関節駆動機構およびロボットハンド
【課題】関節駆動機構を軽量かつ小型にして、人の手サイズであっても多自由度を有し複雑な動きをすることができるロボットハンドを提供することを課題とする。
【解決手段】 ロボットハンド指機構の関節部を駆動する駆動素子１３に、直動式アクチュエータを用いて、把持力を発生する方のアクチュエータ１３ｂの出力は大きく設定し、把持力に関係しない方のアクチュエータ１３ａは出力を小さく設定することで、ロボットハンドの軽量、小型化を実現する。
【解決手段】 ロボットハンド指機構の関節部を駆動する駆動素子１３に、直動式アクチュエータを用いて、把持力を発生する方のアクチュエータ１３ｂの出力は大きく設定し、把持力に関係しない方のアクチュエータ１３ａは出力を小さく設定することで、ロボットハンドの軽量、小型化を実現する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関節駆動機構および複数の指機構を駆動させて手作業等を行うことが可能なロボットハンドに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のロボットハンドとしては、各関節部にモーターを設置し各関節部を直接モーターで回転させ、指機構を屈伸させている。このようなロボットハンドの機構では、指機構の各関節を個別に回転させることができ、指機構の自由度を高く設定することができる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
他の従来装置としては、各関節部をワイヤーで連結し、１本のワイヤーを引くだけでロボットハンドのすべての指機構を屈伸させることができる。このようなロボットハンドの機構では、駆動源の数を押えることができる（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開２００１−２８７１８２号公報
【特許文献２】特開２００３−１８１７８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１のように、ロボットハンドの指機構の自由度を高く設定するために、駆動源であるモーターを各指機構の関節部に設置すれば、指機構が大きくなり人の手のサイズ相当のハンドを実現することができない。また指機構先端部にもモーター設置されていて重くなっているので、指機構付け根部のモーターは大きなトルクを必要とすることから、さらにロボットハンドのサイズが大きくなってしまう。
【０００５】
また特許文献２では、一つのモーターでロボットハンド指機構の屈伸を行っているので、ハンドが複雑な構成をしているし、自由度が１つなのでロボットハンドに複雑な動きをさせることができない。
【０００６】
従って、人の手のサイズに相当した大きさで多自由度を有したロボットハンドを実現するのは極めて困難なことであった。
【０００７】
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、関節駆動機構を軽量かつ小型にして、人の手サイズであっても多自由度を有し複雑な動きをすることができるロボットハンドを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の関節駆動機構は、リンク部材が関節部を介して連結され、前記関節部を駆動部が駆動するようにした関節駆動機構において、前記駆動部は出力の異なる複数の駆動素子からなることにある。
【０００９】
前記本発明の関節駆動機構は、駆動素子に出力の異なる直動式アクチュエータを使用し、出力の大きな直動式アクチュエータで、リンク部材を大きな駆動力が必要な方向に作動させ、出力の小さなアクチュエータで、リンク部材を小さな駆動力でよい方向に作動させる。
【００１０】
本発明のロボットハンドは、メインフレームと、前記メインフレームに連結され且つ複数の関節部を有した複数の指機構と、前記関節部を駆動する複数の駆動部とを備えているロボットハンドにおいて、前記駆動部は出力の異なる複数の駆動素子からなることにある。
【００１１】
本発明のロボットハンドは、ロボットハンド指機構の関節部駆動に用いる駆動素子に出力の異なる直動式アクチュエータを使用し、把持力に関係する駆動素子には出力の大きな直動式アクチュエータを、把持力に関係しない駆動素子には出力の小さなアクチュエータを用いることで、軽量かつ小型のロボットハンドを実現することができる。
【００１２】
本発明のロボットハンドにおいて、把持物体に作用する把持力をＦ、関節部中心から把持力の作用点までの距離をＬ１、関節部中心から駆動素子の出力が作用する点までの距離をＬ２とするとし、関節部の回転駆動を阻止する力をＦ１とすると、出力が小さい方の駆動素子の出力をＦａ、出力が大きい方の駆動素子の出力をＦｂとすると、Ｆａ、Ｆｂはそれぞれ、
Ｆａ=Ｆ１
Ｆｂ=Ｆ１+Ｆ２（但し、Ｆ２＝Ｆ×Ｌ１/Ｌ２）
で表されることにある。
【００１３】
本発明の関節駆動機構およびロボットハンドに使用される駆動素子は、電気信号にて駆動素子自身が伸縮するのが好ましい。かかる場合には、各駆動素子の収縮、伸長量がコンピュータでコントロールすることができ、関節部の制御が容易に行える。従って、適切な把持力の発生、正確な指機構の位置決めを行うことで複雑な把持動作を実現することができる。
【００１４】
本発明の関節駆動機構およびロボットハンドは、ワイヤー等の駆動力伝達部を介して、関節部を駆動するのが好ましい。前記関節部と駆動素子との連結に駆動力伝達部を用いることで、駆動素子は適宜任意の部位に設置でき、ロボットハンド等の構成を小型にすることができるとともに、駆動素子は、設置場所が限定されないため、様々な仕様の直動式アクチュエータを採用することができる。
【００１５】
本発明のロボットハンドに使用される駆動素子は中空部を有しており、前記駆動力伝達部は前記駆動素子の中空部を通過して駆動素子に固定されている。駆動素子に中空部を設けることでロボットハンド等の構成を小型にすることができる。
【００１６】
本発明のロボットハンドに使用される前記駆動素子を伸縮方向に案内するガイド手段が設けられている場合には、駆動素子の出力を安定させ、把持動作の安定化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、関節駆動機構が軽量かつ小型になり、人の手サイズであっても多自由度を有し複雑な動きをすることができるロボットハンドを容易に製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明にかかるロボットハンドの実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１９】
実施の形態１
【００２０】
図１（ａ）、（ｂ）は本発明におけるロボットハンド１を示し、同図（ａ）はロボットハンドの全体正面図を、同図（ｂ）はロボットハンドの全体平面図を示している。ロボットハンド１は、人の手で言う掌部に相当するメインフレーム２と、メインフレーム２に取り付けられている複数本の指機構３、４、５、６、７とを備えている。指機構３は人の手で言う親指に相当し、指機構４は人の手で言う人差し指に相当し、指機構５は人の手で言う中指に相当し、指機構６は人の手で言う薬指に相当し、指機構７は人の手で言う小指に相当する。よって、指機構３と指機構４の腹が相互に対向するように設置され、かつ指機構４、５、６、７は並設されている。
