JP6835346B2 - 関節装置 - Google Patents

Description

本発明は、互いに屈曲自在に連結された複数のリンクを含む屈曲機構を備えた関節装置に関する。

従来、例えば被介護者を抱きかかえる介護者を支援するためのロボットリンク、または、例えば義手として利用可能なロボットハンドに組み込まれる関節装置が実用化されている。一般に、関節装置は、関節を介して互いに屈曲自在に連結された複数のリンクを含むリンク屈曲機構を備えている。関節装置に関して、駆動部から供給される駆動力を屈曲機構に伝達する技術としてさまざまなものが存在する。

例えば、特許文献１には、関節を介して互いに屈曲自在に連結された複数の骨部材を有する屈曲機構を備えたロボットハンド装置であって、モータに接続されたねじと、ねじに嵌合するナットと、各関節に取り付けられたワイヤホルダを貫通してナットと先端の骨部材に固定されたワイヤとを備えたものが開示されている。このロボットハンド装置では、ナットがねじと一緒に回転しないように構成されているので、モータを駆動してねじを回転させると、ナットが前進または後退する。ナットが当初の位置から前進または後退すると、ワイヤホルダを介してワイヤから関節に力が作用し、屈曲機構が反るように曲がる。

特開２０１１−２５５４６７号公報

本発明は、従来技術とは異なる新規な機構を有する関節装置を提供することを課題とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る関節装置の一実施形態は、
第１リンクと第２リンクを有し、
前記第１リンクと前記第２リンクは第１方向に一列に配置されており、
前記第１リンクと前記第２リンクは、関節を介して連結されており、前記第１リンクと前記第２リンクが直線状に並ぶ直線状態と、前記第２リンクが前記第１リンクに対して前記関節を中心に所定方向に所定角度回転した屈曲状態とを取り得るように構成されている関節装置であって、
前記第１リンクに形成された第１の案内部と、
前記第２リンクに形成された第２の案内部と、
前記第１の案内部と前記第２の案内部に配置されたコイルと、
駆動部と、
前記駆動部に形成され、前記駆動部の駆動に基づいて回転する中空出力軸と、
を備え、
前記中空出力軸は、前記中空出力軸の内周面に、前記第１方向に伸び且つ前記コイルの雄ねじ部に対応した形状の螺旋溝を有し、
前記コイルの前端部は、前記第１リンクに固定されており、
前記コイルの一部は、前記螺旋溝に噛み合っており、
前記駆動部の駆動に基づいて前記中空出力軸が回転すると、前記中空出力軸の螺旋溝と前記雄ねじ部との噛み合いに基づいて、前記コイルが前記第１方向に沿って前後に移動して、前記第１リンクと前記第２リンクが直線状態から屈曲状態、又は屈曲状態から直線状態に変化する。

本発明によれば、駆動部から供給される推進力が可撓性軸部材により屈曲機構に伝達される、新規な機構を有する関節装置が得られる。

本発明の実施形態１による関節装置を示す側面図である。 本発明の実施形態１による関節装置を示す斜視図である。 屈曲機構の組立図である。 図３のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の実施形態１による関節装置の変形例を示す、図４に対応する断面図である。 屈曲機構を示す平面図である。 屈曲機構のリンク同士の屈曲動作を示す側面図である。 屈曲機構のリンク同士の屈曲動作を示す側面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 中空軸モータの構造を示す断面図である。 中空軸モータの中空出力軸とコイルとの係合を示す図である。 本発明の実施形態１による関節装置の屈曲動作を示す側面図である。 本発明の実施形態１による関節装置の屈曲動作を示す側面図である。 本発明の実施形態１による関節装置の伸展動作を示す側面図である。 本発明の実施形態２による関節装置を示す側面図である。 本発明の実施形態２による関節装置を示す斜視図である。 引張コイルばねを取り除いた状態で図１５の一部を示す斜視図である。 本発明の実施形態２による関節装置を示す、図８に対応する断面図である。 本発明の実施形態３による関節装置を示す側面図である。 本発明の実施形態３による関節装置のナットの構造を示す斜視図である。 本発明の実施形態４による関節装置を示す斜視図である。 本発明の実施形態５による関節装置を示す側面図である。 本発明の実施形態５による関節装置の動作を示す側面図である。 本発明の実施形態６による関節装置を示す、図８に対応する断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。以下の説明では、必要に応じて特定の方向を示す用語（左、右、前、後、上、下、時計回り、反時計回りなど）を用いるが、これらの用語は本発明の理解を容易にするために用いているのであって、これらの用語により本発明の範囲が限定されると理解するべきではない。

［実施形態１］
図１、図２に示すように、関節装置１００は、屈曲機構１０、コイル５、中空軸モータ６などを備える。関節装置１００は、ロボットリンクやロボットハンドに組み込むことができる。関節装置１００がロボットリンクに組み込まれた場合、屈曲機構１０は「腕」を構成し、関節装置１００がロボットハンドに組み込まれた場合、屈曲機構１０は「指」を構成する。

以下の説明では、屈曲機構１０の幅方向である左右方向に符号「Ｘ」、屈曲機構１０の長手方向である前後方向に符号「Ｙ」、屈曲機構１０の高さ方向である上下方向に符号「Ｚ」を付している。本発明の実施形態では、左右方向Ｘ、前後方向Ｙおよび上下方向Ｚは、互いに垂直である。

