(57)【要約】【課題】ロボットにおける関節を動作させるためのアクチュエータの小型化に寄与するロボットの関節構造を実現する。【解決手段】本発明の一形態に係るロボットの関節構造は、第１のリンク２と、第２のリンク３と、第３のリンク４と、第４のリンク５と、で４節リンク機構を構成する、ロボットの関節構造であって、弾性部材８は、指１が屈曲状態になるのに従って伸長して復元力が増加し、第２の回転軸の中心を通り、且つ第２の回転軸の中心と第４の回転軸の中心とを通る第１の直線Ｌ１と直交する第２の直線Ｌ２と、第３のリンク４と弾性部材８の他方の端部との固定点Ｊ１と、の間隔Ｒ１は、第１の回転軸の中心を通り、且つ第１の回転軸の中心と第３の回転軸の中心とを通る第３の直線Ｌ３と直交する第４の直線Ｌ４と、第２のリンク３と弾性部材８の一方の端部との固定点Ｊ２と、の間隔以上である。【選択図】図３
2019093457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータによって第１の回転軸回りに回転可能な第１のリンクと、
前記第１のリンクに対して前記第１の回転軸回りに回転可能な第２のリンクと、
前記第１のリンクに対して第２の回転軸回りに回転可能な第３のリンクと、
前記第２のリンクに対して第３の回転軸回りに回転可能で、且つ前記第３のリンクに対して第４の回転軸回りに回転可能な第４のリンクと、
を有し、前記第１の回転軸と前記第２の回転軸と前記第３の回転軸と前記第４の回転軸とが異なる４節リンク機構を備える、ロボットの関節構造であって、
一方の端部が前記第２のリンクに固定され、他方の端部が前記第３のリンクに固定された第１の弾性部材を備え、
指の伸展状態を初期状態としたとき、前記第１の弾性部材は、前記指が屈曲状態になるのに従って伸長して復元力が増加し、
前記指の初期状態において、前記第１の回転軸が延在する方向と直交する平面上で、前記第２の回転軸の中心を通り、且つ前記第２の回転軸の中心と前記第４の回転軸の中心とを通る第１の直線と直交する第２の直線と、前記第３のリンクと前記第１の弾性部材の他方の端部との固定点と、の間隔は、前記第１の回転軸の中心を通り、且つ前記第１の回転軸の中心と前記第３の回転軸の中心とを通る第３の直線と直交する第４の直線と、前記第２のリンクと前記第１の弾性部材の一方の端部との固定点と、の間隔以上である、ロボットの関節構造。
【請求項２】
前記第１の弾性部材は、樹脂製のリング部材である、請求項１に記載のロボットの関節構造。
【請求項３】
前記第３のリンクに対して第５の回転軸回りに回転可能な第５のリンクと、
前記第４のリンクに対して第６の回転軸回りに回転可能で、且つ前記第５のリンクに対して第７の回転軸回りに回転可能な第６のリンクと、
を備える、請求項１又は２に記載のロボットの関節構造。
【請求項４】
一方の端部が前記第４のリンクに固定され、他方の端部が前記第５のリンクに固定された第２の弾性部材を備え、
前記第２の弾性部材は、前記指が屈曲状態になるのに従って伸長して復元力が増加し、
前記指の初期状態において、前記第３の回転軸が延在する方向と直交する平面上で、前記第３の回転軸の中心を通り、且つ前記第３の回転軸の中心と前記第６の回転軸の中心とを通る第５の直線と直交する第６の直線と、前記第５のリンクと前記第２の弾性部材の他方の端部との固定点と、の間隔は、前記第６の直線と、前記第４のリンクと前記第２の弾性部材の一方の端部との固定点と、の間隔以上である、請求項３に記載のロボットの関節構造。
【請求項５】
前記第２の弾性部材は、樹脂製のリング部材である、請求項４に記載のロボットの関節構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットの関節構造、特にロボットハンドの指構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットによる複雑な作業を可能にするために人の手を模したロボットハンドが開発されており、対象物である被把持部材を把持した際にロボットハンドの指が当該被把持部材の外形になじむようにされているものがある。
【０００３】
例えば、特許文献１のロボットハンドの指構造は、第１の指プレート、第２の指プレート及び第３の指プレートを備えている。第１の指プレートと第２の指プレートとは、指が屈曲するのに従って伸展する側に復元力を発現するトーションバネを介して回転可能に接続されている。また、第２の指プレートと第３の指プレートとも、指が屈曲するのに従って伸展する側に復元力を発現するトーションバネを介して回転可能に接続されている。
【０００４】
このような指構造は、例えば、指が伸展した状態で第１の指プレートが被把持部材に接触すると、第２の指プレート及び第３の指プレートが被把持部材を把持するように動作し、指が被把持部材になじむ構成とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１０３２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のロボットハンドの指構造は、指が屈曲するのに従って伸展する側に復元力を発現するトーションバネによって、第１の指プレートと第２の指プレート、及び第２の指プレートと第３の指プレートとが接続されている。そのため、特許文献１のロボットハンドの指構造で被把持部材を把持するためには、トーションバネの復元力に打ち勝つ駆動力が必要であり、指を動作させるためのサーボモータなどのアクチュエータが大型化する課題を有する。
