JP5468814B2 - ５指型ハンド装置 - Google Patents

Description

本発明は、人間の手を模倣した５指型ハンド装置に関する。

近年、人間の手を模倣した５指型ハンド装置が知られている。この種の５指型ハンド装置は、手の平及び手の甲を有する基部と人間の５本の指に夫々対応する拇指機構、示指機構、中指機構、環指機構、及び小指機構とを備えている。各指機構は、複数の関節を備えて各関節毎に回動自在となっており、これにより、屈伸動作を行うことができるようになっている（例えば特許文献１参照）。

ここで、特許文献１記載のものは、各指機構の屈伸動作を駆動する駆動手段として複数のモータが用いられている。即ち、各指機構の夫々に３つの関節が設けられており、各関節を動かす複数のモータは、基部に配設されている。モータと指機構の接続には、ワイヤが利用されている。そして、各モータがワイヤを介して各指機構を屈伸させることにより各指機構による把持動作等が行われる。

特開２００８−１８３６２９号公報

しかし、複数のモータを基部に収容するためには、比較的小型のモータを採用する必要がある。このため、モータからは十分な駆動力が得られず、各指機構を屈伸させることはできても、各指機構による十分な把持力が得られない不都合がある。

そこで、十分な把持力を得るために、比較的大きな駆動力を有するモータを採用することが考えられる。しかし、この場合にはモータが大型化すると共に重量も大となり、それに伴って基部や指機構も大型化する。このため、５指型ハンド装置を小型軽量化して人間の標準的な手の大きさとすることができず、人間と同等の体格形状を有するヒューマノイドロボットに採用することが困難である。

上記の点に鑑み、本発明は、人間の手と同様の動作と十分な把持力を得ながら小型軽量化を可能とすることにより、ヒューマノイドロボットに好適に採用できる５指型ハンド装置を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するために、本発明は、人間の手を模倣することにより手の平及び手の甲を有する基部と５本の指に夫々対応する屈伸機能を有した拇指機構、示指機構、中指機構、環指機構、及び小指機構とを備えるハンド本体と、該ハンド本体の５つの指機構を各別に駆動する駆動手段とを備える５指型ハンド装置において、前記駆動手段は、ハンド本体に内蔵されて各指機構を各別に屈伸作動させる複数の従動流体圧シリンダと、ハンド本体の外部にあって各従動流体圧シリンダの夫々に流体圧伝達管を介して接続され、各従動流体圧シリンダに各別に作動用流体圧を付与する複数の駆動流体圧シリンダと、各駆動流体圧シリンダから各従動流体圧シリンダに伝達される作動用流体圧を調節することにより各指機構の屈伸を制御する制御手段とを備え、前記拇指機構は、１軸で回動する拇指指節間関節と、該拇指指節間関節の回動軸に平行の軸線回りに１軸で回動する拇指中手指節関節と、該拇指中手指節関節の回動軸に平行の軸線を有する第１の回動軸及び該第１の回動軸に交差する軸線を有する第２の回動軸の２軸で回動する手根中手関節とを備え、前記第１の回動軸は、第１の従動流体圧シリンダのピストンロッドに連結されて該ピストンロッドの伸縮により回動し、前記第２の回動軸は、第２の従動流体圧シリンダのピストンロッドに連結されて該ピストンロッドの伸縮により回動し、前記第１の回動軸に連結された前記第１の従動流体圧シリンダは、前記第２の回動軸として前記基部に回動自在に支持され、前記第２の従動流体圧シリンダは前記第１の従動流体圧シリンダを回動させることを特徴とする。

本発明によれば、前記駆動手段を、複数の従動流体圧シリンダと、各従動流体圧シリンダに接続された複数の駆動流体圧シリンダとにより構成し、各従動流体圧シリンダをハンド本体に内蔵して各駆動流体圧シリンダをハンド本体の外部に設けたので、ハンド本体を小型化することができる。

また、各従動流体圧シリンダは、各駆動流体圧シリンダから伝達される作動用流体圧により各指機構を屈伸させるので、モータ等による駆動に比べて小型であっても十分な把持力を発生させることができる。また、拇指機構は、１軸の拇指指節間関節と、１軸の拇指中手指節関節と、２軸の手根中手関節とを備えて人間の拇指と同じ屈伸作動が得られる。しかも、手根中手関節の第１の回動軸に連結された第１の従動流体圧シリンダが、手根中手関節の第２の回動軸として前記基部に回動自在に支持されるので、手根中手関節の円滑な作動を得ながらコンパクトに構成することができる。

