JP4365341B2

JP4365341B2 - ロボットハンド

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Publication number: JP4365341B2
Application number: JP2005105202A
Authority: JP
Inventors: 聖星野; 一郎川渕
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP2006281380A

Description

本発明は、人間の第１指乃至第５指に相当する５本の指機構を備えた人型ロボットハンドに関するものである。

特開２００３−１１７８７３号公報の図３乃至図６には、人型ロボットハンドの指機構において、ワイヤとプーリとを用いた連動機構を利用して、指機構を屈伸させる構造が示されている。具体的には、指機構の中手骨部と基節骨部との間の接続部に１自由度の第１の回転ジョイントを設け、基節骨部と中節骨部との間の接続部に１自由度の第２の回転ジョイントを設け、また第２の回転ジョイントに所定の角度範囲内の回転運動を行わせる第２の回転ジョイント駆動用の駆動機構を設ける。そして中手骨部に第１の回転ジョイントと同心的に設けた第１のプーリと、中節骨部に第２の回転ジョイントと同心的に設けた第２のプーリと、第１のプーリと第２のプーリとの間にクロス掛けされたワイヤとを用いて、連動機構を構成している。この連動機構は、第２の回転ジョイントの回動に連動して基節骨部を第１の回転ジョイントを中心にして回動させている。
特開２００３−１１７８７３号公報図３乃至図６

しかしながら、前述の公報で提案されている従来の指機構では、中節骨部と末節骨部との間の接続部の中心の軌跡は常に一定になる。そのため人間の指のように、指機構の屈伸動作に加えて、末節骨部を前後に微妙にスライドさせるような動きを指機構にさせることができなかった。

本発明の目的は、指機構の屈伸動作に加えて、指機構の中節骨部と末節骨部との間の接続部の中心の軌跡を変えることができるロボットハンドを提供することにある。

本発明の別の目的は、指機構に横方向への動き（アブダクション機能）をさせる場合でも、指機構の末節骨部に従来よりも微妙な動きをさせることができるロボットハンドを提供することにある。

本発明の他の目的は、指機構の中節骨部と末節骨部との間の接続部の中心の軌跡を変えることができ且つアブダクション動作を行うことができて、しかも駆動機構の構造をコンパクトにすることができるロボットハンドを提供することにある。

本発明の更に他の目的は、簡単な構造の減速機を用いて上記目的を達成できるロボットハンドを提供することにある。

本発明のロボットハンドは、複数本の指機構と、複数本の指機構を支持する掌部とを備えている。複数本の指機構の中で少なくとも１本の指機構は、指先から順にそれぞれ末節骨部、中節骨部、基節骨部、中手骨部の計４骨部を備えている。そして少なくとも１本の指機構は、中手骨部と基節骨部との間の接続部に１自由度の第１の回転ジョイントを有し、また基節骨部と中節骨部との間の接続部に１自由度の第２の回転ジョイントを有している。その上第２の回転ジョイントに所定の角度範囲内の回転運動を行わせる第２の回転ジョイント駆動用の駆動機構を有している。さらに中手骨部に第１の回転ジョイントと同心的に設けられた第１のプーリと、中節骨部に第２の回転ジョイントと同心的に設けられた第２のプーリと、第１のプーリと前記第２のプーリとの間にクロス掛けされたワイヤとから構成されて第２の回転ジョイントの回動に連動して基節骨部を第１の回転ジョイントを中心にして回動させる連動機構を備えている。なおワイヤをコンパクトに配置するためには、基節骨部に中間プーリを設け、中間プーリの前方または後方にクロス部を作るように第１のプーリと前記第２のプーリとの間にワイヤをクロス掛けすればよい。なお中間プーリは、理論的には不要である。ワイヤは第１のプーリと中節骨部とに一部が固定されている。

本発明のロボットハンドでは、更に、第１のプーリと中手骨部との間の接続部に設けられて、前記第１の回転ジョイント及び前記第１のプーリと同心的に設けられた１自由度の第３の回転ジョイントと、第３の回転ジョイントに所定の角度範囲内の回転運動を行わせる第３の回転ジョイント駆動用の駆動機構とを備えている。第３の回転ジョイント駆動用の駆動機構により第３の回転ジョイントを回転させることにより、第１のプーリを所定の角度回転させると、末節骨部と中節骨部の間の接続部の中心の軌跡は、第１のプーリを回転させない場合の固定軌跡を、第１の回転ジョイント回りに回転させたものに変位する。そのため第３の回転ジョイント駆動用の駆動機構を動かすことによって、本発明によれば、従来の構造では得ることができなかった、指機構の末節骨部を前後に微妙にスライドさせるような動きを指機構に行わせることが可能になった。

本発明は、人間の第１指乃至第５指に相当する５本の指機構と、５本の指機構を支持する人間の掌に相当する掌部とを備えた人型のロボットハンドにも当然にして適用することができる。第１指乃至第５指に相当する５本の指機構が、指先から順にそれぞれ末節骨部、中節骨部、基節骨部、中手骨部の計４骨部を備えている場合、第２指乃至第４指に相当する４本の指機構に上記と同様の機構を適用すれば、より人の手の動きに近い動きをロボットハンドにさせることが可能になる。

