JP2008264895A - 多関節指部材並びにロボットハンド及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】共通の駆動源によって駆動される複数の関節を有する指部材にて、これら複数の関節の関節角度が任意の角度に設定された状態を作り出すことを可能とする。
【解決手段】多関節指部材２は、駆動モータ２００と、駆動モータ２００によって駆動される第１関節２０と、第１関節２０に一端が固定された第１リンク２１と、第２リンク２３と、第２リンク２３を回動可能に第１リンク２１の他端に結合し、第１関節２０と共通の駆動モータ２００によって駆動される第２関節２２と、クラッチ機構２１２とを備える。ここで、クラッチ機構２１２は、第１関節２０の駆動に要する駆動トルクの増大に応じて駆動モータ２００から第１関節２０への動力伝達を抑制するとともに、第１関節２０への動力伝達が抑制された状態において第１関節２０の駆動に要する駆動トルクが減少したことに応じて、即座に駆動モータ２００から第１関節２０への動力伝達を回復させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、共通の駆動源によって駆動される複数の関節と、これら複数の関節の各々により支持される複数のリンクを有する多関節指部材に関し、特に、複数の関節のうち少なくとも１つの関節の回転に要する駆動トルクの増減に応じて、当該少なくとも１つの関節に対する駆動力の伝達状態を切り替えるクラッチ機構を有する多関節指部材に関する。また、本発明は、このような多関節指部材を有するロボットハンドに関する。

上述したクラッチ機構を備える多関節指部材を有するロボットハンドが特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されたロボットハンドは、ベースとなる掌フレームに３本の指部材が結合された構造を有する。特許文献１に開示されたロボットハンドが有する指部材の側面図を図９に示す。図９に示した指部材４０は、第１関節７２及び第２関節７４の２つの関節を有している。第１関節７２は、掌部の一部である掌リンク６０と第１リンク６２とを結合している。また、第２関節７４は、第１リンク６２の末端部にあって、第１リンク６２と第２リンク６４とを結合している。

図９に示した第１関節７２及び第２関節７４は、共通の駆動源である駆動モータ１７５によって駆動される。また、第１関節７２及び第２関節７４の回転に付随して、第１リンク６２及び第２リンクが第１関節７２及び第２関節７４の回転軸を中心に回動することにより、物体把持に必要な指部材４０の開閉動作が実現される。

特許文献１に開示されたロボットハンドは、把持対象物体の形状に順応した把持動作（具体的には指部材４０の各リンクを掌内側に向けて閉じる動作）を行うことを特徴とする。このために、駆動モータ１７５と第１関節７２との間にクラッチ機構１００が配置されている。一方、駆動モータ１７５と第２関節７４との間には、駆動モータ１７５の動力伝達を遮断するクラッチ機構は設けられていない。具体的には、図示しないウォームギアと、プーリ及びタイミングベルトにより構成される動力伝達部材によって、駆動モータ１７５
のトルクが第２関節７４に伝達される。

特許文献１に開示されたクラッチ機構１００の構造を図１０を用いて説明する。図１０は、掌リンク６０内に設けられるクラッチ機構１００の部分断面を含む側面図である。クラッチ機構１００の外側本体１０２の外形は、第１関節７２に固定されたウォームホイル１２０とかみ合うウォームの形状とされている。つまり、外側本体１０２の外周に設けられたウォーム１０１は、ウォームホイル１２０とともにウォームギアを構成している。したがって、駆動モータ１７５の駆動力はウォーム１０１及びウォームホイル１２０を介して第１関節７２に伝達される。

外側本体１０２には、ねじ孔１０３が形成されており、ねじ孔１０３の閉鎖端部には、弾性手段１６０が配置されている。弾性手段１６０は、ゴム若しくはシリコーン等の弾性体を成形して得られるＯ型リング、ばね又はベルビルワッシャー等である。

棒状のクラッチ部１１０の外周には、ねじ孔１０３のねじ筋１０４にかみ合う寸法とされたねじ筋１１１が形成され、クラッチ部１１０は、外側本体１０２のねじ孔１０３に嵌合されている。また、クラッチ部１１０は、端部が軸受１７０により支持された軸１４０上に回転自由に支持されている。さらに、ねじ孔１０３にねじ込まれていない側のクラッチ部１１０の一端には、平歯車１３０が固定されている。平歯車１３０は、駆動歯車とかみ合っており、駆動モータ１７５からの入力トルクが駆動歯車１０５を介して平歯車１３０に供給される。