【００２１】
本実施の形態１のロボットハンド１は、指機構が５本設置されているものを例示するが、これに限定されることはなく、これより多くの指機構が設置されていても良いし、また少なくても良い。しかし、物体を把持するためには、少なくとも２本の指機構が必要であり、また把持した物体を片手で持ち替えるには、少なくとも３本の指機構が必要である。さらに、人と違和感のないロボットハンドを必要とするのなら、指機構は本発明における実施の形態のように５本設置するのが好ましい。
【００２２】
図４に指機構４の構成を示す。他の指機構３、５、６、７に関しては同様の構成なので図示および詳細な説明は省略する。指機構４は、複数のリンク部材としての指フレーム１１ａ、１１ｂおよび指先端部１２と、それぞれを連結する関節部１０ａ、１０ｂ、１０ｃとからなる。
【００２３】
指先端部１２と指フレーム１１ａとを連結する関節部１０ａは、駆動プーリ４０ａからなる。両方の指フレーム１１ａ、１１ｂを連結する関節１０ｂは、アイドラプーリ４１ａと、駆動プーリ４１ｂとからなる。指フレーム１１ｂをメインフレーム２に連結する関節部１０ｃは、アイドラプーリ４２ａ、４２ｂおよび駆動プーリ４２ｃとからなる。
【００２４】
各駆動プーリ４０ａ、４１ｂ、４２ｃには、駆動部１３、４３、４４がそれぞれ連結されており、駆動部１３、４３、４４が各関節部を回転駆動させる。具体的には、駆動部１３が駆動し、関節部１０ａが回転すると指先端部１２も関節部１０ａを中心に回転する。駆動部４３が駆動し、関節部１０ｂが回転すると、それより指先にあるフレーム１１ａ、回転部１０ａおよび指先端部が回転部１０ｂを中心に回転する。駆動部４４が駆動し、関節部１０ｃが回転すると、それより指先にあるフレーム１１ａ、１１ｂ、指先端部１２および関節部１０ａ、１０ｂが、間接部１０ｃを中心に回転する。
【００２５】
次に関節部の駆動原理を説明する。
【００２６】
図２（ａ）、（ｂ）は、指先端部１２と指フレーム１１ａとを連結する関節部１０ａの駆動について説明した図である。他の関節部１０ｂ、１０ｃについても同様の原理で駆動するので、図示および詳細な説明は省略する。
【００２７】
関節部１０ａに連結されている駆動部１３は、出力の異なる２種類の索状の駆動素子１３ａ、１３ｂからなり、一方の駆動素子１３ａと他方の駆動素子１３ｂのそれぞれの一端が、メインフレーム２に設けられた駆動素子固定台１４に取り付けられている。また、両方の駆動素子１３ａ、１３ｂのそれぞれの他端は、アイドラプーリ４１ａ、４２ａを通過し、駆動プーリ４０ａに設けられた駆動素子連結器１５を介して駆動プーリ４０ａに取り付けられている。
【００２８】
各駆動素子１３ａ、１３ｂは、電気信号によって自身を収縮又は伸長させることができる直動式駆動素子である。かかる駆動素子として、例えば高分子アクチュエータなどがある。高分子アクチュエータは、さまざまなものが開発されているが、小型、軽量なので今後さまざまな分野で利用されることが期待されている。
【００２９】
他方の駆動素子１３ｂが収縮し、一方の駆動素子１３ａが伸長すると、関節部１０ａは回転駆動し、指先端部１２は矢印Ａの方向（折れ曲がる方向）に回転する。また、一方の駆動素子１３ａが収縮し、他方の駆動素子１３ｂが伸長すると、関節部１０ａは回転駆動して指先端部１２は矢印Ｂの方向（伸びる方向）に回転する。ここで駆動素子１３ａ、１３ｂの出力、すなわち収縮して物体を引っ張る力、ここでは駆動プーリ４０ａを矢印Ａ方向又は矢印Ｂ方向に回転駆動させる力であるが、それは等しく設定されていてもよい。しかし、物体を把持するためには非常に大きな力が必要となってくるので、駆動素子サイズは大きくなってしまい、ロボットハンドのサイズを小さくすることができない。
【００３０】
そこで、両方の駆動素子１３ａ、１３ｂのうち、把持に関係しない一方の駆動素子１３ａについては、その出力を小さくすることができる。例えば図３（ａ）のように他方の駆動素子１３ｂが収縮すると、指先端部１２は手の平側に回転し、把持物体２０に接触する。その状態から更に駆動素子１３ｂを収縮させる（すなわち出力を上げる）ことで、指先端部１２が把持物体２０に作用する力を大きくすることができ、把持力を上げることができる。よって、他方の駆動素子１３ｂは把持に必要な力以上の出力が必要となる。
【００３１】
しかし、図３（ｂ）のように、一方の駆動素子１３ａが収縮すると、指先端部１２は手の平とは反対の方向に回転するので、把持物体２０からは離れていく。よって、一方の駆動素子１３ａは把持には関係がないのでその出力を小さく設定することができる。
【００３２】
ここで、各駆動素子１３ａ、１３ｂに必要な出力について説明する。一方の駆動素子１３ａは、把持には必要ないので大きな力必要としないが、ロボットハンドの関節部１０ａを回転するのに必要な力を出力する必要がある。関節部１０ａには、その回転駆動を阻止する摩擦力や、指先端部１２などの負荷があるので、それら回転駆動を阻止する力Ｆ１より大きな力を出力するように駆動素子１３ａの出力Ｆａは設定されなければならない。
【００３３】
他方の駆動素子１３ｂはこのＦ１に加えて把持に必要な力を出力しなければならない。図３（ａ）を用いて説明すると、把持物体２０に把持力Ｆを加えようとした場合に、他方の駆動素子１３ｂが必要とされる出力Ｆ２は、関節部１０ａの中心から把持力Ｆの作用点までの距離をＬ１、関節部１０ａの中心から他方の駆動素子１３ｂが関節部１０ａに連結されている駆動素子連結器１５までの距離をＬ２とすると、
Ｆ２＝Ｆ×Ｌ１/Ｌ２ ・・・（１）
で表される。他方の駆動素子１３ｂは、Ｆ２とＦ１を加えた力を出力する必要がある。よって、一方の駆動素子１３ａに必要な出力Ｆａと、他方の駆動素子１３ｂに必要な出力Ｆｂはそれぞれ、
Ｆａ＝Ｆ１ ・・・（２）
Ｆｂ＝Ｆ１＋Ｆ２ ・・・（３）
となる。
【００３４】
把持に関与しない一方の駆動素子１３ａの出力を小さくすると、駆動素子１３ａの容積を小さく押えることができるので、より人の手に近いサイズのロボットハンドを実現することができる。例えば、一方の駆動素子１３ａの断面積を、他方の駆動素子１３ｂの断面積よりも小さくする。断面積を小さくするとは、駆動素子１３ａ、１３ｂが単体のものであれば、一方の駆動素子１３ａを、他方の駆動素子１３ｂよりも細くする。また、駆動素子を積層（束ねる場合も含む）して形成する場合には、一方の駆動素子１３ａの積層数を少なくする。
【００３５】
次に、各駆動素子１３ａ、１３ｂに必要な伸縮量であるが、各駆動素子１３ａ、１３ｂに必要な伸縮量は、指先端部１２が設定されている回転角度を満たすのに必要な収縮伸長より長く設定されている必要がある。また駆動素子１３ａ、１３ｂが同一材料から製作されたものであれば、収縮ないし伸長率は等しい。よって駆動素子全長を等しくしてやると駆動素子の収縮ないし伸長する量、すなわち変位量は等しくなる。
【００３６】
