JP7149208B2

JP7149208B2 - ロボットの関節構造体

Info

Publication number: JP7149208B2
Application number: JP2019046901A
Authority: JP
Inventors: 雅幸掃部; 創柚木崎; 純一烏山
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2022-10-06
Anticipated expiration: 2039-03-14
Also published as: US11878414B2; CN113573859A; US20220152813A1; KR20210134011A; JP2020146803A; EP3939754A1; WO2020184574A1; CN113573859B; EP3939754A4; KR102473636B1

Description

本発明は、ロボットの関節構造体に関する。

人型歩行ロボットにおいて、膝関節の屈曲角度が大きくなると、膝関節に負荷として作用する膝トルクが大きくなることが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されている２関節運動変速リンク機構では、膝トルクが大きくなるほど、足首の屈曲角が大きくなるという仮説を基に、足首角度の増大に応じた足首リンク機構の動作に連動して、４節リンク機構で構成されている、膝リンク機構が、減速比が増大するように動作する。

また、関節の屈曲方向の可動範囲（回転角度）を増大させることを目的とした、ロボットの関節構造が知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に開示されているロボットの関節構造では、回転軸Ａ、Ｂが設けられている第１の主リンクと、回転軸Ｃ、Ｄが設けられている第２の主リンクと、を、交差するように配置されている、２つの可動リンクにより、連結している。

この関節構造では、第１の主リンクを互いに平行に配置された第１のプレートと第２のプレートとから構成し、一方の可動リンクを回転軸Ａを介して、第１のプレートと第２のプレートとに回転自在に接続し、他方の可動リンクを回転軸Ｂを介して第１のプレートのみに回転自在に接続することで、関節の屈曲方向の可動範囲（回転角度）を増大させている。

特開２０１６－２０９９８３号公報特許第４２３６９００号

ところで、本発明者らは、上記特許文献１に開示されている２関節運動変速リンク機構及び特許文献２に開示されているロボットの関節構造とは異なる、ロボットの関節構造体を想到した。本発明は、新規な構造を備えるロボットの関節構造体を提供することを目的とする。

本発明に係るロボットの関節構造体は、第１軸部材及び第２軸部材が挿通されている、第１リンク部材と、第３軸部材及び第４軸部材が挿通されている、第２リンク部材と、交差するように配置され、前記第１軸部材～前記第４軸部材を介して、前記第１リンク部材と前記第２リンク部材とを回動自在に連結している、第１可動リンク及び第２可動リンクと、基端部が第１リンク部材に接続されている、直動アクチュエータと、を備え、前記第１可動リンクには、前記直動アクチュエータの先端部が回動自在に接続されていて、前記直動アクチュエータが進退することにより、前記第２リンク部材が前記第１リンク部材に対して、相対的に揺動するように構成されている。

これにより、直動アクチュエータを構成するモータを大型化することなく、関節の屈曲角度が大きくなったときに必要なトルクを担保することができる。このため、ロボットの小型化を図ることができる。

本発明のロボットの関節構造体によれば、直動アクチュエータを構成するモータを大型化することなく、関節の屈曲角度が大きくなったときに必要なトルクを担保することができ、ロボットの小型化を図ることができる。

図１は、本実施の形態１に係るロボットの関節構造体の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１に示すロボットの関節構造体の正面図である。図３は、図１に示すロボットの関節構造体の側面図である。図４は、図１に示すロボットの関節構造体の側面図である。図５は、図１に示すロボットの関節構造体の側面図である。図６は、図１に示すロボットの関節構造体の斜視図である。図７は、図１に示すロボットの関節構造体の斜視図である。図８は、比較例のロボットの関節構造体の概略構成を示す模式図である。図９は、実施の形態１に係るロボットの関節構造体と比較例のロボットの関節構造体について、関節角度関節角度を変更したときのトルク特性を算出し、プロットした結果と、ロボットの体重を支えるために、関節構造体に必要なトルクを算出し、プロットした結果と、を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するための構成要素を抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している場合がある。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。

（実施の形態１）
本実施の形態１に係るロボットの関節構造体は、第１軸部材及び第２軸部材が挿通されている、第１リンク部材と、第３軸部材及び第４軸部材が挿通されている、第２リンク部材と、交差するように配置され、第１軸部材～第４軸部材を介して、第１リンク部材と第２リンク部材とを回動自在に連結している、第１可動リンク及び第２可動リンクと、基端部が第１リンク部材に接続されている、直動アクチュエータと、を備え、第１可動リンクには、直動アクチュエータの先端部が回動自在に接続されていて、直動アクチュエータが進退することにより、第２リンク部材が第１リンク部材に対して、相対的に揺動するように構成されている。

