JPWO2007069667A1 - 弾性関節装置 - Google Patents

Abstract

弾性関節装置３１は、一対の支持体１，２と、これら支持体１，２同士を互いに連結する連結体３０とを具備し、連結体３０は、１本又は複数本の弾性棒４ａ，４ｂ，４ｃと、弾性棒４ａ，４ｂ，４ｃを互いに独立に駆動してその軸線方向に伸縮させる伸縮装置３ａ，３ｂ，３ｃとを具備する。

Description

本発明は弾性関節装置に関する。

ロボットの関節や地上移動体の車体間連結装置として、直動運動を利用した関節装置が公知である。
例えば特許第２９９５０５５号公報及び特開２００４−３４５５０３号公報には、一対の支持体と、複数の伸縮棒とを備え、各伸縮棒をユニバーサルジョイントを介して支持体に固定することによりこれら支持体を互いに連結し、伸縮棒を軸線方向に伸縮させることにより、一方の支持体を他方の支持体に対し垂直軸線回り又は水平軸線回りに回転運動させるようにした関節装置が開示されている。
しかしながら、これらの関節装置では、伸縮棒自体が弾性を備えておらず、このため、一方の支持体に外力が作用すると関節装置を介して他方の支持体に外力が伝達されるおそれがある。また、走行状態によっては支持体の動きが制約され滑らかな動作が得られないおそれもある。
一方、特開２００５−５９１１０号公報には、根本部が支持部材に固定された第１弾性部材と、該第１弾性部材に固定された複数の節部材と、最先端に位置する節部材に先端部が固定された第２弾性部材とを有し、第２弾性部材の根本部を先端部と反対方向に移動させると関節部が屈曲する関節装置が開示されている。
この関節装置では第１弾性部材及び第２弾性部材が板部材から形成されているので、屈曲方向の外力はこれら弾性部材でもって吸収することができる。しかしながら、屈曲方向と直行する方向の外力を弾性部材でもって吸収することはできない。

本発明は上記従来技術を考慮したものであって、少なくとも伸縮の自由度を有する関節装置として機能するだけでなく、上下、左右、伸縮及び捻り方向の弾性力でもって外力を緩衝し、支持体同士を滑らかに連結することができる関節装置の提供を目的とする。
本発明によれば、弾性関節装置において、一対の支持体と、これら支持体同士を互いに連結する連結体であって、１つ又は複数の弾性棒と、弾性棒を互いに独立に駆動してその軸線方向に伸縮させる伸縮装置とを具備した連結体と、を具備した弾性関節装置が提供される。
また、本発明によれば、移動体において、複数の移動モジュールと、互いに隣接する一対の移動モジュール同士を互いに連結する少なくとも１つの連結体であって、各連結体が、１つ又は複数の弾性棒と、弾性棒を互いに独立に駆動してその軸線方向に伸縮させる伸縮装置とを具備した連結体と、を具備した移動体が提供される。

図１は本発明の実施例の構成説明図、図２は伸縮装置の詳細図、図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃは弾性連結体の別の実施例の構成説明図、図４、図５及び図６は図１の実施例の動作説明図、図７Ａは従来例の動作説明図、図７Ｂは本発明による実施例の動作説明図、図８は本発明が適用された地上移動体の構成説明図、図９及び図１０は地上移動体の別の実施例の構成説明図、図１１Ａから図１１Ｄまでは地上移動体の推進方法の説明図、図１２は本発明の別の実施例の構成説明図、図１３は好ましくない例を示す図である。

符号の説明

１…後方支持体
２…前方支持体
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ…伸縮装置
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ…弾性棒
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ…弾性部材
２０…地上移動体
２１…後方モジュール（後方車両）
２２…前方モジュール（前方車両）
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ…伸縮装置
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ…弾性棒
３０…弾性連結体
３１…弾性関節装置
６１…規制部材

