JPH11245187A - 機械的に巧みな握持を行なう方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ロボットハンドの安定な握持を可能にする方
法を提供すること。 【解決手段】 該物品を包み込みあるいは固定すること
が出来る物品を握持する装置を有する取り扱い装置を延
伸させ、握持すべき物品の接触を感知し、前記握持する
装置を閉鎖方向に駆動して前記物品の一部を実質的に包
み込み、そして行なわれた握持が物品を移動させるのに
実質的に安定かどうかを、握持すべき物品と前記握持す
る装置との接触箇所を決定することと、この情報を計算
機に送ることと、この送られた握持が安定かどうかを決
定することとにより行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はロボット分野に関す
る。より詳しくは、本発明は物体を操作するための物品
を握持する握持方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】産業市場における競争力及び効率の増大
が強調される結果、各種の生産作業の実行方法に劇的な
変化が生じている。ロボット装置は考えられる限りのあ
らゆる製造品の製造工程にますます増大する数で採用さ
れている。原料の取扱から、製品の製造、貯蔵及び輸送
まで、ロボット装置の融通性はインパクトを与えあるい
は新たな効率の基準を創出している。過去２０年間のロ
ボット装置の驚異的な発達にもかかわらず、更なる改良
あるいは成長の可能性には限界がない様に見える。非常
に重要な一つの分野は端部作動子（end effector) であ
る。末端作動子は通常環境と相互作用を行うロボット装
置の部分と理解されている。大抵の工業ロボット装置は
大ざっぱにアーム（腕）として分類されるから、端部作
動子はロボット装置のハンド（手）といえる。一般に、
端部作動子は独立に制御可能であり、そのまま工具を操
作したり、あるいは工作物、部品、あるいは材料を操作
できる。端部作動子はまた環境と被操作物に関する情報
を得るのに理想的な手段である。理想的には、端部作動
子は各種の作業をその運動を制御するプログラム命令を
変更するだけで実行できるべきである。しかし、実際に
はこのことは端部作動子が広い範囲の負荷条件及び位置
条件、並びに各種の環境条件で動作するため不可能であ
る。ロボット装置の複雑さ及びそれが引き受けるべき仕
事の種類の増大につれて、ロボット装置が環境に影響を
与えまた学習する様な改良が重要性を増している。

【０００３】ロボット学が進展するにつれ、未知の環境
に接近可能で各種の仕事を実行できる真にプログラム可
能な装置が制作できなければならない。こうした装置は
宇宙、危険な環境、軍事、及び海底探索等の新たな用途
を刺激することになろう。こうしてロボットは工業分野
から、不特定の環境で各種の仕事で遭遇する労働や危険
を減じる一般的な目標に向かっている。

【０００４】従来の端部作動子は大きく分類して２種あ
る。これらの一方の端部作動子は複雑な多フィンガー式
ハンドと言える。この方式は正確な指先の運動を行う能
力により特徴づけられ、小さな物体を正確、器用にかつ
制御された握持力で取り扱う能力を達成するのに成功を
収めている。この方式は人の運動を模擬しようとする擬
人ハンドを設計する試みを含んでいる。しかし、この第
１の方式の端部作動子は強度が不十分なこと、構造がも
ろいこと、過度に複雑である、といった欠点を有し、こ
のため厳しい環境で使用する装置としては有効性に乏し
い。第２の方式の端部作動子は大抵の工業用ロボット装
置及び複雑な装置に具備されている周知の単純なグリッ
パ（握持子）である。この方式は強度が大きく頑丈であ
り、大きな加重を支持でき、信頼性良く作働する。しか
しながら、この方式に特有の構造上の単純性及び制御系
の単純性のため多くの作業への適用範囲に制限が生じ
る。大抵の場合は単独作業例えば溶接、塗装、穴明け、
部品装着、または材料移送等に有用である。特殊化した
端部作動子の設計及び構成において生じる費用、及びそ
れらを交換する際の非能率は、しばしばロボット装置の
最適作働に対する大きな障害となる。

【０００５】複雑な多フィンガーハンドの例はサラリス
ベリ，ジェー・ケネス「ロボットハンドと操作のメカニ
ックス」マサツセッツ州ケンブリッジ、Ｔｈｅ ＭＩＴ
Ｐｒｅｓｓ発行、およびジャコブセン，エス「ユタ／
ＭＩＴ人工ハンドの設計」に記載されており、ここに本
明細書の一部として引用する。

【０００６】サリスベリ氏のハンドは物品に３フィンガ
の先端で触れるものであり、安定な握持を行うために摩
擦的な抑止力と力フィードバックを利用している。構造
はハンドの見込み設計の数値分析の結果から導かれてい
る。これらの結果から、３フィンガとフィンガあたり３
個の関節とからなるハンドが開発された。この装置は小
さな物品（直径２．５ｃｍの球体を典型例として選択）
のフィンガー先端での操作を行う能力を有し、また小さ
な部品の運動を可能にする様にプログラムされた。

【０００７】上記のユタ／ＭＩＴのハンドは本質的に人
間の手を模擬する。４本のフィンガしかないが、各フィ
ンガは４個の関節を有し、擬人的な形状を有する。この
方式は非常に高価につき非常に複雑な制御技術と構造を
必要とする。したがって、この方式は進んだ研究環境に
限定される。

