JPWO2008069306A1 - 関節機構及び関節装置 - Google Patents

Abstract

任意の姿勢を取り得る関節機構を簡単な構成で実現する。関節機構は、第１のリンク１と、第２のリンク２と、第３のリンク３と、軸回りに回転可能でかつ軸方向に移動可能に第２のリンク２に支持されたシャフト１１と、シャフト１１に設けられた第１及び第２のウォーム９，１０と、第１のウォーム９に噛み合い、第２のリンク２に対して第１のリンク１を回動させる第１のウォームホイール７と、第２のウォーム１０に噛み合い、第２のリンク２に対して第３のリンク３を回動させる第２のウォームホイール８とを備える。第１及び第３リンク１，３は、シャフト１１の回転によって互いに逆向きに回動する一方、シャフト１１の軸方向移動によって共に同じ向きに回動する。

Description

本発明は、関節機構に関し、主としてロボット用マニピュレータに用いられる関節機構及び関節装置に関するものである。

近年、少子高齢化に伴い労働力の不足、また高齢化が予想されており、それらを補う産業用、家庭用のロボットが期待されている。特に、複雑な作業をこなすためには、種々の物品を把持できる把持機構や任意の姿勢を取り得る関節機構が必須であり、重要である。また、これら把持機構は、手の不自由な人のための義手への適用も種々検討されている。

このような事情を考慮して、物品の把持を行うための指機構が、従来いくつか提案されている。図２１は、ウォームとウォームホイールを用いた指の把持機構を義手として用いる例である（例えば、特許文献１を参照）。

モータ９１の先端に設けられたウォーム９２によってウォームホイール９３が回転し、これにより把持指としてのリンク９４、９５が回動し、例えば握る方向への把持動作が行われる。リンク９５が開く方向の力を受けた場合であっても、ウォームホイール９３はウォーム９２に係合することによって逆転しない。このため物品を強く握り続けることができる。

また、図２２は多数のモータを用いて自由度を上げた把持機構の指の例である。（例えば、特許文献２を参照）この把持機構では、４個のモータ９６〜９９を用いることで４自由度を得ている。
特表平９−５１０１２８号公報 特開平１１−１５６７７８号公報

しかしながら、従来の把持機構には下記のような問題があった。例えば、図２１に示す把持機構では、自由度が１しかないため、種々の形状のものを把持することは困難である。例えば平板状の物には、指としてのリンク９５が馴染まないため、適切な摩擦力を与えて把持することができない。換言すれば、この関節機構では、指としてのリンク９５が任意の姿勢を取ることができない。

一方、図２２に示す把持機構は、把持に十分な自由度を持つが、モータの数が多くコストアップになっている。すなわち、この関節機構では、任意の姿勢をとることができるが、それに応じて駆動源が増えてしまう。

本発明の目的は、前記の問題を解決することである。そして、本発明の目的は、任意の姿勢を取り得る関節機構を簡単な構成で実現することである。

本発明の一局面に従う関節機構は、第１のリンクと、前記第１のリンクに回動可能に連結された第２のリンクと、前記第２のリンクに回動可能に連結された第３のリンクと、前記第２のリンクに支持された連結部材と、前記連結部材によって互いに連結され、軸回りに回転可能でかつ軸方向に移動可能な第１及び第２のウォームと、前記第１のウォームに噛み合い、前記第２のリンクに対して前記第１のリンクを回動させる第１のウォームホイールと、前記第２のウォームに噛み合い、前記第２のリンクに対して前記第３のリンクを回動させる第２のウォームホイールと、を備え、前記第１のリンクと前記第２のリンクの成す角を角度Ａとし、前記第２のリンクと前記第３のリンクのなす角を角度Ｂとし、角度Ａの変化量をｄＡとし、角度Ｂの変化量をｄＢとしたときに、前記両ウォームの回転によってｄＡ×ｄＢ≧０となり、前記第１及び第２のウォームの軸方向移動によってｄＡ×ｄＢ≦０となる。

（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態１による関節機構の構成を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態１による関節機構において、第１のリンクを固定した状態でシャフトを回転した場合の動きを説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態１による関節機構において、把持対象の物品が位置ずれしていた場合の動きを説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態１による関節機構において、小さな物品を把持する場合の動きを説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態２による関節機構の構成を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態３による関節機構の構成を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態４による関節機構の構成を示す図である。 （ａ），（ｂ）は本発明の実施形態５による関節機構に設けられるブレーキ機構の構成を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態５による関節機構の構成を示す図である。 （ａ），（ｂ）は本発明の実施形態６による関節機構に設けられるクラッチ機構及び第３のリンクを示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態６による関節機構の構成を示す図である。 本発明の実施形態７による把持装置を示す図である。 本発明の実施形態７の別の形態による把持装置を示す図である。 本発明の実施形態８による関節機構の構成を示す図である。 （ａ）は本発明の実施形態９による関節機構の構成を示す図であり、（ｂ）は固定手段を示す図である。 本発明の実施形態９の別の形態による関節機構の構成を示す図である。 （ａ）は本発明の実施形態１０による関節機構の構成を示す図であり、（ｂ）はトルクリミッタを示す図である。 本発明の実施形態１０の別の形態によるトルクリミッタを示す図である。 （ａ），（ｂ）は本発明の実施形態１１による関節機構の構成を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態１２による関節機構の構成を示す図である。 従来の関節機構を示す図である。 従来の関節機構を示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１〜図４は、本発明による関節機構の一実施形態を示す構成図である。本実施形態による関節機構は、物品の把持が可能な把持機構として構成されるものであり、この把持機構は、図１（ａ）に示すように、把持指としての第１のリンク１と、把持指としての第２のリンク２と、把持指としての第３のリンク３とを有する。第１のリンク１と第２のリンク２は、回動ピン５で互いに回動可能に連結され、第２のリンク２と第３のリンク３は、回動ピン６で互いに回動可能に連結されている。第１のリンク１は、回動ピン４ａを介して掌部材４に連結できるように構成されている。回動ピン５及び６は、何れも第２のリンク２に固定されている。回動ピン５と回動ピン６は第２のリンク２の長さ方向両端部に配置されており、これらは互いに平行になっている。そして、第１のリンク１の先端部に第２のリンク２の基端部が回動ピン５介して連結され、第２のリンク２の先端部に第３のリンク３の基端部が回動ピン６を介して連結されている。

把持機構は、２つのウォームホイール７，８を有する。ウォームホイール７，８は、各々回動ピン５，６に嵌められている。ウォームホイール７は回動ピン５に対し回動自在であり、またウォームホイール８は回動ピン６に対して回動自在である。ウォームホイール７は第１のリンク１の一端部に固定され、またウォームホイール８は第３のリンク３の一端部に固定されている。したがって、第１のリンク１はウォームホイール７と一体的に回転可能であり、また第３のリンク３はウォームホイール８と一体的に回転可能となっている。なお、ウォームホール７は第１のリンク１に一体的に形成されていてもよく、ウォームホイール８は第３のリンク３に一体的に形成されていてもよい。

ウォームホイール７にはウォームで９が噛み合い、またウォームホイール８にはウォーム１０が噛み合っている。ウォーム９とウォーム１０は、互いに間隔をおいて連結部材の一例としてのシャフト１１に剛に固定されており、両ウォーム９，１０はシャフト１１を介して相互に接続されている。ウォーム９はいわゆる右ねじであり、ウォーム１０はいわゆる左ねじである。したがって、これらウォーム９，１０は、互いに逆向きの螺旋を有している。

また、ウォームホイール７及びウォーム９のモジュールと、ウォームホイール８及びウォーム１０のモジュールとは同じであり、またそれらの対応する歯数、径も同じである。

両ウォーム９，１０間のシャフト１１の中間部には、フランジ１１ａが設けられている。また、シャフト１１の中間部にはギヤ１２が剛に結合されている。シャフト１１は、第２のリンク２に形成された一対の支持壁１８，１９に支持されていて、第２のリンク２の長手方向に沿うように配置されている。この支持壁１８，１９にはそれぞれ貫通孔が設けられていて、シャフト１１は、支持壁１８，１９間にフランジ１１ａが位置するように貫通孔に挿通された状態で保持されている。したがって、シャフト１１は、軸回りに回転可能であって、かつ軸方向である並進方向に移動可能となっている。

各支持壁１８，１９とフランジ１１ａとの間には、各々ばね１６、１７が残留圧縮復元力を保持した状態で介装されている。フランジ１１ａ、ばね１６，１７及び支持壁１８，１９によって、ウォーム９、１０のセンタリング手段２０が構成されている。

第２のリンク２には駆動源としてのモータ１３が搭載されている。モータ１３の駆動軸の先端にはギヤ１４が設けられている。モータ１３は、シャフト１１に対してウォームホイール７，８側に配置され、ウォームホイール７，８間のスペースに配置されている。つまり、このスペースを利用してモータ１３が設置されているため、スペースを有効利用でき、把持機構をより小型に構成することが可能となる。このギヤ１４と前記シャフト１１に設けられたギヤ１２との間にギヤ１５が介在しており、モータ１３の駆動力は、ギヤ１４、ギヤ１５及びギヤ１２を介してシャフト１１に伝達される。ギヤ１５は、その軸まわりの回転のみが許容されているが、ギヤ１２は、シャフト１１の並進移動に対してもギヤ１５と係合状態を維持できるよう、軸方向に長く形成されている。

以上のように構成された把持機構について、以下その動作を説明する。

まず、第１のリンク１、第２のリンク２、第３のリンク３が、初期状態として図１（ａ）の状態にあったとする。この状態でモータ１３を駆動すると、ギヤ１４、ギヤ１５及びギヤ１２が回転し、例えば図示のＦ方向にシャフト１１が回転する。このとき、ギヤ１２とウォーム９，１０はシャフト１１に剛に結合されているため、両ウォーム９，１０は何れもＦ方向に回転する。

第２のリンク２に視点を固定して見ると、ウォーム９の回転により、ウォームホイール７は図１（ｂ）のＶ方向に回転を始め、ウォームホイール７に結合された第１のリンク１をＶ方向に回転させる。同様に、ウォーム１０の回転により、第３のリンク３を図１（ｂ）のＷ方向に回転させる。シャフト１１がある回転角度だけ回転した場合において、第１のリンク１と第２のリンク２がなす角を角度Ａとし、同様に第２のリンクと第３のリンクがなす角を角度Ｂとする。そして、更にシャフト１１を回転させ、角度Ａ及びＢがそれぞれ約９０度となった状態を図１（ｃ）に示す。

この一連の動作においては、シャフト１１の回転による角度Ａ及びＢの変化量ｄＡ及びｄＢはいずれも増加する。一方、シャフト１１を逆方向に回転すれば、変化量ｄＡ及びｄＢはいずれも減少する。即ち、ｄＡ×ｄＢ≧０の関係が成立する。なお、この一連の動作においては、左右両側での伝達トルクがバランスしている限り、シャフト１１は軸方向に移動することなく、軸回りに回転する。

ここで、ウォーム９，１０がウォームホイール７，８を回転させるトルクに一時的にアンバランスが生じると、ばね１６，１７が伸長又は収縮してシャフト１１が軸方向に移動するが、定常的にはセンタリング手段２０により、シャフト１１は中立位置へ戻り、第１のリンク１及び第３のリンク３の位置は安定する。

次に、図２（ａ）〜（ｃ）に、掌部材４を静止系として見た場合の第１〜第３のリンク１〜３の動きを示す。図２（ｂ）において、紙面下方を重力方向とすると、重力は、第２のリンク２を反時計方向に回動させるように作用する。これにより、シャフト１１は、第２のリンク２に対してＱ方向に並進し、それにより角度Ａが増加するとともに角度Ｂが減少する。センタリング手段２０はこの重力の作用を打ち消し、姿勢を維持する働きをしている。また、その他振動等の外乱に対しても同様の作用が有る。

図３（ａ）〜（ｃ）は、把持対象としての物品が存在する場合の動作状態を示している。図３（ａ）は図１（ｂ）と同じ状態であり、ほぼ角度Ａ＝角度Ｂである。今、例えば図３（ｂ）に示すように第１のリンク１側に近い物体８１を把持する場合には、まず第１のリンク１が物体８１に押されるため、角度Ａを減少させる方向に第１のリンク１が回動ピン５まわりの回転を始める。これにより、ウォームホイール７及びウォーム９を介して並進力がシャフト１１に伝えられ、センタリング手段２０のばね１７の力に抗してシャフト１１がＰ方向に移動する。これによりウォーム１０及びウォームホイール８を介して第３のリンク３に回転駆動力が伝達され、第３のリンク３は角度Ｂが増加する方向に回転する。そして、第１のリンク１と第３のリンク３に作用するトルクのアンバランスが解消するまでシャフト１１が移動する。このように、両トルクのアンバランスが存在する場合であってもウォーム９，１０が軸方向に並進することによってそれを解消し、把持対象である物品８１に自動的に馴染ませることができる。この動作において、シャフト１１の並進によるＡ、Ｂの変化量はｄＡ≦０、ｄＢ≧０である。即ち、シャフト１１の並進による角度Ａ及びＢの変化量ｄＡ及びｄＢについて、ｄＡ×ｄＢ≦０の関係が成立する。

また、図３（ｃ）に示すように、第３のリンク３に近寄った物品８２に対してはシャフト１１で結合されたウォーム９，１０がＱ方向に並進し、上記同様にバランスして把持が行われる。この動作において、シャフト１１の並進による角度Ａ及びＢの変化量はｄＡ≧０であり、かつｄＢ≦０である。即ち、シャフト１１の並進による角度Ａ及びＢの変化量ｄＡ及びｄＢについて、ｄＡ×ｄＢ≦０の関係が成立する。

ギヤ１２は、軸方向に長く形成されているので、図３（ｂ）、図３（ｃ）のようにシャフト１１が軸方向に並進移動しても、ギヤ１５と係合状態を維持できる。

図４（ａ）〜（ｃ）は更に小さい物品８３，８４を把持する場合の例であり、やはり物品８３，８４の位置ずれをシャフト１１の並進によって第１のリンク１及び第３のリンク３を対応させることで把持が可能となる。

以上のように、本実施の形態１によれば、把持する物品のサイズ等はウォーム９，１０を含むシャフト１１の回転で対応し、物品の位置ずれに対してはシャフト１１の並進で対応することができる。これにより、種々の物品や状態に対応できる把持機構を提供することができる。

