WO2006025446A1

WO2006025446A1 - 関節駆動装置

Info

Publication number: WO2006025446A1
Application number: PCT/JP2005/015902
Authority: WO
Inventors: Yasunao Okazaki
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2004-09-01
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2006-03-09
Also published as: CN101014449B; CN101014449A; US7798036B2; JP3984641B2; JPWO2006025446A1; US20070144299A1; US20090173178A1; US7555969B2

Description

明細書

関節駆動装置

技術分野

[0001] 本発明は、ロボットアーム等の機械装置の関節機構に応用可能な関節駆動装置及び該関節駆動装置を有するロボットアームに関する。

背景技術

[0002] 空気圧人工筋等の弾性体ァクチユエ一タは直動の変位が得られるが、収縮方向のみ力を発生することが可能であるため、ロボットアーム等の可動機械装置の回転関節機構に応用する場合、図 14A,図 14Bに示すような拮抗駆動機構により回転運動を実現する。

[0003] 図 14A,図 14Bにおいて 57は第 1構造体、 58は第 2構造体である。第 1構造体 57 と第 2構造体 58は、回転関節 59により結合されており、相対的に回動可能である。第 1構造体 57には対向するようにァクチユエータ支持部材 60a及び 60bが配設されており、第 2構造体 58にはァクチユエータ駆動力伝達部材 61が配設されて、る。

[0004] 62a及び 62bは弾性体ァクチユエータであり、第 1構造体 57と略平行、かつ、挟むように配設されている。弾性体ァクチユエータ 62a及び 62bは、回転ジョイント 63a及び 63bによりァクチユエータ支持部材 60a及び 60bと、それぞれ接続されている。また、弾性体ァクチユエータ 62a及び 62bは、回転ジョイント 63c及び 63dによりァクチュエータ駆動力伝達部材 61と、それぞれ接続されており、弾性体ァクチユエータ 62a 及び 62bの収縮により回転関節 59まわりの回転運動が実現される。

[0005] 図 14A,図 14Bの拮抗駆動機構では、回転軸が回転すると、例えば図 14Aと図 14 Bの場合のように、弾性体ァクチユエータ 62aと連結支柱であるァクチユエータ駆動力伝達部材 61のなす角度 αが、回転角度 Θが小さい場合と大きい場合で異なることになり、弾性体ァクチユエータがある並進力を発生しても、回転角度 Θによって回転軸に発生する回転トルクは異なり、また、弾性体ァクチユエータがある直動変位を発生しても、回転角度 Θによって回転軸の回転変位は異なることになる。具体的には、回転角度 Θが大きいときには、回転角度 Θが小さいときと比べて、発生する回転トルクは小さく、回転変位量も小さくなる。

[0006] また、図 14Bにおいて記号 Aとして矢印で示す箇所のように、回転角度 Θが大きいときには弾性体ァクチユエータ間の間隔が小さくなり、弾性体ァクチユエータ 62a又は 62bの端部と第 1構造体 57との接触が発生することから回転角度 Θの可動範囲が小さくなるという課題もある。

[0007] こうした課題に対し、従来技術としては、特許文献 1 (特開平 07— 24772号公報）において、ワイヤーとプーリにより駆動する構造により、弾性体ァクチユエータが発生するある並進力に対し、回転角 Θに関係なく一定の回転トルクを発生することができ、また、弾性体ァクチユエータのある直動変位に対し、回転角 Θに関係なく一定の回転変位を発生することができる構造が提供されて、る。

[0008] また、特許文献 1の構造では、中間プーリを配設することにより、プーリ径を小型にしても弾性体ァクチユエータを平行に配設することができ、弾性体ァクチユエータ同士が接触し、可動範囲が制限されることもない。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0009] し力しながら、前記特許文献 1の構成では、ワイヤーの緩みやプーリからの脱落等が発生する可能性があり、制御精度が低下したり、動作不能になる可能性がある。

[0010] また、弾性体ァクチユエータが発生するある並進力に対し、一定の回転トルクしか発生することができず、ロボット等に応用した場合に、重い物を把持するために大きな力が必要とされる状況や、広い範囲で作業させるために大きな可動範囲が必要とされる状況等、状況に応じて、ある並進力に対する回転トルクを可変にすることはできない。

[0011] 本発明の目的は、前記従来の関節機構の課題を解決し、ワイヤーの緩みやプーリ力もの脱落等といった課題が無ぐまた、弾性体ァクチユエータが発生するある並進力に対し、状況に応じて回転トルクを可変にすることができる、信頼性及び柔軟性の高い関節駆動装置及び該関節駆動装置を有するロボットアームを提供することにある。

課題を解決するための手段 [0012] 前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

[0013] 本発明の 1つの態様によれば、第 1構造体と、前記第 1構造体と回転関節により接続され相対運動可能な第 2構造体と、

前記第 1構造体に一方の端部の位置が固定され、かつ、他方の端部の位置が前記第 2構造体に固定された第 1弾性体ァクチユエータと、

前記第 1構造体に一方の端部の位置が固定され、かつ、他方の端部の位置が前記第 2構造体の前記第 1構造体の端部が固定された位置と関節に関して略対称の場所に固定された第 2弾性体ァクチユエータと、

前記第 1弾性体ァクチユエータの前記第 2構造体に対する固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記第 2構造体に対する固定位置の間隔を可変にする固定位置可変機構とを有することを特徴とする関節駆動装置を提供する。

[0014] 本発明の別の態様によれば、第 1構造体と、

前記第 1構造体と回転関節により接続され相対運動可能な第 2構造体と、前記第 1構造体に一方の端部の位置が固定された弾性体ァクチユエータと、前記弾性体ァクチユエータの固定端と反対側の可動端と前記第 1構造体とを連結するように配設され前記弾性体ァクチユエータの少なくとも伸縮方向に運動の自由度を有する運動規制部と、

前記弾性体ァクチユエータの前記可動端と前記第 2構造体を結合する結合部とを有することを特徴とする関節駆動装置を提供する。

発明の効果

[0015] 本発明によれば、固定位置可変機構を有することにより、弾性体ァクチユエータ間の間隔を制御できるため、回転トルクを優先した動作や回転変位量を優先した動作等を、状況に応じて柔軟かつ連続的に切り替えることができる。したがって、本発明の関節駆動装置によりロボットアームを構成することで、大きなトルクを発生することができ、より重量の重い物体を把持 ·運搬することが可能であり、かつ、関節の可動範囲を大きくとることができ、作業範囲をより広くとることが可能なロボットアームが実現する等、状況に応じて高出力ある!、は広作業範囲と!/、つたように特性を柔軟に可変にすることができ、かつ、信頼性も高いロボットアームを実現することができる。図面の簡単な説明

本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。

この図面においては、

[図 1]図 1は、本発明の第 1実施形態における関節駆動装置の構造を示す図であり、 [図 2A]図 2Aは、本発明の第 1実施形態における関節駆動装置の動作を示す図であり、

[図 2B]図 2Bは、本発明の第 1実施形態における関節駆動装置の動作を示す図であり、

[図 3A]図 3Aは、管状弾性体の一例である空気圧人工筋の内部空間が減圧時の空気圧人工筋の構造を示す側面図であり、

[図 3B]図 3Bは、管状弾性体の一例である前記空気圧人工筋の内部空間が加圧時の空気圧人工筋の構造を示す側面図であり、

[図 3C]図 3Cは、管状弾性体の一例である前記空気圧人工筋の内部空間が加圧時の空気圧人工筋の構造を示し、かつ、図 3Bの点線部分での断面図であり、

[図 4]図 4は、間隔制御ァクチユエータの構造を示す断面図であり、

[図 5]図 5は、前記空気圧人工筋を駆動するための空気圧供給駆動系の構成を示す図であり、

[図 6A]図 6Aは、本発明の第 1実施形態における関節駆動装置の間隔制御ァクチュエータによる動作を示す図であり、

[図 6B]図 6Bは、本発明の第 1実施形態における関節駆動装置の間隔制御ァクチュエータによる動作を示す図であり、

[図 7]図 7は、本発明の第 1実施形態における関節駆動装置を応用したロボットァームの構造を示す図であり、

[図 8]図 8は、本発明の第 1実施形態における関節駆動装置を応用したロボットァームを駆動するための空気圧供給系の構成を示す図であり、

[図 9A]図 9Aは、本発明の第 2実施形態における関節駆動装置の構造及び動作を示す図であり、 [図 9B]図 9Bは、本発明の第 2実施形態における関節駆動装置の構造及び動作を示す図であり、

