多関節機構ならびにロボットハンド
【課題】耐久性および施工性に優れた多関節機構ならびにロボットハンドの提供。
【解決手段】直列配置される複数のフレーム３ａ〜３ｃと、各フレーム３ａ〜３ｃをそれぞれ傾動可能に連結する複数の関節４ａ〜４ｃと、前記適宜のフレームを傾動させるための動力を発生する駆動部５ｂと、この駆動部５ｂで発生する動力を前記適宜の関節に伝達する動力伝達部７とを含み、動力伝達部７において前記各関節間での動力伝達要素をギアで構成している。
【解決手段】直列配置される複数のフレーム３ａ〜３ｃと、各フレーム３ａ〜３ｃをそれぞれ傾動可能に連結する複数の関節４ａ〜４ｃと、前記適宜のフレームを傾動させるための動力を発生する駆動部５ｂと、この駆動部５ｂで発生する動力を前記適宜の関節に伝達する動力伝達部７とを含み、動力伝達部７において前記各関節間での動力伝達要素をギアで構成している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈伸可能な多関節機構、ならびに物体を把持可能とするロボットハンドに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、ロボットハンドにおいて、人の手に近似した多様な動きを実現して物体を操りやすくするには、多数の関節つまり自由度が必要である。このロボットハンドの指機構は、多数の関節を有し、モーター等の駆動部で発生する動力をワイヤーで各関節に伝達することで、屈伸可能にしている。前記駆動部は、関節の数と同数用いられており、これらの多数の駆動部は、例えば掌に相当する部分に搭載されている（特許文献１参照。）。
【０００３】
この場合、関節の数と同数の駆動部を用いているために、ロボットハンドを小型化できない。しかし、単純に駆動部の数を減らすと自由度が少なくなり、多様な動きができなくなる。
【０００４】
これに対し、駆動部の数を減らして小型化ならびに低コスト化を図るために、二つの関節を連係して駆動するようにしたものがある（特許文献２参照。）。例えば指機構において、指先の関節と、それに隣接する中間の関節とを連係して動作させるようにしている。このように二つの関節を連係動作させることで、駆動部の数を減らすことはできるが、指機構を細かく動かすことが難しくなる。そのため、ロボットハンドの把持状態を多様に作ることができなくなるので、複雑な形状の物体を把持しにくくなるとともに、物体を操りにくくなる。
【０００５】
そこで、二つの関節の連係動作を必要に応じて解除させることができれば、多様なロボットハンドの把持状態を作ることができ、好ましい。上記特許文献２では、関節にある二つのプーリの間に摩擦クラッチを挿入し、連係動作を解除可能にしている。この構成では、指機構に負荷がなければ二つの関節が連係動作して回転するが、摩擦力を超える負荷が指機構にかかると、二つの関節を連係動作させないようになる。
【特許文献１】特開平６−８１７８号公報
【特許文献２】特開２００３−８９０８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来例では、まず、ワイヤー駆動方式であるので、組立時にワイヤーの引き回しが難しく、また、使用経過に伴いワイヤーが緩むおそれがあり、さらにワイヤーの耐久性が不十分であるといった不具合が懸念される。
【０００７】
また、上記従来例では、摩擦クラッチを用いて二つの関節の連係動作を解除可能にしているが、この連係動作の解除は任意には行えないので、意図的に多様なロボットハンドの把持状態を作ることができない。しかも、大きな把持力が作用したとき、二つの関節の連係動作が勝手に解除されてしまうため、ロボットハンドの把持状態や条件が制限される等、複雑な形状の物体の把持ができなくなる。このように、従来例のロボットハンドでは、把持した物体を操る時に何らかの制限が加わるなど、より高度な把持動作を行うことができない。
【０００８】
そこで、本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、耐久性および施工性に優れた多関節機構ならびにロボットハンドの提供を目的とする。また、本発明は、小型化および低コスト化を図ったうえで、多様な動きを可能にした多関節機構ならびにロボットハンドの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る多関節機構は、直列配置される複数のフレームと、各フレームをそれぞれ傾動可能に連結する複数の関節と、前記適宜のフレームを傾動させるための動力を発生する駆動部と、この駆動部で発生する動力を前記適宜の関節に伝達する動力伝達部とを備え、前記動力伝達部において前記各関節間での動力伝達要素をギアで構成していることを特徴としている。
【００１０】
本発明の多関節機構は、要するに、多関節を有する装置全般に適用される。
【００１１】
この場合、動力伝達部としてのギアが、従来例のワイヤーに比べて静的強度ならびに疲労強度に優れている等、耐久性が向上する。しかも、従来例のワイヤーに比べて組み立てやすくなるので、自動組立が可能になる。
【００１２】
本発明に係る多関節機構は、直列配置される複数のフレームと、各フレームをそれぞれ傾動可能に連結する複数の関節と、前記複数のフレームのうちの基端フレームを傾動させるための動力を発生する第１駆動部と、前記複数のフレームのうちの中間フレームを駆動するための動力を発生する第２駆動部と、前記第１駆動部で発生する動力を前記基端フレームに伝達する第１動力伝達部と、前記第２駆動部で発生する動力を前記中間フレームに伝達する第２動力伝達部とを備え、前記第２動力伝達部において前記各関節間での動力伝達要素をギアで構成していることを特徴としている。
【００１３】
この場合、先端フレームを直接的に駆動する駆動部を備えていないから、構成が簡素となり、小型化、コンパクト化を図るうえで有利となる。
【００１４】
好ましくは、前記各関節のうち基端関節は、その両端がベースに固定されかつ前記基端フレームの一端に回動可能に支持される軸とされ、前記中間関節は、その両端が前記基端フレームの他端に固定されかつ前記中間フレームの一端に回動可能に貫通支持される軸とされ、前記先端関節は、その両端が前記中間フレームの他端に固定されかつ前記先端フレームの一端に回動可能に貫通支持される軸とされており、前記第２動力伝達部において前記各関節間での動力伝達要素は、基端関節としての軸に相対回動可能に支持される基端空転ギアと、前記中間フレームに固定されかつ中間関節としての軸に回動可能に支持される中間ギアと、前記基端空転ギアと中間ギアとの間に配置されて互いに噛合する一つまたは複数の基端中継ギアとを含む構成とされる。
【００１５】
この場合、各関節の構成や、動力伝達部の構成を特定したものであり、上記同様、耐久性ならびに施工性の向上が可能になる。
【００１６】
好ましくは、前記複数のフレームのうちの先端フレームを前記中間フレームの傾動動作に連係させる連係状態と、前記先端フレームを前記中間フレームに対し自由に傾動可能とする連係解除状態とを意図的に実現する切り替え部を備えた構成とされる。
【００１７】
この場合、連係解除状態にすると、先端フレームが中間フレームに対し自由に傾動可能な状態になるから、この先端フレームを適宜の物体に当接させるときに、先端フレームの広範囲を前記物体に沿わせた状態で当接させることが可能になる。
【００１８】
好ましくは、前記切り替え部は、中間関節としての軸で前記中間ギアと隣り合わせに回動可能に支持される中間空転ギアと、前記先端フレームに固定されかつ先端関節としての軸に回動可能に支持される先端ギアと、前記中間空転ギアと前記先端ギアとの間に配置されて互いに噛合する一つまたは複数の中間中継ギアと、この中間空転ギアを非回転に拘束して前記連係状態にしたりあるいは中間空転ギアの回転を許容して前記連係解除状態にしたりするストッパーとを含む構成とされる。
【００１９】
この場合、切り替え部もギアで構成しているから、上記同様、耐久性ならびに施工性の向上が可能になる。
【００２０】
好ましくは、前記ストッパーは、前記中間空転ギアの歯間に嵌入されて前記中間空転ギアを非回転に拘束する係止片と、この係止片を前記中間空転ギアの歯間に嵌入させるよう突出させたり前記中間空転ギアの歯間から抜くよう後退させたりする動作部とを含む構成とされる。
【００２１】
この場合、ストッパーを係止片と動作部のみの簡単な構成にしているから、設備コストを抑制するうえで有利となる。
【００２２】
好ましくは、前記動作部は、ソレノイドで構成することができる。好ましくは、前記動作部は、高分子アクチュエータで構成することができる。
【００２３】
これらの場合、ストッパーの動作部を比較的小型でかつ安価なものとすることが可能になり、占有スペースおよび設備コストを抑制するうえで有利となる。
【００２４】
好ましくは、前記先端フレームとそれに連結される中間フレームとに、当該先端フレームを前記中間フレームに対し一傾動方向に傾動させるよう弾発付勢するバネを設けることができる。
【００２５】
この場合、連係解除状態において、先端フレームが中間フレームの傾動方向と反対向きに安易に動きにくくなり、また、先端フレームが物体に当接したときに、物体に当接した状態を保ちやすくなる。
【００２６】
好ましくは、必要に応じて前記駆動部を駆動または非駆動にして前記各フレームの傾動動作を制御する制御部を有する構成とされる。
【００２７】
好ましくは、前記各関節には、互いに連結するフレーム間の相対的な傾きを測定する角度センサを設けることができる。
【００２８】
この場合、角度センサの出力に基づき各フレームの傾き角度を認識することが可能になる。
【００２９】
好ましくは、前記制御部は、前記連係状態において前記各フレームを傾動させるとき、前記角度センサの出力に基づき前記各フレームの姿勢を認識し、要求される姿勢にする処理を実行するものとされる。
【００３０】
この場合、各フレームの傾き角度の調整が比較的容易かつ高精度に行えるようになる。
【００３１】
好ましくは、前記先端フレームには、力覚センサを設けることができる。この場合、力覚センサの出力に基づき先端フレームの物体に対する接触状態を認識することが可能になる。
【００３２】
好ましくは、前記制御部は、前記連係状態において前記各フレームを傾動させている過程で前記先端フレームが物体に接触したときに前記力覚センサの出力に基づき前記切り替え部の駆動部によりストッパーを後退させて前記中間空転ギアを回転可能な連係解除状態にする処理を実行するものとされる。
【００３３】
この場合、先端フレームを物体に任意の状態で当接させることが可能になり、多関節機構の動きを多様化できる。
【００３４】
本発明に係るロボットハンドは、ベースと、このベースにそれぞれ片持ち梁状に支持されかつ突出方向複数箇所に関節を有する複数の指機構とを含むものであって、前記複数の指機構のうち少なくとも一つが、上述した多関節機構とされることを特徴としている。
【００３５】
この場合、ロボットハンドの指機構の動きを多様化できるようになり、人の指の動きに近似した高度な動きが可能になる。
【００３６】
ここでのロボットハンドは、適宜の物体を把持するような人の手（手首より先の部分）として利用されるが、その他、人の足（足首より先の部分）や、腕や足の構成と類似した機構を有するロボットとしても利用することが可能である。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、耐久性および施工性に優れた多関節機構ならびにロボットハンドを提供することができる。また、本発明は、小型化および低コスト化を図ったうえで、多様な動きを可能にした多関節機構ならびにロボットハンドを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３９】
〔多関節機構の説明〕
図１から図８を参照して、多関節機構１の最良の実施形態を説明する。この多関節機構１は、例えばロボットハンドの指機構等として利用される。
【００４０】
多関節機構１は、図１から図３に示すように、直列に配置した三つのフレーム３ａ，３ｂ，３ｃを三つの関節４ａ，４ｂ，４ｃでそれぞれ傾動可能に連結した状態でベース２に片持ち梁状に支持されており、二つの駆動部５ａ，５ｂと２系統の動力伝達部６，７と切り替え部８とでもって、三つのフレーム３ａ〜３ｃを三つの関節４ａ〜４ｃを中心として傾動させるようになっている。
【００４１】
以下、各部を詳細に説明する。
【００４２】
ベース２には、基端フレーム３ａの一端が基端関節４ａを介して傾動可能に支持されており、この基端フレーム３ａの他端には、中間フレーム３ｂの一端が中間関節４ｂを介して傾動可能に支持されており、この中間フレーム３ｂの他端には、先端フレーム３ｃが先端関節４ｃを介して傾動可能に支持されている。
【００４３】
各関節４ａ〜４ｃは、隣り合うフレーム３ａ〜３ｃそれぞれを傾動可能に連結する軸とされている。詳しくは、基端関節４ａは、両端がベース２に固定されかつ基端フレーム３ａの一端に回動可能に貫通支持される軸とされている。中間関節４ｂは、両端が基端フレーム３ａの他端に固定されかつ中間フレーム３ｂの一端に回動可能に貫通支持される軸とされている。先端関節４ｃは、両端が中間フレーム３ｂの他端に固定されかつ先端フレーム３ｃの一端に回動可能に貫通支持される軸とされている。
【００４４】
第１、第２駆動部５ａ，５ｂは、いずれも、例えばモーター等からなり、ベース２に搭載されている。第１駆動部５ａは、基端フレーム３ａを傾動するための回転動力を発生するものであり、第２駆動部５ｂは、中間フレーム３ｂを傾動するための回転動力を発生するものである。
【００４５】
第１動力伝達部６は、第１駆動部５ａで発生する回転動力を基端関節４ａに伝達するものである。この第１動力伝達部６は、図１および図２に示すように、第１駆動部５ａの出力軸（符号省略）に固定される第１プーリ６ａと、基端フレーム３ａに固定されかつ基端関節４ａとしての軸の一端側に回動可能に貫通支持される基端プーリ６ｂと、第１プーリ６ａと基端プーリ６ｂとに跨って巻き掛けられる第１ワイヤー６ｃとで構成されている。
【００４６】
第２動力伝達部７は、第２駆動部５ｂで発生する回転動力を中間関節４ｂに伝達するものである。この第２動力伝達部７は、図１から図３に示すように、第２駆動部５ａの出力軸（符号省略）に固定される第２プーリ７ａと、基端関節４ａとしての軸の他端側で基端プーリ６ｂと隣り合わせに回動可能に貫通支持される基端空転プーリ７ｂと、第２プーリ７ａと基端空転プーリ７ｂとに跨って巻き掛けられる第２ワイヤー７ｃと、基端空転プーリ７ｂと一体に形成される基端空転ギア７ｄと、中間フレーム３ｂに固定されかつ中間関節４ｂとしての軸の一端側に回動可能に貫通支持される中間ギア７ｅと、基端空転ギア７ｄと中間ギア７ｅとの間に配置されて互いに噛合する三つの基端中継ギア７ｆ，７ｇ，７ｈとで構成されている。
