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明細書 :人間型電動ハンド

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2014-054720 (P2014-054720A)
公開日 平成26年3月27日(2014.3.27)
発明の名称または考案の名称 人間型電動ハンド
国際特許分類 B25J  15/08        (2006.01)
FI B25J 15/08 K
請求項の数または発明の数 1
出願形態 OL
全頁数 19
出願番号 特願2012-202456 (P2012-202456)
出願日 平成24年9月14日(2012.9.14)
新規性喪失の例外の表示 特許法第30条第2項適用申請有り
発明者または考案者 【氏名】川▲崎▼ 晴久
【氏名】毛利 哲也
【氏名】下村 尚之
出願人 【識別番号】304019399
【氏名又は名称】国立大学法人岐阜大学
【識別番号】502000595
【氏名又は名称】株式会社 ダイニチ
個別代理人の代理人 【識別番号】100068755、【弁理士】、【氏名又は名称】恩田 博宣
【識別番号】100105957、【弁理士】、【氏名又は名称】恩田 誠
審査請求 未請求
テーマコード 3C707
Fターム 3C707CY36
3C707ES06
3C707ES07
3C707EU01
3C707EU03
3C707EU06
3C707EU07
3C707HS27
3C707KS33
3C707KX08
要約 【課題】駆動機構の大型化を抑えながらも、指の関節の駆動力およびその動作精度を好適に確保することのできる人間型電動ハンドを提供する。
【解決手段】モーター(34,43)の回転軸(40、44)に平行に配置されたネジ軸(39,49)を有するボールネジ(38,48)をモーター(34,43)に隣接して配設するとともに、そのボールネジ(38,48)を介して伝達されたモーター(34,43)の出力で指の関節を伸展、屈曲動作させるようにした。
【選択図】図6
特許請求の範囲 【請求項1】
モーターの回転軸に平行に配置されたネジ軸を有するボールネジを前記モーターに隣接して配設するとともに、そのボールネジを介して伝達された前記モーターの出力で指の関節を伸展、屈曲動作させる
ことを特徴とする人間型電動ハンド。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、ヒューマノイド・ロボットや電動義手などに使用される人間型電動ハンドに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、ヒューマノイド・ロボット用や電動義手用の電動ハンドとして、人間の手と同様の把持操作を可能とする人間型電動ハンドの開発が進められている。そして従来、そうした人間型電動ハンドとして、特許文献1に記載のものが提案されている。
【0003】
こうした人間型電動ハンドでは、サイズその大きさの関係で、大出力のモーターを採用できないことがある。そこで、特許文献1に記載の人間型電動ハンドでは、小出力のモーターでも、把持力を大きくできるように、モーターの出力を、減速ギアを介して指に伝達するようにしている。
【先行技術文献】
【0004】

【特許文献1】国際公開WO2012/0397479号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところが、こうした従来の人間型電動ハンドにおいて、モーターを変えずに把持力を大きくするため、減速ギアの減速比を大きくすると、減速ギアの出力側のギアの径が大きくなる。そのため、減速ギアで大きな減速比を実現しようとすれば、電動ハンド内の限られた空間に設置することが困難となってしまう。さらに、減速ギアのギア間のバックラッシュや摩擦のため、指の動作の精度が悪化するようにもなる。
【0006】
なお、複数段のギア対を用いた多段減速ギア機構を採用すれば、ギア径を大きくせずとも、把持力を大きくすることは可能である。しかしながら、そうした場合には、減速機構がギアの軸方向に長くなり、やはり設置性が悪化する。また、人間型電動ハンドに採用されるような小型モーターに装着可能な高減速比の多段減速ギア機構は、歯車の許容できるトルクが小さいものしかなく、出力を高めるには、更なる減速機構や大型モーターが必要となる。さらに、多段減速ギア機構でも、ギア間のバックラッシュや摩擦による指の動作の精度の悪化は、やはり避けられないものとなる。
【0007】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、駆動機構の大型化を抑えながらも、指の関節の駆動力およびその動作精度を好適に確保することのできる人間型電動ハンドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決する人間型電動ハンドは、モーターの回転軸に平行に配置されたネジ軸を有するボールネジを前記モーターに隣接して配設するとともに、そのボールネジを介して伝達された前記モーターの出力で指の関節を伸展、屈曲動作させるようにしている。
【0009】
こうした人間型電動ハンドでは、モーターと減速機構として機能するボールネジとが隣に並んで配置されるため、指の関節を伸展、屈曲動作させるための駆動機構を大型化せずとも、モーター出力の減速比を大きくすることができる。また、減速ギアのようなバックラッシュがなく、また摩擦の小さいボールネジで減速機構が構成されているため、指の動作精度の悪化を避けることができる。
【発明の効果】
【0010】
本発明の人間型電動ハンドによれば、駆動機構の大型化を抑えながらも、指の関節の駆動力およびその動作精度を好適に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】人間型電動ハンドの一実施形態について、その手の平側から見た全体構造を示す平面図。
【図2】同実施形態の人間型電動ハンドの拇指側から見た側面図。
【図3】同実施形態の人間型電動ハンドの示指のカバーが取付けられた状態の側面図。
【図4】同示指のカバーが外された状態の側面図。
【図5】同示指の腹側から見た平面図。
【図6】同示指の側部断面構造を示す断面図。
【図7】同実施形態の人間型電動ハンドの拇指のカバーが外された状態の側面図。
【図8】同拇指の指の腹側から見た平面図。
【図9】同拇指の側部断面構造を示す断面図。
【図10】上記示指の第2、第3節の内部構造を示す図。
【図11】上記示指の第2、第3節の屈曲動作時の内部構造を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、人間型電動ハンドの一実施形態を、図1~図11を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態の人間型電動ハンドは、ヒューマノイド・ロボットに採用されるものとなっている。

