(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも掌、中手、基節を備えるとともに、掌と中手の接合部に手根中手関節と、中手と基節の接合部に中手指節関節を供えたロボットハンドの指構造において、前記手根中手関節の軸と前記中手指節関節の軸が１点で直交するとともに、前記掌には、前記手根中手関節を駆動するための第一アクチュエータと第一駆動機構を備え、前記基節には、前記中手指節関節を駆動するための第二アクチュエータと第二駆動機構を備え、前記第一駆動機構は、前記第一アクチュエータの出力をハーモニック減速装置又は遊星歯車減速装置からなる高減速手段を備えた第一減速装置で減速した後、リンク機構を介して第一減速装置の出力を中手に伝達することにより、前記手根中手関節を駆動するように構成するとともに、前記第二駆動機構は、前記第二アクチュエータの出力をハーモニック減速装置又は遊星歯車減速装置からなる高減速手段を備えた第二減速装置で減速した後、第二減速装置の出力を中手に接合することにより、前記中手指節関節を駆動するように構成することを特徴とするロボットハンドの指構造。
【請求項２】
前記手根中手関節の関節可動範囲が、前記中手指節関節の関節可動範囲よりも広いことを特徴とする請求項１に記載のロボットハンドの指構造。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のロボットハンドの指構造を、少なくとも一指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】
本発明は、ロボットハンドに関するものであり、特に指先の位置と力を高精度に制御可能であるとともに、対象物を器用に操ることを必要とする場合などに好適に利用できるロボットハンドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ロボットハンドは、ロボットアームに比べ、空間スペースが非常に限られている。そのため、限られた空間スペースを有効に活用した種々のロボットハンドが発明されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、アクチュエータをロボットハンドの指構造から離間した腕部に設け、アクチュエータをワイヤーを介してロボットハンドの指構造のリンクに接続することにより、関節を駆動している。
ワイヤーを用いた駆動方式は、ロボットハンドの小型化に非常に有効な手法であるものの、駆動するためにワイヤーを引っ張る際、ワイヤーが伸び縮みをするため、指先の位置や力を高精度に制御することが難しい問題があった。また、ワイヤーの伸び縮みにより、頻繁なメインテナンスが必要であるばかりか、ワイヤーの取り回しが複雑であるために、メインテナンス性が悪い問題もあった。
【０００４】
非特許文献１では、各リンクにアクチュエータと減速機構を備え、減速機構の出力を隣のリンクに接続することによりロボットハンドの指構造を構成している。
しかしながら、シリアル的にリンクを接続するために、指の根元部の２つの関節の軸を直交するができず、このため、人間の指と類似した運動が困難である問題があった。
【０００５】
また、これらの問題を解決するため、非ワイヤー駆動でありながら、指の根元の２つの関節の軸が１点で直交するロボットハンドが、例えば、特許文献２や特許文献３に記載のように知られている。
【特許文献１】特開昭６０−２０７７９５号公報
【非特許文献１】日本ロボット学会誌、第１９巻、第一号、pp.8-15
【特許文献２】特許第３２４５０９５号公報
【特許文献３】特開２００５−０６６８０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２や特許文献３では、指の根元部の２つの関節を駆動するアクチュエータを掌に配置するとともに、傘歯車を用いた差動機構により指の根元部の２つの関節の軸を直交させている。これにより、人間の指と類似した運動が可能になっている。
【０００７】
