関節装置、関節装置を用いたフィンガーユニット、及び、ユニバーサルロボットハンド
【課題】人の指のごとき微妙な動作を実現することが可能な関節装置、関節装置を用いたロボットフィンガー、及び、ユニバーサルロボットハンドを提供する。
【解決手段】一方のリンク部材Ｌに固定したフレクスプライン７と、その回転軸心Ｐと交差する方向に延出形成した薄肉部８ａを他方のリンク部材Ｌに固定したサーキュラスプライン８とを備えてなるハーモニックドライブＨを前記関節部材Ｊに組み込み、基端側リンク部材Ｌに収容したモータＭの出力を基端側のウェーブジェネレータ６に伝達する第一の伝動機構Ｔ１と、前記モータＭの出力を前記第一の伝動機構Ｔ１及び前記基端側リンク部材Ｌに隣接するリンク部材Ｌに収容した伝達シャフトＳを介して前記基端側のウェーブジェネレータ６に隣接するウェーブジェネレータ６に伝達する第二の伝動機構Ｔ２を備える。
【解決手段】一方のリンク部材Ｌに固定したフレクスプライン７と、その回転軸心Ｐと交差する方向に延出形成した薄肉部８ａを他方のリンク部材Ｌに固定したサーキュラスプライン８とを備えてなるハーモニックドライブＨを前記関節部材Ｊに組み込み、基端側リンク部材Ｌに収容したモータＭの出力を基端側のウェーブジェネレータ６に伝達する第一の伝動機構Ｔ１と、前記モータＭの出力を前記第一の伝動機構Ｔ１及び前記基端側リンク部材Ｌに隣接するリンク部材Ｌに収容した伝達シャフトＳを介して前記基端側のウェーブジェネレータ６に隣接するウェーブジェネレータ６に伝達する第二の伝動機構Ｔ２を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のリンク部材をその軸心方向と交差する方向の軸心周りに回転する関節部材を介して連結してなる関節装置、関節装置を用いたフィンガーユニット、及び、ユニバーサルロボットハンドに関する。
【背景技術】
【０００２】
生産現場において利用されている産業用ロボットの把持装置（以下、「ハンド」とも記す。）にはプライヤのような開閉機構で対象物を掴む形態のメカニカルグリッパが多用されているが、多くの場合、対象物を把持するために相対的に運動する二つのリンクまたは三爪チャックのような三リンクを有する機構で構成されている。
【０００３】
このようなメカニカルグリッパは高度な制御を必要とせず、機械的に開閉するために、確実な繰り返し動作が保証されているが、把持動作を機械的に実現することから、生産現場の定められた位置・姿勢に整列された既知形状の対象物に対しては確実な把持を保証するが、鋳造部品やプレス成形部品のような様々な曲面を持つ複雑形状の部品を適切に把持することが困難であり、バラ積み部品等のように対象物の置かれた位置・姿勢、或いは対象物の形や寸法が少しでも異なると、最早一つのメカニカルグリッパでは対応できない。
【０００４】
そのため、生産現場では、視覚センサを導入して複雑な形状認識処理によって部品の位置・姿勢を測定してメカニカルグリッパで把持可能な把持点を決定したり、対象物の形状・寸法の種類に応じて複数のメカニカルグリッパを準備して、対象物に応じてその都度グリッパを交換するといった多大なコストを必要とする複雑なロボットシステムの導入を余儀なくされている。
【０００５】
一方、人は複数の関節を持つ５本の指からなる手で複雑な作業を器用に実行することができる。人の手のような構造ならびに形状を持ち、人の手と同様の運動制御機能を有したユニバーサルなロボットハンドを実現することができるならば、ロボットは、人間と同様、一つのハンド機構で様々な複雑作業を器用に行うことが可能になる。また、ロボットに合わせてその都度開発していた特殊作業工具は必要でなくなり、ロボットは、従来、人が使用してきた汎用作業工具を用いて作業を行うことも可能となる。
【０００６】
このような背景の下、人間の手のような機構と人間の手のような巧みな作業機能を有したロボットハンドを実現すべく、人間の手を模した複数の関節を備えた複数の指から構成されるユニバーサルロボットハンドが研究開発されてきた。
【０００７】
このようなロボットハンドとして、特許文献１には、図１０（ａ）に示すように、人間の手と類似した運動ができるロボットハンド構造、即ち、四関節Ｊ１０，Ｊ２０，Ｊ３０，Ｊ４０備えた指を複数本配置し、各関節を駆動するモータを内蔵したロボットハンドにおいて、各指の根本側の第一関節Ｊ１０と第二関節Ｊ２０の軸が１点で直交し、その二つの関節を独立に駆動できるように１つの指について二つのモータを掌に設けたことを特徴とするロボットハンドが提案されている。
【０００８】
上述の文献には、第三関節Ｊ３０用のモータＭ３と駆動連結された４節リンク機構Ｌを介して第四関節Ｊ４０の軸を駆動することで、一つのモータにより第三関節Ｊ３０と第四関節Ｊ４０を同時に同じ方向に回転可能な構成、及び、指先に力覚センサＳ１０を備えた構成が提案されている。
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−１５６７７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述の特許文献１に記載されたロボットハンドは、人の指と同じ関節配置ならびに自由度を有し、指機構にモータを内蔵して関節を駆動する機構によって人の指並びに手と類似した運動が可能なハンド機構を実現している。
【００１１】
しかし、人の指の器用さは、その多関節機構のみならず指の表面に分布する触覚と関節において感じることのできる深部体性感覚の力覚の情報をうまく融合して機構を制御することによって実現されていると考えられるところ、指先にのみ力覚センサを備え、そのセンサに基づいて把持動作等が制御されるものであるため、制御を不安定にする駆動系の機械的ガタの発生も相俟って人の指のごとき微妙な動作を実現することが困難であるという問題があった。例えば、指の腹部で対象物を把持するような場合には力覚を検知することができないのである。
【００１２】
さらに、図１０（ｂ）に示すように、特許文献１に記載されたような、関節で連結されるリンクＬ３０、Ｌ４０に対して、モータからギア式の減速機構を介してリンクＬ３０を駆動するとともに減速機構からさらにリンクやワイヤー等の駆動伝動機構、ここでは４節リンク機構Ｌを介してリンクＬ４０を駆動するごとき構成を採用する場合には、減速機構によるギアのバックラッシュや駆動伝動機構による機械的遊びによるガタの発生のために正確な指の動作制御が困難となるばかりか、モータから減速機構を経て駆動伝動機構に動力を伝達するために駆動伝達機構は多大のトルクを伝達することが必要となり駆動伝達機構の大型化、延いてはロボットハンドの大型化を招くという問題があった。
【００１３】
本発明は、上述の問題点に鑑み、駆動系の機械的ガタを効果的に除去するとともに、力覚等のセンシング系の実装上の工夫を施すことにより、人の指のごとき微妙な動作を実現することが可能な関節装置、関節装置を用いたコンパクト設計が可能なロボットフィンガー、及び、ユニバーサルロボットハンドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述の目的を達成するため、本発明による関節装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、複数のリンク部材をその軸心方向と交差する方向の軸心周りに回転する関節部材を介して連結してなる関節装置であって、一方のリンク部材に固定したフレクスプラインと、その回転軸心と交差する方向に延出形成した薄肉部を他方のリンク部材に固定したサーキュラスプラインとを備えてなるハーモニックドライブ減速機を前記関節部材に組み込み、基端側リンク部材に収容したモータの出力を基端側のウェーブジェネレータに伝達する第一の伝動機構と、前記モータの出力を前記第一の伝動機構及び前記基端側リンク部材に隣接するリンク部材に収容した伝達シャフトを介して前記基端側のウェーブジェネレータに隣接する関節部材に組み込んだハーモニックドライブ減速機のウェーブジェネレータに伝達する第二の伝動機構を備えてある点にある。
【００１５】
