JP5921225B2 - 多指ハンド装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤの張力の変化により指部を屈伸させる多指ハンド装置に関するものである。

義手、物品を把持し加工等を行う産業用ロボット、人とコミュニケーションを取る人型ロボットなど種々の分野において、複数本の指部に人の手に近い動作を行わせる多指ハンド装置の開発が進められている。このような多指ハンド装置は、関節ごとに設けられたモータを個々に回転させることによって、指部を屈伸させるタイプ（以下、「関節モータ式」と称することがある）と、ワイヤの張力の変化によって指部を屈伸させるタイプ（以下、「ワイヤ式」と称することがある）とに大別される。何れのタイプであっても、従来の多指ハンド装置では、１本の指部は複数のリンク部材からなり、隣接するリンク部材は軸周りに回動可能に組み付けられて関節が形成されている。

更に、ワイヤ式の多指ハンド装置では、従来、各関節に回動軸と同軸のプーリが設けられており、これらのプーリにワイヤが巻き掛けられている（例えば、特許文献１，２，３参照）。かかる構成により、モータ等の駆動によりワイヤを牽引すると、ワイヤを介してプーリが回転し、プーリの回転に伴いリンク部材が回動して、指部が屈伸する。

このようなワイヤ式の多指ハンド装置は、関節の数と等しいモータが指部に取り付けられる関節モータ式の多指ハンド装置に比べて、小型化、軽量化が可能であるという利点がある。しかしながら、それでもなお、従来のワイヤ式多指ハンド装置は、１本の指部が複数のリンク部材からなり、関節ごとにプーリが設けられるものであり、簡易とは言い難い複雑な構成であった。そのため、より簡易な構成のワイヤ式多指ハンド装置が要請されていた。

そこで、本発明は、上記の実情に鑑み、ワイヤの張力の変化により指部を屈伸させる多指ハンド装置であって、従来に比べて構成が簡易な多指ハンド装置の提供を、課題とするものである。

上記の課題を解決するため、本発明にかかる多指ハンド装置は、「複数の指部と、複数の該指部をそれぞれ一端側で支持する手部ベースとを具備し、それぞれの前記指部は、
前記手部ベース側の端部である基端から指先まで分離不能な単一の弾性部材からなり、部分的に肉薄であることにより屈曲可能な関節部と、前記指先の近傍から前記基端まで指腹に沿って形成された第一長溝と、前記指部においてプーリに巻き掛けられることなく、前記指先の近傍から前記基端まで前記指腹に沿って前記第一長溝内に配されており、モータの回転により牽引されて前記指部を屈曲させ、前記モータの逆回転により弛緩して屈曲した前記指部を伸長させる、前記指部１本当たり１本のみの屈曲用ワイヤとを備える」ものである。

「指腹」は、人の手指において手の平に連続する指面に相当する部分を指しており、指部を屈曲させて握り込むように物体を把持する際に、各指部において物体に当接する面である。

上記構成により、モータの一方向への回転により屈曲用ワイヤが牽引されれば、指腹に沿うように案内された屈曲用ワイヤによって指先の近傍が引っ張られ、指部は薄肉の関節部で指腹側に屈曲する。一方、モータの他方向への回転により屈曲用ワイヤを弛緩させれば（屈曲用ワイヤを牽引する力を低減させれば）、指部を形成している部材の弾性により、指部が変形する前の状態に復帰するため、屈曲していた指部が伸長する。

本発明では、指部の構成として、単一の部材を部分的に肉薄とし、その部分を関節として動作させるという、従来の多指ハンド装置にはない新規な構成を採っている。これにより、従来の多指ハンド装置では、関節モータ式・ワイヤ式の別なく、複数のリンク部材を組み付けて１本の指部を構成させていたのに対し、指部の構成が簡易である。加えて、ワイヤ式の多指ハンド装置では、従来、関節ごとにプーリを設け、このプーリにワイヤを巻き掛けて関節を回動させていたのに対し、本発明ではかかるプーリを必要としない。そして、本発明の屈曲用ワイヤは、関節のプーリに巻き掛けられるものではなく指腹に沿って配されるものであり、一つの指部に対して１本である。すなわち、本発明の多指ハンド装置は、従来の多指ハンド装置に比べて極めて構成が簡易でありながら、指部を屈曲・伸張させることができる。そして、構成する部品点数が少ないため、簡易な工程で低廉に多指ハンド装置を製造することができる。

本発明にかかる多指ハンド装置は、上記構成に加え、「それぞれの前記指部は、前記指先の近傍から前記基端まで指背に沿って形成された第二長溝と、前記指部においてプーリに巻き掛けられることなく、前記指先の近傍から前記基端まで前記指背に沿って前記第二長溝内に配されており、モータの回転により牽引され又は弛緩する、前記指部１本当たり１本のみの伸長用ワイヤを更に具備する」ものとすることができる。

「指背」は、「指腹」とは反対側の面であって、人の手指において手の甲に連続する指面に相当する部分を指している。

上記構成により、屈曲用ワイヤを牽引しながら伸長用ワイヤを弛緩させれば、指腹に沿うように案内された屈曲用ワイヤによって指先の近傍が引っ張られ、指部は薄肉の関節部で指腹側に屈曲する。一方、屈曲用ワイヤを弛緩させつつ伸長用ワイヤを牽引すれば、指背に沿うように案内された伸長用ワイヤによって指先の近傍が指背側に引っ張られ、屈曲していた指部が伸長する。

