JPH02256489A

JPH02256489A - 多関節ハンド

Info

Publication number: JPH02256489A
Application number: JP34053489A
Authority: JP
Inventors: Senji Mimura; 三村　宣治
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1988-12-28
Filing date: 1989-12-27
Publication date: 1990-10-17

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〕本発明は、人間が手作業によって行なう各種作業に代替
機構として使用できるようにした人間類似型ハンド機構
に関するものであり、具体的には、ロボット、義手、各
種マニピュレータのエンドエフェクタ等として利用する
ための人間類似型の多関節ハンドに関するものである。

〔従来技術〕

従来、この種の装置として実用に供されているものに、
産業用ロボットのエンドエフェクタ（ハンド）があり、
それらの大部分のものの構造は、２枚の平板を平行に対
向させ、リンク機構や直進案内機構などで動作させるよ
うになっている。そして、把持対象物が決まっている場
合は対象物に適した形状のエンドエフェクタを、また数
種類の対象物を扱う場合には交換可能なエンドエフェク
タを使用している。

しかし、前者はロボットに要求される汎用性、柔軟性及
び融通性に乏しく、後者は交換可能にするための構造上
の制約や交換用エンドエフェクタをロボット近傍に配置
する制約などがある。

一方、研究開発段階にあるものとして、５指ハンドや３
指ハンド等がある。これらの主たる適用分野は義手であ
り、人間の手を模擬することをねらいとしている。この
５指ハンドは、油圧アクチュエータで親指を開閉し、リ
ンク機構でできた指を２本ずつパルスモータで同時に屈
伸させるように模擬したものである。しかし、この構造
では、■）指の各関節がリンクにより結合された構造の
ためハンドの各関節を独立に駆動する事ができない、２
）親指の開閉に油圧アクチュエータを用いているので油
圧系ポンプが別途必要となる、３）駆動源が一つのパル
スモータなので、各軸筋に最適なトルクを与えることが
できないので把持力が小さい等の欠点があった。

そこで、各関節を独立して動かす事ができるようにした
３指ハンドがある。これは、蛇管内に通したワイヤロー
プにより各関節のプーリを独立して駆動させる構造とな
っている。しかし、１）各関節部のトルクや角度を検出
できないので動力伝達手段であるワイヤロープに加わる
加重が太き（、ワイヤロープの伸びが位置決めや力の制
御精度を悪（する、２）ハンドと駆動源が離れており、
動力伝達にさや付きワイヤロープを用いているので中間
部での動力ロスが大きく、把持力を大きくできない（太
いワイヤロープはど動力ロスが大きくなる）、３）蛇管
を大きい曲率で曲げることができないので実ロボットに
実装し難く、作業の邪魔となる、４）蛇管とワイヤロー
プを用いるので、大きい曲率で曲げると両者間での摩擦
が大きい等の欠点がある。

さらに、別の子指ハンドは、指をボールネジを１辺とす
るリンク機構として多段同軸に連結し、動力伝達系をウ
オームギヤ、ワイヤ、ボールネジの順に連結している（
特開昭６２−１２４８９２号）。しかし、この構造では
、１）動力伝達系の構造が複雑で動力損失が大きい、２
）動力伝達系にウオームギヤやボールネジを用いて減速
しているが、これらの機構は力伝達の可逆性が悪い。し
たがって、モータ側からは軽く動かすことができるが、
指側からはほとんど動かすことができない、３）指先に
外力が作用しても指が撓まないので脆い対象物の場合に
は適用できない、４）第１．２指の相対関係が固定なの
で把持できる対象物が限定される等の欠点がある。

さらに上述の従来技術はいずれも、夫々の指の位置およ
び力を検出することはできず、例えば把持対象物の位置
ずれや誤動作等により多指に過大な力が作用しても、そ
れを検出することができないばかりか、ハンド全体を保
護するような動作ができず、結局、ハンドの動力伝達機
構など各部材が損傷するという欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明はこのような事情を考慮し、上記問題点を解決す
べ（なされたもので、その目的とするところは、構造の
複雑化を招くことなしに、種々の形状・材質の対象物に
対する安定した把持が行え、かつ把持した対象物の姿勢
、位置を可変にでき、軟性、環境への適合性の向上した
マニピュレータの多関節ハンドを提供することにある。

このため、本発明者は、種々の形状の対象物を安定に把
持し、かつ把持した対象物の姿勢・位置を可変するため
の？１ンド構造について検討した。

その結果、対象物を安定に把持するためには、ハンドと
対象物とは３点以上で接触しなければならず、３本以上
の指を有するハンド構造が必要となる。また、把持した
対象物の姿勢・位置を柔軟に変更しようとすると、指と
対象物の各接触点の位置を３次元的に制御でき、かつ、
指から各接触点へ作用する力の大きさ・方向をも３次元
的に制御できなければならず、自由度（関節）の数が３
以上の指構造が必要となる。すなわち、上記のような機
能を有するハンドは、最低限３本指９関節構造が必要と
なる。従来、このようなハンドは、５指ハンドあるいは
３指ハンドとして研究されてきているが、上述したよう
に、種々の欠点があった。

