JP4254804B2 - ロボット用連結部材の結合機構と歩行型ロボット - Google Patents

Description

本発明は、所望の目的をもって受信したコマンドデータや、予め設定された動作を行わせるためのプログラムに従って、種種の動作を実現するためのロボット用連結部材の結合機構に関するものであり、特に、このような結合機構を採用して破損を少なくした歩行型ロボットに関するものである。

マイコン等に記録したデータ、又は遠隔的に送信されてきたコマンドに基づいて所定の動作を行わせるためのロボットは、よく知られているように、通常はモータを駆動源とする多数のアクチュエータを所定の形で結合して、所期の目的が達成されるようにサーボメカニズムを構成している。
図６はかかるサーボメカニズムの駆動源となる１個のサーボ装置について、一例を示したもので、ほぼ直方体とされた筐体３０の内部を断面図として示したものである。
この図において３１は小型の直流モータ（以下、単にモータという）で有り、そのモータ軸３２とサーボの出力軸３３の中間部分には減速用の複数個の歯車を載置するための減速ギヤ軸３４が設けられている。そして、詳細な説明を省略するが、モータ軸３２と出力軸３３、および減速ギヤ軸３４に嵌合されている複数個の減速ギヤ（この場合は４組）群を介してモータ３１の回転力が出力軸３３に対して伝達されるように構成されている。

出力軸３３はその回転角度を検出するためのポテンショメータ３５と歯車によって筐体の内部で結合されており、このポテンショメータ３５の回転角度を駆動系の回路にフイードバックすることによって、出力軸３３の回転角度の制御を行うことができるようにサーボ装置が構築されている。
なお、図示されていないが電源供給用のコードを出力する開口部が筐体３０に設けられ、筐体３０内に駆動基板回路を設ける場合もある。
このようなサーボ装置は、ラジコン装置等のサーボメカニズムの各所に使用されており、その場合、出力軸３３の突出部にはアクチュエータとなるアーム、又はフレームを結合するための出力端板（回転フランジ、又はサーボホーンとも呼ばれる）が設けられている。

また、このようなサーボ装置を利用して人間と同じような歩き方や、各種動作ができるロボット、いわゆる人間型の歩行ロボットを製作する試みがなされており、人々の新しい趣味の一つとして関心を集めている。
しかしながら、人間型のロボットや動物を擬態化した歩行型のロボットは、
上記したようなサーボ装置を複数個使用して動物の関節部分の動作を行わせる必要があるため、２個のサーボ装置の出力軸を変えて一体化したサーボユニットが必要になる場合がある。
しかも、このようなサーボ装置はロボットの動きが複雑になるほど、連接された多数のサーボ装置が必要になると共に、駆動源としてのサーボユニットは、ますます、小型のものが要求される。

人間や動物を擬態化して構成された歩行型のロボットは、歩行空間を自由に動き回ったり、ある特定の対象物に対して力を加えて所定の動作を行わせるようなプログラムによって制御されるので、挙動空間内の障害物や、段差等によって意図しない動きとなり、転倒したり、外部から思わぬ衝撃を受ける場合がある。
特に、歩行型のロボット等では、転倒等によって外部から強い衝撃を受けると、衝撃が加わったフレームやアームが破損する場合があるが、実際は外部から印加された衝撃力はフレームやアームを介して、先に示したサーボ装置の出力軸３３に伝達される。
この出力軸３３は、先に述べたように、通常、減速歯車を介してモータの回転軸に結合されているが、特に、小型化されたサーボ装置では外部から印加された衝撃は最終段側に近い減速ギヤ程多くかかり、その衝撃でサーボ装置内のギヤの破損を生じることがある。

