JP5767563B2

JP5767563B2 - 多指型ハンド装置

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Publication number: JP5767563B2
Application number: JP2011241493A
Authority: JP
Inventors: 安弘山崎; 寛則和井田; 里樹松本; 政義國生
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2011-11-02
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2031-11-02
Also published as: US8672378B2; JP2013094916A; US20130106128A1

Description

本発明は、人間の手を模倣した多指型ハンド装置に関するものである。

近年、人間の手を模倣した多指型ハンド装置が知られている。この種の多指型ハンド装置は、手の平および手の甲に相当する基部と、人間の５本の指にそれぞれ対応する複数の指機構と、を備えている。

このような多指型ハンド装置として、例えば特許文献１では、手首アクチュエータと、指アクチュエータと、手首アクチュエータおよび指アクチュエータの駆動を制御する下腕制御装置と、下腕部内および手内に配置された電子機器に電圧制御電力を供給するＤＣ電力調整器と、を備える人間型ロボット用の下腕アセンブリが提案されている。

また、特許文献２では、腕部ユニットにおける自由度を有する部位に配置された複数のアクチュエータと、腕部ユニットの肩部分に配置された、個々のアクチュエータを制御するためのサブ制御部と、サブ制御部に制御コマンドを送出するメイン制御部と、を備えるロボット装置が提案されている。

特開２０１１−６７９３２号公報（図３および図４Ａ参照）特許第４６４５８９７号公報（図４参照）

しかしながら、特許文献１および特許文献２で提案された技術は、指や手首等を駆動させるアクチュエータの動作や、各部材に供給する電圧を制御する制御部等が、当該アクチュエータと離れた位置に配置されている。従って、アクチュエータと制御部等を接続する配線が長くなり、配線の取り回しが困難となったり、ロボットの動作によって配線が破損または切断される可能性があった。

本発明は、前記した問題点に鑑み創案されたものであり、ロボットの指先等を駆動させる部材とこれらの部材を制御する部材とを接続する配線の取り回しを容易に行うことができる多指型ハンド装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために本発明に係る多指型ハンド装置は、腕部の先端側に設けられた手首部と、当該手首部の先端に接続され、手の外装の内部に設けられた基部と、当該基部の先端から延設された複数の指機構と、からなる多指型ハンド装置であって、前記手首部が、外部からの圧力を検出する手首センサを内部に備え、前記複数の指機構のうちの少なくとも一つが、外部からの圧力を検出する指先センサを内部に備え、前記基部が、枠状のフレーム部と、当該フレーム部の内部に収納され、接触圧を検出する触覚センサと、前記手首センサの出力と、前記指先センサの出力と、前記触覚センサの出力と、を制御する第１基板と、第２基板と、を備え、前記第１基板および前記第２基板が、前記フレーム部を上下から挟むように互いに対向して配置される構成とした。

このような構成を備える多指型ハンド装置は、３つのセンサと、当該３つのセンサの出力を制御する第１基板と、当該３つのセンサの出力を変換する第２基板と、が全て装置の内部に内蔵されているため、各部材を接続する配線が短くなり、配線の取り回しが容易となる。また、多指型ハンド装置は、フレーム部を挟み込むように第１基板および第２基板を対向配置させることで、例えば第１基板および第２基板を手の甲側や手のひら側に２枚や重ねて配置した場合と比較して、フレーム部内部の部材との配線の取り回しが容易となる。

また、本発明に係る多指型ハンド装置は、前記フレーム部が、前記複数の指機構の延設方向と直交する方向に延出し、当該複数の指機構の後端を上側から支持する第１指機構支持部と、前記第１指機構支持部の両端に接続される枠状のメインフレーム部と、からなり、前記メインフレーム部が、前記手首部の先端と接続される環状の手首フレーム部と、前記手首フレーム部の端部から前記複数の指機構の方向に向かって平行に延出し、それぞれの先端が前記第１指機構支持部の両端と接続される一対のサイドフレーム部と、前記複数の指機構の延設方向と直交する方向に延出し、前記一対のサイドフレーム部の先端と後端の間の中間部を接続するとともに、前記複数の指機構の後端を下側から支持する第２指機構支持部と、を備え、前記第１基板および前記第２基板が、前記メインフレーム部の上端および下端よりも内側に配置されることが好ましい。

このような構成を備える多指型ハンド装置は、フレーム部を外枠形状にすることで、剛性を確保しつつ、内部に部材を格納することでき、その厚みを薄くすることができる。また、多指型ハンド装置は、基部の先端に延設される複数の指機構を第１指機構支持部と第２指機構支持部とによって上下から支持することで、複数の指機構を強固に固定することができ、例えばぐらつき等による制御の誤差を防止することができる。

