(57)【要約】【課題】簡単な構造で人間の手の動作に近い動作を実現することが可能な関節機構を提供する。【解決手段】関節機構は、支持部材と、支持部材に回転軸回りで揺動自在に連結される４節リンク機構であって、支持部材に位置する基端から先端に向かって伸展した姿勢を維持する伸展構造と、基端に対して先端が変位して内側に屈曲した姿勢を維持する屈曲構造と、の間で変位可能な４節リンク機構と、４節リンク機構に取り付けられる変位部材であって、４節リンク機構を伸展構造に配置する第１位置から、４節リンク機構の内側から当該変位部材に作用する外力によって、４節リンク機構を屈曲構造に配置する第２位置に向かって変位する変位部材と、を備える。【選択図】図６
2016150429.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部材と、
前記支持部材に回転軸回りで揺動自在に連結される４節リンク機構であって、前記支持部材に位置する基端から先端に向かって伸展した姿勢を維持する伸展構造と、前記基端に対して前記先端が変位して内側に屈曲した姿勢を維持する屈曲構造と、の間で変位可能な４節リンク機構と、
前記４節リンク機構に取り付けられる変位部材であって、前記４節リンク機構を前記伸展構造に配置する第１位置から、前記４節リンク機構の内側から当該変位部材に作用する外力によって、前記４節リンク機構を前記屈曲構造に配置する第２位置に向かって変位する変位部材と、を備える関節機構。
【請求項２】
前記４節リンク機構は、
前記回転軸の回転中心である第１軸回りで前記回転軸に揺動自在に連結される駆動リンクと、
前記駆動リンクに前記第１軸回りで揺動自在に連結される第１接続リンクと、
前記駆動リンクに第２軸回りで揺動自在に連結される第２接続リンクと、
前記第１接続リンクに第３軸回りで揺動自在に連結されるとともに、前記第２接続リンクに第４軸回りで揺動自在に連結される従動リンクと、を備え、
前記伸展構造において、前記第２軸及び前記第３軸を含む仮想平面上から前記第１接続リンクに向かう内側に前記第４軸が配置され、
前記屈曲構造において、前記仮想平面よりも前記第１接続リンクから離れる外側に前記第４軸が配置され、
前記４節リンク機構が前記第１軸回りに第１方向に揺動する場合に、前記第１方向に逆の第２方向に前記従動リンクに作用する外力によって前記伸展構造が維持され、
前記４節リンク機構が前記第１軸回りに前記第１方向に揺動する場合に、前記変位部材に外力が作用することによって前記変位部材が前記第１位置から前記第２位置に向かって変位することによって、前記第２接続リンクが前記第１接続リンクから離れて前記従動リンクが前記第４軸回りに前記第２接続リンクに対して屈曲して前記屈曲構造が維持される、請求項１に記載の関節機構。
【請求項３】
前記４節リンク機構は、
前記第１軸及び前記第３軸の間で前記第１接続リンクに第５軸回りで揺動自在に連結される第３接続リンクと、
前記第３軸よりも前記従動リンクの先端側で前記従動リンクに第６軸回りで揺動自在に連結されるとともに、前記第３接続リンクに第７軸回りで揺動自在に連結される第２従動リンクと、をさらに備え、
前記４節リンク機構が前記第１軸回りに前記第１方向に揺動する場合に、前記第２従動リンクに前記第２方向に作用する外力によって前記伸展構造が維持され、
前記４節リンク機構が前記第１軸回りに前記第１方向に揺動する場合に、前記変位部材に外力が作用することによって前記変位部材が前記第１位置から前記第２位置に向かって変位することによって、前記第２従動リンクが前記第６軸回りに前記第３接続リンクに対して屈曲して前記屈曲構造が維持される、請求項２に記載の関節機構。
【請求項４】
前記支持部材に取り付けられる規制部材であって、前記伸展構造の前記４節リンク機構が前記回転軸回りに所定の角度にわたって揺動すると、前記変位部材に接触して前記変位部材を前記第１位置から前記第２位置に向かって変位させる規制部材をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の関節機構。
【請求項５】
