JP6473229B2 - 把持及び精巧操作用のモジュール式ロボット指 - Google Patents

Description

本発明は、ロボット指の分野に関する。

「ロボット指」とは、手の指の指骨のように互いにヒンジ結合され、自動システム又はプロセッサなどの外部手段によって制御されるアクチュエータにより変位が制御される、機械的手段のアセンブリである。

以下に示すように、本発明の範囲内で、異なる指を組み合わせて把持部又はロボットハンドを形成することができる。

ロボット指やロボットハンドの創作は、既にその主題に関する文献で溢れている。

先行例は以下の文献参照：

Ｇｒｅｂｅｎｓｔｅｉｎ Ｍ．，「ヒューマンパフォーマンスへのアプローチ：機能性のあるＡｗｉｗｉロボットハンド」，Ｄｉｓｓ． ＥＴＨ Ｎ ２０４７１、２０１２ Ｉｖｅｒｓｅｎ Ｅ．Ｋ．，Ｋｈｕｔｔｉ Ｄ．Ｆ．，Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｒ．Ｔ．，Ｂｉｇｇｅｒｓ Ｋ．Ｂ．，Ｊａｃｏｂｓｅｎ Ｓ．Ｃ．，"ＵＴＡＨ／ＭＩＴ巧妙な手の設計"，国際会議，１９８６、ｐｐ．１５２０−１５３２ Ｌｉｕ他，「マルチ感覚性五指の手の手：ＤＬＲ／ＨＩＴハンドＩＩ，ＩＥＥＥ／ＲＳＪ知能ロボットとシステムに関する国際会議，２００８ 「ロボットハンドの適応協調制御」、ロボティクスメカトロニクスジャーナル、Ｖｏｌ．２１ Ｎｏ．１、２００９ 上田淳、石田豊、近藤誠宏、小笠原司、「視覚センサ指触覚センサを用いたＮＡＩＳＴ−Ｈａｎｄの開発」、２００５年ＩＥＥＥ国際ロボティクス国際会議（ＩＣＲＡ ２００５）、ｐｐ．２３４３−２３４８、２００５ Ｎ．Ｄａｏｕｄ、Ｊ．Ｐ．Ｇａｚｅａｕ、Ｓ．Ｚｅｇｈｌｏｕｌ、Ｍ．Ａｒｓｉｃａｕｌｔ、"手先操作のためのリアルタイム戦略：指先の運動計画、力感知、および把握の安定性"、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ、Ｖｏｌ．６０、２０１２年３月、ｐｐ．３７７−３８６ ＪＰ Ｇａｚｅａｕ、Ｓ．Ｚｅｇｈｌｏｕｌ、Ｇ．Ｒａｍｉｒｅｚ、「多関節機械ハンドによる操作：グローバルな操作戦略のために指先力を計算する新しい効率的なリアルタイム方法」Ｒｏｂｏｔｉｃａ、ｖｏｌ．２３、２００５、ｐｐ．４７９−４９０ Ｄ．Ｃｈａｉｇｎｅａｕ、Ｍ．Ａｒｓｉｃａｕｌｔ、Ｊ．Ｐ．Ｇａｚｅａｕ、Ｓ．Ｚｅｇｈｌｏｕｌ、"ＬＭＳロボットの手の把持と操作計画（同型骨格アプローチ）" Ｒｏｂｏｔｉｃａ（２００８）、ｖｏｌ．２６、２００８、ｐｐ．１７７−１８８ Ｎ．Ｄａｏｕｄ、Ｊ．Ｐ．Ｇａｚｅａｕ、Ｓ．Ｚｅｇｈｌｏｕｌ、Ｍ．Ａｒｓｉｃａｕｌｔ、"オンライン操作のための高速把握合成法"、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ、ｖｏｌ．５９、２０１１、ｐｐ．４２１−４２７ Ｆ．Ｔｏｕｖｅｔ、Ｎ．Ｄａｏｕｄ、Ｊ．Ｐ．Ｇａｚｅａｕ、Ｓ．Ｚｅｇｈｌｏｕｌ、Ｍ．Ａ．Ｍａｉｅｒ、Ｓ．Ｅｓｋｉｉｚｍｉｒｌｉｌｅｒ、"機械的手のためのバイオミメティックリーチと把握アプローチ"、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ、ｖｏｌ．６０、２０１２、ｐｐ．４７３−４８６

既に提案されているすべての解決策について詳細にコメントすることはせず、文献で頻繁に引用されている「シャドウハンド」および「ＡＷＩＷＩハンド」と呼ばれる２種類のロボットハンドについて以下に述べる。

（シャドウハンド）
シャドウハンドは、人間の手に匹敵する擬人化設計のロボットハンドである。このシャドウハンドは、実施形態に応じて、空気圧式ラム又は電気モータとすることができるアクチュエータを備える。ヒンジは、ケーブル伝送によって作動される。その５本の指を持つ手は、２０の作動自由度と４つの結合自由度を有し、合計２４のヒンジを有する。運動振幅は人間の手の振幅に非常に近い。

（ＡＷＩＷＩハンド又は超堅強ハンド）
ドイツ航空宇宙センター（Ｇｅｒｍａｎ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｃｅｎｔｅｒ：ＤＬＲ）のロボティクスメカトロニクス研究所は、手の構造を改変することなく、剛体との衝突やハンマー打撃に耐え得る手を開発した。この手の堅牢性は、本発明の中核として設定されている。開発された手は、５本の指が装備された擬人化寸法を有する。これらは合計１９個のヒンジを含み、それぞれがアクチュエータに接続された３８個の腱を介して作動される。したがって、３８個のアクチュエータを制御することにより、腱の剛性を一定に制御し、かなりの衝撃を吸収することが可能になる。

上記のシャドウハンドは真の利点を有するが、いわゆるシャドウハンドには一定の制限がある。すなわち、手の構造においては、空間における指の端の細かな制御を行うことができない。実際、外転内転運動は、当該運動（例えば、電球のねじ込み）により、指の端部の物体を取り扱うための指の正確な動きを妨げる非線形性（機械的なクリアランス、摩擦）の影響下にある。

