JP5899660B2 - アクチュエーター装置、多軸駆動装置、並びにロボット装置 - Google Patents

Description

本明細書で開示する技術は、多軸マニピュレーターやロボット・アーム、脚構造、蛇型ロボットなどの多軸駆動機構に用いられるアクチュエーター装置、多軸駆動装置、並びにロボット装置に係り、特に、多軸駆動機構の複数箇所に利用するアクチュエーター装置、多軸駆動装置、並びにロボット装置に関する。

アクチュエーター装置は、アクチュエーター・モーター単体で構成される他、周辺回路や配線、コネクター、取り付けフレームなどを含めてモジュール化したものもある。多軸マニピュレーターやロボット・アーム、脚構造、蛇型ロボットなどの多軸駆動機構で、複数箇所に同じアクチュエーター装置を利用することで、機構の簡略化やコスト削減、部品種類の削減、メンテナンス性向上などを実現することができる。例えば、同じモジュール型駆動装置を用いて構成される産業用ロボットのマニピュレーターについて提案がなされている（例えば、特許文献１を参照のこと）。

モジュール化したアクチュエーター装置の実質的な外形は、円筒形状（例えば、特許文献２を参照のこと）、直方体、円筒と直方体の組み合わせ（蒲鉾型）（例えば、特許文献３を参照のこと）、楕円球の形状などである。

多軸駆動機構においては、アクチュエーターの出力軸に他のアクチュエーターを取り付ける構造はよく見受けられる。図１８には、第１のアクチュエーターの出力軸に、互いの出力軸が直交するように第２のアクチュエーターが取り付けられ、さらに第２のアクチュエーターの出力軸が取り付けられた多軸駆動機構の構成例を示している。多軸駆動機構において、第１のアクチュエーターは前段に、第２のアクチュエーターは後段に、それぞれ相当する。図示の機構によれば、第１のアクチュエーターの出力軸の回転駆動により第２のアクチュエーターの姿勢（その出力軸の向き）が変化し、さらにフレームは第２のアクチュエーターの出力軸回りに回転して姿勢が変化する。

図１８に示す多軸駆動機構の場合、第２のアクチュエーターの実質的な占有空間は、図１９に示すように、第２のアクチュエーターとフレームを含めた最外径からなる回転体で構成される空間となる。言い換えれば、第２のアクチュエーターが第１のアクチュエーターによって回転される場合、その占有空間は、第２のアクチュエーターの出力軸に取り付けたフレーム及び第２のアクチュエーターの端部の形状に依存し、実質的に占有する空間が第２のアクチュエーター本来の体積よりも大きくなる。第２のアクチュエーターにフレームを取り付けると占有空間が増加する、ということもできる。

アクチュエーターの実質的な占有空間が大きくなると、その分だけ周囲との干渉する可能性が高まり、ユーザーの指や配線などを挟み込むリスクが発生する。このようなリスクを避けるには、駆動機構の外側に例えば球体状の外装（カバー）を配設すればよい。しかしながら、外装で覆われた構造体は、駆動機構の内部に、アクチュエーター本来の目的（部品やトルクの発生並びにトルク変換など）ではない無駄な空間（空気のみ又は真空）が発生してしまい、このため、アクチュエーター装置の出力密度や部品の実装密度を低下させることになる。これによって、アクチュエーター装置を複数箇所に利用して構成される多関節ロボットの大型化を招来し、その結果として、多関節ロボット全体の移動可能な範囲や操作可能な範囲を制限してしまい、あるいは、関節毎の可動範囲を低下させてしまう。

特開平１１−１２３６７６号公報 特開２００８−１８０３８２号公報 特開２００５−２９７０８１号公報

本明細書で開示する技術の目的は、多軸マニピュレーターやロボット・アーム、脚構造、蛇型ロボットなどの多軸駆動機構の複数箇所に用いることができる、優れたアクチュエーター装置、多軸駆動装置、並びにロボット装置を提供することにある。

本明細書で開示する技術のさらなる目的は、多軸駆動機構の複数箇所に用いても、実質的な占有空間が大きくなることなく、高い出力密度や実装密度を保つことができる、優れたアクチュエーター装置、多軸駆動装置、並びにロボット装置を提供することにある。

本願は、上記課題を参酌してなされたものであり、請求項１に記載の技術は、
モーターと、
前記モーターの出力を減速する減速機と、
前記モーターの固定部に対して外輪駆動し、前記減速機からの出力トルクを計測するトルク・センサーと、
前記トルク・センサーの端部からオフセットされた位置に設けられた出力軸フレーム取り付け部と、
を具備するアクチュエーター装置である。

本願の請求項２に記載の技術によれば、請求項１に記載のアクチュエーター装置のトルク・センサーの前記端部は球面に近似した形状を持っている。

本願の請求項３に記載の技術によれば、請求項１に記載のアクチュエーター装置の出力軸フレーム取り付け部は、前記トルク・センサーの外周部分に配設されている。

本願の請求項４に記載の技術によれば、請求項１に記載のアクチュエーター装置は、モーターの前記減速機とは反対側にロータリー・エンコーダーをさらに備えている。

本願の請求項５に記載の技術によれば、請求項４に記載のアクチュエーター装置のロータリー・エンコーダーの端部は球面に近似した形状を持っている。

本願の請求項６に記載の技術によれば、請求項１に記載のアクチュエーター装置は、中央付近に凹部を持っている。

本願の請求項７に記載の技術によれば、請求項１に記載のアクチュエーター装置のトルク・センサーは、歪みゲージ式トーション型トルク・センサーである。

また、本願の請求項８に記載の技術は、
それぞれ同一のアクチュエーター装置からなる、前段の第１のアクチュエーターと、後段の第２のアクチュエーターを含み、
前記アクチュエーター装置は、両端部に球面に近似した形状を持つとともに、中央付近に凹部を有し、
前記第１のアクチュエーターの出力側の端部の前記球面に近似した形状が、前記第２のアクチュエーターの中央付近の前記凹部に当接するように、前記第１及び第２のアクチュエーターを連結する、
多軸駆動装置である。