そこで、本発明者は、まず、ハンド全体を独立した複数
の指の集合体と考え、指を１つのモジュール構造とし、
この指モジュールを複数個組み合わせてハンドを形成す
ることに着目した。

指モジュールとしては、３自由度の構造を検討し、指を
形成するリンク部材、動力伝達手段、電動機、センサ類
などを一体構造とし、このモジュールのみで一つの指と
して必要な機能を持つようにし、ハンドの構成・組み付
け・メンテナンスが容易になるように工夫した。また、
リンク間の角度・トルクを直接検出できるように各セン
サを配置したので、動力伝達手段で発生する角度・トル
クの干渉を比較的簡単な制御系により取り除くことがで
き、動力伝達手段の構成も簡単にすることができた。さ
らに、サーボ系を安定化するために、電動機回転軸より
電動機回転速度を検出し速度のフィードバック行なうが
、このとき、電動機にタコゼネレータ等の速度検出器を
取り付は回転速度を検出するのが一般的である。しかし
、タコゼネレータ等の速度検出器は、形状が大きく、重
量も重いという欠点がある。そこで、本発明では、電動
機の電圧より逆起電力を検出し、これより電動機の回転
速度を推定する方法を採用し、指モジュールをさらに小
型軽量化できるようにした。

この方法は、電動機の回転速度を正確に検出することが
できないが、回転速度を推定するための演算が比較的簡
単なので、はとんどコントローラの負担にはならないと
いう特徴を有する。速度フィードバックは、制御系の安
定化の目的で行なうので、回転速度の検出精度はそれほ
ど必要でなく、むしろ、フィードバックのレートを大き
くすることが必要だが、本発明は、前記のように演算量
が少なくこの目的には最適である。

また、検出したリンク間の位置（角度）と力（トルク）
の値を用いて、リンクを駆動する動力を修正することに
より、指の位置、力およびスティフネスを調整できるよ
うにした。これにより、指に作用する力が過大になった
ときに、その指のスティフネスを小さくするように制御
してその指を逃がすようにできるので、過負荷に伴う指
の損傷を防止できる。

各指モジュールは、指結合部材によって比較的自由に結
合できる構造としたので、把持対象物の大きさが大きく
変化しても対応が可能である。また、ハンドの構造も３
指構造だけでなく、′４指、５指構造に容易に拡張でき
るばかりでなく、２指構造や１指のみのマイクロマニピ
ュレータとしても使用可能であるという特徴を有する。

〔発明の説明〕

本発明の多関節ハンドは、先端に対象物と接触する当接
部材を有し他端を指結合部材に連結すると共に両端間に
は長手方向に対し垂直方向と当該垂直方向に対し直角方
向にそれぞれ屈伸自在に複数のリンク部材と回動軸によ
り連係して複数の関節を形成した複数の指構造体と、該
指構造体の他端に前記各リンク部材を独立して屈伸自在
に該各リンク部材に動力伝達手段を介して回転連絡すべ
く装備した複数の電動機と、前記各指構造体のうち少な
くとも一つを他に対して対向配設し前記各電動機の駆動
により当該対向間距離を可変とし対象物に接触すると共
にマニピュレータに連結するハンド構造体とから成る。

上記構成からなる本発明の多関節ハンドは、指構造体の
相互間を屈伸させた際の前記動力伝達手段によって生じ
る機械的な干渉を取り除くことができ動力伝達機構を小
型軽量単純化すると同時に指相互間の安定な運動を実現
することができる。

また、指構造体が電動機を含め１つのモジュールとなっ
ているため、上記指結合部材の調整あるいは変更によっ
てハンド構造体を構成する各指構造体間の相対関係を把
持物体に応じ変更可能であるばかりでなく４指、５指構
造に拡張したり、逆に、２指や１指のみのマイクロマニ
ピュレータとして利用することも可能であるという効果
を有する。

１つの指がモジュールとなっているため、このモジュー
ルの数や組合せ方を把持対象に応じて最適となるように
変更することが容易であるという柔軟性・環境への適合
性が従来以上に向上しており、故障が生じた場合、故障
したモジュールのみを交換することが可能であるため、
修理が容易であるばかりでなくそれに必要な時間を著し
く短縮できるという実用上多大の作用効果を有する。

