板４４３と、クラッチ軸４３７が固定された移動板４４１と、固定板４４３と移動板４４１との間に装着された弾性部材としてのスプリング４４２と、を含んで構成される。
【００５０】
クラッチ軸４３７と移動板４４１とは、クラッチ軸４３７の回転が復帰手段４４０及びワイヤー４５６に伝達されないように接続されている。
図８に示すように、カム係止突起４５１がカム従動子４５２から離れたクラッチ解除状態（移動フィンガー２００Ｂが伸ばされた状態）では、第２駆動モータ４０２で発生した動力が、第３ベベルギア４３３から第６ベベルギア４３６及び第５ベベルギア４３５に伝達され、固定フィンガー２００Ａの第２節２５２に連結された固定フィンガー曲げウォーム２６６及び固定フィンガー曲げウォームギア２６５を駆動することで、固定フィンガー２００Ａの曲げ運動が行われる。
【００５１】
ここで、移動ウォーム４１２には動力が伝達されないため、移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃの横運動は行われない。
そして、図９に示すように、カム係止突起４５１がカム従動子４５２に当接したクラッチ作動状態（移動フィンガー２００Ｂが最大限曲げられた状態）では、カム従動子４５２がワイヤーガイド４５４内のワイヤー４５６を引き寄せ、ワイヤー４５６に連結されたクラッチ軸４３７を移動させる。これにより、第６ベベルギア４３６が第５ベベルギア４３５から分離する一方、第２ベベルギア４３２が第４ベベルギア４３４と噛み合い、第２駆動モータ４０２の動力が移動ウォーム４１２に伝達されることで、図７に示した移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃの横運動が行われる。
【００５２】
さらに、移動フィンガー２００Ｂが再び伸ばされると、復帰手段４４０により自動的に図８に示したクラッチ解除状態に復帰し、固定フィンガー２００Ａの曲げ運動が行われる。
【００５３】
このように、移動フィンガー２００Ｂの曲げ運動に連動して、固定フィンガー２００Ａの曲げ運動と移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃの横運動とを切り換えて行わせることができる。
【００５４】
また、固定フィンガー２００Ａの曲げ運動と移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃの横運動とが全てウォーム及びウォームギアにより行われるため、一方の運動が行われている間は、他方の運動に関し、外部から力が加えられてもウォームギアの特性により以前の状態が維持される。
【００５５】
図１０，１１は、他の実施形態に係るロボットハンドのクラッチ装置の構成図であり、図８，９に示すものとは機械的動作が反対となるように構成されている。
【００５６】
すなわち、第１ベベルギア４３１と第２ベベルギア４３２とは、移動フィンガー２００Ｂが伸ばされた状態で第３ベベルギア４３３及び第４ベベルギア４３４と夫々噛み合うようにクラッチ軸４３７に固定されている。そして、第６ベベルギア４３６は、移動フィンガー２００Ｂが曲げられたときに、クラッチ軸４３７の移動により第３ベベルギア４３３及び第５ベベルギア４３５と同時に噛み合うようにクラッチ軸４３７上に配設されている。
【００５７】
それ以外の構成は、図８に示したクラッチ装置４３０と同様である。
本実施形態では、クラッチが作動しない状態で、第１ベベルギア４３１が第３ベベルギア４３３と噛み合い、第２駆動モータ４０２の動力が第２ベベルギア４３２を介して第４ベベルギア４３４に伝達され、移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃに横運動を行わせる（図１０）。
【００５８】
そして、クラッチが作動した状態で、第６ベベルギア４３６が第３ベベルギア４３３と噛み合い、第２駆動モータ４０２の動力が第５ベベルギア４３５を介して固定フィンガー曲げウォーム２６６に伝達され、固定フィンガー２００Ａの曲げ運動が行われる（図１１）。
【００５９】
このように、クラッチの解除及び作動によりベベルギアの噛合いの組合せを変更し、各フィンガーの曲げ運動及び横運動を制御することができる。
図１２は、第１の実施形態に係るロボットハンド１のロボットハンドフィンガーの第３節２２３，２５３の先端部分（例えば、図２の符号１４）の拡大図である。
【００６０】
ロボットハンドフィンガーの第３節２２３，２５３を構成する面に４つの第１歪みゲージ５０１を取り付けて、第１フルブリッジ回路が構成されるように結線するとともに、同じ面の第１歪みゲージ５０１からＬｏｆｆだけ離れた部位に４つの第２歪みゲージ５０２を取り付けて、第２フルブリッジ回路が構成されるように結線する。ここで、第１フルブリッジ回路及び第２フルブリッジ回路の各出力電圧Ｖ１，Ｖ２は、次のようである。
【００６１】
【数１】
【００６２】
（１），（２）式のＬ（節に加えられている力の作用点と第１歪みゲージ５０１との間の距離とする。）と、Ｆ(節に加えられている力の大きさとする。)は、Ｋ＝Ｋｇ・（ｅｈ／２ＥＩ）・Ｋａとすると、次のようである。
【００６３】
【数２】
【００６４】
なお、Ｋｇ＝ゲージ常数、ｅ＝ブリッジ回路の入力電圧、Ｅ＝節のヤング係数、ｈ＝節の断面の厚さ、Ｉ＝節の面積モーメント、Ｋａ＝アンプ常数とする。
このように、２つの出力電圧Ｖ１，Ｖ２を測定してロボットハンドフィンガーに掛かる力を測定するとともに、第３節２２３，２５３の断面の寸法を調整することで、歪みゲージの感度を調節することができる。
【００６５】
また、演算部（図示せず）により歪みゲージの出力電圧Ｖ１，Ｖ２からロボットハンドフィンガーに掛かる力の大きさを算出し、これをロボットハンドの制御部(図示せず)に伝送して、ロボットハンドフィンガーの曲げ運動を制御することもできる。
【００６６】
