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【発明の名称】 ウェアラブルロボットハンド
【発明者】 【氏名】立矢 宏
【要約】 【課題】パラレルメカニズムを用いたウェアラブルロボットハンドを提供すること。

【解決手段】静止節１０と出力節２０との間を複数の連鎖３０で連結し、連鎖３０を複数の中間節３１、３２で構成し、中間節３１、３２同士を拘束されない可動部とし、連鎖３０の静止節１０側端部を駆動関節としてアクチュエータを配置し、連鎖３０の出力節２０側端部に指先固定部３６を設け、指先固定部３６によって保持された指肢に物体を把持させることで出力節２０が形成されることを特徴とするウェアラブルロボットハンド。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静止節と出力節との間を複数の連鎖で連結し、前記連鎖を複数の中間節で構成し、前記中間節同士を拘束されない可動部とし、前記連鎖の前記静止節側端部を駆動関節としてアクチュエータを配置し、前記連鎖の前記出力節側端部に指先固定部を設け、前記指先固定部によって保持された指肢に物体を把持させることで前記出力節が形成されることを特徴とするウェアラブルロボットハンド。
【請求項２】
前記中間節を、前記静止節に連結される第１の中間節と、前記出力節に連結される第２の中間節とで構成し、前記第１の中間節と前記第２の中間節とを、回転軸が平行な１自由度の回転対偶で連結したことを特徴とする請求項１に記載のウェアラブルロボットハンド。
【請求項３】
前記連鎖の前記静止節での配置を非対称としたことを特徴とする請求項１に記載のウェアラブルロボットハンド。
【請求項４】
全ての前記連鎖を１８０度以内に配置したことを特徴とする請求項１に記載のウェアラブルロボットハンド。
【請求項５】
前記連鎖を、親指用の第１の連鎖と、人差し指用の第２の連鎖と、中指用の第３の連鎖とで構成し、前記第１の連鎖に対する前記第２の連鎖の配置角度を１４０度、前記第１の連鎖に対する前記第３の連鎖の配置角度を１８０度としたことを特徴とする請求項４に記載のウェアラブルロボットハンド。
【請求項６】
前記指先固定部を、前記連鎖を構成するフレームの側面に配置したことを特徴とする請求項１に記載のウェアラブルロボットハンド。
【請求項７】
前記連鎖を、親指用の第１の連鎖と、人差し指用の第２の連鎖と、中指用の第３の連鎖とで構成し、前記第２の連鎖の前記指先固定部を前記第３の連鎖側の側面に配置し、前記第３の連鎖の前記指先固定部を前記第２の連鎖側の側面に配置したことを特徴とする請求項１に記載のウェアラブルロボットハンド。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にリハビリに適したウェアラブルロボットハンドに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在行われている様々なリハビリのうち、手指を対象としたものとして、作業療法士もしくは障害者自身の健常側の手により、関節の屈伸運動が行われている。この屈伸運動はリハビリ初期段階では軽く曲げ、指の回復状態に応じて徐々に強く曲げるなど、障害の回復状況に応じて力の入れ具合、変位量を変えている。
関節の屈伸運動以外にも、手の筋力強化としてゴムボールを握ったり、柔らかい粘土をつまむことによる握力回復が図られている。
また、リハビリ期間中、手に装着する補助具としては、スプリントと呼ばれる物がある。このスプリントは、大きく分けて静的スプリントと、動的スプリントの２つに分けられる。静的スプリントは指の関節の収縮防止や固定など姿勢の保持を行う物である。一方、動的スプリントは、ゴムやバネなどにより可動性を与えたスプリントであり、静的スプリントの目的に加え、許容範囲内で指の屈曲の補助、関節に屈曲伸張を与えることによる可動域の拡大や、指に抵抗を加えて衰退した筋力の強化を行うことができる。しかし、どちらのスプリントも障害部の固定が主な目的である。更に、失われた運動機能を、体の残存する他の部分の力あるいは外力を用いて動かす機能的スプリントも開発されている。しかし、強制的に屈曲、伸展を行うことによる効果的な機能回復は、作業療法士など人間の手に頼っているのが実状である。また、スプリントは個人専用の補助具であり、障害の回復状況に応じて細かい調整が必要である。さらに、スプリントの調整においても、専門の知識が必要であり、障害者自身が調整することは困難である。
次に、現在研究されているウェアラブルロボットについて説明する。
近年、ウェアラブルロボットの開発によって、人間とロボットの物理的な距離も縮まってきている。ウェアラブルロボットは、様々な部位がその研究対象となっている。人体に装着し、介護作業を支援する装置やマッスルスーツ（非特許文献１）など、その多くはパワーアシストを行い、人間の能力以上の力を発揮できるロボットである。
また、人間を支援する非産業用ロボットとして、食事支援ロボット（非特許文献２〜４）など、福祉を通して人間に直接関わってくるロボットも研究されている。一方で、人間が本来持つ機能の回復を行うリハビリを目的としたロボットの研究はあまりなされていない。
次に、従来のロボットハンドについて説明する。
ロボットハンドの研究は数多くなされているが、従来のロボットハンドの多くは、各指のリンクが直列に連結されているシリアルメカニズム形式である。
シリアルメカニズムの特徴としては、シンプルな機構であり、広い作業範囲を有していることが挙げられる。そのため、生産工場などの現場で広く用いられている。一方で、各関節にアクチュエータが必要であるため、機構全体が大型・高重量となり、人間への装着は容易ではない。さらに、物体の把持・操りを行うために、各関節に配置された多数のアクチュエータを協調して動作させる必要があるため、位置・姿勢決め方法が複雑化する。
（例えば特許文献１）。
【非特許文献１】青木岳史・田口幹、ヒューマンアシストロボットの実施例、日本ロボット学会誌 Ｖｏｌ．２１ Ｎｏ．２、ｐ１５７−１６３、２００３
【非特許文献２】河野寿之、神田真司、高齢者・障害者用食事搬送自動ロボットシステム、日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．１６ Ｎｏ．３、ｐ３１７−３２０、１９９８
【非特許文献３】手嶋教之、食事支援マニピュレータとその要素技術、日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．１４ Ｎｏ．５、ｐ６２４−１６２７
【非特許文献４】石井純夫、四肢障害者のための食事支援ロボット、日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．１６ Ｎｏ．３、ｐ３０６−３０８、１９９８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述のように、各指がシリアルメカニズム形式の従来のロボットハンドは、ウェアラブルロボットハンドに適さない。一方で、人間が物体を把持した状態を観察すると、物体と手がパラレルメカニズムを形成していることがわかる。
【０００４】
