WO2012039479A1 - 人間型電動ハンド - Google Patents

Abstract

　指を駆動するための指用モーター（１６）がウォーム減速機構（１７）に連結されている。ウォーム減速機構（１７）の出力ギアであるウォームホイール（１９）が回動して、中手指関節（１５）が屈曲／伸展する。また、第１駆動リンク（２１）及び第２駆動リンク（２３）の２つのリンク機構を介して、中手指関節（１５）が近位指節関節（２０）及び遠位指節関節（２２）に連結されている。これにより、中手指関節（１５）の屈曲／伸展動作に連動して、近位指節関節（２０）及び遠位指節関節（２２）が屈曲／伸展する。

Description

人間型電動ハンド

　本発明は、電動義手やヒューマイノイドロボット等に用いられる人間型電動ハンドに関する。

　近年、電動義手あるいはヒューマノイドロボット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。例えば、特許文献１～３に記載の人間型電動ハンドでは、指の各関節がワイヤーによりそれぞれ駆動される。

　上述したように、従来の人間型電動ハンドでは、ワイヤー駆動を採用することにより、重量化を回避しつつ、滑らかな指の動きが実現されている。しかしながら、ワイヤーが長期に亘り使用されると伸びてしまうため、ワイヤーを交換したり、張り直したりする必要がある。そのため、軽量で、かつ保守の容易な人間型電動ハンドが要望されている。

　特許文献３に記載の人間型電動ハンドは、多自由度で、かつ高い把持力を確保するため、拇指以外の指を駆動するために出力の大きいモーターを必要とする。このため、電動ハンドの重量化を招く。また、特許文献１～３の人間型電動ハンドでは、手首部に自由度が設定されていないため、不自然な動作を行う必要がある。例えば、コップを把持したときコップ内の液体をこぼさないようにするには、身体を傾けてコップの姿勢を調整する必要がある。更に、特許文献１～３に記載の人間型電動ハンドでは、制御部が電動ハンドの外部に設けられている。このため、電動ハンドと制御部との間に、多くのケーブルを引き回す必要がある。よって、電動ハンドの動作が制限されたり、電動ハンドの動作の信頼性が低下したりする。

特開２０００－３２５３７５号公報 特開２００１－１０４３４９号公報 特開２００４－０４１２７９号公報

　本発明の目的は、軽量、かつ保守の容易な人間型電動ハンドを提供することにある。

　上記課題を解決するため、本発明の第一の態様によれば、指を駆動するための指用モーターがウォーム減速機構に連結され、ウォーム減速機構の出力ギアが回動して中手指関節が屈曲／伸展し、リンク機構を介して中手指関節を指節関節に連結することにより、中手指関節の屈曲／伸展動作に連動して指節関節を屈曲／伸展するようにした人間型電動ハンドが提供される。

　この構成によれば、指用モーターが回転すると、その回転はウォーム減速機構により減速されてから出力ギアを回動させる。そして、出力ギヤの回動に応じて、指の中手指関節が屈曲／伸展する。また、中手指関節が屈曲／伸展すると、中手指関節にリンク機構を介して連結された指節関節が、中手指関節の動きに連動して屈曲／伸展する。このようにすることで、一つのモーター及びウォーム減速機構、リンク機構のみを備える簡易な構成によって、指を屈曲／伸展させることができる。このため、人間型電動ハンドの軽量化が可能である。また、ワイヤーを用いずに指を屈曲／伸展させるため、部品交換の頻度が少なくなり、保守が容易となる。

　上記の人間型電動ハンドにより物体を把持する場合、物体から人間型電動ハンドの指先に大きい力が加わることがある。このような場合、ウォーム減速機構のセルフロック機能によって、指用モーターの回転が規制される。そのため、指用モーターの動力によることなく、把持に際し、物体から指先に加わる力に抗して、関節角度を保持することができる。よって、指用モーターとして、出力の小さい小型のモーターを採用することができる。

　上記の人間型電動ハンドにおいて、リンク機構は、弾性部材を介して連結された２つの部位からなる駆動リンクを備えていることが好ましい。

　この構成によれば、中手指関節と指節関節とを連結するリンク機構として、弾性部材と、弾性部材を介して連結された２つの部位とからなる駆動リンクが採用されている。このため、指先に加わる外力に応じて駆動リンクが伸縮し、それにより、指節関節の関節角度を弾性的に変化させることができる。これにより、指節関節の関節角度が把持する物体の形状に倣うようになる。よって、安定した物体の把持操作を行うことができる。

　上記の人間型電動ハンドにおいて、弾性部材として、第１の弾性部材と、第２の弾性部材とを備え、第１の弾性部材は、指節関節の関節角度を屈曲側に変化させる方向の力が駆動リンクに作用することで圧縮し、第２の弾性部材は、第１の弾性部材よりも大きい弾性率を有するとともに、指節関節の関節角度を伸展側に変化させる方向の力が駆動リンクに作用することで圧縮し、第２の弾性部材は、第１の弾性部材が圧縮したときに伸長しないように配置されていることが好ましい。

