JPH068178A - ワイヤ駆動多関節装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 ワイヤの伸びを吸収するとともにワイヤの張
力を検知する機能を備えたワイヤ駆動多関節装置を得る
こと。 【構成】 先端に設けたガイドプーリ２０を関節６と駆
動プーリ１３ａの間においてワイヤ１４に係合させ、そ
のガイドプーリ２０を介して上記ワイヤ１４を緊張方向
に付勢するカンチレバーからなる張力センサ１９を設け
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はワイヤ駆動多関節装置に
係り、特に人間の手に類似した多指ハンド等に適用され
る多関節装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、産業用ロボットのハンド部等を多
関節機構を有する複数の指によって構成し、人間の手と
類似した動きをさせるようにしたものが開発されてい
る。

【０００３】ところで、上記多関節機構の関節部を独立
して動かす手段としては、リンク機構を使用したものや
ボールネジ等を使用したものもあるが、これらは機構が
複雑で小型化にも問題がある等の理由から、各関節をワ
イヤにより駆動する手段が注目されている。すなわち、
関節部をワイヤにより駆動する方法としては、蛇管内を
通したワイヤにより関節のプーリを駆動する方法、或い
はガイドプーリにより関節と駆動用モータ間にワイヤを
引き回し、その駆動モータによってワイヤを所望方向に
回動させガイドプーリ等を介して関節を駆動する方法
（特開平２−２５６４８９号）等がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、蛇管を用い
た駆動方式では蛇管内面とワイヤとの摩擦による動力損
失が大きいため大きな出力のモータを必要とすること
や、蛇管の曲げ半径に限度があるため装置の小型化に適
さない等の問題がある。一方、ガイドプーリにより関節
と駆動用モータ間にワイヤを引き回す方式では、装置を
小型化するのには適しているが、ワイヤが伸びた場合に
は関節の動作が不安定になるため、プーリの固定位置や
モータ軸を移動させてワイヤを張り直す必要がある等の
問題がある。

【０００５】また、このような多指ハンドにおいては、
指に作用する力が過大になったときにその指のステイフ
ネスを小さくするように制御してその指を逃し、過負荷
に伴う指の損傷を防止する必要がある。

【０００６】そこで、上記装置においては、関節のトル
クをモータの電流を測定する以外に、駆動用モータ軸と
関節間に片持式のアイドルプーリを設け、そのアイドル
プーリに行きと戻りのワイヤをそれぞれ相反する側に通
してたすき掛け状に係合し、両ワイヤに作用する張力の
差によって生ずる力によるプーリ支持軸の曲げ力をひず
みゲージで検出し、上記ワイヤの張力を直接検出するこ
とが行なわれている。

【０００７】しかし、このようなワイヤの張力検出方法
においては、前述のようにワイヤが伸びた場合には、両
ワイヤに作用する張力の差が異常に変化し、ワイヤの張
力検出に誤差が生ずる等の問題がある。

【０００８】本発明はこのような点に鑑み、ガイドプー
リによりワイヤを張設し、そのワイヤを介して関節駆動
を行なうようにしたものにおいて、ワイヤの伸びを吸収
できるとともに、ワイヤの張力を直接検出して指等に加
わる過負荷を防止し得るようにしたワイヤ駆動多関節装
置を得ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、複数の関節に
よって順次連結された複数のフレームと、ベースに装着
された複数のモータとを有し、各モータによってそれぞ
れ回転駆動される駆動プーリと各関節に設けられたプー
リとの間に巻装されたワイヤを介して各関節を駆動する
ようにしたワイヤ駆動多関節装置において、先端に設け
たガイドプーリを関節と駆動プーリ間においてワイヤに
係合させ、そのガイドプーリを介して上記ワイヤを緊張
方向に付勢するカンチレバーからなる張力センサを設け
たことを特徴とする。また、第２の発明は、上記カンチ
レバーにひずみゲージを貼り付け、カンチレバーの曲げ
量をひずみゲージによって検知し、ワイヤの張力を測定
するようにしたことを特徴とする。