本発明において、前記駆動流体圧シリンダは、内部に流体を収容するシリンダ本体と、該シリンダ本体のピストンに連設された中空のピストンロッドと、該ピストンロッドの軸線に沿って該ピストンロッド内に挿入されるボールネジと、ピストンロッドの内部に固設されてボールネジに螺合する螺合部材と、ボールネジを回転駆動することにより螺合部材を介してピストンロッドを進退させる回転駆動手段とを備えることを特徴とする。
これによれば、ボールネジの回転量によりシリンダ本体内部におけるピストンを所望の位置に精度よく移動させることができる。このとき、中空のピストンロッドに螺合部材を収容し、ボールネジを中空のピストンロッドに挿入したことにより、シリンダ本体の軸線方向の駆動流体圧シリンダの全長を比較的短くして小型化することができる。

更に、前記回転駆動手段は、回転を出力する出力軸が前記ピストンロッドの軸線と平行となる姿勢で前記シリンダ本体に隣設され、前記出力軸は、前記ボールネジに回転伝達手段を介して接続されることが好ましい。これによれば、回転駆動手段の出力軸とシリンダ本体とが平行に配置され、駆動流体圧シリンダの全長を一層短くコンパクトに構成することができる。

本発明において、前記拇指機構を除く４つの指機構は、その夫々に、１軸で回動する遠位指節間関節と、該遠位指節間関節の回動軸に平行の軸線回りに１軸で回動する近位指節間関節と、該近位指節間関節の回動軸に平行の軸線回りとこの軸線に交差する軸線回りに２軸で回動する中手指節関節とを備え、遠位指節間関節は、近位指節間関節にリンク機構を介して連結されて該近位指節間関節の回動に連動し、近位指節間関節及び中手指節関節は、夫々が各別の前記従動流体圧シリンダのピストンロッドに連結されて該ピストンロッドの伸縮により回動することを特徴とする。
これによれば、示指機構、中指機構、環指機構、及び小指機構は、夫々、１軸の遠位指節間関節と、１軸の近位指節間関節と、２軸の中手指節関節とを備えて人間の指と同じ屈伸作動が得られる。しかも、遠位指節間関節は、リンク機構により近位指節間関節に連動するので、人間の指と同じ自然な動きが得られるだけでなく、近位指節間関節を回動させる従動流体圧シリンダで遠位指節間関節の回動も行えるので、従動流体圧シリンダの数量を削減して指機構を小型軽量化することができる。

また、本発明において、前記近位指節間関節を回動させる前記従動流体圧シリンダは、該近位指節間関節と前記中手指節関節との間に配設され、前記中手指節関節を回動させる前記従動流体圧シリンダは、前記基部に配設されていることを特徴とする。

こうすることにより、近位指節間関節を回動させる従動流体圧シリンダを指機構の内部に収納することができ、基部に配設される従動流体圧シリンダの数量を少なくしてハンド本体をコンパクトに形成することができる。しかも、近位指節間関節を回動させる従動流体圧シリンダを、近位指節間関節と中手指節関節との間に配設したことにより、この従動流体圧シリンダを人間の基節骨に相当する部材として利用することができ、スペース効率が向上すると共に部品点数を削減して軽量化することができる。
また、本発明において、拇指指節間関節は、拇指中手指節関節にリンク機構を介して連結されて該拇指中手指節関節の回動に連動し、拇指中手指節関節及び手根中手関節は、夫々が各別の前記従動流体圧シリンダのピストンロッドに連結されて該ピストンロッドの伸縮により回動することを特徴とする。
これによれば、拇指指節間関節は、リンク機構により拇指中手指節関節に連動するので、人間の拇指と同じ自然な動きが得られるだけでなく、拇指中手指節関節を回動させる従動流体圧シリンダで拇指指節間関節の回動も行えるので、従動流体圧シリンダの数量を削減して拇指機構を小型軽量化することができる。
また、本発明において、前記拇指中手指節関節を回動させる前記従動流体圧シリンダは、該拇指中手指節関節と前記手根中手関節との間に配設され、前記手根中手関節を回動させる前記従動流体圧シリンダは、前記基部に配設されていることを特徴とする。
これにより、拇指中手指節関節を回動させる従動流体圧シリンダを拇指機構の内部に収納することができ、基部に配設される従動流体圧シリンダの数量を少なくしてハンド本体をコンパクトに形成することができる。

また、本発明において、前記示指機構と前記中指機構との何れか一方又は両方及び前記拇指機構は、指先部に作用する力を検出する力センサを備えると共に前記制御手段により指先でのつまみ動作を含む器用動作を行う器用指とされ、該器用指以外の指機構は、前記制御手段により前記器用指の動作に応じて握り動作を含む力動作を行う力指とされていることを特徴とする。

ここで、「器用指」とは、人間の手においてつまみ動作等の繊細な作業を行う際に用いられる器用な指をいい、「力指」とは、人間の手において握り動作等のように強い力で握り込んで保持したり、持ち替え時に一時的に保持したりする際に用いられる指をいう。このような人間の把持動作の際の各指の役割分担については、本発明者による人間の手及び指の動きを分析した結果に基づいている。人間の指では、拇指及び示指、或いは、拇指、示指及び中指が器用指として機能し、環指及び小指が力指として機能する。

