JP6087329B2 - ロボットにおける回転駆動機構 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットにおける回転部材を回転駆動するための回転駆動機構に関する。

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。このような人間型ロボットでは、人間の動作を模すために多くの関節部が設けられており、また、その関節部において複数の自由度を有する多様な動作が求められる。そのため人間型ロボットの関節部においては、その関節に与えられる自由度に対応してサーボモータ等のアクチュエータの搭載数が増加し、それにより関節部の小型化が困難となったり、アクチュエータの構造や配置が複雑なものとなったりしている。

ここで、例えば特許文献１には、ロボットの関節部において２台のアクチュエータを並べ、アクチュエータの出力軸をそれぞれ、中間リンクとアームで形成されるリンク機構につなぎ、該アームのそれぞれを十文字状の自在継手を介して当該関節部のベース部材につなぐ関節部の構成が開示されている。このような構成において、アクチュエータに所定の動作を行わせると当該関節部において２自由度の動きを実現でき、また、当該技術では、常に２台のアクチュエータを駆動することで各自由度の動きが行われるため、結果として、１台当たりのアクチュエータを小型化することができ、またその配置も両アクチュエータを並列させるのみである。

特開２０１３−９１１２２号公報

ところが上記の従来の関節部の構成では、アクチュエータの出力軸とアームとが略直列に配置されているので、この構成を収容するための空間としてその長さ方向に比較的大きな寸法が必要となり、当該構成をロボット内に設置できる部位には自ずと制約があった。更に、ロボットの腕部材のように重力成分を含む所定方向に回転駆動される回転部材が接続される関節部においては、従来では、回転型のサーボモータ等が関節部に取り付けられ、当該回転部材の回転駆動を担うことが多い。このような構成では、特に、回転部材が回転上昇されるとアクチュエータに掛かる負荷トルクが増大することになるため、一般には、その増大した負荷トルクを考慮して比較的大きく剛性の高いアクチュエータを選択せざるを得ない状況となる。

また、ロボットの関節部において、アクチュエータの駆動力を駆動対象に伝達させるためにリンク機構が用いられる場合がある。上記特許文献１に示す関節部でもリンク機構が駆動力伝達のために利用されているが、当該リンク機構は、並列された２つのアクチュエータからの駆動力を様々な態様で関節部のベース部材に伝えることを可能とするリンク機構であり、重力成分を含む所定方向における回転部材の回転駆動に際してアクチュエータに掛かる負荷を好適に軽減するように形成されたものとは言えない。また、その他の従来技術においても、アクチュエータの重力負荷軽減を好適に実現する回転部材の回転駆動のための機構を見出すことはできない。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、ロボットの回転部材の回転駆動のためのアクチュエータの小型化を実現し得る回転駆動機構を提供することを目的とする。

本発明において、上記課題を解決するために、回転部材の回転駆動のために直動アクチュエータを採用するとともに、その出力をシーソーのように揺動するリンク部を介して回転部材に伝達する構成を採用した。これにより、直動アクチュエータの出力をコンパクトな空間を経て、回転部材へと伝達させることが可能となる。

詳細には、本発明に係る回転駆動機構は、リンク機構として第１リンク部と第２リンク部を有する。この第１リンク部は、直動アクチュエータからの駆動力（出力）が入力される入力部と、その駆動力を第２リンク部に出力する出力部を有している。なお、入力部における直動アクチュエータ出力の入力は、直動アクチュエータから直接に入力される態様であってもよく、また何らかの伝達部材を介した間接的な入力態様であってもよい。そして、第１リンク部は第１支持部を介してベース部材に回転自在に取り付けられ、上記の入力部と出力部は第１支持部の支持点を挟んで互いに反対側に位置することになる。そのため、第１リンク部は、第１支持部の支持によりシーソーのように揺動する揺動リンクとして作動することになる。すなわち、直動アクチュエータからの出力による入力部の移動方向と、出力部の移動方向は逆向きとなる。

そして、第２リンク部が第１リンク部の出力部と第２支持部を介して回転自在に接続され、更に、第２リンク部は第３支持部を介して回転部材又はそれと連結された連結部材に回転自在に接続されている。その結果、第１リンク部に入力された直動アクチュエータの出力は、その出力部を経て第２リンク部に伝えられ、更に回転部材に伝えられることで、回転部材と、該回転部材が取り付けられているベース部材との相対的な回転駆動が行われることになる。このような構成により、直動アクチュエータの出力軸とアームが直列でその移動方向が同一の従来の構成に比べて、回転駆動機構全体の長さ寸法を小さく抑えることができる。また、第１リンク部が揺動リンクとして形成されていることより、第１リンク部の第１支持部と、入力部及び出力部との間隔を適宜調整することで、直動アクチュエータの出力を第１リンク部で増幅させて回転部材側に伝達することも可能となるので、直動アクチュエータの小型化も可能となる。

