ロボットハンド
【課題】手掌部と指機構と親指機構を備えたロボットハンドであって、大きな物体から小さな物体まで安定して把持可能なロボットハンドを提供すること。
【解決手段】手掌部２と、該手掌部２の先端側領域Ｔに位置する主手掌部３から延設され前記主手掌部３の内側に向かって屈曲可能とされる指機構３０と、前記手掌部の基端側領域に位置する中手部３と、前記中手部３に接続される親指機構４０とを備え、前記親指機構４０は、前記指機構３０を屈曲させたときに前記指機構３０が通る面と交差する方向に前記手掌部２の内側に向かって屈曲可能とされ、前記中手部４は、前記親指機構４０を屈曲させたときに前記親指機構４０が通る面と交差する方向に回動可能とされていることを特徴とする。
【解決手段】手掌部２と、該手掌部２の先端側領域Ｔに位置する主手掌部３から延設され前記主手掌部３の内側に向かって屈曲可能とされる指機構３０と、前記手掌部の基端側領域に位置する中手部３と、前記中手部３に接続される親指機構４０とを備え、前記親指機構４０は、前記指機構３０を屈曲させたときに前記指機構３０が通る面と交差する方向に前記手掌部２の内側に向かって屈曲可能とされ、前記中手部４は、前記親指機構４０を屈曲させたときに前記親指機構４０が通る面と交差する方向に回動可能とされていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、手掌部と手掌部から延在する指機構を備えて構成され物体を把持するロボットハンドに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、ロボットが物体を把持するために用いられるロボットハンドに関して、手掌部先端部の指機構に加えて手掌部の側方に親指機構を備えた構造とされ、この親指機構を用いて物体を効率的に把持することを目的とするロボットハンドに関する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００７−１６０４４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、かかるロボットハンドは、外見上の形態は人間の手と似ているものの物体を把持する機能に関しては、人間の手と機能が大きく相違するために把持可能な物体の大きさが限定され、大きい物体から小さい物体までを汎用的に把持することが困難であるという問題があった。
【０００４】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、手掌部と指機構と親指機構を備えたロボットハンドに関して、人間の手に近似した動作をすることにより大きな物体から小さな物体までを汎用的に把持可能なロボットハンド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】
【０００５】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明にかかるロボットハンドは、手掌部と、該手掌部の先端側領域に位置する主手掌部から延設され前記主手掌部の内側に向かって屈曲可能とされる指機構と、前記手掌部の基端側領域に位置する中手部と、前記中手部に接続される親指機構とを備え、前記親指機構は、前記指機構を屈曲させたときに前記指機構が通る面と交差する方向に前記手掌部の内側に向かって屈曲可能とされ、前記中手部は、前記親指機構を屈曲させたときに前記親指機構が通る面と交差する方向に回動可能とされていることを特徴とする。
【０００６】
この発明に係るロボットハンドによれば、中手部を備え、中手部が親指機構を屈曲させたときに親指機構が通る面と交差する方向に回動可能とされているので、人間の手における母子球部同様に親指機構を手掌部先端側領域や指機構側に接近させる動作が可能とされ、人間の手に近い複雑な動作ができる。
したがって、中手部の回動、指機構及び親指機構の伸張、屈曲を制御することにより大きな物体から小さな物体までを容易に把持することが可能とされる。
【０００７】
また、前記指機構が前記主手掌部に接続される基端側の第１の回動軸線と、前記中手部が前記主手掌部に対して回動するときの第２の回動軸線とは、前記手掌部の内側から見たときに、平行または前記手掌部の前記親指機構側において４５度以下の交差角で交差する構成としてもよい。
【０００８】
この発明に係るロボットハンドによれば、中手部の回動方向は、指機構が屈曲する際に通過する面に対して４５度以下の交差角で交差するように構成されているので、物体を把持した際に手掌部の巾方向に力が発生するのを抑制しつつ、指機構、主手掌部、中手部により形成可能な空間を大きな寸法範囲で変化させることができる。
【０００９】
また、前記中手部は、前記主手掌部の内側の面より突出して形成されていてもよい。
この発明に係るロボットハンドによれば、中手部は、前記主手掌部の内側の面より突出して形成されているので、親指機構を用いることなく指機構と中手部による物体の把持が可能とされる。
【００１０】
なお、この明細書において、手掌部、主手掌部、指機構に関しては、物体を把持する際に物体と対向する側を内側とし、親指機構に関しては指機構の内側に相当する側を、中手部に関しては親指機構を屈曲させた場合に親指機構の内側と対向する側を内側とする。
また、親指機構、中手部に関して、ロボットハンドが物体を把持する場合に物体と当接する手掌部の先端側に位置する側の面を把持面という。
また、手掌部に延設された指機構を伸ばした場合に指機構が伸びる方向をロボットハンド及び手掌部の長手方向とし、この長手方向に直交する方向をロボットハンド及び手掌部の巾方向とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るロボットハンドによれば、親指機構が設けられた中手部が親指機構の屈曲方向と交差する方向に屈曲可能とされるので人間の手と近い複雑な動作をすることが可能とされ、大きな物体から小さな物体まで安定して把持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図１から図４を参照し、この発明の一実施形態に係るロボットハンドについて説明する。