【００１０】

【作用】関節と駆動プーリ間に張設されたワイヤが、カ
ンチレバーのたわみによりその先端に設けられているガ
イドプーリを介して緊張方向に付勢されているため、ワ
イヤには常に所定の張力が保持されワイヤの伸びによる
関節の動作不良等が確実に防止され、しかも上記カンチ
レバーのたわみ量の変化を検出することによってワイヤ
の張力を測定することができ、その張力を駆動用のモー
タ制御にフィードバックすることにより指への過負荷を
防止することができる。

【００１１】

【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の実施例に
ついて説明する。

【００１２】図１乃至図４は、それぞれ多指ハンドを構
成するための指部を形成する多関節装置の部分側断面
図、平面図、側面図及び平断面図であって、上記多関節
装置はベース１とその先端に順次連結された複数のフレ
ーム２，３，４，５によって構成されている。すなわ
ち、ベース１の先端には第１の関節６によって第１のフ
レーム２が連結され、第１のフレーム２の先端には第１
の関節６と直交する軸線回りに回動する第２の関節７に
よって第２のフレーム３が連結されている。同様にして
第３及び第４のフレーム４，５も順次第２の関節７と平
行な軸線回りに回動する第３の関節８及び第４の関節９
によって連結されている。

【００１３】ところで、上記先端の第４のフレーム５に
は接触センサ１０が取り付けられている。この接触セン
サ１０は例えばシリコンゴムのような接触対象物になじ
み易い弾性材料からなる弾性キャップ１０ａを有し、そ
の弾性キャップ１０ａが第４のフレーム５の先端に設け
けられている保持円筒部５ａに保持されている。上記弾
性キャップ１０ａは人間の指先に対応するものであっ
て、被把持物（図示せず）と接触面１０ｂで接触し、こ
れを把持するようになっている。そして、この弾性キャ
ップ１０ａ内には、少なくとも接触面１０ｂの略全域に
沿う空洞１０ｃが形成され、その空洞１０ｃ内には非圧
縮性流体例えばオイルが充填されている。上記空洞１０
ｃはさらに中心軸線方向にも延び、その先端が、第４の
フレーム５に装着された圧力センサ１１に接続されてい
る（特願平３−９３０２０号参照）。したがって、被把
持物を把持し、接触面１０ｂが被把持物に圧接すると、
空洞１０ｃ内の流体の圧力が変化し、この圧力変化が圧
力センサ１１で検知され、これによって把持力の制御が
行なわれる。

【００１４】一方、ベース１には各関節に対応した数
（図では４個）のモータ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２
ｄが装着されており、各モータの出力軸にはそれぞれ駆
動プーリ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが装着されて
いる。

【００１５】上記駆動プーリ１３ａは第１の関節６駆動
用のものであって、その駆動プーリ１３ａには図２に示
したようにワイヤ１４が巻き付け固定されており、その
ワイヤ１４の一端が、第１の関節６の軸１５上のプーリ
１６に巻回された後第１のフレーム２に固設されたピン
１７ａに固定され、またワイヤ１４の他端も上記プーリ
１６に巻回された後第１のフレーム２に固設されたピン
１７ｂに固定されている。

【００１６】また、ベース１にはそれぞれホルダ１８に
よって１対の板バネ状のカンチレバー１９の一端が固着
されており、両カンチレバー１９の先端にはそれぞれガ
イドプーリ２０が装着されている。両ガイドプーリ２０
は、第１の関節６と駆動プーリ１３ａとの間において、
駆動プーリ１３ａとプーリ１６間に張設された左右のワ
イヤ１４に上記カンチレバー１９の弾性によって圧接さ
れ、上記ワイヤ１４の張力を付加するようにしてある。
すなわち、カンチレバー１９がたわんだ状態でガイドプ
ーリ２０がワイヤ１４に圧接され、そのカンチレバー１
９の復元力によってワイヤ１４に張力が付加されてい
る。

【００１７】また、カンチレバー１９の一面または両面
にはひずみゲージ２１が張り付けてあり、カンチレバー
１９の曲げ量が上記ひずみゲージ２１によって検知さ
れ、それによってワイヤ１４の張力が測定されるように
してある。

【００１８】しかして、モータ１２ａによって駆動プー
リ１３ａが例えば矢印Ｐ方向に回動されると、その回転
力がワイヤ１４を介してピン１７ａに伝達され、第１の
フレーム２が軸１５を中心として矢印Ｑの方向に回転駆
動される。また、駆動プーリ１３ａを矢印Ｐと反対方向
に回転すればフレーム２は矢印Ｑと反対方向に回転す
る。

