(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本の指を有するロボットハンドであって、
前記複数本の指は、指先における物体の把持部分の形状が異なる第１の指と第２の指を含み、
前記第１の指は、複数本あり、指先の先端部の曲率が前記第２の指より大きくかつ指先の中央部の曲率が前記第２の指より小さく、物体を把持するときに物体との接触角度に対する接触面積の変化度合いが前記第２の指より大きく、
前記第２の指は、複数本あり、指先の先端部の曲率が前記第１の指より小さくかつ指先の中央部の曲率が前記第１の指より大きく、物体を把持するときに物体との接触角度に対する接触面積の変化度合いが前記第１の指より小さく、
巧緻性が要求される物体把持のときには前記複数本の第１の指を用い、安定性が要求される物体把持のときには前記複数本の第２の指を用いることを特徴とするロボットハンド。
【請求項２】
前記指は、物体の把持部分の曲率に基づいて肉厚が設定されることを特徴とする請求項１に記載するロボットハンド。
【請求項３】
前記曲率が大きい場合、前記曲率が小さい場合と比較して肉厚を厚くすることを特徴とする請求項２に記載するロボットハンド。
【請求項４】
前記曲率は、矢状面内及び／又は前額面内の指先の先端部の曲率であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載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。
【背景技術】
【０００２】
ロボットハンドは、各種産業用ロボットや人型ロボット等に組み付けられて様々な分野で利用されている。ロボットハンドは、所定の形状を有する物体を所定の方向から把持するものが主流であった。近年、ロボットハンドは、多指ロボットハンドを有するものが開発され、多自由度を有する多指ロボットハンドにより任意の形状の物体を任意の方向から把持することが可能となり、様々な作業を行うことができる。ロボットハンドの指における物体を把持するための指先は、円錐タイプ、指先端の半球とその半球に接続する円柱タイプ、四角タイプ、平面部を備えるなどのその他のタイプなど様々な形状で形成されている（特許文献１等参照）。
【特許文献１】特開平１０−１５８７１号公報
【特許文献２】特開平４−３０４９８８号公報
【特許文献３】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】
【０００３】
人間の指と同様にロボットハンドの指の表面に用いられるシリコンゴムなどの柔軟な材質の摩擦係数（ひいては、摩擦力）は、物体との接触面積に比例して変化する。そのため、物体を安定して把持する場合、接触面積を大きくし、摩擦力を大きくする必要がある。一方、物体を滑らせながら巧みに操ったり、持ち替えたりする場合、接触面積を小さくし、摩擦力を小さくする必要がある。しかし、従来の指先の形状では、物体を把持するときの安定性と巧緻性とを両立することができない。
【０００４】
例えば、指先が円推タイプの場合、指先の接触面積を十分に確保できないので、安定な把持が難しい。半球＋円柱タイプの場合、指先端の半球部分で曲率が一様なため、指先の垂直方向から約４５°までは接触面積を変えることができないので、安定性と巧緻性を両立できない。四角タイプや平面部を有するタイプの場合、指先の平面部分では物体を把持したときに接触面積を十分に確保でき、安定して物体を把持することができるが、平面部分以外の角などの部分では接触面積が極端に小さくなり、接触面積を十分に確保できない。そのため、その大きな接触面積の変化によって摩擦力も大きく変化するため、ある平面部分から他の平面部分への滑らせるような持ち替えや操り動作のときに物体を落とし易くなる。
【０００５】
そこで、本発明は、物体を把持するときの安定性と巧緻性とを両立した指を有するロボットハンドを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るロボットハンドでは、複数本の指を有するロボットハンドであって、複数本の指は、指先における物体の把持部分の形状が異なる第１の指と第２の指を含み、第１の指は、複数本あり、指先の先端部の曲率が第２の指より大きくかつ指先の中央部の曲率が第２の指より小さく、物体を把持するときに物体との接触角度に対する接触面積の変化度合いが第２の指より大きく、第２の指は、複数本あり、指先の先端部の曲率が第１の指より小さくかつ指先の中央部の曲率が第１の指より大きく、物体を把持するときに物体との接触角度に対する接触面積の変化度合いが第１の指より小さく、巧緻性が要求される物体把持のときには複数本の第１の指を用い、安定性が要求される物体把持のときには複数本の第２の指を用いることを特徴とする。
