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】小型化を図れると共にがたつきをなくすことができ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に軸線Ａ１の回りに回転可能に支持されると共に、第二部材４１に結合可能な回転出力軸３２と、本体部６２ａ，６２ｂ及び本体部６２ａ，６２ｂに対して直線運動する軸部６３ａ，６３ｂを有する第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂと、を備える。第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂの本体部６２ａ，６２ｂが第一部材３１に回転可能に支持され、軸部６３ａ，６３ｂが回転出力軸３２に連結される。第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂを伸縮させることによって、第一部材３１に対して回転出力軸３２を軸線Ａ１の回りに相対的に回転させる。
【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に軸線Ａ１の回りに回転可能に支持されると共に、第二部材４１に結合可能な回転出力軸３２と、本体部６２ａ，６２ｂ及び本体部６２ａ，６２ｂに対して直線運動する軸部６３ａ，６３ｂを有する第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂと、を備える。第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂの本体部６２ａ，６２ｂが第一部材３１に回転可能に支持され、軸部６３ａ，６３ｂが回転出力軸３２に連結される。第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂを伸縮させることによって、第一部材３１に対して回転出力軸３２を軸線Ａ１の回りに相対的に回転させる。
【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肩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。人間型ロボットの肩関節にも、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。
【０００４】
従来のロボットの関節構造においては、回転の自由度が１の関節を実現するために、回転軸を備えるサーボモータを使用するのが一般的であった。そして、回転の自由度が２以上の関節を実現するためには、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（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２００８−１８８６９９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用い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、サーボモータが大型化し、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肩関節として用いるとき、人間のような細い肩や腕を実現するのが困難であるという課題がある。
【０００７】
また、サーボモータの小型化を図るためにサーボモータに併用して減速機を設けた場合には、減速機のバックラッシュに起因して腕等の被駆動体が揺れ動くので、関節構造ががたつくという課題がある。
【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、小型化を図れると共に関節構造のがたつきをなくすことができ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回転出力軸の軸線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、前記第一部材に軸線の回りに回転可能に支持されると共に、第二部材に結合可能な回転出力軸と、本体部及び前記本体部に対して直線運動する軸部を有し、前記本体部及び前記軸部のいずれか一方が前記第一部材に前記回転出力軸の軸線と平行な軸線の回りを回転可能に支持され、前記本体部及び前記軸部の他方が前記回転出力軸に連結され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を伸縮させることによって、前記第一部材に対して前記回転出力軸を軸線の回りに相対的に回転させ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、第一部材に対して回転出力軸を相対的に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を伸縮させているので、従来の回転系のサーボモータを用い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、必要な力を得た上で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る。また、回転出力軸、第一及び第二の直動アクチュエータが第一部材に設けられており、第一部材と第二部材をリンク等で連結していないので、関節構造の小型化が図れる。さらに、一つの回転出力軸を二つの直動アクチュエータで回転させているので、第一及び第二の直動アクチュエータをずらして動作させることによって、第一及び第二の直動アクチュエータの内部のバックラッシュ、軸受等に発生するすきま等に起因する関節構造のがたつきをなくすことが可能になる。
【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】上記人間型ロボットの上半身の正面図
【図４】上記人間型ロボットの右肩の関節の斜視図
【図５】本実施形態のロボットの関節構造の斜視図
【図６】本実施形態のロボットの関節構造の詳細図（図中（ａ）は側面図を示し、図中（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図）
【図７】第一及び第二の直動アクチュエータを制御する制御システムのブロック構成図
【図８】本実施形態のロボットの関節構造の動作図
【図９】本実施形態のロボットの関節構造のがたつきの一例を示す模式図
【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、本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に肩関節を介して円決され、胴体部１１の周囲で自在に回転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２８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はカバーを取り外した人間型ロボットの上半身の正面図を示し、図４は右肩の関節の斜視図を示す。本発明の一実施形態のロボットの関節構造２２，２３は、人間型ロボットの肩関節として使用される。図３に示すように、胴体部フレーム２１の左右の上端部には、ピッチ軸の関節構造２２及びロール軸の関節構造２３を介して、腕部１３がピッチ軸及びロール軸の回りに回転可能に取り付けられる。ピッチ軸の関節構造２２及びロール軸の関節構造２３は、いずれも一つの回転出力軸を備え、回転の自由度が１の関節構造である。ピッチ軸の関節構造２２はピッチ軸（図中ｙ軸）の回りに腕部１３を回転させ、ロール軸の関節構造２３はロール軸（図中ｘ軸）の回りに腕部１３を回転させる。ピッチ軸の関節構造２２及びロール軸の関節構造２３を組み合わせることにより、回転の自由度が２の肩関節が得られる。腕部１３の下端には、回転の自由度が１の肘関節２９が設けられる。胴体部フレーム２１は腰関節２５を介して骨盤フレーム２６に支持される。胴体部フレーム２１の上には首関節２７を介して頭部１４が載せられる。
【００２０】
