(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の劣駆動によるフィンガを備えた把持具を提供すること。【解決手段】基部（３０）と、近位関節によって前記基部に接続された近位端を有するフィンガー（７０，８０）と、前記基部に対して前記フィンガーを移動させるように構成された腱ケーブル（６０Ａ，６２Ａ）と、前記フィンガーを前記基部に離脱可能に連結する磁気離脱機構とを備えている把持具（２０）。【選択図】図４
2019107769.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、
近位関節によって前記基部に接続された近位端を有するフィンガーと、
前記基部に対して前記フィンガーを移動させるように構成された腱ケーブルと、
前記フィンガーを前記基部に離脱可能に連結する磁気離脱機構と
を備えている，把持具。
【請求項２】
前記腱ケーブルは、前記磁気離脱機構を通って前記フィンガーに延在している、請求項1に記載の把持具。
【請求項３】
前記磁気離脱機構は、
フィンガーサブマウントであって、前記フィンガーが前記近位関節によって前記フィンガーサブマウントに枢動可能に接続されている、フィンガーサブマウントと、
前記基部上の基部サブマウントと、
を備えており、
前記フィンガーサブマウントおよび前記基部サブマウントは、磁気的に互いに吸引されており、前記フィンガーサブマウントは、前記基部サブマウントを介して前記基部に接続されている、
請求項２に記載の把持具。
【請求項４】
前記基部サブマウントから前記フィンガーサブマウントを分離することによって、前記フィンガーは前記基部上から離脱され、
前記磁気離脱機構は、第１の腱ケーブルへの引張力に応答して前記フィンガーサブマウントを前記基部サブマウントに再接合するように構成される、
請求項３に記載の把持具。
【請求項５】
前記腱ケーブルは、前記フィンガーサブマウントおよび前記基部サブマウントのそれぞれを通って延在している、請求項３に記載の把持具。
【請求項６】
前記磁気離脱機構は、前記フィンガーサブマウントおよび前記基部サブマウントが分離し、次いで、再接合されたとき、前記フィンガーサブマウントを前記基部サブマウントと再び真っ直ぐに並べる少なくとも１つの位置決め特徴部を備えている、請求項３に記載の把持具。
【請求項７】
前記少なくとも１つの位置決め特徴部は、環状または半環状溝を備えている、請求項６に記載の把持具。
【請求項８】
前記磁気離脱機構は、前記フィンガーサブマウント上のフィンガー位置決め特徴部と、
前記基部サブマウント上の基部位置決め特徴部を有し、
前記フィンガーが前記基部から分離され再接合されるときに、前記フィンガー位置決め特徴部および前記基部位置決め特徴部は、協働して前記フィンガーサブマウントおよび前記基部サブマウントが所定の回転整合位置に戻るように案内する、
請求項６に記載の把持具。
【請求項９】
前記磁気離脱機構は、閾値負荷を越える負荷が前記フィンガーに加えられたとき、前記フィンガーを解放し、前記基部に対して撓ませるように、操作可能になっている、請求項１に記載の把持具。
【請求項１０】
第２の近位関節によって前記基部に接続された近位端を有する第２のフィンガーと、
前記基部に対して前記第２のフィンガーを移動させるように構成された第２の腱ケーブルを備え、
前記磁気離脱機構は、前記第１のフィンガーを前記基部に離脱可能に連結し、第２のフィンガーから独立して前記第１のフィンガーを前記基部から離脱させる、
請求項１に記載の把持具。
【請求項１１】
前記第２のフィンガーを前記基部に離脱可能に連結し、第１のフィンガーから独立して前記第２のフィンガーを前記基部から離脱させる第２の磁気離脱機構を更に有する、請求項１０に記載の把持具。
【請求項１２】
前記第１の腱ケーブルは、第１の磁気離脱機構を通って前記第１のフィンガーに延在し、
前記第２の腱ケーブルは、前記第２の磁気離脱機構を通って前記第２のフィンガーに延在している、
請求項１１に記載の把持具。
【請求項１３】
前記第１の腱ケーブルは、前記磁気離脱機構を通って前記第１のフィンガーに延在している、請求項１０に記載の把持具。
【請求項１４】
前記磁気離脱機構は、前記第１のフィンガーを前記基部に連結し、前記基部から前記第１のフィンガーを離脱させ、その後、前記第２のフィンガーから独立して前記基部に再連結する、請求項１３に記載の把持具。
【請求項１５】
前記把持具は、前記フィンガーを前記基部から離脱させた後、前記磁気離脱機構の磁気吸引力または前記腱ケーブルの引張力によって、前記フィンガーが前記ベースに再連結可能に構成される、請求項１に記載の把持具。
【請求項１６】
前記磁気離脱機構は、前記腱ケーブルへの引張力に応答して前記フィンガーを前記基部に再連結するように構成される、請求項１に記載の把持具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願］
本願は、２０１２年１１月９日に出願された米国仮特許出願第６１／７２４，５０６号、２０１２年１１月９日に出願された米国仮特許出願第６１／７２４，５１２号、２０１２年１１月９日に出願された米国仮特許出願第６１／７２４，５１７号、２０１３年３月１５日に出願された米国特許出願第１３／８３３，５８０号、２０１３年３月１５日に出願された米国特許出願第１３／８３３，６３１号、および２０１３年３月１５日に出願された米国特許出願第１３／８３３，６８７号の利得および優先権を主張するものであり、これらの出願内容は、参照することによって、それらの全体がここに含まれるものとする。
【０００２】
［政府支援の声明］
本発明は、ＤＡＲＰＡ（国防高等研究計画局）によってＤＡＲＰＡ自律型ロボット操作−ハードウエアトラック（ＡＲＭ−Ｈ）に対して授与されたＤＡＲＰＡ契約第Ｗ９１ＣＲＢ−１０−Ｃ−０１４１号の下で政府支援によってなされたものである。政府は、本発明に一定の権利を有するものである。
【背景技術】
【０００３】
エンドエフェクタまたは把持具は、一般的に、ロボットアームに取り付けられ、選択された環境下において対象物を操作および／または把持するために用いられている。この選択された環境は、整備された環境であってもよいし、または整備されていない環境であってもよい。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の実施形態によれば、柔軟劣駆動把持具は、基部と、複数のフィンガーとを備えている。複数のフィンガーの少なくとも１本は、近位指骨と、近位指骨を基部に接続する近位関節と、遠位指骨と、遠位指骨を近位指骨に接続する遠位関節と、指骨を移動させるための部材と、を備えている。近位関節および遠位関節の少なくとも１つは、屈曲関節を含んでおり、屈曲関節は、屈曲関節の第１の方向において第１の柔軟性を有し、屈曲関節の第２の方向において第２の柔軟性を有しており、第２の柔軟性は、第１の柔軟性と比較して曲がらないほど小さくなっている。遠位指骨は、丸い端面と、丸い端面に隣接する持上げ縁を備える持上げ部と、を備えている。上記部材は、屈曲関節の第１の方向と平行に作用するようになっている。把持具は、該部材に関連付けられた少なくとも１つのアクチュエータをさらに備えている。把持具は、自由度よりも少ないアクチュエータを有している。
【０００５】
いくつかの実施形態では、持上げ縁は、自由端末縁であり、遠位指骨は、丸い端面と持上げ縁の間に画定された持上げ溝を備えている。いくつかの実施形態では、丸い端面は、持上げ溝の長軸と実質的に直交する面において円弧を画定している。いくつかの実施形態では、持上げ溝は、約１ｍｍから３ｍｍの範囲内の深さを有している。
【０００６】
丸い端面は、持上げ部よりも軟質な材料から形成されていてもよい。いくつかの実施形態では、丸い端面の軟質材料は、約ショアＡ硬度０からショアＡ硬度６０の範囲内にある硬度を有しており、持上げ部は、少なくとも約１００ＧＰａの硬度を有している。
【０００７】
把持具は、丸い端面に対する持上げ縁の位置を選択的に調整するように操作可能な調整機構を備えていてもよい。
【０００８】
いくつかの実施形態では、遠位指骨は、実質的に平坦な内側把持面と、互いに向き合って軸方向に延在する明瞭な内側縁と、を有している。
【０００９】
本発明の実施形態によれば、柔軟劣駆動把持具は、基部と、複数のフィンガーとを備えている。複数のフィンガーの少なくとも１本は、近位指骨と、近位指骨を基部に接続する近位関節と、遠位指骨と、遠位指骨を近位指骨に接続する遠位関節と、指骨を移動させるための部材と、を備えている。近位関節および遠位関節の少なくとも１つは、屈曲関節を含んでおり、屈曲関節は、屈曲関節の第１の方向において第１の柔軟性を有し、屈曲関節の第２の方向において第２の柔軟性を有しており、第２の柔軟性は、第１の柔軟性と比較して曲がらないほど小さくなっている。上記部材は、屈曲関節の第１の方向と平行に作用するようになっている。把持具は、該部材に関連付けられた少なくとも１つのアクチュエータをさらに備えている。遠位指骨は、実質的に平坦な内側把持面と、互いに向き合って軸方向に延在する明瞭な内側縁と、を有している。把持具は、自由度よりも少ないアクチュエータを有している。
