JP5482664B2 - ロボットハンド - Google Patents

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Description

本発明は、ロボットハンドに関し、特に、メンテナンス性に優れ、小型でありながら指先力が得られるものに関する。
(1)従来のロボットハンドの一例について説明する。図15は、人間の手に類似した5本指のロボットハンドの母指を示している。ロボットハンドは、母指、示指、中指、環指、小指、掌を有している。図15に示される母指は、前屈の第1関節107、内外転の第2関節108、前屈の第3関節109、前屈の第4関節110、第1モータ111、第2モータ112、第3モータ113、第4モータ114、第1モータ用エンコーダ115、第2モータ用エンコーダ116、第3モータ用エンコーダ117、第4モータ用エンコーダ118、非対称型差動減速機119、関節軸一体型減速機120、ウオーム減速機121、6軸力覚センサー122で構成されている。
ここで、モータ111〜114の回転量は、モータ軸に直結したモータ用エンコーダ115〜118にて検出できる。関節107、109、110のそれぞれの軸は、互いに平行であり、関節107の関節軸と関節108の関節軸とは1点で交差し直交している。第1モータ111と第2モータ112は、掌に重ねて固定している。
図15に示す母指の動作は以下のとおりである。第4モータ114により、ウオーム減速機121を介してモータ軸と90度軸回転した関節110の関節軸を駆動できる。第3モータ113により、関節軸一体型減速機120を介してモータ軸と90度軸回転した関節109の関節軸を駆動できる。非対称型差動減速機119では、第3傘歯車(図示せず)の軸を中空とし、第4傘歯車(図示せず)の軸を貫通させることにより、第2関節108の軸まわりの回転と第1関節107の軸まわりの回転が可能な機構となっている。
ここで、第1モータ111と第2モータ112とは、それらが逆の方向に同じ角度回転すると、非対称型差動減速機119の内部の傘歯車を介して、第2関節108の軸まわりで指が回転する。また、第1モータ111を固定し、第2モータ112を回転させると第一関節107の軸のまわりで指が回転する。また、非対称型差動減速機119の採用により関節107の軸まわりの回転角度が大きくとることができ、かつ、掌の表面側に近い位置に関節軸を設けられるため、外観上も人間の手の動きに似た動きができる。(特許文献1)
(2)また、従来のロボットハンドの他の一例について図16を用いて説明する。図16に示すロボットハンドは、各節部816〜818が真っ直ぐに延びた指814aの伸長状態(図中点線)において、指814aを掌812(図示せず)に対して揺動させるために、モータ822により駆動軸821(図示せず)を回転駆動する。このように駆動軸821を回転駆動すると、これに応じて関節軸820が駆動軸821との交点を支点として揺動し、その結果、指814aが掌812に対して揺動することとなる。
一方、上記伸長状態から指814aを折り曲げるには、モータ834によりベベルギア844を回転駆動する。このようにベベルギア844を駆動すると、その回転駆動力がベベルギア828およびベベルギア824を介して基節部816に伝達され、その結果、関節軸820回りに基節部816が回動し、指814aが手の腹側に傾倒することとなる。なお、この場合にはベベルギア838(図示せず)の駆動と共にベベルギア844を回転駆動してリンク846(ベベルギア826)を回転させる。すなわち、上記の通り、指814aはその基節部816と中節部817とがリンク848により連結されているため、基節部816だけを関節軸820回りに回動させようとするとリンク848によりその動きが妨げられる。従って、これを避けるため基節部816の回動量(角度)に応じてカム846を同図中に矢印で示すように回動させるようにする。具体的には、モータ832によりプーリー838(図示せず)を回転駆動する。このようにプーリー838を駆動すると、その回転駆動力がベベルギア830(図示せず)を介してベベルギア826に伝達され、その結果、該ベベルギア826に一体に組付けられたリンク846が回動することとなる。
上記の動作は指814aを伸長状態のまま掌812に対して手の腹側に折り曲げる場合であるが、指814aをその途中部分から折り曲げる場合には、上記の位置からリンク846(ベベルギア826)をさらに回転させる。このようにカム846を回転させると、リンク848を介して中節部817が手の腹側に引かれ、その結果、関節軸819aを支点として中節部817が回動し、基節部816に対して中節部817が手の平側に折れ曲がることとなる。そして、このように中節部817が基節部816に対して折れ曲がると、リンク850を介して末節部818が引かれ、その結果、関節軸819bを支点として末節部818が回動し、中節部817に対して末節部818が手の腹側に折れ曲がることとなる。
ここでは、関節軸820を支点として指814a全体を掌812に対して折り曲げる動作と、関節軸819a、819bを支点として中節部817および基節部816を折り曲げる動作とを分けて説明しているが、これらの動作を並行して行うことにより指814aの屈折動作をスムーズに行うことができる。また、上記のような動作と逆の動作を行うことにより、指814aを伸長状態に戻すことができる。(特許文献2)
特許3245095号公報 特開2005−66803号公報
しかしながら、前述のロボットハンド100には、以下のような改善すべき点がある。
すなわち、ロボットハンド100では、母指に第1モータ111、第2モータ112、第3モータ113、及び第4モータ114を配置している。他の指についても同様である。このため、各モータ111〜114の大きさが、ロボットハンド100の大きさを決定づけることになる。つまり、ロボットハンド100の小型化を優先すると、モータを小さくせざるを得なくなり、結果として、指先力が得られない、という改善すべき点がある。