[図 10]図 10は、本発明の第 2実施形態における関節駆動装置の構造を示す部分斜視図であり、

[図 11]図 11は、本発明の第 3実施形態における関節駆動装置の構造を示す部分斜視図であり、

圆 12A]図 12Aは、本発明の第 3実施形態における関節駆動装置の動作を示す図であり、

圆 12B]図 12Bは、本発明の第 3実施形態における関節駆動装置の動作を示す図であり、

圆 13A]図 13Aは、本発明の第 4実施形態における関節駆動装置の構造及び動作を示す図であり、

圆 13B]図 13Bは、本発明の第 4実施形態における関節駆動装置の構造及び動作を示す図であり、

圆 14A]図 14Aは、従来の関節駆動装置の構造及び動作を示す図であり、圆 14B]図 14Bは、従来の関節駆動装置の構造及び動作を示す図であり、圆 15]図 15は、第 1実施形態と第 4実施形態とを組み合わせた関節駆動装置の構造を示す図であり、

[図 16]図 16は、本発明の第 4実施形態における関節駆動装置のリニアガイドの断面図であり、

圆 17A]図 17Aは、本発明の第 4実施形態の変形例における関節駆動装置の構造及び動作を示す図であり、

圆 17B]図 17Bは、本発明の第 4実施形態の変形例における関節駆動装置の構造及び動作を示す図であり、

圆 18A]図 18Aは、本発明の第 4実施形態の前記変形例における関節駆動装置のリユアブッシュの断面側面図であり、

圆 18B]図 18Bは、本発明の第 4実施形態の前記変形例における関節駆動装置のリニァブッシュの断面正面図であり、 [図 19A]図 19Aは、本発明の第 1実施形態における関節駆動装置において 0 < Θ し S となる状態を示す説明図であり、

[図 19B]図 19Bは、本発明の第 1実施形態における関節駆動装置において 0 < Θ し S となる状態を示す説明図であり、

[図 20]図 20は、本発明の第 1実施形態における関節駆動装置において回転トルクを一定にする場合の説明図であり、

[図 21]図 21は、本発明の第 1実施形態における関節駆動装置において回転変位を一定にする場合の説明図である。

発明を実施するための最良の形態

[0017] 以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。

[0018] 本発明の第 1態様によれば、第 1構造体と、前記第 1構造体と回転関節により接続され相対運動可能な第 2構造体と、前記第 1構造体に一方の端部の位置が固定され、かつ、他方の端部の位置が前記第 2構造体に固定された第 1弾性体ァクチユエ一タと、前記第 1構造体に一方の端部の位置が固定され、かつ、他方の端部の位置が前記第 2構造体の前記第 1構造体の端部が固定された位置と関節に関して略対称の場所に固定された第 2弾性体ァクチユエータと、前記第 1弾性体ァクチユエータの前記第 2構造体に対する固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記第 2構造体に対する固定位置の間隔を可変にする固定位置可変機構とを有することを特徴とする関節駆動装置を提供する。

[0019] 本発明の第 2態様によれば、前記固定位置可変機構は、前記第 1弾性体ァクチュエータの前記第 2構造体に対する固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記第 2構造体に対する固定位置との間隔を変化させることによって、前記第 1構造体と前記第 2構造体との間に発生する回転トルクを変化させることを特徴とする第 1の態様に記載の関節駆動装置を提供する。

[0020] 本発明の第 3態様によれば、前記固定位置可変機構は、前記第 1弾性体ァクチュエータの前記第 2構造体に対する固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記第 2構造体に対する固定位置との間隔を変化させることによって、前記第 1構造体と前記第 2構造体との間に発生する回転角を変化させることを特徴とする第 1の態様に記載の関節駆動装置を提供する。

[0021] 本発明の第 4態様によれば、前記第 1弾性体ァクチユエータの前記第 2構造体に対する固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記第 2構造体に対する固定位置との間隔を変化させるように前記固定位置可変機構を制御して前記第 1構造体と前記第 2構造体との間に発生する回転トルクを変化させる制御装置をさらに備えることを特徴とする第 2の態様に記載の関節駆動装置を提供する。

[0022] 本発明の第 5態様によれば、前記第 1弾性体ァクチユエータの前記第 2構造体に対する固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記第 2構造体に対する固定位置との間隔を変化させるように前記固定位置可変機構を制御して前記第 1構造体と前記第 2構造体との間に発生する回転角を変化させる制御装置をさらに備えることを特徴とする第 3の態様に記載の関節駆動装置を提供する。

[0023] 本発明の第 6態様によれば、前記固定位置可変機構は、前記第 1弾性体ァクチュエータの前記固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記固定位置とをそれぞれ前記第 1構造体の長手方向沿いにガイドする固定位置ガイド機構と、前記固定位置ガイド機構によりガイドされつつ前記第 1弾性体ァクチユエータの前記固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記固定位置とをそれぞれ進退駆動することにより前記第 1弾性体ァクチユエータの前記固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記固定位置との前記間隔を変化させる固定位置駆動ァクチユエ一タとを備えることを特徴とする第 1〜5のいず力 1つの態様に記載の関節駆動装置を提供する。

[0024] 本発明の第 7態様によれば、前記固定位置可変機構は、前記第 1弾性体ァクチュエータの前記固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記固定位置とをそれぞれ前記第 1構造体の長手方向沿いにガイドする固定位置ガイド機構と、前記固定位置ガイド機構によりガイドされつつ前記第 1弾性体ァクチユエータの前記固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記固定位置とがそれぞれ移動されて前記第 1弾性体ァクチユエータの前記固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記固定位置との前記間隔を変化させる固定位置移動カム機構とを備えることを特徴とする第 1 〜5のいず力 1つの態様に記載の関節駆動装置を提供する。 [0025] 本発明の第 8態様によれば、前記固定位置移動カム機構は、カムと、前記カムに常時接触可能でかつ前記第 1弾性体ァクチユエータの前記固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記固定位置とがそれぞれ回転可能に支持される一対のカムフォロワ一と、前記カムフォロワ一を前記カムにそれぞれ常時接触するように付勢する接触保持パネとを備えて、前記一対のカムフォロワ一が前記カムに常時接触して移動することにより、前記第 1弾性体ァクチユエータの前記固定位置と前記第 2弾性体ァクチュエータの前記固定位置との前記間隔を変化させることを特徴とする第 7態様に記載の関節駆動装置を提供する。

[0026] 本発明の第 9態様によれば、前記固定位置移動カム機構は、前記カムを回転駆動するカム駆動ァクチユエータをさらに備えて、前記カムの回転駆動により、前記カムに常時接触する前記一対のカムフォロワ一を移動させることにより、前記第 1弾性体ァクチユエータの前記固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記固定位置との前記間隔を変化させることを特徴とする第 8態様に記載の関節駆動装置を提供する。

[0027] 本発明の第 10態様によれば、第 1構造体と、前記第 1構造体と回転関節により接続され相対運動可能な第 2構造体と、前記第 1構造体に一方の端部の位置が固定された弾性体ァクチユエータと、前記弾性体ァクチユエータの固定端と反対側の可動端と前記第 1構造体とを連結するように配設され前記弾性体ァクチユエータの少なくとも伸縮方向に運動の自由度を有する運動規制部と、前記弾性体ァクチユエ一タの前記可動端と前記第 2構造体を結合する結合部とを有することを特徴とする関節駆動装置を提供する。

