JP7819945B2 - Robotic hand with multi-jointed fingers - Google Patents
Robotic hand with multi-jointed fingersInfo
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Description
本発明は、ロボットハンド、特に、多関節指を備えたロボットハンドに関する。 The present invention relates to a robotic hand, in particular a robotic hand with multi-jointed fingers.
多関節指を備えたマニピュレータやロボットハンド等(以下、ロボットハンドと総称する)と呼ばれる機器が開発され、製造現場等で使用されている。特に、人間の手を模したロボットハンドは、義手への使用や、近年では遠隔コミュニケーションツールとしての使用も提案されている。 Manipulators and robotic hands (hereafter referred to as "robot hands") equipped with multi-jointed fingers have been developed and are used in manufacturing sites, etc. In particular, robotic hands that mimic the human hand have been proposed for use in prosthetic hands and, in recent years, as remote communication tools.
一般的に、このようなロボットハンドは、関節を伸展させた状態を初期状態として、アクチュエータ等の駆動力によって各々の関節を屈曲状態に変位させている。各関節への駆動力の伝達方法は様々なものが提案されており、各々の関節にプーリーを設け、プーリーに巻きつけたワイヤーによって駆動力を伝達するもの(例えば、特許文献1)、各々の関節に対して個別の駆動力を伝達するもの(例えば、特許文献2)、各々の指部材に通された線材によって駆動力を伝達するもの(例えば、特許文献3)、リンク機構によって駆動力を伝達するもの(特許文献4)等がある。 Typically, such robotic hands have their joints initially extended, and then each joint is displaced into a bent state by the driving force of an actuator or the like. Various methods for transmitting driving force to each joint have been proposed, including a method in which each joint is provided with a pulley and the driving force is transmitted by a wire wound around the pulley (e.g., Patent Document 1), a method in which individual driving forces are transmitted to each joint (e.g., Patent Document 2), a method in which driving force is transmitted by a wire threaded through each finger member (e.g., Patent Document 3), and a method in which driving force is transmitted by a link mechanism (Patent Document 4).
上述のロボットハンドによれば、駆動力が各々の指部材や関節に伝達され、関節が屈曲状態に変位するため、製造工程において対象物を挟持する等が可能となっている。しかしながら、ロボットハンドを義手やコミュニケーションツールとして使用する場合のように、使用目的によっては、指の関節の屈曲の順序を自由に制御したり、人間の指関節と近い動きとなるよう制御したりすることが望まれる場合がある。 With the robot hand described above, driving forces are transmitted to each finger member and joint, causing the joints to bend, making it possible to clamp objects during the manufacturing process. However, depending on the intended use, such as when using a robot hand as a prosthetic hand or communication tool, it may be desirable to freely control the order in which the finger joints bend, or to control the movement so that it resembles that of human finger joints.
このような課題を解決するために、特許文献1のロボットハンドでは、各々のプーリーにクラッチ/ブレーキを設け、各々のクラッチ/ブレーキの開閉を制御することによって各々の関節の屈曲を制御している。また、特許文献2のロボットハンドでは、各々の関節に駆動力を供給するモーターを個別に備えており、それらを個別に制御している。しかしながら、これらのロボットハンドでは制御や構造が複雑になり、また、小型化が困難となる。To solve these problems, the robot hand in Patent Document 1 is equipped with a clutch/brake on each pulley, and the bending of each joint is controlled by controlling the opening and closing of each clutch/brake. The robot hand in Patent Document 2 is equipped with individual motors that supply driving force to each joint, and these are controlled individually. However, these robot hands have complex control and structures, and are difficult to miniaturize.
一方、特許文献3のロボットハンドでは、各々の関節に作用する回転モーメントの大きさを異ならせている。このような構成のために、線材が牽引されて関節に屈曲方向の力が作用すると、回転モーメントの大きな関節から順に屈曲状態に変位する。これにより、複数の関節を規定した順に屈曲状態に変位させることができる。 In contrast, the robot hand in Patent Document 3 varies the magnitude of the rotational moment acting on each joint. Because of this configuration, when the wire is pulled and a bending force acts on the joints, the joints are displaced into a bent state in order of the largest rotational moment. This allows multiple joints to be displaced into a bent state in a specified order.
しかしながら、ロボットハンドの手のひらの方向によっては、各々の関節に作用する回転モーメントの大きさが理論値とは異なるため、複数の関節を所望の順に屈曲させることができないおそれがある。 However, depending on the orientation of the palm of the robot hand, the magnitude of the rotational moment acting on each joint may differ from the theoretical value, which may make it impossible to bend multiple joints in the desired order.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、多関節指を有するロボットハンドにおいて、簡易な構成で、複数の指関節を規定の順序で屈曲または伸展させることができるロボットハンドを提供することにある。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned problems, and its purpose is to provide a robotic hand with multi-jointed fingers that is capable of flexing or extending multiple finger joints in a specified order with a simple configuration.
上記課題を解決するために、本発明に係る、多関節指を備えたロボットハンドは、前記多関節指は、少なくとも第1指部と、第2指部と、第3指部と、を備え、前記第2指部は第1回動軸周りに回動可能に前記第1指部の指先側端部近傍に接続されて、屈曲/伸展可能な第1関節を形成し、前記第3指部は第2回動軸周りに回動可能に前記第2指部の指先側端部近傍に接続されて、屈曲/伸展可能な第2関節を形成し、前記第1関節および前記第2関節に屈曲力を作用させる屈曲力作用部と、前記第1関節近傍に設けられ、前記第1関節に作用する前記屈曲力に抗する伸展力を生じさせるバネである第1弾性体と、前記第2関節近傍に設けられ、前記第2関節に作用する前記屈曲力に抗する伸展力を生じさせるバネである第2弾性体と、を備え、前記第2弾性体の前記伸展力は、前記第1弾性体の伸展力よりも小さく、前記第1関節を跨ぐように前記第1指部と前記第2指部とに固定されて前記第1弾性体を構成するとともに、前記第2関節を跨ぐように前記第2指部と前記第3指部とに固定されて前記第2弾性体を構成する単一のコイルバネを備え、前記第2弾性体の巻数が前記第1弾性体の巻数よりも少なく、前記第2弾性体のバネ定数が前記第1弾性体のバネ定数よりも小さい。 In order to solve the above problems, the present invention provides a robot hand with multi-jointed fingers, the multi-jointed fingers comprising at least a first finger portion, a second finger portion, and a third finger portion, the second finger portion being connected to a vicinity of a fingertip-side end of the first finger portion so as to be rotatable about a first rotation axis to form a first joint that can be bent/extended, the third finger portion being connected to a vicinity of a fingertip-side end of the second finger portion so as to be rotatable about a second rotation axis to form a second joint that can be bent/extended, a bending force application portion that applies a bending force to the first joint and the second joint, and a spring that is provided near the first joint and generates an extension force that resists the bending force acting on the first joint. and a second elastic body that is a spring that is provided near the second joint and generates an extension force that resists the bending force acting on the second joint, wherein the extension force of the second elastic body is smaller than the extension force of the first elastic body, and the first elastic body is formed by being fixed to the first finger portion and the second finger portion so as to straddle the first joint, and the second elastic body is formed by being fixed to the second finger portion and the third finger portion so as to straddle the second joint, wherein the number of turns of the second elastic body is smaller than the number of turns of the first elastic body, and the spring constant of the second elastic body is smaller than the spring constant of the first elastic body .