　この構成によれば、指節関節の関節角度を屈曲側に弾性変化させるときには、第２の弾性部材の弾性力は作用せず、より弾性率の小さい第１の弾性部材の弾性力のみが駆動リンクに作用する。一方、指節関節の関節角度を伸展側に弾性変化させるときには、より弾性率の大きい第２の弾性部材の弾性力が駆動リンクに作用する。そのため、指節関節の関節角度を伸展側に弾性的に変化させるときには、指節関節の関節角度を屈曲側に弾性的に変化させるときに比して、より大きい力が必要となる。

　物体を把持するときには、指節関節の関節角度を伸展側に変化させる方向の力が反力として指先に加わる。上記構成では、この反力による指節関節の関節角度の伸展方向への弾性変化には、大きい力が必要となる。そのため、物体の把持中に指節関節が伸びて把持力が低下することを防止でき、物体の把持力を確保することができる。

　上記の人間型電動ハンドにおいて、電動ハンドの拇指は、旋回動作と屈曲／伸展動作とを行う２自由度の機構を有していることが好ましい。

　この構成によれば、物体の把持操作をより容易に行うことができる。なお、拇指の旋回動作とそれ以外の指の屈曲動作とによって、物体を挟み込んで把持することができる。このとき、拇指の押圧は、拇指以外の４本の指に分担されて支持される。このため、各指の屈曲／伸展動作に用いられる指用モーターに、最大出力の小さい小型のモーターを採用することができる。また、拇指の旋回動作用のモーターの最大出力さえ十分に確保できれば、物体の把持を的確に行うことができる。

　上記の人間型電動ハンドにおいて、拇指の旋回動作に用いられるモーターには、各指の屈曲／伸展動作に用いられる指用モーターよりも最大出力の大きいモーターが採用されていることが好ましい。

　上記の人間型電動ハンドにおいて、電動ハンドの手首部は、回内／回外動作と屈曲／伸展動作とを行う２自由度の機構を有していることが好ましい。

　この場合、より自然な腕の姿勢により物体を把持することができる。

　上記の人間型電動ハンドにおいて、手首部の回内／回外動作と屈曲／伸展動作とは、２つのモーターと差動減速機構により行われることが好ましい。

（ａ）は本発明の一実施形態に係る人間型電動ハンドの側面図、（ｂ）は人間型電動ハンドの平面図。 （ａ）は人間型電動ハンドの内部構造を示す側面図、（ｂ）は人間型電動ハンドの平面図。 （ａ）は人間型電動ハンド内の手首駆動機構にカバーが取り付けられた状態を示す平面図、（ｂ）は手首駆動機構からカバーを取り外した状態を示す平面図。 人間型電動ハンドの示指の内部構造を示す側面図。 （ａ）は人間型電動ハンドの示指内の第１駆動リンクの平面図、（ｂ）は第１駆動リンクの側面図。 人間型電動ハンドの拇指の付け根部分の斜視図。 人間型電動ハンドの拇指の斜視図。 人間型電動ハンドの拇指の内部構造を示す側面図。 拇指内の拇指駆動リンクの平面構造を示す平面図。 人間型電動ハンドの分解斜視図。

　以下、本発明の人間型電動ハンドを具体化した一実施の形態を、図１～図１０を参照して詳細に説明する。本実施形態の人間型電動ハンドは、電動義手として使用される。

　図１及び図２に示すように、人間型電動ハンドは、手首部１と、掌部２と、拇指３、示指４、中指５、薬指６及び小指７の５つの指とを備えている。手首部１は、人間の手首に相当する。掌部２は、人間の掌に相当する。

　電動ハンドの表面には、人工皮膚が装着されている。また、人工皮膚と各指のフレームとの間には、圧力センサーが配置されている。人工皮膚としては、デュロメーター硬さ１２、引っ張り強さ９．６ＭＰａ、重量６４ｇのゲル状高機能性素材が用いられている。

　（手首部の構成）
　次に、手首部１の構成について図３を参照して説明する。

　手首部１は、図３に示す手首駆動機構により駆動される。手首駆動機構は、２つの手首用モーター８、９を備えている。図２に示すように、手首用モーター８、９は、人間型電動ハンドの掌部２に内蔵されている。

　図３中の左側に設けられた手首用モーター８の出力軸には、第１傘歯歯車５０が固定されている。第１傘歯歯車５０には、第２傘歯歯車５１が噛合されている。第１及び第２傘歯歯車５０、５１は、それらの軸線を直交させてそれぞれ配置されている。第２傘歯歯車５１には、第３傘歯歯車５２が、第２傘歯歯車５１と共に回転可能に連結されている。第３傘歯歯車５２には、第４傘歯歯車５３が噛合されている。第３及び第４傘歯歯車５２、５３は、それらの軸線を直交させてそれぞれ配置されている。