[0028] 本発明の第 11態様によれば、前記運動規制部は、並進 1自由度のみを有するリニァガイドであることを特徴とする第 10態様に記載の関節駆動装置を提供する。

[0029] 本発明の第 12態様によれば、前記運動規制部は、並進 1自由度及び前記並進 1 自由度まわりの回転 1自由度を有するリニアブッシュ機構であることを特徴とする第 1

0態様に記載の関節駆動装置を提供する。

[0030] 本発明の第 13態様によれば、第 1又は 10の態様に記載の関節駆動装置を有するロボットアームを提供する。

[0031] 以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 [0032] (第 1実施形態）

図 1は本発明の第 1実施形態にかかる関節駆動装置の構造を示す全体図である。図 1において、 1は棒状の第 1構造体、 2は棒状の第 2構造体である。第 1構造体 1の一端と第 2構造体 2の一端は、回転関節 3により結合されており、相対的に回動可能である。第 1構造体 1の他端には、第 1構造体 1の軸方向と直交する方向沿いにかつ互いに対向するように一対の板状のァクチユエータ支持部材 4a及び 4bが配設されており、第 2構造体 2の一端の近傍には、第 2構造体 2の軸方向と直交する方向沿いに一本の板状のァクチユエータ駆動力伝達部材 5が配設されている。

[0033] 6a及び 6bは弾性体ァクチユエータであり、第 1構造体 1の長手方向と略平行、かつ、第 1構造体 1を挟むように略対称に配設されている。弾性体ァクチユエータ 6a及び 6bのそれぞれの一端は、回転ジョイント 7a及び 7bによりァクチユエータ支持部材 4a 及び 4bと、それぞれ接続されている。また、弾性体ァクチユエータ 6a及び 6bのそれぞれの他端は、回転ジョイント 7c及び 7dによりァクチユエータ駆動力伝達部材 5と、それぞれ接続されて、る。回転ジョイント 7c及び 7dとァクチユエータ駆動力伝達部材 5の接続部は、回転関節 3の中心軸近傍力外側の方向に延びる長溝穴 8a, 8bに沿うように摺動可能な構造となっている。

[0034] 9は第 1構造体 1の一端の近傍に第 1構造体 1の長手方向と直交する方向沿いに配置された間隔制御ァクチユエータであり、間隔制御ァクチユエータ 9の両側にそれぞれ突出した進退可能なピストンロッド 9a, 9bの先端が、回転ジョイント 10a, 10bにより、弾性体ァクチユエータ 6a及び 6bに、それぞれ接続されている。間隔制御ァクチュエータ 9が動作することにより、図 2Aの状態から図 2Bの状態に示すようにピストンロッド 9a, 9bが伸びて、長溝穴 8a, 8b内を回転ジョイント 7c及び 7dがそれぞれ外側に移動して弾性体ァクチユエータ 6a及び 6bの間隔 r (詳しくは、ァクチユエータ駆動力伝達部材 5に連結された弾性体ァクチユエータ 6a及び 6bの回転ジョイント 7c及び 7dの回転軸芯間の間隔 r)が変化する。

[0035] 図 3A,図 3B,図 3Cは弾性体ァクチユエータ 6a及び 6bの一例である空気圧人工筋の構造を示す図である。空気圧人工筋は、図 3A,図 3B,図 3Cに示すように、ゴム材料で構成された管状弾性体 12の外表面に繊維コードで構成された拘束部材 13 が配設され、管状弾性体 12の両端部を封止部材 14でそれぞれ気密封止する構造となっている。図 3B,図 3Cに示すように、流体注入出部材 15を通じて空気等の圧縮性流体を管状弾性体 12内に供給することにより内圧を管状弾性体 12の内部空間に与えると、管状弾性体 12が主に半径方向に膨張しょうとするが、拘束部材 13の作用により、管状弾性体 12の中心軸方向の運動に変換され、全長が収縮する。逆に、図 3Aに示すように、流体注入出部材 15を通じて空気等の圧縮性流体を管状弾性体 1 2内から排出することにより管状弾性体 12の内部空間の内圧を下げると、管状弾性体 12が半径方向に収縮するとともに、管状弾性体 12自体の弾性力により、管状弾性体 12の中心軸方向に全長が伸長する。この空気圧人工筋は主に弾性体で構成されるため、柔軟性があり、安全で軽量なァクチユエータであるという特徴を有する。

図 4は間隔制御ァクチユエータ 9の構造を示す断面図である。図 4において、 16はシリンダ、 17a及び 17bはシリンダ 16内で摺動するピストンであり、ピストン 17aゝ 17b のそれぞれのロッド 17c, 17dのシリンダ 16の外側に位置する端面部はそれぞれ回転ジョイント 10a, 10bのハウジングとなっている。また、シリンダ 16とピストン 17a、 17 bのロッド 17c, 17dとの間には Oリング 18a及び 18bがそれぞれ配設され、 Oリング 1 8a及び 18bによりシリンダ 16とピストン 17a、 17bは相対的に摺動可能な状態で気密封止されている。シリンダ 16の図 4の上端部、中間部、下端部には、流体注入出部材 19a、 19b及び 19cが配設されており、流体注入出部材 19aを通してピストン 17aとシリンダ 16の図 4の上端部との間のシリンダ室 20aに、流体注入出部材 19bを通してピストン 17aとピストン 17b間のシリンダ室 20bに、及び流体注入出部材 19cを通してピストン 17bとシリンダ 16の図 4の下端部との間のシリンダ室 20cに、それぞれ空気等の流体を供給することができる構造となっている。このような構造の間隔制御ァクチュエータ 9では、シリンダ室 20a、 20b及び 20c内の圧力をすベて同じにすると、ピストン 17a, 17bは静止する。一方、シリンダ室 20aと 20cの圧力を同じにし、シリンダ室 20b の圧力をそれらよりも小さくすると、回転ジョイント 10a, 10b間の間隔が小さくなる方向（言い換えれば、ピストン 17a、 17bが互いに接近する方向）にピストン 17a、 17bは移動する。逆に、シリンダ室 20aと 20cの圧力を同じにし、シリンダ室 20bの圧力をそれらよりも大きくすると、回転ジョイント 10a, 10b間の間隔が大きくなる方向（言い換えれば、ピストン 17a、 17bが互いに離れる方向）にピストン 17a、 17bは移動する。このようにシリンダ室 20a、 20b及び 20c内の圧力を制御することにより、間隔制御ァクチユエータ 9が動作し、弾性体ァクチユエータ 6a及び 6bの間隔 rを変化させることができる。

[0037] よって、この第 1実施形態では、一例として間隔制御ァクチユエータ 9と回転ジョイント 10a, 10bなどを有する固定位置駆動ァクチユエータ機構と、一例として長溝穴 8a, 8bと回転ジョイント 7c及び 7dなどを有する固定位置ガイド機構とより、固定位置可変機構の一例を構成してヽる。

[0038] 図 5は空気圧人工筋 6a, 6b及び間隔制御ァクチユエータ 9を駆動するための空気圧供給駆動系の構成を示す図である。図 5において、 21は例えばコンプレッサー等の空気圧源、 22は空気圧源 21の空気圧フィルタ 22a、空気圧減圧弁 22b、及び空気圧用ルブリケータ 22cが 1組になった空気圧調整ユニットである。 23a及び 23bは例えば電磁石の力でスプール弁などを駆動することで流量を制御する 5ポート流量制御電磁弁である。 24は例えば一般的なパーソナルコンピュータにより構成された制御装置の一例としての制御コンピュータであり、 DZ Aボード 24aが搭載されており、 5ポート流量制御電磁弁 23a及び 23bに電圧指令値を出力することにより、それぞれの流体注入出部材 15及び 19a, 19b, 19cを流れるそれぞれの空気の流量を制御可能とする。

