JP5722747B2 - ロボットの関節構造及びこの関節構造が組み込まれたロボット - Google Patents

Description

本発明は、ロボットの関節構造及びこの関節構造が組み込まれたロボットに関し、特に関節構造が第一部材及び第二部材を備え、第一部材に対して第二部材を直角な二軸の回りに相対的に回転させるロボットの関節構造及びこの関節構造が組み込まれたロボットに関する。

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。かかる人間型ロボットは、脚部、腕部、首部等に関節を有し、人間に近い動作を可能としている。

ところで、ロボットの関節には、自由度が１のものから３以上のものまで様々なものがある。自由度とは、自由に運動できる方向の個数であり、例えば、ピッチ軸のみの回りを回転できる関節の自由度は１であり、ピッチ軸及びヨー軸の二軸の回りを回転できる関節の自由度は２である。従来のロボットの関節構造においては、自由度が２以上の関節を実現するためには、回転系のサーボモータを２個以上組み合わせるのが一般的であった。すなわち、回転系サーボモータを２個以上用意し、回転系のサーボモータの回転軸が互いに直角になるように組み合わせていた（例えば特許文献１参照）。

特開２００９−１８４０４９号公報

しかし、従来の回転系のサーボモータを２個組以上み合わせた関節構造にあっては、サーボモータが回転モーメントを受けるので、サーボモータの負荷が大きくなり、大出力、つまり大型のモータを要し、それゆえに関節構造を小型化できないという課題がある。

また、自由度が２以上の関節構造を実現するにあたって、回転軸が直交するように２個以上の回転系のサーボモータを配置するのが困難であるという課題がある。なぜならば、回転軸を直交させるためには、第一のサーボモータを中空の第二のサーボモータで包む必要があり、サーボモータの構造が複雑化するからである。

本発明は従来のロボットの関節構造の上記課題を解決するもので、自由度が２以上の関節を実現することができると共に、関節の小型化を図れるロボットの関節構造及びこのロボットの関節構造を組み込んだロボットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、第一部材に対して第二部材を直角な二軸の回りに相対的に回転させるロボットの関節構造において、前記第一部材に第一の軸線の回りを回転可能に支持される第一の中間リンクと、一端が前記第二部材にボールジョイントを介して連結されると共に、他端が前記第一の中間リンクにボールジョイントを介して連結される第一のアームと、前記第一の中間リンクを前記第一の軸線の回りに回転させる第一のアクチュエータと、前記第一部材に第二の軸線の回りを回転可能に支持される第二の中間リンクと、一端が前記第二部材にボールジョイントを介して連結されると共に、他端が前記第二の中間リンクにボールジョイントを介して連結される第二のアームと、前記第二の中間リンクを前記第二の軸線の回りに回転させる第二のアクチュエータと、を備え、前記第一の中間リンクの前記第一の軸線及び前記第二の中間リンクの前記第二の軸線が同一の直線上に配置され、前記第一及び前記第二のアクチュエータは、本体部と、外周面に螺旋状のねじ溝が形成される軸部と、前記本体部に収納され、前記軸部のねじ溝に螺合するナットと、を備え、前記ナットを回転させると前記本体部に対して前記軸部が直線運動する直動アクチュエータであり、前記第一及び前記第二のアクチュエータの前記本体部が、前記第一部材に回転可能に支持され、前記第一及び前記第二のアクチュエータの前記軸部の先端が、前記第一及び前記第二の中間リンクのブラケット部に回転可能に支持される連結軸に固定されるロボットの関節構造である。なお、本発明は２自由度の関節構造に限られることはなく、第三の中間リンク、第三のアーム、第三のアクチュエータ等を付加することで、自由度が３以上の関節構造にも適用することができる。

本発明の一態様によれば、第一及び第二のアクチュエータを同時に作動させることによって、第一部材に対して第二部材が直角な二軸の回りを相対的に回転する。第一及び第二のアクチュエータを同時に作動させているので、従来の回転系のサーボモータを組み合わせた関節構造に比べて、力を数倍発生することができる。逆にいえば、必要な力を得るための第一及び第二のアクチュエータを小型化することができ、関節構造の小型化が図れる。

また、第一及び第二のアクチュエータと第一及び第二のアームとの間に第一及び第二の中間リンクを介在するので、第二部材に作用する荷重を一旦第一及び第二の中間リンクで受けることができる。このため、第二部材に作用する荷重が第一及び第二のアクチュエータに直接的に作用するのを防止でき、第一及び第二のアクチュエータに無理な力がかかるのを防止することができる。例えば、第一及び第二のアクチュエータとして直動アクチュエータを使用した場合、本体部に対して軸線方向に直線運動する軸部に、軸線方向以外のラジアル荷重、ねじれ、モーメント等の無理な力が作用するのを防止できる。

