JP6723366B2 - フレキシブルアクチュエータ、ロボット関節、ロボット及び外骨格ロボット - Google Patents

Description

本発明は、フレキシブルアクチュエータ、ロボット関節、ロボット及び外骨格ロボットに関する。

ロボットは、作業を自動的に行う機械装置である。ロボットは、人工知能の発展に伴い、大きく進歩し、その機能も充実してきた。ロボットは、人の作業に協力したり、人に代わることができるようになることで、生活品質及び生産性がより高められるとともに、人の作業の危険を回避することができるので、様々な領域に適用されるようになってきた。科学技術の発展に伴い、様々なロボットが人体のリハビリに適用されるようになり、例えば、外骨格ロボットが既に下半身障碍者のリハビリに広く適用されている。また、外骨格ロボットアームも、積極的に開発されている。

ロボットは、一般的に実行機構、アクチュエータ、検出装置、制御システム及び複雑な機械装置によって構成されている。ここで、アクチュエータは、ロボットを動作させる駆動機構であり、ロボットにとって必要不可欠なものである。

従来の外骨格ロボットの多くは、リジットアクチュエータを用いているが、リジットアクチュエータは、人とロボットとの間の交互力を制御することが困難であり、使用経過中において、バランスが崩れるリスクがあり、これによって、人体にダメージを与えてしまうおそれがある。そこで、数少ない外骨格ロボットは、フレキシブルアクチュエータを用いているが、現状のフレキシブルアクチュエータは、送りねじ又は伝達ギアなどの構造を用いており、その構造が限られるため、構造の寸法及び局部の体積が大きく、全体重量が増加し、これによって、ロボット全体の寸法及び重量が大きく、使用し難く、ロボットの適用には、大きな制限がかかる。さらに、その構造の寸法が大きく、これによって、伝達効率が低下し、伝達信頼性が低い。

そこで、本発明は、先行技術のような不具合に鑑みてなされたものであり、小型の構造及び信頼性の高い伝達性によって外部実行機構へのフレキシブル駆動が図られるフレキシブルアクチュエータ、ロボット関節、ロボット及び外骨格ロボットを提供することを目的とする。

上記のような目的を実現するため、本発明に係るフレキシブルアクチュエータは、駆動機構、伝達機構及び出力機構を含み、前記伝達機構は、ロープ伝達関係を形成する主動回転部材、従動回転部材及びロープを含み、前記ロープが、前記主動回転部材及び前記従動回転部材の回転表面に巻き付けられ、前記主動回転部材の回転中心軸が、前記従動回転部材の回転中心軸と直交し、前記駆動機構の出力端は、前記主動回転部材の回動を駆動するように前記主動回転部材と接続され、前記出力機構は、フレキシブル駆動部材と、外部実行部材と接続するための出力部材とを含み、前記従動回転部材が、前記フレキシブル駆動部材によって前記出力部材の回動を駆動するものである。

任意選択により、前記出力部材は、前記従動回転部材の取付軸に取り付けられ、前記従動回転部材には、第１収容空間が形成され、前記出力部材には、前記第１収容空間に対応する第２収容空間が形成され、前記フレキシブル駆動部材は、前記従動回転部材の回動を前記フレキシブル駆動部材によって前記出力部材に伝達させるように、前記第１収容空間及び前記第２収容空間内に収容されてもよい。

任意選択により、前記第１収容空間は、前記従動回転部材の円周方向に沿って延在する円弧状溝に形成され、前記第２収容空間の形状は、前記第１収容空間の形状とほぼ対応付けられ、前記フレキシブル駆動部材は、ばねであり、その両端が、それぞれ、前記第１収容空間及び前記第２収容空間の両端面と当接してもよい。

任意選択により、前記第２収容空間の両端面のいずれにも、内側へ延在する位置決め部が設けられ、前記ばねの両端は、それぞれ、前記位置決め部に設けられてもよい。

任意選択により、前記伝達機構は、前記従動回転部材に固定され前記ばねをカバーするばねカバーを更に含み、前記出力部材は、前記取付軸の軸方向に沿って、前記従動回転部材と前記ばねカバーとの間に位置付けられてもよい。

任意選択により、前記ばねは、２つであり、前記第１収容空間及び前記第２収容空間は、それぞれ、対称に設けられる２つを含んでもよい。

任意選択により、前記主動回転部材は、回転軸を有するロールであり、前記駆動機構の出力端は、前記ロールの回動を駆動するように前記回転軸と接続され、前記従動回転部材は、回転プーリであり、前記ロープは、前記ロールの回転表面に巻き付けられ、前記回転プーリを巻き付けるように延在してもよい。

任意選択により、前記伝達機構は、前記ロープにテンションを掛けるためのテンションプーリを更に含んでもよい。

任意選択により、前記テンションプーリの回転中心軸は、前記回転プーリの回転中心軸と平行になってもよい。

任意選択により、前記駆動機構の出力端又は前記伝達機構の入力端の角変位及び角速度を測定するための第１センサと、前記出力部材の角変位及び角速度を測定するための第２センサとを更に含んでもよい。

任意選択により、交互に噛み合う、前記駆動機構の出力端又は前記駆動機構の入力端に取り付けられる第１ギア及び前記第１センサと接続される第２ギアを含むギア伝達群を更に含んでもよい。

