ロボットハンド及びロボットシステム
【課題】互いに隣接する複数の指部を連動して動かすことができるとともに、複数の駆動部から得られる駆動力を１つの指部に集中させることができるロボットハンド及びロボットシステムを提供する。
【解決手段】ロボットハンド１に含まれる、中指部２−３に対応する屈筋腱部８ａは、示指部２−２、中指部２−３、環指部２−４に接続されている。また、中指部２−３に対応する屈筋腱部８ａは、示指部２−２、中指部２−３、環指部２−４を屈伸させる連動制御を行うサーボモータ３に接続されている。中指部２−３は、接続されているサーボモータ３が互いに異なる複数の屈筋腱部８ａと接続されている。
【解決手段】ロボットハンド１に含まれる、中指部２−３に対応する屈筋腱部８ａは、示指部２−２、中指部２−３、環指部２−４に接続されている。また、中指部２−３に対応する屈筋腱部８ａは、示指部２−２、中指部２−３、環指部２−４を屈伸させる連動制御を行うサーボモータ３に接続されている。中指部２−３は、接続されているサーボモータ３が互いに異なる複数の屈筋腱部８ａと接続されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットハンド及びロボットシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、義手などへの応用を目指したロボットハンドの研究や開発が盛んに行われてきている。ロボットハンドには、生体信号の解析結果に基づく姿勢に位置決めすることができるものが存在する。特許文献１には、１個の駆動源から発生する動力を１個以上の差動歯車を介して２本以上の可撓部材に伝達し、各々の可撓部材を牽引することにより、２本以上の指に把持力を発生させるようにしたロボットハンドが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２７７１７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ロボットハンドで物体を握る際に、特定の指部に大きな外力が集中してかかることがある。このような場合に、この指部が複数の駆動部からの駆動力を集中して受け、大きな駆動力が得られたならば、物体をしっかり握りしめることができる。また、互いに隣接する複数の指部が連動して動くようになると、ロボットハンドの動きがより人間の手の動きに近いものとなる。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、互いに隣接する複数の指部を連動して動かすことができるとともに、複数の駆動部から得られる駆動力を１つの指部に集中させることができるロボットハンド及びロボットシステム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、本発明に係るロボットハンドは、複数の指部と、複数の接続部と、を含み、前記各接続部は、前記複数の指部のうちの隣接する複数である接続先指部群、及び、前記接続先指部群に属する指部を屈伸させる連動制御を行う駆動部に接続されており、少なくとも１つの前記指部は、接続されている前記駆動部が互いに異なる複数の接続部と接続されていることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係るロボットシステムは、複数の指部と、複数の接続部と、複数の駆動部と、を含み、前記各接続部は、前記複数の指部のうちの隣接する複数である接続先指部群、及び、前記接続先指部群に属する指部を屈伸させる連動制御を行う前記駆動部に接続されており、少なくとも１つの前記指部は、接続されている前記駆動部が互いに異なる複数の接続部と接続されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明では、接続部が接続先指部群と駆動部とに接続されており、駆動部が接続部の接続先である隣接する複数の指部を屈伸させる連動制御を行うので、互いに隣接する複数の指部を連動して動かすことができる。また、少なくとも１つの指部は、接続されている前記駆動部が互いに異なる複数の接続部と接続されているので、この指部は複数の駆動部から駆動力を得ることができる。そのため、本発明によると、互いに隣接する複数の指部を連動して動かすことができるとともに、複数の駆動部から得られる駆動力を１つの指部に集中させることができる。
【０００９】
また、本発明の一態様では、前記指部には、対応する前記接続部が少なくとも１つ存在し、前記指部に対応する接続部は、当該接続部の延伸方向が、当該接続部に対応する指部の軸線に対して、中指に対応する指部に向かう向き、又は、中指に対応する指部から離れる向きにずれるよう配置されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の一態様では、前記指部は、互いに分離されている複数の指節部から構成されており、前記指節部間はワイヤにより連結されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の一態様では、それぞれ互いに異なる前記接続部に対応する複数のガイド部をさらに含み、前記接続部は、互いに異なる指部に接続される線状のリンク部を複数含んでおり、前記接続部に含まれる各リンク部は、当該接続部に対応するガイド部を経由して互いに異なる指部に接続されることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の一態様では、前記接続部に含まれるリンク部のうちの、当該接続部に対応する指部に接続されるリンク部の余裕長が、他の指部に接続されるリンク部の余裕長よりも短いことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の一態様では、前記リンク部は、一端が前記駆動部に接続され、他端が前記指部に接続されていることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの骨格の概略的な外観の一例を示す概略外観図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの骨格構造の一例を模式的に示す模式図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの第１関節（ＤＩＰ関節）及び第２関節（ＰＩＰ関節）の屈曲運動を主に駆動する腱配置と腱鞘機構を掌側から見た様子の一例を示す模式図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの第１関節（ＤＩＰ関節）及び第２関節（ＰＩＰ関節）の伸展運動を主に駆動する腱配置と腱鞘機構を手の甲側から見た様子の一例を示す模式図である。
【図３Ｃ】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの第３関節（ＭＰ関節）及び第４関節（ＣＭ関節）の屈曲運動を主に駆動する腱配置と腱鞘機構を掌側から見た様子の一例を示す模式図である。
【図３Ｄ】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの第３関節（ＭＰ関節）及び第４関節（ＣＭ関節）の伸展運動を主に駆動する腱配置と腱鞘機構を手の甲側から見た様子の一例を示す模式図である。
【図３Ｅ】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの手首関節の屈曲運動を主に駆動する腱配置と腱鞘機構を掌側から見た様子の一例を示す模式図である。
【図３Ｆ】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの手首関節の伸展運動を主に駆動する腱配置と腱鞘機構を手の甲側から見た様子の一例を示す模式図である。
【図４】図１に示すロボットハンドの一部を拡大して掌側から見た様子の一例を示す拡大平面概略図である。
【図５】指部の内部構造の概要の一例を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るロボットハンドとサーボモータとの接続関係の一例を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの指節部間の関節が屈曲する様子の一例を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係るロボットシステムの構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態について図面に基づき詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本実施形態に係るロボットハンド１の骨格の概略的な外観の一例を示す概略外観図である。図１では、右手側のロボットハンド１が示されている。
