JP7141088B2 - 関節構造体及びロボットハンド - Google Patents

Description

本発明は、関節部を介して複数の部材を回転可能に連結してなる関節構造体、及び当該関節構造体を指部分に適用したロボットハンドに関する。

近時、人間が生活している環境下で人間の実作業を補助し或いは代替することのできる人間共存ロボットが注目されている。この人間共存ロボットでは、実環境下での人間との協働作業を行う上で、ロボットの操作対象物に関する接触情報を取得するために、人間の手指の様な多彩で巧緻な作業を実現可能となる人間型の多指ロボットハンド等が必要となる。このようなロボットハンドの多くは、人間の手指を模擬したハンド部の手の平側に触覚センサが設けられるとともに、関節部位の内部に回転中心が存在し、当該関節部位の回転により指部分の屈伸動作が可能となる（例えば、特許文献１参照）。

また、特許文献２には、先端側の指部分における関節部位を前後にスライド可能な構造を採用したロボットハンドが提案されている。

特開２０１３－２４８７２９号公報 特開２００６－２８１３８０号公報

ロボットハンドにより精度の良い操作を行うには、ハンド部の手の平側の面全域に触覚センサを設け、指部分の屈伸動作に関わらず、人間のように、接触するハンド部の全域で操作対象物の状態をセンシング可能にする必要がある。しかしながら、特許文献１のような多くのロボットハンドでは、指関節の部分に触覚センサが設けられていないため、当該指関節の部分における操作対象物の接触状態を検知できず、ロボットハンドにおける多彩で巧緻な作業の実現への阻害要因となる。そこで、図１０（Ａ）に示されるように、第１及び第２の指部分５１，５２を回転可能に連結する指関節５３の指腹側にも触覚センサ５５を配置した場合、次の不都合が生じる。すなわち、第１及び第２の指部分５１，５２が真っ直ぐ伸びた状態（同図中上側の図）から、相対的に屈曲した状態（同図中下側の図）になったときに、指関節５３の内側に触覚センサ５５が巻き込まれてしまい、当該部分で触覚センサ５５が破損し易くなる。従って、この構造では、指部分５１，５２の指腹側の全域に触覚センサ５５を設けることができない。

一方、特許文献２のロボットハンドの場合、図１０（Ｂ）に示されるように、指関節５３をカバーするように触覚センサ５５を分割して配置しても、構造上、次の不都合が生じる。すなわち、指関節５３を介して回転可能に連結される第１及び第２の指部分５１，５２が真っ直ぐ伸びた状態（同図中上側の図）から、第１の指部分５１に対して第２の指部分５２が前方にスライドしながら屈曲した状態（同図中下側の図）になったときに、指関節５３の部分に触覚センサ５５が配置されなくなる。従って、特許文献２の構造では、指部分５１，５２の動作に関わらず、それらの指腹側の全域にセンシング機能を保有させることができない。

本発明は、このような不都合に着目して案出されたものであり、その目的は、関節部を介して回転可能に連結された各構成部材の屈曲方向の内側に位置する本体の部位全域に所定の付設部材を配置した場合に、関節部での回転による本体の屈伸動作に伴う付設部材の部分的な干渉を回避し、且つ、前記屈伸動作に関わらず、前記全域における付設部材の配置状態を維持できる関節構造体及びこれを備えたロボットハンドを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、主として、複数の構成部材からなる本体と、所定の駆動装置からの動力により、隣り合う前記各構成部材がほぼ一直線状に並んだ伸展姿勢と前記各構成部材が一方向のみに屈曲した屈曲姿勢との間で前記本体を屈伸動作させる動作機構とを備えた関節構造体において、前記動作機構は、前記各構成部材間を所定範囲内で回転可能に連結する関節部を含み、当該関節部の外部に回転中心が位置した状態で、前記屈伸動作をさせる構造をなす、という構成を採っている。