しかしながら、特許文献２や特許文献３に記載されているロボットハンドでは、差動機構のバックラッシュやガタにより、指先の位置や力を高精度に制御することが難しい問題があった。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、人間の指と類似した運動を可能にするために、指の根元の２つの関節の軸が１点で直交するロボットハンドを構築すると同時に、指先の位置と力を高精度に制御可能にするとともに、対象物を器用に操ることを可能にするため、バックラッシュやガタの少ないロボットハンドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明の第一の解決手段は、掌と中手の接合部に手根中手関節と、中手と基節の接合部に中手指節関節を供えたロボットハンドの指構造において、掌には、手根中手関節を駆動するための第一アクチュエータと第一駆動機構を備え、基節には、中手指節関節を駆動するための第二アクチュエータと第二駆動機構を備え、第一駆動機構は、第一アクチュエータの出力をハーモニック減速装置又は遊星歯車減速装置等からなる高減速比を達成する手段（本明細書においてはハーモニック減速装置又は遊星歯車減速装置等からなる高減速比を達成する手段を「高減速手段」という。以下同じ。）を備えた第一減速装置で減速した後、リンク機構を介して第一減速装置の出力を中手に伝達することにより、手根中手関節を駆動するように構成するとともに、第二駆動機構は、第二アクチュエータの出力を高減速手段を備えた第二減速装置で減速した後、第二減速装置の出力を中手に接合することにより、中手指節関節を駆動するように構成している。
【００１０】
このような本発明の第一の解決手段によれば、２つのアクチュエータと２つの駆動機構をそれぞれ掌と基節に配置したことにより、ロボットハンドの指構造のように限られた空間（掌内部の空間に限らず基節内部の空間）を有効活用し、ロボットハンドの小型化が実現される。また、２つのアクチュエータと２つの駆動機構をそれぞれ掌と基節に配置したことにより、中手も小型化でき、加えて第一機構の出力をリンクアームを介して中手に伝達しているため、コンパクトでありながら、手根中手関節の軸と中手指節関節の軸が１点で直交する駆動機構が実現される。更に、高減速手段を備え第一機構の出力をリンク機構を介して中手に伝達すると同時に、高減速手段を備え第二機構の出力を直接、中手に接合することにより、バックラッシュやガタの少ない関節が実現される。
【００１１】
本発明の第二の解決手段は、第一の解決手段に加え、前記手根中手関節の関節可動範囲が、前記中手指節関節の関節可動範囲よりも広くなるように構成している。
【００１２】
このような本発明の第二の解決手段によれば、手根中手関節の関節可動範囲を中手指節関節の関節可動範囲よりも広くなるように構成している。このように可動範囲に差を持たせると、可動範囲の狭い中手指節関節を駆動するための第二アクチュエータと第二駆動機構は、可動範囲の広い手根中手関節を駆動するための第一アクチュエータと第一駆動機構に比べ、小型なアクチュエータと駆動機構で対応が可能となる。すなわち、可動範囲の広い手根中手関節を駆動するための第一アクチュエータと第一駆動機構を基節内部の空間に比べ空間スペースに余裕がある掌に配置するとともに、可動範囲の狭い中手指節関節を駆動するための第二アクチュエータと第二駆動機構を、掌内部の空間に比べ空間スペースに余裕がない基節に配置することが可能になる。これにより、ロボットハンドの指構造のように限られた空間をより有効に活用できるとともに、ロボットハンドの小型化も実現される。
【００１３】
本発明の第三の解決手段は、ロボットハンドにおいて、第一の解決手段又は第二の解決手段に記載のロボットハンドの指構造を、少なくとも一指備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のロボットハンドの指構造によれば、指の根元の２つの関節の軸が１点で直交する小型なロボットハンドを構築することと、バックラッシュやガタの少ない小型なロボットハンドを構築することの両立が可能となる。これにより、特に空間スペースに余裕がないロボットハンドの指元関節に関しては、人間の指と類似した複雑な動作が可能であると同時に、指先の位置と力を高精度に制御も可能となる。また、本発明のロボットハンドの指構造を、少なくとも一指備えたロボットハンドにより、対象物を器用に操ることも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に係るロボットハンドの指構造及び該指構造を備えたロボットハンドの最良の形態を図面を参照して以下に説明する。
図１、図２、図３は、それぞれ本発明を一態様で実施するロボットハンドの指の構造を示す斜視図、背面図、側面図である。
【００１６】
図１、図２、図３において、１は指、１１は掌部、１２は中手、１３は基節、１４は中節、１５は末節、１６はリンクアーム、２１は手根中手関節、２２は中手指節関節、２３は近位指節間関節、２４は遠位指節間関節、３１は第一アクチュエータ、３２は第二アクチュエータ、４１は第一駆動機構、４２は第二駆動機構、５１は前記第一駆動機構４１を構成する平歯車、５２は前記第一駆動機構４１を構成するハーモニックドライブ（登録商標）減速装置、５３は前記第二駆動機構４２を構成する平歯車、５４は前記第二駆動機構４２を構成するハーモニックドライブ（登録商標）減速装置である。
