JP2013111670A - ロボットの関節機構及びロボット - Google Patents

Abstract

【課題】人体の肩甲骨関節の動作再現性が高いロボットの関節機構を提供する。
【解決手段】本発明の一形態に係るロボットの関節機構は、ロボットの肩甲骨関節機構１０５であって、第１の軸と、第２の軸と、第３の軸と、で３次元空間を形成し、第１の軸と平行な方向に駆動軸が延在する回転駆動手段５と、回転駆動手段５によって第１の軸と平行な軸回りに回転し、第２の軸と平行な方向に並進部材６４ｃが並進する並進駆動手段６と、鎖骨リンク７１と、肩甲骨リンク７２と、を有し、鎖骨リンク７１の一方の端部が第３の軸と平行な軸回りに回転可能に回転駆動手段５の駆動軸に連結され、鎖骨リンク７１の他方の端部が第３の軸と平行な軸回りに回転可能に肩甲骨リンク７２の一方の端部に連結され、肩甲骨リンク７２の他方の端部は第３の軸と平行な軸回りに回転可能に並進部材６４ｃに連結される３節リンク機構７と、を備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、ロボットの関節機構及び当該関節機構を備えるロボットに関し、特にロボットの肩甲骨関節機構及び当該肩甲骨関節機構を備えるロボットに関する。

近年、人間型ロボットを用いて人間の動作を模倣する等、人間型ロボットの表現力を高める技術が盛んに開発されている。このとき、人間の自然な動作を再現する上で、人体の肩甲骨関節の動きを再現することが重要である。
ここで、特許文献１の関節機構は、胴体と肩関節との間に当該肩関節を動かすための並進機構を備えている。

特開２００９−２７４２０２号公報

特許文献１の関節機構は、胴体と肩関節との間に当該肩関節を動かすための並進機構を備えているので、細かい動きが可能である。しかし、人体の肩甲骨関節構造とは異なり、人体の肩甲骨関節の動きを再現することはできない。

本発明の目的は、このような問題を解決するためになされたものであり、人体の肩甲骨関節の動作再現性が高いロボットの関節機構及びそれを備えるロボットを提供することである。

本発明の一形態に係るロボットの関節機構は、ロボットの肩甲骨関節機構であって、第１の軸と、第２の軸と、第３の軸と、で３次元空間を形成し、前記第１の軸と平行な方向に駆動軸が延在する回転駆動手段と、前記回転駆動手段によって前記第１の軸と平行な軸回りに回転し、前記第２の軸と平行な方向に並進部材が並進する並進駆動手段と、鎖骨リンクと、肩甲骨リンクと、を有し、前記鎖骨リンクの一方の端部が前記第３の軸と平行な軸回りに回転可能に前記回転駆動手段の駆動軸に連結され、前記鎖骨リンクの他方の端部が前記第３の軸と平行な軸回りに回転可能に前記肩甲骨リンクの一方の端部に連結され、前記肩甲骨リンクの他方の端部は前記第３の軸と平行な軸回りに回転可能に前記並進部材に連結される３節リンク機構と、を備える。
本発明の一形態に係るロボットは、上記のロボットの関節機構を備える。

以上、説明したように、本発明によると、人体の肩甲骨関節の動作再現性が高いロボットの関節機構及びそれを備えるロボットを提供することができる。

本発明の実施の形態に係るロボットを示す模式図である。 本発明の実施の形態に係るロボットの各関節を説明する図である。 本発明に係る関節機構の原理を示す斜視図である。 本発明に係る関節機構の原理を示す正面図である。 本発明の実施の形態に係る関節機構を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る関節機構を示す異なる斜視図である。 本発明の実施の形態に係る関節機構を示す異なる斜視図である。 本発明の実施の形態に係る関節機構における、肩甲骨が内転した状態を再現した斜視図である。 本発明の実施の形態に係る関節機構における、肩甲骨が内転した状態を再現した異なる斜視図である。 本発明の実施の形態に係る関節機構における、肩甲骨が内転した状態を再現した異なる平面図である。 本発明の実施の形態に係る関節機構における、肩甲骨が外転した状態を再現した斜視図である。 本発明の実施の形態に係る関節機構における、肩甲骨が外転した状態を再現した異なる斜視図である。 本発明の実施の形態に係る関節機構における、肩甲骨が外転した状態を再現した異なる平面図である。 本発明の実施の形態に係る関節機構における、肩甲骨が上方回旋する動作を再現する前の状態を示す正面図である。 本発明の実施の形態に係る関節機構における、肩甲骨が上方回旋する動作を再現した後の状態を示す正面図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