また、例えば、１つのモジュールが少なくとも３つの回
転軸（３自由度）を持っている場合、指先端位置及び指
先発生力を３次元的に自由に設定できるので、このモジ
ュールを３個以上組み合わせると種々の形状の対象物を
安定に把持できるばかりでなく、把持した対象物の姿勢
・位置を可変できる。

各指モジュールは、指結合部材によって比較的自由に結
合できる構造としたので、把持対象物の大きさが大きく
変化しても対応が可能である。また、ハンドの構造も３
指構造だけでなく、４指、５指構造に容易に拡張できる
ばかりでなく、２指構造や１指のみのマイクロマニピュ
レータとしても使用可能であるという効果を有する。

〔その他の発明の説明〕

第２発明は、各関節軸の動力伝達手段が、各関節軸を独
立して駆動できるように構成し、各リンク部材には隣接
するリンク部材間の相対角度及び相対トルクを直接検出
する夫々のセンサを具備し、前記角度及びトルクセンサ
によって直接検出した各リンク部材間の角度及びトルク
と角度及びトルクの目標値とを比較し夫々の偏差信号を
処理してサーボ系を各関節軸毎に独立に構成してなる。

上記構成からなる第２発明は、リンク部材間の相対角度
および相対トルクを直接検出し、角度およびトルクのサ
ーボ制御系を構成して駆動力を調整しているので、両制
御系の結合状態を変えることにより、リンク間の剛性（
ジヨイント剛性）を零から無限大まで連続的に任意の値
に設定できる。

そのため、把持対象物の形状、性質に応じて最適の剛性
を設定できる。例えば、砂による鋳物型等、もろく、し
かも形状誤差の大きな対象物の場合は、ジヨイント剛性
を低く設定することにより、対象物を潰すことなく、し
かも確実に把持することができる。また、金属部品等、
固いものを精度良く、しっかりと把持したい場合には、
ジヨイント剛性を高めておけばよい。以上のように、本
第２発明では、対象物の形状・固さ等の性質に応じて、
最適の把持剛性が得られるようにすることができる。

さらに本第２発明は、指構造体を構成する複数のリンク
部材、電動機、角度及びトルクセンサを１つにまとめた
構造、すなわち、角度とトルクのセンサを各関節軸の近
傍に取り付けることにより動力伝達手段によって生じる
機械的な干渉を容易に取り除くことができ、しかも、複
数の電動機を指中心軸上に並べて配置することにより、
小型軽量化したモジュール構造にすることを可能にする
。

リンク間の角度・トルクを直接検出できるように各セン
サを配置しているので、動力伝達手段で発生する角度・
トルクの干渉を比較的簡単な制御系により取り除くこと
ができ、動力伝達手段の構成も簡単にすることができる
。

第３発明は、電動機は可変定電流源に接続し指令電流値
を変更することによって駆動力を変更できる構成とし、
サーボ系に電動機の駆動電圧より求めた電動機回転速度
をフィードバックして指令電流値を修正するように構成
してなる。

サーボ系を安定化するために、電動機回転軸より電動機
回転速度を検出し速度のフィードバックを行なうが、こ
のとき、電動機にタコゼネレータ等の速度検出器を取り
付は回転速度を検出するのが一般的である。しかし、タ
コゼネレータ等の速度検出器は、形状が大きく、重量も
重いという欠点がある。そこで本第３発明では、電動機
の電圧より起電力を検出しこれより電動機の回転速度を
検出する方法を採用し、指モジュールをさらに小型軽量
化できるようにした。

この方法は、電動機の回転速度を正確に検出することが
できないが、回転速度を推定するための演算が比較的簡
単なので、はとんどコントローラの負担にはならないと
いう特徴を有する。速度フィードバックは、制御系の安
定化の目的で行なうので、回転速度の検出精度はそれほ
ど必要でなく、むしろ、フィードバックのレートを大き
くすることが必要だが、本発明の方法は、前記のように
演算量が少なくこの目的には最適である。

第４発明は、前記指構造体の先端当接部材としてのフィ
ンガーチップを一端にネジ部を有する棒状の心材と、外
形がほぼ円錐形をした前記棒状の心材よりも柔らかい材
料（例えば硬質のゴム材等）より成る基底材と、外形が
ほぼ人間の指先状をした前記基底材よりも柔らかい材料
より成る基底材と、外形がほぼ人間の指先状をし、外表
面に細かな突起やしわ状の模様をかいて摩擦係数が大き
くなるような加工をした伸縮性を有する材料からなる表
皮材とにより構成することにより、基底材の中心には棒
状の心材が挿入され、基底材の外側に表皮材を剥がれな
いように固着し、基底材の外側に表皮材をかぶせた構造
とし、把持対象物を把持した際、把持対象物の外形状に
倣って変形することにより対象物を確実に把持すること
ができる。

