JP7530854B2 - ロボットハンド - Google Patents

Description

本開示は、人間の手を模倣したロボットハンドに関する。

ヒューマノイドロボット向けのロボットハンドであって、掌と、５本の指とを備えたものが公知である（例えば、特許文献１）。ロボットハンドは、複数の指に共通のアクチュエータと、アクチュエータによって発生する力を指の方へ分散することを可能にする２つのスプレッダとを備えている。

指はそれぞれ複数の関節を介して接続されたリンクを含み、２本のタイロッドの駆動によって作動する。詳細には、一方のタイロッドの駆動によって指を伸ばすことができ、他方のタイロッドの駆動によって指を折り曲げることができる。一方のスプレッダはその一方のタイロッドそれぞれを介して複数の指を伸ばし、他方のスプレッダはその他方のタイロッドそれぞれを介して複数の指を折り曲げる。

スプレッダはケーブルを介して互いに接続されている。ケーブルは掌に対応する部分に設けられた定滑車に掛回されている。定滑車にはアクチュエータが接続され、アクチュエータが作動し定滑車が回転すると、スプレッダの一方が引っ張られ、かつ他方が押し出されて、指の折り曲げや、伸長が行われる。

特許第６４６６４６０号公報

ロボットハンドでは、重量のより大きな物体を持ち上げられるように、指関節に発生するトルクを増加させることが求められている。そこで、本願発明者らは、特許文献１に記載された指を駆動するための滑車の径を大きくすることを想到するに至った。

しかし、本願発明者らは、滑車の径を大きくすると、滑車によって阻害されて、掌において物体の接触を検出するセンサ等を配置することが難しくなることに気が付いた。

本発明は、このような背景に鑑み、滑車の大きさを大きくすることなく、より大きなトルクをより出力することのできるロボットハンドを提供することを課題とする。

このような課題を解決するために、本発明のある実施形態は、ロボットハンド（１、１０１）であって、第１リンク（８）と、前記第１リンクの基端枢支部（１２）にてそれぞれ、第１軸（Ｌ）回りに前記第１リンクに対して回転可能に配置された第１定滑車（２５、２５Ｌ，２５Ｒ）及び第２定滑車（２６、２６Ｌ，２６Ｒ）と、前記第１リンクに、中間枢支部にて第２軸（Ｍ）回りに回転可能に支持された第２リンク（９）と、前記第１リンクの前記基端枢支部に、前記第１軸回りに回転可能に支持された基端を有するレバーリンク（２７、２７Ｌ，２７Ｒ）と、前記レバーリンクの遊端に回転可能に支持されたレバー滑車（２８）と、前記第１定滑車、前記レバー滑車及び前記第２定滑車に掛回された掛回ケーブル（２９、１２９）と、前記レバーリンク及び前記第２リンクを接続し、前記レバーリンクの前記第１軸回りの回転を前記第２リンクの前記第２軸回りの回転として伝達する回転伝達機構（３２）と、前記掛回ケーブルを駆動することにより、前記レバーリンクを前記第１軸回りに回転させる第２リンク駆動装置（４３）と、を有する。

この構成によれば、第２リンク駆動装置が掛回ケーブルを駆動すると、レバー滑車に力が加わり、レバーリンクに第１軸回りのトルクが加えられる。レバーリンクに加わるトルクは回転伝達機構によって第２リンクにトルクとして伝達される。

このとき、レバー滑車はレバーリンクとともに変位する、いわゆる動滑車として機能する。そのため、滑車の径を大きくすることなく、第２リンク駆動装置によって発生するトルクを、定滑車を用いて第２リンクに出力する場合に比べて、より大きなトルクを第２リンクに出力することができる。

好ましくは、前記第１リンクを前記基端枢支部にて、前記第１軸回りに回転可能に支持する基部（２）を有し、前記第２定滑車は前記基部に支持されている。

この構成によれば、第１リンクと基部との間に関節が設けられることで、屈曲の自由度が増し、ロボットハンドの多彩な動作が可能となる。また、簡素な構成により第２定滑車を支持することができる。

好ましくは、前記第１リンクを前記第１軸回りに回転駆動する第１リンク駆動部（１６）と、を有し、前記第１軸と前記第２軸とは平行をなす。

この構成によれば、第１リンクと基部との間の関節に、第１リンク駆動装置によって付与されるトルクと、第２リンク駆動装置によって付与されるトルクとが合算して加わる。そのため、いずれか一方のみの場合に比べて、第１リンクと基部との間の関節により大きな第１軸回りのトルクを付与することができる。

好ましくは、前記第１リンク駆動部が、前記第１リンクに前記第１軸を中心軸線とするように固定された第１リンク駆動滑車（２１）と、前記第１リンク駆動滑車に巻き回された巻回ケーブル（２２）と、前記巻回ケーブルを駆動させることによって、前記第１リンク駆動滑車を回転させる第１アクチュエータ（２３）を有する。

この構成によれば、第１リンク駆動部を簡素に構成することができる。

好ましくは、前記第２リンク駆動装置が、前記掛回ケーブルを引っ張ることにより、前記レバーリンクを前記第１軸回りに回転させる第２アクチュエータ（３１）を含む。

この構成によれば、第２リンク駆動部を簡素に構成することができる。

好ましくは、前記第２リンク駆動装置が、前記第２アクチュエータによる前記レバーリンクの前記第１軸回りの回転に抗するように付勢力を付与するレバー付勢部材（４２）を含む。

この構成によれば、レバーリンクを第２アクチュエータによる回転方向と逆方向に付勢することができるため、第２アクチュエータを停止させることによってレバーリンクを元の位置に戻すことができる。

