WO2021141024A1

WO2021141024A1 - ロボットハンド

Info

Publication number: WO2021141024A1
Application number: PCT/JP2021/000108
Authority: WO
Inventors: 天毅康
Original assignee: 株式会社ＰｒｅｆｅｒｒｅｄＮｅｔｗｏｒｋｓ
Priority date: 2020-01-06
Filing date: 2021-01-05
Publication date: 2021-07-15
Also published as: JP2023046413A

Abstract

ロボットハンドは、把持対象物を挟持する少なくとも２つの指を有する挟持機構と、２つの指のうちの第１の指に設けられる、把持対象物を引き込むクローラと、挟持機構とクローラとを駆動可能なモータと、モータによる駆動対象をクローラから挟持機構に切り替える切替機構と、を備える。

Description

ロボットハンド

　本開示は、ロボットハンドに関する。

　ロボットハンドの把持能力の向上が望まれている。特に、住居内などで人間と協働するパーソナルロボットを実現する上で、硬い床や机などの面上に置かれている把持対象物を持ち上げることは不可欠な要求であり、把持対象物をより確実に把持できるのが好ましい。

　従来技術には、五指のロボットハンドの手の平にベルトコンベアの移送機構を設け、ロボットハンドにより把持対象物を把持した際に、移送機構により把持対象物を把持した状態で把持対象物を手の平の中で所定方向に動かすことができ、これにより把持能力を向上させる構成が記載されている。

特開２００６－１５９３２０号公報

　従来技術の構成は、移送機構に関する要素や駆動源を指の駆動源とは別にロボットハンド内に設ける必要があり、複雑な構成となる場合がある。

　本開示は、従来技術とは異なる構成で把持能力を向上できるロボットハンドを提供することを目的とする。

　本発明の実施形態の一観点に係るロボットハンドは、把持対象物を挟持する少なくとも２つの指を有する挟持機構と、前記２つの指のうちの第１の指に設けられる、前記把持対象物を引き込む引込機構と、前記挟持機構と前記引込機構とを駆動可能な駆動源と、前記駆動源による駆動対象を前記引込機構から前記挟持機構に切り替える切替機構と、を備える。

　本開示によれば、把持能力を向上できるロボットハンドを提供することができる。

実施形態に係るロボットハンドの斜視図実施形態に係るロボットハンドの駆動系の概略構造を示す図実施形態に係る切替機構の拡大図実施形態に係る第１モード時の切替機構の状態を示す断面図実施形態に係る第２モード時の切替機構の状態を示す断面図実施形態に係る第３モード時の切替機構の状態を示す断面図実施形態に係るロボットハンドの把持動作の第１モードの一例を示す図実施形態に係るロボットハンドの把持動作の第２モードの一例を示す図実施形態に係るロボットハンドの把持動作の第３モードの一例を示す図板状の把持対象物に対する実施形態に係るロボットハンドの把持動作の第１モードを示す図板状の把持対象物に対する実施形態に係るロボットハンドの把持動作の第２モードを示す図板状の把持対象物に対する実施形態に係るロボットハンドの把持動作の第３モードを示す図第１変形例に係るロボットハンドの概略構成図第２変形例に係るロボットハンドの概略構成図第３変形例に係るロボットハンドの概略構成図

　以下、添付図面を参照しながら実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

　なお、以下の説明において、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は互いに垂直な方向である。ｚ方向はロボットハンド１の関節の回転軸の方向である。ｙ方向は、切替機構７の当て止め部材１１（第１の要素）が移動可能な方向である。

　図１は、実施形態に係るロボットハンド１の斜視図である。図１に示すロボットハンド１は、一対の多関節指３，４によって把持対象物Ｓ１、Ｓ２（図７～図１１参照）を把持することができる装置である。ロボットハンド１は、例えば多自由度のロボットアームの先端部分にエンドエフェクタとして装着されて利用される。

　図１に示すように、実施形態に係るロボットハンド１は、基部２と、把持対象物を挟持する挟持機構とを備える。図１では挟持機構として一対の多関節指３、４が示される。多関節指３、４は、本実施形態ではそれぞれ２つの関節を有して構成されるが、単関節の構成（例えば各指１自由度の回転開閉グリッパの構成）であっても、３つ以上の関節を有する構成でもよい。また、挟持機構は、屈曲する関節を有さずに、リンクがリニアスライダ上を直動して把持対象物を挟持する平行開閉グリッパの構成であってもよい。また、挟持機構は、把持対象物Ｓ１、Ｓ２を挟持可能であればよく、例えば対向する２指のうち一方が固定されており他方が１関節以上有するような構成でもよい。また、挟持機構は、三本以上の多関節指を備える構成でもよい。この挟持機構の駆動源は、後述の通りモータ６であり、モータ６からの駆動力が挟持機構に伝達されることで、１以上の関節が屈曲して、または、１以上のリンクが直動して、把持対象物が挟持される。

　一対の多関節指３，４（以下で一方の多関節指を「右指３」、他方の多関節指４を「左指４」とも表記する）は、対向配置されて基部２に取り付けられる。すなわち右指３及び左指４は、それぞれの指腹が対向する姿勢で基部２に取り付けられ、各指の関節を曲げると指先が相互に接近する向きで基部２に取り付けられている。

