(57)【要約】      （修正有）【課題】人間の手の形状因子及びジェスチャーを良くシミュレートするフィンガーアッセンブリを備えるロボットハンドを提供する。【解決手段】各フィンガーアッセンブリ１１２，１１４，１１６，１１８，１２０に関して、ロボットハンドは４本のテンション要素に張力を選択的に加えるように操作可能なフィンガー駆動アッセンブリ１６０を備えている。各フィンガーアッセンブリは駆動アッセンブリによってテンション要素の選択的な引っ張り／移動によって移動する一連のリンク部材を含んでいる。リンクは３自由度を有するように互いに旋回可能に連結されている。フィンガーアッセンブリは、フィンガーアッセンブリを通してテンション要素を支持しかつ案内する一連のプーリーを備える。テンション要素は、プーリーの周りを部分的に延びており、それによって、フィンガーアッセンブリはテンション要素の非螺旋状の巻回でｎ＋１駆動を実行する。【選択図】図１
2010240834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つのフィンガーアッセンブリと、
ロボットハンド内に含まれるフィンガーアッセンブリの各々について、４つの長尺状でかつフレキシブルなテンション要素に選択的に張力を与える駆動アッセンブリと
を備え、
前記フィンガーアッセンブリの各々は、前記テンション要素によって駆動される一連のリンクを備え、
前記リンクは、３つの自由度を備える動きを有するように互いに旋回可能に連結され、
前記各フィンガーアッセンブリはさらに、該フィンガーアッセンブリのテンション要素を支持しかつ案内するために前記リンク上に支持された一連のプーリーを備え、前記テンション要素は前記プーリーのうちいずれか一つのプーリーの周りを部分的に延びており、それによって、フィンガーアッセンブリはテンション要素の非螺旋状の巻回でｎ＋１駆動を実行することを特徴とする、ロボットハンド。
【請求項２】
請求項１に記載のロボットハンドにおいて、
前記複数のプーリーのうちの少なくとも一部は、螺旋状の巻回を有さない単一溝のプーリーであり、
前記テンション要素は、それぞれケーブルを含むことを特徴とする、ロボットハンド。
【請求項３】
請求項２に記載のロボットハンドにおいて、
前記ケーブルの各々は、前記プーリーに対してその周囲の半分以下で巻回されていることを特徴とする、ロボットハンド。
【請求項４】
請求項１に記載のロボットハンドにおいて、
前記一連のリンクは、第１のディジットリンク、第２のディジットリンク、及び、第３のディジットリンクを備え、前記第３のディジットリンクは前記第２のディジットリンクに旋回可能に取り付けられ、前記第２のディジットリンクは前記第１のディジットリンクに旋回可能に取り付けられ、前記第１及び第２のディジットリンクは前記テンション要素に張力を与える前記駆動アッセンブリによって独立して操作可能であることを特徴とする、ロボットハンド。
【請求項５】
請求項４に記載のロボットハンドにおいて、
前記フィンガーアッセンブリはさらに、前記第３のディジットリンクが受動的な従動リンクとして、前記第２のディジットリンクの動きによって駆動されるように、前記第３のディジットリンクを前記第２のディジットリンクに連結する付加的なリンクを備えていることを特徴とする、ロボットハンド。
【請求項６】
請求項４に記載のロボットハンドにおいて、
前記フィンガーアッセンブリはさらに、手のひらプレート、ベースリンク部材、及び、第１のディジット取付リンク部材を備え、前記ベースリンク部材は前記フィンガーアッセンブリを支持するために前記手のひらプレートに固着され、前記第１のディジット取付リンク部材は、第１の軸線を中心として旋回するように前記ベースリンク部材に取り付けられ、前記第１のディジットリンクは前記第１の軸線と交差するように延びる第２の軸線を中心として旋回するように前記第１のディジット取付リンク部材に連結されることを特徴とする、ロボットハンド。
【請求項７】
請求項６に記載のロボットハンドにおいて、
前記ベースリンク部材に対する第１のディジット取付リンク部材の運動範囲は、前記第１のディジットリンクの側方移動を規定するために４０°以下であり、前記第１のディジ
ット取付リンク部材に対する第１のディジットリンクの運動範囲は、第２の軸線を中心とした回転角度であって、前記第２の軸線を通る面に対して反時計周り方向には１５°以下の回転角度であり、前記第２の軸線を通る前記面に対して時計周り方向には７５°〜１００°の範囲の回転角度であることを特徴とする、ロボットハンド。
【請求項８】
請求項４に記載のロボットハンドにおいて、前記テンション要素のうちの第１及び第２のテンション要素は第２のディジットリンク上で終端しており、前記テンション要素のうちの第３及び第４のテンション要素は第１のディジットリンク上で終端していることを特徴とする、ロボットハンド。
【請求項９】
請求項１に記載のロボットハンドにおいて、前記駆動アッセンブリは、４つのテンション要素を駆動する３つのアクチュエータで構成されていることを特徴とする、ロボットハンド。
【請求項１０】
請求項１に記載のロボットハンドはさらに、前記フィンガーアッセンブリと前記駆動アッセンブリとの間に位置する、関節を有する手首を備えていることを特徴とする、ロボットハンド。
【請求項１１】
請求項１０に記載のロボットハンドはさらに、前記手首を通過するように延びる複数のケーブル管を備え、前記テンション要素の各々は前記ケーブル管の一つを通過するように延びていることを特徴とする、ロボットハンド。
【請求項１２】
請求項１１に記載のロボットハンドにおいて、前記ケーブル管の各々は、ライナチューブで内面を覆われた四角状ワイヤで形成された外壁を備えており、テンション要素の各々は、前記ライナチューブの対応する一つに挿通されたケーブルを含むことを特徴とする、ロボットハンド。
【請求項１３】
４つの駆動ケーブルによって駆動されるように適合されたロボットハンドのフィンガーアッセンブリにおいて、
前記駆動ケーブルを受け入れ、かつ前記ロボットハンドのベースに取り付けられるベースリンクと、
前記ベースリンクに第１の軸線を中心として旋回可能に取り付けられる取付リンクと、
第１の端部において前記取付リンクに対して取り付けられ、前記第１の軸線と交差する第２の軸線を中心として旋回可能な長尺状の第１のディジットリンクと、
第２の端部において前記第１のディジットリンクの第２の端部に対して、第３の軸線を中心として旋回可能に取り付けられた第２のディジットリンクと、
前記第２のディジットリンクの第２の端部に対して、第４の軸線を中心として旋回可能に取り付けられた第３のディジットリンクと
を備えることを特徴とする、フィンガーアッセンブリ。
【請求項１４】
請求項１３に記載のフィンガーアッセンブリにおいて、
一対の前記駆動ケーブルが前記第２のディジットリンクに取り付けられ、一対の前記駆動ケーブルが前記第１のディジットリンクに取り付けられ、前記第３のディジットリンクは、前記第３の軸線を中心とした前記第２のディジットリンクの運動によって第４の軸線を中心として回転駆動されるよう、前記第２のディジットリンクに連結されることを特徴とする、フィンガーアッセンブリ。
【請求項１５】
請求項１３に記載のフィンガーアッセンブリにおいて、前記第１の軸線は実質的に第２の軸線に対して直交し、第２、第３及び第４の軸線は互いに実質的に平行であることを特徴とする、フィンガーアッセンブリ。
【請求項１６】
請求項１３に記載のフィンガーアッセンブリにおいて、前記取付リンクは前記第１の軸線を中心として約４０°以下の運動範囲を有することを特徴とする、フィンガーアッセンブリ。
【請求項１７】
請求項１６に記載のフィンガーアッセンブリにおいて、前記第１のディジットリンクは前記第２の軸線を中心に第１の方向に２０°以下、かつ、第２の方向に７５°以上の運動範囲を有し、前記第２のディジットリンクは前記第２の方向に９０°以上の運動範囲を有することを特徴とする、フィンガーアッセンブリ。
【請求項１８】
請求項１３に記載のフィンガーアッセンブリはさらに、一または一以上のリンク上に複数のプーリーを備え、前記駆動ケーブルの各々は、フィンガーアッセンブリを通って、プーリーの周囲の半分以下に渡って延びる溝内で一または一以上のプーリーに接するように延びていることを特徴とする、フィンガーアッセンブリ。
【請求項１９】