また、２５は前記第一駆動機構４１の出力回転軸、２６は第一支軸、２７は第二支軸である。
なお、図１においては、より人間の指と類似した運動ができるように、中節１４、末節１５、近位指節間関節２３、遠位指節間関節２４を有する構成にしているが、基節１３と中節１４と末節１５を一体化した構造であっても、本発明は適用することができる。また、平歯車５１、５３の代わりにタイミングベルトであっても良く、さらに、ハーモニックドライブ（登録商標）減速装置５２、５４の代わりに高減速比を達成する手段であれば他の手段でも良く、例えば遊星歯車減速装置であっても良い。
【００１７】
掌１１と中手１２は、回転可能に結合され、手根中手関節２１を形成している。同様に、中手１２と基節１３は、回転可能に結合され、中手指先関節２２を形成している。リンクアーム１６は、平行リンク機構を形成するため２本設けられており、それぞれの一端部が第一駆動機構４１の出力軸に設けられた第一支軸２６を介して回転可能に軸支されるとともに、他端部が中節１２に設けられた第二支軸２７を介して回転可能に軸支されている。
【００１８】
掌１１には、第一アクチュエータ３１と第一駆動機構４１が配置されている。第一アクチュエータ３１の出力は、第一駆動機構４１を構成する平歯車５１を介して、第一駆動機構４１を構成するハーモニックドライブ（登録商標）減速装置５２の入力側の回転軸に伝達される。更に、ハーモニックドライブ（登録商標）減速装置５２の出力側の回転軸、すなわち第一駆動機構の出力回転軸２５に減速伝達された第一アクチュエータ３１の出力は、リンクアーム１６を介して、中節１２に伝達される。すなわち、第一アクチュエータ３１により、手根中手関節２１を制御可能な構成になっている。
【００１９】
図４は、第一アクチュエータ３１により、手根中手関節２１の関節角を、図３の姿勢から動かした状態を示している。
【００２０】
以上の説明の通り、第一アクチュエータ３１の出力は、第一駆動機構４１で減速されたのち、リンクアーム１６を介して、中節１２に伝達され、手根中手関節２１を制御可能な構成になっている。第一駆動機構４１の最終減速段を、高減速手段を備えた第一減速装置により減速しているため、仮に第一駆動機構４１を構成する平歯車５１にバックラッシュやガタが含まれていても、第一駆動機構４１の出力はバックラッシュやガタの少ない機構を構成することが可能になっている。すなわち、平歯車５１のバックラッシュやガタは、高減速手段で減速される際、減速比に比例して少なくなる。
【００２１】
また、バックラッシュやガタを抑えた第一駆動機構４１の出力を、リンクアーム１６と第一支軸２６と第二支軸２７のセットを２セット使用し、平行リンク機構により中節１２に伝達しているため、手根中手関節２１をバックラッシュやガタの少ない関節に構成することが可能になっている。
なお、図７及び図８に示すように、リンクアーム１６と第一支軸２６と第二支軸２７のセットを１セットのみ使用して、第一駆動機構４１の出力を中節１２に伝達をしても良い。その際、第一駆動機構４１の出力軸２５と第一支軸２６との間の距離を、手根中手関節２１の軸と第二支軸２７の間の距離に比べ短くなるように構成すると、よりバックラッシュやガタの少ない機構を構成することが可能である。
また、本明細書において、リンクアーム１６と第一支軸２６と第二支軸２７のセットを２セット使用した平行リンク機構及びリンクアーム１６と第一支軸２６と第二支軸２７のセットを１セットのみ使用した単一リンク機構を総称して「リンク機構」という。
【００２２】
基節１３には、第二アクチュエータ３２と第二駆動機構４２が配置されている。第二アクチュエータ３２の出力は、第二駆動機構４２を構成する平歯車５２を介して、第二駆動機構４２を構成するハーモニックドライブ（登録商標）減速装置５４の入力側の回転軸に伝達され、ハーモニックドライブ（登録商標）減速装置５４の出力側の回転軸、すなわち第二駆動機構の出力回転軸は、中節１２に接合されている。すなわち、第二アクチュエータ３２により、中手指節関節２２を制御可能な構成になっている。
【００２３】
図５は、第二アクチュエータ３２により、中手指節関節２２の関節角を、図２の姿勢から動かした状態を示している。
【００２４】
以上の説明の通り、第二アクチュエータ３２の出力は、第二駆動機構４２で減速されると同時に、第二駆動機構４２の出力軸は中節１２に接合され、中手指節関節２２を制御可能な構成になっている。第二駆動機構４２の最終減速段を、高減速手段を備えた第二減速装置により減速しているため、仮に第二駆動機構４２を構成する平歯車５２にバックラッシュやガタが含まれていても、第二駆動機構４２の出力はバックラッシュやガタの少ない機構を構成することが可能になっている。このような構成にしていることにより、中手指節関節２２をバックラッシュやガタの少ない関節に構成することが可能になっている。すなわち、平歯車５２のバックラッシュやガタは、高減速手段で減速される際、減速比に比例して少なくなる。