また、複数の指節部からなる本体と、当該本体内に収容された駆動装置と、当該駆動装置の動力により、隣り合う前記各指節部がほぼ一直線状に並んだ伸展姿勢と前記各指節部が一方向のみに屈曲した屈曲姿勢との間で前記本体を屈伸動作させる動作機構とを備えたロボット指を含むロボットハンドにおいて、前記動作機構は、前記各指節部間を所定範囲内で回転可能に連結する関節部を含み、前記関節部の外部に回転中心が位置した状態で、前記屈伸動作をさせる構造をなす、という構成を採っている。

本発明によれば、各構成部材間を所定範囲内で回転可能に連結する関節部よりも外側となる部位に回転中心が位置した状態で、本体を屈伸動作させる構造となっているため、当該屈伸動作に伴う付設部材の部分的な干渉を回避できるとともに、前記屈伸動作に関わらず、各構成部材の間で隙間なく連続する付設部材の配置状態を維持できる。従って、本発明に係る関節構造体をロボットハンドの指部分に適用すると、指部分の屈曲方向の内側となる指腹側の全域に配置された触覚センサにおける前記屈伸動作による部分的な破損を防止でき、且つ、当該屈伸動作に関わらず、指腹側の全域での触覚センサによる力センシングが可能になる。

本実施形態に係るロボットハンドを手の平側から見た概略正面図である。 図１のロボットハンドに設けられたロボット指の概略斜視図である。 図２とは異なる方向から見たロボット指の概略斜視図である。 ロボット指の概略平面図である。 ロボット指の概略側面図である。 （Ａ）は、ロボット指の伸展姿勢を表す概念図であり、（Ｂ）は、ロボット指の屈曲姿勢を表す概念図である。 リンク機構を付設部材等とともに表した概略側面図である。 （Ａ）～（Ｃ）は、ロボット指の伸展姿勢から屈曲姿勢への姿勢変更を説明するための概念図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、ロボット指の一部分が拘束された際における伸展姿勢から屈曲姿勢への姿勢変更を説明するための概念図である。 （Ａ）は、一般的な従来構造における問題点を説明するための概念図であり、（Ｂ）は、他の従来構造における問題点を説明するための概念図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１には、本実施形態に係るロボットハンドを手の平側から見た概略正面図が示されている。当該ロボットハンド１０は、人間の手指を模擬した形状をなし、関節構造体として機能するロボット指１１が５箇所に設けられている。これら各ロボット指１１は、１関節の親指部分と、２関節のその他の指部分に大別されるが、以下においては、２関節のロボット指１１について構成及び作用を説明する。なお、１関節の親指部分についての構成及び作用については、２関節のロボット指１１についての後述する構成要素に対し、１関節分の動作要素を省略したものであり、本明細書での詳細な説明を省略する。

図２には、一つの前記ロボット指１１を図１と逆の手の甲側（指の背側）から見た概略斜視図が示され、図３には、図２とは異なる方向から見たロボット指１１の概略斜視図が示されている。また、図４には、前記ロボット指を指の背側から見た概略平面図が示され、図５には、前記ロボット指の概略側面図が示されている。

これら図２～図５において、前記ロボット指１１は、指の外形部分を構成する本体１３と、図５中下端側の手の平側（指の腹側）となる本体１３の全面に配置されたシート状若しくはブロック状の付設部材１４と、本体１３の内部に収容された駆動装置１５と、駆動装置１５の駆動により、本体１３を動作させる動作機構１６とを備えている。

なお、以降のロボット指１１の説明において、特に明示しない限り、ロボットハンド１０の手の甲側となる指の背側を「指背側」と称し、同手の平側となる指の腹側を「指腹側」と称する。

前記本体１３は、指背側のみが概ね開放する内部空間が形成された中空のケース状をなし、指先側から第１指節部１８、第２指節部１９、及び第３指節部２０の順で配置された３分割の構成部材からなる。

前記付設部材１４は、本体１３の指腹側のほぼ全面に貼付されており、各指節部１８～２０の部位の間にも隙間無く連続して配置されている。この付設部材１４は、指腹側の皮膚を想定して設けられたものであり、詳細な図示を省略するが、当該指腹側の指部分に接触する外力の大きさ、方向、分布等を検出する触覚センサと、この触覚センサを保護するための弾性体とからなる。なお、触覚センサの種類や構成は、特に限定されるものではなく、種々のものを採用することができる。