また、前述のロボットハンド810には、以下のような改善すべき点がある。ロボットハンド810では、モータ822、832、834によって、各節部816〜818を動作させている。このため、末節部818における指先力を得ようとすると、モータを大きくせざるを得なくなり、結果として、ロボットハンド810が大型化する、という改善すべき点がある。
そこで、本発明は、人型のロボットハンドの形状にでき、メンテナンス性に優れ、指先力が得られるロボットハンドを提供することを目的とする。
本発明における課題を解決するための手段を以下に示す。
本発明に係るロボットハンドは、指関節の可動部を有する手部及び可動部を駆動する駆動力を発生する腕部を有するロボットハンドであって、
1)手部は、
可動部に配置され可動方向に回動する第1のプーリー、
可動部に対して手首側に配置される第2のプーリー、
第2のプーリーを回転させる駆動力を伝達する第1の駆動力伝達部材、
第1のプーリーに固定され、かつ、第2のプーリーに固定される線状部材であって、当該第1のプーリーと当該第2のプーリーとを接続する線状部材、
を有し、
第1の駆動力伝達部材は、第2のプーリーと一体として構成され、第2のプーリーの回転軸と同軸上に存在する回転軸を有し、
2)腕部は、
第1の駆動力伝達部材に駆動力を伝達する第2の駆動力伝達部材、
駆動力を発生する駆動部、
を有する構成とされ、可動部を動作させるものである。
かかる構成によれば、手部と腕部がそれぞれユニット化でき分離可能となる。また、腕部に存在する駆動部から指関節を動かす駆動力が出され、その駆動力に基づいて第2の駆動力伝達部材が駆動できる。ここで、第2の駆動力伝達部材とは、例えば、複数の独立の対になった歯車とプーリーであり、駆動部とは、例えば、モータである。
駆動部で発生された駆動力は、第2の駆動力伝達部材を介して、手部の第1の駆動力伝達部材に駆動力が伝達される。第1の駆動力伝達部材とは、複数の独立の対になった歯車などである。第1の駆動力伝達部材は、プーリー(第2のプーリー)と一体として構成されており、それにより、第1の駆動力伝達部材に連結された複数の指関節に対応する第2のプーリーが駆動される。弟2のプーリーから、ワイヤーなどの線状部材を介して連結された第1のプーリーに駆動力が伝達され、その結果、ある一つの指関節あるいは複数の指関節が駆動されることになる。
すなわち、人型のロボットハンドの形状に近づけるため、腕部には、駆動部と第2の駆動力伝達部材を配置し、手部には、第1の駆動力伝達部材(第2のプーリーと一体化)、手指関節となる第1のプーリーを配置させた。第2の駆動力伝達部材と第1の駆動力伝達部材で駆動力を伝達できるようにすることで、腕部の第2の駆動力伝達部材を駆動させて、第1の駆動力伝達部材を駆動させることによって、第2のプーリーを動作させることができ、ひいては第1のプーリーを動作させることができる。つまり、腕部の第2の駆動力伝達部材の動作を制御することによって、指関節の第1のプーリーの動作を制御することができることになる。
第1の駆動力伝達部材と第2の駆動力伝達部材を設けることにより手部と腕部を完全にかつ容易に分離することが可能となり、修理や点検などのメンテナンス性が向上できるといった利点がある。
後述するが、第1の駆動力伝達部材を、手首の回転軸と同軸上に設置することにより、手部を動作させた場合に他のプーリーに対する動作の補償を容易に行うことが可能となる。これは、手部の動作により全てのプーリーが回転することになるが、これらのプーリーが同軸上にあるため、駆動部に送る指関節の関節角度指令値に対する関節角度の補正値あるいは補正係数の算出が容易となるのである。
これにより、指関節や手部を動作させた場合に、他の指関節に対する動作の補償を容易に行うことが可能となる利点がある。
また、本発明に係るロボットハンドは、指関節の可動部を有する手部及び可動部を駆動する駆動力を発生する腕部を有するロボットハンドであって、
1)手部は、
可動部に配置され可動方向に回動する第1のプーリー、
可動部に対して手首側に配置される第2のプーリー、
第2のプーリーを回転させる駆動力を伝達する第1の駆動力伝達部材、
第1のプーリーに固定され、かつ、第2のプーリーに固定される線状部材であって、当該第1のプーリーと当該第2のプーリーとを接続する線状部材、
を有し、
第1の駆動力伝達部材は、第2のプーリーと一体として構成され、第2のプーリーの回転軸と同軸上に存在する回転軸を有し、
2)腕部は、
第1の駆動力伝達部材に前記駆動力を伝達する第2の駆動力伝達部材、
駆動力を発生する駆動部、
駆動部を制御する制御部、
を有し、
指関節の可動部が、第1基節骨部、第2基節骨部、中節骨部の可動部であり、複数の前記可動部に対応して、複数の第1のプーリー、複数の第2のプーリー、複数の第1の駆動力伝達部材が設けられ、
3)制御部は、
第1の駆動力伝達部材の回転で発生する前記第のプーリーの動作干渉を補償するため、第1のプーリーの回転角度補正値を予め算出し、該回転角度補正値を用いて、第2の駆動力伝達部材の関節角度制御を行う構成とされ、可動部を動作させるものである。
かかる構成によれば、手部と腕部がそれぞれユニット化され、腕部に存在する制御部から指関節を動かす信号が出され、その信号に基づいて第2の駆動力伝達部材が駆動される。第2の駆動力伝達部材は、手部の第1の駆動力伝達部材に駆動力が伝達され、さらに第1の駆動力伝達部材に連結された複数の指関節に対応するプーリーが駆動される。その結果、ある一つの指関節あるいは複数の指関節が駆動される。
ここで、制御部において、駆動部に送る指関節の関節角度指令値は動作によって変わるため、当該指令値に対する関節角度の補正値あるいは補正係数を記憶して制御に用いていることにしている。
後述するが、第1の駆動力伝達部材を、手首の回転軸と同軸上に設置することにより、手部を動作させた場合に他のプーリーに対する動作の補償を容易に行うことが可能となる。これは、手部の動作により全てのプーリーが回転することになるが、これらのプーリーが同軸上にあるため、駆動部に送る指関節の関節角度指令値に対する関節角度の補正値あるいは補正係数の算出が容易となるのである。
これにより、指関節や手部を動作させた場合に、他の指関節に対する動作の補償を容易に行うことが可能となる利点がある。
ここで、本発明に係るロボットハンドにおける可動部は、指関節のうち、第1基節骨部、第2基節骨部、中節骨部のいずれかの可動部であることが好ましい。