手のひら要素と前記手のひら要素に固定された複数のフィンガーとを備え、前記フィンガーが、３つの自由度（ＤＯＦ）の動きを有するフィンガーを提供するように適合された一連のリンクとジョイントとを備えるロボットハンドアッセンブリと、
３つの自由度（ＤＯＦ）の動きを実行するために各フィンガーを駆動させるための一連の４つの駆動ケーブルと、
張力を受けている各駆動ケーブルをメンテナンスする受動的な張力メンテナンスシステムを有するとともに、フィンガーを駆動させるために駆動ケーブルに付加的な張力を選択的に加える３つのアクチュエータとを有する、各フィンガーに対応するフィンガー駆動メカニズムと、
を備えることを特徴とする、ロボットハンドシステム。
【請求項２０】
請求項１９に記載のロボットハンドシステムにおいて、前記受動的な張力メンテナンスシステムは第１及び第２のプーリーを備え、前記駆動ケーブルの第１の対は互いに連結されるとともに前記第１のプーリーに巻回され、前記駆動ケーブルの第２の対は互いに連結されるとともに前記第２のプーリーに巻回され、前記第１及び第２のプーリーは各ケーブルに張力を加えるために前記フィンガー駆動メカニズム内に配置されていることを特徴とする、ロボットハンドシステム。
【請求項２１】
請求項１９に記載のロボットハンドシステムにおいて、３つの前記アクチュエータは、４本の駆動ケーブルのうち３本の駆動ケーブルに張力を選択的に加えるための３つの駆動モータを含むことを特徴とする、ロボットハンドシステム。
【請求項２２】
請求項１９に記載のロボットハンドシステムにおいて、前記フィンガーの各々は、第１、第２、及び、第３のリンク部材を備え、前記第１のリンク部材は手のひら要素に、直交する第１及び第２の軸線を中心として回転するように取り付けられ、
前記第２のリンク部材は、前記第１のリンク部材の、前記手のひら要素から遠位側の端部において旋回可能に取り付けられ、
前記第３のリンク部材は前記第２のリンク部材の、前記第１のリンク部材から遠位側の端部において旋回可能に取り付けられていることを特徴とする、ロボットハンドシステム。
【請求項２３】
請求項２２に記載のロボットハンドシステムにおいて、前記アクチュエータが第１のリンク部材を前記第１及び第２の軸線を中心として独立して動かすことを許容するとともに前記第１のリンク部材に対して前記第２のリンク部材を独立して動かすことを許容するように、一対の前記駆動ケーブルが前記第２のディジットリンク部材に取り付けられるとと
もに一対の前記駆動ケーブルが前記第１のディジットリンク部材に取り付けられていることを特徴とする、ロボットハンドシステム。
【請求項２４】
ロボットハンドのフィンガーを駆動させるための駆動メカニズムにおいて、
一連の４本の腱ケーブルと、
４本の腱ケーブルのうちの２本の第１の腱ケーブルの運動時の平均速度は、４本の腱ケーブルのうち他の２本の第２の腱ケーブルの運動時の平均速度に対して、その大きさが等しく方向が反対となる、４つの腱ケーブルに関する運動学的な関係を実行する受動的な腱張力メンテナンスメカニズムと
を備えることを特徴とする、駆動メカニズム。
【請求項２５】
請求項２４に記載の駆動メカニズムにおいて、
前記４本の腱ケーブルの運動は、送りネジを駆動する一連のモータによって行われることを特徴とする、駆動メカニズム。
【請求項２６】
請求項２４に記載の駆動メカニズムはさらに、４本の腱ケーブルを支持する２つのプーリーを備え、前記２つのプーリーは前記フィンガーの旋回アームに取り付けられ、前記４本の腱ケーブルはフィンガーの端部に取り付けられていることを特徴とする、駆動メカニズム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してロボット工学に関し、より詳しくは、人間の形状因子内に適合して人間の手の指のように動きかつ振る舞うようにデザインされた指を含むロボットハンドに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、非常に上手に人間をシミュレートする、または人間を真似るロボットの需要が高まっている。例えば、アニマトロニックなフィギュアは、できるだけキャラクターに近い状態でキャラクターを再現するようにデザインされたロボットシステムであって、多くのキャラクターは人間や人間に似たものである。アニマトロニックなフィギュアを提供するために使用されるロボットは、乗り物、アトラクション、ショー、小売展示及びエンターティメントな場の一部にディスプレイされている。これらの状況において、動きや力強さ（例えば、模倣されたキャラクターの動き）を作り出すための形状、器用さ及び能力の観点で、映画やアニメ映画のキャラクターを真似たアニマトロニックなフィギュアまたはロボットに関する要求がある。更に、ロボットを、例えば、歩行したり、ロボットハンドのフィンガーのようなもので物体を操ったりする身体能力を再現するようにデザインすることは有用である。たとえそのキャラクターが人間や、人間のような手及び指を有する、人間のような例えばアリ、鳥、モンスター等ではない場合であっても、多くのキャラクターは、手や指やそれに近い人間の特性や特徴を備えるように作られている。
【０００３】
次第に、ロボットデザイナーや製造メーカは、エンターティンメントではない応用にて使用されるために、人間のような又は擬人化された特徴や能力を有するロボットシステムをデザインすることを要求されるであろう。これらの使用は、入院療法や理学療法の場における患者のケア、患者のホームケアのためにデザインされたロボット、または家事を行うロボットを含む。これらの応用において、ロボットシステムは有用で、しかも魅力ある方法で人間と相互関係をもつことが期待されている。一般に、ロボットは人間のように見えかつ人間がよく行う振る舞いをするときによりその魅力が見出され、手や指のような人間の特性や特徴を備える、人間のようなロボットシステムまたはロボットによって人間とロボットとの効果的な相互関係が提供されることが受け入れられている。
【０００４】
エンターティメントや他の応用において、興味深くかつ重要な点はロボットハンドのデザインである。例えば、ロボットキャラクターのハンドは、たとえ、そのキャラクターが人間の手を有していなくても、典型的には、人間の手の形状、器用さ、動き及び機能を模倣することを試みてデザインされる。不幸にも、既存のロボットハンドのデザインがロボット人間ハンドを提供する際の全てのデザインに首尾良く適合するものではない。既に多くのエンドエフェクターのデザインが存在しているが、一般に、それらは、物体を掴むまたは挟むのに使用される単一の自由度を有する、単純な２本の指状の把持部または顎のバリエーションである。
【０００５】
いくつかのロボットの“ハンド”が作製されているが、それらのデザインの中には２つの爪を有する把持部よりも人間の手に非常に類似しているが、典型的には器用さや形状といった点を欠いたものである。例えば、人間の指は４つの自由度（ＤＯＦ）を有している（しかし、典型的には３つの自由度（ＤＯＦ）だけが独立して制御される）。しかしながら、典型的にはロボットハンドは非常に少ないＤＯＦしか有しておらず、いくつかのハンドは一つのハンドに対して一つの自由度を持つのみであり、器用さ及び運動能力が非常に限定されている。各指が独立して関節接合されるように一つの指に対して一つの自由度を備えたものが提供されるであろう。しかしながら、指の動きは、人間の手で見出されるよ
うな、各指の側方動作（左右動作）や指の部分またはディジットの独立した動きのない、自身を丸め込むような単純化された動きである。
【０００６】
増加されたＤＯＦを備える既存のロボットハンドは、非常に複雑であったり人間の形状に適合しなかったりする。例えば、ある既存のハンドデザインにおいては、指の形状に比較的良く適合したハンドに関して全部で２４のＤＯＦを備えているが、このハンドのデザインでは、ケーブル（または“腱”）及びアクチュエータの数がＤＯＦの２倍、即ち４８個必要となる。この結果、外見上人間の小さい手首及び前腕において大きな形状となってしまう。このハンドデザインにおける更なる問題は、指を駆動するのに使用されるケーブルや腱が固定された無潤滑金属や樹脂製のランナーをはみ出して深刻な摩擦や摩耗の問題を引き起こすことである。
【０００７】