図１３，１４は、本発明の更に別の実施形態に係るロボットハンドの構成図であり、ロボットハンドを上方から見た状態で示している。
本実施形態に係るロボットハンドは、曲げ運動のみを行うことができる２つの固定フィンガー２００Ａ，２００Ｄと、曲げ運動及び横運動の双方を行うことができる２つの移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃとを含んで構成される。
【００６７】
横運動を行うことができる移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃのいずれかの曲げ運動に応じて、固定フィンガー２００Ａ，２００Ｄの曲げ運動と移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃの横運動とが切り換えられる。
【００６８】
図１４は、本実施形態に係るロボットハンドの移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃの横運動後の状態を示している。
【００７１】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係るロボットハンドは、ロボットハンドフィンガーを３つ以上の節を含んで構成するとともに、４節リンクの作用によりロボットハンドフィンガーに曲げ運動を行わせるようにしたので、駆動モータの設置台数を抑えて、実際の手の動きに近い動作を行わせることができる。
【００７２】
また、機械的クラッチを採用し、ロボットハンドフィンガーのうち少なくとも１つの横運動を、個別に駆動モータを搭載することなく、他のロボットハンドフィンガーに曲げ運動を行わせるための駆動モータを兼用して行わせることができるので、ロボットハンドの構成部品を削減し、軽量化を図ることができる。
【００７３】
また、機械的クラッチを採用したことで、前記兼用の駆動モータによるロボットハンドフィンガーの曲げ運動及び他のロボットハンドフィンガーの横運動とを、互いに干渉させずに行わせることができる。
【００７４】
また、ロボットハンドフィンガーに歪みゲージを取り付けることで、ロボットハンドの力（把持力）を測定し、工作物に応じて適切かつ安定した力で把持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの斜視図
【図２】同上ロボットハンドの移動フィンガーの側面図
【図３】曲げた状態の移動フィンガーの側面図
【図４】伸ばした状態の移動フィンガーの側面図
【図５】反り返した状態の移動フィンガーの側面図
【図６】本発明の他の実施形態に係るロボットハンドの移動フィンガーの側面図
【図７】図1のロボットハンドの部分切開斜視図
【図８】ロボットハンドのクラッチ装置の解除状態の概念図
【図９】同上クラッチ装置の作動状態の概念図
【図１０】他のクラッチ装置の解除状態の概念図
【図１１】同上クラッチ装置の作動状態の概念図
【図１２】歪みゲージを備えるロボットハンドフィンガーの拡大図
【図１３】本発明の更に別の実施形態に係るロボットハンドの平面図
【図１４】同上ロボットハンドを広げた状態の概念図
【図１５】従来の多関節式ロボットハンドの平面図
【図１６】同上ロボットハンドの動作の概念図
【符号の説明】
２２１，２５１…第１節、２２２，２５２…第２節、２２３，２５３…第３節、２１１，２４１…第１関節、２１２，２４２…第２関節、２００Ａ…固定フィンガー、２００Ｂ，２００Ｃ…移動フィンガー、２２８…補助リンク、２６０，２７０…(移動)フィンガー曲げ手段、２６１…曲げウォームギア、２６２…曲げウォーム、２６３…駆動モータとしての第1駆動モータ、２７３…引張手段、３１１，３１２…平行移動具、４５１…カム係止突起、４５２…カム従動子、４５３…固定子、４５６…ワイヤー、４５４…ワイヤーガイド、４０２…駆動モータとしての第２駆動モータ、４３１…第１ベベルギア、４３２…第２ベベルギア、４３３…第３ベベルギア、４３４…第４ベベルギア、４３５…第５ベベルギア、４３６…第６ベベルギア、４３７…クラッチ軸、４４０…復帰手段、５０１，５０２…歪みゲージ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットハンド及びロボットハンドフィンガーに関し、詳しくは、曲げ運動が可能なロボットハンドフィンガーを備え、このロボットハンドフィンガーにより物を安定して把持することができるように構成されたロボットハンドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１７は、従来の多関節式ロボットハンドの平面図であり、図１８は、このロボットハンドの動作を示す概念図である。
【０００３】
従来のロボットハンドは、産業用ロボットのアーム４１の先端にブラケット４１により取り付けられ、このブラケット４１に親指２０Ａ、人差し指２０Ｂ、中指２０Ｃ、薬指２０Ｄ及び小指２０Ｅが固定されている。これらの指２０Ａ〜２０Ｅのうち、親指２０Ａは、２つの関節３４及び３５により接続された３つの節２５〜２７を有する。また、人差し指２０Ｂ、中指２０Ｃ、薬指２０Ｄ及び小指２０Ｅは、３つの関節３１〜３３により接続された４つの節２１〜２４を有する。各指２０Ａ〜２０Ｅの節２１，２４及び２６には、空気圧シリンダー４３が内蔵されており、この空気圧シリンダー４３のピストンロッド４４の先端には、垂直ガイド孔４５が形成されている。各指２０Ａ〜２０Ｅの節２１〜２７のうち、末節骨２１及び２５（ｄｉｓｔａｌ ｐｈａｌａｎｘ）以外の節２２〜２４，２６及び２７の先端には、一対の突起４６が形成され、これらの突起４６には、対角線上にカム孔４７が形成されるとともに、軸孔５１が形成されている。各指２０Ａ〜２０Ｅの基節骨２４及び２７（ｐｒｏｘｉｍａｌ ｐｈａｌａｎｘ）以外の節２１〜２３，２５及び２６の基端には、一対の支持突起４８が形成され、これらの支持突起４８には、軸孔４９及び長孔５０が形成されている。そして、突起４６が一対の支持突起４８の間に嵌め込まれ、節が回転し得るように軸孔４９，５１に中心片５２が挿入される。さらに、長孔５０、ピストンロッド４４の垂直ガイド孔４５及びカム孔４７に支持ピン５３が挿入され、各指２０Ａ〜２０Ｅの曲げ運動を行うことが可能とされている。空気圧シリンダー４３を内蔵する節には、空気圧シリンダー４３の空気注入部５４，５５が構成されている。