【００１７】
図２は、本実施形態に係るロボットハンド１の骨格構造の一例を模式的に示す模式図である。図３Ａは、本実施形態に係るロボットハンド１の第１関節（ＤＩＰ関節）及び第２関節（ＰＩＰ関節）の屈曲運動を主に駆動する腱配置と腱鞘機構を掌側から見た様子の一例を示す模式図である。図３Ｂは、本実施形態に係るロボットハンド１の第１関節（ＤＩＰ関節）及び第２関節（ＰＩＰ関節）の伸展運動を主に駆動する腱配置と腱鞘機構を手の甲側から見た様子の一例を示す模式図である。図３Ｃは、本実施形態に係るロボットハンド１の第３関節（ＭＰ関節）及び第４関節（ＣＭ関節）の屈曲運動を主に駆動する腱配置と腱鞘機構を掌側から見た様子の一例を示す模式図である。図３Ｄは、本実施形態に係るロボットハンド１の第３関節（ＭＰ関節）及び第４関節（ＣＭ関節）の伸展運動を主に駆動する腱配置と腱鞘機構を手の甲側から見た様子の一例を示す模式図である。図３Ｅは、本実施形態に係るロボットハンド１の手首関節の屈曲運動を主に駆動する腱配置と腱鞘機構を掌側から見た様子の一例を示す模式図である。図３Ｆは、本実施形態に係るロボットハンド１の手首関節の伸展運動を主に駆動する腱配置と腱鞘機構を手の甲側から見た様子の一例を示す模式図である。
【００１８】
図４は、図１に示すロボットハンド１の一部を拡大して掌側から見た様子の一例を示す拡大平面概略図である。なお、図４では、ロボットハンド１の構成のうち、図３Ａに示した腱配置と腱鞘機構の一部（示指から小指にかけての部分）を抜粋して示している。図５は、指部２の内部構造の概要の一例を示す図である。図６は、本実施形態に係るロボットハンド１とサーボモータ３との接続関係の一例を示す図である。
【００１９】
本実施形態に係るロボットハンド１は、様々な形状に対する物体の把持を達成するために、手指の形状と動力系を模倣したものとなっている。そして、本実施形態に係るロボットハンド１の骨格は、２０関節２４自由度リンク構造となっている。そして、手根骨群は、特に区別することなくまとめて１つのリンクとして構成されている。関節の駆動機構はワイヤ牽引式を採用することにより、駆動部（本実施形態では、例えば、サーボモータ３）をロボットハンド１自体からは独立させ、ロボットハンド１の先端部分の重量の軽減を図っている。本実施形態に係るロボットハンド１の骨格は、例えば、ナイロン製である。また、本実施形態に係るロボットハンド１の骨格は、例えば、粉体成型法などにより形成されている。
【００２０】
本実施形態に係るロボットハンド１は、掌部４と、掌部４に接続された複数の指部２（拇指部２−１、示指部２−２、中指部２−３、環指部２−４、及び、小指部２−５）とを含んでいる。そして、本実施形態では、各指部２は、互いに分離している部材である複数の指節部５（拇指部２−１以外の指部２については、指先から順に、末節部５−１、中節部５−２、及び、基節部５−３。拇指部２−１については、指先から順に、末節部５−１、及び、基節部５−３。）を含んでいる。基節部５−３は、中手骨部６と接続されている。中手骨部６は手根骨リンク７と接続されている。拇指部２−１以外の指部２については、末節部５−１と中節部５−２の間の関節が第１関節（ＤＩＰ関節）であり、中節部５−２と基節部５−３の間の関節が第２関節（ＰＩＰ関節）であり、基節部５−３と中手骨部６の間の関節が第３関節（ＭＰ関節）であり、中手骨部６と手根骨リンク７の間の関節が第４関節（ＣＭ関節）である。拇指部２−１については、末節部５−１と基節部５−３の間の関節がＩＰ関節であり、基節部５−３と中手骨部６の間の関節がＭＰ関節であり、中手骨部６と手根骨リンク７の間の関節がＣＭ関節である。そして、本実施形態に係るロボットハンド１では、ＤＩＰ関節、ＰＩＰ関節、ＭＰ関節、拇指部２−１のＣＭ関節、手首関節が能動関節であり、拇指部２−１以外の指部２のＣＭ関節が受動関節である。
【００２１】
本実施形態に係るロボットハンド１は、指部２の屈伸運動に用いられる部材である接続部（本実施形態では、腱部８）を含んでいる。本実施形態に係るロボットハンド１では、腱部８は、線状の部材であるリンク部９を少なくとも１つ含んでいる。また、本実施形態に係るロボットハンド１の掌部４には、腱部８をガイドする腱鞘部１０が接合されている。本実施形態では、腱鞘部１０には、貫通孔が形成されており、腱鞘部１０に形成されている貫通孔に、腱部８に含まれるリンク部９が貫通されている。そして、本実施形態では、指部２には、対応する腱鞘部１０が少なくとも１つ存在する。そして、本実施形態では、指部２に対応する腱鞘部１０を経由する腱部８を、この指部２に対応する腱部８と呼ぶこととする。
【００２２】
図４には、指部２を屈曲させる際に主に駆動される腱部８である屈曲用腱部（以下、屈筋腱部８ａと呼ぶ。）、及び、屈筋腱部８ａに含まれるリンク部９が経由する屈曲用腱鞘部（以下、屈筋腱鞘部１０ａと呼ぶ。）が示されている。そして、示指部２−２、中指部２−３、環指部２−４、又は、小指部２−５に対応する屈筋腱鞘部１０ａについては、１つの屈筋腱鞘部１０ａに形成されている貫通孔に複数のリンク部９が貫通している。そして、これらのリンク部９それぞれの一端は、屈筋腱鞘部１０ａに対応する指部２又はその指部２に隣接する指部２に接続されている。
【００２３】
すなわち、本実施形態に係る屈筋腱部８ａは、ロボットハンド１を構成する複数の指部２のうちの隣接する複数（接続先指部群）に接続されている。指部２とリンク部９とは、留具１１によって接続されている。具体的には、例えば、示指部２−２に対応する屈筋腱鞘部１０ａには、２つのリンク部９が経由しており、それぞれの一端は、示指部２−２に含まれる末節部５−１、及び、中指部２−３に含まれる末節部５−１に接続されている。また、中指部２−３に対応する屈筋腱鞘部１０ａには、３つのリンク部９が経由しており、それぞれの一端は、示指部２−２に含まれる末節部５−１、中指部２−３に含まれる末節部５−１、及び、環指部２−４に含まれる末節部５−１に接続されている。また、環指部２−４に対応する屈筋腱鞘部１０ａには、３つのリンク部９が経由しており、それぞれの一端は、中指部２−３に含まれる末節部５−１、環指部２−４に含まれる末節部５−１、及び、小指部２−５に含まれる末節部５−１に接続されている。また、小指部２−５に対応する屈筋腱鞘部１０ａには、２つのリンク部９が経由しており、それぞれの一端は、環指部２−４に含まれる末節部５−１、及び、小指部２−５に含まれる末節部５−１に接続されている。
【００２４】
また、本実施形態に係るロボットハンド１では、少なくとも１つの指部２については、接続されているサーボモータ３が互いに異なる複数のリンク部９が接続されている。具体的には、例えば、示指部２−２に含まれる末節部５−１には、示指部２−２に対応する屈筋腱鞘部１０ａを経由するリンク部９、及び、中指部２−３に対応する屈筋腱鞘部１０ａを経由するリンク部９が接続されている。また、中指部２−３に含まれる末節部５−１には、示指部２−２に対応する屈筋腱鞘部１０ａを経由するリンク部９、中指部２−３に対応する屈筋腱鞘部１０ａを経由するリンク部９、及び、環指部２−４に対応する屈筋腱鞘部１０ａを経由するリンク部９が接続されている。また、環指部２−４に含まれる末節部５−１には、中指部２−３に対応する屈筋腱鞘部１０ａを経由するリンク部９、環指部２−４に対応する屈筋腱鞘部１０ａを経由するリンク部９、及び、小指部２−５に対応する屈筋腱鞘部１０ａを経由するリンク部９が接続されている。また、小指部２−５に含まれる末節部５−１には、環指部２−４に対応する屈筋腱鞘部１０ａを経由するリンク部９、及び、小指部２−５に対応する屈筋腱鞘部１０ａを経由するリンク部９が接続されている。
【００２５】
本実施形態に係るロボットハンド１では、図５に示すように、各指部２に含まれる指節部５が空洞になっている。そして、１つの指部２を構成する指節部５の空洞には、少なくとも１つの超弾性ワイヤ１２が貫通している。すなわち、１つの指部２を構成する指節部５の間は超弾性ワイヤ１２によって連結されている。
【００２６】
