関節構造、及びその関節構造を備えたロボット
【課題】第１の部材に対する第２の部材の相対的な角度に応じて、伝動ベルトのテンションが増減する技術を提供する。
【解決手段】第１実施形態に係る関節構造Jは、関節軸Cを有する体幹部２と、体幹部２の関節軸C回りに回転可能となるように体幹部２によって支持される上腕部５と、体幹部２に回転可能に設けられ、肩関節駆動モータ３４（駆動源）によって回転駆動される駆動プーリ１１と、上腕部５に回転不能に設けられる従動プーリ１２と、駆動プーリ１１と従動プーリ１２の間に掛けられる平ベルト１３（伝動ベルト）と、を備えている。従動プーリ１２の外周１２ａは略円形である。従動プーリ１２の中心軸Dは、関節軸Cからずれている。
【解決手段】第１実施形態に係る関節構造Jは、関節軸Cを有する体幹部２と、体幹部２の関節軸C回りに回転可能となるように体幹部２によって支持される上腕部５と、体幹部２に回転可能に設けられ、肩関節駆動モータ３４（駆動源）によって回転駆動される駆動プーリ１１と、上腕部５に回転不能に設けられる従動プーリ１２と、駆動プーリ１１と従動プーリ１２の間に掛けられる平ベルト１３（伝動ベルト）と、を備えている。従動プーリ１２の外周１２ａは略円形である。従動プーリ１２の中心軸Dは、関節軸Cからずれている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関節構造、及びその関節構造を備えたロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の技術として、特許文献１は、旋回台や垂直アーム、水平アーム、ハンド部、把持部を主たる構成として備え、複数の回動軸関節を有する産業用マニプレータを開示している。この産業用マニプレータの回動軸関節には、所定以上の外力を伝達しないトルクリミッタが内蔵されている。このトルクリミッタは、例えば、駆動プーリと従動プーリとの間にタイミングベルトを掛け回した構成において、従動プーリと従動軸との間に装着される。この場合、トルクリミッタは、従動軸に固定された押え板と、従動プーリに固定された回転板と、押え板及び回転板を所定の押圧力によって互いに圧接状態とする板ばねと、によって構成される。以上の構成によれば、通常時、駆動力は、駆動プーリ、タイミングベルト、従動プーリ、トルクリミッタ（回転板、板ばね、押え板）を順に介して従動軸へと伝達される。一方で、垂直アームに外力が作用してその外力が所定以上の衝撃力であった場合は、その外力による回転力は従動軸には伝達されるが、その回転力はトルクリミッタの回転板と押え板との間ですべりが発生することでトルクリミッタによって吸収され、その回転力は従動プーリには伝達されないとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平7-686号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特許文献１のトルクリミッタは、過負荷保護の観点から有益なものであるが、一層の技術改良が望まれていた。
【０００５】
本願発明の目的は、全く新規な関節構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明の第１の観点によれば、関節構造は、関節軸を有する第１の部材と、前記第１の部材の前記関節軸回りに回転可能となるように前記第１の部材によって支持される第２の部材と、前記第１の部材に回転可能に設けられ、駆動源によって回転駆動される駆動プーリと、前記第２の部材に回転不能に設けられる従動プーリと、前記駆動プーリと前記従動プーリの間に掛けられる伝動ベルトと、を備え、前記従動プーリの外周は略円形であり、前記従動プーリの中心軸は、前記関節軸からずれている。以上の構成で、前記第１の部材に対する前記第２の部材の相対的な角度が変化すると、前記駆動プーリの回転軸と、前記従動プーリの前記中心軸と、の軸間距離が増減する。軸間距離が増減すると、前記伝動ベルトのテンションが増減する。従って、以上の構成によれば、前記第１の部材に対する前記第２の部材の相対的な角度に応じて、前記伝動ベルトのテンションが増減する構成が実現される。
【０００７】
好ましくは、前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが大きいときは前記駆動プーリの回転軸と、前記従動プーリの前記中心軸と、の軸間距離が大きくなり、前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは前記軸間距離が小さくなるように、前記従動プーリの前記中心軸は、前記関節軸からずれている。
【０００８】
以上の構成で、前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが大きいときは前記伝動ベルトのテンションが大きくなる。前記伝動ベルトのテンションが大きくなると、前記伝動ベルトが前記駆動プーリや前記従動プーリ上で滑り難くなる。従って、以上の構成によれば、前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが大きいときは、大きなトルクを問題なく伝動することができる。
【０００９】
一方で、前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは前記伝動ベルトのテンションが小さくなる。前記伝動ベルトのテンションが小さくなると、前記伝動ベルトが前記駆動プーリや前記従動プーリ上で滑り易くなる。従って、以上の構成によれば、前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは、小さなトルクしか伝動できなくさせることができる。
【００１０】
要するに、以上の構成によれば、大きなトルクを伝動する必要のあるときはその大きなトルクを確実に伝動しつつ、一方で、大きなトルクを伝動する必要のないときは小さなトルクしか伝動させない、メリハリの効いた構成が実現される。
【００１１】
本願発明の第２の観点によれば、関節構造は、関節軸を有する第１の部材と、前記第１の部材の前記関節軸回りに回転可能となるように前記第１の部材によって支持される第２の部材と、前記第１の部材に回転可能に設けられ、駆動源によって回転駆動される駆動プーリと、前記第２の部材に回転不能に設けられる従動プーリと、前記駆動プーリと前記従動プーリの間に掛けられる伝動ベルトと、を備え、前記従動プーリは、前記関節軸から前記従動プーリの外周までの距離が第1の距離である第1の部分と、前記関節軸から前記従動プーリの外周までの距離が第1の距離よりも短い距離である第2の距離である第2の部分と、を周方向において異なる位置に有する。要するに、前記従動プーリは、前記関節軸から前記従動プーリの外周までの距離が周方向において一様ではない。以上の構成で、前記第１の部材に対する前記第２の部材の相対的な角度が変化すると、前記伝動ベルトのテンションが増減する。従って、以上の構成によれば、前記第１の部材に対する前記第２の部材の相対的な角度に応じて、前記伝動ベルトのテンションが増減する構成が実現される。
【００１２】
好ましくは、前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが大きいときは前記伝動ベルトに対して前記第１の部分が接触し、前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは前記伝動ベルトに対して前記第１の部分は接触しないが前記第２の部分は接触するように、前記従動プーリの前記第１の部分と前記第２の部分が配置されている。
【００１３】
以上の構成で、前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが大きときは前記伝動ベルトのテンションが大きくなる。前記伝動ベルトのテンションが大きくなると、前記伝動ベルトが前記駆動プーリや前記従動プーリ上で滑り難くなる。従って、以上の構成によれば、前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが大きいときは、大きなトルクを問題なく伝動することができる。
【００１４】
一方で、前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは前記伝動ベルトのテンションが小さくなる。前記伝動ベルトのテンションが小さくなると、前記伝動ベルトが前記駆動プーリや前記従動プーリ上で滑り易くなる。従って、以上の構成によれば、前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは、小さなトルクしか伝動できなくさせることができる。