他のハンドは、各“フィンガー”に対して２つのディジットを有し、人間の形状因子（例えば、薄く延びた指、比較的小さな手首及び薄い手のひら）内で収めるには適さないプーリー及びアクチュエータメカニズムを使用する。特に、このハンドデザインにおいては、駆動ケーブルや腱に“ｎ＋１”の配列が使用され、それは必要なケーブルの数を減らすが、プーリーの配列はケーブルがその支持プーリーを３６０°以上に渡って巻き付けるようであり、それにはプーリーが厚くなることを要求し（例えば、概ねケーブルの厚さの２倍）、指の形状因子内で収めることは困難である。また、ケーブルは互いに交差し、ハンドを操作している間に互いに擦り合うので更なる摩擦や摩耗を引き起こす。更に、このハンドは、一本のフィンガーに対して４つのモータ駆動を必要とし、それはコスト、複雑さ、形状、及び、メンテナンスを増大させる。
【０００８】
しかし、他のロボットハンドは、より厚いケーブルを使用し、かつプッシュ／プル配列を有するフィンガーを駆動するようにデザインされている。モータは、ハンドを支持するのに使用される手首の近くに配置される。手首を介して動力を伝達するために、フレキシブルな駆動シャフトが使用され、線形運動とは対照的な回転運動が手首を介して伝達される。この回転運動は、ハンドの手のひらに配置された送りネジによって線形運動に変換される。これにより、駆動シャフトの数はハンドの自由度の数に等しくなる（例えば、本デザインの一例として“１２”）という利点が生じる。しかしながら、回転駆動ハンドの一つの欠点は、１２個の送りネジをハンドの手のひらの内部に配置しなければならず、その結果、手のひらが大きく（即ち、人間のサイズよりも大きく）なってしまうことである。また、フィンガーのＤＯＦを駆動させるためのプッシュ／プル配列における厚いケーブルの使用が“プッシュ”方向に付与される力の量を制限し、このロボットハンドのデザインの使用を制限してしまう。
【０００９】
従って、人間の手の期待される機能を備えつつ、人間の形状因子に関連した課題を満たす、ロボットまたはロボットシステムのハンドデザインに関する要求がある。そのようなハンドデザインは人間の手とほぼ同数のディジットを有し、人間のような器用さと動きを備えたフィンガー（例えば、ＤＯＦとほぼ同数で動くフィンガー）を有することが好ましい。また、ロボットハンドのデザインは、比較的少ない構成要素を有し、かつ、ケーブル（または腱）の使用に関連する摩耗及び少ないメンテナンス問題に対処し得るものが好ましい。
【発明の概要】
【００１０】
本発明は上記課題に関して、従来のハンド及び/またはフィンガーデザインに対して多
くの利点を有する、３つのディジットと人間のような形状及び動きとを備えるフィンガーを有するロボットハンドのデザインを提供する。ここに記載されたロボットハンドの実施形態は、人間の形状因子に適合する能力、所望のＤＯＦ（例えば、ロボットハンド内において配置または支持されるフィンガー当たり３つのＤＯＦ）、動作方法、ジョイントを正
確に制御する能力、物体を掴むために十分な力を与える能力、寿命（例えば、腱またはケーブルの摩擦や、さもなければ初期故障を引き起こしたり付加的なメンテナンスを強いたりする他の摩耗を低減する）を備える要素を提供している。
【００１１】
以降において明かになるように、記載されたロボットハンドのいくつかの実施形態では３つのＤＯＦフィンガーを駆動（例えば、４つのケーブル又はテンション要素を使用するｎ＋１の駆動）するための最小の現実的な数のテンション要素（例えば、ケーブル、腱等）が使用される。これは、人間の手首の形状因子に制限された際に非常に制約された空間を提供する、２つの関節のあるフレキシブルな手首を介してケーブルまたは腱を引き回すときに重要な利点である。いくつかの実施形態におけるロボットハンドでは、フィンガーを駆動させるためのモータの最小数は減少したまたはそのままの数で使用される。モータは、複雑さ、コスト、パッケージング制約に関係し、それ故に、アクチュエータまたは駆動モータの数を低減することはより望ましいハンドのデザインとなる。さらに、ハンドの実施形態では、フィンガーのデザインが人間の形状因子に適合することを許容するプーリーのデザインが使用される。従来の多くのハンドのデザインは人間の形状因子の制約に適合することには強いられていなかったが、そのような制約は多くのアニマトロニックで且つ非エンターティンメントなロボットへの応用において要請されている。さらに、非潤滑要素上で摺動するケーブルに代えて、フィンガー自身におけるプーリー（例えば、ハンドの各フィンガーアセンブリのフィンガーディジットまたはセグメントに支持されたプーリー）の使用は、大きく摩擦を低減させかつ摩耗を減少させる（即ち、寿命を向上させる）。ハンドの実施形態では、フィンガー駆動のプレテンションまたはケーブル／腱の駆動を供給するための受動的な腱張力メンテナンスシステムが使用される。これは、関連するハードウェア、電子的な及びソフトウェアの複雑さ及びコスト高を伴う付加的なモータの使用を要する能動的アプローチと対照的である。しかも、ここで記載されたロボットハンドの実施形態では、アクチュエータ運動とフィンガージョイント運動との間における、典型的な固定された運動関係が使用される。
【００１２】
より詳しくは、ロボットハンドは少なくとも一つのフィンガーアッセンブリを備えており、典型的にはより人間の手をシミュレートするために５つのフィンガーアッセンブリが含まれる。各フィンガーアッセンブリにおいて、ロボットハンドは、長尺状でかつフレキシブルなテンション要素（例えば、スチールケーブルまたはそれに類似のもの）に張力を与えるフィンガー駆動アッセンブリを備えている。各フィンガーアッセンブリは、駆動アッセンブリによるテンション要素の選択的な引っ張り／移動によって駆動または移動する一連のリンクまたはリンク部材を備えている。リンクは、３つのＤＯＦを持つようにピボットジョイントで連結され、フィンガーアッセンブリは、リンク上に支持されフィンガーアッセンブリを介してテンション要素を支持及び案内するように配列されている一連のプーリーを含んでいる。テンション要素は、好ましくはプーリーの何れか一つに部分的に延びており、フィンガーアッセンブリは非螺旋状に巻回されているテンション要素で“ｎ＋１”駆動を利用する（ここで、“ｎ”は、ＤＯＦであり、その値はテンション要素の数である）。
【００１３】
いくつかのケースにおいて、前記プーリーは螺旋状の巻回を実行する装置に使用されるプーリーの高さの約半分のである。螺旋巻回システムでは、螺旋が形成されるように、いかなる溝もなく、または一つの幅広、平坦な溝を有さないプーリーが使用され、一方、他の応用では単一の螺旋状に切削された溝が使用される。どちらのケースにおいても、螺旋状のラッピングの使用は、プーリーの一面を横切るように延びるケーブルラップのための付加的な部屋を必要とする。これに対して、ここに記載されたいくつかの実施形態において、各ケーブルまたはテンション要素は、約１/４ラップ、つまり、９０°接触している
状態で、各接触プーリーの周囲の１/２よりも少なく覆われている。一連のリンクは、（
例えば、人間の指に３つのディジットまたはセグメントをシミュレートするためには）第
１、第２及び第３のディジットまたはディジットリンクを含んでいる。そのようなケースでは、第３のディジットリンクは旋回中心可能に第２のディジットリンクに連結されており、第２のディジットリンクは、同様に、旋回中心可能に第１のディジットリンクに連結されている。第１及び第２のディジットリンクは、これら２つのリンクの各々で終端している一対のテンション要素またはケーブルがあれば、駆動アッセンブリによって独立して駆動または操作可能である。フィンガーアッセンブリには、第３のディジットリンクが第２のディジットリンクの動きによって駆動可能となるように第３のディジットリンクを第２のディジットリンクに連結するための付加的な連結器リンクが含まれている（例えば、第３のディジットリンクは第２のディジットリンクに対して従動またはスレーブリンクとして振る舞うように受動的に駆動されていてもよい）。
【００１４】