ＡＷＩＷＩハンドの本質的な欠点は高度な発動作用であり、その設計には指の剛性を制御するためにヒンジ１つにつき２つのアクチュエータを必要とする。これは、かなりの大きさ及び重量となり、かなり大きな前腕を持つこととなる。また、相当程度の摩擦が、指先での微動を生成する手の能力に影響を与える。このため、この手の指先で物体の細かい操作を実証することは今日まで不可能であった。提案された実例は、手の衝撃吸収性を考慮して、適応的な把持能力と多数の相互作用の能力とを実証している。

本発明の目的は、特に、一方で物体をつかむこと、他方では指先で物体を細かく取り扱うことに関して、既知のロボットハンドデバイスの性能を向上させることである。
本発明の１つの目的は、特に、人間の指のものと同一の運動学を達成することを可能にする手段を提案することである。

本発明は、ロボット指を形成する装置に関し、該装置は、手のひらを形成する基部と、互いに非平行な２つの独立したヒンジの周りで前記基部にヒンジ止めされた少なくとも１つの指骨と、少なくとも２つのアクチュエータと、前記２つのアクチュエータを前記２つのヒンジの駆動要素にそれぞれ接続するケーブル連結手段と、前記基部上の前記第１ヒンジの後ろに位置する各ヒンジの制御に関わる前記ケーブルをこの第１ヒンジの軸を通る共通平面内でガイドするガイド手段と、を備え、前記ガイド手段は、前記基部に保持された第１ヒンジ軸に平行な軸に沿って延在する円筒状の針で形成され、前記装置は、ガイドステージの出口に、前記ケーブルの自由な平行移動を確保するために必要な機能的クリアランスすなわちそれらの直径に実質的に対応する間隔を隔てた少なくとも２本の針を備え、前記２本の針は、前記第１ヒンジ軸を通る対称面の両側に対称的に配置されるとともに前記第１ヒンジの入口で前記ケーブルを案内し、前記装置は、前記第１ヒンジの前記軸に関して対称な２組のディアボロ形部分を担持するとともに前記針によって形成された前記ガイドステージから前記下流側ヒンジに向かって前記ケーブルを案内するためのフレームをさらに備える、ことを特徴とする。

好ましくは、前記基部上の前記第１ヒンジ軸は外転内転軸を構成し、前記第２ヒンジ軸は屈曲伸展軸を構成する。

基部上の第１ヒンジの後ろに位置する各ヒンジの制御に関わるケーブルが第１ヒンジ軸を通る共通の平面内を案内される上記の特徴により、アクチュエータとこれに対応するヒンジとの間のこれらのケーブルの伸展を第１ヒンジの位置に関係なく修正不要にでき、また、摩擦を最小限にすることができる。これにより、機械的効率を最大にすることができ、指の力および位置を制御する能力を保証することができる。さらに、第１ヒンジの入口における共通の平面内でのケーブルの案内と、ケーブルによって担持されたディアボロ形の部品との組み合わせにより、第１ヒンジのピボット偏角にかかわらず、第１ヒンジの後ろに位置する各ヒンジの制御に関わるケーブルの摩擦を最小にすることができる。

本発明の他の有利な特徴によれば、装置は、それぞれのアクチュエータに関連する一軸ヒンジの周りに２本ずつ互いにヒンジ結合されたいくつかの指骨を備える。

特定の実施形態によれば、装置は４つのヒンジと３つの指骨を含む。提案された運動は、３つの屈曲伸展運動と１つの外転内転運動である。

各ヒンジとそれぞれに関連するアクチュエータとの間の移動の伝達は２本の伝達ケーブルによって確保され、これによって、屈曲又は外転の動き、及び、伸展又は内転の動きをそれぞれ確保することが可能になる。

ターゲットの用途に応じて指の寸法を調整することができる。これらの寸法は、少なくとも人間の指の平均寸法に対応し得る。

本発明に従った指の構造により、力及び位置を測定するための完全な計器を取り付けることができる。

各ヒンジは、関節測定を統合し得る。

指先と指骨とは力測定に対応し得る。

指の構造のカスタマイズされたカバーは、例えば、殻の形態および塗布物に関連するコーティングの形態で、締結具により達成することができる。

各指のモジュール性により、複数の指を組み立てて、複数の指を備えたロボットハンドを構築することができる。手の運動（指の位置、指の数、指の寸法、特に指骨の長さ）は、ターゲットの用途に応じて調整することができる。したがって、最も複雑なロボットハンド、すなわち、運動学及び寸法において擬人化された手を実現することができる。

ケーブルによる伝送を含む本発明に従う装置の利点は、特に次のとおりである。
アクチュエータ又はモータは、例えば手の外のように、装置外に送り出すことができるため、装置と手のサイズ、及びオンボード使用のための重量を減らせる可能性がある。
アクチュエータ又はモータは、用途に応じて容易に寸法を設定することができる。モータの寸法に制約はない。高トルクが必要な場合は、大型のモータを選択できる。それらは、例えば、伝送ケーブルの慎重な経路設定によって、ペイロードがアームの端部よりも自然に大きいマニピュレータアームの肩の高さに配置されてもよい。
指の各ケーブルによって誘導される自然な追従動作により、衝撃に伴うエネルギーの一部を吸収して周囲との確実な相互作用が提供される。
指と周囲との相互作用を評価するために、伝送ケーブルの伸展力を用いることができる。