図１０に示すように構成されたクラッチ機構１００の動作は以下のようになる。まず始めに、駆動モータ１７５を回転させて、クラッチ部１１０の先端が弾性手段１６０に接触するまで、クラッチ部１１０を外側本体１０２のねじ孔１０３にねじ込む。クラッチ部１１０の先端によって押圧された弾性手段１６０の変位が増すと、ねじ筋１０４及び１１１の間の摩擦力が増大するため、ねじ孔１０３へのクラッチ部１１０のさらなる締め込み又は緩めに必要なトルクも同様に増大する。この時点で、ねじ筋１０４及び１１１の間の摩擦力によってウォーム１０１が回転し、駆動モータ１７５のトルクがウォーム１０１からウォームホイル１２０に伝達され、ウォームホイル１２０の回転とともに第１関節７２及び第１リンク６２が回動する。なお、クラッチ部１１０を締め込む方向の駆動モータ１７５の回転は、指部材４０を外側へ広げる方向、言い換えると、掌内側に向けて屈曲した第１リンク６２及び第２リンク６４を伸ばす方向に対応する。したがって、クラッチ部１１０を締め込む方向の駆動モータ１７５の回転によって、徐々に指が伸びていき、第１リンク６２が掌リンク６０に接触する位置などにより予め規定される限界位置まで指部材４０が広げられる。

次に把持対象物体を把持するために、駆動モータ１７５の回転方向が反転される。これに応じて、クラッチ部１１０が逆回転（すなわち、ねじを緩める方向の回転）される。このとき、第１リンク６２の内面６６が把持対象物体に接触しなければ、第１関節７２及び第２関節７４はともに回転する。これにより、第１リンク６２及び第２リンク６４は図１０に二点鎖線で示した閉鎖位置（リンク６２及び６４を掌内側に曲げた位置）に移動する。

一方、第１リンク６２の内面６６が把持対象物体に接触した場合、把持対象物体から第１リンク６２への反作用力によって、ウォームホイル１２０の回転に抵抗するトルクが発生する。これによって、第１関節７２の駆動に要するトルクが、ねじ筋１０４及び１１１の間の摩擦力（つまり、ねじ孔１０３に締め込まれたクラッチ部１１０が弛緩するのに要するトルク）を超えると、クラッチ部１１０が外側本体１０２から緩められ、ウォームホイル１２０の回転は停止し、ウォームギアのセルフロックによって第１関節７２の回転角及び第１リンク６２の位置が維持される。このとき、第２関節７４は、駆動モータ１７５に結合されたままであるから、第２関節７４及び第２リンク６４は回転を継続する。

上述したように、特許文献１に開示されたロボットハンドは、２つの関節７２及び７４のうちの掌に近い第１関節７２と共通の駆動モータ１７５との間にクラッチ機構１００を設けている。さらに、クラッチ機構１００は、第１リンク６２に作用する抵抗力に起因した第１関節７２の回転に要する駆動トルクが増加した場合に、第１関節７２へのトルク伝達を遮断するものである。このような構成によって、特許文献１に開示されたロボットハンドは、把持対象物体の形状に順応し、把持対象物体を包み込むような把持動作を可能とする。

図１１（ａ）乃至（ｅ）は、特許文献１に開示されたロボットハンドによる把持動作の各過程における指部材４０の姿勢を示す概略図である。図１１（ａ）は、把持対象物体５０の把持を行う際の初期姿勢を示している。初期姿勢は、第１リンク６２が掌リンク６０に接触する位置や第１関節７２の回転限界などにより規定される限界位置まで指部材４０が広げられた姿勢により規定される。

図１１（ｂ）は、駆動モータ１７５を逆回転させて物体５０の把持を開始した後に、第１リンク６２が物体５０に接触した時点を示している。物体５０の把持を開始してから第１リンク６２が物体５０に接触するまでの間は、第１関節７２及び第２関節７４はともに駆動モータ１７５に結合されている。このため、第１リンク６２と第２リンク６４はそれぞれ、第１関節７２及び第２関節７４の減速機構によって規定される関係を保ちながら回動する。第１リンク６２と第２リンク６４の角速度が同一になるように、第１関節７２及び第２関節７４の減速機構が調整されていれば、第１リンク６２と第２リンク６４のなす角度（第２関節角度）は、図１１（ａ）の初期位置と同様に維持される。

図１１（ｃ）は、クラッチ機構１００によって第１関節７２と駆動モータ１７５の結合が解除された後に、第２リンク６４のみが回動を継続した後の状態を示している。このように、第１リンク６２が停止し、第２リンク６４のみが回動することで、指部材４０は物体５０を包み込むように動作する。

図１１（ｄ）は、把持動作の終了後に指部材４０を伸ばすために駆動モータ１７５の回転方向を反転させた後の状態を示している。このとき、第２関節７４は即座に反対方向に回転するから、これに付随して第２リンク６４が外側に開く。しかしながら、駆動モータ１７５の駆動方向を反転させた直後は、クラッチ部１１０と弾性手段１６０は接触していないため、第１関節７２を駆動するウォームホイル１２０へのトルク伝達は行われない。つまり、ウォームホイル１２０へのトルク伝達が開始されるのは、クラッチ部１１０がねじ孔１０３に締め込まれることで、ねじ筋１０４及び１１１の間の摩擦力が大きくなった後である。このため、駆動モータ１７５の駆動方向を反転させた後に、第１リンク６２が外側に開き始めるまでにはタイムラグがある。よって、特許文献１に開示されたロボットハンドは、図１１（ｄ）に示すように、第１リンク６２の位置は固定されたままで、第２リンク６４が先に開く動作を行う。

