WO2022004177A1 - ロボットの関節構造 - Google Patents

Abstract

ロボットの第１要素と第２要素の間を連結する関節構造が、前記第１要素に対する前記第２要素の相対的な位置及び／又は角度を制御可能なスチュワートプラットフォームを有する。前記スチュワートプラットフォームは、前記第１要素に接合する第１部材と、前記第２要素に接合する第２部材と、前記第１部材と前記第２部材とを接続する複数の脚と、前記第１部材に対する前記第２部材の相対的な位置及び／又は角度を変えるために、各脚の実効長さを変化させる駆動機構と、前記第２部材に対して外力が作用した場合に前記脚の実効長さを弾性的に変化させ、前記外力から解放された場合に前記脚の実効長さを復元させる、ソフト機構と、を有する。

Description

ロボットの関節構造

　本発明は、ロボットの関節構造に関し、特にソフトロボット（柔らかいロボット）のマニピュレータに好適な関節構造に関する。

　産業用ロボットは、マニピュレータを剛性の高い機構で構成し、センサによって状態計測を行いながらエンドエフェクタの３次元位置を制御する、というものが一般的である。しかしながら、剛性の高い機構のみで構成されるロボットは、例えば、対象物に対する接触を伴う動作や、センサの計測誤差よりも高い精度が要求される動作などが困難である。このような課題を解決する方法として、いわゆるソフトロボット（柔らかいロボット）というアプローチが提案されている。例えば、ロボットの一部に、外力を受けて変位ないし変形する柔らかい機構を設け、対象物の形状などに自動的に追従するようにする。特許文献１、２に記載されているコンプライアンス機構もその一例である。

特開平５－１９２８９２号公報 特開平８－１１８２８１号公報

　しかしながら、特許文献１、２で提案されているような従来のコンプライアンス機構は、可動範囲が非常に小さくかつ限定的な動きしかとれない（水平面内の微小な変位を可能とする程度）ため、適用できる場面や用途が限定的であった。

　本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、能動的な多自由度の制御が可能であり、かつ、柔らかさも兼ね備えた、ロボットの関節構造を提供することを目的とする。

　本開示は、ロボットのマニピュレータの第１要素と第２要素の間を連結する関節構造であって、前記第１要素に対する前記第２要素の相対的な位置及び／又は角度を制御可能なスチュワートプラットフォームを有し、前記スチュワートプラットフォームは、前記第１要素に接合する第１部材と、前記第２要素に接合する第２部材と、前記第１部材と前記第２部材とを接続する複数の脚と、前記第１部材に対する前記第２部材の相対的な位置及び／又は角度を変えるために、各脚の実効長さを変化させる駆動機構と、前記第２部材に対して外力が作用した場合に前記脚の実効長さを弾性的に変化させ、前記外力から解放された場合に前記脚の実効長さを復元させる、ソフト機構と、を有することを特徴とする関節構造を含む。

　ここで、第１要素はマニピュレータの関節と関節の間のリンクであってよく、第２要素は第１要素よりもエンドエフェクタ側のリンクまたはエンドエフェクタであってよい。この構造によれば、駆動機構によってスチュワートプラットフォームの各脚の実効長さを変化させることによって、第１要素と第２要素の相対的な位置及び／又は角度の能動的な多自由度制御が実現できる。加えて、ロボットに外力が作用した場合には、脚の実効長さが弾性的に変化し、外力に追従して第１要素と第２要素の相対的な位置及び／又は角度が受動的に変化する。したがって、能動的な多自由度制御と柔らかさの両立を実現することができる。

　「脚の実効長さ」は、第１部材と脚との接続点から第２部材と脚との接続点までの距離と考えればよい。脚が複数のロッドを連結した構造や、屈曲した部材から構成されている場合も、同様に考えればよい。

　前記脚は、支持体によってスライド自在に支持され、スライドすることによって前記脚の実効長さを変化させるロッドを有しており、前記駆動機構は、前記ロッドに取り付けられる、可撓性を有する線状部材と、前記線状部材を引っ張り前記ロッドをスライドさせると弾性変形し、前記線状部材の引っ張り力に抗する弾性復元力を発生する、弾性部材と、を有してもよい。この構造によれば、線状部材に引っ張り力をかけると、ロッドがスライドし弾性部材が徐々に弾性変形していく。そして、引っ張り力と弾性復元力が釣り合ったところでロッドのスライドが停止する。このような構造によれば、線状部材の引っ張り力を調整することによって、ロッドのスライド状態を簡単にかつ精度よく制御することができる。一つの脚の実効長さは、スチュワートプラットフォームの具体的構造によって、その脚のロッドのスライド状態だけで決まる場合と、すべての脚のロッドのスライド状態が総合されて決まる場合とがある。いずれの場合であれ、各ロッドのスライド状態を精度よく制御することにより、各脚の実効長さを精度よく制御することができる。