本構成では、伸長用ワイヤがモータの回転により牽引されることによって、指部の伸長が能動的に行われる。そのため、指部が伸長する速度やタイミングを、精密に制御することができる。なお、同一の指部において、屈曲用ワイヤを牽引し又は弛緩させるモータと、伸長用ワイヤを牽引し又は弛緩させるモータとは、異なるモータとすることもできるが、同一のモータとすれば構成がより簡易で好適である。

本発明にかかる多指ハンド装置は、上記構成に替えて、「それぞれの前記指部は、前記指先の近傍から前記基端まで指背に沿って形成された第二長溝と、前記指部においてプーリに巻き掛けられることなく、前記指先の近傍から前記基端まで前記指背に沿って前記第二長溝内に配されており、コイルバネにより牽引された、前記指部１本当たり１本のみの伸長用ワイヤを更に具備する」ものとすることができる。

上記構成の伸長用ワイヤは、コイルバネによって指部を伸長させる方向に付勢されている。そのため、モータの一方向への回転により屈曲用ワイヤを牽引すると、指腹に沿うように案内された屈曲用ワイヤによって指先の近傍が引っ張られ、コイルバネによる付勢に抗して、コイルバネを引き伸ばしつつ、指部は薄肉の関節部で指腹側に屈曲する。一方、モータの他方向への回転により屈曲用ワイヤを弛緩させると、コイルバネの引張力によって、伸長用ワイヤを介して指先の近傍が指背側に引っ張られ、屈曲していた指部が伸長する。

本構成では、伸長用ワイヤがコイルバネによって常に牽引されていることにより、モータの回転により屈曲用ワイヤを牽引する力が除かれるのに従って、指部が伸長する。このようなコイルバネの引張力による指部の伸長は、指部を形成する部材の弾性のみによって伸長する場合に比べ、屈曲用ワイヤに作用する力の変化に対する応答が速い利点がある。

本発明にかかる多指ハンド装置は、上記構成に加え、「それぞれの前記指部は、前記関節部を複数備えると共に、複数の前記関節部のうち前記指先に近い末関節部は、前記手部ベースに近い基関節部より曲げ応力に対する抵抗が大きい」ものとすることができる。

関節部における「曲げ応力に対する抵抗」の大きさは、例えば、関節部の肉厚（肉薄の度合い）によって調整することができる。すなわち、同一の材料であれば、肉薄の部分がより薄いほど、曲げ応力に対する抵抗は小さくなる。或いは、屈曲用ワイヤを指腹に沿って案内するために、屈曲用ワイヤが指部の表面から離隔することを防止する案内ピンを用いる場合、関節部を挟んで位置する二つの案内ピン間の距離により、関節部の曲げ応力に対する抵抗を調整することができる。すなわち、関節部を挟んで位置する二つの案内ピン間の距離が大きいほど、屈曲に対する抵抗は小さくなる。また或いは、関節部に板バネを配することにより、曲げ応力に対する抵抗を高めることができる。

指先の近傍が屈曲用ワイヤによって牽引される際、仮に末関節部が基関節部より先に屈曲してしまうと、指先が曲がった状態で握り込まれるように指部が曲がるため、物体をうまく把持することができない。また、指部が伸長する際も、末関節部が基関節部より先に伸長してしまうと、把持していた物体の開放をスムーズに行うことができない。そこで、従来、ワイヤ式の多指ハンド装置では、かかる不都合を回避するために、複数の関節部の近傍をそれぞれ異なるワイヤで牽引し、ワイヤを牽引する力の大きさや牽引するタイミングを異ならせることにより、末関節部が基関節部より先に屈曲しないよう調整していた。

これに対し、上記構成の本発明では、基関節部より末関節部の方が曲げ応力に対する抵抗が大きいため、同じ大きさの力で屈曲用ワイヤを牽引しても、基関節部の方が末関節部より先に屈曲する。これにより、上述のように屈曲用ワイヤが１本のみである簡易な構成であっても、指部の屈曲により指先を使って物体をしっかりと把持することができる。加えて、指部が伸長する際も、基関節部の方が末関節部より先に伸長するため、把持していた物体をスムーズに開放することができる。

本発明にかかる多指ハンド装置は、上記構成に加え、「複数の前記指部のうち一つは親指に相当する第一指部であり、該第一指部は、隣接する前記指部とは、伸長状態で前記手部ベースから延びる方向が３０°〜８０°異なっていると共に、前記手部ベースに対して第一軸周りに回動可能に取り付けられており、前記第一指部が前記第一軸周りに回動する範囲を規制するストッパを更に具備する」ものとすることができる。

「ストッパ」は、例えば、手部ベース及び第一指部の一方から他方に向かって突出した突状部材と、第一指部が第一軸周りに所定角度回動したときに突状部材と当接し、第一指部のそれ以上の回動を制限する部材によって構成させることができる。

本構成では、人の親指に相当する第一指部は、手部ベースから延びる方向が隣接する指部と異なっており、かつ、第一軸周りに回動可能であることにより、隣接する指部と向き合うように、手の平の内側に向かって屈曲させることができる。また、ストッパを備えることにより、第一指部が手の甲側あるいはその反対側に過度に回動することを防ぐことができる。これにより、人の手の動作に近い自然な動作で、指部を屈伸させることができる。

本発明にかかる多指ハンド装置は、上記構成に加え、「前記屈曲用ワイヤ及び前記伸長用ワイヤは、それぞれ少なくとも一部が、前記屈曲用ワイヤ及び前記伸長用ワイヤより可撓性の小さいチューブに挿通されている」ものとすることができる。