【０００７】
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、ロボットにおける関節を動作させるためのアクチュエータの小型化に寄与するロボットの関節構造を実現する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係るロボットの関節構造は、
アクチュエータによって第１の回転軸回りに回転可能な第１のリンクと、
前記第１のリンクに対して前記第１の回転軸回りに回転可能な第２のリンクと、
前記第１のリンクに対して第２の回転軸回りに回転可能な第３のリンクと、
前記第２のリンクに対して第３の回転軸回りに回転可能で、且つ前記第３のリンクに対して第４の回転軸回りに回転可能な第４のリンクと、
を有し、前記第１の回転軸と前記第２の回転軸と前記第３の回転軸と前記第４の回転軸とが異なる４節リンク機構を備える、ロボットの関節構造であって、
一方の端部が前記第２のリンクに固定され、他方の端部が前記第３のリンクに固定された第１の弾性部材を備え、
指の伸展状態を初期状態としたとき、前記第１の弾性部材は、前記指が屈曲状態になるのに従って伸長して復元力が増加し、
前記指の初期状態において、前記第１の回転軸が延在する方向と直交する平面上で、前記第２の回転軸の中心を通り、且つ前記第２の回転軸の中心と前記第４の回転軸の中心とを通る第１の直線と直交する第２の直線と、前記第３のリンクと前記第１の弾性部材の他方の端部との固定点と、の間隔は、前記第１の回転軸の中心を通り、且つ前記第１の回転軸の中心と前記第３の回転軸の中心とを通る第３の直線と直交する第４の直線と、前記第２のリンクと前記第１の弾性部材の一方の端部との固定点と、の間隔以上である。
このような構成により、被把持部材を把持する際に第１の弾性部材によって当該被把持部材を把持する側にモーメントが与えられる。そのため、被把持部材を把持する際に、第１の弾性部材の復元力がアクチュエータの駆動力に加算されることになり、小さな駆動力で被把持部材を把持することができる。その結果、ロボットにおける関節を動作させるためのアクチュエータの小型化に寄与できる。
【０００９】
上記のロボットの関節構造において、前記第１の弾性部材は、樹脂製のリング部材であることが好ましい。
これにより、第１の弾性部材としてコイルバネなどを採用する場合に比べて、設置スペースが狭くてよく、また、安価である。
【００１０】
上記のロボットの関節構造において、
前記第３のリンクに対して第５の回転軸回りに回転可能な第５のリンクと、
前記第４のリンクに対して第６の回転軸回りに回転可能で、且つ前記第５のリンクに対して第７の回転軸回りに回転可能な第６のリンクと、
を備えることが好ましい。
これにより、被把持部材に対して細かななじみ動作を実現することができる。
【００１１】
上記のロボットの関節構造において、
一方の端部が前記第４のリンクに固定され、他方の端部が前記第５のリンクに固定された第２の弾性部材を備え、
前記第２の弾性部材は、前記指が屈曲状態になるのに従って伸長して復元力が増加し、
前記指の初期状態において、前記第３の回転軸が延在する方向と直交する平面上で、前記第３の回転軸の中心を通り、且つ前記第３の回転軸の中心と前記第６の回転軸の中心とを通る第５の直線と直交する第６の直線と、前記第５のリンクと前記第２の弾性部材の他方の端部との固定点と、の間隔は、前記第６の直線と、前記第４のリンクと前記第２の弾性部材の一方の端部との固定点と、の間隔以上であることが好ましい。
これにより、第４のリンク及び第６のリンクを回転させる際に、第２の弾性部材の復元力をアクチュエータの駆動力に加算することができる。
【００１２】
上記のロボットの関節構造において、前記第２の弾性部材は、樹脂製のリング部材であることが好ましい。
これにより、第２の弾性部材としてコイルバネなどを採用する場合に比べて、設置スペースが狭くてよく、また、安価である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ロボットにおける関節を動作させるためのアクチュエータの小型化に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１のロボットの関節構造を採用した指の初期状態を模式的に示す斜視図である。
【図２】実施の形態１のロボットの関節構造を採用した指の分解図である。
【図３】実施の形態１のロボットの関節構造を採用した指で被把持部材を把持する際のなじみ動作を説明するための図である。
【図４】実施の形態１のロボットの関節構造を採用した指で被把持部材を把持する際のなじみ動作を説明するための図である。
【図５】実施の形態１のロボットの関節構造を採用した指で被把持部材を把持する際のなじみ動作を説明するための図である。
【図６】実施の形態１のロボットの関節構造を採用した指で被把持部材を把持する際のなじみ動作を説明するための図である。
【図７】特許文献１のロボットハンドの指構造を採用した指で被把持部材を把持する際の弾性部材の力学特性を示す図である。
【図８】実施の形態１のロボットの関節構造を採用した指で被把持部材を把持する際の弾性部材の力学特性を示す図である。
【図９】実施の形態１の弾性部材の復元力の働きを説明するための図である。
【図１０】実施の形態２のロボットの関節構造を採用した指で被把持部材を把持する際の弾性部材の力学特性を示す図である。
