JP7170083B2

JP7170083B2 - 関節ユニット

Info

Publication number: JP7170083B2
Application number: JP2021056073A
Authority: JP
Inventors: 功一尾花; 一也菊地; 洋大澤
Original assignee: Sony Interactive Entertainment Inc
Current assignee: Sony Interactive Entertainment Inc
Priority date: 2021-03-29
Filing date: 2021-03-29
Publication date: 2022-11-11
Anticipated expiration: 2041-03-29
Also published as: JP2022153046A

Description

本開示はロボット等に搭載される関節ユニットに関する。

下記特許文献１には、互いに交差する２つの軸線でアームを回転させる関節ユニットが記載されている。人や動物を模したロボットでは、例えばロボットの肩部に対して上腕部であるアームを前後方向に回転させたり、左右方向に回転させたりすることができる。

国際公開第２０１７／２１７４１５号

アーム（例えば、前腕部や脛部）と、このアームを支持する基部（例えば、上腕部や腿部）とを関節で接続した構造において、アームが基部に当たることでアームの回転が阻害され、アームの可動範囲を十分に確保できない場合がある。人や動物を模したロボットの様々な姿勢を実現するためには、基部に対するアームの可動範囲は広いことが好ましい。

本開示の目的は、基部に対するアームの可動範囲を広くすることができる関節ユニットを提供することにある。

本開示で提案する関節ユニットの一例は、基部と、アームと、前記基部と前記アームとを接続し、軸線を中心とする前記アームの動きを許容する関節機構と、前記軸線を中心に前記アームを回転させる回転力を出力するアクチュエータと、前記軸線に対して交差する方向で前記軸線の第１の位置から第２の位置への移動を許容するスライド機構と、を有する。前記軸線が第１の位置にある場合、前記アームは前記軸線を中心に回転することによって、第１の角度位置で前記基部の干渉部に当たる。前記軸線が第２の位置にある場合、前記アームは前記第１の角度位置よりも大きな第２の角度位置での移動が許容される。この関節ユニットによれば、基部に対し軸線の位置が固定される場合に比べて、基部に対するアームの可動範囲を広くすることができる。

本開示で提案する関節ユニットの一例を示す斜視図である。関節ユニットの一例を示す側面図であり、アームが回転する前の状態を示す。関節ユニットの一例を示す側面図であり、アームが回転中の状態を示す。関節ユニットの一例を示す側面図であり、回転したアームが基部に当接した状態を示す。関節ユニットの一例を示す側面図であり、アームの軸線が初期位置から移動している状態を示す。関節ユニットの一例を示す側面図であり、アームの軸線が最終位置に移動した状態を示す。

以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本開示で提案する関節ユニットの一例（以下では、関節ユニット１と称する）を示す斜視図であり、図２Ａ～２Ｅは、関節ユニット１の側面図である。以下の説明では、図１に示すＸ１及びＸ２をそれぞれ右方向及び左方向とし、Ｙ１及びＹ２をそれぞれ前方及び後方とし、Ｚ１及びＺ２をそれぞれ上方及び下方とする。また、部材（部品）において、最も上の位置、最も下の位置、最も左の位置、最も右の位置、最も前の位置、最も後の位置を、それぞれ、上端、下端、左端、右端、前端、後端とする。また、部材の上端、下端、左端、右端、前端、後端を少なくとも含む部材の一部分を、それぞれ、上端部、下端部、左端部、右端部、前端部、後端部とする。ただし、これらの方向は、関節ユニット１の要素（部品、部材、及び部分）の形状や相対的な位置関係を説明するため規定され、関節ユニット１の姿勢を限定するものではない。

［関節ユニットの構成］
図１に示すように、関節ユニット１は、アーム３０と、このアーム３０を支持する基部２０とを有している。アーム３０は基部２０に接続し、基部２０に対して相対的に動くことができる。アーム３０は、軸線Ａを中心として回転可能である。基部２０は、例えばロボットの肩部や股関節部等に取り付けられ、ロボットの上腕部や腿部等を構成する。アーム３０は、例えばロボットの上腕部や腿部等を構成する。