　図３中の右側に設けられた手首用モーター９の出力軸には、第１傘歯歯車５４が固定されている。第１傘歯歯車５４には、第２傘歯歯車５５が噛合されている。第１及び第２傘歯歯車５４、５５は、それらの軸線を直交させてそれぞれ配置されている。第２傘歯歯車５５には、第３傘歯歯車５６が、第２傘歯歯車５５と共に回転可能に連結されている。第３傘歯歯車５６には、第４傘歯歯車５３が噛合されている。第３及び第４傘歯歯車５６、５３は、それらの軸線を直交させてそれぞれ配置されている。第２傘歯歯車５５及び第３傘歯歯車５６は、第２傘歯歯車５１及び第３傘歯歯車５２と同軸上に配置されている。上記各傘歯歯車５０～５６により、差動減速機構が構成されている。

　（手首部の動作）
　次に、手首部１の動作を説明する。上記の手首駆動機構では、手首用モーター８、９を互いに反対方向に回転させると、第４傘歯歯車５３は回転せず、第２傘歯歯車５１、５５及び第３傘歯歯車５２、５６はそれぞれ同一方向に回転する。このため、手首部１は、掌部２に対して図２（ｂ）の軸Ｌ２周りに回動する。これにより、手首部１が屈曲／伸展するように動く。

　一方、手首用モーター８、９を同一方向に回転させると、図３中の左側の第２傘歯歯車５１及び第３傘歯歯車５２と、図３中の右側の第２傘歯歯車５５及び第３傘歯歯車５６とが互いに反対方向にそれぞれ回転する。このため、第４傘歯歯車５３が回転し、それにより、手首部１は、掌部２に対して図２（ｂ）の軸Ｌ１周りに回動する。これにより、手首部１が回内／回外するように動く。このように、手首部１は、ギア駆動によって回内／回外動作と屈曲／伸展動作とを行う。即ち、手首部１は、２自由度の機構として構成されている。

　（示指等の構成）
　続いて、図４及び図５を参照して、示指４の構成を説明する。人間型電動ハンドでは、中指５、薬指６及び小指７は、各節の長さが異なる以外は、示指４とほぼ共通した構成を有している。

　図４及び図５に示すように、示指４は、掌部２に固定される基部１１と、基節１２、中節１３及び末節１４の３つの節とからなる。基節１２には、指用モーター１６が内蔵されている。指用モーター１６によって、基部１１と基節１２との関節である中手指関節１５が屈曲／伸展動作する。指用モーター１６の出力軸には、ウォーム減速機構１７の入力ギアであるウォーム（ねじ歯車）１８が固定されている。ウォーム１８は、基部１１に固定されたウォームホイール（はす歯歯車）１９に噛合されている。ウォームホイール１９は、ウォーム減速機構１７の出力ギアに相当する。示指４の基節１２は、ウォームホイール１９の軸に対し回動可能に支持されている。ウォームホイール１９の軸は中手指関節１５である。

　基節１２の先端には、基節１２と中節１３との関節である近位指節関節２０が設けられている。近位指節関節２０には、中節１３が回動可能に支持されている。近位指節関節２０と中手指関節１５との間には、第１駆動リンク２１が架設されている。第１駆動リンク２１の基端は、中手指関節１５から偏心した位置に配置されると共に、基部１１に対し回動可能に支持されている。第１駆動リンク２１の先端は、近位指節関節２０から偏心した位置に配置されると共に、中節１３に対し回動可能に支持されている。

　中節１３の先端には、中節１３及び末節１４間の関節である遠位指節関節２２が設けられている。遠位指節関節２２には、末節１４が回動可能に支持されている。遠位指節関節２２と近位指節関節２０との間には、第２駆動リンク２３が架設されている。第２駆動リンク２３の基端は、近位指節関節２０から偏心した位置に配置されると共に、基節１２に対し回動可能に支持されている。第２駆動リンク２３の先端は、遠位指節関節２２から偏心した位置に配置されると共に、末節１４に対し回動可能に支持されている。

　次に、第１駆動リンク２１の構成について図５を参照して説明する。

　図５に示すように、第１駆動リンク２１は、第１ロッド２４と第２ロッド２５との２つのパーツにより形成されている。第１ロッド２４と第２ロッド２５とを並進運動させることで、第１駆動リンク２１は伸縮する。

　第１ロッド２４及び第２ロッド２５は、弾性部材としての２つのコイルばね２６、２７を介して連結されている。２つのコイルばね２６、２７には、弾性率の異なるばねが採用されている。第２の弾性部材に相当するコイルばね２６は、第１の弾性部材に相当するコイルばね２７よりも大きい弾性率を有している。第１駆動リンク２１が縮む際には、コイルばね２７が圧縮される。第１駆動リンク２１が伸びる際には、コイルばね２６が圧縮される。このため、第１駆動リンク２１の長さは、引っ張りあるいは圧縮荷重の作用により、弾性的に変化する。