そこで、本発明は、パラレルメカニズムを用いたウェアラブルロボットハンドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の本発明のウェアラブルロボットハンドは、静止節と出力節との間を複数の連鎖で連結し、前記連鎖を複数の中間節で構成し、前記中間節同士を拘束されない可動部とし、前記連鎖の前記静止節側端部を駆動関節としてアクチュエータを配置し、前記連鎖の前記出力節側端部に指先固定部を設け、前記指先固定部によって保持された指肢に物体を把持させることで前記出力節が形成されることを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載のウェアラブルロボットハンドにおいて、前記中間節を、前記静止節に連結される第１の中間節と、前記出力節に連結される第２の中間節とで構成し、前記第１の中間節と前記第２の中間節とを、回転軸が平行な１自由度の回転対偶で連結したことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載のウェアラブルロボットハンドにおいて、前記連鎖の前記静止節での配置を非対称としたことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１に記載のウェアラブルロボットハンドにおいて、全ての前記連鎖を１８０度以内に配置したことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項４に記載のウェアラブルロボットハンドにおいて、前記連鎖を、親指用の第１の連鎖と、人差し指用の第２の連鎖と、中指用の第３の連鎖とで構成し、前記第１の連鎖に対する前記第２の連鎖の配置角度を１４０度、前記第１の連鎖に対する前記第３の連鎖の配置角度を１８０度としたことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項１に記載のウェアラブルロボットハンドにおいて、前記指先固定部を、前記連鎖を構成するフレームの側面に配置したことを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項１に記載のウェアラブルロボットハンドにおいて、前記連鎖を、親指用の第１の連鎖と、人差し指用の第２の連鎖と、中指用の第３の連鎖とで構成し、前記第２の連鎖の前記指先固定部を前記第３の連鎖側の側面に配置し、前記第３の連鎖の前記指先固定部を前記第２の連鎖側の側面に配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、パラレルメカニズムはアクチュエータを全て静止節上に配置できるため、小型化・軽量化が可能である。さらに、逆運動学の解が比較的容易に得られることから、従来のロボットハンドに比べて位置・姿勢の制御が容易という利点もある。
また、本発明によれば、手指の多様な運動を実現するための十分な自由度を有する。
また、本発明によれば、手指を運動させるための十分な出力が可能となり、装着が容易に行える程度に小型・軽量が可能となる。
また、本発明によれば、人体に無理な負荷がかかった場合に危険回避を即座に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１の実施の形態によるウェアラブルロボットハンドは、静止節と出力節との間を複数の連鎖で連結し、連鎖を複数の中間節で構成し、中間節同士を拘束されない可動部とし、連鎖の静止節側端部を駆動関節としてアクチュエータを配置し、連鎖の出力節側端部に指先固定部を設け、指先固定部によって保持された指肢に物体を把持させることで出力節が形成されるものである。本実施の形態によれば、中間節同士はアクチュエータを設けない可動部とし、連鎖の静止節側端部だけをアクチュエータで駆動する駆動関節としているため、指肢に重量負荷が加わることが無く、指肢近傍の構成を簡素化できる。また、指肢に物体を把持させることで出力節が形成され、それによって、パラレルメカニズムが構成されるため、指肢に過度な負荷が加わった場合には、物体を離せば出力節が形成されない。従って、物体を離すことでアクチュエータの動作を切り離せるため、指肢に無理な負荷がかかった場合の危険回避を瞬時に行うことができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態によるウェアラブルロボットハンドにおいて、中間節を、静止節に連結される第１の中間節と、出力節に連結される第２の中間節とで構成し、第１の中間節と第２の中間節とを、回転軸が平行な１自由度の回転対偶で連結したものである。本実施の形態によれば、指肢に物体を把持させることで出力節を形成するため、第２の中間節と出力節とを３自由度の球体偶の連結とみなすことができる。従って、２つの中間節同士を１自由度の回転対偶で連結することで、人間の指肢の屈曲動作と一致させることができる。
本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態によるウェアラブルロボットハンドにおいて、連鎖の静止節での配置を非対称としたものである。本実施の形態によれば、実際の指肢の配置に合致させることができ、シンプルな構成で人間の指肢の屈曲動作と一致させることができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１の実施の形態によるウェアラブルロボットハンドにおいて、全ての連鎖を１８０度以内に配置したものである。本実施の形態によれば、実際の指肢の配置に合致させることができるとともに、連鎖が配置されない１８０度程度の領域を確保できるため、特に手首に装着する場合の装着感を高め、装脱着の容易化を図ることができる。
本発明の第５の実施の形態は、第４の実施の形態によるウェアラブルロボットハンドにおいて、連鎖を、親指用の第１の連鎖と、人差し指用の第２の連鎖と、中指用の第３の連鎖とで構成し、第１の連鎖に対する第２の連鎖の配置角度を１４０度、第１の連鎖に対する第３の連鎖の配置角度を１８０度としたものである。本実施の形態によれば、実際の指肢の配置に合致させることができ、シンプルな構成で人間の指肢の屈曲動作と一致させることができる。
本発明の第６の実施の形態は、第１の実施の形態によるウェアラブルロボットハンドにおいて、指先固定部を、連鎖を構成するフレームの側面に配置したものである。本実施の形態によれば、指先固定部を、連鎖を構成するフレームの側面に配置することで、指肢への装着時にフレーム位置が指肢と重ならない配置となり、指肢の動作へのフレームの干渉を防止することができる。
本発明の第７の実施の形態は、第１の実施の形態によるウェアラブルロボットハンドにおいて、連鎖を、親指用の第１の連鎖と、人差し指用の第２の連鎖と、中指用の第３の連鎖とで構成し、第２の連鎖の指先固定部を第３の連鎖側の側面に配置し、第３の連鎖の指先固定部を第２の連鎖側の側面に配置したものである。本実施の形態によれば、特に近接している人差し指と中指におけるフレームの指肢への干渉を防止することができる。
【実施例】
【０００８】
本発明の一実施例について以下に説明する。
図１は運動対象とする人間の指肢のモデル図である。
ウェアラブルロボットハンドに用いる機構の形式を決定するために、まず、装着の対象である人間の指のモデルを検討する。人間の指のモデル化を行うと、図１に示すように、親指以外の４本は通常３つの節および３つの関節で構成されている。各関節は指先側からＤＩＰ（Ｄｉｓｔａｌ ｉｎｔｅｒｐｈａｌａｎｇｅａｌ）関節、ＰＩＰ（Ｐｒｏｘｉｍａｌ ｉｎｔｅｒｐｈａｌａｎｇｅａｌ）関節、ＭＰ（Ｍｅｔａｃａｒｐｏｐｈａｌａｎｇｅａｌ）関節と呼ばれている。各関節が有する自由度は、掌と指の連結部分であるＭＰ関節が２自由度、ＰＩＰ関節、ＤＩＰ関節がいずれも１自由度である。また、親指の関節は、指先側からＩＰ（Ｉｎｔｅｒｐｈａｌａｎｇｅａｌ）関節、ＭＰ関節、ＣＭ（Ｃｒｐｏｍｅｔａｃａｒｐａｌ）関節と呼ばれる。図１では、親指の関節位置は括弧内で示している。ＣＭ関節は掌の内部に存在する関節である。親指の自由度は、ＩＰ関節、ＭＰ関節がそれぞれ１自由度、ＣＭ関節が２自由度である。
指による物体の把持のみを観察すれば、親指、人差し指、中指が、小指、薬指に比べて、大きな変位および力を発生する。そこで、本実施例では指のリハビリは、まず、親指、人差し指、中指（以下、指肢と称す）に対して行うことが重要と考え、これらの指肢のリハビリが可能なウェアラブルロボットハンドを検討する。また、各指に対してウェアラブルロボットハンドの指（以下、指部と呼ぶ）をそれぞれ対応させるとして、指部の数を３本とする。
【０００９】
本実施例で提案するウェアラブルロボットハンドは、指肢の可動範囲の拡大、筋力強化のために、その強制的な屈伸を目的とする。健常者の指肢関節の平均的な可動範囲は表１のとおりである。
【００１０】
【表１】


