JP2016060022A - ロボット上半身の支持構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットの上半身の重量軽減を可能とする、ロボット上半身の支持構造を提供する。【解決手段】ロボットの腰骨部より上方に延在する柱状の背骨部と、背骨部に接続され該背骨部からロボットの側方に延在する上半身支持部と、ロボットの腕部が回転自在に取り付けられるとともに、該腕部の外部から該腕部を回転駆動させる所定のアクチュエータを少なくとも収容する収容空間を有する駆動ユニットと、を備え、上半身支持部と背骨部との接続点から側方に所定距離離れた、該上半身支持部上の第１接続点と、腰骨部上の第２接続点とで、駆動ユニットが該上半身支持部と該腰骨部に接続される、ロボットの上半身の支持構造である。【選択図】図４

Description

本発明は、ロボットの上半身の支持構造に関する。

近年、産業用ロボットだけでなく、民生用として様々な役目を担うロボットの研究開発が盛んになされている。ロボットの中でも直立歩行が可能な人間型ロボット（ヒューマノイドロボット）は、人間の行動を代替できるものとして期待されている。このような人間型ロボットでは、人間の動作を模すために多くの関節部が設けられており、また、その関節部において複数の自由度を有する多様な動作が求められる。そのため人間型ロボットの上半身には、関節部駆動のための多くのアクチュエータが搭載され、その重量が大きくなるため、上半身の支持構造が負担すべき荷重は小さくはない。

ここで、例えば特許文献１に示すロボットの上半身の支持構造は、２本の足に支えられた腰骨部から鉛直に背骨部が立てられている。そして、その背骨部に対して、肩部の位置に水平支持部材が上半身の左右側方に延在し、その先端にロボットの腕部が回転可能に取り付けられている（特に、特許文献１の図２Ａを参照）。したがって、ロボットの腕部は、水平支持部材によって吊り下げられた状態で支持されていることになる。

特開２０１２−１４８３６６号公報

上記の特許文献に示すように、従来技術では、ロボットの背骨部から側方に延在している水平支持部材に腕部が回転可能に取り付けられる場合が多い。このようなロボットの上半身では、比較的重量のある腕部を背骨部から所定の距離離れた位置で支持することになる。その結果、腕部のモーメントを十分に支持するために、水平支持部材や背骨部の剛性を比較的高く保つ必要があり、ロボットの上半身全体の重量が増加する傾向にある。また、腕部がロボットの上半身を形成する骨格構造部材（すなわち、水平支持部材）に直接接続されていることから、腕部からの荷重を直接その骨格構造部材が受けることになる。この点からも、当該荷重に対する強度を確保するために上半身の重量増加が避けられない。

また、ロボットの上半身の重量増加は、脚等の下半身構造が支持すべき荷重が増加することを意味するため、下半身の強度的な面やロボット駆動のための消費エネルギーの面等からも好ましいものではない。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、ロボットの上半身の重量軽減を可能とする、ロボット上半身の支持構造を提供することを目的とする。

本発明において、上記課題を解決するために、比較的高い剛性を担保できる駆動ユニットに、腕部とその駆動用のアクチュエータを取り付け、且つ、その駆動ユニットをロボットの上半身を支える一部材として機能するように該上半身に取り付ける構成を採用した。これにより、上半身が駆動ユニット自体によって支持されるため、効率的に上半身の強度アップを図ることが可能となる。

詳細には、本発明は、ロボットの上半身の支持構造であって、前記ロボットの腰骨部より上方に延在する柱状の背骨部と、前記背骨部に接続され該背骨部から前記ロボットの側方に延在する上半身支持部と、前記ロボットの腕部が回転自在に取り付けられるとともに、該腕部の外部から該腕部を回転駆動させる所定のアクチュエータを少なくとも備える駆動ユニットと、を備える。そして、前記上半身支持部と前記背骨部との接続点から側方に所定距離離れた、該上半身支持部上の第１接続点と、前記腰骨部上の第２接続点とで、前記駆動ユニットが該上半身支持部と該腰骨部に接続される。

本発明に係るロボット上半身の支持構造は、背骨部、腰骨部を含むロボットの上半身において、少なくとも腕部を支持するための構造を含むものである。ここで、腰骨部は、ロボットの上半身の荷重を受ける骨格構造部であり、一般には腰骨部の上にロボットの上半身が配置される。したがって、腰骨部の上には、上半身の中心となる背骨部が上方に延在するように配置される。なお、本発明において「上方向」及び「下方向」は、重力負荷が作用する方向、例えば、鉛直方向を示す用語である。一例としては、ロボットが設置面から起立している場合に、腰骨部から頭部側への方向が上方向であり、その逆が下方向となる。

また、ロボットの上半身では、上半身支持部がロボットの側方に延在するように背骨部に接続される。この上半身支持部は、背骨部からロボットの両側方に延在してもよく、又は、片側の側方に延在してもよい。

ここで、駆動ユニットは、ロボットの腕部の外部から該腕部を駆動する所定のアクチュエータを備えている。腕部の外にその駆動用の所定のアクチュエータを配置することで、回転駆動する腕部のモーメントを低下させることができ、以て、ロボットの上半身の重量軽減に寄与するものと考えられる。なお、駆動ユニットは、所定のアクチュエータを含むことより、構造的に比較的高い剛性を発揮する必要がある。そこで、この駆動ユニット全体の高剛性を踏まえて、本発明では駆動ユニットが上半身を支持するための構造体として利用される。