上述の構成によれば、関節部材に組み込まれたバックラッシュレスで高減速比のハーモニックドライブ減速機を用いたリンク部材を駆動する機構を採用することで、関節機構の機械的ガタを無くして安定した関節インピーダンスの制御や高精度な指先力の制御が可能になるのである。また、ハーモニックドライブ減速機のサーキュラスプラインを出力軸とすることにより、被駆動リンクと減速機出力軸を一体構造とすることができ、関節機構のコンパクト化が可能となるのである。
【００１６】
さらに、人指と同様に４関節を有する指機構において、例えば、上述の構成を採用して指先の第三関節と第四関節を連動して駆動することにより、小さい回転角度で指先を大きく動かすことが可能となり、指先の操作性を著しく向上させることができるようになる。また、ひとつのアクチュエータでふたつの関節を駆動するため機構のコンパクト化が可能になる。同時に、第三並びに第四関節部材にそれぞれハーモニックドライブ減速機を配置することで、各関節部材におけるガタを防ぐことができる。
【００１７】
同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記第一の伝動機構を前記モータの出力軸に取り付けた小径のべベルギアと前記小径のべベルギアと噛合する大径のべベルギアとで構成し、前記大径のべベルギアの回転軸を前記基端側のウェーブジェネレータに連結してある点にある。
【００１８】
上述の構成によれば、第一の伝動機構として一対のベベルギアによりアクチュエータの駆動力をハーモニックドライブに伝達できるという、より単純な構成を実現することができるようになるのである。
【００１９】
同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一または第二特徴構成に加えて、前記薄肉部に力覚センサを設けてある点にある。
【００２０】
上述の構成によれば、各関節部材に組み込まれ、他方のリンク部材に連結されるサーキュラスプラインの薄肉部に力覚センサを設けてあるので、各リンク部材に加わる力覚を感度良く検出することができ、これらの値に基づけばより高精度な関節インピーダンスや指先力の制御が可能になる。
【００２１】
本発明によるフィンガーユニットの特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成を備えた関節装置により第三関節及び第四関節を構成してある四関節を備えたものである点にある。
【００２２】
上述したように、上述の関節装置により第三関節及び第四関節を構成することにより、指先の操作性を著しく向上させることができるようになり、より人に近いフィンガーユニットを実現することができるようになる。
【００２３】
本発明によるユニバーサルロボットハンドの特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述のフィンガーユニットを備えて構成される点にあり、より人に近い動きができるユニバーサルロボットハンドを実現することができるようになる。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明した通り、本発明によれば、駆動系の機械的ガタを効果的に除去するとともに、力覚センサ等のセンシング系の実装上の工夫を施すことにより、人の指のごとき微妙な動作を実現することが可能な関節装置、関節装置を用いたフィンガーユニット、及び、ユニバーサルロボットハンドを提供することができるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に本発明による関節装置及び関節装置を用いたフィンガーユニット、及び、ユニバーサルロボットハンドの実施の形態を説明する。図１（ａ）から（ｃ）に示すように、ユニバーサルロボットハンド２０は、掌となる基体１０と、前記基体１０に支持された五本のフィンガーユニット（以下、「指体」と記す。）１，２，３，４，５とから構成されている。
【００２６】
前記指体１，２，３，４，５は、夫々人間の手の母指（第一指）、示指（第二指）、中指（第三指）、薬指（第四指）、小指（第五指）に対応し、各指体は、第一、第二、第三、第四の四本のリンク部材Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４をその軸心Ｐ方向と直交する方向の軸心Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４周りに回転する四つの関節部材Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４を介して連結した関節装置３０で構成される。
【００２７】
前記指体２，３，４，５は、互いに平行配置され、基端側から順に第一軸心Ｐ１周りに回転可能な第一関節部材Ｊ１と、前記第一軸心Ｐ１と直交する第二軸心Ｐ２周りに回転可能な第二関節部材Ｊ２と、前記第二軸心Ｐ２に平行な第三軸心Ｐ３周りに回転可能な第三関節部材Ｊ３と、前記第二軸心Ｐ２に平行な第四軸心Ｐ４周りに回転可能な第四関節部材Ｊ４を備え、前記第一関節部材Ｊ１の回転により互いの指体の間隔が広がりまたは狭まるように変位し、前記第二関節部材Ｊ２から前記第四関節部材Ｊ４の回転により対象物を把持しまたは開放するように変位可能に構成されている。
【００２８】
前記指体１は、前記指体２と対向配置され、第三関節部材Ｊ２から第四関節部材Ｊ４の回転方向が前記指体２の対応する関節部材と反対となるように構成されている。従って、指体１と指体２間で対象物を挟持可能となる。尚、前記指体３，４，５は前記指体２と平行に配列されており、関節部材の構成は前記指体２と同様であるため、指体１は指体２以外の他の指体３，４，５とも対向配置され、指体１と指体３，４，５の間でも挟時可能である。また、前記指体２，３，４，５の第一関節部材Ｊ１の各軸心Ｐ１は平行であるため、前記指体２，３，４，５での挟持も可能である。
【００２９】
各指体１，２，３，４，５は基本的に同一構造であるので、以下、代表として指体２について説明する。図２（ａ）から（ｃ）及び図３（ａ）から（ｂ）に示すように、前記指体２の各関節部材Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４には、ハーモニックドライブ減速機構（以下、「ハーモニックドライブ」と記す。）Ｈ（Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４）が組み込まれている。
【００３０】
前記ハーモニックドライブＨは、図６に示すように、楕円状のカムとその外周に嵌めたベアリングにより構成されるウェーブジェネレータ６と、薄肉カップ状の金属弾性体で開口部の外周に歯が形成されたフレクスプライン７と、リング状の剛体内周に前記フレクスプライン７と同ピッチの歯でその歯数が前記フレクスプライン７より二枚多くなるように形成されたサーキュラスプライン８とで構成され、前記フレクスプライン７を固定して前記ウェーブジェネレータ６を回転させることにより、前記フレクスプライン７が弾性変形しながら前記サーキュラスプライン８との噛み合い位置を順次移動させることにより、前記サーキュラスプライン８が前記ウェーブジェネレータ６と逆方向に回転するように構成されている。
【００３１】
図２及び図３に示すように、前記リンク部材Ｌ１〜Ｌ３は断面が略方形の中空部材Ｌ１０とその先端に固定された円弧状部を備えた一対のアタッチメントＬ１１で構成され、一方のアタッチメントＬ１１に前記フレクスプライン７のカップ７ａ底面がボルト固定されている。尚、先端側のリンク部材Ｌ４も同様に断面が略方形の中空部材Ｌ１０で構成され、一端が前記フレクスプライン７のカップ７ａ底面がボトル固定されている。
【００３２】
前記サーキュラスプライン８の一部がその回転軸心Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３と交差する方向に延出形成された薄肉部８ａを介して他方のリンク部材Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の端部と固定されている。
【００３３】
前記基体１０、及び、前記リンク部材Ｌ１，Ｌ２の中空部に前記軸心Ｐと直交する方向に回転軸を有するエンコーダ内蔵のモータＭ１，Ｍ２，Ｍ３が内装され、各モータＭ１，Ｍ２，Ｍ３の出力軸に小径のべベルギアＧ１を取り付けるとともに、前記小径のべベルギアＧ１と噛合する大径のべベルギアＧ２を他方のアタッチメントにベアリングを介して取り付け、前記大径のべベルギアＧ２の回転軸を前記ウェーブジェネレータ６に嵌入連結してある。
