JP5690318B2 - ロボットハンド - Google Patents

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    • B25J15/08Gripping heads and other end effectors having finger members
    • B25J15/10Gripping heads and other end effectors having finger members with three or more finger members

Description

本発明は、人間の指のように多数の関節を持ち、物体を把握し、把握した物体を操作することができるロボットハンドに関する。
人間の指のように多数の関節を持つロボットハンドとして、手の甲に対応する基部と、指の基節骨に対応する第一の指リンクと、指の中節骨に対応する第二の指リンクと、指の末節骨に対応する第三の指リンクと、を備えるロボットハンドが知られている。第一の指リンクは基部に回転可能に連結されている。第二の指リンクは第一の指リンクに回転可能に連結されている。第三の指リンクは第二の指リンクに回転可能に連結されている。
ロボットハンドが物体を把握するとき、指で物体を巻き込む。指で物体を巻き込むために、第一の指リンク、第二の指リンク、第三の指リンクが順次曲がるように構成される。典型的なロボットハンドとして、第一の指リンクが曲がると第二の指リンクが第一の指リンクに連動して曲がり、第二の指リンク曲がると第三の指リンクが連動して曲がるように構成されるロボットハンドが知られている。指を曲げる駆動源は、モータ、直動アクチュエータ等のアクチュエータである。駆動源は第一の指リンクに駆動力を付与し、基部に対して第一の指リンクを曲げる。第一の指リンクが曲がると第二の指リンク、第三の指リンクが順次曲がる
しかし、従来の典型的なロボットハンドにあっては、安定して物体を「把握」することができるものの、物体を「操作」することが困難であるという課題がある。「把握」とは物体をにぎりしめることをいい、「操作」とは機械などを操って働かせることをいう。例えば、ロボットハンドに電動ドライバを用いたねじ締め作業を行わせる場合、ロボットハンドは電動ドライバの柄をにぎりしめ(把握)、電動ドライバのトリガを引く(操作)する必要がある。従来の典型的なロボットハンドにあっては、電動ドライバの柄をにぎりしめることは得意であるが、電動ドライバのトリガを引くことが苦手であるという課題がある。
出願人はこの課題を解決するロボットハンドとして、指の各関節に小型のアクチュエータを組み込んだロボットハンドを提案している(特許文献1参照)。このロボットハンドでは、基部と第一の指リンクとの間の第一の関節には、第一のアクチュエータが組み込まれる。第一の指リンクと第二の指リンクとの間の第二の関節には、第二のアクチュエータが組み込まれる。第二の指リンクと第三の指リンクとの間の第三の関節には、第三のアクチュエータが組み込まれる。特許文献1に記載のロボットハンドによれば、第一ないし第三の指リンクを独立して曲げることができるので、物体を把握することも、把握した物体を操作することも可能になる。
特開2002−113681号公報
しかし、特許文献1に記載のロボットハンドにあっては、指の各関節に収納できる大きさのアクチュエータで、人間と同様の指先力(トルク)と指の曲げ角度(ストローク)を得ることが困難であるという課題がある。また、各関節にアクチュエータが設けられるので、アクチュエータの個数が多くなるという課題がある。
そこで、本発明は、人間の手のように、物体を把握し、把握した物体を操作することができ、かつアクチュエータの個数も減らすことができるロボットハンドを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、基部と、前記基部に回転可能に連結される第一の指リンクと、前記第一の指リンクに回転可能に連結される第二の指リンクと、
