JP4535979B2 - ロボットの関節機構 - Google Patents
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Description
(1−1)第1の実施形態の構成
(全体の構成)
本実施形態は、本発明をロボットの手先部分(人間でいう手首から先の部分)における指の駆動機構に適用した例である。図2は、本実施形態のロボットの手先部分の概要を示す斜視図である。図2に示す構成において、手先部分201は、ベース部202、ベース部202に回転動作可能に連結された回動部材である第1指部203および第2指部204を備え、さらに第2指部204に連結された第3指部205を備えている。ベース部202は、図示しない手首関節を介して図示しない腕部(図示する構造では左腕部)に連結される。この構造において、ベース部202は、第1指部203および第2指部204に対して関節基部として機能し、第2指部204は、指としての機能に加えて第3指部205の関節基部としても機能する。
ベース部202には、第1指部関節206を介して、第1指部203が可動可能に連結されている。第1関節部206は、(1)ベース部202に設けられ、関節軸の軸孔217が形成されている上下一対の平板部(フランジ部)202aおよび202bと、(2)これら平板部の間に軸孔215を軸孔217に合わせた状態で配置された第1指部203側の平板部(フランジ部)203aおよび203bと、(3)平板部203aと203bとの間に配置されたウォームホイール207およびスペーサ222と、(4)軸孔215、軸孔217、軸孔216およびスペーサ222の軸孔を遊嵌状態で貫通し、関節軸として機能する連結ピン218とを備えている。
以上が、図2に示す第1指部203を中心とした構成の詳細であるが、次に手先部分201が備える第2指部204および第3指部205について簡単に説明する。
以下、図2に示すロボットの手先構造における第1指部203の動作の一例を具体的に説明する。図7は、第1指部203の動作の過程の一例を説明する概念図である。図7は、図2をそのZ軸方向から見た状態を示すもので、図7(A)は、無負荷状態、図7(B)は、物体701に接触し物体701を矢印702の方向(掌の内側方向)へ押そうと動作を開始した状態、図7(C)は、(B)の状態から進んで物体701を矢印703の方向に押している状態を示す。
上述したような、コンプライアンスを伴った指部の動作や、衝撃を受けた際の緩衝機能を、ベース202内に収めたサーボモータの制御だけで行うことは、CPUの演算速度の制限、消費電力の制限、そしてセンサ系や制御系を収めるスペースの制限等があることから、困難なこととなる。これに対して、図2に示すような歪リング208を用いる構成では、歪リング208が、ウォームホイール207内に収められた構造であるので、通常のウォームホイールを用いた関節構造と機構の専有容積は同じであり、機構の小型化を追求することができる。また、複雑な制御系を必要とせず、さらに機械的に受動的な動作をするので、電気制御のような応答遅延やチャタリングの問題がない、という優位性を得ることができる。また、コンプライアンス機構の要である歪リング208がウォームホイール207によって保護される構造となるので、高い信頼性および耐久性を得ることができる。
図2に示す第1の実施形態において、歪リング208の外周に歪ゲージを配置し、歪リングの変形の程度を定量的に計測できるようにしてもよい。この場合、歪リング208の変形の程度から、第1指部203に加わっている負荷の値を定量的に知ることができる。この歪ゲージの出力は、ウォーム225(図4または図7参照)を駆動するサーボモータの制御、さらにはその他関節部分を駆動するサーボモータの制御に利用することができる。歪ゲージとしては、歪みや変形によって金属や半導体の抵抗値が変化するタイプのものを利用することができる。
以下、図2に示す構成において、歪リングの好ましくない変形を抑え、コンプライアンス特性を得るのに適した変形を生じさせることができるように工夫した歪リングの例を説明する。図8は、本実施形態におけるロボットの手先部分の概要を示す斜視図であり、図9は、本実施形態における歪リングを示す斜視図(A)、側面図(B)、側面図(C)、側面図(D)、上面図(E)、および下面図(F)である。図9において、側面図(B)は斜視図(A)をZ軸方向から見た状態を示し、側面図(C)は斜視図(A)をY軸方向から見た状態を示し、側面図(D)は斜視図(A)を−Y軸方向から見た状態を示し、上面図(E)は斜視図(A)をX軸方向から見た状態を示し、下面図(F)は斜視図(A)を−X軸方向から見た状態を示す。なお、図8において、図2と同じ符号が付与してある部分は、図2に関して説明した部分と同じである。
弾性部材の他の例を説明する。ここでは、弾性部材としてトーションバー(捻り棒)を採用する例を説明する。図10は、弾性部材を収めたウォームホイール部分の他の構成を示す斜視図(A)および断面図(B)である。
図2に示す案内ガイド用スリット220の形状は、ストッパ用突起219をガイドする形状に限定されるものではない。例えば、案内ガイド用スリット220の形状をもっと幅広な開口形状としてもよい。この場合もこの開口形状の端部でストッパ用突起が係止され、ウォームホイール207に対する第1指部203の可動範囲が規制される機能を得ることができる。なお、動作の内容は、第1の実施形態で説明した場合と同じである。
以下、本発明を利用した移動ロボットの一例として2足歩行型の人型ロボットの例を説明する。本実施形態において説明する移動ロボットは、自律制御型の2足歩行可能な人型ロボットである。この移動ロボットは、工事現場等における作業や介護作業といった人間がこれまで行ってきた作業を行うことを目的としている移動ロボットの一例である。
Claims (5)
- 関節基部と、
この関節基部に設けられた関節軸と、
この関節軸を軸とした回転動作を行う回動部材と、
前記関節軸の軸回りを回転する回転駆動体と、
この回転駆動体に回転力を与える駆動手段と、
前記回転駆動体内に収められ、前記回転駆動体の回転力を前記回動部材に伝える弾性部材と
を備え、
前記弾性部材は、一部が切断されたリング形状を有し、
前記リング形状の弾性部材は、
その一方の面上に配置された第1の平板部材と、
その他方の面上に配置された第2の平板部材と
を備え、
前記第1の平板部材は、前記回転駆動体に対して拘束され、
前記第2の平板部材は、前記回動部材に対して拘束され、
前記第1および第2の平板部材は、互いに上下に重ならない部分を有し、
前記第1および第2の平板部材のそれぞれは、前記リング形状の弾性部材の一端および他端に固定され、それ以外の部分で前記弾性部材から浮いている構造であることを特徴とするロボットの関節機構。 - 前記弾性部材とは別に、前記回転駆動体の回転力を前記回動部材に伝達する伝達手段を備え、
前記伝達手段は、
前記回転駆動体に設けられたストッパ用突起と、
前記回動部材に設けられ、前記ストッパ用突起を係止する係止部と
を備え、
前記ストッパ用突起は、前記弾性部材の変形量が所定の値になった段階で、前記係止部に接触し、この接触部分によって前記回転駆動体の回転力が前記回動部材に伝達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機構。 - 前記回動部材には、前記ストッパ用突起をガイドするガイド部が設けられ、
このガイド部の端部に前記係止部が形成され、
前記回動部材の回動時に前記ストッパ用突起は前記ガイド部に沿って動き、
前記ストッパ用突起は、前記弾性部材の変形量が所定の値になった段階で、前記ガイド部の端部に接触し、この接触部分によって前記回転駆動体の回転力が前記回動部材に伝達されることを特徴とする請求項2に記載のロボットの関節機構。 - 前記回転駆動体は、ウォームホイールであり、
前記駆動手段はウォームであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のロボットの関節機構。 - 前記リング形状の弾性部材の外周に歪ゲージが配置されていることを特徴とする請求項1に記載のロボットの関節機構。
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