本実施の形態のロボットは、図１に示すように、頭１、胴体２、左右の腕３Ｌ及び３Ｒ、左右の脚４Ｌ及び４Ｒを備えている。頭１と胴体２との間には、図２に示すように首関節１０１が配置されている。左右の腕３Ｌ及び３Ｒは、肩関節１０２、肘関節１０３及び手首関節１０４を備えている。この腕３Ｌ及び３Ｒと胴体２との間には、肩甲骨関節１０５が配置されている。また、左右の脚４Ｌ及び４Ｒは、膝関節１０６及び足首関節１０７を備えている。この脚４Ｌ及び４Ｒと胴体２との間には、腿関節１０８が配置されている。つまり、本実施の形態のロボットは、一般的な人間型ロボットと略同様の構成とされているが、腕３Ｌ及び３Ｒと胴体２との間に肩甲骨関節１０５を備えている。なお、肩甲骨関節１０５以外の要素は、本願発明の本質的部分でないので説明を省略し、以下、肩甲骨関節１０５の構成を詳細に説明する。なお、以下の説明においては、第１の軸、第２の軸、第３の軸で３次元空間を形成し、当該３次元空間に基づいて説明する。

先ず、本実施の形態の肩甲骨関節１０５の構成の基本思想を説明する。人体の肩甲骨関節は、図３に示すように、近似的に肩甲骨と鎖骨とで構成された３節リンク機構のような構造で模擬することができる。そこで、図３及び図４に示すように、鎖骨の根元を通るように前後方向に設定された第１の軸を中心に当該３節リンク機構を駆動することによって肩甲骨の上方回旋及び下方回旋を実現し、背中側に配置した並進駆動部によって当該３節リンク機構を駆動することによって肩甲骨の内転及び外転を実現した。

次に、肩甲骨関節１０５の構成を詳細に説明する。肩甲骨関節１０５は、図５乃至図７に示すように、回転駆動部５、並進駆動部６、３節リンク機構７、固定冶具８を備えている。

回転駆動部５は、図５乃至図７に示すように、固定冶具８に搭載されている。固定冶具８は、例えば胴体２に固定される。固定冶具８は、側部８１及び８２、底部８３、補強部８４を備えている。側部８１と８２とは、第１の軸と平行な方向に間隔を開けて配置されている。底部８３は、側部８１の下端部と側部８２の下端部とを連結している。さらに補強部８４は、側部８１と側部８２と底部８３とを一体的に連結している。本実施の形態の補強部８４は、第２の軸方向から見ると、Ｔ字形状に形成されている。補強部８４の第１の軸と平行な方向に延在する部分の一方の端部は、側部８１に連結されている。補強部８４の第１の軸方向に延在する部分の他方の端部は、側部８２に連結されている。補強部８４の第３の軸と平行な方向に延在する部分の下端部は、底部８３に連結されている。つまり、補強部８４は、補強リブとして機能する。

回転駆動部５は、図５乃至図７に示すように、駆動源５１、動力伝達部５２、減速器５３を備えている。駆動源５１は、例えば駆動モータである。駆動源５１は、固定冶具８の底部８３に設けられている。駆動源５１の駆動軸（図示を省略）は、第１の軸と平行に配置されている。駆動源５１の駆動力は、動力伝達部５２に伝達される。

動力伝達部５２は、第１のプーリ５２ａ、第２のプーリ５２ｂ、ベルト５２ｃを備えている。第１のプーリ５２ａは、駆動源５１の駆動軸に設けられている。第２のプーリ５２ｂは、減速器５３の入力軸(図示を省略)に設けられている。ベルト５２ｃは、第１のプーリ５２ａと第２のプーリ５２ｂとに渡されている。ちなみに、本実施の形態のベルト５２ｃは、固定冶具８の補強部８４に形成された切り欠き部８４ａに通されている。