【００１０】
いくつかの実施形態では、平坦な内側把持面は、屈曲関節の主曲げ軸と実質的に平行になっている。
【００１１】
平坦な内側把持面は、エラストマー材料から形成されていてもよい。
【００１２】
いくつかの実施形態では、屈曲関節は、エラストマー材料から形成された屈曲リンクを備えている。
【００１３】
いくつかの実施形態では、遠位指骨は、第１の方向と直交する実質的に矩形断面を有している。
【００１４】
本発明のいくつかの実施形態によれば、柔軟劣駆動把持具は、基部と、２本のフィンガーおよび２本のフィンガーと向き合う親指と、を備えている。フィンガーおよび親指は、各々、近位指骨と、遠位指骨と、近位指骨を遠位指骨に直接接続する遠位関節であって、第１の方向において追従するようになっている、遠位関節と、近位指骨を基部に直接接続する近位関節であって、第２の方向において追従するようになっている、遠位関節と、    近位指骨および遠位指骨を移動させるための腱ケーブルであって、第１の追従性の方向と実質的に平行であり、第１の方向における遠位関節の追従性を実質的に変化させるようになっている、腱ケーブルと、を備えている。把持具は、フィンガーおよび親指を移動させる少なくとも１つのアクチュエータをさらに備えている。各遠位指骨は、遠位指骨に接続された近位指骨の長さの０．６０倍から０．６６倍の長さを有している。親指に対する２本のフィンガーの各々の近位関節からの平均距離は、２本のフィンガーの近位指骨の平均長さの１．３０倍から１．４４倍である。把持具は、自由度よりも少ないアクチュエータを有している。
【００１５】
いくつかの実施形態では、基部は、フィンガーと親指との間に掌を備えており、掌は、近位指骨の平均長さの約１．２１倍から１．３３倍の範囲内にある主寸法を有している。
【００１６】
いくつかの実施形態では、フィンガーの近位関節間の間隔は、近位指骨の平均長さの約０．９７倍から１．０８倍の範囲内にある。
【００１７】
本発明のいくつかの実施形態によれば、柔軟劣駆動把持具は、掌基部と、２本のフィンガーとを備えている。フィンガーの各々は、近位指骨と、遠位指骨と、遠位指骨を近位指骨に接続する柔軟屈曲関節と、近位指骨を掌基部に接続するピン関節であって、ピン枢軸を中心とする回転に対して、掌基部に対する近位指骨の角運動を拘束するようになっている、ピン関節と、を備えている。把持具は、フィンガーを移動させるための少なくとも１つのアクチュエータをさらに備えている。把持具は、自由度よりも少ないアクチュエータを有している。
【００１８】
把持具は、各フィンガーに関連付けられたピン関節角度センサをさらに備えていてもよい。
【００１９】
把持具は、各フィンガーを掌基部に接続する回転関節をさらに備えていてもよく、フィンガーは、そのピン枢軸を掌基部に対して再配向させるために、回転関節を中心として掌基部に対して回転可能になっていてもよい。
【００２０】
いくつかの実施形態では、把持具は、親指と、フィンガーから独立して親指を移動させる少なくとも１つのアクチュエータと、をさらに備えている。親指は、近位指骨と、遠位指骨と、遠位指骨を近位指骨に接続する柔軟屈曲関節と、近位指骨を掌基部に接続するピン関節であって、ピン枢軸を中心とする回転に対して、掌基部に対する近位指骨の角運動を拘束するようになっている、ピン関節と、を備えている。
【００２１】
本発明のいくつかの実施形態によれば、柔軟劣駆動把持具は、掌基部と、２本のフィンガーとを備えている。フィンガーの各々は、近位指骨と、遠位指骨と、遠位指骨を近位指骨に接続する柔軟屈曲関節と、近位指骨を掌基部に接続するピン関節であって、ピン枢軸を中心とする主要自由度を有している、ピン関節と、近位指骨および遠位指骨を移動させるための腱ケーブルであって、腱ケーブルの運動は、屈曲関節を中心とする遠位指骨の角運動よりも大きい割合でピン枢軸を中心とする近位指骨の角運動を生じさせるようになっている、腱ケーブルと、を備えている。把持具は、フィンガーを移動させる少なくとも１つのアクチュエータをさらに備えている。把持具は、自由度よりも少ないアクチュエータを有している。
【００２２】
いくつかの実施形態では、屈曲関節は、柔軟なエラストマー材料から形成された屈曲リンクを備えている。
【００２３】
いくつかの実施形態によれば、枢動関節は、近位指骨を枢動関節を中心として第１の方向および第２の方向に回転させるために、近位指骨を掌基部に接続しており、把持具は、近位指骨を第２の方向に駆動して戻り位置に至らせる戻り付勢バネを備えており、戻り付勢バネは、第１のバネ率を有しており、屈曲関節は、遠位指骨を近位指骨に対して開位置に付勢するように構成されており、第２のバネ率を有しており、第２のバネ率は、第１のバネ率よりも大きくなっている。いくつかの実施形態では、第２のバネ率は、第１のバネ率の少なくとも８倍になっている。いくつかの実施形態では、第１のバネ率は、腱ケーブルを緩めることによって、近位指骨を把持具の任意の方位における戻り位置に保持するのに十分になっており、第２のバネ率は、腱ケーブルを緩めることによって、遠位指骨を把持具の任意の方位における開位置に保持するのに十分になっている。 
【００２４】
本発明のいくつかの実施形態によれば、柔軟劣駆動把持具は、掌基部と、２本のフィンガーとを備えている。フィンガーの各々は、近位指骨と、遠位指骨と、遠位指骨を近位指骨に接続する柔軟屈曲関節と、近位指骨を枢動関節を中心として第１の方向および第２の方向に回転させるために、近位指骨を掌基部に接続する枢動関節と、近位指骨を第１の方向に移動させるための腱ケーブルと、近位指骨を第２の方向に駆動して戻り位置に至らせる戻り付勢バネであって、戻り付勢バネのバネ率は、腱ケーブルを緩めることによって、近位指骨を把持具の任意の方位における戻り位置に保持するのに十分になっている、戻り付勢バネと、を備えている。把持具は、各腱ケーブルに関連付けられた少なくとも１つのアクチュエータをさらに備えている。把持具は、自由度よりも少ないアクチュエータを有している。
【００２５】
いくつかの実施形態では、戻り付勢バネは、ねじりバネを含んでいる。
【００２６】
本発明の実施形態によれば、把持具は、基部と、フィンガーと、腱ケーブルと、磁気離脱機構と、を備えている。フィンガーは、近位関節によって基部に接続された近位端を有している。腱ケーブルは、基部に対してフィンガーを移動させるように構成されている。磁気離脱機構は、フィンガーを基部に離脱可能に連結している。
【００２７】
いくつかの実施形態では、腱ケーブルは、磁気離脱機構を通ってフィンガーに延在している。磁気離脱機構は、フィンガーサブマウントであって、フィンガーが近位関節によってフィンガーサブマウントに枢動可能に接続されている、フィンガーサブマウントと、  基部上の基部サブマウントと、を備えていてもよく、フィンガーサブマウントおよび基部サブマウントは、磁気的に互いに吸引されていてもよく、フィンガーサブマウントは、基部サブマウントを介して基部に接続されていてもよい。いくつかの実施形態によれば、  磁気離脱機構は、フィンガーサブマウントおよび基部サブマウントが分離し、次いで、再接合されたとき、フィンガーサブマウントを基部サブマウントと再び真っ直ぐに並べる少なくとも１つの位置決め特徴部を備えている。少なくとも１つの位置決め特徴部は、環状または半環状溝を備えていてもよい。
【００２８】
いくつかの実施形態では、磁気離脱機構は、閾値負荷を越える負荷がフィンガーに加えられたとき、フィンガーを解放し、基部に対して撓ませるように、操作可能になっている。
【００２９】
本発明のいくつかの実施形態によれば、柔軟劣駆動把持具は、基部と、２本のフィンガーおよび２本のフィンガーと向き合う親指と、を備えている。フィンガーおよび親指の各々は、近位指骨と、遠位指骨と、近位指骨を遠位指骨に直接接続する遠位関節であって、第１の方向において追従するようになっている、遠位関節と、近位指骨を基部に直接接続する近位関節であって、第２の方向において追従するようになっている、近位関節と、    近位指骨および遠位指骨を移動させるための腱ケーブルであって、第１の柔軟性の方向と実質的に平行であり、第１の方向における遠位関節の柔軟性を実質的に変化させるようになっている、腱ケーブルと、を備えている。把持具は、フィンガーおよび親指を移動させる少なくとも１つのアクチュエータをさらに備えている。親指は、近位指骨から独立して遠位指骨の運動を可能にするために、近位指骨を第１の腱ケーブルの反対側において選択的に拘束するための第２の腱ケーブルをさらに備えている。把持具は、自由度よりも少ないアクチュエータを有している。
【００３０】
いくつかの実施形態では、把持具は、親指の第１の腱ケーブルを作動させる第１のアクチュエータと、親指の第２の腱ケーブルを作動させる第２のアクチュエータと、を備えている。
【００３１】
いくつかの実施形態では、各フィンガーは、近位指骨から独立して遠位指骨の運動を可能にするために近位指骨を腱ケーブルの反対側において選択的に拘束するための腱を備えていない。