【００１１】
表１における各関節の角度は、指肢を伸ばした状態から、掌側に屈曲する方向を正としている。本実施例では、屈伸量が比較的大きい人差し指、中指のＰＩＰ関節、ＭＰ関節、親指のＩＰ関節、ＭＰ関節を屈伸の対象とし、これらの関節を表１に示す範囲で屈伸可能なウェアラブルロボットハンドとする。
【００１２】
本実施例におけるウェアラブルロボットハンドに採用するメカニズムはパラレルメカニズムである。そこで、数の総合によって機構形式の決定を行う。さらに、ロボットハンドを構成する設計変数を提示し、座標系の設定を行う。
【００１３】
図２は、物体を把持した手指のモデル図である。
まず、ウェアラブルロボットハンドに用いるパラレルメカニズムの自由度を検討する。人が物体を把持して行う主な動きは、絶対座標系Ｏ−ＸＹＺに対して各軸方向の並進、ＸＹ面内の任意軸周りの傾斜、Ｚ軸周りの旋廻である。これらで指の屈伸量が特に必要な動きはＺ軸方向の並進、ＸＹ面内の任意軸周りの傾斜である。そこで、機構の構造を単純化すること、アクチュエータ数を少数とすることも考慮して、ウェアラブルロボットハンドに空間３自由度パラレルメカニズムを用いる。
【００１４】
図３は、パラレルメカニズムのモデル図である。
本実施例におけるウェアラブルロボットハンドが、対象物を把持した状態において空間３自由度パラレルメカニズムを形成するために必要な対偶および節の配置を数の総合により決定する。ただし、図３に破線で示す連鎖３０の構造は全ての指において同一とする。また、機構は１、２、及び３自由度の対偶で構成され、各連鎖３０内において閉ループ構造を持たないとした。
図に示すように、静止節１０と出力節２０との間を、３つの連鎖３０で連結する。ここで連鎖３０は、ウェアラブルロボットハンドの指部及び回転対偶に相当する。
このとき、連鎖３０内に含まれる自由度ｆ（ｆ＝１、２、３）の対偶の数をＪfとする。このとき、機構内の節の総数Ｎは、次式で与えられる。
【００１５】
【数１】