本願の請求項９に記載の技術によれば、請求項８に記載の多軸駆動装置において、アクチュエーター装置は、モーターと、前記モーターの出力を減速する減速機と、端部が球面に近似した形状を持ち、前記減速機からの出力トルクを計測するトルク・センサーと、端部が球面に近似した形状を持ち、前記モーターの前記減速機とは反対側に取り付けられたロータリー・エンコーダーを備えている。

本願の請求項１０に記載の技術によれば、請求項９に記載の多軸駆動装置のアクチュエーター装置が備えるトルク・センサーは、前記モーターの固定部に対して外輪駆動するように構成されている。

本願の請求項１１に記載の技術によれば、請求項１０に記載の多軸駆動装置において、トルク・センサーは、歪みゲージ式トーション型トルク・センサーである。

本願の請求項１２に記載の技術によれば、請求項９に記載の多軸駆動装置において、第２のアクチュエーターは、前記トルク・センサーの端部からオフセットされた位置に設けられた出力軸フレーム取り付け部を有し、多軸駆動装置は、前記出力軸フレーム取り付け部に取り付けられた出力軸フレームをさらに備えている。

本願の請求項１３に記載の技術によれば、請求項１２に記載の多軸駆動装置において、出力軸フレーム取り付け部は、前記トルク・センサーの外周部分に配設されている。

本願の請求項１４に記載の技術によれば、請求項８に記載の多軸駆動装置は、第１のアクチュエーターを駆動させたときの第２のアクチュエーターの占有空間に応じた径を持つ外装をさらに備えている。

また、本願の請求項１５に記載の技術は、
複数のリンク及びリンク間を接続する複数の関節と、
前記複数の関節をそれぞれ駆動する複数の駆動部と、
前記複数の駆動部を制御する制御部と、
を具備し、
前記複数の駆動部のうち少なくとも一部は、モーターと、前記モーターの出力を減速する減速機と、前記モーターの固定部に対して外輪駆動し、前記減速機からの出力トルクを計測するトルク・センサーと、前記トルク・センサーの端部からオフセットされた位置に設けられた出力軸フレーム取り付け部を備えたアクチュエーター装置からなる、
ロボット装置である。

また、本願の請求項１６に記載の技術は、
複数のリンク及びリンク間を接続する複数の関節と、
前記複数の関節をそれぞれ駆動する複数の駆動部と、
前記複数の駆動部を制御する制御部と、
を具備し、
直交する２自由度からなる関節部位を駆動する駆動部のうち少なくとも一部は、それぞれ同一のアクチュエーター装置からなる、前段の第１のアクチュエーターと、後段の第２のアクチュエーターで駆動され、
前記アクチュエーター装置は、両端部に球面に近似した形状を持つとともに、中央付近に凹部を有し、
前記第１のアクチュエーターの出力側の端部の前記球面に近似した形状が、前記第２のアクチュエーターの中央付近の前記凹部に当接するように、前記第１及び第２のアクチュエーターを連結する、
ロボット装置である。

本願の請求項１７に記載の技術によれば、請求項１５に記載のロボット装置は、前記ロボット装置を移動させる移動部をさらに備えている。

本願の請求項１８に記載の技術によれば、請求項１５に記載のロボット装置は、外環境を認識する認識部をさらに備えている。そして、制御部は、前記認識部による認識結果に基づいて前記複数の駆動部を制御するように構成されている。

本明細書で開示する技術によれば、多軸マニピュレーターやロボット・アーム、脚構造、蛇型ロボットなどの多軸駆動機構の複数箇所に用いることができる、優れたアクチュエーター装置、多軸駆動装置、並びにロボット装置を提供することができる。

また、本明細書で開示する技術によれば、多軸駆動機構の複数箇所に用いても、実質的な占有空間が大きくなることなく、高い出力密度や実装密度を保つことができる、優れたアクチュエーター装置、多軸駆動装置、並びにロボット装置を提供することができる。