図４に示すように、ピッチ軸の関節構造２２は、第一部材としての第一フレーム３１、第一フレーム３１に回転可能に支持される回転出力軸３２、回転出力軸３２を回転させる二つの直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂ（図５参照）を備える。第一フレーム３１は、胴体部フレーム２１に結合される。回転出力軸３２には、第二部材としての肩部フレーム４１が結合される。二つの直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂによって回転出力軸３２を回転させると、第一フレーム３１に対して肩部フレーム４１が回転出力軸３２（ピッチ軸（ｙ軸））の回りを回転する。
【００２１】
肩部フレーム４１は、薄板を略コの字形状に折り曲げて形成され、対向する平行な一対の腕部支持プレート４１ａ，４１ｂと、一対の腕部支持プレート４１ａ，４１ｂを連結する基部プレート４１ｃと、を備える。腕部支持プレート４１ａ，４１ｂと基部プレート４１ｃとは直交する。基部プレート４１ｃの背面には、ピッチ軸の関節構造２２の回転出力軸３２が結合される。基部プレート４１ｃには、回転出力軸３２の軸線と中心を合わせた貫通孔４２が空けられる。貫通孔４２の周囲には、取付け部としてボルト等の締結部材を通す多数の通し孔４３が空けられる。基部プレート４１ｃと回転出力軸３２とはボルト等の締結部材によって結合される。
【００２２】
肩部フレーム４１の一対の腕部支持プレート４１ａ，４１ｂの間には、ロール軸の関節構造２３がロール軸（ｘ軸）の回りに回転可能に設けられる。ロール軸の関節構造２３は、第一部材としての腕部フレーム５１、腕部フレーム５１に相対的に回転可能に支持される回転出力軸５２、回転出力軸５２を回転させる二つの直動アクチュエータ５４ａ，５４ｂ（図５参照）を備える。後述するように、ピッチ軸の関節構造２２及びロール軸の関節構造２３は同一の構造である。回転出力軸５２は、肩部フレーム４１の支持プレート４１ｂに結合される。支持プレート４１ｂには、回転出力軸５２の軸線と中心を合わせた貫通孔４４が空けられる。貫通孔４４の周囲には、取付け部としてボルト等の締結部材を通す多数の通し孔４５が空けられる。支持プレート４１ｂと回転出力軸５２とはボルト等の締結部材によって結合される。
【００２３】
ロール軸の関節構造２３の二つの直動アクチュエータ５４ａ，５４ｂによって回転出力軸５２を相対的に回転させると、回転出力軸５２が肩部フレーム４１に回転不能に結合されているので、腕部フレーム５１が肩部フレーム４１に対してロール軸（ｘ軸）の回りを回転する。ピッチ軸の関節構造２２の回転出力軸３２の軸線とロール軸の関節構造２３の回転出力軸５２の軸線とは直交している。ピッチ軸の関節構造２２及びロール軸の関節構造２３を動作させることにより、胴体部フレーム２１に対して腕部フレーム５１が直交する２軸（ピッチ軸及びロール軸）の回りに回転する。
【００２４】
図５は、本実施形態のロボットの関節構造の斜視図を示す。ピッチ軸の関節構造２２及びロール軸の関節構造２３は同一の構造である。ここでは、ピッチ軸の関節構造２２について説明し、ピッチ軸の関節構造２２の構成要素に対応するロール軸の関節構造２３の構成要素を括弧書きの符号で示す。
【００２５】
本実施形態のロボットの関節構造は、第一部材としての第一フレーム３１、第一フレーム３１に回転可能に支持される回転出力軸３２、回転出力軸３２を回転させる第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂを基本的な構成要素とする。第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂを動作させると、第一フレーム３１に対して回転出力軸３２が軸線Ａ１の回りを回転する。
【００２６】
本実施形態のロボットの関節構造をピッチ軸の関節構造２２として使用した場合、図４に示すように、第一フレーム３１は胴体部フレーム２１に結合され、回転出力軸３２は肩部フレーム４１に結合される。本実施形態のロボットの関節構造をロール軸の関節構造２３として使用した場合、回転出力軸５２が肩部フレーム４１に結合される。第一フレームとしての腕部フレーム５１は、ロール軸の関節構造２３のフレームとしての機能と腕部１３のフレームとして機能を併せ持つ。
【００２７】
図５に示すように、第一フレーム３１は、対向する平行な一対の支持プレート３１ａ，３１ｂと、支持プレート３１ａ，３１ｂの長さ方向の一端部（図中下端部）を連結する連結プレート３１ｃと、を備え、全体がコの字形状に形成される。支持プレート３１ａ，３１ｂは図中上下方向に細長い略長方形に形成される。支持プレート３１ａ，３１ｂの上端部は半円形に形成される。連結プレート３１ｃは四角形に形成される。支持プレート３１ａ，３１ｂの上部には、回転出力軸３２の軸線Ａ１と中心を一致させた円形の貫通孔３１ａ１，３１ｂ１が形成される。一対の支持プレート３１ａ，３１ｂの上部はスタッド３３により連結される。
【００２８】
支持プレート３１ａ，３１ｂの貫通孔３１ａ１，３１ｂ１の周囲には、回転出力軸３２を回転可能に支持する軸受が３４ａ，３４ｂ取り付けられる。軸受３４ａ，３４ｂにはすべり軸受が用いられても、転がり軸受が用いられてもよい。
【００２９】
回転出力軸３２は、一対の支持プレート３１ａ，３１ｂの間に挟まれ、軸線Ａ１の回りを回転可能に軸受３４ａ，３４ｂに支持される。回転出力軸３２の軸線方向の一方の端部には、肩部フレーム４１に結合される結合部３６が形成される。結合部３６は支持プレート３１ｂの貫通孔３１ｂ１から露出しており、支持プレート３１ｂから突出している。結合部３６の端面には取付け部として周方向に複数のねじ孔３６ａが形成される。
【００３０】
回転出力軸３２は、軸線方向に離間する一対のフランジ３２ａ，３２ｂを有する。フランジ３２ａ，３２ｂは円環を基礎とした形状をなし、スタッド３３の干渉を避けるように外周の一部が切り欠かれている。フランジ３２ａ，３２ｂ間には一対の出力軸側連結軸３５ａ，３５ｂ（図８参照）が回転可能に架け渡される。一対の出力軸側連結軸３５ａ，３５ｂはフランジの周方向に１８０°離れた位置に配置される。出力軸側連結軸３５ａ，３５ｂの軸線は、回転出力軸３２の軸線Ａ１と平行である。
【００３１】
回転出力軸３２は中空軸であり、その内部に軸線方向に貫通する貫通孔３２ｃが形成される。また、回転出力軸３２の軸線方向の途中には、回転出力軸３２の外部空間と回転出力軸３２の内部空間とを繋ぐスリット３２ｄが形成される。スリット３２ｄはフランジ３２ａ，３２ｂ間に設けられると共に、周方向に細長く伸びる。
【００３２】
図４に示すように、ピッチ軸の関節構造２２の回転出力軸３２には、胴体部フレーム２１から肩部フレーム４１に到る配線４８が通される。この配線４８は肩部フレーム４１の貫通孔４２を通過して腕部フレーム５１に向かう。配線４８は、ロール軸の関節構造２３の回転出力軸５２のスリット５２ｄを介して回転出力軸５２の中空空間を通過し、支持プレート４１ｂの貫通孔４４から外に飛び出し、ロール軸の関節構造２３のマスター及びスレーブ制御装置６１ａ，６１ｂに接続される。
【００３３】
図５に示すように、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂは、一対の支持プレート３１ａ，３１ｂ間に回転可能に挟まれる。図６の詳細図に示すように、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂのそれぞれは、円筒状の本体部６２ａ，６２ｂと、本体部６２ａ，６２ｂに対して軸線方向に直線運動する軸部６３ａ，６３ｂと、を備える。第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂの構造は同一である。軸部６３ａ，６３ｂは本体部６２ａ，６２ｂの中心線上に配置される。軸部６３ａ，６３ｂの外周面には螺旋状のねじ溝が形成される。本体部６２ａ，６２ｂには、軸部６３ａ，６３ｂのねじ溝に螺合するボールねじナット（図示せず）が収納される。本体部６２ａ，６２ｂには、ボールねじナットが本体部６２ａ，６２ｂに軸線の回りの回転のみが許容された状態で収納される。本体部６２ａ，６２ｂには、さらにボールねじナットを回転させるサーボモータが収納される。サーボモータがボールねじナットを回転させると、ボールねじナットの軸線方向の移動が制限されているので、軸部６３ａ，６３ｂが軸線方向に直線運動する。
【００３４】