図１１（ｅ）は、クラッチ機構１００による駆動モータ１７５と第１関節７２との結合が回復した後に、再び図１１（ａ）と同じ初期姿勢に戻った状態を示している。
特表平４−５０１６８２号公報

特許文献１に開示されたロボットハンドが備える指部材４０は、図１１（ｃ）に示すように屈曲した状態から指を開き始めると、図１１（ｄ）に示すように先に指先側の第２リンク６４が開き始め、遅れて指根元側の第１リンク６２が開くという動作になる。このため、特許文献１に開示されたロボットハンドは、物体を把持する前に予め第２リンク６４を曲げておくなど、第１関節７２及び第２関節７４が任意の角度に設定された状態を作り出すことが困難である。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたものであって、共通の駆動源によって駆動される複数の関節と、これら複数の関節の各々により支持される複数のリンクを有し、これら複数の関節の関節角度が任意の角度に設定された状態を作り出すことが可能な多関節指部材の提供、及び、このような多関節指部材を備えるロボットハンドの提供を目的とする。

本発明にかかる多関節指部材は、第１駆動源と、前記第１駆動源によって駆動される第１関節と、前記第１関節に一端が固定された第１指リンクと、第２指リンクと、前記第２指リンクを回動可能に前記第１指リンクの他端に結合し、前記第１関節と共通の前記第１駆動源によって駆動される第２関節と、クラッチ機構とを備える。ここで、前記クラッチ機構は、前記第１関節の駆動に要する駆動トルクの増大に応じて前記第１駆動源から前記第１関節への動力伝達を抑制するとともに、前記第１関節への動力伝達が抑制された状態において前記第１関節の駆動に要する駆動トルクが減少したことに応じて、即座に前記第１駆動源から前記第１関節への動力伝達を回復させるよう構成される。

本発明にかかる多関節指部材は、前記駆動源から前記第１関節への駆動力の伝達が抑制された状態において、前記第１指リンクの回動を抑制する外力が前記第１指リンクに作用しない状態、言い換えると、前記第１関節の駆動に要する駆動トルクが減少した状態に変化すると、前記駆動源から前記第１関節への駆動力の伝達が即座に回復する。これにより、前記第１関節の回転が速やかに開始される。このため、本発明にかかる多関節指部材をロボットハンドに適用すれば、図１１（ｄ）に示した動きとは対照的に、図６（ｄ）に示すように、前記第１指リンク（図６（ｄ）の第１リンク２１）と前記第２指リンク（図６（ｄ）の第２リンク２３）がなす関節角度を一定に維持したまま、前記第１指リンクが外側に開く動作を行うことができる。すなわち、本発明にかかる多関節指部材を使用すれば、前記第１関節及び前記第２関節が共通の前記駆動源によって駆動されるものであるにもかかわらず、これら２つの関節の関節角度が任意の角度に設定された姿勢を作り出すことができる。

なお、前記クラッチ機構は、前記第１駆動源によって回転駆動される入力クラッチ板と、前記入力クラッチ板と面接触するよう配置される出力クラッチ板を有し、前記入力クラッチ板と前記出力クラッチ板の間の摩擦面に生じる摩擦トルクにより前記出力クラッチ板が回転駆動されることによって前記駆動源の駆動力を前記第１関節に伝達する摩擦クラッチとしてもよい。

前記クラッチ機構を摩擦クラッチとする場合には、前記第１関節の駆動に要する駆動トルクが前記摩擦面に生じる静摩擦トルクを超えて増大した場合に、前記入力クラッチ板が前記出力クラッチ板に対して滑り回転することで前記第１駆動源から前記第１関節への動力伝達が抑制されるように構成するとよい。また、前記第１駆動源から前記第１関節への動力伝達が抑制された状態において、前記第１関節の駆動に要する駆動トルクが少なくとも前記静摩擦トルクを下回った場合に、前記入力クラッチ板と前記出力クラッチ板との滑りが消失することで前記前記第１駆動源と前記第１関節の間が動力伝達可能に再結合されるように構成するとよい。このような構成によって、前記第１関節の駆動トルクの増減に応じて、前記駆動源と前記第１関節との結合解除及び再結合を即座に行うことができる。

本発明にかかるロボットハンドは、上述した本発明にかかる多関節指部材である第１指部材と、前記第１指部材が有する前記第１関節によって、前記第１指リンクに結合される掌部とを備えるロボットハンドである。

さらに、上述した本発明にかかるロボットハンドは、前記第１指部材に対向するように前記掌部に配置される第２指部材をさらに備えて構成されてもよい。ここで、前記第２指部材は、第２駆動源及び第３駆動源と、第３指リンクと、前記第３指リンクの一端を回動可能に前記掌部に結合し、前記第２駆動源により駆動される第３関節と、第４指リンクと、前記第４指リンクを回動可能に前記第３指リンクの他端に結合し、前記第１関節と独立に前記第３駆動源によって駆動される第４関節とを有する。このように構成されたロボットハンドを、前記第２指部材を把持対象物体の位置固定のために使用し、前記第２指部材によって支えられた把持対象物体に対して第１指部材の前記第１指リンクが押付力を加えるよう動作させることによって、把持対象物体の配置が不安定であっても、安定した把持動作を行うことができる。

