(57)【要約】【課題】把持対象や要求動作に合わせて、角度センサや力センサに頼ることなく、人の指の動きと同様の動作が可能な指機構を提供すること。【解決手段】第１基端部材及び第２基端部材からなる基端部と、基端部の一端側に連結された所定長さを有する先端部と、基端部に連結された駆動部とを有し、第１基端部材は、その他端側が上記駆動部に連結されており、第２基端部材は、その一端が上記先端部の下端側に回動自在に連結されていると共にその他端側が駆動力伝達部材を介して駆動部に連結されており、駆動力伝達部材は、第１伝達部と第２伝達部とリンク部材とからなり、第２伝達部は第１基端部材に直接連結され、第１伝達部は上記リンク部材を介して第２基端部材に連結され、リンク部材は第１伝達部から伝達される駆動力を所定の軌道に沿って伝達し、駆動部は、第１基端部材および第２基端部材のそれぞれにけん引力又は押し出し力を付加できる指機構。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基端部材及び第２基端部材の２つの部材からなる基端部と、上記基端部の一端側に連結された、所定長さを有する先端部と、上記基端部の他端側において上記基端部に連結された駆動部とを有し、上記基端部は、上記他端側において回動自在になされている指機構であって、
上記第１基端部材は、その一端側に上記先端部を回動自在に支持する先端部連結部が設けられていると共にその他端側が上記駆動部に連結されており、
上記第２基端部材は、その一端が上記先端部の下端側に回動自在に連結されていると共にその他端側が駆動力伝達部材を介して駆動部に連結されて、駆動部の駆動力を上記先端部に伝達可能に形成されており、
上記駆動力伝達部材は、第１伝達部と第２伝達部とリンク部材とからなり、上記第２伝達部は上記第１基端部材に直接連結されており、上記第１伝達部は上記リンク部材を介して上記第２基端部材に連結されており、上記リンク部材は上記第１伝達部から伝達される駆動力を所定の軌道に沿って伝達し、
上記駆動部は、上記第１基端部材および上記第２基端部材のそれぞれにけん引力又は押し出し力を付加できるように設けられている
指機構。
【請求項２】
上記駆動部が回転軸を有し、上記回転軸の回転により上記第１基端部材および上記第２基端部材のそれぞれにけん引力又は押し出し力を付加するように形成されており、上記回転軸が一方向に回転することで上記基端部と上記先端部とを同時ないしは別々に回転させて、それぞれ所望の方向に回動させることができる、
請求項１記載の指機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人と同様の動きを可能とする指機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、各種デバイスは提案され、各種の分野において用いられている。たとえばロボットハンドデバイスなどは製造分野の他、高所や海底、宇宙空間など各種の場所においても用いられている。
そこで、ロボットハンドに関して種々提案されており、例えば、特許文献１には、人間の手と同様の動作を実現し且つ小型軽量化を可能とする、ヒューマノイドロボットに好適に採用できる５指型ハンド装置として、示指機構と中指機構との何れか一方又は両方及び拇指機構に、指先部に作用する力を検出する力センサを設け、力センサを備える指機構を、指先でのつまみ動作を含む器用動作を行う器用指とし、器用指以外の指機構は、器用指の動作に応じて握り動作を含む力動作を行う力指とした、５指型ハンド装置が提案されている。
また、特許文献２には、軽量で操作を容易とし、ロボット用や、身体障害者などの義手用に適した簡潔構造の人間型ハンドとして、一方向に牽引力が加えられたとき互いに回転自在に連結した複数の指プレートが回動して湾曲した把持形状になる複数の指機構と、一方向に牽引力が加えられたとき指機構側に回動する親指機構と、一方向に操作牽引力が加えられたときそれぞれの指機構に牽引力を与えると共に親指機構に牽引力を与える指駆動機構とで構成した人間型ハンドが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２６４５４８号公報
【特許文献２】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】
【０００４】
しかしながら、上述の提案にかかる指機構では、角度センサや力センサなしで、人の指と同様の動きを達成するために力センサより指に相当する部材の姿勢を任意に指定することは困難であり、人の指と同様の動きを達成できてはいなかった。例えば、ピアノの鍵盤やキーボードを叩く場合のように指の第１関節や第２関節にて折り曲げることで強く正確に所定個所を打つ動作は従来提案されている指機構では困難であった。
