(57)【要約】  人型の前腕および手の構成は、人間の手、いくつかの手の構成部分、および互いに角運動可能に前腕の放射状関節と手とを連結する手首関節の、実質的にすべての動作を模倣することのできるような手の構造を有しており、旋廻模倣シャフトの周囲に、房状にきつく詰められスペースを求めて押しのけるような大量のエアマッスルのそれぞれに連結され分離された腱手段を有している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下を特徴とするロボットハンド。
（ａ）主要手の平模倣部（１５ａ）
（ｂ）主要手の平模倣部に隣接する部分（１５ｂと１５ｃ）
第１隣接部（１５ｂ）は、主要手の平部を横に走る軸での軸運動ができるよう、主要手の平部と繋がっている。第２隣接部（１５ｃ）は前述の横軸に直角に伸びる軸（首尾軸）での軸運動ができるように主要手の平部と繋がっている
（ｃ）５つの摸倣指（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、３９）
それぞれは端から端まで関節で繋がれた指骨模倣部を備えている。それらがそれぞれの指内で、指の伸びる縦方向に対して、相互に平行して横向きに伸びる軸での角変位を可能にする。
（ｄ）主要手の平部（１５ａ）と人差し指、中指、薬指の骨の根元部分の間にある、３つの独立した軸連結装置
それらが根元部分の骨に第１、第２垂直軸（これらの軸は、その指の伸びる方向において、相対する根元指骨に対して直角であるため）あたりで、角変位を可能にさせる。
（ｅ）親指根元部骨と手の平第２隣接部（１５ｂ）の間にある、前述の‘首尾軸’に対して鋭角に傾く軸部分での角変更を可能にするための、手の平第２隣接部にベアリングで支えられた連結部
親指の根元部骨は鋭角に傾いた軸と、‘首尾軸’に対して垂直である軸あたりでの角変位のために、この連結部に繋がっている。
（ｆ）小指（２１ｄ）根元部骨と手の平第１隣接部（１５ｂ）の間にある連結部
相互に垂直に混じりあい、そして横に伸びる中心軸（そこでは第１手の平隣接部（１５ｂ）が主要手の平部（１５ａ）に対して中心になっている）に対しても垂直に交じり合う第１、第２軸での角変位のために連結されている。
【請求項２】
次の特徴を持つ、請求の範囲第１項記載のロボットハンド。
人差し指、中指、薬指、小指（２１ａから２１ｄ）の根元部分は、それぞれ対応する手の平（１５ａ）や隣接手の平部（１５ｂや１５ｃ）に対して、垂直に伸びる軸あたりで、個々に独立した連結中心軸を持っている。またその垂直軸に横に直角に伸びる第２中心軸を持っている。そのあたりでそれぞれの指の根元部が角変位を起こすことができる。
【請求項３】
以下を特徴とするロボットハンド及び前腕の形状。
（ａ）請求の範囲第１項及び第２項記載の手
（ｂ）次の２点からなる前腕部（１３）
（ｉ）シャフト型装置（４３）
前腕の骨模倣部分であり、一方の端を肘関節（４７）で上腕部（４６）と中心軸を連結するようになっている。そして反対側の端は、手首模倣関節（５３）で主要手の平部（１５ａ）と連結している。この手首関節には、第１と第２中心軸がある。１つは、局部相対縦揺れの動き、他方は横揺れの動きを、シャフト型装置（４３）と主要手の平部の間で起こすことができる。
（ｉｉ）作動装置（４５）
作動装置はそれぞれが局部基準部に繋がっており、その数は手及び前述のその他の構成要素によって可能となる角運動の数より少ないことはない。
又そこには、角変位を起こすため、前述の相対的な軸部分と作動装置を繋げる腱装置がある。
【請求項４】
次の特徴を持つ、請求の範囲第３項記載のロボットハンドと前腕の形状。作動装置（４５）はシャフト型の装置あたりで、縦に群がった多数のエアマッスルからなっている。そのそれぞれのマッスルは、片端で局部基準部に繋がっている。エアマッスルの数は、ハンド及びその一部によって執り行うことのできる角運動の数より少ないということはない。そして、滑らかで、突き出た形状ではないため、エアマッスル同士がスペースを求めて間断なく接触し合うことによる磨耗を、最小限にしている。骨模倣シャフト（４５）は、主要手の平部（１５ａ）と手首模倣ユニバーサル・ジョイント（６１）で連結している。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】  この発明はロボットに関するもの、特にロボットの前腕と手の構造に関するものである。前腕の一部として組み込まれる作動装置は、他の形を取るかもしれないが、ここで、前腕の具体的形状として説明される時、エアマッスルが、手や手首関節の骨部分の役割を果たすロボットの手の構造上の基本要素に置き換わるものとして用いられている。
