JP2021186961A - ロボットの関節構造 - Google Patents

Abstract

【課題】シンプルかつコンパクトな構造で、ロック状態と大きな可動範囲をもつ自由状態とを切り替え可能な、ロボットの関節構造を提供する。【解決手段】ロボットのマニピュレータの第１要素と第２要素の間を連結する関節構造であって、第２要素が第１要素から独立して運動自在となる自由状態と、第２要素が第１要素に固定されるロック状態との切り替えを行うロック機構を有し、ロック機構は、第１要素に接合する第１部材と、第２要素に接合する第２部材と、一端が第２部材に取り付けられ、第１部材に設けられた貫通孔を通って他端が関節構造の外側に引き出される、可撓性を有する線状部材と、を有し、線状部材を引っ張り第２部材を第１部材に接触させることにより、ロック状態となり、線状部材を伸ばして第２部材を第１部材から離間させることにより、自由状態となる。【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットの関節構造に関し、特にソフトロボット（柔らかいロボット）のマニピュレータに好適な関節構造に関する。

産業用ロボットは、マニピュレータを剛性の高い機構で構成し、センサによって状態計測を行いながらエンドエフェクタの３次元位置を制御する、というものが一般的である。しかしながら、剛性の高い機構のみで構成されるロボットは、例えば、対象物に対する接触を伴う動作や、センサの計測誤差よりも高い精度が要求される動作などが困難である。このような課題を解決する方法として、いわゆるソフトロボット（柔らかいロボット）というアプローチが提案されている。例えば、ロボットの一部に、外力を受けて変位ないし変形する柔らかい機構を設け、対象物の形状などに自動的に追従するようにする。特許文献１、２に記載されているコンプライアンス機構もその一例である。

特開平５−１９２８９２号公報 特開平８−１１８２８１号公報

剛性の高い機構と柔らかい機構にはそれぞれメリット／デメリットがある。それゆえ、本発明者らは、剛性の高い機構と柔らかい機構の間で切り替え自在なハイブリッド機構の実現に向け、検討を進めている。なお、特許文献１、２で提案されているコンプライアンス機構においても、コンプライアンス動作が可能な自由状態と、コンプライアンス動作ができないロック状態とを切り替える機能が搭載されている。しかしながら、特許文献１、２のコンプライアンス機構は可動範囲が非常に狭く（水平面内の微小な変位を可能とする程度）、適用できる場面や用途が限定的であった。また、関節やリンクの内部にロック機構を駆動するアクチュエータ（エアシリンダなど）が設けられているため、関節やリンクの構造が複雑化・大型化を招くという不利もある。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、シンプルかつコンパクトな構造で、ロック状態と大きな可動範囲をもつ自由状態とを切り替え可能な、ロボットの関節構造を提供することを目的とする。

本開示は、ロボットのマニピュレータの第１要素と第２要素の間を連結する関節構造であって、前記第２要素が前記第１要素から独立して運動自在となる自由状態と、前記第２要素が前記第１要素に固定されるロック状態との切り替えを行うロック機構を有し、前記ロック機構は、前記第１要素に接合する第１部材と、前記第２要素に接合する第２部材と、一端が前記第２部材に取り付けられ、前記第１部材に設けられた貫通孔を通って他端が前記関節構造の外側に引き出される、可撓性を有する線状部材と、を有し、前記線状部材を引っ張り前記第２部材を前記第１部材に接触させることにより、前記ロック状態となり、前記線状部材を伸ばして前記第２部材を前記第１部材から離間させることにより、前記自由状態となることを特徴とする関節構造を含む。

この構造によれば、線状部材を引っ張り第２部材を第１部材に接触させる／線状部材を
伸ばして第２部材を第１部材から離間させる、という極めてシンプルな構造により、ロック状態／自由状態の切り替えが実現できる。また、線状部材の他端を関節構造の外側に引き出したことで、線状部材の駆動源を関節構造の外部に配置することができる。それゆえ、関節構造そのものをコンパクトかつ軽量に構成することが可能となる。加えて、線状部材の延伸量（ストローク）によって第１部材と第２部材の離間距離を調整できるため、必要に応じて第１要素と第２要素の間の可動範囲を大きくとることも容易に実現できる。