前記回転軸回りに前記４節リンク機構を揺動させる駆動力を提供する単一の駆動源を備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の関節機構。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の関節機構を備える義指。
【請求項７】
請求項６に記載の義指を複数備える義手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、義手やロボットハンド等に用いられる関節機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、義手としても使用可能なロボットハンドが開示されている。このロボットハンドは第１の指リンク、第２の指リンク及び第３の指リンクによって各指を構成しており、それぞれ隣接するリンク同士を連結する部分が指の関節に対応している。このロボットハンドには２つの直動アクチュエータが組み込まれており、これら２つの直動アクチュエータの駆動を様々に制御することによって、人間の手と同様の動作を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−０９７５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、例えば指を伸展させたまま指の根元の関節で折り曲げる動作を実現する場合と、例えば各関節を折り曲げて指を丸める動作を実現する場合とで、２つの直動アクチュエータが別々に制御されなければならず、また、その制御が非常に複雑である。さらに、２つの直動アクチュエータが組み込まれることによって、部品点数が増加するとともに重量も増加する。これらの点は、義手としてロボットハンドを使用する場合に大きなデメリットである。
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、簡単な構造で人間の手の動作に近い動作を実現することが可能な関節機構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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る関節機構は、
支持部材と、
前記支持部材に回転軸回りで揺動自在に連結される４節リンク機構であって、前記支持部材に位置する基端から先端に向かって伸展した姿勢を維持する伸展構造と、前記基端に対して前記先端が変位して内側に屈曲した姿勢を維持する屈曲構造と、の間で変位可能な４節リンク機構と、
前記４節リンク機構に取り付けられる変位部材であって、前記４節リンク機構を前記伸展構造に配置する第１位置から、前記４節リンク機構の内側から当該変位部材に作用する外力によって、前記４節リンク機構を前記屈曲構造に配置する第２位置に向かって変位する変位部材と、を備える。
【０００７】
また、本発明に係る関節機構では、前記４節リンク機構は、
前記回転軸の回転中心である第１軸回りで前記回転軸に揺動自在に連結される駆動リンクと、
前記駆動リンクに前記第１軸回りで揺動自在に連結される第１接続リンクと、
前記駆動リンクに第２軸回りで揺動自在に連結される第２接続リンクと、
前記第１接続リンクに第３軸回りで揺動自在に連結されるとともに、前記第２接続リンクに第４軸回りで揺動自在に連結される従動リンクと、を備え、
前記伸展構造において、前記第２軸及び前記第３軸を含む仮想平面上から前記第１接続リンクに向かう内側に前記第４軸が配置され、
前記屈曲構造において、前記仮想平面よりも前記第１接続リンクから離れる外側に前記第４軸が配置され、
前記４節リンク機構が前記第１軸回りに第１方向に揺動する場合に、前記第１方向に逆の第２方向に前記従動リンクに作用する外力によって前記伸展構造が維持され、
前記４節リンク機構が前記第１軸回りに前記第１方向に揺動する場合に、前記変位部材に外力が作用することによって前記変位部材が前記第１位置から前記第２位置に向かって変位することによって、前記第２接続リンクが前記第１接続リンクから離れて前記従動リンクが前記第４軸回りに前記第２接続リンクに対して屈曲して前記屈曲構造が維持される。