前記駆動装置１５は、特に限定されるものではないが、第３指節部２０の内部空間に収容されたリニアモータからなり、当該リニアモータに繋がるシャフト１５Ａにおける指の前後方向の進退運動によって、動作機構１６を動作させるようになっている。なお、駆動装置１５としては、リニアモータに限定されるものではなく、後述する作用を奏する限りにおいて、他のモータやシリンダ等の他のアクチュエータを採用することもできる。

前記動作機構１６は、各指節部１８～２０を所定範囲内で相互に回転可能に連結する関節部２２と、本体１３の内部空間に収容されるとともに、駆動装置１５に繋がって各指節部１８～２０を回転動作させるリンク機構２３とからなる。

この動作機構１６は、駆動装置１５の駆動によるシャフト１５Ａの直線運動を関節部２２での回転運動に変換するようになっており、具体的には、シャフト１５Ａの進退により、各指節部１８～２０が一直線状に並んだ図６（Ａ）の伸展姿勢と、各指節部１８～２０が指腹側の空間の方向に相互に屈曲した同図（Ｂ）等の屈曲姿勢との間で、本体１３の姿勢を変化させるように屈伸動作する。ここで、図６に示されるように、当該屈伸動作の回転中心Ｃは、本体１３や関節部２２の内部に存在せずに、本体１３よりも指腹側となる外部に設定されている。本実施形態では、各指節部１８～２０の境界線Ｌの延長となる付設部材１４の表面部分の２箇所に回転中心Ｃが配置されるようになっている。なお、境界線Ｌの延長となる付設部材１４の部分には、各指節部１８～２０の屈曲を容易にするための切込みＫが設けられている。

前記関節部２２は、本体１３の左右両側の側壁部分にそれぞれ設けられており、前記伸展姿勢と屈曲姿勢との間のみでの各指節部１８～２０の相互回転を許容するようになっている。この関節部２２は、図５等に示されるように、第２指節部１９における側壁部分の外側から第１指節部１８及び第３指節部２０の側壁部分の外側にそれぞれ延びる第１及び第２のスライダ２５，２６と、前記伸展姿勢において、第１及び第２のスライダ２５，２６に相対配置される第１及び第２のレール部２８，２９とからなる。

前記第１及び第２のスライダ２５，２６は、それぞれ円弧状をなし、第２指節部１８からそれぞれ最も離れた各先端部分に、第１及び第２のレール部２８，２９に係合するボールベアリング等の係合部材３１がそれぞれ複数箇所（例えば３箇所）に固定されている。

前記第１及び第２のレール部２８，２９は、第１指節部１８、第３指節部２０における側壁部分の外面にそれぞれ２箇所ずつ形成された円弧状の溝からなり、当該各溝内を各係合部材３１が摺動することで、回転中心Ｃを中心とした各指節部１８～２０の相互回転による屈伸動作が可能になる。

前記リンク機構２３は、図７等に示されるように、駆動装置１５のシャフト１５Ａに繋がる第１のリンク部材３３と、第１のリンク部材３３に繋がる第２のリンク部材３４と、第２のリンク部材３４に繋がる第３のリンク部材３５と、第３のリンク部材３５に繋がる第４のリンク部材３６とからなる。

前記第１のリンク部材３３は、特に限定されるものではないが、前記内部空間における指腹側の底部側から指背側に起立配置されたほぼ直線状の平棒からなる。この第１のリンク部材３３は、一端側を支点Ｐ１として駆動装置１５のシャフト１５Ａに回転可能に接続されるとともに、他端側を支点Ｐ２として第２のリンク部材３４に回転可能に接続される。また、第１のリンク部材３３中央付近には、ボールベアリング等からなる突設部材３８が設けられている。この突設部材３８は、第３指節部２０における左右何れか一方の側壁部分の内面側に形成されたスロット３９に回転可能に係合している。このスロット３９は、指の背腹方向となる図７中上下方向に延びており、突設部材３８がスロット３９内を所定範囲内で前記上下方向に移動可能となっている。従って、駆動装置１５が駆動すると、第１のリンク部材３３は、突設部材３８がスロット３９内で回転しながら同図中上下にスライドし、シャフト１５Ａ及び第２のリンク部材３４に対して支点Ｐ１，Ｐ２で回転することになる。