更に、本発明を別の側面から、すなわちロボットの回転部材を直動アクチュエータにより重力成分を含む所定方向に回転駆動する回転駆動機構の側面から捉えることもできる。この場合、本発明は、ロボットの一部であってロボットの本体側のベース部材に取り付けられた回転部材を、直動の出力軸を有する直動アクチュエータにより重力成分を含む所定方向に回転駆動する回転駆動機構であって、第１リンク本体を有し第１支持部を介して回転自在となるように前記ベース部材に取り付けられる第１リンク部であって、該第１支持部を基準としたときに該第１リンク本体における一方の側において前記直動アクチュエータの出力が入力される入力部と、該第１リンク本体において該第１支持部を挟んで該入力部と反対側に位置する出力部と、を有する第１リンク部と、第２リンク本体を有し第２支持部を介して回転自在となるように前記第１リンク部の前記出力部に取り付けられ、且つ、第３支持部を介して回転自在となるように前記回転部材に又は該回転部材に連結された連結部材に取り付けられる第２リンク部と、を備える。そして、前記回転部材の前記所定方向における回転移動範囲において該回転部材が最も水平状態に近くなる水平上昇位置にある場合は、該回転移動範囲において該回転部材が前記ベース部材との取付位置から最も下方向に延在する状態に近くなる最下方位置にある場合と比べて、記第１支持部の支持点と前記第２支持部の支持点とを結ぶ第１直線と、前記第２支持部の支持点と前記第３支持部の支持点とを結ぶ第２直線とが為すリンク間角度がより開き、且つ、該第３支持部の支
持点が該第１支持部材の支持点より上方向に離間するように、前記第１リンク部と前記第２リンク部は形成される。

本発明に係る回転駆動機構は、直動アクチュエータによる駆動力を回転部材に伝達することで、該回転部材の所定方向における回転駆動を実現するものである。ここで、回転部材が回転する所定方向とは、その回転の過程において、回転部材の重力成分の一部又は全部が直動アクチュエータ側に作用する方向である。したがって、当該所定方向は、ロボットにおいて鉛直面に含まれる回転方向であってもよく、また、水平面から所定角だけ傾いた傾斜面に含まれる回転方向であってもよい。このように所定方向が傾斜面に含まれる回転方向である場合、その傾斜の所定角に応じた回転部材の重力成分が、直動アクチュエータに重力負荷として掛かることになる。

そして、本発明に係る回転駆動機構においても、上記の構成と同じように、第１リンク部は、第１支持部の支持によりシーソーのように揺動する揺動リンクとして作動することになり、直動アクチュエータからの出力による入力部の移動方向と、出力部の移動方向は逆向きとなる。そして、第１リンク部に入力された直動アクチュエータの出力は、その出力部を経て第２リンク部に伝えられ、更に回転部材に伝えられることで、回転部材の所定方向における回転駆動が行われることになる。したがって、上記の構成と同じように、回転駆動機構全体の長さ寸法を小さく抑えることができ、また、直動アクチュエータの小型化も可能となる。

ここで、本願発明において「上方向」及び「下方向」は、駆動アクチュエータに対して重力負荷が作用する方向、例えば、鉛直方向を示す用語である。そして、ロボットが設置面から起立している場合に、足側から頭部側への方向が上方向であり、その逆が下方向となる。そして、回転部材の回転移動範囲において、回転部材が最下方位置にある場合は、回転部材は下方向に延在した状態にあるため、直動アクチュエータは、回転部材の重力負荷を実質的に支える必要がない。一方で、当該回転移動範囲において回転部材が水平上昇位置にある場合は、回転部材は回転移動範囲において水平に最も近い状態となるため、直動アクチュエータに掛かる重力負荷が相対的に大きくなる。そこで、このような回転部材の回転移動範囲における位置と直動アクチュエータに掛かる重力負荷との相関を考慮して、第１リンク部と第２リンク部が形成される。

すなわち、回転部材が水平上昇位置にある場合は、最下方位置にある場合と比べてリンク間角度がより開き、且つ、第２リンク部と回転部材側とを接続する第３支持部の支持点が、第１支持部材の支持点より上方向に離間するように、第１リンク部と第２リンク部は作動することになる。このように各リンク部が作動することで、回転部材が水平上昇位置にある場合は、両リンク部に含まれる第１支持部、第２支持部、第３支持部の各支持点の配置が直線状に近づき、且つ、回転部材に最も近い第３支持部の支持点が、直動アクチュエータに最も近い第１支持部の支持点よりも上方に位置することになり、以て、第１支持部、第２支持部、第３支持部の各支持点が上下方向に沿うように起立した状態、又は当該状態に近い状態が形成されることになる。

この結果、水平上昇位置にある回転部材から作用する重力負荷が、第１リンク部及び第２リンク部の各支持部の支持点で支えられることになるため、特に、ベース部材に接続された第１支持部によりその重力負荷の多くを支えられることになるため、実質的に直動アクチュエータに掛かる重力負荷を軽減することができ、直動アクチュエータの小型化を図ることが可能となる。そして、このような第１支持部、第２支持部、第３支持部の各支持点の配置を可能とするのは、第１リンク部が上記の通り揺動型のリンク部として形成され、入力部と出力部が第１支持部を挟んで互いに反対側に配置されている構成に依るものである。

なお、本願発明における水平上昇位置は、回転部材の回転移動範囲において該回転部材が最も水平に近い状態となる位置、すなわち、回転部材から直動アクチュエータに作用する重力負荷が最大となる状態に最も近い状態となる位置である。したがって、水平上昇位置は、必ずしも、回転部材が水平状態になる位置に限定されるものではない。同じように、本願発明における最下方位置は、回転部材の回転移動範囲において該回転部材が最も下方向に延在する位置、すなわち、回転部材から直動アクチュエータに作用する重力負荷が最小となる状態に最も近い状態となる位置である。したがって、最下方位置は、必ずしも、回転部材が鉛直下方向に延在する位置に限定されるものではない。

