日本ロボット学会誌 Vol. 28

No. 7, pp.889〜896, 2010889

学術・技術論文

低バックラッシュ立体カム機構を用いたロボットハンドの開発—軽量ロボットハンドの試作と関節機構の評価—
安 沢孝 太∗1佐々木 裕 之∗2鄭聖 熹∗3高橋 隆 行∗1Development of a Robot Hand with Low Backlash 3D Cam Mechanisms—Prototype of a Light-weight Robot Hand and Evaluation of the Mechanisms—
Kota Anzawa∗1 , Hiroyuki Sasaki∗2 , Seonghee Jeong∗3 and Takayuki Takahashi∗1In this paper, a light-weight and high precision anthropomorphic robot hand we developed is discussed. One ofthe common problems of robot hands is the mechanism of the ﬁnger joint. Gears and wires are often used in robot
hands, but these mechanisms have demerits like backlash and maintenance. To solve these, we developed a unique
3D cam mechanism and used it in the ﬁnger joint of the robot hand. The mechanism can extremely reduce backlashand can also be miniaturized allowing high power transmitting abilities. The robot hand has 20 joints with 16 DOF
and the weight is approximately 800 grams. Considering the weight of the hand and the high degree of freedom, it
is one of the lightest robot hands in the world. Cutkosky’s 16 grasp types was used to verify the versatility and thedexterity of the hand. The results show that the hand is eﬀective and features a high degree of maneuverability.
Key Words: Low Backlash, 3D Cam, Joint Mechanism, High Precision, Robot Hand, Light Weight

な作業を実行するために高精度な関節機構を有する必要がある．

1. は じ め に

安全性に関しては，人間との接触時に直接的な危険源となるマ

近年，人間共存環境の中で様々な対人サービスの提供を目的とする人間支援ロボットの研究が盛んに行われている [1]〜[3]．

ニピュレータのパワーを小さくするために，その先端に装着されるハンドの重量を可能な限り軽くする必要がある．

このようなロボットは，重量物の運搬や細かい物のハンドリンこれまで，多くの多指多関節ロボットハンドが研究・開発さグ，ジェスチャーなど様々なタスクの実行を目的としている．それており，それぞれ目的とする機能を実現するために特有のメこで，これらのタスクを効率的に実行できるエンドエフェクタカニズムを採用している [4]〜[11]．しかし，先行開発された多としてのハンドが必要不可欠である．多指多関節ロボットハン

くのハンドが自由度またはパワーに関しては十分であるが，ハドは，2 本指グリッパなどでは実行が困難な複雑な動作を要する

ンドを構成する構造材の軽量化，指関節機構の高精度化に関し作業を実行することができ，人間支援ロボットのエンドエフェては多くの課題を残している．本稿では，これらの課題を解決クタとして適している．

すべく，小型・高精度特性を有する関節機構を提案し，開発し人間支援ロボットに装着される多指多関節ロボットハンドに要求される条件としては，人間の生活空間で日常的に行われるた関節機構および軽量構造材を用いた軽量・高精度特性を有する人型ロボットハンドの試作および評価について述べる．

様々な作業が実行できる多機能性を有すること，対人安全性を2. 指 関 節 機 構

十分に考慮した設計になっていること，が挙げられる．多機能性を実現するためには，複雑で多様な作業が実行できる十分な

人型ロボットハンドの指は，一般的に細長い形状であるため，自由度およびパワーを有し，さらに，制御安定性の確保や精密関節をコンパクトに構成する必要がある．関節の構成方法としては，ギアヘッドを含むアクチュエータの出力軸と指関節の回原稿受付 2009 年 12 月 20 日
福島大学大学院共生システム理工学研究科∗2
鶴岡工業高等専門学校∗3
大阪電気通信大学∗1
Graduate School of Symbiotic Systems Science and Technology,
Fukushima University∗2
Tsuruoka National College of Technology∗3
Osaka Electro-Communication University
 本論文は有用性で評価されました．
∗1