任意選択により、ベルト伝達を形成する、前記出力部材と接続され同期して回動される主動ベルトプーリと、前記第２センサと接続される従動ベルトプーリと、伝達ベルトとを含むベルト伝達群を更に含んでもよい。

任意選択により、前記第１センサ及び前記第２センサは、エンコーダであってもよい。

任意選択により、モータと、その出力軸が連結器を介して前記主動回転部材と接続される減速器とを含んでもよい。

本発明に係るロボット関節は、第１関節部材、第２関節部材及び上記（１）から（１４）のいずれか１つに記載のフレキシブルアクチュエータを含み、前記フレキシブルアクチュエータは、前記第１関節部材に取り付けられ、その出力端が前記第２関節部材と接続されるものである。

任意選択により、前記第１関節部材は、大腿部材であり、前記第２関節部材は、腰部支持部材であり、又は、前記第１関節部材は、大腿部材であり、前記第２関節部材は、下腿部材であり、又は、前記第１関節部材は、下腿部材であり、前記第２関節部材は、脚部材であり、又は、前記第１関節部材は、肩部材であり、前記第２関節部材は、上腕部材であり、又は、前記第１関節部材は、上腕部材であり、前記第２関節部材は、前腕部材であり、又は、前記第１関節部材は、前腕部材であり、前記第２関節部材は、手部材であってもよい。

本発明に係るロボットは、上記（１５）又は（１６）に記載のロボット関節を含むものである。

本発明に係る外骨格ロボットは、人体の腰部を支持するための腰部支持部材と、人体の腿部を支持するための腿部外骨格部材を含み、前記腿部外骨格部材は、人体の腿部構造を構築するように、順に設けられる接続部材、大腿部材、下腿部材及び脚部材を含み、前記接続部材は、取り外し可能に前記腰部支持部材に接続され、前記接続部材は、前記腿部外骨格部材の股関節を構築するように、前記大腿部材と回動可能に接続され、前記大腿部材は、前記腿部外骨格部材の膝関節を構築するように、前記下腿部材と回動可能に接続され、前記下腿部材は、前記腿部外骨格部材の足首関節を構築するように、前記脚部材と回動可能に接続され、前記股関節、前記膝関節及び前記足首関節のうちの少なくとも１つは、上記（１５）又は（１６）に記載のロボット関節であるものである。

任意選択により、前記腰部支持部材は、背板と、前記背板の両端に設けられ前側へ延在する側板とを含み、２つの前記側板は、互いに接近又は離間可能になるように、取り外し可能に前記背板に接続され、及び／又は、前記接続部材は、前記背板に接近又は離間可能になるように、取り外し可能に前記側板に接続され、及び／又は、前記大腿部材は、前記接続部材に接近又は離間可能になるように、取り外し可能に前記接続部材に接続され、及び／又は、前記下腿部材は、前記大腿部材に接近又は離間可能になるように、取り外し可能に前記大腿部材に接続され、及び／又は、前記脚部材は、前記下腿部材に接近又は離間可能になるように、取り外し可能に前記下腿部材に接続されてもよい。

本発明によれば、伝達機構の主動回転部材及び従動回転部材は、ロープ伝達関係を形成するとともに、主動回転部材及び従動回転部材の回転中心軸が直交することで、伝達機構の伝達距離を短くしつつ構造を小型化し、これによって、伝達機構の空間寸法を有効に減少し、伝達信頼性及び伝達効率を高めることができる。さらに、フレキシブル駆動部材によって外部実行機構へのフレキシブル駆動が図られる。
本発明の他の特徴及びメリットについては、後述する実施形態を用いて詳細に説明する。

図面は、本発明を理解しやすいように添付しており、明細書の一部を構成し、下記の実施形態と共に本発明を解釈できるものの、本発明を限定するものではない。
本発明の実施例に係るフレキシブルアクチュエータの全体構造の斜視図である。 本発明の実施例に係るフレキシブルアクチュエータの一部構造の斜視図である。 本発明の実施例に係るフレキシブルアクチュエータの他の一部構造の斜視図である。 本発明の実施例に係るフレキシブルアクチュエータのその他の一部構造の斜視図である。 本発明の実施例に係るロボット関節の概略図である。 本発明の実施例に係るロボット関節の斜視図である。 本発明の第１実施例に係る外骨格ロボットの斜視図である。 図７の外骨格ロボットの左側面図である。 本発明の第２実施例に係る外骨格ロボットの斜視図である。 本発明の第３実施例に係る外骨格ロボットの斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。ここで、実施形態は、本発明を説明及び解釈するためのものに過ぎ、本発明を限定するものではない。

図１から図４を参照すると、本発明の実施例に係るフレキシブルアクチュエータ１００は、駆動機構１０、伝達機構２０及び出力機構３０を含み、伝達機構２０は、ロープ伝達関係を形成する主動回転部材２１、従動回転部材２２及びロープ２３を含み、ロープ２３が、主動回転部材２１及び従動回転部材２２の回転表面に巻き付けられ、主動回転部材２１の回転中心軸が、従動回転部材２２の回転中心軸と直交し、駆動機構１０の出力端は、主動回転部材２１の回動を駆動させるように主動回転部材２１と接続され、出力機構３０は、フレキシブル駆動部材３１と、外部実行部材と接続するための出力部材３２とを含み、従動回転部材２２が、フレキシブル駆動部材３１によって出力部材３２の回動を駆動するものである。