すなわち、上記のように、上半身支持部上の第１接続点と腰骨部上の第２接続点とで、駆動ユニットが上半身支持部と腰骨部に接続される。このように駆動ユニットを接続することで、駆動ユニットが持つ剛性を、上半身支持部を腰骨部の方から支えるために利用することが可能となる。ここで、第１接続点は、背骨部からロボットの側方において所定距離離れた位置にあり、一方で、第２接続点は、背骨部の下にある腰骨部上にあり、そのため、背骨部と第２接続点との距離は、上記所定距離より短くなる。そのため、ロボットの上半身において、背骨部、上半身支持部、駆動ユニットにより略三角形の支持フレームが形成されることになり、ロボットの上半身の強度を安定的なものとすることができる。更には、当該支持フレームにおいて、駆動ユニットの構造物そのものを支持フレームの一部として利用することになるため、ロボットの上半身の重量をいたずらに重くすることなくその強度アップを図ることが可能になる。

ロボットの上半身の重量軽減を可能とする、ロボット上半身の支持構造を提供することができる。

本発明に係る支持構造が適用されるロボットの正面図である。 図１に示すロボットの側面図である。 図１に示すロボットの背面図である。 図１に示すロボットにおいて、腕部と駆動ユニットを取り外した状態を示す図である。 図４において取り外された駆動ユニットを示す図である。 図１に示すロボットにおいて、駆動ユニットの内部の構成を示す図である。 図１に示すロボットの背面の一部を示す図である。 図１に示すロボットにおける駆動ユニット内のリンク機構の動作状態を示す第１の図である。 図１に示すロボットにおける駆動ユニット内のリンク機構の動作状態を示す第２の図である。 図１に示すロボットにおける駆動ユニット内のリンク機構の動作を説明する第１の図である。 図１に示すロボットにおける駆動ユニット内のリンク機構の動作を説明する第２の図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜ロボット１０の構成＞
図１〜図３に基づいて、本発明に係る支持構造が搭載されたロボット１０の概略構成について説明する。図１はロボット１０の正面図であり、図２はロボット１０の左側面図であり、図３はロボット１０の背面図である。なお、各図において、ロボット１０の内部構造が把握できるように、左手を除きその本体カバーを省略した状態で示されている。なお、本実施例では、ロボット１０の進行方向をｘ軸正方向、ロボット１０からみて左手方向をｙ軸正方向、ロボット１０における反重力方向をｚ軸正方向としたとき、ｘ軸がロール軸、ｙ軸がピッチ軸、ｚ軸がヨー軸である。したがって、ｘ軸回りの回転がロール動作、ｙ軸回りの回転がピッチ動作、ｚ軸回りの回転がヨー動作となる。また、本実施例における上方向とは、ｚ軸正方向、すなわち反重力方向であり、一方で下方向とは、ｚ軸負方向、すなわち重力方向とし、左右方向はロボット１０から見たときの左右方向であり、ｙ軸正方向が左方向、ｙ軸負方向が右方向となる。

ロボット１０は、人間型ロボットであり、人間の骨格構造を模したボディを有している。概略的には、図１においてｚ軸方向に延在している背骨部１４及び後述する板金で形成された各種の骨部１４ａ〜１４ｄ、背骨部１４を支持するように背骨部１４に連結された腰骨部１５、更に腰骨部１５を支持し図示しないロボット１０の一対の脚部が接続される骨盤部１６によってロボット１０の上半身の骨格構造（以下、単に「上半身骨格構造」という）が形成されている。そして、背骨部１４には、ロボット１０の首部１３が接続され、更にその上に頭部１１が配置されている。なお、頭部１１には、外部を撮影するためのカメラ１２が搭載されている。この首部１３を介した頭部１１の背骨部１４との接続により、頭部１１は背骨部１４に対してロール動作、ヨー動作が可能となるが、これらの動作のためのロボット内部構造は本発明の中核をなすものではないので、本明細書ではその詳細な説明は省略する。

また、ロボット１０には、その上半身の駆動を司る駆動ユニット２０が右上半身と左上半身のそれぞれに対応して配置されている。ここで、図４に示すように、背骨部１４には、ロボット１０の肩部分に位置する部位で、ロボット１０の側方に向かって延在するように、ロボット前面側の前方鎖骨部１４ａとロボット背面側の背面鎖骨部１４ｂが接続されている。更に、背骨部１４には、ロボット１０の胸部分（肩部分より下方の部位）に位置する部位で、同じようにロボット１０の側方に向かって延在するように、ロボット前面側
の前方胸骨部１４ｃとロボット背面側の背面胸骨部１４ｄが接続されている。これらの骨部１４ａ〜１４ｄ及び背骨部１４によって、背骨部１４を挟んだロボット１０の上半身内の左右に所定の空間が形成され、当該左右の所定の空間に駆動ユニット２０がそれぞれ収まるように配置され、各骨部１４ａ〜１４ｄに対して駆動ユニット２０が接続されることになる。これにより、２つの駆動ユニット２０がロボット１０内に取り付けられることになる。骨部１４ａ〜１４ｄは、背骨部１４の厚さよりも薄い平板状の板金で形成されているため、背骨部１４に対する駆動ユニット２０の取り付けは、比較的弾性的に行われることになる。これら骨部１４ａ〜１４ｄは、本発明の上半身支持部に相当し、特に骨部１４ａ、１４ｃは、本発明の前方上半身支持部に相当し、骨部１４ｂ、１４ｄは、本発明の背面上半身支持部に相当する。なお、駆動ユニット２０の取り付けの詳細については、後述する。

