ロボットの関節構造及びこの関節構造が組み込まれた人間型ロボット
【課題】第一部材に対して第二部材を直角な二軸の回りを相対的に回転させる関節構造を構築できると共に、関節構造の軽量化、小型化を図れるロボットの関節構造を提供する。
【解決手段】本発明のロボットの関節構造は、第一部材３１と、第一部材３１に第一の軸５２の回りに回転可能に支持される支持部３４と、支持部３４に第一の軸５２に直角な第二の軸５４の回りに回転可能に支持される第二部材３２と、第一部材３１と第二部材３２との間に架け渡され、本体部４２ａ，４２ｂ、及び本体部４２ａ，４２ｂに対して軸線方向に相対的に直線運動する軸部４３ａ，４３ｂを有する第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂと、を備える。第一及び前記第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂを伸縮させることによって、第一部材３１に対して第二部材３２が直角な二軸５２，５４の回りを相対的に回転する。
【解決手段】本発明のロボットの関節構造は、第一部材３１と、第一部材３１に第一の軸５２の回りに回転可能に支持される支持部３４と、支持部３４に第一の軸５２に直角な第二の軸５４の回りに回転可能に支持される第二部材３２と、第一部材３１と第二部材３２との間に架け渡され、本体部４２ａ，４２ｂ、及び本体部４２ａ，４２ｂに対して軸線方向に相対的に直線運動する軸部４３ａ，４３ｂを有する第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂと、を備える。第一及び前記第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂを伸縮させることによって、第一部材３１に対して第二部材３２が直角な二軸５２，５４の回りを相対的に回転する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットの関節構造及びこの関節構造が組み込まれた人間型ロボットに関し、特に人間型ロボットの首関節に用いるのに好適なロボットの関節構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、産業用ロボットだけでなく、民生用として様々な役目を担うロボットの研究開発が盛んになされている。ロボットの中でも直立歩行が可能な人間型ロボット（ヒューマノイドロボット）は、人間の行動を代替できるものとして期待されている。かかる人間型ロボットは、脚部、腕部、首部等に関節を有し、人間に近い動作を可能としている。
【０００３】
ところで、ロボットの関節には、自由度が１のものから３以上のものまで様々なものがある。自由度とは、自由に運動できる方向の個数であり、例えば、ピッチ軸のみの回りを回転できる関節の自由度は１であり、ピッチ軸及びヨー軸の二軸の回りを回転できる関節の自由度は２であり、ピッチ軸、ロール軸及びヨー軸の回りを回転できる関節の自由度は３である。人間型ロボットの首関節には、ピッチ軸及びヨー軸の二軸の回りを回転できる自由度２の関節が用いられたり、ピッチ軸、ロール軸及びヨー軸の回りを回転できる自由度３の関節が用いられたりする。
【０００４】
従来のロボットの関節構造においては、自由度が２以上の関節を実現するためには、回転系のサーボモータを２個以上組み合わせるのが一般的であった。すなわち、回転系サーボモータを２個以上用意し、回転系のサーボモータの回転軸が互いに直角になるように組み合わせていた（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１８４０４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の回転系のサーボモータを２個組以上み合わせた関節構造にあっては、サーボモータが回転モーメントを受けるので、サーボモータの負荷が大きくなり、よって大出力・大型のサーボモータを要し、それゆえに関節構造を小型化するのが困難になるという課題がある。特に、従来のロボットの関節構造を人間型ロボットの首関節として用いると、頭部の質量が重いので、サーボモータの負荷がより一層大きくなる。
【０００７】
また、自由度が２以上の関節構造を実現するにあたって、回転軸が直交するように２個以上の回転系のサーボモータを配置するのが困難であるという課題がある。なぜならば、回転軸を直交させるためには、第一のサーボモータを中空の第二のサーボモータで包む必要があり、サーボモータの構造が複雑化するからである。
【０００８】
本発明は従来のロボットの関節構造の上記課題を解決するもので、第一部材に対して第二部材を直角な二軸の回りを相対的に回転させる関節構造を構築できると共に、関節構造の軽量化、小型化を図れるロボットの関節構造及びこのロボットの関節構造を組み込んだ人間型ロボットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、第一部材に対して第二部材を直角な二軸の回りに相対的に回転させるロボットの関節構造であって、第一部材と、前記第一部材に第一の軸の回りに回転可能に支持される支持部と、前記支持部に前記第一の軸に直角な第二の軸の回りに回転可能に支持される第二部材と、前記第一部材と前記第二部材との間に架け渡され、本体部、及び本体部に対して軸線方向に相対的に直線運動する軸部を有する第一及び第二の直動アクチュエータと、を備え、前記第一及び前記第二の直動アクチュエータのいずれか一方を伸ばし、他方を縮めるとき、前記第二部材が前記第一部材に対して前記第一の軸及び前記第二の軸のいずれか一方の回りを相対的に回転し、前記第一及び前記第二の直動アクチュエータの双方を伸ばし、又は前記第一及び前記第二の直動アクチュエータの双方を縮めるとき、前記第二部材が前記第一部材に対して前記第一の軸及び前記第二の軸の他方の回りを相対的に回転するロボットの関節構造である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一態様によれば、第一及び第二の直動アクチュエータを用いたシンプルな構造によって、第一部材に対して第二部材が直角な二軸の回りを相対的に回転する関節構造を構築できる。また、第一部材に対して第二部材を相対的に回転させるのにあたって、第一及び第二の直動アクチュエータを同時に作動させているので、従来の回転系のサーボモータを組み合わせた関節構造に比べて、数倍の力を発生させることができる。逆にいえば、必要な力を得るための第一及び第二の直動アクチュエータを小型化することができ、関節構造の軽量化、小型化が図れる。さらに、第一及び第二の直動アクチュエータが関節構造のリンクを兼ねているので、関節構造のさらなる軽量化、小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態のロボットの関節構造が組み込まれる人間型ロボットの正面図
【図２】上記人間型ロボットの右側面図
【図３】本発明の一実施形態のロボットの関節構造が適用された首関節の正面図
【図４】上記首関節の左側面図
【図５】水平方向から見たとき、垂直方向を向くヨー軸の軸線、第一及び第二の直動アクチュエータの軸線、及び第一フレームの水平面によって形成される三角形を示す概念図
【図６】本発明の一実施形態のロボットの関節構造の斜視図
【図７】本発明の一実施形態のロボットの関節構造の動作図（図中（ａ）は第二フレームをピッチ軸（ｙ軸）の回りに回転させている状態を示し、図中（ｂ）は第二フレームをヨー軸（ｚ軸）の回りに回転させている状態を示す）
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下添付図面に基づいて、本発明の一実施形態におけるロボットの関節構造を説明する。図１は、ロボットの関節構造が組み込まれた人間型ロボットの全体構成を示す正面図である。図２は人間型ロボットの右側面図である。本実施形態において左右は図に示す人間型ロボット側から見た左右である。また、人間型ロボットの進行方向をｘ軸正方向、人間型ロボットからみて左手方向をｙ軸正方向、人間型ロボットの上方をｚ軸正方向としたとき、ｘ軸をロール軸、ｙ軸をピッチ軸、ｚ軸をヨー軸とする。そして、ｘ軸回りの回転をロール、ｙ軸回りの回転をピッチ、ｚ軸回りの回転をヨーとする。
【００１３】
人間型ロボット１０は、胴体部１１の下方に設置された二本の脚部１２と、胴体部１１の上方左右両側面に設置された二本の腕部１３と、胴体部１１の上方に設置された一個の頭部１４とから構成されており、人間に近い動作を可能としている。
【００１４】
二本の腕部１３は、胴体部１１の周囲で自在に移動できるようになっている。各腕部１３は肘を境に、肩に近い方の上腕部１３ｃと、手部１３ａに近い方の下腕部１３ｂと、を備える。下腕部１３ｂの先端には手首関節２１を介して手部１３ａが設置されている。手部１３ａを利用することで物を掴んだり摘まんだりすることが可能となっている。
【００１５】
この人間型ロボット１０は、二足歩行ロボットであり、人間のように二本脚でバランスをとりながら歩く。各脚部１２は股関節１６を介して胴体部１１の骨盤に連結されている。股関節１６は各脚部１２をヨー軸、ピッチ軸、及びロール軸回りに回転させる。
【００１６】
股関節１６には大腿部１７ａが連結される。大腿部１７ａの下には膝関節１８が設けられる。膝関節１８の下には脛部１７ｂが連結される。脛部１７ｂの下には足首関節１９が設けられる。足首関節１９の下には歩行路面と接触する足部２０が連結される。
【００１７】
頭部１４および胴体部１１には、それぞれにＣＣＤカメラ１５が設置されている。このＣＣＤカメラ１５によって、人間型ロボット１０の周囲の状況を画像データとして収集することが可能となっている。
