多指ハンド装置
【課題】拇指機構、示指機構及び中指機構を用いて物体の安定した把持状態を実現することができる多指ハンド装置を提供する。
【解決手段】屈伸機能を有する示指機構６、中指機構７、及び拇指機構５を備える多指ハンド装置１において、拇指機構５の２軸で回動する手根中手関節１９，２０のうちの第２の回動軸２０を、その軸線ａが示指機構６の中手指節関節１５，１６と中指機構７の中手指節関節１５，１６との間を通って延びるように配設する。
【解決手段】屈伸機能を有する示指機構６、中指機構７、及び拇指機構５を備える多指ハンド装置１において、拇指機構５の２軸で回動する手根中手関節１９，２０のうちの第２の回動軸２０を、その軸線ａが示指機構６の中手指節関節１５，１６と中指機構７の中手指節関節１５，１６との間を通って延びるように配設する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも３つの指機構を備える多指ハンド装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、人間の手を模倣した多指ハンド装置が知られている。この種の多指ハンド装置は、基部と複数の指機構とを備えている。各指機構は、複数の関節を備えて各関節毎に回動自在となっており、これにより、屈伸動作を行うことができるようになっている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、この種の多指ハンド装置は、人間の手における拇指に対応する拇指機構を備えるが、人間の拇指の動きに近い動作を行わせるために、他の指機構とは異なる構成とする必要がある。
【０００４】
具体的には、人間の拇指は、手根中手関節により手を開いたときに他の指に並ぶ側に位置し、物体を把持するときには、手の平に対向する側に回動する。この動作を多指ハンド装置において行うために、拇指機構は、他の指機構の各関節とは異なる方向に軸線を有する回動軸が必要となる。そして、特許文献１記載のものにおいては、拇指機構の開き動作を行う回転軸の軸線が中指機構の延ばし状態の延長線上に位置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１８３６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
人間の手において、拇指、示指、及び中指の３つの指で円柱状の物体をつまみ上げる動作を行う場合には、示指の指先と中指の指先とを物体の一方側に当接させ、その反対側から拇指の指先を当接させる。しかし、これと同様の動作を上記特許文献１記載の多指ハンド装置によって行うと、物体の一方側に当接した示指機構の指先と中指機構の指先との中央位置の反対側から拇指機構の指先を当接させようとしたとき、拇指機構の開き動作を行う回転軸の軸線が中指機構の延ばし状態の延長線上に位置していることによって、当該回転軸回りに不要なモーメントが生じて物体を安定して把持することができない不都合がある。
【０００７】
かかる不都合を解消して、本発明は、拇指機構、示指機構及び中指機構を用いて物体の安定した把持状態を実現することができる多指ハンド装置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】
【０００８】
本発明は、基部と、該基部に連結された少なくとも３つの指機構を備え、３つの指機構が、夫々、人間の手における示指の動きを模倣した屈伸機能を有する示指機構、中指の動きを模倣した屈伸機能を有する中指機構、及び拇指の動きを模倣した屈伸機能を有する拇指機構とされている多指ハンド装置において、前記示指機構と前記中指機構とは、その夫々に、１軸で回動する遠位指節間関節と、該遠位指節間関節の回動軸に平行の軸線回りに１軸で回動する近位指節間関節と、該近位指節間関節の回動軸に平行の軸線回りとこの軸線に交差する方向に沿って延びる軸線回りに２軸で回動する中手指節関節とを備え、前記拇指機構は、１軸で回動する拇指指節間関節と、該拇指指節間関節の回動軸に平行の軸線回りに１軸で回動する拇指中手指節関節と、該拇指中手指節関節の回動軸に平行の軸線を有する第１の回動軸及び該第１の回動軸の軸線に交差する方向に沿って延びる軸線を有する第２の回動軸の２軸で回動する手根中手関節とを備え、前記拇指機構の手根中手関節の第２の回動軸は、その軸線が前記示指機構の中手指節関節と前記中指機構の中手指節関節との間を通って延びるように配設されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明による多指ハンド装置に備える拇指機構は、１軸の拇指指節間関節と、１軸の拇指中手指節関節と、２軸の手根中手関節とを備えているので、人間の拇指と同じ屈伸作動を行うことができる。しかも、本発明は、上記構成により拇指機構の手根中手関節の第２の回動軸（即ち、拇指機構の開き動作を行う回転軸）が、示指機構の中手指節関節と中指機構の中手指節関節との間を通って延びる軸線を有している。これによれば、物体をつまみ上げる動作を行う際に、拇指機構の指先を示指機構の指先と中指機構の指先との中央に対向させるとき、手根中手関節の第２の回動軸回りの回転動作を小さくすることができ、該第２の回動軸回りの不要なモーメントを抑えて物体を安定して把持することができる。
【００１０】
更に、本発明において、第２の回動軸を、その軸線が前記示指機構の中手指節関節と前記中指機構の中手指節関節との間における中央を通って延びるように配設することで、拇指機構の指先を、示指機構の指先と中指機構の指先との何れにもバランスよく対向させることができ、極めて安定した物体の把持状態を得ることができる。
【００１１】
また、本発明においては、前記拇指機構の前記第２の回動軸は中空に形成されて前記基部に配設され、該第２の回動軸の内部に、前記第１の回動軸の回動を駆動する駆動シリンダが設けられていることが好ましい。これによれば、手根中手関節の第１の回動軸を回動させる駆動シリンダを第２の回動軸の内部に収納して、手根中手関節の円滑な作動を得ながら拇指機構をコンパクトに構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態の多指ハンド装置を示す概略構成図。
【図２】ハンド本体の各関節を模式的に示す説明図。
【図３】ハンド本体の内部構造を手の甲側から示す説明図。
【図４】ハンド本体に備える指機構の一つを示す説明的断面図。
【図５】ハンド本体に備える拇指機構を示す説明的断面図。
【図６】本実施形態における駆動手段の一部の構成を模式的に示す説明図。
【図７】駆動手段の作動を模式的に示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態の多指ハンド装置１は、図１に示すように、人間の手を模倣したハンド本体２と、ハンド本体２を駆動する駆動手段３とにより構成され、所謂ヒューマノイドロボットに好適に用いることができるものである。
【００１４】
ハンド本体２は、基部４と、５本の指に夫々対応する屈伸機能を有した５つの指機構である拇指機構５、示指機構６、中指機構７、環指機構８、及び小指機構９とを備えている。基部４は、各指機構を連結支持するフレーム１０を備え、基部４の表側が手の甲とされ裏側が手の平とされる。図１は、ハンド本体２の手の平側を示している。
【００１５】
各指機構は、各関節を露出させて指表皮部材１１により被覆され、基部４は基部表皮部材１２により被覆されている。
【００１６】