図１は、本発明の実施例の構成説明図である。
図１に示される弾性関節装置３１は、前方支持体２及び後方支持体１と、これらを連結する弾性連結体３０とにより構成される。弾性連結体３０は、１本又は複数本（この例では３本）の弾性棒４（４ａ，４ｂ，４ｃ）と、各弾性棒４をそれぞれの軸線方向に直動伸縮動作させる伸縮装置３（３ａ，３ｂ，３ｃ）とにより構成される。各弾性棒４の前端は前方支持体２に固定され、各伸縮装置３の後端は後方支持体１に直接的に固定される。
本発明による実施例では、各弾性棒４は断面がほぼ円形状をなし、全体が例えばウレタンゴムから形成される。また、各弾性棒４は中空であってもよいし、中実であってもよい。
一方、各伸縮装置３は、それぞれ独立して弾性棒４を伸縮制御可能な駆動系を備えている。すなわち、例えば図２に示されるように伸縮装置３は、弾性棒４を摺動可能に収容するケーシング５１と、ケーシング５１内に中心軸線周りに回転可能に収容されたボルト５２と、ベルトのような動力伝達機構５３と、電気モータ５４と、中空の弾性棒４に固定されかつボルト５２と螺合するナット５５とを具備する。電気モータ５４が回転されるとボルト５２が回転され、それによってナット５５及び弾性棒４が軸線方向に移動される。この場合、弾性棒４自体の軸線方向長さは大きく変化しない。
各弾性棒４は、それ自体で弾性を有するので、前後方向の直動伸縮動作だけでなく、上下、左右に湾曲して揺動動作が可能である。
また、３本の弾性棒４がそれぞれ弾性を有しすなわち一対の支持体１，２が剛性体により連結されていないので、弾性関節装置３１はその中心軸線Ｃに関し、上下揺動方向（矢印ａ）、左右揺動方向（矢印ｂ）、捻り動作方向（矢印ｃ）及び伸縮動作方向（矢印ｄ）の全方向についての外力ないし衝撃を緩和することができる。
図３Ａから図３Ｃまでに弾性連結体３０の別の実施例を示す。
図３Ａは、前方支持体２及び後方支持体１間の弾性連結体３０を、１本の弾性棒４ａ及びその伸縮装置３ａにより構成した例を示している。伸縮装置３ａによって弾性棒４ａが駆動され、直動伸縮動作が可能である。また、弾性棒４ａの弾性により、上下揺動方向（矢印ａ）、左右揺動方向（矢印ｂ）、捻り動作方向（矢印ｃ）及び伸縮動作方向（矢印ｄ）の全方向についての衝撃を緩和することができる。
図３Ｂは、前方支持体２及び後方支持体１間の弾性連結体３０を、２本の弾性棒４ａ，４ｂ及びそれぞれの伸縮装置３ａ，３ｂにより構成した例を示している。この例でも、各伸縮装置３ａ，３ｂによって弾性棒４ａ，４ｂが独立して駆動されるので、左右動作および伸縮動作が可能である。また、上下揺動方向（矢印ａ）、左右揺動方向（矢印ｂ）、捻り動作方向（矢印ｃ）及び伸縮動作方向（矢印ｄ）の全方向についての衝撃を緩和することができる。
図３Ｃは、前方支持体２及び後方支持体１間の弾性連結体３０を、６本の弾性棒４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ及びそれぞれの伸縮装置３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆにより構成することにより、６自由度を有するスチュワートプラットフォームを形成した例を示している。また、この例では、各弾性棒４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆの前端は前方支持体２に直接的に固定され、各伸縮装置３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆの後端は後方支持体１に、弾性部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆを介して固定される。この例でも、各伸縮装置３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆによって弾性棒４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆが独立して駆動されるので、図３ＣのＸ，Ｙ，Ｚ方向及びα，β，γ方向の動作、すなわち並進、回転各３自由度、合計６自由度の動作が可能となる。また、各弾性棒４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆが弾性を備えておりかつ弾性部材５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆが設けられているので、上下揺動方向、左右揺動方向、捻り動作方向及び伸縮動作方向の全方向についての衝撃を緩和することができる。
このように弾性連結体３０の弾性棒４の数は１本でもよいし複数でもよい。しかしながら、弾性棒４を少なくとも３本にすると、弾性棒４をそれぞれ独立して駆動制御することにより、全体として上下、左右、伸縮動作が可能になると共に、これら各動作方向及び捻り方向に対する衝撃を緩衝することが可能となる。
図４は、図１に示される、３本の弾性棒を具備した弾性連結体３０の動作説明図である。
最初に等長に伸ばされた３本の弾性棒４ａ，４ｂ，４ｃの状態から、図４に示したように、弾性棒４ａを伸張動作させ（矢印Ｅ）、弾性棒４ｂを短縮動作させる（矢印Ｓ）。これにより、弾性連結体３０を垂直軸線Ｖ廻りに回転動作させる（矢印Ｒ）ことができる。これにより、前方支持体２が後方支持体１に対し左右に揺動動作する。
図５は、図１に示される、３本の弾性棒を具備した弾性連結体３０の別の動作説明図である。
最初に等長に伸ばされた３本の弾性棒４ａ，４ｂ，４ｃの状態から、図５に示したように、上方に位置する２本の弾性棒４ａ，４ｂを短縮動作させ（矢印Ｓ）、下方に位置する弾性棒４ｃを伸張動作させる（矢印Ｅ）。これにより、弾性連結体３０を水平軸線Ｈ廻りに回転動作させる（矢印Ｒ）ことができる。これにより、前方支持体２が後方支持体１に対し上下に揺動動作する。
図６は、図１に示される、３本の弾性棒を具備した弾性連結体のさらに別の動作説明図である。
３本の弾性棒４ａ，４ｂ，４ｃを、図６に示したように、等しい長さだけ伸張動作させる（矢印Ｅ）。これにより、弾性連結体３０を前方に直進動作させる（矢印Ｆ）ことができる。これにより、前方支持体２が後方支持体１に対し直動伸縮動作する。
次に、図７Ａ及び図７Ｂを参照して、本発明に係る弾性関節装置を従来の関節装置と比較して説明する。ここで、図７Ａは従来の関節装置を示し、図７Ｂは本発明の関節装置を示す。
図７Ａのようにユニバーサルジョイント又はその他の枢軸回転構造を用いて前後のアーム１１，１２同士を関節部１４で連結して屈曲動作させると、関節部１４で、矢印Ｋで示すように、アーム１１，１２が相互に角張って屈曲する。このため、異物などが関節部１４に引っ掛かって関節部１４が故障しやすくなるおそれがある。
これに対し、本発明の弾性関節装置は、図７Ｂに示すように、前方支持体２と後方支持体１間の弾性連結体３０の弾性棒４自体が弾性を有するので、この弾性棒４を伸縮動作させることにより、矢印Ｇで示すように、滑らかに湾曲する。したがって、異物などが屈曲部分で引っ掛かることがなくなり、故障しにくくなって動作の信頼性が高まる。
このように本発明による実施例では、弾性連結体が、少なくとも伸縮の自由度を有する関節装置として機能するだけでなく、上下、左右、伸縮及び捻り方向の弾性力で衝撃力を緩衝し、支持体同士を滑らかに連結できる。この場合、弾性連結体を構成する弾性棒自体が弾性的に湾曲するので、湾曲する弾性棒自体により衝撃を緩衝する作用が得られる。このため、新たに衝撃緩衝のための緩衝装置を設ける必要がなく、構造を簡素化し、コストを低下させると共に、関節部又は連結部が滑らかに湾曲するので、異物が引っ掛かりにくくなり、円滑な動作が得られかつ故障しにくい関節装置を実現できる。
