JP6404596B2 - 指モデル機構 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットの指モデル機構に関するものである。

従来より、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的として、下記特許文献１に開示されているマニピュレータ、下記特許文献２に開示されている搬送ロボットの産業用ロボットハンド等の装置が提供されている。従来技術のマニュピレータ及び産業用ロボットハンド等の装置は、当該対象物を掴んだり吸引したりすることによって、対象物を持ち上げたり移動させたりしていた。

特開２００４−２２３６８８号公報 特開２００９−２９１８５３号公報

しかしながら、近年では、従来の産業用ロボットでは実現しえなかった柔軟且つ繊細な動作の実現化が要望されている。かかる動作とは、例えば、薄板状のもの（以下、この明細書において「薄板状のもの」に「フィルム状のもの」を含む）が重ねられているような場合にそれを一枚ずつ持ち上げるような動作等が相当する。

本願発明では、従来の産業用ロボットでは実現しえなかった柔軟且つ繊細な動作を実現可能とする機構を提供することを目的とする。

（１）上述した課題を解決すべく提供される本発明の指モデル機構は、長手方向一端側に設けられた指先部と、前記指先部に対して第一関節部を介して接続された中節部と、前記中節部に対して第二関節部を介して接続された基節部と、前記基節部に対して第三関節部を介して接続された根元部と、を有し、前記第一関節部、前記第二関節部、及び前記第三関節部のそれぞれに、順に、第一回動軸、第二回動軸、及び第三回動軸が設けられており、前記第一回動軸の軸心位置、前記第二回動軸の軸心位置、及び第三回動軸の軸心位置を通る平面を境として一方側に背側領域が形成され、他方側に腹側領域が形成されており、前記指先部及び前記中節部を、前記第一回動軸を中心として反る背側方向、及び背側方向とは反対の腹側方向に回動させることが可能であり、前記中節部及び前記基節部を、前記第二回動軸を中心として前記腹側方向に回動させることが可能であり、前記基節部及び前記根元部を、前記第三回動軸を中心として前記背側方向及び前記腹側方向に回動させることが可能であり、前記指先部の前記背側領域に設けられた第一腱始端部に始端が固定され、前記第一腱始端部から前記中節部の前記背側領域を通り、前記基節部の前記背側領域であって長手方向中間部に設けられた中継部に至り、前記中継部から前記基節部の前記腹側領域であって前記中継部よりも前記根元部側にずれた位置に至るように設けられ、終端が自由端とされた第一腱状体と、前記腹側領域において前記指先部と前記中節部とを繋ぐように設けられ、前記中節部に対する前記指先部の前記背側方向への反りを一定の角度範囲に制限する指先部・中節部間可動角制限部材と、前記背側領域において前記基節部と前記根元部とを繋ぐように設けられ、前記基節部が前記根元部に対して所定位置から前記腹側領域へ回動することを抑制しうる付勢力を発揮可能な基節部・根元部間付勢手段とを有し、前記第一腱状体の牽引量を調整することにより前記指先部、前記中節部、前記基節部の姿勢を変化させることを可能としたことを特徴としている。

上記（１）の指モデル機構によれば、第一腱状体の牽引量を調整することにより、指先部、中節部、基節部の姿勢を様々に変化させることが可能となるとともに、第一関節部、第二関節部、及び第三関節部を協調して動作させることができ、指先部における対象物への力の付加度合を機構的に制御することができる。したがって、上記（１）の指モデル機構によれば、薄板状のものが重ねられているような場合であっても、このように重ねられた薄板状のものを、一枚ずつ引き寄せたり押し動かしたりしてスライドさせるといった、柔軟且つ繊細な動作を実現することが可能となる。

（２）上記（１）の指モデル機構は、前記第一回動軸によって前記第一関節部に軸支された第一プーリが設けられており、前記第二回動軸によって前記第二関節部に軸支された第二プーリが設けられており、前記第一プーリ及び前記第二プーリに前記第一腱状体が懸架されており、前記第一プーリ及び前記第二プーリが、前記第一腱状体から作用される径方向への押圧力を受けることにより縮径する弾性体により構成されることが好ましい。

上記（２）の指モデル機構によれば、第一腱状体の牽引状態を変化させることにより、第一プーリ及び第二プーリに対して径方向の内側に向けて作用する押圧力が所定以上になった場合、第一プーリ及び第二プーリの径を変化させることが可能となる。従って、第一腱状体を牽引することにより、第一プーリ及び第二プーリが縮径した場合、第一関節部及び第二関節部において発生するトルク（牽引力に対する）を小さくすることが可能となる。また逆に、第一プーリ及び第二プーリが縮径した後、第一腱状体の牽引力を緩めることにより、第一プーリ及び第二プーリを拡径させ、第一関節部及び第二関節部において発生するトルク（牽引力に対する）を大きくすることが可能となる。

（３）上記（１）又は（２）の指モデル機構は、前記中節部と前記基節部とが交差するように屈曲した中節部・基節部間屈曲状態において、前記第一腱状体を牽引することにより、前記指先部から前記基節部に至る部分が略直線状に延びた指先部・基節部間伸展状態となり、前記指先部・基節部間伸展状態において、前記指先部の前記腹側領域に部材を接触させることにより、前記中節部から前記基節部に至る部分が略直線状に延びた状態を維持しつつ、前記指先部が前記部材の表面に倣うように屈曲した指先部屈曲接触状態となり、前記指先部屈曲接触状態において前記第一腱状体を牽引することにより、前記部材をスライドさせうるものであることが好ましい。

上記（３）の指モデル機構とした場合、第一腱状体を牽引することにより、指モデル機構の状態を指先部・基節部間伸展状態、及び指先部屈曲接触状態に順次変化させ、板状の部材を引き寄せスライドさせることができるような、柔軟且つ繊細な動作を実現することが可能となる。特に、上記（３）の指モデル機構によれば、例えば、薄板、フィルム、又は布などが曲面上に重ねられている場合でも、一枚ずつスライドさせることが可能となる。