【００３２】
本発明のいくつかの実施形態によれば、柔軟劣駆動把持具は、基部と、２本のフィンガーおよび２本のフィンガーと向き合う親指と、を備えている。フィンガーおよび親指の各々は、近位指骨と、遠位指骨と、近位指骨を遠位指骨に直接接続する遠位関節であって、第１の方向において追従するようになっている、遠位関節と、近位指骨を基部に直接接続する近位関節であって、第２の方向において追従するようになっている、近位関節と、近位指骨および遠位指骨を移動させるための腱ケーブルであって、第１の柔軟性の方向と実質的に平行であり、第１の方向における遠位関節の柔軟性を実質的に変化させるようになっている腱ケーブルと、を備えている。把持具は、フィンガーおよび親指を移動させる少なくとも１つのアクチュエータをさらに備えている。腱ケーブルは、約６０ｌｂｆから１２０ｌｂｆの範囲内にある持続引張負荷を伝達することができ、曲げ時に低エネルギー貯蔵をもたらし、１ｍｍ未満の半径曲げに対して堅牢である。把持具は、自由度より少ないアクチュエータを有している。
【００３３】
いくつかの実施形態では、フィンガーおよび親指の少なくとも１本は、近位関節を基部に離脱可能に連結する磁気離脱機構を備えている。
【００３４】
本発明のさらなる特徴、利点、および詳細は、以下の図面および実施形態の詳細な説明を読めば、当業者によって明らかになるだろう。ただし、このような説明は、本発明の単なる例示にすぎない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態による把持具を備えるロボットの部分斜視図である。
【図２】図１の把持具の前方斜視図である。
【図３】図１の把持具の後方斜視図である。
【図４】図１の線４−４に沿って切断された図１の把持具の横断面図である。
【図５】図１の線５−５に沿って切断された図１の把持具の横断面図である。
【図６】図１の把持具の平面図である。
【図７】図１の把持具の側面図である。
【図８】図１の把持具の背面図である。
【図９】図１の把持具の一部を形成するフィンガーの上方斜視図である。
【図１０】図９のフィンガーの底方斜視図である。
【図１１】図９の線１１−１１に沿って切断された図９のフィンガーの横断面図である。
【図１２】図９のフィンガーの拡大部分側面図である。
【図１３】図９のフィンガーの平面図である。
【図１４】図９のフィンガーの側面図である。
【図１５】図９のフィンガーおよび関連する磁気離脱システムの上方斜視図である。
【図１６】図１５のフィンガーおよび磁気離脱システムの分解された部分底方斜視図である。
【図１７】図１５のフィンガーおよび磁気離脱システムの分解された部分上方斜視図である。
【図１８】図１５の線１８−１８に沿って切断された図１５の磁気離脱システムの横断面図である。
【図１９】図１５の線１９−１９に沿って切断された図１５の磁気離脱システムの横断面図である。
【図２０】図１５の磁気離脱システムの分解された部分断面底方斜視図である。
【図２１】磁気離脱システムの一部を形成するサブマウントを備える図１の把持具の一部を形成する基部の上方斜視図である。
【図２２】磁気離脱システムの操作を示す、図１５のフィンガーおよび磁気離脱システムの部分斜視図である。
【図２３】図１の把持具によって実施される種々のフィンガー形態を示す図である。
【図２４】図１の把持具によって実施される種々のフィンガー形態を示す図である。
【図２５】図１の把持具によって実施される種々のフィンガー形態を示す図である。
【図２６】図１の把持具によって実施される種々のフィンガー形態を示す図である。
【図２７】図１の把持具によって実施される種々のフィンガー形態を示す図である。
【図２８】図１の把持具によって実施される種々のフィンガー形態を示す図である。
【図２９】図１の把持具によって実施される種々のフィンガー形態を示す図である。
【図３０Ａ】対象物を掴みかつ持ち上げるための図１の把持具の一連の運動を示す図である。
【図３０Ｂ】対象物を掴みかつ持ち上げるための図１の把持具の一連の運動を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の例示的実施形態が示されている添付の図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。図面では、領域または特徴部の相対的な大きさは、明瞭にするために誇張されることがある。しかし、本発明は、多くの異なる形態で実施されてもよく、本明細書に記載されている実施形態に制限されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、この開示が十分かつ完全であって、本発明の範囲を当業者に十分に知らしめるために提示されている。
【００３７】
ある要素が他の要素に「連結」または「接続」されていると言及されたとき、該要素は、他の要素に直接連結または接続されていてもよいし、または介在する要素が存在していてもよいことを理解されたい。対照的に、ある要素が他の要素に「直接連結」または［直接接続］されていると言及されたとき、介在する要素は、存在しない。同様の部番は、全体を通して同様の要素を指すものとする。
【００３８】
加えて、「〜の下に」、「〜の下方に」、「〜の下側に」、｛〜の上方に｝、「〜の上側に」などの空間的な相対的用語が、図面に示されている１つの要素または特徴部と他の１つまたは複数の要素または特徴部との関係を説明するための記述を容易にするために、本明細書に用いられることがある。これらの空間的な相対的用語は、図面に描かれている方位に加えて、使用時または操作時における装置の異なる方位を含むことを意図していることを理解されたい。例えば、もし図面における装置が上下反転されたなら、他の要素または特徴部の「下方」または「直下」に位置すると記載された要素は、該他の要素または特徴部の「上方」に配向されるだろう。従って、「〜の下方」という例示的な用語は、「〜の上方」および「〜の下方」の両方の方位を含むことになる。装置は、別の方位（９０°または他の方位）に回転されることもあるが、この場合、本明細書に用いられる空間的な相対的記述用語も、それに応じて解釈されるとよい。
【００３９】
本明細書に用いられる専門用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とし、本発明を制限することを意図していない。本明細書に用いられる単数形の「a」、「an」、および「the」は、文脈が明らかに他の意味を指定しない限り、複数形を含むことを意図している。「備える（comprises）」および／または「備えている（comprising）」という用語は、本明細書に用いられるとき、記述された特徴、完全体、段階、操作、要素、および／または構成部品の存在を特定することになるが、１つまたは複数の他の特徴、完全体、段階、操作、要素、構成部品、および／またはそれらの群の存在または追加を排除するものではないことをさらに理解されたい。本明細書に用いられる「および／または」という表現は、１つまたは複数の互いに関連して列挙される項目のいずれかおよび全ての組合せを含んでいる。
【００４０】
別段の定めがない限り、本明細書に用いられる（技術用語または科学用語を含む）全ての用語は、本発明が属する技術分野における当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有している。一般的に用いられる辞書に定義されているような用語は、関連技術の文脈における意味と一致している意味を有すると解釈されるべきであり、本明細書に明示的に規定されていない限り、理想的な意味または過度に形式的な意味に解釈されるべきではないことをさらに理解されたい。
【００４１】
本発明の実施形態は、エンドエフェクタまたは把持具に関する。本明細書に開示されている把持具は、ロボットの一部を構成してもよいし、または補綴装置の一部を構成してもよい。特に、把持具は、ロボットアーム上に取り付けられ、整備された環境または整備されていない環境において対象物を操作し、かつ把持するのに用いられるとよい。把持具は、人型ロボットの把持具または「手」として用いられてもよいし、ＤＡＲＰＡ自律型ロボット操作ハードウエア（ＡＲＭ−Ｈ）プログラムによって特定された基準に準じて用いられてもよい。
【００４２】
図面を参照すると、本発明の実施形態によるロボット１０（図１）が示されている。ロボット１０は、アーム１２と、手首関節１４によってアーム１２に回転可能に連結された把持具２０と、を備えている。
【００４３】
把持具２０は、基部アセンブリ３０，第１のフィンガー７０，第２のフィンガー８０，および親指９０を備えている。フィンガー７０，８０および親指９０は、基部３０上へのそれらの配置および以下に説明する作動の方法および機構を除けば、同じように構成されているとよい。別段の定めがない限り、単数の「フィンガー」および複数の「フィンガー」は、親指９０も指すものとする。把持具２０は、主軸または長軸ＬＧ−ＬＧ（図４）を有している。