＜駆動ユニット２０の構成＞
図４には、ロボット１０の左側の腕部５０と、それに対応する左上半身用の駆動ユニット２０とが一体となって、ロボット１０の上半身骨格構造から取り外された状態が示されている。このように駆動ユニット２０は、対応する腕部５０とともにロボット１０の上半身骨格構造から取り外し可能となるように構成されることで、ロボット１０の組立性やメンテナンス性が好適に維持される。この駆動ユニット２０内に、リンク機構からなる回転駆動機構が搭載されており、当該回転駆動機構によってアクチュエータからの出力が腕部５０に伝えられ、その回転駆動が行われることになる。以下、図５及び図６に基づいて、当該回転駆動機構の詳細について説明する。なお、図５には、ロボット１０の左上半身用の駆動ユニット２０が開示されており、一方で、図６では、ロボット１０の右上半身用の駆動ユニット２０の詳細な構造が開示されている。なお、図６では、駆動ユニット２０の内部を示すために、一部の構成（後述する外側基板２１等の構成）は省略されている。また、本明細書においては、左上半身用の駆動ユニット２０と右上半身用の駆動ユニット２０は同一の構成を有しており、図５及び図６に基づいて行われる説明は、両側の駆動ユニット２０及びその内部の回転駆動機構に適用されるものである。

駆動ユニット２０は、ロボット１０の上半身骨格構造に接続される外側基板２１と内側基板２２、及び両基板の間に配置されたスペーサ２３で画定される収容空間を有する。外側基板２１は、駆動ユニット２０に腕部５０が接続された状態において、ロボット１０の外側、すなわち腕部５０に近い側に配置される基板であり、本発明の第１ベース部材に相当する。また、内側基板２２は、ロボット１０の内側に配置される基板であり、本発明の第２ベース部材に相当する。なお、外側基板２１には、腕部５０をピッチ軸に回転自在となるように支持するための支持部材２８が設けられ、当該支持部材２８を介して腕部５０が駆動ユニット２０側に接続されることになる。この支持部材２８としては、比較的モーメントの大きいロボット１０の腕部５０を限られた空間容積内で支持する点を考慮し、１個のベアリングでラジアル荷重、アキシアル荷重等のあらゆる方向の荷重を支持可能な支持部材を採用するのが好ましい。例えば、ＴＨＫ株式会社製のクロスローラリングを採用することが可能である。

そして、スペーサ２３は、両基板の間隔を画定する長さを有する棒状の部材である。これらの外側基板２１、内側基板２２、スペーサ２３による構成は、いわば駆動ユニット２０の筐体を形成するものであり、当該筐体は、ロボット１０の上半身骨格構造に固定され、そこに、３つのアクチュエータ２４、２５、及びアクチュエータ２４に関連するリンク機構３０が配置される。なお、アクチュエータ２４、２５が本発明の所定のアクチュエータに相当し、特に、アクチュエータ２４は本発明の腕部ピッチ用アクチュエータに相当し、アクチュエータ２５は本発明の腰骨部駆動用アクチュエータに相当する。

先ず、アクチュエータ２４について説明する。アクチュエータ２４は、サーボモータと
、本体部２４ａと、アクチュエータの軸方向に直線移動する出力軸２４ｂとを有する、直動アクチュエータであり、外側基板２１及び内側基板２２に固定されている。出力軸２４ｂの外周面には螺旋状のねじ溝が形成されており、本体部２４ａには、出力軸２４ｂのねじ溝に螺合するボールねじナット（図示せず）が本体部２４ａに軸線の回りの回転のみが許容された状態で収納されている。そして、サーボモータが当該ボールねじナットを回転させるように本体部２４ａと接続されており、本体部２４ａ内でボールねじナットの軸線方向の移動が制限されているため、サーボモータの駆動により出力軸２４ｂが軸方向に直線運動、すなわち直動する。

アクチュエータ２４の出力軸２４ｂは、リンク機構３０を構成する第１リンク部３１と第２リンク部３２のうち第１リンク部３１に接続される。なお、このリンク機構３０が、上記回転駆動機構に相当する。そして、第１リンク部３１は、後述の図８、図９に示すように、基部３１ｃの両端から同方向に延出した２つの壁部３１ａを有しており、そして、基部３１ｃに平行となるように両壁部３１ａを繋ぐブリッジ３１ｂが設けられている。この基部３１ｃは、外側基板２１と内側基板２２に対して回転自在となるようにベアリングで支持され、第１支持点３３が形成される。また、ブリッジ３１ｂに、アクチュエータ２４の出力軸２４ｂが、第１リンク部３１との向きが可変となるように接続され、その接続点が３１ｅとされる。更に、基部３１ｃを挟んでブリッジ３１ｂとは反対側に、基部３１ｃから延出する尾部３１ｄが設けられている。尾部３１ｄの延出方向は、ブリッジ３１ｂ上の接続点３１ｅと第１支持点３３とを結ぶ直線上ではなく、当該直線に対してアクチュエータ２４が配置されていない方向、すなわち後述する第３支持点３５が位置する方向となっている。そして、尾部３１ｄの端部（基部３１ｃとの接続部とは反対側の端部）において、第２リンク部３２が回転自在となるようにベアリングで支持され、第２支持点３４が形成される。