第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂの本体部６２ａ，６２ｂは、支持プレート３１ａ，３１ｂに回転可能に支持される。本体部６２ａ，６２ｂは四角形の枠６５ａ，６５ｂに嵌められる。四角形の枠６５ａ，６５ｂは回転軸６６ａ，６６ｂを備える。回転軸６６ａ，６６ｂが支持プレート３１ａ，３１ｂの貫通孔に嵌められる。第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂの本体部６２ａ，６２ｂは回転軸６６ａ，６６ｂを中心として揺動可能である。回転軸６６ａ，６６ｂの軸線は回転出力軸３２の軸線と平行である。第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂの軸部６３ａ，６３ｂは、回転出力軸３２に支持された出力軸側連結軸３５ａ，３５ｂに結合される。
【００３５】
図６に示すように、回転出力軸３２の軸線方向から見た状態において、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂは、回転出力軸３２の軸線Ａ１を通る中心線Ｃ１を境にした左右に中心線Ｃ１に略平行に配置される。第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂは、完全に平行でなくても、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂの取付けスペースを低減できる程度に平行であればよい。本実施形態の第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂは回転軸６６ａ，６６ｂの回りを揺動するので、完全に平行な状態になったり、傾いた状態になったりする。なお、図６に示すように、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂの伸縮量が等しくなったとき、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂは中心線Ｃ１を境にして左右対称である。
【００３６】
図５に示すように、支持プレート３１ｂには、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂのサーボモータを制御するマスター制御装置６１ａ及びスレーブ制御装置６１ｂが取り付けられる。マスター制御装置６１ａ及びスレーブ制御装置６１ｂ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、コンピュータ等の上位コントローラからの指令（後述するように、スレーブ制御装置６１ｂの場合はマスター制御装置６１ａ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。
【００３７】
図７は第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂを制御する制御システムのブロック構成図を示す。本実施形態では、マスター及びスレーブ制御装置６１ａ，６１ｂでマスタースレーブ制御を行い、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂのサーボモータを同期制御することを特徴とする。上位コントローラ７１は、マスター制御装置６１ａのみに指令を送信する。マスター制御装置６１ａは、上位コントローラ７１から送信された指令を受信し、スレーブ制御装置６１ｂに送信する。スレーブ制御装置６１ｂは、マスター制御装置６１ａから送信された指令を受信する。マスター制御装置６１ａ及びスレーブ制御装置６１ｂは、指令を実行し、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂのサーボータ間で同期制御を実現する。
【００３８】
第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂのサーボータ間の同期制御は位置だけでなく、トルクについても行われる。スレーブ制御装置６１ｂは、第一の直動アクチュエータ２４ａのサーボモータと反対方向のトルクを発生するように第二の直動アクチュエータ２４ｂのトルクを制御する。すなわち、スレーブ制御装置６１ｂは、第一の直動アクチュエータ２４ａが押す方向の推力を発生するとき、第二の直動アクチュエータ２４ｂが引く方向の推力を発生するように、また、第一の直動アクチュエータ２４ａが引く方向の推力を発生するとき、第二の直動アクチュエータ２４ｂが押す方向の推力を発生するように、第二の直動アクチュエータ２４ｂのサーボモータのトルクを制御する。
【００３９】
図８に示すように、マスター制御装置６１ａ及びスレーブ制御装置６１ｂによって、第一の直動アクチュエータ２４ａが軸部６３ａを引き込み、第二の直動アクチュエータ２４ｂが軸部６３ｂを押し出すように制御すると、回転出力軸３２が反時計方向に回転する。逆に、第一の直動アクチュエータ２４ａが軸部６３ａを押し出し、第二の直動アクチュエータ２４ｂが軸部６３ｂを引き込むように制御すると、回転出力軸３２が時計方向に回転する。第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂは、伸縮に伴って回転軸６６ａ，６６ｂ（図６参照）の回りを揺動する。第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂは回転出力軸３２及び第一フレーム３１に回転可能に支持されているので、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂが伸縮・揺動しても第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂに無理な力がかかることはない。
【００４０】
本実施形態のロボットの関節構造２２，２３のがたつきをなくすように、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂのサーボモータは位置制御される。ロボットの関節構造２２，２３のがたつきは、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂのボールねじのバックラシュ、軸受３４ａ，３４ｂ、出力軸側連結軸３５ａ，３５ｂ、及び回転軸６６ａ，６６ｂのすきま等に起因する。ロボットの関節構造２２，２３にがたつきがあると、腕部１３が震えてしまい、細長い腕部１３を安定させることができない。
【００４１】
図９は、ロボットの関節構造２２，２３のがたつきの一例として、出力軸側連結軸３５ａ，３５ｂの周囲にすきまが存在する例を示す。図９中の実線の○は、周方向に所定角度（この実施形態では１８０度）離した出力軸側連結軸３５ａ，３５ｂの位置を示し、図中の破線の○は、回転出力軸３２のがたつきをなくす出力軸側連結軸３５ａ，３５ｂの位置を示す。実線の○と破線の○とは位置が周方向にずれている。サーボモータを制御する第一及び第二の制御装置（この実施形態では、マスター及びスレーブ制御装置６１ａ，６１ｂ）は、回転出力軸３２のがたつきをなくすように、すなわち出力軸側連結軸３５ａ，３５ｂの位置が図中破線の○の位置になるように、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂのサーボモータを位置制御する。第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂのボールねじにバックラッシュが存在する場合、バックラッシュに相当する量だけ余分に第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂの軸部３５ａ，３５ｂを伸ばせばよい。このように第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂをずらして動作させることで、ロボットの関節構造２２，２３のがたつきをなくすことができる。
【００４２】
