JP2002178290A - ロボットの関節機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小スペースでバックラッシュもほとんどな
く，かつコンプライアンスを持つロボットの関節機構を
提供する。 【解決手段】 ワイヤ１０によって駆動プーリ３から出
力プーリ９へ動力を伝達する。ここで中継プーリを用い
ることにより，駆動プーリ３と出力プーリ９の軸を直交
させる。アクチュエータ１は揺動フレーム２に固定す
る。揺動フレーム２は，出力プーリ９と回転軸を共有
し，かつ支持フレーム８に対してバネ１１を介して接続
されるようにし，支持フレーム８と出力プーリ９との間
のトルクを，支持フレーム８と揺動フレーム２との間の
位置的変位に比例させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，ロボットの関節部
分の構造に関するものである。本関節機構によって，わ
ずかなスペースで駆動軸（動力軸）と出力軸とを直交さ
せ，かつ内蔵したバネによるコンプライアンスも実現で
き，しかもワイヤを介した駆動によってバックラッシュ
をほとんどなくすことができる。人間型ロボットや動物
型ロボットなどへの応用が期待される。

【０００２】

【従来の技術】図７は，本発明を適用する人間型ロボッ
トの例を示す。図７に示すような人間型ロボットでは，
肩，肘，手首，腰，頸部など，多くの部分に関節機構が
必要になる。このような人間型ロボットに限られるわけ
ではないが，ロボットの関節機構では，一般に駆動のた
めに必要なスペースが小さく，ある程度の柔軟性のある
動作ができる構造を持つことが要請される。

【０００３】ロボットの関節機構において，駆動軸（ア
クチュエータの軸）と出力軸（関節の回転軸）とが同方
向になるように配置した場合，関節部分に大きな厚みが
生じ，小スペースの実現が難しくなる。そのため，従
来，主に駆動軸と出力軸とが直交するような関節機構が
多く用いられてきたが，駆動軸と出力軸とを直交させる
ために，かさ歯車等が利用されていた。

【０００４】また，従来のロボットの関節機構では，歯
車を利用した減速機構が多く用いられていた。

【０００５】また，従来のロボットの関節機構におい
て，コンプライアンス（軟らかさ）を実現するには，ト
ーションスプリング（硬体の歪みを利用したバネ）を駆
動軸と出力軸の間に入れる必要があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のロボットの関節
機構において，かさ歯車を利用して駆動軸と出力軸とを
直交させる方法は，重量が大きくなり，またスペース的
にも十分満足できるように小型化するのに困難が伴っ
た。また，歯車を利用した減速機構が多用されていたた
め，バックラッシュ（いわゆるガタ）は避けられず，減
速比が大きくなるほどバックラッシュが増大していた。
また，トーションスプリングを駆動軸と出力軸との間に
入れてコンプライアンスを実現した場合，やはり重量的
にもスペース的にも大きなものになるという問題があっ
た。

【０００７】本発明は上記問題点の解決を図り，小スペ
ースで軽量であり，かつコンプライアンスを持つロボッ
トの関節機構を実現することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は，次の要件を満
たす関節機構を提供する。 ・駆動軸（アクチュエータの軸）と出力軸とが直交して
いる。 ・駆動軸と出力軸との間に１：２〜１：１０程度の減速
比が得られる。 ・駆動軸と出力軸との間にバックラッシュ（いわゆるガ
タ）がほとんどない。 ・駆動軸と出力軸との間にコンプライアンス（軟らか
さ）を持っている。 ・以上の要件を，小さなスペースで実現している。

【０００９】これらの要件を充足するため，本発明は，
図１と図２を参照して後述するように，以下の構造的特
徴を持っている。

【００１０】(a) ワイヤを介して駆動軸から出力軸への
動力伝達を行う。これによって，以下のことを実現す
る。 ・中継プーリを介して，駆動プーリと出力プーリの軸を
直交させる。 ・駆動プーリと出力プーリの直径比から，適切な減速比
を得る。 ・バックラッシュがほとんどなくなる。

【００１１】(b) アクチュエータを支持フレームに固定
するのではなく，出力プーリと回転軸を共有した「揺動
フレーム」に固定する。この揺動フレームは，バネ等の
弾性体を介して支持フレームに接続されているため，支
持フレームと出力プーリとの間にバネの性質が生じる。
つまり，以下の作用を生じさせる。 ・アクチュエータが駆動軸を回し，出力プーリに接続さ
れたワイヤを引っ張る。 この結果，アクチュエータが固定された揺動フレーム
が，出力プーリと同軸に回転し始める。 ・揺動フレームに取り付けられた弾性体が，支持フレー
ムを押す。 ・支持フレームが出力プーリの軸まわりに回転し始め
る。

