JP2014054720A - 人間型電動ハンド - Google Patents

Abstract

【課題】駆動機構の大型化を抑えながらも、指の関節の駆動力およびその動作精度を好適に確保することのできる人間型電動ハンドを提供する。
【解決手段】モーター（３４，４３）の回転軸（４０、４４）に平行に配置されたネジ軸（３９，４９）を有するボールネジ（３８，４８）をモーター（３４，４３）に隣接して配設するとともに、そのボールネジ（３８，４８）を介して伝達されたモーター（３４，４３）の出力で指の関節を伸展、屈曲動作させるようにした。
【選択図】図６

Description

本発明は、ヒューマノイド・ロボットや電動義手などに使用される人間型電動ハンドに関する。

近年、ヒューマノイド・ロボット用や電動義手用の電動ハンドとして、人間の手と同様の把持操作を可能とする人間型電動ハンドの開発が進められている。そして従来、そうした人間型電動ハンドとして、特許文献１に記載のものが提案されている。

こうした人間型電動ハンドでは、サイズその大きさの関係で、大出力のモーターを採用できないことがある。そこで、特許文献１に記載の人間型電動ハンドでは、小出力のモーターでも、把持力を大きくできるように、モーターの出力を、減速ギアを介して指に伝達するようにしている。

国際公開ＷＯ２０１２／０３９７４７９号

ところが、こうした従来の人間型電動ハンドにおいて、モーターを変えずに把持力を大きくするため、減速ギアの減速比を大きくすると、減速ギアの出力側のギアの径が大きくなる。そのため、減速ギアで大きな減速比を実現しようとすれば、電動ハンド内の限られた空間に設置することが困難となってしまう。さらに、減速ギアのギア間のバックラッシュや摩擦のため、指の動作の精度が悪化するようにもなる。

なお、複数段のギア対を用いた多段減速ギア機構を採用すれば、ギア径を大きくせずとも、把持力を大きくすることは可能である。しかしながら、そうした場合には、減速機構がギアの軸方向に長くなり、やはり設置性が悪化する。また、人間型電動ハンドに採用されるような小型モーターに装着可能な高減速比の多段減速ギア機構は、歯車の許容できるトルクが小さいものしかなく、出力を高めるには、更なる減速機構や大型モーターが必要となる。さらに、多段減速ギア機構でも、ギア間のバックラッシュや摩擦による指の動作の精度の悪化は、やはり避けられないものとなる。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、駆動機構の大型化を抑えながらも、指の関節の駆動力およびその動作精度を好適に確保することのできる人間型電動ハンドを提供することにある。

上記課題を解決する人間型電動ハンドは、モーターの回転軸に平行に配置されたネジ軸を有するボールネジを前記モーターに隣接して配設するとともに、そのボールネジを介して伝達された前記モーターの出力で指の関節を伸展、屈曲動作させるようにしている。

こうした人間型電動ハンドでは、モーターと減速機構として機能するボールネジとが隣に並んで配置されるため、指の関節を伸展、屈曲動作させるための駆動機構を大型化せずとも、モーター出力の減速比を大きくすることができる。また、減速ギアのようなバックラッシュがなく、また摩擦の小さいボールネジで減速機構が構成されているため、指の動作精度の悪化を避けることができる。

本発明の人間型電動ハンドによれば、駆動機構の大型化を抑えながらも、指の関節の駆動力およびその動作精度を好適に確保することができる。

人間型電動ハンドの一実施形態について、その手の平側から見た全体構造を示す平面図。 同実施形態の人間型電動ハンドの拇指側から見た側面図。 同実施形態の人間型電動ハンドの示指のカバーが取付けられた状態の側面図。 同示指のカバーが外された状態の側面図。 同示指の腹側から見た平面図。 同示指の側部断面構造を示す断面図。 同実施形態の人間型電動ハンドの拇指のカバーが外された状態の側面図。 同拇指の指の腹側から見た平面図。 同拇指の側部断面構造を示す断面図。 上記示指の第２、第３節の内部構造を示す図。 上記示指の第２、第３節の屈曲動作時の内部構造を示す図。

以下、人間型電動ハンドの一実施形態を、図１〜図１１を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態の人間型電動ハンドは、ヒューマノイド・ロボットに採用されるものとなっている。

