ロボット
【課題】本発明は、高精度の把持と柔軟な把持を同一の機構で実現するとともに、対象物との密着性も十分確保し、対象物の種別によらず安定な把持が可能となるロボットを提供する。
【解決手段】複数個のリンク４と、前記リンク４を連接する関節とからなるリンク連接機構と、指部５を備えたロボットにおいて、前記指部５は、第１の部材７と、前記第１の部材７よりも剛性が低い少なくとも１つの部材を備えたものである。
【解決手段】複数個のリンク４と、前記リンク４を連接する関節とからなるリンク連接機構と、指部５を備えたロボットにおいて、前記指部５は、第１の部材７と、前記第１の部材７よりも剛性が低い少なくとも１つの部材を備えたものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットが備えるリンク連接機構の表面および内部の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用ロボットには各種作業を行なわせるためのハンド装置が具備されているが、近年、小型軽量部品を器用に操ることを目的とし、人間の指に相当するリンク連接機構を複数備える多指多関節のハンド装置が提案されている。このリンク連接機構は、複数個のリンクを関節で連接した構造になっているが、特に指先に相当する最先端部のリンクにおいて、対象物を摘む・操るなどの複雑な作業を確実に行うためには、把持する際の対象物とリンクとの密着性を高くすることが求められる。
【０００３】
しかしながら、従来のハンド装置ではリンクが単層構造であり、対象物を把持する際の指部の変位量がその材質の特性に依存していた。すなわちロボットの指部の材質を変位量の多いものにすると表面に傷がつきやすく、長期使用に耐え得ない問題があり、またこれを避けるために指部の材質を変位量の少ないものにすると対象物及び指部間の密着性が悪くなって当該対象物の確実な把持等を行い得なくなる問題があった。
【０００４】
この課題を解決するため、人間の指に相当するリンクに人間の骨・肉・皮に相当する複数層の構造を持たせ、各層の剛性を異なるものに設定するという方策が提案されている（例えば、特許文献１）。以下図に基づいて説明する。図１１は特許文献１に示す実施例の構成を示す側断面図である。図において、５０は指の先端に配置されたリンクである。リンク５０は、骨に相当する第１の部材５１と、前記第１の部材５１の表面に密着され、肉に相当する第２の部材５２と、前記第２の部材を覆うように配置され、皮に相当する第３の部材５３と、前記第３の部材の表面の一部に配置され、爪に相当する第４の部材５４とから構成される多層構造となっている。
【０００５】
さらに特許文献１では、各部材の剛性（硬度）を第１の部材５１、第３の部材５３、第２の部材５２の順に高く設定している。これにより本ロボットは、対象物を把持する際に、第２の部材５２の柔軟性によって指先端部を対象物の表面形状に応じて凹む方向に弾力的かつ柔軟に変位させて当該対象物に密着させることができることから、確実な把持が可能になる。また指表面に第１の部材５１よりは剛性が低いが第２の部材５２よりは剛性が高い第３の部材５３を設けることにより、第２の部材５２が直接対象物に接する場合と比較して指表面が損傷し難く、長期使用にも実用上十分耐えるようになされている。
【０００６】
この他に、第２の部材５２の過剰な変形を防ぐため、爪に相当する第４の部材５４と、骨に相当する第１の部材５１とを直結した構造も提案されている（例えば、特許文献２）。特許文献２においても、指リンクを骨・肉・皮の３層構造とし、肉に相当する第２の部材の剛性を、他の第１の部材および第３の部材よりも低く設定するようにしている。
また、指の表面側の剛性の高い部材と、指の内側の剛性の低い部材にそれぞれ凹凸を設けて、相互に嵌合することで指の表面のせん断特性を変化させられるようにした提案もある（例えば、特許文献３）。以下図に基づいて説明する。図１２は特許文献３に示す実施例の構成を示す指先部材の説明図である。図において、凹凸形状で剛性の高い指表面側部材と、凹凸形状で剛性の低い指内側部材を相互に嵌合されている。このようにすることで、特許文献１のように指の内側よりも剛性の高い部材を指表面に設けているので対象物を把持する動作を繰り返した場合、指表面が損傷し難いことと、Ｘ方向とＹ方向のせん断特性が異なっているため、対象物によって把持方法を選ぶことができるようになっている。
【特許文献１】特開２００４−１７４６２５号公報（第９−１１頁、図１５）
【特許文献２】特開２００５−８８０９６号公報（第２−１１頁、図４）
【特許文献３】特開２００６−３２１０１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来のリンク連接機構の構造、特に指先端部における多層構造では、高精度の把持と柔軟な把持を同一の機構で実現しえないという問題点があった。すなわち、高い剛性を有する重量物体を従来の多層構造を有する指リンクで把持しようとすると、剛性の低い柔軟部材である第２の部材がバネ要素となって作用し、把持物体の振動や位置ずれを発生して所望の位置に位置決めするための精度が確保できない。これを回避するために第２の部材の剛性を高く設定すると、今度は軽量物体を把持する際の指先の柔軟性が失われ、安定した把持が実現できないという問題点があった。また、指表面を覆う第３の部材の剛性が高いため、第２の部材が直接表面に露出している場合と比較すると、変位量が限定されて対象物との密着性が十分確保できないという問題もあった。この問題は特許文献３にも共通の問題であり、この問題点について実際に多指ロボットハンドの指先に多層構造を適用した場合の具体例として図を用いて説明する。図１３は多指ロボットハンドに多層構造の指先を用いた場合の構造図であり、ここでは説明を簡単にするため、３自由度の指２本を互いに対向して配置した構成で説明する。図において、１００は２本の指の根元を固定配置するためのハンドベース部、１１０は３自由度の指であり、各関節部はサーボモータと減速機を一体に構成したアクチュエータ１１７によって直接駆動するものとする。従来例の指先形状で把持対象物４０１を把持する場合、対象物の一部が剛性の高い一様な指表面部材に接触し、アクチュエータ１１７の駆動力を増すごとに対象物からの反力が剛性の高い指表面部材から剛性の低い指の内側部材に伝わることで、対象物との接触部が大きく変位するようになる。つまり、指表面と対象物との接触部が窪むように変形するようになるのである。このように、従来例では対象物と指表面との接触部が窪むように変形することで、対象物に接する指の表面積が増大して摩擦力が大きくなるため滑りにくくなる効果が得られる。しかしながら、従来例のような指の表面が一様な部材で構成された多層構造の場合、把持した後に重力に逆らって対象物を持ち上げようとすると対象物と接触部との間の摩擦力を大きくする必要があるため、把持対象物４０１の重量が大きくなると、指先の部材自体を摩擦係数の大きい部材に取り替えるか、アクチュエータ１１７が発生するトルクを増大するという方法しか選択肢がない。一般に、多指ロボットハンドは、様々な対象物を把持・運搬できるように汎用設計されているので、対象物ごとに指先を交換することは稀であるため、アクチュエータ１１７のトルクを増大することで対象物の重量によって把持力を変化させている。ところが、多指ロボットハンドはマニピュレータのエンドエフェクタとして機能することが目的であるため、各関節を駆動するアクチュエータ１１７は、小型かつ軽量のものが必然的に採用されるため、大きなトルクを発生させることができず、この結果、摩擦力を大きくすることができないため、重量物を持ち上げるのが難しいという問題に至るのである。
【０００８】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、高精度の把持と柔軟な把持を同一の機構で実現するとともに、対象物との密着性も十分確保し、対象物の種別によらず安定な把持が可能となるロボット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】
【０００９】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、複数個のリンクと、前記リンクを連接する関節とからなるリンク連接機構と、指部を備えたロボットにおいて、前記指部が、第１の部材と、前記第１の部材よりも剛性が低い少なくとも１つの部材を備えたものである。
