(57)【要約】【課題】ハンドの長さに対する厚みの比率が従来のものよりも小さく、かつ力検出機能を有するロボットハンドを実現することにある。【解決手段】ハンド基部と、少なくとも１指と、ロボットアームの先端部に結合される手首連結フレームと、少なくとも１軸の並進力もしくはトルクを検出する力センサと、を備えたロボットハンドにおいて、前記ハンド基部は、ロボットハンドの掌側に位置する掌側フレームと、ロボットハンドの甲側に位置する甲側フレームとを結合することにより構成され、前記力センサは、前記ハンド基部に内包されるように配置されており、前記力センサの一方の取付け面が前記手首連結フレームに結合されるとともに、前記力センサの他方の取付け面が前記ハンド基部に結合されて、前記力センサが前記ハンド基部に作用する力および前記指に作用する力を検出することを特徴とするロボットハンドである。【選択図】図１
2015047680.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハンド基部と、そのハンド基部に結合された少なくとも１本の指と、ロボットアームの先端部に結合されるとともに前記ハンド基部を支持する手首連結フレームと、一方の取付け面と他方の取付け面とを有して少なくとも１軸の並進力もしくはトルクを検出する力センサと、を備えたロボットハンドにおいて、
前記ハンド基部は、前記ロボットハンドの掌側に位置する掌側フレームと、前記ロボットハンドの甲側に位置するとともに前記掌側フレームに結合される甲側フレームと、を有し、
前記力センサは、前記ハンド基部に内包されるように配置され、前記一方の取付け面が前記手首連結フレームに結合されるとともに、前記他方の取付け面が前記ハンド基部に結合されて、前記ハンド基部に作用する力および前記指に作用する力を検出することを特徴とするロボットハンド。
【請求項２】
前記一方の取付け面と他方の取付け面とのうち、少なくとも前記他方の取付け面の法線が前記ハンド基部の厚み方向を向いていることを特徴とする、請求項１記載のロボットハンド。
【請求項３】
前記力センサの力検出座標原点が前記ハンド基部の掌側表面近くにくるように前記力センサが配置されていることを特徴とする、請求項１または２記載のロボットハンド。
【請求項４】
前記力センサは、前記一方の取付け面が前記手首連結フレームに結合されるとともに、前記他方の取付け面が衝撃力吸収機構を介して前記ハンド基部に結合されて、前記ハンド基部および前記指に作用する力を検出することを特徴とする、請求項１から請求項３までの何れか１項記載のロボットハンド。
【請求項５】
前記衝撃力吸収機構は、前記ハンド基部に対しハンド側に位置するハンド側弾性体と前記ハンド基部に対し力センサ側に位置する力センサ側弾性体とを備え、
前記ハンド側弾性体の一端部と前記力センサ側弾性体の一端部と前記力センサとの相対位置が崩れないように前記ハンド側弾性体と前記力センサ側弾性体とを配置するとともに、前記ハンド側弾性体の他端部と前記力センサ側弾性体の他端部と前記ハンド基部との相対位置が崩れないように前記ハンド側弾性体と前記力センサ側弾性体とを配置することを特徴とする、請求項４記載のロボットハンド。
【請求項６】
前記掌側フレームは、互いに離間してハンド外部側に突出するとともに先端で共通の少なくとも１平面を画成する複数の突起を備え、
前記手首連結フレームは、前記複数の突起を除いた前記掌側フレームよりも外側に突出する部位を有し、
前記突出する部位は、前記複数の突起の先端に接する共通の平面よりもハンド内部側に位置することを特徴とする、請求項１から請求項５までの何れか１項記載のロボットハンド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人間型ロボットに用いられるロボットハンド（以下、単に「ハンド」ともいう。）に関し、特には、人間の手に近いプロポーション（ハンドの長さに対する厚みの比率）を実現するとともに、力検出機能を有するロボットハンドに関するものである。
【０００２】
なお、本明細書において、「ハンド」とは人間型ロボットのアームの先端部に装着された、人間の手に対応する部位を意味する。また、「掌」とはハンドの、人間の手の掌側部位に対応する部位を意味し、「甲」とはハンドの、人間の手の甲側部位に対応する部位を意味する。加えて、ハンドの「前後方向」とはアームの先端部からハンドが延在する方向を意味し、ハンドの「厚み方向」とはハンドの「掌」と「甲」を結ぶ方向を意味し、ハンドの「左右方向」とは、ハンドの「前後方向」と直交する方向で且つハンドの「厚み方向」と直交する方向を意味する。
【背景技術】
【０００３】
ロボットハンドが対象物を安定に把持したり、操作を行ったり、更には環境に対して安定した押しつけ力を実現したり、人間との安全なインタラクションを実現したりするためには、ハンドに作用する力の検出機能が重要であり、このような機能を持つロボットとして従来、特許文献１から特許文献４までに記載されているようなロボットが発明されている。
【０００４】
特許文献１や特許文献２に記載のものでは、ハンド等のエンドエフェクタに作用する力を検出するための力センサを、ロボットアームの先端部に位置する手首周辺に配置し、力センサを介してエンドエフェクタが装着されている。この手首周辺に配置された力センサの検出値に基づき、エンドエフェクタに作用する力の制御が行われている。
【０００５】
特許文献３や特許文献４に記載のものでは、指先に作用する力を検出するための力センサが、指先周辺に配置されている。この指先周辺に配置された力センサの検出値に基づき、対象物と指先の間で発生する力の制御が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２７８００７号公報