「屈曲用ワイヤ及び伸長用ワイヤより可撓性の小さいチューブ」としては、金属製のコイルスプリングチューブや樹脂製のチューブを使用することができる。

一端がどこかに接続されたワイヤを他端側で牽引すれば、ワイヤは自ずと最短距離をとるように直線状に延びてしまう。そのため、モータの回転により牽引され又は弛緩するワイヤ、または、コイルバネによって牽引されたワイヤを、空間中で一定の経路をたどるように張設することは困難である。これに対し本発明では、屈曲用ワイヤ及び伸長用ワイヤは、少なくとも一部でワイヤより可撓性の小さいチューブに挿通されているため、チューブを湾曲させることにより、空間中でワイヤがたどる経路を迂回させることが可能である。これにより、屈曲用ワイヤ及び伸長用ワイヤが牽引され又は弛緩する際にたどる経路を、意図した経路とすることができ、指部が屈曲・伸長する動作を屈曲用ワイヤ及び伸長用ワイヤの張力によって制御しやすいと共に、多指ハンド装置全体として複数本が配されるワイヤの絡みを防止することができる。

以上のように、本発明の効果として、ワイヤの張力の変化により指部を屈伸させる多指ハンド装置であって、従来に比べて構成が簡易な多指ハンド装置を、提供することができる。

本発明の第一実施形態の多指ハンド装置の斜視図（指部を少し屈曲させた状態）である。 図１の多指ハンド装置の前プレートより先の部分の正面図（指部を伸長させた状態）である。 図２の多指ハンド装置の斜視図である。 図２の多指ハンド装置の左側面図である。 図１における前プレートより先の部分の拡大図である。 図５の多指ハンド装置の背面図である。 図５の多指ハンド装置の底面図である。 図２における第二指部の拡大正面図である。 図８におけるＡ−Ａ線断面図である。 図２における第二指部の拡大底面図である。 図２における手部ベースの正面図である。 図１の多指ハンド装置の腕部ベースの底面図である。 プーリを使用しない場合におけるモータの回転軸近傍の正面図である。 本発明の第二実施形態の多指ハンド装置の斜視図（手の甲側から見た図）である。 図１４の多指ハンド装置を手の平側から見た斜視図である。 ストッパの説明図である。

以下、本発明の第一実施形態である多指ハンド装置１について、図１乃至図１２を用いて説明する。多指ハンド装置１は、概略構成として、複数の指部２０と、指部２０を支持するベース部１０とを備えており、ベース部１０は複数の指部２０をそれぞれ一端側で支持する手部ベース１１と、手部ベース１１が連結される腕部ベース１２とを備えている。

まず、指部２０について説明すると、それぞれの指部２０は、手部ベース１１側の端部から指先まで分離不能な単一の弾性部材からなり、部分的に肉薄であることにより屈曲可能な関節部３０を備えると共に、指先の近傍から指腹に沿って案内され、モータ８１の回転により牽引され又は弛緩する１本の屈曲用ワイヤ５１と、指先の近傍から指背に沿って案内され、モータ８１の回転により牽引され又は弛緩する１本の伸長用ワイヤ５２とを備えている。

より詳細に説明すると、多指ハンド装置１は５本の指部２０、すなわち、人の親指に相当する第一指部２１、人差指に相当する第二指部２２、中指に相当する第三指部２３、薬指に相当する第四指部２４、及び、小指に相当する第五指部２５を備えている。各指部２０の基体はプラスチック製の弾性体であり、手部ベース１１に支持される側の端部（以下、単に「基端」と称する）から指先まで、一体成形されている。本明細書では、第一指部２１〜第五指部２５を特に区別する必要がない場合に、「指部２０」と総称している。なお、指部２０の基体を構成する弾性材料としては、多指ハンド装置１の用途や関節部３０の肉薄の程度に応じて、プラスチックのほかゴム、金属等を選択することができる。

５本の指部２０の基本的な構成は同じであるため、第二指部２２を例にとって説明すると、図９，１０に示すように、指腹側に開くＶ字形の切欠き部３５が三箇所に形成されていることにより、三箇所の肉薄部分を有し、この肉薄部分が関節部３０となっている。三つの関節部３０を、指先側から末関節部３１、中関節部３２、及び、基関節部３３と称する。なお、基関節部３３から基端までの間の部分は、人の手における中手骨（掌の内部の骨）に相当する。また、人の指では、親指の関節の数は他の４本の指の関節の数より一つ少ないが、本実施形態では、第一指部２１も他の４本の指部２２，２３，２４，２５と同様に三つの関節部を有している。本明細書では、末関節部３１、中関節部３２、及び、基関節部３３を特に区別する必要がない場合に、「関節部３０」と総称している。

各指部２０には、主に図８乃至図１０に示すように、指腹に沿って長溝６１が形成されていると共に、指背に沿って長溝６２が形成されている。そして、長溝６１の中に１本の屈曲用ワイヤ５１が配されており、長溝６２の中に１本の伸長用ワイヤ５２が配されている。また、各指部２０には、開口近くで長溝６１を幅方向に横架する案内ピン６３が複数設けられている。この案内ピン６３の存在により、屈曲用ワイヤ５１が牽引された際に長溝６１内から脱離することが防止され、屈曲用ワイヤ５１の経路が指腹に沿って案内される。なお、本実施形態では、指背側にも同様の案内ピン６３が複数設けられており、この案内ピン６３の存在により、伸長用ワイヤ５２が長溝６２内から脱離することが防止され、伸長用ワイヤ５２の経路が指背に沿って案内される。また、屈曲用ワイヤ５１の先端は、指腹側の案内ピン６３のうち最も指先側のピンに留め付けられており、伸長用ワイヤ５２の先端は、指背腹側の案内ピン６３のうち最も指先側のピンに留め付けられている。