　なお、コイルばね２６は、第１駆動リンク２１に外力が作用していないときに、圧縮も引っ張りも受けないように配設されている。また、コイルばね２６の両端は、第１ロッド２４及び第２ロッド２５に固定されておらず、コイルばね２６がその自然長まで伸びると、コイルばね２６の両端は、第１ロッド２４及び第２ロッド２５から離間する。したがって、コイルばね２６は、コイルばね２７の圧縮を伴う第１駆動リンク２１の縮小時に、伸長しないように配置されている。

　（示指等の動作）
　次に、示指４の動作を説明する。上述したように、中指５、薬指６及び小指７も、示指４とほぼ共通の構成を有し、それらの動作も示指４のものと同様である。

　指用モーター１６が回転すると、ウォーム１８が回転し、それにより、ウォームホイール１９が回転される。人間型電動ハンドでは、ウォームホイール１９が掌部２に固定されている。このため、指用モーター１６の回転によって、指用モーター１６を内蔵した基節１２が、ウォームホイール１９の軸である中手指関節１５を中心に回動する。これにより、基節１２が、基部１１に対して中手指関節１５を中心に屈曲／伸展する。

　中手指関節１５を中心とする屈曲動作が行われると、その動きが第１駆動リンク２１を介して近位指節関節２０に伝達されて、近位指節関節２０の屈曲動作が行われる。近位指節関節２０の屈曲動作が行われると、その動きが更に第２駆動リンク２３を介して遠位指節関節２２に伝達されて、遠位指節関節２２の屈曲動作が行われる。

　一方、中手指関節１５を中心とする伸展動作が行われると、その動きが第１駆動リンク２１及び第２駆動リンク２３を介して近位指節関節２０及び遠位指節関節２２にそれぞれ伝達されて、近位指節関節２０及び遠位指節関節２２の伸展動作がそれぞれ行われる。このように、示指４は、中手指関節１５の屈曲／伸展動作に連動して近位指節関節２０及び遠位指節関節２２の屈曲／伸展動作を行うように構成されている。

　また、指先に大きい外力が作用しても、ウォーム減速機構のセルフロック機能により、指用モーター１６の回転が規制される。即ち、示指４は、バックドライバビリティーを有していない。そのため、指用モーター１６を停止した状態で指先に外力が加えられても、中手指関節１５の関節角度は一定に保持される。

　一方、第１駆動リンク２１は、弾性的に伸縮可能である。このため、示指４の指先に、同示指４を伸長させる方向の力が加わると、第１駆動リンク２１が伸びて、近位指節関節２０及び遠位指節関節２２がそれぞれ伸展する。よって、指用モーター１６による屈曲動作中に示指４の指先が物体に接触し、その反力が指先に加わると、近位指節関節２０及び遠位指節関節２２がそれぞれ伸展して、示指４がそれ以上屈曲しないようになる。その結果、近位指節関節２０及び遠位指節関節２２の関節角度が、自動的に、把持する物体の形状に倣うようになる。

　このとき、第１駆動リンク２１の伸長と共に、コイルばね２６が圧縮される。そのため、コイルばね２６が圧縮されて生じる弾性力によって、物体を把持する際に指先に加わる反力に抗することができる。よって、物体の把持中に指節関節２０、２２が伸びて人間型電動ハンドの把持力が低下することを防止できる。　一方、指先が爪側から障害物に接触したとき、第１駆動リンク２１が縮んで、近位指節関節２０及び遠位指節関節２２が屈曲する。こうした第１駆動リンク２１の弾性変形により、障害物との衝突により指の各部材に対し作用する力が低減される。

　なお、上述したように、コイルばね２６は、コイルばね２７の圧縮を伴う第１駆動リンク２１の長さの縮小に際して、伸長しないように配置されている。そのため、このときの第１駆動リンク２１には、相対的に小さい弾性率を有するコイルばね２７の弾性力のみが作用する。従って、指先に加わる力が余り大きくないときにも、障害物の接触に応じて、近位指節関節２０及び遠位指節関節２２が弾性的にそれぞれ屈曲する。

　（拇指の構成）
　次に、拇指３の構成について図６～図９を参照して説明する。

　拇指３には、拇指旋回機構が設けられている。拇指旋回機構によって、拇指３は、その付け根部分において旋回可能である。図６に示すように、拇指旋回機構は、掌部２に固定された拇指旋回モーター１０を備えている。拇指旋回モーター１０は、人間型電動ハンドの掌部２に内蔵されている（図２参照）。拇指旋回モーター１０の出力軸には、第１平歯車２８が固定されている。第１平歯車２８には、第２平歯車２９が噛合されている。第２平歯車２９は、拇指３の基部３２に固定されている。拇指旋回モーター１０には、指用モーター１６及び拇指用モーター３６よりも最大出力の大きいモーターが採用されている。

　一方、図７に示すように、拇指３は、基節３３と末節３４との２つの節を有している。拇指３は、基部３２と基節３３との関節である中手指関節３５と、基節３３と末節３４との関節である指節関節４０とを有している。