また、本発明に係る多指型ハンド装置は、前記一対のサイドフレーム部のうちの一方が、前記手首フレーム部の端部側が上方に屈曲して形成されていることが好ましい。

このような構成を備える多指型ハンド装置は、複数の指機構のうちの拇機構が接続される部位である、サイドフレーム部における手首フレーム部の端部側に屈曲部を設けることで、当該拇機構が駆動するスペースを確保することができる。

また、本発明に係る多指型ハンド装置は、前記指機構が、複数の関節部を備え、前記複数の関節部の周囲に前記指先センサと前記第２基板とをつなぐ信号線の配線経路が形成され、当該配線経路に前記信号線が配線されていることが好ましい。

このような構成を備える多指型ハンド装置は、関節部の周囲に信号線を配線することで、信号線の長さを極力短くすることができるとともに、関節部を駆動させた際に信号線にたわみが生じて指機構内部の他の部材と干渉することを防止することができる。

本発明に係る多指型ハンド装置によれば、装置内の部材が全て近い距離に配置されているため、配線の取り回しが容易となる。また、多指型ハンド装置によれば、３つのセンサとこれを制御する基板とが近接して配置されているため、当該センサの出力値にノイズが混入することを防止することができる。

本発明の実施形態に係る多指型ハンド装置を上からみたものを示す斜視図である。本発明の実施形態に係る多指型ハンド装置を下からみたものを示す斜視図である。本発明の実施形態に係る多指型ハンド装置のフレーム部を示す斜視図である。本発明の実施形態に係る多指型ハンド装置の基部および基部周囲の外装部材を横からみたものを示す側面図であって、（ａ）は各構成を分解した状態を示す側面図、（ｂ）は各構成を組み上げた状態を示す側面図、である。本発明の実施形態に係る多指型ハンド装置の指機構の内部構成を示す断面図である。

本発明に係る多指型ハンド装置について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、各実施形態について、同一の構成については同一の名称及び符号を付し、詳細説明を適宜省略する。また、以下で参照する図面では、説明の便宜上、部材の大きさや形状を誇張、あるいは一部の構成の描写を省略している場合がある。

以下、本発明の実施形態に係る多指型ハンド装置１について、図１〜図５を参照しながら詳細に説明する。多指型ハンド装置１は、人間の手を模倣した装置であり、物をつかみ、持ち上げ、または運ぶためのものである。多指型ハンド装置１は、図示を省略した自律移動型の２足移動ロボットの腕部の先端側に配置され、例えばロボットの胸部等に配置されたメイン制御部から入力される制御信号に従って、後記する２つの制御基板によって各部材の動作を制御する。多指型ハンド装置１は、ここでは図１に示すように、手首部１０と、基部２０と、指機構３０と、を備えている。

手首部１０は、人間の手首に相当するものである。手首部１０は、図示を省略した腕部の先端に設けられる。手首部１０は、図１に示すように、外装部材１１と、手首センサ１２と、を備えている。

外装部材１１は、手首部１０の周囲を覆うものであり、手首部１０内部の部材を衝撃等から保護するものである。また、手首センサ１２は、外部からの圧力を検出するものである。手首センサ１２は、具体的には、多指型ハンド装置１の指機構３０に作用する反力の３方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、モーメントの３方向成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚと、を検出する６軸力センサで構成される。

基部２０は、人間の手の甲および手のひらに相当するものである。基部２０は、図１に示すように、手首部１０の先端に接続される。なお、基部２０の周囲は手首部１０と同様に外装部材で覆われているが、図１では図示を省略している。基部２０は、図１および図２に示すように、フレーム部２１と、第１基板２３と、第２基板２４と、触覚センサ２５と、を備えている。なお、基部２０は、内部に指機構油圧シリンダ（第１シリンダ３２４）を備えているが、その説明は後記する。

フレーム部２１は、基部２０の骨格となるものである。フレーム部２１は、図３に示すように、枠状に形成される。また、フレーム部２１は、図３に示すように、第１指機構支持部２１１と、メインフレーム部２１２と、を備えている。

第１指機構支持部２１１は、人間の手のこぶしに相当するものである。第１指機構支持部２１１は、図１および図３に示すように、複数の指機構３０の延設方向と直交する方向に延出し、当該複数の指機構３０の後端を上側から支持する。また、第１指機構支持部２１１には、図３に示すように、複数の指機構３０の後端を上側から締結する締結部材Ｂ（図１参照）が挿通される貫通穴Ｈ_１が形成されている。