具体的には、伝達機構２０の主動回転部材２１及び従動回転部材２２は、ロープ伝達関係を形成し、ロープ２３は、十分柔軟なものであり、テンションのみを受けている。ロープ２３がテンション状態に保持されると、ロープ２３には自身に沿う引っ張り力のみが発生する。駆動機構１０は、主動回転部材２１が回動するように主動回転部材２１を駆動すると、ロープ２３に引っ張り力を加えることで、ロープ２３が従動回転部材２２に引っ張り力を加え、従動回転部材２２が回動する。

特に、主動回転部材２１及び従動回転部材２２の回転中心軸が直交することで、伝達機構２０の伝達距離を短くしつつ空間構造を小型化し、これによって、伝達機構２０の空間寸法を有効に減少し、伝達信頼性及び伝達効率を高めることができ、伝達路の冗長化による寸法の大型化及び伝達信頼性などの問題を回避することができる。また、ロープ２３は、常にテンション状態を保持しているため、伝達プロセスの信頼性及び合わせ精度を有効に保証することができる。

出力機構３０の入力端は、フレキシブル駆動部材３１を介して、伝達機構２０の出力端と接続されており、従動回転部材２２が、フレキシブル駆動部材３１によって、出力部材３２の回動を駆動する。出力部材３２の出力端には、フレキシブルアクチュエータ１００の外部への運動及び動力伝達を図るように、外部実行部材と接続するための接続部が設けられている。フレキシブル駆動部材３１によって、外部実行機構（例えば、第１関節部材又は第２関節部材）へのフレキシブル駆動が図られ、従動回転部材２２が回動すると、フレキシブル駆動部材３１によって駆動力をフレキシブルに出力部材３２に伝達することで、出力部材３２を回動させ、フレキシブル回動の需要が満たされることになり、外部実行機構の作用を人体の通常の動作により近づけることができ、良好な効果を奏し得る。

任意選択により、伝達機構２０は、他の相応しい伝達方式であってもよく、例えば、ベベルギアの伝達を挙げることができる。この場合、伝達機構２０は、互いに噛み合う第１ベベルギア及び第２ベベルギアを含み、両者の回転中心軸が直交し、駆動機構１０は、第１ベベルギアの回動を駆動することで、第１ベベルギア及び第２ベベルギアが回動し、第２ベベルギアがフレキシブル駆動部材３１によって出力部材３２の回動を駆動する。

図２及び図３に示すように、出力機構３０の好適形態としては、具体的に、出力部材３２が従動回転部材２２の取付軸２４に取り付けられており、取付軸２４が従動回転部材２２及び出力部材３２の回転中心を通し、従動回転部材２２及び出力部材３２が、取付軸２４上において回動されつつ、取付軸２４の軸方向に沿って互いに接近するものの、接触しない。従動回転部材２２に第１収容空間２５が形成されるとともに、出力部材３２に第１収容空間２５に対応する第２収容空間３３が形成されており、フレキシブル駆動部材３１は、従動回転部材２２の回転をフレキシブル駆動部材３１を介して出力部材３２に伝達することが可能なように、第１収容空間２５及び第２収容空間３３内に収容されている。従動回転部材２２が回動することで、フレキシブル駆動部材３１を動作させ、フレキシブル駆動部材３１が駆動力を出力部材３２に伝達し、出力部材３２の回動が図られる。

図３に示すように、より具体的には、フレキシブル駆動部材３１の好適形態としては、第１収容空間２５が、従動回転部材２２の円周方向に沿って延在する円弧状溝に形成されており、円弧状溝の両端面が径方向に沿って延在し、第２収容空間３３の形状が第１収容空間２５の形状とほぼ対応付けられ、円弧状溝の形状をなし、第１収容空間２５及び第２収容空間３３が取付軸２４の軸方向に沿って互いに接近するものの、接触しない。フレキシブル駆動部材３１は、ばねであり、ばねは、円弧状ばね、皿ばね、ねじりばね、直線ばねのうちのいずれか一種であり、円弧状ばねであることが好ましく、円弧状ばねが従動回転部材２２、出力部材３２と同軸関係であり、ばねは、その中心面によって分割された一部が第１収容空間２５内に収容されるとともに、その他の部分が第２収容空間３３内に収容されている。ばねの両端は、それぞれ、第１収納空間２５及び第２収容空間３３の両端面と当接し、すなわち、円弧状溝の両端面と当接している。

任意選択により、フレキシブル駆動部材３１は、弾性材料によって形成されてもよく、例えば、ゴム又はシリカゲルなどである。

図２及び図３を参照すると、従動回転部材２２の時計回りへの回動を例として、従動回転部材２２と出力部材３２との間の伝達過程を説明する。従動回転部材２２が時計回りに回動すると、ばねの左端が第１収容空間２５の左端面からの圧力を受けることで、ばねが圧縮変形し、ばねの右端が第１収容空間２５及び第２収容空間３３の右端面と当接し、第２収容空間３３の右端面に弾性圧力を加えることで、出力部材３２を回動させる。従動回転部材２２が反時計回りに回動するときの伝達過程は、時計回りへの回動と類似しているので、その説明を省略する。

