JP 2020-94687 A 2020.6.18(57)【要約】【課題】巻き上げドラム直径の増大に伴う牽引力を減少による駆動エネルギーのロスを低減するワイヤ駆動装置を提供する。
【解決手段】駆動する箇所の一端に取り付けられた牽引
ワイヤを巻き取るプーリと、当該プーリに巻き取られたワイヤの一部を一定の圧力で押さえつける牽引ワイヤの直径を考慮して配置された溝構造を有したプレスドラムと、当該プーリを駆動するＤＣモータ部を備えた、滑りの瞬間におけるワイヤの最大引張力を導入したワイヤ駆動装置を提供する。
【選択図】図1

(2)JP 2020-94687 A 2020.6.18【特許請求の範囲】【請求項１】
駆動する箇所の一端に取り付けられたワイヤを巻き取るプーリと、
当該プーリに巻き取られたワイヤの一部を一定の圧力で押さえ付ける溝構造を有したプ
レスドラムと、
当該プーリを駆動するＤＣモータ部を備えることを特徴とするワイヤ駆動装置。
【請求項２】
第１回転軸周りに回転可能に設けられたプーリと、
前記第１回転軸の軸方向に並んで前記プーリに複数回巻き付けられた巻回部を有し、被牽引物を牽引するワイヤと、
前記プーリを回転させるモータと、
前記巻回部のうち少なくとも前記軸方向両端に配置される一対の巻回端部を、前記プーリに対して押さえ付ける押圧部と、前記巻回部のうち少なくとも前記巻回端部の前記軸方向への移動を規制する、少なくとも１個の規制部と、を備えることを特徴とするワイヤ駆動装置。
【請求項３】
前記押圧部は、前記規制部のうち第１規制部を有することを特徴とする請求項２に記載のワイヤ駆動装置。
【請求項４】
前記押圧部は、前記軸方向に沿う第２回転軸周りに回転可能なドラムであることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のワイヤ駆動装置。
【請求項５】
前記第１規制部は、前記ドラムの外周面上に、前記ドラムの周方向に沿って、前記軸方向に互いに間隔をあけて設けられた複数の第１溝部であり、前記巻回端部は、前記第１溝部に配置されていることを特徴とする請求項４に記載のワ
イヤ駆動装置。
【請求項６】
前記巻回部のうち、前記プーリと前記ドラムとの間に配置される巻回接触部は、前記第１溝部に配置されていることを特徴とする請求項５に記載のワイヤ駆動装置。
【請求項７】
前記第１回転軸と前記第２回転軸との軸間距離が可変であることを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか１項に記載のワイヤ駆動装置。
【請求項８】
前記プーリは、前記規制部のうち第２規制部を有することを特徴とする請求項２から請求項７のいずれか１項に記載のワイヤ駆動装置。
【請求項９】
前記第２規制部は、前記プーリの外周面に、前記軸方向に沿って延びるらせん状に形成された第２溝部であり、前記ワイヤは、前記第２溝部に沿って巻き付けられることを特徴とする請求項２から請求項８のいずれか１項に記載のワイヤ駆動装置。
【発明の詳細な説明】【技術分野】【０００１】
本発明は、物体を牽引するための動力源となるワイヤ駆動装置に関する。
【背景技術】【０００２】
ロボットハンドは、工業用エンドエフェクタとしてだけでなく、ヒューマノイドロボッ
トハンドおよび義手としても開発されている。ヒューマノイドハンドと義手には、人間の手と同等の能力が必要である。さらに、外力に対して頑丈で、軽量で、把握力が高く、人間の手の自然な作動を模倣できるものでなければならない。現在、多指ハンドの作動シス

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テムが開発されている。
【０００３】
手の駆動ユニットの中で、モータでワイヤを牽引する方法は、空気圧または油圧作動に比べて、軽量かつ小型で、ロボットハンド内に容易に設置できるなどの利点を有する。引
張 力 Tは プ ー リ 半 径 R（ T = J / R、 こ こ で 、 Jは モ ー タ ト ル ク ） に 反 比 例 し て 上 昇 す る た め、 Rは 小 さ な モ ー タ で 高 出 力 を 得 る た め に で き る 限 り タ イ ト に 設 計 さ れ る 。 し か し な が ら、指骨を作動させるために必要とされる回転数は、プーリ半径に反比例して上昇する。巻
線プーリに固定されたワイヤ端部の場合、プーリを回転させながらワイヤを重ねることにより、プーリ半径が増加する。これによって、プーリ半径を増加させ、引張力を減少させ、作動速度を増加させる。加えて、作動システムは一方向のみを引っ張ることができる。
したがって、手は弾性力を利用して関節を逆方向に回転させる。この力は、作動による伝達 力 を 低 下 さ せ る 。 こ の 問 題 を 解 決 す る た め に 、 關 ら が 開 発 し た ハ ン ド は 2本 の ワ イ ヤ を使用する（非特許文献１）。この方法では、モータは、弾性材料なしに屈曲あるいは伸展側を回転させるように指節を作動させる。しかし、この方法では過大な外力や衝撃力を解放することができない。
【０００４】
他の手法では、ワイヤの両端をロボットの指節に固定し、プーリは超音波ハンド（非特許文献２）のような摩擦力を用いてワイヤを巻く。巻取り機構は摩擦力を利用しているため、外力によってワイヤが最大静止摩擦力以上で引っ張られると、ワイヤとプーリとの間に滑りが発生する。これにより、作動機構の破損が防止される。しかしながら、このコンプライアンス作動機構の問題は、ワイヤが滑車の周りを滑り、ワイヤのたるみが発生した
ときにロボットの指骨に力を伝達することができないことである。このように、超音波ハンドの作動はプルスプリングをテンショナとしてワイヤに直接リンクする。
【先行技術文献】【非特許文献】【０００５】【 非 特 許 文 献 １ 】 T. Seki, T. Nakamura, R. Kato, S. Morishita and H. Yokoi, ＂ Development of five-finger multi-DoF myoelectric hands with a power allocation mechanism＂ , 2013 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Ka
rlsruhe, 2013, pp. 2054-2059.
【 非 特 許 文 献 ２ 】 I. Yamano and T. Maeno, ＂ Five-fingered Robot Hand using Ultraso
nic Motors and Elastic Element＂ , Proceedings of the 2005 IEEE International Con
ference on Robotics and Automation, 2005, pp. 2673-2678.
【発明の概要】【発明が解決しようとする課題】【０００６】
ワイヤにより駆動される機構は、ワイヤの伝達する力と距離および速度により，動特性が規定される。一定のけん引力の下で、ロボットハンドなどの関節を駆動する場合、関節駆動力を増加させるためには、モーメントアームを増大させる必要があるが、モーメント
アームの増大によりワイヤの駆動距離は増大する。一般には，ロボットハンド全体に占める駆動機構の体積は小さなものであるため、大量のワイヤを巻き取るような巻き上げドラ
ムをロボットハンド内に収納することは難しい。
【課題を解決するための手段】【０００７】
本発明では、ワイヤ駆動型ロボットハンドの問題点を解決する新しい手法を提案する。
まず、弾性力の代わりにドラム圧力を利用してワイヤのたるみを防止する新しい機構を用いる。また、機構の静的モデルを分析し、滑りの瞬間におけるワイヤの最大引張力を導入する。最後に、提案機構は、機構の有効性を確認するために、手首屈曲の作動として従来の 2自 由 度 手 の 内 部 に 設 置 さ れ る 。
【０００８】

