JPH02145282A

JPH02145282A - 人間類似型上肢機構

Info

Publication number: JPH02145282A
Application number: JP63297556A
Authority: JP
Inventors: Yuji Maeda; 祐司前田
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1988-11-25
Filing date: 1988-11-25
Publication date: 1990-06-04
Also published as: JPH0512116B2; US4986723A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野コ本発明は、人間が手作業によって行う各種作業に代替上
肢機構として使用する人間類似型上肢機構に関するもの
であり、さらに具体的には、ロボット、義手、各種マニ
ピュレータのエンドファクタ等として利用するための人
間類似型上肢ｌ１１構に関するものである。

［従来の技術］人間の上肢は１手掌部及び手首部に自由度が集中し、複
雑で器用な動作を行うことが可能になっているが、人間
の上肢に類似する代替上肢機構において、それらの自由
度位置にアクチュエータを配設して関節を動作させよう
とすると、その部分の重量が著しく増大し、非常に大型
なものになるため、現実的な使用に耐えなくなるのが通
例である。

しかるに、人間の代替上肢機構としては、多種多様な作
業を行う人間の手掌部及び手首部と同様な自由度を有す
ると同時に、外観においてもできるだけ共通性を有する
ことが望ましく、それによって制御が容易となる。

即ち、代替上肢機構を構成するスレーブ装置において、
人間の手掌部及び手首部と同様な自由度を持たせる同時
に、人間の手や腕の範囲内に全ての構造体を収めること
によって外観においても共通性を持たせると、′人間の
上肢に取付けて指部等の動作を指令信号とするたマスタ
装置と１対１で対応させることが可能になり、それによ
って制御が非常に容易になる。

しかしながら、従来から各種構造の把持機構が提案され
ているとしても、手掌部に人間の手指と同様に機能する
５指を有して、腕部分の形状までも人間の上肢に類似さ
せた上肢機構は、未だ提案されていない。

［発明が解決しようとする課題］本発明の技術的課題は、人間の手掌部及び手首部と機能
的にできるだけ共通性を有する構成、特に、手掌部に人
間の手指と同様に機能する５指を有して、腕部分の形状
までも人間の上肢に類似させた上肢機構を提供すること
にある。

［課題を解決するための手段］上記課題を解決するため、本発明の人間類似型上肢機構
においては、掌部分を構成する基板に、第１ないし第３
の関節において屈伸可能な４木の屈伸指を、それらの屈
伸指間を開閉する方向に回転可能に連結するとともに、
第１ないし第３の関節において屈伸可能な栂指を、他の
４指と対面する方向に転向可能に連結し、且つ上記基板
を腕部の構造材に２軸方向に回転可能に連結し、屈伸ま
たは回転させる関節にプーリを取付けて、それらに巻掛
けたワイヤをそれぞれアクチュエータで引張するように
した上肢機構において、上記アクチュエータの多数を二
つに区分し、腕部の構造材にそれらの両アクチュエータ
群を出力軸を対向させた状態で環状に取付け、各出力軸
に巻き取られるワイヤを、ガイドローラにより手首側の
環状配列アクチュエータの中心空間を通して各関節のプ
ーリに導いている。

また、Ｉｎ指以外の４指の第３関節を第２関節の屈伸に
応じてそれに比例した適量だけ屈曲可能にし、あるいは
握指の第１ないし第３の関節を屈伸させるワイヤを、ガ
イドローラによって、他の４指と対面する方向に転向す
るための回転の軸線上をほぼ通るように案内し、しかる
後に基板上のガイドローラを経て腕部内のアクチュエー
タの出力軸に導くという手段を用いている。

［作　用］人間の手と同様な５指を有し、屈伸または回転させる関
節のブーりに巻掛けたワイヤをそれぞれアクチュエータ
で引張するようにした上肢機構において、そのアクチュ
エータを二つに区分し、両アクチュエータ群を腕部の構
造材に環状に取付けているので、全体的な形状が人間の
手や腕とほぼ同様になる。

しかも、上記両アクチュエータ群を、それらの出力軸を
対向させた状態で環状に取付け、各出力軸に巻き取られ
るワイヤを、ガイドローラにより手首側の環状配列アク
チュエータの中心空間を通して各関節のブーりに導いて
いるため、全体的に狭いスペースが非常に有効に利用さ
れる。

また、樺指以外の４指においては、第３関節を第２関節
の屈伸に応じてそれに比例した適量だけ屈曲させるよう
にしているので、アクチュエータの数を減少させ、全体
的な重量の軽減が図られる。