　この構造において、前記弾性部材が、前記ソフト機構を兼ねていてもよい。例えば、線状部材の引っ張り力と同じ方向に外力が作用すると、引っ張り力と外力の合力によって弾性部材がさらに変形し、ロッドのスライド状態が変化することによって脚の実効長さが変化する。そして、外力がなくなると、引っ張り力との釣り合いの位置までロッドのスライド状態が戻る。このように駆動機構とソフト機構を同一部材により構成することで、部品点数の削減、ひいてはコスト低減ならびに装置の小型化を図ることができる。

　前記弾性部材は、非線形ばね要素を含み、前記線状部材の引っ張り量によって前記弾性部材の変形量を変えることにより、前記ソフト機構の剛性が可変であってもよい。これにより、関節構造の堅さ（柔らかさ）の制御も可能となる。

　前記支持体は、前記第１部材に設けられた軸受であってもよい。この構成は、脚自体の構造をシンプルにできるという利点がある。

　前記支持体は、前記脚に設けられ、前記ロッドがスライド自在に挿入されたシリンダ部材であってもよい。この構成は、第１部材や第２部材の構造をシンプルにできるという利点がある。

　前記線状部材の端部が前記関節構造の外側に引き出され、前記関節構造とは別に設けられた駆動源に接続されていてもよい。このように線状部材の駆動源を関節構造とは別体にし、かつ、関節構造の外部に配置することにより、関節構造そのものをコンパクトかつ軽量に構成することが可能となる。

　前記脚は、長さ方向に移動することによって前記脚の実効長さを変化させるロッドを有しており、前記駆動機構は、圧縮性流体によって前記ロッドをその長さ方向に移動させるアクチュエータであってもよい。このような構造によれば、圧縮性流体の供給／排出を制御することによって、ロッドの移動量を簡単にかつ精度よく制御することができる。

　前記アクチュエータの前記圧縮性流体が、前記ソフト機構を兼ねていてもよい。例えば、ロッドを押し込む方向に外力が作用すると、アクチュエータ内部の圧縮性流体が弾性圧縮ないし弾性膨張し、ロッドの移動量が変化する。そして、外力がなくなると、圧縮ないし膨張した圧縮性流体が元に戻り、ロッドの移動量が元の状態に戻る。このように駆動機構とソフト機構を同一部材により構成することで、部品点数の削減、ひいてはコスト低減ならびに装置の小型化を図ることができる。

　前記アクチュエータは、エアシリンダであってもよい。

　前記アクチュエータに対し前記圧縮性流体の供給／排出を行うためのチューブが前記関節構造の外側に引き出され、前記関節構造とは別に設けられた駆動源に接続されていてもよい。このようにアクチュエータの駆動源を関節構造とは別体にし、かつ、関節構造の外部に配置することにより、関節構造そのものをコンパクトかつ軽量に構成することが可能となる。

　前記第２要素が前記第１要素から独立して運動自在となる自由状態と、前記第２要素が前記第１要素に固定されるロック状態との切り替えを行うロック機構をさらに有してもよい。ロック状態では第１要素と第２要素があたかも一つの剛体のように振る舞う。これにより、剛性の高いロボット（ロック状態）と柔らかいロボット（自由状態）を切り替えることができるので、例えば、ロボットの動作やシーンに合わせて適宜使い分けることにより、ロボットの応用範囲の拡大や効率的な動作を実現できると期待できる。

　本発明は、上記構成の少なくとも一部を有するロボットの関節構造として捉えてもよいし、ロボットのマニピュレータの要素の位置・角度を制御するアクチュエータとして捉えてもよい。また、そのような関節構造、もしくは、アクチュエータを有するロボットのマニピュレータないしロボットとして捉えてもよい。また、本発明は、上記構成の関節構造によってロボットのマニピュレータの要素の位置・角度を制御する制御方法ないし駆動方法などとして捉えることもできる。なお、上記構成の各々は可能な限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。

　本発明によれば、能動的な多自由度の制御が可能であり、かつ、柔らかさも兼ね備えた、ロボットの関節構造を提供できる。

図１Ａ及び図１Ｂはスチュワートプラットフォームを有する関節構造の模式図である。 図２は外力が作用したときの動きを示す図である。 図３はロボットの全体構成を示す模式図である。 図４は関節構造の斜視図である。 図５Ａは関節構造の側面図（ホームポジション）であり、図５Ｂは関節構造の側面図（ｚ並進）であり、図５Ｃは関節構造の側面図（ｘ並進）であり、図５Ｄは関節構造の側面図（回転）である。 図６は変形例１で用いられる非線形ばねの特性を示す図である。 図７は変形例２を示す図である。 図８は変形例３を示す図である。 図９は変形例４を示す図である。