図７は、外部から印加された衝撃に対してサーボ装置内の減速ギヤの破損が低減するようにするための従来例を示したもので、図示されていない減速ギヤの出力線４１上にある最終段ギヤ４２の内周側には、円周面に凹部４３ａが形成され、はめ合い部４３とされており、このはめ合い部４３に対して円周面に凸部４４ａが形成されている緩衝体４４が嵌合されている。
そして、この緩衝体４４に開けられている円周線上の孔４４ｂに対して、出力軸４５の側面に形成されている凸部４５ａを挿入することによって、出力線４１の回転力が出力軸４５に伝達され、この出力軸４５と一体的に形成されている連結部４６が回動するように構成されている。

この従来技術によると、出力線４１に回転力を与えるモータは、図示されていない減速ギヤを介して最終段ギヤ４２を回転し、この最終段ギヤ４２の回転力が緩衝体４４を介して出力軸４５及び連結部４６を駆動するサーボ装置を形成しており、もし、連結部４６に対して外部から強い衝撃が加わると、前記した緩衝体４４と最終段ギヤ４２のはめ合い部４３を結合している凹凸部（４３ａ、４４ａ）の結合がスリップによって解除され、最終段ギヤ４２、及び出力線４１に連接されている減速ギヤの破損を防止するというものである。

図８はモータ駆動型のアクチュエータの回転力を、ロボットの一部となっている受け口に伝達する場合の結合構造を示しており、ロボット本体に固定されているアクチュエータ５１の出力軸５２は、この軸に固着されているリング５３と、このリング５３に圧接されている弾性材（ゴム）からなるストッパー５４を介して受け口となるフレーム５５に結合されている。
したがって、図示されていないロボット本体に固定されているアクチュエータ５１内の小型モータを駆動すると、先に述べたようにその回転力がアクチュエータ内に設けられている減速ギヤを介して出力軸５２を回動し、この出力軸５２の回動が金属製のリング５３と弾性からなるストッパー５４により形成されているクラッチ機構を介してフレーム５５をロボット本体に対して動かす。
この例では、フレーム５５は例えば動物の下顎部分であるため、このフレーム５５と動物の上顎部分で物を噛むような動作が行われるが、このときにある程度の噛む力が下顎を形成しているフレーム５５に伝達されると、その力以上の噛む力はリミッタ機構を持っているクラッチによって遮断され、下顎部分に鋏まれた物体がかみ砕かれたり、損傷を受けたりするような事故を防止することができるというものである。

特開２００２−５９３８８号公報 特開２０００−３１７８６６号公報

一般的にロボット機構等に使用されているサーボ装置は、駆動力となるモータ部分と、減速ギヤ群が筐体内に配置されているため、上記従来例の緩衝体４４を利用してサーボ装置内のギヤを保護する方法は、何らかの衝撃でギヤの破損が生じる度に、モータ及び減速ギヤが内蔵されているサーボ装置の部分をロボットから取り外し、次にこのサーボ装置を分解して、破損したギヤの交換を行う必要があり、ロボットのように外部から衝撃を受ける可能性の多いメカニズムでは、そのメンテナンスに多大な時間を消費するという問題があった。
また、この従来技術の場合は、弾力性のある緩衝体（４４）を伝達機構の一部として追加する必要があり、従来の汎用のサーボ装置に対してコストアップとなるという問題がある。

また、図８に例示したように、アクチュエータとロボットの動作部分となるフレーム機構を、弾性材（５４）を使用したスリップ機構によって単に機械的に接合するような機構は、サーボ装置内の減速ギヤの破損を防止できる可能性があるが、アクチュエータによって駆動されるフレーム機構の動きを、単に、スリップ機構を介して所定の動作となるようにしたものであり、結果的にフレーム機構とアクチュエータの相対的な制御位置が必要のない場合に使用されるものである。
したがって、単なるスリップ機構を持った従来の結合機構を、サーボ装置によってロボットの手足を所定の位置に動かすような関節機構に採用すると、常に誤動作の虞があり、信頼性に欠けたものになる。

