JP6767093B2 - 多指ハンド装置 - Google Patents

Description

本発明は、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、複数本の指部を備える人の手に近い形状の手部を有する多指ハンド装置の開発が進められており、本発明者も既に多指ハンド装置を提案している（特許文献１）。これは、複数の指部のそれぞれを、基端から指先まで分離不能な単一の弾性部材で構成し、部分的に肉薄とすることにより屈曲可能な関節部とすると共に、指先の近傍から指腹に沿って配した一本のワイヤを、モータの回転により牽引し又は弛緩させることによって、指部を屈伸させるものである。

本発明者の提案によるこの多指ハンド装置は、関節ごとに設けたモータを個々に回転させることにより指部を屈伸させるタイプの従来のハンド装置や、関節ごとに設けたプーリにそれぞれ巻き掛けられた複数本のワイヤを介して指部を屈伸させるタイプの従来のハンド装置に比べて、構成が極めて簡易であり、低コストでの製造が可能である。そして、極めて簡易な構成であるにも関わらず、関節部の曲げ応力に対する抵抗を調整すること等により、人の手に近い繊細な動作を行わせることができ、実用的な握力も備えているため、多数のメディアで紹介されるなど、広く注目を集めている。

特開２０１３−０３９６５６号公報

本発明は、このような多指ハンド装置の開発を更に進める過程でなされたものであり、簡易な構成でありながら、人の手に近い動作を行わせることができる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、
「複数の指部を備える手部、該手部を支持する腕部、及び、前記手部を前記腕部に連結している手首構造を備える多指ハンド装置であって、
前記手首構造は、
前記手部の両外側の端部から、それぞれ前記腕部に向かって突出している一対の手首突片と、
一対の前記手首突片の間に位置し、軸心が第一軸であるモータ回転軸が前記手首突片の少なくとも一方に固定されている第一モータと、
軸心が第二軸であるモータ回転軸が前記第一軸と直角をなすように、前記腕部に固定されている第二モータと、
前記第二軸に一端が固定されており、前記第二モータの正逆回転によって回動する回動バーと、
一端が前記腕部に固定されていると共に、他端が前記第一モータのケーシングに前記第二軸に平行な第三軸によって軸支されており、前記第一モータを前記第三軸周りに回動自在に支持している固定バーと、
一端が前記第三軸と平行な第四軸によって前記第一モータのケーシングに回動自在に軸支されていると共に、他端が第五軸によって前記回動バーの他端に回動自在に軸支されている伝達バーとを具備し、
前記第一モータの正逆回転によって、前記手首突片を前記第一軸周りに回動させることにより前記手部を掌屈及び背屈させ、
前記第二モータの正逆回転による前記回動バーの前記第二軸周りの回動が前記伝達バーを介して伝達され、前記第四軸が前記第三軸周りに回動することによって、前記第一モータを前記第一軸に直角な前記第三軸周りに回動させ、これに伴い前記手部を橈屈及び尺屈させる」ものである。

手部の動作としての「掌屈」、「背屈」、「橈屈」、及び「尺屈」は、人の手において相当する動作の名称である。「掌屈」は手の平（手掌）側への手部の回動動作であり、「背屈」は手の甲（手背）側への回動動作である。また、「橈屈」は前腕部の内側（親指側）の骨である橈骨側への手部の回動動作であり、「尺屈」は前腕部の外側（小指側）の骨である尺骨側への回動動作である。

一対の「手首突片」が突出している「手部の両外側の端部」における「両外側」とは、複数の指部のうち最も内側の指部（人の手では親指）側、及び、最も外側の指部（人の手では小指）側を指している。従って、「手部の両外側の端部から、それぞれ腕部に向かって突出している」一対の手首突片は、人の手首における内くるぶし及び外くるぶしに相当する部分であり、手首突片の少なくとも一方に固定されている第一軸（第一モータのモータ回転軸）が、「掌屈」及び「背屈」の回動軸である。

第一モータのモータ回転軸が「一対の手首突片の少なくとも一方に固定されている」構成としては、第一モータの本体からモータ回転軸が両方向に延びており、モータ回転軸の一端が手首突片の一方に固定されていると共に、モータ回転軸の他端が手首突片の他方に固定されている構成、第一モータの本体からモータ回転軸が一方のみに延び、その先端が手首突片の一方に固定されていると共に、他方にはモータに駆動されないシャフトがモータ回転軸と同軸に延び、その先端が手首突片の他方に対して相対的な回動自在に留め付けられている構成、を例示することができる。