本発明の他の特徴、目的及び利点は、非限定的な実施例により、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことで明らかになるであろう。
矢状断面平面及び断面平面に任意に対応する図１（ａ）及び図１（ｂ）において、本発明に従う指によって達成される異なる運動軸及び以下の説明において参照される正規直交座標系を示す。 本発明に従う指に含まれるヒンジ接続部の概略図を示す。 ３つの指骨を備えた、本発明に従う指の実施形態の斜視図を示す。 矢状面に平行な平面に対応する側面図による同じ指の図を示す。 横断面に平行な平面に対応する上面図における同じ指の図を示す。 図５の部分拡大図を示しており、第１ヒンジの上流において手のひらを形成する基部に配置されたケーブルガイド手段の第１ステージを示す。 図４の部分拡大図を示し、図６に示す第１ステージと第１ヒンジとの間の、手のひらを形成する基部内に配置されたケーブルガイド手段の第２ステージを示す。 伝送ケーブルを第１ヒンジの入口に案内するための円筒状の針の配置を示す斜視図である。 同じ針の正面断面における端面図を示す。 外転内転軸及び屈曲伸展軸に対応する互いに平行でない２つの軸の周りの、基部上の第１指骨におけるヒンジアセンブリの部分斜視図を示す。 このアセンブリの部分詳細図を示し、より正確には、ケーブルのためのガイドとして機能するディアボロを備えたハーフシャフトを示す。 前述のディアボロと駆動プーリとを支持するケージの図を示す。 基部上の第１ヒンジ軸に対応するヒンジ軸の完全な図を示す。 外転内転軸及び屈曲伸展軸に対応する互いに平行でない２つの軸の周りの、基部上の第１指骨におけるヒンジアセンブリの、図１０とは反対の観察角度における第２の部分斜視図を示す。 ２つの非平行軸の周りにおける基部上の第１指骨の完全なヒンジアセンブリの斜視図を示す。 ２つの非平行軸の周りにおける基部上の第１指骨の完全なヒンジアセンブリの上面図を示す。 互いに平行かつ第１ヒンジ軸に直交する２つの重ね合わされた断面平面における第１ヒンジの２つの概略断面図を示す。 互いに平行かつ第１ヒンジ軸に直交する２つの重ね合わされた断面平面における第１ヒンジの２つの概略断面図を示す。 ２つの指骨の間のヒンジの部分斜視図を示しており、特に、駆動に関与する駆動プーリとケーブル張力調整装置とを示す。 ３つの指骨を備えた完全な指の上面図を示す。 本発明による複数の指を有する手の矢状面に沿った側面図を示す。 本発明による４つの指を有する手により実現可能な把持の実施形態を示す斜視図である。

以下の説明は、任意の座標系ｘｙｚを参照して行われる。ここで、平面ｘｚは垂直矢状面に対応し、平面ｘｙは水平横断面に対応し、平面ｙｚは垂直正面に対応する。

図１ａ、図１ｂ及び図２に、３つの指骨５００，７００及び９００を備えた指１０を概略的に示す。ここで、第１指骨５００は、第１外転内転軸２０２を画定する第１ヒンジ２００と、第２屈曲伸展軸４０２を規定するとともにアセンブリ３００を介してヒンジ２００に接続された第２ヒンジ４００との回りにおいて、以下で１００と指定する基部にヒンジ止めされ、中間の第２指骨７００は、第３屈曲伸展軸６０２を画定するヒンジ６００によって第１指骨５００にヒンジ止めされ、遠位の第３指骨９００は、第４屈曲伸展軸８０２を画定するヒンジ８００によって第２指骨７００にヒンジ止めされている。

外転内転軸２０２は、垂直軸ｚに沿って延在している。

屈曲伸展軸４０２，６０２及び８０２は、互いに平行な水平軸ｙに沿って延在している。

休止状態すなわち全体的に整列した位置では、３本の指骨５００，７００及び９００が、ｘに沿って伸展方向に延在している。

軸２０２周りの外転または内転変位の振幅は、任意の中央基準軸ｘに対して図１ｂにおいてｑ１で示されている。

直線延長部の休止位置に対する３つの指骨５００，７００及び９００それぞれの軸４０２，６０２及び８０２回りの屈曲における変位のそれぞれの振幅をｑ２、ｑ３及びｑ４と表す。

前述のように、本発明による基本的なロボット指１０は、手のひらを形成する基部１００と、互いに非平行な２つのヒンジ軸２０２及び４０２の回りで基部１００にヒンジ止めされた少なくとも１つの指骨５００とを備えている。２つの軸２０２及び４０２は互いに直交していることが好ましい。

指１０は、少なくとも２つのアクチュエータ１１０，１２０と、ケーブル連結手段１１２，１１４及び１２２，１２４とをさらに備えており、それぞれ、第１ヒンジ２００を制御するためのアクチュエータ１１０の出力と第２ヒンジ４００を制御するための第１指骨５００におけるアクチュエータ１２０の出力とを、アセンブリ３００に設けられた受容駆動プーリ３２５，３２６に接続する。

３つの指骨５００，７００及び９００を備えた実施形態では、指は４つのアクチュエータ１１０，１２０，１３０及び１４０を備えており、それぞれが２つのケーブル１１２，１１４；１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４に関連付けられている。
ケーブル１１２，１１４；１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４の各々は、ヒンジ軸２０２，４０２，６０２及び８０２を制御するための受容駆動プーリ３２５，３２６又はこの場合、プーリ５２５，５２６，７２５，７２６及び９２５，９２６、及び、指骨５００，７００及び９００の要素に接続されている。

より正確には、本発明によれば、指は、基部上の第１ヒンジ軸２０２を通る共通の矢状面内でこの第１ヒンジ軸２０２の後ろに位置する各ヒンジ４００，６００及び８００の制御に関わるケーブル１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４を案内するように構成された案内手段１５０，１６０を備えている。

基部１００は、多くの実施形態に依存し得る。添付の図面に示される実施形態によれば、基部１００は、アクチュエータ１１０，１２０，１３０，１４０を担持するハウジング１０２を備えている。ハウジング１０２は、各アクチュエータ１１０，１２０，１３０及び１４０を、それぞれの出力軸１１１，１２１，１３１及び１４１がハウジング１０２内において軸ｚに平行な軸に沿って回転可能に取り付けられるように担持する。

