(57)【要約】【課題】指機構の屈伸動作を高精度に制御することができるハンド装置を提供する。【解決手段】ハンド本体に内蔵されて指機構６を屈伸作動させる従動流体圧シリンダ２３と、ハンド本体の外部にあって従動流体圧シリンダ２３に流体圧伝達管４５を介して接続され、従動流体圧シリンダ２３に作動用流体圧を付与する駆動流体圧シリンダ３６と、駆動流体圧シリンダ３６から流体圧伝達管４５に出力される出力流体圧を測定する第１の圧力センサ４８と、従動流体圧シリンダ２３に流体圧伝達管４５から入力された入力流体圧を測定する第２の圧力センサ４９と、第１及び第２の圧力センサ４８，４９による測定結果に基づいて指機構の屈伸を制御する制御手段３６とを設ける。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈伸機能を有した指機構を備えるハンド本体と、指機構の屈伸動作を駆動する駆動手段とを備えるハンド装置において、
前記駆動手段は、前記ハンド本体に内蔵されて前記指機構を屈伸作動させる従動流体圧シリンダと、前記ハンド本体の外部にあって該従動流体圧シリンダに流体圧伝達管を介して接続されて該従動流体圧シリンダに作動用流体圧を付与する駆動流体圧シリンダと、該駆動流体圧シリンダから前記流体圧伝達管に出力される出力流体圧を測定する第１の圧力センサと、前記従動流体圧シリンダに前記流体圧伝達管から入力された入力流体圧を測定する第２の圧力センサと、第１及び第２の圧力センサによる測定結果に基づいて、前記駆動流体圧シリンダの作動用流体圧を調節することにより指機構の屈伸を制御する制御手段とを備えることを特徴とするハンド装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈伸機能を有した指機構を備えるハンド本体と、指機構の屈伸動作を駆動する駆動手段とを備えるハンド装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のハンド装置においては、人間の手を模倣した複数の屈伸機構たる指機構を備えている。各指機構は、複数の関節を備えて各関節毎に屈伸自在となっており、ハンド本体に設けられた複数の従動流体圧シリンダのピストンロッドの伸縮により、各関節毎に屈伸動作が行われるようになっている。また、ハンド本体の外部には、各従動流体圧シリンダの夫々に流体圧伝達管を介して接続された複数の駆動流体圧シリンダが設けられている。そして、各駆動流体圧シリンダから、当該駆動流体圧シリンダに接続された従動流体圧シリンダに作動用流体圧が付与され、当該従動流体圧シリンダにより関節の屈伸動作が行われる（例えば下記特許文献参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１２６９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記駆動流体圧シリンダと従動流体圧シリンダとに連通して充填される作動用流体としては、油等の液体や空気等の気体を採用することが考えられるが、両シリンダ間で高い応答性を得るためには、非圧縮性流体である油等の液状流体を用いることが好ましい。
【０００５】
しかし、上記従来の構成において作動用流体として油等の液状流体を用いた場合であっても、例えば、駆動流体圧シリンダと従動流体圧シリンダと流体圧伝達管とで構成される流体の流動経路の内部にエアが混入したり、流体圧伝達管の径が膨張収縮して流体の流動抵抗が変化した場合には、駆動流体圧シリンダにより発生させた流体圧が従動流体圧シリンダに十分に伝達されないことがある。このため、駆動流体圧シリンダに対する従動流体圧シリンダの応答性が悪化し、指機構の屈伸動作を高精度に制御することが困難となる不都合がある。
【０００６】
本発明は、かかる課題を解決し、指機構の屈伸動作を高精度に制御することができるハンド装置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】
【０００７】
