JP7499522B2 - ロボットハンド - Google Patents

Description

指部を屈曲させてワークを把持及び操作することが可能なロボットハンドに関するものである。

従来、この種のロボットハンドにおいて、駆動源への電源供給や信号を伝送するためのハーネスの一般的な配置方法としては、指の屈曲時に断線しないように、指の伸展時にある程度のたるみを持つように配置する。また、特に関節部分では、ハーネスの損傷を防止するために関節軸の軸柱に余長を持って巻き回すかたちでハーネスを配置する場合がある。更に、ロボットハンド全体を小型化するとともに、ハーネスの露出を無くして断線を防止するために、関節軸付近に弾性体を配置するなどして、ハーネスがこの弾性体に沿って可動するようにした構成などが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

近年、同一の製造ライン上で、人とロボットが協働して作業を行うシステムの開発と実用化が進んでいる（例えば、特許文献２参照）。このようなシステムに用いられる協働ロボットには、省スペース性や、設置容易性等の観点より、小型・軽量であることと、一つのロボットハンドにより、多種多様なタスクをこなせるように、器用な指部の動きが求められる。このような要求に対して、本出願人は、小型・軽量であるとともに、広い可動域を持ち、器用で多彩な動作を行えるロボットハンドをすでに提案している（例えば、特願２０１８－１９０９０９号）。

特開２００８－１７８９６８号公報 特開２０１７－０３９１７０号公報

小型であることに加え、広い可動域を持ち、器用で多彩な動作を行えるロボットハンドを、協働ロボットに適用する上では、ハーネスの断線の抑制など、耐久性との両立が重要となる。しかし、ハーネスについて従来の配置方法では、「ロボットハンドの小型化」と「ハーネスの断線に着目した高耐久性」の両立に限界があった。指部を小型化していくと、必然的にハーネスの配設スペースが制限され、ハーネスが「屈曲半径が小さくなる」、「ストレスを受けやすくなる」といったことにつながるためである。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、広い可動域を持ち、多彩な動作を行えるロボットハンドにあっても、「小型化」と「高耐久性」の両立を実現することを目的としている。

上記課題を解決するための一手段は、ベースユニットと、これに支持された指部と、指部を運動させる駆動源とを具備したロボットハンドにおいて、駆動源につながるハーネスを、関節の回転軸の周回り以外の位置で巻き回した状態で配置して構成したものである。

本発明によれば、「小型化」と「高耐久性」を両立したロボットハンドを提供することができる。

本発明に係るロボットハンドの一例を示す図であって、（ａ）指部を全て伸展した状態正面図、（ｂ）同右側面図である。 同ロボットハンドについて、（ａ）指部を屈曲等の動作をした状態の正面図、（ｂ）同右側面図である。 同ロボットハンドについて、ベースユニットと指部の一部を示した模式図である。 同ロボットハンドについて、ハーネスの巻き回し部分の状態を示すイメージ図である。 同ロボットハンドについて、指部の一部の関節構造とハーネスの配置状態を説明する図である。 同ロボットハンドについて、ガイド部品とハーネスの配置状態を説明する図である。 同ロボットハンドについて、ベースユニット内でのハーネスの配置状態を説明する図である。 同ロボットハンドについて、ハーネスの巻き回し部分の状態の他例を示すイメージ図である。 同ロボットハンドについて、指部の一部の関節構造とハーネスの配置状態の他例を説明する図である。 同ロボットハンドについて、指部の一部の関節構造とハーネスの配置状態の他例を説明する図である。

本実施の形態のロボットハンドは、ベースユニットと、これに支持された指部と、指部を運動させる駆動源とを具備したロボットハンドにおいて、駆動源につながるハーネスを、関節の回転軸の周回り以外の位置で巻き回した状態で配置して構成したことを基本的な特徴の一つとしている。
この構成によれば、ハーネスを関節の回転軸の外周回りに巻いて配線処理する場合よりも、ハーネスが回転軸に巻き付かないように処理したり、ハーネスの屈曲半径を大きくして処理できるので、ハーネスがストレスを受けにくくすることができる。これにより、「小型化」と「高耐久性」を両立できる。