本発明は、サーボ装置の結合機構にかかる問題点を改善するためになされたものであって サーボ装置と、このサーボ装置の出力軸に結合されたサーボホーンと、さらにサーボホーンに対してワッシャ部材で押圧され結合されている連結部材からなるようなロボット用連結部材の結合機構において、
前記連結部材及び前記サーボホーンの接合面には、円周状に配置されている凹凸部を形成し、この凹凸部を介してサーボ装置の出力軸の動きが取り出されるようにしたものである。

また、本発明は前記凹凸部は前記サーボホーンの外側接合面に形成された円頭状凸部と、前記連結部材の内側接合面に形成された円錐状凹部によって構成されており、前記ワッシャ部材は円形の合成樹脂材によって構成することができる。
前記サーボホーンと連結部材は、ワッシャ部材の中心部を貫通して前記出力軸にねじ込まれる止めビスによって圧接され、連結部材となるフレームやアームとサーボ装置の出力軸の回転位置を容易に設定することができるようにしている。

本発明の連結部材の結合機構は、強い衝撃が外部から加わったときでも、前記連結部材が瞬間的に結合状態を緩和してサーボ装置の故障を防止することができるため、多数の関節部分が要求されるような 歩行型のロボットに適応することが容易にできる。

本発明のロボット用連結部材の結合機構は、ロボットを動かすフレーム、又はアーム部分に強い衝撃が加わったときに、この連結部材の動きをコントロールしているサーボ装置の駆動ギヤ等が破損することを防止することができると同時に、衝撃によってロボットのメカニカルな位置関係が変化したときでも、簡単に元の状態に修復させることができる。

図１、及び図２は本発明のロボット用連結部材の結合機構を例示したものであり、図１は各部材の結合前の分解斜視図を、図２は連結部材と出力軸の結合機構の断面図を示している。
この図において、１０はサーボ装置の筐体を示しており、このサーボ装置の筐体内には先に述べたように駆動用の直流モータ又はブラシレスモータと、その回転力を外部に出力するための減速ギヤ群が内蔵されている。
なお、回転変位を出力するサーボ装置の出力軸としては、先に本出願人が提案したようなリンク部材によって２軸の方向に回転変位を与えるようなサーボユニットの出力軸にも適応することができる。

サーボ装置の出力軸１１の表面には回転力を伝達するために凹凸に刻まれたセレーション１１ａが形成され、中心部には止めねじが嵌入される雌ネジ穴１１ｂが開けられている。 １２はこの出力軸１１に嵌合される結合部材であり、通常、サーボホーン（以下、サーボホーン１２という）と呼ばれている。
このサーボホーン１２は、出力軸１１とアクチュエータとなる連結部材１３を結合するために設けられるものであり、通常は、中心部の開口１２ａに前記セレーション１１ａに摺合するような溝が形成された円盤状の合成樹脂材によって成型されたものであるが、サーボ装置の使用態様によっては種種の形を取ることもできる。
本発明の実施例とされているサーボホーン１２には、中心部に開口１２ａが設けられ、 接合面となる表面には図に示されているように頭部が円形となっている凸部１２ｂが円周状に形成されている。そして、後で述べるようにこの凸部１２ｂは連結部材１３に形成されている凹部１３ｂ（図２）と衝合するような位置に、例えば、本例では円周状に８個設けられている。

連結部材１３は回転軸となる部分に開口１３ａを有し、その開口１３ａの周辺に段差１３ｃを設けることによってワッシャ１４が嵌入されるようにしているが、連結部材の外形は合成樹脂等の押出成形よって種種の形に作ることができ、フレーム、又はアームとも呼ばれることもある。そして、図示されていない先端部分が作動部となって種種の動作を達成できるようにしている。
しかし、ロボットのように関節部分を形成する場合は、この連結部材１３の他端にさらに別のサーボ装置が取り付けられ、２方向に回動するようなアクチュエータを構成することもできる。
連結部材１３の裏面であって、開口１３ａの周辺部には、先に述べた凸部１２ａと衝合する位置に円錐または、角錐状の凹部１３ｂ（図２）が、例えば、４５度の間隔を置いて８個形成されている。

