特開 2023-41344 ロボットのハンド機構

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023041344

(43)【公開日】2023-03-24

(54)【発明の名称】ロボットのハンド機構

(51)【国際特許分類】

   B25J 15/00 20060101AFI20230316BHJP

【ＦＩ】

B25J15/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021148664

(22)【出願日】2021-09-13

(71)【出願人】

【識別番号】515304190

【氏名又は名称】株式会社人機一体

(74)【代理人】

【識別番号】110000475

【氏名又は名称】弁理士法人みのり特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】金岡 克弥

【テーマコード（参考）】

3C707

【Ｆターム（参考）】

3C707DS01

3C707ES04

3C707ET00

3C707EU07

3C707EV02

3C707EW11

3C707HS27

3C707MT04

3C707MT11

(57)【要約】

【課題】１２０°状態とされた３本の指の指先を一点で集めて比較的小さな対象物を把持できるハンド機構を提供する。
【解決手段】ハンド機構１０Ａは、所定の基準点を向くように基部２０に固定された固定指１１と、２本の旋回指１２，１３と、旋回指１２，１３と基部２０との間に設けられ、ＸＹ平面内での旋回指１２，１３の旋回を可能とする指旋回機構３０と、旋回指１２，１３と基部２０との間に設けられ、旋回指１２，１３の向きを決定づける指方向決定機構３４，３６とを備える。１２０°状態において、旋回指１２，１３が基準点を向き、かつ固定指１１と基準点とを結ぶ線、および旋回指１２，１３と基準点とを結ぶ線が同一の長さである。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロボットアームに取り付けて使用されるハンド機構であって、
前記ロボットアームの先端に取り付けられる取付面を有する基部と、
所定の基準点を向くように前記基部に固定された固定指と、
２本の旋回指と、
前記２本の旋回指のそれぞれと前記基部との間に設けられ、前記取付面に平行な基準面内での前記旋回指の旋回を可能とする指旋回機構と、
前記２本の旋回指のそれぞれと前記基部との間に設けられ、前記旋回指の向きを決定づける指方向決定機構と、
を備え、
前記固定指および前記２本の旋回指は、
（１）前記２本の旋回指の間に前記固定指が位置するように、前記固定指および前記２本の旋回指が一列をなした０°状態と、
（２）前記固定指と前記基準点とを結ぶ線、および前記２本の旋回指のそれぞれと前記基準点とを結ぶ線が１２０°をなした１２０°状態と、
（３）前記２本の旋回指のそれぞれが、０°状態における前記２本の旋回指のそれぞれに正対した１８０°状態と
をとることができ、
前記１２０°状態において、前記旋回指が前記基準点を向き、かつ前記固定指と前記基準点とを結ぶ線、および前記旋回指と前記基準点とを結ぶ線が同一の長さである
ことを特徴とするハンド機構。

【請求項2】

前記指旋回機構は、
前記基部に固定された、前記基準面に垂直な方向に延びる出力軸を有するモータと、
一端および他端を有し、前記一端が減速機を介して前記出力軸に固定されるとともに、前記他端が前記旋回指に回動自在に連結された旋回アームと、
を含み、
前記出力軸は、０°状態とされた前記旋回指から延びる、前記固定指と前記基準点とを結ぶ線に平行な平行線上にあり、
前記指方向決定機構は、
前記基部に回動自在に連結されたガイドフラップと、
前記ガイドフラップに対して摺動自在であり、かつ前記旋回指に固定された摺動部と、
を含み、
前記ガイドフラップの回動軸は、１２０°状態とされた前記旋回指と前記基準点とを結ぶ線、および前記平行線の交点にある
ことを特徴とする請求項１に記載のハンド機構。

【請求項3】

前記基準点を向くように前記基部に固定された追加固定指をさらに備え、
前記追加固定指は、前記固定指に正対し、かつ前記固定指と前記基準点とを結ぶ線、および前記追加固定指と前記基準点とを結ぶ線が同一の長さである
ことを特徴とする請求項１または２に記載のハンド機構。