本明細書で開示する技術のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

本明細書で開示する技術の一実施形態に係るアクチュエーター装置１０の構成を模式的に示した図である。 図２は、アクチュエーター装置１０の主に出力軸側の断面構成を示した図である。 図３は、トルク・センサー３４が固定部ケース３９に対して内輪駆動で取り付けられるアクチュエーター装置３０の出力軸側の断面構成を示した図である。 図４は、図１及び図２に示したアクチュエーター装置１０、並びに、図３に示したアクチュエーター装置３０を、それぞれ前段のアクチュエーターで回転させたときに実質的に占有する空間を比較して示した図である。 図５Ａは、出力軸フレーム２０を取り付けたアクチュエーター装置１０を斜視した様子を示した図である。 図５Ｂは、出力軸フレーム２０を取り付けたアクチュエーター装置１０を出力軸側から眺めた様子を示した図である。 図５Ｃは、出力軸フレーム２０を取り付けたアクチュエーター装置１０を上方から眺めた様子を示した図である。 図５Ｄは、出力軸フレーム２０を取り付けたアクチュエーター装置１０を側面から眺めた様子を示した図である。 図６は、アクチュエーター装置１０全体の詳細な断面構成を示した図である。 図７は、動力源として大径モーターを用いるとともに、出力段で大径ベアリングを用いたアクチュエーター装置１０の構成を模式的に示した図である。 図８Ａは、中央付近に凹部を有する複数のアクチュエーター装置１０を直列に連結して構成される多軸駆動機構を模式的に示した図である。 図８Ｖは、中央付近に凹部を持たない複数のアクチュエーター装置３０を直列に連結して構成される多軸駆動機構を模式的に示した図である。 図９は、実際のアクチュエーター装置１０が、中央付近の凹部と前後段のアクチュエーター装置１０の端面の球面形状と当接する様子を示した図である。 図１０は、７個の関節からなる多軸駆動機構の自由度構成を示した図である。 図１１は、トルク・センサー１４の上面、低面、側面、並びに斜視した様子を示した図である。 図１２Ａは、トルク・センサー１４を組み立てる様子を斜視した図である。 図１２Ｂは、トルク・センサー１４を組み立てる様子を側面から眺めた図である。 図１２Ｃは、図１２Ｂの断面図である。 図１３は、ロータリー・エンコーダー１３の、正面図、上面図、側面図、側面断面図、並びに底面図をそれぞれ示した図である。 図１４は、アクチュエーター装置１０を複数箇所に利用して構成されるロボット・アームを示した図である。 図１５は、アクチュエーター装置１０を適用可能なロボット装置１００の外観を示した図である。 図１６は、図１５に示したロボット装置１００の関節自由度構成を模式的に示した図である。 図１７は、図１５に示したロボット装置１００の機能的構成を模式的に示した図である。 図１８は、多軸駆動機構の構成例を示した図である。 図１９は、図１８に示した多軸駆動機構における第２のアクチュエーターの実質的な占有空間を示した図である。

以下、図面を参照しながら本明細書で開示する技術の実施形態について詳細に説明する。

図１には、本明細書で開示する技術の一実施形態に係るアクチュエーター装置１０の構成を模式的に示している。図示のアクチュエーター装置１０は、モーター１１と、減速機１２と、ロータリー・エンコーダー１３と、トルク・センサー１４と、モーター・ドライバー基板１５を備えている。

モーター１１は、例えばブラシレス・モーターである。多軸駆動機構において前段のアクチュエーターで回転される後段のアクチュエーターとして利用する場合の占有面積を小さくすることを考慮すると、アクチュエーター装置１０全体の出力軸方向の全長を短くすることが好ましい。モーター１１の出力を保ちながら全長を短くするために、大径のモーターを用いる。また、減速機１２として、例えばハーモニックドライブ（登録商標）のような波動減速装置を用いることができる。

図１に示すように、トルク・センサー１４は、アクチュエーター装置１０の一方の端面に位置するが、参照番号１４Ａで示すように、側面から見た場合に角を削った形状とされて、端面部分が点線１４Ｂで示すように球面に近似した形状となっている。後述するように、トルク・センサー１４は、減速機１２を介したモーター１１の出力軸と一体構造であり、また、アクチュエーター装置１０の固定部に対して外輪駆動で取り付けられている。

出力軸フレーム２０は、トルク・センサー１４の外周部に取り付けられている。図示のように、出力軸フレーム２０の取り付け位置は、トルク・センサー１４の端面からアクチュエーター装置１０方向（アクチュエーター装置１０の固定部ケース側）にオフセットさせている。参考のため、図５Ａ〜図５Ｄには、出力軸フレーム２０を取り付けたアクチュエーター装置１０を斜視した様子、出力軸側から眺めた様子、上方から眺めた様子、並びに、側面から眺めた様子をそれぞれ示している。

再び図１を参照すると、ロータリー・エンコーダー１３は、アクチュエーター装置１０の他方の端面に位置するが、モーター１１よりも小径に構成されている。アクチュエーター装置１０の一方の端面に位置するトルク・センサー１４の角が削られた形状であることと併せると（前述）、アクチュエーター装置１０全体は、円筒ではなく、前後が点線１３Ｂ、１４Ｂで示す球面に近似した形状となっている。

ロータリー・エンコーダー１３に、磁気式を適用することができる。この場合、モーター１１の回転子側に永久磁石を配設し、モーター１１の固定子側にホール素子を配設する。図１３には、ロータリー・エンコーダー１３の、正面図、上面図、側面図、側面断面図、並びに底面図をそれぞれ示している。図示のように、モーター１１の回転子側には磁気式ロータリー・エンコーダー用磁石が取り付けられ、固定子となるエンコーダー基板側には２個のホール素子が取り付けられている。

図１８に示した多軸駆動機構において、アクチュエーター装置１０を第２のアクチュエーターとして利用する場合、出力軸方向の寸法を短くすることが望ましく、そのためにはロータリー・エンコーダー１３を小型化する必要がある。永久磁石を小型化するとその磁束密度が低下し、また、回転半径が小さくなると磁束の変化が小さくなり、感度の低下が懸念される。そこで、サマリウム・コバルト磁石のように磁力の高い磁石を用いることが好ましい。

図２には、アクチュエーター装置１０の主に出力軸側の断面構成を示している。また、参考のため、アクチュエーター装置１０全体の詳細な断面構成を図６に示す。

トルク・センサー１４は、減速機１２を介したモーター１１の出力軸と一体構造であるが、オルダム・カップリングなどの軸継手１７を介して減速機１２の出力軸と連結している。点線で囲った部分は、起歪体に相当する。トルク・センサー１４として、例えば歪みゲージ式トーション型トルク・センサーを用いることができる。この種のトルク・センサーについては、例えば高橋賞外著「ひずみゲージによる歪み測定入門 歴史から測定まで」（大成社）などに記載されている。