すなわち、本実施形態１では、物品を把持する前の段階においてシャフト１１が回転すると、両ウォームホイール７，８が互いに逆回転して第１及び第３リンク１，３の広がり方が変化する。すなわち角度Ａ及び角度Ｂが共に大きくなるか、共に小さくなるため、ｄＡ×ｄＢ≧０となる。このため、把持対象の物品の大きさに応じてシャフト１１が回転することにより、物品を把持できるように第１及び第３リンク１，３の角度を調整することができ、その調整された状態で物品を把持することができる。一方、把持対象の物品が第１及び第３リンク１，３に対して位置ずれしている場合等、物品から第１及び第３リンク１，３が受ける力がアンバランスになった場合には、ウォームホイール７，８を介してウォーム９，１０が受けるトルクが互いにアンバランスになるため、シャフト１１は、両ウォーム９，１０のトルク差に応じた分だけ軸方向に変位することとなる。このとき、第１及び第３リンク１，３が物品から受けるトルクがバランスしてトルク差が解消されるように、両ウォームホイール７，８がそれぞれ同じ方向に回転するか、または付加トルクの大きなウォームホイール７，８は回転せずにもう一方のウォームホイール８，７のみが回転する。すなわち、ウォーム９，１０の軸方向移動時にｄＡ×ｄＢ≦０となる。このとき、ウォームホイール７，８に反力を取って、シャフト１１が軸方向に移動している。これにより、物品に対して把持機構が位置ずれしている場合であっても、うまく把持することができる。このように、把持対象の大きさに応じてシャフト１１を回転させることにより、種々の大きさの物に対応でき、しかも形状や位置関係に応じてシャフト１１が軸方向に移動することで受けるトルクのアンバランスにも対応できる。したがって、多数のモータを用いなくても、簡単な構成でありながら把持に必要な自由度を有し、しかも物の形状にならって把持できる把持機構を実現することができる。

また本実施形態１では、連結部材を、一体的に形成されたシャフト１１によって構成したので、簡単な構成で必要な把持力が得られる構成を実現することができる。

また本実施形態１では、２つのウォーム９，１０が互いに逆向きの螺旋になっているので、シャフト１１の回転によって両リンク１，３を互いに逆向きに回動させる構成を簡単な構成で実現することができる。

また本実施形態１では、シャフト１１を中立位置に復元させるセンタリング手段２０が設けられているので、物品を把持していないときに、第１及び第３リンク１，３の向きを安定させることができる。しかもセンタリング手段２０がばね１６，１７の弾性力によって復元させる構成なので、簡単な構成でシャフト１１を所定位置に復元させることができる。

なお、本実施の形態では把持動作のアプローチ時のリンク間の形状を維持するためにセンタリング手段２０を設けているが、物品へのアプローチにおいて精度があまり高いものを要求しないのであれば、センタリング手段２０を省略することも可能である。この場合にはコストダウンが図られる。

また、本実施形態ではギヤ１２がシャフト１１に固定されているが、シャフト１１に対するギヤ１２の移動を許容し、シャフト１１に対する回転のみを規制するように、シャフト１１に対するギヤ１２の結合をキー結合としてもよい。こうすれば、ギヤ１２の小型化が図れてスペースファクタが改善され、またギヤ歯面における摺動摩耗を防止することができる。また、摩擦力の発生する領域がシャフト１１まわりに限定され、シャフト１１の並進移動がより容易になる。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図面を参照しながら説明する。

図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態２における関節機構を示す構成図である。本実施の形態は、実施の形態１のウォームホイール７及びウォーム９をウォームホイール２７及びウォーム２９に変更したものであり、その他はセンタリング手段２０の構成を含め同じである。

ウォームホイール２７、ウォーム２９は、ウォームホイール８、ウォーム１０に対し、径は同じであるが、モジュールが半分に設定されている。このため、ウォームホイール２７はウォーム８に対して歯数が２倍になり、ウォームギヤとしての減速比が２倍の大きさになっている。

そのため、シャフト１１の回転により、第１のリンク１と第２のリンク２との間に生じるトルクは、第２のリンク２と第３のリンク３との間に生ずるトルクの２倍になっている。これは、一般に構造体に負荷をかけた場合に先端側よりも根元側のモーメントが大きくなる状態に対応するものである。

以下、実施の形態２の動作について説明する。センタリング手段２０の動作等、概略は実施の形態１と同一であるため省略し、相違点のみを述べる。

シャフト１１の回転に対し、根元側のウォームギヤでは前述のように減速比が２倍になっているため、掌部材４に近い側のモーメント対応力が大きくなる。そのため、把持の負荷能力が増大する。このとき、図５（ｂ）に示すように、シャフト１１の回転に伴う角度Ａが、角度Ｂより小さくなってアンバランスとなるが、シャフト１１の並進によりバランスを回復することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、発生トルクの違いに容易に対応でき、構造に適した適正なモーメントに対応する関節機構を容易に実現できる。

なお、本実施の形態において、減速比の変更をモジュールを変更することによって行ったが、ウォームホイールの直径を変えることによって減速比を変更するようにしてもよい。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図面を参照しながら説明する。

図６（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態３における関節機構を示す構成図である。本実施の形態３は、実施の形態１のセンタリング手段に変えて、抵抗手段が設けられている。そして、本実施形態３ではフランジのないシャフト３１が用いられている。その他は実施の形態１と同じである。

抵抗手段は、第２のリンク２に固定されたスリーブ３２と、粘性物質３３とを有する。スリーブ３２にシャフト３１が挿通されている。そして、粘性物質３３は、スリーブ３２とシャフト３１の間に介装されている。粘性物質３３の粘度としては、シャフト３１が自重で１０ｍｍ／ｓ程度以下の速度で移動する程度の粘度が望ましい。材質としては、好ましくはゲル状の物質や高粘性のオイル状物質が好ましい。

粘性物質３３は、シャフト３１とスリーブ３２間の相対速度に応じた抵抗力を発生する物質である。従って、急激な相対速度に対しては、シャフト３１の動きが妨げられる。

本実施の形態の動作については、実施の形態１との相違点のみを述べる。

粘性物質３３の効果によって、シャフト３１は自重や重力変化等に対してゆっくりと軸方向に変位する。そして、把持のためのアプローチの際にはシャフト３１は大きく変化しないため、第１及び第３リンク１，３が急激に回動するのを抑制でき、安定な動作が実現する。

図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、第１の実施形態と同様に位置ずれした物品８１、８２を把持するような際には、粘性物質３３は、第１のリンク１及び第３のリンク３の接触状態に伴って、シャフト３１のＰ方向又はＱ方向へのゆっくりした変位を許容する。しかも、本実施形態では、ばねの変形に抗する力を発生させる必要もない。

（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４について、図面を参照しながら説明する。

図７（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態４における関節機構を示す構成図である。本実施の形態４では、実施の形態１のセンタリング手段に変えて、抵抗手段が設けられているが、この抵抗手段が実施形態３と異なっている。本実施形態４でもフランジのないシャフト４１が用いられている。その他は実施の形態１と同じである。

抵抗手段は、回動ピン５，６とウォームホイール４７，４８の間に封入された粘性物質４２によって構成されている。粘性物質４２としては、実施の形態３の粘性物質３３と同様の物質が利用できる。

粘性物質４２は、回動ピン５とウォームホイール４７との間の相対速度に応じた抵抗力を発生するとともに、回動ピン６とウォームホイール４８の間の相対速度に応じた抵抗力を発生する。従って、第１のリンク１及び第３のリンク３が急激に回動するのを防止することができる。

本実施の形態４の動作については図７（ｂ）、（ｃ）のごとく実施の形態３とほぼ同じであり、また効果についても実施の形態３とほぼ同じである。

なお、本実施の形態４では、粘性物質４２を回動ピン５，６とウォームホイール４７，４８との間に入れて速度抵抗を付与する構造としたが、第２のリンク２とウォームホイール４７，４８との間に粘性物質を介在させる構成としてもよい。

また、実施の形態３、４では、粘性物質による速度抵抗構造を採用したが、粘性物質に代えて、摩擦体による速度抵抗構造にしてもよい。この速度抵抗構造としては、例えばリング状の樹脂部材により構成することができる。この場合でも前記同様の効果が得られる。

更に、速度抵抗と標準形態への復原力が要求される場合には、速度抵抗構造に加えて実施の形態１で用いたセンタリング手段２０を併用してもよい。

（実施の形態５）
以下、本発明の実施の形態５について、図面を参照しながら説明する。

図８（ａ）、（ｂ）、図９（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態５における関節機構を示す構成図である。

図８（ａ）は、制動機構としてのブレーキ機構５０を示している。ブレーキ機構５０は、ソレノイドを有するものであり、磁性材料からなる磁極５２と、その先端に設けられたゴム等の弾性体によって構成されたパッド５１と、磁性材料で構成された有底筒状のヨーク５４と、ヨーク５４内部に配置された輪状のコイル５３と、磁極５２におけるパッド５１とは反対側の端部に設けられ、ヨーク５４との間に存在するばね５５とを備えている。

図８（ａ）は無通電状態を示しており、この状態ではばね５５が自由長に伸びている。一方、図８（ｂ）は通電状態を示し、この状態では、コイル５３で発生した磁束がヨーク５４によって導かれていて、磁力によって磁極５２がばね５５の弾性力に抗して吸引されている。

図９（ａ）は、ブレーキ機構５０が設けられた関節機構の全体を示している。本実施の形態５は、ブレーキ機構５０を除いて実施の形態１と同様の構成である。ブレーキ機構５０が第３のリンク３に搭載されており、通常は通電状態となっている。図中の符号５８、５９は回動ピンであって、第３のリンク３側にある回動ピン５９に摩擦板５７が剛に固定されている。即ち、摩擦板５７は第２のリンク２に固定されている。

摩擦板５７には、パッド５１が対向する円弧面に沿って粗な摩擦面が形成されている。ブレーキ機構５０が無通電状態となると、磁極５２がブレーキ機構５０から図８（ａ）のように飛び出す。これにより、パッド５１が摩擦板５７の粗な摩擦面に接触し、大きな摩擦力が発生する。

第２のリンク２には、角度センサ７１，７２が搭載されている。角度センサ７１は、第２のリンク２に対する第１のリンク１の角度Ａを測定し、角度センサ７２は、第２のリンク２に対する第３のリンク３の角度Ｂを測定する。角度センサ７１，７２は、図外の制御部と信号の授受が可能に接続されている。この制御部は、角度センサ７１，７２から出力された信号に基づいて、ブレーキ機構５０及びモータ１３を制御する。

その他の構造は、実施の形態１と同じである。

以上のように構成された関節機構について、以下その動作を説明する。

図９（ａ）〜（ｂ）に至る状態は、ブレーキ機構５０に通電されているためパッド５１は摩擦板５７に接触していない。そのため、実施の形態１と同じく第１のリンク１及び第３のリンク３は回動する。そして、図９（ｂ）に示すように、第３のリンク３が所定の角度まで回動すると、角度センサ７２の出力が所定の値になるので、その時点でブレーキ機構５０を無通電にすると、磁極５２を吸引していた磁場が消失する。これに伴って磁極５２は、ばね５５によってブレーキ機構５０から突出し、パッド５１が摩擦板５７と接触する。そのため、第３のリンク３は第２のリンク２に対して固定される。

この状態で更にシャフト１１を回転させると、第３のリンク３は第２のリンク２に対して固定されているから、第３のリンク３は図９（ｂ）の状態に維持される。これに対し、第１のリンク１は回動可能であるから、角度Ａが増加する方向に回動する。この時、ウォームホイール８は回転していないため、ウォーム１０の回転により、シャフト１１は回転しながらセンタリング手段２０のばね力に抗して図示Ｑ方向に並進移動する。そして、角度センサ７１の出力を見て、図９（ｃ）の状態でモータ１３を止めると、第１〜第３のリンク１〜３の相対角度は保持される。

以上、本実施の形態に述べたように、ブレーキ機構５０により、第３のリンク３と第２のリンク２の間の相対回転がないように固定することで、関節機構の所望の形態の静止形態を得ることができる。そして、種々の物品把持に際し、予め適した静止形態に調整した上で物品を把持することができるようになる。また実質的に、モータ１個で２自由度の形態をとることが可能となる。

なお、本実施の形態５においてはブレーキ機構５０を第３のリンク３に配置して第２のリンク２との間の運動を止めたが、これに限られるものではない。すなわち、ブレーキ機構５０を第１のリンク１に搭載するとともに、回動ピン５８に摩擦板５７を配置し、予め角度Ａを固定してから角度Ｂを調整するようにしてもよい。あるいは両方にブレーキ機構５０を搭載してもよい。いずれも場合でも静止した把持形態の形成が可能である。

また、摩擦板５７の形状やブレーキ機構５０の構成は前記構成に限定されるものではない。リンク間の相対移動を固定するためのものであればよく、種々変更が可能である。ブレーキ機構５０をソレノイドとして例示したのは、一般的にアクチュエータとしては小型に形成できるからである。また、摩擦で固定するのが耐久性の点から困難な場合には、機械的に固定する構成であってもよい。例えば、多数のピン穴を回動方向に形成しておいて、その中から選択されたピン穴にピンを挿入することで固定するようにしてもよい。ただしこの場合には離散値的な固定形式となる。

また、角度Ａ，Ｂを検出する手段として角度センサ７１，７２を用いたが、例えば外部のカメラによる画像計測によって角度Ａ，Ｂを検出する構成でも差し支えない。

このように、本実施の形態によれば、限られたモータから多数の関節に駆動力を分配し、それら関節に適切なブレーキ機構を配置し、望ましい位置で固定することで、限られたモータによって実質的に自由度に変化を持たせることができる。

（実施の形態６）
以下、本発明の実施の形態６について、図面を参照しながら説明する。

図１０（ａ）、（ｂ）、図１１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態６における関節機構を示す構成図である。実施の形態１と同一番号の部品は同一物を示す。

図１０（ａ）、（ｂ）は本実施の形態６における第３のリンク３及びその搭載部品を示しており、（ｂ）は側面図、（ａ）は平面図である。符号６１は電磁石で構成された断続機構としてのクラッチ機構を示している。クラッチ機構６１は、第３のリンク３に固定されていて、回動ピン６を嵌め込み可能となっている。ウォームホイール６７，６８は実施の形態１のウォームホイール７，８と同一の形状を有するが、磁性材料で形成される点でウォームホイール７，８と異なっている。またウォームホイール６８は、第３のリンク３には固定されていない点で実施形態１と異なる。角度センサ７１，７２は実施の形態５と同じものである。

クラッチ機構６１は、ウォームホイール６８と第３のリンク３の結合状態を切り替えることによって、モータ１３と第３のリンク３との間の駆動力の伝達経路を断接する。本実施形態では、クラッチ機構６１は、磁気的吸引力による摩擦力によって駆動力の伝達経路を接続する。図１０（ａ）において、クラッチ機構６１が無通電であると、ウォームホイール６８は第３のリンク３とは分離しており、駆動力は伝達されない。言い換えるとウォームホイール６８は第３のリンク３に対して空転が可能である。一方、クラッチ機構６１に通電すると、ウォームホイール６８はクラッチ機構６１に吸着されて、第３のリンク３と一体化した回転が可能となる。

