(57)【要約】【課題】対象物のハンドリング性に優れたロボットハンドを提供する。【解決手段】振動アクチュエータＶにより回転子６を回転させて指部２を移動させ、指部２の互いに摩擦係数の異なる２つの物体接触面８及び９のうちの一方を対象物に接触させ、この状態で対象物をハンドリングする。振動アクチュエータＶにより指部２がその中心を通る回転軸Ｒの周りに１８０度回転するように回転子６を回転させて２つの物体接触面８及び９のうち他方の物体接触面を対象物に対向させ、さらに指部２を移動させてこの他方の物体接触面を対象物に接触させることにより、摩擦係数の異なる他方の物体接触面で対象物がハンドリングされる。【選択図】図１
2008221345.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、
前記基部に関節部を介して移動自在に支持された指部と、
前記関節部を通る回転軸を中心として前記指部を回転させる振動アクチュエータと
を備えたことを特徴とするロボットハンド。
【請求項２】
前記基部にそれぞれ対応する前記関節部を介して移動自在に支持された複数の前記指部と、
複数の前記指部に対応し且つそれぞれ対応する前記指部を回転させる複数の前記振動アクチュエータと
を備えた請求項１に記載のロボットハンド。
【請求項３】
前記指部は、互いに面特性の異なる複数の物体接触面を有し、
前記振動アクチュエータで前記指部を回転させることにより前記複数の物体接触面のうちの１つを選択して対象物に接触させる請求項１または２に記載のロボットハンド。
【請求項４】
前記物体接触面は、前記対象物に対する移動方向に応じて摩擦係数が変化する面である請求項３に記載のロボットハンド。
【請求項５】
前記指部に配置される工具を備え、
前記振動アクチュエータで前記指部を回転させることにより前記工具を回転させる請求項１または２に記載のロボットハンド。
【請求項６】
前記指部は、対象物と接する物体接触面を有し、
前記振動アクチュエータで前記指部を回転させることにより前記対象物に対する前記物体接触面の接触角度を調整する請求項１または２に記載のロボットハンド。
【請求項７】
自走式ロボットに用いられる請求項１〜６のいずれか一項に記載のロボットハンド。
【請求項８】
基部と、
前記基部に関節部を介して移動自在に支持された指部と、
前記関節部を通る回転軸を中心として前記指部を回転させる電動モータと
を備えたことを特徴とするロボットハンド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ロボットハンドに係り、特に関節部を介して指部が移動自在に支持されたロボットハンドに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットハンドにより対象物を把持して持ち上げるためには、ロボットハンドの物体接触面と対象物との間に摩擦力が必要となる。対象物を把持する把持力が小さすぎると、物体接触面と対象物との間の摩擦力も小さくなるため、対象物を持ち上げる際に、対象物がロボットハンドから滑り落ちるおそれがある。一方、把持力が大きくすぎると、摩擦力も大きくなるが、対象物が把持力により変形したり、押しつぶされるおそれが生じる。
そこで、特許文献１には、把持位置のずれを生じることなく重量及び摩擦係数が未知の対象物を把持して持ち上げる物体把持制御方法が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２５４８８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、剛性の高い対象物を把持する場合には、特許文献１のように把持力を制御することで対象物をハンドリングすることができるものと思われるが、脆い材質や柔軟な材質からなる剛性の低い対象物を把持したり、対象物に接触して対象物を操作するような動作においては、把持力よりも、対象物に接触するロボットハンドの指部の摩擦特性及び指部の動きがより重要となる。ところが、従来は、摩擦特性を変化させるためには、ロボットハンドの指先のパーツを交換したり、指先にキャップ等を装着しなければならなかった。また、従来のロボットハンドの指部は、屈伸動作しかできないため、対象物に対して所望の操作を行うことが困難な場合があった。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、対象物のハンドリング性に優れたロボットハンドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明に係る第１のロボットハンドは、基部と、基部に関節部を介して移動自在に支持された指部と、関節部を通る回転軸を中心として指部を回転させる振動アクチュエータとを備えたものである。
なお、基部にそれぞれ対応する関節部を介して移動自在に支持された複数の指部と、複数の指部に対応し且つそれぞれ対応する指部を回転させる複数の振動アクチュエータとを備えることもできる。