この構成では、第2関節近傍に配置された第2弾性体の伸展力が第1関節近傍に配置された第1弾性体の伸展力よりも小さいため、屈曲力作用部が各々の関節に対して屈曲力を作用させると、第2関節が第1関節よりも屈曲しやすくなっている。そのため、先に屈曲させたい関節を第2関節とし、後に屈曲させたい関節を第1関節とすれば、規定の順序で関節を屈曲させることができる。なお、関節が3つ以上になっても同様に弾性体の伸展力を設定することによって、規定の順序で関節を屈曲させることができる。また、この構成では、単一のコイルバネの一部分を第1弾性体および第2弾性体とすることができるため、簡易な構成とすることができる。この場合、伸展力の大きさは弾性体(バネ)のバネ定数として設定することができ、弾性体(バネ)のバネ定数は巻数として設定することができる。 In this configuration, the extension force of the second elastic body disposed near the second joint is smaller than the extension force of the first elastic body disposed near the first joint. Therefore, when the bending force application unit applies a bending force to each joint, the second joint bends more easily than the first joint. Therefore, by designating the joint to be bent first as the second joint and the joint to be bent later as the first joint, the joints can be bent in a specified order. Even when there are three or more joints, the joints can be bent in a specified order by similarly setting the extension forces of the elastic bodies. Furthermore, in this configuration, portions of a single coil spring can be used as the first elastic body and the second elastic body, resulting in a simple configuration. In this case, the magnitude of the extension force can be set as the spring constant of the elastic body (spring), and the spring constant of the elastic body (spring) can be set as the number of turns.
本発明に係るロボットハンドの好適な実施形態の一つでは、前記コイルバネは手のひら側に設けられた圧縮コイルバネであるとともに屈曲力作用部は線材である、または、前記コイルバネは手の甲側に設けられた引張コイルバネであるとともに前記第1関節および前記第2関節に伸展力を作用させる線材を備え、前記線材は前記コイルバネに挿通されている。 In one preferred embodiment of the robot hand according to the present invention, the coil spring is a compression coil spring provided on the palm side and the bending force application portion is a wire, or the coil spring is a tension coil spring provided on the back side of the hand and includes a wire that applies an extension force to the first joint and the second joint, and the wire is inserted into the coil spring.
この構成では、多関節指の関節に対して屈曲力または伸展力を作用させる線材が備えられている。このような線材は、使用時に他の部材や周囲の物に引っかからないように取り付ける必要がある。この構成では、線材は弾性体としてのコイルバネに挿通されているため、他の部材を用いずに引っかかり等を防止することができ、簡易な構成とすることができる。 This configuration is equipped with a wire that applies a bending or extension force to the joints of the multi-jointed finger. Such a wire needs to be attached so that it does not get caught on other components or surrounding objects during use. In this configuration, the wire is inserted into a coil spring that serves as an elastic body, so it is possible to prevent snagging without using other components, resulting in a simple configuration.
本発明に係る、多関節指を備えたロボットハンドは、前記多関節指は、少なくとも第1指部と、第2指部と、第3指部と、を備え、前記第2指部は第1回動軸周りに回動可能に前記第1指部の指先側端部近傍に接続されて、屈曲/伸展可能な第1関節を形成し、前記第3指部は第2回動軸周りに回動可能に前記第2指部の指先側端部近傍に接続されて、屈曲/伸展可能な第2関節を形成し、前記第1関節および前記第2関節に屈曲力を作用させる屈曲力作用部と、前記第1関節の両端にわたって設けられ、前記第1関節に作用する前記屈曲力に抗する伸展力を生じさせ、前記第1関節に対して伸展方向への付勢力を作用させるバネである第1弾性体と、前記第2関節の両端にわたって設けられ、前記第2関節に作用する前記屈曲力に抗する伸展力を生じさせ、前記第2関節に対して伸展方向への付勢力を作用させるバネである第2弾性体と、を備え、前記第2弾性体の前記伸展力は、前記第1弾性体の伸展力よりも小さく、前記第2弾性体のバネ定数が前記第1弾性体のバネ定数よりも小さく、前記第1弾性体および第2弾性体であるバネは、両端のみが固定されるとともに中間部分が露出し、前記第1弾性体および前記第2弾性体であるバネは手のひら側に設けられた圧縮コイルバネであるとともに前記屈曲力作用部は線材であり、前記線材は前記圧縮コイルバネに挿通されている。A robot hand with multi-jointed fingers according to the present invention includes a multi-jointed finger including at least a first finger portion, a second finger portion, and a third finger portion, the second finger portion being connected to the vicinity of a fingertip-side end of the first finger portion so as to be rotatable about a first rotation axis to form a first joint that can be bent/extended, the third finger portion being connected to the vicinity of a fingertip-side end of the second finger portion so as to be rotatable about a second rotation axis to form a second joint that can be bent/extended, a bending force application portion that applies a bending force to the first joint and the second joint, and a first spring that is provided across both ends of the first joint, generates an extension force that resists the bending force acting on the first joint, and applies a biasing force in the extension direction to the first joint. and a second elastic body which is a spring provided across both ends of the second joint, generating an extension force that resists the bending force acting on the second joint, and applying a biasing force to the second joint in the extension direction, wherein the extension force of the second elastic body is smaller than the extension force of the first elastic body, the spring constant of the second elastic body is smaller than the spring constant of the first elastic body, the springs which are the first elastic body and the second elastic body are fixed only at both ends and have an exposed middle portion, the springs which are the first elastic body and the second elastic body are compression coil springs provided on the palm side, the bending force acting portion is a wire, and the wire is inserted into the compression coil spring.
この構成では、第2関節近傍に配置された第2弾性体の伸展力が第1関節近傍に配置された第1弾性体の伸展力よりも小さいため、屈曲力作用部が各々の関節に対して屈曲力を作用させると、第2関節が第1関節よりも屈曲しやすくなっている。そのため、先に屈曲させたい関節を第2関節とし、後に屈曲させたい関節を第1関節とすれば、規定の順序で関節を屈曲させることができる。なお、関節が3つ以上になっても同様に弾性体の伸展力を設定することによって、規定の順序で関節を屈曲させることができる。また、この構成では、第1弾性体および第2弾性体はその両端が固定されているのみであり、また、その中間部分は露出しているため、線材に引張力が作用して関節が屈曲する際にこれらの弾性体は内側(手のひら側)に変位することができる。この弾性体の変位により、線材の曲率が少し小さくなり、線材に曲がり癖が生じるのを軽減することができる。In this configuration, the extension force of the second elastic body disposed near the second joint is smaller than the extension force of the first elastic body disposed near the first joint. Therefore, when the bending force application unit applies a bending force to each joint, the second joint bends more easily than the first joint. Therefore, by designating the joint to be bent first as the second joint and the joint to be bent later as the first joint, the joints can be bent in a predetermined order. Even when there are three or more joints, the joints can be bent in a predetermined order by similarly setting the extension forces of the elastic bodies. Furthermore, in this configuration, the first and second elastic bodies are fixed only at their ends, and their intermediate portions are exposed. Therefore, when a tensile force acts on the wire and the joint bends, these elastic bodies can be displaced inward (toward the palm). This displacement of the elastic bodies slightly reduces the curvature of the wire, reducing the tendency for the wire to bend.
以下に図面を用いて、本発明に係るロボットハンドの実施形態を説明する。図1は、本実施形態における多関節指を備えたロボットハンド(以下、ロボットハンドHと略称する)の斜視図である。図に示すように、ロボットハンドHは人間の手を模しており、親指,人差し指,中指,薬指,小指に対応した5本の多関節指F1,F2,F3,F4,F5を備えている。以下の説明において、これらを区別する必要がない場合には、指Fと記載する。一方、区別する場合には、親指F1等と記載することがある。 An embodiment of a robot hand according to the present invention will be described below with reference to the drawings. Figure 1 is a perspective view of a robot hand with multi-jointed fingers according to this embodiment (hereinafter abbreviated as robot hand H). As shown in the figure, robot hand H is modeled after a human hand, and has five multi-jointed fingers F1, F2, F3, F4, and F5 corresponding to the thumb, index finger, middle finger, ring finger, and little finger. In the following description, when it is not necessary to distinguish between these, they will be referred to as fingers F. On the other hand, when it is necessary to distinguish between them, they may be referred to as thumb F1, etc.
上述したように、本実施形態におけるロボットハンドHは、人間の右手を模したものであるため、5本の指Fを備えているが、用途によって指Fの本数は適宜変更することができる。また、関節の数も適宜変更可能である。As mentioned above, the robot hand H in this embodiment is modeled after a human right hand and has five fingers F, but the number of fingers F can be changed as appropriate depending on the application. The number of joints can also be changed as appropriate.