また、ハンドは、手のひら要素またはプレート、ベースリンク部材、及び第１のディジット取付リンク部材を含んでいる。ベースリンク部材は、ハンド内にフィンガーアッセンブリを支持する手のひらプレートに固着されている。第１のディジット取付リンク部材は第１の軸を中心として旋回可能に（例えば、各回転方向において約４０°または２０°またはそれ未満の移動範囲で）ベースリンク部材に取り付けられており、第１のディジットは、第１の軸を横切るまたは直交するように延びる第２の軸を中心として旋回可能に（例えば、手のひらから離間する反時計周り方向については約１５°未満の範囲内、及び、手のひらに向かう時計周り方向については約７５°〜１００°の範囲内で）第１のディジット取付リンク部材に連結されている。このように、フィンガーアッセンブリの第１のディジットの運動範囲は側方移動（側方移動）（例えば、第１の軸を通る垂直平面に関してプラスマイナス１３°またはそれに近い値）、及び、小さな後方屈曲（例えば、第２の軸を通る水平面に関して１５°未満）かつ大きな前方屈曲（例えば９０°以上）を行う人間の指に類似している。第３のディジットリンクは第２のディジットリンクによってそれ及び第２のディジットリンクが人間の指に類似した後方屈曲によって直線状になるように駆動し、かつ、それ及び第２のディジットリンクが第１のディジットリンクの前方屈曲または丸くなることによって内側に向かって大きく丸まるように（例えば、握りこぶしを形成するまたは物体を握るように）駆動する。いくつかの実施形態においては、駆動アッセンブリは４つのテンション要素を所望のテンションに維持するための受動的な張力メンテナンスシステムを提供するように適応され、このまたは他の特徴は３つのアクチュエータ（例えば、駆動モータ）が少なくとも４つのアクチュエータよりも４つのテンション要素を作動または動作することを許容する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ロボットハンドまたはハンドアッセンブリ、手首、前腕、ロボットハンドの各フィンガーの駆動アッセンブリまたはメカニズムを示す図（即ち、本例では、５本のフィンガー及び５個の駆動アッセンブリを備えている）
【図２】ロボットフィンガーまたはフィンガーアッセンブリの要素を示す図１のシステムのロボットハンドの拡大または詳細な斜視図であって、図１は、ロボットフィンガーまたはフィンガーアッセンブリの要素及び図１に示す手首に取り付けらえた支持プレートに取り付けられていることを示している。
【図３】図１又は図２のハンドで使用される、本発明の一実施形態に係るロボットフィンガー又はフィンガーアッセンブリ。
【図４】図１〜図３のフィンガーを実行するのに使用される、本発明の一実施形態に係るロボットフィンガー又はフィンガーアッセンブリ。
【図５】図１〜図４に示すフィンガーのように、フィンガー内に含まれた一連のプーリーまたはプーリーアッセンブリの部分分解図であって、それらは、プーリーのセットまたはアッセンブリを備えるフィンガーアッセンブリの操作をしている間にフィンガーを駆動または作動するのに使用される４本の腱またはケーブルを案内及び／または支持するために使用される。
【図６】図１〜図４に示すフィンガーのように、フィンガー内に含まれた一連のプーリーまたはプーリーアッセンブリの部分分解図であって、それらは、プーリーのセットまたはアッセンブリを備えるフィンガーアッセンブリの操作をしている間にフィンガーを駆動または作動するのに使用される４本の腱またはケーブルを案内及び／または支持するために使用される。
【図７】図１〜図４に示すフィンガーのように、フィンガー内に含まれた一連のプーリーまたはプーリーアッセンブリの部分分解図であって、それらは、プーリーのセットまたはアッセンブリを備えるフィンガーアッセンブリの操作をしている間にフィンガーを駆動または作動するのに使用される４本の腱またはケーブルを案内及び／または支持するために使用される。
【図８】ベース、または、所定の角度（例えば、腱の入力角またはそれに類似したもの）でフィンガーに腱を挿入またはケーブルを駆動する取付リンク（ｌ０）の配列を示す図３のロボットフィンガーアッセンブリの側面図。
【図９】フィンガーの運動範囲、ディジット及びより人間のようにフィンガーを駆動するためのディジットの独立した動きを示す、多くの位置または操作モードにおける、図３のフィンガーアッセンブリの図。
【図１０】フィンガーの運動範囲、ディジット及びより人間のようにフィンガーを駆動するためのディジットの独立した動きを示す、多くの位置または操作モードにおける、図３のフィンガーアッセンブリの図。
【図１１】フィンガーの運動範囲、ディジット及びより人間のようにフィンガーを駆動するためのディジットの独立した動きを示す、多くの位置または操作モードにおける、図３のフィンガーアッセンブリの図。
【図１２】フィンガーの運動範囲、ディジット及びより人間のようにフィンガーを駆動するためのディジットの独立した動きを示す、多くの位置または操作モードにおける、図３のフィンガーアッセンブリの図。
【図１３】フィンガーの運動範囲、ディジット及びより人間のようにフィンガーを駆動するためのディジットの独立した動きを示す、多くの位置または操作モードにおける、図３のフィンガーアッセンブリの図。
【図１４】フィンガーの運動範囲、ディジット及びより人間のようにフィンガーを駆動するためのディジットの独立した動きを示す、多くの位置または操作モードにおける、図３のフィンガーアッセンブリの図。
【図１５】図１のシステムまたはそれに類似したロボットハンドシステム内に配置された／取り付けられた受動的な張力メンテナンスシステムの模式図。
【図１６】図１のフィンガー駆動アッセンブリまたはメカニズムの一つの斜視図であって、一連の腱または駆動ケーブルに接続するフィンガーアッセンブリを独立して駆動するのに使用される。
【図１７】図１６のフィンガー駆動アッセンブリの図であって、本発明の実施形態に係るロボットハンドのフィンガーアッセンブリにおいて、一連の４本の腱または駆動ケーブルを供給するモータのセットによって駆動されるワイヤまたはケーブルを含む。
【図１８】図１及び図２に示すハンドのように、本発明の実施形態に係るロボットハンドに使用される腱取付アッセンブリの部分的な模式図。
【図１９】ロボットハンドの腱または駆動ケーブルを案内または支持するために使用されるフレキシブルな管の一実施形態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態は、人間の手及び指に関して向上したシミュレーションとともに改良されたパフォーマンスを有するという、長年に渡って存在する要求に対処するロボットハンドシステムに関するものである。従前のロボットハンドは、人間の指（即ち、３つのセグメントまたはディジット）で見出されるようなジョイント及びディジット／セグメントよりも少ないジョイント及びディジット／セグメントを有するか、または、フィンガー、
手のひら、手首またはその他の部分が人間の形状因子に適合しないまたはふさわしくないような大きさ又は／及びデザインであった。ここで述べるロボットハンドシステムは、ハンド及び各フィンガーが人間の形状因子に適合しつつ多くのジェスチャーを作り出すことが可能となるように１５の自由度（ＤＯＦ）（即ち、１本の指につき３つのＤＯＦ）を有するハンドまたはハンドアッセンブリを提供する。各フィンガーまたはフィンガーアッセンブリにおいて、１本のフィンガーにつき４つのジョイントを駆動させるための、テンション要素（例えば、フレキシブルなスチールケーブルまたはワイヤ／ワイヤロープで形成された腱または駆動ケーブル）、結合、及びプーリーがあり、それらは人間のサイズ制限内に抑えつつ１本のフィンガーにつき３つのＤＯＦを備えている。駆動は、４つのテンション要素が各フィンガーについて３つのＤＯＦを駆動させるのに使用されるように、“ｎ＋１”のテンション要素または腱を使用する。この方法では、各フィンガーは、ユニークなプーリー及びテンション／駆動配列によって部分的に人間の指の形状を有し、各フィンガーは、人間のような器用さ、ジェスチャー、及び、ロボットハンドのフィンガーの３つのディジットまたはセグメントの動作範囲で駆動される。
【００１７】
図１は、（モータ及びドライバが人間の形状因子である、腕、肩、または身体内に位置する状態ではない）プロトタイプの形態で示される本発明の一実施形態に係るロボットハンドシステム１００である。図示するように、システム１００は、ロボットハンドまたはロボットハンドアッセンブリ１１０と、手首１３０と、前腕１４０と、一連のフィンガー駆動アッセンブリまたはメカニズム１６０とを含んでいる。駆動アッセンブリ（またはモータドライブ）１６０は支持基材またはプレート１５０上に配置されるが、実際には、ロボットシステム１００の前腕１４０上に配置されてもよいし、上腕（図示略）上に配置されてもよいし、胴体（図示略）中または胴体（図示略）上に配置されてもよい。図示しないが、多くの駆動ケーブルまたは腱（またはテンション要素と呼ばれる）は、（例えば、ハンド１１０のフィンガーを独立的に作動または駆動させるために）ハンドアッセンブリ１１０の部位に連結されるよう、駆動アッセンブリ１６０から前腕１４０及び手首１３０を介して延びている。