他の特徴としては、上記の特徴に加え、ハーネスの巻き回し回数の具体的な態様を、一回転よりも多く三回転よりも少ないこととした。
この構成によれば、ハーネスを巻き回して配置する場所のスペースを最小限に抑えながら、ロボットハンドの指部の動作に伴うハーネスへのストレスを十分に軽減できる。

他の特徴としては、上記の特徴に加え、前記回転軸の近傍に位置する少なくとも一部が閉じられた空間内で、前記ハーネスを巻き回した状態で配置したことにある。
この構成によれば、ハーネスの巻き回し部分が外部の物体に引っ掛かるようなことを防止しつつ、回転軸の近傍且つ小スペースの中で効率良く、ハーネスの巻き回し部分を収容することができる。

他の特徴としては、上記の特徴に加え、前記回転軸は中空円筒形状をしており、前記ハーネスの巻き回していない部分を、前記回転軸の中空円筒内を通していることにある。
この構成によれば、ハーネスがストレスを受けやすい回転軸付近で、効率良くハーネスを通しながら、ストレスを軽減するハーネスの巻き回し部分を配置できる。

他の特徴としては、上記の特徴に加え、ハーネスのガイド部品を前記回転軸の近傍に固定配置した。そして、前記ガイド部品には前記回転軸の外径サイズよりも大きい径サイズの円筒形状部があり、前記ハーネスは、前記ガイド部品の前記円筒形状部の周回りに、余裕を持って巻き回されていることにある。
この構成によれば、ハーネスを屈曲半径を大きくして巻き回せるとともに、巻き回し部分の配置状態を規制できるので、巻き回し部分が外部の物体に引っ掛かるようなことを防止できる。

他の特徴としては、上記の特徴に加え、前記ベースユニットの内部に形成されている空間内で、前記ハーネスを巻き回した状態で配置していることにある。
この構成によれば、指部が接続されているベースユニット内で比較的広いスペースを確保しやすので、指部を運動させる駆動源のハーネスを比較的大きな曲率半径で巻き回した状態で配置できる。

他の特徴としては、上記の特徴に加え、前記回転軸は中空円筒形状をしており、前記ハーネスの一部は予め巻き回した形状に成形されており、前記回転軸の中空円筒内に前記ハーネスの前記巻き回した状態の部分が配置されていることにある。
この構成によれば、限られた小スペースの中で効率良く、ハーネスの巻き回し部分を収容することができる。

他の特徴としては、上記の特徴に加え、ロボットハンドとしての具体的な態様を、前記指部は三以上有り、前記三以上の前記指部の各々は、内外転運動と前記内外転運動に交差する方向の屈伸運動とを含む二以上の自由度を有しており、前記駆動源は、前記三以上の前記指部の各々において、前記内外転運動と前記屈伸運動毎に設けられているものとした。
この構成によれば、高い運動能力によって、器用で多彩な動作を行えるロボットハンドとすることができる。

他の特徴としては、上記の特徴に加え、ロボットハンドとしての更に具体的な態様を、前記三以上の前記指部の各々は、角度９０度以上の前記内外転運動と、前記屈伸運動とを含む二以上の自由度を有しており、互いに異なる方向を向くことができる少なくとも二つの前記指部が含まれているものとした。
この構成によれば、指部の広い可動範囲と運動形態によって、より器用で多彩な動作を行えるロボットハンドとすることができる。

次に、上記特徴を有する具体的な実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。

まず、図１と図２を用いて、本実施例のロボットハンドＨ の全体的な構成を説明する。
図１及び 図２ は、本実施例のロボットハンドＨ を示している。図１は、ロボットハンドＨの指部が全て伸展している状態であり、（ａ）の正面図に対して、（ｂ）は右側面図を示している。図２は、ロボットハンドＨの指部が屈曲等の動作をさせた状態であり、（ａ）の正面図に対して、（ｂ）は右側面図を示している。

