WO2017033885A1

WO2017033885A1 - モータ駆動ハンド

Info

Publication number: WO2017033885A1
Application number: PCT/JP2016/074365
Authority: WO
Inventors: 浩史横井; 鶴松叶; 銀来姜; 壮一郎森下; 辰太郎迫田
Original assignee: 国立大学法人電気通信大学
Priority date: 2015-08-24
Filing date: 2016-08-22
Publication date: 2017-03-02
Also published as: JPWO2017033885A1

Abstract

十分なピンチ力と自然な動きを有する小型のモータ駆動ハンドを提供する。　モータ駆動ハンドは、掌部と、関節回転軸により前記掌部に対して回転可能に接続される指部と、前記指部を駆動するモータと、一端が前記モータの出力軸のまわりに巻きつけられ、他端が前記指部の第１の作用点に接続される第１ワイヤ部と、一端が前記モータの前記出力軸のまわりに巻きつけられ、他端が前記指部上の第２の作用点固定される第２ワイヤ部とを有し、前記第１ワイヤ部は、前記モータが第１の方向に回転するときに、前記第１ワイヤ部と前記関節回転軸の間の距離が大きくなるように前記第１の作用点に接続され、前記第２ワイヤ部は、前記モータが前記第１の方向と反対の第２の方向に回転するときに張力が増大するように前記第２の作用点に接続されている。

Description

モータ駆動ハンド

　本発明は、人工義手、ロボットハンド等に適用されるモータ駆動ハンドに関する。

　電動ハンドに無線操縦（Radio Control）用のサーボモータ（「ＲＣサーボモータ」と称する）を用いることは、関節角度の制御性と即応性を実現するために有効な方法である。電動ハンドの駆動方法として、直動型の駆動方式と、巻き取り機構による駆動方式が知られている。直動型の駆動方式は、モータ主軸からギヤまたはベルトを介して関節部の回動軸を回転させる方式である。この方法は、モータ主軸の回転角に比例した量のトルクしか生成できず、変速比を自由に変えることができない
　巻き取り機構による駆動方式は、ウィンチ等のワイヤ牽引機構を用いて指部を動かす方式である。この方式は、直動型の駆動方式と比較して、より自然な動きを実現することができる。互いに分離されている複数の指節部の間をワイヤで連結して、隣接する複数の指を連動して動かすとともに、複数の駆動部から駆動力をひとつの指に集中させるロボットハンドが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

　しかし、従来の巻き取り機構では、牽引用のワイヤがモータ主軸に絡みつき、ワイヤを噛み込むなどの問題を生じる。そのため、単一回転型のモータに制約され、やはりトルク不足の問題が生じる。駆動力を補うためにモータを複数用いると、装置が大型化する。

　近年、脳からの指令により筋肉に発生する表面筋電位を制御信号として用いる筋電義手が注目されている。筋電義手の場合、子供のうちから練習するほうが習得が早いが、成長に合わせて義手を替えていく必要がある。そのため、安価で小型、かつ追従性の高いモータ駆動機構がいっそう望まれる。

特開２０１１－２４５５７５号公報

　いずれの駆動方式でも、電動ハンドの小型化を目指すと、モータサイズが制約される。小型のＲＣサーボモータは安価で入手が容易であるが、その出力に限界があり、十分な指関節トルクを得ることが難しい。電動ハンドを小型化する場合でも、ピンチ力の強さや自然な動きは従来どおり求められる。

　そこで、十分なピンチ力と自然な動きを有する小型のモータ駆動ハンドの提供を目的とする。

　上記課題を解決するために、モータ駆動ハンドは、
　掌部(51)と、
　関節回転軸(21)により前記掌部に対して回動可能に接続される指部(53)と、
　前記指部を駆動するモータ(11)と、
　一端が、前記モータの出力軸(13)に固定されたプーリ(17)のまわりに巻きつけられ、他端が前記指部の第１の作用点(19A)に接続された第１ワイヤ部と、
　一端が前記プーリのまわりに巻きつけられ、他端が前記指部の第２の作用点(19B)に接続された第２ワイヤ部と、
を有し、
　前記第１ワイヤ部は、前記モータが第１の方向に回転するときに、前記第１ワイヤ部と前記関節回転軸の間の距離が大きくなるように前記第１の作用点に接続され、
　前記第２ワイヤ部は、前記モータが前記第１の方向と反対の第２の方向に回転するときに張力が増大するように前記第２の作用点に接続されていることを特徴とする。

　上記構成により、十分なピンチ力と自然な動きを有する小型のモータ駆動ハンドが実現する。

第１実施形態のモータ駆動ハンドの概略図である。第１実施形態の変形例を示す図である。第２実施形態のモータ駆動ハンドの概略図である。図３のモータ駆動ハンドで用いられるガイドコイルレバーの構成例である。図３のモータ駆動ハンドの手が閉じた状態を示す図である。第２実施形態の変形例を示す図である。第３実施形態のモータ駆動ハンドの概略図である。図７のモータ駆動ハンドで用いられる自動調進テンショナーの動作を説明する図である。図７のモータ駆動ハンドで用いられる自動調進テンショナーの動作を説明する図である。第４実施形態のモータ駆動ハンドの概略図である。実施形態で用いられるモータ電流検知回路の一例を示す図である。モータ電流検知によるフィードバック制御の例を示す図である。実施形態のモータ駆動ハンドの倍力機構の効果を示す図である。実施形態の構成のモータ駆動ハンドでＭＰ関節を回転させるときの模式図である。図１４の角度θ３とピンチ力の関係を示す図である。第５実施形態のモータ駆動ハンドの概略図である。図１６で用いられるチェーンホイールの概略図である。プーリの変形例を示す図である。プーリ回転時のワイヤの引っ張り方向を示す図である。

　実施形態では、モータ駆動ハンドにおいて、（１）小型の汎用モータで大きなトルクを得る倍力機構と、（２）モータ出力軸と駆動対象の回転軸の変速比を可変にする構成、を実現する。（１）の倍力機構により、十分なピンチ力を有する小型の電動ハンドが低コストで実現する。（２）の変速比可変構成により、より自然で安定した動きが可能になる。