日本ロボット学会誌 28 巻 7 号

転軸を直交させる方法が一般に用いられる．ロボットハンドの指関節機構として主に用いられる機構には，傘歯車，ワイヤ・プーリ機構などが一般的である．しかしながら，それぞれ欠点を持つ．傘歯車は歯車特有のバックラッシュの存在や，機構の小型化が困難であり，ワイヤ・プーリ機構はワイヤの保守が必要となる．そこで，筆者らは，バックラッシュを極限まで低減可能な独自の機構を提案している [12] [13]．この機構をハンド—115—

2010 年 9 月

安 沢 孝 太890

佐々木 裕之鄭聖 熹高 橋 隆

行

Fig. 1 Developed low backlash 3D cam mechanism
Fig. 3 Model of the 3D cam mechanism(a) A DLC coated
3D cam(b) A DLC coatedfollower

Fig. 4 3D cam and follower

本機構は，Fig. 3 に示すように，フォロアアームが二つのカム面を挟み込み，常にカム面と接触した状態で摺動するため理論
Fig. 2 Movement of the 3D cam mechanism

上はバックラッシュが発生しない．また，本機構は傘歯車のように歯と歯で力を受けて伝達するのではなく，部品全体で力を受の指関節機構として用いることにより，高精度でコンパクトなけて伝達する機構であり，部品の小型化も比較的容易であるた指関節を実現することができる．

め，小型・高強度な関節が構成できる．なお，カムとフォロアの2. 1 低バックラッシュ立体カム機構
Fig. 1 に開発した低バックラッシュ立体カム機構を示す．本機構は，立体カム上に二つのカム面をもつ立体カムと，立体カ位置が幾何学的に一意に決定されるため，組み立ては容易である．試作したカム，フォロアを Fig. 4 に示す．それぞれの部品には，低摩擦性と耐摩耗性を実現するために DLC（Diamondムに従動するフォロアから構成される．Fig. 2 に示すように，Like Carbon）コーティングを施している．なお，本試作では，フォロアアームがカム面を摺動することで，カムの回転軸に直カムとフォロアの材料として，切削性の高さ，硬度を考慮し，交した回転軸周りのフォロアの回転運動を実現する．

NAK55（プリハードン材） を用いている．

本機構の設計には，Fig. 3 に示したモデルを用いた．同モデ

3. 低バックラッシュ立体カム機構の評価

ルにおいて，カムを固定してフォロアをカムの回転軸周りに回転させることを考える．また，フォロアの回転中心からオフセットさせた P 点で中心軸が交わるように設定したフォロアアームに，A，B ，C ，D の代表点をとる．フォロアがカムの回転軸周りを θ だけ回転したとき，フォロアの傾き φ と θ の間に100θ
φ=180

前章で提案した低バックラッシュ立体カム機構の特性評価を実施した．本章では，入出力角度関係，バックラッシュ，トルク伝達率の評価について述べる．

3. 1 入出力角度の評価（1）の関係を与えると，A，B ，C ，D の各点が空間内で描く軌跡が本機構は，任意の入出力角度関係が得られるように設計することが可能である．試作品では，カムの回転角度 0〜180 [deg]に対し，フォロアの回転角度が線形的に 0〜100 [deg] となるよ求められる．得られた軌跡を三次元 CAD ソフトの SolidWorks

うに設計されている．つまり，カムの角度を θc ，フォロアの角（ソリッドワークス・ジャパン株式会社）に取り込み，SolidWorks

度を θf とすると，入出力角度の関係はの機能を用いてフォロアアームの半径 r だけオフセットすることにより，実際のカム面を生成する．

JRSJ Vol. 28 No. 7—116—

θf =

100
θc180（2）Sept., 2010

低バックラッシュ立体カム機構を用いたロボットハンドの開発

891

Fig. 7 Angle of a follower to a cam
Fig. 5 Equipment for evaluation of input and output propertiesof 3D cam mechanism

Fig. 8 Error between calculated and measured angle of follower

えられる．また，カム面の加工時における加工物の振動や刃物のたわみによる加工誤差の蓄積も設計値と計測値に誤差が生じ
Fig. 6 Deﬁnition of angle of the camる主要な要因として考えられる．なお，この誤差の原因に関しては，さらに詳しい検討を現在進めているところである．