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本発明の一実施例に係るワイヤ駆動装置は、第１回転軸周りに回転可能に設けられたプーリと、前記第１回転軸の軸方向に並んで前記プーリに複数回巻き付けられた巻回部を有し、被牽引物を牽引するワイヤと、前記プーリを回転させるモータと、前記巻回部のうち少なくとも前記軸方向両端に配置される一対の巻回端部を、前記プーリに対して押さえ付ける押圧部と、前記巻回部のうち少なくとも前記巻回端部の前記軸方向への移動を規制す
る、少なくとも１個の規制部と、を備える。
【０００９】
上記構成において、前記押圧部は、前記規制部のうち第１規制部を有してもよい。
【００１０】
上記構成において、前記押圧部は、前記軸方向に沿う第２回転軸周りに回転可能なドラムであってもよい。
【００１１】
上記構成において、前記第１規制部は、前記ドラムの外周面上に、前記ドラムの周方向に沿って、前記軸方向に互いに間隔をあけて設けられた複数の第１溝部であり、前記巻回
端部は、前記第１溝部に配置されていてもよい。
【００１２】
上記構成において、前記巻回部のうち、前記プーリと前記ドラムとの間に配置される巻
回接触部は、前記第１溝部に配置されていてもよい。
【００１３】
上記構成において、前記第１回転軸と前記第２回転軸との軸間距離が可変であってもよい。
【００１４】
上記構成において、前記プーリは、前記規制部のうち第２規制部を有してもよい。
【００１５】
上記構成において、前記第２規制部は、前記プーリの外周面に、前記軸方向に沿って延びるらせん状に形成された第２溝部であり、前記ワイヤは、前記第２溝部に沿って巻き付けられてもよい。
【発明の効果】【００１６】
本発明を用いることにより、巻き上げドラム直径を小さくするとともに，牽引力を増大することができるため、ロボットハンドの性能向上と軽量化が可能となり、商品価値は大きく向上する。また、押しつけドラムに多段プーリの形状を用いることにより、ドラム状のワイヤの位置を定めることにより、巻き上げドラムの回転数によらず、同じ位置でワイヤを牽引し続けることが可能となる。さらに、押しつけドラムと巻き上げドラムの押しつ
け力については、摩擦理論から導かれるワイヤの巻線数以上のワイヤを巻き上げドラムに巻き付けることにより、押しつけ力を十分に小さくすることが可能となり、駆動エネルギ
ーのロスを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】【００１７】【 図 １ 】 本 発 明 の ワ イ ヤ 駆 動 装 置 の 図 面 で あ る 。 ワ イ ヤ は プ ー リ の 周 り を n回 巻 き 付 け る。圧力ドラムはワイヤをプーリにテンショナとワイヤーガイドとして押し付ける。
【 図 ２ 】 本 発 明 の ワ イ ヤ 駆 動 装 置 に 関 す る 図 面 で あ る 。 (a)、 (b)は 正 面 図 と 右 図 で あ る 。
(a)θ 1 は ワ イ ヤ と プ ー リ と の 最 初 の 接 触 点 か ら ワ イ ヤ と 圧 力 ド ラ ム へ の 角 度 で あ り 、 θ 2
は ワ イ ヤ と 圧 力 ド ラ ム と の 最 後 の 接 触 点 か ら ワ イ ヤ と プ ー リ ま で の 角 度 で あ る 。 （ b） プ
ー リ に 巻 き つ け た ワ イ ヤ が ｎ 圏 巻 く 。 オ イ ラ ー の ベ ル ト 式 に よ れ ば 、 T1、 T2な ど の 張 力 は異なる強度を持っている。
【 図 ３ 】 本 発 明 の ワ イ ヤ 駆 動 装 置 の プ ー リ の 力 学 に 関 す る 説 明 図 で あ る 。 (a） は 半 径 方 向の 力 の 平 衡 、 （ b） は 接 線 力 の 平 衡 を 表 現 し て い る 。
【図４】本発明のワイヤ駆動装置のワイヤ巻取り機構の構成に関する図である。圧力ドラ
ム は 4つ の 引 張 バ ネ で プ ー リ に 押 し 込 ま れ る 。 こ れ ら の ス プ リ ン グ は ベ ア リ ン グ ホ ル ダ ー