またさらに、上述した本発明にかかるロボットハンドは、上述した本発明にかかる多関節指部材である第３指部材をさらに備え、前記第１及び第３指部材は、互いの側面を対向させるとともに、曲げられた前記第２指部材が前記第１及び第３指部材に衝突しないように間隔をあけて配置されるよう構成してもよい。

また、上述した本発明にかかるロボットハンドを以下のように制御するとよい。まず、前記第１駆動源を動作させて前記第１関節及び第２関節を前記掌部の内側に向けて回転する。次に、前記第１指リンクと前記掌部が接触するか又は前記第１関節の回転限界位置に到達することで前記クラッチ機構により前記第１関節の駆動を停止させ、前記第１関節の駆動を停止させた後にさらに前記第１駆動源を動作させることで、前記第２関節を前記掌部の内側に向けてさらに回転させる。続いて、前記第１及び第２指リンクのなす関節角度が所定の状態になった場合に、前記第１駆動源を反転駆動し、前記クラッチ機構により動力伝達が回復した前記第１関節と、前記第２関節とを両方とも前記掌部の外側に回転させることにより、前記関節角度を維持したままで、前記掌部と前記第１指リンクのなす角度を調整する。このような制御方法によって、このような動作によって、前記第１指部材の第１関節及び第２関節を任意の角度に設定することができる。

本発明により、共通の駆動源によって駆動される複数の関節と、これら複数の関節の各々により支持される複数のリンクを有し、これら複数の関節の関節角度が任意の角度に設定された状態を作り出すことが可能な多関節指部材、及びこのような多関節指部材を備えるロボットハンドを提供できる。

以下では、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面において、同一要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略される。

発明の実施の形態１．
図１は、本実施の形態にかかるロボットハンド１の概要を示す斜視図である。また、図２は、ロボットハンド１の概要を示す平面図である。ロボットハンド１は、掌部４に結合された２本の指部材２及び１本の指部材３を有する。このうち、指部材２は、２つの関節２０及び２２を有する。２つの関節２０及び２２は、図１には示されていない共通の駆動源である駆動モータ２００によって駆動される。指部材２の指根元側の関節である第１関節２０は、指根元側のリンクである第１リンク２１を回動可能に掌部４に結合する。指先側の関節である第２関節２２は、指先側のリンクである第２リンク２３を回動可能に第１リンク２１に結合する。また、第１関節２０及び第２関節２２の回転軸は互いに平行である。

一方、指部材３も２つの関節３０及び３１を有する点は指部材２と同様である。しかし、関節３０及び３１はそれぞれ、図１には示されていない駆動モータ３００及び３１０によって互いに独立に駆動される。指部材３の指根元側の関節である第１関節３０は、指根元側のリンクである第１リンク３１を回動可能に掌部４に結合する。指先側の関節である第２関節３２は、指先側のリンクである第２リンク３３を回動可能に第１リンク３１に結合する。また、第１関節３０及び第２関節３２の回転軸は互いに平行である。

ロボットハンド１における指部材２及び３の配置は、図２に示す通りである。すなわち、掌部４の１つの端部に２本の指部材２が互いの側面を対向させて配置されており、２本の指部材２と対向する位置に指部材３が配置されている。なお、指部材２及び３は、物体把持等のために指部材２及び３が指を曲げるように（手を握りこむように）動作したときに、指部材２と指部材３とが衝突しないように配置されている。具体的に述べると、曲げられた指部材３が、同じく曲げられた２本の指部材２の間に位置するように、２本の指部材２は十分に間隔をあけて配置されている。

次に、指部材２の構成について図３及び４を用いて説明する。図３は、指部材２を示す斜視図である。また、図４は、指部材２の駆動系を示す概要図である。図３及び４において、駆動モータ２００は、第１関節２０及び第２関節２２に駆動トルクを供給する駆動源である。以下では、駆動モータ２００と第１関節２０及び第２関節２２の間で駆動トルクを伝達するための各部材について説明する。

減速機２０１は、駆動モータ２００の出力に接続されており、駆動モータ２００の回転数を落とすことで駆動トルクを増大させる。減速機２０１の出力端には入力プーリ２０２が固定されており、減速機２０１の出力は、入力プーリ２０２及びベルト２０３を介して出力プーリ２０４に伝達される。出力プーリ２０４は、駆動軸２０５の一端に固定され、また、駆動軸２０５の他端には、指先リンク２３に駆動力を伝達するためのウォーム２０６が固定されている。

ウォーム２０６は、ウォームホイル２０７とかみ合わされてウォームギアを構成している。また、ウォームホイル２０７には入力プーリ２０８が固定されている。なお、ウォームホイル２０７及び入力プーリ２０８の中心孔を第１関節２０の関節軸が貫通しており、ウォームホイル２０７及び入力プーリ２０８は第１関節２０の関節軸に回転自在に支持されている。したがって、駆動モータ２００の駆動力は、ウォーム２０６及びウォームホイル２０７よりなるウォームギアによって回転軸が変換され、所定の減速比による減速がなされて入力プーリ２０８に伝達される。