請求項２に記載の発明は、前記指部が、前記第１の部材が前記リンクに接続され、前記第１の部材よりも剛性の低い少なくとも１つの部材が被覆されることで形成されたものである。
請求項３に記載の発明は、前記剛性の低い部材が、外皮に向かうにしたがって剛性が低い少なくとも２種類の材料から形成されたものである。
請求項４に記載の発明は、前記第１の部材に爪部が備えられたものである。
請求項５に記載の発明は、複数個のリンクと、前記リンクを連接する関節とからなるリンク連接機構と、指部を備えたロボットにおいて、前記指部は、対象物に直接接触する少なくとも１つの部材を有し、前記部材の一端は、第１の部材に連結され、前記部材の他方端は、前記指部表面から出し入れ自在に配置されたものである。
請求項６に記載の発明は、前記第１の部材よりも剛性が低い前記部材が、前記第１の部材から可動する機構を備えたものである。
請求項７に記載の発明は、前記第１の部材よりも剛性が低い部材が、前記第１の部材に取り付けられるとともに、第２の部材に形成された孔部に沿って稼動するものである。
請求項８に記載の発明は、前記第１の部材に、前記部材を収納する少なくとも１つの凹部が形成されたものである。
請求項９に記載の発明は、小さな把持力で対象物を扱う際には、前記部材が前記対象物に密着して把持し、大きな把持力で対象物を扱う際には、前記部材が、第２の部材表面まで移動し、前記第２の部材で把持するものである。
請求項１０に記載の発明は、複数個のリンクと、前記リンクを連接する関節とからなるリンク連接機構と、指部を備えたロボットにおいて、前記指部が、対象物に直接接触する少なくとも１つの部材を有し、前記部材の一端は、第１の部材に連結され、前記部材の他方端は、前記指部表面から出し入れ自在に配置され、前記指部内部に前記部材を移動可能なアクチュエータを備えたものである。
請求項１１に記載の発明は、前記アクチュエータは、前記対象物を把持する前に、前記対象物の種別を判断し、前記指部表面から前記部材の突出量を調整するものである。
請求項１２に記載の発明は、前記アクチュエータは、第２の部材に形成された孔部に沿って前記部材が移動するように構成され、電磁的手段からなる駆動制御されるものである。
請求項１３に記載の発明は、複数個のリンクと、前記リンクを連接する関節とからなるリンク連接機構と、指部を備えたロボットにおいて、前記リンクおよび指部の少なくとも一方の把持表面に、少なくとも２種類からなる弾性部材が備えられたものである。
請求項１４に記載の発明は、少なくとも２種類からなる前記弾性部材が、弾性率が異なる部材で前記把持表面に備えられたものである。
請求項１５に記載の発明は、少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材は小さな外力により容易に変形する柔軟で摩擦係数の大きい材質からなるものであり、第２の弾性部材は、前記第１の弾性部材よりも硬質な材質からなるものである。
請求項１６に記載の発明は、少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材は第２の弾性部材よりも突出するように配置されたものである。
請求項１７に記載の発明は、少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材は第２の弾性部材に隣接するように配置されたものである。
請求項１８に記載の発明は、少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材と第２の弾性部材とが、指部先端方向に向かって交互に線状に配置されたものである。
請求項１９に記載の発明は、少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材と第２の弾性部材とが、リンクおよび指部の各々の表面に格子状に交互に配置されたものである。
請求項２０に記載の発明は、少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材と第２の弾性部材とが、リンクおよび指部の各々の表面に略同心円状に交互に配置されたものである。
請求項２１に記載の発明は、少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材が第２の弾性部材の凹部に配置されたものである。
請求項２２に記載の発明は、表面が平坦で摩擦係数が小さい物体を把持する場合、第１の弾性部材が第２の弾性部材に拘束されながら前記物体との接触面性が大きくなるように変形して把持するものである。
請求項２３に記載の発明は、把持する物体が重力方向に自重が作用して持ち上げる場合、第１の弾性部材が前記第１の弾性部材の自重による変形を第２の弾性部材に拘束されながら前記物体把持するものである。
請求項２４に記載の発明は、表面に凹凸形状を有する物体を把持する場合、把持力により第１の弾性部材が凹部と密着するように変形し、第２の弾性部材が凸部に引っ掛かるように把持するものである。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１から１２に記載の発明によると、軽い対象物を小さい把持力で扱う際には、柔軟性の高い部材により、十分な変位量を確保して対象物との密着性を高め、安定した把持が実現できる。一方で重い対象物を大きな把持力で扱う際には、剛性の高い部材により、振動や位置ずれのない、精度の良い把持が実現できる。また大きな把持力によって部材が損傷することを防ぐことができる。また、部材を指先端部に対する突出量を任意に設定することができことから、対象物の重量や硬さに応じた把持動作をより自由に選択することができる。
また、請求項１３から２４に記載の発明によると、弾性率の異なる少なくとも２種類の弾性部材を指部表面に配置したことで、柔軟性の高い部材および剛性の高い部材に対しても密着性良く、把持することができる。このために精度良い把持ができるとともに振動や位置ずれが生じることなく把持することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、以降の実施例では発明を実施するための最良の形態として、ロボットのハンド装置に適用した例を示す。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるハンド装置の構成を示す側面図である。図において、１はハンド基部、２ａおよび２ｂはハンド基部上に配置された指部である。指部２ａは人間の親指に、指部２ｂは人間の人差し指に相当し、互いに略対向する。ここでは、説明を簡潔にするために２本の指部を有するハンド装置について説明するが、指部は３本以上の多指であっても同様である。指部２ａは指駆動手段３ａ〜３ｃをリンク４ａ〜４ｃで連結した構成になっている。リンク４ｃの先端には指先端部５ａが、さらに指先端部５ａの外面には爪部６ａが取り付けられている。指部２ｂは指駆動手段３ｄ〜３ｆをリンク４ｄ〜４ｆで連結した構成になっている。リンク４ｆの先端には指先端部５ｂが、さらに指先端部５ｂの外面には爪部６ｂが取り付けられている。指駆動手段３ａ〜３ｆのうち、３ａ、３ｃ、３ｅおよび３ｆは図のＸ軸方向に回転軸を有し、指の屈曲伸展方向の動作が可能である。一方で３ｂおよび３ｄは図のＺ軸方向に回転軸を有し、指をＶ字に開閉する方向の動作が可能である。
【００１３】
本発明の第１の実施の形態における指先端部５ａの詳細な側断面図を図２に示す。７ａはリンク４ｃに直結された第１の部材であり、人間の骨に相当する。たとえば、アルミニウム合金やステンレス合金等の金属合金や、ガラス繊維製の強化プラスチック等から形成されている。８ａは前記第１の部材の表面に密着される第２の部材であり、人間の肉および皮に相当する。第２の部材８ａの剛性は、第１の部材７ａの剛性よりも低く設定されており、ナイロン系の合成樹脂から形成されている。９ａは第２の部材８ａの表面の一部に設けられた第３の部材９ａである。第３の部材９ａの剛性は、第２の部材８ａの剛性よりもさらに低く構成されており、合成樹脂の中でも特に弾性率の低い可とう性基材を有する塩化ビニール系の材料から形成されている。１０ａは第１の部材７ａおよび第２の部材８ａに設けられた孔部１０ａである。１１ａは一端を第３の部材９ａに固定された摺動体であり、窒化ケイ素合金、セラミックスやフッ素樹脂等の低摩擦かつ耐磨耗性の材料から形成されている。第３の部材９ａとともに前記孔部１０ａに沿って摺動自在に構成されている。摺動体１１ａの剛性は、第３の部材９ａの剛性よりも高く設定されている。１２ａは前記摺動体１１ａと前記第１の部材７ａとの間隙を伸縮自在に支持する弾性体であり、本実施例では圧縮バネを使用している。１３は把持対象物である。
