JPWO2008136402A1 - ロボットの関節構造及びロボットフィンガ - Google Patents

Abstract

第１及び第２構成部材（１１，１２）を、ヒンジ部（１３）を介して互いに回動させる駆動手段（１５）を備えたロボットの関節構造において、第１及び第２構成部材（１１，１２）の間に、一端が第１構成部材（１１）と回動可能に連結された第１リンク部材（１６）と、一端が第２構成部材（１２）と回動可能に連結された第２リンク部材（１８）と、これら第１及び第２リンク部材（１６，１８）の他端側を回動可能に連結する連結部（２０）とを備えるＶ字リンク（１４）を設け、駆動手段（１５）によって連結部（２０）を直線的に移動させることによりＶ字リンク（１４）を開閉させて、第１構成部材（１１）と第２構成部材（１２）とを互いに回動させる。

Description

本発明は、ロボットの指関節等を含む関節構造及びこの関節構造を内蔵するロボットフィンガに関する。

ロボット関節構造としては、人間の指関節や腕関節の動作を考慮して構成されたものがある。
このようなロボットの関節構造の一例として、例えば特許文献１には、第１構成部材と第２構成部材がヒンジ部（関節）を介して回動可能に接続され、該ヒンジ部にワイヤを巻回させて回転モータの動力を伝達して駆動させるものが提案されている。

また、特許文献２には、第１構成部材と第２構成部材との間をリンク機構によって回動自在に接続し、このリンク機構の一端をボールねじに接続し、該ボールねじをモータで回転させることによって、第１構成部材を第２構成部材に対して回動させるロボットの関節構造が開示されている。
特開２００１−２７７１７５号公報 特開平１０−２１７１５８号公報

しかしながら、特許文献１のようにワイヤを用いたロボットの関節構造においては、ワイヤの伸びや切れ等のトラブルが発生し、頻繁にワイヤ交換を行う必要がある。しかも、ワイヤがギアやプーリに巻回される構造であるために、その取り付けおよび取り外しに大きな手間を要し易い。また、ワイヤの伸びに起因して、関節を精度良く動作させることが困難であるとともに、強い力で関節を動作させることができず把持力を大きくすることが困難であった。

また、特許文献２のように、ボールねじとモータのような直動のアクチュエータを用いたリンク機構を有するロボットの関節構造においては、関節の回動範囲を大きく取るためには、アクチュエータのストロークを長くする必要があった。その結果、リンク機構が関節部から飛び出す形状となったり、構成部材が不自然に長くなったりしてしまい、関節構造自体が必要以上に大型化されてしまっていた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、強い力で関節を曲げることを可能とし把持力を向上させることができるとともに、コンパクト化が容易なロボットの関節構造及びロボットフィンガの提供を目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の第１の態様（aspect）は、ロボット関節構造であって、第１及び第２構成部材を、ヒンジ部を介して互いに回動させる駆動手段を含み、前記第１及び第２構成部材の間に、一端が前記第１構成部材と回動可能に連結された第１リンク部材と、一端が前記第２構成部材と回動可能に連結された第２リンク部材と、これら第１及び第２リンク部材の他端側を回動可能に連結する連結部とを含むＶ字リンクが設けられ、前記駆動手段は、前記連結部を直線的に移動させることにより前記Ｖ字リンクを開閉させて、前記第１構成部材と前記第２構成部材とを互いに回動させることを特徴としている。

この構成のロボットの関節構造は、関節が伸張した状態では、第１構成部材と第２構成部材とは長手方向に一列に位置するように配置されてヒンジ部を介して回動可能に連結されているとともに、これら第１構成部材と第２構成部材との間には、第１リンク部材と第２リンク部材とが回動可能に連結して構成されたＶ字リンクが設けられ、上記のヒンジ部に加えて該Ｖ字リンクによっても第１構成部材と第２構成部材が連結された構成となっている。
なお、伸張時には、Ｖ字リンクは閉じた状態で第１構成部材と第２構成部材の間にＶ字の頂点となる連結部が収納されるように配設されているため、関節構造から突出した部分が形成されることはない。