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。第一フレーム３１に対して回転出力軸３２を相対的に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２４ａ，２４ｂを伸縮させているので、従来の回転系のサーボモータを用い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、必要な力を得た上で第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂを小型化することができる。また、回転出力軸３２、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂが第一フレーム３１に設けられており、第一フレーム３１と肩部フレーム４１をリンク等で連結していないので、関節構造の小型化が図れ、人間のような細い腕部を構築することが可能になる。さらに、一つの回転出力軸３２を二つの直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂで回転させているので、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂをずらして動作させることによって、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂの内部のバックラッシュ、出力軸側連結軸３５ａ，３５ｂ、軸受３４ａ，３４ｂに発生するすきま等に起因するロボットの関節構造２２，２３のがたつきをなくすことが可能になる。
【００４３】
図６に示すように、回転出力軸３２の軸線方向から見た状態において、中心線Ｃ１を境にした左右に中心線Ｃ１に略平行に第一及び前記第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂを配置することで、ロボットの関節構造２２，２３の小型化が図れる。
【００４４】
図５に示すように、回転出力軸３２、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂを、第一フレーム３１の一対の支持プレート３１ａ，３１ｂの間に挟むようにすることで、ロボットの関節構造２２，２３の小型化が図れ、また組み立てが容易になる。支持プレート３１ｂに回転出力軸３２の結合部３６を露出させる貫通孔３１ｂを形成することで、回転出力軸３２と肩部フレーム４１との結合が可能になる。
【００４５】
回転出力軸３２に一対のフランジ３２ａ，３２ｂを設け、一対のフランジ３２ａ，３２ｂ間に出力軸側連結軸３５ａ，３５ｂを架け渡すことで、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂと回転出力軸３２とを回転可能に連結するのが容易になるし、回転出力軸３２が安定して回転するようになる。
【００４６】
図４に示すように、回転出力軸３２を中空軸にし、回転出力軸３２の内部に配線４８を通すことで、見た目をよくしたり、配線４８の耐久性を高めることができる。回転出力軸５２にスリット５２ｄを形成し、配線４８を通すことで、回転出力軸５２の軸線方向の端部から外側に配線を飛び出させなくて済み、さらに見た目をよくすることができる。回転出力軸５２のスリット５２ｄは周方向に細長く形成されるので、腕部フレーム５１が回転しても配線４８が傷むことはない。
【００４７】
図７に示すように、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂのサーボモータをマスタースレーブ制御し、第一の直動アクチュエータと反対方向の推力が発生するように前記第二の直動アクチュエータ２４ｂのサーボモータを制御することで、サーボ誤差による無駄な推力が発生するのを防止できる。
【００４８】
図４に示すように、第一フレームを腕部フレーム５１と兼用することで、別途に関節構造２３用のフレームが必要なくなり、人間のように細い腕を構築することが可能になる。
【００４９】
第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂに逆効率の低いボールねじを組み込むことで、サーボモータの電源を切っても、回転出力軸３２，５２が停止した状態を保つことが可能になる。
【００５０】
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に加えて第三の直動アクチュエータを設けてもよいし、第三及び第四の直動アクチュエータを設けてもよい。
【００５１】
本実施形態では、マスタースレーブ制御を行っているが、マスタースレーブ制御を行わずに、上位のコントローラから２つの制御装置に独立して指令を与えてもよい。
【００５２】
第一及び第二の直動アクチュエータの内部のバックラッシュ、軸受等に発生するすきまに起因するがたをより低減するために、回転出力軸を回転方向に付勢するばねを設けてもよい。
【００５３】
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肩関節に適用しているが、肩関節以外の他の関節にも適用することができる。また、本発明のロボットの関節構造は、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】
【００５４】
１０…人間型ロボット，１１…胴体部，１３ …腕部，２２…ピッチ軸の関節構造，２３…ロール軸の関節構造，２４ａ，２４ｂ…第一及び第二の直動アクチュエータ，３１…第一フレーム（第一部材），３１ａ，３１ｂ…支持プレート，３２，５２…回転出力軸，３２ａ，３２ｂ…フランジ，３２ｃ…貫通孔，３２ｄ，５２ｄ…スリット，３５…結合部，４１…肩部フレーム（第二部材），４８…配線，５１…腕部フレーム（第二部材），６１ａ…マスター制御装置，６１ｂ…スレーブ制御装置，６２ａ，６２ｂ…本体部，６３ａ，６３ｂ…軸部，７１…上位コントローラ，Ａ１…軸線，Ｃ１…中心線
【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肩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。人間型ロボットの肩関節にも、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。
【０００４】
従来のロボットの関節構造においては、回転の自由度が１の関節を実現するために、回転軸を備えるサーボモータを使用するのが一般的であった。そして、回転の自由度が２以上の関節を実現するためには、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（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２００８−１８８６９９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用い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、サーボモータが大型化し、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肩関節として用いるとき、人間のような細い肩や腕を実現するのが困難であるという課題がある。
【０００７】
また、サーボモータの小型化を図るためにサーボモータに併用して減速機を設けた場合には、減速機のバックラッシュに起因して腕等の被駆動体が揺れ動くので、関節構造ががたつくという課題がある。
【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、小型化を図れると共に関節構造のがたつきをなくすことができ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回転出力軸の軸線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、前記第一部材に軸線の回りに回転可能に支持されると共に、第二部材に結合可能な回転出力軸と、本体部及び前記本体部に対して直線運動する軸部を有し、前記本体部及び前記軸部のいずれか一方が前記第一部材に前記回転出力軸の軸線と平行な軸線の回りを回転可能に支持され、前記本体部及び前記軸部の他方が前記回転出力軸に連結され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を伸縮させることによって、前記第一部材に対して前記回転出力軸を軸線の回りに相対的に回転させ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、第一部材に対して回転出力軸を相対的に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を伸縮させているので、従来の回転系のサーボモータを用い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、必要な力を得た上で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る。また、回転出力軸、第一及び第二の直動アクチュエータが第一部材に設けられており、第一部材と第二部材をリンク等で連結していないので、関節構造の小型化が図れる。さらに、一つの回転出力軸を二つの直動アクチュエータで回転させているので、第一及び第二の直動アクチュエータをずらして動作させることによって、第一及び第二の直動アクチュエータの内部のバックラッシュ、軸受等に発生するすきま等に起因する関節構造のがたつきをなくすことが可能になる。