　基部２は、例えば略矩形体状の部材であり、ｚ方向から視たときの略矩形状の４つの角部のうち隣接する２つの角部に右指３及び左指４がそれぞれ取り付けられる。

　右指３は、上述のとおり二関節指であり、指先側の第１リンク３１と、基部２側の第２リンク３２の２つのリンクを有し、第１リンク３１と第２リンク３２とを連結する第１関節３３の回動によって、第１リンク３１と第２リンク３２とのなす角度が変動するよう制御され、第２リンク３２と基部２とを連結する第２関節３４の回動によって、基部２に対する第２リンク３２の角度が変動するよう制御される。同様に、左指４は、上述のとおり二関節指であり、指先側の第１リンク４１と、基部２側の第２リンク４２の２つのリンクを有し、第１リンク４１と第２リンク４２とを連結する第１関節４３の回動によって、第１リンク４１と第２リンク４２とのなす角度が変動するよう制御され、第２リンク４２と基部２とを連結する第２関節４４の回動によって、基部２に対する第２リンク４２の角度が変動するよう制御される。

　右指３及び左指４の各関節３３、３４、４３、４４の回動は、各指のリンク３１、３２、４１、４２の内部に掛け渡されるベルト８によって行われる。なお、図１では、右指３の第１リンク３１の指腹の内部が露出した部分ではベルト８の図示を省略している。基部２にはモータ６と切替機構７とが設けられる。本実施形態では、モータ６は基部２上のｘ方向の右指３側に配置され、切替機構７は基部２上のｘ方向の左指４側に配置されている。ベルト８の一方の端部にモータ６によって回転する部分（後述のプーリ５０）が連結され、他方の端部に切替機構７が連結される。

　右指３及び左指４の各関節３３、３４、４３、４４の屈曲動作は、モータ６が回転してベルト８が巻き取られることによって行われる。また、右指３及び左指４の各関節３３、３４、４３、４４の伸展動作は、ベルト８を巻き取る回転とは逆向きにモータ６が回転して、巻き取られたベルト８が引き出されることによって行われる。また、各関節３３、３４、４３、４４にはねじりバネ３５（付勢要素）が設けられている。ねじりバネ３５は、関節が屈曲したときに伸展方向に付勢するように取り付けられている。すなわち、本実施形態の挟持機構としての一対の多関節指３，４は、自由度よりアクチュエータが少ない劣駆動系である。

　なお、各指３，４の各関節３３、３４、４３、４４に設けられるねじりバネ３５のバネ定数や、後述する切替機構７の予圧用ばね９のバネ定数、各指３，４の各リンク３１、３２、４１、４２のリンク長、ベルト８を懸架する各プーリの径など、ロボットハンド１の各種パラメータには、例えば、あらかじめ物理シミューレータによる物理シミュレーション環境において設定値を変えながら把持を繰り返し試行するシミュレーションを行い、そのシミュレーションにおいて把持が成功した設定値を採用することができる。すなわち、挟持機構および引込機構および切替機構のいずれかを構成する部品の仕様の少なくとも一部は、上述の物理シミュレーションに基づいて決定することができる。なお、ねじりバネ３５と同様の作用を発揮できるものであれば、ねじりバネ３５以外の要素を適用してもよい。

　本実施形態においては、左指４（第１の指）の第１リンク４１の一部、具体的には指腹部分に、クローラ５（引込機構）が設けられる。クローラ５は、例えば図１に示すように、基部２側に移動するコンベヤ装置であり、ロボットハンド１が把持対象物Ｓ１、Ｓ２を把持したときに、基部２側に向けて駆動して把持対象物Ｓ１、Ｓ２を基部２側に移動させて引き込むことができる。なお、本実施形態では、クローラ５は、ベルト８の一部を利用して形成されている。

　図２は、実施形態に係るロボットハンド１の駆動系の概略構造を示す図である。図２に示すように、本実施形態において、指３，４の関節駆動と、クローラ５の駆動との両方は、単一の駆動源であるモータ６により行われる。ベルト８の一方の端部はモータ６に連結されて、他方の端部は切替機構７に連結される。

　モータ６の回転方向や回転速度などの各種動作は、コントローラ７０により制御される。コントローラ７０は、ロボットハンド１に内蔵されてもよいし、ロボットハンド１の外部に設置されてモータ６と通信可能に接続される構成でもよい。コントローラ７０は、物理的には、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、主記憶装置であるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）およびＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、入力デバイスであるキーボード及びマウス等の入力装置、ディスプレイ等の出力装置、ネットワークカード等のデータ送受信デバイスである通信モジュール、補助記憶装置、などを含むコンピュータシステムとして構成することができる。

　また、コントローラ７０は、アナログ回路、デジタル回路又はアナログ・デジタル混合回路で構成された回路であってもよい。また、コントローラ７０の各機能の制御を行う制御回路を備えていてもよい。各回路の実装は、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）等によるものであってもよい。