【００３４】
従って、前記モータＭ１，Ｍ２，Ｍ３を一方向に回転駆動することにより、前記ベベルギアＧ１，Ｇ２を介して前記ウェーブジェネレータ６が回転され、前記関節部材Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の夫々が前記軸心Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３周りで対象物に対して把持方向に揺動駆動され、前記モータＭ１，Ｍ２，Ｍ３を逆方向に回転駆動することにより、前記関節部材Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の夫々が前記軸心Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３周りで開放方向に揺動駆動される。
【００３５】
前記第三リンク部材Ｌ３には伝達シャフトＳを介して両端部に小径のベベルギアＧ３、Ｇ４が取り付けられ、一方のベベルギアＧ３が前記第三関節部材Ｊ３に設けられた大径のベベルギアＧ２と噛合することにより前記伝達シャフトＳが回転するように構成されている。
【００３６】
前記伝達シャフトＳに取り付けられた他方のベベルギアＧ４が前記第四関節部材Ｊ４に設けられた大径のベベルギアＧ５と噛合し、前記第四関節部材Ｊ４に組み込まれたウェーブジェネレータ６が回転するように構成され、以って、第三関節部材Ｊ３と第四関節部材Ｊ４とが同期して回転駆動され、前記第三リンク部材Ｌ３と第四リンク部材Ｌ４とが同期して揺動駆動される。
【００３７】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、前記小径のベベルギアＧ１とそれに噛合する大径のベベルギアＧ２により基端側リンク部材Ｌ２に収容したモータＭ３の出力を基端側のウェーブジェネレータ６に伝達する第一の伝動機構Ｔ１が構成される。また、前記基端側リンク部材Ｌ２に収容された前記モータＭ３の出力を前記第一の伝動機構Ｔ１及び前記基端側リンク部材Ｌ２に隣接するリンク部材Ｌ３に収容した伝達シャフトＳを介して小径のベベルギアＧ４とそれに噛合する大径のベベルギアＧ５により、前記基端側のウェーブジェネレータ６に隣接するウェーブジェネレータ６に伝達する第二の伝動機構Ｔ２が構成されている。
【００３８】
前記第三関節Ｊ３及び前記第四関節Ｊ４を回転させるモータＭ３に対する減速比については、図４（ｃ）に示すように、前記第一の伝動機構Ｔ１では、モータＭ３の回転数は前記小径のベベルギアＧ１からそれに噛合する前記大径のベベルギアＧ２を介して前記第三関節部材Ｊ３に収容された前記ハーモニックドライブＨ３へ出力として伝わり、回転速度は１／２７５倍に減速され、前記第三関節部材Ｌ３に接続されたリンク部材Ｌ３はＰ３軸を中心として回転する。
【００３９】
同様に前記第二の伝動機構Ｔ２では、前記モータＭ３の回転数は前記小径のベベルギアＧ１から前記大径のベベルギアＧ２及び前記小径のベベルギアＧ３を介して伝導シャフトＳに伝えられ、さらに、前記小径のベベルギアＧ４からそれに噛合する前記大径のベベルギアＧ５を介して前記関節部材Ｊ４に収容された前記ハーモニックドライブＨ４へと出力として伝わるとともに、回転速度は１／２７５−１／２７５００倍に減速され、リンク部材Ｌ４はＰ４軸を中心として回転する。前記ハーモニックドライブを介することにより、ガタをなくすことが可能となり、制度の良い制御が可能となる。
【００４０】
図５（ａ）に示すように、力覚センサＳ１０として、前記サーキュラスプライン８の薄肉部８ａの前面に歪検出素子Ｆ１，Ｆ２、背面に歪検出素子Ｆ２，Ｆ４が対向する位置に設置され、各リンク部材Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に作用する力覚が検出可能に構成されている。図５（ｂ）に示すように、歪検出素子Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４で構成されたブリッジにブリッジ電源電圧ｅｉを印加することで、指体を構成する各リンク部材Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に作用する力のうち、各関節部 材Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４の軸心Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４周りに作用する関節トルクに比例した歪のみを分解、抽出し、ブリッジ出力電圧Δｅが測定でき、指体にかかる歪を検出することができる。前記歪検出素子Ｆとして、ストレインゲージ式圧力センサが使用されるが、これに限るものではなく、圧電素子等の任意の歪検出素子を用いることができる。尚、上述の構成では４枚の歪検出素子Ｆを用いて、各リンク部材Ｌの歪を検出したが、歪検出素子Ｆの位置、枚数は適宜設定することが可能であり、特に制限されるものではない。
【００４１】
また、図５（ｃ）に示すように、前記リンク部材Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の腹部には触覚センサＡが貼付固定されている。前記触覚センサＡは、図７（ａ）に示すように、押圧により抵抗値が変化するシート状の感圧導電性部材１１と、両側面に配置された電極シート１２ａ，１２ｂと、前記感圧導電性部材１１の側面に前記電極シート１２ａを介して接着された柔軟性のあるエラストマーでなる被加圧層１３を備えて構成される。
【００４２】
前記電極シート１２ａ，１２ｂは複層のフレキシブル基板で構成され、前記感圧導電性部材１１のインピーダンスを検出する電圧印加電極と電圧検出電極でなる電極セルの複数がマトリクス状に配列され、行方向または列方向に配列された複数の電圧印加電極が行または列毎に相互に接続され、外部からの電圧を同時に印加する複数のリードパターンと、列方向または行方向に配列された複数の電圧検出電極が列または行毎に相互に接続され、外部に検出電圧を出力する複数のリードパターンの何れかが前記電極セルの配列された層とは異なる層に形成されている。
【００４３】
前記感圧導電性部材１１は、シリコーン樹脂等の絶縁性のゴム材料中に金属や炭素等の導電性粒子を均等に分散させてシート状に成形したもので、無加圧時には導電性粒子は互いに接触せず、体積抵抗、表面抵抗ともに１０７Ω以上の高い電気抵抗値を示すが、加圧時には導電性粒子が次第に接触し始めて電気抵抗値が滑らかに変化する。即ち、ゴムの弾性を生かして圧力変化によるゴムの歪みに伴って電気抵抗値が変化することから、加圧時にはその圧力に対応する低電気抵抗値を示すが無加圧時には元に戻り高電気抵抗値を示す。
【００４４】
前記被加圧層１３は、超軟質のウレタンゲルシートで構成され、前記被加圧層１３の上面から加えられた圧力が周囲に伝播して前記感圧導電性部材１１を歪ませ、その抵抗値分布を算出することにより図７（ｂ）に示すような圧力分布が得られるのである。図７（ｂ）では、触覚センサＡを構成する各電極セルに対応して分割された区画毎に検出される圧力を濃度パターンで示した圧力分布であり、濃度が濃いほど圧力が高いことが示される。
【００４５】
上述のように、前記リンク部材Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の腹部に触覚センサＡ、前記関節部材Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４の薄肉部８ａに力覚センサＳ１０が配置されることにより、挟持する際、挟持物体の形状がどのような形においても、指体の姿勢制御及び圧力制御が可能となる。
【００４６】
上述のユニバーサルロボットハンド２０に対する制御機構を説明する。図８に示すように、上述のユニバーサルロボットハンド２０に設けられた各触覚センサＡの出力が計測制御装置Ｃ１に入力されるとともに、各エンコーダの出力及び各力覚センサＳ１０の出力が行動制御装置Ｃ２に入力され、前記行動制御装置Ｃ２から各関節部材Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４を駆動するためのモータ駆動信号が出力されるように構成されている。