本第４発明によれば、比較的硬い材料でできた基底材の
外側に比較的柔らかい材料でできた基底材を固着し外形
を人間の指型に整形しであるので、把持対象物を把持し
た際、把持対象物の外形状に倣って変形するので、また
、基底材をほぼ円錐上に整形しであるので指先端のどの
部分で把持しても指先が変形し過ぎることがなく対象物
を確実に把持できるという効果を有する。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

（第１実施例）第１，２図は、第１実施例の多関節ハンドを工業用ロボ
ットのアームＡの先端に設置した例を示す図である。１
．２．３、は、それぞれ第１．２．３番目の指モジュー
ルであり、第１番目と第２番目の指モジュール１．２は
各々の中心軸が平行でかつ第３番目の指モジュール３を
挟み込むように設置し、第３番目の指モジュール３の中
心軸と第１．２番目の指モジュール１．２の中心軸とは
ほぼ２０〜６０度の角度となるように配置することによ
り、指１．２の指先と指３の指先とが対向するような配
置とし、対象物を把持し易いように装置している。なお
、第１，２番目の指モジュール１．２と第３番目の指モ
ジュール３とは、指結合部材４．５．６によって着脱自
在に固着され、−体化されて指構造体（ハンド構造体）
を形成し、把持対象物の形状・大きさに応じて指結合部
材４．５．６の形状・寸法を変更することにより、種々
の対象物を扱うことが可能なように配置されている。

３本の指モジュール１．２．３より成る指構造体は、工
業用ロボットのアーム先端に着脱自在に固着されたハン
ド結合部材７．８．９に着脱自在に設置されている。

第３．４図は、第１実施例の多関節ハンドを構成する指
モジュール１．２．３のうち代表的な一つの詳細構造を
示す図である。

１Ｏ１１１，１２は各々人間の指節に相当する第１．２
．３リンクであり、第１，２リンク１０．１１の両端と
第３リンク１２の一端には回転自在に連結するためのジ
ヨイントを有している。第１リンク１０はその一端が軸
受け１３を介して第１の回転軸１４により回転自在に基
底部材１５の一端のほぼ中心軸上に連結され第４図紙面
上に対す直角方向に回動可能に連結されている。第１リ
ンクＩＯの他端は軸受け１６を介して前記第１の回転軸
１４とは直角方向に配設された第２の回転軸１７により
次節の第２リンク１１の一端に回転自在に連結されてい
る。第２リンク１１の他端は軸受け１８を介して前記第
２の回転軸１７と平行関係に配設された第３の回転軸１
９により第３リンク１２の一端と回転自在に連結されて
いる。このため第２．３リンクは第３図紙面に対し直角
方向に回動可能に連結されている。第３リンク１２の他
端には、はぼ中心軸上にネジ穴２０が設けられ、対象物
を把持するためのフィンガーチップ２１がねじ込まれて
おり、フィンガーチップ２１は対象物の形状・硬軟・表
面状態に応じ取り替え可能なように構成されている。

基底部材１５の第１の回転軸１４を配置している面と隣
あう面で第１の回転軸１４と垂直な面２２の中心軸上に
は、３つのほぼ円筒状の穴２３．２４．２５が設けられ
、各々の穴の中心軸上に前記各リンク１０．１１．１２
を駆動するための第１．２．３の電動機２６．２７．２
８がその回転軸を第１の回転軸１４と平行になるように
固着され、基底部材１５の内部には各々の電動機２６．
２７．２８の回転軸と同軸上に第１，２．３の減速機２
９．３０．３１と駆動プーリ３２．３３．３４が軸受３
５．３６を介して基底部材１５に固着され、３組の電動
機２６．２７．２８と減速機２９．３０．３１がコンパ
クトに−まとめになるように配置しである。

第１回転軸１４と同軸上で、基底部材１５と第１リンク
ＩＯの中間には、これら両者の相対回転角度を検出する
接触式のセンサ３７（この他に非接触式でもよい）を取
り付け、第１リンク１０のほぼ中心軸上には第１リンク
ｌＯに固着したジヨイントプーリ３８が取りつけである
。そのプーリ３８と第１駆動プーリ３２とのほぼ中央で
基底部材１５の中心軸上には、アイドルプーリ３９が軸
受けを介して回転自在に梁状の鋼片４０に取りつけられ
ている。また、梁状の鋼片４０は、基底部材１５に固着
されている。第１駆動プーリ３２とジヨイントプーリ３
８にはワイヤロープ４１が動力伝達手段として巻掛けら
れている。このワイヤロープ４１はそのほぼ中央部が駆
動プーリ３２に固着され、一端がジヨイントプーリ３８
に、他の一端がアンカピン４２に固着されている。

