JP2009056515A - 義手用アクチュエータユニット - Google Patents

Abstract

【課題】ねじれ紐式アクチュエータを複数組備えた義手用アクチュエータユニットにおいて、駆動機構部を含む複数のねじれ紐アクチュエータを空間的に効率よく配置することができる構造を提供する。
【解決手段】ねじり紐アクチュエータは、２本の紐を互いにねじり合わせた構造のねじれ紐１と、ねじれ紐１の基端側に接続された駆動機構部２０と、ねじれ紐の先端側に接続されたスライド部材３２とを備え、駆動機構部の作動に伴いねじれ紐１を構成する２本の紐のねじれが強められたり緩められたりすることによりねじれ紐１の長さが変化し、その結果、スライド部材３２がねじれ紐１の長手方向に変位する。複数組の長尺状のねじり紐アクチュエータが、略円筒形状の周方向に沿って並ぶように、かつ、各ねじり紐アクチュエータの長手方向が略円筒形状の軸方向に沿うように配置されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、モータ駆動義手、ロボットハンド等に応用可能な義手用アクチュエータユニットに関し、詳しくは、２本の紐を互いにねじり合わせた構造のねじれ紐とモータを含む複数組のねじれ紐式アクチュエータからなる義手用アクチュエータユニットに関する。

従来、ワイヤとモータを用いたアクチュエータ（以下、ワイヤ式アクチュエータという）として、例えば特許文献１又は２に記載されているようなものが知られている。図１２に、ワイヤ又は紐（以下、単に紐という）とモータを用いた指関節用のワイヤ式アクチュエータの従来技術の基本的な構造を示す。

図１２に示すワイヤ式アクチュエータでは、モータ１０１の回転軸１０１ａに減速機を介してプーリーのような回転体１０２が接続されている。あるいは、減速機内蔵型モータ１０１の回転軸１０１ａに回転体１０２が直接接続されている。回転体１０２の径方向に対向する２箇所に紐１０３、１０４が１本ずつ接続され、それぞれの紐１０３、１０４の他端は指関節１０５に接続されている。

モータ１０１の回転軸１０１ａが回転すると、回転体１０２がゆっくり回転し、２本の紐１０３、１０４が互いに逆方向に駆動される。つまり、一方は引っ張られ、他方は緩められる。その結果、指関節１０５は軸心ＡＸを中心として回転駆動される。

多くの関節を有するモータ駆動義手やロボットハンド等に上記のようなワイヤ式アクチュエータを使用する場合は各関節に１つのモータが必要であり、装置全体の重量を抑えるためには小型モータ又は超小型モータを使用する必要がある。他方、モータ駆動義手やロボットハンド等に要求される一定以上の把持力を確保するためには、モータ及び減速機を含む駆動系に最低限必要な出力トルクが要求される。

小さなモータであっても減速機を使用することによって大きなトルクを得ることが可能となるが、減速機それ自体が装置の重量を増加させるので、例えば義手（ハンド）の先端部分が重くなってしまう問題が生ずる。さらに、減速機を組み込むスペースが必要であるので、小形軽量のモータ駆動義手やロボットハンドを実現することが困難になる。

また、複数段の減速ギアが組み込まれたギア式の減速機を用いる場合は、その重量及びスペースの問題に加えて、ギアが回転する際にギア同士の噛合部で発生する騒音の問題もある。

このような問題を解決し得るワイヤ式アクチュエータとして、本出願人は先に、ねじれ紐式アクチュエータに関する発明の特許出願を行った。このねじれ紐式アクチュエータでは、２本の紐を互いにねじり合わせた構造のねじれ紐の基端側がモータを含む駆動機構部に接続され、ねじれ紐の先端側がスライド部材を介して駆動対象物に接続されている。駆動機構部の作動に伴って、ねじれ紐を構成する２本の紐のねじれが強められ、又は緩められることにより、ねじれ紐の長さが伸縮するので、その結果、駆動対象物が駆動される。
特開平０６−００８１７８号公報 特開平０７−０９６４８５号公報

上記のようなねじれ紐式アクチュエータを複数組用いてモータ駆動義手やロボットハンド等を構成する場合に、各指に少なくとも１個の関節が必要であり、きめ細かい動作を可能にするためには各指に２個の関節が必要である。例えば、親指に３個の関節、他の４本の指に２個の関節、手首に２個の関節を設ける場合は、合計１３個の関節が必要となる。したがって、１３組のねじれ紐式アクチュエータが必要になる。

１組のねじれ紐式アクチュエータは１個の駆動機構部と、その２本の出力軸にそれぞれ接続された２本のねじり紐と、その先端側に接続された２個のスライド部材を有する。これらの構成部材のうち、駆動機構部が最も大きなスペースを占める。例えば１３組のねじれ紐式アクチュエータを使用する場合に、１３のモータを含む駆動機構部を空間的に効率よく配置する必要がある。特に、義手（又は人の）の腕部にアクチュエータを取り付ける場合は、取付対象の形状が自由曲面となる。腕の太さや形状等は人によって異なるので、取付方法や寸法にある程度の自由度を持たせることができる構造が必要となる。

本発明は、上記のような従来の課題に鑑み、ねじれ紐式アクチュエータを複数組備えた義手用アクチュエータユニットにおいて、駆動機構部を含む複数のねじれ紐アクチュエータを空間的に効率よく配置することができる構造を提供することを目的とする。また、取付方法や寸法にある程度の自由度を持たせることができる構造を提供することも本発明の目的である。

本発明による義手用アクチュエータユニットは、ねじり紐アクチュエータを複数組用いた義手用アクチュエータユニットであって、前記ねじり紐アクチュエータは、２本の紐を互いにねじり合わせた構造のねじれ紐と、当該ねじれ紐の基端側に接続された駆動機構部と、前記ねじれ紐の先端側に接続されたスライド部材とを備え、前記駆動機構部の作動に伴い前記ねじれ紐を構成する２本の紐のねじれが強められたり緩められたりすることにより前記ねじれ紐の長さが変化し、その結果、前記スライド部材が前記ねじれ紐の長手方向に変位するように構成され、前記駆動機構部、前記ねじり紐及び前記スライド部材を含む長尺状のねじり紐アクチュエータが複数組、略円筒形状の周方向に沿って並ぶように、かつ、各ねじり紐アクチュエータの長手方向が前記略円筒形状の軸方向に沿うように配置されていることを特徴とする（請求項１、２）。