この構造では、従動回転部材２２及び出力部材３２は、取付軸２４の軸方向に沿って互いに接近して設けられ、フレキシブル駆動部材３１によって出力部材３２を駆動することで、両者の間に構造の大きな伝達機構を設けることなく、フレキシブルアクチュエータ１００の空間寸法を更に小さくし、小型化が図られ、設置空間を減少させることができ、その適用範囲が広く、小取付空間の装置に適している。

図３に示すように、ばねを第１収容空間２５及び第２収容空間３３内に収容するために、第２収容空間３３の両端面のいずれにも、それぞれ、内側へ延在する位置決め部３４が設けられており、ばねの両端が、それぞれ、位置決め部３４に設けられることで、ばねの配設位置を規制し、ばねの位置ずれを防止することができる。

図２に示すように、ばねを保護及び位置決めするために、伝達機構２０は、従動回転部材２２に固定さればねをカバーするばねカバー２６を更に含み、出力部材３２は、取付軸２４の軸方向に沿って、従動回転部材２２とばねカバー２６との間に位置付けられている。ばねカバー２６は、従動回転部材２２に伴い回動し、ばねを第１収容空間２５及び第２収容空間３３内に密封することで、ばねが圧縮力を受けてから第１収容空間２５及び第２収容空間３３から飛び出すことを防止するとともに、ばねに保護作用をもたらす。

また、ばねカバー２６の内側面には、第２収容空間３３と対応する第３収容空間が形成されてもよく、この第３収容空間の形状、大きさは、第１収容空間２５と同じであってもよく、第１収容空間２５、第２収容空間３３及び第３収容空間が共にばねの収容空間を形成しており、ばねの両端も、それぞれ第３収容空間の両端面と当接し、ばねの径方向に沿う一部が第１収容空間２５内に収容され、その中間部分が第２収容空間３３内に収容され、その他の部分が第３収容空間内に収容されることになる。

図３を参照すると、本実施例では、ばねは、２つであり、第１収容空間２５及び第２収容空間３３は、それぞれ、対称に設けられる２つを含んでいる。従動回転部材２２には互いに隣接する２つの第１収容空間２５が設けられるとともに、出力部材３２には２つの第１収容空間２５と対応する２つの第２収容空間３３が設けられている。第１収容空間２５及び第２収容空間３３の構造は、左右対称に設けられるものであるため、従動回転部材２２及び出力部材３２が回動すると、異なる方向（反時計回り又は時計回り）へ回動する駆動力又は制動力を同じくすることができる。具体的には、第１収容空間２５、第２収容空間３３及びばねの数が左右対称の２つに設けられている。

図１から図３を参照すると、伝達機構２０の好適実施例として、主動回転部材２１は、回転軸２７を有するロールであり、駆動機構１０の出力端は、ロールの回動を駆動するように、回転軸２７と接続されている。従動回転軸２２は、回転プーリであり、ロープ２３は、ロールの回転表面に複層巻き付けられており、その両端が回転プーリを巻き付けるように外側へ延在している。回転軸２７は、駆動機構１０の駆動によって回動し、ロールを回動させることで、ロープ２３をロールの一方側から放出するとともにロールの他方側から回収することによって、ロープ２３が、回転プーリを回動させるように動いている。ここで、回転軸２７（ロールの回転中心軸）は、鉛直に設けられるとともに、回転プーリの回転中心軸は、水平に設けられることで、ロール及び回転プーリが、できるだけ接近するように設けられるので、空間配置がより小型化となる。

図２及び図３に示すように、ロープ伝達の信頼性を保証するために、伝達機構２０は、ロープ２３にテンションを掛けるテンションプーリ２８を更に含んでいる。テンションプーリ２８は、２つであってもよく、それぞれロールの両側に設けられることで、ロープ２３を常にテンション状態に保持することができ、ロープ２３の緩みや脱落による伝達信頼への影響を回避し、伝達プロセスの信頼性及び合わせ精度を有効に保証することができる。また、２つのテンションプーリ２８は、それぞれ、ロープ２３の出力端及び入力端に設けられることで、ロープ２３の延在する方向を変えるので、ロープ２３をロールの設置方向及び位置に適させることができる。

さらに、テンションプーリ２８の外表面には、軸受けが設けられており、ロープ２３は、テンションプーリ２８の外表面の軸受けに巻き付けられ、テンションプーリ２８が、ロープ２３の駆動によって回動し、テンションプーリ２８の回転中心軸が、回転プーリの回転中心軸と平行になることで、テンションプーリ２８がより配置しやすくなっている。軸受けは、ロープ２３とテンションプーリ２８との間の摩耗を低減することで、ロープ２３及びテンションプーリ２８の使用寿命を延ばすことができる。また、軸受けは、自動的に伝達プロセスにおける合わせ誤差を調整することができ、これによって、ロープ伝達の伝達精度及び信頼性を高めることができる。

