JP4133188B2 - ロボットハンドの指ユニット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速で正確に飛来物体などを掴むことができるロボットハンドに用いるのに適した指ユニットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術および解決しようとする課題】
ロボットハンドに用いる指ユニットは一般に多関節構造とされており、かかる多関節の指ユニットにより物体の把握、摘み、投擲動作を高速かつ確実に行い得るようにするために、各指関節を駆動するための可能な限り高精度で、小型かつ軽量で、しかも、高トルクのアクチュエータが求められる。
【０００３】
このようなアクチュエータを構成するためには、指の寸法以内に収まる高速で、高瞬時最大トルクを発生可能なモーター、高減速比で極小背隙の減速機、及び精密エンコーダが必要になる。しかし、市場にはこの様なアクチュエータはもとより、この仕様を満たす構成要素となる関連製品も見当たらない。即ちサーボモーターの瞬時最大出力トルクは不足しており、減速機は多段遊星の場合でも出力軸にて角１°もの大きな背隙が有り、エンコーダも適合する小径・軽量・高分解能の製品が見当たらない。
【０００４】
また、多関節指ユニットにおけるアクチュエータの回転出力軸から出力される回転を、これに直交する関節軸の回転運動に変換するために、従来技術として、ネジ及びラック・ピニオンの組み合せ、クランク機構、ウオームギヤ、ワイヤ及びシーブ方式等が有る。しかしながら、何れも関節部寸法並びに質量を過大にし、動作切り替え速度の不足を来す等の不具合がある。普通の傘歯車を用いる場合には、背隙及び円滑回転の点で問題がある。
【０００５】
さらに、従来の指は、他の指と連動し関節の屈折も手の内側にのみ曲がるものが殆どであり、指同士の協調作業を行なわせる等、ロボットハンドの掌に応用して多様な動作を行なわせる事はほぼ不可能であった。
【０００６】
本発明の課題は、人間の視覚認識から始まる身体器官の動作速度よりも、遥かに速く且つ正確に作動するロボットハンドに用いるのに適した指ユニットを提案することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明のロボットハンドの指ユニットは、
取付用フランジと、
この取付用フランジに取り付けられたアクチュエータと、
この取付用フランジを貫通して前方に突出している前記アクチュエータの回転出力軸と、
この回転出力軸の先端部に同軸状態に固定した駆動側傘歯車と、
前記取付用フランジの前面から前記駆動側傘歯車の両側位置を通って前方に張り出している一対の軸受ハウジングと、
各軸受ハウジングに取り付けられている軸受と、
これらの軸受によって両端が回転自在に支持され、前記アクチュエータの回転出力軸の中心軸線に対して直交する方向に配列されている関節軸と、
この関節軸の外周面に同軸状態に固定され、前記駆動側傘歯車に噛み合っている従動側傘歯車と、
前記関節軸に一端が固定され、当該関節軸に直交する方向に延びている連結部材と、
この連結部材の先端部分に連結された指本体とを有しており、
前記アクチュエータは、サーボモータと、波動歯車減速装置とを備えており、
各軸受の外側端面には前記関節軸に固定した従動側傘歯車の軸線方向偏倚を規制するためのスプリング板が取り付けられており、
前記関節軸は、配線用の中空部を備えた中空関節軸であり、
各スプリング板に形成した円形開口を介して前記関節軸の前記中空部の両端が外側に露出していることを特徴としている。
【０００８】
ここで、前記連結部材の側面に当該連結部材を介して伝達されるトルクを検出するための歪みゲージを貼り付けておけば、アクチュエータのモータ電流によらずにトルク検出ができ、指ユニットの伝達トルクを制御できる。
【０００９】
次に、本発明による指ユニットを多関節化するためには、上記の関節部および指本体と同様な構造を、指本体の先に連結すればよい。例えば、２関節の指ユニットの場合には、
前記指本体の先端部分に連結された第２の連結部材と、
この第２の連結部材に同軸状態に取り付けられ、中空型の前記指本体に内蔵された第２のアクチュエータと、
この第２のアクチュエータの回転出力軸の先端部に同軸状態に固定した第２の駆動側傘歯車と、
前記第２の連結部材に形成され、前記第２の駆動側傘歯車の両側位置を通って前方に張り出している一対の第２の軸受ハウジングと、
各第２の軸受ハウジングに取り付けられている第２の軸受と、