このような構成によれば、駆動機構部の回転運動がねじり紐の長手方向に沿うスライド部材の変位に変換されるので、各ねじり紐アクチュエータは減速機構を含む動力伝達手段として機能する。これにより、多段ギア等を用いた減速機で発生するような騒音の発生が無く、静音アクチュエータを実現することができる。また、ねじり紐は、両端に生ずる張力に応じて同じねじれ量でも長さが多少の範囲内で変動可能であることから、いわゆるコンプライアンス機能を有するアクチュエータを容易に実現できる。しかも、複数組（例えば１３組）のねじり紐アクチュエータを略円筒形状の周方向に沿って並ぶように配置するので、例えば義手の腕の周囲に効率良くアクチュエータを配置して、スペースを有効に使用することができる。

複数のねじり紐アクチュエータを円筒形状の全周ではなく、その一部（例えば半周）に沿って、つまり半円筒形状に配置してもよい。また、１列配置に限らず、例えば２列に配置してもよい。

より具体的な形態として、円環形状又はその周方向一部である形状を有する一対の枠部材と、所定の間隔で対向するように配置された前記一対の枠部材を連結する複数本の連結部材とを備え、前記一対の枠部材のうちの第１枠部材の周方向に沿って前記駆動機構部が複数個配置され、前記一対の枠部材のうちの第２枠部材の周方向に沿って前記スライド部材が複数個配置され、複数の前記駆動機構部と複数の前記スライド部材との間に複数の前記ねじり紐がそれぞれ掛け渡されている構造が好ましい（請求項３）。

このような構成によれば、円環形状又はその周方向一部である形状（例えば半円環形状）を有する一対の枠部材と連結部材とで構成される枠構造体を用いて、上記のようなねじり紐アクチュエータを複数組用いた義手用アクチュエータユニットを容易に構成することができる。一対の枠部材の中央孔又は凹部の空間に、義手の腕部やロボットハンドの腕部を配置する合理的な構造が可能になる。

また、本発明の好ましい実施形態では、１つの駆動機構部と、当該駆動機構部の２本の出力軸にそれぞれ基端側が接続された２本の前記ねじり紐と、当該２本のねじり紐の先端側に接続された２個のスライド部材を含むねじり紐アクチュエータが２個１組として、かつ、互いに長手方向にずれた状態で長手板状の固定台に配置されたねじり紐アクチュエータ組を使用し、前記固定台を径方向内側として略円筒形状の周方向に沿って並ぶように、かつ、各ねじり紐アクチュエータの長手方向が前記略円筒形状の軸方向に沿うように前記複数のねじり紐アクチュエータ組を配置する（請求項４）。

このような構成によれば、２個のねじり紐アクチュエータを互いに長手方向にずらせて長手板状の固定台に配置するので、ねじり紐アクチュエータ組の幅方向寸法を小さくして省スペース化を図ることが可能になる。つまり、駆動機構部、ねじり紐及びスライド部材が長手方向につながっているねじり紐アクチュエータにおいて、駆動機構部の幅が最も大きいので、２個のねじり紐アクチュエータを互いに長手方向にずらせて配置すれば、幅の広い駆動機構部が幅方向に並ばないように（ずれるように）配置することができる。その結果、ねじり紐アクチュエータ組の全体の幅を小さくすることができる。したがって、駆動機構部の幅を小さくすることが困難であっても、より多くのねじり紐アクチュエータを略円筒形状の周方向に沿って並べることが可能になる。

なお、義手用アクチュエータユニットとして必要なねじり紐アクチュエータの数が奇数の場合は、複数の固定台のうちの１つに、ねじり紐アクチュエータを１個だけ装着すればよい。例えば１３個のねじり紐アクチュエータが必要な場合は、２個１組のねじり紐アクチュエータが装着された固定台６枚と、１個のみのねじり紐アクチュエータが装着された固定台１枚、計７枚の固定台を使用すればよい。

本発明の更に好ましい実施形態では、複数の前記ねじり紐アクチュエータ組の固定台が、幅方向にヒンジ部で連結されている。この構成によれば、複数のねじり紐アクチュエータからなる義手用アクチュエータユニットを義手やロボットハンドに巻き付けるように装着することができる。したがって、腕部の太さや形状に合わせて柔軟に複数のねじり紐アクチュエータを配置することができると共に、義手用アクチュエータユニットの着脱作業が容易になる（請求項５）。

本発明の更に好ましい実施形態では、前記固定台がヒンジ部で着脱自在である（請求項６）。この構成によれば、義手やロボットハンドの関節の数に応じて、必要なねじり紐アクチュエータの数を容易に変更することが可能となる。例えば２個（又は１個）のねじり紐アクチュエータを単位として、必要な数だけ固定台を連結して使用することが容易になる。不要になったねじり紐アクチュエータや動作不良のねじり紐アクチュエータの固定台を取り外すといったメンテナンス作業も容易になる。

着脱自在なヒンジ部は、例えば、スプリングプランジャーとその受け部とで構成することができる（請求項７）。例えば長手方向に離間して配置した１対のヒンジ部の両方をスプリングプランジャーとその受け部とで構成してもよいし、一方のみをスプリングプランジャーとその受け部とで構成してもよい。

本発明の更に好ましい実施形態では、前記ヒンジ部で連結された複数の固定台の内側に、可撓性のバンド部材が配置され、前記複数の固定台が前記バンド部材にそれぞれ固定されている（請求項８）。このような構成によれば、ヒンジ部で連結された複数の固定台を有する義手用アクチュエータユニットを義手等の腕部の周りに巻き付けるように装着する作業を容易かつ安全に行うことができる。腕部に直接触れるのは可撓性のバンド部材であるから、義手用アクチュエータユニットの装着によって腕部の表面が傷つくおそれもなくなる。例えばマジックファスナー（登録商標）等を用いてバンド部材の端部を固定することにより、義手用アクチュエータユニットの着脱が容易になると共に、腕部の太さが変わる場合にある程度対応することができる。

