JP5130573B2 - Robot hand device - Google Patents
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Description
本発明は、複数の関節を介して屈伸する指を備えるロボットハンド装置に関する。 The present invention relates to a robot hand apparatus having fingers that flex and extend through a plurality of joints.
この種のロボットハンド装置は、指を屈曲させることにより、指先部を把持対象物に当接させて把持対象物を把持する。このとき、把持対象物に過剰な力を加えたり、把持力が小さ過ぎたりすると、把持対象物を良好に把持することができない。そこで、指先部に作用する力を検出する力センサを指先部に設けると共に、指先部を柔軟表皮で覆うことにより接触面積や摩擦係数を増加させたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。これにより、力センサの検出に基づいて把持対象物に対する指先力を好適に制御すことができ、把持対象物を安定して確実に把持することができる。 This type of robot hand apparatus grips a gripping object by bending a finger so that the fingertip portion comes into contact with the gripping object. At this time, if an excessive force is applied to the gripping object or the gripping force is too small, the gripping object cannot be gripped satisfactorily. Thus, a force sensor that detects a force acting on the fingertip portion is provided on the fingertip portion, and the fingertip portion is covered with a flexible skin to increase the contact area and the friction coefficient (for example, Patent Document 1). reference). Thereby, the fingertip force with respect to the object to be grasped can be suitably controlled based on the detection of the force sensor, and the object to be grasped can be grasped stably and reliably.
また、指先部に設ける力センサとして、例えば6軸力センサ等の多軸力センサを用いることにより、指先力を高精度に制御することが可能となる。ここで、力センサについて6軸力センサを例に挙げて説明すると、6軸力センサは、6軸力夫々の力を分散して受けることができる機構を有し、互いに直交する3軸(x軸、y軸、z軸)方向の並進力と各軸周りのモーメントとを測定するものである。また、6軸力センサは、力の成分に対して感度の異なる歪部を複数備えており、測定可能な力の最大値(定格測定値)が各軸毎に異なっている。一般的には、3軸方向の並進力に対する定格測定値が各軸周りのモーメントに対する定格測定値より大きい。更に、3軸方向の並進力に対する定格測定値を比較すると、x軸とy軸とに対して鉛直方向に延びるz軸の定格測定値が最も大きい。そして、通常は、定格測定値が最も大きい軸が主軸とされるので、6軸力センサにおいてはz軸が主軸となる。なお、6軸力センサ以外の多軸力センサであっても、定格測定値が最も大きい軸が主軸とされる。 Further, by using a multi-axis force sensor such as a 6-axis force sensor as a force sensor provided at the fingertip part, it is possible to control the fingertip force with high accuracy. Here, the six-axis force sensor will be described as an example of the force sensor. The six-axis force sensor has a mechanism that can receive each of the six-axis forces in a distributed manner, and has three axes (x Axis, y-axis, z-axis) direction translation force and moment around each axis are measured. In addition, the six-axis force sensor includes a plurality of strained portions having different sensitivities with respect to force components, and the maximum measurable force value (rated measurement value) is different for each axis. Generally, the rated measurement value for the translational force in the three-axis directions is larger than the rated measurement value for the moment around each axis. Furthermore, when the rated measurement values for the translational forces in the three axis directions are compared, the rated measurement value for the z axis extending in the vertical direction with respect to the x axis and the y axis is the largest. Usually, the axis with the largest rated measurement value is the main axis, so in the six-axis force sensor, the z axis is the main axis. Even in a multi-axis force sensor other than the six-axis force sensor, the axis having the largest rated measurement value is set as the main axis.
また、この種の力センサは、両端面が取付け面とされていて、主軸が両取付け面の中央に位置している。このため、ロボットハンド装置の指先部に力センサを取付ける場合には、力センサの主軸の延長軸線が指の長手方向に沿って延びるようにして指先部の基端に取付けられる。 Further, this type of force sensor has both end surfaces as attachment surfaces, and the main shaft is located at the center of both attachment surfaces. For this reason, when the force sensor is attached to the fingertip portion of the robot hand device, the force sensor is attached to the base end of the fingertip portion so that the extension axis of the main shaft of the force sensor extends along the longitudinal direction of the finger.
