JP6823505B2 - 関節構造体、ハンド装置、ロボットアーム及びロボット - Google Patents

Description

本発明は、基部に対して相対移動可能な指部によって、対象物に対して把持動作等を行う関節構造体、ハンド装置、ロボットアーム及びロボットに関する。

従来、ロボットアームに取り付けられるハンド装置であって、ハンド基部に対して回動可能に取り付けられた指部によって、対象物に対する把持動作等を行うものがある。この種のハンド装置としては、アクチュエータによる駆動力と弾性部材による付勢力とを用いて指部を駆動させ、ブレーキ機構の制動力によって指部の位置を固定するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１５−１１２６５１号公報

ところで、二足歩行型のロボットがハンド装置によって手すりを掴んで階段を上っている場合等には、ハンド装置の動作によって、ロボットの姿勢維持が行われる。そのような状況においては、ハンド装置による把持が解除されてしまうと（すなわち、動作状態を維持できなくなってしまうと）、ロボットの姿勢を維持することができず、転倒等の意図しない移動が生じハンド装置以外の部分が破損してしまうおそれがある。

しかし、特許文献１に記載のような従来のハンド装置のアクチュエータの駆動力及び弾性部材の付勢力又はブレーキ機構による制動力だけでは、ロボットの転倒時等には（すなわち、通常の使用範囲を超えるような大きな荷重が加わったときには）、動作状態、ひいては、ロボットの姿勢を維持できないおそれがあった。

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、通常の使用範囲を超える大きな荷重が加わった際にも、動作状態を維持することができる関節構造体、ハンド装置、ロボットアーム及びロボットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の関節機構は、基部と、前記基部に対して移動可能であり、対象物からの荷重が加えられるリンク部とを備えている関節構造体であって、前記リンク部は、前記基部に対して移動可能な第１リンク部材と、前記第１リンク部材とともに移動可能であり、前記対象物からの荷重が加わる第２リンク部材と、前記第１リンク部材と前記第２リンク部材との間に設けられている弾性部材と、前記第１リンク部材に駆動力を伝達する駆動機構と、前記基部と前記第２リンク部材との間に設けられている係合機構とを有し、前記弾性部材は、前記第１リンク部材に対する前記第２リンク部材の位置を所定の位置で維持するように、前記対象物から前記第２リンク部材に荷重が加わる方向とは反対方向に、前記第２リンク部材を付勢し、前記係合機構は、前記対象物からの荷重が前記第２リンク部材に加えられることによって前記第１リンク部材に対する前記第２リンク部材の位置が前記弾性部材の付勢力に抗して所定の位置から移動した際に、前記基部と前記第２リンク部材とを係合させて、前記基部に前記第２リンク部材を固定することを特徴とする。

ここで、「関節構造体」とは、例えば、ロボットアームのハンド装置、二足歩行ロボットの腕リンク及び脚リンク等、基部と複数のリンク部材からなるリンク部とを備え、複数のリンク部材のうちの少なくとも１つを他のリンク部材に対して移動可能に連結したものをいう。なお、基部としては、複数のリンク部材のうちの１つを用いてもよい。

また、ここで「駆動機構」とは、第１リンク部材に駆動力を伝達する機構の他、第１リンク部材の基部に対する位置を固定する制動機構（例えば、後述のブレーキ機構）も含む。

このように、本発明の関節構造体では、可動部分であるリンク部を２つのリンク部材で構成するとともに、それらの位置を弾性部材の付勢力で維持している。ここで、弾性部材は、その付勢力によって、対象物から第２リンク部材に加わる方向とは反対方向に、第２リンク部材を付勢している。そのため、第２リンク部材に加わった荷重が弾性部材の付勢力を超えない場合には、２つのリンク部材の位置は維持され、超えた場合には、２つのリンク部材の位置が変化する。

そして、本発明の関節構造体では、２つのリンク部材の位置が弾性部材の付勢力に抗して所定の位置から移動した際に（すなわち、基部に対する第１リンク部材の位置が駆動機構によって固定されている状態で把持している対象物の重量に変化が生じたり、駆動機構から過剰な駆動力が伝達されることによって第１リンク部材を介して第２リンク部材が対象物に強く押し付けられたりした等の理由から、第２リンク部材に弾性部材の付勢力を超えた荷重が加えられた際に）、係合機構が基部に第２リンク部材を係合させて、基部に第２リンク部材を固定する。

すなわち、本発明のハンド装置では、弾性部材の付勢力に基づいて、係合機構の作動する荷重の大きさが制御されており、係合機構が作動した際には、第２リンク部材を介して伝えられる荷重は、第２リンク部材と移動可能に連結されている第１リンク部材ではなく（すなわち、可動部分であるリンク部ではなく）、第２リンク部材が固定された基部で受け止められる。

したがって、本発明の関節構造体によれば、弾性部材の付勢力を超えるような通常の使用範囲を超える大きな力が加わっても、基部によってその荷重が受け止められるので、動作状態を維持することができる。

また、本発明の関節構造体においては、前記駆動機構は、前記基部と前記第１リンク部材との間に設けられたブレーキ機構であり、前記ブレーキ機構は、該ブレーキ機構の作動中には、前記第１リンク部材に所定の値を超える荷重が加えられるまで、前記基部に対する前記第１リンク部材の移動を制限するように構成され、前記弾性部材は、前記ブレーキ機構で制限可能な荷重よりも小さく、且つ、通常の使用範囲よりも大きい荷重が前記第２リンク部材に加えられた際に前記第１リンク部材に対する前記第２リンク部材の位置が移動するように、前記第２リンク部材を付勢していることが好ましい。