【０００４】
このように構成される従来のロボットハンドは、別に設けられた制御部(図示せず)により各空気圧シリンダー４３に供給される圧力を制御して、各指２０Ａ〜２０Ｅに曲げ運動を行わせる。
【０００５】
ここで、従来の多関節式ロボットハンドの動作について説明する。
別に設けられた制御部(図示せず)により節２３の空気注入口５４に空気が供給されると、空気圧シリンダー４３のピストンロッド４４が前進し、支持ピン５３がカム孔４７内を案内されて垂直ガイド孔４５を下方に移動することで、節２２は、中心片５２を中心として上方に曲げ運動を行う。
【０００６】
そして、空気圧シリンダー４３の他の空気注入口５５に空気が供給されると、上記の過程が逆に進行し、節２２が再び伸ばされる。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第６２４７７３８号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような多関節式ロボットハンドには、各指２０Ａ〜２０Ｅを動かすために空気圧シリンダー４３が関節３１〜３５の数だけ必要であるため、ロボットハンドの構成部品が多数となるとともに、ロボットハンドが大型となるという不都合な点があった。
【０００９】
また、各指２０Ａ〜２０Ｅの曲げ運動がカム作用により行われるため、実際の指のように柔軟な動作を行わせることができないという不都合な点があった。
また、各指２０Ａ〜２０Ｅが直線的に配置されているうえ、ブラケット４１に固定されていて横運動を行うことができないので、工作物が球状である場合は、これを上手に把持させることができないという不都合な点があった。
【００１０】
また、従来の多関節式ロボットハンドは、把持しようとする工作物に応じて把持力を能動的に調整することができないため、工作物を破壊しないように安定して把持させることが困難であるという不都合な点があった。
【００１１】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、ロボットハンドにおいてロボットハンドフィンガーの横運動を可能にするリンク構造を構成し、実際の手の動きに近い動作を行わせることのできるロボットハンドを提供することを目的とする。
【００１２】
本発明の他の目的は、ロボットハンドにクラッチ装置を搭載し、ロボットハンドフィンガーを動かすための駆動装置部品を削減することである。
本発明の更に別の目的は、ロボットハンドフィンガーに歪みゲージを取り付け、実際にロボットハンドフィンガーに作用している力の大きさを測定して、ロボットハンドの把持力を適切かつ能動的に制御することである。
【００１３】
本発明の更に別の目的は、ロボットハンドフィンガーの節を含んで前記リンク構造を構成し、少ない駆動装置部品で実際の手の動きに近い曲げ運動を行わせることである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
このため、本発明は、ハンド基底部と、ハンド基底部の側部に装着された移動フィンガーと、一端がハンド基底部に、他端が移動フィンガーにヒンジ結合され、移動フィンガーを横方向に移動可能に拘束する平行四辺形の４節リンクを構成する第１平行移動具及び第２平行移動具と、駆動モータと、この駆動モータと第１平行移動具又は第２平行移動具との間に介装され、この駆動モータの動力を伝達して、第１及び第２平行移動具をハンド基底部とのヒンジ結合軸を中心として回転させる平行移動動力伝達装置と、移動フィンガーに曲げ運動を行わせる移動フィンガー曲げ手段と、ハンド基底部の側部に固定された第１節、及びこの第1節の先端で第１関節によりヒンジ結合された第２節と、を有する固定フィンガーと、前記駆動モータと固定フィンガーとの間に介装され、前記駆動モータの動力を伝達して、固定フィンガーに曲げ運動を行わせる固定フィンガー曲げ手段と、移動フィンガーの曲げ運動に応じて、前記駆動モータからの動力を平行移動動力伝達装置と固定フィンガー曲げ手段との間で切り換えて伝達するクラッチ装置と、を含んでロボットハンドを構成する。
【００１７】
このような構成によれば、ロボットハンドフィンガーの横運動を可能にするリンク構造が構成され、ロボットハンドに実際の手の動きに近い動作を行わせることができる。
また、このように、ロボットハンドにクラッチ装置を具備することで、ロボットハンドフィンガーを動かすための駆動装置部品を削減することができる。
また、本発明は、ロボットハンドにおいて、移動フィンガー及び固定フィンガーに取り付けられた歪みゲージと、これらの歪みゲージに掛かる電圧値を測定して、ロボットハンドフィンガーに加えられている力の大きさを算出する演算部と、演算部で算出された力の大きさに基づいて、移動フィンガー及び固定フィンガーを駆動する駆動モータを制御する制御部と、を更に設ける。
【００１８】
これにより、実際にロボットハンドフィンガーに作用している力の大きさを測定して、ロボットハンドの把持力を適切かつ能動的に制御することが可能となる。
【００１９】
更に、本発明は、ロボットハンドにおいて、フィンガーの第１節と、一端が第１節の先端で第１関節によりヒンジ結合された第２節と、一端が第２節の先端で第２関節によりヒンジ結合された第３節と、フィンガーの第１関節と第２関節とを結ぶ直線と交差するように配置されるとともに、一端が第１節に、他端が第３節にヒンジ結合され、第３節を第２節の回転運動に従って運動するように拘束する４節リンクを構成する補助リンクと、を含んでロボットハンドフィンガーを構成する。