　本実施形態において、ベルト８の一端部は、モータ６の出力軸に取り付けられた巻き取りプーリ５０に巻回されており、右指３では、第２関節３４に設けられた第１プーリ５１と、第２リンク３２の外側に設けられた第２プーリ５２と、第１関節３３に設けられた第３プーリ５３と、第１リンク３１の内側に設けられた第４プーリ５４と、第１リンク３１の内側かつ第１関節３３付近に設けられる第５プーリ５５と、第２リンク３２の内側かつ第１関節３３付近に設けられる第６プーリ５６と、第２リンク３２の内側かつ第２関節３４付近に設けられる第７プーリ５７と、基部２のうち指３，４の間、かつ、第２関節３４付近に設けられる第８プーリ５８と、に順に巻き掛けられる。さらに左指４では、基部２のうち指３，４の間、かつ、第２関節４４付近に設けられる第９プーリ５９と、第２リンク４２の内側かつ第２関節４４付近に設けられる第１０プーリ６０と、第２リンク４２の内側かつ第１関節４３付近に設けられる第１１プーリ６１と、第１リンク４１の内側かつ第１関節４３付近に設けられる第１２プーリ６２と、第１リンク４１の指腹部に設けられる第１３プーリ６３、第１４プーリ６４、第１５プーリ６５、第１６プーリ６６と、第１関節４３に設けられた第１７プーリ６７と、第２リンク４２の外側に設けられた第１８プーリ６８と、第２関節４４に設けられた第１９プーリ６９と、に順に巻き掛けられ、ベルト８の他端部は切替機構７の当て止め部材１１に連結されている。なお、ベルト８はモータ６および当て止め部材１１に連結されているが、この連結は直接的でも間接的でもどちらでもよい。

　本実施形態では、ベルト８は平ベルトであり、各プーリとの接触面積を増やせるよう構成されている。なお、ベルト８は、モータ６から出力された駆動力（引張力）を切替機構７側へ伝達でき、かつ、モータ６駆動によって巻き取り可能なひも状体であればよく、例えば丸ベルトやワイヤなど、平ベルト以外の要素を用いてもよい。本実施形態では、ベルト８を含むひも状体は、「駆動源（モータ６）によって引っ張られて可動する要素」とも表現できる。要素が駆動源によって動かされることによって、駆動源からの駆動力が挟持機構と引込機構５に伝達される。

　図３は、実施形態に係る切替機構７の拡大図である。図４は、実施形態に係る第１モード時の切替機構７の状態を示す断面図である。図５は、第２モード時の切替機構７の状態を示す断面図である。図６は、実施形態に係る第３モード時の切替機構７の状態を示す断面図である。図４～図６は、図３中のＡ－Ａ断面である。

　図２～６に示すように、本実施形態の切替機構７は、予圧用ばね９（予圧用付勢要素）と、溝１０（第２の要素）と、当て止め部材１１とを有する。当て止め部材１１は、ベルト８の端部に連結される。本実施形態の溝１０は、基部２の外殻部分にｙ方向に沿って形成され、基部２のｚ方向両側の表面と内部とを連通している。本実施形態の当て止め部材１１は、例えば板状の部材であり、基部２の内部空間に収容されると共に、溝１０にｚ方向の端部が摺動可能に嵌められている。また、当て止め部材１１は、溝１０のｙ負方向側端面１０Ａに突き当たるよう配置され、端面１０Ａよりｙ負方向への移動が規制されている。同様に、当て止め部材１１は、溝１０のｙ正方向側端面１０Ｂに突き当たるよう配置され、端面１０Ｂよりｙ正方向への移動が規制されている。このように、当て止め部材１１は、溝１０のｙ負方向側端面１０Ａと、ｙ正方向側端面１０Ｂとの間を摺動可能に基部２に取り付けられており、これによりベルト８の端部の移動範囲も、当て止め部材１１の摺動範囲に限定されている。つまり、当て止め部材１１は、ベルト８の摺動範囲を規制する第１の要素である。なお、溝１０は、基部２のｚ方向両側の表面と内部とを必ずしも連通する必要はなく、当て止め部材１１のｙ方向の摺動範囲を限定できればよい。つまり、溝１０は、当て止め部材１１（第１の要素）の摺動範囲を規制する第２の要素である。

　予圧用ばね９は、例えばコイルばねであり、伸縮方向が当て止め部材１１の摺動方向と一致するよう、当て止め部材１１と基部２（固定端）との間に連結されている。予圧用ばね９は、ｙ負方向側に付勢されて設置されている。当て止め部材１１は、ベルト８を介してモータ６から伝達される引張力が予圧用ばね９の付勢力より小さい場合には、図４に示すように、溝１０のｙ負方向側端面１０Ａと接触する位置に保持される。モータ６から受ける引張力が予圧用ばね９の付勢力より大きくなると、図５に示すように、その力に応じてｙ正方向側に移動する。そして、図６に示すように、溝１０のｙ正方向側端面１０Ｂまで移動すると、これ以上のｙ正方向側への移動が規制され、予圧ばね９の付勢力以上の引張力がベルト８に伝達されている間は、溝１０のｙ正方向側端面１０Ｂと接触する位置に保持される。なお、予圧用ばね９と同様の作用を発揮できるものであれば、予圧用ばね９以外の要素を適用してもよい。