【００１６】
ｍは機構内の連鎖数である。すなわち、本実施例の機構においてｍ＝３となる。
一方、パラレルメカニズムの自由度Ｆは、機構内の節や、対偶の間に特別な幾何学的拘束条件のない場合、グリューブラーの式によって次のように与えられる。
【００１７】
【数２】


【００１８】
（式１）を（式２）に代入することで、次式を得る。
【００１９】
【数３】


【００２０】
ここで、Ｋは連鎖３０に含まれる自由度ｆの対偶の数と、ｆの積で得られる変数である。すなわち、
【００２１】
【数４】


【００２２】
本実施例で提案するロボットハンドは、３本の指を持ち、空間３自由度の動作を行うパラレルメカニズムとなっているため、（式３）に、連節数ｍ＝３およびパラレルメカニズムの自由度Ｆ＝３を代入することにより、各連鎖３０内における各自由度の対偶の数の間には、次式で示す関係が成り立つ。
【００２３】
【数５】


【００２４】
この関係を満たすように求められた、機構全体に含む対偶の組合せおよび節の数を表２に示す。
【００２５】
【表２】


【００２６】
図４は数の総合による連鎖の概略図である。
同図中の白丸は１自由度、２重丸は２自由度、黒丸は３自由度を表す。なお、同図は機構を構成する３つの連鎖３０のうちの１つを表示している。
表２より、（ｃ）、（ｄ）の形式を選択したときに対偶数が最小となる。さらに、指肢の関節の屈曲方向に着目すれば、各指それぞれにおいて関節の回転軸はほぼ平行であり、指肢のみの運動は平面内で行われる。各指にパラレルメカニズムの各連鎖３０を対応させることとすれば、それぞれの連鎖３０も平面内で運動することが望ましい。そこで、ロボットハンドの指部には（ｃ）の形式を用いることにした。すなわち本実施例でのロボットハンドにおいては、各連鎖３０は２本の中間節３１、３２からなり、静止節１０と第１の中間節３１とを回転軸が平行な１自由度の回転対偶３３で連結し、第１の中間節３１と第２の中間節３２とを回転軸が平行な１自由度の回転対偶３４で連結し、第２の中間節３２と出力節２０とを３自由度の球対偶３５でそれぞれ連結している。連鎖３０の構成によって、各指先はある平面内のみの運動を行い、人間の指の屈曲方向も一定とすることができる。
【００２７】
図５は本実施例におけるウェアラブルロボットハンドに用いる機構であり、空間３自由度パラレルメカニズムを示す概念図である。図６（ａ）は指部と指肢の相対位置を示す図、図６（ｂ）は連鎖の配置角を示す図である。
図５に示すように、本実施例におけるウェアラブルロボットハンドの設計変数を以下のように定義する。
静止節１０側の第１の中間節３１の長さをＬ1、i（ｉ＝１〜３）、出力節２０側の第２の中間節３２の長さをＬ2、i（ｉ＝１〜３）によって表す。以後、下付け添え字ｉは各連鎖３０の番号を示す。静止節１０の半径はＲin、出力節２０の半径はＲoutとする。本ロボットハンドの機構において、各連鎖３０と静止節１０は半径がＲinである円周上で、また、各連鎖３０と出力節２０は半径がＲoutである円周上でそれぞれ連結される。また、機構の位置・姿勢および対偶などの位置を表すために、静止節１０および出力節２０に座標系ΣBとしてＯB−ＸBＹBＺBおよび座標系ΣPとしてＰ−ｘｙｚをそれぞれ設定する。図６（ｂ）に示すようにΣBのＸB軸は、点ＯBと１番目の連鎖３０とベースとの対偶を結ぶ方向とする。静止節１０における各連鎖３０の対偶の配置は、図６（ｂ）に示すようにＸB軸を起点とする配置角度ψiによって表す。なお、機構の初期姿勢においてＸB、ＹB、ＺBの各軸と、ｘ、ｙ、ｚ軸の各方向はそれぞれ同一とする。また、出力点Ｐも初期姿勢においてはＺB軸上に配置する。本機構においては通常のパラレルメカニズムと異なり、連鎖３０の配置は指肢の位置で決定され必ずしも対称としないことが好ましい。
【００２８】
以上説明のように、人間の指のモデル化を行い、各関節の可動範囲を設定するとともに、リハビリに必要な自由度について検討を行った結果、ロボットハンドに用いる機構として空間３自由度パラレルメカニズムを採用することが好ましい。
本実施例における空間３自由度パラレルメカニズムでは、出力節２０の姿勢によって、指部の各関節角度は決定される。また、アクチュエータを配置する駆動関節以外は拘束されないため、駆動関節角度のみを目標の出力節２０の姿勢に応じた角度に制御することで、機構全体を制御することが可能である。
【００２９】
以下に本実施例によるウェアラブルロボットハンドの設計法について述べる。
同ハンドは、人間の手に装着するため、装着が容易であることが望ましい。さらに、作業範囲内において、常に安定した動作が要求される。そこで、ロボットハンドを構成する設計変数について、人間の手の寸法と可動範囲および機構の安定性を条件にした決定法を以下に説明する。なお、機構の安定性は、運動伝達性によって評価する。運動伝達性の評価は、空間３自由度パラレルメカニズムの運動伝達指数ＴＩ＊（異形式のパラレルメカニズムからなる６自由度空間ハイブリッドメカニズム、日本機械学会論文集Ｃ編６４巻、６２７号（４３５３〜４３６０頁）、１９９８、立矢・秋野・竹内・須賀）によって行い、その値が、０．５以上であれば安定した姿勢とみなすこととする。
