JP4965413B2

JP4965413B2 - ロボットハンド

Info

Publication number: JP4965413B2
Application number: JP2007304994A
Authority: JP
Inventors: 史好栗原; 重樹菅野; 浩康岩田
Original assignee: Waseda University; Toyota Motor Corp
Current assignee: Waseda University; Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-11-26
Filing date: 2007-11-26
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2027-11-26
Also published as: JP2009125888A

Description

本発明は、多関節の指部を備えたロボットハンドに関するものである。

多関節の指部を備えたロボットハンドとしては、例えば特許文献１に記載されているように、ＤＩＰ関節がＰＩＰ関節に連動して駆動される連動受動柔軟関節で構成されてなるものが知られている。
特開２００３−２２０５８９号公報

しかしながら、上記従来技術においては、指部毎の柔軟関節の最適化がなされていないため、以下のような問題点が存在する。即ち、柔軟関節の剛性が低い場合には、冷蔵庫や電子レンジ等の戸を開けたり窓を開ける等といった力のかかる作業を行うときに、ロボットハンドの指部が伸展してしまい、上手く作業できない場合がある。一方、柔軟関節の剛性が高い場合には、パンや牛乳パック等の柔軟物を把持するときに、それらの物体を握り潰してしまうことがある。

本発明の目的は、指部を使った種々の作業を適切に実施することができるロボットハンドを提供することである。

本発明は、複数本の指部を備えたロボットハンドであって、指部は、弾性体が設けられてなる回動可能な柔軟関節と、柔軟関節を介して互いに連結された複数のリンクとを有し、弾性体は、柔軟関節の回転軸に巻きつけるように装着され、リンクの伸展方向の反力を吸収するように柔軟関節の回動方向に沿って弾性力を働かせるトーションばねであり、指部毎にトーションばねのばね定数が異なることで、全ての指部の柔軟関節の剛性が指部毎に異なるように構成されていることを特徴とするものである。

このようなロボットハンドにおいて、例えば柔軟物を把持するときは、剛性の低い柔軟関節を有する指部を使用することで、柔軟物を握り潰すことなく安定して掴むことが可能となる。また、ドアや窓の開け閉め等といった力が必要な作業を行うときは、剛性の高い柔軟関節を有する指部を使用することで、対象物をしっかり掴んで作業をスムーズに行うことが可能となる。このように作業内容や目的に応じて指部を使い分けることにより、指部を使った種々の作業を適切に実施することができる。

好ましくは、複数本の指部のうちの対向可能な２本の指部において、何れか一方の指部の剛性が他方の指部の剛性よりも大きい。対向する２本の指部の何れか一方に柔軟性を持たせ、他方に剛性を持たせることで、剛性の高い指部で物体に安定した反力を与えると共に、柔軟性のある指部で物体の形状や大きさの認識誤差を受動的に吸収することができるので、安定した把持等を行うことができる。

また、複数本の指部のうちの対向しない２本の指部において、何れか一方の指部の剛性が他方の指部の剛性よりも大きくても良い。対向しない複数の指部の中から物体の柔軟性に適切な指部を選出することにより、対向する指部と共に適切な把持等を行うことができる。

また、好ましくは、弾性体がばねであり、指部毎にばねのばね定数が異なることで柔軟関節の剛性が異なる。この場合には、指部毎に異なる剛性をもった柔軟関節を簡単な構造で実現することができる。

本発明によれば、１つのロボットハンドでも種々の作業を適切に実施することができる。これにより、例えば種々の作業に対処すべく複数種類のロボットハンドを用意するといったことが不要となるため、コスト的に有利となる。

以下、本発明に係わるロボットハンドの好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係わるロボットハンドの一実施形態を示す概略平面図である。同図において、本実施形態のロボットハンド１は、掌に相当するベース２と、このベース２に連結された多関節の指部３〜６とを備えている。なお、指部３は、人間の親指に相当するものである。

指部３は、ベース２にＭＰ関節７を介して連結されたリンク８と、このリンク８にＩＰ関節９を介して連結されたリンク１０とからなっている。関節７，９は、ばね等の弾性体が組み込まれていない剛体関節として構成されている。関節７，９には、指部３を曲げ伸ばしさせるためのモータ（図示せず）がそれぞれ内蔵されている。