3. 2 バックラッシュの評価となる．

Fig. 5 に示す評価装置を用いて，製作した機構の入出力角度

減速機構においてバックラッシュの定義は必ずしも容易では関係の評価を行った．同評価装置はカムの回転軸とフォロアのない．また，計測法についても標準的な方法がないのが実情で回転軸に角度計測用のエンコーダを取り付けている．検証方法ある．ここでは歯車で一般的に用いられる角度バックラッシュととしては，カムを 0〜180 [deg] まで 10 [deg] ごとに回転したと呼ばれている量を計測する．角度バックラッシュとは，一つの歯きのフォロアの回転角度を計測し，設計値との比較を行った．カ車が所定の位置で固定されたとき，他方の歯車が動くことのでムの角度は Fig. 6 に示すように定義した．エンコーダから得らきる角度の最大値のことである．この値は歯車の弾性変形も考れた計測値を Fig. 7 に示し，設計値と計測値との誤差を Fig. 8

慮に入れれば，計測時に加える荷重の大きさによっても変化しに示す．Fig. 7 は，横軸にカムの角度，縦軸にフォロアの角度をてしまう．したがって，歯車の軸受けの摩擦を考えると，無負荷示している．また， Fig. 8 は，横軸にカムの角度，縦軸に誤差時の角度バックラッシュを精密に計測することも容易ではない．

角度を示している．Fig. 7 から，カムの角度に対するフォロア

本論文では軸受けの摩擦の影響をできるだけ小さくして，以下の角度が，線形変化していることが確認できる．しかし，Fig. 8の方法により無負荷時の角度バックラッシュに相当する量を計から，計測値が設計値よりも小さな値で出力されていることが測した．本機構のバックラッシュ特性を調べるために，Fig. 9確認された．この原因として，SolidWorks 上でカム面を生成に示す評価装置を制作し，バックラッシュの計測を行った．同評した際の誤差や加工時の誤差が考えられる．本機構のカム面は

価装置は，入出力角度関係評価装置と同様にカムとフォロアのフォロアアームの中心軸の移動軌跡を基に，CAD 上で曲面を回転角度計測用のエンコーダ，トルク付加用のプーリと糸，カ生成し，その曲面をフォロアアームの半径分だけオフセットすム回転軸を固定するための固定ハンドルから構成されている．

ることで得られるが，この過程でカム面に誤差が含まれると考同評価装置は，カムを所定の角度で固定するクランプ機構が付

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2010 年 9 月

安 沢 孝 太892

佐々木 裕之鄭聖 熹

高 橋 隆

行

Fig. 9 Equipment for the evaluation of backlash(a) Experimental setup

Fig. 10 Evaluation of backlash

いており，カムが固定された状態でバックラッシュを計測可能である．評価の際，同評価装置でバックラッシュ計測に用いたエンコーダは，最小計測分解能 3.75 × 10−4 [deg] の MES-40-

15000PST16E （マイクロテックラボラトリ株式会社）である．
計測結果を Fig. 10 に示す．同図において，横軸にはカムの角度，縦軸にはバックラッシュを示している．
バックラッシュの計測は以下の手順で行った．
（1）フォロアとカムを組立しない状態で，フォロアとエンコーダを回転させるために必要なトルクを計測する．
（2）フォロアとカムを組立後，計測角度でカム軸を固定する．
（3）フォロアにつながっている片方の糸に，（1）で計測したトルクに相当する荷重を加える．
（4）（3）での荷重を取り除き，フォロア側エンコーダの値を計測する．
（5）フォロア側のもう一方の糸に，（1）で計測したトルクに相当する荷重を加える．

(b) Schematic description of the setupFig. 11 Equipment for the evaluation of transmission eﬃciencyが発生した原因としては，カムおよびフォロアの加工誤差および組み立て誤差，計測時の軸のねじれ変形が考えられる．

3. 3 トルク伝達率の評価
Fig. 11 (a) に示す評価装置を用いて，本機構のトルク伝達率の評価を行った．また，同評価装置の概略図を Fig. 11 (b) に示す．
同評価装置において，カムの入力軸にはトルクメータ（DTG50T／株式会社イマダ）が取り付けられている．また，フォロアにはハンディデジタル吊りはかり（393-50／株式会社カスタム）が取り付けられている．トルクメータによりカムへの入力トルクを計測し，フォロアから出力される力を吊りはかりで計測してトルクへの変換を行った．ここで，カムに加えられるトルクを τc ，フォロアで発生するトルクを τf ，カムからフォロアへの減速比を k = 180/100 = 1.8 とし，伝達率を（6）（5）での荷重を取り除き，エンコーダの値を計測する．
（7）（4）と（6）でのエンコーダ値の差分をカム計測角度におけ

