JP2008121783A - 関節システム - Google Patents

Abstract

【解決手段】関節機構１０は、第１リンク１２と第２リンク１４とを含み、第１リンクに設けた第１関節部１８の凹曲面２０に第２リンクに設けた第２関節部の凸曲面２８が直接接触するように、第１リンクおよび第２リンクを配置する。第１関節部と第２関節部とで作る関節を挟んで外側で拮抗して牽引するように、リンクに固着した２つの取付アングル３０を用いて２本の空気圧アクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂを取り付ける。空気圧アクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂに所定の圧力の気体を注入することによって、第１リンクの軸心と第２リンクの軸心とが同一平面内でなす角度（関節角）と、その関節の剛性とを制御する。
【効果】第１関節部と第２関節部との間に動特性を同定しにくい粘弾性体などを介在させないため、関節角の再現性がよく、空気圧アクチュエータの圧力制御だけで、関節角と剛性を調整することができる。したがって、ロボットに容易に組み込める。
【選択図】図１

Description

この発明は関節システムに関し、特にたとえば、流体圧人工筋を用いた関節機構を有する関節システムに関する。

たとえば、マキベン（McKibben）型空気圧アクチュエータのような流体圧人工筋（流体の注入に応じて収縮するアクチュエータ）を用いる関節機構の一例が、特許文献１および特許文献２、さらには非特許文献１にそれぞれ開示されている。これらの関節機構では、関節角を調整するために流体圧人工筋を用いているので、構造がシンプルで扱い易い。

そのうち特許文献１および特許文献２に開示された関節では、いずれも、骨頭（またはそれに相当する部分）が受容体（またはそれに相当する部分）に包囲されているため、それらの係脱が難しいが、非特許文献１に開示されたものでは、受容体が開放されているので、骨頭を取り外すことができる。

また、非特許文献１の関節機構は、骨として機能するリンクとソケットとの間に軟骨に相当するメラミンフォームのような粘弾性体を介挿し、それによって人間の関節をほぼ模倣するようにしたものである。この非特許文献１の関節機構では、粘弾性体の特に粘性の物理量を同定するのが難しいという理由で、リンクの先端の視覚情報をフィードバックすることにより、リンクの姿勢すなわち関節角を制御するようにしている。
特開平５‐２２０６８８号公報 [B25J 19/00 13/00 17/00 G05D 3/12] 特開２００６‐１５４７２号公報 [B25J 5／00] 日本機械学会 ２００６年ロボティクス・メカトロニクス講演会、２００６年５月２６‐２８日 日野太輔、柴田瑞穂,上段数馬、平井慎一「視覚フィードバックによるLoosely Coupled Jointの角度制御」

非特許文献１の関節機構では、軟骨の機能を有する粘弾性体を用いるので、人間の関節と同様の挙動を呈する関節を得ることができるものの、関節角を制御するために、リンクの先端のマーカを外部のＣＣＤカメラで撮影した画像情報からその位置と姿勢を計測する方法を採用している。このように、外部のカメラからの情報を処理しながら関節角を制御する非特許文献１の関節機構は、自分が取得または計測したデータに従って自律的に行動する自律ロボットの上肢や下肢あるいはそれらの一部として組み込むには困難がある。
それゆえに、この発明の主たる目的は、新規な、流体圧人工筋を用いた関節システムを提供することである。

この発明の他の目的は、ロボットに組み込むことができる、流体圧人工筋を用いた関節システムを提供することである。

請求項１の発明は、長手部材からなり、先端に、凹曲面を有する第１関節部が形成される第１リンク、および長手部材からなり、先端に、凸曲面を有する第２関節部が形成される第２リンクを備え、第１関節部の凹曲面と第２関節部の凸曲面とが直接接触するように第１リンクおよび第２リンクを配置し、さらに第１リンクと第２リンクとを、拮抗して牽引する第１および第２流体圧アクチュエータ、および第１および第２流体圧アクチュエータの流体圧を調整することによって第１リンクと第２リンクとが形成する関節角を制御する制御手段を備える、関節システムである。

請求項１の発明では、第１リンク（１２：実施例で相当する部分を例示する参照符号。以下、同様。）はたとえば棒状であり、それの先端に、凹曲面（２０）を有する第１関節部（１８）が形成される。第２リンク（１４）も同様にたとえば棒状であり、それの先端に、凸曲面（２８）を有する第１２関節部（２６）が形成される。凹曲面（２０）と凸曲面（２８）とが直接接触するように第１リンクおよび第２リンクを配置する。そして、第１リンクと第２リンクとを、第１および第２流体圧アクチュエータ（４２）によって拮抗して牽引する。そして、制御手段（６４，５６）は、第１および第２流体圧アクチュエータの流体圧を調整することによって第１リンクと第２リンクとが形成する関節角を制御する。

第１および第２流体圧アクチュエータ（４２Ａ，４２Ｂ）は、請求項２の発明のように、凹曲面および凸曲面が、ともに、平面視で短辺および長辺を有する矩形に形成されている場合には、長辺と平行な直線上に配置される。

請求項３の発明のように、凹曲面は半球形であり、凸曲面は球形である場合、第１組の第１および第２流体圧アクチュエータ（４２Ａ，４２Ｂ）は、凹曲面および凸曲面の中心を通る第１の直線上に配置され、第２組の第１および第２流体圧アクチュエータ（４２Ｃ，４２Ｄ）は、凹曲面および凸曲面の中心を通るかつ第１の直線と交差する第２の直線上に配置される。

請求項４の発明のように、第１の直線と第２の直線とが直交するときには、２組の流体圧アクチュエータによって２自由度の関節システムが構成され、請求項５の発明のように、第１の直線、第２の直線および第３の直線がそれぞれ６０°の角度で交差し、さらに第３組の流体圧アクチュエータを設けた場合には、第１組、第２組および第３組の第１および第２流体圧アクチュエータによって３自由度の関節システムが構成できる。