図１及び図２に示すように、本実施形態の人間型電動ハンドは、人間の手の平に相当する掌部１０と、その掌部１０から突き出された拇指１１、示指１２、中指１３、薬指１４、及び小指１５の５つの指とを備えている。

（４指の構造）
まず、こうした人間型電動ハンドの拇指１１以外の４指（示指１２、中指１３、薬指１４、及び小指１５）の構造を、図３〜図６を参照して説明する。以下では、示指１２を例として説明するが、中指１３、薬指１４及び小指１５の構造も、示指１２と同じ構造となっている。なお、図３には、センサーや駆動機構を覆うカバー２０、２１、２２が取付けられた状態の示指１２の側面構造が、図４には、それらカバー２０、２１、２２が外された状態の示指１２の側面構造が、それぞれ示されている。また、図５における中心線Ｌよりも図中左側には、カバー２０、２１、２２が取付けられた状態の示指１２の平面構造が、その図中右側には、カバー２０、２１、２２が外された状態の示指１２の平面構造がそれぞれ示されている。

図３〜図５に示される示指１２は、掌部１０に固定される示指基部２３を有している。示指基部２３の指先側には、掌部１０の手の甲に相当する面に垂直な軸２４を中心に回動可能に示指第１節２５が連結されている。示指第１節２５の指先側には、上記軸２４に垂直な軸２６を中心に回動可能に示指第２節２７が連結されている。更に、示指第２節２７の指先側には、上記軸２６に平行な軸２８を中心に回動可能に示指第３節２９が連結されている。

こうした示指１２は、次の３つの関節を有している。第１の関節は、軸２４を中心とした示指基部２３に対する示指第１節２５の回動、すなわち、掌部１０に対する示指１２の内転、外転動作を許容する関節となっている。また、第２の関節は、軸２６を中心とした示指第１節２５に対する示指第２節２７の回動、すなわち、示指第１節２５に対する示指第２節２７の屈曲、伸展動作を許容する関節となっている。そして、第３の関節は、軸２８を中心とした示指第２節２７に対する示指第３節２９の回動、すなわち、示指第２節２７に対する示指第３節２９の屈曲、伸展動作を許容する関節となっている。

図６に示すように、示指基部２３には、円筒形の示指第１モーター３０が固定されている。示指第１モーター３０の出力軸３１には、傘歯ギア３２が一体回転可能に固定されている。傘歯ギア３２は、示指第１節２５に固定された傘歯ギア３３に噛み合わされている。傘歯ギア３３は、示指基部２３に対する示指第１節２５の回動中心である軸２４がそのギア中心となるように配設されている。ちなみに、示指第１モーター３０は、示指１２を掌部１０に取付けた際に、掌部１０に内蔵されるようになっている。

示指第１節２５には、円筒形の示指第２モーター３４が固定されている。示指第２モーター３４は、その回転軸４０が示指第１節２５の延伸方向と垂直となる向きで、示指第１節２５の指の背側に突き出すように配設されている。示指第２モーター３４の出力軸３５には、平歯ギア３６が一体回転可能に固定されている。

この平歯ギア３６には、平歯ギア３７が噛み合わされている。平歯ギア３７は、示指第１節２５に、示指第２モーター３４と隣接して配設されたボールネジ３８のネジ軸３９に一体回転可能に固定されている。このボールネジ３８のネジ軸３９は、示指第１節２５に回動可能に軸支された状態で、示指第２モーター３４の回転軸４０と平行に配置されている。ネジ軸３９上には、ナット４１が配設されている。ナット４１は、ネジ軸３９の回転に応じて同ネジ軸３９に沿って往復動されるようになっている。

こうしたボールネジ３８のナット４１には、示指第１リンク４２の基端部が回転可能に軸支されている。示指第１リンク４２の先端部は、示指第２節２７に回転可能に軸支されている。示指第２節２７における示指第１リンク４２の軸支位置Ｐ１は、示指第１節２５に対する示指第２節２７の回動中心である軸２６から一定の距離だけ偏心した位置とされている。

示指第２節２７には、円筒形の示指第３モーター４３が固定されている。示指第３モーター４３は、その回転軸４４が示指第２節２７の延伸方向と平行となる向きで、示指第２節２７の指の背側に配設されている。示指第３モーター４３の出力軸４５には、平歯ギア４６が一体回転可能に固定されている。