　図８に示すように、基節３３には、中手指関節３５を屈曲／伸展させるための拇指用モーター３６が内蔵されている。拇指用モーター３６の出力軸には、ウォーム減速機構３７の入力ギアであるウォーム３８が固定されている。ウォーム３８は、拇指３の基部３２に固定されたウォームホイール３９に噛合されている。ウォームホイール３９は、ウォーム減速機構３７の出力ギアに相当する。基節３３は、ウォームホイール３９の軸に対し回動可能に支持されている。ウォームホイール３９の軸は、拇指３の中手指関節３５である。

　基節３３の先端には、指節関節４０が設けられている。指節関節４０には、末節３４が回動可能に支持されている。指節関節４０と中手指関節３５との間には、拇指駆動リンク４１が架設されている。拇指駆動リンク４１の基端は、拇指３の中手指関節３５から偏心した位置に配置されると共に、基部３２（ウォームホイール３９）に対し回動可能に支持されている。拇指駆動リンク４１の先端は、拇指３の指節関節４０から偏心した位置に配置されると共に、末節３４に対し回動可能に支持されている。

　図９に示すように、拇指駆動リンク４１は、第１ロッド６０と第２ロッド６１との２つのパーツにより形成されている。第１ロッド６０と第２ロッド６１とを並進運動させることで、拇指駆動リンク４１は伸縮する。

　第１ロッド６０及び第２ロッド６１は、弾性部材としてのコイルばね６２を介して連結されている。コイルばね６２は、拇指駆動リンク４１の長さの縮小に応じて、第１ロッド６０及び第２ロッド６１により圧縮される。

　このように拇指駆動リンク４１は、　弾性部材を介して連結された２つの部位からなり、弾性的に伸縮可能に構成されている。ただし、拇指駆動リンク４１の弾性的な伸縮は、同拇指駆動リンク４１の自然長、すなわち外力を受けていないときの長さ以下の範囲でのみ許容されている。

　（拇指の動作）
　次に、上記の拇指３の動作を説明する。

　拇指旋回モーター１０が回転すると、その回転は、第１平歯車２８及び第２平歯車２９を介して基部３２に伝達される。これにより、拇指３が旋回する。

　一方、拇指用モーター３６が回転すると、その回転は、ウォーム減速機構３７を介して減速されてから、中手指関節３５に伝達される。これにより、中手指関節３５が屈曲／伸展する。こうして中手指関節３５が屈曲／伸展すると、その動きは、拇指駆動リンク４１を介して指節関節４０に伝達される。その結果、中手指関節３５に連動して指節関節４０も屈曲／伸展する。

　なお、拇指３では、拇指駆動リンク４１がその長さを弾性的に縮小可能である。このため、指先の爪側から障害物に接触すると、拇指駆動リンク４１に圧縮荷重が作用して、それにより、拇指駆動リンク４１の長さが弾性的に縮む。そのため、拇指３においても、障害物との衝突により指の各部材に対し作用する力が低減される。

　一方、拇指駆動リンク４１は、その長さが縮む方向への弾性変形のみが許容され、その長さが伸びる方向へは弾性変形しない。そのため、物体の把持中に、物体から指先に加わる反力で拇指３の指節関節４０が伸びて、物体に対する拇指３の押圧が減じられることはない。

　（制御部の構成）
　次に、人間型電動ハンドの制御部の構成を説明する。

　人間型電動ハンドの甲部４２には、モーターの駆動回路を含む制御用の基板が内蔵されている。即ち、図１０に示すように、甲部４２には、凹部４３が形成されている。凹部４３には、各モーターの駆動回路が設けられたドライバー基板４４、及び制御回路が設けられた制御基板４５が収容されている。甲部４２には、凹部４３を覆うようにハンドカバー４６が取り付けられている。制御基板４５の制御回路は、各モーターのエンコーダー信号や、電動ハンドに装着される圧力センサー信号等を入力として受け、各モーターへのＰＷＭ信号を出力する入出力インターフェイス機能を有している。

　制御基板４５には、ＬＡＮ端子４７が設けられている。制御基板４５の制御回路は、外部機器との通信を行うＬＡＮ機能を有している。また、制御回路は、入力に基づき出力を演算する演算機能も有している。ＬＡＮ機能は、筋電計測システムとも通信可能である。制御回路は、筋電計測システムからの入力信号に基づいて把持力や指関節角度を演算し、各モーターへＰＷＭ信号を出力する。

　制御回路から出力されたＰＷＭ信号は、ドライバー基板４４の駆動回路に入力される。駆動回路は、入力したＰＷＭ信号をパワー増幅して各モーターに出力する。

　制御回路に設けられる集積回路として、ＦＰＧＡが採用されている。ＦＰＧＡは、現場でのリプログラムが可能である。

　以上、上記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）指用モーター１６がウォーム減速機構１７に連結されている。ウォーム減速機構１７の出力ギアであるウォームホイール１９が回動して、中手指関節１５が屈曲／伸展する。また、中手指関節１５と指節関節２０、２２とをリンク機構を介して連結することにより、中手指関節１５の屈曲／伸展動作に連動して指節関節２０、２２が屈曲／伸展する。一方、拇指用モーター３６がウォーム減速機構３７に連結されている。ウォーム減速機構３７の出力ギアであるウォームホイール３９が回動して、中手指関節３５が屈曲／伸展する。また、中手指関節３５と指節関節４０とをリンク機構を介して連結することにより、中手指関節３５の屈曲／伸展動作に連動して指節関節４０が屈曲／伸展する。