本発明は、屈伸機能を有した指機構を備えるハンド本体と、指機構の屈伸動作を駆動する駆動手段とを備えるハンド装置において、前記駆動手段は、前記ハンド本体に内蔵されて前記指機構を屈伸作動させる従動流体圧シリンダと、前記ハンド本体の外部にあって該従動流体圧シリンダに流体圧伝達管を介して接続されて該従動流体圧シリンダに作動用流体圧を付与する駆動流体圧シリンダと、該駆動流体圧シリンダから前記流体圧伝達管に出力される出力流体圧を測定する第１の圧力センサと、前記従動流体圧シリンダに前記流体圧伝達管から入力された入力流体圧を測定する第２の圧力センサと、第１及び第２の圧力センサによる測定結果に基づいて、前記駆動流体圧シリンダの作動用流体圧を調節することにより指機構の屈伸を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
上記構成により、前記従動流体圧シリンダは、前記駆動流体圧シリンダから付与される作動用流体圧により前記指機構を屈伸作動させる。具体的には、例えば、駆動流体圧シリンダから作動用流体が加圧送出されると、従動流体圧シリンダに作動用流体が充填されて指機構の屈曲動作が行われ、駆動流体圧シリンダにおいて作動用流体が吸引されると、従動流体圧シリンダから作動用流体が抜き取られて指機構の延ばし動作が行われる。
【０００９】
このとき、前記第１の圧力センサと前記第２の圧力センサとを設けたことにより、駆動流体圧シリンダにおいて生成された作動用流体の出力流体圧と、従動流体圧シリンダに作用する作動用流体の入力流体圧とを同時に測定することができる。更に、前記制御手段においては、前記第１の圧力センサが測定した出力流体圧と、前記第２の圧力センサが測定した入力流体圧とを比較することで、例えば、流体の流動経路へのエアの混入や、流体圧伝達管の径の膨張収縮に伴う流体の流動抵抗の変化等による応答性の低下を容易に検出することができる。そして、このような応答性の低下が検出されたとき、前記制御手段においては、出力流体圧と入力流体圧との圧力差に応じて駆動流体圧シリンダの作動を即座に補正することが可能となり、指機構の屈伸を高精度に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態のハンド装置を示す概略構成図。
【図２】ハンド本体の各関節を模式的に示す説明図。
【図３】ハンド本体に備える指機構の一つを示す説明的断面図。
【図４】本実施形態における駆動手段の一部の構成を模式的に示す説明図。
【図５】駆動手段の作動を模式的に示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態のハンド装置１は、図１に示すように、人間の手を模倣したハンド本体２と、ハンド本体２を駆動する駆動手段３とにより構成され、所謂ヒューマノイドロボットに好適に用いることができるものである。
【００１２】
ハンド本体２は、基部４と、５本の指に夫々対応する屈伸機能を有した５つの指機構である拇指機構５、示指機構６、中指機構７、環指機構８、及び小指機構９とを備えている。基部４は、各指機構を連結支持するフレーム１０を備え、基部４の表側が手の甲とされ裏側が手の平とされる。図１は、ハンド本体２の手の平側を示している。
【００１３】
各指機構は、各関節を露出させて指表皮部材１１により被覆され、基部４は基部表皮部材１２により被覆されている。各指機構は、図２に模式的に示すように、複数の指節及び関節を備えている。示指機構６、中指機構７、環指機構８、及び小指機構９は、夫々、指先側から順に、ＤＩＰ関節１３（遠位指節間関節）、ＰＩＰ関節１４（近位指節間関節）、ＭＰ１関節１５、及びＭＰ２関節１６を備えて、各関節毎に回動自在とされている。
【００１４】
ＤＩＰ関節１３は１軸で回動し、ＰＩＰ関節１４はＤＩＰ関節１３と平行の軸線回りに１軸で回動する。ＭＰ１関節１５及びＭＰ２関節１６は２軸で回動する中手指節関節を構成するものであって、ＭＰ１関節１５はＰＩＰ関節１４と平行の軸線回りに回動し、ＭＰ２関節１６はＭＰ１関節１５に交差する軸線回りに回動する。
【００１５】
ＤＩＰ関節１３と、ＰＩＰ関節１４と、ＭＰ１関節１５とは、基部４の手の平側に向かう方向に回動して握り動作等の屈伸運動が行えるようになっている。ＭＰ２関節１６は、各指機構同士が近接・離間する方向に各指機構を揺動させ、例えば手を広げる動作等が行えるようになっている。
【００１６】
拇指機構５は、図２に模式的に示すように、指先側から順に、ＩＰ関節１７（拇指指節間関節）、ＭＰ関節１８（拇指中手指節関節）、ＣＭ１関節１９、及びＣＭ２関節２０を備えて、各関節毎に回動自在とされている。
【００１７】
ＩＰ関節１７は１軸で回動し、ＭＰ関節１８はＩＰ関節１７と平行の軸線回りに１軸で回動する。ＣＭ１関節１９及びＣＭ２関節２０は２軸で回動する手根中手関節を構成するものであって、ＣＭ１関節１９はＭＰ関節１８と平行の軸線回りに回動し、ＣＭ２関節２０はＣＭ１関節１９に交差する軸線回りに回動する。