　＜適用例＞
　図１Ａ及び図１Ｂを参照して、本発明の適用例の一つについて説明する。図１Ａ及び図１Ｂは、スチュワートプラットフォームを有するロボットの関節構造の模式図である。図１Ａは図１ＢのＡ－Ａ断面図であり、図１Ｂは側面図（図１ＡのＢ矢視）である。

　この関節構造１は、ロボットのマニピュレータＲＭを構成する第１要素１１と第２要素１２の間を連結する装置である。マニピュレータＲＭは多関節のマニピュレータであり、第１要素１１はマニピュレータＲＭの基端側にある要素、第２要素１２は第１要素１１よりも先端側にある要素である。

　関節構造１は、第１要素１１に対する第２要素１２の相対的な位置及び／又は角度を制御可能なスチュワートプラットフォーム１０を有する。スチュワートプラットフォームは、複数の脚で１つの部材を支える構造をもち、各脚の実効長さを変化させることで（各脚の実効長さの組合せを変えることで）、ｘ方向，ｙ方向，ｚ方向の並進と、ｘ軸周り，ｙ軸周り，ｚ軸周りの回転の６自由度の運動を部材に与える機構である。スチュワートプラットフォームは、モーションベース、６軸プラットフォーム、６自由度プラットフォームとも呼ばれる。

　スチュワートプラットフォーム１０は、概略、第１要素１１に接合する第１部材１１０と、第２要素１２に接合する第２部材１２０と、第１部材１１０と第２部材１２０とを接続する複数の脚１３０と、各脚１３０の実効長さを変化させる駆動機構１４０と、を有する。脚１３０の数は典型的には６本であるが、６本以外の構成も採り得る。

　図１Ｂの例では、各脚１３０は２本のロッド１３１，１３２が屈曲自在に連結された構造を有する。ロッド１３１は、第１部材１１０の軸受１１１に支持され、ロッド１３２は、ユニバーサルジョイント１２１を介して第２部材１２０に接続されている。

　ロッド１３１の上端には、可撓性を有する線状部材１５０が取り付けられている。線状部材１５０は、関節構造１の外側に引き出され、駆動源Ｍに接続されている。また、ロッド１３１と同心に弾性部材１６０が設置されている。図１の構成例では、線状部材１５０と弾性部材１６０によって、脚１３０の駆動機構１４０が構成されている。

　駆動機構１４０の動作について説明する。駆動源Ｍによって線状部材１５０に引っ張り力Ｆ１をかけると、ロッド１３１が図１Ｂの上方向にスライドし、弾性部材１６０が徐々に弾性変形（圧縮変形）していく。そして、引っ張り力Ｆ１と弾性部材１６０の弾性復元力Ｆ２が釣り合ったところでロッド１３１のスライドが停止し、脚１３０の実効長さが安定する。この構造によれば、駆動源Ｍから与える線状部材１５０の引っ張り力を調整することによって、脚１３０の実効長さを簡単にかつ精度よく制御することができる。ロボットの稼働時は、コントローラ（不図示）によって駆動源Ｍを制御して各脚１３０の実効長さを個別に調整することにより、第２部材１２０の姿勢（位置・角度）を任意に制御することができる。図１Ｂの例では、左側の脚１３０に対する引っ張り力Ｆ１が右側の脚１３０に対する引っ張り力Ｆ１より大きいため、左側の脚１３０が右側の脚１３０より短くなり、第２部材１２０がｙ軸周りに回転している。

　弾性部材１６０は、第２部材１２０（第２要素１２）に対して外力が作用した場合に脚１３０の実効長さを弾性的に変化させ、外力から解放された場合に脚１３０の実効長さを復元させる「ソフト機構」としての役割も担う。例えば、図２の右側に示すように、第２部材１２０に対して外力が作用することで、右側の脚１３０を押し上げる方向に力Ｆ３が加わったと仮定する。その場合、引っ張り力Ｆ１と外力Ｆ３の合力によって弾性部材１６０がさらに圧縮変形し、右側の脚１３０の実効長さが短くなる。これにより、外力に追従して第１要素１１と第２要素１２の相対的な位置及び／又は角度が受動的に変化する。そして、外力Ｆ３がなくなると、図２の左側に示すように、引っ張り力Ｆ１との釣り合いの位置まで脚１３０の実効長さが戻る。