【０００６】
指部が互いに面特性の異なる複数の物体接触面を有し、振動アクチュエータで指部を回転させることにより複数の物体接触面のうちの１つを選択して対象物に接触させることもできる。この場合、対象物に対する移動方向に応じて摩擦係数が変化する面を物体接触面としてもよい。なお、この明細書において、「面特性」とは、摩擦係数の他、柔軟性、弾力性等、表面の各種の物性を含むものとする。
また、指部に配置される工具を備え、振動アクチュエータで指部を回転させることにより工具を回転させるように構成することもできる。
さらに、指部が対象物と接する物体接触面を有し、振動アクチュエータで指部を回転させることにより対象物に対する物体接触面の接触角度を調整してもよい。
この発明のロボットハンドは、自走式ロボットに用いることができる。
また、この発明に係る第２のロボットハンドは、基部と、基部に関節部を介して移動自在に支持された指部と、関節部を通る回転軸を中心として指部を回転させる電動モータとを備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、関節部を通る回転軸を中心として指部を回転させるので、ロボットハンドのハンドリング性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１
図１に、この発明の実施の形態１に係るロボットハンドを示す。基部１に駆動源となる振動アクチュエータＶを介して指部２が連結されている。振動アクチュエータＶは、基部１の上に配置された振動子３と、振動子３の上に配置され且つ振動子３に接する面とは反対側に凹部４が形成された固定子５と、固定子５の凹部４内にほぼ下半部が収容された略球体状の回転子６とを有している。回転子６に指部２が固定されており、指部２と固定子５とが可撓性の保持部材７で互いに移動自在に連結されている。そして、固定子５と回転子６と保持部材７により関節部Ｊが形成されている。
指部２の外周面には、このロボットハンドによってハンドリングしようとする対象物（図示せず）に接触する２つの物体接触面８及び９が互いに周方向に分離されて形成されている。
ここで、説明の便宜上、基部１から回転子６に向かってＺ軸が延び、Ｚ軸に対して垂直方向にＸ軸が、Ｚ軸及びＸ軸に対して垂直にＹ軸がそれぞれ延びているものとする。
【０００９】
図２に示されるように、２つの物体接触面８及び９は、それぞれ指部２の外周面に貼付され且つ互いに材質の異なるシート状部材１０及び１１の表面によって形成されており、互いに異なる摩擦係数を有している。
【００１０】
図３に示されるように、基部１と固定子５とが振動子３内に通された連結ボルト１２を介して互いに連結されている。
固定子５の凹部４は、回転子６の直径より小さな内径を有する小径部１３と、回転子６の直径より大きな内径を有する大径部１４とからなり、これら小径部１３及び大径部１４との境界部にＸＹ平面上に位置する環状の段差１５が形成されている。回転子６はこの凹部４内の段差１５に当接した状態で回転可能に支持されている。また、指部２と固定子５とを連結する保持部材７によって回転子６が固定子５の段差１５に対して加圧接触されている。なお、保持部材７は、指部２がその中心及び関節部Ｊを通る回転軸Ｒの周りに回転（自転）し得るように指部２の外周部に連結されている。
【００１１】
振動子３は、固定子５に超音波振動を発生させて回転子６をＸ、Ｙ、Ｚの３軸の回りにそれぞれ回転させるためのものであり、それぞれＸＹ平面上に位置し且つ互いに重ね合わされた平板状の第１〜第３の圧電素子部３１〜３３を有している。これら第１〜第３の圧電素子部３１〜３３がそれぞれ駆動回路１６に電気的に接続されている。
【００１２】
具体的には、図４に示されるように、第１の圧電素子部３１は、それぞれ円板形状を有する電極板３１ａ、圧電素子板３１ｂ、電極板３１ｃ、圧電素子板３１ｄ及び電極板３１ｅが順次重ね合わされた構造を有している。同様に、第２の圧電素子部３２は、それぞれ円板形状を有する電極板３２ａ、圧電素子板３２ｂ、電極板３２ｃ、圧電素子板３２ｄ及び電極板３２ｅが順次重ね合わされた構造を有し、第３の圧電素子部３３は、それぞれ円板形状を有する電極板３３ａ、圧電素子板３３ｂ、電極板３３ｃ、圧電素子板３３ｄ及び電極板３３ｅが順次重ね合わされた構造を有している。これらの圧電素子部３１〜３３が絶縁シート３４〜３７を介して固定子５及び基部１から、また互いに絶縁された状態で配置されている。
【００１３】
図５に示されるように、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄは、Ｙ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３１ｂと圧電素子板３１ｄは互いに裏返しに配置されている。
第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄは、２分割されることなく全体がＺ軸方向（厚み方向）に膨張あるいは収縮の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３２ｂと圧電素子板３２ｄは互いに裏返しに配置されている。