【００１８】
この人間型ロボット１０は、遠隔操作可能に構成されたロボットであり、離れた位置にある図示しない操作マニピュレータを操作者が操作することで、操作マニピュレータの動きに応じた動作を人間型ロボット１０が実行できるようになっている。したがって、操作者は、インターネット回線等の無線通信手段や人間型ロボット１０に設置されたＣＣＤカメラ１５等を介して、遠隔地に居ながらにして人間型ロボット１０の周囲の状況を把握でき、人間型ロボット１０の操作ができるようになっている。
【００１９】
図３及び図４は、本発明の一実施形態のロボットの関節構造が組み込まれた人間型ロボットの首関節を示す。図３は首関節の正面図を示し、図４は左側面図を示す。本実施形態のロボットの関節構造は、胴体部１１と頭部１４との間に組み込まれる。胴体部１１には、第一部材としての第一フレーム３１が取り付けられる。頭部には第二部材としての第二フレーム３２が取り付けられる。第一フレーム３１と第二フレーム３２とは支持部３４を介して直角な二軸のみの回り、本実施形態ではピッチ軸（ｙ軸）及びヨー軸（ｚ軸）の回りのみを回転可能に連結される。
【００２０】
支持部３４の左右には、支持部３４を挟むように第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂが設けられる。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂは第一フレーム３１と第二フレーム３２との間に架け渡される。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂは、本体部４２ａ，４２ｂ及び本体部４２ａ，４２ｂに対して軸線方向に直線運動する軸部４３ａ，４３ｂと、を備える。本体部４２ａ，４２ｂは、一対の第一部材側連結部材としての一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂを介して第一フレーム３１に連結される。軸部４３ａ，４３ｂは、一対の第二部材側連結部材としての一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂを介して第二フレーム３２に連結される。
【００２１】
ここで、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂは人間の筋肉として機能し、一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂ及び一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂは人間の腱として機能する。そして、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂを伸縮させることによって、頭部１４がピッチ軸（ｙ軸）及びヨー軸（ｚ軸）の回りを回転する。
【００２２】
図６は、本実施形態のロボットの関節構造の斜視図を示す。本実施形態のロボットの関節構造は、第一フレーム３１、第二フレーム３２、支持部３４、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂ、一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂ、一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂを基本的な構成要素とする。
【００２３】
第一フレーム３１は、前後端を下方に折り曲げた板状に形成され、上面の平面３１ｃを有する。人間型ロボットの首関節に取り付けられたとき、この平面３１ｃは水平面に位置する（図４参照）。第一フレーム３１の左右には、前方に向かって突出する一対の支持プレート３１ａ，３１ｂが設けられる。一対の支持プレート３１ａ，３１ｂには、左右方向に伸びる第一連結軸５１が通される。第一連結軸５１の長さ方向の両端部には、一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂが第一連結軸５１の軸線の回りを回転可能に設けられる。なお、第一連結軸５１はピッチ軸（ｙ軸）の方向に伸びているので、一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂはピッチ軸（ｙ軸）の回りを回転可能となっている。
【００２４】
第一フレーム３１の平面３１ｃ上には、支持部３４が第一の軸としてのヨー軸５２の回りを回転可能に設けられる。支持部３４は、全体形状がＵ字形状に形成される支持部本体５３と、その下端部に設けられるヨー軸５２と、その上端部に設けられるピッチ軸５４と、を備える。ヨー軸５２は第一フレーム３１の平面部３１ｃに直交し、垂直方向を向く。ピッチ軸５４はヨー軸５２と直角であり、水平方向を向く。ピッチ軸５４は、第二フレーム３２に回転可能に連結される。支持部３４は、第一フレーム３１に対して第二フレーム３２が直交する二軸（ピッチ軸（ｙ軸）及びヨー軸（ｚ軸））の回りに回転可能になるように第一フレーム３１と第二フレーム３２とを連結する。
【００２５】
なお、本実施形態では、ヨー軸５２の軸線とピッチ軸５４の軸線とは直交していて、第二フレーム３２は直交する二軸（ピッチ軸（ｙ軸）及びヨー軸（ｚ軸））の回りに回転可能になっている。なお、ピッチ軸５４の軸線とヨー軸５２の軸線とは直角であれば、直交しなくてもよく、ピッチ軸５４の軸線とヨー軸５２の軸線とが離間していてもよい。
【００２６】
第二フレーム３２は、平行な一対の対向プレート５６ａ，５６ｂと、一対の対向プレート５６ａ，５６ｂを連結する連結プレート５７と、を備える。一対の対向プレート５６ａ，５６ｂの下端部は、支持部３４のピッチ軸５４に回転可能に取り付けられる。一対の対向プレート５６ａ，５６ｂ間には左右方向に伸びる第二連結軸５８が通る。第二連結軸５８の長さ方向の両端部には、一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂが第二連結軸５８の軸線の回りを回転可能に設けられる。なお、第二連結軸５８はピッチ軸（ｙ軸）の方向に伸びているので、一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂはピッチ軸（ｙ軸）の回りを回転可能となっている。
【００２７】
第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂそれぞれは、円筒状の本体部４２ａ，４２ｂと、本体部４２ａ，４２ｂに対して軸線方向（軸線をＬａ，Ｌｂで示す）に直線運動する円筒状の軸部４３ａ，４３ｂと、を備える。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの構造は同一である。本体部４２ａ，４２ｂの内部には、ねじ軸及びねじ軸に螺合するボールねじナット、ねじ軸を回転駆動するサーボモータが組み込まれる。サーボモータがねじ軸を回転させると、ねじ軸に螺合するボールねじナットが軸線方向に直線運動する。ボールねじナットには軸部４３ａ，４３ｂが結合されていて、ボールねじナットの直線運動と一緒に軸部４３ａ，４３ｂが直線運動するようになっている。軸部４３ａ，４３ｂは本体部４２ａ，４２ｂに対して回り止めされておらず、本体部４２ａ，４２ｂに対して軸線Ｌａ，Ｌｂの回りを回転可能である。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸部４３ａ，４３ｂが本体部４２ａ，４２ｂに対して軸線方向に相対的に直線運動するとき、本体部４２ａ，４２ｂに対して軸線Ｌａ，Ｌｂの回りを相対的に回転する。なお、この図には軸部４３ａ，４３ｂは本体部４２ａ，４２ｂに対して回り止めされた状態が示されているが、実際には回り止めは除去されている。
【００２８】
第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの本体部４２ａ，４２ｂは、一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂを介して第一フレーム３１に連結される。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸部４３ａ，４３ｂは、一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂを介して第二フレーム３２に連結される。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの本体部４２ａ，４２ｂの軸線の回り止めは、一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂによって行われる。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸部４３ａ，４３ｂの軸線の回り止めは、一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂによって行われる。
【００２９】