【００１５】
要するに、以上の構成によれば、大きなトルクを伝動する必要のあるときはその大きなトルクを確実に伝動しつつ、一方で、大きなトルクを伝動する必要のないときは小さなトルクしか伝動させない、メリハリの効いた構成が実現される。
【００１６】
好ましくは、前記動力源は、前記第１の部材に設けたモータである。
【００１７】
好ましくは、前記伝動ベルトは、平ベルト、Vベルト、歯付ベルト、ワイヤベルト、ステンレスベルトのうち何れかである。
【００１８】
本願発明の第３の観点によれば、ロボットは、体幹部と、前記体幹部に対して回転可能に連結される腕部と、を備える。前記体幹部を前記第１の部材とし、前記腕部を前記第２の部材として、上記の関節構造が適用された。このように前記の関節構造は、前記体幹部と前記腕部との間に技術的矛盾なくそのまま適用することができる。
【００１９】
本願発明の第４の観点によれば、体幹部と、前記体幹部に対して回転可能に連結される腕部と、を備える。前記腕部を下ろしていくと、前記体幹部と前記腕部との間の隙間が狭まる。前記体幹部を前記第１の部材とし、前記腕部を前記第２の部材として、上記の関節構造が適用された。即ち、前記腕部を下ろしていくと、前記腕部を回転させる際に必要となるトルクは小さくなる。また、前記腕部を回転させる際に必要となるトルクは小さくなると、前記伝動ベルトのテンションが小さくなる構成が採用されている。従って、以上の構成によれば、前記体幹部と前記腕部との間の隙間が狭まったとき、小さなトルクしか伝動させない構成が実現される。
【発明の効果】
【００２０】
本願発明によれば、前記第１の部材に対する前記第２の部材の相対的な角度に応じて、前記伝動ベルトのテンションが増減する構成が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、ロボットの正面図である（第１実施形態）。
【図２】図２は、ロボットの正面図である（第１実施形態）。
【図３】図３は、関節構造の斜視図である（第１実施形態）。
【図４】図４は、関節構造の一部切り欠き斜視図である（第１実施形態）。
【図５】図５は、ロボットの制御装置の機能ブロック図である（第１実施形態）。
【図６】図６は、関節構造の正面拡大図である（第１実施形態）。
【図７】図７は、関節構造の正面拡大図である（第１実施形態）。
【図８】図８は、関節構造の正面拡大図である（第２実施形態）。
【図９】図９は、関節構造の正面拡大図である（第２実施形態）。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図１〜７を参照しつつ、本願発明の第１実施形態を説明する。
【００２３】
図１に示すようにロボット１は、体幹部２（第１の部材）と、この体幹部２に対して回転可能に連結された上肢部３と、体幹部２に支持される頭部４と、を主たる構成として備えている。ロボット１の体幹部２と上肢部３、頭部４は、ヒトの体幹、上肢、頭に夫々相当している。
【００２４】
上肢部３は、上腕部５（第２の部材、腕部）と、前腕部６と、把持部７と、によって構成されている。上腕部５と前腕部６、把持部７は、ヒトの上腕、前腕、手に夫々相当している。
【００２５】
上腕部５は、肩関節部８を介して体幹部２に支持されている。この肩関節部８の存在により、図１及び図２に示すように、上腕部５は、体幹部２に対して姿勢を変えられるようになっている。図１には、上肢部３全体が略水平な姿勢となっている様子を示している。図２には、上肢部３全体が下ろされた姿勢となっている様子を示している。本実施形態において肩関節部８は、１自由度の関節である。
【００２６】
前腕部６は、肘関節部９を介して上腕部５に支持されている。この肘関節部９の存在により、前腕部６は、上腕部５に対して姿勢を変えられるようになっている。本実施形態において肘関節部９は、１自由度の関節である。
【００２７】
把持部７は、手首関節部１０を介して前腕部６に支持されている。この手首関節部１０の存在により、把持部７は、前腕部６に対して姿勢を変えられるようになっている。本実施形態において手首関節部１０は、２自由度の関節である。
【００２８】
次に、肩関節部８に対する上肢部３のモーメントアームMAについて説明する。図１及び図２には、上腕部５と前腕部６、把持部７から成る上肢部３の真っ直ぐに伸ばされた状態における重心３ｇを示している。図１及び図２に示すように、上肢部３全体の姿勢の如何によりモーメントアームMAは増減する。詳しくは、図１に示すように上肢部３全体が略水平な姿勢となっているときモーメントアームMAは大きく、図２に示すように上肢部３全体が下ろされた姿勢となっているときモーメントアームMAは小さくなる。そして、図１のようにモーメントアームMAが大きいということは、上肢部３を肩関節部８回りに回転させる際に必要となるトルクが大きいということである。一方、図２のようにモーメントアームMAが小さいということは、上肢部３を肩関節部８回りに回転させる際に必要となるトルクが小さいということである。
【００２９】
次に、図３及び図４に基づいて、ロボット１に適用された関節構造Jについて説明する。本実施形態において関節構造Jは、ロボット１の肩関節部８に適用されている。
【００３０】
図３及び図４に示すように、関節構造Jは、体幹部２と、上腕部５と、駆動プーリ１１と、従動プーリ１２と、平ベルト１３（伝動ベルト）と、を備えて構成されている。図３及び図４では、説明の都合上、体幹部２は一部のみを示し、その一部は略円柱状に描いている。上腕部５についても同様に一部のみを示している。
【００３１】
体幹部２は、関節軸Cを伴った関節部１４を有している。関節部１４は、体幹部２から突出して形成されている。図４に示すように関節部１４には、関節軸Cに対して同軸となる軸受１５が設けられている。
【００３２】
上腕部５は、体幹部２の関節部１４の関節軸C回りに回転可能となるように体幹部２によって支持されている。
【００３３】
駆動プーリ１１は、体幹部２に回転可能に設けられている。図４に示すように体幹部２には、駆動プーリ１１を回転駆動するための肩関節駆動モータ３４が設けられている。肩関節駆動モータ３４と駆動プーリ１１との間には減速機１６が介在している。この構成で、肩関節駆動モータ３４で生成されたトルクは、減速機１６によって増幅された後、駆動プーリ１１に伝動される。駆動プーリ１１の外周は略円形である。
【００３４】
従動プーリ１２は、上腕部５に回転不能に設けられている。図４に示すように従動プーリ１２は、円筒状に形成された連結筒部１７を介して上腕部５に対して回転不能に固定されている。連結筒部１７は、軸受１５によって支持される。換言すれば、従動プーリ１２は、上腕部５と関節部１４を挟んで反対側に位置する。連結筒部１７と軸受１５の存在により、上腕部５は、体幹部２に対して所定の回転角度範囲内で自在に回転できるようになっている。本実施形態において従動プーリ１２の外周１２ａは図６に示すように略円形である。
【００３５】
平ベルト１３は、駆動プーリ１１と従動プーリ１２の間に掛けられている。
【００３６】
次に、図５を参照しつつ、ロボット１が備える制御装置１００について簡単に説明する。制御装置１００は、中央演算処理器としてのCPU３０（Central Processing Unit）、読み書き自在のRAM３１（Random Access Memory）、読み取り専用のROM３２（Read Only Memory）を備えて構成されている。ROM３２には、制御プログラムが記憶されている。CPU３０がROM３２から上記制御プログラムを読み込み、CPU３０上で実行することで、制御プログラムは、CPU３０等のハードウェアを、肩関節駆動モータ制御手段３３として機能させる。肩関節駆動モータ制御手段３３は、肩関節駆動モータ３４の動作を制御するものである。
【００３７】
次に、図６及び図７に基づいて、関節構造Jについて更に詳細に説明する。図６は、図１に対応しており、上腕部５が略水平となっている状態をイメージしている。図７は、図２に対応しており、上腕部５が下ろされた状態をイメージしている。
【００３８】
本実施形態において、従動プーリ１２の中心軸Dは、関節部１４の関節軸Cに沿ってみた図６及び図７の側面視において、関節部１４の関節軸Cからずれている。詳しくは、従動プーリ１２の中心軸Dは、関節部１４の関節軸Cから肘関節部９側（図１を併せて参照）にずれている。別の言い方をすれば、従動プーリ１２の中心軸Dは、関節部１４の関節軸Cから上腕部５の長手方向にずれている。
【００３９】
