(57)【要約】Ｐｉｃｋｉｎｇ及びＰｌａｃｉｎｇにアクチュエータを用いないロボットハンドを提供すること。そのため、筒状の空間が形成されるシリンダボディと、シリンダボディの筒状の空間に配置される躯体ギア、重力ギア、躯体ギア及び重力ギアに組み合わされる状態ギアと、軸及びこの軸に固定される板とを有し状態ギアに接続される出力バーと、シリンダボディに回転可能に結合される複数のアームと、複数のアームと回転可能に結合される受動拘束ハンドと、を有するロボットハンドとする。
2007094517.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の空間が形成されるシリンダボディと、
該シリンダボディの筒状の空間に配置される躯体ギア、重力ギア、前記躯体ギア及び重力ギアに組み合わされる状態ギアと、
軸及び該軸に固定される板とを有し、前記状態ギアに接続される出力バーと、
前記シリンダボディに回転可能に結合される複数のアームと、
該複数のアームと回転可能に結合される受動拘束ハンドと、を有するロボットハンド。
【請求項２】
前記複数のアームの少なくとも一つは、前記出力バーの板の位置に応じて前記受動拘束ハンドの開閉状態を制御す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】
前記状態ギアは、軸と、該軸の周方向に配置される複数の歯とを有し、
前記躯体ギアは、前記状態ギアにおける複数の歯と組み合わされる深い溝及び浅い溝が形成される軸を有し、
前記重力ギアは、前記状態ギアにおける複数の歯と組み合わされる凹凸が形成される軸を有する、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４】
筒状の空間が形成されるシリンダボディと、
該シリンダボディの筒状の空間に配置される躯体ギア、重力ギア、前記躯体ギア及び重力ギアに組み合わされる状態ギアと、
軸及び該軸に固定される板とを有し、前記状態ギアに接続される出力バーと、を有するギアシステム。
【請求項５】
前記状態ギアは、軸と、該軸の周方向に配置される複数の歯とを有し、
前記躯体ギアは、前記状態ギアにおける複数の歯と組み合わされる深い溝及び浅い溝が形成される軸を有し、
前記重力ギアは、前記状態ギアにおける複数の歯と組み合わされる凹凸が形成される軸を有する、ことを特徴とする請求項４記載のギアシステム。
【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。
【背景技術】
【０００２】
近年，ロボットの作業環境が屋内から屋外へ拡大しつつあるが、性能だけでなくコストが深刻な問題となっており、ロボット工学の国際会議等においてもコストに関する研究が増加している。特に、農業分野はコストを重視せざるをえないという特徴がある。【０００３】
ロボット、特にロボットハンドに関する従来の技術として、例えば下記非特許文献１には、真空状態を生成する空圧アクチュエータと低コストで簡素な形状のグリッパを用いてＰｉｃｋｉｎｇとＰｌａｃｉｎｇを行う機構を有するロボットハンドに関する技術が開示されている。下記非特許文献２には、アクチュエータを用いずにＰｉｃｋｉｎｇを行う機構と、油圧シリンダを用いてＰｌａｃｉｎｇを行う機構を有するロボットハンドに関する技術が開示されている。下記非特許文献３には、アクチュエータを用いずにＰｉｃｋｉｎｇを行う機構と、ワイヤと小型ＤＣモータを用いてＰｌａｃｉｎｇを行う機構を有するロボットハンドに関する技術が開示されている。【０００４】
【非特許文献１】Ｓｅｔｉａｗａｎら、“Ａ  Ｌｏｗ  Ｃｏｓｔ  Ｇｒｉｐｐｅｒ  ｆｏｒ  ａｎ  ａｐｐｌｅ  ｐｉｃｋｉｎｇ  ｒｏｂｏｔ”、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ２００４  ＩＥＥＥ  ＩＣＲＡ、４４４８〜４４５３頁