減速器５３は、駆動源５１から動力伝達部５２を介して伝達される駆動力を増幅する。減速器５３としては、例えばハーモニック減速器を用いることができる。つまり、減速器５３は、図示を省略した入力軸、減速ギヤ部５３ａ、出力軸５３ｂを備えている。

入力軸には、上述したように第２のプーリ５２ｂが設けられている。入力軸は、第２のプーリ５２ｂから入力される駆動力を減速ギヤ部５３ａに出力する。

減速ギヤ部５３ａは、入力軸から入力される駆動力を増幅する。減速ギヤ部５３ａは、図５乃至図７に示すように、固定冶具８の側部８１に設けられている。減速ギヤ部５３ａは、増幅した駆動力を出力軸５３ｂに出力する。なお、減速ギヤ部５３ａの具体的な構成については本願発明の本質的部分でないので省略する。

出力軸５３ｂは、減速ギヤ部５３ａで増幅された第１の軸と平行な軸回りの回転駆動力を３節リンク機構７に出力する。出力軸５３ｂは、固定冶具８の側部８１に設けられた貫通孔８１ａに通されている。なお、３節リンク機構７の構成は後述する。

ちなみに、本実施の形態では、駆動源５１と減速器５３とを第３の軸方向に重ねて配置している。そのため、回転駆動部５における第２の軸方向の幅寸法を小さくすることができる。

並進駆動部６は、図６に示すように、支持アーム６１、駆動源６２、動力伝達部６３、送り機構６４を備えている。支持アーム６１は、駆動源６２、動力伝達部６３及び送り機構６４を固定冶具８の側部８２に支持させる。

つまり、支持アーム６１の一方の端部は、固定冶具８の側部８２に回転可能に連結されている。このとき、支持アーム６１は、第１の軸と平行な軸回りに回転可能とされる。そして、支持アーム６１の回転中心と減速器５３の出力軸５３ｂの回転中心とは、第１の軸と平行な同一軸上に配置される。支持アーム６１の他方の端部には、駆動源６２及び送り機構６４が設けられている。

駆動源６２は、例えば駆動モータである。駆動源６２は、図６に示すように、固定冶具６５を介して支持アーム６１に連結されている。駆動源６２の駆動軸６２ａは、第２の軸と平行に配置されている。駆動源６２の駆動力は、動力伝達部６３に出力される。

動力伝達部６３は、駆動源６２の駆動力を送り機構６４に伝達する。動力伝達部６３は、図６に示すように、第１のプーリ６３ａ、第２のプーリ６３ｂ、ベルト６３ｃを備えている。第１のプーリ６３ａは、駆動源６２の駆動軸６２ａに設けられている。第２のプーリ６３ｂは、送り機構６４のボールネジ６４ａに設けられている。ベルト６３ｃは、第１のプーリ６３ａと第２のプーリ６３ｂとに渡されている。

送り機構６４は、図５乃至図７に示すように、ボールネジ６４ａ、支持部６４ｂ、並進部６４ｃを備えている。ボールネジ６４ａは、一般的なボールネジと同様の構成とされている。ボールネジ６４ａは、第２の軸と平行に配置されている。ボールネジ６４ａは、支持部６４ｂに支持されている。

支持部６４ｂは、図５乃至図７に示すように、リニアガイド６４ｂ１、支持部材６４ｂ２及び６４ｂ３を備えている。リニアガイド６４ｂ１は、並進部６４ｃの並進方向を規定すると共に、並進部６４ｃがボールネジ６４ａと共回りすることを防ぐ。リニアガイド６４ｂ１は、第２の軸と平行に配置されている。リニアガイド６４ｂ１は、支持アーム６１に連結されている。