ここで、図６及び図７に示すように、駆動プーリ１１の回転軸Pと、関節部１４の関節軸Cと、の間の距離を軸間距離L1と定義する。同様に、駆動プーリ１１の回転軸Pと、従動プーリ１２の中心軸Dと、の間の距離を軸間距離L2と定義する。同様に、関節部１４の関節軸Cと、従動プーリ１２の中心軸Dと、の間の距離を軸間距離L3と定義する。これら軸間距離L1〜L3のうち、軸間距離L1と軸間距離L3は一定値となる。一方、軸間距離L2は、体幹部２に対する上腕部５の相対的な角度に応じて増減する。
【００４０】
具体的には、図６に示すように上腕部５が略水平の状態となったとき、従動プーリ１２の中心軸Dは、駆動プーリ１１の回転軸Pと関節部１４の関節軸Cを挟んで反対側に位置することになるので、L2=L1+L3の関係が成立し、軸間距離L2は最大となる。一方で、図７に示すように上腕部５が下ろされた状態となったとき、軸間距離L2は、図６の場合と比較して小さくなる。図７に示す状態では軸間距離L2≒軸間距離L1となっている。
【００４１】
ところで、平ベルト１３のテンションは、図６及び図７に示す軸間距離L2との間で正の相関関係がある。即ち、図６に示すように軸間距離L2が大きくなると平ベルト１３のテンションは大きくなり、図７に示すように軸間距離L2が小さくなると平ベルト１３のテンションは小さくなる。従って、図６に示すように上腕部５が略水平の状態となったときの平ベルト１３のテンションは、図７に示すように上腕部５が下ろされた状態となったときの平ベルト１３のテンションよりも大きい。
【００４２】
また、平ベルト１３のテンションが大きいと、平ベルト１３が駆動プーリ１１や従動プーリ１２上で滑りにくくなり、伝動可能なトルクの上限が大きくなる。即ち、平ベルト１３のテンションが大きいと、大きなトルクも問題なく伝動することができる。一方で、平ベルト１３のテンションが小さいと、平ベルト１３が駆動プーリ１１や従動プーリ１２上で滑りやすくなり、伝動可能なトルクの上限が小さくなる。即ち、平ベルト１３のテンションが小さいと、小さなトルクしか伝動しなくなる。
【００４３】
以上に、関節構造J特有のメカニズムを説明した。次に、この関節構造Jが、図１及び図２に示すロボット１の中でどのような技術的意義を発揮し得るか詳しく説明する。
【００４４】
上述したように、図１に示すように上肢部３全体が略水平な姿勢となっているとき、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクは大きくなる。また、図６に示すように上腕部５が略水平な姿勢となっているとき、大きなトルクも問題なく伝動できるようになっている。従って、図１や図６に示すように、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが大きいとき、大きなトルクも問題なく伝動することができる。
【００４５】
同様に、上述したように、図２に示すように上肢部３全体が下ろされた状態となっているとき、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクは小さくなる。また、図７に示すように上腕部５が下ろされた状態となっているとき、小さなトルクしか伝動しないようになっている。従って、図２や図７に示すように、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは、積極的に、小さなトルクしか伝動しないようになる。
【００４６】
ここで、図２を参照されたい。図２に示すように、上肢部３全体を下ろした状態では、体幹部２と上肢部３（上腕部５を含む。）との間の隙間Gが狭まる。従って、上肢部３全体が下ろされると、体幹部２と上肢部３との間の隙間Gにヒトや物が挟まれ、圧迫を与える虞がある。そこで、上記の関節構造Jによれば、図２の状態では、平ベルト１３は、小さなトルクしか駆動プーリから従動プーリに伝動しないようになっている。従って、上肢部３全体が下ろされた際、仮に体幹部２と上肢部３との間の隙間Gにヒトや物が挟まれたとしても、ヒトや物に過度の圧迫を与えることがない。
【００４７】
一方で、上記の関節構造Jによれば、前述の通り、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが大きいとき、大きなトルクを問題なく伝動することができる。
【００４８】
（まとめ）
以上に本願発明の好適な第１実施形態を説明したが、上記の第１実施形態は、要するに以下の特長を有している。
【００４９】
第１実施形態に係る関節構造Jは、関節軸Cを有する体幹部２と、体幹部２の関節軸C回りに回転可能となるように体幹部２によって支持される上腕部５と、体幹部２に回転可能に設けられ、肩関節駆動モータ３４（駆動源）によって回転駆動される駆動プーリ１１と、上腕部５に回転不能に設けられる従動プーリ１２と、駆動プーリ１１と従動プーリ１２の間に掛けられる平ベルト１３（伝動ベルト）と、を備えている。従動プーリ１２の外周１２ａは略円形である。従動プーリ１２の中心軸Dは、関節軸Cからずれている。以上の構成で、体幹部２に対する上腕部５の相対的な角度が変化すると、駆動プーリ１１の回転軸Pと、従動プーリ１２の中心軸Dと、の軸間距離L2が増減する。軸間距離L2が増減すると、平ベルト１３のテンションが増減する。従って、以上の構成によれば、体幹部２に対する上腕部５の相対的な角度に応じて、平ベルト１３のテンションが増減する構成が実現される。
【００５０】
なお、上記第１実施形態において伝動ベルトは平ベルト１３であるとしたが、これに代えて、Vベルト、歯付ベルト、ワイヤベルト、ステンレスベルトのうち何れかであってもよい。
【００５１】
また、上記第１実施形態において動力源は体幹部２に設けた肩関節駆動モータ３４であるとしたが、これに限定されるものではない。
【００５２】
また、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが大きいときは駆動プーリ１１の回転軸Pと、従動プーリ１２の中心軸Dと、の軸間距離L2が大きくなり、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは軸間距離L2が小さくなるように、従動プーリ１２の中心軸Dは、関節軸Cからずれている。
【００５３】
以上の構成で、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが大きときは平ベルト１３のテンションが大きくなる。平ベルト１３のテンションが大きくなると、平ベルト１３が駆動プーリ１１や従動プーリ１２上で滑り難くなる。従って、以上の構成によれば、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが大きいときは、大きなトルクを問題なく伝動することができる。
【００５４】
一方で、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは平ベルト１３のテンションが小さくなる。平ベルト１３のテンションが小さくなると、平ベルト１３が駆動プーリ１１や従動プーリ１２上で滑り易くなる。従って、以上の構成によれば、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは、小さなトルクしか伝動できなくさせることができる。
【００５５】
要するに、以上の構成によれば、大きなトルクを伝動する必要のあるときはその大きなトルクを確実に伝動しつつ、一方で、大きなトルクを伝動する必要のないときは小さなトルクしか伝動させない、メリハリの効いた構成が実現される。
【００５６】
また、ロボット１は、体幹部２と、体幹部２に対して回転可能に連結される上腕部５（腕部）と、を備える。ロボット１には、体幹部２と上腕部５を含めたかたちの関節構造Jが適用されている。このように関節構造Jは、体幹部２と上腕部５との間に技術的矛盾なくそのまま適用することができる。
【００５７】
また、ロボット１は、体幹部２と、体幹部２に対して回転可能に連結される上腕部５と、を備える。上腕部５を下ろしていくと、体幹部２と上腕部５との間の隙間Gが狭まる。ロボット１には、体幹部２と上腕部５を含めたかたちの関節構造Jが適用されている。即ち、上腕部５を下ろしていくと、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクは小さくなる。また、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクは小さくなると、平ベルト１３のテンションが小さくなる構成が採用されている。従って、以上の構成によれば、体幹部２と上腕部５との間の隙間Gが狭まったとき、小さなトルクしか伝動させない構成が実現される。
