JPWO2016129587A1 - ロボットハンド - Google Patents

Abstract

【課題】外部から加わる負荷から内部の機構を保護するとともに、駆動源が停止した場合でも指位置の現状態を維持できる極めて信頼性の高い把持能力を持つロボットハンドを提供する。【解決手段】指の関節の駆動源となるモータと、このモータの回転を入力トルクとして入力側から出力側に伝達する回転力伝達装置とをロボットハンドの内部に配置する。回転力伝達装置は、入力側に加えられる入力トルクを出力側に伝達するが、出力側に加えられる逆入力トルクは入力側に伝達しないクラッチ機構と、複数の歯車からなる歯車機構とで構成する。【選択図】図２

Description

本発明は、対象物を把持し、操ることができる多指多関節のロボットハンドに関するものである。

従来より、対象物を把持して移動することなどを目的とした様々なロボットハンドが開発されており、主に各種工場の生産ラインなどで、自動化と省力化のために数多く使用されている。近年、このロボットハンドは、義手やヒューマノイド型のロボット等に適用可能であって、より汎用性が高く、複雑で、高精度な動作を行えるものとすることが望まれている。

例えば、特許文献１には、複数ある関節部分の駆動源となる複数のアクチュエータを備えるとともに、各アクチュエータの出力をハーモニックドライブ（登録商標）減速装置又は遊星歯車減速装置で減速して関節を駆動する構造によって、高精度に制御可能であって、対象物を器用に操ることができるロボットハンドの指構造が開示されている。

特許第４４６９９５７号公報

特許文献１のロボットハンドは、指構造部分自体に、複数のアクチュエータと、アクチュエータに対応するハーモニックドライブ（登録商標）減速装置などを配置することによって、バックラッシやガタの少ない指関節の駆動動作を実現している。

しかしながら、ロボットハンドが動作を停止している状態で、外部から指部分に大きな力が加えられた場合には指の位置を保持できずに動いてしまったり、更に、強い衝撃力が加わった場合には減速装置の機構が破壊するおそれもある。

特に、汎用性の高い、義手やヒューマノイド型ロボット等の用途に使用する場合には、想定外の負荷が外部から加わる可能性がある。

また、少ないといえども関節部にバックラッシやガタつきがある中では、何らかの対象物を把持しているロボットハンドの駆動源へのエネルギー供給が停止した場合に、把持状態を維持できないおそれがある。

本発明は、これらの問題に対処するためになされたものであり、その課題とするところは、出力側からの負荷を遮断できるクラッチ機構を組み込むことにより、駆動源へのエネルギー供給を絶った状態でも、指部分の位置を保持することに対する安定性と高い信頼性を備えるロボットハンドを提供することにある。

本発明によるロボットハンドは、指の関節の駆動源となるモータと、このモータの回転を入力トルクとして入力側から出力側に伝達する回転力伝達装置とを備える。そして、回転力伝達装置は、入力側に加えられる入力トルクを出力側に伝達するが、出力側に加えられる逆入力トルクは入力側に伝達しないクラッチ機構と、複数の歯車からなる歯車機構とで構成されることを特徴とする。

このような特徴を有する本発明では、外部から加わる負荷から内部の機構を保護するとともに、駆動源へのエネルギー供給を絶って駆動源が停止した場合でも、指位置の現状態を維持できる極めて信頼性の高く、省エネルギー化のできるロボットハンドを実現する。

本発明の実施形態に係わるロボットハンドの一例を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係わるロボットハンドの構造図である。 本発明の実施形態に係わるロボットハンドに配置される回転力伝達装置の一例を示す図である。 同回転力伝達装置内に備わるクラッチ機構の一例を示す構造図である。 同クラッチ機構の構造を示す側断面図である。 本発明に係るロボットハンドに配置される回転力伝達装置内に備わるクラッチ機構の動作説明図である。 収納室内周面と係合子とカム面との関係を示す模式図である。 係合子と出力回転体の関係を示す模式図である。 本発明の実施形態に係わるロボットハンドの他例を示す図である。