【図１１】実施の形態３のロボットハンドの構成を模式的に示す図である。
【図１２】実施の形態３のロボットハンドの示指を模式的に示す図である。
【図１３】実施の形態３のロボットハンドの示指の弾性部材の配置を説明するための図である。
【図１４】実施の形態３のロボットハンドの拇指を模式的に示す図である。
【図１５】図１１のXV部分の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１６】
＜実施の形態１＞
先ず、本実施の形態のロボットの関節構造を採用した指の構成を説明する。図１は、本実施の形態のロボットの関節構造を採用した指の初期状態を模式的に示す斜視図である。図２は、本実施の形態のロボットの関節構造を採用した指の分解図である。
【００１７】
本実施の形態のロボットの関節構造は、例えば、人の手を模したロボットハンドの指に好適に採用することができる。本実施の形態のロボットの関節構造を採用した指１は、図１及び図２に示すように、第１のリンク２、第２のリンク３、第３のリンク４、第４のリンク５、第５のリンク６、第６のリンク７及びコイルバネなどの弾性部材８を備えており、図示を省略した手掌部に回転可能に接続されている。
【００１８】
ここで、以下の説明では、説明を明確にするために、３次元（ＸＹＺ）座標系を用いて、指１が伸展状態である初期状態での当該指１の構成を説明する。なお、Ｘ軸−側が指１の付け根側であり、Ｘ軸＋側が指１の先端側である。また、Ｚ軸−側が手の平側であり、Ｚ軸＋側が手の甲側である。
【００１９】
第１のリンク２は、手掌部に設けられたサーボモータなどのアクチュエータ（図示を省略）によって回転駆動する原動節である。例えば、第１のリンク２は、Ｙ軸方向の厚さが薄く、ＸＺ平面において短手の長さに対する長手の長さの比率が大きい略矩形状のプレート部材を基本形態としており、Ｘ軸に対して３０°程度Ｚ軸＋側に傾斜している。第１のリンク２は、当該第１のリンク２の一方の端部からＹ軸＋側に突出する第１の回転軸２ａを備えている。第１の回転軸２ａは、アクチュエータから回転トルクが伝達可能に当該アクチュエータの回転軸に接続されている。
【００２０】
第１のリンク２は、当該第１のリンク２の他方の端部からＹ軸−側に突出する第２の回転軸２ｂを備えている。このような第１のリンク２は、アクチュエータの回転トルクが第１の回転軸２ａに伝達されることによって第１の回転軸２ａ回りに回転する。
【００２１】
第２のリンク３は、第１のリンク２に対して当該第１のリンク２に設けられた第１の回転軸２ａ回りに回転可能に接続されている。例えば、第２のリンク３は、Ｙ軸方向に厚さが薄く、ＸＺ平面において短手の長さに対する長手の長さの比率が大きい略矩形状のプレート部材を基本形態としており、当該第２のリンク３の長手方向は、略Ｘ軸方向に延在している。
【００２２】
第２のリンク３は、当該第２のリンク３の一方の端部に第１の貫通孔３ａを備えており、当該第１の貫通孔３ａに第１のリンク２の第１の回転軸２ａが通されている。そして、第２のリンク３は、当該第２のリンク３の他方の端部に第２の貫通孔３ｂを備えている。
【００２３】
第３のリンク４は、第１のリンク２に対して当該第１のリンク２に設けられた第２の回転軸２ｂ回りに回転可能に接続されている。例えば、第３のリンク４は、Ｙ軸方向から見て、第２のリンク３と略平行であって、且つ第２のリンク３に対して若干Ｚ軸＋側に配置されている。そして、第３のリンク４は、Ｚ軸方向から見て、当該第３のリンク４と第２のリンク３とで第１のリンク２を挟み込むように配置されている。
【００２４】
第３のリンク４は、Ｙ軸方向の厚さが薄く、ＸＺ平面において短手の長さに対する長手の長さの比率が大きい略矩形状のプレート部材を基本形態としており、長手方向であるＸ軸方向の長さが第２のリンク３と略等しい。そして、第３のリンク４は、当該第３のリンク４の一方の端部に第１の貫通孔４ａを備えており、当該第１の貫通孔４ａに第１のリンク２の第２の回転軸２ｂが通されている。また、第３のリンク４は、当該第３のリンク４の他方の端部からＹ軸＋側に突出する回転軸４ｂを備えている。
【００２５】
第４のリンク５は、第２のリンク３に対して第４のリンク５に設けられた回転軸５ｄ回りに回転可能で、且つ第３のリンク４に対して第３のリンク４に設けられた回転軸４ｂ回りに回転可能に接続されている。例えば、第４のリンク５は、Ｚ軸方向から見て、第２のリンク３と第３のリンク４との間に配置されている。
【００２６】
第４のリンク５は、Ｙ軸方向の厚さが薄く、詳細を後述するようにＹ軸方向から見て屈曲するプレート部材を基本形態としており、第１の部分５ａ及び第２の部分５ｂを備えている。第１の部分５ａは、第１のリンク２と略等しい長さを有し、Ｙ軸方向から見て、第１のリンク２と略平行に配置されている。
【００２７】
詳細には、第４のリンク５は、第１の部分５ａと第２の部分５ｂとの屈曲起点部にて第１の部分５ａが第２の部分５ｂに対して３０°程度Ｚ軸＋側に屈曲している。そして、第４のリンク５は、第１の部分５ａの先端部に第１の貫通孔５ｃを備えており、第１の貫通孔５ｃに第３のリンク４の回転軸４ｂが通されている。また、第４のリンク５は、当該屈曲起点部にＹ軸＋側に突出する回転軸５ｄを備えている。回転軸５ｄは、第２のリンク３の第２の貫通孔３ｂに通されている。
【００２８】