本実施形態に係るロボットハンド１では、図６に示すように、一端が指部２に接続されているリンク部９の他端は、腱鞘部１０を経由して、サーボモータ３に接続されている。本実施形態に係るロボットハンド１では、リンク部９は、紐状部材（本実施形態では、具体的には、例えば、金属製のワイヤ９ａ）と、紐状部材に被せられている可撓性を有する筒状のチューブ９ｂと、を含んで構成されている。そして、ワイヤ９ａの一端がサーボモータ３に接続されている。そして、サーボモータ３が駆動することにより、ワイヤ９ａが、チューブ９ｂの中で他の部材と接触することなく長手方向に移動する。このように、ワイヤ９ａは、長手方向に移動自在に保持されている。
【００２７】
本実施形態に係るロボットハンド１では、１つの腱鞘部１０を経由する腱部８に含まれる複数のリンク部９は、同一のサーボモータ３に接続される。図６の例では、中指部２−３に対応する屈筋腱鞘部１０ａを経由する３つのリンク部９が、１つのサーボモータ３に接続されている。また、本実施形態に係るロボットハンド１では、互いに異なる腱部８の接続先となるサーボモータ３は異なっている。
【００２８】
なお、本実施形態に係るロボットハンド１では、一端が指部２に接続されている超弾性ワイヤ１２の他端は、サーボモータ３に接続されている。そして、一端が同一の指部２に接続されている超弾性ワイヤ１２の他端は、共通のサーボモータ３に接続されている。
【００２９】
図３Ａには、本実施形態に係るロボットハンド１における屈筋腱部８ａや屈筋腱鞘部１０ａの構成が模式的に示されている。図３Ａでは、同一経路を通る複数のリンク部９については１つの線により表現されている。なお、腱部８は、図４に示すように、共通のサーボモータ３に接続される複数本のリンク部９から構成されている必要はなく、例えば、１つのサーボモータ３に接続される根元部と、根元部に接続される複数の枝部と、を含む部材であっても構わない。そして、根元部から枝分かれする複数の枝部の先端が、それぞれ互いに異なる指部２に接続されていても構わない。
【００３０】
図３Ｂには、本実施形態に係るロボットハンド１における、指部２を伸展させる際に主に駆動される腱部８である伸展用腱部（以下、伸筋腱部８ｂと呼ぶ。）や、伸筋腱部８ｂが経由する伸展用腱鞘部（以下、伸筋腱鞘部１０ｂと呼ぶ。）の構成が模式的に示されている。図３Ｂに示されている腱配置及び腱鞘機構は、伸筋腱部８ｂが掌側からではなく手の甲側から指部２に接続されている点、及び、伸筋腱鞘部１０ｂが、対応する指部２に対して中指部２−３から離れる向きにずらして配置（オフセットして配置）されている点を除いては、図３Ａに示されている腱配置及び腱鞘機構と同様である。すなわち、伸筋腱部８ｂによるサーボモータ３と指部２との接続関係は、屈筋腱部８ａによるサーボモータ３と指部２との接続関係と同様である。
【００３１】
図３Ｃに示されている、ロボットハンド１の関節の屈曲運動を駆動する腱配置及び腱鞘機構は、屈筋腱部８ａが指部２の末節部５−１に接続されている点、及び、屈筋腱鞘部１０ａの位置を除いては、図３Ａに示されている、ロボットハンド１の関節の屈曲運動を駆動する腱配置及び腱鞘機構と同様である。図３Ｄに示されている、ロボットハンド１の関節の屈曲運動を駆動する腱配置及び腱鞘機構は、伸筋腱部８ｂが指部２の末節部５−１に接続されている点を除いては、図３Ｂに示されている腱配置及び腱鞘機構と同様である。
【００３２】
図３Ｅ、及び、図３Ｆには、手首関節の運動を駆動する腱配置と腱鞘機構が示されている。本実施形態に係るロボットハンド１では、手首関節は、３自由度（掌背屈、撓尺屈、回内外）の運動自由度を有する。手首関節の運動には、２つの屈筋腱部８ａ（Ｆｕ（尺骨側）とＦｒ（橈骨側））と、２つの伸筋腱部８ｂ（Ｅｕ（尺骨側）とＥｒ（橈骨側））が用いられる。そして、各腱部８をサーボモータ３で駆動することにより、手首の駆動が制御される。掌背屈（Ｅｒ，Ｅｕ）−（Ｆｒ，Ｆｕ）、撓尺屈（Ｆｒ，Ｅｒ）−（Ｆｕ，Ｅｕ）、回内外（Ｆｒ，Ｅｕ）−（Ｆｕ，Ｅｒ）のペアをそれぞれ伸縮すると各々対応する自由度の回転が生じる。
【００３３】
本実施形態に係るロボットハンド１では、バイオフィードバック技術を用いて駆動力がサーボモータ３に与えられるようになっている。そして、本実施形態に係るロボットハンド１では、１つのサーボモータ３を駆動させることにより複数の指部２を動かすことができる。すなわち、本実施形態に係るロボットハンド１では、サーボモータ３は、サーボモータ３に接続されたリンク部９の接続先の指部２を屈伸させる連動制御を行う。
【００３４】
本実施形態に係るロボットハンド１では、示指部２−２、中指部２−３、環指部２−４、及び、小指部２−５については、１つの指部２に、接続されているサーボモータ３が互いに異なる複数のリンク部９が接続されている。そのため、１つの指部２に対して大きな外力が集中してかかったときなどには、複数のサーボモータ３の駆動力を１つの指部２に伝えることができる。このようにして、本実施形態に係るロボットハンド１では、例えば、大きな外力が加えられた場合でも複数のサーボモータ３から駆動力を得ることができる。
【００３５】
このように、本実施形態に係るロボットハンド１では、すべての指部２にかかる外力がバランスしているときには、５自由度の制御自由度を有することとなる一方で、指部２にかかる外力にアンバランスが生じた場合には、最も外力のかかる指部２に対して複数のモータ動力を集中させることが可能となる。そのため、五指がバランスをとりながら、物体をしっかり握りしめることが可能となる。また、物体に対する面圧分布を均一化できるため、面圧を最小化でき、物体の破壊を防ぐことができる。
【００３６】
本実施形態に係るロボットハンド１では、腱鞘部１０に対応する指部２に隣接する指部２に接続されたリンク部９には、腱鞘部１０に対応する指部２に接続されたリンク部９よりも長い余裕長（たわみ）を持たせている。すなわち、腱鞘部１０に対応する指部２に隣接する指部２に接続されたリンク部９の余裕長が、腱鞘部１０に対応する指部２に接続されたリンク部９の余裕長よりも長くなっている。例えば、腱鞘部１０の指先側の端からリンク部９が接続される指部２上の位置までのリンク部９に沿った長さと、腱鞘部１０の指先側の端からリンク部９が接続される指部２上の位置までの直線距離と、の差をリンク部余裕長と定義すると、腱鞘部１０に対応する指部２に接続されたリンク部９についてのリンク部余裕長が、その指部２に隣接する指部２に接続されたリンク部９についてのリンク部余裕長よりも短くなっている。
【００３７】
そのため、本実施形態に係るロボットハンド１では、中指部２−３に対応する屈筋腱鞘部１０ａを貫通する３つのリンク部９（それぞれの一端は示指部２−２、中指部２−３、環指部２−４に接続されている）が接続されるサーボモータ３について、ワイヤ９ａを巻き取るよう駆動させると、まず、中指部２−３が屈曲し、中指部２−３が所定角度だけ屈曲した後に、示指部２−２と環指部２−４とが屈曲し始めるようになっている。同様に、本実施形態に係るロボットハンド１では、環指部２−４に対応する屈筋腱鞘部１０ａを貫通する３つのリンク部９（それぞれの一端は中指部２−３、環指部２−４、小指部２−５に接続されている）が接続されるサーボモータ３について、ワイヤ９ａを巻き取るよう駆動させると、まず、環指部２−４が屈曲し、環指部２−４が所定角度だけ屈曲した後に、中指部２−３と小指部２−５とが屈曲し始めるようになっている。
【００３８】
図７は、本実施形態に係るロボットハンド１の指節部５間の関節が屈曲する様子の一例を示す図である。図７に示すように、本実施形態に係るロボットハンド１は、指節部５が相互にはまりあう凹凸形状軸受け部を有している。また、指節部５を、超弾性ワイヤ１２を用いて締結することにより、回転型の滑り軸受を構成している。本実施形態に係るロボットハンド１では、リンク部９に含まれるワイヤ９ａがサーボモータ３により巻き取られ、リンク部９に含まれるチューブ９ｂがたわんで、リンク部９の長さが全体として短くなり、指部２に対して張力が発生する。このようにして、指部２が屈曲することとなる。
【００３９】
そして、本実施形態に係るロボットハンド１では、リンク部９が、指節部５からはみ出ているため、指部２が屈曲すればするほど指部２にかかる張力の、指部２に対して垂直な方向の成分の大きさが増大することになる。このように、本実施形態に係るロボットハンド１では、サーボモータ３に与えられる駆動力が時間によらず一定であっても、指部２にかかるトルクは時間経過とともに増大することとなる。このようにして、ロボットハンド１の利用者は、物体を握りしめやすくなる。