η=るバックラッシュとする．
（8）上記（2）〜（7）の手順をいくつかのカムの角度で繰り返しτf 1τc k（3）と定義する．

行う．

伝達率の計測は，以下に示す手順で行った．

計測手順の（4），（6）で荷重を取り除く理由は，荷重を加えた（1）トルクメータにカムの回転方向のトルクを加える．入力トルことによる軸などの弾性変形を除去するためである．計測の結クは，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 [kgf·cm] の値を用いた．

−3

果，すべてのカム角度でバックラッシュ量が 1.875 × 10〜（2）入力トルクを加えている状態で，フォロアの出力側のはか5.625 × 10−3 [deg] 内という結果を得た．これは，一般的な傘歯車機構に 1 [deg] 程度のバックラッシュが存在することと比較（3）上記の操作をいくつかのカム角度で行う．計測の際には，すると非常に小さい量である．少量であるが，バックラッシュフォロアの姿勢が常に一定となるように，カム側本体の取JRSJ Vol. 28 No. 7

りの値から出力トルクを求める．

—118—

Sept., 2010

低バックラッシュ立体カム機構を用いたロボットハンドの開発

893

Fig. 13 Structure of a ﬁnger

Fig. 12 Evaluation of the transmission eﬃciency

り付け角度を調整した．

Fig. 12 に，横軸にカムの角度，縦軸に伝達率を表した計測結果を示す．同図において，実線と + はカムに予圧を加えずにフォロアと組み立てた状態，破線と × はカムに予圧を加えてフォロアと組み立てた状態での計測結果である．+ と × はFig. 14 Details of the four bar linkage mechanism for DIP joint

計測値の平均値を表し，直線は最小二乗法を平均値に適用して得られた一次近似である．二通りの状態での結果を求めたのは，予圧を加えることにより，フォロアアームとカム面に発生する摩擦の影響を検証するためである．
計測の結果，明確なトルク依存性は確認できなかった．したがって，すべての入力トルクでの計測値の平均値を代表値として用いた．また，予圧の有無にかかわらず，カム角度が大きくなるにつれて伝達率が増加する傾向が見られる．これは，フォロアアームとカム面の接触部分と，カムの回転軸までの距離がカムの角度によって変化するためであり，本機構の特性上，カム面の配置が偏心しているために生じるものである．また，フォロアへ予圧が加わった状態の方が全角度において伝達率が悪い．
この原因としては，予圧によるフォロアアームとカム面の接触
Fig. 15 Relationship between PIP and DIP joint angles部分における摩擦損失の増加が考えられる．

4. ハ ン ド の 設 計

節の間に剛性を高めた 4 節リンク機構を用いることで， DIP 関

前章まで，開発した低バックラッシュ立体カム機構について節の連動機構を実現している．人間の DIP 関節は PIP 関節と述べた．本章では，同機構を指関節機構に用いたロボットハンおおよそ線形的に連動することが知られている [16]．通常 4 節ドの設計について述べる．同ロボットハンドは，人間共存環境リンク機構の原動節に対する従動節の角度は非線形であるため，下における人間支援ロボットへの装着を目的としている [3]．ゆリンクの配置や長さを探索し，可能な限り線形化を行った．4

えに，同ロボットハンドは，重量 600 [g]，人間支援に最低限必節リンク機構の詳細を Fig. 14 に示し，最終的に得られた PIP要と考えられる 15 [N] の発生力など安全性の確保を考慮した設

関節と DIP 関節の角度関係を Fig. 15 に示す．理想的な直線計を目標としている [14]．との誤差は，PIP 関節が 11 [deg] のときに最大約 3.41 [deg] である．製作した指でのリンク機構の動作を Fig. 16 に示す．

4. 1 指の設計

4. 2 親指の設計

親指以外の指（以下，指）の設計について述べる．本研究では，人間の指を模倣した指を目標とし設計を行った．人間の指親指の設計について述べる．親指も人間の指を模倣した設計