人間の指と同様に指機構を横方向に広げる動き（アブダクション動作）をさせるためには、指機構の中手骨部を揺動させる機構を掌部に配置する必要がある。前述の公報に示されたロボットハンドでは、この機構をコンパクトに構成している。前述の第３の回転ジョイント駆動用の駆動機構は、指機構の中手骨部に配置することになるため、よりコンパクトに構成することが強く望まれている。そこで第３の回転ジョイント駆動用の駆動機構を、中手骨部に固定されたモータと、モータの回転を減速する減速機構と、減速機構と第１のプーリとの間に配置されて減速機構の回転出力を前記第１のプーリに対して伝達する伝達機構とから構成する場合には、次のようにすると駆動機構をコンパクトに構成することができる。すなわちまず中手骨部と掌部との間の接続部に１自由度の第４の回転ジョイントを設ける。この第４の回転ジョイントは、第１の回転ジョイントの回転中心と直交する方向に延びる回転中心を中心にして中手骨部が回転するように構成される。そしてモータを回転軸の軸線が第４の回転ジョイントの回転中心と平行に並ぶように設ける。さらに減速機構は、モータの回転軸に固定された第１の歯車と、第１の歯車と噛み合い且つ第４の回転ジョイントの回転中心と平行に並ぶ別の回転中心を中心にして回転する第２の歯車と、第２の歯車に対して固定されて前述の別の回転中心を中心にして回転するウォームギアと、ウォームギアと噛み合って第１の回転ジョイントの回転中心を中心にして回動するウォームホイールギアとから構成する。また伝達機構は、ウォームホイールギアと第１のプーリとを機械的に連結する構造とする。このような構造にすると、駆動源としてモータを用いて、しかも中手骨部周辺に大きな部品を配置することなく第３の回転ジョイント駆動用の駆動装置を構成することができる。

指機構の末節骨部に更に微妙な動きを与えたり、末節骨部から被把持物に加わる力を軽減するためには、末節骨部と中節骨部との間の接続部に次のような構造を採用する。すなわち末節骨部と中節骨部との間の接続部に１自由度の第５の回転ジョイントを設ける。そして第５の回転ジョイントに所定の角度範囲内の回転運動を行わせる第５の回転ジョイント駆動用の駆動機構を設ける。その上で、第５の回転ジョイント及び第５の回転ジョイント駆動用の駆動機構を、中節骨部に対して末節骨部が真っ直ぐに伸びた状態から末節骨部を内側方向と外側方向の二方向に所定の角度範囲内で回動させることができるように構成する。このような構成にすると、末節骨部を中節骨部に対して外側に反らせながら物をつまむことが可能になるため、つまむ対象物の面に末節骨部の腹部分を広く押し当てて、それを安定につまむことが可能なる。また末節骨部を反らせる量を調節することによって、物をつまむ際に、末節骨部の腹部分と中節骨部の腹部分の両方を物に接触させた状態で物に加える力を分散させて物をつまむことができる。その結果、本発明によれば、つまむ物に加える力を従来よりも小さくしたり、分散させることが可能になって、従来ではつまむことができなかった小さい物、薄い物、壊れ易い物をつまむことができるようになる。特にこのような末節骨部の動きを前述の末節骨部と中節骨部の接続点の軌跡の動きと組み合わせると、さらに末節骨部に微妙で動きを行わせることができるようになる。

また人型のロボットハンドの場合には、さらに第１指の基節骨部が、中手骨部に対して、中手骨部から基節骨部に向かう方向に延びる中心線を中心にして所定の角度範囲内で回動するようにするのが好ましい。このような構成にすると、第１指の指機構の末節骨部及び中節骨部の腹部分を、他の指機構の末節骨部及び中節骨部の腹部分と正面から対向させることが可能になる。その結果、第１指の指機構と他の指機構とで物をつまむ際に、接触面積を増大させることができ、確実かつ安定に物をつまむことが可能になる。

第１指の指機構を前述のように構成するためには、例えば第１指の指機構の基節骨部を、基節骨部及び中手骨部が並ぶ方向に分割された第１の基節骨部半部と第２の基節骨部半部とから構成する。そして第１の基節骨部半部が中手骨部側に位置し、第２の基節骨部半部が中節骨部側に位置するようにする。第１の基節骨部半部と第２の基節骨部半部との間には、第１の基節骨部半部の中心と第２の基節骨部半部の中心とを通る中心線を中心にして第１の基節骨部半部に対して第２の基節骨部半部を所定の角度範囲内で回転させることを可能にする１自由度の回転ジョイントを設ける。さらにこの回転ジョイントに所定の角度範囲内の回転運動を行わせる回転ジョイント駆動用の駆動機構を設ける。このような構造を採用すると、簡単な構造で第１指の指機構を回転させることができる。

