(57)【要約】【課題】本発明は、把持対象物を破損することなくあらかじめ設定したある一定の把持力で把持でき、把持対象物の形状に倣って包み込むように把持でき、しかも比較的簡単な構成でこれを実現できるハンドを提供する。【解決手段】基部１と、前記基部１に固定される回転駆動機構２と、前記回転駆動機構２と連結される少なくとも２つのリンク３を備えたハンドにおいて、各リンク３は関節に動力伝達部品４とラチェット機構５を有し、前記回転駆動機構２は各関節に備えられた動力伝達部品４およびラチェット機構５にベルト６を介して連結されていることを特徴とするものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、前記基部に固定される回転駆動機構と、前記回転駆動機構と連結される少なくとも２つのリンクを備えたハンドにおいて、
各リンクは関節に動力伝達部品とラチェット機構を有し、前記回転駆動機構は各関節に備えられた動力伝達部品およびラチェット機構にベルトを介して連結されていることを特徴とするハンド。
【請求項２】
前記回転駆動機構は、基部または各関節上に少なくとも１つ存在し、各関節の動力伝達部品およびラチェット機構にそれぞれ独立して連結されていることを特徴とする請求項１記載のハンド。
【請求項３】
前記ラチェット機構は、そのラチェッティングトルクを調節可能であることを特徴とする請求項１記載のハンド。
【請求項４】
前記ラチェット機構は、ラチェットが作用する方向を切り替えることができることを特徴とする請求項１記載のハンド。
【請求項５】
基部と、前記基部に固定される回転駆動機構と、前記回転駆動機構と連結される少なくとも２つのリンクを備えたハンドの動作方法において、
前記基部に近い関節から順に前記回転駆動機構のトルクが伝達されることを特徴とするハンドの動作方法。
【請求項６】
前記関節に作用するトルクが前記関節部に備えられたラチェット機構を空転させることにより順次前記トルクを前記関節へ伝達することを特徴とする請求項５記載のハンドの動作方法。
【請求項７】
前記基部に近い方の前記リンクから閉動作を開始して把持対象物を把持することを特徴とする請求項５記載のハンドの動作方法。
【請求項８】
前記ハンドを初期位置に戻す際に、前記基部に備えられた前記回転駆動機構のトルクにより前記関節を回転させ、前記関節に備えられたストッパに前記リンクを当てるように動作させることを特徴とする請求項５記載のハンドの動作方法。
【請求項９】
前記関節に備えられたラチェット機構を切替スイッチにより前記ラチェット機構の作用方向を切り替えることを特徴とする請求項５記載のハンドの動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物を把持するロボットハンドおよびその動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットハンドを備えたロボットの開発が産業用のみならず民生用や人が介在するような用途などの多様な分野で研究開発が進んでいる。このような流れは、異形の物品を１つのロボットハンドでつかむことができ、多種の物品に対応できるように考えられたものである。民生分野では産業用に比べて繊細で複雑な形状の対象物を把持するケースが多くあると考えられ、複雑な形状のものを破損することなくやさしく把持できるハンドに対するニーズがますます高まってくると思われる。
従来のハンドでは、把持対象物をやわらかく掴みたいとき、ハンド指と把持対象物の間にばねや緩衝材を介し、把持力をやわらげて掴むことが多かった。また、各軸にモータを設け、トルク制御することにより把持力を一定にして掴む方法もあった。
また、複数関節を有するワイヤ駆動ハンドにおいて、摩擦クラッチを利用し、ハンドの根元軸から順番に対象物を包み込むように把持するよう工夫したハンドもある（例えば、特許文献１参照）。これは従来の複数関節を有するワイヤ駆動によるハンドでは、各指の根元位置よりも先端位置に近い把持対象物を把持するような場合、指の先端部分が他の部分より早めに折曲してしまい、把持対象物に触れることなく空振りして把持できないといった問題が生じる恐れがあったため、それを解決したハンドである。