上記のように関節が伸張した状態において、駆動手段によってＶ字リンクの頂点である連結部を直線的に移動させると、Ｖ字リンクのＶ字が開くように第１リンク部材と第２リンク部材とが互いに回動され、第１リンク部材の一端に連結された第１構成部材と、第２リンク部材の一端に連結された第２構成部材とが互いに離反されるように力が働く。このようにして、Ｖ字リンクのＶ字が開くことに連動して、第１構成部材と第２構成部材とがヒンジ部回りに互いに回動することになり、その結果、関節構造が屈曲した状態となる。

また関節が屈曲した状態において、駆動手段によって屈曲させる場合とは逆の方向にＶ字リンクの連結部を直線的に移動させると、Ｖ字リンクのＶ字が閉じるように第１リンク部材と第２リンク部材とが互いに回動され、第１リンク部材の一端に連結された第１構成部材と、第２リンク部材の一端に連結された第２構成部材とが近接されるように力が働き、これによってＶ字リンクのＶ字が閉じることに連動して第１構成部材と第２構成部材が伸張する。

このような機構で駆動されるロボットの関節構造は、Ｖ字リンクの開閉によって第１構成部材と第２構成部材とがヒンジ部を支点として回動するため、その回動する際の力は大きなものとなる。また、関節構造の伸張時にはＶ字リンクは第１構成部材と第２構成部材との間に収納され、該関節構造の屈曲時であってもＶ字リンクが関節から飛び出て突出する箇所を形成することはないためコンパクト化を図ることができる。さらに、Ｖ字リンクの連結部が直線的に移動される際にはその移動が僅かであってもＶ字リンクのＶ字は大きく開閉されるため、Ｖ字リンクの連結部の僅かな移動で第１構成部材と第２構成部材とを互いに大きく回動させることが可能となる。

本発明の第２の態様は、第１態様において、前記駆動手段が、前記第１構成部材又は前記第２構成部材の内部に配置され、前記連結部を直線的に前進又は後退させる直動装置を含むことを特徴とする。

直動装置を採用することによって、直接的にＶ字リンクの連結部を直線移動させることが可能となる。また、直動装置は第１又は第２の構成部材内に配置されるため、ロボットの関節構造をより一層コンパクト化することができる。さらに直動装置により、ワイヤ等の消耗品を用いる必要がなくメンテナンスを容易にすることができるとともに、Ｖ字リンクの連結部の直線移動を精度高く行うことができるため、ロボットの関節構造の制御精度を向上させることが可能となる。また、直動装置の推力を大きくすることで、ロボットの関節構造が回動する力をより大きなものとさせ、把持力を一層大きくすることができる。

本発明の第３の態様は、ロボットフィンガであって、第１態様のロボット関節構造を含むことを特徴とする。
このように、ロボットフィンガに上記のロボットの関節構造を適用することによって、関節の可動範囲と把持力が向上し、コンパクト化も容易となるため、より人間の手に近いロボットフィンガを実現することができる。

本発明に係るロボット関節構造及びロボットフィンガによれば、Ｖ字リンクと直動装置を用いることによって、強い力で関節を曲げることを可能とし把持力を向上させることができるとともに、容易にコンパクト化を図ることができる。
本発明の上記及び他の目的、作用・効果等については、添付図面及び本発明の実施形態の記載から、当業者に明らかになろう。

本発明の第１実施形態のロボット関節構造の伸張状態を示す概略側面図である。 第１実施形態のロボット関節構造の屈曲状態を示す概略側面図である。 本発明の第２実施形態のロボットフィンガの伸張状態を示す概略側面図である。 第２実施形態のロボットフィンガの第２関節の屈曲状態を示す概略側面図である。 第２実施形態のロボットフィンガの第１関節及び第２関節の屈曲状態を示す概略側面図である。 第２の実施形態のロボットフィンガの伸張状態を示す全体斜視図である。

符号の説明

１０ ロボットの関節構造
１１ 第１構成部材
１２ 第２構成部材
１３ ヒンジ部
１４ Ｖ字リンク
１５ 直動装置（駆動手段）
１６ 第１リンク部材
１８ 第２リンク部材
２０ 連結部
３０ ロボットフィンガ
３１ａ 第１関節
３１ｂ 第２関節
３２ 固定部材（第１構成部材）
３３ 第１フィンガ（第２構成部材）
３４ 第２フィンガ（第１構成部材）