本発明の別の好ましい実施形態では、断面多角形又はその一部である外周面を有する筒状枠部材の外周面を構成する複数の平面のそれぞれに、前記ねじり紐アクチュエータ組の固定台が固定されている（請求項９）。このような構成は、義手用アクチュエータユニットの装着対象が決まっている場合、つまり装着する腕部の寸法や形状が変化しない場合に適しており、シンプルで低コストの構成を実現することができる。

上記のように、本発明によれば、ねじれ紐式アクチュエータを複数組備えた義手用アクチュエータユニットにおいて、駆動機構部を含む複数のねじれ紐アクチュエータを空間的に効率よく配置することができる。また、取付方法や寸法にある程度の自由度を持たせることも可能になる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明において各部材の位置関係や方向を上下左右で説明するときは、あくまで図面における位置関係や方向を意味し、実際の機器に組み込まれたときの位置関係や方向を意味するわけではない。

図１は、本発明の義手用アクチュエータユニットを構成するねじれ紐式アクチュエータの概念を示す模式図である。図１に示すねじれ紐式アクチュエータは、２本の紐又はワイヤ（以下、単に紐という）１１、１２を互いに緩くねじり合わせた構造のねじれ紐１とモータ２とを用いて構成される。図１（ａ）は２本の紐１１、１２のねじれ合わせが緩められて２本の平行な紐になった状態を模式的に示しており、図１（ｂ）は２本の紐１１、１２が互いにねじれ合わされた状態を模式的に示している。ねじれ紐１、すなわち２本の紐１１、１２の一端側は駆動対象物ＯＢに接続（固定）され、他端側はモータ２の回転軸２１に接続（固定）されている。

図１（ａ）に示す状態でのねじれ紐１の長さをＬとし、この状態からモータ２の回転軸２１が回転して、図１（ｂ）に示すように、ねじれ紐１を構成する２本の紐１１、１２が互いにねじれ合わされた状態になると、ねじれ紐１の長さはＬ−ΔＬとなる。つまり、２本の紐１１、１２がねじれ合わされることにより、ねじれ紐１の長さがΔＬだけ短縮される。その結果、駆動対象物ＯＢには、ねじれ紐１の張力によってモータ２へ引き寄せられる方向（右方向）の駆動力Ｆが働く。したがって、ねじれ紐１は、そのねじれ方向の回転運動（モータ２の回転力）を長さ方向の直線運動（張力）に変換する機能を有することになる。

また、図１（ｂ）の状態からモータ２の回転軸２１が上記と逆方向に回転すると、ねじれ紐１を構成する２本の紐１１、１２のねじれが緩められる。このとき、図１には示していないが、引っ張りバネのような付勢手段で物体ＯＢが左方向に付勢されていると仮定すると、その付勢力によって物体ＯＢはモータ２から遠ざかる方向（左方向）へ移動し、ねじれ紐１の長さが伸張する。２本の紐１１、１２のねじれ合わせが緩められて２本の平行な紐になった図１（ａ）の状態で、ねじれ紐１の長さが最も長い値（Ｌ）になることが分かる。

したがって、２本の紐１１、１２を互いに緩くねじり合わせた構造のねじれ紐１とモータ２とを用いた上記のねじれ紐式アクチュエータによれば、モータ２の回転軸２１の回転方向に応じてねじれ紐１を構成する２本の紐１１、１２のねじれが強められ、又は緩められることにより、ねじれ紐１の長さが短縮され、又は伸張され、その結果、駆動対象物ＯＢを所定の範囲内で駆動することが可能である。

ねじれ紐１は減速機構を含む動力伝達手段として機能するので、多段ギア等を用いた減速機が不要となり、装置全体の小型化、軽量化に大きく貢献することができる。また、多段ギア等を用いた減速機で発生するような騒音の発生が無く、静音アクチュエータを実現することができる。また、一般にねじれ紐は多段ギア等を用いた減速機に比べて安価であるので、アクチュエータのコスト低減が可能になる。

さらに、ねじれ紐１のねじれ方向の回転運動と長さ方向の直線運動との間にある程度の柔軟性（フレキシビリティ）及び弾性が存在するので、バネやエアシリンダ等の弾性付勢手段を用いなくても、いわゆるソフトアクチュエータを実現することが可能である。これにより、例えば人の手のようなコンプライアンス機能を容易に実現することが可能になる。

図２は、ねじれ紐式アクチュエータを用いて指関節を駆動する適用例を示す模式図である。この模式図では、軸心ＡＸを中心として回転可能な指関節ＦＪが駆動対象物に相当する。図２に示すように、駆動対象物としての指関節ＦＪの駆動方向及び駆動範囲を規制するために、スライドガイド３１に沿って所定範囲内で移動可能なスライド部材３２が設けられ、ねじれ紐１の一端側がスライド部材３２を介して指関節ＦＪに接続されている。

また、ねじれ紐１及びスライド部材３２を含むアクチュエータキットが２組設けられ、指関節ＦＪの軸心ＡＸを挟んで対向する２箇所Ｐ１及びＰ２に、２組のアクチュエータキットのねじれ紐１の一端側がスライド部材３２を介してそれぞれ接続されている。

図２の構成では、スライドガイド３１及びスライド部材３２によって、駆動対象物である指関節ＦＪの駆動方向及び駆動範囲を容易に規制することができる。また、モータ２と指関節ＦＪとの距離や方向に関する設計上のフレキシビリティを確保することができるので、アクチュエータが実装されるスペースの制限に対応することが容易になると共に、スペースの有効活用が可能になる。図２では、指関節ＦＪの駆動方向とモータ２の回転軸２１の軸心方向とがほぼ一致しているが、例えばプーリー等を用いて柔軟なねじれ紐１を曲げることにより、両者の方向が９０度異なるように構成することも可能である。また、指関節ＦＪとモータ２とを互いに近づけたり、離したりすることも可能である。