【０００８】
また、本発明に係る関節機構では、前記４節リンク機構は、
前記第１軸及び前記第３軸の間で前記第１接続リンクに第５軸回りで揺動自在に連結される第３接続リンクと、
前記第３軸よりも前記従動リンクの先端側で前記従動リンクに第６軸回りで揺動自在に連結されるとともに、前記第３接続リンクに第７軸回りで揺動自在に連結される第２従動リンクと、をさらに備え、
前記４節リンク機構が前記第１軸回りに前記第１方向に揺動する場合に、前記第２従動リンクに前記第２方向に作用する外力によって前記伸展構造が維持され、
前記４節リンク機構が前記第１軸回りに前記第１方向に揺動する場合に、前記変位部材に外力が作用することによって前記変位部材が前記第１位置から前記第２位置に向かって変位することによって、前記第２従動リンクが前記第６軸回りに前記第３接続リンクに対して屈曲して前記屈曲構造が維持される。
【０００９】
また、本発明に係る関節機構は、前記支持部材に取り付けられる規制部材であって、前記伸展構造の前記４節リンク機構が前記回転軸回りに所定の角度にわたって揺動すると、前記変位部材に接触して前記変位部材を前記第１位置から前記第２位置に向かって変位させる規制部材をさらに備える。
【００１０】
またさらに、本発明に係る関節機構は、前記回転軸回りに前記４節リンク機構を揺動させる駆動力を提供する単一の駆動源を備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、簡単な構造で人間の手の動作に近い動作を実現することが可能な関節機構を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る義手の外観を概略的に示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る関節機構の構造を概略的に示す側面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る関節機構の構造を概略的に示す平面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る関節機構の構造を概略的に示す底面図である。
【図５】一具体例に係る４節リンク機構の構造を概略的に示す関節機構の部分透視図である。
【図６】伸展構造の４節リンク機構の構造を概略的に示す関節機構の側面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る関節機構の支持部材の支持板を省略した関節機構の側面図である。
【図８】図７から４節リンク機構がさらに揺動した状態を示す関節機構の側面図である。
【図９】４節リンク機構が内側に完全に屈曲した状態を示す関節機構の側面図である。
【図１０】本発明の別の実施形態に係る関節機構の構造を概略的に示す側面図である。
【図１１】本発明に係る関節機構によって把持対象物を摘んだ状態を示す側面図である。
【図１２】本発明に係る関節機構によって把持対象物を握った状態を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る義手１０の外観を概略的に示す斜視図である。義手１０は、例えば人間の前腕部の一部及び手部を模した義手である。この義手１０は、例えば使用者の前腕に装着可能な前腕部１１と、前腕部１１に相対変位可能に接続される手本体部１２と、手本体部１２に相対変位可能に接続される例えば５本の指部１３を備える。前腕部１１、手本体部１２及び指部１３の外側筐体は、例えばポリカーボネートや繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などの樹脂材料から形成される。
【００１４】
後述するように、５本の指部１３は、指部１３の先端で把持対象物をつまむ摘み動作と、指部１３の全体で把持対象物を握る握り動作と、を実現することができる。これらの義手１０の動作は、例えば義手１０の使用者に装着された電極に基づき計測された筋電信号等の生体信号によって手本体部１２や各指部１３の動作を制御することによって実現される。各指部１３には本発明に係る関節機構がそれぞれ組み込まれており、各関節機構の動作を独立して制御することによって各指部１３の動作が確立される。各指部１３は本発明の義指を構成する。