以下、本発明の複数の実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではないことはいうまでもない。
図１および図２を参照して本発明の第１の実施の形態のロボット関節構造について説明する。
図１は第１の実施形態に係るロボットの関節構造の伸張した状態における概略側面図、図２は第１の実施形態に係るロボットの関節構造を屈曲させた状態における概略側面図である。
このロボットの関節構造１０は、第１構成部材１１と第２構成部材１２と、それらを連結するヒンジ部１３と、Ｖ字リンク１４と、駆動手段である直動装置１５とから概略構成される。

第１構成部材１１及び第２構成部材１２は、関節が伸張されている場合においては、図１に示すように第１構成部材１１と第２構成部材１２が長手方向に一列に位置するように配置された状態で、互いに対向する端面の間に設けられたヒンジ部１３によって回動可能に連結される。これら第１構成部材１１と第２構成部材１２との間には、Ｖ字リンク１４が配設される。

Ｖ字リンク１４は、一端が第１支持部１７を介して第１構成部材１１と回動自在に連結された第１リンク部材１６と、一端が第２支持部１９を介して第２構成部材１２と回動自在に連結された第２リンク部材１８と、これら第１リンク部材１６及び第２リンク部材１８の他端側を回動自在に連結する連結部２０とによって構成されている。

またＶ字リンク１４は、ロボットの関節構造１０が伸張している場合には、そのＶ字が閉じた状態で第１構成部材１１と第２構成部材１２の間にＶ字の頂点となる連結部２０が収納されるように配設されている。なお、ヒンジ部１３、第１支持部１７、第２支持部１９及び連結部２０の回転軸線は互いに平行に設けられている。

本第１実施形態においては、第２構成部材１２の内部に直動装置１５が配設されている。直動装置１５は直動装置本体１５ａに備えられたモータによって第２構成部材１２の長手方向に延びたロッド１５ｂをその長手方向に直線的に駆動することができる。また、直動装置１５のロッド１５ｂの先端は、Ｖ字リンク１４の連結部２０に連結されており、ロッド１５ｂを駆動して前進又は後退させることによって、連結部２０を直線的に移動させることができる。

次に、本実施形態に係るロボットの関節構造１０の動作について説明する。上記のようにロボットの関節構造１０が伸張した状態において、駆動手段である直動装置１５のロッド１５ｂを直動装置本体１５ａに備えられたモータによって駆動して、第２構成部材１２側から第１構成部材１１側に伸びるように前進していくと、ロッド１５ｂの先端が連結部２０に連結されているため、Ｖ字リンク１４の頂点である連結部２０がロッド１５ｂの駆動によって押圧され、第２構成部材１２側から第１構成部材１１側に移動される。

このように連結部２０がロッド１５ｂに押圧されて直線的に移動されることによって、Ｖ字リンク１４のＶ字が開くようにして第１リンク部材１６と第２リンク部材１８とが互いに回動され、第１リンク部材１６と第１構成部材１１とが連結されている第１支持部１７と、第２リンク部材１８と第２構成部材１２が連結されている第２支持部１９とが互いに離反されるように力が働く。従って、Ｖ字リンク１４のＶ字が開くことに連動して、第１構成部材１１と第２構成部材１２とがヒンジ部１３回りに互いに回動することになり、その結果、ロボットの関節構造１０が屈曲していく。

このようにして直動装置１５のロッド１５ｂがＶ字リンク１４の連結部２０を押圧し続けると、Ｖ字リンク１４はＶ字が開き切って第１リンク部材１６と第２リンク部材１８とが連結部２０を介して直線的に連結された状態となり、第１構成部材１１と第２構成部材１２とがなす角度は略９０°になる。この状態でさらに連結部２０がロッド１５ｂによって押圧されると、第１リンク部材１６及び第２リンク部材１８は、ロボットの関節構造１０が伸張している場合のＶ字リンク１４とは逆向き凸となるように配置され、図２に示すように関節構造が屈折した状態となる。