「第三軸」は「第二軸と平行」であり、「第二軸」（第二モータのモータ回転軸）は「第一軸と直角をなす」ため、第三軸も「第一軸と直角をなす」軸である。ここで、第一軸と直角をなす軸の方向には二方向があり、その一方は腕部をねじる動作（回内及び回外）の回動軸であり、他方は橈屈」及び「尺屈」の回動軸であるが、本発明において「第三軸」は「橈屈」及び「尺屈」の回動軸である。つまり、「第三軸」は、手の平または手の甲を面に近似したとき、その面に直交する軸である。

一般的に、異なる方向の回動軸を複数有する多軸ロボットでは、回動軸どうしの干渉を避けるために、複数の回動軸は離れた位置に設けられる。しかしながら、人の手に近い形状の手部を有する多指ハンド装置において、手部を異なる方向に回動させる回動軸どうしが離れていると、その回動動作は人の手の動作に近いものとはならない。

これに対し本発明では、手部を異なる方向に回動させる二つの回動軸を、直交させる（一方が他方を通る）こと、或いは、ごく近接して直角に交差させることが可能である。すなわち、本構成では、第一モータの回転によって、手部が掌屈及び背屈する第一軸周りの回動運動が駆動される。一方、第二モータの回転によって、手部が第一モータごと橈屈及び尺屈する第三軸周りの回動運動が、回動バー及び伝達バーを介して駆動される。この第一モータの第三軸周りの回動運動は、第四軸が第三軸周りに回動することによるものであるが、第三軸及び第四軸は、共に第一モータのケーシングに設けられた軸であり、第一モータのモータ回転軸（軸心が第一軸）と干渉しない。従って、手部を掌屈及び背屈させる回動軸である第一軸に対して、手部を橈屈及び尺屈させる回動軸である第三軸の延長線が、直交する構成（第三軸の延長線が第一軸を通る構成）、或いは、ごく近接して直角に交差する構成とすることが可能である。これにより、多指ハンド装置の手部の回動動作を、人の手の動作に近い自然な動作とすることができる。

加えて、本構成では、第一軸周りの手部の回動運動が、第一モータの回転によってダイレクトに駆動される。また、第二モータの回転も、複雑な構成を介することなく、僅か二つのバー（回動バー及び伝達バー）を介するのみで、第四軸の第三軸周りの回動運動に変換される。つまり、本構成の多指ハンド装置は、極めて簡易な構成でありながら、人の手に近い動作を行わせることができる。

本発明にかかる多指ハンド装置は、上記構成に加え、「前記第三軸の延長線は前記第一軸を通る」ものとすることができる。

本構成では、手部を異なる方向に回動させる二つの回動軸が直交しているため、多指ハンド装置の手部の回動動作が、人の手の回動動作に極めて近い動作となる。

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、
ヒンジ部によって回動自在に連結された複数の指節部からなり、
指先の近傍から指腹に沿って案内された一本のワイヤを備えると共に、
前記ヒンジ部に介設されたねじりコイルバネによって伸長方向に付勢されており、
前記腕部には、正逆回転により前記ワイヤを牽引し又は弛緩させる指部屈伸用モータが配されている」ものとすることができる。

本構成では、一本の指部は複数の指節部からなり、複数の指節部はヒンジ部によって回動自在に連結されている。つまり、「ヒンジ部」は人の手指における「関節」に相当し、「指節部」は人の手の一本の指において、隣接する関節の間の部分に相当する。また、「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、指部屈伸用モータの一方向への回転によりワイヤが牽引されれば、指腹に沿うように案内されたワイヤによって指先の近傍が引っ張られる。これにより、複数の指節部がヒンジ部によって連結されることにより形成されている指部は、ヒンジ部に介設されているねじりコイルバネの付勢に抗して指腹側に回動し、屈曲する。一方、指部屈伸用モータの他方向への回転によりワイヤを弛緩させれば（ワイヤを牽引する力を低減させれば）、指部を常に伸長方向に付勢しているねじりコイルバネの付勢により、ワイヤを弛緩させた分だけ指部が伸長する。