請求項６の発明は、凹曲面の曲率および凸曲面の曲率が同じまたはほぼ同じである、請求項１ないし５のいずれかに記載の関節システムである。

請求項７の発明は、凹曲面の曲率が凸曲面の曲率より大きい、請求項１ないし５のいずれかに記載の関節システムである。

請求項６の発明では第２関節部は第１関節部に密に受容され、請求項７の発明では緩く受容される。後者の場合、関節の回転（関節角の変化）と並進とを同時に実現でき、人間の関節に一層近似した関節機構を実現できる。

この発明によれば、第１関節部の凹曲面と第２関節部の凸曲面とを直接接触させているので、流体圧人工筋の流体圧を制御するだけで、第１および第２リンクの形成する関節角を精度よく再現できる。そのため、特にたとえば、この発明の関節システムは自律ロボットの関節などとして有利に利用できる。
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。

図１および図２に示すこの発明の一実施例の関節機構１０は、それぞれが軽量で剛性の高い材料で長手の棒状に形成される第１リンク１２と第２リンク１４とを含み、第１リンク１２の基端部は、この実施例では、固定部材１６によって所定場所に固定されている。ただし、この実施例の関節機構１０を利用してロボットの上肢を作成する場合を想定すると、その場合には、基端部は肩関節（後述）に結合されてよい。また、実施例の関節機構１０を利用してロボットの下肢を作る場合であれば、基端部が股関節に結合されてもよい。

なお、第１および第２リンク１２および１４は、比較的軽量でかつ十分な剛性を有する材料、たとえばアルミニウムやアルミニウム合金、鉄または鉄系金属などの金属で形成するが、剛性等の条件が満足できるなら、勿論、合成樹脂や繊維強化プラスチックなどで形成されてもよい。

第１リンク1２の先端には、骨頭（として機能するもの）の受容体として機能する第１関節部１８が設けられる。この第１関節部１８は、たとえば長方形の短冊を側面から見て半円形に湾曲させたときの凹表面のような、凹曲面２０を有する。つまり、凹曲面２０は、この実施例では、平面視で短辺および長辺を有する矩形に形成される。第１関節部１８はこの実施例では、第１リンク１２の先端に形成した取付部２２を利用して第１リンク１２の先端に取り付けられているが、第１リンク１２の先端にそれと一体的に形成されてもよい。

取付部２２を用いる場合には、取付部２２の下面（図１および図２において。以下、同様。）中央に穴を形成するとともに、側面から螺入されて先端がその穴内に臨まされる取付ねじ２４を設けておく。そして、図１および図２には図示されてはいないが、第１関節部１８の上面から上方に突出する挿入突起を形成しておき、その挿入突起を上記穴に挿入し、取付ねじ２４を、それの先端が穴内で挿入突起を押さえるまで、螺入する。それによって、第１関節部１８が取付部２２に、着脱自在に、取り付けられる。したがって、たとえば更新する必要が生じたときなど、第１関節部１８だけを新しいものと交換したりすることができる。

第２リンク１４の先端には第１リンク１２の第１関節部１８に受容される、上記骨頭に相当する第２関節部２６が形成される。第２関節部２６は、その表面に、上述の第１関節部１８の凹曲面２０に沿う凸曲面２８を有する。この実施例では、凸曲面２８は、凹曲面２０と同様に、平面視で短辺および長辺を有する矩形に形成され、凹曲面２０の曲率と凸曲面２８の曲率とは同じかほぼ同じに設定しているため、第２関節部２６を第１関節部１８で受容するとき、凹曲面２０と凸曲面２８とはぴったり沿うように嵌合または係合する。しかしながら、後述のように、前者を後者より大きくすることによって、よりルーズに係合させることもできる。

また、第１関節部１８の凹曲面２０の円弧角は１８０°またはそれよりやや小さく設定している。したがって、第２関節部２６（凸曲面２８）は凹曲面２０の開放側（図１および図２では下面）からそのまま第１関節部１８の凹曲面２０に嵌め合わせることができる。そして、第２関節部２６が第１関節部１８に嵌め込まれた状態（受容された状態）で関節となる。

この実施例の関節機構１０では、関節は開放されているため、摺動部（凹曲面２０と凸曲面２８との接触部）すなわち第１関節部１８および第２関節部２６を作る材料としては、潤滑剤が飛散しないもので低摩擦の部材、たとえば樹脂材の場合にはボリアセタール，ポリオレフィン，ポリアミド，ポリエステル，エチレン樹脂，ポリフェニレンサルファイド，ポリウレタンあるいはフェノール樹脂などが使用でき、金属の場合であれば、固体潤滑剤を埋め込んだ黄銅，アルミ青銅，鋳鉄あるいは表面を処理して皮膜を作ったものなどが使用できる。

なお、この実施例では、第２リンク１４の先端に一体的に第２関節部２６が形成されているが、この第２関節部２６も、第１関節部１８のためのものと同様の構造を有する取付部を用いることによって、第２リンク２６に対して着脱自在に装着するようにしてもよい。そうすれば、必要に応じて、第２関節部２６だけを別のものと取り替えたりすることができる。

実施例の関節機構１０では、第１リンク１２の基端側に取付アングル３０を取り付ける。この取付アングル３０は上面（または下面）から見て「Ｈ」字型に、第１リンク１２と同じ材料でまたはそれとは違う材料で形成され、その中心部３２に、上下に貫通する貫通孔３４を形成し、一方側面から他方側面を貫通する貫通孔（図示せず）を形成する。さらに、第１リンク１２に貫通孔３６を形成する。そして、取付アングル３０の中心部３２の貫通孔３４の中に第１リンク１２を通し、中心部３２の側面に形成した貫通孔および第１リンク１２に形成した貫通孔３６に取付ねじ３８を通し、裏側でナット（図示せず）で固定することによって、取付アングル３０を第１リンク１２の適宜の位置に固着する。