【００１８】
ＩＰ関節１７と、ＭＰ関節１８と、ＣＭ１関節１９とは、基部４の手の平側或いは他の４つの指機構６，７，８，９の何れかの指腹側に向かう方向に回動して握り動作等の屈伸運動が行えるようになっている。ＣＭ２関節２０は、拇指機構５を手の平側或いは他の４つの指機構６，７，８，９の何れかの指腹側に対向するように回動させる。
【００１９】
示指機構６の構成を説明すれば、図３に示すように、示指機構６は、ＭＰ１関節１５の回動軸１５１（中手指節関節の第１の回動軸）を回動させる第１の従動流体圧シリンダ２３と、ＰＩＰ関節１４の回動軸１４１を回動させる第２の従動流体圧シリンダ２４とを備えている。
【００２０】
第１の従動流体圧シリンダ２３のシリンダ本体２３１は、人間の中手骨に相当し、ＭＰ２関節１６の回動軸１６１（中手指節関節の第２の回動軸）により回動自在に前記基部４のフレーム１０（図１参照）に支持されている。第２の従動流体圧シリンダ２４のシリンダ本体２４１は、人間の基節骨に相当し、ＭＰ１関節１５の回動軸１５１を介して第１の従動流体圧シリンダ２３に回動自在に連結されている。
【００２１】
第２の従動流体圧シリンダ２４のシリンダ本体２４１に流体を供給する配管２４４は、ＭＰ１関節１５の回動軸１５１の内部に収容されている。これにより、ＭＰ１関節１５の回動時に配管２４４が邪魔にならず、示指機構６の屈伸動作を円滑に行うことができる。
【００２２】
また、第２の従動流体圧シリンダ２４のシリンダ本体２４１を示指機構６の長手方向に沿ってＭＰ１関節１５とＰＩＰ関節１４との間に配設することにより、示指機構６をコンパクトに構成することができる。
【００２３】
ＰＩＰ関節１４には、人間の中節骨に相当する連結部材２５を介してＤＩＰ関節１３が連結されている。ＤＩＰ関節１３の回動軸１３１には、指先部材２２が回動自在に連結されている。連結部材２５は、その一端がＰＩＰ関節１４の回動軸１４１に回動自在に連結され、他端がＤＩＰ関節１３の回動軸１３１に連結されている。
【００２４】
更に、ＰＩＰ関節１４とＤＩＰ関節１３との間には、リンク部材２７が設けられている。リンク部材２７は、連結部材２５に並設され、第２の従動流体圧シリンダ２４のシリンダ本体２４１と指先部材２２とを連結する。
【００２５】
第１の従動流体圧シリンダ２３は、シリンダ本体２３１の圧力室２３４に流体が供給されることによりピストン２３２が摺動し、ピストンロッド２３３が伸縮してＭＰ１関節１５を回動させる。これにより、示指機構６がＭＰ１関節１５を介して屈伸する。
【００２６】
第２の従動流体圧シリンダ２４は、シリンダ本体２４１の圧力室２４５に流体が供給されることによりピストン２４２が摺動し、ピストンロッド２４３が伸縮してＰＩＰ関節１４を回動させる。このとき、ＰＩＰ関節１４とＤＩＰ関節１３とが、連結部材２５とリンク部材２７とにより連結されているので、第２の従動流体圧シリンダ２４によるＰＩＰ関節１４の回動に追従してＤＩＰ関節１３が回動する。
【００２７】
ＤＩＰ関節１３は、連結部材２５とリンク部材２７とによって第２の従動流体圧シリンダ２４によるＰＩＰ関節１４の回動に連動するように構成されている。これにより、人間の指の動きに近い動作が得られるだけでなく、ＤＩＰ関節１３を駆動するためのシリンダ等が不要となり、示指機構６を軽量に構成することができる。
【００２８】
以上の構成により、示指機構６は、第１の従動流体圧シリンダ２３及び第２の従動流体圧シリンダ２４のピストンロッド２３１，２４１を伸長させることにより折り曲げ状態となり、ピストンロッド２３１，２４１を収縮させることにより延ばし状態となる。
【００２９】
以上、示指機構６の構成を詳しく述べたが、他の指機構も略同様の構成を備えているので、他の指機構についての構成の説明は省略する。
【００３０】
次に、ハンド本体２の各指機構を駆動するための駆動手段３について説明する。駆動手段３は、図１に示すように、ハンド本体２の外部に設けられた駆動シリンダユニット３５と、この駆動シリンダユニット３５を介してハンド本体２を制御するコントローラ３６（制御手段）と、前述した従動流体圧シリンダ２３，２４を含む各指機構に備える複数の従動流体圧シリンダとにより構成される。
【００３１】