ここで、第３の部材９ａは摺動体１１ａの先端に配置されているように図示し、説明したが、この限りではなく、第２の部材８ａの表面に密着するように配置されてもよく、指先端部５ａの外皮に配置され、把持対象物１３にはじめに接する部分に配置されていればよいものである。
【００１４】
本発明が従来技術と異なる部分は、最も剛性が低く柔軟性を有する第３の部材を、対象物と直接接触する指の表面に出し入れ自在に配置したことである。通常は図２（ａ）に示すように、第３の部材９ａは弾性体１２ａの付勢力によって第２の部材８ａよりも外側に突出している。これにより、軽い対象物１３を小さい把持力で扱う際には、柔軟性の高い第３の部材９ａにより、十分な変位量を確保して対象物との密着性を高め、安定した把持が実現できる。一方で指駆動手段３ｃほかによって指の把持力を高くすると、図２（ｂ）に示すように、第３の部材９ａおよび摺動体１１ａは弾性体１２ａの付勢力に抗し孔部１０ａに沿って指先端部５ａの内部に埋没する。これにより、重い対象物１３を大きな把持力で扱う際には、第３の部材９ａよりも剛性の高い第２の部材８ａにより、振動や位置ずれのない、精度の良い把持が実現できる。また大きな把持力によって第３の部材９ａが損傷することを防ぐことができる。これにより、長期使用にも十分耐え得る性能を確保できる。
【００１５】
さらに摺動体１１ａを設けることにより、第３の部材９ａを孔部１０ａに沿って変形せず安定して摺動させることができる。また弾性体１２ａを設けることにより、指先に力が加わらない状態では常に第３の部材９ａを第２の部材８ａよりも表面に突出した状態に保つことができる。なお、図には記載されていないが、第１の部材７ａあるいは第２の部材８ａには、第３の部材９ａおよび摺動体１１ａが指先端部５ａから過剰に突出しないための抑止機構が取り付けられている。
尚、本実施例では、第３の部材を指先端部の１箇所に備える例について説明したが、たとえば、リンクのフレームに取り付けたり、第３の部材に複数個備えるようにしても良い。
【実施例２】
【００１６】
本発明の第２の実施の形態における指先端部５ａの詳細な側断面図を図３に示す。本実施の形態では、弾性体１２ａの代わりに、シャフト１４ａおよびシャフト駆動部１５ａから構成される直動アクチュエータを有している。シャフト１４ａの一端は摺動体１１ａに固定されている。シャフト駆動部１５ａは図示しないケーブルから電流を入り切りすることにより、シャフト１４ａを孔部１０ａに沿った方向に駆動制御する。本構成により、第３の部材９ａの指先端部５ａに対する突出量を任意に設定することができる。例えば、図示しない環境認識機能等により事前に対象物の種別を判断し、あらかじめ登録しておいたデータベースから対象物の重量・表面形状・摩擦係数等を取得する。そして重量が大きいときは突出量を小さく、逆に重量が小さい場合には突出量を小さくするなど、対象物の特性に応じて第３の部材９ａの指先端部５ａに対する突出量を調整する。これにより、対象物の重量や硬さに応じた最適な把持動作を選択することができる。
【実施例３】
【００１７】
図４は、本発明の多指ロボットハンドの構成図であり、ここでは説明を簡単にするため、３自由度の指の２本をお互いに対向して配置した構成で説明する。図において、１００は２本の指の根元を固定配置するためのハンドベース部、１１０は３自由度の指であり、リンク部（１１２、１１３、１１４）にて各関節部（１１５、１１６、１１７）を直列に接続して構成されている。同様に１２０も３自由度の指で、リンク（１２２、１２３、１２４）にて各関節部（１２５、１２６、１２７）を直列に接続して構成されている。２本の３自由度の指（１１０、１２０）は、根元の接続リンク１１１および１２１にてハンドベース部１００に固定されている。このリンク部（１１２、１１３、１１４、１２２、１２３、１２４）、接続リンク（１１１、１２１）およびハンドベース部１００はアルミニウムまたはマグネシウム合金などを主材料とした軽量の金属やFRPなど軽量かつ高強度の
プラスチックで製作されている。
また、この多指ロボットハンドの各関節部（１１５、１１６、１１７、１２５、１２６、１２７）には、サーボモータと減速機を一体に構成したアクチュエータが配置されており、このアクチュエータによって各関節をダイレクトに駆動制御するようになっているため、各関節に配置したアクチュエータの回転角を制御することで対象物の把持動作が行えるようになっている。
１１８、１２８は、指１１０、１２０が対象物を把持する際に対象物と接触する把持部であり、表面にはリンク部（１１２、１１３、１１４、１２２、１２３、１２４）よりも柔軟な２種類の材質のものが交互に配置されている。
本発明が従来技術および実施例１と実施例２と異なる部分は、多指ロボットハンドの把持面を柔軟かつ摩擦係数の大きな第１の部材と第１の部材よりも硬質な材料で構成した第２の部材を交互に配置するように構成し、第１の部材を第２の部材よりも突出させた部分である。
【００１８】
次に、図５を用いて把持部１１８、１２８の表面構造を説明するが、各指の表面構造は同じ構造であるため、ここでは１本の指１１０を用いて説明する。
図５において、指１１０の把持部１１８には、小さな外力により容易に変形する柔軟で摩擦係数の大きい材質（例えば、（株）ジェルテック社の登録商標であるαGEL）で構成
した第１の部材２０１と、前記第１の部材２０１よりも硬質で第１の部材２０１が変形するような力では大きく変形しない材質（例えば、ウレタンゴムやシリコンゴム、天然ゴムなど）で構成した第２の部材２０２をそれぞれ交互に配置している。また、Ａ−Ａ’ 断
面のように柔軟な第１の部材２０１の余盛り高さを第２の部材２０２よりも高くして、第１の部材２０１を第２の部材２０２より突出するようになっている。
図６および図７は、本発明の表面構造を多指ロボットハンドに適用して、様々な形状の対象物を把持した様子を説明した図である。 図６は、把持対象物の把持面が一様に平坦で摩擦係数の小さい物体を把持する場合の説明図である。図６において、３−ａは多指ロボットハンドを用いて対象物３０１を把持した場合の一形態であり、対象物３０１を指１１０および指１２０で挟み込むとともに対象物３０１に力を加えることで対象物３０１を拘束するようになっている。３−ｂは３−ａの指１１０の把持面と対象物３０１との接触した部分３０２を拡大した図である。指１１０および指１２０が対象物３０１に把持力を加えると、柔軟な材質で第２の部材２０２よりも突出した第１の部材２０１は、対象物３０１からの反力を受けて２０１′のように対象物３０１の表面に拘束されながら対象物３０１との接触面積が大きくなるように変形する。把持した対象物３０１を多指ロボットハンドで持ち上げる際、対象物３０１の反力を受けて変形した第１の部材２０１′は、対象物３０１の自重によって重力方向に変形しようとするが、第１の部材２０１よりも硬質な材質で構成された第２の部材２０２によって拘束されるため、第１の部材２０１′はほとんど変形することがない。このように、柔軟な材質で構成された第１の部材２０１が大きく変形することで、対象物３０１との接触面積を大きくし、摩擦力を高める効果と、対象物３０１を持ち上げる際に対象物３０１の自重によって第１の部材２０１′が重力方向に変形するのを硬質の第２の部材２０２で堰きとめるようにして防ぐことができるため、指１１０の把持部と対象物３０１との接触面積を安定に確保することができ、表面が平坦で摩擦係数が小さい物体でも安定に把持できるようになっている。
これに対して、把持対象物の把持面が一様ではなく凹凸形状の物体を把持する場合を説明したのが図７である。図７において、４−ａは多指ロボットハンドを用いて対象物４０１を把持した場合の一形態である。４−ｂは４−ａの指１１０の把持面と対象物４０１が接触した部分４０２を拡大した図である。指１１０および指１２０が対象物４０１に把持力を加えると、柔軟で第２の部材２０２よりも突出した第１の部材２０１は、対象物４０１からの反力を受けて２０１″のように変形する。そして、対象物４０１の凸の部分は硬質な材料で構成された第２の部材２０２に引っ掛かるようになる。対象物４０１を持ち上げる際には、対象物４０１の自重が第２の部材２０２に作用するが、第２の部材２０２は硬質な材質で構成しているため、柔軟な第１の部材のように大きく変形することはない。このため、対象物４０１は接触面の摩擦力ではなく第２の部材２０２に拘束によって持ち上げられるようになっている。このように、重力に逆らって対象物を持ち上げる場合、本発明を適用した場合は摩擦力に頼って持ち上げるのではなく、対象物を引っ掛けるような拘束力によって持ち上げることができるので、比較的小さなトルクしか発生することができないアクチュエータを各関節に用いた場合でも重量の大きな対象物を持ち上げることができるという点が従来例とは全く異なるものである。