【０００８】第２の方式の端部作動子、すなわち単純な
方の、自由度２のグリッパは、研究及び工業の分野で最
も一般に使用されている端部作動子である。これらのグ
リッパの例の記載と図示はコイフェット，ピー及びチル
ーズ，エム「ロボット技術入門」ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌ
ｌ（１９８２）に記載されている。この文献の特に１５
９−１６３頁をここに飲用する。これらのグリッパは融
通性が低いが一般に強固かつ頑丈であり、経済的であ
る。実際には、物品の変化により各用途に応じて端部作
動子の特定化が必要である。

【０００９】ロボットのフィンガの制御系の複雑性を減
じるため、及び作動装置の数を減じるために、剛性結合
された関節を特徴とする設計が提案されている。関節の
剛性結合は各作動装置の一組の関節角度を規定する。例
えば、２個の関節が半径ｒ₁及びｒ₂ を有するプーリで
結合されると、関節運動角度をφ₁ 、φ₂ は次式で定義
される。

【数１】 結合した関節を有するフィンガの例は本出願人の所有す
るリイバー他の米国特許出願第１０１１４２号に記載さ
れている。リーバ他は２つの作働装置を有する３関節フ
ィンガを記載し、固定された剛性結合を作るために使用
するケーブル掛けを表すマトリックス法を使用すること
により、関節間のかかる結合を表示し且つ最適化を行う
方法を提案している。リーバ他のこの結合は関節間の既
知の比率を維持するので、それら握り中に包み込める物
品の種類は限定される。

【００１０】スキナＩＩの米国特許第３８６６９６６号
に記載されているように、掌にフィンガを置く作用もま
た物品の操作に所定の役割を果たすことができる。スキ
ナに記載された３フィンガ式ハンドは、フィンガ１２、
１２ａ、１２ｂをフィンガの基部リンクと一致する軸の
周りに回転できる掌構造を有する。したがって、一般に
掌に向いていてそれと一緒に物品の周りに閉じることが
できるフィンガの掌側の面は、掌に対して各位置に対し
て回転できる。スキナはこうして各フィンガに回転自由
度を与えるが、フィンガの掌に対する平行移動はできな
いので、いろいろな協動する及び／または対抗する配向
移動の達成を可能にできない。

【００１１】したがって、単純なグリッパの場合の得ら
れる単純さ、強固さ、制御容易さと、より複雑な多フィ
ンガ式ハンドの融通性と器用さを兼備した装置に対する
必要性があるが実現されていない。したがって、本発明
の目的は従来のグリッパよりも大きな自由度と融通性を
有し、しかも従来の複雑な多フィンガ式ハンドには見ら
れない強固で有用且つ安価な構造のグリッパを提供する
ことである。

【００１２】充分な数の自由度をフィンガと掌の間に有
し、それにより各種の握りを達成できるロボットハンド
のための構造を提供することが望まれる。各関節に対す
る作働装置は構造を単純化し、動力伝達系の複雑化と非
能率を減じるために各関節の近くに配置すべきである。
従って、特定の握りの形を作るのに必要な作働装置の数
を減少するのが有利である。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】それゆえ、本発明の目
的は握り形の種類と器用さを最大にし、一方では作働装
置の数を最小にする掌−フィンガ−作働装置構造を提供
することにある。本発明の他の目的は、本発明で使用さ
れるハンドに使用されるフィンガがそれらが取り付けら
れる掌に対して様々な方位で配向出来るようにすること
である。固い握りを行なうには、ロボットフィンガのよ
うな関節のある部材が物品の周りを包むことが出来る必
要がある。さらに、この作用は握持すべき物品の形状に
関する予備知識がほとんどなしに実行出来ること、又関
節をサーボループで制御することなしに達成出来ること
が望ましい。従って、本発明の更に他の目的は、物品の
形状に順応して確実で包囲形の握りを行なう関節つき部
材を提供することである。本発明は更に、この作用を行
なうのに、一連の関節作働用の制御指令を必要としない
で機械的インテリジェンスに基いて行なう関節つき部材
を提供することにある。物品の意図した握持は物品が様
々な方位を取ることにより握りの安定性に影響するため
に失敗することがある。本発明の他の目的は、握りの安
定性を決定出来る触覚センサを装備した物品の取扱い装
置を提供することにある。本発明の更に他の目的は、触
覚センサにより収集された情報を利用して装置の方位を
安定な握りが達成出来る方法を提供することにある。本
発明の実施例のあるものの目的は、フィンガが閉鎖握り
を行なうときに充分な柔軟性を有する一方で、それらに
対向する力に対しては堅く抵抗するフィンガを提供する
ことにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明のこれら及び他の
目的は、掌（てのひら）及び少なくとも一つの関節運動
出来る部材よりなるロボットハンドにより達成される。
好ましい実施例では、３つの関節つき部材が存在し、そ
の内２つの部材はそれらが掌の周辺の回りで相対位置を
変化し得るようにして掌に回転自在に取り付けられる。
これらの２つの部材は単一の作働装置により作働される
もので、それらの運動は同一且つ反対となるように関連
付けられる。３番目の関節つき部材は静止状態に留ま
る。３つの全ての部材の開閉運動はそれらが取り付けら
れている独立の作働装置により独立に操作出来る。

【００１５】本発明の重要な一面は関節つき部材の関節
に柔軟性を具備させることであり、これによりこれらの
部材は物品の周りにまとい付くことが出来る。最も好ま
しくはウオムギヤとクラッチ機構を設けて一つの関節を
所定の大きさのトルク水準で解離させ（これは遠隔調整
させても良い）、他の関節は続けて駆動させることが出
来る。他の実施例においては、この柔軟性は腱の一部を
形成するばね又は弾性手段と、この実施例のプーリ動力
伝達系とにより与えられる。