【非特許文献２】Ｉｉｄａら、“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｗａｔｅｒｍｅｌｏｎ  ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  ｒｏｂｏｔ（ｉｉ）ｗａｔｅｒｍｅｌｏｎ  ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  ｇｒｉｐｐｅｒ”、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ｉｎ  Ｂｉｏｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  １９９５、Ｖｏｌ．２、１７〜２４頁
【非特許文献３】酒井ら、“Ｗａｔｅｒｍｅｌｏｎ  Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ  ｏｆ  Ａ  Ｈｅａｖｙ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｈａｎｄｌｉｎｇ  Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ  Ｒｏｂｏｔ  ｗｉｔｈ  ＬＱ  Ｃｏｎｔｒｏｌ”、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ２００２  ＩＥＥＥ／ＲＳＪ、７６９〜７７４頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記非特許文献１，上記非特許文献２と上記非特許文献３に記載された技術では、Ｐｌａｃｉｎｇにおいてアクチュエータを用いているため高額となる、配線が煩雑となる、耐久性が低くなる、メンテナンスにも高度な知識を要する、といった課題がある。【０００６】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、Ｐｉｃｋｉｎｇ及びＰｌａｃｉｎｇにアクチュエータを用いない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】
【０００７】
上記発明を解決するための一つの手段として、本ロボットハンドは、筒状の空間が形成されるシリンダボディと、シリンダボディの筒状の空間に配置される躯体ギア、重力ギア、躯体ギア及び重力ギアに組み合わされる状態ギアと、軸及びこの軸に固定される板とを有し状態ギアに接続される出力バーと、シリンダボディに回転可能に結合される複数のアームと、複数のアームと回転可能に結合される受動拘束ハンドと、を有することを特徴とする。【０００８】
また、この手段において、複数のアームの少なくとも一つは、出力バーの板の位置に応じて前記受動拘束ハンドの開閉状態を制御するも望ましく、また、状態ギアは、軸と、この軸の周方向に配置される複数の歯とを有し、躯体ギアは、状態ギアにおける複数の歯と組み合わされる深い溝及び浅い溝が形成される軸を有し、重力ギアは、状態ギアにおける複数の歯と組み合わされる凹凸が形成される軸を有する、ことも望ましい。【０００９】
上記発明を解決するための他の一つの手段として、筒状の空間が形成されるシリンダボディと、このシリンダボディの筒状の空間に配置される躯体ギア、重力ギア、躯体ギア及び重力ギアに組み合わされる状態ギアと、軸及び該軸に固定される板とを有し、前記状態ギアに接続される出力バーと、を有するギアシステムとする。【００１０】
なお、この手段において、限定されるわけではないが、状態ギアは、軸と、軸の周方向に配置される複数の歯とを有し、躯体ギアは、状態ギアにおける複数の歯と組み合わされる深い溝及び浅い溝が形成される軸を有し、重力ギアは、状態ギアにおける複数の歯と組み合わされる凹凸が形成される軸を有する、ことも好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
以上、本発明によりＰｉｃｋｉｎｇ及びＰｌａｃｉｎｇにアクチュエータを用いないロボットハンドを提供することできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。ただし、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施形態に限定されるものではない。なお、本明細書においては同一又は同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。【００１３】