例えば、前記自由状態では、前記第２要素が前記第１要素から独立して６自由度に運動自在となる可動範囲を形成する程度に、前記第２部材が前記第１部材から離間してもよい。６自由度の運動は、ｘ方向，ｙ方向，ｚ方向の並進と、ｘ軸周り，ｙ軸周り，ｚ軸周りの回転である。「第２要素が第１要素から独立して６自由度に運動自在となる可動範囲を形成する程度に」は、例えば、「第１要素を固定した状態で第２要素に６自由度の運動を与えた場合に、第２要素が第１要素の拘束を受けたり第１要素と物理的な干渉をしない程度に」という意味である。本開示のロック機構によれば、線状部材の延伸量（ストローク）や第１部材と第２部材の形状を適宜設計することで、このような大きな可動範囲の形成を容易に実現することができる。

前記第１部材と前記第２部材の間を接続する弾性部材をさらに有してもよい。弾性部材の復元力の作用により、自由状態においても、第１要素と第２要素の相対的な姿勢が安定する。その一方で、第２要素に外力が作用した場合には、弾性部材が変形するため、第２要素の動きを阻害することがない。それゆえ、例えば、第２要素の先端を凹凸のある表面に沿わせながら動かす、というような柔らかい動作を容易に実現できる。

前記弾性部材は、非線形ばね要素を含み、前記線状部材の引っ張り量によって前記第１部材と前記第２部材の間の距離を変えることにより、前記弾性部材の剛性が可変であってもよい。これにより、自由状態における関節構造の堅さ（柔らかさ）を制御することができる。

前記第１部材と前記第２部材のうちの一方に凸部が設けられ、他方に凹部が設けられ、前記ロック状態では、前記凸部が前記凹部に嵌合することによって、前記第１部材と前記第２部材との間が固定されてもよい。このような嵌合方式は、強い固定力を得たい場合に適している。

前記凸部は錐形状又は錐台形状を有してもよい。すなわち、凸部の先端に行くほど窄まるように側面が傾斜しているとよい。なお、凹部も凸部の形状に対応した形状を有しているとよい。このような凸部及び凹部による嵌合構造によれば、線状部材を徐々に引っ張り第１部材と第２部材を近づけていくと、凸部が凹部の内面にガイドされて、凸部と凹部の軸が一致するように自動的に誘引される。したがって、嵌合の失敗（ロック状態への切り替えの失敗）を抑制することができる。

前記凸部は円錐形状又は円錐台形状を有するとなおよい。回転対称形状の凸部を用いることにより、第１部材（第１要素）と第２部材（第２要素）の間の角度ずれ（凸部の軸周りの回転）が許容されるので、嵌合の失敗をより一層抑制することができる。なお、この場合に、前記凸部の側面に突起を設け、前記凹部に前記突起をガイドするガイド溝を設けてもよい。この構造によれば、凸部が凹部に挿入されるときに、突起がガイド溝にガイドされて、凸部と凹部の間の角度ずれが自動的に補正される。したがって、嵌合の失敗の抑制と角度ずれの防止を両立することができる。

前記凸部及び前記凹部は１組のみ設けられていてもよいし、前記凸部及び前記凹部が複数組設けられていてもよい。

前記第１部材と前記第２部材のそれぞれに互いに平行な面が設けられ、前記ロック状態では、前記第１部材と前記第２部材とが面接触して摩擦が作用することによって、前記第１部材と前記第２部材の間が固定されてもよい。このような摩擦方式は、関節構造をよりコンパクトにしたい場合に適している。

本発明は、上記構成の少なくとも一部を有するロボットの関節構造として捉えてもよいし、ロボットのマニピュレータの要素を固定するロック機構や、ロボットのマニピュレータの要素の自由状態とロック状態を切り替える状態切替装置として捉えてもよい。また、そのような関節構造、ロック機構、もしくは、状態切替装置を有するロボットのマニピュレータないしロボットとして捉えてもよい。また、本発明は、上記構成の関節構造によってロボットのマニピュレータの要素を固定するロック方法や、ロボットのマニピュレータの要素の自由状態とロック状態を切り替える状態切替方法などとして捉えることもできる。なお、上記構成の各々は可能な限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。