前記第二の指リンクに回転可能に連結される第三の指リンクと、前記第一の指リンクに対する前記第二の指リンクの相対的な回転と前記第二の指リンクに対する前記第三の指リンクの相対的な回転を連動させる補助リンクと、前記基部に対して前記第一の指リンクが相対的に回転するように、前記第一の指リンクに駆動力を付与する第一のアクチュエータと、前記第一の指リンクに対して前記第二の指リンクが相対的に回転し、かつ前記第二の指リンクに対して前記第三の指リンクが相対的に回転するように、前記第二の指リンク及び前記第三の指リンクの少なくとも一方に駆動力を付与する第二のアクチュエータと、を備え、前記第一のアクチュエータ及び前記第二のアクチュエータは、前記基部に配置されるロボットハンドである。
本発明の他の態様は、基部と、前記基部に回転可能に連結される第一の指リンクと、前記第一の指リンクに回転可能に連結される第二の指リンクと、前記第二の指リンクに回転可能に連結される第三の指リンクと、前記第一の指リンクに対する前記第二の指リンクの相対的な回転と前記第二の指リンクに対する前記第三の指リンクの相対的な回転を連動させる補助リンクと、前記基部に対して前記第一の指リンクが相対的に回転するように、前記第一の指リンクに駆動力を付与する第一のアクチュエータと、前記第一の指リンクに対して前記第二の指リンクが相対的に回転し、かつ前記第二の指リンクに対して前記第三の指リンクが相対的に回転するように、前記第二の指リンク及び前記第三の指リンクの少なくとも一方に駆動力を付与する第二のアクチュエータと、を備え、前記補助リンクは、前記第一の指リンクに回転のみ可能に連結されると共に、前記第三の指リンクに回転のみ可能に連結されるロボットハンドである。
本発明によれば、(1)例えば第一のアクチュエータを停止させた状態で第二のアクチュエータを駆動すると、指の根元(第一の指リンク)を曲げずに指先(第二の指リンク及び第三の指リンク)だけを曲げることができる。また、(2)例えば第一のアクチュエータ及び第二のアクチュエータをほぼ等速で同時に駆動すると、指先(第二の指リンク及び第三の指リンク)を曲げずに根元(第一の指リンク)だけを曲げることができる。このとき、指にアクチュエータの二つ分のトルクを作用させることができる。さらに、(3)例えば第一のアクチュエータ及び第二のアクチュエータを同時にかつ第二のアクチュエータを第一のアクチュエータよりも高速に駆動すると、指の根元(第一の指リンク)も指先(第二の指リンク及び第三の指リンク)も曲げることができる。したがって、人間の手のように物体を把握し、把握した物体を操作する動作が可能になる。
本発明の一実施形態のロボットハンドの指が伸長した状態を示す斜視図 本発明の一実施形態のロボットハンドの平面図 本発明の一実施形態のロボットハンドの側面図 本発明の一実施形態のロボットハンドの側面図 本実施形態のロボットハンドの動作図 本実施形態のロボットハンドの第一及び第二のアクチュエータの他の例を示す図
以下添付図面に基づいて、本発明の一実施形態におけるロボットハンドを説明する。図1は本実施形態のロボットハンドの指が伸長した状態の斜視図を示す。図2はロボットハンドの平面図を示し、図3及び図4はロボットハンドの側面図を示す。この実施形態のロボットハンドは、人間の指に対応して三つの関節を持ち、器用で繊細な物体操作を可能とする。典型的には、他の指と組み合わせて使用されて、多関節多指ハンドを構成する。
まず、ロボットハンドの全体の機構を説明する。ロボットハンドは、人間の手の甲に対応する基部1と、指の基節骨に対応する第一の指リンク11と、指の中節骨に対応する第二の指リンク12と、指の末節骨に対応する第三の指リンク13と、を備える。基部1には第一の指リンク11の基端部が第一の軸21を介して回転可能に連結される。第一の指リンク11の先端部には、第二の指リンク12の基端部が第二の軸を22介して回転可能に連結される。第二の指リンク12の先端部には第三の指リンク13の基端部が第三の軸23を介して回転可能に連結される。第一ないし第三の軸21,22,23は、人間の手の中手指節間関節、近位指節間関節、遠位指節間関節に対応する。第一ないし第三の軸21,22,23は互いに平行である。
補助リンク2は、その一端部が第一の指リンク11に連結軸3を介して回転可能に連結されると共に、その他端部が第三の指リンク13に連結軸4を介して回転可能に連結される(図3及び図4参照)。補助リンク2は、第一の指リンク11に対する第二の指リンク12の相対的な回転と第二の指リンク12に対する第三の指リンク13の相対的な回転を連動させる役割を持つ。第一の指リンク11、第二の指リンク12、第三の指リンク13、補助リンク2は四つのリンクが全て回り対偶によって連鎖をなした四節回転連鎖を構成する。第一の指リンク11を固定したと仮定すると第三の指リンク13はある一定の運動だけが可能になる。
