JP6936031B2 - 指機構及びこの指機構を組み込んだハンド - Google Patents

Description

本発明は、ロボットのアーム先端に装着したり、身障者用の義手などとして使用する指機構及び人間型ハンド（Humanoid Hand）に関する。

人間の指の動きを模した初期の人間型ハンドは特許文献１に開示されるように、各指にガイド孔を形成し、ガイド孔にワイヤを指の先端部で折り返すように挿通し、このワイヤの一端をスプリングにつなげ、ワイヤの他端を手首側に引くことで、指の各関節が掌側に屈曲する構成になっている。

特許文献１に開示される人間型ハンドは指を関節の箇所で屈曲されることはできるが、人間の指の動作には程遠いものであり、本発明者らはより進化した人間型ハンドとして特許文献２及び特許文献３を提案した。

特許文献２に開示される人間型ハンドは、人間の基節骨、中節骨及び末節骨のそれぞれに相当する３本の指プレートを端部を回動自在に連結し、またこれら指プレートに沿って回転プレート及び駆動ロッドからなるリンク機構を配置し、前記回転プレート及び駆動ロッドと指プレートを回動可能に枢着した構成としている。

この特許文献２にあっては駆動源によって駆動ロッドを引くことで、三角形状をなす回転プレートを回転させ、この回転により基節骨に相当する指プレートを内側に回動させ、また回転プレートの回転で基節骨に相当する指プレートに沿って配設した駆動ロッドを前方に移動させ、この移動により中節骨に相当する指プレートを内側に回動させ、更に中節骨に相当する指プレートの売り側への回動により中節骨に相当する指プレートに沿って配設した駆動ロッドが手首側に引かれるようにし、この駆動ロッドの引き動作によって末節骨に相当する指プレートが内側に回動する。

特許文献３では足の構造が開示され、前記特許文献２と同様に基節骨に相当する指プレートの基端部にリンク機構の一部を構成する三角プレートが回動自在に取付けられている。

特許文献４には、指先部に作用する力を検出する力センサを備えた人間型ハンドが開示されている。この人間型ハンドにあっては、人間の中節骨及び末節骨に相当する部分に回動動作を行わせるために、基節骨及び中節骨に相当する箇所に、従動流体圧シリンダをそれぞれ配設している。

実公昭５０−２８５５１号公報 特許第４４６２７４２号公報 特許第６０８３５０２号公報 特開２０１０−２６４５４８号公報

特許文献１に開示される構造は、機構は単純であるが、人間の手の動きと同じような動きを要求することはできない。

特許文献２及び３に開示される機構は、指プレートに沿って配設したリンク機構を構成する回転プレートおよび駆動ロッドの各指プレートに対する枢着箇所を、適切に設定することで人間の手の動きと同じような動きを再現できる。しかしながら、三角形状の回転プレートは特許文献２及び３の実施例に示されるように接合される指プレートに対し必要なモーメントと回転角度とを発生させるために一部が他の指プレートより突出している。指はこの突出量より小型化することができないため、例えば人の手に近づけた構造に用いる場合に三角形状のプレート端部が突き出ことがある。また狭隘なる隙間にハンドを侵入せしめる際に三角形状のプレートの突出部が接触し侵入不可となることがあるなど、各種ハンドや足機構の指へ利用する際の支障となっていた。

また、更に特許文献２、３では駆動ロッドの引き動作を三角形状の回転プレートでリンク部材の押し動作に変換し、この押し動作で指プレートを回動する構造になっており、動きに無駄がある。

特許文献４に開示される構造は、人間の基節骨、中節骨及び末節骨に曲げ動作をさせるために個々の駆動源を設けているため、機構が複雑化し却って動作の自由度が阻害される。

また、特許文献１〜４に開示される構造では、指が逆方向に強い力を受けた場合に、関節部分が破損し、修理に時間とコストがかかる問題がある。

上記の課題を解決するため、本発明に係る人間型ハンドは、掌基板にジョイントを介して基端部が連結される中手骨に相当する第１骨部材と、この第１部材の先端に基端部が連結される基節骨に相当する第２骨部材と、この第２骨部材の先端に基端部が連結される中節骨に相当する第３骨部材と、この第３部材の先端に基端部が連結される末節骨に相当する第４骨部材とを備え、前記第２骨部材乃至第４骨部材をリンク機構によって回動させるようにした人間型ハンドであって、 前記リンク機構は基端部が前記第１骨部材と第２骨部材の連結軸に基端部が枢着される第１リンク部材と、基端部が前記第１リンク部材の先端部に枢着される第２リンク部材と、前記第２骨部材と第３骨部材の連結軸に基端部が枢着される第３リンク部材とからなり、前記第１リンク部材は伸ばした位置で第２骨部材と側方視で略重なる板状をなし、前記第２リンク部材は先端部が前記第３リンク部材の中間部に枢着される構成とした。

