JP6829642B2 - 拇指機構およびこの拇指機構を組み込んだ人間型ハンド - Google Patents

Description

本発明は、拇指機構とこの拇指機構を組み込んだロボットや義手などとして用いる人間型ハンドに関する。

拇指機構の他に、示指機構、中指機構、環指機構及び小指機構を備えた人間型ハンドが特許文献１乃至特許文献３に開示されている。

特許文献１は本発明者らが提案したものであり、掌基板に対して拇指機構を含む全ての指機構のＣＭ関節に相当する部分が連結されている。連結はユニバーサルジョイントを介して行われているので連結点自体は動かないが、この連結点を中心として任意の角度に回動させることが可能となっている。

特許文献２には、拇指機構のＣＭ関節に相当する部分が掌基板に回動自在に連結され、拇指以外の他の指機構のＭＰ関節に相当する部分が掌基板に回動自在に連結されている。このＣＭ関節は１軸廻りにのみ回動自在となっている。

特許文献３には、掌基板（手部ベース）に各指機構の基端部を連結するとともに、各指機構を基端部から指先まで分離不能な単一の弾性部材で構成し、更にこの弾性部材を部分的に薄肉とすることで屈曲可能としたロボットハンド構造が開示されている。この構造に
おいても拇機構は１軸廻りにのみ回動自在となっている。

特許第４４６２７４２号公報 特開２０１０−２６４５４８号公報 特開２０１３−３９６５６号公報

人間の指の動きは極めて繊細であり、特に拇指は他の指と比べても複雑な構造を持つ。更に拇指は他の指と協働して物を掴む機能を有し、拇指の位置が把持特性を大きく左右する。

実際の人間の関節は単純な構造ではなく、関節を構成する骨と骨の間にある軟骨や腱、筋肉によってフレキシブルな動作が可能となっている。このようなフレキシブルな動作を機械的な構造で置き換えることは非常に困難である。

特許文献１〜３に開示される人間型ハンドでも、拇指のＣＭ関節に相当する部分は１軸廻りに回動可能とされるか、ユニバーサルジョイントを介して連結されている。

ユニバーサルジョイントの場合は単純な軸廻りの回動とは異なり回動の自由度は高いが、連結部自体は固定であり、拇指機構のＣＭ関節に相当する箇所が移動するわけではないので、人間の手の動きとは異なってくる。

したがって、物を掴むためのマニピュレータや義手に適用する拇指機構として、単純な構造でしかも実際の拇指機構のＣＭ関節により近い動作が可能な機構が望まれる。

上記の課題を解決するため、本発明に係る拇指機構は、掌基板と中手骨に相当する第１骨部材とのＣＭ連結部に相当する箇所を四節交差リンクにて構成した。具体的には、四節交差リンクを、前記掌基板に設けられた固定リンクと、前記第１骨部材の基端部に設けられた中間リンクと、この中間リンクの両端と前記固定リンクの両端とを回動自在に連結するとともに互いに交差する第１交差リンク及び第２交差リンクとで構成した。

また、本発明は上記の拇指機構を連結した掌基板に、示指機構、中指機構、環指機構及び小指機構のうちの少なくとも１つを連結した人間型ハンドを発明の技術的範囲に含む。

本発明に係る拇指機構によれば、ＣＭ関節部を四節交差リンクにて構成しているため、従来のような１軸廻りのみに回動自在ではなく、ＣＭ関節部自体が回動しつつ移動するため、人間の拇指の動きに極めて類似した動きを再現可能となる。

このように、従来にはない複雑な動きを単純な構造で達成することができ、しかも軽量でコンパクトで制御も簡単な拇指機構を得ることができる。

また、指自体の動きが実際の人間の指の動きに近くなるため、今まで以上に多くの分野で活用することが期待できる。

本発明に係る拇指機構を適用した左手の拇指機構を斜め下から見た図。 同拇指機構の分解斜視図。 同左手の拇指機構を手前側斜め上から見た図。 四節交差リンクと拇指機構との連結を説明した分解図。 同拇指機構のＣＭ関節に適用した四節交差リンクの模式図。 同の動きを説明した図。

拇指機構は掌基板１の裏面側に四節交差リンク３が取り付けられ、この四節交差リンク３を介して基節骨に相当する第１骨部材４が連結している。

この第１骨部材４の先端部には軸５を介して中節骨に相当する第２骨部材６の基端部が回動自在に連結され、この第２骨部材６の先端部には軸７を介して末節骨に相当する第３骨部材８の基端部が回動自在に連結されている。

また、前記四節交差リンク３を構成する部材の一つである中間リンク３２には軸９を介して三角形状をなす第１リンク部材１０の３つの頂点近傍のうちの１つが回動自在に取付けられ、他の頂点近傍には駆動部材２０が連結し、残りの頂点近傍には第２リンク部材１１の基端部が軸１２を介して回動自在に取付けられている。