図1に示すように、第一のアクチュエータは、基部1に対して第一の指リンク11が相対的に回転するように、第一の指リンク11に駆動力を付与する。第一のアクチュエータは、本体部31a及び本体部31aに対して直線運動する軸部31b(図2参照)を有する第一の直動アクチュエータ31である。第一の直動アクチュエータ31の本体部31aは、基部1に中心線L1の回りを回転可能に支持される。第一の指リンク11に駆動力を付与できるように、第一の直動アクチュエータ31の軸部31bが第一の指リンク11に回転可能に連結される。第一の直動アクチュエータ31が第一の指リンク11に駆動力を付与すると、基部1に対して第一の指リンク11が相対的に回転する。基部1に対する第一の指リンク11の相対的な回転に伴い、第一の直動アクチュエータ31の本体部31aが基部1に対して中心線L1の回りを揺動する。
第二のアクチュエータは、第一の指リンク11に対して第二の指リンク12が相対的に回転するように、第二の指リンク12に駆動力を付与する。第二のアクチュエータは、本体部32a及び本体部32aに対して直線運動する軸部32bを有する第二の直動アクチュエータ32である。第一の直動アクチュエータ31と第二の直動アクチュエータ32とは大きさが同一である。第二の直動アクチュエータ32の本体部32aは、基部1に中心線L1の回りを回転可能に支持される。第二の直動アクチュエータ32の軸部32bは作動リンク5の基端部に回転可能に連結される。作動リンク5の先端部は第二の指リンク12に回転可能に連結される。第二の直動アクチュエータ32が第二の指リンク12に駆動力を付与すると、第二の指リンク12が第一の指リンク11に対して相対的に回転する。これに連動して、第三の指リンク13が第二の指リンク12に対して回転する。また、第二の直動アクチュエータ32の本体部32aが基部1に対して中心線L1の回りを揺動する。
図5はロボットハンドの動作図を示す。以上のように構成されたロボットハンドによれば、(1)例えば第一の直動アクチュエータ31を停止させた状態で第二の直動アクチュエータ32を駆動すると、指の根元(第一の指リンク11)を曲げずに指先(第二の指リンク12及び第三の指リンク13)だけを曲げることができる(図5(C)→(B)→(A))。言い換えれば、第一の指リンク11が基部1に対して一定の角度を保ったまま、第二の指リンク12を第一の指リンク11に対して相対的に回転させ、かつ第三の指リンク13を前記第二の指リンク12に対して相対的に回転させることができる。
また、(2)例えば第一の直動アクチュエータ31及び第二の直動アクチュエータ32をほぼ等速で同時に駆動すると、指先(第二の指リンク12及び第三の指リンク13)を曲げずに根元(第一の指リンク11)だけを曲げることができる(図5(C)→(D)→(E))。このとき、指に第一及び第二の直動アクチュエータ31,32のトルクを合算したトルクを作用させることができる。
さらに、(3)例えば第一の直動アクチュエータ31及び第二の直動アクチュエータ32を同時にかつ第二の直動アクチュエータ32を第一の直動アクチュエータ31よりも高速に駆動すると、指の根元(第一の指リンク11)も指先(第二の指リンク12及び第三の指リンク13)も曲げることができる(図5(C)→(F))。
次に、ロボットハンドの各部の構造を説明する。図1に示すように、以下の説明において、伸長した指が伸びる方向を前後方向とし、伸長した指と直交する方向を左右方向とする。
基部1は、底部1aと、底部1aの左右方向の端部から垂直に立設する一対の支持壁1b,1cと、を備える。一対の支持壁1b,1c間には、中間壁1dが設けられる。支持壁1bと中間壁1dとの間に第一の直動アクチュエータ31の本体部31aが回転可能に支持される。中間壁1dと支持壁1cの間に第二の直動アクチュエータ32の本体部32aが回転可能に支持される。基部1に対する第一の直動アクチュエータ31の回転の中心線L1と基部1に対する第二の直動アクチュエータ32の回転の中心線L1とは同一線上にある。