また、２組のアクチュエータキットのねじれ紐１を互いに逆方向に駆動することにより、例えば図２に示すように、上側のねじれ紐１を短縮させる方向に駆動し、かつ、下側のねじれ紐１を伸張させる方向に駆動する。これにより、指関節ＦＪを容易かつ正確に駆動することができる。図２に示す構成では、２個のモータ２を用いて２組のアクチュエータキットのねじれ紐１を個別に駆動している。この構成では、２個のモータ２を同期させて駆動制御することが必要である。また、一方のモータ２のみが動作することを防ぐインターロック回路を設けることが好ましい。そのような制御や回路を簡素化するために、後述するように、１個のモータを用いて２組のアクチュエータキットのねじれ紐１を同時に駆動するように構成してもよい。

図３は、図２に示したねじれ紐式アクチュエータの複数指関節への適用例を示す模式図である。２個の指関節ＦＪ１及びＦＪ２が軸心ＡＸ１で枢支連結された状態が示されている。指関節ＦＪ１は軸心ＡＸ１を中心として回転可能であり、指関節ＦＪ２は軸心ＡＸ２を中心として回転可能である。図３では省略しているが、指関節ＦＪ２についても、指関節ＦＪ１と同様に、ねじれ紐１及びスライド部材３２を含むアクチュエータキットが２組設けられ、軸心ＡＸ２を挟んで対向する２箇所に、２組のアクチュエータキットのねじれ紐１の一端側がスライド部材３２を介してそれぞれ接続されるように構成されている。このように、１関節に対して２本のねじれ紐１が使用され、ｎ関節の場合は２ｎ本のねじれ紐１が使用されることになる。

図４は、１個のモータで２本のねじれ紐を同時に駆動する構成例を示す模式図である。この構成例は、図２又は図３に示した構成において、１個のモータを用いて２組のアクチュエータキットのねじれ紐１を同時に駆動するように構成したものである。すなわち、２組のアクチュエータキットのねじれ紐１の他端側（モータ側）が、モータ２の回転軸２１に接続された動力伝達機構４の互いに異なる２本の出力軸４１、４２に接続されている。モータ２の回転軸２１が回転すると、上側の第１出力軸４１はそれに接続されたねじれ紐１のねじれを強める方向に回転し、かつ、下側の第２出力軸４２はそれに接続されたねじれ紐のねじれを緩める方向に回転するように構成されている。

この構成では、１個の指関節ＦＪ１について２組のねじれ紐１を含むアクチュエータキットを使用しながら、１個のモータ２でそれらのねじれ紐１を同時に駆動するので、２個のモータで個別に駆動する場合に比べて、駆動制御が簡単になる。また、指関節ＦＪ１の迅速な駆動が可能になる。

図４に示した構成では、動力伝達機構４として、１個のピニオンギア４３及び２個の平ギア４４、４５を用いた減速反転機構が使用されている。ピニオンギア４３はモータ２の回転軸２１に固定され、上側の平ギア４４は上側のねじれ紐１が接続された第１出力軸４１に固定され、下側の平ギア４５は、下側のねじれ紐１が接続された第２出力軸４２に固定されている。上側の平ギア４４と下側の平ギア４５は同一方向（共にピニオンギア４３と反対方向）に回転するので、２組のアクチュエータキットのねじれ紐１のねじれ方向を互いに逆の方向にしておく必要がある。

つまり、モータ２の回転軸２１が回転すると、第１出力軸４１と第２出力軸４２は同一方向（共にモータ２の回転軸２１と逆方向）に回転するが、２本のねじれ紐１のねじれ方向が互いに逆の方向であるので、例えば図４に示すように、上側のねじれ紐１はねじれを強める方向（長さが短縮する方向）に駆動され、下側のねじれ紐１はねじれを緩める方向（長さが伸張する方向）に駆動される。

動力伝達機構４を構成するギアの数や組合せを変えることにより、２本の出力軸４１、４２の回転方向が互いに逆方向になるように動力伝達機構４を構成し、上下２本のねじれ紐１のねじれ方向が互いに同一方向になるようにしてもよい。要するに、モータ２の回転軸２１が回転したときに、第１出力軸４１及び第２出力軸４２の一方はねじれ紐１のねじれを強める方向に回転し、他方はねじれ紐のねじれを緩める方向に回転するように、動力伝達機構４及びねじれ紐１を構成すればよい。但し、第１出力軸４１と第２出力軸４２の出力トルクが等しくなるように、あるいは両者のバランスがとれるように、動力伝達機構４を構成することが望ましい。

また、ギア同士の噛合部における騒音の発生を回避するために、ギアに代えて、接触面の摩擦力で動力を伝達する複数のローラ、あるいはローラ及びベルトを用いて動力伝達機構４を構成してもよい。また、モータ２として、ＤＣブラシレスモータを使用することにより、モータ２から発生する騒音を低減することも望ましい。

図５は、本発明の実施形態に係る義手用アクチュエータユニットを構成するねじれ紐式アクチュエータのモータ２及びギアボックス４の構造を示す断面図である。ギアボックス４は、上記の説明における動力伝達機構４に相当するものである。このギアボックス４とモータ２とが一体に結合して駆動機構部２０を構成している。ギアボックス４は、基端側プレート４６、先端側プレート４７及び側面プレート４８で囲まれた箱形形状を有し、その内部空間に上述のピニオンギア４３及び平ギア４４、４５等が収容されている。

ギアボックス４の基端側プレート４６の中央部には、モータ２の回転軸２１とそれに固定されたピニオンギア４３とが挿通される貫通孔が形成され、その周囲の外側面（下面）にはモータ２のケース先端部を受け入れる段状凹部が形成されている。基端側プレート４６の段状凹部とモータ２のケース先端部とが嵌入、接着、ねじ止め等の手段によって互いに固定される。

また、基端側プレート４６の内側面（上面）には、その中心の貫通孔から所定距離を隔てた両側に、平ギア４４、４５を回転自在に支持するための固定軸部材４９が２本立設されている。平ギア４４、４５の上下には、筒状部４４１、４５１が一体に設けられ、その中心部に固定軸部材４９に外嵌するスリーブ軸受が設けられている。これにより、平ギア４４、４５は、固定軸部材４９に支持されて遊転することができる。また、平ギア４４、４５はピニオンギア４３に螺合し、モータ２の回転軸２の回転に伴って回転駆動される。