　駆動源Ｍは、リニアモータまたは回転モータであってよい。駆動源Ｍは、電気的にまたは流体圧力によって駆動されるものであってよい。駆動源Ｍは、線状部材１５０に引っ張り力Ｆ１を与える代わりに、線状部材１５０の引き込み長さを決めるように線状部材１５０を駆動してもよい。この場合、ロッド１３１は線状部材１５０の引き込み長さに応じた位置で静止し、かつ、弾性部材１６０によって弾性復元力Ｆ２で付勢されている。このときの弾性復元力Ｆ２を超えて弾性部材１６０を圧縮する外力がロッド１３１に加わった場合には、弾性部材１６０が圧縮されるにしたがい大きくなる弾性復元力Ｆ２と外力とが釣り合うまでロッド１３１は移動し、駆動源Ｍにおいて長さ方向の位置決めがされている線状部材１５０にはロッド１３１の移動に応じたたわみが生じる。このたわみは、主として、線状部材１５０が後述のチューブの中を通っていない部分において生じる。

　以上述べた関節構造１によれば、能動的な多自由度制御と柔らかさの両立を実現することができる。

　＜実施形態＞
　図３を参照して、本発明の実施形態に係るロボット及びその関節構造について説明する。図３はロボットの全体構成を示す模式図である。

　本実施形態では、垂直多関節ロボットＲのマニピュレータＲＭに対し、前述のスチュワートプラットフォームを備えた関節構造１を介してエンドエフェクタＥ２を取り付けた例を示す。ただしこれはあくまで一例であり、ロボットＲの構成・種類は図３の例に限られない。具体的には、ロボットＲは、少なくとも１つ以上のマニピュレータを備えるロボットであれば何でもよく、産業用ロボット、ヒューマノイドロボット、介護ロボット、搬送ロボット、家庭用ロボット、手術支援ロボットなど、さまざまな種類のロボットに適用可能である。その中でも産業用ロボットは、関節構造１を好ましく適用できるロボットの一つである。なお、産業用ロボットには、垂直多関節ロボットの他、水平多関節ロボット（スカラロボット）、パラレルリンクロボット、直交ロボットなどが含まれる。また、関節構造１の適用位置は、エンドエフェクタＥ２の連結部に限られず、リンク同士の連結部に適用してもよい。

　本実施形態のロボットＲは、主な構成として、マニピュレータＲＭ、コントローラＲＣ、及び、駆動源Ｍを有する。マニピュレータＲＭは、複数のリンクとリンク同士を連結する関節（ジョイント）を有し、サーボモータによって駆動される多関節マニピュレータである。コントローラＲＣは、マニピュレータＲＭのサーボモータ及び駆動源Ｍを制御する制御装置である。

　マニピュレータＲＭの先端のリンクＥ１には、関節構造１を介してエンドエフェクタＥ２が連結されている。この例において、リンクＥ１が図１Ｂの第１要素１１に相当し、エンドエフェクタＥ２が図１Ｂの第２要素１２に相当する。駆動源Ｍは、関節構造１のスチュワートプラットフォームの駆動機構１４０を駆動するための装置である。駆動源Ｍは線状部材１５０を引っ張る動作と送り出す動作ができればどのような種類・構造でもよいが、弾性部材１６０の弾性復元力に抗して脚１３０の実効長さを変更し得る程度の引っ張り力と、スチュワートプラットフォーム及びエンドエフェクタＥ２の可動範囲を十分に担保できる程度のストロークとが必要である。例えば、モータ、油圧アクチュエータ、気圧アクチュエータなどを駆動源Ｍとして用いてもよい。なお、脚１３０ごとに独立した駆動源Ｍが設けられているとよい。

　図４及び図５Ａ～図５Ｄに関節構造１の詳細を示す。図４は関節構造１の斜視図であり、図５Ａは関節構造１の側面図（ホームポジション）であり、図５Ｂは関節構造１の側面図（ｚ並進）であり、図５Ｃは関節構造１の側面図（ｘ並進）であり、図５Ｄは関節構造１の側面図（回転）である。以降の説明では、第１部材１１０の法線（すなわちリンクＥ１の軸方向）がｚ軸となるように関節構造１のｘｙｚ座標系をとる。

　この関節構造１は、スチュワートプラットフォーム１０を利用して、エンドエフェクタＥ２の６自由度の動き（ｘ方向，ｙ方向，ｚ方向の並進と、ｘ軸周り，ｙ軸周り，ｚ軸周りの回転）の能動的な制御を可能としている。

