JP7009072B2 - 指機構およびこの指機構を組み込んだ人間型ハンド - Google Patents

Description

本発明は、ロボットのアーム先端に装着したり、身障者用の義手などとして使用する指機構と、これを組み込んだ人間型ハンド（Humanoid Hand）のうち、特に指先での繊細な仕事が可能な人間型ハンドに関する。

人間の手は拇指の先端と他の指の先端を突き合わせることができる。この動作を可能とした人間型ハンドは特許文献１及び特許文献２に開示されている。

特許文献１は本発明者らが提案したものであり、その構造は、人間の基節骨、中節骨及び末節骨のそれぞれに相当する３本の指プレートを端部を回動自在に連結し、またこれら指プレートに沿って回転プレート及び駆動ロッドを含むリンク機構を配置し、前記回転プレート及び駆動ロッドと指プレートを回動可能に枢着した構成としている。

この特許文献１にあっては１つのステッピングモータに複数のリンクプレートを逆トーナメント状に配置したリンク群を連結し、ステッピングモータを駆動することで前記リンク群の末端に連結された駆動ロッドに牽引動作を行わせ、この牽引動作に連動するリンク機構を介して各指プレートに回動動作を行わせるものであり、リンク機構を最適に設定することで、拇指の先端と他の指の先端を合わせることが可能である。

また、特許文献２には、人間の中節骨及び末節骨に相当する部分に回動動作を行わせるために、基節骨及び中節骨に相当する箇所に、従動流体圧シリンダをそれぞれ配設した人間型ハンドが開示され、更に指先部に作用する力を検出する力センサをＩＰ関節の部分に配置している。

この特許文献２にあっては拇指を含め各指に従動流体圧シリンダを２ヶ所配設しており、拇指の先端と他の指の先端を合わせられるように設計することは可能と思われる。

特許第４４６２７４２号公報 特開２０１０－２６４５４８号公報

指先に力を入れずに軽く接触させた状態では、指先同士が平行でなく点接触に近い片当たりになっており、人間が極めて細かい作業、例えば紙縒りを作ったり、軽く壊れやすいものを掴んだり、針穴に糸を通すときなどにはこの状態になっている。また重く硬いものなどを掴むなどある程度強く押し付けた状態では指先が回動して接触面積が大きくなり、この傾向が強く表れるのは、拇指と示指（人さし指）との接触であることを、本発明者は人間型ハンドを開発する過程で知見した。

特に人間が繊細で複雑な作業を行う場合には、図８の状態と図９の状態の切替を繰り返して行っており、このような動きを行える人間型ハンドは今までに提案されていない。

したがって、拇指と他の指（例えば示指）の先端との接触圧が小さい場合には片当たりさせて接触面積を小さくし、接触圧が大きくなるにしたがって接触面同士が平行になって接触面積も大きくなる構造が望まれる。

上記の課題を解決するため、本発明に係る指機構は、連結する複数の骨部材をリンク機構によって前記連結部を中心として回動せしめる指機構であって、前記複数の骨部材のうち末節骨に相当する第４骨部材を支持部と爪先部と分割し、前記支持部は中節骨に相当する第３骨部材に連結され、前記爪先部は前記支持部（第４骨部材）と第３骨部材との回動自在となる回転軸に対して直角ないしは直角に近い軸にて回動自在に取付けられ、更に、前記支持部と爪先部との間には回動した爪先部を基準位置に戻す復帰部材が設けられた構成である。

前記支持部と第３骨部材の回動軸に対する前記爪先部の回動軸の角度としては、９０±１０°が好ましい範囲である。

前記末節骨に相当する第４骨部材と第３骨部材との連結部に２自由度を与えることで、前記第４骨部材（または爪先部）が前記支持部材に対し第３骨部材との回動自在となる回転軸に対して直角ないしは直角に近い軸にて回転自在になる効果を得られるようにしてもよい。
このように指のＤＩＰ関節に相当する部分を２自由化（２軸自由度）することでも、爪先部を第３骨部材と第４骨部材との回動軸に対して直角ないしは直角に近い軸にて回動自在とすることが可能である。