【００１６】本発明はまた物品を包み込むように握持す
るのに物品の形状に関する事前の詳細な知識を必要とし
ない反復的な方法により物品を握持できる方法を提供す
ることである。この方法は握りの安定性が触覚センサに
より決定され、握りが不安定だと決定されたら握持装置
が再位置決めされ、安定性が再び決定される。各試行ご
とに収集された情報はこうして物品の空間位置特性に関
して学習するために利用される。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１を参照するに、本発明に従っ
て構成されるロボットハンド装置は全体的に１０で示し
てある。ロボットハンド装置１０は掌２０、実質的な静
止フィンガ３０、第１の回転フィンガ４０、及び第２の
回転フィンガ４５を含む。これらの３つのフィンガ３
０、４０、４５は掌軸７０に結合されている。図１に矢
印で示したように、回転フィンガ４０、４５はそれぞれ
の掌軸７０の周りに回転駆動される。本発明の一つの面
によると、フィンガ４０、４５は各々単独の作働装置８
０（この図では見えない）により駆動され、それらの掌
軸７０の周りの回転が同一且つ反対方向となるように機
械的にリンクされている。静止フィンガ３０は掌軸７０
の周りに回転しない。しかし、全ての３つのフィンガ３
０、４０、４５は掌２０の方へ独立に操作でき、これに
より握持を行なうことが出来る。

【００１８】フィンガ３０、４０、４５に結合された掌
２０は、直列リンクの関節と呼ぶことが出来る。掌２０
の周りのフィンガ３０、４０、４５の配置は図２に示し
てある。この配置は、関節への固定点間の距離が各リン
クをそのいずれかの側のリンクと平行にさせるように選
択されることにより、最適化される。この分野の通常の
知識を有する者にはこの条件が各種の握りを行なうのに
有用であることが分かるであろう。幅ｗのリンクを有す
るフィンガに対して、もしも半径ｄの円がフィンガと掌
の各取り付け点の回転中心を通るならば、リンクを平行
にする円の直径は次式で記述出来る。

【数２】 ここにθ＝２π／ｎ 及びｎは零番リンク（この例では
掌軸７０）の周りに回るフィンガの数であり、ｗ_s は掌
内に置かれた静止フィンガの幅である。好ましい実施例
では２つの回転フィンガ４０、４５の数は２であるから
ｎ＝２である。フィンガの回転中心間の距離はｄに対す
る式により制御される。好ましい実施例では、第３の非
回転フィンガ３０が追加されていて、握持の融通性を増
している。当業者は任意数のフィンガがこのような円の
周りに配置出来ること、又この式を使用することにより
それらのリンクがある制限運動範囲で平行になることが
分かるであろう。更に、例えば発明の実施の形態で示さ
れたような、非回転フィンガ、固定柱又は板、あるいは
他の装置等の、付加により広範囲の有用なハンド構造が
可能になる。

【００１９】図３を見ると、各フィンガ３０、４０、４
５は掌軸７０により掌２０に取り付けられている。図３
に示されている回転フィンガ４０、４５の場合には、掌
軸７０はその周りのフィンガの回転を可能にし、それに
より、掌２０に面しているフィンガのリンク６２、６４
の面６６、６８として定義される掌側の面の相対向き、
及びフィンガと掌の相対位置の両者を変化させる。各フ
ィンガ３０、４０、４５は各自のグリップ駆動装置５０
により各個に操作される。本発明のハンドの好ましい例
では、３つのグリップ駆動装置５０があり、各一つが各
フィンガを担当する。第４の駆動装置は握り駆動装置８
０で、稼動フィンガ４０、４５を各自の掌軸７０の周り
に回転させる。各グリップ駆動装置５０は機械的にフィ
ンガに結合されている。好ましい実施例では、トルクを
グリップ駆動装置５０から第１フィンガ関節７２に伝達
するのはウオーム歯車１２０である。ウオーム歯車は両
方向への正確な回転運動を可能にし、寸法特性に対する
充分な強度を与え、更に負荷で生じるトルクに対する抵
抗能力（つまりウオーム歯車が逆駆動されないこと）を
与える利点を有する。第１関節７２は掌リンク６０と第
１フィンガリンク６２を結合する。第２関節７４は第１
リンク６２の末端部にあって、それを第２リンク６４に
結合する。本発明の他の特徴に従って、第１関節７２と
第２関節７４は、掌リンク６０と第１リンク６２との間
の角度を変えると第２リンク６４の角度が一定の仕方で
当然に変化するように機械的に結合されている。従っ
て、単一グリップ駆動装置５０は関節結合により２つの
関節７２、７４に運動を生じる。この特徴は図３に示し
た仮想線を見れば理解出来る。各フィンガは更に好まし
くは触覚センサ及びフィードバック手段２００を有し、
それにより握持すべき物品に関する情報をハンド制御装
置２５０に与える。図１及び図３に示したように、触覚
センサ及びフィードバック手段２００は本発明のハンド
の掌２０の表面に設けることが出来る。

【００２０】本発明の他の重要な特徴は図４に示されて
いる。フィンガ３０、４０、４５のグリップ駆動装置５
０は全体的に１０２で示した新規な解離クラッチを有す
る。好ましい実施例においては、クラッチ１００の外側
本体１０２はほぼウオーム歯車の形に構成されている。
従って、ウオームねじ１０１は各フィンガ３０、４０、
４５にある第１関節７２を駆動するウオーム輪１２０と
作用する。