平ギア４４、４５の上部の中央部から上方（先端側）に向かって突出するように、出力軸４１、４２がそれぞれ一体に設けられ、ギアボックス４の先端側プレート４７には出力軸４１、４２が挿通される２個の貫通孔が形成されている。なお、出力軸４１（４２）、筒状部４４１（４５１）及び平ギア４４（４５）は、個別の部材として形成され、それらが一体に結合していてもよいし、それらの全て又は一部（３個のうちの２個）が初めから一体の部材として形成されていてもよい。

また、先端側プレート４７の内側面（下面）において、出力軸４１、４２が挿通される貫通孔の周りに円環状の溝が形成されており、この溝に含油焼結合金からなる円環状部材５１が嵌め込まれ接着等の手段で固定されている。また、この円環状部材５１に当接して摺動可能な円環状摺動面４４２、４５２が筒状部４４１、４５１の先端側に形成されている。

図５の上部において二点鎖線の長方形で囲んだ部分は、円環状部材５１の軸方向から見た平面図を示している。この平面図から分かるように、円環状部材５１の、回転側の円環状摺動面４４２、４５２に対向する円環状の面に１２個の半球状突起部５１１が周方向に離間して設けられ、この半球状突起部５１１の先端部が円環状摺動面４４２、４５２に当接するように構成されている。

円環状部材５１は、出力軸４１、４２の軸心方向への移動を規制して保持するスラストベアリングの働きを有する。つまり、出力軸４１、４２の先端部に接続されるねじれ紐のねじれが強められ、ねじれ紐の長さが短縮されるときに、駆動対象物を引き寄せる駆動力の反作用として、出力軸４１、４２が駆動対象物の方向へ引っ張られる力（以下、スラスト力という）が大きくなる。このスラスト力は、筒状部４４１、４５１の先端側の円環状摺動面４４２、４５２と円環状部材５１の半球状突起部５１１（の先端部）とが当接することによって受け止められる。

円環状部材５１は含油焼結合金からなり、回転側の円環状摺動面４４２、４５２との円滑な摺動を実現するので、スラスト力が大きくなっても回転駆動出力が低下しにくい。しかも、ボールベアリングを使用する場合に比べて、省スペースで安価なスラストベアリングを実現することができる。これにより、小形で安価なねじれ紐式アクチュエータを実現することができる。

また、円環状部材５１に設けられた１２個の半球状突起部５１１の先端部が回転側の円環状摺動面４４２、４５２に当接するので、円環状部材５１の面全体で円環状摺動面４４２、４５２に当接する場合に比べて接触面（摺動面）の面積が小さくなるので、接触面での摺動摩擦に起因する出力ロスが低減される。これにより、スラスト力が大きくなっても回転駆動出力が一層低下しにくい安価なねじれ紐式アクチュエータを実現することができる。なお、円環状部材５１に設けた半球状突起部５１１の数を１２個に限定する必要はなく、少なくとも３個あればスラストベアリングとして安定した動作が得られる。

以上に説明したような駆動機構部２０、一対のねじれ紐１及びスライド部材３２等からなるねじれ紐式アクチュエータを複数組用いて本発明の義手用アクチュエータユニットを構成する場合の具体的な構造等について、次に説明する。なお、本発明の義手用アクチュエータユニットは、義手の他に、ロボットハンド等にも適用可能である。例えば義手において、各指に少なくとも１個の関節が必要であり、きめ細かい動作を可能にするためには各指に２個の関節が必要である。仮に、親指に３個の関節、他の４本の指に２個の関節、手首に２個の関節を設けとすると、合計１３個の関節が必要となる。したがって、１３組のねじれ紐式アクチュエータが必要になる。

義手用アクチュエータユニットの全体をコンパクトに構成するために、１３組のねじれ紐式アクチュエータ、特に１３個の駆動機構部２０を効率よく配置する必要がある。また、腕の太さや形状等は人によって異なるので、取付方法や寸法にある程度の自由度を持たせることができる構造が必要となる。

図６は、本発明の第１実施形態に係る義手用アクチュエータユニットにおける１３組のねじれ紐式アクチュエータの配置例を示す斜視図である。この配置例では、一対の円環形状を有する第１枠部材６１及び第２枠部材６２が所定の間隔で対向するように配置され、両者が３本の棒状の連結部材６３で連結固定されている。第１枠部材６１の基端側の面には、周方向に沿って１３個の駆動機構部２０が配置され、固定されている。それぞれの駆動機構部２０は、図４及び図５を用いて説明したように、モータ２及びギアボックス（動力伝達機構）４からなり、２本の出力軸４１、４２を有する。

図６には示されていないが、２本の出力軸４１、４２が第１枠部材６１の内側の面から突出し、ねじれ紐１の基端側がそれぞれの出力軸４１、４２に接続されている。なお、図６では、２本の紐１１、１２からなるねじり紐１（図４参照）が１本の実線で描かれている。また、図４に示すように、一対のねじり紐１が１組のねじれ紐式アクチュエータを構成している。

図６において、第２枠部材６２には、周方向に沿って１３組のスライド部材３２が配置されている。図４に示したように、１組のねじれ紐式アクチュエータには、２個のスライド部材３２が設けられ、２本のねじり紐１にそれぞれ接続されている。図６では、２個１組のスライド部材３２が２個並んだ長方形で描かれている。各スライド部材３２は、各ねじり紐１の先端側に接続され、ねじり紐１の長手方向でのスライド変位のみが許容されている。つまり、第２枠部材６２を貫通するように形成された角孔にスライド部材３２が内嵌しており、第２枠部材６２の周方向及び径方向への変位及び回転（自転）は規制され、軸方向（ねじり紐１の長手方向）の変位のみが許容されている。

これにより、駆動機構部２０の作動に伴って前述のようにねじり紐１が伸縮すると、スライド部材３２がねじり紐１の長手方向に変位することができる。なお、図６では図示を省略しているが、図４に示したように、スライド部材３２はワイヤを介して駆動対象である指関節に接続されているので、スライド部材３２がねじり紐１の長手方向に変位することによって指関節を動かすことができる。