さらに、ｔｉ指を他の４指と対面する方向に転向させる
場合に、栂指の指片間の関節を屈伸させるワイヤに伸縮
が生じないようにしているので、栂指を転向させても指
片が屈曲するなどの干渉が生じることはない。

［実施例］第１図は１本発明に係る人間類似型上肢機構の全体的な
構成を例示するもので、この上肢機構は、手掌部ｌ、手
首部２及び腕部３によって構成される。

上記手掌部ｌは、掌部分を構成する基板１１に、第１な
いし第３の関節において屈伸可能な４本の屈伸指１２を
、それらの屈伸指間を開閉する方向に回転可能に連結す
るとともに、第１ないし第３の関節において屈伸可能な
栂指１３を、他の４指と対面する方向に転向可能に連結
したものである。

ざらに具体的に説明すると、上記屈伸指１２は、第２図
及び第３図に詳細に示すように、基端部材１４に複数の
指片１５．ｌｆ！、＋７を順次連結軸１Ｂ、１９．２０
で回転自在に連結することにより第１ないし第３の関節
を形成している。それらの各指片１５，１８．１７は、
その基端側における連結軸１８．ｌ３２０上に、それら
の指片に対して固定されて連結軸１８．ｌ！３．２０に
対して回転するプーリ２１，２２．２３を設け、これら
のプーリ２１，２２．２３のうち、第１及び第２関節の
プーリ２１２２には、腕部３内に設けた後述のアクチュ
エータで引張されるワイヤ２４．２５を巻掛け、そのア
クチュエータの駆動によりそれらの関節を屈伸可能に構
成している。

栂指を除く人間の４指は、通常の動作において第３の関
ｉ箭が独立して屈曲することは非常に少なく、−・殻的
には第２関節の動きと関連しである程度屈曲することか
ら、上記屈伸指１２においては第３の関節に設けたブー
９２３に巻掛けたワイヤ２８をたすき掛けにし、第２の
関節における連結軸１３−ヒで回転可能なプーリ２７を
経て、その先端を指片１５に設けたビン２８に固定し、
それによって第３関節が第２１Ｊ節の屈曲に比例して、
その屈曲角度の２分の１程度屈曲動作するように構成し
ている。

また、第１の関節においては、第２の関節を屈伸させる
ためのワイヤ２５ができるだけ連結軸１８の回転中心付
近を通るようにするためのガイドローラ２９を設け、こ
れによって第１の関節の屈曲と第２の関節の屈曲が相互
に干渉するのを防止している。

第１図及び第２図かられかるように、上述した構成の４
木の屈伸指１２は、それを手掌部ｌの基板１１に対して
取付けるが、その取付けに際しては上記基端部材１４を
連結軸Ｉ８の方向とは軸線が直交する取付軸３１により
、各屈伸指１２間を開閉する方向に回転駆動可能に支持
させる。この取付軸３１のまわりの屈伸指１２の回転駆
動は、取付軸３１に固定したプーリ３２にワイヤ３３を
巻掛け、このワイヤを腕部３内に設けたアクチュエータ
の駆動によって行うようにしている。

このようにして上記基端部材１４を取付軸３１のまわり
に回転駆動可能にした場合、その回転駆動によって、各
指片１５．１８の基端側のプーリ２１，２２に巻掛けて
いるワイヤ２４．２５に伸縮が生じるのを防止する必要
がある。そのため、この屈伸上１２においては、第２図
及び第３図かられかるように、ガイドローラ３４．３４
．−・によって各ワイヤ２４．２５がほぼ取付軸３１の
中心を通るように案内している。

一方、第１図に示した前記栂指１３は、第４図に詳細に
示すような構成を有している。ｌ！！！図は、栂指１３
を手のひら側から見た状態を示すもので、基端部材４０
に複数の指片４１，４２．４３を順次連結軸４４゜４５
．４８で回転自在に連結することにより第１ないし第３
の関節を形成し、これらの各指片４１，４２．４３の基
端側連結軸４４，４５．４８上に、各指片に固定されて
連結軸４４，４５．４８に対して回転するプーリ４７，
４８゜４９を設け、これらのプーリ４７．４８．４９に
は、腕部３内に設けた後述のアクチュエータで引張され
るワイヤ５０，５１．５２を巻掛けている。