ロボットの回転部材の回転駆動のためのアクチュエータの小型化を実現し得る回転駆動機構を提供することができる。

本発明に係る回転駆動機構が適用されるロボットの正面図である。 図１に示すロボットの側面図である。 図１に示すロボットの背面図である。 図１に示すロボットにおいて、腕部と駆動ユニットを取り外した状態を示す図である。 図４において取り外された駆動ユニットを示す図である。 本発明に係る回転駆動機構の構成を示す第１の図である。 本発明に係る回転駆動機構の構成を示す第２の図である。 本発明に係る回転駆動機構の構成を示す第３の図である。 本発明に係る回転駆動機構の構成を示す第４の図である。 本発明に係る回転駆動機構に含まれるリンク機構の動作を説明する第１の図である。 本発明に係る回転駆動機構に含まれるリンク機構の動作を説明する第２の図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜ロボット１０の構成＞
図１〜図３に基づいて、本発明に係る回転駆動機構が搭載されたロボット１０の概略構成について説明する。図１はロボット１０の正面図であり、図２はロボット１０の左側面図であり、図３はロボット１０の背面図である。なお、各図において、ロボット１０の内部構造が把握できるように、左手を除きその本体カバーを省略した状態で示されている。なお、本実施例では、ロボット１０の進行方向をｘ軸正方向、ロボット１０からみて左手方向をｙ軸正方向、ロボット１０における反重力方向をｚ軸正方向としたとき、ｘ軸がロール軸、ｙ軸がピッチ軸、ｚ軸がヨー軸である。したがって、ｘ軸回りの回転がロール動作、ｙ軸回りの回転がピッチ動作、ｚ軸回りの回転がヨー動作となる。また、本実施例における上方向とは、ｚ軸正方向、すなわち反重力方向であり、一方で下方向とは、ｚ軸負方向、すなわち重力方向とし、左右方向はロボット１０から見たときの左右方向であり、ｙ軸正方向が左方向、ｙ軸負方向が右方向となる。

ロボット１０は、人間型ロボットであり、人間の骨格構造を模したボディを有している
。概略的には、図１においてｚ軸方向に延在している背骨部１４及び後述する板金で形成された各種の骨部１４ａ〜１４ｄ、背骨部１４を支持するように背骨部１４に連結された腰骨部１５、更に腰骨部１５を支持し図示しないロボット１０の一対の脚部が接続される骨盤部１６によってロボット１０の上半身の骨格構造（以下、単に「上半身骨格構造」という）が形成されている。そして、背骨部１４には、ロボット１０の首部１３が接続され、更にその上に頭部１１が配置されている。なお、頭部１１には、外部を撮影するためのカメラが搭載されている。この首部１３を介した頭部１１の背骨部１４との接続により、頭部１１は背骨部１４に対してロール動作、ヨー動作が可能となるが、これらの動作のためのロボット内部構造は本発明の中核をなすものではないので、本明細書ではその詳細な説明は省略する。

また、ロボット１０には、その上半身の駆動を司る駆動ユニット２０が右上半身と左上半身のそれぞれに対応して配置されている。ここで、図４に示すように、背骨部１４には、ロボット１０の肩部分に位置する部位で、ロボット前面側の前方鎖骨部１４ａとロボット背面側の背面鎖骨部１４ｂが接続されている。更に、背骨部１４には、ロボット１０の胸部分（肩部分より下方の部位）に位置する部位で、ロボット前面側の前方胸骨部１４ｃとロボット背面側の背面胸骨部１４ｄが接続されている。これらの骨部１４ａ〜１４ｄ及び背骨部１４によって、背骨部１４を挟んだロボット１０の上半身内の左右に所定の空間が形成され、当該左右の所定の空間に駆動ユニット２０がそれぞれ収まるように配置され、各骨部１４ａ〜１４ｄに対して駆動ユニット２０が接続されることになる。これにより、２つの駆動ユニット２０がロボット１０内に取り付けられることになる。骨部１４ａ〜１４ｄは、背骨部１４に対して平板状の板金で形成されているため、背骨部１４に対する駆動ユニット２０の取り付けは、比較的弾性的に行われることになる。

＜駆動ユニット２０の構成＞
図４には、ロボット１０の左側の腕部５０と、それに対応する左上半身用の駆動ユニット２０とが一体となって、ロボット１０の上半身骨格構造から取り外された状態が示されている。このように駆動ユニット２０は、対応する腕部５０とともにロボット１０の上半身骨格構造から取り外し可能となるように構成されることで、ロボット１０の組立性やメンテナンス性が好適に維持される。この駆動ユニット２０内に、本発明に係る回転駆動機構が搭載されており、当該回転駆動機構によって本発明に係る回転部材に相当する腕部５０の回転駆動が行われることになる。以下、図５及び図６に基づいて、当該回転駆動機構の詳細について説明する。なお、図５には、ロボット１０の左上半身用の駆動ユニット２０が開示されており、一方で、図６では、ロボット１０の右上半身用の駆動ユニット２０の詳細な構造が開示されている。なお、図６では、駆動ユニット２０の内部を示すために、一部の構成（後述する外側基板２１等の構成）は省略されている。また、本明細書においては、左上半身用の駆動ユニット２０と右上半身用の駆動ユニット２０は同一の構成を有しており、図５及び図６に基づいて行われる説明は、両側の駆動ユニット２０及びその内部の回転駆動機構に適用されるものである。

