JP5629484B2 - 人間のような指を有するロボットハンド - Google Patents
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Description
うな、各指の側方動作(左右動作)や指の部分またはディジットの独立した動きのない、自身を丸め込むような単純化された動きである。
くの利点を有する、3つのディジットと人間のような形状及び動きとを備えるフィンガーを有するロボットハンドのデザインを提供する。ここに記載されたロボットハンドの実施形態は、人間の形状因子に適合する能力、所望のDOF(例えば、ロボットハンド内において配置または支持されるフィンガー当たり3つのDOF)、動作方法、ジョイントを正
確に制御する能力、物体を掴むために十分な力を与える能力、寿命(例えば、腱またはケーブルの摩擦や、さもなければ初期故障を引き起こしたり付加的なメンテナンスを強いたりする他の摩耗を低減する)を備える要素を提供している。
状態で、各接触プーリーの周囲の1/2よりも少なく覆われている。一連のリンクは、(
例えば、人間の指に3つのディジットまたはセグメントをシミュレートするためには)第
1、第2及び第3のディジットまたはディジットリンクを含んでいる。そのようなケースでは、第3のディジットリンクは旋回中心可能に第2のディジットリンクに連結されており、第2のディジットリンクは、同様に、旋回中心可能に第1のディジットリンクに連結されている。第1及び第2のディジットリンクは、これら2つのリンクの各々で終端している一対のテンション要素またはケーブルがあれば、駆動アッセンブリによって独立して駆動または操作可能である。フィンガーアッセンブリには、第3のディジットリンクが第2のディジットリンクの動きによって駆動可能となるように第3のディジットリンクを第2のディジットリンクに連結するための付加的な連結器リンクが含まれている(例えば、第3のディジットリンクは第2のディジットリンクに対して従動またはスレーブリンクとして振る舞うように受動的に駆動されていてもよい)。
手のひら、手首またはその他の部分が人間の形状因子に適合しないまたはふさわしくないような大きさ又は/及びデザインであった。ここで述べるロボットハンドシステムは、ハンド及び各フィンガーが人間の形状因子に適合しつつ多くのジェスチャーを作り出すことが可能となるように15の自由度(DOF)(即ち、1本の指につき3つのDOF)を有するハンドまたはハンドアッセンブリを提供する。各フィンガーまたはフィンガーアッセンブリにおいて、1本のフィンガーにつき4つのジョイントを駆動させるための、テンション要素(例えば、フレキシブルなスチールケーブルまたはワイヤ/ワイヤロープで形成された腱または駆動ケーブル)、結合、及びプーリーがあり、それらは人間のサイズ制限内に抑えつつ1本のフィンガーにつき3つのDOFを備えている。駆動は、4つのテンション要素が各フィンガーについて3つのDOFを駆動させるのに使用されるように、“n+1”のテンション要素または腱を使用する。この方法では、各フィンガーは、ユニークなプーリー及びテンション/駆動配列によって部分的に人間の指の形状を有し、各フィンガーは、人間のような器用さ、ジェスチャー、及び、ロボットハンドのフィンガーの3つのディジットまたはセグメントの動作範囲で駆動される。
2リンク部材(例えば、後記の図面に表されるリンクl1)がベースまたは初期リンク部
材に取り付けられている。プレート124は、5本のフィンガーアッセンブリのうち1本のフィンガーアッセンブリ120(つまり、親指)が他のフィンガーアッセンブリ112,114,116,118とは相対的に異なる位置に配置されて人間の手のひらを再現する形状を成している。そして、フィンガーアッセンブリ112,114,116,118は半円周または他のパターン(例えば、ベースリンク部材が完全に平行に配列していない状態)に配列され、それにより、人間の手の配列に的確に適合し、かつフィンガーアッセンブリ112,114,116,118,120の所望の範囲の側方動作(左右動作)や他の動作が円滑になる。各駆動アッセンブリ160は、対応するフィンガー112,114,116,118,120を操作または駆動するように独立して設けられている(並行操作を含んでもよい)。よって、5本のフィンガーのシステム100において、5つの駆動アッセンブリ160が、ハンドアセンブリ110の5本のフィンガー112,114,116,118,120を駆動するために設けられている。
ンガーアッセンブリ112,114,116,118,120のうち一つのデザインについて説明する。そのような説明は、より人間に似たロボットハンドシステム100を提供するための、図1及び図2のシステム100に示されているいかなる駆動/フィンガー対に対しても適用される。さらに、システム100は、アッセンブリ160の駆動モータに電力を供給する一または一以上の電源を含んでおり、アッセンブリ160はフィンガー112,114,116,118,120ばかりでなく手首130や他のシステム100の部位を選択的に操作及び駆動するための一または一以上のコントローラによって操作される。そのような電源及びコントローラ装置は、発明を実施するために良く使用され、当業者において公知であって、本発明を限定するものではない。駆動モータの数(例えば、各フィンガーについて3個)、腱/駆動ケーブルのプレテンション、及び、他の特徴は本発明において重要であると思われ、それらについては以下に詳述する。