【特許文献２】特開平７−０６０６０６号公報
【特許文献３】特開２００５−３２９５１２号公報
【特許文献４】特開２０１０−２６４５４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
人間型ロボットの応用として、人間が生活する環境で人間が行う作業の代替え作業以外にも、人間の生活支援（例えば、床に落ちた対象物を拾い上げ人間に手渡す動作）や、人間用機器の評価（例えば、車の乗り込み時の人間にかかる関節負荷の評価のために同じ動作をさせたロボットの関節トルクや関節可動角の計測とその評価）や、エンターテイメント分野（例えば、イベント会場の司会者やファッションモデル）などへの応用も期待されている。特に、人間型ロボットを人間の生活支援のために活用しようとした場合には、ロボットと人間との安全なインタラクションが求められている。例えば、対象物を人間に手渡す際には、ロボットが過度な力を人間に与えないように、ロボットと人間の間で発生する力を検出し制御する必要がある。また、安全性の観点から、人間が接触する可能性のあるハンドの多くの部位で力を検出し制御することが必要である。さらに、対人親和性の観点からも、ハンドには人間に極めて近いプロポーションの実現も求められている。
【０００８】
しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載のものでは、力センサが手首周辺に配置されていることから、力センサの座標系原点と対象物の重心位置が離れるとともに、力センサに作用するモーメント荷重も大きくなり、その結果、許容モーメント荷重が大きい力センサを採用する必要があった。許容モーメント荷重が大きい力センサは、その体積も大きくなることから、この点でも人間の手に近いプロポーションのハンドを実現することは困難であった。
【０００９】
加えて、特許文献１や特許文献２に記載のものでは、力センサは手首周辺に配置されており、またその取付け面がロボットアームの先端部を向くように配置されていることから、力センサの取付け面の法線方向とハンドの厚み方向を合致させようとすると、アームとハンドの相対姿勢が人間の前腕と手の相対姿勢とは似つかない姿勢になるという問題を有している。
【００１０】
また、特許文献３や特許文献４に記載のものでは、力センサが指先周辺に配置されていることから、把持力の検出はできるが、ハンドの掌や甲に作用する力を検出ことができず、人間との安全なインタラクションを実現することは困難であった。
【００１１】
それゆえ本発明は、人間型ロボットに用いられるハンドにおいて、ハンドの長さに対する厚みの比率が従来のものよりも小さい、人間の手に近いプロポーションを実現するとともに、力検出機能を有するロボットハンドを実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を有利に解決するためになされたものであり、本発明のロボットハンドは、ハンド基部と、そのハンド基部に結合された少なくとも１本の指と、ロボットアームの先端部に結合される手首連結フレームと、一方の取付け面と他方の取付け面とを有して少なくとも１軸の並進力もしくはトルクを検出する力センサと、を備えたロボットハンドにおいて、
前記ハンド基部が、前記ロボットハンドの掌側に位置する掌側フレームと、前記ロボットハンドの甲側に位置するとともに前記掌側フレームに結合される甲側フレームと、を有し、
前記力センサは、前記ハンド基部に内包されるように配置され、前記一方の取付け面が前記手首連結フレームに結合されるとともに、前記他方の取付け面が前記ハンド基部に結合されて、前記ハンド基部に作用する力および前記指に作用する力を検出することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のロボットハンドによれば、一方の取付け面と他方の取付け面とを有して少なくとも１軸の並進力もしくはトルクを検出する力センサを、ハンドの掌側に位置するフレームである掌側フレームと、その掌側フレームに結合されるとともにハンドの甲側に位置するフレームである甲側フレームとを有するハンド基部に内包し、その力センサの一方の取付け面を、ロボットアームの先端部に結合される手首連結フレームに結合するとともに、他方の取付け面をハンド基部に結合しているため、人間が接触する可能性のあるハンドの多くの部位で力を検出することが可能になり、特に、ハンド基部の全ての部位およびそのハンド基部に結合された少なくとも１本の指に対してそれぞれ作用する力を力センサで検出することが可能になる。
【００１４】
加えて、本発明のロボットハンドによれば、力センサを、ハンド基部に内包したことにより、力センサの力検出座標原点を対象物の重心位置に近づけることができるため、許容モーメント荷重が小さい力センサを採用することが可能になる。許容モーメント荷重が小さい力センサは、その体積も小さくなることから、人間の手に近いプロポーションのロボットハンドを実現することが容易になる。
【００１５】
なお、本発明のロボットハンドにおいては、前記一方の取付け面と他方の取付け面とのうち、少なくとも前記他方の取付け面の法線が前記ハンド基部の厚み方向を向いていると好ましい。また、前記力センサの力検出座標原点が前記ハンド基部の掌側表面近くにくるように前記力センサが配置されていると好ましい。これらのようにすれば、掌側表面を対象物に押し付けたり、掌側表面と指とで対象物を把持したりする場合に、力センサの座標系原点を対象物の重心位置に更に近づけることが可能になる。その結果、許容モーメント荷重のより小さい力センサを採用することも可能になる。許容モーメント荷重がより小さい力センサは、その体積もより小さくなることから、人間の手に近いプロポーションのロボットハンドを実現することがより容易になる。