ロボットハンド１は、図１に示すように、手掌部２と、３本の指機構３０と、親指機構４０とを備え、手掌部２は、先端側領域Ｔに位置する主手掌部３と、基端側領域Ｆに位置する中手部４とから構成されている。
また、指機構３０は、図２、図３に示すように、手掌部２の先端部に接続されロボットハンド１の長手方向に伸張及び屈曲可能とされ、親指機構４０は手掌部２の一方の側に中手部４を介して接続されロボットハンド１の巾方向に伸張及び屈曲可能とされている。
【００１３】
この実施形態において、親指機構４０が屈曲する際に通る面（矢印Ｓ１に沿って形成される面）は、指機構３０が屈曲する際に通る面（矢印Ｓ２に沿って形成される面）と、直交（交差）するように構成されている。
また、中手部４が回動する際に通る面（矢印Ｓ３に沿って形成される面）と、親指機構４０が屈曲する際に通る面とは、直交するように構成されている。
【００１４】
手掌部２は、手掌部２の外側（内側とは反対側、人間の手における甲の側）から見た場合に手掌部２の基端側（手首側）が接続されたコの字型の枠体２１と、この枠体２１の手掌部２巾方向の両側に配置された２枚の側壁部材２２と、手掌部２の内側に配置された３枚の内壁部材２３と、中手部４と、中手部駆動装置５とを備えている。
【００１５】
枠体２１及び側壁部材２２は、手掌部２先端側の内側近傍に手掌部２と指機構３０とを接続する第１のヒンジ部３４Ａをなす取付孔が形成されており、指機構３０の基端側がこの取付孔に支持ピンを介して接続されことにより指機構３０は手掌部２に対して第１の回動軸線Ｊ１廻りに回動自在とされている。
【００１６】
また、手掌部２内側の面には、中手部支持部材４１が配設され、中手部支持部材４１には中手部４を手掌部２に接続する中手ヒンジ部４Ａを構成する取付孔が形成されている。
中手部４は、概略直方体の筒状に形成され、中手部４の手掌部２先端側が中手部支持部材４１の中手ヒンジ部４Ａを構成する取付孔に支持ピンにより接続されることにより、中手部４は手掌部２の内側面から離間した位置に形成される第２の回動軸線Ｊ２廻りに回動自在とされている。
【００１７】
本実施形態において、中手部４が回動する際の回動軸線Ｊ２は、回動軸線Ｊ１と平行に形成されており、その結果、中手部４が回動する際に通る面は、指機構３０が屈曲する際に通る面と平行とされている。
【００１８】
また、中手部４は、手掌部２に対して主手掌部３の内側面から突出した状態で配置され、一端に形成された取付孔に支持ピンを介して親指機構４０が接続されている。
なお、親指機構４０と中手部４の接続は第１のヒンジ部３４Ａと同一に構成され、図１から図３において第１のヒンジ部３４Ａとして示している。
【００１９】
中手部駆動装置５は、例えば、手掌部２の長手方向に配置されたモータと、モータの軸部に取付けられたウォームギアと、中手部４と回動軸線Ｊ２上で接続されるとともにウォームギアと契合するホイールにより構成され、モータで駆動されたウォームギアが回転することによりウォームギアがホイールを回動させ、ホイールの回動に連動して中手部４が回動されるようになっている。
なお、中手部駆動装置５は、中手部４を回動させるものであれば、その構成は自在に選択可能である。
【００２０】
本実施形態における指機構３０は、伸張することにより手掌部２の先端部から前方に伸び、屈曲することにより指機構３０の内側が手掌部２の内側と対向可能に構成されている。
また、親指機構４０は、伸張することにより手掌部２の一端から手掌部２の巾方向外方に伸びるとともに、屈曲させることにより親指機構４０の内側が中手部４の内側と対向可能に構成されている。
【００２１】
図４は、本実施の形態に係る指機構３０のリンク機構の一例を示す図であり、図４（Ａ）は指機構３０を伸張した状態における概略側面図、図４（Ｂ）は指機構３０を屈曲させた状態における概略側面図である。図４（Ａ）、図４（Ｂ）は、指機構３０の第１の構成部材３１、第２の構成部材３２、第３の構成部材３３、連結部材３５の一方側の壁部を取り除いた状態を概略図示している。
なお、親指機構４０を構成するリンク機構は、この実施形態において指機構３０と同一とされ、同一の符号を付して示す。
【００２２】
指機構３０は、手掌部２の内側及び先端側から見た場合にそれぞれ左右対称とされた、第１構成部材（リンク）３１と、第２構成部材（リンク）３２と、第３構成部材（リンク）３３と、第１のヒンジ部３４Ａと、第２のヒンジ部３４Ｂと、第３のヒンジ部３４Ｃと、連結部材３５と、第１の直動装置３６及び第２の直動装置３７とから概略構成されている。
【００２３】
第１構成部材３１、第２構成部材３２、第３構成部材３３は、それぞれの左右の壁部を構成する１対の平板とこれら左右の平板を連結、支持する支持部材により構成されている。
また、第２の構成部材３２は、第１の構成部材３１又は第３の構成部材３３の接続部分において、第１の構成部材３１又は第３の構成部材３３は最外方に配置され、その内側に連結部材３５、第２の構成部材３２の順に配置されている。
【００２４】
また、第１の構成部材３１、第２の構成部材３２、第３の構成部材３３を左右で連結、支持する支持部材は、第１の構成部材３１、第２の構成部材３２、第３の構成部材３３における第１のヒンジ部３４Ａ、第２のヒンジ部３４Ｂ、第３のヒンジ部３４Ｃを構成し、それぞれの回動軸線を形成するようになっている。
【００２５】
指機構３０は、伸張された状態では、図４（Ａ）に示すように、主手掌部３、第１構成部材３１、第２構成部材３２、第３構成部材３３がこの順序で縦列配置され、第１構成部材３１は、第１のヒンジ部３４Ａにおいて主手掌部３と連結され、第１構成部材３１と第２構成部材３２とは第２のヒンジ部３４Ｂにおいて、第２構成部材３２と第３構成部材３３とは第３のヒンジ部３４Ｃにおいてそれぞれ連結されている。
なお、親指機構４０は、基端側が、中手部４の第１のヒンジ部３４Ａにおいて、回動軸線Ｊ３廻りに回動自在に接続されている。
【００２６】
連結部材３５は、一端が第４のヒンジ部３４Ｄを介して第１構成部材３１に回動自在に連結され、他端が円形凸部３５Ａを介して第３構成部材３３に形成された長孔３３Ａに連結され、円形凸部３５Ａが長孔３３Ａの長手方向に移動自在とされるとともに連結部材３５は第４のヒンジ部３４Ｄ廻りに回動自在とされている。
【００２７】