なお、実施例では第１リンク１２の長さ方向に間隔を隔てて２つ以上の貫通孔３６を形成しているので、取付アングル３０を第１リンク１２の長手方向のどの位置に取り付けるかを選択できるが、勿論、貫通孔３６は１つだけ形成するようにしてもよい。

取付アングル３０の中心部３２すなわち第１リンク１２を挟む両側に、間隔を隔てた２枚の板で取付部４０が形成される。

第２リンク１４にも図示のように上で説明したとほぼ同様の構造を有する取付アングル３０が、第２関節部２６の直下の位置に固着される。この場合も、取付アングル３０の中心部３２すなわち第２リンク１４を挟む両側に、間隔を隔てた２枚の板で取付部４０が形成される。

ただし、実施例では、第２リンク１４にはただ１つの、第１リンク1２の貫通孔３６に相当する貫通孔（図示せず）が形成されているだけであるので、取付アングル３０の第２リンク１４の長手方向位置を変更することはできない。ただし、第２リンク１４についても複数の貫通孔を長手方向に間隔を隔てて形成し、それによって取付アングル３０の第２リンク１４の長手方向に対する取付位置を変更できるようにしてもよい。

上述のように第１リンク１２および第２リンク１４にそれぞれ固着した取付アングル３０は、人工筋を取り付けるために利用される。このような人工筋としては、その本体自身に弾性があるアクチュエータ、たとえば空気圧駆動ゴム人工筋、McKibben型アクチュエータなどの流体圧人工筋が使用できるが、実施例では、McKibben型アクチュエータ４２を利用する。

McKibben型アクチュエータ（以下、「空気圧アクチュエータ」ということもある。）４２は、よく知られているように、本体４４を有し、本体４４はゴム製のチューブを、合成繊維コードを網状に編んだスリーブで覆ったもので、その本体４４の一方端をキャップ４６で密閉し、他方端に外部から空気を供給するための空気供給用口４８を設け、その空気供給用口４８にチューブ（図示せず）を取り付けて空気を供給する構造になっている。空気の供給により本体４４内の圧力が高まると、その本体４４が径方向に膨張し、これにより軸方向に収縮力が生じる。つまり、実施例で用いる空気圧アクチュエータ４２では、空気供給用口４８から空気を供給することによって、本体４２を収縮させることができる。

前述の上下２つの取付アングル３０の間に、このような構成を有する空気圧アクチュエータ４２を取り付ける。つまり、空気圧アクチュエータ４２の両端に設けられた金具５０を取付アングル３０の取付部４０の２枚の板状体の間に挿入し、２枚の板状体とその金具５０とを貫通するように取付ねじ５２を挿通し、そのねじ５２を裏側でナット（図示せず）で固定することによって、２本の空気圧アクチュエータ４０を取付アングル３０で固定する。

図示するように、取付アングル３０は左右（凹曲面２０および凸曲面２８の長辺と平行方向）に延びる直線状に形成され、それらの中心部３２に第１および第２リンク１２および１４を配置し、各取付部４０が中心部３２を通る直線の両端に形成されるので、２本の空気圧アクチュエータ４２は、第１および第２リンク１２および１４を挟んで１８０°対向する位置に取り付けられる。つまり、第１および第２流体圧アクチュエータは長辺と平行な直線上に配置される。換言すれば、２本の空気圧アクチュエータ４２は、第１および第２リンク１２および１４すなわち第１関節部１８および第２関節部２６で作る関節を拮抗して牽引する。したがって、この実施例の関節機構１０では、２本の空気圧アクチュエータ４２に注入する空気圧を調整することによって、つまり、拮抗空気圧を変化させることによって、関節角θ（第１リンク１２の軸心と第２リンク１４の軸心とが同一面内でなす角度である。）を制御すると同時に、第１および第２関節部１８および２６で形成する関節の剛性を制御することができる。

ただし、この実施例の関節機構１０では２本の空気圧アクチュエータ４２を拮抗配置するだけであるので、１つの平面内でのみ関節角を調整できる１自由度の関節機構である。ただし、実施例の関節機構１０の場合、第２リンク１４が傾動できる平面は、前述の短冊の長辺に沿う方向である。その長辺に沿う方向に凹曲面２０および凸曲面２８が形成されているからである。

また、図示からよくわかるように、実施例の関節機構１０では、第１および第２リンク１２および１４に固着した取付アングル３０を用いることによって、２本の空気圧アクチュエータ４２が第１関節部１８および第２関節部２６の作る関節より外側でその関節を拮抗して牽引することができる。したがって、この実施例においては、空気圧アクチュエータ４２が関節に干渉することがないので、関節の可動範囲すなわち関節角θの調整範囲を大きくすることができる。

この点で、非特許文献１に記載された背景技術では、空気圧人工筋をソケットとリンクとの間に接続しているので、人工筋と関節とが干渉し、そのままでは可動範囲が狭くなる。そこで、関節の可動範囲を広げるために、人工筋とリンクとの間にゴムを配置している。ところが、ゴムを配置すると、そのゴムの弾性が、粘弾性体の粘弾性と同様に、再現性のない不確定要素となり、結局、カメラによるフィードバック制御によらなければ、正確な関節角制御を実現するのは困難である。

対して、実施例の関節機構１０では、関節を挟んで外側に設けた人工筋で関節を拮抗して牽引するので、上述のように関節の可動範囲を狭くすることがない。したがって、ゴムを用いる必要がない。

なお、上述の説明では、２つの空気圧アクチュエータ４２は特に区別することなしに説明したが、必要な場合には、一方の空気圧アクチュエータ４２、たとえば図１および図２において右側に設けられた空気圧アクチュエータ４２に「４２Ａ」の参照符号を用い、他方の空気圧アクチュエータ４２、たとえば左側に設けられた空気圧アクチュエータ４２に「４２Ｂ」の参照符号を用いるなど、最後のアルファベットで区別することがある。

