(57)【要約】【解決手段】ロボットハンドは、指と手のひらとを有する基部を備える。指は可動範囲を定める。ハンドは、手のひらから指の可動範囲までの距離を変化させることによって、指と手のひらとの間で物体を把握することができる。この距離を変化させることは、手のひらを指の可動範囲に向かって動かすか、指の可動範囲を手のひらに向かって動かすことによって達成可能である。手のひらを動かすロボットハンドは、手のひらを基部から指の可動範囲に向かって伸ばすアクチュエータを備える。手のひらに対して指の可動範囲を動かすロボットハンドは、基部に対して平行移動するように構成された共通指支持部に指が取り付けられている。【選択図】図１
2007516854.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、
前記基部に取り付けられる２本以上の指であって、それぞれの指が独立して作動するジョイントを含む指、と、
広い接触面を含み、アクチュエータによって前記基部から伸縮可能であり、前記２本以上の指とは独立に作動する手のひらと、
を備え、
前記手のひらが前記指の可動範囲に対して動くことが可能であるように構成されたロボットハンド。
【請求項２】
前記アクチュエータがシザーズ型機構を含む、請求項１に記載のロボットハンド。
【請求項３】
前記アクチュエータがねじジャッキを含む、請求項１に記載のロボットハンド。
【請求項４】
前記アクチュエータが、右ねじを有する第１のねじジャッキと、左ねじを有する第２のねじジャッキとを含む、請求項１に記載のロボットハンド。
【請求項５】
前記ねじジャッキのねじ山が三重らせんのねじ山である、請求項４に記載のロボットハンド。
【請求項６】
前記ねじジャッキの前記ねじ山が２０〜４０度の範囲のピッチを有する、請求項４に記載のロボットハンド。
【請求項７】
前記手のひらが複合手のひらである、請求項１に記載のロボットハンド。
【請求項８】
前記アクチュエータがシザーズ型機構を含む、請求項７に記載のロボットハンド。
【請求項９】
前記アクチュエータが、前記手のひらを６自由度で作動させるように構成された、請求項１に記載のロボットハンド。
【請求項１０】
前記アクチュエータがスチュワート機構である、請求項９に記載のロボットハンド。
【請求項１１】
絡み合わせ把握を形成できるように構成された３本以上の指をさらに備える、請求項１に記載のロボットハンド。
【請求項１２】
基部と、
前記基部に取り付けられ、前記基部に対して可動範囲を定める、２本以上の指と、
前記基部に取り付けられ、アクチュエータによって前記取り付け場所から前記指の可動範囲に向かって伸縮可能であり、前記２本以上の指と独立に作動する手のひらと
を備えるロボットハンド。
【請求項１３】
前記アクチュエータがシザーズ型機構を含む、請求項１２に記載のロボットハンド。
【請求項１４】
前記アクチュエータがねじジャッキを含む、請求項１２に記載のロボットハンド。
【請求項１５】
前記手のひらが複合手のひらである、請求項１２に記載のロボットハンド。
【請求項１６】
前記アクチュエータが、前記手のひらを６自由度で作動させるように構成された、請求項１２に記載のロボットハンド。
【請求項１７】
絡み合わせ把握を形成できるように構成された３本以上の指をさらに備える、請求項１２に記載のロボットハンド。
【請求項１８】
端部を含む腕と、
前記腕の前記端部に取り付けられたエンドエフェクタと
を備え、前記エンドエフェクタが、
基部と、
前記基部に取り付けられる２本以上の指であって、それぞれの指が独立して作動するジョイントを含む指と、
広い接触面を含み、アクチュエータによって前記基部から伸縮可能であり、前記２本以上の指とは独立に作動する手のひらとを含むロボット。
【請求項１９】
手のひらの範囲を定める広い接触面を含む基部と、
前記基部に対して平行移動するように構成された共通指支持部とを備え、前記共通指支持部に２本以上の指が取り付けられ、前記２本以上の指が前記基部に対する可動範囲を定め、前記共通指支持部を平行移動させることによって、前記広い接触面から前記指の可動範囲までの距離を変化させることが可能なロボットハンド。
【請求項２０】
基部と、２本以上の指と、手のひらとを含むロボットハンドで物体を把握する方法であって、
前記指を作動させることと、
前記２本以上の指と前記手のひらの広い接触面とが前記物体に接触するように、前記手のひらを独立に前記基部から伸ばすこととを含む方法。
【請求項２１】
基部と、２本以上の指と、手のひらとを含むロボットハンドで物体を把握する方法であって、
前記物体の平行移動の範囲が前記指によって定まるように、前記指と前記手のひらとを前記物体の周囲に位置決めすることによってケージング構成を形成することと、
前記指を作動させることと、前記２本以上の指と前記手のひらの広い接触面とが前記物体に接触するように前記手のひらを独立に前記基部から伸ばすこととによって前記ケージング構成からケージング把握を形成することとを含む方法。
【請求項２２】
前記ケージング把握が絡み合わせ把握を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記手のひらを伸ばすことが、ねじジャッキのペアを作動させることを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記手のひらを伸ばすことが、シザーズ型機構を作動させることを含む、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照により本明細書に完全に組み込まれている、２００３年１２月３０日に出願された米国特許仮出願第６０／５３３６６７号（件名「Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ｈａｎｄ  ｗｉｔｈ  Ｍｏｖａｂｌｅ  Ｐａｌｍ」の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は、主にロボット工学の分野に関し、特に、物体を把握するために用いられるエンドエフェクタ（末端部の作動体）に関する。
【背景技術】
【０００３】
ロボット工学の目標の１つは、構造化されていない環境でよりよく利用できるロボットを開発することである。この目標に向かうためには、サイズ、形状、重量の異なる、より多岐にわたる物体をロボットがより確実に把握できるように、ロボットの把握機能を改良することが必要である。ロボットの把握機能に関して改良されたエンドエフェクタ、すなわち、ハンド（手）は、シンプルであり、堅牢であり、信頼性の高いものでなければならない。
【０００４】
産業用ロボットは、把握対象の部品に特化して設計されたエンドエフェクタを有する。そのような専用設計のエンドエフェクタは、１種類の部品を長期の生産工程にわたって繰り返し把握する用途には理想的である。複数種類の部品を扱うことが可能なロボットは、複数のエンドエフェクタを備えるタレットを用いるか、ツールチェンジャを用いるのが一般的である。これらの方法は、必要な部品の種類が少ない場合に実現可能である。
【０００５】
一方、構造化されていない環境で用いられるロボットは、サイズ、形状、および重量が大きく異なる、多岐にわたる物体を確実に把握できるエンドエフェクタを有することが理想的であろう。そのようなエンドエフェクタは、把握対象の物体に適応できることが必要であり、一般にロボット「ハンド」と呼ばれる。
【０００６】
