JP7610909B2 - 人間型ハンド - Google Patents

Description

本発明は、人間の指の動きを模した劣駆動型の人間型ハンドに関する。

ロボットアームの先端に装着したり、身障者用の義手などとして使用される人間型ハンドとしては、リンク機構を用いることでより少ない駆動源で関節を連動させる劣駆動型ロボットハンドが一般的である。

特許文献１には、複数の骨部材をリンク機構を介して折り曲げたり伸ばすことができる２本の指を、１つの駆動機構で動作させる構造が開示されている。この駆動機構は、リニアアクチュエータと連結部材とを具備して構成され、リニアアクチュエータは、概略円筒形をなすアクチュエータ本体とアクチュエータ本体の一方の端面から進退可能に突出するロッドとを有している。

特許文献２には、人の第一指（親指）、第二指（人差し指）、第三指（中指）、第四指（薬指）、第五指（小指）、及び掌に対応する第一指部、第二指部、第三指部、第四指部、第五指部及び掌部を有した手部が開示されている。
そして、親指に相当する第一指部は他の指部と同じ構造で旋回可能に構成され、各指部は個々の駆動源によって個別に動作する。

特許文献３には、掌基板にジョイントを介して基端部が連結される中手骨に相当する第１骨部材と、この第１部材の先端に基端部が連結される基節骨に相当する第２骨部材と、この第２骨部材の先端に基端部が連結される中節骨に相当する第３骨部材と、この第３部材の先端に基端部が連結される末節骨に相当する第４骨部材とを備え、前記第２骨部材乃至第４骨部材をリンク機構によって回動させるようにした人間型ハンドが開示されている。この特許文献では１つのアクチュエータで親指を含む全ての指が伸縮動を行う。

特開２０１３－１５４４０９号公報 国際公開第２０１０／０６４６８４号 特開２０１８－１６７３７２号公報

特許文献１に開示される指機構は、２本の指を１つのアクチュエータで動作させることを開示しているが、人間型ハンドではなく、特に親指と他の指の動作関係については何ら開示されていない。

特許文献２に開示される機構は、各指を個別のアクチュエータで動作させている。このため、機構が複雑となり、重量も増加してしまう。

特許文献３では、１つのアクチュエータによって５本の指が同時に閉じ又は開動作を行う。
しかしながら、実際の人間の手の動作は５本の指を閉じた時には、親指は内側に旋回した状態で閉じることで把持した物を落とさない構造になっている。また、５本の指を開いて物を把持するときには親指は外側に旋回して、大きく手を広げ、把持対象物を確実に掴むことができる構造になっている。特許文献３の構造では、このような動作を行うことができない。

即ち、本発明に係る人間型ハンドは、単一のアクチュエータによって親指を含む複数の指を伸屈動させる劣駆動型ハンドであり、前記アクチュエータの駆動範囲を３分割し、駆動範囲の中立位置を親指が伸長し且つ内側に旋回し親指以外は伸長した状態とし、中立位置から一方の領域を親指を含む複数の指を伸屈動させる領域とし、中立位置から他方の領域を２分割して、親指の旋回規制を解除する領域と親指を旋回せしめる領域とした構成である。

より具体的には、アクチュエータは３６０°以内の範囲で往復回転する回転盤とし、これに基準ピンと旋回ピンが取付けられ、中立位置から一方の側に回転盤が回転する際に前記基準ピンはリンク機構を介して親指を含む複数の指を伸屈動させ、中立位置から一方の側に回転盤が回転する際に前記基準ピンはリンク機構を介して親指の旋回規制を解除し、また旋回ピンはリンク機構を介して親指を旋回せしめる構成である。

本発明によれば、１つのアクチュエータで親指の掌の外側と内側に向かった旋回と、親指を含む全ての指の伸屈動作を行うことができ、今まで掴みにくかった物体を容易に把持することができる。