また、連結部材３５は、第２のヒンジ部３４Ｂと第３のヒンジ部３４Ｃを結ぶ線分に対して、たすき掛けとされるとともに、第４のヒンジ部３４Ｄと円形凸部３５Ａを結ぶ線分と、第２のヒンジ部３４Ｂと第３のヒンジ部３４Ｃを結ぶ線分とがほぼ等しい長さに形成されており、第１の構成部材３１及び第３の構成部材３３は、第２の構成部材３２に対して同じ角度だけ屈曲するように構成されている。
その結果、第２の構成部材３２を屈曲させた場合、第３の構成部材３３は第１の構成部材３１に対して、第２の構成部材３２の２倍の角度で屈曲される。
【００２８】
長孔３３Ａは、側面視略矩形状に形成された第３構成部材３３の基端側かつ内側の隅部に長手方向に伸びて形成されている。また、この隅部と対角をなす位置、つまり、第３の構成部材３３の先端側かつ外側の隅部にピン３３Ｂが固設されており、このピン３３Ｂと連結部材３５の先端部との間に（引っ張り）コイルスプリング３９が掛けられている。
【００２９】
指機構３０が物体を把持していない状態、つまり第３の構成部材３３に負荷が加わっていないときには、円形凸部３５Ａは常に長孔３３Ａの先端側に位置している。そして、指機構３０が物体を把持して第３の構成部材３３に負荷が加わると、その反力の大小に応じてコイルスプリング３９が伸び、又円形凸部３５Ａが長孔３３Ａの基端側（第２の構成部材３２側）に適宜移動する。これにより、第３の構成部材３３が、図４（Ｂ）において２点鎖線で示すように物体に対して所定の力を以って接した状態で止められる。
【００３０】
上記の構成により、指機構３０から物体に加わる力が常にコイルスプリング３９の弾性域内に止められ、被把持物体に過大な力が加わることが防止される。また、指機構３０がリンクのみからなる場合、物体を把持した際の反力が駆動源であるモータに伝わってモータに過負荷が加わる可能性があるが、上記コイルスプリング３９等を設けたことによりモータに過負荷が加わることが抑制される。
【００３１】
第１の直動装置３６は、第１の直動装置本体３６Ａ内部に設けられたモータによってロッド３６Ｒを第１の直動装置本体３６Ａの長手方向に直線的に駆動するボールねじ機構とされており、第１の直動装置本体３６Ａと、ロッド３６Ｒを含むボールねじ機構と、軸受けからなるロッド受部材３６Ｇとを備え、第１の直動装置本体３６Ａの長手方向の略中央位置に設けられた揺動部材３６Ｃにより、枠体２１、側壁部材２２に対して揺動自在に取り付けられている。
【００３２】
また、ロッド３６Ｒの先端は、第１の構成部材３１の連結部３１Ｃにおいてロッド受部材３６Ｇと連結され、ロッド３６Ｒが回転しながら前進又は後退する際に前進又は後退運動のみが連結部３１Ｃに伝達されるようになっている。
なお、ロッド受部材３６Ｇは、連結部３１Ｃにおいて第１の構成部材３１を構成する左右の壁部を連結、支持している。
【００３３】
その結果、直動装置３６のロッド３６Ｒを前進させると、第１の構成部材３１は指機構３０が屈曲する方向に第１のヒンジ部３４Ａ廻りに回動され、ロッド３６Ｒを後退させると、第１の構成部材３１は指機構３０が伸張する方向に第１のヒンジ部３４Ａ廻りに回動されている。
【００３４】
なお、指機構３０及び親指機構４０を構成する第１の直動装置３６はそれぞれロボットハンド１の内部に配設されており、指機構３０を駆動する第１の直動装置３６は枠体２１の内側及び側壁部材２２の間の空間に、親指機構４０を駆動するための第１の直動装置３６は中手部４内部に親指機構４０の長手方向に配置されている。
【００３５】
第２の直動装置３７は、第１の直動装置３６と同様の構成とされており、モータを内蔵した第２の直動装置本体３７Ａと、ロッド３７Ｒを含むボールねじ機構と、ロッド受部材３７Ｇとを備え、第１の構成部材３１の内部に配置されるとともに第２の直動装置本体３７Ａの長手方向の略中央位置に設けられた揺動部材３７Ｃにより、第１の構成部材３１に対して揺動自在に取り付けられている。
【００３６】
ロッド３７Ｒの先端は、第２の構成部材３２の連結部３２Ｃにおいてロッド受部材３７Ｇと連結され、ロッド３７Ｒが回転しながら前進又は後退する際に前進又は後退運動のみが連結部３２Ｃに伝達されるようになっている。
なお、ロッド受部材３７Ｇは、連結部３２Ｃにおいて第２の構成部材３２を構成する左右の壁部を連結、支持している。
【００３７】
その結果、直動装置３７のロッド３７Ｒを前進させると、第２の構成部材３２は指機構３０が屈曲する方向に第２のヒンジ部３４Ｂ廻りに回動され、ロッド３７Ｒを後退させると、第２の構成部材３２は指機構３０が伸張する方向に第２のヒンジ部３ＢＡ廻りに回動され。
【００３８】
なお、第１の直動装置３６及び第２の直動装置３７は、それぞれ独立して駆動可能とされており、主手掌部３に対する第１の構成部材３１の伸張及び屈曲と、第１の構成部材３１に対する第２の構成部材３２及び第３の構成部材３３の伸張及び屈曲は、それぞれ独立して制御可能とされている。
【００３９】
次に、この実施形態に係るロボットハンド１の作用について、図５を参照して説明する。
１）小さい物体を把持する場合（図５（Ａ）参照）
指機構３０に関して、第１の直動装置３６を駆動してロッド３６Ｒを前進させて第１の構成部材３１を主手掌部３に対して屈曲させるとともに、第２の直動装置３７を駆動してロッド３７Ｒを前進させて第２の構成部材３２及び第３の構成部材３３を屈曲させ、第３の構成部材３３の先端が物体に当接させる。
親指機構４０に関しては、第３の構成部材３３の先端が親指機構４０に干渉することなく手掌部２の内側面に接近し易くするため、中手部４の一端から手掌部２の外方側に伸張した状態とされることが好適とされる。
また、必要に応じて、中手部駆動装置５を駆動することにより中手部４を手掌部２先端側に回動させ、中手部４の把持面４Ｈが物体に当接するようにする。
【００４０】
２）中程度の大きさの物体を把持する場合（図５（Ｂ）参照）
指機構３０に関して、第１の直動装置３６を駆動してロッド３６Ｒを前進させることにより第１の構成部材３１を、第１の構成部材３１の内側面が物体に当接する程度、例えば、第１の構成部材３１が主手掌部３に対して直交する程度まで屈曲させるとともに、第２のの直動装置３７を駆動してロッド３７Ｒを前進させることにより第３の構成部材３３の内側面が物体に当接するまで第２の構成部材３２及び第３の構成部材３３を屈曲させる。