【０００２】  流体マッスル、ラバチュエーター、マッキンベン・マッスルと様々に呼ばれる‘エアマッスル’は次から構成される
●  一般にエラストマー材料、もっとも広くにはゴムでできた拡張する管状の空気室そこには空気の注入口及び排出口、またはその両方の機能を持った一般口がある。
●  前述の管状の空気室全長を包む編みこみの鞘
●  管状の空気室の両端をそれぞれ塞ぐ第１、第２閉鎖部分
【０００３】  １９９２年３月１３日付英国特許ＧＢ２２５５９６１番の仕様書は、上述のエアマッスルが牽引の作動要素として働く機械作動装置を公開している。エアマッスルの空気注入口、排出口の仕様は、一方又は他方の閉鎖アレンジを合わせたもった単一の複合口であるかもしれない。しかしそれは閉鎖アレンジ部分からは独立して、管状空気室の中間位置でのタッピングであるかもしれない。
【０００４】  圧力を掛け、空気又は他の流体を空気室に導入すると、空気室は急激に拡張する。すると編みこみの鞘も急激に拡張する。管状空気室が放射状に拡張すると、空気室はその長さが短くなるというのがこの編みこみ鞘の特徴である。もし鞘の両端がそれぞれ結合されていれば、１つはおそらく動かすことのできる作動システムの反応部分のデイタムに繋がり、もう片方はその反応部分に対しての変動部に繋がるようになっているとすると、鞘の縮小は変動システムの部分に張力を与えることになる。すると、変動システム部分はデイタム反応部分に反応して、鞘の収縮の程度に応じ作動する。
【０００５】  エアマッスルは膨らんだ時に最大の力を出すために、空の時は緩められていないとならない。いくつかの場合において、この筋肉の拡張は、従来からあるスプリング（ばね）又は同様な反動作用をもたらすその他の弾力性のある物体を使って、一番目のエアマッスルに連結された二番目のエアマッスル（たいていの場合は拮抗して作動する）によって可能となる。いずれの場合においても、反動運動はその前に起こる管状の空気室の拡張によってエアマッスルにより動かされた部分におきる。マッスルとそれに繋がったマッスル拡張器は、その特徴がどうであれ、一つは緩め、拡張する。そしてもう片方は、他方の動きによって拡張するので、相互に連結していないとならないことは明らかである。
【０００６】  ロボット、特にロボットの前腕のエアマッスルの大きな利点は、限られたスペース内に他の形態の作動装置、たとえばピストン等を使った場合よりも多くの、エアマッスルの形態の作動装置を組み入れることができることである。
【０００７】  エアマッスルは、少なくともこの発明の一つ前のロボットの前腕に、手とそれを構成する部分の作動装置として使われたが、従来の技術では、一部では多数のマッスルが使われたにもかかわらず、運動自由度は数の上でかなり限られていて、それはおそ１２である。
【０００８】  これは明らかにロボットの手の設計段階で、手型である人間の‘手’からそれてしまったためである。前腕において、いくつかのエアマッスルによって動かされるロボットの手は、本来模倣すべき人間の手とは明らかな違いを示した。殊にその数、指、指の骨の配置において違いが顕著である。前に述べたように手の運動自由度は極めて限られていて、それぞれの手の運動自由度は一つか、時には二つの独立したエアマッスルにコントロールされているため、前腕に組み込まれ、手及びその部分の作動に使われるエアマッスルの数は相対的に少なかった。
【０００９】  これらのマッスルは必然的に、前腕の中心シャフトや骨部分あたりで少しスペースをあけた位置で支えられていた。それはマッスル間同士がスペースを求めて間断なく接触しあうことによる磨耗を防ぐ、又は最小限にするためであった。ここでいう磨耗の主な原因は、マッスルの鞘相互の接触ではなく、鞘と、マッスル閉鎖端装置と、その閉鎖装置に隣接する、接続要素に不可欠な凸状部分間に起こる接触であった。
【００１０】  人間の手によってなしえる動きと同じ範囲の動きを、ロボットの手で行うためには、２４の運動自由度が必要とされている。人間の手の不十分な模倣の結果、従来の技術によるロボットの手の器用性は、‘手’に望まれる多くの動きを執り行うことができず、その運動自由度はおそらく１２だろうと言われてきた。