各指機構は、図２に模式的に示すように、複数の指節及び関節を備えている。示指機構６、中指機構７、環指機構８、及び小指機構９は、夫々、指先側から順に、ＤＩＰ関節１３（遠位指節間関節）、ＰＩＰ関節１４（近位指節間関節）、ＭＰ１関節１５、及びＭＰ２関節１６を備えて、各関節毎に回動自在とされている。
【００１７】
ＤＩＰ関節１３は１軸で回動し、ＰＩＰ関節１４はＤＩＰ関節１３と平行の軸線回りに１軸で回動する。ＭＰ１関節１５及びＭＰ２関節１６は２軸で回動する中手指節関節を構成するものであって、ＭＰ１関節１５はＰＩＰ関節１４と平行の軸線回りに回動し、ＭＰ２関節１６はＭＰ１関節１５に交差する軸線回りに回動する。
【００１８】
ＤＩＰ関節１３と、ＰＩＰ関節１４と、ＭＰ１関節１５とは、基部４の手の平側に向かう方向に回動して握り動作等の屈伸運動が行えるようになっている。ＭＰ２関節１６は、各指機構同士が近接・離間する方向に各指機構を揺動させ、例えば手を広げる動作等が行えるようになっている。
【００１９】
拇指機構５は、図２に模式的に示すように、指先側から順に、ＩＰ関節１７（拇指指節間関節）、ＭＰ関節１８（拇指中手指節関節）、ＣＭ１関節１９、及びＣＭ２関節２０を備えて、各関節毎に回動自在とされている。
【００２０】
ＩＰ関節１７は１軸で回動し、ＭＰ関節１８はＩＰ関節１７と平行の軸線回りに１軸で回動する。ＣＭ１関節１９及びＣＭ２関節２０は２軸で回動する手根中手関節を構成するものであって、ＣＭ１関節１９はＭＰ関節１８と平行の軸線回りに回動し、ＣＭ２関節２０はＣＭ１関節１９に交差する軸線回りに回動する。
【００２１】
ＩＰ関節１７と、ＭＰ関節１８と、ＣＭ１関節１９とは、基部４の手の平側或いは他の４つの指機構６，７，８，９の何れかの指腹側に向かう方向に回動して握り動作等の屈伸運動が行えるようになっている。ＣＭ２関節２０は、拇指機構５を手の平側或いは他の４つの指機構６，７，８，９の何れかの指腹側に対向するように回動させる。
【００２２】
５つの指機構のうち、拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７は本発明の３つの指機構に相当するもので、後述するように指先でのつまみ動作を含む器用動作を行う器用指とされ、環指機構８及び小指機構９は、器用指の動作に応じて握り動作を含む力動作を行う力指とされている。
【００２３】
器用指とされる拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７は、図３及び図４に示すように、力センサである６軸力センサ２１を備えている。６軸力センサ２１は、拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７の各指先部材２２に傾斜する姿勢で取付けられている。６軸力センサ２１は、器用指の指先部材２２に作用する６軸力、即ち、互いに直交する３軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）方向の並進力と各軸周りのモーメントとを測定する。そして、６軸力センサ２１から出力される６軸力の測定値に基づいて器用指における指先力の制御が行なわれる。
【００２４】
示指機構６の構成を説明すれば、図４に示すように、示指機構６は、ＭＰ１関節１５の回動軸１５１を回動させる第１の従動流体圧シリンダ２３と、ＰＩＰ関節１４の回動軸１４１を回動させる第２の従動流体圧シリンダ２４とを備えている。
【００２５】
第１の従動流体圧シリンダ２３のシリンダ本体２３１は、人間の中手骨に相当し、ＭＰ２関節１６の回動軸１６１により回動自在に前記基部４のフレーム１０（図１参照）に支持されている。第２の従動流体圧シリンダ２４のシリンダ本体２４１は、人間の基節骨に相当し、ＭＰ１関節１５の回動軸１５１を介して第１の従動流体圧シリンダ２３に回動自在に連結されている。
【００２６】
第２の従動流体圧シリンダ２４のシリンダ本体２４１に流体を供給する配管２４４は、ＭＰ１関節１５の回動軸１５１の内部に収容されている。これにより、ＭＰ１関節１５の回動時に配管２４４が邪魔にならず、示指機構６の屈伸動作を円滑に行うことができる。
【００２７】
また、第２の従動流体圧シリンダ２４のシリンダ本体２４１を示指機構６の長手方向に沿ってＭＰ１関節１５とＰＩＰ関節１４との間に配設することにより、示指機構６をコンパクトに構成することができる。
【００２８】
ＰＩＰ関節１４には、人間の中節骨に相当する連結部材２５を介してＤＩＰ関節１３が連結されている。ＤＩＰ関節１３の回動軸１３１には、前記指先部材２２に連設された６軸力センサ２１を支持する支持部材２６が回動自在に連結されている。連結部材２５は、その一端がＰＩＰ関節１４の回動軸１４１に回動自在に連結され、他端がＤＩＰ関節１３の回動軸１３１に連結されている。
【００２９】
更に、ＰＩＰ関節１４とＤＩＰ関節１３との間には、リンク部材２７が設けられている。リンク部材２７は、第２の従動流体圧シリンダ２４のシリンダ本体２４１と指先部材２２の６軸力センサ２１を支持する支持部材２６とを連結する。
【００３０】
第１の従動流体圧シリンダ２３は、シリンダ本体２３１内部に流体が供給されることによりピストン２３２が摺動し、ピストンロッド２３３が伸縮してＭＰ１関節１５を回動させる。これにより、示指機構６がＭＰ１関節１５を介して屈伸する。
【００３１】
第２の従動流体圧シリンダ２４は、シリンダ本体２４１内部に流体が供給されることによりピストン２４２が摺動し、ピストンロッド２４３が伸縮してＰＩＰ関節１４を回動させる。このとき、ＰＩＰ関節１４とＤＩＰ関節１３とが、連結部材２５とリンク部材２７とにより連結されているので、第２の従動流体圧シリンダ２４によるＰＩＰ関節１４の回動に追従してＤＩＰ関節１３が回動する。
【００３２】
ＤＩＰ関節１３は、第２の従動流体圧シリンダ２４によるＰＩＰ関節１４の回動に連動するように構成されているので、人間の指の動きに近い動作が得られるだけでなく、ＤＩＰ関節１３を駆動するためのシリンダ等が不要となり、示指機構６を軽量に構成することができる。
【００３３】
以上の構成により、示指機構６は、第１の従動流体圧シリンダ２３及び第２の従動流体圧シリンダ２４のピストンロッド２３１，２４１を伸長させることにより折り曲げ状態となり、ピストンロッド２３１，２４１を収縮させることにより延ばし状態となる。
【００３４】
示指機構６のＭＰ２関節１６は、図３に示すように、各指機構の配列方向に沿ってピストンロッド２８３が伸縮する第３の従動流体圧シリンダ２８により回動される。第３の従動流体圧シリンダ２８は、ピストンロッド２８３を伸長させることにより示指機構６を中指機構７に近接する方向に揺動させ、ピストンロッド２８３を収縮させることにより示指機構６を中指機構７から離反する方向に揺動させる。
【００３５】
図４に示すように、ＰＩＰ関節１４、ＭＰ１関節１５及びＭＰ２関節１６の夫々にはコイルばね１４ｓ，１５ｓ，１６ｓ（ねじりばね）が設けられている。ＰＩＰ関節１４及びＭＰ１関節１５の各コイルばね１４ｓ，１５ｓは、示指機構６を延ばし方向に付勢する。ＭＰ２関節１６のコイルばね１６ｓは、示指機構６を中指機構７から離反させる方向に付勢する。言い換えれば、各コイルばね１４ｓ，１５ｓ，１６ｓの付勢方向は、３つの従動流体圧シリンダ２３，２４，２８のピストンロッド２３３，２４３，２８３の収縮方向と同じ方向とされている。
【００３６】
以上、示指機構６の構成を詳しく述べたが、中指機構７の構成も示指機構６と同じであるので説明を省略する。