この実施形態によれば、駆動機構部２０、ねじり紐１及びスライド部材３２を含む長尺状のねじり紐アクチュエータが複数組（１３組）、略円筒形状の周方向に沿って並ぶように、かつ、各ねじり紐アクチュエータの長手方向が略円筒形状の軸方向に沿うように配置されている。より具体的には、円環形状を有する一対の枠部材６１、６２が所定の間隔で対向するように配置され、複数本の連結部材６３でと一対の枠部材６１、６２が連結固定され、一対の枠部材のうちの第１枠部材６１の周方向に沿って駆動機構部２０が複数個配置され、一対の枠部材のうちの第２枠部材６２の周方向に沿ってスライド部材３２が複数個配置され、複数の駆動機構部２０と複数のスライド部材３２との間に複数のねじり紐１がそれぞれ掛け渡されている。

したがって、例えば義手の腕の周囲に複数組のねじり紐アクチュエータを効率良く配置して、スペースを有効に使用することができる。一対の枠部材６１、６２の中央の開口部をつなぐ空間に、義手の腕部やロボットハンドの腕部を通すように配置することができる。なお、図６の例では１３組のねじり紐アクチュエータが円筒形状の周方向に１列に並んでいるが、ねじり紐アクチュエータの数が多くなれば、２列以上に並べるようにしてもよい。

また、複数のねじり紐アクチュエータを円筒形状の全周ではなく、その一部（例えば半周）に沿って、つまり半円筒形状に配置してもよい。そのような構成の一例を変形例として図７に示す。図７において、図６の構成と同じ機能を有する構成要素には同じ参照番号を付している。

図７に示す変形例が図６の実施形態と異なる部分のみについて説明すると、一対の枠部材６１、６２は円環形状ではなく、その周方向一部である半円環形状を有する。そして、１３個の駆動機構部２０が、第１枠部材６１の基端側の面に、周方向に沿って１列ではなく２列に配置され、固定されている。それに対向するように、第２枠部材６２には、１３組（１３×２個）のスライド部材３２が周方向に２列に配置されている。そして、１３個の駆動機構部２０と１３組のスライド部材３２との間に１３組のねじり紐１がそれぞれ掛け渡されている。

したがって、図７の構成では、駆動機構部２０、ねじり紐１及びスライド部材３２を含む長尺状のねじり紐アクチュエータが複数組（１３組）、半円筒形状の周方向に沿って２列に並ぶように、かつ、各ねじり紐アクチュエータの長手方向が略円筒形状の軸方向に沿うように配置されている。この構成でも、図６の構成と同様に、義手の腕部やロボットハンドの腕部の周囲に効率よく複数のねじり紐アクチュエータを配置することができる。

半円環形状の枠部材６１、６２の中央の半円形凹部に義手の腕部やロボットハンドの腕部を配置することが可能である。この構成は、特にロボットハンドのアクチュエータとして適していると考えられる。なお、図７の例では１３組のねじり紐アクチュエータが半円筒形状の周方向に２列に並んでいるが、ねじり紐アクチュエータの数が少ない場合、あるいは装着対象の腕部の太さに比べて駆動機構部２０及びスライド部材３２の大きさを十分小さくすることができる場合は、ねじり紐アクチュエータを１列に並べてもよい。

次に、本発明の第２実施形態に係る義手用アクチュエータユニットの構成例を図８から図１０を参照しながら説明する。図８は、本発明の第２実施形態に係る義手用アクチュエータユニットを構成するねじり紐アクチュエータ組の平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。図９は、図８のねじり紐アクチュエータ組を複数組連結した状態を示す平面図である。図１０は、図８のねじり紐アクチュエータ組を複数組連結した義手用アクチュエータユニットを略円筒形状に沿って巻き付けた状態を示す図である。

本実施形態の義手用アクチュエータユニットは、図８に示すように、１つの駆動機構部２０と、当該駆動機構部２０の２本の出力軸４１、４２にそれぞれ基端側が接続された２本のねじり紐１と、当該２本のねじり紐の先端側に接続された２個のスライド部材３２を含むねじり紐アクチュエータが２個１組として、かつ、互いに長手方向にずれた状態で長手板状の固定台６５に配置されたねじり紐アクチュエータ組を使用する。このような固定台６５を径方向内側として略円筒形状の周方向に沿って並ぶように配置（連結）することにより、実施形態１と同様に、複数のねじり紐アクチュエータが略円筒形状の周方向に沿って並ぶように、かつ、各ねじり紐アクチュエータの長手方向が略円筒形状の軸方向に沿うように配置された構造が実現する。

図８（ａ）の平面図及び図８（ｂ）の側面図に示すように、駆動機構部２０は、その２本の出力軸４１、４２が固定台６５に対して垂直な方向（上下方向）に並ぶように配置されている。したがって、出力軸４１、４２に接続される一対のねじり紐１と、その先端側に接続される一対のスライド部材３２も上下方向に並ぶように配置されている。一対のスライド部材３２をスライド自在に保持するスライド部材保持台６６が、固定台６５に対して垂直に立つように固定されている。一対のスライド部材３２は、スライド部材保持台６６の上下方向に離間して形成された一対の角孔にそれぞれ内嵌し、ねじり紐１の長手方向に沿うスライド動作のみが許容される。

スライド部材３２の先端側は、駆動対象である指関節に接続された（図３参照）ワイヤ６７に接続されている。また、ワイヤ６７のアウターチューブ６８の基端側を固定するアウターチューブホルダー６９が固定台６５に対して垂直に立つように固定されている。ワイヤ６７は、アウターチューブ６８の内部を長手方向に摺動することができる。また、固定台６５を後述のバンド部材等に固定するための螺子又はリベット等が挿通される固定孔７１が固定台６５の４箇所に設けられている。また、複数の固定台６５を幅方向に連結するために、一対のスプリングプランジャー７２とその受け部７３とが固定台６５の長手方向に離間するように、また、幅方向端部から突出するように設けられている。