【００４７】
前記計測制御装置Ｃ１及び行動制御装置Ｃ２はネットワークＮを介して統合制御装置Ｃ３に接続され、前記統合制御装置Ｃ３は前記計測制御装置Ｃ１により解析された各フィンガーユニットの腹部に付与される対象物からの圧力情報、及び前記行動制御装置Ｃ２により解析された各関節の姿勢情報と各リンク部材に掛かる力覚情報に基づいて前記行動制御装置Ｃ２に各モータに対する駆動情報を出力するように構成されている。
【００４８】
前記計測制御装置Ｃ１は、複数の触覚センサＡからの出力値に基づいて各指体の各腹部に加わる圧力分布を高速に演算処理して前記統合制御装置Ｃ３に出力する。
【００４９】
前記行動制御装置Ｃ２は、各力覚センサＳ１０からの出力及びエンコーダ出力に基づいて、現在の各リンク部材の姿勢とそれに掛かる力を演算導出して前記統合制御装置Ｃ３に出力する。
【００５０】
前記統合制御装置Ｃ３は、前記行動制御装置Ｃ２から入力された現在の各リンク部材の姿勢とそれに掛かる力と、前記計測制御装置Ｃ１から入力された各腹部に加わる圧力分布に基づいて把持対象物の形状や硬度等の特性を把握し、目的とする動作が遂行されるように前記行動制御装置Ｃ２に対して各モータＭ１，Ｍ２，Ｍ３に対する駆動情報を出力する。
【００５１】
つまり、情報量が多くその処理に多くの時間を要する触覚情報と高速なサーボ制御に必要な角度並びに力の情報を、それぞれ専用の計測制御装置と行動制御装置によって分散制御することにより、全体の処理速度を向上させることができる。また、これらの専用制御装置を統合制御装置の元に階層化してネットワークを構築することより、触覚、力覚、角度など複数のセンサ情報を融合して個別のセンサからは抽出できない情報を推定することも可能になる。さらに、制御装置を分散しネットワークを介して階層化することによって、制御装置をコンパクト化することが可能になるとともに遠隔地からロボットハンドを操作することも可能となる。
【００５２】
以下に本発明による関節装置及び関節装置を用いたフィンガーユニット及びユニバーサルハンドの別の実施の形態を説明する。
【００５３】
上述の実施形態では、図９(ａ)に示すような、前記小径のベベルギアＧ１とそれに噛合する大径のベベルギアＧ２により基端側リンク部材Ｌ２に収容したモータＭ３の出力を基端側のウェーブジェネレータ６に伝達する第一の伝動機構Ｐ１が構成され、前記小径のベベルギアＧ３、Ｇ４と前記伝達シャフトＳと前記大径のベベルギアＧ５により前記モータＭの出力を前記第一の伝動機構Ｐ１及び前記基端側リンク部材Ｌ２に隣接するリンク部材Ｌ３に収容した伝達シャフトＳを介して前記基端側のウェーブジェネレータ６に隣接する関節部材に組み込んだハーモニックドライブ減速機のウェーブジェネレータ６に伝達する第二の伝動機構Ｐ２が構成されるものを説明したが、図９（ｂ）に示すように、前記小径のベベルギアＧ１０に小径のベベルギアＧ３０が噛合される。前記小径のベベルギアＧ３０は平歯車Ｗ１０、アイドル平歯車Ｗ２０、平歯車Ｗ１０を介してモータＭの出力を基端側のウェーブジェネレータ６に伝達する第一の伝動機構Ｔ１が構成をするものであってもよい。上述の構成を採用することによって、関節部材Ｊの径を小さく構成することが可能となる。
【００５４】
同様に、図９（ｃ）に示すように、平歯車Ｗ１０及びアイドル平歯車Ｗ２０の代わりにタイミングプーリ・ベルトＢを用いた場合も関節部材Ｊを小さくすることが可能となる。
【００５５】
何れの場合にも、関節部材Ｊを小さくすることができるため、ユニバーサルハンド２０を一層小型化することができる。
【００５６】
上述の実施形態で説明した関節装置の具体的構造は一実施形態に過ぎず、本発明の範囲がこれによって制限されるものではなく、同様の作用効果を奏する範囲において適宜構成を変更することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】(ａ)本発明によるユニバーサルハンドの前平面構成図、（ｂ）本発明によるユニバーサルハンドの後平面構成図、（ｃ）本発明によるユニバーサルハンドの横平面構成図
【図２】（ａ）本発明によるフィンガーユニットの平面構成図、（ｂ），（ｃ）本発明によるフィンガーユニットの断面図
【図３】(ａ)図２におけるフィンガーユニットのＢ−Ｂ断面図、（ｂ）図２におけるフィンガーユニットのＡ−Ａ断面図
【図４】（ａ）本発明によるフィンガーユニットの平面構成図、（ｂ）本発明によるフィンガーユニットの動作説明図、（ｃ）本発明によるフィンガーユニットの減速比説明図、
【図５】（ａ）本発明によるフィンガーユニットの力覚センサ配置説明図、（ｂ）歪検出素子によるブリッジ構成図、（ｃ）発明によるフィンガーユニットの触覚センサ配置説明図
【図６】本発明によるハーモニックドライブの回転動作説明図
【図７】（ａ）本発明によるユニバーサルハンドの触覚センサ検知動作説明図、（ｂ）本発明によるユニバーサルハンドの触覚センサの圧力分布図
【図８】本発明によるユニバーサルハンドのシステム構成図
【図９】本発明による第一の伝動機構の別実施形態説明図
【図１０】（ａ）従来技術によるロボットハンドの構成図（ｂ）従来技術によるロボットハンドの動作説明図
【符号の説明】
【００５８】
１：指体（第一指）
２：指体（第二指）
３：指体（第三指）
４：指体（第四指）
５：指体（第五指）
６：ウェーブジェネレータ
７：フレクスプライン
８：サーキュラスプライン
８ａ：薄肉部
１０：基体
１１：感圧導電性部材
１２：電極シート
１３：被加圧層
２０：ユニバーサルロボットハンド
３０：関節装置
Ａ：触覚センサ
Ｂ：タイミングプーリ・ベルト
Ｃ１：計測制御装置
Ｃ２：行動制御装置
Ｃ３：統合制御装置
Ｆ：歪検出素子
Ｇ：ベベルギア
Ｈ：ハーモニックドライブ
Ｊ：関節部材
Ｌ：リンク
Ｍ：モータ
Ｎ：ネットワーク
Ｐ：軸心
Ｓ：伝達シャフト
Ｓ１０：力覚センサ
Ｔ：伝達機構
Ｗ：平歯車
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のリンク部材をその軸心方向と交差する方向の軸心周りに回転する関節部材を介して連結してなる関節装置、関節装置を用いたフィンガーユニット、及び、ユニバーサルロボットハンドに関する。
【背景技術】
【０００２】
生産現場において利用されている産業用ロボットの把持装置（以下、「ハンド」とも記す。）にはプライヤのような開閉機構で対象物を掴む形態のメカニカルグリッパが多用されているが、多くの場合、対象物を把持するために相対的に運動する二つのリンクまたは三爪チャックのような三リンクを有する機構で構成されている。
【０００３】
このようなメカニカルグリッパは高度な制御を必要とせず、機械的に開閉するために、確実な繰り返し動作が保証されているが、把持動作を機械的に実現することから、生産現場の定められた位置・姿勢に整列された既知形状の対象物に対しては確実な把持を保証するが、鋳造部品やプレス成形部品のような様々な曲面を持つ複雑形状の部品を適切に把持することが困難であり、バラ積み部品等のように対象物の置かれた位置・姿勢、或いは対象物の形や寸法が少しでも異なると、最早一つのメカニカルグリッパでは対応できない。
【０００４】
そのため、生産現場では、視覚センサを導入して複雑な形状認識処理によって部品の位置・姿勢を測定してメカニカルグリッパで把持可能な把持点を決定したり、対象物の形状・寸法の種類に応じて複数のメカニカルグリッパを準備して、対象物に応じてその都度グリッパを交換するといった多大なコストを必要とする複雑なロボットシステムの導入を余儀なくされている。
【０００５】
一方、人は複数の関節を持つ５本の指からなる手で複雑な作業を器用に実行することができる。人の手のような構造ならびに形状を持ち、人の手と同様の運動制御機能を有したユニバーサルなロボットハンドを実現することができるならば、ロボットは、人間と同様、一つのハンド機構で様々な複雑作業を器用に行うことが可能になる。また、ロボットに合わせてその都度開発していた特殊作業工具は必要でなくなり、ロボットは、従来、人が使用してきた汎用作業工具を用いて作業を行うことも可能となる。