好ましくは、前記レバー滑車が、前記第１定滑車及び前記第２定滑車の間に位置し、且つ、前記第１軸に直交する仮想面（Ｓ）上に延在する中心軸線（Ｐ）を有する。

この構成によれば、第１定滑車、第２定滑車、及び、レバー滑車を小さくまとめて配置することができる。

好ましくは、前記回転伝達機構が、前記第２リンクの前記中間枢支部から延出する第２クランクアーム（３６）と、前記第２クランクアーム及び前記レバーリンクの前記遊端に回動可能に支持された第１補助リンク（３７）とを含み、前記レバーリンク、前記第１補助リンク、前記第１リンク及び前記第２クランクアームにより第１の四節リンク機構（４０）が構成されている。

この構成によれば、レバー滑車の変位を第１の四節リンク機構によって第２リンクに伝達することができる。

好ましくは、前記第１の四節リンク機構が、平行リンク機構をなす。

この構成によれば、レバーリンクの回転角度と、第２リンクの回転角度とが等しくなるため、第２リンクの姿勢制御が容易になる。

好ましくは、前記第２リンクに、遊端枢支部（１４）にて枢支された第３リンクと、前記第１リンクの前記中間枢支部から延出する第１クランクアーム（４４）と、前記第３リンクの前記遊端枢支部から延出する第３クランクアーム（４５）と、前記第１クランクアーム及び前記第３クランクアームに回動可能に結合された第２補助リンク（４６）とを更に有し、前記第１クランクアーム、前記第２リンク、前記第３クランクアーム、及び、前記第２補助リンクによって、交差リンク機構をなす第２の四節リンク機構（５０）が構成されている。

この構成によれば、第３リンクを設けることで、ロボットハンドによって基部から遠くの位置にある物体にアクセスすることができる。更に、第１リンクの回転角度と、第３リンクの回転角度の比を設定した角度比に保って、第３リンクを回転することができる。

このように本発明によれば、滑車の大きさを大きくすることなく、より大きなトルクをより出力することのできるロボットハンドを提供することができる。

第１実施形態に係るロボットハンドの斜視図 第１実施形態に係るロボットハンドの模式図 第２リンク駆動部の一部を示す（Ａ）斜視図、及び、（Ｂ）その側面図 第２リンク駆動部により第２リンクが正の方向に回転したときのロボットハンドの模式図 第１リンク駆動部により第１リンクが正の方向に回転したときのロボットハンドの模式図 レバーリンクのみが掌部に対して、図５と同じ角度、負の方向に回転した仮想例 第２実施形態に係るロボットハンドを掌の内側から見たときの正面図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。

＜＜第１実施形態＞＞
ロボットハンド１は図１に示すように、ヒューマノイドロボットの腕部に設けられた、人の手を模した装置（ハンド装置ともいう）である。ロボットハンド１は、例えば、物を把持したり、物を持ち上げて運搬したりするために用いられる。

ロボットハンド１は腕部先端に支持された掌に対応する掌部２（基部、又は、ベースともいう）と、掌部２に連結された複数の指部３と、指部３を駆動する駆動機構４（図２参照）とを備える。

掌部２は正面視で人の掌に対応する形状をなしている。本実施形態では、掌部２は、腕部に接続された根元部分を構成する掌部本体２Ａと、指部３ごとに設けられた接続部２Ｂとを含む（図７参照）。掌部本体２Ａは略平板状をなしている。接続部２Ｂは掌部本体２Ａの端部から突出し、掌部本体２Ａの端部と指部３の基端側（掌本体部側）とそれぞれ連結している。接続部２Ｂの基端は、掌部本体２Ａの面に垂直な軸線Ｃ（図７参照）回りに回転可能に掌部本体２Ａに結合されている。接続部２Ｂの突端は、指部３の基端に回動可能に連結されている。掌部２は複数の接続部２Ｂが設けられている。隣接する接続部２Ｂの間には隙間が設けられている。これにより、掌部２には隣接する接続部２Ｂの間において凹部が形成されている。

指部３はそれぞれ人の手の基節に対応する関節（以下、基節５Ａと記載する）を介して掌部２に接続されている。指部３には人の手の中節、末節に対応する２つの屈曲可能な関節（以下、それぞれを中節５Ｂ、末節５Ｃと記載する）が設けられている。ロボットハンド１は、少なくとも、基節５Ａ、中節５Ｂ、及び末節５Ｃそれぞれにおいて折り曲げられた折曲状態と、基節５Ａ、中節５Ｂ、及び、末節５Ｃが折り曲げられておらず、指部３が掌部２（詳細には、掌部本体２Ａ）に沿って伸長した伸長状態とに変位可能である。指部３の末端であって、一方側の面には、指の腹に対応する部分を形成する指腹部６が設けられている。

以下、図１に示すように、指部３が伸長しているときのその伸長方向をＸ軸正の方向、Ｘ軸方向に垂直、且つ、掌部２に平行な方向をＹ軸、Ｘ軸及びＹ軸に垂直な方向であり、且つ、指腹部６から離れる方向をＺ軸に定め、必要に応じて軸名を記載して説明を行う。

図２には、伸長状態にあるときのロボットハンド１を簡略化した模式図が示されている。図１及び図２に示すように、指部３はそれぞれ、第１リンク８、第２リンク９、第３リンク１０を備えている。

図１及び図２に示すように、第１リンク８は、伸長状態において、掌部２の縁部分（詳細には、接続部２Ｂの突端）から離れる方向に延びている。図２に示すように、第１リンク８は基端側に位置する基端枢支部１２にて掌部２（接続部２Ｂ）に第１軸Ｌ回りに回動可能に支持（すなわち、枢支）されている。第１リンク８の遊端は、伸長状態において、掌部２の縁部分から最も離れた位置にある。第１軸Ｌは、掌部２の主面に対して平行をなし、且つ、第１リンク８の延在方向に対して垂直をなす。すなわち、図１に示すように、第１軸ＬはＹ軸方向に平行であり、１Ｙ軸ともよばれる。第１リンク８と掌部２との接続部分は指部３の基節５Ａを構成する。