【請求項4】

前記基部は、前記ロボットアームの先端に旋回可能に取り付けられ、
前記基準点は、前記ロボットアームに対する旋回の旋回軸上にある
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のハンド機構。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ロボットアームに取り付けて使用されるハンド機構に関し、特に、３本以上の指を備えたハンド機構に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、目的に応じて様々なハンド機構が使用されている。例えば、様々な大きさおよび形状の対象物を把持することを意図したハンド機構として、非特許文献１に記載のものが使用されている。

【0003】

図９に示すように、非特許文献１に記載のハンド機構１００は、ロボットアームの先端に旋回可能に取り付けられる基部１０１と、基部１０１に固定された固定指１０２と、基部１０１の取付面（下面）に平行な面内で旋回し得るように該基部１０１に取り付けられた２本の旋回指１０３，１０４とを備えている。

【0004】

３本の指１０２，１０３，１０４は、図１０に示すように、３本の指１０２，１０３，１０４が一列に並んだ０°状態、０°状態から２本の旋回指１０３，１０４をそれぞれ１２０°旋回させた１２０°状態、および１２０°状態から２本の旋回指１０３，１０４をそれぞれさらに６０°旋回させた１８０°状態をとることができる。比較的小さな対象物を把持する場合は、１２０°状態が好適である。１２０°状態では、３本の指１０２，１０３，１０４の先端（指先）で対象物をつまむように把持することができる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】“多目的ロボットハンド BarrettHand BH8-282”、［online］、日本バイナリー株式会社、［令和3年7月19日検索］、インターネット〈URL：http://www.nihonbinary.co.jp/Products/Robot/BarrettHand.html〉

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記従来のハンド機構１００は、１２０°状態とされた３本の指１０２，１０３，１０４を一律に曲げていった場合、３つの指先は一点で集まらない。これは、２本の旋回指１０３，１０４をどのように旋回させても、ロボットアームに対する基部１０１の旋回軸１０５について対称にならないことによる。このため、このハンド機構１００では、３つの指先を一点で集めて比較的小さな対象物を把持させようとする場合、旋回指もしくは固定指、またはその両方の指開閉駆動機構に２自由度以上の自由度を持たせて、指の開閉具合を適宜調節しなければならない。これは、指の機構および制御を複雑化させる一因となる。

【0007】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、各指の指開閉駆動機構が１自由度しか持たない場合でも、１２０°状態とされた３本の指の指先を一点で集めて比較的小さな対象物を把持できるハンド機構を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明に係る、ロボットアームに取り付けて使用されるハンド機構は、ロボットアームの先端に取り付けられる取付面を有する基部と、所定の基準点を向くように基部に固定された固定指と、２本の旋回指と、２本の旋回指のそれぞれと基部との間に設けられ、取付面に平行な基準面内での旋回指の旋回を可能とする指旋回機構と、２本の旋回指のそれぞれと基部との間に設けられ、旋回指の向きを決定づける指方向決定機構とを備え、固定指および２本の旋回指は、（１）２本の旋回指の間に固定指が位置するように、固定指および２本の旋回指が一列をなした０°状態と、（２）固定指と基準点とを結ぶ線、および２本の旋回指のそれぞれと基準点とを結ぶ線が１２０°をなした１２０°状態と、（３）２本の旋回指のそれぞれが、０°状態における２本の旋回指のそれぞれに正対した１８０°状態とをとることができ、１２０°状態において、旋回指が基準点を向き、かつ固定指と基準点とを結ぶ線、および旋回指と基準点とを結ぶ線が同一の長さであることを特徴とする。

【0009】

上記ハンド機構の指旋回機構は、例えば、基部に固定された、基準面に垂直な方向に延びる出力軸を有するモータと、一端および他端を有し、一端が減速機を介して出力軸に固定されるとともに、他端が旋回指に回動自在に連結された旋回アームとを含み、出力軸は、０°状態とされた旋回指から延びる、固定指と基準点とを結ぶ線に平行な平行線上にある、との構成をとることができる。