【００１５】
図２は、本発明の一実施形態に係る関節機構２０の構造を概略的に示す側面図であり、図３は関節機構２０の平面図であり、図４は関節機構２０の底面図である。一実施形態に係る関節機構２０は、例えば人差し指、中指、薬指及び小指を構成する指部１３に組み込まれる関節機構である。親指を構成する指部１３に組み込まれる関節機構については後述する。図２〜図４は、義手１０が図１に示すような手を広げた状態をとる場合、すなわち、各指部１３が手本体部１２から真っ直ぐに伸展する姿勢をとっている場合を示している。
【００１６】
関節機構２０は、単一の駆動源すなわち電動モータ２１を支持する支持部材２２を備える。支持部材２２は義手１０の例えば手本体部１２内に組み込まれる。支持部材２２は、例えば互いに対向する１対の支持板２２ａ、２２ｂから構成される。電動モータ２１は、義手１０の例えば前腕部１１に組み込まれるバッテリ（図示せず）から供給される電力によって駆動することができる。電動モータ２１の出力軸２１ａは支持板２２ａの外面から外側に突き出ており、この出力軸２１ａに第１ギア２３が取り付けられる。
【００１７】
支持部材２２には、出力軸２１ａに平行に規定される回転軸２４が支持される。回転軸２４には、支持板２２ａの外側で第１ギア２３に隣接して第２ギア２５が取り付けられており、第２ギア２５は第１ギア２３に噛み合う。図２から明らかなように、第２ギア２５には第１ギア２３のピッチ円直径よりも大きなピッチ円直径を有するギアが用いられており、ここでは、１．５倍の減速比が設定される。支持板２２ａ、２２ｂの間で回転軸２４には４節リンク機構２６が揺動自在に取り付けられる。図２〜図４では、４節リンク機構２６は伸展構造をとっている。伸展構造の４節リンク機構２６は、回転軸２４に取り付けられる基端から先端に向かってほぼ真っ直ぐに延びている。
【００１８】
図５は、一具体例に係る４節リンク機構２６の構造を概略的に示す関節機構２０の部分透視図である。図２〜図５を併せて参照すると、４節リンク機構２６は、その基端で、回転軸２４の回転中心である第１軸２７回りに揺動自在に回転軸２４に連結される駆動リンク２８を備える。駆動リンク２８は、回転軸２４に固定されて回転軸２４の回転に伴って第１軸２７回りに揺動することができる。図５に示すように、伸展構造の４節リンク機構２６では、駆動リンク２８は、第１軸２７に位置する基端から後方かつ斜め上方にその先端に向かって延びる。図３及び図４から明らかなように、駆動リンク２８は、例えば支持板２２ａ、２２ｂの間に配置される１枚の板片から構成される。
【００１９】
４節リンク機構２６は、第１軸２７回りに揺動自在に駆動リンク２８に連結される第１接続リンク２９を備える。第１接続リンク２９は、その基端で、回転軸２４に対して空転自在に連結されており、第２ギア２５の回転力は第１接続リンク２９に伝達されない。第１接続リンク２９は、第１軸２７が位置する基端から前方に向かって延びる基部２９ａと、基部２９ａの先端から屈曲しつつ前方かつ斜め上方に延びる先端部２９ｂと、を備える。図４から明らかなように、第１接続リンク２９は、例えば駆動リンク２８を両側から挟み込んで互いに連結される１対の板片から構成される。
【００２０】
４節リンク機構２６は、その基端で、第１軸２７に平行な第２軸３０回りに揺動自在に駆動リンク２９の先端に連結される第２接続リンク３１を備える。伸展構造の４節リンク機構２６では、図２及び図５から明らかなように、第２接続リンク３１は概ね第１接続リンク２９に沿って延びる。本実施形態では、第２接続リンク３１は第１接続リンク２９の基部２９ａに対して所定の間隔を空けて基部２９ａに沿ってほぼ平行に延びる。第２接続リンク３１の先端より前方に第１接続リンク２９の先端部２９ｂが配置される。図３から明らかなように、第２接続リンク３１は、互いに対向して配置されて互いに連結される１対の板片から構成される。
【００２１】