指部４は、ベース２にＭＰ関節１１を介して連結されたリンク１２と、このリンク１２にＰＩＰ関節１３を介して連結されたリンク１４と、このリンク１４にＤＩＰ関節１５を介して連結されたリンク１６とからなっている。関節１３は剛体関節として構成され、関節１１，１５は、ばね１８（図２参照）が組み込まれた柔軟関節として構成されている。関節１１，１３には、指部４を曲げ伸ばしさせるためのモータ（図示せず）がそれぞれ内蔵されている。

ＤＩＰ関節１５は、ＰＩＰ関節１３に内蔵されたモータにより関節１３と連動して回動する連動受動柔軟関節となっている。このようにＤＩＰ関節１５を連動受動構造とすることにより、指部４の構造がシンプル化されると共に指部４を細くすることができる。

このような指部４におけるＤＩＰ関節１５の具体的構造を図２に示す。図２において、ＰＩＰ関節１３の回転軸１３ａとＤＩＰ関節１５の回転軸１５ａとは、リンク１４の主リンク部材１７で連結されている。関節１５には、トーションばね１８が回転軸１５ａを巻き付けるように装着されている。トーションばね１８の一端は関節１５に固定され、トーションばね１８の他端はリンク１６に固定されている。また、関節１３，１５同士は、連動リンク部材１９で連結されている。

関節１３に内蔵されたモータ（図示せず）により関節１３を矢印Ａ方向に回動させると、この回転動作に連動して関節１５が矢印Ｂ方向に回動し、指部４が曲がるようになる。そして、関節１５の回動中に指部４のリンク１６が何らかの物体に当たることで、矢印Ｃ方向（伸展方向）の反力が発生すると、その反力がトーションばね１８に吸収されるようになる。

指部５は、ベース２にＭＰ関節２０を介して連結されたリンク２１と、このリンク２１にＰＩＰ関節２２を介して連結されたリンク２３と、このリンク２３にＤＩＰ関節２４を介して連結されたリンク２５とからなっている。関節２２は剛体関節として構成され、関節２０，２４は柔軟関節として構成されている。関節２０，２２には、指部５を曲げ伸ばしさせるためのモータ（図示せず）がそれぞれ内蔵されている。関節２４は、関節２２と連動して回動する連動受動柔軟関節となっている。

指部６は、ベース２にＭＰ関節２６を介して連結されたリンク２７と、このリンク２７にＰＩＰ関節２８を介して連結されたリンク２９と、このリンク２９にＤＩＰ関節３０を介して連結されたリンク３１とからなっている。関節２８は剛体関節として構成され、関節２６，３０は柔軟関節として構成されている。関節２６，２８には、指部６を曲げ伸ばしさせるためのモータ（図示せず）がそれぞれ内蔵されている。関節３０は、関節２８と連動して回動する連動受動柔軟関節となっている。

指部５の柔軟関節２０，２４の剛性は、指部４の柔軟関節１１，１５の剛性よりも高くなっている。また、指部６の柔軟関節２６，３０の剛性は、柔軟関節２０，２４の剛性と同等である。具体的には、柔軟関節２０，２４及び柔軟関節２６，３０に組み込まれたばね（図示せず）のばね定数は、柔軟関節１１，１５に組み込まれたばね（図２のトーションばね１８に相当）のばね定数よりも高くなっている。

例えば、ドアの開閉を可能とする柔軟関節２０，２４及び柔軟関節２６，３０の剛性は、物体の柔らかさ認識を可能とする柔軟関節１１，１５の剛性に対して１．５倍程度に設定されている。

以上から、互いに対向する指部３，４においては、指部３の剛性は指部４の剛性よりも高くなっている。また、互いに対向する指部４，５においては、指部５の剛性は指部４の剛性よりも高くなっている。さらに、対向しない指部３，５においては、指部３の剛性は指部５の剛性よりも高くなっている。

以上のように構成したロボットハンド１において、指先で器用に操る必要がある動作や、指先で物体の柔らかさを認識する動作等については、図３に示すように、指部３と柔らかい柔軟関節１１，１５を有する指部４とを用いて行う。この場合には、指先に十分ななじみが必要な操り動作を安定して行うことができる。また、物体の柔らかさが正確に認識可能となるため、パンや牛乳パック等の柔軟物体３２を握り潰すこと無く把持することができる。