【００３７】
力指とされる環指機構８及び小指機構９は、示指機構６の上述した構成のうち、６軸力センサ２１と第３の従動流体圧シリンダ２８とを備えないこと以外は、示指機構６と同じ構成である。環指機構８及び小指機構９は、第３の従動流体圧シリンダ２８を備えないことにより、ＭＰ２関節１６が力動作に応じて自在に回動し、ＭＰ２関節１６のコイルばね１６ｓの付勢により所定位置に自然復帰するようになっている。
【００３８】
次に、器用指とされる拇指機構５の構成を説明する。図５に示すように、拇指機構５は、ＣＭ１関節１９の回動軸１９１（手根中手関節の第１の回動軸）を回動させる第１の従動流体圧シリンダ２９（駆動シリンダ）と、ＭＰ関節１８の回動軸１８１を回動させる第２の従動流体圧シリンダ３０とを備えている。
【００３９】
第１の従動流体圧シリンダ２９のシリンダ本体２９１は、ＣＭ２関節２０の回動軸（手根中手関節の第２の回動軸）とされており、回動自在に前記基部４のフレーム１０に支持されている。
【００４０】
そして、図２及び図３に示すように、ＣＭ２関節２０の回動軸（第１の従動流体圧シリンダ２９のシリンダ本体２９１）の軸線ａは、示指機構６の中手指節関節と中指機構７の中手指節関節との間であって好ましくは中央を通って、延ばし状態の示指機構６及び中指機構７の指先方向に延びるように配設されている。これによれば、物体のつまみ動作を行う際に、拇指機構５の指先を示指機構６の指先と中指機構７の指先との中央に対向させ、ＣＭ２関節２０回りの回転動作を小さくすることがでる。しかも、拇指機構５の指先を示指機構６の指先と中指機構７の指先との何れにもバランスよく対向させることができる。これにより、ＣＭ２関節２０回りの不要なモーメントを抑えて物体を安定して把持することができ、しかも、各６軸力センサ２１による測定値の精度が向上し、器用指における指先力の制御を高精度に行なうことができる。
【００４１】
更に、第１の従動流体圧シリンダ２９のシリンダ本体２９１をＣＭ２関節２０回動軸として兼用することにより、第１の従動流体圧シリンダ２９とＣＭ２関節２０の回動軸とを別々に設けた場合に比べてコンパクトとなる。しかも、ＣＭ２関節２０の回動に伴う第１の従動流体圧シリンダ２９の揺動は全くなく、その揺動スペースが不要となるので極めてコンパクトに構成することができる。
【００４２】
第２の従動流体圧シリンダ３０のシリンダ本体３０１は、ＣＭ１関節１９の回動軸１９１を介して第１の従動流体圧シリンダ２９に回動自在に連結されている。
【００４３】
第２の従動流体圧シリンダ３０のシリンダ本体３０１に流体を供給する配管３０４は、ＣＭ１関節１９の回動軸１９１の内部に収容されている。これにより、ＣＭ１関節１９の回動時に配管３０４が邪魔にならず、拇指機構５の屈伸動作を円滑に行うことができる。
【００４４】
ＭＰ関節１８には、連結部材３１を介してＩＰ関節１７が連結されている。ＩＰ関節１７の回動軸１７１には、指先部材２２が回動自在に連結されている。連結部材３１は、その一端がＭＰ関節１８の回動軸１８１に回動自在に連結され、他端がＩＰ関節１７の回動軸１７１に連結されている。
【００４５】
更に、ＭＰ関節１８とＩＰ関節１７との間には、リンク部材３２が設けられている。リンク部材３２は、第２の従動流体圧シリンダ３０のシリンダ本体３０１と指先部材２２の６軸力センサ２１を支持する支持部材３３とを連結する。
【００４６】
第１の従動流体圧シリンダ２９は、シリンダ本体２９１内部に流体が供給されることによりピストン２９２が摺動し、ピストンロッド２９３が伸縮してＣＭ１関節１９を回動させる。これにより、示指機構６がＣＭ１関節１９を介して屈伸する。
【００４７】
第２の従動流体圧シリンダ３０は、シリンダ本体３０１内部に流体が供給されることによりピストン３０２が摺動し、ピストンロッド３０３が伸縮してＭＰ関節１８を回動させる。このとき、ＭＰ関節１８とＩＰ関節１７とが、連結部材３１とリンク部材３２とにより連結されていることにより、第２の従動流体圧シリンダ３０によるＭＰ関節１８の回動に追従してＩＰ関節１７が回動する。
【００４８】
ＩＰ関節１７は、第２の従動流体圧シリンダ３０によるＭＰ関節１８の回動に連動するように構成されているので、人間の指の動きに近い動作が得られるだけでなく、ＩＰ関節１７を駆動するためのシリンダ等が不要となり、拇指機構５を軽量に構成することができる。
【００４９】
以上の構成により、拇指機構５は、第１の従動流体圧シリンダ２９及び第２の従動流体圧シリンダ３０のピストンロッド２９３，３０３を伸長させることにより折り曲げ状態となり、ピストンロッド２９３，３０３を収縮させることにより延ばし状態となる。
【００５０】
拇指機構５のＣＭ２関節２０は、図３に示すように、各指機構の配列方向に沿ってピストンロッド３４３が伸縮する第３の従動流体圧シリンダ３４により前記軸線ａ回りに回動される。
【００５１】
拇指機構５は、第３の従動流体圧シリンダ３４のピストンロッド３４３を伸長させることにより、基部４の手の平側に回動し、第３の従動流体圧シリンダ３４のピストンロッド３４３を収縮させることにより示指機構６に隣り合う方向に回動する。
【００５２】
図５に示すように、第１の従動流体圧シリンダ２９のシリンダ本体２９１への流体の供給は、ＣＭ２関節２０の回動軸である第１の従動流体圧シリンダ２９のシリンダ本体２９１の軸受け部１０１の内部に形成された流体路２９４を介して行われる。これにより、第１の従動流体圧シリンダ２９のシリンダ本体２９１を円滑に回動させることができ、ＣＭ２関節２０による拇指機構５の回動を円滑に行うことができる。
【００５３】
図３及び図５に示すように、ＭＰ関節１８、ＣＭ１関節１９及びＣＭ２関節２０の夫々にはコイルばね１８ｓ，１９ｓ，２０ｓ（ねじりばね）が設けられている。ＭＰ関節１８及びＣＭ１関節１９の各コイルばね１８ｓ，１９ｓは、拇指機構５を延ばし方向に付勢する。ＣＭ２関節２０のコイルばね２０ｓは、第１の従動流体圧シリンダ２９のシリンダ本体２９１の外周を包囲するようにして設けられ、拇指機構５を示指機構６に隣り合う方向に回動する方向に付勢する。言い換えれば、各コイルばね１８ｓ，１９ｓ，２０ｓの付勢方向は、３つの従動流体圧シリンダ２９，３０，３４の各ピストンロッド２９３，３０３，３４３の収縮方向と同じ方向とされている。
【００５４】
そして図示しないが、ハンド本体２の指腹側を覆う指表皮部材１１や手の平側を覆う基部表皮部材１２には、所定位置に複数の接触センサが設けられている。
【００５５】
以上、ハンド本体２の構成について説明したが、次に、ハンド本体２の各指機構を駆動するための駆動手段３について説明する。
【００５６】
駆動手段３は、図１に示すように、ハンド本体２の外部に設けられた駆動シリンダユニット３５と、この駆動シリンダユニット３５を介してハンド本体２を制御するコントローラ３６と、前述した各従動流体圧シリンダ２３，２４，２８，２９，３０，３４とにより構成される。
【００５７】
駆動シリンダユニット３５は、図１に示すように、複数の駆動流体圧シリンダ３７を備えている。駆動流体圧シリンダ３７は、図６に示すように、内部に流体を収容するシリンダ本体３７１と、シリンダ本体３７１の内部を摺動するピストン３７２と、ピストン３７２に連設された中空のピストンロッド３７３とを備えている。更に、駆動流体圧シリンダ３７は、ピストンロッド３７３の軸線に沿ってピストンロッド３７３内に挿入されるボールねじ３８と、ピストンロッド３７３の内部に固設されてボールねじ３８に螺合するナット３９と、ボールねじ３８を回転駆動することによりナット３９を介してピストンロッド３７３を進退させるモータ４０と、モータ４０の作動量を検出するためのエンコーダ４１とを備えている。