一方、アンカピン４２は一端にネジ締めを行なうための
溝が設けてあり、第１リンクｌＯに回転自在に挿入され
、止めネジ４３によりに固着されるようになっている。

ワイヤロープ４１のアンカピン４２に固着された側はア
ンカピン４２に巻き付けることによりその緩みを取り除
くようにしである。

駆動プーリ３２とジヨイントプーリ３８との中間では、
たすき掛は状にアイドルプーリ３９を両側より挟むよう
にワイヤロープ３８が掛けられており、アイドルプーリ
３９に巻掛けられた両ワイヤロープ４１に作用する張力
の差に相当する力、すなわち第１リンク１０に作用する
回転トルクに相当する力がアイドルプーリ３９に作用す
るようになっている。このアイドルプーリ３９を軸支す
る梁状の鋼片４０の両側には歪ゲージ（図示せず）が貼
付けてあり、前記アイドルプーリ３９に作用する力、す
なわちジヨイントトルクを検出できるようにしである。

第２回転軸１’ｌ同軸上で、第１リンクｌＯと第２リン
ク１１の中間には、これら両者の相対回転角度を検出す
る接触式のセンサ４４（非接触式でもよい）を取り付け
、第１リンクｌＯのほぼ中心軸上には第２リンク１１に
固着した第２のジヨイントプーリ４５が取りつけである
。そのプーリ４５と第１ジヨイントプーリ３８とのほぼ
中央で第１リンク１０の中心軸上には、アイドルブー９
４６が軸受けを介して回転自在に梁状の鋼片４７に附ｈ
−’すられている。また、梁状の鋼片４７は、前記梁状
の鋼片４０と同様に歪ゲージ（図示せず）を貼付は第２
リンクに作用する回転トルクを検出できるように装置さ
れ、第１リンク１０に固着されている。第２駆動プーリ
３３とジヨイントプーリ４５にはワイヤロープ４８が動
力伝達手段として巻掛けられている。このワイヤロープ
４８はそのほぼ中央部が駆動プーリ３３に固着され、一
端が第２リンク１１に、他端がアンカピン４９に固着さ
れている。また、第１の回転軸１４の部分では、このワ
イヤロープ４８を第１の回転軸１４の中心部に設けた断
面形状がほぼ鼓状の溝部５０を通過させ、第１回転軸１
４の回転によるワイヤロープ４８の伸びの影響を最小限
にすると同時に、第２回転軸１７が駆動プーリ３３の軸
輪に対し９０度ねじれていることによる影響が最小限に
なるように配置している。

なお、その他第１ジヨイント部とほぼ同様の部分につい
ては、詳細説明を省略する。

第３回転軸１９と同軸上で、第２リンク１１と第３リン
ク１２の中間には、これら両者の相対回転角度を検出す
る接触式のセンサ５１（非接触式でもよい）を取り付け
、第２リンク１１のほぼ中心軸上には第２リンク１１に
固着した第３のジヨイントプーリ５２が取りつけである
。そのプーリ５２と第２ジヨイント　プーリ４５とのほ
ぼ中央で第２リンクの中心軸上には、アイドルプーリ５
３が軸受けを介して回転自在に梁状の鋼片５４に取りつ
けられている。また、梁状の鋼片５４は、前記梁状の鋼
片４０．４７と同様に歪ゲージ（図示せず）を貼付は第
３リンク１２の回転トルクを検出できるように装置され
、第２リンク１１に固着されている。第３駆動プーリ３
４と第３ジヨイントプーリ５２にはワイヤロープ５５が
動力伝達手段として巻掛けられている。このワイヤロー
プはそのほぼ中央部が第３駆動プーリ３４に固着され、
一端が第３リンク１２に、他端がアンカピン５６に固着
されている。また、第１の回転軸１４の部分では、この
ワイヤロープ５５を第１の回転軸１４の中心部に設けた
断面形状がほぼ鼓状の溝部５０を通過させ、第１回転軸
１４の回転によるワイヤロープ５５の伸びの影響を最小
限にすると同時に、第３回転軸１９が第３駆動プーリ３
４の軸に対し９０度ねじれていることによる影響が最小
限になるように装置し、第２回転軸１７の部分では、第
２回転軸１７と同軸に設けたアイドルプーリ５７にワイ
ヤロープ５５を１回巻掛は第２回転軸１７の回転の影響
を取り除くように配置している。

上記のように、本第１実施例の指モジュール１．２．３
では動力伝達手段の配置関係（ワイヤロープ４１．４８
．５５の引き回し方法）と角度及びトルクのセンシング
関係を工夫することにより、一般にはかなり大きなスペ
ースを必要とする電動機２６．２７．２８と減速機２９
．３０．３１とを一カ所にコンパクトにまとめることが
できると同時に、エンドエフェクタである指構造部と一
体化した扱い易いモジュール構造としている。