（屈曲機構１０）
屈曲機構１０は、前後方向Ｙに並べて配置された複数のリンクを含む。以下の説明では、屈曲機構１０において、図１に示す屈曲機構１０において左右に表れる側をそれぞれ「前側」と「後側」という。実施形態１で、屈曲機構１０は、前側から後側に向かって第１リンク１、第２リンク２、第３リンク３および第４リンク４を有する。後述するように、第１リンク１と第２リンク２、第２リンク２と第３リンク３、および、第３リンク３と第４リンク４は、それぞれ、第１、第２、第３関節１０１，１０２，１０３を介して互いに屈曲可能に連結されている。

本発明の実施形態では、第１リンク１〜第４リンク４の基本構造は同じである。これにより、屈曲機構１０の製造が容易になる。ただし、第１リンク１は最前方に配置され、また、第４リンク４は最後方に配置されることから、一部に他のリンク２，３とは異なる構造が付されている。したがって、以下の記載において、リンクに共通する構造や機能等を説明するときはリンク番号を特定せず、最前方および最後方のリンクに関連する構造や機能等を説明するときに限ってリンク番号を加える。同様に、第１関節１０１〜第３関節１０３はそれぞれ、前後に隣接するリンクのそれぞれの構造を利用して構成されているため、その基本構造は同じである。したがって、以下の記載において、関節に共通する構造や機能を説明するときは関節番号を特定しない。

図２、図３に示すように、リンクは、略直方体形状を有し、底壁１１、左右一対の側壁１２、前壁１３および後壁１４を有する。図示していないが、リンクは、関節装置１００の用途に応じて、底壁１１に対向する天井壁を有していてもよい。リンクの形状は、関節装置１００の用途などに応じて選択され、本発明のリンクの形状は、図示したものに限定されない。

リンクを構成する材料は、金属、樹脂（繊維強化材料、エラストマーを含む）などの任意の材料から、関節装置１００の用途などに応じて選択される。

図４に示すように、リンクの底壁１１の中央部には、前後方向Ｙに延びる断面半円形の溝部１１１が形成されている。溝部１１１は、後述するコイル５の左右方向Ｘへの移動（振れ）を規制するために、コイル５の径と略等しい幅（すなわち、左右方向Ｘの寸法）を有する。溝部１１１の代わりに、図５に示すように、前後方向Ｙに延びる断面円形の孔が設けられていてもよい。

図３に示すように、リンクの左右一対の側壁１２は、前側上端部からそれぞれ前方に向かって延びる突出部１５を有する。突出部１５の前側は半円形の円弧縁を有する。左右一対の突出部１５の外側面には、それぞれ外側に突出する円柱状の軸部１７が設けられている。円柱状の軸部１７の中心は、突出部１５の前側に設けられた円弧縁の中心に一致させることが好ましい。左右一対の側壁１２の後側上端部には、左右方向Ｘに延びる軸を中心とする円柱状の軸受孔１８が設けられている。また、側壁１２の内面には、軸受孔１８に連続し且つ軸受孔１８を囲むくぼみからなる切欠部１９が設けられている。

図６に示すように、突出部１５と切欠部１９とは互いに相補的な形状を有し、図１から図３に示すように後方リンクの突出部１５および軸部１７を前方リンクの切欠部１９および軸受孔１８にそれぞれ嵌めることによって関節を形成し、軸部１７を中心に前方リンク（第１リンク１）が後方リンク（第２リンク２）に対して図７Ａに示す状態（伸展状態または直線状態）から図７Ｂに示す状態（最大屈曲状態）まで回転できるようになっている。したがって、突出部１５の前後方向Ｙの寸法Ｌ１は切欠部１９の対応する寸法Ｌ２に略等しく、軸受孔１８の内径Ｄ２は軸部１７の外径Ｄ１よりも若干大きくすることが好ましい。

後方リンクに対する前方リンクの回転を伸展状態から最大屈曲状態までの間に限定するために、突出部１５と切欠部１９の大きさと形状は、図７Ａに示すように、伸展状態では前方リンク（第１リンク１）の後壁１４が後方リンク（第２リンク２）の前壁に当接し（または近接し）、最大屈曲状態では前方リンク（第１リンク１）の上端縁と切欠部１９の上部開口端の交わる点（図７Ｂで符号１９１を付した）が後方リンクにおける突出部１５に当接するように、決められている。

図３に示すように、リンクの前壁１３と後壁１４には、底壁１１の溝部１１１の延長上に貫通孔１３１と貫通孔１４１がそれぞれ形成されており、リンク同士を連結した状態で、溝部１１１と貫通孔１３１，１４１が連続するコイル案内部２０を形成している。ただし、最前方の第１リンク１については、前壁１３の貫通孔１３１にコイル先端固定部材１３２が嵌め込まれて固定されている。また、第４リンク４の底壁１１または後壁１４には後方に延びる台部７が取り付けられ、この台部７に中空軸モータ６が固定されている。台部７は、第４リンク４を支持する別の部材に一体に設けられていてもよい。

容易に弾性変形可能な材料（例えば、樹脂）でリンクが構成される場合、突出部１５を内側に変形させることによって、突出部１５および軸部１７を対応する切欠部１９および軸受孔１８に嵌めることができる。一方、比較的硬い材料（例えば、金属）でリンクが構成される場合、例えば、突出部１５を含むリンクの一部を別構造部材とし、突出部１５を切欠部１９に嵌めた後で当該別構造部材をリンクに固定するという方法を採ればよい。