【００１９】
以上のように第１の部材と第２の部材を交互に配置し、第１の部材を第２の部材よりも突出するようにすれば、図５のような配置に限らず、図８のように第１の部材５０１と第２の部材５０２を複眼状または格子状に交互に配置したり、図９のように第１の部材６０１と第２の部材６０２を同心円状あるいは楕円状に交互に配置しても同様の効果を得ることができる。更に、第１の部材と第２の部材が対象物と接触する面に露出すればよいため、図１０のように波状の第２の部材の凹部に第１の部材を突出するように配置しても同様の効果を得ることができる。また、説明では指先のリンク部（１１４、１２４）の把持面について第１の部材と第２の部材を交互に配置するようにしたが、指を構成する他のリンクが対象物と接触する面にも同様に第１の部材と第２の部材を交互に配置しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本実施例は多指多関節ハンドの指先端部の構造を例にとって説明したが、指先端部に限らず、途中のリンクや掌の構造として用いても、同様の効果が期待できる。また、指に限らず、ロボットの腕や脚などのリンク連接機構にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるハンド装置の構成を示す側面図
【図２】本発明の第１の実施の形態における指先端部５ａの詳細な側断面図
【図３】本発明の第２の実施の形態における指先端部５ａの詳細な側断面図
【図４】本発明の多指ロボットハンドの構成図
【図５】本発明の多指ロボットハンドの表面構造説明図
【図６】対象物把持の説明図
【図７】対象物把持の説明図
【図８】本発明の多指ロボットハンドの表面構造説明図
【図９】本発明の多指ロボットハンドの表面構造説明図
【図１０】本発明の多指ロボットハンドの表面構造説明図
【図１１】従来例における指先端部の構成を示す側断面図
【図１２】従来例における指先表面構造
【図１３】従来例における対象物把持の説明図
【符号の説明】
【００２２】
１ ハンド基部
２ 指部
３ 指駆動手段
４ リンク
５ 指先端部
６ 爪部
７ 第１の部材
８ 第２の部材
９ 第３の部材
１０ 孔部
１１ 摺動体
１２ 弾性体
１３ 把持対象物
１４ シャフト
１５ シャフト駆動部
５０ リンク
５１ 第１の部材
５２ 第２の部材
５３ 第３の部材
５４ 第４の部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットが備えるリンク連接機構の表面および内部の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用ロボットには各種作業を行なわせるためのハンド装置が具備されているが、近年、小型軽量部品を器用に操ることを目的とし、人間の指に相当するリンク連接機構を複数備える多指多関節のハンド装置が提案されている。このリンク連接機構は、複数個のリンクを関節で連接した構造になっているが、特に指先に相当する最先端部のリンクにおいて、対象物を摘む・操るなどの複雑な作業を確実に行うためには、把持する際の対象物とリンクとの密着性を高くすることが求められる。
【０００３】
しかしながら、従来のハンド装置ではリンクが単層構造であり、対象物を把持する際の指部の変位量がその材質の特性に依存していた。すなわちロボットの指部の材質を変位量の多いものにすると表面に傷がつきやすく、長期使用に耐え得ない問題があり、またこれを避けるために指部の材質を変位量の少ないものにすると対象物及び指部間の密着性が悪くなって当該対象物の確実な把持等を行い得なくなる問題があった。
【０００４】
この課題を解決するため、人間の指に相当するリンクに人間の骨・肉・皮に相当する複数層の構造を持たせ、各層の剛性を異なるものに設定するという方策が提案されている（例えば、特許文献１）。以下図に基づいて説明する。図１１は特許文献１に示す実施例の構成を示す側断面図である。図において、５０は指の先端に配置されたリンクである。リンク５０は、骨に相当する第１の部材５１と、前記第１の部材５１の表面に密着され、肉に相当する第２の部材５２と、前記第２の部材を覆うように配置され、皮に相当する第３の部材５３と、前記第３の部材の表面の一部に配置され、爪に相当する第４の部材５４とから構成される多層構造となっている。
【０００５】
さらに特許文献１では、各部材の剛性（硬度）を第１の部材５１、第３の部材５３、第２の部材５２の順に高く設定している。これにより本ロボットは、対象物を把持する際に、第２の部材５２の柔軟性によって指先端部を対象物の表面形状に応じて凹む方向に弾力的かつ柔軟に変位させて当該対象物に密着させることができることから、確実な把持が可能になる。また指表面に第１の部材５１よりは剛性が低いが第２の部材５２よりは剛性が高い第３の部材５３を設けることにより、第２の部材５２が直接対象物に接する場合と比較して指表面が損傷し難く、長期使用にも実用上十分耐えるようになされている。
【０００６】
この他に、第２の部材５２の過剰な変形を防ぐため、爪に相当する第４の部材５４と、骨に相当する第１の部材５１とを直結した構造も提案されている（例えば、特許文献２）。特許文献２においても、指リンクを骨・肉・皮の３層構造とし、肉に相当する第２の部材の剛性を、他の第１の部材および第３の部材よりも低く設定するようにしている。
また、指の表面側の剛性の高い部材と、指の内側の剛性の低い部材にそれぞれ凹凸を設けて、相互に嵌合することで指の表面のせん断特性を変化させられるようにした提案もある（例えば、特許文献３）。以下図に基づいて説明する。図１２は特許文献３に示す実施例の構成を示す指先部材の説明図である。図において、凹凸形状で剛性の高い指表面側部材と、凹凸形状で剛性の低い指内側部材を相互に嵌合されている。このようにすることで、特許文献１のように指の内側よりも剛性の高い部材を指表面に設けているので対象物を把持する動作を繰り返した場合、指表面が損傷し難いことと、Ｘ方向とＹ方向のせん断特性が異なっているため、対象物によって把持方法を選ぶことができるようになっている。
【特許文献１】特開２００４−１７４６２５号公報（第９−１１頁、図１５）
【特許文献２】特開２００５−８８０９６号公報（第２−１１頁、図４）
【特許文献３】特開２００６−３２１０１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来のリンク連接機構の構造、特に指先端部における多層構造では、高精度の把持と柔軟な把持を同一の機構で実現しえないという問題点があった。すなわち、高い剛性を有する重量物体を従来の多層構造を有する指リンクで把持しようとすると、剛性の低い柔軟部材である第２の部材がバネ要素となって作用し、把持物体の振動や位置ずれを発生して所望の位置に位置決めするための精度が確保できない。これを回避するために第２の部材の剛性を高く設定すると、今度は軽量物体を把持する際の指先の柔軟性が失われ、安定した把持が実現できないという問題点があった。また、指表面を覆う第３の部材の剛性が高いため、第２の部材が直接表面に露出している場合と比較すると、変位量が限定されて対象物との密着性が十分確保できないという問題もあった。この問題は特許文献３にも共通の問題であり、この問題点について実際に多指ロボットハンドの指先に多層構造を適用した場合の具体例として図を用いて説明する。図１３は多指ロボットハンドに多層構造の指先を用いた場合の構造図であり、ここでは説明を簡単にするため、３自由度の指２本を互いに対向して配置した構成で説明する。図において、１００は２本の指の根元を固定配置するためのハンドベース部、１１０は３自由度の指であり、各関節部はサーボモータと減速機を一体に構成したアクチュエータ１１７によって直接駆動するものとする。従来例の指先形状で把持対象物４０１を把持する場合、対象物の一部が剛性の高い一様な指表面部材に接触し、アクチュエータ１１７の駆動力を増すごとに対象物からの反力が剛性の高い指表面部材から剛性の低い指の内側部材に伝わることで、対象物との接触部が大きく変位するようになる。つまり、指表面と対象物との接触部が窪むように変形するようになるのである。このように、従来例では対象物と指表面との接触部が窪むように変形することで、対象物に接する指の表面積が増大して摩擦力が大きくなるため滑りにくくなる効果が得られる。しかしながら、従来例のような指の表面が一様な部材で構成された多層構造の場合、把持した後に重力に逆らって対象物を持ち上げようとすると対象物と接触部との間の摩擦力を大きくする必要があるため、把持対象物４０１の重量が大きくなると、指先の部材自体を摩擦係数の大きい部材に取り替えるか、アクチュエータ１１７が発生するトルクを増大するという方法しか選択肢がない。一般に、多指ロボットハンドは、様々な対象物を把持・運搬できるように汎用設計されているので、対象物ごとに指先を交換することは稀であるため、アクチュエータ１１７のトルクを増大することで対象物の重量によって把持力を変化させている。ところが、多指ロボットハンドはマニピュレータのエンドエフェクタとして機能することが目的であるため、各関節を駆動するアクチュエータ１１７は、小型かつ軽量のものが必然的に採用されるため、大きなトルクを発生させることができず、この結果、摩擦力を大きくすることができないため、重量物を持ち上げるのが難しいという問題に至るのである。