【0010】

上記ハンド機構の指方向決定機構は、例えば、基部に回動自在に連結されたガイドフラップと、ガイドフラップに対して摺動自在であり、かつ旋回指に固定された摺動部とを含み、ガイドフラップの回動軸は、１２０°状態とされた旋回指と基準点とを結ぶ線、および平行線の交点にある、との構成をとることができる。

【0011】

上記ハンド機構は、基準点を向くように基部に固定された追加固定指をさらに備え、追加固定指は、固定指に正対し、かつ固定指と基準点とを結ぶ線、および追加固定指と基準点とを結ぶ線が同一の長さである、との構成を有していてもよい。

【0012】

上記ハンド機構の基部は、ロボットアームの先端に旋回可能に取り付けられてもよい。この場合は、ロボットアームに対する旋回の旋回軸上に基準点を設定することができる。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、１２０°状態とされた３本の指の指先を一点で集めて比較的小さな対象物を把持できるハンド機構を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施例に係るハンド機構の１２０°状態における斜視図である。

【図2】本発明の実施例に係るハンド機構の０°状態における斜視図である。

【図3】本発明の実施例に係るハンド機構の１８０°状態における斜視図である。

【図4】本発明の実施例に係るハンド機構の分解斜視図である。

【図5】本発明の実施例に係るハンド機構を構成する主要部材の位置関係を示す模式平面図であって、（Ａ）は０°状態における模式平面図、（Ｂ）は１２０°状態における模式平面図、（Ｃ）は１８０°状態における模式平面図である。

【図6】本発明の実施例に係るハンド機構の平面図であって、（Ａ）は０°状態における平面図、（Ｂ）は１２０°状態における平面図、（Ｃ）は１８０°状態における平面図である。

【図7】本発明の第１変形例に係るハンド機構の斜視図である。

【図8】本発明の第２変形例に係るハンド機構の斜視図である。

【図9】従来のハンド機構の斜視図である。

【図10】従来のハンド機構の旋回動作を示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、添付図面を参照しながら、本発明に係るハンド機構の実施例について説明する。

【0016】

［実施例］
図１～図４に、３本の同一構造の指（固定指１１、および２本の旋回指１２，１３）を備えた、本発明の実施例に係るハンド機構１０Ａを示す。ハンド機構１０Ａは、旋回軸Ｒ１まわりの旋回が可能となるように不図示のロボットアームの先端に取り付けて使用される。ハンド機構１０Ａは、図１，図６（Ｂ）に示した１２０°状態の他、図２，図６（Ａ）に示した０°状態、および図３，図６（Ｃ）に示した１８０°状態をとることができる。

【0017】

図１に示すように、ハンド機構１０Ａは、旋回軸Ｒ１を含むＹＺ平面に対して面対称な形状を有する基部２０を備えている。基部２０は、ＸＹ平面に平行な取付面２０ａと、２つのモータ収容室２１，２１とを有している。各モータ収容室２１には、Ｚ方向に延びた出力軸Ｒ２（図４参照）まわりに回転可能な出力部を有するモータが収容されている。そして、各モータの出力部には、適当な減速機２２が設けられている。

【0018】

ハンド機構１０Ａは、その上端において固定指１１を回動可能に支持する略板状の固定指支持部２３をさらに備えている。固定指１１は、旋回軸Ｒ１の方を向いており、固定指支持部２３の外向きの主面に設けられた固定指開閉駆動機構２４の作用により固定指支持部２３に対して回動する。言い換えると、固定指１１は、固定指開閉駆動機構２４の作用により開いたり閉じたりする。本実施例では、固定指開閉駆動機構２４の自由度は１である。

【0019】

なお、本明細書では、固定指１１と固定指支持部２３とを組み合わせたものを「固定指」と呼ぶことがある。

【0020】

ハンド機構１０Ａは、ＸＹ平面内で延びた２つの旋回アーム３０，３０をさらに備えている。各旋回アーム３０は、一端および他端を有し、一端が減速機２２を介してモータの出力部に固定されるとともに、他端が後述する連結部３３（旋回指支持部３１）に回動自在に連結されている。つまり、各旋回アーム３０は、基部２０に対して出力軸Ｒ２まわりに旋回可能であるとともに、連結部３３（旋回指支持部３１）に対して回動軸Ｒ３（図４参照）まわりに回動自在となっている。