【００１１】  今回のこの発明によれば、ロボットの前腕と手の構成は、特許請求の範囲で説明されている。その請求の内容とそれぞれの内容の相関性は、ここでも同様に述べられているとみなされるべきである。この発明のロボットの前腕と手は、人間の手において見分けられる２４の運動自由度すべての動作と非常によく似た動作を執り行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】ロボットの前腕と手の形状の具体像は別紙図面により説明できる。【図１】ロボットの前腕と手の形状構成絵図である。
【図２】手、手首と前腕の一部の要素を縦割り平面にした図である。
【図３】図２の平面ＩＩＩ−ＩＩＩに組込まれる一部分の図である。
【図４】手及び手首模倣関節の図である。
【図５】模倣指の側面図である。
【図６】図５ａの指先端部の図である。
【図７】模倣親指の側面図である。
【図８】図７の指投影図である。
【図９】図７と図８の指詳細図である。
【好ましい実施例の説明】
【００１３】  ロボットの前腕と手の構成は、手部分１１、前腕部分１３、前腕に組み込まれ、前腕部分と手の構成の固定されていない部分で、角度のある動きを生み出す装置の部分の計３つからなる。これらはすべて説明される。
【００１４】  手部分１１は次の５つからなる。主要手の平部分１５ａ、手の平から横に突き出した硬い第１、第２、第３の連結部分（それぞれ１９ａ、１９ｂ、１９ｃ）、第１、第２、第３模倣指（それぞれ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）、第１、第２手の平隣接部分（１５ｂ、１５ｃ）、硬い連結部分（１９ｄ）、模倣第４指（２１ｄ）、そして第５模倣親指である。
【００１５】  連結部分１９ａ、１９ｂ、１９ｃは、その先の境界１７、又はその近くで、手の平１５に横並びで、その中心に連結している。そこでは手の平にほぼ垂直な中心軸で、連結部分１９ａ、１９ｂ、１９ｃが角度のある動きができるようになる。この連結部分１９ａ、１９ｂ、１９ｃにはそれぞれ２３ａ、２３ｂ、２３ｃという境界１７を越えて突き出る部分がある。
【００１６】    指２１ａ、２１ｂ、２１ｃはそれぞれ連結部分１９ａ、１９ｂ、１９ｃとその中心で繋がっている。軸部分では２５ａのように、手の平１５ａに横方向に伸び、連結部分では１９ａのように中心軸に直角に伸びている。手の平周辺部１５ｂは、手の平１５ａの最初の端境界部分２７に繋がり、ベアリング２９で支えられている。これは隣接する手の平部分１５ｂの縦の動きを、軸Ｘ…Ｘの部分で、主要手の平１５ａに横向きに伝える働きをする。
【００１７】  第４の連結部分１９ｄはその先の境界３１に隣接した位置で、手の平部分１５ｂの周辺部に中心で連結している。中心軸は図面にあるように連結部分１５ｂの平面に対してかなり垂直である。連結部分１９ａのように、１９ｄには手の平部境界３１周辺から先に伸びた２３ｄ部分がある。
【００１８】  ４番目の指、小指２１ｄは２５ｄの位置で第４連結部分１９ｄに、その中心で連結している。そして１９ｄの中心軸に対して横断面で直角、Ｘ…Ｘ軸には平行である軸部分で角変位を可能にしている。
【００１９】  模倣指２１ａから２１ｄと、連結部分１９ａから１９ｄの間のカプリング（連結器）、そして、連結部分１９ａから１９ｄと、主要手の平部分１５ａ、または周辺手の平部分１５ｂは、集合的に手の指関節部分を模している。
【００２０】  手の平補助部分１５ｃは、手首近くにあり、３３の一部である。１５ｃは限定中心軸Ｙ…Ｙベアリング３５で支えられている。ベアリング３５は端の境界部３７、（他の端の境界部２７からは横断面上離れている）の近くの位置で、主要手の平部１５ａによって支えられている。
【００２１】  手の平補助部１５ｃは第５指、親指模倣指３９に、カプリング４１で繋がっている。４１は縦軸Ｌ…Ｌで、軸Ｙ…Ｙに対して鋭角に前方傾斜している。カプリング４１は円周辺上に伸びた輪縁４１ｆを持っており、その傾斜軸Ｙ…Ｙあたりで、角度ある動きを可能にするようにベアリング４１ｂで支えられている。
【００２２】  第５指、又は親指模倣指３９は、図面上では平面に対して垂直な３９’にある軸Ｌ…Ｌに対して直角な軸あたりで、カプリング部４１で角変位が可能である。
【００２３】  前腕１３は、シャフト部４３とエアマッスル４５からなっている。この部分のエアマッスルはその数において、前腕及び手の形状全般で可能となる運動自由度の数より少ないということはない。
