JP2018155294A - ロボットの駆動装置及び動作補助装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットの駆動装置を軽量かつ安価に実現する。【解決手段】ロボットの駆動装置は、関節部により相対運動可能に連結された第１のリンク及び第２のリンクと、一端側に固定部を有し、他端側に可動部を有する捻じれ紐式アクチュエータと、捻じれ紐式アクチュエータを制御する制御装置と、を備え、捻じり紐式アクチュエータの固定部が第１のリンク又は第１のリンクに連結された第１の構造部に接続され、可動部が第２のリンク又は第２のリンクに連結された第２の構造部に接続される。【選択図】図３

Description

本発明は、ロボットの駆動装置及び動作補助装置に関する。

健常者あるいは障害者の動作を支援あるいは補助する動作補助装置としての人体装着型ロボットが知られている。人体装着型ロボットは、例えば、ユーザに装着される関節部と、ユーザの意図又は動作状態を検出するためのセンサと、関節部に付与するトルクを発生する駆動ユニットと、駆動ユニットの駆動を制御する制御装置とを備えて構成される。一般的に、駆動ユニットは、電気式のアクチュエータと、アクチュエータの回転を人体の動作に適した低速回転に変換する減速機とを備える。変速機は、例えば、１／５０〜１／２００の変速比で、アクチュエータの回転を関節部に伝達する。駆動ユニットは、例えばハーモニックドライブ（登録商標）又はウォームギヤとＤＣモータとを組み合わせて構成される。かかる人体装着型ロボットにおいて、複数のプーリとケーブルとを含むトルク伝達装置を用いたロボットがある。プーリ及びケーブルを含むトルク伝達装置は、アクチュエータの配置の自由度を高められるという利点を有する。

特開２００４−３４４３０６号公報

ここで、トルク伝達部材としてのケーブルは張力が作用する方向への力のみを伝達することができるために、通常関節部の運動の自由度以上のケーブルが必要になる。例えば、１自由度の並進運動を実現するためには、正対する二つの方向への張力を発生させるために計２つのケーブルが必要になる。上記のプーリ及びケーブルを含むトルク伝達装置の場合、ケーブルの張力を発生するために、アクチュエータの回転運動は、アクチュエータに接続されたプーリを介して直動運動に変換される。このため、トルク伝達装置には動力変換機構が備えられる。また、アクチュエータの回転速度を、人体の動作の速度に適合する適宜の速度に変換するために、アクチュエータには減速機が備えられる。このため、ロボットの駆動装置は重くかつ高価な装置となる場合が多い。特にリンクの運動の自由度が多くなるほど顕著となる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、ロボットの駆動装置を軽量かつ安価に実現することにある。

本発明のある観点によれば、関節部により相対運動可能に連結された第１のリンク及び第２のリンクと、一端側に固定部を有し、他端側に可動部を有する捻じれ紐式アクチュエータと、捻じれ紐式アクチュエータを制御する制御装置と、を備え、捻じり紐式アクチュエータの固定部が第１のリンク又は第１のリンクに連結された第１の構造部に接続され、可動部が第２のリンク又は第２のリンクに連結された第２の構造部に接続される、ロボットの駆動装置が提供される。

また、本発明の別の観点によれば、上記のロボットの駆動装置を備えた動作補助装置が提供される。

以上説明したように本発明によれば、ロボットの駆動装置を軽量かつ安価に実現することができる。

捻じり紐式アクチュエータの構成例を示す斜視図である。 １自由度並進運動を実現する駆動装置の構成例を示す模式図である。 ２自由度並進運動を実現する駆動装置の構成例を示す模式図である。 ３自由度並進運動を実現する駆動装置の構成例を示す模式図である。 １自由度回転運動を実現する駆動装置の構成例を示す模式図である。 ２自由度回転運動を実現する駆動装置の構成例を示す模式図である。 ３自由度回転運動を実現する駆動装置の構成例を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る動作補助装置の構成例を示す正面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．ロボットの駆動装置の構成例＞
本実施形態に係るロボットの駆動装置は、捻じり紐式アクチュエータ（ＴＳＡ：Twisted String Actuator）を用いて構成される。まず、捻じり紐式アクチュエータについて簡単に説明した後、ロボットの駆動装置の構成例を説明する。

（１−１．捻じり紐式アクチュエータの構成例）
図１は、捻じり紐式アクチュエータ１００の構成例を示す斜視図である。捻じり紐式アクチュエータ１００は、アクチュエータ１０１と、回転部材１０３と、ガイド部１０７と、２本の紐又はワイヤ（以下、単に「紐」という。）１１１，１１３とを備える。アクチュエータ１０１は回転部材１０３を回転駆動する。アクチュエータ１０１としては、代表的には電気駆動式のロータリーモータが用いられる。ただし、アクチュエータ１０１は、ロータリーモータに限られず、電気駆動式のリニアモータとリニアモータが発生する直動運動を回転運動に変換する変換機構とを含むものであってもよい。