図１は、本実施形態に係るロボットハンド（以下「本ロボットハンド」という。）の全体図を示す。図１に示すとおり、本ロボットハンド１は、シリンダボディ２と、このシリンダボディ２に内蔵される躯体ギア３、重力ギア４、状態ギア５及び出力バー６と、シリンダボディ２に接続される複数のアーム７と、この複数のアーム７に結合される受動拘束ハンド８と、を有して構成されている（なお、シリンダボディ２及びこれに内蔵される躯体ギア３、重力ギア４、状態ギア５及び出力バー６をギアシステムと呼ぶ）。【００１４】
シリンダボディ２は、上記複数のギアを格納するとともにロボットハンドを形成する主要な構成の一部である。シリンダボディ２には、シリンダとなる両端が開口した筒状の空間（以下単に「シリンダ部」という。）が設けられており、このシリンダ部に上記躯体ギア３、重力ギア４、状態ギア５及び出力バーが格納されている。【００１５】
図２にシリンダボディ２におけるシリンダ部近傍及び躯体ギア３の図（図２（Ａ）は上面図、図２（Ｂ）は側面図、図２（Ｃ）は下面図）を示す。躯体ギア３は、後述の状態ギア５と組み合わされるギアであって、円筒状にくり抜かれた空間を有し、かつ、深い溝部３１と浅い溝部３２を円周方向に周期的に形成している。また、躯体ギア３は、シリンダボディ２のシリンダ部に固定され、状態ギア５の歯の位置に応じて出力バー６の位置を垂直方向に上下させる。また、躯体ギア３は、重力ギアを拘束する機能も有している。このギアの材質としては、応力による大きな変形を起こさない限り特段に制限はないが、例えば鉄、アルミニウム等の金属又は合金を使用することができる。【００１６】
重力ギア４は、躯体ギア３と同様、状態ギア５と組み合わされるギアである。より具体的には、躯体ギア３との組み合わせが解除された直後の状態ギア５と噛み合い、状態ギア５を周方向に回転させる。そのため重力ギア４は、図３（図３（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は下面図である。）が示すとおり、下端部に山型の凹凸が形成された軸４１を有して構成されており、重力ギア４には状態ギア５と軸方向を一致させる必要から、ギアの軸４１の中央近傍に状態ギアの軸の一部と組み合わされるための空間が形成されている。なお重力ギア４は、シリンダボディ２におけるシリンダ部２の躯体ギア３の空間内に配置され、例えば軸４１に形成されたキー４３を使用して例えば躯体ギア３と嵌合させて固定される。また、本実施形態に係る重力ギア４の軸には、シリンダボディ２外部に天板４２が配置されている。なお重力ギア４の材質についても、上記躯体ギア３と同様、応力による大変形を起こさない限りにおいて特段に制限はなく、例えば鉄、アルミニウム等の金属又は合金を使用することができる。【００１７】
状態ギア５は、躯体ギアと重力ギアと交互に噛み合いながら回転及び上下に振動し、その回転角度に応じてＰｉｃｋｉｎｇかＰｌａｃｉｎｇかの状態を決定するものである。本実施形態に係る状態ギア５の構造を図４に示す。図４（Ａ）は上面図を、（Ｂ）は側面図を、（Ｃ）は下面図である。図４で示すとおり状態ギア５は、円盤５１と、この円板５１上に配置された軸５２と、この軸の周方向に配置される先端が傾いた複数の歯５３と、を有して構成されている。なおこの複数の歯は、周方向に均等な間隔で配置されていることが好ましく、また歯の数としては安定性の観点から３であることが好ましいがこれに限定はされない。また、この材質についても、上記と同様、応力による大変形を起こさない限りにおいて特段に制限はなく、例えば鉄、アルミニウム等の金属又は合金を使用することができる。【００１８】
出力バー６は、状態ギア５に固定され、状態ギア５の回転及び振動に応じて上下に変位し、その変位の量で受動拘束ハンドの開閉を決定するものである。出力バー６は、軸６１と、この軸６の下に固定される板６２と、を有して構成されている。出力バー６２は上下することにより、結合リンク７の下アーム７２を押し下げ又は開放し、受動拘束ハンド８を開閉することができる。【００１９】