トルク・センサー１４は、出力軸に相当するマウント部品２１を介して、クロスローラー・ベアリングなどの軸受１６に接続される。図示の通り、トルク・センサー１４は、アクチュエーター装置１０の固定部ケース１９に対して外輪駆動である。外輪駆動にすると、軸受１６は、内輪駆動の場合よりも大径となる。大径の軸受１６により、出力軸に加わるスラスト力やモーメントを支え易くなる。

また、トルク・センサー１４は、軸受１６よりも固定部ケース１９側にオフセットさせた位置に、出力軸フレーム２０の取り付け面を有している。したがって、出力軸フレーム２０を取り付けた後も（取り付けた出力軸フレーム２０を含めても）、アクチュエーター装置１０の出力軸方向の全長が変わらず、占有空間が増加しない。

図３には、図２に示したアクチュエーター装置１０との比較のため、出力軸でもあるトルク・センサー３４が固定部ケース３９に対して内輪駆動で取り付けられるアクチュエーター装置３０の出力軸側の断面構成を示している。出力軸を内輪駆動にすると、同図からも分かるように、出力軸フレーム４０の取り付け面を、トルク・センサー３４の端面に配設するしかなく、軸受１６よりも固定部ケース１９側にオフセットさせることはできない。このため、アクチュエーター装置３０が他のアクチュエーター装置（前段のアクチュエーター）によって回転される場合、その占有空間は、出力軸フレーム４０及びアクチュエーター装置３０の出力側の端部の形状に依存し、実質的に占有する空間がアクチュエーター装置３０本来の体積よりも大きくなる。

図４には、図１及び図２に示したアクチュエーター装置１０、並びに、図３に示したアクチュエーター装置３０を、それぞれ前段のアクチュエーターで回転させたときに実質的に占有する空間を比較して示している。図中、出力軸フレームをグレーで表示している。

図１及び図２に示したアクチュエーター装置１０の場合、出力軸フレーム２０の取り付け面を、軸受１６よりも固定部ケース１９側にオフセットさせた位置に設けているので、出力軸フレーム２０を取り付けても、前段のアクチュエーターの回転中心からの長さＬ´は変わらない。したがって、前段のアクチュエーターの回転中心回りにアクチュエーター装置１０を回転させたときの回転半径ｒ´も変わらず、アクチュエーター装置１０が実質的に占有する空間は、アクチュエーター装置１０本来の体積のままである。

これに対し、図３に示したアクチュエーター装置３０の場合、出力軸フレーム４０をトルク・センサー３４の端面に取り付けることにより、前段のアクチュエーターの回転中心からの長さＬは取り付ける前よりも増加する（Ｌ＞Ｌ´）。したがって、前段のアクチュエーターの回転中心回りにアクチュエーター装置３０を回転させたときの回転半径ｒも増加し（ｒ＞ｒ´）、アクチュエーター装置３０が実質的に占有する空間は、アクチュエーター装置３０本来の体積よりも大きくなる。

したがって、アクチュエーター装置１０は、多軸駆動機構において、後段のアクチュエーターとして用いられ、且つ、出力軸フレーム２０が取り付けられたときに、全長を短縮できるとともに、アクチュエーター装置１０が実質的に占有する空間を小型化することが可能である。これにより、アクチュエーター装置１０を複数箇所に用いて多関節ロボットを構成し、当該ロボットを動作させた場合において、他の物体に衝突する可能性を軽減して、安全性を向上することができる。また、多関節ロボットの動作可能な空間や、収納時又は輸送時の空間を増大する、などの効果をもたらす。また、アクチュエーター装置１０を複数箇所に用いて多自由度マニピュレーターを構成した場合には、他の関節の可動範囲を拡大することに貢献する。

図１について付言すると、アクチュエーター装置１０の中央付近には、一点鎖線１２Ａで示すような凹部が形成されている。これは、上述したように、モーター１１に大径のブラシレス・モーターを用いたことと、トルク・センサー１４の出力軸取り付け面を外輪駆動にしたため軸受１６に大径ベアリングを用いたことに依るものである。モーター１１に大径のブラシレス・モーターを用いることにより、アクチュエーター装置１０の全長は短縮される（前述）。また、アクチュエーター装置１０の各端部のトルク・センサー１４及びロータリー・エンコーダー１３の端面はともに、点線１３Ｂ、１４Ｂで示したように、球面に近似した形状となっている。

図７には、動力源として大径モーターを用いるとともに、出力段で大径ベアリングを用いたアクチュエーター装置１０の構成を模式的に示している。また、図８Ａには、中央付近に凹部を有する複数のアクチュエーター装置１０を直列に連結して構成される多軸駆動機構を模式的に示している。また、図８Ｂには、比較のため、中央付近に凹部を持たない円筒形状のアクチュエーター装置３０を直列に連結して構成される多軸駆動機構も併せて示している。いずれも多軸駆動機構も、隣接するアクチュエーター装置間で出力軸方向が直交するように連結されている。

アクチュエーター装置１０は、中央付近に凹部を有するとともに、両端部は球面に近似した形状となっている。したがって、図８Ａに示すように複数のアクチュエーター装置１０を直列に連結する場合、前段のアクチュエーター装置１０の出力部（トルク・センサー１４の端面）における球面形状は、後段のアクチュエーター装置０の中央付近の凹部の表面に当接する。また、後段の中央付近の凹部は、さらに後段の入力部（ロータリー・エンコーダー１３の端面）における球面形状と当接する。図９には、実際のアクチュエーター装置１０が、中央付近の凹部と前後段のアクチュエーター装置１０の端面の球面形状と当接する様子を示している。