４節リンク機構２６は、その基端及び先端の間で、第１軸２７に平行な第３軸３２回りに揺動自在に第１接続リンク２９の先端部２９ｂに連結され、その基端で、第１軸２７に平行な第４軸３３回りに揺動自在に第２接続リンク３１の先端に連結される第１従動リンク３４を備える。第１従動リンク３４は、第３軸３２及び第４軸３３の間で延びる基部３４ａと、基部３４ａから屈曲しつつ前方かつ斜め上方に延びる先端部３４ｂと、を備える。先端部３４ｂの長さは基部３４ａの長さの例えば２倍程度に設定される。図３及び図４に示すように、第１従動リンク３４は、第１及び第２接続リンク２９、３１を両側から挟み込む１対の板片から構成される。
【００２２】
４節リンク機構２６は、第１軸２７に平行な第５軸３５回りで揺動自在に第１接続リンク２９に連結される第３接続リンク３６を備える。第５軸３５は、第１接続リンク２９の基部２９ａと先端部２９ｂとのほぼ境界に配置される。伸展構造の４節リンク機構２６では、第３接続リンク３６は、第１接続リンク２９の基部２９ａの先端からさらに前方に延びる基部３６ａと、基部３６ａの先端から屈曲しつつ前方かつ斜め上方に延びる先端部３６ｂと、を備える。図３及び図４に示すように、第３接続リンク３６は、第１接続リンク２９の１対の板片同士の間に挟み込まれる１枚の板片から構成される。
【００２３】
４節リンク機構２６は、第１軸２７に平行な第６軸３７回りに揺動自在に第１従動リンク３４の先端部３４ｂに連結され、第３軸３２及び第６軸３７の間で第１軸２７に平行な第７軸３８回りに揺動自在に第３接続リンク３６の先端部３６ｂに連結される第２従動リンク３９を備える。第６軸３７は、例えば第２従動リンク３９の基端及び先端の中間よりもやや基端寄りの位置に配置される。第７軸３８は第３軸３２及び第６軸３７を結ぶ線分よりも上方に配置される。伸展構造の４節リンク機構２６では、第２従動リンク３９は、第１従動リンク３４の先端部３４ｂからさらに前方に延びる。図３及び図４に示すように、第２従動リンク３９は、第１従動リンク３４の１対の板片同士の間で互いに対向して配置されて互いに連結される１対の板片から構成される。
【００２４】
以上のような関節機構２０では、駆動リンク２８、第１〜第３接続リンク２９、３１、３６並びに第１及び第２従動リンク３４、３９が指を構成する。具体的には、第６軸３７が指部１３の第１関節を構成し、第３軸３２が指部１３の第２関節を構成し、第１軸２７が指部１３の第３関節を構成する。言い替えれば、関節機構２０において、第２従動リンク３９が指部１３の末節骨を構成し、第１従動リンク３４及び第３接続リンク３６が指部１３の中節骨を構成し、第１及び第２接続リンク２９、３１が指部１３の基節骨を構成し、支持部材２２が手本体部１２の中手骨を構成する。
【００２５】
関節機構２０はさらに、関節機構２０の内側すなわち掌側で第１接続リンク２９に取り付けられる変位部材４０を備える。変位部材４０は、第１接続リンク２９の基部２９ａの第１軸２７に隣接する位置に規定される第１軸２７に平行な第８軸４１回りで揺動自在に基部２９ａに取り付けられる。変位部材４０は、第１接続リンク２９の１対の板片同士の間に配置される１枚の板片である本体４０ａと、本体４０ａの下端で本体４０ａの両側面から側方に突き出る１対の下側突部４０ｂ、４０ｂと（特に図４参照）、本体４０ａの上端で本体４０ａの両側面から側方に突き出る１対の上側突部４０ｃ、４０ｃと、を備える。なお、下側突部４０ｂ及び上側突部４０ｃは、本体４０ａのいずれか一方の側面のみから突き出てもよい。
【００２６】
以上のような関節機構２０では、４節リンク機構２６は、駆動モータ２１に電力が供給されていない場合、図２〜図５に示すような基準姿勢すなわち伸展構造をとる。この伸展構造では、図６に示すように、第１軸２７、第２軸３０、第４軸３３及び第３軸３２をそれぞれ節とする４節リンク機構２６が確立され、第４軸３３は、第２軸３０及び第３軸３２を含む仮想平面Ｐ上又は仮想平面Ｐよりも第１接続リンク２９に向かう内側に配置される。本実施形態では、第４軸３３は仮想平面Ｐよりも第１接続リンク２９に向かう内側に配置されることが好ましい。
【００２７】