第２リンク９は、伸長状態において、掌部２から離れる方向に延びている。第２リンク９は基端（Ｘ軸負の側に位置する端部）の側に位置する中間枢支部１３にて第１リンク８の遊端に第２軸回りに回動可能に支持（すなわち、枢支）されている。第２軸Ｍは、第１軸Ｌに平行をなす。よって、第２軸ＭはＹ軸方向に平行であり、２Ｙ軸ともよばれる。第２リンク９の遊端は、伸長状態において、第１リンク８の遊端よりも掌部２から離れた位置にある。第２リンク９と第１リンク８との接続部分は指部３の中節５Ｂを構成する。

第３リンク１０は、伸長状態において、掌部２から離れる方向に延びている。第３リンク１０は基端（Ｘ軸負の側に位置する端部）の側に位置する遊端枢支部１４にて、第２リンク９の遊端に第３軸Ｎ回りに回動可能に支持（すなわち、枢支）されている。第３軸Ｎは、第１軸Ｌ及び第２軸Ｍに平行をなす。よって、第３軸ＮはＹ軸方向に平行であり、３Ｙ軸ともよばれる。第３リンク１０の遊端は、伸長状態において、第２リンク９の遊端よりも掌部２から離れた位置にある。第３リンク１０と第２リンク９との接続部分は指部３の末節５Ｃを構成する。指腹部６は第３リンク１０の遊端に設けられている。

駆動機構４は、第１リンク８を掌部２に対して回転駆動させるための第１リンク駆動部１６と、第２リンク９を第１リンク８に対して回転駆動させるための第２リンク駆動部１７と、第３リンク１０を第２リンク９に対して回転させるための第３リンク駆動部１８とを含む。

第１リンク駆動部１６は、第１リンク駆動滑車２１と、第１リンク駆動ケーブル２２（巻回ケーブル）と、第１アクチュエータ２３とを有している。

第１リンク駆動滑車２１は外周面に溝を備えた筒状をなしている。第１リンク駆動滑車２１は第１軸Ｌを中心軸線とするように配置されている。第１リンク駆動滑車２１は第１リンク８のＹ軸方向の一側面に固定されている。

第１リンク駆動ケーブル２２（掛止ケーブル）は第１リンク駆動滑車２１の外周面に設けられた溝に収容され、第１リンク駆動滑車２１に引っ掛けられている。

図２に示すように、第１アクチュエータ２３は掌部２に結合されて支持されている。第１アクチュエータ２３は、第１リンク駆動ケーブル２２の両端にそれぞれ結合している。第１アクチュエータ２３は、第１リンク駆動ケーブル２２のいずれか一端を選択的に巻き取り、他端を繰り出す。これにより、第１アクチュエータ２３は第１リンク駆動滑車２１を第１軸Ｌ回りのいずれの方向にも回転させることができる。すなわち、第１アクチュエータ２３は第１リンク駆動ケーブル２２を駆動することで、第１リンク駆動滑車２１を両方向に回転させる装置（第１リンク駆動装置）ということができる。更に、第１アクチュエータ２３は、第１リンク駆動ケーブル２２の位置を保持することによって、第１リンク駆動滑車２１を所定の位置で静止させることができる。第１アクチュエータ２３は例えば、第１リンク駆動ケーブル２２の端部にそれぞれ接続され、協働して駆動する２つの電動モータによって構成されている。これらの電動モータは、駆動停止時に軸の回転を防止するサーボロック機能を有しているとよい。第１アクチュエータ２３は、ロボットの胸部に設けられた制御装置（不図示）によって駆動が制御されている。

第２リンク駆動部１７は、図３（Ａ）に示すように、第１定滑車２５、第２定滑車２６、レバーリンク２７、レバー滑車２８、第２リンク駆動ケーブル２９（掛回ケーブル）を含む。第２リンク駆動部１７は、更に、図２に示すように、第２アクチュエータ３１、回転伝達機構３２及び引戻機構３３を備えている。

図３（Ａ）に示すように、第１定滑車２５は円筒状をなしている。第１定滑車２５の外周面には周方向に延在する溝が設けられている。第１定滑車２５は第１軸Ｌが中心軸となるように配置されて、掌部２に回転可能に支持（すなわち、枢支）されている。これにより、第１定滑車２５は第１リンク８に対して第１軸Ｌ回りに回転可能に配置され、第１定滑車２５と第１リンク駆動滑車２１とは、互いに独立に回転する。

第２定滑車２６は第１定滑車２５と略同形をなしている。すなわち、第２定滑車２６もまた円筒状をなして、その外周面には周方向に延在する溝が設けられている。第２定滑車２６は、第１定滑車２５と同様に、第１軸Ｌが中心軸となるように配置されて、掌部２（具体的には、接続部２Ｂ）に固定されている。第１リンク８は接続部２Ｂに対して第１軸Ｌ周りに回転可能であるため、第２定滑車２６は第１リンク８に対して第１軸Ｌ回りに回転可能に配置されている。第２定滑車２６と、第１定滑車２５とは、略平行をなすように配置されている。第２定滑車２６と第１リンク駆動滑車２１とは互いに独立に回転する。

レバーリンク２７は、Ｙ軸方向視で、Ｌ字状をなしている。レバーリンク２７は一端側（基端側）において、掌部２に第１軸Ｌ回りに回動可能に支持されている。レバーリンク２７の一端側は第１定滑車２５、及び、第２定滑車２６の間に位置している。

レバー滑車２８はレバーリンク２７の他端側（遊端）に設けられている。レバー滑車２８は図３に示すように、Ｙ方向について第１定滑車２５及び第２定滑車２６の間に位置している。レバー滑車２８は第１定滑車２５及び第２定滑車２６と同様に円筒形をなしている。レバー滑車２８は第１定滑車２５及び第２定滑車２６と同様に周方向に延在する溝が設けられている。レバー滑車２８の中心軸線Ｐは、第１軸Ｌに直交し、且つ、第１定滑車２５及び第２定滑車２６の間に位置する仮想面Ｓ上に延在している。レバー滑車２８は中心軸線Ｐを中心に回動可能にレバーリンク２７の遊端に支持されている。