駆動シリンダユニット３５は、図１に示すように、複数の駆動流体圧シリンダ３７を備えている。駆動流体圧シリンダ３７は、図４に示すように、シリンダ本体３７１と、シリンダ本体３７１の内部を摺動するピストン３７２と、ピストン３７２に連設された中空のピストンロッド３７３とを備え、シリンダ本体３７１の圧力室３７４に充填された流体により作動用流体圧を生成する。更に、駆動流体圧シリンダ３７は、ピストンロッド３７３の軸線に沿ってピストンロッド３７３内に挿入されるボールねじ３８と、ピストンロッド３７３の内部に固設されてボールねじ３８に螺合するナット３９と、ボールねじ３８を回転駆動することによりナット３９を介してピストンロッド３７３を進退させるモータ４０（回転駆動手段）と、モータ４０の作動量を検出するためのエンコーダ４１とを備えている。
【００３２】
モータ４０は、プーリ４２，４３に掛けわたされたベルト４４を介してボールねじ３８を回転駆動する。これにより、モータ４０の出力軸４０１とピストンロッド３７３との軸線が平行となり、モータ４０をシリンダ本体３７１に隣設することができてコンパクトに形成される。
【００３３】
駆動シリンダユニット３５の各駆動流体圧シリンダ３７は、ハンド本体２に内蔵されている従動流体圧シリンダ２３や２４等の複数の従動流体圧シリンダの夫々に、１つずつ対応して設けられている。図１に概略を示しているが、駆動シリンダユニット３５の各駆動流体圧シリンダ３７とハンド本体２の従動流体圧シリンダ２３や２４等の各従動流体圧シリンダとは夫々が流体圧伝達管４５を介して各別に接続される。
【００３４】
コントローラ３６は、信号線４６を介して駆動シリンダユニット３５に接続され、信号線４７を介してハンド本体２に接続されており、各駆動流体圧シリンダ３７から従動流体圧シリンダ２３，２４を含む各指機構に備える複数の従動流体圧シリンダに伝達される作動用流体圧を調節することにより各指機構の屈伸を制御する。
【００３５】
ところで、流体圧伝達管４５の内部等にエアが混入したり、流体圧伝達管４５の径が膨張収縮して流体の流動抵抗が変化した場合には、駆動流体圧シリンダ３７の出力流体圧と各従動流体圧シリンダ（２３や２４）への入力流体圧とに圧力差が生じることがある。
【００３６】
そこで、本実施形態においては、コントローラ３６により、駆動流体圧シリンダ３７の出力流体圧と各従動流体圧シリンダ（２３や２４）への入力流体圧との両方を検出している。即ち、図４に示すように、駆動流体圧シリンダ３７の圧力室３７４に開設された流体出入り口３７５には、該圧力室３７４で発生した出力流体圧を測定する第１の圧力センサ４８が設けられている。また、図３に示すように、第１の従動流体圧シリンダ２３の圧力室２３４に開設された流体出入り口２３５の近傍には、該圧力室２３４に付与される入力流体圧を測定する第２の圧力センサ４９が設けられている。なお、図示しないが、第２の従動流体圧シリンダ２４やその他の指機構に設けられた従動流体圧シリンダにも、各々の入力流体圧を測定する第２の圧力センサが設けられている。
【００３７】
この構成により、図５（ａ）及び（ｂ）に模式的に示すように、駆動流体圧シリンダ３７の内部に流体を送出・吸入すれば、それに対応して従動流体圧シリンダ２３や２４等では流体が圧入・排出され、従動流体圧シリンダ３７による指機構６（７，８，９，５）の駆動が行われる。
【００３８】
このとき、コントローラ３６は、第１の圧力センサ４８と第２の圧力センサ４９とにより測定した夫々の流体圧により、流体の流動経路へのエアの混入や、流体圧伝達管４５の径の膨張収縮に伴う流体の流動抵抗の変化等による応答性の低下を検出する。そして、コントローラ３６は、この検出に応じて、モータ４０を介して駆動流体圧シリンダ３７における流体の送出量及び吸入量を補正することにより応答性の低下を解消する。これにより、従動流体圧シリンダ２３や２４等への入力流体圧を十分に得て、指機構６（７，８，９，５）に所望の屈伸作動を行わせることができる。
【符号の説明】
【００３９】
１…ハンド装置、２…ハンド本体、３…駆動手段、５，６，７，８，９…指機構、２３，２４…従動流体圧シリンダ、３６…コントローラ（制御手段）、３７…駆動流体圧シリンダ、４５…流体圧伝達管、４８…第１の圧力センサ、４９…第２の圧力センサ。
【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１】
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