【０００６】
このような背景の下、人間の手のような機構と人間の手のような巧みな作業機能を有したロボットハンドを実現すべく、人間の手を模した複数の関節を備えた複数の指から構成されるユニバーサルロボットハンドが研究開発されてきた。
【０００７】
このようなロボットハンドとして、特許文献１には、図１０（ａ）に示すように、人間の手と類似した運動ができるロボットハンド構造、即ち、四関節Ｊ１０，Ｊ２０，Ｊ３０，Ｊ４０備えた指を複数本配置し、各関節を駆動するモータを内蔵したロボットハンドにおいて、各指の根本側の第一関節Ｊ１０と第二関節Ｊ２０の軸が１点で直交し、その二つの関節を独立に駆動できるように１つの指について二つのモータを掌に設けたことを特徴とするロボットハンドが提案されている。
【０００８】
上述の文献には、第三関節Ｊ３０用のモータＭ３と駆動連結された４節リンク機構Ｌを介して第四関節Ｊ４０の軸を駆動することで、一つのモータにより第三関節Ｊ３０と第四関節Ｊ４０を同時に同じ方向に回転可能な構成、及び、指先に力覚センサＳ１０を備えた構成が提案されている。
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−１５６７７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述の特許文献１に記載されたロボットハンドは、人の指と同じ関節配置ならびに自由度を有し、指機構にモータを内蔵して関節を駆動する機構によって人の指並びに手と類似した運動が可能なハンド機構を実現している。
【００１１】
しかし、人の指の器用さは、その多関節機構のみならず指の表面に分布する触覚と関節において感じることのできる深部体性感覚の力覚の情報をうまく融合して機構を制御することによって実現されていると考えられるところ、指先にのみ力覚センサを備え、そのセンサに基づいて把持動作等が制御されるものであるため、制御を不安定にする駆動系の機械的ガタの発生も相俟って人の指のごとき微妙な動作を実現することが困難であるという問題があった。例えば、指の腹部で対象物を把持するような場合には力覚を検知することができないのである。
【００１２】
さらに、図１０（ｂ）に示すように、特許文献１に記載されたような、関節で連結されるリンクＬ３０、Ｌ４０に対して、モータからギア式の減速機構を介してリンクＬ３０を駆動するとともに減速機構からさらにリンクやワイヤー等の駆動伝動機構、ここでは４節リンク機構Ｌを介してリンクＬ４０を駆動するごとき構成を採用する場合には、減速機構によるギアのバックラッシュや駆動伝動機構による機械的遊びによるガタの発生のために正確な指の動作制御が困難となるばかりか、モータから減速機構を経て駆動伝動機構に動力を伝達するために駆動伝達機構は多大のトルクを伝達することが必要となり駆動伝達機構の大型化、延いてはロボットハンドの大型化を招くという問題があった。
【００１３】
本発明は、上述の問題点に鑑み、駆動系の機械的ガタを効果的に除去するとともに、力覚等のセンシング系の実装上の工夫を施すことにより、人の指のごとき微妙な動作を実現することが可能な関節装置、関節装置を用いたコンパクト設計が可能なロボットフィンガー、及び、ユニバーサルロボットハンドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述の目的を達成するため、本発明による関節装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、複数のリンク部材をその軸心方向と交差する方向の軸心周りに回転する関節部材を介して連結してなる関節装置であって、一方のリンク部材に固定したフレクスプラインと、その回転軸心と交差する方向に延出形成した薄肉部を他方のリンク部材に固定したサーキュラスプラインとを備えてなるハーモニックドライブ減速機を前記関節部材に組み込み、基端側リンク部材に収容したモータの出力を基端側のウェーブジェネレータに伝達する第一の伝動機構と、前記モータの出力を前記第一の伝動機構及び前記基端側リンク部材に隣接するリンク部材に収容した伝達シャフトを介して前記基端側のウェーブジェネレータに隣接する関節部材に組み込んだハーモニックドライブ減速機のウェーブジェネレータに伝達する第二の伝動機構を備えてある点にある。
【００１５】
上述の構成によれば、関節部材に組み込まれたバックラッシュレスで高減速比のハーモニックドライブ減速機を用いたリンク部材を駆動する機構を採用することで、関節機構の機械的ガタを無くして安定した関節インピーダンスの制御や高精度な指先力の制御が可能になるのである。また、ハーモニックドライブ減速機のサーキュラスプラインを出力軸とすることにより、被駆動リンクと減速機出力軸を一体構造とすることができ、関節機構のコンパクト化が可能となるのである。
【００１６】
さらに、人指と同様に４関節を有する指機構において、例えば、上述の構成を採用して指先の第三関節と第四関節を連動して駆動することにより、小さい回転角度で指先を大きく動かすことが可能となり、指先の操作性を著しく向上させることができるようになる。また、ひとつのアクチュエータでふたつの関節を駆動するため機構のコンパクト化が可能になる。同時に、第三並びに第四関節部材にそれぞれハーモニックドライブ減速機を配置することで、各関節部材におけるガタを防ぐことができる。
【００１７】
同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記第一の伝動機構を前記モータの出力軸に取り付けた小径のべベルギアと前記小径のべベルギアと噛合する大径のべベルギアとで構成し、前記大径のべベルギアの回転軸を前記基端側のウェーブジェネレータに連結してある点にある。
【００１８】
上述の構成によれば、第一の伝動機構として一対のベベルギアによりアクチュエータの駆動力をハーモニックドライブに伝達できるという、より単純な構成を実現することができるようになるのである。
【００１９】
同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一または第二特徴構成に加えて、前記薄肉部に力覚センサを設けてある点にある。
【００２０】
上述の構成によれば、各関節部材に組み込まれ、他方のリンク部材に連結されるサーキュラスプラインの薄肉部に力覚センサを設けてあるので、各リンク部材に加わる力覚を感度良く検出することができ、これらの値に基づけばより高精度な関節インピーダンスや指先力の制御が可能になる。
【００２１】
本発明によるフィンガーユニットの特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成を備えた関節装置により第三関節及び第四関節を構成してある四関節を備えたものである点にある。
【００２２】
上述したように、上述の関節装置により第三関節及び第四関節を構成することにより、指先の操作性を著しく向上させることができるようになり、より人に近いフィンガーユニットを実現することができるようになる。
【００２３】
本発明によるユニバーサルロボットハンドの特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述のフィンガーユニットを備えて構成される点にあり、より人に近い動きができるユニバーサルロボットハンドを実現することができるようになる。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明した通り、本発明によれば、駆動系の機械的ガタを効果的に除去するとともに、力覚センサ等のセンシング系の実装上の工夫を施すことにより、人の指のごとき微妙な動作を実現することが可能な関節装置、関節装置を用いたフィンガーユニット、及び、ユニバーサルロボットハンドを提供することができるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に本発明による関節装置及び関節装置を用いたフィンガーユニット、及び、ユニバーサルロボットハンドの実施の形態を説明する。図１（ａ）から（ｃ）に示すように、ユニバーサルロボットハンド２０は、掌となる基体１０と、前記基体１０に支持された五本のフィンガーユニット（以下、「指体」と記す。）１，２，３，４，５とから構成されている。