【特許文献１】特開２００３−２１１３８３号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の緩衝材を介して対象物をやわらかく掴むハンドでは、指の硬い表面で把持対象物を直接押し付けることがないため、対象物の繊細な表面にかかる力を緩和することはできるが、実際に把持対象物にどれほどの力が掛かっているかはわかりにくく、繊細な把持対象物を不用意に破損してしまうことがあった。このため、事前にトライアンドエラーで緩衝材と把持力の最適な組み合わせを模索する必要があった。また、各軸にモータを設けトルク制御によってやわらかく掴むハンドにおいては、複雑な制御アルゴリズムを構築する必要があった。また、指先の反力に対する入力側の感度が鈍い場合、トルク制御による応答が遅れ、リアルタイムに適切な制御ができないという問題も多く発生した。さらにこの方式の場合、各軸にモータを設ける必要があるため、指をスリムにする際の障害となり、コスト的にも不利となる場合が多かった。
また、特許文献１に記載のワイヤ駆動ハンドにおいては、摩擦クラッチ部を滑らせることにより先端側にトルクを伝達しているため、クラッチ部が異常発熱してしまう可能性やパッドの磨耗粉が発生するという問題がある。さらに、関節に所定の値以上のトルクが掛かった場合や、対象物をハンドから開放する際、プーリとリンクの接合を解除するためのトルクリミッタを別途用意する必要があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、把持対象物を破損することなくあらかじめ設定したある一定の把持力で把持でき、把持対象物の形状に倣って包み込むように把持でき、しかも比較的簡単な構成でこれを実現できるハンドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、基部と、前記基部に固定される回転駆動機構と、前記回転駆動機構と連結される少なくとも２つのリンクを備えたハンドにおいて、各リンクは関節に動力伝達部品とラチェット機構を有し、前記回転駆動機構は各関節に備えられた動力伝達部品およびラチェット機構にベルトを介して連結されていることを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、前記回転駆動機構は、基部または各関節上に少なくとも１つ存在し、各関節の動力伝達部品およびラチェット機構にそれぞれ独立して連結されていることを特徴とするものである。
また、請求項３に記載の発明は、前記ラチェット機構は、そのラチェッティングトルクを調節可能であることを特徴とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、前記ラチェット機構は、ラチェットが作用する方向を切り替えることができることを特徴とするものである。
また、請求項５に記載の発明は、基部と、前記基部に固定される回転駆動機構と、前記回転駆動機構と連結される少なくとも２つのリンクを備えたハンドの動作方法において、  前記基部に近い関節から順に前記回転駆動機構のトルクが伝達されることを特徴とするものである。
また、請求項６に記載の発明は、前記関節に作用するトルクが前記関節部に備えられたラチェット機構を空転させることにより順次前記トルクを前記関節へ伝達することを特徴とするものである。
また、請求項７に記載の発明は、前記基部に近い方の前記リンクから閉動作を開始して把持対象物を把持することを特徴とするものである。
また、請求項８に記載の発明は、前記ハンドを初期位置に戻す際に、前記基部に備えられた前記回転駆動機構のトルクにより前記関節を回転させ、前記関節に備えられたストッパに前記リンクを当てるように動作させることを特徴とするものである。
また、請求項９に記載の発明は、前記関節に備えられたラチェット機構を切替スイッチにより前記ラチェット機構の作用方向を切り替えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１から９に記載の発明によると、対象物を把持する際、ラチェット機構を用いることにより把持対象物にある一定以上の力を掛けることなく把持することができ、基部に固定された回転駆動機構のみでハンドの根元軸から先端軸へ向けて各リンクの関節へ次々とトルクを伝達することができ、把持対象物の形状が複雑であってもその形状に倣い包み込むようにやわらかく把持ことができる。
また、各回転駆動機構は各関節のラチェット機構付動力伝達部品にそれぞれ独立して接続されているため、請求項１の効果と同様対象物をやわらかく把持できるだけでなく、すばやく把持することができる。
また、ラチェッティングトルクを調節することにより、把持対象物を把持する際の把持力を調節することができ、対象物の重量や、対象物の形状に応じてあらゆる把持力で把持することができる。