この伸展構造では、電動モータ２１の駆動によって４節リンク機構２６に第１軸２７回りで第１方向Ｄ１に回転力が加えられると、駆動リンク２８は第１軸２７回りに第１方向Ｄ１に揺動する。このとき、第２接続リンク３１の第４軸３３には第１接続リンク２９に向かう方向に力（図６の矢印Ｆ）が作用する。従って、４節リンク機構２６は、伸展構造でロックされ、電動モータ２１の駆動に応じて伸展構造を維持しながら第１軸２７回りで揺動することができる。このとき、駆動リンク２８、第１及び第２従動リンク３４、３９並びに第１〜第３接続リンク２９、３１、３６は相対的に変位しない。
【００２８】
図６から明らかなように、伸展構造の４節リンク機構２６では、変位部材４０の上側突部４０ｃ、４０ｃは、第１接続リンク２９の１対の板片の上端及び第２接続リンク３１の１対の板片の下端の間に挟み込まれる。上側突起４０ｃ、４０ｃは、第２軸３０及び第４軸３３の間で第４軸３３に隣接する位置に位置決めされる。こうして第１接続リンク２９と第２接続リンク３１との間に所定の間隔が確保される。また、変位部材４０の下側突部４０ｂ、４０ｂと第１接続リンク２９の１対の板片の下端との間には所定の間隔が確保される。このとき、変位部材４０は、第１接続リンク２９から最大限外側に押し出された位置に配置される位置である第１位置に配置される。
【００２９】
図７は、本発明の一実施形態に係る関節機構２０の支持部材２２の支持板２２ａを省略した側面図である。４節リンク機構２６が伸展構造を維持しつつ第１軸２７回りに第１方向Ｄ１に揺動すると、図７に示すように、変位部材４０の本体４０ａは、支持部材２２に取り付けられる規制部材４２に突き当たる。この規制部材４２は、例えば第１軸２７回りの変位部材４０の移動軌跡上に配置される円柱形状の部材から構成される。本実施形態では、規制部材４２は、４節リンク機構２６が第１軸２７回りにほぼ９０度の揺動角で揺動した場合に変位部材４０の本体４０ａに接触する位置に配置される。
【００３０】
図８に示すように、４節リンク機構２６が第１軸２７回りに第１方向Ｄ１に図７の位置からさらに揺動すると、変位部材４０の本体４０ａは、第８軸４１回りで揺動して第１接続リンク２９内に押し込まれていく。変位部材４０がさらに揺動すると、下側突部４０ｂ、４０ｂが第１接続リンク２９の１対の板片の下端に受け止められ、変位部材４０のそれ以上の揺動が規制される。こうして変位部材４０は第２位置に位置決めされる。このとき、変位部材４０の下側突部４０ｂ、４０ｂは第１接続リンク２９を受け止めるので、第１軸２７回りの第１接続リンク２９の揺動すなわち第１軸２７回りの４節リンク機構２６の揺動が規制される。
【００３１】
図８から明らかなように、第１位置から第２位置への変位部材４０の変位によって変位部材４０の上側突部４０ｃ、４０ｃは第１接続リンク２９から第２接続リンク３１を遠ざける。その結果、変位部材４０は、仮想平面Ｐよりも第１接続リンク３１から離れる外側に第４軸３３を変位させる。こうして第４軸３３が仮想平面Ｐよりも外側に配置されると、第４軸３３が位置する第２接続リンク３１の先端の図８の矢印Ａ方向への変位が許容される。このとき、駆動モータ２１の駆動によって駆動リンク２８の第１軸２７回りの揺動が継続されることによって、４節リンク機構２６は伸展構造から屈曲構造に向かって展開していく。
【００３２】
具体的には、規制部材４２によって第１接続リンク２９の揺動が規制される一方で、駆動リンク２８は第１軸２７回りで揺動を継続し、その結果、第２接続リンク３１は第１接続リンク２９に対して矢印Ａ方向にほぼ平行移動していく。同時に、第１従動リンク３４が第４軸３３回りで矢印Ｂ方向に第２接続リンク３１に対して揺動していく一方で、第２従動リンク３９が第６軸３７回りで第１従動リンク３４に対して矢印Ｃ方向に揺動していく。こうして４節リンク機構２６は、その基端に対して先端が変位して内側に屈曲していく。電動モータ２１への電力の供給の制御によって電動モータ２１が所定の回転量で回転を停止し、駆動リンク２８の揺動は停止する。
【００３３】