この平歯ギア４６には、平歯ギア４７が噛み合わされている。平歯ギア４７は、示指第２節２７に、示指第３モーター４３と隣接して配設されたボールネジ４８のネジ軸４９に一体回転可能に固定されている。このボールネジ４８のネジ軸４９は、示指第２節２７に回動可能に軸支された状態で、示指第３モーター４３の回転軸４４と平行に配置されている。ネジ軸４９上には、ナット５０が配設されている。ナット５０は、ネジ軸４９の回転に応じて同ネジ軸４９に沿って往復動されるようになっている。

こうしたボールネジ４８のナット５０には、示指第２リンク５１の基端部が回転可能に軸支されている。示指第２リンク５１の先端部は、示指第３節２９に回転可能に軸支されている。示指第３節２９における示指第２リンク５１の軸支位置Ｐ２は、示指第２節２７に対する示指第３節２９の回動中心である軸２８から一定の距離だけ偏心した位置とされている。

示指第３節２９には、力覚センサー５２が配設されている。そして、その力覚センサー５２により、示指１２の指先に加わる力が計測されるようになっている。なお、本実施形態では、こうした示指１２に設けられた、示指第１モーター３０、示指第２モーター３４、及び示指第３モーター４３の各モーターに、遊星ギアによって構成された減速機構を内蔵するものを採用している。

（拇指の構造）
続いて、本実施形態の人間型電動ハンドの拇指１１の構造を、図７〜図９を参照して説明する。

図７及び図８に示される拇指１１は、掌部１０に固定される拇指基部６０を有している。拇指基部６０には、軸６１を中心として回動可能に拇指第１節６２が連結されている。拇指第１節６２の指先側には、上記軸６１に垂直な軸６３を中心として回動可能に拇指第２節６４が連結されている。そして、拇指第２節６４の指先側には、上記軸６３を平行な軸６５を中心として回動可能に拇指第３節６６が連結されている。

こうした拇指１１は、次の３つの関節を有している。第１の関節は、軸６１を中心とした拇指基部６０に対する拇指第１節６２の回動、すなわち、掌部１０に対する拇指１１の内転、外転動作を許容する関節となっている。また、第２の関節は、軸６３を中心とした拇指第１節６２に対する拇指第２節６４の回動、すなわち、拇指第１節６２に対する拇指第２節６４の屈曲、伸展動作を許容する関節となっている。そして、第３の関節は、軸６５を中心とした拇指第２節６４に対する拇指第３節６６の回動、すなわち、拇指第２節６４に対する拇指第３節６６の屈曲、伸展動作を許容する関節となっている。

図９に示すように、拇指第１節６２には、傘歯ギア６７が固定されている。傘歯ギア６７は、拇指基部６０に対する拇指第１節６２の回動中心である軸６１がギア中心となるように配設されている。この傘歯ギア６７は、拇指１１の掌部１０への取付けに際して、傘歯ギア７０と噛み合わされるようになっている。この傘歯ギア７０は、掌部１０に内蔵された拇指第１モーター６８の出力軸６９に一体回転可能に固定されている。

拇指第１節６２には、円筒形の拇指第２モーター７１が固定されている。この拇指第２モーター７１は、その回転軸７２が拇指第１節６２の延伸方向と平行となる向きで、拇指第１節６２の指の背側に配設されている。拇指第２モーター７１の出力軸７３には、平歯ギア７４が一体回転可能に固定されている。

この平歯ギア７４には、平歯ギア７５が噛み合わされている。平歯ギア７５は、拇指第１節６２に、拇指第２モーター７１と隣接して配設されたボールネジ７６のネジ軸７７に一体回転可能に固定されている。このボールネジ７６のネジ軸７７は、拇指第１節６２に回動可能に軸支された状態で、拇指第２モーター７１の回転軸７２と平行に配置されている。ネジ軸７７上には、ナット７８が配設されている。ナット７８は、ネジ軸７７の回転に応じて同ネジ軸７７に沿って往復動されるようになっている。

こうしたボールネジ７６のナット７８には、拇指第１リンク７９の基端部が回転可能に軸支されている。拇指第１リンク７９の先端部は、拇指第２節６４に回転可能に軸支されている。拇指第２節６４における拇指第１リンク７９の軸支位置Ｐ３は、拇指第１節６２に対する拇指第２節６４の回動中心である軸６３から一定の距離だけ偏心した位置とされている。