【0013】
図1及び図2に示すように、本実施形態の人間型電動ハンドは、人間の手の平に相当する掌部10と、その掌部10から突き出された拇指11、示指12、中指13、薬指14、及び小指15の5つの指とを備えている。

【0014】
(4指の構造)
まず、こうした人間型電動ハンドの拇指11以外の4指(示指12、中指13、薬指14、及び小指15)の構造を、図3~図6を参照して説明する。以下では、示指12を例として説明するが、中指13、薬指14及び小指15の構造も、示指12と同じ構造となっている。なお、図3には、センサーや駆動機構を覆うカバー20、21、22が取付けられた状態の示指12の側面構造が、図4には、それらカバー20、21、22が外された状態の示指12の側面構造が、それぞれ示されている。また、図5における中心線Lよりも図中左側には、カバー20、21、22が取付けられた状態の示指12の平面構造が、その図中右側には、カバー20、21、22が外された状態の示指12の平面構造がそれぞれ示されている。

【0015】
図3~図5に示される示指12は、掌部10に固定される示指基部23を有している。示指基部23の指先側には、掌部10の手の甲に相当する面に垂直な軸24を中心に回動可能に示指第1節25が連結されている。示指第1節25の指先側には、上記軸24に垂直な軸26を中心に回動可能に示指第2節27が連結されている。更に、示指第2節27の指先側には、上記軸26に平行な軸28を中心に回動可能に示指第3節29が連結されている。

【0016】
こうした示指12は、次の3つの関節を有している。第1の関節は、軸24を中心とした示指基部23に対する示指第1節25の回動、すなわち、掌部10に対する示指12の内転、外転動作を許容する関節となっている。また、第2の関節は、軸26を中心とした示指第1節25に対する示指第2節27の回動、すなわち、示指第1節25に対する示指第2節27の屈曲、伸展動作を許容する関節となっている。そして、第3の関節は、軸28を中心とした示指第2節27に対する示指第3節29の回動、すなわち、示指第2節27に対する示指第3節29の屈曲、伸展動作を許容する関節となっている。

【0017】
図6に示すように、示指基部23には、円筒形の示指第1モーター30が固定されている。示指第1モーター30の出力軸31には、傘歯ギア32が一体回転可能に固定されている。傘歯ギア32は、示指第1節25に固定された傘歯ギア33に噛み合わされている。傘歯ギア33は、示指基部23に対する示指第1節25の回動中心である軸24がそのギア中心となるように配設されている。ちなみに、示指第1モーター30は、示指12を掌部10に取付けた際に、掌部10に内蔵されるようになっている。

【0018】
示指第1節25には、円筒形の示指第2モーター34が固定されている。示指第2モーター34は、その回転軸40が示指第1節25の延伸方向と垂直となる向きで、示指第1節25の指の背側に突き出すように配設されている。示指第2モーター34の出力軸35には、平歯ギア36が一体回転可能に固定されている。