一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂそれぞれは、長方形の３辺を構成するようなコ字形状に形成される。第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂは第一連結軸５１に回転可能に取り付けられる基部６１と、基部に直角な一対のブラケット部６２ａ，６２ｂと、を備える（図３参照）。一対のブラケット部６２ａ，６２ｂには、第一又は第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの本体部４２ａ，４２ｂが第一支持軸６４ａ，６４ｂの回りを回転可能に支持される。第一連結軸５１の軸線と第一支持軸６４ａ，６４ｂの軸線とは直交する。また、互いに直交する第一連結軸５１の軸線及び第一支持軸６４ａ，６４ｂの軸線は、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸線Ｌａ，Ｌｂと直交する。すなわち、一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂは、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの本体部４２ａ，４２ｂを、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸線Ｌａ，Ｌｂの回りの回り止めをした状態で、直交する二軸（第一連結軸５１及び第一支持軸６４ａ，６４ｂ）の回りを回転可能に支持する。
【００３０】
第二連結軸５８の軸線方向の両端部には、一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂが第二連結軸５８の軸線の回りを回転可能に設けられる。一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂそれぞれも、長方形の３辺を構成するようなコ字形状に形成される。一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂは、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの本体部４２ａ，４２ｂを支持するか軸部４３ａ，４３ｂを支持するかの違いがあるだけで、一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂと同一の構成である。一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂは、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸部４３ａ，４３ｂを、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸線Ｌａ，Ｌｂの回りの回転止めをした状態で、直交する二軸（すなわち第二連結軸５８及び第二支持軸６６ａ，６６ｂ）の回りを回転可能に支持する。なお、第二支持軸６６ａ，６６ｂは、第一支持軸６４ａ，６４ｂと同様に第一又は第二の直動アクチュエータの軸部４３ａ，４３ｂの回転の支点となる。
【００３１】
図５は図４の概念図を示す。図５に示すように、水平方向を向く第二の軸としてのピッチ軸５４の軸線方向からみた状態において、垂直方向を向く第一の軸としてのヨー軸５２の軸線Ｖと第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸線Ｌａ，Ｌｂとのなす角度θは鋭角（すなわち０°よりも大きく９０°未満）である。そして、ヨー軸５２の軸線Ｖ、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸線Ｌａ，Ｌｂ、及び第一フレーム３１の平面３１ｃによって三角形が形成される。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂは筋交いのように斜めに第一フレーム３１と第二フレーム３２との間に架け渡される。なお、図５の状態では、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの伸縮量を等しくしており、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸線Ｌａ，Ｌｂが重なっている。
【００３２】
胴体部１１には、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂのサーボモータを制御する第一及び第二のドライバ（図示せず）が設けられる。第一及び第二のドライバのそれぞれは、サーボモータに電力を供給するＰＷＭ(pulse width modulation)インバータ等の電力変換器、サーボモータの出力軸の速度及び位置を検出するセンサ、操作マニピュレータからの指令及びセンサからの情報によって電力変換器を制御する制御器を備える。第一及び第二のドライバは相互に通信し合い、別に制御ボックスが無くても同期した動きが可能となっている。なお、第一及び第二のドライバを統合させた一つのドライバによって二つのサーボモータを制御するようにしてもよい。
【００３３】
図７は、本実施形態のロボットの関節構造の動作図を示す。図７（ａ）に示すように、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂが軸部４３ａ，４３ｂを引き込むようにすると、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの全長が縮む。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸部４３ａ，４３ｂには第二フレーム３２が連結されているので、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂが縮むのに伴って第二フレーム３２がピッチ軸５４（ｙ軸）のみの回りを回転する。これにより、頭部１４が下を向く。逆に、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂが軸部４３ａ，４３ｂを押し出すようにすると、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの全長が伸び、頭部１４が上を向く。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂをさらに伸ばしたとき、図５に示すように、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂと第二フレーム３２との連結位置（すなわち一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂの位置）が第一の軸としてのヨー軸５２の軸線Ｖ上に位置する。
【００３４】
図７（ｂ）に示すように、第一の直動アクチュエータ４１ａが軸部４３ａを引き込み、第二の直動アクチュエータ４１ｂが軸部４３ｂを押し出すようにすると、第二フレーム３２がヨー軸５２（ｚ軸）のみの回りを反時計方向に回転する。逆に、第一の直動アクチュエータ４１ａが軸部４３ａを押し出し、第二の直動アクチュエータ４１ｂが軸部４３ｂを引き込むようにすると、第二フレーム３２がヨー軸５２（ｚ軸）のみの回りを時計方向に回転する。
【００３５】
第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの伸縮量を制御することで、第二フレーム３２をピッチ軸（ｙ軸）の回りに回転させながらヨー軸（ｚ軸）の回りに回転させることも可能となる。
【００３６】
本発明の一実施形態のロボットの関節構造によれば、以下の効果を奏する。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂを用いたシンプルな構造によって、第二フレーム３２が第一フレーム３１に対して直交する二軸の回りを相対的に回転する関節構造を構築できる。また、第一フレーム３１に対して第二フレーム３２を回転させるにあたって、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂを同時に作動させているので、従来の回転系のサーボモータを組み合わせた関節構造に比べて、数倍の力を発生させることができる。逆にいえば、必要な力を得るための第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂを小型化することができ、関節構造の軽量化、小型化が図れる。さらに、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂが関節構造を構成するリンクを兼ねているので、関節構造の軽量化、小型化を図ることができる。
【００３７】
図５に示すように、支持部３４は、平面３１ｃを持つ第一フレーム３１上に平面４１ａと直交するヨー軸５２の回りに回転可能に設けられ、ピッチ軸５４の軸線方向から見た状態において、ヨー軸５２の軸線Ｖと第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸線とのなす角度が鋭角であるので、第一及び第二のアクチュエータ４１ａ，４１ｂが筋交いのように機能し、関節構造の強度を向させる。
【００３８】
ヨー軸５２の軸線Ｖが垂直方向を向くようにすることで、支持部３４が頭部１４の質量を支えることができるようになり、第一及び第二のアクチュエータ４１ａ，４１ｂにかかる負荷が低減する。特に、図５に示すように、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂを伸ばしたとき、一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂがヨー軸５２の軸線Ｖ上に位置するようにすることで、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂにかかる負荷がより一層低減する。さらに、第一及び第二のアクチュエータ４１ａ，４１ｂには逆効率の低いボールねじが組み込まれるので、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂのサーボモータに供給する電力を低減できる。