回転部材１０３は、アクチュエータ１０１の出力軸１０１ａに固定され、アクチュエータ１０１の駆動によって回転する。回転部材１０３には、２本の紐１１１，１１３のそれぞれの一端側が固定されている。２本の紐１１１，１１３の一端側は、出力軸１０１ａを挟んだ両側に固定されている。また、２本の紐１１１，１１３の他端側は、図示しない駆動対象物に固定されている。２本の紐１１１，１１３の中央部は、ガイド部１０７に距離Ｓの間隔を空けて設けられた２つの孔１０７ａ，１０７ｂを貫通する。ガイド部１０７は、２本の紐１１１，１１３が捻じれる領域を制限する。アクチュエータ１０１及びガイド部１０７は、適宜の位置に固定されて、互いの位置関係つまり２本の紐１１１，１１３が捻じれる領域の長さＬが不変とされる。

アクチュエータ１０１の駆動により回転部材１０３が回転すると、回転部材１０３とガイド部１０７との間の捩じれ領域において２本の紐１１１，１１３が互いに捻じれ合う。このため、捻じりが生じていないときの捻じり領域の紐１１１，１１３の長さＬに対して、捻じりが生じたときの捻じり領域の紐１１１，１１３の長さが長くなる。このため、２本の紐１１１，１１３に生じる張力（以下、「紐張力」ともいう。）により駆動対象物がアクチュエータ１０１側に移動する。このとき、２本の紐１１１，１１３は、ガイド部１０７の孔１０７ａ，１０７ｂを貫通して駆動対象物に固定されており、駆動対象物は直線運動を成す。図１においては、回転部材１０３が角度α分回転することによって、駆動対象物が距離ｘ分移動することが示されている。

このように構成される捻じり紐式アクチュエータ１００は、大きな減速度を実現することができる。また、減速機構に大きなスペースを必要とすることがないため、ロボットの駆動装置の省スペース化を図ることができる。また、簡易な構成の減速機構であることから、ロボットの駆動装置の軽量化を図ることができるとともに、生産コストを低減することができる。

（１−２．ロボットの駆動装置）
以下、捻じり紐付きアクチュエータ１００を備えたロボットの駆動装置の構成例の幾つかを説明する。

（１−２−１．１自由度並進駆動装置の例）
図２は、第１のリンク１３１に対して第２のリンク１３３を１自由度並進駆動可能な第１の駆動装置１４０の構成例を示す。第１の駆動装置１４０において、第１のリンク１３１と第２のリンク１３３とは直動関節部１３５により直線的にスライド可能に連結されている。第２のリンク１３３の一端側には第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａが連結され、他端側には第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂが連結されている。

第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａのアクチュエータ１０１は、第１のリンク１３１に連結された構造部１４８に固定され、駆動対象側が可撓性ケーブル等の動力伝達部材１４１を介して第２のリンク１３３の一端側に固定されている。アクチュエータ１０１は本発明における固定部に相当し、駆動対象側の任意の部位は本発明における可動部に相当する。第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａのアクチュエータ１０１は、第１のリンク１３１又は第１のリンク１３１に連結された構造部１４８のいずれかに固定されていればよい。また、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａの駆動対象側は、第２のリンク１３３又は第２のリンク１３３に連結された構造部のいずれかに固定されていればよい。

また、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂのアクチュエータ１０１は、第１のリンク１３１に連結された構造部１４８に固定され、駆動対象側が可撓性ケーブル等の動力伝達部材１４３を介して第２のリンク１３３の他端側に固定されている。第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂのアクチュエータ１０１は、第１のリンク１３１又は第１のリンク１３１に連結された構造部１４８のいずれかに固定されていればよい。また、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂの駆動対象側は、第２のリンク１３３又は第２のリンク１３３に連結された構造部のいずれかに固定されていればよい。

第１の駆動装置１４０において、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａを駆動して２本の紐を捻じり合わせる一方、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂを駆動して２本の紐の捻じりを戻すことにより、第２のリンク１３３は、図示の下方に移動する。一方、第１の駆動装置１４０において、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａを駆動して２本の紐の捻じりを戻す一方、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂを駆動して２本の紐を捻じり合わせることにより、第２のリンク１３３は、図示の上方に移動する。

第１の駆動装置１４０は、第１のリンク１３１と第２のリンク１３３との相対的な並進運動の自由度の数よりも１つ多い数の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ，１００ｂを用いて構成されている。また、第１の駆動装置１４０は、捻じり紐式アクチュエータ１００ａ，１００ｂを用いていることから、簡易な構成で大きな減速度を得ることができる。また、第１の駆動装置１４０は、簡易な減速機構を備えることで軽量化が図られ、かつ、生産コストを低減することができる。