このことから、本発明においては、示指機構と中指機構との何れか一方又は両方及び拇指機構を器用指とし、器用指にのみ指先部に作用する力を検出する力センサを備える。これにより、力センサからの情報により器用指の指先力を制御して器用指による繊細な作業を行うことができ、同時に、力指には力センサを設けずに軽量化を図ることができる。

更に、本発明において、前記拇指機構を除く４つの指機構の前記中手指節関節は、前記近位指節間関節の回動軸に平行の軸線を有する第１の回動軸と、該第１の回動軸の軸線に交差する軸線を有する第２の回動軸とを備え、前記器用指とされる指機構の中手指節関節は、両回動軸の夫々が各別の従動流体圧シリンダのピストンロッドに連結され、前記力指とされる指機構の中手指節関節は、第１の回動軸のみが従動流体圧シリンダのピストンロッドに連結されていて、第２の回動軸は前記力動作に応じて自在に回動することを特徴とする。

これによれば、器用指とされる指機構の中手指節関節は、その両回動軸が夫々従動流体圧シリンダにより駆動されて、屈伸方向だけでなく指機構同士の間隔方向にも器用指とされる指機構を動かすことができ、円滑に器用動作を行うことができる。

一方、力指とされる指機構の中手指節関節の第２の回動軸は、力動作に応じて自在に回動するので、例えば、物品を握り込んだ際に物品の姿勢や形状に沿って力指が指機構同士の間隔方向に自然に動き、最適な力動作が行われる。同時に、力指とされる指機構の中手指節関節の第２の回動軸を回動させるための従動流体圧シリンダが不要となるので、ハンド本体を小型軽量化することができる。

本発明の一実施形態の５指型ハンド装置を示す概略構成図。 ハンド本体の各関節を模式的に示す説明図。 ハンド本体の内部構造を手の甲側から示す説明図。 ハンド本体に備える指機構の一つを示す説明的断面図。 ハンド本体に備える拇指機構を示す説明的断面図。 本実施形態における駆動手段の一部の構成を模式的に示す説明図。 駆動手段の作動を模式的に示す説明図。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態の５指型ハンド装置１は、図１に示すように、人間の手を模倣したハンド本体２と、ハンド本体２を駆動する駆動手段３とにより構成され、所謂ヒューマノイドロボットに好適に用いることができるものである。

ハンド本体２は、基部４と、５本の指に夫々対応する屈伸機能を有した５つの指機構である拇指機構５、示指機構６、中指機構７、環指機構８、及び小指機構９とを備えている。基部４は、各指機構を連結支持するフレーム１０を備え、基部４の表側が手の甲とされ裏側が手の平とされる。図１は、ハンド本体２の手の平側を示している。

各指機構は、各関節を露出させて指表皮部材１１により被覆され、基部４は基部表皮部材１２により被覆されている。

各指機構は、図２に模式的に示すように、複数の指節及び関節を備えている。示指機構６、中指機構７、環指機構８、及び小指機構９は、夫々、指先側から順に、ＤＩＰ関節１３（遠位指節間関節）、ＰＩＰ関節１４（近位指節間関節）、ＭＰ１関節１５、及びＭＰ２関節１６を備えて、各関節毎に回動自在とされている。

ＤＩＰ関節１３は１軸で回動し、ＰＩＰ関節１４はＤＩＰ関節１３と平行の軸線回りに１軸で回動する。ＭＰ１関節１５及びＭＰ２関節１６は２軸で回動する中手指節関節を構成するものであって、ＭＰ１関節１５はＰＩＰ関節１４と平行の軸線回りに回動し、ＭＰ２関節１６はＭＰ１関節１５に交差する軸線回りに回動する。

ＤＩＰ関節１３と、ＰＩＰ関節１４と、ＭＰ１関節１５とは、基部４の手の平側に向かう方向に回動して握り動作等の屈伸運動が行えるようになっている。ＭＰ２関節１６は、各指機構同士が近接・離間する方向に各指機構を揺動させ、例えば手を広げる動作等が行えるようになっている。

拇指機構５は、図２に模式的に示すように、指先側から順に、ＩＰ関節１７（拇指指節間関節）、ＭＰ関節１８（拇指中手指節関節）、ＣＭ１関節１９、及びＣＭ２関節２０を備えて、各関節毎に回動自在とされている。

ＩＰ関節１７は１軸で回動し、ＭＰ関節１８はＩＰ関節１７と平行の軸線回りに１軸で回動する。ＣＭ１関節１９及びＣＭ２関節２０は２軸で回動する手根中手関節を構成するものであって、ＣＭ１関節１９はＭＰ関節１８と平行の軸線回りに回動し、ＣＭ２関節２０はＣＭ１関節１９に交差する軸線回りに回動する。