【００３０】
図６(ａ)においてｌ1、i、ｌ2、i、ｌ3、iは人間の指の関節間の長さ、△ｘf、i、△ｚf、iはベース上の対偶点位置を原点とする座標系ｏf−ｘfｚfで表した最も掌側の指の関節位置である。なお、ロボットハンドの設計・加工の容易さから指部は全て同一寸法とする。図６（ａ）に示す指部の第１の中間節３１及び第２の中間節３２の長さＬ1、iおよびＬ2、i、出力節２０の半径Ｒout、静止節１０の半径Ｒin、指肢と指部の相対位置△ｘf、i、△ｚf、iおよび図６（ｂ）に示した静止節１０上の各対偶の配置を表す配置角度ψiが設計変数となる。これらを、指肢の関節角度Ψ1、i、Ψ2、i、Ψ3、iの値がリハビリで必要な範囲で変化可能となるように決定する。
【００３１】
本実施例では、機構を表す変数として、人間の手の寸法によって直接決定する変数と人間の手の寸法を条件として機構の運動特性を考慮して決定する変数の２つに分類する。それぞれについて、変数の決定方法を具体的に述べる。
ウェアラブルロボットハンドは人の指肢に装着するため、設計変数の一部は手指の寸法より、その値または条件が決定される。すなわち、ベースの半径Ｒinは装着する人間の手首の半径、対偶の配置角度ψiは指肢の配置、△ｘf、i、△ｚf、iはハンドを装着しやすい腕の部位と手指の位置より決定する。出力節半径Ｒoutは、対象とする把持可能な複数の物体の大きさによって、その値の範囲が与えられる。中間節３１、３２の長さＬ1、i、Ｌ2、iは、長さがｌ1、i、ｌ2、i、ｌ3、iである指肢で対象とする物体を把持した時に、リハビリに必要な指肢の関節角度Ψ1、i、Ψ2、i、Ψ3、iが実現されるように機構の運動を解析して決定する必要がある。
【００３２】
図７は人間の指肢の平均寸法を示す図である。
まず、装着する手指、腕の寸法より決定されるＲin、ψi、△ｘf、i、△ｚf、iについて検討する。本実施例では、ウェアラブルロボットハンドを装着する対象を成人男性とする。一般的な成人男性の指肢の長さの平均値は図７に示すとおりである。図７は右端から親指、人差し指、中指である。以下、これらの値を参考にウェアラブルロボットハンドの寸法を決定する。その他、腕周りより決定する静止節１０の半径Ｒinや指肢の配置角度ψｉに関する寸法は、年齢２１〜２２歳である５人の成人男子において実測して求めた。なお、これらの被験者の各指の寸法は、ほぼ図７に示す値であることを確認した。
まず、ベース上の対偶の配置角度ψiは、親指、人差し指および中指をそれぞれ、１、２および３番目の連鎖３０に装着することとし、これらの指肢で種々の物体を把持した場合の角度を観察して決定した。その結果、ＸB軸上に配置した親指の配置角度を基準としてψ1＝０°、ψ2＝１４０°、ψ3＝１８０°とした。また、ベースの半径Ｒinは装着部となる腕周りの直径およびアクチュエータなど駆動部の部品配置を考慮して６０ｍｍとした。ロボットハンドを装着した際に、ベースを手首に固定するとし、ベース半径６０ｍｍの円上に、各指部を配置した際の、各指肢の最も掌側の指の関節位置と対応する指部のベース部との連結部の距離を想定して、△ｘf、i、△ｚf、iを決定した。
以上の結果などを参考に、手指の寸法から決定される出力節２０の半径Ｒout、中間節３１、３２の長さＬ1、i、Ｌ2、iの条件を検討する。把持物体の大きさである、出力節２０の半径Ｒoutは容易に把持して操る値の範囲としてＲout＝３０〜６０ｍｍとした。
各指部の静止節１０側および出力節２０側の中間節長Ｌ1、i、Ｌ2、iは、人間の手の大きさにより決定される条件の下で、パラレルメカニズムが常に安定して動作するように設定する。空間３自由度パラレルメカニズムの安定性は、運動伝達指数ＴＩ＊によって評価可能であることが知られている。運動伝達指数ＴＩ＊とは、各連鎖３０の中間節対偶点の軸力ＦTiと出力節対偶点の速度ｖｉの内積を｜Ｆni｜と｜Ｐi｜の積で除した量を求め、その最小値がＴＩ＊である。ＴＩ＊はパラレルメカニズム特有の特異点近傍で減少する。運動伝達指数ＴＩ＊≧０．５であれば機構が安定した姿勢である。そこで、本ロボットハンドでは、作業領域中で常にＴＩ＊≧０．５を満たすようにＬ1、i、Ｌ2、iを決定する。
【００３３】
ここで、本実施例の指部は３本とも同一構造、同一寸法であるため、リンク長Ｌ1、i、Ｌ2、iに対して、出力節２０側のリンク長をＬ２、静止節１０側のリンク長をＬ１として設計を行う。さらに、リンク長Ｌ１、Ｌ２の決定には、指部の全長ＬおよびＬ１とＬ２の比である節長比ｋを導入する。
【００３４】
【数６】