本発明によれば、シンプルかつコンパクトな構造で、ロック状態と大きな可動範囲をもつ自由状態とを切り替え可能な、ロボットの関節構造を提供できる。

図１はロック機構を有する関節構造の模式図である。 図２はロボットの全体構成を示す模式図である。 図３Ａは関節構造の平面図であり、図３Ｂは図３ＡのＡ−Ａ断面（ロック状態）であり、図３Ｃは図３ＡのＡ−Ａ断面（自由状態）であり、図３Ｄは自由状態の場合にエンドエフェクタに外力が作用したときの動きを示す図である。 図４は変形例１で用いられる非線形ばねの特性を示す図である。 図５は変形例２を示す図である。 図６は変形例３を示す図である。 図７は変形例４を示す図である。

＜適用例＞
図１を参照して、本発明の適用例の一つについて説明する。図１は、ロック機構を有するロボットの関節構造の模式図である。

この関節構造１は、ロボットのマニピュレータＲＭを構成する第１要素１１と第２要素１２の間を連結する装置である。マニピュレータＲＭは多関節のマニピュレータであり、第１要素１１はマニピュレータＲＭの基端側にある要素、第２要素１２は第１要素１１よりも先端側にある要素である。

関節構造１は、第２要素１２が第１要素１１から独立して運動自在となる自由状態と、第２要素１２が第１要素１１に固定されるロック状態をとり得る。この自由状態とロック状態の切り替えは、ロック機構１０によって実現される。

ロック機構１０は、概略、第１要素１１に接合する第１部材１１０と、第２要素１２に接合する第２部材１２０と、可撓性をもつ線状部材１３０と、第１部材１１０と第２部材１２０の間を接続する複数の弾性部材１４０と、を有する。

第２部材１２０の中央部には凸部１２１が設けられ、第１部材１１０の中央部には凸部
１２１に対応する形状の凹部１１１が設けられている。凹部１１１の底部と第１部材１１０の側壁とにそれぞれ線状部材１３０を通すための貫通孔１１３及び引き出し孔１１５が形成されている。線状部材１３０は、その一端が第２部材１２０の凸部１２１の頂点（上底の中心）に固定され、貫通孔１１３及び引き出し孔１１５を通って他端が関節構造１の外側に引き出され、駆動源Ｍに接続されている。

駆動源Ｍによって線状部材１３０を引っ張ると、凸部１２１が凹部１１１に嵌合して、第２部材１２０が第１部材１１０に固定され、ロック状態となる。このロック状態では、第１要素１１と第２要素１２が一つの剛体として振る舞う。

駆動源Ｍをオフにして（又は駆動源Ｍによって線状部材１３０を送り出して）線状部材１３０を伸ばすと、第２部材１２０が第１部材１１０から離間し、自由状態となる。線状部材１３０を伸ばすというのは、線状部材１３０にかける張力を緩めたときに、第２要素１２の自重およびロック状態において圧縮されている後述の弾性部材１４０の復元力の少なくともいずれかによって線状部材１３０が貫通孔１１３から第２部材１２０の方に引き出される長さが増加することを意味する。自由状態では、第２要素１２が第１要素１１から独立して運動自在となる。これにより、ソフトロボットやコンプライアンス機構と呼ばれる、いわゆる「柔らかいロボット」が実現できる。

駆動源Ｍは、リニアモータまたは回転モータであってよい。駆動源Ｍは、電気的にまたは流体圧力によって駆動されるものであってよい。駆動源Ｍは、線状部材１３０に引っ張り力を与える代わりに、線状部材１３０の引き込み長さを決めるように線状部材１３０を駆動してもよい。

この構造によれば、線状部材１３０を引っ張り第２部材１２０を第１部材１１０に接触させる／線状部材１３０を伸ばして第２部材１２０を第１部材１１０から離間させる、という極めてシンプルな構造により、ロック状態／自由状態の切り替えが実現できる。また、線状部材１３０の他端を関節構造１の外側に引き出したことで、線状部材１３０の駆動源Ｍを関節構造１の外部に配置することができる。それゆえ、関節構造１そのものをコンパクトかつ軽量に構成することが可能となる。加えて、線状部材１３０の延伸量（ストローク）によって第１部材１１０と第２部材１２０の離間距離を調整できるため、必要に応じて第１要素１１と第２要素１２の間の可動範囲を大きくとることも容易に実現できるという利点もある。