また、この溝指１３を手掌部ｌの基板１１に対して取付
けるに際し、上記基板１１には、基端部材４０を屈伸上
１２が伸びている方向またはそれと若干傾斜する方向に
軸線を向けて取付ける取付部材５５を突設し、この取付
部材５５に上記基端部材４０を取付軸５８により回転可
能に支持させている。そして、上記取付軸５６上にはブ
ー９５７を固定し、そのプーリ５７に巻掛けたワイヤ５
８を、ガイドローラ５９．６０を経て、腕！ｆ８３内に
設けたアクチュエータに連結している。従って、アクチ
ュエータによるワイヤ５Ｂの引張、弛緩により、溝上１
３は他の４指と同様な向きに面した状態と、他の４指と
対面する状態あるいはその中間的状態に転向させること
ができる。

このようにして上記基端部材４０を取付軸５６のまわり
に回転駆動可能にした場合、その回転駆動によって、各
指片４１，４２．４３の基端側のプーリ４７，４８゜４
９に巻掛けているワイヤ５０．５１．５２に伸縮力５生
じるのを防止する必要がある。そのため、この栂指１３
においでは、ガイドローラ８２．ｆ１２によって各ワイ
ヤ５０，５１．５２がほぼ取付軸５Ｂの軸線上を通るよ
うに案内し、しかる後に、それらのワイヤ５０，５１．
５２をプーリ８３，８３．−等によって案内することに
より。

腕部３内のアクチュエータに導くようにしている。従っ
て、取付軸５８を回転させた場合、ガイドローラ８２と
ガイドローラ６３との間でワイヤ５０，５１゜５２が若
干ねじれることにはなるが、それらのワイヤに伸縮が生
じるようなことはなく、両者の運動が干渉することはな
い。

なお、第２図ないし第４図中３８５は上記アクチュエー
タによって引張されるワイヤの他端、あるいはブーりの
一部等に連結した復帰スプリングを示している。

手首部２は、第１図かられかるように、上記基板＋１と
継手部材７０とを軸７１により回転可能に連結すると同
時に、重子部材７０と腕・部３の構造材７５とを軸７２
により回転可能に取付けている。これらの軸７１．７２
には、図示していないが、それぞれプーリを固定し、そ
れらに巻掛けたワイヤを手掌部１のワイヤと同様に腕部
３のアクチュエータに４１ｆｉしている。

上述したところから明らかなように１手掌部１において
は、主要な動作を行う５指を有し、それらのうち、Ｉｎ
指には４自由度を持たせ、溝指以外の４指においては、
第３関節を第２関節の屈伸に応じてそれに比例した適当
量だけ屈曲させることにより、アクチュエータの軽減と
重量の減少を図っている。また、手首部２においては、
２自由度を持たせている。従って、この上肢砿構は全体
として１８自由度を有し１機能性の面から人間の動作に
近い自由度数を有している。

腕部３は、第５図ないし第７図に示すようにそれ自体の
強度を保つ構造材７５に、上述した手掌部１及び手首部
２の１８自由度を動作させるためのワイヤを巻き取る多
数（１８個）の７クチュエータ（モータ）を取付けてい
る。なお、これらの図においては、煩雑化するのを避け
るため、アクチュエータ等の一部のみを示し、その大半
を省略して示している。

これらのアクチュエータは、それを腕ｔ！６３に取付け
るに際し１人間の前腕部の外形内に収めるようにするた
め、腕部３の手首側に収める第６図の８個のアクチュエ
ータ７８．７Ｂ、・・と、府側に収める第７図の１０個
のアクチュエータ７７．７？、・・との二つの７クチユ
工−タ群に区分し、腕部の構造材７５に１両アクチュエ
ータ群をそれらの出力軸７８゜７８、φ赤及び？９，７
９．−・が対向するように配置して環状に取付け、それ
によって前腕部の寸法形状に類似させている。

そして、手掌部ｌ及び手首部２における各関節からアク
チュエータまでのワイヤは、先に説明したように、ガイ
ドローラによって経路が定められ、手首側の環状配列ア
クチュエータ７Ｂ、７８．φ・の中心空間８０を通して
、両アクチュエータ群間に導入され、ここでそれぞれガ
イドローラ８１，８１゜・及び８２，８２．、・・によ
って向きを変え、所要の出力軸７８．７Ｂ、・・または
７８．７θ、中・に設けたプーリ８３．８３．・・また
は８４，８４．・・に巻き取られる。なお、腕部３の府
側に収める１０個のアクチュエータ？？　、　？？　、
・―は、それらの中心に空間を設ける必要がないため、
９個の環状配列の中心に残る１個を配置している。また
、図中、８６はアクチュエータの出力軸に取付けた回転
検出用の円板、８７は回転検出冴、８Ｂはこの上肢機構
の取付はフランジを示している。