中手部４は、物体の大きさに応じて中手部４の把持面４Ｈが物体に当接するまで回動させ、回動させる必要がない場合には主手掌部３に対して回動しない状態とする。
また、親指機構４０は、必要に応じて伸張し又は屈曲される。
【００４１】
３）大きな物体を把持する場合（図５（Ｃ）参照）
指機構３０に関して、第１の直動装置３６及び第２の直動装置３７を駆動して第１の構成部材３１及び第３の構成部材３３が物体に当接するまで、第１の構成部材３１、第２の構成部材３２、第３の構成部材３３を屈曲させる。このとき、物体の中心が、主手掌部３の内側面と第３の構成部材３３の先端の間に配置されるとともに、物体の上部が第３の構成部材３３により保持されていることが好適である。
中手部４を主手掌部３に対して回動させない状態とし、親指機構４０は、第１の直動装置３６、第２の直動装置３７を物体の大きさに応じて駆動し、親指機構４０の手掌部２の把持面４０Ｈが物体に当接するように屈曲させる。
親指機構４０の屈曲に関しては、物体の中心が主手掌部３の内側面と第３の構成部材３３の先端の間に配置されるとともに、物体が親指機構４０の第１の構成部材３１又は第３の構成部材３３の把持面４０Ｈにより保持されることが好適であり、親指機構４０を伸張させることにより大きな物体の把持が容易となる。
なお、第１の構成部材３１、第２の構成部材３２、第３の構成部材３３が物体の上部に廻り込ませて物体を保持し易くするために、必要に応じて中手部４を回動させてもよい。
【００４２】
この実施の形態に係るロボットハンド１によれば、中手部４が手掌部２に対して回動可能とされ、親指機構４０が屈曲する場合に通る面と中手部４が回動する場合に通る面が直交しているので、人間の手における母子球部のように親指機構４０に複雑な動作を付与することが可能とされ、親指機構４０を手掌部２先端側領域Ｔや指機構３０側に容易に接近させることができる。
その結果、指機構３０、親指機構４０の屈曲、及び中手部４の回動を制御することにより大きな物体から小さな物体まで容易に把持することが可能とされる。
【００４３】
また、手掌部２に対する指機構３０の回動軸線Ｊ１と中手部４の回動軸線Ｊ２が平行とされて、指機構３０と中手部４が互いに対向する方向に移動するので、物体に手掌部２の巾方向の力が発生することが抑制され物体を安定して把持することができる。
【００４４】
また、中手部４が手掌部２の主手掌部３の内側面より突出して形成されているので、指機構３０と中手部４により物体を把持することができる。
【００４５】
なお、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更をすることが可能である。
例えば、上記実施の形態においては、中手部４が主手掌部３の内側の面より突出して形成されている場合について説明したが、例えば、中手部４の内側の面を、主手掌部３の内側の面と同一平面上又は主手掌部３の内側の面よりも凹んだ位置に配置してもよい。
【００４６】
また、上記実施の形態においては、手掌部２の内側から見た場合に、回動軸線Ｊ２が回動軸線Ｊ１と平行に延在する場合について説明したが、回動軸線Ｊ２と回動軸線Ｊ１とが手掌部２の親指機構４０側において４５度以下の交差角をもって交差する構成としてもよい。
【００４７】
また、上記実施の形態においては、ロボットハンド１に３本の指機構３０が延設され、指機構３０及び親指機構４０が、第１の構成部材３１、第２の構成部材３２、第３の構成部材３３の３つのリンクにより構成される場合について説明したが、ロボットハンド１に設けられる指機構３０の数、指機構３０、親指機構４０を構成するリンクの数、指機構３０の構造等については任意に設定することが可能であり、指機構３０、親指機構４０の構造に関し、リンク機構を用いない構造としてもよい。また、指機構３０と、親指機構４０とを異なる構造としてもよい。
【００４８】
さらに、上述したロボットハンドでは指機構３０としてリンク機構が用いられているが、これに限らず、屈曲自在で指として機能する構成のものであれば適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの概略を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの概略構成を説明する斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの概略構成を説明する斜視図である。
【図４】本実施形態に係るロボットハンドの指機構を説明する概略側面図であり、（Ａ）は指機構を伸張した状態、（Ｂ）は指機構を屈曲した状態を示している。
【図５】本実施形態に係るロボットハンドの作用を説明する図であり、（Ａ）は小さな物体を把持する場合を、（Ｂ）は中程度の大きさの物体を把持する場合を、（Ｃ）は大きな物体を把持する場合の状態を示している。
【符号の説明】
【００５０】
Ｔ 先端側領域
Ｆ 基端側領域
Ｊ１ 第１の回動軸線
Ｊ２ 第２の回動軸線
１ ロボットハンド
２ 手掌部
３ 主手掌部
４ 中手部
３０ 指機構
４０ 親指機構
【技術分野】
【０００１】
この発明は、手掌部と手掌部から延在する指機構を備えて構成され物体を把持するロボットハンドに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、ロボットが物体を把持するために用いられるロボットハンドに関して、手掌部先端部の指機構に加えて手掌部の側方に親指機構を備えた構造とされ、この親指機構を用いて物体を効率的に把持することを目的とするロボットハンドに関する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００７−１６０４４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、かかるロボットハンドは、外見上の形態は人間の手と似ているものの物体を把持する機能に関しては、人間の手と機能が大きく相違するために把持可能な物体の大きさが限定され、大きい物体から小さい物体までを汎用的に把持することが困難であるという問題があった。