ブレーキ機構で制限可能な荷重と弾性部材の付勢力との関係をこのような関係となるように設定すると、通常の使用範囲（例えば、通常の動作時に第２リンク部材に加わると想定される荷重の範囲）を超えた荷重が加わり、且つ、ブレーキ機構で制限可能な荷重を超える荷重が第２リンク部材に加えられる前の段階（すなわち、ブレーキ機構に滑りが生じる前の段階）で、第２リンク部材の第１リンク部材に対する移動が開始されることになる。

これにより、ブレーキ機構によって荷重が受け止めきれず滑りが生じた際には、既に係合機構が作動するように第２リンク部が移動させられていることになるので、その荷重が基部に受け止められる。その結果、ブレーキ機構に滑りが生じた場合であっても、タイムラグなく係合機構が作動して、動作状態を維持することができるようになる。

また、上記目的を達成するために、本発明のハンド装置は、ロボットアームに取り付けられるハンド装置であって、前記ロボットアームに取り付けられるハンド基部と、前記ハンド基部に対して回動可能であり、対象物からの荷重が加えられる可動指部とを備え、前記可動指部は、前記ハンド基部に対して回動可能な第１リンク部材と、前記第１リンク部材とともに回動可能であり、前記対象物からの荷重が加わる第２リンク部材と、前記第１リンク部材と前記第２リンク部材との間に設けられている弾性部材と、前記第１リンク部材に駆動力を伝達する駆動機構と、前記ハンド基部と前記第２リンク部材との間に設けられている係合機構とを有し、前記弾性部材は、前記第１リンク部材に対する前記第２リンク部材の位置を所定の位置で維持するように、前記対象物から前記第２リンク部材に荷重が加わる方向とは反対方向に、前記第２リンク部材を付勢し、前記係合機構は、前記対象物からの荷重が前記第２リンク部材に加えられることによって前記第１リンク部材に対する前記第２リンク部材の位置が前記弾性部材の付勢力に抗して所定の位置から移動した際に、前記ハンド基部と前記第２リンク部材とを係合させて、前記ハンド基部に前記第２リンク部材を固定することを特徴とする。

このように、本発明のハンド装置では、可動指部を２つのリンク部材で構成するとともに、それらの位置を弾性部材の付勢力で維持している。ここで、弾性部材は、その付勢力によって、対象物から第２リンク部材に加わる方向とは反対方向に、第２リンク部材を付勢している。そのため、第２リンク部材に加わった荷重が弾性部材の付勢力を超えない場合には、２つのリンク部材の位置は維持され、超えた場合には、２つのリンク部材の位置が変化する。

そして、本発明のハンド装置では、２つのリンク部材の位置が弾性部材の付勢力に抗して所定の位置から移動した際に（すなわち、基部に対する第１リンク部材の位置が駆動機構によって固定されている状態で把持している対象物の重量に変化が生じたり、駆動機構から過剰な駆動力が伝達されることによって第１リンク部材を介して第２リンク部材が対象物に強く押し付けられたりした等の理由から、第２リンク部材に弾性部材の付勢力を超えた荷重が加えられた際に）、係合機構がハンド基部に第２リンク部材を係合させて、ハンド基部に第２リンク部材を固定する。

すなわち、本発明のハンド装置では、弾性部材の付勢力に基づいて、係合機構の作動する荷重の大きさが制御されており、係合機構が作動した際には、第２リンク部材を介して伝えられる荷重は、第２リンク部材と回動可能に連結されている第１リンク部材ではなく（すなわち、可動指部ではなく）、第２リンク部材が固定された基部で受け止められる。

したがって、本発明のハンド装置によれば、弾性部材の付勢力を超えるような通常の使用範囲を超える大きな力が加わっても、基部によってその荷重が受け止められるので、動作状態を維持することができる。

また、本発明のハンド装置においては、前記ハンド基部の先端部から、前記ハンド基部の基端部から先端部に向かう方向と交わる方向に延設されている固定指部を備え、前記可動指部は、前記固定指部に接近又は離間するように移動することが好ましい。

このように、ハンド基部から固定指部が一体に延設された構成（すなわち、ハンド基部と指部との間に関節機構が設けられていない構成）では、ハンド基部と固定指部とが強固に接続されることになる。そのため、このハンド装置の固定指部は、関節機構を備えた指部に比べて、大きな荷重を受け止めることができる。

また、このハンド装置は、このような固定指部と、その固定指部に対して接近又は離間するように移動する可動指部とを備えているので、対象物をそれらの指部によって把持することができる。そして、その把持状態においては、通常の使用範囲を超える大きな荷重が加わった際には、従来よりも大きな荷重を受け止められる固定指部、及び、上記のように過剰な荷重が加わった際に係合機構が作動する可動指部とで受け止められることになる。

これにより、把持状態で通常の使用範囲を超える大きな荷重が加わった際にも、動作状態を十分に維持することができるようになる。

また、上記目的を達成するために、本発明のロボットアームは、上記いずれかのハンド装置を備えていることを特徴とする。また、上記目的を達成するために、本発明のロボットは、そのロボットアームを備えていることを特徴とする。

上記のハンド装置を備えているロボットアーム、及び、そのロボットアームを備えているロボットによれば、通常の使用範囲を超える大きな荷重が加わった際にも、動作状態を維持して、姿勢を維持することができるので、姿勢を維持できずに生じてしまう転倒等による破損を防止することができる。