本発明によれば、従来の構造では得ることができなかった、指機構の末節骨部を前後に微妙にスライドさせるような動きを指機構にさせることができる。

以下、本発明のロボットハンドの実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。図１（Ａ）は、発明者が先に提案した本発明が改良の対象とする従来の構造を一部に備えた人型のロボットハンドの外観を示す正面図であり、図１（Ｂ）はその平面図であり、図１（Ｃ）はその側面図である。また図２は図１に示した人型ロボットハンドの屈伸部に設ける全２０個の回転ジョイントの配置、および呼び名を示す図である。なお以下の説明では、人間の第１指〜第５指に相当する５本の指機構を説明の便宜上、第１指〜第５指として説明する。図１に示す人型ロボットハンド１は、第１指〜第５指（３ａ〜３ｅ）を有しており、ロボットハンドの各指には図２に示すように第１指に対してジョイントＪ1,0 〜Ｊ1,4、第２指に対してジョイントＪ2,0 〜Ｊ2,3 、第３指に対してジョイントＪ3,1〜Ｊ3,3 、第４指に対してジョイントＪ4,0 〜Ｊ4,3 、第５指に対してジョイントＪ5,0 〜Ｊ5,3 が配置され、これらのジョイント部で各指が屈伸運動、把持対象物を優しく（柔らかく）安定につまむ運動（以下、つまみ運動という）（詳細は後述する）あるいは指の間の開閉運動(以下、アブダクション運動という)をすることが可能な構成となっている。なお、第３指の中手骨部のジョイント部は、左右方向に回転させる必要がないため、図２に示すようにアブダクション用のジョイントＪ3,0 は省略されている。なお、上述の屈伸運動及びアブダクション運動については、特開２００３−１１７８７３号公報に詳しく説明されているので説明を省略する。

本発明の実施の形態について説明する前に、図３を用いて本発明が改良の対象とするロボットハンドの第２指〜第５指の指機構について説明する。なお、第１指は他の４指と大きく異なる構造を持ち、第１指は他の４指と異なる運動をするので、その構造の説明は後述する。

第２指〜第５指は、それぞれ四つの節により構成されており、各関節部で屈伸できる構成となっている。図３（Ａ）は代表例として第２指の斜視図を示し、図３（Ｂ）はその内部機構を省略したその分解図を示している。この図に示すように、第２指は指先から順に、末節骨部７、中節骨部９、基節骨部１１、中手骨部１３を備えている。なお、第２指〜第５指においてそれぞれの中手骨部１３の形状が若干異なるが、特に説明を大きく変えなければならない差異ではないので、以後は第２指を代表に取り上げてその機構を説明し、他の第３指〜第５指の節機構については重複する部分の説明は省略する。

第２指において、中手骨部１３が末節骨部７側とハンド全体の基部である掌部５を仲介する節である。そのため、中手骨部１３の内部で、指のアブダクション機能実現のための１自由度を有するジョイントＪ2,0 （アブダクションジョイント）と、指の屈伸機能実現のための１自由度を有するジョイントＪ2,1 （屈伸用ジョイント）が直交して構成されている。この二つのジョイントＪ2,0 およびＪ2,1 により、中手骨部１３は掌部５に対してジョイントＪ2,0 を中心にアブダクション機能を達成でき、また基節骨部１１が屈伸用ジョイントＪ2,1 により図３中で上下方向（握り動作）に揺動できる構成となっている。また、末節骨部７と中節骨部９とを接続するジョイントＪ2,3 、および、中節骨部９と基節骨部１１とを接続するジョイントＪ2,2 （第２の回転ジョイント）もジョイントＪ2,1 と同じ回転運動〔図３中上下方向の運動即ち指の屈伸運動（握り動作）〕を許容する指の屈伸用ジョイントとして構成されている。

指機構の屈伸機構のためにエンコーダ内蔵型の超小型モータが基節骨部１１に内蔵されている。なお基節骨部１１内には、図示しない減速機が中節骨部９と基節骨部１１とを接続するジョイントＪ2,2 （第２の回転ジョイント）にコンパクトに内蔵されている。図示しないモータと減速機とにより第２の回転ジョイント駆動用の駆動機構が構成されている。なおこの駆動機構の構造は、特開２００３−１１７８７３号公報に詳しく説明されているので説明を省略する。

また、ジョイントＪ2,2 の回転動力を後方のジョイントＪ2,1 に伝達する連動ワイヤ機構による連動機構（またはワイヤ・プーリ機構）が設けられている。ワイヤ・プーリからなる連動機構では、ジョイントＪ2,1 ，Ｊ2,2 を連動するワイヤＷを指機構の脇に配置する。ワイヤＷ用のプ−リＰ１及びＰ２（図示せず）は、中手骨部１３と中節骨部９の側面にそれぞれ固定状態で設けられている。なお基節骨部１１には、ワイヤＷ用として二つのプ−リＰ１，Ｐ２の間に位置する中間プーリＰ３を備えている。なおこれらの構造については、後の本発明の実施例の説明において詳しく説明する。ワイヤＷの端部は中手骨部１３上に挟み留め板によって固定され、またワイヤＷはワイヤ上に取り付けた玉を中節骨部９上に形成した穴に嵌合して中節骨部１１に固定されている。この様に構成されたワイヤ・プーリからなる連動機構については、特開２００３−１１７８７３号公報に詳しく説明されている。この従来の連動機構を備えた指機構では、図示しないモータを駆動したときに基節骨部１１に対して中節骨部９が回動し、この回動力がワイヤＷを介して中手骨部１３に伝わり、ワイヤＷを介して中手骨部１３に伝達された力で、中手骨部１３はジョイントＪ2,1を中心にして内側（紙面で下側）に回動する。モータの回転方向が逆になれば、指機構を延ばすように中手骨部１３はジョイントＪ2,1を中心にして外側（紙面で上側）に回動する。この従来の機構のジョイントＪ2,3の中心の軌跡は、図４に符号ＴＲで示す通り、常に同じである。そのため指機構を駆動したときの指機構の動作は常に同じものとなり、人間の指のように微妙な動きを指機構にさせることはできない。