【００２０】
このような構成によれば、ロボットハンドフィンガーの節を含んでリンク構造が構成され、少ない駆動装置部品で実際の指の動きに近い曲げ運動を行わせることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るロボットハンド１の斜視図である。本実施形態に係るロボットハンド１は、柱状のハンド基底部１００と、ハンド基底部１００の側部に装着された移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃと、ハンド基底部１００の側面１０１に固定され、曲げ運動のみが可能な固定フィンガー２００Ａと、一端が移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃにヒンジ結合され、他端がハンド基底部１００にヒンジ結合された第１及び第２平行移動具としての平行移動具３１１，３１２と、これらの平行移動具３１１，３１２をハンド基底部１００とのヒンジ結合軸を中心として回転させる平行移動手段と、を含んで構成される。
【００２２】
ここで、ハンド基底部１００は、八角柱状の側板１０１と、側板１０１の上面を覆う上板１０２と、を含んで構成される。また、移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃが装着される側板１０１には、平行移動具３１１，３１２が挿入される開口１０３が形成されている。
【００２３】
ロボットハンドフィンガー２００Ａ〜２００Ｃは、１つ以上の節から構成されており、曲げ運動のみを行うことができる固定フィンガー２００Ａと、曲げ運動及び横運動の双方を行うことができる移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃと、を含んで構成される。固定フィンガー２００Ａは、親指のような役割を担うものであり、曲げ運動のみを行うように、その第１節２５１がハンド基底部１００の側板１０１に固定されている。一方、移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃは、他の指(例えば、人差し指及び薬指)のような役割を担うものであり、曲げ運動に加えて横運動も行うことができるように、平行移動具３１１，３１２によりハンド基底部１００に装着されている。
【００２４】
ロボットハンドフィンガー２００Ａ〜２００Ｃは、いずれもハンド基底部１００の側方に位置する第１節２２１，２５１と、一端が第１節２２１，２５１の先端にヒンジ結合された第２節２２２，２５２と、一端が第２節２２２，２５２の先端にヒンジ結合された第３節２２３，２５３と、第１節２２１，２５１と第２節２２２，２５２とをヒンジ結合する第１関節２１１，２４１と、第２節２２２，２５２と第３節２２３，２５３とをヒンジ結合する第２関節２１２，２４２と、を含んで構成される。
【００２５】
そして、ロボットハンド１には、ロボットハンドフィンガー２００Ａ〜２００Ｃの第３節２２３，２５３に（ここでは、物体を把持する際にその物体に接触する面と反対の面である。）に歪みゲージ５０１，５０２が取り付けられている。
【００２６】
移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃの第１節２２１は、ハンド基底部１００に向かう面に平行移動具３１１，３１２が挿入される開口２３１が形成されている。
【００２７】
移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃは、ハンド基底部１００を基準として対称に構成されており、対称的な横運動を行うことができる。
図２は、ロボットハンド１の移動フィンガー２００Ｂの側面図である。
【００２８】
移動フィンガー２００Ｂは、一端が第１節２２１にヒンジ結合されるとともに、他端が第３節２２３にヒンジ結合され、第３節２２３を第２節２２２の回転運動に従って運動するように拘束する４節リンクを構成する補助リンク２２８と、移動フィンガー２００Ｂに曲げ運動を行わせる移動フィンガー曲げ手段２６０と、を含んで構成される。
【００２９】
ここで、補助リンク２２８は、移動フィンガー２００Ｂの第１関節２１１及び第２関節２１２を結ぶ直線と交差するように配設されている。補助リンク２２８の容易な装着のため、一端が第１節２２１に固定され、他端が補助リンク２２８にヒンジ結合されるコネクター２２４を設けるとよい。
【００３０】
移動フィンガー曲げ手段２６０は、第２節２２２の第１節側連結部に形成された曲げウォームギア２６１と、曲げウォームギア２６１と噛み合う曲げウォーム２６２と、曲げウォーム２６２を駆動する第1駆動モータ２６３と、を含んで構成される。
【００３１】
曲げウォームギア２６１は、第１関節２１１を包囲するように形成され、曲げウォーム２６２は、第1駆動モータ２６３の回転軸２６４に結合されている。
図２に示すカム係止突起４５１、カム従動子４５２、固定子４５３及びワイヤーガイド４５４については、後述する。
【００３２】
図３〜５は、移動フィンガー２００Ｂの動作を段階別に示したものであり、図３は、曲げた状態の移動フィンガー２００Ｂの側面図、図４は、伸ばした状態の移動フィンガー２００Ｂの側面図、図５は、反り返した状態の移動フィンガー２００Ｂの側面図である。
【００３３】
移動フィンガー２００Ｂの４節リンクは、第１関節２１１及び補助リンク２２８の第１節側ヒンジ結合軸２２６の間を結ぶ第１リンク２２９Ａと、補助リンク２２８で構成される第２リンク２２９Ｂと、第２節２２２で構成される第３リンク２２９Ｃと、第２関節２１２及び補助リンク２２８の第３節側ヒンジ結合軸２２７の間を結ぶ第４リンク２２９Ｄとで構成される。
【００３４】