支持部材６４ｂ２は、ボールネジ６４ａの一方の端部を回転可能に支持する。また、支持部材６４ｂ２は、リニアガイド６４ｂ１の一方の端部を支持する。

支持部材６４ｂ３は、ボールネジ６４ａの他方の端部を回転可能に支持する。また、支持部材６４ｂ３は、リニアガイド６４ｂ１の他方の端部を支持する。支持部材６４ｂ３は、支持アーム６１に連結されている。ここで、ボールネジ６４ａの一方の端部は、図６に示すように、支持部材６４ｂ３に形成された貫通孔（図示を省略）に通され、支持部材６４ｂ３から突出している。このボールネジ６４ａにおける当該突出部分に動力伝達部６３の第２のプーリ６３ｂが設けられている。

並進部６４ｃは、貫通孔の内周部に雌ネジ(図示を省略)が形成されている。この雌ネジはボールネジ６４ａに螺合されている。そして、並進部６４ｃは、図５乃至図７に示すように、リニアガイド６４ｂ１に沿って摺動可能な嵌合部６４ｃ１を備えている。詳細には、嵌合部６４ｃ１には、リニアガイド６４ｂ１のレール部分に嵌合される切り欠き部(図示を省略)が形成されている。この切り欠き部がリニアガイド６４ｂ１のレール部分に嵌め込まれることで、並進部６４ｃの並進方向を規定すると共に、並進部６４ｃとボールネジ６４ａとの共回りを防ぐ。

これにより、駆動源６２が駆動してボールネジ６４ａが回転すると、並進部６４ｃがボールネジ６４ａに沿って、第２の軸と平行な方向に移動する。並進部６４ｃは、第２の軸と平行な方向への駆動力を３節リンク機構７に伝達する。

ちなみに、本実施の形態では、駆動源６２と送り機構６４とを第３の軸方向に重ねて配置している。そのため、並進駆動部６の第１の軸方向の幅寸法を小さくすることができる。

３節リンク機構７は、鎖骨リンク７１、肩甲骨リンク７２を備えている。鎖骨リンク７１の一方の端部は、図５に示すように、第３の軸と平行な軸回りに回転可能に減速器５３の出力軸５３ｂに連結されている。鎖骨リンク７１の他方の端部は、第３の軸と平行な軸回りに回転可能に肩甲骨リンク７２の一方の端部に連結されている。肩甲骨リンク７２の他方の端部は、第３の軸と平行な軸回りに回転可能に送り機構６４の並進部６４ｃに連結されている。ちなみに、鎖骨リンク７１及び肩甲骨リンク７２の長さ等は、適宜設定される。

このような構成の肩甲骨関節１０５は、図３及び図４に対応するようにロボット内において配置される。

次に、上述の肩甲骨関節１０５の動作を説明する。ここで、上述した第１の軸、第２の軸、第３の軸から成る３次元空間は、回転駆動部５の回転に伴って第２の軸及び第３の軸も回転する。つまり、３次元空間が回転駆動部５の回転に伴って回転する。

先ず、人体の肩甲骨が内転及び外転する動作の再現について説明する。図８乃至図１０に示すように、肩甲骨リンク７２の他方の端部を送り機構６４によって最も引き込んだ状態（図１０では左側に配置した状態）から、駆動源６２を駆動させると、駆動源６２の駆動軸６２ａと共に第１のプーリ６３ａが回転し、ベルト６３ｃを介して駆動源６２の回転駆動力が第２のプーリ６３ｂに伝達される。それに伴って、ボールネジ６４ａが回転し、並進部６４ｃを第２の軸方向に送る。このとき、並進部６４ｃはリニアガイド６４ｂ１に案内されて移動する。並進部６４ｃの並進に伴って、肩甲骨リンク７２の他方の端部が押し出され、図１１乃至図１３に示すように、鎖骨リンク７１と肩甲骨リンク７２との連結部が前方に押し出される。上述の動作は、人間が胸を張って肩甲骨が内転した状態から、例えば腕を前方に伸ばそうとして肩甲骨が外転した状態に移行する動作を再現することになる。つまり、駆動源６２を駆動させて送り機構６４の並進部６４ｃを第２の軸方向に並進させることで、人体の肩甲骨が内転及び外転する動作を再現することができる。