制御部において、例えばプログラミングされた各指の独立の運動及び従属的な運動に対応する信号により、第2の駆動力伝達部材から第1の駆動力伝達部材に駆動力が伝達されて手首の回転を可能とし、また、第1基節骨部,第2基節骨部、中節骨部の指関節に対応する第1基節骨部プーリー、第2基節骨部プーリー、中節骨部プーリーに伝達されて、指関節が駆動されることになる。
また、本発明に係るロボットハンドにおける複数の指関節の可動部に対応して、複数の第1のプーリーが設けられ、当該第1のプーリーに線状部材を介して接続される複数の第2のプーリーが設けられ、当該第2のプーリーと一体化され同軸で回転する複数の第1の駆動力伝達部材が、同軸上に設けられる構成とされるのが好ましい。
かかる構成によれば、第2のプーリーが配置される軸を中心に手部を動作させた場合、各第2のプーリーが同じように動作させることができることから、第1のプーリーの動作に対する補償を容易に行うことができる。
また、本発明に係るロボットハンドにおける指関節の可動部は、第1指〜第5指における第1基節骨部,第2基節骨部,中節骨部の少なくとも15個の可動部であり、各々の当該可動部に対応する少なくとも15個の第1の駆動力伝達部材が同軸上に設けられることが好ましい。
かかる構成によれば、第1指〜第5指における第1基節骨部,第2基節骨部,中節骨部の関節に相当する少なくとも15個の可動部を動作させることができる。
また、本発明に係るロボットハンドにおける第1の駆動力伝達部は、手首の回転軸と同軸上に設置することが好ましい。
かかる構成により、手首関節の動作は、第1の駆動力伝達部材の回転軸を中心に回転させる動作とすることができる。
第1の駆動力伝達部材を、手首の回転軸と同軸上に設置することにより、手部を動作させた場合に他のプーリーに対する動作の補償を容易に行うことが可能となる。これは、手部の動作により全てのプーリーが回転することになるが、これらのプーリーが同軸上にあるため、駆動部に送る指関節の関節角度指令値に対する関節角度の補正値あるいは補正係数の算出が容易となる。
また、本発明に係るロボットハンドにおける手部と腕部は、第1の駆動力伝達部材と第2の駆動力伝達部材を介して連結・分離されることが好ましい。
手部と腕部が分離可能になることで、部品交換や動作点検などのメンテナンスを別々に行うことが可能であるという利点があるからである。
また、本発明に係るロボットハンドにおける第2の駆動力伝達部材は、前記第1の駆動力伝達部材と1対1で対応するものであることが好ましい。
かかる構成によれば、第2の駆動力伝達部材が可動部の数だけ必要となり、アクチュエータの数が多くなるが、可動部を独立に制御可能であり、より人間の指関節の動作に近づけることが可能となる。
また、本発明に係るロボットハンドにおける第2の駆動力伝達部材は、複数の第1の駆動力伝達部材とN対1(Nは2以上)で対応するものであることが好ましい。
第2の駆動伝達部材を、複数の第1の駆動力伝達部材に対応させることにより、駆動させる指関節より少ないアクチュエータの数で複数の指を制御することが可能となるといった利点がある。これにより、手部を変更することなく用途に合わせて機能を変化させることが可能となる。
制御をシンプルにしたい場合や複雑な動作が必要ない場合に有用である。
また、本発明に係るロボットハンドにおける第2の駆動力伝達部材は、第3指〜第5指の可動部に対応する複数の第1の駆動力伝達部材を一括で動作させるものであることが好ましい。
第2の駆動伝達部材を、第3指〜第5指の可動部に対応する複数の第1の駆動力伝達部材に対応させることにより、第3指〜第5指の可動部を1台のアクチュエータの数で制御することが可能となり、アクチュエータの台数を大幅に減少できるといった利点がある。
制御をシンプルにしたい場合や複雑な動作が必要ない場合に有用である。
また、本発明に係るロボットハンドにおける関連する可動部についての第2のプーリーが隣接して配置されていることが好ましい。
これにより、関連する可動部についての第2のプーリーを一の駆動力発生部によって動作させることができるので、アクチュエータの数を減少させることができる。
また、本発明に係るロボットハンドにおいて、第1指〜第5指における第1基節骨部,第2基節骨部,中節骨部の関節に相当する少なくとも15個の指関節の可動部対応する少なくとも15個の第1の駆動力伝達部材、および手首関節の可動部に対応する手首駆動力伝達部材が同軸上に設けられることが好ましい。
かかる構成によれば、第1指〜第5指における第1基節骨部,第2基節骨部,中節骨部の関節に相当する少なくとも15個の指関節の可動部、手首関節の可動部を動作させることができる。
また、本発明に係るロボットハンドにおける手部は、ある可動部に隣接する隣接可動部に配置される回転部材であって、当該隣接可動部の可動方向に回転する第1回転部材、ある前記可動部に対応する第1のプーリーと同軸の第2回転部材と隣接可動部に対応する第1回転部材とを連結する連結部材、を有することが好ましい。
これにより、一の第1のプーリーを動作させることによって、隣接可動部も動作させることができる。よって、手部の各可動部を動作させるためのアクチュエータの数を減少させることができる。
本発明は、人型のロボットハンドの形状にでき、手部と腕部が分離可能でメンテナンス性に優れ、指先力が得られるといった効果がある。指関節や手部を動作させた場合に、他の指関節に対する動作の補償を容易に行うことが可能となるといった効果がある。
本発明に係るロボットハンド1を示した図である。 人の手の構造を示す図である。 手部3の構成を示す図である。 第二指部32の構成を示す図である。 第一の基節骨部プーリーp321aの構成を示す図である。 第二指部32の一部展開を示す図である。 掌部36の一部展開を示す図である。 手首配置プーリーg321aの構成を示す図である。 ロボットハンド1を手部3と腕部5とに分離した状態を示す図である。 第2の駆動力伝達部材の構成の一実施例を示す図である。 第2の駆動力伝達部材の構成の他の実施例を示す図である。 手部の各関節の関節角度を制御するため手順を示す説明図である。 手部の各関節の関節角度の制御フローチャートを示す。 ロボットハンド1の腕部のモータから手部の指関節の2つのプーリーに駆動力が伝達される様子を模式的に示す。 ロボットハンド1の腕部のモータから手部の指関節の3つのプーリーに駆動力が伝達される様子を模式的に示す。 従来のロボットハンド100を説明するための図である。 従来のロボットハンド810を説明するための図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。