そして、第１駆動モータ２６３が作動すると、その動力が曲げウォーム２６２及び曲げウォームギア２６１を介して伝達され、第２節２２２が第１関節２１１を中心として回転する。ここで、第１リンク２２９Ａが固定されているため、第３リンク２２９Ｃ（すなわち、第２節２２２）が回転すると、これに従って第４リンク２２９Ｄが回転する。このようにして、第１駆動モータ２６３により第２節２２２を回転させると、４節リンクの作用により第３節２２３が第２節２２２に対して一定の相対角度で回転し、移動フィンガー２００Ｂの曲げ運動が行われる。なお、以上の動作原理は、他の移動フィンガー２００Ｃについても同様である。
【００３５】
図６は、本発明の第２の実施形態に係るロボットハンドの移動フィンガー２００Ｂの側面図である。
本実施形態に係る移動フィンガー２００Ｂの構成は、第１の実施形態に係る移動フィンガー２００Ｂ（図２）と比較して、移動フィンガー曲げ手段の構成を除いて同様である。
【００３６】
本実施形態に係る移動フィンガー２００Ｂの移動フィンガー曲げ手段２７０は、一端が第２節２２２の側面に固定された支持部材２７１にヒンジ結合され、他端が第1節２２１のうち前記第２節２２２の側面と同じ側に向く側面に固定された支持部材２７２にヒンジ結合された引張手段２７３を含んで構成される。
【００３７】
そして、引張手段２７３の動力（引込力及び押出力）が第２節２２２に伝達され、前述同様の４節リンクの作用により移動フィンガー２００Ｂの曲げ運動が行われる。引張手段２７３には、直線運動を行う空気圧シリンダー又は油圧シリンダーを採用することができる。
ところで、以上に述べた実施形態において、移動フィンガー２００Ｃは、移動フィンガー２００Ｂと比較して、カム係止突起４５１、カム従動子４５２、固定子４５３及びワイヤーガイド４５４を除いて同様に構成される。すなわち、移動フィンガー２００Ｃは、カム係止突起４５１、カム従動子４５２、固定子４５３及びワイヤーガイド４５４を含んでいない。
【００３８】
図７は、第１の実施形態に係るロボットハンド１（図１）の部分切開斜視図である。
ロボットハンド１の固定フィンガー２００Ａは、一端が第１節２５１にヒンジ結合されるとともに、他端が第３節２５３にヒンジ結合され、第３節２５３を第２節２５２の回転運動に従って運動するように拘束する４節リンクを構成する補助リンク(図示せず)と、固定フィンガー２００Ａに曲げ運動を行わせる固定フィンガー曲げ手段と、を含んで構成される。
【００３９】
ここで、図示しない補助リンクは、固定フィンガー２００Ａの第１関節２４１と第２関節２４２とを結ぶ直線と交差するように配設されている。
固定フィンガー曲げ手段は、固定フィンガー２００Ａの第２節２５２の第１節側連結部に形成された曲げウォームギア２６５と、曲げウォームギア２６５と噛み合うように配設された曲げウォーム２６６と、曲げウォーム２６６を駆動する第２駆動モータ４０２と、を含んで構成される。
【００４０】
上記のように、本実施形態に係る各ロボットハンドフィンガー２００Ａ〜２００Ｃは、３つ以上の節を有し、これらの節が４節リンクの作用により連動するように構成されているので、駆動モータの設置台数を抑えて、実際の指の動きに近い曲げ運動を行わせることが可能とされている。
【００４１】
ところで、ロボットハンド１の平行移動具３１１，３１２は、図１に示したように、移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃをハンド基底部１００に対して横方向に移動可能に拘束する平行四辺形の４節リンクを構成するため、一端がハンド基底部１００にヒンジ結合されるとともに、他端が移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃにヒンジ結合されている。平行移動具３１１，３１２は、これらが平行四辺形の対向する２辺を形成するように互いに対向して配設されている。そして、平行移動具３１１，３１２は、ハンド基底部１００の側板１０１に形成された開口１０３に一端が挿入されるとともに、移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃの第１節２２１の側面に形成された開口２３１に他端が挿入されている。平行移動具３１１，３１２は、移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃ毎に１つずつ設けられている。
【００４２】
平行移動手段は、第２駆動モータ４０２と、第２駆動モータ４０２と一方の平行移動具３１１，３１２との間に介装された平行移動動力伝達装置と、を含んで構成され、平行移動動力伝達装置は、第２駆動モータ４０２の動力を伝達して、平行移動具３１１，３１２がハンド基底部１００とのヒンジ結合軸を中心として回転するように、第２駆動モータ４０２と前記一方の平行移動具３１１，３１２とを接続している。また、第２駆動モータ４０２は、ハンド基底部１００内に回転軸が上板１０２に向くように配設されている。
【００４３】
本実施形態では、平行移動動力伝達装置は、移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃの第２平行移動具３１２のヒンジ結合軸外周に形成された移動ウォームギア４１１と、これら２つの移動ウォームギア４１１と同時に噛み合うように配設された移動ウォーム４１２と、第２駆動モータ４０２から移動ウォーム４１２に動力を伝達し、及びこの伝達を遮断するクラッチ装置４３０と、を含んで構成される。移動ウォームギア４１１は、他の平行移動具３１１に形成されてもよい。
【００４４】
ここで、移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃは、これらの横運動のために設けられた第２駆動モータ４０２、移動ウォーム４１２及び移動ウォームギア４１１とは別個の駆動モータ、ウォーム及びウォームギアにより曲げ運動を行うように構成されているので、移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃの曲げ運動と横運動との間に機械的干渉が発生することはない。