拇指第２節６４には、円筒形の拇指第３モーター８０が固定されている。この拇指第３モーター８０は、その回転軸８１が拇指第２節６４の延伸方向と平行となる向きで、拇指第２節６４の指の背側に配設されている。拇指第３モーター８０の出力軸８２には、平歯ギア８３が一体回転可能に固定されている。

この平歯ギア８３には、平歯ギア８４が噛み合わされている。この平歯ギア８４は、拇指第２節６４に、拇指第３モーター８０と隣接して配設されたボールネジ８５のネジ軸８６に一体回転可能に固定されている。このボールネジ８５のネジ軸８６は、拇指第２節６４に回動可能に軸支された状態で、拇指第３モーター８０の回転軸８１と平行に配置されている。ネジ軸８６上には、ナット８７が配設されている。ナット８７は、ネジ軸８６の回転に応じて同ネジ軸８６に沿って往復動されるようになっている。

こうしたボールネジ８５のナット８７には、拇指第２リンク８８の基端部が回転可能に軸支されている。拇指第２リンク８８の先端部は、拇指第３節６６に回転可能に軸支されている。拇指第３節６６における拇指第２リンク８８の軸支位置Ｐ４は、拇指第２節６４に対する拇指第３節６６の回動中心である軸６５から一定の距離だけ偏心した位置とされている。

拇指第３節６６には、力覚センサー８９が配設されている。そして、その力覚センサー８９により、拇指１１の指先に加わる力が計測されるようになっている。なお、本実施形態では、こうした拇指１１に設けられた、拇指第１モーター６８、拇指第２モーター７１、及び拇指第３モーター８０の各モーターに、遊星ギアによって構成された減速機構を内蔵するものを採用している。

（人間型電動ハンドの動作）
続いて、以上のように構成された本実施形態の人間型電動ハンドの動作を説明する。
まず、拇指１１の内転、外転動作を説明する。拇指１１の内転、外転動作は、拇指第１モーター６８の回転により行われる。

拇指第１モーター６８が回転すると、その出力軸６９に設けられた傘歯ギア７０が回転され、これに噛み合わされた傘歯ギア６７がそのギア中心である軸６１を中心として回転される。これにより、傘歯ギア６７が固定された拇指第１節６２がその軸６１を中心として回動され、拇指１１が掌部１０に対して内転、外転動作される。

拇指１１以外の４指の内転、外転動作も、これとほぼ同様に行われる。例えば示指１２の内転、外転動作は、示指第１モーター３０の回転により行われる。示指第１モーター３０が回転すると、その出力軸３１に設けられた傘歯ギア３２が回転され、これに噛み合わされた傘歯ギア３３がそのギア中心である軸２４を中心として回転される。これにより、傘歯ギア３３が固定された示指第１節２５がその軸２４を中心として回動され、示指１２が掌部１０に対して内転、外転動作される。

次に、各指の屈曲、伸展動作を説明する。ここでは、示指第２節２７に対する示指第３節２９の動作を例として、これらの動作を説明する。他の指の第２節に対する第３節の動作、及び示指１２及び他の指の第１節に対する第２節の動作も、これとほぼ同様に行われる。

示指第３モーター４３が回転すると、その出力軸４５に設けられた平歯ギア４６が回転して、これに噛み合わされた平歯ギア４７を回転させる。そして、その回転により、平歯ギア４７が固定されたボールネジ４８のネジ軸４９が回転され、そのネジ軸４９上に設けられたナット５０が同ネジ軸４９に沿って変位するようになる。

ここで、図１０に示すように、ナット５０は、示指第２リンク５１を介して示指第３節２９に連結されている。示指第３節２９における示指第２リンク５１の軸支位置Ｐ２は、示指第２節２７に対する示指第３節２９の回動中心である軸２８から一定の距離だけ偏心した位置に位置されている。そのため、ナット５０における示指第２リンク５１の軸支位置Ｐ５のネジ軸４９上での変位に対して、示指第３節２９における示指第２リンク５１の軸支位置Ｐ２は、軸２８を中心とし、軸２８と軸支位置Ｐ２との偏心距離を半径とする円周上で変位するようになる。例えば図１１に示すように、ナット５０が指先側に変位すると、軸支位置Ｐ２は、上記円周上を図中の反時計回り方向に変位する。そして、その結果、示指第３節２９が示指第２節２７に対して屈曲動作される。