第一 ロボットハンド1の構成
1.全体構成
本実施例に係るロボットハンド1の全体構成について、図1を用いて説明する。ロボットハンド1は、手部3及び腕部5を有している。手部3は、人間の手首から先に該当する部分に対応する。腕部5は、駆動装置d5を有し、手部3の可動部を駆動するための駆動力を発生する。手部3と腕部5とは、手首配置プーリー群g36と腕部プーリー群r5とが噛み合うことによって、駆動装置d5が発生した駆動力を手部3に伝達する。
2.人の手の構造
手部3の構成を説明する前に、人の手の構造について図2を用いて説明する。人の手は、第一指(親指)h1、第二指(人差し指)h2、第三指(中指)h3、第四指(薬指)h4、第五指(小指)h5、及び掌h6を有している。第二指h2は、基節骨b21、中節骨b22、末節骨b23といった三つの指節骨により構成されている。また、掌h6の第二指に対応する中手骨b62と第二指h2の基節骨b21と間に中手指節間関節j21、第二指h2の基節骨b21と中節骨b22との間に近位指節間関節j22、第二指h2の中節骨b22と末節骨b23との間に遠位指節間関節j23が形成される。第三指h3、第四指h4、及び第五指h5についても、同様である。
なお、第一指h1は、第二指h2〜第五指h5とは異なり、二つの指節骨b11、b12により構成されている。また、掌h6の第一指に対応する中手骨b61と第一指h1の指節骨b11との間に中手指節間関節j11、第一指h1の指節骨b11と指節骨b12との間に指節間関節j12が形成される。
3.手部3の構成
手部3の構成を図3を用いて説明する。手部3は、人の第一指(親指)、第二指(人差し指)、第三指(中指)、第四指(薬指)、第五指(小指)、及び掌に対応する第一指部31、第二指部32、第三指部33、第四指部34、第五指部35及び掌部36を有している。
第二指部32は、第一の基節骨部321a、第二の基節骨部321b、中節骨部322、及び末節骨部323を有している。なお、第一の基節骨部321a及び第二の基節骨部321bは人の第二指における基節骨b21に、中節骨部322は人の第二指における中節骨b22に、及び末節骨部323は人の第二指における末節骨b23に、それぞれ対応する。
また、掌部36と第二指部32の第一の基節骨部321aとの接続部には第一の中手指節間ジョイントj321aが、第一の基節骨部321aと第二の基節骨部321bとの接続部には第二の中手指節間ジョイントj321bが、基節骨部321と中節骨部322との接続部には近位指節間ジョイントj322が、中節骨部322と末節骨部323との接続部には遠位指節間ジョイントj323が、それぞれ形成されている。なお、第一の中手指節間ジョイントj321a及び第二の中手指節間ジョイントj321bは中手指節間関節j21に、近位指節間ジョイントj322は近位指節間関節j22に、遠位指節間ジョイントj323は遠位指節間関節j23に、それぞれ対応する。
第三指部33、第四指部34、及び第五指部35についても、同様である。
4.各指部の構成
(1)第二指部32の構成
次に、第二指部32の構成を図3における図4を用いて説明する。図4には、図3における矢印a3方向からみた第二指部32を示している。
・第一の基節骨部321a
第一の基節骨部321aは、コの字形状を有している。第一の基節骨部321aは、上面3211a、下面3212a、及び突出部3213aを有している。上面3211a及び下面3212a、は軸ax21が貫通する孔を有している。第一の基節骨部321aは、掌部36の第二指部固定部材362と軸ax21を介して接続されている。第一の基節骨部321aは、軸ax21に対して矢印a41方向へ回転動作する。突出部3213aは、軸ax22が貫通する孔(図示せず)を有している。
第一の基節骨部プーリーp321aは、上面3211a及び下面3212aのそれぞれに対して固定されている。従って、第一の基節骨部プーリーp321aは、第一の基節骨部321aと一体となって動作する。また、第一の基節骨部プーリーp321aは、軸ax21を介して第一の基節骨部321aの動作方向である矢印a41方向へ回転する。
ここで、第一の基節骨部プーリーp321aの構成を図5を用いて説明する。第一の基節骨部プーリーp321aは、蓋部p321a1、底部p321a2、及び中間部p321a3を有している。蓋部p321a1は、円盤形状を有している。また、蓋部p321a1は、一つの孔p321a4及び四つの孔p321a5を有している。孔p321a4には、軸ax21が貫通する。孔p321a5には、蓋部p321a1と中間部p321a3、底部p321a2を固定するネジ(図示せず)が貫通する。底部p321a2についても同様である。
中間部p321a3は、蓋部p321a1及び底部p321a2の径より小さい径を有する円筒形状を有している。従って、蓋部p321a1、底部p321a2、及び中間部p321a3を一体とすることによって、中間部p321a3にはワイヤーを配置する溝p321a10を形成することができる。中間部p321a3は、一つの孔p321a7、二つのネジ溝付き孔p321a9、及びのネジ溝無し孔p321a8を有している。孔p321a7には、軸ax21が貫通する。孔p321a8には、蓋部p321a1と中間部p321a3、底部p321a2を固定するネジ(図示せず)が貫通する。孔p321a9には、蓋部p321a1と中間部p321a3、底部p321a2を固定するネジと螺合するネジ溝が形成されている。
また、中間部p321a3は、内部に、孔p321a7の周囲を取り囲むように形成されたワイヤー配置孔p321a6を有している。従って、溝p321a10及びワイヤー配置孔p321a6を通るようにワイヤーを配置することによって、ワイヤーの動作と一体に第一の基節骨部プーリーp321aを動作させることができる。