【００１８】
システム１００の要素は以下に詳述するが、ハンドアッセンブリ１１０は、図２に詳しく示されるように、５本のフィンガーまたはフィンガーアッセンブリ１１２，１１４，１１６，１１８，１２０を含んでいる。フィンガーアッセンブリ１１２，１１４，１１６，１１８，１２０はプレート１２４に強固に固着されており、プレート１２４は手首１３０及び前腕１４０とともに動くように手首１３０に取り付けられている。フィンガーアッセンブリ１１２，１１４，１１６，１１８，１２０はベースまたは次の第１リンク部材（例えば、後記の図面に表されるリンクｌo）においてプレート１２４に固着されており、第
２リンク部材（例えば、後記の図面に表されるリンクｌ1）がベースまたは初期リンク部
材に取り付けられている。プレート１２４は、５本のフィンガーアッセンブリのうち１本のフィンガーアッセンブリ１２０（つまり、親指）が他のフィンガーアッセンブリ１１２，１１４，１１６，１１８とは相対的に異なる位置に配置されて人間の手のひらを再現する形状を成している。そして、フィンガーアッセンブリ１１２，１１４，１１６，１１８は半円周または他のパターン（例えば、ベースリンク部材が完全に平行に配列していない状態）に配列され、それにより、人間の手の配列に的確に適合し、かつフィンガーアッセンブリ１１２，１１４，１１６，１１８，１２０の所望の範囲の側方動作（左右動作）や他の動作が円滑になる。各駆動アッセンブリ１６０は、対応するフィンガー１１２，１１４，１１６，１１８，１２０を操作または駆動するように独立して設けられている（並行操作を含んでもよい）。よって、５本のフィンガーのシステム１００において、５つの駆動アッセンブリ１６０が、ハンドアセンブリ１１０の５本のフィンガー１１２，１１４，１１６，１１８，１２０を駆動するために設けられている。
【００１９】
次に、関連した駆動アッセンブリまたはモータ駆動メカニズム１６０を伴う５本のフィ
ンガーアッセンブリ１１２，１１４，１１６，１１８，１２０のうち一つのデザインについて説明する。そのような説明は、より人間に似たロボットハンドシステム１００を提供するための、図１及び図２のシステム１００に示されているいかなる駆動／フィンガー対に対しても適用される。さらに、システム１００は、アッセンブリ１６０の駆動モータに電力を供給する一または一以上の電源を含んでおり、アッセンブリ１６０はフィンガー１１２，１１４，１１６，１１８，１２０ばかりでなく手首１３０や他のシステム１００の部位を選択的に操作及び駆動するための一または一以上のコントローラによって操作される。そのような電源及びコントローラ装置は、発明を実施するために良く使用され、当業者において公知であって、本発明を限定するものではない。駆動モータの数（例えば、各フィンガーについて３個）、腱／駆動ケーブルのプレテンション、及び、他の特徴は本発明において重要であると思われ、それらについては以下に詳述する。
【００２０】
図３は、本発明の一実施形態に係るロボットハンド（図１及び図２のシステム１００のハンド１１０）に使用されるフィンガーアッセンブリ３００を示す。一般に、フィンガーアッセンブリ３００は一連の６個のリンク（図において“ｌ０”〜“ｌ６”で表示されている）と８本のシャフト（または図において“ｓ０”〜“ｓ８”で表示されているピボットピン／軸線であって、ピボット軸線はシャフトの長手軸線を通るまたは沿うように描かれている）とで構成されている。さらに、リンク又はリンク部材内に配置され、腱またはテンション要素（例えば、スチール駆動ケーブルまたはそれに類似した部材）を支持するために使用される９個のプーリー（図において“ｐ１”〜“ｐ９” で表示されている）
があり、それらは３つのＤＯＦを有する３つのディジットの動きを含んだ使用時においてフィンガー３００を駆動するために使用される。
【００２１】
図３に示すように、フィンガーアッセンブリ３００は取付孔３１２を介して取り付けられるベースまたは初期リンク部材（リンクはリンク部材と同じように用いられる）３１０を含み、取付孔３１２はハンドプレートに対してネジ孔、圧入レセプタクル等で形成されている。ベースリンク（即ち、リンクｌ０）は、４つのケーブル案内チャネルまたは通路３１４を含み、アッセンブリ３００は図に示されるように、次のリンク部材３３０（リンクｌ１）及びチャネルまたは通路３３４にチャネルまたは通路３１４を通って延びる４本のケーブル３２１，３２２，３２３，３２４（図においてｃ１からｃ４で示されている）によって作動または駆動する。リンク部材３３０は該リンク部材３３０（及び図４において説明する４個のプーリー）の孔３３３内を通って延びるシャフトまたはピン３３２を介してベースリンク３１０に対して旋回可能に配置されている。リンク部材３３０（リンクｌ１）及びベースリンク３１０へのリンク部材３３０の旋回配置またはジョイントは、ある程度、シャフト３３２（または軸線１）の周りでの側方旋回（左右旋回）または動きを有する人間の指の関節の機能を再現する。
【００２２】
さらにフィンガーアッセンブリ３００は、人間の指の第１のディジットに類似した細長いリンク部材（リンクｌ２）３４０を含んでいる。リンク部材３４０は、リンク部材３４０及びリンク部材３３０の本体内の一対の孔３３７を貫通するシャフト３３６を介して第１の端部においてリンク部材３３０に対して旋回可能に配置されている。リンク部材３３０の本体はリンク部材３４０の前記第１の端部の両側部の周囲を延びるように配置されている。リンク部材３４０（リンクｌ２）は、テンション要素によって作動するとシャフト３３６（軸線２）の周りで旋回する。リンク部材３４０は、リンク部材３４０の本体上で支持シャフト３４８の周りで旋回する一連のプーリー３４４を支持している（例えば、一連のプーリー３４４は、図４の分解図に示されるように、フィンガー３００を駆動するのに使用されるテンション要素を案内及び支持する、４つのプーリーを含んでいる）。
【００２３】
リンク部材３４０の第２の端部において、フィンガーアッセンブリ３００は人間の第２のディジットに類似した別のリンク部材（リンクｌ３）３５０を含んでいる。リンク部材
３５０は、軸線３の周りで旋回するようにピンまたはシャフト３５６を介してリンク部材３４０に対して旋回可能に配置されている。従って、ケーブルまたはテンション要素３２１〜３２４が作動されたとき、フィンガーアッセンブリ３００では、ディジット／リンク部材３４０に対して相対的にディジット／リンク部材３５０がシャフト３５６（軸線３）を中心として独立した動きを生じる（例えば、人間の指のように、第２のディジットは、第１のディジットが動かない状態で動き得る、または第１のディジットが握りこぶしの状態に動くのに伴い動き得る）。一又は一以上のプーリー３５４はリンク部材３５０上に、または同リンク部材３５０の一部として設けることができ、図４はリンク部材３５０の本体の一部分として形成された単一のプーリー（即ち、ｐ９）を示している。さらに、フィンガーアッセンブリ３００は、人間の指の第３のディジットに相当するリンク部材３７０であって、ピン３６４を介して第２のディジットまたはリンク部材３５０に対して旋回可能に配置された別のリンク部材３７０を含んでいてもよい。軸線４またはシャフト３６４の周りでの旋回は、リンク部材３６０（リンクｌ５）を介したリンク部材３５０の動きに関係しており、リンク部材３６０は、両リンク部材３４０，３７０に対して旋回可能に取り付けられている。
【００２４】
フィンガーアッセンブリ（例えば、組み立てられたフィンガー３００）のフィンガーのデザイン及び操作を良く理解するために、分解したロボットハンドアッセンブリを使用してフィンガーの一つの有用な配列を示すことは有用である。図４は、本発明に係るハンドアッセンブリに使用される（及びフィンガー３００のために使用されるが、他のプーリーの配列、リンク部材の構成及びデザインの変更がフィンガーアッセンブリ３００の機能を提供するように使用されてもよい）単一のフィンガーまたはフィンガーアッセンブル４００の分解図を示す。フィンガー４００のベースリンク４１０（リンク部材ｌ０）は（図１及び図２のプレート１２４のように）取付孔４１８を有する手のひらプレートに取り付けられている。隣のリンク４２０（リンク部材ｌ１）は図示されるように２重のＵ字型金具の形状を有する。リンク４２０は、孔４２１及び軸線１のシャフト４１６（シャフトまたはピンｓ１）を介してベースリンク４１０に対して孔／通路４１７を中心に旋回可能に連結されており、また、リンク４２０は、孔４２２及び軸線２のシャフト４２３（シャフトまたはピンｓ２）を介してリンクまたは第１のディジット（リンク部材ｌ２）４３０に対して旋回可能に連結されている。