本発明を実施するために第一の形態では、複数の指を有するロボットハンドにおいて、指の関節の駆動源となるモータと、このモータの回転を入力トルクとして入力側から出力側に伝達する回転力伝達装置とを備える。そして回転力伝達装置は、入力側に加えられる入力トルクを出力側に伝達するが、出力側に加えられる逆入力トルクは入力側に伝達しないクラッチ機構と、複数の歯車からなる歯車機構とで構成している。
この形態によれば、出力側に外部から負荷が加えられても、その力をクラッチ機構が入力側に伝達しないので、ロボットハンドの指の位置の状態を維持できるとともに、内部機構を保護することができる。

また、第二の形態では、第一の形態のクラッチ機構が構造上、円柱状空間を有する収納室と、この収納室に同軸状に収納された出力回転体と、出力回転体に対し同軸状に設けられた入力回転体と、収納室の内周面と出力回転体の外周面との間に設けられた係合子と、係合子を周方向の一方側へ付勢する付勢部材とを備える。そして、出力回転体の外周面に、一方側へ向かって収納室の内周面との間を徐々に狭めるカム面を形成し、入力回転体が一方側に対する他方側に回転した際に、入力回転体を係合子に当接した後に、同入力回転体を出力回転体に当接して、この出力回転体を押動するようにした。
この形態によれば、駆動源が停止した場合にも、ロボットハンドの現状態を維持できるので、絶対的な把持信頼性を有する。より具体的には、例えば駆動源となるモータが電動である場合に、ロボットハンドが対象物を把持している状態で通電が意図的にあるいは非意図的に遮断されても把持状態を維持できる。また、このことで低消費電力駆動が可能となる。

また、第三の形態では、第一又は第二の形態において、ロボットハンドの複数の指は、各指が１つ以上の関節を有し、１つの関節に対して、この関節を駆動するモータと回転力伝達装置との組合せを一組以上配置した。
この形態によれば、すべての指がクラッチ機構を備えるので、駆動源を停止しても、より安定した状態で確実に、対象物を把持している状態等を維持できる。

また、第四の形態では、より高い精度で指の位置を保持するために、第一から第三の形態において構成されているクラッチ機構を歯車機構よりも出力側に配置した。

次に、上述した形態の特に好ましい実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本実施例におけるロボットハンド２００の外観を示す斜視図である。ロボットハンド２００は、ベース２１０に連結されたフィンガー２２０、２３０、２４０を備える。各フィンガーは複数のリンクと関節を有している。例えば、フィンガー２４０は、第一リンク２４１、第二リンク２４２と、第一関節２４３、第二関節２４４を有している。

各関節は、各々独立した駆動源の力が伝達装置を介して伝達されることにより動作する。また、基本的に、伝達装置は外部からの負荷の影響を受けない。この構造について、具体的にフィンガー２４０の第一関節２４３及び第一リンク２４１を動作で、以下に説明する。

図２は、フィンガー２４０の部分断面図であって、特に第二リンク２４２の内部構造を示している。第二リンク２４２の内部には、電動モータ６０と、クラッチ機構１と歯車機構２とからなる回転力伝達装置１００が配置されている。

電動モータ６０の回転力が回転力伝達装置を介して、第一関節２４３に伝わり、第一関節２４３と第一リンク２４１を動作させる。

クラッチ機構１は、歯車機構２を介して伝達される電動モータ６０の回転力を、第一関節２４３に伝えて第一リンク２４１を動作させるが、第一リンク２４１側から負荷が加わっても、歯車機構２には力を伝えない。

すなわち、電動モータ６０に通電していない状態においても、外部からフィンガー２４０の指先である第一リンク２４１に負荷が加わっても、第一リンク２４１は動かずに、その位置を保持する。したがって、クラッチ機構１は、外部からの負荷に対してはロック機構として機能する。

各関節を動作させるため、ロボットハンド２００を構成するベース２１０及びこのベース２１０に連結された各フィンガーには、第一関節２４３を駆動させる第二リンク２４２の内部構造と同様に、各関節に対応した電動モータ及び回転力伝達装置が組み込まれている。

図３は第二リンク２４２内部の回転力伝達装置１００の部分を拡大して示した図である。回転力伝達装置１００において、構造を示すために回転力伝達装置の外装部でもある保持器８０の部分のみを断面で示している。
回転力伝達装置１００は、図３に示すように、保持器８０内でクラッチ機構１と歯車機構２とを軸方向に連結している。