【００３９】
一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂは、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの本体部４２ａ，４２ｂの回り止めをした状態で、本体部４２ａ，４２ｂの軸線に直交する二軸の回りに回転可能に本体部４２ａ，４２ｂを支持する。一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂは、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸部４３ａ，４３ｂの回り止めをした状態で、軸部４３ａ，４３ｂの軸線に直交する二軸の回りに回転可能に軸部４３ａ，４３ｂを支持する。このため、第二フレーム３２が第一フレーム３１に対してピッチ軸（ｙ軸）及びヨー軸（ｚ軸）の回りに２自由度を持って移動しても、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂに無理な力がかかるのを防止することができる。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂに、例えば、軸線方向以外のラジアル荷重、モーメント等の無理な力がかかるのを防止できる。
【００４０】
第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸部４３ａ，４３ｂは、本体部４２ａ，４２ｂに対して軸線の回りを相対的に回転することができるので、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂにねじりの無理な力がかかるのを防止できる。
【００４１】
一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂを第一フレーム３１を通る第一連結軸５１の両端部に回転可能に設けるので、一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂを共通の軸線の回りに回転させることができる。同様に、一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂを第二フレーム３２を通る第二連結軸５８の両端部に回転可能に設けるので、一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂを共通の軸線の回りに回転させることができる。
【００４２】
本実施形態のロボットの関節構造は、人間型ロボットの首関節に適している。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの内部にはボールねじが組み込まれるので、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂは大きな圧縮荷重を負荷することができる。このため、頭部１４の質量が重くても、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂは安定して頭部１４を支える。これに対して、従来のように回転系のサーボモータ及びギヤを使用した場合には、ギヤのバックラッシに起因して頭部１４が揺れ動くおそれがある。
【００４３】
第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂが第一及びフレームの左右に離れて配置されるので、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂ間に配線を通せるスペースを確保することができる。このため、頭部１４に内蔵されるＣＣＤカメラ１５、音声ユニット等に配線するのが容易になる。
【００４４】
なお、本発明は上記実施形態に具現化されるのに限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で様々に変更可能である。例えば、第一及び第二の直動アクチュエータの本体部に対して軸部を回り止めし、第一及び第二の直動アクチュエータの本体部及び軸部を球面軸受けで支持することも可能である。本発明は２自由度の関節構造に限られることはなく、第三の直動アクチュエータを付加することで、自由度が３以上の関節構造にも適用することができる。
【００４５】
上記実施形態では、本発明のロボットの関節構造を、人間型ロボットの首関節に適用した例について説明したが、首関節以外の他の関節にも適用することができる。本発明は人間型ロボットに限られることはなく、垂直多関節ロボット、水平多関節ロボット等の産業用ロボットにも適用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０…人間型ロボット，３１…第一フレーム（第一部材），３１ｃ…平面，３２…第二フレーム（第二部材），３４…支持部，４１ａ，４１ｂ…第一及び第二の直動アクチュエータ，４２ａ，４２ｂ…第一及び第二の直動アクチュエータの本体部，４３ａ，４３ｂ…第一及び第二の直動アクチュエータの軸部，４４ａ，４４ｂ…第一フレーム側連結部材（第一部材側連結部材），４５ａ，４５ｂ…第二フレーム側連結部材（第二部材側連結部材），５１…第一連結軸，５２…ヨー軸（第一の軸），５４…ピッチ軸（第二の軸），５８…第二連結軸，６４ａ，６４ｂ…第一支持軸，６６ａ，６６ｂ…第二支持軸，Ｌａ，Ｌｂ…第一及び第二の直動アクチュエータの軸線，Ｖ…ヨー軸の軸線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットの関節構造及びこの関節構造が組み込まれた人間型ロボットに関し、特に人間型ロボットの首関節に用いるのに好適なロボットの関節構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、産業用ロボットだけでなく、民生用として様々な役目を担うロボットの研究開発が盛んになされている。ロボットの中でも直立歩行が可能な人間型ロボット（ヒューマノイドロボット）は、人間の行動を代替できるものとして期待されている。かかる人間型ロボットは、脚部、腕部、首部等に関節を有し、人間に近い動作を可能としている。
【０００３】
ところで、ロボットの関節には、自由度が１のものから３以上のものまで様々なものがある。自由度とは、自由に運動できる方向の個数であり、例えば、ピッチ軸のみの回りを回転できる関節の自由度は１であり、ピッチ軸及びヨー軸の二軸の回りを回転できる関節の自由度は２であり、ピッチ軸、ロール軸及びヨー軸の回りを回転できる関節の自由度は３である。人間型ロボットの首関節には、ピッチ軸及びヨー軸の二軸の回りを回転できる自由度２の関節が用いられたり、ピッチ軸、ロール軸及びヨー軸の回りを回転できる自由度３の関節が用いられたりする。
【０００４】
従来のロボットの関節構造においては、自由度が２以上の関節を実現するためには、回転系のサーボモータを２個以上組み合わせるのが一般的であった。すなわち、回転系サーボモータを２個以上用意し、回転系のサーボモータの回転軸が互いに直角になるように組み合わせていた（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１８４０４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の回転系のサーボモータを２個組以上み合わせた関節構造にあっては、サーボモータが回転モーメントを受けるので、サーボモータの負荷が大きくなり、よって大出力・大型のサーボモータを要し、それゆえに関節構造を小型化するのが困難になるという課題がある。特に、従来のロボットの関節構造を人間型ロボットの首関節として用いると、頭部の質量が重いので、サーボモータの負荷がより一層大きくなる。
【０００７】
また、自由度が２以上の関節構造を実現するにあたって、回転軸が直交するように２個以上の回転系のサーボモータを配置するのが困難であるという課題がある。なぜならば、回転軸を直交させるためには、第一のサーボモータを中空の第二のサーボモータで包む必要があり、サーボモータの構造が複雑化するからである。
【０００８】
本発明は従来のロボットの関節構造の上記課題を解決するもので、第一部材に対して第二部材を直角な二軸の回りを相対的に回転させる関節構造を構築できると共に、関節構造の軽量化、小型化を図れるロボットの関節構造及びこのロボットの関節構造を組み込んだ人間型ロボットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、第一部材に対して第二部材を直角な二軸の回りに相対的に回転させるロボットの関節構造であって、第一部材と、前記第一部材に第一の軸の回りに回転可能に支持される支持部と、前記支持部に前記第一の軸に直角な第二の軸の回りに回転可能に支持される第二部材と、前記第一部材と前記第二部材との間に架け渡され、本体部、及び本体部に対して軸線方向に相対的に直線運動する軸部を有する第一及び第二の直動アクチュエータと、を備え、前記第一及び前記第二の直動アクチュエータのいずれか一方を伸ばし、他方を縮めるとき、前記第二部材が前記第一部材に対して前記第一の軸及び前記第二の軸のいずれか一方の回りを相対的に回転し、前記第一及び前記第二の直動アクチュエータの双方を伸ばし、又は前記第一及び前記第二の直動アクチュエータの双方を縮めるとき、前記第二部材が前記第一部材に対して前記第一の軸及び前記第二の軸の他方の回りを相対的に回転するロボットの関節構造である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一態様によれば、第一及び第二の直動アクチュエータを用いたシンプルな構造によって、第一部材に対して第二部材が直角な二軸の回りを相対的に回転する関節構造を構築できる。また、第一部材に対して第二部材を相対的に回転させるのにあたって、第一及び第二の直動アクチュエータを同時に作動させているので、従来の回転系のサーボモータを組み合わせた関節構造に比べて、数倍の力を発生させることができる。逆にいえば、必要な力を得るための第一及び第二の直動アクチュエータを小型化することができ、関節構造の軽量化、小型化が図れる。さらに、第一及び第二の直動アクチュエータが関節構造のリンクを兼ねているので、関節構造のさらなる軽量化、小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態のロボットの関節構造が組み込まれる人間型ロボットの正面図