さらに、図２に示した例では、プーリ１４５によって動力伝達部材１４３の延びる方向が変換されて、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂが第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａの近くに配置されている。これにより、第１の駆動装置１４０の全体長さが短くされている。ただし、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂは、第２のリンク１３３の他端側の延長線上に配置されてもよい。

なお、図２に示した構造部１４８は、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａのアクチュエータ１０１及び第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂのアクチュエータ１０１がともに固定される構造部１４８を模式的に示したものであって、具体的な形態は図示した例に限られない。

（１−２−２．２自由度並進駆動装置の例）
図３は、第１のリンク１３１に対して第２のリンク１３３を２自由度並進駆動可能な第２の駆動装置１５０の構成例を示す。第２の駆動装置１５０において、第１のリンク１３１と第２のリンク１３３とは図示しないスライド関節部により平面（ｘ−ｙ平面）に沿ってスライド可能に連結されている。第２のリンク１３３の第１のリンク１３１側の端部には、第２のリンク１３３と一体に連結された構造部１５７が設けられている。かかる構造部１５７には、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂ及び第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃが連結されている。

第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂ及び第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃのアクチュエータ１０１は、それぞれ第１のリンク１３１に連結された構造部１５８に固定される。それぞれのアクチュエータ１０１は、第１のリンク１３１又は第１のリンク１３１に連結された構造部１５８のいずれかに固定されていればよい。

第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａの駆動対象側は、可撓性ケーブル等の動力伝達部材１５１を介して第２のリンク１３３に連結された構造部１５７に固定されている。第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂの駆動対象側は、可撓性ケーブル等の動力伝達部材１５３を介して第２のリンク１３３に連結された構造部１５７に固定されている。第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃの駆動対象側は、可撓性ケーブル等の動力伝達部材１５５を介して第２のリンク１３３に連結された構造部１５７に固定されている。それぞれの捻じり紐式アクチュエータ１００ａ，１００ｂ，１００ｃの駆動対象側は、第２のリンク１３３又は第２のリンク１３３に連結された構造部のいずれかに固定されていればよい。

第２の駆動装置１５０において、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂ及び第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃを駆動して、それぞれの２本の紐を捻じり合わせ又は捻じりを戻すことにより、第２のリンク１３３をｘ−ｙ平面に沿って移動させることができる。

第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂ及び第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃは、例えば構造部１５７が２自由度並進運動の基準位置にある場合に、それぞれのアクチュエータ１０１の出力軸の軸方向が１２０度等間隔を成すように配置されることが好ましい。このような配置であれば、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂ及び第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃの駆動制御による第２のリンク１３３の２自由度並進駆動の複雑さを低減することができる。

第２の駆動装置１５０は、第１のリンク１３１と第２のリンク１３３との相対的な並進運動の自由度の数よりも１つ多い数の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ，１００ｂ，１００ｃを用いて構成されている。また、第２の駆動装置１５０は、捻じり紐式アクチュエータ１００ａ，１００ｂ，１００ｃを用いていることから、簡易な構成で大きな減速度を得ることができる。また、第２の駆動装置１５０は、簡易な減速機構を備えることで軽量化が図られ、かつ、生産コストを低減することができる。

なお、図３に示した構造部１５８は、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａのアクチュエータ１０１、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂのアクチュエータ１０１及び第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃのアクチュエータ１０１がともに固定される構造部１５８を模式的に示したものであって、具体的な形態は図示した例に限られない。

（１−２−３．３自由度並進駆動装置の例）
図４は、第１のリンク１３１に対して第２のリンク１３３を３自由度並進駆動可能な第３の駆動装置１６０の構成例を示す。第３の駆動装置１６０において、第１のリンク１３１と第２のリンク１３３とは図示しない関節部により３次元空間（ｘ−ｙ−ｚ空間）内で相対移動可能に連結されている。第２のリンク１３３の第１のリンク１３１側の端部には、第２のリンク１３３と一体に連結された構造部１６９が設けられている。かかる構造部１６９には、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂ、第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃ及び第４の捻じり紐式アクチュエータ１００ｄが連結されている。

第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂ、第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃ及び第４の捻じり紐式アクチュエータ１００ｄのアクチュエータ１０１は、それぞれ第１のリンク１３１に連結された構造部１６８に固定される。それぞれのアクチュエータ１０１は、第１のリンク１３１又は第１のリンク１３１に連結された構造部１６８のいずれかに固定されていればよい。