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JP 2020-94687 A 2020.6.18と掌パーツをリンクする。ベアリングホルダーは圧力ドラムのベアリングを固定する。ワイヤの両端は手首部分に固定されている。
【図５】本発明のワイヤ駆動装置を用いた筋電義手の関節構造に関する図である。太線はワ イ ヤ の 動 き を 示 す 。 4本 の 小 さ な ガ イ ド プ ー リ が ワ イ ヤ を 手 首 部 分 に 導 く 。 ワ イ ヤ の 一
端は手首部分で結ばれている。ほかには、中空のボルトに通され、ボルトの上に固定される。ワイヤの弾性による手首屈曲の発生を防止するため、ワイヤに対する初期張力をとった。
【 図 ６ 】 筋 電 義 手 の 構 成 に 関 す る 図 で あ る 。 (a)は 従 来 の 2DoF義 手 、 （ b） は 提 案 さ れ た 機
構 を 備 え た 3DoF義 手 で あ る 。
【図７】実施例２に係るロボットハンドの斜視図である。
【図８】実施例２に係るロボットハンドの側面図である。
【図９】実施例２に係るワイヤ駆動装置の側面図である。
【図１０】実施例２に係るワイヤ駆動装置の側面図である。
【図１１】実施例３に係るワイヤ駆動装置の側面図である。
【図１２】実施例４に係るワイヤ駆動装置の側面図である。
【発明を実施するための形態】【実施例１】【００１８】
A.材 料 ：
図 1に 示 し た 本 発 明 の ワ イ ヤ 巻 取 り 機 構 は 、 ワ イ ヤ を プ ー リ に 固 定 し な い 。 代 わ り に 、ワイヤはプーリに巻き付けられ、溝ドラムによってプーリに押し付けられる。ドラムはプーリにワイヤを導く働きをする。さらに、ドラム圧力は、ワイヤとプーリとの間の摩擦力を増加させる。
【００１９】
B.静 的 モ デ ル の 分 析 ：本発明のワイヤ巻取り機構は、ワイヤとプーリとの間の摩擦力を用いてアクチュエータの 動 力 を 伝 達 す る た め 、 滑 り Tmの 瞬 間 に ワ イ ヤ の 端 部 に 引 っ 張 り 力 を 計 算 す る 必 要 が あ る。 Tmが プ ー リ の 巻 取 り 力 よ り も 小 さ い 場 合 、 プ ー リ は 滑 り に よ り ワ イ ヤ を 引 っ 張 る こ と ができない。
【００２０】
図 2は 、 静 的 な 物 理 モ デ ル を 示 す 。 ワ イ ヤ は 、 n圏 の 固 定 円 柱 の 周 り に 巻 か れ 、 ド ラ ム 圧
力 NDで 円 柱 に 押 し 付 け ら れ る 。 ワ イ ヤ の 端 部 の 保 持 力 は Thで あ る 。 ワ イ ヤ が 固 定 さ れ た 円
柱 の 周 り を 回 る と き 、 片 側 の 端 部 で の 最 大 静 止 摩 擦 力 は 、 オ イ ラ ー の ベ ル ト 式 [14,15]に
よ っ て 計 算 さ れ る 。 Tmは 、 巻 き 付 け ら れ た ワ イ ヤ の 張 力 お よ び 接 触 角 セ グ メ ン ト に よ っ て引き起こされる静止摩擦力から決定される。ドラム圧力はより静摩擦力を発生させる。図2に 示 す よ う に 、 ワ イ ヤ 張 力 を T 1 、 T 2 … と す る 。
【００２１】
ま ず 、 ワ イ ヤ の 左 端 か ら 第 1接 触 点 ま で の 間 に お け る 最 大 静 止 摩 擦 力 T 1 は 、 オ イ ラ ー の ベ
ルト式とドラム圧力によって与えられる。
【００２２】【数１】

θ 1 は 、 左 端 部 か ら ド ラ ム と の 第 1接 触 点 ま で の 巻 き 付 け ワ イ ヤ 角 度 で あ る 。 最 大 静 止 摩
擦 力 の 第 2の 要 素 は 、 ド ラ ム 圧 力 お よ び ワ イ ヤ と プ ー リ と の 間 の 静 摩 擦 係 数 μ に よ っ て 生
成 さ れ る 。 次 に 、 第 2接 触 点 に お い て 、 最 大 静 止 摩 擦 力 は T 1 に 指 数 関 数 を か け た 第 1要 素と ド ラ ム 圧 力 に よ る 第 2要 素 か ら 生 成 さ れ る 。
【００２３】

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JP 2020-94687 A 2020.6.18【数２】

最 後 に 、 最 後 の 接 触 点 nか ら 角 度 θ 2 の ワ イ ヤ の 右 端 ま で を 計 算 す る こ と に よ っ て 、 最 大
静 的 引 っ 張 り 力 Tmが 得 ら れ る 。
【００２４】【数３】

上 式 の 摩 擦 力 T W の 第 1要 素 は 保 持 力 に よ っ て 生 成 さ れ 、 第 2要 素 T D は ド ラ ム 圧 力 に よ っ て
生 成 さ れ る 。 保 持 力 T h 、 回 転 数 n、 ド ラ ム 力 N D が 可 変 し 、 ド ラ ム が 発 生 す る 摩 擦 力 が 保 持力に依存しない。摩擦力の両方の要素は回転数に依存する。
【００２５】
C.巻 取 り プ ー リ の 静 的 モ デ ル ：プーリが回転しているときのワイヤセグメントの張力によって生じる最大静止摩擦力を
考 慮 す る 。 解 析 を 容 易 に す る た め に 、 静 的 モ デ ル の 摩 擦 力 は ド ラ ム を 排 除 す る 。 図 3に そのモデルを示す。ワイヤセグメントはプーリに巻き付けられ、プーリは角速度ωで回転す2る 。 プ ー リ の 力 が 釣 り 合 う か ら 、 小 さ な 角 度 dθ で の 反 力 Nは (T h -mv )dθ で あ る 。 単 位 長
あ た り の 質 量 を m、 速 度 を vと す る と 、 プ ー リ 表 面 で の 力 釣 り 合 い は dT＝ Fで あ る 。 摩 擦 力 F
は μ Nに 等 し い た め 、 微 分 方 程 式 は 0か ら 最 大 接 触 角 ま で 積 分 す る こ と で 解 く こ と が で き る(2(n-1)π +θ 1 +θ 2 )。
【００２６】【数４】