＜実施形態＞
図２を参照して、本発明の実施形態に係るロボット及びその関節構造について説明する。図２はロボットの全体構成を示す模式図である。

本実施形態では、垂直多関節ロボットＲのマニピュレータＲＭに対し、前述のロック機構を備えた関節構造１を介してエンドエフェクタＥ２を取り付けた例を示す。ただしこれはあくまで一例であり、ロボットＲの構成・種類は図２の例に限られない。具体的には、ロボットＲは、少なくとも１つ以上のマニピュレータを備えるロボットであれば何でもよく、産業用ロボット、ヒューマノイドロボット、介護ロボット、搬送ロボット、家庭用ロボット、手術支援ロボットなど、さまざまな種類のロボットに適用可能である。その中でも産業用ロボットは、剛性ロボットとソフトロボットの切り替えが有用な場面が多いため、関節構造１を好ましく適用できるロボットの一つである。なお、産業用ロボットには、垂直多関節ロボットの他、水平多関節ロボット（スカラロボット）、パラレルリンクロボット、直交ロボットなどが含まれる。また、関節構造１の適用位置は、エンドエフェクタＥ２の連結部に限られず、リンク同士の連結部に適用してもよい。

本実施形態のロボットＲは、主な構成として、マニピュレータＲＭ、コントローラＲＣ、及び、駆動源Ｍを有する。マニピュレータＲＭは、複数のリンクとリンク同士を連結する関節（ジョイント）を有し、サーボモータによって駆動される多関節マニピュレータである。コントローラＲＣは、マニピュレータＲＭのサーボモータ及び駆動源Ｍを制御する制御装置である。

マニピュレータＲＭの先端のリンクＥ１には、関節構造１を介してエンドエフェクタＥ２が連結されている。この例において、リンクＥ１が図１の第１要素１１に相当し、エンドエフェクタＥ２が図１の第２要素１２に相当する。駆動源Ｍは、関節構造１のロック機構を駆動するための装置である。駆動源Ｍは線状部材１３０を引っ張る動作と送り出す動作ができればどのような種類・構造でもよいが、関節構造１がロック状態のときの剛性（リンクＥ１とエンドエフェクタＥ２の間の固定力）を担保できる程度の引っ張り力と、関節構造１が自由状態のときのエンドエフェクタＥ２の可動範囲を担保できる程度のストロークとが必要である。例えば、モータ、油圧アクチュエータ、気圧アクチュエータなどを駆動源Ｍとして用いてもよい。

図３Ａ〜図３Ｄに関節構造１の詳細を示す。図３ＡはリンクＥ１側からみた関節構造１の平面図であり、図３Ｂは図３ＡのＡ−Ａ断面（ロック状態）であり、図３Ｃは図３ＡのＡ−Ａ断面（自由状態）であり、図３Ｄは自由状態の場合にエンドエフェクタＥ２に外力が作用したときの動きを示す図である。

関節構造１は、略円筒形状の第１部材１１０と略円盤形状の第２部材１２０とが複数の弾性部材１４０によって連結された構造を有する。本実施形態の例では、第１部材１１０と第２部材１２０が同心配置され、周方向等間隔に配置された３本のコイルばねによって２つの部材１１０、１２０が連結されている。ロック状態において、弾性部材１４０は圧縮状態となっていて第１部材１１０と第２部材１２０とを離そうとする復元力を発生させる。第２部材１２０が第１部材１１０の下方にあるときは、第１部材１１０と第２部材１２０とを離そうとする力は、第２部材１２０の自重によっても発生する。

第２部材１２０の中央部には円錐台形状の凸部１２１が設けられ、凸部１２１の側面には突起（ロッキングピン）１２２が設けられている。凸部１２１の上底には貫通孔１２３が形成され、線状部材１３０の一端が貫通孔１２３に挿入され固定されている。本実施形態では、金属製のワイヤを線状部材１３０として用いる。ただし線状部材１３０としては、化学繊維や天然繊維からなるケーブル（ロープ）を用いてもよい。