第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａの駆動対象側は、可撓性ケーブル等の動力伝達部材１６１を介して第２のリンク１３３に連結された構造部１６９に固定されている。第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂの駆動対象側は、可撓性ケーブル等の動力伝達部材１６３を介して第２のリンク１３３に連結された構造部１６９に固定されている。第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃの駆動対象側は、可撓性ケーブル等の動力伝達部材１６５を介して第２のリンク１３３に連結された構造部１６９に固定されている。第４の捻じり紐式アクチュエータ１００ｄの駆動対象側は、可撓性ケーブル等の動力伝達部材１６７を介して第２のリンク１３３に連結された構造部１６９に固定されている。それぞれの捻じり紐式アクチュエータ１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄの駆動対象側は、第２のリンク１３３又は第２のリンク１３３に連結された構造部のいずれかに固定されていればよい。

第３の駆動装置１６０において、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂ、第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃ及び第４の捻じり紐式アクチュエータ１００ｄを駆動して、それぞれの２本の紐を捻じり合わせ又は捻じりを戻すことにより、第２のリンク１３３を３次元空間内で並進運動させることができる。

第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂ、第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃ及び第４の捻じり紐式アクチュエータ１００ｄは、例えば構造部１６９が３自由度並進運動の基準位置にある場合に、それぞれのアクチュエータ１０１の出力軸の軸方向が互いに１２０度等間隔を成すように配置されることが好ましい。このような配置であれば、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂ、第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃ及び第４の捻じり紐式アクチュエータ１００ｄの駆動制御による第２のリンク１３３の３自由度並進駆動の複雑さを低減することができる。

第３の駆動装置１６０は、第１のリンク１３１と第２のリンク１３３との相対的な並進運動の自由度の数よりも１つ多い数の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄを用いて構成されている。また、第３の駆動装置１６０は、捻じり紐式アクチュエータ１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄを用いていることから、簡易な構成で大きな減速度を得ることができる。また、第３の駆動装置１６０は、簡易な減速機構を備えることで軽量化が図られ、かつ、生産コストを低減することができる。

なお、図４に示した構造部１６８は、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａのアクチュエータ１０１、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂのアクチュエータ１０１、第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃ及び第４の捻じり紐式アクチュエータ１００ｄのアクチュエータ１０１がともに固定される構造部１６８を模式的に示したものであって、具体的な形態は図示した例に限られない。

（１−２−４．１自由度回転駆動装置の例）
図５は、第１のリンク１３１に対して第２のリンク１３３を１自由度回転駆動可能な第４の駆動装置１７０の構成例を示す。第４の駆動装置１７０において、第１のリンク１３１と第２のリンク１３３とは回転関節部１７５によりｘ−ｙ平面上を回動可能に連結されている。第２のリンク１３３の第１のリンク１３１側の端部には、第２のリンク１３３と一体に連結された第１の構造部１７９ａ及び第２の構造部１７９ｂが設けられている。第１の構造部１７９ａと第２の構造部１７９ｂとは、回転軸Ａｘを挟んで両側へと延びている。第１の構造部１７９ａには第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａが連結され、第２の構造部１７９ｂには第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂが連結されている。

第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａのアクチュエータ１０１は、第１のリンク１３１に連結された構造部１７８に固定され、駆動対象側が可撓性ケーブル等の動力伝達部材１７１を介して第２のリンク１３３に連結された第１の構造部１７９ａに固定されている。第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａのアクチュエータ１０１は、第１のリンク１３１又は第１のリンク１３１に連結された構造部１７８のいずれかに固定されていればよい。また、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａの駆動対象側は、第２のリンク１３３又は第２のリンク１３３に連結された構造部のいずれかに固定されていればよい。

また、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂのアクチュエータ１０１は、第１のリンク１３１に連結された構造部１７８に固定され、駆動対象側が可撓性ケーブル等の動力伝達部材１７３を介して第２のリンク１３３に連結された第２の構造部１７９ｂに固定されている。第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂのアクチュエータ１０１は、第１のリンク１３１又は第１のリンク１３１に連結された構造部１７８のいずれかに固定されていればよい。また、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂの駆動対象側は、第２のリンク１３３又は第２のリンク１３３に連結された構造部のいずれかに固定されていればよい。

第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ及び第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂは、第２のリンク１３３を、回転軸Ａｘを中心に互いに反対の方向へと回転させる紐張力（トルク）を発生可能に配置される。第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ及び第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂは、回転関節部１７５よりも第１のリンク１３１側又は第２のリンク１３３側のいずれか一方側にまとめて配置されることが好ましい。このような配置であれば、第４の駆動装置１７０の大型化を抑制することができる。

第４の駆動装置１７０において、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａを駆動して２本の紐を捻じり合わせる一方、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂを駆動して２本の紐の捻じりを戻すことにより、第２のリンク１３３は、図示の反時計回りに回転する。一方、第４の駆動装置１７０において、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａを駆動して２本の紐の捻じりを戻す一方、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂを駆動して２本の紐を捻じり合わせることにより、第２のリンク１３３は、図示の時計回りに回転する。