【0019】
この平歯ギア36には、平歯ギア37が噛み合わされている。平歯ギア37は、示指第1節25に、示指第2モーター34と隣接して配設されたボールネジ38のネジ軸39に一体回転可能に固定されている。このボールネジ38のネジ軸39は、示指第1節25に回動可能に軸支された状態で、示指第2モーター34の回転軸40と平行に配置されている。ネジ軸39上には、ナット41が配設されている。ナット41は、ネジ軸39の回転に応じて同ネジ軸39に沿って往復動されるようになっている。

【0020】
こうしたボールネジ38のナット41には、示指第1リンク42の基端部が回転可能に軸支されている。示指第1リンク42の先端部は、示指第2節27に回転可能に軸支されている。示指第2節27における示指第1リンク42の軸支位置P1は、示指第1節25に対する示指第2節27の回動中心である軸26から一定の距離だけ偏心した位置とされている。

【0021】
示指第2節27には、円筒形の示指第3モーター43が固定されている。示指第3モーター43は、その回転軸44が示指第2節27の延伸方向と平行となる向きで、示指第2節27の指の背側に配設されている。示指第3モーター43の出力軸45には、平歯ギア46が一体回転可能に固定されている。

【0022】
この平歯ギア46には、平歯ギア47が噛み合わされている。平歯ギア47は、示指第2節27に、示指第3モーター43と隣接して配設されたボールネジ48のネジ軸49に一体回転可能に固定されている。このボールネジ48のネジ軸49は、示指第2節27に回動可能に軸支された状態で、示指第3モーター43の回転軸44と平行に配置されている。ネジ軸49上には、ナット50が配設されている。ナット50は、ネジ軸49の回転に応じて同ネジ軸49に沿って往復動されるようになっている。

【0023】
こうしたボールネジ48のナット50には、示指第2リンク51の基端部が回転可能に軸支されている。示指第2リンク51の先端部は、示指第3節29に回転可能に軸支されている。示指第3節29における示指第2リンク51の軸支位置P2は、示指第2節27に対する示指第3節29の回動中心である軸28から一定の距離だけ偏心した位置とされている。

【0024】
示指第3節29には、力覚センサー52が配設されている。そして、その力覚センサー52により、示指12の指先に加わる力が計測されるようになっている。なお、本実施形態では、こうした示指12に設けられた、示指第1モーター30、示指第2モーター34、及び示指第3モーター43の各モーターに、遊星ギアによって構成された減速機構を内蔵するものを採用している。

【0025】
(拇指の構造)
続いて、本実施形態の人間型電動ハンドの拇指11の構造を、図7~図9を参照して説明する。

【0026】
図7及び図8に示される拇指11は、掌部10に固定される拇指基部60を有している。拇指基部60には、軸61を中心として回動可能に拇指第1節62が連結されている。拇指第1節62の指先側には、上記軸61に垂直な軸63を中心として回動可能に拇指第2節64が連結されている。そして、拇指第2節64の指先側には、上記軸63を平行な軸65を中心として回動可能に拇指第3節66が連結されている。

【0027】
こうした拇指11は、次の3つの関節を有している。第1の関節は、軸61を中心とした拇指基部60に対する拇指第1節62の回動、すなわち、掌部10に対する拇指11の内転、外転動作を許容する関節となっている。また、第2の関節は、軸63を中心とした拇指第1節62に対する拇指第2節64の回動、すなわち、拇指第1節62に対する拇指第2節64の屈曲、伸展動作を許容する関節となっている。そして、第3の関節は、軸65を中心とした拇指第2節64に対する拇指第3節66の回動、すなわち、拇指第2節64に対する拇指第3節66の屈曲、伸展動作を許容する関節となっている。

【0028】
図9に示すように、拇指第1節62には、傘歯ギア67が固定されている。傘歯ギア67は、拇指基部60に対する拇指第1節62の回動中心である軸61がギア中心となるように配設されている。この傘歯ギア67は、拇指11の掌部10への取付けに際して、傘歯ギア70と噛み合わされるようになっている。この傘歯ギア70は、掌部10に内蔵された拇指第1モーター68の出力軸69に一体回転可能に固定されている。

【0029】
拇指第1節62には、円筒形の拇指第2モーター71が固定されている。この拇指第2モーター71は、その回転軸72が拇指第1節62の延伸方向と平行となる向きで、拇指第1節62の指の背側に配設されている。拇指第2モーター71の出力軸73には、平歯ギア74が一体回転可能に固定されている。

【0030】
この平歯ギア74には、平歯ギア75が噛み合わされている。平歯ギア75は、拇指第1節62に、拇指第2モーター71と隣接して配設されたボールネジ76のネジ軸77に一体回転可能に固定されている。このボールネジ76のネジ軸77は、拇指第1節62に回動可能に軸支された状態で、拇指第2モーター71の回転軸72と平行に配置されている。ネジ軸77上には、ナット78が配設されている。ナット78は、ネジ軸77の回転に応じて同ネジ軸77に沿って往復動されるようになっている。