本発明は例えばロボットの関節や、地上又は水中を移動可能な移動体の連結装置に適用することができる。
図８に本発明の適用例を示す。図８は、地上移動体の連結装置に本発明を適用した例を示している。この地上移動体は例えば地震等の災害後に瓦礫内の不整地に進入して被災者を探査する無人探査装置から構成することができる。
地上移動体２０は、後方モジュール２１と、前方モジュール２２と、これらを連結する弾性連結体３０とにより構成される。図８に示される例では、後方モジュール２１及び前方モジュール２２はそれらの進行方向に沿って直列に連結されている。また、図８に示される例において、後方モジュール２１及び前方モジュール２２はそれぞれの全面を覆って走行駆動用のクローラ２６を備えた車両から構成される。
弾性連結体３０は、４本の弾性棒２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄと、各弾性棒２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを各々別個に伸縮駆動制御する伸縮装置２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ（２３ｂ，２３ｄのみ図示）とにより構成される。各弾性棒２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの前端は前方車両２２に直接的に固定され、各伸縮装置２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの後端は後方車両２１に直接的に固定される。なお、弾性連結体３０を構成する弾性棒の本数は、４本に限らず３本又はそれ以外の本数であってもよい。
上記構成の地上移動体２０によれば、前方車両２２が弾性連結体３０を介して後方車両２１に連結されるので、前後の車両２１，２２の相互間で、前述の図１から図６までの場合と同様に、上下、左右、捻り及び伸縮動作が可能になる。また、これらの動作方向に対する衝撃を弾性的に緩衝し、車両同士を滑らかな動作で連結して瓦礫などの引っ掛かりをなくし、不整地を円滑に走行できる。
図９に地上移動体２０の別の実施例を示す。
図９に示される例では、地上移動体２０は２つの移動モジュール２１，２２すなわち後方モジュール２１及び前方モジュール２２と、これらを連結する弾性連結体３０とにより構成される。図９に示される例でも、後方モジュール２１及び前方モジュール２２はそれらの進行方向に沿って直列に連結されている。しかしながら、各モジュールは２１，２２は例えば円筒形状をなし、クローラや車輪などを備えていない。
弾性連結体３２は、３本の弾性棒２４ａ，２４ｂ，２４ｃと、各弾性棒２４ａ，２４ｂ，２４ｃを各々別個に伸縮駆動制御する伸縮装置２３ａ，２３ｂ，２３ｃとにより構成される。各弾性棒２４ａ，２４ｂ，２４ｃの前端は前方モジュール２２に固定され、各伸縮装置２３ａ，２３ｂ，２３ｃは後方モジュール２１内に収容される。
図９に示される地上移動体２０でも、前方モジュール２２が弾性連結体３０を介して後方モジュール２１に連結されるので、上下、左右、捻り及び伸縮動作が可能であり、これらの動作方向に対する衝撃を弾性的に緩衝することができる。
図１０に示されるように、３つ以上例えば４つの移動モジュール２１，２７ａ，２７ｂ，２２を設けてこれら移動モジュールをそれらの進行方向に沿って直列に連結し、互いに隣接する移動モジュール同士を弾性連結体３０によりそれぞれ連結するようにすることもできる。
したがって、一般化して言うと、本発明による移動体は、複数の移動モジュールと、互いに隣接する一対の移動モジュール同士を互いに連結する少なくとも１つの連結体とを具備しているということになる。
図９又は図１０に示される、車輪などを備えていない地上移動体２０を推進するには様々な方法が考えられる。例えば、少なくとも先頭の移動モジュール２１及び最後尾の移動モジュール２２に係合爪を設け、これら係合爪を選択的に地面等に係合させると共に、弾性連結体３０を伸縮させることにより、地上移動体２０を推進させることができる。すなわち、移動モジュールが２つの場合を例にとって説明すると、図１１Ａに示されるようにまず前方モジュール２２の係合爪２２ｐが例えば地面ＧＲに係合される。次いで、図１１Ｂに示されるように弾性連結体３０が収縮され、それにより後方モジュール２１が前進させられる。次いで、図１１Ｃに示されるように前方モジュール２２の係合爪２２ｐが地面ＧＲから解放され、後方モジュール２１の係合爪２１ｐが地面ＧＲに係合される。次いで、図１１Ｄに示されるように弾性連結体３０が伸長され、それにより前方モジュール２２が前進させられる。これらが繰り返される。
あるいは、地上移動体が移動モジュールを３つ以上備えている場合には、ヘビ又は尺取虫のような屈曲運動により、地上移動体２０を推進させることもできる。
このようにすると、地上移動体２０を推進させるための駆動装置を設ける必要がない。
図１２に本発明の別の実施例を示す。
例えば図９に示される地上移動体２０において、前方モジュール２２の自重が大きい場合には、前方モジュール２２を後方モジュール２１に対し上向きに移動させるべく一つの弾性棒２４ａを伸長させると、図１３に示されるように弾性棒２４ａ自体が好ましくなく変形し、前方モジュール２２が上向きに移動されないおそれがある。
そこで本発明による別の実施例では、図１２に示されるように、一対の移動モジュール２１，２２同士間の中間位置において弾性棒２４ａ，２４ｂ，２４ｃの動きを規制する規制部材６１を設けている。図１２に示される例では、規制部材６１は複数例えば２つの板部材６２，６３から構成される。各板部材６２ａ，６２ｂは弾性棒２４ａ，２４ｂ，２４ｃをそれぞれ受容する受容孔６４を備えており、弾性棒２４ａ，２４ｂ，２４ｃがそれぞれ対応する受容孔６４内をそれぞれ貫通することにより、これら弾性棒２４ａ，２４ｂ，２４ｃの動きが規制される。
また、本発明による別の実施例では、図１２に示されるように、一対の移動モジュール２１，２２同士の間の弾性棒２４ａ，２４ｂ，２４ｃを全周に亘って覆う蛇腹状のカバー部材６５が設けられており、このカバー部材６５により板部材６２，６３が支持されている。このようにすると、弾性棒２４ａ，２４ｂ，２４ｃの上下、左右、捻り及び伸縮動作に応じてカバー部材６５が変形するので、板部材６２，６３を正規の位置に保持し続けることができ、したがって弾性棒２４ａ，２４ｂ，２４ｃの状態にかかわらず、弾性棒２４ａ，２４ｂ，２４ｃの動きを規制し続けることができる。
カバー部材６５の一端は全周に亘って前方モジュール２２に固定され、カバー部材６５の他端は全周に亘って後方モジュール２１に固定される。したがって、弾性連結体３０がカバー部材６５によって保護されると共に、弾性棒２４ａ，２４ｂ，２４ｃ同士間の空隙に異物等が侵入するのが阻止される。
なお、板部材６２，６３がカバー部材６５によって支持されていることを考えると、弾性棒２４ａ，２４ｂ，２４ｃの動きがカバー部材６５によって規制されるという見方もできる。また、板部材６２，６３に設けられた受容孔６４に３つの弾性棒２４ａ，２４ｂ，２４ｃが受容されていることを考えると、例えば弾性棒２４ａの動きが残りの弾性棒２４ｂ，２４ｃによって規制されるという見方もできる。あるいは、板部材６２，６３によって、弾性棒２４ａ，２４ｂ，２４ｃ同士間の距離がほぼ一定に維持されるという見方もできる。
本発明によれば、少なくとも伸縮の自由度を有する関節装置として機能するだけでなく、上下、左右、伸縮及び捻り方向の弾性力でもって外力を緩衝し、支持体同士を滑らかに連結することができる関節装置を提供することができる。