[0039] 図 5に示す空気圧供給駆動系によれば、空気圧源 22により生成された高圧空気は、空気圧調整ユニット 22により減圧され、例えば 600kPaといった一定圧力に調整され、 5ポート流量制御電磁弁 23a及び 23bに供給される。 5ポート流量制御電磁弁 23 a及び 23bの開度は、制御コンピュータ 24より DZAボード 24aを介して出力される電圧指令値に比例して制御される。 5ポート流量制御電磁弁 23aには、一対の空気圧人工筋 6a, 6bのそれぞれの管状弾性体 12の流体注入出部材 15がそれぞれ接続されている。

[0040] 前記したように、一対の空気圧人工筋 6a, 6bは第 1構造体 1の長手方向沿いに大略平行に配置され、それぞれの管状弾性体 12の流体注入出部材 15側の端部が、第 1構造体 1の端部に固定されたァクチユエータ支持部材 4a, 4bに固定されている。一対の空気圧人工筋 6a, 6bの管状弾性体 12の他方の端部側には、第 1構造体 1に回転関節 3で回転自在に支持されたァクチユエータ駆動力伝達部材 5が支持され、このァクチユエータ駆動力伝達部材 5に一対の空気圧人工筋 6a, 6bの管状弾性体 1 2の他方の端部が回転自在に支持されている。したがって、以下に述べるように、一対の空気圧人工筋 6a, 6bのそれぞれの管状弾性体 12が伸縮することにより、ァクチユエータ駆動力伝達部材 5が回転関節 3回りに正逆回転駆動され、第 2構造体 2が回転関節 3回りに正逆回転駆動される。なお、図 5中に矢印で示した右回転を正方向、矢印とは逆の左回転を逆方向とする。

[0041] 制御コンピュータ 24より正の電圧指令値が DZ Aボード 24aから 5ポート流量制御電磁弁 23aに入力された場合には、 5ポート流量制御電磁弁 23aが切り替えられて図 5に示すように空気圧回路記号の Aで示した状態になり、空気圧源 21側から空気圧人工筋 6aの管状弾性体 12の流体注入出部材 15側への流路が 5ポート流量制御電磁弁 23aを介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気が空気圧人工筋 6a側に供給される。また、空気圧人工筋 6b側は、管状弾性体 12の流体注入出部材 15から大気圧側への流路が 5ポート流量制御電磁弁 23aを介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気流が空気圧人工筋 6b側から大気中へ排気される。したがって、空気圧人工筋 6aの全長が縮み（図 3B参照）、空気圧人工筋 6 bの全長が伸びる（図 3A参照）ことにより、電圧指令値の絶対値に比例した速度で回転関節 3は図 5に矢印で示されるように右回転運動を行う。

[0042] 一方、制御コンピュータ 24より負の電圧指令値が DZAボード 24aから 5ポート流量制御電磁弁 23aに入力された場合には、 5ポート流量制御電磁弁 23aが切り替えられて、空気圧回路記号の Bで示した状態になり、空気圧人工筋 6aの動作は逆となり、回転関節 3は左回転運動を行う。すなわち、空気圧源 21側から空気圧人工筋 6bの管状弾性体 12の流体注入出部材 15側への流路が 5ポート流量制御電磁弁 23aを介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気が空気圧人工筋 6b側に供給される。また、空気圧人工筋 6a側は、管状弾性体 12の流体注入出部材 15から大気圧側への流路が 5ポート流量制御電磁弁 23aを介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気流が空気圧人工筋 6a側力大気中へ排気される。したがって、空気圧人工筋 6bの全長が縮み（図 3B参照）、空気圧人工筋 6aの全長が伸びる（図 3A参照)ことにより、電圧指令値の絶対値に比例した速度で関節軸回転関節 3は矢印とは逆方向で示される左回転運動を行う。

[0043] 5ポート流量制御電磁弁 23bには、間隔制御ァクチユエータ 9の流体注入出部材 1 9a, 19b, 19cが接続されている。 5ポート流量制御電磁弁 23bのポート 1と流体注入出部材 19bが接続され、ポート 2と、そこ力も分岐して流体注入出部材 19aと 19cが接続されている。

[0044] 制御コンピュータ 24より正の電圧指令値が DZ Aボード 24aから 5ポート流量制御電磁弁 23bに入力された場合には、 5ポート流量制御電磁弁 23bが切り替えられて図 5に示すように空気圧回路記号の Cで示した状態になり、空気圧源 21側から流体注入出部材 19b側への流路が 5ポート流量制御電磁弁 23bを介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気がシリンダ室 20bに供給される。また、シリンダ室 20a及びシリンダ室 20c側は、流体注入出部材 19a及び 19cから大気圧側への流路が 5ポート流量制御電磁弁 23bを介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気流がシリンダ室 20a及びシリンダ室 20c側から大気中へ排気される。したがって、図 6Aに示すように、間隔制御ァクチユエータ 9の回転ジョイント 11a及び l ib 間の間隔 rが拡張し、電圧指令値の絶対値に比例した速度で弾性体ァクチユエータ 6a及び 6bの間隔 rは矢印で示されるように拡張方向へ運動を行う。

[0045] 一方、制御コンピュータ 24より負の電圧指令値が DZAボード 24aから 5ポート流量制御電磁弁 23bに入力された場合には、 5ポート流量制御電磁弁 23bが切り替えられて、空気圧回路記号の Dで示した状態になり、間隔制御ァクチユエータ 9の動作は逆となる。すなわち、空気圧源 21側から間隔制御ァクチユエータ 9の流体注入出部材 19a及び 19c側への流路が 5ポート流量制御電磁弁 23bを介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気がシリンダ室 20a及びシリンダ室 20c側に供給される。また、シリンダ室 20b側は、流体注入出部材 19bから大気圧側への流路が 5 ポート流量制御電磁弁 23bを介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気流がシリンダ室 20b側から大気中へ排気される。したがって、図 6Bに示すように、間隔制御ァクチユエータ 9の回転ジョイント 11a及び l ib間の間隔 rが縮小し、電圧指令値の絶対値に比例した速度で弾性体ァクチユエータ 6a及び 6bの間隔 rは矢印で示されるように縮小方向へ運動を行う。

[0046] 以上の構成の関節駆動装置の動作について説明する。

[0047] 前記したように、第 1構造体 1を挟んでァクチユエータ駆動力伝達部材 5に関して対向するように回転ジョイント 7c及び 7dにより、一対の弾性体ァクチユエータ 6a, 6bが接続されている。したがって、図 1の上側の弾性体ァクチユエータ 6aが収縮し、図 1の下側の別の弾性体ァクチユエータ 6bが伸張すれば、回転関節 3の回転軸回りの時計方向の回転運動が発生する。逆に、図 1の上側の弾性体ァクチユエータ 6aが伸張し、図 1の下側の別の弾性体ァクチユエータ 6bが収縮すれば、図 2Bに示されるように、回転運動は逆回転すなわち反時計方向の回転となる。

[0048] 以上のように、弾性体ァクチユエータ 6により、第 1構造体 1とァクチユエータ駆動力伝達部材 5の正逆回転運動が駆動されることにより、第 1構造体 1と第 2構造体 2の揺動運動すなわち角度 Θの運動が駆動される。

[0049] ここで、本発明の第 1実施形態の特徴は、間隔制御ァクチユエータ 9が配設され、弾性体ァクチユエータ 6a及び 6bのァクチユエータ駆動力伝達部材 5における接続点間の間隔 r (詳しくは、ァクチユエータ駆動力伝達部材 5に連結された弾性体ァクチュエータ 6a及び 6bの回転ジョイント 7c及び 7dの回転軸芯間の間隔 r)を制御できる点にある。

[0050] 例えば、図 6Aのように接続点間の間隔 rを大きくした場合（間隔 r= 2rとなる場合）

し

と、図 6Bのように接続点間の間隔 rを小さくした場合（間隔 r= 2rとなる場合）とでは、

S

弾性体ァクチユエータ 6aの収縮力を F、弾性体ァクチユエータ 6bの収縮力を Fとす a b ると、図 6Aの場合の駆動トルク τ は、 τ = (F— F )r となり、図 6Bの場合の駆