関節部３０において、指背側の長溝６２の底部には、図９，１０に示すように、湾曲した凹状の窪み３６ａが形成されている。本実施形態では、指部２０を幅方向に貫通する底面視楕円形の孔部３６ｂを設けることにより、この窪み３６ａが形成されている。かかる窪み３６ａの存在により、指部２０が屈曲した際に、関節部３０において伸長用ワイヤ５２が長溝６２の底部と擦れて損傷するおそれが低減される。

また、窪み３６ａの深さと切欠き部３５の深さによって、関節部３０の肉厚を調整することができる。各図には明確に表れていないが、本実施形態では、基関節部３３、中関節部３２、末関節部３１の順に、関節部３０の肉厚が大きくなっている。すなわち、関節部３０の曲げ応力に対する抵抗は、指先に近い関節部３０ほど大きくなるように設定されている。

関節部３０における指背側には、指部２０を幅方向に横断する切込み部３７が形成されている。この切込み部３７の開口幅は、孔部３６ｂの径より小さい。このような切込み部３７の存在により、屈曲用ワイヤ５１が牽引された際に、指部２０が指腹側に屈曲し易い。加えて、切込み部３７の開口幅の設定により、伸長用ワイヤ５２が牽引された際に、指部２０が必要以上に反りかえることが防止される。

屈曲用ワイヤ５１及び伸長用ワイヤ５２は、それぞれ指腹及び指背に沿って長溝６１内及び長溝６２内に配された上で、指部２０の基端側で屈曲用ワイヤ５１及び伸長用ワイヤ５２より可撓性の小さいチューブ５９に挿通されている。本実施形態では、チューブ５９として金属製のコイルスプリングチューブを使用している。なお、長溝６１及び長溝６２は、それぞれ基端側で幅広となっており、ここに屈曲用ワイヤ５１を挿通させたチューブ５９及び伸長用ワイヤ５２を挿通させたチューブ５９がそれぞれ嵌め込まれる。

指部２０を支持する手部ベース１１は、主に図４，７に示すように、二枚のプレート（上プレート４１及び下プレート４２）を備え、これらのプレート４１，４２で、指部２０の基端近傍を指背側及び指腹側の両側から挟み込むように支持している。ここで、第二指部２２〜第五指部２５の４本は、図２に示すように、正面視でほぼ平行に延びるように手部ベース１１に支持されているが、図４に示すように、二枚のプレート４１，４２はそれぞれ側面視で手の平側が凹状となるように湾曲しており、４本の指部２２，２３，２４，２５はプレート４１，４２の湾曲形状に沿って支持されている。

また、手部ベース１１は、指部２０が延びる方向とは反対側で二枚のプレート間を閉塞する閉塞プレート（図面に表れていない）を有しており、閉塞プレートには複数の貫通孔部が穿設されている。そして、第二指部２２〜第五指部２５の基端から、１本の指部２０当たり２本延びているチューブ５９（屈曲用ワイヤ５１を挿通させたチューブ５９、及び、伸長用ワイヤ５２を挿通させたチューブ５９）は、二枚のプレート４１，４２間の空隙から、閉塞プレートの貫通孔部を介して外部に引き出されている。なお、図４，図６，及び図７では、屈曲用ワイヤ５１、伸長用ワイヤ５２及びチューブ５９の図示を省略している。

第二指部２２〜第五指部２５の４本は、主に図２に示すように、それぞれピン４３によって手部ベース１１に留め付けられている。ここで、第三指部２３は２本のピン４３によって手部ベース１１に留め付けられているのに対し、第二指部２２、第四指部２４、及び、第五指部２５は、それぞれ１本のピン４３によって手部ベース１１に留め付けられている。これにより、第三指部２３は手部ベース１１に固定されているのに対し、第二指部２２、第四指部２４、及び、第五指部２５は、ピン４３の軸心周りに回動可能である。このような回動により、隣接する指部２０の間隔が拡縮する。

そして、手部ベース１１側で、第二指部２２と第三指部２３との間、第三指部２３と第四指部２４との間、第四指部２４と第五指部２５との間には、弾性部材４４が挟み込まれている。この弾性部材４４は、指部２０間の間隔が拡げられた場合に元に戻す方向に、指部２０を付勢する。本実施形態では、弾性部材４４としてスポンジを使用しているが、その他、ゴム、コイルバネを使用可能である。更に、第二指部２２〜第五指部２５の４本を束ねる結束バンド４５が、基端側で巻き付けられている。この結束バンド４５は、これら４本の指部２０の間隔を拡げるように、第二指部２２、第四指部２４、及び、第五指部２５が回動する動作を、所定範囲内に規制するものである。

一方、第一指部２１は、他の４本の指部２２，２３，２４，２５とは異なる態様で、手部ベース１１に支持されている。すなわち、第一指部２１は、隣接する指部（第二指部２２）とは、伸長状態で手部ベース１１から延びる方向が３０°〜８０°異なっていると共に、手部ベース１１に対して第一軸Ｐ（図２参照）周りに回動可能に取り付けられている。