図１に示す例では、基部２０は上下方向に延びる板の左側と右側とを曲げた形状であり、上から見てＵ字形状の断面を有している。基部２０は、例えば、左右方向において互いに対向する２つの側板部２１ａ，２１ｂと、２つの側板部２１ａ，２１ｂを繋ぐ前板部２１ｃとを有している。前板部２１ｃは基部２０の前端に位置している。また、前板部２１ｃには、前板部２１ｃの左端から右端にかけて切り欠きＣが形成されている。以下の説明では、前板部２１ｃの上端から切り欠きＣまでを上部２２と称し、切り欠きＣから前板部２１ｃの下端までを下部２３と称する。切り欠きＣは前板部２１ｃの下寄りに形成されており、上下方向における上部２２の長さは、上下方向における下部２３の長さよりも長い。

図１に示す例において、基部２０の前板部２１ｃの上部２２には、押しボタン式のスイッチ２４が設けられている。また、基部２０の上部２２には、回転したアーム３０が当たる干渉部２５が設けられている。干渉部２５は、スイッチ２４の近傍に設けられてもよいし、スイッチ２４そのものであってもよい。スイッチ２４及び干渉部２５については、後に詳述する。

関節ユニット１は、アクチュエータ４０を有している。図１に示す例において、アクチュエータ４０は基部２０の切り欠きＣに配置され、後述するスライド部である２つのスライド板４２ａ，４２ｂを介して基部２０により支持されている。

関節ユニット１は、基部２０とアーム３０とを接続し、左右方向に延びる軸線Ａを中心とするアーム３０の動き（回転）を許容する関節機構を有している。ここで、関節機構は、軸線Ａにおいてアクチュエータ４０の連結部４１に取り付けられるアーム３０の連結部３１を有している。図１に示す例では、アクチュエータ４０本体に対して相対的に回転する連結部４１が、アクチュエータ４０の右端部における軸線Ａに設けられている。このアクチュエータ４０の連結部４１に、アーム３０の連結部３１が取り付けられている。

アーム３０は、左右方向に並ぶ２つの板部３２ａ，３２ｂと、板部３２ａ，３２ｂの下端部に取り付けられ、２つの板部３２ａ，３２ｂを接続する接続部３５とを有している。接続部３５は、２つの板部３２ａ，３２ｂの下端部に取り付けられている。

図１に示す例では、アクチュエータ４０に取り付けられるアーム３０の連結部３１は、右側の板部３２ａの上端部に設けられている。なお、軸線Ａにおいて、アクチュエータ４０の左端部にも連結部４１が設けられてもよい。この場合、左側の板部３２ｂの上端部にも、アクチュエータ４０の連結部４１に取り付けられる連結部３１が設けられてもよい。これに限らず、２つの板部３２ａ，３２ｂのうちの一方は、アクチュエータ４０に対して相対的に回転可能に支持されるだけであってもよい。

図１に示す例において、アーム３０は全体的に上下方向に延びている。２つの板部３２ａ，３２ｂも概ね上下方向に延びているが、板部３２ａ，３２ｂの上下方向における中間位置には、左右方向に屈曲した屈曲部３４が形成されている。２つの板部３２ａ，３２ｂの屈曲部３４から下端部にかけての左右方向の隙間Ｈ２は、２つの板部３２ａ，３２ｂの上端部から屈曲部３４にかけての左右方向の隙間Ｈ１よりも狭い。これにより、２つの板部３２ａ，３２ｂの下端部に取り付けられる接続部３５の左右方向の長さを短くすることができ、接続部３５及びアーム３０の重量を低減できる。

また、２つの板部３２ａ，３２ｂの上端部における左右方向の隙間Ｈ１は、左右方向における基部２０の厚み（側板部２１ａの右端から側板部２１ｂの左端までの距離）Ｗ１よりも大きい。また、上下方向における２つの板部３２ａ，３２ｂの上端部から屈曲部３４までの長さは、上下方向における下部２３の長さよりも長い。これにより、軸線Ａが切り欠きＣの内側の初期位置Ａ１（図２Ａを参照）にあり、且つ、図１に示すように、アーム３０が軸線Ａから下方に延びている場合、基部２０の下部２３は２つの板部３２ａ，３２ｂの間に配置され、アーム３０の内側に収容される。

［アーム及びスライド機構の動作］
アクチュエータ４０は、図示しない駆動源（モータ等）や減速機（ギア等）を含み、軸線Ａを中心にアーム３０を回転させる回転力を出力する。図１に示す例では、アーム３０と連結する連結部４１が、駆動源からの動力によってアクチュエータ４０本体に対して相対的に回転する。これにより、アーム３０の連結部３１は基部２０及びアクチュエータ４０に対して相対的に回転し、図２Ａ～図２Ｃに示すように、アーム３０は軸線Ａを中心に下から上に移動（回転）する。