多数のロボットハンドが設計されているが、これらの設計は大まかに２つのグループに分けることができる。第１のグループのハンドは、リンク機構が単純であって、適応能力に限りがある。第２のグループのハンドは、より高い適応能力が得られるように複雑なリンク機構を採用している。第１のグループの初期の設計については、Ｆ．Ｓｋｉｎｎｅｒによる論文「Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｐｒｅｈｅｎｓｉｏｎ  Ｈａｎｄｓ  ｆｏｒ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  Ｒｏｂｏｔｓ」（１９７５年シカゴにおける産業用ロボットに関する第５回国際シンポジウムの論文集）および米国特許第３８６６９６６号および第３９０１５４７号明細書に記載されている。また、第１のグループの別の初期のハンドについて、Ａ．Ｒｏｖｅｔｔａによる論文「Ｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｐｒｏｂｌｅｍｓ  ｏｆ  Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  Ｍｕｌｔｉ−Ｐｕｒｐｏｓｅ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｈａｎｄ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｒｏｂｏｔｓ」（１９７７年東京における第７回ＩＳＩＲの論文集）に記載がある。より最近の、単純なリンク機構を有する設計については、Ｎ．Ｕｌｒｉｃｈ、Ｒ．Ｐａｕｌ、Ｒ．Ｂａｊｃｓｙらの論文「Ａ  Ｍｅｄｉｕｍ−Ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ  Ｃｏｍｐｌａｉｎｔ  Ｅｎｄ  Ｅｆｆｅｃｔｏｒ」（１９８８年フィラデルフィアにおける、ロボットおよびオートメーションに関するＩＥＥＥ国際会議の論文集）、および米国特許第４９５７３２０号および第５５０１４９８号明細書に記載されている。また、単純なリンク機構を有する別の設計について、Ｋ．Ｍｉｒｚａ、Ｄ．Ｅ．Ｏｒｉｎらの論文「Ｆｏｒｃｅ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ｇｒａｓｐｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｄｉｇｉｔｓ  Ｓｙｓｔｅｍ」（１９９０年の、ロボットおよびマニピュレータの理論と実際についてのシンポジウム）に記載がある。米国特許第４７９２３３８号および第５１０８１４０号明細書には、単純なリンク機構を有するロボットハンドについてのさらに詳しい記載がある。
【０００７】
第２のグループのハンドは、より高い適応能力を提供するために複雑なリンク機構を有する。これらに含まれるロボットハンドとして、Ｋ．Ｓａｌｉｓｂｕｒｙの論文（「Ｒｏｂｏｔ  Ｈａｎｄｓ  ａｎｄ  ｔｈｅ  Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ  ｏｆ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ」、ＭＩＴ  Ｐｒｅｓｓ、１９８５年）に記載されているハンド、Ｓ．Ｊａｃｏｂｓｏｎの論文「Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｕｔａｈ／ＭＩＴ  Ｄｅｘｔｅｒｏｕｓ  Ｈａｎｄ」（１９８６年のロボットおよびオートメーションに関するＩＥＥＥ国際会議の論文集）に記載されている「Ｕｔａｈ／ＭＩＴハンド」、Ｇ．Ｖａｓｓｕｒａ、Ａ．Ｂｉｃｃｈｉらの論文「Ｗｈｏｌｅ−Ｈａｎｄ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ：  Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ａｎ  Ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ  Ｈａｎｄ  Ｅｘｐｌｏｉｔｉｎｇ  Ａｌｌ  Ｉｔｓ  Ｐａｒｔｓ  ｔｏ  Ｉｎｃｒｅａｓｅ  Ｄｅｘｔｅｒｉｔｙ」（「Ｒｏｂｏｔｓ  ａｎｄ  Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」、ｓｅｒ．  ＮＡＴＯ−ＡＳＩ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ、１９８９年）に記載されているハンド、およびＧ．Ｈｉｒｚｉｎｇｅｒの論文「Ｔｏｒｑｕｅ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｌｉｇｈｔ  Ｗｅｉｇｈｔ  Ａｒｍｓ  ａｎｄ  Ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ  Ｈａｎｄｓ」（Ｓｉｃｉｌｉａｎｏ  （ｅｄ）、Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ＶＩＩＩ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、２００３年）に記載されている「ＤＬＲ」ハンドがある。米国特許第５１７２９５１号、第５４４７４０３号、第５５８８６８８号、第６２４４６４４号、および第６５１７１３２号明細書、ならびに米国特許出願第２００３／００９０１１５号明細書にも、複雑なリンク機構を有する別のロボットハンドが開示されている。
【０００８】
高い適応能力を有するハンドは、その指の一本一本に複数の能動ジョイントを有する。３次元の任意の位置に指の先端を位置決めするためには、少なくとも３自由度が必要である。各能動ジョイントは１自由度を制御することが可能なので、最高レベルの適応能力を有するロボットハンドは、一本一本が３個以上の能動ジョイントを有する指を３本以上有する。たとえば、ＭＩＴ／Ｕｔａｈハンドは、全部で１６個の能動ジョイントを有する。Ｌｏｖｃｈｉｋに対して発行された米国特許第６２４４６４４号明細書に記載されているハンドは、それぞれが３個のジョイントを有する２本の指と１本の親指とを有し、さらに３個の能動ジョイントを別に有し、したがって、全部で１２個の能動ジョイントを有する。ＤＬＲハンドは、４本の指を有し、全部で１３個の能動ジョイントを有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、多数の能動ジョイントを用いると、ハンドが機械的に複雑になる。能動ジョイントごとにアクチュエータ、コントローラ、減速手段および動力伝達手段が含まれる可能性があるからである。スペースの制約がきびしいところに多数の部品を詰め込んだ設計は、コストがかさみ、製造が難しくなり、保守費用が高額になる。
【００１０】
ロボットハンドの種類によっては、指に加えて手のひらを用いて把握することが可能な場合がある。後でより詳細に説明するように、手のひらを利用する把握は、一般に、指だけを用いる把握よりしっかりしている。前述のハンドのいくつかは、手のひらを利用して把握を行う。Ｓｋｉｎｎｅｒ、Ｕｌｒｉｃｈ、Ｍｉｒｚａ、Ｖａｓｓｕｒａ、Ｈｉｒｚｉｎｇｅｒ、米国特許第３８６６９６６号、第５１０８１４０号、第５１７２９５１号、第５５０１４９８号、第５５８８６８８号、および第６５１７１３２号、ならびに米国特許出願第２００３／００９０１１５号の各ロボットハンドは、固定された手のひらを有する。Ｒｏｖｅｔｔａのロボットハンドは、ばね仕掛けの（ただし、作動しない）手のひらを有する。米国特許第４７９２３３８号および第６２４４６４４号の各ロボットハンドは、作動する手のひらを有するが、その手のひらは１本または複数本の指と結合されており、手のひらの動きは比較的小さい。これらの設計はいずれも、手のひらの能力が限られていて、広い範囲の所望の把握に関与することができない。
【００１１】