しかし、この種のロボットハンド装置において、把持対象物を把持したときに指先部に作用する力は、指先部の先端から受ける成分よりも、先端と基端との間の指先腹部から受ける成分のほうが大きいことが多い。従って、主軸の延長軸線が指の長手方向に沿って延びるような姿勢で力センサが取付けられていると、力センサは主軸方向に比べて小さな定格測定値とされている方向から大きな力を受けることになり、この力が定格測定値を越えて指先に作用した場合には、指先力の高精度な制御ができない。これを回避するために、定格測定値の大きな力センサを用いればよいが、定格測定値の大きな力センサはその外径や全長(主軸方向の長さ)も大きい。そして、力センサをその主軸が指の長手方向に沿うように指先部の基端に取付けたとき、力センサの外径に対応して指先部の外径も大きくなって指先を細くすることができず、また、力センサの全長に影響されて指先部の全長も不要に長くなるため、繊細な把持動作が得られなくなる。
本発明は、以上の点に鑑み、定格測定値の比較的小さな力センサを用いて指先力を高精度に制御することができ、しかも、指先部の外径や長さを小として繊細な把持動作が可能となるロボットハンド装置を提供することを課題とする。 In view of the above points, the present invention can control the fingertip force with high accuracy using a force sensor having a relatively small rated measurement value, and can also delicately grip the fingertip portion with a small outer diameter and length. It is an object of the present invention to provide a robot hand device that can operate.
かかる目的を達成するために、本発明は、関節を介して屈伸する指を備え、その指先部に作用する力を検出する力センサを備えて、指の屈曲により把持動作を行なうロボットハンド装置において、前記力センサは、指先側に面する端面と、関節側に面する端面と、両端面の中心線上に軸線が位置する主軸とを備え、該主軸が指先部の先端と関節に隣接する指先部の基端との間に形成された指先腹部に向くように傾斜した姿勢で指先部と関節との間に取付けられ、前記力センサの主軸の延長軸線は、指の長手方向に延びて指先部の先端を通る第1の直線と、指先部の基端において該第1の直線に直交して指の屈曲方向側に延びる第2の直線との間を通り指先腹部に向かって延びることを特徴とする。 In order to achieve such an object, the present invention provides a robot hand apparatus that includes a finger that bends and stretches through a joint, includes a force sensor that detects a force acting on the fingertip, and performs a gripping operation by bending the finger. The force sensor includes an end face facing the fingertip side, an end face facing the joint side, and a main shaft having an axis positioned on the center line of both end surfaces, and the main shaft is adjacent to the tip of the fingertip portion and the joint. It is attached between the fingertip part and the joint in a posture inclined so as to face the abdomen of the fingertip formed between the base end of the part, and the extension axis of the main axis of the force sensor extends in the longitudinal direction of the finger and extends to the fingertip Extending between the first straight line passing through the tip of the part and a second straight line extending perpendicularly to the first straight line and extending toward the bending direction of the finger at the base end of the fingertip part, toward the fingertip abdomen. Features.