【００４０】
また、本実施形態に係るロボットハンド１では、腱鞘部１０が、外力の大きさに感応してモーメントが大きくなる位置に変形移動するようになっている。そのため、腱部８に過大な張力がかかった場合には、腱鞘部１０が腱部８の曲率半径を大きくし、スムーズな運動を可能とする。そのため、生体信号からさらに強く握り込むなどの指令が入力された場合に、ゆっくりではあるがじわじわと力を増大させることができる。
【００４１】
本実施形態に係るロボットハンド１では、図４に示すように、屈筋腱鞘部１０ａが、屈筋腱鞘部１０ａを経由するリンク部９の延伸方向が、屈筋腱鞘部１０ａに対応する指部２の軸線に対して、中指部２−３に向かう向きにずらして配置（オフセットして配置）されている。そのため、サーボモータ３により屈筋腱部８ａに含まれるワイヤ９ａが巻き取られると、各指部２には、中指部２−３側に向かう力（モーメント）がかかることとなる。そのため、本実施形態に係るロボットハンド１では、屈筋腱鞘部１０ａが対応する指部２に対して中指部２−３側にずらして配置（オフセットして配置）されていないロボットハンド１よりも、指部２が閉じる際に、指部２が近づき寄り添いながら閉じることとなる。
【００４２】
本実施形態に係るロボットハンド１では、指部２を屈曲させる際には、屈筋腱部８ａに接続されたサーボモータ３が主に駆動することとなり、指部２を伸展させる際には、伸筋腱部８ｂに接続されたサーボモータ３が主に駆動することとなる。そして、本実施形態に係るロボットハンド１では、指部２が伸展する際に、サーボモータ３からワイヤ９ａが繰り出されて、伸筋腱部８ｂに含まれるチューブ９ｂのたわみが解消される。そして、チューブ９ｂの復元力により、指部２が伸展することとなる。
【００４３】
そして、本実施形態に係るロボットハンド１では、伸筋腱鞘部１０ｂが、伸筋腱鞘部１０ｂを経由するリンク部９の延伸方向が、伸筋腱鞘部１０ｂに対応する指部２の軸線に対して、中指部２−３から離れる向きにずらして配置（オフセットして配置）されている。そのため、本実施形態に係るロボットハンド１では、指部２が伸展する際に、各指部２に、中指部２−３側から離れる向きの力（モーメント）がかかることとなる。そのため、本実施形態に係るロボットハンド１では、伸筋腱鞘部１０ｂが対応する指部２に対して中指部２−３から離れるようずらして配置（オフセットして配置）されていないロボットハンド１よりも、指部２が開く際に、指部２が左右に広がりながら開くようになる。
【００４４】
このように、本実施形態に係るロボットハンド１では、伸筋腱部８ｂが中指部２−３から離れる向きにずらして配置され、屈筋腱部８ａが中指部２−３側にずらして配置されているので、指を開くときは、手指が左右に広がりながら開き、指を閉じるときには、指が近づき寄り添いながら閉じることとなる。これにより、ロボットハンド１の指先で小さなものを摘んだり、五指で細い棒を握りこんだりすることが容易になる。
【００４５】
本実施形態に係るロボットハンド１では、指部２に外力が加えられた場合でも、その外力に応じた駆動力がサーボモータ３に与えられ、外力と駆動力とがつりあい、例えば、ロボットハンド１で飛んできたボールを受け取るようなことを行うことができるようになっている。しかし、短時間で強い外力が指部２に加えられた場合には、サーボモータ３の駆動が間に合わない状況となることが考えられる。本実施形態に係るロボットハンド１では、各指節部５が、互いに分離しているので、そのような状況になったとしても、指節部５同士の係合を外す（脱臼したような状況にする）ことで、急激な外力を逃がすことができる。そして、その後、超弾性ワイヤ１２に接続されたサーボモータ３、屈筋腱部８ａに接続されたサーボモータ３、伸筋腱部８ｂに接続されたサーボモータ３を駆動させることにより、本実施形態に係るロボットハンド１を元の状態（凹凸のはめ合い状態（再安定状態）（図７参照））に復帰させることができる。
【００４６】
図８は、本実施形態に係るロボットシステム２０の構成の一例を示す図である。図８に示すように、本実施形態に係るロボットシステム２０は、上述のロボットハンド１と、複数の駆動部（本実施形態では、例えば、上述のサーボモータ３）を含んで構成されている。
【００４７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００４８】
例えば、示指部２−２の基節部５−３と中指部２−３の基節部５−３の間、中指部２−３の基節部５−３と環指部２−４の基節部５−３の間、環指部２−４の基節部５−３と小指部２−５の基節部５−３の間が弾性を有する圧縮部材（例えば、ばね）によって締結されていてもよい。こうすれば、指部２を開いたときに、指部２が放射状に開きやすくなるので、手が広がる姿勢を維持することができる。また、手指の開口面積を大きくとることが可能となり、大きな物体まで握りこめることとなる。
【００４９】
また、本実施形態に係るロボットハンド１の骨格の素材はナイロンに限定されない。また、リンク部９の形状は上述のものには限定されない。また、例えば、紐状部材の素材は、金属でなくてもよく、例えば、繊維などでも構わない。また、本実施形態に係るロボットハンド１を、人工肩など義手以外に応用してもよい。また、リンク部９が指部２の内部を貫通していてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１ ロボットハンド、２ 指部、２−１ 拇指部、２−２ 示指部、２−３ 中指部、２−４ 環指部、２−５ 小指部、３ サーボモータ、４ 掌部、５ 指節部、５−１ 末節部、５−２ 中節部、５−３ 基節部、６ 中手骨部、７ 手根骨リンク、８ 腱部、８ａ 屈筋腱部、８ｂ 伸筋腱部、９ リンク部、９ａ ワイヤ、９ｂ チューブ、１０ 腱鞘部、１０ａ 屈筋腱鞘部、１０ｂ 伸筋腱鞘部、１１ 留具、１２ 超弾性ワイヤ、２０ ロボットシステム。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットハンド及びロボットシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、義手などへの応用を目指したロボットハンドの研究や開発が盛んに行われてきている。ロボットハンドには、生体信号の解析結果に基づく姿勢に位置決めすることができるものが存在する。特許文献１には、１個の駆動源から発生する動力を１個以上の差動歯車を介して２本以上の可撓部材に伝達し、各々の可撓部材を牽引することにより、２本以上の指に把持力を発生させるようにしたロボットハンドが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２７７１７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ロボットハンドで物体を握る際に、特定の指部に大きな外力が集中してかかることがある。このような場合に、この指部が複数の駆動部からの駆動力を集中して受け、大きな駆動力が得られたならば、物体をしっかり握りしめることができる。また、互いに隣接する複数の指部が連動して動くようになると、ロボットハンドの動きがより人間の手の動きに近いものとなる。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、互いに隣接する複数の指部を連動して動かすことができるとともに、複数の駆動部から得られる駆動力を１つの指部に集中させることができるロボットハンド及びロボットシステム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、本発明に係るロボットハンドは、複数の指部と、複数の接続部と、を含み、前記各接続部は、前記複数の指部のうちの隣接する複数である接続先指部群、及び、前記接続先指部群に属する指部を屈伸させる連動制御を行う駆動部に接続されており、少なくとも１つの前記指部は、接続されている前記駆動部が互いに異なる複数の接続部と接続されていることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係るロボットシステムは、複数の指部と、複数の接続部と、複数の駆動部と、を含み、前記各接続部は、前記複数の指部のうちの隣接する複数である接続先指部群、及び、前記接続先指部群に属する指部を屈伸させる連動制御を行う前記駆動部に接続されており、少なくとも１つの前記指部は、接続されている前記駆動部が互いに異なる複数の接続部と接続されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明では、接続部が接続先指部群と駆動部とに接続されており、駆動部が接続部の接続先である隣接する複数の指部を屈伸させる連動制御を行うので、互いに隣接する複数の指部を連動して動かすことができる。また、少なくとも１つの指部は、接続されている前記駆動部が互いに異なる複数の接続部と接続されているので、この指部は複数の駆動部から駆動力を得ることができる。そのため、本発明によると、互いに隣接する複数の指部を連動して動かすことができるとともに、複数の駆動部から得られる駆動力を１つの指部に集中させることができる。