（コイル５）
コイル５は、中空軸モータ６から供給される駆動力を屈曲機構１０に伝達する動力伝達部として機能する。コイル５を構成する材料は、金属（例えば、ばね鋼、燐青銅、ベリリウム銅）または樹脂（例えば、ポリエーテルエーテルケトン、ポリカーボネート）などの任意の材料から、コイル５が可撓性を有するように選択される。したがって、コイル５は、可撓性軸部材の一例であると理解すべきである。コイル５の中空部には、可撓性材料（樹脂など）で構成されたコアが挿入されていてもよい。

コイル５は、図８、図９に示すように、ヘリカル状またはスパイラル状に巻回された素線からなる。素線の１つの周回部分とこれに隣接する別の周回部分は、隙間なく接触している。これにより、コイル５の外周面（コイルをその周囲から見たときに表れる面部分）によって画定される凹凸が雄ねじ部５１を形作っている。素線の周回部分同士の間には、若干の隙間が存在していてもよい。素線の周回部分同士が隙間なく接触しているものは、引張コイルばね、または密着コイルばねと称されることがある。

コイル５は、コイル案内部２０に配置され、前後方向Ｙに延び、かつ、左右方向Ｘへの移動が規制されている。コイル５の前端部５２は、第１リンク１の前壁１３に設けられたコイル先端固定部材１３２に固定されており、コイル５の中心軸を中心に回転不能となっている。コイル５は、最後部の第４リンク４から突出した端部側が中空軸モータ６の中空出力軸６１に挿入されている。

（中空軸モータ６）
中空軸モータ６は、実施形態１で、屈曲機構１０に供給するための駆動力を発生させる駆動部として利用される。本発明の実施形態では、図１０に示すように、中空軸モータ６は、中空出力軸６１と、中空出力軸６１と一体に設けられた磁石であるロータ６２と、ロータ６２を回転させる磁力を発生させるステータ６３と、これらを保持するハウジング６４とを有する。中空軸モータ６は、ステッピングモータであってもサーボモータであってもよい。中空軸モータ６は、図示しない制御装置に接続されており、中空出力軸の回転角度、回転速度などが制御される。

図９に示すように、中空出力軸６１の内周面には、コイル５の雄ねじ部５１と噛み合うように雌ねじ部（螺旋溝）６１ａが形成されている。実施形態１では、中空軸モータ６の中空出力軸６１により、コイル５の雄ねじ部５１に嵌合する「ナット部材」が構成されている。中空軸モータ６の中空出力軸６１には、コイル５が挿入されている。

実施形態１では、中空出力軸６１に雌ねじ部６１ａを一体に形成しているが、中空出力軸６１を中空ロータ部とこれに嵌め込まれた中空円筒部材で構成し、この中空円筒部材に雌ねじ部を形成してもよい。

中空軸モータ６は、回転自在に支持された中空雌ねじ部材の周囲に雄ねじを設けるとともに、当該雄ねじを回転駆動軸に連結された雄ねじまたは雌ねじに噛み合せたねじ駆動式の中空軸モータであってもよい。

（関節装置１００の動作）
図１１から図１３を用いて、実施形態１による関節装置１００の動作を説明する。中空軸モータ６を駆動すると、前端部５２が固定されたコイル５に対して中空出力軸６１が相対的に回転し、中空出力軸６１の回転方向に応じて、コイル５を前方または後方へ移動させる推進力がコイル５に加わり、コイル５は前後方向Ｙに移動する。

図１に示す伸展状態の屈曲機構１０においてコイル５が前方に移動すると、コイル５の先端連結部を介して最前方の第１リンク１にこれを前方に押し進める力が作用する。これにより、第２リンク２に対して、第１リンク１が第１関節１０１を中心に時計周り方向に回転する。このとき、力の作用点となるコイル先端固定部材１３２は、第１リンク１の前側下端部に位置し、回転の支点となる第２リンク２の軸部１７（または第１関節１０１の軸部１７）は、側壁１２の後側上端部に位置する。このように、力の作用点と支点とが離れていることにより、第１リンク１に作用する回転力または回転モーメントを大きくすることができる。

この回転力を受け、第１リンク１は第１関節１０１を支点に時計回り方向に回転し、第２リンク２に対して屈曲する。このとき、第１リンク１の後壁１４と第２リンク２の前壁１３との間に形成される三角形の空間にコイルの一部が露出するが、この露出したコイル部分は短いので該コイル部分が座屈することはない。換言すれば、関節装置を設計するうえで、関節装置に求められる条件（例えば、関節に作用する最大モーメント）に応じて、空間に露出するコイル部分が座屈しないように、コイルの条件（材料、大きさ）や屈曲角（具体的には、支点（軸部１７）から軸受孔１８までの距離）を決めることができる。

第１リンク１が第２リンク２に対して最大角度（図１１のθｍａｘ）屈曲した時点で、第１リンク１の切欠部１９の前端部１９１が第２リンク２の突出部１５の前端部１５１に当接し、第１リンク１の第２リンク２に対する更なる屈曲が禁止される（図７Ｂを参照）。この状態で、コイル５にさらに前方への推進力が加わると、第２リンク２が第２関節１０２の軸部１７を中心に第３リンク３に対して時計周り方向に回転し、第３リンク３に対して屈曲する。第２リンク２が最大角度まで屈曲した状態でさらに前方への推進力が加わると、第３リンク３が第３関節１０３の軸部１７を中心に第４リンク３に対して時計周り方向に回転し、第２リンク２が第３リンク３に対して屈曲する。この状態を図１２に示してある。