そこで、可動範囲が広く、指とは独立に作動可能な手のひらを有するロボットハンドが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、物体を把握するロボットハンドおよび方法を提供する。一例示的ロボットハンドは、基部と、２本以上の指と、手のひらとを含む。この２本以上の指は基部に取り付けられ、各指は、独立して作動するジョイントを含む。これらの指によって、基部に対する可動範囲が定まる。手のひらは、広い接触面を含み、指の可動範囲に対して動くことが可能なように、アクチュエータによって基部から伸びたり縮んだりすることができる。手のひらは、２本以上の指とは独立に作動する。
【００１３】
いくつかの実施形態では、手のひら用アクチュエータは、シザーズ（はさみ）型の機構を含む。他の実施形態では、手のひら用アクチュエータはねじジャッキを含む。ねじジャッキを含む実施形態のいくつかでは、手のひら用アクチュエータは、右ねじを有する第１のねじジャッキと、左ねじを有する第２のねじジャッキとを含む。ねじジャッキのねじ山は、三重らせんであることが可能であり、ピッチが２０〜４０度の範囲であり得る。いくつかの実施形態のロボットハンドは、複合手のひらを手のひらとして用いる。いくつかの実施形態では、手のひら用アクチュエータは、６自由度で手のひらを作動させるように構成することが可能であり、そのようなケースの一部では、アクチュエータはスチュワート機構である。さらに、いくつかの実施形態では、ロボットハンドは、絡み合わせ把握を形成できるように配列された３本以上の指をさらに含む。
【００１４】
さらに、本発明の別のロボットハンドは、基部と、２本以上の指が取り付けられた共通指支持部とを含む。基部は、手のひらの範囲を定める広い接触面を含む。基部に対する可動範囲は、２本以上の指によって定まる。共通指支持部は、基部に対して平行移動することによって、広い接触面から指の可動範囲までの距離を変化させるように構成される。
【００１５】
本発明はさらに、ロボットを提供する。このロボットは、腕と、腕の端部に取り付けられたエンドエフェクタとを含む。エンドエフェクタは、基部と、２本以上の指と、手のひらとを含む。この２本以上の指は基部に取り付けられ、各指は、独立して作動するジョイントを含む。手のひらは、広い接触面を含み、アクチュエータによって基部から伸びたり縮んだりすることができる。これらの実施形態では、手のひらと２本以上の指は互いに独立に作動する。
【００１６】
本発明はさらに、基部と、２本以上の指と、手のひらとを含むロボットハンドで物体を把握する方法を提供する。本方法は、指を作動させることと、これと独立に、２本以上の指と手のひらの広い接触面とが物体に接触するように手のひらを基部から伸ばすこととを含む。本方法のある特殊なケースは、ケージング（caging）構成を形成することと、ケージング把握を形成することとを含む。ケージング構成を形成することは、物体の平行移動の範囲が指によって定まるように指と手のひらとを物体の周囲に位置決めすることによって行われる。ケージング把握を形成することは、指を作動させることと、これと独立に、２本以上の指と手のひらの広い接触面とが物体に接触するように手のひらを基部から伸ばすこととによって行われる。いくつかの実施形態では、手のひらを伸ばすことは、ねじジャッキのペアを作動させること、またはシザーズ型の機構を作動させることを含む。ケージング把握は、絡み合わせ把握を含むことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
［好ましい実施形態］
本発明についてわかりやすく説明するために、まず、人間の手によって行われる把握のタイプについて考察する。おおまかに言えば、把握は２つのグループ、すなわち、精密把握と握力把握とに分けられる。精密把握は、親指の指球（digit pads）と、他の指の末端の指球との間で行われる。精密把握が用いられるのは、繊細な取り扱いまたは操作を行うことを手が求められる場合である。握力把握は、指／親指の面と手のひらとの間で行われ、確実な把握が絶対に必要な場合に用いられる。
【００１８】
多くの状況では、手の機能は物体を確実に把握することであり、把握した後の物体の移動や操作は腕によって行われる。そのような状況では、握力把握が好ましい。別の状況として、物体が大きい場合には、重力や他の外力に対抗して物体を固定するための十分な力は、握力把握によってのみ得られる。たとえば、ハンマーを振ってくぎを打つためにハンマーの柄を把握することを考えてみよう。精密把握では、柄を保持するための十分な力が得られず、うまくくぎを打つことができない。この場合は、握力把握が絶対に必要である。
【００１９】
ロボットハンドについても同様に考えてみよう。ロボットハンドの設計が擬人化されたものであれば、その指および手のひらは、人間の手の指および手のひらを模して作られる。そのようなハンドの精密把握および握力把握は、人間の手の精密把握および握力把握と似ている。ロボットハンドは、擬人化されていない場合でも人間の手と同じ作業をこなすことができなければならず、したがって、人間の手と同じ機能を実現できなければならない。本願発明者らは、指だけを用いる把握を「精密把握」と定義し、指および手のひらを用いる把握を「握力把握」と定義する。
【００２０】
本発明のロボットハンドは、３つの主要構成要素として、基部、２本以上の指、手のひらを有するものとしてとらえることができる。指は、能動ジョイントで連続的に結合されたリンクの、開いた連鎖として構成される。各指の先端は、把握対象の物体と接触するのに好ましい領域を含む端部である。この好ましい領域は、接触面積が小さい形状であることが好ましい。ここで言う「接触面積」は、指および／または把握された物体のあらゆる局所的変形を考慮に入れた上での、指と把握された物体との間の接触の面積を意味する。一般に、指による接触をモデル化または解析する場合には、摩擦を伴う点接触、または摩擦を伴う柔点接触（soft point contact）が用いられる。
【００２１】
これに対し、手のひらは、様々な把握において接触面積が広くなるように意図された把握面を含む。手のひらによる接触は、手のひらと物体との間の接触の面積の境界を考慮することによって解析される。この接触面積は、物体が十分大きく、適切な形状である場合には、把握面自体と同じ広さであることができる。
【００２２】
指による接触と、手のひらによる接触との厳密な違いは、指と手のひらのそれぞれが平面と接触した場合に起こることを考えれば明らかである。指は本質的に点接触をもたらし、手のひらは面接触の面積をもたらす。摩擦を無視すれば、指と物体との間の相対的動きの自由度は点接触によって５が可能であるが、面接触によって可能な自由度は３でしかない。これは、形態拘束に関して、指が１拘束度をもたらすのに対し、手のひらは３拘束度をもたらすということと同じ意味である。摩擦を無視する代わりに接線摩擦を考慮すると、指と平面との間の相対的動きの自由度は指によって３が可能であるが、手のひらによって可能な自由度は０である。
【００２３】
多くのロボットハンドは、１本の指が、その他の指のうちの１本または複数本と対向するように設計される。そのような特殊な指を「親指」と呼ぶ場合がある。親指は、前述の接触特性を有する限り、親指でない普通の指と同等に動作する。したがって、「指」という用語は、本明細書では、親指のような特殊な指も包含するものとする。
【００２４】
本発明のロボットハンドは、人間の手が行うのとよく似た、すなわち、指の先端にある指球を用いた精密把握を行う。握力把握は、指および手のひらの表面を用いて行われる。握力把握では広い基部による支持が得られるので、把握に手のひらを利用すると把握が安定する。このため、握力把握は、一般に、同じロボットハンドの精密把握より格段に安定している。したがって、物体を確実に把握することが目的である場合には、可能であれば必ず握力把握を用いること（すなわち、接触面の１つとして手のひらを用いること）が好ましい。
【００２５】