したがって、本発明の目的は、把持対象や要求動作に合わせて、角度センサや力センサに頼ることなく、人の指の動きと同様の動作が可能なに指体の上下動に加えて指の先端部分（人の指の第１関節や第２関節相当部分）のみも下方に折り込み、所定箇所に指先位置を誘導可能とできるだけでなく、必要に応じて先端部分を伸ばしたまま、指全体を伸ばして下方に屈曲させるといった、対象に合わせて指の屈曲状態を容易に変化可能な指機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記課題を解消するため鋭意検討した結果、指機構を２つ以上の部材で構成し、この２つの部材のうち基端側に位置する部材を２つの部材で構成して両者にそれぞれ異なる力がかかり、先端側に位置する部材に２方向の力を所望のタイミングでかけることができるようにすることで上記目的を達成しうることを知見し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、下記発明を提供するものである。
１．第１基端部材及び第２基端部材の２つの部材からなる基端部と、上記基端部の一端側に連結された、所定長さを有する先端部と、上記基端部の他端側において上記基端部に連結された駆動部とを有し、上記基端部は、上記他端側において回動自在になされている指機構であって、
上記第１基端部材は、その一端側に上記先端部を回動自在に支持する先端部連結部が設けられていると共にその他端側が上記駆動部に連結されており、
上記第２基端部材は、その一端が上記先端部の下端側に回動自在に連結されていると共にその他端側が駆動力伝達部材を介して駆動部に連結されて、駆動部の駆動力を上記先端部に伝達可能に形成されており、
上記駆動力伝達部材は、第１伝達部と第２伝達部とリンク部材とからなり、上記第２伝達部は上記第１基端部材に直接連結されており、上記第１伝達部は上記リンク部材を介して上記第２基端部材に連結されており、上記リンク部材は上記第１伝達部から伝達される駆動力を所定の軌道に沿って伝達し、
上記駆動部は、上記第１基端部材および上記第２基端部材のそれぞれにけん引力又は押し出し力を付加できるように設けられている
指機構。
２．上記駆動部が回転軸を有し、上記回転軸の回転により上記第１基端部材および上記第２基端部材のそれぞれにけん引力又は押し出し力を付加するように形成されており、上記回転軸が一方向に回転することで上記基端部と上記先端部とを同時ないしは別々に回転させて、それぞれ所望の方向に回動させることができる、１記載の指機構。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係る指機構は、把持対象や要求動作に合わせて、角度センサや力センサに頼ることなく、人の指の動きと同様の動作が可能なに指体の上下動に加えて指の先端部分（人の指の第１関節や第２関節相当部分）のみも下方に折り込み、所定箇所に指先位置を誘導可能とできるだけでなく、モーターの回転方向を反対にするなどして駆動力の与え方を変えるだけで先端部分を伸ばしたまま、指全体を伸ばして下方に屈曲させるといった、対象に合わせて指の屈曲状態を容易に変化可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明の指機構の１実施形態を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１に示すデバイスのII矢視図であり且つ一部破断（支持部材を破断して示す）図である。
【図３】図３は、図１に示す指機構における主要部（支持部材及び各軸体を除いて）示す分解斜視図である。
【図４】図４は、図１に示す指機構の使用態様図（図２相当図）である。
【図５】図５は、図１に示す指機構の使用態様図（図２相当図）である。
【図６】図５は、図１に示す指機構の使用態様図（図２相当図）である。
【図７】図５は、図１に示す指機構の使用態様図（図２相当図）である。
【符号の説明】
【０００８】
１  指機構：１０  基端部：２０  支持部材：３０先端部：４０駆動部
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の指機構の１実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
本発明の指機構１は、図１〜３に示すように、第１基端部材１２及び第２基端部材１６の２つの部材からなる基端部１０と、基端部１０の一端側に連結された、所定長さを有する先端部３０と、上端部の他端側において基端部１０に連結された駆動部４０とを有し、基端部１０は、他端側において回動自在になされている。