より詳細には、手部ベース１１には第一指部２１を取り付ける第一指部取付座４７が突設されており、図１１に示すように、第一指部取付座４７において第一指部２１が取り付けられる面４８を延長した方向（図示、Ｘ方向）と、手部ベース１１に対して他の４本の指部２２，２３，２４，２５が延びる方向（図示、Ｙ方向）とのなす角度θは、３０°〜８０°となるように設定されている。なお、第二指部２２、第四指部２４、及び、第五指部２５がピン４３周りに回動していない状態で、第二指部２２〜第五指部２５の４本はほぼ平行であるため、図１１では、手部ベース１１に対して固定されている第三指部２３の延びる方向を、Ｙ方向として図示している。また、本実施形態では、角度θを４５°としている。

そして、第一指部２１の基端近傍の指背には、主に図７に示すように、略円柱形の取付基部２７が形成されており、第一指部２１はこの取付基部２７において、ピン２９によって第一指部取付座４７に対して回動可能に留め付けられている。従って、第一指部２１は他の４本の指部４２，４３，４４，４５とは異なり、三つの関節部３０の屈曲・伸長による屈伸運動に加えて、ピン２９の回転中心軸周りの回動運動が可能であり、ピン２９の回転中心軸が第一軸Ｐである。この回動運動のために、２本のワイヤ５３，５４、すなわち、上回動用ワイヤ５３及び下回動用ワイヤ５４のそれぞれ一端が、取付基部２７の外周面に留め付けられている。ここで、上回動用ワイヤ５３と下回動用ワイヤ５４は、取付基部２７の外周面に相反する方向で巻き掛けられた上で、チューブ５９に挿通されている。

従って、第一指部２１の基端からは、屈曲用ワイヤ５１を挿通させたチューブ５９、伸長用ワイヤ５２を挿通させたチューブ５９、上回動用ワイヤ５３を挿通させたチューブ５９、及び、下回動用ワイヤ５４を挿通させたチューブ５９の計４本が延びている。なお、以下では、屈曲用ワイヤ５１、伸長用ワイヤ５２、上回動用ワイヤ５３、及び、下回動用ワイヤ５４を特に区別する必要がない場合は、「ワイヤ５０」と総称して説明する。

次に、腕部ベース１２の構成について説明する。多指ハンド装置１の腕部ベース１２は、図１及び図１２に示すように、前プレート７１、後プレート７２、及び、前プレート７１と後プレート７２とを間隔をあけた状態で接続する、複数の長棒状の支持バー７３によって形成されたフレーム状の骨格を有している。ここでは、支持バー７３が２本の場合を例示する。また、前プレート７１には、複数の貫通孔部７８が穿設されている。

それぞれの支持バー７３は前プレート７１より先まで延びており、その先端には手首プレート７５が取り付けられている。この手首プレート７５は、手部ベース１１の閉塞プレートに、短い棒状のスペーサ７６を介して接続されている（図６参照）。すなわち、腕部ベース１２の骨格部分は、手首プレート７５及びスペーサ７６を介して、手部ベース１１と接続されている。

また、前プレート７１と後プレート７２との間で、支持バー７３には６個のモータ８１が支持されており、それぞれのモータ８１の回転軸には、同軸で回転するプーリ８２が取り付けられている。本実施形態では、図１２に示すように、プーリ８２が取り付けられた６個のモータ８１の向きを、交互に相反する方向とすることにより、前プレート７１と後プレート７２との間の空間を有効に使用している。そして、支持バー７３には、６個のモータ８１それぞれに対してプーリ８２の前方（前プレート７１の方向）となる位置に、複数の貫通孔部７９が穿設された配線用プレート７４が支持されている。

そして、手部ベース１１から延びている計１２本のチューブ５９は、前プレート７１の貫通孔部７８に挿通させた上で、、更に配線用プレート７４の貫通孔部７９に挿通させてあり、チューブ５９に挿通されたワイヤ５０がプーリ８２に接続されている。このように、複数の配線用プレート７４を使用することにより、ワイヤ５０の配線経路を設計し易い利点がある。

加えて、ワイヤ５０をチューブ５９に挿通した状態で配線することにより、ワイヤ５０の経路を湾曲させ迂回させることが可能である。特に、本実施形態では、チューブ５９として金属製のコイルスプリングチューブを使用しており、コイルスプリングチューブは曲げられた状態を維持させやすいと共に、座屈しにくい。そのため、ワイヤ５０に意図した経路をたどらせることができ、ワイヤ５０の経路の設計の自由度が高いという利点がある。また、ワイヤ５０をチューブ５９に挿通した状態で配線することにより、多数本のワイヤ５０の絡みを防止することができる。なお、図１では、前プレート７１以降の配線の図示を省略し、図１２ではワイヤ５０及びチューブ５９の図示を省略している。

ここで、６個のモータ８１によるワイヤ５０の駆動は、次のようである。まず、第一指部２１の屈曲用ワイヤ５１及び伸長用ワイヤ５２それぞれの一端は、６個の内の一つのモータ８１に取り付けられたプーリ８２の対向位置に留め付けられる。すなわち、第一指部２１の屈曲用ワイヤ５１及び伸長用ワイヤ５２の一方が、あるモータ８１の正回転により牽引され、他方のワイヤが同じモータ８１の逆回転により牽引される。同様に、第二指部２２〜第五指部２５についても、同一の指部２０に取り付けられた屈曲用ワイヤ５１及び伸長用ワイヤ５２は、同一のモータ８１の正逆回転によってそれぞれ牽引される。このように第一実施形態では、屈曲用ワイヤ５１及び伸長用ワイヤ５２の牽引のために、１本の指部２０につき１個のモータ８１が使用される。そして、残る１個のモータ８１は、第一指部２１の第一軸Ｐ周りの回動を駆動するために使用されるものであり、そのモータ８１のプーリ８２には、第一指部２１の上回動用ワイヤ５３及び下回動用ワイヤ５４が対向位置に留め付けられる。