これらの第２の軸受によって両端が回転自在に支持され、前記第２のアクチュエータの回転出力軸の中心軸線に対して直交する方向に配列されている第２の関節軸と、
この第２の関節軸の外周面に同軸状態に固定され、前記第２の駆動側傘歯車に噛み合っている第２の従動側傘歯車と、
前記第２の関節軸に一端が固定され、当該第２の関節軸に直交する方向に延びている第３の連結部材と、
この第３の連結部材の先端部分に連結された第２の指本体とを備えた構成とすればよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した高速ロボットハンドの多関節指ユニットを説明する。
【００１３】
図１は本実施の形態に係る高速ロボットハンドの多関節指ユニットを示す平面図であり、図２はその断面図である。また、図３（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、多関節指ユニットの指付け根側関節部を示す横断面図および、そこに組み込まれている指付け根側連結部材を示す平面図である。さらに、図４（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、多関節指ユニットの指先側関節部を示す横断面図および、そこに組み込まれている指先側連結部材を示す平面図である。
【００１４】
これらの図を参照して説明すると、多関節指ユニット１は、取付用フランジ２と、この取付用フランジ２に取り付けられたアクチュエータ３と、このアクチュエータ３の回転出力軸４に連結された多関節の指本体ユニット５とを有しており、指本体ユニット５は、アクチュエータ３の回転出力軸４の前端に連結された指付け根側関節部６と、この指付け根側関節部６の前側に連結された指付け根部７と、この指付け根部７の先端に連結された指先側関節部８と、この指先側関節部８の前側に連結された指先部９から構成されている。
【００１５】
詳細に説明すると、円柱形状のアクチュエータ３は前向き状態で、その前端部分が取付用フランジ２の円形開口枠部分２ａに固定されており、その前端面からは回転出力軸４が円形開口枠部分２ａを貫通して前方に突出している。この回転出力軸４の先端部には同軸状態に駆動側傘歯車１１が固定されている。
【００１６】
ここで、取付用フランジ２の前面の上下端からは、駆動側傘歯車１１の上側および下側位置を通って、一対の指付け根側軸受ハウジング２ｂ、２ｃが平行に張り出している。駆動側傘歯車１１よりも前方に突出しているこれら指付け根側軸受ハウジング２ｂ、２ｃの先端部分には、同軸位置となるようにそれぞれ上側ボールベアリング１２および下側ボールベアリング１３が取り付けられている。これらのボールベアリング１２、１３によって、上下の端が回転自在の状態で回転出力軸４の軸線方向に直交する方向、本例では垂直に指付け根側関節軸１４が支持されている。
【００１７】
この関節軸１４におけるその軸線方向の上側の外周面部分には同軸状態で従動側傘歯車１５が固定され、この従動側傘歯車１５が駆動側傘歯車１１に噛み合っている。関節軸１４における軸線方向の中央位置には、連結部材１６の円環状ボス１６ａが固定されている。連結部材１６は、円環状ボス１６ａと、この円環状ボス１６ａから前方に延びている首部分１６ｂと、この首部分１６ｂの先端から前方にコの字状に延びているフォーク部分１６ｃとを備えている。このフォーク部分１６ｃには円筒状の付け根側カバー１７が同軸状態に連結されている。
【００１８】
このように、アクチュエータ３の回転出力軸４の前端に連結された指付け根側関節部６が、取付用フランジ２に形成した上下の指付け根側ハウジング２ｂ、２ｃと、上下のボールベアリング１２、１３と、指付け根側関節軸１４と、指付け根側従動側傘歯車１５と、指付け根側連結部材１６とによって構成されている。また、指付け根部７が、指付け根側連結部材１６のフォーク部１６ｃに連結された円筒状の付け根側カバー１７によって形成されている。
【００１９】
次に、指付け根部７の先端に連結されている指先側関節部８および指先部９も、指付け根側関節部６および指付け根部７と同様な構造とされている。すなわち、付け根側カバー１７の中空部には同軸状態で第２のアクチュエータ２１が内蔵されており、このアクチュエータ２１の前端部分は回転自在の状態で同じく付け根側カバー１７の中空部に内蔵された円環状フランジ２２に支持されている。この円環状フランジ２２の外周面は付け根側カバー１７の内周面に固定されている。
【００２０】