また、各駆動素子１３ａ、１３ｂは電気信号で制御できることが望ましい。関節部１０ａの回転角は、指先端部１２の屈伸位置（指フレーム１１ａに対する指先端部１２の屈曲角度）に相当する。また、関節部１０ａの回転角は駆動素子１３ａ、１３ｂの収縮、伸長量によって決まる。よって、駆動素子１３ａ、１３ｂの収縮、伸長量が制御できなければ指先端部１２の位置は定まらず、複雑な把持の実現が難しくなるので人の手に近いロボットハンドを作成することができない。そこで、各駆動素子１３ａ、１３ｂが電気信号で制御できれば、それらの収縮、伸長量がコンピュータでコントロールすることができ、把持動作全体を見た先端部の位置決めが可能となるのでより複雑な把持を実現することができる。
【００３７】
実施の形態２
【００３８】
図５〜図９は、本発明の実施の形態２を示す。前記実施の形態１で例示した駆動素子１３ａ、１３ｂは、関節部１０ａに直接取り付けられており、関節部１０ａに巻きついたり離れたりしている。また、駆動素子１３ａ、１３ｂは、関節部１０ｂ、１０ｃを通り越して関節部１０ａに取り付けられているので、関節部１０ｂ、１０ｃの回転によってそれぞれの個所で曲がることができるなど、状況の変化で柔軟に曲がることができるような柔軟性を有する場合に有利である。
【００３９】
直動式駆動素子の中には、収縮、伸長量は大きいが出力が小さいものがある。そのような駆動素子の場合、全長は短くて済むが、所定出力を得るために断面積を大きくする必要がある。このように断面積の大きな駆動素子は、柔軟性の点で不利であり、前記駆動素子１３ａ、１３ｂのように指機構の中を通って指先端部１２に直接連結すると、関節部１０ａ、１０ｂ、１０ｃの駆動を妨げてしまうので、前記実施の形態１で示した構成では不可能である。そこで、このような駆動素子の駆動力を各関節部に伝達する駆動力伝達部が必要となってくる。その具体例を以下に示す。
【００４０】
図５および図６は、指機構４の機構を説明した図である。他の指機構に関しては同様の構成なので、図示および詳細な説明は省略する。指機構４は、複数の指フレーム１１ａ、１１ｂおよび指先端部１２からなり、それぞれを関節部１０ａ、１０ｂ、１０ｃが連結している。関節部１０ａは駆動プーリ４０ａからなり、関節１０ｂはアイドラプーリ４１ａおよび駆動プーリ４１ｂからなり、関節部１０ｃはアイドラプーリ４２ａ、４２ｂおよび駆動プーリ４２ｃからなる。各駆動プーリ４０ａ、４１ｂ、４２ｃには、駆動力伝達部３１、３２、３３の一端がそれぞれ連結され、駆動力伝達部３１、３２、３３の他端は駆動部３０、４５、４６にそれぞれ連結されている。
【００４１】
次に、関節部の駆動原理を説明する。
【００４２】
関節部１０ａを駆動する駆動部３０は、出力の異なる２種類の駆動素子３０ａ、３０ｂから構成され、両方の駆動素子３０ａ、３０ｂはメインフレーム２に設置されている。各駆動素子３０ａ、３０ｂには駆動力伝達部３１ａ、３１ｂがそれぞれ連結されており、各駆動力伝達部３１ａ、３１ｂは、アイドラプーリ４２ａ、４１ａを通って関節部１０ａの駆動プーリ４０ａと連結されている。よって、駆動素子３０ａ、３０ｂの出力は駆動力伝達部３１ａ、３１ｂによって関節部１０ａに伝達され、関節部１０ａを駆動することができる。
【００４３】
この場合の駆動素子３０ａ、３０ｂの伸長、収縮量は物体を把持するのに十分な回転角を関節部１０ａに与えることができるが、直接関節部１０ａに連結してしまうと容積が小さくなくなるので、式（２）、（３）を満たすような出力を発生することができない。そこで、図５および図６に示すように駆動力伝達部３１ａ、３１ｂを介して駆動素子３０ａ、３０ｂを関節部１０ａに連結すれば、駆動素子３０ａ、３０ｂをメインフレーム２に設置できるので、駆動素子３０ａ、３０ｂは容積を大きくとることができ、式（２）、（３）を満たす出力を発生することができる。
【００４４】
ここで、駆動力伝達部３１ａ、３１ｂは、断面積が小さく且つ柔軟性および引っ張り力に富むワイヤーやベルト等を挙げることができる。ギヤを複数個並べて駆動力を伝達しても良いが、軽量化、小型化などを考えるとワイヤーが最適である。
【００４５】
本実施の形態２の場合でも、駆動素子３０ａ、３０ｂを必要以上に大きくすることはロボットハンド全体のサイズを余分に大きくすることになるので、把持力に関係しない一方の駆動素子３０ａは式（２）を、把持力に関係する他方の駆動素子３０ｂは式（３）を満足するように設定してやればよい。そうすれば一方の駆動素子３０ａを小さくすることができるので、より小型のロボットハンドを実現することができる。
【００４６】
本実施の形態２では、駆動素子３０ａ、３０ｂをメインフレーム２に設置しているが、それに限定されるわけではない。例えば、駆動素子をロボットハンドの手首、腕等のロボットハンド以外の部位に設置することが可能である。その場合、各関節部との連結は駆動力伝達部で連結してやればよい。駆動素子を手首、腕等のロボットハンド以外の部位に設置した場合、ロボットハンドがコンパクトになるばかりでなく、ロボットハンド自体が軽量化になる。そうすると、ロボットハンドを取り付けるアームへの負荷が低減できるので、手首の駆動力の低下、アームの位置制御が容易になるという効果が発生する。
【００４７】
図７に電気信号によって自身の長さが伸長する方向に出力する駆動素子を用いた場合の構成を示す。同図は、他方の駆動素子３５ｂと関節部１０ａとが駆動力伝達部３１ｂで連結されている。この駆動素子３５ｂは把持力に関係する素子である。なお、把持力に関係しない方の一方の駆動素子３５ａは、仮想線で示し、他方の駆動素子３５ｂと同様の構成なので説明を省略する。
【００４８】
他方の駆動素子３５ｂは中空構造になっており、その中を駆動力伝達部３１ｂが挿通され、駆動素子３５ｂの一端面（関節部１０ａと離れた面）イで固定されている。駆動素子３５ｂの他端面（関節部１０ａと近い面）アはメインフレーム２に固定され、駆動素子３５ｂの一端面イは自由端になっている。
【００４９】
よって、電気信号により駆動素子３５ｂは、伸長したり収縮したりするため、他端面アは固定され、一端面イが矢印Ｃの方向に移動する。仮に、駆動力伝達部３１ｂが駆動素子３５ｂの他端面アで連結され他端面アが自由に動くようになっていれば、電気信号により駆動素子３５ｂは伸長するので、関節部１０ａは手のひら側に回転することなく、物体の把持を行うことができない。しかし、駆動力伝達部３１ｂを駆動素子３５ｂの一端面イで連結すれば、電気信号により駆動素子３５ｂの一端面イが矢印Ｃの方向に伸長し、それに伴って関節部１０ａを矢印Ａの方向に回転させることができ、物体を把持することができる。
【００５０】
また、駆動素子を中空構造とせずに、駆動力伝達部３１ｂを駆動素子の外側に沿って一端面イに連結した場合には、駆動力伝達部３１ｂのパスを確保するための経路や、一端面イとの連結のための新たな機構を追加しなければならないので、ロボットハンドの構成が大きくなってしまう。よって、駆動素子３５ｂに中空部を設けその中を駆動力伝達部３ｂが通し、一端面イと連結するのが好ましい。
【００５１】
前記駆動素子３５ｂの他端面ア側はメインフレーム２に固定されているが、一端面イ側は自由端となっていて駆動可能になっている。しかし駆動素子３５が伸長、収縮する経路を決めなければ、駆動素子３５ｂは柔軟性を有しているのでメインフレーム２内で任意の方向に伸長し、本来の出力を発生せず把持力が安定しないとか、ロボットハンドの他の部品を破壊したりするなどの恐れがある。
【００５２】