【００３５】
【数７】


【００３６】
第１指、第２指、第３指それぞれについて、回転軸ωのｘ軸からの角度θ1とω軸周りの回転量θ2およびＺB方向の並進量の組合せにより指肢の可動範囲内で自由に屈伸可能で、さらにＴＩ＊の条件を満たす全長Ｌと節長比ｋの組合せを、シミュレーションより探索する。
【００３７】
以下に設計結果について説明する。
機構定数に先に示した具体的な数値を与え、ロボットハンドの設計を行った。まず、指肢の関節角度Ψ1、i、Ψ2、i、Ψ3、iの可動範囲は表１の角度とする。
本実施例でのリハビリ対象関節は、親指以外はＰＩＰ、ＭＰ関節であるため、Ψ1、1およびΨ1、2を０〜１００°、Ψ2、1およびΨ2、2を−３０〜９０°の範囲とし、親指についてはＩＰ関節、ＭＰ関節であるため、Ψ3、2を−１０〜８０°、Ψ3、3を−１０〜６０°の範囲とした。
出力節２０と静止節１０が平行な状態を初期状態とし、ΣBから見た初期状態における出力節２０の高さＺ0＝１２０ｍｍとした。また、ロボットハンドが動作可能なＺB方向の並進量△ｚを初期状態から−４０〜４０ｍｍとした。
図８はシミュレーションにおける回転軸ωの方向を示す図である。
出力節２０の姿勢変化は、出力節平面内に任意の回転軸ωを設定し、その軸周りの回転によって行う。人間の指肢の屈伸に対して最も影響を与えるω軸の方向θ1は、図５に示すように、各連鎖３０が構成する拘束平面に対して垂直な方向である。そのため、姿勢変化は各指が最も影響を受ける回転軸について回転を行うものとする。指部の配置角度ψ1＝０°、ψ2＝１４０°、ψ3＝１８０°より、第１指、第３指用回転軸ω1はθ1＝９０°、第２指用回転軸ω２はθ1＝５０°とした。第３指用回転軸ω3はω1と同一軸で回転方向が逆であるため、θ1＝９０°で等しくした。また、各指について、ωi軸周りの回転量θ2を−２０〜２０°とした。
シミュレーション条件として、表１の条件を与え、さらに全長Ｌは人間の指に近い寸法としてＬ＝１５０〜２００ｍｍ、ｋ＝０．５〜１．５の範囲とした。把持物体の大きさはＲout＝３０〜６０ｍｍとした。ただし、Ｒoutは３０ｍｍと６０ｍｍの２通りのみとし、両方で条件を満たした場合はＲout＝３０〜６０ｍｍの範囲内でも満たすものとした。本実施例で用いたシミュレーション条件を表３に示す。
【００３８】
【表３】