【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】上記人間型ロボットの上半身の正面図
【図４】上記人間型ロボットの右肩の関節の斜視図
【図５】本実施形態のロボットの関節構造の斜視図
【図６】本実施形態のロボットの関節構造の詳細図（図中（ａ）は側面図を示し、図中（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図）
【図７】第一及び第二の直動アクチュエータを制御する制御システムのブロック構成図
【図８】本実施形態のロボットの関節構造の動作図
【図９】本実施形態のロボットの関節構造のがたつきの一例を示す模式図
【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、本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に肩関節を介して円決され、胴体部１１の周囲で自在に回転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２８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はカバーを取り外した人間型ロボットの上半身の正面図を示し、図４は右肩の関節の斜視図を示す。本発明の一実施形態のロボットの関節構造２２，２３は、人間型ロボットの肩関節として使用される。図３に示すように、胴体部フレーム２１の左右の上端部には、ピッチ軸の関節構造２２及びロール軸の関節構造２３を介して、腕部１３がピッチ軸及びロール軸の回りに回転可能に取り付けられる。ピッチ軸の関節構造２２及びロール軸の関節構造２３は、いずれも一つの回転出力軸を備え、回転の自由度が１の関節構造である。ピッチ軸の関節構造２２はピッチ軸（図中ｙ軸）の回りに腕部１３を回転させ、ロール軸の関節構造２３はロール軸（図中ｘ軸）の回りに腕部１３を回転させる。ピッチ軸の関節構造２２及びロール軸の関節構造２３を組み合わせることにより、回転の自由度が２の肩関節が得られる。腕部１３の下端には、回転の自由度が１の肘関節２９が設けられる。胴体部フレーム２１は腰関節２５を介して骨盤フレーム２６に支持される。胴体部フレーム２１の上には首関節２７を介して頭部１４が載せられる。
【００２０】
図４に示すように、ピッチ軸の関節構造２２は、第一部材としての第一フレーム３１、第一フレーム３１に回転可能に支持される回転出力軸３２、回転出力軸３２を回転させる二つの直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂ（図５参照）を備える。第一フレーム３１は、胴体部フレーム２１に結合される。回転出力軸３２には、第二部材としての肩部フレーム４１が結合される。二つの直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂによって回転出力軸３２を回転させると、第一フレーム３１に対して肩部フレーム４１が回転出力軸３２（ピッチ軸（ｙ軸））の回りを回転する。
【００２１】
肩部フレーム４１は、薄板を略コの字形状に折り曲げて形成され、対向する平行な一対の腕部支持プレート４１ａ，４１ｂと、一対の腕部支持プレート４１ａ，４１ｂを連結する基部プレート４１ｃと、を備える。腕部支持プレート４１ａ，４１ｂと基部プレート４１ｃとは直交する。基部プレート４１ｃの背面には、ピッチ軸の関節構造２２の回転出力軸３２が結合される。基部プレート４１ｃには、回転出力軸３２の軸線と中心を合わせた貫通孔４２が空けられる。貫通孔４２の周囲には、取付け部としてボルト等の締結部材を通す多数の通し孔４３が空けられる。基部プレート４１ｃと回転出力軸３２とはボルト等の締結部材によって結合される。
【００２２】
肩部フレーム４１の一対の腕部支持プレート４１ａ，４１ｂの間には、ロール軸の関節構造２３がロール軸（ｘ軸）の回りに回転可能に設けられる。ロール軸の関節構造２３は、第一部材としての腕部フレーム５１、腕部フレーム５１に相対的に回転可能に支持される回転出力軸５２、回転出力軸５２を回転させる二つの直動アクチュエータ５４ａ，５４ｂ（図５参照）を備える。後述するように、ピッチ軸の関節構造２２及びロール軸の関節構造２３は同一の構造である。回転出力軸５２は、肩部フレーム４１の支持プレート４１ｂに結合される。支持プレート４１ｂには、回転出力軸５２の軸線と中心を合わせた貫通孔４４が空けられる。貫通孔４４の周囲には、取付け部としてボルト等の締結部材を通す多数の通し孔４５が空けられる。支持プレート４１ｂと回転出力軸５２とはボルト等の締結部材によって結合される。
【００２３】
ロール軸の関節構造２３の二つの直動アクチュエータ５４ａ，５４ｂによって回転出力軸５２を相対的に回転させると、回転出力軸５２が肩部フレーム４１に回転不能に結合されているので、腕部フレーム５１が肩部フレーム４１に対してロール軸（ｘ軸）の回りを回転する。ピッチ軸の関節構造２２の回転出力軸３２の軸線とロール軸の関節構造２３の回転出力軸５２の軸線とは直交している。ピッチ軸の関節構造２２及びロール軸の関節構造２３を動作させることにより、胴体部フレーム２１に対して腕部フレーム５１が直交する２軸（ピッチ軸及びロール軸）の回りに回転する。
【００２４】
図５は、本実施形態のロボットの関節構造の斜視図を示す。ピッチ軸の関節構造２２及びロール軸の関節構造２３は同一の構造である。ここでは、ピッチ軸の関節構造２２について説明し、ピッチ軸の関節構造２２の構成要素に対応するロール軸の関節構造２３の構成要素を括弧書きの符号で示す。
【００２５】
本実施形態のロボットの関節構造は、第一部材としての第一フレーム３１、第一フレーム３１に回転可能に支持される回転出力軸３２、回転出力軸３２を回転させる第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂを基本的な構成要素とする。第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂを動作させると、第一フレーム３１に対して回転出力軸３２が軸線Ａ１の回りを回転する。
【００２６】
本実施形態のロボットの関節構造をピッチ軸の関節構造２２として使用した場合、図４に示すように、第一フレーム３１は胴体部フレーム２１に結合され、回転出力軸３２は肩部フレーム４１に結合される。本実施形態のロボットの関節構造をロール軸の関節構造２３として使用した場合、回転出力軸５２が肩部フレーム４１に結合される。第一フレームとしての腕部フレーム５１は、ロール軸の関節構造２３のフレームとしての機能と腕部１３のフレームとして機能を併せ持つ。
【００２７】
図５に示すように、第一フレーム３１は、対向する平行な一対の支持プレート３１ａ，３１ｂと、支持プレート３１ａ，３１ｂの長さ方向の一端部（図中下端部）を連結する連結プレート３１ｃと、を備え、全体がコの字形状に形成される。支持プレート３１ａ，３１ｂは図中上下方向に細長い略長方形に形成される。支持プレート３１ａ，３１ｂの上端部は半円形に形成される。連結プレート３１ｃは四角形に形成される。支持プレート３１ａ，３１ｂの上部には、回転出力軸３２の軸線Ａ１と中心を一致させた円形の貫通孔３１ａ１，３１ｂ１が形成される。一対の支持プレート３１ａ，３１ｂの上部はスタッド３３により連結される。
【００２８】
支持プレート３１ａ，３１ｂの貫通孔３１ａ１，３１ｂ１の周囲には、回転出力軸３２を回転可能に支持する軸受が３４ａ，３４ｂ取り付けられる。軸受３４ａ，３４ｂにはすべり軸受が用いられても、転がり軸受が用いられてもよい。