アクチュエータ１１０，１２０，１３０及び１４０は、ギヤドモータから形成されることが好ましい。

各出力軸１１１，１２１，１３１及び１４１は、軸方向に段差を付けて並べられた２つの駆動プーリ１１３，１１５，１２３，１２５，１３３，１３５，１４３及び１４５をそれぞれの軸上に担持する。

ハウジング１０２は、ｘ方向に沿った伸展軸を中心とする長手方向に延びる梁１０４によって一方の側で延長されている。梁１０４のこの伸展軸は、４つのアクチュエータ１１０，１２０，１３０及び１４０のすべての回転軸を通過するビームのメジアン対称面に対応する。

各ケーブル１１２，１１４；１２２，１２４；１３２，１３４；１４２及び１４４の第１端部は、プーリ１１３，１１５，１２３，１２５，１３３，１３５，１４３及び１４５にそれぞれ取り付けられている。

各プーリ１１３，１１５，１２３，１２５，１３３，１３５，１４３及び１４５は、梁１０４に対向して配置されている。

各ケーブル１１２，１１４；１２２，１２４；１３２，１３４；１４２及び１４４は、梁１０４内で各々のプーリ１１３，１１５，１２３，１２５，１３３，１３５，１４３及び１４５から第１ヒンジ２００に向かう方向に延在している。

先に示したように、梁１０４は、ケーブル１１２，１１４；１２２，１２４；１３２，１３４；１４２及び１４４を案内するためのガイド手段の２つのステージ１５０，１６０を備えている。

ガイド手段の第１ステージ１５０は、少なくとも第１ヒンジ軸２０２を通る共通矢状面においてベース上の第１ヒンジ軸２０２の後ろに位置する各ヒンジ４００，６００及び８００の制御に関わるケーブル１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４を案内する機能を有する。図示された実施形態によれば、ガイド手段１５０は、梁１０４によって担持される軸ｚに平行な軸に沿って延びる円筒状の針から形成される。

したがって、ケーブル１１２，１１４；１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４の自由な並進を確実にするために、第１ステージ１５０の出口に少なくとも２つの主針１５１，１５２が設けられている。各針１５１，１５２の間隔は実質的に前提となる動作クリアランス、すなわち各ケーブル１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４の直径に対応する。２つの主針１５１，１５２は、第１ヒンジ軸２０２を通過する梁１０４のｘｚにおける対称面の両側に対称的に配置される。

ステージ１５０の入口において、ケーブル１１２，１１４；１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４は、プーリ１１３，１１５，１２３，１２５，１３３，１３５，１４３及び１４５それぞれの半径の累積間隔に対応する距離だけ対をなして分離されている。図６から分かるように、主針１５１，１５２により、ガイドステージ１５０の出口において全てのケーブル１１２，１１４；１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４を、軸２０２を通る共通平面内に配置することができる。

また、図６から分かるように、装置は、主針１５１，１５２の上流側に３段の補助針１５３，１５４；１５５，１５６及び１５７，１５８をさらに備えることが好ましく、これらはそれぞれ、主針１５１，１５２の間のケーブル対の漸進的な収束を確実にするように、特定のケーブル１１２，１１４；１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４をそれぞれ保持している。

ガイド手段の第２ステージ１６０は、第１ガイドステージ１５０と第１ヒンジ２００との間に配置される。その機能は、ケーブル１１２，１１４；１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４の間のいかなる接触をも避けるために、ヒンジ２００の入口でこれらのケーブルを軸ｚに沿って案内し、ずらすことである。より正確には、ガイド手段１６０はまた、ケーブル１１２，１１４；１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４を、軸ｚを基準にしてそれぞれ上下に４本ずつの２つのグループに分配する機能も有している。

４本のケーブル１２２，１２２，１３２及び１４２を含む上側のグループが図１６−２に示されており、４本のケーブル１１４，１２４，１３４及び１４４を含む下側のグループが図１６−３に示されている。

図示された実施形態によれば、ガイド手段１６０は、梁１０４によって担持される軸ｙに平行な軸に沿って延在する円筒形の針によって形成される。

したがって、図７に示す好適かつ非限定的な実施形態によれば、装置は、ヒンジ２００の入口における予想配置を確実にするために、ケーブル１１２，１１４；１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４を案内する４段の補助針１６２，１６４，１６６及び１６８を備えている。ステージ１６２，１６４，１６６及び１６８の多重度は、２本のケーブル間の接触の危険なしに、前述の２つのグループへのケーブルの漸進的な再グループ化を確実にすることを意図している。

ガイドステージ１６２，１６４，１６６及び１６８を形成する針の正確な構成および針の数は、多くの実施形態に従うことができ、以下ではさらに詳細には説明しない。しかしながら、４つのガイドステージ１６２，１６４，１６６及び１６８は、組み合わされて、ガイド手段１６０の出口における２つの隣接するケーブルの各対の間においてスペーサとして機能する針と、特定のケーブルに対して外部支持体として機能するとともに、特定のケーブルに対して梁１０４のｚ高さを基準にした内部支持体として機能する針とを有している。

さらに、ヒンジ２００の入口におけるケーブル１１２，１１４；１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４の適切な配置を確保するために、ヒンジ２００の上流におけるガイドステージ１６０の出口に上述した針１５１，１５２に平行な２つの第２針１５１−２，１５２−２を設けることが好ましく、それらの間隔もまた実質的にケーブル１１２，１１４；１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４の自由な移動を確保するために要求される必要な機能的クリアランス、すなわちこれらのケーブルの直径に対応する。２つの第２針１５１−２，１５２−２もまた、第１ヒンジ軸２０２を通る梁１０４のｘｚにおける対称面の両側に対称的に配置される。

次に、２つの第１ヒンジ２００及び４００の構造について、特に、図１０〜１６を参照して説明する。

先に示したように、第１ヒンジ２００は、好ましくは、ｚ軸２０２周りの外転内転ヒンジに対応し、第２ヒンジ４００は、ｙ軸４０２周り、すなわち、軸２０２に非平行で好ましくはこの軸２０２に直交する屈曲伸展ヒンジに対応する。２つのヒンジ２００及び４００は、中間アセンブリ３００によって分離されて担持される。

