JP5164757B2 - ロボットハンドの指関節駆動機構 - Google Patents

Description

本発明は、必要な速度およびトルクで指を動かすことのできる小型でコンパクトなロボットハンドの指関節駆動機構に関する。

ロボットハンドの指関節駆動機構は、回転アクチュエータの出力回転を減速歯車列あるいはベルト・プーリ式などの伝達機構を介して指関節軸に伝達し、指関節に取り付けた指を開閉方向に旋回させるようになっている。減速歯車列を用いる場合には傘歯車などが用いられており、このような機構は特許文献１に開示されている。
特開２００７−１８５７３３号公報

ここで、指を開いた状態から閉じた状態まで移動する動作においては、その動作の中で常に大きなトルクを必要とする訳ではない。一般には、指を閉じる状態においては物を把持するために大きなトルクが必要とされ、指を開く動作、あるいは開いた状態から閉じる方向に動作させる最初の段階などではトルクを必要とせず、動作速度が速い方がよい。換言すると、指が取り付けられている指関節軸は、有限回転の回転動作の中で常に所定のトルクを必要とするのではなく、ある角度の時に特に大きなトルクを必要とする場合が多く、また、そのときには速度は要求されない。

本発明の課題は、この点に鑑みて、トルクを必要とする回転角度位置においては大きなトルクを発生でき、トルクを必要とした回転角度位置においては高速動作を行うことのできるようにした小型でコンパクトなロボットハンドの指関節駆動機構を提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明のロボットハンドの指関節駆動機構は、
回転アクチュエータと、
この回転アクチュエータによって回転駆動する駆動側歯車と、
前記駆動側歯車にかみ合っている従動側歯車と、
前記従動側歯車によって駆動される関節軸とを有し、
前記駆動側歯車および前記従動側歯車は非円形歯車であり、
前記回転アクチュエータは、出力軸と、この出力軸が回転自在の状態で中心を貫通して延びている筒状ハウジングとを備え、前記出力軸を回転しないように固定すると、前記筒状ハウジングから回転が出力されるものであり、
前記駆動側歯車は前記筒状ハウジングの外側に同心状に取り付けられていることを特徴としている。

本発明のロボットハンドの指関節駆動機構において、
前記回転アクチュエータは、モータと減速機を同軸状態で連結した構成となっており、前記出力軸は前記減速機の出力軸であり、
前記モータの回転軸の軸端部を回転自在の状態で支持し、前記出力軸が回転しないように固定されているフレームを有し、
前記関節軸は、前記出力軸に平行に延び、前記フレームによって回転自在の状態で支持されており、
前記従動側歯車は、前記関節軸に同軸に固定されている。

このように、本発明では、回転アクチュエータの軸長を短くしてコンパクトな構成とするために、前記回転アクチュエータとして、出力軸と、この出力軸が回転自在の状態で中心を貫通して延びている筒状ハウジングとを備え、前記出力軸を回転しないように固定すると、前記筒状ハウジングから回転が出力されるものを用いて、前記駆動側歯車を前記筒状ハウジングの外側に同心状に取り付けてある。

本発明のロボットハンドの指関節駆動機構では、楕円歯車などの非円形歯車を用いることにより、１回転内の所定の有限回転角度範囲内において、両歯車の回転角度位置に応じて減速比が変化する。したがって、トルクが必要な指の動作部分では回転力伝達機構の最終減速比を大きくして大きな力で物の把持などを行うことができ、トルクが要らない指の動作部分では最終減速比を小さくして高速で指を動作させることができる。

以下に、図面を参照して本発明を適用したロボットハンドの指関節駆動機構の実施の形態を説明する。

図１（Ａ）および（Ｂ）は、本実施の形態に係るロボットハンドの指関節駆動機構と同様な基本構成を備えた指関節駆動機構を示す説明図および歯車列を示す説明図である。指関節駆動機構１は、不図示のロボットハンドの掌などに取り付けられるフレーム２を備えている。フレーム２は例えばコの字状に折り曲げ形成されており、その左右の支持腕２ａ、２ｂの間に、回転自在の状態で関節軸３が架け渡されている。関節軸３には、指４の後端部が固定されており、指４は関節軸３から直交する方向に延びている。また、左右の支持腕２ａ、２ｂの間には、回転アクチュエータ５が配置されており、本例では回転アクチュエータ５が一方の支持腕２ａに固定されており、その出力軸５ａが関節軸３と平行に延びている。

回転アクチュエータ５は、モータ５ｂと減速機５ｃを同軸状態に連結した構成となっており、出力軸５ａの先端部には駆動側歯車６が同軸状態に固定されている。関節軸３における指４に隣接した部位には従動側歯車７が同軸状態に固定されており、この従動側歯車７が駆動側歯車６にかみ合っている。駆動側歯車６および従動側歯車７は非円形歯車であり、例えば、図１（Ｂ）に示すように楕円歯車を用いることができる。