　即ち、指用モーター１６が回転すると、その回転はウォーム減速機構１７により減速されてからウォームホイール１９を回動させる。そして、ウォームホイール１９の回動に応じて、指の中手指関節１５が屈曲／伸展する。また、中手指関節１５が屈曲／伸展すると、指節関節２０、２２が、中手指関節１５の動きに連動して屈曲／伸展する。一方、拇指用モーター３６が回転すると、その回転はウォーム減速機構３７により減速されてからウォームホイール３９を回動させる。そして、ウォームホイール３９の回動に応じて、指の中手指関節３５が屈曲／伸展する。また、中手指関節３５が屈曲／伸展すると、指節関節４０が、中手指関節３５の動きに連動して屈曲／伸展する。

　この構成によれば、一つのモーター１６、３６及びウォーム減速機構１７、３７、リンク機構のみを備える簡易な構成によって、指を屈曲／伸展させることができる。このため、人間型電動ハンドの軽量化が可能である。また、ワイヤーを用いずに指を屈曲／伸展させるため、部品交換の頻度が少なくなり、保守が容易となる。よって、上記の人間型電動ハンドによれば、軽量化が可能であり、保守が容易となる。

　（２）人間型電動ハンドにより物体を把持する場合、物体から人間型電動ハンドの指先に大きい力が加わることがある。このような場合、ウォーム減速機構１７のセルフロック機構によって、中手指関節１５の関節角度を一定に保持することができる。そのため、指用モーター１６の動力によることなく、物体の把持に際し、物体から指先に加わる力に抗して、中手指関節１５の関節角度を保持することができる。よって、指用モーター１６として、出力の小さい小型のモーターを採用することができる。

　（３）示指４、中指５、薬指６及び小指７の中手指関節１５と指節関節２０、２２とを連結するリンク機構として、コイルばね２６及びコイルばね２７と、コイルばね２６及びコイルばね２７を介して連結された第１ロッド２４及び第２ロッド２５とからなる駆動リンク２１が採用されている。また、拇指３の中手指関節３５と指節関節４０とを連結するリンク機構として、コイルばね６２と、コイルばね６２を介して連結された第１ロッド６０及び第２ロッド６１とからなる拇指駆動リンク４１が採用されている。この構成によれば、指節関節２０、２２、４０の関節角度が把持する物体の形状に倣うようになる。よって、安定した物体の把持操作を行うことができる。

　（４）第１駆動リンク２１の第１ロッド２４及び第２ロッド２５を連結する弾性部材として、コイルばね２７と、コイルばね２６とが設けられている。コイルばね２７は、近位指節関節２０及び遠位指節関節２２の関節角度を屈曲側に弾性変化させる方向の力が第１駆動リンク２１に作用したときに圧縮して、その力に抗する方向の弾性力を発生する。コイルばね２６は、近位指節関節２０及び遠位指節関節２２の関節角度を伸展側に弾性変化させる方向の力が第１駆動リンク２１に作用したときに圧縮して、その力に抗する方向の弾性力を発生する。また、コイルばね２６は、コイルばね２７よりも大きい弾性率を有している。更にコイルばね２６は、コイルばね２７が圧縮されたときに、伸長しないように配置されている。このため、第１駆動リンク２１の伸縮に応じた指節関節２０、２２の関節角度の弾性変化に際して、指が伸びる方向には、大きな力が必要となる。よって、指節関節の関節角度の自動調整を行いつつ、物体を把持する際に指先に加わる反力に抗することができる。よって、指が伸びて把持力が低下することを防止でき、物体の把持力を確保することができる。

　（５）指用モーター１６及び拇指用モーター３６は各指に内蔵されている。よって、各指を屈曲／伸展するのに必要な構成のすべてを、各指に内蔵することができる。

　（６）拇指３は、旋回動作と屈曲／伸展動作とを行う。即ち、拇指３は、２自由度を有する機構として構成されている。このため、物体の把持操作をより容易に行うことができる。

　（７）拇指旋回モーター１０は、拇指３の旋回動作を行うと共に、電動ハンドの掌部２に内蔵されている。このため、電動ハンドの拇指３がよりコンパクトになる。

　（８）拇指用モーター３６は、拇指３の屈曲／伸展動作を行うと共に、設置スペースの限られた拇指３の基節３３に内蔵されている。このため、拇指用モーター３６に大型モーターを採用することは困難である。一方、拇指旋回モーター１０は、設置スペースに余裕のある掌部２に内蔵されている。このため、拇指旋回モーター１０に大型モーターを採用することは可能である。よって、拇指用モーター３６のパワー不足を、拇指旋回モーター１０のパワーで補うことができる。従って、人間型電動ハンドから大きい把持力を生み出すことができる。