１つのモジュールが３つの回転軸１４．１７．１９（３
自由度）を持っているため、指先端位置及び指先発生力
を３次元的に自由に設定できるので、このモジュールを
３個以上組み合わせると種々な形状の対象物を安定に把
持てきるばかりでなく、把持した対象物の姿勢・位置を
可変できる。

また、１つの指がモジュールとなっているため、このモ
ジュールの数や組合せ等を把持対象物に応じて最適とな
るように変更することが容易であるという柔軟性・環境
への適合性が従来に比して著しく向上でき、故障が生じ
た場合、故障したモジュールのみを交換することが可能
であるため、修理が容易であるばかりでなく、それに必
要な時間を著しく短縮できるという実用上多大の作用効
果を有する。

第５図は、本第１実施例の多関節ハンドに於ける各関節
軸の角度とトルクをコントロールするための制御系を示
す図である。本実施例に示したハンドは、９個の関節軸
を有するが、どの関節軸に於いても制御系は同様である
ので、第５図では一つの関節軸を取り出しその制御系を
模式的に示しである。

本第１実施例の多関節ハンドにおけるリンク駆動系の構
成は、電動機７０と同軸上に減速機７１を介して取り付
けた駆動プーリ７２の動力を動力伝達手段としてのワイ
ヤロープ７３によりリンク７５に固着したジヨイントプ
ーリ７４に伝達するようになっている。なお、リンク７
５の駆動トルクは前記のように駆動プーリ７２とジヨイ
ントブー９７４とのほぼ中央部に設けたアイドルプーリ
７６と梁状鋼片７７とにより直接検出し、リンク７５の
回転角度は角度センサ７８で直接検出できるようになっ
ている。電動機７０は可変定電流源７９に接続され指令
電流値８０を変更することによって駆動力を変更できる
構成としている。掛算器８４において、前記角度センサ
７８によって直接検出した各リンク間の角度８１と角度
目標値８３との偏差に後述する仮想バネ常数ｋｉを乗じ
て仮想トルク９２とし、さらにこれにトルク目標値８５
を加えトルク指令８６を作っている。さらに前記トルク
センサ７６．７７によって検出したジヨイントトルク８
２とトルク指令８６との偏差をとり修正トルク指令８７
を作り補償器８８に入力している。補償器８８では修正
トルク指令８７と推定電動機回転速度９１とから電流指
令値８０を作り可変定電流電源７９に加え電動機電圧８
９を制御している。前記補償器８８に加える推定電動機
回転速度９１は、実測した電動機電圧８９と電流指令値
８０とから速度オブザーバ９０を用いて推定する。

ここで、仮想バネ常数について説明する。ジヨイントの
制御系において、トルク制御と角度制御を同時に行う場
合、この仮想バネ常数の値により、両制御の比率を調整
する。すなわち、この値が無限大のとき、ジヨイント制
御系は完全な角度（すなわち位置）制御系となり、ジヨ
イントの剛性が無限大となる。一方、逆にこの値を零と
すると、制御系は完全なトルク制御系となり、ジヨイン
トの剛性の低いすなわち柔らかい状態となる。さらに、
この値を中間的な有限の値に設定すると、ジヨイントは
その値に応じたバネ特性を持つようになり、ジヨイント
に外力（トルク）を加えると、それに比例した変位が生
じ、外力を取り去るともとの位置に戻るという動作が可
能になる。

そこで本第１実施例では、トルクセンサ７７によって検
出したジヨイントトルク８２の大きさＴを絶対値回路９
３で求め、コンパレータ９４により予め設定したしきい
値Ｔｓと比較する。このしきい値Ｔｓは、ハンドの構成
部材あるいは動力伝達系の強度より決めた許容最大負荷
値であり、これによりハンドを過負荷から保護する。コ
ンパレータ９４は、検出されたトルクＴがしきい値Ｔｓ
を超えた場合に信号”■”を出力する。１つのハンドに
１個設けられたＯＲ回路９５は、この出力信号を、他の
関節における同様のコンパレータ（図示せず）の出力信
号とともに入力し、出力信号は、アナログスイッチ９６
および他の関節における同様のアナログスイッチ（図示
せず）へ出力する。アナログスイッチ９６は、仮想バネ
常数ｋｉおよびｋＯを入力し、コンパレータ９４の出力
信号が”■”のときに、ｋｉを、”０”のときはｋＯを
夫々掛算器８４へ出力する。ここで、仮想バネ常数ｋｉ
は把持対象物に応じて設定されるもので、把持対象物が
金属部品等の固いまたは剛性の高いものの場合大きく、
一方、鋳物型や樹脂部品等の脆いまたは柔らかいものの
場合は小さくする。他方、仮想バネ常数ｋＯはジヨイン
トに過負荷が作用したときに、そのジヨイントが持つべ
き値であり、本第１実施例では零に近い値としている。