また、本実施の形態１に係るロボットの関節構造体では、第１可動リンクは、第１軸部材と第３軸部材を介して、第１リンク部材と第２リンク部材とを回動自在に連結し、第２可動リンクは、第２軸部材と第４軸部材を介して、第１リンク部材と第２リンク部材とを回動自在に連結していてもよい。

また、本実施の形態１に係るロボットの関節構造体では、第１可動リンクは、第２リンク部材側の端部に延長部が設けられていて、延長部には、直動アクチュエータの先端部が回動自在に接続されていてもよい。

また、本実施の形態１に係るロボットの関節構造体では、第１可動リンクは、第２軸部材と干渉しないように、湾曲するように形成されていてもよい。

また、本実施の形態１に係るロボットの関節構造体では、第１可動リンクは、Ｖ字状に形成されていてもよい。

さらに、本実施の形態１に係るロボットの関節構造体では、第１可動リンクの延長部は、第１リンク部材と第２リンク部材が直線状に配置されているときに、第１リンク部材に向かって延びるように形成されていてもよい。

以下、本実施の形態１に係るロボットの関節構造体の一例について、図１～図９を参照しながら説明する。

［ロボットの関節構造体の構成］
図１は、本実施の形態１に係るロボットの関節構造体の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１に示すロボットの関節構造体の正面図である。図３～図５は、図１に示すロボットの関節構造体の側面図である。図６及び図７は、図１に示すロボットの関節構造体の斜視図である。

なお、図１、図６、及び図７においては、ロボットの関節構造体における上下方向、前後方向、及び左右方向を図における上下方向、前後方向、及び左右方向として表している。また、図２においては、ロボットの関節構造体における上下方向及び左右方向を図における上下方向及び左右方向として表している。さらに、図３～図５においては、ロボットの関節構造体における上下方向及び前後方向を図における上下方向及び前後方向として表している。

図１～図７に示すように、本実施の形態１に係るロボットの関節構造体１００は、第１リンク部材１０、第２リンク部材２０、直動アクチュエータ３０、第１可動リンク４０、及び第２可動リンク５０を備えていて、直動アクチュエータ３０が進退動作をすることで、第２リンク部材２０が、第１リンク部材１０に対して相対的に揺動するように構成されている。

なお、本実施の形態１に係るロボットの関節構造体１００は、例えば、第１リンク部材１０がロボットの大腿部分を構成し、第２リンク部材２０がロボットの下腿部分を構成する形態であってもよく、第１リンク部材１０がロボットの上腕部分を構成し、第２リンク部材２０が前腕部分を構成する形態であってもよい。

第１リンク部材１０は、第１本体部１０ａと第１突起部１０ｂを有している。第１本体部１０ａは、棒状（直方体状）に形成されていて、その下端部の前面には、前方に突出するように第１突起部１０ｂが設けられている。

また、第１本体部１０ａの下端部の側面には、貫通孔（図示せず）が形成されていて、当該貫通孔には、第１軸部材６１及び軸受部材（図示せず）が嵌挿されている。同様に、第１突起部１０ｂの側面には、貫通孔（図示せず）が形成されていて、第２軸部材６２及び軸受部材（図示せず）が嵌挿されている。なお、軸受部材は、例えば、ボールベアリングであってもよい。

さらに、第１本体部１０ａの上部には、一対の固定部１１、１１により、直動アクチュエータ３０が固定されている。なお、直動アクチュエータ３０の構成については、後述する。

第２リンク部材２０は、第２本体部２０ａと第２突起部２０ｂを有している。第２本体部２０ａは、棒状（直方体状）に形成されていて、その上端部の前面には、前方に突出するように第２突起部２０ｂが設けられている。

また、第２本体部２０ａの上端部の側面には、貫通孔（図示せず）が形成されていて、当該貫通孔には、第４軸部材６４及び軸受部材（図示せず）が嵌挿されている。同様に、第２突起部２０ｂの側面には、貫通孔（図示せず）が形成されていて、第３軸部材６３及び軸受部材（図示せず）が嵌挿されている。なお、軸受部材は、例えば、ボールベアリングであってもよい。