　本実施形態のロボットハンド１の把持動作の手順について、図２～図６に加えて、さらに図７～図９を参照して説明する。図７は、実施形態に係るロボットハンド１の把持動作の第１モードを示す図である。図８は、実施形態に係るロボットハンド１の把持動作の第２モードを示す図である。図９は、実施形態に係るロボットハンド１の把持動作の第３モードを示す図である。図７～図９では、例えば円柱や球など、ｚ軸方向の断面が円形状の把持対象物Ｓ１に対する把持動作を例示している。

　上記構成のロボットハンド１により把持対象物Ｓ１を把持するには、まずモータ６を駆動してベルト８がたるまない程度の張力を維持しつつベルト８が繰り出される。これにより右指３及び左指４の各関節３３、３４、４３、４４はねじりバネ３５の作用によって伸展し、図７に点線で示されるように、右指３及び左指４が開状態となる。次いでモータ６を駆動してベルト８を巻き取り、これによりベルト８に所定の引張力を付与する。このとき、図４、図７に示すように、切替機構７の予圧用ばね９は伸長せず、当て止め部材１１は溝１０のｙ負方向側端面１０Ａと接触する位置に保持される。このとき、図２、図４に示す、ベルト８のうち第１９プーリ６９と当て止め部材１１の間の部分Ｌ５は縮小されず一定長さで維持される。

　このような切替機構７の状態においてモータ６によるベルト８の巻き取りを行うと、ベルト８の引張力に対して各関節３３、３４、４３、４４のねじりばね３５の伸展方向の付勢力が負けて、関節３３、３４、４３、４４が屈曲する。これにより、図２に示す、ベルト８のうち右指３の第１リンク３１と第２リンク３２との間の部分Ｌ１と、第２リンク３２と基部２との間の部分Ｌ２と、左指４の第２リンク４２と基部２との間の部分Ｌ３と、第１リンク４１と第２リンク４２との間の部分Ｌ４が縮小し、その部分Ｌ１～Ｌ４の縮小分がモータ６の出力軸に設けられたプーリ５０に巻き取られる。このとき、Ｌ１～Ｌ４の縮小分のみが巻き取られるので、ベルト８上のモータ６からの力の伝達経路において、右指３の第１２プーリ６２より下流側では、各プーリとベルト８との間で相対的な変位は実質的には発生しない。そのため、切替機構７の当て止め部材１１は溝１０に対して移動せず、また、クローラ５も、関節４３、４４の屈曲によって若干は動いてしまうものの実質的には作動しない。

　このような切替機構７と各関節３３、３４、４３、４４の動作によって、図７に示すように右指３及び左指４が互いに接近する方向に移動して、把持対象物Ｓ１をｘ方向両側から把持する。このように、右指３及び左指４の関節３３、３４、４３、４４が屈曲し（すなわち挟持機構が作動し）、かつ、クローラ５が非作動の動作モードを本実施形態では第１モードと呼ぶ。この第１モードでは、駆動源であるモータ６の駆動力は挟持機構に伝達（供給）されるが、引込機構であるクローラ５には伝達（供給）されない。

　なお、第１モードを実現するためには、例えば、各関節３３、３４、４３、４４のねじりバネ３５には、切替機構７の予圧用ばね９より弱い抗力のばねが適用されるなどして、モータ６によるベルト８の引張力に対してねじりバネ３５が予圧用ばね９より先に変形し始める構成とする必要がある。このような構成を実現するため、ねじりバネ３５と予圧用ばね９のバネ定数などの各種パラメータは、例えば、予備実験やシミュレーションなどで事前に求められている。なお、ねじりバネ３５は、関節の伸長方向に付勢できる要素であればよく、例えば、ねじりバネ３５以外の他の弾性体を用いてもよい。同様に、切替機構７の予圧用ばね９も、ベルト８の延在方向に付勢できる要素であればよく、例えば、コイルばね以外の他の弾性体を用いてもよい。

　同様に、第１～第３モードを好適に実現できるように、右指３及び左指４の各リンク３１、３２、４１、４２の長さや関節の駆動パラメータなどの機構的なパラメータを、シミュレーションを利用して最適化計算により決定してもよい。

　次に、右指３及び左指４が把持対象物Ｓ１を掴むことによって、関節３３、３４、４３、４４がこれ以上屈曲できない場合には、上述のベルト８の部分Ｌ１～Ｌ４が縮小できないので、モータ６によるベルト８の引張力が図２に示す第１２プーリ６２を越えて下流側の切替機構７まで伝達される。これにより、予圧用ばね９の付勢力よりも引張力が大きくなると、図５、図８に示すように、当て止め部材１１が溝１０に沿って上流側（モータ６側）へ移動する。これにより、第１９プーリ６９と当て止め部材１１との間のベルト８の部分Ｌ５が縮小して、Ｌ５の縮小分がモータ６の出力軸に設けられたプーリ５０に巻き取られる。

　図２を参照して説明したように、本実施形態では、ベルト８のうち左指４の第１リンク４１の指腹部分、すなわち、第１２プーリ６２より下流側のベルト８の部分がクローラ５として用いられる。したがって、上述のように第１２プーリ６２より下流側のベルト８の部分が上流側に移動することによって、クローラ５は基部２側に駆動する。すなわち、モータ６によるベルト８の引張力が切替機構７の予圧用ばね９の付勢力より大きくなると、モータ６の駆動力が引込機構の駆動に用いられる。