【００１６】
また、本発明のロボットハンドにおいては、前記力センサは、前記一方の取付け面が前記手首連結フレームに結合されるとともに、前記他方の取付け面が衝撃力吸収機構を介して前記ハンド基部に結合されて、前記ハンド基部および前記指に作用する力を検出するものであると好ましい。このようにすれば、ロボットハンドが環境や対象物や人間と接触した際に発生する衝撃力を衝撃力吸収機構が吸収し、接触時のロボットハンド自体の破損を抑制するとともに、環境や対象物の破損も抑制し、人間に与える衝撃力も緩和することが可能になる。
【００１７】
さらに、本発明のロボットハンドにおいては、前記衝撃力吸収機構は、前記ハンド基部に対しハンド側に位置するハンド側弾性体と前記ハンド基部に対し力センサ側に位置する力センサ側弾性体とを備え、前記ハンド側弾性体の一端部と前記力センサ側弾性体の一端部と前記力センサとの相対位置が崩れないように前記ハンド側弾性体と前記力センサ側弾性体とを配置するとともに、前記ハンド側弾性体の他端部と前記力センサ側弾性体の他端部と前記ハンド基部との相対位置が崩れないように前記ハンド側弾性体と前記力センサ側弾性体とを配置することとすると好ましい。このようにすれば、無負荷時のハンド側弾性体の伸縮位置と無負荷時の力センサ側弾性体の伸縮位置とが同一軸線上に位置しないようにハンド側弾性体と力センサ側弾性体とを互いにずらして配置することが可能になる。その結果、衝撃力吸収機構のハンドの厚み方向の寸法を抑えることができ、ロボットハンドで人間の手に近いプロポーションを実現することが容易になる。
【００１８】
さらに、本発明のロボットハンドにおいては、前記掌側フレームは、互いに離間してハンド外部側に突出するとともに先端で一緒に少なくとも１平面を画成する、例えば第一突起と第二突起と第三突起等の複数の突起を備え、前記手首連結フレームは、前記複数の突起を除いた前記掌側フレームよりも外側に突出する部位を有し、前記突出する部位は、前記複数の突起の先端が画成する平面よりもハンド内部側に位置すると好ましい。このようにすれば、環境（例えば、テーブルや壁等）にロボットハンドを着く際には、複数の突起がそれらの先端で画成する平面で環境に接触するため、環境との接触力の検出が可能になり、ロボットハンドで対象物を把持する際には、手首連結フレームの、複数の突起を除いて掌側フレームよりもハンド外部側に突出する部位で対象物と接触するため、手首連結フレームの突出する部位と指とで対象物を把持した際の把持力の検出が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、この発明の第一実施例のロボットハンドの全体構造を示す甲側から見た斜視図および掌側から見た斜視図である。
【図２】上記第一実施例のロボットハンドの構造を示す、甲側から見た分解斜視図である。
【図３】上記第一実施例のロボットハンドの構造を示す、掌側から見た分解斜視図である。
【図４】上記第一実施例のロボットハンドが対象物を把持している状態の甲側から見た斜視図である。
【図５】（ａ）は、上記第一実施例のロボットハンドが対象物を把持している状態の親指側から見た側面図および部分断面図、（ｂ）は、（ａ）中の点線で囲った部分の拡大図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、この発明の第二実施例のロボットハンドの全体構造を示す甲側から見た斜視図および掌側から見た斜視図である。
【図７】上記第二実施例のロボットハンドの構造を示す、甲側から見た分解斜視図である。
【図８】上記第二実施例のロボットハンドの構造を示す、掌側から見た分解斜視図である。
【図９】上記第二実施例のロボットハンドが対象物を把持している状態の甲側から見た斜視図である。
【図１０】（ａ）は、上記第二実施例のロボットハンドが対象物を把持している状態の親指側から見た側面図および部分断面図、（ｂ）は、（ａ）中の点線で囲った部分の拡大図である。
【図１１】上記第二実施例のロボットハンドが環境に手を着いている状態の甲側から見た斜視図である。
【図１２】上記第二実施例のロボットハンドが環境に手を着いている状態の親指側から見た断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施する場合の形態について、図面を参照して説明する。図１（ａ）および（ｂ）は、この発明の第一実施例のロボットハンドの全体構造を示す甲側から見た斜視図および掌側から見た斜視図である。
【００２１】
図１において、符号１はロボットハンド（ハンド）、２はハンド基部、１１は親指、１２は人差指、１３は中指、１４は薬指、１５は小指を示す。また、１２ａは人差指の基節リンク、１２ｂは人差指の中節リンク、１２ｃは人差指の末節リンク、１３ａは中指の基節リンク、１３ｂは中指の中節リンク、１３ｃは中指の末節リンク、１４ａは薬指の基節リンク、１４ｂは薬指の中節リンク、１４ｃは薬指の末節リンク、１５ａは小指の基節リンク、１５ｂは小指の中節リンク、１５ｃは小指の末節リンクを示す。加えて、符号４１は手首連結フレーム、４３は掌側フレーム、４４は甲側サブフレーム、４５は甲側フレームを示す。
【００２２】
図１に示すロボットハンド１では、人差指１２と中指１３と薬指１４と小指１５の各基節リンクは互いに同じ長さ、各中節リンクも互いに同じ長さ、各末節リンクも互いに同じ長さで構成されているが、これは例示にすぎず特許請求の範囲を限定するものでなく、互いに異なる長さのリンクを使っても良い。符号２１は親指関節軸、２２は四指のＭＰ（metacarpophalangeal）関節軸、２３は四指のＰＩＰ（proximal interphalangeal）関節軸、２４は四指のＤＩＰ（distal