メインフレーム部２１２は、フレーム部２１の主要部材となるものである。メインフレーム部２１２は、図３に示すように、手首フレーム部２１２ａと、サイドフレーム部２１２ｂ，２１２ｃと、第２指機構支持部２１２ｄと、を備えている。

手首フレーム部２１２ａは、図３に示すように、環状に形成され、手首部１０の先端と接続される。また、手首フレーム２１２ａには、図３に示すように、手首センサ１２（図１参照）がはめ込まれる貫通穴Ｈ_２が形成されている。

サイドフレーム部２１２ｂ，２１２ｃは、図３に示すように、手首フレーム部２１２ａの左右の端部から複数の指機構３０の方向（図３における左側）に向かって平行に延出して形成される。また、サイドフレーム部２１２ｂ，２１２ｃは、図３に示すように、それぞれの先端が第１指機構支持部２１１の両端と接続される。

第２指機構支持部２１２ｄは、図１および図２に示すように、複数の指機構３０の延設方向と直交する方向に延出し、当該複数の指機構３０の後端を下側から支持する。また、第２指機構支持部２１２ｄには、図３に示すように、複数の指機構３０の後端を下側から締結する締結部材Ｂ（図２参照）が挿通される貫通穴Ｈ_３が形成されている。

なお、サイドフレーム部２１２ｂ，２１２ｃのうちの一方には、図３に示すように、屈曲部Ｒが形成されている。すなわち、サイドフレーム部２１２ｂ，２１２ｃは、ここでは図３に示すように、サイドフレーム２１２ｂの後端（手首フレーム部２１２ａの端部側）が上方に屈曲するような形状に形成されている。ここで、サイドフレーム２１２ｂの後端は、図１および図２に示すように、複数の指機構３０のうちの拇機構３１が接続される部位である。従って、多指型ハンド装置１は、このような屈曲部Ｒを設けることで、拇機構３１が駆動するスペースを確保することができる。以下、図１および図２に戻って基部２０の残りの構成について説明する。

第１基板２３は、複数のセンサの出力を制御する制御モジュール（制御基板）である。第１基板２３は、具体的には、手首センサ１２の出力と、後記する指先センサ３２１（図５参照）の出力と、後記する触覚センサ２５の出力と、を制御する。ただし、第１基板２３は、単体で複数のセンサの出力を制御するものではなく、例えばロボットの胸部等に配置されたメイン制御部（図示省略）の制御に従って前記した制御信号を生成するサブ制御部である。

第１基板２３は、図１および図４（ａ）、（ｂ）に示すように、手の甲側であるフレーム部２１の上部に配置される。すなわち、第１基板２３は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、基部２０内の最上部であって、基部２０の上部を覆う外装部材２６ａの直下に配置される。また、第１基板２３は、図４（ｂ）に示すように、フレーム部２１の内部、すなわちメインフレーム部２１２の上端よりも内側に配置される。このように、多指型ハンド装置１は、第１基板２３がフレーム部２１の内部に配置されるため、第１基板２３と、当該第１基板２３によって制御される指先センサ３２１等の部材と、が近接して配置されることになるため、各部材を接続する配線が短くなり、配線の取り回しが容易となる。

第２基板２４は、複数のセンサの出力を変換するパワーモジュール（デジタル変換基板）である。第２基板２４は、ロボットの胸部等に配置されたメイン制御部（図示省略）の制御に従って、基部２０内に配置された触覚センサ２５等の出力を変換する。

第２基板２４は、図２および図４（ａ）、（ｂ）に示すように、手のひら側であるフレーム部２１の下部に配置される。すなわち、第２基板２４は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、後記する触覚センサ２５の直上に配置される。また、第２基板２４は、図４（ｂ）に示すように、フレーム部２１の内部、すなわちメインフレーム部２１２の下端よりも内側に配置される。このように、多指型ハンド装置１は、第２基板２４がフレーム部２１の内部に配置されるため、第２基板２４と、指先センサ３２１等の部材と、が近接して配置されることになるため、各部材を接続する配線が短くなり、配線の取り回しが容易となる。なお、第１基板２３と第２基板２４とは、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、フレーム部２１を上下から挟むように互いに対向して配置される。

触覚センサ２５は、触覚圧を検出するものである。触覚センサ２５は、図２および図４（ａ）、（ｂ）に示すように、手のひら側であるフレーム部２１の下部に配置される。すなわち、触覚センサ２５は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、基部２０の最下部であって、基部２０の下部を覆う外装部材２６ｂの直上に配置される。これにより、触覚センサ２５は、外装部材２６ｂを介して入力される触覚圧を検出する。