（４）上記（１）〜（３）の指モデル機構は、前記中節部の前記腹側領域に設けられた第二腱始端部から前記基節部の前記腹側領域に設けられた第三支持部を通り、前記基節部の前記腹側領域において第三支持部よりも前記根元部側に設けられた第二腱取出部に至る経路を通るように設けられているとともに、前記第二腱始端部において固定され、前記第三支持部及び第二腱取出部において非固定状態で支持された第二腱状体と、前記腹側領域において前記基節部と前記根元部とを繋ぐように設けられ、前記根元部に対する前記基節部の前記背側方向への反りを一定の角度範囲に制限する基節部・根元部間可動角制限部材と、前記背側領域において前記指先部と前記中節部とを繋ぐように設けられ、前記指先部が前記中節部に対して所定位置から前記腹側領域へ回動することを抑制しうる付勢力を発揮可能な指先部・中節部間付勢手段とを有し、前記指先部に対象物が接触している状態で前記第二腱状体の牽引量を調整することにより前記指先部、前記中節部、前記基節部の姿勢を変化させることを可能としたものであることが好ましい。

上記（４）の指モデル機構によれば、第二腱状体の牽引量を調整することにより、上記第一腱状体の牽引量を調整する場合とは異なる態様により指先部、前記中節部、前記基節部の姿勢を変化させ、板状であって多数積み重ねられた部材を一枚ずつスライドさせることができるような、柔軟且つ繊細な動作を実現することが可能となる。

（５）上記（４）の指モデル機構は、第二腱状体の牽引量を調整することにより、前記指先部から前記根元部に亘って略直線状に延びた指先部・根元部間伸展状態と、前記中節部及び前記基節部が前記指先部及び前記根元部に対して屈曲し、前記第二関節部が前記第一関節部及び前記第三関節部よりも背側領域側に持ち上がった状態となるように屈曲した指先部・根元部間屈曲状態と、の間で姿勢を変化させることを可能としたものであることが好ましい。

上記（５）の指モデル機構によれば、第二腱状体の牽引量を調整することにより、指モデル機構の状態を指先部・根元部間伸展状態と指先部・根元部間屈曲状態との間で変化させることが可能となる。これにより、板状の部材を引き寄せる動作、及び部材を押し戻す動作が実現可能となる。

（６）上記（４）又は（５）の指モデル機構は、第二腱状体の牽引量を調整することにより、中節部と前記基節部とが交差するように屈曲した中節部・基節部間屈曲状態と、前記中節部及び前記基節部が前記指先部及び前記根元部に対して屈曲し、前記第二関節部が前記第一関節部及び前記第三関節部よりも背側領域側に持ち上がった状態となるように屈曲した指先部・根元部間屈曲状態と、の間で姿勢を変化させることを可能としたものであることが好ましい。

上記（６）の指モデル機構によれば、第二腱状体の牽引量を調整することにより、指モデル機構の状態を中節部・基節部間屈曲状態と指先部・根元部間屈曲状との間で変化させることが可能となる。これにより、板状の部材を引き寄せる動作、及び部材を押し戻す動作が実現可能となる。

本願発明によれば、従来の産業用ロボットでは実現しえなかった柔軟且つ繊細な動作を実現可能とする機構を提供することができる。

（ａ）は本発明の一実施形態に係る指モデル機構を模式的に示した概念図、（ｂ）は（ａ）に示す指モデル機構の第一関節部における関節角度と付勢手段と可動角制限部材による第一関節部に発生するトルクとの関係を示すグラフ、（ｃ）は（ａ）に示す指モデル機構の第三関節部における関節角度と付勢手段と可動角制限部材による第三関節部に発生するトルクとの関係を示すグラフである。 図１に示す指モデル機構を背側から見た状態を示す平面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、第一腱状体を低速で牽引した際の動作態様を示す概念図であり、（ｅ）は（ｄ）に示す状態において指先部の角度と部材に作用する力との関係を示すグラフである。 （ａ）〜（ｄ）は、第一腱状体を高速で牽引した際の動作態様を示す概念図であり、（ｅ）は（ｄ）に示す状態において指先部の角度と部材に作用する力との関係を示すグラフである。 （ａ）、（ｂ）は、第二腱状体を牽引した際の第一の動作態様を示す概念図であり、（ｃ）は（ｂ）に示す状態において指先部の角度と部材に作用する力との関係を示すグラフである。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、第二腱状体を牽引した際の第二の動作態様を示す概念図であり、（ｄ）は（ｃ）に示す状態において指先部の角度と部材に作用する力との関係を示すグラフである。 第三腱状体を牽引した際の動作態様を示す概念図である。 図７（ｃ）に示す状態からさらに第三腱状体を牽引した際の動作態様を示す概念図である。 第四腱状体を牽引した際の動作態様を示す概念図である。 第五腱状体を牽引した際の動作態様を示す概念図である。 図１０（ｃ）に示す状態からさらに第五腱状体を牽引した際の動作態様を示す概念図である。

本発明の一実施形態に係る指モデル機構１０の構成及び動作について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、図２は、主に、後に詳述する各腱状体６０，６２，６４，６６，６８の配列関係を説明するためのものであり、必ずしも指モデル機構１０を構成する全ての部材が図示されている訳ではない。また、図３〜図１１についても、後に詳述する各腱状体６０，６２，６４，６６，６８の動作を説明するためのものであり、必ずしも指モデル機構１０を構成する全ての部材が図示されている訳ではない。

≪指モデル機構１０の構成について≫
図１及び図２に示すように、指モデル機構１０は、長手方向一端側から指先部２０、中節部２２、基節部２４、及び根元部２６に大別される部位を有し、各部位間を第一関節部３０、第二関節部３２、及び第三関節部３４によって接続した構造とされている。

指先部２０は、指モデル機構１０の長手方向一端側に設けられた部位である。また、中節部２２は、指先部２０に対して第一関節部３０を介して接続された部位である。基節部２４は、中節部２２に対して第二関節部３２を介して接続された部位である。根元部２６は、基節部２４に対して第三関節部３４を介して接続された部位である。指先部２０、中節部２２、基節部２４、及び根元部２６は、それぞれ、図２に示すように、所定の間隔で対向配置された２枚の板体を、後に詳述する第一回動軸３０ａ、第二回動軸３２ａ及び第三回動軸３４ａ等によって、回動可能に連結することにより構成されている。