図２（Ａ）、（Ｂ）は指関節駆動機構１の動作を示す説明図である。図２（Ａ）に示すように指４が例えば水平に延びている状態が開き位置であり、図２（Ｂ）に示すように指４が下方に直角に折れ曲がっている状態が閉じ位置（物の把持位置）であるとする。この場合には、開き位置から閉じ位置に向かう初動時にはトルクを必要とせず動作速度を必要とする。したがって、駆動側歯車６の長軸端の部分に、従動側歯車７の短軸端の部分がかみ合うように、両歯車の位相を設定しておけばよい。

この状態から指４を閉じ位置に向けて旋回させると、両歯車６、７からなる回転力伝達機構の最終減速比が徐々に大きくなり、これに伴ってトルクが増加し、指の動作速度が低下する。指４が閉じ位置に至ると、図２（Ｂ）に示すように、駆動側歯車６の短軸端の部分が従動側歯車７の長軸端の部分に噛み合った状態になる。指４を開く動作においては、逆に、最終減速比が徐々に小さくなり、これに伴ってトルクも徐々に減少し、指の動作速度が徐々に大きくなる。

次に、図３は本発明の実施の形態に係る指関節駆動機構を示す説明図である。この図に示す指関節駆動機構１Ａでは、駆動側歯車６が回転アクチュエータ５の減速機５ｃのハウジング５ｅの外側に同軸状態に固定されている。また、この駆動側歯車６にかみ合うように、従動側歯車７は、指４の後端部の位置において関節軸３に固定されている。

ここで、回転アクチュエータ５のモータ５ｂの回転軸５ｄの軸端部はフレーム２の一方の支持腕２ａによって回転自在の状態で支持されている。これに対して、減速機５ｃの出力軸５ａは他方の支持腕２ｂに回転しないように固定されている。減速機５ｃのハウジング５ｅは円筒状ハウジングであり、その中心に出力軸５ａが貫通して延びている。減速機５ｃは、出力軸５ａを回転しないように固定した場合には、ハウジング５ｅが減速回転出力要素として回転する形式のものである。

このように、ハウジング５ｅに駆動側歯車６を取り付けると、回転アクチュエータ５の軸長を短くでき、全体として、小型でコンパクトな指関節駆動機構を得ることができるという利点がある。

なお、上記の例では、駆動側歯車６、従動側歯車７として楕円歯車を用いているが、これ以外の非円形歯車を用いることもできる。

（Ａ）は本発明を適用したロボットハンドの指関節駆動機構と同様な基本構成を 備えた指関節駆動機構を示す説明図であり、（Ｂ）は駆動側歯車および従動側歯車を示す説明図である。 図１の指関節駆動機構の動作を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る指関節駆動機構を示す説明図である。

符号の説明

１ 指関節駆動機構
２ フレーム
２ａ、２ｂ 支持腕
３ 関節軸
４ 指
５ 回転アクチュエータ
５ａ 出力軸
５ｂ モータ
５ｃ 減速機
５ｄ モータの回転軸
５ｅ 減速機のハウジング
６ 駆動側歯車
７ 従動側歯車

Claims (2)

1. 回転アクチュエータ（５）と、
   この回転アクチュエータ（５）によって回転駆動する駆動側歯車（６）と、
   前記駆動側歯車（６）にかみ合っている従動側歯車（７）と、
   前記従動側歯車（７）によって駆動される関節軸（３）とを有し、
   前記駆動側歯車（６）および前記従動側歯車（７）は非円形歯車であり、
   前記回転アクチュエータ（５）は、出力軸（５ａ）と、この出力軸（５ａ）が回転自在の状態で中心を貫通して延びている筒状ハウジング（５ｅ）とを備え、前記出力軸（５ａ）を回転しないように固定すると、前記筒状ハウジング（５ｅ）から回転が出力されるものであり、
   前記駆動側歯車（６）は前記筒状ハウジング（５ｅ）の外側に同心状に取り付けられていることを特徴とするロボットハンドの指関節駆動機構（１）。
2. 請求項１に記載のロボットハンドの指関節駆動機構（１）において、
   前記回転アクチュエータ（５）は、モータ（５ｂ）と減速機（５ｃ）を同軸状態で連結した構成となっており、前記出力軸（５ａ）は前記減速機（５ｃ）の出力軸であり、
   前記モータ（５ｂ）の回転軸（５ｄ）の軸端部を回転自在の状態で支持し、前記出力軸（５ａ）が回転しないように固定されているフレーム（２）を有し、
   前記関節軸（３）は、前記出力軸（５ａ）に平行に延び、前記フレーム（２）によって回転自在の状態で支持されており、
   前記従動側歯車（７）は、前記関節軸（３）に同軸に固定されているロボットハンドの指関節駆動機構（１）。

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