このロボットハンドＨは、ベースユニット１０と、ベースユニット１０に支持された第一～第三の指部２０，３０，４０とで構成されている。また、ベースユニット１０又は指部２０，３０，４０は、各指部を屈伸運動及び内外転運動させる複数のサーボモータを駆動源として具備している。

ここで、屈伸運動とは、各指部の関節部分を屈曲させたり伸展させたりする運動である。また、内外転運動とは、前記屈伸運動に対し略直交する方向の運動であって、各指部を、その指元側を支点にして、隣接する指部に近づけるように回動させたり、隣接する指部から遠ざけるように回動させたりする運動である。

第一の指部２０は、複数の節部を、関節毎に対応するように内在する駆動源の動力によって屈伸運動させる。また、ベースユニット１０に支持された駆動源５１の動力によって角度１８０度以上の範囲で内外転運動することができる。

第二の指部３０は、複数の節部を、単一の駆動源５３の動力をリンク機構により指元側から順次に屈伸運動させる。また、ベースユニット１０に支持された駆動源５２の動力によって角度９０度以上１２０度以下の範囲で内外転運動することができる。

第三の指部４０は、複数の節部を、単一の駆動源５５の動力をリンク機構により指元側から順次に屈伸運動させる。また、ベースユニット１０に支持された駆動源５４の動力によって角度９０度以上１２０度以下の範囲で内外転運動することができる。

各駆動源は、回転角や回転速度等が適宜に制御されるようにした電動のサーボモータであり、内蔵するモータの回転力を、歯車及びクラッチ機構等を介して出力軸に伝達するように構成される。駆動源であるサーボモータには、電力供給や信号を伝送するためのハーネスがつながっている。

ロボットハンドＨは、各関節の回転軸の周回り以外の位置でハーネスを巻き回した状態で配置することで、第一～第三の指部２０，３０，４０が、屈伸運動や内外転運動を繰り返す際に、ハーネスが受けるストレスを軽減している。

以下では、図３～図７を用いて、ロボットハンドＨにおける、ハーネスの配置形態について具体的に説明する。

まず、ハーネスを巻き回した状態で配置しているエリア等について図３で説明する。
図３は、ハーネスの配置を説明するためにベースユニット１０と第一の指部２０を模式的に示した図である。（ａ）は、第一の指部２０を伸展した状態を示し、（ｂ）は、第一の指部２０を屈曲した状態を示している。

第一の指部２０は、節部２１，２２，２３，２４、関節２５，２６，２７，２８、関節毎に対応するように内在するサーボモータである駆動源５６，５７，５８がある。また、ベースユニット１０には第一の指部２０を内外転運動させる駆動源５１が備わる。

駆動源５１は、関節２５の回転軸２５ａを支軸として、節部２１を内外転運動させる。関節２６，２７，２８に対して、駆動源５６，５７，５８が各々対応して、回転軸２６ａ，２７ａ，２８ａを支軸として、節部２２，２３，２４を回動させることにより第一の指部２０を屈伸運動させる。

各駆動源には、電源供給や信号通信のためのハーネスが接続されている。節部２４のある指先側から見て駆動源５８，５７，５６，５１には、各々ハーネス５８ｈ，５７ｈ，５６ｈ，５１ｈがつながっている。駆動源５８につながるハーネス５８ｈは分岐基板（図示しない）を介して、駆動源５７につながるハーネス５７ｈに電気的に接続され、配線上、一組のハーネスとしてまとめられている。同様に、各駆動源のハーネスは、指先側からベースユニット側に向かって一組のハーネスで配線されている。

特に指部を屈曲させる場合に、各ハーネスへの負担を軽減するために、Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４で示すエリアにおいて、基本的に一回転よりも多く三回転よりも少ないかたちでハーネスを巻き回している。ハーネスの巻き回し量は、一回転以下或いは三回転以上であっても一定の効果があるが、一回転よりも多く巻き回すことで、ハーネスへのストレスの軽減効果が格段に高くなる。一方、巻き回しの回数を大きく増やしたとしてもストレス低減の効果の上がり幅は小さく、配置にスペースが大きくなる。そこで、一回転よりも多く三回転よりも少ない巻き回し数とすることで、ハーネスを巻き回して配置する場所のスペースを最小限に抑えながら、ロボットハンドの指部の動作に伴うハーネスへのストレスを十分に軽減できる。