本発明によれば、力センサが傾斜姿勢で指先部の基端に取付けられ、力センサの主軸の延長軸線が、把持対象物を把持したときに指先部に作用する力の成分が比較的大きい指先腹部に向かって延びるので、測定可能な力の最大値(定格測定値)が大きい主軸の軸線方向で指先部に作用する力の多くを受けることが可能となる。従って、指先部に作用する力を確実に検出することができ、指先力を高精度に制御することができる。しかも、力センサが傾斜姿勢とされていることにより、力センサの全長(指先側端面と関節側端面との間の寸法)に対して指先部と関節との間隔寸法を小さくして力センサを取付けることができ、また、力センサの外径による指先部の外径への影響を小とすることができるので、指先部の外径や全長を小とすることができ、繊細な把持動作を行なうことが可能となる。 According to the present invention, the force sensor is attached to the base end of the fingertip portion in an inclined posture, and the extension axis of the main shaft of the force sensor has a relatively large component of force acting on the fingertip portion when the object to be grasped is gripped. Since it extends toward the fingertip abdomen, it is possible to receive a large amount of force acting on the fingertip portion in the axial direction of the main shaft where the maximum measurable force value (rated measurement value) is large. Therefore, the force acting on the fingertip portion can be detected with certainty, and the fingertip force can be controlled with high accuracy. In addition, since the force sensor is in an inclined posture, the distance between the fingertip part and the joint is reduced with respect to the entire length of the force sensor (the dimension between the fingertip side end face and the joint side end face). It can be attached, and since the influence of the outer diameter of the force sensor on the outer diameter of the fingertip can be reduced, the outer diameter and overall length of the fingertip can be reduced, and delicate gripping operations can be performed. Can be performed.
本発明において採用する力センサは1軸力センサであっても有効であるが、力センサが6軸力センサ等の多軸力センサである場合に特に効果的である。例えば、6軸力センサでは、その主軸であるz軸の軸線方向並進力における定格測定値が最も大きいことは前述した通りである。そして、本発明における力センサとして6軸力センサを採用した場合には、定格測定値が最も大きい主軸の延長軸線が、前記第1の直線と前記第2の直線との間を通って指先腹部に向けられるので、指先部に作用する力の成分が比較的大きい指先腹部からの力の多くを主軸の軸線方向に受けることができる。このため、主軸に比べて小さな定格測定値とされているx軸やy軸に対して過大な力を受けることが回避でき、定格測定値の大きなものを用いなくても指先部に作用する力を確実に検出して高精度な指先力の制御を行うことができる。従って、定格測定値が比較的小さく小型の6軸力センサを用いることができるので、指先部の外径や全長を容易に小とすることができる。 The force sensor employed in the present invention is effective even if it is a single-axis force sensor, but is particularly effective when the force sensor is a multi-axis force sensor such as a six-axis force sensor. For example, in a six-axis force sensor, as described above, the rated measurement value in the axial translational force of the z-axis that is the main axis is the largest. When a six-axis force sensor is employed as the force sensor in the present invention, the extension axis of the main shaft having the largest rated measurement value passes between the first straight line and the second straight line, and the fingertip abdomen. Therefore, most of the force from the fingertip abdomen that has a relatively large force component acting on the fingertip part can be received in the axial direction of the main shaft. For this reason, it is possible to avoid receiving an excessive force with respect to the x-axis and the y-axis, which are assumed to have a smaller rated measurement value than the main shaft, and a force acting on the fingertip portion without using a large rated measurement value. Can be reliably detected and the fingertip force can be controlled with high accuracy. Therefore, since the rated measurement value is relatively small and a small 6-axis force sensor can be used, the outer diameter and the total length of the fingertip portion can be easily reduced.
本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本実施形態のロボットハンド装置の指を示す説明的側面図、図2は指先部の構成を示す説明的断面図である。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory side view showing a finger of the robot hand apparatus of the present embodiment, and FIG. 2 is an explanatory cross-sectional view showing a configuration of a fingertip portion.
本実施形態のロボットハンド装置は、図1に示すように、屈伸する指1を備えている。このロボットハンド装置は、人間の手を模倣したものであり、母指、示指、中指、環指および小指に相当する5指を備えるが、図1においては示指に相当する指1のみを示し他の指を省略している。符号2は、手嘗部である。
As shown in FIG. 1, the robot hand device of the present embodiment includes a finger 1 that bends and stretches. This robot hand device imitates a human hand and includes five fingers corresponding to a thumb, an index finger, a middle finger, a ring finger, and a little finger, but only the finger 1 corresponding to the index finger is shown in FIG. The finger is omitted.