第２リンク駆動ケーブル２９は、一端において掌部２に係着されている。本実施形態では、第２リンク駆動ケーブル２９の一端にはフック３４が設けられている。フック３４は第２リンク駆動ケーブル２９の一端が環状をなすように屈曲されることによって構成されている。フック３４は掌部２の掛止位置Ｑにて掛け止めされている。フック３４は、例えば、凹部の内部にて接続部２Ｂに掛け止めされているとよい。第２リンク駆動ケーブル２９は一端から第２定滑車２６に向かって延び、第２定滑車２６のＸ軸方向前縁、レバー滑車２８のＸ軸方向後縁、及び、第１定滑車２５のＸ軸方向前縁に記載の順に掛回されている。

第２アクチュエータ３１は、第２リンク駆動ケーブル２９の他端に接続されている。第２アクチュエータ３１は掌部２に結合されて支持されている。第２アクチュエータ３１は第２リンク駆動ケーブル２９の他端を引っ張る。これにより、第２アクチュエータ３１は、第２リンク駆動ケーブル２９の他端に引張力（図３（Ｂ）の破線矢印参照）を付与し、第２リンク駆動ケーブル２９を駆動する。第２アクチュエータ３１は、例えば、第２リンク駆動ケーブル２９を巻き取る電動モータによって構成されているとよい。第２アクチュエータ３１は、例えば、ロボットの胸部に設けられた制御装置（不図示）によって駆動が制御されている。

第２アクチュエータ３１が作動すると、第２リンク駆動ケーブル２９が引っ張られる。これにより、レバー滑車２８にＸ軸方向前方を向く成分を有する荷重が加わる。よって、レバーリンク２７にＸ軸前側に向かって倒れる方向（図３（Ｂ）の実線矢印参照）にトルクが加わり、レバーリンク２７が第１軸Ｌ回りに回転する。

図２に示すように、回転伝達機構３２は、レバーリンク２７及び第２リンク９を接続し、レバーリンク２７の第１軸Ｌ回りの回転を第２リンク９の第２軸Ｍ回りの回転に変換する。回転伝達機構３２は、第２リンク９に設けられた第２クランクアーム３６と、第１補助リンク３７とを含む。

第２クランクアーム３６は第２リンク９の中間枢支部１３から延出している。第２クランクアーム３６の延出方向は伸長状態において、掌部２に近接する方向（Ｘ軸負の方向）に向かって、指腹部６から離れる方向（Ｚ軸正の方向）に傾斜している。

第１補助リンク３７はＸ軸方向に沿って延在する棒状をなしている。第１補助リンク３７は第２クランクアーム３６と、レバーリンク２７とを接続する。具体的には、第１補助リンク３７はＸ軸方向前端において、第２クランクアーム３６の延出端にＹ軸方向に延びる軸線を中心として回動可能に連結されている。第１補助リンク３７はＸ軸方向後端において、レバーリンク２７の遊端にＹ軸方向に延びる軸線を中心として回動可能に連結されている。これにより、第１補助リンク３７は第２クランクアーム３６及びレバーリンク２７の遊端に回動可能に支持されている。

図２に示すように、レバーリンク２７、第２クランクアーム３６、第１リンク８、及び、第１補助リンク３７によって、レバーリンク２７を駆動リンク、第２クランクアーム３６を従動リンクとする第１の四節リンク機構４０が構成されている。図２に示すように、第１リンク８及び第１補助リンク３７は、Ｙ軸方向視で平行をなしている。よって、第１の四節リンク機構４０はいわゆる平行リンク機構に相当する。第１の四節リンク機構４０によって、レバーリンク２７の回動が、第２リンク９の回動に変換される。すなわち、第２リンク９はレバーリンク２７に連動して、第２軸Ｍを中心とする回転を行う。

引戻機構３３は、第２アクチュエータ３１の駆動によるレバーリンク２７の第１軸Ｌ回りの回転に抗するように付勢力を付与するレバー付勢部材４２を含む。レバー付勢部材４２は、レバーリンク２７をその遊端がＸ軸負の方向に移動するように（すなわち、図３（Ｂ）の矢印の逆向きに）付勢する。レバー付勢部材４２は、図１に示すように、複数のコイルばねによって構成されている。

第２アクチュエータ３１と、引戻機構３３と、によって、レバーリンク２７を第１軸Ｌ回りに回転し、必要に応じて元に戻すことのできる機構が構成される。すなわち、第２アクチュエータ３１と、引戻機構３３とによって、第２リンク駆動ケーブル２９を駆動することにより回転伝達機構３２を介して第２リンク９を回転し、必要に応じて元に戻すことのできる第２リンク駆動装置４３が構成される。

第３リンク駆動部１８は、第１クランクアーム４４と、第３クランクアーム４５と、第２補助リンク４６とを含む。

第１クランクアーム４４は、第１リンク８に設けられている。第１クランクアーム４４は第１リンク８の中間枢支部１３から延出している。第１クランクアーム４４の延出方向は、伸長状態において、第１リンク８の中間枢支部１３から掌部２に近接する方向（Ｘ軸負の方向）に向かって指腹部６に向かう方向（Ｚ軸負の方向）に傾斜している。

第３クランクアーム４５は、第３リンク１０に設けられている。第３クランクアーム４５は第３リンク１０の遊端枢支部１４から延出している。第３クランクアーム４５の延出方向は、第３リンク１０の遊端枢支部１４から掌部２に近接する方向（Ｘ軸負の方向）に向かって指腹部６から離れる方向（Ｚ軸正の方向）に傾斜している。