また、ラチェットの作用する方向を切り替えることにより、ラチェット機構を作用させることなく対象物を把持することもできるため、モータのトルクを最大限使用して把持対象物を強く把持することができる。また、ラチェット機構を利用して把持後、ハンドを初期姿勢に戻す際、ラチェットの作用する方向を切り替えることにより、適切な位置にストッパを設けることにより、ハンドを容易に初期姿勢に戻すことができる。また、任意の形状の対象物をラチェット機構を使うことにより把持し、最適な把持姿勢を決定した後ラチェットの作用する方向を切り替えれば、同じ対象物を力強く把持することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１は、本発明のハンドの第１実施例である。図１において、１は基部、２は回転駆動機構、３はリンク、４は動力伝達部品、５はラチェット機構、６はベルトである。
本発明が従来技術と異なる部分は、各関節にラチェット機構を備え、ラチェット機構の空転を利用して、指の根元軸から先端軸へ順番にトルクを伝達するしくみに構成した部分である。
【０００８】
図１において、回転駆動機構２は、６本のリンクの各関節に、プーリなどの動力伝達部品４とベルト６を介して連結されている。まず、回転駆動機構２の動力が第１関節の動力伝達部品４ａに伝わり、第１リンク３ａを回転させる。第１関節にラチェッティングトルク以上のトルクが作用すると、動力伝達部品４ａがラチェット機構により空回りし、動力が第２関節の動力伝達部品４ｂに伝わり、第２リンク３ｂを回転させる。第２関節にラチェッティングトルク以上のトルクが作用すると、動力伝達部品４ｂがラチェット機構により空回りし、動力が第３関節の動力伝達部品４ｃに伝わり、第３リンク３ｃを回転させる。このように関節にラチェッティングトルク以上のトルクが掛かるたびに根元軸から先端軸側へ順番に動力が伝わるメカニズムとなっている。
【０００９】
図２は、把持対象物７を第１実施例のハンドで把持する様子を示したものである。把持対象物７を把持するためにハンドを大きく開いて把持対象物７にアプローチする。回転駆動機構２により両指の第１リンク３ａをハンドが閉じる方向に動作させる。このとき第２リンク３ｂ、第３リンク３ｃも第１リンク３ａと連動して動作する。図２（ａ）は、第１リンク３ａが把持対象物７に接触した状態を示す。第１関節にラチェッティングトルクがかかるまで第１リンク３ａは把持対象物７に押し当てられ、第１関節にラチェッティングトルク以上のトルクがかかると第１関節上の動力伝達部品４ａはラチェット機構により空回りする。それにより動力が動力伝達部品４ｂに伝えられ、第２リンク３ｂがハンドを閉じる方向に動作する。図２（ｂ）は、第２リンク３ｂが把持対象物７に接触した状態を示す。第２関節にラチェッティングトルクがかかるまで第２リンク３ｂは把持対象物に押し当てられ、第２関節にラチェッティングトルク以上のトルクがかかると第２関節上の動力伝達部品４ｂはラチェット機構により空回りする。それにより動力が動力伝達部品４ｃに伝えられ、第３リンク３ｃがハンドを閉じる方向に動作する。図２（ｃ）は第３リンク３ｃが把持対象物７に接触した状態を示す。これで本ハンドによる把持対象物７の把持は完了である。このように、ラチェット機構を用いることにより、把持対象物にラチェッティングトルク以上の力をかけることなく把持することができる。また、根元軸から順番に把持対象物を把持していくため、指の先端部分が他の部分より早めに折曲し、把持対象物に触れることなく空振りしてしまう現象を防ぐことができる。また、リンクの数を多くすればするほど、複雑な形状の把持対象物であってもその形に倣って把持対象物を包み込むように把持することができる。
【００１０】
図２において、ラチェット機構５にラチェッティングトルク調節機能を持たせるかまたはラチェット機構５自体を交換可能な構造にしておけば、各関節のラチェッティングトルクを必要に応じて調節することにより、対象物の形状や重量やもろさに応じて把持力を変化させて把持することができる。
【００１１】
図３は、第１実施例のハンドの各リンクを初期姿勢に戻す方法を示した図である。図３（ａ）は例えば把持対象物７を把持した後のハンド形状である。８は各リンクの動作を制限するストッパである。把持対象物７を把持した後、ハンドの姿勢を初期状態に戻したいとき、図３（ｂ）に示すように両指をハンドが閉じる方向に動かし、両方の指を突き当てることにより、各リンクはラチェット機構により各関節に設けられたストッパに当たる位置まで動作し、ハンドを初期状態に戻すことができる。ただし、この方法を実現するには、根元軸のラチェッティングトルクがその他の軸のラチェッティングトルクより大きくなるように構成する必要がある。