このような実施例の関節機構１０は図３に示す制御系と組み合わされて、関節システム１００を構成する。詳しく説明すると、関節機構１０の空気圧アクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂに設けられている空気供給用口４８（図１，図２）は、それぞれ、チューブ５４Ａおよび５４Ｂに接続され、これらのチューブ５４Ａおよび５４Ｂは、それぞれ空気弁５６Ａおよび５６Ｂを通して空気源５８に接続される。空気源５８からの圧縮空気は空気弁５６Ａおよび５６Ｂならびにそれから延びるチューブ５４Ａおよび５４Ｂを通して、それぞれの空気供給用口４８すなわち空気圧アクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂに供給される。

空気弁５６Ａおよび５６Ｂまたはチューブ５４Ａおよび５４Ｂの空気通路には圧力センサ６０Ａおよび６０Ｂが設けられ、圧力センサ６０Ａおよび６０Ｂで検知した圧力値はＡ／Ｄ変換機６２によってそれぞれ圧力データに変換されて、コンピュータ６４に入力される。

コンピュータ６４は、そのコンピュータ６４自身で計算して求めた所望の関節角θ、あるいは図示しない外部入力装置から設定された関節角θに基づいて、次式（１）に従って、２つの空気圧アクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂの注入空気圧（圧力１および圧力２）ＰｌおよびＰｒを計算する。
［数１］
θ＝ｆ（Ｐｌ，Ｐｒ）…（１）
ここで、Ｐｌは空気圧アクチュエータ４２Ａの圧力であり、Ｐｒは空気圧アクチュエータ４２Ｂの圧力を示す。

関節を駆動する空気圧アクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂに或る圧力ＰｌおよびＰｒの気体を注入することにより、関節角θを制御することができるが、この気体の圧力ＰｌおよびＰｒと関節角θとの間には上記式（１）で示す非線形の関係が存在する。したがって、これらの関係を予め同定しておけば、実現したい関節角に応じた気体圧力を求めることができる。図４は、実施例の関節機構１０における圧力ＰｌおよびＰｒと関節角θとの関係を同定したグラフである。

そして、希望の関節角θが決まると、この図４に示すグラフを参照して、との角度θを実現できる圧力のペアＰｌおよびＰｒが決まる。ただし、この圧力値ＰｌおよびＰｒのペアは一通りではなく、図４のグラフの曲面上の曲線で決められる。そこで、まず第１アクチュエータ４２Ａの圧力Ｐｌを決め、その圧力値Ｐｌの曲線から、最終的な関節角θを決める第２アクチュエータ４２Ｂの圧力Ｐｒが決まる。このとき、最初の圧力値Ｐｌを大きめに選ぶと、関節を緊張させた状態（剛性の高い状態）で所望角度を実現することになるが、それが小さめだと、関節を緩めた状態（剛性の小さい状態）で所望角度を実現することになる。

このようにして、実現したい関節角θが決まると、図３に示すコンピュータ６４が、たとえば図４のような圧力・関節角相関グラフ（またはテーブル）を利用することによって、２つの空気圧アクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂの圧力値ＰｌおよびＰｒを決定する。そして、その決定した圧力値ＰｌおよびＰｒの気体をそれぞれの空気圧アクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂに注入できるようにするために、空気弁５６Ａおよび５６Ｂのための制御データを出力する。この制御データはＤ／Ａ変換器６６によって制御信号に変換され、その制御信号が増幅器６８を通して、空気弁５６Ａおよび５６Ｂに与えられる。

実施例の空気弁５６Ａおよび５６Ｂはともに５ポート電磁弁であり、各空気弁５６Ａおよび５６Ｂのそれぞれのポートを上記制御信号で制御することによって、空気弁５６Ａおよび５６Ｂを通して空気圧アクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂ内に、必要な圧力ＰｌおよびＰｒの空気（気体）が注入され、結果的に、第１関節部１８および第２関節部２６で作る関節の角度が所望の関節角θに調整される。

上述の圧力センサ６０Ａおよび６０Ｂは、空気圧アクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂ内に、必要な圧力ＰｌおよびＰｒの空気（気体）が実際に注入されたかどうかを確認するために利用され、コンピュータ６４は、圧力センサ６０Ａおよび６０Ｂで検出した圧力データに基づいて、空気圧アクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂの圧力が必要な圧力ＰｌおよびＰｒになるまで、空気弁５６Ａおよび５６Ｂをフィードバック制御する。

非特許文献１の背景技術のように関節部に粘弾性を持つ素材を用いた場合、この粘弾性がもたらす動特性の影響を受けるため、２つのアクチュエータに圧力を加えてから望みの関節角になるまでに、時間遅れが生じ、また外力を受けた場合にその粘弾性体に変形が生じてしまう可能性がある。

これに対して、実施例の関節機構１０すなわち関節システム１００では、上述のように、実現したい関節角に応じた空気圧アクチュエータの圧力を求め、その圧力をアクチュエータにかけるだけで、関節角を所望の値に調整できる。この場合、２つの関節部の間に粘弾性体を介在させることがないので、関節の回転方向に直行する方向の剛性は大きく、空気圧アクチュエータに制御圧力を与えると、それに応じた関節角が実現されるまでの時間が比較的短い。また、粘弾性体を用いないので、外力に対する変形は生じない。

図１および図２に示す関節機構１０を用いた図３実施例の関節システム１００において、一方の空気圧アクチュエータ４２Ａを他方の空気圧アクチュエータ４２Ｂに比べて大きい圧力で圧縮させると、図５に示すように、関節機構１０は矢印Ａ方向に曲げられ、正（プラス）の関節角＋θを実現でき、逆の場合、図６に示すように関節機構１０は矢印Ｂ方向に曲げられ、負（マイナス）の関節角−θを実現できる。このとき、関節の剛性（緊張度）も併せて設定できることは上述のとおりである。