【0021】

モータがある方向に回転すると、その回転量と減速機２２の減速比に応じた角度だけ旋回アーム３０がＸＹ平面内で旋回し、３本の指１１，１２，１３の位置関係（状態）が０°状態→１２０°状態→１８０°状態のように変化していく。一方、モータが逆の方向に回転すると、その回転量と減速比に応じた角度だけ旋回アーム３０がＸＹ平面内で旋回し、３本の指１１，１２，１３の位置関係が１８０°状態→１２０°状態→０°状態のように変化していく。

【0022】

ハンド機構１０Ａは、その上端において旋回指１２を回動可能に支持する略板状の旋回指支持部３１をさらに備えている。旋回指支持部３１は、その内向きの主面から突き出た連結部３３を有し、この連結部３３によって旋回アーム３０に回動自在に連結されている。旋回指１２は、旋回指支持部３１の外向きの面に設けられた旋回指開閉駆動機構３２の作用により旋回指支持部３１に対して回動する。言い換えると、旋回指１２は、旋回指開閉駆動機構３２の作用により開いたり閉じたりする。本実施例では、旋回指開閉駆動機構３２の自由度は１である。

【0023】

当然ながら、ハンド機構１０Ａは、その上端において旋回指１３を回動可能に支持する略板状の旋回指支持部３１も備えている。

【0024】

なお、本明細書では、旋回指１２と旋回指支持部３１とを組み合わせたもの、および旋回指１３と旋回指支持部３１とを組み合わせたものを「旋回指」と呼ぶことがある。

【0025】

ハンド機構１０Ａは、Ｚ方向に延びた２つの略板状のガイドフラップ３６，３６をさらに備えている。各ガイドフラップ３６は、その一方の主面から突き出た２つの連結部３７，３８を有し（図４参照）、これらによって基部２０に回動自在に連結されている。つまり、各ガイドフラップ３６は、基部２０に対して回動軸Ｒ４（図４参照）まわりに回動自在となっている。また、各ガイドフラップ３６は、上記一方の主面に沿って延びた２本の平行なガイド棒３５，３５をさらに有している。２本のガイド棒３５，３５は、その両端部においてガイドフラップ３６の主面に固定されている。

【0026】

ハンド機構１０Ａは、２つの摺動部３４，３４をさらに備えている。各摺動部３４は、２つの貫通したトンネル３４ａ，３４ａを有し、これらにガイド棒３５，３５が挿入されることによりガイド棒３５，３５に沿って摺動自在となっている。また、各摺動部３４の連結部３７，３８に近い方の端部には、互いに直角をなすように旋回指支持部３１が固定されている。これにより、旋回指支持部３１に支持された旋回指１２，１３は、摺動部３４の摺動方向（すなわち、ガイド棒３５，３５の延伸方向）と同一の方向を常に向くようになっている。

【0027】

続いて、特に図５を参照しながら、ハンド機構１０Ａの設計方法について説明する。なお、同図中の固定指１１には、固定指支持部２３および固定指開閉駆動機構２４が含まれるものとする。同図中の旋回指１２，１３には、旋回指支持部３１、旋回指開閉駆動機構３２、連結部３３および摺動部３４が含まれるものとする。また、同図中のガイドフラップ３６には、ガイド棒３５，３５および連結部３７，３８が含まれるものとする。