実施形態に係るロボットの構成を模式的に示す正面図。 図１のロボットの関節機構を模式的に示す斜視図。 図１のロボットの二足歩行モードで移動している状態を示す側面図。 図１のロボットの四足歩行モードで移動している状態を示す側面図。 図１のロボットのハンド部及び腕リンクの一部を示す斜視図。 図１のロボットのハンド部及び腕リンクの一部を断面として示す側面図であり、図６Ａは閉状態を示し、図６Ｂは開状態を示す、図６Ｃは閉状態で対象物から過剰な荷重が開状態となる方向に加わった状態を示す。 図１のロボットのハンド部の第２指部に荷重が加わった際の状態を示す模式図であり、図７Ａは閾値以下の荷重が加わった状態、図７Ｂは閾値を超える荷重が加わった状態を示す。

以下、図面を参照して、実施形態に係るロボットについて説明する。本実施形態のロボット１は、人型のロボットであり、二足歩行モードと四足歩行モードとを切り替えて移動可能に構成されたものである。

ただし、本発明におけるハンド装置は、このように構成された人型のロボットにのみ適用し得るものではなく、その他の工業用ロボット等、ハンド装置を有しているロボットアームを備えているロボットであれば、本実施形態のロボット１とは異なる形態のロボットも含まれるものである。

まず、図１を参照して、ロボット１の構成を説明する。

ロボット１の胴体は、上部基体１０と、上部基体１０の下方に配置された下部基体１１と、上部基体１０と下部基体１１との間に設けられた腰関節機構１２とで構成されている。上部基体１０と下部基体１１とは、人間の腰関節に対応する腰関節機構１２を介して、相対的に回動可能に連結されている。

ロボット１の頭部は、周囲の環境を認識するための環境認識装置２０の環境認識ユニット２０ａである。環境認識ユニット２０ａに搭載されている外部環境を撮像するためのカメラ及び外部環境までの距離を認識するためのセンサは、上部基体１０の内部に配置された環境認識ユニット用制御回路２０ｂによって制御されている。環境認識ユニット２０ａは、人間の首関節に対応する首関節機構２１を介して、上部基体１０に対して回動可能に連結されている。

なお、ロボット１は、人型のロボットであるので、人間の頭部に対応する環境認識ユニット２０ａを上部基体１０の上部に設けている。しかし、本発明のロボットの環境認識ユニットは、このような構成に限定されるものではなく、ロボットの使用環境等に応じて、上部基体の上部以外の位置（例えば、上部基体の前方、下部基体等）に設けてもよい。

ロボット１の左右の腕体は、上部基体１０の上部左右両側から延設された一対の腕リンク３０（可動リンク）である。各々の腕リンク３０は、人間の肩関節に対応する肩関節機構３１を介して、上部基体１０に対して回動可能に連結されている。

腕リンク３０は、人間の上腕に対応する第１腕リンク部３０ａと、人間の前腕に対応する第２腕リンク部３０ｂと、人間の肘関節に対応する肘関節機構３０ｃとで構成されている。

第１腕リンク部３０ａは、肩関節機構３１を介して、上部基体１０に対して回動可能に連結されている。第２腕リンク部３０ｂは、肘関節機構３０ｃを介して、第１腕リンク部３０ａに対して回動可能に連結されている。第２腕リンク部３０ｂの先端には、人間の手に対応するハンド部４０（ハンド装置）が連結されている。

なお、ロボット１では、腕体である腕リンク３０を、第１腕リンク部３０ａと、第２腕リンク部３０ｂと、肘関節機構３０ｃとで構成している。しかし、本発明のロボットの腕体は、このような構成に限定されるものではなく、単一のリンク部を有するものであってもよいし、３つ以上のリンク部及び各リンク部を連結する複数の関節部を有するものであってもよい。

ハンド部４０は、エンドエフェクタの一例である。このハンド部４０は、人間の手首関節に対応する手首関節機構４１を介して、腕リンク３０の第２腕リンク部３０ｂに対して回動可能に連結されている。ロボット１では、ハンド部４０と腕リンク３０とで、マニピュレータとしてのロボットアームが構成されている。

ロボット１の左右の脚体は、下部基体１１の下部から下方に延設された左右一対の脚リンク５０（可動リンク）である。各々の脚リンク５０は、人間の股関節に対応する股関節機構５１を介して、下部基体１１に対して回動可能に連結されている。

脚リンク５０は、人間の大腿に対応する第１脚リンク部５０ａと、人間の下腿に対応する第２脚リンク部５０ｂと、人間の膝関節に対応する膝関節機構５０ｃとで構成されている。

第１脚リンク部５０ａは、股関節機構５１を介して、下部基体１１に対して回動可能に連結されている。第２脚リンク部５０ｂは、膝関節機構５０ｃを介して、第１脚リンク部５０ａに対して回動可能に連結されている。第２脚リンク部５０ｂの先端には、人間の足に対応する足平部６０が連結されている。

なお、ロボット１では、脚体である脚リンク５０を、第１脚リンク部５０ａと、第２脚リンク部５０ｂと、膝関節機構５０ｃとで構成している。しかし、本発明のロボットの脚体は、このような構成に限定されるものではなく、単一のリンク部を有するものであってもよいし、３つ以上のリンク部及び各リンク部を連結する複数の関節部を有するものであってもよい。

足平部６０は、人間の足首関節に対応する足首関節機構６１を介して、脚リンク５０の第２脚リンク部５０ｂに対して、回動可能に連結されている。

次に、図２を参照して、ロボット１の関節機構の自由度について説明する。

なお、本実施形態では、各関節機構が各部材を回動させる方向は、特にことわらない限り、いずれの関節機構も連結された部材を回動させていない姿勢（以下、「基準姿勢」という。）を基準として説明する。ロボット１の場合、基準姿勢は、ロボット１が起立した状態（上部基体１０、下部基体１１、各腕リンク３０及び各脚リンク５０をほぼ鉛直方向に伸ばした状態）となる。