は 4 関節を有するが，多くの場合 DIP 関節が PIP 関節に連動を行った [15]．人間の親指は 4 関節 4 自由度を持ち，手の平側する特徴を持つ [15]．ゆえに，人間の指は 4 関節 3 自由度と考へ 45 [deg] 程度ねじれており（Fig. 17），扁平物の把持等に必えても差し支えない．Fig. 13 に設計した指の外観を示す．同図

要な Platform 把持方法が実現可能な位置へ移動できる特徴をにおける指の能動関節には，開発した低バックラッシュ立体カ持つ [13]．なお，Platform とは Fig. 18 に示すように，手全体ム機構を用いている．また，本研究では PIP 関節から DIP 関を対象物へ接触させるような把持方法である．これらの特徴を日本ロボット学会誌 28 巻 7 号—119—2010 年 9 月

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佐々木 裕之鄭聖 熹高 橋 隆行

Fig. 16 Movement of the manufactured four bar linkage mechanism
Fig. 20 Prototype hand
Table 1 Speciﬁcations of actuators
Maker
Motor series
Voltage
Stall torqueMotor diameter
Pulse per revolution ofencoder
Speed reducer
Reduction ratio
Total mass
LengthFig. 17 Front view of a thumbFig. 18 Cutkosky’s platform type grasp

Faulhaber
1224SR
12 [V]
5.43 [mNm]
12 [mm]Faulhaber
1717SR
12 [V]
5.38 [mNm]
17 [mm]10 [ppr]512 [ppr]

Harmonic Drive100
29 [g]
47 [mm]Harmonic Drive100
34 [g]
31.6 [mm]度の大きさとして，長さ 180 [mm]，幅 85 [mm] を目標にしていたが，想定よりも大きくなっている．これは，市販品では指先への発生トルクの仕様を満たすアクチュエータでコンパクトなものがなかったためである [15]．したがって，よりコンパクトなアクチュエータが開発されれば，目標としている人間の手と同程度の大きさを持つハンドも十分実現可能である．今回用
いたアクチュエータの仕様を Table 1 に示す．各モータには，高減速，低バックラッシュ特性を有するハーモニックドライブ（株式会社ハーモニック・ドライブ・システムズ）を用いており，モータ–カム間のバックラッシュの抑制およびカムへの高トルク伝達を実現している．

5. 1 ハンドの評価
試作ハンドの把持機能の評価を実施した．同ハンドは，人間のFig. 19 Structure of a thumb

手を模倣して設計したため，人間の手と同様の把握形態が可能であると考えられる．Cutkosky は，工場内で作業者が行う把握考慮し，設計した親指を Fig. 19 に示す．指と同様に，親指の動作を基準に把握形態を 16 種類に分類している [18]．そこで，能動関節にも低バックラッシュ立体カム機構を用いている．

試作ハンドを用いた評価の際には，Cutkosky が分類した把握形態が実現できるかを評価基準とした．なお，評価を行う際の5. ハ ン ド の 試 作

指による物体の把握は，各関節を把握する物体の形状に合う角

Fig. 20 に，前章で設計した指，親指で構成された 20 関節
16 自由度を有する試作ハンドの外観を示す．試作したハンドは，部品の軽量化や構造材として ABS 樹脂が用いられるなど軽量化がなされており，全体重量が約 800 [g] と軽量である．ハンドの全体寸法は，文献 [17] を参考にし，おおよそ人間と同程JRSJ Vol. 28 No. 7度まで回転したあと，機構の機械的拘束と関節のコンプライアンス特性を利用して実現している．把握の検証結果を Fig. 21に示す．検証の結果，同図からも分かるように，Cutkosky により提唱されているすべての把握形態が開発したハンドにより実現可能であることを確認した．これらの結果から，本研究で—120—Sept., 2010

低バックラッシュ立体カム機構を用いたロボットハンドの開発(a) Large Diameter(b) Small Diameter(c) Medium Wrap(d) Adducted
Thumb(g) Thumb-3 Finger(h) Thumb-2
Finger(i) Thumb-Index
Finger(j) Disk (Power)(m) Sphere (Precision)(n) Tripod(o) Platform