前記第２リンク１１部材の先端部は前記第１骨部材４の先端部で第２骨部材６との回動軸５からオフセットされた位置に軸１３を介して回動自在に取付けられている。

更に軸１３には第３リンク部材１４の基端部が回動自在に取付けられ、この第３リンク部材１４の先端部は前記第３骨部材８の後端部で前記第２骨部材６との回動軸７からオフセットされた位置に軸１５を介して回動自在に取付けられている。

以上において、駆動部材２０が引き動作をすると、第１リンク部材１０が軸９を中心として時計方向に回動し、第２リンク１１が矢印方向に押される。するとと、第３リンク部材１４も押され、この押し動作によって、第１骨部材４、第２骨部材６及び第３骨部材８は内側（物を把持する方向）に回動する。
また、駆動部材２０が引き動作に連動して四節交差リンク３を介して拇指機構全体が内側に向かって回動する。

また駆動部材２０が押し動作をすると、第２リンク１１が逆方向に牽引され、各リンク部材１１、１４と骨部材４、６、８は前記と反対方向に動き外側（手を開く方向）に回動する。また四節交差リンク３を介して拇指機構全体が外側に向かって回動する。
尚、図示例では駆動部材２０の引き動作で指機構が開き、牽引動作で指機構が閉じる構成としたが、リンクの組み方によってこの逆の構成とすることも可能である。

また駆動部材２０に与える引き動作ないしは押し動作とは別に、四節交差リンク３の一部に牽引ロッドやワイヤなどを用いて引き動作ないしは押し動作を与えることで、指の状態をそのままに保ったまま四節交差リンクの状態を変化させ指全体を中間リンク３２と共に回動させることも可能である。
なお、この四節交差リンク３の状態を変化させるに当たっては、牽引ロッドやワイヤなどを用いずに人や外部の力で変化させるようにしてもよい。

また、また図示例では掌基板１に拇指機構のみが支持された例を示しているが、掌基板１に別の指機構を連結することで、本発明の一態様である人間型ハンドになる。

更に拇指機構に長さ方向の軸を基準として回転力が作用すると、前記四節交差リンク３を介して、指機構は長さ方向の軸を基準とした回動だけではなく四節交差リンク３に規制された横方向の動きとが合成された動きを行う。

四節交差リンク３は、図３乃至図５に示すように、固定リンク３１、中間リンク３２、これら固定リンク３１と中間リンク３２の両端を連結するとともに互いに交差する第１交差リンク３３と第２交差リンク３４とからなる。

この実施例にあっては、固定リンク３１は掌基板１に固定して設定され、中間リンク３２は第１骨部材４を回動自在になるよう別部材にて設定されているが、別にリンク部材を掌基板１や第１骨部材４の一部を利用して取り付けてもよい。

以上において、図６の実線位置を基準として説明すると、紙面垂直方向から見て中間リンク３２の中心点Ｐが前記第１骨部材４の回動中心となる。換言すれば、
中心点Ｐは拇指機構全体の回動中心と考えることができる。

上記した状態から、第１骨部材４（拇指機構）に反時計径方向に回動する力が作用すると、第１骨部材４は反時計方向に回動しつつ図６の点線位置まで移動する。つまり、第１骨部材４（拇指機構）は中心点Ｐ廻りの回動と中心点Ｐ１への横移動とが合成された動作を行う。

一方、第１骨部材４（拇指機構）に時計径方向に回動する力が作用すると、第１骨部材４は時計方向に回動しつつ図６の一点鎖線位置まで移動する。つまり、第１骨部材４（拇指機構）は中心点Ｐ廻りの回動と中心点Ｐ２への横移動とが合成された動作を行う。

図示例では、第１交差リンクを第２交差リンクよりも長く、固定リンクよりも中間リンクを短く設定した例を示したが、これら各リンクの長さを変化させることでＣＭ関節部の移動軌跡は異なる。したがって、作業目的に合わせ最適の組み合わせを選定する。

掌基板に連結する他の指機構の本数は任意であり、５本指の人間型ハンドに限らず２本或いは３本等を選択することができる。

１…掌基板、２…支持プレート、３…四節交差リンク、４…第１骨部材、５…
軸、６…第２骨部材、７…軸、８…第３骨部材、９…軸、１０…第１リンク部材、１１…第２リンク部材、１２…軸、１３…軸、１４…第３リンク部材、１５…軸、２０…駆動部材、３１…固定リンク、３２…中間リンク、３３…第１交差リンク、３４…第２交差リンク。

Claims (2)

1. ロボットや義手などのための拇指機構であって、この拇指機構は掌基板と中手骨に相当する第１骨部材とのＣＭ連結部に相当する箇所を四節交差リンクにて構成し、この四節交差リンクを、前記掌基板に設けられた固定リンクと、前記第１骨部材の基端部に設けられた中間リンクと、この中間リンクの両端と前記固定リンクの両端とを回動自在に連結するとともに互いに交差する第１交差リンク及び第２交差リンクとで構成することを特徴とする拇指機構。
2. 請求項１に記載の拇指機構を連結した掌基板に、示指機構、中指機構、環指機構及び小指機構のうちの少なくとも１つを連結したことを特徴とする人間型ハンド。