１４は、連結部材１３をサーボホーン１２に一体的に固定するためのワッシャを示し、このワッシャ１４の穴１４ａを挿通する止めネジ１５によって連結部材１３、及びサーボホーン１２を出力軸１１に圧接固定することになる。
本例ではこのワッシャ１４としてPOM（ポリアセタール）樹脂を使用して少し弾性力を与えているが、適当な弾性力を有する他の樹脂材で形成しても良いし、金属製の皿バネや、スプリングワッシャ等でワッシャ部分を形成しても良い。

本発明のロボット用連結部材の結合機構は上記したような構成を有しているので、図２の断面図に示されているように、出力軸１１に対してサーボホーン１２を嵌入し、さらにこのサーボホーン１２に対して連結部材１３を重畳しワッシャ１４を介して、止めネジ１５でサーボ装置（１０）の出力軸１１に締め付け固定する。
このときに、先に示したサーボーホーン１２の凸部１２ｂが、連結部材１３の凹部１３ｂに入るような位置にして固定するが、止めネジ１５をいっぱいに締め付けたときでも、連結部材１３とサーボホーン１２の接合面にはわずかな間隙ｔが残るように設計することが好ましい。
出力軸１１が回動するとその回転力がサーボホ−ン１２と連結部材１３の接合面で衝合している凸部１２ｂと凹部１３ｂを介して連結部材１３に伝達され、連結部材１３が腕の部分となっている場合は、腕を前後方向に振るような動作が行われる。

ところで、このようなサーボメカニズムによって構成されているロボットが転倒事故に遭うと、連結部材１３に大きな外力が加わり、連結部材１３が破損する場合があるが、連結部材１３が破損しない場合は、出力軸１１に衝撃が加わりサーボ装置内の減速歯車に損傷を与える。
しかし、本発明の場合は、連結部材１３とサーボホーン１２が円頭状の凸部１２ｂと、円錐状凹部１３ｂを介して結合されおり、かつ、この結合状態が少し弾性体の性質を有するワッシャ１４の締め付けによって維持されているため、サーボホーン１２と連結部材１３の凹凸部による結合は、ある程度強い衝撃が印加されたときはワッシャ１４の瞬間的な弾性変形によって開放され、双方の結合位置がシフトすることにより減速ギヤの損傷を防止することができるようになる。

外部からの衝撃を緩和するために適当とされるワッシャ１４の厚さは、例えば、ホビー用のロボットの場合、ほぼ１ｍｍ程度に設定されるが、ロボットの大きさや、耐衝撃性を考慮してその厚みを設定すればよい。
すなわち、強い衝撃を緩和させたい場合はワッシャ厚を厚くし、弱い衝撃も緩和するためにはワッシャ厚を薄くすればよい。
また、本例では、サーボホーン１２に形成されている凸部１２ｂは円頭状とし、連結部材１３に形成されている凹部１３ｂは円錐状としているが、これら凸部及び凹部の形状はとくに限定されず、本発明と同等な効果を奏するものであればどのような形状であってもよい。たとえば凸部を円頭状とし、凹部を角錐状としても本発明と同等な効果を得ることができる。更には、本例とは反対に、サーボホーン１２に凹部を形成し、連結部材１３に凸部が形成されていてもよい。
なお、本例のようにサーボホーン１２と連結部材１３における凹部、凸部の組み合わせを凸部を円頭状とし、凹部を円錐状とすることにより、両者の接触部は円接触となるため、凸部の円頭が磨耗したときでも、この円接触の形状は殆ど変化せず、衝撃に対抗する結合力が経時的に変化しないという効果が生じる。

上記したように転倒等によって強い衝撃が加わり、連結部材１３とサーボホーン１２の結合状態が瞬間的に解除されると、双方の相対的な位置関係が変化するが、本発明の結合機構では、サーボホーン１２と連結部材１３を圧接している止めネジ１５を少しゆるめ、サーボホーン１２と連結部材１３の位置関係をもとの状態に戻して、再度止めネジ１５で固着することにより、元の状態に修復させることが簡単にできる。