一方、図２のように屈曲した状態において、直動装置１５のロッド１５ｂが縮むように後退していくと、ロッド１５ｂの先端に連結されているＶ字リンク１４の連結部２０が第２構成部材１２側に牽引されるように移動するため、Ｖ字リンク１４のＶ字が閉じるように第１リンク部材１６と第２リンク部材１８とが互いに回動され、第１リンク部材１６と第１構成部材１１とが連結されている第１支持部１７と、第２リンク部材１８と第２構成部材１２が連結されている第２支持部１９とが互いに近接されるように力が働く。このようにしてＶ字リンク１４のＶ字が閉じることに連動して第１構成部材１１と第２構成部材１２とが回動することになり、その結果、ロボットの関節構造１０が伸張していく。

以上のようにロボットの関節構造１０は、Ｖ字リンク１４の開閉によって第１構成部材１１と第２構成部材１２とがヒンジ部１３を支点として回動するため、その回動する際の力は大きなものとなる。また、ロボットの関節構造１０の伸張時にはＶ字リンク１４は第１構成部材１１と第２構成部材１２との間に収納され、該ロボットの関節構造１０の屈曲時であってもＶ字リンク１４が飛び出て突出する箇所を形成することはないため、コンパクト化を図ることができる。

さらに、Ｖ字リンク１４の連結部２０が直線的に移動される際にはその移動が僅かであってもＶ字リンク１４のＶ字は大きく開閉されるため、Ｖ字リンク１４の連結部２０の僅かな移動で第１構成部材１１と第２構成部材１２とを互いに大きく回動することが可能となる。

また、図２のように関節が屈曲した状態において、第１リンク部材１６及び第２リンク部材１８が、ロボットの関節構造１０が伸張している場合のＶ字リンク１４とは逆向き凸となるように配置されているので、矢印Ａの方向から外力が加わった場合であっても、第１リンク部材１６と第２リンク部材１８とが直線的に連結された状態となる際、即ち第１リンク部材１６と第２リンク部材１８とがなす角が１８０°となる際に、その外力に対して大きな抵抗力が発生するため、ロボットの関節構造が伸張する方向に回動することはない。従って、ロボットの関節構造１０が屈曲した際に不意に外力が加わった場合であっても、屈曲した状態を保持することが可能となる。

また、駆動手段として直動装置１５を採用することによって、直接的にＶ字リンク１４の連結部２０を直線移動させることが可能となり、また、直動装置１５は第２構成部材１２内に配置されるため、ロボットの関節構造１０をより一層コンパクト化することができる。さらに、ワイヤ等の消耗品を用いる必要がなくメンテナンスを容易にすることができるとともに、Ｖ字リンク１４の連結部２０の直線移動を精度高く行うことができるため、ロボットの関節構造１０の制御精度を向上させることが可能となる。また、直動装置１５の推力を大きくすることで、ロボットの関節構造１０が回動する力をより大きなものとさせ、把持力を一層大きくすることができる。

なお、本第１実施形態では、ロボットの関節構造１０において、駆動手段である直動装置１５を第２構成部材１２の内部に配設したが、第１構成部材１１の内部に配設したものであってもよい。

次に、本発明の第２の実施形態のロボットフィンガ３０について図３から図６を用いて説明する。
図３は第２の実施形態に係るロボットフィンガ３０の伸張した状態における概略側面図、図６は第２の実施形態に係るロボットフィンガ３０の伸張した状態における斜視図である。
ロボットフィンガ３０は、第１実施形態に係るロボット関節構造１０が組み込まれており、各関節を伸張及び屈曲させる構造および作用は第１実施形態と同様である。

図３および図６に示すように、ロボットフィンガ３０は２つの関節（第１関節３１ａ、第２関節３１ｂ）を有し、各関節（第１関節３１ａ、第２関節３１ｂ）が駆動手段の駆動に応じて自在に伸張及び屈曲することができるように構成されている。
図４はロボットフィンガ３０の第１関節３１ｂを屈曲させた状態の図であり、図５は第２関節３１ｂに加えて第１関節３１ａも屈曲させた状態の図である。