　このような切替機構７とクローラ５の動作によって、図８に示すようにクローラ５と接触している把持対象物Ｓ１は基部２側に移動して、右指３と左指４との間により深く挟まれた状態となる。このように、右指３及び左指４の関節３３、３４、４３、４４の屈曲が停止し、かつ、関節３３、３４、４３、４４が屈曲したままの状態でクローラ５が作動する動作モードを本実施形態では第２モードと呼ぶ。第２モードでは、各関節が屈曲したままの状態で停止するので、把持対象物が挟持された状態が維持される。なお、把持対象物がクローラ５によって引き込まれることで指３、４の１以上の関節がさらに屈曲できる状態になると、クローラ５が一時的に停止してその関節の屈曲が再開する。そして、その関節の屈曲が停止するとクローラ５が再び作動する。このような動作も第２モードに含まれる。

　さらに、第２モードにおいて切替機構７及びクローラ５の動作が進み、図６、図９に示すように、当て止め部材１１が溝１０の上流側端部１０Ｂまで到達して溝１０の端面に当て止まると、図２、図６に示すベルト部分Ｌ５がこれ以上縮小できなくなるので、クローラ５の位置でベルト８が基部２側に移動できなくなりクローラ５は停止する。つまり、クローラ５は、切替機構７の溝１０の両端部１０Ａ、１０Ｂの距離分だけ作動する。

　このように、右指３及び左指４が把持対象物Ｓ１を持ったままクローラ５が止まると、クローラ５の駆動に供給されて用いられていたモータ６の駆動力が右指３及び左指４の関節３３、３４、４３、４４（すなわち挟持機構）に再び供給されて用いられることになる。このため、図２に示すベルト８の部分Ｌ１～Ｌ４が、モータ６によるベルト８の引張力によってさらに縮小して、各関節３３、３４、４３、４４をさらに屈曲させる。すなわち、切替機構７内においてベルト８の移動が止まると、それまで引込機構の駆動に用いられていたモータ６の駆動力が挟持機構に加わる。

　このような切替機構７と各関節３３、３４、４３、４４の動作によって、図９に示すように、右指３及び左指４が把持対象物Ｓ１を把持したままでより強固に把持する状態となる。このように、第２モードの右指３及び左指４が把持対象物Ｓ１を把持したままクローラ５が非作動となって、モータ６によって右指３及び左指４の関節を再び駆動して把持対象物Ｓ１をより強固に把持する動作モードを本実施形態では第３モードと呼ぶ。

　このように、本実施形態のロボットハンド１は、切替機構７によって、把持動作の第１モード、第２モード、第３モードをこの順番で切り替えて順次実行することができる。切替機構７は、当て止め部材１１が溝１０のｙ負方向側端面１０Ａと、溝１０に沿った任意の位置と、溝１０のｙ正方向側端面１０Ｂの３つの位置にある場合に、それぞれ第１、第２、第３モードを切り替えて実行できる。切替機構７は、第１モードから第２モードへの遷移において、モータ６による駆動対象を、右指３及び左指４の関節３３、３４、４３、４４から、クローラ５に切り替える。また、切替機構７は、第２モードから第３モードへの遷移において、モータ６による駆動対象を、クローラ５から再び右指３及び左指４の関節３３、３４、４３、４４に切り替える。

　本実施形態では、切替機構７は、溝１０と当て止め部材１１との位置関係によって、ベルト８（すなわち駆動源（モータ６）によって引っ張られて可動する要素）がモータ６により動かされる範囲を制限する。第２モードにおいて、引込機構としてのクローラ５は、切替機構７によって制限された範囲の間におけるベルト８の動きと連動して、把持対象物を引き込む。また、クローラ５はベルト８の一部であるので、ベルト８は、引込機構として、把持対象物を引き込むことになる。第３モードにおいて、挟持機構は、ベルト８が切替機構７によって制限された範囲の第１の端（上流側端部１０Ｂ）に達した後に、引込機構としてのクローラ５が把持対象物を引き込んでいるときよりも強く把持対象物を挟持する。

　また、第２モードから第３モードへの切り替えは、駆動源（モータ６）から出力され引込機構（クローラ５）に利用されていた力を、引込機構を停止することで挟持機構（指３，４）に利用する、とも表現できる。また、第２モードから第３モードへの切り替えは、切替機構によって引込機構が停止されると、駆動源から出力され引込機構に利用されていた力が、挟持機構が挟持している把持対象物に加わる、とも表現できる。

　本実施形態のロボットハンド１は、このように第１モード、第２モード、第３モードの順で実行して、指３，４の屈曲、クローラ５による引き込み、さらなる指３，４の屈曲、という順番で把持動作を行うことによって、把持対象物Ｓ１の把持状態をより強固なものにできる。さらに、この把持動作を行なえば、従来のロボットハンドでは安定的な把持が難しい形状の把持対象物も安定して把持できる。このような把持対象物の一例として、載置面Ｇに主面Ｓ２ａが当接した状態で載置されている板状の把持対象物Ｓ２を例示して説明する。