ＩＰ関節１７と、ＭＰ関節１８と、ＣＭ１関節１９とは、基部４の手の平側或いは他の４つの指機構６，７，８，９の何れかの指腹側に向かう方向に回動して握り動作等の屈伸運動が行えるようになっている。ＣＭ２関節２０は、拇指機構５を手の平側或いは他の４つの指機構６，７，８，９の何れかの指腹側に対向するように回動させる。

５つの指機構のうち、拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７の３つの指機構は、後述するように指先でのつまみ動作を含む器用動作を行う器用指とされ、環指機構８及び小指機構９は、器用指の動作に応じて握り動作を含む力動作を行う力指とされている。

本発明者は、人間の手及び指の動きを分析した。その結果、本発明者は、拇指、示指、及び中指が比較的繊細な作業を行う際に用いられ、環指及び小指が物体を比較的強い力で握って保持したり、持ち替え時に一時的に保持したりする際に用いられていることを知見した。

人間が机等に載置されている円柱状の物体をつかみ上げるときの動作を例にとって説明すると、先ず、拇指、示指、及び中指により物体に触れて物体の姿勢を確認すると共に、拇指、示指、及び中指における力の入れ具合により物体を握り易い姿勢に修正する。次いで、拇指、示指、及び中指の各指先で物体を挟んで物体をつまみ上げる（つまみ動作）。このとき、環指及び小指が物体の握り込みを開始し、拇指、示指、及び中指による把持から環指及び小指による把持に移行する。その後、環指及び小指が物体を比較的強い力でしっかり握り込み（握り動作）、それに添えるようにして拇指、示指、及び中指が物体を握って物体のつかみ上げ動作が完了する。以上のつかみ上げ動作は切れ目なく連続して迅速に行われる。

器用指とされる拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７は、図３及び図４に示すように、力センサである６軸力センサ２１を備えている。６軸力センサ２１は、拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７の各指先部材２２に傾斜する姿勢で取付けられている。６軸力センサ２１は、器用指の指先部材２２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２１から出力される６軸力の測定値に基づいて器用指における指先力の制御が行なわれる。

示指機構６の構成を説明すれば、図４に示すように、示指機構６は、ＭＰ１関節１５の回動軸１５１（中手指節関節の第１の回動軸）を回動させる第１の従動流体圧シリンダ２３と、ＰＩＰ関節１４の回動軸１４１を回動させる第２の従動流体圧シリンダ２４とを備えている。

第１の従動流体圧シリンダ２３のシリンダ本体２３１は、人間の中手骨に相当し、ＭＰ２関節１６の回動軸１６１（中手指節関節の第２の回動軸）により回動自在に前記基部４のフレーム１０（図１参照）に支持されている。第２の従動流体圧シリンダ２４のシリンダ本体２４１は、人間の基節骨に相当し、ＭＰ１関節１５の回動軸１５１を介して第１の従動流体圧シリンダ２３に回動自在に連結されている。

第２の従動流体圧シリンダ２４のシリンダ本体２４１に流体を供給する配管２４４は、ＭＰ１関節１５の回動軸１５１の内部に収容されている。これにより、ＭＰ１関節１５の回動時に配管２４４が邪魔にならず、示指機構６の屈伸動作を円滑に行うことができる。

また、第２の従動流体圧シリンダ２４のシリンダ本体２４１を示指機構６の長手方向に沿ってＭＰ１関節１５とＰＩＰ関節１４との間に配設することにより、示指機構６をコンパクトに構成することができる。

ＰＩＰ関節１４には、人間の中節骨に相当する連結部材２５を介してＤＩＰ関節１３が連結されている。ＤＩＰ関節１３の回動軸１３１には、前記指先部材２２に連設された６軸力センサ２１を支持する支持部材２６が回動自在に連結されている。連結部材２５は、その一端がＰＩＰ関節１４の回動軸１４１に回動自在に連結され、他端がＤＩＰ関節１３の回動軸１３１に連結されている。

更に、ＰＩＰ関節１４とＤＩＰ関節１３との間には、リンク部材２７が設けられている。リンク部材２７は、第２の従動流体圧シリンダ２４のシリンダ本体２４１と指先部材２２の６軸力センサ２１を支持する支持部材２６とを連結する。

第１の従動流体圧シリンダ２３は、シリンダ本体２３１内部に流体が供給されることによりピストン２３２が摺動し、ピストンロッド２３３が伸縮してＭＰ１関節１５を回動させる。これにより、示指機構６がＭＰ１関節１５を介して屈伸する。

第２の従動流体圧シリンダ２４は、シリンダ本体２４１内部に流体が供給されることによりピストン２４２が摺動し、ピストンロッド２４３が伸縮してＰＩＰ関節１４を回動させる。このとき、ＰＩＰ関節１４とＤＩＰ関節１３とが、連結部材２５とリンク部材２７とにより連結されているので、第２の従動流体圧シリンダ２４によるＰＩＰ関節１４の回動に追従してＤＩＰ関節１３が回動する。