【００２９】
回転出力軸３２は、一対の支持プレート３１ａ，３１ｂの間に挟まれ、軸線Ａ１の回りを回転可能に軸受３４ａ，３４ｂに支持される。回転出力軸３２の軸線方向の一方の端部には、肩部フレーム４１に結合される結合部３６が形成される。結合部３６は支持プレート３１ｂの貫通孔３１ｂ１から露出しており、支持プレート３１ｂから突出している。結合部３６の端面には取付け部として周方向に複数のねじ孔３６ａが形成される。
【００３０】
回転出力軸３２は、軸線方向に離間する一対のフランジ３２ａ，３２ｂを有する。フランジ３２ａ，３２ｂは円環を基礎とした形状をなし、スタッド３３の干渉を避けるように外周の一部が切り欠かれている。フランジ３２ａ，３２ｂ間には一対の出力軸側連結軸３５ａ，３５ｂ（図８参照）が回転可能に架け渡される。一対の出力軸側連結軸３５ａ，３５ｂはフランジの周方向に１８０°離れた位置に配置される。出力軸側連結軸３５ａ，３５ｂの軸線は、回転出力軸３２の軸線Ａ１と平行である。
【００３１】
回転出力軸３２は中空軸であり、その内部に軸線方向に貫通する貫通孔３２ｃが形成される。また、回転出力軸３２の軸線方向の途中には、回転出力軸３２の外部空間と回転出力軸３２の内部空間とを繋ぐスリット３２ｄが形成される。スリット３２ｄはフランジ３２ａ，３２ｂ間に設けられると共に、周方向に細長く伸びる。
【００３２】
図４に示すように、ピッチ軸の関節構造２２の回転出力軸３２には、胴体部フレーム２１から肩部フレーム４１に到る配線４８が通される。この配線４８は肩部フレーム４１の貫通孔４２を通過して腕部フレーム５１に向かう。配線４８は、ロール軸の関節構造２３の回転出力軸５２のスリット５２ｄを介して回転出力軸５２の中空空間を通過し、支持プレート４１ｂの貫通孔４４から外に飛び出し、ロール軸の関節構造２３のマスター及びスレーブ制御装置６１ａ，６１ｂに接続される。
【００３３】
図５に示すように、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂは、一対の支持プレート３１ａ，３１ｂ間に回転可能に挟まれる。図６の詳細図に示すように、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂのそれぞれは、円筒状の本体部６２ａ，６２ｂと、本体部６２ａ，６２ｂに対して軸線方向に直線運動する軸部６３ａ，６３ｂと、を備える。第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂの構造は同一である。軸部６３ａ，６３ｂは本体部６２ａ，６２ｂの中心線上に配置される。軸部６３ａ，６３ｂの外周面には螺旋状のねじ溝が形成される。本体部６２ａ，６２ｂには、軸部６３ａ，６３ｂのねじ溝に螺合するボールねじナット（図示せず）が収納される。本体部６２ａ，６２ｂには、ボールねじナットが本体部６２ａ，６２ｂに軸線の回りの回転のみが許容された状態で収納される。本体部６２ａ，６２ｂには、さらにボールねじナットを回転させるサーボモータが収納される。サーボモータがボールねじナットを回転させると、ボールねじナットの軸線方向の移動が制限されているので、軸部６３ａ，６３ｂが軸線方向に直線運動する。
【００３４】
第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂの本体部６２ａ，６２ｂは、支持プレート３１ａ，３１ｂに回転可能に支持される。本体部６２ａ，６２ｂは四角形の枠６５ａ，６５ｂに嵌められる。四角形の枠６５ａ，６５ｂは回転軸６６ａ，６６ｂを備える。回転軸６６ａ，６６ｂが支持プレート３１ａ，３１ｂの貫通孔に嵌められる。第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂの本体部６２ａ，６２ｂは回転軸６６ａ，６６ｂを中心として揺動可能である。回転軸６６ａ，６６ｂの軸線は回転出力軸３２の軸線と平行である。第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂの軸部６３ａ，６３ｂは、回転出力軸３２に支持された出力軸側連結軸３５ａ，３５ｂに結合される。
【００３５】
図６に示すように、回転出力軸３２の軸線方向から見た状態において、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂは、回転出力軸３２の軸線Ａ１を通る中心線Ｃ１を境にした左右に中心線Ｃ１に略平行に配置される。第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂは、完全に平行でなくても、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂの取付けスペースを低減できる程度に平行であればよい。本実施形態の第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂは回転軸６６ａ，６６ｂの回りを揺動するので、完全に平行な状態になったり、傾いた状態になったりする。なお、図６に示すように、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂの伸縮量が等しくなったとき、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂは中心線Ｃ１を境にして左右対称である。
【００３６】
図５に示すように、支持プレート３１ｂには、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂのサーボモータを制御するマスター制御装置６１ａ及びスレーブ制御装置６１ｂが取り付けられる。マスター制御装置６１ａ及びスレーブ制御装置６１ｂ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、コンピュータ等の上位コントローラからの指令（後述するように、スレーブ制御装置６１ｂの場合はマスター制御装置６１ａ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。
【００３７】
図７は第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂを制御する制御システムのブロック構成図を示す。本実施形態では、マスター及びスレーブ制御装置６１ａ，６１ｂでマスタースレーブ制御を行い、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂのサーボモータを同期制御することを特徴とする。上位コントローラ７１は、マスター制御装置６１ａのみに指令を送信する。マスター制御装置６１ａは、上位コントローラ７１から送信された指令を受信し、スレーブ制御装置６１ｂに送信する。スレーブ制御装置６１ｂは、マスター制御装置６１ａから送信された指令を受信する。マスター制御装置６１ａ及びスレーブ制御装置６１ｂは、指令を実行し、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂのサーボータ間で同期制御を実現する。
【００３８】
第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂのサーボータ間の同期制御は位置だけでなく、トルクについても行われる。スレーブ制御装置６１ｂは、第一の直動アクチュエータ２４ａのサーボモータと反対方向のトルクを発生するように第二の直動アクチュエータ２４ｂのトルクを制御する。すなわち、スレーブ制御装置６１ｂは、第一の直動アクチュエータ２４ａが押す方向の推力を発生するとき、第二の直動アクチュエータ２４ｂが引く方向の推力を発生するように、また、第一の直動アクチュエータ２４ａが引く方向の推力を発生するとき、第二の直動アクチュエータ２４ｂが押す方向の推力を発生するように、第二の直動アクチュエータ２４ｂのサーボモータのトルクを制御する。
【００３９】