interphalangeal）関節軸（図ではそれらの関節軸の軸線）をそれぞれ示している。
【００２３】
ここで、ロボットハンド１は、親指関節軸２１を回転中心にハンド基部２と親指１１の相対姿勢を変える親指関節を備えている。また、人差指１２と中指１３と薬指１４と小指１５の四指は、ＭＰ関節軸２２を回転中心にハンド基部２と各四指の基節リンク１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａとの相対姿勢を変えるＭＰ関節と、ＰＩＰ関節軸２３を回転中心に各四指の基節リンク１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａと中節リンク１２ｂ，１３ｂ，１４ｂ，１５ｂとの相対姿勢を変えるＰＩＰ関節と、ＤＩＰ関節軸２４を回転中心に各四指の中節リンク１２ｂ，１３ｂ，１４ｂ，１５ｂと末節リンク１２ｃ，１３ｃ，１４ｃ，１５ｃとの相対姿勢を変えるＤＩＰ関節とを備えている。
【００２４】
ハンド基部２は、掌側フレーム４３と甲側フレーム４５とを有し、それらを互いに結合することにより、略薄型直方体形状を有すると共に、中空構造とされている。また、図１に示すロボットハンド１では、ハンド基部２は甲側サブフレーム４４も有し、甲側サブフレーム４４は、掌側フレーム４３と甲側フレーム４５との間に挟まれてそれらに結合されている。そしてハンド基部２には、親指１１、人差指１２、中指１３、薬指１４、小指１５が作動する際にハンド基部２との干渉を避けるための穴が設けられている。また、ハンド基部２には、ロボットハンド１をロボットアームの先端部（例えばロボットアームの手首関節）に結合するための手首連結フレーム４１の一端部がハンド基部２から突出するような穴も設けられている。
【００２５】
また、図１ではハンド基部２により隠れているが、後述する図５に示すように、力センサ４２がハンド基部２に内包されるように配置され、力センサ４２の一方の取付け面は、同じく図１ではハンド基部２により隠れた部位で手首連結フレーム４１に結合されており、力センサ４２の他方の取付け面はハンド基部２の掌側フレーム４３に結合されている。加えて、図１ではハンド基部２により隠れている親指１１、人差指１２、中指１３、薬指１４、小指１５の駆動機構も、後述する図２および図３に示すように、ハンド基部２に内包されている。
【００２６】
ロボットハンド１ならびにハンド基部２をこのように構成することにより、ロボットハンド１の外観部分は、ハンド基部２、親指１１、人差指１２、中指１３、薬指１４、小指１５および、ハンド基部２から突出した手首連結フレーム４１のみになる。手首連結フレーム４１はロボットアームの先端部に結合されているため、ハンド基部２に内包した力センサ４２により、ハンド基部２に作用する力および、親指１１、人差指１２、中指１３、薬指１４もしくは小指１５に作用する力を検出することが可能になる。すなわち、力センサ４２により、ロボットハンド１の全ての部位に作用する力を検出することが可能となる。
【００２７】
図２は、上記第一実施例のロボットハンドの構造を示す、甲側から見た分解斜視図、図３は、上記第一実施例のロボットハンドの構造を示す、掌側から見た分解斜視図であり、図２，３中、図１におけると同じ符号については同じ部材を示している。すなわち、図２および図３において、符号４２は力センサ、５２は基台プレート、５３はスペーサ、５４はハンド側弾性体、５５は力センサ側弾性体、５６はハンド側力センサ取付けネジ、５７は手首側力センサ取付けネジ、５８は凸ガイド、５９は凹ガイドを示す。
【００２８】
スペーサ５３、ハンド側弾性体５４、力センサ側弾性体５５、ハンド側力センサ取付けネジ５６および手首側力センサ取付けネジ５７の数字にそれぞれ付属するａ，ｂ，ｃは、同一部材を複数用いた場合の個々の部材を表すために付加した付属符号であり、省略して説明する場合がある。また、ハンド側弾性体５４と力センサ側弾性体５５とは機械バネを用いているが、これは例示にすぎず特許請求の範囲を限定するものでなく、ゴムなどの弾性体であっても良い。
【００２９】
凸ガイド５８は基台プレート５２に設けた略三角柱状の凸形状部位を示し、凹ガイド５９は掌側フレーム４３に設けた略三角筒状の凹形状部位を示しており、凸ガイド５８と凹ガイド５９とは互いに遊嵌して、掌側フレーム４３と基台プレート５２との相対位置および相対姿勢の少なくとも一方が変化する際のガイドを構成しているが、これは例示にすぎず特許請求の範囲を限定するものでなく、凸ガイド５８を掌側フレーム４３に設け、凹ガイド５９を基台プレート５２に設けても良い。
【００３０】
さらに、符号６１は第一モータ、６２は第一精密減速装置、６３は第二モータ、６４は第二精密減速装置、６５はベルト式伝動機構、６６は平行リンク機構、６７は平行リンク機構出力シャフトを示す。本明細書においては、商品名ハーモニックドライブ（登録商標）を用いたハーモニック減速装置や、遊星歯車（不思議遊星歯車を含む）を用いた遊星歯車減速装置や、商品名サイクロ減速機を用いたサイクロ減速装置や、商品名ＲＶ減速機を用いたＲＶ減速装置や、商品名ローラドライブを用いたローラドライブ減速装置や、サイクロイドを用いたボール減速機等を「精密減速装置」と言う。
【００３１】
第一モータ６１と第一精密減速装置６２とは、ハンド基部２に内包されるように配置されるとともにハンド基部２に固定されている。第一モータ６１の出力軸と第一精密減速装置６２の入力軸とが結合され、第一精密減速装置６２の出力軸が親指関節軸２１を構成している。すなわち、第一モータ６１を駆動することにより、親指１１の内転と外転の動作が可能な構成になっている。