第一及び第二の直動アクチュエータ31,32は、ボールねじを用いて軸部を本体部に対して直線運動させる。軸部31b,32bの外周面にはねじが形成される。本体部31a,32aには、軸部31b,32bのねじに螺合するボールねじナットが組み込まれる。本体部31a,32aには、ボールねじナットを回転駆動させるモータ31c,32cが取り付けられる。モータ31c,32cがボールねじナットを回転駆動させると、軸部31b,32bが軸線方向に直線運動する。
基部1には、第一の直動アクチュエータ31及び第二の直動アクチュエータ32のモータを制御するのに適した電力を供給する第一のドライバ33及び第二のドライバが配置される(図1には第一のドライバ33のみが図示されているが、第二の直動アクチュエータ32の下方に第二のドライバが配置される)。第一のドライバ33及び第二のドライバは、モータに電力を供給するPWM(pulse width modulation)インバータ等の電力変換器、操作マニピュレータ等の上位指令器及び後述するセンサからの情報によって電力変換器を制御する制御器を備える。第一のドライバ33及び第二のドライバは、第一及び第二の直動アクチュエータ31,32のいずれか一方を主軸とし、他方を従軸とした同期制御を行う。
第一の直動アクチュエータ31の軸部31bは、第一のアダプタ35を介して第一の指リンク11に回転可能に連結される。第一のアダプタ35は、第一の指リンク11に固定される本体部35aと、本体部35aから二股に分かれた一対の軸支持部35bと、を備える。一対の軸支持部35bには連結軸28が回転可能に支持される。連結軸28には第一の直動アクチュエータ31の軸部31b(図2参照)が連結される。
第二の直動アクチュエータ32の軸部32bは、第二のアダプタ36を介して作動リンク5に回転可能に連結される。第二のアダプタ36は、第二の直動アクチュエータ32の軸部32bに連結される本体部36aと、本体部36aの左右方向の端部から前方に二股に分かれて突出する一対の連結片36bと、を備える。一対の連結片36bには、連結軸37が設けられる。連結軸37には、作動リンク5の基端部が回転可能に連結される。
基部1の前端部は断面U字形に形成される。基部1の前端部の一対の支持壁1eには、第一の指リンク11を回転可能に支持する第一の軸21が架け渡される。基部1にはセンサ38(図3参照)が取り付けられる。このセンサ38は、例えばX・Y・Z方向の力およびトルクを同時にリアルタイムに検出する6軸力覚センサからなる。
図1に示すように、第一の指リンク11は、断面がU字形に形成されており、底部と、底部の左右方向の端部から垂直に立設する一対の側壁部11aと、を有する。第一の指リンク11の一対の側壁部11aが基部1の先端部の一対の支持壁1e間に嵌め込まれる。第一の指リンク11の一対の側壁部11aの先端部には第二の軸22が設けられる。第二の軸22に第二の指リンク12が回転可能に支持される(図3参照)。第一の指リンク11には例えば6軸力覚センサからなるセンサ39(図3参照)が取り付けられる。
第二の指リンク12は、断面がU字形に形成されており、底部と、底部の左右方向の端部から垂直に立設する一対の側壁部12aと、を有する。第二の指リンク12の一対の側壁部12aが第一の指リンク11の一対の側壁部11a間に嵌め込まれる。第二の指リンク12の一対の側壁部12aの先端部には第三の軸23が設けられる。第三の軸23に第三の指リンク13が回転可能に支持される。第二の指リンク12の一対の側壁部12aの基端部には連結軸6が設けられる。この連結軸6は作動リンク5の先端部に連結される(図4参照)。一対の側壁部12aには連結軸4との干渉を避けるように切り欠き12b(図4参照)が形成される。
第三の指リンク13は、断面がU字形に形成されており、底部と、底部の左右方向の端部から垂直に立設する一対の側壁部13aと、を有する。第三の指リンク13の一対の側壁部13aの内側に第二の指リンク11の一対の側壁部12aが嵌め込まれる。第三の指リンク13の一対の側壁部13aの基端部には、連結軸4が設けられる。この連結軸4に補助リンク2が回転可能に連結される。第三の指リンク13には例えば6軸力覚センサからなるセンサ40(図3参照)が取り付けられる。
作動リンク5は前後方向に細長い板状に形成される。作動リンク5の基端部はアダプタ36の連結軸28に回転可能に連結される。作動リンク5の先端部は第二の指リンク12の連結軸6に回転可能に連結される。