アクチュエータが１つのため、ハンド全体の小型化及び軽量化が可能となり、用途範囲が大幅に広がる。

アクチュエータの位置に対応したハンドの状態を示した図。 アクチュエータの駆動範囲を３分割して示した図。 アクチュエータの駆動範囲と基準ピンの位置との関係を示す図。 中立位置にあるハンドの側面図 図４の要部を拡大した図。 図５におけるリセットアームを外して示した図。 図６を斜め下方から見た図。 図７を上から見た図。 基準ピンが中立位置から反時計方向に回動した状態を示す図。 図９を左側から見た図。 図９を下から見た図。 図９よりも更に基準ピンが反時計方向に回動した状態を示す図。 図１２を下から見た図。

本発明に係る人間型ハンドの指機構の実施例を以下に示す。
人間型ハンドは掌基板１、親指機構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、各指機構は掌基板１に設けたアクチュエータ７によって動作する。

図１及び図２は各指機構とアクチュエータ７との関係を示し、アクチュエータ７は約３００°の範囲で往復回転する軸８に回転盤９が取付けられ、この回転盤９に基準ピン１０が取付けられている。

そして、基準ピン１０が図２の中立位置に位置する時には、人間型ハンドは図１（ｂ）（ａ）のように、親指機構２は伸びた状態で（ｂ）～（ａ）の間の任意の位置に旋回し、他の４本の指機構は伸びた状態となっている。旋回セット領域の任意の位置で折り返す(逆転する)ことにより、任意の旋回角度に設定できる。

図２の中立位置から回転盤９が反時計方向に回動し基準ピン１０が旋回リセット領域を通過すると図１（ｂ）状態に、更に旋回セット領域に入ると、人間型ハンドは図１（ａ）に示す形態、すなわち、親指機構２は伸びた状態で掌の外側に旋回し、他の４本の指機構は伸び、最も手を広げた状態になる。

図２の中立位置から回転盤９が時計方向に回動し基準ピン１０が指引き領域に入ると、人間型ハンドは図１（ｃ）に示す形態、すなわち、親指機構２は掌の内側に旋回した状態で屈曲し、他の４本の指機構も屈曲した状態となる。

図３（ａ）～（ｃ）はアクチュエータの駆動範囲と基準ピンの位置との関係を示す図であり、何れも内部機構を分かりやすくするため、親指機構２の旋回規制を解除するリセットアームを外して示している。

図３（ｂ）は中立位置に基準ピン１０があり、この基準ピン１０よりも反時計方向に離れた位置の回転盤９に旋回ピン１１が取付けられている。即ち基準ピン１０と旋回ピン１１は回転盤９が回転することで、一体的に時計方向又は半時計方向に回動する。

図３（ｂ）の中立位置では、基準ピン１０はリンク部材１２の凹部に係止している。このリンク部材１２は各指機構２～６を伸屈させるリンク機構と連結しており、また図３（ｂ）に示す位置を上限として上方に付勢されている。

中立位置から図３（ｃ）に示す位置まで回転盤９とともに基準ピン１０が時計方向に回動すると、リンク部材１２が図中下方に引き下げられ、この動作に連動して示指機構３、中指機構４、環指機構５及び小指機構６を屈曲させるトーナメント状リンク部材１３及び親指機構２を屈曲させるリンク部材１４が作動して図１（ｃ）に示した状態となる。
各指機構２～６を伸屈させるリンク機構としては、従来の機構を利用することができる。

図３（ａ）は図１（ｂ）から図１（ａ）に示した全ての指が開いた状態になる過程を示した図であり、図４～図１３と併せて説明する。
掌基板１の一部は支持プレート１５となっており、この支持プレート１５にリセットアーム１６が軸１７を中心として回動自在に支持されている。このリセットアーム１６は支持プレート１５に設けたバネ１８によって図５中反時計方向に付勢されている。

リセットアーム１６にはリセットカム１９が軸２０を介して取り付けられ、このリセットカム１９はバネ２１により図６中時計方向に付勢されている。中立位置から基準ピン１０が反時計方向に回動すると基準ピン１０がリセットカム１９に当接し、リセットアーム１６は軸１７を中心として時計方向に回動する。

親指機構２は軸２２を中心として掌基板１に対して旋回可能とされている。この親指機構２の旋回は掌基板１にスライド可能に設けた旋回ストッパ２３によって規制されている。この旋回ストッパ２３はバネ３０によって旋回を規制する方向に付勢されている。（図１１、図１３参照）