第一関節部３０は、第一回動軸３０ａと、第一回動軸３０ａによって軸支された第一プーリ３０ｂとを備えている。第一回動軸３０ａは、指先部２０をなす２枚の板体、及び中節部２２をなす２枚の板体に亘って、これらの板体に対して略垂直に装着されている。これにより、指先部２０及び中節部２２は、指モデル機構１０の腹側方向、及び背側方向に向けて自由に回動させることが可能となっている（腹側方向及び背側方向については後述する）。

第二関節部３２は、第二回動軸３２ａと、第二回動軸３２ａによって軸支された第二プーリ３２ｂとを備えている。第二回動軸３２ａは、中節部２２をなす２枚の板体、及び基節部２４をなす２枚の板体に亘って、これらの板体に対して略垂直に装着されており、中節部２２及び基節部２４を腹側方向及び背側方向に向けて自由に回動させることができる。

第三関節部３４は、第三回動軸３４ａによって構成されている。第三回動軸３４ａは、基節部２４をなす２枚の板体、及び根元部２６をなす２枚の板体に亘って、これらの板体に対して略垂直に装着された軸体である。基節部２４及び根元部２６は、第三回動軸３４ａを中心として、互いに腹側方向及び背側方向に向けて自由に回動することができる。

ここで、図１において二点鎖線で示すように、上述した第一回動軸３０ａ、第二回動軸３２ａ、及び第三回動軸３４ａを通り、指先部２０、中節部２２、基節部２４、及び根元部２６の側面をなす板体に対して垂直な平面を想定した場合に、この平面を境として一方側（図１（ａ）の紙面上側）の領域を背側領域４０、他方側（図１（ａ）の紙面下側）の領域を腹側領域４２と規定することができる。指モデル機構１０は、背側領域４０及び腹側領域４２に、以下に詳述するような可動角制限部材５０，５２、付勢手段５４，５６、腱状体６０，６２，６４，６６，６８等が設けられている。

具体的には、指モデル機構１０の腹側領域４２において、指先部２０と中節部２２との間には、指先部・中節部間可動角制限部材５０（以下、「先・中間可動角制限部材５０」とも称す）が設けられている（図２においては図示を省略）。先・中間可動角制限部材５０は、中節部２２に対する指先部２０の背側方向への反りを一定の角度範囲に制限するためのものである。先・中間可動角制限部材５０は、非線形で弾性を有し、自然長においては紐のように柔軟な性質を有する素材によって形成されている。

また、腹側領域４２において、基節部２４と根元部２６との間には、基節部・根元部間可動角制限部材５２（以下、「基・根間可動角制限部材５２」とも称す）が設けられている（図２においては図示を省略）。基・根間可動角制限部材５２は、根元部２６に対する基節部２４の背側方向への反りを一定の角度範囲に制限するためのものである。基・根間可動角制限部材５２は、先・中間可動角制限部材５０と同様に非線形で弾性を有し、自然長においては紐のように柔軟な性質を有する素材によって形成されている。

背側領域４０には、基節部２４と根元部２６とを繋ぐように基節部・根元部間付勢手段５４（以下、「基・根間付勢手段５４」とも称す）が設けられている。基・根間付勢手段５４は、バネによって構成されており、基節部２４が図１の状態から腹側領域４２へ回動する際の抵抗となるような付勢力を発揮する。なお、第三関節部３４における関節角度の変化によって、基・根間可動角制限部材５２及び基・根間付勢手段５４は第三関節部３４に、図１（ｃ）のグラフに示したようなトルク（基・根間可動角制限部材５２が正領域のトルク、基・根間付勢手段５４が負領域のトルク）を発生させる。ここで、図１（ａ）に示したような状態となっている場合、第三関節部３４の関節角度が０°である。また、トルクの正負は、いわゆる右ネジの法則に準じる。また、背側領域４０には、指先部２０と中節部２２とを繋ぐように指先部・中節部間付勢手段５６（以下、「先・中間付勢手段５６」とも称す）が設けられている。先・中間付勢手段５６は、基・根間付勢手段５４と同様のバネによって構成されており、指先部２０が図１の状態から腹側領域４２へ回動する際の抵抗となるような付勢力を発揮する。なお、第一関節部３０における関節角度の変化によって、先・中間可動角制限部材５０及び先・中間付勢手段５６は第一関節部３０に、図１（ｂ）のグラフに示したようなトルク（先・中間可動角制限部材５０が正領域のトルク、先・中間付勢手段５６が負領域のトルク）を発生させる。ここで、図１（ａ）に示したような状態となっている場合、第一関節部３０の関節角度が０°である。また、トルクの正負は、いわゆる右ネジの法則に準じる。

中節部２２及び基節部２４の背側には、両者に亘ってストッパ４４が設けられている。ストッパ４４は、基節部２４の背側に片持ち状に取り付けられている。ストッパ４４は、基節部２４よりも中節部２２が背側に沿った状態にならないように、背側領域４０に向けた中節部２２の回動範囲を規制することができる。

指モデル機構１０は、第一腱状体６０、第二腱状体６２、第三腱状体６４、第四腱状体６６、及び第五腱状体６８の５種類の腱状体を備えている。各腱状体６０，６２，６４，６６，６８はそれぞれ鋼製のワイヤーによって構成されており、各腱状体６０，６２，６４，６６，６８の牽引量又は／及び牽引速度を調整することにより、指先部２０、中節部２２、基節部２４、及び根元部２６の姿勢及び動作を制御することができる。

第一腱状体６０は、指先部２０の背側領域４０に設けられた第一腱始端部７０に、始端部が固定されている。第一腱状体６０は、第一腱始端部７０を始端として、中節部２２の背側領域４０を通り、基節部２４の背側領域４０であって長手方向の略中間（長手方向中間部）に設けられた中継部８０に至り、この中継部８０から、基節部２４の腹側領域４２であって長手方向の中間よりも根元部２６側にずれた位置に設けられた第一腱取出部７１に至る経路を通るように設けられている。