上述した上肢機構では、人間の皮膚に相当するグローブ
を柔軟材料によって形成し１それを取付けることによっ
て、外観を著しく人間の腕に類似したものとすることが
できる。

〔発明の効果〕

以上に詳述したように、本発明の人間類似型上肢機構に
よれば、外観や機能の点で人間の上肢に可及的にｔｆ４
ａｉさせ、特に、手本部に人間の手指と同様に機能する
５指を有して、腕部分の形状までも人間の上肢に類似さ
せた上肢機構を得ることができ、それと同時に、一つの
関節の邪神時の影響が他の関節に及ばないようにしてい
るので、上肢機構を遠隔的に制御する場合等に、各自由
度を操作側と１対１で対応させて制御することが可能に
なり、制御のアルゴリズムを単純化して、制御を極めて
容易に行うことができる。

また、４ｎ指以外の４指においては、第３関節を第２関
節の屈伸に応じてそれに比例した適当量だけ屈曲させる
ようにしているので、アクチュエータの数を減少させ、
全体的なｉ、ｉの軽減を図ることができる。

さらに、Ｊｆｉ指の指片間の関節を屈伸させるワイヤを
、ガイドローラによって、栂指を他の４指と対面する方
向に転向する回転軸線上を通るように案内し、しかる後
に基板上のガイドローラを経て鋺部内のアクチュエータ
の出力軸に導いているので、栂指を転向させた場合にも
、上記両ガイドローラの間でワイヤが若干ねじれるだけ
で、それらのワイヤに伸縮が生じるようなことはなく、
ワイヤ駆動により両動作が相互に干渉することはない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る人間類似型上肢機構の全体的な構
成を示す平面図、第２図は屈伸上の側断面図、第３図は
その屈伸上の要部を断面によって示す平面図、第４図は
栂指の構成を示す断面図、第５図は腕部の構成を示す拡
大部分断面図、第６図及び第７図はその腕部の手首側の
７クチユ工−タ群及び府側の７クチユ工−タ群を示す横
断面図である。ｌ・・掌部分、　　　２・・腕部１１・・基板、　　　　１２・・屈伸上。１３・・栂指、　　　　　１５〜１７・・指片。２１〜２３，３２．４７〜４９．５７．８１〜８４・・
プーリ、２４．２５．５０〜５２．５８　・φワイヤ、
２９．３４，５９，６０，８２．Ｂ　　・ｅガイドロー
ラ、７５・や構造材、７８．７７　・・アクチュエータ、７８．７９　争曇出力軸、　　８０−・中心空間。

Claims

【特許請求の範囲】１、掌部分を構成する基板に、第１ないし第３の関節に
おいて屈伸可能な４本の屈伸指を、それらの屈伸指間を
開閉する方向に回転可能に連結するとともに、第１ない
し第３の関節において屈伸可能な栂指を、他の４指と対
面する方向に転向可能に連結し、且つ上記基板を腕部の
構造材に２軸方向に回転可能に連結し、屈伸または回転
を必要とする関節にプーリを取付けて、それらに巻掛け
たワイヤをそれぞれアクチュエータで引張するようにし
た上肢機構において、上記アクチュエータの多数を二つに区分し、腕部の構造
材にそれらの両アクチュエータ群を出力軸を対向させた
状態で環状に取付け、各出力軸に巻取られるワイヤを、
ガイドローラにより手首側の環状配列アクチュエータの
中心空間を通して各関節のプーリに導いた、ことを特徴とする人間類似型上肢機構。２、特許請求の範囲第１項記載の上肢機構において、栂指以外の４指の第３関節を第２関節の屈伸に応じてそ
れに比例した適量だけ屈曲可能にした、ことを特徴とす
る人間類似型上肢機構。３、特許請求の範囲第１項記載の上肢機構において、栂指の第１ないし第３の関節を屈伸させるワイヤを、ガ
イドローラによって、他の４指と対面する方向に転向す
るための回転の軸線上をほぼ通るように案内し、しかる
後に基板上のガイドローラを経て腕部内のアクチュエー
タの出力軸に導いたことを特徴とする人間類似型上肢機構。