次に、指部の屈伸運動時におけるハーネスの巻き回し部分の基本的な作用効果について、図４で説明する。

図４は、ハーネスの巻き回し部分の状態を示すイメージ図である。
図４（ａ）は、指部２０の伸展時における状態を示している。
図４（ｂ）は、指部２０の屈曲時における状態を示している。

図４（ａ）において、Ｄｓは略円形に巻き回された部分の径寸法を示している。また、Ｌｓは、隣り合う巻き回し部分間での距離を示している。

図４（ｂ）において、Ｄｋは略円形に巻き回された部分の径寸法を示している。また、Ｌｋは、隣り合う巻き回し部分間での距離を示している。

指部の屈曲時の径寸法Ｄｋは、伸展時の径寸法Ｄｓよりも小さい（Ｄｋ＜Ｄｓ）。
また、屈曲時の距離Ｌｋは、伸展時の距離Ｌｓ以上となる（Ｌｓ≦Ｌｋ）。

すなわち、指部の屈伸運動において、ハーネスの巻き回し部分の径寸法が変動することと、必要に応じて巻き回し部分の軸方向の距離が変動することにより、ハーネスにかかるストレスを軽減する。

次に、エリアＡ１，Ａ２におけるハーネスの巻き回しの態様を、関節部分の構造を示す図５を主に用いて説明する。

エリアＡ１では駆動源５８につながるハーネス５８ｈを巻き回している。〔図５（ａ）〕
エリアＡ２では駆動源５７につながるハーネス５７ｈを巻き回している。

図５（ａ）は、関節２７の内部構造を示している。関節２７の回転軸２７ａは中空円筒形状をしている。回転軸２７ａの外周部に位置する軸受２３ｂを介して節部２３と節部２２とが互いに回動可能な状態となっている。

節部２３と節部２２の各々には、回転軸２７ａの中空部分につながる空間２３ｓ，２２ｓが形成されている。ハーネス５８ｈは、空間２３ｓから回転軸２７ａの中空部分と空間２２ｓを通って、関節２６側に引き回されている。

ハーネス５８ｈは、空間２３ｓにおける回転軸２７ａの中空部分に近い位置と、空間２２ｓにおける回転軸２７ａの中空部分に近い位置で合わせて２回転ほど巻き回されている。

指部２０が関節２７で屈曲するとき、空間２３ｓ，２２ｓ内におけるハーネス５８ｈの巻き回し部分の径寸法が小さくなり、ハーネス５８ｈにかかるストレスを軽減する。

エリアＡ２のある関節２６では、エリアＡ１の関節２７でハーネス５８ｈ通したのと同様に、ハーネス５７ｈを配置しており、指部２０が関節２６で屈曲するとき、ハーネス５７ｈにかかるストレスを軽減する。

上述したように、ハーネス５８ｈは電気的な経路としては、ハーネス５７ｈにまとめられているので、通常、エリアＡ２ではハーネス５７ｈのみ配置して、ベースユニット側に引き回すかたちにすればよい。しかし、例えば図５（ｂ）に示したように、まとめずに、ハーネス５７ｈ及びハーネス５８ｈの両方を配置することも可能である。

このとき、ハーネス５７ｈ及びハーネス５８ｈは、空間２２ｓにおける回転軸２６ａの中空部分に近い位置と、空間２１ｓにおける回転軸２６ａの中空部分に近い位置で巻き回されている。指部が関節２６で屈曲するとき、空間２２ｓ，２１ｓ内における、ハーネス５７ｈ及びハーネス５８ｈの巻き回し部分の径寸法が小さくなり、ハーネス５７ｈ及びハーネス５８ｈにかかるストレスを軽減する。そして、ハーネス５７ｈは、ハーネス５８ｈとともに、空間２１ｓを通り、ベースユニット側に引き回される。