本発明の第一ないし第三の実施形態のロボットの関節構造が組み込まれる人間型ロボットの正面図 上記人間型ロボットの右側面図 本発明の第一の実施形態のロボットの関節構造が適用された手首関節の斜視図 本発明の第一の実施形態のロボットの関節構造の詳細図（図中（ａ）は側面図を示し、図中（ｂ）及び（ｃ）は図３と同方向から見た斜視図を示す） 第一及び第二のアームに組み込まれるボールジョイントの断面図 本発明の第二の実施形態のロボットの関節構造が適用された足首関節の斜視図（図中（ａ）は足部フレームをピッチ軸の回りに回転させている状態を示す、図中（ｂ）は足部フレームをロール軸の回りに回転させている状態を示す） 本発明の第三の実施形態のロボットの関節構造が適用された股関節の斜視図 本発明の第三の実施形態のロボットの関節構造の側面図（図中（ａ）は大腿部リンクを真っすぐにした状態を示し、図中（ｂ）は大腿部リンクを曲げた状態を示す）

以下添付図面に基づいて、本発明の第一の実施形態におけるロボットの関節構造を説明する。図１は、ロボットの関節構造が組み込まれた人間型ロボットの全体構成を示す正面図である。図２は人間型ロボットの右側面図である。本実施形態において左右は図に示す人間型ロボット側から見た左右である。

人間型ロボット１０は、胴体部１１の下方に設置された二本の脚部１２と、胴体部１１の上方左右両側面に設置された二本の腕部１３と、胴体部１１の上方に設置された一個の頭部１４とから構成されており、人間に近い動作を可能としている。

二本の腕部１３は、胴体部１１の周囲で自在に移動できるようになっている。各腕部１３は肘を境に、肩に近い方の上腕部１３ｃと、手部１３ａに近い方の下腕部１３ｂと、を備える。下腕部１３ｂの先端には手首関節２１を介して手部１３ａが設置されている。手部１３ａを利用することで物を掴んだり摘まんだりすることが可能となっている。

この人間型ロボット１０は、二足歩行ロボットであり、人間のように二本脚でバランスをとりながら歩く。各脚部１２は股関節１６を介して胴体部１１の骨盤に連結されている。股関節１６は各脚部１２をヨー軸、ピッチ軸、及びロール軸回りに回転させる。ここで、人間型ロボットの進行方向をｘ軸正方向、ロボットからみて左手方向をｙ軸正方向、ロボットの上方をｚ軸方向としたとき、ｘ軸がロール軸、ｙ軸がピッチ軸、ｚ軸がヨー軸である。そして、ｘ軸回りの回転がロール、ｙ軸回りの回転がピッチ、ｚ軸回りの回転がヨーである。

股関節１６には大腿部１７ａが連結される。大腿部１７ａの下には膝関節１８が設けられる。膝関節１８の下には脛部１７ｂが連結される。脛部１７ｂの下には足首関節１９が設けられる。足首関節１９の下には歩行路面と接触する足部２０が連結される。

頭部１４および胴体部１１には、それぞれにＣＣＤカメラ１５が設置されている。このＣＣＤカメラ１５によって、人間型ロボット１０の周囲の状況を画像データとして収集することが可能となっている。

この人間型ロボット１０は、遠隔操作可能に構成されたロボットであり、離れた位置にある図示しない操作マニピュレータを操作者が操作することで、操作マニピュレータの動きに応じた動作を人間型ロボット１０が実行できるようになっている。したがって、操作者は、インターネット回線等の無線通信手段や人間型ロボット１０に設置されたＣＣＤカメラ１５等を介して、遠隔地に居ながらにして人間型ロボット１０の周囲の状況を把握でき、人間型ロボット１０の操作ができるようになっている。

図３は、本発明の第一の実施形態のロボットの関節構造が組み込まれたロボットの手首関節の斜視図を示す。この実施形態のロボットの関節構造は、下腕部１３ｂと手部１３ａとの間の手首関節２１に組み込まれる。この実施形態のロボットの関節構造は、第一部材としての下腕部フレーム２２、第二部材としての可動フレーム２３、下腕部フレーム２２と可動フレーム２３とを回転可能に連結する自在継手２４、第一及び第二のアーム２５ａ，２５ｂ、第一及び第二の中間リンク２６ａ，２６ｂ、第一及び第二のアクチュエータとしての第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂと、を備ええる。

可動フレーム２３は下腕部フレーム２２に対して直角な二軸の回りを回転可能であり、２自由度を持つ。下腕部フレーム２２には、人間の筋肉のように機能する第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂが平行に収納される。第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂが押し引き動作を行うことによって、可動フレーム２３が直角な二軸の回りを回転する。

可動フレーム２３には手部１３ａが固定されている。手部１３ａには複数本の指２７ａ〜２７ｃが設けられている。複数本の指２７ａ〜２７ｃは物を掴んだり摘まんだりすることができるように曲げることが可能となっている。

図４は、関節構造の詳細図を示す。図４（ａ）は関節構造の側面図を示し、図４（ｂ）及び図４（ｃ）は図３と同方向から見た斜視図を示す。図４（ｂ）は第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂが軸部３１ａ，３１ｂを同方向に引き込んだ状態を示し、図４（ｃ）は第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂが軸部３１ａ，３１ｂを異なった方向に押し引きしている状態を示す。