【００５８】
モータ４０は、回転伝達手段としてのプーリ４２，４３に掛けわたされたベルト４４を介してボールねじ３８を回転駆動する。これにより、モータ４０の出力軸４０１とピストンロッド３７３との軸線が平行となり、モータ４０をシリンダ本体３７１に隣設することができてコンパクトに形成される。
【００５９】
駆動シリンダユニット３５の各駆動流体圧シリンダ３７は、ハンド本体２に内蔵されている前述の従動流体圧シリンダ２３，２４，２８，２９，３０，３４に、１つずつ対応して計１３個設けられている。図１に概略を示しているが、駆動シリンダユニット３５の各駆動流体圧シリンダ３７とハンド本体２の各従動流体圧シリンダ２３，２４，２８，２９，３０，３４とは夫々が流体圧伝達管４５を介して各別に接続される。
【００６０】
この構成により、図７（ａ）及び（ｂ）に模式的に示すように、駆動流体圧シリンダ３７の内部に流体を送出・吸入すれば、それに対応して各従動流体圧シリンダ２３（２４，２８，２９，３０，３４）では流体が圧入・排出され、従動流体圧シリンダ３７による指機構６（７，８，９，５）の駆動が行われる。このとき、コントローラ３６がモータ４０を介して駆動流体圧シリンダ３７における流体の送出量及び吸入量を制御することにより、従動流体圧シリンダ２３（２４，２８，２９，３０，３４）によって指機構６（７，８，９，５）に所望の屈伸作動を行わせることができる。そして、駆動シリンダユニット３５をハンド本体２の外部に設けたことにより、ハンド本体２を小型軽量として、例えば人間の標準的な手と同等の大きさのハンド本体２を得ることができる。更に、各駆動流体圧シリンダ３７及び各従動流体圧シリンダ２３，２４，２８，２９，３０，３４の流体圧により各指機構５，６，７，８，９を作動させるので、小型であっても十分な把持力を得ることができる。
【００６１】
また、図１に示すように、コントローラ３６は、信号線４６を介して駆動シリンダユニット３５に接続され、各駆動流体圧シリンダ３７から各従動流体圧シリンダ２３，２４，２８，２９，３０，３４に伝達される作動用流体圧を調節することにより各指機構の屈伸を制御する。更に、コントローラ３６は、信号線４７を介してハンド本体２に接続され、器用指とされている拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７の各６軸力センサ２１や前記接触センサから得られる情報に基づいて、各駆動流体圧シリンダ３７の制御を行う。これによって、コントローラ３６は、前述した構成のハンド本体２の各指機構により人間の動作を模倣した把持動作を行うように制御する。
【００６２】
コントローラ３６は、例えば、ハンド本体２の各指機構により円柱状の物体（図示せず）をつかみ上げる動作を行うとき、次のようにして指機構を制御する。
【００６３】
先ず、器用指とされている拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７の指先で物体をつまむ動作を行う。このとき、ＣＭ２関節２０の回動軸（シリンダ本体２９１）の軸線ａ（図２参照）が、示指機構６の中手指節関節と中指機構７の中手指節関節との中央を通って延びるように設けられているので、示指機構６の指先と中指機構７の指先との間に拇指機構５の指先が円滑に対向するので、物体のつまみ状態が極めて安定する。
【００６４】
次いで、拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７により手の平側の基部表皮部材１２に接触するまで物体を把持する。このとき、コントローラ３６は、各６軸力センサ２１、及び指腹側の指表皮部材１１や手の平側の基部表皮部材１２に設けられている接触センサの情報に基づき、物体の位置・大きさ・姿勢等を演算する。コントローラ３６は、その演算結果に基づいて拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７を動作させるので、つまむ動作から把持する動作に連続的に移行する際に物体のバランスを取りながら物体の姿勢を器用に操ることができる。しかも、ＣＭ２関節２０の回動軸（シリンダ本体２９１）の軸線ａが、示指機構６の中手指節関節と中指機構７の中手指節関節との中央にあるので、不要なモーメーンとが生じず、把持する動作に移行する際にも物体の姿勢を安定させることができる。
【００６５】
続いて、コントローラ３６は、環指機構８及び小指機構９を作動させ、力指とされる環指機構８及び小指機構９により比較的強い力で物体を握り込み、その後、拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７により比較的強い力で物体を握り込む。このような動作がコントローラ３６の制御により行われることにより、人間を模倣して物体の把持動作を行うことができる。
【００６６】
なお、前記実施形態では、人の手を模した５つの指機構を備える多指ハンド装置１について説明したが、例えば、拇指機構５、示指機構６及び中指機構７の３つとしてもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１…多指ハンド装置、４…基部、５…拇指機構、６…示指機構、７…中指機構、１３…ＤＩＰ関節（遠位指節間関節）、１４…ＰＩＰ関節（近位指節間関節）、１５…ＭＰ１関節（中手指節関節）、１６…ＭＰ２関節（中手指節関節）、１７…ＩＰ関節（拇指指節間関節）、１８…ＭＰ関節（拇指中手指節関節）、１９…ＣＭ１関節（手根中手関節）、２０…ＣＭ２関節（手根中手関節）、２９…第１の従動流体圧シリンダ（駆動シリンダ）、１９１…回動軸（第１の回動軸）、２９１…シリンダ本体（第２の回動軸）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも３つの指機構を備える多指ハンド装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、人間の手を模倣した多指ハンド装置が知られている。この種の多指ハンド装置は、基部と複数の指機構とを備えている。各指機構は、複数の関節を備えて各関節毎に回動自在となっており、これにより、屈伸動作を行うことができるようになっている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、この種の多指ハンド装置は、人間の手における拇指に対応する拇指機構を備えるが、人間の拇指の動きに近い動作を行わせるために、他の指機構とは異なる構成とする必要がある。
【０００４】
具体的には、人間の拇指は、手根中手関節により手を開いたときに他の指に並ぶ側に位置し、物体を把持するときには、手の平に対向する側に回動する。この動作を多指ハンド装置において行うために、拇指機構は、他の指機構の各関節とは異なる方向に軸線を有する回動軸が必要となる。そして、特許文献１記載のものにおいては、拇指機構の開き動作を行う回転軸の軸線が中指機構の延ばし状態の延長線上に位置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１８３６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