図１及び図２Ａは、アーム３０が回転する前の状態を示し、図２Ｂはアーム３０が回転中の状態を示し、図２Ｃは、回転したアーム３０が基部２０の干渉部２５に当たった状態を示す。図２Ａ～図２Ｃに示すように、軸線Ａが切り欠きＣの内側の初期位置（第１の位置）Ａ１にある場合、アーム３０は軸線Ａを中心に回転することによって、第１の角度位置θ１で基部２０の干渉部２５に当たる。図２Ｃに示した例では、アーム３０の接続部３５が干渉部２５に当たっている。これに限らず、アーム３０の他の部分が干渉部２５に当たってもよい。

また、図２Ａ～図２Ｅに示すように、関節ユニット１の関節機構は、軸線Ａに対して交差する方向（本実施形態では、前後方向）で軸線Ａの初期位置Ａ１から最終位置（第２の位置）Ａ２への移動を許容するスライド機構を有している。図２Ｄは、スライド機構によりアーム３０の軸線Ａが初期位置Ａ１から前方に移動している状態を示し、図２Ｅは、アーム３０の軸線Ａが、初期位置Ａ１の前方にある最終位置Ａ２に移動した状態を示している。

図２Ｄ、図２Ｅに示すように、スライド機構は、アクチュエータ４０と、アクチュエータ４０に設けられる２つのスライド板４２ａ，４２ｂ（スライド部）とを有している。２つのスライド板４２ａ，４２ｂは上下方向に並んでおり、アクチュエータ４０の上端部と下端部とにそれぞれ固定されている。スライド機構は、軸線Ａに交差する方向（前後方向）での基部２０に対するアクチュエータ４０及び２つのスライド板４２ａ，４２ｂの相対的な動きを許容する。アーム３０の回転中心である軸線Ａは、アクチュエータ４０に設けられているため、前後方向におけるアクチュエータ４０の動きが許容されることにより、前後方向における軸線Ａの動きが許容される。

基部２０は、スライド板４２ａ，４２ｂを支持するとともに、アクチュエータ４０の少なくとも一部分を収容する収容部２７を有している。収容部２７は、基部２０の内側に設けられている。収容部２７は、互いに対向する２つの側板部２１ａ，２１ｂの面上に、スライド板４２ａ，４２ｂを支持するレールを有してもよい。図２Ａ～図２Ｃに示したように、アーム３０の軸線Ａが初期位置Ａ１にある場合、側面視において、軸線Ａは収容部２７から露出するが、アクチュエータ４０のほとんどの部分が収容部２７及びアーム３０（より具体的には、板部３２ａ）により覆われる。これにより、軸線Ａが初期位置Ａ１にある場合の関節ユニット１の見栄えを良好にできる。軸線Ａが初期位置Ａ１から前方に移動する場合、図２Ｄ、図２Ｅに示すように、側面視においてアクチュエータ４０は収容部２７から露出する。

図２Ｅに示すように、軸線Ａが最終位置Ａ２にある場合、第１の角度位置θ１（図２Ｃを参照）よりも大きな第２の角度位置θ２での移動（回転）が許容される。仮に軸線Ａが初期位置Ａ１に固定される場合、軸線Ａを中心に回転したアーム３０は第１の角度位置θ１で基部２０の干渉部２５に当たり、これ以上の移動は不可能である。この点、関節ユニット１では、スライド機構によって軸線Ａの位置を初期位置Ａ１の前方にある最終位置Ａ２に移動するため、アーム３０は第１の角度位置θ１よりも大きな第２の角度位置θ２での移動が可能になる。すなわち、関節ユニット１は、スライド機構を有することにより、基部２０に対するアーム３０の可動範囲を広くすることができる。なお、図２Ａ～図２Ｅに示した例では、第１の角度位置θ１の角度は１８０度未満であり、第２の角度位置θ２の角度は１８０度であるが、θ１及びθ２の角度は１８０度以上であってもよい。