【０００４】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、手掌部と指機構と親指機構を備えたロボットハンドに関して、人間の手に近似した動作をすることにより大きな物体から小さな物体までを汎用的に把持可能なロボットハンド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】
【０００５】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明にかかるロボットハンドは、手掌部と、該手掌部の先端側領域に位置する主手掌部から延設され前記主手掌部の内側に向かって屈曲可能とされる指機構と、前記手掌部の基端側領域に位置する中手部と、前記中手部に接続される親指機構とを備え、前記親指機構は、前記指機構を屈曲させたときに前記指機構が通る面と交差する方向に前記手掌部の内側に向かって屈曲可能とされ、前記中手部は、前記親指機構を屈曲させたときに前記親指機構が通る面と交差する方向に回動可能とされていることを特徴とする。
【０００６】
この発明に係るロボットハンドによれば、中手部を備え、中手部が親指機構を屈曲させたときに親指機構が通る面と交差する方向に回動可能とされているので、人間の手における母子球部同様に親指機構を手掌部先端側領域や指機構側に接近させる動作が可能とされ、人間の手に近い複雑な動作ができる。
したがって、中手部の回動、指機構及び親指機構の伸張、屈曲を制御することにより大きな物体から小さな物体までを容易に把持することが可能とされる。
【０００７】
また、前記指機構が前記主手掌部に接続される基端側の第１の回動軸線と、前記中手部が前記主手掌部に対して回動するときの第２の回動軸線とは、前記手掌部の内側から見たときに、平行または前記手掌部の前記親指機構側において４５度以下の交差角で交差する構成としてもよい。
【０００８】
この発明に係るロボットハンドによれば、中手部の回動方向は、指機構が屈曲する際に通過する面に対して４５度以下の交差角で交差するように構成されているので、物体を把持した際に手掌部の巾方向に力が発生するのを抑制しつつ、指機構、主手掌部、中手部により形成可能な空間を大きな寸法範囲で変化させることができる。
【０００９】
また、前記中手部は、前記主手掌部の内側の面より突出して形成されていてもよい。
この発明に係るロボットハンドによれば、中手部は、前記主手掌部の内側の面より突出して形成されているので、親指機構を用いることなく指機構と中手部による物体の把持が可能とされる。
【００１０】
なお、この明細書において、手掌部、主手掌部、指機構に関しては、物体を把持する際に物体と対向する側を内側とし、親指機構に関しては指機構の内側に相当する側を、中手部に関しては親指機構を屈曲させた場合に親指機構の内側と対向する側を内側とする。
また、親指機構、中手部に関して、ロボットハンドが物体を把持する場合に物体と当接する手掌部の先端側に位置する側の面を把持面という。
また、手掌部に延設された指機構を伸ばした場合に指機構が伸びる方向をロボットハンド及び手掌部の長手方向とし、この長手方向に直交する方向をロボットハンド及び手掌部の巾方向とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るロボットハンドによれば、親指機構が設けられた中手部が親指機構の屈曲方向と交差する方向に屈曲可能とされるので人間の手と近い複雑な動作をすることが可能とされ、大きな物体から小さな物体まで安定して把持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図１から図４を参照し、この発明の一実施形態に係るロボットハンドについて説明する。
ロボットハンド１は、図１に示すように、手掌部２と、３本の指機構３０と、親指機構４０とを備え、手掌部２は、先端側領域Ｔに位置する主手掌部３と、基端側領域Ｆに位置する中手部４とから構成されている。
また、指機構３０は、図２、図３に示すように、手掌部２の先端部に接続されロボットハンド１の長手方向に伸張及び屈曲可能とされ、親指機構４０は手掌部２の一方の側に中手部４を介して接続されロボットハンド１の巾方向に伸張及び屈曲可能とされている。
【００１３】
この実施形態において、親指機構４０が屈曲する際に通る面（矢印Ｓ１に沿って形成される面）は、指機構３０が屈曲する際に通る面（矢印Ｓ２に沿って形成される面）と、直交（交差）するように構成されている。
また、中手部４が回動する際に通る面（矢印Ｓ３に沿って形成される面）と、親指機構４０が屈曲する際に通る面とは、直交するように構成されている。
【００１４】
手掌部２は、手掌部２の外側（内側とは反対側、人間の手における甲の側）から見た場合に手掌部２の基端側（手首側）が接続されたコの字型の枠体２１と、この枠体２１の手掌部２巾方向の両側に配置された２枚の側壁部材２２と、手掌部２の内側に配置された３枚の内壁部材２３と、中手部４と、中手部駆動装置５とを備えている。
【００１５】
枠体２１及び側壁部材２２は、手掌部２先端側の内側近傍に手掌部２と指機構３０とを接続する第１のヒンジ部３４Ａをなす取付孔が形成されており、指機構３０の基端側がこの取付孔に支持ピンを介して接続されことにより指機構３０は手掌部２に対して第１の回動軸線Ｊ１廻りに回動自在とされている。
【００１６】
また、手掌部２内側の面には、中手部支持部材４１が配設され、中手部支持部材４１には中手部４を手掌部２に接続する中手ヒンジ部４Ａを構成する取付孔が形成されている。
中手部４は、概略直方体の筒状に形成され、中手部４の手掌部２先端側が中手部支持部材４１の中手ヒンジ部４Ａを構成する取付孔に支持ピンにより接続されることにより、中手部４は手掌部２の内側面から離間した位置に形成される第２の回動軸線Ｊ２廻りに回動自在とされている。
【００１７】
本実施形態において、中手部４が回動する際の回動軸線Ｊ２は、回動軸線Ｊ１と平行に形成されており、その結果、中手部４が回動する際に通る面は、指機構３０が屈曲する際に通る面と平行とされている。
【００１８】
また、中手部４は、手掌部２に対して主手掌部３の内側面から突出した状態で配置され、一端に形成された取付孔に支持ピンを介して親指機構４０が接続されている。