必要であれば、変形例として、第１ヒンジ２００は、ｙ軸２０２を中心とした屈曲伸展ヒンジに対応することができ、第２ヒンジ４００は、ｚ軸４０２を中心とした外転内転ヒンジに対応することができる。

添付の図面に示された実施形態によれば、中間アセンブリ３００は、静止した状態、すなわち、最遠の外転位置及び内転位置に関して中心の位置においてその中央平面がｙｚ平面内に延在する支持フレーム３１０を備えている。フレーム３１０は、ｙｚの中央平面の両側にある２つの対向する面にそれぞれ、ｚの外転内転ヒンジ２００及びｙの屈曲伸展ヒンジ４００を担持する。

より正確には、フレーム３１０は、第１の面において、厚さ方向における中央平面がｘｙ平面内に延在する２面体の形状をした小さなブリッジ３２０を担持するとともに、ｚ軸２０２を中心とする２つの同軸の外転内転半シャフト又はピン２２０，２３０を回転可能に支持している。ピン２２０，２３０は、任意の適切な手段によって、基部１００、より正確には梁１０４の端部にヒンジ止めされる。

２つの半シャフト又はピン２２０，２３０は、それぞれ、小型ブリッジ３２０のいずれかの側に配置される。ピン２２０の１つは、内転ケーブル１１２の第２端部を受けるプーリ３２５を担持する。プーリ３２５は、小型ブリッジ３２０及び要素３００と回転可能に接続されており、したがって、ピン２２０に対して回転自在になっている。他のハーフピン２３０は、内接ケーブル１１４の第２端部を受けるプーリ３２６を担持する。プーリ３２６はまた、小型ブリッジ３２０及び要素３００と回転可能に接続されており、したがって、ピン２３０に対して回転自在になっている。

各プーリ３２５，３２６上のケーブル１１２，１１４の固定点は、軸２０２に対して正反対に位置している。

変形例として、ケーブル１１２及び１１４は、図１６−２及び１６−３に概略的に示されているように、プーリ３２５，３２６の周りに少なくとも部分的に巻き付けることができ、またはこれらのプーリの周りをそれぞれ反対方向に完全に回転させることができ、 図１６−２及び１６−３の３３０及び３４０に示すような任意の適切な手段によって、小型ブリッジ３２０に接続することができる。この場合、プーリ３２５及び３２６は、ピン２２０，２３０上で、小型ブリッジ３２０に対して自在に回転可能になっている。好ましくは、取り付け手段３３０，３４０には、ケーブル１２２，１２４，１３２，１３４，１４２及び１４４用の後述する張力調整手段が設けられる。

ピン２２０及び２３０の端部は、梁１０４の隣接端部用の回転ガイドベアリングを形成するボールベアリングのような手段２２６，２３６を担持する。

各ピン２２０，２３０は、プーリ３２５，３２６とベアリング２２６，２３６との間に、それぞれケーブル１２２，１２４の通過と誘導のための窓を画定するとともに下流側ヒンジ４００，６００及び８００に向けられたケージ２２２，２３２を担持している。

より正確には、各ケージ２２２，２３２は、ディアボロ２２３，２２４及び２３３，２３４の形状の２つの一連の同軸回転部分をそれぞれ有する。ディアボロ２２３，２２４及び２３３，２３４の形状の各一連の部品は、それぞれのｚ軸の中心に位置する。

ケージ２２２に設けられたディアボロ形の部分２２３，２２４は、軸２０２に対して対称である。同様に、ケージ２３２に設けられたディアボロ形部分２３３，２３４は、軸２０２に関して対称になっている。さらに、一連のディアボロ形部分２２３，２２４及び２３３，２３４のそれぞれは、ガイドされるケーブル１２２，１３２，１４２及び１２４，１３４，１４４の数に等しい数のディアボロ形部分を含む。

図１０、図１１、および図１３に示す実施形態によれば、各ハーフピン２２０，２３０は３本のケーブル１２２，１３２，１４２及び１２４，１３４，１４４を案内する。したがって、ディアボロのような形状をした一連の部分２２３，２２４及び２３３，２３４のそれぞれは、ｚ軸方向に積み重ねられたディアボロ形状の３つの部分を含む。

したがって、外転内転運動の軸２０２には、図１６−２に示すように、軸の上部に配置されケーブル１２２，１３２，１４２を案内するための６本のディアボロのセットと、図１６−３に示すように、軸の下部に配置されケーブル１２４，１３４及び１４４を案内するための６本のディアボロのセットとが設けられている。

共通のケージ２２２，２３２内に位置する２つの一連の部分２２３，２２４及び２３３，２３４に属する２つの隣接するディアボロの各対は、ケーブル１２２，１３２，１４２及び１２４，１３４，１４４を受けるように意図されたそれぞれの通路を画定する。各ケーブルは、このようにして２つの回転するディアボロの間を案内される。

フレーム３１０の中央平面に垂直なそれぞれの中心軸に沿って交差するこれらの通路は、軸２０２周りの相対回転による中間アセンブリ３００の基部１００に対する相対位置にかかわらず軸２０２を通過する対称平面を有している。

各ディアボロは、ケーブル１２２，１３２，１４２及び１２４，１３４，１４４とディアボロとの間の摩擦を制限するために、ケージ２２２又は２３２に接続された中央のヒンジロッド上で、軸周りに回転可能になっている。

当業者であれば、アクチュエータ１１０の一方向への回転変位が内転ケーブル１１２に張力を加え、プーリ３２５及び／又は小型ブリッジ３２０に作用することによって、指が内転方向に変位することがわかるだろう（図１６−２参照）。反対に、反対方向へのアクチュエータ１１０の回転変位は、外転ケーブル１１４に引張り力を加え、プーリ３２６及び／又は小型ブリッジ３２０に作用することによって、指が外転方向に変位する（図１６−３参照）。