また、第３のリンク３と第２のリンク２の間は実施の形態４などで記載したように粘性結合されている。その他の構成は実施の形態１と同じである。

以上のように構成された関節機構について、以下その動作を説明する。

図１１（ａ）〜（ｂ）に至る状態は、クラッチ機構６１に通電されているため、ウォームホイール６８は第３のリンク３と一体化している。そのため、第１のリンク１、第３のリンク３は、実施の形態１と同じように、シャフト１１の回転に伴って回動する。図１１（ｂ）において、角度センサ７２の出力が所定の値になった時点でクラッチ機構６１を無通電にすると、ウォームホイール６８は第３のリンク３から分離し、空転が可能となる。

この状態で更にシャフト１１を回転させると、第３のリンク３は第２のリンク２に対して粘性結合しており、ウォームホイール６８は空転が可能であるため、第３のリンク３は動かず、ウォームホイール６８のみがＷ方向に空転する。そのため、第３のリンク３は図１１（ｂ）の状態を維持する。一方、第１のリンク１はシャフト１１の回転に伴って回動可能であるから、角度Ａが増加する方向に回転する。そして例えば角度センサ７１の出力を見て、図１１（ｃ）の状態でモータ１３を止め、再びクラッチ機構６１に通電すると、第１〜第３のリンク１〜３の相対角度は、その状態で保持される。

以上、本実施の形態６では、クラッチ機構６１によって第３のリンク３と第２のリンク２の間の相対回転を制止させることが可能となっており、実施の形態５と同様、関節機構の所望の形態の静止形態をえることができる。そして、種々の物品把持に際し、予め適した静止形態に調整した上で物品を把持することができるようになる。

なお、実施の形態５と同様、クラッチ機構を第１のリンク１に搭載するようにしてもよく、あるいは第１のリンク１と第３のリンク３の双方に搭載してもよい。

また、本実施形態６では、ウォームホイール６８と第３のリンク３を結合する機構として電磁石によるクラッチ機構６１を用いたが、これに限定されるものではなく、請求の範囲の趣旨を逸脱しない範囲内で適宜変更が可能である。

このように、本実施の形態６によれば、実施の形態５と同様、限られたモータから多数の関節に駆動力を分配し、それら関節に適切なクラッチ機構を配置し、望ましい位置で固定することで、限られたモータによって実質的に自由度に変化を持たせることができる。

実施形態１〜６は、何れも関節機構が把持機構として構成された例について説明したが、これに限られるものではない。すなわち、物品の把持をするためのリンク機構ではなく、それ以外の用途を有する関節機構としてもよい。

（実施の形態７）
以上、実施の形態１〜６に示す関節機構を関節装置の一態様としての把持装置の把持指として適用することにより、低コストでしかも多数の物品の把持に適応できる把持装置を容易に実現することが可能である。例えば、図１２は１つの関節機構を備えた把持装置の一例を示しており、図１３は、複数の関節機構を備えた把持装置の一例を示している。

図１２に示す把持装置は、掌対向による１本指の把持装置である。関節機構１０１は、実施の形態１として説明した把持機構として構成された関節機構である。関節機構１０１の第１のリンク１は、回動ピン７３ａによって掌部材７３に結合されている。そして、関節機構１０１は、支持体としての掌部材７３に支持されている。掌部材７３は、手首部材７４に結合されている。関節機構１０１は、掌部材７３に内蔵のモータ（図示省略）により、掌部材７３の回動ピン７３ａ回りに回動される。そして、モータ１３の駆動によってシャフト１１が回転するとともに軸方向に変位して、これによってリンク１，３が物品８５に沿い、把持が実現する。なお、第１のリンク１を掌部材７３にピン結合する構成に代え、第１のリンク１と掌部材７３とを一体的に構成してもよい。この構成では、この一体的に構成されたリンクが第１のリンクとして機能し、この第１のリンクが、支持体として機能する手首部材７４に支持される構成となる。

図１３に示す把持装置は２本指の把持装置である。関節機構１０２，１０３はそれぞれ、実施の形態１として説明した把持機構として構成された関節機構である。関節機構１０２の第１のリンク１は、回動ピン７５ａによって掌部材７５に結合され、また関節機構１０３の第１のリンク１は、回動ピン７５ｂによって掌部材７５に結合されている。掌部材７５は、手首部材７６に結合されているが、これらが一体的に構成されていてもよい。掌部材７５と手首部材７６は支持体として機能する。関節機構１０２，１０３の回動ピン７５ａ，７５ｂ回りの回動は、掌部材７５内蔵のモータによって行われる。そして、１本指の把持装置同様に、関節機構１０２，１０３内でのシャフト１１，１１の回転及び軸方向移動によってリンク１，３が物品８５に沿い、把持が実現する。

なお、一方の関節機構１０２の第１のリンク１と掌部材７５とを一体的に構成してもよい。この構成では、この一体的に構成された折れ曲がり形状のリンクが第１のリンクとして機能し、この第１のリンクが、支持体として機能する手首部材７６に支持されるとともに、この第１のリンクに、もう一方の関節機構１０３の第１のリンク１が連結されることになる。また、他方の関節機構１０３の第１のリンク１と掌部材７５とが一体的に構成されていてもよい。

また、両関節機構１０２，１０３の第１リンク１，１と掌部材７５とが一体的に構成されていてもよい。この構成では、この一体的に構成されたものが第１のリンクとして機能し、この第１のリンクが、支持体として機能する手首部材７６に支持される構成となる。すなわち、この構成では、２つの関節機構１０２，１０３に対して第１のリンクが共用化された構成となる。

前記掌部材７５に、関節機構と同様の機構を搭載してもよい。また、関節機構としては実施の形態２〜６のいずれも利用可能である。また、関節機構を更に並列状態に配置した把持装置も構成できる。この場合には、把持力を増加させることができる。更に、これら把持装置を用いたロボット等も実現可能である。

（実施の形態８）
以下、本発明の実施の形態８について、図面を参照しながら説明する。

図１４は、本発明の実施の形態８における関節機構を示す構成図である。実施の形態１と同一番号の部品は同一物を示す。

本実施形態８では、シャフト１１に設けられるギヤ２１２がウォーム９の外側に配置されている。すなわち、前記実施形態１では、シャフト１１の端部に配置された一対のウォーム９，１０の間にギヤ１２が位置しているが、本実施形態８では、一方のウォーム９がシャフト１１の中間部に配置されるとともに、このウォーム９の外側にギヤ２１２が配置されている。これに伴い、第１のリンク１のウォームホイール７も第２のリンク２の端部から少し中央寄りのところに配置されている。このため、本実施形態８では、前記実施形態１に比べ、ウォームホイール７，８間の間隔を狭くすることができ、第１のリンク１と第３のリンク３との間隔を狭くすることができる。

（実施の形態９）
以下、本発明の実施の形態９について、図面を参照しながら説明する。

図１５（ａ）（ｂ）は、本発明の実施の形態９における関節機構を示す構成図である。実施の形態１と同一番号の部品は同一物を示す。

本実施形態９は、ウォーム３０９がシャフト３１１に対して回転可能に設けられるとともにこのウォーム３０９をシャフト３１１に固定する固定手段を有する。もう一方のウォーム１０は実施形態１と同様にシャフト３１１に固定されている。以下、具体的に説明する。

ウォーム３０９には、シャフト３１１が挿通可能な挿通孔３０９ｂが設けられており、この挿通孔３０９ｂにシャフト３１１が挿入される構成である。このため、ウォーム３０９が後述のキー３２０によって固定されない状態では、ウォーム３０９はシャフト３１１に対して軸回りに相対的に回転可能である。

固定手段は、ウォーム３０９の挿通孔３０９ｂに設けられたキー溝であるウォーム側溝部３０９ａと、シャフト３１１に設けられたキー溝であるシャフト側溝部３１１ａと、これら溝部３０９ａ，３１１ａに挿入される固定部材としてのキー３２０とを有する。

ウォーム側溝部３０９ａは、挿通孔３０９ｂの周方向に間隔をおいて複数設けられている。図例は、４つのウォーム側溝部３０９ａが等間隔に設けられた例である。一方、シャフト側溝部３１１ａは、シャフト３１１のウォーム３０９側の端部における外周面に１つ設けられている。

キー３２０は、ウォーム側溝部３０９ａとシャフト側溝部３１１ａとによって形成される空間に挿入可能である。そして、キー３２０がこの空間内に配置されることにより、ウォーム３０９はシャフト３１１の軸回りに回転不能となる。つまり、ウォーム３０９とシャフト３１１の相対角度が固定される。

第１のリンク１を第２のリンク２に組み付ける際には、ウォーム３０９をシャフト３１１に対して回転可能にしておけば、このウォーム３０９に噛み合う第１のリンク１を回動ピン５回りに自由に回動させることができる。このため、第３のリンク３との関係で第１のリンク１の開き角度Ａを微調整することができる。そして、所定の角度に最も近くなるようにウォーム側溝部３０９ａとシャフト側溝部３１１ａとを合わせてキー３２０を挿入すれば、ウォーム３０９を固定することができる。図中、破線で示す１ａ、１ｂは、選択されるウォーム側溝部３０９ａが変更されることで、第１のリンク１の初期位置が変化することを表している。この初期位置での第１のリンク１の開き角度Ａの変化量は、ウォーム３０９のピッチ、ウォームホイール７の歯数、ウォーム側溝部３０９ａの間隔によって決まる。したがって、ウォーム側溝部３０９ａの数は適宜設定すればよい。

本実施形態９では、ウォーム３０９をシャフト３１１に組み付ける際に、ウォーム３０９をシャフト３１１に対して所定の向きになるようにセットして、第１のリンク１及び第３のリンク３の開き角度を調整した上で、ウォーム３０９を固定することができる。

なお、固定手段としては、キーとキー溝とからなる構成に限られるものではない。例えば、ウォームをシャフトに回転可能に設けるとともに、接着剤でウォームをシャフトに固定するようにしてもよい。あるいは、図１６に示すように、ウォーム３０９に半径方向に貫通するようにねじ孔３０９ｃを形成しておき、固定部材としてのねじ３２１を螺合することによってウォーム３０９をシャフト３１１に固定してもよい。

（実施の形態１０）
以下、本発明の実施の形態１０について、図面を参照しながら説明する。

図１７（ａ）（ｂ）は、本発明の実施の形態１０における関節機構を示す構成図である。実施の形態１と同一番号の部品は同一物を示す。

本実施形態１０は、回転トルクに対してギヤ等を保護するためのトルクリミッタ４２０が設けられる形態である。トルクリミッタ４２０は、モータ１３とシャフト１１との間の駆動力伝達系統に設けられている。トルクリミッタ４２０は、第１ギヤ４１５ａと、第２ギヤ４１５ｂと、これらギヤ４１５ａ，４１５ｂを互いに押し付け合う方向に付勢するばね４３１と、このばね４３１の反力を取るためのフランジ４３０ａ，４３０ｂとを有する。フランジ４３０ａ，４３０ｂは両ギヤ４１５ａ，４１５ｂを貫通するシャフト４３０に設けられるものである。

第１ギヤ４１５ａはモータ１３の駆動軸に設けられたギヤ１４と噛み合い、第２ギヤ４１５ｂはシャフト１１に設けられたギヤ１２と噛み合っている。第１ギヤ４１５ａと第２ギヤ４１５ｂとは同軸上に配置されている。

第１ギヤ４１５ａと第２ギヤ４１５ｂは、圧縮状態のばね４３１とともに一対のフランジ４３０ａ，４３０ｂ間に配置され、ばね４３１の弾性力によって互いに押し付けられている。両ギヤ間には摩擦が生じており、この静止摩擦によって伝達されるトルクは、ギヤ等を損傷しない程度に設定されている。そして、最大静止摩擦を超えるトルクが発生すると、第１ギヤ４１５ａと第２ギヤ４１５ｂとの間で滑りが生じ、相対回転する。

モータ１３の出力軸に一体のギヤ１４が第１ギヤ４１５ａと噛み合い、この第１ギヤ４１５ａと第２ギヤ４１５ｂとは摩擦によってトルクを伝達する。このトルクはシャフト１１に設けられたギヤ１２に伝達される。そして、何らかの異常により、シャフト１１の回転が停止した場合、大きなトルクがモータ１３からシャフト１１への伝達系に作用することになるが、ギヤ等を破損しない程度の限界トルク以下で第１ギヤ４１５ａと第２ギヤ４１５ｂとの間で滑りが生ずるため、ギヤ等の破損を防止することができる。

なお、トルクリミッタ４２０はギヤ４１５ａ，４１５ｂ間のトルク伝達を遮断する構成に限られない。例えば、図１８に示すように、シャフト４１１に設けられていてもよい。すなわち、シャフト４１１は、ギヤ１２が設けられる第１シャフト部４１１ａと、ウォーム９が設けられる第２シャフト部４１１ｂとに分割され、これらシャフト部４１１ａ，４１１ｂに跨るように連結部４３３が設けられる。連結部４３３とシャフト部４１１ａ，４１１ｂとの間の摩擦によりトルク伝達がなされる一方、限界トルク以上のトルクが負荷されたされた場合には連結部４３３とシャフト部４１１ａ，４１１ｂとの間に滑りが生ずる。

また、トルクリミッタは摩擦を利用した構成に限られるものではない。例えば、第１ギヤ４１５ａにおける第２ギヤ４１５ｂとの対向面を鋸歯状に形成するとともに、第２ギヤ４１５ｂにおける第１ギヤ４１５ａとの対向面を鋸歯状に形成し、互いに噛み合う構造とする。そして、鋸歯の山を越えるポテンシャルをリミットとするようにしてもよい。この態様でも、トルクリミッタは、摩擦を利用した形態と同様、トルクの増加に対して非線形的な作用となる。

（実施の形態１１）
以下、本発明の実施の形態１１について、図面を参照しながら説明する。

図１９（ａ）（ｂ）は、本発明の実施の形態１１における関節機構を示す構成図である。実施の形態１と同一番号の部品は同一物を示す。

本実施形態１１は、ロボットハンドの指機構の開閉関節として機能する関節機構である。この関節機構の第１のリンクは、冠指に相当する指機構１０１であり、第３のリンクは、示指に相当する指機構１０３であり、第２のリンクは、掌に相当する掌機構１０２である。掌機構１０２は、第１の掌部１０２ａと第２の掌部１０２ｂと、これらを連結する揺動アーム８５及びギヤ８６とを有する。第１の掌部１０２ａと第２の掌部１０２ｂとは連結角度が可変となっている。第１の掌部１０２ａには、中指に相当する指機構１０４ａが設けられ、第２の掌部１０２ｂには、拇指に相当する指機構１０４ｂが設けられている。

モータ１１３及び支持壁１１８，１１９は、掌機構１０２の第１の掌部１０２ａに固定されている。支持壁間には、ばね１１６，１１７が配設されるとともに、これらばね１１６，１１７間にシャフト１１１のフランジ１１１ａが設けられている。フランジ１１１ａ、ばね１１６，１１７及び支持壁１１８，１１９によって、ウォーム１０９、１１０のセンタリング手段が構成されている。