図８（ａ）の平面図からよくわかるように、上記のような駆動機構部２０、ねじり紐１、スライド部材３２を含むねじり紐アクチュエータが２個１組として、かつ、互いに長手方向にずれた状態で固定台６５に配置されている。つまり、ねじり紐アクチュエータを構成する部材のうちの幅の広い駆動機構部２０が幅方向に重ならないようにずれて配置されているので、２個のねじり紐アクチュエータを１組としたねじり紐アクチュエータ組の幅（すなわち固定台６５の幅）を小さくすることができる。したがって、駆動機構部２０の幅を小さくすることが困難であっても、スペースを有効に用いて、より多くのねじり紐アクチュエータを幅方向に沿って並べることが可能になる。

図８（ａ）の平面図において、固定台６５の下辺に設けられたスプリングプランジャー７２は、下側に連結される別の固定台６５上辺に設けられた受け部７３と係合してヒンジ部を構成する。スプリングプランジャー７２及び受け部７３は、固定台６５の長手方向（図８では左右方向）に離間する２箇所に設けられている。

左側のスプリングプランジャー７２は、内蔵するスプリングによって左方向へ付勢されたボール７２ａが左端から出ている。これに対応する左側の受け部７３には、ボール７２ａに係合する丸孔（貫通孔）７３ａが形成されている。また、右側のスプリングプランジャー７２は、内蔵するスプリングによって右方向へ付勢されたボール７２ａが右端から出ている。これに対応する右側の受け部７３にも、ボール７２ａに係合する丸孔（貫通孔）７３ａが形成されている。

したがって、スプリングプランジャー７２と受け部７３との係合に際して、スプリングプランジャー７２のボール７２ａが内蔵スプリングの付勢力に抗して後退したのち、内蔵スプリングの付勢力によって再び突出して受け部７３の丸孔７３ａに係合する。この係合状態では、プリングプランジャー７２と受け部７３とがヒンジ部として機能し、複数の固定台６５はヒンジ部で幅方向に連結される。

図９には、４個の固定台６５（すなわちねじり紐アクチュエータ組）が幅方向に連結された状態が描かれている。この図からよく分かるように、各ねじり紐アクチュエータを構成する部材のうちの幅の広い駆動機構部２０が長手方向に交互にずれるように（ジグザグに）配置される。したがって、駆動機構部２０の幅を小さくすることが困難であっても、スペースを有効に用いて、より多くのねじり紐アクチュエータを幅方向に沿って並べることが可能になる。

スプリングプランジャー７２と受け部７３とからなるヒンジ部で連結された複数の固定台６５は、ヒンジ部で互いに枢支されているので、略円筒形状に沿わせるように配置することが可能である。また、ヒンジ部がスプリングプランジャー７２と受け部７３とで構成されているので、固定台６５の連結が容易であると共に、取り外し（連結解除）も容易である。連結解除の操作では、スプリングプランジャー７２のボール７２ａが内蔵スプリングの付勢力に抗して後退することによって、ボール７２ａと受け部７３の丸孔７３ａとの係合が解除される。

また、本実施形態では、固定台６５の長手方向に離間する２箇所の両方にスプリングプランジャー７２と受け部７３によるヒンジ部を設けたが、一方のみをスプリングプランジャーとその受け部によるヒンジ部とし、他方はピンとその受け部によるヒンジ部としてもよい。

固定台６５がヒンジ部で着脱自在である構成を採用したことにより、義手やロボットハンドの関節の数に応じて、必要なねじり紐アクチュエータの数を容易に変更することが可能となる。つまり、２個のねじり紐アクチュエータが搭載された固定台６５（ねじり紐アクチュエータ組）を単位として、必要な数だけ固定台６５を連結して使用することが容易になる。不要になったねじり紐アクチュエータや動作不良のねじり紐アクチュエータの固定台６５を取り外すといったメンテナンス作業も容易になる。例えば１３個の関節、つまりねじり紐アクチュエータが必要な場合は、２個のねじり紐アクチュエータが装着された６枚の固定台６５と、１個のみのねじり紐アクチュエータが装着された１枚の固定台６５、計７枚の固定台６５を使用すればよい。

図１０は、７枚の固定台６５（ねじり紐アクチュエータ組）がヒンジ部７２、７３で連結され、略円筒形状に沿って巻き付けるように配置された状態を示している。図９及び図１０に示すように、各ねじり紐アクチュエータ組の固定台６５は、４箇所の固定孔７１に挿通される螺子又はリベット等を用いて、可撓性の樹脂や布等で作られたバンド部材７５に固定される。

図１０に示すように、本実施形態の義手用アクチュエータユニットは、可撓性のバンド部材７５を内側にして、その外側にヒンジ部７２、７３で連結された複数の固定台６５が取り付けられ、その外面にねじり紐アクチュエータが搭載された構造を有する。こうすることにより、義手用アクチュエータユニットを義手等の腕部の周りに巻き付けるように装着する作業を容易かつ安全に行うことができる。腕部に直接触れるのは可撓性のバンド部材７５であるから、義手用アクチュエータユニットの装着によって腕部の表面が傷つくおそれもなくなる。

また、バンド部材７５の端部の互いに重なり合う部分７５ａは、例えばマジックファスナー（登録商標）等を用いて互いに固定することができる。これにより、義手用アクチュエータユニットの着脱が容易になる。しかも、取付対象の腕部の太さや形状の変化にある程度対応することができる。なお、図１０に示す義手用アクチュエータユニットは、７枚の固定台６５の全てに２個の駆動機構部２０（したがってねじり紐アクチュエータ）が搭載され、計１４個のねじり紐アクチュエータを有している。前述のように、１３個のねじり紐アクチュエータで足りる場合は、例えば両端のいずれか一方の固定台６５に搭載するねじり紐アクチュエータを１個のみとすればよい。

次に、本実施形態の変形例を図１１に示す。この変形例では、上記のバンド部材７５に代えて、断面多角形（図１１の例では７角形）の筒状枠部材７６を使用し、その外周面を構成する複数（７個）の平面のそれぞれに、ねじり紐アクチュエータ組の固定台６５を固定する。前述のように固定台６５の４箇所に設けられた固定孔７１に挿通される螺子等を用いて、固定台６５が筒状枠部材７６の外周面に固定される。