　（９）手首部１は、回内／回外動作と屈曲／伸展動作とを行う。即ち、手首部１は、２自由度の機構として構成されている。そのため、より自然な腕の姿勢により物体を把持することができる。

　（１０）拇指旋回モーター１０には、指用モーター１６よりも最大出力の大きいモーターが採用されている。上記の人間型電動ハンドによれば、拇指３の掌側への旋回動作による押圧と、残りの４本の指の屈曲動作による押圧とによって、物体を挟み込んで把持することができる。このとき、拇指３以外の各指は、拇指３の押圧を分担して受ける。このため、把持力を確保するのに、拇指３以外の各指の屈曲による押圧を必要以上に大きくする必要はない。よって、拇指旋回モーター１０にのみ最大出力の大きいモーターを採用し、指用モーター１６には最大出力の小さい小型のモーターを採用することができる。従って、人間型電動ハンドの小型化、軽量化が可能となる。

　（１１）手首部１の回内／回外動作と屈曲／伸展動作とが、２つの手首用モーター８、９と差動減速機構５０～５６により行われる。よって、比較的簡易な構成によって、上述した２つの動作を行うことができる。

　（１２）手首用モーター８、９が、電動ハンドの掌部２に内蔵されている。そのため、電動ハンドの駆動機構のすべてを、電動ハンドに内蔵することができる。また、電動義手として使用するに際し、手首用モーター８、９を手首部１よりも前腕側に設置する場合がある。この場合、前腕の切断位置から喪失した手首までの長さが十分に長くないと、電動ハンドを装着した一方の手の長さが長くなり過ぎてしまい、他方の手の長さとアンバランスとなる。その点、本発明によれば、手首用モーター８、９が掌部２に内蔵されているため、前腕の切断位置に関係なく、前腕の切断箇所に電動ハンドを装着することができる。即ち、切断位置と電動ハンドとの間に介装されるソケットの長さを調節するだけで、電動ハンドを適切に装着することができる。

　（１３）ドライバー基板４４及び制御基板４５は、モーターの駆動回路を含む制御用の基板を含むと共に、電動ハンドの甲部４２に内蔵されている。このため、電動ハンドと外部との間に、指令信号の送信用の信号ケーブル及び電源用のケーブルのみを配線すればよい。よって、ケーブルによって電動ハンドの動きが制限されることはない。また、ケーブルが断線して電動ハンドの動作の信頼性が低下するといったこともない。

　（１４）拇指３の指節関節４０の関節角度の弾性変化が屈曲側に限定されている。そのため、物体の把持中に、物体から指先に加わる反力で拇指３の指節関節４０が伸びてしまい、物体に対する拇指３の押圧が減じられることはない。したがって、より確実に把持力を確保することができる。

　上記の実施形態は、以下のように変更してもよい。

　・上記実施形態では、両端を固定しないようにコイルばね２６を設置することで、コイルばね２７の圧縮を伴う第１駆動リンク２１の縮小時に、コイルばね２６が伸長しないようにしていた。コイルばね２６のいずれか一方の端が固定されていても、もう一方の端が固定されていなければ、第１駆動リンク２１の縮小時に、コイルばね２６は伸長しないようになる。よって、少なくとも一方の端が固定されないようにコイルばね２６を設置すれば、指節関節２０、２２の関節角度を伸展側に弾性変化させるために必要な力を、同関節角度を屈曲側に弾性変化させるために必要な力よりも大きくすることができる。

　・上記の実施形態において、手首駆動機構や各指のリンク機構、ウォーム減速機構１７、３７の機能を実現可能であれば、それらの構成を任意に変更してもよい。

　・上記の実施形態において、配線の取り回しが問題とならないのであれば、ドライバー基板４４や制御基板４５を電動ハンドの外部に設けてもよい。

　・上記の実施形態において、手首部１の前腕側に十分な設置スペースを確保できるのであれば、手首用モーター８、９を手首部１の前腕側に設置してもよい。

　・上記の実施形態において、手首部１を、回内／回外動作及び屈曲／伸展動作のいずれか一方のみを行う１自由度の機構として構成してもよい。また、手首部１の自由度を「０」としてもよい。

　・上記の実施形態において、拇指３に十分な設置スペースを確保できるのであれば、拇指旋回モーター１０を拇指３に内蔵してもよい。

　・上記の実施形態において、拇指３を、屈曲／伸展動作のみを行う１自由度の機構として構成してもよい。

　・上記の実施形態において、指に十分な設置スペースを確保できない場合には、指用モーター１６や拇指用モーター３６を電動ハンドの掌部２に設置してもよい。

　・上記の実施形態において、駆動リンク２１、４１を構成する第１ロッド２４及び第２ロッド２５間に介設される弾性部材として、コイルばねに代えて、板ばねや、ゴム等の弾性部材を使用してもよい。この場合も、駆動リンク２１、４１に作用する引っ張り、圧縮荷重に応じて、弾性部材がその軸線に沿って伸縮可能であれば、把持する物体の形状に倣うように関節角度を自動で調整でき、物体を安定的に把持することができる。