【0028】

第１工程：基部２０、固定指１１および旋回指１２，１３の実際の寸法を決定する。

【0029】

第２工程：旋回軸Ｒ１を中心とした円Ｃを描く。このとき、円Ｃの大きさを実際の基部２０の寸法に対応させる。なお、旋回軸Ｒ１の位置は、本発明の「基準点」に相当する。

【0030】

第３工程：円Ｃに接するように固定指１１を描く。このとき、固定指１１の幅方向寸法Ｗを実際の寸法に対応させる。

【0031】

第４工程：０°状態を想定して、固定指１１の両隣に旋回指１２，１３を描く。このとき、旋回指１２，１３の幅方向寸法Ｗを固定指１１の幅方向寸法Ｗと同一とする。

【0032】

第５工程：０°状態とされた旋回指１２，１３の幅方向中央を０°状態における回動軸Ｒ３の位置とするとともに（図５（Ａ）参照）、この位置（Ｒ３）から延びる、線Ｌ１に平行な２本の平行線Ｌ２，Ｌ２を描く。

【0033】

第６工程：基準点（Ｒ１）を通る、線Ｌ１に対して１２０°をなす２本の線Ｌ３，Ｌ３を描く。

【0034】

第７工程：線Ｌ３と円Ｃとの交点を１２０°状態における回動軸Ｒ３の位置とするとともに（図５（Ｂ）参照）、線Ｌ３と線Ｌ２との交点を回動軸Ｒ４の位置とする。

【0035】

第８工程：０°状態における回動軸Ｒ３の位置からの距離と１２０°状態における旋回軸Ｒ３の位置からの距離とが等しくなるような線Ｌ２上の点を出力軸Ｒ２の位置とする。

【0036】

第９工程：回動軸Ｒ２の位置と回動軸Ｒ３の位置との間の距離に基づいて旋回アーム３０の寸法を決定する。

【0037】

このようにして出力軸Ｒ２および回動軸Ｒ３，Ｒ４の位置を決定すれば、１２０°状態において、３本の指１１，１２，１３が基準点（Ｒ１）の方を向き、かつ基準点（Ｒ１）から各指１１，１２，１３までの距離が等しくなる（図５（Ｂ）参照）。すなわち、上記第１～９工程によれば、１２０°状態において、対象物を旋回軸Ｒ１上でつまむように把持することが可能なハンド機構１０Ａを実現することができる。

【0038】

図６は、図５に対応するハンド機構１０Ａ（ただし、３本の指１１，１２，１３は省略されている）の平面図である。同図から理解されるように、本実施例では、モータ、減速機および旋回アーム３０によって、取付面２０ａに平行な面内での旋回指１２，１３の旋回が実現されている。このため、本実施例では、モータ、減速機および旋回アーム３０が「指旋回機構」に相当する。また、本実施例では、基部２０に対して旋回アーム３０がどの程度旋回したのかによってではなく、基部２０に対してガイドフラップ３６がどの程度回動したのかによって旋回指１２，１３の向きが決定づけられる。このため、本実施例では、ガイドフラップ３６およびこれに沿って摺動する摺動部３４が「指方向決定機構」に相当する。

【0039】

［第１変形例］
以上、本発明に係るハンド機構の実施例について説明してきたが、本発明に係るハンド機構はこれに限定されるものではなく、図７に示すハンド機構１０Ｂのような構成を有していてもよい。

【0040】

本変形例に係るハンド機構１０Ｂは、３本の同一構造の指（固定指１１、および２本の旋回指１２，１３）を備え、旋回軸Ｒ１まわりの旋回が可能となるように不図示のロボットアームの先端に取り付けて使用される。

【0041】

図７に示すように、ハンド機構１０Ｂは、旋回軸Ｒ１を含むＹＺ平面に対して面対称な形状を有する基部４０と、その上端において固定指１１を支持する固定指支持部４１と、その上端において旋回指１２，１３を支持する２つの旋回指支持部４２と、２つのガイド棒４４，４４と、ＸＹ平面に平行な表面５０ａを有するガイド板５０とを備えている。図示を省略しているが、ハンド機構１０Ｂは、固定指支持部４１に設けられた固定指開閉駆動機構、および旋回指支持部４２に設けられた旋回指開閉駆動機構も備えている。