なお、上述したとおり、第一腱状体６０の始端部は、第一腱始端部７０において固定されているが、前記経路の途中の一部分は中継部８０及び第一腱取出部７１において非固定状態で支持されている。また、第一腱状体６０は、前記経路の途中の他部分において、中節部２２に設けられた第一支持部８１、及び基節部２４の背側領域４０に設けられた第二支持部８２において非固定状態で支持されている。第一腱状体６０の終端部は、第一腱取出部７１から腹側に取り出され、自由端とされている。

ここで、第一腱状体６０の途中の部分において「非固定状態で支持されている」とは、各関節部２２，２４における各支持部位（中継部８０、第一腱取出部７１、第一支持部８１及び第二支持部８２）の位置が変更されることなく、当該支持部位において第一腱状体６０が当該第一腱状体６０の長手方向（取付方向）に沿う方向に移動可能であるように支持されている状態を意味する。なお、以下、第二腱状体６２、第三腱状体６４、第四腱状体６６及び第五腱状体６８についても「非固定状態で支持されている」旨の記述があるが、各腱状体が非固定状態で支持される支持部位はそれぞれ異なるものの、各支持部位の位置が変更されることなく、当該支持部位において腱状体が当該第一腱状体の長手方向（取付方向）に沿う方向に移動可能であるように支持されているといった点で、第一腱状体６０の途中の部分について説明した「非固定状態で支持されている」と同様の意味である。

また、第一腱状体６０は、第一関節部３０及び第二関節部３２において、側面視で略扇状の第一プーリ３０ｂ及び第二プーリ３２ｂに懸架されている。第一プーリ３０ｂ及び第二プーリ３２ｂは、径方向の内側に所定以上の力で加圧されることによって径が可変する程度の硬さを有するゴムなどの弾性体により構成されている。そのため、第一腱状体６０の終端部を牽引すると、第一プーリ３０ｂ及び第二プーリ３２ｂに対して径方向の内側に向けた所定以上の押圧力が作用し、第一プーリ３０ｂ及び第二プーリ３２ｂが縮径する。

第二腱状体６２は、中節部２２の腹側領域４２に設けられた第二腱始端部７２から基節部２４の腹側領域４２に設けられた第三支持部８３を通り、基節部２４の腹側領域４２において第三支持部８３よりも根元部２６側に設けられた第二腱取出部７３に至る経路を通るように設けられている。また、第二腱状体６２の始端部は、第二腱始端部７２において固定され、第二腱状体６２の途中部分は、基節部２４の腹側領域４２に設けられた第三支持部８３及び第二腱取出部７３において非固定状態で支持されており、終端部は自由端とされている。

第三腱状体６４は、指先部２０の腹側領域４２に設けられた第三腱始端部７４において始端部が固定されているとともに、第三腱始端部７４から中節部２２の腹側領域４２を通り、基節部２４の腹側領域４２に設けられた第三腱取出部７５に至る経路を通るように設けられている。なお、上述した通り、第三腱状体６４は、第三腱始端部７４において始端部が固定されているが、途中部分は中節部２２の腹側領域４２に設けられた第四支持部８４、上述した第三支持部８３、及び第三腱取出部７５において非固定状態で支持されており、終端部は腹側に取り出されて自由端とされている。

第四腱状体６６は、基節部２４の長手方向の略中間であって背側領域４０に設けられた第四腱始端部７６において始端部が固定されている。第四腱状体６６は、終端部が背側に取り出され、自由端とされている。

第五腱状体６８は、指先部２０の背側領域４０に設けられた第五腱始端部７８において始端部が固定されている。本実施形態においては、第五腱始端部７８が上述した第一腱始端部７０と同一の部材により共用されている。また、第五腱状体６８は、中節部２２の背側領域４０を通り、基節部２４の背側領域４０に設けられた第五腱取出部７９に至る経路を通るように設けられている。なお、第五腱状体６８の途中部分は、中節部２２の背側領域４０に設けられた第一支持部８１、基節部２４の背側領域４０に設けられた第二支持部８２、及び第五腱取出部７９において非固定状態で支持されており、終端部は自由端とされている。

上述した第一腱取出部７１、第二腱取出部７３、第三腱取出部７５、第五腱取出部７９、中継部８０、第一支持部８１、第二支持部８２、及び第三支持部８３は、それぞれ、ワイヤーを挿通可能なスリーブ等によって構成することができる。

≪指モデル機構１０の動作について≫
指モデル機構１０は、上述した各腱状体６０，６２，６４，６６，６８の牽引量、及び牽引速度を変化させることにより、指先部２０、中節部２２、基節部２４、及び根元部２６を屈曲状態あるいは伸展状態とし、人の指と同様に動作させることができる。以下、指モデル機構１０の動作について、各腱状体６０，６２，６４，６６，６８に分類して説明する。

（第一腱状体６０を牽引することによる動作）
指モデル機構１０は、第一腱状体６０を、指モデル機構１０自身の運動によって生じる慣性力の影響を受けない程度の低速で牽引した場合と、第一腱状体６０を高速で牽引した場合とで異なる動作を実施させることができる。第一腱状体６０を低速で牽引した場合は、図３に示すような動作を行う。具体的には、指モデル機構１０は、図３（ａ）に示すように、中節部２２と基節部２４とが交差するように屈曲した中節部・基節部間屈曲状態（以下、「中・基間屈曲状態」とも称す）においては、第二関節部３２における回動抵抗が他の関節部３０，３４よりも低い。そのため、第一腱状体６０を低速で牽引すると、第二関節部３２の第二回動軸３２ａを中心として指先部２０及び中節部２２が背側方向（背側）に向けて回動する。これにより、図３（ｂ）に示すように、指先部２０から根元部２６に至る部分が略直線状に延びた指先部・根元部間伸展状態（以下、「先・根間伸展状態」とも称す）となる。