【００２１】クラッチ機構の外側本体１０２の第１端に
は、一体の又は固着した円筒部１０７が第１取付箇所で
回転軸受１７２により支持されている。外側本体１０２
は軸方向接触のスラスト軸受又は保持子１０６により軸
方向に運動しないように拘束されている。解離クラッチ
１００が取り付けられる剛性結合の必要な箇所は、一般
にクラッチハウジング１８０により与えられる。

【００２２】図４に示されているように、外側本体１０
２のねじ孔１０３の閉鎖端部には弾性手段１６０が配置
されている。好ましい例においては、弾性手段はＯ型リ
ングであり、例えばゴム、ネオプレン、又はシリコーン
のような弾性体から構成される。所望により、ばね又は
ベルビルワッシャーを代わりに使用して偏倚に比例した
抵抗力を生じる手段として機能させても良い。更に弾性
手段１６０は比較的高いばね常数を有すること、すなわ
ち比較的小さい偏倚で比較的大きい抵抗力を生じること
が望ましい。その結果、小さい力を生じるのに必要な偏
倚と、大きい力を生じるのに必要な偏倚との直性距離差
は比較的小さい。

【００２３】他の実施例においては、外側本体１０２は
孔１０３を取り囲む円筒状壁に切り込んだ１本以上の軸
方向スロットを有しても良く、これによりコレットのよ
うな確実ロック特性を有する装置とすることが出来る。
他の変形例として、軸孔１０３はテーパを有しても良
く、これにより同じく解離トルクが達成されたときに実
質的なロック状態を与える。

【００２４】クラッチ部１１０はねじ孔１０３に嵌合さ
れる。クラッチ部分１１０はねじ孔１０３のねじ筋１０
４にかみ合うような寸法を有するねじ筋１１１を有す
る。クラッチ部１１０の第１端は一体的な又は固着した
平歯車１３０として構成される。クラッチ部１１０に固
定した平歯車１３０は入力トルクをクラッチ機構に伝導
する駆動歯車１０５にかみ合っている。入力トルクは駆
動モータ１７５又は他の作働源から供給される。この入
力トルクを直接又は電動装置を介して任意の動力電動源
から供給することが出来ることは当業者には明らかであ
ろう。更に、平歯車１０５、１３０は動力伝達の任意手
段例えば、ベルト−プーリで、摩擦輪で、あるいはチェ
ーン−スプロケットに置換出来ることも明らかである。

【００２５】クラッチ部１１０の平滑な孔１３５内には
軸１４０が嵌合されている。軸１４０及び孔１３５は滑
り嵌めされている。軸１４０の一端は孔１３５の中には
なくて第２の取り付け箇所で回転軸受け１７０により支
持されている。こうしてクラッチ部１１０は端部が軸受
け１７０により支持された軸１４０上に支持されてい
る。軸の他端は軸受け１０６により自由回転する外側本
体１０２の中に支持され、全体装置の回転を可能にし、
又関節７２の位置に作用する。

【００２６】クラッチ部１１０に固定した平歯車１３０
は半径方向に向いたねじ孔１５２を有する。このねじ孔
は歯車の外周から平滑孔１３５にむけて延びている。軟
質先端１５５を有する止めねじ１５０がねじ孔１５２に
ねじ込まれている。軟質先端は好ましくはナイロン製で
あるが、他の先端１５５と平滑軸１４０との間に摩擦抵
抗を生じるが軸１４０を傷付けない材料代替しても良
い。別法として、止めねじ１５０全体をこのような材料
から製作しても良い。先端１５５を備えた止めねじ１５
０はねじ孔１５２にねじ込んだのちに容易に軟質先端１
５５を平滑孔１３５の面に一致させることが出来るよう
に容易に操作出来る充分な長さを有する。

【００２７】動作において、クラッチ部１１０は先ず外
側本体１０２に弾性手段１６０に接触するまでねじ込ま
れる。弾性手段１６０の直線偏倚が増すと精密ねじ１０
４、１１１の間の摩擦力は増すから、外側本体へのクラ
ッチ部１１０のねじの締め込み又はそれからの緩めに必
要なトルクは同様に増す。この事実は、解離トルクの値
を、クラッチ部１１０を外側本体１０２にねじ込むのに
必要なトルクを測定することにより予め測定しておくこ
とを可能にする。

【００２８】品物の握持を行なうために、平歯車１３０
又は他の動力電動手段がクラッチ部１１０を逆回転（す
なわちねじを弛める方向の回転）させると、２つの状況
のいずれかが起きる。一つは、ウオーム輪１２０の動き
に抵抗する外部トルクがねじ筋１０４、１１１の摩擦力
を超えるに充分な場合である。この条件はフィンガが更
に閉鎖するを妨げる障害物に出会ったときである。この
場合、クラッチ部１１０は外部本体１０２から弛められ
てウオーム輪１２０は結果的に運動しない。そうすると
装置は自由、つまり解離する。しかし、もしもウオーム
輪１２０に抵抗する力がねじ筋１０４、１１１の間の摩
擦力を超えなければ、クラッチ部１１０は外側本体１０
２からねじ戻されることはなく、平歯車１３０と一体に
なって回転し、ウオームのねじ筋１０１がウオーム輪１
２０を回転させる。

【００２９】本発明のクラッチ機構１００の動作は止め
ねじ１５０の調整によっても調整される。図４を見る
に、止めねじ１５０は先端１５５と平滑軸１４０との間
に摩擦力を作り出す。クラッチ部が外側本体１０２にね
じ込まれあるいはねじ戻される際に、先端１５５により
作られた摩擦力はこの運動を妨げる。先端１５５により
与えられる摩擦力は通常解離トルクよりはやや小さい
が、もしもフィンガの運動に抵抗するトルクが先端１５
５によって作り出される摩擦力を超えるに必要な大きさ
に減じると、再び外側本体１０１を回転させ始める。本
発明のこの特徴は、もしも例えば物品が握りの中で移動
するなどにより負荷状態が変動すると、関節の再結合を
生じる。