これにより、第１のリンク２と、第２のリンク３と、第３のリンク４と、第４のリンク５の第１の部分５ａと、で４節の平行リンク機構９を形成しており、当該平行リンク機構９の回転動作に伴って、第４のリンク５の第２の部分５ｂが回転軸５ｄ回りに回転することになる。第２の部分５ｂは、略Ｘ軸方向に延在しており、第２の部分５ｂの先端部に第２の貫通孔５ｅを備えている。
【００２９】
但し、本実施の形態では、第１のリンク２と、第２のリンク３と、第３のリンク４と、第４のリンク５の第１の部分５ａと、で４節の平行リンク機構９を構成しているが、第１のリンク２と、第２のリンク３と、第３のリンク４と、第４のリンク５の第１の部分５ａと、で閉リンクを構成する４節リンク機構であればよい。
【００３０】
第５のリンク６は、第３のリンク４に対して第５のリンク６に設けられた第１の回転軸６ａ回りに回転可能に接続されている。例えば、第５のリンク６は、Ｙ軸方向から見て第４のリンク５に対して若干Ｚ軸＋側に配置され、且つＺ軸方向から見て第３のリンク４に対してＹ軸−側に配置されている。
【００３１】
第５のリンク６は、Ｙ軸方向の厚さが薄く、ＸＺ平面において短手の長さに対する長手の長さの比率が大きい略矩形状のプレート部材を基本形態としている。そして、第５のリンク６は、当該第５のリンク６の一方の端部にＹ軸＋側に突出する第１の回転軸６ａを備えており、第１の回転軸６ａは、第３のリンク４におけるＺ軸＋側に突出する突出部４ｃに形成された第２の貫通孔４ｄに通されている。また、第５のリンク６は、当該第５のリンク６の他方の端部にＹ軸＋側に突出する第２の回転軸６ｂを備えている。
【００３２】
第６のリンク７は、第４のリンク５に対して第６のリンク７に設けられた回転軸７ｄ回りに回転可能で、且つ第５のリンク６に対して当該第５のリンク６に設けられた第２の回転軸６ｂ回りに回転可能に接続されている。例えば、第６のリンク７は、Ｚ軸方向から見て、第４のリンク５と第５のリンク６との間に配置されている。
【００３３】
第６のリンク７は、Ｙ軸方向の厚さが薄く、詳細を後述するようにＹ軸方向から見て屈曲するプレート部材を基本形態としており、第１の部分７ａ及び第２の部分７ｂを備えている。第１の部分７ａは、第１のリンク２と略等しい長さを有し、Ｙ軸方向から見て、第１のリンク２と略平行に配置されている。第２の部分７ｂは、略Ｘ軸方向に延在している。
【００３４】
つまり、第６のリンク７は、第１の部分７ａと第２の部分７ｂとの屈曲起点部にて第１の部分７ａが第２の部分７ｂに対して３０°程度Ｚ軸＋側に屈曲している。そして、第６のリンク７は、第１の部分７ａの先端部に貫通孔７ｃを備えており、貫通孔７ｃに第５のリンク６の第２の回転軸６ｂが通されている。また、第６のリンク７は、当該屈曲起点部にＹ軸＋側に突出する回転軸７ｄを備えている。回転軸７ｄは、第４のリンク５の第２の貫通孔５ｅに通されている。
【００３５】
このような第１のリンク２、第２のリンク３、第３のリンク４、第４のリンク５、第５のリンク６及び第６のリンク７の初期状態においては、第１のリンク２に対する第２のリンク３の回転軸である当該第１のリンク２の第１の回転軸２ａの中心Ｏ１と、第２のリンク３に対する第４のリンク５の回転軸５ｄの中心Ｏ２と、第４のリンク５に対する第６のリンク７の回転軸７ｄの中心Ｏ３と、が略Ｘ軸上に配置される。
【００３６】
そして、第１のリンク２、第２のリンク３、第３のリンク４、第４のリンク５、第５のリンク６及び第６のリンク７の初期状態においては、第２のリンク３におけるＺ軸−側の辺と、第４のリンク５における第２の部分５ｂのＺ軸−側の辺と、第６のリンク７における第２の部分７ｂのＺ軸−側の辺と、が略Ｘ軸上に配置される。
【００３７】
つまり、第１のリンク２、第２のリンク３、第３のリンク４、第４のリンク５、第５のリンク６及び第６のリンク７の初期状態においては、第２のリンク３と、第４のリンク５の第２の部分５ｂと、第６のリンク７の第２の部分７ｂとは、Ｘ軸方向に略真っ直ぐに配置される。ここで、第２のリンク３は、指１の基節を成し、第４のリンク５の第２の部分５ｂは、指１の中節を成し、第６のリンク７の第２の部分７ｂは、末節を成す。
【００３８】
弾性部材８は、例えば、コイルバネである。弾性部材８の一方の端部は、第２のリンク３に固定されている。弾性部材８の他方の端部は、第３のリンク４に固定されている。このような弾性部材８は、Ｙ軸方向から見て、第２のリンク３におけるＺ軸＋側の辺に形成された切り欠き部３ｃ、及び第３のリンク４におけるＺ軸−側の辺に形成された切り欠き部４ｅに収容されている。但し、弾性部材８は、コイルバネに限らずに他の弾性部材でもよく、引っ張りバネやねじりバネなどを用いることもできる。
【００３９】
ここで、本実施の形態の弾性部材８は、詳細は後述するが、指１が初期状態から屈曲状態になるのに従って伸長して復元力が増加するように、指１の初期状態において、ＸＺ平面上で、第１のリンク２に対する第３のリンク４の回転軸である当該第１のリンク２の第２の回転軸２ｂの中心Ｏ４を通り、且つ中心Ｏ４と第３のリンク４に対する第４のリンク５の回転軸である当該第３のリンク４の回転軸４ｂの中心Ｏ５とを通る第１の直線Ｌ１と直交する第２の直線Ｌ２と、弾性部材８の他方の端部と第３のリンク４との固定点Ｊ１と、の間隔Ｒ１が、中心Ｏ１を通り、且つ中心Ｏ１と中心Ｏ２とを通る第３の直線Ｌ３と直交する第４の直線Ｌ４と、弾性部材８の一方の端部と第２のリンク３との固定点Ｊ２と、の間隔Ｒ２以上となるように配置される(図３を参照)。つまり、指１の初期状態において、弾性部材８は、第１のリンク２に対してＸ軸＋側に傾斜する。
【００４０】