【００４７】
なお、三つの基端中継ギア７ｆ，７ｇ，７ｈは、支軸（符号省略）を介して基端フレーム３ａに回動可能に支持されている。この基端中継ギア７ｆ，７ｇ，７ｈの数は特に限定されないが、中間ギア７ｅを基端空転ギア７ｄと同一方向に回転させるには奇数とする必要がある。しかし、第２駆動部であるモーター５ｂを反転させれば済むことなので、中間ギア７eと基端空転ギア７ｄは同一方に回転させる必要はない。
【００４８】
切り替え部８は、先端フレーム３ｃを中間フレーム３ｂの傾動動作に連係させて傾動させる連係状態と、先端フレーム３ｃを中間フレーム３ｂの傾動動作に連係させずに自由傾動可能とする連係解除状態とに切り替えるものである。
【００４９】
この切り替え部８は、図１および図２に示すように、中間関節４ｂとしての軸の他端側で中間ギア７ｅと隣り合わせに回動可能に貫通支持される中間空転ギア８ａと、先端フレーム３ｃに固定されかつ先端関節４ｃとしての軸の一端側に回動可能に貫通支持される先端ギア８ｂと、中間空転ギア８ａと先端ギア８ｂとの間に配置されて互いに噛合する二つの中間中継ギア８ｃ，８ｄと、中間空転ギア８ａを非回転に拘束する状態と回転を許容する状態とに切り替えるストッパー９とで構成されている。
【００５０】
なお、二つの中間中継ギア８ｃ，８ｄは、支軸（符号省略）を介して中間フレーム３ｂに回動可能に支持されている。この中間中継ギア８ｃ，８ｄの数は特に限定されないが、先端ギア８ｂを中間ギア７ｅと同一方向に回転させるには偶数とする必要がある。
【００５１】
ところで、ストッパー９は、ソレノイドで構成されている。このソレノイドからなるストッパー９は、図２に示すように、円筒形の電磁石９ａと、電磁石９ａの中心に一端側が突出する状態でかつ非接触となる状態で挿入される可動鉄心９ｂと、可動鉄心９ｂの突出端側外周に巻回されるコイル９ｃと、可動鉄心９ｂの突出端に一直線上に連結された係止片９ｄとから構成されている。
【００５２】
このストッパー９の動作としては、可動鉄心９ｂを突出させることによって係止片９ｄを中間空転ギア８ａの歯間に嵌入させている場合に、中間空転ギア８ａを非回転に拘束する状態にすることができ、また、可動鉄心９ｂを後退させることによって係止片９ｄを中間空転ギア８ａの歯間から抜き出している場合に、中間空転ギア８ａの回転を許容する状態とすることができる。
【００５３】
このソレノイドからなるストッパー９は、電磁石９ａへの通電時に可動鉄心９ｂを突出させて、非通電時に可動鉄心９ｂが後退している構成になっている。但し、ストッパー９は、非通電時に可動鉄心９ｂが突出した状態で保持される構成であってもよい。
【００５４】
また、電磁石９ａは、係止片９ｄを進退変位させるだけであってパワーの小さなもので十分であるから、ソレノイドからなるストッパー９を基端フレーム３ａに収納配置でき、全体の小型化が可能になる。但し、ストッパー９はベース２側に配置してもよい。
【００５５】
次に、動作を説明する。
【００５６】
まず、第１駆動部５ａを駆動すると、例えば第１ワイヤー６ｃを介して基端プーリ６ｂが図４の矢印Ｘ方向（反時計方向）に回転されるので、図４に示すように、この基端プーリ６ｂと一体の基端フレーム３ａが基端プーリ６ｂと同方向（下向き）に傾動される。これにより、基端フレーム３ａがベース２に対して所定角度θ１傾く。
【００５７】
また、第２駆動部５ｂを第１駆動部５ａと同様に駆動すると、例えば第２ワイヤー７ｃを介して基端空転プーリ７ｂが回転されるとともに、基端空転プーリ７ｂと一体回転する基端空転ギア７ｄによって三つの基端中継ギア７ｆ，７ｇ，７ｈを介して中間ギア７ｅが基端空転ギア７ｄと同方向に回転されるので、この中間ギア７ｅと一体の中間フレーム３ｂが中間ギア７ｅと同方向（下向き）に傾動される。これにより、図５に示すように、中間フレーム３ｂが基端フレーム３ａに対して所定角度θ２傾く。
【００５８】
このとき、ストッパー９の係止片９ｄを中間空転ギア８ａの歯間に嵌入させて、中間空転ギア８ａを非回転に拘束している場合、図５に示すように、中間フレーム３ｂの傾動動作によって非回転の中間空転ギア８ａと噛合する二つの基端中継ギア８ｃ，８ｄが自転しながら中間空転ギア８ａの外周を中間フレーム３ｂの傾動方向と同方向に公転されるので、先端ギア８ｂが中間フレーム３ｂの傾動方向と同方向に回転され、この先端ギア８ｂと一体の先端フレーム３ｃが中間フレーム３ｂの傾動方向と同方向（下向き）に傾動される。これにより、先端フレーム３ｃが中間フレーム３ｂに対して所定角度θ３傾く。
【００５９】
つまり、中間空転ギア８ａを非回転に拘束すると、第２駆動部５ｂで発生する動力を中間関節４ｂを介して先端関節４ｃに伝達することができるので、先端フレーム３ｃを中間フレーム３ｂの傾動動作に連係して傾動させる連係状態にできる。
【００６０】
一方、ストッパー９の係止片９ｄを中間空転ギア８ａの歯間から抜き出して、中間空転ギア８ａを自由回転可能にしている場合、図６に示すように、中間フレーム３ｂが傾動しても中間空転ギア８ａと噛合する基端中継ギア８ｃ，８ｄが自転されなくなるので、先端ギア８ｂと一体の先端フレーム３ｃは傾動されなくなる。但し、先端ギア８ｂは何れにも拘束されていないので、先端ギア８ｂと一体の先端フレーム３ｃは先端関節４ｃを支点として上下いずれの方向にも傾動可能になっている。なお、図６の状態では、先端フレーム３ｃが自重により中間フレーム３ｂに対し下向きに所定角度θ４傾くことになる。
【００６１】
つまり、中間空転ギア８ａを自由回転可能にすると、第２駆動部５ｂで発生する動力を基端フレーム３ａから中間フレーム３ｂまで伝達するものの、中間フレーム３ｂから先端フレーム３ｃへの伝達を遮断することができるので、先端フレーム３ｃを中間フレーム３ｂの傾動動作に連係させない自由傾動可能な連係解除状態にできる。
【００６２】
このような多関節機構１において、棒状の物体１０に対する先端フレーム３ｃの当接状態を説明する。
【００６３】
まず、切り替え部８を連係状態にしている場合、棒状の物体１０に先端フレーム３ｃを当接させようとすると、例えば図７に示すように、中間フレーム３ｂおよび先端フレーム３ｃが連係してそれぞれ傾動するために、棒状の物体１０の外周面に対して先端フレーム３ｃの先端縁が当接することになる。
【００６４】
しかし、切り替え部８を連係状態にしておいて、中間フレーム３ｂを基端フレーム３ａに対し所定角度傾動させた後で、切り替え部８を連係解除状態にすると、中間フレーム３ｂに対し先端フレーム３ｃが自由に傾動可能になるので、棒状の物体１０の外周面に先端フレーム３ｃの先端角が当接しても、この先端フレーム３ｃが中間フレーム３ｂの傾動方向と反対向き（図の上向き）に動くことになって、図８に示すように、先端フレーム３ｃの側面が棒状の物体１０の外周面に沿って当接するようになる。このように先端フレーム３ｃの側面部分の広範囲が棒状の物体１０の外周面に当接する。この時点で、再度、切り替え部８を連係状態にすれば、前記当接状態を維持できるようになる。
【００６５】
以上説明した多関節機構１によれば、次のような効果が得られる。
【００６６】
まず、第２動力伝達部７において、基端関節４ａから中間関節４ｂまでの動力伝達要素をギア機構（７ｂ〜７ｈ）で行うようにしているとともに、中間関節４ｂから先端関節４ｃまでの動力伝達要素をギア機構（８ａ〜８ｄ）で行うようにしているから、従来例のワイヤーを用いる場合に比べて静的強度ならびに疲労強度に優れている等、耐久性が向上するとともに、従来例のワイヤーを用いる場合に比べて組み立てやすくなるので、自動組立が可能になる等、施工性が向上する。
【００６７】
また、駆動部の数を関節の数より少なくしているので、小型化ならびに低コスト化を図ることができる。このように駆動部の数を関節の数より少なくしても、すべてのフレーム３ａ〜３ｃをそれぞれ独立して傾動させることが可能になるので、多様な動きを可能にすることができる。
【００６８】
以下、本発明の多関節機構１の他の実施形態について説明する。
【００６９】
（１）上記ストッパー９は、長さを電気的に可変制御できる高分子アクチュエータ９ｅで構成することができる。この場合、例えば図９に示すように、ストッパー９としての高分子アクチュエータ９ｅの先端に係止片９ｄを連結する。この高分子アクチュエータ９ｅでは、その長さを長くして係止片９ｄを中間空転ギア８ａの歯間に嵌入させると、中間フレーム３ｂと先端フレーム３ｃとを連係させて動かすことができる。一方、高分子アクチュエータ９ｅの長さを短くして係止片９ｄを中間空転ギア８ａの歯間から抜き出すと、中間フレーム３ｂと先端フレーム３ｃとの連係動作を解除できる。なお、係止片９ｄを後退させる力は小さくてよく、また係止片９ｄの変位ストロークも中間空転ギア８ａの歯の高さ程度と短くてよいので、高分子アクチュエータ９ｅに要求される仕様は厳しくならずに済む。しかも、高分子アクチュエータ９ｅは、上述したソレノイドよりも軽量、小型であるので、基端フレーム３ａ内部に収納配置しやすくなり、好ましい。
【００７０】
（２）上記実施形態において、中間フレーム３ｂと先端フレーム３ｃとの連係解除状態では、先端フレーム３ｃが自由に回動できるので、例えば図１０に示すように、中間フレーム３ｂと先端フレーム３ｃとに跨って、先端フレーム３ｃを中間フレーム３ｂに対し下向きに弾性的に傾かせるためのバネ１１を組み込むようにしてもよい。図１０において、バネ１１は、一点鎖線で示している。
【００７１】
この場合、連結解除状態において、バネ１１の弾性復元力によって先端フレーム３ｃが自由に回転せずに一方向に傾くようになるので、先端フレーム３ｃを当接対象となる物体１０に当接させた状態において、先端フレーム３ｃが物体１０から離れることが防止される。
【００７２】
このようなバネ１１の弾性復元力であるが、多関節機構１の使用対象に応じて適宜設定すればよい。仮に、バネ１１の弾性復元力を大きくすると、連係解除状態において物体１０に対する接触圧が強くなりすぎて好ましくない場合が生ずる。そこで、バネ１１の弾性復元力を、例えば関節のロストルク以下に設定すれば、大きな外力が作用しない限り、先端フレーム３ｃが勝手に一方向に傾動することはない。どれくらいのバネ定数を設定するかは多関節機構１の使用対象に応じて適宜決定すればよい。但し、図示していないが、先端フレーム３ｃの先端ギア８ｂを、ストッパーなどで完全に止めることも可能であるが、連係解除状態では、先端フレーム３ｃを、ある程度自由に回動可能とするほうが好ましい。
【００７３】
（３）上記実施形態において、第１動力伝達部６のワイヤー機構（６ａ〜６ｃ）および第２動力伝達部７のワイヤー機構（７ａ〜７ｃ）を、図示していないが、ギア機構とすることができる。
【００７４】
（４）上記実施形態では、３つのフレームを３つの関節で傾動可能に連結した構成の多関節機構１を例に挙げているが、３つ以上のフレームを３つ以上の関節で傾動可能に連結した構成であっても、本発明を適用できる。その場合、連係状態や連係解除状態とに切り替える対象となる２つのフレームとしては、先端フレームとそれに連結される中間フレームが望ましい。しかしこれに限定されるわけではなく、多関節機構の中間部にある２つのフレームを連携状態や、連係解除状態とに切り替える対象としてもよい。これは、多関節機構の用途によって決めてやればよい。
【００７５】
〔ロボットハンドの説明〕
図１１から図２３を参照して、本発明に係るロボットハンドの実施形態を説明する。ここでのロボットハンドは、人の手に対応した形状にした例を挙げている。
【００７６】
ロボットハンドは、手のひらに相当するベース１５に、例えば五本の指機構２０，３０，４０，５０，６０をそれぞれ片持ち梁状に支持させた構成である。
【００７７】
第１〜第５指機構２０〜６０は、以下で詳細に説明するように、それぞれ、駆動部(本実施の形態ではモーター)および動力伝達部を介して適宜多様な動きができるようになっている。
【００７８】
この実施形態のロボットハンドでは、第２指機構３０および第３指機構４０に、上記多関節機構１と同様の構成を適用している。
【００７９】
まず、第１指機構２０、第４指機構５０ならびに第５指機構６０を説明してから、第２指機構３０および第３指機構４０を説明する。
【００８０】
〔第１指機構２０〕
第１指機構２０は、図１１から図１３に示すように、親指に相当するものであり、直列に配置した三つのフレーム２１ａ，２１ｂ，２１ｃを三つの関節２２ａ，２２ｂ，２２ｃでそれぞれ傾動可能に連結した構成である。
【００８１】
三つのフレーム２１ａ，２１ｂ，２１ｃのうち、基端フレーム２１ａは、第１アングル２３に基端関節２２ａを介して傾動可能に支持されている。この第１アングル２３は、付け根関節としての回転軸２４を介してベース１５に支持されている。回転軸２４の中心軸線は、各関節２２ａ〜２２ｃの中心軸線と略直交している。
【００８２】
この第１指機構２０は、三つのフレーム２１ａ，２１ｂ，２１ｃが第１、第２、第３駆動部２５ａ，２５ｂ，２５ｃで個別に傾動され、第１指機構２０全体が第４駆動部２５ｄで回転軸２４周りに旋回されるようになっており、計四つの自由度を有している。
【００８３】
第１〜第３駆動部２５ａ〜２５ｃは、第１アングル２３に搭載されており、詳細に図示していないが、３系統の動力伝達部を介して三つのフレーム２１ａ〜２１ｃを三つの関節２２ａ〜２２ｃを支点としてそれぞれ個別に傾動させる。
【００８４】
第４駆動部２５ｄは、ベース１５に搭載されており、直動―回転変換部２６を介して第１アングル２３を回転軸２４を支点として回転させる。直動―回転変換部２６は、ベース１５上に回転可能に支持されるスクリュー２８ａと、スクリュー２８ａに螺合されるナット２８ｂと、ナット２８ｂに一体化されかつ回転軸２４に固定された揺動アーム２８ｃと、第４駆動部２５ｄの出力軸（符号省略）に固定され駆動ギア２７ａと、スクリュー２８ａの一端に固定されかつ駆動ギア２７ａに噛合される従動ギア２７ａとを有している。スクリュー２８ａおよびナット２８ｂは、送りねじ機構を構成している。
【００８５】
この第１指機構２０の動作を説明する。
【００８６】
（ａ）第１駆動部２５ａを駆動すると、基端関節２２ａを支点として、基端フレーム２１ａ、中間フレーム２１ｂおよび先端フレーム２１ｃの全体が一体的に傾動する。
【００８７】
（ｂ）第２駆動部２５ｂを駆動すると、中間関節２２ｂを支点として、中間フレーム２１ｂおよび先端フレーム２１ｃが一体的に傾動する。
【００８８】