【００２４】  前腕１３の模倣骨であるシャフト４３は、その一つの端４３ａが肘関節４７部分で、上腕部分４６と連結するようになっている。シャフト４３のもう一方の端４３ｂは、手首関節のある支え５１に作られた口径４９に連結するようになっている。四角い横断面である支え部分５１には、その中にシリンダー状の横の通気孔５１ａがある。
【００２５】  手首模倣関節５３には、相対平行した平面５５ａと５５ｂがある。５５ａは主要手の平部１５に不可欠な部分である。５５ｂはその一端を、主要手の平部１５から直立した端壁部５７によって支えられている。５５ｂの、もう一端は支え部５１に繋がっている。平面５５ｂではその内側に面した部分５５ｂ’は、支え部５１の表部分と差し向かいになっている。支え部５１の表部分は、５５ｂと接触している支え部表面と平行である。５５ｂ自体は主要手の平部１５と接触している。５５ａの平面部と５５ｂの平面部には、それぞれ軸の方向に並んだ口径５７ａと５７ｂがある。
【００２６】  手と前腕間のユニバーサルジョイントは、第１ベアリング６３ａと第２ベアリング６３ｂのある、ダブルベアリングになっている。
【００２７】  ベアリング６３ａには、四角い横断面のブロック６５があり、ここには第１、第２、第３、第４通気孔（それぞれ６７ａ、６７ｂ、６７ｃ、６７ｄ）がある。ブロック６５の２つの反対面の間に伸びる第１通気孔６７ａには、二つの円錐状の端部分をつなぐシリンダー状の通気孔がある。第２通気孔６７ｂはシリンダー状の通気孔であり、それはブロック６５の第３面から伸びて、通気孔６５ａの軸と直角になる６５ｂ軸をもつ通気孔６５ａに繋がっている。第３と第４の通気孔６７ｃと６７ｄは、通気孔６５ａと６５ｂの両方の軸に対して直角である共通軸にそって並んでいる。
【００２８】  ブロック６５はスクリュー６９ａと６９ｂにより、それぞれ５５ａと５５ｂに固定されており、ベアリングの外輪と開口５７ａ、５７ｂのそれぞれの側面の間に締まりばめを備えて、ローリングベアリング（転がり軸受け）７３ａと７３ｂの内輪７１ａと７１ｂを通り抜けるようにして広がり、硬く固定されている。
【００２９】  ダブルベアリングの他方の部分６３ｂは、直角平面の柱のような通路５１ａ側面に締まりばめを備えた外輪である、ダブル・ローリングベアリングでできている。スクリュー７５はダブルベアリング６３ｂの内輪を突き抜けて６７ｂに伸びている。
【００３０】  ユニバーサル・ジョイント６１は二つの直角の軸、すなわちスクリュー７５によって固定された横軸と、６７ａの通気孔に縦に伸びる後ろの軸に垂直な軸の部分で、手１１と前腕１３の間の動きを可能にする。
【００３１】  いくつかの部分間での各変位を促す作動要素であるエアマッスル４５は、シャフト４３の部分で、縦に結合されている。エアマッスルはそれぞれ一方の端を、局部基準座標部（図面には示されていない）により支えられている。それぞれが同じ局部基準部とは限らない。そしてそれらは、肘関節４７に組み込まれている。
【００３２】  エアマッスルの数は、角変位の数より少ないことはない。この角変位とは、前腕、手、そして手首関節が執り行うことのできる角度のある動きで、このために前腕には約５０のマッスルが組み込まれている。いくつかの動きは、単一マッスルや、従来からあるバネ、または適切な部分では二つのマッスルによって可能となる。勿論、エアマッスルは牽引力を働かせるので、従来のバネ、又は二番目のマッスルのいずれかが、最初のマッスルを最大限に拡張した後、次のマッスルに最大の動きを引き起こす反動運動の準備のために、取り込まれなければならない。より細かな議論については、本出願申請人の同時係属の出願である、英国特許出願ＧＢ０２０６６５４．６を参照されたい。
【００３３】  図面の目的は、人間の手が執り行うことのできる、ほとんど全部の機能が可能である手の形状を示すことにある。これにはたとえば、親指、人差し指、小指を、その先端をくっつけて持ち上げることも一例として含まれる。これまでに述べられてきたように、手は非常に有能な部位である。しかし、その有能性ゆえに、前腕の比較的小さな範囲の中に数多くのマッスルを取り込まなければならないこととなる。勿論これらのすべてのマッスルが、同時に作動しなければならないわけではないが、手と手首関節の複合動作では、かなりのマッスルが同時に作動することになる。したがってマッスルは、それぞれが接触しあう時の研磨を最小限にするために、滑らかな形態であることが重要である。一般にこのような研磨を引き起こすマッスルの特徴は、その両端でマッスルを固定するために使われる装置によって、マッスルが突き出た形状なっている。