第２補助リンク４６はＸ軸方向に沿って延在している。第２補助リンク４６はＸ軸方向後端において第１クランクアーム４４にＹ軸方向に延在する軸線回りに回動可能に連結されている。第２補助リンク４６はＸ軸方向前端において第３クランクアーム４５にＹ軸方向に延在する軸線回りに回動可能に連結されている。これにより、第１クランクアーム４４、第２リンク９、第３クランクアーム４５、及び、第２補助リンク４６によって、第１クランクアーム４４を駆動リンク、第３クランクアーム４５を従動リンクとする第２の四節リンク機構５０が構成されている。

本実施形態では、図１に示すように、第２リンク９のＸ軸側端部は二股に分岐し、第２補助リンク４６はその間を通過している。第２補助リンク４６は第２リンク９とＹ軸方向視て交差している。よって、第２の四節リンク機構５０はいわゆる交差リンク機構（クロスリンク機構）をなす。

図２に示すように、指腹部６は、第３リンク１０のＸ軸側（遊端側）端部のＺ軸負の方向を向く側面に結合されている。

次に、このように構成したロボットハンド１の動作について図４及び図５を参照して説明する。

第２アクチュエータ３１が駆動し、第２リンク駆動ケーブル２９に引張力が付与されると、レバー滑車２８が動滑車として機能し、図３（Ｂ）に示すように、レバーリンク２７が掌部２に対して第１軸Ｌ回りにＸ軸方向に倒れるように回転する。以下、第２アクチュエータ３１の引張力によってレバーリンク２７が回転する方向を正の方向と記載する。

レバーリンク２７が掌部２に対して正の方向に回転すると、図４に示すように、第１の四節リンク機構４０によって、第２リンク９がレバーリンク２７の回転と連動して第２軸Ｍ回りに回転する。また、第２リンク９が回転すると、第２の四節リンク機構５０によって、第３リンク１０もまた連動して第３軸Ｎ回りに回転する。これにより、図４に示すように、ロボットハンド１が閉じられる方向に、指部３が中節５Ｂ及び末節５Ｃにおいて折れ曲がる。

第２アクチュエータ３１が駆動を停止すると、引戻機構３３（具体的には、レバー付勢部材４２）によってレバーリンク２７が負の方向に付勢されて回転し、元の位置に戻る。これにより、第２リンク９もまた、レバーリンク２７に連動して、第２軸Ｍ回りに回転し元の位置に戻る。第３リンク１０もまた第２リンク９に対して第３軸Ｎ回りに回転して、元の位置に戻る。これにより、指部３は伸びて図２に示す状態に戻り、ロボットハンド１が開かれる。

第１アクチュエータ２３が駆動すると、第１リンク駆動滑車２１が回転される。これにより、第１リンク８が掌部２に対して第１軸Ｌ回りに回転する。これにより、指部３の基節５Ａが折れ曲がる。

第１アクチュエータ２３の駆動により第１リンク８が第１軸Ｌ回りに正の方向に回転すると、図５に示すように、レバーリンク２７が第１リンク８に対して第１軸Ｌ回りに負の方向に相対回転する。これにより、第２リンク９が連動して第２軸Ｍ回りに回転する。このときの第２リンク９の回転方向は、第２アクチュエータ３１が駆動した場合（図４の場合）とは逆向きになる。よって、指部３は中節５Ｂにおいて指が開く方向（反る方向）に折れ曲がる。図５には、指部３が伸長状態にあるときの、第２リンク９の位置が二点鎖線で示されている。図５から理解できるように、第２リンク９は第１リンク８に対して回転するものの、ＸＺ座標軸上では並進運動のみを行い、掌部２に対する姿勢は変化しない。

第２リンク９の第１リンク８に対する回転によって、第３リンク１０が第３軸Ｎを中心に回転する。このときの第３リンク１０の回転方向は、第２アクチュエータ３１が駆動した場合（図４の場合）とは逆向きである。よって、指部３は末節５Ｃにおいても反る方向に折れ曲がる。

第１アクチュエータ２３の駆動により第１リンク８が第１軸Ｌ回りに負の方向に回転し、第１リンク８が元の状態に戻ると、第２リンク９が第１リンク８に対して第１軸Ｌ回りに回転し元の位置に戻る。第３リンク１０もまた第２リンク９に対して第２軸Ｍを中心に回転して、元の位置に戻る。これにより、ロボットハンド１は指部３が伸びた伸長状態に戻る。

図５に示すように、第１アクチュエータ２３の駆動により第１リンク８が第１軸Ｌ回りに正の方向に回転すると、レバーリンク２７は第１リンク８に対して負の方向に相対回転する。図６には、レバーリンク２７のみが掌部２に対して、図５と同じ角度、負の方向に回転した仮想例が示されている。図５及び図６を比較すると理解できるように、図６における第２リンク９の第１リンク８に対する回転方向、及び角度と、第３リンク１０の第２リンク９に対する回転方向、及び角度は、図５と等しい。

よって、第１リンク８を掌部２に対して正の方向に所定角度θ、第２リンク９を第１リンク８に対して正の方向に所定角度φ、回転させるときには、制御装置は、第１アクチュエータ２３の駆動量を第１リンク駆動滑車２１が角度θ正の方向に回転するように定め、第２アクチュエータ３１の駆動量をレバーリンク２７が掌部２に対して角度θ＋φ正の方向に回転するように定めればよい。第３リンク１０の第２リンク９に対する回転角度は、第２リンク９の第１リンク８に対する回転角度に、交差リンク機構（すなわち、第２の四節リンク機構５０）の構造によって定められる角度比を積算した値となる。

但し、ここでは、単純化のため、第２リンク駆動ケーブル２９は第１リンク駆動滑車２１には作用しないように構成されている例について説明したが、第２リンク駆動ケーブル２９が第１定滑車２５にのみ作用する態様には限定されない。具体的には、第２リンク駆動ケーブル２９が第１定滑車２５に作用する場合には、制御装置は、第２リンク駆動ケーブル２９の第１リンク駆動滑車２１への作用の度合いにも依存するように、第１アクチュエータ２３及び第２アクチュエータ３１の駆動量を定めればよい。