また、対象物と接触する前記第４骨部材の指先部のみが前記支持部材に対し第３骨部材との回動自在となる回転軸に対して直角ないしは直角に近い軸にて回転自在になる効果を得られるようにしてもよい。

また、第４骨部材と第３骨部材との回動自在となる回転軸を省略ないしは前記第４骨部材と第３骨部材とを一体で構築し、第４骨部材と第３骨部材との長軸に対し直角ないしは直角に近い軸にて第４骨部材の一部が回転自在になる効果を得られるようにしてもよい。

復帰部材としては例えば、板バネ、コイルスプリングまたはゴムなどの弾性を与えて弾性力を使って復帰させてもよい。また回動範囲を規制するために前記支持部または爪先部にストッパを設けてもよいし、回転軸部分に回動を規制する突起を設けてもよい。

前記指機構の適用例としは、５本指の人間型ハンドの場合は、示指が最も好ましいが、例えば２本の指機構で構成されるハンド（マニピュレータ）など、５指以外のハンドも考えられる。

本発明に係る指機構によれば、指の先端を突き当てた際の接触圧に応じて指同士の接触面積が変化するという人間の繊細な指の動きに近づいた動作をすることができる。

従って、軽くて壊れやすい物を掴んだり、人間でなければできなかった作業、例えば習字や絵筆の強弱など微妙な感覚に対応した動作が可能であり、ＡＩなどとの組み合わせも可能となる。

本発明に係る人間型ハンドの全体図。 同人間型ハンドを構成する示指機構の斜視図。 同指機構の分解斜視図。 示指機構の末節骨に相当する第４骨部材の分解斜視図 同末節骨に相当する第４骨部材を後方から見た斜視図 同人間型ハンドを構成する拇指機構の斜視図。 同指機構の分解斜視図。 示指機構の末節骨に相当する第４骨部材と拇指機構の末節骨に相当する第４骨部材とが軽く接触した状態を前側から見た図。 示指機構の末節骨に相当する第４骨部材と拇指機構の末節骨に相当する第４骨部材とが強く接触した状態を前側から見た図。

本発明に係る指機構を適用した例として人間型ハンドが挙げられる。この人間型ハンドは掌基板１、拇指機構２、示指機構３、中指機構４、環指機構５及び小指機構６を備え、各指機構はモータ（ステッピングモータ）７によって動作せしめられる。動作はここではモータ７としているが、拇指機構２から小指機構６までに駆動力を伝達できるのであればモータ以外の駆動源を用いてもよい。

示指機構３、中指機構４、環指機構５及び小指機構６については、モータ７による牽引動作が逆トーナメント状リンク群８を介して各指機構に伝達され、またリンク群８から枝分かれしたリンク群９を介して拇指機構２に伝達される。各指機構に動力を伝達する手段の一例として逆トーナメント状リンク群８を示しているが、各指機構に動力を伝達できるのであれば他の手段でもよい。

この実施例では、モータ７の駆動でリンクに牽引動作を行わせることで各指は内側に屈曲し、リターンスプリング等によって開状態に戻るようにしている。

上記示指機構３、中指機構４、環指機構５及び小指機構６は同じのため、示指機構３を図２乃至図５で説明し、拇指機構２を図６及び図７で説明する。

示指機構３は、基端部が掌基板１にユニバーサルジョイントを介して連結される中手骨に相当する第１骨部材１１と、基端部が前記第１部材１１の先端に回動自在に連結される基節骨に相当する第２骨部材１２と、基端部が前記第２骨部材の先端に回動自在に連結される中節骨に相当する第３骨部材１３と、基端部が前記第３部材の先端に回動自在に連結される末節骨に相当する第４骨部材１４とを備えている。

前記第２骨部材１２、第３骨部材１３及び第４骨部材１４は前記モータ７の駆動で引っ張り動作を行うワイヤ（チェーンやロッドなども可）などの駆動部材１９と連結するリンク機構２０によって回動せしめられる。