図４（ｂ）に示すように、第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂが軸部３１ａ，３１ｂを同方向に引き込むと、可動フレーム２３がピッチ軸の回りを回転するようになっている。図４（ｃ）に示すように、第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂが軸部３１ａ，３１ｂを異なった方向に押し引きすると、可動フレーム２３がヨー軸の回りを回転するようになっている。ここでは、図４（ａ）に示すように、下腕部フレーム２２の長さ方向をｘ軸正方向、図４（ａ）の上方向をｙ軸正方向、図４（ａ）の紙面と直交する方向をｚ軸方向としていて、ｘ軸をロール軸、ｙ軸をピッチ軸、ｚ軸をヨー軸としている。図４（ｂ）では可動フレーム２３がピッチ軸（自在継手２４のピッチ軸部２４ａ）の回りを回転していて、図４（ｃ）では可動フレーム２３がヨー軸（自在継手２４のヨー軸部２４ｂ）の回りを回転している。

下腕部フレーム２２は、下腕部１３ｂの長さ方向に伸びる互いに平行な一対の対向プレート２２ａ，２２ｂを備える。対向プレート２２ａ，２２ｂは長さ方向の端部の連結プレートに一体的に結合される。一対の対向プレート２２ａ，２２ｂ間には、第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂが略平行に収容される。

可動フレーム２３は、手部１３ａが取り付けられる取付プレート２３ａと、取付プレート２３ａに対して直角に折り曲げられ、互いに平行な一対の支持プレート２３ｂ，２３ｃと、を備える。

下腕部フレーム２２の先端には、自在継手２４としての十文字状の軸体２４が取り付けられる。軸体２４は、直角な二軸を構成するピッチ軸部２４ａ及びヨー軸部２４ｂを備える。この実施形態では、ピッチ軸部２４ａ及びヨー軸部２４ｂの軸線が平面内で直交している。ヨー軸部２４ｂは一対の対向プレート２２ａ，２２ｂ間に架け渡され、一対の対向プレート２２ａ，２２ｂに回転可能に支持される。ピッチ軸部２４ａは可動フレーム２３の一対の支持プレート２３ｂ，２３ｃ間に架け渡され、一対の支持プレート２３ｂ，２３ｃに回転可能に連結される。下腕部フレーム２２に軸体２４がヨー軸部２４ｂの回りを回転可能に支持され、軸体２４には可動フレーム２３がピッチ軸部２４ａの回りを回転可能に連結されるので、下腕部フレーム２２に対して可動フレーム２３が直交するピッチ軸部２４ａ及びヨー軸部２４ｂの回りを回転可能となっている。なお、ピッチ軸部２４ａとヨー軸部２４ｂの軸線は直角を保てればよく、直交せずに離間していてもよい。

第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂそれぞれは、円筒状の本体部３２ａ，３２ｂと、本体部３２ａ，３２ｂに対して軸線方向に直線運動する軸部３１ａ，３１ｂと、を備える。第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂの構造は同一である。軸部３１ａ，３１ｂは本体部３２ａ，３２ｂの軸線上に配置される。軸部３１ａ，３１ｂの外周面には螺旋状のねじ溝が形成される。本体部３２ａ，３２ｂには、軸部３１ａ，３１ｂのねじ溝に螺合するボールねじナット（図示せず）が収納される。本体部３２ａ，３２ｂには、ボールねじナットが本体部３２ａ，３２ｂに軸線の回りの回転のみが許容された状態で収納される。本体部３２ａ，３２ｂにはさらにボールねじナットを回転させるサーボモータが収納される。サーボモータがボールねじナットを回転させると、ボールねじナットの軸線方向の移動が制限されているので、軸部３１ａ，３１ｂが軸線方向に直線運動する。

第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂの本体部３２ａ，３２ｂは、下腕部フレーム２２に回転可能に支持される。本体部３２ａ，３２ｂは四角形の枠部３５ａ，３５ｂ（図４（ａ）参照）に嵌められている。四角形の枠部３５ａ，３５ｂは回転軸３６ａ，３６ｂ（図４（ａ）参照）を備え、下腕部フレーム２２に回転可能に支持される。第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂの本体部３２ａ，３２ｂは回転軸３６ａ，３６ｂを中心として揺動することが可能となっている。回転軸３６ａ，３６ｂは軸体２４のヨー軸部２４ｂと平行である。第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂは上下方向に二つ配列されていて、回転軸３６ａ，３６ｂも上下方向に二つ設けられる。

第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂと軸体２４との間には、第一及び第二の中間リンク２６ａ，２６ｂが回転可能に設けられる。第一及び第二の中間リンク２６ａ，２６ｂは別々に回転可能である。第一の中間リンク２６ａは第一の軸線２６ａ１（図４（ａ）参照）の回りを回転可能であり、第二の中間リンク２６ｂは第二の軸線２６ｂ１（図４（ａ）参照）の回りを回転可能である。この実施形態では、第一の軸線２６ａ１及び第二の軸線２６ｂ１が同一の直線Ｌ（図４（ｂ）参照）上に配置され、第一及び第二の中間リンク２６ａ，２６ｂは共通の直線Ｌの回りを回転する。第一及び第二の中間リンク２６ａ，２６ｂを回転可能に支持する回転軸は一対の対向プレート２２ａ，２２ｂ間に架け渡され、軸体２４のヨー軸部２４ｂと平行である。