【図２】上記人間型ロボットの右側面図
【図３】本発明の一実施形態のロボットの関節構造が適用された首関節の正面図
【図４】上記首関節の左側面図
【図５】水平方向から見たとき、垂直方向を向くヨー軸の軸線、第一及び第二の直動アクチュエータの軸線、及び第一フレームの水平面によって形成される三角形を示す概念図
【図６】本発明の一実施形態のロボットの関節構造の斜視図
【図７】本発明の一実施形態のロボットの関節構造の動作図（図中（ａ）は第二フレームをピッチ軸（ｙ軸）の回りに回転させている状態を示し、図中（ｂ）は第二フレームをヨー軸（ｚ軸）の回りに回転させている状態を示す）
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下添付図面に基づいて、本発明の一実施形態におけるロボットの関節構造を説明する。図１は、ロボットの関節構造が組み込まれた人間型ロボットの全体構成を示す正面図である。図２は人間型ロボットの右側面図である。本実施形態において左右は図に示す人間型ロボット側から見た左右である。また、人間型ロボットの進行方向をｘ軸正方向、人間型ロボットからみて左手方向をｙ軸正方向、人間型ロボットの上方をｚ軸正方向としたとき、ｘ軸をロール軸、ｙ軸をピッチ軸、ｚ軸をヨー軸とする。そして、ｘ軸回りの回転をロール、ｙ軸回りの回転をピッチ、ｚ軸回りの回転をヨーとする。
【００１３】
人間型ロボット１０は、胴体部１１の下方に設置された二本の脚部１２と、胴体部１１の上方左右両側面に設置された二本の腕部１３と、胴体部１１の上方に設置された一個の頭部１４とから構成されており、人間に近い動作を可能としている。
【００１４】
二本の腕部１３は、胴体部１１の周囲で自在に移動できるようになっている。各腕部１３は肘を境に、肩に近い方の上腕部１３ｃと、手部１３ａに近い方の下腕部１３ｂと、を備える。下腕部１３ｂの先端には手首関節２１を介して手部１３ａが設置されている。手部１３ａを利用することで物を掴んだり摘まんだりすることが可能となっている。
【００１５】
この人間型ロボット１０は、二足歩行ロボットであり、人間のように二本脚でバランスをとりながら歩く。各脚部１２は股関節１６を介して胴体部１１の骨盤に連結されている。股関節１６は各脚部１２をヨー軸、ピッチ軸、及びロール軸回りに回転させる。
【００１６】
股関節１６には大腿部１７ａが連結される。大腿部１７ａの下には膝関節１８が設けられる。膝関節１８の下には脛部１７ｂが連結される。脛部１７ｂの下には足首関節１９が設けられる。足首関節１９の下には歩行路面と接触する足部２０が連結される。
【００１７】
頭部１４および胴体部１１には、それぞれにＣＣＤカメラ１５が設置されている。このＣＣＤカメラ１５によって、人間型ロボット１０の周囲の状況を画像データとして収集することが可能となっている。
【００１８】
この人間型ロボット１０は、遠隔操作可能に構成されたロボットであり、離れた位置にある図示しない操作マニピュレータを操作者が操作することで、操作マニピュレータの動きに応じた動作を人間型ロボット１０が実行できるようになっている。したがって、操作者は、インターネット回線等の無線通信手段や人間型ロボット１０に設置されたＣＣＤカメラ１５等を介して、遠隔地に居ながらにして人間型ロボット１０の周囲の状況を把握でき、人間型ロボット１０の操作ができるようになっている。
【００１９】
図３及び図４は、本発明の一実施形態のロボットの関節構造が組み込まれた人間型ロボットの首関節を示す。図３は首関節の正面図を示し、図４は左側面図を示す。本実施形態のロボットの関節構造は、胴体部１１と頭部１４との間に組み込まれる。胴体部１１には、第一部材としての第一フレーム３１が取り付けられる。頭部には第二部材としての第二フレーム３２が取り付けられる。第一フレーム３１と第二フレーム３２とは支持部３４を介して直角な二軸のみの回り、本実施形態ではピッチ軸（ｙ軸）及びヨー軸（ｚ軸）の回りのみを回転可能に連結される。
【００２０】
支持部３４の左右には、支持部３４を挟むように第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂが設けられる。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂは第一フレーム３１と第二フレーム３２との間に架け渡される。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂは、本体部４２ａ，４２ｂ及び本体部４２ａ，４２ｂに対して軸線方向に直線運動する軸部４３ａ，４３ｂと、を備える。本体部４２ａ，４２ｂは、一対の第一部材側連結部材としての一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂを介して第一フレーム３１に連結される。軸部４３ａ，４３ｂは、一対の第二部材側連結部材としての一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂを介して第二フレーム３２に連結される。
【００２１】
ここで、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂは人間の筋肉として機能し、一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂ及び一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂは人間の腱として機能する。そして、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂを伸縮させることによって、頭部１４がピッチ軸（ｙ軸）及びヨー軸（ｚ軸）の回りを回転する。
【００２２】
図６は、本実施形態のロボットの関節構造の斜視図を示す。本実施形態のロボットの関節構造は、第一フレーム３１、第二フレーム３２、支持部３４、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂ、一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂ、一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂを基本的な構成要素とする。
【００２３】
第一フレーム３１は、前後端を下方に折り曲げた板状に形成され、上面の平面３１ｃを有する。人間型ロボットの首関節に取り付けられたとき、この平面３１ｃは水平面に位置する（図４参照）。第一フレーム３１の左右には、前方に向かって突出する一対の支持プレート３１ａ，３１ｂが設けられる。一対の支持プレート３１ａ，３１ｂには、左右方向に伸びる第一連結軸５１が通される。第一連結軸５１の長さ方向の両端部には、一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂが第一連結軸５１の軸線の回りを回転可能に設けられる。なお、第一連結軸５１はピッチ軸（ｙ軸）の方向に伸びているので、一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂはピッチ軸（ｙ軸）の回りを回転可能となっている。
【００２４】
第一フレーム３１の平面３１ｃ上には、支持部３４が第一の軸としてのヨー軸５２の回りを回転可能に設けられる。支持部３４は、全体形状がＵ字形状に形成される支持部本体５３と、その下端部に設けられるヨー軸５２と、その上端部に設けられるピッチ軸５４と、を備える。ヨー軸５２は第一フレーム３１の平面部３１ｃに直交し、垂直方向を向く。ピッチ軸５４はヨー軸５２と直角であり、水平方向を向く。ピッチ軸５４は、第二フレーム３２に回転可能に連結される。支持部３４は、第一フレーム３１に対して第二フレーム３２が直交する二軸（ピッチ軸（ｙ軸）及びヨー軸（ｚ軸））の回りに回転可能になるように第一フレーム３１と第二フレーム３２とを連結する。
【００２５】
なお、本実施形態では、ヨー軸５２の軸線とピッチ軸５４の軸線とは直交していて、第二フレーム３２は直交する二軸（ピッチ軸（ｙ軸）及びヨー軸（ｚ軸））の回りに回転可能になっている。なお、ピッチ軸５４の軸線とヨー軸５２の軸線とは直角であれば、直交しなくてもよく、ピッチ軸５４の軸線とヨー軸５２の軸線とが離間していてもよい。
【００２６】