したがって、同じ個数のアクチュエーター装置１０を直列に連結させた場合、上記のような中央付近の凹部と前後段のアクチュエーター装置１０の端面の球面形状と当接することにより実装密度が向上し、円筒形状でこのような球面と凹部の関係のないアクチュエーター装置を直列に連結した場合と比較して、多軸駆動機構の全長が短縮する。また、大径で寸法の短いモーター１１を用いることから、前段のアクチュエーター装置１０で後段のアクチュエーター装置１０を駆動させたときの、後段のアクチュエーター装置１０の実質的に占有空間は小さくなる。

図１４には、アクチュエーター装置１０を複数箇所に利用して構成されるロボット・アームを示している。上述したように、後段のアクチュエーター装置１０の実質的に占有空間は小さくなることから、多軸駆動機構を覆う外装の径を小さくすることができる。また、関節を曲げるとき、干渉範囲が小さくなることから、関節の可動範囲が拡大する。

図１０には、７個の関節からなる多関節マニピュレーターの自由度構成を示している。ここで、このマニピュレーターの操作対象物の質量をｍ、重力加速度をｇ、２段目の関節が操作対象物を持ち上げる動作を担当するとし、この関節から操作対象物の重心までの距離をｄとすると、操作対象物を持ち上げるために必要となる２段目の関節の出力トルクＴは、Ｔ＝ｄ×ｍ×ｇとなる。７個の各関節にアクチュエーター装置１０を用いることにより、距離ｄが短くなり、出力トルクＴは小さくて済む。逆に、関節駆動に用いるアクチュエーターのトルクが同じであれば、多関節マニピュレーターの全長ｄが長いほど、可搬重量は低下する。すなわち、図８Ａに示したように、同じアクチュエーター装置１０を用いて多軸駆動機構を構成することにより、その全長が短くなることから、可搬重量が増加する、ということができる。

また、アクチュエーター装置１０は、大径化して短くしたモーター１１を用いることにより、出力軸方向の寸法が短い。したがって、図８Ａに示すように、前段のアクチュエーター装置１０で後段のアクチュエーター装置１０を回転させたときの占有面積も、円筒形状の場合よりも小さくなる。

トルク・センサー１４は、一般的なトーション型である。図１１には、トルク・センサー１４の上面、低面、側面、並びに斜視した様子を示している。図示のように、トルク・センサー１４は、アクチュエーター装置１０の一端面をなすほぼ円盤形状の部位と、起歪体として作用するほぼ円筒形状の部位からなる。円盤形状の部位表面には、トルク・センサー１４のアンプ基板などの回路基板が搭載される。また、円筒形状の部位表面には、せん断用の２軸ひずみゲージが２個接着されている。

トルク・センサー１４は、減速機１２を介したモーター１１の出力軸と一体構造であるが、オルダム・カップリングなどの軸継手１７を介して減速機１２の出力軸と連結している。図１２Ａは、トルク・センサー１４を組み立てる様子を斜視した図である。また、図１２Ｂは、トルク・センサー１４を組み立てる様子を側面から眺めた図であり、図１２Ｃはその断面を示している。

図１２に示すように、トルク・センサー１４は、オルダム・カップリングなどの軸継手１７によって、マウント部品２１と連結している。出力軸に相当するマウント部品２１は、トルク・センサー１４とは分割された部品であり、出力軸方向にアクチュエーター装置１０の端面からオフセットした位置に配設される。また、出力軸としてのマウント部品２１は、クロスローラー・ベアリングなどの軸受１６に対し外側で駆動する。トルク・センサー１４の起歪体部位並びに接着されたひずみゲージは、マウント部品２１に対し入れ子構造になっており、マウント部品２１はひずみゲージの保護カバーになっている、ということもできる。また、図１２に示した組み立て図からも分かるように、トルク・センサー１４は、分割された部品を介して出力軸をオフセットし、軸受１６に対して外輪側に駆動トルクを出力する。これにより、製造が簡易であることから、製造が簡単で製造上の誤差を抑え易い。

上記のアクチュエーター装置１０を複数箇所に用いて多関節ロボットを構成することにより、ロボットを小型化しつつ、作業範囲を拡大することができる。また、個々の関節の可動範囲が拡大するので、収納時には占有空間を縮小し、移動時や搬送時の衝突可能性を低下させ、安全性の向上にも寄与することができる。

また、同じアクチュエーターの出力を必要とする場合、上記のアクチュエーター装置１０を複数箇所に用いて多関節ロボットを構成することにより、その全長を短くすることができるので、可搬重量の増加に貢献することができる。

また、上記のアクチュエーター装置１０は、両端部が球面に近似した形状であるとともに、中央付近に凹部を有しているので、外装を回転体形状にし易い形状である。したがって、ロボット・アームを回転させたときに、ユーザーの手や指、ケーブル、その他周辺に存在する物体の挟み込みを回避することができ、安全性の向上に貢献することができる。

また、上記のアクチュエーター装置１０は高い空間効率で構成されることから、保持力の高い磁石（例えば、ネオジム磁石）に代えて、安価で保持力の低い磁石（例えば、フェライト磁石）を用い、その分だけ磁石のサイズを大きくして同等の保持力を得ることができ、低コスト化に貢献することができる。

図１５には、アクチュエーター装置１０を適用可能なロボット装置１００の外観を示している。図示のロボット装置１００は、主に家庭環境に設置されて家事や介護などを行なうが、産業用などさまざまな用途で使用することも可能である。また、図１６には、このロボット装置１００の関節自由度構成を模式的に示している。

図示のロボット装置１００は、移動手段として、ベース部に対向する２輪の駆動輪１０１Ｒ及び１０１Ｌを備えている。各駆動輪１０１Ｒ及び１０１Ｌは、それぞれピッチ回りに回転する駆動輪用アクチュエーター１０２Ｒ及び１０２Ｌによって駆動する。なお、図１６中において、参照番号１５１、１５２、１５３は、実在しない劣駆動関節であり、ロボット装置１００の床面に対するＸ方向（前後方向）の並進自由度、Ｙ方向（左右方向）の並進自由度、並びに、ヨー回りの回転自由度にそれぞれ相当し、ロボット装置１００が仮想世界を動き回ることを表現したものである。