このように壁部３１ａ、ブリッジ３１ｂ、基部３１ｃ、尾部３１ｄをリンク本体として第１リンク部３１は形成される。そして、第１リンク部３１は、そのリンク本体を回転自在に支持する第１支持点３３を基準とすると、その一方側にアクチュエータ２４の出力軸２４ｂが接続されるブリッジ３１ｂが位置し、他方側に第２リンク部３２が接続される尾部３１ｄが位置することになる。そのため、アクチュエータ２４の出力が作用する点、すなわちアクチュエータ２４の出力が第１リンク部３１に入力される接続点３１ｅと、第１リンク部３１を介した力を第２リンク部３２側に伝える点、すなわちアクチュエータ２４からの出力を第２リンク部３２側に出力する第２支持点３４とは、第１支持点３３を基準にしてシーソーのように搖動する相関を有することになり、以て、第１リンク部３１は搖動リンクとして形成されることになる。より具体的に言えば、接続点３１ｅが上方に移動すれば第２支持点３４は下方に移動し、逆に、接続点３１ｅが下方に移動すれば第２支持点３４は上方に移動するように、第１リンク部３１が形成されている。このように第１リンク部３１を揺動リンクとして形成することで、アクチュエータ２４の出力伝達にようする機構の大きさ、特に、その長さ寸法を抑えることができる。また、第１リンク部３１のシーソー形状を利用して、アクチュエータ２４の出力の増幅を図ることも可能となり、この点はアクチュエータ２４の小型化にも寄与する。

次に、第２リンク部３２は、その一方の端部において上記の通り第２支持点３４で第１リンク部３１の尾部３１ｄと回転自在に接続され、更に、他方の端部において、後述の図９に示すように、ロボット１０の腕部５０の端部に連結されたプレート５１に対して回転自在となるようにベアリングで支持され、第３支持点３５が形成される。このように第２支持点３４及び第３支持点３５を含む板状の本体を有するように第２リンク部３２は形成され、そして、第２リンク部３２は、第１リンク部３１から伝わってきた力をプレート５１へと伝達させる。このプレート５１は、支持部材２８を介して回転自在に取り付けられた腕部５０の端部に連結されたプレートであり、腕部５０のピッチ方向の回転に伴い腕部
５０とともに回転する。そして、支持点３５は、この腕部５０のピッチ方向の回転中心よりも所定距離ずらした場所に位置しており、第１リンク部３１及び第２リンク部３２を介してプレート５１へ伝達された力は、腕部５０をピッチ方向に回転駆動させる駆動力となる。

このように、アクチュエータ２４の駆動力は、第１リンク部３１及び第２リンク部３２からなるリンク機構３０によって腕部５０に伝達されることで、腕部５０のピッチ方向の回転動作が生じることになる。そして、腕部５０は、外側基板２１上の支持部材２８により支持され、また、第１リンク部３１は外側基板２１及び内側基板２２上に回転支持されているため、第１リンク部３１及び第２リンク部３２の回転方向は、腕部５０のピッチ回転方向と同じ方向となる。

次に、アクチュエータ２５について説明する。アクチュエータ２５もアクチュエータ２４と同様に直動アクチュエータであり、外側基板２１及び内側基板２２に固定されている。アクチュエータ２５の出力軸は、外側基板２１及び内側基板２２に支持点１８ａを介して回転自在に取り付けられた搖動リンク部１８の一端側に接続されている。そして、搖動リンク部１８の他端側では、支持点１８ｂを介して伝達リンク部１７が回転自在に接続され、当該伝達リンク部１７は更に腰骨部１５に接続されている。この揺動リンク部１８は、上述の第１リンク部３１と同じようにシーソー形状を有しており、そのため、アクチュエータ２５の出力伝達にようする機構の大きさ、特に、その長さ寸法を抑えることができ、更に、アクチュエータ２５の出力の増幅を図ることも可能となり、この点はアクチュエータ２５の小型化にも寄与する。

ロボット１０の左右の上半身において、アクチュエータ２５の出力が腰骨部１５に伝えられることで、図示しない腰骨部１５の詳細な構成によりロボット１０の上半身が骨盤部１６に対してロール方向及びヨー方向に回転駆動することになる。なお、この骨盤部１６に対する回転駆動のための構成については、本発明の中核をなすものではないため、その詳細な説明は省略する。

また、駆動ユニット２０にはアクチュエータ２５のみが含まれ、それに関連するリンクである搖動リンク部１８及び伝達リンク部１７は、駆動ユニット２０には含まれない（図４に示す、駆動ユニットを取り外した状態を参照のこと。）。これは、駆動ユニット２０の取外しに際して伝達リンク部１７と腰骨部１５との接続を外してしまうと、駆動ユニット２０の筐体から搖動リンク部１８及び伝達リンク部１７がはみ出してしまい取扱いが難しくなるからである。もちろん、駆動ユニット２０内に搖動リンク部１８及び伝達リンク部１７が含まれるように、駆動ユニット２０を上半身骨格構造から取り外しても構わない。