第二フレーム３２は、平行な一対の対向プレート５６ａ，５６ｂと、一対の対向プレート５６ａ，５６ｂを連結する連結プレート５７と、を備える。一対の対向プレート５６ａ，５６ｂの下端部は、支持部３４のピッチ軸５４に回転可能に取り付けられる。一対の対向プレート５６ａ，５６ｂ間には左右方向に伸びる第二連結軸５８が通る。第二連結軸５８の長さ方向の両端部には、一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂが第二連結軸５８の軸線の回りを回転可能に設けられる。なお、第二連結軸５８はピッチ軸（ｙ軸）の方向に伸びているので、一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂはピッチ軸（ｙ軸）の回りを回転可能となっている。
【００２７】
第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂそれぞれは、円筒状の本体部４２ａ，４２ｂと、本体部４２ａ，４２ｂに対して軸線方向（軸線をＬａ，Ｌｂで示す）に直線運動する円筒状の軸部４３ａ，４３ｂと、を備える。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの構造は同一である。本体部４２ａ，４２ｂの内部には、ねじ軸及びねじ軸に螺合するボールねじナット、ねじ軸を回転駆動するサーボモータが組み込まれる。サーボモータがねじ軸を回転させると、ねじ軸に螺合するボールねじナットが軸線方向に直線運動する。ボールねじナットには軸部４３ａ，４３ｂが結合されていて、ボールねじナットの直線運動と一緒に軸部４３ａ，４３ｂが直線運動するようになっている。軸部４３ａ，４３ｂは本体部４２ａ，４２ｂに対して回り止めされておらず、本体部４２ａ，４２ｂに対して軸線Ｌａ，Ｌｂの回りを回転可能である。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸部４３ａ，４３ｂが本体部４２ａ，４２ｂに対して軸線方向に相対的に直線運動するとき、本体部４２ａ，４２ｂに対して軸線Ｌａ，Ｌｂの回りを相対的に回転する。なお、この図には軸部４３ａ，４３ｂは本体部４２ａ，４２ｂに対して回り止めされた状態が示されているが、実際には回り止めは除去されている。
【００２８】
第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの本体部４２ａ，４２ｂは、一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂを介して第一フレーム３１に連結される。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸部４３ａ，４３ｂは、一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂを介して第二フレーム３２に連結される。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの本体部４２ａ，４２ｂの軸線の回り止めは、一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂによって行われる。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸部４３ａ，４３ｂの軸線の回り止めは、一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂによって行われる。
【００２９】
一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂそれぞれは、長方形の３辺を構成するようなコ字形状に形成される。第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂは第一連結軸５１に回転可能に取り付けられる基部６１と、基部に直角な一対のブラケット部６２ａ，６２ｂと、を備える（図３参照）。一対のブラケット部６２ａ，６２ｂには、第一又は第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの本体部４２ａ，４２ｂが第一支持軸６４ａ，６４ｂの回りを回転可能に支持される。第一連結軸５１の軸線と第一支持軸６４ａ，６４ｂの軸線とは直交する。また、互いに直交する第一連結軸５１の軸線及び第一支持軸６４ａ，６４ｂの軸線は、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸線Ｌａ，Ｌｂと直交する。すなわち、一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂは、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの本体部４２ａ，４２ｂを、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸線Ｌａ，Ｌｂの回りの回り止めをした状態で、直交する二軸（第一連結軸５１及び第一支持軸６４ａ，６４ｂ）の回りを回転可能に支持する。
【００３０】
第二連結軸５８の軸線方向の両端部には、一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂが第二連結軸５８の軸線の回りを回転可能に設けられる。一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂそれぞれも、長方形の３辺を構成するようなコ字形状に形成される。一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂは、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの本体部４２ａ，４２ｂを支持するか軸部４３ａ，４３ｂを支持するかの違いがあるだけで、一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂと同一の構成である。一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂは、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸部４３ａ，４３ｂを、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸線Ｌａ，Ｌｂの回りの回転止めをした状態で、直交する二軸（すなわち第二連結軸５８及び第二支持軸６６ａ，６６ｂ）の回りを回転可能に支持する。なお、第二支持軸６６ａ，６６ｂは、第一支持軸６４ａ，６４ｂと同様に第一又は第二の直動アクチュエータの軸部４３ａ，４３ｂの回転の支点となる。
【００３１】
図５は図４の概念図を示す。図５に示すように、水平方向を向く第二の軸としてのピッチ軸５４の軸線方向からみた状態において、垂直方向を向く第一の軸としてのヨー軸５２の軸線Ｖと第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸線Ｌａ，Ｌｂとのなす角度θは鋭角（すなわち０°よりも大きく９０°未満）である。そして、ヨー軸５２の軸線Ｖ、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸線Ｌａ，Ｌｂ、及び第一フレーム３１の平面３１ｃによって三角形が形成される。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂは筋交いのように斜めに第一フレーム３１と第二フレーム３２との間に架け渡される。なお、図５の状態では、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの伸縮量を等しくしており、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸線Ｌａ，Ｌｂが重なっている。
【００３２】
胴体部１１には、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂのサーボモータを制御する第一及び第二のドライバ（図示せず）が設けられる。第一及び第二のドライバのそれぞれは、サーボモータに電力を供給するＰＷＭ(pulse width modulation)インバータ等の電力変換器、サーボモータの出力軸の速度及び位置を検出するセンサ、操作マニピュレータからの指令及びセンサからの情報によって電力変換器を制御する制御器を備える。第一及び第二のドライバは相互に通信し合い、別に制御ボックスが無くても同期した動きが可能となっている。なお、第一及び第二のドライバを統合させた一つのドライバによって二つのサーボモータを制御するようにしてもよい。
【００３３】
図７は、本実施形態のロボットの関節構造の動作図を示す。図７（ａ）に示すように、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂが軸部４３ａ，４３ｂを引き込むようにすると、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの全長が縮む。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸部４３ａ，４３ｂには第二フレーム３２が連結されているので、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂが縮むのに伴って第二フレーム３２がピッチ軸５４（ｙ軸）のみの回りを回転する。これにより、頭部１４が下を向く。逆に、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂが軸部４３ａ，４３ｂを押し出すようにすると、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの全長が伸び、頭部１４が上を向く。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂをさらに伸ばしたとき、図５に示すように、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂと第二フレーム３２との連結位置（すなわち一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂの位置）が第一の軸としてのヨー軸５２の軸線Ｖ上に位置する。