図５乃至図８には、上記問題を解決するための本発明のロボットハンドの実施の形態で用いる指機構の一例の構造を示してある。なお図５乃至図８では、一般化するために、ジョイントの符号には（Ｊ_ｎ，１）のように指機構が第ｎ指に相当するものとして符号を付している。図５乃至図８において、図３に示した改良の対象とする指機構が備えている部材と同じ部材には、図３に付した符号と同じ符号を付してある。特に図６（Ａ）及び（Ｂ）に良く示されているように、第２のプーリＰ２は、中節骨部９の側面に一体に形成され一部に円弧部を有する形状を備えている。第２のプーリＰ２が設けられた中節骨部９の側面には、第２のプーリＰ２と隣接してワイヤＷの端部を嵌合させる嵌合用凹部８が形成されている。ワイヤＷの２つの端部はまとめて嵌合凹部８内に入れられ、嵌合用凹部８に封止体１０を嵌合させることにより、ワイヤＷの一部を中節骨部９に対して固定している。

ワイヤＷは第２のプーリＰ２の円弧部と接触した後、中間プーリＰ３の手前でクロス部を作るようにして、中間プーリＰ３にクロス掛けされている。またワイヤＷの一部は第１のプーリＰ１の後方側の外周に接触した状態になっており、ワイヤＷの一部は第１のプーリＰ１の側面に設けられた係止部Ｆに係止されて第１にプーリＰ１に対して固定されている。中間プーリＰ３は、基節骨部１１に対して回動可能に取り付けられている。

第１のプーリＰ１は、その中心に設けられた貫通孔Ｈ１が、中手骨部１３と基節骨部１１との間の接続部に設けられたジョイントＪn,1の位置にある軸部Ｓ１に対して回動可能に嵌合されて、中手骨部１３に対して取り付けられている。なお軸部Ｓ１と貫通孔Ｈ１との間の回転可能な嵌合部が第３の回転ジョイントの一部を構成している。この構造により第３の回転ジョイントは、第１の回転ジョイントＪn,1及び第１のプーリＰ１と同心的に設けられることになる。また第１のプーリＰ１の外周部寄りの位置に設けられた貫通孔Ｈ２には、一端がウォームホイールギアＧ４（図８）に固定された伝達機構を構成するロッドＲの他端が回動可能に嵌合されている。後に説明するように、ロッドＲがジョイントＪn,1の位置にある軸部Ｓ１の回転中心を中心にして回動したときに、第１のプーリＰ１はロッドＲの回動と連動して所定の角度範囲内を回動する。

中手骨部１３には、第３の回転ジョイント駆動用の駆動機構を構成するモータＭと、モータＭの回転を減速する減速機構と、減速機構と第１のプーリＰ１との間に配置されて減速機構の回転出力を第１のプーリに対して伝達する伝達機構（ロッドＲ）とが装着されている。図７及び図８に詳しく示すように、中手骨部１３と掌部１１との間の接続部に１自由度の回転ジョイントＪn,0（第４の回転ジョイント）が設けられている。この第４の回転ジョイントは、第１の回転ジョイントJn,1の回転中心と直交する方向に延びる回転中心を中心にして中手骨部１３が回転するように構成される。そしてモータＭをその回転軸の軸線が第４の回転ジョイントＪn,0の回転中心と平行に並ぶように設ける。さらに減速機構は、モータＭの回転軸に固定された第１の歯車Ｇ１と、第１の歯車Ｇ１と噛み合い且つ第４の回転ジョイントの回転中心と平行に並ぶ別の回転中心Ｃを中心にして回転する第２の歯車Ｇ２と、第２の歯車に対して固定されて別の回転中心Ｃを中心にして回転するウォームギアＧ３と、ウォームギアＧ３と噛み合って第１の回転ジョイントＪn,1の回転中心を中心にして回動するウォームホイールギアＧ４とから構成される。第１の回転ジョイントＪn,1の回転開度は、図５に示したポテンショメータＰＭによって検出する。前述の通り、ロッドＲが、ウォームホイールギアＧ４と第１のプーリＰ１とを機械的に連結する伝達機構が構成されている。このような構造にすると、駆動源としてモータＭを用いて、しかも中手骨部１３の周辺に大きな部品を配置することなく第３の回転ジョイント駆動用の駆動装置を構成することができる。