次に、本実施の形態のロボットの関節構造を採用した指１で被把持部材を把持する際のなじみ動作を説明する。ここで、なじみ動作とは、指１が被把持部材の外形に倣うように動作することである。なお、以下の説明では、図３乃至図６の図示においてリンクの反時計回りの回転方向を正方向とし、時計回りの回転方向を負方向として説明する。
【００４１】
図３乃至図６は、本実施の形態のロボットの関節構造を採用した指で被把持部材を把持する際のなじみ動作を説明するための図である。図３に示すように、指１はＸ軸＋方向に伸展させた状態を初期状態とする。次に、アクチュエータ（サーボモータ）を駆動させ、第１のリンク２の第１の回転軸２ａ回りに当該第１のリンク２を正方向に回転させる。つまり、指１が伸展した状態で、第１の回転軸２ａ回りに指１を被把持部材１０の側に近づけるように回転させる。すると、図４に示すように、第２のリンク３が被把持部材１０に接触する。
【００４２】
この状態から、更にアクチュエータを駆動させると、図５に示すように、第２のリンク３の動作が被把持部材１０で規制された状態で、即ち、第２のリンク３が静止節となった状態で、平行リンク機構９が正方向に回転する。これにより、第４のリンク５の回転軸５ｄ回りに当該第４のリンク５の第２の部分５ｂが正方向に回転して、被把持部材１０に近づくと共に、第６のリンク７の回転軸７ｄ回りに当該第６のリンク７の第２の部分７ｂが正方向に回転して、被把持部材１０に近づく。
【００４３】
そして、更にアクチュエータを駆動させると、図６に示すように、第２のリンク３が静止節となった状態で、平行リンク機構９が正方向に回転する。これにより、第４のリンク５の回転軸５ｄ回りに当該第４のリンク５の第２の部分５ｂが正方向に回転して、被把持部材１０に接触すると共に、第６のリンク７の回転軸７ｄ回りに当該第６のリンク７の第２の部分７ｂが正方向に回転して、被把持部材１０に接触する。これにより、指１を被把持部材１０の外形になじませることができる。
【００４４】
このような指１のなじみ動作において、上述のように、弾性部材８は、指１が初期状態から屈曲状態になるのに従って伸長して復元力が増加する。つまり、弾性部材８は、指１が被把持部材１０を把持する側に当該指１のなじみ動作を付勢する。
【００４５】
次に、本実施の形態のロボットの関節構造を採用した指１で被把持部材１０を把持する際の弾性部材８の復元力の働きを説明する。先ず、比較例として、特許文献１のロボットハンドの指構造を採用した指１００で被把持部材１０を把持する際の弾性部材１０１の復元力の働きを説明する。図７は、特許文献１のロボットハンドの指構造を採用した指で被把持部材を把持する際の弾性部材の力学特性を示す図である。
【００４６】
ここで、特許文献１の指１００は、本実施の形態の指１の弾性部材８の力学特性と特許文献１の指１００の弾性部材１０１の力学特性との相違を解り易くするために、本実施の形態の指１のリンク構造と等しいリンク構造を採用しており、弾性部材１０１の配置が異なる。そのため、図７では、本実施の形態の指１と対応するリンクに等しい符号を付している。
【００４７】
特許文献１の指１００においては、図７に示すように、指１００が伸展する側に復元力を発現するように、弾性部材１０１が第２のリンク３の一方の端部に形成された突出部３ｄと手掌部１０２との間に配置されている。
【００４８】
このような特許文献１の指１００を用いて被把持部材１０を手掌部１０２とで把持する際の第１のリンク２の第１の回転軸２ａ回りのモーメントｔ１２は、以下の＜式１＞で表すことができる。
＜式１＞  ｔ１２＝−ｆｒ
但し、ｆは、弾性部材１０１の復元力であり、ｒは、弾性部材１０１の伸縮方向と直交する方向での、中心Ｏ１と、弾性部材１０１と第２のリンク３の突出部３ｄとの固定点ｊと、の間隔である。
【００４９】
このようなモーメントｔ１２はアクチュエータの駆動力Ｐに対して逆方向に作用することになる。そのため、アクチュエータによる駆動力Ｐを指１００に与えた場合、指１００が被把持部材１０に与えるモーメントは、以下の＜式２＞で表すことができる。
＜式２＞  Ｐ＋ｔ１２＝Ｐ−ｆｒ
【００５０】
図８は、本実施の形態のロボットの関節構造を採用した指で被把持部材を把持する際の弾性部材の力学特性を示す図である。図９は、本実施の形態の弾性部材の復元力の働きを説明するための図である。ちなみに、図９では、図５での指１の状態を実線で示し、図５での指１の状態において被把持部材１０が除去され、弾性部材８の復元力によって伸展状態とされた指１を一点鎖線で示している。
【００５１】
図８に示すように、本実施の形態の指１を用いて被把持部材１０を手掌部１１とで把持する場合、第１のリンク２の第１の回転軸２ａ回りのモーメントＴ１２は、以下の＜式３＞で表すことができる。
＜式３＞  Ｔ１２＝Ｆｃ（Ｒ３−Ｒ２）
但し、Ｆｃは、弾性部材８の復元力Ｆにおける第３の直線Ｌ３と直交する方向の分力である。また、Ｒ３は、第４の直線Ｌ４と固定点Ｊ１との間隔である。
【００５２】
そして、本実施の形態の指１は、上述のように指１の初期状態においてＲ１＞Ｒ２の関係であるため、第１のリンク２を第１の回転軸２ａ回りに回転させると、Ｒ３＞Ｒ２の関係が成り立つようになり、指１のなじみ動作中は、被把持部材１０に指１を押し付ける方向のモーメントが発生することになる。つまり、図９に示すように、弾性部材８によって指１を伸展状態に戻そうとする復元力が指１に働くことになる。そのため、アクチュエータによる駆動力Ｐを指１に与えた場合、指１が被把持部材１０に与えるモーメントは、以下の＜式４＞で表すことができる。