次に、図７に基づいて、ロボット１０の背面構造について説明する。図７は、駆動ユニット２０の背面構成を示す図である。図７に示すように、プレート５１上からロボット１０の肩幅方向に沿って延出するバネ取付部５２が設けられている。このバネ取付部５２には、背面胸骨部１４ｄとの間に付勢力を付与するバネ１９が２本設けられている。背面胸骨部１４ｄにおけるバネ１９の接続位置は、１９ａで表される。

バネ取付部５２は、腕部５０とともにピッチ回転するプレート５１上にあり、また、接続位置１９ａはロボット１０の上半身骨格構造を形成する背面胸骨部１４ｄ側にあるため、バネ１９による付勢力は、腕部５０のピッチ回転に寄与するトルクを生み出すことになる。このバネ１９による付勢力については、後述する。

＜駆動ユニット２０による支持構造＞
上記の通り、駆動ユニット２０は、その上部前方部位、上部背面部位で、外側基板２１と内側基板２２によって画定される収容空間にアクチュエータ２４、２５を収容した状態で、それぞれ前方鎖骨部１４ａと背面鎖骨部１４ｂに接続されている。更に、駆動ユニット２０は、その中央前方部位、中央背面部位で、それぞれ前方胸骨部１４ｃと背面胸骨部１４ｄに接続され、駆動ユニット２０の下方では、アクチュエータ２５の出力軸、揺動リンク部１８、伝達リンク部１７を介して、腰骨部１５と接続されている。そして、各骨部１４ａ〜１４ｄとアクチュエータ２０の外側基板２１及び内側基板２２との接続点が、本発明の第１接続点に相当し、揺動リンク等１８を介した腰骨部１５との接続点（支持点１７ａ）が、本発明の第２支持点に相当する。

このような駆動ユニット２０の上半身骨格構造との接続態様により、上半身支持部に相当する各骨部１４ａ〜１４ｄに対して、駆動ユニット２０が下方から支えるように接続されることになる。そして、図からも分かるように第１接続点に相当する駆動ユニット２０と各骨部１４ａ〜１４ｄの接続点は、ロボット１０の肩幅に相当する距離だけ背骨部１４からロボット１０の側方に離れた位置にあり、支持点１７ａよりも更にロボット１０の側方に位置する。また、第２接続点に相当する支持点１７ａは、背骨部１４がつながる腰骨部１５上の接続点であることを踏まえると、第１接続点、第２接続点、及び各骨部１４ａ〜１４ｄと背骨部１４との接続点によって、略三角形の支持フレームが形成されることになる。すなわち、駆動ユニット２０自体が、当該支持フレームの一辺に含まれることになる。

ここで、図からも分かるように、当該支持フレームにおいて、駆動ユニット２０は、外側基板２１と内側基板２２が、それらの長手方向において第１接続点と第２接続点との間に延在した状態となる。外側基板２１と内側基板２２は、アクチュエータ２４、２５が固定される基板でもあるため、駆動ユニット２０の筐体として機能すべく両基板の厚さは相応に厚くされる。したがって、外側基板２１と内側基板２２の剛性は比較的高く設定されている。

そこで、駆動ユニット２０の各基板２１、２２が上記支持フレームの一辺に含まれると、各基板２１、２２の剛性を、そのままロボット１０の上半身骨格構造、特に骨部１４ａ〜１４ｄの支持のために利用することができる。このことは、上半身骨格構造の支持のために特別の支持構造を設けなくても、ロボット１０の上半身の強度アップを図ることができることを意味し、換言すれば、ロボット１０の上半身の強度アップのために、上半身の重量が増加することを抑制することができる。

また、腕部５０は骨部１４ａ〜１４ｄに直接接続はされておらず、駆動ユニット２０の外側基板２１に取り付けられている。そして、骨部１４ａ〜１４ｄは、上記の通り、板金で形成されているため、駆動ユニット２０を弾性的に支持している。このように駆動ユニット２０が弾性的に支持されることで、腕部５０からの荷重の一部を、骨部１４ａ〜１４ｄの弾性力によって吸収することができる。そのため、腕部５０が外側基板２１に取り付けられている支持部材２８で支持すべき荷重が軽減されることになるため、許容荷重が比較的低い支持部材２８、例えば、許容されるラジアル荷重やアキシアル荷重が比較的低いクロスローラリングを使用することができる。これにより支持部材２８の小型化が可能となり、この点からもロボット１０の上半身の重量増加を抑制することができる。