この減速機構では、モータＭが回転すると、第１のギアＧ１と第２のギアＧ２との間で減速が行われ、ウォームギアＧ３は第２のギアＧ２と同じ回転数で回転する。ウォームギアＧ３の回転により、ウォームホイールギアＧ４が第１の回転ジョイントＪn,1の回転中心を中心にして回動する。この回動によりロッドＲが揺動し、第１のプーリＰ１が回動する。なお第１のプーリＰ１が所定の角度範囲内で回動すると、基節骨部１１と中節骨部９と末節骨部７が一体的に第１の回転ジョイントJn,1を中心にして所定の角度変位する。その結果、中節骨部９と末節骨部７との間のジョイントＪn,3は、従来の軌跡ＴＲを外れて、図４に斜線で示した範囲内を移動し得るようになる。その結果、末節骨部７に微妙にスライドするような動きを付与することも可能になる。なお図９は、第１のプーリＰ１を回動させることなく、従来と同様に、上記指機構を真っ直ぐに延ばしたときと、途中まで曲げたときと、最大限曲げたときの状態をそれぞれ示している。この変化の過程において、第１のプーリＰ１を動かせば、中節骨部９と末節骨部７との間のジョイントＪn,3の位置は、微妙に変わる。

またこの指機構では、更に指機構の末節骨部７の動きを細やかなものとするために、図１０に示すように、末節骨部７を外側に回動できるようにしている。本実施の形態では、末節骨部７と中節骨部９との間の接続部に屈伸を行うための１自由度のジョイントＪn,3（第５の回転ジョイント）を有しており、このジョイントに所定の角度範囲内の回転運動を行わせる駆動機構（第５の回転ジョイント駆動用の駆動機構）１４を有している。この駆動機構１４は中節骨部９に内蔵されてジョイントＪ2,3を回転させる駆動力を発生するジョイント駆動用のモータ１５と、モータ１５の回転力を減速してジョイントＪ2,3 に伝達する減速機１７とから構成されている。モータ１５としては、指先の微小な力制御を実現する十分な性能を得る為に、小形・軽量、正逆転可能かつトルク制御の容易なＤＣモータを採用している。

ジョイントＪ2,3 及び駆動機構１４は、中節骨部９に対して末節骨部７が真っ直ぐに伸びた状態から末節骨部７を内側方向［（図１０（Ｂ）に矢印で示したＡの方向］と外側方向［図１０（Ｂ）に矢印で示したＢの方向］の二方向に所定の角度範囲内で回動させることができるように構成されている。なお、本実施の形態では、この状態で末節骨部７が外側に約４０度回転し、内側に約９０度回転するようになっている。このような構成にすると、末節骨部７と中節骨部９との間の接続部の回動を独立して制御することができ、指先に微小な力を与える力制御ができる。

本実施の形態では、特に減速機１７がモータ１５の出力軸１５ａに固定された第１のピニオン歯車１９と、中節骨部９に回転自在に支持された回転軸２３に固定されて第１のピニオン歯車１９と噛み合う第１の平歯車２１と、回転軸２３に固定された第２のピニオン歯車２５と、ジョイントＪ2,3の回転中心Ｃ１を回転中心とするように末節骨部７に対して固定されて第２のピニオン歯車２５と噛み合う第２の平歯車２７とから構成されている。第１のピニオン歯車１９及び第２のピニオン歯車２５は、第１の平歯車２１及び第２の平歯車２７よりも歯数が大幅に少ない極力小さな歯車となっている。これらの歯数の構成を採用することにより、減速比を高くすることができ、しかも効率よく減速することができる。そのため本実施の形態を採用すると、簡単な構造で高い減速比が得られるため、1台の小形のモータでも高いトルクが得られる。その結果、指先に微小な力を効率よく与える力制御ができるため、人間により近い指先の運動を実現することができる。

本実施の形態においては、末節骨部７及び中節骨部９が、それぞれ幅方向に対向する第１及び第２の側壁部３１及び３５並びに３３及び３７を有し、ジョイントＪn,3は末節骨部７の第１及び第２の側壁部３５及び３７と中節骨部９の第１及び第２の側壁部３１及び３３とを回転可能に接続するように設けられている。モータ１５は幅方向に出力軸１５ａの軸線が延びるように中節骨部９の第１及び第２の側壁部３１及び３３間に配置され、第１の平歯車２１を支持する回転軸２３の軸線及び第２の平歯車２７の回転中心線ＣＬ１が、ともに出力軸１５ａの軸線と平行になるように、第１の平歯車２１及び第２の平歯車２７が配置されている。第１の平歯車２１は、モータ１５の出力軸１５ａが突出する方向に位置する中節骨部９の第１の側壁部３１に沿って配置されている。また第２の平歯車２７は末節骨部７の第１の側壁部３５に沿うように配置されている。このように第１及び第２のピニオン歯車１９及び２７と第１及び第２の平歯車を第１及び第２の側壁部を沿うようにそれぞれ設けると、中節骨部９及び末節骨部７内のスペースが広くなるためモータ１５を大きくすることができる。本実施の形態では、第２の平歯車２７が第１の側壁部３５の外側に配置されている。しかしながら中節骨部９及び末節骨部７の第１の側壁部３１，３５の外側に第１及び第２のピニオン歯車１９及び２５と第１及び第２の平歯車２１及び２７とをそれぞれ配置しているが、中節骨部９及び末節骨部７内にスペースが確保できるのであれば末節骨部７の第１の側壁部３５の内側に第２の平歯車２７を配置してもよいは勿論である。このような実施の形態を採用することにより、モータ１５をロボットハンド内にコンパクトに収納できるだけでなく、ロボットハンドに対して減速機１７を嵩張ることなく設けることができるため、ロボットハンド内部のモータをはじめセンサや配線のために利用可能な空間が確保できロボットハンドの小型化を図ることができる。