本構成は、一本の指部が屈曲及び伸長する運動量とタイミングを、一本のみのワイヤによって制御する極めて簡易な構成である。そして、ヒンジ部にはねじりコイルバネが介設されているため、人の手指の関節に相当するヒンジ部の曲げ応力に対する抵抗を、ねじりコイルバネのバネ定数によって、容易に調整することができる。例えば、一本の指部におけるヒンジ部の位置によってコイルバネのバネ定数を異ならせることにより、曲げ応力に対する抵抗を異ならせることができる。或いは、異なる指部間で、同じ位置にあるヒンジ部のコイルバネのバネ定数を異ならせることにより、曲げ応力に対する抵抗を異ならせることができる。従って、極めて簡易な構成でありながら、ねじりコイルバネのバネ定数を調整するという容易な手段によって、指部が屈伸する動作を人の動きにより近い自然な動作とすることができる。

以上のように、本発明の効果として、簡易な構成でありながら、人の手に近い動作を行わせることができる多指ハンド装置を、提供することができる。

本発明の一実施形態の多指ハンド装置の要部平面図である。 図１の多指ハンド装置について、手部を第三軸周りに回動させた状態の要部平面図である。 図１の多指ハンド装置について、（ａ）橈屈の角度を制限する構成、及び（ｂ）尺屈の角度を制限する構成、をそれぞれ説明する要部平面図及び部分拡大図である。 図１の多指ハンド装置について、（ａ）背屈・掌屈の角度規制用のストッパを説明する要部斜視図及び部分拡大図、（ｂ）背屈の角度を制限する構成、及び（ｃ）掌屈の角度を制限する構成、をそれぞれ説明する要部平面図及び部分拡大図である。 図１の多指ハンド装置に適用可能な手部の構成を例示する斜視図、及び部分拡大図である。 図１の多指ハンド装置に適用可能な他の手部における指部の構成を示す図である。

以下、本発明の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４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を備える手部１０と、手部１０を支持する腕部６０と、手部１０を腕部６０に連結している手首構造を備えている。

上記構成において、手首構造は、手部１０の両外側の端部から、それぞれ腕部６０に向かって突出している一対の手首突片３１，３２と、一対の手首突片３１，３２の間に位置し、軸心が第一軸Ｐ１であるモータ回転軸４１ｐが一方の手首突片３１に固定されている第一モータ４１と、軸心が第二軸Ｐ２であるモータ回転軸４２ｐが第一軸Ｐ１と直角をなすように腕部６０に固定されている第二モータ４２と、第二軸Ｐ２に一端が固定されており、第二モータ４２の正逆回転によって回動する回動バー４５と、一端が腕部６０に固定されていると共に、他端が第一モータ４１のケーシングに第二軸Ｐ２に平行な第三軸Ｐ３によって軸支されており、第一モータ４１を第三軸Ｐ３周りに回動自在に支持している固定バー４３と、一端が第三軸Ｐ３と平行な第四軸Ｐ４によって第一モータ４１のケーシングに回動自在に軸支されていると共に、他端が第五軸Ｐ５によって回動バー４５の他端に回動自在に軸支されている伝達バー４４とを具備している。

より詳細に説明すると、手部１０は、複数の指部２０と、それぞれの指部２０を基端（指先とは反対側の端部）側で支持する手部ベース１１とを備えている。複数の指部２０としては、手部ベース１１からほぼ同じ方向に延びた複数の指部２０ｂと、これらの指部２０ｂとは異なる方向に延びた、人の親指に相当する指部２０ａとを備えている。なお、図では、指部２０が全部で五本の場合を例示しているが、指部２０の本数はこれに限定されない。ここでは、指部２０ａと指部２０ｂと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。

一対の手首突片３１，３２は、手部ベース１１の腕部６０側端部における両外側、すなわち、指部２０ａを支持している側、及び、指部２０ｂのうち指部２０ａとは反対側の外側にある指部２０ｂを支持している側の双方から、腕部６０に向かって突出している。第一モータ４１は、一対の手首突片３１，３２の間の空間に位置しており、第一モータ４１のモータ回転軸４１ｐは一方のみに延びて、その先端が一方の手首突片３１に固定されている。第一モータ４１からは、モータ回転軸４１ｐとは反対方向に、第一モータ４１に駆動されないシャフト４１ｓがモータ回転軸４１ｐと同軸に延びている。シャフト４１ｓの先端は、他方の手首突片３２に設けられた孔部に支持されており、手首突片３２（ひいては手部１０）はシャフト４１ｓに対して回動自在である。