【００３２】
また、第二モータ６３、第二精密減速装置６４、ベルト式伝動機構６５、平行リンク機構６６もハンド基部２に内包されるように配置されるとともにハンド基部２に固定され、平行リンク機構出力軸６７はハンド基部２に内包されるように配置されるとともにハンド基部２に軸支されてＭＰ関節軸２２を構成している。第二モータ６３の出力は、プーリとタイミングベルトにより構成されるベルト式伝動機構６５を介して、第二精密減速装置６４の入力軸に伝達される。さらに、第二精密減速装置６４の出力は、平行リンク機構６６を介して、平行リンク機構出力軸６７に伝達される。人差指１２と中指１３と薬指１４と小指１５の各基節リンクは、図示しない取付けネジにて平行リンク機構出力軸６７に締結されている。すなわち、第二モータ６３を駆動することにより、人差指の基節リンク１２ａ、中指の基節リンク１３ａ、薬指の基節リンク１４ａおよび小指の基節リンク１５ａを同時に屈曲および伸展動作させることが可能な構成になっている。
【００３３】
また、親指１１以外の四指のＰＩＰ関節軸２３とＤＩＰ関節軸２４とは、例えば特許第３０８６４５２号にて開示されたワイヤ式の伝動機構の如き図示しない伝動機構により、ＭＰ関節軸２２と連動して同方向に回転するように構成されている。すなわち、第二モータ６３を駆動することにより、四指を同時に屈曲および伸展動作させることが可能な構成になっている。なお、第二モータ６３により四指を同時に屈曲および伸展動作させることが可能な構成は例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものでない。
【００３４】
図４は、上記第一実施例のロボットハンドが対象物を把持している状態の甲側から見た斜視図、図５（ａ）は、上記第一実施例のロボットハンドが対象物を把持している状態の親指側から見た側面図および部分断面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）中の点線で囲った部分の拡大図である。図４，５中、図１から図３におけると同じ符号については同じ部材を示している。すなわち、図４および図５において、５１は衝撃力吸収機構、７１は力センサ検出座標原点、７２は対象物、７３は対象物重心位置を示す。
【００３５】
これらの図に示すように、力センサ４２の一方の取付け面（図５では上向の面）は、ハンド基部２の内側で手首連結フレーム４１に互いの相対位置が崩れないように手首側力センサ取付けネジ５７を用いてネジ締結されている。力センサ４２の他方の取付け面（図５では下向の面）は、衝撃力吸収機構５１を介してハンド基部２に結合されている。一般的に、市販されている力センサは、取付け面の法線方向が他の方向に比べ同等もしくはより大きな荷重を測定できる特性を有しており、また、ロボット基部２に作用する力も、厚み方向の荷重が他の方向の荷重よりも大きく作用するケースが多いことから、この第一実施例のロボットハンド１においては、力センサ４２の取付け面の法線がハンド基部２の厚み方向を向くように配置している。このように力センサ４２を配置することにより、ハンド基部２の厚み方向に作用する大きな負荷を検出することが可能になり、例えば、掌でテーブルにハンド１を押し付けようなるケースにおいてハンド１にかかる大きな力を検出することが可能になる。
【００３６】
衝撃力吸収機構５１は、基台プレート５２、スペーサ５３（５３ａ，５３ｂ，５３ｃ）、ハンド側弾性体５４（５４ａ，５４ｂ，５４ｃ）、力センサ側弾性体５５（５５ａ，５５ｂ，５５ｃ）およびハンド側力センサ取付けネジ５６（５６ａ，５６ｂ，５６ｃ）により、スポット溶接ガンを浮動支持する一般的なイコライジング機構のように構成されている。すなわち、基台プレート５２にはスペーサ５３の外径と同じ径の穴が設けられており、その穴にスペーサ５３を通し、スペーサ５３と力センサ４２は互いの相対位置が崩れないようにハンド側力センサ取付けネジ５６を用いて互いにネジ締結されている。なお、基台プレート５２にスペーサ５３の外径と同じ径の穴を設けたが、これは例示にすぎず特許請求の範囲を限定するものでなく、基台プレート５２にハンド側力センサ取付けネジ５６を通す穴を設け、力センサ４２とスペーサ５３で基台プレート５２を挟み、力センサ４２と基台プレート５２とスペーサ５３を互いの相対位置が崩れないようにハンド側力センサ取付けネジ５６を用いてネジ締結をしても良い。
【００３７】
また、ハンド側力センサ取付けネジ５６のネジ頭側のスペーサ５３の端部には、ハンド側弾性体５４の内径と実質的に同じ外径のフランジ形状を有する部位が設けられていて、ハンド側弾性体５４の一端部（図５では下端部）とスペーサ５３との相対位置が崩れないようになっている。またスペーサ５３は力センサ４２にハンド側力センサ取付けネジ５６でネジ締結されており、その結果、ハンド側弾性体５４の一端部と力センサ４２との相対位置が崩れないようになっている。
【００３８】
加えて、基台プレート５２には力センサ側弾性体５５の外径と同じ径を有する窪みが設けられていて、力センサ側弾性体５５の一端部（図５では上端部）と基台プレート５２との相対位置が崩れないようになっている。また基台プレート５２と力センサ４２は、その互いの相対位置が崩れないように組み立てられており、その結果、力センサ側弾性体５５の一端部と力センサ４２との相対位置が崩れないようになっている。
【００３９】
ハンド側弾性体５４の他端部（図５では上端部）は、ハンド基部２の掌側フレーム４３に設けた、ハンド側弾性体５４の外径と実質的に同じ内径の窪みで固定している。更に、力センサ側弾性体５５の他端部（図５では下端部）も、同じくハンド基部２の掌側フレーム４３に設けた、力センサ側弾性体５５の外径と実質的に同じ内径の窪みで固定している。その結果、ハンド側弾性体５４の他端部と力センサ側弾性体５５の他端部とハンド基部２の掌側フレーム４３との相対位置が崩れないように配置している。