【００２６】
前記指体１，２，３，４，５は、夫々人間の手の母指（第一指）、示指（第二指）、中指（第三指）、薬指（第四指）、小指（第五指）に対応し、各指体は、第一、第二、第三、第四の四本のリンク部材Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４をその軸心Ｐ方向と直交する方向の軸心Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４周りに回転する四つの関節部材Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４を介して連結した関節装置３０で構成される。
【００２７】
前記指体２，３，４，５は、互いに平行配置され、基端側から順に第一軸心Ｐ１周りに回転可能な第一関節部材Ｊ１と、前記第一軸心Ｐ１と直交する第二軸心Ｐ２周りに回転可能な第二関節部材Ｊ２と、前記第二軸心Ｐ２に平行な第三軸心Ｐ３周りに回転可能な第三関節部材Ｊ３と、前記第二軸心Ｐ２に平行な第四軸心Ｐ４周りに回転可能な第四関節部材Ｊ４を備え、前記第一関節部材Ｊ１の回転により互いの指体の間隔が広がりまたは狭まるように変位し、前記第二関節部材Ｊ２から前記第四関節部材Ｊ４の回転により対象物を把持しまたは開放するように変位可能に構成されている。
【００２８】
前記指体１は、前記指体２と対向配置され、第三関節部材Ｊ２から第四関節部材Ｊ４の回転方向が前記指体２の対応する関節部材と反対となるように構成されている。従って、指体１と指体２間で対象物を挟持可能となる。尚、前記指体３，４，５は前記指体２と平行に配列されており、関節部材の構成は前記指体２と同様であるため、指体１は指体２以外の他の指体３，４，５とも対向配置され、指体１と指体３，４，５の間でも挟時可能である。また、前記指体２，３，４，５の第一関節部材Ｊ１の各軸心Ｐ１は平行であるため、前記指体２，３，４，５での挟持も可能である。
【００２９】
各指体１，２，３，４，５は基本的に同一構造であるので、以下、代表として指体２について説明する。図２（ａ）から（ｃ）及び図３（ａ）から（ｂ）に示すように、前記指体２の各関節部材Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４には、ハーモニックドライブ減速機構（以下、「ハーモニックドライブ」と記す。）Ｈ（Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４）が組み込まれている。
【００３０】
前記ハーモニックドライブＨは、図６に示すように、楕円状のカムとその外周に嵌めたベアリングにより構成されるウェーブジェネレータ６と、薄肉カップ状の金属弾性体で開口部の外周に歯が形成されたフレクスプライン７と、リング状の剛体内周に前記フレクスプライン７と同ピッチの歯でその歯数が前記フレクスプライン７より二枚多くなるように形成されたサーキュラスプライン８とで構成され、前記フレクスプライン７を固定して前記ウェーブジェネレータ６を回転させることにより、前記フレクスプライン７が弾性変形しながら前記サーキュラスプライン８との噛み合い位置を順次移動させることにより、前記サーキュラスプライン８が前記ウェーブジェネレータ６と逆方向に回転するように構成されている。
【００３１】
図２及び図３に示すように、前記リンク部材Ｌ１〜Ｌ３は断面が略方形の中空部材Ｌ１０とその先端に固定された円弧状部を備えた一対のアタッチメントＬ１１で構成され、一方のアタッチメントＬ１１に前記フレクスプライン７のカップ７ａ底面がボルト固定されている。尚、先端側のリンク部材Ｌ４も同様に断面が略方形の中空部材Ｌ１０で構成され、一端が前記フレクスプライン７のカップ７ａ底面がボトル固定されている。
【００３２】
前記サーキュラスプライン８の一部がその回転軸心Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３と交差する方向に延出形成された薄肉部８ａを介して他方のリンク部材Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の端部と固定されている。
【００３３】
前記基体１０、及び、前記リンク部材Ｌ１，Ｌ２の中空部に前記軸心Ｐと直交する方向に回転軸を有するエンコーダ内蔵のモータＭ１，Ｍ２，Ｍ３が内装され、各モータＭ１，Ｍ２，Ｍ３の出力軸に小径のべベルギアＧ１を取り付けるとともに、前記小径のべベルギアＧ１と噛合する大径のべベルギアＧ２を他方のアタッチメントにベアリングを介して取り付け、前記大径のべベルギアＧ２の回転軸を前記ウェーブジェネレータ６に嵌入連結してある。
【００３４】
従って、前記モータＭ１，Ｍ２，Ｍ３を一方向に回転駆動することにより、前記ベベルギアＧ１，Ｇ２を介して前記ウェーブジェネレータ６が回転され、前記関節部材Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の夫々が前記軸心Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３周りで対象物に対して把持方向に揺動駆動され、前記モータＭ１，Ｍ２，Ｍ３を逆方向に回転駆動することにより、前記関節部材Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の夫々が前記軸心Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３周りで開放方向に揺動駆動される。
【００３５】
前記第三リンク部材Ｌ３には伝達シャフトＳを介して両端部に小径のベベルギアＧ３、Ｇ４が取り付けられ、一方のベベルギアＧ３が前記第三関節部材Ｊ３に設けられた大径のベベルギアＧ２と噛合することにより前記伝達シャフトＳが回転するように構成されている。
【００３６】
前記伝達シャフトＳに取り付けられた他方のベベルギアＧ４が前記第四関節部材Ｊ４に設けられた大径のベベルギアＧ５と噛合し、前記第四関節部材Ｊ４に組み込まれたウェーブジェネレータ６が回転するように構成され、以って、第三関節部材Ｊ３と第四関節部材Ｊ４とが同期して回転駆動され、前記第三リンク部材Ｌ３と第四リンク部材Ｌ４とが同期して揺動駆動される。
【００３７】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、前記小径のベベルギアＧ１とそれに噛合する大径のベベルギアＧ２により基端側リンク部材Ｌ２に収容したモータＭ３の出力を基端側のウェーブジェネレータ６に伝達する第一の伝動機構Ｔ１が構成される。また、前記基端側リンク部材Ｌ２に収容された前記モータＭ３の出力を前記第一の伝動機構Ｔ１及び前記基端側リンク部材Ｌ２に隣接するリンク部材Ｌ３に収容した伝達シャフトＳを介して小径のベベルギアＧ４とそれに噛合する大径のベベルギアＧ５により、前記基端側のウェーブジェネレータ６に隣接するウェーブジェネレータ６に伝達する第二の伝動機構Ｔ２が構成されている。
【００３８】
前記第三関節Ｊ３及び前記第四関節Ｊ４を回転させるモータＭ３に対する減速比については、図４（ｃ）に示すように、前記第一の伝動機構Ｔ１では、モータＭ３の回転数は前記小径のベベルギアＧ１からそれに噛合する前記大径のベベルギアＧ２を介して前記第三関節部材Ｊ３に収容された前記ハーモニックドライブＨ３へ出力として伝わり、回転速度は１／２７５倍に減速され、前記第三関節部材Ｌ３に接続されたリンク部材Ｌ３はＰ３軸を中心として回転する。
【００３９】
同様に前記第二の伝動機構Ｔ２では、前記モータＭ３の回転数は前記小径のベベルギアＧ１から前記大径のベベルギアＧ２及び前記小径のベベルギアＧ３を介して伝導シャフトＳに伝えられ、さらに、前記小径のベベルギアＧ４からそれに噛合する前記大径のベベルギアＧ５を介して前記関節部材Ｊ４に収容された前記ハーモニックドライブＨ４へと出力として伝わるとともに、回転速度は１／２７５−１／２７５００倍に減速され、リンク部材Ｌ４はＰ４軸を中心として回転する。前記ハーモニックドライブを介することにより、ガタをなくすことが可能となり、制度の良い制御が可能となる。
【００４０】