第４の駆動装置１７０は、第１のリンク１３１と第２のリンク１３３との相対的な回転運動の自由度の数よりも１つ多い数の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ，１００ｂを用いて構成されている。また、第４の駆動装置１７０は、捻じり紐式アクチュエータ１００ａ，１００ｂを用いていることから、簡易な構成で大きな減速度を得ることができる。また、第４の駆動装置１７０は、簡易な減速機構を備えることで軽量化が図られ、かつ、生産コストを低減することができる。

なお、図５に示した構造部１７８は、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａのアクチュエータ１０１及び第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂのアクチュエータ１０１がともに固定される構造部１７８を模式的に示したものであって、具体的な形態は図示した例に限られない。

（１−２−５．２自由度回転駆動装置の例）
図６は、第１のリンク１３１に対して第２のリンク１３３を２自由度並進駆動可能な第５の駆動装置１８０の構成例を示す。第５の駆動装置１８０において、第１のリンク１３１と第２のリンク１３３とはボールジョイント１８６により連結されている。ボールジョイント１８６はユニバーサルジョイントであってもよい。第２のリンク１３３の第１のリンク１３１側の端部には、第２のリンク１３３と一体に連結された第１の構造部１８９ａ、第２の構造部１８９ｂ及び第３の構造部１８９ｃが設けられている。第１の構造部１８９ａ、第２の構造部１８９ｂ及び第３の構造部１８９ｃは、ボールジョイント１８６を中心に互いに１２０度等間隔を成すように外側に延びている。第１の構造部１８９ａには第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａが連結され、第２の構造部１８９ｂには第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂが連結され、第３の構造部１８９ｃには第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃが連結されている。

第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂ及び第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃのアクチュエータ１０１は、それぞれ第１のリンク１３１に連結された構造部１８８に固定される。それぞれのアクチュエータ１０１は、第１のリンク１３１又は第１のリンク１３１に連結された構造部１８８のいずれかに固定されていればよい。

第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａの駆動対象側は、可撓性ケーブル等の動力伝達部材１８１を介して第２のリンク１３３に連結された第１の構造部１８９ａに固定されている。第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂの駆動対象側は、可撓性ケーブル等の動力伝達部材１８３を介して第２のリンク１３３に連結された第２の構造部１８９ｂに固定されている。第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃの駆動対象側は、可撓性ケーブル等の動力伝達部材１８５を介して第２のリンク１３３に連結された第３の構造部１８９ｃに固定されている。それぞれの捻じり紐式アクチュエータ１００ａ，１００ｂ，１００ｃの駆動対象側は、第２のリンク１３３又は第２のリンク１３３に連結された構造部のいずれかに固定されていればよい。

第５の駆動装置１８０において、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂ及び第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃを駆動して、それぞれの２本の紐を捻じり合わせ又は捻じりを戻すことにより、第２のリンク１３３をボールジョイント１８６を中心にｘ−ｙ−ｚ空間内を２自由度で回転運動させることができる。

第１の構造部１８９ａ、第２の構造部１８９ｂ及び第３の構造部１８９ｃは、ボールジョイント１８６を中心に１２０度等間隔を成すように配置されることが好ましい。また、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂ及び第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃは、それぞれのアクチュエータ１０１の出力軸の軸方向が略平行を成すように配置されることが好ましい。さらに、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂ及び第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃは、ボールジョイント１８６よりも第１のリンク１３１側又は第２のリンク１３３側のいずれか一方側にまとめて配置されることが好ましい。このような配置であれば、第５の駆動装置１８０の大型化を抑制することができる。また、このような配置であれば、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂ及び第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃの駆動制御による第２のリンク１３３の２自由度回転駆動の複雑さを低減することができる。

第５の駆動装置１８０は、第１のリンク１３１と第２のリンク１３３との相対的な回転運動の自由度の数よりも１つ多い数の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ，１００ｂ，１００ｃを用いて構成されている。また、第５の駆動装置１８０は、捻じり紐式アクチュエータ１００ａ，１００ｂ，１００ｃを用いていることから、簡易な構成で大きな減速度を得ることができる。また、第５の駆動装置１８０は、簡易な減速機構を備えることで軽量化が図られ、かつ、生産コストを低減することができる。

なお、図６に示した構造部１８８は、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａのアクチュエータ１０１、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂのアクチュエータ１０１及び第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃのアクチュエータ１０１がともに固定される構造部１８８を模式的に示したものであって、具体的な形態は図示した例に限られない。