そこで、駆動素子３５ｂに図８に示すようなガイド手段を設けるのが望ましい。図８（ａ）は駆動素子３５ｂの斜視図、図８（ｂ）は駆動素子３５ｂの正面図である。駆動素子３５ｂの側面には伸長経路固定ガイド治具３６が設けられている。この伸長経路固定ガイド治具３６は、図８（ｂ）のように、メインフレーム２に取り付けられた伸長経路固定ガイド３７内に通され、伸長経路固定ガイド３７は、駆動素子３５ｂを伸長、収縮する方向を案内する。図８（ｂ）において駆動素子３５ｂは紙面に垂直な方向に駆動するので、駆動素子３５ｂは伸長経路固定ガイド３７がメインフレーム２内で敷かれている経路に沿って伸長、収縮を行う。
【００５３】
本発明は、前記の実施の形態に限定されるものではなく、駆動素子３２が柔軟性を有している場合には、この駆動素子３２の設置をよりコンパクトにすることができる。例えば図９に示すように、駆動素子３２をメインフレーム２に収納できるように、少し曲げて設置してやればよい。このように駆動素子が柔軟性を有していれば、駆動素子の設置を自由にコントロールすることができるので、駆動素子の形状にこだわることなくロボットハンドの設計を行うことができる。
【００５４】
本発明において、前記それぞれの実施の形態の駆動素子１３ａ、１３ｂ、３０ａ、３０ｂ、３５ａ、３５ｂ、３２は、高分子アクチュエータの場合を例示したが、それに限定されるわけではない。直動式のアクチュエータであれば任意のものが採用できる。例えば静電力を利用して作られた静電アクチュエータや、形状記憶合金を材料として作られたアクチュエータなどがある。それらアクチュエータを用いても本発明を適用することができる。また、現在さまざまな材料から直動式アクチュエータの開発がなされているが、材料などの限定はないので、今後開発される直動式アクチュエータすべてに応用できる。
【００５５】
本発明のロボットハンドにおいて、各指機構の先端部に接触センサまたは力センサ、ないしその両方のセンサを設置してよい。接触センサは把持物体と指先端部との接触を検知し、把持が始まったことを知ることができ、把持の状態を確認することができる。また力センサは把持物体にかかる把持力を検知することで、把持物体に適切な把持力を加えることができる。どちらかのセンサを搭載するのかは、ロボットハンドの用途にって変わってくると思われるが、多種多様な把持をロボットハンドで実現させるのなら、両方のセンサを搭載していることが望ましい。
【００５６】
本発明の実施形態では、ロボットハンドを説明したがこれに限定されるわけではない。例えばロボットアーム部、ロボット足部など関節駆動部において適用できる個所はさまざまある。更にはロボット分野だけではない。回転駆動を行う個所において、駆動素子をモーターではなく直動式アクチュエータを使用するなら本発明は有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施の形態１におけるロボットハンドを示し、（ａ）は全体正面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】（ａ）は、本発明の実施の形態１におけるロボットハンドの指機構を示す概略断面図、（ｂ）は、同拡大図である。
【図３】本発明の実施の形態１におけるロボットハンドの関節部を示し、（ａ）は、把持物体を把持する状態の平面図、（ｂ）は、把持物体を離す状態の平面図である。
【図４】本発明の実施の形態１におけるロボットハンドの指機構の構成を示す正面図である。
【図５】本発明の実施の形態２におけるロボットハンド指機構の構成を示す概略正面図である。
【図６】本発明の実施の形態２におけるロボットハンドの指機構を示す概略断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２の変形例を示す概略断面図である。
【図８】本発明のロボットハンドの駆動素子を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は概略断面図である。
【図９】本発明のロボットハンドの駆動素子の配置を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ ロボットハンド
２ メインフレーム
３、４、５、６、７ 指機構
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 関節部
１１ａ、１１ｂ 指フレーム
１２ 指先端部
１３ａ、１３ｂ 駆動素子
１４ 駆動素子固定台
１５ 駆動素子連結器
２０ 把持物体
３０ａ、３０ｂ 駆動素子
３１ａ、３１ｂ 駆動力伝達部
３２ 駆動素子
３５ａ、３５ｂ 駆動素子
３６ 伸長経路固定ガイド治具
３７ 伸長経路固定ガイド
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関節駆動機構および複数の指機構を駆動させて手作業等を行うことが可能なロボットハンドに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のロボットハンドとしては、各関節部にモーターを設置し各関節部を直接モーターで回転させ、指機構を屈伸させている。このようなロボットハンドの機構では、指機構の各関節を個別に回転させることができ、指機構の自由度を高く設定することができる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
他の従来装置としては、各関節部をワイヤーで連結し、１本のワイヤーを引くだけでロボットハンドのすべての指機構を屈伸させることができる。このようなロボットハンドの機構では、駆動源の数を押えることができる（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開２００１−２８７１８２号公報
【特許文献２】特開２００３−１８１７８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１のように、ロボットハンドの指機構の自由度を高く設定するために、駆動源であるモーターを各指機構の関節部に設置すれば、指機構が大きくなり人の手のサイズ相当のハンドを実現することができない。また指機構先端部にもモーター設置されていて重くなっているので、指機構付け根部のモーターは大きなトルクを必要とすることから、さらにロボットハンドのサイズが大きくなってしまう。
【０００５】
また特許文献２では、一つのモーターでロボットハンド指機構の屈伸を行っているので、ハンドが複雑な構成をしているし、自由度が１つなのでロボットハンドに複雑な動きをさせることができない。
【０００６】
従って、人の手のサイズに相当した大きさで多自由度を有したロボットハンドを実現するのは極めて困難なことであった。
【０００７】
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、関節駆動機構を軽量かつ小型にして、人の手サイズであっても多自由度を有し複雑な動きをすることができるロボットハンドを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の関節駆動機構は、リンク部材が関節部を介して連結され、前記関節部を駆動部が駆動するようにした関節駆動機構において、前記駆動部は出力の異なる複数の駆動素子からなることにある。
【０００９】