【０００９】
また、本発明の一態様では、前記指部には、対応する前記接続部が少なくとも１つ存在し、前記指部に対応する接続部は、当該接続部の延伸方向が、当該接続部に対応する指部の軸線に対して、中指に対応する指部に向かう向き、又は、中指に対応する指部から離れる向きにずれるよう配置されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の一態様では、前記指部は、互いに分離されている複数の指節部から構成されており、前記指節部間はワイヤにより連結されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の一態様では、それぞれ互いに異なる前記接続部に対応する複数のガイド部をさらに含み、前記接続部は、互いに異なる指部に接続される線状のリンク部を複数含んでおり、前記接続部に含まれる各リンク部は、当該接続部に対応するガイド部を経由して互いに異なる指部に接続されることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の一態様では、前記接続部に含まれるリンク部のうちの、当該接続部に対応する指部に接続されるリンク部の余裕長が、他の指部に接続されるリンク部の余裕長よりも短いことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の一態様では、前記リンク部は、一端が前記駆動部に接続され、他端が前記指部に接続されていることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの骨格の概略的な外観の一例を示す概略外観図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの骨格構造の一例を模式的に示す模式図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの第１関節（ＤＩＰ関節）及び第２関節（ＰＩＰ関節）の屈曲運動を主に駆動する腱配置と腱鞘機構を掌側から見た様子の一例を示す模式図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの第１関節（ＤＩＰ関節）及び第２関節（ＰＩＰ関節）の伸展運動を主に駆動する腱配置と腱鞘機構を手の甲側から見た様子の一例を示す模式図である。
【図３Ｃ】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの第３関節（ＭＰ関節）及び第４関節（ＣＭ関節）の屈曲運動を主に駆動する腱配置と腱鞘機構を掌側から見た様子の一例を示す模式図である。
【図３Ｄ】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの第３関節（ＭＰ関節）及び第４関節（ＣＭ関節）の伸展運動を主に駆動する腱配置と腱鞘機構を手の甲側から見た様子の一例を示す模式図である。
【図３Ｅ】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの手首関節の屈曲運動を主に駆動する腱配置と腱鞘機構を掌側から見た様子の一例を示す模式図である。
【図３Ｆ】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの手首関節の伸展運動を主に駆動する腱配置と腱鞘機構を手の甲側から見た様子の一例を示す模式図である。
【図４】図１に示すロボットハンドの一部を拡大して掌側から見た様子の一例を示す拡大平面概略図である。
【図５】指部の内部構造の概要の一例を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るロボットハンドとサーボモータとの接続関係の一例を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの指節部間の関節が屈曲する様子の一例を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係るロボットシステムの構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態について図面に基づき詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本実施形態に係るロボットハンド１の骨格の概略的な外観の一例を示す概略外観図である。図１では、右手側のロボットハンド１が示されている。
【００１７】
図２は、本実施形態に係るロボットハンド１の骨格構造の一例を模式的に示す模式図である。図３Ａは、本実施形態に係るロボットハンド１の第１関節（ＤＩＰ関節）及び第２関節（ＰＩＰ関節）の屈曲運動を主に駆動する腱配置と腱鞘機構を掌側から見た様子の一例を示す模式図である。図３Ｂは、本実施形態に係るロボットハンド１の第１関節（ＤＩＰ関節）及び第２関節（ＰＩＰ関節）の伸展運動を主に駆動する腱配置と腱鞘機構を手の甲側から見た様子の一例を示す模式図である。図３Ｃは、本実施形態に係るロボットハンド１の第３関節（ＭＰ関節）及び第４関節（ＣＭ関節）の屈曲運動を主に駆動する腱配置と腱鞘機構を掌側から見た様子の一例を示す模式図である。図３Ｄは、本実施形態に係るロボットハンド１の第３関節（ＭＰ関節）及び第４関節（ＣＭ関節）の伸展運動を主に駆動する腱配置と腱鞘機構を手の甲側から見た様子の一例を示す模式図である。図３Ｅは、本実施形態に係るロボットハンド１の手首関節の屈曲運動を主に駆動する腱配置と腱鞘機構を掌側から見た様子の一例を示す模式図である。図３Ｆは、本実施形態に係るロボットハンド１の手首関節の伸展運動を主に駆動する腱配置と腱鞘機構を手の甲側から見た様子の一例を示す模式図である。
【００１８】
図４は、図１に示すロボットハンド１の一部を拡大して掌側から見た様子の一例を示す拡大平面概略図である。なお、図４では、ロボットハンド１の構成のうち、図３Ａに示した腱配置と腱鞘機構の一部（示指から小指にかけての部分）を抜粋して示している。図５は、指部２の内部構造の概要の一例を示す図である。図６は、本実施形態に係るロボットハンド１とサーボモータ３との接続関係の一例を示す図である。
【００１９】
本実施形態に係るロボットハンド１は、様々な形状に対する物体の把持を達成するために、手指の形状と動力系を模倣したものとなっている。そして、本実施形態に係るロボットハンド１の骨格は、２０関節２４自由度リンク構造となっている。そして、手根骨群は、特に区別することなくまとめて１つのリンクとして構成されている。関節の駆動機構はワイヤ牽引式を採用することにより、駆動部（本実施形態では、例えば、サーボモータ３）をロボットハンド１自体からは独立させ、ロボットハンド１の先端部分の重量の軽減を図っている。本実施形態に係るロボットハンド１の骨格は、例えば、ナイロン製である。また、本実施形態に係るロボットハンド１の骨格は、例えば、粉体成型法などにより形成されている。
【００２０】
本実施形態に係るロボットハンド１は、掌部４と、掌部４に接続された複数の指部２（拇指部２−１、示指部２−２、中指部２−３、環指部２−４、及び、小指部２−５）とを含んでいる。そして、本実施形態では、各指部２は、互いに分離している部材である複数の指節部５（拇指部２−１以外の指部２については、指先から順に、末節部５−１、中節部５−２、及び、基節部５−３。拇指部２−１については、指先から順に、末節部５−１、及び、基節部５−３。）を含んでいる。基節部５−３は、中手骨部６と接続されている。中手骨部６は手根骨リンク７と接続されている。拇指部２−１以外の指部２については、末節部５−１と中節部５−２の間の関節が第１関節（ＤＩＰ関節）であり、中節部５−２と基節部５−３の間の関節が第２関節（ＰＩＰ関節）であり、基節部５−３と中手骨部６の間の関節が第３関節（ＭＰ関節）であり、中手骨部６と手根骨リンク７の間の関節が第４関節（ＣＭ関節）である。拇指部２−１については、末節部５−１と基節部５−３の間の関節がＩＰ関節であり、基節部５−３と中手骨部６の間の関節がＭＰ関節であり、中手骨部６と手根骨リンク７の間の関節がＣＭ関節である。そして、本実施形態に係るロボットハンド１では、ＤＩＰ関節、ＰＩＰ関節、ＭＰ関節、拇指部２−１のＣＭ関節、手首関節が能動関節であり、拇指部２−１以外の指部２のＣＭ関節が受動関節である。