【０００８】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、高精度の把持と柔軟な把持を同一の機構で実現するとともに、対象物との密着性も十分確保し、対象物の種別によらず安定な把持が可能となるロボット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】
【０００９】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、複数個のリンクと、前記リンクを連接する関節とからなるリンク連接機構と、指部を備えたロボットにおいて、前記指部が、第１の部材と、前記第１の部材よりも剛性が低い少なくとも１つの部材を備えたものである。
請求項２に記載の発明は、前記指部が、前記第１の部材が前記リンクに接続され、前記第１の部材よりも剛性の低い少なくとも１つの部材が被覆されることで形成されたものである。
請求項３に記載の発明は、前記剛性の低い部材が、外皮に向かうにしたがって剛性が低い少なくとも２種類の材料から形成されたものである。
請求項４に記載の発明は、前記第１の部材に爪部が備えられたものである。
請求項５に記載の発明は、複数個のリンクと、前記リンクを連接する関節とからなるリンク連接機構と、指部を備えたロボットにおいて、前記指部は、対象物に直接接触する少なくとも１つの部材を有し、前記部材の一端は、第１の部材に連結され、前記部材の他方端は、前記指部表面から出し入れ自在に配置されたものである。
請求項６に記載の発明は、前記第１の部材よりも剛性が低い前記部材が、前記第１の部材から可動する機構を備えたものである。
請求項７に記載の発明は、前記第１の部材よりも剛性が低い部材が、前記第１の部材に取り付けられるとともに、第２の部材に形成された孔部に沿って稼動するものである。
請求項８に記載の発明は、前記第１の部材に、前記部材を収納する少なくとも１つの凹部が形成されたものである。
請求項９に記載の発明は、小さな把持力で対象物を扱う際には、前記部材が前記対象物に密着して把持し、大きな把持力で対象物を扱う際には、前記部材が、第２の部材表面まで移動し、前記第２の部材で把持するものである。
請求項１０に記載の発明は、複数個のリンクと、前記リンクを連接する関節とからなるリンク連接機構と、指部を備えたロボットにおいて、前記指部が、対象物に直接接触する少なくとも１つの部材を有し、前記部材の一端は、第１の部材に連結され、前記部材の他方端は、前記指部表面から出し入れ自在に配置され、前記指部内部に前記部材を移動可能なアクチュエータを備えたものである。
請求項１１に記載の発明は、前記アクチュエータは、前記対象物を把持する前に、前記対象物の種別を判断し、前記指部表面から前記部材の突出量を調整するものである。
請求項１２に記載の発明は、前記アクチュエータは、第２の部材に形成された孔部に沿って前記部材が移動するように構成され、電磁的手段からなる駆動制御されるものである。
請求項１３に記載の発明は、複数個のリンクと、前記リンクを連接する関節とからなるリンク連接機構と、指部を備えたロボットにおいて、前記リンクおよび指部の少なくとも一方の把持表面に、少なくとも２種類からなる弾性部材が備えられたものである。
請求項１４に記載の発明は、少なくとも２種類からなる前記弾性部材が、弾性率が異なる部材で前記把持表面に備えられたものである。
請求項１５に記載の発明は、少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材は小さな外力により容易に変形する柔軟で摩擦係数の大きい材質からなるものであり、第２の弾性部材は、前記第１の弾性部材よりも硬質な材質からなるものである。
請求項１６に記載の発明は、少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材は第２の弾性部材よりも突出するように配置されたものである。
請求項１７に記載の発明は、少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材は第２の弾性部材に隣接するように配置されたものである。
請求項１８に記載の発明は、少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材と第２の弾性部材とが、指部先端方向に向かって交互に線状に配置されたものである。
請求項１９に記載の発明は、少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材と第２の弾性部材とが、リンクおよび指部の各々の表面に格子状に交互に配置されたものである。
請求項２０に記載の発明は、少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材と第２の弾性部材とが、リンクおよび指部の各々の表面に略同心円状に交互に配置されたものである。
請求項２１に記載の発明は、少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材が第２の弾性部材の凹部に配置されたものである。
請求項２２に記載の発明は、表面が平坦で摩擦係数が小さい物体を把持する場合、第１の弾性部材が第２の弾性部材に拘束されながら前記物体との接触面性が大きくなるように変形して把持するものである。
請求項２３に記載の発明は、把持する物体が重力方向に自重が作用して持ち上げる場合、第１の弾性部材が前記第１の弾性部材の自重による変形を第２の弾性部材に拘束されながら前記物体把持するものである。
請求項２４に記載の発明は、表面に凹凸形状を有する物体を把持する場合、把持力により第１の弾性部材が凹部と密着するように変形し、第２の弾性部材が凸部に引っ掛かるように把持するものである。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１から１２に記載の発明によると、軽い対象物を小さい把持力で扱う際には、柔軟性の高い部材により、十分な変位量を確保して対象物との密着性を高め、安定した把持が実現できる。一方で重い対象物を大きな把持力で扱う際には、剛性の高い部材により、振動や位置ずれのない、精度の良い把持が実現できる。また大きな把持力によって部材が損傷することを防ぐことができる。また、部材を指先端部に対する突出量を任意に設定することができことから、対象物の重量や硬さに応じた把持動作をより自由に選択することができる。
また、請求項１３から２４に記載の発明によると、弾性率の異なる少なくとも２種類の弾性部材を指部表面に配置したことで、柔軟性の高い部材および剛性の高い部材に対しても密着性良く、把持することができる。このために精度良い把持ができるとともに振動や位置ずれが生じることなく把持することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、以降の実施例では発明を実施するための最良の形態として、ロボットのハンド装置に適用した例を示す。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるハンド装置の構成を示す側面図である。図において、１はハンド基部、２ａおよび２ｂはハンド基部上に配置された指部である。指部２ａは人間の親指に、指部２ｂは人間の人差し指に相当し、互いに略対向する。ここでは、説明を簡潔にするために２本の指部を有するハンド装置について説明するが、指部は３本以上の多指であっても同様である。指部２ａは指駆動手段３ａ〜３ｃをリンク４ａ〜４ｃで連結した構成になっている。リンク４ｃの先端には指先端部５ａが、さらに指先端部５ａの外面には爪部６ａが取り付けられている。指部２ｂは指駆動手段３ｄ〜３ｆをリンク４ｄ〜４ｆで連結した構成になっている。リンク４ｆの先端には指先端部５ｂが、さらに指先端部５ｂの外面には爪部６ｂが取り付けられている。指駆動手段３ａ〜３ｆのうち、３ａ、３ｃ、３ｅおよび３ｆは図のＸ軸方向に回転軸を有し、指の屈曲伸展方向の動作が可能である。一方で３ｂおよび３ｄは図のＺ軸方向に回転軸を有し、指をＶ字に開閉する方向の動作が可能である。