なお、親指機構４０と中手部４の接続は第１のヒンジ部３４Ａと同一に構成され、図１から図３において第１のヒンジ部３４Ａとして示している。
【００１９】
中手部駆動装置５は、例えば、手掌部２の長手方向に配置されたモータと、モータの軸部に取付けられたウォームギアと、中手部４と回動軸線Ｊ２上で接続されるとともにウォームギアと契合するホイールにより構成され、モータで駆動されたウォームギアが回転することによりウォームギアがホイールを回動させ、ホイールの回動に連動して中手部４が回動されるようになっている。
なお、中手部駆動装置５は、中手部４を回動させるものであれば、その構成は自在に選択可能である。
【００２０】
本実施形態における指機構３０は、伸張することにより手掌部２の先端部から前方に伸び、屈曲することにより指機構３０の内側が手掌部２の内側と対向可能に構成されている。
また、親指機構４０は、伸張することにより手掌部２の一端から手掌部２の巾方向外方に伸びるとともに、屈曲させることにより親指機構４０の内側が中手部４の内側と対向可能に構成されている。
【００２１】
図４は、本実施の形態に係る指機構３０のリンク機構の一例を示す図であり、図４（Ａ）は指機構３０を伸張した状態における概略側面図、図４（Ｂ）は指機構３０を屈曲させた状態における概略側面図である。図４（Ａ）、図４（Ｂ）は、指機構３０の第１の構成部材３１、第２の構成部材３２、第３の構成部材３３、連結部材３５の一方側の壁部を取り除いた状態を概略図示している。
なお、親指機構４０を構成するリンク機構は、この実施形態において指機構３０と同一とされ、同一の符号を付して示す。
【００２２】
指機構３０は、手掌部２の内側及び先端側から見た場合にそれぞれ左右対称とされた、第１構成部材（リンク）３１と、第２構成部材（リンク）３２と、第３構成部材（リンク）３３と、第１のヒンジ部３４Ａと、第２のヒンジ部３４Ｂと、第３のヒンジ部３４Ｃと、連結部材３５と、第１の直動装置３６及び第２の直動装置３７とから概略構成されている。
【００２３】
第１構成部材３１、第２構成部材３２、第３構成部材３３は、それぞれの左右の壁部を構成する１対の平板とこれら左右の平板を連結、支持する支持部材により構成されている。
また、第２の構成部材３２は、第１の構成部材３１又は第３の構成部材３３の接続部分において、第１の構成部材３１又は第３の構成部材３３は最外方に配置され、その内側に連結部材３５、第２の構成部材３２の順に配置されている。
【００２４】
また、第１の構成部材３１、第２の構成部材３２、第３の構成部材３３を左右で連結、支持する支持部材は、第１の構成部材３１、第２の構成部材３２、第３の構成部材３３における第１のヒンジ部３４Ａ、第２のヒンジ部３４Ｂ、第３のヒンジ部３４Ｃを構成し、それぞれの回動軸線を形成するようになっている。
【００２５】
指機構３０は、伸張された状態では、図４（Ａ）に示すように、主手掌部３、第１構成部材３１、第２構成部材３２、第３構成部材３３がこの順序で縦列配置され、第１構成部材３１は、第１のヒンジ部３４Ａにおいて主手掌部３と連結され、第１構成部材３１と第２構成部材３２とは第２のヒンジ部３４Ｂにおいて、第２構成部材３２と第３構成部材３３とは第３のヒンジ部３４Ｃにおいてそれぞれ連結されている。
なお、親指機構４０は、基端側が、中手部４の第１のヒンジ部３４Ａにおいて、回動軸線Ｊ３廻りに回動自在に接続されている。
【００２６】
連結部材３５は、一端が第４のヒンジ部３４Ｄを介して第１構成部材３１に回動自在に連結され、他端が円形凸部３５Ａを介して第３構成部材３３に形成された長孔３３Ａに連結され、円形凸部３５Ａが長孔３３Ａの長手方向に移動自在とされるとともに連結部材３５は第４のヒンジ部３４Ｄ廻りに回動自在とされている。
【００２７】
また、連結部材３５は、第２のヒンジ部３４Ｂと第３のヒンジ部３４Ｃを結ぶ線分に対して、たすき掛けとされるとともに、第４のヒンジ部３４Ｄと円形凸部３５Ａを結ぶ線分と、第２のヒンジ部３４Ｂと第３のヒンジ部３４Ｃを結ぶ線分とがほぼ等しい長さに形成されており、第１の構成部材３１及び第３の構成部材３３は、第２の構成部材３２に対して同じ角度だけ屈曲するように構成されている。
その結果、第２の構成部材３２を屈曲させた場合、第３の構成部材３３は第１の構成部材３１に対して、第２の構成部材３２の２倍の角度で屈曲される。
【００２８】
長孔３３Ａは、側面視略矩形状に形成された第３構成部材３３の基端側かつ内側の隅部に長手方向に伸びて形成されている。また、この隅部と対角をなす位置、つまり、第３の構成部材３３の先端側かつ外側の隅部にピン３３Ｂが固設されており、このピン３３Ｂと連結部材３５の先端部との間に（引っ張り）コイルスプリング３９が掛けられている。
【００２９】
指機構３０が物体を把持していない状態、つまり第３の構成部材３３に負荷が加わっていないときには、円形凸部３５Ａは常に長孔３３Ａの先端側に位置している。そして、指機構３０が物体を把持して第３の構成部材３３に負荷が加わると、その反力の大小に応じてコイルスプリング３９が伸び、又円形凸部３５Ａが長孔３３Ａの基端側（第２の構成部材３２側）に適宜移動する。これにより、第３の構成部材３３が、図４（Ｂ）において２点鎖線で示すように物体に対して所定の力を以って接した状態で止められる。
【００３０】
上記の構成により、指機構３０から物体に加わる力が常にコイルスプリング３９の弾性域内に止められ、被把持物体に過大な力が加わることが防止される。また、指機構３０がリンクのみからなる場合、物体を把持した際の反力が駆動源であるモータに伝わってモータに過負荷が加わる可能性があるが、上記コイルスプリング３９等を設けたことによりモータに過負荷が加わることが抑制される。
【００３１】
第１の直動装置３６は、第１の直動装置本体３６Ａ内部に設けられたモータによってロッド３６Ｒを第１の直動装置本体３６Ａの長手方向に直線的に駆動するボールねじ機構とされており、第１の直動装置本体３６Ａと、ロッド３６Ｒを含むボールねじ機構と、軸受けからなるロッド受部材３６Ｇとを備え、第１の直動装置本体３６Ａの長手方向の略中央位置に設けられた揺動部材３６Ｃにより、枠体２１、側壁部材２２に対して揺動自在に取り付けられている。
【００３２】