図1は、手のひらを上に向けた状態のロボットハンドHを示している。親指F1以外の指は、中手骨11,基節骨12,中節骨13および末節骨14を備えている。中手骨11と基節骨12とは長手方向において隣接するように配置され、隣接部分において回動が可能なように接続されている。この接続部分がMP関節21である。基節骨12と中節骨13も同様にPIP関節22を形成するように接続され、中節骨13と末節骨14もDIP関節23を形成するように接続されている。親指F1もほぼ同様の構成であるが、中節骨13を備えておらず、基節骨12と末節骨14とがIP関節24を形成するように接続されている。このように、各指Fの関節を回動可能とすることにより、指Fの屈曲/伸展動作が可能となっている。 Figure 1 shows a robot hand H with the palm facing up. Each finger, except for the thumb F1, has a metacarpal 11, a proximal phalanx 12, a middle phalanx 13, and a distal phalanx 14. The metacarpal 11 and proximal phalanx 12 are arranged adjacent to each other in the longitudinal direction and are connected to each other so that they can rotate. This connection is the MP joint 21. The proximal phalanx 12 and middle phalanx 13 are similarly connected to form a PIP joint 22, and the middle phalanx 13 and distal phalanx 14 are also connected to form a DIP joint 23. The thumb F1 has a similar configuration, but does not have a middle phalanx 13. Instead, the proximal phalanx 12 and distal phalanx 14 are connected to form an IP joint 24. By allowing the joints of each finger F to rotate in this way, the fingers F can be flexed and extended.
人差し指F2,中指F3,薬指F4,小指F5の中手骨11は、手首付近に位置する基部部材3に挿通固定されている。具体的には、平面視において、隣接する中手骨11どうしが平行になるのではなく、指先が開くような角度をつけて固定されている。親指F1の中手骨11は基部部材3の人差し指F2側の端部に、親指支持部材31を介して固定されている。 The metacarpals 11 of the index finger F2, middle finger F3, ring finger F4, and little finger F5 are inserted and fixed to the base member 3 located near the wrist. Specifically, in a plan view, adjacent metacarpals 11 are not parallel to each other, but are fixed at an angle so that the fingertips are apart. The metacarpal 11 of the thumb F1 is fixed to the end of the base member 3 on the index finger F2 side via a thumb support member 31.
次に、図2を用いて本実施形態における指Fの構造を説明する。図2は、伸展状態の人差し指F2の分解斜視図である。上述したように、各指Fの構造は大きさや上述した親指F1の差異はあるものの基本的には同様の構成である。そのため、ここでは人差し指F2の構造を説明する。Next, the structure of the finger F in this embodiment will be described using Figure 2. Figure 2 is an exploded perspective view of the index finger F2 in an extended state. As mentioned above, the structure of each finger F is basically the same, although there are differences in size and the thumb F1 mentioned above. Therefore, the structure of the index finger F2 will be described here.
人差し指F2は、人間の指と同様に、中手骨11,基節骨12,中節骨13,末節骨14を備えている。中手骨11は、細長い略長方形板状の中手骨板11aと、中手骨板11aの手首側端部の両側面に配置される押さえ部材11cと、から構成されている。基節骨12は、細長い略長方形板状の基節骨内板12aと、基節骨内板12aの両側面に配置される押さえ部材12cと、各々の押さえ部材12cの外側面側に配置される板状の基節骨外板12bと、から構成されている。中節骨13も同様に、細長い略長方形板状の中節骨内板13aと、中節骨内板13aの両側面に配置される押さえ部材13cと、各々の押さえ部材13cの外側面側に配置される板状の中節骨外板13bと、から構成されている。末節骨14は、末節骨内板14aと、末節骨内板14aの両側面に配置される板状の末節骨外板14bと、から構成されている。Like human fingers, the index finger F2 comprises a metacarpal bone 11, a proximal phalanx 12, a middle phalanx 13, and a distal phalanx 14. The metacarpal bone 11 is composed of an elongated, approximately rectangular, plate-shaped metacarpal bone plate 11a and a retaining member 11c arranged on both sides of the metacarpal bone plate 11a at the wrist end. The proximal phalanx 12 is composed of an elongated, approximately rectangular, plate-shaped proximal phalanx inner plate 12a, retaining members 12c arranged on both sides of the proximal phalanx inner plate 12a, and a plate-shaped proximal phalanx outer plate 12b arranged on the outer surface of each retaining member 12c. The middle phalanx 13 is similarly composed of an elongated, approximately rectangular, plate-shaped middle phalanx inner plate 13a, retaining members 13c arranged on both sides of the middle phalanx inner plate 13a, and a plate-shaped middle phalanx outer plate 13b arranged on the outer surface of each retaining member 13c. The distal phalanx 14 is composed of a distal phalanx inner plate 14a and plate-like distal phalanx outer plates 14b arranged on both sides of the distal phalanx inner plate 14a.
図1に示すように、中手骨板11aの手首側の端部は、基部部材3の挿通孔3aに挿通される。この挿通状態にある中手骨板11aに対して、挿通方向の前後と、中手骨板11aの厚み方向と、から固定部材4がネジ止めされる。これにより、第1指部板11aは基部部材3に固定される。なお、図1,2においてネジは省略している。 As shown in Figure 1, the wrist-side end of the metacarpal plate 11a is inserted into the insertion hole 3a of the base member 3. With the metacarpal plate 11a in this inserted state, the fixing members 4 are screwed from the front and rear of the insertion direction and from the thickness direction of the metacarpal plate 11a. This fixes the first finger plate 11a to the base member 3. Note that the screws are omitted in Figures 1 and 2.
中手骨板11aの指先側の端部には基節骨内板12aが配置され、以下順に中節骨内板13a,末節骨内板14aが各々の軸が揃うように配置されている。中手骨板11a,基節骨内板12a,中節骨内板13aの両側には、これらの各々を挟み込む一対の押さえ部材11c,12c,13cが配置されている。押さえ部材11cの長さは固定部材4と同程度であり、中手骨板11aの指先側の固定部材4によって挟み込まれて固定されている。押さえ部材12cの長さは基節骨内板12aの長さより少し短く、押さえ部材12cの手首側の端部と基節骨内板12aの手首側端部とが一致するように配置されている。押さえ部材13cも同様に、その長さは中節骨内板13aの長さより少し短く、押さえ部材13cの手首側の端部と中節骨内板13aの手首側端部とが一致するように配置されている。 The proximal phalanx inner plate 12a is positioned at the fingertip-side end of the metacarpal plate 11a, followed by the middle phalanx inner plate 13a and the distal phalanx inner plate 14a, which are positioned in order with their axes aligned. A pair of clamping members 11c, 12c, and 13c are positioned on either side of the metacarpal plate 11a, proximal phalanx inner plate 12a, and middle phalanx inner plate 13a, sandwiching each of them. The length of clamping member 11c is approximately the same as the fixing member 4, and it is clamped and fixed by the fixing member 4 on the fingertip side of the metacarpal plate 11a. The length of clamping member 12c is slightly shorter than the length of the proximal phalanx inner plate 12a, and is positioned so that the wrist-side end of clamping member 12c is aligned with the wrist-side end of the proximal phalanx inner plate 12a. Similarly, the length of the retaining member 13c is slightly shorter than the length of the middle phalanx inner plate 13a, and the end of the retaining member 13c on the wrist side is positioned so as to coincide with the end of the middle phalanx inner plate 13a on the wrist side.
各々の押さえ部材12cの外側面には基節骨外板12bが配置されており、基節骨外板12bは押さえ部材12cとともに基節骨内板12aに対してネジ止めされている。基節骨外板12bの最も手首側の軸孔12bhには支持軸(図示せず)が挿通され、その支持軸は中手骨板11aの最も指先側の孔11ahに挿入されたベアリング(図示せず)によって支持されている。これにより、基節骨12は回動軸A1周りに回動可能なように中手骨11に接続される。また、この回動可能な接続により、屈曲/伸展が可能なMP関節21が形成される。A proximal phalanx outer plate 12b is disposed on the outer surface of each retaining member 12c, and the proximal phalanx outer plate 12b, together with the retaining member 12c, is screwed to the proximal phalanx inner plate 12a. A support shaft (not shown) is inserted through the shaft hole 12bh of the proximal phalanx outer plate 12b closest to the wrist, and this support shaft is supported by a bearing (not shown) inserted into the hole 11ah of the metacarpal plate 11a closest to the fingertip. This connects the proximal phalanx 12 to the metacarpal 11 so that it can rotate around the rotation axis A1. This rotatable connection also forms the MP joint 21, which can flex and extend.