【０００７】
このロボットハンドは、指先における物体の把持部分の形状が異なる第１の指と第２の指を含む複数本の指を有しており、第１の指と第２の指とでは曲率構成が異なっている。第１の指は、指先における先端部の曲率が第２の指より大きくかつ中央部の曲率が第２の指より小さく、真円形状に比較的近い楕円形状を有している。そのため、物体を把持するときに物体との接触角度に対する接触面積の変化度合いが大きく、指先のどの部分で接触するかによって物体との摩擦力を小さい領域から大きい領域まで自在に調整することができ、巧緻性に優れている。一方、第２の指は、指先における先端部の曲率が第１の指より小さくかつ中央部の曲率が第１の指より大きく、矩形状に比較的近い楕円形状を有している。そのため、物体を把持するときに物体との接触角度に対する接触面積の変化度合いが小さく、指先のどの部分でも物体との摩擦力を十分に得ることができ、把持安定性に優れている。このように、このロボットハンドでは、指先の物体の把持部分の曲率構成が異なる第１の指と第２の指を有し、この２種類の指を使い分けることにより、物体を把持するときの安定性と巧緻性とを両立させることができる。なお、指先における先端部は、指先（末節）において指尖の部分である。指先における中央部は、指先（末節）において先端部より中節側の部分である。
【０００８】
本発明の上記ロボットハンドでは、指は、物体の把持部分の曲率に基づいて肉厚が設定される構成としてもよい。肉厚が薄いほど、直接的に力が作用し易くなるので、精度が要求される細かい作業（例えば、小さい物を持ったり、持ち替えたり、操ったりする作業）に適している。一方、肉厚が厚いほど、物体の形状に合わせて十分に変形でき、物を安定して把持するのに適している。そのため、上記のように指先の曲率構成によって安定性と巧緻性を両立させる指では、その曲率に基づいて肉厚をすることにより、把持するときの安定性や巧緻性をより向上させることができる。
【０００９】
特に、本発明の上記ロボットハンドでは、曲率が大きい場合、曲率が小さい場合と比較して肉厚を厚くすると好適である。曲率が大きい部分では、物体を安定して把持することできるので、肉厚を厚くすることによって把持安定性をより向上させることができる。一方、曲率が小さい部分では、物体を巧みに操ることできるので、肉厚を薄くすることによって巧緻性をより向上させることができる。
【００１０】
本発明の上記ロボットハンドでは、曲率は、矢状面内及び／又は前額面内の指先の先端部の曲率であると好適である。矢状面は、指先を側面方向から見た面である。前額面は、指先を正面方向から見た面であり、爪が上側に、指の腹が下側にくる向きである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、指先の曲率構成が異なる複数本の指を有することにより、物体を把持するときの安定性と巧緻性とを両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明に係るロボットハンドの実施の形態を説明する。
【００１３】
本実施の形態には、本発明に係るロボットハンドを、４本の指のロボットハンドに適用する。本実施の形態には、２つの形態があり、第１の実施の形態が曲率構成が異なる２種類の指先を持つ形態であり、第２の実施の形態が第１の実施の形態において指先の被覆部の肉厚を曲率に基づいて設定する形態である。なお、本実施の形態では、ロボットハンドの各指における指先（末節）に特徴を有しているので、指先についてのみ詳細に説明する。また、本実施の形態では、指先における側面をｘ−ｙ平面とする。また、本実施の形態では、曲率は、矢状面（指先を側面方向から見た面）内の指先の先端部の曲率である。
【００１４】