図４（ｂ）に示すように、第一及び第二の中間リンク２６ａ，２６ｂそれぞれは、回転軸に回転可能に支持される基部２６ａ２，２６ｂ２と、基部２６ａ２，２６ｂ２から二股に分岐するブラケット部２６ａ３，２６ｂ３と、ブラケット部２６ａ３，２６ｂ３に回転可能に支持される連結軸２６ａ４，２６ｂ４と、を備える。基部２６ａ２，２６ｂ２は、一対の対向プレート２２ａ，２２ｂ間に収納できるように一対の対向プレート２２ａ，２２ｂ間の距離の半分の軸線方向長さを持つ。ブラケット部２６ａ３，２６ｂ３は、連結軸２６ａ４，２６ｂ４を回転可能に支持する。ブラケット部２６ａ３，２６ｂ３は、一対の対向プレート２２ａ，２２ｂ間の略全長に渡る横幅を有する。第一及び第二の中間リンク２６ａ，２６ｂのなす角度が所定角度、例えば９０度以下になるときは、第一の中間リンク２６ａのブラケット部２６ａ３と第二の中間リンク２６ｂのブラケット部２６ｂ３とが当接し、第一の中間リンク２６ａと第二の中間リンク２６ｂとのなす角度が所定角度以下になるのを制限している。連結軸２６ａ４，２６ｂ４には、第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂの軸部３１ａ，３１ｂの先端が結合される。

可動フレーム２３と第一の中間リンク２６ａとの間には第一のアーム２５ａが架け渡される。第一のアーム２５ａの長さ方向の両端部にはボールジョイントが設けられ、第一のアーム２５ａはボールジョイントを介して可動フレーム２３及び第一の中間リンク２６ａの連結軸２６ａ４に連結される。図５は第一のアーム２５ａの端部に組み込まれるボールジョイント４１の断面図を示す。ボールジョイント４１は３自由度の継手であり、例えば内輪４１ｂ及び外輪４１ａを球面接触させた構造の球面軸受から構成される。外輪４１ａは第一のアーム２５ａに結合される。内輪４１ｂには可動フレーム２３から突出する軸体４２が結合される。内輪４１ｂは外輪４１ａに対して直交する三軸の回りを回転可能である。ボールジョイントとして、例えばリンクボール（ＴＨＫ社製品名）継手を用いることができる。

図４（ｂ）に示すように、可動フレーム２３と第二の中間リンク２６ｂとの間には第二のアーム２５ｂが架け渡される。第二のアーム２５ｂの長さ方向の両端部には、第一のアーム２５ａと同一のボールジョイントが設けられる。第二のアーム２５ｂはボールジョイントを介して可動フレーム２３及び第二の中間リンク２６ｂの連結軸２６ｂ４に連結される。

下腕部フレーム２２の対向プレート２２ａ，２２ｂ間には、第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂに隣接して、第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂのサーボモータを制御する第一及び第二のドライバ３４ａ，３４ｂが設けられる。第一及び第二のドライバ３４ａ，３４ｂのそれぞれは、サーボモータに電力を供給するPWM(pulse width modulation)インバータ等の電力変換器、サーボモータの出力軸の速度及び位置を検出するセンサ、操作マニピュレータからの指令及びセンサからの情報によって電力変換器を制御する制御器を備える。第一及び第二のドライバ３４ａ，３４ｂは相互に通信し合い、別に制御ボックスが無くても同期した動きが可能となっている。なお、第一及び第二のドライバ３４ａ，３４ｂを統合させた一つのドライバによって二つのサーボモータを制御するようにしてもよい。

図４（ｂ）に示すように、第一及び第二のドライバ３４ａ，３４ｂに指令を与え、第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂが軸部３１ａ，３１ｂを同方向に引き込むようにすると、第一の中間リンク２６ａ及び第二の中間リンク２６ｂが互いに反対方向に回転する。この例では、上側の第一の中間リンク２６ａが時計方向に回転し、下側の第二の中間リンク２６ｂが反時計方向に回転する。第一及び第二の中間リンク２６ａ，２６ｂが互いに反対方向に回転すると、第一及び第二のアーム２５ａ，２５ｂが引き込まれ、第一及び第二のアーム２５ａ，２５ｂに連結される可動フレーム２３がピッチ軸部２４ａの回りのみを回転する。逆に、第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂが軸部３１ａ，３１ｂを同方向に押し出すようにすると、可動フレーム２３はピッチ軸部２４ａの回りのみを反対方向に回転する。

図４（ｃ）に示すように、第一及び第二のドライバ３４ａ，３４ｂに指令を与え、第一の直動アクチュエータ２８ａが軸部３１ａを押し出し、第二の直動アクチュエータ２８ｂが軸部３１ｂを引き込むようにすると、第一及び第二の中間リンク２６ａ，２６ｂが同方向に回転する。この例では、上側の第一の中間リンク２６ａ及び下側の第二の中間リンク２６ｂのいずれもが反時計方向に回転する。第一及び第二の中間リンク２６ａ，２６ｂが反時計方向に回転すると、第一のアーム２５ａが押し出され、第二のアーム２５ｂが引き込まれる。これにより第一及び第二のアーム２５ａ，２５ｂに連結される可動フレーム２３がヨー軸部２４ｂの回りのみを回転する。逆に、第一の直動アクチュエータ２８ａが軸部３１ａを引き込み、第二の直動アクチュエータ２８ｂが軸部３１ｂを押し出すようにすると、可動フレーム２３がヨー軸部２４ｂの回りのみを反対方向に回転する。