第１リンク部材１０と第２リンク部材２０は、第１可動リンク４０及び第２可動リンク５０により連結されていて、当該連結されている部分が、ロボットの関節構造を構成する。第１可動リンク４０及び第２可動リンク５０は、第１リンク部材１０及び第２リンク部材２０が、直線状に配置されているときに、左右方向から見て、交差するように配置されている（図１～図３参照）。換言すると、第１可動リンク４０及び第２可動リンク５０は、第１リンク部材１０及び第２リンク部材２０が、上下方向に延びるように配置されているときに、左右方向から見て、交差するように配置されている。

第２可動リンク５０は、一対の第２可動リンク部材５１Ａ、５１Ｂを有している。第２可動リンク部材５１Ａ、５１Ｂは、それぞれ、短冊状に形成されていて、第１リンク部材１０及び第２リンク部材２０を左右方向から挟むように配置されている。

また、第２可動リンク部材５１Ａ、５１Ｂの両端部には、それぞれ、貫通孔５２、５４が形成されている。貫通孔５２には、第２軸部材６２及び軸受部材７２が挿通されている。貫通孔５４には、第４軸部材６４及び軸受部材７４が挿通されている。なお、軸受部材７２、７４は、例えば、ボールベアリングであってもよい。

第２軸部材６２は、例えば、ネジとナットで構成されていて、第２可動リンク部材５１Ａ、第１リンク部材１０、及び第２可動リンク部材５１Ｂを共締めしている。同様に、第４軸部材６４は、例えば、ネジとナットで構成されていて、第２可動リンク部材５１Ａ、第２リンク部材２０、及び第２可動リンク部材５１Ｂを共締めしている。

これにより、第２可動リンク５０は、第２軸部材６２と第４軸部材６４を介して、第１リンク部材１０と第２リンク部材２０を回動（揺動）自在に連結している。

第１可動リンク４０は、左右方向から見て、第２軸部材６２と干渉しないように、湾曲するように形成されている。換言すると、第１可動リンク４０は、左右方向から見て、略Ｖ字状に形成されている。

また、第１可動リンク４０は、一対の第１可動リンク部材４１Ａ、４１Ｂと、板部材４２と、を有していて、一対の第１可動リンク部材４１Ａ、４１Ｂが、左右方向から板部材４２を挟むように配置されている。第１可動リンク部材４１Ａ、４１Ｂ及び板部材４２は、適宜な手段（例えば、ネジ等）により固定されている。

第１可動リンク部材４１Ａ、４１Ｂは、それぞれ、本体部３と延長部４を有している。本体部３及び延長部４は、それぞれ、短冊状に形成されていて、本体部３の基端部（図１～図３においては、下端部）と延長部４の基端部（図１～図３においては、下端部）とが接続されている。

延長部４は、第１リンク部材１０と第２リンク部材２０が直線状に配置されているときに、本体部３における第２リンク部材２０側の端部（基端部）から、第１リンク部材１０に向かって延びるように形成されている。換言すると、延長部４は、第１リンク部材１０と第２リンク部材２０が上下方向に延びるように配置されているときに、本体部３における第２リンク部材２０側の端部（基端部）から、上方に向かって延びるように形成されている。

本体部３の両端部には、貫通孔４３、４４が形成されている。貫通孔４３には、第３軸部材６３及び軸受部材７３が挿通されている。また、貫通孔４４には、第１軸部材６１及び軸受部材７１が挿通されている。なお、軸受部材７１、７３は、例えば、ボールベアリングであってもよい。

第１軸部材６１は、例えば、ネジとナットで構成されていて、第１可動リンク部材４１Ａ、第１リンク部材１０、第１可動リンク部材４１Ｂを共締めしている。同様に、第３軸部材６３は、例えば、ネジとナットで構成されていて、第１可動リンク部材４１Ａ、第１リンク部材１０、第１可動リンク部材４１Ｂを共締めしている。

これにより、第１可動リンク４０は、第１軸部材６１と第３軸部材６３を介して、第１リンク部材１０と第２リンク部材２０を回動（揺動）自在に連結している。

また、延長部４の先端部（図１～図３においては、上端部）には、貫通孔４５が形成されている。貫通孔４５には、軸部材６５及び軸受部材７５が挿通されている。また、軸受部材７５は、直動アクチュエータ３０の先端部を挿通している。軸受部材７５は、例えば、ネジとナットで構成されていて、第１可動リンク部材４１Ａ、直動アクチュエータ３０、第１可動リンク部材４１Ｂを共締めしている。