また、上述の関節機構１０では、凹曲面２０の曲率と凸曲面２８の曲率とを同じ（ほぼ同じ）に設定しているので、両者は密に結合する。したがって、関節角を変化させても第２関節部２６の中心（関節の回転中心）２７は、図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示すように、一定の位置にとどまり、動かない。

これに対して、たとえば図８に示すように、第１関節部１８の凹曲面２０の曲率を第２関節部２６の凸曲面２８の曲率より大きくすると、両者は疎に（ルーズにまたは緩く）結合する。したがって、関節角を変化させると関節の回転中心２７がたとえば矢印方向に変位する。これによって、関節の回転（関節角の変化）と並進とを同時に実現でき、人間の関節に一層近似した関節機構を実現できる。この場合、回転と並進とが同時に生じるので、図７の実施例（すなわち上で説明した実施例）の場合に比べて、空気圧アクチュエータ４２の制御が多少複雑になる。しかしながら、この実施例でも第１関節部１８と第２関節部２６との間には何も介在せず、凹曲面２０と凸曲面２８とは直接接触しているので、空気圧アクチュエータ４２の圧力制御だけで、関節角を再現性よく制御することができる。

図９はこの発明の他の実施例の関節機構１０’を示す図解図である。この実施例の関節機構１０’は、たとえばロボットの肩関節などとして利用可能な関節機構である。この実施例でも、関節機構１０’は、第１リンク１２および第２リンク１４を含み、第１リンク１２の先端に、取付部２２を用いて第１関節部１８が設けられる。この実施例の第１関節部１８は、円板状に形成され、その端面に半球状の凹曲面２０を有する。さらに、第１関節部１８の円板周縁には、たとえば１２個の通し孔７０が等間隔（３０°間隔）で形成される。この通し孔７０は、後述のように、空気圧アクチュエータ４２を取り付けるためのワイヤ７６（図１０，図１１）を通すための孔である。

第２リンク１４の先端にも第２関節部２６が取り付けられるが、この実施例では、第１関節部１８の凹曲面２０が半球形状であるので、第２関節部２６はそれに嵌まり合う球形状であり、その球体表面が凸曲面２８として機能する。そして、この実施例の関節機構１０’では、半球形状の凹曲面２０に球形状の凸曲面２８が直接接触するように、第１および第２リンク１２および１４が配置される。

ただし、この実施例の関節機構１０’では、第２関節部２６は、取付部７２によって第２リンク１４に設けられる。つまり、取付部７２が第２リンク１４の先端に嵌め込まれ、取付部７２の側面から取付ねじ（図示せず）を螺入することによって、この取付部７２を第２リンク１４の先端に取り付け、その取付部７２の端面に球体形状の第２関節部２６を固着する。このとき、取付部７２の端面にこの第２関節部２６の球体が嵌まり合う凹部（図示せず）を設けておき、その凹部に球形の第２関節部２６を嵌め込み、両者をたとえば溶接や接着で一体的に接合する。

さらに、第２関節部２６の取付部７２の円板周縁には、たとえば１２個の係止孔７４が等間隔（３０°間隔）で形成される。この係止孔７４は、後述のように、空気圧アクチュエータ４２を取り付けるためのワイヤ７６（図１０，図１１）を係止固定するための孔である。

この実施例の関節機構１０’では、半球状の凹曲面２０が球体状の凸曲面２８を受容するので、短冊状の凹曲面が半円板形の凸曲面を受容する先の実施例の関節機構１０とは異なり、関節が全方向へ回転可能である。したがって、この実施例の関節機構１０’は特に、ロボットの肩関節として好適する。

そして、図９実施例の関節機構１０’を用いて構成した２自由度の関節機構１０Ａが図１０に示され、３自由度の関節機構１０Ｂが図１１に示される。ただし、図１０および図１１のいずれにおいても、図面を複雑にしないため、第１関節部１８を取り付けている第１リンク１２および取付部２２の図示は省略していることに予め留意されたい。

図１０を参照して、この実施例の関節機構１０Ａは、２自由度を達成するために２ペア４本の空気圧アクチュエータ４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃおよび４２Ｄを用いる。先の実施例と同様に、空気圧アクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂがペアを構成し、この２つのアクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂは、１８０°対向する位置で、関節（第１関節部１８と第２関節部２６とで形成する）を拮抗牽引する。つまり、第１組の空気圧アクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂは、凹曲面２０および凸曲面２８の中心を通る第１の直線上に配置される。したがって、空気圧アクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂを結ぶ第１の直線上に１つの自由度が設定される。それとは別に、空気圧アクチュエータ４２Ｃおよび４２Ｄが１組の拮抗牽引アクチュエータを構成する。空気圧アクチュエータ４２Ｃおよび４２Ｄも互いに１８０°対向する位置に配置される。つまり、第２組の空気圧アクチュエータ４２Ｃおよび４２Ｄは、凹曲面２０および凸曲面２８の中心を通るかつ上記第１の直線と直交する第２の直線上に配置される。したがって、空気圧アクチュエータ４２Ｃおよび４２Ｄを結ぶ第２の直線上にもう１つの自由度が設定される。ただし、空気圧アクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂを結ぶ第１の直線と空気圧アクチュエータ４２Ｃおよび４２Ｄを結ぶ第２の直線とは互いに直交するので、この実施例の関節機構１０Ａは、直交する２方向に回転可能である。

なお、このような空気圧アクチュエータ４２Ａ‐４２Ｄは、それぞれ、一方端が、第１関節部１８に形成された通し孔７０を通るワイヤ７６で第２関節部２６の取付部７２に形成された係止孔７４に接続される。そして、各空気圧アクチュエータ４２の他方端はこの関節機構１０Ａを取り付ける適宜の固定場所に固定的に取り付けられる。したがって、１の空気圧アクチュエータ４２に所定圧力の気体が注入されると、本体４４（図１，図２）がその圧力に応じた長さに圧縮される。このとき、空気圧アクチュエータ４２の他方端が固定されていて、一方端がワイヤ７６を通して取付部７２の係止孔7４に係止されているので、空気圧アクチュエータ４２が圧縮されると、一方端が接続された係止孔７４の位置を該当の空気アクチュエータが拘引することになり、その拘引の強さに応じて第２リンク１４がその係止孔の方向に傾動する。したがって、４本の空気圧アクチュエータ４２Ａ‐４２Ｄの圧縮長さ、すなわち注入圧力を制御することによって、４本の空気圧アクチュエータの拘引強さの合成で決まる方向に第２リンク１４が傾斜されることになる。