ワ イ ヤ の 張 力 に よ っ て 生 じ る 滑 り TWの 瞬 間 に お け る ワ イ ヤ の 端 部 の 引 っ 張 り 力 を 決 定 す
る こ と が で き る 。 ド ラ ム が 回 転 す る こ と で ド ラ ム 表 面 の 摩 擦 力 を 0と 仮 定 す る と 、 こ の モ
デ ル で の 静 止 摩 擦 力 T D は (3)と 同 じ で あ る 。 （ 3） 、 （ 4） に 至 っ て 、 回 転 時 の 最 大 静 止 摩
擦 力 方 程 式 は （ 5） と 求 め ら れ た 。
【００２７】
【数５】

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T c は 遠 心 力 と 呼 ば れ 、 θ e は θ 1 と θ 2 の 和 で す 。 (5)に よ れ ば 、 T m は T h と N D に 比 例 し て 上
昇 し 、 ワ イ ヤ 巻 き 数 nと 係 数 μ に 対 し て 指 数 関 数 的 に 上 昇 す る 。
ワ イ ヤ が 外 力 ま た は 衝 撃 に よ っ て Tmの 上 に 引 っ 張 ら れ る と 、 ワ イ ヤ は プ ー リ の 周 り を 滑る。したがって、この方法を使用してトルク制限を設計することができる。
【００２８】
次に、手首掌屈と背屈のためのワイヤ巻取り機構の開発について説明する。
【００２９】
A.材 料 ：
従来の手首の掌屈と背屈は、ワイヤの巻き取り機構で運動を確認するために設計された。 ま ず 、 手 首 の 屈 曲 ト ル ク の 目 標 を 500N・ mmと す る 。 次 に 、 他 の パ ラ メ ー タ は 、 式 (5)および機械的制限によって決定される。プーリ軸は、緊迫した弛緩側の張力によって非常に強く引っ張られるため、プーリは高いねじり応力を受ける。従って、プーリ材料としてス
テ ン レ ス 鋼 を 使 用 し た 。 ワ イ ヤ と プ ー リ と の 間 の μ は 、 TYPE： 94i-IIポ ー タ ブ ル 摩 擦 計 を
用 い て 測 定 し た 。 PEワ イ ヤ が 巻 き や す さ と 強 度 の 高 さ と し て ワ イ ヤ 駆 動 機 構 に 選 択 さ れ た。ワイヤを中空ボルトの中心に通し、上部で結んだ。ボルトの高さを制御することにより、ワイヤに保持力の張力を与えることができる。ワイヤの伸長性により関節の動きが不安定になるため、保持力を持たせる必要がある。
【００３０】
B.ワ イ ヤ 巻 取 機 構 の 構 成 ：
従 来 の 手 は ABSプ ラ ス チ ッ ク 製 で あ っ た 。 そ の 把 持 動 作 は 、 2BBMGサ ー ボ モ ー タ を 用 い た
直接駆動によって作動させた。手のひらをワイヤ巻取り機構用に再構成した。サーボモー
タの下に機構に十分なスペースがなく、手の元の形状を維持するために親指の反対側に追加のスペースを設けた。
【００３１】
図 4は 手 の ひ ら 体 の 一 部 を 示 す 。 我 々 は 、 340N・ mmの ト ル ク を 有 す る Pololuギ ア モ ー タ
を 使 用 し た 。 プ ー リ 半 径 は 2.5mmで あ り 、 手 首 部 の 半 径 は 下 記 の 式 に よ っ て 計 算 さ れ 、 3.6mmで あ る
【００３２】【数６】

図 5は 、 ワ イ ヤ の 動 き を 示 す 。 従 来 の ハ ン ド 重 量 は 120gで 、 提 案 さ れ た 機 構 を 追 加 し た
後 、 そ の 重 量 は 167gに な っ た 。
【００３３】
C.メ カ ニ ズ ム 機 能 確 認 ：本発明のメカニズムがロボットの指節を作動できるか否かを確認するために、我々は打撃 制 御 を 駆 動 し た 。 電 源 電 圧 は 6V、 消 費 電 流 は 0.15Aで あ る 。 そ の 結 果 、 作 動 シ ス テ ム は
手 首 を 曲 げ る こ と が で き る 。 屈 曲 は 1.3秒 で 完 了 す る 。 こ の 結 果 は 、 こ の 方 法 が プ ー リ の周りのワイヤの重なりを防げることを述べている。作動ユニットの内部には小さなスペースがあるため、重なりが発生するとプーリ半径が増加し、ワイヤがケージに接触する。
その結果、ワイヤがケージとの間の摩擦によってプーリの回転が停止する。一方、重なりが発生すると、ワイヤを他の方向への緩みも防ぐ。
【００３４】
さらに、別の試験も行った。手首が完全に曲がったとき、手首は後ろ向きに回転する。
結果としては、ワイヤが最大静止摩擦力を超えてプーリの周りに滑り、手首が受動的に曲がることを示した。この結果は、提案された機構が当初予想されていたトルクリミッタとして機能することを示している。したがって、提案された機構は外力に対するコンプライ
アンスを有する。