保持器８０は、上板８１ａと下板８１ｂ、支柱８３ａ、８３ｂ、ハウジング８４及び軸受８５とで構成されている。
保持器８０の内部ではクラッチ機構１の固定部材１０が上板８１ａに固定配置されている。
また保持器８０の内部では歯車機構２を構成する多段歯車７１が支柱８３ａを軸として回転可能に保持されている。更に、同じく歯車機構２を構成する多段歯車７２が支柱８３ｂを軸として回転可能に保持されている。

電動モータ６０を駆動源とする回転軸６１の回転力は、回転軸６１に固着されるピニオン歯車６２が、多段歯車７１の大歯車部７１ａと噛み合って回転することにより、伝達される。
同時に、多段歯車７１の小歯車部７１ｂが、多段歯車７２の大歯車部７２ａと噛み合い回転力を伝達する。
そして、多段歯車７２の小歯車部７２ｂが、クラッチ機構１の入力側の軸部３３に固着される歯車３４と噛み合い回転力をクラッチ機構１に伝達する。

すなわち、歯車機構２を用いた一連の回転力の伝達機構は、いわゆるスパー減速機を構成している。
歯車３４を介してクラッチ機構１の入力側の軸部３３に伝達された回転力は、軸受８５が支持する出力軸２４から出力される。

出力軸２４は、第一関節２４３の一部に連結されており、第一関節２４３と、第一関節２４３に保持されている第一リンク２４１を動作させる。

次に、クラッチ機構１の構造について、図４から図１０を用いて説明する。
クラッチ機構１は、図５の（I）−（I）線断面である図４および図４の（II）−（II）線方向から見たクラッチ機構１の側断面図である図５に示すように、円柱状空間を有する収納室１１を形成した固定部材１０と、収納室１１に同軸状に収納された出力回転体２０と、出力回転体２０に対し同軸状に設けられた入力回転体３０と、収納室内周面１１ａと出力回転体２０の外周面との間に設けられた一対の係合子４１，４２と、一方の係合子４１を周方向の一方側（図４によれば時計方向側）へ付勢するとともに他方の係合子４２を周方向の他方側（図４によれば反時計方向側）へ付勢する付勢部材５０とを備える。

そして、このクラッチ機構１は、入力回転体３０の軸部３３に固着される歯車３４に噛み合う多段歯車７２の小歯車部７２ｂから、該入力回転体３０に回転力を受けた際に、この回転力を出力回転体２０に伝達して出力回転体２０を回転させ、また、出力回転体２０に対し外部から回転力が加わった際には、該出力回転体２０を回転不能にロックする。

固定部材１０は、その内部に、出力回転体２０、係合子４１，４２および付勢部材５０を収納するための収納室１１を有する。収納室１１は、内周面１１ａにより囲まれた略円柱状空間を確保している。前記内周面１１ａは、凹凸のない円筒内周面状の曲面である。

この固定部材１０は、保持器８０の上板８１ａに回転不能に固定されている。
この固定の方法としては、図３に示される固定部材１０において、収納室１１の軸方向に対して垂直な面の壁から軸方向出力側への厚み部分１１ｔの少なくとも一部で、上板８１ａに対してネジ止め、溶着等を行う。

出力回転体２０は、収納室１１に同芯状に配置された略円板状の部材であり、その中心側が固定部材１０に対し回転自在に支持されている。この出力回転体２０の軸方向の一端側の部分は、固定部材１０に対し回転自在に嵌め合せられるとともに、その中心部に、外部へ露出した出力軸２４を一体に有する。
この出力回転体２０の外周部には、周方向の一方側（図４によれば時計方向側）へ向かって収納室１１の内周面１１ａとの間を徐々に狭める一方のカム面２１と、この一方のカム面２１の前記一方側に隣接する凹部２２と、前記一方のカム面２１に背反するように他方側（図４によれば反時計方向側）へ向かって収納室１１の内周面１１ａとの間を徐々に狭める他方のカム面２３と、付勢部材５０を係止するための係止部２５とが、所定角度（等間隔）置きに複数組（図示例によれば３組）並べ設けられる。