その結果、例えば図９に示すように、４節リンク機構２６は屈曲構造に到達する。関節機構２０すなわち指部１３は、揺動角が９０度である握り状態を実現する。この握り状態では、駆動リンク２８が第１接続リンク２９に対してほぼ９０度の角度で交差すると同時に、第１従動リンク３４が第２接続リンク３１に対してほぼ９０度の角度で交差する。すなわち、指部１３では、第１〜第３関節のすべてを内側に屈曲させた握り状態が実現される。その後、駆動モータ２１への電力の供給によって駆動リンク２８が、第１方向Ｄ１とは逆の第２方向Ｄ２に前述と同様の揺動角で揺動すると、４節リンク機構２６は、屈曲構造から図２に示す伸展構造に復帰する。
【００３４】
図１０は、親指を構成する指部１３に組み込まれる別の実施形態に係る関節機構２０ａの構造を概略的に示す側面図である。図１０に示すように、この関節機構２０ａでは、上述した関節機構２０から第２従動リンク３９及び第３接続リンク３６が省略された構成を有しており、その他の構成部品は前述の関節機構２０と同一である。また、関節機構２０ａの動作も関節機構２０とほぼ同様であるため、重複した説明は省略する。親指は、中節骨がないため、第３軸３２が指部１３の第１関節を構成し、第１軸２７が指部１３の第２関節を構成する。また、第１従動リンク３４が末節骨を構成し、第１及び第２接続リンク２９、３１が指部１３の基節骨を構成する。
【００３５】
以上のような関節機構２０、２０ａでは、支持部材２２、第１ギア２３及び第２ギア２５、駆動リンク２８、第１〜第３接続リンク２９、３１、３６、第１及び第２従動リンク３４、３９、並びに、変位部材４０等の構成部品は例えば繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）から形成される。これらの構成部品は例えば３Ｄプリンタによって容易に製造することが可能であり、関節機構２０、２０ａすなわち義手１０の製造コストを大幅に抑制することが可能である。
【００３６】
次に、本発明に係る義手１０の動作を説明する。一具体例に係る義手１０では、例えば図１１に示すように、例えば人差し指を構成する関節機構２０と、親指を構成する関節機構２０ａとが互いに対向する向きで配置される。把持対象物５０は例えば直方体形状の輪郭を有している。駆動モータ２１への電力の供給によって揺動リンク２８が第１軸２７回りで第１方向Ｄ１に揺動するにつれて４節リンク機構２６が揺動する。４節リンク機構２６、２６同士が互いに近づいていく。把持対象物５０は、変位部材４０よりも関節機構２０、２０ａの先端側に配置されるので、変位部材４０には接触せず、従って、４節リンク機構２６は伸展構造を維持する。
【００３７】
こうして把持対象物５０は、関節機構２０の第２従動リンク３９と関節機構２０ａの第１従動リンク３４との間に挟み込まれる。このとき、関節機構２０では、第２従動リンク３９に第１軸２７回りで第１方向Ｄ１とは逆の第２方向Ｄ２に外力が作用する。この外力は、第３軸３２を介して第１従動リンク３４の基端すなわち第４軸３３を第１接続リンク２９に向かって付勢するので、４節リンク機構２６では伸展構造が維持され続ける。同様に、関節機構２０ａでは、第１従動リンク３４に作用する第２方向Ｄ２の外力が第４軸３３を第１接続リンク２９に向かって付勢するので、４節リンク機構２６では伸展構造が維持され続ける。こうして図１１に示すように、関節機構２０、２０ａは把持対象物５０をつまむことができる。
【００３８】
次に、関節機構２０、２０ａによって把持対象物５０を握る場合の動作を説明する。例えば図１２に示すように、把持対象物５０は例えば円柱形状の輪郭を有している。把持対象物５０は、前述のつまみ動作の場合よりも支持部材２２側に配置されており、４節リンク機構２６が第１軸２７回りに第１方向Ｄ１に揺動すると、把持対象物５０は関節機構２０、２０ａの変位部材４０、４０に最初に接触する。４節リンク機構２６の揺動に応じて変位部材４０が第１位置から第２位置に向かって変位することによって、４節リンク機構２６は伸展構造から屈曲構造に向かって変位する。
【００３９】
変位部材４０が第２位置に到達すると、下側突部４０ｂ、４０ｂが第１接続リンク２９を受け止め、第１接続リンク２９の揺動が規制される。その一方で、駆動リンク２８は揺動し続けるので、第１及び第２従動リンク３４、３９は、それぞれ把持対象物５０の円筒外面に向かって第４軸３３及び第６軸３７回りで揺動していく。同様に、関節機構２０ａでは、変位部材４０が第２位置に到達すると、下側突部４０ｂ、４０ｂが第１接続リンク２９を受け止め、第１接続リンク２９の揺動が規制される。その一方で、駆動リンク２８は揺動し続けるので、第１従動リンク３４は、把持対象物５０の円筒外面に向かって第４軸３３回りで揺動していく。こうして図１２に示すように、関節機構２０、２０ａは把持対象物５０を握ることができる。