なお、図４（ｂ）及び図４（ｃ）では、可動フレーム２３をピッチ軸部２４ａの回りにのみ又はヨー軸部２４ｂ回りにのみ回転させる例について説明したが、可動フレーム２３をピッチ軸部２４ａの回りに回転させながらヨー軸部２４ｂの回りに回転させることも可能となっている。

この第一の実施形態のロボットの関節構造によれば、以下の効果を奏する。可動フレーム２３を直角な二軸の回りに回転させるにあたって第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂを同時に作動させている。このため、従来の回転系のサーボモータを組み合わせた関節構造に比べて、力を数倍発生することができる。逆にいえば、必要な力を得るための第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂを小型化することができ、関節構造の小型化が図れる。

第一及び第二の中間リンク２６ａ，２６ｂを反対方向に回転させることによって、可動フレーム２３をピッチ軸部２４ａの回りに回転させている。そして、第一及び第二の中間リンク２６ａ，２６ｂを反対対方向に回転させることによって、可動フレーム２３をヨー軸部２４ｂの回りに回転させている。第一及び第二の中間リンク２６ａ，２６ｂの回転と可動フレーム２３のピッチ軸部２４ａ及びヨー軸部２４ｂの回転との因果関係が理解し易いので、第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂの制御が容易になる。

第一及び第二のアーム２５ａ，２５ｂと第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂとの間には、第一及び第二の中間リンク２６ａ，２６ｂが介在し、可動フレーム２３に作用する荷重は一旦第一及び第二の中間リンク２６ａ，２６ｂが受ける。このため、可動フレーム２３に作用する荷重が第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂの軸部３１ａ，３１ｂに直接的に作用するのを防止でき、軸部３１ａ，３１ｂに軸線方向以外のラジアル荷重、ねじれ、モーメント等の無理な力が作用するのを防止できる。

第一及び第二のアーム２５ａ，２５ｂの長さ方向の両端部には、３自由度のボールジョイントが設けられる。このため、可動フレーム２３がピッチ軸部２４ａ及びヨー軸部２４ｂの回りを回転しても、可動フレーム２３から第一及び第二の中間リンク２６ａ，２６ｂに無理な力がかかるのを防止できる。

第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂの本体部３２ａ，３２ｂは下腕部フレーム２２に回転可能に支持され、第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂの軸部３１ａ，３１ｂは第一及び第二の中間リンク２６ａ，２６ｂに回転可能に連結されている。このため、第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂの軸部３１ａ，３１ｂが軸線方向に移動すると、第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂが回転軸３６ａ，３６ｂの回りを揺動する。このため、第一及び第二の中間リンク２６ａ，２６ｂが回転しても、第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂの軸部３１ａ，３１ｂに軸線方向以外のラジアル荷重、ねじれ、モーメント等の無理な力が作用するのを防止できる。

第一の中間リンク２６ａと第二の中間リンク２６ｂとのなす角度が所定角度のとき、第一の中間リンク２６ａと第二の中間リンク２６ｂとが互いに当接する。第一の中間リンク２６ａと第二の中間リンク２６ｂとをストッパとして機能させることで、第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂに供給する電力が切れても、可動フレーム２３の回転角度を一定に保つことができる。

下腕部フレーム２２に第一及び第二の直動アクチュエータ２８ａ，２８ｂを制御する第一及び第二のドライバ３４ａ，３４ｂを設けることで、第一及び第二のアクチュエータ２８ａ，２８ｂの同期した動作が容易になる。また、配線を省略すること可能になる。

自在継手としての軸体２４が平面内で直交するピッチ軸部２４ａ及びヨー軸部２４ｂを備えるので、可動フレーム２３を下腕部フレーム２２に対して直交する二軸の回りを回転させることが可能になる。ただし、ピッチ軸部２４ａとヨー軸部２４ｂとは直角であればよく、平面内で直交せずに離間していてもよい。

図６は、本発明の第二の実施形態のロボットの関節構造が組み込まれたロボットの足首関節を示す。この実施形態のロボットの関節構造は人間型ロボット１０の足首関節１９（図１参照）に適用されている。この実施形態のロボットの関節構造の基本構造は、上記第一の実施形態のロボットの関節構造と同一であり、第一及び第二のアーム５１ａ，５１ｂ、第一及び第二の中間リンク５２ａ，５２ｂ、第一及び第二の直動アクチュエータ５３ａ，５３ｂを備える。第一及び第二の直動アクチュエータ５３ａ，５３ｂを動作させることによって、脛部リンク５４に対して足部フレーム５５をピッチ軸及びロール軸の回りに回転させる。