　図１０は、板状の把持対象物Ｓ２に対する実施形態に係るロボットハンド１の把持動作の第１モードの一例を示す図である。図１１は、板状の把持対象物Ｓ２に対する実施形態に係るロボットハンド１の把持動作の第２モードの一例を示す図である。図１２は、板状の把持対象物Ｓ２に対する実施形態に係るロボットハンド１の把持動作の第３モードの一例を示す図である。

　図１０に示すように、第１モードでは、載置面Ｇ上に主面Ｓ２ａが当接した状態で載置されている板状の把持対象物Ｓ２に対して、ｘ方向に対向する一対の側面Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃに右指３及び左指４をｘ方向両側から接近させ、右指３及び左指４の指腹部分で把持対象物Ｓ２が挟持される。

　図１１に示すように、第２モードでは、クローラ５が作動して左指４が接触している把持対象物Ｓ２の側面Ｓ２ｃが基部２側に引き込まれ、これにより、把持対象物Ｓ２がｚ軸まわりに回転して、側面Ｓ２ｃが右指３及び左指４の指腹と対向する姿勢から、主面Ｓ２ａが右指３及び左指４の指腹と対向する姿勢へ遷移する。

　図１２に示すように、第３モードでは、クローラ５が停止した後に右指３及び左指４の各関節３３、３４、４３、４４の屈曲がさらに進んで、最終的に把持対象物Ｓ２の主面Ｓ２ａが右指３及び左指４の指腹で挟持されて、図１０に示す第1モードのよりも、より安定して把持された状態となる。

　このように、本実施形態に係るロボットハンド１によれば、第２モードによりクローラ５による把持対象物Ｓ１、Ｓ２の引き込みを行った後に、さらに第３モードにより右指３及び左指４の各関節３３、３４、４３、４４を屈曲させるので、把持対象物Ｓ１、Ｓ２をより強固に把持することが可能となり、把持能力を向上できる。また、第２モードに関するクローラ５の動作と、第１モードおよび第３モードに関する右指３及び左指４の関節駆動との両方を、単一のモータ（言い換えると同じモータ）６の駆動によって実施でき、簡易な構成で上記の把持動作を実現できる。したがって、本実施形態に係るロボットハンド１は、簡易な構成で把持能力を向上できる。

　また、本実施形態では、モータ６から出力される駆動力はベルト８によって右指３及び左指４の各関節３３、３４、４３、４４に伝達されるベルト駆動方式の駆動系である。ベルト８の一端はモータ６に連結され、他端は切替機構７に連結される。クローラ５は、ベルト８の切替機構７側の一部により構成される。これにより、一本のベルト８によって、右指３及び左指４の関節駆動用と、クローラ５の動作用のベルトを兼用できる。また、単一のモータ６により単一のベルト（言い換えると、一連に構成されているベルト）８を巻き取る動作を行うだけで、自動的に第１モードから第２モード、第２モードから第３モードへ切替られる。したがって、さらに簡易な構成によって、関節駆動とクローラ５の二種類の把持動作、すなわち挟み込みによる把持動作と引き込みによる把持動作を実現できる。

　また、本実施形態では、モータ６による駆動対象を第１モードの多関節指３，４の関節３３、３４、４３、４４から第２モードのクローラ５に切り替え、その後に第２モードのクローラ５から第３モードの多関節指３，４の関節３３、３４、４３、４４に切り替える。つまり、第３モードではクローラ５は動かさない。第３モードでクローラ５が停止していないと、例えば把持対象物Ｓ１、Ｓ２の表面がすべりやすいなど、把持対象物Ｓ１、Ｓ２の摩擦が少ない場合に、クローラ５が把持対象物Ｓ１、Ｓ２の表面に対して空転して、一対の指３，４により挟持しにくくなる状況が考えられる。本実施形態では、第２モード後の第３モードではクローラ５を動かさず、関節の屈曲のみを行うことでより確実に把持対象物Ｓ１、Ｓ２を把持することができる。

　図１３～図１５を参照して実施形態の変形例を説明する。

　図１３は、第１変形例に係るロボットハンド１Ａの概略構成図である。図１３に示すように、一方の多関節指４にクローラ５を設ける他に、他方の多関節指３にも同様のクローラ５Ａを設けてもよい。この構成により、第２モードの際に把持対象物を挟持している両方の指３，４で均等に引き込み方向の力を把持対象物に加えることができるので、より安定かつ高速に把持対象物を基部２側へ引き込むことができる。この第１変形例における第１モード、第２モード、第３モードについては、例えば以下の通りになる。第１モードでは、指３に設けられたクローラ５Ａは作動するが、指４に設けられたクローラ５は実質的には作動せず、指３、４の各関節が屈曲する。第２モードでは、指３に設けられたクローラ５Ａと指４に設けられたクローラ５はともに作動する。第３モードでは、指３に設けられたクローラ５Ａは作動するが、指４に設けられたクローラ５は実質的には作動せず、指３、４の各関節に加わるトルクが増大して、把持対象物を挟み込む力が強くなるため、強固な挟持状態がつくられる。