移動手段は、股関節を介して上体に接続される。股関節は、ピッチ回りに回転する股関節ピッチ軸アクチュエーター１０３によって駆動する。上体は、左右２肢の腕部と、首関節を介して接続される頭部で構成される。左右の腕部は、それぞれ肩関節３自由度、肘関節２自由度、手首関節２自由度の、計７自由度とする。肩関節３自由度は、肩関節ピッチ軸アクチュエーター１０４Ｒ／Ｌ、肩関節ロール軸アクチュエーター１０５Ｒ／Ｌ、肩関節ヨー軸アクチュエーター１０６Ｒ／Ｌによって駆動する。肘関節２自由度は、肘関節ピッチ軸アクチュエーター１０７Ｒ／Ｌ、肘関節ヨー軸アクチュエーター１０８Ｒ／Ｌによって駆動する。手首関節２自由度は、手首関節ロール軸アクチュエーター１０９Ｒ／Ｌ、手首関節ピッチ軸アクチュエーター１１０Ｒ／Ｌによって駆動する。また、首関節２自由度は、首関節ピッチ軸アクチュエーター１１１Ｒ／Ｌ、首関節ヨー軸アクチュエーター１１２Ｒ／Ｌによって駆動する。また、手関節１自由度は、手関節ロール軸アクチュエーター１１３Ｒ／Ｌによって駆動する。

図１６からも分かるように、ロボット装置１００は、複数のリンクを関節で接続されたリンク構造体であるが、各関節はアクチュエーターによって動作するが、少なくとも一部において、上述したアクチュエーター装置１０を適用することができる。例えば、２以上の直交する自由度からなる関節部位においてアクチュエーター装置１０を適用すると、一方の関節アクチュエーターの出力軸に他方の関節アクチュエーターを好適に連結させることができる。図１６中で示すと、ロール、ピッチ、及びヨーの直交する３自由度からなる肩関節における各アクチュエーター１０４、１０５、１０６や、ピッチ及びヨーの直交する２自由度からなる肘関節の各アクチュエーター１０７、１０８、ロール及びピッチの直交する２自由度からなる手首関節の各アクチュエーター１０９、１１０、ピッチ及びヨーの直交する２自由度からなる首関節の悪アクチュエーター１１１、１１２に、アクチュエーター装置１０を適用することにより、図８Ａに示したように、後段のアクチュエーター装置１０の実質的に占有空間は小さくなる、多軸駆動機構の全長が短縮する、といった効果を得ることができる。また、ピッチ及びヨーの直交する２自由度からなる肘関節の各アクチュエーター１０７、１０８にアクチュエーター装置１０を適用することにより、図１４に示したように、多軸駆動機構を覆う外装の径を小さくすることができる、肘を曲げるときの干渉範囲を小さくし、肘関節の可動範囲が拡大する、といった効果を得ることができる。

図１７には、ロボット装置１００の機能的構成を模式的に示している。ロボット装置１００は、全体の動作の統括的制御やその他のデータ処理を行なう制御ユニット３１０と、入出力部３２０と、駆動部３３０とを備えている。以下、各部について説明する。

入出力部３２０は、入力部として、ロボット装置１００の目に相当するカメラ３２１、人や障害物までの距離を検出する距離センサー３２２、ロボット装置１００の耳に相当するマイクロフォン３２３などを備えている。ロボット装置１００は、例えばマイクロフォン３２３からのユーザーの音声入力により、タスクの指示を受けることができる。但し、ロボット装置１００は、有線、無線、あるいは記録メディアなどを介した他のタスクの指示の入力手段（図示しない）を備えていてもよい。また、入出力部３２０は、出力部として、ロボット装置１００の口に相当するスピーカー３２４などを装えている。距離センサー３２２は、例えば、レーザー・レンジ・ファインダーなどの空間センサーで構成される。

駆動部３３０は、ロボット装置１００の各関節における自由度を実現するための機能モジュールであり、それぞれの関節におけるロール、ピッチ、ヨーなど軸毎に設けられた複数の駆動ユニットで構成される。各駆動ユニットは、所定軸回りの回転動作を行うモーター３３１と、モーター３３１の回転位置を検出するエンコーダー３３２と、エンコーダー３３２の出力に基づいてモーター３５１の回転位置や回転速度を適応的に制御するドライバー３３３の組み合わせで構成される。駆動ユニットの少なくとも一部は、上述したアクチュエーター装置１０で構成される。例えば、２以上の直交する自由度からなる関節部位においてアクチュエーター装置１０を適用すると、一方の関節アクチュエーターの出力軸に他方の関節アクチュエーターを好適に連結させることができる（前述）。

制御ユニット３１０は、認識部３１０−１と、駆動制御部３２０−２と、環境マップ３１０−３を備えている。

認識部３１０−１は、入出力部３２０のうちカメラ３２１や距離センサー３２２といった入力部から得られる情報に基づいて、周囲の環境の認識を行なう。例えば、認識部３１０−１は、入力情報に基づいて環境マップ３１０−３を事前に構築する。

駆動制御部３１０−２は、入出力部３２０のうち出力部や、駆動部３３０の駆動を制御する。例えば、駆動制御部３１０−２は、ロボット装置１００が家事や介護などの指示されたタスクを実現するための、駆動部３３０の制御を行なう。また、駆動制御部３１０−２は、認識部３１０−１により認識された外環境を環境マップ３１０−３と比較して、ロボット装置１００の行動制御、すなわち各駆動ユニット（アクチュエーター装置１０）の動作制御を行なう。