【０００８】
上記構成の地上移動体２０によれば、前方車両２２が弾性連結体３０を介して後方車両２１に連結されるので、前後の車両２１，２２の相互間で、前述の図１から図６までの場合と同様に、上下、左右、捻り及び伸縮動作が可能になる。また、これらの動作方向に対する衝撃を弾性的に緩衝し、車両同士を滑らかな動作で連結して瓦礫などの引っ掛かりをなくし、不整地を円滑に走行できる。
図９に地上移動体２０の別の実施例を示す。
図９に示される例では、地上移動体２０は２つの移動モジュール２１，２２すなわち後方モジュール２１及び前方モジュール２２と、これらを連結する弾性連結体３０とにより構成される。図９に示される例でも、後方モジュール２１及び前方モジュール２２はそれらの進行方向に沿って直列に連結されている。しかしながら、各モジュール２１，２２は例えば円筒形状をなし、クローラや車輪などを備えていない。
弾性連結体３２は、３本の弾性棒２４ａ，２４ｂ，２４ｃと、各弾性棒２４ａ，２４ｂ，２４ｃを各々別個に伸縮駆動制御する伸縮装置２３ａ，２３ｂ，２３ｃとにより構成される。各弾性棒２４ａ，２４ｂ，２４ｃの前端は前方モジュール２２に固定され、各伸縮装置２３ａ，２３ｂ，２３ｃは後方モジュール２１内に収容される。
図９に示される地上移動体２０でも、前方モジュール２２が弾性連結体３０を介して後方モジュール２１に連結されるので、上下、左右、捻り及び伸縮動作が可能であり、これらの動作方向に対する衝撃を弾性的に緩衝することができる。
図１０に示されるように、３つ以上例えば４つの移動モジュール２１，２７ａ，２７ｂ，２２を設けてこれら移動モジュールをそれらの進行方向に沿って直列に連結し、互いに隣接する移動モジュー