　図１４は、第２変形例に係るロボットハンド１Ｂの概略構成図である。図１４に示すように、関節駆動用のベルト８Ａと、クローラ５用のベルト８Ｂとを分けてもよい。この場合、ベルト８Ｂは、例えば、図２を参照して説明した、第１リンク４１の指腹部に設けられる第１３プーリ６３、第１４プーリ６４、第１５プーリ６５、第１６プーリ６６に巻き掛けられる。また、ベルト８Ａは、図２に示した構成とは異なり、第１４プーリ６４、第１５プーリ６５、第１６プーリ６６には掛からず、第１３プーリ６３の次は第１関節４３に設けられた第１７プーリ６７に巻き掛けられる。

　ベルト８Ｂは、第１３プーリ６３にてベルト８Ａと共に巻き掛けられている。これにより、モータ６駆動によって、ベルト８Ａのうち第１２プーリ６２に掛かる部分が上流側（モータ６）に移動すれば、第１２プーリ６２が回転することによってベルト８Ｂも基部２側に連れまわる。したがって、上記の第２モードと同様に右指３及び左指４が把持対象物を把持して関節の屈曲が規制された状態では、上記実施形態と同様にモータ６の駆動によってクローラ５のみを作動させることができる。この第２変形例における第１モード、第２モード、第３モードについては、例えば以下の通りになる。第１モードでは、指４に設けられたクローラ５は実質的には作動せず、指３、４の各関節が屈曲する。第２モードでは、指４に設けられたクローラ５が作動する。第３モードでは、指４に設けられたクローラ５は作動せず、指３、４の各関節に加わるトルクが増大して、把持対象物を挟み込む力が強くなるため、強固な挟持状態がつくられる。

　図１５は、第３変形例に係るロボットハンド１Ｃの概略構成図である。図１５に示すように、ロボットハンド１Ｃは、三本の指１３、１４、１５を備える構成でもよい。図１５に示す本変形例の構成でも、他の実施形態と同様に、一本のベルト８が各指１３、１４，１５の各関節を回動できるよう掛け渡されており、ベルト８の一方の端部がモータ６に連結され、他方の端部が切替機構７の予圧用ばね９に連結される。

　以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

　上記実施形態では、モータ６から出力される駆動力を共通のベルト８（またはベルト８Ａ）を介して関節３３、３４、４３，４４とクローラ５に伝達する構成を例示したが、モータ６から関節３３、３４、４３，４４への駆動系と、モータ６からクローラ５への駆動系とを個別に設ける構成でもよい。

　上記実施形態では、切替機構７は、予圧用ばね９と、溝１０と、当て止め部材１１とを有する構成を例示したが、モータ６による駆動対象を多関節指３，４の関節３３、３４、４３、４４と、クローラ５との一方に切り替えることができる構成であればよく、他の構成でもよいし、予圧用ばね９、溝１０、及び当て止め部材１１の少なくとも一つの要素を変更した構成でもよい。

　本国際出願は２０２０年１月６日に出願された日本国特許出願２０２０－０００４３２号に基づく優先権を主張するものであり、特願２０２０－０００４３２号の全内容をここに本国際出願に援用する。

　１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ　　ロボットハンド
　２　　基部
　３、４、１３、１４、１５　　多関節指（挟持機構）
　３３、３４、４３、４４　　関節
　３５　　ねじりバネ（付勢要素）
　５　　クローラ（引込機構）
　６　　モータ（駆動源）
　７　　切替機構
　８　　ベルト（ひも状体）
　９　　予圧用ばね（予圧用付勢要素）
　１０　　溝（第２の要素）
　１１　　当て止め部材（第１の要素）
　Ｓ１、Ｓ２　　把持対象物