【0031】
こうしたボールネジ76のナット78には、拇指第1リンク79の基端部が回転可能に軸支されている。拇指第1リンク79の先端部は、拇指第2節64に回転可能に軸支されている。拇指第2節64における拇指第1リンク79の軸支位置P3は、拇指第1節62に対する拇指第2節64の回動中心である軸63から一定の距離だけ偏心した位置とされている。

【0032】
拇指第2節64には、円筒形の拇指第3モーター80が固定されている。この拇指第3モーター80は、その回転軸81が拇指第2節64の延伸方向と平行となる向きで、拇指第2節64の指の背側に配設されている。拇指第3モーター80の出力軸82には、平歯ギア83が一体回転可能に固定されている。

【0033】
この平歯ギア83には、平歯ギア84が噛み合わされている。この平歯ギア84は、拇指第2節64に、拇指第3モーター80と隣接して配設されたボールネジ85のネジ軸86に一体回転可能に固定されている。このボールネジ85のネジ軸86は、拇指第2節64に回動可能に軸支された状態で、拇指第3モーター80の回転軸81と平行に配置されている。ネジ軸86上には、ナット87が配設されている。ナット87は、ネジ軸86の回転に応じて同ネジ軸86に沿って往復動されるようになっている。

【0034】
こうしたボールネジ85のナット87には、拇指第2リンク88の基端部が回転可能に軸支されている。拇指第2リンク88の先端部は、拇指第3節66に回転可能に軸支されている。拇指第3節66における拇指第2リンク88の軸支位置P4は、拇指第2節64に対する拇指第3節66の回動中心である軸65から一定の距離だけ偏心した位置とされている。

【0035】
拇指第3節66には、力覚センサー89が配設されている。そして、その力覚センサー89により、拇指11の指先に加わる力が計測されるようになっている。なお、本実施形態では、こうした拇指11に設けられた、拇指第1モーター68、拇指第2モーター71、及び拇指第3モーター80の各モーターに、遊星ギアによって構成された減速機構を内蔵するものを採用している。

【0036】
(人間型電動ハンドの動作)
続いて、以上のように構成された本実施形態の人間型電動ハンドの動作を説明する。
まず、拇指11の内転、外転動作を説明する。拇指11の内転、外転動作は、拇指第1モーター68の回転により行われる。

【0037】
拇指第1モーター68が回転すると、その出力軸69に設けられた傘歯ギア70が回転され、これに噛み合わされた傘歯ギア67がそのギア中心である軸61を中心として回転される。これにより、傘歯ギア67が固定された拇指第1節62がその軸61を中心として回動され、拇指11が掌部10に対して内転、外転動作される。

【0038】
拇指11以外の4指の内転、外転動作も、これとほぼ同様に行われる。例えば示指12の内転、外転動作は、示指第1モーター30の回転により行われる。示指第1モーター30が回転すると、その出力軸31に設けられた傘歯ギア32が回転され、これに噛み合わされた傘歯ギア33がそのギア中心である軸24を中心として回転される。これにより、傘歯ギア33が固定された示指第1節25がその軸24を中心として回動され、示指12が掌部10に対して内転、外転動作される。

【0039】
次に、各指の屈曲、伸展動作を説明する。ここでは、示指第2節27に対する示指第3節29の動作を例として、これらの動作を説明する。他の指の第2節に対する第3節の動作、及び示指12及び他の指の第1節に対する第2節の動作も、これとほぼ同様に行われる。

【0040】
示指第3モーター43が回転すると、その出力軸45に設けられた平歯ギア46が回転して、これに噛み合わされた平歯ギア47を回転させる。そして、その回転により、平歯ギア47が固定されたボールネジ48のネジ軸49が回転され、そのネジ軸49上に設けられたナット50が同ネジ軸49に沿って変位するようになる。

【0041】
ここで、図10に示すように、ナット50は、示指第2リンク51を介して示指第3節29に連結されている。示指第3節29における示指第2リンク51の軸支位置P2は、示指第2節27に対する示指第3節29の回動中心である軸28から一定の距離だけ偏心した位置に位置されている。そのため、ナット50における示指第2リンク51の軸支位置P5のネジ軸49上での変位に対して、示指第3節29における示指第2リンク51の軸支位置P2は、軸28を中心とし、軸28と軸支位置P2との偏心距離を半径とする円周上で変位するようになる。例えば図11に示すように、ナット50が指先側に変位すると、軸支位置P2は、上記円周上を図中の反時計回り方向に変位する。そして、その結果、示指第3節29が示指第2節27に対して屈曲動作される。