【００３９】
シミュレーションによる探索結果を表４に示す。
【００４０】
【表４】


【００４１】
把持物体半径が３０〜６０ｍｍにおいて、３本の指を最大まで屈曲させることが可能な全長Ｌと節長比ｋの組合せが、Ｌ＝１６０ｍｍではｋ＝１．２〜１．４、Ｌ＝１７０ｍｍではｋ＝１．３〜１．４、Ｌ＝１８０、１９０ｍｍではｋ＝１．４という結果であった。
次に、アクチュエータの出力トルクを決定する。本実施例のロボットハンドでは、各指部それぞれに対してアクチュエータを１個ずつ搭載させ、その全てをベース部上に配置する。アクチュエータに必要なトルクは、出力節２０に作用する力の静的な釣合より計算する。
静的な力の釣合には、人間の関節トルクによって発生する指肢の力を考慮する。本実施例で提案するロボットハンドでは、関節に発生した麻痺の解消を目的としているが、関節の硬直は、症状によって異なる。そこで、健常者による指の屈曲を行う力は、障害などが原因の硬直よりも大きいと考え、健常者の関節トルクを用いた。成人男性５人に対し、指先にバネばかりを取付け、各関節に対してそれぞれ関節トルクを測定した。表５に健常者の関節トルクの測定結果を示す。
【００４２】
【表５】