次に、このように構成したロボットハンド１の効果について説明する。

第１アクチュエータ２３が駆動すると、第１リンク８が掌部２に対して回転する。第２アクチュエータ３１が駆動すると、第２リンク９が第１リンク８に対して回転する。よって、指腹部６に第１軸Ｌ回りのトルクを発生させる場合には、第１アクチュエータ２３の駆動と、第２アクチュエータ３１の駆動とを併用して、それぞれの駆動によるトルクを合算した量のトルクを発生させることができる。よって、指腹部６に第１軸Ｌ回りのトルクを発生させる場合には、第１アクチュエータ２３、及び、第２アクチュエータ３１を併用することによって、それぞれのアクチュエータ２３、３１の負担を低減することができる。

このように本発明では、複数のアクチュエータ２３、３１を併用し、それぞれに対応するリンク８、９にそれぞれ、互いに平行な軸Ｌ、Ｍ回りのトルクを加えることのできる機構（パラレルメカニズム）を構成されている。この機構により、いずれか一方のアクチュエータ２３、３１のみが設けられている場合に比べて、アクチュエータ２３、３１が負担すべきトルクの低減が可能となっている。

第２アクチュエータ３１が駆動し第２リンク駆動ケーブル２９が引っ張られると、図３（Ｂ）に示すように、第２リンク駆動ケーブル２９の第１定滑車２５からレバー滑車２８を通って第２定滑車２６に至る部分が短くなるように、レバー滑車２８が移動する。このとき、第１定滑車２５、及び、第２定滑車２６はそれぞれ定滑車として機能し、レバー滑車２８は動滑車として機能する。

そのため、第２アクチュエータ３１の駆動によって出力された引張力（すなわち、駆動力）の２倍の力がレバーリンク２７に加わる。レバーリンク２７に加わった力は、平行リンク機構である第１の四節リンク機構４０を介して、第２リンク９に伝えられて、第２リンク９から出力される。第２リンク９から出力される力は、レバーリンク２７に加わった力に等しい。よって、第２リンク９から出力される力は第２アクチュエータ３１の駆動によって出力された引張力の２倍となる。よって、第２アクチュエータ３１によって出力される引張力に比べて大きな力を、第２リンク９に発生することができる。

第２クランクアーム３６と第３クランクアーム４５とが交差リンク機構によって接続されているため、第２軸Ｍから視た指腹部６の動作は増速方向となり、第２リンク９に要求されるトルクはより大きくなる。本実施形態では、動滑車となるレバーリンク２７を用いて、第２アクチュエータ３１によって出力されたトルクが第２リンク９に出力される。よって、第２アクチュエータ３１が発生するトルクを、定滑車を用いて第２リンク９に出力する場合に比べて、滑車の径を大きくすることなく、第２リンク９に出力されるトルクを大きくすることができる。

第１の四節リンク機構４０を設けることによって、レバー滑車２８の変位を、レバー滑車２８から離れた第２リンク９に伝達することができる。また、ロボットハンド１に第１の四節リンク機構４０を設けることで、掌部２と第２リンク９とを高剛性に接続することができる。第１の四節リンク機構４０が平行リンク機構をなすため、レバーリンク２７の回転角度と、第２リンク９の回転角度とが等しくなり、第２リンク９の姿勢制御が容易になる。

引戻機構３３によって、レバーリンク２７を第２アクチュエータ３１による回転方向とは逆向きに付勢することができる。これにより、第２アクチュエータ３１の駆動が停止したときに、レバーリンク２７を第２アクチュエータ３１による回転方向とは逆向きに付勢することができるため、レバーリンク２７を逆向きに回転し元の位置に引き戻すことができる。また、引戻機構３３は、レバー付勢部材４２（本実施形態では、コイルばね）で構成されているため、引戻機構３３の構成が簡素である。

レバー滑車２８は、第１定滑車２５及び第２定滑車２６の間に位置し、且つ、第１軸Ｌに直交する向きに延びる可動軸線を中心に回動可能にレバーリンク２７に支持されている。このような配置によって、第１定滑車２５、第２定滑車２６、及び、レバー滑車２８を小さくまとめて配置することができるため、第２リンク駆動部１７をコンパクトにすることができ、ロボットハンド１を小型化することができる。

第２リンク９の他端側には、第３リンク１０が回動可能に連結されている。第３リンク１０は第２の四節リンク機構５０を介して第１リンク８に接続され、第１リンク８に連動して移動する。このように、第３リンク１０を第２リンク９に連結することによって、第２リンク９よりも遠方の物体にアクセスすることができる。また、ロボットハンド１の指部３の関節の数が、人の指に合致するため、人の手により近い動作が可能となる。

第３リンク１０は第２リンク９の第１リンク８に対する回転に連動して、第２リンク９に対して回転する。第３リンク１０の回転角度は、第２リンク９の第１リンク８に対する回転角度に、第２の四節リンク機構５０（すなわち、クロスリンク機構）の構造によって定められる角度比を積算した値となる。よって、第３リンク１０の第２リンク９に対する回転角度と、第２リンク９の第１リンク８に対する回転角度との比を一定に保って、第３リンク１０を第２リンク９に対して回転させることができる。これにより、第３リンク１０の回転角度をより厳密に制御することができ、指腹部６の弾性を持たせた駆動や、相手形状に合わせた駆動が可能となる。

このように、基節５Ａ、中節５Ｂ、及び、末節５Ｃの３つの関節を備えたロボットハンド１を構成することによって、人の手により近いロボットハンド１を実現することができる。また、動滑車を用いた駆動機構４を利用することで、指部３に大きなトルクを発生させることができる、重量の大きな物体を把持することが可能となる。また、駆動機構４の小型化を図ることができ、掌部２の物体に接触可能な領域を広げることができる。よって、ロボットハンド１によって物をより強く把持することができる。また、駆動機構４の小型化によって、ロボットハンド１にタッチセンサ等のセンサや、その他の部品や装置を設けることが容易になる。