腕部６０は、腕部６０の骨格をなす腕部フレーム６１を備えている。腕部フレーム６１の手部１０側端部の近傍には、第二モータ４２が固定されている。この第二モータ４２のモータ回転軸４２ｐの軸心である第二軸Ｐ２は、第一モータ４１の第一軸Ｐ１に対して直角をなす方向に延びており、図１のように第一軸Ｐ１を紙面上に延びるように図示する場合、第二軸Ｐ２は紙面に直交している。

固定バー４３は平板状で一対あり、それぞれ腕部フレーム６１の手部１０側端部に一端が固定されている。一対の固定バー４３は、それぞれ手部１０に向かって平行に延び、第一モータ４１を両外側から挟み込むように配されている。そして、それぞれの固定バー４３の先端は、それぞれ第三軸Ｐ３によって第一モータ４１のケーシングに留め付けられており、第一モータ４１は固定バー４３に対して第三軸Ｐ３周りに回動自在である。この第三軸Ｐ３は、第二モータ４２の第二軸Ｐ２と平行である。このような構成の固定バー４３を備えることにより、第一モータ４１は第三軸Ｐ３周りに回動自在に腕部フレーム６１によって支持されており、第一モータ４１を介して手部１０が第三軸Ｐ３周りに回動自在に腕部フレーム６１によって支持されている。

本実施形態では、この第三軸Ｐ３の延長線が第一軸Ｐ１を通るように、第一軸Ｐ１と第三軸Ｐ３との位置関係が設定されている。なお、図１及び図２では、第一モータ４１のケーシングの図示を省略している。

第二モータ４２のモータ回動軸４２ｐは一方向にのみ延びており、その先端は平板状の回動バー４５の一端に固定されている。回動バー４５の他端には、同じく平板状の伝達バー４４の一端が重ね合わされた上で、相対的に回動自在に第五軸Ｐ５によって留め付けられている。この伝達バー４４は手部１０に向かって延び、その他端は第一モータ４１のケーシングに第四軸Ｐ４によって相対的に回動自在に留め付けられている。ここで、本実施形態では、第四軸Ｐ４の位置、回動バー４５及び伝達バー４４の長さは、第三軸Ｐ３と第四軸Ｐ４との距離が第二軸Ｐ２と第五軸Ｐ５との距離に等しく、第二軸Ｐ２と第三軸Ｐ３との距離が第五軸Ｐ５と第四軸Ｐ４との距離と等しくなるように設定されている。

次に、多指ハンド装置１における手部１０の回動動作について説明する。第一モータ４１を、モータ回転軸４１ｐの回転方向が図１における紙面手前から上方を通って奥行き方向に向かうように回転させると、モータ回転軸４１ｐに固定されている手首突片３１を介して、手部１０が第一軸Ｐ１周りに回動し掌屈する。このとき、他方の手首突片３２は、モータ回転軸４１ｐと同軸のシャフト４１ｓに対して回動自在に支持されているため、第一モータ４１の駆動により手部１０が第一軸Ｐ１周りに安定的に回動する。第一モータ４１を上記と反対方向に回転させると、手部１０は第一軸Ｐ１周りに反対方向に回動し、背屈する。

第二モータ４２を、モータ回転軸４２ｐの回転方向が図１において時計回りとなるように回転させると、図２に示すように、回動バー４５は第二軸Ｐ２周りに時計方向に回動する。これに伴い、回動バー４５に連結されている伝達バー４４は、腕部６０に向かって引っ張られる。これにより、伝達バー４４を第一モータ４１のケーシングに対して軸支している第四軸Ｐ４が、第三軸Ｐ３周りに時計回りに回動する。すなわち、第一モータ４１のケーシングを介して、第一モータ４１が第三軸Ｐ３周りに時計回りに回動し、この第一モータ４１ごと手部１０が第三軸Ｐ３周り回動し、尺屈する。第二モータ４２を反対方向（反時計回り）に回転させると、第四軸Ｐ４が第三軸Ｐ３周りに反時計回りに回動し、第一モータ４１ごと手部１０が第三軸Ｐ３周り回動し、橈屈する。