アクチュエータ２１の回転出力軸２３は円環状フランジ２２の中空部分を通って同軸状態で前方に突出しており、その先端部には指先側駆動傘歯車２４が同軸状態に固定されている。円環状フランジ２２の前面の上下端からは、駆動側傘歯車２４の上側および下側位置を通って、一対の指先側軸受ハウジング２２ａ、２２ｂが平行に張り出している。駆動側傘歯車２４よりも前方に突出しているこれら指先側軸受ハウジング２２ａ、２２ｂの先端部分には、同軸位置となるようにそれぞれ上側ボールベアリング２５および下側ボールベアリング２６が取り付けられている。これらのボールベアリング２５、２６によって、上下の端が回転自在の状態で回転出力軸２３の軸線方向に直交する方向、本例では垂直に指先側関節軸２７が支持されている。
【００２１】
この関節軸２７におけるその軸線方向の上側の外周面部分には同軸状態で従動側傘歯車２８が固定され、この従動側傘歯車２８が駆動側傘歯車２４に噛み合っている。従動側傘歯車２８における軸線方向の中央位置には、指先側連結部材２９の円環状ボス２９ａが固定されている。連結部材２９は、円環状ボス２９ａと、この円環状ボス２９ａから前方に延びている首部分２９ｂと、この首部分２９ｂの先端から前方にコの字状に延びているフォーク部分２９ｃとを備えている（図４参照）。このフォーク部分２９ｃには先端が半球状に閉鎖された円筒状の指先側カバー３０が同軸状態に連結されている。
【００２２】
なお、本例は指付け根側関節部および指先側関節部を備えた２関節の指ユニットであるが、１つの関節を備えた構成、あるいは３以上の関節を備えた構成とすることも可能である。
【００２３】
このように構成した本例の多関節指ユニット１では、回転出力軸４の回転が一対の傘歯車１１、１５を介して関節軸１４の回転運動に変換され、この関節軸１４に一端が固定されている連結部材１６が当該関節軸１４を中心として左右に９０°以上の角度まで旋回する。各関節部６、８を前後あるいは左右に９０°以上の角度で折り曲げ制御可能であり、様々な動作を可能とする軽量で、高速および高精度の人工指を実現できる。
【００２４】
なお、アクチュエータ３、２１は、高密度巻線と高密度部品配置による高速・高最大トルク短時間定格のサーボモータと、高減速比（例えば１／５０〜１／１００）の短寸法・高トルク・低背隙のユニット型波動歯車装置と、小型・軽量・高速対応・高分解能エンコーダを備えた構成となっている。
【００２５】
また、本例では、各傘歯車１１、１５、２４、２８として、極小背隙・無給油傘歯車をしている。このような傘歯車は、歯切り後に表面硬化処理を行ない、高精度傘歯車ラップ盤を用い無背隙状態にてラップ加工をし、更に歯面に固体潤滑剤を含浸処理し、無給油にて無背隙運転を可能としたものである。
【００２６】
ここで、本例における各関節部に用いている傘歯車１１、１５および傘歯車２４、２８の無背隙運転構造について説明する。図１、２を参照して説明すると、例えば指付け根側関節部６においては、その関節軸１４の上下端を回転自在に支持している上側ボールベアリング１２の上端面および下側ボールベアリング１３の下端面に、当該関節軸１４を傘歯車円錐中心方向に軸方向偏移量限定の軸方向推力を加えるスプリング板３１、３２を取り付けてある。同様に、指先側関節部８においても同様に機能するスプリング板３３、３４を取り付けてある。
【００２７】
この代わりに、アクチュエータ回転出力軸の張り出し撓み力を利用して無背隙状態に、傘歯車を組み付けるようにしてもよい。
【００２８】
一方、本例の多関節指ユニット１では、当該指ユニットに作用するトルクを検出するための歪みゲージが備わっている。すなわち、図３に示すように、指付け根側関節部６の連結部材１６の首部分１６ｂ（角柱部分）の側面に歪みゲージ３５が貼り付けられている。同様に、図４に示すように、指先側関節部８の連結部材２９の首部分２９ｂの側面にも歪みゲージ３６が貼り付けられている。これら歪みゲージ３５、３６の出力に基づき、各関節部６、８に作用するトルクを検出できる。従って、アクチュエータ３、２１のモータ電流に基づくことなく、トルクを検出でき、これに基づきトルク制御を行うことができる。
【００２９】