し L a b L

動トルク τ は、 τ = (F -F )r となり、 r 〉rであることから、て〉 τ となる。す

S S a b S L S L S なわち、同じ収縮力の場合でも図 6Aの場合の方が大きなトルクを発生することができることになる。このように、間隔制御ァクチユエータ 9を配設し、弾性体ァクチユエータ 6a及び 6bのァクチユエータ駆動力伝達部材 5における接続点間の間隔 rを制御することにより、同じ収縮力の場合に対する駆動トルクを可変にすることが可能となる。

[0051] 一方、回転変位量という観点力も考えると、弾性体ァクチユエータ 6a又は 6bの変位量を Δ χとすると、第 2構造体 2の揺動角度 Θの回転変位 Δ Θは、図 6Αの場合の揺動角度 0 は、 Θ =arcsin ( A xZr )、図 6Βの場合の揺動角度 Θ は、 Θ =arc

ししし r S sin ( A x/r )と近似でき、 r >rであることから、 Θ ぐ Θ となる（図 19A,図 19B参

S し S し S

照)。すなわち、同じ弾性体ァクチユエータ 6a又は 6bの変位量 Δ χの場合でも、図 6 Βの場合の方が大きな回転変位 Δ Θとすることができ、揺動角度 Θの最大変位も大さくすることがでさる。

[0052] 以上のように、本発明の第 1実施形態では間隔制御ァクチユエータ 9が配設されることにより、間隔制御ァクチユエータ 9を制御装置 24で動作制御するようにすれば、回転トルクを優先した動作と回転変位量を優先した動作を、状況に応じて柔軟かつ連続的に切り替えることができる。

[0053] また、回転関節 3の回転軸芯から回転ジョイント 7cの回転軸芯までの距離を!:、回転関節 3の揺動角度を Θ、弾性体ァクチユエータ 6aの収縮力を F、弾性体ァクチュ a

エータ 6bの収縮力を Fとすると、発生する回転トルク τは、 τ = (F— F ) r cos θ で近似できるので、 r = τ /cos θ、ただし、 τ _eは定数となるように間隔制御ァクチュエータ 9を制御すれば回転トルク τは、 τ = τ (F— F ) となり、弾性体ァクチュ c a b

エータの同じ収縮力に対応する回転トルク τを、揺動角度 Θに関係なぐ略一定に制御することができる（図 20参照)。

[0054] また、回転関節 3の回転軸芯から回転ジョイント 7cの回転軸芯までの距離を!:、回転関節 3の揺動角度を Θとし、揺動角度が Θの状態から、図 21に示すように、さらに Δ Θだけ回転する場合を考える。 Δ Θだけさらに回転するための弾性体ァクチユエータ 6の変位を Δ Xとすると（図 21中に点線で描、た 201は Δ x変位後の回転ジョイント 7cを表している）、揺動角度 Θの回転変位 Δ 0は Δ 0 = A xcos Θ Zr で近似できるので、 r =cos 6 / A Θ 、ただし、 Δ Θ は定数となるように間隔制御ァクチュエータ 9を制御すれば回転変位 Δ θ = Δ χ Δ Θ となり、弾性体ァクチユエータの同じ変位 Δ χに対応する回転変位 Δ Θを、揺動角度 Θに関係なぐ略一定に制御することができる（図 21参照)。

[0055] 次に、図 7は本関節駆動装置をロボットアームに応用した場合の例である。図 7に示すロボットアームは、第 1関節 25、第 2関節 26、第 3関節 27、第 4関節 28を有する 4 自由度アームであり、第 2関節 26、第 3関節 27、及び第 4関節 28の部分が本発明の第 1実施形態の関節駆動装置となっている。

[0056] 具体的には、弾性体ァクチユエータ 29— laと弾性体ァクチユエータ 29— lbの拮抗駆動により第 1関節軸 25を正逆回転駆動し、弾性体ァクチユエータ 29— 2aと弹弹性体ァクチユエータ 29— 2bの拮抗駆動により第 2関節軸 26を正逆回転駆動し、弹性体ァクチユエータ 29— 3aと弾性体ァクチユエータ 29 - 3bの拮抗駆動により第 3関節軸 27を正逆回転駆動し、弾性体ァクチユエータ 29— 4aと弾性体ァクチユエータ 2 9— 4bの拮抗駆動により第 4関節軸 28を正逆回転駆動する構造となっている。

[0057] また、間隔制御ァクチユエータ 30— 2により、弾性体ァクチユエータ 29— 2aと弾性体ァクチユエータ 29— 2bによる拮抗駆動の支点間距離 (前述のァクチユエータ駆動力伝達部材 5に連結された弾性体ァクチユエータ 6a及び 6b (ここでは、弾性体ァクチユエータ 29 - 2aと弾性体ァクチユエータ 29 - 2b)の回転ジョイント 7c及び 7dの回転軸芯間の間隔 rに相当。）を伸縮駆動し、間隔制御ァクチユエータ 30— 3により、弾性体ァクチユエータ 29— 3aと弾性体ァクチユエータ 29 - 3bによる拮抗駆動の支点間距離 (前述のァクチユエータ駆動力伝達部材 5に連結された弾性体ァクチユエータ 6 a及び 6b (ここでは、弾性体ァクチユエータ 29 - 3aと弾性体ァクチユエータ 29 - 3b) の回転ジョイント 7c及び 7dの回転軸芯間の間隔 rに相当。）を伸縮駆動し、間隔制御ァクチユエータ 30— 4により、弾性体ァクチユエータ 29— 4aと弾性体ァクチユエータ 29— 4bによる拮抗駆動の支点間距離 (前述のァクチユエータ駆動力伝達部材 5に連結された弾性体ァクチユエータ 6a及び 6b (ここでは、弾性体ァクチユエータ 29— 4 aと弾性体ァクチユエータ 29— 4b)の回転ジョイント 7c及び 7dの回転軸芯間の間隔 r に相当。）を伸縮駆動する構造となっている。

[0058] 詳しくは、前記ロボットアームは、固定壁 31に対して、上下方向軸沿いに横方向沿いの平面内で正逆回転する第 1関節軸 25と、上下方向沿いの平面内で正逆回転する第 2関節軸 26と、第 1腕 32と第 2腕 33との間で上下方向沿いの平面内で相互に正逆回転とする第 3関節軸 27と、第 2腕 33と手 34との間で上下方向沿いの平面内で相互に正逆回転とする第 4関節軸 28とより構成されている。

[0059] 第 1関節軸 25では、上下端部が軸受け 35aと 35bで回転自在にかつ上下方向沿いに支持された回転軸 36に円形支持体 37が回転自在に連結され、かつ、弾性体ァクチユエータ 29 - laと弾性体ァクチユエータ 29 - lbの各一端部が固定壁 31に連結されるとともに各他端部が前記各円形支持体 37の支持軸 38に連結されている。よつて、弾性体ァクチユエータ 29— laと弾性体ァクチユエータ 29— lbの拮抗駆動により、第 1関節軸 25の上下軸 Z回りに横方向沿いの平面内でロボットアームの第 1腕 32 と第 2腕 33と手 34とを一体的に正逆回転運動させることができる。なお、上側の軸受け 35aは支持棒 39で固定壁 31に支持されている。