図３、図４は上記したサーボホーン１２と連結部材１３の一例を示す図面である。
図３の（ａ）はサーボホーン１２の正面図を示し、同図（ｂ）は側面図、同図（ｃ）は裏面図、同図（ｄ）は断面図である。
正面図、及び断面図には円周状に配置された８個の円頭状の凸部１２ｂと、中心部にある開口１２ａが記載されている。なお、開口１２ａの一部に形成されている鍵穴１２ｃは先に述べた出力軸１１との相対的な位置決めをするために設けたもので、出力軸１１とこのサーボホーン１２が正確に位置決めされた状態では、この鍵穴１２ｃから出力軸１１の先端面に着けられているマーク１１ｃ、（図１のくぼみ）が見えるように設計されている。
そして、このマーク１１ｃと鍵穴１２ｃを合わせることによって出力軸とサーボホーン１２の回転位置決めを行うようにしている。
また、本例のサーボホーン１２の外側円縁には例えば９０度の角度位置で異なる形状のターンマーク１２ｄ−１、１２ｄ−２、１２ｄ−３，１２ｄ−４が刻み込まれているので、このターンマーク１２ｄ（１，２，３，４）を使用して連結部材１３との間で初期位置の設定を行うことが容易になる。

図４には連結部材１３の一例が示されており、同図（ａ）は左側面外図、（ｂ）は左側面内図、（ｃ）は上面図、（ｅ）（ｆ）は上側面図、（ｄ）は右側面外図である。
この実施例の連結部材１３は回転軸となる２個の開口１３ａ、１３−１ａが設けられている場合を示しており、これらの開口１３ａ、１３−１ａはそれぞれサーボホーン１２を介して出力軸または他のフレーム等を付けることができる。
開口１３ａ、又は、及び開口１３−１ａの周辺部には、先に述べたようにサーボホーン１２の円頭状の凸部１２ｂが衝合する位置に、８個の円錐状の凹部１３ｂ、１３−１ｂを開口１３ａ、又は、及び１３−１ａの周辺部に設け、この円錐状の凹部１３ｂ、又は１３−１ｂがサーボホーン１２との間で結合するようにして耐衝撃性が付加されるようにしている。
また、円周状に配置された凹部１３ｂ、１３−１ｂの外周であって、前記ターンマーク１２ｄ（１，２，３，４）のいずれかと重なる位置には、ポジションマーク１３ｄが刻まれており、先に述べたように強い衝撃を受けた後にサーボホーン１２と連結部材１３の相対位置がずれたときには、止めネジ１５を少しゆるめ、このポジションマーク１３ｄとターンマーク１２ｄ（１，２，３，４）を見ながら連結部材１３を動かし、サーボホーン１２と連結部材１３を正しい初期位置に戻して止めネジ１５を締め付けることにより、結合部分を容易に正しい位置関係に修復することができる。
なお、連結部材１３は種種の作動部材（手先、足先、肘、脛、等）となる以外に、二つのサーボ装置間を結合するフレームや、アームとなることはいうまでもない。

図５は、本発明の歩行型ロボットの一例を模式的に示したものである。
全体的には頭部２０，肩関節部２１，腰関節部２２，肘関節部２３、股関節部２４，膝関節部２５，足首関節部２６等に分けて形成されており、各関節部には、例えば一点鎖線で示すように出力軸を有するようなサーボ装置と、このサーボ装置で回転変位する連結部材が採用されている。
そして、全関節部、又は特に、肩関節部や腰関節部等には、先の述べたように出力軸に嵌合されているサーボホーン１２と連結部材１３の結合機構を採用することができる。
なお、肩関節部２１や、腰関節部２２，肘関節部２３等は回転と変位を与えるような２軸の方向に変位するサーボユニットを使用して、ロボットの動きがより複雑に、かつ、よりスムースに動作するようにしている。