Claims (11)

1. 弾性関節装置において、
   一対の支持体と、
   これら支持体同士を互いに連結する連結体であって、１本又は複数本の弾性棒と、弾性棒を互いに独立に駆動してその軸線方向に伸縮させる伸縮装置とを具備した連結体と、
   を具備した弾性関節装置。
2. 前記一対の支持体同士が剛性体によって連結されていない請求項１に記載の弾性関節装置。
3. 前記連結体は、前記弾性棒を少なくとも３本備えている請求項１に記載の弾性関節装置。
4. 前記一対の支持体同士間の中間位置において前記弾性棒の動きを規制する規制部材を更に具備した請求項１に記載の弾性関節装置。
5. 前記規制部材が、弾性棒を受容する受容孔を有する板部材を具備した請求項４に記載の弾性関節装置。
6. 一対の支持体同士の間の弾性棒を全周に亘って覆うカバー部材を更に具備し、該カバー部材により前記規制部材を支持するようにした請求項４に記載の弾性関節装置。
7. 前記弾性棒の断面形状がほぼ円である請求項１に記載の弾性関節装置。
8. 前記伸縮装置が一方の支持体に直接的に固定されている請求項１に記載の弾性関節装置。
9. 前記伸縮装置が一方の支持体に弾性部材を介して固定されている請求項１に記載の弾性関節装置。
10. 移動体において、
    複数の移動モジュールと、
    互いに隣接する一対の移動モジュール同士を互いに連結する少なくとも１つの連結体であって、各連結体が、１つ又は複数の弾性棒と、弾性棒を互いに独立に駆動してその軸線方向に伸縮させる伸縮装置とを具備した連結体と、
    を具備した移動体。
11. 前記複数の移動モジュールがそれらの進行方向に沿って直列に連結されている請求項１０に記載の移動体。

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