これにより、他のジヨイントを含む検出された全てのジ
ヨイントトルクＴがしきい値Ｔｓ以下の正常動作時には
、仮想バネ常数は目標のｋｉが与えられる。一方、ハン
ドを構成するジヨイントの内の何れか１つのトルクＴが
しきい値Ｔｓを超える過負荷状態では、仮想バネ常数ｋ
Ｏが与えられて、把持対象物に過大な力を加えず、また
、ジヨイントに過負荷が加わらないので、ジヨイントや
動力伝達系および把持対象物の破損を防止することがで
きる。なお、以上は、ハンドのいずれかのジヨイントが
過負荷となったときに、ハンド全体の剛性を低くする場
合について述べたが、ＯＲ回路９５を各指毎に夫々独立
に設けることにより、過負荷が発生した指のみの剛性を
低（することも可能である。

電動機のロータインダクタンスが非常に小さくほとんど
無視できるとき、Ｎｍ　　＝　　（Ｖｇ−Ｉｍ−Ｒｍ）／Ｋｖ　　　（１
）ただし、Ｎｍ　：　推定電動機回転数Ｖｇ　：　実測した電動機電圧１ｍ　：　可変定電流電源出力電流Ｒｍ　：　電動機のロータ抵抗Ｋｖ　：　電動機の逆起電力常数が成立する。可変定電流電源７９への電流指令値８０を
Ｉｍｔとすると電源７９は定電流特性を有するので、電
動機７０の負荷や回転数が変動しても常に、１ｍ　　＝　　　Ｉｍｔ　　　　　　　　　　　　　　
　　　（２）となるように制御されているので、式（１
）、（２）より、Ｎｍ　　″、（Ｖｇ　−Ｉ　ｍ　ｔ　
−Ｒｍ）　／Ｋｖ　　（３）となり、電動機ロータ抵抗
Ｒｍと逆起電力常数ＫＶとは電動機固有で既知であるか
ら、可変定電流電源７９への電流指令値Ｉｍｔと電動機
電圧Ｖｇとが分かれば、電動機回転速度Ｎｍを求めるこ
とができる。このように、速度オブザーバ９０は式（３
）により構成される。

各リンクの駆動系に対し、上記のような角度とトルクの
制御系を構成することにより、指相互間を屈伸させた際
の前記動力伝達手段によって生じる機械的な角度及びト
ルクの干渉を取り除くようにして動力伝達機構を小型軽
量単純化している。

さらに、上記のような方法で電動機回転数を推定し補償
器へフィードバックすることによって、サーボ系にダン
ピングを付加し、サーボ系の振動を除去して指相互間の
安定な運動を実現している。

また、従来のように、電動機回転数を検出するためのタ
コゼネレータのような特別のセンサを必要としないため
、さらに小型軽量化を達成できるばかりでなく余分な配
線類も減少するので信頼性が向上するという実用上多大
の作用効果を有する。

（その他の実施例）第６．７図は、多関節ハンドの第２の実施例を示す図で
ある。第２実施例は、前記指モジュール４個（１８０，
１８１，１８２，１８３）を相結合部材１８５により結
合し、指が２本ずつ対向した構造の４本指のハンドを構
成した例である。第２実施例のハンドは前記第１実施例
の多関節ハンドに比べ把持対象物に対し、より多くの接
触点を得ることができるので、より安定確実な把持及び
把持対象物の操りを実現できるという実用上多大な作用
効果を有する。

さらに、安定な把持のためには、４本の指のうち少なく
ともいずれか３本が対象物を接触しておれば良いので、
対象物から離れる指を順次変更することにより、対象物
を把持したまま持ちかえるという、より高度な作業が実
現できる（例えば、ボルトへのナツト締め作業等）とい
う作用効果が生じる。

また、軽いものであれば、対向した指を２本ずつ用い、
同時に２つの対象物を把持でき、作業能率が向上すると
いう作用効果も生じる。

また、常に１本の指をフリー状態とすれば、ロック機構
のついた部品等を他の３本の指で把持する状態で、フリ
ー状態の指で簡単な操作（ロック解除等）を行いつつ組
付けるような作業等にも利用可能となる。

なお、以上、指モジュールを３本及び４本組み合わせた
ハンドの例を示したが、これらよりも多いあるいは少な
い本数の指モジュールを組み合わせハンドを構成できる
ことはもちろんのことである。