駆動ユニット２０は、ロボット１０の上半身骨格構造に接続される外側基板２１と内側基板２２、及び両基板の間に配置されたスペーサ２３で画定される収容空間を有する。外側基板２１は、駆動ユニット２０に腕部５０が接続された状態において、ロボット１０の外側、すなわち腕部５０に近い側に配置される基板であり、内側基板２２は、ロボット１０の内側に配置される基板である。なお、外側基板２１には、腕部５０をピッチ軸に回転自在となるように支持するための支持部材２８が設けられ、当該支持部材２８を介して腕部５０が駆動ユニット２０側に接続されることになる。この支持部材２８としては、比較的モーメントの大きいロボット１０の腕部５０を限られた空間容積内で支持する点を考慮し、１個のベアリングでラジアル荷重、アキシアル荷重等のあらゆる方向の荷重を支持可能な支持部材を採用するのが好ましい。例えば、ＴＨＫ株式会社製のクロスローラリング
を採用することが可能である。

そして、スペーサ２３は、両基板の間隔を画定する長さを有する棒状の部材である。これらの外側基板２１、内側基板２２、スペーサ２３による構成は、いわば駆動ユニット２０の筐体を形成するものであり、当該筐体は、ロボット１０の上半身骨格構造に固定され、そこに、３つのアクチュエータ２４、２５、２６、及びアクチュエータ２４に関連するリンク機構３０が配置される。なお、当該筐体に含まれる外側基板２１が、本発明に係るベース部材に相当する。

先ず、アクチュエータ２４について説明する。アクチュエータ２４は、サーボモータと、本体部２４ａと、アクチュエータの軸方向に直線移動する出力軸２４ｂとを有する、直動アクチュエータであり、外側基板２１及び内側基板２２に固定されている。出力軸２４ｂの外周面には螺旋状のねじ溝が形成されており、本体部２４ａには、出力軸２４ｂのねじ溝に螺合するボールねじナット（図示せず）が本体部２４ａに軸線の回りの回転のみが許容された状態で収納されている。そして、サーボモータが当該ボールねじナットを回転させるように本体部２４ａと接続されており、本体部２４ａ内でボールねじナットの軸線方向の移動が制限されているため、サーボモータの駆動により出力軸２４ｂが軸方向に直線運動、すなわち直動する。

アクチュエータ２４の出力軸２４ｂは、リンク機構３０を構成する第１リンク部３１と第２リンク部３２のうち第１リンク部３１に接続される。なお、このリンク機構３０が、本発明に係る回転駆動機構に相当する。そして、第１リンク部３１は、後述の図８、図９に示すように、基部３１ｃの両端から同方向に延出した２つの壁部３１ａを有しており、そして、基部３１ｃに平行となるように両壁部３１ａを繋ぐブリッジ３１ｂが設けられている。この基部３１ｃは、外側基板２１と内側基板２２に対して回転自在となるように、本発明に係る第１支持部に相当するベアリングで支持され、第１支持部の支持点である第１支持点３３が形成される。また、ブリッジ３１ｂに、アクチュエータ２４の出力軸２４ｂが、第１リンク部３１との向きが可変となるように接続され、その接続点が３１ｅとされる。更に、基部３１ｃを挟んでブリッジ３１ｂとは反対側に、基部３１ｃから延出する尾部３１ｄが設けられている。尾部３１ｄの延出方向は、ブリッジ３１ｂ上の接続点３１ｅと第１支持点３３とを結ぶ直線上ではなく、当該直線に対してアクチュエータ２４が配置されていない方向、すなわち後述する第３支持点３５が位置する方向となっている。そして、尾部３１ｄの端部（基部３１ｃとの接続部とは反対側の端部）において、第２リンク部３２が回転自在となるように、本発明に係る第２支持部に相当するベアリングで支持され、第２支持部の支持点である第２支持点３４が形成される。

このように壁部３１ａ、ブリッジ３１ｂ、基部３１ｃ、尾部３１ｄをリンク本体（本発明に係る第１リンク本体に相当する）として第１リンク部３１は形成される。そして、第１リンク部３１は、そのリンク本体を回転自在に支持する第１支持点３３を基準とすると、その一方側にアクチュエータ２４の出力軸２４ｂが接続されるブリッジ３１ｂが位置し、他方側に第２リンク部３２が接続される尾部３１ｄが位置することになる。そのため、アクチュエータ２４の出力が作用する点、すなわちアクチュエータ２４の出力が第１リンク部３１に入力される接続点３１ｅと、第１リンク部３１を介した力を第２リンク部３２側に伝える点、すなわちアクチュエータ２４からの出力を第２リンク部３２側に出力する第２支持点３４とは、第１支持点３３を基準にしてシーソーのように搖動する相関を有することになり、以て、第１リンク部３１は搖動リンクとして形成されることになる。より具体的に言えば、接続点３１ｅが上方に移動すれば第２支持点３４は下方に移動し、逆に、接続点３１ｅが下方に移動すれば第２支持点３４は上方に移動するように、第１リンク部３１が形成されている。このように第１リンク部３１を揺動リンクとして形成することで、アクチュエータ２４の出力伝達にようする機構の大きさ、特に、その長さ寸法を抑え
ることができる。また、第１リンク部３１のシーソー形状を利用して、アクチュエータ２４の出力の増幅を図ることも可能となり、この点はアクチュエータ２４の小型化にも寄与する。