より具体的には、モータ１５の出力軸１５ａが中節骨部９の第１の側壁部３１に回転自在に支持されている。またモータ１５のハウジングは中節骨部９の第２の側壁部３３に支持されている。さらに回転軸２３が中節骨部９の第１の側壁部３１に支持され、第２の平歯車２７が末節骨部７の第１の側壁部３５に固定されている。

また、本実施の形態では、図１０（Ａ）に示すように、中節骨部９の第２の側壁部３３に、末節骨部７の回転位置を検出する回転位置検出センサ（ポテンショメータ）３８が取り付けられている。回転位置検出センサ３８は、中節骨部９に対する末節骨部７の回転角度を測定することができる。

さらに、本実施の形態において、特に図示していないが、指先の部分にセンサ電装品等を内蔵するための格納空間が形成されている。そしてその部分に、末節骨部７の腹部の外表面における接触圧力分布を計測するための圧力センサの本体を装着してもよい。このようにすると、ロボットハンドが対象物をつまむ際の指先の圧力を測定することができるため、測定した圧力に応じて指先のつまみ加減を制御することができる。

また上記指機構の構造に加えて、第１指に相当する指機構の基節骨部を、中手骨部に対して、中手骨部から基節骨部に向かう方向に延びる中心線を中心にして所定の角度範囲内で回動できるようにすると更に人間の手で掴む場合と同様の動作状態を実現することが可能になる。例えば、図１１には、第１指の節構成を説明するために第１指を分解して示したロボットハンドの斜視図を示し得ある。また図１２（Ａ）は第１指のみの斜視図を示しており、図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）の分解斜視図である。そして図１３は、第１指の基節骨部部分の駆動機構を説明するために第１指の基節骨部部分のみを断面図にした第１指の側面図である。第１指も第２指乃至第５指と同様に、図１１に示すように四つの節により構成されている。指先から順に末節骨部７´、中節骨部９´、基節骨部１１´（第１の基節骨部半部３９，第２の基節骨部半部４１）及び中手骨部１３´から構成されている。第１指も第２指乃至第５指と同様に末節骨部と７´と中節骨部９´との間に末節骨部７´を独立に回転させるための駆動機構が配置されている。そして本実施の形態では、第１指の基節骨部１１´が、基節骨部１１´及び中手骨部１３´が並ぶ方向に分割された第１の基節骨部半部３９と第２の基節骨部半部４１とから構成されている。第１の基節骨部半部３９は中手骨部１３´側に位置し、第２の基節骨部半部４１が中節骨部９´側に位置している。第１の基節骨部半部３９と第２の基節骨部半部４１との間には、第１の基節骨部半部３９の中心と第２の基節骨部半部４１の中心とを通る回転中心線ＣＬ２を中心にして第１の基節骨部半部３９に対して第２の基節骨部半部４１を所定の角度範囲内で回転させることを可能にする１自由度の回転ジョイントＪ1,4が設けられている。そして後述するモータ１１５と外装４０の壁部４０ｃとの間には、回転ジョイントＪ1,4に所定の角度範囲内の回転運動を行わせる回転ジョイント駆動用の駆動機構１１４が設けられている。第１指を他の指（例えば第２指）と向かい合わせにする運動機能を実現するために人間の親指の根本が２自由度を有することと同様に、第１指の根元に二つのジョイントＪ1,0 、Ｊ1,1 のそれぞれ独立の駆動機構を組み込む。即ち、第１指の中手骨部１３´は、２自由度を実現するために中手骨部１３´と掌部との接続部および中手骨部１３´と基節骨部１１´との接続部にそれぞれ独立の駆動機構を備えた第１ジョイントＪ1,0、第２ジョイントＪ1,1を備えている。そして本実施の形態では、ジョイントＪ1,1、Ｊ1,2 の間に回転ジョイントＪ1,4 が独立の駆動機構を備えて組み込まれている。この回転ジョイントＪ1,4 は、ジョイントＪ1,1、Ｊ1,2、Ｊ1,3 が直線上に並ぶ軸または回転中心線ＣＬ２（図１２，図１３）を中心にして、第２の基節骨部半部４１が第１の基節骨部半部３９に対して回転可能に設けられている。このような構成を採用すると、第１指を第１と第２の基節骨部半部の間で回転させることにより、第１指の末節骨部の腹部とそれ以外の指の腹部とを正面から接触させることができるので、優しく安定に対象物をつまむことができる。