【００３０】各フィンガ３０、４０、４５の第２関節は
図５に示された作働装置１７５により作働される。本発
明の特徴に従って、駆動モータその他の作働装置１７５
に固着された平歯車１０５は第２ウオーム歯車１４０に
固定した第２平歯車１３２を駆動する。このウオーム歯
車は第２ウオーム輪１４２を駆動して回転させる。第２
ウオーム輪１４２に固定したタイミングベルトプーリ１
４４も又回転する。タイミングベルト１４６はこの動力
を第２関節に結合された第２タイミングベルトプーリ１
４６に伝動する。従って第１及び第２関節は結合してい
る。この結合は２つの関節７２、７４の間の相対運動が
ウオーム歯車１０２、１４０及びウオーム輪１２０、１
４２の間の歯車減速比により支配されることを示してい
る。別法として、従来慣用のプーリ及び腱又は他の動力
伝動装置を、タイミングベルト１４６及びタイミングプ
ーリ１４４、１４８の代わりに使用しても良い。

【００３１】動作において、フィンガ又は他の関節つき
装置であって本発明の解離型クラッチ機構１００を具備
した装置は、先ず相対空間位置と、クラッチ機構１００
が被駆動関節７２へのトルク伝動を中止することが所望
されるトルク（つまり解離トルク）の大きさとの両面か
ら調整される。これは先ず駆動モータ１７５を一方向に
回転させて被駆動フィンガを開放位置又は握持作用を行
なった後で開放状態へ戻ることが望まれる位置へ駆動す
ることにより実行される。握持が行なわれたら、作働装
置１７５の回転を反転して、クラッチ部１１０を外側本
体１０２の中へとそれが弾性手段１６０に接触するまで
後退させる。この時点で、ウオームねじ１０１はウオー
ム輪１２０に係合して回転させ、各フィンガ３０、４
０、４５をその握持状態から開放させる。各フィンガ３
０、４０、４５はフィンガが延びだして図３のように作
働装置５０の構造部分に接触したとき、それらに固有の
伸長限界停止を行なう。

【００３２】更に本発明に従って構成した各フィンガ３
０、４０、４５は動力を単一の作働装置から第１関節７
２及び第２関節７４に伝達する手段を具備するが、これ
らの関節の相対運動は柔軟結合となっている。上記の解
離クラッチ機構１００はフィンガ３０、４０、４５に自
律的に物品を包み込む能力（制御装置２５０からの別個
の一連の指示を要しない）。この特徴は握持を実行し、
又フィンガを作働させる単一作働装置を制御するのに必
要なアルゴリズムを簡略化する。この能力は更に包み込
むような握持に利用される。これの実行は図３に最もよ
く示されている。包み込み握持に対しては、安定性は物
品と各リンク６２、６４の掌側面６６、６８の少なくと
も１点との間の接触に依存する。つまり、接触は末端の
最後のリンク６４（フィンガ先端）ではなくて、リンク
６２、６４の内面で生じなければならない。包み込む形
の握持は強力且つ安定である。これは物品の摩擦力によ
らないからである。例えば、包み込み式の握持のすぐれ
た安定性は、人がハンドルを握る際に行なう握りの場合
に対比出来る。

【００３３】上記の新規なクラッチ機構は、握持すべき
物品の形状に関する事前の知識なしに包み込み形式の握
持を行なうのに必要な順応性を新規なクラッチ機構を備
えている。上記のようにクラッチ機構１００は一体のウ
オーム歯車減速機構を有し、又第１関節７２の運動をあ
るしきい値トルクで停止させる。クラッチ機構１００は
完全に開放したときに関節を常に同じ相対位置に戻すた
めの固有の記憶手段を有する。これは各クラッチ機構の
内部に設けた弾性手段１６０の相互作用により行なわれ
る。クラッチ部１１０を精密ねじ１１１を使用して予め
適当な解離トルクに調節することにより、握りの強さと
クラッチ機構の記憶機能が達成出来る。

【００３４】解離トルクが、フィンガがそれらの停止体
に対して完全に開放すると、フィンガに加わるモータト
ルクに比例すること、又各握持動作の前に変更出来るこ
とは当業者には明らかである。この特徴は、これらのフ
ィンガを使用しているハンドは、卵や軽い電球のような
脆い物品を持ち上げ可能にし、同時にハンマのような工
具を取り扱うための頑丈さを備えている。

【００３５】動作において、各フィンガは図３のように
開放し、鎖線で示した閉鎖位置に移動させられる。フィ
ンガと物品が接触しなければ、両関節はそれぞれの減速
機構により規定される関係をもちながら移動する。フィ
ンガの第１関節７２が予め設定した解離トルクよりも大
きい値を必要とする場合には、駆動モータ又は作働装置
１７５を脱結合する。この脱結合されたフィンガは、逆
回転出来ないウオーム歯車減速器のためにその位置とト
ルクを受動的に保持する。解離トルクよりも大きいトル
クに遭遇した第２フィンガ７４はフィンガ作働装置に結
合されたままであり、回転を続ける。もしも物品が握持
の範囲内で移動し、第１関節７２が作り出すトルクがね
じ１５２の作るトルクよりも低くなれば、第１関節は作
働装置１７５との結合を回復して再び解離トルクとなる
まで移動する。