入力プーリ２０８は、ベルト２０９によって、第２関節２２の関節軸に固定された出力プーリ２１０に連結されている。したがって、入力プーリ２０８から伝達される駆動モータ２００のトルクによって出力プーリ２１０即ち第２関節２２が回転駆動される。なお、アイドラ２１１は、ベルト２０９の張力を保つために設けられている。

このように、駆動モータ２００と第２関節２２の間では、駆動軸の変換及び減速が適宜行われるが、駆動モータ２００から第２関節２２への駆動トルクの伝達を遮断するためのクラッチ機構は設けられていない。

次に、駆動モータ２００から第１関節２０への動力伝達について説明する。駆動モータ２００から第１関節２０への動力伝達は、クラッチ機構２１２を介して行われる。本実施の形態に示すクラッチ機構２１２は摩擦クラッチであり、入力クラッチ板２１３、出力クラッチ板２１４を含む。入力クラッチ板２１３は、上述した駆動軸２０５に固定されており、駆動軸２０５の回転に付随して回転駆動される。一方、出力クラッチ板２１４は、駆動軸２０５に回転自在に支持されるとともに、押圧部材２１５によって、駆動軸２０５に対して平行に入力クラッチ板２１３に向けて押し付けられている。本実施の形態では、押圧部材２１５として圧縮ばねを使用しているが、圧縮ばねに代えて他の押圧力を発生する部材を用いてもよい。駆動軸２０５の回転に付随して回転する入力クラッチ板２１３と出力クラッチ板２１４との間の摩擦力によって、入力クラッチ板２１３から出力クラッチ板２１４に対して駆動モータ２００の動力が伝達される。

出力クラッチ板２１４には動力中継用の平歯車２１６が固定されており、互いにかみ合わされた平歯車２１６、２１７及び２１８によって駆動モータ２００の動力が中継される。なお、出力側の平歯車２１８は、駆動軸２１９に固定されている。

駆動軸２１９は、上述した駆動軸２０５と平行に配置されており、駆動軸２１９には平歯車２１８と共にウォーム２２０が固定されている。ウォーム２２０は、ウォームホイル２２１とかみ合わされてウォームギアを構成している。また、ウォームホイル２２１は、第１関節２０の関節軸に固定されている。したがって、駆動モータ２００の駆動力は、ウォーム２０６及びウォームホイル２０７よりなるウォームギアによって回転軸が変換され、所定の減速比による減速がなされて第１関節２０に伝達される。

続いて以下では、クラッチ機構２１２の動作について詳しく述べる。物体の把持のために駆動モータ２００の回転によって駆動軸２０５が回転させられると、通常は、入力クラッチ板２１３と出力クラッチ板２１４の間の摩擦トルクによって出力クラッチ板２１４が回転される。この結果、第１関節２０及び第２関節２２が共に回転駆動される。

一方、第１リンク２１の掌内側の面が把持対象物体に接触した場合、掌の内側に曲げられた第１リンク２１が掌部４に接触した場合、又は、掌の外側に広げられた第１リンク２１が掌部４に接触した場合など、第１関節２０の回転駆動に要するトルクが大きくなると、クラッチ機構２１２の動作が変化する。つまり、第１関節２０の回転駆動に要するトルクが大きくなった結果、出力クラッチ板２１４の回転に要するトルクが、入力クラッチ板２１３と出力クラッチ板２１４の間の摩擦面に生じる摩擦トルクを超えると、入力クラッチ板２１３と出力クラッチ板２１４の間が滑り始める。この間も、第２関節２２は継続して駆動されるため、第１リンク２１の運動と第２リンク２３の運動との間に差異が生じる。

次に、指部材３の構成について図５を用いて説明する。図５は、指部材３の駆動系を示す概要図である。図５において、駆動モータ３００は、第１関節３０に駆動トルクを供給する駆動源である。一方、駆動モータ３１０は、第２関節３２に駆動トルクを供給する駆動源である。

及び第２関節２２に駆動トルクを供給する駆動源である。指部材３は、上述した指部材２とは異なり、２つの関節２０及び２２がそれぞれ独立に駆動される。

図５に示した例では、駆動モータ３００の回転は、駆動モータ３００の回転軸に固定された入力プーリ３０１、ベルト３０２によって入力プーリ３０１と結合された出力プーリ３０３、出力プーリ３０３に固定された駆動軸３０４、駆動軸３０４に固定されたウォーム３０５、ウォーム３０５とかみ合わされたウォームホイル３０６の順に伝達される。なお、ウォームホイル３０６は、第１関節３０の関節軸に固定されている。このような構成により、駆動モータ３００の駆動力が、ウォーム３０５及びウォームホイル３０６よりなるウォームギアによって回転軸が変換され、所定の減速比による減速がなされて第１関節３０に伝達される。