屈曲機構１０が図１２に示す屈曲状態にあるときに、中空出力軸６１の回転方向を逆にして中空軸モータ６を駆動すると、コイル５に後方への推進力が加わり、第２リンク２の軸部１７を中心とする反時計回りの回転力が第１リンク１に与えられる。この回転力を受け、第１リンク１は、第２リンク２の軸部１７を中心に半時計回りに回転し、第１リンク１の後壁１４が第２リンク２の前壁１３に当接する（図１３）。

図１２に示す屈曲状態で、コイル５にさらに後方への推進力が加わると、第１リンク１の後壁１４から第２リンク２の前壁１３に対して、第３リンク３の軸部１７を中心とする反時計回りの回転力が第２リンク２に与えられる。この回転力を受け、第２リンク２は、軸部１７を中心に半時計回りに回転する。このようにして、屈曲機構１０は、屈曲状態から、図１に示す伸展状態へと戻る。

以上の動作説明では、コイル５とそれに接するリンクとの摩擦は無視して説明を行った。しかし、実際の動作では、コイル５とリンクとの間に摩擦が作用するものと考えられる。したがって、実際の動作では、第１から第４リンク１〜４の屈曲動作は同時に起こり、例えば第１リンク１が最大屈曲角度まで回転する間に第２リンク２が第３リンク３に対して多少屈曲することが起こり、また第１リンク１が第２リンク２に対して伸展状態まで戻る間に第２リンク２の第３リンク３に対する屈曲角度が多少減少することが起こり得る。

このように、実施形態１では、関節の数より少ない数のコイル５を用いていわゆる劣駆動を行うことにより、いわゆる全駆動を行う場合と比べて、関節装置１００を小型化および軽量化できる。

また、本発明の実施形態では、例えば特開２０１１−２５５４６７号公報に記載されている従来技術のように、クリープ等の経年劣化による伸びが生じやすいワイヤを動力伝達部材として用いるのでなく、そのような問題が生じにくいコイル５を用いている。これにより、関節装置１００では、ワイヤ等を用いる従来技術と比較して、定期的なメンテナンスの必要性が低下する。

［実施形態２］
実施形態２の説明および図面では、実施形態１と同じ構成には同じ符号を付して、当該構成の説明を省略する。

図１４、図１５は、本発明の実施形態２による関節装置２００を示す側面図、斜視図である。実施形態２による関節装置２００は、通常のモータ（中空軸モータ以外の中実軸モータ）２６から供給される駆動力（第２方向への推進力）を屈曲機構１０に伝達する動力伝達部として、コイル５に加えてナット８を用いる点で、実施形態１による関節装置１００と異なる。ナット８には、実施形態１で説明したモータ６の中空出力軸６１に設けられた雌ねじ部６１ａと同様の雌ねじ部が設けられている。

第４リンク４の後方に取り付けられた台部７は、段差を介して上面の高さの異なる２つの面部７１，７２を有している。前側の面部７１には、屈曲機構１０のコイル案内部２０に連続する凹部７１１が形成されている。凹部７１１には、ナット８に嵌合するように、断面円形の嵌合凹部７１２がさらに形成されている（図１６を参照）。ナット８は、嵌合凹部７１２に嵌合し、固定されている。例えば、ナット８と嵌合凹部７１２とはスプライン嵌合していてもよい。台部７で、後側の面部７２には、モータ２６が取り付けられている。ナット８は、図示しないモータ２６の出力軸に固定されている。コイル案内部２０とナット８とモータ２６の出力軸とは、同軸に配置されている。

図示していないが、台部７の後側の面部７２には、モータ２６が面部７２の上をスライド移動できるように、例えばスライドレールからなるスライド機構が設けられている。モータ２６は、コイル５の前後方向Ｙへの移動に伴って、出力軸が回転することなく、面部７２の上をスライド移動する。変形例として、面部７２自体を前後方向Ｙに移動自在に構成してもよい。この場合、前側の面部７１には、後側の面部７２を収納するための収納部が設けられる。また、この場合、モータ２６は面部７２に固定される。

また、実施形態２による関節装置２００は、コイル５の前端部５２が、屈曲機構１０の第１リンク１の前壁１３に対して回転可能に取り付けられている点で、実施形態１による関節装置１００と異なる。図１７に示すように、コイル５の中空部には、球状の先端部を有する係合部材５３が挿入され、第１リンク１の前壁１３の貫通孔１３１には、係合部材５３を受ける穴が形成された被係合部材１３３が取り付けられている。被係合部材１３３に形成された穴は、係合部材５３の先端部に対して相補的な形状を有し且つ若干大きい寸法とされている。コイル５の回転に伴う摩擦による摩耗を抑制するために、ベアリングホルダに取り付けられたベアリング（例えばボールベアリング）を被係合部材１３３に設け、ベアリングの中空部に係合部材５３を挿入してもよい。前記ベアリングは、必要に応じて、屈曲機構１０においてコイル５の回転に伴う摩擦が生じる他の部分にも設けてよい。