【実施例２】
【００１２】
図４は、本発明の第２実施例である。図４において、各関節上のラチェット機構５はラチェットが作用する方向を切り替える図示しない切り替えスイッチを有する。本切り替えスイッチは、市販のラチェット機構を有する工具などに備えられている公知のものでよい。本切り替えスイッチを手動もしくは自動で切り替えられるようにしておけば、図４（ａ）に示すように、まず把持対象物の形状に倣って対象物を仮に把持して最適なハンド形状を決定後、対象物を開放して切り替えスイッチでラチェットの作用する方向を切り替えれば、次に同形状の対象物を把持する際は対象物を把持する方向にはラチェット機構が作用しないため、基部に固定された回転駆動機構のトルクを最大限にリンクに伝えつつ把持対象物を力強く把持することができる。
【００１３】
図５は、第２実施例の切り替えスイッチを有するハンドにおいて、各リンクを初期姿勢に戻す方法を示したものである。８は各リンクの動作を制限するストッパである。図５（ａ）は、第２実施例のハンドが任意の把持対象物を開放した直後の状態を示す。この状態で切り替えスイッチにより各関節のラチェットが作用する方向を切り替え、第１リンク３ａをハンドが開く方向に動作させると、第１リンク３ａはストッパ８に当たるまで動作し、動力伝達部品４ａはラチェット機構により空回りする。それにより動力伝達部品４ｂに動力が伝えられ、第２リンク３ｂがハンドを開く方向に動作する。第２リンク３ｂはストッパ８に当たるまで動作し、動力伝達部品４ｂはラチェット機構により空回りする。それにより動力伝達部品４ｃに動力が伝えられ、第３リンク３ｃがハンドを開く方向に動作し、ストッパ８に当たるまで動作する。このようにラチェット切り替えスイッチを有するハンドに図示するストッパ８を設けておけば、容易にハンドを初期姿勢に戻すことができる。
【実施例３】
【００１４】
図６は、本発明の第３実施例である。図６において、回転駆動機構２は各関節にそれぞれ独立して備えられている。本発明の第１実施例では、ハンドの根元軸から先端軸へ順番に１軸ずつ動力が伝達されていくメカニズムであるが、本実施例では各軸の関節に回転駆動機構２が設けられているため、各リンクを同時に動かすことができ、第１実施例の効果を維持しつつ把持対象物をすばやく把持することができる。ただし、各指の根元位置よりも先端位置に近い把持対象物を把持するような場合、指の先端部分が他の部分より早めに折曲してしまい、把持対象物に触れることなく空振りして把持できないといった問題が生じる可能性があるので注意が必要である。
【実施例４】
【００１５】
図７は、本発明の第４実施例である。本図のハンドは、ハンドの開閉方向と垂直方向に複数の指を設けたハンドである。このような構成にすることにより、ハンドの開閉方向と垂直方向に長い対象物をやわらかく把持することができるだけでなく、垂直方向に複雑に形状が変化する対象物であってもその形状に倣って柔軟に把持することができる。
【実施例５】
【００１６】
図８は、本発明の第５実施例である。図８のハンドは１本の指しか有していないが、１本の指に多数のリンクを備えている。このような構成にすることにより、図８に示すように把持対象物に巻きつくようにして把持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施例を示すハンドの平面図および側面図
【図２】本発明の第１実施例のハンドで対象物を把持する動作を示す平面図
【図３】本発明の第１実施例のハンドを初期姿勢に戻す動作を示す平面図
【図４】本発明の第２実施例を示すハンドの平面図
【図５】本発明の第２実施例のハンドを初期姿勢に戻す動作を示す平面図
【図６】本発明の第３実施例を示すハンドの平面図および側面図
【図７】本発明の第４実施例を示すハンドの平面図および側面図
【図８】本発明の第５実施例を示すハンドの平面図
【符号の説明】
【００１８】
１  基部
２  回転駆動機構
３  リンク
４  動力伝達部品
５  ラチェット機構
６  ベルト
７  把持対象物
８  ストッパ
【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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