また第２リンク部材の形状を例えば長さ方向に直交する方向に湾曲させ、前記第３リンク部材に反り方向の力が作用した際に変形することで当該第３リンク部材の反り方向の回動を可能とすることが可能である。

本発明によれば、１つの駆動源で全ての指の動きを再現しつつ、従来の三角形状の回転プレートを板状に変えて、側面視での突出量を少なくしたため、人間の指の形状により近くなり、他部材との干渉も人間の手と同様に計算することができる。

また、駆動源からの引き動作をそのまま引き動作としてリンク部材に伝えるため、伝達機構に無駄がない。

更に、第４及び第３骨部材に無理な反り方向の力が作用した場合でも、第２リンク部材が変形して骨部材に反り方向の回転（脱臼）を許容するため、骨部材やリンク部材或いはハンドによって把持している物を破損するおそれがない。

本発明に係る人間型ハンドの全体図。 本発明に係る人間型ハンドの指機構の１つの斜視図。 同指機構の分解斜視図。 同指機構を構成する指部材を伸ばした状態の側面図。 同指機構による把持の一態様を示す側面図。 同指機構による把持の一態様を示す側面図。 同指機構の反りの特異点（思案点）を示す側面図。 同指機構の反りの状態を示す側面図。 同指機構の反った後に指先が元に戻った状態の側面図。

本発明に係る人間型ハンドの指機構の使用例を以下に示す。使用例では掌基板１、拇指機構２、示指機構３、中指機構４、環指機構５及び小指機構６を備え、各指機構はモータ（ステッピングモータ）７によって動作せしめられる構造を示す。動作はここではモータ７としているが、拇指機構２から小指機構６までに駆動力を伝達できるのであればモータ以外の駆動源を用いてもよい。

特に示指機構３、中指機構４、環指機構５及び小指機構６については、モータ７による引き動作を逆トーナメント状リンク群８を介して各指機構に伝達するようにしている。各指機構に動力を伝達する手段の一例として逆トーナメント状リンク群８を示しているが、各指機構に動力を伝達できるのであれば他の手段でもよい。

上記示指機構３、中指機構４、環指機構５及び小指機構６は同じのため、示指機構３を図２以降で説明する。

指機構は、基端部が掌基板１にユニバーサルジョイントを介して連結される中手骨に相当する第１骨部材１１と、基端部が前記第１部材１１の先端に回動自在に連結される基節骨に相当する第２骨部材１２と、基端部が前記第２骨部材の先端に回動自在に連結される中節骨に相当する第３骨部材１３と、基端部が前記第３部材の先端に回動自在に連結される末節骨に相当する第４骨部材１４とを備えている。

前記第２骨部材１２、第３骨部材１３及び第４骨部材１４は前記モータ７の駆動で牽引動作ないしは押出動作を行うことが可能な駆動部材１５と連結するリンク機構２０によって回動せしめられる。

リンク機構２０は、基端部が前記第１骨部材と第２骨部材の連結軸ｇ１に回動自在に枢着される第１リンク部材２１と、基端部が前記第１リンク部材２１の先端部の軸ｇ２に回動自在に枢着される第２リンク部材２２と、基端部が前記第２骨部材１２と第３骨部材１３の連結軸ｇ３に回動自在に枢着される第３リンク部材２３とからなる。

前記第１リンク部材２１は伸ばした位置、即ち掌を開いた状態で第２骨部材１２と側方視で略重なる板状をなしている。従来は第１リンク部材２１に相当する部材として三角プレートを用い、この三角プレートの３つの頂点のうちの１つに近い部分が第１骨部材と第２骨部材の連結軸に枢着され、他の残りの頂点に近い部分のうちの１つに駆動ロッドが枢着され、残りの１つに第２リンク部材２２の基端部を枢着しているため、第３リンク部材２３に相当する部分を目的の回転角まで回転させるために必要なモーメントないしは回転量とを与えるため三角プレートの一部が大きく突出していたが、第１リンク部材２１の先端の同じ軸に第２リンク部材２２に駆動部材１５を枢着するようにしたので、第１リンク部材２１を板状にすることができ且つ板状にしたので側面視で前記第２骨部材１２に側面視で重ねることができる。