なお、本明細書において、基端（他端）側とは、図１における矢印A方向側を意味し、先端（一端）側とは矢印B方向側を意味する。また、上方又は上側とは図１の矢印Ｃ方向を意味し、下方又は下側とは図１の矢印Ｄ方向を意味する。
以下、実施の一例を用いてさらに詳述する。
【００１０】
＜基端部＞
基端部１０は、それぞれ平行に配された、第１基端部材１２及び第２基端部材１６の２つの独立した部材からなる。第１基端部材１２は、細長い平板状であり、第２基端部材１６は中央部分が折り曲げられて、Ｓ字状となされた細長い板状部材であり、第１基端部材１２よりも幅狭に形成されている。
【００１１】
＜支持部材＞
支持部材２０は、第１基端部材１２および第２基端部材１６の両者の基端側を覆うように上下両面に開口を有し、軸体５４を介して第１基端部材１２および第２基端部材１６を支持可能である。第１基端部材１２および後述するリンク部材１８は、軸体５４を貫通させることにより、支持部材２０に回動自在に設置されている。
【００１２】
＜第１基端部材＞
第１基端部材１２は、その一端（先端）側に先端部３０を回動自在に支持する先端部連結部１２ａが設けられている。本実施形態においては、先端部連結部１２ａにおいて先端部３０との間に緩衝部材１２ｃを設置しており、このように構成するために、第１基端部材１２は、板状の先端部連結部１２ａと板状の基端形成部１２ｂとの２つの板状部材をその厚み方向に連結することで形成されている。また、先端部３０と第１基端部材１２と緩衝部材１２ｃとは軸体５１により固定されている。緩衝部材１２ｃが設けられていることにより、先端部の回動をよりスムーズに行うことができる。
第１基端部材１２の他端（基端）側下方には後述する第１基端部伝達部材４８の一端を固定する固定部１２ｄが設けられている。固定部１２ｄは本実施形態においては突起である。そして、この第１基端部伝達部材４８を介して第１基端部材１２が駆動部に連結されている。
また、基端部１０には、第１基端部１２と同じ幅を有しかつ第１基端部１２とその１側縁において連結されて、基端部全体の形状を人間の指のようにし、且つ第２基端部材１６等を覆うハウジング部１４が設けられている。これにより、第２基端部材１６や先端部３０の基端側や緩衝部材１２ｃはハウジング部１４の中に収納された形態となっている。
【００１３】
＜第２基端部材＞
第２基端部材１６は、一端１６aが先端部３０の基端の下側において、軸体５２を介して緩衝部材１２ｃに回動自在に連結されている。これにより緩衝部材１２ｃを介して第２基端部材１６が先端部３０に回動自在に連結されている。他端１６ｂは、軸体５３によりリンク部材１８に回動自在に連結されている。また、駆動力伝達部材としてのリンク部材１８と軸体５４とを介して第１基端部材１２と連結されている。なお各軸体５３、５４はそれぞれ回転軸であり、第２基端部材、１６、第１基端部材１２及びリンク部材１８はそれぞれ回動自在である。そして、このリンク部材１８が駆動部４０に連結されており、駆動部４０の駆動力により回動するので、リンク部材１８の動きに応じて第２基端部材１６が先端側と基端側とを自在に往復運動することで先端部３０を上下動させる。この点については後述する。
【００１４】
＜駆動部＞
駆動部４０は、本実施形態においては、モーターであり、このモーターの回転軸４２の先端に板体からなる動力伝達部４４がその厚さ方向と回転軸４２の軸方向とが沿うように、回転軸４２の先端に配されている。そして、この回転軸４２の先端に設けられた動力伝達部４４は細長い形状であり、その両側にそれぞれ、駆動力伝達部材としての第１伝達部４６と第２伝達部４８とが設けられている。なお、本実施形態においては、第１伝達部４６は下側に位置し、第２伝達部４８は上側に位置するように配されている。
このように構成されていることで、第１基端部１２および第２基端部１６のそれぞれにけん引力又は押し出し力を付加できる。
【００１５】
＜駆動力伝達部材＞
駆動力伝達部材は、それぞれ棒状の第１伝達部４６と第２伝達部４８及び３角形状のリンク部材１８からなり、第２伝達部４８は第１基端部材１２に直接連結されており、第１伝達部４６はリンク部材１８を介して第２基端部材１６に連結されている。リンク部材１８は第１伝達部４６から伝達される駆動力を所定の軌道としての円軌道に沿って伝達できるように３角形状の形状とされており、その各頂点において第１伝達部４６、第２基端部材１６及び弾性部材６０が連結されている。また、リンク部材１８はその中央部分において第１基端部材１２と共に軸体５４を介して、支持部材２０に回動自在に軸支されている。リンク部材１８の大きさは、支持部材２０内部で充分に回転可能な大きさであり、支持部材２０内部で充分に回転可能であり、且つ先端部３０を所望の角度回動させるに足りる大きさを有している。