第１部材１１０の中央部には凸部１２１に対応する形状の凹部１１１が設けられ、凹部１１１の側面には突起１２２をガイドし位置決めするためのガイド溝１１２が設けられている。凹部１１１の底には貫通孔１１３が形成されている。線状部材１３０は、貫通孔１１３を通り、第１部材１１０の中空内部に設けられたプーリ１１４に巻回され、第１部材１１０の側壁に形成された引き出し孔１１５から、関節構造１の外部に引き出されている。なお、線状部材１３０は、第１部材１１０の外壁に取り付けられた可撓性チューブ（アウターケーシング）１１６の内部を通り、駆動源Ｍに接続される。関節構造１と駆動源Ｍとの間の線状部材１３０の経路の内、少なくとも曲線となる部分の線状部材１３０は両端の位置が固定された非伸縮性の可撓性チューブ１１６の中を通っており、線状部材１３０に張力がかかっている状態では、駆動源Ｍにおける線状部材１３０の変位に応じて関節構造１における線状部材１３０が変位するようになっている。

ロボットＲの運転中、駆動源Ｍによって線状部材１３０を引っ張り、第２部材１２０が第１部材１１０に接触する（突き当たる）まで第２部材１２０を第１部材１１０側に引き寄せる。そうすると、凸部１２１が凹部１１１に嵌合して、第２部材１２０が第１部材１
１０に位置決め固定され、ロック状態となる（図３Ｂ）。このロック状態では、リンクＥ１とエンドエフェクタＥ２が一つの剛体として振る舞う。

一方、駆動源Ｍをオフにして（又は駆動源Ｍによって線状部材１３０を送り出して）線状部材１３０を伸ばすと、第２部材１２０とエンドエフェクタＥ２の自重または弾性部材１４０の復元力によって、第２部材１２０が第１部材１１０から離間し、自由状態となる（図３Ｃ）。自由状態では、エンドエフェクタＥ２が３本のコイルばねによって吊り下げられた状態または支持された状態となり、リンクＥ１から独立して６自由度に運動自在となる。６自由度の運動は、ｘ方向，ｙ方向，ｚ方向の並進と、ｘ軸周り，ｙ軸周り，ｚ軸周りの回転である（関節構造１のｘｙｚ座標系は、例えば、第１部材１１０（すなわちリンクＥ１）の軸方向がｚ軸となるようにとればよい。）。このとき、エンドエフェクタＥ２に外力が作用すると、図３Ｄに示すように、エンドエフェクタＥ２のみ位置や姿勢が変化し得る。これにより、ソフトロボットやコンプライアンス機構と呼ばれる、いわゆる「柔らかいロボット」が実現できる。

以上述べた本実施形態の関節構造１によれば、極めてシンプルな構造により、ロック状態／自由状態の切り替えが実現できる。また、線状部材１３０の駆動源Ｍを関節構造１の外部に配置しているため、関節構造１そのものをコンパクトかつ軽量に構成することが可能となる。また、自由状態におけるエンドエフェクタＥ２の可動範囲を大きくとることが容易に実現できる。

また、弾性部材１４０の復元力の作用により、自由状態においても、リンクＥ１とエンドエフェクタＥ２の相対的な姿勢が安定する。その一方で、エンドエフェクタＥ２に外力が作用した場合には、弾性部材１４０が変形するため、エンドエフェクタＥ２の動きを阻害することがない。それゆえ、例えば、エンドエフェクタＥ２の先端を凹凸のある表面に沿わせながら動かす、というような柔らかい動作を容易に実現できる。

また、円錐台形状の凸部１２１と凹部１１１による嵌合構造によれば、線状部材１３０を徐々に引っ張り第１部材１１０と第２部材１２０を近づけていくと、凸部１２１が凹部１１１の内面にガイドされて、凸部１２１と凹部１１１の軸が一致するように自動的に誘引される。したがって、嵌合の失敗（ロック状態への切り替えの失敗）を抑制することができる。そして、凸部１２１と凹部１１１が嵌合すれば、強い固定力を得ることができる。