ロボットフィンガ３０の第１関節３１ａおよび第２関節３１ｂには、それぞれ第１の実施形態に係るロボット関節構造が組み込まれている。
第１関節３１ａは、固定部材３２と、第１フィンガ３３と、これら固定部材３２と第１フィンガ３３との間に配設されたＶ字リンク３７と、固定部材３２に収容された第１直動装置３５とを備えている。
第２関節３１ｂは、第１フィンガ３３と、第２フィンガ３４と、これら第１フィンガ３３と第２フィンガ３４との間に配設されたＶ字リンク３８と、第２フィンガ３４に収容された第２直動装置３６とを備えている。
第１関節３１ａにおいては、固定部材３２が第１の実施形態における第１構成部材とされ、第１フィンガ３３が第１の実施形態における第２構成部材とされている。
第２関節３１ｂにおいては、第２フィンガ３４が第１の実施形態における第１構成部材とされ、第１フィンガ３３が第１の実施形態における第２構成部材とされている。
要約すると、第１フィンガ３３の一端に第１関節３１ａが構成され、他端に第２関節が構成されており、第１フィンガ３３が、それぞれの関節（第１関節３１ａ、第２関節３１ｂ）における第２構成部材とされている。

固定部材３２は、ロボットフィンガ３０の後端側（図３の左側）と上側が開口した箱型であって、平面視にて断面Ｃ字形状を有しており、その最下部に位置するベース３２ａにおいて台座（図示せず）に固定されている。

固定部材３２の内部には、その一部が後端側に突出するようにして駆動手段としての第１直動装置３５が収容されている。
本実施形態において第１直動装置３５は、内部にモータが配設された第１直動装置本体３５ａから先端方向に向かってねじ軸３５ｂが延びているとともに、そのねじ軸３５ｂの外周にナット部材３５ｃが取り付けられて構成されるボールねじ機構であって、モータの回転によりねじ軸３５ｂが回転し、それに伴ってナット部材３５ｃが先端側又は後端側に移動する構成とされている。
このような第１直動装置３５においては、モータによるねじ軸３５ｂの回転運動がナット部材３５ｃの直線運動に変換されることから、ナット部材３５ｂの変位を制御しやすいという利点がある。

第１フィンガ３３は、略直方体の形状を有し、その下部の後端側において第１ヒンジ部４０を介して、固定部材３２の先端側の下部と回動可能に連結されている。
第１フィンガ３３の後端側の上部と固定部材３２の先端側の上部は、第１Ｖ字リンク３７によって回動自在に連結されている。該第１Ｖ字リンク３７は、２つのリンク部材３７ａ、３７ｂを備えるとともに該両リンク部材３７ａ、３７ｂの一端が連結部３７ｃを介して回動自在に連結されることにより構成されており、図３に示すように固定部材３２と第１フィンガ３３との間に収納されるようにして配設されている。
第１Ｖ字リンク３７の連結部３７ｃは、第１直動装置３５のナット部材３５ｃと連結されている。連結部３７ｃは、ナット部材３５ｃの移動によって直線的に移動される。

第２フィンガ３４は、正面視にて上部が開口した断面コの字状の形状を有しており、その内部に第２直動装置３６が収納されている。
第２フィンガ３４は、その後端側の下部において、第２ヒンジ部４１を介して、第１フィンガ３３の先端側の下部と回動自在に連結されている。
第２フィンガ３４の後端側の上部と第１フィンガ３３の先端側の上部は、第２Ｖ字リンク３８によって回動自在に連結されている。
第２Ｖ字リンク３８は、第１Ｖ字リンクと同じように２つのリンク部材３８ａ、３８ｂと連結部３８ｃとによって構成されている。

第２フィンガ３４の内部に収納された第２直動装置３６は、第１直動装置３５と同じボールねじ機構であって、第２直動装置本体３６ａ、ねじ軸３６ｂ及びナット部材３６ｃとで構成されており、モータが駆動することによって第２直動装置本体３６ａから後端側に向かって延びたねじ軸３６ｂが回転し、それにともなってナット部材３６ｃが先端側又は後端側に移動する機構となっている。
第２Ｖ字リンク３８の連結部３８ｃは、第２直動装置３６のナット部材３６ｃと連結されており、ナット部材３６ｃの移動によって連結部３８ｃが直線的に移動される。