カム面２１とカム面２３は、左右対称に設けられる。各カム面２１，２３は、周方向に湾曲する凸曲面状に形成され、より詳細に説明すれば、収納室内周面１１ａの半径から、各係合子４１，４２の直径を減じた値よりも大きな半径の円弧状に形成されるとともに、該円弧の中心位置を出力回転体２０の中心位置からずらすようにして設けられる。

凹部２２は、出力回転体２０の外周面から求心方向へ凹むとともに、出力回転体２０の軸方向へ貫通している。この凹部２２内の周方向の両端には、後述する入力回転体３０の押圧伝達部３１によって押圧される被押圧面２２ａ，２２ｂを有する。これら被押圧面２２ａ，２２ｂは、径方向へわたる平坦面状に形成され、一方の被押圧面２２ａは、一方のカム面２１と交差し、他方の被押圧面２２ｂは、他方のカム面２３と交差している。

係止部２５は、出力回転体２０の外周部において、背反する一方のカム面２１と他方のカム面２３との間に配置された凹部であり、詳細には、付勢部材５０を挿通する挿入空間部２５ａと、該挿入部よりも奥側（底側）に形成された底側空間部２５ｂとからなる。
挿入空間部２５ａは、一定幅の空間を形成している。また、底側空間部２５ｂは、挿入空間部２５ａよりも周方向の幅の広い空間を形成している。これら挿入空間部２５ａ及び底側空間部２５ｂは、挿入される付勢部材５０の基端側部分を、容易に引き抜けることのないように固定する。

また、入力回転体３０における出力回転体２０側の側面には、凹部２２毎に対応するように、周方向に所定間隔を置いて複数（図示例によれば３つ）の押圧伝達部３１が突設されている。

押圧伝達部３１は、出力回転体２０の凹部２２に対し周方向の遊びを有する状態で嵌り合うとともに、凹部２２内から遠心方向へ突出する略扇形状に形成され、周方向の両端部に、出力回転体２０の被押圧面２２ａ，２２ｂに当接可能であって、且つ係合子４１，４２にも当接可能な当接面３１ａ，３１ｂを有する。

当接面３１ａ，３１ｂの各々は、凹部２２内から凹部２２外へわたって径方向へ連続している。一方の当接面３１ａは、凹部２２における一方の被押圧面２２ａと略平行な平坦面状に形成され、他方の当接面３１ｂは、凹部２２における他方の被押圧面２２ｂと略平行な平坦面状に形成される。
両当接面３１ａ，３１ｂ間の周方向の幅は、出力回転体２０における被押圧面２２ａ，２２ｂ間の周方向の幅よりも若干小さく設定されている。

係合子４１，４２は、円柱状又は球状（図示例によれば円柱状）に形成され、一方及び他方のカム面２１，２３に対応して一対に設けられている。
一対の係合子４１，４２のうち、一方の係合子４１は、一方のカム面２１および収納室内周面１１ａに接触するように配置され、他方の係合子４２は、他方のカム面２３および収納室内周面１１ａに接触するように配置される。そして、各係合子４１，４２は、後述する付勢部材５０に押圧された状態で、凹部２２の各被押圧面２２ａ，２２ｂよりも凹部２２内側へ若干突出した位置で静止している。

付勢部材５０は、長尺平板状のばね材を略Ｙ字状に曲げ成形してなり、出力回転体２０の係止部２５に止着固定された止着部５１と、該止着部５１から二股状に分かれるようにして延設された二つの押圧部５２，５２とからなり、押圧部５２，５２によって一対の係合子４１，４２を引き離すように付勢する。
止着部５１は、出力回転体２０外周の係止部２５における底側空間部２５ｂにならう略円形状の部分と、同係止部２５における挿入空間部２５ａにならう幅狭の平行板状の部分とからなる。
各押圧部５２は、止着部５１から延設されてカム面２１側（又はカム面２３側）へ傾斜し、その傾斜方向の面を、対応する係合子４１（又は係合子４２）の外周面に当接させている。

次に、上記構成のクラッチ機構１について、その特徴的な作用効果を詳細に説明する。
先ず、出力回転体２０及び入力回転体３０の何れにも回転力が加わっていない状態（図４参照）では、係合子４１，４２が、それぞれ、付勢部材５０に押圧されて、カム面２１，２３と収納室１１の内周面１１ａとの間の楔状部分に押し付けられる。
したがって、出力回転体２０は、一方向（図４によれば時計方向）と他方向（図４によれば反時計方向）の何れにも回転しないように、静止した状態に維持される。