なお、腕部ベース１２には、前プレート７１と後プレート７２との間のスペースに取り付けられたモータ８１や、チューブ５９に挿通された状態で配線されたワイヤ５０を保護するカバー部材を設けることができる。例えば、前プレート７１と後プレート７２との間に架け渡すように、板状のカバー部材（図示を省略）を複数枚取り付けることができる。

次に、上記構成の多指ハンド装置１の動作について、説明する。まず、モータ８１の一方向の回転により、上回動用ワイヤ５３を弛緩させつつ下回動用ワイヤ５４を牽引すると、第一指部２１は第一軸Ｐ周りに下方向に回動する。例えば、指部２０を伸長させた状態で第一指部２１を下方向に回動させると、図２，３，４に示す状態となる。

この状態で、他のモータ８１それぞれの一方向の回転により、各指部２０について伸長用ワイヤ５２を弛緩させつつ屈曲用ワイヤ５１を牽引すると、指先は屈曲用ワイヤ５１によって指腹側に引っ張られ、図５，６，７に示すように各指部２０が屈曲する。このとき、屈曲用ワイヤ５１が挿入されている長溝６１の開口近くには案内ピン６３が横架されているため、牽引された屈曲用ワイヤ５１が直線状になることはなく、案内ピン６３に案内されて、指腹に沿った状態で牽引される。これにより、１本の屈曲用ワイヤ５１の牽引により、三つの関節部３１，３２，３３の全てを屈曲させることができる。

特に、三つの関節部３１，３２，３３は、その肉厚を異ならせることにより、指先に近いほど曲げ応力に対する抵抗が大となるように設定されているため、屈曲用ワイヤ５１によって指先が牽引された際に、末関節部３１が基関節部３３より先に屈曲してしまうことが防止されている。これにより、１本の指部２０につき屈曲用ワイヤ５１が１本のみ配された簡易な構成でありながら、物体をしっかりと把持したり掴んだりすることができる。

更に、本実施形態では、１本の指部２０について、屈曲用ワイヤ５１と伸長用ワイヤ５２とが単一のモータ８１によって駆動されるため、構成が簡易である。また、仮に１本のワイヤをモータのプーリに巻き掛けた上で、一端側を指腹に沿って配した上で指先に留め付け、他端側を指背に沿って配した上で指先に留め付けた場合、モータの正逆回転により指部を屈伸させることは可能であるが、この場合は万一ワイヤが断絶すると、指部を屈曲させることも伸長させることもできなくなる。これに対し、本実施形態では、屈曲用ワイヤ５１と伸長用ワイヤ５２とは、モータ８１（プーリ８２）に対して別個に留め付けられており、互いに連続していないため、一方のワイヤが断絶したとしても、他方のワイヤの牽引・弛緩により、指部２０の弾性により指部２０を屈伸させることが可能である。

また、第一指部２１は、上下方向に回動させられることに加えて、他の４本の指部２２，２３，２４，２５の延びる方向に対して４５°の角度をなすように、手部ベース１１に取り付けられている。そのため、第一指部２１は他の４本の指部２２，２３，２４，２５と向かい合うように、且つ、手の平の内側に向かうように屈曲し、指部２０の屈伸動作が人の手に近い自然な動作となる。更に、手部ベース１１は、手の平側が凹状となるよう湾曲しており、この湾曲形状に沿って第二指部２２〜第五指部２５が支持されているため、各指部２０を屈曲させた際に、全部の指部２０が手の平の中央に向かって集まるように握り込まれる。これにより、指部２０の屈伸動作がより人の動作に近い自然なものとなると共に、より確実に物体を把持することができる。

更に、第二指部２２、第四指部２４、及び、第五指部２５はピン４３周りに回動可能である。そのため、これらの指部２０は、把持する物体の形状や大きさ等に応じて、隣接する指部２０間に挿入されている弾性部材４４を圧縮しながらピン４３周りに回動可能であり、物体をしっかりと把持することができる。

一方、モータ８１の他方向への回転により、各指部２０について屈曲用ワイヤ５１を弛緩させつつ伸長用ワイヤ５２を牽引すると、指先は伸長用ワイヤ５２によって指背側に引っ張られ、屈曲していた指部２０が伸長する。この際、切込み部３７の開口縁の両側が当接することにより、指部２０が不必要に大きく反りかえることが防止される。また、第二指部２２、第四指部２４、及び、第五指部２５の何れかがピン４３の軸心周りに回動していたとしても、指部２０の伸長に伴い、弾性部材４４の付勢によって元の状態に復帰する。

なお、上記では各指部２０を同時に屈伸させる動作を説明したが、もちろん、モータ８１の制御により、回転させるモータと回転させないモータとを分けることにより、特定の指部２０のみを屈伸させることができる。また、モータ８１ごとに回転させるタイミング、回転方向（正回転・逆回転）、回転角度を異ならせる制御を行うことにより、５本の指部２０に複雑な姿勢をとらせることも可能である。このようなモータ８１の制御は、例えば、腕部ベース１２内の空間内に格納された、マイクロコンピュータによって行うことができ、マイクロコンピュータのプロセッサは、メモリに記憶された制御プラグラムに基づき、モータ８１ごとに回転させるタイミング、回転方向、回転角度を制御する。また或いは、本実施形態の多指ハンド装置１をロボットに取り付ける場合、ロボット本体に搭載されたコンピュータによって、モータ８１の制御を行うこともできる。