なお、第一の基節骨部プーリーp321a、軸ax21、第一の基節骨部321aの上面3211a及び下面3212aによって、第一の中手指節間ジョイントj321aが形成される。
・第二の基節骨部321b
図4に示すように、第二の基節骨部321bは、四角柱形状を有している。第二の基節骨部321bは、第一の側部3211b、第二の側部3212b、及び突出部3213bを有している。第一の側部3211b及び第二の側部3212bは、第一の基節骨部321a側の端部に軸ax22が貫通する孔(図示せず)を有している。第二の基節骨部321bは、第一の基節骨部321aと軸ax22を介して接続されている。第二の基節骨部321bは、軸ax22に対して矢印a42方向へ回転動作する。突出部3213bは、軸ax23が貫通する孔(図示せず)を有している。第一の側部3211b及び第二の側部3212bは、取り外し可能に構成されている。
第二の基節骨部プーリーp321bは、第一の側部3211b及び第二の側部3212bのそれぞれに対して固定されている。従って、第二の基節骨部プーリーp321bは、第二の基節骨部321bと一体となって動作する。また、第二の基節骨部プーリーp321bは、軸ax22を介して第二の基節骨部321bの動作方向である矢印a42方向へ回転する。第二の基節骨部プーリーp321bの構成については、第一の基節骨部プーリーp321aと同様である。
なお、第二の基節骨部プーリーp321b、軸ax22、第一の基節骨部321aの突出部3213aによって、第二の中手指節間ジョイントj321bが形成される。
・中節骨部322
図4に示すように、中節骨部322は、四角柱形状を有している。中節骨部322は、第一の側部3221、第二の側部3222、及び中間部3223を有している。第一の側部3221及び第二の側部3222は、第二の基節骨部321b側の端部に軸ax23が貫通する孔を有している。第一の側部3221及び第二の側部3222は、中間部3223に対して取り外し可能に構成されている。中節骨部322は、第二の基節骨部321bと軸ax23を介して接続されている。中節骨部322は、軸ax23に対して矢印a43方向へ回転動作する。
中節骨部プーリーp322は、第一の側部3221及び第二の側部3222のそれぞれの第二の基節骨部321bの突出部3213b側に固定されている。従って、中節骨部プーリーp322は、中節骨部322と一体となって動作する。また、中節骨部プーリーp322は、軸ax23を介して中節骨部322の動作方向である矢印a43方向へ回転する。中節骨部プーリーp322の構成については、第一の基節骨部プーリーp321aと同様である。
なお、中節骨部プーリーp322、軸ax23、カムC323(後述)、リンク棒L32(後述)、第二の基節骨部321bの突出部3213bによって、近位指節間ジョイントj322が形成される。
中間部3223から第一の側部3221及び中節骨部プーリーp322を取り外した状態を図6に示す。なお、図6おいては、図4における第二指部32を近位指節間ジョイントj322及び遠位指節間ジョイントj323において屈曲させた状態を示している。
中間部3223は、リンク配置溝3224を有している。リンク配置溝3224には、リンク棒L32が配置される。リンク棒L32の第二の基節骨部321b側の一端T321は、軸ax23と同軸に配置されるカムC323に接続される。また、リンク棒L32の末節骨部323側の一端T322は、軸ax24と同軸に配置されるカムC324に接続される。このように、リンク棒L32は、カムC323とカムC324とを接続するように配置される。よって、中節骨部322の屈曲に連動して、末節骨部323を屈曲させることができる。
なお、軸ax24、カムC324、リンク棒L32によって、遠位指節間ジョイントj323が形成される。
(2)第一指部、第三指部〜第五指部の構成
第一の側部31、第三指部33〜第五指部35についは、第二指部32と同様の構成を有している。
5.掌部36の構成
掌部36の構成について、図3を用いて説明する。掌部36は、第一指部固定部材361、第二指部固定部材362、第三指部固定部材363、第四指部固定部材364、第五指部固定部材365、本体部366、接続部367、及び手首配置プーリー群g36を有している。
第一指部固定部材361は、第一指部31第一の基節骨部311aを介して第一指部31を本体部366に固定する。第二指部固定部材362〜第五指部固定部材365についても、それぞれ同様である。
本体部366は、各指部側に第一指部固定部材361〜365を、手首側に接続部367を、それぞれ有している。本体部366では、左右の側面に接続部367が固定される。
接続部367は、本体部366を横断するように配置されるプーリー固定軸ax36を有している。プーリー固定軸ax36には、第一指部31〜第五指部35に配置されている各プーリーとワイヤーを介して接続されるプーリーである手首配置プーリーからなる手首配置プーリー群g36が配置される。
ここで、手首配置プーリー群g36を図7を用いて説明する。図7は、掌部36の本体部366の上面部を取り除いた状態を示している。手首配置プーリー群g36は、第一指部31から見て、手首配置プーリーg311a、手首配置プーリーg312、手首配置プーリーg311b、手首配置プーリーg321a、手首配置プーリーg322、手首配置プーリーg321b、手首配置プーリーg331a、手首配置プーリーg341a、手首配置プーリーg351a、手首配置プーリーg332、手首配置プーリーg342、手首配置プーリーg352、手首配置プーリーg331b、手首配置プーリーg341b、手首配置プーリーg351bの順番で配置されている。ここで、手首配置プーリーg311a、手首配置プーリーg312、手首配置プーリーg311bは、それぞれ、第一指部31の第一の基節骨部プーリーp311aに接続されるプーリー、第二の基節骨部311bに接続されるプーリー、中節骨部プーリーp312に接続されるプーリーを表している。他の手首配置プーリーについても同様である。