また、弾性部材６０は、本実施形態においては、コイルバネ部材であり、リンク部材の１頂点にけん引力を付与して、駆動部４０によるけん引力の付加がなくなった場合にリンク部材１８を図２の矢印α方向にけん引して第２基端部材１６および先端部３０を通常状態に回復させるように構成されている。
【００１６】
＜先端部＞
先端部３０は、くの字状に形成された板状の部材からなり、その基端側において緩衝部材１２ｃを介して第１基端部１２に軸体５１を介して軸支されている。緩衝部材１２ｃと先端部３０とは接着固定されて一体化されている。また、その基端側に切り欠きが設けられており、この切り欠きに第２基端部材１６の先端がはめ込まれるようにして配されている。そしてこの第２基端部材の先端１６ａは緩衝部材１２ｃと回動自在に軸体５２を介して連結されている。切り欠きの形状は第２基端部の先端形状に沿う形状となっており、第２基端部材１６の先端１６ａが回転した際に回転動作を阻害しない形状となっている。また、この第２基端部材１６の先端１６ａと緩衝部材１２ｃとの連結部位は、先端部３０と第１基端部材１２とが軸支されている部位よりも先端側に位置しており、これにより第２基端部材１６の牽引動作により第２基端部材１６の先端１６ａが移動する。
【００１７】
＜材料、大きさ＞
本実施形態における各部材、すなわち基端部１０、支持部材２０、先端部３０、各軸体、第１伝達部４６、第２伝達部４８及びリンク部材１８等はそれぞれプラスチック、金属など通常ロボットの部品を形成する際に用いられる材料を特に制限無く用いて形成することができる。なお、第１伝達部４６と第２伝達部４８とは、それぞれ、たわむ様に形成されている。このようにたわむ材料で形成することで本実施形態においては反発力が生じないように形成している。
また、各部材の大きさは特に制限されず、人間の指と同程度の大きさとすることもできる他、それよりも小さくすることも、また大きくすることもできる。
【００１８】
＜製造＞
本実施形態の指機構は、それぞれ押出成形等常法により各部材を製造し、常法に従って組み立てることで製造することができる。
【００１９】
＜使用法・作用効果＞
本実施形態の指機構の作用について図２、及び図４〜７を参照して説明する。まず、駆動部４０のモーターを回転させて回転軸４２を回転させることで、動力伝達部４４を図２の矢印β方向ないしはγ方向に回転させる。まず、矢印β方向に回転させた場合ついて説明する。
動力伝達部４４が矢印β方向に回転すると、図４に示すように、第１動力伝達部４６がリンク部材１８の下方の１頂点を牽引して第２基端部材１６の他端１６ｂを駆動部側に牽引する。第１動力伝達部４６がリンク部材１８の下方の１頂点を牽引すると、第２基端部材１６の一端１６ｂを介して第２基端部材１６の一端１６ａが駆動部４０側に移動することとなる。このとき、先端部３０ないしは第１基端部１２が他の物体と接触していない場合、図５に示すように第２基端部１６が駆動部４０側に移動して緩衝部材１２ｃを回転させる。緩衝部材１２ｃの回転に応じて緩衝部材１２ｃに固定されている先端部３０が回動して先端部３０の先端が下方に移動する。
さらにモーターが矢印β方向に回転すると、リンク部材１８がさらに回転して第２基端部材１６を牽引すると共に先端部３０が更に下方に向く。また、第１伝達部材４６および第２伝達部材４８が上述のように撓むが反発力の生じない材料に形成されているので、図６に示すように、第２伝達部材４８により第１基端部材１２の基端側下方が押されることなく、軸体５４を軸として第１基端部材１２が回動して、その一端側が先端部３０および干渉部材１２Cと共に下方に向かうように回転される。
なお、モーターの回転方向が矢印β方向の場合は第２伝達部４８が動力伝達部４４の動きを阻害することがあるため、本実施形態のように、第２伝達部４８を屈曲可能な部材、例えば弾性体やチェーン等で製作してもよい。
図５ないしは図６の状態において、モーターを図２に示すγ方向に回転させると、弾性部材６０によりリンク部材１８の上方の頂点に対して駆動部４０側への付勢がなされているため、スムーズに図２に示す初期位置へとリンク部材１８が回転し、先端部３０の回転状態ももとの状態へと戻る。このため、基端部１０から先端部３０にかけて図２に示すほぼ直線状の形態になる。なお、リンク部材１８を初期位置へ移動させるために、弾性部材６０を設けるのではなく、第１動力伝達部４６がたわむのみで反発力を生じない材料で構成するほか、反発力を生じる材料に変えてリンク部材１８の下方の１頂点を押し出すように構成してもよい。