【００５８】
以上に本実施形態に係る関節構造Jの主たる特長を説明したが、関節構造Jは、この他にも、シンプルな構造であり、軽量に実現でき、所謂挟み込み検知センサを省略できるので低コスト化を図れる、といったアドバンテージもある。また、平ベルト１３のテンションが大きくなると、平ベルト１３はそれ以上の伸びが強力に規制される。従って、図１の状態で上肢部３は外力によって殆ど揺れなくなる。
【００５９】
更に言えば、出力側である上腕部５に従動プーリ１２を設けるため、図４に示すように、所謂関節軸の中空化を図ることが可能となっている。
【００６０】
（第２実施形態）
次に、図８〜９を参照しつつ、本願発明の第２実施形態を説明する。ここでは、本実施形態が上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、重複する説明は適宜省略する。また、上記第１実施形態の各構成要素に対応する構成要素には原則として同一の符号を付すこととする。
【００６１】
上記実施形態において従動プーリ１２は、外周１２ａが略円形に形成されており、図６に示すように、関節部１４の関節軸Cと、従動プーリ１２の中心軸Dと、をずらしている。これに対し、本実施形態に係る従動プーリ１２は、関節部１４の関節軸Cから従動プーリ１２の外周１２ａまでの距離が周方向において一様ではない。詳しくは、従動プーリ１２は、関節部１４の関節軸Cから従動プーリ１２の外周１２ａまでの距離が第１距離B1（第1の距離）である突出部分１２ｂ（第1の部分）と、関節部１４の関節軸Cから従動プーリ１２の外周１２ａまでの距離が第１距離B1よりも短い距離である第2距離B2（第２の距離）である円弧部分１２ｃ（第２の部分）と、を周方向において異なる位置に有している。本実施形態において、円弧部分１２ｃは、関節軸Cを中心として突出部分１２ｂから反時計回りに９０度異なる位置に形成されている。
【００６２】
そして、図８に示すように上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが大きいときは平ベルト１３に対して突出部分１２ｂが接触し、図９に示すように上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは平ベルト１３に対して突出部分１２ｂは接触しないが、円弧部分１２ｃは接触するように、従動プーリ１２の突出部分１２ｂと円弧部分１２ｃが配置されている。
【００６３】
（まとめ）
以上に本願発明の好適な第２実施形態を説明したが、上記の第２実施形態は、要するに以下の特長を有している。
【００６４】
従動プーリ１２は、関節軸Cから従動プーリ１２の外周１２ａまでの距離が第１距離B1である突出部分１２ｂと、関節軸Cから従動プーリ１２の外周１２ａまでの距離が第１距離B1よりも短い距離である第2距離B2である円弧部分１２ｃと、を周方向において異なる位置に有する。要するに、従動プーリ１２は、関節軸Cから従動プーリ１２の外周１２ａまでの距離が周方向において一様ではない。以上の構成で、体幹部２に対する上腕部５の相対的な角度が変化すると、平ベルト１３のテンションが増減する。従って、以上の構成によれば、体幹部２に対する上腕部５の相対的な角度に応じて、平ベルト１３のテンションが増減する構成が実現される。
【００６５】
また、図８に示すように上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが大きいときは平ベルト１３に対して突出部分１２ｂが接触し、図９に示すように上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは平ベルト１３に対して突出部分１２ｂは接触しないが円弧部分１２ｃは接触するように、従動プーリ１２の突出部分１２ｂと円弧部分１２ｃが配置されている。
【００６６】
以上の構成で、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが大きときは平ベルト１３のテンションが大きくなる。平ベルト１３のテンションが大きくなると、平ベルト１３が駆動プーリ１１や従動プーリ１２上で滑り難くなる。従って、以上の構成によれば、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが大きいときは、大きなトルクを問題なく伝動することができる。
【００６７】
一方で、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは平ベルト１３のテンションが小さくなる。平ベルト１３のテンションが小さくなると、平ベルト１３が駆動プーリ１１や従動プーリ１２上で滑り易くなる。従って、以上の構成によれば、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは、小さなトルクしか伝動できなくさせることができる。
【００６８】
要するに、以上の構成によれば、大きなトルクを伝動する必要のあるときはその大きなトルクを確実に伝動しつつ、一方で、大きなトルクを伝動する必要のないときは小さなトルクしか伝動させない、メリハリの効いた構成が実現される。
【符号の説明】
【００６９】
１ ロボット
２ 体幹部（第１の部材）
３ 上肢部（腕部）
５ 上腕部（腕部）
１１ 駆動プーリ
１２ 従動プーリ
１３ 平ベルト（伝動ベルト）
C 関節軸
D 従動プーリの中心軸
P 駆動プーリの回転軸
１００ 制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関節構造、及びその関節構造を備えたロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の技術として、特許文献１は、旋回台や垂直アーム、水平アーム、ハンド部、把持部を主たる構成として備え、複数の回動軸関節を有する産業用マニプレータを開示している。この産業用マニプレータの回動軸関節には、所定以上の外力を伝達しないトルクリミッタが内蔵されている。このトルクリミッタは、例えば、駆動プーリと従動プーリとの間にタイミングベルトを掛け回した構成において、従動プーリと従動軸との間に装着される。この場合、トルクリミッタは、従動軸に固定された押え板と、従動プーリに固定された回転板と、押え板及び回転板を所定の押圧力によって互いに圧接状態とする板ばねと、によって構成される。以上の構成によれば、通常時、駆動力は、駆動プーリ、タイミングベルト、従動プーリ、トルクリミッタ（回転板、板ばね、押え板）を順に介して従動軸へと伝達される。一方で、垂直アームに外力が作用してその外力が所定以上の衝撃力であった場合は、その外力による回転力は従動軸には伝達されるが、その回転力はトルクリミッタの回転板と押え板との間ですべりが発生することでトルクリミッタによって吸収され、その回転力は従動プーリには伝達されないとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平7-686号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特許文献１のトルクリミッタは、過負荷保護の観点から有益なものであるが、一層の技術改良が望まれていた。
【０００５】
本願発明の目的は、全く新規な関節構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明の第１の観点によれば、関節構造は、関節軸を有する第１の部材と、前記第１の部材の前記関節軸回りに回転可能となるように前記第１の部材によって支持される第２の部材と、前記第１の部材に回転可能に設けられ、駆動源によって回転駆動される駆動プーリと、前記第２の部材に回転不能に設けられる従動プーリと、前記駆動プーリと前記従動プーリの間に掛けられる伝動ベルトと、を備え、前記従動プーリの外周は略円形であり、前記従動プーリの中心軸は、前記関節軸からずれている。以上の構成で、前記第１の部材に対する前記第２の部材の相対的な角度が変化すると、前記駆動プーリの回転軸と、前記従動プーリの前記中心軸と、の軸間距離が増減する。軸間距離が増減すると、前記伝動ベルトのテンションが増減する。従って、以上の構成によれば、前記第１の部材に対する前記第２の部材の相対的な角度に応じて、前記伝動ベルトのテンションが増減する構成が実現される。
【０００７】
好ましくは、前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが大きいときは前記駆動プーリの回転軸と、前記従動プーリの前記中心軸と、の軸間距離が大きくなり、前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは前記軸間距離が小さくなるように、前記従動プーリの前記中心軸は、前記関節軸からずれている。