指機構３０は、人間の指に相当するものである。指機構３０は、図１および図２に示すように、人間の指と同様に複数設けられ、基部２０の先端からそれぞれ延設される。指機構３０は、図１および図２に示すように、第１指機構支持部２１１と、第２指機構支持部２１２ｄと、の間でそれぞれ複数の締結部材Ｂによって締結されている。指機構３０は、具体的には図１および図２に示すように、拇機構３１と、示指機構３２と、中指機構３３と、環指機構３４と、小指機構３５と、を備えており、その内の示指機構３２、中指機構３３、環指機構３４および小指機構３５が、基部２０の先端からそれぞれ延設されるとともに、第１指機構支持部２１１と、第２指機構支持部２１２ｄと、の間でそれぞれ複数の締結部材Ｂによって締結されている。また、複数の指機構３０の内の拇機構３１は、基部２０の下方から延設されるとともに、図示しない締結部材によってメインフレーム部２１２に締結されている。

以下、指機構３０の具体的な構成について、図５を参照しながら説明する。なお、以下では、複数の指機構３０を代表して示指機構３２の具体的構成について説明するが、その他の拇機構３１、中指機構３３、環指機構３４および小指機構３５についても同様の構成を備えている。

示指機構３２は、図５に示すように、第１指部３２Ａと、第２指部３２Ｂと、第３指部３２Ｃと、に区分され、指先センサ３２１と、第１関節部３２２と、第２関節部３２３と、第１シリンダ３２４と、第２シリンダ３２５と、第３関節部３２７と、を備えている。また、示指機構３２における指先センサ３２１、第１関節部３２２、第２関節部３２３、第１シリンダ３２４および第３関節部３２７は、図５に示すように、外装部材３２６によって覆われている。

指先センサ３２１は、外部からの圧力を検出するものである。指先センサ３２１は、図５に示すように、示指機構３２の先端である第１指部３２Ａに配置され、外装部材３２６を介して入力される圧力を検出する。指先センサ３２１は、複数の指機構３０のうちの少なくとも一つに備えていればよく、示指機構３２以外の指機構３０や、複数の指機構３０のそれぞれに備えられている構成であっても構わない。但し、指先センサ３２１は、多指型ハンド装置１を物をつかむ用途に利用する場合は、複数の指機構３０のうちの少なくとも二つ備える必要がある。

第１関節部３２２は、第１指部３２Ａを回動させるものである。第１関節部３２２は、図５に示すように、第１指部３２Ａと第２指部３２Ｂとの間に設けられる。そして、第１関節部３２２は、後記する第１シリンダ３２４および第２シリンダ３２５の駆動に従って、第１指部３２Ａを所定角度回動させる。

第２関節部３２３は、第２指部３２Ｂを回動させるものである。第２関節部３２３は、図５に示すように、第２指部３２Ｂと第３指部３２Ｃとの間に設けられる。そして、第２関節部３２３は、後記する第２シリンダ３２５の駆動に従って、第２指部３２Ｂを所定角度回動させる。また、第３関節部３２７は、第３指部３２Ｃを回動させるものである。

ここで、第１関節部３２２の周囲と第２関節部３２３の周囲には、図５に示すように、指先センサ３２１と第２基板２４（図２参照）とを接続する信号線Ｌの配線経路３２２ａ，３２３ａが形成されている。すなわち、第１関節部３２２のおよび第２関節部３２３の周囲には所定幅の間隙が設けられており、信号線Ｌを取り回しできるように構成されている。従って、多指型ハンド装置１は、第１関節部３２２および第２関節部３２３の周囲に信号線Ｌを配線することで、信号線Ｌの長さを極力短くすることができるとともに、第１関節部３２２および第２関節部３２３を駆動させた際に信号線Ｌにたわみが生じて指機構３０内部の他の部材と干渉することを防止することができる。

第１シリンダ（指機構油圧シリンダ）３２４および第２シリンダ（指機構油圧シリンダ）３２５は、第１関節部３２２、第２関節部３２３および第３関節部を回動させるものである。第１シリンダ３２４および第２シリンダ３２５は、公知のシリンダ機構を用いることができるため、詳細な説明は省略する。