中節骨13も同様に、各々の押さえ部材13cの外側面には中節骨外板13bが配置されており、中節骨外板13bは押さえ部材13cとともに中節骨内板13aに対してネジ止めされている。中節骨外板13bの最も手首側の軸孔13bhには支持軸(図示せず)が挿通され、その支持軸は基節骨内板12aの最も指先側の孔12ahに挿入されたベアリング(図示せず)によって支持されている。これにより、中節骨13は回動軸A2周りに回動可能なように基節骨12に接続される。また、この回動可能な接続により、屈曲/伸展が可能なPIP関節22が形成される。Similarly, the middle phalanx 13 has an outer phalanx plate 13b positioned on the outer surface of each retaining member 13c, and the outer phalanx plate 13b is screwed together with the retaining member 13c to the inner phalanx plate 13a. A support shaft (not shown) is inserted through the shaft hole 13bh of the outer phalanx plate 13b closest to the wrist, and this support shaft is supported by a bearing (not shown) inserted in the hole 12ah of the inner proximal phalanx plate 12a closest to the fingertip. This connects the middle phalanx 13 to the proximal phalanx 12 so that it can rotate around the rotation axis A2. This rotatable connection also forms a PIP joint 22 that can flex and extend.
末節骨外板14bの最も手首側の軸孔14bhには支持軸(図示せず)が挿通され、その支持軸は中節骨内板13aの最も指先側の孔13ahに挿入されたベアリング(図示せず)によって支持されている。これにより、末節骨14は回動軸A3周りに回動可能なように中節骨13に接続されている。この回動可能な接続により、屈曲/伸展動作が可能なDIP関節23が形成される。A support shaft (not shown) is inserted through shaft hole 14bh in the distal phalanx outer plate 14b, which is closest to the wrist, and this support shaft is supported by a bearing (not shown) inserted in hole 13ah in the middle phalanx inner plate 13a, which is closest to the fingertip. This connects the distal phalanx 14 to the middle phalanx 13 so that it can rotate around rotation axis A3. This rotatable connection forms a DIP joint 23, which can flex and extend.
図3(a)は人差し指F2の斜視図、図3(b)は図3(a)におけるIII-III断面図であり、人差し指F2の基節骨12の断面を表している。図に示すように、押さえ部材12cは断面形状が略コの字状であり、側板51,上板52,下板53を備えている。上板52の上内面52aと基節骨内板12aの上面との間には間隙が形成されており、通路Pを構成している。下板53の下内面53aと基節骨内板12aの下面との間にも同様に間隙(通路P)が形成されている。中節骨13も同様に上下に通路Pが形成されている。 Figure 3(a) is a perspective view of the index finger F2, and Figure 3(b) is a cross-sectional view taken along III-III in Figure 3(a), showing the cross-section of the proximal phalanx 12 of the index finger F2. As shown in the figure, the pressing member 12c has a roughly U-shaped cross-section and comprises a side plate 51, an upper plate 52, and a lower plate 53. A gap is formed between the upper inner surface 52a of the upper plate 52 and the upper surface of the proximal phalanx inner plate 12a, forming a passage P. A similar gap (passage P) is also formed between the lower inner surface 53a of the lower plate 53 and the lower surface of the proximal phalanx inner plate 12a. Similarly, passages P are formed above and below the middle phalanx 13.
図1から3には表していないが、本発明に係るロボットハンドHの指Fは、各々の関節位置に異なる伸展力を作用させる弾性体を配置している。そのため、各関節に対して屈曲力が作用した際に、その伸展力の差異によって各々の関節の屈曲または伸展の大きさが異なり、屈曲または伸展する順序を異ならせている。 Although not shown in Figures 1 to 3, the fingers F of the robot hand H according to the present invention are provided with elastic bodies that apply different extension forces to the positions of each joint. Therefore, when a bending force acts on each joint, the magnitude of bending or extension of each joint differs depending on the difference in the extension force, and the order in which they bend or extend varies.
図4(a)から(d)は人差し指F2の屈曲動作を時系列で表した側断面図である。断面位置は中手骨板11aの図面手前側面であり、図3(a)にIV-IVで示している。以下の実施例における側断面図も同じ断面位置である。なお、弾性体については以下の実施例で説明するため、図4では表していない。 Figures 4(a) to (d) are side cross-sectional views showing the bending movement of the index finger F2 in chronological order. The cross-sectional position is the front side of the metacarpal plate 11a, and is indicated by IV-IV in Figure 3(a). The side cross-sectional views in the following examples also have the same cross-sectional position. Note that the elastic body is not shown in Figure 4, as it will be explained in the following examples.
本実施形態では、手の甲側(図中上側)および手のひら側(図中下側)に線材W1およびW2を設けている。線材W1,W2は手首側から指先に向けて図3に示す通路Pに挿通され、その一端は末節骨14に固定され、もう一端は図示しないアクチュエータ等に接続されている。アクチュエータ等によって線材W1に対して引張力(図中右方向の力)が作用すると、指Fは伸展しようとする。一方、線材W2(本発明における屈曲力作用部の例)に対して引張力(図中右方向の力)が作用すると、指Fは手のひら側に屈曲しようとする。指Fを屈曲させる際には、線材W1に対する引張力は緩めるか解除する必要がある。上述したように、線材W1,W2を通路Pに挿通しているため、これらが弛んだ場合であっても、他の部材や周囲の物に引っかかりにくくなっている。なお、線材W1,W2としてはワイヤー、釣り糸等のアクチュエータ等からの引張力を伝達可能なものであれば使用することができる。In this embodiment, wires W1 and W2 are provided on the back side of the hand (upper side in the figure) and the palm side (lower side in the figure). Wires W1 and W2 are inserted through a passage P shown in FIG. 3 from the wrist toward the fingertips, with one end fixed to the distal phalanx 14 and the other end connected to an actuator or the like (not shown). When a tensile force (force toward the right in the figure) is applied to wire W1 by an actuator or the like, finger F attempts to extend. On the other hand, when a tensile force (force toward the right in the figure) is applied to wire W2 (an example of a bending force application portion in the present invention), finger F attempts to bend toward the palm. To bend finger F, the tensile force on wire W1 must be loosened or released. As described above, because wires W1 and W2 are inserted through passage P, they are less likely to get caught on other components or surrounding objects even if they become loose. Note that wires W1 and W2 can be made of any material capable of transmitting a tensile force from an actuator or the like, such as wire or fishing line.
上述したように、線材W1を緩め、線材W2に引張力を作用させると、この図に示すように、指Fは見かけ上DIP関節23,PIP関節22,MP関節21の順に屈曲していく。当然ながら、関節の屈曲順序は適宜変更可能であり、MP関節21,PIP関節22,DIP関節23の順に屈曲させることも可能である。As described above, when wire W1 is loosened and a tensile force is applied to wire W2, as shown in this figure, finger F appears to bend in the order of DIP joint 23, PIP joint 22, and MP joint 21. Naturally, the order in which the joints bend can be changed as appropriate, and it is also possible to bend finger F in the order of MP joint 21, PIP joint 22, and DIP joint 23.