【０００８】
以上の構成で、前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが大きいときは前記伝動ベルトのテンションが大きくなる。前記伝動ベルトのテンションが大きくなると、前記伝動ベルトが前記駆動プーリや前記従動プーリ上で滑り難くなる。従って、以上の構成によれば、前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが大きいときは、大きなトルクを問題なく伝動することができる。
【０００９】
一方で、前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは前記伝動ベルトのテンションが小さくなる。前記伝動ベルトのテンションが小さくなると、前記伝動ベルトが前記駆動プーリや前記従動プーリ上で滑り易くなる。従って、以上の構成によれば、前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは、小さなトルクしか伝動できなくさせることができる。
【００１０】
要するに、以上の構成によれば、大きなトルクを伝動する必要のあるときはその大きなトルクを確実に伝動しつつ、一方で、大きなトルクを伝動する必要のないときは小さなトルクしか伝動させない、メリハリの効いた構成が実現される。
【００１１】
本願発明の第２の観点によれば、関節構造は、関節軸を有する第１の部材と、前記第１の部材の前記関節軸回りに回転可能となるように前記第１の部材によって支持される第２の部材と、前記第１の部材に回転可能に設けられ、駆動源によって回転駆動される駆動プーリと、前記第２の部材に回転不能に設けられる従動プーリと、前記駆動プーリと前記従動プーリの間に掛けられる伝動ベルトと、を備え、前記従動プーリは、前記関節軸から前記従動プーリの外周までの距離が第1の距離である第1の部分と、前記関節軸から前記従動プーリの外周までの距離が第1の距離よりも短い距離である第2の距離である第2の部分と、を周方向において異なる位置に有する。要するに、前記従動プーリは、前記関節軸から前記従動プーリの外周までの距離が周方向において一様ではない。以上の構成で、前記第１の部材に対する前記第２の部材の相対的な角度が変化すると、前記伝動ベルトのテンションが増減する。従って、以上の構成によれば、前記第１の部材に対する前記第２の部材の相対的な角度に応じて、前記伝動ベルトのテンションが増減する構成が実現される。
【００１２】
好ましくは、前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが大きいときは前記伝動ベルトに対して前記第１の部分が接触し、前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは前記伝動ベルトに対して前記第１の部分は接触しないが前記第２の部分は接触するように、前記従動プーリの前記第１の部分と前記第２の部分が配置されている。
【００１３】
以上の構成で、前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが大きときは前記伝動ベルトのテンションが大きくなる。前記伝動ベルトのテンションが大きくなると、前記伝動ベルトが前記駆動プーリや前記従動プーリ上で滑り難くなる。従って、以上の構成によれば、前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが大きいときは、大きなトルクを問題なく伝動することができる。
【００１４】
一方で、前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは前記伝動ベルトのテンションが小さくなる。前記伝動ベルトのテンションが小さくなると、前記伝動ベルトが前記駆動プーリや前記従動プーリ上で滑り易くなる。従って、以上の構成によれば、前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは、小さなトルクしか伝動できなくさせることができる。
【００１５】
要するに、以上の構成によれば、大きなトルクを伝動する必要のあるときはその大きなトルクを確実に伝動しつつ、一方で、大きなトルクを伝動する必要のないときは小さなトルクしか伝動させない、メリハリの効いた構成が実現される。
【００１６】
好ましくは、前記動力源は、前記第１の部材に設けたモータである。
【００１７】
好ましくは、前記伝動ベルトは、平ベルト、Vベルト、歯付ベルト、ワイヤベルト、ステンレスベルトのうち何れかである。
【００１８】
本願発明の第３の観点によれば、ロボットは、体幹部と、前記体幹部に対して回転可能に連結される腕部と、を備える。前記体幹部を前記第１の部材とし、前記腕部を前記第２の部材として、上記の関節構造が適用された。このように前記の関節構造は、前記体幹部と前記腕部との間に技術的矛盾なくそのまま適用することができる。
【００１９】
本願発明の第４の観点によれば、体幹部と、前記体幹部に対して回転可能に連結される腕部と、を備える。前記腕部を下ろしていくと、前記体幹部と前記腕部との間の隙間が狭まる。前記体幹部を前記第１の部材とし、前記腕部を前記第２の部材として、上記の関節構造が適用された。即ち、前記腕部を下ろしていくと、前記腕部を回転させる際に必要となるトルクは小さくなる。また、前記腕部を回転させる際に必要となるトルクは小さくなると、前記伝動ベルトのテンションが小さくなる構成が採用されている。従って、以上の構成によれば、前記体幹部と前記腕部との間の隙間が狭まったとき、小さなトルクしか伝動させない構成が実現される。
【発明の効果】
【００２０】
本願発明によれば、前記第１の部材に対する前記第２の部材の相対的な角度に応じて、前記伝動ベルトのテンションが増減する構成が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、ロボットの正面図である（第１実施形態）。
【図２】図２は、ロボットの正面図である（第１実施形態）。
【図３】図３は、関節構造の斜視図である（第１実施形態）。
【図４】図４は、関節構造の一部切り欠き斜視図である（第１実施形態）。
【図５】図５は、ロボットの制御装置の機能ブロック図である（第１実施形態）。
【図６】図６は、関節構造の正面拡大図である（第１実施形態）。
【図７】図７は、関節構造の正面拡大図である（第１実施形態）。
【図８】図８は、関節構造の正面拡大図である（第２実施形態）。
【図９】図９は、関節構造の正面拡大図である（第２実施形態）。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図１〜７を参照しつつ、本願発明の第１実施形態を説明する。
【００２３】
図１に示すようにロボット１は、体幹部２（第１の部材）と、この体幹部２に対して回転可能に連結された上肢部３と、体幹部２に支持される頭部４と、を主たる構成として備えている。ロボット１の体幹部２と上肢部３、頭部４は、ヒトの体幹、上肢、頭に夫々相当している。
【００２４】
上肢部３は、上腕部５（第２の部材、腕部）と、前腕部６と、把持部７と、によって構成されている。上腕部５と前腕部６、把持部７は、ヒトの上腕、前腕、手に夫々相当している。
【００２５】
上腕部５は、肩関節部８を介して体幹部２に支持されている。この肩関節部８の存在により、図１及び図２に示すように、上腕部５は、体幹部２に対して姿勢を変えられるようになっている。図１には、上肢部３全体が略水平な姿勢となっている様子を示している。図２には、上肢部３全体が下ろされた姿勢となっている様子を示している。本実施形態において肩関節部８は、１自由度の関節である。
【００２６】
前腕部６は、肘関節部９を介して上腕部５に支持されている。この肘関節部９の存在により、前腕部６は、上腕部５に対して姿勢を変えられるようになっている。本実施形態において肘関節部９は、１自由度の関節である。
【００２７】
把持部７は、手首関節部１０を介して前腕部６に支持されている。この手首関節部１０の存在により、把持部７は、前腕部６に対して姿勢を変えられるようになっている。本実施形態において手首関節部１０は、２自由度の関節である。
【００２８】