また、本実施形態では、ヨー軸、ピッチ軸、ロール軸は、それぞれ図２に示すように、ロボット１が基準姿勢のときにおけるロボット１の鉛直方向の軸（Ｚ軸）、左右方向の軸（Ｙ軸）、前後方向の軸（Ｘ軸）を意味する。この場合、ヨー軸は、上部基体１０及び下部基体１１の体幹軸である。

腰関節機構１２は、上部基体１０の下方に配置された第１腰関節機構１２ａと、第１腰関節機構１２ａと下部基体１１との間に配置された第２腰関節機構１２ｂとで構成されている。

第１腰関節機構１２ａは、上部基体１０を、下部基体１１及び第２腰関節機構１２ｂに対してピッチ軸周りに回動可能に連結している。第２腰関節機構１２ｂは、上部基体１０及び第１腰関節機構１２ａを、下部基体１１に対してヨー軸周りに回動可能に連結している。

首関節機構２１は、環境認識ユニット２０ａを、上部基体１０に対してピッチ軸周りに回動可能に連結している。

腕リンク３０の肘関節機構３０ｃは、人間の前腕に対応する第２腕リンク部３０ｂを、人間の上腕に対応する第１腕リンク部３０ａに対してピッチ軸周りに回動可能に連結している。

肩関節機構３１は、上部基体１０の鉛直方向の幅及び水平方向の幅の範囲内に位置するように配置された第１肩関節機構３１ａと、第１肩関節機構３１ａの側方であって上部基体１０の外側に配置された第２肩関節機構３１ｂと、第２肩関節機構３１ｂ及び腕リンク３０の第１腕リンク部３０ａの間に配置された第３肩関節機構３１ｃとで構成されている。

第１肩関節機構３１ａは、第２肩関節機構３１ｂを、上部基体１０に対してヨー軸周りに回動可能に連結している。第２肩関節機構３１ｂは、第３肩関節機構３１ｃを、第１肩関節機構３１ａに対してピッチ軸周り及びロール軸周りに回動可能に連結している。第３肩関節機構３１ｃは、腕リンク３０を、第２肩関節機構３１ｂに対してヨー軸周りに回動可能に連結している。

手首関節機構４１は、腕リンク３０の第２腕リンク部３０ｂのハンド部４０側に配置された第１手首関節機構４１ａと、第１手首関節機構４１ａとハンド部４０との間に配置された第２手首関節機構４１ｂとで構成されている。

第１手首関節機構４１ａは、第２手首関節機構４１ｂを、第２腕リンク部３０ｂに対してヨー軸周りに回動可能に連結している。第２手首関節機構４１ｂは、ハンド部４０を、第１手首関節機構４１ａに対してロール軸周り及びピッチ軸周りに回動可能に連結している。

脚リンク５０の膝関節機構５０ｃは、人間の下肢に対応する第２脚リンク部５０ｂを、人間の大腿に対応する第１脚リンク部５０ａに対してピッチ軸周りに回動可能に連結している。

股関節機構５１は、下部基体１１の下方に配置された第１股関節機構５１ａと、第１股関節機構５１ａの脚リンク５０側に配置された第２股関節機構５１ｂとで構成されている。

第１股関節機構５１ａは、第２股関節機構５１ｂを、下部基体１１に対してヨー軸周りに回動可能に連結している。第２股関節機構５１ｂは、脚リンク５０を、第１股関節機構５１ａに対してピッチ軸周り及びロール軸周りに回動可能に連結している。

足首関節機構６１は、足平部６０を、第２脚リンク部５０ｂに対してピッチ軸周り及びロール軸周りに回動可能に連結している。

なお、本発明のロボットにおける腰関節機構、首関節機構、肩関節機構、肘関節機構、膝関節機構、股関節機構、足首関節機構の構成は、上記の構成に限定されるものではなく、ロボットの用途、ロボット内の関節の配置スペース等に応じて、適宜変更してよい。例えば、いずれかの関節機構を省略してもよいし、上記以外の関節機構を追加してもよい。

次に、図３及び図４を参照して、ロボット１の２つの歩行モードについて説明する。なお、図３においては、理解を容易にするために、腕リンク３０を図示省略している。

なお、本実施形態において、ハンド部４０又は足平部６０を「接地させる」とは、ハンド部４０又は足平部６０がロボット１に作用する力に抗する接触反力を受けるように、ハンド部４０又は足平部６０を外部環境に接触させることを意味する。

図３に示すように、二足歩行モードでは、一対の脚リンク５０の一方の先端の足平部６０を接地面Ａに接地させた状態（その一方の脚リンク５０を支持脚とした状態）で、他方の脚リンク５０の先端の足平部６０を空中移動させ、さらに接地させること（その他方の脚リンク５０を遊脚として動作させること）が繰り返される。この場合、脚リンク５０のそれぞれの遊脚としての動作は、交互に行われる。また、図示省略した腕リンク３０は、非接地状態となっている。

図４に示すように、四足歩行モードでは、腕リンク３０の先端のハンド部４０及び脚リンク５０の先端の足平部６０のうちの２つ又は３つを接地面Ａに接地させた状態（その２つ又は３つの腕リンク３０及び脚リンク５０を支持脚とした状態）で、残りの２つ又は１つのハンド部４０又は足平部６０を空中移動させ、さらに接地させること（その残りの２つ又は１つの腕リンク３０又は脚リンク５０を遊脚として動作させること）が繰り返される。この場合、遊脚として動作させる腕リンク３０又は脚リンク５０は、所定の規則で周期的に切り替えられる。