図３（ｂ）に示す先・根間伸展状態においては、ストッパ４４により中節部２２が第二回動軸３２ａを中心として背側に回動できない状態にある。そのため、この状態においては、第二関節部３２の回動抵抗は、他の関節部の回動抵抗よりも大きい。また、先・根間伸展状態においては、第一関節部３０の回動抵抗よりも第三関節部３４の回動抵抗の方が小さくなっている。そのため、先・根間伸展状態において第一腱状体６０をさらに牽引すると、指先部２０から基節部２４に至る部分が略直線状に延びた状態を維持しつつ、第三関節部３４において第三回動軸３４ａを中心として根元部２６に対して腹側に回動する。これにより、図３（ｃ）に示すように、指先部２０から基節部２４に至る部分が略直線状に延び、基節部２４と根元部２６との間において屈曲した指先部・基節部間伸展状態（以下、「先・基間伸展状態」とも称す）となる。

次に、先・基間伸展状態において第一腱状体６０をさらに牽引しつつ、指先部２０の腹側の部分を部材Ｗに接触させると、第三回動軸３４ａを中心とした回動（屈曲）が終了する。その後、図３（ｄ）に示すように、中節部２２から基節部２４に至る部分が略直線状に延びた状態を維持しつつ、指先部２０が部材Ｗの表面に倣うように屈曲した指先部屈曲接触状態となる。このとき、指先部２０から部材Ｗの厚み方向に作用する力Ｆは、図３（ｅ）（図３（ｂ）の状態（先・根間伸展状態）の場合に作用する力Ｆを０とする）のグラフ中において、０から平坦部分の値まで変化する。次に、指先部屈曲接触状態においてさらに第一腱状体６０を牽引すると、部材Ｗに牽引方向への力が作用する。このとき、指先部２０から部材Ｗの厚み方向に作用する力は、図３（ｅ）のグラフの平坦部分に示したように急上昇しない。従って、部材Ｗが薄板状のものを積み重ねたものである場合、当該薄板状が積み重ねられた積み重ね方向（厚み方向）に、過大な押圧力を作用させることなく適切な押圧力を発生させることができ、最も上方に位置している板体（フィルム状のものを含む）のみを指先部２０によって引き寄せることが可能となる。ここで、図３（ｂ）に示したような状態となっている場合、第一関節部３０の関節角度は０°である。また、力Ｆの正方向は、部材Ｗを押圧する方向とする。また、図３（ａ）〜（ｄ）においては、紙面下方向が重力の方向である。

一方、第一腱状体６０を指モデル機構１０自身の運動によって生じる慣性力の影響を受ける程度の速度（高速）で牽引した場合は、図４に示すような動作を行う。具体的には、指モデル機構１０は、図４（ａ）に示すように、中節部２２と基節部２４とが交差するように屈曲した中・基間屈曲状態において第一腱状体６０を高速で牽引すると、図４（ｂ）に示すように、第二関節部３２及び第三関節部３４の双方において回動した状態となる。

具体的には、指先部２０から中節部２２に至る部分が第二回動軸３２ａを中心として背側に回動すると共に、基節部２４が第三回動軸３４ａを中心として腹側に回動する。その後、第二関節部３２において中節部２２がストッパ４４に当接するまでの間は、第一腱状体６０の牽引に伴って第二回動軸３２ａ及び第三回動軸３４ａを中心とする前述の回動運動が継続される。第二関節部３２において中節部２２がストッパ４４に当接した後は、第三回動軸３４ａにおいてのみ回動運動が行われる。その後、図４（ｃ）に示すように、指先部２０から基節部２４に至る部分が略直線状に延び、基節部２４と根元部２６との間において屈曲した指先部・基節部間伸展状態（以下、「先・基間伸展状態」とも称す）となる。

先・基間伸展状態になった後は、第一腱状体６０の牽引速度が高速の場合についても、低速の場合と同様の動作を行う。すなわち、先・基間伸展状態において第一腱状体６０を牽引し、指先部２０の腹側の部分を部材Ｗに接触させると、図４（ｄ）に示すように、指先部屈曲接触状態となる。このとき、指先部２０から部材Ｗの厚み方向に作用する力Ｆは、図４（ｅ）（先・根間伸展状態の場合に作用する力Ｆを０とする）のグラフ中において、０から平坦部分の値まで変化する。次に、指先部屈曲接触状態においてさらに第一腱状体６０を牽引すると、部材Ｗ（板体）に牽引方向への力が作用するが、指先部２０から部材Ｗの厚み方向に作用する力Ｆは、図４（ｅ）のグラフの平坦部分に示したように急上昇しないので、最も上方に位置している板体（フィルム状のものを含む）のみを指先部２０によって引き寄せることが可能となる。

（第二腱状体６２を牽引することによる動作）
指モデル機構１０は、第二腱状体６２を牽引することにより、図５及び図６に示すような動作を行うことができる。先ず図５に示す動作を具体的に説明すると、指モデル機構１０は、図５（ａ）に示すように、指先部２０から根元部２６に亘って略直線状に延びた先・根間伸展状態において第二腱状体６２を牽引すると、図５（ｂ）に示すように、中節部２２及び基節部２４が指先部２０及び根元部２６に対して屈曲し、第二関節部３２が第一関節部３０及び第三関節部３４よりも背側に持ち上がった指先部・根元部間屈曲状態（以下、「第一先・根間屈曲状態」とも称す）となる。本動作において、基・根間付勢手段５４及び先・中間付勢手段５６をなすバネは撓んだ状態となり、バネ要素として機能しない。これにより、図５（ｂ）の状態においては、基節部２４と根元部２６との間、及び指先部２０と中節部２２との間には、基・根間付勢手段５４及び先・中間付勢手段５６による付勢力は作用しない。