＜式４＞  Ｐ＋Ｔ１２＝Ｐ＋Ｆｃ（Ｒ３−Ｒ２）
【００５３】
このように特許文献１の指１００は、被把持部材１０を把持する際に弾性部材１０１によって当該被把持部材１０を把持する側に対して逆側にモーメントが与えられる。そのため、指１００で被把持部材１０を把持する際に、弾性部材１０１の復元力はアクチュエータの駆動力Ｐから減算されることになる。よって、弾性部材１０１の復元力に打ち勝つ駆動力Ｐが必要となり、指１００を動作させるためのアクチュエータが大型化する。
【００５４】
一方、本実施の形態の指１は、被把持部材１０を把持する際に弾性部材８によって当該被把持部材１０を把持する側にモーメントが与えられる。そのため、指１で被把持部材１０を把持する際に、弾性部材８の復元力がアクチュエータの駆動力Ｐに加算されることになる。よって、特許文献１の指１００に対して、小さな駆動力Ｐで被把持部材１０を把持することができる。これにより、本実施の形態の指１で採用したロボットの関節構造は、アクチュエータの小型化に寄与でき、それに伴い、例えば、ロボットハンドを安価に構成でき、しかも軽量化できる。
【００５５】
また、本実施の形態の指１は、特許文献１の指１００に比べて、アクチュエータによって等しい駆動力を与えた場合、大きな把持力を発現させることができ、被把持部材１０をしっかりと把持できる。
【００５６】
＜実施の形態２＞
実施の形態１では、第２のリンク３が被把持部材１０に接触した際の指１のなじみ動作について説明したが、第４のリンク５の第２の部分５ｂが被把持部材１０に接触した際も同様になじみ動作を実現することができる。
【００５７】
図１０は、本実施の形態のロボットの関節構造を採用した指で被把持部材を把持する際の弾性部材の力学特性を示す図である。なお、図１０では、第４のリンク５の第２の部分５ｂが被把持部材１０に接触した直後の指１の状態を一点鎖線で示し、さらにアクチュエータを駆動させてなじみ動作中の指１の状態を実線で示している。
【００５８】
図１０に示すように、本実施の形態の指１を用いて被把持部材１０を手掌部１１とで把持する場合、指１から被把持部材１０に作用する力Ｆｔは、以下の＜式５＞で表すことができる。
＜式５＞  Ｆｔ＝Ｒ４（Ｐ＋Ｔ１２）＝Ｒ４（Ｐ＋Ｆｃ（Ｒ３−Ｒ２））
但し、Ｒ４は、中心Ｏ１と第４のリンク５の第２の部分５ｂが被把持部材１０に接触する接触点Ｃとの間隔である。
【００５９】
このとき、力Ｆｔは、中心Ｏ１と接触点Ｃとを直径の両端とする円の接線方向に作用し、被把持部材１０の側に作用することになる。そのため、本実施の形態でも、弾性部材８の復元力がアクチュエータの駆動力Ｐに加算されることになり、特許文献１の指１００に対して、小さな駆動力Ｐで被把持部材１０を把持することができる。
【００６０】
ちなみに、更にアクチュエータを駆動させると、図１０の指１の状態から第４のリンク５が回転軸５ｄ回りに正方向に回転して被把持部材１０を第２のリンク３の側に引き上げつつ、第６のリンク７が回転軸７ｄ回りに正方向に回転して被把持部材１０になじむ。そして、最終的には、第２のリンク３と、第４のリンク５の第２の部分５ｂと、第６のリンク７の第２の部分７ｂと、が被把持部材１０に接触し、指１を被把持部材１０になじませることができる。
【００６１】
なお、上記の実施の形態１及び２では、第２のリンク３と、第４のリンク５の第２の部分５ｂと、第６のリンク７の第２の部分７ｂとが、指１の初期状態において略真っ直ぐに配置されているが、若干、屈曲していてもよい。
【００６２】
また、各々のリンク２、３、４、５、６、７の形状や配置は限定されない。さらに、回転軸と貫通孔との関係も限定されない。要するに、第１のリンク２に対して第２のリンク３が回転可能であり、第１のリンク２に対して第３のリンク４が回転可能であり、第２のリンク３及び第３のリンク４に対して第４のリンク５が回転可能であり、第３のリンク４に対して第５のリンク６が回転可能であり、第４のリンク５及び第５のリンク６に対して第６のリンク７が回転可能であればよい。そして、指１の初期状態において、間隔Ｒ１＞Ｒ２の関係を満たしていればよい。
【００６３】
ここで、第５のリンク６及び第６のリンク７は、省略してもよいが、第５のリンク６及び第６のリンク７を備えていると、被把持部材１０に対して細かななじみ動作を実現することができる。
【００６４】
＜実施の形態３＞
図１１は、本実施の形態のロボットハンドの構成を模式的に示す図である。図１２は、本実施の形態のロボットハンドの示指を模式的に示す図である。図１３は、本実施の形態のロボットハンドの示指の弾性部材の配置を説明するための図である。図１４は、本実施の形態のロボットハンドの拇指を模式的に示す図である。図１５は、図１１のXV部分の拡大図である。
【００６５】
本実施の形態のロボットハンド３０は、図１１に示すように、手掌部３１、示指３２、中指３３、環指３４、小指３５及び拇指３６を備えており、各々の指３２、３３、３４、３５、３６は、実施の形態１のロボットハンドの指構造を採用している。ちなみに、図１１に示す手掌部３１は、手の甲を構成しているが、手の平を構成していてもよい。
【００６６】
ここで、示指３２、中指３３、環指３４及び小指３５は、リンクの長さを除いて略等しい構成とされているため、示指３２を代表して説明する。本実施の形態の示指３２は、図１２に示すように、第１のリンク４１、第２のリンク４２、第３のリンク４３、第４のリンク４４、第５のリンク４５、第６のリンク４６、第１の弾性部材４７及び第２の弾性部材４８を備えており、実施の形態１の指１の各リンクと略等しい接続関係である。