図８に示すように、マスター制御装置６１ａ及びスレーブ制御装置６１ｂによって、第一の直動アクチュエータ２４ａが軸部６３ａを引き込み、第二の直動アクチュエータ２４ｂが軸部６３ｂを押し出すように制御すると、回転出力軸３２が反時計方向に回転する。逆に、第一の直動アクチュエータ２４ａが軸部６３ａを押し出し、第二の直動アクチュエータ２４ｂが軸部６３ｂを引き込むように制御すると、回転出力軸３２が時計方向に回転する。第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂは、伸縮に伴って回転軸６６ａ，６６ｂ（図６参照）の回りを揺動する。第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂは回転出力軸３２及び第一フレーム３１に回転可能に支持されているので、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂが伸縮・揺動しても第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂに無理な力がかかることはない。
【００４０】
本実施形態のロボットの関節構造２２，２３のがたつきをなくすように、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂのサーボモータは位置制御される。ロボットの関節構造２２，２３のがたつきは、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂのボールねじのバックラシュ、軸受３４ａ，３４ｂ、出力軸側連結軸３５ａ，３５ｂ、及び回転軸６６ａ，６６ｂのすきま等に起因する。ロボットの関節構造２２，２３にがたつきがあると、腕部１３が震えてしまい、細長い腕部１３を安定させることができない。
【００４１】
図９は、ロボットの関節構造２２，２３のがたつきの一例として、出力軸側連結軸３５ａ，３５ｂの周囲にすきまが存在する例を示す。図９中の実線の○は、周方向に所定角度（この実施形態では１８０度）離した出力軸側連結軸３５ａ，３５ｂの位置を示し、図中の破線の○は、回転出力軸３２のがたつきをなくす出力軸側連結軸３５ａ，３５ｂの位置を示す。実線の○と破線の○とは位置が周方向にずれている。サーボモータを制御する第一及び第二の制御装置（この実施形態では、マスター及びスレーブ制御装置６１ａ，６１ｂ）は、回転出力軸３２のがたつきをなくすように、すなわち出力軸側連結軸３５ａ，３５ｂの位置が図中破線の○の位置になるように、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂのサーボモータを位置制御する。第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂのボールねじにバックラッシュが存在する場合、バックラッシュに相当する量だけ余分に第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂの軸部３５ａ，３５ｂを伸ばせばよい。このように第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂをずらして動作させることで、ロボットの関節構造２２，２３のがたつきをなくすことができる。
【００４２】
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。第一フレーム３１に対して回転出力軸３２を相対的に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２４ａ，２４ｂを伸縮させているので、従来の回転系のサーボモータを用い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、必要な力を得た上で第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂを小型化することができる。また、回転出力軸３２、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂが第一フレーム３１に設けられており、第一フレーム３１と肩部フレーム４１をリンク等で連結していないので、関節構造の小型化が図れ、人間のような細い腕部を構築することが可能になる。さらに、一つの回転出力軸３２を二つの直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂで回転させているので、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂをずらして動作させることによって、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂの内部のバックラッシュ、出力軸側連結軸３５ａ，３５ｂ、軸受３４ａ，３４ｂに発生するすきま等に起因するロボットの関節構造２２，２３のがたつきをなくすことが可能になる。
【００４３】
図６に示すように、回転出力軸３２の軸線方向から見た状態において、中心線Ｃ１を境にした左右に中心線Ｃ１に略平行に第一及び前記第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂを配置することで、ロボットの関節構造２２，２３の小型化が図れる。
【００４４】
図５に示すように、回転出力軸３２、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂを、第一フレーム３１の一対の支持プレート３１ａ，３１ｂの間に挟むようにすることで、ロボットの関節構造２２，２３の小型化が図れ、また組み立てが容易になる。支持プレート３１ｂに回転出力軸３２の結合部３６を露出させる貫通孔３１ｂを形成することで、回転出力軸３２と肩部フレーム４１との結合が可能になる。
【００４５】
回転出力軸３２に一対のフランジ３２ａ，３２ｂを設け、一対のフランジ３２ａ，３２ｂ間に出力軸側連結軸３５ａ，３５ｂを架け渡すことで、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂと回転出力軸３２とを回転可能に連結するのが容易になるし、回転出力軸３２が安定して回転するようになる。
【００４６】
図４に示すように、回転出力軸３２を中空軸にし、回転出力軸３２の内部に配線４８を通すことで、見た目をよくしたり、配線４８の耐久性を高めることができる。回転出力軸５２にスリット５２ｄを形成し、配線４８を通すことで、回転出力軸５２の軸線方向の端部から外側に配線を飛び出させなくて済み、さらに見た目をよくすることができる。回転出力軸５２のスリット５２ｄは周方向に細長く形成されるので、腕部フレーム５１が回転しても配線４８が傷むことはない。
【００４７】
図７に示すように、第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂのサーボモータをマスタースレーブ制御し、第一の直動アクチュエータと反対方向の推力が発生するように前記第二の直動アクチュエータ２４ｂのサーボモータを制御することで、サーボ誤差による無駄な推力が発生するのを防止できる。
【００４８】
図４に示すように、第一フレームを腕部フレーム５１と兼用することで、別途に関節構造２３用のフレームが必要なくなり、人間のように細い腕を構築することが可能になる。
【００４９】
第一及び第二の直動アクチュエータ２４ａ，２４ｂに逆効率の低いボールねじを組み込むことで、サーボモータの電源を切っても、回転出力軸３２，５２が停止した状態を保つことが可能になる。
【００５０】
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に加えて第三の直動アクチュエータを設けてもよいし、第三及び第四の直動アクチュエータを設けてもよい。
【００５１】
本実施形態では、マスタースレーブ制御を行っているが、マスタースレーブ制御を行わずに、上位のコントローラから２つの制御装置に独立して指令を与えてもよい。
【００５２】
第一及び第二の直動アクチュエータの内部のバックラッシュ、軸受等に発生するすきまに起因するがたをより低減するために、回転出力軸を回転方向に付勢するばねを設けてもよい。
【００５３】
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肩関節に適用しているが、肩関節以外の他の関節にも適用することができる。また、本発明のロボットの関節構造は、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】
【００５４】