脛部リンク５４の下端には、自在継手として、ピッチ軸部５６ａ及びロール軸部５６ｂを備える十文字状の軸体５６が設けられる。軸体５６のピッチ軸部５６ａは脛部リンク５４に回転可能に取り付けられる。軸体５６のロール軸部５６ｂは足部フレーム５５に回転可能に取り付けられる。足部フレーム５５は脛部リンク５４に対してピッチ軸部５６ａ及びロール軸部５６ｂの回りに回転可能になっている。

脛部リンク５４を挟んで図中奥側には第一の直動アクチュエータ５３ａ、第一の中間リンク５２ａ及び第一のアーム５１ａが配置される。手前側には第二の直動アクチュエータ５３ｂ、第二の中間リンク５２ｂ及び第二のアーム５１ｂが配置される。

第一及び第二の直動アクチュエータ５３ａ，５３ｂは、直方体状の本体部６１と、本体部６１に対して軸線方向に直線運動する軸部６２と、を備える。第一及び第二の直動アクチュエータ５３ａ，５３ｂの構造は同一である。本体部６１の外形形状は第一の実施形態と異なるが、基本構造は第一の実施形態と同一である。本体部６１の内部には、サーボモータ、及びサーボモータによって回転駆動されるボールねじナットが設けられる。軸部６２の外周面には螺旋状のねじ溝が形成される。サーボモータがボールねじナットを回転駆動すると、ボールねじナットに螺合する軸部６２が軸線方向に直線運動する。

第一及び第二の直動アクチュエータ５３ａ，５３ｂは、脛部リンク５４にピッチ軸の回りを回転可能に支持される。脛部リンク５４には枠状のホルダ６３が固定される。枠状のホルダ６３には第一及び第二の直動アクチュエータ５３ａ，５３ｂの回転軸６４が回転可能に嵌められる。第一及び第二の直動アクチュエータ５３ａ，５３ｂの回転軸６４は同一の直線上に配置される。

脛部リンク５４の、第一及び第二の直動アクチュエータ５３ａ，５３ｂの下側には、第一及び第二の中間リンク５２ａ，５２ｂが回転可能に支持される。第一及び第二の中間リンク５２ａ，５２ｂは、ピッチ軸と平行な軸線の回りを回転可能である。第一の中間リンク５２ａの軸線と第二の中間リンク５２ｂの軸線は同一の直線Ｌ上に配置される。第一及び第二の中間リンク５２ａ，５２ｂのそれぞれは、基部６８と、基部６８から二股状に分岐するブラケット部６９と、を備える（図６（ａ）参照）。ブラケット部６９には連結軸６７が回転可能に支持される。連結軸６７はピッチ軸に平行である。第一及び第二の直動アクチュエータ５３ａ，５３ｂの軸部６２の先端は連結軸６７に固定されている。

第一及び第二の中間リンク５２ａ，５２ｂと足部フレーム５５とは第一及び第二のアーム５１ａ，５１ｂを介して連結される。第一及び第二のアーム５１ａ，５１ｂの上端部はボールジョイントを介して第一及び第二の中間リンク５２ａ，５２ｂの連結軸６７に連結される。第一及び第二のアーム５１ａ，５１ｂの下端部はボールジョイントを介して足部フレーム５５に連結される。第一及び第二のアーム５１ａ，５１ｂと足部フレーム５５との連結位置は、軸体５６のピッチ軸部５６ａ及びロール軸部５６ｂの軸線からずれた位置になっている。

図６（ａ）に示すように、第一及び第二の直動アクチュエータ５３ａ，５３ｂが第一及び第二の中間リンク５２ａ，５２ｂを同方向に回転させると、第一及び第二のアーム５１ａ，５１ｂに連結される足部フレーム５５がピッチ軸部５６ａの回りを回転する。

図６（ｂ）に示すように、第一及び第二の直動アクチュエータ５３ａ，５３ｂが第一及び第二の中間リンク５２ａ，５２ｂを反対方向に回転させると、第一及び第二のアーム５１ａ，５１ｂに連結される足部フレーム５５がロール軸部５６ｂの回りを回転する。

図７は、本発明の第三の実施形態のロボットの関節構造の斜視図を示す。この実施形態のロボットの関節構造は人間型ロボット１０の股関節１６に組み込まれる。図８はロボットの関節構造の側面図を示す。図８（ａ）は大腿部リンク６４を真っすぐにした状態を示し、図８（ｂ）は脚部１２の足踏み動作を実行するために大腿部リンク６４を曲げた状態を示す。股関節フレーム６５に対して大腿部リンク６４をピッチ軸部６６ａ及びロール軸部６６ｂの回りに回転させることで、脚部１２の足踏み動作が可能になる。脚部１２の方向転換は股関節フレーム６５をヨー軸６５ａの回りに回転させることで可能になる。

図７に示すように、第三の実施形態のロボットの関節構造も、第一及び第二の直動アクチュエータ５３ａ，５３ｂ、第一及び第二の中間リンク５２ａ，５２ｂ、第一及び第二のアーム５１ａ，５１ｂを備える。図７の大腿部リンク６４を図６の脛部リンク５４と看做し、図７の股関節フレーム６５を図６の足部フレーム５５と看做すと、第三の実施形態のロボットの関節構造は第二の実施形態のロボットの関節構造と略同一である。図７を上下反転させると、図６に示すロボットの関節構造に近づくのがわかる。ここでは、重複した説明を避けるために、図６に示す第二の実施形態のロボットの関節構造と同一の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。