第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄは、Ｘ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３３ｂと圧電素子板３３ｄは互いに裏返しに配置されている。
【００１４】
第１の圧電素子部３１の両面部分に配置されている電極板３１ａ及び電極板３１ｅと、第２の圧電素子部３２の両面部分に配置されている電極板３２ａ及び電極板３２ｅと、第３の圧電素子部３３の両面部分に配置されている電極板３３ａ及び電極板３３ｅがそれぞれ電気的に接地されている。また、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄの間に配置されている電極板３１ｃと、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄの間に配置されている電極板３２ｃと、第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄの間に配置されている電極板３３ｃがそれぞれ駆動回路１６に電気的に接続されている。
【００１５】
次に、この実施の形態１に係るロボットハンドの動作について説明する。
振動子３に対して、第１の圧電素子部３１の電極板３１ｃに固定子５の固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄの２分割された部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、固定子５にＹ軸方向のたわみ振動を発生する。同様に、第２の圧電素子部３２の電極板３２ｃに交流電圧を印加すると、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄがＺ軸方向に膨張と収縮を繰り返し、固定子５にＺ軸方向の縦振動を発生する。さらに、第３の圧電素子部３３の電極板３３ｃに交流電圧を印加すると、第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄの２分割された部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、固定子５にＸ軸方向のたわみ振動を発生する。
【００１６】
そこで、例えば、駆動回路１６から第２の圧電素子部３２の電極板３２ｃと第３の圧電素子部３３の電極板３３ｃとの双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｘ軸方向のたわみ振動とＺ軸方向の縦振動とが組み合わされて回転子６と接触する固定子５の段差１５にＸＺ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介して回転子６がＹ軸回りに回転する。
同様に、駆動回路１６から第１の圧電素子部３１の電極板３１ｃと第２の圧電素子部３２の電極板３２ｃとの双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｙ軸方向のたわみ振動とＺ軸方向の縦振動とが組み合わされて回転子６と接触する固定子５の段差１５にＹＺ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介して回転子６がＸ軸回りに回転する。
さらに、駆動回路１６から第１の圧電素子部３１の電極板３１ｃと第３の圧電素子部３３の電極板３３ｃとの双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｘ軸方向のたわみ振動とＹ軸方向のたわみ振動とが組み合わされて回転子６と接触する固定子５の段差１５にＸＹ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介して回転子６がＺ軸回りに回転する。
【００１７】
このようにして振動子３を駆動することにより、回転子６がＸ、Ｙ、Ｚの３軸の回りにそれぞれ回転し、これに伴って指部２が移動する。ここで、指部２の物体接触面８及び９のうちの一方、例えば物体接触面８が図示しない対象物に対向しているものとし、指部２を移動させて、指部２の物体接触面８を対象物に接触させ、この状態で対象物をハンドリングする。これにより、物体接触面８を対象物に接触させたまま、さらに指部２を移動させることにより、対象物を移動させたり、あるいは、外力を受けて移動しようとする対象物を押さえ込んで保持することができる。
【００１８】
ここで、対象物の表面に接触する指部２の摩擦係数を変更したい場合には、指部２を対象物から離した状態で、駆動回路１６により振動子３を駆動し、指部２がその中心を通る回転軸Ｒの周りに１８０度回転するように回転子６を回転させる。これにより、今度は２つの物体接触面８及び９のうち他方の物体接触面９が対象物に対向するので、さらに指部２を移動させて、指部２の物体接触面９を対象物に接触させ、対象物をハンドリングする。このようにして、互いに摩擦係数の異なる２つの物体接触面８及び９のうちの１つを選択して対象物に接触させることができる。