【００２５】
リンク４６０（リンク部材ｌ３）は単一部材または図に示すように二分割部材として構成されたものであって、リンク４６０は人間の第２のディジットに相当する。リンク４６０は、リンク４３０，４６０の孔４５０，４６２をそれぞれ貫通する軸線３のシャフト（シャフトまたはピンｓ５）を介して第１のディジットリンク４３０に旋回可能に配置されている。さらにフィンガー４００は、人間の指に類似したフィンガー４００の第３のディジットを提供するリンク４８０（リンク部材ｌ４）を含んでいる。リンク４８０は、第３のディジットリンク４８０の孔４８８及び第２のディジットリンク４６０の半分の孔４７２を貫通して延びる軸線４のシャフト（シャフトまたはピンｓ６）に対して旋回可能に配置されている。
【００２６】
第２のディジットリンク４６０と第３のディジットリンク４８０との動きを結合するために使用されるリンク４６８（リンク部材ｌ５）が付加されている。リンク４６８は、リンク４３０，４８０の孔４５４，４８４を貫通するシャフト４５８，４８２（シャフトまたはピンｓ７及びｓ８）を中心に旋回可能に配置されている。また、リンク４６８はその基端部において孔４５４を介して第１のディジットリンク４３０に対してピンまたはシャフト４５８によって旋回可能に取り付けられている（先端部においてはシャフト４８２を介して第３のディジットリンク４８０に取り付けられている）。この取付配列の結果、第３のディジットリンク４８０の動きは第２のディジットリンク４６０の移動または動きと連動する（例えば、リンク４８０はリンク４６０に対して内側に丸まりリンク４６０に対
して直線状になるが、第２のディジットリンクとは独立していない）。
【００２７】
上述したように、本発明の実施形態に従い形成されたフィンガーは、一連のプーリーとテンション要素とが人間の指の形状因子内に収まるまたは位置するように、一連のプーリーとテンション要素とで駆動され。例えば、フィンガー４００は典型的には（図１６に示されるアッセンブリ１６０のような）駆動アッセンブリによって引っ張られ、そして、動く腱またはケーブルを使用して駆動される。ケーブルは図４に示されていないが、ベースリンクまたは取付ブロック４１０の孔４１９を貫通しており、リンクの終端または連結のためのフィンガー４００の一部として示されるプーリーに渡って延びている（４本ケーブルの各々は、次の図を参照して後述する）。一実施形態において、スチールケーブル（例えば、ＳＡＶＡインダストリ２０２４ＳＮ等）がテンション要素に使用される。スチールケーブルはフィンガー４００内のプーリーを操作する。また、第１のディジットリンク４３０または第２のディジットリンク４６０のいずれかにおいて終端している。
【００２８】
図４に示すように、プーリー４１１，４１２，４１３，４１４（プーリーｐ１〜ｐ４）はそれぞれ軸線１のシャフト４１６（シャフトまたはピンｓ１）上の単一溝の遊動プーリーであって、軸線１のシャフト４１６（シャフトまたはピンｓ１）は孔または通路４１７を介してベースリンク４１０を通って延びている。プーリー４３６，４３４（プーリーｐ５，ｐ７）は軸線２のシャフト４２３（シャフトまたはピンｓ２）に支持され回転し、軸線２のシャフト４２３は第１のディジットリンク４３０の第１の端部または基端部にある孔４３２を通って延びている。プーリー４３６は２重溝の遊動プーリーであり、一方、プーリー４３４は単一溝の遊動プーリーである。また、プーリー４３８（プーリーｐ６）は２重溝の遊動プーリーであって、プーリー４３６に最も近い第１のディジットリンク４３０の孔４４１を通って延びるシャフト４４０（シャフトまたはピンｓ３）に支持され回転する。プーリー４４２（プーリーｐ８）は２重溝の遊動プーリーであって、第１のディジットリンク４３０の第２の端部または先端部にある孔４４６を通って延びている。このデザインにおいて、プーリーｐ９は第２のディジットリンク４６０の本体の半分に加工されている（しかし、軸線３のシャフト４５２（シャフトｓ５）に支持され回転する場合においては、単独の遊動プーリーとしてデザインされるであろう）。保持または案内プレート４４４，４７０は、第１及び第２のディジットリンク４３０，４６０上のプーリー及び／またはケーブルを保持するために設けられている。
【００２９】
ここで記載したロボットフィンガーの実施形態は、“ｎ＋１”配列で、一般に、４本の腱またはケーブル（例えば、スチールケーブル等から形成されているテンション要素）を介して操作される。つまり、テンションを維持する４つの腱は各フィンガーの３つの自由度（ＤＯＦ）を作動させるのに使用される。図５〜図７は、本発明のロボットフィンガー内における、典型的な腱またはケーブルの経路及び／または終端または取り付けを説明するための、プーリーのセット及び第２のディジットリンクを示すロボットのフィンガーアッセンブリ５００の部分図を示している。４本のケーブルまたは腱は“ｃ1”〜“ｃ４”
の符号で示され、それらはフィンガー３００を作動させるのに使用される、図３に示されたケーブルである。図に示すように、フィンガーアッセンブリ５００（例えば、フィンガー３００，４００でも良い）に関する一連のプーリーのセットは、９個のプーリー要素５１４，５１８，５２０，５２６，５３０，５４０，５５４を含んでおり、幾つかのプーリーは図に示すようなプーリーｐ１〜ｐ９を提供すべく、単一軌道プーリー及び２重軌道プーリーである（例えば、プーリー要素またはプーリー５１４は要素５１８のように２つの個別のプーリーである一方、要素５２０，５２６，５４０は２重溝プーリーである）。
【００３０】
図５は、ケーブルまたは腱５１０（またはケーブルｃ１）、フィンガー５００のプーリーアッセンブリにおけるケーブルまたは腱５１０（またはケーブルｃ１）の軌道、及び、第２のディジットリンク５５０（リンクｌ３）の本体上の終端点５５８を示す。リンク５
５０における終端点５５８から、ケーブルまたは腱５１０はプーリー５５４の周囲を通り、プーリー５４０における２つの軌道の一方に接してプーリー５４０の反対側を通ってＳの字を形成している。ケーブルまたは腱５１０は、プーリー５２６に連続して（再び軌道の一つに接し）、２つの軌道の一つに対してプーリー５２０の反対側の周りを通って別のＳ字状を巻く。ケーブルまたは腱５１０は、プーリー５１４への接触を維持するようにフィンガーの内側に向かって僅かに傾斜させるプーリー要素５１４のプーリーｐ２部分に連続している。ケーブル５１０はプーリー５２０，５２６，５４０の内側溝または軌道を使用することに注意されたい。また、重要なこととして、図５に示されたケーブルの軌道は、いかなる螺旋（プーリーを全周すること）を形成する必要はなく、代りに、ケーブル５１０が（プーリーと腱５１０との間の接触角度が１８０°以下で、しばしば９０°以下になるように）プーリーを部分的に覆っていることが必要である。これにより、フィンガー５００の一連のプーリーの必要な数は増加するが、摩擦量は減少し、フィンガーが人間の指の形状因子に一致するようになる（例えば、縮小化が容易となる）。
【００３１】
図６は、腱６１０（ケーブルｃ２）が一連のプーリーを通っているフィンガーアッセンブリ５００を示す。腱６１０は、腱５１０（ケーブルｃ１）に対しプーリー５５４の反対側上の終端または取付位置６１６において第２のディジットリンク５５０にて終端していることが示されている。プーリー５５４の周りが部分的に覆われ、プーリー５４０の反対側にＳ字が形成される。腱６１０はプーリー５２６を回って連続し、プーリー５２０上を通って別のＳ字を形成する。腱６１０は、プーリーｐ３への接触を維持するために微小な傾斜を形成するプーリー５１８に連続している。図に示すように、腱６１０は、プーリー５２０，５２６，５４０の外側溝を使用し、腱６１０は、フィンガーアッセンブリ５００のどのプーリーの周りにも完全には通っていないが（即ち、螺旋は形成されていない）、軌道や溝に接触する各プーリーの一部分に接触している。プーリーｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４は独立して回転できる別々のプーリーであることに注意されたい（２つのプーリーにおける４つの異なった溝ではない）。