（１−２−６．３自由度回転駆動装置の例）
図７は、第１のリンク１３１に対して第２のリンク１３３を３自由度回転駆動可能な第６の駆動装置１９０の構成例を示す。第６の駆動装置１９０において、第１のリンク１３１と第２のリンク１３３とはボールジョイント１９６により連結されている。ボールジョイント１９６は、ユニバーサルジョイントであってもよい。第２のリンク１３３の第１のリンク１３１側の端部には、第２のリンク１３３と一体に連結された第１の構造部１９９ａ、第２の構造部１９９ｂ、第３の構造部１９９ｃ及び第４の構造部１９９ｄが設けられている。第１の構造部１９９ａ、第２の構造部１９９ｂ、第３の構造部１９９ｃ及び第４の構造部１９９ｄは、ボールジョイント１９６を中心に互いに９０度等間隔を成すように外側に延びている。第１の構造部１９９ａには第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａが連結され、第２の構造部１９９ｂには第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂが連結され、第３の構造部１９９ｃには第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃが連結され、第４の構造部１９９ｄには第４の捻じり紐式アクチュエータ１００ｄが連結されている。

第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂ、第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃ及び第４の捻じり紐式アクチュエータ１００ｄのアクチュエータ１０１は、それぞれ第１のリンク１３１に連結された構造部１９８に固定される。それぞれのアクチュエータ１０１は、第１のリンク１３１又は第１のリンク１３１に連結された構造部１９８のいずれかに固定されていればよい。

第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａの駆動対象側は、可撓性ケーブル等の動力伝達部材１９１を介して第２のリンク１３３に連結された第１の構造部１９９ａに固定されている。第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂの駆動対象側は、可撓性ケーブル等の動力伝達部材１９３を介して第２のリンク１３３に連結された第２の構造部１９９ｂに固定されている。第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃの駆動対象側は、可撓性ケーブル等の動力伝達部材１９５を介して第２のリンク１３３に連結された第３の構造部１９９ｃに固定されている。第４の捻じり紐式アクチュエータ１００ｄの駆動対象側は、可撓性ケーブル等の動力伝達部材１９７を介して第２のリンク１３３に連結された第４の構造部１９９ｄに固定されている。それぞれの捻じり紐式アクチュエータ１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄの駆動対象側は、第２のリンク１３３又は第２のリンク１３３に連結された構造部のいずれかに固定されていればよい。

第６の駆動装置１９０において、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ及び第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂは、それぞれのアクチュエータ１０１の出力軸の軸方向が略平行を成すように配置されている。一方、第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃ及び第４の捻じり紐式アクチュエータ１００ｄは、それぞれのアクチュエータ１０１の出力軸の軸方向が、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ及び第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂのアクチュエータ１０１の出力軸の軸方向に交差するように配置されている。また、第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃアクチュエータ１０１の出力軸の軸方向と第４の捻じり紐式アクチュエータ１００ｄのアクチュエータ１０１の出力軸の軸方向とが互いに交差するように配置されている。つまり、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ及び第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂのアクチュエータ１０１の出力軸の軸方向に対して第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃアクチュエータ１０１の出力軸の軸方向の傾く方向と、第４の捻じり紐式アクチュエータ１００ｄのアクチュエータ１０１の出力軸の軸方向の傾く方向とは逆方向となっている。これにより、第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃ及び第４の捻じり紐式アクチュエータ１００ｄが発生する紐張力（トルク）によって、第２のリンク１３３の回転自由度が上記の第５の駆動装置１８０に比べて１自由度増えることになる。

第６の駆動装置１９０において、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂ、第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃ及び第４の捻じり紐式アクチュエータ１００ｄを駆動して、それぞれの２本の紐を捻じり合わせ又は捻じりを戻すことにより、第２のリンク１３３をｘ−ｙ−ｚ空間内で３自由度で回転運動させることができる。

第１の構造部１９９ａ、第２の構造部１９９ｂ、第３の構造部１９９ｃ及び第４の構造部１９９ｄは、ボールジョイント１９６を中心に９０度等間隔を成すように配置されることが好ましい。第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂ及び第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃは、ボールジョイント１９６よりも第１のリンク１３１側又は第２のリンク１３３側のいずれか一方側にまとめて配置されることが好ましい。このような配置であれば、第６の駆動装置１９０の大型化を抑制することができる。また、このような配置であれば、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂ、第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃ及び第４の捻じり紐式アクチュエータ１００ｄの駆動制御による第２のリンク１３３の３自由度回転駆動の複雑さを低減することができる。

第６の駆動装置１９０は、第１のリンク１３１と第２のリンク１３３との相対的な回転運動の自由度の数よりも１つ多い数の捻じり紐式アクチュエータ１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄを用いて構成されている。また、第６の駆動装置１９０は、捻じり紐式アクチュエータ１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄを用いていることから、簡易な構成で大きな減速度を得ることができる。また、第６の駆動装置１９０は、簡易な減速機構を備えることで軽量化が図られ、かつ、生産コストを低減することができる。

なお、図７に示した構造部１９８は、第１の捻じり紐式アクチュエータ１００ａのアクチュエータ１０１、第２の捻じり紐式アクチュエータ１００ｂのアクチュエータ１０１、第３の捻じり紐式アクチュエータ１００ｃ及び第４の捻じり紐式アクチュエータ１００ｄのアクチュエータ１０１がともに固定される構造部１９８を模式的に示したものであって、具体的な形態は図示した例に限られない。