次に、エリアＡ３におけるハーネスの引き回しの態様を、図６を主に用いて説明する。

関節２５の近傍に位置するエリアＡ３では、駆動源５６につながるハーネス５６ｈを、ガイド部品６１に巻き回して配置している。ガイド部品６１は、節部２１と一体に固定されている。近傍の位置関係にある関節２５とガイド部品６１との距離は、基本的にはできる限り近い位置に配置する前提において、最大でも関節２５と隣り合う関節２６との間の距離を超えない程度とする。

図６に示すように、ガイド部品６１には、円筒形状部６１ａと、円筒形状部６１ａの軸方向両側に位置するサポート部６１ｂが形成されている。

円筒形状部６１ａは、回転軸２５ａよりも大きい径サイズで形成されている。そして、ハーネス５６ｈは、円筒形状部６１ａに余裕を持って巻き回されている。また、サポート部６１ｂによって、ハーネス５６ｈが、円筒形状部６１ａの軸方向に位置ずれすることを防止できる。尚、円筒形状部６１ａの表面は、摺動性に優れるテープ材が貼り付ける等してハーネス５６ｈとの摩擦を低減すると効果的である。

指部が関節２５で内外転動作するとき、ガイド部品６１におけるハーネス５６ｈの巻き回し部分の径寸法が変動して、ハーネス５６ｈにかかるストレスを軽減する。

ハーネス５６ｈの駆動源５６側に対する一方は、ガイド部品６１に巻き回された後、ベースユニット１０内に引き回されている。

以上、指部２０において内外転動作するための関節２５周りであるエリアＡ３においてガイド部品６１を使用する形態ついて説明したが、指部３０，４０において、内外転動作するための関節周りでも同様の構成とすることができる。あるいは、内外転動作以外にかかわる他の関節の近傍にガイド部品を配置してハーネスを配置することもできる。動作時にハーネスの巻き回し部分が他部品と接触して問題を生じるおそれなどが無い場合には、ガイド部品を用いずにハーネスを巻き回した状態で配置してもよい。

次に、エリアＡ４におけるハーネスの引き回しの態様を、図７を主に用いて説明する。

ベースユニット１０の内部であるエリアＡ４には、比較的広い空間内に指部２０からのハーネス５６ｈが引き込まれており、図７に示すように巻き回された状態で配置されている。尚、空間の内壁の一部に、ハーネスとの摩擦を低減するための摺動性に優れるテープ材を貼り付けてもよい。

ベースユニット１０の内部には、第二の指部３０，第三の指部４０からのハーネスも余裕を持って引き込まれている。この第二の指部３０，第三の指部４０からのハーネスも巻き回して配置してもよい。

指部２０，３０，４０が、屈伸運動或いは内外転運動を行う時、ベースユニット１０の内部におけるハーネスの巻き回し部分においても径寸法が変動して、各ハーネスにかかるストレスを全体として軽減する。

本願発明者は、本実施例による形態により、断線に至らないための耐久性が少なくとも３倍以上向上することを確認している。

機構部分が見える図１及び図２のロボットハンドＨの第一～三の指部２０，３０，４０に対して、動作の妨げにならないカバー部品（図示しない）を取り付けた状態とする。このカバー部品により、一部にハーネスが露出する部分も外部に接触しないように保護することできる。

次に、エリアＡ１におけるハーネスの巻き回しの他例を、主に図８～１０を用いて説明する。

本実施例では、駆動源５８（図３参照）につながるハーネスとして、図８に示すハーネス５８ｗを用いる。ハーネス５８ｗは、並んだ３本のケーブルを一組としたものである。また、ハーネス５８ｗは、一部に二回転ほど巻き回した状態となっている部分があり、外部から何ら力を加えていない状態においても、この巻き回した状態が維持されるように形成されている。尚、ハーネス５８ｗの３本の並んだケーブルを一組とした形態は、各ケーブル同士は互いに接合されておらず分離可能なものであってもよいし、例えば、ケーブルの被覆同士を接合して一体の帯状にしたものであってもよい。