（ｃ）第３駆動部２５ｃを駆動すると、先端関節２２ｃの中心を支点として、指先フレーム２１ｃのみが傾動する。
【００８９】
（ｄ）第４駆動部２５ｄを駆動すると、駆動ギア２７ａおよび従動ギア２７ｂを介してスクリュー２８ａが回転される。このスクリュー２８ａの回転に伴いナット２８ｂがスクリュー２８ａに沿って直線的に往復移動し、このナット２８ｂと一体の揺動アーム２８ｃが一方向に所定角度回転するので、第１指機構２０全体が回転軸２４を中心に旋回する。第１指機構２０の旋回方向は、スクリュー２８ａの回転方向を変換することでコントロールできる。
【００９０】
〔第４指機構５０および第５指機構６０〕
図１１から図１３に示すように、第４指機構５０は、薬指に相当するものであり、直列に配置した三つのフレーム５１ａ，５１ｂ，５１ｃを三つの関節５２ａ，５２ｂ，５２ｃでそれぞれ傾動可能に連結した構成である。第５指機構６０は、小指に相当するものであり、直列に配置した三つのフレーム６１ａ，６１ｂ，６１ｃを三つの関節６２ａ，６２ｂ，６２ｃでそれぞれ傾動可能に連結した構成である。
【００９１】
第４指機構５０および第５指機構６０は、図１１および図１３に示すように、回転軸６３によって連結されている。この回転軸６３を第１０駆動部６４の動力で回転させることによって第４指機構５０および第５指機構６０を連係して屈伸させる。第１０駆動部６４はアングル６５に搭載されている。第１０駆動部６４と回転軸６３とは例えばギア機構（図示省略）によって連結されているが、このギア機構の詳細な構成は省略する。
【００９２】
この第４指機構５０および第５指機構６０の動作を説明する。第１０駆動部６４を駆動すると、第５指機構６０が基端関節６２ａを支点として、基端フレーム６１ａ、中間フレーム６１ｂおよび先端フレーム６１ｃの全体が傾動する。このとき、基端フレーム６１ａの傾動動作に連係して中間フレーム６１ｂが傾動し、この中間フレーム６１ｂの傾動動作に連係して先端フレーム６１ｃが傾動するようになっている。なお、第４指機構５０は第５指機構６０と連結されているので、第５指機構６０と同じ動きをする。このように、第４、第５指機構５０，６０は、合わせて一つの自由度を有している。
【００９３】
〔第２指機構３０〕
図１１および図１４に示すように、第２指機構３０は、人差し指に相当するものであり、直列に配置した三つのフレーム３１ａ，３１ｂ，３１ｃを三つの関節３２ａ，３２ｂ，３２ｃでそれぞれ傾動可能に連結した構成である。
【００９４】
三つのフレーム３１ａ〜３１ｃのうち、基端フレーム３１ａは、第２アングル３３に基端関節３２ａを介して傾動可能に支持されている。この第２アングル３３は、付け根関節としての回転軸３４を介してベース１５に支持されている。回転軸３４の中心軸線は、各関節３２ａ〜３２ｃの中心軸線と略直交している。
【００９５】
この第２指機構３０は、三つのフレーム３１ａ〜３１ｃが第５、第６駆動部３５ａ，３５ｂで傾動され、第２機構３０全体が第７駆動部３５ｃで付け根関節としての回転軸３４周りに旋回されるようになっている。
【００９６】
第５、第６駆動部３５ａ，３５ｂは、第２アングル３３に搭載されており、図１６から図１８に示すように、第１、第２動力伝達部６，７を介して、基端フレーム３１ａと中間フレーム３１ｂとを基端関節３２ａと中間関節３２ｂとを支点としてそれぞれ個別に傾動させるようになっている。そして、先端フレーム３１ｃは、図１７に示すように、切り替え部８によって、中間フレーム３１ｂと連係して駆動する連係状態と連係しない連係解除状態とに切り替えられるようになっている。
【００９７】
第７駆動部３５ｃは、図１１に示すように、ベース１５に搭載されており、直動―回転変換部３６を介して第２アングル３３を付け根関節としての回転軸３４を支点として旋回させる。
【００９８】
直動―回転変換部３６は、第７駆動部３５ｃの出力軸（符号省略）に固定されるスクリュー３７ａと、スクリュー３７ａに螺合されるナット３７ｂと、ナット３７ｂに一体化されかつ回転軸３４に固定された揺動アーム３７ｃとを有している。
【００９９】
スクリュー３７ａおよびナット３７ｂが送りねじ機構を構成している。スクリュー３７ａは、ベース１５上に回転可能に支持されている。
【０１００】
直動―回転変換部３６の動作としては、第７駆動部３５ｃを駆動すると、直動―回転変換部３６のスクリュー３７ａが回転される。このスクリュー３７ａの回転に伴いナット３７ｂがスクリュー３７ａに沿って直線的に往復移動し、このナット３７ｂと一体の揺動アーム３７ｃが一方向に所定角度回転するので、第２指機構３０全体が回転軸３４を中心に旋回する。第２指機構３０の旋回方向は、スクリュー３７ａの回転方向を変換することでコントロールできる。
【０１０１】
〔第３指機構４０〕
図１１および図２０に示すように、第３指機構４０は、中指に相当するものであり、直列に配置した三つのフレーム４１ａ，４１ｂ，４１ｃを三つの関節４２ａ，４２ｂ，４２ｃでそれぞれ傾動可能に連結した構成である。
【０１０２】
三つのフレーム４１ａ〜４１ｃのうち、基端フレーム４１ａは、第３アングル４３に基端関節４２ａを介して傾動可能に支持されている。この第３アングル４３は、ベース１５に固定されており、この第３アングル４３には、三つのフレーム４１ａ〜４１ｃを傾動させるための第８、第９駆動部４４ａ，４４ｂが搭載されている。
【０１０３】
この第３指機構４０は、三つのフレーム４１ａ〜４１ｃが第８、第９駆動部４４ａ，４４ｂで傾動されるようになっている。
【０１０４】
そして、上記第２指機構３０および第３指機構４０には、それぞれ、図１から図１０に示した多関節機構１における第１、第２動力伝達部６，７および切り替え部８と同一の機構を備えているので、以下で簡単に説明する。
【０１０５】
第１動力伝達部６は、第５駆動部３５ａ（第８駆動部４４ａ）で発生する回転動力を基端関節３２ａ（４２ａ）に伝達するものである。この第１動力伝達部６は、図１６および図１７に示すように、第５駆動部３５ａ（第８駆動部４４ａ）の出力軸（符号省略）に固定される第１プーリ６ａと、基端フレーム３１ａ（４１ａ）に固定されかつ基端関節３２ａ（４２ａ）としての軸の一端側に回動可能に貫通支持される基端プーリ６ｂと、第１プーリ６ａと基端プーリ６ｂとに跨って巻き掛けられる第１ワイヤー６ｃとで構成されている。
【０１０６】
第２動力伝達部７は、第６駆動部３５ｂ（第９駆動部４４ｂ）で発生する回転動力を中間関節３２ｂ（４２ｂ）に伝達するものである。この第２動力伝達部７は、図１６から図１８に示すように、第６駆動部３５ｂ（第９駆動部４４ｂ）の出力軸（符号省略）に固定される第２プーリ７ａと、基端関節３２ａ（４２ａ）としての軸の他端側で基端プーリ６ｂと隣り合わせに回動可能に貫通支持される基端空転プーリ７ｂと、第２プーリ７ａと基端空転プーリ７ｂとに跨って巻き掛けられる第２ワイヤー７ｃと、基端空転プーリ７ｂと一体に形成される基端空転ギア７ｄと、中間フレーム３１ｂ（４１ｂ）に固定されかつ中間関節３２ｂ（４２ｂ）としての軸の一端側に回動可能に貫通支持される中間ギア７ｅと、基端空転ギア７ｄと中間ギア７ｅとの間に配置されて互いに噛合する三つの基端中継ギア７ｆ，７ｇ，７ｈとで構成されている。なお、三つの基端中継ギア７ｆ，７ｇ，７ｈは、支軸（符号省略）を介して基端フレーム３１ａ（４１ａ）に回動可能に支持されている。
【０１０７】
切り替え部８は、先端フレーム３１ｃ（４１ｃ）を中間フレーム３１ｂ（４１ｂ）の傾動動作に連係させて傾動させる連係状態と、先端フレーム３１ｃ（４１ｃ）を中間フレーム３１ｂ（４１ｂ）の傾動動作に連係させずに自由傾動可能とする連係解除状態とに切り替えるものである。
【０１０８】
この切り替え部８は、図１６および図１７に示すように、中間関節３２ｂ（４２ｂ）としての軸の他端側で中間ギア７ｅと隣り合わせに回動可能に貫通支持される中間空転ギア８ａと、先端フレーム３１ｃ（４１ｃ）に固定されかつ先端関節３２ｃ（４２ｃ）としての軸の一端側に回動可能に貫通支持される先端ギア８ｂと、中間空転ギア８ａと先端ギア８ｂとの間に配置されて互いに噛合する二つの中間中継ギア８ｃ，８ｄと、中間空転ギア８ａを非回転に拘束する状態と回転を許容する状態とに切り替えるストッパー９とで構成されている。なお、二つの中間中継ギア８ｃ，８ｄは、支軸（符号省略）を介して中間フレーム３１ｂ（４１ｂ）に回動可能に支持されている。
【０１０９】
なお、ストッパー９は、ソレノイドで構成されている。このソレノイドからなるストッパー９は、円筒形の電磁石９ａと、電磁石９ａの中心に一端側が突出する状態でかつ非接触となる状態で挿入される可動鉄心９ｂと、可動鉄心９ｂの突出端側外周に巻回されるコイル９ｃと、可動鉄心９ｂの突出端に一直線上に連結された係止片９ｄとから構成されている。
【０１１０】
次に、上記第２指機構３０および第３指機構４０の動作を説明する。
【０１１１】
まず、第５駆動部３５ａ（第８駆動部４４ａ）を駆動すると、基端関節３２ａ（基端関節４２ａ）を支点として、基端フレーム３１ａ（基端フレーム４１ａ）、中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）および先端フレーム３１ｃ（先端フレーム４１ｃ）の全体が一体的に傾動する。
【０１１２】
また、第６駆動部３５ｂ（第９駆動部４４ｂ）を駆動すると、中間関節３２ｂ（中間関節４２ｂ）を支点として、中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）および先端フレーム３１ｃ（先端フレーム４１ｃ）が一体的に傾動する。
【０１１３】
このとき、切り替え部８によって、ストッパー９の係止片９ｄを中間空転ギア８ａの歯間に嵌入させて、中間空転ギア８ａを非回転に拘束している場合、図１９に示すように、中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）が所定角度θ２傾くと、その傾動動作によって非回転の中間空転ギア８ａと噛合する二つの基端中継ギア８ｃ，８ｄが自転しながら中間空転ギア８ａの外周を中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）の傾動方向と同方向に公転されるので、先端ギア８ｂが中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）の傾動方向と同方向に回転され、この先端ギア８ｂと一体の先端フレーム３１ｃ（先端フレーム４１ｃ）が中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）の傾動方向と同方向（下向き）に傾動される。これにより、先端フレーム３１ｃ（先端フレーム４１ｃ）が中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）に対して所定角度θ３傾く。
【０１１４】
つまり、中間空転ギア８ａを非回転に拘束すると、第２駆動部５ｂで発生する動力を中間関節４ｂを介して先端関節４ｃに伝達することができるので、先端フレーム３１ｃ（先端フレーム４１ｃ）を中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）に連係して傾動動作させる連係状態にできる。
【０１１５】
一方、ストッパー９の係止片９ｄを中間空転ギア８ａの歯間から抜き出して、中間空転ギア８ａを自由回転可能にしている場合、図２０に示すように、中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）が所定角度θ２傾いても、中間空転ギア８ａと噛合する基端中継ギア８ｃ，８ｄが自転されなくなるので、先端ギア８ｂと一体の先端フレーム３１ｃ（先端フレーム４１ｃ）は傾動されなくなる。但し、先端ギア８ｂは何れにも拘束されていないので、先端ギア８ｂと一体の先端フレーム３１ｃ（先端フレーム４１ｃ）は先端関節４ｃを支点として上下いずれの方向にも傾動可能になっている。なお、図２０の状態では、先端フレーム３１ｃ（先端フレーム４１ｃ）が自重により中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）に対し下向きに所定角度θ４傾くことになる。
【０１１６】
つまり、中間空転ギア８ａを自由回転可能にすると、第２駆動部５ｂで発生する動力を基端フレーム３１ａ（基端フレーム４１ａ）から中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）まで伝達するものの、中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）から先端フレーム３１ｃ（先端フレーム４１ｃ）への伝達を遮断することができるので、先端フレーム３１ｃ（先端フレーム４１ｃ）を中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）に連係して傾動動作させない自由傾動可能な連係解除状態にできる。
【０１１７】
次に、上述したロボットハンドにより、例えばチョーク等の棒状の物体７０を把持する場合の動作を説明する。
【０１１８】
まず、第２、第３指機構３０，４０の先端フレーム３１ｃ，４１ｃと中間フレーム３１ｂ，４１ｂとを連係させる連係状態にしたままで、物体７０を掴ませるようにすると、図２１に示すように、物体７０の外周に先端フレーム３１ｃ，４１ｃの先端縁が当接して、第２、第３指機構３０，４０の先端フレーム３１ｃ，４１ｃの先端縁で摘んだような形態となり、把持状態が不安定になる。
【０１１９】
しかし、第２、第３指機構３０，４０の先端フレーム３１ｃ，４１ｃと中間フレーム３１ｂ，４１ｂとを連係させない連係解除状態にしておいて、物体７０を掴ませるようにすれば、先端フレーム３１ｃ，４１ｃが自由に傾動できるので、図２２に示すように、指が開く方向にやや回転して先端フレーム３１ｃ，４１ｃの側面が物体７０に添った好ましい把持状態になる。この状態になると、再び連係を実行し指先部から把持力が発生するようになり、しっかりと物体７０を把持することができる。
【０１２０】
但し、第２、第３指機構３０，４０において、連係解除状態にすると、先端フレーム３１ｃ，４１ｃが何れにも拘束されずに自由に回動するようになるので、例えば図２３に示すように、適切な把持状態を作り出すことができなくなる場合がある。この点を考慮し、第２、第３指機構３０，４０においては、図１０で示したバネ１１を組み込むようにするのが好ましい。このバネ１１を組み込めば、第２、第３指機構３０，４０の先端フレーム３１ｃ，４１ｃが常時において手のひら側に傾動するよう弾発付勢されるので、ロボットハンド全体にしてみれば物体７０を握りこむような形にできる。特に、連係解除状態において、先端フレーム３１ｃ，４１ｃが物体７０に接触すると、接触したままに保つことができるので、人の手の動きにより近づくようになる。