【００２５】
また、上記の通り、２つのアクチュエータと２つの駆動機構をそれぞれ掌と基節に配置したことにより、ロボットハンドの指構造のように限られた空間（掌内部の空間に限らず基節内部の空間）を有効活用することができ、ロボットハンドの小型化が実現可能になっている。同時に、２つのアクチュエータと２つの駆動機構をそれぞれ掌と基節に配置したことにより、中手も小型化でき、加えて第一機構の出力をリンク機構を介して中手に伝達しているため、コンパクトでありながら、手根中手関節の軸と中手指節関節の軸が１点で直交する駆動機構が実現可能となっている。
【００２６】
加えて、本発明では、図４と図５に示す通り、手根中手関節２１の関節可動範囲を中手指節関節２２の関節可動範囲よりも広くなるように構成している。このように可動範囲に差を持たせると、可動範囲の狭い中手指節関節２２を駆動するための第二アクチュエータ３２と第二駆動機構４２は、可動範囲の広い手根中手関節２１を駆動するための第一アクチュエータ３１と第一駆動機構４１に比べ、小型なアクチュエータと駆動機構で対応が可能となる。すなわち、可動範囲の広い手根中手関節２１を駆動するための第一アクチュエータ３１と第一駆動機構４１を基節１３内部の空間に比べ空間スペースに余裕がある掌１１に配置するとともに、可動範囲の狭い中手指節関節２２を駆動するための第二アクチュエータ３２と第二駆動機構４２を、掌１１内部の空間に比べ空間スペースに余裕がない基節１３に配置することが可能になる。これにより、ロボットハンドの指構造のように限られた空間をより有効に活用できるとともに、ロボットハンドをより小型化することが可能となる。
【００２７】
図６は、本発明のロボットハンドの指構造を備えたロボットハンドを示す斜視図である。
本発明のロボットハンドの指構造を、少なくとも一指備えたロボットハンドにより、対象物を器用に操ることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態に係るロボットハンドの指の構造を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るロボットハンドの指の構造を示す背面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るロボットハンドの指の構造を示す側面図である。
【図４】第一アクチュエータにより、手根中手関節の関節角を、図３の姿勢から動かした状態を示す側面図である。
【図５】第二アクチュエータにより、中手指節関節の関節角を、図２の姿勢から動かした状態を示す背面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係るロボットハンドの指構造を備えたロボットハンドを示す斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る単一リンク機構の一例を示す側面図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る単一リンク機構の他の例を示す側面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１      指
１１    掌部
１２    中手
１３    基節
１４    中節
１５    末節
１６    リンクアーム
２１    手根中手関節
２２    中手指節関節
２３    近位指節間関節
２４    遠位指節間関節
２５    第一駆動機構の出力回転軸
２６    第一支軸
２７    第二支軸
３１    第一アクチュエータ
３２    第二アクチュエータ
４１    第一駆動機構
４２    第二駆動機構
５１    平歯車
５２    ハーモニックドライブ（登録商標）減速装置
５３    平歯車
５４    ハーモニックドライブ（登録商標）減速装置
【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７】
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【図８】
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【図６】
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