指がどのように運動するかに応じて、「指の可動範囲」と呼ばれる範囲が存在する。これは、把握対象の物体に接触するために指が有効に用いられることが可能な範囲である。この範囲は、基部に対して、空間内に固定されている。本明細書で開示されるロボットハンドは、指に対して手のひらを動かす作動機構を用いて、手のひらを基部に結合する。これにより、手のひらが広範囲の把握に関与できるように、指の可動範囲から様々な距離にある場所に、または指の可動範囲の中にある場所に手のひらを位置決めすることが可能になる。
【００２６】
図１は、本発明の一実施形態によるロボットハンド１００を示している。ハンド１００は、基部１０１と、指１０２〜１０５と、伸縮式の手のひら１０６とを含む。省略可能な蛇腹１０７は、手のひら１０６を作動させる作動機構（図示せず）を被って保護する。手のひら作動機構は、基部１０１に対して（したがって、指の可動範囲に対して）手のひら１０６を動かす。一般に、ハンド１００の基部１０１は、ロボットの腕を用いてハンド１００および指の可動範囲の位置および方向を決定することが可能になるように、ロボットの腕の端部に取り付けられる。しかしながら、明確さのために、この図面および後続の図面では腕を省略している。
【００２７】
重要な点として、本明細書で用いている伸縮式の手のひらは、人間の手のひらや、義手のような擬人化されたロボットハンドの手のひらとは明確に異なることに注意されたい。人間の手のひらや、一部の擬人化されたロボットハンドの手のひらは、よりよい把握のために柔軟にできているが、基部から伸びたり縮んだりすることはできない。添付の図面に示されている本発明の実施形態は、他の指と対向して配置することが可能な親指を含む複数本の指を備えているという程度まで擬人化されたロボットハンドを示している。これらの実施形態では、手のひらが伸縮式であることは、人間の形態において直接的な類似点を有しない。また、本明細書に示されている実施形態は擬人化されたロボットハンドを示しているが、本明細書で開示される発明は擬人化されたロボットハンドに限定されないことにも注意されたい。
【００２８】
次に、手のひら作動機構に注目する。いくつかの好ましい実施形態では、手のひら作動機構として、ねじジャッキ機構が用いられる。代替の手のひら作動機構については後で述べる。
【００２９】
図２は、本発明の特定の実施形態によるロボットハンド２００を示している。ハンド２００は、基部２０１と、手のひら２０２と、指２０３〜２０６とを含む。この実施形態では、指２０４が指２０６と完全に対向して配置されている。いくつかの実施形態では、手のひら２０２と、４本の指２０３〜２０６のうちの一部またはすべての先端とが、物体との接触を検知する接触スイッチ（図示せず）を含む。
【００３０】
図２に示された実施形態では、手のひら２０２は、基部２０１の上面２０７から伸びたり縮んだりすることができる。実施形態によっては、手のひら２０２が基部２０１の中まで縮み込んで、接触面２０９が上面２０７より下に引っ込むことも可能であることを理解されたい。また、実施形態によっては、基部２０１に上面２０７がない場合もある。これは、たとえば、基部２０１にハウジングが設けられていない場合や、手のひら２０２の接触面２０９が上面２０７の機能を果たす場合である。
【００３１】
図２に示されるように、指２０３〜２０６は、それぞれが単一のカールジョイントを有する。図面では、カールジョイント２１０は指２０６用である。他のカールジョイントも同様であり、明確さのために省略されている。図示された実施形態では、指２０３〜２０６のそれぞれのカールジョイントは、指２０３〜２０６と基部２０１との接続点として動作する。カールジョイントの回転軸は、図示された実施形態では、上面２０７および接触面２０９によって定まる平面に略平行に位置するが、そのような配置に限定されない。
【００３２】
図３は、（図２の）指２０６を作動させる機構を示している。他の指も同様に作動する。図３に示される実施形態では、モータ３０１がウォーム３０２を駆動し、ウォーム３０２がウォームギア３０３を駆動し、ウォームギア３０３がカールジョイント３０４を駆動する。ウォームギア３０３は、ウォームとウォームギアのペアが逆方向に駆動されないように選択されることが好ましい。
【００３３】
図４は、例示的手のひら作動機構４００を示している。手のひら作動機構４００は、テレスコープ式ねじジャッキ４０５および４０７のペアを用いて手のひら４０２を、基部４０１の上面に略垂直な１自由度で作動させる。電気モータ４０３の出力はウォーム４０４を駆動し、ウォーム４０４は、ねじジャッキ４０５および４０７のそれぞれのベースに固定されたウォームギア４０６および４０８を駆動する。モータ４０３がウォーム４０４を回転させると、ねじジャッキ４０５および４０７がウォーム４０４の回転方向に応じて伸びたり縮んだりし、それによって手のひら４０２が動く。ウォームギア４０６および４０８は、手のひら４０２が逆方向に駆動されないように選択されることが好ましい。
【００３４】
図５Ａおよび５Ｂは、それぞれ、例示的手のひら作動機構５００の上面図および断面図である。手のひら作動機構５００は、テレスコープ式ねじジャッキ５０６および５０７のペアを含み、ねじジャッキ５０６および５０７は、ねじジャッキ５０６および５０７の間に位置する単一モータ５０３に結合されたウォームギア５０１および５０２によって駆動される。この、ウォームギア５０１および５０２とモータ５０３とのコンパクトな対称配置は、基部内で駆動機構が占める体積を比較的小さくできるという利点がある。また、この配置のさらなる利点として、ウォーム５０４に作用する２つのウォームギア５０１および５０２の半径方向の力が互いに打ち消し合うように働き、そのために、モータ軸の支持軸受５０８および５０９にかかる半径方向の負荷が非常に軽くなる。半径方向の軸受負荷が軽くなれば、支持軸受５０８および５０９の摩擦損失が小さくなり、許容負荷がより軽いように設計された、より安価な軸受を用いることも考慮できるようになる。
【００３５】
各ねじジャッキ５０６、５０７は、入れ子になった４つの段を含む。基部段５１０は、対応するウォームギア５０１または５０２に固定的に取り付けられ、軸受５２１で支持される。第１の中間段５１１は、基部段５１０に連結される。第２の中間段５１２は、第１の中間段５１１に連結される。先端段５１３は、第２の中間段５１２に連結される。実施形態によっては、用いる段数がこれより多いか少ない場合がある。ねじジャッキ５０６および５０７を正常に動作させるためには、ねじジャッキ５０６および５０７の先端段５１３が（図４の）基部４０１に対して回転しないようにしなければならないことに注意されたい。この回転防止拘束が必要なのは、モータ５０３によって基部段５１０が駆動されたときに、基部段５１０が先端段５１３に対して回転して手のひら作動機構５００に伸縮の動作をさせるためである。したがって、前述の利点に加えて、ねじジャッキ５０６および５０７のペアを用いることは、ペアであることによって、２つのねじジャッキ５０６および５０７の先端段５１３同士を受動リンクで結合するだけで先端段の回転防止拘束が実現可能であるという点で、単一ジャッキを用いる場合より有利である。この回転防止拘束は、いくつかの実施形態では、図５Ｂに示されるように、手のひら５２０を用いてねじジャッキ５０６および５０７の先端段５１３同士を互いに回転しないように結合することによって実現される。
【００３６】
ねじジャッキ５０６および５０７が１自由度のアクチュエータとして連係動作するために、図５Ｂに示されるように、ねじジャッキ５０６および５０７の中で用いられるねじが互いに反対向きのねじ（すなわち、右ねじと左ねじ）であることが理解されよう。また、駆動モータ５０３の回転によって手のひら５２０が１自由度で予測可能かつ安定的に作動するようにするために、やはり図５Ｂに示されるように、各ねじジャッキ５０６および５０７の段５１０、５１１、５１２の各段においてらせんねじのピッチが同じであることも理解されよう。