次に、肩関節部８に対する上肢部３のモーメントアームMAについて説明する。図１及び図２には、上腕部５と前腕部６、把持部７から成る上肢部３の真っ直ぐに伸ばされた状態における重心３ｇを示している。図１及び図２に示すように、上肢部３全体の姿勢の如何によりモーメントアームMAは増減する。詳しくは、図１に示すように上肢部３全体が略水平な姿勢となっているときモーメントアームMAは大きく、図２に示すように上肢部３全体が下ろされた姿勢となっているときモーメントアームMAは小さくなる。そして、図１のようにモーメントアームMAが大きいということは、上肢部３を肩関節部８回りに回転させる際に必要となるトルクが大きいということである。一方、図２のようにモーメントアームMAが小さいということは、上肢部３を肩関節部８回りに回転させる際に必要となるトルクが小さいということである。
【００２９】
次に、図３及び図４に基づいて、ロボット１に適用された関節構造Jについて説明する。本実施形態において関節構造Jは、ロボット１の肩関節部８に適用されている。
【００３０】
図３及び図４に示すように、関節構造Jは、体幹部２と、上腕部５と、駆動プーリ１１と、従動プーリ１２と、平ベルト１３（伝動ベルト）と、を備えて構成されている。図３及び図４では、説明の都合上、体幹部２は一部のみを示し、その一部は略円柱状に描いている。上腕部５についても同様に一部のみを示している。
【００３１】
体幹部２は、関節軸Cを伴った関節部１４を有している。関節部１４は、体幹部２から突出して形成されている。図４に示すように関節部１４には、関節軸Cに対して同軸となる軸受１５が設けられている。
【００３２】
上腕部５は、体幹部２の関節部１４の関節軸C回りに回転可能となるように体幹部２によって支持されている。
【００３３】
駆動プーリ１１は、体幹部２に回転可能に設けられている。図４に示すように体幹部２には、駆動プーリ１１を回転駆動するための肩関節駆動モータ３４が設けられている。肩関節駆動モータ３４と駆動プーリ１１との間には減速機１６が介在している。この構成で、肩関節駆動モータ３４で生成されたトルクは、減速機１６によって増幅された後、駆動プーリ１１に伝動される。駆動プーリ１１の外周は略円形である。
【００３４】
従動プーリ１２は、上腕部５に回転不能に設けられている。図４に示すように従動プーリ１２は、円筒状に形成された連結筒部１７を介して上腕部５に対して回転不能に固定されている。連結筒部１７は、軸受１５によって支持される。換言すれば、従動プーリ１２は、上腕部５と関節部１４を挟んで反対側に位置する。連結筒部１７と軸受１５の存在により、上腕部５は、体幹部２に対して所定の回転角度範囲内で自在に回転できるようになっている。本実施形態において従動プーリ１２の外周１２ａは図６に示すように略円形である。
【００３５】
平ベルト１３は、駆動プーリ１１と従動プーリ１２の間に掛けられている。
【００３６】
次に、図５を参照しつつ、ロボット１が備える制御装置１００について簡単に説明する。制御装置１００は、中央演算処理器としてのCPU３０（Central Processing Unit）、読み書き自在のRAM３１（Random Access Memory）、読み取り専用のROM３２（Read Only Memory）を備えて構成されている。ROM３２には、制御プログラムが記憶されている。CPU３０がROM３２から上記制御プログラムを読み込み、CPU３０上で実行することで、制御プログラムは、CPU３０等のハードウェアを、肩関節駆動モータ制御手段３３として機能させる。肩関節駆動モータ制御手段３３は、肩関節駆動モータ３４の動作を制御するものである。
【００３７】
次に、図６及び図７に基づいて、関節構造Jについて更に詳細に説明する。図６は、図１に対応しており、上腕部５が略水平となっている状態をイメージしている。図７は、図２に対応しており、上腕部５が下ろされた状態をイメージしている。
【００３８】
本実施形態において、従動プーリ１２の中心軸Dは、関節部１４の関節軸Cに沿ってみた図６及び図７の側面視において、関節部１４の関節軸Cからずれている。詳しくは、従動プーリ１２の中心軸Dは、関節部１４の関節軸Cから肘関節部９側（図１を併せて参照）にずれている。別の言い方をすれば、従動プーリ１２の中心軸Dは、関節部１４の関節軸Cから上腕部５の長手方向にずれている。
【００３９】
ここで、図６及び図７に示すように、駆動プーリ１１の回転軸Pと、関節部１４の関節軸Cと、の間の距離を軸間距離L1と定義する。同様に、駆動プーリ１１の回転軸Pと、従動プーリ１２の中心軸Dと、の間の距離を軸間距離L2と定義する。同様に、関節部１４の関節軸Cと、従動プーリ１２の中心軸Dと、の間の距離を軸間距離L3と定義する。これら軸間距離L1〜L3のうち、軸間距離L1と軸間距離L3は一定値となる。一方、軸間距離L2は、体幹部２に対する上腕部５の相対的な角度に応じて増減する。
【００４０】
具体的には、図６に示すように上腕部５が略水平の状態となったとき、従動プーリ１２の中心軸Dは、駆動プーリ１１の回転軸Pと関節部１４の関節軸Cを挟んで反対側に位置することになるので、L2=L1+L3の関係が成立し、軸間距離L2は最大となる。一方で、図７に示すように上腕部５が下ろされた状態となったとき、軸間距離L2は、図６の場合と比較して小さくなる。図７に示す状態では軸間距離L2≒軸間距離L1となっている。
【００４１】
ところで、平ベルト１３のテンションは、図６及び図７に示す軸間距離L2との間で正の相関関係がある。即ち、図６に示すように軸間距離L2が大きくなると平ベルト１３のテンションは大きくなり、図７に示すように軸間距離L2が小さくなると平ベルト１３のテンションは小さくなる。従って、図６に示すように上腕部５が略水平の状態となったときの平ベルト１３のテンションは、図７に示すように上腕部５が下ろされた状態となったときの平ベルト１３のテンションよりも大きい。
【００４２】
また、平ベルト１３のテンションが大きいと、平ベルト１３が駆動プーリ１１や従動プーリ１２上で滑りにくくなり、伝動可能なトルクの上限が大きくなる。即ち、平ベルト１３のテンションが大きいと、大きなトルクも問題なく伝動することができる。一方で、平ベルト１３のテンションが小さいと、平ベルト１３が駆動プーリ１１や従動プーリ１２上で滑りやすくなり、伝動可能なトルクの上限が小さくなる。即ち、平ベルト１３のテンションが小さいと、小さなトルクしか伝動しなくなる。
【００４３】
以上に、関節構造J特有のメカニズムを説明した。次に、この関節構造Jが、図１及び図２に示すロボット１の中でどのような技術的意義を発揮し得るか詳しく説明する。
【００４４】
上述したように、図１に示すように上肢部３全体が略水平な姿勢となっているとき、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクは大きくなる。また、図６に示すように上腕部５が略水平な姿勢となっているとき、大きなトルクも問題なく伝動できるようになっている。従って、図１や図６に示すように、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが大きいとき、大きなトルクも問題なく伝動することができる。
【００４５】
同様に、上述したように、図２に示すように上肢部３全体が下ろされた状態となっているとき、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクは小さくなる。また、図７に示すように上腕部５が下ろされた状態となっているとき、小さなトルクしか伝動しないようになっている。従って、図２や図７に示すように、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは、積極的に、小さなトルクしか伝動しないようになる。
【００４６】
ここで、図２を参照されたい。図２に示すように、上肢部３全体を下ろした状態では、体幹部２と上肢部３（上腕部５を含む。）との間の隙間Gが狭まる。従って、上肢部３全体が下ろされると、体幹部２と上肢部３との間の隙間Gにヒトや物が挟まれ、圧迫を与える虞がある。そこで、上記の関節構造Jによれば、図２の状態では、平ベルト１３は、小さなトルクしか駆動プーリから従動プーリに伝動しないようになっている。従って、上肢部３全体が下ろされた際、仮に体幹部２と上肢部３との間の隙間Gにヒトや物が挟まれたとしても、ヒトや物に過度の圧迫を与えることがない。
【００４７】
一方で、上記の関節構造Jによれば、前述の通り、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが大きいとき、大きなトルクを問題なく伝動することができる。
【００４８】
（まとめ）
以上に本願発明の好適な第１実施形態を説明したが、上記の第１実施形態は、要するに以下の特長を有している。
【００４９】