シャフト１１１にはギヤ１１２が設けられており、このギヤ１１２は、ギヤ１１５を介して、モータ１１３のギヤ１１４と駆動力を伝達可能に連結されている。指機構１０１はウォームギヤ１０７と一体的に回動し、指機構１０３はウォームギヤ１０８と一体的に回動する。したがって、指機構１０１と指機構１０３は、モータ１１３の駆動によって何れも開き角度を変えることができる。そして、指機構１０１，１０３は把持物品の形状等に倣ってそれぞれ開き角度を変えることができる。

また、第１の掌部１０２ａには回動ピン６を支持するピン支持部１０２ｃが設けられており、このピン支持部１０２ｃには、指機構１０１を握り方向に回動可能に支持するための回動ピン１２０が支持されている。指機構１０３，１０４ａ，１０４ｂについても同様に握り方向に回動可能となっている。

（実施の形態１２）
以下、本発明の実施の形態１２について、図面を参照しながら説明する。

図２０（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態１２における関節機構を示す構成図である。実施の形態１と同一番号の部品は同一物を示す。

実施形態１〜６、８〜１０は、把持機構として構成された関節機構について、示したが、本実施形態１２では、関節機構は物を把持するための機構ではなく、任意の姿勢を取り得るように２つの関節を有する関節機構である。例えばこの関節機構は、ロボットの脚関節として機能するものであり、第３のリンク３はロボットの足に相当する。第１のリンク１は例えば太ももに相当するリンクであり、このリンク１は、ロボットの胴部に相当する部材４とピン４ａによってピン結合されている。第２のリンク２は、例えば下腿に相当する。

この関節機構は、モータ１３の駆動により、第２のリンク２に対する第１のリンク１の角度及び第３のリンク３の角度が相対的に変化する。このとき、第３のリンク３が床面に接触した状態であれば、第３のリンク３が動くのではなく第２のリンク２が回動ピン６回りに回動することになる。一方、第１のリンク１は、胴部材４から受ける力によって第２のリンク２に対する回動角度が決まる。つまり、実施形態１で説明したように、第１のリンク１が受ける外力と第３のリンク３が受ける外力とが同じ大きさであれば、シャフト１１が軸方向に移動することなく第１及び第３のリンク１，３が回転するので、第２のリンク２に対する第１のリンク１の回動角度と第２のリンク２に対する第３のリンク３の回動角度とが同じになる（図２０（ｂ））。一方、第１のリンク１が受ける外力と第３のリンク３の受ける外力とが異なる大きさであれば、それに応じてシャフト１１が軸方向に変位して両者の回動角度が異なるものとなる。図２０（ｃ）は第３のリンク３が受ける力の方が第１のリンク１が受ける力よりも大きい場合を例示している。

なお、本実施形態１２では、第１のリンク１及び第３のリンク３が受ける力の大きさに応じて両リンク１，３の回動角度の関係が決まってしまう。したがって、この関節機構に、実施の形態５で示した制動機構や実施の形態６で示したクラッチ機構を設ければ、リンク１，３の回動角度を積極的に制御することが可能となり、リンク１，３の角度を所望の角度に調整することが可能となり、関節機構が任意の姿勢を容易に取ることができるようになる。

［実施の形態の概要］
ここで、本実施の形態の概要について、以下に説明する。

(1) 以上説明したように、本実施形態では、第１及び第３のリンクが外力を受けていない場合に両ウォームが同じ方向に回転すると、両ウォームホイールが互いに逆回転して第１及び第３のリンクの広がり方が変化する。すなわち第１のリンクと第２のリンクの成す角度Ａ、第２のリンクと第３のリンクの成す角度Ｂが共に大きくなるか、共に小さくなるため、ｄＡ×ｄＢ≧０となる。このため、第１及び第２のウォームの回転に応じて第１及び第３のリンクの角度を調整することができる。一方、第１のリンクが受ける外力と第３のリンクが受ける外力とがアンバランスになった場合には、ウォームホイールを介して受ける両ウォームのトルクが互いにアンバランスになるため、両ウォームは、両ウォームホイールのトルク差に応じた分だけ軸方向に変位することとなる。このとき第１及び第３のリンクが受けるトルクがバランスするように、両ウォームが一体的に軸方向に変位する。これに伴い、両ウォームホイールがそれぞれ同じ方向に回転するか、または付加トルクの大きなウォームホイールが回転することなくもう一方のウォームホイールのみが回転する。すなわち、ウォームの軸方向移動時にｄＡ×ｄＢ≦０となる。このように、本実施形態では、第１及び第３のリンクの開き角度を、両ウォームの回転量に応じた開き角にすることができ、しかも連結部材が軸方向に移動可能に構成されていることにより、第２のリンクに対する第１のリンク又は第３のリンクの角度を変えることができる。したがって、任意の姿勢を取り得る関節機構を簡単な構成で実現することができる。

(2) 前記連結部材は、一体的に形成されたシャフトによって構成されているのが好ましい。

(3) 前記第１のウォームと前記第２のウォームは、相互に逆向きの螺旋を有するのが好ましい。この態様では、連結部材の回転によって第１及び第３のリンクを互いに逆向きに回動させる構成を簡単な構成で実現することができる。

(4) 前記第２のリンクにモータが固定され、このモータによって前記連結部材が回転するのが好ましい。

(5) 前記連結部材を軸方向の所定位置に復元するセンタリング手段が設けられているのが好ましい。この態様では、第１及び第３のリンクが外力を受けていないときに、第１及び第３のリンクの向きを安定させることができる。

(6) この態様において、前記センタリング手段には弾性部材が含まれており、この弾性部材の弾性力によって前記連結部材を所定位置に復元するのが好ましい。この態様では、簡単な構成で連結部材を所定位置に復元させることができる。

(7) 前記第１のリンクが支持体に連結可能に構成される場合には、前記第１のウォーム及びウォームホイールの減速比が、前記第２のウォーム及びウォームホイールの減速比よりも高いのが好ましい。支持体に連結される根元側リンクとなる第１のリンクでは、ウォーム及びウォームホイールに生ずるトルクが大きくなるが、この態様では、根元側のウォームギヤの減速比をもう一方のウォーム及びウォームホイールの減速比よりも高くしているので、トルクの違いに対応し易くなる。

(8) 前記第２のリンクに対する前記連結部材の軸方向相対移動速度に応じた抵抗を発生する抵抗手段が設けられていてもよい。この態様では、第２のリンクの向きに応じた重力変化の発生や連結部材の自重等によって連結部材が軸方向に移動しようとする際に、連結部材が急激に移動するのを抑制することができる。このため、把持のためのアプローチの際に安定した動作を得ることができる。

(9) 前記第２のリンクに対する前記第１及び第２のウォームホイールの相対回転速度に応じた抵抗を発生する抵抗手段が設けられていてもよい。この態様では、第１及び第３のリンクが急激に回動するのを抑制することができる。

(10)前記抵抗手段は、相対移動が行われる両者の間に介在する粘性物質を有するのが好ましい。

(11)前記第２のリンクに対する前記第１のリンクの角度変化を阻止する制動機構、及び前記第２のリンクに対する前記第３のリンクの角度変化を阻止する制動機構の少なくとも一方が設けられていてもよい。この態様では、第２のリンクと第１又は第３のリンクとの間の角度変化が生じないように維持できるので、物を把持する動作等の所定の動作の前に第１及び第３の少なくとも一方のリンクの向きを予め決めることが可能となる。したがって、所定の動作に際してその直前に最適な形態に調整することができる。

(12)この態様において、前記制動機構を有するリンク間の相対角度を検出する角度センサを有し、前記角度センサの出力に基づいて前記制動機構を動作させるのが好ましい。この態様では、リンクの角度を精度良く制御することができる。

(13)前記第１のリンクに対する前記第１のウォームホイールの接続状態を切り換える断続機構、及び前記第３のリンクに対する前記第２のウォームホイールの接続状態を切り替える断続機構の少なくとも一方が設けられていてもよい。この態様では、第２のリンクと第１及び第３のリンクとの間の角度変化が生じないように維持できるので、物を把持する動作等の所定の動作の前に第１及び第３の少なくとも一方のリンクの向きを予め決めることが可能となる。したがって、所定の動作に際してその直前に最適な形態に調整することができる。

(14)前記モータと前記第１のリンクとの間の駆動力伝達経路、及び前記モータと前記第３のリンクとの間の駆動力伝達経路の少なくとも何れか一方の伝達径路に駆動力の断続機構が設けられていてもよい。

(15)そして、前記断続機構を有する第１又は第３のリンクと前記第２のリンクとの相対角度を検出する角度センサを有し、前記角度センサの出力に基づいて前記断続機構を動作させるようにしてもよい。

(16)前記モータと前記連結部材との間には、モータトルクを伝達する複数のギヤと、過大なトルクの伝達を遮断するトルクリミッタとが設けられていてもよい。この態様では、モータから連結部材へ駆動力を伝達するためのギヤの損傷を防止することができる。

(17)関節機構は、物を把持可能な把持機構として構成されていてもよい。この態様では、第１及び第３のリンクが把持対象の物から力を受けていない場合に両ウォームが同じ方向に回転すると、両ウォームホイールが互いに逆回転して第１及び第３のリンクの広がり方が変化する。すなわち角度Ａ及び角度Ｂが共に大きくなるか、共に小さくなるため、ｄＡ×ｄＢ≧０となる。このため、把持対象の物の大きさに応じて連結部材が回転することにより、物を把持できるように第１及び第３のリンクの角度を調整することができ、その調整された状態で物を把持することができる。一方、把持対象の物が第１及び第３のリンクに対して位置ずれしている場合等、その物から第１又は第３のリンクが受ける力がアンバランスになった場合には、ウォームホイールを介して受ける両ウォームのトルクが互いにアンバランスになるため、両ウォームは、両ウォームホイールのトルク差に応じた分だけ軸方向に変位することとなる。このとき第１及び第３のリンクが物から受けるトルクがバランスするように、両ウォームが一体的に軸方向に変位する。これに伴い、両ウォームホイールがそれぞれ同じ方向に回転するか、または付加トルクの大きなウォームホイールが回転することなくもう一方のウォームホイールのみが回転する。すなわち、ウォームの軸方向移動時にｄＡ×ｄＢ≦０となる。これにより、物が位置ずれしている場合であっても、うまく把持することができる。このように、本発明では、把持対象の大きさに応じて連結部材を回転させることにより、種々の大きさの物に対応でき、しかも物品の形状や位置関係に応じて連結部材が軸方向に移動することで受けるトルクのアンバランスにも対応できる。したがって、多数のモータを用いなくても、簡単な構成でありながら把持に必要な自由度を有し、しかも物の形状にならって把持できる把持機構を実現することができる。

(18)前記第１及び第２のウォームの少なくとも一方が前記シャフトに回転可能に設けられるとともに、前記回転可能なウォームを前記シャフトに対して所定の角度で固定するための固定手段が設けられていてもよい。この態様では、第１及び第２のウォームをシャフトに組み付ける際に、ウォームをシャフトに対して所定の向きになるように容易に組み付けることができる。

(19)本実施形態は、単一の機構駆動源と、３個以上の複数の部材を有し、前記複数の部材が複数の関節で接続され、前記機構駆動源から前記複数の部材に対し駆動力を分配して伝達する伝達系と、前記複数の関節のうちの少なくとも１つの間接の運動を制動する制動機構とを有する関節機構である。この実施形態では、単一の機構駆動源によって複数の部材を駆動するので、構造が簡単であり、かつ把持に必要な自由度を持たせることができる。また制動機構の動作によって自由度に変化を持たせることができる。

(20)この関節機構において、前記複数の部材間の相対角度を検出する角度センサを有し、前記角度センサの出力に基づく信号により、前記制動機構を動作させるのが好ましい。

(21)本実施形態は、単一の機構駆動源と、３個以上の複数の部材を有し、前記複数の部材が複数の関節で接続され、前記機構駆動源から前記複数の部材に対し駆動力を分配して伝達する伝達系と、前記伝達系における前記駆動力の断接を切り替える断続機構とを有する関節機構である。本実施形態では、単一の機構駆動源によって複数の部材を駆動するので、構造が簡単であり、かつ把持に必要な自由度を持たせることができる。また断続機構の動作によって自由度に変化を持たせることができる。

(22)この関節機構において、前記複数の部材間の相対角度を検出する角度センサを有し、前記角度センサの出力に基づく信号により、前記断続機構を動作させるのが好ましい。

(23)本実施形態は、前記関節機構と、この関節機構を支持する支持体とを備えた関節装置である。

以上説明したように、本発明によれば、任意の姿勢を取り得る関節機構を簡単な構成で実現することができる。

本発明に係る関節機構は、ロボット用マニピュレータに用いられるハンドの指における把持機構、ロボットの関節機構として利用可能である。

本発明は、関節機構に関し、主としてロボット用マニピュレータに用いられる関節機構及び関節装置に関するものである。

近年、少子高齢化に伴い労働力の不足、また高齢化が予想されており、それらを補う産業用、家庭用のロボットが期待されている。特に、複雑な作業をこなすためには、種々の物品を把持できる把持機構や任意の姿勢を取り得る関節機構が必須であり、重要である。また、これら把持機構は、手の不自由な人のための義手への適用も種々検討されている。

このような事情を考慮して、物品の把持を行うための指機構が、従来いくつか提案されている。図２１は、ウォームとウォームホイールを用いた指の把持機構を義手として用いる例である（例えば、特許文献１を参照）。

モータ９１の先端に設けられたウォーム９２によってウォームホイール９３が回転し、これにより把持指としてのリンク９４、９５が回動し、例えば握る方向への把持動作が行われる。リンク９５が開く方向の力を受けた場合であっても、ウォームホイール９３はウォーム９２に係合することによって逆転しない。このため物品を強く握り続けることができる。

また、図２２は多数のモータを用いて自由度を上げた把持機構の指の例である。（例えば、特許文献２を参照）この把持機構では、４個のモータ９６〜９９を用いることで４自由度を得ている。

特表平９−５１０１２８号公報 特開平１１−１５６７７８号公報

しかしながら、従来の把持機構には下記のような問題があった。例えば、図２１に示す把持機構では、自由度が１しかないため、種々の形状のものを把持することは困難である。例えば平板状の物には、指としてのリンク９５が馴染まないため、適切な摩擦力を与えて把持することができない。換言すれば、この関節機構では、指としてのリンク９５が任意の姿勢を取ることができない。

一方、図２２に示す把持機構は、把持に十分な自由度を持つが、モータの数が多くコストアップになっている。すなわち、この関節機構では、任意の姿勢をとることができるが、それに応じて駆動源が増えてしまう。