【００３７】
図６Ａおよび６Ｂは、（図５Ｂの）右ねじのねじジャッキ５０７の最初の２段の雄ねじ山と雌ねじ山の拡大斜視図である。図６Ａは、第１の中間段６０１が基部段６０２とねじで連結される前の状態を示しており、図６Ｂは、第１の中間段６０１が基部段６０２と連結され、一部が基部段６０２から伸びている状態を示している。図６Ａおよび６Ｂに示されるように、この実施形態は、らせん角度が（約２５度と）比較的高い三重らせんのねじ山を含む。通常の一重らせんのねじ山のような他のねじ形態も代替として用いることができることが理解されよう。
【００３８】
ねじジャッキ設計の当業者であれば、ロボットハンド用途では、（図５Ｂの）手のひら作動機構５００が、伸びた状態では長さが比較的長く、完全に縮んだ状態では長さが比較的短くなることが望ましい場合があることは明らかであろう。また、よく知られていることであるが、ねじジャッキアクチュエータにおいては、ピッチの高いねじ（high-pitch screw）山（たとえば、らせん角度が２０〜４０度の範囲であるねじ山）がしばしば有利である。ねじ山のピッチが高ければ、低い場合より、機械的効率が高くなり、軸方向の動きが速くなるからである。本発明では、手のひら作動機構５００がこれらの特性を有することにより、（図５Ｂの）手のひら５２０に必要な作動範囲および作動速度を実現しながら、基部を（したがって、ロボットハンド全体を）比較的小型、軽量、高効率にすることができる。
【００３９】
また、（図５Ｂの）ねじジャッキ５０６および５０７が、ねじを破損することなく把握負荷（ジャッキ負荷）を支持できるよう、安定を維持し、十分なねじ強度を与えるために、嵌め合い段６０１および６０２の間のねじ連結の長さを常に最小限に保たなければならないことも明らかであろう。一般に、強度が十分であって、段６０１が基部段６０２に対してずれたり、ゆがんだりしないようにするには、少なくとも１周分（すなわち、３６０度）のねじ連結が必要である。
【００４０】
ねじ山のピッチが高くても一重らせんである実施形態の場合は、必要最小限の長さのねじ連結での、ねじジャッキ全体の最大に伸びた長さがかなり短くなる可能性がある。たとえば、図５Ｂに示されたような例示的実施形態では、ねじ山段５１１、５１２、５１３のそれぞれは、長さが約２５ミリメートルであって、ねじ山ピッチが１０ミリメートルである。この手のひら作動機構が一重らせんのねじ山を用いたとすると、１つのねじ山による必要最小限の連結での、全体の伸びた長さは、約１０ミリメートル、すなわち約４０％短くなるであろう。
【００４１】
一重らせんのねじ山に対する三重らせんのねじ山段の別の利点として、三重らせんのねじ山を用いると、嵌め合い段６０１および６０２の間のねじ連結の必要な長さが比較的短くてもピッチを大きくすることができる（ピッチを大きくすると、ねじジャッキの伸縮動作を速くすることができる）。このように連結の長さを短くできるのは、３つの雌ねじ山による３つの短いセグメント６０３によって、３本足のスツールのような三脚形状ならではの安定性を有する３つの等間隔支持物が得られるからである。同時に、高いピッチのねじ山をねじの軸方向に比較的厚くすることができるので、これら３つの支持点６０３は、ねじ山を破損することなくジャッキ負荷を支持するのに十分な強度をもたらすことが可能である。たとえば、図５Ｂに示される手のひら作動機構５００の実施形態では、３つの先端段５１１、５１２、および５１３のそれぞれの軸方向の厚さ（ねじ連結の長さ）は約２ミリメートルである。したがって、段の長さが２５ミリメートルの場合、三重らせんのねじ山によるねじ連結が２ミリメートルであれば、最大に伸びた長さは約８％短くなるだけである（これに対し、一重らせんのねじ山の場合は約４０％短くなる）。
【００４２】
図６Ａを再度参照すると、三重らせんの雌ねじ山の３つのセグメント６０３は、基部段６０２の上端にあるのが見える。これと嵌め合う三重らせんの雄ねじ山の３つのねじ山の開始点６０４が、第２のねじジャッキ段６０１の上端にあるのが見える。第２段６０１を基部段６０２と連結する場合は、３つのねじ山の開始点６０４が雌ねじ山のセグメント６０３とつながるように、第２段６０１を回しながら上方に押し込む。後続の段（図５Ｂの５１２および５１３）も同様に嵌め合わされる。組み立ての工程では、ねじ山を連結するための回転の向きは、右ジャッキ５０７のすべての状態において右回りであり、左ジャッキ５０６のすべての状態において左回りである。
【００４３】
図７〜１０および図１２は、伸縮式の手のひらの有利性を示すために、様々な物体を把握する、本発明のハンドの実施形態を示している。特に、これらの図面は、物体を確実に把握するために指の可動範囲に対して手のひらの拘束面を伸ばすことが可能であることの有用性を示している。
【００４４】
図７Ａおよび７Ｂは、大きな箱７０１を把握しているハンド７００の、それぞれ、斜視図および側面図である。手のひら７０２が収縮して箱７０１の１つの面に接触し、その面に垂直な複数の面の中央の位置で指７０３〜７０６が箱７０１に接触している。指がこのような位置で接触しているので、箱７０１を把握してから移動する際の箱７０１の方向に関係なく、箱７０１の重量によるトルクは、把握に関してはほとんど発生しない。同時に、手のひら７０２は、たとえば、箱７０１が移動中に別の物体と衝突した場合などに発生しうる外部トルクに耐えるための幅広の支持物になる。
【００４５】
図８Ａおよび８Ｂは、小さな箱８０１を把握しているハンド８００の、それぞれ、斜視図および側面図である。手のひら８０２は箱８０１の上面と接触するように伸び、その上面に垂直な複数の側面の中央部で指８０３〜８０６が箱８０１と接触する。
【００４６】
伸縮式の手のひらがないとすると、図７Ａまたは８Ａのいずれかの把握は達成されるかもしれないが、両方が達成されることはないであろう。たとえば、伸縮式でない手のひらから指の可動範囲までの固定された距離が長い場合、図７Ａの大きな箱７０１の把握は達成可能であっても、伸縮式でない手のひらは、小さな箱８０１の把握には関与できないであろう。逆に、伸縮式でない手のひらから指の可動範囲までの固定された距離が短い場合、図８Ａの把握は達成可能であっても、大きな箱７０１については、伸縮式でない手のひらと接触している１つの面と近い指でしか箱７０１を把握できず、図７Ａに示された把握より外部障害への耐性が低いため、把握がより不安定である。したがって、指の可動範囲に対して手のひらを積極的に動かすことができれば、サイズがまったく異なる物体であっても、それらの物体と手のひらとを接触させることができることを理解されたい。
【００４７】
また、ロボットハンドが伸縮式の手のひらを用いれば、ケージング構成、したがって、ケージング把握を達成できることも理解されたい。ケージング構成およびケージング把握は、様々な状況で用いられる特に強固な把握動作を構成する。支持面に対するケージング構成は、支持面で支えられている物体に対する、ロボットハンドの基部、手のひら、および指の構成として定義され、その物体は、支持面によって定まる面の中での平行移動についてはいくらかの自由度を有することができるが、平行移動できる範囲は決まっている。ハンドが、物体のまわりのケージング構成として配置されると、指および手のひらが閉じて物体をおおうことによって、確実なケージング把握を達成しうる。ケージング構成が閉じてケージング把握になったときに物体がすべったとしても、確実な把握は達成される。図９Ａ、９Ｂ、１０Ａ、および１０Ｂは、ケージング把握を示している。
【００４８】