【００４０】
以上のような関節機構２０、２０ａでは、把持対象物５０が変位部材４０に接触しない場合、すなわち、把持対象物５０が変位部材４０よりも４節リンク機構２６の先端側に配置される場合、４節リンク機構２６は、その伸展構造を維持しながら指部１３の根元である第１軸２７回りで第１方向Ｄ１に揺動する。把持対象物５０が第２従動リンク３９又は第１従動リンク３４に対して第２方向Ｄ２に外力を作用させても、４節リンク機構２６は伸展構造を維持し続けるので、駆動リンク２８に伝達される電動モータ２１の回転力によって指部１３はその指先で把持対象物５０をつまむことができる。
【００４１】
その一方で、把持対象物５０が変位部材４０に接触する場合、すなわち、把持対象物５０が変位部材４０に隣接して配置される場合、４節リンク機構２６は、変位部材４０の第１位置から第２位置への変位によって伸展構造から屈曲構造にその構造を変化させる。４節リンク機構２６において駆動リンク２８が第１軸２７回りで揺動するにつれて、第１及び第２従動リンク３４、３９がそれぞれ内側（掌側）に屈曲していく。その結果、駆動リンク２８に伝達される電動モータ２１の回転力によって指部１３はその全体で把持対象物５０を握ることができる。
【００４２】
以上のように、本発明に係る関節機構２０、２０ａによれば、関節機構２０、２０ａと把持対象物５０との間の相対的な位置関係によって、つまむ動作及び握る動作のいずれかが選択される。また、それら２つの動作の実現にあたって４節リンク機構２６の構造を採用しているので、本発明は、簡単な構造で人間の手の動作に近い動作を実現することが可能である。またさらに、関節機構２０、２０ａには、上記２つの動作の実現にあたって単一の電動モータ２１が組み込まれれば足り、簡単な構造を実現することができるとともに関節機構２０、２０ａすなわち義手１０の重量の増加を抑えることができる。
【００４３】
本発明に係る関節機構２０、２０ａは、本実施形態では義手１０に組み込まれたが、例えば工業用ロボットのロボットハンド等に組み込まれてもよい。この場合、支持部材２２、第１ギア２３及び第２ギア２５、駆動リンク２８、第１〜第３接続リンク２９、３１、３６、第１及び第２従動リンク３４、３９、並びに、変位部材４０等の構成部品は、ロボットハンドに必要とされる強度や用途を考慮して、金属材料から形成されることが好ましい。
【００４４】
なお、以上のような実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく変更又は改良され得るととともに、その等価物を含む。すなわち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更されてもよい。また、各実施形態が備える各要素は技術的に可能な限りにおいて組み合わせられ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００４５】
１０    義手
２０    関節機構
２０ａ  関節機構
２１    駆動源（電動モータ）
２２    支持部材
２４    回転軸
２６    ４節リンク機構
２７    第１軸
２８    駆動リンク
２９    第１接続リンク
３０    第２軸
３１    第２接続リンク
３２    第３軸
３３    第４軸
３４    従動リンク（第１従動リンク）
３５    第５軸
３６    第３接続リンク
３７    第６軸
３８    第７軸
３９    第２従動リンク
４０    変位部材
４２    規制部材
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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