複数のアーム７１、７２は、それぞれシリンダボディ２にビス７３を介して回転可能となるようシリンダボディ２に例えばビス７３を介して結合されており、また、受動拘束ハンド８ともビス７４を介して回転可能となるよう結合されている。この結果、受動拘束ハンド８、複数のアーム７１、７２、シリンダボディとは結合リンクを構成し、Ｐｉｃｋｉｎｇ及びＰｌａｃｉｎｇを滑らかに行うことができるようになる（再び図１参照）。【００２０】
また、複数のアームのうちの一方のアーム７２は、その先端部７２１が出力バー６の板６２に接触するよう配置されており、出力バー６の上下運動に伴い上下が可能となっている。図５に出力バーが下がった状態を、図６に出力バーが上がった状態の図を示す。この結果、出力バーの変位を力拘束ハンドの開閉量に変換することが可能となる。なお、上記から明らかなように、受動拘束ハンド８は、Ｐｉｃｉｋｎｇ対象物を直接にＰｉｃｋｉｎｇ及びＰｌａｃｉｎｇするためのものであって、一つの受動拘束ハンド８一つに対して複数のアームが接続されている。また受動拘束ハンドの指の数としては、特段に制限はないが、Ｐｉｃｋｉｎｇ対象物を落とすことないよう複数もうけることが望ましく、具体的には３以上、より望ましくは４以上あることが望ましい。もちろん、各受動拘束ハンドには複数のアームが接続されていることが望ましく、また少なくとも一つのアームの一端が出力バーの上下に応じて上下可能となっていることが望ましい。これら複数のアーム、受動拘束ハンドの材質としても上記の構成と同様、特段に制限はなく、例えば鉄、アルミニウム等の金属又は合金を使用することができる。【００２１】
また、ここでアームの先端部について説明する。例えばアーム７２は、アームが閉じた状態において、その先端部７２１をＰｉｃｋｉｎｇしようとする物体の下部にもぐりこませるようにすることでＰｉｃｋｉｎｇが可能となる（また、物体にフック用の穴を有している場合はこのフック用の穴にアーム７２を通し、引っ掛けることでもＰｉｃｋｉｎｇ動作が可能ではある。）。したがってＰｉｃｋｉｎｇ使用とする物体が下部に隙間を有していることを前提としている場合（例えば球形状の場合）は特段の装備は不要であるが、例えば下部に隙間を有していない物体（例えば直方体形状の物体の場合）の場合には、例えば図７に示す把持ユニット７３を先端部７２１に取り付けることが有用である。図７は、把持ユニット７３が取り付けられた場合のロボットハンドの概略図であり、図８は把持ユニット７３の動作の説明図である。【００２２】
把持ユニット７３は、アームの（物体側の）先端部に、軸７３１と、この軸７３１に取り付けられ、軸７３１を中心に回転可能であるカム７３２と、を有して構成されている。なお、把持ユニット７３はアーム７２のそれぞれに取り付けられている。また図７、図８に示す把持ユニット７３は、カム７３２と軸７３１との間に配置されるベアリング７３３と、カム７３２に配置される錘７３４も有している。【００２３】
軸７３１は、カム７３２の回転中心となるものであって、この限りにおいて材質は限定されない。製造しやすさの観点からはアーム７２と同様の材質を選択することが好ましい。【００２４】
また、カム７３２と軸７３１の間には、ベアリング７３３が配置されている。このようにすることで回転がよりスムーズになり好ましい。ただし、カム７３２を保持させると共に回転が可能である限りにおいて限定されるものではなく、場合によっては省略も可能である。【００２５】