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JP 2020-94687 A 2020.6.18【００３５】
本発明のワイヤ巻取り作動の機能を確認するために、簡単な実験を実施した。手首がど
れ ほ ど の 重 量 を 保 持 で き る か 。 指 に 接 続 さ れ た 2台 の サ ー ボ モ ー タ に 電 源 を 供 給 し た 際 の、 ハ ン ド の ピ ン チ 力 は 6Nと し て 知 ら れ て い る 。 し た が っ て 、 把 握 さ れ る 物 体 の 重 量 は 500g未満に制限される。 このテストは、既に手で物体をつかむという条件から行った。 最初
は 、 200gの 重 さ ま で 手 の ひ ら を 上 に し て ポ ー ズ を 保 つ こ と が で き た 。
【００３６】
結果は以下の通りである：
上 向 き ： 重 量 30g
回 内 と 回 外 ： 重 量 500g
手 首 は 30g以 上 の 重 量 を つ か ん だ ま ま で は 屈 曲 で き な い 。 手 の ピ ン チ 力 は こ れ ら の 重 量を把握するのに十分であるため、対象物を堅く握って震えない。ワイヤがプーリの周りを滑 っ て い な い が 、 DCモ ー タ は 回 転 で き な い こ と を 確 認 し た 。 し た が っ て 、 DCモ ー タ の 電 源
は回転するには不十分であると考える。また、動作ユニットではエネルギー損失は考慮していない。ワイヤとハンドの間にベアリングと摩擦によってエネルギー損失がある。
【００３７】
3自 由 度 の ハ ン ド は 、 500gの 重 さ を つ か み な が ら 手 首 の 回 内 と 回 外 を 果 た す こ と が で きる。曲がる方向は地面でもあるため、手首動作に対する反力は上向きテストに比べてほとん ど な い 。 ハ ン ド は 200gの 重 さ を つ か み な が ら 姿 勢 を 保 つ こ と が で き る 。 本 実 験 で は 、 エラ ス ト マ ー グ ロ ー ブ を 使 用 し 、 頑 強 に も の を 把 握 す る 。 ハ ン ド の 重 さ は 437gに な る 。 手 首
回 転 中 心 か ら 重 心 ま で の 距 離 は 97mmで あ る 。 カ ウ ン タ ト ル ク は 約 416N・ mmで あ る 。 本 実 験で は 、 500N・ mmの 外 部 ト ル ク ま で そ の 姿 勢 を 保 つ こ と が で き る よ う に 手 首 を 設 計 し た が 、
手 首 の 回 転 が 約 416N・ mm必 要 で あ る 。 静 摩 擦 係 数 μ の 測 定 誤 差 が 高 い 、 ま た は ワ イ ヤ 表 面が磨耗したため係数が低くなったと考える。
【００３８】
このメカニズムはプーリと圧力ドラムで構成されている。この機構はワイヤを巻くために摩擦力しか使用しない。さらに、テンショナとしての圧力ドラムの圧力を使用している。テンショナに弾性力を必要とせず、ロボットリンクの位置に戻るため、従来の頑丈なワイヤ駆動機構と比較して応答時間と力伝達が改善される。最大引張力は、プーリの周りのワイヤを巻く回数に対して指数関数的に上昇し、ワイヤおよびドラムの圧力における保持力に比例して上昇する。トルクリミッタは、最大の引張力から設計することができる。ただし、トルク制限はアクチュエータのトルク以上でなければならない。この機構は、手首の掌屈と背屈を作動させるために従来のハンドに加えられた。改良された従来のハンドの実験結果は、この機構で手首が曲がることを作動でき、トルクリミッタとして機能することを確認した。
このメカニズムの駆動力に関する評価実験を行い、提案された数理モデルの一致性を確認する。次に、所望の駆動力に対して各パラメータを最適化する方法が考慮される。将来
的には、この機構でワイヤ劣駆動のハンドが設計され、義手の機械的性能が評価される。
【実施例２】【００３９】
以下、図７から図１０に基づいて本発明の実施例２を説明する。
図７は、実施例２に係るロボットハンド１の斜視図である。
図７に示すように、本発明のワイヤ駆動装置５０は、例えばロボットハンド１に搭載されている。ロボットハンド１は、人の手を模している。ロボットハンド１は、一方向に延びる直方体状のハンド本体部１０と、ハンド本体部１０の長手方向における中間部に設けられた第１指部３０と、ハンド本体部１０の長手方向における一端に設けられた第２指部
４０、第３指部４１、第４指部４２および第５指部４３と、ハンド本体部１０の長手方向における他端に設けられた手首部２０（請求項の被牽引物に相当）とを備えている。
【００４０】
以下において、ハンド本体部１０の長手方向をＸ軸方向と定義する。Ｘ軸方向に直交す