本実施の形態に係るロボットハンドは、構造部、センサ部、被覆部を備えている。構造部は、リンク機構、関節機構及びアクチュエータなどからなり、アルミニウムなどの硬い材質で形成されている。構造部は、指の末節（指先）、中節及び基節、手のひら、母指球から構成され、アクチュエータで関節機構を駆動することによって各部が動作する。センサ部は、構造部の表面の手のひら側に設けられ、分布型圧力センサなどで構成される。センサ部は、少なくとも物体を把持するときに用いられる末節に設けられる。センサ部は、物体がロボットハンドにおける何処のどの程度のエリアで接触しているのか及び物体がどの程度の強さの圧力で接触しているかを検出するセンサである。被覆部は、構造部の表面の手のひら側であり、センサ部の上側に設けられ、被覆材で構成される。被覆部は、少なくとも物体を把持するときに用いられる末節に設けられ、物体と接触する部分に設けられる。被覆材は、柔軟な材料（少なくとも構造部よりも柔軟な材料）で形成され、例えば、ゲル、シリコンゴムからなる。被覆部は、物体と接触したときに変形し、物体との接触面積を大きくする。
【００１５】
図１〜図５を参照して、第１の実施の形態に係るロボットハンド１０について説明する。図１は、本実施の形態に係るロボットハンドの側面図である。図２は、第１の実施の形態に係るロボットハンドの第１指先の側面図である。図３は、第１の実施の形態に係るロボットハンドの第２指先の側面図である。図４は、本実施の形態に係る接触角度と接触面積との関係を示す指先の側面図である。図５は、本実施の形態に係る指先の接触角度と接触面積との関係を示すグラフである。
【００１６】
ロボットハンド１０は、物体を把持するために４本の指（親指Ａ、人差指Ｂ、中指Ｃ、薬指Ｄ）を有しており、指先で物体に対して様々な作業を行う。特に、ロボットハンド１０は、物体を把持するときの安定性と巧緻性を兼ね備えた第１指先（末節）１１と第２指先１２を持つ指を有している。
【００１７】
第１指先１１は、物体に対して持ち替えや操りなどの細かい作業を行うときに用いる対向する２本の親指Ａと人差指Ｂに設けられる。第１指先１１は、側面形状が式（１）で示す楕円形状１１ａであり（図２参照）、爪１１ｂと屈曲動作時に必要な根元側の干渉避け部分１１ｃ以外の部分の表面形状が被覆部によって形成される。この干渉避け部分１１ｃは、屈曲動作時の最大可動角がα°なので、α／２°の角度でカットされている。
【００１８】
第２指先１２は、物体を安定して把持するときなどに用いる２本の中指Ｃと薬指Ｄに設けられる。第２指先１２は、側面形状が式（２）で示す楕円形状１２ａであり（図３参照）、第１指先１１と同様に表面形状が被覆部によって形成される。
【００１９】
【数１】
0004997078.tif 000002
【００２０】
楕円形状は、真円のように曲率が一定ではなく、曲率が変化している。式（１）に示すような楕円形状を表す式において、左辺の後項の乗数（変数ｙ、定数ｂの乗数）が小さいほど楕円形状が真円形状に近い形状となり、乗数が大きくなるほど矩形状に近い形状となる。真円形状に近くなるほど、曲部の変化が少なくなるので、曲率が徐々に変化する。矩形状に近くなるほど、角状の部分が形成されていくので、曲率が小さい値から大きい値（角状の部分）に変化し、さらに、その大きい値から小さい値に変化する。
【００２１】
第１指先１１の楕円形状１１ａは、式（１）に示すように、変数ｙと定数ｂの乗数が３であり、楕円形状１２ａと比較して真円形状に近い形状である。一方、第２指先１２の楕円形状１２ａは、式（２）に示すように、変数ｙと定数ｃの乗数が４であり、楕円形状１１ａと比較して矩形状に近い形状である。したがって、第１指先１１では、先端部１１ｄが第２指先１２の先端部１２ｄよりも曲率が大きく、かつ、中央部１１ｅが第２指先１２の中央部１２ｅよりも曲率が小さい。一方、第２指先１２では、先端部１２ｄが第１指先１１の先端部１１ｄよりも曲率が小さく、かつ、中央部１２ｅが第１指先１１の中央部１１ｅよりも曲率が大きい。先端部１１ｄ，１２ｄは、指先１１，１２における指尖の部分である。中央部１１ｅ，１２ｅは、指先１１，１２における先端部１１ｄ，１２ｄよりも中節寄りの部分である。なお、式（１）、式（２）における定数ａ，ｂ，ｃ，ｄ及びｂ，ｄ，ｙの乗数については、第１指先１１による把持巧緻性と第２指先１２による把持安定性などを考慮し、予め実験で設定される。
【００２２】