【０１２１】
なお、連係状態にしておいて物体７０に先端フレーム３１ｃ，４１ｃの先端縁を当接させてから、この当接した時点で、連係解除状態にするように制御してもよい。このように把持動作の途中で連係を解除し、その後再び連係状態に切り替えるという制御を行うには、連係解除状態と連係状態との切り替えタイミングが重要になる。
【０１２２】
そのためには、例えば先端フレーム３１ｃ，４１ｃの先端角から側面にかけて力覚センサ（図示省略）を取り付け、この力覚センサの出力で、連係の解除、実行を制御すればよい。この場合には、図２２に示す状態のときに力覚センサにて先端フレーム３１ｃ，４１ｃにかかるせん断力や垂直力などを測定することで、先端フレーム３１ｃ，４１ｃに無理な力が加わったとしたら連係を解除してやればよい。また予め連係を解除している場合には、物体７０に接触したのを検出してそのタイミングで連係を実行させてやれば、物体７０に把持力を加えてやることができる。
【０１２３】
ところで、上述したロボットハンドにおける各指機構２０〜６０の傾動動作ならびに第１、第２指機構２０，３０の旋回動作は、各関節にポテンショメータ等の角度センサ（図示省略）を搭載して、この角度センサで各回転部分の回転角度を検出し、その検出値に基づいて制御部（図示省略）により制御することができる。
【０１２４】
他の方法として、各関節に搭載している前記角度センサの値から判断する方法もある。仮に把持動作が決まっているのであれば、制御部（図示省略）によって予め設定された回転角で連係動作を解除し、次の設定された回転角で再び連係させるようにすればよい。更に連係の解除動作、連係動作を繰り返して最後に指機構を基のまっすぐな状態に戻すときは、連係状態にしている二つの関節の回転角を一致させなければならない。そのときは、各関節に搭載している前記角度センサの値を確認しながら、連係動作を実行するタイミングを決めてやればよい。
【０１２５】
上記のようにして制御部（図示省略）で先端フレーム３１ｃ，４１ｃとそれに隣接する中間フレーム３１ｂ，４１ｂの連係動作と連係解除動作とを選択的に行うようにすれば、多様なロボットハンドの把持状態を作ることができる。そのため連係動作の実行、連係の解除動作の実行を適宜制御することが多様なロボットハンドの把持状態を作るうえで重要になってくる。
【０１２６】
以上説明したロボットハンドでは、その第２指機構３０および第３指機構４０における先端フレーム３１ｃ，４１ｃを中間フレーム３１ｂ，４１ｂの傾動動作に連係して傾動させるように構成することにより、関節の数より駆動部としてのモーターの数を少なくしている。そのため、ロボットハンドの小型化ならびに低コスト化を図ることができる。
【０１２７】
しかも、このように駆動部としてのモーターの使用数を少なくしても、先端フレーム３１ｃ，４１ｃを中間フレーム３１ｂ，４１ｂと連係させる連係状態と連係させない連係解除状態とを切り替えることによって、ロボットハンドによる物体７０の把持姿勢を比較的多様化できるようになる。
【０１２８】
また、第２、第３指機構３０，４０に備える第２動力伝達部７においては、第２駆動部５ｂから基端関節４ａまでの動力伝達要素をワイヤー機構（７ａ〜７ｃ）として、基端関節４ａから中間関節４ｂまでの動力伝達要素をギア機構（７ｄ〜７ｈ）としている。このように第２動力伝達部７において第２、第３指機構３０，４０の外部に前記ワイヤー機構を配置した場合、第２駆動部５ｂの配置を自由にできるようになる。また、第２動力伝達部７において第２、第３指機構３０，４０の内部に前記ギア機構を配置した場合、当該ギア機構の施工性、メンテナンス性ならびに信頼性を向上できるようになる。もちろん、図示していないが、第２動力伝達部７において第２駆動部５ｂから基端関節４ａまでの動力伝達要素をギア機構としてもよい。
【０１２９】
また、第２、第３指機構３０，４０に備える切り替え部８についても、中間関節４ｂから先端関節４ｃまでの動力伝達要素をギア機構（８ａ〜８ｄ）にしているから、当該ギア機構の施工性、メンテナンス性ならびに信頼性を向上できるようになる。
【０１３０】
以下、上記ロボットハンドの他の実施形態を説明する。
【０１３１】
（１）上記実施形態において、第１指機構２０、第４指機構５０、第５指機構６０における動力伝達部については、詳細に説明していないが、従来例と同様のワイヤー機構を用いることができるし、また、上記第２指機構３０や第３指機構４０における動力伝達部と同様のギヤ機構を用いることができる。
【０１３２】
（２）上記実施形態のロボットハンドでは、第２指機構３０と第３指機構４０とについて、先端フレーム３１ｃ，４１ｃを中間フレーム３１ｂ，４１ｂに連係させる連係状態と連係させない連係解除状態とを意図的に実現できるように構成した例を挙げたが、第１指機構２０、第４指機構５０、第５指機構６０についても同様に構成することができ、どの箇所に適用するのかは、ロボットハンドの目的に応じて決めてやればよい。但し、上記実施形態のように、親指に相当する第１指機構２０は、関節の数と同数の駆動部を用いた構成にしているので、人の手の親指と略同様に動かせるようになっており、ロボットハンドを多様に動かすうえでは有利である。
【０１３３】
（３）上記実施形態では、３つのフレームを有する指機構において、先端フレームと中間フレームとを連係状態と連係解除状態とに切り替えるようにしているが、３つ以上のフレームを３つ以上の関節で傾動可能に連結した構成であっても、本発明を適用できる。その場合、連係状態や連係解除状態とに切り替える対象となる２つのフレームとしては、先端フレームとそれに連結される中間フレームとなる。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】本発明に係る多関節機構の一実施形態を示す平面図である。
【図２】図１の多関節機構を一側（図では右側）から見た図である。
【図３】図１の多関節機構を他側（図では左側）から見た図である。
【図４】図２の基端フレームの動きを示す図である。
【図５】図２の中間フレームと先端フレームとの連係時の動きを示す図である。
【図６】図２の中間フレームと先端フレームとの連係解除時の動きを示す図である。
【図７】図５の状態において先端フレームの物体に対する当接状態を示す説明図である。
【図８】図６の状態において先端フレームの物体に対する当接状態を示す説明図である。
【図９】図１のストッパーの他の例で、図２に対応する図である。
【図１０】本発明に係る多関節機構の他の実施形態で、図２に対応する図である。
【図１１】本発明に係るロボットハンドの一実施形態を甲側から見た上面図である。
【図１２】図１１のロボットハンドを第１指機構側から見た図である。
【図１３】図１１のロボットハンドを第５指機構側から見た図である。
【図１４】図１１の第２指機構単体を示す側面図である。
【図１５】図１１の第３指機構単体を示す側面図である。
【図１６】図１４の第２指機構および図１５の第３指機構を示す平面図である。
【図１７】図１６の第２、第３指機構を一側（図では右側）から見た図である。
【図１８】図１６の第２、第３指機構を他側（図では左側）から見た図である。
【図１９】図１８の第２、第３指機構における中間フレームと先端フレームとの連係時の動きを示す図である。
【図２０】図１８の第２、第３指機構における中間フレームと先端フレームとの連係解除時の動きを示す図である。
【図２１】図１１のロボットハンドによる物体の把持状態の好ましくない例を示す説明図である。
【図２２】図１１のロボットハンドによる物体の把持状態の好ましい例を示す説明図である。
【図２３】図１１のロボットハンドによる物体の把持状態の好ましくない他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１３５】
１ 多関節機構
２ ベース
３ａ 基端フレーム
３ｂ 中間フレーム
３ｃ 先端フレーム
４ａ 基端関節
４ｂ 中間関節
４ｃ 先端関節
５ａ 第１駆動部
５ｂ 第２駆動部
６ 第１動力伝達部
６ａ 第１プーリ
６ｂ 基端プーリ
６ｃ 第１ワイヤー
７ 第２動力伝達部
７ａ 第２プーリ
７ｂ 基端空転プーリ
７ｃ 第２ワイヤー
７ｄ 基端空転ギア
７ｅ 中間ギア
７ｆ〜７ｈ 基端中継ギア
８ 切り替え部
８ａ 中間空転ギア
８ｂ 先端ギア
８ｃ，８ｄ 中間中継ギア
９ ストッパー
１０ 物体
１５ ベース
２０ 第１指機構
３０ 第２指機構
３１ａ 基端フレーム
３１ｂ 中間フレーム
３１ｃ 先端フレーム
３２ａ 基端関節
３２ｂ 中間関節
３２ｃ 先端関節
３５ａ 第２指機構用の第５駆動部
３５ｂ 第２指機構用の第６駆動部
４０ 第３指機構
４１ａ 基端フレーム
４１ｂ 中間フレーム
４１ｃ 先端フレーム
４２ａ 基端関節
４２ｂ 中間関節
４２ｃ 先端関節
４４ａ 第３指機構用の第８駆動部
４４ｂ 第３指機構用の第９駆動部
５０ 第４指機構
６０ 第５指機構
７０ 物体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈伸可能な多関節機構、ならびに物体を把持可能とするロボットハンドに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、ロボットハンドにおいて、人の手に近似した多様な動きを実現して物体を操りやすくするには、多数の関節つまり自由度が必要である。このロボットハンドの指機構は、多数の関節を有し、モーター等の駆動部で発生する動力をワイヤーで各関節に伝達することで、屈伸可能にしている。前記駆動部は、関節の数と同数用いられており、これらの多数の駆動部は、例えば掌に相当する部分に搭載されている（特許文献１参照。）。
【０００３】
この場合、関節の数と同数の駆動部を用いているために、ロボットハンドを小型化できない。しかし、単純に駆動部の数を減らすと自由度が少なくなり、多様な動きができなくなる。
【０００４】
これに対し、駆動部の数を減らして小型化ならびに低コスト化を図るために、二つの関節を連係して駆動するようにしたものがある（特許文献２参照。）。例えば指機構において、指先の関節と、それに隣接する中間の関節とを連係して動作させるようにしている。このように二つの関節を連係動作させることで、駆動部の数を減らすことはできるが、指機構を細かく動かすことが難しくなる。そのため、ロボットハンドの把持状態を多様に作ることができなくなるので、複雑な形状の物体を把持しにくくなるとともに、物体を操りにくくなる。
【０００５】
そこで、二つの関節の連係動作を必要に応じて解除させることができれば、多様なロボットハンドの把持状態を作ることができ、好ましい。上記特許文献２では、関節にある二つのプーリの間に摩擦クラッチを挿入し、連係動作を解除可能にしている。この構成では、指機構に負荷がなければ二つの関節が連係動作して回転するが、摩擦力を超える負荷が指機構にかかると、二つの関節を連係動作させないようになる。
【特許文献１】特開平６−８１７８号公報
【特許文献２】特開２００３−８９０８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来例では、まず、ワイヤー駆動方式であるので、組立時にワイヤーの引き回しが難しく、また、使用経過に伴いワイヤーが緩むおそれがあり、さらにワイヤーの耐久性が不十分であるといった不具合が懸念される。
【０００７】
また、上記従来例では、摩擦クラッチを用いて二つの関節の連係動作を解除可能にしているが、この連係動作の解除は任意には行えないので、意図的に多様なロボットハンドの把持状態を作ることができない。しかも、大きな把持力が作用したとき、二つの関節の連係動作が勝手に解除されてしまうため、ロボットハンドの把持状態や条件が制限される等、複雑な形状の物体の把持ができなくなる。このように、従来例のロボットハンドでは、把持した物体を操る時に何らかの制限が加わるなど、より高度な把持動作を行うことができない。
【０００８】
そこで、本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、耐久性および施工性に優れた多関節機構ならびにロボットハンドの提供を目的とする。また、本発明は、小型化および低コスト化を図ったうえで、多様な動きを可能にした多関節機構ならびにロボットハンドの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る多関節機構は、直列配置される複数のフレームと、各フレームをそれぞれ傾動可能に連結する複数の関節と、前記適宜のフレームを傾動させるための動力を発生する駆動部と、この駆動部で発生する動力を前記適宜の関節に伝達する動力伝達部とを備え、前記動力伝達部において前記各関節間での動力伝達要素をギアで構成していることを特徴としている。
【００１０】
本発明の多関節機構は、要するに、多関節を有する装置全般に適用される。
【００１１】
この場合、動力伝達部としてのギアが、従来例のワイヤーに比べて静的強度ならびに疲労強度に優れている等、耐久性が向上する。しかも、従来例のワイヤーに比べて組み立てやすくなるので、自動組立が可能になる。
【００１２】
本発明に係る多関節機構は、直列配置される複数のフレームと、各フレームをそれぞれ傾動可能に連結する複数の関節と、前記複数のフレームのうちの基端フレームを傾動させるための動力を発生する第１駆動部と、前記複数のフレームのうちの中間フレームを駆動するための動力を発生する第２駆動部と、前記第１駆動部で発生する動力を前記基端フレームに伝達する第１動力伝達部と、前記第２駆動部で発生する動力を前記中間フレームに伝達する第２動力伝達部とを備え、前記第２動力伝達部において前記各関節間での動力伝達要素をギアで構成していることを特徴としている。
【００１３】
この場合、先端フレームを直接的に駆動する駆動部を備えていないから、構成が簡素となり、小型化、コンパクト化を図るうえで有利となる。
【００１４】
好ましくは、前記各関節のうち基端関節は、その両端がベースに固定されかつ前記基端フレームの一端に回動可能に支持される軸とされ、前記中間関節は、その両端が前記基端フレームの他端に固定されかつ前記中間フレームの一端に回動可能に貫通支持される軸とされ、前記先端関節は、その両端が前記中間フレームの他端に固定されかつ前記先端フレームの一端に回動可能に貫通支持される軸とされており、前記第２動力伝達部において前記各関節間での動力伝達要素は、基端関節としての軸に相対回動可能に支持される基端空転ギアと、前記中間フレームに固定されかつ中間関節としての軸に回動可能に支持される中間ギアと、前記基端空転ギアと中間ギアとの間に配置されて互いに噛合する一つまたは複数の基端中継ギアとを含む構成とされる。