このように、第一指部31〜第五指部35に配置されている各プーリーとワイヤーを介して接続される手首配置プーリーg311a〜g352とを用いて各指部を動作させることにより、手部3と腕部5とを分離することができる。また、手首配置プーリー群g36をプーリー固定軸ax36に配置することによって、プーリー固定軸ax36を中心に手部3を腕部5に対して屈曲させたとしても、屈曲に基づく各指部の動作への動作補償を容易に行うことができる。
また、手首配置プーリーg331b、g341b、g351bを隣接して配置している。このように、各指部の第二の基節骨部331b、341b、351bを動作させる手首配置プーリーg331b、g341b、g351bを隣接して配置することによって、手首配置プーリーg331b、g341b、g351bを一つの駆動装置d5(後述)で動作させることができる。よって、各指部を動作させるための駆動装置d5の数を減少させることができる。手首配置プーリーg332、g342、g352、及び、手首配置プーリーg331a、g341a、g351aについても同様である。
ここで、手首配置プーリーg321aの構成を図8を用いて説明する。手首配置プーリーg321aは、ギア部g321a1、底部g321a2、及び中間部g321a3を有している。ギア部g321a1は、円盤形状を有しており、側面にギア歯が形成されている。また、ギア部g321a1は、中央に配置される一つの孔g321a4及びその回りに配置される四つの孔g321a5を有している。孔g321a4には、プーリー固定軸ax36が貫通する。孔g321a5には、ギア部g321a1と中間部g321a3、底部g321a2を固定するネジ(図示せず)が貫通する。
底部g321a2は、円盤形状を有している。また、底部g321a2は、中央に配置される一つの孔及びその周りに配置される四つの孔を有している。中央に配置される孔には、プーリー固定軸ax36が貫通する。周りに配置される孔には、ギア部g321a1と中間部g321a3、底部g321a2を固定するネジ(図示せず)が貫通する。
中間部g321a3は、ギア部g321a1及び底部g321a2の径より小さい径を有する円筒形状を有している。従って、ギア部g321a1、底部g321a2、及び中間部g321a3を一体とすることによって、中間部g321a3の外周面にはワイヤーを配置する溝g321a9を形成することができる。中間部g321a3は、中央に配置される一つの孔g321a7及びその周りに配置される四つの孔g321a8を有している。孔g321a7には、プーリー固定軸ax36が貫通する。孔g321a8には、ギア部g321a1と中間部g321a3、底部g321a2を固定するネジ(図示せず)が貫通する。また、中間部g321a3は、内部に形成されるワイヤー配置溝g321a6を有している。従って、溝g321a9及びワイヤー配置溝g321a6を通るようにワイヤーを配置することによって、ワイヤーの動作と一体に手首配置プーリーg321aを動作させることができる。なお、孔g321a8には、ギア部g321a1と中間部g321a3、底部g321a2を固定するネジと螺合するネジ溝が形成されている。他の手首配置プーリーについても同様である。
このように、プーリー及びギアを薄型化し、一体として構成することによって、手首配置プーリーg311a〜g352をプーリー固定軸ax36上に一列に配置することができる。これにより、手部3と腕部5とを分離することができる。
6.腕部5の構成
腕部5の構成を図9を用いて説明する。図9は、ロボットハンド1における手部3と腕部5とを分離した状態を示している。腕部5は、掌部36の手首配置プーリー群g36に属する手首配置プーリーのそれぞれと噛み合う腕部プーリーによって形成される腕部プーリー群r5を有している。腕部プーリー群r5は、腕部プーリーr311a、311b、312、・・・(図示せず)を有している。腕部プーリーr311aは手首配置プーリーg311aと、腕部プーリーr311bは手首配置プーリーg311bと、腕部プーリーr312は手首配置プーリーg312と、それぞれ噛み合う。他の腕部プーリーについても同様である。腕部プーリー群r5に属する腕部プーリーは、腕部プーリー固定軸ax5に一列に固定されている。
これにより、腕部5は、腕部プーリー群r5に加えて、腕部プーリー群r5を動作させる制御回路、アクチュエータからなる駆動装置d5を有している。腕部プーリー群r5に属する腕部プーリーのそれぞれは、駆動装置d5によって動作する。
このように、制御回路を介したアクチュエータによる動作制御が可能となるので、各指部の動作制御を容易に行うことができる。また、手部3と腕部5とを分離することができるので、それぞれのメンテナンス性を向上させることができる。さらに、腕部5に駆動装置d5を配置することとしたので、ロボットハンド1の用途に合わせて、自由に駆動装置d5を選択することができる。
次に、図10−1および図10−2を用いて、第2の駆動力伝達部材の構成実施例を説明する。
上述したように、第1の駆動力伝達部材手首の回転軸と同軸上に設置することにより、手部を動作させた場合に他のプーリーに対する動作の補償を容易に行うことが可能となる。駆動力伝達部材は、歯車で構成されており、それらの歯車は同軸上に配置されることになる。第1の駆動力伝達部材と第2の駆動力伝達部材のそれぞれの歯車の対応関係は自由に変更することが可能である。例えば、図10−1に示す図では、第2の駆動力伝達部材の歯車と第1の駆動力伝達部材の歯車を1対1で対応させた場合の実施例である。この実施例の特徴は各関節を個別に駆動させることが可能である点である。
一方、図10−2に示す図では、第2の駆動力伝達部材の歯車と第1の駆動力伝達部材の歯車を1対複数で対応させた場合の実施例である。この実施例の特徴は少ないアクチュエータで複数の関節を動作させることが可能である点である。制御をシンプルにしたい場合や複雑な動作が必要ない場合に有効となる。
上記の例に限らず、自由に第1の駆動力伝達部材の配置を決定することができ、また、第2の駆動力伝達部材の歯車と第1の駆動力伝達部材の歯車の対応関係を自由に決定することができる。