回転ジョイント駆動用の駆動機構１１４は、具体的には、第１の基節骨部半部３９に取り付けられて回転ジョイントＪ1,4 を回転させる駆動力を発生する回転ジョイント駆動用のモータ１１５と、モータ１１５の回転力を減速して回転ジョイントに伝達する減速機１１７とから構成される。モータ１１５は、正逆転可能なものであり、第１の基節骨部半部３９の外装４０に取り付けられている。外装４０は、モータ１１５の出力軸１１５ａ側の半部を収納するカバー４０ａを備えている。このカバー４０ａはモータ１１５の本体の周囲を囲む周壁部４０ｂと出力軸１１５ａと対向する壁部４０ｃとから構成されている。モータ１１５の出力軸１１５ａはケース４０ａの壁部４０ｃに回転自在に支持されている。減速機１１７は、モータ１１５の出力軸１１５ａに固定された第１のピニオン歯車１１９と、第１の基節骨部半部３９の壁部４０ｃに回転自在に支持された回転軸１２３に固定されて第１のピニオン歯車１１９と噛み合う第１の平歯車１２１と、回転軸１２９に固定された第２のピニオン歯車１２５と、回転ジョイントＪ1,4 の回転中心Ｃ２を回転中心とするように第２の基節骨部半部４１に対して固定されて第２のピニオン歯車１２５と噛み合う第２の平歯車１２７とから構成されている。第２の平歯車１２７は、第２の基節骨部半部４１の外装４２の一部を構成している。すなわち外装４２から突出するフランジ部４３の円弧状の外周部に歯が刻設されて、第２の平歯車１２７が構成されている。モータ１１５は、回転軸１１５ａを時計回り及び反時計回りに回転することができる。また第２の平歯車については、本実施の形態のように第２の基節骨部半部４１の一部として設けても良いが、別部品として第２の基節骨部半部４１に固定しても良い。

（Ａ）は改良の対象とするロボットハンドの外観を示す正面図であり、（Ｂ）は図１（Ａ）の平面図であり、（Ｃ）は図１（Ａ）の側面図である。図１のロボットハンドのジョイントの配置状態を示す斜視図である。（Ａ）は図１に示した第２指に相当する指機構の斜視図であり、（Ｂ）は図３（Ａ）の内部機構を省略した分解図である。図１乃至図３に示した改良の対象とする指機構と、本発明のロボットハンドで用いる指機構の動きを説明するために用いるジョイントの軌跡図である。（Ａ）は本発明の実施の形態で用いる指機構を第２指に備えた状態のロボットハンドの斜視図であり、（Ｂ）は図５（Ａ）の内部機構を省略した分解図である。（Ａ）は、実施の形態で用いる指機構の一部分解斜視図であり、（Ｂ）は指機構の側面図である。（Ａ）は、中手骨部に設けられる駆動機構と第１のプーリとの配置構造を示す斜視図であり、（Ｂ）はその構造構造を横から見た図である。減速機構の構成を示す図である。第１のプーリを回動させることなく、指機構を真っ直ぐに延ばしたときと、途中まで曲げたときと、最大限曲げたときの状態を示す図である。指機構の末節骨部と中節骨部とを分解した斜視図であり、（Ｂ）は減速機を含む駆動機構による末節骨部の動きを示す図であり、（Ｃ）は駆動機構を破線で示した末節骨部と中節骨部の平面図であり、（Ｄ）は駆動機構と末節骨部との関係を示す図である。第１指の構成を示す分解斜視図である。（Ａ）は第１指の指機構の斜視図であり、（Ｂ）は図１２（Ａ）の分解斜視図である。第１指の指機構の側面の一部を断面図で示した側面図である。

符号の説明

１ロボットハンド
３指機構
３ａ第１指
３ｂ第２指
３ｃ第３指
３ｄ第４指
３ｅ第５指
５掌部
７末節骨部
９中節骨部
１１基節骨部
１３中手骨部
１５，Ｍモータ
１５ａ，１１５ａ出力軸
１７，１１７減速機
１９，１１９第１のピニオン歯車
２１，１２１第１の平歯車
２３，２９，１２３，１２９回転軸
２５，１２５第２のピニオン歯車
２７，１２７第２の平歯車
３１，３５第１の側壁部
３３，３７第２の側壁部
３９第１の基節骨部半部
４１第２の基節骨部半部
Ｐ１第１のプーリ
Ｐ２第２のプーリ
Ｐ３中間プーリ
Ｗワイヤ