図5(a)は、本実施例における人差し指F2の側断面図である。本実施例以下の側断面図では、手のひら側が下となっている。図に示すように、MP関節21,PIP関節22,DIP関節23の手のひら側にそれぞれバネ61,62,63(本発明における第1弾性体、第2弾性体の例)を設けている。具体的には、バネ61は圧縮コイルバネであり、押さえ部材11cの指先側の端面と押さえ部材12cの手首側の端面とに挟まれるように配置され、MP関節21に対して伸展方向への付勢力を作用させている。バネ62も圧縮コイルバネであり、押さえ部材12cの指先側の端面と押さえ部材13cの手首側の端面とに挟まれるように配置され、PIP関節22に対して伸展方向への付勢力を作用させている。また、バネ63も圧縮コイルバネであり、押さえ部材13cの指先側の端面と末節骨内板14aの手首側の端面とに挟まれるように配置され、DIP関節23に対して伸展方向への付勢力を作用させている。 Figure 5(a) is a side cross-sectional view of the index finger F2 in this embodiment. In the side cross-sectional views of this embodiment and subsequent figures, the palm side is facing downward. As shown in the figure, springs 61, 62, and 63 (examples of the first elastic body and second elastic body in this invention) are provided on the palm sides of the MP joint 21, PIP joint 22, and DIP joint 23, respectively. Specifically, spring 61 is a compression coil spring, sandwiched between the fingertip-side end face of presser member 11c and the wrist-side end face of presser member 12c, exerting a biasing force on the MP joint 21 in the extension direction. Spring 62 is also a compression coil spring, sandwiched between the fingertip-side end face of presser member 12c and the wrist-side end face of presser member 13c, exerting a biasing force on the PIP joint 22 in the extension direction. The spring 63 is also a compression coil spring, and is arranged so as to be sandwiched between the end face of the pressing member 13c on the fingertip side and the end face of the distal phalanx inner plate 14a on the wrist side, and applies a biasing force to the DIP joint 23 in the extension direction.
線材W2は通路Pおよびバネ61,62,63に挿通されている。そのため、線材W2はほとんど外部に露出しておらず、他の部材等に引っかかりにくくなっている。 The wire W2 is inserted through the passage P and the springs 61, 62, and 63. Therefore, the wire W2 is hardly exposed to the outside, making it less likely to get caught on other components.
バネ61,62,63のバネ定数をそれぞれk1,k2,k3をとすると、k1>k2>k3となっている。そのため、線材W2に対して引張力を作用させると、同じ力に対してバネ63が最も縮みやすく、バネ61が最も縮みにくくなっている。これにより、DIP関節23,PIP関節22,MP関節21の順に屈曲させることができる。 If the spring constants of springs 61, 62, and 63 are k1, k2, and k3, respectively, then k1 > k2 > k3. Therefore, when a tensile force is applied to wire W2, spring 63 compresses most easily and spring 61 compresses least easily for the same force. This allows the DIP joint 23, PIP joint 22, and MP joint 21 to bend in that order.
なお、バネ61,62,63として圧縮コイルバネを用いたが板バネであっても構わない。 Although compression coil springs are used as springs 61, 62, and 63, leaf springs may also be used.
この実施例の変形例として、図5(b)に示すように、バネ61,62,63を単一のバネ6とすることができる。この変形例では、バネ6は押さえ部材11cの指先側の端面から末節骨内板14aの手首側の端面にわたって設けられている。なお、バネ6は基節骨12および中節骨13部分では通路Pに挿通されている。As a modification of this embodiment, as shown in Figure 5(b), springs 61, 62, and 63 can be replaced by a single spring 6. In this modification, spring 6 is provided from the fingertip-side end face of retainer member 11c to the wrist-side end face of distal phalanx inner plate 14a. Spring 6 is inserted through passage P in the proximal phalanx 12 and middle phalanx 13 areas.
この変形例では、バネ6は各関節の両端で固定されており、その固定された間の部分がバネ61,62,63となっている。すなわち、中手骨11での固定位置から基節骨12での固定位置までの部分がバネ61、基節骨12での固定位置から中節骨13での固定位置までの部分がバネ62、中節骨13での固定位置から末節骨14での固定位置までがバネ63に相当する。このとき、バネ61,62,63のバネ定数が上述の関係となるように、巻数を異ならせて固定している。巻数の変更は、固定する間隔を変更したり、固定される部分を伸ばしておいたり等により実現することができる。 In this modified example, spring 6 is fixed at both ends of each joint, with the portions between these fixed positions representing springs 61, 62, and 63. That is, the portion from the fixed position at metacarpal bone 11 to the fixed position at proximal phalanx 12 corresponds to spring 61, the portion from the fixed position at proximal phalanx 12 to the fixed position at middle phalanx 13 corresponds to spring 62, and the portion from the fixed position at middle phalanx 13 to the fixed position at distal phalanx 14 corresponds to spring 63. In this case, springs 61, 62, and 63 are fixed with different numbers of turns so that the spring constants of the springs satisfy the above-mentioned relationship. The number of turns can be changed by changing the interval at which they are fixed or by stretching the fixed portions, etc.
このように、バネ定数が異なるバネ61,62,63を手のひら側の関節部分に配置することによって、バネ定数が小さいバネが配置された関節から順に屈曲させることができる。また、線材W2に対して非常に大きな引張力が作用した場合であっても、バネ61,62,63が一定以上の屈曲を阻害するため、対象物を握り潰すような事故を防止することができる。 In this way, by placing springs 61, 62, and 63 with different spring constants in the joint area on the palm side, the joint can be bent in order, starting with the spring with the smallest spring constant. Furthermore, even if an extremely large tensile force acts on wire W2, springs 61, 62, and 63 will prevent bending beyond a certain level, preventing accidents such as crushing an object.
また、各関節を屈曲させた状態で線材W2を緩めると、バネ61,62,63が弾性復帰し、各関節が伸展状態に変位する。このとき、バネ定数の大きさの違いによって、伸展する関節の順が決まる。具体的には、バネ定数が最も大きいバネ61が配されたMP関節21、PIP関節22,DIP関節23の順に伸展する。すなわち、各関節に配された弾性体のバネ定数の大きさによって、屈曲順だけでなく伸展順も制御することができる。 Furthermore, when wire W2 is released while each joint is bent, springs 61, 62, and 63 elastically return, and each joint is displaced to an extended state. At this time, the order in which the joints extend is determined by the magnitude of the spring constants. Specifically, the MP joint 21, which has the spring 61 with the largest spring constant, extends first, followed by the PIP joint 22 and the DIP joint 23. In other words, not only the bending order but also the extension order can be controlled by the magnitude of the spring constant of the elastic body arranged in each joint.
中手骨11を本発明における第1指部と見た場合には、基節骨12が第2指部、中節骨13が第3指部、MP関節21が第1関節、PIP関節22が第2関節、回動軸A1が第1回動軸、回動軸A2が第2回動軸、バネ61が第1弾性体、バネ62が第2弾性体に相当する。また、基節骨12を本発明における第1指部として見ることもでき、その場合には、中節骨13が第2指部、末節骨14が第3指部、PIP関節21が第1関節、DIP関節23が第2関節、回動軸A2が第1回同軸、回動軸A3が第2回動軸、バネ62が第1弾性体、バネ63が第2弾性体に相当する。以下の実施例も同様である。If the metacarpal bone 11 is considered the first finger portion in this invention, then the proximal phalanx 12 corresponds to the second finger portion, the middle phalanx 13 corresponds to the third finger portion, the MP joint 21 corresponds to the first joint, the PIP joint 22 corresponds to the second joint, the rotation axis A1 corresponds to the first rotation axis, the rotation axis A2 corresponds to the second rotation axis, the spring 61 corresponds to the first elastic body, and the spring 62 corresponds to the second elastic body. Alternatively, the proximal phalanx 12 can be considered the first finger portion in this invention, in which case the middle phalanx 13 corresponds to the second finger portion, the distal phalanx 14 corresponds to the third finger portion, the PIP joint 21 corresponds to the first joint, the DIP joint 23 corresponds to the second joint, the rotation axis A2 corresponds to the first rotation axis, the rotation axis A3 corresponds to the second rotation axis, the spring 62 corresponds to the first elastic body, and the spring 63 corresponds to the second elastic body. This also applies to the following examples.