摩擦係数を選択することができるので、より小さな力で対象物をハンドリングすることが可能となる。
【００１９】
なお、この実施の形態１では、指部２の外周面に互いに摩擦係数の異なる２つの物体接触面８及び９が形成されていたが、互いに摩擦係数の異なる３つ以上の物体接触面を指部２の外周面に周方向に分離して形成し、指部２を回転軸Ｒの周りに回転させることで、これらの物体接触面のうちの１つを選択することもできる。
また、実施の形態１における指部２の物体接触面８及び９は、互いに材質の異なるシート状部材１０及び１１を指部２の外周面に貼付することによって互いに異なる摩擦係数を有していたが、物体接触面８及び９の表面形状を互いに変えて摩擦係数を異ならせることもできる。例えば、物体接触面８及び９の双方に多数の凹凸を形成し、物体接触面８と９とで互いに凹凸のピッチ、深さ等を変えてもよい。
【００２０】
さらに、物体接触面に、図６に示されるように、非対称の断面を有する多数の凹凸１７を形成することもできる。この凹凸１７の断面の非対称性に起因して、図示しない対象物に対し、Ａの方向へ物体接触面が移動する際には、凹凸１７の多数の頂部が引っ掛かるために大きな摩擦力が発生し、逆にＢの方向へ物体接触面が移動する際には、凹凸１７の斜面部分で滑りが生じるために摩擦力は小さくなる。そこで、物体接触面８及び９に、互いに逆向きになるようにそれぞれ凹凸１７を形成すれば、指部２を回転軸Ｒの周りに回転させて物体接触面８及び９のうちの１つを選択することにより、対象物に対して指部２に同一の動きをさせたときの物体接触面の摩擦係数を変化させることが可能となる。
【００２１】
また、２つの物体接触面８及び９は、互いに摩擦係数が異なっていたが、これに限るものではなく、例えばスポンジ、ゴム等の材質を用いて互いに柔軟性あるいは弾力性が異なる複数の物体接触面を指部２の外周部に形成し、これら物体接触面のうちの１つを選択して対象物に接触させるようにしてもよい。ハンドリングしようとする対象物に適した面特性の物体接触面を選択することにより、対象物に損傷を与えることなくハンドリングを行うことが可能となる。
【００２２】
実施の形態２
図７に、この発明の実施の形態２に係るロボットハンドを示す。この実施の形態２は、図１に示した実施の形態１のロボットハンドにおいて、指部２の先端部に指部２の中心を通る回転軸Ｒに沿って突出形成された工具２１を備えたものである。
振動子３を駆動して指部２を回転軸Ｒの周りに回転させると、指部２と共に工具２１も回転軸Ｒの周りに回転する。したがって、指部２を移動させて工具２１の先端をネジ、ナット等に係合させた状態で、指部２を回転軸Ｒの周りに回転させることにより、ネジ、ナット等を操作することが可能となる。
【００２３】
工具２１としては、図７に示したようなドライバの他、レンチ等を用いることもできる。また、工具２１としてドリルの刃を用いれば、指部２を回転軸Ｒの周りに回転させることで、穿孔作業を行うこともできる。
また、工具２１は、指部２の先端部に固定されていてもよく、あるいは工具２１が固定されたアタッチメントを指部２の先端部に脱着可能に装着して用いてもよい。
人間の手のように手首と多肢を備えたロボットハンドの指部にこの実施の形態２を適用すれば、手首を回さなくても指部２の回転のみで工具２１を回転することができるので、手首を回すことができないような狭い場所においても、ネジ、ナット等の操作を行うことができる。
【００２４】
実施の形態３
図８に、この発明の実施の形態３に係るロボットハンドを示す。この実施の形態３は、図１に示した実施の形態１のロボットハンドにおいて、２つの物体接触面８及び９の代わりに、指部２の外周面の一部に１つの物体接触面２２が形成されたものである。
振動子３を駆動して指部２を回転軸Ｒの周りに回転させることで、対象物Ｐに対する物体接触面２２の接触角度を調整することができる。したがって、例えば曲面形状を有する対象物Ｐの表面に対してその法線方向から物体接触面２２を接触させることにより、最小限の力で対象物Ｐのハンドリングが可能となる。指先が屈曲しているような指部２でも、指部２を回転軸Ｒの周りに回転させることで、指先を対象物Ｐに接触させてハンドリングすることができる。
【００２５】
実施の形態４
図９に、この発明の実施の形態４に係るロボットハンドを示す。この実施の形態４は、図１に示した実施の形態１のロボットハンドを３本並べて多肢ハンドを構成したものである。ただし、３本のロボットハンドの基部は共通のものとした。すなわち、共通の基部２３にそれぞれ駆動源となる振動アクチュエータＶを介して３本の指部２が連結されている。３本の指部２は、それぞれ対応する振動アクチュエータＶにより独立して移動すると共にそれぞれの中心を通る回転軸Ｒの周りに回転する。