【００４５】
また、１つの駆動モータ４０２により２つの移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃが同時に横運動を行うように構成されているので、少ない駆動装置部品で移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃに実際の指の動きに近い横運動を行わせることができる。
【００４６】
クラッチ装置４３０は、移動ウォーム４１２が第２駆動モータ４０２により駆動されるように構成されるとともに、第２駆動モータ４０２の動力が、移動フィンガー２００Ｂの曲げ運動に応じて平行移動動力伝達装置と固定フィンガー曲げ手段とで切り換えて伝達されるように構成されている。
【００４７】
クラッチ装置４３０は、第２駆動モータ４０２の回転軸に固定された第３ベベルギア４３３と、第３ベベルギア４３３と対向させて、固定フィンガー曲げウォーム２６６の駆動軸に固定された第５ベベルギア４３５と、移動ウォーム４１２の駆動軸に固定された第４ベベルギア４３４と、移動ウォーム４１２の駆動軸と平行に配置され、第３ベベルギア４３３及び第５ベベルギア４３５の間を長さ方向に移動可能に装着されたクラッチ軸４３７と、移動フィンガー２００Ｂの曲げ運動をクラッチ軸４３７の直線運動に変換するカム装置と、第３ベベルギア４３３及び第５ベベルギヤ４３５と同時に噛み合うようにクラッチ軸４３７に固定された第６ベベルギア４３６と、クラッチ軸４３７の移動により第３ベベルギア４３３及び第４ベベルギア４３４と夫々噛み合うようにクラッチ軸４３７に固定された第１ベベルギア４３１及び第２ベベルギア４３２と、を含んで構成される。
【００４８】
図８，９は、クラッチ装置４３０の動作の概念図である。
図８に示すように、クラッチ装置４３０のカム装置は、移動フィンガー２００Ｂの第２節２２２の第1節側連結部に形成されたカム係止突起４５１と、カム係止突起４５１が回転することで、カム係止突起４５１が当接して直線運動を行うカム従動子４５２と、カム従動子４５２とクラッチ軸４３７とを連結するワイヤー４５６と、ワイヤー４５６を被覆するワイヤーガイド４５４と、ワイヤーガイド４５４を移動フィンガー２００Ｂに対して第１節２２１内で固定する固定子４５３と、移動フィンガー２００Ｂの第２節２２２が反対方向に回転してカム従動子４５２を解放したときにクラッチ軸４３７を元の位置に戻すため、クラッチ軸４３７とワイヤーガイド４５４との間に介装された復帰手段４４０と、を含んで構成される。
【００４９】
ここで、復帰手段４４０は、側面をハンド基底部１００に付着して固定されるとともに、ワイヤーガイド４５４が固定された固定板４４３と、クラッチ軸４３７が固定された移動板４４１と、固定板４４３と移動板４４１との間に装着された弾性部材としてのスプリング４４２と、を含んで構成される。
【００５０】
クラッチ軸４３７と移動板４４１とは、クラッチ軸４３７の回転が復帰手段４４０及びワイヤー４５６に伝達されないように接続されている。
図８に示すように、カム係止突起４５１がカム従動子４５２から離れたクラッチ解除状態（移動フィンガー２００Ｂが伸ばされた状態）では、第２駆動モータ４０２で発生した動力が、第３ベベルギア４３３から第６ベベルギア４３６及び第５ベベルギア４３５に伝達され、固定フィンガー２００Ａの第２節２５２に連結された固定フィンガー曲げウォーム２６６及び固定フィンガー曲げウォームギア２６５を駆動することで、固定フィンガー２００Ａの曲げ運動が行われる。
【００５１】
ここで、移動ウォーム４１２には動力が伝達されないため、移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃの横運動は行われない。
そして、図９に示すように、カム係止突起４５１がカム従動子４５２に当接したクラッチ作動状態（移動フィンガー２００Ｂが最大限曲げられた状態）では、カム従動子４５２がワイヤーガイド４５４内のワイヤー４５６を引き寄せ、ワイヤー４５６に連結されたクラッチ軸４３７を移動させる。これにより、第６ベベルギア４３６が第５ベベルギア４３５から分離する一方、第２ベベルギア４３２が第４ベベルギア４３４と噛み合い、第２駆動モータ４０２の動力が移動ウォーム４１２に伝達されることで、図７に示した移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃの横運動が行われる。
【００５２】
さらに、移動フィンガー２００Ｂが再び伸ばされると、復帰手段４４０により自動的に図８に示したクラッチ解除状態に復帰し、固定フィンガー２００Ａの曲げ運動が行われる。
【００５３】
このように、移動フィンガー２００Ｂの曲げ運動に連動して、固定フィンガー２００Ａの曲げ運動と移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃの横運動とを切り換えて行わせることができる。
【００５４】
また、固定フィンガー２００Ａの曲げ運動と移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃの横運動とが全てウォーム及びウォームギアにより行われるため、一方の運動が行われている間は、他方の運動に関し、外部から力が加えられてもウォームギアの特性により以前の状態が維持される。
【００５５】
図１０，１１は、他の実施形態に係るロボットハンドのクラッチ装置の構成図であり、図８，９に示すものとは機械的動作が反対となるように構成されている。
【００５６】
すなわち、第１ベベルギア４３１と第２ベベルギア４３２とは、移動フィンガー２００Ｂが伸ばされた状態で第３ベベルギア４３３及び第４ベベルギア４３４と夫々噛み合うようにクラッチ軸４３７に固定されている。そして、第６ベベルギア４３６は、移動フィンガー２００Ｂが曲げられたときに、クラッチ軸４３７の移動により第３ベベルギア４３３及び第５ベベルギア４３５と同時に噛み合うようにクラッチ軸４３７上に配設されている。