補助リンク2は前後方向に細長い板状に形成される。補助リンク2の基端部は第一の指リンク11の連結軸3(図3参照)に回転可能に連結される。補助リンク2の先端部は第三の指リンク13の連結軸4(図3参照)に連結される。
以上に本実施形態のロボットハンドの構成を説明した。本実施形態のロボットハンドによれば以下の効果を奏する。指を動作させる第一の直動アクチュエータ31及び第二の直動アクチュエータ32の本体部31a,32aが基部1に配置されるので、人間の指と同様の大きさの力(関節トルク)を持った上で、人間の指と同等の大きさに指を小型化することができる。また、第一ないしの第三の指リンク11,12,13が物体にぶつかっても、あるいは水に浸かっても、第一及び第二の直動アクチュエータ31,32を保護することができる。
基部1に対する第一の直動アクチュエータ31の回転の中心線L1と基部1に対する第二の直動アクチュエータ32の回転の中心線L1とを同一の線上に配置することで、第一及び第二の直動アクチュエータ31,32の制御が容易になる。
第二の直動アクチュエータ32が作動リンク5を介して第二の指リンク12に駆動力を付与するので、第二の指リンク12から離れた位置にある基部1に第二の直動アクチュエータ32を配置することが可能になる。
補助リンク2を第一の指リンク11及び第三の指リンク13に回転可能に連結することで、第一の指リンク11の回転と第三の指リンク13の回転を連動させることができる。
本発明は上記実施形態に限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で以下の記載の様々な実施形態に変更可能である。
上記実施形態では、ロボットハンドの指が三つの関節を有しているが、ロボットハンドの指が四つの関節を有していてもよい。この場合、第三の指リンクの先端に第四の指リンクが回転可能に連結される。そして、第二のリンクに対する第三のリンクの相対的な回転と第三の指リンクに対する第四のリンクの相対的な回転を連動させるように、第二の補助リンクが第二の指リンク及び第四の指リンクに回転可能に連結される。
上記実施形態では、第一ないし第三の指リンク11,12,13、及び補助リンク2を回り対偶によって連鎖をなす四節回転連鎖に構成しているが、四つの回り対偶のうちの少なくとも一つをすべり対偶に置き換えることもできる。
上記実施形態では、作動リンク5を介して第二の直動アクチュエータ32から第二の指リンク12に駆動力を付与しているが、第二の直動アクチュエータから第二の指リンクに直接駆動力を付与することもできる。また、作動リンクを介して第二の直動アクチュエータから補助リンクに駆動力を付与することもできるし、作動リンクを介して第二の直動アクチュエータから第三の指リンクに駆動力を付与することもできる。
上記実施形態では、指を作動させる駆動源として、基部1に設けた第一及び第二の直動アクチュエータ31,32を使用しているが、基部1に設けた図6に示す第一及び第二の減速機付き回転モータ41,42を使用することもできる。この場合、第一及び第二の減速機付き回転モータ41、42の出力軸41a,42aにはレバー43が固定される。第一の減速機付き回転モータ41はレバー43を介して第一の指リンク11を回転させる。第二の減速機付き回転モータ42はレバー43を開始して第二の指リンク12を回転させる。
上記実施形態では、指を作動させる駆動源として、基部1に設けた第一及び第二の直動アクチュエータ31,32を使用しているが、人間の手の中手指節間関節に対応する位置に第一の回転モータを設け、基部に対して第一のリンクが相対的に回転するようにすることもできる。また、人間の手の近位指節間関節に対応する位置に第二の回転モータを設け、第一のリンクに対して第二のリンクが相対的に回転するようにすることもできる。
上記実施形態では、ボールねじを用いた第一及び第二の直動アクチュエータ31,32を使用しているが、ボールねじを用いた第一及び第二の直動アクチュエータ31,32の替わりに、空圧又は油圧シリンダー、リニアモータ、人工筋アクチュエータ等を使用することができる。