【００１５】
この場合、各関節の構成や、動力伝達部の構成を特定したものであり、上記同様、耐久性ならびに施工性の向上が可能になる。
【００１６】
好ましくは、前記複数のフレームのうちの先端フレームを前記中間フレームの傾動動作に連係させる連係状態と、前記先端フレームを前記中間フレームに対し自由に傾動可能とする連係解除状態とを意図的に実現する切り替え部を備えた構成とされる。
【００１７】
この場合、連係解除状態にすると、先端フレームが中間フレームに対し自由に傾動可能な状態になるから、この先端フレームを適宜の物体に当接させるときに、先端フレームの広範囲を前記物体に沿わせた状態で当接させることが可能になる。
【００１８】
好ましくは、前記切り替え部は、中間関節としての軸で前記中間ギアと隣り合わせに回動可能に支持される中間空転ギアと、前記先端フレームに固定されかつ先端関節としての軸に回動可能に支持される先端ギアと、前記中間空転ギアと前記先端ギアとの間に配置されて互いに噛合する一つまたは複数の中間中継ギアと、この中間空転ギアを非回転に拘束して前記連係状態にしたりあるいは中間空転ギアの回転を許容して前記連係解除状態にしたりするストッパーとを含む構成とされる。
【００１９】
この場合、切り替え部もギアで構成しているから、上記同様、耐久性ならびに施工性の向上が可能になる。
【００２０】
好ましくは、前記ストッパーは、前記中間空転ギアの歯間に嵌入されて前記中間空転ギアを非回転に拘束する係止片と、この係止片を前記中間空転ギアの歯間に嵌入させるよう突出させたり前記中間空転ギアの歯間から抜くよう後退させたりする動作部とを含む構成とされる。
【００２１】
この場合、ストッパーを係止片と動作部のみの簡単な構成にしているから、設備コストを抑制するうえで有利となる。
【００２２】
好ましくは、前記動作部は、ソレノイドで構成することができる。好ましくは、前記動作部は、高分子アクチュエータで構成することができる。
【００２３】
これらの場合、ストッパーの動作部を比較的小型でかつ安価なものとすることが可能になり、占有スペースおよび設備コストを抑制するうえで有利となる。
【００２４】
好ましくは、前記先端フレームとそれに連結される中間フレームとに、当該先端フレームを前記中間フレームに対し一傾動方向に傾動させるよう弾発付勢するバネを設けることができる。
【００２５】
この場合、連係解除状態において、先端フレームが中間フレームの傾動方向と反対向きに安易に動きにくくなり、また、先端フレームが物体に当接したときに、物体に当接した状態を保ちやすくなる。
【００２６】
好ましくは、必要に応じて前記駆動部を駆動または非駆動にして前記各フレームの傾動動作を制御する制御部を有する構成とされる。
【００２７】
好ましくは、前記各関節には、互いに連結するフレーム間の相対的な傾きを測定する角度センサを設けることができる。
【００２８】
この場合、角度センサの出力に基づき各フレームの傾き角度を認識することが可能になる。
【００２９】
好ましくは、前記制御部は、前記連係状態において前記各フレームを傾動させるとき、前記角度センサの出力に基づき前記各フレームの姿勢を認識し、要求される姿勢にする処理を実行するものとされる。
【００３０】
この場合、各フレームの傾き角度の調整が比較的容易かつ高精度に行えるようになる。
【００３１】
好ましくは、前記先端フレームには、力覚センサを設けることができる。この場合、力覚センサの出力に基づき先端フレームの物体に対する接触状態を認識することが可能になる。
【００３２】
好ましくは、前記制御部は、前記連係状態において前記各フレームを傾動させている過程で前記先端フレームが物体に接触したときに前記力覚センサの出力に基づき前記切り替え部の駆動部によりストッパーを後退させて前記中間空転ギアを回転可能な連係解除状態にする処理を実行するものとされる。
【００３３】
この場合、先端フレームを物体に任意の状態で当接させることが可能になり、多関節機構の動きを多様化できる。
【００３４】
本発明に係るロボットハンドは、ベースと、このベースにそれぞれ片持ち梁状に支持されかつ突出方向複数箇所に関節を有する複数の指機構とを含むものであって、前記複数の指機構のうち少なくとも一つが、上述した多関節機構とされることを特徴としている。
【００３５】
この場合、ロボットハンドの指機構の動きを多様化できるようになり、人の指の動きに近似した高度な動きが可能になる。
【００３６】
ここでのロボットハンドは、適宜の物体を把持するような人の手（手首より先の部分）として利用されるが、その他、人の足（足首より先の部分）や、腕や足の構成と類似した機構を有するロボットとしても利用することが可能である。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、耐久性および施工性に優れた多関節機構ならびにロボットハンドを提供することができる。また、本発明は、小型化および低コスト化を図ったうえで、多様な動きを可能にした多関節機構ならびにロボットハンドを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３９】
〔多関節機構の説明〕
図１から図８を参照して、多関節機構１の最良の実施形態を説明する。この多関節機構１は、例えばロボットハンドの指機構等として利用される。
【００４０】
多関節機構１は、図１から図３に示すように、直列に配置した三つのフレーム３ａ，３ｂ，３ｃを三つの関節４ａ，４ｂ，４ｃでそれぞれ傾動可能に連結した状態でベース２に片持ち梁状に支持されており、二つの駆動部５ａ，５ｂと２系統の動力伝達部６，７と切り替え部８とでもって、三つのフレーム３ａ〜３ｃを三つの関節４ａ〜４ｃを中心として傾動させるようになっている。
【００４１】
以下、各部を詳細に説明する。
【００４２】
ベース２には、基端フレーム３ａの一端が基端関節４ａを介して傾動可能に支持されており、この基端フレーム３ａの他端には、中間フレーム３ｂの一端が中間関節４ｂを介して傾動可能に支持されており、この中間フレーム３ｂの他端には、先端フレーム３ｃが先端関節４ｃを介して傾動可能に支持されている。
【００４３】
各関節４ａ〜４ｃは、隣り合うフレーム３ａ〜３ｃそれぞれを傾動可能に連結する軸とされている。詳しくは、基端関節４ａは、両端がベース２に固定されかつ基端フレーム３ａの一端に回動可能に貫通支持される軸とされている。中間関節４ｂは、両端が基端フレーム３ａの他端に固定されかつ中間フレーム３ｂの一端に回動可能に貫通支持される軸とされている。先端関節４ｃは、両端が中間フレーム３ｂの他端に固定されかつ先端フレーム３ｃの一端に回動可能に貫通支持される軸とされている。
【００４４】
第１、第２駆動部５ａ，５ｂは、いずれも、例えばモーター等からなり、ベース２に搭載されている。第１駆動部５ａは、基端フレーム３ａを傾動するための回転動力を発生するものであり、第２駆動部５ｂは、中間フレーム３ｂを傾動するための回転動力を発生するものである。
【００４５】
第１動力伝達部６は、第１駆動部５ａで発生する回転動力を基端関節４ａに伝達するものである。この第１動力伝達部６は、図１および図２に示すように、第１駆動部５ａの出力軸（符号省略）に固定される第１プーリ６ａと、基端フレーム３ａに固定されかつ基端関節４ａとしての軸の一端側に回動可能に貫通支持される基端プーリ６ｂと、第１プーリ６ａと基端プーリ６ｂとに跨って巻き掛けられる第１ワイヤー６ｃとで構成されている。
【００４６】
第２動力伝達部７は、第２駆動部５ｂで発生する回転動力を中間関節４ｂに伝達するものである。この第２動力伝達部７は、図１から図３に示すように、第２駆動部５ａの出力軸（符号省略）に固定される第２プーリ７ａと、基端関節４ａとしての軸の他端側で基端プーリ６ｂと隣り合わせに回動可能に貫通支持される基端空転プーリ７ｂと、第２プーリ７ａと基端空転プーリ７ｂとに跨って巻き掛けられる第２ワイヤー７ｃと、基端空転プーリ７ｂと一体に形成される基端空転ギア７ｄと、中間フレーム３ｂに固定されかつ中間関節４ｂとしての軸の一端側に回動可能に貫通支持される中間ギア７ｅと、基端空転ギア７ｄと中間ギア７ｅとの間に配置されて互いに噛合する三つの基端中継ギア７ｆ，７ｇ，７ｈとで構成されている。
【００４７】
なお、三つの基端中継ギア７ｆ，７ｇ，７ｈは、支軸（符号省略）を介して基端フレーム３ａに回動可能に支持されている。この基端中継ギア７ｆ，７ｇ，７ｈの数は特に限定されないが、中間ギア７ｅを基端空転ギア７ｄと同一方向に回転させるには奇数とする必要がある。しかし、第２駆動部であるモーター５ｂを反転させれば済むことなので、中間ギア７eと基端空転ギア７ｄは同一方に回転させる必要はない。
【００４８】
切り替え部８は、先端フレーム３ｃを中間フレーム３ｂの傾動動作に連係させて傾動させる連係状態と、先端フレーム３ｃを中間フレーム３ｂの傾動動作に連係させずに自由傾動可能とする連係解除状態とに切り替えるものである。
【００４９】
この切り替え部８は、図１および図２に示すように、中間関節４ｂとしての軸の他端側で中間ギア７ｅと隣り合わせに回動可能に貫通支持される中間空転ギア８ａと、先端フレーム３ｃに固定されかつ先端関節４ｃとしての軸の一端側に回動可能に貫通支持される先端ギア８ｂと、中間空転ギア８ａと先端ギア８ｂとの間に配置されて互いに噛合する二つの中間中継ギア８ｃ，８ｄと、中間空転ギア８ａを非回転に拘束する状態と回転を許容する状態とに切り替えるストッパー９とで構成されている。
【００５０】
なお、二つの中間中継ギア８ｃ，８ｄは、支軸（符号省略）を介して中間フレーム３ｂに回動可能に支持されている。この中間中継ギア８ｃ，８ｄの数は特に限定されないが、先端ギア８ｂを中間ギア７ｅと同一方向に回転させるには偶数とする必要がある。
【００５１】
ところで、ストッパー９は、ソレノイドで構成されている。このソレノイドからなるストッパー９は、図２に示すように、円筒形の電磁石９ａと、電磁石９ａの中心に一端側が突出する状態でかつ非接触となる状態で挿入される可動鉄心９ｂと、可動鉄心９ｂの突出端側外周に巻回されるコイル９ｃと、可動鉄心９ｂの突出端に一直線上に連結された係止片９ｄとから構成されている。
【００５２】
このストッパー９の動作としては、可動鉄心９ｂを突出させることによって係止片９ｄを中間空転ギア８ａの歯間に嵌入させている場合に、中間空転ギア８ａを非回転に拘束する状態にすることができ、また、可動鉄心９ｂを後退させることによって係止片９ｄを中間空転ギア８ａの歯間から抜き出している場合に、中間空転ギア８ａの回転を許容する状態とすることができる。
【００５３】
このソレノイドからなるストッパー９は、電磁石９ａへの通電時に可動鉄心９ｂを突出させて、非通電時に可動鉄心９ｂが後退している構成になっている。但し、ストッパー９は、非通電時に可動鉄心９ｂが突出した状態で保持される構成であってもよい。
【００５４】
また、電磁石９ａは、係止片９ｄを進退変位させるだけであってパワーの小さなもので十分であるから、ソレノイドからなるストッパー９を基端フレーム３ａに収納配置でき、全体の小型化が可能になる。但し、ストッパー９はベース２側に配置してもよい。
【００５５】
次に、動作を説明する。
【００５６】
まず、第１駆動部５ａを駆動すると、例えば第１ワイヤー６ｃを介して基端プーリ６ｂが図４の矢印Ｘ方向（反時計方向）に回転されるので、図４に示すように、この基端プーリ６ｂと一体の基端フレーム３ａが基端プーリ６ｂと同方向（下向き）に傾動される。これにより、基端フレーム３ａがベース２に対して所定角度θ１傾く。
【００５７】
また、第２駆動部５ｂを第１駆動部５ａと同様に駆動すると、例えば第２ワイヤー７ｃを介して基端空転プーリ７ｂが回転されるとともに、基端空転プーリ７ｂと一体回転する基端空転ギア７ｄによって三つの基端中継ギア７ｆ，７ｇ，７ｈを介して中間ギア７ｅが基端空転ギア７ｄと同方向に回転されるので、この中間ギア７ｅと一体の中間フレーム３ｂが中間ギア７ｅと同方向（下向き）に傾動される。これにより、図５に示すように、中間フレーム３ｂが基端フレーム３ａに対して所定角度θ２傾く。
【００５８】
このとき、ストッパー９の係止片９ｄを中間空転ギア８ａの歯間に嵌入させて、中間空転ギア８ａを非回転に拘束している場合、図５に示すように、中間フレーム３ｂの傾動動作によって非回転の中間空転ギア８ａと噛合する二つの基端中継ギア８ｃ，８ｄが自転しながら中間空転ギア８ａの外周を中間フレーム３ｂの傾動方向と同方向に公転されるので、先端ギア８ｂが中間フレーム３ｂの傾動方向と同方向に回転され、この先端ギア８ｂと一体の先端フレーム３ｃが中間フレーム３ｂの傾動方向と同方向（下向き）に傾動される。これにより、先端フレーム３ｃが中間フレーム３ｂに対して所定角度θ３傾く。
【００５９】
つまり、中間空転ギア８ａを非回転に拘束すると、第２駆動部５ｂで発生する動力を中間関節４ｂを介して先端関節４ｃに伝達することができるので、先端フレーム３ｃを中間フレーム３ｂの傾動動作に連係して傾動させる連係状態にできる。
【００６０】
一方、ストッパー９の係止片９ｄを中間空転ギア８ａの歯間から抜き出して、中間空転ギア８ａを自由回転可能にしている場合、図６に示すように、中間フレーム３ｂが傾動しても中間空転ギア８ａと噛合する基端中継ギア８ｃ，８ｄが自転されなくなるので、先端ギア８ｂと一体の先端フレーム３ｃは傾動されなくなる。但し、先端ギア８ｂは何れにも拘束されていないので、先端ギア８ｂと一体の先端フレーム３ｃは先端関節４ｃを支点として上下いずれの方向にも傾動可能になっている。なお、図６の状態では、先端フレーム３ｃが自重により中間フレーム３ｂに対し下向きに所定角度θ４傾くことになる。
【００６１】
つまり、中間空転ギア８ａを自由回転可能にすると、第２駆動部５ｂで発生する動力を基端フレーム３ａから中間フレーム３ｂまで伝達するものの、中間フレーム３ｂから先端フレーム３ｃへの伝達を遮断することができるので、先端フレーム３ｃを中間フレーム３ｂの傾動動作に連係させない自由傾動可能な連係解除状態にできる。
【００６２】
このような多関節機構１において、棒状の物体１０に対する先端フレーム３ｃの当接状態を説明する。
【００６３】
まず、切り替え部８を連係状態にしている場合、棒状の物体１０に先端フレーム３ｃを当接させようとすると、例えば図７に示すように、中間フレーム３ｂおよび先端フレーム３ｃが連係してそれぞれ傾動するために、棒状の物体１０の外周面に対して先端フレーム３ｃの先端縁が当接することになる。
【００６４】