本発明の目的は、前記の問題を解決することである。そして、本発明の目的は、任意の姿勢を取り得る関節機構を簡単な構成で実現することである。

本発明の一局面に従う関節機構は、第１のリンクと、前記第１のリンクに回動可能に連結された第２のリンクと、前記第２のリンクに回動可能に連結された第３のリンクと、前記第２のリンクに支持された連結部材と、前記連結部材によって互いに連結され、軸回りに回転可能でかつ軸方向に移動可能な第１及び第２のウォームと、前記第１のウォームに噛み合い、前記第２のリンクに対して前記第１のリンクを回動させる第１のウォームホイールと、前記第２のウォームに噛み合い、前記第２のリンクに対して前記第３のリンクを回動させる第２のウォームホイールと、を備え、前記第１のリンクと前記第２のリンクの成す角を角度Ａとし、前記第２のリンクと前記第３のリンクのなす角を角度Ｂとし、角度Ａの変化量をｄＡとし、角度Ｂの変化量をｄＢとしたときに、前記両ウォームの回転によってｄＡ×ｄＢ≧０となり、前記第１及び第２のウォームの軸方向移動によってｄＡ×ｄＢ≦０となる。

本発明によれば、任意の姿勢を取り得る関節機構を簡単な構成で実現することができる。

（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態１による関節機構の構成を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態１による関節機構において、第１のリンクを固定した状態でシャフトを回転した場合の動きを説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態１による関節機構において、把持対象の物品が位置ずれしていた場合の動きを説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態１による関節機構において、小さな物品を把持する場合の動きを説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態２による関節機構の構成を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態３による関節機構の構成を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態４による関節機構の構成を示す図である。 （ａ），（ｂ）は本発明の実施形態５による関節機構に設けられるブレーキ機構の構成を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態５による関節機構の構成を示す図である。 （ａ），（ｂ）は本発明の実施形態６による関節機構に設けられるクラッチ機構及び第３のリンクを示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態６による関節機構の構成を示す図である。 本発明の実施形態７による把持装置を示す図である。 本発明の実施形態７の別の形態による把持装置を示す図である。 本発明の実施形態８による関節機構の構成を示す図である。 （ａ）は本発明の実施形態９による関節機構の構成を示す図であり、（ｂ）は固定手段を示す図である。 本発明の実施形態９の別の形態による関節機構の構成を示す図である。 （ａ）は本発明の実施形態１０による関節機構の構成を示す図であり、（ｂ）はトルクリミッタを示す図である。 本発明の実施形態１０の別の形態によるトルクリミッタを示す図である。 （ａ）（ｂ）は本発明の実施形態１１による関節機構の構成を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態１２による関節機構の構成を示す図である。 従来の関節機構を示す図である。 従来の関節機構を示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１〜図４は、本発明による関節機構の一実施形態を示す構成図である。本実施形態による関節機構は、物品の把持が可能な把持機構として構成されるものであり、この把持機構は、図１（ａ）に示すように、把持指としての第１のリンク１と、把持指としての第２のリンク２と、把持指としての第３のリンク３とを有する。第１のリンク１と第２のリンク２は、回動ピン５で互いに回動可能に連結され、第２のリンク２と第３のリンク３は、回動ピン６で互いに回動可能に連結されている。第１のリンク１は、回動ピン４ａを介して掌部材４に連結できるように構成されている。回動ピン５及び６は、何れも第２のリンク２に固定されている。回動ピン５と回動ピン６は第２のリンク２の長さ方向両端部に配置されており、これらは互いに平行になっている。そして、第１のリンク１の先端部に第２のリンク２の基端部が回動ピン５介して連結され、第２のリンク２の先端部に第３のリンク３の基端部が回動ピン６を介して連結されている。

把持機構は、２つのウォームホイール７，８を有する。ウォームホイール７，８は、各々回動ピン５，６に嵌められている。ウォームホイール７は回動ピン５に対し回動自在であり、またウォームホイール８は回動ピン６に対して回動自在である。ウォームホイール７は第１のリンク１の一端部に固定され、またウォームホイール８は第３のリンク３の一端部に固定されている。したがって、第１のリンク１はウォームホイール７と一体的に回転可能であり、また第３のリンク３はウォームホイール８と一体的に回転可能となっている。なお、ウォームホール７は第１のリンク１に一体的に形成されていてもよく、ウォームホイール８は第３のリンク３に一体的に形成されていてもよい。

ウォームホイール７にはウォームで９が噛み合い、またウォームホイール８にはウォーム１０が噛み合っている。ウォーム９とウォーム１０は、互いに間隔をおいて連結部材の一例としてのシャフト１１に剛に固定されており、両ウォーム９，１０はシャフト１１を介して相互に接続されている。ウォーム９はいわゆる右ねじであり、ウォーム１０はいわゆる左ねじである。したがって、これらウォーム９，１０は、互いに逆向きの螺旋を有している。

また、ウォームホイール７及びウォーム９のモジュールと、ウォームホイール８及びウォーム１０のモジュールとは同じであり、またそれらの対応する歯数、径も同じである。

両ウォーム９，１０間のシャフト１１の中間部には、フランジ１１ａが設けられている。また、シャフト１１の中間部にはギヤ１２が剛に結合されている。シャフト１１は、第２のリンク２に形成された一対の支持壁１８，１９に支持されていて、第２のリンク２の長手方向に沿うように配置されている。この支持壁１８，１９にはそれぞれ貫通孔が設けられていて、シャフト１１は、支持壁１８，１９間にフランジ１１ａが位置するように貫通孔に挿通された状態で保持されている。したがって、シャフト１１は、軸回りに回転可能であって、かつ軸方向である並進方向に移動可能となっている。

各支持壁１８，１９とフランジ１１ａとの間には、各々ばね１６、１７が残留圧縮復元力を保持した状態で介装されている。フランジ１１ａ、ばね１６，１７及び支持壁１８，１９によって、ウォーム９、１０のセンタリング手段２０が構成されている。

第２のリンク２には駆動源としてのモータ１３が搭載されている。モータ１３の駆動軸の先端にはギヤ１４が設けられている。モータ１３は、シャフト１１に対してウォームホイール７，８側に配置され、ウォームホイール７，８間のスペースに配置されている。つまり、このスペースを利用してモータ１３が設置されているため、スペースを有効利用でき、把持機構をより小型に構成することが可能となる。このギヤ１４と前記シャフト１１に設けられたギヤ１２との間にギヤ１５が介在しており、モータ１３の駆動力は、ギヤ１４、ギヤ１５及びギヤ１２を介してシャフト１１に伝達される。ギヤ１５は、その軸まわりの回転のみが許容されているが、ギヤ１２は、シャフト１１の並進移動に対してもギヤ１５と係合状態を維持できるよう、軸方向に長く形成されている。

以上のように構成された把持機構について、以下その動作を説明する。

まず、第１のリンク１、第２のリンク２、第３のリンク３が、初期状態として図１（ａ）の状態にあったとする。この状態でモータ１３を駆動すると、ギヤ１４、ギヤ１５及びギヤ１２が回転し、例えば図示のＦ方向にシャフト１１が回転する。このとき、ギヤ１２とウォーム９，１０はシャフト１１に剛に結合されているため、両ウォーム９，１０は何れもＦ方向に回転する。

第２のリンク２に視点を固定して見ると、ウォーム９の回転により、ウォームホイール７は図１（ｂ）のＶ方向に回転を始め、ウォームホイール７に結合された第１のリンク１をＶ方向に回転させる。同様に、ウォーム１０の回転により、第３のリンク３を図１（ｂ）のＷ方向に回転させる。シャフト１１がある回転角度だけ回転した場合において、第１のリンク１と第２のリンク２がなす角を角度Ａとし、同様に第２のリンクと第３のリンクがなす角を角度Ｂとする。そして、更にシャフト１１を回転させ、角度Ａ及びＢがそれぞれ約９０度となった状態を図１（ｃ）に示す。

この一連の動作においては、シャフト１１の回転による角度Ａ及びＢの変化量ｄＡ及びｄＢはいずれも増加する。一方、シャフト１１を逆方向に回転すれば、変化量ｄＡ及びｄＢはいずれも減少する。即ち、ｄＡ×ｄＢ≧０の関係が成立する。なお、この一連の動作においては、左右両側での伝達トルクがバランスしている限り、シャフト１１は軸方向に移動することなく、軸回りに回転する。

ここで、ウォーム９，１０がウォームホイール７，８を回転させるトルクに一時的にアンバランスが生じると、ばね１６，１７が伸長又は収縮してシャフト１１が軸方向に移動するが、定常的にはセンタリング手段２０により、シャフト１１は中立位置へ戻り、第１のリンク１及び第３のリンク３の位置は安定する。

次に、図２（ａ）〜（ｃ）に、掌部材４を静止系として見た場合の第１〜第３のリンク１〜３の動きを示す。図２（ｂ）において、紙面下方を重力方向とすると、重力は、第２のリンク２を反時計方向に回動させるように作用する。これにより、シャフト１１は、第２のリンク２に対してＱ方向に並進し、それにより角度Ａが増加するとともに角度Ｂが減少する。センタリング手段２０はこの重力の作用を打ち消し、姿勢を維持する働きをしている。また、その他振動等の外乱に対しても同様の作用が有る。

図３（ａ）〜（ｃ）は、把持対象としての物品が存在する場合の動作状態を示している。図３（ａ）は図１（ｂ）と同じ状態であり、ほぼ角度Ａ＝角度Ｂである。今、例えば図３（ｂ）に示すように第１のリンク１側に近い物体８１を把持する場合には、まず第１のリンク１が物体８１に押されるため、角度Ａを減少させる方向に第１のリンク１が回動ピン５まわりの回転を始める。これにより、ウォームホイール７及びウォーム９を介して並進力がシャフト１１に伝えられ、センタリング手段２０のばね１７の力に抗してシャフト１１がＰ方向に移動する。これによりウォーム１０及びウォームホイール８を介して第３のリンク３に回転駆動力が伝達され、第３のリンク３は角度Ｂが増加する方向に回転する。そして、第１のリンク１と第３のリンク３に作用するトルクのアンバランスが解消するまでシャフト１１が移動する。このように、両トルクのアンバランスが存在する場合であってもウォーム９，１０が軸方向に並進することによってそれを解消し、把持対象である物品８１に自動的に馴染ませることができる。この動作において、シャフト１１の並進によるＡ、Ｂの変化量はｄＡ≦０、ｄＢ≧０である。即ち、シャフト１１の並進による角度Ａ及びＢの変化量ｄＡ及びｄＢについて、ｄＡ×ｄＢ≦０の関係が成立する。

また、図３（ｃ）に示すように、第３のリンク３に近寄った物品８２に対してはシャフト１１で結合されたウォーム９，１０がＱ方向に並進し、上記同様にバランスして把持が行われる。この動作において、シャフト１１の並進による角度Ａ及びＢの変化量はｄＡ≧０であり、かつｄＢ≦０である。即ち、シャフト１１の並進による角度Ａ及びＢの変化量ｄＡ及びｄＢについて、ｄＡ×ｄＢ≦０の関係が成立する。

ギヤ１２は、軸方向に長く形成されているので、図３（ｂ）、図３（ｃ）のようにシャフト１１が軸方向に並進移動しても、ギヤ１５と係合状態を維持できる。

図４（ａ）〜（ｃ）は更に小さい物品８３，８４を把持する場合の例であり、やはり物品８３，８４の位置ずれをシャフト１１の並進によって第１のリンク１及び第３のリンク３を対応させることで把持が可能となる。

以上のように、本実施の形態１によれば、把持する物品のサイズ等はウォーム９，１０を含むシャフト１１の回転で対応し、物品の位置ずれに対してはシャフト１１の並進で対応することができる。これにより、種々の物品や状態に対応できる把持機構を提供することができる。

すなわち、本実施形態１では、物品を把持する前の段階においてシャフト１１が回転すると、両ウォームホイール７，８が互いに逆回転して第１及び第３リンク１，３の広がり方が変化する。すなわち角度Ａ及び角度Ｂが共に大きくなるか、共に小さくなるため、ｄＡ×ｄＢ≧０となる。このため、把持対象の物品の大きさに応じてシャフト１１が回転することにより、物品を把持できるように第１及び第３リンク１，３の角度を調整することができ、その調整された状態で物品を把持することができる。一方、把持対象の物品が第１及び第３リンク１，３に対して位置ずれしている場合等、物品から第１及び第３リンク１，３が受ける力がアンバランスになった場合には、ウォームホイール７，８を介してウォーム９，１０が受けるトルクが互いにアンバランスになるため、シャフト１１は、両ウォーム９，１０のトルク差に応じた分だけ軸方向に変位することとなる。このとき、第１及び第３リンク１，３が物品から受けるトルクがバランスしてトルク差が解消されるように、両ウォームホイール７，８がそれぞれ同じ方向に回転するか、または付加トルクの大きなウォームホイール７，８は回転せずにもう一方のウォームホイール８，７のみが回転する。すなわち、ウォーム９，１０の軸方向移動時にｄＡ×ｄＢ≦０となる。このとき、ウォームホイール７，８に反力を取って、シャフト１１が軸方向に移動している。これにより、物品に対して把持機構が位置ずれしている場合であっても、うまく把持することができる。このように、把持対象の大きさに応じてシャフト１１を回転させることにより、種々の大きさの物に対応でき、しかも形状や位置関係に応じてシャフト１１が軸方向に移動することで受けるトルクのアンバランスにも対応できる。したがって、多数のモータを用いなくても、簡単な構成でありながら把持に必要な自由度を有し、しかも物の形状にならって把持できる把持機構を実現することができる。

また本実施形態１では、連結部材を、一体的に形成されたシャフト１１によって構成したので、簡単な構成で必要な把持力が得られる構成を実現することができる。

また本実施形態１では、２つのウォーム８，１０が互いに逆向きの螺旋になっているので、シャフト１１の回転によって両リンク１，３を互いに逆向きに回動させる構成を簡単な構成で実現することができる。

また本実施形態１では、シャフト１１を中立位置に復元させるセンタリング手段２０が設けられているので、物品を把持していないときに、第１及び第３リンク１，３の向きを安定させることができる。しかもセンタリング手段２０がばね１６，１７の弾性力によって復元させる構成なので、簡単な構成でシャフト１１を所定位置に復元させることができる。

なお、本実施の形態では把持動作のアプローチ時のリンク間の形状を維持するためにセンタリング手段２０を設けているが、物品へのアプローチにおいて精度があまり高いものを要求しないのであれば、センタリング手段２０を省略することも可能である。この場合にはコストダウンが図られる。

また、本実施形態ではギヤ１２がシャフト１１に固定されているが、シャフト１１に対するギヤ１２の移動を許容し、シャフト１１に対する回転のみを規制するように、シャフト１１に対するギヤ１２の結合をキー結合としてもよい。こうすれば、ギヤ１２の小型化が図れてスペースファクタが改善され、またギヤ歯面における摺動摩耗を防止することができる。また、摩擦力の発生する領域がシャフト１１まわりに限定され、シャフト１１の並進移動がより容易になる。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図面を参照しながら説明する。