また、掌基板１には軸２４を介してＬ字状解除レバー２５が回動可能に支持され、また前記親指機構２の軸２２と離れた箇所に設けたピン２６に連結する旋回レバー２７が掌基板１にスライド可能に支持され、この旋回レバー２７には係止部２８が形成されている。

更に前記旋回レバー２７を跨ぐように旋回カム２９が旋回レバー２７に対してスライド可能に設けられている。この旋回カム２９はバネ３１によって親指機構２の軸２２方向に付勢されている。（図１１、図１３参照）

以上において、中立位置から基準ピン１０が反時計方向に回動し、基準ピン１０がリセットカムに当接してリセットアーム１６が軸１７を中心として時計方向に回動すると、リセットアーム１６の下部がＬ字状解除レバー２５の一端に当接して解除レバー２５を図８において軸２４を中心に反時計方向に回動させ、この解除レバー２５の動きに連動して、旋回ストッパ２３は図８において上方（図１１において下方）に移動し、親指機構２の旋回規制が解除される。

尚、旋回ピン１１の高さは基準ピン１０の高さより低く、基準ピン１０とともに旋回ピン１１が反時計方向に回動する際に、旋回ピン１１はリセットカム１９には当接しない。

親指機構２の旋回規制が解除された後、リセットアーム１６が更に反時計方向に回動することで、図７に示すようにリセットアーム１６の下部によって旋回レバー２７が図の矢印方向に移動し、親指ピン２６を押して親指機構２が軸２２介してリセット位置まで回動する。

更に、回転盤９の回転で基準ピン１０と旋回ピン１１が反時計方向に回動すると、旋回ピン１１が旋回カム２９に当接し、旋回カム２９が図９において右方向に移動する。

旋回カム２９が右方向に移動すると、旋回カム２９が旋回レバー２７の右端部に当り、旋回レバー２７が右方向に移動する。旋回レバー２７が右方向に移動すると親指ピン２６を介して親指機構２が軸２２を中心として旋回する。

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、図示例では指機構を組み込んだ具体例として、５指を有する人間型ハンドを説明したが、指の本数は任意である。

１…掌基板、２…親指機構、３…示指機構、４…中指機構、５…環指機構、６…小指機構、７…アクチュエータ、８…アクチュエータの軸、９…回転盤、１０…基準ピン、１１…旋回ピン、１２…リンク部材、１３…トーナメント状リンク部材、１４…親指機構を屈曲させるリンク部材、１５…プレート、１６…リセットアーム、１７…リセットアームの軸、１８…バネ、１９…リセットカム、２０…リセットカムの軸、２１…バネ、２２…親指機構の軸、２３…旋回ストッパ、２４…Ｌ字状解除レバーの軸、２５…Ｌ字状解除レバー、２６…親指ピン、２７…旋回レバー、２８…係止部、２９…旋回カム。

Claims (1)

1. 単一のアクチュエータによって親指を含む複数の指を伸屈動させる劣駆動型の人間型ハンドにおいて、前記アクチュエータの駆動範囲を３分割し、駆動範囲の中立位置を親指が伸長し且つ内側に旋回し親指以外は伸長した状態とし、中立位置から一方の領域を親指を含む複数の指を伸屈動させる動域とし、中立位置から他方の領域を２分割して、親指の旋回規制を解除する領域と親指を旋回せしめる領域とし、前記アクチュエータは３６０°以内の範囲で往復回転する回転盤に基準ピンと旋回ピンが取付けられ、
   前記基準ピンは、中立位置から一方の側に回転盤が回転する際には前記基準ピンはリンク機構を介して親指を含む全指を伸屈動させ、中立位置から他方の側に回転盤が回転する際にはリセットアームと解除レバーを介して親指機構の旋回規制を解除し、
   また前記旋回ピンは前記リセットアームとの干渉を避けるべく基準ピンよりも低く設定され、中立位置から他方の側に回転盤が回転する際には親指機構に連結する旋回レバーを介して旋回規制が解除された親指機構を掌の外側に旋回せしめ最も手を広げた状態にすることを特徴とする人間型ハンド。
   

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