第１実施形態に係る関節構造Jは、関節軸Cを有する体幹部２と、体幹部２の関節軸C回りに回転可能となるように体幹部２によって支持される上腕部５と、体幹部２に回転可能に設けられ、肩関節駆動モータ３４（駆動源）によって回転駆動される駆動プーリ１１と、上腕部５に回転不能に設けられる従動プーリ１２と、駆動プーリ１１と従動プーリ１２の間に掛けられる平ベルト１３（伝動ベルト）と、を備えている。従動プーリ１２の外周１２ａは略円形である。従動プーリ１２の中心軸Dは、関節軸Cからずれている。以上の構成で、体幹部２に対する上腕部５の相対的な角度が変化すると、駆動プーリ１１の回転軸Pと、従動プーリ１２の中心軸Dと、の軸間距離L2が増減する。軸間距離L2が増減すると、平ベルト１３のテンションが増減する。従って、以上の構成によれば、体幹部２に対する上腕部５の相対的な角度に応じて、平ベルト１３のテンションが増減する構成が実現される。
【００５０】
なお、上記第１実施形態において伝動ベルトは平ベルト１３であるとしたが、これに代えて、Vベルト、歯付ベルト、ワイヤベルト、ステンレスベルトのうち何れかであってもよい。
【００５１】
また、上記第１実施形態において動力源は体幹部２に設けた肩関節駆動モータ３４であるとしたが、これに限定されるものではない。
【００５２】
また、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが大きいときは駆動プーリ１１の回転軸Pと、従動プーリ１２の中心軸Dと、の軸間距離L2が大きくなり、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは軸間距離L2が小さくなるように、従動プーリ１２の中心軸Dは、関節軸Cからずれている。
【００５３】
以上の構成で、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが大きときは平ベルト１３のテンションが大きくなる。平ベルト１３のテンションが大きくなると、平ベルト１３が駆動プーリ１１や従動プーリ１２上で滑り難くなる。従って、以上の構成によれば、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが大きいときは、大きなトルクを問題なく伝動することができる。
【００５４】
一方で、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは平ベルト１３のテンションが小さくなる。平ベルト１３のテンションが小さくなると、平ベルト１３が駆動プーリ１１や従動プーリ１２上で滑り易くなる。従って、以上の構成によれば、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは、小さなトルクしか伝動できなくさせることができる。
【００５５】
要するに、以上の構成によれば、大きなトルクを伝動する必要のあるときはその大きなトルクを確実に伝動しつつ、一方で、大きなトルクを伝動する必要のないときは小さなトルクしか伝動させない、メリハリの効いた構成が実現される。
【００５６】
また、ロボット１は、体幹部２と、体幹部２に対して回転可能に連結される上腕部５（腕部）と、を備える。ロボット１には、体幹部２と上腕部５を含めたかたちの関節構造Jが適用されている。このように関節構造Jは、体幹部２と上腕部５との間に技術的矛盾なくそのまま適用することができる。
【００５７】
また、ロボット１は、体幹部２と、体幹部２に対して回転可能に連結される上腕部５と、を備える。上腕部５を下ろしていくと、体幹部２と上腕部５との間の隙間Gが狭まる。ロボット１には、体幹部２と上腕部５を含めたかたちの関節構造Jが適用されている。即ち、上腕部５を下ろしていくと、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクは小さくなる。また、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクは小さくなると、平ベルト１３のテンションが小さくなる構成が採用されている。従って、以上の構成によれば、体幹部２と上腕部５との間の隙間Gが狭まったとき、小さなトルクしか伝動させない構成が実現される。
【００５８】
以上に本実施形態に係る関節構造Jの主たる特長を説明したが、関節構造Jは、この他にも、シンプルな構造であり、軽量に実現でき、所謂挟み込み検知センサを省略できるので低コスト化を図れる、といったアドバンテージもある。また、平ベルト１３のテンションが大きくなると、平ベルト１３はそれ以上の伸びが強力に規制される。従って、図１の状態で上肢部３は外力によって殆ど揺れなくなる。
【００５９】
更に言えば、出力側である上腕部５に従動プーリ１２を設けるため、図４に示すように、所謂関節軸の中空化を図ることが可能となっている。
【００６０】
（第２実施形態）
次に、図８〜９を参照しつつ、本願発明の第２実施形態を説明する。ここでは、本実施形態が上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、重複する説明は適宜省略する。また、上記第１実施形態の各構成要素に対応する構成要素には原則として同一の符号を付すこととする。
【００６１】
上記実施形態において従動プーリ１２は、外周１２ａが略円形に形成されており、図６に示すように、関節部１４の関節軸Cと、従動プーリ１２の中心軸Dと、をずらしている。これに対し、本実施形態に係る従動プーリ１２は、関節部１４の関節軸Cから従動プーリ１２の外周１２ａまでの距離が周方向において一様ではない。詳しくは、従動プーリ１２は、関節部１４の関節軸Cから従動プーリ１２の外周１２ａまでの距離が第１距離B1（第1の距離）である突出部分１２ｂ（第1の部分）と、関節部１４の関節軸Cから従動プーリ１２の外周１２ａまでの距離が第１距離B1よりも短い距離である第2距離B2（第２の距離）である円弧部分１２ｃ（第２の部分）と、を周方向において異なる位置に有している。本実施形態において、円弧部分１２ｃは、関節軸Cを中心として突出部分１２ｂから反時計回りに９０度異なる位置に形成されている。
【００６２】
そして、図８に示すように上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが大きいときは平ベルト１３に対して突出部分１２ｂが接触し、図９に示すように上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは平ベルト１３に対して突出部分１２ｂは接触しないが、円弧部分１２ｃは接触するように、従動プーリ１２の突出部分１２ｂと円弧部分１２ｃが配置されている。
【００６３】
（まとめ）
以上に本願発明の好適な第２実施形態を説明したが、上記の第２実施形態は、要するに以下の特長を有している。
【００６４】
従動プーリ１２は、関節軸Cから従動プーリ１２の外周１２ａまでの距離が第１距離B1である突出部分１２ｂと、関節軸Cから従動プーリ１２の外周１２ａまでの距離が第１距離B1よりも短い距離である第2距離B2である円弧部分１２ｃと、を周方向において異なる位置に有する。要するに、従動プーリ１２は、関節軸Cから従動プーリ１２の外周１２ａまでの距離が周方向において一様ではない。以上の構成で、体幹部２に対する上腕部５の相対的な角度が変化すると、平ベルト１３のテンションが増減する。従って、以上の構成によれば、体幹部２に対する上腕部５の相対的な角度に応じて、平ベルト１３のテンションが増減する構成が実現される。
【００６５】
また、図８に示すように上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが大きいときは平ベルト１３に対して突出部分１２ｂが接触し、図９に示すように上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは平ベルト１３に対して突出部分１２ｂは接触しないが円弧部分１２ｃは接触するように、従動プーリ１２の突出部分１２ｂと円弧部分１２ｃが配置されている。
【００６６】
以上の構成で、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが大きときは平ベルト１３のテンションが大きくなる。平ベルト１３のテンションが大きくなると、平ベルト１３が駆動プーリ１１や従動プーリ１２上で滑り難くなる。従って、以上の構成によれば、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが大きいときは、大きなトルクを問題なく伝動することができる。
【００６７】