　スチュワートプラットフォーム１０は、略円盤形状の第１部材１１０と略円盤形状の第２部材１２０とが、６本の脚１３０で接続された構造を有する。６本の脚１３０の構造は共通である。各脚１３０は、２本のロッド１３１，１３２から構成されており、ロッド１３１，１３２はピン継手１３３により屈曲自在に連結されている。基端側のロッド１３１は、第１部材１１０の貫通孔に設置されたすべり軸受１１１によって、ｚ方向のスライドとｚ軸周りの回転が自在となるように支持されている。他方、先端側のロッド１３２は、ユニバーサルジョイント１２１を介して第２部材１２０に接続されており、第２部材１２０に対して任意の方向に回転自在である。なお、ロッド１３２と第２部材１２０の接続にはボールジョイントを用いてもよい。

　ロッド１３１の基端側の端部には、可撓性を有する線状部材１５０が取り付けられている。本実施形態では、金属製のワイヤを線状部材１５０として用いる。ただし線状部材１５０としては、化学繊維や天然繊維からなるケーブル（ロープ）を用いてもよい。線状部材１５０は、関節構造１の外側に引き出され、駆動源Ｍに接続されている。関節構造１と駆動源Ｍとの間の線状部材１５０の経路の内、少なくとも曲線となる部分の線状部材１５０は両端の位置が固定された非伸縮性の図示しないチューブの中を通っており、線状部材１５０に張力がかかっている状態では、駆動源Ｍにおける線状部材１５０の変位に応じて関節構造１における線状部材１５０が変位するようになっている。

　また、ロッド１３１の下端（ピン継手１３３側の端部）に形成されたフランジ１３４と第１部材１１０の間には、ロッド１３１と同心に弾性部材１６０が設置されている。本実施形態では、弾性部材１６０として、コイルばね（圧縮ばね）が用いられる。

　コントローラＲＣが、第２部材１２０の目標姿勢（第１部材１１０に対する相対的な位置及び角度）から、６本の脚１３０が取るべき実効長さとその実効長さに対応する制御量（引っ張り力、引っ張り量など）を計算する。そして、コントローラＲＣが、駆動源Ｍを制御して６本の脚１３０の実効長さを個別に調整すると、第２部材１２０が目標姿勢（位置・角度）をとる。

　ここで、６本の脚１３０の実効長さをＬＬ１～ＬＬ６とし、最大実効長さをＬＬｍａｘ、最小実効長さをＬＬｍｉｎと記す。図５Ａは、ＬＬ１＝ＬＬ２＝ＬＬ３＝ＬＬ４＝ＬＬ５＝ＬＬ６＝ＬＬｍａｘの状態、すなわち、６本の脚１３０すべてを最大実効長さＬＬｍａｘに設定した状態である。この場合、第２部材１２０のｘｙ面内の変位は０［ｍｍ］（つまり、第２部材１２０の中心のｘｙ座標が（０，０））、第２部材１２０の回転は０［ｄｅｇ］となる。これが標準状態（ホームポジション）である。図５Ｂに示すように、ＬＬ１＝ＬＬ２＝ＬＬ３＝ＬＬ４＝ＬＬ５＝ＬＬ６を維持したまま、６本の脚１３０の線状部材１５０を同じ量だけ引っ張っていくと、第２部材１２０がｘｙ面との平行を保ったままｚ方向に並進する。また、ＬＬ１～ＬＬ６の実効長さを個別に調整すると、図５Ｃに示すように、第２部材１２０をｘ方向又はｙ方向に並進させたり、図５Ｄに示すように、第２部材１２０を回転させたりもできる。図５Ａ～図５Ｄの状態を組合せることも可能であり、これにより能動的な６自由度制御が実現される。

　上記のような能動的な制御に加え、本実施形態の関節構造１は、外力に追従する受動的な動きを行うこともできる。例えば、図５Ａの状態において、第２部材１２０にｚ方向（図の上向き）の力が作用したと仮定する。その場合、ＬＬ１＝ＬＬ２＝ＬＬ３＝ＬＬ４＝ＬＬ５＝ＬＬ６が維持されたまま６本の脚１３０が持ち上がり、図５Ｂの状態のように第２部材１２０がｚ方向に変位し得る。あるいは、図５Ｂの状態において、第２部材１２０にｘ方向（図の左向き）の力が作用した場合には、それに追従して各脚１３０の実効長さが変化し、図５Ｃの状態のように第２部材１２０がｘ方向に変位し得る。あるいは、図５Ｂの状態において、第２部材１２０にモーメントが作用した場合には、図５Ｄの状態のように第２部材１２０が回転し得る。そして、外力から解放されると、弾性部材１６０の復元力によって、各脚１３０の実効長さが元の状態に戻り、第２部材１２０の姿勢（位置・角度）も元の状態に戻る（「元の状態」とは、駆動機構１４０による能動的な制御によって決められた実効長さないし姿勢のことである。）。このようなソフト機構によって、エンドエフェクタＥ２がリンクＥ１から独立して運動自在となり、いわゆる「柔らかいロボット」が実現できる。