図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態２における関節機構を示す構成図である。本実施の形態は、実施の形態１のウォームホイール７及びウォーム９をウォームホイール２７及びウォーム２９に変更したものであり、その他はセンタリング手段２０の構成を含め同じである。

ウォームホイール２７、ウォーム２９は、ウォームホイール８、ウォーム１０に対し、径は同じであるが、モジュールが半分に設定されている。このため、ウォームホイール２７はウォーム８に対して歯数が２倍になり、ウォームギヤとしての減速比が２倍の大きさになっている。

そのため、シャフト１１の回転により、第１のリンク１と第２のリンク２との間に生じるトルクは、第２のリンク２と第３のリンク３との間に生ずるトルクの２倍になっている。これは、一般に構造体に負荷をかけた場合に先端側よりも根元側のモーメントが大きくなる状態に対応するものである。

以下、実施の形態２の動作について説明する。センタリング手段２０の動作等、概略は実施の形態１と同一であるため省略し、相違点のみを述べる。

シャフト１１の回転に対し、根元側のウォームギヤでは前述のように減速比が２倍になっているため、掌部材４に近い側のモーメント対応力が大きくなる。そのため、把持の負荷能力が増大する。このとき、図５（ｂ）に示すように、シャフト１１の回転に伴う角度Ａが、角度Ｂより小さくなってアンバランスとなるが、シャフト１１の並進によりバランスを回復することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、発生トルクの違いに容易に対応でき、構造に適した適正なモーメントに対応する関節機構を容易に実現できる。

なお、本実施の形態において、減速比の変更をモジュールを変更することによって行ったが、ウォームホイールの直径を変えることによって減速比を変更するようにしてもよい。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図面を参照しながら説明する。

図６（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態３における関節機構を示す構成図である。本実施の形態３は、実施の形態１のセンタリング手段に変えて、抵抗手段が設けられている。そして、本実施形態３ではフランジのないシャフト３１が用いられている。その他は実施の形態１と同じである。

抵抗手段は、第２のリンク２に固定されたスリーブ３２と、粘性物質３３とを有する。スリーブ３２にシャフト３１が挿通されている。そして、粘性物質３３は、スリーブ３２とシャフト３１の間に介装されている。粘性物質３３の粘度としては、シャフト３１が自重で１０ｍｍ／ｓ程度以下の速度で移動する程度の粘度が望ましい。材質としては、好ましくはゲル状の物質や高粘性のオイル状物質が好ましい。

粘性物質３３は、シャフト３１とスリーブ３２間の相対速度に応じた抵抗力を発生する物質である。従って、急激な相対速度に対しては、シャフト３１の動きが妨げられる。

本実施の形態の動作については、実施の形態１との相違点のみを述べる。

粘性物質３３の効果によって、シャフト３１は自重や重力変化等に対してゆっくりと軸方向に変位する。そして、把持のためのアプローチの際にはシャフト３１は大きく変化しないため、第１及び第３リンク１，３が急激に回動するのを抑制でき、安定な動作が実現する。

図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、第１の実施形態と同様に位置ずれした物品８１、８２を把持するような際には、粘性物質３３は、第１のリンク１及び第３のリンク３の接触状態に伴って、シャフト３１のＰ方向又はＱ方向へのゆっくりした変位を許容する。しかも、本実施形態では、ばねの変形に抗する力を発生させる必要もない。

（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４について、図面を参照しながら説明する。

図７（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態４における関節機構を示す構成図である。本実施の形態４では、実施の形態１のセンタリング手段に変えて、抵抗手段が設けられているが、この抵抗手段が実施形態３と異なっている。本実施形態４でもフランジのないシャフト４１が用いられている。その他は実施の形態１と同じである。

抵抗手段は、回動ピン５，６とウォームホイール４７，４８の間に封入された粘性物質４２によって構成されている。粘性物質４２としては、実施の形態３の粘性物質３３と同様の物質が利用できる。

粘性物質４２は、回動ピン５とウォームホイール４７との間の相対速度に応じた抵抗力を発生するとともに、回動ピン６とウォームホイール４８の間の相対速度に応じた抵抗力を発生する。従って、第１のリンク１及び第３のリンク３が急激に回動するのを防止することができる。

本実施の形態４の動作については図７（ｂ）、（ｃ）のごとく実施の形態３とほぼ同じであり、また効果についても実施の形態３とほぼ同じである。

なお、本実施の形態４では、粘性物質４２を回動ピン５，６とウォームホイール４７，４８との間に入れて速度抵抗を付与する構造としたが、第２のリンク２とウォームホイール４７，４８との間に粘性物質を介在させる構成としてもよい。

また、実施の形態３、４では、粘性物質による速度抵抗構造を採用したが、粘性物質に代えて、摩擦体による速度抵抗構造にしてもよい。この速度抵抗構造としては、例えばリング状の樹脂部材により構成することができる。この場合でも前記同様の効果が得られる。

更に、速度抵抗と標準形態への復原力が要求される場合には、速度抵抗構造に加えて実施の形態１で用いたセンタリング手段２０を併用してもよい。

（実施の形態５）
以下、本発明の実施の形態５について、図面を参照しながら説明する。

図８（ａ）、（ｂ）、図９（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態５における関節機構を示す構成図である。

図８（ａ）は、制動機構としてのブレーキ機構５０を示している。ブレーキ機構５０は、ソレノイドを有するものであり、磁性材料からなる磁極５２と、その先端に設けられたゴム等の弾性体によって構成されたパッド５１と、磁性材料で構成された有底筒状のヨーク５４と、ヨーク５４内部に配置された輪状のコイル５３と、磁極５２におけるパッド５１とは反対側の端部に設けられ、ヨーク５４との間に存在するばね５５とを備えている。

図８（ａ）は無通電状態を示しており、この状態ではばね５５が自由長に伸びている。一方、図８（ｂ）は通電状態を示し、この状態では、コイル５３で発生した磁束がヨーク５４によって導かれていて、磁力によって磁極５２がばね５５の弾性力に抗して吸引されている。

図９（ａ）は、ブレーキ機構５０が設けられた関節機構の全体を示している。本実施の形態５は、ブレーキ機構５０を除いて実施の形態１と同様の構成である。ブレーキ機構５０が第３のリンク３に搭載されており、通常は通電状態となっている。図中の符号５８、５９は回動ピンであって、第３のリンク３側にある回動ピン５９に摩擦板５７が剛に固定されている。即ち、摩擦板５７は第２のリンク２に固定されている。

摩擦板５７には、パッド５１が対向する円弧面に沿って粗な摩擦面が形成されている。ブレーキ機構５０が無通電状態となると、磁極５２がブレーキ機構５０から図８（ａ）のように飛び出す。これにより、パッド５１が摩擦板５７の粗な摩擦面に接触し、大きな摩擦力が発生する。

第２のリンク２には、角度センサ７１，７２が搭載されている。角度センサ７１は、第２のリンク２に対する第１のリンク１の角度Ａを測定し、角度センサ７２は、第２のリンク２に対する第３のリンク３の角度Ｂを測定する。角度センサ７１，７２は、図外の制御部と信号の授受が可能に接続されている。この制御部は、角度センサ７１，７２から出力された信号に基づいて、ブレーキ機構５０及びモータ１３を制御する。

その他の構造は、実施の形態１と同じである。

以上のように構成された関節機構について、以下その動作を説明する。

図９（ａ）〜（ｂ）に至る状態は、ブレーキ機構５０に通電されているためパッド５１は摩擦板５７に接触していない。そのため、実施の形態１と同じく第１のリンク１及び第３のリンク３は回動する。そして、図９（ｂ）に示すように、第３のリンク３が所定の角度まで回動すると、角度センサ７２の出力が所定の値になるので、その時点でブレーキ機構５０を無通電にすると、磁極５２を吸引していた磁場が消失する。これに伴って磁極５２は、ばね５５によってブレーキ機構５０から突出し、パッド５１が摩擦板５７と接触する。そのため、第３のリンク３は第２のリンク２に対して固定される。

この状態で更にシャフト１１を回転させると、第３のリンク３は第２のリンク２に対して固定されているから、第３のリンク３は図９（ｂ）の状態に維持される。これに対し、第１のリンク１は回動可能であるから、角度Ａが増加する方向に回動する。この時、ウォームホイール８は回転していないため、ウォーム１０の回転により、シャフト１１は回転しながらセンタリング手段２０のばね力に抗して図示Ｑ方向に並進移動する。そして、角度センサ７１の出力を見て、図９（ｃ）の状態でモータ１３を止めると、第１〜第３のリンク１〜３の相対角度は保持される。

以上、本実施の形態に述べたように、ブレーキ機構５０により、第３のリンク３と第２のリンク２の間の相対回転がないように固定することで、関節機構の所望の形態の静止形態を得ることができる。そして、種々の物品把持に際し、予め適した静止形態に調整した上で物品を把持することができるようになる。また実質的に、モータ１個で２自由度の形態をとることが可能となる。

なお、本実施の形態５においてはブレーキ機構５０を第３のリンク３に配置して第２のリンク２との間の運動を止めたが、これに限られるものではない。すなわち、ブレーキ機構５０を第１のリンク１に搭載するとともに、回動ピン５８に摩擦板５７を配置し、予め角度Ａを固定してから角度Ｂを調整するようにしてもよい。あるいは両方にブレーキ機構５０を搭載してもよい。いずれも場合でも静止した把持形態の形成が可能である。

また、摩擦板５７の形状やブレーキ機構５０の構成は前記構成に限定されるものではない。リンク間の相対移動を固定するためのものであればよく、種々変更が可能である。ブレーキ機構５０をソレノイドとして例示したのは、一般的にアクチュエータとしては小型に形成できるからである。また、摩擦で固定するのが耐久性の点から困難な場合には、機械的に固定する構成であってもよい。例えば、多数のピン穴を回動方向に形成しておいて、その中から選択されたピン穴にピンを挿入することで固定するようにしてもよい。ただしこの場合には離散値的な固定形式となる。

また、角度Ａ，Ｂを検出する手段として角度センサ７１，７２を用いたが、例えば外部のカメラによる画像計測によって角度Ａ，Ｂを検出する構成でも差し支えない。

このように、本実施の形態によれば、限られたモータから多数の関節に駆動力を分配し、それら関節に適切なブレーキ機構を配置し、望ましい位置で固定することで、限られたモータによって実質的に自由度に変化を持たせることができる。

（実施の形態６）
以下、本発明の実施の形態６について、図面を参照しながら説明する。

図１０（ａ）、（ｂ）、図１１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態６における関節機構を示す構成図である。実施の形態１と同一番号の部品は同一物を示す。

図１０（ａ）、（ｂ）は本実施の形態６における第３のリンク３及びその搭載部品を示しており、（ｂ）は側面図、（ａ）は平面図である。符号６１は電磁石で構成された断続機構としてのクラッチ機構を示している。クラッチ機構６１は、第３のリンク３に固定されていて、回動ピン６を嵌め込み可能となっている。ウォームホイール６７，６８は実施の形態１のウォームホイール７，８と同一の形状を有するが、磁性材料で形成される点でウォームホイール７，８と異なっている。またウォームホイール６８は、第３のリンク３には固定されていない点で実施形態１と異なる。角度センサ７１，７２は実施の形態５と同じものである。

クラッチ機構６１は、ウォームホイール６８と第３のリンク３の結合状態を切り替えることによって、モータ１３と第３のリンク３との間の駆動力の伝達経路を断接する。本実施形態では、クラッチ機構６１は、磁気的吸引力による摩擦力によって駆動力の伝達経路を接続する。図１０（ａ）において、クラッチ機構６１が無通電であると、ウォームホイール６８は第３のリンク３とは分離しており、駆動力は伝達されない。言い換えるとウォームホイール６８は第３のリンク３に対して空転が可能である。一方、クラッチ機構６１に通電すると、ウォームホイール６８はクラッチ機構６１に吸着されて、第３のリンク３と一体化した回転が可能となる。

また、第３のリンク３と第２のリンク２の間は実施の形態４などで記載したように粘性結合されている。その他の構成は実施の形態１と同じである。

以上のように構成された関節機構について、以下その動作を説明する。

図１１（ａ）〜（ｂ）に至る状態は、クラッチ機構６１に通電されているため、ウォームホイール６８は第３のリンク３と一体化している。そのため、第１のリンク１、第３のリンク３は、実施の形態１と同じように、シャフト１１の回転に伴って回動する。図１１（ｂ）において、角度センサ７２の出力が所定の値になった時点でクラッチ機構６１を無通電にすると、ウォームホイール６８は第３のリンク３から分離し、空転が可能となる。

この状態で更にシャフト１１を回転させると、第３のリンク３は第２のリンク２に対して粘性結合しており、ウォームホイール６８は空転が可能であるため、第３のリンク３は動かず、ウォームホイール６８のみがＷ方向に空転する。そのため、第３のリンク３は図１１（ｂ）の状態を維持する。一方、第１のリンク１はシャフト１１の回転に伴って回動可能であるから、角度Ａが増加する方向に回転する。そして例えば角度センサ７１の出力を見て、図１１（ｃ）の状態でモータ１３を止め、再びクラッチ機構６１に通電すると、第１〜第３のリンク１〜３の相対角度は、その状態で保持される。

以上、本実施の形態６では、クラッチ機構６１によって第３のリンク３と第２のリンク２の間の相対回転を制止させることが可能となっており、実施の形態５と同様、関節機構の所望の形態の静止形態をえることができる。そして、種々の物品把持に際し、予め適した静止形態に調整した上で物品を把持することができるようになる。

なお、実施の形態５と同様、クラッチ機構を第１のリンク１に搭載するようにしてもよく、あるいは第１のリンク１と第３のリンク３の双方に搭載してもよい。

また、本実施形態６では、ウォームホイール６８と第３のリンク３を結合する機構として電磁石によるクラッチ機構６１を用いたが、これに限定されるものではなく、請求の範囲の趣旨を逸脱しない範囲内で適宜変更が可能である。

このように、本実施の形態６によれば、実施の形態５と同様、限られたモータから多数の関節に駆動力を分配し、それら関節に適切なクラッチ機構を配置し、望ましい位置で固定することで、限られたモータによって実質的に自由度に変化を持たせることができる。

実施形態１〜６は、何れも関節機構が把持機構として構成された例について説明したが、これに限られるものではない。すなわち、物品の把持をするためのリンク機構ではなく、それ以外の用途を有する関節機構としてもよい。

（実施の形態７）
以上、実施の形態１〜６に示す関節機構を関節装置の一態様としての把持装置の把持指として適用することにより、低コストでしかも多数の物品の把持に適応できる把持装置を容易に実現することが可能である。例えば、図１２は１つの関節機構を備えた把持装置の一例を示しており、図１３は、複数の関節機構を備えた把持装置の一例を示している。