また、本例の各関節部６、８の折り曲げ中心を規定している関節軸１４、２７は中空関節軸である。これらの関節軸１４、２７より指先側にある指先側アクチュエータ２１、歪みゲージ３６等のリードワイヤ類を、当該中空関節軸の中空部を利用して引き回すと、本関節軸８の回転時にこれらの配線が振り回される等の不具合を回避できる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のロボットハンドの指ユニットは、１個または複数個の関節部を備え、これらの関節部を中心として個別の指本体を構成している指付け根部、指先部などを上下あるいは左右にそれぞれ９０°以上の角度で折り曲げ制御可能であり、また、かかる折り曲げ制御を例えば５０ミリ秒以内の高速で実現することができる。従って、本発明の指ユニットを用いれば、高速飛翔体・飛来物の把握又は物体の投出等の様々な動作を高速、且つ正確に行うことのできる高速ロボットハンドを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した多関節指ユニットの平面図である。
【図２】図１の多関節指ユニットの縦断面図である。
【図３】（ａ）は図１の多関節指ユニットの指付け根側関節部を示す横断面図であり、（ｂ）はそこに組み込まれている指付け根側連結部材を示す平面図である。
【図４】（ａ）は図１の多関節指ユニットの指先側関節部を示す横断面図であり、（ｂ）はそこに組み込まれている指先側連結部材を示す平面図である。
【符号の説明】
１ 多関節指ユニット
２ 取付用フランジ
２ｂ、２ｃ 軸受ハウジング
３ アクチュエータ
４ 回転出力軸
５ 指本体ユニット
６ 指付け根側関節部
７ 指付け根部
８ 指先側関節部
９ 指先部
１１ 駆動側傘歯車
１２、１３ ボールベアリング
１４ 関節軸
１５ 従動側傘歯車
１６ 連結部材
１７ 指付け根カバー
２１ アクチュエータ
２２ 円環状フランジ
２３ 回転出力軸
２４ 駆動側傘歯車
２５、２６ ボールベアリング
２７ 関節軸
２８ 従動側傘歯車
２９ 連結部材
３０ 指先カバー
３１、３２、３３、３４ スプリング板
３５、３６ 歪みゲージ

Claims (3)

1. 取付用フランジと、
   この取付用フランジに取り付けられたアクチュエータと、
   この取付用フランジを貫通して前方に突出している前記アクチュエータの回転出力軸と、
   この回転出力軸の先端部に同軸状態に固定した駆動側傘歯車と、
   前記取付用フランジの前面から前記駆動側傘歯車の両側位置を通って前方に張り出している一対の軸受ハウジングと、
   各軸受ハウジングに取り付けられている軸受と、
   これらの軸受によって両端が回転自在に支持され、前記アクチュエータの回転出力軸の中心軸線に対して直交する方向に配列されている関節軸と、
   この関節軸の外周面に同軸状態に固定され、前記駆動側傘歯車に噛み合っている従動側傘歯車と、
   前記関節軸に一端が固定され、当該関節軸に直交する方向に延びている連結部材と、
   この連結部材の先端部分に連結された指本体とを有しており、
   前記アクチュエータは、サーボモータと、波動歯車減速装置とを備えており、
   各軸受の外側端面には前記関節軸に固定した従動側傘歯車の軸線方向偏倚を規制するためのスプリング板が取り付けられており、
   前記関節軸は、配線用の中空部を備えた中空関節軸であり、
   各スプリング板に形成した円形開口を介して前記関節軸の前記中空部の両端が外側に露出していることを特徴とするロボットハンドの指ユニット。
2. 請求項１において、
   前記連結部材の側面には当該連結部材を介して伝達されるトルクを検出するための歪みゲージが貼り付けられていることを特徴とするロボットハンドの指ユニット。
3. 請求項１または２において、
   前記指本体の先端部分に連結された第２の連結部材と、
   この第２の連結部材に同軸状態に取り付けられ、中空型の前記指本体に内蔵された第２のアクチュエータと、
   この第２のアクチュエータの回転出力軸の先端部に同軸状態に固定した第２の駆動側傘歯車と、
   前記第２の連結部材に形成され、前記第２の駆動側傘歯車の両側位置を通って前方に張り出している一対の第２の軸受ハウジングと、
   各第２の軸受ハウジングに取り付けられている第２の軸受と、
   これらの第２の軸受によって両端が回転自在に支持され、前記第２のアクチュエータの回転出力軸の中心軸線に対して直交する方向に配列されている第２の関節軸と、
   この第２の関節軸の外周面に同軸状態に固定され、前記第２の駆動側傘歯車に噛み合っている第２の従動側傘歯車と、
   前記第２の関節軸に一端が固定され、当該第２の関節軸に直交する方向に延びている第３の連結部材と、
   この第３の連結部材の先端部分に連結された第２の指本体とを有していることを特徴とするロボットハンドの指ユニット。

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