図1に示すように、指1は、その指先部である末節部3と、中節部4と、基節部5とを備えており、この配置も人間の指に対応している。末節部3と中節部4とは第1関節6により屈曲自在に連結されている。中節部4と基節部5とは第2関節7により屈曲自在に連結されている。そして、基節部5は手嘗部2に第3関節8を介して屈曲自在に連結されている。末節部3、中節部4、及び基節部5は、各関節6,7,8を介して図示しないリンク機構により接続されており、第3関節8を回動させると第2関節7及び第1関節6の回動が連動して行なわれる。これによって、図1中仮想線で示すように、把持対象物Wに向かって末節部3、中節部4、及び基節部5を屈曲させ、把持対象物Wを把持する。なお、把持対象物Wを把持する際には、図示しないが、屈曲する指1の反対側からも母指に相当する他の指が把持対象物Wに当接される。また、第3関節8の回動は、図示しないが、手嘗部2の内部等に設けられた駆動源により駆動される。例えば、駆動源が電動モータである場合には電動モータの出力軸が第3関節8に接続される。この場合には、出力軸のトルクを制御することにより指1の指先部である末節部3が把持対象物Wに当接する力(指先力)が制御される。
As shown in FIG. 1, the finger 1 includes a
次に、指先部である末節部3について説明する。図1及び図2に示すように、末節部3には、先端9と基端10との間に指先腹部11が形成されている。末節部3と第1関節6との間には、力センサである6軸力センサ12が傾斜する姿勢で取付けられている。
Next, the last
末節部3は、図2に示すように、基部材13と、基部材13の表面を覆うようにして設けられた表皮部材14とを備えている。表皮部材14は、ウレタン等の柔軟性を有する材料により形成されており、末節部3の表面に高い摩擦係数が得られるようになっている。また、基部材13は、硬質材料(合成樹脂或いは金属)により形成されている。
As shown in FIG. 2, the
6軸力センサ12は、図2に示すように、末節部3に面する端面である指先側端面15が末節部3の基部材13に当接され、指先側端面15の中心部から突出する主軸16が、図示しないネジ部材等により基部材13に強固に連結されている。また、第1関節6に面する端面である6軸力センサ12の関節側端面17は、第1関節6に接続された連結部材18に図示しないネジ部材等により強固に連結されている。
As shown in FIG. 2, the six-
6軸力センサ12は、末節部3に作用する6軸力、即ち、互いに直交する3軸(x軸、y軸、z軸)方向の並進力と各軸周りのモーメントとを測定する。そして、6軸力センサ12から出力される6軸力の測定値に基づいて指先力の制御が行なわれる。
The six-
6軸力センサ12における6軸力の夫々の測定値には、各軸力に対する測定可能な力の最大値(定格測定値)が定められており、一般に、主軸16の軸線であるz軸の軸線方向並進力の定格測定値が最も大きい。一方、図1において仮想線示したように、指1による把持動作において、末節部3が把持対象物Wに当接した際に末節部3が受ける応力は、末節部3の先端9側からの成分、即ち、図2に示すように、指1の長手方向に延びて末節部3の中心を通る第1の直線aの方向からの成分よりも、末節部3の指先腹部11側からの成分のほうが大きいことが多い。
Each measured value of the six-axis force in the six-
そこで、図2に示すように、6軸力センサ12は、その主軸16が末節部3の指先腹部11に向くように傾斜した姿勢で取付けられ、主軸16の延長軸線z(即ちz軸)は、第1の直線aと、末節部3の基端10において第1の直線aに直交して指の屈曲方向側に延びる第2の直線bとの間を通り指先腹部11に向かって延びている。
Therefore, as shown in FIG. 2, the six-
こうすることにより、6軸力センサ12は、把持動作時に付与される力の大部分を、定格測定値の最も大きいz軸である主軸16で受けることができるので、各軸全体的に比較的小さな定格測定値の6軸力センサ12を用いても、末節部3に作用する力を確実に測定することができる。しかも、一般的な6軸力センサにおいては、定格測定値の大きなものよりも定格測定値の小さなものが小型である場合が多い。従って、本実施形態のように6軸力センサ12を傾斜姿勢として主軸16を指先腹部11に向けるだけで、比較的小型の6軸力センサ12を用いることができる。しかも、6軸力センサ12を傾斜姿勢とすることで、図1に示すように、6軸力センサ12を第1関節6の略上方位置に配設することができるので、第1関節6から末節部3の基端10までの距離を小とすることができ、末節部3の全長(第1の直線aの方向の長さ)も不要に長くならない。更に、6軸力センサ12が傾斜姿勢であれば、6軸力センサ12を指先腹部11に隣接させずに末節部3の基端10に取付けることができて、6軸力センサ12を末節部3の表皮部材14で覆う必要もなく、6軸力センサ12の外形に影響されずに末節部3を比較的細く形成することも可能となる。
By doing so, the 6-