【００３２】
図７は、腱７２０，７４０（ケーブルｃ３，ｃ４）が一連のプーリーを通るフィンガーアッセンブリ５００を示す。腱７２０は、第１のディジットリンクｌ２内の符号“７２６”の位置において終端している（図７において、ケーブル軌道を図示し易くするために示されていないが、フィンガーアセンブリ４００のリンク４３０またはアセンブリ３００のリンク３４０である）。腱７２０はリンクｌ２からプーリー５３０の一部分に渡って延びている。腱７２０は、プーリー要素５１８のプーリーｐ４上に連続しており、腱７２０は、プーリー要素５１８への接触を維持するためにフィンガー５００の内側に向かって微小に丸まっている。また、腱７４０（ケーブルｃ４）は符号“７４６”において第１のディジットリンクｌ２上で終端しているが、腱７４０は腱７２０に対しプーリー５３０の反対側上に連続している。腱７４０は、プーリーｐ１まで軌道化されており、腱７４０はプーリーｐ１への接触を維持するためにフィンガー５００の内側に向かって微小に丸まっている若しくは曲がっている。さらに、ケーブルはフィンガー５００のいかなるプーリーの周りで螺旋状に丸まってはいないし、ケーブルが互いに擦れ合っていなく、その結果、摩擦が低減され、フィンガー５００の寿命が向上する。
【００３３】
図８は、図３のフィンガーアッセンブリ３００の正面図を示す（図３及び図４に示すプーリーの配列及びケーブルの配置がそれぞれデザインされている）。アッセンブリ３００は、リンク部材３３０（リンクｌ１）のプーリー及び第１のディジットリンク３４０のプーリー（即ち、リンクｌ２上に支持されたプーリーｐ５及びｐ７）に接する、ベースリンク部材３１０の孔または通路３１４に延びるケーブル３２２，３２３を含むように示されている。図示されるように、ブロックまたはベースリンク３１０内のケーブル案内孔または通路３１４は、リンク本体３１０の正面または側面から外側に傾いており、ケーブル３２２，３２３は腱ｃ１〜ｃ４で形成されたプーリーｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４の周りの微小
な丸まりを収容するように受け入れられている（図８においてはケーブル３２２，３２３のみが見えている）。この傾きは各プーリーｐ１〜ｐ４の部位とケーブルｃ１〜ｃ４との間の所望の接触を維持するのを補助している。
【００３４】
本発明に係るフィンガーの実施形態は、フィンガーアッセンブリ３００にて適用されるように、人間の指にて見出される又は得られる運動範囲と類似した、各フィンガーのディジット／セグメントの運動範囲を備えるようにデザインされる。図９〜図１４は、ジョイントの配列、及び、プーリーを含むテンション要素またはケーブルの駆動アッセンブリによる動作を通しての作動によって得られる様々な位置または操作モードにおけるフィンガーアッセンブリ３００を示している。特に、図９及び図１０は、人間の指の関節において見出されるようなフィンガーアッセンブリ３００に関する側方範囲（左右範囲）の動きを示す。例えば、図９は第１の側方位置（最左位置）におけるフィンガー３００を示し、図１０は第２の側方位置（最右位置）におけるフィンガー３００を示す。これらの図は、フィンガー３００のピンまたはシャフト３３２の周りで側方へ最大に旋回または軸線１を中心に最大に回転したときのリンク３３０（リンクｌ１）を示す。
【００３５】
図９は、最大回転角度θ、つまり、図に示すように例えば１３°といった、２０°よりも小さい最大回転角度θでの回転を示す（負又は正の回転であり、この図９での回転は、負の方向の回転、すなわち図９において反時計周り方向の回転である）。図１０は、別のまたは反対方向における、最大回転角度αでの回転を示す（例えば、軸線１を通って上方向に延びている直交面に対する時計方向角度または正の回転角度）。互いに他の方向に対する回転が同じ大きさで対称な側方移動（左右移動）であってもよいし、異なった大きさであってもよい。一例として、回転角度αは、図に示すように、２０°よりも小さい、または１３°である。図９および図１０では軸線１を中心とする、リンクｌ０に対するリンクｌ１の運動範囲はプラスマイナス約１３°である。運動の最大時において、リンクｌ１とリンクｌ０とがそれらの平坦部において接触する（例えば、リンク３３０の本体の一部がピン又はシャフト３３２の周りでのリンク３３０の回転を制限または停止させるように作用するブロックまたはベースリンク３１０の隣接面と隣接または接触する）。
【００３６】
図１１及び図１２は、第１及び第２垂直位置（例えば、リンク３３０におけるピン３３６を通る水平面に対する位置）におけるフィンガーアッセンブリ３００を示し、図１１は傾斜した後方位置におけるフィンガー３００（手のひらプレートから離間する方に曲がった第１のディジットリンク３４０）を示し、図１２は十分に前方に傾斜したフィンガー（手のひらプレートに向かって内側に曲がった第１のディジットリンク３４０）を示している。人間の手の指は、後方または手のひらから離間する方向に大きく伸びることはなく、その結果、フィンガー３００は、図１１に示すように、約２０°（反時計方向またはピン３３６を中心とした負の回転方向）よりも小さいような比較的小さな回転角度β、一例として１３°で最大後方屈曲に関連した第１の垂直位置を有する。また、この位置において、フィンガー３００のディジットはリンク３４０，３５０，３７０でほぼ真っ直ぐまたは直線状であり、いくつかの場合において、縦軸がほぼ平面上に配列し、第２のディジットリンク３５０及び第３のディジットリンク３７０は人間の指に類似して第１のディジットリンク３４０よりも大きく後方にアーチ状になる。この垂直位置への移動は、リンク３３０またはリンク３４０上のストッパで制限され、または、いくつかの場合において、この方向の移動は、テンション要素またはケーブルの操作によって（或いは駆動モータの操作によって）制限される。
【００３７】
反対に、人間の指は、握りこぶしを形成したり物体を握ったりするために手のひらに対して内側に向かって丸めることができる。このことを考慮して図１２に示すように、フィンガーアッセンブリ３００は第１のディジットリンク３４０（またはリンクｌ2）がピン
またはシャフト３３６（軸線２）の周りで比較的大きな回転角度τで回転することが許容
されており、例えば、第２の垂直位置へ時計周り方向で、少なくとも約７５°、より典型的には少なくとも約９０°（図では９３°）で回転することが許容されている。これらを考慮した場合、図１１及び図１２は、軸線２の周りでのリンクｌ１に対するリンクｌ２の運動範囲を示し、この範囲は、負側に約１３°（反時計周り方向）で、正側に約９３°（時計周り方向）若しくはそれ以上の範囲である。
【００３８】
上述したように、第２のディジットリンク３５０（リンクｌ３）は、第１のディジットリンク３４０（リンクｌ２）に対して独立して駆動する。図１３は、ピン３５６または軸線３を中心として正の回転方向（時計方向）角度αで回転した第２のディジットリンク３５０が内側に閉じるまたは十分に丸まった状態のフィンガーアッセンブリ３００を示し、角度αは約９０°で、より典型的には少なくとも約１００°である。換言すれば、第２のディジットリンク３５０は軸線３またはシャフト３５６を中心として約０〜１００°の運動範囲を有する。
【００３９】
いくつかの実施形態においては、第３のディジットリンク３７０（リンクｌ４）はスレーブ連結としての第２のディジットリンク３４０（リンクｌ３）に結合している。図１３に示すように、第３のディジットリンク３７０（リンクｌ４）はリンク３４０（リンクｌ３）に対してまたはリンク３４０（リンクｌ３）とともに回転する。図１４は、リンク３６０（リンクｌ５）を見やすくするために第２のディジットリンク３５０またはｌ３がラインで示されているフィンガーアッセンブリ３００を示す。この第３のディジットリンク３７０の回転は受動的な結合回転であって、第１のディジットリンク３４０（リンクｌ２）に対する第２のディジットリンク３５０（リンクｌ３）の回転に応じたものである。図１４から理解されるように、リンク３６０（リンクｌ５）はシャフトまたはピン１４１２（シャフトｓ８）で第３のディジットリンク３７０（リンクｌ４）に対して旋回し、かつ、シャフト１４１０（シャフトｓ７）で第１のディジットリンク３４０（リンクｌ２）に対して旋回する。シャフト１４１０（シャフトｓ７）とリンク３４０上の軸線３との間の距離は、シャフト１４１２（シャフトｓ８）とリンク３７０上の軸線４との間の距離の約１．３倍以下に設定されている。この種の結合はプーリーやケーブルを使用して成されていることに注意されたい。