【００４４】
基部３０は、第１のフィンガーアクチュエータ６０，第２のフィンガーアクチュエータ６２、親指作動筋アクチュエータ６４、親指拮抗筋アクチュエータ６６、およびフィンガー回転アクチュエータ６８を備えている。アクチュエータ６０，６２，６４，６６，６８は、電気モータ（例えば、ＤＣモータ）であるとよい。アクチュエータ６０，６２を用いてフィンガー７０，８０の制御された運動をもたらすために、腱ケーブル６０Ａ，６２Ａ（図４）がそれぞれフィンガー７０，８０に接続されている。アクチュエータ６４，６６を用いて親指９０の制御された運動をもたらすために、腱ケーブル６４Ａ，６６Ａ（図５）が親指９０に接続されている。フィンガー７０，８０，９０の各々は、腱６０Ａ，６２Ａ，６４Ａ，６６Ａおよびアクチュエータ６０，６２，６４，６６によって、該当する近位ピン枢動関節ＪＰにおいて、軸ＦＰ−ＦＰを中心として枢動可能になっている。加えて、フィンガー７０，８０は、アクチュエータ６８によって、それぞれの回転関節ＪＲにおいて、回転軸ＦＲ−ＦＲ（図８）を中心として互いに反対の方向Ｋに回転可能になっている。フィンガー７０，８０は、関節ＪＲを中心として互いに反対の方向に並行して回転するように、リンケージによって互いに連結されている。また、各フィンガー７０，８０，９０は、以下に説明するように、遠位側の柔軟屈曲関節ＪＣ（図１）を中心として屈曲可能になっている。
【００４５】
基部アセンブリ３０は、フレーム３２およびフレーム３２の操作側の掌３４を備えている。３つの磁石基部サブマウント１６０が、フレーム３２内に取り付けられており、３つの関連するフィンガー基部サブマウント４０がフレーム３２の上に取り付けられている（図１５）。通常の操作中、各サブマウント１６０およびその関連するサブマウント４０は、単一ユニットとして有効に機能するように、連結されている。フィンガー７０，８０のサブマウント１６０は、関節ＪＲにおいて回転可能になっている。
【００４６】
フィンガー７０，８０，９０は、前述したように、同一または同様に構成されているとよい。例示的なフィンガー７０について説明するが、この説明は、他のフィンガー８０，９０にも同様に適用されることを理解されたい。
【００４７】
図９−１４を参照すると、フィンガー７０は、近位指骨１１０および遠位指骨１２０を備えている。近位指骨１１０および遠位指骨１２０は、柔軟な遠位側指骨間屈曲関節ＪＣにおいて、柔軟屈曲リンク１３０に連結されている。フィンガー７０は、フィンガー７０をそのフィンガー基部マウント４０に連結するヒンジ特徴部１１２も有している。フィンガー７０は、長軸ＬＦ−ＬＦを有している。さらに具体的には、近位指骨１１０は、近位端１１０Ａおよび遠位端１１０Ｂを有している。遠位指骨１２０は、近位端１２０Ａおよび遠位端１２０Ｂを有している。ヒンジ特徴部１１２は、端１１０Ａ上に設けられている。屈曲リンク１３０は、端１１０Ｂ，１２０Ａに固定されている。端１２０Ｂは、自由端である。遠位延長部材または遠位プレート部材１４０が、端１２０Ｂ上に取り付けられている。
【００４８】
ヒンジ特徴部１１２は、ピン枢軸ＦＰ−ＦＰを画定する枢動ピン５０によって、フィンガー基部サブマウント４０上の協働ヒンジ特徴部４２（図１）に枢動可能に連結されており、これによって、近位ピン枢動関節ＪＰを形成している。枢動関節ＪＰを中心とするフィンガー７０の回転運動は、フィンガー閉鎖枢動方向Ｆおよびフィンガー開放枢動方向Ｈにおいて枢軸ＦＰ−ＦＰを中心とする枢動に制限されている。フィンガー７０は、長軸ＬＦ−ＬＦおよび枢軸ＦＰ−ＦＰの各々と平行のフィンガー横面Ｅを画定している。枢軸ＦＰ−ＦＰの方位は、軸ＦＲ−ＦＲを中心とするサブマウント４０の回転位置に依存して変化することを理解されたい。
【００４９】
一実施形態では、関節ＪＰ内に配置された角位置センサ５４が、基部３０に対する指骨１１０の角位置を検出するようになっている。例えば、磁気エンコーダが関節ＪＰの一方の部分（例えば、ヒンジ特徴部４３）上に取り付けられ、協働する磁石が関節ＪＰの他方の部分（例えば、ヒンジ特徴部１１２）上に取り付けられるとよい。
【００５０】
付勢部材５２（図４，７）が関節ＪＰ内に設けられている。いくつかの実施形態によれば、付勢部材５２は、ねじりバネであり、特に、螺旋ねじりバネであるとよい。ねじりバネ５２は、対向バネまたは付勢戻りバネとして機能する。腱ケーブルまたは外部力からの拘束が存在しない場合、ねじりバネ５２は、フィンガー７０を方向Ｉにおいて広開位置に強制的に枢動させることになる。
【００５１】
屈曲リンク１３０は、半剛性、可撓性、弾性、および柔軟性（compliant）を有している。いくつかの実施形態では、屈曲リンク１３０は、エラストマー材料から形成されている。屈曲リンク１３０は、主に内向き方向Ｍおよび外向き方向Ｎの各々において遠位枢軸、すなわち、屈曲関節枢軸ＦＢ−ＦＢを中心として優先的に屈曲または湾曲するようになっている。また、屈曲リンク１３０は、指閉鎖方向Ｆと直交または交差する互いに反対の二次的側方向または横方向Ｐにおいても屈曲または湾曲することができる。従って、屈曲リンク１３０および関節ＪＣは、第１の方向Ｍにおいて第１の柔軟性（compliance）を有し、第２の方向Ｐにおいて第２の柔軟性を有している。第２の方向Ｐは、腱ケーブル後退方向Ｈと直交または交差している。第１の柔軟性は、第２の柔軟性よりも大きい（すなわち、屈曲リンク１３０を第１の方向に撓ませるために、より少ない力しか必要としない）。緩和された非負荷状態では、屈曲リンク１３０は、図９−１１に示されているように、緩和位置または緩和状態に弾性的に戻ることになる。いくつかの実施形態によれば、近位指骨１１０および遠位指骨１２０は、屈曲リンク１３０がその戻り位置にあるとき、実質的に互いに平行または互いに同軸である。
【００５２】
腱ケーブル６０Ａは、アクチュエータ６０から、サブマウント４０，１６０内の腱配線線１５８，１６８を通って、ヒンジ特徴部１１２の内側に沿って、近位指骨１１０内の腱配線路１１８を通って、屈曲関節ＪＣを横切って、および遠位指骨１２０内の配線路１２８を通って、（例えば、配線路１２８内において）遠位指骨１２０に係留されている。アクチュエータ６０は、配線路１１８，１５８，１６８を通る腱ケーブル６０Ａを方向Ｈに引き込み、これによって、フィンガー７０を閉方向Ｆに枢動させることができる。その後、アクチュエータ６０は、腱ケーブル６０Ａを解放し、すなわち、腱ケーブル６０Ａを反対方向に繰り出し、これによって、フィンガー７０をねじりバネ５２のトルクによって開方向Ｉに枢動させることができる。
【００５３】
以下、フィンガー７０の操作（およびフィンガー８０および親指９０の対応する操作）について、さらに詳細に説明する。フィンガー７０が完全な開位置にある状態（図２３）において、アクチュエータ６０が、腱ケーブル６０Ａを引き込む。ねじりバネ５２のバネ力またはバネ抵抗は、屈曲リンク１３０の剛性またはバネ力または曲げ抵抗よりも小さくなっている。従って、近位指骨１１０が外抵抗を受けていないと仮定すれば、腱ケーブル６０Ａがフィンガー７０に引張負荷を加えると、フィンガー７０は、主にピン枢軸ＪＰを中心し、副次的に屈曲関節ＪＣを中心として、変位することになる。すなわち、近位指骨１１０は、遠位指骨１２０が屈曲関節軸ＦＢ−ＦＢを中心として枢動または湾曲するよりも、枢動ピン枢軸ＦＰ−ＦＰを中心として、より大きい角距離にわたって枢動することになる。
【００５４】
もし近位指骨１１０が外部対象物（例えば、把持される対象物）によって妨げられるかまたは制限物（例えば、基部３０の底）と衝突したなら、腱ケーブル６０Ａの引張負荷の大部分または全てが、屈曲関節ＪＣに加えられ、その結果、遠位指骨１２０が、近位指骨１１０がピン枢軸ＦＰ−ＦＰを中心として回転する割合よりも大きな割合で、屈曲関節軸ＦＢ−ＦＢを中心として湾曲または回転することになる。
【００５５】
指骨１１０，１２０のそれらの枢軸を中心とする変位の異なる割合は、ねじりバネ５２および屈曲リンク１３０の相対的な有効バネ力に依存することになる。いくつかの実施形態によれば、屈曲関節ＪＣのバネ力は、ピン枢動関節ＪＰのバネ力の少なくとも８倍であり、いくつかの実施形態では、ピン枢動関節ＪＰのバネ力の約８倍から１２倍の範囲内にある。いくつかの実施形態では、ねじりバネ５２のバネ率は、把持具２０が静止しており、かつ外部対象物によって作用されていないとき、任意の意図された方位においてフィンガー７０に作用する重力に十分に対抗するほど大きくなっている。いくつかの実施形態によれば、ねじりバネ５２のバネ力は、把持具２０が静止しており、かつ外部対象物によって作用されていないとき、任意の意図された方位においてフィンガー７０に作用する重力に十分に対抗するのに必要な最小限の力の約１００％から１５０％の間にある。ねじりバネ力を最小限に抑えることによって、設計者は、屈曲関節ＪＣの必要なバネ率を低減させることができる。これによって、アクチュエータ６０が上回らねばならない戻り力が低減されることになる。
【００５６】