【００６７】
つまり、第１のリンク４１は、実施の形態１の指１の第１のリンク２に対応し、第２のリンク４２は、実施の形態１の指１の第２のリンク３に対応する。第３のリンク４３は、実施の形態１の指１の第３のリンク４に対応し、第４のリンク４４は、実施の形態１の指１の第４のリンク５に対応する。第５のリンク４５は、実施の形態１の指１の第５のリンク６に対応し、第６のリンク４６は、実施の形態１の指１の第６のリンク７に対応する。
【００６８】
但し、本実施の形態の第１のリンク４１は、アクチュエータ５０のピニオン歯車５１とで傘歯車を構成する。つまり、第１のリンク４１は、側面の周縁に沿って歯が形成された円盤形状のギヤ歯車である。そして、第２のリンク４２の一方の端部は、第１のリンク４１の略中央に固定された第１の回転軸４１ａに回転可能に接続されている。また、第３のリンク４３の一方の端部は、第１のリンク４１に設けられた第２の回転軸４１ｂを介して当該第１のリンク４１の側面に回転可能に接続されている。
【００６９】
なお、本実施の形態では、アクチュエータ５０の回転駆動によって第１のリンク４１を回転させているが、直動アクチュエータの直動駆動によって第１のリンク４１を回転させてもよい。また、ワイヤーやタイミングベルトなどを用いてアクチュエータ５０の駆動力を第１のリンク４１に伝達してもよい。
【００７０】
第１の弾性部材４７は、例えば、ゴムなどの樹脂製のリング部材であり、第２のリンク４２と第３のリンク４３とに掛け渡されている。このように第１の弾性部材４７は、樹脂製のリング部材で構成しているため、例えば、第１の弾性部材４７としてコイルバネなどを採用する場合に比べて、設置スペースが狭くてよく、また、安価である。このとき、第２のリンク４２及び第３のリンク４３には、第１の弾性部材４７を引っ掛けて固定するための切り欠き部が形成されているとよい。
【００７１】
ここで、示指３２は、実施の形態１の指１と略等しい構成であるので、実施の形態１の指１の構成に置き換えて、第１の弾性部材４７の配置を説明すると、図１３に示すように、示指３２の初期状態において、ＸＺ平面上で、第１のリンク４１に対する第３のリンク４３の回転軸である当該第１のリンク４１の第２の回転軸４１ｂの中心Ｏ６を通り、且つ中心Ｏ６と第３のリンク４３に対する第４のリンク４４の回転軸である当該第３のリンク４３の回転軸４３ｂの中心Ｏ７とを通る第１の直線Ｌ５と直交する第２の直線Ｌ６と、第１の弾性部材４７における第３のリンク４３との固定点Ｊ３と、の間隔Ｒ５が、第１のリンク４１に対する第２のリンク４２の回転軸である当該第１のリンク４１の第１の回転軸４１ａの中心Ｏ８を通り、且つ中心Ｏ８と第２のリンク４２に対する第４のリンク４４の回転軸４４ａの中心Ｏ９とを通る第３の直線Ｌ７と直交する第４の直線Ｌ８と、第１の弾性部材４７における第２のリンク４３との固定点Ｊ４と、の間隔Ｒ６以上である。つまり、示指３２の初期状態において、第１の弾性部材４７は、第１のリンク４１に対してＸ軸＋側に傾斜している。これにより、実施の形態１と同様に、示指３２を屈曲させる際に、第１の弾性部材４７の復元力をアクチュエータの駆動力Ｐに加算することができる。
【００７２】
第２の弾性部材４８は、例えば、ゴムなどの樹脂製のリング部材であり、第４のリンク４４と第５のリンク４５とに掛け渡されている。このとき、図１３に示すように、示指３２の初期状態において、ＸＹ平面上で、中心Ｏ９を通り、且つ中心Ｏ９と第４のリンク４４に対する第６のリンク４６の回転軸４６ａの中心Ｏ１０とを通る第５の直線Ｌ９と直交する第６の直線Ｌ１０と、第２の弾性部材４８における第５のリンク４５との固定点Ｊ５と、の間隔Ｒ７は、第６の直線Ｌ１０と、第２の弾性部材４８における第４のリンク４４との固定点Ｊ６と、の間隔Ｒ８以上である。つまり、示指３２の初期状態において、固定点Ｊ５は、大凡、固定点Ｊ６に対して示指３２の指先側に配置される。
【００７３】
これにより、第２の弾性部材４８も、第１の弾性部材４７と同様に、示指３２のなじみ動作において、示指３２が初期状態から屈曲状態になるのに従って伸長して復元力が増加する。そのため、第４のリンク４４及び第６のリンク４６を回転させる際に、第２の弾性部材４８の復元力をアクチュエータの駆動力Ｐに加算することができる。
【００７４】
しかも、第２の弾性部材４８も、樹脂製のリング部材で構成しているため、例えば、第２の弾性部材４８としてコイルバネなどを採用する場合に比べて、設置スペースが狭くてよく、また、安価である。このとき、第４のリンク４４及び第５のリンク４５には、第２の弾性部材４８を引っ掛けて固定するための切り欠き部が形成されているとよい。
【００７５】
なお、第１の弾性部材４７及び第２の弾性部材４８は、樹脂製のリング部材に限定されず、実施の形態１と同様にコイルバネなどでもよい。また、第１の弾性部材４７及び第２の弾性部材４８は、ゴムに限らず、復元力を発現する部材であればよい。但し、第２の弾性部材４８は、省略することもできる。
【００７６】
拇指３６は、図１４に示すように、基部６１、第１のリンク６２、第２のリンク６３、第３のリンク６４、第４のリンク６５及び弾性部材６６を備えている。基部６１は、拇指３６を内外転させるための回転軸６７を介して回転可能に手掌部３１に接続されている。回転軸６７には、第１のアクチュエータ６８から回転トルクが伝達可能に当該第１のアクチュエータ６８に接続されており、第１のアクチュエータ６８が駆動すると、回転軸６７回りに拇指３６が内外転する。これにより、拇指３６を示指３２などと対向させることができる。