ＤＩＰ関節１３は、第２の従動流体圧シリンダ２４によるＰＩＰ関節１４の回動に連動するように構成されているので、人間の指の動きに近い動作が得られるだけでなく、ＤＩＰ関節１３を駆動するためのシリンダ等が不要となり、示指機構６を軽量に構成することができる。

以上の構成により、示指機構６は、第１の従動流体圧シリンダ２３及び第２の従動流体圧シリンダ２４のピストンロッド２３１，２４１を伸長させることによりを折り曲げ状態となり、ピストンロッド２３１，２４１を収縮させることにより延ばし状態となる。

示指機構６のＭＰ２関節１６は、図３に示すように、各指機構の配列方向に沿ってピストンロッド２８３が伸縮する第３の従動流体圧シリンダ２８により回動される。第３の従動流体圧シリンダ２８は、ピストンロッド２８３を伸長させることにより示指機構６を中指機構７に近接する方向に揺動させ、ピストンロッド２８３を収縮させることにより示指機構６を中指機構７から離反する方向に揺動させる。

図４に示すように、ＰＩＰ関節１４、ＭＰ１関節１５及びＭＰ２関節１６の夫々にはコイルばね１４ｓ，１５ｓ，１６ｓ（ねじりばね）が設けられている。ＰＩＰ関節１４及びＭＰ１関節１５の各コイルばね１４ｓ，１５ｓは、示指機構６を延ばし方向に付勢する。ＭＰ２関節１６のコイルばね１６ｓは、示指機構６を中指機構７から離反させる方向に付勢する。言い換えれば、各コイルばね１４ｓ，１５ｓ，１６ｓの付勢方向は、３つの従動流体圧シリンダ２３，２４，２８のピストンロッド２３３，２４３，２８３の収縮方向と同じ方向とされている。

以上、器用指とされる示指機構６の構成を詳しく述べたが、器用指とされる中指機構７の構成も示指機構６と同じである。

力指とされる環指機構８及び小指機構９は、示指機構６の上述した構成のうち、６軸力センサ２１と第３の従動流体圧シリンダ２８とを備えないこと以外は、示指機構６と同じ構成である。環指機構８及び小指機構９は、第３の従動流体圧シリンダ２８を備えないことにより、ＭＰ２関節１６が力動作に応じて自在に回動し、ＭＰ２関節１６のコイルばね１６ｓの付勢により所定位置に自然復帰するようになっている。

器用指とされる拇指機構５の構成を説明すれば、図５に示すように、拇指機構５は、ＣＭ１関節１９の回動軸１９１（手根中手関節の第１の回動軸）を回動させる第１の従動流体圧シリンダ２９と、ＭＰ関節１８の回動軸１８１を回動させる第２の従動流体圧シリンダ３０とを備えている。

第１の従動流体圧シリンダ２９のシリンダ本体２９１は、ＣＭ２関節２０の回動軸（手根中手関節の第２の回動軸）とされており、回動自在に前記基部４のフレーム１０に支持されている。

このように、第１の従動流体圧シリンダ２９のシリンダ本体２９１をＣＭ２関節２０回動軸として兼用することにより、第１の従動流体圧シリンダ２９とＣＭ２関節２０の回動軸とを別々に設けた場合に比べてコンパクトとなる。しかも、ＣＭ２関節２０の回動に伴う第１の従動流体圧シリンダ２９の揺動は全くなく、その揺動スペースが不要となるので極めてコンパクトに構成することができる。

第２の従動流体圧シリンダ３０のシリンダ本体３０１は、ＣＭ１関節１９の回動軸１９１を介して第１の従動流体圧シリンダ２９に回動自在に連結されている。

第２の従動流体圧シリンダ３０のシリンダ本体３０１に流体を供給する配管３０４は、ＣＭ１関節１９の回動軸１９１の内部に収容されている。これにより、ＣＭ１関節１９の回動時に配管３０４が邪魔にならず、拇指機構５の屈伸動作を円滑に行うことができる。

ＭＰ関節１８には、連結部材３１を介してＩＰ関節１７が連結されている。ＩＰ関節１７の回動軸１７１には、前記指先部材２２が回動自在に連結されている。連結部材３１は、その一端がＭＰ関節１８の回動軸１８１に回動自在に連結され、他端がＩＰ関節１７の回動軸１７１に連結されている。

更に、ＭＰ関節１８とＩＰ関節１７との間には、リンク部材３２が設けられている。リンク部材３２は、第２の従動流体圧シリンダ３０のシリンダ本体３０１と指先部材２２の６軸力センサ２１を支持する支持部材３３とを連結する。

第１の従動流体圧シリンダ２９は、シリンダ本体２９１内部に流体が供給されることによりピストン２９２が摺動し、ピストンロッド２９３が伸縮してＣＭ１関節１９を回動させる。これにより、示指機構６がＣＭ１関節１９を介して屈伸する。