人間の手において、拇指、示指、及び中指の３つの指で円柱状の物体をつまみ上げる動作を行う場合には、示指の指先と中指の指先とを物体の一方側に当接させ、その反対側から拇指の指先を当接させる。しかし、これと同様の動作を上記特許文献１記載の多指ハンド装置によって行うと、物体の一方側に当接した示指機構の指先と中指機構の指先との中央位置の反対側から拇指機構の指先を当接させようとしたとき、拇指機構の開き動作を行う回転軸の軸線が中指機構の延ばし状態の延長線上に位置していることによって、当該回転軸回りに不要なモーメントが生じて物体を安定して把持することができない不都合がある。
【０００７】
かかる不都合を解消して、本発明は、拇指機構、示指機構及び中指機構を用いて物体の安定した把持状態を実現することができる多指ハンド装置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】
【０００８】
本発明は、基部と、該基部に連結された少なくとも３つの指機構を備え、３つの指機構が、夫々、人間の手における示指の動きを模倣した屈伸機能を有する示指機構、中指の動きを模倣した屈伸機能を有する中指機構、及び拇指の動きを模倣した屈伸機能を有する拇指機構とされている多指ハンド装置において、前記示指機構と前記中指機構とは、その夫々に、１軸で回動する遠位指節間関節と、該遠位指節間関節の回動軸に平行の軸線回りに１軸で回動する近位指節間関節と、該近位指節間関節の回動軸に平行の軸線回りとこの軸線に交差する方向に沿って延びる軸線回りに２軸で回動する中手指節関節とを備え、前記拇指機構は、１軸で回動する拇指指節間関節と、該拇指指節間関節の回動軸に平行の軸線回りに１軸で回動する拇指中手指節関節と、該拇指中手指節関節の回動軸に平行の軸線を有する第１の回動軸及び該第１の回動軸の軸線に交差する方向に沿って延びる軸線を有する第２の回動軸の２軸で回動する手根中手関節とを備え、前記拇指機構の手根中手関節の第２の回動軸は、その軸線が前記示指機構の中手指節関節と前記中指機構の中手指節関節との間を通って延びるように配設されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明による多指ハンド装置に備える拇指機構は、１軸の拇指指節間関節と、１軸の拇指中手指節関節と、２軸の手根中手関節とを備えているので、人間の拇指と同じ屈伸作動を行うことができる。しかも、本発明は、上記構成により拇指機構の手根中手関節の第２の回動軸（即ち、拇指機構の開き動作を行う回転軸）が、示指機構の中手指節関節と中指機構の中手指節関節との間を通って延びる軸線を有している。これによれば、物体をつまみ上げる動作を行う際に、拇指機構の指先を示指機構の指先と中指機構の指先との中央に対向させるとき、手根中手関節の第２の回動軸回りの回転動作を小さくすることができ、該第２の回動軸回りの不要なモーメントを抑えて物体を安定して把持することができる。
【００１０】
更に、本発明において、第２の回動軸を、その軸線が前記示指機構の中手指節関節と前記中指機構の中手指節関節との間における中央を通って延びるように配設することで、拇指機構の指先を、示指機構の指先と中指機構の指先との何れにもバランスよく対向させることができ、極めて安定した物体の把持状態を得ることができる。
【００１１】
また、本発明においては、前記拇指機構の前記第２の回動軸は中空に形成されて前記基部に配設され、該第２の回動軸の内部に、前記第１の回動軸の回動を駆動する駆動シリンダが設けられていることが好ましい。これによれば、手根中手関節の第１の回動軸を回動させる駆動シリンダを第２の回動軸の内部に収納して、手根中手関節の円滑な作動を得ながら拇指機構をコンパクトに構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態の多指ハンド装置を示す概略構成図。
【図２】ハンド本体の各関節を模式的に示す説明図。
【図３】ハンド本体の内部構造を手の甲側から示す説明図。
【図４】ハンド本体に備える指機構の一つを示す説明的断面図。
【図５】ハンド本体に備える拇指機構を示す説明的断面図。
【図６】本実施形態における駆動手段の一部の構成を模式的に示す説明図。
【図７】駆動手段の作動を模式的に示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態の多指ハンド装置１は、図１に示すように、人間の手を模倣したハンド本体２と、ハンド本体２を駆動する駆動手段３とにより構成され、所謂ヒューマノイドロボットに好適に用いることができるものである。
【００１４】
ハンド本体２は、基部４と、５本の指に夫々対応する屈伸機能を有した５つの指機構である拇指機構５、示指機構６、中指機構７、環指機構８、及び小指機構９とを備えている。基部４は、各指機構を連結支持するフレーム１０を備え、基部４の表側が手の甲とされ裏側が手の平とされる。図１は、ハンド本体２の手の平側を示している。
【００１５】
各指機構は、各関節を露出させて指表皮部材１１により被覆され、基部４は基部表皮部材１２により被覆されている。
【００１６】
各指機構は、図２に模式的に示すように、複数の指節及び関節を備えている。示指機構６、中指機構７、環指機構８、及び小指機構９は、夫々、指先側から順に、ＤＩＰ関節１３（遠位指節間関節）、ＰＩＰ関節１４（近位指節間関節）、ＭＰ１関節１５、及びＭＰ２関節１６を備えて、各関節毎に回動自在とされている。
【００１７】
ＤＩＰ関節１３は１軸で回動し、ＰＩＰ関節１４はＤＩＰ関節１３と平行の軸線回りに１軸で回動する。ＭＰ１関節１５及びＭＰ２関節１６は２軸で回動する中手指節関節を構成するものであって、ＭＰ１関節１５はＰＩＰ関節１４と平行の軸線回りに回動し、ＭＰ２関節１６はＭＰ１関節１５に交差する軸線回りに回動する。
【００１８】
ＤＩＰ関節１３と、ＰＩＰ関節１４と、ＭＰ１関節１５とは、基部４の手の平側に向かう方向に回動して握り動作等の屈伸運動が行えるようになっている。ＭＰ２関節１６は、各指機構同士が近接・離間する方向に各指機構を揺動させ、例えば手を広げる動作等が行えるようになっている。
【００１９】
拇指機構５は、図２に模式的に示すように、指先側から順に、ＩＰ関節１７（拇指指節間関節）、ＭＰ関節１８（拇指中手指節関節）、ＣＭ１関節１９、及びＣＭ２関節２０を備えて、各関節毎に回動自在とされている。
【００２０】
ＩＰ関節１７は１軸で回動し、ＭＰ関節１８はＩＰ関節１７と平行の軸線回りに１軸で回動する。ＣＭ１関節１９及びＣＭ２関節２０は２軸で回動する手根中手関節を構成するものであって、ＣＭ１関節１９はＭＰ関節１８と平行の軸線回りに回動し、ＣＭ２関節２０はＣＭ１関節１９に交差する軸線回りに回動する。
【００２１】
ＩＰ関節１７と、ＭＰ関節１８と、ＣＭ１関節１９とは、基部４の手の平側或いは他の４つの指機構６，７，８，９の何れかの指腹側に向かう方向に回動して握り動作等の屈伸運動が行えるようになっている。ＣＭ２関節２０は、拇指機構５を手の平側或いは他の４つの指機構６，７，８，９の何れかの指腹側に対向するように回動させる。
【００２２】
５つの指機構のうち、拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７は本発明の３つの指機構に相当するもので、後述するように指先でのつまみ動作を含む器用動作を行う器用指とされ、環指機構８及び小指機構９は、器用指の動作に応じて握り動作を含む力動作を行う力指とされている。
【００２３】