さらに、凸部１２１と凹部１１１に突起１２２とガイド溝１１２を設けたことで、凸部１２１が凹部１１１に挿入されるときに、突起１２２がガイド溝１１２にガイドされて、凸部１２１と凹部１１１の間の角度ずれが自動的に補正される。したがって、嵌合の失敗の抑制と角度ずれの防止を両立することができる。

＜変形例＞
上記実施形態は、本発明の構成例を例示的に説明するものに過ぎない。本発明は上記の具体的な形態には限定されることはなく、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。

変形例１では、弾性部材１４０として、非線形ばね要素を用いる。図４は、線形ばねと非線形ばねの特性の違いを示すグラフであり、横軸が変位（たわみ）、縦軸が荷重を示している。線形ばねは、荷重と変位が正比例の関係となり、変位によらず剛性（ばね定数）が一定であるのに対し、非線形ばねは、変位が大きくなるほど剛性（ばね定数）が増すという特性を示す。このような非線形特性は、例えば、コイルばねのコイル径を不均一にする、コイルばねのピッチを不等間隔にする、コイルばねの線径を不均一にする、などの方
法により実現できる。

例えば、駆動源Ｍの制御により、自由状態における線状部材１３０の延伸量をｓ１［ｍｍ］、ｓ２［ｍｍ］、ｓ３［ｍｍ］（ｓ１＜ｓ２＜ｓ３）のように多段階に切り替え、第１部材１１０と第２部材１２０の間の離間距離（すなわち、ばねの変位）を変えられるようにしてもよい。これにより、自由状態における関節構造１の堅さ（柔らかさ）を制御することができる。例えば、ロボットの動作やシーンに合わせて、適した堅さ（柔らかさ）になるように調整することにより、ロボットの応用範囲の拡大や効率的な動作を実現できると期待できる。

図５に変形例２を示す。変形例２では、凸部１２１と凹部１１１による嵌合構造が複数組設けられている。複数個所で第１部材１１０と第２部材１２０のかみ合わせを行うことにより、第１部材１１０と第２部材１２０の相対的な位置決めの精度の向上や、第１部材１１０と第２部材１２０の間の固定力の向上などを期待できる。なお、凹凸の形状や大きさは、全ての嵌合構造で共通でもよいし、異ならせてもよい。

図６に変形例３を示す。変形例３では、実施形態とは嵌合構造の凹凸が逆になっている。すなわち、第１部材１１０に凸部１２１が設けられ、第２部材１２０に凹部１１１が設けられている。このように凹凸が逆であっても、実施形態と同じ作用効果を奏することができる。なお、変形例２のように複数の嵌合構造を設ける場合には、凹凸の向きが異なる嵌合構造を混在させてもよい。

図７に変形例４を示す。変形例４では、嵌合方式ではなく、摩擦方式のロック機構を採用している。具体的には、第１部材１１０と第２部材１２０のそれぞれに互いに平行で且つ対向する面１１７、１２７が設けられており、ロック状態では、第１部材１１０の面１１７と第２部材１２０の面１２７とが面接触して摩擦が作用することによって、第１部材１１０と第２部材１２０の間が固定される。このような摩擦方式によれば、第１部材１１０と第２部材１２０をかみ合わせるための凹凸を設ける必要がないため、関節構造１をよりコンパクトにすることができる。なお、十分な摩擦力を得るために、面１１７、１２７の部分に静摩擦係数の高い材料を選択するか、面１１７、１２７に対して静摩擦係数を高めるための表面処理を施すとよい。

上記実施形態では弾性部材１４０としてコイルばねを用いたが、他の種類の弾性要素（例えばダンパーなど）を用いてもよい。あるいは、第１部材１１０と第２部材１２０の間に弾性部材１４０を設けない構成としてもよい。その構成の場合に、ある程度の硬さをもつ線状部材１３０を用いることにより、線状部材１３０によって自由状態における第２部材１２０の姿勢を安定させてもよい。