第２の従動流体圧シリンダ３０は、シリンダ本体３０１内部に流体が供給されることによりピストン３０２が摺動し、ピストンロッド３０３が伸縮してＭＰ関節１８を回動させる。このとき、ＭＰ関節１８とＩＰ関節１７とが、連結部材３１とリンク部材３２とにより連結されていることにより、第２の従動流体圧シリンダ３０によるＭＰ関節１８の回動に追従してＩＰ関節１７が回動する。

ＩＰ関節１７は、第２の従動流体圧シリンダ３０によるＭＰ関節１８の回動に連動するように構成されているので、人間の指の動きに近い動作が得られるだけでなく、ＩＰ関節１７を駆動するためのシリンダ等が不要となり、拇指機構５を軽量に構成することができる。

以上の構成により、拇指機構５は、第１の従動流体圧シリンダ２９及び第２の従動流体圧シリンダ３０のピストンロッド２９３，３０３を伸長させることによりを折り曲げ状態となり、ピストンロッド２９３，３０３を収縮させることにより延ばし状態となる。

拇指機構５のＣＭ２関節２０は、図３に示すように、各指機構の配列方向に沿ってピストンロッド３４３が伸縮する第３の従動流体圧シリンダ３４により回動される。拇指機構５は、第３の従動流体圧シリンダ３４のピストンロッド３４３を伸長させることにより、基部４の手の平側に回動し、第３の従動流体圧シリンダ３４のピストンロッド３４３を収縮させることにより示指機構６に隣り合う方向に回動する。

図５に示すように、第１の従動流体圧シリンダ２９のシリンダ本体２９１への流体の供給は、ＣＭ２関節２０の回動軸である第１の従動流体圧シリンダ２９のシリンダ本体２９１の軸受け部１０１の内部に形成された流体路２９４を介して行われる。これにより、第１の従動流体圧シリンダ２９のシリンダ本体２９１を円滑に回動させることができ、ＣＭ２関節２０による拇指機構５の回動を円滑に行うことができる。

図３及び図５に示すように、ＭＰ関節１８、ＣＭ１関節１９及びＣＭ２関節２０の夫々にはコイルばね１８ｓ，１９ｓ，２０ｓ（ねじりばね）が設けられている。ＭＰ関節１８及びＣＭ１関節１９の各コイルばね１８ｓ，１９ｓは、拇指機構５を延ばし方向に付勢する。ＣＭ２関節２０のコイルばね２０ｓは、第１の従動流体圧シリンダ２９のシリンダ本体２９１の外周を包囲するようにして設けられ、拇指機構５を示指機構６に隣り合う方向に回動する方向に付勢する。言い換えれば、各コイルばね１８ｓ，１９ｓ，２０ｓの付勢方向は、３つの従動流体圧シリンダ２９，３０，３４の各ピストンロッド２９３，３０３，３４３の収縮方向と同じ方向とされている。

そして図示しないが、ハンド本体２の指腹側を覆う指表皮部材１１や手の平側を覆う基部表皮部材１２には、所定位置に複数の接触センサが設けられている。

以上、ハンド本体２の構成について説明したが、次に、ハンド本体２の各指機構を駆動するための駆動手段３について説明する。

駆動手段３は、図１に示すように、ハンド本体２の外部に設けられた駆動シリンダユニット３５と、この駆動シリンダユニット３５を介してハンド本体２を制御するコントローラ３６（制御手段）と、前述した各従動流体圧シリンダ２３，２４，２８，２９，３０，３４とにより構成される。

駆動シリンダユニット３５は、図１に示すように、複数の駆動流体圧シリンダ３７を備えている。駆動流体圧シリンダ３７は、図６に示すように、内部に流体を収容するシリンダ本体３７１と、シリンダ本体３７１の内部を摺動するピストン３７２と、ピストン３７２に連設された中空のピストンロッド３７３とを備えている。更に、駆動流体圧シリンダ３７は、ピストンロッド３７３の軸線に沿ってピストンロッド３７３内に挿入されるボールネジ３８と、ピストンロッド３７３の内部に固設されてボールネジ３８に螺合する螺合部材３９と、ボールネジ３８を回転駆動することにより螺合部材３９を介してピストンロッド３７３を進退させるモータ４０（回転駆動手段）と、モータ４０の作動量を検出するためのエンコーダ４１とを備えている。

モータ４０は、回転伝達手段としてのプーリ４２，４３に掛けわたされたベルト４４を介してボールネジ３８を回転駆動する。これにより、モータ４０の出力軸４０１とピストンロッド３７３との軸線が平行となり、モータ４０をシリンダ本体３７１に隣設することができてコンパクトに形成される。

駆動シリンダユニット３５の各駆動流体圧シリンダ３７は、ハンド本体２に内蔵されている前述の従動流体圧シリンダ２３，２４，２８，２９，３０，３４に、１つずつ対応して計１３個設けられている。図１に概略を示しているが、駆動シリンダユニット３５の各駆動流体圧シリンダ３７とハンド本体２の各従動流体圧シリンダ２３，２４，２８，２９，３０，３４とは夫々が流体圧伝達管４５を介して各別に接続される。