[0060] 第 2関節軸 26では、回転軸 36 (前述の一対の弾性体ァクチユエ一タの第 1構造体 1に相当。）に固定された円形支持体 37 (—対の弾性体ァクチユエ一タのァクチユエータ駆動力伝達部材 5に相当。）と、回転軸 36の固定壁 31側に回転軸 36の長手方向と直交して固定された支持体 40 (—対の弾性体ァクチユエ一タのァクチユエータ支持部材 4a及び 4bに相当。）との間には、弾性体ァクチユエータ 29— 2a及び 29— 2b が連結されて、弾性体ァクチユエータ 29— 2a及び 29— 2bの拮抗駆動により、第 2関節軸 26の支持軸の横軸回りに上下方向沿い面内でロボットアームの第 1腕 32と第 2 腕 33と手 34とを一体的に正逆回転運動させる。また、円形支持体 37には第 2関節軸 26から放射状に伸びる長穴溝 56 - 2a、 56 - 2b (一対の弾性体ァクチユエータのァクチユエータ駆動力伝達部材 5の長溝穴 8a, 8bに相当。）が配設されており、間隔制御ァクチユエータ 30— 2により、弾性体ァクチユエータ 29 - 2a及び 29 - 2bの円形支持体 37への接続点が長穴溝 56— 2a、 56— 2bに沿って駆動され、拮抗駆動の支点間距離を伸縮運動させる。

[0061] 第 3関節軸 27では、円形支持体 37に一端が固定された第 1腕 32 (前述の一対の弾性体ァクチユエータ間の第 1構造体 1に相当。）の円形支持体 37側には、支持体 4 1 (一対の弾性体ァクチユエ一タのァクチユエータ支持部材 4a及び 4bに相当。）が第 1腕 32の長手方向と直交して固定されるとともに、第 1腕 32の先端側には、第 2腕 33 の一端に第 2腕 33の長手方向に直交して固定された支持体 42 (—対の弾性体ァクチュエータのァクチユエータ駆動力伝達部材 5に相当。）が回転可能に連結されている。第 1腕 32の支持体 42と、第 2腕 33の一端に固定された支持体 42との間には、弾性体ァクチユエータ 29— 3a及び 29 - 3bが連結されて、弾性体ァクチユエータ 29 - 3a及び 29— 3bの拮抗駆動により、第 3関節軸 27の支持軸の横軸回りに上下方向沿い面内でロボットアームの第 1腕 32と第 2腕 33とを相対的に正逆回転させる。また、支持体 42には第 3関節軸 27から放射状に伸びる長穴溝 56— 3a、 56— 3b (—対の弾性体ァクチユエ一タのァクチユエータ駆動力伝達部材 5の長溝穴 8a, 8bに相当。）が配設されており、間隔制御ァクチユエータ 30— 3により、弾性体ァクチユエータ 29 - 3a及び 29 - 3bの支持体 42への接続点が長穴溝 56 - 3a、 56 - 3bに沿って駆動され、拮抗駆動の支点間距離を伸縮運動させる。

[0062] 第 4関節軸 28では、第 2腕 33 (前述の一対の弾性体ァクチユエ一タの第 1構造体 1 に相当。）の支持体 42 (—対の弾性体ァクチユエ一タのァクチユエータ支持部材 4a 及び 4bに相当。）と、手 34の一端に固定されかつ第 2腕 33に回転可能に連結された支持体 43 (—対の弾性体ァクチユエ一タのァクチユエータ駆動力伝達部材 5に相当。）との間には、弾性体ァクチユエータ 29— 4a及び 29— 4bが連結されて、弾性体ァクチユエータ 29— 4a及び 29— 4bの拮抗駆動により、第 4関節軸 28の支持軸の横軸回りに上下方向沿い面内で手 34を第 2腕 33に対して正逆回転させる。また、支持体 43には第 4関節軸 28から放射状に伸びる長穴溝 56— 4a、 56— 4b (—対の弾性体ァクチユエ一タのァクチユエータ駆動力伝達部材 5の長溝穴 8a, 8bに相当。）が配設されており、間隔制御ァクチユエータ 30— 4により、弾性体ァクチユエータ 29— 4a及び 29— 4bの支持体 43への接続点が長穴溝 56— 4a、 56— 4bに沿って駆動され、拮抗駆動の支点間距離を伸縮運動させる。

[0063] 図 8は図 7に示すロボットアームを駆動するための空気圧供給系の構成を示す図である。図 8に示す空気圧供給系では、 7つの 5ポート流量制御電磁弁 44 1、 44 2 、 44- 3, 44-4,及び 44 12、 44 13、 44 14力 ^酉己設されて!/ヽる。その他の構成及び動作原理は図 5の場合と同様であるので詳細な説明は省略する。

[0064] 5ポート流量制御電磁弁 44 1からは弾性体ァクチユエータ 29— la及び 29— lb に空気圧が供給され、第 1関節軸 25周りの正逆回転運動が駆動され、 5ポート流量制御電磁弁 44 - 2からは弾性体ァクチユエータ 29 - 2a及び 29 - 2bに空気圧が供給され、第 2関節軸 26周りの正逆回転運動が駆動され、 5ポート流量制御電磁弁 44 - 3からは弾性体ァクチユエータ 29 - 3a及び 29 - 3bに空気圧が供給され、第 3関節軸 27周りの正逆回転運動が駆動され、 5ポート流量制御電磁弁 44— 4からは弾性体ァクチユエータ 29— 4a及び 29— 4bに空気圧が供給され、第 4関節 28軸周りの正逆回転運動が駆動される。

[0065] また、 5ポート流量制御電磁弁 44— 12からは間隔制御ァクチユエータ 30— 2に空気圧が供給され、弾性体ァクチユエータ 29 - 2a及び 29 - 2bの円形支持体 37への接続点間の距離の伸縮運動が駆動され、 5ポート流量制御電磁弁 44— 13からは間隔制御ァクチユエータ 30— 3に空気圧が供給され、弾性体ァクチユエータ 29— 3a及び 29— 3bの支持体 42への接続点間の距離の伸縮運動が駆動され、 5ポート流量制御電磁弁 44— 14からは間隔制御ァクチユエータ 30— 4に空気圧が供給され、弾性体ァクチユエータ 29— 4a及び 29— 4bの支持体 43への接続点間の距離の伸縮運動が駆動される。

[0066] 以上のような構造とすれば、多自由度を生かし、物体の把持'運搬など、ロボットァーム 10として基本的な機能を実現することができる。また、弾性体ァクチユエータ 29 la〜29—4bの駆動力は回転ジョイントによる剛結合に伝達されるため、ワイヤ ·プーリによる駆動と比べ緩みや脱落等の心配が無く、信頼性の高、機構となって、る。さらに、間隔制御ァクチユエータ 30— 2, 30- 3, 30— 4により弾性体ァクチユエータ

29 - 2a, 29— 2b, 29— 3a, 29— 3b, 29— 4a, 29— 4bの支持体 37, 42, 43への接続点間の距離の伸縮運動を駆動することにより、間隔を大きくしたときには、大きなトルクを発生することができるので、より重量の重い物体を把持 ·運搬することが可能となる。一方、間隔を小さくしたときには、関節の可動範囲を大きくとることができるので、ロボットアームの作業範囲をより広くとることが可能となる。

[0067] 以上のように、本発明にかかる関節駆動装置によれば、間隔制御ァクチユエータの駆動制御により、前記第 1弾性体ァクチユエータ 6aの前記第 2構造体 2に対する固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータ 6bの前記第 2構造体 2に対する固定位置との間隔 rを可変にすることができるため、状況に応じて高出力あるいは広作業範囲といつたように特性を柔軟に可変にすることができ、かつ、信頼性も高いロボットアームを実現することができる。

[0068] (第 2実施形態）図 9A,図 9Bは本発明の第 2実施形態における関節駆動装置の構造を示す図である。図 9A,図 9Bの関節駆動装置は以下に記述する構成部分が第 1実施形態と異なり、他の部分は第 1実施形態と同様であり、共通の構成部分に関しては第 1実施形態と同じ番号を付し、詳細な説明は省略する。