また、ロッド３６Ｒの先端は、第１の構成部材３１の連結部３１Ｃにおいてロッド受部材３６Ｇと連結され、ロッド３６Ｒが回転しながら前進又は後退する際に前進又は後退運動のみが連結部３１Ｃに伝達されるようになっている。
なお、ロッド受部材３６Ｇは、連結部３１Ｃにおいて第１の構成部材３１を構成する左右の壁部を連結、支持している。
【００３３】
その結果、直動装置３６のロッド３６Ｒを前進させると、第１の構成部材３１は指機構３０が屈曲する方向に第１のヒンジ部３４Ａ廻りに回動され、ロッド３６Ｒを後退させると、第１の構成部材３１は指機構３０が伸張する方向に第１のヒンジ部３４Ａ廻りに回動されている。
【００３４】
なお、指機構３０及び親指機構４０を構成する第１の直動装置３６はそれぞれロボットハンド１の内部に配設されており、指機構３０を駆動する第１の直動装置３６は枠体２１の内側及び側壁部材２２の間の空間に、親指機構４０を駆動するための第１の直動装置３６は中手部４内部に親指機構４０の長手方向に配置されている。
【００３５】
第２の直動装置３７は、第１の直動装置３６と同様の構成とされており、モータを内蔵した第２の直動装置本体３７Ａと、ロッド３７Ｒを含むボールねじ機構と、ロッド受部材３７Ｇとを備え、第１の構成部材３１の内部に配置されるとともに第２の直動装置本体３７Ａの長手方向の略中央位置に設けられた揺動部材３７Ｃにより、第１の構成部材３１に対して揺動自在に取り付けられている。
【００３６】
ロッド３７Ｒの先端は、第２の構成部材３２の連結部３２Ｃにおいてロッド受部材３７Ｇと連結され、ロッド３７Ｒが回転しながら前進又は後退する際に前進又は後退運動のみが連結部３２Ｃに伝達されるようになっている。
なお、ロッド受部材３７Ｇは、連結部３２Ｃにおいて第２の構成部材３２を構成する左右の壁部を連結、支持している。
【００３７】
その結果、直動装置３７のロッド３７Ｒを前進させると、第２の構成部材３２は指機構３０が屈曲する方向に第２のヒンジ部３４Ｂ廻りに回動され、ロッド３７Ｒを後退させると、第２の構成部材３２は指機構３０が伸張する方向に第２のヒンジ部３ＢＡ廻りに回動され。
【００３８】
なお、第１の直動装置３６及び第２の直動装置３７は、それぞれ独立して駆動可能とされており、主手掌部３に対する第１の構成部材３１の伸張及び屈曲と、第１の構成部材３１に対する第２の構成部材３２及び第３の構成部材３３の伸張及び屈曲は、それぞれ独立して制御可能とされている。
【００３９】
次に、この実施形態に係るロボットハンド１の作用について、図５を参照して説明する。
１）小さい物体を把持する場合（図５（Ａ）参照）
指機構３０に関して、第１の直動装置３６を駆動してロッド３６Ｒを前進させて第１の構成部材３１を主手掌部３に対して屈曲させるとともに、第２の直動装置３７を駆動してロッド３７Ｒを前進させて第２の構成部材３２及び第３の構成部材３３を屈曲させ、第３の構成部材３３の先端が物体に当接させる。
親指機構４０に関しては、第３の構成部材３３の先端が親指機構４０に干渉することなく手掌部２の内側面に接近し易くするため、中手部４の一端から手掌部２の外方側に伸張した状態とされることが好適とされる。
また、必要に応じて、中手部駆動装置５を駆動することにより中手部４を手掌部２先端側に回動させ、中手部４の把持面４Ｈが物体に当接するようにする。
【００４０】
２）中程度の大きさの物体を把持する場合（図５（Ｂ）参照）
指機構３０に関して、第１の直動装置３６を駆動してロッド３６Ｒを前進させることにより第１の構成部材３１を、第１の構成部材３１の内側面が物体に当接する程度、例えば、第１の構成部材３１が主手掌部３に対して直交する程度まで屈曲させるとともに、第２のの直動装置３７を駆動してロッド３７Ｒを前進させることにより第３の構成部材３３の内側面が物体に当接するまで第２の構成部材３２及び第３の構成部材３３を屈曲させる。
中手部４は、物体の大きさに応じて中手部４の把持面４Ｈが物体に当接するまで回動させ、回動させる必要がない場合には主手掌部３に対して回動しない状態とする。
また、親指機構４０は、必要に応じて伸張し又は屈曲される。
【００４１】
３）大きな物体を把持する場合（図５（Ｃ）参照）
指機構３０に関して、第１の直動装置３６及び第２の直動装置３７を駆動して第１の構成部材３１及び第３の構成部材３３が物体に当接するまで、第１の構成部材３１、第２の構成部材３２、第３の構成部材３３を屈曲させる。このとき、物体の中心が、主手掌部３の内側面と第３の構成部材３３の先端の間に配置されるとともに、物体の上部が第３の構成部材３３により保持されていることが好適である。
中手部４を主手掌部３に対して回動させない状態とし、親指機構４０は、第１の直動装置３６、第２の直動装置３７を物体の大きさに応じて駆動し、親指機構４０の手掌部２の把持面４０Ｈが物体に当接するように屈曲させる。
親指機構４０の屈曲に関しては、物体の中心が主手掌部３の内側面と第３の構成部材３３の先端の間に配置されるとともに、物体が親指機構４０の第１の構成部材３１又は第３の構成部材３３の把持面４０Ｈにより保持されることが好適であり、親指機構４０を伸張させることにより大きな物体の把持が容易となる。
なお、第１の構成部材３１、第２の構成部材３２、第３の構成部材３３が物体の上部に廻り込ませて物体を保持し易くするために、必要に応じて中手部４を回動させてもよい。
【００４２】
この実施の形態に係るロボットハンド１によれば、中手部４が手掌部２に対して回動可能とされ、親指機構４０が屈曲する場合に通る面と中手部４が回動する場合に通る面が直交しているので、人間の手における母子球部のように親指機構４０に複雑な動作を付与することが可能とされ、親指機構４０を手掌部２先端側領域Ｔや指機構３０側に容易に接近させることができる。
その結果、指機構３０、親指機構４０の屈曲、及び中手部４の回動を制御することにより大きな物体から小さな物体まで容易に把持することが可能とされる。
【００４３】
また、手掌部２に対する指機構３０の回動軸線Ｊ１と中手部４の回動軸線Ｊ２が平行とされて、指機構３０と中手部４が互いに対向する方向に移動するので、物体に手掌部２の巾方向の力が発生することが抑制され物体を安定して把持することができる。
【００４４】