図５（ａ）に示すように、力覚センサＳ１０として、前記サーキュラスプライン８の薄肉部８ａの前面に歪検出素子Ｆ１，Ｆ２、背面に歪検出素子Ｆ２，Ｆ４が対向する位置に設置され、各リンク部材Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に作用する力覚が検出可能に構成されている。図５（ｂ）に示すように、歪検出素子Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４で構成されたブリッジにブリッジ電源電圧ｅｉを印加することで、指体を構成する各リンク部材Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に作用する力のうち、各関節部 材Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４の軸心Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４周りに作用する関節トルクに比例した歪のみを分解、抽出し、ブリッジ出力電圧Δｅが測定でき、指体にかかる歪を検出することができる。前記歪検出素子Ｆとして、ストレインゲージ式圧力センサが使用されるが、これに限るものではなく、圧電素子等の任意の歪検出素子を用いることができる。尚、上述の構成では４枚の歪検出素子Ｆを用いて、各リンク部材Ｌの歪を検出したが、歪検出素子Ｆの位置、枚数は適宜設定することが可能であり、特に制限されるものではない。
【００４１】
また、図５（ｃ）に示すように、前記リンク部材Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の腹部には触覚センサＡが貼付固定されている。前記触覚センサＡは、図７（ａ）に示すように、押圧により抵抗値が変化するシート状の感圧導電性部材１１と、両側面に配置された電極シート１２ａ，１２ｂと、前記感圧導電性部材１１の側面に前記電極シート１２ａを介して接着された柔軟性のあるエラストマーでなる被加圧層１３を備えて構成される。
【００４２】
前記電極シート１２ａ，１２ｂは複層のフレキシブル基板で構成され、前記感圧導電性部材１１のインピーダンスを検出する電圧印加電極と電圧検出電極でなる電極セルの複数がマトリクス状に配列され、行方向または列方向に配列された複数の電圧印加電極が行または列毎に相互に接続され、外部からの電圧を同時に印加する複数のリードパターンと、列方向または行方向に配列された複数の電圧検出電極が列または行毎に相互に接続され、外部に検出電圧を出力する複数のリードパターンの何れかが前記電極セルの配列された層とは異なる層に形成されている。
【００４３】
前記感圧導電性部材１１は、シリコーン樹脂等の絶縁性のゴム材料中に金属や炭素等の導電性粒子を均等に分散させてシート状に成形したもので、無加圧時には導電性粒子は互いに接触せず、体積抵抗、表面抵抗ともに１０７Ω以上の高い電気抵抗値を示すが、加圧時には導電性粒子が次第に接触し始めて電気抵抗値が滑らかに変化する。即ち、ゴムの弾性を生かして圧力変化によるゴムの歪みに伴って電気抵抗値が変化することから、加圧時にはその圧力に対応する低電気抵抗値を示すが無加圧時には元に戻り高電気抵抗値を示す。
【００４４】
前記被加圧層１３は、超軟質のウレタンゲルシートで構成され、前記被加圧層１３の上面から加えられた圧力が周囲に伝播して前記感圧導電性部材１１を歪ませ、その抵抗値分布を算出することにより図７（ｂ）に示すような圧力分布が得られるのである。図７（ｂ）では、触覚センサＡを構成する各電極セルに対応して分割された区画毎に検出される圧力を濃度パターンで示した圧力分布であり、濃度が濃いほど圧力が高いことが示される。
【００４５】
上述のように、前記リンク部材Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の腹部に触覚センサＡ、前記関節部材Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４の薄肉部８ａに力覚センサＳ１０が配置されることにより、挟持する際、挟持物体の形状がどのような形においても、指体の姿勢制御及び圧力制御が可能となる。
【００４６】
上述のユニバーサルロボットハンド２０に対する制御機構を説明する。図８に示すように、上述のユニバーサルロボットハンド２０に設けられた各触覚センサＡの出力が計測制御装置Ｃ１に入力されるとともに、各エンコーダの出力及び各力覚センサＳ１０の出力が行動制御装置Ｃ２に入力され、前記行動制御装置Ｃ２から各関節部材Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４を駆動するためのモータ駆動信号が出力されるように構成されている。
【００４７】
前記計測制御装置Ｃ１及び行動制御装置Ｃ２はネットワークＮを介して統合制御装置Ｃ３に接続され、前記統合制御装置Ｃ３は前記計測制御装置Ｃ１により解析された各フィンガーユニットの腹部に付与される対象物からの圧力情報、及び前記行動制御装置Ｃ２により解析された各関節の姿勢情報と各リンク部材に掛かる力覚情報に基づいて前記行動制御装置Ｃ２に各モータに対する駆動情報を出力するように構成されている。
【００４８】
前記計測制御装置Ｃ１は、複数の触覚センサＡからの出力値に基づいて各指体の各腹部に加わる圧力分布を高速に演算処理して前記統合制御装置Ｃ３に出力する。
【００４９】
前記行動制御装置Ｃ２は、各力覚センサＳ１０からの出力及びエンコーダ出力に基づいて、現在の各リンク部材の姿勢とそれに掛かる力を演算導出して前記統合制御装置Ｃ３に出力する。
【００５０】
前記統合制御装置Ｃ３は、前記行動制御装置Ｃ２から入力された現在の各リンク部材の姿勢とそれに掛かる力と、前記計測制御装置Ｃ１から入力された各腹部に加わる圧力分布に基づいて把持対象物の形状や硬度等の特性を把握し、目的とする動作が遂行されるように前記行動制御装置Ｃ２に対して各モータＭ１，Ｍ２，Ｍ３に対する駆動情報を出力する。
【００５１】
つまり、情報量が多くその処理に多くの時間を要する触覚情報と高速なサーボ制御に必要な角度並びに力の情報を、それぞれ専用の計測制御装置と行動制御装置によって分散制御することにより、全体の処理速度を向上させることができる。また、これらの専用制御装置を統合制御装置の元に階層化してネットワークを構築することより、触覚、力覚、角度など複数のセンサ情報を融合して個別のセンサからは抽出できない情報を推定することも可能になる。さらに、制御装置を分散しネットワークを介して階層化することによって、制御装置をコンパクト化することが可能になるとともに遠隔地からロボットハンドを操作することも可能となる。
【００５２】
以下に本発明による関節装置及び関節装置を用いたフィンガーユニット及びユニバーサルハンドの別の実施の形態を説明する。
【００５３】
上述の実施形態では、図９(ａ)に示すような、前記小径のベベルギアＧ１とそれに噛合する大径のベベルギアＧ２により基端側リンク部材Ｌ２に収容したモータＭ３の出力を基端側のウェーブジェネレータ６に伝達する第一の伝動機構Ｐ１が構成され、前記小径のベベルギアＧ３、Ｇ４と前記伝達シャフトＳと前記大径のベベルギアＧ５により前記モータＭの出力を前記第一の伝動機構Ｐ１及び前記基端側リンク部材Ｌ２に隣接するリンク部材Ｌ３に収容した伝達シャフトＳを介して前記基端側のウェーブジェネレータ６に隣接する関節部材に組み込んだハーモニックドライブ減速機のウェーブジェネレータ６に伝達する第二の伝動機構Ｐ２が構成されるものを説明したが、図９（ｂ）に示すように、前記小径のベベルギアＧ１０に小径のベベルギアＧ３０が噛合される。前記小径のベベルギアＧ３０は平歯車Ｗ１０、アイドル平歯車Ｗ２０、平歯車Ｗ１０を介してモータＭの出力を基端側のウェーブジェネレータ６に伝達する第一の伝動機構Ｔ１が構成をするものであってもよい。上述の構成を採用することによって、関節部材Ｊの径を小さく構成することが可能となる。
【００５４】
同様に、図９（ｃ）に示すように、平歯車Ｗ１０及びアイドル平歯車Ｗ２０の代わりにタイミングプーリ・ベルトＢを用いた場合も関節部材Ｊを小さくすることが可能となる。
【００５５】
何れの場合にも、関節部材Ｊを小さくすることができるため、ユニバーサルハンド２０を一層小型化することができる。