[0069] 図 9A,図 9B及び図 10において、 45は楕円板状のカムであり、中心軸と回転関節 3の回転軸とが合致するように第 1構造体 1と相対的に回動不可の状態で配設されてヽる。 46ίまノネであり、回転ジョイント 47a、 47b【こより、弾'性体ァクチユエータ 6a、 6b の回転関節 3側の端部に接続されている。また、弾性体ァクチユエータ 6a、 6bの回転関節 3側の端部は、回転ジョイント 48a、 48bにより、ァクチユエータ駆動力伝達部材 5の長穴溝部 8a, 8bに接続されている。さらに、回転ジョイント 48a、 48bと同一軸上には円板ローラ状のカムフォロワ一 49a、 49bが配設されており、パネ 46の弾性力により、カムフォロワ一 49a、 49bの円周側面部とカム 45の外周端面が常時接触するようになっている。

[0070] よって、この第 2実施形態では、一例として楕円板状のカム 45とカムフォロワ一 49a 、 49bとパネ 46と回転ジョイント 47a及び 47bなどを有する固定位置移動カム機構と、一例として回転ジョイント 48a, 48bと長溝穴 8a, 8bなどを有する固定位置ガイド機構とより、固定位置可変機構の別の例を構成している。

[0071] 以上の構成の関節駆動装置の動作について説明する。弾性体ァクチユエ一タの動作等は前記第 1実施形態と同様であるので、共通構成部分の動作に関しては省略する。

[0072] まず、弾性体ァクチユエータ 6a、 6bの伸縮前の初期状態では、図 9Aに示すように、楕円板状のカム 45の長軸側の両端部にカムフォロワ一 49a、 49bが接触している状態となり、カムフォロワ一 49a、 49bの回転軸芯間の間隔、従って、ァクチユエータ駆動力伝達部材 5に連結された弾性体ァクチユエータ 6a及び 6bの回転ジョイント 48 a及び 48bの回転軸芯間の間隔 rが最も大きくなつている。次いで、弾性体ァクチユエータ 6a、 6bの伸縮により回転関節 3を中心とした第 1構造体 1と第 2構造体 2の相対的な揺動運動が励起されると、カムフォロワ一 49a、 49bはカム 45の外周端面を、ノネ 46の作用により離れることなく常に接触しながら転動する。したがって、カムフォロヮー 49a、 49bと同一軸上に配設された回転ジョイント 48a、 48bにより接続された弹性体ァクチユエータ 6a、 6bの端部間の間隔は、カム 45の外周端面の形状に応じて、拡張，縮小される。

[0073] 以上のカム 45による動作によれば、例えば、カム 45の外周端面の形状として、 r =

て /cos a とすれば、回転関節 3の揺動角度が Θ、弾性体ァクチユエータ 6aの収縮力が F、弾性体ァクチユエータ 6bの収縮力が Fの時に発生する回転トルクては、

a b

τ = (F -F ) r cos 0 で近似できるので、 τ = τ (F— F ) となり、弾性体ァク a b e c a b

チユエータの同じ収縮力に対応するトルクを、揺動角度 øに関係なぐ略一定に制御することができる。

[0074] また、例えば、カム 45の外周端面の形状として、 r =cos α Z Δ 0 、ただし Δ 0 は定数とすれば、回転関節 3の揺動角度が Θ、弾性体ァクチユエータ 6の変位が Δ の時、揺動角度 Θの回転変位 Δ Θは、 Δ θ = Δ xcos Θ Zr で近似できるので、回転変位 Δ 0は、 Δ 0 = Δ χ Δ 0 となり、弾性体ァクチユエータの同じ変位に対応する回転変位を、揺動角度 Θに関係なぐ略一定に制御することができる。

[0075] 以上のように、第 2実施形態では、カム 45、カムフォロワ一 49a、 49b、及びパネ 46 を配設することにより、弾性体ァクチユエータ 6a、 6bの端部間の間隔を動かすためのァクチユエ一タ等を付加することなぐ簡潔な構造で、状況に応じて高出力トルクあるいは広動作範囲といったように特性を柔軟に可変にすることができる関節駆動装置を実現することができる。

[0076] (第 3実施形態）

図 11は本発明の第 3実施形態における関節駆動装置の構造を示す斜視図である。図 11において、 50は制御コンピュータ 24により動作制御されるカム駆動ァクチユエータであり、例えば、 DCサーボモータ、回転型の空気圧ァクチユエータ等の回転モータである。カム駆動ァクチユエータ 50はァクチユエータ駆動力伝達部材 5に固定されており、カム駆動ァクチユエータ 50の出力回転軸にはカム 45が固定されており、力ム駆動ァクチユエータ 50により、制御コンピュータ 24の制御の下に、ァクチユエータ駆動力伝達部材 5に対するカム 45の相対的な回転角度の制御が可能となっている。その他の構造は前記第 2実施形態と同様であるので、共通構造部分には同じ番号を付し、説明は省略する。

[0077] 第 3実施形態における関節駆動装置では、カム駆動ァクチユエータ 50により、カム 45の位置が回転停止保持される場合には、第 2実施形態の場合と同様に、カム 45 の外周端面をカムフォロワ一 49a、 49bが転動することにより、弾性体ァクチユエータ 6a、 6bの端部間の間隔が制御される。

[0078] さらに、図 12A及び図 12Bに示すように、カム駆動ァクチユエータ 50により、カム 45 のァクチユエータ駆動力伝達部材 5に対する回転運動させれば、能動的に弾性体ァクチユエータ 6a、 6bの端部間の間隔 rを制御することができ、ロボット等に応用した場合に、重い物を把持するために大きな力が必要とされる状況や、広い範囲で作業させるために大きな可動範囲が必要とされる状況等、さらに柔軟に状況に対応することが可能となる。

[0079] なお、この第 3実施形態では、一例としてカム駆動ァクチユエータ 50と楕円板状のカム 45とカムフォロワ一 49a、 49bとパネ 46と回転ジョイント 47a及び 47bとなどを有する固定位置移動カム機構と、一例として回転ジョイント 48a, 48bと長溝穴 8a, 8bなどを有する固定位置ガイド機構とより、固定位置可変機構の別の例を構成している。

[0080] (第 4実施形態）

図 13A及び図 13B及び図 16は本発明の第 4実施形態における関節駆動装置の構造を示す図である。図 13A及び図 13Bの関節駆動装置は以下に記述する構成部分が第 1実施形態と異なり、他の部分は第 1実施形態と同様であり、共通の構成部分に関しては第 1実施形態と同じ番号を付し、詳細な説明は省略する。

[0081] 図 13A及び図 13B及び図 16において、 51a、 51bは前記運動規制部の一例であるリニアガイドである。リニアガイド 51a、 51bは、第 1構造体 1の側面に固定されたレ一ノレ 52a、 52bと、レーノレ 52a、 52bに摺動可會に係合したスライダ 53a、 53bと、断面略長方形状のレール 52a、 52bと断面コ字状のスライダ 53a、 53bとの間に回転自在に一直線上に配置された多数のガイドボール 54と力も構成され、スライダ 53a、 53 bはレール 52a、 52bに沿って相対的に並進運動可能となっている（言い換えれば、並進 1自由度のみを有するようになっている）。また、レール 52a、 52bは、その中心軸が第 1構造体 1の中心軸と平行になるように第 1構造体 1の側面に固定され、スライダ 53a、 53bは弾性体ァクチユエータ 6a、 6bの封止部材 14a、 14bに、それぞれ固定されている。

[0082] したがって、弾性体ァクチユエータ 6a、 6bの収縮運動による封止部材 14a、 14bの並進運動は、リニアガイド 51a、 51bの相対的に並進運動可能な方向と一致するため規制されない。一方、その他の方向の並進運動は、リニアガイド 51a、 51bに自由度が無いため、規制される。

[0083] また、 54a、 54bは連結リンクであり、回転ジョイント 55a、 55bにより、弾性体ァクチユエータ 6a、 6bの封止咅材 14a、 14b【こ接続され、回転ジョイント 55c、 55d【こより、ァクチユエータ駆動力伝達部材 5に接続されて!ヽる。