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る一方向をＹ軸方向と定義する。Ｘ軸方向およびＹ軸方向に直交する方向をＺ軸方向と定義する。以下、必要に応じてＸＹＺの直交座標系を用いて説明する。ハンド本体部１０よりも＋Ｘ側には、第２指部４０、第３指部４１、第４指部４２および第５指部４３が配置されている。ハンド本体部１０よりも−Ｘ側には、手首部２０が配置されている。ハンド
本体部１０よりも−Ｙ側には、第１指部３０が配置されている。
ハンド本体部１０は、掌に相当する。ハンド本体部１０は、長手方向における中間部に形成された収容部１７と、収容部１７の内部に収容されたワイヤ駆動装置５０と、を備えている。
収容部１７は、ハンド本体部１０の長手方向に延びている。
【００４１】
第１指部３０は、親指に相当する。第１指部３０は、ハンド本体部１０のＹ軸方向における一端に設けられている。第１指部３０は、ハンド本体部１０に対して回転可能に連結されている。第１指部３０の回転軸の軸方向は、Ｘ軸方向と一致している。
第２指部４０は、人指し指に相当する。第３指部４１は、中指に相当する。第４指部４２は、薬指に相当する。第５指部４３は、小指に相当する。第２指部４０、第３指部４１、第４指部４２および第５指部４３は、ハンド本体部１０に対して回転可能に連結されている。第２指部４０、第３指部４１、第４指部４２および第５指部４３の回転軸の軸方向
は、Ｙ軸方向と一致している。
手首部２０は、ハンド本体部１０に対して回転可能に連結されている。手首部２０の回
転軸の軸方向は、Ｙ軸方向と一致している。
【００４２】（ワイヤ駆動装置）
ワイヤ駆動装置５０は、円柱状のプーリ７０と、プーリ７０を回転させるモータ６０と、プーリ７０の外周面に巻き付けられたワイヤ８０と、支持部材１００と、支持部材１００に設けられたバネ１０１と、支持部材１００に支持されるドラム９０と、を有している。
図８は、実施例２に係るロボットハンド１の側面図である。図８は、ロボットハンド１
を、ハンド本体部１０を挟んで第１指部３０の反対側から見た模式図である。図８は、ワイヤ８０の配置を模式的に示している。
図９は、実施例２に係るワイヤ駆動装置５０の側面図である。図９は、ワイヤ駆動装置
５０を第１指部３０側から見た側面図である。
図１０は、実施例２に係るワイヤ駆動装置５０の側面図である。図１０は、ワイヤ駆動
装置５０をＺ軸方向の一方側（＋Ｚ側）から見た側面図である。
【００４３】
図７に示すように、プーリ７０は、収容部１７内の手首部２０側に配置されている。図９に示すように、プーリ７０は、ハンド本体部１０の長手方向に延びている。プーリ７０の手首部２０側の一端は、収容部１７の内面に、第１回転軸Ｏ１周りに回転可能に支持されている。第１回転軸Ｏ１は、プーリ７０の中心軸と一致している。第１回転軸Ｏ１の軸方向Ｄは、ハンド本体部１０の長手方向と一致している。
【００４４】
図７に示すように、モータ６０は、収容部１７内の第２指部４０、第３指部４１、第４指部４２および第５指部４３側（以下、単に第２指部４０側とする。）に配置されている。図９に示すように、モータ６０の外形は、軸方向Ｄに延びる直方体状に形成されている。モータ６０の出力軸部（不図示）は、プーリ７０の第２指部４０側の一端に、軸継手１０２を介して連結している。
【００４５】
ワイヤ８０は、軸方向Ｄに並んで複数回巻き付けられている。本実施例において、例えばワイヤ８０は、１０回以上巻き付けられている。ワイヤ８０の両端は、それぞれ手首部
２０の異なる２箇所に固定されている（図８参照）。
以下において、ワイヤ８０のうち、プーリ７０に巻き付けられた部分を巻回部８１とす

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る。巻回部８１のうち、軸方向Ｄ両端に配置される一対の端部を、巻回端部８２とする（
図１０参照）。ワイヤ８０の巻回部８１のうちプーリ７０と後述するドラム９０との間に配置される部分を、巻回接触部８３とする（図１０参照）。
【００４６】
図７に示すように、支持部材１００は、収容部１７内のプーリ７０を挟んで第１指部３０とは反対側に配置されている。支持部材１００は、軸方向Ｄに並んで一対配置されている。支持部材１００は、Ｚ軸方向に延びている。
バネ１０１は、それぞれの支持部材１００のＺ軸方向両端に一対ずつ配置されている。
バネ１０１は、それぞれ支持部材１００からプーリ７０側に延びている（図１０参照）。
バネ１０１は、支持部材１００をプーリ７０側に付勢している。
【００４７】
図１０に示すように、ドラム９０は、支持部材１００とプーリ７０との間に配置される
回転軸部９１と、回転軸９１周りに形成されたドラム本体部９２とを有している。回転軸部９１は、軸方向Ｄに延びている。回転軸部９１の両端は、支持部材１００に、軸方向Ｄに平行な第２回転軸Ｏ２周りに回転可能に支持されている。第２回転軸Ｏ２は、回転軸部
９１の中心軸と一致している。第２回転軸Ｏ２と第１回転軸Ｏ１との軸間距離は、可変となっている。
ドラム本体部９２は、円筒状の部材である。ドラム本体部９２は、第２回転軸Ｏ２を中心として軸対称に形成されている。ドラム本体部９２は、回転軸部９１と一体化している。
【００４８】
ドラム本体部９２の外周面には、ドラム９０の周方向に沿って複数のフランジ９３が設けられている。複数のフランジ９３は、軸方向Ｄに互いに間隔をあけて設けられている。
以下において、ドラム本体部９２における複数のフランジ９３間の部分を第１溝部９４とする。
第１溝部９４は、ドラム９０の周方向に沿って複数設けられている。複数の第１溝部９４は、軸方向Ｄに互いに間隔をあけて設けられている。第１溝部９４には、ワイヤ８０の巻回接触部８３がそれぞれ配置されている。これにより、第１溝部９４は、巻回部８１のうち少なくとも巻回端部８２の軸方向Ｄへの移動を規制する規制部２（第１規制部２ａ）の機能を有している。第１溝部９４は、巻回部８１全体の軸方向Ｄへの移動を規制している。
ドラム９０は、バネ１０１により支持部材１００を介してプーリ７０側に付勢されている。ドラム９０は巻回接触部８３をプーリ７０に対して押さえ付けている。ドラム９０は、巻回部８１のうち少なくとも巻回端部８２をプーリ７０に対して押さえ付ける押圧部３の機能を有している。
【００４９】（牽引過程）
続いて、上述したワイヤ駆動装置５０を用いて手首部２０を牽引する過程を説明する。
モータ６０を作動させる。モータ６０の出力軸部は、モータ６０の駆動力をプーリ７０に伝達する。プーリ７０は、第１回転軸Ｏ１周りに回転する。ワイヤ８０は、プーリ７０の回転方向に送り出される。ワイヤ８０は、モータ６０の駆動力をドラム９０に伝達する。ドラム９０は、プーリ７０とともに第２回転軸Ｏ２周りに回転する。
【００５０】
ワイヤ８０の巻回端部８２は、プーリ７０に対して押さえ付けられているため、巻回部
８１の長さは不変となっている。さらに、巻回接触部８３は、第１溝部９４に配置されているため、軸方向Ｄへの移動が規制されている。これにより、ワイヤ８０は、プーリ７０の径方向に重なることなく送り出される。
【００５１】
手首部２０は、送り出し方向にワイヤ８０の牽引力（実施例１の最大静的引っ張り力に相当）を受ける。ワイヤ８０の牽引力は、モータ６０の稼働後、所定の時間上昇する。ワ