　以下で、図面を参照して具体的な構成について説明する。
＜第１実施形態＞
　図１は、第１実施形態のモータ駆動ハンド１Ａの概略図である。図１（Ａ）はモータ駆動ハンドの掌を正面とした場合に親指側から見た側面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ－Ａ’断面図である。第１実施形態では、小型の汎用サーボモータとワイヤ巻き取り機構を用い、駆動対象の回転軸とワイヤとの間の距離を可変にしてトルクを増大し、モータ駆動ハンド１Ａのピンチ力を向上する。また、詳細は後述するが、モータの出力軸と駆動対象の回転軸との変速比が可変になるので、たとえば、物をつかむためにモータ駆動ハンド１Ａの手が閉じていくほど、動きを緩やかにすることができる。

　モータ駆動ハンド１Ａは、親指５２を駆動するモータ１２と、人差指５３を駆動するモータ１１を有する。モータ１１、１２は、ともに小型の汎用ＲＣサーボモータである。モータ１１の駆動力は、ワイヤにより人差指５３に伝達される。モータ１２の駆動力は、モータ１２の主軸に一端を固定されたポール（クランクアーム）１８を介して親指５２に伝達される。

　親指５２と人差指５３を含む５本の指部は、掌部５１に接続されている。このうち、人差指５３と図示しない中指、薬指、小指の４指は一体的に動くように、指の付け根にあたる中手指節（ＭＰ：Metacarpophalangeal）関節回転軸２１により、掌部５１に共通に接続されている。モータ駆動ハンド１Ａの内部に、ＭＰ関節回転軸２１と同軸のポテンショメータ２３を配置して、ＭＰ関節回転軸２１の回転角を検出する構成としてもよい。

　モータ１１の出力軸１３と同軸に軸受け１４とプーリ１７が配置され、プーリ１７にワイヤＡとワイヤＢが巻きつけられている。プーリ１７はモータ１１の出力軸１３に固定され、中心軸Ｃを中心に回転する。モータ１１の回転に応じて、プーリ１７に対してワイヤＡとワイヤＢの巻き取りと巻きほどきが行われる。ワイヤＡとワイヤＢがプーリ１７から外れないように、ワイヤをガイドするためのシリンダハウジング１５を設けてもよい。

　掌側に配置されたワイヤＡの一端は、人差指５３の作用点１９Ａに固定され、他端がプーリ１７に時計回りに巻きつけられている。図１の特徴として、ワイヤＡは、モータ駆動ハンド１Ａが手を閉じて物をつかむ方向に動くにつれて、ワイヤＡとＭＰ関節回転軸２１との間の距離Ｒが大きくなるように、作用点１９Ａに接続されている。図１の例では、作用点１９Ａは、人差指５３の中腹に当たる第２関節５３Ｐの近傍に設定されているが、モータ１１からの力を人差指５３に伝達して効果的に動かすことのできる適切な点を作用点１９Ａとして選択することができる。作用点１９Ａは、出力軸１３の中心とＭＰ関節回転軸２１の中心を結ぶ直線に対し、掌側に位置することが望ましい。

　手の背面側（甲側）に配置されたワイヤＢの一端は、人差指部５３の第２関節５３Ｐの甲側近傍の作用点１９Ｂに固定され、他端がプーリ１７に反時計回りに巻きつけられている。ワイヤＢは、モータ駆動ハンド１Ａが動作中に、モータ１１の回転力を人差指５３に効果的に伝え、かつワイヤＢの張力が適切に維持されるように、作用点１９Ｂに接続されている。作用点１９Ｂは、出力軸１３の中心とＭＰ関節回転軸２１の中心を結ぶ直線に対し、手の背面側に位置することが望ましい。

　ワイヤＡとワイヤＢは２本の独立したワイヤでも、１本のワイヤを空回りしないようにプーリ１７に巻きつけ（図１（Ｂ）参照）、一端をワイヤＡ、他端をワイヤＢとしても良い。すなわち、ワイヤの本数にかかわりなく、一端が作用点１９Ａに固定され他端がプーリ１７に巻きつけられたワイヤＡに相当する部分と、一端が作用点１９Ｂに固定され他端がプーリ１７に巻きつけられたワイヤＢに相当する部分があれば良い。

　従来の巻き取り機構では、ワイヤＡ，Ｂの一端側をＭＰ関節回転軸２１に直接巻きつけることで、モータ１１の回転をＭＰ関節回転軸２１に伝達していた。このような従来の巻き取り機構では、トルクを大きくするためにモータの出力レベルを上げざるを得ないが、小型の汎用ＲＣサーボモータの出力には限界がある。

　これに対し図１の構成では、ワイヤＡの一端側は、人差指５３が閉じるに連れてワイヤＡがＭＰ関節回転軸２１から掌方向に離れた位置を通るように、人差指５３の作用点１９Ａに接続されている。図１（Ａ）でモータ１１の出力軸１３が時計回りに回転すると、ワイヤＡがプーリ１７に巻き取られ、人差指５３が図の下側に向かって引っ張られる。人差指５３が閉じる動きに合わせて、作用点１９Ａも図の下方向に向かって移動する。その結果、ワイヤＡがＭＰ関節回転軸２１から離れるためモーメントが増す。また、ＭＰ関節回転軸２１の回転により、図示しない中指、薬指、小指が、人差し指５３に連動して同じ方向に動く。このとき、ワイヤＢはプーリ１７から巻きほどかれる。

　モータ１１の出力レベルが一定の場合、ＭＰ関節回転軸２１の軸心からワイヤＡまでの距離（モーメントアーム）Ｒが、モータ１１の出力軸１３の軸心からワイヤＡまでの距離よりも大きければ、トルクは増大する。すなわち、小さい力で、より大きな作用を得ることができる。