図１に示すように、フレキシブルアクチュエータ１００が出力するトルクの大きさを測定するために、フレキシブルアクチュエータ１００は、第１センサ４０及び第２センサ５０を更に含み、駆動機構１０の出力端又は伝達機構２０の入力端の角変位及び角速度は、一致性及び同期性を有するため、第１センサ４０は、駆動機構１０の出力端（本発明の図１に示すものがこの形態である）又は伝達機構２０の入力端の角変位及び角速度を測定するためのものであり、第２センサ５０は、出力部材３２の角変位及び角速度を測定するためのものである。第１センサ４０及び第２センサ５０の好適実施例として、両者のいずれも、エンコーダである。フレキシブルアクチュエータ１００の各部材の間の伝達比は、一定であるため、第１センサ４０及び第２センサ５０の測定によって、出力部材３２が出力するトルクの大きさを算出することができ、この算出結果をフレキシブルアクチュエータ１００の制御システムへフィードバックすることで、制御システムが、出力機構３０の出力トルクの大きさを調整するように、駆動機構１０の出力回転トルクを制御することができ、フレキシブルアクチュエータ１００への高精度制御を図ることができる。

任意選択により、第１センサ４０及び第２センサ５０のいずれか一方を省略してもよい。

図１に示すように、駆動機構１０の出力端又は伝達機構２０の入力端の角変位及び角速度を測定しやすくするために、フレキシブルアクチュエータ１００は、互いに噛み合う第１ギア６１及び第２ギア６２を含むギア伝達群６０を更に含み、第１ギア６１が、同期して回動可能に駆動機構１０の出力端（本発明の図１に示すものがこの形態である）又は伝達機構２０の入力端に取り付けられるとともに、第２ギア６２が第１センサ４０の入力端と接続されている。駆動機構１０の出力端が、伝達機構２０の入力端と接続されており、直接に第１センサ４０に接続し難くなるので、設けられるギア伝達群６０は、駆動機構１０の出力端又は伝達機構２０の入力端の角速度及び角変位を第１センサ４０に伝達することで、第１センサ４０が精度よく測定することができる。

ここで、第１ギア６１が小ギアであるとともに第２ギア６２が大ギアであることで、駆動機構１０の出力端又は伝達機構２０の入力端の角速度及び角変位をより精度よく測定することができる。また、ギア伝達群６０の伝達によって、第１センサ４０を適切な位置に設けることができ、例えば、駆動機構１０の一方側に設けることができ、空間配置のより小型化を図ることができ、全体の寸法をより小さくすることができる。

図１及び図４に示すように、出力部材３２の角変位及び角速度を測定しやすくするために、フレキシブルアクチュエータ１００は、ベルト伝達を形成する主動ベルトプーリ７１、従動ベルトプーリ７２及び伝達ベルト７３を含むベルト伝達群７０を更に含み、主動ベルトプーリ７１が、同期して回動可能に出力部材３２と接続されており、従動ベルトプーリ７２が第２センサ５０と接続され、伝達ベルト７３が主動ベルトプーリ７１及び従動ベルトプーリ７２の回転表面に巻き付けられている。出力部材３２は、回動可能に取付軸２４に取り付けられており、直接に第２センサ５０と接続し難いので、設けられるベルト伝達群７０は、出力部材３２の角速度及び角変位を第２センサ５０に伝達することで、第２センサ５０が精度よく測定することできる。

ここで、主動ベルトプーリ７１が大ベルトプーリであり、従動ベルトプーリ７２が小ベルトプーリであることで、出力部材３２の角速度及び角変位をより精度よく測定することができる。また、ベルト伝達群７０を設けることによって、第２センサ５０を適切な位置に設けることができ、例えば、部材間の隙間を十分に利用するように、ロールと回転プーリとの間に設けることができ、空間配置のより小型化を図ることができ、全体の寸法をより小さくすることができる。

図１及び図２を参照すると、駆動機構１０は、適切な動力機器を用いてもよく、具体的には、モータ１１及び減速器１２を含み、減速機１２の出力軸が連結器１３を介して主動回転部材２１と接続され、すなわち、ロールの回転軸２７と接続されることで、ロールの回動を駆動するとともにロープ２３を巻き付ける。モータ１１及び減速器１２は、ロールの回動を駆動又は制動することで、ロールに動力を与える。モータ１１及び減速器１２は、制御システムに電気的に接続されてもよく、モータ１１及び減速器１２の駆動、制動及び出力回転トルクを制御することができる。減速器１２は、モータ１１の出力回転速度を低減するとともに、モータ１１の出力回転トルクを増加することができ、これによって、フレキシブルアクチュエータ１００が低回転速度及び高回転トルクである場合であっても良好な適用効果を奏し得る。

任意選択により、フレキシブルアクチュエータ１００は、第３センサ（図示せず）を更に含んでもよく、第３センサは、モータ１１の出力軸と接続されるように、モータの出力端に設けられることで、モータ１１の出力端の角速度及び角変位を測定することができる。

図５及び図６に示すように、本発明の実施例に係るロボット関節は、第１関節部材、第２関節部材及びフレキシブルアクチュエータ１００を含み、フレキシブルアクチュエータ１００が第１関節部材に取り付けられるとともに、フレキシブルアクチュエータ１００の出力端が第２関節部材と接続されており、フレキシブルアクチュエータ１００は、上述したものであるので、第２関節部材を第１関節部材に対し動作できるようにフレキシブル駆動することができる。通常、フレキシブルアクチュエータ１００は、全体が取付フレームによって第１関節部材に取り付けられ、フレキシブルアクチュエータ１００の出力部材３２の接続部を介して第２関節部材に接続されている。フレキシブルアクチュエータ１００の構造が小型であるので、ロボット関節の構造寸法を小さくすることができ、配置空間を減少することができる。また、アクチュエータ１００の伝達路が短く、伝達の信頼性及び効率が高いので、第１関節部材と第２関節部材との間の伝達誤差が小さく、第２関節部材へのフレキシブル駆動を図ることができ、ロボット関節の柔軟性及び正確性を高めることができ、人体の動作により近づけることができ、良好な効果を奏し得る。