ここで、本実施形態では上述のように、第三軸Ｐ３と第四軸Ｐ４との距離が第二軸Ｐ２と第五軸Ｐ５との距離に等しく、第二軸Ｐ２と第三軸Ｐ３との距離が第五軸Ｐ５と第四軸Ｐ４との距離と等しくなるように設定されているため、第二モータ４２の回転によって、伝達バー４４は固定バー４３と平行にスライドし、回動バー４５が第二軸Ｐ２周りに回動する角度、すなわち第五軸Ｐ５が第二軸Ｐ２周りに回動する角度は、第四軸Ｐ４が第三軸Ｐ３周りに回動する角度、すなわち手部１０が第三軸Ｐ３周りに回動する角度と等しい。これにより、第二モータ４２の回転角度によって手部１０の回動角度を、シンプルな制御で調整することができる。

上記のように、本実施形態の多指ハンド装置１では、第三軸Ｐ３及び第四軸Ｐ４は共に第一モータ４１のケーシングに設けられた軸であり、軸心が第一軸Ｐ１である第一モータ４１のモータ回転軸４１ｐと干渉しない。そのため、本実施形態では、手部１０を掌屈及び背屈させる回動運動の回動軸である第一軸Ｐ１に対して、手部１０を橈屈及び尺屈させる回動運動の回動軸である第三軸Ｐ３の延長線を、直交させる（第三軸Ｐ３の延長線が第一軸Ｐ１を通る）ことが可能となっている。これにより、多指ハンド装置１の手部１０の回動動作が、人の手の回動動作に近い自然な動作となる。

加えて、本実施形態では、第一モータ４１により第一軸Ｐ１周りの手部１０の回動がダイレクトに駆動される。また、第二モータ４２の駆動による回動バー４５の回動、すなわち第五軸Ｐ５の第二軸Ｐ２周りの回動運動も、一枚の伝達バー４４を介するのみで、第四軸Ｐ４の第三軸Ｐ３周りの同一角度の回動運動に変換される。つまり、本構成の多指ハンド装置１は、極めて簡易な構成でありながら、人の手首に近い動作を行わせることができ、その回動動作の制御も容易である。

なお、手首が第三軸Ｐ３周りに回動していない状態、すなわち、指部２０ａを除く他の指部２０ｂが腕部６０の延びる方向と同一方向に延びている状態を「基準状態」とすると、人の手首は基準状態からは殆ど橈屈しない。このことに一般の人は気づいていないため、意外に思う人も多いと考えられる。基準状態から橈屈する方向の回動角度の範囲を小さく（例えば、０度〜５度）、基準状態から尺屈する方向の回動角度の範囲を大きく（例えば、０度〜５０度）設定すれば、より人の手の回動に近い自然な動作をさせることができる。このような手首の第三軸Ｐ３周りの回動角度を、本実施形態では図３に示すように、第一モータ４１のケーシング４６と、腕部フレーム６１から突設させたストッパと６６の緩衝により規制している。なお、図３では、ケーシング４６とストッパと６６との関係を明確に示すために、紙面手前側にある固定バー４３、伝達バー４４、及び回動バー４５を、破線で図示している。

具体的に説明すると、第一モータ４１のケーシング４６は、第一モータ４１を腕部６０側から抱え込むように保持しており、第一モータ４１の外周面に部分的に当接している。第一モータ４１は、第一軸Ｐ１に直交する周方向に延出したフランジ部４１ｆを有しており、このフランジ部４１ｆにケーシング４６のフランジ部４６ｆを重ね合わせ、図示しないボルトで留め付けることにより、ケーシング４６が第一モータ４１に固定されている。ケーシング４６の腕部１０側の底面４６ｂからは、腕部６０に向かって当接部４７が突設されている。一方、腕部フレーム６１の手部１０側端部からは、手部１０に向かってストッパ６６が突出している。ケーシング４６の底面４６ｂ、当接部４７の腕部６１側の端面４７ａ、及びストッパ６６の手部１０側の端面６６ａは何れも、基準状態で指部２０ｂが延びる方向Ｘに対して直角な面である。そして、図３（ａ）に示すように、基準状態では当接部４７の端面４７ａとストッパ６６の端面６６ａとは当接している。これにより、本実施形態では、基準状態から第三軸Ｐ３周りに手首が橈屈する角度は０度である（基準状態からは橈屈しない）。