　図１では、手が閉じられるにつれ作用点１９Ａが図の下方向に向かって移動し、ワイヤＡがＭＰ関節回転軸２１から離れてモーメントアームＲが大きくなる構成を採用しているので、従来構成と比較して、トルク、すなわちピンチ力を大きくできる。

　人差指５３が親指５２に近づくほど、ＭＰ関節回転軸２１とワイヤＡの距離Ｒが大きくなり、トルクが大きくなる。トルクは、親指５２が人差し指５３の先端に触れるときに最大になる。

　モータ１１の出力は、トルクと角速度の積で表される。モータ出力が一定の場合、トルクが大きくなると、ＭＰ関節回転軸２１の角速度は小さくなり、減速比が大きくなる。すなわち、人差指５３がものを挟む方向に動いてピンチ力が大きくなるほど、人差指５３の動く速度は緩やかになる。この動作は、より人間の手の動きに近く、小さなものや壊れやすいものを、慎重に且つ十分なピンチ力でつまむときに有利である。

　指を解放するときは、モータ１１の出力軸１３が反時計回りに回転する。ワイヤＢがプーリ１７に巻き取られ、人差指５３は図の上側へ移動する。ＭＰ関節回転軸２１も反時計回りに回転し、掌部５１に共通に接続される４本の指が親指５２から離れる方向に動く。このとき、ワイヤＡはプーリ１７から巻きほどかれるが、ワイヤＡはＭＰ関節回転軸２１から離れた位置を通るので、ＭＰ関節回転軸２１への絡みつきは生じない。

　なお、ポテンショメータ２３で検知されたＭＰ関節回転軸２１の回転角に応じて、モータ１１の回転をフィードバック制御してもよい。

　図１の構成は、小型の汎用モータを用いつつ、トルクを増大することができるので、子供用の小さなサイズの筋電義手でも十分なピンチ力を持たせることができる。また、汎用モータおよび簡易な機構を用いているため、義手の作製コストを大幅に低減することができる。また、ワイヤの絡みつきを抑制し、モータ１１の出力軸１３を１回転以上回転することができる。人差指５３と図示しない中指、薬指、小指の４指を、ＭＰ関節回転軸２１により掌部５１に共通に接続した例を示したが、４指は、それぞれバラバラに動くように構成しても良い。その場合には、４指の各々に上記の機構を設ければ良い。

　図２は図１の変形例である。図２では、３本のワイヤＡ，Ｂ、Ｃと、バネ構造２０を用いる。バネ構造２０は、ＭＰ関節回転軸２１が回転するときにワイヤの張力を吸収して抵抗を低減する。図２（Ｂ）に示すようにバネ構造２０は、一対の座金（またはスプリングワッシャー）３６及び３７と、座金３６と３７の間に固定される圧縮バネ３１を有する。

　ワイヤＡは、図１と同様に、一端が人差指５３の第２関節５３Ｐ近傍の掌側の作用点１９Ａに接続され、他端がプーリ１７（図１（Ｂ）参照）に時計回りに巻きつけられている。ワイヤＢは、一端がプーリ１７に反時計回りに巻きつけられ、他端がバネ構造２０の座金３７に固定される。ワイヤＣは、一端がバネ構造２０の座金３６に接続され、他端が、人差指５３の第２関節５３Ｐ近傍の甲側の作用点１９Ｂに固定される。ワイヤＢとワイヤＣが、圧縮バネ３１に挿通され案内されることから、圧縮バネ３１を「ガイドコイル」と呼んでもよい。ワイヤＡとワイヤＢは２本の独立したワイヤでも、１本のワイヤを空回りしないようにプーリ１７に巻きつけ（図１（Ｂ）参照）、一端をワイヤＡ、他端をワイヤＢとしても良いのは図１と同様である。すなわち、ワイヤの本数にかかわりなく、ワイヤＡに相当する部分と、ワイヤＢに相当する部分があれば良い。

　手を閉じる際に人差指５３が図の下側に向かって曲がるほど、ワイヤＡとＭＰ関節回転軸２１の間の距離Ｒ（モーメントアーム）が増大するのは、図１と同様である。図２の例では、ワイヤＢとワイヤＣをバネ構造２０に接続することで、ワイヤＢとＣの長さを調節してテンションを維持する。これにより、ワイヤＢの巻き取りと巻きほどきを円滑に行うことができる。また、バネ構造２０を設けることにより、ワイヤに張力が発生しているときは圧縮バネ３１が縮み、ワイヤの張力が解放されたときには圧縮バネ３１が伸びるため、ワイヤの弛みを緩和でき、ワイヤのプーリ１７への噛み込みを防止することができる。

　図２ではバネ構造２０をワイヤＢ側に設けた例を示したが、バネ構造２０はワイヤＡ側にあっても良く、またはワイヤＢ側とワイヤＡ側の両方にあっても良い。バネ構造２０として圧縮バネと座金を用いた構造を示したが、引っ張りバネの両端にワイヤＢおよびワイヤＣを接続する構造でも良い。
＜第２実施形態＞
　図３は、第２実施形態のモータ駆動ハンド１Ｃの概略図である。図１と同じ構成要素には同じ符号を付けて、重複する説明を省略する。

　モータ駆動ハンド１Ｃは、ワイヤＡ、ワイヤＢ、及びワイヤＣと、ガイドコイルレバー３０を有する。ガイドコイルレバー３０は、ワイヤＡとワイヤＣの長さを調節するとともに、ワイヤＣとＭＰ関節回転軸２１との距離Ｒ、すなわちモーメントアームを調節する機能を有する。ガイドコイルレバー３０により、トルク感応型の倍力機構が実現し、ＭＰ関節回転軸２１の角速度をより効果的に変化させることができる。