（１−２−７．組み合わせによる駆動装置）
上記の第１〜第６の駆動装置を適宜組み合わせることにより、任意の並進自由度及び回転自由度で第１のリンク１３１及び第２のリンク１３３を駆動可能な駆動装置を構成することができる。例えば、上記の第１の駆動装置１４０と第５の駆動装置１８０とを組み合わせることによって、１自由度の並進駆動、かつ、２自由度の回転駆動が可能な駆動装置を構成することができる。

＜２．ロボットの駆動装置の動作＞
次に、上記に例示したロボットの駆動装置の動作の概略を説明する。

並進駆動装置である第１の駆動装置１４０、第２の駆動装置１５０及び第３の駆動装置１６０において、第１のリンク１３１と第２のリンク１３３とを連結する関節部に作用する力Ｆ_rは下記式（１）で表すことができる。

ｉ：捻じり紐式アクチュエータの通し番号
ｓ：紐張力の単位ベクトル
ｒ：関節部における紐張力の応力中心距離

また、回転駆動装置である第４の駆動装置１７０、第５の駆動装置１８０及び第６の駆動装置１９０において、第１のリンク１３１と第２のリンク１３３とを連結する関節部に作用するトルクＴ_rは下記式（２）で表すことができる。

ｉ：捻じり紐式アクチュエータの通し番号
ｓ：紐張力の単位ベクトル
ｒ：関節部における紐張力の応力中心距離

なお、紐張力の単位ベクトルｓとは、２本の紐の捻じりがない初期状態において紐が延びる方向を意味する。また、関節部における紐張力の応力中心距離ｒとは、関節部の回転中心から、紐の両端のうちの関節部側の端部が繋がれたポイントまでの距離を意味する。

ただし、捻じり紐式アクチュエータ１００により生成される紐張力（駆動力）が正の値のときに関節部に対してトルクが作用するために、下記式（３）を満たすことが条件とされる。

第２のリンク１３３の可動空間に応じた捻じり紐式アクチュエータ１００による最大の力Ｆ_r又はトルクＴ_rは、捻じり紐式アクチュエータ１００から上記式（３）を満たす駆動力が入力されたときの上記式（１）及び（２）により定義される。このとき、上記式（１）及び（２）における「Ｒ」及び「Ｓ」が最大階級となるのであれば、基本的にはすべての自由度の並進運動及び回転運動が可能になる。

＜３．制御処理の例＞
次に、上記に例示したロボットの駆動装置を制御する制御処理の例について説明する。上記の本実施形態に係るロボットの駆動装置は、マイクロコンピュータ等の演算処理装置と駆動回路等を備えた制御装置によって制御される。ロボットの駆動装置の制御は、例えば捻じり紐式アクチュエータ１００をフィードフォワード制御又はフィードバック制御することによって実行される。

ロボットの駆動装置がフィードフォワード制御により駆動される場合、制御装置は、第２のリンク１３３の要求駆動トルクを算出する。要求駆動トルクは、第２のリンク１３３の並進運動の要求トルク及び回転運動の要求トルクを含む。また、制御装置は、算出した第２のリンク１３３の要求駆動トルクが第２のリンク１３３に作用するように各捻じり紐式アクチュエータ１００の制御量を設定して捻じり紐式アクチュエータ１００の駆動を制御する。各捻じり紐式アクチュエータ１００の制御量は、要求駆動トルクの値に応じてあらかじめ設定されて記憶素子等に記憶され、制御装置は当該設定情報に基づいて各捻じり紐式アクチュエータ１００を制御してもよい。これにより、第２のリンク１３３は、要求駆動トルクに応じて作動する。

ロボットの駆動装置がフィードバック制御により駆動される場合、制御装置は、第２のリンク１３３の要求駆動トルクを算出する。また、制御装置は、例えばそれぞれの捻じり紐式アクチュエータ１００に生じている紐張力（トルク）を検出し、要求駆動トルクに対応する各捻じり紐式アクチュエータ１００の目標トルクとの差分に基づいて、検出したトルクが目標トルクに一致するように各捻じり紐式アクチュエータ１００の制御量を設定して捻じり紐式アクチュエータ１００の駆動を制御する。捻じり紐式アクチュエータ１００に生じている紐張力Ｆは、例えばばね定数ｋの線形ばねを捻じり紐式アクチュエータ１００に接続し、アクチュエータ１０１の駆動による線形ばねの伸長量Ｌを検出することにより、下記式（４）に基づいて求めることができる。
Ｆ＝Ｌ・ｋ ・・・（４）