【００４０】
各フィンガージョイントの運動は各腱の運動に関係している。軸線１，２，３周りでの関連するリンク運動に対応する各ジョイント位置をそれぞれｑ１，ｑ２，ｑ３で示す。各ジョイントの速度を
【００４１】
【数１】
2010240834.tif 000003
で示し、その単位はラジアン／秒である。
各ケーブルの速度は
【００４２】
【数２】
2010240834.tif 000004
で示し、その単位はメートル／秒である。各プーリーの半径がメートルで与えられた場合、次の関係が成立する。
【００４３】
【数３】
2010240834.tif 000005
ここで、腱の運動は独立していないことに注意されたい。即ち、４つの腱が引っ張られた状態のままであるならば、３つのジョイント速度は４つの腱の速度で定義される。特段の定めが記載されていない限り、４つの腱速度のうち３つが指定されれば、４番目の腱速度が上記の式によって定義される。速度が前記式によって定義された関係から過度にずれていたら、腱が延びてしまっているか、若しくは張力を失っているかであろう。
【００４４】
上記で注意したように、腱やケーブルの運動は独立していない。フィンガー腱を操作する方法の一つは、各腱を独立したリニアアクチュエータに連結することである。この場合、４つのアクチュエータの運動は、上記式を維持しかつ同時にケーブルの張力を維持するために調整される必要がある。別の方法は、たった３つのアクチュエータまたはモータがここで記載されたロボットハンドの各フィンガーを駆動するのに必要となるようこの関係を実行するメカニズムを使用することである。そのようなメカニズム１５００は、受動的なテンションメンテナンスメカニズムとして考えられ、図１５に模式的に示す。ここで、腱ｃ１，ｃ２はプーリーｐ１０によって支持されるループを形成する。腱ｃ３，ｃ４はプーリーｐ１１によって支持されるループを形成する。その所望の関係は、図１５に示すようにプーリーｐ１０，ｐ１１の軸線がｙ軸に対して並行に延びるように強いるメカニズム（図示しない）を介して実行される。この軸線に沿った各プーリーの速度ｖ１，ｖ２は等しく且つ反対である（即ち、ｖ１＝−ｖ２）。
【００４５】
この場合、腱マッピング式に対する前記ジョイントの運動学的な関係が成立し、４つの腱のうち３つの腱が、フィンガーを駆動するための、制御されたアクチュエータまたは駆動モータを介して駆動される必要がある。プーリーｐ１０，ｐ１１の初期位置は、ケーブルに初期張力があり、その後その張力が受動的に維持されるように設定される。腱ｃ１，ｃ３，ｃ４はアクチュエータｍ１，ｍ２，ｍ３を使用して駆動される場合、正の運動の方向も同様に、次の関係が存在する（位置はメートルの単位を有し、文字／記号の上にドット無しで示し、速度
【００４６】
【数４】
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は文字／記号の上にドット有りで示しメートル／秒の単位を有している）。
【００４７】
【数５】
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図１６は、フィンガー駆動アッセンブリまたはメカニズム１６０を示し、このメカニズム１６０は、３つのアクチュエータ（または、例えば、駆動モータ）が４つのテンション要素または腱／ケーブルを操作または駆動するのに使用されることを許容する、上述した受動的な張力メンテナンスメカニズムを実行するように適合されている。システムまたはアッセンブリ１６０は、モータハウジング１６１９内に設けられたブラシレス直流モータ等を有する３つのアクチュエータ１６１７を含んでおり、アクチュエータ１６１７はベースプレート１６２０上に列状に固着されている。各モータ１６１７は、いくつかの適用において、連結されたフィンガーアッセンブリの正確な制御のために回転位置を記録し決定するエンコーダ１６１８を備えている。各モータ１６１７の出力シャフトはフレキシブルなカップリング１６１１を介して送りネジ１６０５に連結されており、カップリング１６１１は駆動シャフトと送りネジ１６０５との間のズレを調整するように適合されている。送りネジ１６０５は前部軸受け１６０３と後部軸受け１６１０とによって支持されており、送りネジ１６０５に加わるスラスト荷重を受けている。
【００４８】
送りネジ１６０５はナット１６０７を駆動し、ナット１６０７はブロック１６０６に配置されている。このブロック１６０６は、溝付きプレート１６０４に係合する“タング（凸部）”によって回転を阻止される。一実施形態において、溝付きプレート１６０４はアセタールで形成されており、低摩擦滑り面を備える。各ブロック１６０６には、線形運動が伝達されるケーブル腱を固定するのに使用されるクランププレート１６０８が設けられている。受動的な張力メンテナンスメカニズムはシャフト１６１５，１６１６を介して旋回アーム１６２１に配置された２つのプーリー１６１３，１６１４を備えている。旋回アーム１６２１はリンク１６２２上を旋回し、リンク１６２２はモータマウント１６１９のスロット内をスライドするように制約されている。リンク１６２２の運動はモータマウントブロック１６１９の孔に挿通されたテンションネジ１６２３によって制約されている。アーム１６２１の旋回運動は、フィンガーの運動範囲である式ｖ１＝−ｖ２の制約に非常に近い。
【００４９】
図１７は、受動的な張力メンテナンスメカニズムを通じて軌道化された腱またはケーブル１７１０，１７２０，１７３０，１７４０（ケーブルｃ1〜ｃ4）を有するフィンガー駆動メカニズム１６０を示す。ケーブル１７１０，１７２０，１７３０，１７４０は、ベアリング支持ブロック１６０１に形成された孔を通ってプーリー１６１３，１６１４まで延びている。張力ネジ１６２３を締め付けることによって、フィンガー腱１７１０，１７２０，１７３０，１７４０が引っ張られる。ベアリング支持ブロック１６０１上の付加的な調整器１６０２は、送りネジナット１６０７に対してフィンガージョイントの位置を微調整するために使用される。
【００５０】
前述したように、フィンガーアッセンブリとフィンガー駆動アッセンブリとの間の腱またはケーブルの長さは一定であると仮定した。しかしながら、駆動アッセンブリ及びフィンガーアッセンブリは手首のジョイントの反対側に配置されており、ケーブルの長さは一定ではない。このような実施をサポートするために、フレキシブルな腱の管が、一定の長
さという制約を維持するのに使用される。例えば、図１８は、フレキシブル管１８３０を有するケーブルまたは腱連結アッセンブリ１８００を示し、フレキシブル管１８３０はその一端が駆動アッセンブリにおいてベアリング支持ブロック１８１０に取り付けられ、他端がベースリンク１８２０（フィンガーアッセンブリのリンクｌ0）に取り付けられてい
る。ケーブル腱１８４０はこの管１８３０を通して延びている。管１８３０は腱１８４０における張力の大きさと等しい圧縮負荷を支持する。図１９は、フレキシブル管１９００の一実施例を示しており、図に示すように、本実施形態では滑らかな内側面及び外側面を有するという利点を備える、ステンレスワイヤまたはコイル（例えば四角状ステンレスワイヤまたはコイル）１９１０で形成される管１９００が利用されている。管１９１０は、グラスファイバー含浸テフロン（登録商標）ライナーチューブ等１９２０で内面を覆われており、スチール腱（例えば、腱１８４０）と管１９１０（または管１８３０）との摩擦を低減する。さらに、これらの要素間の面はテフロン（登録商標）または他の潤滑剤を使用することによって滑らかになっている。
【００５１】
本発明はある程度の具体性を有して記述及び例示したが、ここでの開示は一例に過ぎず、部品の組み合わせ及び配列を多く変化させることによって本発明の精神および範囲から外れることなく当業者によって使用され得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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