また、ストッパ６６の手部１０側の端部において、手首突片３２側の角部には、端面６６ａに対して角度Ａだけ傾斜した傾斜面６６ｂが形成されている。このような構成により、手首を第三軸Ｐ３周りに回動させて尺屈させた場合、図３（ｂ）に示すように、ストッパ６６の傾斜面６６ｂがケーシング４６の底面４６ｂに当接することにより、それ以上の回動が規制される。つまり、本実施形態では、基準状態から第三軸Ｐ３周りに手首が尺屈する角度は、ストッパ６６において傾斜面６６ｂが端面６６ａに対してなす角度Ａに等しい角度である。ここでは、角度Ａが４５度の場合を例示している。

加えて、多指ハンド装置１は、手首が第一軸Ｐ１周りに掌屈する角度及び背屈する角度を、所定範囲に規制する構成を有している。このことを、図４を用いて説明する。一対の手首突片３１，３２の一方（図４では、手首突片３２を例示している）からは、他方の手首突片に向かって多角柱状のストッパ３６が突設されている。このストッパ３６は、基準状態において指部２０ｂが延びる方向Ｘに対して、手の甲（手背）側に角度Ｂだけ傾斜した第一傾斜面３６ａと、方向Ｘに対して手の平（手掌）側に角度Ｃだけ傾斜した第二傾斜面３６ｂとを有している。一方、第一モータ４１のケーシング４６は、ストッパ３６が突設された手首突片側の側面の上端に、基準状態において指部２０ｂが延びる方向Ｘに対して直角な上端面４６Ｓを有している。

このような構成により、図４（ｂ）に示すように、手首が第一軸Ｐ１周りに回動して背屈し、ストッパ３６の第一傾斜面３６ａがケーシング４６の上端面４６Ｓに当接すると、手首のそれ以上の背屈が規制される。また、図４（ｃ）に示すように、手首が第一軸Ｐ１周りに回動して掌屈し、ストッパ３６の第二傾斜面３６ｂがケーシング４６の上端面４６Ｓに当接すると、手首のそれ以上の掌屈が規制される。すなわち、基準状態からの手首の背屈角度が角度Ｂに、掌屈角度が角度Ｃに制限される。ここでは、角度Ｂが３０度であり、角度Ｃが６０度である場合を例示しているが、角度Ｂを０度〜５０度とすると共に角度Ｃを０度〜８０度とすれば人の手の動きに近く好適である。なお、図４（ｂ），（ｃ）は、図３（ａ）に示したＹ−Ｙ線で切断した断面に、手部１０を二点鎖線で重ね合わせて回動角度を示した図である。

以上のように、多指ハンド装置１では、手首を第一モータ４１ごと第三軸Ｐ３周りに回動させるための構成のうちの固定バー４３及び伝達バー４４を支持させる役割のケーシング４６に、手首の回動角度を規制するストッパ６６，３６と当接させる役割を兼ねさせる極めて簡易な構成でありながら、手首が橈屈・尺屈・背屈・掌屈する角度を、別個に設定することが可能である。

ここで、多指ハンド装置１の手部１０の具体的な構成としては、図５に示すように、複数の指部２０のそれぞれが、ヒンジ部５２によって回動自在に連結された複数の指節部５０からなり、指先の近傍から指腹に沿って案内された一本のワイヤを備えていると共に、ヒンジ部５２に介設されたねじりコイルバネ５３によって伸長方向に付勢されている構成の手部を、好適に採用することができる。

より詳細に説明すると、指部２０として、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の五本を備えている。ここでは、第一指部２１〜第五指部２５を特に区別する必要がない場合、「指部２０」と総称する。

各指部２０を構成する複数の指節部５０のそれぞれには、指腹に溝部５１が形成されており、一つの指部２０において複数の指節部５０は、互いの溝部５１が指先から基端に向かって連続するように、ヒンジ部５２によって連結されている。そして、第一指部２１を除く指部２２〜２５の基端は、ヒンジ部５２によって手部ベース１１に連結されており、ここのヒンジ部５２にも指部２０を伸長方向に付勢するねじりコイルバネ５３が介設されている。