【００２６】
このような多肢ハンドを構成すれば、例えば図１０に示されるように、ドアノブ等の対象物Ｐの外周部に３本の指部２を接触させ、この状態で３本の指部２をそれぞれ回転軸Ｒの周りに回転させることにより、共通の基部２３を移動させなくても対象物Ｐを回転することができる。
また、各指部２が独立して回転するので、例えば３本の指部２のうち２本の指部２で対象物を把持した状態で、残る指部２により対象物を操る等の動作を行うことも可能となる。
なお、３本の指部２に限らず、２本あるいは４本以上の指部２を有する多肢ハンドを構成してもよい。
【００２７】
実施の形態５
図１１に、この発明の実施の形態５に係るロボットハンドを示す。この実施の形態５は、図１に示した実施の形態１のロボットハンドにおいて、指部２の代わりに回転子６に第１節２４、第２節２５及び第３節２６を順次直列に連結し、これら第１節２４、第２節２５及び第３節２６により指部を構成したものである。第１節２４と第２節２５は図示しない連結機構を介して互いに連結され、第２節２５と第３節２６も図示しない連結機構を介して互いに連結されており、回転子６の回転に応じて第１節２４、第２節２５及び第３節２６がそれぞれ所定の動きをするように構成されている。ただし、振動子３の駆動により回転子６を回転させて第１節２４をその中心を通る回転軸Ｒ１の周りに回転させると、第２節２５及び第３節２６も第１節２４と共に第１節２４の中心を通る回転軸Ｒ１の周りに回転する。
第１節２４、第２節２５及び第３節２６を移動させて、これら第１節２４、第２節２５及び第３節２６の少なくとも１つを図示しない対象物に接触させ、対象物をハンドリングすることができる。
【００２８】
また、振動子３の駆動により回転子６を回転させて第１節３１をその中心を通る回転軸Ｒ１の周りに回転させたときに、第２節２５及び第３節２６がそれぞれ自らの中心を通る回転軸Ｒ２及びＲ３の周りに回転するように構成することもできる。
【００２９】
なお、実施の形態５では、第１節２４、第２節２５及び第３節２６が回転子６の回転に応じて所定の動きをするように構成したが、第１節２４、第２節２５及び第３節２６に対してそれぞれ独立した振動アクチュエータ等の駆動源を配設し、第１節２４、第２節２５及び第３節２６をそれぞれ独立して移動させることも可能である。
また、この実施の形態５を実施の形態１〜４に適用して、それぞれ第１節２４、第２節２５及び第３節２６を有するロボットハンドを構成してもよい。
【００３０】
その他の実施の形態
上述した実施の形態１〜５のロボットハンドは、それぞれ自走式ロボットに搭載して使用することができる。
実施の形態１〜５においては、振動アクチュエータＶを駆動源として回転子６を回転させたが、電動モータによって回転子６を回転させ、指部２を回転させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の実施の形態１に係るロボットハンドを示す斜視図である。
【図２】実施の形態１に係るロボットハンドの指部の横断面図である。
【図３】実施の形態１で用いられた振動アクチュエータを示す断面図である。
【図４】実施の形態１で用いられた振動子の構成を示す部分断面図である。
【図５】実施の形態１で用いられた振動子の３対の圧電素子板の分極方向を示す斜視図である。
【図６】実施の形態１の変形例で用いられた指部の物体接触面の断面構造を示す断面図である。
【図７】実施の形態２に係るロボットハンドを示す斜視図である。
【図８】実施の形態３に係るロボットハンドを示す斜視図である。
【図９】実施の形態４に係るロボットハンドを示す斜視図である。
【図１０】実施の形態４に係るロボットハンドの指部を対象物に接触させた状態を示す正面図である。
【図１１】実施の形態５に係るロボットハンドを示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３２】
１，２３  基部、２  指部、３  振動子、４  凹部、５  固定子、６  回転子、７  保持部材、８，９，２２  物体接触面、１０，１１  シート状部材、１２  連結ボルト、１３  小径部、１４  大径部、１５  段差、１６  駆動回路、１７  凹凸、２１  工具、２４  第１節、２５  第２節、２６  第３節、Ｖ  振動アクチュエータ、Ｒ，Ｒ１〜Ｒ３  回転軸、Ｐ  対象物。
【図１】
2008221345.tif 000003
【図２】
2008221345.tif 000004
【図３】
2008221345.tif 000005
【図４】
2008221345.tif 000006
【図５】
2008221345.tif 000007
【図６】
2008221345.tif 000008
【図７】
2008221345.tif 000009
【図８】
2008221345.tif 000010
【図９】
2008221345.tif 000011
【図１０】
2008221345.tif 000012
【図１１】
2008221345.tif 000013