この構成により、図７（ａ）及び（ｂ）に模式的に示すように、駆動流体圧シリンダ３７の内部に流体を送出・吸入すれば、それに対応して各従動流体圧シリンダ２３（２４，２８，２９，３０，３４）では流体が圧入・排出され、従動流体圧シリンダ３７による指機構６（７，８，９，５）の駆動が行われる。このとき、コントローラ３６がモータ４０を介して駆動流体圧シリンダ３７における流体の送出量及び吸入量を制御することにより、従動流体圧シリンダ２３（２４，２８，２９，３０，３４）によって指機構６（７，８，９，５）に所望の屈伸作動を行わせることができる。そして、駆動シリンダユニット３５をハンド本体２の外部に設けたことにより、ハンド本体２を小型軽量として、例えば人間の標準的な手と同等の大きさのハンド本体２を得ることができる。更に、各駆動流体圧シリンダ３７及び各従動流体圧シリンダ２３，２４，２８，２９，３０，３４の流体圧により各指機構５，６，７，８，９を作動させるので、小型であっても十分な把持力を得ることができる。

また、コントローラ３６は、信号線４６を介して駆動シリンダユニット３５に接続され、各駆動流体圧シリンダ３７から各従動流体圧シリンダ２３，２４，２８，２９，３０，３４に伝達される作動用流体圧を調節することにより各指機構の屈伸を制御する。更に、コントローラ３６は、信号線４７を介してハンド本体２に接続され、器用指とされている拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７の各６軸力センサ２１や前記接触センサから得られる情報に基づいて、各駆動流体圧シリンダ３７の制御を行う。これによって、コントローラ３６は、前述した構成のハンド本体２の各指機構により人間の動作を模倣した把持動作を行うように制御する。

コントローラ３６は、例えば、ハンド本体２の各指機構により円柱状の物体（図示せず）をつかみ上げる動作を行うとき、次のようにして指機構を制御する。

先ず、器用指とされている拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７の指先で物体をつまむ動作を行う。次いで、拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７により手の平側の基部表皮部材１２に接触するまで物体を把持する。このとき、コントローラ３６は、各６軸力センサ２１、及び指腹側の指表皮部材１１や手の平側の基部表皮部材１２に設けられている接触センサの情報に基づき、物体の位置・大きさ・姿勢等を演算する。コントローラ３６は、その演算結果に基づいて拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７を動作させるので、つまむ動作から把持する動作に連続的に移行する際に物体のバランスを取りながら物体の姿勢を器用に操ることができる。続いて、コントローラ３６は、環指機構８及び小指機構９を作動させ、力指とされる環指機構８及び小指機構９により比較的強い力で物体を握り込み、その後、拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７により比較的強い力で物体を握り込む。このような動作がコントローラ３６の制御により行われることにより、人間を模倣して物体の把持動作を行うことができる。また、各指機構に、器用指と力指との役割分担を設定したことにより、器用指とされている拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７にのみ６軸力センサ２１を設ければよく、環指機構８及び小指機構９を小型軽量に形成することができる。

１…５指型ハンド装置、２…ハンド本体、３…駆動手段、４…基部、５…拇指機構、６…示指機構、７…中指機構、８…環指機構、９…小指機構、１３…ＤＩＰ関節（遠位指節間関節）、１４…ＰＩＰ関節（近位指節間関節）、１５…ＭＰ１関節（中手指節関節）、１５１…中手指節関節の第１の回動軸、１６…ＭＰ２関節（中手指節関節）、１６１…中手指節関節の第２の回動軸、１７…ＩＰ関節（拇指指節間関節）、１８…ＭＰ関節（拇指中手指節関節）、１９…ＣＭ１関節（手根中手関節）、１９１…手根中手関節の第１の回動軸、２０…ＣＭ２関節（手根中手関節）、２１…力センサ、２３，２４，２８，２９，３０，３４…従動流体圧シリンダ、２３３，２４３，２８３，２９３，３０３，３４３…従動流体圧シリンダのピストンロッド、２７，３２…リンク部材（リンク機構）、３６…コントローラ（制御手段）、３７…駆動流体圧シリンダ、３７１…駆動流体圧シリンダのシリンダ本体、３７２…駆動流体圧シリンダのピストン、３７３…駆動流体圧シリンダのピストンロッド、３８…ボールネジ、３９…螺合部材、４０…モータ（回転駆動手段）、４０１…出力軸、４２，４３…プーリ（回転伝達手段）、４４…ベルト（回転伝達手段）、４５…流体圧伝達管。

Claims (9)