上記したサーボホーン１２と連結部材１３は、等間隔に配置された８個の凹凸部（１２ｂ、１３ｂ）によって結合されるように構成したが、各凹凸部（１２ｂ、１３ｂ）の互いに隣接する間隔を、一部又は全部で不均一となるように形成すると、衝撃によって連結部材１３とサーボホーン１２の相対位置関係がずれたときでも、元の正確な位置関係に再設定するすることが容易になるという利点が生じる。

本発明のロボット用連結部材の結合機構は、連結部材とサーボーホーンの接合面にわずかな変更を加えることによって、ロボットに対して耐衝撃性を与えることができると共に、結合部分（連結部材とサーボホーン）をロボットの組立部材として販売し、従来の、例えば歩行ロボット等の耐衝撃性を比較的低価格で提供すると共に、そのメンテナスを容易にする。
また、歩行ロボットを具体化するとき、関節部分を多くして複雑な動きを行わせる際にできるだけ小型で、かつ精度よく再現するときにも有用である。

本発明のロボット用連結部材の結合機構を示し分解斜視図である。 図１に記載されている各部分を組み立てたときの断面図を示す。 結合部材を例示するサーボホーンの正面図、側面図、裏面図、断面図を示す。 連結部材を例示する左側面（外、内）、正面図、下側面図、右側面図である。 歩行型ロボット用の一例を示す全体的な模式図である。 モータ軸や出力軸の様子を示すためのサーボ装置内の断面図である。 従来のロボット用のフレーム連結機構を説明するための斜視図である。 従来のロボット用サーボメカニズムに見られるアクチュエータの一例を示す説明図である。

符号の説明

１０ サーボ装置の筐体、１１ 出力軸、１２サーボホーン、１２ｂ凸部、１３ 連結部材、１３ｂ凹部、 １４ワッシャ、１５止めネジ

Claims (6)

1. サーボ装置と、
   前記サーボ装置の出力軸に結合されたサーボホーンと、
   前記サーボホーンに対してワッシャ部材で押圧され結合されている連結部材からなるロボット用連結部材の結合機構において、
   前記サーボホーンの回転軸と前記連結部材の回転軸とは同軸上に配置され、
   前記連結部材と前記サーボホーンとが当接する接合面は、前記回転軸を中心として円周状に配置されている複数個の凹凸部を有し、
   前記複数個の凹凸部は弾力性を有する前記ワッシャ部材の締め付けによって圧接されていることを特徴とするロボット用連結部材の結合機構。
2. 前記複数個の凹凸部は前記サーボホーンの外側接合面に形成された複数個の円頭状凸部と、前記連結部材の内側接合面に形成された複数個の円錐状凹部によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載のロボット用連結部材の結合機構。
3. 前記ワッシャ部材は円形の合成樹脂材によって構成されていることを特徴とする請求項１，又は２に記載のロボット用連結部材の結合機構。
4. 前記サーボホーンと前記連結部材とは、前記ワッシャ部材の中心部を貫通して前記出力軸にねじ込まれる止めビスが、前記ワッシャ部材を締め付けるようにして圧接させられることを特徴とする請求項１，２又は３に記載のロボット用連結部材の結合機構。
5. 前記連結部材はロボットを構成するフレーム又はアームとなっていることを特徴とする請求項１，２，３又は４に記載のロボット用連結部材の結合機構。
6. サーボ装置と、
   前記サーボ装置の出力軸に結合されたサーボホーンと、
   前記サーボホーンに対してワッシャ部材で押圧され結合されている連結部材からなるロボット用連結部材の結合機構と、を関節部として有する歩行型ロボットにおいて、
   前記サーボホーンの回転軸と前記連結部材の回転軸とは同軸上に配置され、
   前記連結部材と前記サーボホーンとが当接する接合面は、前記回転軸を中心として円周状に配置されている複数個の凹凸部を有し、
   前記複数個の凹凸部は弾力性を有する前記ワッシャ部材の締め付けによって圧接されていることを特徴とする歩行型ロボット。

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