器用指とされる拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７は、図３及び図４に示すように、力センサである６軸力センサ２１を備えている。６軸力センサ２１は、拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７の各指先部材２２に傾斜する姿勢で取付けられている。６軸力センサ２１は、器用指の指先部材２２に作用する６軸力、即ち、互いに直交する３軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）方向の並進力と各軸周りのモーメントとを測定する。そして、６軸力センサ２１から出力される６軸力の測定値に基づいて器用指における指先力の制御が行なわれる。
【００２４】
示指機構６の構成を説明すれば、図４に示すように、示指機構６は、ＭＰ１関節１５の回動軸１５１を回動させる第１の従動流体圧シリンダ２３と、ＰＩＰ関節１４の回動軸１４１を回動させる第２の従動流体圧シリンダ２４とを備えている。
【００２５】
第１の従動流体圧シリンダ２３のシリンダ本体２３１は、人間の中手骨に相当し、ＭＰ２関節１６の回動軸１６１により回動自在に前記基部４のフレーム１０（図１参照）に支持されている。第２の従動流体圧シリンダ２４のシリンダ本体２４１は、人間の基節骨に相当し、ＭＰ１関節１５の回動軸１５１を介して第１の従動流体圧シリンダ２３に回動自在に連結されている。
【００２６】
第２の従動流体圧シリンダ２４のシリンダ本体２４１に流体を供給する配管２４４は、ＭＰ１関節１５の回動軸１５１の内部に収容されている。これにより、ＭＰ１関節１５の回動時に配管２４４が邪魔にならず、示指機構６の屈伸動作を円滑に行うことができる。
【００２７】
また、第２の従動流体圧シリンダ２４のシリンダ本体２４１を示指機構６の長手方向に沿ってＭＰ１関節１５とＰＩＰ関節１４との間に配設することにより、示指機構６をコンパクトに構成することができる。
【００２８】
ＰＩＰ関節１４には、人間の中節骨に相当する連結部材２５を介してＤＩＰ関節１３が連結されている。ＤＩＰ関節１３の回動軸１３１には、前記指先部材２２に連設された６軸力センサ２１を支持する支持部材２６が回動自在に連結されている。連結部材２５は、その一端がＰＩＰ関節１４の回動軸１４１に回動自在に連結され、他端がＤＩＰ関節１３の回動軸１３１に連結されている。
【００２９】
更に、ＰＩＰ関節１４とＤＩＰ関節１３との間には、リンク部材２７が設けられている。リンク部材２７は、第２の従動流体圧シリンダ２４のシリンダ本体２４１と指先部材２２の６軸力センサ２１を支持する支持部材２６とを連結する。
【００３０】
第１の従動流体圧シリンダ２３は、シリンダ本体２３１内部に流体が供給されることによりピストン２３２が摺動し、ピストンロッド２３３が伸縮してＭＰ１関節１５を回動させる。これにより、示指機構６がＭＰ１関節１５を介して屈伸する。
【００３１】
第２の従動流体圧シリンダ２４は、シリンダ本体２４１内部に流体が供給されることによりピストン２４２が摺動し、ピストンロッド２４３が伸縮してＰＩＰ関節１４を回動させる。このとき、ＰＩＰ関節１４とＤＩＰ関節１３とが、連結部材２５とリンク部材２７とにより連結されているので、第２の従動流体圧シリンダ２４によるＰＩＰ関節１４の回動に追従してＤＩＰ関節１３が回動する。
【００３２】
ＤＩＰ関節１３は、第２の従動流体圧シリンダ２４によるＰＩＰ関節１４の回動に連動するように構成されているので、人間の指の動きに近い動作が得られるだけでなく、ＤＩＰ関節１３を駆動するためのシリンダ等が不要となり、示指機構６を軽量に構成することができる。
【００３３】
以上の構成により、示指機構６は、第１の従動流体圧シリンダ２３及び第２の従動流体圧シリンダ２４のピストンロッド２３１，２４１を伸長させることにより折り曲げ状態となり、ピストンロッド２３１，２４１を収縮させることにより延ばし状態となる。
【００３４】
示指機構６のＭＰ２関節１６は、図３に示すように、各指機構の配列方向に沿ってピストンロッド２８３が伸縮する第３の従動流体圧シリンダ２８により回動される。第３の従動流体圧シリンダ２８は、ピストンロッド２８３を伸長させることにより示指機構６を中指機構７に近接する方向に揺動させ、ピストンロッド２８３を収縮させることにより示指機構６を中指機構７から離反する方向に揺動させる。
【００３５】
図４に示すように、ＰＩＰ関節１４、ＭＰ１関節１５及びＭＰ２関節１６の夫々にはコイルばね１４ｓ，１５ｓ，１６ｓ（ねじりばね）が設けられている。ＰＩＰ関節１４及びＭＰ１関節１５の各コイルばね１４ｓ，１５ｓは、示指機構６を延ばし方向に付勢する。ＭＰ２関節１６のコイルばね１６ｓは、示指機構６を中指機構７から離反させる方向に付勢する。言い換えれば、各コイルばね１４ｓ，１５ｓ，１６ｓの付勢方向は、３つの従動流体圧シリンダ２３，２４，２８のピストンロッド２３３，２４３，２８３の収縮方向と同じ方向とされている。
【００３６】
以上、示指機構６の構成を詳しく述べたが、中指機構７の構成も示指機構６と同じであるので説明を省略する。
【００３７】
力指とされる環指機構８及び小指機構９は、示指機構６の上述した構成のうち、６軸力センサ２１と第３の従動流体圧シリンダ２８とを備えないこと以外は、示指機構６と同じ構成である。環指機構８及び小指機構９は、第３の従動流体圧シリンダ２８を備えないことにより、ＭＰ２関節１６が力動作に応じて自在に回動し、ＭＰ２関節１６のコイルばね１６ｓの付勢により所定位置に自然復帰するようになっている。
【００３８】
次に、器用指とされる拇指機構５の構成を説明する。図５に示すように、拇指機構５は、ＣＭ１関節１９の回動軸１９１（手根中手関節の第１の回動軸）を回動させる第１の従動流体圧シリンダ２９（駆動シリンダ）と、ＭＰ関節１８の回動軸１８１を回動させる第２の従動流体圧シリンダ３０とを備えている。
【００３９】
第１の従動流体圧シリンダ２９のシリンダ本体２９１は、ＣＭ２関節２０の回動軸（手根中手関節の第２の回動軸）とされており、回動自在に前記基部４のフレーム１０に支持されている。
【００４０】
そして、図２及び図３に示すように、ＣＭ２関節２０の回動軸（第１の従動流体圧シリンダ２９のシリンダ本体２９１）の軸線ａは、示指機構６の中手指節関節と中指機構７の中手指節関節との間であって好ましくは中央を通って、延ばし状態の示指機構６及び中指機構７の指先方向に延びるように配設されている。これによれば、物体のつまみ動作を行う際に、拇指機構５の指先を示指機構６の指先と中指機構７の指先との中央に対向させ、ＣＭ２関節２０回りの回転動作を小さくすることがでる。しかも、拇指機構５の指先を示指機構６の指先と中指機構７の指先との何れにもバランスよく対向させることができる。これにより、ＣＭ２関節２０回りの不要なモーメントを抑えて物体を安定して把持することができ、しかも、各６軸力センサ２１による測定値の精度が向上し、器用指における指先力の制御を高精度に行なうことができる。
【００４１】
更に、第１の従動流体圧シリンダ２９のシリンダ本体２９１をＣＭ２関節２０回動軸として兼用することにより、第１の従動流体圧シリンダ２９とＣＭ２関節２０の回動軸とを別々に設けた場合に比べてコンパクトとなる。しかも、ＣＭ２関節２０の回動に伴う第１の従動流体圧シリンダ２９の揺動は全くなく、その揺動スペースが不要となるので極めてコンパクトに構成することができる。
【００４２】
第２の従動流体圧シリンダ３０のシリンダ本体３０１は、ＣＭ１関節１９の回動軸１９１を介して第１の従動流体圧シリンダ２９に回動自在に連結されている。
【００４３】