ただし、四足歩行モードの動作は、上記の動作に限定されるものではない。例えば、腕リンク３０の先端のハンド部４０及び脚リンク５０の先端の足平部６０のうちの１つを接地面Ａに接地させた状態（その１つのハンド部４０又は足平部６０を支持脚とした状態）で、残りの３つのハンド部４０及び足平部６０を空中移動させ、さらに接地させること（その残りの３つのハンド部４０又は足平部６０を遊脚として動作させること）を繰り返すようにすることも可能である。

また、腕リンク３０の先端のハンド部４０及び脚リンク５０の先端の足平部６０を一斉に空中に移動させて（すなわち、ロボット１をジャンプさせて）、さらに接地させることを繰り返すようにすることも可能である。

以下、図５及び図６を参照して、ハンド部４０について説明する。なお、図５及び図６におけるハンド部４０は、基準姿勢時においてロボット１の右側に位置し、右手を構成するものである。

まず、図５を参照して、ハンド部４０の構成について詳細に説明する。

ハンド部４０は、人間の手の平及び手の甲に対応するハンド基部４０ａと、人間の人差し指、中指、薬指及び小指に対応する単一の部材である第１指部４０ｂ（固定指部）と、人間の親指に対応する第２指部４０ｃ（可動指部，リンク部）とを備えている。

第１指部４０ｂは、ハンド基部４０ａの先端部から、そのハンド基部４０ａの基端部から先端部に向かう方向（図５ＡではＺ方向（ハンド基部４０ａの長手方向））と交わる方向（図５ＡではＸ方向で左側）に延設されている。第１指部４０ｂは、ハンド基部４０ａと一体的に構成され、ハンド基部４０ａに固定されている。第１指部４０ｂのハンド基部４０ａとは反対側の面には、緩衝部材４０ｄが取り付けられている。

このように構成された第１指部４０ｂを備えるハンド部４０では、押し動作の際には、第１指部４０ｂは、そのハンド基部４０ａとは反対側の面（すなわち、緩衝部材４０ｄ）を介して対象物に荷重を加える。一方、引き動作の際には、第１指部４０ｂのハンド基部４０ａ側の面を介して対象物に荷重を加える。

ところで、従来のロボットでは、ハンド装置は、ハンド基部と第１指部とが関節機構を介して連結されたものであったので、その関節部分の強度がそれほど高いものではなかった。そのため、押し動作又は引き動作の際に対象物に大きな荷重を加えると（すなわち、第１指部に大きな力が加えると）、その関節機構に破損が生じてしまうおそれがあった。

これに対し、本実施形態のロボット１では、ハンド部４０は、第１指部４０ｂがハンド基部４０ａに固定されたものである（すなわち、従来のロボットのハンド装置のように関節機構を介して連結されたものではない）ので、従来のハンド装置に比べて全体としての強度が高くなっている。

そのため、ハンド部４０では、押し動作又は引き動作の際に対象物に大きな荷重を加えても（すなわち、第１指部４０ｂに大きな力が加えても）、ハンド基部４０ａと第１指部４０ｂとの間に破損が生じにくい。また、押し動作の際には、緩衝部材４０ｄが第１指部４０ｂを保護するので、第１指部４０ｂそのものにも破損が生じにくい。

また、ハンド部４０は強度が十分に高いので、ロボット１の自重を支えるように対象物を保持しても破損が生じることがない。そのため、ハンド部４０の動作と腕リンク３０の回動とによって、梯子を上るような移動も行うことができる。さらに、ハンド部４０の第１指部４０ｂ（本実施形態では、第１指部４０ｂに取り付けられた緩衝部材４０ｄ）を接地させて移動することもできる。

図６に示すように、第２指部４０ｃは、第１指部４０ｂの先端部のハンド基部４０ａ側の面と対向するように、ハンド基部４０ａに取り付けられている。第２指部４０ｃは、ハンド基部４０ａの内部に設けられた駆動機構４０ｅによって、第２指部４０ｃの先端部と第１指部４０ｂとが接近又は離間するように、ハンド基部４０ａの内部に位置する支点Ｐ周りに回動させられる。

このように第２指部４０ｃが構成されているので、ハンド部４０は、第１指部４０ｂが固定されていても、ハンド基部４０ａと第１指部４０ｂと第２指部４０ｃとによって、対象物を把持する動作等を容易に行うことができる。

より具体的には、図６Ａに示すように、第２指部４０ｃの先端部を第１指部４０ｂに接近させた状態（以下、「閉状態」という。）では、ハンド部４０は、第１指部４０ｂのハンド基部４０ａ側の面と、第２指部４０ｃのハンド基部４０ａ側の面と、ハンド基部４０ａの第１指部４０ｂが延びている側の面とで、対象物Ｏを３点接触によって把持することができる。

閉状態では、第２指部４０ｃの先端部は、第１指部４０ｂの先端部よりもハンド基部４０ａに近い位置に位置する。そのため、閉状態では、第２指部４０ｃの先端部を第１指部４０ｂの先端部から離間させた状態（以下、「開状態」という。図６Ｂ参照。）に比べて、ハンド部４０全体が小型となる。

そのため、狭所で作業を行う際には、閉状態とすることで、エンドエフェクタであるハンド部４０を容易に作業領域まで移動させることができる。その結果、ハンド部４０と外部環境との接触を防止して、ハンド部４０の破損を防止することができる。