次に、第２リンク部３２は、その一方の端部において上記の通り第２支持点３４で第１リンク部３１の尾部３１ｄと回転自在に接続され、更に、他方の端部において、後述の図９に示すように、ロボット１０の腕部５０の端部に連結されたプレート５１（本発明に係る連結部材に相当する）に対して回転自在となるように、本発明に係る第３支持部に相当するベアリングで支持され、第３支持部の支持点である第３支持点３５が形成される。このように第２支持点３４及び第３支持点３５を含む板状の本体（本発明に係る第２リンク本体に相当する）を有するように第２リンク部３２は形成され、そして、第２リンク部３２は、第１リンク部３１から伝わってきた力をプレート５１へと伝達させる。このプレート５１は、支持部材２８を介して回転自在に取り付けられた腕部５０の端部に連結されたプレートであり、腕部５０のピッチ方向の回転に伴い腕部５０とともに回転する。そして、支持点３５は、この腕部５０のピッチ方向の回転中心よりも所定距離ずらした場所に位置しており、第１リンク部３１及び第２リンク部３２を介してプレート５１へ伝達された力は、腕部５０をピッチ方向に回転駆動させる駆動力となる。

このように、アクチュエータ２４の駆動力は、第１リンク部３１及び第２リンク部３２からなるリンク機構３０によって腕部５０に伝達されることで、腕部５０のピッチ方向の回転動作が生じることになる。そして、腕部５０は、外側基板２１上の支持部材２８により支持され、また、第１リンク部３１は外側基板２１及び内側基板２２上に回転支持されているため、第１リンク部３１及び第２リンク部３２の回転方向は、腕部５０のピッチ回転方向と同じ方向となる。

次に、アクチュエータ２５について説明する。アクチュエータ２５もアクチュエータ２４と同様に直動アクチュエータであり、その動作原理も同じである。アクチュエータ２５の出力軸は、外側基板２１及び内側基板２２に支持点１８ａを介して回転自在に取り付けられた搖動リンク部１８の一端側に接続されている。そして、搖動リンク部１８の他端側では、支持点１８ｂを介して伝達リンク部１７が回転自在に接続され、当該伝達リンク部１７は更に腰骨部１５に接続されている。この揺動リンク部１８は、上述の第１リンク部３１と同じようにシーソー形状を有しており、そのため、アクチュエータ２５の出力伝達にようする機構の大きさ、特に、その長さ寸法を抑えることができ、更に、アクチュエータ２５の出力の増幅を図ることも可能となり、この点はアクチュエータ２５の小型化にも寄与する。

ロボット１０の左右の上半身において、アクチュエータ２５の出力が腰骨部１５に伝えられることで、図示しない腰骨部１５の詳細な構成によりロボット１０の上半身が骨盤部１６に対してロール方向及びヨー方向に回転駆動することになる。なお、この骨盤部１６に対する回転駆動については、本発明に係る回転駆動機構によるものではないため、その詳細な説明は省略する。

また、駆動ユニット２０にはアクチュエータ２５のみが含まれ、それに関連するリンクである搖動リンク部１８及び伝達リンク部１７は、駆動ユニット２０には含まれない（図４に示す、駆動ユニットを取り外した状態を参照のこと。）。これは、駆動ユニット２０の取外しに際して伝達リンク部１７と腰骨部１５との接続を外してしまうと、駆動ユニット２０の筐体から搖動リンク部１８及び伝達リンク部１７がはみ出してしまい取扱いが難しくなるからである。もちろん、駆動ユニット２０内に搖動リンク部１８及び伝達リンク部１７が含まれるように、駆動ユニット２０を上半身骨格構造から取り外しても構わない。

次に、図７に基づいて、ロボット１０の背面構造について説明する。図７は、駆動ユニット２０の背面構成を示す図である。図７に示すように、プレート５１上からロボット１０の肩幅方向に沿って延出するバネ取付部５２が設けられている。このバネ取付部５２には、背面胸骨部１４ｄとの間に付勢力を付与するバネ１９が２本設けられている。バネ１９は本発明に係るバネ部材に相当し、背面胸骨部１４ｄにおけるバネ１９の接続位置は、１９ａで表される。

バネ取付部５２は、腕部５０とともにピッチ回転するプレート５１上にあり、また、接続位置１９ａはロボット１０の上半身骨格構造を形成する背面胸骨部１４ｄ側にあるため、バネ１９による付勢力は、腕部５０のピッチ回転に寄与するトルクを生み出すことになる。このバネ１９による付勢力については、後述する。

＜リンク機構３０の動作＞
リンク機構３０は、上記の通り第１リンク部３１と第２リンク部３２により構成されており、アクチュエータ２４の駆動力を腕部５０に連結されたプレート５１に伝達することで、腕部５０がピッチ方向に回転駆動されることになる。そして、このリンク機構３０は、本発明に係る回転駆動機構に相当し、以下にその動作の詳細について図８、図９、図１０に基づいて説明する。

図８は、腕部５０が鉛直下方向に延在している状態、すなわち腕部５０が支持部材２８によって回転自在に支持されている状態において腕部５０が重力成分にならって最も下方向に延在している最下方位置にある状態での、リンク機構３０を中心とした駆動ユニット２０内の状態を表している。一方で、図９は、腕部５０が水平方向に延在している状態、すなわち腕部５０が支持部材２８によって回転自在に支持されている状態において腕部５０が最下方位置から重力成分に逆らって上昇された水平上昇位置にある状態での、リンク機構３０を中心とした駆動ユニット２０内の状態を表している。すなわち、図８は、腕部５０の自重によるアクチュエータ２４に対する重力負荷が最小となる状態を表し、図９は、当該重力負荷が最大となる状態を表している。