さらに、フレーム３１０は、小型ブリッジ３１０のいずれかの側にそれぞれ配置され、ケーブル１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４を下流ヒンジに向かって案内するように意図された２つの一連の２ディアボロ形の部分を担持する。これらのディアボロは、図１６−２では３１４，３１５，３１６、図１６−３では３１４，３１５，３１６と指定されている。

図１６−２及び１６−３を見てわかるように、ケーブル１１２及び１１４は、２つのガイド針１５１−２、１５２−２によって画定されるドアからの出口と受容プーリ３２５，３２６へのそれらの入口との間で、それぞれのディアボロ１８０，１９０によって案内され得る。

外転内転ヒンジ２００を通過した後、６本のケーブル１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４は、このようにしてディアボロ３１１，３１２，３１３及び３１４，３１５，３１６によって第１の屈曲伸展運動の軸４００に向けて案内される。これらのケーブル１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４のうち、２本のケーブル１２２，１２４は、第１の屈曲伸展運動の軸４００と一体の屈曲伸展受容プーリ５２５，５２６に向けてそれぞれ案内される。

さらに、フレーム３１０は、その第２の面に、中央平面がｘｚ平面内に延在する２面体の形状をした小型ブリッジ３５０を担持するとともに、ｙ軸４０２を中心とする２つの同軸の屈曲伸展半シャフト又はピン４２０，４３０を回転可能に支持している。ピン４２０，４３０は、任意の適切な手段によって、指骨５００の隣接端部にヒンジ止めされる。

２つの半シャフト又はピン４２０，４３０は、それぞれ小型ブリッジ３５０のいずれかの側に配置される。ピン４２０の１つは、２つのプーリ４２２，４２４を担持しており、これらのプーリの周りを１回転することでそれぞれケーブル１４２，１３４が巻回されている。他方のハーフピン４３０は、２つのプーリ４３２，４３４を担持しており、これらのプーリの回りに１回転することでそれぞれケーブル１４４，１３２が巻回されている。プーリ４２２，４２４及び４３２，４３４は、小型ブリッジ３５０に対して軸４０２周りに回転自在になっている。

ガイドプーリ４２２，４２４及び４３２，４３４の周りでそれらの軸の周りを自由に回転するケーブルの捨て巻きにより、指骨の屈曲伸展運動を行うヒンジ構成のためにケーブル１３２，１３４及び１４２，１４４がプーリを離れることを防止することができる。

ピン４２０及び４３０の端部は、例えば第１指骨５００のクレビス５２０の形状の隣接端部を回転案内するためのベアリングを形成するボールベアリングなどの手段４２６，４３６を担持している。

さらに、図１５を見てわかるように、ケーブル１２２，１２４の第２端部は、軸４０２とは反対側の第１指骨５００の該端部に取り付けられている。

より正確には、クレビス５２０の両方の枝部５２２，５２４は、軸線４０２を中心として各ケーブル１２２，１２４の第２端部をそれぞれ案内するプーリ５２５，５２６を担持することが好ましい。

ケーブル１２２，１２４の端部がこれらのプーリに取り付けられている場合、プーリ５２５，５２６は、クレビス５２０と回転自在に接続されなければならない。

ケーブル１２２，１２４の端部が前述のプーリにではなく、クレビス５２０に取り付けられている場合、プーリ５２５及び５２６は、クレビス５２０に対して軸４０２周りに自在に回転し得る。

この優先レベルでは、ヒンジ４００に隣接する第１指骨５００の端部が、ケーブル１２２及び１２４の張力を調整する手段５３０，５４０をも有することが好ましい。これらの調整手段５３０，５４０は、多くの実施形態に従い得る。

添付図面に示される特定の実施形態によれば、これらの調節手段５３０，５４０はそれぞれ、ケーブル１２２，１２４の端部、例えば止め具を備えた端部を受け入れるフォーク５３２，５４２を備え、その軸４０２からの距離は、ネジ５３４，５４４によって調整し得る。

図１７を見てわかるように、円筒状のピン５１７が、ケーブル１２２，１２４の微細張力調整手段５３０，５４０に向けて受容プーリ５２５，５２６を離れるケーブル１２２，１２４を案内可能にすることが好ましい。

当業者であれば、アクチュエータ１２０の一方向への回転変位が屈曲ケーブル１２２に張力を加え、指骨５００の端部に作用することによって、指が屈曲方向に変位することを理解するであろう。逆に、アクチュエータ１２０の反対方向への回転変位は、伸展ケーブル１２４に張力を加え、指骨５００の端部に作用することによって、指の伸展方向への変位をもたらす。

最後に、４本のケーブル１３２，１４２及び１３４，１４４が、４つの専用プーリ４２２，４２４，４３２及び４３４を介して、中間指骨部７００の屈曲伸展運動及び遠位指骨９００の屈曲伸展運動に向けてそれぞれ経路指定されるように、第２ヒンジを離れる。これら４本のケーブル１３２，１４２及び１３４，１４４が近位指骨５００の屈曲伸展運動のヒンジ構成によってプーリから離れるのを回避するために、移動軸上で回転自在にこれらのガイドプーリ４２２，４２４，４３２及び４３４の捨て巻きが行われる。

ヒンジ６００及び８００は、前述のヒンジ４００と同様であることが好ましい。

したがって、各指骨５００及び７００の第２端部又は遠位端は、中央平面がｘｚ平面内に延在する２面体の形状をなすとともに、ｙ軸６０２及び８０２を中心とする２つの同軸の屈曲伸展半シャフト又はピン６２０，６３０及び８２０，８３０をそれぞれ回転可能に支持する小型ブリッジ５５０，７５０を担持している。ピン６２０，６３０及び８２０，８３０は、任意の適切な手段によって、後の指骨７００，９００の隣接端部にヒンジ止めされる。