駆動モータ３１０の回転は、駆動モータ３１０の回転軸に固定された入力プーリ３１１、ベルト３１２によって入力プーリ３１１と結合された出力プーリ３１３、出力プーリ３１３に固定された駆動軸３１４、駆動軸３１４に固定されたウォーム３１５、ウォーム３１５とかみ合わされたウォームホイル３１６の順に伝達される。また、ウォームホイル３１６には入力プーリ３１７が固定されるとともに、ウォームホイル３１６及び入力プーリ３１７は、第２関節３２の関節軸に回転自在に支持されている。さらに、入力プーリ３１７は、ベルト３１８によって、第２関節３２の関節軸に固定された出力プーリ３１９に連結されている。したがって、入力プーリ３１７から伝達される駆動モータ３１０のトルクによって出力プーリ３１９即ち第２関節３２が回転駆動される。

駆動モータ３００及び３１０はそれぞれ独立に制御可能であるため、駆動モータ３００及び３１０の制御によって、第１関節３０及び第２関節３２は互いに独立して動作する。これにより、指部材３によれば、第１関節３０及び第２関節３２の関節角度が任意の角度に設定された状態を作り出すことが可能である。

図６（ａ）乃至（ｅ）は、ロボットハンド１による把持動作の各過程における指部材２の姿勢を示す概略図である。図６（ａ）は、把持対象物体５０の把持を行う際の初期姿勢を示している。初期姿勢は、第１リンク２１が掌部４に接触する位置や第１関節２０の回転限界などにより規定される限界位置まで指部材４０が広げられた姿勢により規定される。

図６（ｂ）は、駆動モータ２００を回転させて物体５０の把持を開始した後に、第１リンク２１が物体５０に接触した時点を示している。物体５０の把持を開始してから第１リンク２１が物体５０に接触するまでの間は、第１関節２０及び第２関節２２はともに駆動モータ２００に結合されている。このため、第１リンク２１と第２リンク２３はそれぞれ、第１関節２０及び第２関節２２の減速機構によって規定される関係を保ちながら回動する。例えば、第１リンク２１と第２リンク２３の角速度が同一になるように、第１関節２０及び第２関節２３の減速機構が調整されていれば、第１リンク２１と第２リンク２３のなす角度（第２関節角度）は、図６（ａ）の初期位置と同様に維持される。

図６（ｃ）は、クラッチ機構２１２によって第１関節２０と駆動モータ２００の結合が解除された後に、第２リンク２３のみが回動を継続した後の状態を示している。このように、第１リンク２１が停止し、第２リンク２３のみが回動することで、指部材２は物体５０を包み込むように動作する。

図６（ｄ）は、把持動作の終了後に指部材２を伸ばすために駆動モータ２００の回転方向を反転させた後の状態を示している。このとき、第１リンク２１の回動はもはや物体５０により抑制されない。したがって、入力クラッチ板２１３と出力クラッチ板２１４の摩擦力による結合が速やかに回復し、第１関節２０は図６（ｂ）までとは逆方向に回転する。また、第２関節２３も同様に即座に図６（ｃ）までとは逆方向に回転する。これによって、図６（ｄ）に示すように、第１リンク２１と第２リンク２３がなす第２関節角度が一定に保たれたまま、第１リンク２１が外側に開く動作を行う。

図６（ｅ）は、再び図６（ａ）と同じ初期姿勢に戻った状態を示している。つまり、第２リンク２３は曲げられたままであるから、第１リンク２１が掌部４に接触する位置や第１関節２０の回転限界などにより規定される限界位置に先に到達する。そして、クラッチ機構２１２による第１関節２０と駆動モータ２００との結合が再び解除される。第２関節２２への動力伝達は継続されているから、最終的に、図６（ｅ）の初期位置に到達する。

図６（ａ）乃至（ｃ）に示した物体５０を握るための動作は、図１１（ａ）乃至（ｃ）に示した従来のロボットハンドの動作とほぼ同様である。一方、図６（ｄ）以降に示した指を広げる動作は、図１１（ｄ）以降に示した従来のロボットハンドの動作とは対照的である。つまり、従来のロボットハンドは、先に、第２リンク６４が開いてしまうために第２関節角度を保つことが出来ない。これに対して、本実施の形態にかかるロボットハンド１は、第２関節角度を維持したまま、第１関節角度を変化させることが出来る。このロボットハンド１の動作は、クラッチ機構２１２によりもたらされる。クラッチ機構２１２によれば、第１リンク２１の回動を抑制する外力が第１リンク２１に作用しない状態になると、入力クラッチ板２１３と出力クラッチ板２１４の結合が即座に回復し、第１関節２０の回転が速やかに開始されるためである。

上述した指部材２の動作によって、第１関節２０及び第２関節２２が共通の駆動モータ２００によって駆動されるものであるにもかかわらず、これら２つの関節２０及び２２の関節角度が任意の角度に設定された状態を作り出すことができるという優れた効果がもたらされる。第１関節２０及び第２関節２２を任意の角度に設定するためには、図７（ａ）乃至（ｃ）に示すように指部材２を動作させればよい。