【００１３】
本発明の第１の実施の形態における指先端部５ａの詳細な側断面図を図２に示す。７ａはリンク４ｃに直結された第１の部材であり、人間の骨に相当する。たとえば、アルミニウム合金やステンレス合金等の金属合金や、ガラス繊維製の強化プラスチック等から形成されている。８ａは前記第１の部材の表面に密着される第２の部材であり、人間の肉および皮に相当する。第２の部材８ａの剛性は、第１の部材７ａの剛性よりも低く設定されており、ナイロン系の合成樹脂から形成されている。９ａは第２の部材８ａの表面の一部に設けられた第３の部材９ａである。第３の部材９ａの剛性は、第２の部材８ａの剛性よりもさらに低く構成されており、合成樹脂の中でも特に弾性率の低い可とう性基材を有する塩化ビニール系の材料から形成されている。１０ａは第１の部材７ａおよび第２の部材８ａに設けられた孔部１０ａである。１１ａは一端を第３の部材９ａに固定された摺動体であり、窒化ケイ素合金、セラミックスやフッ素樹脂等の低摩擦かつ耐磨耗性の材料から形成されている。第３の部材９ａとともに前記孔部１０ａに沿って摺動自在に構成されている。摺動体１１ａの剛性は、第３の部材９ａの剛性よりも高く設定されている。１２ａは前記摺動体１１ａと前記第１の部材７ａとの間隙を伸縮自在に支持する弾性体であり、本実施例では圧縮バネを使用している。１３は把持対象物である。
ここで、第３の部材９ａは摺動体１１ａの先端に配置されているように図示し、説明したが、この限りではなく、第２の部材８ａの表面に密着するように配置されてもよく、指先端部５ａの外皮に配置され、把持対象物１３にはじめに接する部分に配置されていればよいものである。
【００１４】
本発明が従来技術と異なる部分は、最も剛性が低く柔軟性を有する第３の部材を、対象物と直接接触する指の表面に出し入れ自在に配置したことである。通常は図２（ａ）に示すように、第３の部材９ａは弾性体１２ａの付勢力によって第２の部材８ａよりも外側に突出している。これにより、軽い対象物１３を小さい把持力で扱う際には、柔軟性の高い第３の部材９ａにより、十分な変位量を確保して対象物との密着性を高め、安定した把持が実現できる。一方で指駆動手段３ｃほかによって指の把持力を高くすると、図２（ｂ）に示すように、第３の部材９ａおよび摺動体１１ａは弾性体１２ａの付勢力に抗し孔部１０ａに沿って指先端部５ａの内部に埋没する。これにより、重い対象物１３を大きな把持力で扱う際には、第３の部材９ａよりも剛性の高い第２の部材８ａにより、振動や位置ずれのない、精度の良い把持が実現できる。また大きな把持力によって第３の部材９ａが損傷することを防ぐことができる。これにより、長期使用にも十分耐え得る性能を確保できる。
【００１５】
さらに摺動体１１ａを設けることにより、第３の部材９ａを孔部１０ａに沿って変形せず安定して摺動させることができる。また弾性体１２ａを設けることにより、指先に力が加わらない状態では常に第３の部材９ａを第２の部材８ａよりも表面に突出した状態に保つことができる。なお、図には記載されていないが、第１の部材７ａあるいは第２の部材８ａには、第３の部材９ａおよび摺動体１１ａが指先端部５ａから過剰に突出しないための抑止機構が取り付けられている。
尚、本実施例では、第３の部材を指先端部の１箇所に備える例について説明したが、たとえば、リンクのフレームに取り付けたり、第３の部材に複数個備えるようにしても良い。
【実施例２】
【００１６】
本発明の第２の実施の形態における指先端部５ａの詳細な側断面図を図３に示す。本実施の形態では、弾性体１２ａの代わりに、シャフト１４ａおよびシャフト駆動部１５ａから構成される直動アクチュエータを有している。シャフト１４ａの一端は摺動体１１ａに固定されている。シャフト駆動部１５ａは図示しないケーブルから電流を入り切りすることにより、シャフト１４ａを孔部１０ａに沿った方向に駆動制御する。本構成により、第３の部材９ａの指先端部５ａに対する突出量を任意に設定することができる。例えば、図示しない環境認識機能等により事前に対象物の種別を判断し、あらかじめ登録しておいたデータベースから対象物の重量・表面形状・摩擦係数等を取得する。そして重量が大きいときは突出量を小さく、逆に重量が小さい場合には突出量を小さくするなど、対象物の特性に応じて第３の部材９ａの指先端部５ａに対する突出量を調整する。これにより、対象物の重量や硬さに応じた最適な把持動作を選択することができる。
【実施例３】
【００１７】
図４は、本発明の多指ロボットハンドの構成図であり、ここでは説明を簡単にするため、３自由度の指の２本をお互いに対向して配置した構成で説明する。図において、１００は２本の指の根元を固定配置するためのハンドベース部、１１０は３自由度の指であり、リンク部（１１２、１１３、１１４）にて各関節部（１１５、１１６、１１７）を直列に接続して構成されている。同様に１２０も３自由度の指で、リンク（１２２、１２３、１２４）にて各関節部（１２５、１２６、１２７）を直列に接続して構成されている。２本の３自由度の指（１１０、１２０）は、根元の接続リンク１１１および１２１にてハンドベース部１００に固定されている。このリンク部（１１２、１１３、１１４、１２２、１２３、１２４）、接続リンク（１１１、１２１）およびハンドベース部１００はアルミニウムまたはマグネシウム合金などを主材料とした軽量の金属やFRPなど軽量かつ高強度の
プラスチックで製作されている。
また、この多指ロボットハンドの各関節部（１１５、１１６、１１７、１２５、１２６、１２７）には、サーボモータと減速機を一体に構成したアクチュエータが配置されており、このアクチュエータによって各関節をダイレクトに駆動制御するようになっているため、各関節に配置したアクチュエータの回転角を制御することで対象物の把持動作が行えるようになっている。
１１８、１２８は、指１１０、１２０が対象物を把持する際に対象物と接触する把持部であり、表面にはリンク部（１１２、１１３、１１４、１２２、１２３、１２４）よりも柔軟な２種類の材質のものが交互に配置されている。
本発明が従来技術および実施例１と実施例２と異なる部分は、多指ロボットハンドの把持面を柔軟かつ摩擦係数の大きな第１の部材と第１の部材よりも硬質な材料で構成した第２の部材を交互に配置するように構成し、第１の部材を第２の部材よりも突出させた部分である。
【００１８】
次に、図５を用いて把持部１１８、１２８の表面構造を説明するが、各指の表面構造は同じ構造であるため、ここでは１本の指１１０を用いて説明する。
図５において、指１１０の把持部１１８には、小さな外力により容易に変形する柔軟で摩擦係数の大きい材質（例えば、（株）ジェルテック社の登録商標であるαGEL）で構成
した第１の部材２０１と、前記第１の部材２０１よりも硬質で第１の部材２０１が変形するような力では大きく変形しない材質（例えば、ウレタンゴムやシリコンゴム、天然ゴムなど）で構成した第２の部材２０２をそれぞれ交互に配置している。また、Ａ−Ａ’ 断
面のように柔軟な第１の部材２０１の余盛り高さを第２の部材２０２よりも高くして、第１の部材２０１を第２の部材２０２より突出するようになっている。