　ガイドコイルレバー３０は、掌部５１に固定され、ワイヤＡとワイヤＣが、ガイドコイルレバー３０の圧縮バネ３１の内部に案内されている。ワイヤＡの一端は、圧縮バネ３１内を挿通してバネ構造２０の座金３７（図４参照）に固定され、他端はプーリ１７（図１（Ｂ）参照）に時計回りに巻きつけられている。ワイヤＣの一端は、圧縮バネ３１内を挿通してバネ構造２０の座金３６（図４参照）に接続され、他端は人差指５３の作用点１９Ａに接続されている。第１実施形態と同様に、ワイヤＣは、ＭＰ関節回転軸２１から離れた位置を通るように、作用点１９Ａに接続されている。ワイヤＢの一端は、人差指５３の第２関節５３Ｐの近傍の甲側の作用点１９Ｂに固定され、他端はプーリ１７に反時計回りに巻きつけられている。ワイヤＡとワイヤＢは２本の独立したワイヤでも、１本のワイヤを空回りしないようにプーリ１７に巻きつけ（図１（Ｂ）参照）、一端をワイヤＡ、他端をワイヤＢとしても良い。すなわち、ワイヤの本数にかかわりなく、ワイヤＡに相当する部分と、ワイヤＢに相当する部分があれば良い。

　図４は、ガイドコイルレバー３０の構成例を示す。ガイドコイルレバー３０は、バネ構造２０と、バネ構造２０に接続されるクロスリンク３５と、クロスリンク３５を支持するベース３８を有する。ガイドコイルレバー３０は、ベース３８で掌部５１に固定される。

　バネ構造２０は、図２（Ｂ）と同様に、一対の座金３６、３７と、両端が座金３６、３７に固定された圧縮バネ３１を有する。クロスリンク３５の一方のリンク３５ａの一端は座金３６に固定され、他端はベース３８の溝３９の中にスライド可能に保持されている。もう一方のリンク３５ｂの一端は座金３７に固定され、他端はベース３８の溝３９の中にスライド可能に保持されている。

　モータ１１が時計回りの方向に回転して人差指５３がものをつかむ方向に動くと、ワイヤＡはモータ１１側に引っ張られてプーリ１７に巻きとられる。ワイヤＡがプーリ１７に巻きとられても、ワイヤＣの長さは不変であるため、互いに引っ張り合うワイヤＡとワイヤＣの張力によって圧縮バネ３１が収縮する。圧縮バネ３１の収縮につれて、リンク３５ａとリンク３５ｂの先端は、溝３９内で互いに近づく方向にスライドし、ベース３８とリンク３５ａ（またはリンク３５ｂ）が成す角度θが初期角度θ_１から徐々に大きくなる。それによって、ワイヤＣは、ＭＰ関節回転軸２１からさらに離れ、モーメントアームＲが増大する。

　図５は、モータ駆動ハンド１Ｃで手が閉じた状態を示す。人差指５３が親指５２に最も近づいた図５の状態で、トルクは最大になり、ピンチ力が最大になる。このとき、ガイドコイルレバー３０のベース３８とリンク３５ａ（またはリンク３５ｂ）の成す角度は、最大角θ_２となり、クロスリンク３５の高さが最も高くなる。ワイヤＣはＭＰ関節回転軸２１から最も遠くなり、モーメントアームＲは最大になる。ワイヤＢはプーリ１７（またはモータ１１の出力軸１３）から巻きほどかれる方向に引っ張られている。

　モータ１１が反時計回りに回転して手を開く方向に動くと、ワイヤＣの張力が低減するとともに、ワイヤＡがプーリ１７から巻きほどかれる。ガイドコイルレバー３０の圧縮バネ３１は元の長さに伸長し、リンク３５ａとリンク３５ｂは溝３９内で互いに離れる方向にスライドする。ベース３８とリンク３５ａ（またはリンク３５ｂ）が成す角度は、元の初期角度θ_１（図４参照）に戻り、モータ駆動ハンド１Ｃは図３の状態に戻る。ワイヤＢはプーリ１７に巻き取られて張力が増す。

　第２実施形態の構成では、第１実施形態よりも効果的にモーメントアームを大きくしてトルクを増大することができ、効率的に変速比を可変にすることができる。なお、ガイドコイルレバー３０のクロスリンク３５に替えて、パンタグラフ、ベローズなど伸び縮み可能な任意の部材を用いてもよい。

　図６は、第２実施形態の変形例として、モータ駆動ハンド１Ｄを示す。図６（Ａ）は、手が開いた状態、図６（Ｂ）は手が閉じた状態である。

　モータ駆動ハンド１Ｄは、ベース３８に共通に支持される２つのガイドコイルレバー３０Ａ、及び３０Ｂを有する。ガイドコイルレバー３０Ａとガイドコイルレバー３０Ｂの構成は同じであり、図３～図５を参照して説明したとおりである。

　図６に示す変形例では、ワイヤＡ～Ｃに加えて、ワイヤＤが用いられる。ワイヤＢの一端はプーリ１７またはモータ１１の出力軸１３に反時計回りに巻きつけられ、他端が、ガイドコイルレバー３０Ｂの人差指５３側の端部（座金）に固定される。ワイヤＤの一端は、ガイドコイルレバー３０Ｂのモータ１１側の端部（座金）に固定され、他端が、人差指５３の作用点１９Ｂに接続される。ワイヤＢとワイヤＤは、ともに圧縮バネ３１に挿通され案内されている。

　図６（Ａ）の手が開いた状態では、ガイドコイルレバー３０Ａが畳まれた状態で最も高さが低くなっている。ガイドコイルレバー３０Ｂは、ワイヤＤとワイヤＢの張力により、クロスリンク３５Ｂが少し立ち上り、モーメントアームＲ’が大きくなっている。

　図６（Ｂ）の手が閉じた状態では、ワイヤＡとワイヤＣの張力によりガイドコイルレバー３０Ａの圧縮バネ３１が縮んで、クロスリンク３５Ａが立ち上がる。ワイヤＢは巻きほどかれて張力が減少し、ガイドコイルレバー３０Ｂのクロスリンク３５Ｂは最も低い位置に折りたたまれ、モーメントアームＲ’が小さくなっている。