前記状態から、出力回転体２０に、外部から、例えば前記一方向（図４によれば時計方向）の回転力が加わった場合には、前記一方向へ回転しようとする出力回転体２０の他方のカム面２３と収納室内周面１１ａとの間に、他方の係合子４２が食い込むようにして強く押し付けられるため、出力回転体２０の前記一方向への回転が阻まれる。
同様にして、出力回転体２０に、外部から、例えば前記他方向（図４によれば反時計方向）の回転力が加わった場合には、前記他方向へ回転しようとする出力回転体２０の一方のカム面２１と収納室内周面１１ａとの間に、一方の係合子４１が食い込むようにして強く押し付けられるため、出力回転体２０の前記他方向への回転が阻まれる。

また、例えば、図６に示すように、入力回転体３０に、前記一方向の回転力が加わった場合〔図６（ａ）〕には、入力回転体３０の押圧伝達部３１が、先ず一方の係合子４２に当接する〔図６（ｂ）〕ことで、該係合子４２とカム面２３との摩擦、および該係合子４２と収納室内周面１１ａとの摩擦が小さくなり、その後で、押圧伝達部３１が凹部２２内の被押圧面２２ｂに当接して出力回転体２０を押動する〔図６（ｃ）〕ため、出力回転体２０が前記他方向へスムーズに回転する。
また、入力回転体３０に前記他方向の回転力が加わった場合には、図示を省略するが、入力回転体３０の押圧伝達部３１が、先ず他方の係合子４１に当接することで、該係合子４１とカム面２１との摩擦、および該係合子４１と収納室内周面１１ａとの摩擦が小さくなり、その後で、押圧伝達部３１が凹部２２内の被押圧面２２ａに当接して出力回転体２０を押動するため、出力回転体２０が前記他方向へスムーズに回転する。

上記のような係合子４１，４２による係脱作用は、各カム面２１，２３と収納室内周面１１ａとの角度を適正に設定することで良好に得ることができる。このため、本実施例では、収納室内周面１１ａと各係合子４１，４２との接線と、各係合子４１，４２と各カム面２１，２３との接線とがなす角度をθとし、収納室内周面１１ａと各係合子４１，４２との静摩擦係数と、各係合子４１，４２と各カム面２１，２３との静摩擦係数とのうち、何れか小さい方の静摩擦係数をμとした場合に、sinθ／（cosθ＋１）≦μの関係が成り立つようにしている。以下に、このことについて詳細に説明する。

なお、以下の説明では、他方の係合子４２及び他方のカム面２３を用いた説明としているが、一方の係合子４１及び一方のカム面２１についても、左右対称が対象となって同様に作用するのは勿論である。

図７および図８は、収納室内周面１１ａと係合子４２とカム面２３との関係を示す模式図である。
図８中、ｙ軸は、一対の係合子４１，４２について、図上で出力回転体２０の右回転を係止する係合子４２を左側、左回転を係止する係合子４１を右側に配置されるように見たときに、これら左右の係合子４２，４１の中間線であって、且つ出力回転体２０の中心点Ｏを通る直線とする。ｘ軸は、ｙ軸に直交し、且つ出力回転体２０の中心点Ｏを通る直線とする。