次に、人体の肩甲骨が上方回旋及び下方回旋する動作の再現について説明する。図１４に示す３節リンク機構７の状態から、回転駆動部５の駆動源５１を駆動させると、駆動源５１の駆動軸と共に第１のプーリ５２ａが回転し、ベルト５２ｃを介して駆動源５１の回転駆動力が第２のプーリ５２ｂに伝達される。それに伴って、図１５に示すように、３節リンク機構７は第１の軸と平行な軸回りに回転する。上述の動作は、人間が腕を下げて肩甲骨がほぼ通常の状態から、腕を挙げて肩甲骨が上方回旋した状態に移行する動作を再現することになる。つまり、駆動源５１を駆動させて３節リンク機構７を第１の軸と平行な軸回りに回転させることで、人体の肩甲骨が上方回旋及び下方回旋する動作を再現することができる。

ちなみに、人体の肩甲骨が拳上及び下降する動作は、上方回旋及び下方回旋で代替しても殆ど動作に違和感が無いので、機構上省略することができる。

このような構成の肩甲骨関節及びそれを備えるロボットは、人体の肩甲骨が内転及び外転、上方回旋及び下方回旋する動作を再現することができる。そのため、自然な動作で人間の動作を模倣することができる。

しかも回転駆動部５、並進駆動部６及び３節リンク機構７で肩甲骨関節を構成している。つまり、本実施の形態の肩甲骨関節は、回転駆動部５及び並進駆動部６の制御に基づいて肩甲骨関節の角度を機械的（剛）に制御する。そのため、肩甲骨関節の角度を高い精度で制御することができる。

以上、本発明に係るロボットの関節機構及びそれを備えるロボットの実施の形態を説明したが、上記に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。

例えば、上記実施の形態では、並進機構としてボールネジを用いた構成とされているが、要するに３節リンク機構７の肩甲骨リンク７２の他方の端部を第２の軸と平行な方向に移動することができれば良く、構成は特に限定されない。

１ 頭
２ 胴体
３Ｌ、３Ｒ 腕
４Ｌ、４Ｒ 脚
５ 回転駆動部
５１ 駆動源
５２ 動力伝達部、５２ａ 第１のプーリ、５２ｂ 第２のプーリ、５２ｃ ベルト
５３ 減速器、５３ａ 減速ギヤ部、５３ｂ 出力軸
６ 並進駆動部
６１ 支持アーム
６２ 駆動源、６２ａ 駆動軸
６３ 動力伝達部、６３ａ 第１のプーリ、６３ｂ 第２のプーリ、６３ｃ ベルト
６４ 送り機構、６４ａ ボールネジ、６４ｂ 支持部、６４ｂ１ リニアガイド、６４ｂ２、６４ｂ３ 支持部材、６４ｃ 並進部、６４ｃ１ 嵌合部、６５ 固定冶具
７ ３節リンク機構、７１ 鎖骨リンク、７２ 肩甲骨リンク
８ 固定冶具
８１ 側部、８１ａ 貫通孔、
８２ 側部
８３ 底部
８４ 補強部、８４ａ 切り欠き部
１０１ 首関節、１０２ 肩関節、１０３ 膝関節、１０４ 手首関節、１０５ 肩甲骨関節、１０６ 膝関節、１０７ 足首関節、１０８ 腿関節

Claims (2)

1. ロボットの肩甲骨関節機構であって、
   第１の軸と、第２の軸と、第３の軸と、で３次元空間を形成し、
   前記第１の軸と平行な方向に駆動軸が延在する回転駆動手段と、
   前記回転駆動手段によって前記第１の軸と平行な軸回りに回転し、前記第２の軸と平行な方向に並進部材が並進する並進駆動手段と、
   鎖骨リンクと、肩甲骨リンクと、を有し、前記鎖骨リンクの一方の端部が前記第３の軸と平行な軸回りに回転可能に前記回転駆動手段の駆動軸に連結され、前記鎖骨リンクの他方の端部が前記第３の軸と平行な軸回りに回転可能に前記肩甲骨リンクの一方の端部に連結され、前記肩甲骨リンクの他方の端部は前記第３の軸と平行な軸回りに回転可能に前記並進部材に連結される３節リンク機構と、
   を備えるロボットの関節機構。
2. 請求項１に記載のロボットの関節機構を備えるロボット。