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イヤ８０の牽引力が所定の荷重を超えると、手首部２０が牽引される。
手首部２０は、例えばロボットアーム（不図示）に固定されている。このため、ハンド
本体部１０が、手首部２０を中心に回転する。
また、プーリ７０を反対方向に回転させると、ワイヤ８０は反対方向に送り出される。
これにより、手首部２０は、反対方向に牽引される。よって、ハンド本体部１０は、手首部２０中心に反対方向に回転する。
【００５２】
ワイヤ８０の牽引力は、ドラム９０の押圧力（実施例１のドラム圧力、ドラム力に相当）によってプーリ７０とワイヤ８０との間に生じる最大静止摩擦力を利用したものである。ワイヤ８０の牽引力は、ワイヤ８０の巻き数が増加すると指数関数的に増加する（数５参照）。本実施例において、例えばワイヤ８０を１０回以上巻くことにより、手首部２０を牽引するために必要な牽引力を得ている。
【００５３】
以上説明したように、実施例２のワイヤ駆動装置５０において、ワイヤ８０は、プーリ
７０の外周面に複数回巻き付けられている。さらに、ドラム９０は、ワイヤ８０の巻回部
８１のうち少なくとも巻回端部８２をプーリ７０に対して押さえ付けている。これにより、巻回部８１の長さが不変となっている。
第１溝部９４は、ワイヤ８０の巻回部８１のうち少なくとも巻回端部８２の軸方向Ｄへの移動を規制している。これにより、巻回端部８２の軸方向Ｄへの移動を抑制できる。よって、ワイヤ８０の送り出し時に、ワイヤ８０がプーリ７０の径方向に重なることを防止できる。したがって、プーリ径の増大による牽引力の低下を防止できる。
【００５４】
ドラム９０は、第１規制部２ａとして機能する第１溝部９４を有している。これにより、第１規制部２ａをドラム９０およびプーリ７０以外の部材として設けた場合と比較して、ワイヤ駆動装置５０が小型化される。したがって、ワイヤ駆動装置５０の配置の自由度を向上できる。
【００５５】
押圧部３は、第２回転軸Ｏ２周りに回転可能なドラム９０である。これにより、プーリ
７０の回転によってワイヤ８０が送り出される際、ドラム９０もプーリ７０とともに回転する。よって、ワイヤ８０の送り出し時に、ワイヤ８０がドラム９０から受ける摩擦力を軽減できる。したがって、ドラム９０からの摩擦力による牽引力の低下を抑制できる。
【００５６】
第１規制部２ａは、ドラム９０の外周面上に設けられた第１溝部９４である。巻回端部
８２は、第１溝部９４に配置されている。これにより、巻回端部８２におけるワイヤ８０の位置ずれを防止できる。巻回部８１の長さの変化が抑制される。よって、ワイヤ８０が径方向に重なることが防止される。したがって、プーリ径の増大による牽引力の低下を防止できる。
【００５７】
ワイヤ８０の巻回接触部８３は、第１溝部９４に配置されている。これにより、巻回部
８１全体の軸方向Ｄへの移動を抑制できる。よって、ワイヤ８０の送り出し時に、ワイヤ
８０がプーリ７０の径方向に重なることを防止できる。したがって、プーリ径の増大による牽引力の低下を防止できる。
【００５８】
第１回転軸Ｏ１と第２回転軸Ｏ２との軸間距離が可変である。これにより、例えば経年劣化によってワイヤ８０が縮径しても、第１回転軸Ｏ１と第２回転軸Ｏ２とを接近させるだけの簡単な操作により、ドラム９０押圧力の低下を抑制できる。したがって、ワイヤ駆動装置５０を容易にメンテナンスできる。
【００５９】
ワイヤ８０の牽引力は、ドラム９０の押圧力によってプーリ７０とワイヤ８０との間に生じる最大静止摩擦力を利用したものである。このため、ワイヤ８０が最大静止摩擦力以