前記第２リンク部材２２は先端部が前記第３リンク部材２３の中間部の軸ｇ４に枢着され、またその形状は伸び方向の強い力が作用した場合に全体形状が伸びるように幅方向（図では上方向）に湾曲した形状になっている。

前記第３リンク部材２３は前記第３骨部材１３と第４骨部材１４との連結軸ｇ５からオフセットされた位置の軸ｇ６に枢着されている。これら軸５、６の位置関係は第３リンク部材２３が反時計方向に回動した際に指を閉じる方向に回動する位置関係になっている。

以上において、図４に示す状態（指を伸ばした状態）を基準とし、この状態でモータ７を駆動し、駆動部材１５に牽引動作（図４において右方向）を与える。

すると、第１リンク部材２１に軸ｇ１を中心として反時計方向の力が作用し、第２リンク部材２２が引かれる。すると第２リンク部材２２の先端は第３リンク部材２３の中間部に連結されているため、第３リング部材２３の基端部が枢着している第２骨部材１２が軸ｇ１を中心に反時計方向に回動する。

そして第２骨部材１２が回動して把持対象物５０に当接すると、第２骨部材１２はそれ以上回動できなくなり、その状態で更に駆動部材１５を引くと第３リンク部材２３が軸ｇ３を中心として反時計方向に回動する。

第３リンク部材２３が反時計方向に回動すると第３骨部材１３も同方向に回動し、更に軸ｇ５と軸ｇ６の位置関係から、第４骨部材１４も反時計方向に回動し、その結果、図５に示すように把持対象物５０を第２骨部材１２、第３骨部材及び第４骨部材１４で包みこむように把持する。

また図６に示す例では、把持対象物５０に最初に触れるのが第４骨部材１４とした場合であり、この場合には第２骨部材１２、第３骨部材１３及び第４骨部材１４が軸ｇ１を中心として一体的に回動し、他の指の第４骨部材１４との間で把持対象物５０するようにしている。

上記の説明では、駆動部材１５に引き動作をさせると、先ず第２骨部材１２が回動し、次いで第３骨部材と第４骨部材が回動すると説明したが、第２リンク部材２２の前端部、後端部の枢着点の位置を調整することで、発生するモーメントも変化するので、第２骨部材１２の回動と第３骨部材及び第４骨部材の回動とが同じタイミングで進行するように設定することもできる。

図７は第４骨部材１４に反り方向の力が作用した場合の特異点を示している。即ち第４骨部材１４に反り方向の力が作用すると、第４骨部材１４が時計方向に回動し、同時に第４骨部材１４と第３リンク部材２３を介して連結している第３骨部材１３も時計方向に回動する。

そして上記の第４骨部材１４及び第３骨部材１３の時計方向の回動により第２リンク部材２２も時計方向に回動し、軸ｇ１、軸ｇ２及び軸ｇ４が同一線上になったときが図７に示す特異点となる。

この特異点から更に第４骨部材１４と第３リンク部材２３が反り方向（時計方向）に回動するには、軸ｇ３を中心として第３リンク部材２３がと時計方向に回動しなければならない。第３リンク部材２３には第２リンク部材２２の先端が連結しているので同時に第２リンク部材２２は軸ｇ１を中心として回動しなければならない。しかしながら、この時点で、前記したように軸ｇ１、軸ｇ２及び軸ｇ４が同一線上に位置しており最大長となっている。

したがって、上記の状態から第３リンク部材２３が軸３を中心として反り方向に回動するには、第２リンク部材２２が伸びなければならない。本実施例では第２リンク部材２２の形状を幅方向に一部が湾曲した形状とすることで、図８に示すように、引張方向の力が作用した場合に変形し、特異点（思案点）を越えて反り方向に回動できるようにしている。

図８に示した状態で、第４骨部材１４に内側（元に戻る方向）への力が作用すると、今度は軸ｇ１、軸ｇ２及び軸ｇ４が同一線上になる特異点を経ることなく図９に示す第４骨部材１４及び第３骨部材１３は元の位置に復帰する。

図９に示した状態から駆動部材１５を引くと、第１リンク部材２１が反時計方向に回動し、第２リンク部材２２も特異点を経て元の位置に復帰することが可能となる。

図１から図９においては、前記駆動部材１５は第１リンク部材２１の先端の同じ軸に第２リンク部材２２に枢着するように示しているが、この枢着する部分は牽引力が与えられれば第１リンク部材の回転軸以外のいずれかの部分でもよいし、第２リンク部材２２の回転軸以外のいずれかの部分でもよい。