あるいは、ロボットの駆動装置がフィードバック制御により駆動される場合、制御装置は、第１のリンク１３１と第２のリンク１３３とを連結する関節部に設けられたトルクセンサのセンサ信号を取得し、第２のリンク１３３に作用しているトルク（検出トルク）を検出する。制御装置は、要求駆動トルクから検出トルクを引いた差分に基づいて、検出トルクを要求駆動トルクに一致させるように各捻じり紐式アクチュエータ１００の制御量を設定して捻じり紐式アクチュエータ１００の駆動を制御する。各捻じり紐式アクチュエータ１００の制御量は、トルクの差分の値に応じてあらかじめ設定されて記憶素子等に記憶され、制御装置は当該設定情報に基づいて各捻じり紐式アクチュエータ１００を制御してもよい。これにより、第２のリンク１３３は、要求駆動トルクに応じて作動する。

このとき、捻じり紐式アクチュエータ１００のアクチュエータ１０１の制御量（供給電流値）と駆動対象物の直線移動量との関係は非線形となる。このため、制御装置によりアクチュエータ１０１の制御量を設定する際には、アクチュエータ１０１の制御量と駆動対象物の直線移動量との関係を考慮することが好ましい。これにより、第２のリンク１３３の駆動をより精度よく行うことができる。

＜４．動作補助装置への適用例＞
次に、図８を参照して、上記実施形態に係るロボットの駆動装置を、動作補助装置としての人体装着ロボット１０に適用した例について説明する。図８は、ロボットの駆動装置の捻じり紐付きアクチュエータが生成する動力により関節部２０を回転させる人体装着ロボット１０の一例を示す説明図である。

図示した人体装着ロボット１０は、関節部２０と、関節部２０を中心に回動可能に連結された第１のアーム部１４及び第２のアーム部１６を有する。第１のアーム部１４が上記実施形態に係るロボットの駆動装置の第１のリンクに相当し、第２のアーム部１６が上記実施形態に係るロボットの駆動装置の第２のリンクに相当する。第１のアーム部１４の上部は、人体の腰に巻き付けられる装着ベルト１２に固定されている。また、第２のアーム部１６の下部は、人体の大腿部に巻き付けられる装着ベルト１８に固定されている。関節部２０を中心とする第１のアーム部１４と第２のアーム部１６との相対回転は、図示しない少なくとも２つの捻じり紐付きアクチュエータにより駆動される。

例えば、第２のアーム部１６を第１のアーム部１４に対して前後方向に回転させる場合には、上記の第４の駆動装置１７０の構成が適用される。また、第２のアーム部１６を第１のアーム部１４に対して前後方向に回転させるだけでなく、身体の外方及び内方に回転させる場合には、上記の第５の駆動装置１８０又は第６の駆動装置１９０が適用される。

上述のとおり、捻じり紐付きアクチュエータを用いた駆動装置は、軽量化及び小型化が図られており、人体装着ロボット１０を装着するユーザへの負担を軽減することができる。また、捻じり紐付きアクチュエータを用いた駆動装置は、生産コストが低減されており、人体装着ロボット１０の生産コストを低減することもできる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０・・・人体装着ロボット（動作補助装置）、１００・・・捻じり紐式アクチュエータ、１０１・・・アクチュエータ、１０３・・・回転部材、１０７・・・ガイド部、１１１，１１３・・・紐（ワイヤ）、１３１・・・第１のリンク、１３３・・・第２のリンク、１４０・・・第１の駆動装置、１４１，１４３・・・動力伝達部材、１４８・・・構造部、１７０・・・第４の駆動装置、１７１，１７３・・・動力伝達部材、１７５・・・回転関節部、１７８・・・構造部、１７９ａ・・・第１の構造部、１７９ｂ・・・第２の構造部

Claims (5)

1. 関節部により相対運動可能に連結された第１のリンク及び第２のリンクと、
   一端側に固定部を有し、他端側に可動部を有する捻じれ紐式アクチュエータと、
   前記捻じれ紐式アクチュエータを制御する制御装置と、を備え、
   前記捻じり紐式アクチュエータの前記固定部が前記第１のリンク又は前記第１のリンクに連結された第１の構造部に接続され、前記可動部が前記第２のリンク又は前記第２のリンクに連結された第２の構造部に接続される、ロボットの駆動装置。
2. 前記第１のリンク及び前記第２のリンクは１自由度以上の相対直動運動可能に連結される、請求項１に記載のロボットの駆動装置。
3. 前記第１のリンク及び前記第２のリンクは１自由度以上の相対回転運動可能に連結される、請求項１に記載のロボットの駆動装置。
4. 前記捻じれ紐式アクチュエータの数が、前記第１のリンク及び前記第２のリンクの相対運動の自由度の数よりも一つ多い、請求項２又は３に記載のロボットの駆動装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のロボットの駆動装置を備えた動作補助装置。