　本実施形態の関節構造１において、弾性部材１６０の弾性復元力よりも十分に大きい力で全ての線状部材１５０を引っ張り上げると、弾性部材１６０が完全に潰れ、ロッド１３１の位置が固定される。このとき、ＬＬ１＝ＬＬ２＝ＬＬ３＝ＬＬ４＝ＬＬ５＝ＬＬ６＝ＬＬｍｉｎ、すなわち、６本の脚１３０すべてが最小実効長さＬＬｍｉｎとなる。この状態においては、第２部材１２０に外力が作用しても容易には第２部材１２０が動かない。すなわち、上述したソフト機構が無効化され、リンクＥ１とエンドエフェクタＥ２があたかも一つの剛体のように振る舞うようになる。このようなロック機構によって、エンドエフェクタＥ２がリンクＥ１から独立して運動自在となる自由状態と、エンドエフェクタＥ２がリンクＥ１に固定されるロック状態との切り替えが実現できる。

　この構造によれば、駆動機構１４０によってスチュワートプラットフォーム１０の各脚１３０の実効長さを変化させることによって、リンクＥ１（第１要素）とエンドエフェクタＥ２（第２要素）の相対的な位置・角度の能動的な多自由度制御が実現できる。加えて、ロボットＲに外力が作用した場合には、脚１３０の実効長さが弾性的に変化し、外力に追従してリンクＥ１とエンドエフェクタＥ２の相対的な位置及び／又は角度が受動的に変化する。したがって、能動的な多自由度制御と柔らかさの両立を実現することができる。

　また、本実施形態の駆動機構１４０によれば、線状部材１５０の引っ張り力と弾性部材１６０の弾性復元力が釣り合ったところでロッド１３１のスライドが停止し、脚１３０の実効長さが安定する。このような構造によれば、線状部材１５０の引っ張り力を調整することによって、脚１３０の実効長さを簡単にかつ精度よく制御することができる。

　また、本実施形態では、線状部材１５０の駆動源Ｍを関節構造１とは別体にし、かつ、関節構造１の外部に配置したので、関節構造１そのものをコンパクトかつ軽量に構成することができる。

　また、本実施形態の関節構造１はロック機構を有するので、剛性の高いロボット（ロック状態）と柔らかいロボット（自由状態）を切り替えることができる。例えば、ロボットの動作やシーンに合わせて適宜使い分けることにより、ロボットの応用範囲の拡大や効率的な動作を実現できると期待できる。

　また、本実施形態の関節構造１では、駆動機構１４０とソフト機構とロック機構を同一部材により構成している。これにより、部品点数の削減、ひいてはコスト低減ならびに装置の小型化を図ることができる。

　＜変形例＞
　上記実施形態は、本発明の構成例を例示的に説明するものに過ぎない。本発明は上記の具体的な形態には限定されることはなく、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。

　変形例１では、弾性部材１６０として、非線形ばね要素を用いる。図６は、線形ばねと非線形ばねの特性の違いを示すグラフであり、横軸が変位（たわみ）、縦軸が荷重を示している。線形ばねは、荷重と変位が正比例の関係となり、変位によらず剛性（ばね定数）が一定であるのに対し、非線形ばねは、変位が大きくなるほど剛性（ばね定数）が増すという特性を示す。このような非線形特性は、例えば、コイルばねのコイル径を不均一にする、コイルばねのピッチを不等間隔にする、コイルばねの線径を不均一にする、などの方法により実現できる。

　例えば、駆動源Ｍの制御により、自由状態における線状部材１５０の延伸量をｓ１［ｍｍ］、ｓ２［ｍｍ］、ｓ３［ｍｍ］（ｓ１＜ｓ２＜ｓ３）のように多段階に切り替え、弾性部材１６０の変位を変えられるようにしてもよい。これにより、自由状態における関節構造１の堅さ（柔らかさ）を制御することができる。例えば、ロボットの動作やシーンに合わせて、適した堅さ（柔らかさ）になるように調整することにより、ロボットの応用範囲の拡大や効率的な動作を実現できると期待できる。

　図７に変形例２を示す。変形例２は、脚、駆動機構、及び、ソフト機構の構成が上記実施形態と異なる。図７に示すように、各脚１３０は、ロッド５０と、ロッド５０がスライド自在に挿入されたシリンダ部材５１と、ロッド５０の端部に設けられるピストン５２と、ピストン５２とシリンダ部材５１で形成される空間に配置される弾性部材５３とから構成される。脚１３０と第１部材１１０の間、及び、脚１３０と第２部材１２０の間は、それぞれユニバーサルジョイント又は球関節で接続される。ロッド５０を駆動するための線状部材１５０は、ピストン５２に取り付けられ、シリンダ部材５１の内部及び第１部材１１０の貫通孔を通り、関節構造１の外側に引き出されている。