【００５７】
それ以外の構成は、図８に示したクラッチ装置４３０と同様である。
本実施形態では、クラッチが作動しない状態で、第１ベベルギア４３１が第３ベベルギア４３３と噛み合い、第２駆動モータ４０２の動力が第２ベベルギア４３２を介して第４ベベルギア４３４に伝達され、移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃに横運動を行わせる（図１０）。
【００５８】
そして、クラッチが作動した状態で、第６ベベルギア４３６が第３ベベルギア４３３と噛み合い、第２駆動モータ４０２の動力が第５ベベルギア４３５を介して固定フィンガー曲げウォーム２６６に伝達され、固定フィンガー２００Ａの曲げ運動が行われる（図１１）。
【００５９】
このように、クラッチの解除及び作動によりベベルギアの噛合いの組合せを変更し、各フィンガーの曲げ運動及び横運動を制御することができる。
図１２は、第１の実施形態に係るロボットハンド１のロボットハンドフィンガーの第３節２２３，２５３の先端部分（例えば、図２の符号１４）の拡大図である。
【００６０】
ロボットハンドフィンガーの第３節２２３，２５３を構成する面に４つの第１歪みゲージ５０１を取り付けて、第１フルブリッジ回路が構成されるように結線するとともに、同じ面の第１歪みゲージ５０１からＬｏｆｆだけ離れた部位に４つの第２歪みゲージ５０２を取り付けて、第２フルブリッジ回路が構成されるように結線する。ここで、第１フルブリッジ回路及び第２フルブリッジ回路の各出力電圧Ｖ１，Ｖ２は、次のようである。
【００６１】
【数１】
（１），（２）式のＬ（節に加えられている力の作用点と第１歪みゲージ５０１との間の距離とする。）と、Ｆ(節に加えられている力の大きさとする。)は、Ｋ＝Ｋｇ・（ｅｈ／２ＥＩ）・Ｋａとすると、次のようである。
【００６３】
【数２】
なお、Ｋｇ＝ゲージ常数、ｅ＝ブリッジ回路の入力電圧、Ｅ＝節のヤング係数、ｈ＝節の断面の厚さ、Ｉ＝節の面積モーメント、Ｋａ＝アンプ常数とする。
このように、２つの出力電圧Ｖ１，Ｖ２を測定してロボットハンドフィンガーに掛かる力を測定するとともに、第３節２２３，２５３の断面の寸法を調整することで、歪みゲージの感度を調節することができる。
【００６５】
また、演算部（図示せず）により歪みゲージの出力電圧Ｖ１，Ｖ２からロボットハンドフィンガーに掛かる力の大きさを算出し、これをロボットハンドの制御部(図示せず)に伝送して、ロボットハンドフィンガーの曲げ運動を制御することもできる。
【００６６】
図１３，１４は、本発明の更に別の実施形態に係るロボットハンドの構成図であり、ロボットハンドを上方から見た状態で示している。
本実施形態に係るロボットハンドは、曲げ運動のみを行うことができる２つの固定フィンガー２００Ａ，２００Ｄと、曲げ運動及び横運動の双方を行うことができる２つの移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃとを含んで構成される。
【００６７】
横運動を行うことができる移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃのいずれかの曲げ運動に応じて、固定フィンガー２００Ａ，２００Ｄの曲げ運動と移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃの横運動とが切り換えられる。
【００６８】
図１４は、本実施形態に係るロボットハンドの移動フィンガー２００Ｂ，２００Ｃの横運動後の状態を示している。
【００７１】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係るロボットハンドは、ロボットハンドフィンガーを３つ以上の節を含んで構成するとともに、４節リンクの作用によりロボットハンドフィンガーに曲げ運動を行わせるようにしたので、駆動モータの設置台数を抑えて、実際の手の動きに近い動作を行わせることができる。
【００７２】
また、機械的クラッチを採用し、ロボットハンドフィンガーのうち少なくとも１つの横運動を、個別に駆動モータを搭載することなく、他のロボットハンドフィンガーに曲げ運動を行わせるための駆動モータを兼用して行わせることができるので、ロボットハンドの構成部品を削減し、軽量化を図ることができる。
【００７３】
また、機械的クラッチを採用したことで、前記兼用の駆動モータによるロボットハンドフィンガーの曲げ運動及び他のロボットハンドフィンガーの横運動とを、互いに干渉させずに行わせることができる。
【００７４】
また、ロボットハンドフィンガーに歪みゲージを取り付けることで、ロボットハンドの力（把持力）を測定し、工作物に応じて適切かつ安定した力で把持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの斜視図
【図２】同上ロボットハンドの移動フィンガーの側面図
【図３】曲げた状態の移動フィンガーの側面図
【図４】伸ばした状態の移動フィンガーの側面図
【図５】反り返した状態の移動フィンガーの側面図
【図６】本発明の他の実施形態に係るロボットハンドの移動フィンガーの側面図
【図７】図1のロボットハンドの部分切開斜視図
【図８】ロボットハンドのクラッチ装置の解除状態の概念図
【図９】同上クラッチ装置の作動状態の概念図
【図１０】他のクラッチ装置の解除状態の概念図
【図１１】同上クラッチ装置の作動状態の概念図
【図１２】歪みゲージを備えるロボットハンドフィンガーの拡大図
【図１３】本発明の更に別の実施形態に係るロボットハンドの平面図
【図１４】同上ロボットハンドを広げた状態の概念図
【図１５】従来の多関節式ロボットハンドの平面図
【図１６】同上ロボットハンドの動作の概念図
【符号の説明】