しかし、切り替え部８を連係状態にしておいて、中間フレーム３ｂを基端フレーム３ａに対し所定角度傾動させた後で、切り替え部８を連係解除状態にすると、中間フレーム３ｂに対し先端フレーム３ｃが自由に傾動可能になるので、棒状の物体１０の外周面に先端フレーム３ｃの先端角が当接しても、この先端フレーム３ｃが中間フレーム３ｂの傾動方向と反対向き（図の上向き）に動くことになって、図８に示すように、先端フレーム３ｃの側面が棒状の物体１０の外周面に沿って当接するようになる。このように先端フレーム３ｃの側面部分の広範囲が棒状の物体１０の外周面に当接する。この時点で、再度、切り替え部８を連係状態にすれば、前記当接状態を維持できるようになる。
【００６５】
以上説明した多関節機構１によれば、次のような効果が得られる。
【００６６】
まず、第２動力伝達部７において、基端関節４ａから中間関節４ｂまでの動力伝達要素をギア機構（７ｂ〜７ｈ）で行うようにしているとともに、中間関節４ｂから先端関節４ｃまでの動力伝達要素をギア機構（８ａ〜８ｄ）で行うようにしているから、従来例のワイヤーを用いる場合に比べて静的強度ならびに疲労強度に優れている等、耐久性が向上するとともに、従来例のワイヤーを用いる場合に比べて組み立てやすくなるので、自動組立が可能になる等、施工性が向上する。
【００６７】
また、駆動部の数を関節の数より少なくしているので、小型化ならびに低コスト化を図ることができる。このように駆動部の数を関節の数より少なくしても、すべてのフレーム３ａ〜３ｃをそれぞれ独立して傾動させることが可能になるので、多様な動きを可能にすることができる。
【００６８】
以下、本発明の多関節機構１の他の実施形態について説明する。
【００６９】
（１）上記ストッパー９は、長さを電気的に可変制御できる高分子アクチュエータ９ｅで構成することができる。この場合、例えば図９に示すように、ストッパー９としての高分子アクチュエータ９ｅの先端に係止片９ｄを連結する。この高分子アクチュエータ９ｅでは、その長さを長くして係止片９ｄを中間空転ギア８ａの歯間に嵌入させると、中間フレーム３ｂと先端フレーム３ｃとを連係させて動かすことができる。一方、高分子アクチュエータ９ｅの長さを短くして係止片９ｄを中間空転ギア８ａの歯間から抜き出すと、中間フレーム３ｂと先端フレーム３ｃとの連係動作を解除できる。なお、係止片９ｄを後退させる力は小さくてよく、また係止片９ｄの変位ストロークも中間空転ギア８ａの歯の高さ程度と短くてよいので、高分子アクチュエータ９ｅに要求される仕様は厳しくならずに済む。しかも、高分子アクチュエータ９ｅは、上述したソレノイドよりも軽量、小型であるので、基端フレーム３ａ内部に収納配置しやすくなり、好ましい。
【００７０】
（２）上記実施形態において、中間フレーム３ｂと先端フレーム３ｃとの連係解除状態では、先端フレーム３ｃが自由に回動できるので、例えば図１０に示すように、中間フレーム３ｂと先端フレーム３ｃとに跨って、先端フレーム３ｃを中間フレーム３ｂに対し下向きに弾性的に傾かせるためのバネ１１を組み込むようにしてもよい。図１０において、バネ１１は、一点鎖線で示している。
【００７１】
この場合、連結解除状態において、バネ１１の弾性復元力によって先端フレーム３ｃが自由に回転せずに一方向に傾くようになるので、先端フレーム３ｃを当接対象となる物体１０に当接させた状態において、先端フレーム３ｃが物体１０から離れることが防止される。
【００７２】
このようなバネ１１の弾性復元力であるが、多関節機構１の使用対象に応じて適宜設定すればよい。仮に、バネ１１の弾性復元力を大きくすると、連係解除状態において物体１０に対する接触圧が強くなりすぎて好ましくない場合が生ずる。そこで、バネ１１の弾性復元力を、例えば関節のロストルク以下に設定すれば、大きな外力が作用しない限り、先端フレーム３ｃが勝手に一方向に傾動することはない。どれくらいのバネ定数を設定するかは多関節機構１の使用対象に応じて適宜決定すればよい。但し、図示していないが、先端フレーム３ｃの先端ギア８ｂを、ストッパーなどで完全に止めることも可能であるが、連係解除状態では、先端フレーム３ｃを、ある程度自由に回動可能とするほうが好ましい。
【００７３】
（３）上記実施形態において、第１動力伝達部６のワイヤー機構（６ａ〜６ｃ）および第２動力伝達部７のワイヤー機構（７ａ〜７ｃ）を、図示していないが、ギア機構とすることができる。
【００７４】
（４）上記実施形態では、３つのフレームを３つの関節で傾動可能に連結した構成の多関節機構１を例に挙げているが、３つ以上のフレームを３つ以上の関節で傾動可能に連結した構成であっても、本発明を適用できる。その場合、連係状態や連係解除状態とに切り替える対象となる２つのフレームとしては、先端フレームとそれに連結される中間フレームが望ましい。しかしこれに限定されるわけではなく、多関節機構の中間部にある２つのフレームを連携状態や、連係解除状態とに切り替える対象としてもよい。これは、多関節機構の用途によって決めてやればよい。
【００７５】
〔ロボットハンドの説明〕
図１１から図２３を参照して、本発明に係るロボットハンドの実施形態を説明する。ここでのロボットハンドは、人の手に対応した形状にした例を挙げている。
【００７６】
ロボットハンドは、手のひらに相当するベース１５に、例えば五本の指機構２０，３０，４０，５０，６０をそれぞれ片持ち梁状に支持させた構成である。
【００７７】
第１〜第５指機構２０〜６０は、以下で詳細に説明するように、それぞれ、駆動部(本実施の形態ではモーター)および動力伝達部を介して適宜多様な動きができるようになっている。
【００７８】
この実施形態のロボットハンドでは、第２指機構３０および第３指機構４０に、上記多関節機構１と同様の構成を適用している。
【００７９】
まず、第１指機構２０、第４指機構５０ならびに第５指機構６０を説明してから、第２指機構３０および第３指機構４０を説明する。
【００８０】
〔第１指機構２０〕
第１指機構２０は、図１１から図１３に示すように、親指に相当するものであり、直列に配置した三つのフレーム２１ａ，２１ｂ，２１ｃを三つの関節２２ａ，２２ｂ，２２ｃでそれぞれ傾動可能に連結した構成である。
【００８１】
三つのフレーム２１ａ，２１ｂ，２１ｃのうち、基端フレーム２１ａは、第１アングル２３に基端関節２２ａを介して傾動可能に支持されている。この第１アングル２３は、付け根関節としての回転軸２４を介してベース１５に支持されている。回転軸２４の中心軸線は、各関節２２ａ〜２２ｃの中心軸線と略直交している。
【００８２】
この第１指機構２０は、三つのフレーム２１ａ，２１ｂ，２１ｃが第１、第２、第３駆動部２５ａ，２５ｂ，２５ｃで個別に傾動され、第１指機構２０全体が第４駆動部２５ｄで回転軸２４周りに旋回されるようになっており、計四つの自由度を有している。
【００８３】
第１〜第３駆動部２５ａ〜２５ｃは、第１アングル２３に搭載されており、詳細に図示していないが、３系統の動力伝達部を介して三つのフレーム２１ａ〜２１ｃを三つの関節２２ａ〜２２ｃを支点としてそれぞれ個別に傾動させる。
【００８４】
第４駆動部２５ｄは、ベース１５に搭載されており、直動―回転変換部２６を介して第１アングル２３を回転軸２４を支点として回転させる。直動―回転変換部２６は、ベース１５上に回転可能に支持されるスクリュー２８ａと、スクリュー２８ａに螺合されるナット２８ｂと、ナット２８ｂに一体化されかつ回転軸２４に固定された揺動アーム２８ｃと、第４駆動部２５ｄの出力軸（符号省略）に固定され駆動ギア２７ａと、スクリュー２８ａの一端に固定されかつ駆動ギア２７ａに噛合される従動ギア２７ａとを有している。スクリュー２８ａおよびナット２８ｂは、送りねじ機構を構成している。
【００８５】
この第１指機構２０の動作を説明する。
【００８６】
（ａ）第１駆動部２５ａを駆動すると、基端関節２２ａを支点として、基端フレーム２１ａ、中間フレーム２１ｂおよび先端フレーム２１ｃの全体が一体的に傾動する。
【００８７】
（ｂ）第２駆動部２５ｂを駆動すると、中間関節２２ｂを支点として、中間フレーム２１ｂおよび先端フレーム２１ｃが一体的に傾動する。
【００８８】
（ｃ）第３駆動部２５ｃを駆動すると、先端関節２２ｃの中心を支点として、指先フレーム２１ｃのみが傾動する。
【００８９】
（ｄ）第４駆動部２５ｄを駆動すると、駆動ギア２７ａおよび従動ギア２７ｂを介してスクリュー２８ａが回転される。このスクリュー２８ａの回転に伴いナット２８ｂがスクリュー２８ａに沿って直線的に往復移動し、このナット２８ｂと一体の揺動アーム２８ｃが一方向に所定角度回転するので、第１指機構２０全体が回転軸２４を中心に旋回する。第１指機構２０の旋回方向は、スクリュー２８ａの回転方向を変換することでコントロールできる。
【００９０】
〔第４指機構５０および第５指機構６０〕
図１１から図１３に示すように、第４指機構５０は、薬指に相当するものであり、直列に配置した三つのフレーム５１ａ，５１ｂ，５１ｃを三つの関節５２ａ，５２ｂ，５２ｃでそれぞれ傾動可能に連結した構成である。第５指機構６０は、小指に相当するものであり、直列に配置した三つのフレーム６１ａ，６１ｂ，６１ｃを三つの関節６２ａ，６２ｂ，６２ｃでそれぞれ傾動可能に連結した構成である。
【００９１】
第４指機構５０および第５指機構６０は、図１１および図１３に示すように、回転軸６３によって連結されている。この回転軸６３を第１０駆動部６４の動力で回転させることによって第４指機構５０および第５指機構６０を連係して屈伸させる。第１０駆動部６４はアングル６５に搭載されている。第１０駆動部６４と回転軸６３とは例えばギア機構（図示省略）によって連結されているが、このギア機構の詳細な構成は省略する。
【００９２】
この第４指機構５０および第５指機構６０の動作を説明する。第１０駆動部６４を駆動すると、第５指機構６０が基端関節６２ａを支点として、基端フレーム６１ａ、中間フレーム６１ｂおよび先端フレーム６１ｃの全体が傾動する。このとき、基端フレーム６１ａの傾動動作に連係して中間フレーム６１ｂが傾動し、この中間フレーム６１ｂの傾動動作に連係して先端フレーム６１ｃが傾動するようになっている。なお、第４指機構５０は第５指機構６０と連結されているので、第５指機構６０と同じ動きをする。このように、第４、第５指機構５０，６０は、合わせて一つの自由度を有している。
【００９３】
〔第２指機構３０〕
図１１および図１４に示すように、第２指機構３０は、人差し指に相当するものであり、直列に配置した三つのフレーム３１ａ，３１ｂ，３１ｃを三つの関節３２ａ，３２ｂ，３２ｃでそれぞれ傾動可能に連結した構成である。
【００９４】
三つのフレーム３１ａ〜３１ｃのうち、基端フレーム３１ａは、第２アングル３３に基端関節３２ａを介して傾動可能に支持されている。この第２アングル３３は、付け根関節としての回転軸３４を介してベース１５に支持されている。回転軸３４の中心軸線は、各関節３２ａ〜３２ｃの中心軸線と略直交している。
【００９５】
この第２指機構３０は、三つのフレーム３１ａ〜３１ｃが第５、第６駆動部３５ａ，３５ｂで傾動され、第２機構３０全体が第７駆動部３５ｃで付け根関節としての回転軸３４周りに旋回されるようになっている。
【００９６】
第５、第６駆動部３５ａ，３５ｂは、第２アングル３３に搭載されており、図１６から図１８に示すように、第１、第２動力伝達部６，７を介して、基端フレーム３１ａと中間フレーム３１ｂとを基端関節３２ａと中間関節３２ｂとを支点としてそれぞれ個別に傾動させるようになっている。そして、先端フレーム３１ｃは、図１７に示すように、切り替え部８によって、中間フレーム３１ｂと連係して駆動する連係状態と連係しない連係解除状態とに切り替えられるようになっている。
【００９７】
第７駆動部３５ｃは、図１１に示すように、ベース１５に搭載されており、直動―回転変換部３６を介して第２アングル３３を付け根関節としての回転軸３４を支点として旋回させる。
【００９８】
直動―回転変換部３６は、第７駆動部３５ｃの出力軸（符号省略）に固定されるスクリュー３７ａと、スクリュー３７ａに螺合されるナット３７ｂと、ナット３７ｂに一体化されかつ回転軸３４に固定された揺動アーム３７ｃとを有している。
【００９９】
スクリュー３７ａおよびナット３７ｂが送りねじ機構を構成している。スクリュー３７ａは、ベース１５上に回転可能に支持されている。
【０１００】
直動―回転変換部３６の動作としては、第７駆動部３５ｃを駆動すると、直動―回転変換部３６のスクリュー３７ａが回転される。このスクリュー３７ａの回転に伴いナット３７ｂがスクリュー３７ａに沿って直線的に往復移動し、このナット３７ｂと一体の揺動アーム３７ｃが一方向に所定角度回転するので、第２指機構３０全体が回転軸３４を中心に旋回する。第２指機構３０の旋回方向は、スクリュー３７ａの回転方向を変換することでコントロールできる。
【０１０１】
〔第３指機構４０〕
図１１および図２０に示すように、第３指機構４０は、中指に相当するものであり、直列に配置した三つのフレーム４１ａ，４１ｂ，４１ｃを三つの関節４２ａ，４２ｂ，４２ｃでそれぞれ傾動可能に連結した構成である。
【０１０２】
三つのフレーム４１ａ〜４１ｃのうち、基端フレーム４１ａは、第３アングル４３に基端関節４２ａを介して傾動可能に支持されている。この第３アングル４３は、ベース１５に固定されており、この第３アングル４３には、三つのフレーム４１ａ〜４１ｃを傾動させるための第８、第９駆動部４４ａ，４４ｂが搭載されている。
【０１０３】
この第３指機構４０は、三つのフレーム４１ａ〜４１ｃが第８、第９駆動部４４ａ，４４ｂで傾動されるようになっている。
【０１０４】
そして、上記第２指機構３０および第３指機構４０には、それぞれ、図１から図１０に示した多関節機構１における第１、第２動力伝達部６，７および切り替え部８と同一の機構を備えているので、以下で簡単に説明する。
【０１０５】
第１動力伝達部６は、第５駆動部３５ａ（第８駆動部４４ａ）で発生する回転動力を基端関節３２ａ（４２ａ）に伝達するものである。この第１動力伝達部６は、図１６および図１７に示すように、第５駆動部３５ａ（第８駆動部４４ａ）の出力軸（符号省略）に固定される第１プーリ６ａと、基端フレーム３１ａ（４１ａ）に固定されかつ基端関節３２ａ（４２ａ）としての軸の一端側に回動可能に貫通支持される基端プーリ６ｂと、第１プーリ６ａと基端プーリ６ｂとに跨って巻き掛けられる第１ワイヤー６ｃとで構成されている。
【０１０６】