カム７３２は、Ｐｉｃｋｉｎｇの際、物体の側面に押し当てられ、物体の側面側に力（カムと物体の間の垂直抗力によって発生する摩擦力）を加え、物体のＰｉｃｋｉｎｇを可能とするものである。また、限定されるわけではないが図７、図８で示すカム７３２の形状は、軸７３１の中心とカムの外郭上の点との距離が周方向において常に一定ではなく、周方向において単調に変化している部分を有している。より具体的な例を用いて説明すると、例えば図８で示すように、軸７３１の中心点と、カム７３２と物体の接点との距離をｄとした場合、カム７３２の回転角θ（θ＝０°を水平線とする。）が増加するに従いこの距離ｄが単調に増加する部分をもつようにカム７３２は形成されている（図８（Ａ）乃至（Ｃ）参照。また、カム７３２が物体と接触していない状態において距離ｄができる限り小さくなるためにカム７３２に錘７３４を配置し、カム７３２の傾きを調整することも好ましい。図８（Ａ）の例では開放状態においてカム７３２の長軸が水平となっている。）。なお、カム７３２はアーム７２のそれぞれに取り付けられており、複数のアーム７２のカム７３２も同様に物体の側面に押し当てられるため、物体に対して等方的に加えることができ、カム７３２が回転するに従い、カム７３２間の距離及びその間に生じる力（物体を側面から押し付ける力）を調節することができ、たとえ下部に隙間を有していない物体の場合であっても容易にＰｉｃｋｉｎｇ及びＰｌａｃｉｎｇをすることができる。なお、以上の効果を奏するカムの形状については、限定されるわけではないが、例えば軸７３１を焦点とする楕円形状（図８参照）、卵形状等が好適である。なお、カム７３２の材質は、限定されるわけではないが、弾性を有し、大きな摩擦を発生させることができる材質であることが好ましく、例えばゴムを好適に採用することができる。【００２６】
以上の構成により、把持ユニット７３を有するロボットアームは、例え下部に隙間を有していない物体であっても容易にＰｉｃｋｉｎｇすることができるようになる。【００２７】
以上、本ロボットハンドは、上記構成により、アクチュエータを用いることなくＰｉｃｋｉｎｇ及びＰｌａｃｉｎｇを行うことができる。より具体的に説明すると、本ハンドロボットは、複数のギアを組み合わせることで記憶要素をもつ機械システムを実現するとともに、これに加え、複数のアームと受動拘束ハンドを組み合わせ、アクチュエータやバネ要素を用いることなくＰｉｃｋｉｎｇ及びＰｌａｃｉｎｇを円滑に行うことができるようになる。特に、本ロボットハンドによると、受動拘束ハンドと複数のアームとを介してＰｉｃｋｉｎｇ対象物を持つ一方で、出力バーの上下と複数のアームとを接触させていることで、各ギア等にＰｉｃｋｉｎｇ対象物の重さ、アームや受動拘束ハンド自体の自重を伝達しないという効果も達成でき、より信頼性を高くすることができる。【００２８】
なお、円滑な要素を多少は犠牲にしても良い場合は、アームと受動拘束ハンドとを一体（以下「一体型ハンド」という。）としてシリンダボディに回転可能に結合させることも可能である。この場合において、一体型ハンドの出力バーと接する側と先端側（物体を把持する側）とは、シリンダボディとの結合点に対し反対側に配置され、出力バーが下がった場合にはＰｌａｃｉｎｇを出力バーが上がった場合はＰｉｃｋｉｎｇを行うようにしておくことも可能である（たとえば図９の概念図参照。）。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明に係るロボットハンドは、例えばスイカ・カボチャなどの農作物をＰｉｃｋ＆Ｐｌａｃｅする農業用ロボットハンドとして、また、半径が不確定な球状物体（変形したりや種類の異なる球技用のボールなどをＰｉｃｋ＆Ｐｌａｃｅする工業用・遊戯用ロボットハンドとして使用可能であり、産業上の利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本実施形態に係るロボットハンドの正面図である。
【図２】実施形態に係るシリンダボディにおけるシリンダ部近傍及び躯体ギアの構成を示す図である。
【図３】実施形態に係る重力ギアの構成を示す図である。
【図４】実施形態に係る状態ギアの構成を示す図である。
【図５】本実施形態に係るロボットハンドの出力バーが下がった上体を示す図である。
【図６】本実施形態に係るロボットハンドの出力バーが上がった状態を示す図である。
【図７】本実施形態に係るロボットハンドのアーム先端部に把持ユニットが取り付けられた場合の図である。
【図８】図７で示す把持ユニットについてのより詳細な説明図である。