なお、各組の空気圧アクチュエータは、１組ずつ、先に図３に示したと同様の制御回路で制御することができる。ただし、回路の効率化のためには、１つのコンピュータ６４（図３）で４つの圧力センサからのデータを受け、４つの空気弁を制御することになる。

図１１を参照して、この実施例の関節機構１０Ｂは、３自由度を達成するために３ペア６本の空気圧アクチュエータ４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ,４２Ｄ,４２Ｅおよび４２Ｆを用いる。空気圧アクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂがペアを構成し、この２つのアクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂは、１８０°対向する位置で、関節（第１関節部１８と第２関節部２６とで形成する）を拮抗牽引する。つまり、第１組の空気圧アクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂは、凹曲面２０および凸曲面２８の中心を通る第１の直線上に配置される。したがって、空気圧アクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂを結ぶ第１の直線上に１つの自由度が設定される。さらに、空気圧アクチュエータ４２Ｃおよび４２Ｄが１組の拮抗牽引アクチュエータを構成する。空気圧アクチュエータ４２Ｃおよび４２Ｄも互いに１８０°対向する位置に配置される。つまり、第２組の空気圧アクチュエータ４２Ｃおよび４２Ｄは、凹曲面２０および凸曲面２８の中心を通るかつ上記第１の直線と６０°の角度で交差する第２の直線上に配置される。したがって、空気圧アクチュエータ４２Ｃおよび４２Ｄを結ぶ第２の直線上にもう１つの自由度が設定される。そして、空気圧アクチュエータ４２Ｅおよび４２Ｆが１組の拮抗牽引アクチュエータを構成する。空気圧アクチュエータ４２Ｅおよび４２Ｆも互いに１８０°対向する位置に配置される。つまり、第３組の空気圧アクチュエータ４２Ｅおよび４２Ｆは、凹曲面２０および凸曲面２８の中心を通るかつ第１の直線および第２の直線とそれぞれ６０°の角度で交差する第３の直線上に配置される。したがって、空気圧アクチュエータ４２Ｅおよび４２Ｆを結ぶ第３の直線上に３つ目の自由度が設定される。

ただし、空気圧アクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂを結ぶ線と、空気圧アクチュエータ４２Ｃおよび４２Ｄを結ぶ線と、空気圧アクチュエータ４２Ｅおよび４２Ｆを結ぶ線とは上述のように互いに６０°ずれているので、この実施例の関節機構１０Ｂは、６０°ずつずれる３方向に回転可能である。

この実施例でも、各空気圧アクチュエータは、１組ずつ、先に図３に示したと同様の制御回路で制御することができる。ただし、回路の効率化のためには、１つのコンピュータ６４（図３）で６つの圧力センサからのデータを受け、６つの空気弁を制御することになる。

図１１の実施例において、空気圧アクチュエータ４２Ａ‐４２Ｆは、それぞれ、一方端が、第１関節部１８に形成された通し孔７０を通るワイヤ７６で第２関節部２６の取付部７２に形成された係止孔７４に接続される。そして、各空気圧アクチュエータ４２の他方端はこの関節機構１０Ｂを取り付ける適宜の固定場所に固定的に取り付けられる。したがって、１の空気圧アクチュエータ４２に所定圧力の気体が注入されると、本体４４（図１，図２）がその圧力に応じた長さに圧縮される。このとき、空気圧アクチュエータ４２の他方端が固定されていて、一方端がワイヤ７６を通して取付部７２の係止孔7４に係止されているので、空気圧アクチュエータ４２が圧縮されると、一方端が接続された係止孔７４の位置を該当の空気アクチュエータが拘引することになり、その拘引の強さに応じて第２リンク１４がその係止孔の方向に傾動する。したがって、６本の空気圧アクチュエータ４２Ａ‐４２Ｆの圧縮長さ、すなわち注入圧力を制御することによって、６本の空気圧アクチュエータの拘引強さの合成で決まる方向に第２リンク１４が傾斜されることになる。

図１０および図１１に示す実施例では各空気圧アクチュエータ４２を接続するためにワイヤ７６を用いているため、係止孔７４（取付部７２）で空気圧アクチュエータの密集を回避できる。もし、図１などの実施例と同様に固定金具５０をそのまま取付部７２に取り付けることを考えると、その場合には、取付部７２を大きくして係止孔７４の間隔を十分大きくする必要があるが、ワイヤ７６を使うので取付部７２を余り大きくしないでも、密集に起因する空気圧アクチュエータの相互干渉を生じることがない。

また、図９の実施例の関節機構では、３０°間隔で通し孔７０および係止孔７４を形成しているので、最大１２本（３６０°÷１２＝３０°）の空気圧アクチュエータを用いて６自由度の関節機構を実現することができる。

また、図９‐図１１の実施例においても、凹曲面２０の曲率および凸曲面２８の曲率を同じかほぼ同じに設定すれで、第２関節部２６を第１関節部１８で受容するとき、凹曲面２０と凸曲面２８とはぴったり沿うように嵌合または係合する。しかしながら、これらの実施例においても、前者を後者より大きくすることによって、よりルーズに係合させることもできる。