【００２１】
本実施形態に係るロボットハンド１は、指部２の屈伸運動に用いられる部材である接続部（本実施形態では、腱部８）を含んでいる。本実施形態に係るロボットハンド１では、腱部８は、線状の部材であるリンク部９を少なくとも１つ含んでいる。また、本実施形態に係るロボットハンド１の掌部４には、腱部８をガイドする腱鞘部１０が接合されている。本実施形態では、腱鞘部１０には、貫通孔が形成されており、腱鞘部１０に形成されている貫通孔に、腱部８に含まれるリンク部９が貫通されている。そして、本実施形態では、指部２には、対応する腱鞘部１０が少なくとも１つ存在する。そして、本実施形態では、指部２に対応する腱鞘部１０を経由する腱部８を、この指部２に対応する腱部８と呼ぶこととする。
【００２２】
図４には、指部２を屈曲させる際に主に駆動される腱部８である屈曲用腱部（以下、屈筋腱部８ａと呼ぶ。）、及び、屈筋腱部８ａに含まれるリンク部９が経由する屈曲用腱鞘部（以下、屈筋腱鞘部１０ａと呼ぶ。）が示されている。そして、示指部２−２、中指部２−３、環指部２−４、又は、小指部２−５に対応する屈筋腱鞘部１０ａについては、１つの屈筋腱鞘部１０ａに形成されている貫通孔に複数のリンク部９が貫通している。そして、これらのリンク部９それぞれの一端は、屈筋腱鞘部１０ａに対応する指部２又はその指部２に隣接する指部２に接続されている。
【００２３】
すなわち、本実施形態に係る屈筋腱部８ａは、ロボットハンド１を構成する複数の指部２のうちの隣接する複数（接続先指部群）に接続されている。指部２とリンク部９とは、留具１１によって接続されている。具体的には、例えば、示指部２−２に対応する屈筋腱鞘部１０ａには、２つのリンク部９が経由しており、それぞれの一端は、示指部２−２に含まれる末節部５−１、及び、中指部２−３に含まれる末節部５−１に接続されている。また、中指部２−３に対応する屈筋腱鞘部１０ａには、３つのリンク部９が経由しており、それぞれの一端は、示指部２−２に含まれる末節部５−１、中指部２−３に含まれる末節部５−１、及び、環指部２−４に含まれる末節部５−１に接続されている。また、環指部２−４に対応する屈筋腱鞘部１０ａには、３つのリンク部９が経由しており、それぞれの一端は、中指部２−３に含まれる末節部５−１、環指部２−４に含まれる末節部５−１、及び、小指部２−５に含まれる末節部５−１に接続されている。また、小指部２−５に対応する屈筋腱鞘部１０ａには、２つのリンク部９が経由しており、それぞれの一端は、環指部２−４に含まれる末節部５−１、及び、小指部２−５に含まれる末節部５−１に接続されている。
【００２４】
また、本実施形態に係るロボットハンド１では、少なくとも１つの指部２については、接続されているサーボモータ３が互いに異なる複数のリンク部９が接続されている。具体的には、例えば、示指部２−２に含まれる末節部５−１には、示指部２−２に対応する屈筋腱鞘部１０ａを経由するリンク部９、及び、中指部２−３に対応する屈筋腱鞘部１０ａを経由するリンク部９が接続されている。また、中指部２−３に含まれる末節部５−１には、示指部２−２に対応する屈筋腱鞘部１０ａを経由するリンク部９、中指部２−３に対応する屈筋腱鞘部１０ａを経由するリンク部９、及び、環指部２−４に対応する屈筋腱鞘部１０ａを経由するリンク部９が接続されている。また、環指部２−４に含まれる末節部５−１には、中指部２−３に対応する屈筋腱鞘部１０ａを経由するリンク部９、環指部２−４に対応する屈筋腱鞘部１０ａを経由するリンク部９、及び、小指部２−５に対応する屈筋腱鞘部１０ａを経由するリンク部９が接続されている。また、小指部２−５に含まれる末節部５−１には、環指部２−４に対応する屈筋腱鞘部１０ａを経由するリンク部９、及び、小指部２−５に対応する屈筋腱鞘部１０ａを経由するリンク部９が接続されている。
【００２５】
本実施形態に係るロボットハンド１では、図５に示すように、各指部２に含まれる指節部５が空洞になっている。そして、１つの指部２を構成する指節部５の空洞には、少なくとも１つの超弾性ワイヤ１２が貫通している。すなわち、１つの指部２を構成する指節部５の間は超弾性ワイヤ１２によって連結されている。
【００２６】
本実施形態に係るロボットハンド１では、図６に示すように、一端が指部２に接続されているリンク部９の他端は、腱鞘部１０を経由して、サーボモータ３に接続されている。本実施形態に係るロボットハンド１では、リンク部９は、紐状部材（本実施形態では、具体的には、例えば、金属製のワイヤ９ａ）と、紐状部材に被せられている可撓性を有する筒状のチューブ９ｂと、を含んで構成されている。そして、ワイヤ９ａの一端がサーボモータ３に接続されている。そして、サーボモータ３が駆動することにより、ワイヤ９ａが、チューブ９ｂの中で他の部材と接触することなく長手方向に移動する。このように、ワイヤ９ａは、長手方向に移動自在に保持されている。
【００２７】
本実施形態に係るロボットハンド１では、１つの腱鞘部１０を経由する腱部８に含まれる複数のリンク部９は、同一のサーボモータ３に接続される。図６の例では、中指部２−３に対応する屈筋腱鞘部１０ａを経由する３つのリンク部９が、１つのサーボモータ３に接続されている。また、本実施形態に係るロボットハンド１では、互いに異なる腱部８の接続先となるサーボモータ３は異なっている。
【００２８】
なお、本実施形態に係るロボットハンド１では、一端が指部２に接続されている超弾性ワイヤ１２の他端は、サーボモータ３に接続されている。そして、一端が同一の指部２に接続されている超弾性ワイヤ１２の他端は、共通のサーボモータ３に接続されている。
【００２９】
図３Ａには、本実施形態に係るロボットハンド１における屈筋腱部８ａや屈筋腱鞘部１０ａの構成が模式的に示されている。図３Ａでは、同一経路を通る複数のリンク部９については１つの線により表現されている。なお、腱部８は、図４に示すように、共通のサーボモータ３に接続される複数本のリンク部９から構成されている必要はなく、例えば、１つのサーボモータ３に接続される根元部と、根元部に接続される複数の枝部と、を含む部材であっても構わない。そして、根元部から枝分かれする複数の枝部の先端が、それぞれ互いに異なる指部２に接続されていても構わない。
【００３０】
図３Ｂには、本実施形態に係るロボットハンド１における、指部２を伸展させる際に主に駆動される腱部８である伸展用腱部（以下、伸筋腱部８ｂと呼ぶ。）や、伸筋腱部８ｂが経由する伸展用腱鞘部（以下、伸筋腱鞘部１０ｂと呼ぶ。）の構成が模式的に示されている。図３Ｂに示されている腱配置及び腱鞘機構は、伸筋腱部８ｂが掌側からではなく手の甲側から指部２に接続されている点、及び、伸筋腱鞘部１０ｂが、対応する指部２に対して中指部２−３から離れる向きにずらして配置（オフセットして配置）されている点を除いては、図３Ａに示されている腱配置及び腱鞘機構と同様である。すなわち、伸筋腱部８ｂによるサーボモータ３と指部２との接続関係は、屈筋腱部８ａによるサーボモータ３と指部２との接続関係と同様である。
【００３１】
図３Ｃに示されている、ロボットハンド１の関節の屈曲運動を駆動する腱配置及び腱鞘機構は、屈筋腱部８ａが指部２の末節部５−１に接続されている点、及び、屈筋腱鞘部１０ａの位置を除いては、図３Ａに示されている、ロボットハンド１の関節の屈曲運動を駆動する腱配置及び腱鞘機構と同様である。図３Ｄに示されている、ロボットハンド１の関節の屈曲運動を駆動する腱配置及び腱鞘機構は、伸筋腱部８ｂが指部２の末節部５−１に接続されている点を除いては、図３Ｂに示されている腱配置及び腱鞘機構と同様である。
【００３２】
図３Ｅ、及び、図３Ｆには、手首関節の運動を駆動する腱配置と腱鞘機構が示されている。本実施形態に係るロボットハンド１では、手首関節は、３自由度（掌背屈、撓尺屈、回内外）の運動自由度を有する。手首関節の運動には、２つの屈筋腱部８ａ（Ｆｕ（尺骨側）とＦｒ（橈骨側））と、２つの伸筋腱部８ｂ（Ｅｕ（尺骨側）とＥｒ（橈骨側））が用いられる。そして、各腱部８をサーボモータ３で駆動することにより、手首の駆動が制御される。掌背屈（Ｅｒ，Ｅｕ）−（Ｆｒ，Ｆｕ）、撓尺屈（Ｆｒ，Ｅｒ）−（Ｆｕ，Ｅｕ）、回内外（Ｆｒ，Ｅｕ）−（Ｆｕ，Ｅｒ）のペアをそれぞれ伸縮すると各々対応する自由度の回転が生じる。