【００３６】本発明で使用されるフィンガの利点は、当
業者には直ちに明らかであろう。先ず、フィンガの掌側
の面と物品の間の多点接触は大抵の物品で最も起こり易
いであろう。第２に脱結合（解離）ののちには、第２関
節７４は積極的に制御される。しきい値解離トルクが第
１関節７２に加わると、関節トルクは中間となり、次の
一つの式で関係付けられる。

【数３】 ただしｔ₁ 、ｔ₂ は関節１と２でのトルクであり、Ｇ
₁ 、Ｇ₂ は関節１、２に対する減速比であり、ｔ_motor
はモータ又は作働装置のトルクである。フィンガの第１
関節７２が解離値よりも大きいトルクに遭遇した後、各
関節に加わるトルクは次式で表わされる。

【数４】 ここにｔ_かいり は止めねじ１５２によるトルクであ
る。こうして、解離ののちには第２関節７２の周りのト
ルクは式中の唯一の変数であるモータ１７５の出力トル
クを調整することにより独立して制御できる。

【００３７】本発明の好ましい実施例として記載された
クラッチの他の利点は、動力伝動手段として逆駆動出来
ないウオーム歯車列１０１、１０２の使用からえられ
る。その結果、大きな接触力がハンドの構成材料の強度
限界に対して抵抗する。包み込み握持の使用は、本発明
のハンドが大きな関節トルクを生じるかなり重い物品を
持ち上げることを許容する。もしも、動力伝達手段が逆
回転するとしたら、こうした大きい関節トルクに抵抗す
るために大型の作働モータが必要になる。本発明のフィ
ンガにより使用される作働モータは同様な能力の従来装
置のそれよりも小型且つ軽量で良いから、各フィンガの
根元に取り付けられる。上記のように、作働装置１７５
は直接このウオーム歯車１０２、１４０を駆動するか
ら、所望されないバックラッシュは最小限度に抑制され
る。第２関節７４を駆動するタイミング（調時）ベルト
１４６は短いために減少出来る固有の弾性を有する唯一
の部材である。別の実施例では従来の腱（ｔｅｎｄｏ
ｎ）又は他の動力伝動手段を用いて更にこの条件を緩和
する。本発明はモータの周りに正確なサーボ制御ループ
を閉じさせる。総合的な結果は動力伝動においてフィン
ガ作働装置に最小の誤差しか生じさせない。フィンガの
根元すなわち基部に作働モータを取り付ける他の利益
は、全て４つのモータは掌の下に取り付けられることで
ある。図１で分かるように、センサ及び動力ケーブル２
４０は同じく掌の下にあるコネクタ２３０に接続してい
る。その結果、ロボットの腕及び制御系統に迅速に着脱
出来る自己完結的ユニットが得られる。このことは、本
発明のフィンガを取り付けるべきロボットの腕が多重端
部作働子と共に使用されることが意図される場合には重
要な利点である。又、ロボットの腕又は作働子の修理を
行なう場合には、又は単一作働子が異なったロボットの
腕と共に使用される場合には重要な利点である。

【００３８】本発明の他の実施例は図６に示される。２
つの関節３７２、３７４は順応性の腱（ｔｅｎｄｏｎ）
３２０で結合されている。順応性の腱３２０は順応部３
２５を有する。順応性の腱３２０は好ましくは動作中に
遭遇する負荷が弾性限界以内に納まるようなばね又は弾
性材料で製作する。図示の腱による方法の利点は、腱が
閉鎖時にのみ関節に順応性を示すことである。図示にフ
ィンガは既に述べた態様で関節３７２、３７４を駆動す
るための作働装置を使用する。しかし、動力は作働装置
から腱３７２を経て第１関節３４２の周りに自由に回転
するプーリ３００に伝動する。第２関節３７４の回転は
それに固定されたプーリ３１５を回転させる。このプー
リの回転は順応性の腱３２０を回転しない固定プーリの
周りに巻き付けあるいは巻き戻し、それにより第１関節
３７２の周りの運動を生じる。かくして、第１関節の運
動は第２関節の作働に依存し、関節間の相対偏倚はプー
リの直径比によって支配される。順応部３２５は一端第
１関節が抵抗に遭遇したら第２関節を連続して運動させ
る。第１関節の運動を阻止する抵抗力の大きさは順応部
３２５のばね常数を調整することにより制御される。従
って、２つの関節の相対運動は結合されるがそれは順応
運動である。

【００３９】順応性部材で結合した関節の利点は、物体
の形状に順応することである。関節が剛性結合の場合に
は関節の各増分に対してただ一組の関節角度しかない。
従って、少なくとも２つの掌面で握持する物品の形状が
わずかな変動範囲でのみ使用出来るに過ぎない。実施に
は、大抵の物品は単一点で剛性のフィンガに接触する。
順応性の腱が使用される、フィンガは物品を包み込み又
少なくとも二つの異なった表面の内面に少なくとも一つ
の接触点を生じる。図示のフィンガの腱かけ通しは閉鎖
時にのみ順応性であるから大きな接触力を作用出来る。
しかし、順応性の腱は剛性結合の関節の不都合を除去し
て多重接触点を可能にする。