具体的には、図７に示すように、ロボット関節の具体例として、第１関節部材は、大腿部材３００であり、第２関節部材は、腰部支持部材２００であり、当該ロボット関節は、股関節を構成し、又は、第１関節部材は、大腿部材３００であり、第２関節部材は、下腿部材４００であり、当該ロボット関節は、膝関節を構成し、又は、第１関節部材は、下腿部材４００であり、第２関節部材は、脚部材５００であり、当該ロボット関節は、足首関節を構成し、又は、第１関節部材は、肩部材であり、第２関節部材は、上腕部材であり、当該ロボット関節は、肩関節を構成し、又は、第１関節部材は、上腕部材であり、第２関節部材は、前腕部材であり、当該ロボット関節は、肘関節を構成し、又は、第１関節部材は、前腕部材であり、第２関節部材は、手部材であり、当該ロボット関節は、手首関節を構成している。

本発明の実施例に係るロボットは、上述したロボット関節を含んでいる。具体的には、当該ロボットは、外骨格ロボットであり、人体骨格構造及び関節構造を含み、関節構造の箇所は、本発明によってフレキシブル駆動を図ることで、関節構造によって連結される骨格構造がフレキシブルに回動することを制御することができる。

図７から図１０を参照すると、当該外骨格ロボットは、腰部支持部材２００、腿部外骨格部材及び制御システム（図示せず）を含み、腰部支持部材２００は、人体の腰部を支持するためのものであり、腿部外骨格部材は、人体の腿部を支持するためのものであり、腰部支持部材２００及び腿部外骨格部材は、共に患者の身体（特に下半身）を支持し、制御システムは、外骨格ロボットの動作を自動に制御することができる。

具体的には、腿部外骨格部材は、人体の腿部構造を構築するように、順に設けられる接続部材６００、大腿部材３００、下腿部材４００及び脚部材５００を含み、接続部材６００は、取り外し可能に腰部支持部材２００に接続されるとともに、腿部外骨格部材の股関節を構築するように、大腿部材３００と回動可能に接続され、大腿部材３００は、腿部外骨格部材の膝関節を構築するように、下腿４００と回動可能に接続され、下腿部材４００は、腿部外骨格部材の足首関節を構築するように、脚部材５００と回動可能に接続され、股関節、膝関節及び足首関節のうちの少なくとも１つは、上述したロボット関節であることで、関節構造のフレキシブル動作を図り、外骨格ロボットの動作を柔軟及び正確にさせ、人体の動作により近づけることができ、良好な効果を奏し得て、下半身障害の病気をリハビリすることで、できるだけ正常の運動に戻すことに手助けすることができる。

図７に示すように、本発明の第１実施例に係る外骨格ロボットにおける腿部外骨格部材は、その数が２つであり、左右対称に設けられている。図９に示すように、異なる需要に応じて、例えば、片足病気を本発明の第２実施例として、１つの腿部外骨格部材を省略してもよく、１つの腿部外骨格部材だけを保留している。

図７から図１０に示すように、腰部支持部材２００は、背板２１０と、背板２１０の両端に設けられ前側へ延在する側板２２０とを含み、２つの側板２２０は、互いに接近又は離間可能であって、取り外し可能に背板２１０に接続されることで、人体の腰部の寸法に適することができる。具体的には、背板２１０の両端には、その長手方向に沿って配列される複数の接続位置が設けられており、側板２２０には、摺動溝が対応して設けられており、固定部材が摺動溝及び複数の接続位置のうちの１つを通すことで、側板２２０を背板２１０の異なる位置に固定することができ、２つの側板２２０間の距離を変えることができる。

図７から図１０に示すように、接続部材６００は、背板２１０に接近又は離間可能であって、取り外し可能に側板２２０に接続されることで、大腿の寸法に適することができる。具体的には、側板２２０には、水平に延在する摺動溝が設けられており、接続部材６００には、その長手方向に沿って配列される複数の接続位置が対応して設けられており、固定部材が摺動溝及び複数の接続位置のうちの１つを通すことで、側板２２０を接続部材６００の異なる位置に固定することができ、側板２２０と背板２１０との間の距離及び側板２２０と大腿部材３００との間の距離を変えることができる。

図７から図１０に示すように、大腿部材３００は、接続部材６００に接近又は離間可能であって、取り外し可能に接続部材６００に接続されることで、大腿の寸法に適することができる。具体的には、大腿部材３００には、その長手方向に沿って配列される複数の接続位置が設けられており、固定部材が接続部材６００の孔及び複数の接続位置のうちの１つを通すことで、接続部材６００を大腿部材３００の異なる位置に固定することができ、大腿部材３００と側板２２０との間の距離を変えることができる。また、図７に示すように、大腿部材３００は、互いに取り外し可能に接続される２つの支持板によって構成され、両者の接続端のいずれにも、その長手方向に沿って配列される多数の接続位置が設けられており、両者間の接続位置も変えることができ、大腿部材３００の長さを調節することができ、大腿の長さに適することができる。ここで、大腿部材３００は、１つの支持板のみによって構成されてもよい。