各指部２０では、ヒンジ部５２の近傍において溝部５１を幅方向に横架するように、複数の案内ピン５４が指節部５０に留め付けられている。図５では図示を省略しているが、指部２０を屈伸させるワイヤを、一つの指部２０あたり一本備えている。このワイヤは最も指先に近い案内ピン５４に留め付けられた上で、各案内ピン５４より内側で溝部５１の中に配されている。このような案内ピン５４の存在により、ワイヤが牽引された際に溝部５１内から脱離することが防止され、ワイヤの経路が指腹に沿って案内される。

指腹の溝部５１に沿って指部２０の基端まで配されたワイヤは、手部ベース１１に設けられた孔部１５から手部ベース１１の内部空間に引き入れられた後、手部ベース１１の腕部６０側端部から引き出され、腕部フレーム６１に配設された指部屈伸用モータ（図示しない）の回転軸と一体回転するプーリに巻き掛けられている。なお、手部ベース１１から引き出されたワイヤは、金属製のコイルスプリングチューブなど、ワイヤより可撓性の小さいチューブに挿通することにより、ワイヤの経路を意図したものとすることができ、ワイヤと上記の手首構造との干渉を避けることができる。

上記構成により、指部屈伸用モータの一方向への回転によりワイヤが牽引されれば、指腹に沿うように案内されたワイヤによって指先の近傍が引っ張られる。これにより、複数の指節部５０がヒンジ部５２によって連結されることにより形成されている指部２０は、ヒンジ部５２に介設されているねじりコイルバネ５３の付勢に抗して指腹側に回動し、屈曲する。一方、指部屈伸用モータの他方向への回転によりワイヤを弛緩させれば、指部２０を常に伸長方向に付勢しているねじりコイルバネ５３の付勢により、ワイヤを弛緩させた分だけ指部２０が伸長する。

このように、上記構成の手部１０によれば、一つの指部２０を屈曲及び伸長させる運動量とタイミングを、一本のみのワイヤと、これを駆動する一つの指部屈伸用モータによって、極めて簡易に制御することができる。

なお、第一指部２１は、他の４本の指部２２〜２５とは異なり、屈伸動作に加えて、軸Ｐｓ周りの回動動作を行う。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１６が突設されており、第一指部２１の基端は軸Ｐｓを軸心とするピン１９によって、第一指部取付座１６に対して回動可能に留め付けられている。このピン１９には、第一指部２１が軸Ｐｓ周りに上方向へ回動する動作を付勢するねじりコイルバネが取り付けられている。一方、第一指部２１を軸Ｐｓ周りに下方向に回動させるためには、一本の回動用ワイヤ（図示しない）が用いられる。この回動用ワイヤは、第一指部２１の基端の外周面に巻き掛けられた上で、腕部フレームに配された第一指部回動用モータ（図示しない）の回動軸と一体に回転するプーリに巻き掛けられている。このような構成により、第一指部回動用モータの一方向への回転により回動用ワイヤが牽引されれば、ねじりコイルバネ５３の付勢に抗して第一指部２１は軸Ｐｓ周りに下方向に回動する。一方、第一指部回動用モータの他方向への回転により回動用ワイヤを弛緩させれば、ねじりコイルバネの付勢により、回動用ワイヤを弛緩させた分だけ第一指部２１が上方向に回動する。

ここで、図５では十分に表されていないが、第一指部取付座１６において第一指部２０２１が取り付けられる面である取付座面１６ｓは、他の４本の指部２２〜２５が基準状態で延びる方向となす角度を平面視において４０度〜６０度としていると共に、手部ベース１１の手の平面を平面近似した面に直交する面より、手の平側に向けて４０度〜６０度傾けられている。取付座面１６ｓの角度をこのような角度とすることにより、第一指部２１を屈曲させると共に下方向に回動させた場合、第一指部２１はその指腹が他の指部２２〜２５の指腹と対面するように他の指部に近づく。従って、物を握り把持する動作が、より人の動作に近い、自然で効率的な動作となる。

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、上記の実施形態では、第三軸Ｐ３と第四軸Ｐ４との距離を第二軸Ｐ２と第五軸Ｐ５との距離に等しくすると共に、第二軸Ｐ２と第三軸Ｐ３との距離を第五軸Ｐ５と第四軸Ｐ４との距離と等しくした場合を例示したが、各軸の位置関係はこれに限定されない。各軸の位置関係を調整することにより、第二モータ４２の駆動によって第五軸Ｐ５が第二軸Ｐ２周りに回動する角度より、第四軸Ｐ４が第三軸Ｐ３周りに回動する角度を小さくして手部１０の回動速度を減速したり、逆に第五軸Ｐ５が第二軸Ｐ２周りに回動する角度より、第四軸Ｐ４が第三軸Ｐ３周りに回動する角度を大きくして手部１０の回動速度を増速したりすることができる。