【００５６】
上述の実施形態で説明した関節装置の具体的構造は一実施形態に過ぎず、本発明の範囲がこれによって制限されるものではなく、同様の作用効果を奏する範囲において適宜構成を変更することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】(ａ)本発明によるユニバーサルハンドの前平面構成図、（ｂ）本発明によるユニバーサルハンドの後平面構成図、（ｃ）本発明によるユニバーサルハンドの横平面構成図
【図２】（ａ）本発明によるフィンガーユニットの平面構成図、（ｂ），（ｃ）本発明によるフィンガーユニットの断面図
【図３】(ａ)図２におけるフィンガーユニットのＢ−Ｂ断面図、（ｂ）図２におけるフィンガーユニットのＡ−Ａ断面図
【図４】（ａ）本発明によるフィンガーユニットの平面構成図、（ｂ）本発明によるフィンガーユニットの動作説明図、（ｃ）本発明によるフィンガーユニットの減速比説明図、
【図５】（ａ）本発明によるフィンガーユニットの力覚センサ配置説明図、（ｂ）歪検出素子によるブリッジ構成図、（ｃ）発明によるフィンガーユニットの触覚センサ配置説明図
【図６】本発明によるハーモニックドライブの回転動作説明図
【図７】（ａ）本発明によるユニバーサルハンドの触覚センサ検知動作説明図、（ｂ）本発明によるユニバーサルハンドの触覚センサの圧力分布図
【図８】本発明によるユニバーサルハンドのシステム構成図
【図９】本発明による第一の伝動機構の別実施形態説明図
【図１０】（ａ）従来技術によるロボットハンドの構成図（ｂ）従来技術によるロボットハンドの動作説明図
【符号の説明】
【００５８】
１：指体（第一指）
２：指体（第二指）
３：指体（第三指）
４：指体（第四指）
５：指体（第五指）
６：ウェーブジェネレータ
７：フレクスプライン
８：サーキュラスプライン
８ａ：薄肉部
１０：基体
１１：感圧導電性部材
１２：電極シート
１３：被加圧層
２０：ユニバーサルロボットハンド
３０：関節装置
Ａ：触覚センサ
Ｂ：タイミングプーリ・ベルト
Ｃ１：計測制御装置
Ｃ２：行動制御装置
Ｃ３：統合制御装置
Ｆ：歪検出素子
Ｇ：ベベルギア
Ｈ：ハーモニックドライブ
Ｊ：関節部材
Ｌ：リンク
Ｍ：モータ
Ｎ：ネットワーク
Ｐ：軸心
Ｓ：伝達シャフト
Ｓ１０：力覚センサ
Ｔ：伝達機構
Ｗ：平歯車
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のリンク部材をその軸心方向と交差する方向の軸心周りに回転する関節部材を介して連結してなる関節装置であって、
一方のリンク部材に固定したフレクスプラインと、その回転軸心と交差する方向に延出形成した薄肉部を他方のリンク部材に固定したサーキュラスプラインとを備えてなるハーモニックドライブ（登録商標、以下同じ）減速機を前記関節部材に組み込み、
基端側リンク部材に収容したモータの出力を基端側のウェーブジェネレータに伝達する第一の伝動機構と、前記モータの出力を前記第一の伝動機構及び前記基端側リンク部材に隣接するリンク部材に収容した伝達シャフトを介して前記基端側のウェーブジェネレータに隣接する関節部材に組み込んだハーモニックドライブ減速機のウェーブジェネレータに伝達する第二の伝動機構を備えてある関節装置。
【請求項２】
前記第一の伝動機構を前記モータの出力軸に取り付けた小径のべベルギアと前記小径のべベルギアと噛合する大径のべベルギアとで構成し、前記大径のべベルギアの回転軸を前記基端側のウェーブジェネレータに連結してある請求項１記載の関節装置。
【請求項３】
前記薄肉部に力覚センサを設けてある請求項１または２記載の関節装置。
【請求項４】
請求項１から３の何れかに記載の関節装置により第三関節及び第四関節を構成してある四関節を備えたフィンガーユニット。
【請求項５】
請求項４記載のフィンガーユニットを備えたユニバーサルロボットハンド。
【請求項１】
複数のリンク部材をその軸心方向と交差する方向の軸心周りに回転する関節部材を介して連結してなる関節装置であって、
一方のリンク部材に固定したフレクスプラインと、その回転軸心と交差する方向に延出形成した薄肉部を他方のリンク部材に固定したサーキュラスプラインとを備えてなるハーモニックドライブ（登録商標、以下同じ）減速機を前記関節部材に組み込み、
基端側リンク部材に収容したモータの出力を基端側のウェーブジェネレータに伝達する第一の伝動機構と、前記モータの出力を前記第一の伝動機構及び前記基端側リンク部材に隣接するリンク部材に収容した伝達シャフトを介して前記基端側のウェーブジェネレータに隣接する関節部材に組み込んだハーモニックドライブ減速機のウェーブジェネレータに伝達する第二の伝動機構を備えてある関節装置。
【請求項２】
前記第一の伝動機構を前記モータの出力軸に取り付けた小径のべベルギアと前記小径のべベルギアと噛合する大径のべベルギアとで構成し、前記大径のべベルギアの回転軸を前記基端側のウェーブジェネレータに連結してある請求項１記載の関節装置。
【請求項３】
前記薄肉部に力覚センサを設けてある請求項１または２記載の関節装置。
【請求項４】
請求項１から３の何れかに記載の関節装置により第三関節及び第四関節を構成してある四関節を備えたフィンガーユニット。
【請求項５】
請求項４記載のフィンガーユニットを備えたユニバーサルロボットハンド。
【図３】
【図９】
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図９】
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−１５２５２８（Ｐ２００７−１５２５２８Ａ）
【公開日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３５４４４５（Ｐ２００５−３５４４４５）
【出願日】平成１７年１２月８日（２００５．１２．８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００５年（平成１７年）６月９日 社団法人日本機械学会発行の「ロボティクス・メカトロニクス講演会２００５ 講演論文集」に発表
【出願人】（３０００８０８６９）アリオテクノ株式会社 (5)
【出願人】（０００１６８２２９）甲南電機株式会社 (4)
【出願人】（５０５２１００２３）株式会社ＳＹＳヨシダ (2)
【出願人】（５０４１４１０１２）株式会社前田精密製作所 (2)
【出願人】（５０４１４１０２３）
【出願人】（５９２２１６３８４）兵庫県 (258)
【出願人】（５０５１７２５０３）
【出願人】（５０４１５０４５０）国立大学法人神戸大学 (421)
【出願人】（５９６１３２７２１）財団法人近畿高エネルギー加工技術研究所 (18)
【出願人】（５０５２０９８５４）▲高▼丸工業株式会社 (2)
【出願人】（５９４０８６４２８）株式会社セラ (2)
【出願人】（５０３３４５８７９）東洋プレス工業株式会社 (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月８日（２００５．１２．８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００５年（平成１７年）６月９日 社団法人日本機械学会発行の「ロボティクス・メカトロニクス講演会２００５ 講演論文集」に発表
【出願人】（３０００８０８６９）アリオテクノ株式会社 (5)
【出願人】（０００１６８２２９）甲南電機株式会社 (4)
【出願人】（５０５２１００２３）株式会社ＳＹＳヨシダ (2)
【出願人】（５０４１４１０１２）株式会社前田精密製作所 (2)
【出願人】（５０４１４１０２３）
【出願人】（５９２２１６３８４）兵庫県 (258)
【出願人】（５０５１７２５０３）
【出願人】（５０４１５０４５０）国立大学法人神戸大学 (421)
【出願人】（５９６１３２７２１）財団法人近畿高エネルギー加工技術研究所 (18)
【出願人】（５０５２０９８５４）▲高▼丸工業株式会社 (2)
【出願人】（５９４０８６４２８）株式会社セラ (2)
【出願人】（５０３３４５８７９）東洋プレス工業株式会社 (4)
【Ｆターム（参考）】
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