【００７７】
第１のリンク６２は、円盤形状に形成されており、第２のアクチュエータ６９の回転トルクに基づいて、第１のリンク６２の略中央に固定された第１の回転軸６２ａ回りに回転する。第２のリンク６３は、実施の形態１の指１の第２のリンク３に対応し、拇指３６の基節を成す。そして、第２のリンク６３の一方の端部は、第１のリンク６２の第１の回転軸６２ａに回転可能に接続されている。
【００７８】
第３のリンク６４は、実施の形態１の指１の第３のリンク４に対応し、第３のリンク６４の一方の端部は、第１のリンク６２に設けられた第２の回転軸６２ｂを介して当該第１のリンク６２の側面に回転可能に接続されている。第４のリンク６５は、実施の形態１の指１の第６のリンク７に対応し、拇指３６の末節を成す。そして、第４のリンク６５は、第４のリンク６５に設けられた回転軸６５ａを介して当該第２のリンク６３の他方の端部に回転可能に接続され、また、第３のリンク６４に設けられた回転軸６４ａを介して当該第３のリンク６４の他方の端部に回転可能に接続されている。
【００７９】
このようなロボットハンド３０は、実施の形態１と同様の弾性部材の配置を採用して各指３２、３３、３４、３５、３６を構成しているため、実施の形態１と同様に、アクチュエータ５０及び第２のアクチュエータ６９の小型化に寄与でき、それに伴い、ロボットハンド３０を小型化すると共に、軽量化することができる。
【００８０】
ここで、本実施の形態の環指３４及び小指３５は、一つのアクチュエータ５０の駆動力に基づいて動作させるとよい。詳細には、図１５に示すように、環指３４における第１のリンク４１の第１の回転軸４１ａと小指３５における第１のリンク４１の第１の回転軸４１ａとがユニバーサルジョイント７０に介して接続されている。
【００８１】
これにより、環指３４及び小指３５を一つのアクチュエータ５０の駆動力に基づいて動作させることができ、更にロボットハンド３０を小型化すると共に、軽量化することができる。このとき、環指３４及び小指３５は、リンク構造により、被把持部材に対して個別にならい動作させることができる。
【００８２】
なお、示指３２、中指３３、環指３４及び小指３５も、拇指３６と同様に内外転可能な構成とされてもよい。
【００８３】
また、本実施の形態のロボットハンド３０は、示指３２、中指３３、環指３４、小指３５及び拇指３６を備えた構成とされているが、指の本数は限定されない。
【００８４】
本発明は上記の実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
上記の実施の形態のロボットの関節構造は、ロボットハンドの指に採用したが、これに限らず、ロボットの関節部に採用することができる。
【符号の説明】
【００８５】
１  指
２  第１のリンク、２ａ  第１の回転軸、２ｂ  第２の回転軸
３  第２のリンク、３ａ  第１の貫通孔、３ｂ  第２の貫通孔、３ｃ  切り欠き部
４  第３のリンク、４ａ  第１の貫通孔、４ｂ  回転軸、４ｃ  突出部、４ｄ  第２の貫通孔、４ｅ  切り欠き部
５  第４のリンク、５ａ  第１の部分、５ｂ  第２の部分、５ｃ  第１の貫通孔、５ｄ  回転軸、５ｅ  第２の貫通孔
６  第５のリンク、６ａ  第１の回転軸、６ｂ  第２の回転軸
７  第６のリンク、７ａ  第１の部分、７ｂ  第２の部分、７ｃ  貫通孔、７ｄ  回転軸
８  弾性部材
９  平行リンク機構
１０  被把持部材
１１  手掌部
３０  ロボットハンド
３１  手掌部
３２  示指
３３  中指
３４  環指
３５  小指
３６  拇指
４１  第１のリンク、４１ａ  第１の回転軸、４１ｂ  第２の回転軸
４２  第２のリンク
４３  第３のリンク、４３ｂ  回転軸
４４  第４のリンク、４４ａ  回転軸
４５  第５のリンク
４６  第６のリンク、４６ａ  回転軸
４７  第１の弾性部材
４８  第２の弾性部材
５０  アクチュエータ
５１  ピニオン歯車
６１  基部
６２  第１のリンク、６２ａ  第１の回転軸、６２ｂ  第２の回転軸
６３  第２のリンク
６４  第３のリンク、６４ａ  回転軸
６５  第４のリンク、６５ａ  回転軸
６６  弾性部材
６７  回転軸
６８  第１のアクチュエータ
６９  第２のアクチュエータ
７０  ユニバーサルジョイント
【図１】
2019093457.tif 000003
【図２】
2019093457.tif 000004
【図３】
2019093457.tif 000005
【図４】
2019093457.tif 000006
【図５】
2019093457.tif 000007
【図６】
2019093457.tif 000008
【図７】
2019093457.tif 000009
【図８】
2019093457.tif 000010
【図９】
2019093457.tif 000011
【図１０】
2019093457.tif 000012
【図１１】
2019093457.tif 000013
【図１２】
2019093457.tif 000014
【図１３】
2019093457.tif 000015
【図１４】
2019093457.tif 000016
【図１５】
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