更に、ロボット１０の上半身の重量増加の抑制の観点から、駆動ユニット２０に形成される上記収容空間に、腕部５０を駆動するためのアクチュエータ２４が固定収容された状態で、上半身骨格構造に接続される構成も有用と言える。アクチュエータ２４が腕部５０の外部に配置されることで、腕部５０の内部に配置される場合と比べて腕部５０の重量を軽減することができる。腕部５０は回転駆動される部材であるため、その軽量化は、腕部
５０のモーメント低下、ひいては回転駆動時の荷重低下に帰結する。その結果、上半身骨格構造の耐荷重性を大きく上げる必要がなくなり、以て、上半身の重量増加の抑制に資するものと考えられる。なお、アクチュエータ２４を腕部５０の外部に配置した上で、腕部５０を回転駆動するためには、アクチュエータ２４の直動の出力軸からの出力を、後述するリンク機構３０の動作によって腕部５０に伝える構成が極めて有用である。

＜リンク機構３０の動作＞
リンク機構３０は、上記の通り第１リンク部３１と第２リンク部３２により構成されており、アクチュエータ２４の駆動力を腕部５０に連結されたプレート５１に伝達することで、腕部５０がピッチ方向に回転駆動されることになる。そして、このリンク機構３０の動作の詳細について、図８、図９、図１０に基づいて説明する。

図８は、腕部５０が鉛直下方向に延在している状態、すなわち腕部５０が支持部材２８によって回転自在に支持されている状態において腕部５０が重力成分にならって最も下方向に延在している最下方位置にある状態での、リンク機構３０を中心とした駆動ユニット２０内の状態を表している。一方で、図９は、腕部５０が水平方向に延在している状態、すなわち腕部５０が支持部材２８によって回転自在に支持されている状態において腕部５０が最下方位置から重力成分に逆らって上昇された水平上昇位置にある状態での、リンク機構３０を中心とした駆動ユニット２０内の状態を表している。すなわち、図８は、腕部５０の自重によるアクチュエータ２４に対する重力負荷が最小となる状態を表し、図９は、当該重力負荷が最大となる状態を表している。

また、図１０は、リンク機構３０を構成する各リンク部の状態を把握しやすいように、各リンク部をｚｙ平面に投射した状態で表している。そのため、第１リンク部３１は、接続点３１ｅと第１支持点３３とを結ぶ直線と第１支持点３３と第２支持点３４とを結ぶ直線とが折れ曲がったくの字形状で表されている。なお、具体的には、図１０の左図（ａ）は、図８に示すように腕部５０が最下方位置にある場合のリンク機構３０の状態を表しており、図１０の右図（ｂ）は、図９に示すように腕部５０が水平上昇位置にある場合のリンク機構３０の状態を表している。

ここで、ロボット１０において腕部５０が最下方位置から水平上昇位置まで上昇駆動される場合のリンク機構３０の動作について説明する。ロボット１０において腕部５０が最下方位置にある場合、図８に示すように、アクチュエータ２４の出力軸２４ｂが駆動ユニット２０内で最も上方に位置した状態にある。そのため、図１０（ａ）に示すように、第２支持点３４は、該第２支持点３４が採り得る位置の中で最も下方に位置する状態となる。そのため、この第２支持点３４の位置に影響され、第２リンク部３２がプレート５１を下方に引き込んだ状態となり、以て、図１０（ａ）に示すプレート５１の状態を介した、腕部５０の最下方位置が決定されることになる。

このように図８（ａ）に示す状態から、アクチュエータ２４の駆動により出力軸２４ｂが本体部２４ａに引き込まれていくと（すなわち、ロボット１０において出力軸２４が下方に直動していくと）、図１０（ａ）において、第１リンク部３１は、第１支持点３３を中心として反時計回りに回転していくことになる。すなわち、出力軸２４ｂの下方への直動により、接続点３１ｅは下方に移動するとともに第２支持点３４は上方に移動する。この結果、第２リンク部３２が、プレート５１を時計方向に押し出すことになり、以て、図１０において腕部５０がプレート５１の回転に伴って時計方向に回転上昇することになり、図１０（ｂ）に示す水平上昇位置に到達することになる。

ここで、この腕部５０の回転上昇の過程において、第１支持点３３と第２支持点３４を結ぶ直線（以下、「第１直線」という）と、第２支持点３４と第３支持点３５を結ぶ直線
（以下、「第２直線」という）とが為す角度θ（以下、「リンク間角度」という）に着目する。第１支持点３３は、外側基板２１及び内側基板２２と第１リンク部３１との間に形成されるため、第１支持点３３の位置は第１リンク部３１の状態にかかわらず外側基板２１等に対して不変である。そして、図１０（ａ）に示す状態から第１リンク部３１が反時計回りに回転していくと、この第１支持点３３を中心として第２支持点３４が上昇し、当初鋭角であったリンク間角度θは、９０度を超えて鈍角となり、最終的な図１０（ｂ）に示す状態では、１８０度に近い角度となる。すなわち、第一リンク部３１の反時計回りの回転により、リンク間角度θは１８０度に近づくように徐々に開いていき、第３支持点３５が第１支持点３３からより離間するように上昇していく。

この結果、図１０（ｂ）に示すような腕部５０が水平に上昇した状態では、第１支持点３３と第２支持点３４を結ぶ第１直線と、第２支持点３４と第３支持点３５を結ぶ第２直線が、概ね一直線上に、且つ、ｚ軸に沿うように延在することになる。このとき、腕部５０の重力成分による重力負荷は最大となるが、リンク機構３０における３つの支持点３３、３４、３５が、第１支持点３３上に概ね一直線上に並んでいる。そのため、腕部５０から伝わる重力負荷は、外側基板２１等に支持されている第１支持点３３でその多くを支持することができるため、接続点３１ｅを介してアクチュエータ２４側に伝達される負荷を軽減することができる。