Claims

複数本の指機構と、前記複数本の指機構を支持する掌部とを備え、
前記複数本の指機構の中で少なくとも１本の指機構は、指先から順にそれぞれ末節骨部、中節骨部、基節骨部、中手骨部の計４骨部を備え、
前記少なくとも１本の指機構が、前記中手骨部と前記基節骨部との間の接続部に１自由度の第１の回転ジョイントを有し、前記基節骨部と前記中節骨部との間の接続部に１自由度の第２の回転ジョイントを有し、また前記第２の回転ジョイントに所定の角度範囲内の回転運動を行わせる第２の回転ジョイント駆動用の駆動機構を有し、さらに前記中手骨部に第１の回転ジョイントと同心的に設けられた第１のプーリと、前記中節骨部に第２の回転ジョイントと同心的に設けられた第２のプリーと、前記第１のプーリと前記第２のプーリとの間にクロス掛けされたワイヤとから構成されて前記第２の回転ジョイントの回動に連動して前記基節骨部を前記第１の回転ジョイントを中心にして回動させる連動機構を有するロボットハンドであって、
前記ワイヤは前記第１のプーリと前記中節骨部とに一部が固定され、
前記第１のプーリと前記中手骨部との間の接続部に設けられて、前記第１の回転ジョイント及び前記第１のプーリと同心的に設けられた１自由度の第３の回転ジョイントと、前記第３の回転ジョイントに所定の角度範囲内の回転運動を行わせる第３の回転ジョイント駆動用の駆動機構とを有することを特徴とするロボットハンド。
人間の第１指乃至第５指に相当する５本の指機構と、前記５本の指機構を支持する人間の掌に相当する掌部とを備え、
前記第１指乃至第５指に相当する５本の指機構が、指先から順にそれぞれ末節骨部、中節骨部、基節骨部、中手骨部の計４骨部を備え、第２指乃至第４指に相当する４本の指機構は、それぞれ前記中手骨部と前記基節骨部との間の接続部に１自由度の第１の回転ジョイントを有し、前記基節骨部と前記中節骨部との間の接続部に１自由度の第２の回転ジョイントを有し、また前記第２の回転ジョイントに所定の角度範囲内の回転運動を行わせる第２の回転ジョイント駆動用の駆動機構を有し、さらに前記中手骨部に第１の回転ジョイントと同心的に設けられた第１のプーリと、前記中節骨部に第２の回転ジョイントと同心的に設けられた第２のプーリと、前記第１のプーリと前記第２のプーリとの間にクロス掛けされたワイヤとから構成されて前記第２の回転ジョイントの回動に連動して前記基節骨部を前記第１の回転ジョイントを中心にして回動させる連動機構を有するロボットハンドであって、
前記ワイヤは前記第１のプーリと前記中節骨部とに一部が固定され、
前記第１のプーリと前記中手骨部との間の接続部に設けられて、前記第１の回転ジョイント及び前記第１のプーリと同心的に設けられた１自由度の第３の回転ジョイントと、前記第３の回転ジョイントに所定の角度範囲内の回転運動を行わせる第３の回転ジョイント駆動用の駆動機構とを有することを特徴とするロボットハンド。
前記第３の回転ジョイント駆動用の駆動機構は、前記中手骨部に固定されたモータと、前記モータの回転を減速する減速機構と、前記減速機構と前記第１のプーリとの間に配置されて前記減速機構の回転出力を前記第１のプーリに対して伝達する伝達機構とから構成され、
前記中手骨部と前記掌部との間の接続部に１自由度の第４の回転ジョイントを有し、
前記第４の回転ジョイントは、前記第１の回転ジョイントの前記回転中心と直交する方向に延びる回転中心を中心にして前記中手骨部が回転するように構成され、
前記モータは回転軸の軸線が前記第４の回転ジョイントの前記回転中心と平行に並ぶように設けられ、
前記減速機構は、前記モータの回転軸に固定された第１の歯車と、前記第１の歯車と噛み合い且つ前記第４の回転ジョイントの前記回転中心と平行に延びる別の回転中心を中心にして回転する第２の歯車と、前記第２の歯車に対して固定されて前記第４の回転ジョイントの前記回転中心を中心にして回転するウォームギアと、前記ウォームギアと噛み合って前記第１の回転ジョイントの前記回転中心を中心にして回動するウォームホイールギアとから構成され、
前記伝達機構は、前記ウォームホイールギアと前記第１のプーリとを機械的に連結する構造を有している請求項１または２に記載のロボットハンド。
前記末節骨部と前記中節骨部との間の接続部に１自由度の第５の回転ジョイントを有し、さらに前記第５の回転ジョイントに所定の角度範囲内の回転運動を行わせる第５の回転ジョイント駆動用の駆動機構を有し、
前記第５の回転ジョイント及び前記第５の回転ジョイント駆動用の駆動機構は、前記中節骨部に対して前記末節骨部が真っ直ぐに伸びた状態から前記末節骨部を内側方向と外側方向の二方向に所定の角度範囲内で回動させることができるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のロボットハンド。
前記第１指に相当する前記指機構の前記基節骨部は、前記中手骨部に対して、前記中手骨部から前記基節骨部に向かう方向に延びる中心線を中心にして所定の角度範囲内で回動する請求項２に記載のロボットハンド。
前記第１指の前記基節骨部は、前記基節骨部及び前記中手骨部が並ぶ方向に分割された第１の基節骨部半部と第２の基節骨部半部とから構成され、
前記第１の基節骨部半部が前記中手骨部側に位置し、前記第２の基節骨部半部が前記中節骨部側に位置し、
前記第１の基節骨部半部と前記第２の基節骨部半部との間には、前記第１の基節骨部半部の中心と前記第２の基節骨部半部の中心とを通る中心線を中心にし前記第１の基節骨部半部に対して前記第２の基節骨部半部を所定の角度範囲内で回転させることを可能にする１自由度の回転ジョイントを有し、
さらに前記回転ジョイントに前記所定の角度範囲内の回転運動を行わせる回転ジョイント駆動用の駆動機構を有することを特徴とする請求項２に記載のロボットハンド。