一方、図６Ｂに示すように、開状態では、第２指部４０ｃの先端部は、第１指部４０ｂの先端部よりもハンド基部４０ａから離れた位置となる。そのため、開状態では、ハンド部４０は、第２指部４０ｃの先端部（具体的には、第２指部４０ｃの先端部に設けられている爪部）でボタン等を押すという動作ができる。

第２指部４０ｃを回動させるための駆動機構４０ｅは、駆動力を発生する駆動源と、駆動力を減速して第２指部４０ｃに伝達する減速機と、ハンド基部４０ａに対する第２指部４０ｃの位置を保持する電磁ブレーキとで構成されている。すなわち、駆動機構４０ｅは、ハンド基部４０ａに対する第２指部４０ｃの位置を保持するためのブレーキ機構としても用いられる。

駆動機構４０ｅの電磁ブレーキは、駆動源の非駆動時（すなわち、駆動力が第２指部４０ｃに伝達さていないとき）に作動して、第２指部４０ｃを固定する。一方、電磁ブレーキは、駆動源の駆動時（すなわち、駆動力が第２指部４０ｃに伝達されているとき）には作動せず、第２指部４０ｃを回動可能とする。そのため、動作中に駆動力の供給が停止した場合等には、ハンド基部４０ａに対する第２指部４０ｃの位置は、電磁ブレーキによって保持される。

次に、図６及び図７を参照して、ハンド部４０のハンド基部４０ａ及び可動指部である第２指部４０ｃとで構成されている関節構造体について説明する。

図６に示すように、第２指部４０ｃは、ハンド基部４０ａに対して回動可能な第１リンク部材４０ｃ１と、第１リンク部材４０ｃ１とともに回動可能であり、対象物Ｏからの荷重が加わる第２リンク部材４０ｃ２とを備えている。

第１リンク部材４０ｃ１と第２リンク部材４０ｃ２とは、相互に回動可能に固定されており、軸ａ周りに相対回転可能となっている。また、第１リンク部材４０ｃ１と第２リンク部材４０ｃ２との間には、第１リンク部材４０ｃ１及び第２リンク部材４０ｃ２と一体に回動するバネ４０ｃ３（弾性部材）が配置されている。

バネ４０ｃ３は、第１リンク部材４０ｃ１に対する第２リンク部材４０ｃ２の位置を、所定の位置（図６Ａ，図６Ｂに示す位置）で維持するように、対象物Ｏから第２リンク部材４０ｃ２に荷重が加わる方向（図７で矢印で示す方向）とは反対方向に、第２リンク部材４０ｃ２を付勢している。なお、第２リンク部材４０ｃ２を付勢できるものであれば、バネ４０ｃ３に代わり、ゴム等を用いてもよい。

また、第２リンク部材４０ｃ２には、第２リンク部材４０ｃ２と一体に回動する第２指部側係合部４０ｃ４が延設されている。この第２指部側係合部４０ｃ４は、ハンド基部４０ａに設けられているハンド基部側係合部４０ａ１と係合可能となっている。すなわち、ハンド基部側係合部４０ａ１と第２指部側係合部４０ｃ４とによって、関節構造体の係合機構が構成されている。

ここで、図７を参照して、係合機構の係合のタイミングについて説明する。

図７Ａに示すように、第２リンク部材４０ｃ２にバネ４０ｃ３の付勢力を超えない程度の荷重Ｆ１しか加わっていない場合には、バネ４０ｃ３の付勢力によって第１リンク部材４０ｃ１に対する第２リンク部材４０ｃ２の位置は維持され（図６Ａ，図６Ｂの状態が維持され）、ハンド基部側係合部４０ａ１と第２指部側係合部４０ｃ４とは係合しない。

一方、図７Ｂに示すように、第２リンク部材４０ｃ２にバネ４０ｃ３の付勢力を超えるような大きな荷重Ｆ２が加わった場合には、バネ４０ｃ３の付勢力に抗して（バネ４０ｃ３が伸張して）第１リンク部材４０ｃ１に対する第２リンク部材４０ｃ２の位置が変化し（図６Ａ状態から図６Ｃの状態に変化し）、ハンド基部側係合部４０ａ１と第２指部側係合部４０ｃ４とが係合して、第２リンク部材４０ｃ２がハンド基部４０ａに固定される。

すなわち、ハンド部４０では、バネ４０ｃ３の付勢力に基づいて、ハンド基部側係合部４０ａ１と第２指部側係合部４０ｃ４とが係合する荷重の大きさが制御されている。そして、それらが係合した際には、第２リンク部材４０ｃ２を介して伝えられる荷重は、第２リンク部材４０ｃ２と回動可能に連結されている第１リンク部材４０ｃ１ではなく（すなわち、第２指部４０ｃではなく）、第２リンク部材４０ｃ２が固定されたハンド基部４０ａで受け止められる。

これにより、例えば、図６Ａに示す状態にあるときに、対象物Ｏから第２指部４０ｃに対して、通常の使用範囲を超える大きな力が加わったとしても、バネ４０ｃ３の付勢力及びハンド基部側係合部４０ａ１と第２指部側係合部４０ｃ４との係合によって、第２指部４０ｃの回動は図６Ｃに示す状態で制限される。

具体的には、例えば、梯子（対象物Ｏ）を掴みつつ立っている状態にあるときに、ロボット１の姿勢が崩れたこと等によって、梯子にぶら下がるような状態となり、ハンド部４０の把持動作のみでロボット１の全体重を支えなければならなくなったとしても、バネ４０ｃ３の付勢力及びハンド基部側係合部４０ａ１と第２指部側係合部４０ｃ４との係合によって、梯子を把持した状態が維持される。