また、上記では、手部１０の具体的な構成として、各指部２０が複数の指節部５０からなるものを例示したが、手部１０の構成はこれに限定されない。図６に示すように、複数の指部２０ｓのそれぞれが、指先から基端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７０が形成されている構成である手部も、非常に簡易な構成であり、本発明の多指ハンド装置の手部として適している。それぞれの指部２０ｓには、指腹、及び、その反対側の指背にそれぞれ連続した長い溝部８１，８２が形成されており、指腹側の溝部８１内に一本のワイヤ８５が配されていると共に、指背側の溝部８２内にも一本のワイヤ８６が配されている。そして、指背側のワイヤ８６の端部は、コイルバネ８９によって牽引されている。なお、図６では、指腹側に設けられた切欠き部７１と、指背側の溝部８２の底部に設けられた窪み部７２によって、指部の肉厚が薄い関節部７０が形成されている場合を例示している。

このような構成により、モータの回転により指腹側のワイヤ８５を牽引すれば、コイルバネ８９による付勢に抗してコイルバネ８９を引き伸ばしつつ、指部は薄肉の関節部７０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指腹側のワイヤ８５を弛緩させると、コイルバネ８９の引張力により指背側のワイヤ８６を介して指先の近傍が指背側に引っ張られ、指腹側のワイヤ８５を弛緩させた分だけ屈曲していた指部２０ｓが伸長する。

１ 多指ハンド装置
１０ 手部
２０ 指部
３１，３２ 手首突片
４１ 第一モータ
４１ｐ モータ回転軸
４２ 第二モータ
４２ｐ モータ回転軸
４３ 固定バー
４４ 伝達バー
４５ 回動バー
５０ 指節部
５２ ヒンジ部
５３ ねじりコイルバネ
６０ 腕部
Ｐ１ 第一軸
Ｐ２ 第二軸
Ｐ３ 第三軸
Ｐ４ 第四軸
Ｐ５ 第五軸

Claims (3)

1. 複数の指部を備える手部、該手部を支持する腕部、及び、前記手部を前記腕部に連結している手首構造を備える多指ハンド装置であって、
   前記手首構造は、
   前記手部の両外側の端部から、それぞれ前記腕部に向かって突出している一対の手首突片と、
   一対の前記手首突片の間に位置し、軸心が第一軸であるモータ回転軸が前記手首突片の少なくとも一方に固定されている第一モータと、
   軸心が第二軸であるモータ回転軸が前記第一軸と直角をなすように、前記腕部に固定されている第二モータと、
   前記第二軸に一端が固定されており、前記第二モータの正逆回転によって回動する回動バーと、
   一端が前記腕部に固定されていると共に、他端が前記第一モータのケーシングに前記第二軸に平行な第三軸によって軸支されており、前記第一モータを前記第三軸周りに回動自在に支持している固定バーと、
   一端が前記第三軸と平行な第四軸によって前記第一モータのケーシングに回動自在に軸支されていると共に、他端が第五軸によって前記回動バーの他端に回動自在に軸支されている伝達バーとを具備し、
   前記第一モータの正逆回転によって、前記手首突片を前記第一軸周りに回動させることにより前記手部を掌屈及び背屈させ、
   前記第二モータの正逆回転による前記回動バーの前記第二軸周りの回動が前記伝達バーを介して伝達され、前記第四軸が前記第三軸周りに回動することによって、前記第一モータを前記第一軸に直角な前記第三軸周りに回動させ、これに伴い前記手部を橈屈及び尺屈させるものである
   ことを特徴とする多指ハンド装置。
2. 前記第三軸の延長線は前記第一軸を通る
   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、
   ヒンジ部によって回動自在に連結された複数の指節部からなり、
   指先の近傍から指腹に沿って案内された一本のワイヤを備えると共に、
   前記ヒンジ部に介設されたねじりコイルバネによって伸長方向に付勢されており、
   前記腕部には、正逆回転により前記ワイヤを牽引し又は弛緩させる指部屈伸用モータが配されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多指ハンド装置。

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