Claims

　把持対象物を挟持する少なくとも２つの指を有する挟持機構と、
　前記２つの指のうちの第１の指に設けられる、前記把持対象物を引き込む引込機構と、
　前記挟持機構と前記引込機構とを駆動可能な駆動源と、
　前記駆動源による駆動対象を前記引込機構から前記挟持機構に切り替える切替機構と、
を備えるロボットハンド。
　前記切替機構は、
　前記駆動源による駆動対象を前記挟持機構から前記引込機構に切り替え、その後に前記引込機構から前記挟持機構に切り替える、
請求項１に記載のロボットハンド。
　前記挟持機構が前記把持対象物を挟持したまま前記引込機構が止まることで、前記引込機構に供給されていた駆動力が前記挟持機構に供給される、
請求項１または２に記載のロボットハンド。
　前記駆動源から出力される駆動力を前記挟持機構に伝達するひも状体を備え、
　前記ひも状体の一端は前記駆動源に連結され、他端は前記切替機構に連結され、
　前記引込機構は、前記ひも状体の前記切替機構側の一部により構成される、
請求項１～３のいずれか１項に記載のロボットハンド。
　前記挟持機構および前記引込機構および前記切替機構のいずれかを構成する部品の仕様の少なくとも一部は、あらかじめ物理シミューレータによる物理シミュレーション環境において設定値を変えながら把持を繰り返し試行するシミュレーションに基づいて決定される、
請求項１～４のいずれか１項に記載のロボットハンド。
　前記ひも状体は一本のベルトであり、
　前記一本のベルトが、前記挟持機構の駆動用ベルトと、前記引込機構の動作用ベルトとして兼用される、
請求項４に記載のロボットハンド。
　前記ひも状体は、前記駆動源による巻き取り及び引き出しにより前記挟持機構または前記引込機構に駆動力を伝達し、
　前記切替機構は、
　前記ひも状体の前記他端に連結される第１の要素と、
　前記第１の要素を前記ひも状体の移動方向に沿って摺動可能に嵌める第２の要素と、
　移動方向が前記第１の要素の摺動方向と一致するよう、前記第１の要素と固定端との間に連結される予圧用付勢要素と、
を有し、
　前記第１の要素は、前記駆動源の停止時には、前記予圧用付勢要素の付勢力によって前記駆動源から遠い方の前記第２の要素の端面と接触する位置に保持される、
請求項４または６に記載のロボットハンド。
　前記挟持機構は、前記ひも状体に沿って前記引込機構よりも前記駆動源側に配置され、
　前記挟持機構は、前記ひも状体が前記駆動源により巻き取られて発生する引張力によって前記把持対象物を挟持するよう動作し、
　前記挟持機構が前記把持対象物を掴むことによってこれ以上挟持方向に動作できないとき、前記引張力が前記切替機構まで伝達され、
　前記予圧用付勢要素の付勢力よりも前記引張力が大きくなると、前記第１の要素が前記第２の要素に沿って前記駆動源側に移動し、
　前記第１の要素の移動に伴って前記ひも状体が前記駆動源により巻き取られた分だけ前記引込機構が駆動する、
請求項７に記載のロボットハンド。
　前記予圧用付勢要素の付勢力よりも前記引張力が大きい状態で、前記第１の要素が前記第２の要素に沿って前記駆動源側に移動し、前記第１の要素材が前記駆動源に近い方の前記第２の要素の端面に到達して当て止まると、前記引込機構が停止して前記引張力が再び前記挟持機構に供給されるように切り替わり、
　前記挟持機構は、前記引張力によって前記把持対象物を把持したままでより強固に把持するよう動作する、
請求項８に記載のロボットハンド。
　前記予圧用付勢要素に関するパラメータには、あらかじめ物理シミューレータによる物理シミュレーション環境において設定値を変えながら把持を繰り返し試行するシミュレーションを行い、前記シミュレーションにおいて把持が成功した設定値が採用される、
請求項７～９のいずれか１項に記載のロボットハンド。
　前記挟持機構の駆動は、前記指の関節の駆動である、
請求項１～１０のいずれか１項に記載のロボットハンド。
　前記指は劣駆動系である、
請求項１１に記載のロボットハンド。
　前記関節が屈曲したときに伸展方向に付勢するように各関節に取り付けられる付勢要素を有し、
　前記付勢要素及び前記指に関するパラメータには、あらかじめ物理シミューレータによる物理シミュレーション環境において設定値を変えながら把持を繰り返し試行するシミュレーションを行い、前記シミュレーションにおいて把持が成功した設定値が採用される、
請求項１１または１２に記載のロボットハンド。
　前記駆動源によって引っ張られて可動する要素を備え、
　前記要素が前記駆動源によって動かされることによって前記駆動源からの駆動力が前記挟持機構または前記引込機構に伝達される、
請求項１～３のいずれか１項に記載のロボットハンド。
　前記切替機構は、前記要素が前記駆動源によって動かされる範囲を制限し、
　前記引込機構は、前記切替機構によって制限された前記範囲の間における前記要素の動きと連動して、前記把持対象物を引き込み、
　前記挟持機構は、前記要素が前記範囲の第１の端に達した後に、前記引込機構が前記把持対象物を引き込んでいるときよりも強く前記把持対象物を挟持する、
請求項１４に記載のロボットハンド。
　前記要素は、前記引込機構として、前記把持対象物を引き込む、
請求項１４または１５に記載のロボットハンド。
　前記挟持機構の各指が取り付けられる基部を有し、
　前記引込機構は、前記把持対象物を前記基部側に移動させて引き込む、
請求項１～１６のいずれか１項に記載のロボットハンド。
　把持対象物を挟持する少なくとも２つの指を有する挟持機構と、
　前記２つの指のうちの第１の指に設けられる、前記把持対象物を引き込む引込機構と、
　前記挟持機構と前記引込機構とを駆動可能な駆動源と、
　前記駆動源から出力される駆動力を前記挟持機構に伝達する一本のベルトと、
を備え、
　前記一本のベルトが、前記挟持機構の駆動用ベルトと、前記引込機構の動作用ベルトとして兼用される、
ロボットハンド。
　把持対象物を挟持する少なくとも２つの指を有する挟持機構と、
　前記２つの指のうちの第１の指に設けられる、前記把持対象物を引き込む引込機構と、
　前記挟持機構と前記引込機構とを駆動可能な駆動源と、
　前記引込機構を停止する切替機構と、
を備え、
　前記切替機構によって前記引込機構が停止されると、前記駆動源から出力され当該引込機構に利用されていた力が、前記挟持機構が挟持している前記把持対象物に加わるよう構成されているロボットハンド。