第１指先１１、第２指先１２は、側面形状が楕円形状を有しているので、図４に示すように、側面において物体との接触面積θが変化すると接触面積Ｓが変化する。また、第１指先１１と第２指先１２とは、側面形状において異なる楕円形状１１ａと楕円形状１２ａとを有しており、曲率構成が異なっている。このように、曲率構成が異なっていると、接触角度θの変化に対して接触面積Ｓの変化が異なってくる。なお、接触角度θは、指先の先端側に接触するほど（すなわち、指先を立てるほど）大きくなる。
【００２３】
図５に示すように、符号Ｋ１で示す第１指先１１の場合、接触角度θの変化に対して接触面積Ｓの変化が比較的大きい。つまり、先端部１１ｄ側に接触するほど接触面積Ｓが小さくなり、中央部１１ｅ側に接触するほど接触面積Ｓが大きくなり、どの部分で接触するかによって接触面積Ｓが大きく変わる。一方、符号Ｋ２で示す第２指先１２の場合、接触角度θの変化に対して接触面積Ｓの変化が比較的小さい。つまり、先端部１２ｄ側に接触するほど接触面積Ｓが小さくなり、中央部１２ｅ側に接触するほど接触面積Ｓが大きくなるが、その接触面積Ｓの変化の度合いは小さく、どの部分で接触しても比較的大きな接触面積Ｓが得られる。
【００２４】
したがって、第１指先１１を用いて物体を把持する場合、接触角度θを変化させて接触面積Ｓを自在に変化させることができので、その接触面積Ｓの変化に応じて摩擦力（摩擦係数）も自在に調整することができる。一方、第２指先１２を用いて物体を把持する場合、どのように接触させてもあまり変化しない比較的大きな接触面積Ｓが得られるので、安定した把持に必要十分な摩擦力が得られる。
【００２５】
このように構成したロボットハンド１０では、第１指先１１が設けられる親指Ａや人差指Ｂを用いた場合には物体を把持する際に巧緻な持ち替えや操りなどの細かい作業を行うのに適しており、第２指先１２が設けられる中指Ｃや薬指Ｄを用いた場合には物体を安定に把持（保持）するのに適している。
【００２６】
例えば、テーブル上の皿を持ち上げる作業を行う場合、まず、親指Ａや人差指Ｂを用いて、その第１指先１１の先端部１１ｄで皿の端を持ち上げ、皿の下に第１指先１１を十分に挿入できるスペースを確保する。このとき、先端部１１ｄでは接触面積Ｓが小さく、小さい摩擦力しか作用しないので、第１指先１１を皿の下面で滑らせて先端部１１ｄから中央部１１ｅまで移動させ、中央部１１ｅで皿を保持する。このとき、中央部１１ｅでは接触面積Ｓが大きくなり、大きな摩擦力が作用している。
【００２７】
複雑な形状や容易に変形してしまう物体を把持する場合、中指Ｃや薬指Ｄを用いて、第２指先１２をあてがうだけでも必要十分な接触面積Ｓ（ひいては、摩擦力）を得ることができ、その物体を安定して把持することができる。この場合、物体が滑り落ちないように、接触角度θを高精度に制御する必要がない。
【００２８】
ライタで火を着ける場合、２本の中指Ｃと薬指Ｄを用いて、その第２指先１２によってしっかりとライタを把持する。その状態で、親指Ａや人差指Ｂを用いて、その第１指先１１によって小さな摩擦力で滑らせながら着火部を回し、火を着ける。
【００２９】
このロボットハンド１０によれば、曲率構成が異なる第１指先１１、第２指先１２を構成し、この２種類の指先を使い分けることにより、物体を把持するときの安定性と巧緻性とを両立させることができる。
【００３０】
図１、図６及び図７を参照して、第２の実施の形態に係るロボットハンド２０について説明する。図６は、第２の実施の形態に係るロボットハンドの第１指先の一部破断した側面図である。図７は、第２の実施の形態に係るロボットハンドの第２指先の一部破断した側面図である。
【００３１】
ロボットハンド２０は、第１の実施の形態に係るロボットハンド１０の構成に加えて、さらに、指先の被覆部の構成に特徴を有している。ロボットハンド２０は、物体を把持するときの安定性と巧緻性を兼ね備えた第１指先２１と第２の指先２２を持つ指を有している。
【００３２】
第１指先２１は、２本の親指Ａと人差指Ｂに設けられ、第１の実施の形態に係る第１指先１１と同様の表面形状を有している。第１指先２１は、構造部２３を覆うように被覆部２１ｆが設けられ、この被覆部２１ｆによって表面形状を形成している。一方、第２指先２２は、２本の中指Ｃと薬指Ｄに設けられ、第１の実施の形態に係る第２指先１２と同様の表面形状を有している。第２指先２２は、構造部２３を覆うように被覆部２２ｆが設けられ、この被覆部２２ｆによって表面形状を形成している。
【００３３】