図８に示すように、この実施形態では、第一及び第二の中間リンク５２ａ，５２ｂ（図８では５２ｂのみを示す）は、共通の軸線Ｌよりも連結軸６７とは反対方向に延設されている。この第一及び第二の中間リンク５２ａ，５２ｂの延設された部分にはばね取付部７１が設けられる。第一及び第二の中間リンク５２ａ，５２ｂには、共通の軸線Ｌを挟んで一方の側に連結軸６７が設けられ、他方の側にばね取付部７１が設けられる。このばね取付部７１にコイルばね７２の一端が掛けられる。コイルばね７２の他端は大腿部リンク６４に固定されたばね支持部７３に掛けられる。コイルばね７２は引っ張りばねであり、第一及び第二の中間リンク５２ａ，５２ｂが回転しても常に引っ張り力を発生する長さに設定される。

図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、第一及び第二の直動アクチュエータ５３ａ，５３ｂが軸部６２を同時に引き込むと、第一及び第二の中間リンク５２ａ，５２ｂが軸線Ｌの回りを反時計方向に回転し、大腿部リンク６４が持ち上がる。大腿部リンク６４が持ち上がると、コイルばね７２はより大きな引っ張り力を発生し、第一及び第二の中間リンク５２ａ，５２ｂに復元するようなトルクを付与する。このため、図８（ｂ）の状態から図８（ａ）の状態に戻すときに、第一及び第二の直動アクチュエータ５３ａ，５３ｂにかかる負荷を低減させ、サーボモータの負荷を軽くすることが可能になる。また、コイルばね７２は、図８（ａ）に示すように、大腿部リンク６４が真っすぐの状態に戻そうとするので、第一及び第二の直動アクチュエータ５３ａ，５３ｂの電源が切れても、ロボットを図１に示す直立した状態に安定的に保つことが可能になる。

第三の実施形態のロボットの関節構造によれば、第一及び第二の中間リンク５２ａ，５２ｂと大腿部リンク６４との間にばねを介在し、自重をキャンセルするので、第一及び第二の直動アクチュエータ５３ａ，５３ｂの負荷が低減し、小さな電力、小さい第一及び第二の直動アクチュエータ５３ａ，５３ｂを使用することが可能になる。

本実施形態のような重力キャンセル用のコイルばね７２を設ける場合には、大腿部リンク６４と股関節フレーム６５との間に架け渡すのが一般的である。しかし、大腿部リンク６４は股関節フレーム６５に対して２自由度を持つ。このため、大腿部リンク６４と股関節フレーム６５との間にコイルばね７２に架け渡すと、コイルばね７２が周囲に飛び出したり、他の構造物に当たったりするおそれがある。大腿部リンクと第一及び第二の中間リンク５２ａ，５２ｂとの間にコイルばね７２を架け渡すことによって、コイルばね７２の収まりもよくなる。

なお、本発明は上記実施形態に具現化されるのに限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で様々に変更可能である。

上記実施形態では、本発明のロボットの関節構造を、手首関節、足首関節、股関節に適用した例について説明したが、首関節、肩関節、上体を前傾や後傾させる腰の関節等の他の関節にも適用することができる。

本発明は人間型ロボットに限られることはなく、垂直多関節ロボット、水平多関節ロボット等の産業用ロボットに適用することができる。

本発明は２自由度の関節構造に限られることはなく、第三の中間リンク、第三のアーム、第三のアクチュエータ等を付加することで、自由度が３以上の関節構造にも適用することができる。

第一及び第二のアクチュエータは、第一及び第二の中間リンクを回転させることができれば、上記実施形態の直動アクチュエータに限られることはなく、回転運動を直線運動に変換する種々のものを使用することができる。

上記実施形態では、第一及び第二のアーム、第一及び第二の中間リンクの一例について説明したが、これらの形状、構造は上記実施形態に限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で様々に変更可能である。

２２…下腕部フレーム（第一部材），２３…可動フレーム（第二部材），２４…軸体（自在継手），２４ａ…ピッチ軸部，２４ｂ…ヨー軸部，２５ａ，２５ｂ…第一及び第二のアーム，２６ａ，２６ｂ…第一及び第二の中間リンク，２６ａ１…第一の軸線，２６ｂ１…第二の軸線，２８ａ，２８ｂ…第一及び第二の直動アクチュエータ，３１ａ，３１ｂ…第一及び第二の直動アクチュエータの軸部，３２ａ，３２ｂ…第一及び第二の直動アクチュエータの本体部，３４ａ，３４ｂ…第一及び第二のドライバ，４１…ボールジョイント，５１ａ，５１ｂ…第一及び第二のアーム，５２ａ，５２ｂ…第一及び第二の中間リンク，５３ａ，５３ｂ…第一及び第二の直動アクチュエータ，５４…脛部リンク（第一部材），５５…足部フレーム（第二部材），５６…軸体（自在継手），５６ａ…ピッチ軸部，５６ｂ…ロール軸部，６１…第一及び第二の直動アクチュエータの本体部，６２…第一及び第二の直動アクチュエータの軸部，６４…大腿部リンク（第一部材），６５…股関節フレーム（第二部材），６６…軸体（自在継手），６６ａ…ピッチ軸部，６６ｂ…ロール軸部，７２…コイルばね（ばね）