上述した第一先・根間屈曲状態において指先部２０の腹側に部材Ｗを接触させ、第二腱状体６２を牽引すると、部材Ｗに対して牽引力が作用し、根元部２６側に引き寄せられる。一方、第一先・根間屈曲状態において第二腱状体６２に作用する牽引力を緩めると、先・中間可動角制限部材５０、及び基・根間可動角制限部材５２によるバネ作用により、部材Ｗを根元部２６から離れる方向に力が作用し、部材Ｗが押し戻される。また、第一先・根間屈曲状態において第二腱状体６２の牽引力を変化させると、指先部２０から部材Ｗに対して作用する垂直方向への力Ｆは、図５（ｃ）に示すように変化する。従って、指モデル機構１０は、第二腱状体６２に作用する牽引力を調整することにより、部材Ｗを引き寄せる動作と、押し戻す動作の２種類の動作を行うことができる。ここで、図５（ａ）に示したような状態となっている場合、第一関節部３０の関節角度は０°である。また、力Ｆの正方向が、部材Ｗを押圧する方向とする。

図６に示す動作は、同図（ａ）に示すように、第二腱状体６２を牽引し、中節部２２と基節部２４とが交差するように屈曲した中・基間屈曲状態を基準とする動作である。中・基間屈曲状態においては、基・根間付勢手段５４が第三関節部３４の回動抵抗となる。従って、中・基間屈曲状態において第二腱状体６２を牽引すると、先ず第二回動軸３２ａを中心とする回動運動が行われ、その後第三回動軸３４ａを中心とする回動運動が行われる。このような回動運動は、第三関節部３４近傍に設けられた基・根間付勢手段５４が背側領域４０においてバネ要素として機能するような配置とされていること、及び第二関節部３２における腱状体に作用する牽引力に対する回動抵抗が第三関節部３４における腱状体に作用する牽引力に対する回動抵抗よりも小さいことに起因する。

図６（ａ）の中・基間屈曲状態から第二腱状体６２の牽引を継続すると、先ず第二回動軸３２ａを中心とする回動運動が行われ、やがて図６（ｂ）に示すように、指先部２０の腹側に部材Ｗ（図６の横方向には動かないように拘束されている）が接触する。この状態において、第二腱状体６２をさらに牽引すると、図６（ｃ）に示すように、中節部２２及び基節部２４が指先部２０及び根元部２６に対して屈曲し、第二関節部３２が第一関節部３０及び第三関節部３４よりも背側に持ち上がった指先部・根元部間屈曲状態（以下、「第二先・根間屈曲状態」とも称す）となる。この状態において、第二腱状体６２を牽引すると、部材Ｗに対して牽引力が作用し、指先部２０から部材Ｗに対して作用する垂直方向への力Ｆは、図６（ｄ）に示すように変化する。そして、部材Ｗは、根元部２６側（図６において上方側）に引き寄せられる。なお、第二先・根間屈曲状態において、第二腱状体６２に作用する牽引力を緩めると、基・根間付勢手段５４が指先部２０から基節部２４に至る部分を持ち上げてしまうように作用するとともに、基・根間可動角制限部材５２がバネ要素として機能しないために、第二腱状体６２の牽引力を緩めても部材Ｗを押し戻す（図６の下方側に押す）力は発生しない。

（第三腱状体６４を牽引することによる動作）
指モデル機構１０は、第三腱状体６４を牽引することにより、図７に示すような動作を行うことができる。指モデル機構１０は、図７（ａ）に示すように指先部２０から根元部２６に亘って略直線状に延びた先・根間伸展状態において、第一関節部３０の腱状体に作用する牽引力に対する回動抵抗は、他の関節における腱状体に作用する牽引力に対する回動抵抗よりも小さくなっている。そのため、先・根間伸展状態において第三腱状体６４を牽引すると、図７（ｂ）に示すように、第一回動軸３０ａを中心として指先部２０が腹側に回動する。

図７（ｂ）に示すように指先部２０が腹側に屈曲した状態になると、指モデル機構１０における各関節部３０，３２，３４の回動抵抗のなかで、第二関節部３２の回動抵抗が最も小さくなる。そのため、さらに第三腱状体６４をさらに牽引すると、図７（ｃ）に示すように、中節部２２は、第二関節部３２の第二回動軸３２ａを中心として回動するとともに基節部２４に対して屈曲した状態となる。図７（ｃ）に示す状態になると、第一関節部３０の回動抵抗が、第二関節部３２及び第三関節部３４の回動抵抗よりも小さくなる。そのため、図７（ｃ）に示す状態からさらに第三腱状体６４を牽引すると、図８（ａ）に示したように、指先部２０は、第一関節部３０の第一回動軸３０ａを中心としてさらに腹側へ回動するとともに屈曲した状態となる。

図８（ａ）に示した状態においては、第三関節部３４の回動抵抗が、第一関節部３０及び第二関節部３２の回動抵抗よりも小さくなっている。そのため、この状態において第三腱状体６４をさらに牽引すると、第一関節部３０に代わって第三関節部３４において回動運動が開始され、基節部２４が第三回動軸３４ａを中心として回動する。これにより、図８（ｂ）に示すように、指先部２０から基節部２４に至る部分が完全に屈曲した状態となる。従って、第三腱状体６４を牽引することにより、指で物を握る動作と同様の動作を指モデル機構１０に行わせることが可能となる。

（第四腱状体６６を牽引することによる動作）
指モデル機構１０は、第四腱状体６６を牽引することにより、図９に示すような動作を行うことができる。具体的には、図９（ａ）に示す先・根間伸展状態において、指モデル機構１０自身の運動によって生じる慣性力の影響を受けない程度の速度（低速）で第四腱状体６６を牽引すると、図９（ｂ）に示すように、指先部２０から基節部２４に至る部分が、略直線状に延びた状態を維持しつつ第三回動軸３４ａを中心として根元部２６に対して背側に回動する。これにより、指先部２０から基節部２４に至る部分が、斜め上方に向けて略直線状に立ち上がった状態となる。

一方、図９（ａ）に示す先・根間伸展状態において、指モデル機構１０自身の運動によって生じる慣性力の影響を受ける程度の速度（高速）で第四腱状体６６を牽引すると、まず、基節部２４が引っ張られ、図９（ｂ）に示すように、第三関節部３４の第三回動軸３４ａを中心として基節部２４が根元部２６に対して背側に屈曲した状態となる。その直後、図９（ｃ）に示すように、第二関節部３２の第二回動軸３２ａを中心として、中節部２２が基節部２４に対して腹側に屈曲した状態となる。