まず、図６（ａ）に示した初期状態から指を閉じる方向に駆動モータ２００を回転させると、図７（ａ）に示すように、第１リンク２１と掌部４の接触する位置又は第１関節２０の動作限界位置に到達する。図７（ａ）の状態からさらに駆動モータ２００の回転を継続すると、クラッチ機構２１２によって駆動モータ２００から第１関節２０へのトルク伝達が遮断され、第２関節２２のみが回転を継続する状態となる。このため、図７（ｂ）に示すように、第２リンク２３が掌内側に閉じ込むよう動作する。そして、第２リンク２３の閉じ込みによって第２関節２２の角度（第２関節角度）が所望の角度に到達したことに応じて、駆動モータ２００を逆方向に回転させる。これにより、図７（ｃ）に示すように、第２関節角度は所望の角度に維持されたままで、第１関節角度を変化させることができる。このような動作によって、第１関節２０及び第２関節２２を任意の角度に設定することができる。

第１関節２０及び第２関節２２を任意の角度に設定することができれば、例えば、物体を把持する前に予め第２リンク２３を曲げて待機する動作や、曲げられた第２リンク２３をフックのように利用して、物を第２リンク２３に引っ掛ける動作を行う際に有用である。

また、本実施の形態にかかるロボットハンド１は、関節２０及び２２を共通の駆動モータ２００によって動作させる指部材２と対向して相対的に動作する指部材として関節３０及び３２の独立動作が可能な指部材３を有する構成である。これにより、以下に述べる利点がある。

上述したように、特許文献１に開示されたロボットハンドは、対向して配置されて相対動作を行う指部材が全て、共通の駆動源により動作する複数の関節を備えるものである。このような従来のロボットハンドにより物体５０の把持を行う際に、指先側の第２リンク６４による物体５０を包み込むような閉じ込み動作が発生するのは、指根元側の第１リンク６２が物体５０に接触して押付力を生じた後である。しかし、物体５０が不安定に置かれていたり軽量であったりする場合は、第１リンク６２の押付力によって物体５０の位置が変動し、物体５０が転倒するなどの不測の事態を招くおそれがある。

ロボットハンド１は、上述したような従来のロボットハンドでは把持動作が困難な状況に対処可能である。図８を用いて具体的に説明する。まず始めに図８（ａ）に示すように、指部材２の指先側の第２リンク２３を曲げてから、物体５０へのアプローチ動作を開始する。そして、図８（ｂ）に示すように、第１関節３０及び第２関節３２を独立して駆動させることが可能な指部材３を、指部材２に先立って物体５０の側面に近づけて、指部材３によって物体５０を支えておく。その後、図８（ｂ）に示すように指部材２を物体５０に近づけて把持動作を完了する。つまり、指部材３を物体５０の位置固定のために使用し、指部材３によって支えられた物体５０に対して指部材２の第１リンク２１が押付力を加える。これにより、物体５０の配置が不安定であっても、安定した把持動作を行うことができる。なお、図示しない制御装置によりロボットハンド１が有する駆動モータ２００、３００、３１０を制御することで上述したロボットハンド１の物体把持動作を実行することや、物体把持動作をより確実にするために、物体５０との接触を検知する触覚センサを指部材３や掌部４に設ける等の工夫は、当業者であれば適宜なし得るものである。

その他の実施の形態．
図３及び４に示した指部材２の構成及び図５に示した指部材３の構成は、一例にすぎないことはもちろんである。たとえば、クラッチ機構２１２は摩擦クラッチに限定されるものではない。クラッチ機構２１２は、第１リンク２１の回動を抑制する外力が第１リンク２１に作用しない状態になったことに応じて、クラッチ機構２１２が即座に動力伝達状態となって第１関節２０の回転が速やかに開始されればよい。つまり、クラッチ機構２１２は、出力側の駆動に要するトルクの増大によって動力遮断された状態において、出力側の駆動に要するトルクが閾値以下に低下したことに応じて、即座に動力伝達状態となるクラッチ機構であればよい。例えば、摩擦クラッチに代えて電磁クラッチを用いることも可能である。

また、駆動モータ２００と第１関節２０及び第２関節２２の間の動力伝達系、駆動モータ３００と第１関節３０の間の動力伝達系、及び、駆動モータ３１０と第２関節３２の間の動力伝達系を構成するプーリ、ベルト及びウォームギア等の部材は、適宜その他の任意の手段によって置換可能である。例えば、ワイヤ若しくはチェーンの使用、複数の平歯車の使用、又は、摩擦輪の使用などが可能である。

指部材２を使用したロボットハンドは、発明の実施の形態1に示したロボットハンド１に限定されない。例えば、ロボットハンド１において３本の指の全てを指部材２としてもよい。また、ロボットハンド１が有する指部材２の数が任意であることはもちろんである。

さらに、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、既に述べた本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。

本発明の実施の形態にかかるロボットハンドの概観を示す斜視図である。 本発明の実施の形態にかかるロボットハンドの概観を示す平面図である。 本発明の実施の形態にかかる多関節指部材を示す斜視図である。 本発明の実施の形態にかかる多関節指部材の駆動系を示す概要図である。 本発明の実施の形態にかかる多関節指部材の駆動系を示す概要図である。 把持動作の各過程における本発明の実施の形態にかかるロボットハンドの姿勢を示す概略図である。 本発明の実施の形態にかかるロボットハンドの動作を示す概略図である。 本発明の実施の形態にかかるロボットハンドの動作を示す概略図である。 従来のロボットハンドが有する多関節指部材を示す側面図である。 従来の多関節指部材が有するクラッチ機構の部分断面を含む側面図である。 把持動作の各過程における従来のロボットハンドの姿勢を示す概略図である。