【図９】アームと受動拘束ハンドとを一体にした場合の概念を説明する図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…ロボットハンド、２…シリンダボディ、３…躯体ギア、４…重力ギア、５…状態ギア、６…出力バー、７…アーム、８…受動拘束ハンド、３１…深い溝、３２…浅い溝、４１…軸、４２…天板、４３…キー、５１…円板、５２…軸、５３…歯、６１…軸、６２…板、７１、７２…アーム、７３、７４…ビス、７２１…（アームの）先端部、７３…把持ユニット、７３１…軸、７３２…カム、７３３…ベアリング、７３４…錘
【図１】
2007094517.tif 000003
【図２】
2007094517.tif 000004
【図３】
2007094517.tif 000005
【図４】
2007094517.tif 000006
【図５】
2007094517.tif 000007
【図６】
2007094517.tif 000008
【図７】
2007094517.tif 000009
【図８】
2007094517.tif 000010
【図９】
2007094517.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成20年6月2日(2008.6.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の空間が形成されるシリンダボディと、
該シリンダボディの筒状の空間に固定して配置され、円周方向に重力方向下向きの深い溝と浅い溝とが形成される躯体ギアと、
軸と、該軸の周方向に配置される複数の歯とを有し、前記シリンダボディの筒状の空間に配置され、前記複数の歯が前記躯体ギアの前記深い溝及び浅い溝と組み合わされる前記躯体ギアの重心方向下側に配置される状態ギアと、
下端部に山型の凹凸が形成される軸を有し、前記シリンダボディの筒状の空間に配置され、前記凹凸が前記状態ギアにおける前記複数の歯と組み合わされる重力ギアと、
軸及び該軸に固定される板を有し、前記状態ギアの下側に固定される出力バーと、
前記シリンダボディに回転可能に結合され、一方の先端部が前記出力バーの前記板の下側に接触するよう配置される２つのアームと、該２つのアームと回転可能に結合されて結合リンクを構成する受動拘束ハンドの組を複数有し、
前記状態ギアは、前記躯体ギアと前記重力ギアと噛み合いながら回転及び上下し、
前記出力バーは、前記状態ギアの上下の変位に応じて上下し、
前記出力バーの上下の変位に応じて前記出力バーに接触する前記アームを押し下げ又は開放し、
前記アームの押し下げ又は開放に対応して受動拘束ハンドを開閉するロボットハンド。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
筒状の空間が形成されるシリンダボディと、
該シリンダボディの筒状の空間に固定して配置され、円周方向に重力方向下向きの深い溝と浅い溝とが形成される躯体ギアと、
軸と、該軸の周方向に配置される複数の歯とを有し、前記シリンダボディの筒状の空間に配置され、前記複数の歯が前記躯体ギアの前記深い溝及び浅い溝と組み合わされる前記躯体ギアの重心方向下側に配置される状態ギアと、
下端部に山型の凹凸が形成される軸を有し、前記シリンダボディの筒状の空間に配置され、前記凹凸が前記状態ギアにおける前記複数の歯と組み合わされる重力ギアと、
軸及び該軸に固定される板とを有し、前記状態ギアの下側に固定される出力バーと、
前記シリンダボディに回転可能に結合され、一方の先端部が前記出力バーの前記板の下側に接触するよう配置される２つのアームと、該２つの複数のアームと結合されて結合リンクを構成する受動拘束ハンドの組を複数有し、
前記状態ギアは、前記躯体ギアと前記重力ギアと噛み合いながら回転及び上下し、
前記出力バーは、前記状態ギアの上下の変位に応じて上下するギアシステム。
【国際調査報告】
2007094517.tif 000012
2007094517.tif 000013
2007094517.tif 000014
2007094517.tif 000015