被覆部２１ｆ，２２ｆは、指先２１，２２の表面形状の曲率に応じた肉厚を有しており、曲率が大きいほど肉厚が厚い。したがって、第１指先２１の中央部２１ｅでは、曲率が第２指先２２の中央部２２ｅよりも小さいので、被覆部２１ｆの肉厚ｔ１が比較的薄い。一方、第２指先２２の中央部２２ｅでは、曲率が第１指先２１の中央部２１ｅよりも大きいので、被覆部２２ｆの肉厚ｔ２（＞ｔ１）が比較的厚い。
【００３４】
被覆部２１ｆ，２２ｆは薄いほど、直接的に力が作用し易くなるので、精度が要求される細かい作業（例えば、小さい物を持ったり、持ち替えたり、操ったりする作業）に適している。一方、被覆部が厚いほど、物体の形状に沿って変形し易くなるので、物をしっかりと把持するのに適している。したがって、第１指先２１では、被覆部２１ｆの薄い肉厚により、第２指先２２よりも物体を把持する際の巧緻性が高い。一方、第２指先２２では、被覆部２２ｆの厚い肉厚により、第１指先２１よりも物体を把持する際の安定性が高い。
【００３５】
このロボットハンド２０によれば、指先２１，２２の表面形状の曲率に応じて被覆部２１ｆ，２２ｆの肉厚を設定することにより、物体を把持するときの安定性や巧緻性をより向上させることができる。特に、第１指先２１の場合、小さい曲率に応じて被覆部２１ｆの肉厚が薄くなるため、物体を巧みに操ることができる。また、第２指先２２の場合、大きい曲率に応じて被覆部２２ｆの肉厚が厚くなるため、物体を安定して把持することができる。
【００３６】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
【００３７】
例えば、本実施の形態では４指のロボットハンドにおける各指の指先に適用したが、３指や５指などの複数本の指を持つ様々なロボットハンドに適用可能である。
【００３８】
また、本実施の形態では曲率を矢状面内の指先の先端部の曲率としたが、前額面（指先を正面方向から見た面であり、爪が上側に、指の腹が下側にくる向き）内の指先の先端部の曲率としてもよい。
【００３９】
また、第１の実施の形態では曲率構成の異なる２種類の指先で構成したが、曲率構成の異なる３種類以上の指先で構成してもよい。例えば、第２指先よりも先端部の曲率が更に小さく、中央部の曲率が更に大きい第３指先を追加する構成としてもよい。
【００４０】
また、母指は１本だけ対向するため、安定性を持たせておくことで、対向する把持全体の安定性が高まることが期待できる（あるいは、母指の指先での接触が安定しなければ、把持全体の安定性が損なわれる可能性がある）ことから、母指に安定性を与える構成としてもよい。この構成としては、例えば、対向する複数本の指を備え、他の指と比べて曲率の大きい指先形状の指を少なくとも１本は備えたロボットハンド、対向する複数本の指を備え、本数が少ない側に、曲率の大きい指先形状を有する指が少なくとも１本は配設されているロボットハンド、対向する母指と他の指のうち、他の指の指先の曲率よりも大きい曲率を有する指先が母指に搭載されているロボットハンド、対向する複数本の指のうち、少なくとも母指に曲率の大きい指先形状を持たせたロボットハンドがある。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本実施の形態に係るロボットハンドの側面図である。
【図２】第１の実施の形態に係るロボットハンドの第１指先の側面図である。
【図３】第１の実施の形態に係るロボットハンドの第２指先の側面図である。
【図４】本実施の形態に係る接触角度と接触面積との関係を示す指先の側面図である。
【図５】本実施の形態に係る指先の接触角度と接触面積との関係を示すグラフである。
【図６】第２の実施の形態に係るロボットハンドの第１指先の一部破断した側面図である。
【図７】第２の実施の形態に係るロボットハンドの第２指先の一部破断した側面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０，２０…ロボットハンド、１１，２１…第１指先、１１ａ…楕円形状、１１ｂ…爪、１１ｃ…干渉避け部分、１１ｄ…先端部、１１ｅ，２１ｅ…中央部、２１ｆ…被覆部、１２，２２…第２指先、１２ａ…楕円形状、１２ｄ…先端部、１２ｅ，２２ｅ…中央部、２２ｆ…被覆部、２３…構造部
【図１】
0004997078.tif 000003
【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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