次に、駆動部４０のモーターを回転させて動力伝達部４４を図２に示す初期状態から矢印γ方向に回転させた場合について説明する。動力伝達部４４が矢印γ方向に回転すると、動力伝達部４４と固定部１２ｄとを結ぶように結合された第２動力伝達部４８を介して、第１基端部１２が軸体５４を軸として軸体５１が接合される側を下方に向けて回転するように働く。この時、リンク部材１８は第２基端部１６と共に第１基端部１２の回転を阻害するように作用する。なおこの回転を阻害する抵抗力は、本実施形態においては弾性部材６０の反発力により与えられるようにしているが、回転を阻害させる作用が得られるのであればこれに限定されるものではない。
上記第１基部材１２の回転力を阻害する抵抗力、すなわち本実施形態においては弾性部材６０による付勢力を上回る回転力をモーターが与えると、第１基端部１２は第２基端部１６および干渉部材１２Ｃおよび先端部３０と共に軸体５４を軸として軸体５１が接合される側を下方に向けて回転する。この時、リンク部材１８は抵抗力を持ってこの回転を阻害するように働き続けるため、第２基端部１６は常に干渉部材１２Ｃを介して先端部３０を伸張するように作用する。これにより、図７に示すように指機構は伸張した状態のまま下方へ屈曲する。
なお、モーターの回転方向が矢印γ方向の場合は第１伝達部４６が動力伝達部４４の動きを阻害することがあるため、本実施形態のように、第１伝達部４６を上述のような屈曲可能な部材で製作してもよい。
なお図７の状態からモーターを矢印β方向に回転させると、弾性部材６０を介して与えられるリンク部材１８の抵抗力によって指機構は伸張した状態から図２の初期状態へと戻るように動作する。
したがって、モーターをβ方向とγ方向とに任意に回転させることにより、本実施形態の指機構１は、図２に示す初期状態から、図４及び図５及びに示す先端部３０と基端部１０とが屈曲した状態および、図７に示す先端部３０と基端部１０とが伸張した状態へと任意に動かすことができる。
上述の通り、本実施形態の指機構は、駆動部４０が回転軸４２を有し、回転軸４２の回転により第１基端部材１２および第２基端部材１６のそれぞれにけん引力又は押し出し力を付加するように形成されており、回転軸４２が一方向に回転することで基端部１０と先端部３０とを同時ないしは別々に回転させて、それぞれ所望の方向に回動させることができる機構である。このように構成することで、任意の運動が実現可能であり、駆動部が上記とは反対方向に回転することで基端部と基端部の一端側に連結された、所定長さを有する先端部とが一体になって基端部の基端側を軸として回転できるようになっている。
【００２０】
なお、本発明の指機構は上述の実施形態には何ら制限されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
たとえば、駆動力を伝達できるのであれば駆動部にはモーター以外の駆動源を用いてもよい。
また、リンク部材の形状は、三角形状でなく四角形状や直線状などとすることもできる。
第１及び第２動力伝達部４６及び４８は、屈曲可能な弾性材料ないしはたわむが反発力を生じない材料（ワイヤやチェーン等）を用いて形成できる。その形態は、棒材、ワイヤ状、チェーン状等とすることができる。また動力伝達部４４やリンク部材１８の形状によっては屈曲しない棒状の部材であってもよい。
先端部３０は、くの字状ではなく伸張した形状であってもよい。
先端部３０は、２つの部材からなるように構成してもよい。すなわち２つの部材を軸体５１のような軸体で結合して第２基端部１６を通じて回転力を伝達可能な動力伝達部材を設けて、当該軸体を回転軸としてもよい。
実施例では弾性部材６０によって反発力や抵抗力を発生して図２に示す初期位置に戻るようにしているが、同様の反発力や抵抗力が得られるのであればコイルバネ以外の弾性部材、例えばゴム等を用いることもできる。
また、各部材の形状は、それぞれ上述の形状である必要はなく、上述の作用が実現できるのであれば、特に制限されない。例えば、第１基端部材１２は棒状等、第２基端部材１６はＳ字状でなく棒状や板状等、支持部材２０は全体を囲う形状でなく、一枚の板体等、とすることができる。
また、支持部材２０は、上述のような箱型形状のものである必要はなく、基端部を回動自在に支持できれば、軸体と軸体を保持する部材とから構成されてもよい。
また、上述の実施形態においては、リンク部材１８において、第２基端部材１６と第１伝達部材４６とは別の箇所にて軸体５３、５５により回転自在に固定されているが、同じ箇所において、一つの軸体により回転自在に固定することも可能である。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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