特に、屈曲関節ＪＣのバネ力は、要望通りにおよび／または必要に応じて高くすることができる。具体的には、屈曲関節ＪＣのバネ力は、把持具が大型になり、より大きくかつより重い対象物を持ち上げるのに用いられるときには、増大されるとよい。
【００５７】
図１および図２３−２９は、把持具２０によって達成可能と見込まれるまたは実施可能なフィンガー７０，８０，９０の種々の形態を示している。
【００５８】
図２３は、広開位置または準備位置を示している。この位置では、腱ケーブル６０Ａ，６２Ａ，６４Ａは、緩んでおり、これによって、ねじりバネ６２が各フィンガー７０，８０，９０をその開方向における限界まで拡げることが可能である。
【００５９】
図１は、摘み形態にあるフィンガー７０，８０を示している。この形態は、アクチュエータ６０，６２が、フィンガー７０，８０を大きな抵抗を受けることもなく（腱ケーブル６０Ａ，６２Ａを介して）閉じるように引っ張ったときに、達成される。この操縦では、フィンガー回転アクチュエータ６８を最初に用いて、フィンガー７０，８０を、それらの枢軸ＦＰ−ＦＰが互いに実質的に平行になるように、互いに向き合った位置に回転させるとよい。図２４は、平キーのような対象物２を保持および／または操作するために用いられる変更された摘み形態を示している。
【００６０】
図２３，２５、２６は、広開形態（図２３）から握力把持形態（図２６）に進展するフィンガー７０，８０，９０を示している。この形態では、親指９０がフィンガー７０，８０と交差している。この操縦では、図２５に示されているように、回転アクチュエータ６８を用いて、フィンガー７０，８０を、フィンガー７０，８０，９０の枢軸ＦＰ−ＦＰが互いに実質的に平行になるように、親指９０と向き合った位置に回転させるとよい。図２７は、電動工具のような対象物４を保持および／または操作するために用いられる変更された握力把持形態を示している。例示的な電動工具４は、ハンドル４Ａおよびトリガー４Ｂを有している。把持具２０は、フィンガー７０，８０，９０を用いて、ハンドル４Ａをしっかりと保持し、腱ケーブル６２Ａを介してフィンガー８０に張力を加えかつフィンガー８０から張力を解放することによって、トリガー４Ｂを操作するように用いることもできる。このとき、その遠位指骨１２０が屈曲関節ＪＣにおいて独立して曲げられ、トリガー４Ｂを押圧しかつ解放することになる（近位指骨１１０は、ハンドル４Ａによって制限または拘束されている）。
【００６１】
図２８は、球把持位置にあるフィンガー７０，８０，９０を示している。この操縦では、フィンガー７０，８０は、それらの枢軸ＦＰ−ＦＰが親指９０の枢軸ＦＰ−ＦＰに対して斜角で延在するように、回転されている。図２９は、把持具２０がボールのような対象物６を保持している変更された球把持位置を示している。
【００６２】
前述の説明は、把持具２０によって達成される構成および操作を網羅するものではないことを理解されたい。
【００６３】
指骨１１０、１２０の長さとフィンガーおよび親指のそれぞれの基部位置との間の関係は、有利な性能をもたらすことができる。いくつかの実施形態では、これらの関係は、拡大縮小可能である。
【００６４】
いくつかの実施形態によれば、各フィンガー７０，８０の近位指骨１１０の長さＬ１（図１３）は、おなじ指の遠位指骨１２０の長さＬ２よりも大きくなっている。いくつかの実施形態によれば、長さＬ１は、長さＬ２の約０．６０倍から０．６６倍の範囲内にある。
【００６５】
いくつかの実施形態では、各フィンガー７０，８０の基部枢動関節ＪＰから親指９０の枢動関節ＪＰの平均距離Ｄ１（図６）は、平均近位指骨長さＬ１の約１．３０倍から１．４４倍の範囲内にある。
【００６６】
いくつかの実施形態によれば、掌３４の主寸法Ｌ３（図６）は、平均近位指骨長さＬ１の約１．２１倍から１．３３倍の範囲内にある。
【００６７】
いくつかの実施形態では、フィンガー７０，８０の枢動関節ＪＰ間の間隔Ｄ２（図６）は、平均指骨長さＬ１の約０．９７倍から１．０８倍の範囲内にある。
【００６８】
前述した近位ピン枢動関節および遠位屈曲関節を有する各フィンガーを設けることによって、いくつかの利点が得られる。フィンガーの基部における剛性枢軸は、微細操作および力仕事を容易にする摘み安定性およびねじり強度をもたらす。遠位関節の屈曲関節は、乱用に対する堅牢性をもたらし、未知の形状を有する対象物に適合または順応するフィンガーの能力を高める。いくつかの実施形態によれば、図示されているように、各フィンガーのピン枢軸ＦＰ−ＦＰは、フィンガーの主屈曲軸ＦＢ−ＦＢと実質的に平行である。
【００６９】
図９−１２を参照すると、いくつかの実施形態では、把持具２０は、フィンガーネイルシステム１４１を備えている。フィンガーネイルシステム１４１は、遠位プレート部材１４０を備えている。遠位プレート部材１４０は、各フィンガー７０，８０，９０の遠位指骨１２０上にその遠位端面１２４Ａに隣接して取り付けられている。以下、１つのフィンガー７０についてのみ説明する。しかし、この説明は、フィンガー８０，９０にも同様に適用されることを理解されたい。
【００７０】
遠位プレート部材１４０は、基部分１４４および自由端末持上げ縁１４２Ａを備えている。基部分１４４は、長孔１４４Ａを有しており、ネジのような固定具１４４Ｂによって、指骨１２０の背面１２４Ｃに調整可能に固定されている。自由縁１４２Ａは、端面１２４Ａに隣接して配置されている。場合によっては、図示されているように、遠位プレート部材１４０は、延長部分１４２を有している。延長部分１４２は、自由端１４２Ａで終端しており、プレート部材１４０が指骨１２０から分岐する箇所１４７から（片持ち梁のように）突き出しており、すなわち、箇所１４７を超えて軸方向に延在しており、これによって、棚を形成している。しかし、他の実施形態では、自由縁１４２Ａは、箇所１４７と同じ位置にあってもよいし、またはその内側にあってもよい。
【００７１】
いくつかの実施形態では、固定具１４４Ｂおよび溝１４４Ａは、調整機構として機能することができる。さらに具体的には、固定具１４４Ｂを緩め、プレート部材１４０を摺動させ，縁１４２Ａを端面１２４Ａに対して要望通りに位置決めし、次いで、固定具１４４Ｂを再締め付けし、プレート部材１４０を適所に固定することができる。他の適切な調整機構が用いられてもよいことを理解されたい。
【００７２】
プレート部材１４２は、少なくとも自由縁１４２Ａの領域では、比較的薄くなっている。いくつかの実施形態では、自由縁１４２Ａは、約０．０２インチ（約０．５０８ミリ）から０．０３インチ（約０．７６２ミリ）の範囲内の厚みＴ１（図１２）を有している。いくつかの実施形態では、箇所１４７から自由縁１４２Ａまでの延長部分１４２の長さＬ４は、少なくとも１ｍｍであり、いくつかの実施形態では、約１．５ｍｍから約２．５ｍｍである。いくつかの実施形態によれば、自由縁１４２Ａは、屈曲関節軸ＦＢ−ＦＢと実質的に平行である。
【００７３】
いくつかの実施形態によれば、図示されているように、端面１２４Ａおよびプレート部材１４０は、延長部分１４２の底面と端面１２４Ａの対向面との間に横方向に延在する長孔、溝、またはアンダーカット１４６を画定するように相対的に構成され、かつ配置されている。いくつかの実施形態では、図示されているように、端面１２４Ａは、アンダーカット１４６を形成するように軸方向後方に切り込まれるように形作られている。いくつかの実施形態では、端面１２４Ａは、丸められているかまたは片持梁のように一端が突出しており、いくつかの実施形態では、円弧断面（すなわち、面Ｅと直交し、遠位指骨１２０の長軸と平行の断面）を有している。
【００７４】
いくつかの実施形態によれば、アンダーカット１４６の深さＤ３は、約１ｍｍから３ｍｍの範囲内にある。いくつかの実施形態によれば、アンダーカット１４６の幅Ｗ１は、約１０ｍｍから２５ｍｍの範囲内にある。
【００７５】
いくつかの実施形態では、プレート部材１４０は、剛性であり（例えば、鋼またはステンレス鋼から形成されており）、端面１２４Ａは、比較的軟質または柔軟である（例えば、柔軟ゴムから形成されている）。図示されているように、遠位指骨１２０は、端面１２４Ａを含む軟質パッド１２５を備えている。いくつかの実施形態では、パッド１２５は、約ショアＡ硬度０からショアＡ硬度６０の範囲内、いくつかの実施形態では、約ショアＡ硬度１０からショアＡ硬度４０の範囲内にあるデュロメータ硬度を有しており、プレート部材１４０は、少なくとも約１００ＧＰａ、いくつかの実施形態では、少なくとも１８０Ｇｐの剛性を有している。
【００７６】
プレート部材１４０は、「フィンガーネイル」の存在によって初めて可能または容易になる方法によって、対象物をピックアップし、係合し、および／または操作するのに用いることができる。薄い剛性のプレート部材１４０（フィンガーネイル）と柔軟な軟質パッド１２５（フィンガーチップ）との組合せによって、フィンガーは、それらの間（すなわち、アンダーカット１４６内に）対象物の縁を捕捉することが可能になる。例えば、もし対象物が支持面（例えば、テーブル面）上に配置されているなら、プレート部材１４０を支持面に対して押し付け、対象物の下方に（対象物と支持面との間に）平行移動させ、次いで、対象物を持ち上げることができる。柔軟屈曲関節ＪＣは、フィンガーネイルシステム１４１の機能性を助長することになる。関節の柔軟性によって、プレート部材１４０は、支持面と適応的に真っ直ぐに並び、かつ支持面との接触を保持することができる。