２つの半シャフト又はピン６２０，６３０は、それぞれ、小型ブリッジ５５０のいずれかの側に配置される。各ピン６２０，６３０は、プーリ６２２，６３２を担持しており、これらの周りを１回転させることによって各プーリ上にケーブル１４２，１４４がそれぞれ巻回される。プーリ６２２，６３２は、小型ブリッジ５５０に対して軸６０２周りに回転自在となっている。

ピン６２０及び６３０の端部は、例えば第２指骨７００のクレビス７２０の形状の隣接端部を回転案内するためのベアリングを形成するボールベアリングなどの手段６２６，６３６を保持している。

さらに、ケーブル１３２，１３４の第２端部は、軸６０２のとは反対側の第２指骨７００の該端部に取り付けられている。

より正確には、クレビス７２０の２つの枝部７２２，７２４は、軸線６０２を中心として各ケーブル１３２，１３４の第２端部をそれぞれ案内するプーリ７２５，７２６を担持することが好ましい。

この優先レベルでは、前述の手段５３０，５４０と同様に、ヒンジ６００に隣接する第２指骨７００の端部が、ケーブル１３２，１３４の張力を調整するための手段７３０，７４０を有する。

当業者であれば、アクチュエータ１３０の一方向への回転変位が屈曲ケーブル１３２に張力を加え、指骨７００の端部に作用することによって、指の指骨が屈曲方向に変位することを理解するであろう。逆に、アクチュエータ１３０の反対方向への回転変位は、伸展ケーブル１３４に張力を加え、指骨７００の端部に作用することによって、指の伸展方向への変位をもたらす。

同様に、２つの半シャフト又はピン８２０，８３０は、それぞれ、小型ブリッジ７５０のいずれかの側に配置される。

ピン８２０及び８３０の端部は、例えば第３指骨９００のクレビス９２０の形状の隣接端部を回転案内するためのベアリングを形成するボールベアリングなどの手段８２６，８３６を保持している。

さらに、ケーブル１４２，１４４の第２端部は、軸８０２とは反対側の第３指骨９００の該端部に取り付けられている。

より正確には、クレビス９２０の２つの枝部９２２，９２４は、軸線８０２を中心として各ケーブル１４２，１４４の第２端部をそれぞれ案内するプーリ９２５，９２６を担持することが好ましい。

この優先レベルでは、前述の手段５３０，５４０と同様に、ヒンジ８００に隣接する第３指骨９００の端部が、ケーブル１４２，１４４の張力を調整するための手段９３０，９４０を有する。

当業者であれば、アクチュエータ１４０の一方向への回転変位が屈曲ケーブル１４２に張力を加え、指骨９００の端部に作用することによって、指が屈曲方向に変位することを理解するであろう。逆に、アクチュエータ１４０の反対方向への回転変位は、伸展ケーブル１４４に張力を加え、指骨９００の端部に作用することによって、指が伸展方向に変位する。

本発明によれば、各アクチュエータ１１０，１２０，１３０及び１４０とそれぞれのヒンジ２００，４００，６００及び８００との間の動作の伝達は、ケーブル１１２，１１４；１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４によって達成される。より正確には、各ヒンジ２００，４００，６００及び８００に対して２本の伝送ケーブルが設けられている。各ケーブル１１２，１１４；１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４は、一方ではアクチュエータ側の駆動プーリ１１３，１１５；１２３，１２５；１３３，１３５，１４３，１４５に取り付けられており、他方では、ヒンジ側の受容プーリ３２５，３２６，５２５，５２６，７２５，７２６，９２５，９２６に取り付けられている。

前述のように、本発明に従う指の３つの指骨は、同じ原理に従って作られる。これにより、特に以下の利点が提示される：
・用途に応じて各指骨の長さを調節する可能性、
・カウリングを取り付ける可能性、
・計測信号をルーティングする可能性、
・位置と力を測定するための計測器を統合する可能性。

先に説明した指は、ヒンジ４００，６００及び８００のガイドプーリ上にケーブルの通路を備えている。このため、下流に配置された指骨の関節運動における変位によってケーブルの長さが変化することになる。しかしながら、結合関係はプーリの直径に基づいて数値的に計算することができ、指のヒンジと対応するギヤドモータとの間の機械的結合関係によって、ケーブルの長さの誘導変動を補正することができる。結合関係は、以下のようになる。
Ｑ＝Ａ・Ｑ*
ここで、
Ｑ＝［ｑ１、ｑ２、ｑ３、ｑ４］であって指のヒンジの動きを表し、
Ａは指の結合行列を表し、
Ｑ*＝［ｑ１、ｑ２、ｑ３、ｑ４］であって対応するギヤドモータの動きを表す。

したがって、全てのヒンジは、指の位置制御における結合関係を考慮に入れて個別に制御することができる。

本発明により提案された指の設計におけるモジュール性により、数本の指１０を組み立てて数本の指を有するロボットハンドを構成することができ、運動学及び寸法の点で擬手さえも構成可能である。

いくつかの指１０の組み合わせは、例えば、２本の向かい合った指を有するグリッパーを得るために、外転内転軸２０２が同軸又は平行であるように互いに向かい合う２本の指１０を配置することで作成することができる。

一方、図１９及び図２０に示すように、自然な手の動きを可能とした装置や擬人化手さえも提案するべく、手のひらを形成する共通基部１００上に、第１屈曲伸展軸４０２が同軸となるようにして複数の指１０を組み立てるとともに、指１０を向かい合わせて親指を形成することができる。

図１９及び図２０には、第１屈曲伸展軸４０２ａ、４０２ｂ及び４０２ｃが同軸であって、外転内転軸２０２ｄがｘ方向に沿って或いは前述した指の外転内転軸２０２ａ、２０２ｂ及び２０２ｃを含む平面に垂直に延在するとともに、その屈曲伸展軸４０２ｄ、６０２ｄ、８０２ｄがｙ方向に延在する親指１０ｄを有する３本の指１０ａ、１０ｂ及び１０ｃを備えた手が示されている。図１９及び図２０に示す指１０ａ、１０ｂ及び１０ｃ及び親指１０ｄには、添え字ａ、ｂ、ｃ及びｄが付された先に使用されたものと同一の参照番号が付されている。

