JPH0630859B2

JPH0630859B2 - 多関節ハンド

Info

Publication number: JPH0630859B2
Application number: JP26337985A
Authority: JP
Inventors: 広文木村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1985-11-22
Filing date: 1985-11-22
Publication date: 1994-04-27
Anticipated expiration: 2009-04-27
Also published as: JPS62124892A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、柔軟性がありしかも剛性の高いロボット用ハ
ンドに関する。

〔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イフェクタ（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等で動作させるよう
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イフェクタを、また、数
種類の対象物を扱う場合には交換可能なエンドイフェク
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イフェクタをロボットの近傍に配
置する制約等がある。

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狙いとしている。

第５図(a)、(b)に５指ハンドの例を示す。このハンド
は、油圧アクチュエータ１０１で親指１０２を開閉し、
リンク機構でできた指１０３を２本づつパルスモータ１
０４で同時に屈伸させるように構成したものである。し
かし、この構造では、ハンドの各関節を独立に駆動す
ることができない、油圧系のポンプが別途必要とな
る、把持力が小さい等の欠点があった。

そこで、第６図に示すように、各関節を独立して動かす
ことができるようにした３指ハンドがある。これは、蛇
管１０５内に挿通させたワイヤロープ１０６により各関
節１０７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、ワイヤロープに加わる加重が大きく、ワ
イヤロープの伸びが位置決めや力の精度を悪くする、
把持力が小さい、蛇管を小さい曲率で曲げることがで
きないので腕の内部に実装し難く、作業の邪魔となる、
蛇管とワイヤロープとの摩擦ロスが大きい等の欠点が
ある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、指の各関節を独立して駆動できるよう
にすると共に、高負荷加重にも耐えることができ、しか
も小型で高精度を実現できるようにした多関節ハンドを
提供することである。

〔発明の構成〕

このために本発明は、リンク機構の１節にボールネジを
用いて、指の剛性と各関節の独立した駆動力伝達機能と
を担わせ、このボールネジと手首位置相当に設けたウォ
ームギヤとをワイヤロープで連結して、このウォームに
モータを直結し、このモータ軸のトルクと指の把持力と
の釣り合い力ををリニアにできるようにした点に特徴を
有し、従来の技術とは、ボールネジ、ワイヤロープ、ウ
ォームの配置に基づく機能が異なる。また超小型のボー
ルネジを開発して、ボールネジを用いた四節リンク機構
の指節の直列配置を可能とした。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。第１図はその
一実施例のハンドを示す図である。１₁は人間の指に対
応させるとDISTAL PHALANGEALに相当する第一Ｌ形指
節、１₂は人間の指のMIDLE PHLANGEALに相当する第二Ｌ
形指節、１₃は人間の指のPROXIMAL HPALANGEALに相当す
る第三Ｌ形指節、１₄は人間の指のMETACARPAL PHALANGE
ALに相当する第四Ｌ形指節であり、これら第二〜第四Ｌ
形指節１₂〜１₄はその先端が次節の直角部において軸受
を介して第一関節２₁、第二関節２₁、第三関節２₃で直
列に連結されている。

そして、第一Ｌ形指節１₁の外側に突出する枝部には軸
受３₁により第一ナット部４₁が連結され、第二Ｌ形指節
１₂の外側に突出する枝部には軸受３₂により第二ナット
部４₂と第一プーリ５₁の基部が同軸で連結され、第三Ｌ
形指節１₃の外側に突出する枝部には軸受３₃により第三
ナット部４₃と第二プーリ５₂の基部が同軸で連結され、
第四Ｌ形指節１₄の外側に突出する枝部には軸受３₄によ
り第三プーリ５₃の基部が連結されている。

第一〜第三プーリ５₁〜５₃には各々ワイヤロープ６₁〜
６₃が動力伝達用として巻き付けられている。

また、これら第一〜第三プーリ５₁〜５₃にはボールネジ
軸７₁〜７₃が固着され、このボールネジ軸７₁〜７₃が第
一〜第三ナット部４₁〜４₃に螺合しており、これにより
各指節１₂〜１₄の部分に独立したが四節リンク構造が各
々構成されている。

以上により構成される指を１組として、その２組が、第
１図に示すように対向して、人間のPALMに相当する掌部
８に設けられている。９は掌部８と第四Ｌ形指節１₄を
連結する軸受である。

１０₁〜１０₃は各々第一Ｌ形指節１₁〜第三Ｌ形指節１₃
を駆動するための小型モータであり、手首位置相当に設
けた図示しないウォームギヤを介して第四〜第六プーリ
５₄〜５₆に結合され、この第四〜第六プーリ５₄〜５₆と
第一〜第三プーリ５₁〜５₃との間に、前記したワイヤロ
ープ６₁〜６₃が懸架されている。

１１は軸受９を中心に指部分の全体を側転させる（第１
図の紙面に垂直方向に回転させる）ためのウォームギヤ
であり、ワイヤロープ６₄を介して第四Ｌ形指節１₄に連
結している。