以上のような構成のロボットフィンガは、第１実施形態と同じように、第１及び第２の直動装置３５、３６の駆動によって第１及び第２のＶ字リンク３７、３８が開閉し、各関節３１ａ、３１ｂが伸張又は屈曲する。
以下、第１フィンガ３３に対して第２フィンガ３４が屈曲し、その後固定部材３２に対して第１フィンガ３３が屈曲する際の動作を段階的に説明する。

第２駆動装置本体３６ａのモータが駆動してねじ軸３６ｂが回転することによってナット部材３６ｃが第２フィンガ３４側から第１フィンガ３３側に移動すると、ナット部材３６ｃに連結されている第２Ｖ字リンク３８の連結部３８ｃも同じ方向に移動され、これによって第２Ｖ字リンク３８のＶ字が開くようにして２つのリンク部材３８ａ、３８ｂとが互いに回動される。
これに連動して、第２フィンガ３４が第１フィンガ３３に対して第２ヒンジ部４１回りに回動し、第２フィンガ３４が屈曲してロボットフィンガ３０は図４に示す状態となる。

第１フィンガ３３が固定部材３２に対して屈曲する場合も同様である。すなわち、第１直動装置３５の駆動によってナット部材３５ｃが固定部材３２側から第１フィンガ３３側に移動する。これにともなって該ナット部材３５ｃに連結された第１Ｖ字リンク３７の連結部４０が同じ方向に移動される。これによって第１Ｖ字リンク３７のＶ字が開くようにして２つのリンク部材３７ａ、３７ｂとが互いに回動される。これに連動して第１フィンガ３３が固定部材３２に対して第１ヒンジ部４０回りに回動し、第１フィンガ３３が屈曲する。
この結果、ロボットフィンガ３０は図５に示す状態となる。

この状態からロボットフィンガ３０が伸張する際には、屈曲するときとは逆向きに第１及び第２の直動装置３５、３６のナット部材３５ｃ、３６ｃが駆動することによってロボットフィンガ３０が伸張していく。

以上の第２実施形態のように、第１実施形態のロボット関節構造１０をロボットフィンガ３０に組み込むことによって、関節の可動範囲と把持力が向上し、コンパクト化も容易となるため、より人間の手に近い動きを実現することができる。
本発明は、ロボットフィンガに限られず、例えばロボットアームに適用することができる。
本発明に係るロボット関節構造は、強い把持力を有することができるため、ロボットアームとしても十分に機能することができる。

以上、特定の実施形態を参照して本発明を詳細に記載及び図示したが、其の記載は限定的な意味で解釈されることを意味しておらず、本発明の他の実施形態は、本願明細書を参照することにより、当業者にとって明らかになろう。すなわち、開示した実施形態の様々な変更が可能であり、従って、本願の請求の範囲に記載した発明の範囲から逸脱せずに、其のような変更を行うことができる。
例えば、Ｖ字リンク１４、３７、３８が開いて関節が屈曲した際に、該Ｖ字リンク１４、３７、３８の開閉を阻止することが可能なストッパーを設けることができる。これにより、不意に外力が加わった場合であっても関節が屈曲した状態を強固に保持することができる。

本発明によれば、把持力等が飛躍的に向上し得た、および／または、コンパクトで経済的である、ロボット関節構造及びロボットフィンガを提供できる。

Claims (3)

1. ロボット関節構造であって、
   第１及び第２構成部材を、ヒンジ部を介して互いに回動させる駆動手段を含み、
   前記第１及び第２構成部材の間に、一端が前記第１構成部材と回動可能に連結された第１リンク部材と、一端が前記第２構成部材と回動可能に連結された第２リンク部材と、これら第１及び第２リンク部材の他端側を回動可能に連結する連結部とを含むＶ字リンクが設けられ、
   前記駆動手段は、前記連結部を直線的に移動させることにより前記Ｖ字リンクを開閉させて、前記第１構成部材と前記第２構成部材とを互いに回動させることを特徴とするロボット関節構造。
2. 請求項１に記載のロボット関節構造において、
   前記駆動手段が、前記第１構成部材又は前記第２構成部材の内部に配置され、前記連結部を直線的に前進又は後退させる直動装置を含むことを特徴とするロボット関節構造。
3. ロボットフィンガであって、
   請求項１に記載のロボット関節構造、を含むことを特徴とするロボットフィンガ。

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