また、リンク機構３０において、腕部５０が水平上昇位置の近傍の位置にある場合、腕部５０が最下方位置の近傍の位置にある場合と比べて、アクチュエータ２４の出力軸２４ｂの変位量に対する腕部５０に連結されたプレート５１の回転量の比率が小さくなるように、第１リンク部３１と第２リンク部３２の形状、寸法が決定されている。この結果、アクチュエータ２４に搭載されるサーボモータの変位量に対する、腕部５０の変位量の比率である減速比が、腕部５０が水平上昇位置に近づくほど大きく設定されることになる。そのため、腕部５０が最下方位置の近傍にある場合は、比較的減速比は小さいものの、腕部５０による重力負荷は小さいため、アクチュエータ２４に対する影響度は小さく保てる。一方で、腕部５０による重力負荷が相対的に大きくなる水平上昇位置の近傍においては、減速比をより大きくすることで、腕部５０による重力負荷のアクチュエータ２４への影響度を可及的に軽減でき、以て、アクチュエータ２４の小型化を図ることができる。

また、ロボット１０においては、図７に示すようにバネ１９による付勢力の付与が行われている。この点について、図１１に基づいて説明する。図１１は、腕部５０の回転角度に対する、腕部５０による重力負荷の推移、及びバネ１９の付勢力の推移を、それぞれ線Ｌ１、Ｌ２で表している。なお、図１１の横軸は、腕部５０が最下方位置にある場合（図１０（ａ）に示す状態の場合）を回転角度が０度とし、腕部５０が水平上昇位置にある場合（図１０（ｂ）に示す状態の場合）を回転角度が９０度とするものである。また、バネ１９の付勢力は、図１１に示す回転角度の範囲においては、腕部５０を上昇回転させるトルクを発生させる向きに付与されている。

ここで、線Ｌ１から分かるように、腕部５０が最下方位置から水平上昇位置まで回転上昇していくと、その重力負荷が次第に上昇していく。このとき、バネ１９の付勢力は、線Ｌ２から分かるように、腕部５０が水平上昇位置に到達する前の領域（概ね回転角度が５０度から７５度となる位置であり、「所定負荷領域」という。）において付勢力が線Ｌ１で示される重力負荷より大きくなるように、その取付位置やバネ定数が決定されている。このようなバネ１９の設計により、腕部５０による重力負荷が比較的大きくなる領域では、バネ１９の付勢力により腕部５０を効果的に支持することができ、アクチュエータ２４に掛かる負荷を軽減することができる。なお、所定負荷領域よりも腕部５０による重力負荷が更に大きくなる領域（腕部５０の回転角度が概ね７５度から９０度となる位置）では、上記の通り、リンク機構３０による減速比が相対的に大きくなるため、図１１に示すよ
うにバネ１９の付勢力が負荷重力と比べて低下しても、アクチュエータ２４に掛かる重力負荷を軽減できる。

また、図１１に示すように、所定負荷領域よりも腕部５０による重力負荷が小さくなる領域（腕部５０の回転角度が概ね０度から５０度となる位置）では、上記の通り、リンク機構３０による減速比は相対的には小さいが、腕部５０による重力負荷自体が相対的に小さいため、図１１に示すようにバネ１９の付勢力が負荷重力と比べて低下しても、アクチュエータ２４に掛かる重力負荷は、アクチュエータ２４の小型化を阻害する程のものではない。

このようにリンク機構３０による減速比との相関を考慮してバネ１９による付勢力を設定することで、腕部５０の回転駆動範囲の全体において、アクチュエータ２４に掛かる重力負荷を軽減でき、アクチュエータ２４の小型化を図ることができる。

ここで、図１０に戻り、リンク機構３０について再び言及する。図１０（ｂ）のように腕部５０が水平上昇位置にある場合、第１支持点３３を基準として第２支持点３４、第３支持点３５がｚ軸に沿って概ね直線状に並ぶことで、上記の通り、腕部５０による重力負荷を第１支持点３３で効率的に支持することができる。このとき、第１リンク部３１は、上記の通り、第３支持点３５側に偏って折れ曲がった形状（くの字形状）に形成されている。そのため、第１リンク部３１の接続点３１ｅが図１０（ａ）に示す状態から図１０（ｂ）に示す状態に変位する場合、第１リンク部３１の折れ曲がった形状により第１支持点３３と第２支持点３４とを結ぶ第１直線と、第２支持点３４と第３支持点３５とを結ぶ第２直線とが、より直線状に近づきやすい。リンク機構３０において、腕部５０が水平上昇位置にある場合に、第１直線と第２直線とがより直線に近い状態となることで、第１支持点３３による重力負荷の支持による効果を享受しやすい。したがって、第１リンク部３１における上記折れ曲がり形状は、この第１支持点３３による重力負荷の支持を考慮して設計すればよい。