【００４０】
すなわち、衝撃力吸収機構５１は、ハンド基部２の掌側フレーム４３に対し力センサ４２から遠い側であるハンド側に位置するハンド側弾性体５４と、ハンド基部２の掌側フレーム４３に対し力センサ４２に近い側である力センサ側に位置する力センサ側弾性体５５とを備え、ハンド側弾性体５４の一端部（図５では下端部）と力センサ側弾性体５５の一端部（図５では上端部）と力センサ４２との相対位置が崩れないように配置するとともに、ハンド側弾性体５４の他端部（図５では上端部）と力センサ側弾性体５５の他端部（図５では下端部）とハンド基部２の掌側フレーム４３との相対位置が崩れないように配置している。
【００４１】
衝撃力吸収機構５１をこのように構成することにより、ハンド基部２に力が作用した際に、ハンド基部２と力センサ４２の相対位置の変化のみならず相対姿勢の変化も可能であり、ハンド基部２に作用する並進方向の衝撃力と回転方向の衝撃モーメントとを緩和することが可能である。これにより、ロボットハンド１が環境や対象物や人間と接触した際に発生する衝撃力を吸収し、接触時のロボットハンド１自体の破損を抑制するとともに、環境や対象物の破損も抑制し、人間に与える衝撃力も緩和することができる。
【００４２】
また、衝撃力吸収機構５１の弾性体として、ハンド側弾性体５４と力センサ側弾性体５５とをそれぞれ位置決めして配置する構成により、無負荷時のハンド側弾性体５４の伸縮位置と無負荷時の力センサ側弾性体５５の伸縮位置とが同一軸線上に位置しないように、ハンド側弾性体５４と力センサ側弾性体５５とを力センサ４２の取付け面の中心軸線に対し互いに周方向にずらして配置することが可能になる。その結果、衝撃力吸収機構５１のハンドの厚み方向の寸法を抑えることができ、ロボットハンド１で人間の手に近いプロポーションを実現することが容易になる。
【００４３】
また、この第一実施例のロボットハンド１においては、図５に示す如く、力センサ４２の力センサ検出座標原点７１がハンド基部２の掌側フレーム４３の掌側表面の近くにくるように力センサ４２を配置している。より具体的には、力センサ４２の力センサ検出座標原点７１からハンド基部２の掌側フレーム４３の掌側表面までの距離が、力検出座標原点７１からハンド基部２の甲側フレーム４５の甲側表面までの距離よりも短くなるように力センサ４２が配置されている。このように力センサ検出座標原点７１が掌側表面側にくるように力センサ４２を配置したことにより、力センサ４２に掌側表面から加わる力によるモーメントが小さくなり、力センサ４２として許容モーメントが小さい力センサを採用することが可能になる。許容モーメントが小さい力センサは、その体積も小さくなることから、人間の手に近いプロポーションのロボットハンド１を実現することが容易になる。
【００４４】
図６（ａ）および（ｂ）は、この発明の第二実施例のロボットハンドの全体構造を示す甲側から見た斜視図および掌側から見た斜視図であり、図６において、符号３１は第一突起、３２は第二突起、３３は第三突起、３４は平原を示す。平原３４は、掌側フレーム４３の体表面側で、第一突起３１と第二突起３２と第三突起３３とが先端で一緒に画成する１平面よりもハンド内部側に来る略平面形状部位を示している。図６中、図１から図５におけると同じ符号については同じ部材を示している。
【００４５】
本発明の第一実施例と第二実施例との第一の相違点は、第二実施例のロボットハンド１の掌側フレーム４３にはハンド外部側に突出するとともに互いに離間して先端で一緒に１平面を画成する複数の突起として、第一突起３１と第二突起３２と第三突起３３とが設けられていることである。また、第二の相違点は、第二実施例のロボットハンド１においては、ハンド基部２の掌側フレーム４３に穴あるいは切欠き部を設けて、手首連結フレーム４１の、ロボットアームの先端部（例えばロボットアームの手首関節）に結合する側の端部とは反対側の端部をその掌側フレーム４３の穴あるいは切欠き部に挿通し、掌側フレーム４３の掌側表面にある平原３４から突出させていることである。その他の構成、例えば各指の駆動機構や衝撃力吸収機構５１の構成などは、第一実施例と同様であるので詳述は省略する。
【００４６】
図６に示す第二実施例のロボットハンド１においても、第一実施例と同様に、ハンド基部２は、掌側フレーム４３と甲側フレーム４５とを有し、それらを互いに結合することにより、略薄型直方体形状を有すると共に、中空構造とされている。また、図６に示すロボットハンド１でも、ハンド基部２は甲側サブフレーム４４も有し、甲側サブフレーム４４は、掌側フレーム４３と甲側フレーム４５との間にに挟まれてそれらに結合されている。そしてハンド基部２には、親指１１、人差指１２、中指１３、薬指１４、小指１５が作動する際にハンド基部２との干渉を避けるための穴が設けられている。また、ハンド基部２には、ロボットハンド１をロボットアームの先端部（例えばロボットアームの手首関節）に結合するための手首連結フレーム４１の一端部がハンド基部２から突出するような穴が設けられるとともに、手首連結フレーム４１の他端部がハンド基部２の掌側フレーム４３の掌側表面にある平原３４から突出するような穴あるいは切欠き部も設けられている。
【００４７】
また、図６ではハンド基部２により隠れているが、後述する図１０に示すように、力センサ４２がハンド基部２に内包されるように配置され、力センサ４１の一方の取付け面は手首連結フレーム４１に結合されており、力センサ４１の他方の取付け面は図６ではハンド基部２により隠れた部位でハンド基部２の甲側サブフレーム４４に結合されている。加えて、図１ではハンド基部２により隠れている親指１１、人差指１２、中指１３、薬指１４、小指１５の駆動機構も、後述する図２および図３に示すように、ハンド基部２に内包されている。