前記本発明の関節駆動機構は、駆動素子に出力の異なる直動式アクチュエータを使用し、出力の大きな直動式アクチュエータで、リンク部材を大きな駆動力が必要な方向に作動させ、出力の小さなアクチュエータで、リンク部材を小さな駆動力でよい方向に作動させる。
【００１０】
本発明のロボットハンドは、メインフレームと、前記メインフレームに連結され且つ複数の関節部を有した複数の指機構と、前記関節部を駆動する複数の駆動部とを備えているロボットハンドにおいて、前記駆動部は出力の異なる複数の駆動素子からなることにある。
【００１１】
本発明のロボットハンドは、ロボットハンド指機構の関節部駆動に用いる駆動素子に出力の異なる直動式アクチュエータを使用し、把持力に関係する駆動素子には出力の大きな直動式アクチュエータを、把持力に関係しない駆動素子には出力の小さなアクチュエータを用いることで、軽量かつ小型のロボットハンドを実現することができる。
【００１２】
本発明のロボットハンドにおいて、把持物体に作用する把持力をＦ、関節部中心から把持力の作用点までの距離をＬ１、関節部中心から駆動素子の出力が作用する点までの距離をＬ２とするとし、関節部の回転駆動を阻止する力をＦ１とすると、出力が小さい方の駆動素子の出力をＦａ、出力が大きい方の駆動素子の出力をＦｂとすると、Ｆａ、Ｆｂはそれぞれ、
Ｆａ=Ｆ１
Ｆｂ=Ｆ１+Ｆ２（但し、Ｆ２＝Ｆ×Ｌ１/Ｌ２）
で表されることにある。
【００１３】
本発明の関節駆動機構およびロボットハンドに使用される駆動素子は、電気信号にて駆動素子自身が伸縮するのが好ましい。かかる場合には、各駆動素子の収縮、伸長量がコンピュータでコントロールすることができ、関節部の制御が容易に行える。従って、適切な把持力の発生、正確な指機構の位置決めを行うことで複雑な把持動作を実現することができる。
【００１４】
本発明の関節駆動機構およびロボットハンドは、ワイヤー等の駆動力伝達部を介して、関節部を駆動するのが好ましい。前記関節部と駆動素子との連結に駆動力伝達部を用いることで、駆動素子は適宜任意の部位に設置でき、ロボットハンド等の構成を小型にすることができるとともに、駆動素子は、設置場所が限定されないため、様々な仕様の直動式アクチュエータを採用することができる。
【００１５】
本発明のロボットハンドに使用される駆動素子は中空部を有しており、前記駆動力伝達部は前記駆動素子の中空部を通過して駆動素子に固定されている。駆動素子に中空部を設けることでロボットハンド等の構成を小型にすることができる。
【００１６】
本発明のロボットハンドに使用される前記駆動素子を伸縮方向に案内するガイド手段が設けられている場合には、駆動素子の出力を安定させ、把持動作の安定化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、関節駆動機構が軽量かつ小型になり、人の手サイズであっても多自由度を有し複雑な動きをすることができるロボットハンドを容易に製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明にかかるロボットハンドの実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１９】
実施の形態１
【００２０】
図１（ａ）、（ｂ）は本発明におけるロボットハンド１を示し、同図（ａ）はロボットハンドの全体正面図を、同図（ｂ）はロボットハンドの全体平面図を示している。ロボットハンド１は、人の手で言う掌部に相当するメインフレーム２と、メインフレーム２に取り付けられている複数本の指機構３、４、５、６、７とを備えている。指機構３は人の手で言う親指に相当し、指機構４は人の手で言う人差し指に相当し、指機構５は人の手で言う中指に相当し、指機構６は人の手で言う薬指に相当し、指機構７は人の手で言う小指に相当する。よって、指機構３と指機構４の腹が相互に対向するように設置され、かつ指機構４、５、６、７は並設されている。
【００２１】
本実施の形態１のロボットハンド１は、指機構が５本設置されているものを例示するが、これに限定されることはなく、これより多くの指機構が設置されていても良いし、また少なくても良い。しかし、物体を把持するためには、少なくとも２本の指機構が必要であり、また把持した物体を片手で持ち替えるには、少なくとも３本の指機構が必要である。さらに、人と違和感のないロボットハンドを必要とするのなら、指機構は本発明における実施の形態のように５本設置するのが好ましい。
【００２２】
図４に指機構４の構成を示す。他の指機構３、５、６、７に関しては同様の構成なので図示および詳細な説明は省略する。指機構４は、複数のリンク部材としての指フレーム１１ａ、１１ｂおよび指先端部１２と、それぞれを連結する関節部１０ａ、１０ｂ、１０ｃとからなる。
【００２３】
指先端部１２と指フレーム１１ａとを連結する関節部１０ａは、駆動プーリ４０ａからなる。両方の指フレーム１１ａ、１１ｂを連結する関節１０ｂは、アイドラプーリ４１ａと、駆動プーリ４１ｂとからなる。指フレーム１１ｂをメインフレーム２に連結する関節部１０ｃは、アイドラプーリ４２ａ、４２ｂおよび駆動プーリ４２ｃとからなる。
【００２４】
各駆動プーリ４０ａ、４１ｂ、４２ｃには、駆動部１３、４３、４４がそれぞれ連結されており、駆動部１３、４３、４４が各関節部を回転駆動させる。具体的には、駆動部１３が駆動し、関節部１０ａが回転すると指先端部１２も関節部１０ａを中心に回転する。駆動部４３が駆動し、関節部１０ｂが回転すると、それより指先にあるフレーム１１ａ、回転部１０ａおよび指先端部が回転部１０ｂを中心に回転する。駆動部４４が駆動し、関節部１０ｃが回転すると、それより指先にあるフレーム１１ａ、１１ｂ、指先端部１２および関節部１０ａ、１０ｂが、間接部１０ｃを中心に回転する。
【００２５】
次に関節部の駆動原理を説明する。
【００２６】
図２（ａ）、（ｂ）は、指先端部１２と指フレーム１１ａとを連結する関節部１０ａの駆動について説明した図である。他の関節部１０ｂ、１０ｃについても同様の原理で駆動するので、図示および詳細な説明は省略する。
【００２７】
関節部１０ａに連結されている駆動部１３は、出力の異なる２種類の索状の駆動素子１３ａ、１３ｂからなり、一方の駆動素子１３ａと他方の駆動素子１３ｂのそれぞれの一端が、メインフレーム２に設けられた駆動素子固定台１４に取り付けられている。また、両方の駆動素子１３ａ、１３ｂのそれぞれの他端は、アイドラプーリ４１ａ、４２ａを通過し、駆動プーリ４０ａに設けられた駆動素子連結器１５を介して駆動プーリ４０ａに取り付けられている。
【００２８】
各駆動素子１３ａ、１３ｂは、電気信号によって自身を収縮又は伸長させることができる直動式駆動素子である。かかる駆動素子として、例えば高分子アクチュエータなどがある。高分子アクチュエータは、さまざまなものが開発されているが、小型、軽量なので今後さまざまな分野で利用されることが期待されている。
【００２９】
他方の駆動素子１３ｂが収縮し、一方の駆動素子１３ａが伸長すると、関節部１０ａは回転駆動し、指先端部１２は矢印Ａの方向（折れ曲がる方向）に回転する。また、一方の駆動素子１３ａが収縮し、他方の駆動素子１３ｂが伸長すると、関節部１０ａは回転駆動して指先端部１２は矢印Ｂの方向（伸びる方向）に回転する。ここで駆動素子１３ａ、１３ｂの出力、すなわち収縮して物体を引っ張る力、ここでは駆動プーリ４０ａを矢印Ａ方向又は矢印Ｂ方向に回転駆動させる力であるが、それは等しく設定されていてもよい。しかし、物体を把持するためには非常に大きな力が必要となってくるので、駆動素子サイズは大きくなってしまい、ロボットハンドのサイズを小さくすることができない。