【００１９】駆動プーリ１３ｂ，１３ｃ及び１３ｄはそ
れぞれ第２，第３及び第４の関節７，８，９を駆動する
ためのものであって、駆動プーリ１３ｂに固定して巻き
付けたワイヤ２２の一端が、ベース１に設けられた軸２
３に回動自在に装着されたガイドローラ２４、及び第１
の関節６の軸１５に回動自在に装着されたガイドローラ
２５を通り、第１のフレーム２に軸装されたガイドロー
ラ２６で方向転回され、第２の関節７の軸２７上で自由
に回転可能なプーリ２８に巻回された後、第２のフレー
ム３に固設されたピン２９ａに固定されている。また上
記ワイヤ２２の他端も同様に各ガイドローラ２４，２
５，２６を通り、プーリ２８に巻回された後第２のフレ
ーム３に固設されたピン２９ｂに固定されている。

【００２０】したがって、モータ１２ｂによって駆動プ
ーリ１３ｂをいずれか一方に回動させると、ワイヤ２２
を介してその回転力がピン２９ａ或いはピン２９ｂに伝
達され、第２のフレーム３が第２の関節７の軸線回りに
図１において上下方向に回動される。

【００２１】また、ワイヤ２２には、図３及び図４に示
すように駆動プーリ１３ｂの近傍に、図１に示したもの
と同様なカンチレバー１９及びガイドローラ２０からな
る張力センサが設けられ、ガイドローラ２０を介してカ
ンチレバー１９によってワイヤ２２が常に緊張方向に付
勢されており、またカンチレバー１９に貼設されたひず
みゲージ２１によりカンチレバー１９の曲げ量を検知し
てワイヤ２２の張力を測定するようにしてある。

【００２２】さらに、駆動プーリ１３ｃに巻き付け固定
したワイヤ３０は、その一端がガイドローラ２４、軸１
５上のガイドローラ２５を通り、第１のフレーム２に軸
装されたガイドローラ２６で方向転回され、第２の関節
７の軸２７上のガイドローラ３１に一回転巻装された後
第二のフレーム３に軸装されたガイドローラ３２を経
て、第３の関節８の軸３３上で自由に回転可能なプーリ
３４に巻回され、第３のフレーム４に固設されたピン３
５ａに固定されている。また、上記ワイヤ３０の他端も
同様に各ガイドローラ等を経てプーリ３４に巻回された
後、第３のフレーム４に固設されたピン３５ｂに固定さ
れている。

【００２３】また、駆動プーリ１３ｄに巻き付け固定し
たワイヤ３６は、その両端がそれぞれワイヤ３０と同様
にしてガイドローラ３２を通った後、第３の関節８の軸
３３上のガイドローラ３７に一回転巻装された後第３の
フレーム４に軸装されたガイドローラ３８を経て第４の
関節９の軸３９上で自由に回転可能なプーリ４０に巻回
され、その後第４のフレーム５に固設されたピン４１ａ
或いはピン４１ｂに固定されている。

【００２４】しかして、モータ１２ｃ，１２ｄによって
それぞれ駆動プーリ１３ｃ，１３ｄを回動させることに
よって、第３のフレーム４及び第４のフレーム５がそれ
ぞれ第３の関節８及び第４の関節９で第２のフレーム３
と同様に上下に回動される。

【００２５】なお、上記実施例ではワイヤ３０，３６に
はカンチレバー１９及びガイドローラ２０などからなる
張力センサは設けられていないが、これにも必要に応じ
て設けることができる。また、ワイヤに基本となる張力
を与える位置にモータを設置するには、例えばモータ１
２ａの場合はホルダ４２，４３をベース１上で微小量移
動できる構造とし、ビス等で固定することができる。

【００２６】また、各関節の回転角度の検出はポテンシ
ョメータによって行なうことができる。すなわち、例え
ば関節６の軸１５の一端にポテンショメータ４４の回転
軸を連結し、そのポテンショメータ４４のケースをホル
ダ４５でベース１に固定する。そしてこのポテンショメ
ータ４４により各関節の回転角度を検出し、指の姿勢を
検知することができる。さらにモータ軸のプーリの回転
もポテンショメータ４６で検出することができ、モータ
には必要に応じタコジェネレータやエンコーダを組み合
わせてもよい。