図６および図７は、本発明の表面構造を多指ロボットハンドに適用して、様々な形状の対象物を把持した様子を説明した図である。 図６は、把持対象物の把持面が一様に平坦で摩擦係数の小さい物体を把持する場合の説明図である。図６において、３−ａは多指ロボットハンドを用いて対象物３０１を把持した場合の一形態であり、対象物３０１を指１１０および指１２０で挟み込むとともに対象物３０１に力を加えることで対象物３０１を拘束するようになっている。３−ｂは３−ａの指１１０の把持面と対象物３０１との接触した部分３０２を拡大した図である。指１１０および指１２０が対象物３０１に把持力を加えると、柔軟な材質で第２の部材２０２よりも突出した第１の部材２０１は、対象物３０１からの反力を受けて２０１′のように対象物３０１の表面に拘束されながら対象物３０１との接触面積が大きくなるように変形する。把持した対象物３０１を多指ロボットハンドで持ち上げる際、対象物３０１の反力を受けて変形した第１の部材２０１′は、対象物３０１の自重によって重力方向に変形しようとするが、第１の部材２０１よりも硬質な材質で構成された第２の部材２０２によって拘束されるため、第１の部材２０１′はほとんど変形することがない。このように、柔軟な材質で構成された第１の部材２０１が大きく変形することで、対象物３０１との接触面積を大きくし、摩擦力を高める効果と、対象物３０１を持ち上げる際に対象物３０１の自重によって第１の部材２０１′が重力方向に変形するのを硬質の第２の部材２０２で堰きとめるようにして防ぐことができるため、指１１０の把持部と対象物３０１との接触面積を安定に確保することができ、表面が平坦で摩擦係数が小さい物体でも安定に把持できるようになっている。
これに対して、把持対象物の把持面が一様ではなく凹凸形状の物体を把持する場合を説明したのが図７である。図７において、４−ａは多指ロボットハンドを用いて対象物４０１を把持した場合の一形態である。４−ｂは４−ａの指１１０の把持面と対象物４０１が接触した部分４０２を拡大した図である。指１１０および指１２０が対象物４０１に把持力を加えると、柔軟で第２の部材２０２よりも突出した第１の部材２０１は、対象物４０１からの反力を受けて２０１″のように変形する。そして、対象物４０１の凸の部分は硬質な材料で構成された第２の部材２０２に引っ掛かるようになる。対象物４０１を持ち上げる際には、対象物４０１の自重が第２の部材２０２に作用するが、第２の部材２０２は硬質な材質で構成しているため、柔軟な第１の部材のように大きく変形することはない。このため、対象物４０１は接触面の摩擦力ではなく第２の部材２０２に拘束によって持ち上げられるようになっている。このように、重力に逆らって対象物を持ち上げる場合、本発明を適用した場合は摩擦力に頼って持ち上げるのではなく、対象物を引っ掛けるような拘束力によって持ち上げることができるので、比較的小さなトルクしか発生することができないアクチュエータを各関節に用いた場合でも重量の大きな対象物を持ち上げることができるという点が従来例とは全く異なるものである。
【００１９】
以上のように第１の部材と第２の部材を交互に配置し、第１の部材を第２の部材よりも突出するようにすれば、図５のような配置に限らず、図８のように第１の部材５０１と第２の部材５０２を複眼状または格子状に交互に配置したり、図９のように第１の部材６０１と第２の部材６０２を同心円状あるいは楕円状に交互に配置しても同様の効果を得ることができる。更に、第１の部材と第２の部材が対象物と接触する面に露出すればよいため、図１０のように波状の第２の部材の凹部に第１の部材を突出するように配置しても同様の効果を得ることができる。また、説明では指先のリンク部（１１４、１２４）の把持面について第１の部材と第２の部材を交互に配置するようにしたが、指を構成する他のリンクが対象物と接触する面にも同様に第１の部材と第２の部材を交互に配置しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本実施例は多指多関節ハンドの指先端部の構造を例にとって説明したが、指先端部に限らず、途中のリンクや掌の構造として用いても、同様の効果が期待できる。また、指に限らず、ロボットの腕や脚などのリンク連接機構にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるハンド装置の構成を示す側面図
【図２】本発明の第１の実施の形態における指先端部５ａの詳細な側断面図
【図３】本発明の第２の実施の形態における指先端部５ａの詳細な側断面図
【図４】本発明の多指ロボットハンドの構成図
【図５】本発明の多指ロボットハンドの表面構造説明図
【図６】対象物把持の説明図
【図７】対象物把持の説明図
【図８】本発明の多指ロボットハンドの表面構造説明図
【図９】本発明の多指ロボットハンドの表面構造説明図
【図１０】本発明の多指ロボットハンドの表面構造説明図
【図１１】従来例における指先端部の構成を示す側断面図
【図１２】従来例における指先表面構造
【図１３】従来例における対象物把持の説明図
【符号の説明】
【００２２】
１ ハンド基部
２ 指部
３ 指駆動手段
４ リンク
５ 指先端部
６ 爪部
７ 第１の部材
８ 第２の部材
９ 第３の部材
１０ 孔部
１１ 摺動体
１２ 弾性体
１３ 把持対象物
１４ シャフト
１５ シャフト駆動部
５０ リンク
５１ 第１の部材
５２ 第２の部材
５３ 第３の部材
５４ 第４の部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個のリンクと、前記リンクを連接する関節とからなるリンク連接機構と、指部を備えたロボットにおいて、
前記指部は、第１の部材と、前記第１の部材よりも剛性が低い少なくとも１つの部材を備えたことを特徴とするロボット。
【請求項２】
前記指部は、前記第１の部材が前記リンクに接続され、前記第１の部材よりも剛性の低い少なくとも１つの部材が被覆されることで形成されたことを特徴とする請求項１記載のロボット。
【請求項３】
前記剛性の低い部材は、外皮に向かうにしたがって剛性が低い少なくとも２種類の材料から形成されたことを特徴とする請求項１記載のロボット。
【請求項４】
前記第１の部材に爪部が備えられたことを特徴とする請求項１記載のロボット。
【請求項５】
複数個のリンクと、前記リンクを連接する関節とからなるリンク連接機構と、指部を備えたロボットにおいて、
前記指部は、対象物に直接接触する少なくとも１つの部材を有し、前記部材の一端は、第１の部材に連結され、前記部材の他方端は、前記指部表面から出し入れ自在に配置されたことを特徴とするロボット。
【請求項６】
前記第１の部材よりも剛性が低い前記部材が、前記第１の部材から可動する機構を備えたことを特徴とする請求項５記載のロボット。
【請求項７】
前記第１の部材よりも剛性が低い部材が、前記第１の部材に取り付けられるとともに、第２の部材に形成された孔部に沿って稼動することを特徴とする請求項５記載のロボット。
【請求項８】
前記第１の部材に、前記部材を収納する少なくとも１つの凹部が形成されたことを特徴とする請求項５記載のロボット。
【請求項９】
小さな把持力で対象物を扱う際には、前記部材が前記対象物に密着して把持し、大きな把持力で対象物を扱う際には、前記部材が、第２の部材表面まで移動し、前記第２の部材で把持することを特徴とする請求項５記載のロボット。
【請求項１０】
複数個のリンクと、前記リンクを連接する関節とからなるリンク連接機構と、指部を備えたロボットにおいて、
前記指部は、対象物に直接接触する少なくとも１つの部材を有し、前記部材の一端は、第１の部材に連結され、前記部材の他方端は、前記指部表面から出し入れ自在に配置され、前記指部内部に前記部材を移動可能なアクチュエータを備えたことを特徴とするロボット。
【請求項１１】
前記アクチュエータは、前記対象物を把持する前に、前記対象物の種別を判断し、前記指部表面から前記部材の突出量を調整することを特徴とする請求項１０記載のロボット。
【請求項１２】
前記アクチュエータは、第２の部材に形成された孔部に沿って前記部材が移動するように構成され、電磁的手段からなる駆動制御されることを特徴とする請求項１０記載のロボット。
【請求項１３】
複数個のリンクと、前記リンクを連接する関節とからなるリンク連接機構と、指部を備えたロボットにおいて、
前記リンクおよび指部の少なくとも一方の把持表面に、少なくとも２種類からなる弾性部材が備えられたことを特徴とするロボット。
【請求項１４】
少なくとも２種類からなる前記弾性部材は、弾性率が異なる部材で前記把持表面に備えられたことを特徴とする請求項１３記載のロボット。
【請求項１５】
少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材は小さな外力により容易に変形する柔軟で摩擦係数の大きい材質からなるものであり、第２の弾性部材は、前記第１の弾性部材よりも硬質な材質からなることを特徴とする請求項１３記載のロボット。
【請求項１６】
少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材は第２の弾性部材よりも突出するように配置されたことを特徴とする請求項１５記載のロボット。
【請求項１７】