Claims (7)

1. 第一部材に対して第二部材を直角な二軸の回りに相対的に回転させるロボットの関節構造において、
   前記第一部材に第一の軸線の回りを回転可能に支持される第一の中間リンクと、
   一端が前記第二部材にボールジョイントを介して連結されると共に、他端が前記第一の中間リンクにボールジョイントを介して連結される第一のアームと、
   前記第一の中間リンクを前記第一の軸線の回りに回転させる第一のアクチュエータと、
   前記第一部材に第二の軸線の回りを回転可能に支持される第二の中間リンクと、
   一端が前記第二部材にボールジョイントを介して連結されると共に、他端が前記第二の中間リンクにボールジョイントを介して連結される第二のアームと、
   前記第二の中間リンクを前記第二の軸線の回りに回転させる第二のアクチュエータと、
   を備え、
   前記第一の中間リンクの前記第一の軸線及び前記第二の中間リンクの前記第二の軸線が同一の直線上に配置され、
   前記第一及び前記第二のアクチュエータは、本体部と、外周面に螺旋状のねじ溝が形成される軸部と、前記本体部に収納され、前記軸部のねじ溝に螺合するナットと、を備え、前記ナットを回転させると、前記本体部に対して前記軸部が直線運動する直動アクチュエータであり、
   前記第一及び前記第二のアクチュエータの前記本体部が、前記第一部材に回転可能に支持され、
   前記第一及び前記第二のアクチュエータの前記軸部の先端が、前記第一及び前記第二の中間リンクのブラケット部に回転可能に支持される連結軸に固定されるロボットの関節構造。
2. 前記第一及び前記第二のアクチュエータが前記第一及び前記第二の中間リンクを互いに同方向に回転させることによって、前記第二部材が前記第一部材に対して前記直角な二軸のうちの一方の軸の回りを相対的に回転し、
   前記第一及び前記第二のアクチュエータが前記第一及び前記第二の中間リンクを互いに反対方向に回転させることによって、前記第二部材が前記第一部材に対して前記直角な二軸のうちの他方の軸の回りを相対的に回転することを特徴とする請求項１に記載のロボットの関節構造。
3. 第一部材に対して第二部材を直角な二軸の回りに相対的に回転させるロボットの関節構造において、
   前記第一部材に第一の軸線の回りを回転可能に支持される第一の中間リンクと、
   一端が前記第二部材にボールジョイントを介して連結されると共に、他端が前記第一の中間リンクにボールジョイントを介して連結される第一のアームと、
   前記第一の中間リンクを前記第一の軸線の回りに回転させる第一のアクチュエータと、
   前記第一部材に第二の軸線の回りを回転可能に支持される第二の中間リンクと、
   一端が前記第二部材にボールジョイントを介して連結されると共に、他端が前記第二の中間リンクにボールジョイントを介して連結される第二のアームと、
   前記第二の中間リンクを前記第二の軸線の回りに回転させる第二のアクチュエータと、
   を備え、
   前記第一の中間リンクの前記第一の軸線及び前記第二の中間リンクの前記第二の軸線が同一の直線上に配置され、
   前記第一及び前記第二のアクチュエータが前記第一及び前記第二の中間リンクを互いに同方向に回転させることによって、前記第二部材が前記第一部材に対して前記直角な二軸のうちの一方の軸の回りを相対的に回転し、
   前記第一及び前記第二のアクチュエータが前記第一及び前記第二の中間リンクを互いに反対方向に回転させることによって、前記第二部材が前記第一部材に対して前記直角な二軸のうちの他方の軸の回りを相対的に回転し、
   前記第一の中間リンクと前記第二の中間リンクとのなす角度が所定角度以下になるのを制限するように、前記第一の中間リンクと前記第二の中間リンクとのなす角度が前記所定角度のとき、前記第一の中間リンクと前記第二の中間リンクとが互いに当接するロボットの関節構造。
4. 前記第一及び前記第二の中間リンクの少なくとも一方と前記第一部材との間には、前記第一及び前記第二の中間リンクの前記少なくとも一方が一方向に回転するように付勢するばねが介在されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のロボットの関節構造。
5. 前記第一部材と前記第二部材とは、平面内で直交する二軸を有する継手を介して連結され、
   前記第一部材が前記直交する二軸のうちの一方の軸に回転可能に連結され、前記第二部材が前記直交する二軸のうちの他方の軸に回転可能に連結されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のロボットの関節構造。
6. 前記第一部材には、前記第一及び前記第二のアクチュエータを制御するドライバが設けられることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のロボットの関節構造。
7. 請求項１ないし６のいずかに記載のロボットの関節構造が組み込まれたロボット。

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