直動アクチュエータ３０は、ここでは、駆動モータとボールネジ機構で構成されているが、これに限定されず、公知の直動アクチュエータを用いることができる。なお、本実施の形態１においては、直動アクチュエータ３０は、第１筐体３１、第２筐体３２、駆動モータ３３、第１プーリ３５、第２プーリ３６、及びベルト３７を有している。

第１筐体３１及び第２筐体３２は、直方体状に形成されていて、入れ子状に構成されている。第１筐体３１（直動アクチュエータ３０）の基端部の両側面には、一対の固定部１１、１１が取付けられている。そして、上述したように、一対の固定部１１、１１により、第１筐体３１（直動アクチュエータ３０）は、第１リンク部材１０の基端部に固定されている。

また、第１筐体３１の基端部の前面には、駆動モータ３３が取付けられている。駆動モータ３３の出力軸３４には、第１プーリ３５が接続されている。さらに、第１筐体３１の内部には、ボールネジ機構が配置されている（図示せず）。ボールネジ機構のネジ軸の基端部には、第２プーリ３６が接続されていて、ネジ軸の先端部には、第２筐体３２の基端部が接続されている。そして、第１プーリ３５と第２プーリ３６には、ベルト３７が巻きつけられている。これにより、第２筐体３２は、第１筐体３１に対して、進退することができる。なお、ボールネジ機構については、公知のボールネジ機構を用いることができ、その詳細な説明は省略する。

なお、本実施の形態１に係るロボットの関節構造体１００では、直動アクチュエータ３０の先端部を第１可動リンク４０の延長部４に回動自在に接続する形態を採用したが、これに限定されない。例えば、直動アクチュエータ３０の先端部を第１可動リンク４０の本体部３に回動自在に接続する形態を採用してもよい。この場合、第２筐体３２の先端部は、第３軸部材６３に挿通されるように構成されていてもよい。

［ロボットの関節構造体の動作］
次に、本実施の形態１に係るロボットの関節構造体１００の動作について、図１～図７を参照しながら説明する。

まず、図１～図３に示すように、関節構造体１００は、第１リンク部材１０と第２リンク部材２０が、直線状に配置されているとする。そして、図示されない制御装置から直動アクチュエータ３０に関節を屈曲させる指示信号が出力されたとする。

すると、直動アクチュエータ３０の駆動モータ３３が駆動して、第２筐体３２が第１筐体３１に対して、伸長する。これにより、図４及び図６に示すように、第２リンク部材２０を第１リンク部材１０に対して、揺動し、屈曲した状態となる。なお、図４に示すように、第２リンク部材２０が第１リンク部材１０に対して、直線状に配置されている状態から屈曲した状態に揺動した角度を関節角度（屈曲角度；５０°）として表している。

さらに、直動アクチュエータ３０の駆動モータ３３が駆動すると、図５及び図７に示すように、関節角度が大きくなる（図５では、１４０°）。

次に、図５及び図７に示すように、関節構造体１００の第２リンク部材２０が、第１リンク部材１０に対して搖動した状態（関節が屈曲した状態）にあるときに、制御装置から直動アクチュエータ３０に関節を伸展させる指示信号が出力されたとする。

すると、直動アクチュエータ３０の駆動モータ３３が、屈曲動作とは反対方向に回転して、伸長していた第２筐体３２が退縮する。これにより、屈曲していた関節が、伸展した状態となる。

［ロボットの関節構造体の作用効果］
次に、本実施の形態１に係るロボットの関節構造体１００の作用効果について、図１～図９を参照しながら説明する。

まず、図８を参照しながら、比較例のロボットの関節構造体の構成について、説明する。

図８は、比較例のロボットの関節構造体の概略構成を示す模式図である。なお、図８においては、ロボットの関節構造体における上下方向及び前後方向を図における上下方向及び前後方向として表している。

図８に示すように、比較例のロボットの関節構造体２００は、第１リンク部材２１０、第２リンク部材２２０、直動アクチュエータ２３０、及び第１可動リンク２４０を備えていて、基本的には、実施の形態１に係るロボットの関節構造体１００と同様の構成である。

しかしながら、比較例のロボットの関節構造体２００では、第１可動リンク１４０が、固定部材２８０により、第２リンク部材２２０に固定されており、第２可動リンク５０が配設されていない点が異なる。

このように構成された、比較例のロボットの関節構造体２００と本実施の形態１に係るロボットの関節構造体１００について、直動アクチュエータを構成する駆動モータの出力に対して、関節角度を変更したときのトルク特性を算出し、プロットした。また、第１リンク部材を大腿とし、第２リンク部材を下腿とし、第１リンク部材の上部に胴体が配置されている場合に、ロボットの体重を支えるために、関節構造体に必要なトルクを算出し、プロットした。