図１９に示す実施形態によれば、アクチュエータ１１０ｄ、１２０ｄ、１３０ｄ及び１４０ｄは、その軸がｘ方向に向けられている。関連したケーブルは、ｚ方向にベースの頂点まで延在しており、上記ケーブルは、適切な戻りプーリ１７０によって親指１０ｄのヒンジ２００ｄの方向に９０°偏向されている。

このようにして得られた手により、例えば、手のひらであらゆる直径のものを把持し、指の先端で掴むなど、擬人化手が可能な全ての操作が可能になる。

本発明の文脈において、「完全作動」という用語は、同じ指の他の関節とは無関係に、位置及び力において細かく制御された各関節の動きを意味する。

もちろん、本発明は、先に説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の精神に合致するすべての変形形態に及ぶ。

Claims (13)

1. ロボット指を形成する装置であって、
   手のひらを形成する基部（１００）と、
   互いに非平行な２つの独立したヒンジである第１ヒンジと第２ヒンジ（２００，４００）の周りで前記基部（１００）にヒンジ止めされた少なくとも１つの指骨（５００，７００，９００）と、
   少なくとも２つのアクチュエータ（１１０，１２０，１３０，１４０）と、
   前記２つのアクチュエータ（１１０，１２０）を前記２つのヒンジ（２００，４００）の駆動要素（３２５，３２６，５２５，５２６）にそれぞれ接続するケーブル連結手段（１１２，１１４；１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４）と、
   前記基部（１００）上の前記第１ヒンジ（２００）の後ろに位置する各ヒンジ（４００，６００，８００）の制御に関わる前記ケーブル（１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４）をこの第１ヒンジ（２００）の軸（２０２）を通る共通平面内でガイドするガイド手段（１５０，１５１，１５２）と、を備え、
   前記ガイド手段（１５０）は、前記基部（１００）に保持された第１ヒンジ軸（２０２）に平行な軸に沿って延在する円筒状の針で形成され、
   前記装置は、ガイドステージ（１５０）の出口に、前記ケーブル（１１２，１１４；１２２、１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４）の自由な平行移動を確保するために必要な機能的クリアランスすなわちそれらの直径に実質的に対応する間隔を隔てた少なくとも２本の針（１５１，１５２，１５１−２、１５２−２）を備え、
   前記２本の針（１５１，１５２，１５１−２、１５２−２）は、前記第１ヒンジ軸（２０２）を通る対称面の両側に対称的に配置されるとともに前記第１ヒンジの入口で前記ケーブルを案内し、
   前記装置は、前記第１ヒンジの前記軸に関して対称な２組のディアボロ形部分（２２２，２２３，２３２，２３３）を担持するとともに前記針（１５１，１５２，１５１−２、１５２−２）によって形成された前記ガイドステージから下流側ヒンジ（６００，８００）に向かって前記ケーブル（１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４）を案内するためのフレーム（３１０）をさらに備える、ことを特徴とする装置。
2. 前記基部（１００）上の前記第１ヒンジ軸（２０２）は外転内転軸を構成し、前記第２ヒンジ（４００）の軸（４０２）は屈曲伸展軸を構成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記ガイドステージ（１５０）と前記第１ヒンジ（２００）との間に配置され、前記第１ヒンジ（２００）の入口で前記ケーブル（１１２，１１４；１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４）間のいかなる接触をも避けるためにこれらのケーブルを案内及び載置するためのガイド手段の第２ステージ（１６０）を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記アクチュエータ（１１０，１２０，１３０，１４０）とは反対側のケーブルの端部（１１２，１１４；１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４）は、複数のヒンジの下流要素（３００，５００，７００，９００）にそれぞれ付随する受容駆動プーリ（３２５，３２６，５２５，５２３，５２４，７２５，７２６，９２５，９２６））に係合していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記基部（１００）上の前記第１ヒンジ（２００）の後ろに位置するヒンジ（４００，６００，８００）の制御に関与する各ケーブル（１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４）は、２つの回転するディアボロ（２２２，２２３，２３２，２３３）間で案内されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記第２ヒンジ（４００）は、回転自在且つ前記ケーブル（１３２，１３４，１４２，１４４）が各々１巻きされる２つのプーリ（４２２，４２４，４３２，４３４）をそれぞれ担持する２つの半シャフト又はピン（４２０，４３０）を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記ケーブル（１１２，１１４；１２２，１２４；１３２；１３４及び１４２，１４４）の張力を調整する調整手段（５３０，５４０）を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記調整手段（５３０，５４０）は、ケーブル（１１２，１１４；１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４）の前記端部用の受け入れ手段（５３２，５４２）と、各々の支持部（３００，５００，７００，９００）に対するこの受け入れ手段（５３２，５４２）の位置を決定する手段（５３４，５４４）とをそれぞれ備えることを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 各アクチュエータ（１３０，１４０）に関連する一軸ヒンジ（６００，８００）の周りに２つずつ互いにヒンジ結合された複数の指骨（５００，７００，９００）を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 各ヒンジ（２００，４００，６００，８００）とそれぞれ関連する前記アクチュエータ（１１０，１２０，１３０，１４０）との間の動作の伝達が２つの伝送ケーブル（１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４）によって確保されることで、屈曲又は外転運動及び伸展又は内転運動をそれぞれ確実にすることができることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
11. 力および位置を測定するための完全な計器、特に指先の力を測定する手段を備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 運動学及び寸法に関して擬人化された手のようないくつかの指を有するロボットグリッパ又は手を形成するいくつかの指（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）を備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 稼働中における制御鎖（１２２，１２４；１３２，１３４及び１４２，１４４）の長さ変化を引き起こす前記ヒンジ（４００，６００，８００）の結合関係をメモリ内に記憶する手段を備え、前記アクチュエータ（１１０，１２０，１３０，１４０）の制御を修正して、誘起されるケーブル長の変動を打ち消すことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置。