【００３４】
図７（ｂ）に示すように、第一の直動アクチュエータ４１ａが軸部４３ａを引き込み、第二の直動アクチュエータ４１ｂが軸部４３ｂを押し出すようにすると、第二フレーム３２がヨー軸５２（ｚ軸）のみの回りを反時計方向に回転する。逆に、第一の直動アクチュエータ４１ａが軸部４３ａを押し出し、第二の直動アクチュエータ４１ｂが軸部４３ｂを引き込むようにすると、第二フレーム３２がヨー軸５２（ｚ軸）のみの回りを時計方向に回転する。
【００３５】
第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの伸縮量を制御することで、第二フレーム３２をピッチ軸（ｙ軸）の回りに回転させながらヨー軸（ｚ軸）の回りに回転させることも可能となる。
【００３６】
本発明の一実施形態のロボットの関節構造によれば、以下の効果を奏する。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂを用いたシンプルな構造によって、第二フレーム３２が第一フレーム３１に対して直交する二軸の回りを相対的に回転する関節構造を構築できる。また、第一フレーム３１に対して第二フレーム３２を回転させるにあたって、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂを同時に作動させているので、従来の回転系のサーボモータを組み合わせた関節構造に比べて、数倍の力を発生させることができる。逆にいえば、必要な力を得るための第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂを小型化することができ、関節構造の軽量化、小型化が図れる。さらに、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂが関節構造を構成するリンクを兼ねているので、関節構造の軽量化、小型化を図ることができる。
【００３７】
図５に示すように、支持部３４は、平面３１ｃを持つ第一フレーム３１上に平面４１ａと直交するヨー軸５２の回りに回転可能に設けられ、ピッチ軸５４の軸線方向から見た状態において、ヨー軸５２の軸線Ｖと第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸線とのなす角度が鋭角であるので、第一及び第二のアクチュエータ４１ａ，４１ｂが筋交いのように機能し、関節構造の強度を向させる。
【００３８】
ヨー軸５２の軸線Ｖが垂直方向を向くようにすることで、支持部３４が頭部１４の質量を支えることができるようになり、第一及び第二のアクチュエータ４１ａ，４１ｂにかかる負荷が低減する。特に、図５に示すように、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂを伸ばしたとき、一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂがヨー軸５２の軸線Ｖ上に位置するようにすることで、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂにかかる負荷がより一層低減する。さらに、第一及び第二のアクチュエータ４１ａ，４１ｂには逆効率の低いボールねじが組み込まれるので、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂのサーボモータに供給する電力を低減できる。
【００３９】
一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂは、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの本体部４２ａ，４２ｂの回り止めをした状態で、本体部４２ａ，４２ｂの軸線に直交する二軸の回りに回転可能に本体部４２ａ，４２ｂを支持する。一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂは、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸部４３ａ，４３ｂの回り止めをした状態で、軸部４３ａ，４３ｂの軸線に直交する二軸の回りに回転可能に軸部４３ａ，４３ｂを支持する。このため、第二フレーム３２が第一フレーム３１に対してピッチ軸（ｙ軸）及びヨー軸（ｚ軸）の回りに２自由度を持って移動しても、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂに無理な力がかかるのを防止することができる。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂに、例えば、軸線方向以外のラジアル荷重、モーメント等の無理な力がかかるのを防止できる。
【００４０】
第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの軸部４３ａ，４３ｂは、本体部４２ａ，４２ｂに対して軸線の回りを相対的に回転することができるので、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂにねじりの無理な力がかかるのを防止できる。
【００４１】
一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂを第一フレーム３１を通る第一連結軸５１の両端部に回転可能に設けるので、一対の第一フレーム側連結部材４４ａ，４４ｂを共通の軸線の回りに回転させることができる。同様に、一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂを第二フレーム３２を通る第二連結軸５８の両端部に回転可能に設けるので、一対の第二フレーム側連結部材４５ａ，４５ｂを共通の軸線の回りに回転させることができる。
【００４２】
本実施形態のロボットの関節構造は、人間型ロボットの首関節に適している。第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂの内部にはボールねじが組み込まれるので、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂは大きな圧縮荷重を負荷することができる。このため、頭部１４の質量が重くても、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂは安定して頭部１４を支える。これに対して、従来のように回転系のサーボモータ及びギヤを使用した場合には、ギヤのバックラッシに起因して頭部１４が揺れ動くおそれがある。
【００４３】
第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂが第一及びフレームの左右に離れて配置されるので、第一及び第二の直動アクチュエータ４１ａ，４１ｂ間に配線を通せるスペースを確保することができる。このため、頭部１４に内蔵されるＣＣＤカメラ１５、音声ユニット等に配線するのが容易になる。
【００４４】
なお、本発明は上記実施形態に具現化されるのに限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で様々に変更可能である。例えば、第一及び第二の直動アクチュエータの本体部に対して軸部を回り止めし、第一及び第二の直動アクチュエータの本体部及び軸部を球面軸受けで支持することも可能である。本発明は２自由度の関節構造に限られることはなく、第三の直動アクチュエータを付加することで、自由度が３以上の関節構造にも適用することができる。
【００４５】
上記実施形態では、本発明のロボットの関節構造を、人間型ロボットの首関節に適用した例について説明したが、首関節以外の他の関節にも適用することができる。本発明は人間型ロボットに限られることはなく、垂直多関節ロボット、水平多関節ロボット等の産業用ロボットにも適用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０…人間型ロボット，３１…第一フレーム（第一部材），３１ｃ…平面，３２…第二フレーム（第二部材），３４…支持部，４１ａ，４１ｂ…第一及び第二の直動アクチュエータ，４２ａ，４２ｂ…第一及び第二の直動アクチュエータの本体部，４３ａ，４３ｂ…第一及び第二の直動アクチュエータの軸部，４４ａ，４４ｂ…第一フレーム側連結部材（第一部材側連結部材），４５ａ，４５ｂ…第二フレーム側連結部材（第二部材側連結部材），５１…第一連結軸，５２…ヨー軸（第一の軸），５４…ピッチ軸（第二の軸），５８…第二連結軸，６４ａ，６４ｂ…第一支持軸，６６ａ，６６ｂ…第二支持軸，Ｌａ，Ｌｂ…第一及び第二の直動アクチュエータの軸線，Ｖ…ヨー軸の軸線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一部材に対して第二部材を直角な二軸の回りに相対的に回転させるロボットの関節構造であって、
第一部材と、
前記第一部材に第一の軸の回りに回転可能に支持される支持部と、
前記支持部に前記第一の軸に直角な第二の軸の回りに回転可能に支持される第二部材と、