次に、実施形態２による関節装置２００の動作を説明する。モータ２６を駆動すると、ナット８に対してコイル５が相対的に回転し、モータ２６の回転軸の回転方向に応じて、コイル５を前方または後方へ移動させる推進力がコイル５に加わり、コイル５は前後方向Ｙに移動する。実施形態２では、コイル５の前後方向Ｙへの移動に連動して、モータ２６が面部７２の上を前後方向Ｙへスライドして移動する。

屈曲機構１０が、図１４に示す伸展状態から屈曲状態へ移行するときの動作、および、屈曲状態から伸展状態へ移行するときの動作については、図１１から図１３を用いて説明したとおりであり、説明を省略する。

［実施形態３］
実施形態３の説明および図面では、実施形態１，２と同じ構成には同じ符号を付して、当該構成の説明を省略する。

図１８は、本発明の実施形態３による関節装置３００を示す斜視図である。実施形態３による関節装置３００では、駆動部から供給される駆動力（第２方向への推進力）を屈曲機構１０に伝達する動力伝達部に、通常のモータ（中空軸モータ以外の中実軸モータ）３２とプーリ３１を用いる点で、実施形態１，２による関節装置と異なる。

モータ３２は、その出力軸３３が左右方向Ｘに延びる向きに配置されている。モータ３２の出力軸３３にはプーリ３１が巻き付けて固定されている。好ましくは、プーリ３１の環状外周面には、プーリ３１とコイル５との間に摩擦力を作用させ、これにより滑りを防止するために、コイル５の雄ねじ部５１に対応した螺旋溝が形成されている。コイル５の滑りを防止することにより、モータ３２の回転量とコイル５の前後方向Ｙへの移動量（前進量または後退量）が対応する。

図示していないが、関節装置３００は、コイル５に対してプーリ３１と反対側に設けられた少なくとも１つのガイドローラを備えている。このガイドローラの環状外周面には、プーリ３１とはピッチの異なる螺旋溝が形成されており、コイル５とガイドローラとの間に作用する摩擦力により、コイル５の滑りを確実に防止することができる。なお、コイル５の滑りを少なくとも部分的に防止するためにケーシングを設けてもよい。

実施形態３による関節装置３００は、一対の分割部３８１，３８２で構成される割りナット３８を用いる点で、実施形態１，２による関節装置と異なる。割りナット３８は、第４リンク４の後方に取り付けられた台部７の嵌合凹部７１２に配置されている。

図１９に示すように、割りナット３８の一方の分割部３８１は、滑らかな内周面を有し、他方の分割部３８２には、コイル５の雄ねじ部５１と噛み合う雌ねじ部３８３が設けられている。割りナット３８には、一対の分割部３８１，３８２との間を開閉可能に連結するヒンジ部３８４が設けられている。ヒンジ部３８４は、通常のモータ（中空軸モータ以外の中実軸モータ）３４の出力軸３５に取り付けられており、モータ３４を駆動することにより、出力軸３５の回転方向に応じて、一対の分割部３８１，３８２を自動で開閉できる。割りナット３８の一対の分割部３８１，３８２は、コイル５を前後方向Ｙに移動させるときには開かれており、屈曲機構１０が所望の屈曲状態へ移行した時点で閉じられる。

次に、実施形態３による関節装置３００の動作を説明する。モータ３２を駆動すると、その出力軸３３と一体にプーリ３１が回転し、プーリ３１に巻き付けられたコイル５に対して、コイル５を前方または後方へ移動させる推進力が加わる。このとき、割りナット３８は、開いた状態とされており、滑らかな内周面を有する分割部３８１の上をコイル５が移動する。屈曲機構１０が伸展状態から屈曲状態へ移行するときの動作については、図１１、図１２を用いて説明したとおりである。

屈曲機構１０が所望の屈曲状態に移行した段階で、モータ３４が駆動され、割りナット３８の一対の分割部３８１，３８２が閉じられる。図９などに示すように、コイル５の雄ねじ部５１およびナット８の雌ねじ部のリード角は小さい。したがって、割りナット３８を閉じた状態で、前後方向Ｙに移動させる力をコイル５に加えたとしても、コイル５の前後方向Ｙへの移動は禁止される。すなわち、割りナット３８は、コイル５の前後方向Ｙへの移動を禁止するロック機構として機能する。屈曲機構１０が所望の屈曲状態に移行した段階で割りナット３８を閉じることにより、屈曲機構１０を所望の屈曲状態に維持できる。

［実施形態４］
実施形態４の説明および図面では、実施形態１から３と同じ構成には同じ符号を付して、当該構成の説明を省略する。

図２０は、本発明の実施形態４による関節装置４００を示す斜視図である。実施形態４による関節装置４００は、複数のコイルを用いる点で、実施形態１から３による関節装置と異なる。実施形態４では、実施形態１から３による関節装置による屈曲機構とは異なる構造を有する屈曲機構を用いるが、説明と図面では、便宜上、符号１０を付している。実施形態４では、実施形態２による駆動方法を用いてコイルを駆動する例について説明するが、実施形態１，３で説明した方法を用いてもよい。

実施形態４で、関節装置４００は、屈曲機構１０の関節１０１，１０２，１０３と同数の第１コイル５ａ、第２コイル５ｂ、第３コイル５ｃを備えている。第１から第３コイル５ａ〜５ｃは、実施形態１から３で説明したコイル５と同じものであってよい。