なお、本明細書の開示の技術は、以下のような構成をとることも可能である。
（１）モーターと、前記モーターの出力を減速する減速機と、前記モーターの固定部に対して外輪駆動し、前記減速機からの出力トルクを計測するトルク・センサーと、前記トルク・センサーの端部からオフセットされた位置に設けられた出力軸フレーム取り付け部と、を具備するアクチュエーター装置。
（２）前記トルク・センサーの前記端部は球面に近似した形状を持つ、上記８１）に記載のアクチュエーター装置。
（３）前記出力軸フレーム取り付け部は、前記トルク・センサーの外周部分に配設される、上記（１）又は（２）のいずれかに記載のアクチュエーター装置。
（４）前記モーターの前記減速機とは反対側にロータリー・エンコーダーをさらに備える、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のアクチュエーター装置。
（５）前記ロータリー・エンコーダーの端部は球面に近似した形状を持つ、上記（４）に記載のアクチュエーター装置。
（６）中央付近に凹部を持つ、上記（１）乃至（５）のいずれかに記載のアクチュエーター装置。
（７）前記トルク・センサーは、歪みゲージ式トーション型トルク・センサーである、上記（１）乃至（６）のいずれかに記載のアクチュエーター装置。
（８）それぞれ同一のアクチュエーター装置からなる、前段の第１のアクチュエーターと、後段の第２のアクチュエーターを含み、前記アクチュエーター装置は、両端部に球面に近似した形状を持つとともに、中央付近に凹部を有し、前記第１のアクチュエーターの出力側の端部の前記球面に近似した形状が、前記第２のアクチュエーターの中央付近の前記凹部に当接するように、前記第１及び第２のアクチュエーターを連結する、多軸駆動装置。
（９）前記アクチュエーター装置は、モーターと、前記モーターの出力を減速する減速機と、端部が球面に近似した形状を持ち、前記減速機からの出力トルクを計測するトルク・センサーと、端部が球面に近似した形状を持ち、前記モーターの前記減速機とは反対側に取り付けられたロータリー・エンコーダーを備える、上記（８）に記載の多軸駆動装置。
（１０）前記トルク・センサーは、前記モーターの固定部に対して外輪駆動する、上記（９）に記載の多軸駆動装置。
（１１）前記トルク・センサーは、歪みゲージ式トーション型トルク・センサーである、上記（１０）に記載の多軸駆動装置。
（１２）前記第２のアクチュエーターは、前記トルク・センサーの端部からオフセットされた位置に設けられた出力軸フレーム取り付け部を有し、前記出力軸フレーム取り付け部に取り付けられた出力軸フレームをさらに備える、上記（９）に記載の多軸駆動装置。
（１３）前記出力軸フレーム取り付け部は、前記トルク・センサーの外周部分に配設される、上記（１２）に記載の多軸駆動装置。
（１４）前記第１のアクチュエーターを駆動させたときの前記第２のアクチュエーターの占有空間に応じた径を持つ外装をさらに備える、上記（８）乃至（１３）のいずれかに記載の多軸駆動装置。
（１５）複数のリンク及びリンク間を接続する複数の関節と、前記複数の関節をそれぞれ駆動する複数の駆動部と、前記複数の駆動部を制御する制御部と、を具備し、前記複数の駆動部のうち少なくとも一部は、モーターと、前記モーターの出力を減速する減速機と、前記モーターの固定部に対して外輪駆動し、前記減速機からの出力トルクを計測するトルク・センサーと、前記トルク・センサーの端部からオフセットされた位置に設けられた出力軸フレーム取り付け部を備えたアクチュエーター装置からなる、ロボット装置。
（１６）複数のリンク及びリンク間を接続する複数の関節と、前記複数の関節をそれぞれ駆動する複数の駆動部と、前記複数の駆動部を制御する制御部と、を具備し、直交する２自由度からなる関節部位を駆動する駆動部のうち少なくとも一部は、それぞれ同一のアクチュエーター装置からなる、前段の第１のアクチュエーターと、後段の第２のアクチュエーターで駆動され、前記アクチュエーター装置は、両端部に球面に近似した形状を持つとともに、中央付近に凹部を有し、前記第１のアクチュエーターの出力側の端部の前記球面に近似した形状が、前記第２のアクチュエーターの中央付近の前記凹部に当接するように、前記第１及び第２のアクチュエーターを連結する、ロボット装置。
（１７）前記ロボット装置を移動させる移動部をさらに備える、上記（１５）又は（１６）のいずれかに記載のロボット装置。
（１８）外環境を認識する認識部をさらに備え、前記制御部は、前記認識部による認識結果に基づいて前記複数の駆動部を制御する、上記（１５）又は（１６）のいずれかに記載のロボット装置。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本明細書で開示する技術について詳細に説明してきた。しかしながら、本明細書で開示する技術の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。

本明細書で開示するアクチュエーター装置は、多軸マニピュレーターや、サービス・ロボット、介護若しくは介助ロボット、電動リーチャー（車いす用アーム型ロボット）、手術ロボット、宇宙用遠隔操作ロボット、レスキュー・ロボット、脚型ロボット、ヒューマノイド、蛇型ロボットなどの多軸駆動機構の複数箇所に利用することができるが、勿論、一箇所にのみ利用するようにしてもよい。また、上記以外の多軸駆動機構や、多軸駆動機構以外の駆動装置にも、同様に本明細書で開示するアクチュエーター装置を適用することができる。

要するに、例示という形態で本技術を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本技術の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。