また、第１リンク部３１における上記折れ曲がり形状は、第１直線と第２直線が直線状になった状態からの第１リンク部３１の回転駆動のしやすさの観点からも決定するのが好ましい。第１直線と第２直線が直線状になった場合に、仮に、接続点３１ｅと第１支持点３３とを結ぶ直線が、第１直線等の延長上に位置してしまうと、図１０（ｂ）に示す状態から図１０（ａ）に示す状態へと戻すときに、第１リンク部３１にそのためのトルクを付与しにくくなる。そこで、第１リンク部３１の回転駆動のしやすさを考慮して、第１リンク部３１における折れ曲がり形状を決定するのが好ましい。

なお、本実施例では、腕部５０の回転支持のための支持部材２８として、上記のようにクロスローラリングを使用することができる。当該クロスローラリングは、多方面からの荷重を支持することが可能な支持部材である。そのため、腕部５０に関する負荷の支持については当該クロスローラが好適に作用し、その分、腕部５０のピッチ回転を司るアクチュエータ２４に求められる剛性を小さくでき、この点からもアクチュエータ２４の小型化を図ることができる。

＜変形例＞
上記の実施例では、腕部５０に対して上昇回転方向の付勢力を付与するために、バネ１９が、背面胸骨部１４ｄとプレート５１との間に設けられているが、この態様に代えて、リンク機構３０を構成する第１リンク部３１又は第２リンク部３２とロボット１０の上半身骨格構造との間にバネ１９を配置してもよい。ただし、両リンク部は図１０に示すように、腕部５０の回転駆動範囲において大きく状態が変化する場合もあるため、バネ１９を接続する際には両リンク部と干渉しない位置に接続する必要がある。

１０・・・ロボット、１４・・・背骨部、１４ａ・・・前方鎖骨部、１４ｂ・・・背面鎖骨部、１４ｃ・・・前方胸骨部、１４ｄ・・・背面胸骨部、１５・・・腰骨部、１７ａ・・・・支持点、１９・・・バネ、２０・・・駆動ユニット、２１・・・外側基板、２２・・・内側基板、２４、２５・・・アクチュエータ、２８・・・支持部材、３０・・・リンク機構、３１・・・第１リンク部、３１ａ・・・壁部、３１ｂ・・・ブリッジ、３１ｃ・・・基部、３１ｄ・・・尾部、３１ｅ・・・接続点、３２・・・第２リンク部、３３・・・第１支持点、３４・・・第２支持点、３５・・・第３支持点、５０・・・腕部、５１・・・プレート

Claims (6)

1. ロボットの上半身の支持構造であって、
   前記ロボットの腰骨部より上方に延在する柱状の背骨部と、
   前記背骨部に接続され該背骨部から前記ロボットの側方に延在する上半身支持部と、
   前記ロボットの腕部が回転自在に取り付けられるとともに、該腕部の外部から該腕部を回転駆動させる所定のアクチュエータを少なくとも備える駆動ユニットと、
   を備え、
   前記上半身支持部と前記背骨部との接続点から側方に所定距離離れた、該上半身支持部上の第１接続点と、前記腰骨部上の第２接続点とで、前記駆動ユニットが該上半身支持部と該腰骨部に接続される、
   ロボット上半身の支持構造。
2. 前記背骨部は、所定の厚さを有する柱状の部材であり、
   前記上半身支持部は、前記所定の厚さより薄い板状に形成された部材であり、
   前記駆動ユニットは、
   前記腕部が回転自在に取り付けられた第１ベース部材と、
   前記第１ベース部材に対向する位置に配置され、且つ該第１ベース部材との間に前記所定のアクチュエータを少なくとも収容する収容空間が形成されるように該第１部材に対して固定された第２ベース部材と、
   を有し、
   前記所定のアクチュエータは、前記収容空間に収容された状態で前記第１ベース部材と前記第２ベース部材のうち少なくとも何れかに対して固定され、
   前記第１接続点と前記第２接続点との間に、前記駆動ユニットの前記第１ベース部材と前記第２ベース部材が延在するように、該駆動ユニットが前記上半身支持部と前記腰骨部に接続される、
   ロボット上半身の支持構造。
3. 前記上半身支持部は、前記背骨部を挟んで前記ロボットの前方に位置する前方上半身支持部と、該ロボットの背面に位置する背面上半身支持部と、を有し、
   前記駆動ユニットは、前記前方上半身支持部と前記背面上半身支持部に挟まれるように、前記第１ベース部材及び前記第２ベース部材の前方側が該前方上半身支持部に接続され、且つ、該第１ベース部材及び該第２ベース部材の背面側が該背面上半身支持部に接続される、
   請求項２に記載のロボット上半身の支持構造。
4. 前記駆動ユニットは、
   前記腕部をピッチ方向に回転駆動するための腕部ピッチ用アクチュエータを前記所定のアクチュエータとして備える、
   請求項１から請求項３の何れか１項に記載のロボット上半身の支持構造。
5. 前記駆動ユニットは、
   前記腰骨部に対する前記ロボットの上半身の回転駆動を行う腰骨部駆動用アクチュエータを、更に前記所定のアクチュエータとして備える、
   請求項４に記載のロボット上半身の支持構造。
6. 前記駆動ユニットは、前記腕部が前記第１ベース部材に取り付けられた状態で、前記上半身支持部及び前記腰骨部との接続が解消可能となるように形成される、
   請求項１から請求項５の何れか１項に記載のロボット上半身の支持構造。

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