図９Ａおよび９Ｂは、径が大きい円柱９０１に対してケージング把握を実施しているハンド９００の、それぞれ、斜視図および側面図である。この把握を実施する場合は、まず、手のひら９０２がほぼ限度いっぱいまで収縮する。これによって、指９０３〜９０６は、円柱９０１の最も広い部分より広がることが可能になる。次に、指９０３〜９０６が、円柱９０１に接触しないように閉じて円柱９０１を囲むことによって、ケージング構成を確立する。ケージング構成が確立した後、指９０３〜９０６および手のひら９０２が、円柱９０１を囲むように閉じて、図に示されるような接触およびケージング把握を確立する。
【００４９】
図１０Ａおよび１０Ｂは、径が比較的小さい円柱１００１を把握しているハンド１０００の、それぞれ、斜視図および側面図である。径が小さい場合、手のひら１００２は、円柱１００１に接触して確実なケージング把握を形成するために、ほぼ限度いっぱいまで伸びている必要がある。この例および本発明の他の実施形態では、手のひら１００２および指１００３〜１００６の作動が順次的であっても同時であってもよいことに注意されたい。
【００５０】
手のひらが伸縮式ではなく固定されているとすると、図９Ａまたは１０Ａのいずれかのケージング把握は達成されるかもしれないが、両方が達成されることはないであろう。このことは、第２のクラスの物体について、指の可動範囲に対して手のひらを積極的に動かすことが可能であることの有用性を示している。したがって、本発明の伸縮式の手のひらを用いれば、サイズがまったく異なる物体であっても、ケージング把握が形成される位置で指を物体に接触させながら、物体と手のひらとを接触させることができる。
【００５１】
物体の形状によっては、別の、特に確実な把握を用いることも可能である。その把握は、図１１Ａおよび１１Ｂに示される、いわゆる「絡み合わせ把握」である。図１１Ａおよび１１Ｂでは、把握に含まれていない指１１０３が逆方向に回転している。指１１０２と指１１０４は十分に、この場合は指１１０３の幅だけ離れており、指１１０１、１１０２、および１１０４のカールジョイントが適切に回転すると、一方の側から出ている指１１０１の端部が、他方の側から出ている指１１０２および１１０４の端部の間を通り、指１１０１、１１０２、および１１０４が絡み合わされる。
【００５２】
指１１０１〜１１０４のそれぞれの端部は、絡み合わせ把握において第１の指接触面となる末節指表面を有する。また、指１１０１〜１１０４のそれぞれは、絡み合わせ把握の形態によっては第２の指接触面となる中節指表面を有する。図１１Ａおよび１１Ｂに、指１１０３について、末節指表面１１０５および中節指表面１１０６を示した。末節指表面１１０５および中節指表面１１０６は、それらがほぼ、人間の指の末節骨および中節骨にあたる場所にあることから、そのように名付けられている。人間の指の場合は、それぞれが独立したリンクである。図１１Ｂおよび他の実施形態では、指表面１１０５および１１０６が１つのリンクに配置されているが、さらに別の実施形態では、指表面１１０５および１１０６が別々のリンクに配置されている。
【００５３】
絡み合わせ把握では、絡み合わされた指端部と手のひらとの間に把握対象の物体の一部が収まるように指が閉じられる。末節指表面は、一連の可能な接触面を与える。手のひらは、これらの末節指表面に物体を押しつける。物体の形状によっては、中節指表面が側方から物体を押す。絡み合わせ把握は、様々な状況において有利に用いられる可能性がある。これらの状況の中で、ある特定のケースが注目されよう。多くの物体には人間の手で把握できる形状の持ち手がついており、この持ち手を把握するのに絡み合わせ把握が好適である場合が多い。
【００５４】
状況によっては、絡み合わせ把握であって、かつ、ケージング把握である把握が可能である。たとえば、ケージング構成が形成された後、そのケージング構成から絡み合わせ把握が実行される。このケースは、ケージング動作の強固さと、絡み合わせ把握の確実性とを兼ね備える。
【００５５】
図１２Ａ〜１２Ｃは、ハンド１２００が絡み合わせ把握によってハンマーの柄１２０５を把握している状態を示している。指１２０３は用いられていない。指１２０１、１２０２、および１２０４の末節指表面および中節指表面が一連の接触面を与える。手のひら１２０６は、ほぼ完全に収縮しながら、柄を中節指表面に押しつけており、これによって確実な把握が達成されている。柄が小さい物体を把握する場合は、絡み合わせ把握において、中節指表面ではなく末節指表面が用いられるであろう。
【００５６】
［代替の実施形態および実施態様］
特定の好ましい実施形態および実施態様を参照して本発明を説明してきた。以下では、様々な代替の実施形態および実施態様について説明する。以下の説明は限定ではなく例示を意図したものであることを理解されたい。
【００５７】
＜１．手のひらの作動機構＞
前述の実施形態では、手のひらは、ねじジャッキのペアによって基部から伸びる。代替実施形態では、手のひらは、１つまたは複数の親ねじ、１つまたは複数のボールねじ、ラックピニオン機構、スライダクランク、４バーリンク機構、または４個より多いバーを用いるリンク機構を含む、他の機構によって伸びる。さらに別の実施態様では、手のひらが、１つまたは複数の油圧シリンダ、または１つまたは複数の空気圧シリンダで駆動される。他に、リフトバッグや電磁ソレノイドを用いる実施形態も可能である。このほかにも、望ましい動きを手のひらにさせることが可能な同等の機構が数多く存在する。
【００５８】
代替作動機構の一例では、シザーズ（はさみ）型の機構を用いる。図１３では、ロボットハンド１３００が、基部１３０１、手のひら１３０２、およびシザーズ機構を用いる手のひら作動機構１３０３を含む。ハンド１３００の基部１３０１は、上面１３０４と側面１３０５とを有するハウジングを含む。
【００５９】
図１４Ａおよび１４Ｂは、シザーズ機構に基づく例示的な手のひら作動機構１４００の、異なる方向からの２つの斜視図である。手のひら作動機構１４００は、（図１３の）基部１３０１にシザーズ機構１４０３を取り付けている２つの支持物である、固定支持物１４０１および摺動支持物１４０２を含む。固定支持物１４０１は、たとえば、溶接または留め具（ねじなど）によって、基部１３０１の上面１３０４に固定的に取り付けられている。代替として、固定支持物１４０１は、上面１３０４と一体であることも可能である。摺動支持物１４０２も上面１３０４に取り付けられているが、摺動支持物１４０２と上面１３０４とは摺動関係にあり、摺動支持物１４０２は、（図１３の）上面１３０４によって定まる平面に平行な平面内に配置された直線軌道上を平行移動するように拘束されている。
【００６０】
シザーズ機構１４０３は、シザーズリンク１４０８、１４１０、１４１１など、複数のシザーズリンクを含む。手のひら１４０４の底面にあるスロット１４０９の中に配置されたピン１４０５によって、シザーズ１４１０が手のひら１４０４と接続されている。ピン１４０５は、手のひら１４０４と直線摺動関係にあってスロット１４０９内を移動するように拘束されていることが理解されよう。シザーズリンク１４０８は、軸受１４１４を用いた回転関係で固定支持物１４０１に接続されている。シザーズリンク１４０８が軸受１４１４を中心にして回転するように、シザーズリンク１４０８に駆動軸１４０７が接続されている。図に示されるように、モータ１４１３がウォーム１４１２を回転させ、ウォーム１４１２がウォームギア１４０６を回転させ、ウォームギア１４０６が駆動軸１４０７を駆動するように構成される。手のひら１４０４は、モータ１４１３の回転方向に応じて、伸びたり縮んだりする。手のひら１４０４が作動すると、ピン１４０５がスロット１４０９内を動き、摺動支持物１４０２が（図１３の）上面１３０４に対して摺動する。
【００６１】
＜２．複合手のひらの実施形態＞
前述の作動機構に用いられる設計では、手のひらは、単一の広い接触面（たとえば、（図２の）面２０９）を含む。いくつかの代替実施形態では、伸縮式の手のひらは、連係して動作するように構成された複数の可動接触面を含む複合手のひらである。複合手のひらの接触面は、前述の手のひらの接触面と同様に、広い面である。これらの実施形態のいくつかにおいては、複数の接触面のそれぞれが別々のリンクの上に配置され、それら複数のリンクが１つに結合され、単一のモータまたは他の駆動機構によって作動する。