リンク機構２０は、基端部が前記第１骨部材と第２骨部材の連結軸ｇ１に回動自在に枢着される第１リンク部材２１と、基端部が前記第１リンク部材２１の先端部の軸ｇ２に回動自在に枢着される第２リンク部材２２と、基端部が前記第２骨部材１２と第３骨部材１３の連結軸ｇ３に回動自在に枢着される第３リンク部材２３とからなる。

前記第１リンク部材２１は伸ばした位置、即ち掌を開いた状態で第２骨部材１２と側方視で略重なる板状をなしている。このような構成とすることで従来の三角形状の回転プレートを廃止して余分な出っ張りをなくし、より実際の人の手の形に近づけている。

前記第２リンク部材２２は先端部が前記第３リンク部材２３の中間部の軸ｇ４に枢着され、またその形状は伸び方向の強い力が作用した場合に全体形状が伸びるように幅方向（図では上方向）に湾曲した形状になっている。

このように第２リンク部材２２の形状を湾曲形状とすることで、第４骨部材１４に反り方向の強い力が作用した場合であっても、第２リンク部材２２が若干伸びることで特異点（軸ｇ１、軸ｇ２及び軸ｇ４が同一線上となる点）を乗り越え、第３骨部材１３及び第４骨部材１４が反対方向に回動可能（脱臼状態）となる。

従来であれば、特異点を乗り越えることができないため、一部を破損してしまう事態となっていたが、このように第２リンク部材２２の形状に工夫を凝らす頃で、破損を免れることができる。

前記第３リンク部材２３は前記第３骨部材１３と第４骨部材１４との連結軸ｇ５からオフセットされた位置の軸ｇ６に枢着されている。これら軸５、６の位置関係は第３リンク部材２３が反時計方向に回動した際に指を閉じる方向に回動する位置関係になっている。

以上において、図２に示す状態（指を伸ばした状態）を基準とし、この状態でモータ７を駆動し、ワイヤなどの駆動部材１９に牽引動作（図２において右方向）を行う。

すると、第１リンク部材２１に軸ｇ１を中心として反時計方向の力が作用し、第２リンク部材２２が引かれる。すると第２リンク部材２２の先端は第３リンク部材２３の中間部に連結されているため、第３リング部材２３の基端部が枢着している第２骨部材１２が軸ｇ１を中心に反時計方向に回動する。

そして第２骨部材１２が回動して把持対象物に当接すると、第２骨部材１２はそれ以上回動できなくなり、その状態で更に駆動部材１５を引くと第３リンク部材２３が軸ｇ３を中心として反時計方向に回動する。

第３リンク部材２３が反時計方向に回動すると第３骨部材１３も同方向に回動し、更に軸ｇ５と軸ｇ６の位置関係から、第４骨部材１４も反時計方向に回動し、その結果、把持対象物を第２骨部材１２、第３骨部材及び第４骨部材１４で包みこむように把持する。

図４、図５に示すように、前記末節骨に相当する第４骨部材１４は支持部１５と爪先部１６からなり、支持部１５には軸ｇ５、ｇ６が挿通される穴１５ａ、１５ｂの他に爪先部１６を長さ方向の軸ｇ７を中心として回動可能に支持する軸穴１５ｃが形成され、更に爪先部１６の背面には上記回動の範囲を規制するストッパ１６ａ、１６ｂが形成されている。

また、支持部１５の上面には爪先部１６の上面まで伸びる復帰部材としての板バネ１７の基端部が止着され、図５の状態から、爪先部１６がストッパ１６ｂが支持部１５の側面に当接するまで板バネ１７を捩じりつつ時計方向に回動した後、板バネ１７の復元力で元の水平位置まで戻す構成になっている。

拇指機構２は、掌基板１の裏面側にブラケット４０が取付けられ、このブラケット４０に中手骨に相当する第１骨部材４１が設けられている。拇指機構２は、前記第１骨部材４１と、基端部が前記第１部材４１に回動自在に連結される基節骨に相当する第２骨部材４２と、基端部が前記第２骨部材４２の先端に回動自在に連結される中節骨に相当する第３骨部材４３と、基端部が前記第３部材４３の先端に回動自在に連結される末節骨に相当する第４骨部材４４からなる。