【００７７】
図３０Ａ，３０Ｂを参照すると、対象物２（図示されているように、比較的平らなキー）を平面Ｚ（例えば、テーブルまたは床）から把持し、ピックアップする一連のステップまたは運動を行う把持具２０が示されている。
【００７８】
当初、キー２は、平面Ｚ上に平らに置かれている。図３０Ａを参照すると、把持具２０は、以下のように、すなわち、フィンガー７０のプレート部材１４０の延長区域１４２が、アンダーカット１４６および軟質パッド１２５が延長区域１４２の上に位置するように、キー２の側縁２Ａに近接して平面Ｚ上に配置されるように、位置決めされる。フィンガー８０の指骨１２０が、平面Ｚに置かれ、キー２およびフィンガー７０に向かって方向Ｊに駆動され、これによって、フィンガー７０，８０が相対的にピックアップ形態に配置される。フィンガー８０が方向Ｊに駆動されると、該フィンガー８０は、キー２の側縁２Ｂに係合し、側縁２Ａをプレート部材１４０上に（いくつかの実施形態では、アンダーカット１４６内および延長区域１４２と軟質パッド１２５間に）押し込む。フィンガー８０の指骨１２０は、フィンガー７０に向かって上方にさらに駆動され、側縁２Ｂを平面Ｚから持ち上げる。これによって、図３０Ａに示されているように、キー２は、反転され、具体的には、その縁２Ａを中心として上方に、かつ方向Ｋにおいてフィンガー７０の端面１２４Ａに向かって枢動し、縁２Ａがプレート部材１４０とパッド１２５との間に捕捉されることになる。図３０Ｂを参照すると、フィンガー８０は、キー２が（キー２の対向する面２Ｄ，２Ｃに係合する）フィンガー７０，８０のそれぞれの端面１２４Ａ間に挟み込まれるまで、キー２を継続して持上げ、フィンガー７０と会合することになる。
【００７９】
従って、把持具２０の１つまたは複数の「フィンガーネイル」およびフィンガー７０，８０（いくつかの実施形態では、基部３０および／またはアーム１２）の協働運動を用いて、キー（またはクレジットカードなど）のような比較的平らな対象物を把持し、平面から取り上げ、かつ操作することができる。
【００８０】
いくつかの実施形態では、図示されているように、遠位指骨１２０の軸方向に延在する前方側縁１２６Ａは、鋭利または明瞭な縁をなしており、前面１２４Ｂ（すなわち、接触または係合面）は、実質的に平坦であるかまたは平面である（図９，１０）。いくつかの実施形態によれば、前面１２４Ｂによって側縁１２６Ａが形成される遠位指骨１２０の側壁は、実質的に平坦であり、前面１２４Ｂに隣接しており、いくつかの実施形態では、前面１２４Ｂをなす平面と実質的に直交して延在している。前面１２４Ｂは、テクスチャー加工されているとよい。図示されているように、これらの縁１２６Ａおよび前面１２４Ｂは、軟質パッド１２５の縁および前面である。いくつかの実施形態では、前面１２４Ｂをなす平面は、枢動ピン軸ＦＰ−ＦＰおよび屈曲関節主軸ＦＢ−ＦＢと実質的に平行である。
【００８１】
使用時において、前述の構成は、遠位指骨１２０を安定化させるのを助長することになる。例えば、フィンガー７０，８０が対象物をそれらの遠位指骨１２０間に摘むのに用いられるとき、鋭利な側縁１２６Ａおよび平坦な前面１２４Ｂは、遠位指骨１２０がそれらの屈曲関節ＪＣを中心として捻られる傾向を低減または排除することができる。また、鋭利な縁１２４Ａは、対象物との確実かつ正確な係合を助長することができる。
【００８２】
いくつかの実施形態では、遠位指骨１２０は、角柱状であり、実質的に矩形断面を有している。いくつかの実施形態では、近位指骨１１０も角柱状であり、実質的に矩形断面を有している。
【００８３】
図１５−２２を参照すると、把持具２０は、フィンガー７０，８０、９０の各々を基部３０に連結する磁気離脱システムまたは機構も備えているとよい。フィンガー７０，８０，９０の各々に対する後退特徴部は、実質的に同一または同様であり、以下のフィンガー７０に関する説明は、フィンガー８０，９０にも同じように適用される。
【００８４】
磁気離脱システム１５０は、フィンガー基部サブマウント４０および磁石基部サブマウント１６０を備えている。磁石１６６がサブマウント１６０内に固定されており、（例えば、鋼から形成された）強磁性部材またはプレート１５６がサブマウント４０内に取り付けられている。磁場集中装置１５３がサブマウント１６０内に設けられていてもよい。
【００８５】
サブマウント４０は、回転位置合せ長孔１５４を画定する周方向に延在する位置決めフランジ１５２を有している。サブマウント１６０は、回転位置合せタブ１６４を有する周方向に延在する半環状位置決め溝１６２を有している。位置決めフランジ１５２は、タブ１６４が長孔１５４内に着座するように、位置決め溝１６２内に着座している。腱ケーブル６０Ａは、サブマウント４０，６０内にそれぞれ画定された軸方向腱配線路１５８，１６８を貫通している。同じように、フィンガー８０の場合、腱ケーブル６２Ａは、配線路１５８，１６８を貫通している。親指９０の場合、腱ケーブル６４Ａ，６６Ａは、軸方向配線路１５８，１６８のそれぞれを貫通している。
【００８６】
使用時に、磁気離脱システム１５０は、フィンガーまたは関節の損傷のおそれを阻止または低減させるために、フィンガー７０，８０，９０を基部３０から離脱させるように機能することができる。フィンガーへの負荷が所定の閾値負荷を超えると、構成要素１５６，１６６間の磁気吸引力を上回り、サブマウント４０がサブマウント１６０から（部分的または完全に）分離する。例えば、フィンガー７０およびそのサブマウント４０は、図２２に示されているように、協働するサブマウント１６０から撓み方向Ｇに撓むことになる。フィンガーへの負荷が（例えば、対象物を取り外すかまたは腱ケーブルをくり出すように関連するアクチュエータを操作することによって）解除されたとき、磁気吸引力または腱ケーブルの引張力がサブマウント４０，１６０を再び互いに引き込む。例えば、フィンガー７０およびそのサブマウント４０は、図２２に示されて戻り方向Ｈに沿って協働するサブマウント１６０上に復帰、すなわち、逆方向枢動することになる。配線路１５８，１６８を通る腱の引張力は、サブマウント４０，１６０を同軸配置させるように引き込む傾向にある。サブマウント１６０からのサブマウント４０の離脱撓みが小さい場合、位置決め特徴部１５２，１５４，１６２，１６４の形状が、サブマウント４０，１６０を回転整合位置に戻るように自動的に案内し、これによって、サブマウント４０，１６０は、再び連結することになる。腱ケーブルに追加的な引張力を加えることによって、サブマウント４０，１６０を回転整合位置に回転させてもよい。場合によっては、アクチュエータ６８を用いてサブマウント１６０を回転させることによって、サブマウント４０，１６０を回転させながら位置合わせさせてもよい。サブマウント１６０は、対応するサブマウント４０に対して、それらの位置決め特徴部が互いに位置合せされるまで、摺動回転し、これによって、サブマウント４０，１６０が互いに入れ子になって連結されることになる。場合によっては、手動によって、サブマウント４０，１６０を再位置合せし、再着座させることが必要なこともある。
【００８７】
いくつかの実施形態では、磁気離脱システム１５０は、重量のある対象物を持ち上げる把持具２０の能力を損なわないようになっている。１つまたは複数の腱ケーブルがサブマウント４０，１６０の両方を軸方向に通って磁石１６６の面と実質的に直交して延在しているので、腱ケーブルが、サブマウント４０，１６０を一緒に引っ張っている。典型的には、サブマウント４０，１６０のみは、フィンガーへのねじり力によって、離脱されることになる。
【００８８】
前述したように、かつ図５に示されているように、親指９０は、対応するアクチュエータ６４，６６に接続された２つの独立した腱ケーブル６４Ａ，６６Ａを備えている。腱ケーブル６４Ａは、作動筋腱と見なされており、腱ケーブル６６Ａは、拮抗筋腱と見なされている。
【００８９】
腱ケーブル６４Ａは、前述したのと同じように、親指９０の遠位指骨１２０に導かれ、かつ係留されている。腱ケーブル６６Ａは、外側配線路１５８，１６８内を通って、ヒンジ特徴部４２上を導かれ、近位骨指１１０の後側にネジ４３によって係留されている。
【００９０】
腱ケーブル６４Ａを用いることによって、フィンガー７０，８０に対して前述したのと同じように操作可能であることに加えて、腱ケーブル６４Ａ，６６Ａを一緒に用いることによって、親指９０の遠位指骨１２０の運動をその近位指骨１１０から独立して制御することができる。さらに具体的には、腱ケーブル６６Ａを用いることによって、アクチュエータ６４が腱ケーブル６４Ａを引き込む間、近位指骨１１０を適所に保持し、近位指骨１１０を閉方向Ｆにおけるさらなる回転に対して効果的に引き止めることができる。近位指骨１１０が適所に保持されているので、遠位指骨１２０は、閉方向Ｆにおける近位指骨１１０の同時枢動をもたらすことなく、屈曲関節ＪＣにおいて、方向Ｍに独立して屈曲されることになる。腱ケーブル６６Ａは、遠位指骨１２０が屈曲関節ＪＣを中心として方向Ｎに戻るように弾性的に屈曲することが可能となるように、延在していてもよい。