【００４０】図７Ａ〜図７Ｅに示したように本発明の他
の実施例は掌２０及びフィンガ３０、４０、４５の新規
な構造である。好ましい実施例においては１つのフィン
ガ３０は固定であり、その掌軸７０の周りに回転しな
い。しかし２つのフィンガは同一回転角度で且つ反対方
向に回転する。これらのフィンガの回転は単一の作働装
置８０による駆動で得られる。したがって、本発明の掌
とフィンガの関係は掌２０の周りに１自由度の運動を許
容する。この構成により掌２０はフィンガ３０、４０、
４５と相互作用して物品の取扱の際に工具として使用さ
れる。したがって、掌は２０は物品を保持する台とか
け、押しつけるとかの表面として使用できる。しかし触
角センサ２１０を情報収集装置として組み込めば物品の
徴表を得ることができる。触角センサ２１０は掌２０の
面上に位置して物品の接触位置に関する情報を制御装置
２５０へ送り、図３のようにフィンガ３０、４０、４５
の掌側の面上に位置したセンサ２００により送られる情
報と一緒に使用される。こうして収集された情報は掌及
びフィンガが協動して作用して、物品の形状に関する情
報をあらかじめプログラム等をしないでも複雑な形状の
物品を確実に握持する。

【００４１】図７Ａ〜図７Ｅに示したように、本発明の
好ましい掌及びフィンガ構造は端部作動子の多様な握持
形態を可能にする。図７Ｂは可動フィンガ４０、４５が
一緒に固定フィンガ３０から見て掌の反対側に回転して
きた時に（矢印）、生じるはさみグリップを示す。これ
らの２本のフィンガの面内は摩擦による握持であり、は
さみフックで手術を受けたヒトが使用するものとにてい
る。他の握りの形態は図７Ｃに示す円筒グリップであ
る。これは可動フィンガ４０、４５が固定フィンガ３０
に対抗している場合に生じる。固定フィンガは可動フィ
ンガの間を通ることができるので、この態様は小さな円
筒状物品から大きい四角形の箱形の形状及び寸法を包含
し得る。図７Ａに示した球状グリップではフィンガ３
０、４０、４５は約１２０度離れている。強力グリップ
ではフィンガの掌側の面は球体を掌へ押しつけ、精密グ
リップでは３点は３側面の指先グリップを形成する。他
のグリップの形態は図７Ｅに示したように、フィンガ４
０、４５をそれらが互いに対向するまで回転させること
により得られる。先端握持モードは物品を操作するのに
使用できる。このグリップは安定性に摩擦を利用してい
るが、起き方のぎこちない場合にまたは小さな物体を操
作するのに有用である。最後の図７Ｄに示したように鈎
グリップはフィンガの３つのグリップ形態を掌の面と共
に使用する。これによると２種類のグリップが可能とな
る。一つはフィンガが鈎状をなしている場合にハンドル
等の物品を握持する消極グリップであり、他は３つのフ
ィンガで物品を掌に押しつける態様である積極グリップ
である。このグリップは包み込み形式のグリップができ
ない場合に他のハンドと協動して大きな平面状の物品例
えばテーブルの端部を持ち上げるのに有用である。

【００４２】本発明の他の重要な特徴は上記の装置の制
御である。本発明の各種の特徴は好ましくは図１に示し
たハンド組立体と組み合わせる。本発明にしたがって構
成したハンドの制御はハンド自体に備わった機械的なイ
ンテリジェンス(器用さ)によりおおいに単純化され、関
節運動をししかも包み込み握りを行うことができるハン
ドに関連したコンピュータ費用を節約する。図８には好
ましいグリップ(握持)計画アルゴリズムを示す。

【００４３】図８に示したアルゴリズムの基本的な目的
は方針を探ることにより握持動作を実行し計画を単純化
することである。研究によると黙視観察やレーザ観察装
置のような遠隔センサに加えて積極センサを使用するこ
とが必要なことがわかったその上、人の心理的な研究に
より重量や体積のような構造上の特性を決定するのに物
品の安定性の考慮及び運動を必要とする多数の探究手順
が定められている。物品の特徴に対する事前の知識がほ
とんどない場合には、フィンガの物品との接触位置を計
算するのに物品の詳細な情報を必要とする洗練された握
時計画ルーチンを実行することはできない。

【００４４】本発明にしたがって構成されたフィンガ及
び他のフィンガは物品に合わせて自分自身を成形する。
安定した握持はしたがって近似的な空間位置以上のもの
が得られる。このアルゴリズムの相互作用的な性格によ
り、取り扱い装置及び制御装置は引き続く握持動作の間
に集積された物品の形状に関する情報を処理及び結合す
ることにより物品について知ることができる。

【００４５】図８を参照すると、握時計画アルゴリズム
は適当な開始場所４００で始まる。この時点では制御装
置は取扱装置を位置決めし、フィンガを握持動作の開始
を行う適当な位置にセットする。ステップ４１０は「リ
ーチ」とラベルしてある。このステップが実行される
と、ロボットの腕は掌が物品に接触するまで移動する。
このステップはまずロボット腕が荒い取扱を実行するた
めの取扱及び制御能力に依存している。ロボット腕の制
御装置はこれらの運動を物品との接触を感知する掌の面
上の触角センサからの情報に基づいて行う。