また、図１０は、リンク機構３０を構成する各リンク部の状態を把握しやすいように、各リンク部をｚｙ平面に投射した状態で表している。そのため、第１リンク部３１は、接続点３１ｅと第１支持点３３とを結ぶ直線と第１支持点３３と第２支持点３４とを結ぶ直線とが折れ曲がったくの字形状で表されている。なお、具体的には、図１０の左図（ａ）は、図８に示すように腕部５０が最下方位置にある場合のリンク機構３０の状態を表しており、図１０の右図（ｂ）は、図９に示すように腕部５０が水平上昇位置にある場合のリンク機構３０の状態を表している。

ここで、ロボット１０において腕部５０が最下方位置から水平上昇位置まで上昇駆動される場合のリンク機構３０の動作について説明する。ロボット１０において腕部５０が最下方位置にある場合、図８に示すように、アクチュエータ２４の出力軸２４ｂが駆動ユニット２０内で最も上方に位置した状態にある。そのため、図１０（ａ）に示すように、第２支持点３４は、該第２支持点３４が採り得る位置の中で最も下方に位置する状態となる。そのため、この第２支持点３４の位置に影響され、第２リンク部３２がプレート５１を下方に引き込んだ状態となり、以て、図１０（ａ）に示すプレート５１の状態を介した、腕部５０の最下方位置が決定されることになる。

このように図８（ａ）に示す状態から、アクチュエータ２４の駆動により出力軸２４ｂが本体部２４ａに引き込まれていくと（すなわち、ロボット１０において出力軸２４が下方に直動していくと）、図１０（ａ）において、第１リンク部３１は、第１支持点３３を
中心として反時計回りに回転していくことになる。すなわち、出力軸２４ｂの下方への直動により、第１リンク部３１における入力部に相当する接続点３１ｅは下方に移動するとともに、出力部に相当する第２支持点３４は上方に移動する。この結果、第２リンク部３２が、プレート５１を時計方向に押し出すことになり、以て、図１０において腕部５０がプレート５１の回転に伴って時計方向に回転上昇することになり、図１０（ｂ）に示す水平上昇位置に到達することになる。

ここで、この腕部５０の回転上昇の過程において、第１支持点３３と第２支持点３４を結ぶ直線（本発明に係る第１直線に相当する）と、第２支持点３４と第３支持点３５を結ぶ直線（本発明に係る第２直線に相当する）とが為す角度θ（本発明に係るリンク間角度）に着目する。第１支持点３３は、外側基板２１及び内側基板２２と第１リンク部３１との間に形成されるため、第１支持点３３の位置は第１リンク部３１の状態にかかわらず外側基板２１等に対して不変である。そして、図１０（ａ）に示す状態から第１リンク部３１が反時計回りに回転していくと、この第１支持点３３を中心として第２支持点３４が上昇し、当初鋭角であったリンク間角度θは、９０度を超えて鈍角となり、最終的な図１０（ｂ）に示す状態では、１８０度に近い角度となる。すなわち、第一リンク部３１の反時計回りの回転により、リンク間角度θは１８０度に近づくように徐々に開いていき、第３支持点３５が第１支持点３３からより離間するように上昇していく。

この結果、図１０（ｂ）に示すような腕部５０が水平に上昇した状態では、第１支持点３３と第２支持点３４を結ぶ第１直線と、第２支持点３４と第３支持点３５を結ぶ第２直線が、概ね一直線上に、且つ、ｚ軸に沿うように延在することになる。このとき、腕部５０の重力成分による重力負荷は最大となるが、リンク機構３０における３つの支持点３３、３４、３５が、第１支持点３３上に概ね一直線上に並んでいる。そのため、腕部５０から伝わる重力負荷は、外側基板２１等に支持されている第１支持点３３でその多くを支持することができるため、接続点３１ｅを介してアクチュエータ２４側に伝達される負荷を軽減することができる。

また、リンク機構３０において、腕部５０が水平上昇位置の近傍の位置にある場合、腕部５０が最下方位置の近傍の位置にある場合と比べて、アクチュエータ２４の出力軸２４ｂの変位量に対する腕部５０に連結されたプレート５１の回転量の比率が小さくなるように、第１リンク部３１と第２リンク部３２の形状、寸法が決定されている。この結果、アクチュエータ２４に搭載されるサーボモータの変位量に対する、腕部５０の変位量の比率である減速比が、腕部５０が水平上昇位置に近づくほど大きく設定されることになる。そのため、腕部５０が最下方位置の近傍にある場合は、比較的減速比は小さいものの、腕部５０による重力負荷は小さいため、アクチュエータ２４に対する影響度は小さく保てる。一方で、腕部５０による重力負荷が相対的に大きくなる水平上昇位置の近傍においては、減速比をより大きくすることで、腕部５０による重力負荷のアクチュエータ２４への影響度を可及的に軽減でき、以て、アクチュエータ２４の小型化を図ることができる。

また、ロボット１０においては、図７に示すようにバネ１９による付勢力の付与が行われている。この点について、図１１に基づいて説明する。図１１は、腕部５０の回転角度に対する、腕部５０による重力負荷の推移、及びバネ１９の付勢力の推移を、それぞれ線Ｌ１、Ｌ２で表している。なお、図１１の横軸は、腕部５０が最下方位置にある場合（図１０（ａ）に示す状態の場合）を回転角度が０度とし、腕部５０が水平上昇位置にある場合（図１０（ｂ）に示す状態の場合）を回転角度が９０度とするものである。また、バネ１９の付勢力は、図１１に示す回転角度の範囲においては、腕部５０を上昇回転させるトルクを発生させる向きに付与されている。