＜付記１＞
（１）ロボット（Ｒ）のマニピュレータ（ＲＭ）の第１要素（１１）と第２要素（１２）の間を連結する関節構造（１）であって、
前記第２要素（１２）が前記第１要素（１１）から独立して運動自在となる自由状態と、前記第２要素（１２）が前記第１要素（１１）に固定されるロック状態との切り替えを行うロック機構（１０）を有し、
前記ロック機構（１０）は、
前記第１要素（１１）に接合する第１部材（１１０）と、
前記第２要素（１２）に接合する第２部材（１２０）と、
一端が前記第２部材（１２０）に取り付けられ、前記第１部材（１１０）に設けられた貫通孔（１１３）を通って他端が前記関節構造（１）の外側に引き出される、可撓性を有する線状部材（１３０）と、を有し、
前記線状部材（１３０）を引っ張り前記第２部材（１２０）を前記第１部材（１１０）に接触させることにより、前記ロック状態となり、
前記線状部材（１３０）を伸ばして前記第２部材（１２０）を前記第１部材（１１０）から離間させることにより、前記自由状態となる
ことを特徴とする関節構造（１）。

１：関節構造
１０：ロック機構、１１：第１要素、１２：第２要素
１１０：第１部材、１１１：凹部、１１２：ガイド溝、１１３：貫通孔、１１４：プーリ、１１５：引き出し孔、１１７：面
１２０：第２部材、１２１：凸部、１２２：突起、１２３：貫通孔、１２７：面
１３０：線状部材、１４０：弾性部材
Ｅ１：リンク、Ｅ２：エンドエフェクタ
Ｒ：ロボット、ＲＭ：マニピュレータ、ＲＣ：コントローラ、Ｍ：駆動源

Claims (10)

1. ロボットのマニピュレータの第１要素と第２要素の間を連結する関節構造であって、
   前記第２要素が前記第１要素から独立して運動自在となる自由状態と、前記第２要素が前記第１要素に固定されるロック状態との切り替えを行うロック機構を有し、
   前記ロック機構は、
   前記第１要素に接合する第１部材と、
   前記第２要素に接合する第２部材と、
   一端が前記第２部材に取り付けられ、前記第１部材に設けられた貫通孔を通って他端が前記関節構造の外側に引き出される、可撓性を有する線状部材と、を有し、
   前記線状部材を引っ張り前記第２部材を前記第１部材に接触させることにより、前記ロック状態となり、
   前記線状部材を伸ばして前記第２部材を前記第１部材から離間させることにより、前記自由状態となる
   ことを特徴とする関節構造。
2. 前記自由状態では、前記第２要素が前記第１要素から独立して６自由度に運動自在となる可動範囲を形成する程度に、前記第２部材が前記第１部材から離間する
   ことを特徴とする請求項１に記載の関節構造。
3. 前記第１部材と前記第２部材の間を接続する弾性部材をさらに有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の関節構造。
4. 前記弾性部材は、非線形ばね要素を含み、
   前記線状部材の引っ張り量によって前記第１部材と前記第２部材の間の距離を変えることにより、前記弾性部材の剛性が可変である
   ことを特徴とする請求項３に記載の関節構造。
5. 前記第１部材と前記第２部材のうちの一方に凸部が設けられ、他方に凹部が設けられ、
   前記ロック状態では、前記凸部が前記凹部に嵌合することによって、前記第１部材と前記第２部材との間が固定される
   ことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の関節構造。
6. 前記凸部は錐形状又は錐台形状を有する
   ことを特徴とする請求項５に記載の関節構造。
7. 前記凸部は円錐形状又は円錐台形状を有する
   ことを特徴とする請求項６に記載の関節構造。
8. 前記凸部の側面に突起が設けられ、前記凹部に前記突起をガイドするガイド溝が設けられている
   ことを特徴とする請求項７に記載の関節構造。
9. 前記凸部及び前記凹部が複数組設けられている
   ことを特徴とする請求項５〜８のうちいずれか１項に記載の関節構造。
10. 前記第１部材と前記第２部材のそれぞれに互いに平行な面が設けられ、
    前記ロック状態では、前記第１部材と前記第２部材とが面接触して摩擦が作用することによって、前記第１部材と前記第２部材の間が固定される
    ことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の関節構造。

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