（第五腱状体６８を牽引することによる動作）
指モデル機構１０は、第五腱状体６８を牽引することにより、図１０及び図１１に示すような動作を行うことができる。具体的には、以下の通りである。図１０（ａ）に示すように、指モデル機構１０が中節部２２と基節部２４とが略直角に屈曲し、指先部２０が中節部２２に対して腹側に屈曲した状態においては、基・根間付勢手段５４による基節部２４の背側への回動抑制作用と、先・中間付勢手段５６をなすバネによる指先部２０の背側への回動促進作用が働きやすくなっている。したがって、第一関節部３０における腱状体に作用する牽引力に対する回動抵抗は、第二関節部３２及び第三関節部３４における腱状体に作用する牽引力に対する回動抵抗よりも小さくなっている。また、図１０（ａ）に示す状態においては、基・根間付勢手段５４をなすバネは、背側領域４０に存在して平衡状態にあり、第三関節部３４においてモーメントを発生させていない。そのため、図１０（ａ）に示す状態において第五腱状体６８を牽引すると、第一関節部３０において第一回動軸３０ａを中心として指先部２０が背側に回動し、図１０（ｂ）に示すように、指先部２０から中節部２２に至る部分が略直線状に延びた状態となる。

図１０（ｂ）に示す状態においては、図１０（ａ）に示す状態と同様、基・根間付勢手段５４をなすバネは、背側領域４０に存在して平衡状態にあり、第三関節部３４においてモーメントを発生させていない。また、図１０（ｂ）に示す状態においては、第三関節部３４における回動抵抗が、第一関節部３０及び第二関節部３２における回動抵抗よりも小さくなっている。そのため、図１０（ｂ）に示す状態において第五腱状体６８を牽引すると、指先部２０の回動が停止し、図１０（ｃ）に示すように、第三関節部３４の第三回動軸３４ａを中心として根元部２６に対して基節部２４が背側に回動し始める。その後、基・根間可動角制限部材５２により基節部２４の回動が制限されるまで第五腱状体６８を牽引すると、基節部２４の回動が停止し、第二関節部３２の第二回動軸３２ａを中心として中節部２２が基節部２４に対して背側に回動し始める。

その後、図１１（ａ）に示すように、ストッパ４４によって制限されるまで中節部２２が回動した状態になると、第一関節部３０における腱状体に作用する牽引力に対する回動抵抗が、第二関節部３２及び第三関節部３４における腱状体に作用する牽引力に対する回動抵抗よりも小さくなる。従って、この状態において第五腱状体６８を牽引すると、図１１（ｂ）に示すように、指先部２０が背側に反るように回動する。先・中間可動角制限部材５０によって指先部２０の回動が制限された状態になると、指先部２０の回動が停止する。

上述したように、指モデル機構１０においては、第一腱状体６０の牽引量を調整することにより、指先部２０、中節部２２、基節部２４の姿勢を様々に変化させることが可能となり、指先部２０における対象物への力の付加度合を機構的に制御することができる。したがって、指モデル機構１０によれば、多数積み重ねられた薄板状の部材Ｗを一枚ずつスライドさせることができる。また、第二腱状体６２の牽引量を調整することにより、板状の部材Ｗを引き寄せる動作、及び部材Ｗを押し戻す動作が実現可能となる。したがって、第一腱状体６０及び第二腱状体６２を適宜作動させ、部材Ｗをスライドさせた後、把持することにより部材Ｗを一枚ずつ持ち上げることにも応用できる。

また、指モデル機構１０は、第一プーリ３０ｂ及び第二プーリ３２ｂとして押圧力によって径の大きさが変化するものを採用し、第一腱状体６０や第五腱状体６８を懸架した構造である。これにより、第一腱状体６０や第五腱状体６８に作用する牽引力の大きさや第一関節部３０及び第二関節部３２において発生しているトルクを機構的に調整することができる。具体的には、第一プーリ３０ｂ及び第二プーリ３２ｂが縮径した場合、第一関節部３０及び第二関節部３２において発生するトルク（牽引力に対する）を小さくすることが可能となり、第一腱状体６０や第五腱状体６８に作用している牽引力や接触している部材Ｗに対して作用している力Ｆに想定外の急激な上昇が発生して第一腱状体６０や第五腱状体６８の破断や部材Ｗの破壊を防ぐことができる。また逆に、第一プーリ３０ｂ及び第二プーリ３２ｂが縮径した後、第一腱状体の牽引力が緩まった場合、第一プーリ３０ｂ及び第二プーリ３２ｂが拡径することで、第一関節部３０及び第二関節部３２において発生するトルク（牽引力に対する）を大きくすることが可能となり、第一腱状体６０や第五腱状体６８に作用している牽引力や部材Ｗに対して作用している力Ｆの想定外の急激な低下を機構的に防ぐことができ、安定性の高い動作を実現できる。

なお、本発明は、上記の好ましい実施形態に記載されているが、本発明はそれだけに制限されない。例えば、以下の変形例として説明するように、本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が可能である。

例えば、上述の指先部２０のうち上述の部材Ｗと接触する接触部位については詳述していないが、指先部２０と部材Ｗとの間の静止摩擦力を高めるべく、部材Ｗと接触する指先部２０の接触部位に、例えばゴム、又は、温度によって粘着力が変わるシートを取り付けてもよい。

また、上述の各腱状体６０，６２，６４，６６，６８は、いずれも鋼製のワイヤーによって構成されているが、各腱状体６０，６２，６４，６６，６８を牽引するに十分な強度が保証できれば、必ずしも鋼製に限られず、ケプラー繊維製などであってもよい。また、必ずしもワイヤーに限られず、紐状のもの、ベルト、チェーンなどであってもよい。また、ワイヤーの直線部分においては、棒状の金属などの剛体に置き換えることとして、ワイヤーの伸びを最小限にして制御性を向上させることとしてもよい。

また、本実施形態においては、第一支持部８１及び第二支持部８２を用いて各ワイヤーを非固定状態で支持しているが、第一支持部８１及び第二支持部８２が設けられていない指モデル機構としても、本実施形態の指モデル機構１０と同様の動作をすることができる。