【００３３】
本実施形態に係るロボットハンド１では、バイオフィードバック技術を用いて駆動力がサーボモータ３に与えられるようになっている。そして、本実施形態に係るロボットハンド１では、１つのサーボモータ３を駆動させることにより複数の指部２を動かすことができる。すなわち、本実施形態に係るロボットハンド１では、サーボモータ３は、サーボモータ３に接続されたリンク部９の接続先の指部２を屈伸させる連動制御を行う。
【００３４】
本実施形態に係るロボットハンド１では、示指部２−２、中指部２−３、環指部２−４、及び、小指部２−５については、１つの指部２に、接続されているサーボモータ３が互いに異なる複数のリンク部９が接続されている。そのため、１つの指部２に対して大きな外力が集中してかかったときなどには、複数のサーボモータ３の駆動力を１つの指部２に伝えることができる。このようにして、本実施形態に係るロボットハンド１では、例えば、大きな外力が加えられた場合でも複数のサーボモータ３から駆動力を得ることができる。
【００３５】
このように、本実施形態に係るロボットハンド１では、すべての指部２にかかる外力がバランスしているときには、５自由度の制御自由度を有することとなる一方で、指部２にかかる外力にアンバランスが生じた場合には、最も外力のかかる指部２に対して複数のモータ動力を集中させることが可能となる。そのため、五指がバランスをとりながら、物体をしっかり握りしめることが可能となる。また、物体に対する面圧分布を均一化できるため、面圧を最小化でき、物体の破壊を防ぐことができる。
【００３６】
本実施形態に係るロボットハンド１では、腱鞘部１０に対応する指部２に隣接する指部２に接続されたリンク部９には、腱鞘部１０に対応する指部２に接続されたリンク部９よりも長い余裕長（たわみ）を持たせている。すなわち、腱鞘部１０に対応する指部２に隣接する指部２に接続されたリンク部９の余裕長が、腱鞘部１０に対応する指部２に接続されたリンク部９の余裕長よりも長くなっている。例えば、腱鞘部１０の指先側の端からリンク部９が接続される指部２上の位置までのリンク部９に沿った長さと、腱鞘部１０の指先側の端からリンク部９が接続される指部２上の位置までの直線距離と、の差をリンク部余裕長と定義すると、腱鞘部１０に対応する指部２に接続されたリンク部９についてのリンク部余裕長が、その指部２に隣接する指部２に接続されたリンク部９についてのリンク部余裕長よりも短くなっている。
【００３７】
そのため、本実施形態に係るロボットハンド１では、中指部２−３に対応する屈筋腱鞘部１０ａを貫通する３つのリンク部９（それぞれの一端は示指部２−２、中指部２−３、環指部２−４に接続されている）が接続されるサーボモータ３について、ワイヤ９ａを巻き取るよう駆動させると、まず、中指部２−３が屈曲し、中指部２−３が所定角度だけ屈曲した後に、示指部２−２と環指部２−４とが屈曲し始めるようになっている。同様に、本実施形態に係るロボットハンド１では、環指部２−４に対応する屈筋腱鞘部１０ａを貫通する３つのリンク部９（それぞれの一端は中指部２−３、環指部２−４、小指部２−５に接続されている）が接続されるサーボモータ３について、ワイヤ９ａを巻き取るよう駆動させると、まず、環指部２−４が屈曲し、環指部２−４が所定角度だけ屈曲した後に、中指部２−３と小指部２−５とが屈曲し始めるようになっている。
【００３８】
図７は、本実施形態に係るロボットハンド１の指節部５間の関節が屈曲する様子の一例を示す図である。図７に示すように、本実施形態に係るロボットハンド１は、指節部５が相互にはまりあう凹凸形状軸受け部を有している。また、指節部５を、超弾性ワイヤ１２を用いて締結することにより、回転型の滑り軸受を構成している。本実施形態に係るロボットハンド１では、リンク部９に含まれるワイヤ９ａがサーボモータ３により巻き取られ、リンク部９に含まれるチューブ９ｂがたわんで、リンク部９の長さが全体として短くなり、指部２に対して張力が発生する。このようにして、指部２が屈曲することとなる。
【００３９】
そして、本実施形態に係るロボットハンド１では、リンク部９が、指節部５からはみ出ているため、指部２が屈曲すればするほど指部２にかかる張力の、指部２に対して垂直な方向の成分の大きさが増大することになる。このように、本実施形態に係るロボットハンド１では、サーボモータ３に与えられる駆動力が時間によらず一定であっても、指部２にかかるトルクは時間経過とともに増大することとなる。このようにして、ロボットハンド１の利用者は、物体を握りしめやすくなる。
【００４０】
また、本実施形態に係るロボットハンド１では、腱鞘部１０が、外力の大きさに感応してモーメントが大きくなる位置に変形移動するようになっている。そのため、腱部８に過大な張力がかかった場合には、腱鞘部１０が腱部８の曲率半径を大きくし、スムーズな運動を可能とする。そのため、生体信号からさらに強く握り込むなどの指令が入力された場合に、ゆっくりではあるがじわじわと力を増大させることができる。
【００４１】
本実施形態に係るロボットハンド１では、図４に示すように、屈筋腱鞘部１０ａが、屈筋腱鞘部１０ａを経由するリンク部９の延伸方向が、屈筋腱鞘部１０ａに対応する指部２の軸線に対して、中指部２−３に向かう向きにずらして配置（オフセットして配置）されている。そのため、サーボモータ３により屈筋腱部８ａに含まれるワイヤ９ａが巻き取られると、各指部２には、中指部２−３側に向かう力（モーメント）がかかることとなる。そのため、本実施形態に係るロボットハンド１では、屈筋腱鞘部１０ａが対応する指部２に対して中指部２−３側にずらして配置（オフセットして配置）されていないロボットハンド１よりも、指部２が閉じる際に、指部２が近づき寄り添いながら閉じることとなる。
【００４２】
本実施形態に係るロボットハンド１では、指部２を屈曲させる際には、屈筋腱部８ａに接続されたサーボモータ３が主に駆動することとなり、指部２を伸展させる際には、伸筋腱部８ｂに接続されたサーボモータ３が主に駆動することとなる。そして、本実施形態に係るロボットハンド１では、指部２が伸展する際に、サーボモータ３からワイヤ９ａが繰り出されて、伸筋腱部８ｂに含まれるチューブ９ｂのたわみが解消される。そして、チューブ９ｂの復元力により、指部２が伸展することとなる。
【００４３】
そして、本実施形態に係るロボットハンド１では、伸筋腱鞘部１０ｂが、伸筋腱鞘部１０ｂを経由するリンク部９の延伸方向が、伸筋腱鞘部１０ｂに対応する指部２の軸線に対して、中指部２−３から離れる向きにずらして配置（オフセットして配置）されている。そのため、本実施形態に係るロボットハンド１では、指部２が伸展する際に、各指部２に、中指部２−３側から離れる向きの力（モーメント）がかかることとなる。そのため、本実施形態に係るロボットハンド１では、伸筋腱鞘部１０ｂが対応する指部２に対して中指部２−３から離れるようずらして配置（オフセットして配置）されていないロボットハンド１よりも、指部２が開く際に、指部２が左右に広がりながら開くようになる。
【００４４】
このように、本実施形態に係るロボットハンド１では、伸筋腱部８ｂが中指部２−３から離れる向きにずらして配置され、屈筋腱部８ａが中指部２−３側にずらして配置されているので、指を開くときは、手指が左右に広がりながら開き、指を閉じるときには、指が近づき寄り添いながら閉じることとなる。これにより、ロボットハンド１の指先で小さなものを摘んだり、五指で細い棒を握りこんだりすることが容易になる。
【００４５】
本実施形態に係るロボットハンド１では、指部２に外力が加えられた場合でも、その外力に応じた駆動力がサーボモータ３に与えられ、外力と駆動力とがつりあい、例えば、ロボットハンド１で飛んできたボールを受け取るようなことを行うことができるようになっている。しかし、短時間で強い外力が指部２に加えられた場合には、サーボモータ３の駆動が間に合わない状況となることが考えられる。本実施形態に係るロボットハンド１では、各指節部５が、互いに分離しているので、そのような状況になったとしても、指節部５同士の係合を外す（脱臼したような状況にする）ことで、急激な外力を逃がすことができる。そして、その後、超弾性ワイヤ１２に接続されたサーボモータ３、屈筋腱部８ａに接続されたサーボモータ３、伸筋腱部８ｂに接続されたサーボモータ３を駆動させることにより、本実施形態に係るロボットハンド１を元の状態（凹凸のはめ合い状態（再安定状態）（図７参照））に復帰させることができる。