第８図は、多関節ハンドの第３の実施例を示す図である
。第３実施例では、第３リンク１２の先端に取り付けた
フィンガーチップ２１の構造が前記第１実施例と異なる
。そのフィンガーチップ２１は第９図（ａ）、（ｂ）に
示すように、一端にネジ部を有する棒状の心材１９０と
、外形がほぼ円錐形をした硬質のゴム材等より成る基底
部材１９１と、外形がほぼ人間の指先状をした前記基底
部材ｌよりも柔らかい材料より成る基底部材１９２と、
外形がほぼ人間の指先状をし、外表面に細かな突起や皺
状の模様を描いて摩擦係数が大きくなるような加工をし
た伸縮性を有する表皮材１９３とから構成されており、
基底部材１９１の中心には棒状の心材１９０が挿入され
、基底部材１９１の外側に基底部材１９２を剥がれない
ように固着し、基底部材１９２の外側に表皮材１９３を
かぶせた構造としている。

第３実施例のフィンガーチップ２１を取り付けたハンド
は、前記第１実施例のハンドに比べ把持対象物を把持し
た際、把持対象物の外形状に倣って変形すると同時に最
適の表面状態を選択できるので、対象物をより確実に把
持できるという実用上多大の作用効果を有する。

また、指先が硬く、対象物の表面形状と指先の表面形状
が異なる場合、両者の接触部は点となるが、本第３実施
例では、円錐形状の基底部材１９■の外側に柔らかい材
料の基底部材１９２をかぶせ、外側を指形に成形しであ
るので、指と対象物の表面形状が大きく異なっても、基
底部材１９２が変形し、対象物の表面形状に倣うように
なる。

したがって、把持部の接触状態は面となり、より安定確
実な把持が実現できる。

なお、本第３実施例では、中心部に金属製の心材があり
、その外側に硬質ゴム製の円錐形状の基底部材１９１が
あるので、指部の変形は適度に行われ、変形しすぎるこ
とによって把持不能となることはないという特徴を有す
る。

また、本第３実施例のフィンガーチップは多層構造とな
っているので、対象物の形状、硬さ、摩擦係数等に応じ
、最適の組合せを容易に選択できるという特徴を有する
（単層構造であれば、１つの材料で全ての条件を満たす
ものを見つける必要があるが、それは実際上困難である
）。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、本発明の第１実施例の多関節ハン
ドを示す側面図及び同平面図。第３図及び第４図は、そ
のハンドの指機構の縦断面図及び同横断面図。第５図は
、指機構の関節の角度とトルクの制御系を示すブロック
図。第６図及び第７図は、本発明の第２実施例の多関節
ハンドを示す平面図及び同側面図。第８図は、本発明の
第３実施例の多関節ハンドを示す側面図。第９図（ａ）
、（ｂ）はその指先端に取り付けたフィンガーチップの
断面図及び同側面図である。図中１．２．３・・・指モジュール４．５．６・・・指結合部材７．８．９・・・ハンド結合部材１０．１１Ｘ　１２・・・　リンク１４・・・回転軸、　　１５・・・基底部材２６．２７
．２８・・・電動機２９．３０．３１・・・変速機３２．３３．３４・・・駆動プーリ第６回第７ｕ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）先端に対象物と接触する当接部材を有し他端を指
結合部材に連結すると共に両端間には長手方向に対し垂
直方向と当該垂直方向に対し直角方向にそれぞれ屈伸自
在に複数のリンク部材と回動軸により連係して複数の関
節を形成した複数の指構造体と、該指構造体の他端に前
記各リンク部材を独立して屈伸自在に該各リンク部材に
動力伝達手段を介して回転連絡すべく装備した複数の電
動機と、前記各指構造体のうち少なくとも一つを他に対
して対向配設し前記各電動機の駆動により当該対向間距
離を可変とし対象物に接触すると共にマニピュレータに
連結するハンド構造体とから成ることを特徴とする多関
節ハンド。
（２）各関節軸の動力伝達手段が、各関節軸を独立して
駆動できるように構成し、各リンク部材には隣接するリ
ンク部材間の相対角度及び相対トルクを直接検出する夫
々のセンサを具備し、前記角度及びトルクセンサによっ
て直接検出した各リンク部材間の角度及びトルクと角度
及びトルクの目標値とを比較し夫々の偏差信号を処理し
てサーボ系を各関節軸毎に独立に構成するようにしたこ
とを特徴とする請求項（１）記載の多関節ハンド。
（３）電動機は可変定電流源に接続し指令電流値を変更
することによって駆動力を変更できる構成とし、サーボ
系に電動機の駆動電圧より求めた電動機回転速度をフィ
ードバックして指令電流値を修正するようにしたことを
特徴とする請求項（２）記載の多関節ハンド。