前記第２のリンク部材３４は、特に限定されるものではないが、円弧状の外形を有する平棒からなり、一端側の部分が前記支点Ｐ２で第１のリンク部材３３に回転可能に接続されるとともに、他端側を支点Ｐ３として第３のリンク部材３５に回転可能に接続される。

第３のリンク部材３５は、特に限定されるものではないが、扇型の一部を切欠いたような外形をなすプレートにより構成され、当該切欠部分の先端側を支点Ｐ４として、第４のリンク部材３６が回転可能に接続される。また、第３のリンク部材３５は、図７中下側となる部分を支点Ｐ５として、第２指節部１９における左右何れか一方の側壁部分の内面に回転可能に支持される。なお、第３のリンク部材３５では、支点Ｐ５の図７中やや左上の部分が、第２のリンク部材３４を回転可能に接続する前記支点Ｐ３となる。

前記第４のリンク部材３６は、特に限定されるものではないが、円弧状の外形を有する平棒からなり、一端側が第３のリンク部材３５に回転可能に接続される前記支点Ｐ４となり、他端側を支点Ｐ６として第１指節部１８における左右何れか一方の側壁部分の内面部分に回転可能に支持される。

以上のリンク機構２３は、駆動装置１５に繋がる第１のリンク部材３３が第３指節部２０に繋がり、第３のリンク部材３５が第２指節部１９に繋がり、第３のリンク部材３５に繋がる第４のリンク部材３６が第１指節部１８に繋がっており、第１及び第３のリンク部材３３，３５の間が第２のリンク部材３４で連結されている。

このリンク機構２３は、一つの駆動装置１５の駆動により、図８に示されるように、各指節部１８～２０がほぼ直線状に並んだ同図（Ａ）の伸展姿勢から、各指節部１８～２０が指腹側の空間方向に相互に屈曲した状態となる同図（Ｂ）、（Ｃ）の屈曲姿勢に徐々に姿勢を変化させるように機能する。また、駆動装置１５を前述と逆方向に駆動することで、前述と逆の動作が行うことができる。つまり、リンク機構２３は、各指節部１８～２０の動作が拘束されていないときに、駆動装置１５からの動力を分散して、各指節部１８～２０それぞれを屈伸動作させる構造をなす。

一方、図９（Ａ）に示されるように、第２指節部１９及び第３指節部２０の指腹側に把持対象等の対象物Ｍが接触している場合等、これら指節部１９，２０の屈曲が拘束される場合、リンク機構２３は、同図（Ｂ）に示されるように、第１指節部１８のみを動作させるように機能する。また、図示省略しているが、同様に、第１指節部１８の指腹側のみに対象物Ｍが接触している場合等、第１指節部１８の屈曲が拘束される場合、リンク機構２３は、第２指節部１９及び第３指節部２０のみを動作させるように機能する。つまり、リンク機構２３は、少なくとも一つの指節部１８～２０の動作が拘束されると、残りの指節部１８～２０を屈伸動作させるように、駆動装置１５の動力が伝達される構造をなす。

以上のように、リンク機構２３では、各指節部１８～２０の何れかの動作が拘束された場合でも、動作が拘束されていない残りの指節部１８～２０での屈伸動作を行うことができる。これにより、ロボット指１１の指腹側におけるどの部分に対象物Ｍが最初に接触しても、指全体を丸めながら対象物Ｍを把持することができ、より人間に近い指の動きを実現可能となる。

また、屈伸動作における回転中心Ｃが、本体１３や関節部２２よりも外側の部位に設定されていることから、各指節部１８～２０が屈曲しても、図６（Ｂ）に示されるように、触覚センサを含む付設部材１４の関節部２２内の咬み込みを阻止しながら、付設部材１４を本体１３の指裏側の全面に配置した状態を維持できる。

なお、前記実施形態では、本発明に係る関節構造体をロボット指１１とした場合を図示説明したが、本発明はこれに限らず、ロボットアーム等の他のロボットの部位を含む様々な関節構造体に適用することもできる。