図２Ｅに示すように、干渉部２５は基部２０の端部に設けられ、軸線Ａの初期位置Ａ１から最終位置Ａ２に向かう前後方向において、初期位置Ａ１と最終位置Ａ２との間に配置される。このような配置にすることで、図２Ａに示すように、アーム３０が軸線Ａから下方に延びている場合に、基部２０の前端部である干渉部２５とアーム３０（板部３２ａ）の前端部との間に生じる前後方向での段差を低減できる。すなわち、ロボットの前腕部や脛部であるアーム３０の延長線上に、ロボットの上腕部や腿部である基部２０が配置されるため、ロボットが腕又は足の全体を伸ばした場合の見栄えを良好にできる。

図２Ｅに示すように、干渉部２５は、初期位置Ａ１と最終位置Ａ２との間の位置の上方にある。このため、図２Ｄに示すように、アーム３０が第１の角度位置θ１（図２Ｃを参照）から第２の角度位置θ２（図２Ｅを参照）の範囲内にある場合、アクチュエータ４０から出力される回転力により、アーム３０が基部２０の干渉部２５を押す。ここで、アーム３０が干渉部２５を押す方向Ｄ１は、軸線Ａが初期位置Ａ１から最終位置Ａ２に向けて移動する方向Ｄ２とは略逆方向である。このように、アーム３０の接続部３５が干渉部２５を後方に押すことで、軸線Ａは初期位置Ａ１の前方にある最終位置Ａ２に向けて移動する。すなわち、アーム３０の回転力のみで、軸線Ａの位置を最終位置Ａ２に動かすことができる。

関節ユニット１は、軸線Ａが初期位置Ａ１から最終位置Ａ２に向かう方向とは略逆方向（本実施形態では、後方）への弾性力をスライド機構に作用させる弾性部材５０を有している。これにより、基部２０の干渉部２５がアーム３０に当たっていない状態で、軸線Ａは初期位置Ａ１に配置される。アクチュエータ４０の逆方向の回転力によりアーム３０が上から下に移動したとき、最終位置Ａ２にあった軸線Ａは、弾性部材５０の弾性力により自動的に初期位置Ａ１に移動する。弾性部材５０は、例えば、一端が基部２０に取り付けられ、他端がアクチュエータ４０に取り付けられる引っ張りばねである。この場合、ばねの張力でアクチュエータ４０を後方へ引くことにより、アクチュエータ４０及び２つのスライド板４２ａ，４２ｂが後方に移動し、軸線Ａが初期位置Ａ１に配置される。

図２Ａに示すように、基部２０は規制部２６を有している。規制部２６は、スライド板４２ａと係合することにより、軸線Ａと交差する方向（前後方向）での収容部２７に対するスライド板４２ａ，４２ｂ及びアクチュエータ４０の動きを規制する。図２Ａに示す例では、規制部２６は上下方向に厚みのあるブロック状であり、スライド板４２ａに形成された凹部４３に嵌まる。アーム３０の回転中心である軸線Ａは、アクチュエータ４０に設けられているため、前後方向におけるアクチュエータ４０の動きが規制されることにより、前後方向における軸線Ａの動きが規制される。規制部２６によりアクチュエータ４０の動きが規制されている状態で、軸線Ａは、切り欠きＣの内側に設けられた初期位置Ａ１に固定される。

また、基部２０は、干渉部２５に対するアーム３０の衝突又は接近を検知して規制部２６による規制を解除する解除部を有する。これにより、軸線Ａが動き始めるタイミングを干渉部２５にアーム３０が衝突又は接近した時に制限できる。また、アーム３０が基部２０の干渉部２５に当たっていない状態で、基部２０の衝突などに起因するスライド板４２ａ，４２ｂ及びアクチュエータ４０の突発的な動きを抑制できる。本実施形態では、押しボタン式のスイッチ２４が解除部として機能する。図２Ｃに示すように、アーム３０が回転することにより接続部３５がスイッチ２４に衝突し、スイッチ２４を後方に押す。すると、規制部２６はスライド板４２ａに係合していた位置（凹部４３に嵌まる位置）から上方に移動する。これにより、スライド板４２ａに対する規制部２６の係合が外れてスライド板４２ａ，４２ｂ及びアクチュエータ４０が前後方向で動くようになり、前後方向における軸線Ａの動きが許容される。

なお、解除部はスイッチ２４に限らず、アーム３０の接近を検知するセンサであってもよい。また、図１に示すように、接続部３５の端部（図１では上端部）は曲面で形成されてよい。このようにすることで、スイッチ２４に対する接続部３５の接触面積を広くすることができ、より確実にスイッチ２４を後方に押すことができる。