【００３０】
そこで、両方の駆動素子１３ａ、１３ｂのうち、把持に関係しない一方の駆動素子１３ａについては、その出力を小さくすることができる。例えば図３（ａ）のように他方の駆動素子１３ｂが収縮すると、指先端部１２は手の平側に回転し、把持物体２０に接触する。その状態から更に駆動素子１３ｂを収縮させる（すなわち出力を上げる）ことで、指先端部１２が把持物体２０に作用する力を大きくすることができ、把持力を上げることができる。よって、他方の駆動素子１３ｂは把持に必要な力以上の出力が必要となる。
【００３１】
しかし、図３（ｂ）のように、一方の駆動素子１３ａが収縮すると、指先端部１２は手の平とは反対の方向に回転するので、把持物体２０からは離れていく。よって、一方の駆動素子１３ａは把持には関係がないのでその出力を小さく設定することができる。
【００３２】
ここで、各駆動素子１３ａ、１３ｂに必要な出力について説明する。一方の駆動素子１３ａは、把持には必要ないので大きな力必要としないが、ロボットハンドの関節部１０ａを回転するのに必要な力を出力する必要がある。関節部１０ａには、その回転駆動を阻止する摩擦力や、指先端部１２などの負荷があるので、それら回転駆動を阻止する力Ｆ１より大きな力を出力するように駆動素子１３ａの出力Ｆａは設定されなければならない。
【００３３】
他方の駆動素子１３ｂはこのＦ１に加えて把持に必要な力を出力しなければならない。図３（ａ）を用いて説明すると、把持物体２０に把持力Ｆを加えようとした場合に、他方の駆動素子１３ｂが必要とされる出力Ｆ２は、関節部１０ａの中心から把持力Ｆの作用点までの距離をＬ１、関節部１０ａの中心から他方の駆動素子１３ｂが関節部１０ａに連結されている駆動素子連結器１５までの距離をＬ２とすると、
Ｆ２＝Ｆ×Ｌ１/Ｌ２ ・・・（１）
で表される。他方の駆動素子１３ｂは、Ｆ２とＦ１を加えた力を出力する必要がある。よって、一方の駆動素子１３ａに必要な出力Ｆａと、他方の駆動素子１３ｂに必要な出力Ｆｂはそれぞれ、
Ｆａ＝Ｆ１ ・・・（２）
Ｆｂ＝Ｆ１＋Ｆ２ ・・・（３）
となる。
【００３４】
把持に関与しない一方の駆動素子１３ａの出力を小さくすると、駆動素子１３ａの容積を小さく押えることができるので、より人の手に近いサイズのロボットハンドを実現することができる。例えば、一方の駆動素子１３ａの断面積を、他方の駆動素子１３ｂの断面積よりも小さくする。断面積を小さくするとは、駆動素子１３ａ、１３ｂが単体のものであれば、一方の駆動素子１３ａを、他方の駆動素子１３ｂよりも細くする。また、駆動素子を積層（束ねる場合も含む）して形成する場合には、一方の駆動素子１３ａの積層数を少なくする。
【００３５】
次に、各駆動素子１３ａ、１３ｂに必要な伸縮量であるが、各駆動素子１３ａ、１３ｂに必要な伸縮量は、指先端部１２が設定されている回転角度を満たすのに必要な収縮伸長より長く設定されている必要がある。また駆動素子１３ａ、１３ｂが同一材料から製作されたものであれば、収縮ないし伸長率は等しい。よって駆動素子全長を等しくしてやると駆動素子の収縮ないし伸長する量、すなわち変位量は等しくなる。
【００３６】
また、各駆動素子１３ａ、１３ｂは電気信号で制御できることが望ましい。関節部１０ａの回転角は、指先端部１２の屈伸位置（指フレーム１１ａに対する指先端部１２の屈曲角度）に相当する。また、関節部１０ａの回転角は駆動素子１３ａ、１３ｂの収縮、伸長量によって決まる。よって、駆動素子１３ａ、１３ｂの収縮、伸長量が制御できなければ指先端部１２の位置は定まらず、複雑な把持の実現が難しくなるので人の手に近いロボットハンドを作成することができない。そこで、各駆動素子１３ａ、１３ｂが電気信号で制御できれば、それらの収縮、伸長量がコンピュータでコントロールすることができ、把持動作全体を見た先端部の位置決めが可能となるのでより複雑な把持を実現することができる。
【００３７】
実施の形態２
【００３８】
図５〜図９は、本発明の実施の形態２を示す。前記実施の形態１で例示した駆動素子１３ａ、１３ｂは、関節部１０ａに直接取り付けられており、関節部１０ａに巻きついたり離れたりしている。また、駆動素子１３ａ、１３ｂは、関節部１０ｂ、１０ｃを通り越して関節部１０ａに取り付けられているので、関節部１０ｂ、１０ｃの回転によってそれぞれの個所で曲がることができるなど、状況の変化で柔軟に曲がることができるような柔軟性を有する場合に有利である。
【００３９】
直動式駆動素子の中には、収縮、伸長量は大きいが出力が小さいものがある。そのような駆動素子の場合、全長は短くて済むが、所定出力を得るために断面積を大きくする必要がある。このように断面積の大きな駆動素子は、柔軟性の点で不利であり、前記駆動素子１３ａ、１３ｂのように指機構の中を通って指先端部１２に直接連結すると、関節部１０ａ、１０ｂ、１０ｃの駆動を妨げてしまうので、前記実施の形態１で示した構成では不可能である。そこで、このような駆動素子の駆動力を各関節部に伝達する駆動力伝達部が必要となってくる。その具体例を以下に示す。
【００４０】
図５および図６は、指機構４の機構を説明した図である。他の指機構に関しては同様の構成なので、図示および詳細な説明は省略する。指機構４は、複数の指フレーム１１ａ、１１ｂおよび指先端部１２からなり、それぞれを関節部１０ａ、１０ｂ、１０ｃが連結している。関節部１０ａは駆動プーリ４０ａからなり、関節１０ｂはアイドラプーリ４１ａおよび駆動プーリ４１ｂからなり、関節部１０ｃはアイドラプーリ４２ａ、４２ｂおよび駆動プーリ４２ｃからなる。各駆動プーリ４０ａ、４１ｂ、４２ｃには、駆動力伝達部３１、３２、３３の一端がそれぞれ連結され、駆動力伝達部３１、３２、３３の他端は駆動部３０、４５、４６にそれぞれ連結されている。
【００４１】
次に、関節部の駆動原理を説明する。
【００４２】
関節部１０ａを駆動する駆動部３０は、出力の異なる２種類の駆動素子３０ａ、３０ｂから構成され、両方の駆動素子３０ａ、３０ｂはメインフレーム２に設置されている。各駆動素子３０ａ、３０ｂには駆動力伝達部３１ａ、３１ｂがそれぞれ連結されており、各駆動力伝達部３１ａ、３１ｂは、アイドラプーリ４２ａ、４１ａを通って関節部１０ａの駆動プーリ４０ａと連結されている。よって、駆動素子３０ａ、３０ｂの出力は駆動力伝達部３１ａ、３１ｂによって関節部１０ａに伝達され、関節部１０ａを駆動することができる。
【００４３】
この場合の駆動素子３０ａ、３０ｂの伸長、収縮量は物体を把持するのに十分な回転角を関節部１０ａに与えることができるが、直接関節部１０ａに連結してしまうと容積が小さくなくなるので、式（２）、（３）を満たすような出力を発生することができない。そこで、図５および図６に示すように駆動力伝達部３１ａ、３１ｂを介して駆動素子３０ａ、３０ｂを関節部１０ａに連結すれば、駆動素子３０ａ、３０ｂをメインフレーム２に設置できるので、駆動素子３０ａ、３０ｂは容積を大きくとることができ、式（２）、（３）を満たす出力を発生することができる。
【００４４】