ここで、線Ｌ１から分かるように、腕部５０が最下方位置から水平上昇位置まで回転上
昇していくと、その重力負荷が次第に上昇していく。このとき、バネ１９の付勢力は、線Ｌ２から分かるように、腕部５０が水平上昇位置に到達する前の領域（概ね回転角度が５０度から７５度となる位置であり、「所定負荷領域」という。）において付勢力が線Ｌ１で示される重力負荷より大きくなるように、その取付位置やバネ定数が決定されている。このようなバネ１９の設計により、腕部５０による重力負荷が比較的大きくなる領域では、バネ１９の付勢力により腕部５０を効果的に支持することができ、アクチュエータ２４に掛かる負荷を軽減することができる。なお、所定負荷領域よりも腕部５０による重力負荷が更に大きくなる領域（腕部５０の回転角度が概ね７５度から９０度となる位置）では、上記の通り、リンク機構３０による減速比が相対的に大きくなるため、図１１に示すようにバネ１９の付勢力が負荷重力と比べて低下しても、アクチュエータ２４に掛かる重力負荷を軽減できる。

また、図１１に示すように、所定負荷領域よりも腕部５０による重力負荷が小さくなる領域（腕部５０の回転角度が概ね０度から５０度となる位置）では、上記の通り、リンク機構３０による減速比は相対的には小さいが、腕部５０による重力負荷自体が相対的に小さいため、図１１に示すようにバネ１９の付勢力が負荷重力と比べて低下しても、アクチュエータ２４に掛かる重力負荷は、アクチュエータ２４の小型化を阻害する程のものではない。

このようにリンク機構３０による減速比との相関を考慮してバネ１９による付勢力を設定することで、腕部５０の回転駆動範囲の全体において、アクチュエータ２４に掛かる重力負荷を軽減でき、アクチュエータ２４の小型化を図ることができる。

ここで、図１０に戻り、リンク機構３０について再び言及する。図１０（ｂ）のように腕部５０が水平上昇位置にある場合、第１支持点３３を基準として第２支持点３４、第３支持点３５がｚ軸に沿って概ね直線状に並ぶことで、上記の通り、腕部５０による重力負荷を第１支持点３３で効率的に支持することができる。このとき、第１リンク部３１は、上記の通り、第３支持点３５側に偏って折れ曲がった形状（くの字形状）に形成されている。そのため、第１リンク部３１の接続点３１ｅが図１０（ａ）に示す状態から図１０（ｂ）に示す状態に変位する場合、第１リンク部３１の折れ曲がった形状により第１支持点３３と第２支持点３４とを結ぶ第１直線と、第２支持点３４と第３支持点３５とを結ぶ第２直線とが、より直線状に近づきやすい。リンク機構３０において、腕部５０が水平上昇位置にある場合に、第１直線と第２直線とがより直線に近い状態となることで、第１支持点３３による重力負荷の支持による効果を享受しやすい。したがって、第１リンク部３１における上記折れ曲がり形状は、この第１支持点３３による重力負荷の支持を考慮して設計すればよい。

また、第１リンク部３１における上記折れ曲がり形状は、第１直線と第２直線が直線状になった状態からの第１リンク部３１の回転駆動のしやすさの観点からも決定するのが好ましい。第１直線と第２直線が直線状になった場合に、仮に、接続点３１ｅと第１支持点３３とを結ぶ直線が、第１直線等の延長上に位置してしまうと、図１０（ｂ）に示す状態から図１０（ａ）に示す状態へと戻すときに、第１リンク部３１にそのためのトルクを付与しにくくなる。そこで、第１リンク部３１の回転駆動のしやすさを考慮して、第１リンク部３１における折れ曲がり形状を決定するのが好ましい。

なお、本実施例では、腕部５０の回転支持のための支持部材２８として、上記のようにクロスローラリングを使用することができる。当該クロスローラリングは、多方面からの荷重を支持することが可能な支持部材である。そのため、腕部５０に関する負荷の支持については当該クロスローラが好適に作用し、その分、腕部５０のピッチ回転を司るアクチュエータ２４に求められる剛性を小さくでき、この点からもアクチュエータ２４の小型化
を図ることができる。

＜変形例＞
上記の実施例では、腕部５０に対して上昇回転方向の付勢力を付与するために、バネ１９が、背面胸骨部１４ｄとプレート５１との間に設けられているが、この態様に代えて、リンク機構３０を構成する第１リンク部３１又は第２リンク部３２とロボット１０の上半身骨格構造との間にバネ１９を配置してもよい。ただし、両リンク部は図１０に示すように、腕部５０の回転駆動範囲において大きく状態が変化する場合もあるため、バネ１９を接続する際には両リンク部と干渉しない位置に接続する必要がある。

１０・・・ロボット、１４・・・背骨部、１４ａ・・・前方鎖骨部、１４ｂ・・・背面鎖骨部、１４ｃ・・・前方胸骨部、１４ｄ・・・背面胸骨部、１５・・・腰骨部、１９・・・バネ、２０・・・駆動ユニット、２１・・・外側基板、２２・・・内側基板、２４、２５・・・アクチュエータ、２８・・・支持部材、３０・・・リンク機構、３１・・・第１リンク部、３１ａ・・・壁部、３１ｂ・・・ブリッジ、３１ｃ・・・基部、３１ｄ・・・尾部、３１ｅ・・・接続点、３２・・・第２リンク部、３３・・・第１支持点、３４・・・第２支持点、３５・・・第３支持点、５０・・・腕部、５１・・・プレート