895(e) Light Tool(f) Thumb-4 Finger(k) Sphere (Power) (l) Disk (Precision)(p) Lateral Pinch

Fig. 21 Evaluation of grasps based on Cutkosky’s taxonomy type

開発した多指多関節ロボットハンドを人間支援ロボットのエン延様，秦豪一様，高崎技研高崎進様，日本電産コパル株式会社

ドエフェクタとして用い，適切な制御を行うことで，多様な人

郡山技術開発センター新谷裕之様，株式会社ピーアンドエム山

間支援タスクが実行できると考えられる．

口隆義様，松本貢一様ら皆様に心より御礼申し上げます．

6. お わ り に参 考

本稿では，人間支援ロボットへ装着することを目的とした軽量・高精度人型ロボットハンドを提案した．指関節機構として，低バックラッシュ立体カム機構という独自の機構を提案し，同機構の製作と入出力角度関係，バックラッシュ，伝達率の評価を行った．評価の結果，同機構のバックラッシュは 1.875 × 10−3 〜5.625 × 10−3 [deg] 程度と非常に小さく，伝達率はカムの角度や予圧の変化により変化することが明らかになった．また，同機構を用いた人間の特徴を考慮した指と親指を設計し，人間型ロボットハンドの試作を行った．試作のハンドは，軽量構造材の利用および部品の軽量化を行うことで，総重量 800 [g] を実現した．自由度および指先発生力を考慮した場合，同ハンドはこれまで開発された人型ロボットハンドの中で最も軽量なグループに位置づけられる．同ハンドを用いた把握評価の結果，Cutkoskyによる 16 種類の把握形態が実現できることを確認した．今後は，低バックラッシュ立体カム機構の様々な解析や改善，目標とするハンドの大きさや重量を実現するための小型化，軽量化の検討，ハンドの動作精度の評価，各種センサを用いたハンドの制御を行う予定である．
謝 辞

本研究の一部は，文部科学省都市エリア産学官連携事業の支援を受けて実施された．関係機関の皆様に感謝致します．また，試作等でお世話になった，株式会社アトム社長秦安

日本ロボット学会誌 28 巻 7 号

文 献[ 1 ] K. Kaneko, K. Harada, F. Kanehiro, G. Miyamori and K.
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—121—

2010 年 9 月

安 沢 孝 太896

佐々木 裕

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安沢孝太（Kota Anzawa）

佐々木裕之（Hiroyuki Sasaki）

2009 年福島大学理工学群共生システム理工学類卒
業，同年同大学大学院共生システム理工学研究科博士前期課程入学，現在に至る．ロボットハンドや高精度メカニズムの研究に興味を持つ．計測自動制御学会学生会員．
（日本ロボット学会学生会員）

1994 年東北大学工学部機械第二工学科卒業，1996
年東北大学情報科学研究科博士前期課程修了，同年
鶴岡工業高等専門学校助手．移動ロボットや低バックラッシ関節機構の研究に従事．日本機械学会会員．
（日本ロボット学会正会員）

鄭 聖熹（Seonghee Jeong）

高橋隆行（Takayuki Takahashi）

2000 年韓国全南大学機械工学科卒業，2002 年東北大学大学院情報科学研究科博士前期課程修了，2005
年同大学院情報科学研究科博士後期課程修了，同年福島大学研究員（プロジェクト），2008 年産業技術総合研究所特別研究員，2009 年大阪電気通信大学
講師，現在に至る．博士（情報科学）．人間共存型ロボットの安全技術，倒立振子型ロボットの動作制御に関する研究に従事．日本機械学会，計測自動制御学会会員．
（日本ロボット学会正会員）

JRSJ Vol. 28 No. 7

1985 年東北大学工学部機械工学科卒業，1987 年
東北大学大学院工学研究科機械工学専攻博士前期課程修了，同年 4 月同大学工学部助手，同大学情報科学研究科講師，助教授を経て，2004 年より福島大学共生システム理工学類教授，現在に至る．博士（工学）．移動ロボット，人支援ロボット，医療用ロボットなどの研究に従事．計測自動制御学会，日本機械学会会員．
（日本ロボット学会正会員）—122—

Sept., 2010