【００１２】以上の力学的連鎖によって，この支持フレ
ームと出力プーリとの間にバネの性質が生じる。支持フ
レームと出力プーリとの間のトルクは，支持フレームと
揺動フレームとの間の位置的変位（すなわち弾性体の伸
縮量）に比例する。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１および図２は，本発明の実施
の形態を示すロボットの関節機構の組立／分解図であ
る。図中，１はアクチュエータ，２は揺動フレーム，３
は駆動プーリ，４〜７は中継プーリ，８は支持フレー
ム，９は出力プーリ，１０はワイヤ，１１，１２はバネ
である。

【００１４】本実施の形態におけるロボットの関節機構
は，以下の構造（各部材とその間の連結状態）を持つ。
例えばこの関節機構が人間型ロボットの肘の関節として
用いられる場合，支持フレーム８が上腕（または前腕）
に固着され，出力プーリ９の回転軸に前腕（または上
腕）が取り付けられることになる。

【００１５】支持フレーム８と揺動フレーム２とは，出
力プーリ９の回転軸のまわりに回転することができる。
これら部材の間に軸受（ころがり軸受・含油軸受）を入
れてもよいし，部材そのものに潤滑性を持たせてもよ
い。

【００１６】揺動フレーム２は，バネ１１，１２（弾性
を持った部材であればよく，材質や形状は問わない）を
介して，支持フレーム８と連結される。つまり，揺動フ
レーム２を出力プーリ９の回転軸のまわりに回転させれ
ば，その力はバネ１１，１２を介して支持フレーム８に
伝えられ，支持フレーム８も揺動フレーム２と同じよう
に回転しようとする。

【００１７】アクチュエータ１は，揺動フレーム２に固
定される。アクチュエータ１の駆動軸からは，ワイヤ１
０によって出力プーリ９に動力が伝えられる。ワイヤ１
０の方向変換のために中継プーリ４〜７を利用する。本
実施の形態では，４個の中継プーリ４〜７を使用してい
るが，最低２個でも軸の直交化は可能であり，それ以上
であれば中継プーリの数は問わない。

【００１８】図３は，本実施の形態におけるワイヤ１０
の取り付け方の例を示している。スムーズなワイヤ駆動
が可能になるように，本実施の形態では，図３のように
４個の中継プーリ４〜７を取り付け，ワイヤ１０によっ
て駆動プーリ３の動力を出力プーリ４に伝達する。

【００１９】駆動プーリ３にはラセン状の溝を付け，ワ
イヤ１０はその溝にそって数回ループを作り，駆動に必
要な摩擦力を得る。駆動プーリ３の両脇にある中継プー
リ４，５を，図３（Ｂ）に示すように，駆動軸方向にオ
フセットを与えて取り付ける。これによって，駆動プー
リ３の溝へのワイヤ１０の巻き付けをスムーズに行な
う。

【００２０】また，本実施の形態では，ワイヤ１０およ
びその張力のメンテナンス性を高めるために，ワイヤ１
０を開いた（ループ状でない）ものとし，その両端を，
出力プーリ９に付けた２つの溝にそれぞれ案内し，出力
プーリ９上でワイヤ１０の張力を調整できるようにして
いる。しかし，ループ状のワイヤ１０でも，本発明によ
る関節機構を実現することができる。この場合，出力プ
ーリ９上に１本の溝を付け，そこにワイヤ１０を通し，
ワイヤ１０の張力を例えば中継プーリ６，７の位置を変
えて経路長を調整することによって加減できるようにす
ればよい。

【００２１】本実施の形態による関節機構は，次のよう
に動作する。アクチュエータ１が動作し，駆動プーリ３
が回転すると，駆動プーリ３がワイヤ１０を引っ張る。
ワイヤ１０の張力は，中継プーリ４〜７を介して，出力
プーリ９を回転させる。言い換えれば，ワイヤ１０の張
力は，出力プーリ９の回転軸のまわりに揺動フレーム２
を回転させることになる。

【００２２】揺動フレーム２が回転すると，支持フレー
ム８との間にあるバネ１１，１２に力（伸縮力）がかか
る。このバネ１１，１２にかかった力が支持フレーム８
を押し，支持フレーム８を出力プーリ９の回転軸のまわ
りに回転させる。この機構によって，関節にコンプライ
アンス（軟らかさ）を与えることができる。

【００２３】図４は，本実施の形態におけるコンプライ
アンスの原理と実現方法の説明図，図５および図６は，
本実施の形態におけるコンプライアンス機構の動作を説
明する図である。