があり、それらは3つのDOFを有する3つのディジットの動きを含んだ使用時においてフィンガー300を駆動するために使用される。
350は、軸線3の周りで旋回するようにピンまたはシャフト356を介してリンク部材340に対して旋回可能に配置されている。従って、ケーブルまたはテンション要素321〜324が作動されたとき、フィンガーアッセンブリ300では、ディジット/リンク部材340に対して相対的にディジット/リンク部材350がシャフト356(軸線3)を中心として独立した動きを生じる(例えば、人間の指のように、第2のディジットは、第1のディジットが動かない状態で動き得る、または第1のディジットが握りこぶしの状態に動くのに伴い動き得る)。一又は一以上のプーリー354はリンク部材350上に、または同リンク部材350の一部として設けることができ、図4はリンク部材350の本体の一部分として形成された単一のプーリー(即ち、p9)を示している。さらに、フィンガーアッセンブリ300は、人間の指の第3のディジットに相当するリンク部材370であって、ピン364を介して第2のディジットまたはリンク部材350に対して旋回可能に配置された別のリンク部材370を含んでいてもよい。軸線4またはシャフト364の周りでの旋回は、リンク部材360(リンクl5)を介したリンク部材350の動きに関係しており、リンク部材360は、両リンク部材340,370に対して旋回可能に取り付けられている。
して直線状になるが、第2のディジットリンクとは独立していない)。
の符号で示され、それらはフィンガー300を作動させるのに使用される、図3に示されたケーブルである。図に示すように、フィンガーアッセンブリ500(例えば、フィンガー300,400でも良い)に関する一連のプーリーのセットは、9個のプーリー要素514,518,520,526,530,540,554を含んでおり、幾つかのプーリーは図に示すようなプーリーp1〜p9を提供すべく、単一軌道プーリー及び2重軌道プーリーである(例えば、プーリー要素またはプーリー514は要素518のように2つの個別のプーリーである一方、要素520,526,540は2重溝プーリーである)。
50における終端点558から、ケーブルまたは腱510はプーリー554の周囲を通り、プーリー540における2つの軌道の一方に接してプーリー540の反対側を通ってSの字を形成している。ケーブルまたは腱510は、プーリー526に連続して(再び軌道の一つに接し)、2つの軌道の一つに対してプーリー520の反対側の周りを通って別のS字状を巻く。ケーブルまたは腱510は、プーリー514への接触を維持するようにフィンガーの内側に向かって僅かに傾斜させるプーリー要素514のプーリーp2部分に連続している。ケーブル510はプーリー520,526,540の内側溝または軌道を使用することに注意されたい。また、重要なこととして、図5に示されたケーブルの軌道は、いかなる螺旋(プーリーを全周すること)を形成する必要はなく、代りに、ケーブル510が(プーリーと腱510との間の接触角度が180°以下で、しばしば90°以下になるように)プーリーを部分的に覆っていることが必要である。これにより、フィンガー500の一連のプーリーの必要な数は増加するが、摩擦量は減少し、フィンガーが人間の指の形状因子に一致するようになる(例えば、縮小化が容易となる)。
な丸まりを収容するように受け入れられている(図8においてはケーブル322,323のみが見えている)。この傾きは各プーリーp1〜p4の部位とケーブルc1〜c4との間の所望の接触を維持するのを補助している。
またはシャフト336(軸線2)の周りで比較的大きな回転角度τで回転することが許容
されており、例えば、第2の垂直位置へ時計周り方向で、少なくとも約75°、より典型的には少なくとも約90°(図では93°)で回転することが許容されている。これらを考慮した場合、図11及び図12は、軸線2の周りでのリンクl1に対するリンクl2の運動範囲を示し、この範囲は、負側に約13°(反時計周り方向)で、正側に約93°(時計周り方向)若しくはそれ以上の範囲である。
さという制約を維持するのに使用される。例えば、図18は、フレキシブル管1830を有するケーブルまたは腱連結アッセンブリ1800を示し、フレキシブル管1830はその一端が駆動アッセンブリにおいてベアリング支持ブロック1810に取り付けられ、他端がベースリンク1820(フィンガーアッセンブリのリンクl0)に取り付けられてい
る。ケーブル腱1840はこの管1830を通して延びている。管1830は腱1840における張力の大きさと等しい圧縮負荷を支持する。図19は、フレキシブル管1900の一実施例を示しており、図に示すように、本実施形態では滑らかな内側面及び外側面を有するという利点を備える、ステンレスワイヤまたはコイル(例えば四角状ステンレスワイヤまたはコイル)1910で形成される管1900が利用されている。管1910は、グラスファイバー含浸テフロン(登録商標)ライナーチューブ等1920で内面を覆われており、スチール腱(例えば、腱1840)と管1910(または管1830)との摩擦を低減する。さらに、これらの要素間の面はテフロン(登録商標)または他の潤滑剤を使用することによって滑らかになっている。