図6(a)は、本実施例における人差し指F2の側断面図である。本実施例では、図に示すように、MP関節21,PIP関節22,DIP関節23の手の甲側にそれぞれバネ61,62,63(本発明における第1弾性体、第2弾性体の例)を設けている。バネ61,62,63の配置は、手の甲側か手のひら側かの差異を除いて実施例1と同様である。ただし、本実施例におけるバネ61,62,63は引張コイルバネであり、指Fの各々の関節に対して伸展方向への引張力を作用させている。線材W1はバネ61,62,63に挿通されている。線材W1は指Fを屈曲させる際に緩める必要があるが、バネ61,62,63に挿通することによって、他の部材等に引っかかりにくくなっている。 Figure 6(a) is a side cross-sectional view of the index finger F2 in this embodiment. In this embodiment, as shown in the figure, springs 61, 62, and 63 (examples of the first elastic body and second elastic body in the present invention) are provided on the back side of the MP joint 21, PIP joint 22, and DIP joint 23, respectively. The placement of springs 61, 62, and 63 is the same as in Example 1, except for whether they are on the back or palm side of the hand. However, in this embodiment, springs 61, 62, and 63 are tension coil springs, and apply a tensile force in the extension direction to each joint of the finger F. Wire W1 is inserted through springs 61, 62, and 63. Wire W1 needs to be loosened when bending the finger F, but by inserting it through springs 61, 62, and 63, it is less likely to get caught on other components.
バネ61,62,63のバネ定数をそれぞれk1,k2,k3をとすると、k1>k2>k3となるバネ61,62,63を用いている。そのため、線材W2に対して引張力を作用させると、上述したように、DIP関節23,PIP関節22,MP関節21の順に屈曲していく。 Springs 61, 62, and 63 have spring constants k1, k2, and k3, respectively, such that k1 > k2 > k3. Therefore, when a tensile force is applied to wire W2, it bends in the order of DIP joint 23, PIP joint 22, and MP joint 21, as described above.
なお、バネ61,62,63として圧縮コイルバネを用いたが板バネであっても構わない。 Although compression coil springs are used as springs 61, 62, and 63, leaf springs may also be used.
実施例1の変形例と同様に、この実施例の変形例として、図6(b)に示すように、バネ61,62,63を単一のバネ6とすることができる。 As with the modified example of Example 1, as a modified example of this example, springs 61, 62, and 63 can be replaced by a single spring 6, as shown in Figure 6(b).
このように、バネ定数が異なるバネ61,62,63を手の甲側の関節部分に配置することによって、バネ定数が小さいバネが配置された関節から順に屈曲させることができる。 In this way, by placing springs 61, 62, and 63 with different spring constants at the joint portion on the back of the hand, the joints can be bent in order starting from the joint where the spring with the smallest spring constant is placed.
実施例1,2の場合には、バネ61,62,63は関節を伸展させる方向に付勢力または引張力を作用させているため、線材W1を設けない構成とすることもできる。また、線材W1を設けた場合、線材W2の引張力を解除するとバネ61,62,63の作用によって各関節は伸展状態に変位するため、線材W1はその補助として利用できればよく、線材W1の張力を維持しておく必要がない。In the case of Examples 1 and 2, springs 61, 62, and 63 apply a biasing force or a tensile force in the direction of extending the joint, so the wire W1 may be omitted. Furthermore, if wire W1 is provided, when the tensile force of wire W2 is released, the action of springs 61, 62, and 63 displaces each joint into an extended state, so wire W1 can be used as an auxiliary force, and there is no need to maintain the tension of wire W1.
図7は、本実施例における人差し指F2の側断面図である。本実施例では、人間の手の触感に近づけるために、ロボットハンドHは人間の手の筋肉や皮膚等を模した被覆弾性体7で覆われている。被覆弾性体7としてはゴム、シリコンゴム、ウレタンゲル等、指Fの屈曲に際して適度な反発力を生じながら弾性変形する素材を用いることができる。なお、反発力とは、手の甲側であれば引張力に抵抗する力、手のひら側であれば圧縮力に抵抗する力である。 Figure 7 is a side cross-sectional view of the index finger F2 in this embodiment. In this embodiment, in order to approximate the feel of a human hand, the robot hand H is covered with an elastic covering 7 that mimics the muscles, skin, etc. of a human hand. The elastic covering 7 can be made of a material that elastically deforms while generating an appropriate repulsive force when the finger F is bent, such as rubber, silicone rubber, or urethane gel. Note that the repulsive force is a force that resists tensile force on the back of the hand, and a force that resists compressive force on the palm.
本実施例では、被覆弾性体7の各関節部分の手のひら側の厚みを異ならせることにより、各々の関節に作用する反発力を異ならせ、関節の屈曲順を制御している。本実施例では、被覆弾性体7のMP関節21,PIP関節22,DIP関節23の手のひら側に、それぞれ凹部71,72,73を形成することにより、被覆弾性体7の各関節部分の厚みを異ならせている。具体的には、凹部73を最も大きく、凹部71を最も小さくすることにより、DIP関節23近傍の被覆弾性体7の厚みを最も薄く、MP関節21近傍の被覆弾性体7の厚みを最も厚くしている。これにより、凹部73近傍の反発力が最も小さく、凹部71近傍の反発力が最も大きくなっている。このような人差し指F2において、線材W2に引張力を作用させると、凹部が最も大きいDIP関節23が最初に屈曲を開始し、PIP関節22,MP関節21の順に屈曲していく。In this embodiment, the thickness of each joint portion of the elastic covering body 7 on the palm side is varied to vary the repulsive force acting on each joint and control the order in which the joints bend. In this embodiment, recesses 71, 72, and 73 are formed on the palm side of the elastic covering body 7 at the MP joint 21, PIP joint 22, and DIP joint 23, respectively, to vary the thickness of each joint portion of the elastic covering body 7. Specifically, by making recess 73 the largest and recess 71 the smallest, the thickness of the elastic covering body 7 near the DIP joint 23 is the thinnest and the thickness of the elastic covering body 7 near the MP joint 21 is the thickest. This results in the smallest repulsive force near recess 73 and the largest repulsive force near recess 71. When a tensile force is applied to the wire W2 of this index finger F2, the DIP joint 23, which has the largest recess, begins to bend first, followed by the PIP joint 22 and MP joint 21.
当然ながら、反発力の異ならせ方はこれに限定されるものでなく、被覆弾性体7の硬度を部分的に変更する等、本発明の目的を達する限りにおいて変更可能である。また、実施例1,2におけるバネ61,62,63を併用することも可能である。その場合には、バネ61,62,63のバネ係数を考慮して被覆弾性体7の反発力を設定すればよい。Naturally, the method for varying the repulsive force is not limited to this, and can be modified as long as the objective of the present invention is achieved, such as by partially changing the hardness of the covering elastic body 7. It is also possible to use springs 61, 62, and 63 in Examples 1 and 2 in combination. In this case, the repulsive force of the covering elastic body 7 can be set taking into account the spring constants of springs 61, 62, and 63.
本実施例では、MP関節21の伸展状態を維持し、PIP関節22およびDIP関節23のみを屈曲させることができる。図8は本実施例における人差し指F2の屈曲動作を示す側断面図である。本実施例における人差し指F2には、基節骨12に引張力を与える線材W3が備えられている。線材W3の一端は基節骨12の手の甲近傍の中手骨11寄りに固定され、もう一端は図示しないアクチュエータ等に接続されている。なお、第1弾性体、第2弾性体等のその他の構成は上述の実施例のいずれかを使用することができるため、図8には示していない。 In this embodiment, the MP joint 21 can be maintained in an extended state, and only the PIP joint 22 and DIP joint 23 can be flexed. Figure 8 is a side cross-sectional view showing the flexion movement of the index finger F2 in this embodiment. In this embodiment, the index finger F2 is equipped with a wire W3 that applies a tensile force to the proximal phalanx 12. One end of the wire W3 is fixed to the proximal phalanx 12 near the back of the hand, closer to the metacarpal bone 11, and the other end is connected to an actuator or the like (not shown). Note that other components such as the first elastic body and second elastic body are not shown in Figure 8, as they can be those of any of the above-mentioned embodiments.