【００６２】
図１５は、本発明のロボットハンドの一代替実施形態を示している。このロボットハンドは、基部１５０４と、３つの面１５０１、１５０２、および１５０３を含む複合手のひら１５００とを含む。この実施形態の複合手のひら１５００は、作動機構については、図１４Ａおよび１４Ｂに関して説明したシザーズ機構の作動機構とほぼ同等であるが、物体と接触する方法が異なる。複合手のひら１５００が作動すると、３つの面１５０１、１５０２、および１５０３が基部１５０４から伸びることが理解されよう。
【００６３】
図１６は、例示的な複合手のひら機構１６０９を示している。複合手のひら機構１６０９は、本発明の一実施形態による３つのリンク１６０４、１６０７、および１６０８を含む。リンク１６０４、１６０７、および１６０８は、共通の枢支軸で互いに枢動可能に連結されている。複合手のひら機構１６０９はさらに、複合手のひら機構１６０９を（図１５の）基部１５０４に取り付ける固定支持物１６０５および摺動支持物１６０６を含む。リンク１６０７および１６０８は固定支持物１６０５に枢動可能に取り付けられており、固定支持物１６０５は、たとえば、溶接またはねじなどの留め具によって、基部１５０４に取り付けられている。代替として、固定支持物１６０５は、基部１５０４と一体であることも可能である。リンク１６０４は摺動支持物１６０６に枢動可能に取り付けられており、摺動支持物１６０６も基部１５０４の上面に取り付けられているが、摺動支持物１６０６と上面とは摺動関係にあり、摺動支持物１６０６は、上面によって定まる平面に平行な平面内に配置された直線軌道上を平行移動するように拘束されている。
【００６４】
複合手のひら機構１６０９はさらに、モータ１６０１を含む。モータ１６０１は、ウォーム１６０２を駆動して、駆動軸１６１０に結合されたウォームギア１６０３を回転させる。したがって、モータ１６０１は、駆動軸１６１０の軸を中心としてリンク１６０７および１６０８を回転させるように構成される。複合手のひら機構１６０９は、モータ１６０１の回転方向に応じて、伸びたり縮んだりする。図１５の複合手のひら１５００が作動すると、複合手のひらの（図１５の）接触面１５０１、１５０２、および１５０３が基部１５０４から伸びたり、基部１５０４に向かって縮んだりする。複合手のひらの接触面１５０１、１５０２、および１５０３が伸ばされると、接触面１５０３が接触面１５０１および１５０２に向かって駆動されるピンチング動作が行われることがさらに理解されよう。
【００６５】
図１７は、ロボットハンドの複合手のひらが球１７０１を把握している状態を示している。（図１５の）複合手のひらの接触面１５０１、１５０２、および１５０３が、球１７０１に対して下からクレードル支持を行う。ロボットハンドの指１７０６〜１７０９が球１７０１を上から包み込む。ただし、図１５、１６、および１７に示された実施形態は、複合手のひらの１つの特定の実施態様である。明らかに、ほかにも様々な方法で、複数のリンクされた面を作動させて複合手のひらを形成することができる。
【００６６】
＜３．手のひらの自由度＞
前述の実施形態では、手のひらは、単一の運動軸に沿って平行移動できるだけである。代替実施形態では、手のひらが２つ以上の軸、たとえば、直交軸に沿って平行移動可能であるように手のひら作動機構を構成しうる。また、手のひら作動機構は、手のひらの方向が、たとえば、回転、傾斜、またはその両方で調整可能であるように構成することも可能である。様々な代替実施形態において、手のひらと基部との間の様々な数の自由度を制御することができる。そのように制御することが可能なのは、１から６までの任意の数の自由度である。さらに多くの自由度を有する代替実施形態は、様々な用途に適した様々な端部を実現できる柔軟性を備える。
【００６７】
ある特定の代替実施形態では、たとえば、スチュワート機構によって独立自由度６で手のひらが作動することができる。作動する各指の動きの自由度が３である別の実施形態では、どのような小さな動きでも把握対象の物体に伝わる可能性がある。この、本発明の代替実施形態では、握力把握によって物体を確実に把握することが可能であり、なおかつ、精密把握によって物体をハンドで精妙に操作することができる。
【００６８】
＜４．相対運動のための代替機構＞
前述の実施形態では、手のひらは、基部に対して、指の可動範囲の方向に伸びたり縮んだりすることができる。固定された手のひらに対して指の可動範囲を動かすことによっても同じ効果が達成可能であることを理解されたい。したがって、別の代替実施形態では、ロボットハンドの基部に対して手のひらが固定され、基部に対して平行移動する共通指支持部に指が取り付けられる。さらに別の実施形態では、手のひらが伸縮式であって、かつ、指が共通指支持部に取り付けられる。
【００６９】
＜５．手のひらの表面＞
前述の実施形態では、手のひらの接触面は、基本的に平らである（または、複合手のひらの場合は、それぞれの接触面が基本的に平らである）。代替実施形態では、接触面が形造られている。たとえば、接触面は、「Ｖ」字形状、楕円中空、または他の、物体と手のひらとがより合致する接触になるように選択された形状を含むことができる。したがって、成形接触面は、物体の自動調心が可能な、谷状のくぼみでありうる。成形接触面は、任意の数の個別目標を達成するように選択することが出来ることを理解されたい。代替として、手のひらの接触面は、膨張式空気袋やばね懸架式ロッドのベッドのような順応機構を備えることができる。そのような順応機構を用いることによって、手のひらの接触面を物体の形状に順応させ、それによって、不均整な形状の物体をよりしっかり支持できるようにすることができる。さらに、手のひらの接触面が物体の形状に順応するように、ゴムやネオプレンのような弾性材料を含むように手のひらを構成することができる。また、手のひらの接触面を編み合わせにして把握機能を向上させることも可能である。
【００７０】
＜６．複数の手のひらの作動＞
前述の実施形態では、複合手のひらのケースにおいて、複数の可動接触面を含む単一の手のひらが作動する。いくつかの代替実施形態では、伸縮式の手のひらが複数存在する。これらの実施形態では、伸縮式の手のひらの集合体を用いて、単一の手のひらを作動させる場合よりしっかりと物体の形状に順応することができる。複数の手のひらは、独立して作動することも、連係して作動することも可能である。
【００７１】
７．逆駆動性
前述の実施形態では、手のひらおよび指は、逆駆動が不可能なギアで駆動される。これにより、物体の把握が確立した後にモータをオフにすることができる。モータをオフにすると、物体は、荷重がかかっている接触の力によって保持される。これは実質的にクランプとしての動作である。代替実施形態では、駆動機構は、逆駆動が可能であり、接触からの力を逆にモータに伝えることができる。これは、物体に作用する外力に応じて、加える接触力を制御するのに有用な場合がある。
【００７２】
＜８．センサ＞
前述の実施形態では、ジョイントの位置制御用のセンサと、指の先端および手のひらにおける接触スイッチとしてのセンサとが設けられる。代替実施形態では、ロボットハンドの指、手のひら、および／または他の部分に追加および／または代替のセンサが備えられていてもよい。手のひらは、サイズが比較的大きいのでセンサを配置するのに都合がよい。したがって、手のひらは、力／トルクセンサ、触覚センサ、および／または物体が把握から滑り抜ける状況を検知する特殊な滑りセンサを有利に備えることができる。他の代替実施形態では、指の他の場所に追加の接触スイッチを配置すること、および／または指に力センサ、触覚センサ、加速センサ、または他のセンサを備えることができる。