【0042】
このときの示指第3モーター43の出力は、ボールネジ48による減速で増幅された上で示指第3節29に伝えられる。そのため、示指第3モーター43の出力が小さくとも、大きい指先力が発生されるようになる。なお、この人間型電動ハンドでは、人間の場合と同様に、指先力を主に指の伸展、屈曲動作により発生させている。そのため、この人間型電動ハンドでは、減速により力を増幅させるボールネジ機構は、指の内転、外転のための駆動機構には採用せず、指の伸展、屈曲のための駆動機構にのみ採用している。

【0043】
ちなみに、平歯ギア46と平歯ギア47との噛み合わせや、示指第3モーター43に内蔵された遊星ギアには、バックラッシュが存在する。ただし、そうしたバックラッシュによるずれは、ボールネジ48により減速された上で関節の動きに反映されるため、そのずれが関節の動作精度に与える影響は、限られたものとなる。

【0044】
以上説明した本実施形態の人間型電動ハンドによれば、以下の効果を奏することができる。
(1)減速機構として機能するボールネジがモーターの隣に並列して配置されているため、指の関節の駆動機構をコンパクトな構成とすることができる。また、設置性の悪化を抑えながらも、減速機構の減速比を大きくすることができ、より容易に人間型電動ハンドの把持力を大きくすることができる。

【0045】
(2)最終的な減速機構にバックラッシュが無く、摩擦の小さいボールネジが採用されているため、指の関節の動作精度を高めることができる。ちなみに、この人間型電動ハンドでのボールネジによるものと同じ減速比の減速を、多段減速ギア機構で行う場合、その出力軸のバックラッシュは1[deg]以上となり、そのバックラッシュによる関節角度のずれは、0.5[deg]以上となる。その点、この人間型電動ハンドには、代表移動量誤差が18[μm]の精度を有するボールネジが減速機構に採用されており、その誤差による関節角度のずれは0.14[deg]程度に収まっている。

【0046】
なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施形態では、指の各関節をそれぞれ個別のモーターで駆動するようにしていたが、各関節の個別制御が必要でない場合などには、複数の関節が連動して動作するようにリンク機構を構成して、1つのモーターで複数の関節を駆動するようにしても良い。

【0047】
・上記実施形態では、各指にそれぞれ3つの関節を設けていたが、各指の関節の数は、必要に応じて変更しても良い。
・上記実施形態では、人間型電動ハンドに5本の指を設けていたが、指の数も、必要に応じて変更しても良い。

【0048】
・上記実施形態では、ヒューマノイド・ロボットに採用の人間型電動ハンドを説明したが、同様の人間型電動ハンドは、例えば電動義手などの他の用途にも利用することが可能である。
【符号の説明】
【0049】
10…掌部、11…拇指、12…示指、13…中指、14…薬指、15…小指、20,21,22…カバー、23…示指基部、24…軸、25…示指第1節、26…軸、27…示指第2節、28…軸、29…示指第3節、30…示指第1モーター、31…出力軸、32…傘歯ギア、33…傘歯ギア、34…示指第2モーター、35…出力軸、36…平歯ギア、37…平歯ギア、38…ボールネジ、39…ネジ軸、40…回転軸、41…ナット、42…示指第1リンク、43…示指第3モーター、44…回転軸、45…出力軸、46…平歯ギア、47…平歯ギア、48…ボールネジ、49…ネジ軸、50…ナット、51…示指第2リンク、52…力覚センサー、60…拇指基部、61…軸、62…拇指第1節、63…軸、64…拇指第2節、65…軸、66…拇指第3節、67…傘歯ギア、68…拇指第1モーター、69…出力軸、70…傘歯ギア、71…拇指第2モーター、72…回転軸、73…出力軸、74…平歯ギア、75…平歯ギア、76…ボールネジ、77…ネジ軸、78…ナット、79…拇指第1リンク、80…拇指第3モーター、81…回転軸、82…出力軸、83…平歯ギア、84…平歯ギア、85…ボールネジ、86…ネジ軸、87…ナット、88…拇指第2リンク、89…力覚センサー。
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5
【図7】
6
【図8】
7
【図9】
8
【図10】
9
【図11】
10