前記第一部材と前記第二部材との間に架け渡され、本体部、及び本体部に対して軸線方向に相対的に直線運動する軸部を有する第一及び第二の直動アクチュエータと、を備え、
前記第一及び前記第二の直動アクチュエータのいずれか一方を伸ばし、他方を縮めるとき、前記第二部材が前記第一部材に対して前記第一の軸及び前記第二の軸のいずれか一方の回りを相対的に回転し、
前記第一及び前記第二の直動アクチュエータの双方を伸ばし、又は前記第一及び前記第二の直動アクチュエータの双方を縮めるとき、前記第二部材が前記第一部材に対して前記第一の軸及び前記第二の軸の他方の回りを相対的に回転するロボットの関節構造。
【請求項２】
前記支持部は、平面を持つ前記第一部材上に前記平面と直交する前記第一の軸の回りに回転可能に設けられ、
前記第二の軸の軸線方向から見た状態において、前記第一の軸の軸線と前記第一及び前記第二の直動アクチュエータの少なくとも一方の軸線とのなす角度が鋭角であることを特徴とする請求項１に記載のロボットの関節構造。
【請求項３】
前記第一の軸は垂直方向を向き、
前記第二の軸は水平方向を向くことを特徴とする請求項２に記載のロボットの関節構造。
【請求項４】
前記第一の軸は垂直方向を向き、
前記第二の軸は水平方向を向き、
前記第二の軸の軸線方向から見た状態において、前記第一の軸の軸線と前記第一及び前記第二の直動アクチュエータの少なくとも一方の軸線とがなす角度が鋭角であることを特徴とする請求項１に記載のロボットの関節構造。
【請求項５】
前記第二の軸の軸線方向から見た状態において、
前記第一及び前記第二の直動アクチュエータの少なくとも一方が伸縮することによって、前記第一及び前記第二の直動アクチュエータを前記第二部材に連結する一対の第二部材側連結部材の少なくとも一方と前記第二部材との連結位置が前記第一の軸の軸線上に位置することを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載のロボットの関節構造。
【請求項６】
前記第一及び前記第二の直動アクチュエータは、ボールねじを備え、
前記ボールねじのナット及びねじ軸のいずれか一方を他方に対して回転させることによって、前記本体部に対して前記軸部を軸線方向に相対的に直線運動させることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載のロボットの関節構造。
【請求項７】
前記ロボットの関節構造はさらに、
前記第一及び前記第二の直動アクチュエータを前記第一部材に連結する一対の第一部材側連結部材と、
前記第一及び前記第二の直動アクチュエータを前記第二部材に連結する一対の第二部材側連結部材と、を備え、
前記一対の第一部材側連結部材は、前記第一及び前記第二の直動アクチュエータの軸線の回りの回り止めをした状態で、前記第一及び前記第二の直動アクチュエータを前記第一及び前記第二の直動アクチュエータの軸線に直角な二軸の回りに回転可能に支持し、
前記一対の第二部材側連結部材は、前記第一及び前記第二の直動アクチュエータの軸線の回りの回り止めをした状態で、前記第一及び前記第二の直動アクチュエータを前記第一及び前記第二の直動アクチュエータの軸線に直角な二軸の回りに回転可能に支持することを特徴とする請求項１に記載にロボットの関節構造。
【請求項８】
前記第一及び前記第二の直動アクチュエータの前記軸部は、前記本体部に対して前記軸線方向に相対的に直線運動するとき、前記本体部に対して前記軸線の回りを相対的に回転することを特徴とする請求項７に記載のロボットの関節構造。
【請求項９】
前記ロボットの関節構造はさらに、
前記第一及び前記第二の直動アクチュエータを前記第一部材に連結する一対の第一部材側連結部材と、
前記第一及び前記第二の直動アクチュエータを前記第二部材に連結する一対の第二部材側連結部材と、を備え、
前記一対の第一部材側連結部材は、前記第一部材を通る第一連結軸の両端部に設けられ、
前記一対の第二部材側連結部材は、前記第二部材を通る第二連結軸の両端部に設けられることを特徴とする請求項１に記載のロボットの関節構造。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかに記載のロボットの関節構造が首関節に用いられる人間型ロボット。
【請求項１】
第一部材に対して第二部材を直角な二軸の回りに相対的に回転させるロボットの関節構造であって、
第一部材と、
前記第一部材に第一の軸の回りに回転可能に支持される支持部と、
前記支持部に前記第一の軸に直角な第二の軸の回りに回転可能に支持される第二部材と、
前記第一部材と前記第二部材との間に架け渡され、本体部、及び本体部に対して軸線方向に相対的に直線運動する軸部を有する第一及び第二の直動アクチュエータと、を備え、
前記第一及び前記第二の直動アクチュエータのいずれか一方を伸ばし、他方を縮めるとき、前記第二部材が前記第一部材に対して前記第一の軸及び前記第二の軸のいずれか一方の回りを相対的に回転し、
前記第一及び前記第二の直動アクチュエータの双方を伸ばし、又は前記第一及び前記第二の直動アクチュエータの双方を縮めるとき、前記第二部材が前記第一部材に対して前記第一の軸及び前記第二の軸の他方の回りを相対的に回転するロボットの関節構造。
【請求項２】
前記支持部は、平面を持つ前記第一部材上に前記平面と直交する前記第一の軸の回りに回転可能に設けられ、
前記第二の軸の軸線方向から見た状態において、前記第一の軸の軸線と前記第一及び前記第二の直動アクチュエータの少なくとも一方の軸線とのなす角度が鋭角であることを特徴とする請求項１に記載のロボットの関節構造。
【請求項３】
前記第一の軸は垂直方向を向き、
前記第二の軸は水平方向を向くことを特徴とする請求項２に記載のロボットの関節構造。
【請求項４】
前記第一の軸は垂直方向を向き、
前記第二の軸は水平方向を向き、
前記第二の軸の軸線方向から見た状態において、前記第一の軸の軸線と前記第一及び前記第二の直動アクチュエータの少なくとも一方の軸線とがなす角度が鋭角であることを特徴とする請求項１に記載のロボットの関節構造。
【請求項５】
前記第二の軸の軸線方向から見た状態において、
前記第一及び前記第二の直動アクチュエータの少なくとも一方が伸縮することによって、前記第一及び前記第二の直動アクチュエータを前記第二部材に連結する一対の第二部材側連結部材の少なくとも一方と前記第二部材との連結位置が前記第一の軸の軸線上に位置することを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載のロボットの関節構造。
【請求項６】
前記第一及び前記第二の直動アクチュエータは、ボールねじを備え、
前記ボールねじのナット及びねじ軸のいずれか一方を他方に対して回転させることによって、前記本体部に対して前記軸部を軸線方向に相対的に直線運動させることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載のロボットの関節構造。
【請求項７】
前記ロボットの関節構造はさらに、
前記第一及び前記第二の直動アクチュエータを前記第一部材に連結する一対の第一部材側連結部材と、
前記第一及び前記第二の直動アクチュエータを前記第二部材に連結する一対の第二部材側連結部材と、を備え、
前記一対の第一部材側連結部材は、前記第一及び前記第二の直動アクチュエータの軸線の回りの回り止めをした状態で、前記第一及び前記第二の直動アクチュエータを前記第一及び前記第二の直動アクチュエータの軸線に直角な二軸の回りに回転可能に支持し、
前記一対の第二部材側連結部材は、前記第一及び前記第二の直動アクチュエータの軸線の回りの回り止めをした状態で、前記第一及び前記第二の直動アクチュエータを前記第一及び前記第二の直動アクチュエータの軸線に直角な二軸の回りに回転可能に支持することを特徴とする請求項１に記載にロボットの関節構造。
【請求項８】
前記第一及び前記第二の直動アクチュエータの前記軸部は、前記本体部に対して前記軸線方向に相対的に直線運動するとき、前記本体部に対して前記軸線の回りを相対的に回転することを特徴とする請求項７に記載のロボットの関節構造。
【請求項９】
前記ロボットの関節構造はさらに、
前記第一及び前記第二の直動アクチュエータを前記第一部材に連結する一対の第一部材側連結部材と、
前記第一及び前記第二の直動アクチュエータを前記第二部材に連結する一対の第二部材側連結部材と、を備え、
前記一対の第一部材側連結部材は、前記第一部材を通る第一連結軸の両端部に設けられ、
前記一対の第二部材側連結部材は、前記第二部材を通る第二連結軸の両端部に設けられることを特徴とする請求項１に記載のロボットの関節構造。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかに記載のロボットの関節構造が首関節に用いられる人間型ロボット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−９１１４５（Ｐ２０１３−９１１４５Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３６３１２（Ｐ２０１１−２３６３１２）
【出願日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【出願人】（３９００２９８０５）ＴＨＫ株式会社 (420)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【出願人】（３９００２９８０５）ＴＨＫ株式会社 (420)
【Ｆターム（参考）】
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