このときの示指第３モーター４３の出力は、ボールネジ４８による減速で増幅された上で示指第３節２９に伝えられる。そのため、示指第３モーター４３の出力が小さくとも、大きい指先力が発生されるようになる。なお、この人間型電動ハンドでは、人間の場合と同様に、指先力を主に指の伸展、屈曲動作により発生させている。そのため、この人間型電動ハンドでは、減速により力を増幅させるボールネジ機構は、指の内転、外転のための駆動機構には採用せず、指の伸展、屈曲のための駆動機構にのみ採用している。

ちなみに、平歯ギア４６と平歯ギア４７との噛み合わせや、示指第３モーター４３に内蔵された遊星ギアには、バックラッシュが存在する。ただし、そうしたバックラッシュによるずれは、ボールネジ４８により減速された上で関節の動きに反映されるため、そのずれが関節の動作精度に与える影響は、限られたものとなる。

以上説明した本実施形態の人間型電動ハンドによれば、以下の効果を奏することができる。
（１）減速機構として機能するボールネジがモーターの隣に並列して配置されているため、指の関節の駆動機構をコンパクトな構成とすることができる。また、設置性の悪化を抑えながらも、減速機構の減速比を大きくすることができ、より容易に人間型電動ハンドの把持力を大きくすることができる。

（２）最終的な減速機構にバックラッシュが無く、摩擦の小さいボールネジが採用されているため、指の関節の動作精度を高めることができる。ちなみに、この人間型電動ハンドでのボールネジによるものと同じ減速比の減速を、多段減速ギア機構で行う場合、その出力軸のバックラッシュは１［ｄｅｇ］以上となり、そのバックラッシュによる関節角度のずれは、０．５［ｄｅｇ］以上となる。その点、この人間型電動ハンドには、代表移動量誤差が１８［μｍ］の精度を有するボールネジが減速機構に採用されており、その誤差による関節角度のずれは０．１４［ｄｅｇ］程度に収まっている。

なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施形態では、指の各関節をそれぞれ個別のモーターで駆動するようにしていたが、各関節の個別制御が必要でない場合などには、複数の関節が連動して動作するようにリンク機構を構成して、１つのモーターで複数の関節を駆動するようにしても良い。

・上記実施形態では、各指にそれぞれ３つの関節を設けていたが、各指の関節の数は、必要に応じて変更しても良い。
・上記実施形態では、人間型電動ハンドに５本の指を設けていたが、指の数も、必要に応じて変更しても良い。

・上記実施形態では、ヒューマノイド・ロボットに採用の人間型電動ハンドを説明したが、同様の人間型電動ハンドは、例えば電動義手などの他の用途にも利用することが可能である。

１０…掌部、１１…拇指、１２…示指、１３…中指、１４…薬指、１５…小指、２０，２１，２２…カバー、２３…示指基部、２４…軸、２５…示指第１節、２６…軸、２７…示指第２節、２８…軸、２９…示指第３節、３０…示指第１モーター、３１…出力軸、３２…傘歯ギア、３３…傘歯ギア、３４…示指第２モーター、３５…出力軸、３６…平歯ギア、３７…平歯ギア、３８…ボールネジ、３９…ネジ軸、４０…回転軸、４１…ナット、４２…示指第１リンク、４３…示指第３モーター、４４…回転軸、４５…出力軸、４６…平歯ギア、４７…平歯ギア、４８…ボールネジ、４９…ネジ軸、５０…ナット、５１…示指第２リンク、５２…力覚センサー、６０…拇指基部、６１…軸、６２…拇指第１節、６３…軸、６４…拇指第２節、６５…軸、６６…拇指第３節、６７…傘歯ギア、６８…拇指第１モーター、６９…出力軸、７０…傘歯ギア、７１…拇指第２モーター、７２…回転軸、７３…出力軸、７４…平歯ギア、７５…平歯ギア、７６…ボールネジ、７７…ネジ軸、７８…ナット、７９…拇指第１リンク、８０…拇指第３モーター、８１…回転軸、８２…出力軸、８３…平歯ギア、８４…平歯ギア、８５…ボールネジ、８６…ネジ軸、８７…ナット、８８…拇指第２リンク、８９…力覚センサー。

Claims (1)

1. モーターの回転軸に平行に配置されたネジ軸を有するボールネジを前記モーターに隣接して配設するとともに、そのボールネジを介して伝達された前記モーターの出力で指の関節を伸展、屈曲動作させる
   ことを特徴とする人間型電動ハンド。