【００４６】ハンド制御装置は実際の握持をステップ４
２０「フレックス」のステップで実行する。このステッ
プの実行は特定数の関節に結合するリンクとの接触がな
されるまでフィンガを閉じる動作である。好ましい実施
例では、図示のアルゴリズムは本発明により構成された
ハンドと共に実行される。したがって、フィンガは接触
が掌と第１関節、を結合するリンク及びフィンガ先端を
含むリンクであって第２関節に結合されたものに対して
なされるまで閉じられる。制御装置は末端リンクがフィ
ンガの末端への接触が、数種の望ましくない条件、例え
ば物品が遠過ぎるとか、小さ過ぎて安定したハンドの包
み込みが型のグリップができないとかの条件を表示でき
ることを認識するようにプログラムされている。このス
テップでハンドの制御装置及び腕の制御装置は関節角度
をほぼ等しく保ち、それにより物品をハンドのグリップ
内に位置付けるように作用する。好ましいアルゴリズム
の第１の判断ステップはステップ４３０「閉鎖」で表さ
れている。閉鎖は安定な握持が得られるかどうかを決定
するのに必要な掲載を行うブール演算である。閉鎖の安
定性を決定するのに必要なパラメータの検討に対しては
公知例がある。このアルゴリズムはまた握持を維持する
のに必要なトルクを計算する。もしも握持が所定の安定
性を決定するパラメータの範囲に入れば、アルゴリズム
はステップ４４０「絞り」を実行する。これはモータの
トルクを握持に必要な値に増す。このステップの後で、
握持アルゴリズムは終了し、ハンド制御装置が他の命令
を待つ。しかしもしも十分に握持が安定でないと決定さ
れたら、ステップ４５０「フレックスなし」が実行さ
れ、ハンドのフィンガは元の開放位置に復帰する。最後
に「フレックスなし」が実行された後に第６のステップ
４６０「後退」が実行される。後退中に腕は握持される
物品から離れる。この制御ステップ、例えばリーチはハ
ンドが取りつけてある腕の制御及び運動能力に依存して
いる。

【００４７】本発明の方法により意図されている握持計
画の相互作用的な性格はステップ４７０「握り」を参照
することによりわかる。このステップはロボットの腕と
ハンドが次の握持実行の試みのために従うべき軌跡を含
む。実行される計算は前回までの握持の試みから収集し
た情報、物品及び実行する仕事の蓄積情報を使用するこ
とができ、あるいは、最も簡単には腕を所定の位置に整
列させることができる。例えば、好ましい例では、後退
ステップの後、腕が接近する角度を１５度修正すること
ができる。握りの計算及び命令が実行されたら、ステッ
プ４８０「再配置」に進み腕を次の握持動作に進める。
アルゴリズムはリセットされ矢印のように「リーチ」に
行き、安定握持が再び探索される。各種の相互作用的な
握持は、各不安定性が物品の空間特性及び配向に関する
情報に加えられる。この情報は更なる握持、蓄積、また
は後日のための他の情報に合体されるように処理でき
る。

【００４８】以上に若千の実施例を特に説明したが、本
発明の範囲内で他の実施例が可能なことは当業者には明
らかであろう。本発明は上に記載の相対寸法に拘束され
るものではなく広範囲な構造に適用可能であるものと理
解されたい。新規なクラッチ機構は同様にここに開示し
た相対寸法及び用途に限定されない。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明により構成したロボットハンドの
斜視図である。

【図２】図２は本発明により構成したフィンガ関節、
掌、フィンガ構造を示す平面図である。

【図３】図３は本発明に従って構成したロボットフィン
ガと駆動手段の一部破断側面図である。

【図４】図４は図３の線４−４に沿った、本発明に従っ
て構成した解離グリップ駆動手段の部分断面側面図であ
る。

【図５】図５は図３に示したフィンガの正面図で、関節
作働のある面を示す図である。

【図６】図６は本発明のフィンガの他の実施例を示す図
である。

【図７】図７Ａないし図７Ｅは本発明のハンドによって
達成できる各種の握持を一度に示す説明図である。

【図８】図８は本発明の原理を使用して物品を握持する
方法を示す流れ図である。

【符号の説明】

１０ ロボットハンド装置 ２０ 掌 ３０ 静止フィンガ ４０ 第１の回転フィンガ ４５ 第２の回転フィンガ ５０ グリップ駆動装置 ６０ 掌リンク ６２ 第１リンク ６４ 第２リンク ６６、６８ 面 ７０ 掌軸 ７２ 第１関節 ７４ 第２関節 ８０ 握り駆動装置 １００ クラッチ １０１ ウオームねじ １０２ 解離クラッチ １０３ ねじ孔 １０４ ねじ筋 １０５ 駆動歯車 １０６ 軸受又は保持子 １０７ 円筒部 １１０ クラッチ部 １１１ ねじ筋 １２０ ウオーム歯車 １３０ 平歯車 １３５ 平滑な孔 １４０ 平滑軸 １５０ 止めねじ １５２ ねじ孔 １５５ 硬質先端 １６０ 弾性手段 １７０ 回転軸受け １７２ 回転軸受 １７５ 駆動モータ又は装置 ２００ 触覚センサ及びフィードバック手段 ２５０ ハンド制御装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）該物品を包み込みあるいは固定す
   ることが出来る物品を握持する装置を有する取り扱い装
   置を延伸させ、（ｂ）握持すべき物品の接触を感知し、
   （ｃ）前記握持する装置を閉鎖方向に駆動して前記物品
   の一部を実質的に包み込み、そして（ｄ）行なわれた握
   持が物品を移動させるのに実質的に安定かどうかを、握
   持すべき物品と前記握持する装置との接触箇所を決定す
   ることと、この情報を計算機に送ることと、この送られ
   た握持が安定かどうかを決定することとにより行い、 もし、行なわれた握持が安定なら前記握持する装置を完
   全に閉じ、もしそうでないならば前記握持する装置を開
   放させ、前記取り扱い装置を後退させ、新たな握持動作
   を開始させること、よりなる物品の握持方法。