コイル５ａ〜５ｃは、それぞれ、図示しない３つの中空軸モータの中空出力軸にそれぞれ取り付けられている。当該中空軸モータは、実施形態１で説明した中空軸モータ６と同じものであってよい。３つの中空軸モータは、図示しない制御装置に接続されており、各出力軸の回転角度、回転速度、回転開始のタイミングなどが制御される。３つの中空軸モータに対する回転角度、回転速度、回転開始のタイミングの制御は、それぞれ異なったものであってもよい。

関節装置４００は、第１、第２、第３コイル５ａ，５ｂ，５ｃにそれぞれ噛み合う第１、第２、第３ナット８ａ，８ｂ，８ｃを備えている。第１から第３ナット８ａ〜８ｃは、実施形態２で説明したナット８と同じものであってよい。

屈曲機構１０の第１から第４リンク１〜４には、第１から第３コイル５ａ〜５ｃがそれぞれ配置されて第１から第３コイルを案内するコイル案内部２０ａから２０ｃが形成されている。

第１から第３コイル５ａ〜５ｃは、左右方向Ｘに並べて配置されている。中央の第１コイル５ａの前端部５２ａは、第１リンク１の前壁１３に対して回転可能に、当該前壁１３に取り付けられている。第１コイル５ａの左側に配置される第２コイル５ｂの前端部５２ｂは、第２リンク２の前壁１３に対して回転可能に、当該前壁１３に取り付けられている。第１コイル５ａの右側に配置される第３コイル５ｃの前端部５２ｃは、第３リンク３の前壁１３に対して回転可能に、当該前壁１３に取り付けられている。

第１から第３コイル５ａ〜５ｃの第１リンクから第３リンク１〜３の前壁１３への取り付けは、図１７を用いて説明したように、各コイルに係合部材５３を設け、各リンクの前壁に被係合部材１３３を設けることにより、行うことができる。

これにより、第２リンク２に対する第１リンク１の屈曲動作と伸展動作は、第１コイル５ａの前後方向Ｙへの移動により達成され、第３リンク３に対する第２リンク２の屈曲動作と伸展動作は、第２コイル５ｂの前後方向Ｙへの移動により達成され、第４リンク４に対する第３リンク３の屈曲動作と伸展動作は、第３コイル５ｃの前後方向Ｙへの移動により達成される。このようにして、第１から第３リンク１〜３の屈曲動作と伸展動作を独立して制御する全駆動を行うことができる。全駆動を行うことにより、実施形態１から３の関節装置で行った劣駆動と比較して、屈曲機構１０の屈曲動作と伸展動作をより精密に行うことができる。

実施形態５．
実施形態５の説明および図面では、実施形態１から４と同じ構成には同じ符号を付して、当該構成の説明を省略する。

図２１は、本発明の実施形態５による関節装置５００を示す側面図である。実施形態５による関節装置５００は、屈曲機構１０の第１から第３関節１０１〜１０３にそれぞれ設けられたねじりコイルばね９を備える点で、実施形態４による関節装置４００と異なる。

第１から第４リンク１〜４は、側壁１２であって軸部１７の後方に設けられた前側ピン部１２ａと、側壁１２であって軸受孔１８の前方に設けられた後側ピン部１２ｂとを有する。

第１から第３関節１０１〜１０３に設けられたねじりコイルばね９は、それぞれ、軸部１７に一重以上に巻き付けられたコイル部９１と、コイル部９１から前方に延び、後側ピン部１２ｂに巻き付けて固定された前側フック部９２と、コイル部９１から後方に延び、前側ピン部１２ａに巻き付けて固定された後側フック部９３とを有する。

第１から第３関節１０１〜１０３にそれぞれ設けられたねじりコイルばね９のうち、第１関節１０１に設けられたものが、ねじりばね定数が最も大きく、第３関節１０３に設けられたものが、ねじりばね定数が最も小さく設定されている。ねじりばね定数は、例えば、コイル部９１の巻き数、ねじりコイルばね９の材料を変更することにより変更できる。

実施形態５による関節装置５００によれば、例えばコイル５ａ〜５ｃを同時に駆動した場合、第３関節１０３に設けられたねじりコイルばね９のねじりばね定数が、第２関節１０２に設けられたねじりコイルばね９より小さいことにより、第１、第２リンク１，２がそれぞれ第２、第３リンク２，３に対して屈曲動作を開始するよりも先に、第３リンク３が第４リンク４に対して屈曲動作を開始する（関節装置５００において屈曲機構１０が最大屈曲状態に至る前の状態を図２２に示している）。また、屈曲機構１０が屈曲状態から伸展状態へと戻るときは、第１リンク１が最初に伸展動作を開始する。

したがって、例えば被介護者を抱きかかえる介護者を支援するためのロボットリンクに関節装置５００を組み込んだ場合、被介護者の身体に沿うように、屈曲機構１０を屈曲、伸展させることができる。