図７から図１０に示すように、下腿部材４００は、大腿部材３００に接近又は離間可能であって、取り外し可能に大腿部材３００に接続されることで、下腿の寸法に適することができる。具体的には、下腿部材４００には、その長手方向に沿って配列される複数の接続位置が設けられており、固定部材が大腿部材３００の孔及び複数の接続位置のうちの１つを通すことで、大腿部材３００を下腿部材４００の異なる位置に固定することができ、下腿部材４００と大腿部材３００との間の距離を変えることができる。

図７から図１０に示すように、脚部材５００は、下腿部材４００に接近又は離間可能であって、取り外し可能に下腿部材４００に接続されることで、下腿の寸法に適することができる。具体的には、脚部材５００には、その長手方向に沿って配列される複数の接続位置が設けられており、固定部材が下腿部材４００の孔及び複数の接続位置のうちの１つを通すことで、下腿部材４００を脚部材５００の異なる位置に固定することができ、脚部材５００と下腿部材４００との間の距離を変えることができる。

上述した複数の調節構造を設けることで、腿部外骨格部材の長さを調節することができ、異なる人体の腿部に適することができる。

図１０に示すように、異なる需要に応じて、例えば、局部の病気に応じて、１つ又は複数のフレキシブルアクチュエータ１００を選択的に省略してもよく、図は、足首関節のフレキシブルアクチュエータ１００を省略しているが、股関節及び膝関節にはフレキシブルアクチュエータ１００が設けられている。

本発明のロボットは、同様に外骨格ロボットアームにも適用することが可能であるので、アーム障害の病気をリハビリすることもできる。

以上、図面を参照して本発明の好適実施形態を記述したが、本発明は実施形態に記載の詳細には限定されておらず、本発明の技術的思想範囲内において、本発明に多様な変更を加えてもよく、このような変更も、本発明の技術的範囲に属することが明らかである。

また、説明しておくが、上述した具体的な実施形態に記載の各技術特徴は、矛盾さえなければ、あらゆる形態によって組み合わせることが可能であり、説明の重複を避けるために、本発明は各種可能な組み合わせ形態の説明を省略する。

また、本発明の様々な実施形態間は、任意に組み合わせることが可能であり、本発明の技術思想さえ背かなければ、同様に本発明の開示内容と見做すべきである。

Claims (17)