【００２７】図５および図６は、上述の如く構成された
多関節装置を複数個工業用ロボットのアーム等の先端に
装着して多指ハンドを構成した状態を示す図である。こ
のように構成されたものであっては、互に対向するよう
に配設された多関節装置５０，６０の各モータの制御に
よって、各フレームを各関節で所定角度づつ回転させ、
被把持物を把持することができる。

【００２８】なお、ここでは図６に示すように、ペン７
０によって文字を書かせる作業を行わせることもでき
る。ペン７０の先端部は多指ハンドの親指、人差し指、
中指によって保持されており、一方ペン７０の他端は人
差し指に個定された保持具７０に載置されている。

【００２９】図７に、保持具７１の構造を示す。保持具
７０は、ベース７２、Ｘ方向に撓むことが可能な薄肉部
７３、Ｚ方向に撓むことが可能な薄肉部７４を有し、先
端には円弧状に形成された保持部７５が個定されてい
る。また、各薄肉部７３，７４にはひずみゲージ７６，
７７が張り付けられている。これによって、保持部７５
に力が作用した場合にひずみゲージ７６，７７により３
軸方向の力を検出することが可能となる。

【００３０】つまり、図６の如く多関節装置を利用した
場合にあっては、少なくとも親指と人差し指に設けられ
た接触覚センサによって指先の接触圧が検出される。ま
た保持具７１によって紙面に対するペン７０の接触力が
検出される。同様にして、各指に設けられた関節駆動ワ
イヤの張力からの各指の力が、また各間接に設けられた
ポテンショメータから各軸の回転角度が検出される。こ
のような多指ハンドの各部のセンサによって多指ハンド
の制御を行い、ペン７０による文字書きを実行させるこ
とができる。

【００３１】なお、上記実施例においては多指ハンドに
適用するようにした多関節装置として説明したが、多関
節アームなどにも適用することができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、ワイヤ駆
動多関節装置において、カンチレバーの先端に設けたガ
イドプーリを関節と駆動プーリ間においてワイヤに係合
させ、そのガイドプーリを介して上記ワイヤを緊張方向
に付勢するようにしたので、例えワイヤが伸びたような
場合でも常にワイヤに所定の張力を与えることができ、
しかも上記カンチレバーにひずみゲージを貼着する等の
手段で、そのカンチレバーの曲がり量によってワイヤの
張力を検出するので、ワイヤが伸びた状態時においても
常に確実に張力の検出が可能で、その張力値をモータ制
御等にフィードバックすることによって各関節等に加わ
る過負荷を防止することができ、関節の動作の安定を保
つことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の多関節装置の部分側断面図

【図２】本発明の多関節装置の平面図

【図３】本発明の多関節装置の側面図

【図４】本発明の多関節装置の平断面図

【図５】多関節装置を多指ハンドに適用した一例を示す
図

【図６】多関節装置を多指ハンドに適用した一例を示す
図

【図７】図６に示された保持具の斜視図

【符号の説明】

１ ベース ２，３，４，５ フレーム ６，７，８，９ 関節 １０ 接触センサ １４，２２，３０，３６ ワイヤ １９ カンチレバー ２０ ガイドプーリー ２１ ひずみゲージ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 梅 田 利 也 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝総合研究所内 (72)発明者 古 川 高 雄 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝総合研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の関節によって順次連結された複数の
   フレームと、ベースに装着された複数のモータとを有
   し、各モータによってそれぞれ回転駆動される駆動プー
   リと各関節に設けられたプーリとの間に巻装されたワイ
   ヤを介して各関節を駆動するようにしたワイヤ駆動多関
   節装置において、先端に設けたガイドプーリを関節と駆
   動プーリ間においてワイヤに係合させ、そのガイドプー
   リを介して上記ワイヤを緊張方向に付勢するカンチレバ
   ーからなる張力センサを設けたことを特徴とする、ワイ
   ヤ駆動多関節装置。
2. 【請求項２】カンチレバーにひずみゲージを取り付け、
   カンチレバーの曲げ量を上記ひずみゲージによって検知
   し、ワイヤの張力を測定するようにしたことを特徴とす
   る、請求項１記載のワイヤ駆動多関節装置。