したがって、ハンド部４０によってロボット１の姿勢の維持がなされている場合には、姿勢が崩れたとしてもハンド部４０の動作状態が維持されるので、ロボット１が完全に転倒してしまうようなことがなく、ロボット１の上部基体１０等のハンド部４０以外の部分の破損を防止することができる。

ところで、ハンド部４０の駆動機構４０ｅは、電磁ブレーキを有している。すなわち、駆動機構４０ｅは、その作動中には、第１リンク部材４０ｃ１に所定の値を超える荷重（すなわち、保証値を超える荷重）が加えられるまで、ハンド基部４０ａに対する第１リンク部材４０ｃ１の移動を制限するように構成されている。

ここで、電磁ブレーキの「保証値」とは、ハンド基部４０ａに対する第１リンク部材４０ｃ１の位置が電磁ブレーキにより確実に維持することができるトルクの値をいう。

そして、バネ４０ｃ３の付勢力は、駆動機構４０ｅで制限可能な荷重（すなわち、保証値）よりも小さく、且つ、通常の使用範囲（例えば、通常の動作時にハンド部４０に加わると想定される荷重の範囲）よりも大きい荷重が第２リンク部材４０ｃ２に加えられた際に、第１リンク部材４０ｃ１に対する第２リンク部材４０ｃ２の位置が移動するように設定されている。

すなわち、バネ４０ｃ３の付勢力は、保証値を超える荷重が第２リンク部材４０ｃ２に加わって駆動機構４０ｅに滑りが生じる前に、ハンド基部側係合部４０ａ１と第２指部側係合部４０ｃ４とが係合するように設定されている。

電磁ブレーキの保証値とバネ４０ｃ３の付勢力との関係をこのように設定すると、駆動機構４０ｅに滑りが生じて第１リンク部材４０ｃ１のハンド基部４０ａに対する移動が開始される前の段階で、第２リンク部材４０ｃ２の第１リンク部材４０ｃ１に対する移動が開始されることになる。

これにより、保証値を超える荷重が第２リンク部材４０ｃ２に加えられて、駆動機構４０ｅに滑りが生じた際には、既に係合機構が作動するように第２リンク部材４０ｃ２が移動させられていることになるので、その荷重がハンド基部４０ａに受け止められることになる。その結果、駆動機構４０ｅに滑りが生じた場合であっても、タイムラグなく係合機構が作動して、ハンド部４０の動作状態が維持される。

以上、図示の実施形態について説明したが、本発明はこのような形態に限られるものではない。

例えば、上記実施形態においては、ハンド装置に関節構造体を適用している。ここで、「関節構造体」とは、例えば、ロボットアームのハンド装置、二足歩行ロボットの腕リンク及び脚リンク等、基部と複数のリンク部材からなるリンク部とを備え、複数のリンク部材のうちの少なくとも１つを他のリンク部材に対して移動可能に連結したものをいう。なお、基部としては、複数のリンク部材のうちの１つを用いてもよい。

そのため、本発明の関節構造体は、ロボットのハンド装置以外のものに適用してもよい。例えば、上記実施形態におけるロボット１の上部基体１０と肩関節機構３１と第１腕リンク部３０ａとに、適用してもよい。また、人型ロボット以外の作業用ロボットのロボットアーム等に適用してもよい。

また、上記実施形態においては、関節構造体のリンク部は、ハンド基部４０ａに対して回動可能な第２指部４０ｃとなっている。

しかし、本発明のリンク部は、基部に対して移動可能なものであればよい。例えば、基部に対して直線的に接近又は離間可能なものであってもよい。

また、上記実施形態においては、第１指部４０ｂを固定指部とし、第２指部４０ｃを可動指部としている。すなわち、関節を介して基部に接続された指部よりも大きな荷重を受け止められる固定指部、及び、上記のように過剰な荷重が加わった際に係合機構が作動する可動指部を採用することにより、把持状態で通常の使用範囲を超える大きな荷重が加わった際にも、動作状態を十分に維持することができるようになっている。

しかし、本発明のハンド装置は、固定指部と可動指部とを組み合わせたものに限定されるものではない。例えば、全ての指部を可動指部としてもよい。

また、上記実施形態においては、ハンド部４０では、ハンド基部側係合部４０ａ１及び第２指部側係合部４０ｃ４（すなわち、係合機構）を、支点Ｐよりも第１指部４０ｂ側に設けている。

しかし、本発明の係合機構を設ける位置は、そのような位置に限定されるものではなく、基部と第２リンク部材との間であればよい（すなわち、係合時に第２リンク部材を基部に固定できる位置であればよい）。

また、上記実施形態においては、駆動機構４０ｅが電磁ブレーキを有するブレーキ機構として構成しており、バネ４０ｃ３の付勢力は、駆動機構４０ｅで制限可能な荷重よりも小さく、且つ、通常の使用範囲よりも大きい荷重が第２リンク部材４０ｃ２に加えられた際に、第２リンク部材４０ｃ２の移動が開始するような値に設定されている。これは、ブレーキ機構である駆動機構４０ｅに滑りが生じた場合であっても、タイムラグなく係合機構を作動させて、ハンド部４０の動作状態を維持するためである。

しかし、本発明のハンド装置の弾性部材は、そのような大きさの付勢力を有するものに限定されるものではなく、第１リンク部材に対する第２リンク部材の位置を所定の位置で維持するように、第２リンク部材を付勢するものであればよい。