上記実施形態５の説明では、屈曲機構１０の屈曲、伸展の態様を変更するためにねじりコイルばね９を用いてリンク同士を接続したが、実施形態５の変形例として、弦巻ばね、板ばねなど他の弾性部材を用いてリンク同士を接続してもよい。具体的には、第１リンク１と第２リンク２との間に第１弾性部材を設け、第２リンク２と第２リンク３との間に第２弾性部材を設け、第３リンク３と第４リンク４との間に第３弾性部材を設け、第１、第２、第３弾性部材の弾性定数を、この順に小さく設定する。なお、本実施形態５において、第２、第３弾性部材には、空気（すなわち、弾性部材を設けない）が含まれるものとする。また、弾性部材は、エラストマーなどの粘弾性部材であってもよい。

［実施形態６］
実施形態６の説明および図面では、実施形態１から５と同じ構成には同じ符号を付して、当該構成の説明を省略する。

図２３は、本発明の実施形態６による関節装置を示す、図８に対応する断面図である。実施形態６による関節装置６００は、複数のコイルを用いる点で、実施形態１から３による関節装置と異なる（実施形態４，５による関節装置と共通する）。実施形態６では、実施形態１から３による関節装置に備えられた屈曲機構とは異なる構造を有する屈曲機構を用いるが、説明と図面では、便宜上、符号１０を付している。また、実施形態６では、実施形態１による駆動方法を用いてコイル５ａ，５ｂを駆動する例について説明するが、実施形態２で説明した方法を用いてもよい。

実施形態６による関節装置６００は、第１、第２コイル５ａ，５ｂを備えている。第１コイル５ａは、第２コイル５ｂに対して、コイルの巻き方向が逆である。第１コイル５ａは、第２コイル５ｂよりもコイル径が小さい。第１コイル５ａは、第２コイル５ｂの中空部に挿入されている。

第１リンク１前壁１３の貫通孔１３１には、コイル先端固定部材１３２が嵌め込まれて固定されている。コイル５ａの前端部５２は、コイル先端固定部材１３２に固定されており、コイル５の中心軸を中心に回転不能となっている。また、第２リンク２の前壁１３の貫通孔１３１には、第２コイル５ｂの前端部５２ｂが圧入されて、第２リンク２の前壁１３に固定されている。

第１、第２コイル５ａ，５ｂは、その後端部側で、２つの中空軸モータ（本体は図示せず）の互いに径が異なる中空出力軸６１ａ，６１ｂに挿入されている。径が大きい方の中空出力軸６１ｂは、径が小さい方の中空出力軸６１ａに対して前方に位置している。

実施形態６による関節装置６００によれば、屈曲機構１０を幅方向（左右方向Ｘ）に大きくすることなく、実施形態５で説明したように、屈曲機構１０の屈曲、伸展動作を精密に行うことができる、という効果を得ることができる。

以上、複数の実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されない。また、各実施形態に記載された特徴は、自由に組み合わせられてよい。また、前記実施形態には、種々の改良、設計上の変更および削除が加えられてよい。

例えば、前記実施形態では、屈曲機構１０の各リンクの側壁１２の上部に関節を設け、左側から見て、各リンクが、回転軸を中心に、屈曲動作時には時計周り方向に回転し、伸展動作時には反時計回り方向に回転する例について説明した。本発明はこれに限定されることなく、屈曲機構１０の各リンクの上下方向Ｚで上部または下部とは異なる位置、例えば中央部に関節を設け、各リンクが時計周り方向と半時計周り方向の両方向に回転できるようにしてもよい。

また、前記実施形態では、左右方向Ｘ、前後方向Ｙおよび上下方向Ｚは、互いに垂直であるとしたが、本発明において、「第１方向に対して垂直な第２方向」、「第１方向に対して垂直な第３方向」、「第２方向に対して垂直な第３方向」などという場合、２つの方向の間の角度は９０°に限定されず、本発明の作用効果を奏する範囲であれば、９０°より大きくても小さくてもよい。

１ 第１リンク
２ 第２リンク
３ 第３リンク
４ 第４リンク
１０ 屈曲機構
１７ 軸部
１８ 軸受孔
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ コイル案内部
２６ モータ
１０１ 第１関節
１０２ 第２関節
１０３ 第３関節
５，５ａ，５ｂ，５ｃ コイル
５１ 雄ねじ部
６ 中空軸モータ
６１ 中空出力軸
６１ａ 雌ねじ部
７ 台部
８，８ａ，８ｂ，８ｃ ナット
３１ プーリ
３２ モータ
３８ 割りナット
１００，２００，３００，４００，５００，６００ 関節装置
Ｘ 左右方向
Ｙ 前後方向
Ｚ 上下方向

Claims (9)