リンク機構５０は、前記第１骨部材４１の基端部の連結軸ｇ８に回動自在に枢着される第１リンク部材５１と、基端部が前記第１リンク部材５１の先端部の軸ｇ９に回動自在に枢着される第２リンク部材５２と、基端部が前記第２リンク部材５２と第３骨部材４３の連結軸ｇ１０に回動自在に枢着される第３リンク部材５３とからなる。

軸１０は第２骨部材４２と第３骨部材４３との枢着軸１２からオフセットされ、軸１０に基端部が支持された前記第３リンク部材５３は前記第３骨部材４３と第４骨部材４４との連結軸ｇ１２からオフセットされた軸ｇ１３に枢着されている。これら軸１３、１４の位置関係は第３リンク部材５３が押し方向に移動した際に指を閉じる方向に回動する位置関係になっている。

以上において、図２に示す状態（指を伸ばした状態）を基準とし、この状態でモータ７を駆動し、ワイヤなどの駆動部材１９に牽引動作（図２において右方向）を行う。すると、第１リンク部材２１に軸ｇ１を中心として反時計方向の力が作用し、第２リンク部材２２が引かれ、第２リンク部材２２の先端は第３リンク部材２３の中間部に連結されているため、第３リング部材２３の基端部が枢着している第２骨部材１２が軸ｇ１を中心に反時計方向に回動し、第２リング部材２２が牽引動作することで、第３骨部材１３が反時計方向に回動し、第３リング部材２３が回動することで、第４骨部材１４が反時計方向に回動する。

また拇指機構２についても、モータ７を駆動し第１リンク部材５１に軸ｇ８を中心として反時計方向に回動させると、第２リンク部材５２が押し動作を行い、この押し動作によって第３リンク部材５３も押し動作を行う。この押し動作によって拇指機構２は閉じ動作を行う。

拇指機構２と示指機構３が閉じ動作を行うと、拇指機構２の第４骨部材４４と示指機構３の第４骨部材１４とが軽く接触する。この場合、拇指機構２と示指機構３の基端部は水平方向にずれているため、図８に示すように指先に相当する部分同士は片当たりする。

拇指機構２と示指機構３の第４骨部材の表面には例えばウレタンなど弾性を有する部材で被覆している場合には、若干潰れるため、点接触とはならないが接触面積は小さい。

上記の状態から更にモータ７を駆動して第４骨部材１４と第４骨部材４４との接触圧を高めると、第４骨部材１４を構成している爪先部１６が第４骨部材４４に倣うように軸８を中心として板バネ１７を変形させつつ回動し、図９に示すように爪先部１６と第４骨部材４４とが平行に近付き、接触面積が大きくなる。

モータ７（ステッピングモータ）の回転を正逆反転することで、図８と図９の状態を繰り返すことができる。

実施例にあっては、５本指の人間型ハンドを説明したが、本発明は２本の指先の接触圧に応じて接触面積が変化することを特徴としているため、２本以上の指を持つハンドに適用することができる。

本発明に係る人間型ハンドは産業用としても、また義手としても使用することができる。

１…掌基板、２…拇指機構、３…示指機構、４…中指機構、５…環指機構、６…小指機構、７…モータ（ステッピングモータ）、８、９…リンク群、１１…第１骨部材、１２…第２骨部材、１３…第３骨部材、１４…第４骨部材、１５…支持部、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ…軸穴、１６…爪先部、１６ａ、１６ｂ…ストッパ、１７…板バネ、１９…駆動部材、２０…リンク機構、２１…第１リンク部材、２２…第２リンク部材、２３…第３リンク部材、４０…ブラケット、４１…第１骨部材、４２…第２骨部材、４３…第３骨部材、４４…第４骨部材、５０…リンク機構、５１…第１リンク部材、５２…第２リンク部材、５３…第３リンク部材、ｇ１、ｇ２、ｇ３、ｇ４、ｇ５、ｇ６、ｇ７、ｇ８、ｇ９、ｇ１０、ｇ１１、ｇ１２、ｇ１３…軸。