このような構成の人差し指Fに対して、線材W3に引張力を与えた状態で線材W2を引っ張ると、先ず、最も屈曲しやすいDIP関節23が屈曲し(図8(a))、次にPIP関節22が屈曲する(図8(b))。さらに線材W2を引っ張ると、上述の実施例ではMP関節21が屈曲するが、本実施例では線材W3の引張力によってMP関節21の屈曲が阻害されるため、DIP関節23およびPIP関節22のみが屈曲を続ける(図8(c)~(e))。なお、W3の引張力を制御することにより、DIP関節23およびPIP関節22が所定の屈曲位置となった時点からMP関節21を屈曲させることもできる。When wire W2 is pulled on an index finger F configured as described above while a tensile force is applied to wire W3, the DIP joint 23, which is easiest to bend, bends first (Figure 8(a)), followed by the PIP joint 22 (Figure 8(b)). Further pulling on wire W2 bends the MP joint 21 in the above-described embodiment, but in this embodiment, the tensile force of wire W3 inhibits bending of the MP joint 21, so only the DIP joint 23 and PIP joint 22 continue to bend (Figures 8(c)-(e)). Furthermore, by controlling the tensile force of W3, the MP joint 21 can be bent once the DIP joint 23 and PIP joint 22 reach a predetermined bent position.
このように、本実施例の構成では、MP関節21の屈曲を他の関節の屈曲と独立させて制御することができる。 In this way, the configuration of this embodiment allows the flexion of the MP joint 21 to be controlled independently from the flexion of other joints.
上述したように、本発明に係るロボットハンドHの指Fは、各関節部分に設けられた弾性体(第1弾性体、第2弾性体)の弾性力の差異によって関節の屈曲順を制御することができる。また、第1弾性体、第2弾性体としてバネを用いた場合には、指Fに引張力を作用させる線材の通路として用いることができる。その場合には、線材が他の部材や周囲の物に引っかかることを防止することができる。As described above, the bending order of the joints of the fingers F of the robot hand H according to the present invention can be controlled by the difference in elastic force of the elastic bodies (first elastic body, second elastic body) provided at each joint portion. Furthermore, if springs are used as the first elastic body and second elastic body, they can be used as a passage for a wire that applies a tensile force to the fingers F. In this case, it is possible to prevent the wire from getting caught on other members or surrounding objects.
なお、線材W1や線材W2として金属製のワイヤーを用いた場合、使用を重ねると線材に曲がり癖が生じるおそれがある。この線材の曲がり癖は使用時に大きく曲がるほど生じやすくなる。すなわち、手の甲側に配された線材W1よりも手のひら側に配された線材W2の方が、曲がり癖が生じやすくなっている。上述の実施形態では、この課題の解決方法も示している。具体的には、各関節部分では線材W2の通路であるバネ61,62,63は、両端が固定されているのみであり、また、その中間部分は露出しているため、線材W2に引張力が作用して関節が屈曲する際にこれらのバネは内側に変位することができる。このバネの変位により、線材W2の曲率が少し小さくなり、曲がり癖が生じるのを軽減することができる。 When metal wires are used for wire W1 and wire W2, there is a risk that the wires may develop a tendency to bend with repeated use. The greater the bending of the wire during use, the more likely it is that this tendency will develop. In other words, wire W2 arranged on the palm side of the hand is more likely to develop a tendency to bend than wire W1 arranged on the back side of the hand. The above-described embodiment also shows a solution to this problem. Specifically, at each joint, springs 61, 62, and 63, which serve as the passage for wire W2, are fixed only at both ends, with the middle portion exposed. Therefore, when a tensile force acts on wire W2 and the joint bends, these springs can be displaced inward. This displacement of the springs slightly reduces the curvature of wire W2, reducing the likelihood of it developing a tendency to bend.
この効果は、関節に設けられたバネの手首側の固定位置から指先側の固定位置までの長さに依存する。具体的には、バネの手首側の固定位置から指先側の固定位置までの長さが長いほど、線材W2の曲率を小さくすることができる。図9は屈曲状態のPIP関節22近傍の断面図であり、バネの曲率の変化を示している。なお、図9では、識別しやすくするため、バネ62にハッチングを付している。図9(a)は押さえ部材12c前端と押さえ部材13cの後端とにバネ62を固定した状態である。図9(b)は押さえ部材12cの前端と押さえ部材13cの後端に形成した凹部の指先側の端面とにバネ62を固定した状態である。図9(c)は押さえ部材12cの前端に形成した凹部の手首側の端面と押さえ部材13cの後端に設けた凹部の指先側の端面とにバネ62を固定した状態である。これらの図に示されているように、バネの手首側の固定位置から指先側の固定位置までの長さが長いほど、バネ62の曲率が小さくなり、その中を通っている線材W2の曲率も小さくなっている。This effect depends on the length of the spring attached to the joint from its fixed position on the wrist side to its fixed position on the fingertip side. Specifically, the longer the length from the fixed position on the wrist side to its fixed position on the fingertip side, the smaller the curvature of the wire W2 can be. Figure 9 is a cross-sectional view of the PIP joint 22 and its vicinity in a bent state, showing the change in the spring's curvature. Note that the spring 62 is hatched in Figure 9 for easy identification. Figure 9(a) shows the state in which the spring 62 is fixed to the front end of the presser member 12c and the rear end of the presser member 13c. Figure 9(b) shows the state in which the spring 62 is fixed to the front end of the presser member 12c and the fingertip-side end surface of the recess formed at the rear end of the presser member 13c. Figure 9(c) shows the state in which the spring 62 is fixed to the wrist-side end surface of the recess formed at the front end of the presser member 12c and the fingertip-side end surface of the recess formed at the rear end of the presser member 13c. As shown in these figures, the longer the length from the fixed position on the wrist side of the spring to the fixed position on the fingertip side, the smaller the curvature of the spring 62 and the smaller the curvature of the wire W2 passing through it.
また、本発明に係るロボットハンドHは従来のロボットハンドでは困難であった指弾きを容易に行うことができる。例えば、上述の実施例の人差し指F2の各関節を屈曲させ、伸展しないようにその末節骨14を親指F1で押さえた状態で親指F1をずらすと、バネ61等の復元力によって各関節が勢いよく伸展し、指弾き動作となる。 Furthermore, the robot hand H according to the present invention can easily perform finger snapping, which was difficult with conventional robot hands. For example, if the joints of the index finger F2 in the above-described embodiment are bent and the thumb F1 is pressed against the distal phalanx 14 to prevent extension, and the thumb F1 is then shifted, the restoring force of the springs 61 and other springs causes each joint to vigorously extend, resulting in a finger snapping motion.
〔別実施形態〕
(1)上述の実施形態では、指Fを伸展状態から屈曲状態に変位させたが、屈曲状態から伸展状態に変位させても構わない。その場合にも上述の実施形態と同様に各関節に作用する弾性力を異ならせることによって関節の伸展順を制御することができる。
[Another embodiment]
(1) In the above embodiment, the finger F is displaced from an extended state to a bent state, but it may be displaced from a bent state to an extended state. In this case, too, the order in which the joints are extended can be controlled by varying the elastic force acting on each joint, as in the above embodiment.
(2)上述の実施例1,2では、MP関節21,PIP関節22,DIP関節23にバネ61,62,63を設けたが、最も早く曲がらせたい関節に弾性体(バネ等)を設けない構成とすることもできる。例えば、実施例1,2におけるDIP関節23のバネ63を設けない構成としても構わない。 (2) In the above-described first and second embodiments, springs 61, 62, and 63 are provided in the MP joint 21, the PIP joint 22, and the DIP joint 23. However, it is also possible to configure the joint that is desired to bend most quickly without providing an elastic body (such as a spring). For example, it is also possible to configure the DIP joint 23 in the first and second embodiments without providing the spring 63.
(3)本発明の目的を達する限りにおいて、上述の実施例は適宜変更可能であり、また実施例どうしの組み合わせも可能である。 (3) The above-described embodiments may be modified as appropriate and may be combined with each other as long as the objective of the present invention is achieved.