以上説明したように、アーム３０の回転中心線である軸線Ａは、スライド機構により初期位置Ａ１から最終位置Ａ２への移動が許容される。軸線Ａが初期位置Ａ１にある場合、アーム３０は軸線Ａを中心に回転することによって、第１の角度位置θ１で、基部２０の干渉部２５に当たる。軸線Ａが最終位置Ａ２にある場合、アーム３０は第１の角度位置θ１よりも大きな第２の角度位置θ２での移動が許容される。このように、関節ユニット１はスライド機構を有することにより、軸線Ａが初期位置Ａ１に固定される場合のアーム３０の可動範囲である第１の角度位置θ１よりも大きな第２の角度位置θ２で、アーム３０を回転させることができる。すなわち、基部２０に対するアーム３０の可動範囲を広くすることができる。

本発明は以上説明した関節ユニット１に限られず、種々の変更がなされてよい。例えば、実施形態では、アーム３０はアクチュエータ４０の連結部４１に取り付けられ、連結部４１が回転することにより、アーム３０は軸線Ａを中心として上下に回転する例について説明したが、アクチュエータを構成するモータの回転軸にアーム３０が直接的に取り付けられてもよく、軸線Ａはモータの回転軸と一致していてもよい。この例においても、軸線Ａが初期位置Ａ１から最終位置Ａ２に移動することにより、軸線Ａが初期位置Ａ１に固定される場合のアーム３０の可動範囲である第１の角度位置θ１よりも大きな第２の角度位置θ２でアーム３０を回転させることができ、基部２０に対するアーム３０の可動範囲を広くすることができる。

１関節ユニット、２０基部、２１ａ，２１ｂ側板部、２１ｃ前板部、２２上部、２３下部、２４スイッチ、２５干渉部、２６規制部、２７収容部、３０アーム、３１，４１連結部、３２ａ，３２ｂ板部、３４屈曲部、３５接続部、４０アクチュエータ、４２ａ，４２ｂスライド板、４３凹部、５０弾性部材、θ１第１の角度位置、θ２第２の角度位置、Ａ軸線、Ａ１初期位置、Ａ２最終位置、Ｃ切り欠き、Ｈ１，Ｈ２隙間、Ｗ１基部の厚み。

Claims

基部と、
アームと、
前記基部と前記アームとを接続し、軸線を中心とする前記アームの動きを許容する関節機構と、
前記軸線を中心に前記アームを回転させる回転力を出力するアクチュエータと、
前記軸線に対して交差する方向で前記軸線の第１の位置から第２の位置への移動を許容するスライド機構と、を有し、
前記軸線が第１の位置にある場合、前記アームは前記軸線を中心に回転することによって、第１の角度位置で前記基部の干渉部に当たり、
前記軸線が第２の位置にある場合、前記アームは前記第１の角度位置よりも大きな第２の角度位置での移動が許容される、
関節ユニット。
前記干渉部は、前記基部の端部に設けられ、前記交差する方向において、前記第１の位置と前記第２の位置との間に配置される、
請求項１に記載の関節ユニット。
前記アームが前記第１の角度位置から前記第２の角度位置の範囲内にある場合、前記回転力によって前記アームが前記干渉部を押す方向は、前記軸線が前記第１の位置から前記第２の位置に向けて移動する方向とは略逆方向である、
請求項１に記載の関節ユニット。
前記軸線が前記第１の位置から前記第２の位置に向かう方向とは略逆方向の弾性力を前記スライド機構に作用させる弾性部材を更に有し、
前記干渉部が前記アームに当たっていない状態で、前記軸線は、前記第１の位置に配置される、
請求項１に記載の関節ユニット。
前記関節機構は、前記軸線において前記アクチュエータの連結部に取り付けられる前記アームの連結部を有し、
前記スライド機構は、前記アクチュエータと、前記アクチュエータに設けられるスライド部とを有し、前記交差する方向での前記基部に対する前記アクチュエータ及び前記スライド部の相対的な動きを許容する、
請求項１に記載の関節ユニット。
前記基部は、前記スライド部を支持するとともに、前記アクチュエータの少なくとも一部分を収容する収容部を有する、
請求項５に記載の関節ユニット。
前記基部は、
前記スライド部に係合し、前記交差する方向での前記基部に対する前記スライド部の動きを規制する規制部と、
前記干渉部に対する前記アームの衝突又は接近を検知して前記規制部による規制を解除する解除部と、を更に有する
請求項５に記載の関節ユニット。