上記実施形態では、第一ないし第三の軸21,22,23、連結軸3,4を軸の径に合わせた穴に嵌めているが、長穴に嵌めることもできる。この場合、第一ないし第三の指リンク11,12,13が一定の運動だけが可能になるように、第一ないし第三の軸21,22,23、連結軸3,4を長穴の長さ方向の一端部に付勢するばねを設ける必要がある。
本発明のロボットハンドは、人間型ロボット、産業用ロボット等のロボットのエンドエフェクタとして使用することができる。この他にも、人間の手の代わりになる義手として使用することができる。
1…基部,2…補助リンク,5…作動リンク,11…第一の指リンク,12…第二の指リンク,13…第三の指リンク,21…第一の軸,22…第二の軸,23…第三の軸,31…第一の直動アクチュエータ(第一のアクチュエータ),31a…第一の直動アクチュエータの本体部,31b…第一の直動アクチュエータの軸部,32…第二の直動アクチュエータ(第二のアクチュエータ),32a…第二の直動アクチュエータの本体部,32b…第二の直動アクチュエータの軸部,L1…中心線

Claims (5)

  1. 基部と、
    前記基部に回転可能に連結される第一の指リンクと、
    前記第一の指リンクに回転可能に連結される第二の指リンクと、
    前記第二の指リンクに回転可能に連結される第三の指リンクと、
    前記第一の指リンクに対する前記第二の指リンクの相対的な回転と前記第二の指リンクに対する前記第三の指リンクの相対的な回転を連動させる補助リンクと、
    前記基部に対して前記第一の指リンクが相対的に回転するように、前記第一の指リンクに駆動力を付与する第一のアクチュエータと、
    前記第一の指リンクに対して前記第二の指リンクが相対的に回転し、かつ前記第二の指リンクに対して前記第三の指リンクが相対的に回転するように、前記第二の指リンク及び前記第三の指リンクの少なくとも一方に駆動力を付与する第二のアクチュエータと、を備え
    前記第一のアクチュエータ及び前記第二のアクチュエータは、前記基部に配置されるロボットハンド。
  2. 前記第一のアクチュエータは、本体部及び前記本体部に対して直線運動する軸部を有する第一の直動アクチュエータであり、
    前記第二のアクチュエータは、本体部及び前記本体部に対して直線運動する軸部を有する第二の直動アクチュエータであり、
    前記第一の直動アクチュエータの前記本体部及び前記第二の直動アクチュエータの前記本体部が、前記基部に配置されることを特徴とする請求項に記載のロボットハンド。
  3. 前記第一の直動アクチュエータの前記本体部は、前記基部に回転可能に支持され、
    前記第二の直動アクチュエータの前記本体部は、前記基部に回転可能に支持され、
    前記基部に対する前記第一の直動アクチュエータの回転の中心線と前記基部に対する前記第二の直動アクチュエータの回転の中心線とが実質的に同一線上にあることを特徴とする請求項に記載のロボットハンド。
  4. 前記ロボットハンドはさらに、前記第二の直動アクチュエータの前記軸部に回転可能に連結されると共に、前記第二の指リンク又は前記補助リンクに回転可能に連結される作動リンクを備え、
    前記第二の直動アクチュエータは、前記作動リンクを介して前記第二の指リンクに駆動力を付与することを特徴とする請求項又はに記載のロボットハンド。
  5. 基部と、
    前記基部に回転可能に連結される第一の指リンクと、
    前記第一の指リンクに回転可能に連結される第二の指リンクと、
    前記第二の指リンクに回転可能に連結される第三の指リンクと、
    前記第一の指リンクに対する前記第二の指リンクの相対的な回転と前記第二の指リンクに対する前記第三の指リンクの相対的な回転を連動させる補助リンクと、
    前記基部に対して前記第一の指リンクが相対的に回転するように、前記第一の指リンクに駆動力を付与する第一のアクチュエータと、
    前記第一の指リンクに対して前記第二の指リンクが相対的に回転し、かつ前記第二の指リンクに対して前記第三の指リンクが相対的に回転するように、前記第二の指リンク及び前記第三の指リンクの少なくとも一方に駆動力を付与する第二のアクチュエータと、を備え、
    前記補助リンクは、前記第一の指リンクに回転のみ可能に連結されると共に、前記第三の指リンクに回転のみ可能に連結されるロボットハンド。
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