1. 第１リンクと第２リンクを有し、
   前記第１リンクと前記第２リンクは第１方向に一列に配置されており、
   前記第１リンクと前記第２リンクは、関節を介して連結されており、前記第１リンクと前記第２リンクが直線状に並ぶ直線状態と、前記第２リンクが前記第１リンクに対して前記関節を中心に所定方向に所定角度回転した屈曲状態とを取り得るように構成されている関節装置であって、
   前記第１リンクに形成された第１の案内部と、
   前記第２リンクに形成された第２の案内部と、
   前記第１の案内部と前記第２の案内部に配置されたコイルと、
   駆動部と、
   前記駆動部に形成され、前記駆動部の駆動に基づいて回転する中空出力軸と、
   を備え、
   前記中空出力軸は、前記中空出力軸の内周面に、前記第１方向に伸び且つ前記コイルの雄ねじ部に対応した形状の螺旋溝を有し、
   前記コイルの前端部は、前記第１リンクに固定されており、
   前記コイルの一部は、前記螺旋溝に噛み合っており、
   前記駆動部の駆動に基づいて前記中空出力軸が回転すると、前記中空出力軸の螺旋溝と前記雄ねじ部との噛み合いに基づいて、前記コイルが前記第１方向に沿って前後に移動して、前記第１リンクと前記第２リンクが直線状態から屈曲状態、又は屈曲状態から直線状態に変化する、ことを特徴とする関節装置。
2. 第１リンクと第２リンクを有し、
   前記第１リンクと前記第２リンクは第１方向に一列に配置されており、
   前記第１リンクと前記第２リンクは、関節を介して連結されており、前記第１リンクと前記第２リンクが直線状に並ぶ直線状態と、前記第２リンクが前記第１リンクに対して前記関節を中心に所定方向に所定角度回転した屈曲状態とを取り得るように構成されている関節装置であって、
   前記第１リンクに形成された第１の案内部と、
   前記第２リンクに形成された第２の案内部と、
   前記第１の案内部と前記第２の案内部に配置されたコイルと、
   前記コイルの雄ねじ部に対応した形状の螺旋溝を有するナットと、
   駆動部と、
   を備え、
   前記コイルの前端部は、前記第１リンクに前記コイルの長軸を中心に回転可能に連結されており、
   前記コイルの一部は、前記ナットの螺旋溝に噛み合った状態で前記駆動部に連結されており、
   前記駆動部の駆動に基づいて前記コイルが回転すると、前記ナットの前記螺旋溝と前記コイルの前記雄ねじ部との噛み合いに基づいて、前記コイルが前記第１方向に沿って前後に移動して、前記第１リンクと前記第２リンクが直線状態から屈曲状態、又は屈曲状態から直線状態に変化する、ことを特徴とする関節装置。
3. 第１リンクと第２リンクを有し、
   前記第１リンクと前記第２リンクは第１方向（Ｙ方向）に一列に配置されており、
   前記第１リンクと前記第２リンクは、関節を介して連結されており、前記第１リンクと前記第２リンクが直線状に並ぶ直線状態と、前記第２リンクが前記第１リンクに対して前記関節を中心に所定方向に所定角度回転した屈曲状態とを取り得るように構成されている関節装置であって、
   前記第１リンクに形成された第１の案内部と、
   前記第２リンクに形成された第２の案内部と、
   前記第１の案内部と前記第２の案内部に配置されたコイルと、
   前記コイルの雄ねじ部に対応した形状の螺旋溝を有するナットと、
   駆動部と、
   を備え、
   前記コイルの前端部は前記第１リンクに連結され、前記コイルの一部は駆動部に連結されたプーリに巻き付けられており、
   前記駆動部の駆動に基づいて前記プーリが回転すると、前記プーリの前記コイルとの摩擦に基づいて、前記コイルが前記第１方向に沿って前後に移動して、前記第１リンクと前記第２リンクが直線状態から屈曲状態、又は屈曲状態から直線状態に変化する、ことを特徴とする関節装置。
4. 前記ナットは、第１分割部と第２分割部に分割された割ナットであり、
   前記第１分割部の内周面は前記コイルの前記雄ねじ部に対応した形状の前記螺旋溝が形成されており、
   前記第２分割部の内周面は前記螺旋溝の無い滑らかな面であり、
   前記第１分割部と前記第２分割部は開閉可能に連結されており、
   前記第１分割部と前記第２分割部は、前記第１分割部と前記第２分割部が開いた状態で前記第２分割部の滑らかな面に沿って前記コイルが前記第１方向に移動可能であり、前記第１分割部と前記第２分割部が閉じた状態で前記第１分割部の螺旋溝が前記コイルの雄ねじ部に噛み合って前記コイルの移動を禁止する、ことを特徴とする請求項３記載の関節装置。
5. 前記関節装置は、前記第１リンクと前記第２リンクの間に配置された少なくとも一つの中間リンクを備えており、
   前記中間リンクは、前記第１リンクおよび第２リンクとそれぞれ関節を介して直接的または間接的に連結され、
   前記第１リンクが、前記中間リンクと直線状に並ぶ直線状態と、前記第１リンクに対して前記関節を中心に所定方向に所定角度回転した屈曲状態とをとり、
   前記中間リンクが、前記第２リンクと直線状に並ぶ直線状態と、前記第２リンクに対して前記関節を中心に所定方向に所定角度回転した屈曲状態とをとるように構成されている、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の関節装置。
6. 前記関節装置は前記関節の数に応じた複数の前記コイルと、前記複数のコイルにそれぞれ駆動連結された複数の前記駆動部を備えており、
   前記複数のコイルの前端部は前記第１リンクまたは前記中間リンクに連結されていることを特徴とする、請求項５に記載の関節装置。
7. 前記複数のコイルは異なる径を有し、大径のコイルが小径のコイルの内側に同心的に配置されていることを請求項６に記載の関節装置。
8. 前記関節には、ねじりコイルばね（９）が配置されており、
   前記第１リンクに近い位置に設けられた前記ねじりコイルばねのばね定数は、前記第１リンクから離れた位置に設けられた前記ねじりコイルばねのばね定数よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の関節装置。
9. 前記コイルは、巻回された素線からなり、前記素線の周回部分同士が隙間なく接触している密着コイルばねであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の関節装置。

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