１０…アクチュエーター装置
１１…モーター
１２…減速機
１３…ロータリー・エンコーダー
１４…トルク・センサー
１５…モーター・ドライバー基板
１６…軸受
１７…軸継手
１９…固定部ケース
２０…出力軸フレーム
２１…マウント部品
１００…ロボット装置
１０１…駆動輪
１０２…駆動輪用アクチュエーター
１０３…股関節ピッチ軸アクチュエーター
１０４…肩関節ピッチ軸アクチュエーター
１０５…肩関節ロール軸アクチュエーター
１０６…肩関節ヨー軸アクチュエーター
１０７…肘関節ピッチ軸アクチュエーター
１０８…肘関節ヨー軸アクチュエーター
１０９…手首関節ロール軸アクチュエーター
１１０…首関節ピッチ軸アクチュエーター
１１１…首関節ピッチ軸アクチュエーター
１１３…手関節ロール軸アクチュエーター
１５１、１５２、１５３…劣駆動関節

Claims (18)

1. モーターと、
   前記モーターの出力を減速する減速機と、
   出力軸フレームを取り付けるマウント部品を介して前記モーターの固定部に対して外輪駆動し、前記減速機からの出力トルクを計測するトーション型のトルク・センサーと、
   を具備し、
   前記マウント部品は、出力軸フレームを取り付けたときの前記モーターの軸方向の長さが増加しないように、前記トルク・センサーの端部から前記固定部側にオフセットされた位置に設けられ、
   前記トーション型のトルク・センサーの起歪体は、前記マウント部品に対し入れ子構造である、
   アクチュエーター装置。
2. 前記トルク・センサーの前記端部は球面に近似した形状を持つ、
   請求項１に記載のアクチュエーター装置。
3. 前記出力軸フレームは、前記トルク・センサーの外周部分に配設される、
   請求項１又は２のいずれかに記載のアクチュエーター装置。
4. 前記モーターの前記減速機とは反対側にロータリー・エンコーダーをさらに備える、
   請求項１乃至３のいずれかに記載のアクチュエーター装置。
5. 前記ロータリー・エンコーダーの端部は球面に近似した形状を持つ、
   請求項４に記載のアクチュエーター装置。
6. 中央付近に凹部を持つ、
   請求項１乃至５のいずれかに記載のアクチュエーター装置。
7. 前記トルク・センサーは、歪みゲージ式トーション型トルク・センサーである、
   請求項１乃至６のいずれかに記載のアクチュエーター装置。
8. それぞれ請求項１に記載のアクチュエーター装置からなる、前段の第１のアクチュエーターと、後段の第２のアクチュエーターを含み、
   前記アクチュエーター装置は、両端部に球面に近似した形状を持つとともに、中央付近に凹部を有し、
   前記第１のアクチュエーターの出力側の端部の前記球面に近似した形状が、前記第２のアクチュエーターの中央付近の前記凹部に当接するように、前記第１及び第２のアクチュエーターを連結する、
   多軸駆動装置。
9. 前記アクチュエーター装置は、モーターと、前記モーターの出力を減速する減速機と、端部が球面に近似した形状を持ち、前記減速機からの出力トルクを計測するトルク・センサーと、端部が球面に近似した形状を持ち、前記モーターの前記減速機とは反対側に取り付けられたロータリー・エンコーダーを備える、
   請求項８に記載の多軸駆動装置。
10. 前記トルク・センサーは、前記モーターの固定部に対して外輪駆動する、
    請求項９に記載の多軸駆動装置。
11. 前記トルク・センサーは、歪みゲージ式トーション型トルク・センサーである、
    請求項１０に記載の多軸駆動装置。
12. 前記第２のアクチュエーターは、前記トルク・センサーの端部からオフセットされた位置に設けられた前記マウント部品を有し、
    前記マウント部品に取り付けられた出力軸フレームをさらに備える、
    請求項９に記載の多軸駆動装置。
13. 前記出力軸フレームは、前記トルク・センサーの外周部分に配設される、
    請求項１２に記載の多軸駆動装置。
14. 前記第１のアクチュエーターを駆動させたときの前記第２のアクチュエーターの占有空間に応じた径を持つ外装をさらに備える、
    請求項８乃至１３のいずれに記載の多軸駆動装置。
15. 複数のリンク及びリンク間を接続する複数の関節と、
    前記複数の関節をそれぞれ駆動する複数の駆動部と、
    前記複数の駆動部を制御する制御部と、
    を具備し、
    前記複数の駆動部のうち少なくとも一部は、請求項１に記載のアクチュエーター装置からなる、
    ロボット装置。
16. 複数のリンク及びリンク間を接続する複数の関節と、
    前記複数の関節をそれぞれ駆動する複数の駆動部と、
    前記複数の駆動部を制御する制御部と、
    を具備し、
    直交する２自由度からなる関節部位を駆動する駆動部のうち少なくとも一部は、それぞれ請求項１に記載のアクチュエーター装置からなる、前段の第１のアクチュエーターと、後段の第２のアクチュエーターで駆動され、
    前記アクチュエーター装置は、両端部に球面に近似した形状を持つとともに、中央付近に凹部を有し、
    前記第１のアクチュエーターの出力側の端部の前記球面に近似した形状が、前記第２のアクチュエーターの中央付近の前記凹部に当接するように、前記第１及び第２のアクチュエーターを連結する、
    ロボット装置。
17. 前記ロボット装置を移動させる移動部をさらに備える、
    請求項１５又は１６のいずれかに記載のロボット装置。
18. 外環境を認識する認識部をさらに備え、
    前記制御部は、前記認識部による認識結果に基づいて前記複数の駆動部を制御する、
    請求項１５又は１６のいずれかに記載のロボット装置。