また、図７〜８中及び数式中の記号の意味は、次の通りである。
Ａ：係合子４２と収納室内周面１１ａとの接線（図７参照）
Ｂ：係合子４２とカム面２３との接線
ｈ：ｘ軸から、係合子４２と出力回転体２０の接触点までの高さ（図８参照）
Ｌ：モーメントアーム（出力回転体２０の中心Ｏと、出力回転体２０が係合子４２から受ける荷重の作用線との最短距離）
Ｌ_POFF：出力回転体２０の中心Ｏから、出力回転体２０が係合子４２から受ける荷重の作用線とｙ軸との交点までの距離
Ｌ_OFF：出力回転体２０の中心Ｏから、係合子４２の接触点位置での法線とｙ軸との交点までの距離
Ｐ：係合子４２がカム面２３から受ける荷重（図７参照）
Ｐ_ｓ：係合子４２が付勢部材５０から受ける荷重
Ｒ_１：係合子４２が収納室内周面１１ａから受ける荷重
Ｒ_２：収納室内周面１１ａと係合子４２の摩擦力
Ｒ_ｐ：係合子４２とカム面２３の摩擦力
ｒ：係合子４２と出力回転体２０の接触点から、その接触点位置での法線とy軸が交わる点までの距離（図８参照）
θ：係合子４２と収納室内周面１１ａとの接線Ａと、係合子４２と他方のカム面２３との接線Ｂとの角度（図７参照）
θ_１：係合子４２と収納室内周面１１ａとの接線Ａと、ｘ軸との角度
θ_２：係合子４２と他方のカム面２３との接線Ｂと、ｘ軸との角度
θ_POFF：出力回転体２０が係合子４２から受ける荷重の作用線とｙ軸との角度（図８参照）
α：定数
μ：収納室内周面１１ａと係合子４２との静摩擦係数と、係合子４２とカム面２３との静摩擦係数のうち、何れか小さい方の静摩擦係数

先ず、保持トルクを発生させる係合子４２周辺の力の静バランスを考える。前提条件として、係合子４２は回転しないで滑り、付勢部材５０からの荷重は一定で、付勢部材５０と係合子４２との摩擦は無視できるものとし、収納室内周面１１ａ、カム面２３及び係合子４２は、弾性変形しないものとする。

係合子４２は回転せず、付勢部材５０との接触部の摩擦は無視できることから、係合子４２中心のモーメントのつり合いから、
Ｒ_ｐ＝Ｒ_２ ・・・・・（１）

x方向、y方向それぞれの力の静バランスより、
-P_s-Psinθ₂-R_Pcosθ₂+R₁sinθ₁-R₂cosθ₁=0
Pcosθ₂-R_Psinθ₂-R₁cosθ₁-R₂sinθ₁=0 ・・・・・（２）

（２）式に（１）式を代入し、
R₁sinθ₁-R₂(cosθ₁+cosθ₂)=P_s+Psinθ₂
R₁cosθ₁+R₂(sinθ₁+sinθ₂)=Pcosθ₂ ・・・・・（３）

ここで、係合子４２がすべらないぎりぎりの荷重が負荷された場合を想定すると、
R₂=μR₁ ・・・・・（４）

（３）式に（４）式を代入し、
R₁(sinθ₁-μ(cosθ₁+cosθ₂))=P_s+Psinθ₂
R₁(cosθ₁+μ(sinθ₁+sinθ₂))=Pcosθ₂ ・・・・・（５）

辺々をそれぞれ除し、
{sinθ₁-μ(cosθ₁+cosθ₂)}／{cosθ₁+μ(sinθ₁+sinθ₂)}=(P_s+Psinθ₂)／Pcosθ₂

簡単のため、構造が決まれば定数となる左辺をαと置く。
{sinθ₁-μ(cosθ₁+cosθ₂)}／{cosθ₁+μ(sinθ₁+sinθ₂)}＝α
α＝（P_s+Psinθ₂）／Ｐcosθ₂

Pについて解くと、
P=P_s/(αcosθ_２−sinθ_２) ・・・・・（６）

係合子４２からの反力が出力回転体２０に及ぼすトルクは、３ヶ所の係合子４２が同時に接触する場合、
T=３Lsqrt(P^２+R_P ^２) ・・・・・（７）
（なお、sqrt()は平方根を表す。）

ここで、モーメントアームLは、
L=L_POFFsinθ_POFF ・・・・・（８）

θ_POFFは係合子４２と出力回転体２０接触面の角度θ₂に、P、R_P合力角度を加算したものであるから、
θ_POFF=θ₂+Tan^-1(R_P/P) ・・・・・（９）

また、出力回転体２０の中心Ｏを通るｘ軸から、係合子４２と出力回転体２０の接触点までの高さをh、係合子４２と出力回転体２０の接触点から、その法線とy軸が交わる点までの距離をrとすると、以下の式が成り立つ。
rsinθ₂=(L_POFF+h)tanθ_POFF
h=rcosθ₂-L_OFF