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上の外力で引っ張られると、ワイヤ８０がプーリ７０に対して滑る。これにより、ワイヤ
８０が過大な外力で引っ張られることによりワイヤ駆動装置５０が破損することを防止できる。
ワイヤ８０の牽引力は、ワイヤ８０の巻き数が増加すると指数関数的に増加する。このため、ワイヤ８０の巻き数を調整することにより、牽引に必要な牽引力を得ることができる。
【実施例３】【００６０】
次に、図１１に基づいて本発明の実施例３を説明する。なお、実施例３の構成のうち、実施例２と同様の構成については、同一の符号を付しその説明を省略する。
本発明に係る実施例３について説明する。実施例３では、ドラム９０に第１溝部９４が設けられておらず、プーリ７０に後述する第２溝部７３が設けられている点で、上述した実施例２と相異している。
【００６１】（ワイヤ駆動装置５０）
図１１は、実施例３に係るワイヤ駆動装置５０の側面図である。図１１は、ワイヤ駆動
装置５０をＺ軸方向の一方側（＋Ｚ側）から見た側面図である。図１１において、ワイヤ
８０の巻回部８１のうち一部は透過されている。透過された巻回部８１の外形は、破線で示されている。
図１１に示すように、プーリ７０の外周面に、第２溝部７３が設けられている。第２溝部７３は、軸方向Ｄに沿って延びるらせん状に形成されている。
ワイヤ８０は、第２溝部７３に沿って巻き付けられている。これにより、第２溝部７３は、巻回部８１のうち少なくとも巻回端部８２の軸方向Ｄへの移動を規制する規制部２（
第２規制部２ｂ）の機能を有している。第２溝部７３は、巻回部８１全体の軸方向Ｄへの移動を規制している。
手首部２０は、実施例２と同様の牽引過程を経て牽引される。
【００６２】
以上説明したように、実施例３のワイヤ駆動装置５０において、プーリ７０は、第２規制部２ｂとして第２溝部７３を有している。これにより、第２規制部２ｂをドラム９０およびプーリ７０以外の部材として設けた場合と比較して、ワイヤ駆動装置５０が小型化される。したがって、ワイヤ駆動装置５０の配置の自由度を向上できる。
【００６３】
第２規制部２ｂは、プーリ７０の外周面に、軸方向Ｄに沿って延びるらせん状に形成された第２溝部７３である。ワイヤ８０は、第２溝部７３に沿って巻き付けられている。これにより、巻回部８１全体の軸方向Ｄへの移動を抑制できる。よって、ワイヤ８０の送り出し時に、ワイヤ８０がプーリ７０の径方向に重なることを防止できる。したがって、プ
ーリ径の増大による牽引力の低下を防止できる。
【実施例４】【００６４】
次に、図１２に基づいて本発明の実施例４を説明する。なお、実施例４の構成のうち、
実施例２または実施例３と同様の構成については、同一の符号を付しその説明を省略する。
本発明に係る実施例４について説明する。実施例４では、ドラム９０に第１溝部９４が設けられた上で、プーリ７０に第２溝部７３が設けられている点で、上述した実施例２および実施例３と相異している。
【００６５】（ワイヤ駆動装置５０）
図１２は、実施例３に係るワイヤ駆動装置５０の側面図である。図１２は、ワイヤ駆動
装置５０をＺ軸方向の一方側（＋Ｚ側）から見た側面図である。図１２において、ワイヤ
８０の巻回部８１のうち一部は透過されている。透過された巻回部８１の外形は、破線で

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示されている。
図１２に示すように、ワイヤ８０は、第２溝部７３に巻き付けられている。さらに、ワイヤ８０の巻回接触部８３は、第１溝部９４に配置されている。
手首部２０は、実施例２と同様の牽引過程を経て牽引される。
【００６６】
以上説明したように、実施例４のワイヤ駆動装置５０において、ドラム９０に第１溝部
９４が設けられている。さらに、プーリ７０に第２溝部７３が設けられている。ワイヤ８０は、第２溝部７３に沿って巻き付けられている。ワイヤ８０の巻回接触部８３は、第１溝部９４に配置されている。
これにより、ワイヤ８０の軸方向Ｄへの移動を抑制できる。よって、ワイヤ８０の送り出し時に、ワイヤ８０がプーリ７０の径方向に重ねられることを防止できる。したがって、プーリ径の増大によるワイヤ８０の牽引力の低下を防止できる。
【００６７】
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれら実施例に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【００６８】
実施例２から実施例４では、ドラム９０は、プーリ７０とともに回転するとしたが、ドラム９０は回転しなくもよい。ドラム９０が回転しない場合、ドラム９０はワイヤ８０が摺動しやすい材料で形成されている。ただし、ドラム９０がプーリ７０とともに回転する
場合は、ドラム９０からの摩擦力が軽減されるという点で優位性がある。
【００６９】
実施例２から実施例４では、ドラム９０の第１溝部９４またはプーリ７０の第２溝部７３によって巻回部の軸方向Ｄの移動を規制するとしたが、他の部材によって規制してもよい。ただし、第１溝部９４または第２溝部７３によって巻回部８１の軸方向Ｄの移動を規制する場合は、ワイヤ駆動装置５０が小型化されるという点で優位性がある。
【００７０】
実施例２から実施例４では、押圧部３は、ドラム９０であるとしたが、ワイヤ８０の巻
回部８１のうち少なくとも巻回端部８２を押さえ付けていれば、他の部材であってもよい。ただし、押圧部３がドラム９０の場合は、実施例２から実施例４で示した作用効果を有する点で優位性がある。
【００７１】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施例における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。
【符号の説明】【００７２】
２…規制部、２ａ…第１規制部、２ｂ…第２規制部、３…押圧部、２０…手首部（被牽引物）、５０…ワイヤ駆動装置、６０…モータ、７０…プーリ、７３…第２溝部、８０…ワ
イヤ、８１…巻回部、８２…巻回端部、８３…巻回接触部、９０…ドラム、９４…第１溝部、Ｄ…軸方向、Ｏ１…第１回転軸、Ｏ２…第２回転軸

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【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

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【図５】

【図７】

【図６】

【図８】

【図９】

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【図１０】

【図１２】

【図１１】

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フロントページの続き(72)発明者 雍

旭

東京都調布市調布ケ丘一丁目５番地１(72)発明者 矢吹佳子

東京都調布市調布ケ丘一丁目５番地１(72)発明者 東郷

国立大学法人電気通信大学内俊太

東京都調布市調布ケ丘一丁目５番地１(72)発明者 姜国立大学法人電気通信大学内

国立大学法人電気通信大学内

銀来

東京都調布市調布ケ丘一丁目５番地１
Ｆターム(参考) 3C707 DS01

ES06

3J062 AA38 AB11

国立大学法人電気通信大学内

ES07 EU11

EU12

HS27

AC07

BA12

CA02

AC09

CA24

CA33

CG83