また、ドアの取っ手を掴んでのドアの開け閉めといった十分な力が必要となる動作等については、図４に示すように、指部３と硬い柔軟関節２０，２４を有する指部５とを用いて行う。この場合には、ドア３３の取っ手３３ａを掴んだときに、指部５のリンク２５が柔軟関節２４に組み込まれたばね（図示せず）の力に負けて伸展してしまうことが無くなるため、ドア３３の開閉動作をスムーズに行うことができる。なお、指部３，５に加えて、硬い柔軟関節２６，３０を有する指部６を使用しても良く、取っ手３３ａに十分なスペースがある場合には、更に指部４を使用しても良い。

このように本実施形態においては、指部４の柔軟関節１１，１５の剛性と指部５の柔軟関節２０，２４の剛性とを異なるように設定し、作業の動作や目的に応じて、使用する指部３〜５を使い分けるようにしたので、多種多様な作業を１つのロボットハンド１で適切に実施することができる。

なお、本発明のロボットハンドは、上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。

例えば低剛性の柔軟関節を有する指部と高剛性の柔軟関節を有する指部との組み合わせとしては、特に上記実施形態のものには限られない。例えば図５（Ａ）に示すロボットハンド１では、指部４の柔軟関節１１，１５及び指部６の柔軟関節２６，３０の剛性を指部５の柔軟関節２０，２４の剛性よりも高くしている。

また、柔軟関節の剛性の設定パターンとしては、特に上記実施形態のような２段階に限られず、３段階以上に分けても良い。例えば図５（Ｂ）に示すロボットハンド１では、指部６の柔軟関節２６，３０の剛性を十分高くし、指部５の柔軟関節２０，２４の剛性をやや高くし、指部４の柔軟関節１１，１５の剛性を低くしている。

また、柔軟関節及び剛体関節の存在箇所としては、特に上記実施形態のものには限られない。例えば図６（Ａ）に示すロボットハンド１では、指部６のＰＩＰ関節２８に加えてＭＰ関節２６が剛体関節となっており、図６（Ｂ）に示すロボットハンド１では、指部６の全ての関節２６，２８，３０が剛体関節となっている。

さらに、指部の本数としては、特に上記実施形態のような４本に限られず、例えば３本でも５本でも良い。

また、上記実施形態では、ばねが組み込まれた関節が柔軟関節となっているが、弾性体としてばねの代わりにゴムを組み込んで柔軟関節を構成しても良い。この場合には、ゴムの硬さを指部毎に変えることで、柔軟関節の剛性を指部毎に変えることができる。

本発明に係わるロボットハンドの一実施形態を示す概略平面図である。図１に示したＩＰ関節（連動受動柔軟関節）の具体的構造を示す図である。図１に示したロボットハンドにより柔らかい物体を把持している状態を示す図である。図１に示したロボットハンドによりドアの開閉動作を行っている状態を示す図である。図１に示したロボットハンドの変形例を示す概略平面図である。図１に示したロボットハンドの他の変形例を示す概略平面図である。

符号の説明

１…ロボットハンド、４〜６…指部、１１…ＭＰ関節（柔軟関節）、１５…ＤＩＰ関節（柔軟関節）、１８…トーションばね（弾性体）、２０…ＭＰ関節（柔軟関節）、２４…ＤＩＰ関節（柔軟関節）、２６…ＭＰ関節（柔軟関節）、３０…ＤＩＰ関節（柔軟関節）。

Claims

複数本の指部を備えたロボットハンドであって、
前記指部は、弾性体が設けられてなる回動可能な柔軟関節と、前記柔軟関節を介して互いに連結された複数のリンクとを有し、
前記弾性体は、前記柔軟関節の回転軸に巻きつけるように装着され、前記リンクの伸展方向の反力を吸収するように前記柔軟関節の回動方向に沿って弾性力を働かせるトーションばねであり、
前記指部毎に前記トーションばねのばね定数が異なることで、全ての前記指部の前記柔軟関節の剛性が前記指部毎に異なるように構成されていることを特徴とするロボットハンド。