次に、図11を用いて、手部の各関節の関節角度を制御するため手順について説明する。図11は、手部の各関節(手首関節を含む)の関節角度を制御するための実施例である。制御用パソコン(PC)に目標関節角度を入力し、ロボットハンドの機構寸法の設計仕様に基づいて、駆動力伝達部材と第一の基節骨部などで発生する動作干渉を補償するための補正値を計算して、モータに送る関節角度指令値を予め決定する。
ロボットハンド1における腕部5では、与えられた関節角度指令値に対してPID制御などによるトルク制御を行う。腕部で発生するモータトルクは、ワイヤーと歯車を介して各関節に伝えられる。
図12に、手部の各関節の関節角度の制御フローチャートを示す。先ず、手部の各関節および手首関節の目標関節角度を入力し(ステップS01)、ロボットハンドの機構寸法の設計仕様に基づいて、手部の各関節の干渉補正値を算出する(ステップS03)。
ロボットハンドの機構寸法の設計仕様とは、第1のプーリーと第2のプーリーを連結するワイヤーのルートを誘導するプーリーの直径から決定される。そして、手部の各関節および手首関節の関節角度の補正係数をロボットハンドの腕部の制御部に出力する(ステップS05)。
腕部の制御部では、予め設定された関節角度の補正係数に従って、各モータの回転角度を制御する(ステップS07)。腕部の第2の駆動力伝達部材の歯車が回転し(ステップS09)、それに伴い、手部の第1の駆動力伝達部材の歯車が回転する(ステップS11)。第1の駆動力伝達部材の歯車が回転することにより、手部の第1の駆動力伝達部材と一体化された第2のプーリーが回転し(ステップS13)、手部の各関節の第1のプーリーが回転し(ステップS15)、手指関節などの可動部が動くことになる。
次に、図13に、ロボットハンド1の腕部のモータから手部の指関節の2つのプーリー(図4における第二の基節骨部プーリーp321bと中節骨部プーリーp322)に駆動力が伝達される様子を模式的に示す。なお、図13では、中節骨部プーリーp322に対して、干渉補正を行わない場合(図13(1))と、干渉補正を行った場合(図13(2))の違いを示している。
干渉補正を行わずに第二の基節骨321bの関節の第二の基節骨部プーリーp321bを駆動した場合、中節骨部322において、第二の基節骨321bの回転に伴って、第二の基節骨部プーリーp321bにつながる中節骨部プーリーp322が回転してしまう(図13(1)を参照)。この干渉に対して予め計算された設計値に基づいて回転角度補正を行うことにより、図13(2)に示すように、中節骨部プーリーp322を逆回転するように第1の駆動力伝達部材の歯車を回転させるように、第2の駆動力伝達部材の歯車に駆動力を与えることにより、中節骨部322で発生する中節骨部プーリーp322の回転をキャンセルすることが可能となる。
また、図14に、ロボットハンド1の腕部のモータから手部の指関節の3つのプーリー(図4における第一の基節骨部プーリーp321a、第二の基節骨部プーリーp321b、および中節骨部プーリーp322)に駆動力が伝達される様子を模式的に示す。なお、図14では、第二の基節骨部プーリーp321bおよび中節骨部プーリーp322に対して、干渉補正を行わない場合(図14(1))と、干渉補正を行った場合(図14(2))の違いを示している。
ここで、図14および以下の説明においては、第一の基節骨部の関節をMPロール、第二の基節骨部の関節をMPピッチ、中節骨部の関節をPIPピッチと称して説明する。
干渉補正を行わずに、第一の基節骨部321aの関節(MPロール)を駆動した場合、第一基節骨部321a(MPロール)の回転に伴って、第二の基節骨部プーリーp321bならびに中節骨部プーリーp322が回転してしまう。この干渉に対して予め計算された設計値に基づいて回転角度補正を行うことにより、第一基節骨部321a(MPロール)で発生する第二の基節骨部プーリーp321bならびに中節骨部プーリーp322の回転をキャンセルすることが可能となる。
設計値に基づいて回転角度補正を行う計算式の1例を下記式に示す。MPピッチおよびPIPピッチの指令値の算出は、MPピッチおよびPIPピッチの目標値に対して、第1のプーリと第2のプーリの間に配置されている誘導プーリの直径で決定された補正係数による補正を行って算出している。
なお、本発明のロボットハンドにおいては、第1の駆動力伝達部材の歯車を同一軸上に配置しているため、手首の稼働による干渉を設計寸法から容易に角度補正値を計算することが可能である。
[他の実施例]
(1)リンク棒L32、カムC324
前述の実施例1においては、回転部材としてのカムC324及び連結部材としてのリンク棒L32を用いて、中節骨部プーリーp322を動作させることによって、隣接可動部である遠位指節間ジョイントj322も動作させることとしたが、中節骨部プーリーp322を動作させることによって、遠位指節間ジョイントj322ができるものであれば、例示のものに限定されない。例えば、ワイヤーとプーリーとを用いた機構を用いるようにしてもよい。他の遠位指節間ジョイントについても同様である。
(2)手首配置プーリーg311a〜g352
前述の実施例1においては、第1の駆動力伝達部材である手首配置プーリーg311a〜g352のギア(歯車)は、前記第2のプーリーである手首配置プーリーg311a〜g352のプーリーの回転軸であるプーリー固定軸ax36と同軸上に存在する回転軸を有するとしたが、回転軸がプーリー固定軸ax36と同軸上に存在するものであれば、例示のものに限定されない。例えば、ベルト、チェーン、マグネット、カム等用いて同軸上に配置でき駆動力が伝達できる部材を用いるようにしてもよい。
(3)手部の各関節の干渉補正の制御方法について
ロボットハンドの機構寸法の設計仕様に基づいて、手部の各関節の干渉補正値の算出する以外にも、ロボットハンドの各関節に角度センサーをつけて、その信号をフィードバックして制御を行う方法や力センサーをつけて力制御を行う方法でも構わない。
本発明は、ロボットハンドに用いることができ、例えば、ロボットマニピュレータ、義手等に用いることができる。
1・・・・・ロボットハンド
3・・・・・手部
5・・・・・腕部
31・・・・・第一指部
32・・・・・第二指部
33・・・・・第三指部
34・・・・・第四指部
35・・・・・第五指部
36・・・・・掌部