1. 人間の手を模倣することにより手の平及び手の甲を有する基部と５本の指に夫々対応する屈伸機能を有した拇指機構、示指機構、中指機構、環指機構、及び小指機構とを備えるハンド本体と、該ハンド本体の５つの指機構を各別に駆動する駆動手段とを備える５指型ハンド装置において、
   前記駆動手段は、ハンド本体に内蔵されて各指機構を各別に屈伸作動させる複数の従動流体圧シリンダと、ハンド本体の外部にあって各従動流体圧シリンダの夫々に流体圧伝達管を介して接続され、各従動流体圧シリンダに各別に作動用流体圧を付与する複数の駆動流体圧シリンダと、各駆動流体圧シリンダから各従動流体圧シリンダに伝達される作動用流体圧を調節することにより各指機構の屈伸を制御する制御手段とを備え、
   前記拇指機構は、１軸で回動する拇指指節間関節と、該拇指指節間関節の回動軸に平行の軸線回りに１軸で回動する拇指中手指節関節と、該拇指中手指節関節の回動軸に平行の軸線を有する第１の回動軸及び該第１の回動軸に交差する軸線を有する第２の回動軸の２軸で回動する手根中手関節とを備え、
   前記第１の回動軸は、第１の従動流体圧シリンダのピストンロッドに連結されて該ピストンロッドの伸縮により回動し、
   前記第２の回動軸は、第２の従動流体圧シリンダのピストンロッドに連結されて該ピストンロッドの伸縮により回動し、
   前記第１の回動軸に連結された前記第１の従動流体圧シリンダは、前記第２の回動軸として前記基部に回動自在に支持され、前記第２の従動流体圧シリンダは前記第１の従動流体圧シリンダを回動させることを特徴とする５指型ハンド装置。
2. 前記駆動流体圧シリンダは、内部に流体を収容するシリンダ本体と、該シリンダ本体のピストンに連設された中空のピストンロッドと、該ピストンロッドの軸線に沿って該ピストンロッド内に挿入されるボールネジと、ピストンロッドの内部に固設されてボールネジに螺合する螺合部材と、ボールネジを回転駆動することにより螺合部材を介してピストンロッドを進退させる回転駆動手段とを備えることを特徴とする請求項１記載の５指型ハンド装置。
3. 前記回転駆動手段は、回転を出力する出力軸が前記ピストンロッドの軸線と平行となる姿勢で前記シリンダ本体に隣設され、
   前記出力軸は、前記ボールネジに回転伝達手段を介して接続されることを特徴とする請求項２記載の５指型ハンド装置。
4. 前記拇指機構を除く４つの指機構は、その夫々に、１軸で回動する遠位指節間関節と、該遠位指節間関節の回動軸に平行の軸線回りに１軸で回動する近位指節間関節と、該近位指節間関節の回動軸に平行の軸線回りとこの軸線に交差する軸線回りに２軸で回動する中手指節関節とを備え、
   遠位指節間関節は、近位指節間関節にリンク機構を介して連結されて該近位指節間関節の回動に連動し、
   近位指節間関節及び中手指節関節は、夫々が各別の前記従動流体圧シリンダのピストンロッドに連結されて該ピストンロッドの伸縮により回動することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載の５指型ハンド装置。
5. 前記近位指節間関節を回動させる前記従動流体圧シリンダは、該近位指節間関節と前記中手指節関節との間に配設され、
   前記中手指節関節を回動させる前記従動流体圧シリンダは、前記基部に配設されていることを特徴とする請求項４記載の５指型ハンド装置。
6. 拇指指節間関節は、拇指中手指節関節にリンク機構を介して連結されて該拇指中手指節関節の回動に連動し、
   拇指中手指節関節は、前記従動流体圧シリンダのピストンロッドに連結されて該ピストンロッドの伸縮により回動することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の５指型ハンド装置。
7. 前記拇指中手指節関節を回動させる前記従動流体圧シリンダは、該拇指中手指節関節と前記手根中手関節との間に配設されていることを特徴とする請求項６記載の５指型ハンド装置。
8. 前記示指機構と前記中指機構との何れか一方又は両方及び前記拇指機構は、指先部に作用する力を検出する力センサを備えると共に前記制御手段により指先でのつまみ動作を含む器用動作を行う器用指とされ、
   該器用指以外の指機構は、前記制御手段により前記器用指の動作に応じて握り動作を含む力動作を行う力指とされていることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項記載の５指型ハンド装置。
9. 前記拇指機構を除く４つの指機構の中手指節関節は、近位指節間関節の回動軸に平行の軸線を有する第１の回動軸と、該第１の回動軸の軸線に交差する軸線を有する第２の回動軸とを備え、
   前記器用指とされる指機構の中手指節関節は、両回動軸の夫々が各別の従動流体圧シリンダのピストンロッドに連結され、
   前記力指とされる指機構の中手指節関節は、第１の回動軸のみが従動流体圧シリンダのピストンロッドに連結されていて、第２の回動軸は前記力動作に応じて自在に回動することを特徴とする請求項８記載の５指型ハンド装置。