図１２に示す把持装置は、掌対向による１本指の把持装置である。関節機構１０１は、実施の形態１として説明した把持機構として構成された関節機構である。関節機構１０１の第１のリンク１は、回動ピン７３ａによって掌部材７３に結合されている。そして、関節機構１０１は、支持体としての掌部材７３に支持されている。掌部材７３は、手首部材７４に結合されている。関節機構１０１は、掌部材７３に内蔵のモータ（図示省略）により、掌部材７３の回動ピン７３ａ回りに回動される。そして、モータ１３の駆動によってシャフト１１が回転するとともに軸方向に変位して、これによってリンク１，３が物品８５に沿い、把持が実現する。なお、第１のリンク１を掌部材７３にピン結合する構成に代え、第１のリンク１と掌部材７３とを一体的に構成してもよい。この構成では、この一体的に構成されたリンクが第１のリンクとして機能し、この第１のリンクが、支持体として機能する手首部材７４に支持される構成となる。

図１３に示す把持装置は２本指の把持装置である。関節機構１０２，１０３はそれぞれ、実施の形態１として説明した把持機構として構成された関節機構である。関節機構１０２の第１のリンク１は、回動ピン７５ａによって掌部材７５に結合され、また関節機構１０３の第１のリンク１は、回動ピン７５ｂによって掌部材７５に結合されている。掌部材７５は、手首部材７６に結合されているが、これらが一体的に構成されていてもよい。掌部材７５と手首部材７６は支持体として機能する。関節機構１０２，１０３の回動ピン７５ａ，７５ｂ回りの回動は、掌部材７５内蔵のモータによって行われる。そして、１本指の把持装置同様に、関節機構１０２，１０３内でのシャフト１１，１１の回転及び軸方向移動によってリンク１，３が物品８５に沿い、把持が実現する。

なお、一方の関節機構１０２の第１のリンク１と掌部材７５とを一体的に構成してもよい。この構成では、この一体的に構成された折れ曲がり形状のリンクが第１のリンクとして機能し、この第１のリンクが、支持体として機能する手首部材７６に支持されるとともに、この第１のリンクに、もう一方の関節機構１０３の第１のリンク１が連結されることになる。また、他方の関節機構１０３の第１のリンク１と掌部材７５とが一体的に構成されていてもよい。

また、両関節機構１０２，１０３の第１リンク１，１と掌部材７５とが一体的に構成されていてもよい。この構成では、この一体的に構成されたものが第１のリンクとして機能し、この第１のリンクが、支持体として機能する手首部材７６に支持される構成となる。すなわち、この構成では、２つの関節機構１０２，１０３に対して第１のリンクが共用化された構成となる。

前記掌部材７５に、関節機構と同様の機構を搭載してもよい。また、関節機構としては実施の形態２〜６のいずれも利用可能である。また、関節機構を更に並列状態に配置した把持装置も構成できる。この場合には、把持力を増加させることができる。更に、これら把持装置を用いたロボット等も実現可能である。

（実施の形態８）
以下、本発明の実施の形態８について、図面を参照しながら説明する。

図１４は、本発明の実施の形態８における関節機構を示す構成図である。実施の形態１と同一番号の部品は同一物を示す。

本実施形態８では、シャフト１１に設けられるギヤ２１２がウォーム９の外側に配置されている。すなわち、前記実施形態１では、シャフト１１の端部に配置された一対のウォーム９，１０の間にギヤ１２が位置しているが、本実施形態８では、一方のウォーム９がシャフト１１の中間部に配置されるとともに、このウォーム９の外側にギヤ２１２が配置されている。これに伴い、第１のリンク１のウォームホイール７も第２のリンク２の端部から少し中央寄りのところに配置されている。このため、本実施形態８では、前記実施形態１に比べ、ウォームホイール７，８間の間隔を狭くすることができ、第１のリンク１と第３のリンク３との間隔を狭くすることができる。

（実施の形態９）
以下、本発明の実施の形態９について、図面を参照しながら説明する。

図１５（ａ）（ｂ）は、本発明の実施の形態９における関節機構を示す構成図である。実施の形態１と同一番号の部品は同一物を示す。

本実施形態９は、ウォーム３０９がシャフト３１１に対して回転可能に設けられるとともにこのウォーム３０９をシャフト３１１に固定する固定手段を有する。もう一方のウォーム１０は実施形態１と同様にシャフト３１１に固定されている。以下、具体的に説明する。

ウォーム３０９には、シャフト３１１が挿通可能な挿通孔３０９ｂが設けられており、この挿通孔３０９ｂにシャフト３１１が挿入される構成である。このため、ウォーム３０９が後述のキー３２０によって固定されない状態では、ウォーム３０９はシャフト３１１に対して軸回りに相対的に回転可能である。

固定手段は、ウォーム３０９の挿通孔３０９ｂに設けられたキー溝であるウォーム側溝部３０９ａと、シャフト３１１に設けられたキー溝であるシャフト側溝部３１１ａと、これら溝部３０９ａ，３１１ａに挿入される固定部材としてのキー３２０とを有する。

ウォーム側溝部３０９ａは、挿通孔３０９ｂの周方向に間隔をおいて複数設けられている。図例は、４つのウォーム側溝部３０９ａが等間隔に設けられた例である。一方、シャフト側溝部３１１ａは、シャフト３１１のウォーム３０９側の端部における外周面に１つ設けられている。

キー３２０は、ウォーム側溝部３０９ａとシャフト側溝部３１１ａとによって形成される空間に挿入可能である。そして、キー３２０がこの空間内に配置されることにより、ウォーム３０９はシャフト３１１の軸回りに回転不能となる。つまり、ウォーム３０９とシャフト３１１の相対角度が固定される。

第１のリンク１を第２のリンク２に組み付ける際には、ウォーム３０９をシャフト３１１に対して回転可能にしておけば、このウォーム３０９に噛み合う第１のリンク１を回動ピン５回りに自由に回動させることができる。このため、第３のリンク３との関係で第１のリンク１の開き角度Ａを微調整することができる。そして、所定の角度に最も近くなるようにウォーム側溝部３０９ａとシャフト側溝部３１１ａとを合わせてキー３２０を挿入すれば、ウォーム３０９を固定することができる。図中、破線で示す１ａ、１ｂは、選択されるウォーム側溝部３０９ａが変更されることで、第１のリンク１の初期位置が変化することを表している。この初期位置での第１のリンク１の開き角度Ａの変化量は、ウォーム３０９のピッチ、ウォームホイール７の歯数、ウォーム側溝部３０９ａの間隔によって決まる。したがって、ウォーム側溝部３０９ａの数は適宜設定すればよい。

本実施形態９では、ウォーム３０９をシャフト３１１に組み付ける際に、ウォーム３０９をシャフト３１１に対して所定の向きになるようにセットして、第１のリンク１及び第３のリンク３の開き角度を調整した上で、ウォーム３０９を固定することができる。

なお、固定手段としては、キーとキー溝とからなる構成に限られるものではない。例えば、ウォームをシャフトに回転可能に設けるとともに、接着剤でウォームをシャフトに固定するようにしてもよい。あるいは、図１６に示すように、ウォーム３０９に半径方向に貫通するようにねじ孔３０９ｃを形成しておき、固定部材としてのねじ３２１を螺合することによってウォーム３０９をシャフト３１１に固定してもよい。

（実施の形態１０）
以下、本発明の実施の形態１０について、図面を参照しながら説明する。

図１７（ａ）（ｂ）は、本発明の実施の形態１０における関節機構を示す構成図である。実施の形態１と同一番号の部品は同一物を示す。

本実施形態１０は、回転トルクに対してギヤ等を保護するためのトルクリミッタ４２０が設けられる形態である。トルクリミッタ４２０は、モータ１３とシャフト１１との間の駆動力伝達系統に設けられている。トルクリミッタ４２０は、第１ギヤ４１５ａと、第２ギヤ４１５ｂと、これらギヤ４１５ａ，４１５ｂを互いに押し付け合う方向に付勢するばね４３１と、このばね４３１の反力を取るためのフランジ４３０ａ，４３０ｂとを有する。フランジ４３０ａ，４３０ｂは両ギヤ４１５ａ，４１５ｂを貫通するシャフト４３０に設けられるものである。

第１ギヤ４１５ａはモータ１３の駆動軸に設けられたギヤ１４と噛み合い、第２ギヤ４１５ｂはシャフト１１に設けられたギヤ１２と噛み合っている。第１ギヤ４１５ａと第２ギヤ４１５ｂとは同軸上に配置されている。

第１ギヤ４１５ａと第２ギヤ４１５ｂは、圧縮状態のばね４３１とともに一対のフランジ４３０ａ，４３０ｂ間に配置され、ばね４３１の弾性力によって互いに押し付けられている。両ギヤ間には摩擦が生じており、この静止摩擦によって伝達されるトルクは、ギヤ等を損傷しない程度に設定されている。そして、最大静止摩擦を超えるトルクが発生すると、第１ギヤ４１５ａと第２ギヤ４１５ｂとの間で滑りが生じ、相対回転する。

モータ１３の出力軸に一体のギヤ１４が第１ギヤ４１５ａと噛み合い、この第１ギヤ４１５ａと第２ギヤ４１５ｂとは摩擦によってトルクを伝達する。このトルクはシャフト１１に設けられたギヤ１２に伝達される。そして、何らかの異常により、シャフト１１の回転が停止した場合、大きなトルクがモータ１３からシャフト１１への伝達系に作用することになるが、ギヤ等を破損しない程度の限界トルク以下で第１ギヤ４１５ａと第２ギヤ４１５ｂとの間で滑りが生ずるため、ギヤ等の破損を防止することができる。

なお、トルクリミッタ４２０はギヤ４１５ａ，４１５ｂ間のトルク伝達を遮断する構成に限られない。例えば、図１８に示すように、シャフト４１１に設けられていてもよい。すなわち、シャフト４１１は、ギヤ１２が設けられる第１シャフト部４１１ａと、ウォーム９が設けられる第２シャフト部４１１ｂとに分割され、これらシャフト部４１１ａ，４１１ｂに跨るように連結部４３３が設けられる。連結部４３３とシャフト部４１１ａ，４１１ｂとの間の摩擦によりトルク伝達がなされる一方、限界トルク以上のトルクが負荷されたされた場合には連結部４３３とシャフト部４１１ａ，４１１ｂとの間に滑りが生ずる。

また、トルクリミッタは摩擦を利用した構成に限られるものではない。例えば、第１ギヤ４１５ａにおける第２ギヤ４１５ｂとの対向面を鋸歯状に形成するとともに、第２ギヤ４１５ｂにおける第１ギヤ４１５ａとの対向面を鋸歯状に形成し、互いに噛み合う構造とする。そして、鋸歯の山を越えるポテンシャルをリミットとするようにしてもよい。この態様でも、トルクリミッタは、摩擦を利用した形態と同様、トルクの増加に対して非線形的な作用となる。

（実施の形態１１）
以下、本発明の実施の形態１１について、図面を参照しながら説明する。

図１９（ａ）（ｂ）は、本発明の実施の形態１１における関節機構を示す構成図である。実施の形態１と同一番号の部品は同一物を示す。

本実施形態１１は、ロボットハンドの指機構の開閉関節として機能する関節機構である。この関節機構の第１のリンクは、冠指に相当する指機構１０１であり、第３のリンクは、示指に相当する指機構１０３であり、第２のリンクは、掌に相当する掌機構１０２である。掌機構１０２は、第１の掌部１０２ａと第２の掌部１０２ｂと、これらを連結する揺動アーム８５及びギヤ８６とを有する。第１の掌部１０２ａと第２の掌部１０２ｂとは連結角度が可変となっている。第１の掌部１０２ａには、中指に相当する指機構１０４ａが設けられ、第２の掌部１０２ｂには、拇指に相当する指機構１０４ｂが設けられている。

モータ１１３及び支持壁１１８，１１９は、掌機構１０２の第１の掌部１０２ａに固定されている。支持壁間には、ばね１１６，１１７が配設されるとともに、これらばね１１６，１１７間にシャフト１１１のフランジ１１１ａが設けられている。フランジ１１１ａ、ばね１１６，１１７及び支持壁１１８，１１９によって、ウォーム１０９、１１０のセンタリング手段が構成されている。

シャフト１１１にはギヤ１１２が設けられており、このギヤ１１２は、ギヤ１１５を介して、モータ１１３のギヤ１１４と駆動力を伝達可能に連結されている。指機構１０１はウォームギヤ１０７と一体的に回動し、指機構１０３はウォームギヤ１０８と一体的に回動する。したがって、指機構１０１と指機構１０３は、モータ１１３の駆動によって何れも開き角度を変えることができる。そして、指機構１０１，１０３は把持物品の形状等に倣ってそれぞれ開き角度を変えることができる。

また、第１の掌部１０２ａには回動ピン６を支持するピン支持部１０２ｃが設けられており、このピン支持部１０２ｃには、指機構１０１を握り方向に回動可能に支持するための回動ピン１２０が支持されている。指機構１０３，１０４ａ，１０４ｂについても同様に握り方向に回動可能となっている。

（実施の形態１２）
以下、本発明の実施の形態１２について、図面を参照しながら説明する。

図２０（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態１２における関節機構を示す構成図である。実施の形態１と同一番号の部品は同一物を示す。

実施形態１〜６、８〜１０は、把持機構として構成された関節機構について、示したが、本実施形態１２では、関節機構は物を把持するための機構ではなく、任意の姿勢を取り得るように２つの関節を有する関節機構である。例えばこの関節機構は、ロボットの脚関節として機能するものであり、第３のリンク３はロボットの足に相当する。第１のリンク１は例えば太ももに相当するリンクであり、このリンク１は、ロボットの胴部に相当する部材４とピン４ａによってピン結合されている。第２のリンク２は、例えば下腿に相当する。

この関節機構は、モータ１３の駆動により、第２のリンク２に対する第１のリンク１の角度及び第３のリンク３の角度が相対的に変化する。このとき、第３のリンク３が床面に接触した状態であれば、第３のリンク３が動くのではなく第２のリンク２が回動ピン６回りに回動することになる。一方、第１のリンク１は、胴部材４から受ける力によって第２のリンク２に対する回動角度が決まる。つまり、実施形態１で説明したように、第１のリンク１が受ける外力と第３のリンク３が受ける外力とが同じ大きさであれば、シャフト１１が軸方向に移動することなく第１及び第３のリンク１，３が回転するので、第２のリンク２に対する第１のリンク１の回動角度と第２のリンク２に対する第３のリンク３の回動角度とが同じになる（図２０（ｂ））。一方、第１のリンク１が受ける外力と第３のリンク３の受ける外力とが異なる大きさであれば、それに応じてシャフト１１が軸方向に変位して両者の回動角度が異なるものとなる。図２０（ｃ）は第３のリンク３が受ける力の方が第１のリンク１が受ける力よりも大きい場合を例示している。