【００２４】本実施の形態において，関節にコンプライ
アンスを与える機構の等価原理を示すと，図４（Ａ）に
示すようになる。図４（Ｂ）にその実現機構を模式的に
示す。駆動軸１３が動作し，駆動プーリ３が回転する
と，ワイヤ１０を介して出力プーリ９が回転し，出力軸
１４に取り付けられたアーム１５が動作する。この際
に，駆動プーリ３および駆動軸１３が支持されている揺
動フレーム２は，支持フレーム８にバネ１１，１２を介
して接続されているため，駆動プーリ３の回転に伴うワ
イヤ１０の張力によって揺動フレーム２自体も出力軸１
４のまわりにわずかに回転する。図５に，そのときのバ
ネ１１，１２の変位と揺動フレーム２の動きを示す。バ
ネ１１，１２の変位は，駆動力に比例することなる。こ
れによって，駆動時におけるコンプライアンスが実現さ
れる。

【００２５】また，外からの応力（障害物との接触など
による力）に対しても，本実施の形態による関節機構
は，コンプライアンスを持つことになる。図６に，外部
からの応力に対する応答を示す。バネ１１，１２の変位
は，外部から加えられる応力に比例する。

【００２６】関節にかかるトルクは，駆動力と応力の合
力である。バネ１１，１２の内部に「力センサ」や「変
位センサ」（トルクは変位に比例する）を加えることに
よって，関節にかかるトルクを計測することができる。

【００２７】以上のロボットの関節機構と従来のロボッ
ト関節機構とを比較すると，以下のとおりである。

【００２８】従来方法では，歯車を利用した減速機構が
多用されていたため，バックラッシュ（ガタ）は避けら
れず，減速比が大きくなるほどバックラッシュは増大し
ていた。これに対し，本関節機構では，ワイヤを利用し
た減速機構により，バックラッシュを発生させずに，
１：２〜１：１０程度の減速比を実現することができ
る。

【００２９】また，従来方法では，駆動軸と出力軸とを
直交させるために「かさ歯車」を利用していたため，重
量的にもスペース的にも大きなものになっていた。本関
節機構では，ワイヤと中継プーリとを利用して動力伝達
を実現することによって，重量およびスペースの問題を
解決することができる。

【００３０】また，従来方法でコンプライアンスを実現
するには，トーションスプリング（硬体の歪みを利用し
たバネ）を駆動軸と出力軸の間に入れる必要があり，重
量的にもスペース的にも大きなものになっていた。本関
節機構では，コイルバネやゴムブッシュのような小さな
弾性体を利用することによって，この問題を克服してい
る。

【００３１】以上，人間型ロボットの関節機構の例を説
明したが，もちろん本発明による関節機構は，屈伸動作
を伴うあらゆる関節に適用可能である。

【００３２】

【発明の効果】本発明による効果は，次のとおりであ
る。 (a) ワイヤを利用した動力伝達により，アクチュエータ
駆動軸と出力軸との間のバックラッシュ（いわゆるガ
タ）をほとんど排除している。 (b) バネを利用した揺動フレームを採用することによっ
て，コンプライアンス（軟らかさ）を実現している。 (c) アクチュエータ駆動軸と出力軸とを直交させてい
る。これはロボットの関節を実現するために都合がよ
い。 (d) 以上のことを，きわめて小さなスペースで実現でき
ている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示すロボットの関節機構
の組立／分解図である。

【図２】本発明の実施の形態を示すロボットの関節機構
の組立／分解図である。

【図３】本実施の形態におけるワイヤの取り付け方の例
を示す図である。

【図４】本実施の形態におけるコンプライアンスの原理
と実現方法の説明図である。

【図５】本実施の形態におけるコンプライアンス機構の
動作を説明する図である。

【図６】本実施の形態におけるコンプライアンス機構の
動作を説明する図である。

【図７】本発明を適用する人間型ロボットの例を示す図
である。

【符号の説明】

１ アクチュエータ ２ 揺動フレーム ３ 駆動プーリ ４〜７ 中継プーリ ８ 支持フレーム ９ 出力プーリ １０ ワイヤ １１，１２ バネ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１のアームまたはボディと第２のアー
   ムまたはボディとを屈伸させるロボットの関節機構であ
   って，前記第１のアームまたはボディに取り付けられる
   支持フレームと，前記支持フレームに対して回転可能に
   取り付けられ前記第２のアームまたはボディを屈伸させ
   る出力プーリと，前記支持フレームに弾性体を介して接
   続され，前記出力プーリと回転軸を共有する揺動フレー
   ムと，前記揺動フレームに設置されるアクチュエータ
   と，前記アクチュエータによって駆動される駆動プーリ
   と，ワイヤを介して前記駆動プーリから前記出力プーリ
   への動力伝達を行なうための複数の中継プーリとを有
   し，前記駆動プーリの駆動軸と前記出力プーリの出力軸
   とが直交するように配置されていることを特徴とするロ
   ボットの関節機構。