本発明は、製造現場や義手等の従来知られている用途だけでなく、遠隔コミュニケーションシステムにも用いることができる。このような遠隔コミュニケーションシステムでは、例えば、第1ユーザがいる第1地点に本発明に係るロボットハンドHとモニタを設置し、第2ユーザがいる第2地点にデータグローブ等の手の動きを感知できるセンサとカメラとを設置する。第2地点のカメラによって撮影された映像は第1地点のモニタに表示され、第1ユーザは第2ユーザを視認することができる。また、第2地点において、センサによって第2ユーザの手を握る動作を感知するとその情報は第1地点のロボットハンドHの動作に反映され、ロボットハンドHは第1ユーザの手を握るように各指Fの関節を屈曲させる。このような遠隔コミュニケーションシステムを用いることにより擬似的な身体の接触が可能となり、物理的に離れた場所にいるにも関わらず親近感を高めることができる。 The present invention can be used not only in conventional applications such as manufacturing sites and prosthetic hands, but also in remote communication systems. In such a remote communication system, for example, a robotic hand H according to the present invention and a monitor are installed at a first location where a first user is located, and a sensor capable of detecting hand movements, such as a data glove, and a camera are installed at a second location where a second user is located. Images captured by the camera at the second location are displayed on a monitor at the first location, allowing the first user to visually recognize the second user. Furthermore, when the sensor at the second location detects the second user's hand-clenching motion, this information is reflected in the movement of the robotic hand H at the first location, and the robotic hand H bends the joints of each finger F as if to grasp the first user's hand. Using such a remote communication system enables simulated physical contact, enhancing a sense of closeness despite being physically distant from one another.
A1:回動軸
A2:回動軸
A3:回動軸
H:ロボットハンド
F:指(多関節指)
F1:親指(多関節指)
F2:人差し指(多関節指)
F3:中指(多関節指)
F4:薬指(多関節指)
F5:小指(多関節指)
W1:線材
W2:線材(屈曲力作用部)
11:中手骨
12:基節骨
13:中節骨
14:末節骨
21:MP関節
22:PIP関節
23:DIP関節
24:IP関節
6:バネ(第1弾性体、第2弾性体)
61:バネ
62:バネ
63:バネ
7:被覆弾性体
A1: Rotation axis A2: Rotation axis A3: Rotation axis H: Robot hand F: Finger (multi-joint finger)
F1: Thumb (multi-jointed finger)
F2: Index finger (multi-jointed finger)
F3: Middle finger (multi-jointed finger)
F4: Ring finger (multi-jointed finger)
F5: Little finger (multi-jointed finger)
W1: Wire rod W2: Wire rod (bending force acting part)
11: Metacarpal 12: Proximal phalanx 13: Middle phalanx
14: Distal phalanx 21: MP joint 22: PIP joint 23: DIP joint 24: IP joint 6: Spring (first elastic body, second elastic body)
61: Spring 62: Spring 63: Spring 7: Covered elastic body
Claims (3)
前記多関節指は、少なくとも第1指部と、第2指部と、第3指部と、を備え、
前記第2指部は第1回動軸周りに回動可能に前記第1指部の指先側端部近傍に接続されて、屈曲/伸展可能な第1関節を形成し、
前記第3指部は第2回動軸周りに回動可能に前記第2指部の指先側端部近傍に接続されて、屈曲/伸展可能な第2関節を形成し、
前記第1関節および前記第2関節に屈曲力を作用させる屈曲力作用部と、
前記第1関節近傍に設けられ、前記第1関節に作用する前記屈曲力に抗する伸展力を生じさせるバネである第1弾性体と、
前記第2関節近傍に設けられ、前記第2関節に作用する前記屈曲力に抗する伸展力を生じさせるバネである第2弾性体と、を備え、
前記第2弾性体の前記伸展力は、前記第1弾性体の伸展力よりも小さく、
前記第1関節を跨ぐように前記第1指部と前記第2指部とに固定されて前記第1弾性体を構成するとともに、前記第2関節を跨ぐように前記第2指部と前記第3指部とに固定されて前記第2弾性体を構成する単一のコイルバネを備え、
前記第2弾性体の巻数が前記第1弾性体の巻数よりも少なく、前記第2弾性体のバネ定数が前記第1弾性体のバネ定数よりも小さいロボットハンド。 A robotic hand with articulated fingers,
The multi-joint finger includes at least a first finger portion, a second finger portion, and a third finger portion,
the second finger portion is connected to the first finger portion near a fingertip side end portion so as to be rotatable around a first rotation axis, thereby forming a first joint that can be bent/extended;
the third finger portion is connected to the vicinity of the fingertip side end of the second finger portion so as to be rotatable around a second rotation axis, thereby forming a second joint that is flexible/extendable;
a bending force application unit that applies a bending force to the first joint and the second joint;
a first elastic body that is a spring provided near the first joint and that generates an extension force that resists the bending force acting on the first joint;
a second elastic body that is a spring provided near the second joint and that generates an extension force that resists the bending force acting on the second joint,
the extension force of the second elastic body is smaller than the extension force of the first elastic body;
a single coil spring that is fixed to the first finger portion and the second finger portion so as to straddle the first joint and constitutes the first elastic body, and that is fixed to the second finger portion and the third finger portion so as to straddle the second joint and constitutes the second elastic body;
A robot hand in which the number of turns of the second elastic body is smaller than the number of turns of the first elastic body, and the spring constant of the second elastic body is smaller than the spring constant of the first elastic body .
前記線材は前記コイルバネに挿通されている請求項1記載のロボットハンド。 the coil spring is a compression coil spring provided on the palm side, and the bending force application portion is a wire material, or the coil spring is a tension coil spring provided on the back side of the hand, and includes a wire material that applies an extension force to the first joint and the second joint,
2. The robot hand according to claim 1 , wherein the wire is inserted through the coil spring.
前記多関節指は、少なくとも第1指部と、第2指部と、第3指部と、を備え、The multi-joint finger includes at least a first finger portion, a second finger portion, and a third finger portion,
前記第2指部は第1回動軸周りに回動可能に前記第1指部の指先側端部近傍に接続されて、屈曲/伸展可能な第1関節を形成し、the second finger portion is connected to the first finger portion near a fingertip side end portion so as to be rotatable around a first rotation axis, thereby forming a first joint that can be bent/extended;
前記第3指部は第2回動軸周りに回動可能に前記第2指部の指先側端部近傍に接続されて、屈曲/伸展可能な第2関節を形成し、the third finger portion is connected to the vicinity of the fingertip side end of the second finger portion so as to be rotatable around a second rotation axis, thereby forming a second joint that is flexible/extendable;
前記第1関節および前記第2関節に屈曲力を作用させる屈曲力作用部と、a bending force application unit that applies a bending force to the first joint and the second joint;
前記第1関節の両端にわたって設けられ、前記第1関節に作用する前記屈曲力に抗する伸展力を生じさせ、前記第1関節に対して伸展方向への付勢力を作用させるバネである第1弾性体と、a first elastic body that is a spring provided across both ends of the first joint, generating an extension force that resists the bending force acting on the first joint, and applying a biasing force in an extension direction to the first joint;
前記第2関節の両端にわたって設けられ、前記第2関節に作用する前記屈曲力に抗する伸展力を生じさせ、前記第2関節に対して伸展方向への付勢力を作用させるバネである第2弾性体と、を備え、a second elastic body that is a spring that is provided across both ends of the second joint, generates an extension force that resists the bending force acting on the second joint, and applies a biasing force in an extension direction to the second joint,
前記第2弾性体の前記伸展力は、前記第1弾性体の伸展力よりも小さく、the extension force of the second elastic body is smaller than the extension force of the first elastic body;
前記第2弾性体のバネ定数が前記第1弾性体のバネ定数よりも小さく、the spring constant of the second elastic body is smaller than the spring constant of the first elastic body;
前記第1弾性体および第2弾性体であるバネは、両端のみが固定されるとともに中間部分が露出し、The springs, which are the first elastic body and the second elastic body, are fixed only at both ends and have an exposed middle portion,
前記第1弾性体および前記第2弾性体であるバネは手のひら側に設けられた圧縮コイルバネであるとともに前記屈曲力作用部は線材であり、the first elastic body and the second elastic body are compression coil springs provided on the palm side, and the bending force acting portion is a wire rod;
前記線材は前記圧縮コイルバネに挿通されているロボットハンド。The wire is inserted into the compression coil spring.
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