また、中手部４が手掌部２の主手掌部３の内側面より突出して形成されているので、指機構３０と中手部４により物体を把持することができる。
【００４５】
なお、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更をすることが可能である。
例えば、上記実施の形態においては、中手部４が主手掌部３の内側の面より突出して形成されている場合について説明したが、例えば、中手部４の内側の面を、主手掌部３の内側の面と同一平面上又は主手掌部３の内側の面よりも凹んだ位置に配置してもよい。
【００４６】
また、上記実施の形態においては、手掌部２の内側から見た場合に、回動軸線Ｊ２が回動軸線Ｊ１と平行に延在する場合について説明したが、回動軸線Ｊ２と回動軸線Ｊ１とが手掌部２の親指機構４０側において４５度以下の交差角をもって交差する構成としてもよい。
【００４７】
また、上記実施の形態においては、ロボットハンド１に３本の指機構３０が延設され、指機構３０及び親指機構４０が、第１の構成部材３１、第２の構成部材３２、第３の構成部材３３の３つのリンクにより構成される場合について説明したが、ロボットハンド１に設けられる指機構３０の数、指機構３０、親指機構４０を構成するリンクの数、指機構３０の構造等については任意に設定することが可能であり、指機構３０、親指機構４０の構造に関し、リンク機構を用いない構造としてもよい。また、指機構３０と、親指機構４０とを異なる構造としてもよい。
【００４８】
さらに、上述したロボットハンドでは指機構３０としてリンク機構が用いられているが、これに限らず、屈曲自在で指として機能する構成のものであれば適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの概略を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの概略構成を説明する斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るロボットハンドの概略構成を説明する斜視図である。
【図４】本実施形態に係るロボットハンドの指機構を説明する概略側面図であり、（Ａ）は指機構を伸張した状態、（Ｂ）は指機構を屈曲した状態を示している。
【図５】本実施形態に係るロボットハンドの作用を説明する図であり、（Ａ）は小さな物体を把持する場合を、（Ｂ）は中程度の大きさの物体を把持する場合を、（Ｃ）は大きな物体を把持する場合の状態を示している。
【符号の説明】
【００５０】
Ｔ 先端側領域
Ｆ 基端側領域
Ｊ１ 第１の回動軸線
Ｊ２ 第２の回動軸線
１ ロボットハンド
２ 手掌部
３ 主手掌部
４ 中手部
３０ 指機構
４０ 親指機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
手掌部と、
該手掌部の先端側領域に位置する主手掌部から延設され前記主手掌部の内側に向かって屈曲可能とされる指機構と、
前記手掌部の基端側領域に位置する中手部と、
前記中手部に接続される親指機構とを備え、
前記親指機構は、
前記指機構を屈曲させたときに前記指機構が通る面と交差する方向に前記手掌部の内側に向かって屈曲可能とされ、
前記中手部は、前記親指機構を屈曲させたときに前記親指機構が通る面と交差する方向に回動可能とされていることを特徴とするロボットハンド。
【請求項２】
前記指機構が前記主手掌部に接続される基端側の第１の回動軸線と、
前記中手部が前記主手掌部に対して回動するときの第２の回動軸線とは、
前記手掌部の内側から見たときに、平行または前記手掌部の前記親指機構側において４５度以下の交差角で交差す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】
前記中手部は、前記主手掌部の内側の面より突出して形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項２に記載のロボットハンド。
【請求項１】
手掌部と、
該手掌部の先端側領域に位置する主手掌部から延設され前記主手掌部の内側に向かって屈曲可能とされる指機構と、
前記手掌部の基端側領域に位置する中手部と、
前記中手部に接続される親指機構とを備え、
前記親指機構は、
前記指機構を屈曲させたときに前記指機構が通る面と交差する方向に前記手掌部の内側に向かって屈曲可能とされ、
前記中手部は、前記親指機構を屈曲させたときに前記親指機構が通る面と交差する方向に回動可能とされていることを特徴とするロボットハンド。
【請求項２】
前記指機構が前記主手掌部に接続される基端側の第１の回動軸線と、
前記中手部が前記主手掌部に対して回動するときの第２の回動軸線とは、
前記手掌部の内側から見たときに、平行または前記手掌部の前記親指機構側において４５度以下の交差角で交差す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】
前記中手部は、前記主手掌部の内側の面より突出して形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項２に記載のロボットハンド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−７８３４１（Ｐ２００９−７８３４１Ａ）
【公開日】平成２１年４月１６日（２００９．４．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２５１４７２（Ｐ２００７−２５１４７２）
【出願日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【出願人】（３９００２９８０５）ＴＨＫ株式会社 (420)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月１６日（２００９．４．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【出願人】（３９００２９８０５）ＴＨＫ株式会社 (420)
【Ｆターム（参考）】
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