図９は、実施の形態１に係るロボットの関節構造体と比較例のロボットの関節構造体について、関節角度関節角度を変更したときのトルク特性を算出し、プロットした結果と、ロボットの体重を支えるために、関節構造体に必要なトルクを算出し、プロットした結果と、を示すグラフである。

図９に示すように、比較例のロボットの関節構造体２００では、関節角度が小さい場合には、充分なトルクが得られているが、関節角度が大きくなると、必要なトルクを満たすことができない。

一方、本実施の形態１に係るロボットの関節構造体１００では、関節角度が大きくなっても、必要なトルクを満たすことができる。これは、本実施の形態１に係るロボットの関節構造体１００では、第１可動リンク４０と第２可動リンク５０が交差するように配置されている（いわゆる、クロスリンク）ことに起因する。クロスリンクは、出力角が所定の角度以上になると急激に減速比が大きくなる特徴を有する。

このため、本実施の形態１に係るロボットの関節構造体１００では、関節角度が小さい場合には、直動アクチュエータ３０により、必要なトルクが得られ、関節角度が大きい場合には、クロスリンクにより、必要なトルクが得られる。したがって、直動アクチュエータ３０を構成する駆動モータ３３を大型化することなく、関節の屈曲角度が大きくなったときに必要なトルクを担保することができ、ロボットの小型化を図ることができる。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良又は他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明のロボットの関節構造体は、ロボットの小型化を図ることができるため、産業ロボットの分野において有用である。

３本体部
４延長部
１０第１リンク部材
１０ａ第１本体部
１０ｂ第１突起部
１１固定部
２０第２リンク部材
２０ａ第２本体部
２０ｂ第２突起部
３０直動アクチュエータ
３１第１筐体
３２第２筐体
３３駆動モータ
３４出力軸
３５第１プーリ
３６第２プーリ
３７ベルト
４０第１可動リンク
４１Ａ第１可動リンク部材
４１Ｂ第１可動リンク部材
４２板部材
４３貫通孔
４４貫通孔
４５貫通孔
５０第２可動リンク
５１Ａ第２可動リンク部材
５１Ｂ第２可動リンク部材
５２貫通孔
５３貫通孔
５４貫通孔
６１第１軸部材
６２第２軸部材
６３第３軸部材
６４第４軸部材
６５軸部材
７１軸受部材
７２軸受部材
７３軸受部材
７４軸受部材
７５軸受部材
１００関節構造体
２００関節構造体
２１０第１リンク部材
２２０第２リンク部材
２３０直動アクチュエータ
２４０第１可動リンク

Claims

第１軸部材及び第２軸部材が挿通されている、第１リンク部材と、
第３軸部材及び第４軸部材が挿通されている、第２リンク部材と、
交差するように配置され、前記第１軸部材～前記第４軸部材を介して、前記第１リンク部材と前記第２リンク部材とを回動自在に連結している、第１可動リンク及び第２可動リンクと、
基端部が第１リンク部材に接続されている、直動アクチュエータと、を備え、
前記第１可動リンクには、前記直動アクチュエータの先端部が回動自在に接続されていて、
前記直動アクチュエータが進退することにより、前記第２リンク部材が前記第１リンク部材に対して、相対的に揺動するように構成されている、ロボットの関節構造体。
前記第１可動リンクは、第２リンク部材側の端部に延長部が設けられていて、前記延長部には、前記直動アクチュエータの先端部が回動自在に接続されている、請求項１に記載のロボットの関節構造体。
前記第１可動リンクは、前記第１軸部材と前記第３軸部材を介して、前記第１リンク部材と前記第２リンク部材とを回動自在に連結し、
前記第２可動リンクは、前記第２軸部材と前記第４軸部材を介して、前記第１リンク部材と前記第２リンク部材とを回動自在に連結している、請求項１又は２に記載のロボットの関節構造体。
前記第１可動リンクは、前記第２軸部材と干渉しないように、湾曲するように形成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載のロボットの関節構造体。
前記第１可動リンクは、Ｖ字状に形成されている、請求項１～４のいずれか１項に記載のロボットの関節構造体。
前記第１可動リンクの延長部は、前記第１リンク部材と前記第２リンク部材が直線状に配置されているときに、前記第１リンク部材に向かって延びるように形成されている、請求項１～５のいずれか１項に記載のロボットの関節構造体。