　この構成において、駆動源Ｍによって線状部材１５０に引っ張り力をかけると、ロッド５０がシリンダ部材５１の中へと引き込まれ、弾性部材５３が徐々に弾性変形（圧縮変形）していく。そして、引っ張り力と弾性部材５３の弾性復元力が釣り合ったところでロッド５０のスライドが停止し、脚１３０の実効長さが安定する。この構造によっても、駆動源Ｍから与える線状部材１５０の引っ張り力を調整することによって、脚１３０の実効長さを簡単にかつ精度よく制御することができる。この構成においても、駆動源Ｍは、線状部材１５０の引き込み長さを決めるように線状部材１５０を駆動してもよい。

　また、弾性部材５３は、ソフト機構としての役割も担う。例えば、線状部材１５０の引っ張り力と同じ方向に外力が作用すると、引っ張り力と外力の合力によって弾性部材５３がさらに圧縮変形し、脚１３０の実効長さが変化する。そして、外力がなくなると、引っ張り力との釣り合いの位置または線状部材１５０の決定された引き込み長さに対応する位置まで脚１３０の実効長さが戻る。

　図８に変形例３を示す。変形例３は、脚、駆動機構、及び、ソフト機構の構成が上記実施形態と異なる。図８に示すように、各脚１３０は、ロッド６０と、ロッド６０を脚１３０の実効長さ方向に移動させる気圧アクチュエータ（エアシリンダともいう）６１とから構成される。脚１３０と第１部材１１０の間、及び、脚１３０と第２部材１２０の間は、それぞれユニバーサルジョイントで接続される。

　気圧アクチュエータ６１に対し圧縮性流体（例えば空気）の供給／排出を行うための２本のチューブ６２が気圧アクチュエータ６１に設けられている。これらのチューブ６２は、関節構造１の外側に引き出され、関節構造１とは別に設けられた駆動源Ｍに接続されていてもよい。このようにアクチュエータの駆動源Ｍを関節構造１とは別体にし、かつ、関節構造１の外部に配置することにより、関節構造１そのものをコンパクトかつ軽量に構成することが可能となる。

　この構成において、駆動源Ｍ（例えばコンプレッサ、ポンプなど）によって気圧アクチュエータ６１の第１室６１１に流体を導入すると、第１室６１１と第２室６１２の差圧によりロッド６０が第２室６１２側に移動する。逆に、第２室６１２に流体を導入すると、ロッド６０を第１室６１１側に移動させることができる。これにより、脚１３０の実効長さを簡単にかつ精度よく制御することができる。

　この構成においては、気圧アクチュエータ６１内の圧縮性流体がソフト機構としての役割も担う。例えば、ロッド６０を押し込む方向に外力が作用すると、気圧アクチュエータ６１内部の圧縮性流体が弾性圧縮ないし弾性膨張し、脚１３０の実効長さが変化する。そして、外力がなくなると、圧縮ないし膨張した圧縮性流体が元に戻り、脚１３０の実効長さが元の状態に戻る。

　図９に変形例４を示す。変形例４は、ロック機構の変形例である。ロック機構は、概略、第１部材１１０に設けられた第１ロック片７０と、第２部材１２０に設けられた第２ロック片７１とから構成される。脚１３０の実効長さを短くし、第１ロック片７０と第２ロック片７１とを係合させることによって、第１部材１１０と第２部材１２０の間の固定を図る構造である。

　ここで、第１ロック片７０と第２ロック片７１のうちの一方に凸部を設け、他方に凹部を設け、凸部と凹部が嵌合する構造としてもよい。このような嵌合方式によりロック状態における固定力を高めることができる。また、ロック状態における第１部材１１０と第２部材１２０の間の相対的な位置決めを図ることもできる。図９の例では、半球形状の凸部と円錐形状の凹部を設けている。この構造によれば、凸部と凹部とを任意の角度で接触させることができるので、第１部材１１０に対して第２部材１２０を傾けた姿勢でロックすることが可能となる。