２２１，２５１…第１節、２２２，２５２…第２節、２２３，２５３…第３節、２１１，２４１…第１関節、２１２，２４２…第２関節、２００Ａ…固定フィンガー、２００Ｂ，２００Ｃ…移動フィンガー、２２８…補助リンク、２６０，２７０…(移動)フィンガー曲げ手段、２６１…曲げウォームギア、２６２…曲げウォーム、２６３…駆動モータとしての第1駆動モータ、２７３…引張手段、３１１，３１２…平行移動具、４５１…カム係止突起、４５２…カム従動子、４５３…固定子、４５６…ワイヤー、４５４…ワイヤーガイド、４０２…駆動モータとしての第２駆動モータ、４３１…第１ベベルギア、４３２…第２ベベルギア、４３３…第３ベベルギア、４３４…第４ベベルギア、４３５…第５ベベルギア、４３６…第６ベベルギア、４３７…クラッチ軸、４４０…復帰手段、５０１，５０２…歪みゲージ。
Claims (9)
- ロボットハンドのハンド基底部と、
ハンド基底部の側部に装着された移動フィンガーと、
一端がハンド基底部に、他端が移動フィンガーにヒンジ結合され、移動フィンガーをハンド基底部に対して横方向に移動可能に拘束する平行四辺形の４節リンクを構成する第１平行移動具及び第２平行移動具と、
駆動モータと、
この駆動モータと第１平行移動具又は第２平行移動具との間に介装され、この駆動モータの動力を伝達して、第１及び第２平行移動具をハンド基底部とのヒンジ結合軸を中心として回転させる平行移動動力伝達装置と、
移動フィンガーに曲げ運動を行わせる移動フィンガー曲げ手段と、
ハンド基底部の側部に固定された第１節と、この第1節の先端にヒンジ結合された第２節と、を有する固定フィンガーと、
前記駆動モータと固定フィンガーとの間に介装され、前記駆動モータの動力を伝達して、固定フィンガーに曲げ運動を行わせる固定フィンガー曲げ手段と、
移動フィンガーの曲げ運動に応じて、前記駆動モータからの動力を、平行移動動力伝達装置と固定フィンガー曲げ手段との間で切り換えて伝達するクラッチ装置と、を含んで構成されるロボットハンド。 - 移動フィンガーは、第１及び第２平行移動具が移動フィンガーの長さ方向に向かう軸でヒンジ結合された第１節と、この第1節の先端で第１関節によりヒンジ結合された第２節と、を含んで構成され、
平行移動動力伝達装置は、第１及び第２平行移動具のうちいずれかに形成された移動ウォームギアと、この移動ウォームギアと噛み合うように配設された移動ウォームと、を含んで構成され、
固定フィンガー曲げ手段は、固定フィンガーの第２節に設けられた固定フィンガー曲げウォームギアと、固定フィンガー曲げウォームギアと噛み合うように配設された固定フィンガー曲げウォームと、を含んで構成され、
クラッチ装置は、前記駆動モータの回転軸に結合された第３ベベルギアと、第３ベベルギアと対向させて固定フィンガー曲げウォームと同軸に設けられた第５ベベルギアと、移動ウォームと同軸に設けられた第４ベベルギアと、移動ウォームの駆動軸と平行に配置され、第３ベベルギアと第５ベベルギアとの間を長さ方向に移動可能に装着されたクラッチ軸と、移動フィンガーの曲げ運動をクラッチ軸の直線運動に変換するカム装置と、第３ベベルギアと第５ベベルギアとが同時に噛み合うようにクラッチ軸上に設けられた第６ベベルギアと、クラッチ軸の移動により第３ベベルギア及び第４ベベルギアと夫々噛み合うようにクラッチ軸上に設けられた第１ベベルギア及び第２ベベルギアと、を含んで構成される請求項１に記載のロボットハンド。 - カム装置は、
移動フィンガーの第２節に設けられたカム係止突起と、
移動フィンガーの第２節の曲げ運動によりカム係止突起が当接して直線運動を行うカム従動子と、
カム従動子とクラッチ軸とを連結するワイヤーと、
このワイヤーを被覆するとともに、一端が移動フィンガーの第１節に固定されたワイヤーガイドと、
ワイヤーガイドとクラッチ軸との間に介装された復帰手段と、を含んで構成される請求項２に記載のロボットハンド。 - 移動フィンガーがハンド基底部の各側に対称に装着され、各移動フィンガーの第１及び第２平行移動具、並びに移動ウォームギアは、ハンド基底部に対して対称に配設され、移動ウォームは、各移動フィンガーの移動ウォームギアと同時に噛み合うことを特徴とする請求項３に記載のロボットハンド。
- 移動フィンガー及び固定フィンガーは、
一端が各第２節の先端で第２関節によりヒンジ結合された第３節と、
移動フィンガー及び固定フィンガーの第１関節と第２関節とを結ぶ直線と交差するように配置されるとともに、一端が各第１節に、他端が各第３節にヒンジ結合され、第３節を各第２節の回転運動に従って運動するように拘束する４節リンクを構成する補助リンクと、を更に備える請求項４に記載のロボットハンド。 - 移動フィンガー曲げ手段は、
移動フィンガーの第２節に設けられた曲げウォームギアと、
曲げウォームギアと噛み合う曲げウォームと、
曲げウォームを駆動するための、前記駆動モータとは別の駆動モータと、を含んで構成される請求項５に記載のロボットハンド。 - 移動フィンガー及び固定フィンガーの各第３節に取り付けられた歪みゲージと、
これらの歪みゲージに掛かる電圧値を測定して、第３節に加えられている力の大きさを算出する演算部と、
演算部で算出された力の大きさに基づいて、固定フィンガー曲げ手段及び移動フィンガー曲げ手段の各駆動モータを制御する制御部と、を更に備える請求項６に記載のロボットハンド。 - 移動フィンガー曲げ手段は、一端が移動フィンガーの第１節に、他端がその第２節に連結されたシリンダーを含んで構成される請求項５に記載のロボットハンド。
- 移動フィンガー及び固定フィンガーの各第３節に取り付けられた歪みゲージと、
これらの歪みゲージに掛かる電圧値を測定して、第３節に加えられている力の大きさを算出する演算部と、
演算部で算出された力の大きさに基づいて、前記シリンダー及び固定フィンガー曲げ手段の駆動モータを制御する制御部と、を更に備える請求項８に記載のロボットハンド。
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