第２の従動流体圧シリンダ３０のシリンダ本体３０１に流体を供給する配管３０４は、ＣＭ１関節１９の回動軸１９１の内部に収容されている。これにより、ＣＭ１関節１９の回動時に配管３０４が邪魔にならず、拇指機構５の屈伸動作を円滑に行うことができる。
【００４４】
ＭＰ関節１８には、連結部材３１を介してＩＰ関節１７が連結されている。ＩＰ関節１７の回動軸１７１には、指先部材２２が回動自在に連結されている。連結部材３１は、その一端がＭＰ関節１８の回動軸１８１に回動自在に連結され、他端がＩＰ関節１７の回動軸１７１に連結されている。
【００４５】
更に、ＭＰ関節１８とＩＰ関節１７との間には、リンク部材３２が設けられている。リンク部材３２は、第２の従動流体圧シリンダ３０のシリンダ本体３０１と指先部材２２の６軸力センサ２１を支持する支持部材３３とを連結する。
【００４６】
第１の従動流体圧シリンダ２９は、シリンダ本体２９１内部に流体が供給されることによりピストン２９２が摺動し、ピストンロッド２９３が伸縮してＣＭ１関節１９を回動させる。これにより、示指機構６がＣＭ１関節１９を介して屈伸する。
【００４７】
第２の従動流体圧シリンダ３０は、シリンダ本体３０１内部に流体が供給されることによりピストン３０２が摺動し、ピストンロッド３０３が伸縮してＭＰ関節１８を回動させる。このとき、ＭＰ関節１８とＩＰ関節１７とが、連結部材３１とリンク部材３２とにより連結されていることにより、第２の従動流体圧シリンダ３０によるＭＰ関節１８の回動に追従してＩＰ関節１７が回動する。
【００４８】
ＩＰ関節１７は、第２の従動流体圧シリンダ３０によるＭＰ関節１８の回動に連動するように構成されているので、人間の指の動きに近い動作が得られるだけでなく、ＩＰ関節１７を駆動するためのシリンダ等が不要となり、拇指機構５を軽量に構成することができる。
【００４９】
以上の構成により、拇指機構５は、第１の従動流体圧シリンダ２９及び第２の従動流体圧シリンダ３０のピストンロッド２９３，３０３を伸長させることにより折り曲げ状態となり、ピストンロッド２９３，３０３を収縮させることにより延ばし状態となる。
【００５０】
拇指機構５のＣＭ２関節２０は、図３に示すように、各指機構の配列方向に沿ってピストンロッド３４３が伸縮する第３の従動流体圧シリンダ３４により前記軸線ａ回りに回動される。
【００５１】
拇指機構５は、第３の従動流体圧シリンダ３４のピストンロッド３４３を伸長させることにより、基部４の手の平側に回動し、第３の従動流体圧シリンダ３４のピストンロッド３４３を収縮させることにより示指機構６に隣り合う方向に回動する。
【００５２】
図５に示すように、第１の従動流体圧シリンダ２９のシリンダ本体２９１への流体の供給は、ＣＭ２関節２０の回動軸である第１の従動流体圧シリンダ２９のシリンダ本体２９１の軸受け部１０１の内部に形成された流体路２９４を介して行われる。これにより、第１の従動流体圧シリンダ２９のシリンダ本体２９１を円滑に回動させることができ、ＣＭ２関節２０による拇指機構５の回動を円滑に行うことができる。
【００５３】
図３及び図５に示すように、ＭＰ関節１８、ＣＭ１関節１９及びＣＭ２関節２０の夫々にはコイルばね１８ｓ，１９ｓ，２０ｓ（ねじりばね）が設けられている。ＭＰ関節１８及びＣＭ１関節１９の各コイルばね１８ｓ，１９ｓは、拇指機構５を延ばし方向に付勢する。ＣＭ２関節２０のコイルばね２０ｓは、第１の従動流体圧シリンダ２９のシリンダ本体２９１の外周を包囲するようにして設けられ、拇指機構５を示指機構６に隣り合う方向に回動する方向に付勢する。言い換えれば、各コイルばね１８ｓ，１９ｓ，２０ｓの付勢方向は、３つの従動流体圧シリンダ２９，３０，３４の各ピストンロッド２９３，３０３，３４３の収縮方向と同じ方向とされている。
【００５４】
そして図示しないが、ハンド本体２の指腹側を覆う指表皮部材１１や手の平側を覆う基部表皮部材１２には、所定位置に複数の接触センサが設けられている。
【００５５】
以上、ハンド本体２の構成について説明したが、次に、ハンド本体２の各指機構を駆動するための駆動手段３について説明する。
【００５６】
駆動手段３は、図１に示すように、ハンド本体２の外部に設けられた駆動シリンダユニット３５と、この駆動シリンダユニット３５を介してハンド本体２を制御するコントローラ３６と、前述した各従動流体圧シリンダ２３，２４，２８，２９，３０，３４とにより構成される。
【００５７】
駆動シリンダユニット３５は、図１に示すように、複数の駆動流体圧シリンダ３７を備えている。駆動流体圧シリンダ３７は、図６に示すように、内部に流体を収容するシリンダ本体３７１と、シリンダ本体３７１の内部を摺動するピストン３７２と、ピストン３７２に連設された中空のピストンロッド３７３とを備えている。更に、駆動流体圧シリンダ３７は、ピストンロッド３７３の軸線に沿ってピストンロッド３７３内に挿入されるボールねじ３８と、ピストンロッド３７３の内部に固設されてボールねじ３８に螺合するナット３９と、ボールねじ３８を回転駆動することによりナット３９を介してピストンロッド３７３を進退させるモータ４０と、モータ４０の作動量を検出するためのエンコーダ４１とを備えている。
【００５８】
モータ４０は、回転伝達手段としてのプーリ４２，４３に掛けわたされたベルト４４を介してボールねじ３８を回転駆動する。これにより、モータ４０の出力軸４０１とピストンロッド３７３との軸線が平行となり、モータ４０をシリンダ本体３７１に隣設することができてコンパクトに形成される。
【００５９】
駆動シリンダユニット３５の各駆動流体圧シリンダ３７は、ハンド本体２に内蔵されている前述の従動流体圧シリンダ２３，２４，２８，２９，３０，３４に、１つずつ対応して計１３個設けられている。図１に概略を示しているが、駆動シリンダユニット３５の各駆動流体圧シリンダ３７とハンド本体２の各従動流体圧シリンダ２３，２４，２８，２９，３０，３４とは夫々が流体圧伝達管４５を介して各別に接続される。
【００６０】
この構成により、図７（ａ）及び（ｂ）に模式的に示すように、駆動流体圧シリンダ３７の内部に流体を送出・吸入すれば、それに対応して各従動流体圧シリンダ２３（２４，２８，２９，３０，３４）では流体が圧入・排出され、従動流体圧シリンダ３７による指機構６（７，８，９，５）の駆動が行われる。このとき、コントローラ３６がモータ４０を介して駆動流体圧シリンダ３７における流体の送出量及び吸入量を制御することにより、従動流体圧シリンダ２３（２４，２８，２９，３０，３４）によって指機構６（７，８，９，５）に所望の屈伸作動を行わせることができる。そして、駆動シリンダユニット３５をハンド本体２の外部に設けたことにより、ハンド本体２を小型軽量として、例えば人間の標準的な手と同等の大きさのハンド本体２を得ることができる。更に、各駆動流体圧シリンダ３７及び各従動流体圧シリンダ２３，２４，２８，２９，３０，３４の流体圧により各指機構５，６，７，８，９を作動させるので、小型であっても十分な把持力を得ることができる。
【００６１】
また、図１に示すように、コントローラ３６は、信号線４６を介して駆動シリンダユニット３５に接続され、各駆動流体圧シリンダ３７から各従動流体圧シリンダ２３，２４，２８，２９，３０，３４に伝達される作動用流体圧を調節することにより各指機構の屈伸を制御する。更に、コントローラ３６は、信号線４７を介してハンド本体２に接続され、器用指とされている拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７の各６軸力センサ２１や前記接触センサから得られる情報に基づいて、各駆動流体圧シリンダ３７の制御を行う。これによって、コントローラ３６は、前述した構成のハンド本体２の各指機構により人間の動作を模倣した把持動作を行うように制御する。