　＜付記１＞
　（１）ロボットの第１要素（１１）と第２要素（１２）の間を連結する関節構造（１）であって、
　前記第１要素（１１）に対する前記第２要素（１２）の相対的な位置及び／又は角度を制御可能なスチュワートプラットフォーム（１０）を有し、
　前記スチュワートプラットフォーム（１０）は、
　　前記第１要素（１１）に接合する第１部材（１１０）と、
　　前記第２要素（１２）に接合する第２部材（１２０）と、
　　前記第１部材（１１０）と前記第２部材（１２０）とを接続する複数の脚（１３０）と、
　　前記第１部材（１１０）に対する前記第２部材（１２０）の相対的な位置及び／又は角度を変えるために、各脚（１３０）の実効長さを変化させる駆動機構（１４０）と、
　　前記第２部材（１２０）に対して外力が作用した場合に前記脚（１３０）の実効長さを弾性的に変化させ、前記外力から解放された場合に前記脚（１３０）の実効長さを復元させる、ソフト機構（１６０）と、を有する
ことを特徴とする関節構造。

１：関節構造、１０：スチュワートプラットフォーム
１１：第１要素、１２：第２要素
５０：ロッド、５１：シリンダ部材、５２：ピストン、５３：弾性部材
６０：ロッド、６１：気圧アクチュエータ、６２：チューブ
７０：第１ロック片、７１：第２ロック片
１１０：第１部材、１１１：軸受
１２０：第２部材、１２１：ユニバーサルジョイント
１３０：脚、１３１：ロッド、１３２：ロッド、１３３：ピン継手、１３４：フランジ
１４０：駆動機構、１５０：線状部材、１６０：弾性部材
Ｅ１：リンク、Ｅ２：エンドエフェクタ
Ｒ：ロボット、ＲＭ：マニピュレータ、ＲＣ：コントローラ、Ｍ：駆動源

Claims (12)

1. 　ロボットのマニピュレータの第１要素と第２要素の間を連結する関節構造であって、
   　前記第１要素に対する前記第２要素の相対的な位置及び／又は角度を制御可能なスチュワートプラットフォームを有し、
   　前記スチュワートプラットフォームは、
   　　前記第１要素に接合する第１部材と、
   　　前記第２要素に接合する第２部材と、
   　　前記第１部材と前記第２部材とを接続する複数の脚と、
   　　前記第１部材に対する前記第２部材の相対的な位置及び／又は角度を変えるために、各脚の実効長さを変化させる駆動機構と、
   　　前記第２部材に対して外力が作用した場合に前記脚の実効長さを弾性的に変化させ、前記外力から解放された場合に前記脚の実効長さを復元させる、ソフト機構と、を有することを特徴とする関節構造。
2. 　前記脚は、支持体によってスライド自在に支持され、スライドすることによって前記脚の実効長さを変化させるロッドを有しており、
   　前記駆動機構は、
   　　前記ロッドに取り付けられる、可撓性を有する線状部材と、
   　　前記線状部材を引っ張り前記ロッドをスライドさせると弾性変形し、前記線状部材の引っ張り力に抗する弾性復元力を発生する、弾性部材と、を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の関節構造。
3. 　前記弾性部材が、前記ソフト機構を兼ねている
   ことを特徴とする請求項２に記載の関節構造。
4. 　前記弾性部材は、非線形ばね要素を含み、
   　前記線状部材の引っ張り量によって前記弾性部材の変形量を変えることにより、前記ソフト機構の剛性が可変である
   ことを特徴とする請求項３に記載の関節構造。
5. 　前記支持体は、前記第１部材に設けられた軸受である
   ことを特徴とする請求項２に記載の関節構造。
6. 　前記支持体は、前記脚に設けられ、前記ロッドがスライド自在に挿入されたシリンダ部材である
   ことを特徴とする請求項２に記載の関節構造。
7. 　前記線状部材の端部が前記関節構造の外側に引き出され、前記関節構造とは別に設けられた駆動源に接続されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の関節構造。
8. 　前記脚は、長さ方向に移動することによって前記脚の実効長さを変化させるロッドを有しており、
   　前記駆動機構は、圧縮性流体によって前記ロッドをその長さ方向に移動させるアクチュエータである
   ことを特徴とする請求項１に記載の関節構造。
9. 　前記アクチュエータの前記圧縮性流体が、前記ソフト機構を兼ねている
   ことを特徴とする請求項８に記載の関節構造。
10. 　前記アクチュエータは、エアシリンダである
    ことを特徴とする請求項８に記載の関節構造。
11. 　前記アクチュエータに対し前記圧縮性流体の供給／排出を行うためのチューブが前記関節構造の外側に引き出され、前記関節構造とは別に設けられた駆動源に接続されている
    ことを特徴とする請求項８に記載の関節構造。
12. 　前記第２要素が前記第１要素から独立して運動自在となる自由状態と、前記第２要素が前記第１要素に固定されるロック状態との切り替えを行うロック機構をさらに有する
    ことを特徴とする請求項１～１１のうちいずれか１項に記載の関節構造。

Images