Claims (8)

1. ロボットの一部であってロボットの本体側のベース部材に取り付けられ該取付位置から所定の延在方向に延在する回転部材を、直動の出力軸を有する直動アクチュエータにより重力成分を含む所定方向に回転駆動する回転駆動機構であって、
   第１リンク本体を有し第１支持部を介して回転自在となるように前記ベース部材に取り付けられる第１リンク部であって、該第１支持部を基準としたときに該第１リンク本体における一方の側において前記直動アクチュエータの出力が入力される入力部と、該第１リンク本体において該第１支持部を挟んで該入力部と反対側に位置する出力部と、を有する第１リンク部と、
   第２リンク本体を有し第２支持部を介して回転自在となるように前記第１リンク部の前記出力部に取り付けられ、且つ、第３支持部を介して回転自在となるように前記回転部材に又は該回転部材に連結された連結部材に取り付けられる第２リンク部と、
   を備え、
   前記回転部材の前記所定方向における回転移動範囲において該回転部材が最も水平状態に近くなり前記直動アクチュエータに対する前記回転部材の重力負荷が最大となる水平上昇位置にある場合は、該回転移動範囲において該回転部材が前記ベース部材との取付位置から最も下方向に延在する状態に近くなり前記直動アクチュエータに対する該回転部材の重力負荷が最小となる最下方位置にある場合と比べて、前記第１支持部の支持点と前記第２支持部の支持点とを結ぶ第１直線と、前記第２支持部の支持点と前記第３支持部の支持点とを結ぶ第２直線とが為すリンク間角度がより開き、且つ、該第３支持部の支持点が該第１支持部材の支持点より上方向により離間するように、前記第１リンク部と前記第２リンク部は形成される、
   ロボットにおける回転駆動機構。
2. 前記第１リンク部は、前記直動アクチュエータにより前記入力部が下方向に移動されると、前記第１リンク本体の前記第１支持部を介して回転により、前記出力部が上方向に移動するように形成され、
   前記第１リンク部において、前記第２支持部の支持点は、前記入力部と前記第１支持部の支持点とを通る直線上に配置されず、該直線より前記第３支持部側に配置される、
   請求項１に記載のロボットにおける回転駆動機構。
3. 前記回転部材が前記水平上昇位置にあるときに、前記リンク間角度が１８０度、又は１８０度近傍の角度となる、
   請求項２に記載のロボットにおける回転駆動機構。
4. 前記回転部材が、前記水平上昇位置を含む所定の上方位置に位置する場合、前記最下方位置を含む所定の下方位置に位置する場合と比べて、前記直動アクチュエータの出力量に対する該回転部材の回転量の比率が小さくなるように、前記第１リンク部及び前記第２リンク部が形成される、
   請求項１から請求項３の何れか１項に記載のロボットにおける回転駆動機構。
5. 前記ロボットの本体側と前記回転部材側との間に設けられ、前記所定の方向において該回転部材を上方に回転させる付勢力を付与するバネ部材を、更に備える、
   請求項１から請求項４の何れか１項に記載のロボットにおける回転駆動機構。
6. 前記回転部材は、前記ロボットの腕部であり、
   前記所定方向は、前記ロボットのピッチ方向である、
   請求項１から請求項５の何れか１項に記載のロボットにおける回転駆動機構。
7. ロボットの一部であってロボットの本体側のベース部材に取り付けられた回転部材を、直動の出力軸を有する直動アクチュエータにより重力成分を含む所定方向に回転駆動する回転駆動機構であって、
   第１リンク本体を有し第１支持部を介して回転自在となるように前記ベース部材に取り付けられる第１リンク部であって、該第１支持部を基準としたときに該第１リンク本体における一方の側において前記直動アクチュエータの出力が入力される入力部と、該第１リンク本体において該第１支持部を挟んで該入力部と反対側に位置する出力部と、を有する第１リンク部と、
   第２リンク本体を有し第２支持部を介して回転自在となるように前記第１リンク部の前記出力部に取り付けられ、且つ、第３支持部を介して回転自在となるように前記回転部材に又は該回転部材に連結された連結部材に取り付けられる第２リンク部と、
   を備え、
   前記回転部材の前記所定方向における回転移動範囲において該回転部材が最も水平状態に近くなる水平上昇位置にある場合は、該回転移動範囲において該回転部材が前記ベース部材との取付位置から最も下方向に延在する状態に近くなる最下方位置にある場合と比べて、前記第１支持部の支持点と前記第２支持部の支持点とを結ぶ第１直線と、前記第２支持部の支持点と前記第３支持部の支持点とを結ぶ第２直線とが為すリンク間角度がより開き、且つ、該第３支持部の支持点が該第１支持部材の支持点より上方向により離間するように、前記第１リンク部と前記第２リンク部は形成され、
   前記第１リンク部は、前記直動アクチュエータにより前記入力部が下方向に移動されると、前記第１リンク本体の前記第１支持部を介して回転により、前記出力部が上方向に移動するように形成され、
   前記第１リンク部において、前記第２支持部の支持点は、前記入力部と前記第１支持部の支持点とを通る直線上に配置されず、該直線より前記第３支持部側に配置される、
   ロボットにおける回転駆動機構。
8. 前記回転部材が前記水平上昇位置にあるときに、前記リンク間角度が１８０度、又は１８０度近傍の角度となる、
   請求項７に記載のロボットにおける回転駆動機構。

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