Claims (13)
- ロボットハンドであって、
少なくとも一つのフィンガーアッセンブリと、
ロボットハンド内に含まれる前記少なくとも一つのフィンガーアッセンブリについて、長尺状でかつフレキシブルな4つのテンション要素に選択的に張力を与える駆動アッセンブリと、
を備え、
前記少なくとも一つのフィンガーアッセンブリは、前記テンション要素によって駆動される一連のリンクを備え、
前記リンクは、ピボットジョイントと相互に連結され、
前記各フィンガーアッセンブリはさらに、該フィンガーアッセンブリのテンション要素を支持しかつ案内するために前記リンク上に支持された一連のプーリーを備え、前記テンション要素は、前記ピボットジョイントが、3つの自由度の運動を有するように、前記プーリーのうちいずれか一つのプーリーの周囲の一部のみに延びており、螺旋状に巻回されておらず、
前記駆動アッセンブリは、4つのテンション要素を駆動する3つのアクチュエータで構成されることを特徴とする、ロボットハンド。 - 前記複数のプーリーのうちの少なくとも一部は、螺旋状の巻回を有さない単一溝のプーリーであり、
前記テンション要素は、それぞれケーブルを含むことを特徴とする、請求項1に記載のロボットハンド。 - 前記テンション要素の各々は、前記プーリーのうちのいずれか1つに対してその周囲の半分未満に巻回されていることを特徴とする、請求項2に記載のロボットハンド。
- 前記一連のリンクは、第1のディジットリンク、第2のディジットリンク、及び、第3のディジットリンクを備え、前記第3のディジットリンクは前記第2のディジットリンクに旋回可能に取り付けられるとともに、前記第2のディジットリンクは前記第1のディジットリンクに旋回可能に取り付けられ、前記第1のディジットリンク及び第2のディジッ
トリンクは前記テンション要素に張力を与える前記駆動アッセンブリによって独立して操作可能であることを特徴とする、請求項1に記載のロボットハンド。 - 前記フィンガーアッセンブリはさらに、前記第3のディジットリンクが前記第2のディジットリンクの動きによって受動的な従動リンクとして駆動されるように、前記第3のディジットリンクを前記第2のディジットリンクに連結する追加のリンクを備えることを特徴とする、請求項4に記載のロボットハンド。
- 前記フィンガーアッセンブリはさらに、手のひらプレート、ベースリンク部材、及び、第1のディジット取付リンク部材を備え、前記ベースリンク部材は前記フィンガーアッセンブリを支持するために前記手のひらプレートに固着され、前記第1のディジット取付リンク部材は、第1の軸線を中心として旋回するように前記ベースリンク部材に取り付けられ、前記第1のディジットリンクは前記第1の軸線と交差するように延びる第2の軸線を中心として旋回するように前記第1のディジット取付リンク部材に連結されることを特徴とする、請求項4に記載のロボットハンド。
- 前記第1のディジットリンクの側方移動は、前記ベースリンク部材に対する第1のディジット取付リンク部材の運動範囲によって規定され、該運動範囲は、40°未満であり、前記第1のディジット取付リンク部材に対する第1のディジットリンクの運動範囲は、第2の軸線を中心とした回転角度であって、前記第2の軸線を通る面に対して反時計周り方向には15°未満の回転角度であり、前記第2の軸線を通る前記面に対して時計周り方向には75°〜100°の範囲の回転角度であることを特徴とする、請求項6に記載のロボットハンド。
- 前記テンション要素のうちの第1のテンション要素及び第2のテンション要素は第2のディジットリンク上で終端しており、前記テンション要素のうちの第3のテンション要素及び第4のテンション要素は第1のディジットリンク上で終端することを特徴とする、請求項4に記載のロボットハンド。
- 前記4つのテンション要素は二対のテンション要素を含み、各対の2つのテンション要素は同一のプーリーの両側を同一のプーリーの周囲の一部のみに延びることを特徴とする、請求項1に記載のロボットハンド。
- さらに、前記フィンガーアッセンブリと前記駆動アッセンブリとの間に位置する、関節を有する手首を備えることを特徴とする、請求項1に記載のロボットハンド。
- さらに、前記手首を通じて延びる複数のケーブル管を備え、前記テンション要素の各々は前記ケーブル管のうちの一つを通じて延びることを特徴とする、請求項10に記載のロボットハンド。
- 前記ケーブル管の各々は、ライナチューブで内面を覆われた四角状ワイヤで形成された外壁を備えており、テンション要素の各々は、前記ライナチューブのうちの対応する一つに挿通されたケーブルを含むことを特徴とする、請求項11に記載のロボットハンド。
- 前記フィンガーアッセンブリは、n+1駆動を提供することを特徴とする、請求項1に記載のロボットハンド。
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