１０ 指モデル機構
２０ 指先部
２２ 中節部
２４ 基端部
２６ 根元部
３０ 第一関節部
３０ｂ 第一プーリ
３２ 第二関節部
３２ｂ 第二プーリ
３４ 第三関節部
４０ 背側領域
４２ 腹側領域
５０ 指先部・中節部間可動角制限部材（先・中間可動角制限部材）
５２ 基節部・根元部間可動角制限部材（基・根間可動角制限部材）
５４ 基節部・根元部間付勢手段（基・根間付勢手段）
５６ 指先部・中節部間付勢手段（先・中間付勢手段）
６０ 第一腱状体
６２ 第二腱状体
８０ 中継部

Claims (6)

1. 長手方向一端側に設けられた指先部と、
   前記指先部に対して第一関節部を介して接続された中節部と、
   前記中節部に対して第二関節部を介して接続された基節部と、
   前記基節部に対して第三関節部を介して接続された根元部と、を有し、
   前記第一関節部、前記第二関節部、及び前記第三関節部のそれぞれに、順に、第一回動軸、第二回動軸、及び第三回動軸が設けられており、
   前記第一回動軸の軸心位置、前記第二回動軸の軸心位置、及び第三回動軸の軸心位置を通る平面を境として一方側に背側領域が形成され、他方側に腹側領域が形成されており、
   前記指先部及び前記中節部を、前記第一回動軸を中心として反る背側方向、及び背側方向とは反対の腹側方向に回動させることが可能であり、
   前記中節部及び前記基節部を、前記第二回動軸を中心として前記腹側方向に回動させることが可能であり、
   前記基節部及び前記根元部を、前記第三回動軸を中心として前記背側方向及び前記腹側方向に回動させることが可能であり、
   前記指先部の前記背側領域に設けられた第一腱始端部に始端が固定され、前記第一腱始端部から前記中節部の前記背側領域を通り、前記基節部の前記背側領域であって長手方向中間部に設けられた中継部に至り、前記中継部から前記基節部の前記腹側領域であって前記中継部よりも前記根元部側にずれた位置に至るように設けられ、終端が自由端とされた第一腱状体と、
   前記腹側領域において前記指先部と前記中節部とを繋ぐように設けられ、前記中節部に対する前記指先部の前記背側方向への反りを一定の角度範囲に制限する指先部・中節部間可動角制限部材と、
   前記背側領域において前記基節部と前記根元部とを繋ぐように設けられ、前記基節部が前記根元部に対して所定位置から前記腹側領域へ回動することを抑制しうる付勢力を発揮可能な基節部・根元部間付勢手段とを有し、
   前記第一腱状体の牽引量を調整することにより前記指先部、前記中節部、前記基節部の姿勢を変化させることを可能とした
   ことを特徴とする指モデル機構。
2. 前記第一回動軸によって前記第一関節部に軸支された第一プーリが設けられており、
   前記第二回動軸によって前記第二関節部に軸支された第二プーリが設けられており、
   前記第一プーリ及び前記第二プーリに前記第一腱状体が懸架されており、
   前記第一プーリ及び前記第二プーリが、前記第一腱状体から作用される径方向への押圧力を受けることにより縮径する弾性体により構成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の指モデル機構。
3. 前記中節部と前記基節部とが交差するように屈曲した中節部・基節部間屈曲状態において、前記第一腱状体を牽引することにより、前記指先部から前記基節部に至る部分が略直線状に延びた指先部・基節部間伸展状態となり、
   前記指先部・基節部間伸展状態において、前記指先部の前記腹側領域に部材を接触させることにより、前記中節部から前記基節部に至る部分が略直線状に延びた状態を維持しつつ、前記指先部が前記部材の表面に倣うように屈曲した指先部屈曲接触状態となり、
   前記指先部屈曲接触状態において前記第一腱状体を牽引することにより、前記部材をスライドさせうる
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の指モデル機構。
4. 前記中節部の前記腹側領域に設けられた第二腱始端部から前記基節部の前記腹側領域に設けられた第三支持部を通り、前記基節部の前記腹側領域において第三支持部よりも前記根元部側に設けられた第二腱取出部に至る経路を通るように設けられているとともに、前記第二腱始端部において固定され、前記第三支持部及び第二腱取出部において非固定状態で支持された第二腱状体と、
   前記腹側領域において前記基節部と前記根元部とを繋ぐように設けられ、前記根元部に対する前記基節部の前記背側方向への反りを一定の角度範囲に制限する基節部・根元部間可動角制限部材と、
   前記背側領域において前記指先部と前記中節部とを繋ぐように設けられ、前記指先部が前記中節部に対して所定位置から前記腹側領域へ回動することを抑制しうる付勢力を発揮可能な指先部・中節部間付勢手段とを有し、
   前記指先部に対象物が接触している状態で前記第二腱状体の牽引量を調整することにより前記指先部、前記中節部、前記基節部の姿勢を変化させることを可能とした
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の指モデル機構。
5. 第二腱状体の牽引量を調整することにより、
   前記指先部から前記根元部に亘って略直線状に延びた指先部・根元部間伸展状態と、
   前記中節部及び前記基節部が前記指先部及び前記根元部に対して屈曲し、前記第二関節部が前記第一関節部及び前記第三関節部よりも背側領域側に持ち上がった状態となるように屈曲した指先部・根元部間屈曲状態と、の間で姿勢を変化させることを可能とした
   ことを特徴とする請求項４に記載の指モデル機構。
6. 第二腱状体の牽引量を調整することにより、
   中節部と前記基節部とが交差するように屈曲した中節部・基節部間屈曲状態と、
   前記中節部及び前記基節部が前記指先部及び前記根元部に対して屈曲し、前記第二関節部が前記第一関節部及び前記第三関節部よりも背側領域側に持ち上がった状態となるように屈曲した指先部・根元部間屈曲状態と、の間で姿勢を変化させることを可能とした
   ことを特徴とする請求項４又は５に記載の指モデル機構。

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