p311a、p321a、p331a、p341a、p351a・・・・・第一の基節骨部プーリー
p311b、p321b、p331b、p341b、p351b・・・・・第二の基節骨部プーリー
m321a,m321b,m322・・・モータ
p312、p322、p332、p342、p352・・・・・中節骨部プーリー
g311a、g312、g311b、g321a、g322、g321b、g331a、g331a、g331a、g332、g342、g352、g331b、g341b、g351b、g300・・・・・手首配置プーリー(手部の第1の駆動力伝達部材)
r311a、r312、r311b、r321a、r322、r321b、r331a、r331a、r331a、r332、r342、r352、r331b、r341b、r351b、r300・・・・・腕部の第2の駆動力伝達部材

Claims (13)

  1. 指関節の可動部を有する手部及び前記可動部を駆動する駆動力を発生する腕部を有するロボットハンドであって、
    前記手部は、
    前記可動部に配置され可動方向に回動する第1のプーリー、
    前記可動部に対して手首側に配置される第2のプーリー、
    前記第2のプーリーを回転させる駆動力を伝達する第1の駆動力伝達部材、
    前記第1のプーリーに固定され、かつ、前記第2のプーリーに固定される線状部材であって、当該第1のプーリーと当該第2のプーリーとを接続する線状部材、
    を有し、
    前記第1の駆動力伝達部材は、前記第2のプーリーと一体として構成され、前記第2のプーリーの回転軸と同軸上に存在する回転軸を有し、
    前記腕部は、
    前記第1の駆動力伝達部材に前記駆動力を伝達する第2の駆動力伝達部材、
    前記駆動力を発生する駆動部、
    を有し、
    前記可動部を動作させる、ことを特徴とするロボットハンド。
  2. 指関節の可動部を有する手部及び前記可動部を駆動する駆動力を発生する腕部を有するロボットハンドであって、
    前記手部は、
    前記可動部に配置され可動方向に回動する第1のプーリー、
    前記可動部に対して手首側に配置される第2のプーリー、
    前記第2のプーリーを回転させる駆動力を伝達する第1の駆動力伝達部材、
    前記第1のプーリーに固定され、かつ、前記第2のプーリーに固定される線状部材であって、当該第1のプーリーと当該第2のプーリーとを接続する線状部材、
    を有し、
    前記第1の駆動力伝達部材は、前記第2のプーリーと一体として構成され、前記第2のプーリーの回転軸と同軸上に存在する回転軸を有し、
    前記腕部は、
    前記第1の駆動力伝達部材に前記駆動力を伝達する第2の駆動力伝達部材、
    前記駆動力を発生する駆動部、
    前記駆動部を制御する制御部、
    を有し、
    前記指関節の可動部が、第1基節骨部、第2基節骨部、中節骨部の可動部であり、複数の前記可動部に対応して、複数の前記第1のプーリー、複数の前記第2のプーリー、複数の前記第1の駆動力伝達部材が設けられ、
    前記制御部は、
    前記第1の駆動力伝達部材の回転で発生する前記第のプーリーの動作干渉を補償するため、前記第1のプーリーの回転角度補正値を予め算出し、該回転角度補正値を用いて、前記第2の駆動力伝達部材の回転角度制御を行い、
    前記可動部を動作させる、ことを特徴とするロボットハンド。
  3. 前記指関節の可動部は、指関節のうち、第1基節骨部、第2基節骨部、中節骨部のいずれかの可動部である請求項1又は2に記載のロボットハンド。
  4. 複数の前記指関節の可動部に対応して、複数の前記第1のプーリーが設けられ、当該第1のプーリーに前記線状部材を介して接続される複数の前記第2のプーリーが設けられ、当該第2のプーリーと一体化され同軸で回転する複数の前記第1の駆動力伝達部材が、同軸上に設けられることを特徴とする請求項1又は2に記載のロボットハンド。
  5. 前記指関節の可動部は、第1指〜第5指における第1基節骨部,第2基節骨部,中節骨部の少なくとも15個の可動部であり、各々の当該可動部に対応する少なくとも15個の前記第1の駆動力伝達部材が同軸上に設けられたことを特徴とする請求項1又は2に記載のロボットハンド。
  6. 前記第1の駆動力伝達部は、手首の回転軸と同軸上に設置したことを特徴とする請求項1又は2に記載のロボットハンド。
  7. 前記手部と前記腕部は、前記第1の駆動力伝達部材と前記第2の駆動力伝達部材を介して連結・分離されることを特徴とする請求項1又は2に記載のロボットハンド。
  8. 前記第2の駆動力伝達部材は、前記第1の駆動力伝達部材と1対1で対応するものであることを特徴とする請求項1又は2に記載のロボットハンド。
  9. 前記第2の駆動力伝達部材は、複数の前記第1の駆動力伝達部材とN対1(Nは2以上)で対応するものであることを特徴とする請求項1又は2に記載のロボットハンド。
  10. 前記第2の駆動力伝達部材は、第3指〜第5指の前記可動部に対応する複数の前記第1の駆動力伝達部材を一括で動作させるものであることを特徴とする請求項5に記載のロボットハンド。
  11. 関連する前記可動部についての前記第2のプーリーが隣接して配置されている、
    ことを特徴とする請求項5に記載のロボットハンド。
  12. 第1指〜第5指における第1基節骨部,第2基節骨部,中節骨部の関節に相当する少なくとも15個の前記指関節の可動部対応する少なくとも15個の前記第1の駆動力伝達部材、および手首関節の可動部に対応する手首駆動力伝達部材が同軸上に設けられたことを特徴とする請求項1又は2に記載のロボットハンド。
  13. 前記手部は、
    ある前記可動部に隣接する隣接可動部に配置される回転部材であって、当該隣接可動部の可動方向に回転する第1回転部材、
    ある前記可動部に対応する前記第1のプーリーと同軸の第2回転部材と前記隣接可動部に対応する前記第1回転部材とを連結する連結部材、
    を有すること、
    を特徴とする請求項1又は2に記載のロボットハンド。
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