少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材は第２の弾性部材に隣接するように配置されたことを特徴とする請求項１５記載のロボット。
【請求項１８】
少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材と第２の弾性部材とが、指部先端方向に向かって交互に線状に配置されたことを特徴とする請求項１５記載のロボット。
【請求項１９】
少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材と第２の弾性部材とが、リンクおよび指部の各々の表面に格子状に交互に配置されたことを特徴とする請求項１５記載のロボット。
【請求項２０】
少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材と第２の弾性部材とが、リンクおよび指部の各々の表面に略同心円状に交互に配置されたことを特徴とする請求項１５記載のロボット。
【請求項２１】
少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材が第２の弾性部材の凹部に配置されたことを特徴とする請求項１５記載のロボット。
【請求項２２】
表面が平坦で摩擦係数が小さい物体を把持する場合、第１の弾性部材が第２の弾性部材に拘束されながら前記物体との接触面性が大きくなるように変形して把持することを特徴とする請求項１３記載のロボット。
【請求項２３】
把持する物体が重力方向に自重が作用して持ち上げる場合、第１の弾性部材が前記第１の弾性部材の自重による変形を第２の弾性部材に拘束されながら前記物体把持することを特徴とする請求項１３記載のロボット。
【請求項２４】
表面に凹凸形状を有する物体を把持する場合、把持力により第１の弾性部材が凹部と密着するように変形し、第２の弾性部材が凸部に引っ掛かるように把持することを特徴とする請求項１３記載のロボット。
【請求項１】
複数個のリンクと、前記リンクを連接する関節とからなるリンク連接機構と、指部を備えたロボットにおいて、
前記指部は、第１の部材と、前記第１の部材よりも剛性が低い少なくとも１つの部材を備えたことを特徴とするロボット。
【請求項２】
前記指部は、前記第１の部材が前記リンクに接続され、前記第１の部材よりも剛性の低い少なくとも１つの部材が被覆されることで形成されたことを特徴とする請求項１記載のロボット。
【請求項３】
前記剛性の低い部材は、外皮に向かうにしたがって剛性が低い少なくとも２種類の材料から形成されたことを特徴とする請求項１記載のロボット。
【請求項４】
前記第１の部材に爪部が備えられたことを特徴とする請求項１記載のロボット。
【請求項５】
複数個のリンクと、前記リンクを連接する関節とからなるリンク連接機構と、指部を備えたロボットにおいて、
前記指部は、対象物に直接接触する少なくとも１つの部材を有し、前記部材の一端は、第１の部材に連結され、前記部材の他方端は、前記指部表面から出し入れ自在に配置されたことを特徴とするロボット。
【請求項６】
前記第１の部材よりも剛性が低い前記部材が、前記第１の部材から可動する機構を備えたことを特徴とする請求項５記載のロボット。
【請求項７】
前記第１の部材よりも剛性が低い部材が、前記第１の部材に取り付けられるとともに、第２の部材に形成された孔部に沿って稼動することを特徴とする請求項５記載のロボット。
【請求項８】
前記第１の部材に、前記部材を収納する少なくとも１つの凹部が形成されたことを特徴とする請求項５記載のロボット。
【請求項９】
小さな把持力で対象物を扱う際には、前記部材が前記対象物に密着して把持し、大きな把持力で対象物を扱う際には、前記部材が、第２の部材表面まで移動し、前記第２の部材で把持することを特徴とする請求項５記載のロボット。
【請求項１０】
複数個のリンクと、前記リンクを連接する関節とからなるリンク連接機構と、指部を備えたロボットにおいて、
前記指部は、対象物に直接接触する少なくとも１つの部材を有し、前記部材の一端は、第１の部材に連結され、前記部材の他方端は、前記指部表面から出し入れ自在に配置され、前記指部内部に前記部材を移動可能なアクチュエータを備えたことを特徴とするロボット。
【請求項１１】
前記アクチュエータは、前記対象物を把持する前に、前記対象物の種別を判断し、前記指部表面から前記部材の突出量を調整することを特徴とする請求項１０記載のロボット。
【請求項１２】
前記アクチュエータは、第２の部材に形成された孔部に沿って前記部材が移動するように構成され、電磁的手段からなる駆動制御されることを特徴とする請求項１０記載のロボット。
【請求項１３】
複数個のリンクと、前記リンクを連接する関節とからなるリンク連接機構と、指部を備えたロボットにおいて、
前記リンクおよび指部の少なくとも一方の把持表面に、少なくとも２種類からなる弾性部材が備えられたことを特徴とするロボット。
【請求項１４】
少なくとも２種類からなる前記弾性部材は、弾性率が異なる部材で前記把持表面に備えられたことを特徴とする請求項１３記載のロボット。
【請求項１５】
少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材は小さな外力により容易に変形する柔軟で摩擦係数の大きい材質からなるものであり、第２の弾性部材は、前記第１の弾性部材よりも硬質な材質からなることを特徴とする請求項１３記載のロボット。
【請求項１６】
少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材は第２の弾性部材よりも突出するように配置されたことを特徴とする請求項１５記載のロボット。
【請求項１７】
少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材は第２の弾性部材に隣接するように配置されたことを特徴とする請求項１５記載のロボット。
【請求項１８】
少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材と第２の弾性部材とが、指部先端方向に向かって交互に線状に配置されたことを特徴とする請求項１５記載のロボット。
【請求項１９】
少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材と第２の弾性部材とが、リンクおよび指部の各々の表面に格子状に交互に配置されたことを特徴とする請求項１５記載のロボット。
【請求項２０】
少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材と第２の弾性部材とが、リンクおよび指部の各々の表面に略同心円状に交互に配置されたことを特徴とする請求項１５記載のロボット。
【請求項２１】
少なくとも２種類からなる前記弾性部材について、第１の弾性部材が第２の弾性部材の凹部に配置されたことを特徴とする請求項１５記載のロボット。
【請求項２２】
表面が平坦で摩擦係数が小さい物体を把持する場合、第１の弾性部材が第２の弾性部材に拘束されながら前記物体との接触面性が大きくなるように変形して把持することを特徴とする請求項１３記載のロボット。
【請求項２３】
把持する物体が重力方向に自重が作用して持ち上げる場合、第１の弾性部材が前記第１の弾性部材の自重による変形を第２の弾性部材に拘束されながら前記物体把持することを特徴とする請求項１３記載のロボット。
【請求項２４】
表面に凹凸形状を有する物体を把持する場合、把持力により第１の弾性部材が凹部と密着するように変形し、第２の弾性部材が凸部に引っ掛かるように把持することを特徴とする請求項１３記載のロボット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００９−１０１４２４（Ｐ２００９−１０１４２４Ａ）
【公開日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２７０４５３（Ｐ２００７−２７０４５３）
【出願日】平成１９年１０月１７日（２００７．１０．１７）
【出願人】（０００００６６２２）株式会社安川電機 (2,482)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月１７日（２００７．１０．１７）
【出願人】（０００００６６２２）株式会社安川電機 (2,482)
【Ｆターム（参考）】
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