　図６の構成により、人差指５３の両方の側でワイヤの長さが調整されるとともに、指の開閉の両方の動作において、より効果的な変速比可変の倍力機構が実現される。
＜第３実施形態＞
　図７は、第３実施形態のモータ駆動ハンド１Ｅの概略図である。図７（Ａ）はモータ駆動ハンドの掌を正面とした場合に親指側から見た側面図、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＡ－Ａ’ラインでの断面図である。第３実施形態では、自動調心テンショナー４０を用いて、手の開閉動作の開始時のすばやい動きと、ワイヤ張力の安定を実現する。第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号をつけて、重複する説明を省略する。

　自動調心テンショナー４０は、ハウジング４５と、一端側がハウジング４５に固定されたガイドコイル４１及びガイドコイル４２を有する。ハウジング４５は、モータ１１の出力軸１３を取り囲み、摩擦可能な状態でプーリ１７に接触している。

　ガイドコイル４１，４２は圧縮バネから成り、ワイヤＡはガイドコイル４１に挿通されて、その一端がプーリ１７に時計回りに巻きつけられ、他端は、人差指５３の作用点１９Ａに接続されている。ワイヤＢはガイドコイル４２に挿通されて、その一端がプーリ１７に反時計回りに巻きつけられ、他端は人差指５３の作用点１９Ｂに接続されている。ワイヤＡとワイヤＢは２本の独立したワイヤでも、１本のワイヤを空回りしないようにプーリ１７に巻きつけ（図１（Ｂ）参照）、一端をワイヤＡ、他端をワイヤＢとしても良い。すなわち、ワイヤの本数にかかわりなく、ワイヤＡに相当する部分と、ワイヤＢに相当する部分があれば良い。プーリ１７は、モータ１１の出力軸１３に固定されており、モータ１１の回転力は、プーリ１７からワイヤＡとワイヤＢを介して、人差指の作用点１９Ａ、１９Ｂに伝達される。

　ガイドコイル４１は、人差指５３の作用点１９Ａからプーリ１７に引いた接線と、ハウジング４５の外周との交点またはその近傍を起始点として固定される。ガイドコイル４２は、人差指５３の作用点１９Ｂからプーリ１７に引いた接線と、ハウジング４５の外周との交点またはその近傍を起始点として固定される。ガイドコイル４１とガイドコイル４２が延びる方向は、ハウジング４５の回転面と平行な面内にある。

　自動調心テンショナー４０は、ハウジング４５とプーリ１７との間の摩擦力を利用して、ワイヤＡ及びワイヤＢの法線方向に作用力を発生されることで、減速比を小さくするとともに、ワイヤＡ，Ｂの牽引を安定化させる。ただし、ワイヤＡとワイヤＢの長手方向に対しては力をほとんど発生させず、人差指５３を含む４指の動作は制限されない。

　図８及び図９は、自動調心テンショナー４０の動作を説明する図である。図８（Ａ）は初期状態を示す。この状態では、モータ１１は回転していない。

　図８（Ｂ）で、モータ１１が回転して握る動作が開始されると、ワイヤＡ、ワイヤＢのテンションはまだ小さく（負荷がほとんどかかっていない）、プーリ１７と共にハウジング４５が回転する。このとき、ガイドコイル４１，４２はほとんど変形せずにモータ１１の動力をワイヤＡの法線方向に伝達する。更にモータ１１が回転すると、ワイヤＡの法線方向の力によってワイヤＡのテンションが大きくなり、牽引力が増加する。ハウジング４５は、プーリ１７との間の静止摩擦力により、モータ１１の出力軸１３とともに時計回りに回転する。この状態では、ワイヤＡにとって、回転半径ｒはプーリ１７の半径よりも大きいため、減速比はかなり小さい。このとき、回転半径ｒが大きくワイヤＡの巻き取り速度が速いため、ワイヤＡに弛みがあっても、プーリ１７に噛み込むことなく速やかに弛みを除去することができる。

　図８（Ｃ）で、握る動作の進行中、ワイヤＡとガイドコイル４１の相互作用、及びワイヤＢとガイドコイル４２の相互作用により、ガイドコイル４１、４２が屈曲し、ワイヤＡにとっての回転半径が小さくなる。換言すると、モータ１１の出力軸１３からみたときのモーメントアームが徐々に減少し、減速比が徐々に大きくなる。ハウジング４５は、モータ１１の回転が静止摩擦力に打ち勝つ直前まで、プーリ１７と共に時計回り方向に回転する。

　図９（Ａ）で、握る動作の終盤で、ワイヤＡのテンションはさらに大きくなる。すると、モータ１１の回転がハウジング４５とプーリ１７との間の静止摩擦力に打ち勝って、ハウジング４５とプーリ１７が空回りし、ハウジング４５は元の位置に戻る。この状態では、ワイヤＡにとっての回転半径はプーリ１７の半径となる。また、テンションのかからないワイヤＢに弛みが生じる。

　図９（Ｂ）で、開く動作が開始されると、ワイヤＢのテンションが小さく、ハウジング４５はプーリ１７と共に、反時計回りに回転する。この状態では、ワイヤＢにとっての回転半径ｒが大きく、ワイヤＢの巻き取り速度が速いため、ワイヤＢの弛みは素早く吸収される。

　ハウジング４５がモータ１１の回転に連動するか否かは、プーリ１７との間の摩擦力とワイヤＡ及びワイヤＢにかかるテンションの大小関係によって決まる。すなわち、ハウジング４５は、モータ１１の回転方向に応じて、一定の角度範囲で時計回り方向と反時計回り方向に回動する。

　第１実施形態と第２実施形態では、物をつかむ直前の状態、すなわち図９（Ａ）に対応する状態で、トルクを最大にしてピンチ力を大きくするとともに、減速比を大きくして、４指の動きを緩やかに制御した。

　これに対し、第３実施形態では、物をつかむ位置に近づくまでの間は、図８（Ｃ）に対応する状態で、減速比を小さくして、目的物に対する素早い動きを実現する。これにより、より自然な動作が実現できる。
＜第４実施形態＞
　図１０は、第４実施形態のモータ駆動ハンド１Ｆの概略図である。第４実施形態では、第２実施形態のガイドコイルレバー３０Ａ、３０Ｂと、第３実施形態の自動調心テンショナー４０を組み合わせて用いる。