図９は、関節２７（図３参照）の内部構造を示している。関節２７の回転軸２７ａは中空円筒形状をしている。回転軸２７ａの外周部に位置する軸受２３ｂを介して節部２３と節部２２とが互いに回動可能な状態となっている。ハーネス５８ｗの巻き回し形成された殆どの部分は、回転軸２７ａの中空部分に収められている。外部から何ら力を加えていない状態におけるハーネス５８ｗの巻き回した部分の外径ｄｏは、回転軸２７ａの中空部分の内径Ｄｉよりも小さい。指部２０が関節２７で屈曲するとき、ハーネス５８ｗの巻き回し部分が関節２７の軸方向に伸びながら全体の径寸法が小さくなることで、ハーネス５８ｗにかかるストレスを軽減する。

図９では、ハーネス５８ｗの節部２３、２２内の配線を、ハーネス５８ｗを構成する３本のケーブル（５８w1、５８w2、５８w3）が、巻き回し部分と同様に縦並び（図９の図示上で上から５８w1、５８w2、５８w3）で空間２３ｓ，２２ｓに配線したが、図１０に示したように、空間２３ｓ，２２ｓにおいて横並びとなるように配置してもよい。この場合、指部の幅方向に対する空間２３ｓ，２２ｓの距離寸法２３ｄ，２２ｄをより小さくできるので、指部の幅を抑えることが可能となる。尚、このとき使用するハーネス５８ｗは、縦並びから横並びに変わる付近で、ハーネス５８ｗを構成する各ケーブルに必要以上の負荷をかけないために、各ケーブル同士が互いに接合されていないものを適用する。

尚、図示しないが、空間２２ｓを通って駆動源５７（図３参照）の方に向かって配線されたハーネス５８ｗは、同じ指部にある各駆動源につながる各ハーネスと、複数の分岐基板を介してベースユニット側に向かって電気的に接続される。また、本実施例では、エリアA１におけるハーネスの状態を説明したが、エリアA２においても、並んだ３本のケーブルを一組としたハーネスを用いて、本実施例と同様の形態を適用することができる。

本発明は上述した実施態様に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜変更可能である。

Ｈ：ロボットハンド
１０：ベースユニット
２０：第一の指部
２１，２２，２３，２４：節部
２５，２６，２７，２８：関節
３０：第二の指部
４０：第三の指部
５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８：駆動源
５１ｈ，５６ｈ，５７ｈ，５８ｈ：ハーネス
５８ｗ：ハーネス

Claims (3)

1. ベースユニットに支持された指部と、該指部を運動させる駆動源とを具備したロボットハンドにおいて、
   前記指部における２つの節部を互いに回動可能にしている回転軸があり、
   前記回転軸は中空円筒形状をしており、
   前記２つの節部の各々には、前記回転軸の中空部分につながる空間が形成されており、
   前記駆動源につながるハーネスが、一方の前記空間から前記中空部分を通って他方の前記空間に通されており、
   前記ハーネスの一部は予め巻き回した形状に成形されており、前記回転軸の中空円筒内に前記ハーネスの前記巻き回した状態の部分が配置されており、
   前記ハーネスは、複数本のケーブルが並んだものを一組としたものであり、
   前記ハーネスを構成する前記複数本のケーブルは、前記中空円筒内において、前記回転軸の軸方向に沿って縦並びになるように配置されており、
   前記節部の前記空間において、前記複数本のケーブルは、前記縦並びに対して横並びになるように配置されており、
   少なくとも前記縦並びから前記横並びに変わる付近では、前記複数本のケーブルにおける各ケーブル同士は互いに接合されていないことを特徴とするロボットハンド。
2. 前記指部は三以上有り、
   前記三以上の前記指部の各々は、内外転運動と前記内外転運動に交差する方向の屈伸運動とを含む二以上の自由度を有しており、
   前記駆動源は、前記三以上の前記指部の各々において、前記内外転運動と前記屈伸運動毎に設けられていることを特徴とする請求項１記載のロボットハンド。
3. 前記三以上の前記指部の各々は、角度９０度以上の前記内外転運動と、前記屈伸運動とを含む二以上の自由度を有しており、
   互いに異なる方向を向くことができる少なくとも二つの前記指部が含まれていることを特徴とする請求項２記載のロボットハンド。

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