＜＜第２実施形態＞＞
第２実施形態に係るロボットハンド１０１は、指部３それぞれに第２アクチュエータ３１が設けられている第１実施形態に比べて、２つの指部３を同時に駆動する１つの第２アクチュエータ１３１が設けられている点が異なる。また、第２実施形態に係るロボットハンド１０１は、指部３と掌部本体２Ａとを接続する接続部２Ｂにそれぞれ補助定滑車１０２が設けられている点が第１実施形態と異なる。また、第２実施形態に係るロボットハンド１０１は、第２リンク駆動ケーブル１２９が１本のみ設けられている点が第１実施形態と異なる。その他の点については、第１実施形態と比べて概ね同様であるため、他の構成については説明を省略する。

図７には、掌の内側（手の裏側。又は、指腹部６の腹の側）から見たロボットハンド１０１が示されている。図７に示すように、ロボットハンド１０１のうち、並列方向（指部３の伸長方向に直交する方向。又はＹ方向）に並ぶ２つの指部３を備えている。２つの指部３は１つの第２アクチュエータ１３１によって駆動する。以下、図７に合わせて、並列に並ぶ２つの指部３のうちの一方を左側（Ｙ軸正の側）の指部３Ｌ、他方を右側（Ｙ軸負の側）の指部３Ｒと記載する。また、左側の指部３Ｌに対応する部材には符号Ｌを、右側の指部３Ｒに対応する部材には符号Ｒを付加する。但し、この左右は説明の便宜上付したものであって、２つの指部３Ｌ、３Ｒの配置はこの記載には限定されない。

補助定滑車１０２は左右の指部３Ｌ、３Ｒに対応する接続部２ＢＬ、２ＢＲにそれぞれ設けられている。但し、補助定滑車１０２はそれぞれ、掌部本体２Ａに設けられていてもよい。第２リンク駆動ケーブル１２９の一端にはフック３４が設けられ、第１実施形態と同様に右側の指部３Ｒの接続部２ＢＲに掛止位置Ｑにおいて掛け止めされている。第２リンク駆動ケーブル１２９は掛止位置Ｑから右側の指部３Ｒの第２定滑車２６に向かって延び、右側の指部３Ｒの第２定滑車２６ＲのＸ軸方向前縁、右側の指部３Ｒのレバー滑車（不図示）のＸ軸方向後縁、及び、右側の指部３Ｒの第１定滑車２５ＲのＸ軸方向前縁に記載の順に掛回されている。その後、第２リンク駆動ケーブル２９は右側の補助定滑車１０２Ｒ、左側の補助定滑車１０２Ｌに順に掛回されている。

次に、第２リンク駆動ケーブル２９は左側の補助定滑車１０２Ｌから左側の指部３Ｌの第２定滑車２６Ｌに延び、左側の指部３Ｌの第２定滑車２６ＬのＸ軸方向前縁、左側の指部３Ｌのレバー滑車（不図示）のＸ軸方向後縁、及び、左側の指部３Ｌの第１定滑車２５ＬのＸ軸方向前縁に記載の順に掛回されて、第２アクチュエータ１３１に接続されている。

このように構成したロボットハンド１０１の動作について説明する。左右の指部３Ｌ、３Ｒがそれぞれ伸長状態にあるときに、第２アクチュエータ１３１が駆動すると、第２リンク駆動ケーブル１２９に引っ張り力が付与されて、第１実施形態と同様に、左側の指部３Ｌと右側の指部３Ｒのレバーリンク２７Ｌ、２７Ｒがそれぞれ第１軸Ｌ回りに回転する。これにより、左右の第２リンク９Ｌ、９Ｒが第１リンク８Ｌ、８Ｒに対してそれぞれ回転し、左右の指部３Ｌ、３Ｒが中節５Ｂ、及び末節５Ｃにおいて、折れ曲がる。第２アクチュエータ１３１の駆動が停止すると、左右のレバーリンク２７Ｌ、２７Ｒがレバー付勢部材４２それぞれによって付勢されて元の位置に戻される。これにより、レバーリンク２７が回転して元の位置に戻り、左右の指部３Ｌ，３Ｒが伸長状態に戻る。

次に、このように構成したロボットハンド１０１の効果について説明する。ロボットハンド１０１は、１つの第２アクチュエータ１３１と、１本の第２リンク駆動ケーブル１２９によって、２つの指部３Ｌ、３Ｒを駆動させることができる。このように、指部３Ｌ、３Ｒごとに第２リンク駆動ケーブル１２９と、第２アクチュエータ１３１とを設ける必要がないため、駆動ケーブル本数を削減することができ、また、駆動アクチュエータの数を低減することができる。また、このように構成することで、ロボットハンド１０１が把持対象物体の形状に自然と馴染むようになる。

一方、第２アクチュエータを所定のケーブル（以下、分配ケーブル）を介して、左右の指部それぞれに設けられた２本の第２リンク駆動ケーブルに接続し、第２アクチュエータが発生する駆動力を分配することが考えられる。この場合には、第２アクチュエータは連動する指の本数に比例した駆動力を発生する必要があり、分配ケーブルには指の本数に比例した張力が加わる。このように、ケーブルに加わる張力が高くなると、ケーブルや、ケーブルアウターケーシング太さ、プーリー軸受などへの強度要求が高くなり、サイズ、重量の増加を招きやすい。

一方、第２実施形態では、ケーブル巻取り長さが増加するものの、第２アクチュエータ１３１が発生すべき駆動力は指部３の本数を増やした場合であっても一定であるため、第２実施形態の構成は設計上有利である。