1. 駆動機構（１０）、伝達機構（２０）及び出力機構（３０）を含むフレキシブルアクチュエータであって、
   前記伝達機構（２０）は、ロープ伝達関係を形成する主動回転部材（２１）、従動回転部材（２２）及びロープ（２３）を含み、前記ロープ（２３）が、前記主動回転部材（２１）及び前記従動回転部材（２２）の回転表面に巻き付けられ、前記主動回転部材（２１）の回転中心軸が、前記従動回転部材（２２）の回転中心軸と直交し、
   前記駆動機構（１０）の出力端は、前記主動回転部材（２１）の回動を駆動するように前記主動回転部材（２１）と接続され、
   前記出力機構（３０）は、フレキシブル駆動部材（３１）と、外部実行部材と接続するための出力部材（３２）とを含み、
   前記出力部材（３２）は、前記従動回転部材（２２）の取付軸（２４）の軸方向に沿って前記従動回転部材（２２）に接近するものの、接触しない位置に前記取付軸（２４）に回動可能に取り付けられ、
   前記従動回転部材（２２）の本体内には、第１収容空間（２５）として、前記従動回転部材（２２）の円周方向に沿って延在する円弧状溝が形成され、
   前記出力部材（３２）には、前記第１収容空間（２５）の形状とほぼ対応付けられた第２収容空間（３３）が形成され、
   前記フレキシブル駆動部材（３１）は、ばねであり、
   前記ばねは、その中心面によって分割された一部が第１収容空間（２５）内に収容されるとともに、その他の部分が第２収容空間（３３）内に収容されており、前記ばねの両端が、それぞれ、前記第１収容空間（２５）及び前記第２収容空間（３３）の両端面と当接し、
   前記従動回転部材（２２）が回動すると、前記ばねを動作させ、前記ばねが駆動力を出力部材（３２）に伝達し、前記出力部材（３２）の回動を駆動することを特徴とするフレキシブルアクチュエータ。
2. 前記第２収容空間（３３）の両端面のいずれにも、内側へ延在する位置決め部（３４）が設けられ、
   前記ばねの両端は、それぞれ、前記位置決め部（３４）に設けられることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブルアクチュエータ。
3. 前記伝達機構（２０）は、前記従動回転部材（２２）に固定され前記ばねをカバーするばねカバー（２６）を更に含み、
   前記出力部材（３２）は、前記取付軸（２４）の軸方向に沿って、前記従動回転部材（２２）と前記ばねカバー（２６）との間に位置付けられることを特徴とする請求項１又は２に記載のフレキシブルアクチュエータ。
4. 前記ばねは、２つであり、前記第１収容空間（２５）及び前記第２収容空間（３３）は、それぞれ、対称に設けられる２つを含むことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のフレキシブルアクチュエータ。
5. 前記主動回転部材（２１）は、回転軸（２７）を有するロールであり、
   前記駆動機構（１０）の出力端は、前記ロールの回動を駆動するように前記回転軸（２７）と接続され、
   前記従動回転部材（２２）は、回転プーリであり、前記ロープ（２３）は、前記ロールの回転表面に巻き付けられ、前記回転プーリを巻き付けるように延在することを特徴とする請求項１に記載のフレキシブルアクチュエータ。
6. 前記伝達機構（２０）は、前記ロープ（２３）にテンションを掛けるためのテンションプーリ（２８）を更に含むことを特徴とする請求項５に記載のフレキシブルアクチュエータ。
7. 前記テンションプーリ（２８）の回転中心軸は、前記回転プーリの回転中心軸と平行になることを特徴とする請求項６に記載のフレキシブルアクチュエータ。
8. 前記駆動機構（１０）の出力端又は前記伝達機構（２０）の入力端の角変位及び角速度を測定するための第１センサ（４０）と、
   前記出力部材（３２）の角変位及び角速度を測定するための第２センサ（５０）とを更に含むことを特徴とする請求項１に記載のフレキシブルアクチュエータ。
9. 交互に噛み合う、前記駆動機構（１０）の出力端又は前記伝達機構（２０）の入力端に取り付けられる第１ギア（６１）及び前記第１センサ（４０）と接続される第２ギア（６２）を含むギア伝達群（６０）を更に含むことを特徴とする請求項８に記載のフレキシブルアクチュエータ。
10. ベルト伝達を形成する、前記出力部材（３２）と接続され同期して回動される主動ベルトプーリ（７１）と、前記第２センサ（５０）と接続される従動ベルトプーリ（７２）と、伝達ベルト（７３）とを含むベルト伝達群（７０）を更に含むことを特徴とする請求項８に記載のフレキシブルアクチュエータ。
11. 前記第１センサ（４０）及び前記第２センサ（５０）は、エンコーダであることを特徴とする請求項８に記載のフレキシブルアクチュエータ。
12. 前記駆動機構（１０）は、
    モータ（１１）と、
    その出力軸が連結器（１３）を介して前記主動回転部材（２１）と接続される減速器（１２）と、を含む
    ことを特徴とする請求項１に記載のフレキシブルアクチュエータ。
13. 第１関節部材、第２関節部材及び請求項１から１２のいずれか１項に記載のフレキシブルアクチュエータ（１００）を含むロボット関節であって、
    前記フレキシブルアクチュエータ（１００）は、前記第１関節部材に取り付けられ、その出力端が前記第２関節部材と接続されることを特徴とするロボット関節。
14. 前記第１関節部材は、大腿部材（３００）であり、前記第２関節部材は、腰部支持部材（２００）であり、
    又は、前記第１関節部材は、大腿部材（３００）であり、前記第２関節部材は、下腿部材（４００）であり、
    又は、前記第１関節部材は、下腿部材（４００）であり、前記第２関節部材は、脚部材（５００）であり、
    又は、前記第１関節部材は、肩部材であり、前記第２関節部材は、上腕部材であり、
    又は、前記第１関節部材は、上腕部材であり、前記第２関節部材は、前腕部材であり、
    又は、前記第１関節部材は、前腕部材であり、前記第２関節部材は、手部材であることを特徴とする請求項１３に記載のロボット関節。
15. 請求項１３又は１４に記載のロボット関節を含むことを特徴とするロボット。
16. 人体の腰部を支持するための腰部支持部材（２００）と、人体の腿部を支持するための腿部外骨格部材を含む外骨格ロボットであって、
    前記腿部外骨格部材は、人体の腿部構造を構築するように、順に設けられる接続部材（６００）、大腿部材（３００）、下腿部材（４００）及び脚部材（５００）を含み、
    前記接続部材（６００）は、取り外し可能に前記腰部支持部材（２００）に接続され、
    前記接続部材（６００）は、前記腿部外骨格部材の股関節を構築するように、前記大腿部材（３００）と回動可能に接続され、
    前記大腿部材（３００）は、前記腿部外骨格部材の膝関節を構築するように、前記下腿部材（４００）と回動可能に接続され、
    前記下腿部材（４００）は、前記腿部外骨格部材の足首関節を構築するように、前記脚部材（５００）と回動可能に接続され、
    前記股関節、前記膝関節及び前記足首関節のうちの少なくとも１つは、請求項１３又は１４に記載のロボット関節であることを特徴とする外骨格ロボット。
17. 前記腰部支持部材（２００）は、背板（２１０）と、前記背板（２１０）の両端に設けられ前側へ延在する側板（２２０）とを含み、
    ２つの前記側板（２２０）は、互いに接近又は離間可能になるように、取り外し可能に前記背板（２１０）に接続され、
    及び／又は、前記接続部材（６００）は、前記背板（２１０）に接近又は離間可能になるように、取り外し可能に前記側板（２２０）に接続され、
    及び／又は、前記大腿部材（３００）は、前記接続部材（６００）に接近又は離間可能になるように、取り外し可能に前記接続部材（６００）に接続され、
    及び／又は、前記下腿部材（４００）は、前記大腿部材（３００）に接近又は離間可能になるように、取り外し可能に前記大腿部材（３００）に接続され、
    及び／又は、前記脚部材（５００）は、前記下腿部材（４００）に接近又は離間可能になるように、取り外し可能に前記下腿部材（４００）に接続されることを特徴とする請求項１６に記載の外骨格ロボット。

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