　図１０（Ａ）は手が開いた状態、図１０（Ｂ）は手が閉じた状態を示す。握る動作が開始されて目的物に近づく間、すなわち比較的弱いトルクで動作する際には、自動調心テンショナー４０が効果的に働いて、迅速な動きを実現する。同時に、ガイドコイルレバー３０Ａ、３０Ｂの圧縮バネ３１により、ワイヤＡとワイヤＢの長さを調整し、ワイヤＡとワイヤＢの絡みを防止する。

　図１０（Ｂ）のように、目的物をつまむ直前で十分な回転トルクが必要になる場合は、ガイドコイルレバー３０Ａ、３０ＢのＭＰ関節回転軸２１に対するモーメントアームを大きくするとともに、４指の移動速度を緩和して慎重な動きにする。

　この構成により、十分なピンチ力と自然な動作を有するモータ駆動ハンド１Ｆが実現する。なお、ガイドコイルレバー３０Ｂを省略した場合でも、同様の効果を奏することができる。

　第４実施形態では、第２実施形態と第３実施形態を組み合わせた例を一例として示したが、第１～第３実施形態が任意に組み合わせ可能であることは言うまでもない。
＜過負荷の防止＞
　図１１は、過負荷を防止する制御構成の一例を示す。モータ駆動ハンド１Ｆに、モータ電流検知回路６０が接続される。モータ電流検知回路６０は、モータコントローラ６１と、電流センサ６２を含む。ＭＰ関節回転軸２１の回転角はポテンショメータ２３で検出され、検出結果がモータコントローラ６１に供給される。モータコントローラ６１は、検出された回転角に基づいて、ＭＰ関節回転軸２１の回転角が所定値を超えないように、モータ１１を制御する。また、モータ１１に電流センサ６２を接続し、電流検知結果に基づいて、モータ１１の電流値が一定値を超えないようにモータ１１を制御してもよい。

　図１２は、モータコントローラ６１による過負荷防止の制御例を示す。横軸は時間、縦軸はモータ１１に流れる電流である。動作開始の区間Ａでは、電流値はゼロから急激に立ち上がって、人差指５３が親指５２に向かって動き始める。

　動作が開始されて目的物に近づく区間Ｂで、前半部分は電流出力は一定にされる。目的物のサイズは未知なので、モータ１１は、４指と親指が接触するまでの指令値を目指して動く。この段階のトルクはそれほど大きくなくてもよい。自動調心テンショナー４０を用いる実施形態では、この区間の４指の動きが迅速化される。

　その後、人差指５３が目的物の近傍に近づくと、電流値は緩やかに上昇する。実施形態では、このときＭＰ関節回転軸２１に対するモーメントアームが大きくなっており、十分なピンチ力が確保されているが、電流制御を組み合わせて、より正確なピンチ動作を実現してもよい。この区間の４指の動きは緩やかになっており、目的物を慎重につかむ動作に移行する。

　目的物をつかんでいる区間Ｃでは、電流値が一定値を超えないように制御する。モータ１１に過度の負荷がかかるのを防止し、一定の力で目的物を保持する。

　なお、モータ１１の電流を検知する制御に替えて、ガイドコイルレバー３０の圧縮バネ３１の長さの変化を検知して、制御してもよい。

　図１３は、実施形態のモータ駆動ハンドの倍力機構の効果を、従来構成と比較して示す図である。図１３（Ａ）は第１実施形態１の構成でのピンチ力を示し、図１３（Ｂ）は、従来の直動型駆動方式でのピンチ力を示す。同じ汎用ＲＣサーボモータを用い、サーボモータの最大出力の電流値で、ピンチメータを用いて測定した。測定結果から、実施形態１の構成で、直動型駆動方式の２倍以上のピンチ力が実現できることがわかる。

　実施形態２の構成は、実施形態１よりもさらに効果的にモーメントアームを増大させることができるので、同じ条件でピンチ力をさらに増大できると予測される。また、ガイドコイルレバー３０と自動調心テンショナー４０の少なくとも一方を用いることで、モータ駆動ハンドにおいてより自然な動きが実現する。

　図１４は、第１実施形態の構成のモータ駆動ハンドの倍力機構のメカニズムを説明する図である。図１４で、Ｏ点がモータ１１の出力軸１３の回転中心、Ｃ点が作用点１９Ａ、Ｍ点がＭＰ関節回転軸２１の回転中心である。Ｔ点は、人差指５２の先端であり、モータ１１の回転によってＴ点にピンチ力が発生する。Ｙは垂直ベースラインであり、θ３は、ＭＯラインと垂直ベースラインＹがなす角度である。θ３が小さくなるにつれてＭ点とワイヤの間の法線距離が大きくなり、モーメントアーム長が長くなる。これは、人差指５３が親指５２に近づく方向に移動する場合に相当する。θ３が大きくなる場合は、Ｍ点とワイヤの間の法線距離が小さくなりモーメントアーム長が短くなる。これは、人差指５３が親指５２から離れる方向に移動する場合に相当する。

　図１５は、θ３の関数としてピンチ力をプロットしたものである。横軸が角度θ３、縦軸がピンチ力の大きさである。このシミュレーションでは、モータの駆動電圧を５Ｖ、ＭＣ間の距離を２６ｍｍ、ＭＴ間の距離を７０ｍｍとして計算している。θ３とピンチ力は相関し、θ３の値が小さくなると、モーメントアーム長が大きくなってピンチ力が増大する。図１５から、角度θ３がモータ駆動ハンドの最大ピンチ力に影響を与える機械要素の一つであることが確認される。また、モータ駆動ハンドでθ３を少なくとも７０°～１１０°の範囲に設定することができる。
＜第５実施形態＞
　図１６は、第５実施形態のモータ駆動ハンド１Ｇの概略図である。第５実施形態では、で、第１～第４実施形態のトルク増大動作、または倍力機構の動作をより安定化させる。第１～第４実施形態では、バネ構造２０、ガイドコイルレバー３０（３０Ａ及び／または３０Ｂ）、及び自動調心テンショナー４０の少なくともひとつを用いることで、効果的にＭＰ関節回転軸２１の角速度を変化させている。しかし経年的変化により、ワイヤＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの少なくとも一部が劣化して、撓みやすべりが発生する場合があり得る。そこで、ワイヤＡ～Ｄの少なくとも一部にボールチェーン６５を用いる。ボールチェーン６５は、ステンレス、アルミニウム、カーボン、ジェラルミン等の軽くで丈夫な材料で形成されている。ボールチェーン６５の各ボールの径は、モータ駆動ハンド１Ｇのサイズや必要とされる特性に応じて適宜選択することができる。