なお、本実施形態においては、示指に相当する指1についてのみ説明をしたが、図示しない他の3指、即ち、人間の中指、環指および小指に相当する3指についても、指1と同様に構成することが好ましい。 In the present embodiment, only the finger 1 corresponding to the index finger has been described, but the other three fingers (not shown), that is, the three fingers corresponding to the human middle finger, ring finger, and little finger are the same as the finger 1. It is preferable to configure.
また、本実施形態においては、力センサとして6軸力センサ12を採用したが、これに限らず、1軸力センサでもよく、或いは、主軸が最大定格測定値とされた多軸力センサであってもよい。
In this embodiment, the 6-
1…指、3…末節部(指先部)、6…関節、9…先端(指先部の先端)、10…基端(指先部の基端)、11…指先腹部、12…6軸力センサ(力センサ)、15…指先側端面(指先部側に面する端面)、17…関節側端面(関節側に面する端面)、16…主軸、z…主軸の延長軸線、a…第1の直線、b…第2の直線。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Finger, 3 ... End node part (fingertip part), 6 ... Joint, 9 ... Tip (tip end of fingertip part), 10 ... Base end (base end of fingertip part), 11 ... Fingertip abdomen, 12 ... 6-axis force sensor (Force sensor), 15 ... fingertip side end face (end face facing fingertip side), 17 ... joint side end face (end face facing joint side), 16 ... main axis, z ... extension axis of main axis, a ... first Straight line, b ... second straight line.
Claims (1)
前記力センサは、指先部側に面する端面と、関節側に面する端面と、両端面の中心線上に軸線が位置する主軸とを備え、該主軸が指先部の先端と関節に隣接する指先部の基端との間に形成された指先腹部に向くように傾斜した姿勢で指先部と関節との間に取付けられ、
前記力センサの主軸の延長軸線は、指の長手方向に延びて指先部の先端を通る第1の直線と、指先部の基端において該第1の直線に直交して指の屈曲方向側に延びる第2の直線との間を通り指先腹部に向かって延びることを特徴とするロボットハンド装置。 In a robot hand device that includes a finger that bends and stretches through a joint, includes a force sensor that detects a force acting on the fingertip, and performs a gripping operation by bending the finger,
The force sensor includes an end face facing the fingertip side, an end face facing the joint side, and a main axis having an axis positioned on the center line of both end faces, and the main axis is adjacent to the tip of the fingertip part and the joint. It is attached between the fingertip part and the joint in a posture inclined so as to face the fingertip abdomen formed between the base end of the part,
The extension axis of the main axis of the force sensor has a first straight line that extends in the longitudinal direction of the finger and passes through the tip of the fingertip portion, and is perpendicular to the first straight line at the base end of the fingertip portion and toward the bending direction of the finger. A robot hand device that extends between a second straight line extending toward a fingertip abdomen.
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