ここで、駆動力伝達部３１ａ、３１ｂは、断面積が小さく且つ柔軟性および引っ張り力に富むワイヤーやベルト等を挙げることができる。ギヤを複数個並べて駆動力を伝達しても良いが、軽量化、小型化などを考えるとワイヤーが最適である。
【００４５】
本実施の形態２の場合でも、駆動素子３０ａ、３０ｂを必要以上に大きくすることはロボットハンド全体のサイズを余分に大きくすることになるので、把持力に関係しない一方の駆動素子３０ａは式（２）を、把持力に関係する他方の駆動素子３０ｂは式（３）を満足するように設定してやればよい。そうすれば一方の駆動素子３０ａを小さくすることができるので、より小型のロボットハンドを実現することができる。
【００４６】
本実施の形態２では、駆動素子３０ａ、３０ｂをメインフレーム２に設置しているが、それに限定されるわけではない。例えば、駆動素子をロボットハンドの手首、腕等のロボットハンド以外の部位に設置することが可能である。その場合、各関節部との連結は駆動力伝達部で連結してやればよい。駆動素子を手首、腕等のロボットハンド以外の部位に設置した場合、ロボットハンドがコンパクトになるばかりでなく、ロボットハンド自体が軽量化になる。そうすると、ロボットハンドを取り付けるアームへの負荷が低減できるので、手首の駆動力の低下、アームの位置制御が容易になるという効果が発生する。
【００４７】
図７に電気信号によって自身の長さが伸長する方向に出力する駆動素子を用いた場合の構成を示す。同図は、他方の駆動素子３５ｂと関節部１０ａとが駆動力伝達部３１ｂで連結されている。この駆動素子３５ｂは把持力に関係する素子である。なお、把持力に関係しない方の一方の駆動素子３５ａは、仮想線で示し、他方の駆動素子３５ｂと同様の構成なので説明を省略する。
【００４８】
他方の駆動素子３５ｂは中空構造になっており、その中を駆動力伝達部３１ｂが挿通され、駆動素子３５ｂの一端面（関節部１０ａと離れた面）イで固定されている。駆動素子３５ｂの他端面（関節部１０ａと近い面）アはメインフレーム２に固定され、駆動素子３５ｂの一端面イは自由端になっている。
【００４９】
よって、電気信号により駆動素子３５ｂは、伸長したり収縮したりするため、他端面アは固定され、一端面イが矢印Ｃの方向に移動する。仮に、駆動力伝達部３１ｂが駆動素子３５ｂの他端面アで連結され他端面アが自由に動くようになっていれば、電気信号により駆動素子３５ｂは伸長するので、関節部１０ａは手のひら側に回転することなく、物体の把持を行うことができない。しかし、駆動力伝達部３１ｂを駆動素子３５ｂの一端面イで連結すれば、電気信号により駆動素子３５ｂの一端面イが矢印Ｃの方向に伸長し、それに伴って関節部１０ａを矢印Ａの方向に回転させることができ、物体を把持することができる。
【００５０】
また、駆動素子を中空構造とせずに、駆動力伝達部３１ｂを駆動素子の外側に沿って一端面イに連結した場合には、駆動力伝達部３１ｂのパスを確保するための経路や、一端面イとの連結のための新たな機構を追加しなければならないので、ロボットハンドの構成が大きくなってしまう。よって、駆動素子３５ｂに中空部を設けその中を駆動力伝達部３ｂが通し、一端面イと連結するのが好ましい。
【００５１】
前記駆動素子３５ｂの他端面ア側はメインフレーム２に固定されているが、一端面イ側は自由端となっていて駆動可能になっている。しかし駆動素子３５が伸長、収縮する経路を決めなければ、駆動素子３５ｂは柔軟性を有しているのでメインフレーム２内で任意の方向に伸長し、本来の出力を発生せず把持力が安定しないとか、ロボットハンドの他の部品を破壊したりするなどの恐れがある。
【００５２】
そこで、駆動素子３５ｂに図８に示すようなガイド手段を設けるのが望ましい。図８（ａ）は駆動素子３５ｂの斜視図、図８（ｂ）は駆動素子３５ｂの正面図である。駆動素子３５ｂの側面には伸長経路固定ガイド治具３６が設けられている。この伸長経路固定ガイド治具３６は、図８（ｂ）のように、メインフレーム２に取り付けられた伸長経路固定ガイド３７内に通され、伸長経路固定ガイド３７は、駆動素子３５ｂを伸長、収縮する方向を案内する。図８（ｂ）において駆動素子３５ｂは紙面に垂直な方向に駆動するので、駆動素子３５ｂは伸長経路固定ガイド３７がメインフレーム２内で敷かれている経路に沿って伸長、収縮を行う。
【００５３】
本発明は、前記の実施の形態に限定されるものではなく、駆動素子３２が柔軟性を有している場合には、この駆動素子３２の設置をよりコンパクトにすることができる。例えば図９に示すように、駆動素子３２をメインフレーム２に収納できるように、少し曲げて設置してやればよい。このように駆動素子が柔軟性を有していれば、駆動素子の設置を自由にコントロールすることができるので、駆動素子の形状にこだわることなくロボットハンドの設計を行うことができる。
【００５４】
本発明において、前記それぞれの実施の形態の駆動素子１３ａ、１３ｂ、３０ａ、３０ｂ、３５ａ、３５ｂ、３２は、高分子アクチュエータの場合を例示したが、それに限定されるわけではない。直動式のアクチュエータであれば任意のものが採用できる。例えば静電力を利用して作られた静電アクチュエータや、形状記憶合金を材料として作られたアクチュエータなどがある。それらアクチュエータを用いても本発明を適用することができる。また、現在さまざまな材料から直動式アクチュエータの開発がなされているが、材料などの限定はないので、今後開発される直動式アクチュエータすべてに応用できる。
【００５５】
本発明のロボットハンドにおいて、各指機構の先端部に接触センサまたは力センサ、ないしその両方のセンサを設置してよい。接触センサは把持物体と指先端部との接触を検知し、把持が始まったことを知ることができ、把持の状態を確認することができる。また力センサは把持物体にかかる把持力を検知することで、把持物体に適切な把持力を加えることができる。どちらかのセンサを搭載するのかは、ロボットハンドの用途にって変わってくると思われるが、多種多様な把持をロボットハンドで実現させるのなら、両方のセンサを搭載していることが望ましい。
【００５６】
本発明の実施形態では、ロボットハンドを説明したがこれに限定されるわけではない。例えばロボットアーム部、ロボット足部など関節駆動部において適用できる個所はさまざまある。更にはロボット分野だけではない。回転駆動を行う個所において、駆動素子をモーターではなく直動式アクチュエータを使用するなら本発明は有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施の形態１におけるロボットハンドを示し、（ａ）は全体正面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】（ａ）は、本発明の実施の形態１におけるロボットハンドの指機構を示す概略断面図、（ｂ）は、同拡大図である。
【図３】本発明の実施の形態１におけるロボットハンドの関節部を示し、（ａ）は、把持物体を把持する状態の平面図、（ｂ）は、把持物体を離す状態の平面図である。
【図４】本発明の実施の形態１におけるロボットハンドの指機構の構成を示す正面図である。
【図５】本発明の実施の形態２におけるロボットハンド指機構の構成を示す概略正面図である。
【図６】本発明の実施の形態２におけるロボットハンドの指機構を示す概略断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２の変形例を示す概略断面図である。