【００４６】
図８は、本実施形態に係るロボットシステム２０の構成の一例を示す図である。図８に示すように、本実施形態に係るロボットシステム２０は、上述のロボットハンド１と、複数の駆動部（本実施形態では、例えば、上述のサーボモータ３）を含んで構成されている。
【００４７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００４８】
例えば、示指部２−２の基節部５−３と中指部２−３の基節部５−３の間、中指部２−３の基節部５−３と環指部２−４の基節部５−３の間、環指部２−４の基節部５−３と小指部２−５の基節部５−３の間が弾性を有する圧縮部材（例えば、ばね）によって締結されていてもよい。こうすれば、指部２を開いたときに、指部２が放射状に開きやすくなるので、手が広がる姿勢を維持することができる。また、手指の開口面積を大きくとることが可能となり、大きな物体まで握りこめることとなる。
【００４９】
また、本実施形態に係るロボットハンド１の骨格の素材はナイロンに限定されない。また、リンク部９の形状は上述のものには限定されない。また、例えば、紐状部材の素材は、金属でなくてもよく、例えば、繊維などでも構わない。また、本実施形態に係るロボットハンド１を、人工肩など義手以外に応用してもよい。また、リンク部９が指部２の内部を貫通していてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１ ロボットハンド、２ 指部、２−１ 拇指部、２−２ 示指部、２−３ 中指部、２−４ 環指部、２−５ 小指部、３ サーボモータ、４ 掌部、５ 指節部、５−１ 末節部、５−２ 中節部、５−３ 基節部、６ 中手骨部、７ 手根骨リンク、８ 腱部、８ａ 屈筋腱部、８ｂ 伸筋腱部、９ リンク部、９ａ ワイヤ、９ｂ チューブ、１０ 腱鞘部、１０ａ 屈筋腱鞘部、１０ｂ 伸筋腱鞘部、１１ 留具、１２ 超弾性ワイヤ、２０ ロボットシステム。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の指部と、複数の接続部と、を含み、
前記各接続部は、前記複数の指部のうちの隣接する複数である接続先指部群、及び、前記接続先指部群に属する指部を屈伸させる連動制御を行う駆動部に接続されており、
少なくとも１つの前記指部は、接続されている前記駆動部が互いに異なる複数の接続部と接続されている、
ことを特徴とするロボットハンド。
【請求項２】
前記指部には、対応する前記接続部が少なくとも１つ存在し、
前記指部に対応する接続部は、当該接続部の延伸方向が、当該接続部に対応する指部の軸線に対して、中指に対応する指部に向かう向き、又は、中指に対応する指部から離れる向きにずれるよう配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボットハンド。
【請求項３】
前記指部は、互いに分離されている複数の指節部から構成されており、
前記指節部間はワイヤにより連結されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のロボットハンド。
【請求項４】
それぞれ互いに異なる前記接続部に対応する複数のガイド部をさらに含み、
前記接続部は、互いに異なる指部に接続される線状のリンク部を複数含んでおり、
前記接続部に含まれる各リンク部は、当該接続部に対応するガイド部を経由して互いに異なる指部に接続される、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のロボットハンド。
【請求項５】
前記接続部に含まれるリンク部のうちの、当該接続部に対応する指部に接続されるリンク部の余裕長が、他の指部に接続されるリンク部の余裕長よりも短い、
ことを特徴とする請求項４に記載のロボットハンド。
【請求項６】
前記リンク部は、一端が前記駆動部に接続され、他端が前記指部に接続されている、
ことを特徴とする請求項４又は５に記載のロボットハンド。
【請求項７】
複数の指部と、複数の接続部と、複数の駆動部と、を含み、
前記各接続部は、前記複数の指部のうちの隣接する複数である接続先指部群、及び、前記接続先指部群に属する指部を屈伸させる連動制御を行う前記駆動部に接続されており、
少なくとも１つの前記指部は、接続されている前記駆動部が互いに異なる複数の接続部と接続されている、
ことを特徴とするロボットシステム。
【請求項１】
複数の指部と、複数の接続部と、を含み、
前記各接続部は、前記複数の指部のうちの隣接する複数である接続先指部群、及び、前記接続先指部群に属する指部を屈伸させる連動制御を行う駆動部に接続されており、
少なくとも１つの前記指部は、接続されている前記駆動部が互いに異なる複数の接続部と接続されている、
ことを特徴とするロボットハンド。
【請求項２】
前記指部には、対応する前記接続部が少なくとも１つ存在し、
前記指部に対応する接続部は、当該接続部の延伸方向が、当該接続部に対応する指部の軸線に対して、中指に対応する指部に向かう向き、又は、中指に対応する指部から離れる向きにずれるよう配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボットハンド。
【請求項３】
前記指部は、互いに分離されている複数の指節部から構成されており、
前記指節部間はワイヤにより連結されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のロボットハンド。
【請求項４】
それぞれ互いに異なる前記接続部に対応する複数のガイド部をさらに含み、
前記接続部は、互いに異なる指部に接続される線状のリンク部を複数含んでおり、
前記接続部に含まれる各リンク部は、当該接続部に対応するガイド部を経由して互いに異なる指部に接続される、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のロボットハンド。
【請求項５】
前記接続部に含まれるリンク部のうちの、当該接続部に対応する指部に接続されるリンク部の余裕長が、他の指部に接続されるリンク部の余裕長よりも短い、
ことを特徴とする請求項４に記載のロボットハンド。
【請求項６】
前記リンク部は、一端が前記駆動部に接続され、他端が前記指部に接続されている、
ことを特徴とする請求項４又は５に記載のロボットハンド。
【請求項７】
複数の指部と、複数の接続部と、複数の駆動部と、を含み、
前記各接続部は、前記複数の指部のうちの隣接する複数である接続先指部群、及び、前記接続先指部群に属する指部を屈伸させる連動制御を行う前記駆動部に接続されており、
少なくとも１つの前記指部は、接続されている前記駆動部が互いに異なる複数の接続部と接続されている、
ことを特徴とするロボットシステム。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図３Ｆ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図３Ｆ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２４５５７５（Ｐ２０１１−２４５５７５Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１９２３７（Ｐ２０１０−１１９２３７）
【出願日】平成２２年５月２５日（２０１０．５．２５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、文部科学省、「脳科学研究戦略推進プログラム」日本の特長を活かした統合的研究開発事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２５日（２０１０．５．２５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、文部科学省、「脳科学研究戦略推進プログラム」日本の特長を活かした統合的研究開発事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
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