次に、本発明の第二実施形態である多指ハンド装置２について、図１４及び図１５を用いて説明する。多指ハンド装置２が第一実施形態の多指ハンド装置１と相違する点は、それぞれの指部２０の伸長用ワイヤ５２、及び第一指部２１の上回動用ワイヤ５３が、多指ハンド装置１ではモータ８１で駆動されていたのに対し、多指ハンド装置２ではそれぞれコイルバネ５７，５８により牽引されている点である。その他の構成に関しては、第一実施形態の多指ハンド装置１と同様であり、同一の符号を付し詳細な説明は省略する。

より具体的には、伸長用ワイヤ５２は長溝６２の中に配され、案内ピン６３によって長溝６２からの脱離が防止された上で、一端が指背腹側の案内ピン６３のうち最も指先側のピンに留め付けられている。そして、伸長用ワイヤ５２の他端は、コイルバネ５７に連結されており、コイルバネ５７はベース部１０（手部ベース１１または腕部ベース１２）に取り付けられている。本実施形態では、ベース部１０のうち腕部ベース部１２にコイルバネ５７が取り付けられており、伸長用ワイヤ５２は、指部２０から手部ベース部１１の閉塞プレート４６の貫通孔７７、及び、前プレート７１の貫通孔７８を経て、コイルバネ５７に至っている。

また、上回動用ワイヤ５３は、一端が取付基部２７の外周面に、下回動用ワイヤ５４と相反する方向に巻き掛けられる一方で、他端がコイルバネ５８に連結されており、このコイルバネ５８はベース部１０に（手部ベース１１または腕部ベース１２）に取り付けられる。本実施形態では、伸長用ワイヤ５２が連結されたコイルバネ５７と同様に、ベース部１０のうち腕部ベース部１２にコイルバネ５８が取り付けられている。上回動用ワイヤ５３は、手部ベース部１１（第一指部取付座４７）の貫通孔７７、及び、前プレート７１の貫通孔７８を経て、コイルバネ５８に至っている。

なお、伸長用ワイヤ５２及び上回動用ワイヤ５３は、第一実施形態と同様に、チューブ５９に挿通された状態で配線されているが、図１４及び図１５ではチューブ５９の図示を省略している。また、図１４では、第３指部２３乃至第５指部２５の動きに関するワイヤの配線を明確に示すため、第一指部２１及び第二指部２２の屈曲用ワイヤ５１、伸長用ワイヤ５２、上回動用ワイヤ５３、及び下回動用ワイヤ５４の図示を省略している。また、図１５では、第１指部２１及び第二指部２２の動きに関するワイヤの配線を明確に示すため、第三指部２３〜第五指部２５の屈曲用ワイヤ５１、及び伸長用ワイヤ５２の図示を省略している。

次に、上記構成の多指ハンド装置２の動作について、説明する。まず、モータ８１の一方向の回転により下回動用ワイヤ５４を牽引すると、第一指部２１の指先は下回動用ワイヤ５４に引っ張られ、上回動用ワイヤ５３が連結されたコイルバネ５８を引き伸ばしつつ、第一指部２１は第一軸Ｐ周りに下方向に回動する。一方、モータ８１の他方向への回転により下回動用ワイヤ５４を弛緩させる（牽引する力を低下させる）と、これに伴い、コイルバネ５８の引張力によって第一指部２１の指先が上回動用ワイヤ５３を介して引っ張られ、第一軸Ｐ周りに上方向に回動する。

また、各指部２０について、モータ８１の一方向の回転により屈曲用ワイヤ５１を牽引すると、指先は屈曲用ワイヤ５１によって指腹側に引っ張られ、伸長用ワイヤ５２が連結されたコイルバネ５７を引き伸ばしつつ、指部２０が屈曲する。一方、モータ８１の他方向への回転により、屈曲用ワイヤ５１を弛緩させる（牽引する力を低下させる）と、これに伴い、コイルバネ５７の引張力によって第一指部２１の指先が伸長用ワイヤ５２を介して指背側に引っ張られ、屈曲していた指部２０が伸長する。

このように、指部２０を反対方向に引っ張るワイヤ（屈曲用ワイヤ５１及び伸長用ワイヤ５２）の内、物を握るように指部２０を屈曲させる方向に指部２０を引っ張るワイヤ（屈曲用ワイヤ５１）をモータ８１で駆動し、指部２０が伸長する方向にはコイルバネ５７の付勢によって復帰させることにより、多指ハンド装置２が軽量で簡易な構成となる。また、指部２０を屈曲させる方向に外力が働いた場合に、コイルバネ５７が引き伸ばされることにより、伸長用ワイヤ５２に負荷がかからないという利点を有する。

第一実施形態の多指ハンド装置１、第二実施形態の多指ハンド装置２の何れにおいても、上記構成に加え、第一指部２１が第一軸Ｐ周りに回動する範囲を規制するストッパを、更に具備するものとすることができる。

例えば、図１６に例示するように、手部ベース部１１に第一指部２１に向けて突出するピン８３を設けると共に、第一指部２１の基端において手部ベース部１１側の表面に、第一軸Ｐを中心とする円弧状の溝であって、ピン８３を挿し込ませる溝８４を形成することができる。かかる構成により、第一指部２１が第一軸Ｐ周りに回動する範囲は、図１６（ａ）に示す状態と図１６（ｄ）に示す状態との間に制限される。すなわち、第一指部２１が図１６（ｂ）または図１６（ｃ）のような状態から上方向（手の甲側）に回動して図１６（ａ）に示す状態となり、ピン８３が溝８４の一端に当接することにより、第一指部２１が同方向にそれ以上回動することが防止される。一方、第一指部２１が下方向に回動して図１６（ｄ）に示す状態となり、ピン８３が溝８４の他端に当接することにより、第一指部２１が同方向にそれ以上回動することが防止される。