本発明に係る人間型ハンドは産業用としても、また義手としても使用することができ、図示例では指機構を組み込んだ具体例として、５指を有する人間型ハンドを説明したが、これに限らずロボットアーム先端に取付ける２〜４本指のマニピュレータにも利用することができる。

１…掌基板、２…拇指機構、３…示指機構、４…中指機構、５…環指機構、６…小指機構、７…モータ（ステッピングモータ）、８…逆トーナメント状リンク群、１１…第１骨部材、１２…第２骨部材、１３…第３骨部材、１４…第４骨部材、１５…駆動部材、２０…リンク機構、２１…第１リンク部材、２２…第２リンク部材、２３…第３リンク部材、５０…把持対象物、ｇ１、ｇ２、ｇ３、ｇ４、ｇ５、ｇ６…軸。

Claims (9)

1. 連結する複数の骨部材をリンク機構によって連結部を中心として回動せしめるようにした指機構において、
   前記複数の骨部材は中手骨に相当する第１骨部材と、基節骨に相当する第２骨部材と、中節骨に相当する第３骨部材と、末節骨に相当する第４骨部材とからなり、前記リンク機構は基端部が前記第１骨部材と第２骨部材の連結軸に枢着される第１リンク部材と、基端部が前記第１リンク部材の先端部に枢着される第２リンク部材と、基端部が前記第２骨部材と第３骨部材の連結軸に枢着される第３リンク部材とからなり、前記第１リンク部材は前方に伸びた位置で第２骨部材と側方視で略重なる板状をなし、前記第２リンク部材は先端部が前記第３リンク部材の中間部に枢着されることで、前記第１骨部材に対し第２骨部材と第１リンク部材とが別々に回転可能となり、さらに前記第１リンク部材の回転が前記第３骨部材および第４骨部材を回転可能とし、また前記第２リンク部材は前記第３リンク部材に反り方向の力が作用した際に変形することで当該第３リンク部材の反り方向の回動を可能とすることを特徴とする指機構。
2. 請求項１に記載の指機構を、示指機構、中指機構、環指機構及び小指機構の少なくとも１つの指機構として組み込んだことを特徴とするハンド。
3. 第１骨部材と、
   前記第１骨部材に回転可能に連結される第２骨部材と、
   前記第２骨部材に回転可能に連結される第３骨部材と、
   前記第３骨部材に回転可能に連結される第４骨部材と、
   基端部が前記第１骨部材と前記第２骨部材の連結軸に回転可能に連結される第１リンク部材と、
   基端部が前記第１リンク部材の先端部に回転可能に連結される第２リンク部材と、
   基端部が前記第２骨部材と前記第３骨部材の連結軸に回転可能に連結され、先端部が前記第４骨部材に回転可能に連結される第３リンク部材と、を備える指機構であって、
   前記第２リンク部材の先端部は、前第３リンク部材の中間部に回転可能に連結され、
   前記第１リンク部材と前記第２リンク部材の連結軸は、前記指機構が伸びた状態及び前記指機構が掌側に屈曲した状態における側方視において、前記第２骨部材より反り方向側に突出していない、
   指機構。
4. 前記第１リンク部材と前記第２リンク部材の連結軸は、前記指機構が掌側に屈曲した状態における側方視において、前記第２骨部材より掌側に突出している、
   請求項３に記載の指機構。
5. 前記第２リンク部材は、前記指機構が掌側に屈曲した状態における側方視において、前記第２骨部材より反り方向側に突出していない、
   請求項３又は請求項４に記載の指機構。
6. 前記第２リンク部材と前記第３リンク部材の連結軸は、前記指機構が伸びた状態及び前記指機構が掌側に屈曲した状態における側方視において、前記第２骨部材と前記第３骨部材の連結軸より掌側に位置する、
   請求項３乃至請求項５の何れか一項に記載の指機構。
7. 前記第３骨部材と前記第３リンク部材は、それぞれ異なる連結軸で前記第４骨部材に回転可能に連結される、
   請求項３乃至請求項６の何れか一項に記載の指機構。
8. 前記第１リンク部材と前記第２リンク部材の連結軸に回転可能に連結される駆動部材、を更に備える、
   請求項３乃至請求項７の何れか一項に記載の指機構。
9. 請求項３乃至請求項８の何れか一項に記載の指機構を、少なくとも１つの指機構として組み込んだハンド。
   
   

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