その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。

１０ ロボットハンド
１１ ロボット指（関節構造体）
１３ 本体
１４ 付設部材
１５ 駆動装置
１６ 動作機構
１８ 第１指節部（構成部材）
１９ 第２指節部（構成部材）
２０ 第３指節部（構成部材）
２２ 関節部
２３ リンク機構
Ｃ 回転中心
Ｌ 境界線

Claims (4)

1. 複数の構成部材からなる本体と、所定の駆動装置からの動力により、隣り合う前記各構成部材がほぼ一直線状に並んだ伸展姿勢と前記各構成部材が一方向のみに屈曲した屈曲姿勢との間で前記本体を屈伸動作させる動作機構とを備えた関節構造体において、
   前記動作機構は、前記各構成部材間を所定範囲内で回転可能に連結する関節部を含み、当該関節部の外部に回転中心が位置した状態で、前記屈伸動作をさせる構造をなし、
   前記本体には、前記屈曲姿勢で相対する前記各構成部材の部位の間で、隙間無く連続するように所定の付設部材が配置され、
   前記回転中心は、前記伸展姿勢において、前記各構成部材の境界線の延長線上となる前記付設部材の外部に設定されることを特徴とする関節構造体。
2. 複数の構成部材からなる本体と、所定の駆動装置からの動力により、隣り合う前記各構成部材がほぼ一直線状に並んだ伸展姿勢と前記各構成部材が一方向のみに屈曲した屈曲姿勢との間で前記本体を屈伸動作させる動作機構とを備えた関節構造体において、
   前記動作機構は、前記各構成部材間を所定範囲内で回転可能に連結する関節部と、前記駆動装置に繋がって前記各構成部材を回転動作させるリンク機構とを備え、前記関節部の外部に回転中心が位置した状態で、前記屈伸動作をさせる構造をなし、
   前記リンク機構は、前記各構成部材の動作が拘束されていないときに、前記駆動装置からの動力を分散して、前記各構成部材それぞれを前記屈伸動作させる一方、少なくとも一つの前記構成部材の動作が拘束されると、残りの前記構成部材を前記屈伸動作させるように、前記駆動装置からの動力が伝達される構造をなすことを特徴とする関節構造体。
3. 複数の指節部からなる本体と、当該本体内に収容された駆動装置と、当該駆動装置の動力により、隣り合う前記各指節部がほぼ一直線状に並んだ伸展姿勢と前記各指節部が一方向のみに屈曲した屈曲姿勢との間で前記本体を屈伸動作させる動作機構とを備えたロボット指を含むロボットハンドにおいて、
   前記動作機構は、前記各指節部間を所定範囲内で回転可能に連結する関節部を含み、当該関節部の外部に回転中心が位置した状態で、前記屈伸動作をさせる構造をなし、
   前記本体には、前記屈曲姿勢で相対する前記各指節部の部位の間で、隙間無く連続するように所定の付設部材が配置され、
   前記回転中心は、前記伸展姿勢において、前記各指節部の境界線の延長線上となる前記付設部材の外部に設定されることを特徴とするロボットハンド。
4. 複数の指節部からなる本体と、当該本体内に収容された駆動装置と、当該駆動装置の動力により、隣り合う前記各指節部がほぼ一直線状に並んだ伸展姿勢と前記各指節部が一方向のみに屈曲した屈曲姿勢との間で前記本体を屈伸動作させる動作機構とを備えたロボット指を含むロボットハンドにおいて、
   前記動作機構は、前記各指節部間を所定範囲内で回転可能に連結する関節部と、前記駆動装置に繋がって前記各指節部を回転動作させるリンク機構とを備え、前記関節部の外部に回転中心が位置した状態で、前記屈伸動作をさせる構造をなし、
   前記リンク機構は、前記各指節部の動作が拘束されていないときに、前記駆動装置からの動力を分散して、前記各指節部それぞれを前記屈伸動作させる一方、少なくとも一つの前記指節部の動作が拘束されると、残りの前記指節部を前記屈伸動作させるように、前記駆動装置からの動力が伝達される構造をなすことを特徴とするロボットハンド。

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