【００６２】
コントローラ３６は、例えば、ハンド本体２の各指機構により円柱状の物体（図示せず）をつかみ上げる動作を行うとき、次のようにして指機構を制御する。
【００６３】
先ず、器用指とされている拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７の指先で物体をつまむ動作を行う。このとき、ＣＭ２関節２０の回動軸（シリンダ本体２９１）の軸線ａ（図２参照）が、示指機構６の中手指節関節と中指機構７の中手指節関節との中央を通って延びるように設けられているので、示指機構６の指先と中指機構７の指先との間に拇指機構５の指先が円滑に対向するので、物体のつまみ状態が極めて安定する。
【００６４】
次いで、拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７により手の平側の基部表皮部材１２に接触するまで物体を把持する。このとき、コントローラ３６は、各６軸力センサ２１、及び指腹側の指表皮部材１１や手の平側の基部表皮部材１２に設けられている接触センサの情報に基づき、物体の位置・大きさ・姿勢等を演算する。コントローラ３６は、その演算結果に基づいて拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７を動作させるので、つまむ動作から把持する動作に連続的に移行する際に物体のバランスを取りながら物体の姿勢を器用に操ることができる。しかも、ＣＭ２関節２０の回動軸（シリンダ本体２９１）の軸線ａが、示指機構６の中手指節関節と中指機構７の中手指節関節との中央にあるので、不要なモーメーンとが生じず、把持する動作に移行する際にも物体の姿勢を安定させることができる。
【００６５】
続いて、コントローラ３６は、環指機構８及び小指機構９を作動させ、力指とされる環指機構８及び小指機構９により比較的強い力で物体を握り込み、その後、拇指機構５、示指機構６、及び中指機構７により比較的強い力で物体を握り込む。このような動作がコントローラ３６の制御により行われることにより、人間を模倣して物体の把持動作を行うことができる。
【００６６】
なお、前記実施形態では、人の手を模した５つの指機構を備える多指ハンド装置１について説明したが、例えば、拇指機構５、示指機構６及び中指機構７の３つとしてもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１…多指ハンド装置、４…基部、５…拇指機構、６…示指機構、７…中指機構、１３…ＤＩＰ関節（遠位指節間関節）、１４…ＰＩＰ関節（近位指節間関節）、１５…ＭＰ１関節（中手指節関節）、１６…ＭＰ２関節（中手指節関節）、１７…ＩＰ関節（拇指指節間関節）、１８…ＭＰ関節（拇指中手指節関節）、１９…ＣＭ１関節（手根中手関節）、２０…ＣＭ２関節（手根中手関節）、２９…第１の従動流体圧シリンダ（駆動シリンダ）、１９１…回動軸（第１の回動軸）、２９１…シリンダ本体（第２の回動軸）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、該基部に連結された少なくとも３つの指機構を備え、３つの指機構が、夫々、人間の手における示指の動きを模倣した屈伸機能を有する示指機構、中指の動きを模倣した屈伸機能を有する中指機構、及び拇指の動きを模倣した屈伸機能を有する拇指機構とされている多指ハンド装置において、
前記示指機構と前記中指機構とは、その夫々に、１軸で回動する遠位指節間関節と、該遠位指節間関節の回動軸に平行の軸線回りに１軸で回動する近位指節間関節と、該近位指節間関節の回動軸に平行の軸線回りとこの軸線に交差する方向に沿って延びる軸線回りに２軸で回動する中手指節関節とを備え、
前記拇指機構は、１軸で回動する拇指指節間関節と、該拇指指節間関節の回動軸に平行の軸線回りに１軸で回動する拇指中手指節関節と、該拇指中手指節関節の回動軸に平行の軸線を有する第１の回動軸及び該第１の回動軸の軸線に交差する方向に沿って延びる軸線を有する第２の回動軸の２軸で回動する手根中手関節とを備え、
前記拇指機構の手根中手関節の第２の回動軸は、その軸線が前記示指機構の中手指節関節と前記中指機構の中手指節関節との間を通って延びるように配設されていることを特徴とする多指ハンド装置。
【請求項２】
請求項１記載の多指ハンド装置において、
前記拇指機構の手根中手関節の第２の回動軸は、その軸線が前記示指機構の中手指節関節と前記中指機構の中手指節関節との間における中央を通って延びるように配設されていることを特徴とする多指ハンド装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の多指ハンド装置において、
前記拇指機構の前記第２の回動軸は中空に形成されて前記基部に配設され、該第２の回動軸の内部に、前記第１の回動軸の回動を駆動する駆動シリンダが設けられていることを特徴とする多指ハンド装置。
【請求項１】
基部と、該基部に連結された少なくとも３つの指機構を備え、３つの指機構が、夫々、人間の手における示指の動きを模倣した屈伸機能を有する示指機構、中指の動きを模倣した屈伸機能を有する中指機構、及び拇指の動きを模倣した屈伸機能を有する拇指機構とされている多指ハンド装置において、
前記示指機構と前記中指機構とは、その夫々に、１軸で回動する遠位指節間関節と、該遠位指節間関節の回動軸に平行の軸線回りに１軸で回動する近位指節間関節と、該近位指節間関節の回動軸に平行の軸線回りとこの軸線に交差する方向に沿って延びる軸線回りに２軸で回動する中手指節関節とを備え、
前記拇指機構は、１軸で回動する拇指指節間関節と、該拇指指節間関節の回動軸に平行の軸線回りに１軸で回動する拇指中手指節関節と、該拇指中手指節関節の回動軸に平行の軸線を有する第１の回動軸及び該第１の回動軸の軸線に交差する方向に沿って延びる軸線を有する第２の回動軸の２軸で回動する手根中手関節とを備え、
前記拇指機構の手根中手関節の第２の回動軸は、その軸線が前記示指機構の中手指節関節と前記中指機構の中手指節関節との間を通って延びるように配設されていることを特徴とする多指ハンド装置。
【請求項２】
請求項１記載の多指ハンド装置において、
前記拇指機構の手根中手関節の第２の回動軸は、その軸線が前記示指機構の中手指節関節と前記中指機構の中手指節関節との間における中央を通って延びるように配設されていることを特徴とする多指ハンド装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の多指ハンド装置において、
前記拇指機構の前記第２の回動軸は中空に形成されて前記基部に配設され、該第２の回動軸の内部に、前記第１の回動軸の回動を駆動する駆動シリンダが設けられていることを特徴とする多指ハンド装置。
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１】
【公開番号】特開２０１１−５６６１９（Ｐ２０１１−５６６１９Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０８９３０（Ｐ２００９−２０８９３０）
【出願日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]