図１２に示す実施例の関節機構１００は、ロボットの腕を想定したもので、上腕に相当する部分に関節機構１０を用い、前腕に相当する部分に関節機構１０Ｃを用いる。関節機構１０は、基本的形態においては先に説明した図１および図２に示す関節機構１０と同じである。ただし、この実施例の関節機構１０では、第１リンク１２は１本であるが、第２リンク１４は２本設けられている。したがって、第１リンク１２の下端に設けた取付部２２に２つの第１関節部１８ａおよび１８ｂを取り付け、２本の第２リンク１４ａおよび１４ｂにそれぞれ設けられている２つの第２関節部２６ａおよび２６ｂをそれぞれ受容するようにしている。

なお、関節機構１０の第１リンク１２が、たとえば上腕骨に相当し、２本の第２リンク１４ａおよび１４ｂのそれぞれが、たとえば橈骨および尺骨に相当する。そして、関節機構１０Ｃに含まれる第２リンク１１４ａおよび１１４ｂが、手根骨に相当する。

ただし、上記第２リンク１４ａおよび１４ｂは、関節機構１０Ｃについてみれば、第１リンクとして機能するため、図１２では、この２つのリンクを指示する参照符号として、「１４ａ（１２ａ）」および「１４ｂ（１２ｂ）」を用いる。そして、関節機構１０で言及するときは「１４ａ」および「１４ｂ」を用い、関節機構１０Ｃにおいて説明するときには「１２ａ」および「１２ｂ」として説明する。付言すれば、関節機構１０Ｃの第２リンクは「１１４ａ」および「１１４ｂ」の参照符号で指示する。

上側の関節機構１０は、上記の点の違いはあるものの、図１および図２の実施例と同様に、空気圧アクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂの圧力を調整することによって、図５または図６に示す矢印Ａ方向または矢印Ｂ方向に曲げられる。

この実施例の関節機構１０Ｃでは、たとえば橈骨および尺骨に相当する２本の第１リンク１２ａおよび１２ｂを用いる。一方の第１リンク１２ａの上端よりやや下方と、他方の第１リンク１２ｂの上端とに、それぞれ、取付アングル３０ａが取り付けられる。取付アングル３０ａは、先の実施例の取付アングル３０と同様に、左右に延びる直線状に形成され、それらの中心部に第１リンク１２ａまたは１２ｂを配置する。第１リンク１２ｂに固着された取付アングル３０ａについていえば、各取付部（図１および図２に示す取付部４０に相当する。）にそれぞれ空気圧アクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂの下端を取り付ける。取り付けアングル３０ａはさらに、側面に突出する第３の取付部４１を有する。

一方の第１リンク１２ａに固着された取付アングル３０ａの両側の取付部（図１および図２に示す取付部４０に相当する。）には、下側の関節機構１０Ｃに含まれる空気圧アクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂの上端が取り付けられる。この取り付けアングル３０ａにも側面に直立する第３の取付部４１が設けられる。

そして、第１リンク１２ｂに固着された上側の取付アングル３０ａの取付部４１と、第１リンク１２ａに固着された下側の取付アングル３０ａの取付部４１とには、２本の第１リンク１２ａおよび１２ｂを挟むように、それらの両側に空気圧アクチュエータ４２Ｇおよび４２Ｈが掛け渡される。この２本の空気圧アクチュエータ４２Ｇおよび４２Ｈは、関節機構１０Ｃに含まれる２本の第１リンク１２ａおよび１２ｂを図１２の矢印ＣまたはＤの方向に捻るために利用される。つまり、人間の前腕においてもたとえば肘筋や円回内筋などで手首（手根骨）を旋回させるように捻ることができるが、この２つの空気圧アクチュエータ４２Ｇおよび４２Ｈはそのような捻りを加えるための人工筋として機能する。

たとえば、アクチュエータ４２Ｇを圧縮すれば、手首（関節機構１０Ｃの第２リンク１１１４ａおよび１１４ｂ）を矢印Ｃ方向に捻ることができ、アクチュエータ４２Ｈを圧縮すれば、手首を矢印Ｃ方向に捻ることができる。

ただし、「捻る」ことができるように、この実施例の関節機構１０Ｃでは工夫が加えられている。特に図１３からよく分かるように、一方の第１リンク１２ａの上端のための第１関節部１８ａとして、図９に示す実施例の半球形状の凹曲面を有する第１関節部１８が用いられ、それに応じて、第２関節部２６ａとして、図９に示す実施例の球形上の凸曲面を有する第２関節部２６が用いられる。これに対して、この第１リンク１２ａの下端のための、すなわち第２リンク１１４ａのための第１関節部１１８ａとしては、図１（図２）で示す実施例の短冊状の凹曲面を有する第１関節部１８が用いられ、第２関節部１２６ａとしては、そのような第１関節部１８に対応する図１（図２）で示す実施例の第２関節部２６が用いられる。他方の第１リンク１２ｂの上下の関節については、第１リンク1２ａの上述した配置とは逆の配置が採用される。つまり、第１リンク１２ｂの上端のための第１関節部１８ｂとして、図１（図２）で示す実施例の短冊状の凹曲面を有する第１関節部１８が用いられ、第２関節部１２６ａとしては、その第１関節部１８に対応する図１（図２）で示す実施例の第２関節部２６が用いられる。これに対して、この第１リンク１２ｂの下端のための、すなわち第２リンク１１４ｂのための第１関節部１１８ｂとしては、図９に示す実施例の半球形状の凹曲面を有する第１関節部１８が用いられ、それに応じて、第２関節部２６ｂとして、図９に示す実施例の球形上の凸曲面を有する第２関節部２６が用いられる。

このように、関節機構１０Ｃの２本の第１リンク１２ａおよび１２ｂについて、図１（図２）に示す実施例の、いわばかまぼこ型の関節と、図９実施例の球形関節とを用い、それらを逆に配置することによって、図１３からよく分かるように、関節機構１０Ｃの第１リンク１２ａおよび１２ｂを矢印ＣまたはＤ方向に旋回させまたは捻ることができる。