Claims (18)

1. 指機構において、
   前記指機構の骨部材のうち末節骨に相当する第４骨部材は支持部と爪先部からなり、前記支持部は中節骨に相当する第３骨部材に連結され、前記爪先部は前記支持部に対し前記第３骨部材との回動自在となる回転軸に対して直角ないしは直角に近い軸にて回動自在に取付けられ、更に、前記支持部と前記爪先部との間には回動した前記爪先部を基準位置に戻す復帰部材が設けられていることを特徴とする指機構。
2. 請求項１に記載の指機構において、前記第３骨部材と基節骨に相当する第２骨部材との連結軸（ｇ3）に第３リンク部材の基端部が枢着され、前記第３リンク部材の先端部は前記第３骨部材と前記支持部との連結軸（ｇ5）からオフセットされた位置の前記支持部上の軸（ｇ6）に枢着されていることを特徴とする指機構。
3. 請求項２に記載の指機構において、前記第４骨部材の前記爪先部が前記支持部に対し長さ方向の軸（ｇ7）を中心として回動可能に支持されていることを特徴とする指機構。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の指機構において、前記支持部と前記爪先部の一方には前記爪先部の回動範囲を規制するストッパが設けられていることを特徴とする指機構。
5. 請求項１乃至請求項４の何れかに記載の指機構において、前記復帰部材は板バネ、コイルスプリングまたはゴムなどの弾性体であることを特徴とする指機構。
6. 前記爪先部は、対象物との接触によって生じる接触圧に応じて、前記直角ないしは直角に近い軸で前記支持部に対して回動する、
   請求項１乃至請求項５の何れかに記載の指機構。
7. 前記爪先部は、前記接触圧が高まるにつれて前記対象物との接触面積が大きくなるように回動する、
   請求項６に記載の指機構。
8. 前記支持部と第３骨部材の回動軸に対する前記爪先部の回動軸の角度は、８０°から１００°の範囲に含まれる、
   請求項１乃至請求項７の何れかに記載の指機構。
9. 請求項１乃至請求項８の何れかに記載の指機構を、拇指に対向する示指機構の指機構としたことを特徴とする人間型ハンド。
10. 骨部材に連結される支持部と、
    前記支持部に対して回動可能に取付けられる爪先部と、
    回動した前記爪先部を基準位置に戻す復帰部材と、を備え、
    前記爪先部は、前記支持部が前記骨部材に対して回動する際の軸に対して直角ないしは直角に近い軸で前記支持部に対して回動可能である、
    指機構。
11. 前記爪先部は、対象物との接触によって生じる接触圧に応じて、前記直角ないしは直角に近い軸で前記支持部に対して回動する、
    請求項１０に記載の指機構。
12. 前記爪先部は、前記接触圧が高まるにつれて前記対象物との接触面積が大きくなるように回動する、
    請求項１１に記載の指機構。
13. 前記対象物は、他の指機構の爪先部である、
    請求項１１又は請求項１２に記載の指機構。
14. 前記復帰部材は弾性体であり、弾性力によって前記爪先部を前記基準位置に戻す、
    請求項１０乃至請求項１３の何れか一項に記載の指機構。
15. 前記爪先部の回動範囲を規制するストッパ、を更に備える、
    請求項１０乃至請求項１４の何れか一項に記載の指機構。
16. 前記爪先部が回動際の軸と前記支持部が前記骨部材に対して回動する際の軸の角度は、８０°から１００°の範囲に含まれる、
    請求項１０乃至請求項１５の何れか一項に記載の指機構。
17. 請求項１０乃至請求項１６の何れか一項に記載の指機構を備えるハンド。
18. 前記指機構に駆動力を伝達する駆動源、を更に備える、
    請求項１７に記載のハンド。
    
    

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