【００３４】  しばしば閉鎖口にはサークリップ（半円形のワッシャー）、結合の機能をするラック・アンド・ピニオンのスクリュー型小歯車、そしてクリップの末端がある。これらはクリップの帯部分から膨れ上がりやすく、それぞれはマッスル間の接触・磨耗という点で危険を含んでいる。
【００３５】  本出願申請人の同時係属出願英国特許出願ＧＢ０２１９３２６．６は、このマッスルの閉鎖口に好ましいデザインを提示している。そこには、突き出た形状のデザインは提示されていない。マッスル同士の接触の磨耗結果に原因する欠点は、少なくとも大幅に緩和されている。以前の人工前腕エアマッスルで限定されていた、骨部分に集まるマッスルの数の制限は、ここでは取り除かれている。以前の技術では前腕に約１２のマッスルのみが組み込まれうるのに対し、申請人の特許出願では約４８のフルセットのマッスルがこの限られたスペースに中に集約されうる。しかも擦り合いによるマッスル欠陥率を大きく引き上げたりすることはなくしてである。
【００３６】  本出願申請人の同時係属出願英国特許出願ＧＢ０２１９３２６．６のマッスルデザインへの言及は、少なくとも以前の人工マッスルのデザインにおいての問題点を指摘すること、そして、実用的なエアマッスル、それは滑らかな形状をもち、前腕にも組み込まれるに相応しい実用的なマッスルへの注目を促すものである。
【００３７】  手１１の形状、特に親指を含めた指の形に戻ると、それぞれの指は、親指は２つ、その他の指は３つの指の骨を模した部分７７がある。それぞれの部分７７には、２つの平行に並んだプレート、７７ａや７７ｂがあり、それぞれは７９ａや７９ｂのように、若干重なり合っている。そして８１のように、７７ａ、７７ｂプレートの平面に直交する中心軸８１で組み合わさり、７９ａ，７９ｂの重なり合う端部分内では遮断している。
【００３８】  親指以外の指、２１ａから２１ｄでは、腱のガイド・ウィール８３が連結部分１９ａから１９ｄにそれぞれ繋がっている。たとえば８５のような腱ガイド・ポストは適切に配置された場所で、それぞれの指から突出ている。
【００３９】  図面はほぼ説明が不要である。前腕１３の筋肉からの腱８７はベアリングブロック６５を通して、適切なガイドポスト８５や、又はガイド・ウィール８３（指２１ａから２１ｂの場合）や、４１ｆ（親指の場合）の周りをまわりながら、腱の最上の位置として選ばれた場所に、送り込まれる。その場所はガイド・ポスト８５のある場所、つまり手１１の角運動可能な部分、人差し指から小指（２１ａから２１ｄ）の指骨、親指部３９、手首関節５３の角運動可能部、放射状部分、そして主要手の平部１５等であろう。
【００４０】  人差し指から小指まで（２１ａから２１ｄ）においては、指先とそれに続く部分はリーフ・スプリング（重ね板バネ）８８によって、ほぼまっすぐに伸びるようになる。それは、適切な部分では、その中に腱を取り込むことを避けるためである。
【００４１】  これらの特徴に加え、手の形状内、そして手の形状が接触する環境内で起こる、様々な物理的変動物を知覚するセンサーが、手の形状の適切な場所に組み込まれる。適切な場所に配置された運動センサー８９は、手と手首関節に近い前腕１３あたり、人差し指から小指の相互間、親指３５と主要手の平部１５あたり、親指とその他の指の骨あたり、そして、隣接手の平部１５ａ・１５ｂと主要手の平部、におこる角運動を知覚する働きをする。平行に配置されているプレート７７ａ、７７ｂ間のスペースが、センサーやそれに関連した電子工学を組み入れる場所となる。
【００４２】模倣指関節、特に親指関節でおきる、独立した軸運動の様々な組合せの結果得られる器用性によって、ロボットハンドは人間の手の動きに匹敵するもとなる。
【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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【国際調査報告】
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2005537138.tif 000013
2005537138.tif 000014