[0084] よって、この第 4実施形態では、リニアガイド 51a、 5 lbなどより、運動規制部の一例を構成している。また、ァクチユエータ駆動力伝達部材 5と回転ジョイント 55c、 55dなどより、結合部の一例を構成している。

[0085] 以上の構成の関節駆動装置の動作について説明する。弾性体ァクチユエータ 6a、

6bの動作等は前記第 1実施形態と同様であるので、共通構成部分の動作に関しては省略する。

[0086] 弾性体ァクチユエータ 6a、 6bの収縮運動は、連結リンク 54a、 54bを介してァクチュエータ駆動力伝達部材 5に伝わり、その結果、回転関節 3を中心とした第 1構造体 1と第 2構造体 2の相対的な揺動運動が発生する。

[0087] ここで、本発明の第 4実施形態における関節駆動装置の特徴は、リニアガイド 51a、 51bにより弾性体ァクチユエータ 6a、 6bの運動方向を規制し、かつ、連結リンク 54a、 54bにより駆動力を伝達している点にある。このような構成とすることにより、図 13Bに示すように揺動角度 Θが大きい場合でも、図 14Bに示すように、弾性体ァクチユエ一タ 6a、 6bの間隔が狭まり、第 1構造体 1に接触することから揺動角度 Θを大きくすることできないという従来の関節駆動装置の問題を解決することが可能となる。

[0088] なお、前記第 4実施形態では、前記運動規制部を一例としてリニアガイドとしたが、これに限られるわけではなぐ図 17A,図 17B及び図 18A,図 18Bに示すように、弹性体ァクチユエータ 6a及び 6bに連結された円形断面の棒状体 104a, 104bをレールとし、前記棒状体 104a, 104bの外側面を、ボール保持器 102で回転自在かつ抜け出し不自在に保持された多数のガイドボール 103が転動することによりスライドする円筒状のスライダ 101から構成され、棒状体 104a, 104bの中心軸方向の並進運動と中心軸周りの回転自由度を有するリニアブッシュ 100a, 100b等の機構でも同様の効果を発揮することができる。なお、リニアブッシュ 100a, 100bの各スライダ 101は、固定ブラケット 105a, 105bにより第 1構造体 1に固定されている。

[0089] なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。例えば、図 15に示すように、第 1実施形態と第 4実施形態とを組み合わせることにより、第 1実施形態の作用効果を奏するときに、第 4実施形態のリニアガイドにより、より円滑に、前記第 1弾性体ァクチユエータ 6aの前記第 2構造体 2に対する固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータ 6bの前記第 2構造体 2に対する固定位置とを移動させることができて、第 1実施形態と第 4実施形態の両方の作用効果を奏することができる。

[0090] なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

産業上の利用可能性

[0091] 本発明の度関節駆動装置は、多関節ロボットアームの関節駆動装置として有用である。また、ロボットアームに限らず、生産設備等における回転機構のための関節駆動機構等、機械装置の関節駆動装置として適用が可能である。

[0092] 本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとつては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

Claims

請求の範囲

[1] 第 1構造体と、

前記第 1構造体と回転関節により接続され相対運動可能な第 2構造体と、前記第 1構造体に一方の端部の位置が固定され、かつ、他方の端部の位置が前記第 2構造体に固定された第 1弾性体ァクチユエータと、

前記第 1構造体に一方の端部の位置が固定され、かつ、他方の端部の位置が前記第 2構造体の前記第 1構造体の端部が固定された位置と前記回転関節に関して略対称の場所に固定された第 2弾性体ァクチユエータと、

前記第 1弾性体ァクチユエータの前記第 2構造体に対する固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記第 2構造体に対する固定位置との間隔を可変にする固定位置可変機構とを有する関節駆動装置。

[2] 前記固定位置可変機構は、前記第 1弾性体ァクチユエータの前記第 2構造体に対する固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記第 2構造体に対する固定位置との間隔を変化させることによって、前記第 1構造体と前記第 2構造体との間に発生する回転トルクを変化させる請求項 1に記載の関節駆動装置。

[3] 前記固定位置可変機構は、前記第 1弾性体ァクチユエータの前記第 2構造体に対する固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記第 2構造体に対する固定位置との間隔を変化させることによって、前記第 1構造体と前記第 2構造体との間に発生する回転角を変化させる請求項 1に記載の関節駆動装置。

[4] 前記第 1弾性体ァクチユエータの前記第 2構造体に対する固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記第 2構造体に対する固定位置との間隔を変化させるように前記固定位置可変機構を制御して前記第 1構造体と前記第 2構造体との間に発生する回転トルクを変化させる制御装置をさらに備える請求項 2に記載の関節駆動装置。

[5] 前記第 1弾性体ァクチユエータの前記第 2構造体に対する固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記第 2構造体に対する固定位置との間隔を変化させるように前記固定位置可変機構を制御して前記第 1構造体と前記第 2構造体との間に発生する回転角を変化させる制御装置をさらに備える請求項 3に記載の関節駆動装置。

[6] 前記固定位置可変機構は、前記第 1弾性体ァクチユエータの前記固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記固定位置とをそれぞれ前記第 1構造体の長手方向沿いにガイドする固定位置ガイド機構と、前記固定位置ガイド機構によりガイドされつつ前記第 1弾性体ァクチユエータの前記固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記固定位置とをそれぞれ進退駆動することにより前記第 1弾性体ァクチユエータの前記固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記固定位置との前記間隔を変化させる固定位置駆動ァクチユエ一タとを備える請求項 1〜5のいず力 1つに記載の関節駆動装置。

[7] 前記固定位置可変機構は、前記第 1弾性体ァクチユエータの前記固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記固定位置とをそれぞれ前記第 1構造体の長手方向沿いにガイドする固定位置ガイド機構と、前記固定位置ガイド機構によりガイドされつつ前記第 1弾性体ァクチユエータの前記固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記固定位置とがそれぞれ移動されて前記第 1弾性体ァクチユエータの前記固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記固定位置との前記間隔を変化させる固定位置移動カム機構とを備える請求項 1〜5のいず力 1つに記載の関節駆動装置。

[8] 前記固定位置移動カム機構は、カムと、前記カムに常時接触可能でかつ前記第 1 弾性体ァクチユエータの前記固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記固定位置とがそれぞれ回転可能に支持される一対のカムフォロワ一と、前記カムフォロワ一を前記カムにそれぞれ常時接触するように付勢する接触保持パネとを備えて、前記一対のカムフォロワ一が前記カムに常時接触して移動することにより、前記第 1弹性体ァクチユエータの前記固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記固定位置との前記間隔を変化させる請求項 7に記載の関節駆動装置。

[9] 前記固定位置移動カム機構は、前記カムを回転駆動するカム駆動ァクチユエータをさらに備えて、前記カムの回転駆動により、前記カムに常時接触する前記一対の力ムフォロワ一を移動させることにより、前記第 1弾性体ァクチユエータの前記固定位置と前記第 2弾性体ァクチユエータの前記固定位置との前記間隔を変化させる請求項 8に記載の関節駆動装置。

[10] 第 1構造体と、前記第 1構造体と回転関節により接続され相対運動可能な第 2構造体と、前記第 1構造体に一方の端部の位置が固定された弾性体ァクチユエータと、前記弾性体ァクチユエータの固定端と反対側の可動端と前記第 1構造体とを連結するように配設され前記弾性体ァクチユエータの少なくとも伸縮方向に運動の自由度を有する運動規制部と、

前記弾性体ァクチユエータの前記可動端と前記第 2構造体を結合する結合部と、を有する関節駆動装置。

[11] 前記運動規制部は、並進 1自由度のみを有するリニアガイドである請求項 10に記載の関節駆動装置。

[12] 前記運動規制部は、並進 1自由度及び前記並進 1自由度まわりの回転 1自由度を有するリニアブッシュ機構である請求項 10に記載の関節駆動装置。

[13] 請求項 1又は 10に記載の関節駆動装置を有するロボットアーム。