一方で、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは平ベルト１３のテンションが小さくなる。平ベルト１３のテンションが小さくなると、平ベルト１３が駆動プーリ１１や従動プーリ１２上で滑り易くなる。従って、以上の構成によれば、上腕部５を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは、小さなトルクしか伝動できなくさせることができる。
【００６８】
要するに、以上の構成によれば、大きなトルクを伝動する必要のあるときはその大きなトルクを確実に伝動しつつ、一方で、大きなトルクを伝動する必要のないときは小さなトルクしか伝動させない、メリハリの効いた構成が実現される。
【符号の説明】
【００６９】
１ ロボット
２ 体幹部（第１の部材）
３ 上肢部（腕部）
５ 上腕部（腕部）
１１ 駆動プーリ
１２ 従動プーリ
１３ 平ベルト（伝動ベルト）
C 関節軸
D 従動プーリの中心軸
P 駆動プーリの回転軸
１００ 制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
関節軸を有する第１の部材と、
前記第１の部材の前記関節軸回りに回転可能となるように前記第１の部材によって支持される第２の部材と、
前記第１の部材に回転可能に設けられ、駆動源によって回転駆動される駆動プーリと、
前記第２の部材に回転不能に設けられる従動プーリと、
前記駆動プーリと前記従動プーリの間に掛けられる伝動ベルトと、
を備え、
前記従動プーリの外周は略円形であり、
前記従動プーリの中心軸は、前記関節軸からずれている、
関節構造。
【請求項２】
請求項１に記載の関節構造であって、
前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが大きいときは前記駆動プーリの回転軸と、前記従動プーリの前記中心軸と、の軸間距離が大きくなり、
前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは前記軸間距離が小さくなるように、
前記従動プーリの前記中心軸は、前記関節軸からずれている、
関節構造。
【請求項３】
関節軸を有する第１の部材と、
前記第１の部材の前記関節軸回りに回転可能となるように前記第１の部材によって支持される第２の部材と、
前記第１の部材に回転可能に設けられ、駆動源によって回転駆動される駆動プーリと、
前記第２の部材に回転不能に設けられる従動プーリと、
前記駆動プーリと前記従動プーリの間に掛けられる伝動ベルトと、
を備え、
前記従動プーリは、前記関節軸から前記従動プーリの外周までの距離が第1の距離である第1の部分と、前記関節軸から前記従動プーリの外周までの距離が第1の距離よりも短い距離である第2の距離である第2の部分と、を周方向において異なる位置に有する、
関節構造。
【請求項４】
請求項３に記載の関節構造であって、
前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが大きいときは前記伝動ベルトに対して前記第１の部分が接触し、
前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは前記伝動ベルトに対して前記第１の部分は接触しないが前記第２の部分は接触するように、
前記従動プーリの前記第１の部分と前記第２の部分が配置されている、
関節構造。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載の関節構造であって、
前記動力源は、前記第１の部材に設けたモータである、
関節構造。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかに記載の関節構造であって、
前記伝動ベルトは、平ベルト、Vベルト、歯付ベルト、ワイヤベルト、ステンレスベルトのうち何れかである、
関節構造。
【請求項７】
体幹部と、
前記体幹部に対して回転可能に連結される腕部と、
を備えるロボットであって、
前記体幹部を前記第１の部材とし、前記腕部を前記第２の部材として、請求項１〜６のうち何れかに記載の関節構造が適用された、
ロボット。
【請求項８】
体幹部と、
前記体幹部に対して回転可能に連結される腕部と、
を備え、
前記腕部を下ろしていくと、前記体幹部と前記腕部との間の隙間が狭まる、
ロボットであって、
前記体幹部を前記第１の部材とし、前記腕部を前記第２の部材として、請求項２、請求項４〜６の何れかに記載の関節構造が適用された、
ロボット。
【請求項１】
関節軸を有する第１の部材と、
前記第１の部材の前記関節軸回りに回転可能となるように前記第１の部材によって支持される第２の部材と、
前記第１の部材に回転可能に設けられ、駆動源によって回転駆動される駆動プーリと、
前記第２の部材に回転不能に設けられる従動プーリと、
前記駆動プーリと前記従動プーリの間に掛けられる伝動ベルトと、
を備え、
前記従動プーリの外周は略円形であり、
前記従動プーリの中心軸は、前記関節軸からずれている、
関節構造。
【請求項２】
請求項１に記載の関節構造であって、
前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが大きいときは前記駆動プーリの回転軸と、前記従動プーリの前記中心軸と、の軸間距離が大きくなり、
前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは前記軸間距離が小さくなるように、
前記従動プーリの前記中心軸は、前記関節軸からずれている、
関節構造。
【請求項３】
関節軸を有する第１の部材と、
前記第１の部材の前記関節軸回りに回転可能となるように前記第１の部材によって支持される第２の部材と、
前記第１の部材に回転可能に設けられ、駆動源によって回転駆動される駆動プーリと、
前記第２の部材に回転不能に設けられる従動プーリと、
前記駆動プーリと前記従動プーリの間に掛けられる伝動ベルトと、
を備え、
前記従動プーリは、前記関節軸から前記従動プーリの外周までの距離が第1の距離である第1の部分と、前記関節軸から前記従動プーリの外周までの距離が第1の距離よりも短い距離である第2の距離である第2の部分と、を周方向において異なる位置に有する、
関節構造。
【請求項４】
請求項３に記載の関節構造であって、
前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが大きいときは前記伝動ベルトに対して前記第１の部分が接触し、
前記第２の部材を回転させる際に必要となるトルクが小さいときは前記伝動ベルトに対して前記第１の部分は接触しないが前記第２の部分は接触するように、
前記従動プーリの前記第１の部分と前記第２の部分が配置されている、
関節構造。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載の関節構造であって、
前記動力源は、前記第１の部材に設けたモータである、
関節構造。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかに記載の関節構造であって、
前記伝動ベルトは、平ベルト、Vベルト、歯付ベルト、ワイヤベルト、ステンレスベルトのうち何れかである、
関節構造。
【請求項７】
体幹部と、
前記体幹部に対して回転可能に連結される腕部と、
を備えるロボットであって、
前記体幹部を前記第１の部材とし、前記腕部を前記第２の部材として、請求項１〜６のうち何れかに記載の関節構造が適用された、
ロボット。
【請求項８】
体幹部と、
前記体幹部に対して回転可能に連結される腕部と、
を備え、
前記腕部を下ろしていくと、前記体幹部と前記腕部との間の隙間が狭まる、
ロボットであって、
前記体幹部を前記第１の部材とし、前記腕部を前記第２の部材として、請求項２、請求項４〜６の何れかに記載の関節構造が適用された、
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２０１２−５１０７４（Ｐ２０１２−５１０７４Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９５７４３（Ｐ２０１０−１９５７４３）
【出願日】平成２２年９月１日（２０１０．９．１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１日（２０１０．９．１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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