【００９１】
いくつかの実施形態によれば、腱ケーブル６０Ａ，６２Ａ，６４Ａ，６６Ａは、約６０ｌｂｆから１２０ｌｂｆの範囲内の持続引張力を伝達することができ、曲げ時にエネルギーを貯蔵し、１ｍｍ未満の半径曲げに対して堅牢である。
【００９２】
以上の説明は、本発明の例示にすぎず、本発明を制限すると解釈されるべきではない。本発明のわずかな例示的実施形態について説明してきたが、当業者であれば、本発明の新規の示唆および利点から実質的に逸脱することなく、例示的実施形態に対して多くの修正が可能であることを容易に理解するだろう。従って、このような修正の全てが本発明の範囲内に含まれることが意図されている。それ故、前述の説明は、本発明の例示にすぎず、開示されている特定の実施形態に制限されるものではないこと、および開示された実施形態に対する修正および他の実施形態は、本発明の範囲内に含まることが意図されていることを理解されたい。
[実施形態１]
柔軟劣駆動把持具であって、
基部と、
複数のフィンガーであって、前記複数のフィンガーの少なくとも１本は、
近位指骨と、
前記近位指骨を前記基部に接続する近位関節と、
遠位指骨と、
前記遠位指骨を前記近位指骨に接続する遠位関節と、
前記指骨を移動させるための部材と、
を備えており、
前記近位関節および前記遠位関節の少なくとも１つは、屈曲関節を含んでおり、前記屈曲関節は、前記屈曲関節の第１の方向において第１の柔軟性を有し、前記屈曲関節の第２の方向において第２の柔軟性を有しており、前記第２の柔軟性は、前記第１の柔軟性と比較して曲がらないほど小さくなっており、
前記遠位指骨は、
丸い端面と、
前記丸い端面に隣接する持上げ縁を備える持上げ部と、
を備えており、
前記部材は、前記屈曲関節の前記第１の方向と平行に作用するようになっている、
複数のフィンガーと、
前記部材に関連付けられた少なくとも１つのアクチュエータと、
を備えており、
前記把持具は、自由度よりも少ないアクチュエータを有している、
柔軟劣駆動把持具。
[実施形態２]
前記持上げ縁は、自由端末縁であり、
前記遠位指骨は、前記丸い端面と前記持上げ縁の間に画定された持上げ溝を備えている、
実施形態１に記載の把持具。
[実施形態３]
前記丸い端面は、前記持上げ溝の長軸と実質的に直交する面において円弧を画定している、実施形態２に記載の把持具。
[実施形態４]
前記持上げ溝は、約１ｍｍから３ｍｍの範囲内の深さを有している、実施形態２に記載の把持具。
[実施形態５]
前記丸い端面は、前記持上げ部よりも軟質な材料から形成されている、実施形態１に記載の把持具。
[実施形態６]
前記丸い端面の前記軟質材料は、約ショアＡ硬度０からショアＡ硬度６０の範囲内にある硬度を有しており、
前記持上げ部は、少なくとも約１００ＧＰａの硬度を有している、
実施形態５に記載の把持具。
[実施形態７]
前記丸い端面に対する前記持上げ縁の位置を選択的に調整するように操作可能な調整機構を備えている、実施形態１に記載の把持具。
[実施形態８]
前記遠位指骨は、実質的に平坦な内側把持面と、互いに向き合って軸方向に延在する明瞭な内側縁と、を有している、実施形態１に記載の把持具。
[実施形態９]
柔軟劣駆動把持具であって、
基部と、
複数のフィンガーであって、前記複数のフィンガーの少なくとも１本は、
近位指骨と、
前記近位指骨を前記基部に接続する近位関節と、
遠位指骨と、
前記遠位指骨を前記近位指骨に接続する遠位関節と、
前記指骨を移動させるための部材と、
を備えており、
前記近位関節および前記遠位関節の少なくとも１つは、屈曲関節を含んでおり、前記屈曲関節は、前記屈曲関節の第１の方向において第１の柔軟性を有し、前記屈曲関節の第２の方向において第２の柔軟性を有しており、前記第２の柔軟性は、前記第１の柔軟性と比較して曲がらないほど小さくなっており、
前記部材は、前記屈曲関節の前記第１の方向と平行に作用するようになっている、
複数のフィンガーと、
前記部材に関連付けられた少なくとも１つのアクチュエータと、
を備えており、
前記遠位指骨は、実質的に平坦な内側把持面と、互いに向き合って軸方向に延在する明瞭な内側縁と、を有しており、
前記把持具は、自由度よりも少ないアクチュエータを有している、
柔軟劣駆動把持具。
[実施形態１０]
前記平坦な内側把持面は、前記屈曲関節の主曲げ軸と実質的に平行になっている、実施形態９に記載の把持具。
[実施形態１１]
前記平坦な内側把持面は、エラストマー材料から形成されている、実施形態９に記載の把持具。
[実施形態１２]
前記屈曲関節は、エラストマー材料から形成された屈曲リンクを備えている、実施形態９に記載の把持具。
[実施形態１３]
前記遠位指骨は、前記第１の方向と直交する実質的に矩形断面を有している、実施形態９に記載の把持具。
[実施形態１４]
柔軟劣駆動把持具であって、
基部と、
２本のフィンガーおよび前記２本のフィンガーと向き合う親指であって、前記フィンガーおよび前記親指の各々は、
近位指骨と、
遠位指骨と、
前記近位指骨を前記遠位指骨に直接接続する遠位関節であって、第１の方向において追従するようになっている、遠位関節と、
前記近位指骨を前記基部に直接接続する近位関節であって、第２の方向において追従するようになっている、遠位関節と、
前記近位指骨および前記遠位指骨を移動させるための腱ケーブルであって、前記第１の追従性の方向と実質的に平行であり、前記第１の方向における前記遠位関節の前記追従性を実質的に変化させるようになっている、腱ケーブルと、
を備えている、２本のフィンガーおよび親指と、
前記フィンガーおよび親指を移動させる少なくとも１つのアクチュエータと、
を備えており、
各遠位指骨は、前記遠位指骨に接続された前記近位指骨の長さの０．６０倍から０．６６倍の長さを有しており、
前記親指に対する前記２本のフィンガーの各々の前記近位関節からの平均距離は、前記２本のフィンガーの前記近位指骨の平均長さの１．３０倍から１．４４倍であり、
前記把持具は、自由度よりも少ないアクチュエータを有している、
柔軟劣駆動把持具。
[実施形態１５]
前記基部は、前記フィンガーと前記親指との間に掌を備えており、
前記掌は、前記近位指骨の前記平均長さの約１．２１倍から１．３３倍の範囲内にある主寸法を有している、
実施形態１４に記載の把持具。
[実施形態１６]
前記フィンガーの前記近位関節間の間隔は、前記近位指骨の前記平均長さの約０．９７倍から１．０８倍の範囲内にある、実施形態１４に記載の把持具。
[実施形態１７]
柔軟劣駆動把持具であって、
掌基部と、
２本のフィンガーであって、前記フィンガーの各々は、
近位指骨と、
遠位指骨と、
前記遠位指骨を前記近位指骨に接続する柔軟屈曲関節と、
前記近位指骨を前記掌基部に接続するピン関節であって、ピン枢軸を中心とする回転に対して、前記掌基部に対する前記近位指骨の角運動を拘束するようになっている、ピン関節と、
を備えている、２本のフィンガーと、
前記フィンガーを移動させるための少なくとも１つのアクチュエータと、
を備えており、
前記把持具は、自由度よりも少ないアクチュエータを有している、
柔軟劣駆動把持具。
[実施形態１８]
各フィンガーに関連付けられたピン関節角度センサを備えている、実施形態１７に記載の把持具。
[実施形態１９]
各フィンガーを前記掌基部に接続する回転関節を備えており、前記フィンガーは、そのピン枢軸を前記掌基部に対して再配向させるために、前記回転関節を中心として前記掌基部に対して回転可能になっている、実施形態１７に記載の把持具。
[実施形態２０]
親指であって、
近位指骨と、
遠位指骨と、
前記遠位指骨を前記近位指骨に接続する柔軟屈曲関節と、
前記近位指骨を前記掌基部に接続するピン関節であって、ピン枢軸を中心とする回転に対して、前記掌基部に対する前記近位指骨の角運動を拘束するようになっている、ピン関節と、
を備えている、親指と、
前記フィンガーから独立して前記親指を移動させる少なくとも１つのアクチュエータと、
をさらに備えている、実施形態１７に記載の把持具。
[実施形態２１]
柔軟劣駆動把持具であって、   
掌基部と、
２本のフィンガーであって、前記フィンガーの各々は、
近位指骨と、
遠位指骨と、
前記遠位指骨を前記近位指骨に接続する柔軟屈曲関節と、
前記近位指骨を前記掌基部に接続するピン関節であって、ピン枢軸を中心とする主要自由度を有している、ピン関節と、
前記近位指骨および遠位指骨を移動させるための腱ケーブルであって、前記腱ケーブルの運動は、前記屈曲関節を中心とする前記遠位指骨の角運動よりも大きい割合で前記ピン枢軸を中心とする前記近位指骨の角運動を生じさせるようになっている、腱ケーブルと、
を備えている、２本のフィンガーと、