【００４８】
ロボットハンド１ならびにハンド基部２をこのように構成することにより、ロボットハンド１の外観部分は、ハンド基部２、親指１１、人差指１２、中指１３、薬指１４、小指１５および、ロボット基部２から突出した手首連結フレーム４１の両端部（ロボットアームの先端部（例えばロボットアームの手首関節）に結合する一端部と、掌側フレーム４３から突出する他端部）のみになる。手首連結フレーム４１はロボットアームの先端部に結合されているため、ハンド基部２に内包した力センサ４２により、ハンド基部２に作用する力および、親指１１もしくは人差指１２もしくは中指１３もしくは薬指１４もしくは小指１５に作用する力を検出することが可能になる。すなわち、ロボットハンド１の多くの部位、具体的にはハンド基部２の掌側フレーム４３の掌側表面にある平原３４の穴から突出している手首連結フレーム４１の上記他端部以外の部位に作用する力を検出することが可能となる。
【００４９】
図７は、上記第二実施例のロボットハンドの構造を示す、甲側から見た分解斜視図、図８は、上記第二実施例のロボットハンドの構造を示す、掌側から見た分解斜視図である。また、図９は、上記第二実施例のロボットハンドが対象物を把持している状態の甲側から見た斜視図、図１０（ａ）は、上記第二実施例のロボットハンドが対象物を把持している状態の親指側から見た側面図ならびに部分断面図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）中の点線で囲った部分の拡大図である。そして、図１１は、上記第二実施例のロボットハンドが環境に手を着いている状態の甲側から見た傾斜図、図１２は、上記第二実施例のロボットハンドが環境に手を着いている状態の親指側から見た断面図であり、これらの図中、図１から図６におけると同じ符号については同じ部材を示している。
【００５０】
これらの図に示すように、力センサ４２の一方の取付け面（図１０では下向きの面）は、手首連結フレーム４１に互いの相対位置が崩れないように手首側力センサ取付けネジ５７を用いてネジ締結されている。力センサ４２の他方の取付け面（図１０では上向きの面）は、衝撃力吸収機構５１を介してハンド基部２の甲側フレーム４４に結合されている。一般的に、市販されている力センサは、取付け面の法線方向が他の方向に比べ同等もしくはより大きな荷重を測定できる特性を有しており、また、ロボット基部２に作用する力も、厚み方向の荷重が他の方向の荷重よりも大きく作用するケースが多いことから、この第二実施例のロボットハンド１においても、力センサ４２の取付け面の法線がハンド基部２の厚み方向を向くように配置している。このように力センサ４２を配置することにより、ハンド基部２の厚み方向に作用する大きな負荷を検出することが可能になる。
【００５１】
なお、先の第一実施例およびこの第二実施例のロボットハンド１においては、手首連結フレーム４１に結合される力センサ４２の一方の取付け面の法線の向きと、衝撃力吸収機構５１を介してハンド基部２に結合される力センサの他の取付け面の法線の向きが、互いに同じ方向であるハンド基部２の厚み方向を向いているが、これは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものでなく、例えば、手首連結フレーム４１に結合される力センサ４２の一方の取付け面の法線の向きは、衝撃力吸収機構５１を介してハンド基部２に結合される力センサの他の取付け面の法線の向きに対して交差する方向を向いていても良い。
【００５２】
また、第二実施例のロボットハンド１においては、ハンド基部２の掌側フレーム４３の掌側表面にある平原３４から突出している手首連結フレーム４１の端部が、掌側フレーム４３のハンド外部側に設けた第一突起３１と第二突起３２と第三指突起３３とが先端で画成する平面よりもハンド内部側にくるように構成している。このような構成により、図１１および図１２に示すように、掌でテーブルにハンド１を押し付けようなるケースにおいてハンド１にかかる大きな力を検出することが可能になる。ここで、第一突起３１と第二突起３２と第三指突起３３との三個の突起に代えて、先端で一緒に平面を画成する複数の突起として、四個以上の突起あるいは二本以上の突条を設けてもよく、あるいは突条と突起とを組み合わせて設けても良い。
【００５３】
また、この第二実施例のロボットハンド１においても、第一実施例の衝撃吸収機構５１と同じ構成の衝撃吸収機構５１を設けているため、ハンド基部２に力が作用した際に、ハンド基部２と力センサ４２との相対位置の変化のみならず相対姿勢の変化も可能であり、ハンド基部２に作用する並進方向の衝撃力と回転方向の衝撃モーメントとを緩和することが可能である。これにより、ロボットハンドが環境や対象物や人間と接触した際に発生する衝撃力を吸収し、接触時のロボットハンド自身の破損を抑制するとともに、環境や対象物の破損も抑制し、人間に与える衝撃力も緩和することができる。
【００５４】
また、衝撃力吸収機構５１に用いる弾性体として、ハンド側弾性体５４と力センサ側弾性体５５とをそれぞれ位置決めして配置する構成により、無負荷時のハンド側弾性体５４の伸縮位置と無負荷時の力センサ側弾性体５５の伸縮位置とが同一軸線上に位置しないようにハンド側弾性体５４と力センサ側弾性体５５とを力センサ４２の取付け面の中心軸線に対し互いに周方向にずらして配置することが可能になる。その結果、衝撃力吸収機構５１のハンドの厚み方向の寸法を抑えることができ、人間の手に近いプロポーションのロボットハンド１を実現することが容易になる。