１０…人間型ロボット，１１…胴体部，１３ …腕部，２２…ピッチ軸の関節構造，２３…ロール軸の関節構造，２４ａ，２４ｂ…第一及び第二の直動アクチュエータ，３１…第一フレーム（第一部材），３１ａ，３１ｂ…支持プレート，３２，５２…回転出力軸，３２ａ，３２ｂ…フランジ，３２ｃ…貫通孔，３２ｄ，５２ｄ…スリット，３５…結合部，４１…肩部フレーム（第二部材），４８…配線，５１…腕部フレーム（第二部材），６１ａ…マスター制御装置，６１ｂ…スレーブ制御装置，６２ａ，６２ｂ…本体部，６３ａ，６３ｂ…軸部，７１…上位コントローラ，Ａ１…軸線，Ｃ１…中心線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一部材に対して第二部材を回転出力軸の軸線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、
前記第一部材に軸線の回りに回転可能に支持されると共に、第二部材に結合可能な回転出力軸と、
本体部及び前記本体部に対して直線運動する軸部を有し、前記本体部及び前記軸部のいずれか一方が前記第一部材に前記回転出力軸の軸線と平行な軸線の回りを回転可能に支持され、前記本体部及び前記軸部の他方が前記回転出力軸に連結され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を伸縮させることによって、前記第一部材に対して前記回転出力軸を軸線の回りに相対的に回転させるロボットの関節構造。
【請求項２】
前記回転出力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は、前記回転出力軸の軸線を通る中心線を境にした左右に前記中心線に略平行に配置さ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３】
前記第一部材は、対向する一対の支持プレートを有し、
前記回転出力軸、前記第一及び前記第二の直動アクチュエータは、前記一対の支持プレートの間に挟ま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４】
前記回転出力軸の軸線方向の端部には、前記第二部材に結合可能な結合部が形成され、
前記一対の支持プレートの一方には、前記回転出力軸の前記結合部を露出させる貫通孔が形成されることを特徴とする請求項３に記載のロボットの関節構造。
【請求項５】
前記回転出力軸は、軸線方向に離間する一対のフランジ、及び前記一対のフランジ間に回転可能に架け渡される一対の出力軸側連結軸を有し、
前記第一及び前記第二の直動アクチュエータは、前記一対の出力軸側連結軸に連結されることを特徴とする請求項１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】
前記回転出力軸は、配線を通すことができるように中空軸であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のロボットの関節構造。
【請求項７】
前記回転出力軸には、前記回転出力軸の外部空間と前記回転出力軸の内部空間とを繋ぎ、配線を通すことができるスリットが形成されることを特徴とする請求項６に記載のロボットの関節構造。
【請求項８】
ロボットの関節構造はさらに、
前記第一及び第二の直動アクチュエータを制御するマスター制御装置及びスレーブ制御装置を備え、
前記マスター制御装置は、上位コントローラからの信号に基づいて、前記第一の直動アクチュエータのサーボモータを制御し、
前記スレーブ制御装置は、前記マスター制御装置からの信号に基づいて、前記第二の直動アクチュエータのサーボモータを、前記第一の直動アクチュエータと反対方向の推力を発生させるように制御することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のロボットの関節構造。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載のロボットの関節構造が肩関節に組み込まれることを特徴とする人間型ロボット。
【請求項１０】
前記ロボットの関節構造を２つ設け、２つの回転出力軸を回転出力軸の軸線が直角になるように組み合わせ、胴部に対して腕部を直角な２軸の回りに回転させることを特徴とする請求項９に記載の人間型ロボット。
【請求項１】
第一部材に対して第二部材を回転出力軸の軸線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、
前記第一部材に軸線の回りに回転可能に支持されると共に、第二部材に結合可能な回転出力軸と、
本体部及び前記本体部に対して直線運動する軸部を有し、前記本体部及び前記軸部のいずれか一方が前記第一部材に前記回転出力軸の軸線と平行な軸線の回りを回転可能に支持され、前記本体部及び前記軸部の他方が前記回転出力軸に連結され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を伸縮させることによって、前記第一部材に対して前記回転出力軸を軸線の回りに相対的に回転させるロボットの関節構造。
【請求項２】
前記回転出力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は、前記回転出力軸の軸線を通る中心線を境にした左右に前記中心線に略平行に配置さ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３】
前記第一部材は、対向する一対の支持プレートを有し、
前記回転出力軸、前記第一及び前記第二の直動アクチュエータは、前記一対の支持プレートの間に挟ま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４】
前記回転出力軸の軸線方向の端部には、前記第二部材に結合可能な結合部が形成され、
前記一対の支持プレートの一方には、前記回転出力軸の前記結合部を露出させる貫通孔が形成されることを特徴とする請求項３に記載のロボットの関節構造。
【請求項５】
前記回転出力軸は、軸線方向に離間する一対のフランジ、及び前記一対のフランジ間に回転可能に架け渡される一対の出力軸側連結軸を有し、
前記第一及び前記第二の直動アクチュエータは、前記一対の出力軸側連結軸に連結されることを特徴とする請求項１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】
前記回転出力軸は、配線を通すことができるように中空軸であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のロボットの関節構造。
【請求項７】
前記回転出力軸には、前記回転出力軸の外部空間と前記回転出力軸の内部空間とを繋ぎ、配線を通すことができるスリットが形成されることを特徴とする請求項６に記載のロボットの関節構造。
【請求項８】
ロボットの関節構造はさらに、
前記第一及び第二の直動アクチュエータを制御するマスター制御装置及びスレーブ制御装置を備え、
前記マスター制御装置は、上位コントローラからの信号に基づいて、前記第一の直動アクチュエータのサーボモータを制御し、
前記スレーブ制御装置は、前記マスター制御装置からの信号に基づいて、前記第二の直動アクチュエータのサーボモータを、前記第一の直動アクチュエータと反対方向の推力を発生させるように制御することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のロボットの関節構造。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載のロボットの関節構造が肩関節に組み込まれることを特徴とする人間型ロボット。
【請求項１０】
前記ロボットの関節構造を２つ設け、２つの回転出力軸を回転出力軸の軸線が直角になるように組み合わせ、胴部に対して腕部を直角な２軸の回りに回転させることを特徴とする請求項９に記載の人間型ロボット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−９１１４６（Ｐ２０１３−９１１４６Ａ）
【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２０１１−２３６３１３（Ｐ２０１１−２３６３１３）
【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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