　・上記の実施形態において、中手指関節１５、３５と指節関節２０、２２、４０とを連結するリンク機構には、弾性部材であるコイルばね２６、２７と、コイルばね２６、２７を介して連結された第１ロッド２４及び第２ロッド２５とからなる第１駆動リンク２１、拇指駆動リンク４１をそれぞれ採用した。もっとも、把持する物体の形状に倣って関節角度を調整する必要が無ければ、駆動リンク２１、４１の長さは固定であってもよい。

　・上記の実施形態において、本発明の人間型電動ハンドを電動義手に適用したが、ヒューマノイドロボット用の電動ハンドに適用してもよい。

　１…手首部、１ａ…カバー、２…掌部、３…拇指（３２…基部、３３…基節、３４…末節、３５…中手指関節、４０…指節関節）、４…示指（１１…基部、１２…基節、１３…中節、１４…末節、１５…中手指関節、２０…近位指節関節（指節関節）、２２…遠位指節関節（指節関節））、５…中指、６…薬指、７…小指、８…手首用モーター（手首部の回内／回外動作と屈曲／伸展動作を行うための２つのモーターの一つ）、９…手首用モーター（手首部の回内／回外動作と屈曲／伸展動作を行うための２つのモーターの一つ）、１０…拇指旋回モーター、１６…指用モーター、１７…ウォーム減速機構、１８…ウォーム、１９…ウォームホイール（出力ギア）、２１…第１駆動リンク（リンク機構；弾性部材を介して連結された２つの部位からなる駆動リンク）、２３…第２駆動リンク、２４…第１ロッド（弾性部材を介して連結された２つの部位のうちの一つ）、２５…第２ロッド（弾性部材を介して連結された２つの部位のうちの一つ）、２６…コイルばね（弾性部材）、２７…コイルばね（弾性部材）、２８…第１平歯車、２９…第２平歯車、３６…拇指用モーター（指用モーター）、３７…ウォーム減速機構、３８…ウォーム、３９…ウォームホイール（出力ギア）、４１…拇指駆動リンク（リンク機構；弾性部材を介して連結された２つの部位からなる駆動リンク）、４２…甲部、４３…凹部、４４…ドライバー基板（制御用の基板）、４５…制御基板（制御用の基板）、４６…ハンドカバー、４７…ＬＡＮ端子、５０…第１傘歯歯車（差動減速機構）、５１…第２傘歯歯車（差動減速機構）、５２…第３傘歯歯車（差動減速機構）、５３…第４傘歯歯車（差動減速機構）、５４…第１傘歯歯車（差動減速機構）、５５…第２傘歯歯車（差動減速機構）、５６…第３傘歯歯車（差動減速機構）、６０…第１ロッド（弾性部材を介して連結された２つの部位のうちの一つ）、６１…第２ロッド（弾性部材を介して連結された２つの部位のうちの一つ）、６２…コイルばね（弾性部材）。

Claims (7)

1. 指を駆動するための指用モーターがウォーム減速機構に連結され、前記ウォーム減速機構の出力ギアが回動して中手指関節が屈曲／伸展し、リンク機構を介して前記中手指関節を指節関節に連結することにより、前記中手指関節の屈曲／伸展動作に連動して前記指節関節を屈曲／伸展するようにしたことを特徴とする人間型電動ハンド。
2. 前記リンク機構は、弾性部材を介して連結された２つの部位からなる駆動リンクを備えていることを特徴とする請求項１に記載の人間型電動ハンド。
3. 前記弾性部材として、第１の弾性部材と、第２の弾性部材とを備え、
   　前記第１の弾性部材は、前記指節関節の関節角度を屈曲側に変化させる方向の力が前記駆動リンクに作用することで圧縮し、
   　前記第２の弾性部材は、前記第１の弾性部材よりも大きい弾性率を有するとともに、前記指節関節の関節角度を伸展側に変化させる方向の力が前記駆動リンクに作用することで圧縮し、
   　前記第２の弾性部材は、前記第１の弾性部材が圧縮したときに伸長しないように配置されていることを特徴とする請求項２に記載の人間型電動ハンド。
4. 前記電動ハンドの拇指は、旋回動作と屈曲／伸展動作とを行う２自由度の機構を有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人間型電動ハンド。
5. 前記拇指の旋回動作に用いられるモーターには、各指の屈曲／伸展動作に用いられる前記指用モーターよりも最大出力の大きいモーターが採用されていることを特徴とする請求項４に記載の人間型電動ハンド。
6. 前記電動ハンドの手首部は、回内／回外動作と屈曲／伸展動作とを行う２自由度の機構を有してい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人間型電動ハンド。
7. 前記手首部の回内／回外動作と屈曲／伸展動作とは、２つのモーターと差動減速機構により行われることを特徴とする請求項６に記載の人間型電動ハンド。

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