【００７３】
＜９．指＞
前述の各実施形態は、４本の指を有し、３本が基部の一方の側にあり、対向可能な親指が他方の側にある。代替実施形態は、２本、３本、４本、または５本以上の指を用いる。本発明は、基本的に、任意の数の指をロボットハンドの基部のまわりに任意に配置して実施可能である。
【００７４】
さらに、前述の実施形態では、各指は、３つのまっすぐなセグメントで造られており、それらのセグメントが一体になって１つの指リンクを構成している。各リンクのそれらのセグメントのうちの２つに末節指表面と中節指表面とが配置されている。代替実施形態では、各指は、様々な数のセグメントで造ることが可能であり、それぞれのセグメントはまっすぐであっても曲がっていてもよい。それに応じて末節指表面および中節指表面も、まっすぐであっても曲がっていてもよい。指や指表面に関しては、同等の幾何学的な形状が数多く存在する。
【００７５】
さらに、前述の実施形態では、各指は、シンプルなリンクを駆動する回転ジョイントによって作動する。このシンプルなリンクは、代替実施形態では、指先がそれぞれの軌道の選択された位置に向かって互いにまっすぐに動くように、４バーリンク機構で置き換えることができる。さらに別の代替実施形態では、指の所望の軌道を実現するために、他のリンク機構を用いることができる。様々な軌道に沿って指を動かすために用いることが可能な、同等の機構が数多く存在する。
【００７６】
前述の実施形態では、各指は、単一のカールジョイントを備える。代替実施形態では、各指が２つ以上のそのようなカールジョイントを備えることができる。さらに、これらのカールジョイントの２つ以上を結合することができる。また、指ジョイントを別の方向に用いることも可能である。たとえば、「基部ジョイント」を用いて、手のひらの面に垂直な軸を中心として指を回転させることができる。また、指を他の指に対して平行移動させるプリズムジョイントを１つまたは複数の指に備えることも可能である。本発明は、様々な種類の様々な数の指ジョイントを様々な構成、方向、および位置で用いて実施可能である。
【００７７】
前述の実施形態では、すべての指が、剛体であり、作動し、開いた連鎖である。代替実施形態では、２つ以上の指が、２箇所以上で基部ハウジングに取り付けられた、閉じた連鎖を含むことが可能である。他の代替実施形態では、指は、剛体でない、閉じた連鎖であることができる。一例として、モータで緊密に引っ張られることが可能なケーブルが通されたばねを指として用いることができる。指を作動させるために用いることが可能な運動機構は数多く存在する。
【００７８】
前述の実施形態では、すべての指が同じ形状を有し、同じように成形された接触面を有する。代替実施形態では、様々な指を様々に形造ることができる。さらに、各指の接触面が様々な形状を有することができる。たとえば、１つまたは複数の指が、小さな物体を把握するために、特に細い指であってもよく、指先が特に小さくてもよい。ロボットハンドを特定の作業に最適化するために、様々な指形状や接触面構成を用いることができる。
【００７９】
＜１０．ハンドのその他の形状や構造＞
好ましい実施形態では、前述のような形状および構造のハンドを用いる。代替実施形態では、ハンドは、様々な形状および／または構造を含む。たとえば、ハンドは、擬人化されていても、されていなくてもよい。様々な形状および構造のハンドにおいて、本明細書で開示されている発明を用いて、指の可動範囲からの距離が制御可能な、伸縮式の手のひらを用いることができる。指の可動範囲に対して複数の位置に手のひらの接触面を設けるために、数多くある同等な方法を用いて、能動的に動かすことが可能な手のひらを、様々な設計のハンドに用いることができる。
【００８０】
＜１１．他の用途＞
本明細書に開示されている本発明を、ロボット用途との関連で説明してきた。本発明は、他の用途にも応用できることが理解されよう。その中でも特に、能動的に動かすことが可能な手のひらを義手に用いることができる。義手への応用が有用であるのは、これまでの把握の説明、および把握された物体のいくつかの図面から明らかであろう。
【００８１】
先述の明細書では、その特定の実施形態に関して本発明が記載されているが、当業者であれば、本発明がそれらに限定されないことが理解されよう。前述の本発明の各種の特徴および態様は、個別に用いることも、一緒に用いることも可能である。さらに、本発明は、本明細書の広い趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載された環境および用途以外の任意の数の環境および用途に利用することができる。したがって、本明細書および図面は、制限的ではなく例示的であると見なされなければならない。本明細書で用いている用語の「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」または「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、非制限的用語として読まれることを特に意図したものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の一実施形態による、伸縮式の手のひらを有するロボットハンドの斜視図である。
【図２】本発明の別の実施形態による、伸縮式の手のひらを有するロボットハンドの斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態による、指を作動させる機構の斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態による、ねじジャッキのペアを用いる手のひら作動機構を示す図である。
【図５】図５Ａ及び図５Ｂはそれぞれ、図４の手のひら作動機構の上面図および断面図である。
【図６】図６Ａ及び図６Ｂは、ねじジャッキの２つの段の雄ねじ山および雌ねじ山の拡大斜視図であって、それぞれ、２つの段が連結を解除された図と連結された図である。
【図７】図７Ａ及び図７Ｂは、本発明による伸縮式の手のひらを有するロボットハンドの一実施形態の、大きな箱を把握するために伸縮式の手のひらが縮んでいる状態を示す、それぞれ、斜視図および側面図である。
【図８】図８Ａ及び図８Ｂは、図７Ａおよび７Ｂのロボットハンドの、小さな箱を把握するために伸縮式の手のひらが伸びている状態を示す、それぞれ、斜視図および側面図である。
【図９】図９Ａ及び図９Ｂは、本発明による伸縮式の手のひらを有するロボットハンドの一実施形態の、径が大きい円柱に対してケージング把握を実施している状態を示す、それぞれ、斜視図および側面図である。
【図１０】図１０Ａ及び図１０Ｂは、図９Ａおよび９Ｂのロボットハンドの、径が小さい円柱を把握している状態を示す、それぞれ、斜視図および側面図である。
【図１１】本発明の一実施形態による、絡み合わされる指を有するように構成されたロボットハンドの斜視図である。
【図１２】図１１のロボットハンドの、絡み合わされる指でハンマーを把握している状態を示す、それぞれ、２つの斜視図と端面図である。
【図１３】本発明の一実施形態による、シザーズ機構を用いる手のひら作動機構の斜視図である。
【図１４】図１４Ａ及び図１４Ｂは、本発明の一実施形態によるシザーズ機構に基づく手のひら作動機構の２つの斜視図である。
【図１５】本発明の一実施形態による、伸縮式の複合手のひらを有するロボットハンドの斜視図である。
【図１６】本発明の一実施形態による、シザーズ機構を用いる複合手のひら作動機構の斜視図である。
【図１７】図１５のロボットハンドの、球を把握している状態を示す斜視図である。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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