以上の小型モータ１０₁〜１０₃、プーリ５₄〜５₆、ウォ
ームギヤ１１、及びワイヤロープ６₄でなる駆動部が、
もう１組だけ図示のように配置されている。

第２図は第１図におけるII−II線に沿った断面を示す図
であり、関節２₂の中心軸１２に複数個のワイヤロープ
案内用の穴１２ａが形成されている。このように、ワイ
ヤロープ６₁は関節２₂の回転中心で案内されるので、関
節が回転してもワイヤロープ６₁の経路長さはほぼ一定
となり、それに伴う張力変動を抑制することができる。

さて、第一Ｌ形指節１₁は、小型モータ１０₁の回転によ
り駆動される。即ち、小型モータ１０₁を回転駆動する
と、その回転が図示しないウォームギヤ、第四プーリ５
₄、及びワイヤロープ６₁を介して第１プーリ５₁、つま
りボールネジ軸７₁に伝達され、その回転力がナット部
４₁で前後運動に変換され、よって第一Ｌ形指節１₁が第
一関節２₁を中心に回転運動するのである。

このとき、軸受部３₁と軸受部３₂の存在により、ボール
ネジ軸７₁と第一Ｌ形指節１₁並びに第二Ｌ形指節１₂と
の相対角度を任意に設定することができる。

本機構では、ワイヤロープの前後にボールネジとウォー
ムギヤが設けられているので、ワイヤロープに加わる負
荷が小さくなっている。関節の回転トルクＴ_Jとワイヤ
ロープの張力Ｓ₁との力の釣り合い関係は、次の式(1)で
近似できる。

但し、ｌはボールネジのリード角、ηはボールネジの効
率、Ｌ_Hは各Ｌ形指節の厚み方向の高さ、ｒ₁はボールネ
ジと同軸で連結したワイヤ巻き付け用プーリの半径であ
る。

一方、小型モータ軸のトルクＴ_Mとウォームギヤに直結
している第四〜第六プーリ５₄〜５₆の部位でのワイヤロ
ープの張力Ｓ₂との力の釣り合い関係は次の式(2)で近似
できる。

但し、αはウォームギヤの歯直角圧力角、γは進み角、
μは摩擦係数、ｒ_Wはウォームの半径、ｒ_gはウォームギ
ヤの半径、ｒ₂は第四〜第六プーリ５₄〜５₆の半径であ
る。

上式のＫ₁Ｋ₂は共に１以下であり、本機構ではＫ₁を約
0.06、Ｋ₂を0.23とした。これにより、指先に加わる負
荷をボールネジ部分で0.06倍に減少させてワイヤロープ
の負荷を小さくした。よって、ワイヤロープに生じる塑
性的な伸びを無視できるように設計できる。更にウォー
ムギヤ部分で負荷を減少できるので、モータも小型化で
きる。

ここで、第一Ｌ形指節１₁先端での把持時の力の釣り合
いを考える。関節のトルクと指先の把持力Ｆは比例関係
にあるので、式(1)と(2)より、小型モータ軸のトルクＴ
_Mと把持力Ｆとの釣り合いは比例関係にある。第３図に
この実験結果を示す。ａは比例係数である。

第４図は指先端に荷重を加えた時のたわみ特性を示した
ものである。ボールネジ軸のプーリ５₁〜５₃は、ウォー
ムギヤに連結したプーリ５₄〜５₆にワイヤロープ６₁〜
６₃で連結されているので、数kg程度の負荷が先端に加
わっても逆転せず、ボールネジの回転による変位はほと
んど無視できる。また、ボールネジのスラスト方向の剛
性は、アルミニウム製Ｌ形指節に比べ遥かに大きい。従
って、小型モータ停止時の指のたわみは、各指節が一体
化し、単純はりとした計算結果と良い一致をみた。

ワイヤロープの伸びについては、本実験にいおては生ぜ
ず、高精度位置決めを実現できた。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は、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、駆動力伝
達系をウォームギヤ、ワイヤ、ボールネジの順に連結し
て構成したことにより、指を小型軽量でしか高剛性化で
き、駆動用モータの出力を低減させ、更にワイヤの伸び
も生じないという利点かある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の多関節ハンドの平面図、第
２図は第１図のII−II線に沿った断面図、第３図は小型
モータ軸のトルクＴ_Mと指先端部の把持力Ｆとの力の釣
り合い特性図、第４図は指のたわみ特性図、第５図は５
指を備えた従来の実験用ハンドを示す図で、(a)は側面
図、(b)は平面図、第６図は蛇管を用いた３指の実験用
ハンドの説明図である。１₁〜１₄…第一〜第四Ｌ形指節、２₁〜２₃…関節、３₁
〜３₄…軸受、４₁〜４₃…ナット部、５₁〜５₆…プー
リ、６₁〜６₄…ワイヤロープ、７₁〜７₃…ボールネジ、
８…掌部、９…軸受、１０₁〜１０₃…小型モータ、１１
…ウォームギヤ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のＬ形指節と、該Ｌ形指節の先端部と
次節のＬ形指節の直角部とを連結し且つ駆動用ワイヤロ
ープのガイド用穴を設けた軸部と、上記Ｌ形指節と次節
のＬ形指節の一辺とで四節リンク構造をなすボールネジ
と、モータに直結したウォームギヤとを具備し、上記ワ
イヤロープが上記ボールネジの軸に直結したプーリと上
記ウォームギヤのプーリとを連結し、上記Ｌ形指節を複
数節だけ直列に連結して構成した指を所定の間隔で対向
させたことを特徴とする多関節ハンド。