また、駆動機構は、電磁ブレーキを有するブレーキ機構に限定されるものではなく、基部に対する第１リンク部材の位置を固定するように、第１リンク部材に駆動力を伝達できるものであればよい。例えば、ハンド装置を把持状態とした後、手動でロックを行う係止機構であってもよい。

１…ロボット、１０…上部基体、１１…下部基体、１２…腰関節機構、１２ａ…第１腰関節機構、１２ｂ…第２腰関節機構、２０…環境認識装置、２０ａ…環境認識ユニット（基体側認識装置）で、２０ｂ…環境認識ユニット用制御回路、２１…首関節機構、３０…腕リンク、３０ａ…第１腕リンク部、３０ｂ…第２腕リンク部、３０ｃ…肘関節機構、３１…肩関節機構、３１ａ…第１肩関節機構、３１ｂ…第２肩関節機構、３１ｃ…第３肩関節機構、４０…ハンド部（ハンド装置）、４０ａ…ハンド基部、４０ａ１…ハンド基部側係合部、４０ｂ…第１指部（固定指部）、４０ｃ…第２指部（可動指部，リンク部）、４０ｃ１…第１リンク部材、４０ｃ２…第２リンク部材、４０ｃ３…バネ（弾性部材）、４０ｃ４…第２指部側係合部、４０ｄ…緩衝部材、４０ｅ…駆動機構（ブレーキ機構）、４１…手首関節機構、４１ａ…第１手首関節機構、４１ｂ…第２手首関節機構、４１ｃ…駆動部、５０…脚リンク、５０ａ…第１脚リンク部、５０ｂ…第２脚リンク部、５０ｃ…膝関節機構、５１…股関節機構、５１ａ…第１股関節機構、５１ｂ…第２股関節機構、６０…足平部、６１…足首関節機構、ａ…第２リンク部材４０ｃ２の回動の支点、Ａ…接地面、Ｆ１，Ｆ２…荷重、Ｏ…対象物、Ｐ…第２指部４０ｃの回動の支点。

Claims (6)

1. 基部と、前記基部に対して移動可能であり、対象物からの荷重が加えられるリンク部とを備えている関節構造体であって、
   前記リンク部は、前記基部に対して移動可能な第１リンク部材と、前記第１リンク部材とともに移動可能であり、前記対象物からの荷重が加わる第２リンク部材と、前記第１リンク部材と前記第２リンク部材との間に設けられている弾性部材と、前記第１リンク部材に駆動力を伝達する駆動機構と、前記基部と前記第２リンク部材との間に設けられている係合機構とを有し、
   前記弾性部材は、前記第１リンク部材に対する前記第２リンク部材の位置を所定の位置で維持するように、前記対象物から前記第２リンク部材に荷重が加わる方向とは反対方向に、前記第２リンク部材を付勢し、
   前記係合機構は、前記対象物からの荷重が前記第２リンク部材に加えられることによって前記第１リンク部材に対する前記第２リンク部材の位置が前記弾性部材の付勢力に抗して所定の位置から移動した際に、前記基部と前記第２リンク部材とを係合させて、前記基部に前記第２リンク部材を固定することを特徴とする関節構造体。
2. 請求項１に記載の関節構造体において、
   前記駆動機構は、前記基部と前記第１リンク部材との間に設けられたブレーキ機構であり、
   前記ブレーキ機構は、該ブレーキ機構の作動中には、前記第１リンク部材に制限可能な荷重を超える荷重が加えられるまで、前記基部に対する前記第１リンク部材の移動を制限するように構成され、
   前記弾性部材は、前記ブレーキ機構で制限可能な荷重よりも小さく、且つ、通常の使用範囲よりも大きい荷重が前記第２リンク部材に加えられた際に前記第１リンク部材に対する前記第２リンク部材の位置が移動するように、前記第２リンク部材を付勢していることを特徴とする関節構造体。
3. ロボットアームに取り付けられるハンド装置であって、
   前記ロボットアームに取り付けられるハンド基部と、前記ハンド基部に対して回動可能であり、対象物からの荷重が加えられる可動指部とを備え、
   前記可動指部は、前記ハンド基部に対して回動可能な第１リンク部材と、前記第１リンク部材とともに回動可能であり、前記対象物からの荷重が加わる第２リンク部材と、前記第１リンク部材と前記第２リンク部材との間に設けられている弾性部材と、前記第１リンク部材に駆動力を伝達する駆動機構と、前記ハンド基部と前記第２リンク部材との間に設けられている係合機構とを有し、
   前記弾性部材は、前記第１リンク部材に対する前記第２リンク部材の位置を所定の位置で維持するように、前記対象物から前記第２リンク部材に荷重が加わる方向とは反対方向に前記第２リンク部材を付勢し、
   前記係合機構は、前記対象物からの荷重が前記第２リンク部材に加えられることによって前記第１リンク部材に対する前記第２リンク部材の位置が前記弾性部材の付勢力に抗して所定の位置から移動した際に、前記ハンド基部と前記第２リンク部材とを係合させて、前記ハンド基部に前記第２リンク部材を固定することを特徴とするハンド装置。
4. 請求項３に記載のハンド装置において、
   前記ハンド基部の先端部から、前記ハンド基部の基端部から先端部に向かう方向と交わる方向に延設されている固定指部を備え、
   前記可動指部は、前記固定指部に接近又は離間するように移動することを特徴とするハンド装置。
5. 請求項３又は請求項４に記載のハンド装置を備えていることを特徴とするロボットアーム。
6. 請求項５に記載のロボットアームを備えていることを特徴とするロボット。