このような構成は、義手用アクチュエータユニットの装着対象が決まっている場合、つまり装着する腕部の寸法や形状が変化しない場合に適しており、シンプルで低コストの構成を実現することができる。なお、複数のねじり紐アクチュエータ組（固定台６５）の配置に関して、図１１に示すように等角度間隔で配置することが好ましいが、必ずしも等角度間隔でなくてもよい。また、図１１では７枚の固定台６５の全てに２個の駆動機構部２０（ねじり紐アクチュエータ）が搭載され、計１４個のねじり紐アクチュエータが設けられているが、１３個のねじり紐アクチュエータで足りる場合は、いずれか１枚の固定台６５に搭載するねじり紐アクチュエータを１個のみとすればよい。

また、筒状枠部材７６は、周方向の一部が開いて（欠けて）いてもよい。すなわち、例えば図１１において、筒状枠部材７６の７角形の断面のうちの１辺又は２辺が欠けた構成としてもよい。この場合は、搭載される固定台６５の数はそれぞれ６枚又は５枚となる。

以上、本発明の複数の実施形態及び変形例について説明したが、本発明は上記の実施形態及び変形例に限らず、種々の形態で実施することが可能である。

本発明の義手用アクチュエータユニットを構成するねじれ紐式アクチュエータの概念を示す模式図である。 ねじれ紐式アクチュエータを用いて指関節を駆動する適用例を示す模式図である。 図２に示したねじれ紐式アクチュエータの複数指関節への適用例を示す模式図である。 １個のモータで２本のねじれ紐を同時に駆動する構成例を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る義手用アクチュエータユニットを構成するねじれ紐式アクチュエータのモータ及びギアボックスの構造を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る義手用アクチュエータユニットにおける１３組のねじれ紐式アクチュエータの配置例を示す斜視図である。 図６に示す構成の変形例を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る義手用アクチュエータユニットを構成するねじり紐アクチュエータ組の平面図及び側面図である。 図８のねじり紐アクチュエータ組を複数組連結した状態を示す平面図である。 図８のねじり紐アクチュエータ組を複数組連結した義手用アクチュエータユニットを略円筒形状に沿って巻き付けた状態を示す図である。 図１０に示す構成の変形例を示す斜視図である。 ワイヤとモータを用いた指関節用のワイヤ式アクチュエータの従来技術の基本的な構造を示す図である。

符号の説明

１ ねじれ紐
２０ 駆動機構部
３２ スライド部材
６１、６２ 枠部材
６３ 連結部材
６５ 固定台
７２ スプリングプランジャー（ヒンジ部）
７３ 受け部（ヒンジ部）
７５ バンド部材
７６ 筒状枠部材

Claims (9)

1. ねじり紐アクチュエータを複数組用いた義手用アクチュエータユニットであって、
   前記ねじり紐アクチュエータは、２本の紐を互いにねじり合わせた構造のねじれ紐と、当該ねじれ紐の基端側に接続された駆動機構部と、前記ねじれ紐の先端側に接続されたスライド部材とを備え、前記駆動機構部の作動に伴い前記ねじれ紐を構成する２本の紐のねじれが強められたり緩められたりすることにより前記ねじれ紐の長さが変化し、その結果、前記スライド部材が前記ねじれ紐の長手方向に変位するように構成され、
   前記駆動機構部、前記ねじり紐及び前記スライド部材を含む長尺状のねじり紐アクチュエータが複数組、略円筒形状の周方向に沿って並ぶように、かつ、各ねじり紐アクチュエータの長手方向が前記略円筒形状の軸方向に沿うように配置されていることを特徴とする義手用アクチュエータユニット。
2. １３組の前記ねじり紐アクチュエータが略円筒形状の周方向に沿って並ぶように、かつ、各ねじり紐アクチュエータの長手方向が前記略円筒形状の軸方向に沿うように配置されていることを特徴とする
   請求項１記載の義手用アクチュエータユニット。
3. 円環形状又はその周方向一部である形状を有する一対の枠部材と、所定の間隔で対向するように配置された前記一対の枠部材を連結する複数本の連結部材とを備え、
   前記一対の枠部材のうちの第１枠部材の周方向に沿って前記駆動機構部が複数個配置され、
   前記一対の枠部材のうちの第２枠部材の周方向に沿って前記スライド部材が複数個配置され、
   複数の前記駆動機構部と複数の前記スライド部材との間に複数の前記ねじり紐がそれぞれ掛け渡されていることを特徴とする
   請求項１又は２記載の義手用アクチュエータユニット。
4. １つの駆動機構部と、当該駆動機構部の２本の出力軸にそれぞれ基端側が接続された２本の前記ねじり紐と、当該２本のねじり紐の先端側に接続された２個のスライド部材を含むねじり紐アクチュエータが２個１組として、かつ、互いに長手方向にずれた状態で長手板状の固定台に配置されたねじり紐アクチュエータ組を使用し、
   前記固定台を径方向内側として略円筒形状の周方向に沿って並ぶように、かつ、各ねじり紐アクチュエータの長手方向が前記略円筒形状の軸方向に沿うように前記複数のねじり紐アクチュエータ組を配置したことを特徴とする
   請求項１又は２記載の義手用アクチュエータユニット。
5. 複数の前記ねじり紐アクチュエータ組の固定台が、幅方向にヒンジ部で連結されていることを特徴とする
   請求項４記載の義手用アクチュエータユニット。
6. 前記固定台がヒンジ部で着脱自在であることを特徴とする
   請求項５記載の義手用アクチュエータユニット。
7. 前記ヒンジ部がスプリングプランジャーとその受け部とで構成されていることを特徴とする
   請求項６記載の義手用アクチュエータユニット。
8. 前記ヒンジ部で連結された複数の固定台の内側に、可撓性のバンド部材が配置され、前記複数の固定台が前記バンド部材にそれぞれ固定されていることを特徴とする
   請求項５、６又は７記載の義手用アクチュエータユニット。
9. 断面多角形又はその一部である外周面を有する筒状枠部材の外周面を構成する複数の平面のそれぞれに、前記ねじり紐アクチュエータ組の固定台が固定されていることを特徴とする
   請求項４記載の義手用アクチュエータユニット。

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