第２動力伝達部７は、第６駆動部３５ｂ（第９駆動部４４ｂ）で発生する回転動力を中間関節３２ｂ（４２ｂ）に伝達するものである。この第２動力伝達部７は、図１６から図１８に示すように、第６駆動部３５ｂ（第９駆動部４４ｂ）の出力軸（符号省略）に固定される第２プーリ７ａと、基端関節３２ａ（４２ａ）としての軸の他端側で基端プーリ６ｂと隣り合わせに回動可能に貫通支持される基端空転プーリ７ｂと、第２プーリ７ａと基端空転プーリ７ｂとに跨って巻き掛けられる第２ワイヤー７ｃと、基端空転プーリ７ｂと一体に形成される基端空転ギア７ｄと、中間フレーム３１ｂ（４１ｂ）に固定されかつ中間関節３２ｂ（４２ｂ）としての軸の一端側に回動可能に貫通支持される中間ギア７ｅと、基端空転ギア７ｄと中間ギア７ｅとの間に配置されて互いに噛合する三つの基端中継ギア７ｆ，７ｇ，７ｈとで構成されている。なお、三つの基端中継ギア７ｆ，７ｇ，７ｈは、支軸（符号省略）を介して基端フレーム３１ａ（４１ａ）に回動可能に支持されている。
【０１０７】
切り替え部８は、先端フレーム３１ｃ（４１ｃ）を中間フレーム３１ｂ（４１ｂ）の傾動動作に連係させて傾動させる連係状態と、先端フレーム３１ｃ（４１ｃ）を中間フレーム３１ｂ（４１ｂ）の傾動動作に連係させずに自由傾動可能とする連係解除状態とに切り替えるものである。
【０１０８】
この切り替え部８は、図１６および図１７に示すように、中間関節３２ｂ（４２ｂ）としての軸の他端側で中間ギア７ｅと隣り合わせに回動可能に貫通支持される中間空転ギア８ａと、先端フレーム３１ｃ（４１ｃ）に固定されかつ先端関節３２ｃ（４２ｃ）としての軸の一端側に回動可能に貫通支持される先端ギア８ｂと、中間空転ギア８ａと先端ギア８ｂとの間に配置されて互いに噛合する二つの中間中継ギア８ｃ，８ｄと、中間空転ギア８ａを非回転に拘束する状態と回転を許容する状態とに切り替えるストッパー９とで構成されている。なお、二つの中間中継ギア８ｃ，８ｄは、支軸（符号省略）を介して中間フレーム３１ｂ（４１ｂ）に回動可能に支持されている。
【０１０９】
なお、ストッパー９は、ソレノイドで構成されている。このソレノイドからなるストッパー９は、円筒形の電磁石９ａと、電磁石９ａの中心に一端側が突出する状態でかつ非接触となる状態で挿入される可動鉄心９ｂと、可動鉄心９ｂの突出端側外周に巻回されるコイル９ｃと、可動鉄心９ｂの突出端に一直線上に連結された係止片９ｄとから構成されている。
【０１１０】
次に、上記第２指機構３０および第３指機構４０の動作を説明する。
【０１１１】
まず、第５駆動部３５ａ（第８駆動部４４ａ）を駆動すると、基端関節３２ａ（基端関節４２ａ）を支点として、基端フレーム３１ａ（基端フレーム４１ａ）、中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）および先端フレーム３１ｃ（先端フレーム４１ｃ）の全体が一体的に傾動する。
【０１１２】
また、第６駆動部３５ｂ（第９駆動部４４ｂ）を駆動すると、中間関節３２ｂ（中間関節４２ｂ）を支点として、中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）および先端フレーム３１ｃ（先端フレーム４１ｃ）が一体的に傾動する。
【０１１３】
このとき、切り替え部８によって、ストッパー９の係止片９ｄを中間空転ギア８ａの歯間に嵌入させて、中間空転ギア８ａを非回転に拘束している場合、図１９に示すように、中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）が所定角度θ２傾くと、その傾動動作によって非回転の中間空転ギア８ａと噛合する二つの基端中継ギア８ｃ，８ｄが自転しながら中間空転ギア８ａの外周を中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）の傾動方向と同方向に公転されるので、先端ギア８ｂが中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）の傾動方向と同方向に回転され、この先端ギア８ｂと一体の先端フレーム３１ｃ（先端フレーム４１ｃ）が中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）の傾動方向と同方向（下向き）に傾動される。これにより、先端フレーム３１ｃ（先端フレーム４１ｃ）が中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）に対して所定角度θ３傾く。
【０１１４】
つまり、中間空転ギア８ａを非回転に拘束すると、第２駆動部５ｂで発生する動力を中間関節４ｂを介して先端関節４ｃに伝達することができるので、先端フレーム３１ｃ（先端フレーム４１ｃ）を中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）に連係して傾動動作させる連係状態にできる。
【０１１５】
一方、ストッパー９の係止片９ｄを中間空転ギア８ａの歯間から抜き出して、中間空転ギア８ａを自由回転可能にしている場合、図２０に示すように、中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）が所定角度θ２傾いても、中間空転ギア８ａと噛合する基端中継ギア８ｃ，８ｄが自転されなくなるので、先端ギア８ｂと一体の先端フレーム３１ｃ（先端フレーム４１ｃ）は傾動されなくなる。但し、先端ギア８ｂは何れにも拘束されていないので、先端ギア８ｂと一体の先端フレーム３１ｃ（先端フレーム４１ｃ）は先端関節４ｃを支点として上下いずれの方向にも傾動可能になっている。なお、図２０の状態では、先端フレーム３１ｃ（先端フレーム４１ｃ）が自重により中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）に対し下向きに所定角度θ４傾くことになる。
【０１１６】
つまり、中間空転ギア８ａを自由回転可能にすると、第２駆動部５ｂで発生する動力を基端フレーム３１ａ（基端フレーム４１ａ）から中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）まで伝達するものの、中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）から先端フレーム３１ｃ（先端フレーム４１ｃ）への伝達を遮断することができるので、先端フレーム３１ｃ（先端フレーム４１ｃ）を中間フレーム３１ｂ（中間フレーム４１ｂ）に連係して傾動動作させない自由傾動可能な連係解除状態にできる。
【０１１７】
次に、上述したロボットハンドにより、例えばチョーク等の棒状の物体７０を把持する場合の動作を説明する。
【０１１８】
まず、第２、第３指機構３０，４０の先端フレーム３１ｃ，４１ｃと中間フレーム３１ｂ，４１ｂとを連係させる連係状態にしたままで、物体７０を掴ませるようにすると、図２１に示すように、物体７０の外周に先端フレーム３１ｃ，４１ｃの先端縁が当接して、第２、第３指機構３０，４０の先端フレーム３１ｃ，４１ｃの先端縁で摘んだような形態となり、把持状態が不安定になる。
【０１１９】
しかし、第２、第３指機構３０，４０の先端フレーム３１ｃ，４１ｃと中間フレーム３１ｂ，４１ｂとを連係させない連係解除状態にしておいて、物体７０を掴ませるようにすれば、先端フレーム３１ｃ，４１ｃが自由に傾動できるので、図２２に示すように、指が開く方向にやや回転して先端フレーム３１ｃ，４１ｃの側面が物体７０に添った好ましい把持状態になる。この状態になると、再び連係を実行し指先部から把持力が発生するようになり、しっかりと物体７０を把持することができる。
【０１２０】
但し、第２、第３指機構３０，４０において、連係解除状態にすると、先端フレーム３１ｃ，４１ｃが何れにも拘束されずに自由に回動するようになるので、例えば図２３に示すように、適切な把持状態を作り出すことができなくなる場合がある。この点を考慮し、第２、第３指機構３０，４０においては、図１０で示したバネ１１を組み込むようにするのが好ましい。このバネ１１を組み込めば、第２、第３指機構３０，４０の先端フレーム３１ｃ，４１ｃが常時において手のひら側に傾動するよう弾発付勢されるので、ロボットハンド全体にしてみれば物体７０を握りこむような形にできる。特に、連係解除状態において、先端フレーム３１ｃ，４１ｃが物体７０に接触すると、接触したままに保つことができるので、人の手の動きにより近づくようになる。
【０１２１】
なお、連係状態にしておいて物体７０に先端フレーム３１ｃ，４１ｃの先端縁を当接させてから、この当接した時点で、連係解除状態にするように制御してもよい。このように把持動作の途中で連係を解除し、その後再び連係状態に切り替えるという制御を行うには、連係解除状態と連係状態との切り替えタイミングが重要になる。
【０１２２】
そのためには、例えば先端フレーム３１ｃ，４１ｃの先端角から側面にかけて力覚センサ（図示省略）を取り付け、この力覚センサの出力で、連係の解除、実行を制御すればよい。この場合には、図２２に示す状態のときに力覚センサにて先端フレーム３１ｃ，４１ｃにかかるせん断力や垂直力などを測定することで、先端フレーム３１ｃ，４１ｃに無理な力が加わったとしたら連係を解除してやればよい。また予め連係を解除している場合には、物体７０に接触したのを検出してそのタイミングで連係を実行させてやれば、物体７０に把持力を加えてやることができる。
【０１２３】
ところで、上述したロボットハンドにおける各指機構２０〜６０の傾動動作ならびに第１、第２指機構２０，３０の旋回動作は、各関節にポテンショメータ等の角度センサ（図示省略）を搭載して、この角度センサで各回転部分の回転角度を検出し、その検出値に基づいて制御部（図示省略）により制御することができる。
【０１２４】
他の方法として、各関節に搭載している前記角度センサの値から判断する方法もある。仮に把持動作が決まっているのであれば、制御部（図示省略）によって予め設定された回転角で連係動作を解除し、次の設定された回転角で再び連係させるようにすればよい。更に連係の解除動作、連係動作を繰り返して最後に指機構を基のまっすぐな状態に戻すときは、連係状態にしている二つの関節の回転角を一致させなければならない。そのときは、各関節に搭載している前記角度センサの値を確認しながら、連係動作を実行するタイミングを決めてやればよい。
【０１２５】
上記のようにして制御部（図示省略）で先端フレーム３１ｃ，４１ｃとそれに隣接する中間フレーム３１ｂ，４１ｂの連係動作と連係解除動作とを選択的に行うようにすれば、多様なロボットハンドの把持状態を作ることができる。そのため連係動作の実行、連係の解除動作の実行を適宜制御することが多様なロボットハンドの把持状態を作るうえで重要になってくる。
【０１２６】
以上説明したロボットハンドでは、その第２指機構３０および第３指機構４０における先端フレーム３１ｃ，４１ｃを中間フレーム３１ｂ，４１ｂの傾動動作に連係して傾動させるように構成することにより、関節の数より駆動部としてのモーターの数を少なくしている。そのため、ロボットハンドの小型化ならびに低コスト化を図ることができる。
【０１２７】
しかも、このように駆動部としてのモーターの使用数を少なくしても、先端フレーム３１ｃ，４１ｃを中間フレーム３１ｂ，４１ｂと連係させる連係状態と連係させない連係解除状態とを切り替えることによって、ロボットハンドによる物体７０の把持姿勢を比較的多様化できるようになる。
【０１２８】
また、第２、第３指機構３０，４０に備える第２動力伝達部７においては、第２駆動部５ｂから基端関節４ａまでの動力伝達要素をワイヤー機構（７ａ〜７ｃ）として、基端関節４ａから中間関節４ｂまでの動力伝達要素をギア機構（７ｄ〜７ｈ）としている。このように第２動力伝達部７において第２、第３指機構３０，４０の外部に前記ワイヤー機構を配置した場合、第２駆動部５ｂの配置を自由にできるようになる。また、第２動力伝達部７において第２、第３指機構３０，４０の内部に前記ギア機構を配置した場合、当該ギア機構の施工性、メンテナンス性ならびに信頼性を向上できるようになる。もちろん、図示していないが、第２動力伝達部７において第２駆動部５ｂから基端関節４ａまでの動力伝達要素をギア機構としてもよい。
【０１２９】
また、第２、第３指機構３０，４０に備える切り替え部８についても、中間関節４ｂから先端関節４ｃまでの動力伝達要素をギア機構（８ａ〜８ｄ）にしているから、当該ギア機構の施工性、メンテナンス性ならびに信頼性を向上できるようになる。
【０１３０】
以下、上記ロボットハンドの他の実施形態を説明する。
【０１３１】
（１）上記実施形態において、第１指機構２０、第４指機構５０、第５指機構６０における動力伝達部については、詳細に説明していないが、従来例と同様のワイヤー機構を用いることができるし、また、上記第２指機構３０や第３指機構４０における動力伝達部と同様のギヤ機構を用いることができる。
【０１３２】
（２）上記実施形態のロボットハンドでは、第２指機構３０と第３指機構４０とについて、先端フレーム３１ｃ，４１ｃを中間フレーム３１ｂ，４１ｂに連係させる連係状態と連係させない連係解除状態とを意図的に実現できるように構成した例を挙げたが、第１指機構２０、第４指機構５０、第５指機構６０についても同様に構成することができ、どの箇所に適用するのかは、ロボットハンドの目的に応じて決めてやればよい。但し、上記実施形態のように、親指に相当する第１指機構２０は、関節の数と同数の駆動部を用いた構成にしているので、人の手の親指と略同様に動かせるようになっており、ロボットハンドを多様に動かすうえでは有利である。
【０１３３】
（３）上記実施形態では、３つのフレームを有する指機構において、先端フレームと中間フレームとを連係状態と連係解除状態とに切り替えるようにしているが、３つ以上のフレームを３つ以上の関節で傾動可能に連結した構成であっても、本発明を適用できる。その場合、連係状態や連係解除状態とに切り替える対象となる２つのフレームとしては、先端フレームとそれに連結される中間フレームとなる。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】本発明に係る多関節機構の一実施形態を示す平面図である。
【図２】図１の多関節機構を一側（図では右側）から見た図である。
【図３】図１の多関節機構を他側（図では左側）から見た図である。
【図４】図２の基端フレームの動きを示す図である。
【図５】図２の中間フレームと先端フレームとの連係時の動きを示す図である。
【図６】図２の中間フレームと先端フレームとの連係解除時の動きを示す図である。
【図７】図５の状態において先端フレームの物体に対する当接状態を示す説明図である。
【図８】図６の状態において先端フレームの物体に対する当接状態を示す説明図である。
【図９】図１のストッパーの他の例で、図２に対応する図である。