なお、本実施形態１２では、第１のリンク１及び第３のリンク３が受ける力の大きさに応じて両リンク１，３の回動角度の関係が決まってしまう。したがって、この関節機構に、実施の形態５で示した制動機構や実施の形態６で示したクラッチ機構を設ければ、リンク１，３の回動角度を積極的に制御することが可能となり、リンク１，３の角度を所望の角度に調整することが可能となり、関節機構が任意の姿勢を容易に取ることができるようになる。
［実施の形態の概要］
ここで、本実施の形態の概要について、以下に説明する。

(1) 以上説明したように、本実施形態では、第１及び第３のリンクが外力を受けていない場合に両ウォームが同じ方向に回転すると、両ウォームホイールが互いに逆回転して第１及び第３のリンクの広がり方が変化する。すなわち第１のリンクと第２のリンクの成す角度Ａ、第２のリンクと第３のリンクの成す角度Ｂが共に大きくなるか、共に小さくなるため、ｄＡ×ｄＢ≧０となる。このため、第１及び第２のウォームの回転に応じて第１及び第３のリンクの角度を調整することができる。一方、第１のリンクが受ける外力と第３のリンクが受ける外力とがアンバランスになった場合には、ウォームホイールを介して受ける両ウォームのトルクが互いにアンバランスになるため、両ウォームは、両ウォームホイールのトルク差に応じた分だけ軸方向に変位することとなる。このとき第１及び第３のリンクが受けるトルクがバランスするように、両ウォームが一体的に軸方向に変位する。これに伴い、両ウォームホイールがそれぞれ同じ方向に回転するか、または付加トルクの大きなウォームホイールが回転することなくもう一方のウォームホイールのみが回転する。すなわち、ウォームの軸方向移動時にｄＡ×ｄＢ≦０となる。このように、本実施形態では、第１及び第３のリンクの開き角度を、両ウォームの回転量に応じた開き角にすることができ、しかも連結部材が軸方向に移動可能に構成されていることにより、第２のリンクに対する第１のリンク又は第３のリンクの角度を変えることができる。したがって、任意の姿勢を取り得る関節機構を簡単な構成で実現することができる。

(2) 前記連結部材は、一体的に形成されたシャフトによって構成されているのが好ましい。

(3) 前記第１のウォームと前記第２のウォームは、相互に逆向きの螺旋を有するのが好ましい。この態様では、連結部材の回転によって第１及び第３のリンクを互いに逆向きに回動させる構成を簡単な構成で実現することができる。

(4) 前記第２のリンクにモータが固定され、このモータによって前記連結部材が回転するのが好ましい。

(5) 前記連結部材を軸方向の所定位置に復元するセンタリング手段が設けられているのが好ましい。この態様では、第１及び第３のリンクが外力を受けていないときに、第１及び第３のリンクの向きを安定させることができる。

(6) この態様において、前記センタリング手段には弾性部材が含まれており、この弾性部材の弾性力によって前記連結部材を所定位置に復元するのが好ましい。この態様では、簡単な構成で連結部材を所定位置に復元させることができる。

(7) 前記第１のリンクが支持体に連結可能に構成される場合には、前記第１のウォーム及びウォームホイールの減速比が、前記第２のウォーム及びウォームホイールの減速比よりも高いのが好ましい。支持体に連結される根元側リンクとなる第１のリンクでは、ウォーム及びウォームホイールに生ずるトルクが大きくなるが、この態様では、根元側のウォームギヤの減速比をもう一方のウォーム及びウォームホイールの減速比よりも高くしているので、トルクの違いに対応し易くなる。

(8) 前記第２のリンクに対する前記連結部材の軸方向相対移動速度に応じた抵抗を発生する抵抗手段が設けられていてもよい。この態様では、第２のリンクの向きに応じた重力変化の発生や連結部材の自重等によって連結部材が軸方向に移動しようとする際に、連結部材が急激に移動するのを抑制することができる。このため、把持のためのアプローチの際に安定した動作を得ることができる。

(9) 前記第２のリンクに対する前記第１及び第２のウォームホイールの相対回転速度に応じた抵抗を発生する抵抗手段が設けられていてもよい。この態様では、第１及び第３のリンクが急激に回動するのを抑制することができる。

(10)前記抵抗手段は、相対移動が行われる両者の間に介在する粘性物質を有するのが好ましい。

(11)前記第２のリンクに対する前記第１のリンクの角度変化を阻止する制動機構、及び前記第２のリンクに対する前記第３のリンクの角度変化を阻止する制動機構の少なくとも一方が設けられていてもよい。この態様では、第２のリンクと第１又は第３のリンクとの間の角度変化が生じないように維持できるので、物を把持する動作等の所定の動作の前に第１及び第３の少なくとも一方のリンクの向きを予め決めることが可能となる。したがって、所定の動作に際してその直前に最適な形態に調整することができる。

(12)この態様において、前記制動機構を有するリンク間の相対角度を検出する角度センサを有し、前記角度センサの出力に基づいて前記制動機構を動作させるのが好ましい。この態様では、リンクの角度を精度良く制御することができる。

(13)前記第１のリンクに対する前記第１のウォームホイールの接続状態を切り換える断続機構、及び前記第３のリンクに対する前記第２のウォームホイールの接続状態を切り替える断続機構の少なくとも一方が設けられていてもよい。この態様では、第２のリンクと第１及び第３のリンクとの間の角度変化が生じないように維持できるので、物を把持する動作等の所定の動作の前に第１及び第３の少なくとも一方のリンクの向きを予め決めることが可能となる。したがって、所定の動作に際してその直前に最適な形態に調整することができる。

(14)前記モータと前記第１のリンクとの間の駆動力伝達経路、及び前記モータと前記第３のリンクとの間の駆動力伝達経路の少なくとも何れか一方の伝達径路に駆動力の断続機構が設けられていてもよい。

(15)そして、前記断続機構を有する第１又は第３のリンクと前記第２のリンクとの相対角度を検出する角度センサを有し、前記角度センサの出力に基づいて前記断続機構を動作させるようにしてもよい。

(16)前記モータと前記連結部材との間には、モータトルクを伝達する複数のギヤと、過大なトルクの伝達を遮断するトルクリミッタとが設けられていてもよい。この態様では、モータから連結部材へ駆動力を伝達するためのギヤの損傷を防止することができる。

(17)関節機構は、物を把持可能な把持機構として構成されていてもよい。この態様では、第１及び第３のリンクが把持対象の物から力を受けていない場合に両ウォームが同じ方向に回転すると、両ウォームホイールが互いに逆回転して第１及び第３のリンクの広がり方が変化する。すなわち角度Ａ及び角度Ｂが共に大きくなるか、共に小さくなるため、ｄＡ×ｄＢ≧０となる。このため、把持対象の物の大きさに応じて連結部材が回転することにより、物を把持できるように第１及び第３のリンクの角度を調整することができ、その調整された状態で物を把持することができる。一方、把持対象の物が第１及び第３のリンクに対して位置ずれしている場合等、その物から第１又は第３のリンクが受ける力がアンバランスになった場合には、ウォームホイールを介して受ける両ウォームのトルクが互いにアンバランスになるため、両ウォームは、両ウォームホイールのトルク差に応じた分だけ軸方向に変位することとなる。このとき第１及び第３のリンクが物から受けるトルクがバランスするように、両ウォームが一体的に軸方向に変位する。これに伴い、両ウォームホイールがそれぞれ同じ方向に回転するか、または付加トルクの大きなウォームホイールが回転することなくもう一方のウォームホイールのみが回転する。すなわち、ウォームの軸方向移動時にｄＡ×ｄＢ≦０となる。これにより、物が位置ずれしている場合であっても、うまく把持することができる。このように、本発明では、把持対象の大きさに応じて連結部材を回転させることにより、種々の大きさの物に対応でき、しかも物品の形状や位置関係に応じて連結部材が軸方向に移動することで受けるトルクのアンバランスにも対応できる。したがって、多数のモータを用いなくても、簡単な構成でありながら把持に必要な自由度を有し、しかも物の形状にならって把持できる把持機構を実現することができる。

(18)前記第１及び第２のウォームの少なくとも一方が前記シャフトに回転可能に設けられるとともに、前記回転可能なウォームを前記シャフトに対して所定の角度で固定するための固定手段が設けられていてもよい。この態様では、第１及び第２のウォームをシャフトに組み付ける際に、ウォームをシャフトに対して所定の向きになるように容易に組み付けることができる。

(19)本実施形態は、単一の機構駆動源と、３個以上の複数の部材を有し、前記複数の部材が複数の関節で接続され、前記機構駆動源から前記複数の部材に対し駆動力を分配して伝達する伝達系と、前記複数の関節のうちの少なくとも１つの間接の運動を制動する制動機構とを有する関節機構である。この実施形態では、単一の機構駆動源によって複数の部材を駆動するので、構造が簡単であり、かつ把持に必要な自由度を持たせることができる。また制動機構の動作によって自由度に変化を持たせることができる。

(20)この関節機構において、前記複数の部材間の相対角度を検出する角度センサを有し、前記角度センサの出力に基づく信号により、前記制動機構を動作させるのが好ましい。

(21)本実施形態は、単一の機構駆動源と、３個以上の複数の部材を有し、前記複数の部材が複数の関節で接続され、前記機構駆動源から前記複数の部材に対し駆動力を分配して伝達する伝達系と、前記伝達系における前記駆動力の断接を切り替える断続機構とを有する関節機構である。本実施形態では、単一の機構駆動源によって複数の部材を駆動するので、構造が簡単であり、かつ把持に必要な自由度を持たせることができる。また断続機構の動作によって自由度に変化を持たせることができる。

(22)この関節機構において、前記複数の部材間の相対角度を検出する角度センサを有し、前記角度センサの出力に基づく信号により、前記断続機構を動作させるのが好ましい。

(23)本実施形態は、前記関節機構と、この関節機構を支持する支持体とを備えた関節装置である。

本発明に係る関節機構は、ロボット用マニピュレータに用いられるハンドの指における把持機構、ロボットの関節機構として利用可能である。

Claims (23)

1. 第１のリンクと、
   前記第１のリンクに回動可能に連結された第２のリンクと、
   前記第２のリンクに回動可能に連結された第３のリンクと、
   前記第２のリンクに支持された連結部材と、
   前記連結部材によって互いに連結され、軸回りに回転可能でかつ軸方向に移動可能な第１及び第２のウォームと、
   前記第１のウォームに噛み合い、前記第２のリンクに対して前記第１のリンクを回動させる第１のウォームホイールと、
   前記第２のウォームに噛み合い、前記第２のリンクに対して前記第３のリンクを回動させる第２のウォームホイールと、を備え、
   前記第１のリンクと前記第２のリンクの成す角を角度Ａとし、前記第２のリンクと前記第３のリンクのなす角を角度Ｂとし、角度Ａの変化量をｄＡとし、角度Ｂの変化量をｄＢとしたときに、前記両ウォームの回転によってｄＡ×ｄＢ≧０となり、前記第１及び第２のウォームの軸方向移動によってｄＡ×ｄＢ≦０となる関節機構。
2. 前記連結部材は、一体的に形成されたシャフトによって構成されている請求項１記載の関節機構。
3. 前記第１のウォームと前記第２のウォームは、相互に逆向きの螺旋を有する請求項１記載の関節機構。
4. 前記第２のリンクにモータが固定され、このモータによって前記連結部材が回転する請求項１記載の関節機構。
5. 前記連結部材を軸方向の所定位置に復元するセンタリング手段が設けられている請求項１記載の関節機構。
6. 前記センタリング手段には弾性部材が含まれており、この弾性部材の弾性力によって前記連結部材を所定位置に復元する請求項５記載の関節機構。
7. 前記第１のリンクが支持体に連結可能に構成されており、前記第１のウォーム及びウォームホイールの減速比が、前記第２のウォーム及びウォームホイールの減速比よりも高い請求項１記載の関節機構。
8. 前記第２のリンクに対する前記連結部材の軸方向相対移動速度に応じた抵抗を発生する抵抗手段が設けられている請求項１記載の関節機構。
9. 前記第２のリンクに対する前記第１及び第２のウォームホイールの相対回転速度に応じた抵抗を発生する抵抗手段が設けられている請求項１記載の関節機構。
10. 前記抵抗手段は、相対移動が行われる両者の間に介在する粘性物質を有する請求項８又は９記載の関節機構。
11. 前記第２のリンクに対する前記第１のリンクの角度変化を阻止する制動機構、及び前記第２のリンクに対する前記第３のリンクの角度変化を阻止する制動機構の少なくとも一方が設けられている請求項１記載の関節機構。
12. 前記制動機構を有するリンク間の相対角度を検出する角度センサを有し、前記角度センサの出力に基づいて前記制動機構を動作させる請求項１１記載の関節機構。
13. 前記第１のリンクに対する前記第１のウォームホイールの接続状態を切り換える断続機構、及び前記第３のリンクに対する前記第２のウォームホイールの接続状態を切り替える断続機構の少なくとも一方が設けられている請求項１記載の関節機構。
14. 前記モータと前記第１のリンクとの間の駆動力伝達経路、及び前記モータと前記第３のリンクとの間の駆動力伝達経路の少なくとも何れか一方の伝達径路に駆動力の断続機構が設けられている請求項４記載の関節機構。
15. 前記断続機構を有する第１又は第３のリンクと前記第２のリンクとの相対角度を検出する角度センサを有し、前記角度センサの出力に基づいて前記断続機構を動作させる請求項１３又は１４記載の関節機構。
16. 前記モータと前記連結部材との間には、モータトルクを伝達する複数のギヤと、過大なトルクの伝達を遮断するトルクリミッタとが設けられている請求項４記載の関節機構。
17. 物を把持可能な把持機構として構成されている請求項１記載の関節機構。
18. 前記第１及び第２のウォームの少なくとも一方は、前記シャフトに回転可能に設けられ、
    前記回転可能なウォームを前記シャフトに対して所定の角度で固定するための固定手段が設けられている請求項２記載の関節機構。
19. 単一の機構駆動源と、３個以上の複数の部材を有し、前記複数の部材が複数の関節で接続され、前記機構駆動源から前記複数の部材に対し駆動力を分配して伝達する伝達系と、前記複数の関節のうちの少なくとも１つの間接の運動を制動する制動機構とを有する関節機構。
20. 前記複数の部材間の相対角度を検出する角度センサを有し、前記角度センサの出力に基づく信号により、前記制動機構を動作させる請求項１９記載の関節機構。
21. 単一の機構駆動源と、３個以上の複数の部材を有し、前記複数の部材が複数の関節で接続され、前記機構駆動源から前記複数の部材に対し駆動力を分配して伝達する伝達系と、前記伝達系における前記駆動力の断接を切り替える断続機構とを有する関節機構。
22. 前記複数の部材間の相対角度を検出する角度センサを有し、前記角度センサの出力に基づく信号により、前記断続機構を動作させる請求項２１記載の関節機構。
23. 請求項１〜２２の何れか１項記載の関節機構と、この関節機構を支持する支持体とを備えた関節装置。

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