ここで、ピン８３及び溝８４が、本発明の「ストッパ」に相当する。人の指の動きにおいて、親指の付け根を中心に回動するような親指の動きは、所定範囲内に制限されている。従って、多指ハンド装置１，２においても、第一指部２１が第一軸Ｐ周りに回動する範囲を制限することにより、人の手の動作により近い自然な動作で、第一指部２１を屈伸させることができる。

なお、「ストッパ」は上記の構成に限定されず、第一指部２１の基端において手部ベース部１１に向けて突設された“ピン”と、手部ベース部１１に形成された第一軸Ｐを中心とする円弧状の溝であって、ピンを挿し込ませる“溝”によって構成させることもできる。このような構成であっても、上記と同様に、第一指部２１が第一軸Ｐ周りに回動する範囲を制限することができる。

以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。

例えば、上記では、モータ８１の回転をワイヤ５０に伝えるために、モータ８１の回転軸と同軸で回転するプーリ８２を用いる場合を例示した。これに限定されず、図１３に示すように、モータ８１の回転軸と同軸で回転するアーム部材８５を用いることができる。プーリ８２の場合、モータ８１の回転によりワイヤ５０が牽引される力の大きさは、プーリ８２の径によって調整することができるが、そのためには径の異なるプーリ８２と交換しなければならない。これに対し、アーム部材８５の場合は、長手方向に沿って複数の孔部８６を設けておくことにより、ワイヤ５０を締結する孔部８６を変更するのみの簡易な作業で、モータ８１の回転によりワイヤ５０が牽引される力の大きさを調整できる利点がある。

また、上記では、関節部３０の曲げ応力に対する抵抗を、肉厚によって調整する場合を例示した。これに限定されず、指腹側で関節部３０を挟むように位置する二つの案内ピン６３間の距離によって、関節部３０の曲げ応力に対する抵抗を調整することもできる。

１，２ 多指ハンド装置
１１ 手部ベース
２０ 指部
２１ 第一指部（指部）
３０ 関節部
３１ 末関節部（関節部）
３３ 基関節部（関節部）
５１ 屈曲用ワイヤ
５２ 伸長用ワイヤ
５７ コイルバネ
８３ ピン（ストッパ）
８４ 溝（ストッパ）

特開２０００−３２５３７５号公報 特開２００１−２７７１７５号公報 特開２００９−２９１８５３号公報

Claims (6)

1. 複数の指部と、
   複数の該指部をそれぞれ一端側で支持する手部ベースとを具備し、
   それぞれの前記指部は、
   前記手部ベース側の端部である基端から指先まで分離不能な単一の弾性部材からなり、部分的に肉薄であることにより屈曲可能な関節部と、
   前記指先の近傍から前記基端まで指腹に沿って形成された第一長溝と、
   前記指部においてプーリに巻き掛けられることなく、前記指先の近傍から前記基端まで前記指腹に沿って前記第一長溝内に配されており、モータの回転により牽引されて前記指部を屈曲させ、前記モータの逆回転により弛緩して屈曲した前記指部を伸長させる、前記指部１本当たり１本のみの屈曲用ワイヤとを備える
   ことを特徴とする多指ハンド装置。
2. それぞれの前記指部は、
   前記指先の近傍から前記基端まで指背に沿って形成された第二長溝と、
   前記指部においてプーリに巻き掛けられることなく、前記指先の近傍から前記基端まで前記指背に沿って前記第二長溝内に配されており、前記屈曲用ワイヤを駆動する前記モータと同一または異なるモータの回転により牽引され又は弛緩する、前記指部１本当たり１本のみの伸長用ワイヤを更に具備する
   ことを特徴とする請求項１に記載の多指ハンド装置。
3. それぞれの前記指部は、
   前記指先の近傍から前記基端まで指背に沿って形成された第二長溝と、
   前記指部においてプーリに巻き掛けられることなく、前記指先の近傍から前記基端まで前記指背に沿って前記第二長溝内に配されており、コイルバネにより牽引された、前記指部１本当たり１本のみの伸長用ワイヤを更に具備する
   ことを特徴とする請求項１に記載の多指ハンド装置。
4. それぞれの前記指部は、前記関節部を複数備えると共に、複数の前記関節部のうち前記指先に近い末関節部は、前記手部ベースに近い基関節部より曲げ応力に対する抵抗が大きい
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の多指ハンド装置。
5. 複数の前記指部のうち一つは親指に相当する第一指部であり、
   該第一指部は、隣接する前記指部とは、伸長状態で前記手部ベースから延びる方向が３０°〜８０°異なっていると共に、前記手部ベースに対して第一軸周りに回動可能に取り付けられており、
   前記第一指部が前記第一軸周りに回動する範囲を規制するストッパを更に具備する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載の多指ハンド装置。
6. 前記屈曲用ワイヤ及び前記伸長用ワイヤは、それぞれ少なくとも一部が、前記屈曲用ワイヤ及び前記伸長用ワイヤより可撓性の小さいチューブに挿通されている
   ことを特徴とする請求項２乃至請求項５に記載の多指ハンド装置。

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