符号の説明

１ ロボットハンド
２ 指部材
２０ 第１関節（指根元関節）
２１ 第１リンク（指根元リンク）
２２ 第２関節（指先関節）
２３ 第２リンク（指先リンク）
３ 指部材
３０ 第１関節（指根元関節）
３１ 第１リンク（指根元リンク）
３２ 第２関節（指先関節）
３３ 第２リンク（指先リンク）
４ 掌部
２００ 駆動モータ
２０１ 減速機
２０２ 入力プーリ
２０３ ベルト
２０４ 出力プーリ
２０５ 駆動軸
２０６ ウォーム
２０７ ウォームホイル
２０８ 入力プーリ
２０９ ベルト
２１０ 出力プーリ
２１１ アイドラ
２１２ クラッチ機構
２１３ 入力クラッチ板
２１４ 出力クラッチ板
２１５ 押圧部材（圧縮ばね）
２１６、２１７、２１８ 平歯車
２１９ 駆動軸
２２０ ウォーム
２２１ ウォームホイル

Claims (7)

1. 第１駆動源と、
   前記第１駆動源によって駆動される第１関節と、
   前記第１関節に一端が固定された第１指リンクと、
   第２指リンクと、
   前記第２指リンクを回動可能に前記第１指リンクの他端に結合し、前記第１関節と共通の前記第１駆動源によって駆動される第２関節と、
   前記第１関節の駆動に要する駆動トルクの増大に応じて前記第１駆動源から前記第１関節への動力伝達を抑制するとともに、前記第１関節への動力伝達が抑制された状態において前記第１関節の駆動に要する駆動トルクが減少したことに応じて、即座に前記第１駆動源から前記第１関節への動力伝達を回復させるクラッチ機構と、
   を備える多関節指部材。
2. 前記クラッチ機構は、前記第１駆動源によって回転駆動される入力クラッチ板と、前記入力クラッチ板と面接触するよう配置される出力クラッチ板を有し、
   前記入力クラッチ板と前記出力クラッチ板の間の摩擦面に生じる摩擦トルクにより前記出力クラッチ板が回転駆動されることによって前記駆動源の駆動力を前記第１関節に伝達する摩擦クラッチである、請求項１に記載の多関節指部材。
3. 前記第１関節の駆動に要する駆動トルクが前記摩擦面に生じる静摩擦トルクを超えて増大した場合に、前記入力クラッチ板が前記出力クラッチ板に対して滑り回転することで前記第１駆動源から前記第１関節への動力伝達が抑制され、
   前記第１駆動源から前記第１関節への動力伝達が抑制された状態において、前記第１関節の駆動に要する駆動トルクが少なくとも前記静摩擦トルクを下回った場合に、前記入力クラッチ板と前記出力クラッチ板との滑りが消失することで前記前記第１駆動源と前記第１関節の間が動力伝達可能に再結合される、請求項２に記載の多関節指部材
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の多関節指部材である第１指部材と、
   前記第１指部材が有する前記第１関節によって、前記第１指リンクに結合される掌部とを備えるロボットハンド。
5. 前記第１指部材に対向するように前記掌部に配置される第２指部材をさらに備え、
   前記第２指部材は、
   第２駆動源及び第３駆動源と、
   第３指リンクと、
   前記第３指リンクの一端を回動可能に前記掌部に結合し、前記第２駆動源により駆動される第３関節と、
   第４指リンクと、
   前記第４指リンクを回動可能に前記第３指リンクの他端に結合し、前記第１関節と独立に前記第３駆動源によって駆動される第４関節とを有する請求項４に記載のロボットハンド。
6. 請求項１乃至３のいずれかに記載の多関節指部材である第３指部材をさらに備え、
   前記第１及び第３指部材は、互いの側面を対向させるとともに、曲げられた前記第２指部材が前記第１及び第３指部材に衝突しないように間隔をあけて配置されている請求項５に記載のロボットハンド。
7. 請求項４に記載のロボットハンドの制御方法であって、
   前記第１駆動源を動作させて前記第１関節及び第２関節を前記掌部の内側に向けて回転し、
   前記第１指リンクと前記掌部が接触するか又は前記第１関節の回転限界位置に到達することで前記クラッチ機構により前記第１関節の駆動を停止させ、
   前記第１関節の駆動を停止させた後にさらに前記第１駆動源を動作させることで、前記第２関節を前記掌部の内側に向けてさらに回転させ、
   前記第１及び第２指リンクのなす関節角度が所定の状態になった場合に、前記第１駆動源を反転駆動し、前記クラッチ機構により動力伝達が回復した前記第１関節と、前記第２関節とを両方とも前記掌部の外側に回転させることにより、前記関節角度を維持したままで、前記掌部と前記第１指リンクのなす角度を調整する、制御方法。

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