　一例として、ボール径が２．０～２．５ｍｍのステンレスのボールチェーン６５を用いる。ボールチェーン６５の一端側を、モータ駆動ハンド１Ｇの人差指５３の作用点１９Ａに固定し、他端を人差指５３の作用点１９Ａと反対側の作用点１９Ｂに固定する。

　モータ１１がボールチェーン６５を確実に引っ張って人差指を含む４指を回転できるように、モータ１１の出力軸１３と嵌合するプーリにチェーンホイール８０を用いる。

　図１７は、チェーンホイール８０の構成例を示す。図１７（Ａ）はチェーンホイール８０の外観図、図１７（Ｂ）はチェーンホイール８０に形成されたギヤ形状を示す。チェーンホイール８０は、ボールチェーン６５のサイズと特性に適した設計となっている。たとえば、入力電圧が５Ｖのときのモータ１１のダイナミックトルクτを５２９Ｎ・ｍｍとする。作用点１９Ａに固定されたボールチェーン６５を引っ張る力の大きさをＦ、引っ張り力Ｆの作用線への法線の長さ（モーメントアーム）をｒとすると、ダイナミックトルクτは、
　　　τ＝ｒ×Ｆ×ｓｉｎ９０°
と表される。一定のモータ駆動電圧で、ボールチェーン６５を引っ張る力を大きくするには、ＭＰ関節回転軸２１の中心からボールチェーン６５への法線の長さｒを小さくする。ボールチェーン６５のボール径を２．３ｍｍとすると、モータ１１の出力軸１３の径、モータ駆動ハンド１Ｇのサイズ（ＭＰ関節回転軸２１から人差指５３の先端までの距離を含む）、作用点１９Ａの位置、等の条件から、モーメントアームｒの最小値は５．２ｍｍ程度になる。すなわち、引っ張り力Ｆの最大値は１０１．７Ｎとなる。ボールチェーン６５の降伏強度を５１Ｎ～５９Ｎとすると、図１７（Ａ）に示すように、チェーンホイール８０のプーリ８２に穴８１を２段階に形成して、ボールチェーン６５を二重にして用いるのが望ましい。これにより引っ張り力Ｆを分散させてボールチェーン６５の破断を防止することができる。

　ボールチェーン６５の降伏強度が引っ張り力Ｆの最大値以上のときは、チェーンホイール８０の外周に形成される穴８１を一段にしてもよい。逆に、ボールチェーン６５の降伏強度が引っ張り力Ｆと比較して小さいときは、プーリ８２に３段（３重）以上の穴８１を設けてもよい。

　チェーンホイール８０の穴８１の径は、用いるボールチェーン６５のボール径に応じて設定されている。図１７の例では、たとえば直径が１０ｍｍ程度のプーリ本体６２の外周に沿って、一段当たり１２個の穴８１が形成されている。穴８１の断面形状は、半円形（半球溝）、Ｖ字型（円錐溝）、Ｕ字型（円筒溝と半球溝の組み合わせ）等、任意の形状をとり得る。ボールチェーン６５の各ボールをプーリ８２の穴８１に噛み合わせることで、すべりや撓みを低減して、モータ駆動ハンド１Ｇの動作を安定化することができる。

　図１７の設計諸元は一例にすぎず、モータ駆動ハンド１Ｇの装着者の年齢、体型等に応じて適宜変更することができる。図１６及び図１７の構成に、ガイドコイルレバー３０と自動調心テンショナー４０の少なくとも一方を組み合わせてもよい。上述したように、人間の指は抵抗が小さいときに素早く動き、抵抗が大きいときに大きな力を生成する。ガイドコイルレバー３０を用いることで、ＭＰ関節回転軸２１とボールチェーン６５の間のモーメントアーム長を調整して、より人間の指に近い動作を可能にする。また、自動調心テンショナー４０を用いることで、ものをつかむ動作と、ものを離す動作を行う際に、チェーンホイール８０とボールチェーン６５の撓みを素早く吸収することができる。
＜プーリの変形例＞
　図１８及び図１９は、第１実施形態～第５実施形態で用いられるプーリの変形例を示す図である。プーリ７０は、互いに径の異なる第１シリンダ７１と第２シリンダ７２を有する。一端が作用点１９Ａ（図１等参照）に固定されているワイヤＡの他端は、径の小さい第１シリンダ７１に固定されて巻きつけられる。一端が作用点１9Ｂ（図１等参照）に固定されているワイヤＢの他端は、径の大きい第２シリンダ７２に固定され巻きつけられる。ワイヤＡとワイヤＢの巻きつけ方向は互いに逆向きである。

　径の小さい第１シリンダ７１は第２シリンダ７２と比較して単位時間あたりの巻き取り量が少なく、モータ駆動ハンドの人差指５３をゆっくりと動かす。第２シリンダ７２は、第１シリンダよりも単位時間当たりの巻き取り量が多く、モータ駆動ハンドの人差指５３を速く動かす。