【図８】本発明のロボットハンドの駆動素子を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は概略断面図である。
【図９】本発明のロボットハンドの駆動素子の配置を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ ロボットハンド
２ メインフレーム
３、４、５、６、７ 指機構
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 関節部
１１ａ、１１ｂ 指フレーム
１２ 指先端部
１３ａ、１３ｂ 駆動素子
１４ 駆動素子固定台
１５ 駆動素子連結器
２０ 把持物体
３０ａ、３０ｂ 駆動素子
３１ａ、３１ｂ 駆動力伝達部
３２ 駆動素子
３５ａ、３５ｂ 駆動素子
３６ 伸長経路固定ガイド治具
３７ 伸長経路固定ガイド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リンク部材が関節部を介して連結され、前記関節部を駆動部が駆動するようにした関節駆動機構において、前記駆動部は出力の異なる複数の駆動素子からなることを特徴とする関節駆動機構。
【請求項２】
前記駆動素子は、電気信号にて駆動素子自身が伸縮する請求項１に記載の関節駆動機構。
【請求項３】
前記関節駆動機構は駆動力伝達部を有し、前記駆動素子は、前記駆動力伝達部を介して関節部を駆動する請求項２に記載の関節駆動機構。
【請求項４】
前記駆動素子は中空部を有しており、前記駆動力伝達部は前記駆動素子の中空部を通過して駆動素子に固定されている請求項３に記載の関節駆動機構。
【請求項５】
前記駆動素子を伸縮方向に案内するガイド手段が設けられている請求項２〜４の何れかに記載の関節駆動機構。
【請求項６】
メインフレームと、前記メインフレームに連結され且つ複数の関節部を有した複数の指機構と、前記関節部を駆動する複数の駆動部とを備えているロボットハンドにおいて、前記駆動部は出力の異なる複数の駆動素子からなることを特徴としたロボットハンド。
【請求項７】
前記駆動部は出力の異なる２つの駆動素子からなり、出力が大きい方の駆動素子はロボットハンドが把持物体を把持するときに駆動する駆動素子で、出力が小さい方の駆動素子はロボットハンドが把持物体を離すときに駆動する請求項６に記載のロボットハンド。
【請求項８】
前記ロボットハンドにおいて、把持物体に作用する把持力をＦ、関節部中心から把持力の作用点までの距離をＬ１、関節部中心から駆動素子の出力が作用する点までの距離をＬ２とするとし、関節部の回転駆動を阻止する力をＦ１とすると、出力が小さい方の駆動素子の出力をＦａ、出力が大きい方の駆動素子の出力をＦｂとすると、Ｆａ、Ｆｂはそれぞれ、
Ｆａ=Ｆ１
Ｆｂ=Ｆ１+Ｆ２（但し、Ｆ２＝Ｆ×Ｌ１/Ｌ２）
で表される請求項６又は７に記載のロボットハンド。
【請求項９】
前記駆動素子は、電気信号にて駆動素子自身が伸縮することを特徴とする請求項６〜８の何れかに記載のロボットハンド。
【請求項１０】
前記ロボットハンドは駆動力伝達部を有し、前記駆動素子は、前記駆動力伝達部を介して関節部を駆動する請求項６〜９の何れかに記載のロボットハンド。
【請求項１１】
前記駆動力伝達部はワイヤーである請求項１０に記載のロボットハンド。
【請求項１２】
前記駆動素子は中空部を有しており、前記駆動力伝達部は前記駆動素子の中空部を通過して駆動素子に固定されている請求項１０又は１１に記載のロボットハンド。
【請求項１３】
前記駆動素子を伸縮方向に案内するガイド手段が設けられている請求項９〜１２の何れかに記載のロボットハンド。
【請求項１】
リンク部材が関節部を介して連結され、前記関節部を駆動部が駆動するようにした関節駆動機構において、前記駆動部は出力の異なる複数の駆動素子からなることを特徴とする関節駆動機構。
【請求項２】
前記駆動素子は、電気信号にて駆動素子自身が伸縮する請求項１に記載の関節駆動機構。
【請求項３】
前記関節駆動機構は駆動力伝達部を有し、前記駆動素子は、前記駆動力伝達部を介して関節部を駆動する請求項２に記載の関節駆動機構。
【請求項４】
前記駆動素子は中空部を有しており、前記駆動力伝達部は前記駆動素子の中空部を通過して駆動素子に固定されている請求項３に記載の関節駆動機構。
【請求項５】
前記駆動素子を伸縮方向に案内するガイド手段が設けられている請求項２〜４の何れかに記載の関節駆動機構。
【請求項６】
メインフレームと、前記メインフレームに連結され且つ複数の関節部を有した複数の指機構と、前記関節部を駆動する複数の駆動部とを備えているロボットハンドにおいて、前記駆動部は出力の異なる複数の駆動素子からなることを特徴としたロボットハンド。
【請求項７】
前記駆動部は出力の異なる２つの駆動素子からなり、出力が大きい方の駆動素子はロボットハンドが把持物体を把持するときに駆動する駆動素子で、出力が小さい方の駆動素子はロボットハンドが把持物体を離すときに駆動する請求項６に記載のロボットハンド。
【請求項８】
前記ロボットハンドにおいて、把持物体に作用する把持力をＦ、関節部中心から把持力の作用点までの距離をＬ１、関節部中心から駆動素子の出力が作用する点までの距離をＬ２とするとし、関節部の回転駆動を阻止する力をＦ１とすると、出力が小さい方の駆動素子の出力をＦａ、出力が大きい方の駆動素子の出力をＦｂとすると、Ｆａ、Ｆｂはそれぞれ、
Ｆａ=Ｆ１
Ｆｂ=Ｆ１+Ｆ２（但し、Ｆ２＝Ｆ×Ｌ１/Ｌ２）
で表される請求項６又は７に記載のロボットハンド。
【請求項９】
前記駆動素子は、電気信号にて駆動素子自身が伸縮することを特徴とする請求項６〜８の何れかに記載のロボットハンド。
【請求項１０】
前記ロボットハンドは駆動力伝達部を有し、前記駆動素子は、前記駆動力伝達部を介して関節部を駆動する請求項６〜９の何れかに記載のロボットハンド。
【請求項１１】
前記駆動力伝達部はワイヤーである請求項１０に記載のロボットハンド。
【請求項１２】
前記駆動素子は中空部を有しており、前記駆動力伝達部は前記駆動素子の中空部を通過して駆動素子に固定されている請求項１０又は１１に記載のロボットハンド。
【請求項１３】
前記駆動素子を伸縮方向に案内するガイド手段が設けられている請求項９〜１２の何れかに記載のロボットハンド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００６−１２３１４９（Ｐ２００６−１２３１４９Ａ）
【公開日】平成１８年５月１８日（２００６．５．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３１８２４８（Ｐ２００４−３１８２４８）
【出願日】平成１６年１１月１日（２００４．１１．１）
【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１８日（２００６．５．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月１日（２００４．１１．１）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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