【００４３】
以上に示した設計変数、設計条件を踏まえ、Ｌ＝１６０ｍｍにおいてｋ＝１．２〜１．４、Ｌ＝１７０ｍｍにおいてｋ＝１．３〜１．４、Ｌ＝１８０、１９０ｍｍにおいてｋ＝１．４という全長、節長比の組合せに対して、機構の作業領域である、Δｚ＝−４０〜４０ｍｍ、θ1＝５０°、９０°、θ2＝−２０〜２０°の範囲内で必要なトルクをシミュレーションによって計算した。また、把持物体半径としてＲout＝３０ｍｍ、６０ｍｍの２種類についてそれぞれ計算した。シミュレーションによって得られた結果から機構の作業領域を調べると、Ｌ＝１７０ｍｍを選択した場合が最も作業領域が広いことが確認できた。そこで、本実施例では全長Ｌ＝１７０ｍｍを選択し、ｋ＝１．３〜１．４の中から、区切りのよい寸法を選び、Ｌ１＝７２ｍｍ、Ｌ２＝９８ｍｍを採用した。また、全長Ｌ＝１７０ｍｍ、ｋ＝１．３〜１．４の場合、各アクチュエータのトルクが１１Ｎｍ以上であれば、機構の作業範囲内において出力節２０の姿勢を保つことができる。そこで、アクチュエータは、出力トルクが１１Ｎｍ以上のものが適している。
【００４４】
以下に本発明のウェアラブルロボットハンドをリハビリ用ロボットハンドとして適用した場合の実施例について説明する。
図９は本実施例によるリハビリ用ロボットハンドの斜視図、図１０は異なる角度から見た同リハビリ用ロボットハンドの斜視図である。
本実施例によるリハビリ用ロボットハンドは、静止節を構成するベース１０と出力節を形成する把持物体２０との間を３つの連鎖３０で連結している。
ベース１０には、それぞれの連鎖３０を駆動するステッピングモータ１１とこのステッピングモータ１１の出力軸に設けられたウォームギア１２を備えている。また、ベース１０には、手首を固定するための手首固定部１３と、この手首固定部１３の下方には掌固定部１４を備えている。この手首固定部１３と掌固定部１４とによって、手首から手の甲をベース１０に固定し、指の付根位置が動かないようにしている。
【００４５】
連鎖３０は、親指用の第１の連鎖３０Ａと、人差し指用の第２の連鎖３０Ｂと、中指用の第３の連鎖３０Ｃとで構成されている。ベース１０において、第１の連鎖３０Ａに対する第２の連鎖３０Ｂの配置角度は１４０度、第１の連鎖３０Ａに対する第３の連鎖３０Ｃの配置角度は１８０度としている。すなわち、ベース１０において、全ての連鎖３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは、１８０度以内に非対称に配置している。このように配置することで、人間の指肢の屈曲動作と一致させることができる。
連鎖３０として、ベース１０に連結される第１のフレーム（中間節）３１と、把持物体２０に連結される第２のフレーム（中間節）３２とを有している。第１のフレーム３１の一端は、１自由度の回転軸３３を介してベース１０と連結している。第１のフレーム３１の他端は、１自由度の回転軸３４を介して第２のフレーム３２の一端と連結している。第２のフレーム３２の他端には、１自由度の回転軸３６Ａを介して指先固定部３６が設けられている。なお、回転軸３３、回転軸３４、及び回転軸３６Ａは、互いの軸が平行となるように設けられている。回転軸３３と同軸にウォームホイール１５が設けられ、ステッピングモータ１１の駆動は、ウォームギア１２を介して第１のフレーム３１に伝えられる。このように、第１のフレーム３１と第２のフレーム３２とはアクチュエータを設けない可動部とし、ベース１０側端部だけをアクチュエータ（ステッピングモータ１１、ウォームギア１２、ウォームホイール１５）で駆動する駆動関節としているため、指肢に重量負荷が加わることが無く、指肢近傍の構成を簡素化することができる。
指先固定部３６は、第２のフレーム３２の側面に配置している。このように指先固定部３６を、連鎖３０を構成するフレーム３２の側面に配置することで、指肢への装着時にフレーム位置が指肢と重ならない配置となり、指肢の動作へのフレームの干渉を防止することができる。特に、第２の連鎖３０Ｂの指先固定部３６を第３の連鎖３０Ｃ側の側面に配置し、第３の連鎖３０Ｃの指先固定部３６を第２の連鎖３０Ｂ側の側面に配置することで、近接している人差し指と中指におけるフレームの指肢への干渉を防止することができる。
【００４６】
図１１は出力節が存在しない場合のリハビリ用ロボットハンドの側面図である。
図９及び図１０において把持物体２０を仮想的に示したが、実際には指先固定部３６によって保持された指肢に把持物体２０を把持させることで出力節が形成される。従って、使用していない状態、すなわち把持物体２０が存在しない状態においては、図１１に示すように、それぞれの連鎖３０は、フリーの状態となっている。このように、指肢に把持物体２０を把持させることで出力節が形成され、パラレルメカニズムが構成されるため、指肢に過度な負荷が加わった場合には、把持物体２０を離せば出力節が形成されず、アクチュエータの動作を切り離せるため、指肢に無理な負荷がかかった場合の危険回避を瞬時に行うことができる。
【００４７】
図１２は使用時における伸展状態を示す同リハビリ用ロボットハンドの側面図、図１３は使用時における屈曲状態を示す同リハビリ用ロボットハンドの側面図である。
図に示すように、指肢に物体を把持させることで出力節を形成するため、第２のフレーム３２と把持物体２０とは、指肢を介して連結される。従って、第２のフレーム３２と把持物体２０との間は、３自由度の球体偶の連結となる。従って、ベース１０に連結される第１のフレーム３１と、把持物体２０に連結される第２のフレーム３２とを、回転軸が平行な１自由度の回転軸３４で連結することで、人間の指肢の屈曲動作と一致させることができる。
【００４８】
本実施例で説明したリハビリ用ロボットハンドの位置・姿勢変化について、ビデオカメラおよび３Ｄモーションセンサを用い、入力値に対する出力動作の確認を行った。その結果、一軸方向の並進動作など、簡単な運動であれば精度よく動作することが確認できた。
また、リハビリ用ロボットハンドを装着した指肢の動作を観察し、指肢の各関節の角度変化を測定することで、指肢がロボットハンドによって強制的に屈伸されていることを確認した。このことより、同ハンドがリハビリ用ハンドとして使用できることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明のウェアラブルロボットハンドは、リハビリ用ハンドの他、人間への装着を前提とした各種ロボットハンドとして適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施例におけるウェアラブルロボットハンドの運動対象とする人間の指肢のモデル図
【図２】物体を把持した手指のモデル図
【図３】パラレルメカニズムのモデル図
【図４】数の総合による連鎖の概略図
【図５】本実施例におけるウェアラブルロボットハンドに用いる機構であり、空間３自由度パラレルメカニズムを示す概念図
【図６】（ａ）は指部と指肢の相対位置を示す図、（ｂ）は連鎖の配置角を示す図
【図７】人間の指肢の平均寸法を示す図
【図８】シミュレーションにおける回転軸ωの方向を示す図
【図９】本実施例によるリハビリ用ロボットハンドの斜視図
【図１０】異なる角度から見た同リハビリ用ロボットハンドの斜視図
【図１１】出力節が存在しない場合のリハビリ用ロボットハンドの側面図
【図１２】使用時における伸展状態を示す同リハビリ用ロボットハンドの側面図
【図１３】図１３は使用時における屈曲状態を示す同リハビリ用ロボットハンドの側面図
【符号の説明】
【００５１】
１０ 静止節（ベース）
２０ 出力節（把持物体）
３０ 連鎖
３１ 第１の中間節（第１のフレーム）
３２ 第２の中間節（第２のフレーム）
３４ 回転対偶（回転軸）
３６ 指先固定部
【出願人】 【識別番号】５０４１６０７８１
【氏名又は名称】国立大学法人金沢大学
【出願日】 平成１７年６月７日（２００５．６．７）
【代理人】 【識別番号】１０００８７７４５
【弁理士】
【氏名又は名称】清水 善廣

【識別番号】１０００９８５４５
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 伸一

【識別番号】１００１０６６１１
【弁理士】
【氏名又は名称】辻田 幸史
【公開番号】 特開２００６−３４０７６８（Ｐ２００６−３４０７６８Ａ）
【公開日】 平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【出願番号】 特願２００５−１６６７５１（Ｐ２００５−１６６７５１）