前記フィンガーを移動させる少なくとも１つのアクチュエータと、
を備えており、
前記把持具は、自由度よりも少ないアクチュエータを有している、
柔軟劣駆動把持具。
[実施形態２２]
前記屈曲関節は、柔軟なエラストマー材料から形成された屈曲リンクを備えている、実施形態２１に記載の把持具。
[実施形態２３]
前記枢動関節は、前記近位指骨を前記枢動関節を中心として第１の方向および第２の方向に回転させるために、前記近位指骨を前記掌基部に接続しており、
前記把持具は、前記近位指骨を前記第２の方向に駆動して戻り位置に至らせる戻り付勢バネを備えており、
戻り付勢バネは、第１のバネ率を有しており、 
前記屈曲関節は、前記遠位指骨を前記近位指骨に対して開位置に付勢するように構成されており、第２のバネ率を有しており、
前記第２のバネ率は、前記第１のバネ率よりも大きくなっている、
実施形態２１に記載の把持具。
[実施形態２４]
前記第２のバネ率は、前記第１のバネ率の少なくとも８倍になっている、実施形態２３に記載の把持具。
[実施形態２５]
前記第１のバネ率は、前記腱ケーブルを緩めることによって、前記近位指骨を前記把持具の任意の方位における前記戻り位置に保持するのに十分になっており、
前記第２のバネ率は、前記腱ケーブルを緩めることによって、前記遠位指骨を前記把持具の任意の方位における前記開位置に保持するのに十分になっている、
実施形態２３に記載の把持具。 
[実施形態２６]
柔軟劣駆動把持具であって、 
掌基部と、
２本のフィンガーであって、前記フィンガーの各々は、
近位指骨と、
遠位指骨と、
前記遠位指骨を前記近位指骨に接続する柔軟屈曲関節と、
前記近位指骨を前記枢動関節を中心として第１の方向および第２の方向に回転させるために、前記近位指骨を前記掌基部に接続する枢動関節と、
前記近位指骨を前記第１の方向に移動させるための腱ケーブルと、
前記近位指骨を前記第２の方向に駆動して戻り位置に至らせる戻り付勢バネであって、前記戻り付勢バネの前記バネ率は、前記腱ケーブルを緩めることによって、前記近位指骨を前記把持具の任意の方位における前記戻り位置に保持するのに十分になっている、戻り付勢バネと、
を備えている、２本のフィンガーと、
各腱ケーブルに関連付けられた少なくとも１つのアクチュエータと、
を備えており、
前記把持具は、自由度よりも少ないアクチュエータを有している、
柔軟劣駆動把持具。
[実施形態２７]
前記戻り付勢バネは、ねじりバネを含んでいる、実施形態２６に記載の把持具。
[実施形態２８]
基部と、
近位関節によって前記基部に接続された近位端を有するフィンガーと、
前記基部に対して前記フィンガーを移動させるように構成された腱ケーブルと、
前記フィンガーを前記基部に離脱可能に連結する磁気離脱機構と
を備えている，把持具。
[実施形態２９]
前記腱ケーブルは、前記磁気離脱機構を通って前記フィンガーに延在している、実施形態２８に記載の把持具。
[実施形態３０]
前記磁気離脱機構は、
フィンガーサブマウントであって、前記フィンガーが前記近位関節によって前記フィンガーサブマウントに枢動可能に接続されている、フィンガーサブマウントと、
前記基部上の基部サブマウントと、
を備えており、
前記フィンガーサブマウントおよび前記基部サブマウントは、磁気的に互いに吸引されており、前記フィンガーサブマウントは、前記基部サブマウントを介して前記基部に接続されている、
実施形態２９に記載の把持具。
[実施形態３１]
前記磁気離脱機構は、前記フィンガーサブマウントおよび前記基部サブマウントが分離し、次いで、再接合されたとき、前記フィンガーサブマウントを前記基部サブマウントと再び真っ直ぐに並べる少なくとも１つの位置決め特徴部を備えている、実施形態３０に記載の把持具。
[実施形態３２]
前記少なくとも１つの位置決め特徴部は、環状または半環状溝を備えている、実施形態３１に記載の把持具。
[実施形態３３]
前記磁気離脱機構は、閾値負荷を越える負荷が前記フィンガーに加えられたとき、前記フィンガーを解放し、前記基部に対して撓ませるように、操作可能になっている、実施形態２８に記載の把持具。
[実施形態３４]
柔軟劣駆動把持具であって、
基部と、
２本のフィンガーおよび前記２本のフィンガーと向き合う親指であって、前記フィンガーおよび前記親指の各々は、 
近位指骨と、
遠位指骨と、
前記近位指骨を前記遠位指骨に直接接続する遠位関節であって、第１の方向において追従するようになっている、遠位関節と、
前記近位指骨を前記基部に直接接続する近位関節であって、第２の方向において追従するようになっている、近位関節と、
前記近位指骨および遠位指骨を移動させるための腱ケーブルであって、前記第１の柔軟性の方向と実質的に平行であり、前記第１の方向における前記遠位関節の前記柔軟性を実質的に変化させるようになっている、腱ケーブルと、
を備えている、２本のフィンガーおよび親指と、
前記フィンガーおよび親指を移動させる少なくとも１つのアクチュエータと、
を備えており、
前記親指は、前記近位指骨から独立して前記遠位指骨の運動を可能にするために、前記近位指骨を前記第１の腱ケーブルの反対側において選択的に拘束するための第２の腱ケーブルをさらに備えており、
前記把持具は、自由度よりも少ないアクチュエータを有している、
柔軟劣駆動把持具。
[実施形態３５]
前記親指の前記第１の腱ケーブルを作動させる第１のアクチュエータと、前記親指の前記第２の腱ケーブルを作動させる第２のアクチュエータと、を備えている、実施形態３４に記載の把持具。
[実施形態３６]
各フィンガーは、前記近位指骨から独立して前記遠位指骨の運動を可能にするために前記近位指骨を前記腱ケーブルの反対側において選択的に拘束するための腱を備えていない、実施形態３４に記載の把持具。
[実施形態３７]
柔軟劣駆動把持具であって、
基部と、
２本のフィンガーおよび前記２本のフィンガーと向き合う親指であって、前記フィンガーおよび親指の各々は、
近位指骨と、
遠位指骨と、
前記近位指骨を前記遠位指骨に直接接続する遠位関節であって、第１の方向において追従するようになっている、遠位関節と、
前記近位指骨を前記基部に直接接続する近位関節であって、第２の方向において追従するようになっている、近位関節と、
前記近位指骨および遠位指骨を移動させるための腱ケーブルであって、前記第１の柔軟性の方向と実質的に平行であり、前記第１の方向における前記遠位関節の前記柔軟性を実質的に変化させるようになっている、腱ケーブルと、
を備えている、２本のフィンガーおよび親指と、
前記フィンガーおよび親指を移動させる少なくとも１つのアクチュエータと、
を備えており、
前記腱ケーブルは、約６０ｌｂｆから１２０ｌｂｆの範囲内にある持続引張負荷を伝達することができ、曲げ時に低エネルギー貯蔵をもたらし、１ｍｍ未満の半径曲げに対して堅牢であり、
前記把持具は、自由度より少ないアクチュエータを有している、
柔軟劣駆動把持具。
[実施形態３８]
前記フィンガーおよび前記親指の少なくとも１本は、前記近位関節を前記基部に離脱可能に連結する磁気離脱機構を備えている、実施形態３７に記載の把持具。
【図１】
2019107769.tif 000003
【図２】
2019107769.tif 000004
【図３】
2019107769.tif 000005
【図４】
2019107769.tif 000006
【図５】
2019107769.tif 000007
【図６】
2019107769.tif 000008
【図７】
2019107769.tif 000009
【図８】
2019107769.tif 000010
【図９】
2019107769.tif 000011
【図１０】
2019107769.tif 000012
【図１１】
2019107769.tif 000013
【図１２】
2019107769.tif 000014
【図１３】
2019107769.tif 000015
【図１４】
2019107769.tif 000016
【図１５】
2019107769.tif 000017
【図１６】
2019107769.tif 000018
【図１７】
2019107769.tif 000019
【図１８】
2019107769.tif 000020
【図１９】
2019107769.tif 000021
【図２０】
2019107769.tif 000022
【図２１】
2019107769.tif 000023
【図２２】
2019107769.tif 000024
【図２３】
2019107769.tif 000025
【図２４】
2019107769.tif 000026
【図２５】
2019107769.tif 000027
【図２６】
2019107769.tif 000028
【図２７】
2019107769.tif 000029
【図２８】
2019107769.tif 000030
【図２９】
2019107769.tif 000031
【図３０Ａ】
2019107769.tif 000032
【図３０Ｂ】
2019107769.tif 000033