【図１０】本発明に係る多関節機構の他の実施形態で、図２に対応する図である。
【図１１】本発明に係るロボットハンドの一実施形態を甲側から見た上面図である。
【図１２】図１１のロボットハンドを第１指機構側から見た図である。
【図１３】図１１のロボットハンドを第５指機構側から見た図である。
【図１４】図１１の第２指機構単体を示す側面図である。
【図１５】図１１の第３指機構単体を示す側面図である。
【図１６】図１４の第２指機構および図１５の第３指機構を示す平面図である。
【図１７】図１６の第２、第３指機構を一側（図では右側）から見た図である。
【図１８】図１６の第２、第３指機構を他側（図では左側）から見た図である。
【図１９】図１８の第２、第３指機構における中間フレームと先端フレームとの連係時の動きを示す図である。
【図２０】図１８の第２、第３指機構における中間フレームと先端フレームとの連係解除時の動きを示す図である。
【図２１】図１１のロボットハンドによる物体の把持状態の好ましくない例を示す説明図である。
【図２２】図１１のロボットハンドによる物体の把持状態の好ましい例を示す説明図である。
【図２３】図１１のロボットハンドによる物体の把持状態の好ましくない他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１３５】
１ 多関節機構
２ ベース
３ａ 基端フレーム
３ｂ 中間フレーム
３ｃ 先端フレーム
４ａ 基端関節
４ｂ 中間関節
４ｃ 先端関節
５ａ 第１駆動部
５ｂ 第２駆動部
６ 第１動力伝達部
６ａ 第１プーリ
６ｂ 基端プーリ
６ｃ 第１ワイヤー
７ 第２動力伝達部
７ａ 第２プーリ
７ｂ 基端空転プーリ
７ｃ 第２ワイヤー
７ｄ 基端空転ギア
７ｅ 中間ギア
７ｆ〜７ｈ 基端中継ギア
８ 切り替え部
８ａ 中間空転ギア
８ｂ 先端ギア
８ｃ，８ｄ 中間中継ギア
９ ストッパー
１０ 物体
１５ ベース
２０ 第１指機構
３０ 第２指機構
３１ａ 基端フレーム
３１ｂ 中間フレーム
３１ｃ 先端フレーム
３２ａ 基端関節
３２ｂ 中間関節
３２ｃ 先端関節
３５ａ 第２指機構用の第５駆動部
３５ｂ 第２指機構用の第６駆動部
４０ 第３指機構
４１ａ 基端フレーム
４１ｂ 中間フレーム
４１ｃ 先端フレーム
４２ａ 基端関節
４２ｂ 中間関節
４２ｃ 先端関節
４４ａ 第３指機構用の第８駆動部
４４ｂ 第３指機構用の第９駆動部
５０ 第４指機構
６０ 第５指機構
７０ 物体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列配置される複数のフレームと、各フレームをそれぞれ傾動可能に連結する複数の関節と、前記適宜のフレームを傾動させるための動力を発生する駆動部と、この駆動部で発生する動力を前記適宜の関節に伝達する動力伝達部とを備え、
前記動力伝達部において前記各関節間での動力伝達要素をギアで構成していることを特徴とする多関節機構。
【請求項２】
直列配置される複数のフレームと、
各フレームをそれぞれ傾動可能に連結する複数の関節と、
前記複数のフレームのうちの基端フレームを傾動させるための動力を発生する第１駆動部と、
前記複数のフレームのうちの中間フレームを駆動するための動力を発生する第２駆動部と、
前記第１駆動部で発生する動力を前記基端フレームに伝達する第１動力伝達部と、
前記第２駆動部で発生する動力を前記中間フレームに伝達する第２動力伝達部とを備え、
前記第２動力伝達部において前記各関節間での動力伝達要素をギアで構成していることを特徴とする多関節機構。
【請求項３】
請求項２に記載の多関節機構において、
前記各関節のうち基端関節は、その両端がベースに固定されかつ前記基端フレームの一端に回動可能に支持される軸とされ、前記中間関節は、その両端が前記基端フレームの他端に固定されかつ前記中間フレームの一端に回動可能に貫通支持される軸とされ、前記先端関節は、その両端が前記中間フレームの他端に固定されかつ前記先端フレームの一端に回動可能に貫通支持される軸とされており、
前記第２動力伝達部において前記各関節間での動力伝達要素は、基端関節としての軸に相対回動可能に支持される基端空転ギアと、前記中間フレームに固定されかつ中間関節としての軸に回動可能に支持される中間ギアと、前記基端空転ギアと中間ギアとの間に配置されて互いに噛合する一つまたは複数の基端中継ギアとを含む構成とされていることを特徴とする多関節機構。
【請求項４】
請求項２または３に記載の多関節機構において、
前記複数のフレームのうちの先端フレームを前記中間フレームの傾動動作に連係させる連係状態と、前記先端フレームを前記中間フレームに対し自由に傾動可能とする連係解除状態とを意図的に実現する切り替え部を備えていることを特徴とする多関節機構。
【請求項５】
請求項４に記載の多関節機構において、
前記切り替え部は、中間関節としての軸で前記中間ギアと隣り合わせに回動可能に支持される中間空転ギアと、前記先端フレームに固定されかつ先端関節としての軸に回動可能に支持される先端ギアと、前記中間空転ギアと前記先端ギアとの間に配置されて互いに噛合する一つまたは複数の中間中継ギアと、この中間空転ギアを非回転に拘束して前記連係状態にしたりあるいは中間空転ギアの回転を許容して前記連係解除状態にしたりするストッパーとを含む構成とされていることを特徴とする多関節機構。
【請求項６】
請求項５に記載の多関節機構において、
前記ストッパーは、前記中間空転ギアの歯間に嵌入されて前記中間空転ギアを非回転に拘束する係止片と、この係止片を前記中間空転ギアの歯間に嵌入させるよう突出させたり前記中間空転ギアの歯間から抜くよう後退させたりする動作部とを含む構成とされていることを特徴とする多関節機構。
【請求項７】
請求項６に記載の多関節機構において、
前記動作部は、ソレノイドで構成されていることを特徴とする多関節機構。
【請求項８】
請求項６に記載の多関節機構において、
前記動作部は、高分子アクチュエータで構成されていることを特徴とする多関節機構。
【請求項９】
請求項４から８のいずれかに記載の多関節機構において、
前記先端フレームとそれに連結される中間フレームとに、当該先端フレームを前記中間フレームに対し一傾動方向に傾動させるよう弾発付勢するバネが設けられていることを特徴とする多関節機構。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載の多関節機構において、
必要に応じて前記駆動部を駆動または非駆動にして前記各フレームの傾動動作を制御する制御部を有することを特徴とする多関節機構。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれかに記載の多関節機構において、
前記各関節には、互いに連結するフレーム間の相対的な傾きを測定する角度センサが設けられていることを特徴とする多関節機構。
【請求項１２】
請求項１１に記載の多関節機構において、
前記制御部は、前記連係状態において前記各フレームを傾動させるとき、前記角度センサの出力に基づき前記各フレームの姿勢を認識し、要求される姿勢にする処理を実行することを特徴とする多関節機構。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれかに記載の多関節機構において、
前記先端フレームには、力覚センサが設けられていることを特徴とする多関節機構。
【請求項１４】
請求項１３に記載の多関節機構において、
前記制御部は、前記連係状態において前記各フレームを傾動させている過程で前記先端フレームが物体に接触したときに前記力覚センサの出力に基づき前記切り替え部の駆動部によりストッパーを後退させて前記中間空転ギアを回転可能な連係解除状態にする処理を実行することを特徴とする多関節機構。
【請求項１５】
ベースと、このベースにそれぞれ片持ち梁状に支持されかつ突出方向複数箇所に関節を有する複数の指機構とを含むロボットハンドにおいて、
前記複数の指機構のうち少なくとも一つが、上記請求項１から１４のいずれかに記載の多関節機構とされていることを特徴とするロボットハンド。
【請求項１】
直列配置される複数のフレームと、各フレームをそれぞれ傾動可能に連結する複数の関節と、前記適宜のフレームを傾動させるための動力を発生する駆動部と、この駆動部で発生する動力を前記適宜の関節に伝達する動力伝達部とを備え、
前記動力伝達部において前記各関節間での動力伝達要素をギアで構成していることを特徴とする多関節機構。
【請求項２】
直列配置される複数のフレームと、
各フレームをそれぞれ傾動可能に連結する複数の関節と、
前記複数のフレームのうちの基端フレームを傾動させるための動力を発生する第１駆動部と、
前記複数のフレームのうちの中間フレームを駆動するための動力を発生する第２駆動部と、
前記第１駆動部で発生する動力を前記基端フレームに伝達する第１動力伝達部と、
前記第２駆動部で発生する動力を前記中間フレームに伝達する第２動力伝達部とを備え、
前記第２動力伝達部において前記各関節間での動力伝達要素をギアで構成していることを特徴とする多関節機構。
【請求項３】
請求項２に記載の多関節機構において、
前記各関節のうち基端関節は、その両端がベースに固定されかつ前記基端フレームの一端に回動可能に支持される軸とされ、前記中間関節は、その両端が前記基端フレームの他端に固定されかつ前記中間フレームの一端に回動可能に貫通支持される軸とされ、前記先端関節は、その両端が前記中間フレームの他端に固定されかつ前記先端フレームの一端に回動可能に貫通支持される軸とされており、
前記第２動力伝達部において前記各関節間での動力伝達要素は、基端関節としての軸に相対回動可能に支持される基端空転ギアと、前記中間フレームに固定されかつ中間関節としての軸に回動可能に支持される中間ギアと、前記基端空転ギアと中間ギアとの間に配置されて互いに噛合する一つまたは複数の基端中継ギアとを含む構成とされていることを特徴とする多関節機構。
【請求項４】
請求項２または３に記載の多関節機構において、
前記複数のフレームのうちの先端フレームを前記中間フレームの傾動動作に連係させる連係状態と、前記先端フレームを前記中間フレームに対し自由に傾動可能とする連係解除状態とを意図的に実現する切り替え部を備えていることを特徴とする多関節機構。
【請求項５】
請求項４に記載の多関節機構において、
前記切り替え部は、中間関節としての軸で前記中間ギアと隣り合わせに回動可能に支持される中間空転ギアと、前記先端フレームに固定されかつ先端関節としての軸に回動可能に支持される先端ギアと、前記中間空転ギアと前記先端ギアとの間に配置されて互いに噛合する一つまたは複数の中間中継ギアと、この中間空転ギアを非回転に拘束して前記連係状態にしたりあるいは中間空転ギアの回転を許容して前記連係解除状態にしたりするストッパーとを含む構成とされていることを特徴とする多関節機構。
【請求項６】
請求項５に記載の多関節機構において、
前記ストッパーは、前記中間空転ギアの歯間に嵌入されて前記中間空転ギアを非回転に拘束する係止片と、この係止片を前記中間空転ギアの歯間に嵌入させるよう突出させたり前記中間空転ギアの歯間から抜くよう後退させたりする動作部とを含む構成とされていることを特徴とする多関節機構。
【請求項７】
請求項６に記載の多関節機構において、
前記動作部は、ソレノイドで構成されていることを特徴とする多関節機構。
【請求項８】
請求項６に記載の多関節機構において、
前記動作部は、高分子アクチュエータで構成されていることを特徴とする多関節機構。
【請求項９】
請求項４から８のいずれかに記載の多関節機構において、
前記先端フレームとそれに連結される中間フレームとに、当該先端フレームを前記中間フレームに対し一傾動方向に傾動させるよう弾発付勢するバネが設けられていることを特徴とする多関節機構。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載の多関節機構において、
必要に応じて前記駆動部を駆動または非駆動にして前記各フレームの傾動動作を制御する制御部を有することを特徴とする多関節機構。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれかに記載の多関節機構において、
前記各関節には、互いに連結するフレーム間の相対的な傾きを測定する角度センサが設けられていることを特徴とする多関節機構。
【請求項１２】
請求項１１に記載の多関節機構において、
前記制御部は、前記連係状態において前記各フレームを傾動させるとき、前記角度センサの出力に基づき前記各フレームの姿勢を認識し、要求される姿勢にする処理を実行することを特徴とする多関節機構。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれかに記載の多関節機構において、
前記先端フレームには、力覚センサが設けられていることを特徴とする多関節機構。
【請求項１４】
請求項１３に記載の多関節機構において、
前記制御部は、前記連係状態において前記各フレームを傾動させている過程で前記先端フレームが物体に接触したときに前記力覚センサの出力に基づき前記切り替え部の駆動部によりストッパーを後退させて前記中間空転ギアを回転可能な連係解除状態にする処理を実行することを特徴とする多関節機構。
【請求項１５】
ベースと、このベースにそれぞれ片持ち梁状に支持されかつ突出方向複数箇所に関節を有する複数の指機構とを含むロボットハンドにおいて、
前記複数の指機構のうち少なくとも一つが、上記請求項１から１４のいずれかに記載の多関節機構とされていることを特徴とするロボットハンド。
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２００６−１１６６６７（Ｐ２００６−１１６６６７Ａ）
【公開日】平成１８年５月１１日（２００６．５．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３０８５１８（Ｐ２００４−３０８５１８）
【出願日】平成１６年１０月２２日（２００４．１０．２２）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月１１日（２００６．５．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月２２日（２００４．１０．２２）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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