以上のような構成を備える多指型ハンド装置１は、３つのセンサの出力を制御する第１基板２３と、当該３つのセンサの出力を変換する第２基板２４と、が全て装置の内部に内蔵されているため、各部材を接続する配線が短くなり、配線の取り回しが容易となる。また、多指型ハンド装置１は、フレーム部２１を挟み込むように第１基板２３および第２基板２４を対向配置させることで、例えば第１基板２３および第２基板２４を手の甲側や手のひら側に２枚や重ねて配置した場合と比較して、フレーム部２１内部の部材との配線の取り回しが容易となる。

また、多指型ハンド装置１は、フレーム部２１を外枠形状にすることで、剛性を確保しつつ、内部に部材を格納することでき、その厚みを薄くすることができる。なお、フレーム部２１を外枠形状にすることで、手首部１０に対して拇機構３１を除いた４つの指機構３０の取付部の剛性が向上する。特に、示指機構３２または小指機構３５に力がかかった場合に回転モーメントを低減することができ、また、拇機構３１に対するｘ，ｙ，ｚ軸の力に対して剛性が確保されることになる。

また、多指型ハンド装置１は、基部２０の先端に延設される複数の指機構３０を第１指機構支持部２１１と第２指機構支持部２１２ｄとによって上下から支持することで、複数の指機構３０を強固に固定することができ、例えばぐらつき等による制御の誤差を防止することができる。

また、多指型ハンド装置１によれば、装置内の部材が全て近い距離に配置されているため、配線の取り回しが容易となるとともに、３つのセンサとこれを制御する基板とが近接して配置されているため、当該センサの出力値にノイズが混入することを防止することができる。

以上、本発明に係る多指型ハンド装置１について、発明を実施するための形態により具体的に説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。

１多指型ハンド装置
１０手首部
１１，２６ａ，２６ｂ，３２６外装部材
１２手首センサ
２０基部
２１フレーム部
２１１第１指機構支持部
２１２メインフレーム部
２１２ａ手首フレーム部
２１２ｂ，２１２ｃサイドフレーム部
２１２ｄ第２指機構支持部
２３第１基板
２４第２基板
２５触覚センサ
３０指機構
３１拇機構
３２示指機構
３２Ａ第１指部
３２Ｂ第２指部
３２Ｃ第３指部
３３中指機構
３４環指機構
３５小指機構
３２１指先センサ
３２２第１関節部
３２２ａ配線経路
３２３第２関節部
３２３ａ配線経路
３２４第１シリンダ（指機構油圧シリンダ）
３２５第２シリンダ
３２７第３関節部
Ｂ締結部材
Ｈ_１，Ｈ_２，Ｈ_３貫通穴
Ｌ信号線
Ｒ屈曲部

Claims

腕部の先端側に設けられた手首部と、当該手首部の先端に接続され、手の外装の内部に設けられた基部と、当該基部の先端から延設された複数の指機構と、からなる多指型ハンド装置であって、
前記手首部は、外部からの圧力を検出する手首センサを内部に備え、
前記複数の指機構のうちの少なくとも一つは、外部からの圧力を検出する指先センサを内部に備え、
前記基部は、枠状のフレーム部と、当該フレーム部の内部に収納され、接触圧を検出する触覚センサと、前記手首センサの出力と、前記指先センサの出力と、前記触覚センサの出力と、を制御する第１基板と、第２基板と、を備え、
前記第１基板および前記第２基板は、前記フレーム部を上下から挟むように互いに対向して配置されることを特徴とする多指型ハンド装置。
前記フレーム部は、
前記複数の指機構の延設方向と直交する方向に延出し、当該複数の指機構の後端を上側から支持する第１指機構支持部と、
前記第１指機構支持部の両端に接続される枠状のメインフレーム部と、からなり、
前記メインフレーム部は、
前記手首部の先端と接続される環状の手首フレーム部と、
前記手首フレーム部の端部から前記複数の指機構の方向に向かって平行に延出し、それぞれの先端が前記第１指機構支持部の両端と接続される一対のサイドフレーム部と、
前記複数の指機構の延設方向と直交する方向に延出し、前記一対のサイドフレーム部の先端と後端の間の中間部を接続するとともに、前記複数の指機構の後端を下側から支持する第２指機構支持部と、を備え、
前記第１基板および前記第２基板は、前記メインフレームの上端および下端よりも内側に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の多指型ハンド装置。
前記一対のサイドフレーム部のうちの一方は、前記手首フレーム部の端部側が上方に屈曲して形成されていることを特徴とする請求項２に記載の多指型ハンド装置。
前記指機構は、複数の関節部を備え、
前記複数の関節部の周囲に前記指先センサと前記第２基板とをつなぐ信号線の配線経路が形成され、当該配線経路に前記信号線が配線されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の多指型ハンド装置。