上式より、
L_POFF=(rsinθ₂／tanθ_POFF)-rcosθ₂+L_OFF ・・・・・（１０）

以上より、与えられるP_sおよび各構造の寸法、角度および静摩擦係数μから、（６）式、（４）、（５）式を使用してP、R₁、R₂を求め、（７）〜（１０）式で係合子４２が耐えられる最大トルクを算出できる。

ところで、（６）式に注目すると、右辺分母が０に近づくにつれて滑らないぎりぎりの荷重Pは大きくなり続け、やがては無限大に発散する。すなわち、ある条件ではトルクをいくらかけても理論上滑ることはないと言える。

（６）式右辺分母が正の値をとる場合は、有限の荷重で滑り出す。
αcosθ₂-sinθ₂>0

上記以外の条件では、有限の荷重で滑り出すことはない。
αcosθ₂-sinθ₂≦0
ここで、αを元に戻すと、
{sinθ₁-μ(cosθ₁+cosθ₂)}cosθ₂／{cosθ₁+μ(sinθ₁+sinθ₂)}-sinθ₂≦0
これを解くと、
sin(θ₁-θ₂)／{cos(θ₁-θ₂)+1}≦μ ・・・・・（１１）

（１１）式の条件を満たすθ₁、θ₂の組み合わせとすると、いくらトルクをかけても滑らない固定部材１０、係合子４２および出力回転体２０が設計できる。できるだけθ₁とθ₂の角度差がない状態になるように設定することが重要である。

ここで、θ₁-θ₂＝θだから、
sinθ／（cosθ＋１）≦μ ・・・・・（１１）
が成り立つ。

よって、（１１）式を満たすように、角度θを設定することで、係合子４１，４２による係脱作用を良好に得るようにしている。

上記構成のクラッチ機構１によれば、一体状の押圧伝達部３１を凹部２２内外の単一空間に嵌め合せ、押圧伝達部３１における平坦面状の当接面３１ａ，３１ｂを被押圧面２２ａ，２２ｂと係合子４１，４２に順次に当接する構造としている。この簡素な構造により、小型化が容易な上、生産性も良好であり、異物等に起因する作動不良も生じ難く、耐久性も良好である。

また、カム面２１，２３を、収納室内周面１１ａの半径から係合子４１，４２の直径を減じた値よりも大きな半径の円弧状の凸曲面に形成しているため、収納室内周面１１ａと係合子４１，４２との接線と、係合子４１，４２とカム面２１，２３とがなす角度θを、カム面を平坦状に形成した従来技術と比較して、より広い範囲の中で適切に設定できる。よって、例えば、係合子４１，４２を前記楔状部分の奥側へ寄せるようにして小型化した場合でも、角度θを比較的大きく確保して、係合子４１，４２が収納室内周面１１ａとカム面２１，２３とがなす楔状部分に食い込み易い設計にできる。これにより、係合子４１，４２による係脱作用を良好に維持した上で、クラッチ機構１全体の小型化が可能となる。

また、クラッチ機構１の説明として、出力回転体２０の外周部に、カム面２１，２３、凹部２２、係合子４１，４２及び付勢部材５０等を３組並べた形態として説明したが、これらを２組又は４組以上設ける形態とすることも可能である。

尚、クラッチ機構１において、長期間の使用などによる機械的な摩耗や変形による不具合の可能性を低減する上で、次のような形態を取り入れることも有効であることが確認されている。その一つは、カム面２１，２３に、係合子４１，４２との接触点よりも凹部２２寄りに、径外方向にわずかに突出する突起を設けることである。また、一つには、出力回転体２０の外周におけるカム面２１，２３と凹部２２無いの周方向端面との角度を９０°以上に設定することである。更に、一つには、収納室１１の内径に対する係合子４１，４２の外径の比率を、０．２０以上０．２７以下の範囲とすることである。

小型化が可能となることについて、より具体的には、他のクラッチ機構の構成では実現が困難であった外径φ１２mmサイズから、φ６ｍｍ程度までの小型化が可能である。このようにクラッチ機構自体を小型化できるので、上記実施例で示したように、小型のロボットハンドの指部分に組み入れることができる。