第２実施形態では指部３Ｌ、３Ｒが左右に並ぶように設けられた場合について記載したが、この態様には限定されない。２つの指部や３つの指部を対向に配置したロボットハンドにおいても、同様の効果を得ることができる。第２実施形態の構成によって、アクチュエータの数が少なく、且つ、多様な物体形状に馴染んで把持することのできるロボットハンドを構成できる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。また、各部材や部位の具体的構成や配置、数量、所定の手順など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更することができる。一方、上記実施形態に示した各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜選択することができる。第２アクチュエータ３１は第２リンク駆動ケーブル２９の一方を巻き取るように構成されていたが、第２アクチュエータ３１は第２リンク駆動ケーブル２９の両端に接続され、一方を選択的に巻き取ることによって、第２リンク９を両方向に回転させるものであってもよい。また、第３リンク１０は必須ではなく、第３リンク１０が設けられていないものであってもよい。第１リンク８は掌部２に固定されて、一体となっていてもよい。但し、第１リンク８と掌部２との間に関節を設けることで、ロボットハンド１、１０１の多彩な動作が可能となる。

１ ：第１実施形態に係るロボットハンド
２ ：掌部（基部）
８ ：第１リンク
９ ：第２リンク
１０ ：第３リンク
１２ ：基端枢支部
１３ ：中間枢支部
１４ ：遊端枢支部
１６ ：第１リンク駆動部
１７ ：第２リンク駆動部
２１ ：第１リンク駆動滑車
２２ ：第１リンク駆動ケーブル（巻回ケーブル）
２３ ：第１アクチュエータ
２５、２５Ｌ，２５Ｒ：第１定滑車
２６、２６Ｌ，２６Ｒ：第２定滑車
２７、２７Ｌ，２７Ｒ：レバーリンク
２８ ：レバー滑車
２９ ：第２リンク駆動ケーブル（掛回ケーブル）
３１ ：第２アクチュエータ
３２ ：回転伝達機構
３６ ：第２クランクアーム
３７ ：第１補助リンク
４０ ：第１の四節リンク機構
４２ ：レバー付勢部材
４３ ：第２リンク駆動装置
４４ ：第１クランクアーム
４５ ：第３クランクアーム
４６ ：第２補助リンク
５０ ：第２の四節リンク機構
１０１：第２実施形態に係るロボットハンド
１２９：第２リンク駆動ケーブル
１３１：第２アクチュエータ
Ｌ ：第１軸
Ｍ ：第２軸
Ｐ ：中心軸線
Ｓ ：仮想面

Claims (10)

1. ロボットハンドであって、
   第１リンクと、
   前記第１リンクの基端枢支部にてそれぞれ、第１軸回りに前記第１リンクに対して回転可能に配置された第１定滑車及び第２定滑車と、
   前記第１リンクに、中間枢支部にて第２軸回りに回転可能に支持された第２リンクと、
   前記第１リンクの前記基端枢支部に、前記第１軸回りに回転可能に支持された基端を有するレバーリンクと、
   前記レバーリンクの遊端に回転可能に支持されたレバー滑車と、
   前記第１定滑車、前記レバー滑車及び前記第２定滑車に掛回された掛回ケーブルと、
   前記レバーリンク及び前記第２リンクを接続し、前記レバーリンクの前記第１軸回りの回転を前記第２リンクの前記第２軸回りの回転として伝達する回転伝達機構と、
   前記掛回ケーブルを駆動することにより、前記レバーリンクを前記第１軸回りに回転させる第２リンク駆動装置と、を有するロボットハンド。
2. 前記第１リンクを前記基端枢支部にて、前記第１軸回りに回転可能に支持する基部を有し、前記第２定滑車は前記基部に支持されている、請求項１に記載のロボットハンド。
3. 前記第１リンクを前記第１軸回りに回転駆動する第１リンク駆動部と、を有し、
   前記第１軸と前記第２軸とは平行をなす請求項２に記載のロボットハンド。
4. 前記第１リンク駆動部が、前記第１リンクに前記第１軸を中心軸線とするように固定された第１リンク駆動滑車と、前記第１リンク駆動滑車に巻き回された巻回ケーブルと、前記巻回ケーブルを駆動させることによって、前記第１リンク駆動滑車を回転させる第１アクチュエータを有する請求項３に記載のロボットハンド。
5. 前記第２リンク駆動装置が、前記掛回ケーブルを引っ張ることにより、前記レバーリンクを前記第１軸回りに回転させる第２アクチュエータを含む請求項１～請求項４のいずれか１つの項に記載のロボットハンド。
6. 前記第２リンク駆動装置が、前記第２アクチュエータによる前記レバーリンクの前記第１軸回りの回転に抗するように付勢力を付与するレバー付勢部材を含む請求項５に記載のロボットハンド。
7. 前記レバー滑車が、前記第１定滑車及び前記第２定滑車の間に位置し、且つ、前記第１軸に直交する仮想面上に延在する中心軸線を有する請求項１～請求項６のいずれか１つの項に記載のロボットハンド。
8. 前記回転伝達機構が、前記第２リンクの前記中間枢支部から延出する第２クランクアームと、前記第２クランクアーム及び前記レバーリンクの前記遊端に回動可能に支持された第１補助リンクとを含み、
   前記レバーリンク、前記第１補助リンク、前記第１リンク及び前記第２クランクアームにより第１の四節リンク機構が構成されている請求項１～請求項７のいずれか１つの項に記載のロボットハンド。
9. 前記第１の四節リンク機構が、平行リンク機構をなす請求項８に記載のロボットハンド。
10. 前記第２リンクに、遊端枢支部にて枢支された第３リンクと、前記第１リンクの前記中間枢支部から延出する第１クランクアームと、前記第３リンクの前記遊端枢支部から延出する第３クランクアームと、前記第１クランクアーム及び前記第３クランクアームに回動可能に結合された第２補助リンクとを更に有し、
    前記第１クランクアーム、前記第２リンク、前記第３クランクアーム、及び、前記第２補助リンクによって、交差リンク機構をなす第２の四節リンク機構が構成されている請求項１～請求項９のいずれか１つの項に記載のロボットハンド。

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