【0042】

各ガイド棒４４は、連結部４３を有し、この連結部４３によって基部４０に対して回動自在に連結されている。つまり、各ガイド棒４４は、基部２０に対して回動軸Ｒ４まわりに回動自在となっている。

【0043】

ガイド板５０は、表面５０ａに形成された２つのガイド溝５１，５１を有している。各ガイド溝５１の円弧形状は、実施例に係るハンド機構１０Ａにおいて、旋回指１２，１３を０°状態から１８０°状態まで旋回させたときの回動軸Ｒ３の軌跡と同一である（図５参照）。各ガイド溝５１の円弧形状は、回動軸Ｒ２を中心とした中心角１８０°の円弧であるとも言える。各ガイド溝５１は、旋回指支持部４２の下端に設けられた突起に係合して該突起を案内する。

【0044】

旋回指支持部４２およびガイド棒４４は、直動アクチュエータを構成している。つまり、旋回指支持部４２は、ガイド棒４４に沿って直動可能となっている。直動アクチュエータ（４２，４４）が作動して旋回指支持部４２が回動軸Ｒ３から遠ざかると、ガイド棒４４が回動軸Ｒ４まわりに回動しながら、旋回指支持部４２がガイド溝５１に沿って移動して固定指支持部４１に近づいていく。一方、直動アクチュエータ（４２，４４）が作動して旋回指支持部４２が回動軸Ｒ３に近づくと、ガイド棒４４が回動軸Ｒ４まわりに回動しながら、旋回指支持部４２がガイド溝５１に沿って移動して固定指支持部４１から遠ざかっていく。

【0045】

このように、本変形例では、直動アクチュエータ（４２，４４）が作動することにより、３本の指１１，１２，１３の位置関係が変化する。なお、本変形例では、直動アクチュエータ（４２，４４）およびガイド溝５１が「指旋回機構」に相当する。また、本変形例では、直動アクチュエータ（４２，４４）が「指方向決定機構」に相当する。

【0046】

実施例に係るハンド機構１０Ａと同様、本変形例に係るハンド機構１０Ｂによれば、１２０°状態において、対象物を旋回軸Ｒ１上でつまむように把持することができる。

【0047】

［第２変形例］
本発明に係るハンド機構は、図８に示すハンド機構１０Ｃのような構成を有していてもよい。

【0048】

本変形例に係るハンド機構１０Ｃは、もうひとつの固定指１４をさらに備えている点と、固定指１４を支持する固定指支持部４５をさらに備えている点と、基部４０の形状が固定指支持部４５の取り付けが可能な形状である点とにおいてハンド機構１０Ｂと相違しているが、他の点においてはハンド機構１０Ｂと共通している。固定指１４は、固定指１１に正対し、かつ旋回軸Ｒ１から固定指１４までの距離が旋回軸Ｒ１から固定指１１までの距離に等しく位置に設けられている。

【0049】

本変形例に係るハンド機構１０Ｃによれば、１２０°状態とされた３本の指１１，１２，１３と固定指１４とを用いて、対象物を旋回軸Ｒ１上でつまむように把持することができる。

【0050】

［その他の変形例］
本発明に係るハンド機構は、ロボットアームに旋回不能に取り付けて使用されてもよい。また、固定指１１，１４および旋回指１２，１３のそれぞれは、１つ以上の関節を有していてもよい。また、固定指開閉駆動機構２４および旋回指開閉駆動機構３２は、２以上の自由度を有していてもよい。

【符号の説明】

【0051】

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ ハンド機構
１１ 固定指
１２，１３ 旋回指
２０ 基部
２１ モータ収容室
２２ 減速機
２３ 固定指支持部
２４ 固定指開閉駆動機構
３０ 旋回アーム
３１ 旋回指支持部
３２ 旋回指開閉駆動機構
３３ 連結部
３４ 摺動部
３５ ガイド棒
３６ ガイドフラップ
３７，３８ 連結部
４０ 基部
４１ 固定指支持部
４２ 旋回指支持部
４３ 連結部
４４ ガイド棒
４５ 固定指支持部
５０ ガイド板
５１ ガイド溝

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】