この実施例の関節機構１０Ｃでは、２つの並行するリンク１２ａおよび１２ｂの両端を図１実施例および図９実施例の関節で連結する。このとき、リンクの片方が「かまぼこ」なら他方は「球」になるように対向にうまく配置する。そうすると、上述のように、リンクを捻ることができるようになる。これに対して、たとえば、全ての関節を「球」（図９）にしてしまうと、両端に人工筋（空気圧アクチュエータ）をつけて引っ張っても、間のリンク１２ａ，１２ｂがくるくる回転できるような構造になってしまい、工学的に安定にならない。反面、全てを「かまぼこ」（図１）にしてしまうと、今度は２本のリンク１２ａ，１２ｂを捻ることができなくなってしまう。そこで、この実施例では、「かまぼこ」型の関節と「球」型の関節とを対向配置することによて、「捻り」を可能にしている。

そして、関節機構１０Ｃの第２リンク１１４ａおよび１１４ｂには上述の第１関節部１１８ａおよび１１８ｂが取り付けられ、さらに、取付アングル３０がそれぞれに固着される。第２リンク１１４ａに固着した取付アングル３０の取付部４０（図１，図２）には、前述の空気圧アクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂの下端がそれぞれ取り付けられる。つまり、関節機構１０Ｃにおいては、２つの拮抗人工筋４２Ａおよび４２Ｂが用いられ、これらアクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂに注入される空気圧を制御することによって、上側の関節機構１０と同様に、２方向すなわち矢印ＡＡまたは矢印ＢＢ方向に曲げることができる。したがって、手根骨に相当する第２リンク１１４ａおよび１１４ｂが、あたかも、手首を曲げるように曲げられ得る。

なお、関節機構１０Ｃでは、捻り用の空気圧アクチュエータ４２Ｇおよび４２Ｈの他は、２本の空気圧アクチュエータ４２Ａおよび４２Ｂを用いるだけであるため、第２リンク１１４ｂに固着した取付アングル３０には空気圧アクチュエータを取り付けない。

図１はこの発明の一実施例である１自由度の関節機構を示す斜視図である。 図２は図１実施例の関節機構を正面から見た図解図である。 図３はこの実施例の関節機構を含む関節システムの全体構造を示すブロック図である。 図４は図３の関節システムにおける関節機構の空気圧アクチュエータの圧力と関節角との関係を同定したグラフの一例である。 図５はこの実施例の関節システムにおいて関節角を制御した状態の一例を示す図解図である。 図６は同じくこの実施例の関節システムにおいて関節角を制御した状態の他の例を示す図解図である。 図７は実施例の関節機構における第１関節部に対する第２関節部の変位の状態を示す図解図である。 図８は別の実施例の関節機構における第１関節部に対する第２関節部の変位の状態を示す図解図である。 図９は肩関節として利用できるこの発明の他の実施例による関節機構を示す図解図である。 図１０は図９実施例の関節機構を用いて２自由度の関節機構を実現した実施例を示す図解図である。 図１１は図９実施例の関節機構を用いて３自由度の関節機構を実現した実施例を示す図解図である。 図１２は図１に示す関節機構と図９に示す関節機構とを併用したロボットアームの具体的な実施例を示す図解図である。 図１３は図１２に示すロボットアームの下側の関節機構を拡大して示し、それの変位の状態の一例を示す図解図である。

符号の説明

１０，１０’，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ …関節機構
１２，１２ａ，１２ｂ …第１リンク
１４，１４ａ，１４ｂ，１１４ａ，１１４ｂ …第２リンク
１８，１８ａ，１８ｂ …第１関節部
２０ …凹曲面
２６，２６ａ，２６ｂ，１２６ａ，１２６ｂ …第２関節部
２８ …凸曲面
３０，３０ａ …取付アングル
４２，４２Ａ‐４２Ｈ …空気圧アクチュエータ
５６Ａ，５６Ｂ …空気弁
５８ …空気源
６０Ａ，６０Ｂ …圧力センサ
６４ …コンピュータ
１００ …関節システム

Claims (7)

1. 長手部材からなり、先端に、凹曲面を有する第１関節部が形成される第１リンク、および
   長手部材からなり、先端に、凸曲面を有する第２関節部が形成される第２リンクを備え、
   前記第１関節部の前記凹曲面と前記第２関節部の前記凸曲面とが直接接触するように前記第１リンクおよび前記第２リンクを配置し、さらに
   前記第１リンクと前記第２リンクとを、拮抗して牽引する第１および第２流体圧アクチュエータ、および
   前記第１および第２流体圧アクチュエータの流体圧を調整することによって前記第１リンクと前記第２リンクとが形成する関節角を制御する制御手段を備える、関節システム。
2. 前記凹曲面および前記凸曲面は、ともに、平面視で短辺および長辺を有する矩形に形成され、
   前記第１および第２流体圧アクチュエータは前記長辺と平行な直線上に配置される、請求項１記載の関節システム。
3. 前記凹曲面は半球形であり、前記凸曲面は球形であり、
   前記凹曲面および前記凸曲面の中心を通る第１の直線上に第１組の前記第１および第２流体圧アクチュエータが配置され、前記凹曲面および前記凸曲面の中心を通るかつ前記第１の直線と交差する第２の直線上に第２組の前記第１および第２流体圧アクチュエータが配置される、請求項１記載の関節システム。
4. 第１の直線と前記第２の直線とは直交する、請求項３記載の関節システム。
5. 前記第１の直線および前記第２の直線は６０°の角度で交差し、さらに
   前記凹曲面および前記凸曲面の中心を通るかつ前記第１の直線および前記第２の直線とそれぞれ６０°の角度で交差する第３の直線上に配置された第３組の前記第１および第２流体圧アクチュエータを備える、請求項３記載の関節システム。
6. 前記凹曲面の曲率および前記凸曲面の曲率が同じまたはほぼ同じである、請求項１ないし５のいずれかに記載の関節システム。
7. 前記凹曲面の曲率が前記凸曲面の曲率より大きい、請求項１ないし５のいずれかに記載の関節システム。

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