上記実施例では、歯車機構２として、有段歯車を組み合わせた所謂スパー減速機の構造を採用し、この歯車機構２よりも出力側（関節側）に、クラッチ機構１を配置することにより、外部からの負荷によるバックラッシを完全に除去するようにした。しかし、敢えて、歯車機構２を構成する複数の歯車の中間にクラッチ機構１を配置して、わずかなバックラッシが残るようにしてもよい。
例えば、他例として、図９に示す構成等も考えられる。図９に示すフィンガー３１０は、モータ３０１の回転駆動力を次のように伝えることで動作する。モータ３０１にはギヤヘッド３０２が接続されている。ギヤヘッドの内部は複数段の遊星歯車減速機構と、出力側からの力は伝達しないクラッチ機構（図示しない）とが組み込まれている。ギヤヘッド３０２は第二リンク３１２に保持されている。ギヤヘッド３０２からの出力は、第二リンク３１２に配置された、かさ歯車機構３０３からプーリ機構３０４に伝えられる。プーリ機構３０４の出力により、関節３１３と第一リンク３１１が動作する。

本発明のロボットハンドは、出力側からの負荷を遮断できるクラッチ機構と、複数の歯車などで構成される減速機構とを一体に構成することが可能なので、全体サイズの過剰な増加や重量の増加を避けることができる。また、減速機構とクラッチ機構との取付ずれによる動作精度の低下も防止することができる。これによって、小型のロボットハンドにおける応答性や動作効率、精度の向上に有効である。
また、停電やノイズ等により意図しない駆動モータの出力低下或いは停止が発生したとしても、クラッチ機構は無通電状態で指機構の位置を保持することができるため、把持しているものを落としたりすることがなく、高い安全性を付与することができる。
また、ロボットハンドの指機構での把持を行ったまま駆動モータへの電力供給を絶った場合でも把持状態を維持し続けることができるので、消費電流を大幅に低減することができる。

本発明のロボットハンドは、主に産業用ロボットにおいて、把持能力のあるエンドエフェクタとして使用して、高い把持信頼性と低消費電力駆動を可能にするといった付加価値を付与できる。

１：クラッチ機構
２：歯車機構
１０：固定部材
１１：収納室
１１ａ：収納室内周面
２０：出力回転体
２１，２３：カム面
２２：凹部
２２ａ，２２ｂ：被押圧面
２４：出力軸
３０：入力回転体
３１：押圧伝達部
３１ａ，３１ｂ：当接面
４１，４２：係合子
５０：付勢部材
６０：モータ
５１：止着部
５２：押圧部
７１，７２：多段歯車
８０：保持器
１００：回転力伝達装置
２００：ロボットハンド
２１０：ベース
２２０，２３０，２４０：フィンガー
２４１：第一リンク
２４２：第二リンク
２４３：第一関節
２４４：第二関節

Claims (4)

1. 複数の指を有するロボットハンドにおいて、
   前記指の関節の駆動源となるモータと、前記モータの回転を入力トルクとして入力側から出力側に伝達する回転力伝達装置とを備え、
   前記回転力伝達装置は、前記入力側に加えられる前記入力トルクを前記出力側に伝達するが前記出力側に加えられる逆入力トルクは入力側に伝達しないクラッチ機構と、複数の歯車からなる歯車機構とで構成されることを特徴とするロボットハンド。
   
2. 前記クラッチ機構は、円柱状空間を有する収納室と、前記収納室に同軸状に収納された出力回転体と、前記出力回転体に対し同軸状に設けられた入力回転体と、前記収納室の内周面と出力回転体の外周面との間に設けられた係合子と、前記係合子を周方向の一方側へ付勢する付勢部材とを備え、前記出力回転体の外周面に、前記一方側へ向かって前記収納室の内周面との間を徐々に狭めるカム面を形成し、前記入力回転体が前記一方側に対する他方側に回転した際に、前記入力回転体を前記係合子に当接した後に、同入力回転体を前記出力回転体に当接して前記出力回転体を押動するようにしたものであることを特徴とする請求項１記載のロボットハンド。
   
3. 前記複数の指は、各指が１つ以上の前記関節を有し、
   １つの前記関節に対して、該関節を駆動する前記モータと前記回転力伝達装置との組合せが、一組以上配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載のロボットハンド。
   
4. 前記クラッチ機構は、前記歯車機構よりも前記出力側に配置されていることを特徴とする請求項１から３何れか１項記載のロボットハンド。

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