　図１８及び図１９に示すように、プーリ７０が出力軸１３とともに矢印Ｒの方向に回転すると、ワイヤＡが矢印Ａの方向に巻きとられ、人差指５３が親指５２に近づく方向に動く。このとき、ワイヤＢは矢印Ｂの方向に巻きほどかれる。人差指５３が親指５２に近づくにつれてＭＰ関節回転軸２１から力の作用線への法線の長さＲ（図１参照）、またはモーメントアームが大きくなり、第１シリンダ７１の回転が支配的になる。これにより人差指５３の動きはゆっくりになる。人差指５３が親指５２から離れる場合は、プーリ７０は矢印Ｒと反対方向に回転する。モーメントアームが小さくなると指の動きが速くなり、第２シリンダ７２の回転が支配的になる。

　図１８及び図１９に示すプーリ７０を、バネ構造２０、ガイドコイルレバー３０、自動調心テンショナー４０の少なくともひとつと組み合わせてもよい。バネ構造２０を用いることでワイヤの撓みを緩和することができる。ガイドコイルレバー３０を用いることで、モーメントアームの大きさを効果的に変えることができる。自動調心テンショナー４０と組み合わせることで、ワイヤの弛みを吸収して張力を適正に維持することができる。さらに、第１シリンダ７１と第２シリンダ７２のそれぞれに第５実施形態のような穴８１を形成し、ワイヤＡとワイヤＢの少なくとも一方に、ボールチェーン６１を用いてもよい。これによりモータ駆動ハンドの開閉動作がより安定する。

　実施形態で述べたモータ駆動ハンド１Ａ～１Ｇ、及びこれらの任意の組み合わせは、筋電義手やロボットハンドに適用され、特に子供用の筋電義手や小型ロボットハンドへの適用が期待される。

　この出願は、２０１５年８月２４日に日本国特許庁に出願された特許出願第２０１５－１６５２９６号に基づき、その全内容を含むものである。

１Ａ～１Ｇ　モータ駆動ハンド
１１、１２　モータ
１３　出力軸
１４　軸受け
１７、７０　プーリ
１９Ａ、１９Ｂ　作用点
２１　ＭＰ関節回転軸
３０　ガイドコイルレバー（ワイヤ調整部）
３１　圧縮バネ
３６、３７　座金
３５　クロスリンク（伸縮部材）
４０　自動調心テンショナー
４１、４２　ガイドコイル
４５　ハウジング
５１　掌部
５２　親指（指部）
５３　人差指（指部）
６５　ボールチェーン
７１　第１シリンダ
７２　第２シリンダ
８０　チェーンホイール
８１　穴
８２　プーリ本体

Claims

　掌部と、
　関節回転軸により前記掌部に対して回動可能に接続される指部と、
　前記指部を駆動するモータと、
　一端が、前記モータの出力軸に固定されたプーリのまわりに巻きつけられ、他端が前記指部の第１の作用点に接続された第１ワイヤ部と、
　一端が前記プーリのまわりに巻きつけられ、他端が前記指部の第２の作用点に接続された第２ワイヤ部と、
を有し、
　前記第１ワイヤ部は、前記モータが第１の方向に回転するときに、前記第１ワイヤ部と前記関節回転軸の間の距離が大きくなるように前記第１の作用点に接続され、
　前記第２ワイヤ部は、前記モータが前記第１の方向と反対の第２の方向に回転するときに張力が増大するように前記第２の作用点に接続されていることを特徴とするモータ駆動ハンド。
　前記プーリと前記第１の作用点の間、または、前記プーリと前記第２の作用点の間の少なくとも何れか一方に、ワイヤの弛みを緩和するためのバネ構造を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動ハンド。
　前記プーリと前記第１の作用点の間に配置される倍力機構
をさらに有し、
　前記第１ワイヤ部は、一端が前記プーリのまわりに巻きつけられ他端が前記倍力機構の一方の端部に接続される第１部分と、一端が前記倍力機構の他方の端部に接続され他端が前記第１の作用点に接続される第２部分とを有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動ハンド。
　前記倍力機構は、
　前記第１ワイヤ部を案内する圧縮バネと、
　前記圧縮バネの両端に接続される伸縮部材と、
　前記掌部に固定されて前記伸縮部材を支持するベースと、
を有し、
　前記モータの回転による前記指部の動きに応じて前記伸縮部材の高さが変化し、前記第１ワイヤ部と前記関節回転軸との間の距離を変化させることを特徴とする請求項３に記載のモータ駆動ハンド。
　前記伸縮部材は、クロスリンクまたはパンタグラフであり、
　前記クロスリンクまたはパンタグラフは、前記ベースに形成された溝内をスライド可能に支持されることを特徴とする請求項４に記載のモータ駆動ハンド。
　前記プーリに対して回転可能に設置されて、第１ガイドコイルと第２ガイドコイルを有する調心テンショナー、
をさらに有し、
　前記第１ワイヤ部は、前記第１ガイドコイルに案内されて前記プーリのまわりに巻きつけられ、前記第２ワイヤ部は、前記第２ガイドコイルに案内されて前記プーリのまわりに巻きつけられていることを特徴とする請求項１～５の何れか１つに記載のモータ駆動ハンド。
　前記調心テンショナーは、前記プーリと同軸に配置されるハウジングを有し、
　前記第１ガイドコイルの一端と、前記第２ガイドコイルの一端は、それぞれ前記ハウジングに固定され、
　前記ハウジングは、所定の摩擦力によって前記プーリの回転に追従するように設置され、前記摩擦力よりも大きな力が働くと前記プーリに対して空回り可能である
ことを特徴とする請求項６に記載のモータ駆動ハンド。
　前記第１ワイヤ部と前記第２ワイヤ部の少なくとも一部はボールチェーンであり、
　前記プーリは外周に前記ボールチェーンのボール径に応じたサイズの穴が形成され、
　前記ボールチェーンは前記穴と係合することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動ハンド。
　前記プーリは第１の径を有する第１シリンダと、前記第１の径よりも大きい第２の径を有する第２シリンダとを有し、
　前記第１ワイヤ部は前記第１シリンダに巻かれ、前記第２ワイヤ部は前記第２シリンダに巻かれることを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載のモータ駆動ハンド。
　前記第１ワイヤ部と前記第２ワイヤ部の巻き方向は互いに逆方向であることを特徴とする請求項９に記載のモータ駆動ハンド。