【００５５】
さらに、この第二実施例のロボットハンド１においても、図１０に示す如く、力センサ４２の力センサ検出座標原点７１がハンド基部２の掌側フレーム４３の掌側表面の近くにくるように力センサ４２を配置している。より具体的には、力センサ４２の力センサ検出座標原点７１からハンド基部２の掌側フレーム４３の掌側表面までの距離が、力検出座標原点７１からハンド基部２の甲側フレーム４５の甲側表面までの距離よりも短くなるように力センサ４２が配置されている。このように力センサ検出座標原点７１が掌側表面側にくるように力センサ４２を配置したことにより、力センサ４２に掌側表面から加わる力によるモーメントが小さくなり、力センサ４２として許容モーメントが小さい力センサを採用することも可能になる。許容モーメントが小さい力センサは、その体積も小さくなることから、人間の手に近いプロポーションのロボットハンド１を実現することが容易になる。
【００５６】
加えて、この第二実施例のロボットハンド１においては、図１０に示すように、対象物７２を把持する際、ロボット基部２もしくはそこに設けた指１１〜１５と、ハンド基部２の掌側フレーム４３の掌側表面にある平原３４から突出している手首連結フレーム４１の端部とで対象物７２を把持することにより、それらの指１１〜１５と、第一突起３１と第二突起３２と第三突起３３とを除いた掌側フレーム４３よりもハンド外部側に突出する手首連結フレーム４１の端部とで対象物７２と接触するため、その把持の際の把持力を力センサ４２で検出することができる。
【００５７】
以上、本発明の具体例を図面に基づき詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形し、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は単独で、あるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載された組み合わせに限定させるものではない。さらに、本明細書または図面に例示した技術は、複数の目的を同時に達成するが、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
かくして本発明のロボットハンドによれば、一方の取付け面と他方の取付け面とを有して少なくとも１軸の並進力もしくはトルクを検出する力センサを、ハンドの掌側に位置するフレームである掌側フレームと、その掌側フレームに結合されるとともにハンドの甲側に位置するフレームである甲側フレームとを有するハンド基部に内包し、その力センサの一方の取付け面を、ロボットアームの先端部に結合される手首連結フレームに結合するとともに、他方の取付け面をハンド基部に結合しているため、人間が接触する可能性のあるハンドの多くの部位で力を検出することが可能になり、特に、ハンド基部の全ての部位およびそのハンド基部に結合された少なくとも１本の指に対して加わる力を力センサで検出することが可能になる。
【００５９】
加えて、本発明のロボットハンドによれば、力センサを、ハンド基部に内包していることにより、力センサの力検出座標原点を対象物の重心位置に近づけることができるため、許容モーメント荷重が小さい力センサを採用することが可能になる。許容モーメント荷重が小さい力センサは、その体積も小さくなることから、人間の手に近いプロポーションのロボットハンドを実現することが容易になる。
【符号の説明】
【００６０】
１  ロボットハンド
２  ハンド基部
１１  親指
１２  人差指
１２ａ  人差指の基節リンク
１２ｂ  人差指の中節リンク
１２ｃ  人差指の末節リンク
１３  中指
１３ａ  中指の基節リンク
１３ｂ  中指の中節リンク
１３ｃ  中指の末節リンク
１４  薬指
１４ａ  薬指の基節リンク
１４ｂ  薬指の中節リンク
１４ｃ  薬指の末節リンク
１５  小指
１５ａ  小指の基節リンク
１５ｂ  小指の中節リンク
１５ｃ  小指の末節リンク
２１  親指関節軸
２２  ＭＰ関節軸
２３  ＰＩＰ関節軸
２４  ＤＩＰ関節軸
３１  第一突起
３２  第二突起
３３  第三突起
３４  平原
４１  手首連結フレーム
４２  力センサ
４３  掌側フレーム
４４  甲側サブフレーム
４５  甲側フレーム
５１  衝撃力吸収機構
５２  基台プレート
５３，５３ａ，５３ｂ，５３ｃ  スペーサ
５４，５４ａ，５４ｂ，５４ｃ  ハンド側弾性体
５５，５５ａ，５５ｂ，５５ｃ  力センサ側弾性体
５６，５６ａ，５６ｂ，５６ｃ  ハンド側力センサ取付けネジ
５７，５７ａ，５７ｂ，５７ｃ  手首側力センサ取付けネジ
５８  凸ガイド
５９  凹ガイド
６１  第一モータ
６２  第一精密減速装置
６３  第二モータ
６４  第二精密減速装置
６５  ベルト式伝動機構
６６  平行リンク機構
６７  平行リンク機構出力軸
７１  力センサ検出座標原点
７２  対象物
７３  対象物重心位置
７４  環境
【図１】
2015047680.tif 000003
【図２】
2015047680.tif 000004
【図３】
2015047680.tif 000005
【図４】
2015047680.tif 000006
【図５】
2015047680.tif 000007
【図６】
2015047680.tif 000008
【図７】
2015047680.tif 000009
【図８】
2015047680.tif 000010
【図９】
2015047680.tif 000011
【図１０】
2015047680.tif 000012
【図１１】
2015047680.tif 000013
【図１２】
2015047680.tif 000014