WO2016068098A1

WO2016068098A1 - ロボットにおける回転駆動機構

Info

Publication number: WO2016068098A1
Application number: PCT/JP2015/080161
Authority: WO
Inventors: 正樹永塚
Original assignee: Thk株式会社
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2015-10-27
Publication date: 2016-05-06

Abstract

　ロボットの一部である第１部材と第２部材とを、直動の出力軸を有する直動アクチュエータにより所定の回転駆動面上で相対的に回転駆動させるための回転駆動機構であって、当該出力軸が接続され、第１回転軸を介して第１部材に対して回転自在となるように配置され、且つ第２回転軸を介して第２部材側に対して回転自在となるように配置された第１リンク部と、第１部材側に設けられた第１支持軸と第２部材側に設けられた第２支持軸に接続され、該第１支持軸と該第２支持軸との間の軸間距離を一定とする第２リンク部と、を備える。そして、第１支持軸と第２支持軸とをつなぐ直線が第１回転軸と第２回転軸とをつなぐ直線と交差するように、各軸が配置される。これにより、ロボットにおいて相対的に回転駆動される２つの部材の外側表面の形状に大きな変更を加えることなく両部材間の回転範囲を可及的に広く採ることができる。

Description

ロボットにおける回転駆動機構

　本発明は、ロボットの一部である部材同士を相対的に回転駆動するための回転駆動機構に関する。

　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。このような人間型ロボットでは、人間の動作を模すために多くの関節部が設けられており、また、その関節部において複数の自由度を有する多様な動作が求められる。

　例えば、特許文献１の図６には、ロボットの脚部の関節構造が開示されている。具体的には、脚部の上側に位置する大腿部と下側に位置する下腿部とが、皿部材に回転自在となるように接続されている。そして、脚部が最も伸長した状態となったときに、皿部材と、大腿部側のストッパと下腿部側のストッパとが当接するように各部材が配置されている。このような構成により、ロボットが脚部を伸ばし直立したときに、ロボットの自重により、各ストッパと皿部材が当接した状態となるため、ロボットのその直立状態を比較的安定して維持することが可能となる。また、その直立時のストッパと皿部材との当接状態を維持するために、大腿部側と下腿部側にそれぞれバネが設けられ弾性力を付与する構成も採用されている。

国際公開第２０１３／０８４７８９号公報

　ロボットの一部である脚部や腕部のように、複数の部材がそれぞれ関節部で回転自在に接続されている構成（以下、「ロボット構成部」という）においては、ロボットの可動範囲を可及的に広げ、その汎用性を高めるためにも、各関節部での部材同士の回転範囲が可及的に広い方が好ましい。しかし、一般には、ロボット構成部を形成する各部材の内部には、剛性強化のための骨格構造に加えて、各関節部を駆動するためのアクチュエータや電力ケーブル、信号ケーブル等の多くの電装品が収容されており、各部材は一定の大きさを有する構造体でもある。

　そのため、ロボット構成部の各部材は互いに回転駆動する際に、それぞれの大きさによって画定される外側表面同士が接触、干渉しない範囲で、各部材の可動範囲が決定されることになり、その可動範囲を比較的広く採ることが難しい。一方で、ロボット構成部の各部材の干渉を回避するためには、干渉する箇所の各部材の外側表面をえぐる等して所定の変形を加える必要があるが、その場合、各部材の内部の骨格構造や電装品の配置等を変更しなければならず、ロボットの設計自由度が大きく低下する。

　本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、ロボットにおいて相対的に回転駆動される２つの部材間に設けられ、両部材の外側表面の形状に大きな変更を加えることなく両部材間の回転範囲を可及的に広く採れる回転駆動機構を提供することを目的とする。

　本発明において、上記課題を解決するために、相対的に回転移動する第１部材と第２部材との間の関節部に相当する構成を、第１部材と第２部材とがそれぞれ回転自在となるように接続された第１リンク部と、第１部材側の第１支持軸と第２部材側の第２支持軸との間の軸間距離を一定とする第２リンク部によって両部材を関連付ける構成を採用した。これにより、第１部材と第２部材との間に回転駆動のための空間を確保でき、両部材の干渉を回避することが可能となる。

　詳細には、本発明に係る回転駆動機構は、ロボットの一部である第１部材と第２部材とを、直動の出力軸を有する直動アクチュエータにより所定の回転駆動面上で相対的に回転駆動させるための回転駆動機構であって、前記直動アクチュエータの出力軸が接続され、第１回転軸を介して前記第１部材に対して回転自在となるように配置され、且つ第２回転軸を介して前記第２部材側に対して回転自在となるように配置された第１リンク部であって、該第１回転軸と該第２回転軸との間の軸間距離が、前記所定の回転駆動面での該第１部材と該第２部材との回転駆動を可能とする所定距離に設定された第１リンク部と、前記第１部材側に設けられた第１支持軸と前記第２部材側に設けられた第２支持軸に接続され、該第１支持軸と該第２支持軸との間の軸間距離を一定とする第２リンク部と、を備える。そして、前記所定の回転駆動面において前記第１支持軸と前記第２支持軸とをつなぐ直線が、前記第１回転軸と前記第２回転軸とをつなぐ直線と交差するように、該第１回転軸と該第２回転軸に対して、該第１支持軸と該第２支持軸が配置される。

　本発明に係る回転駆動機構は、第１部材と第２部材との相対的な回転駆動を実現するための機構であり、第１リンク部と第２リンク部を備えている。第１リンク部は、第１部材と第２部材がそれぞれ第１回転軸と第２回転軸を介して回転自在となるように接続されるリンク部材である。したがって、第１部材と第２部材は相対的に回転駆動されるものであるが、各部材は、互いに回転可能となるように直接接続されるのではなく、第１リンク部を介して、各部材が異なる回転軸で回転可能となるように接続される。この各部材の回転面が、上記の所定の回転駆動面に相当する。そのため、第１回転軸を中心に回転する第１部材と、第２回転軸を中心に回転する第２部材との間には、両回転軸間の軸間距離である所定距離に応じた離間空間が形成されるため、当該離間空間の存在により第１部材と第２部材とが、所定の回転駆動面での回転駆動において干渉しにくくなる。これにより、第１部材と第２部材の相対的な回転駆動をより広い範囲で実現することが可能となる。

　一方で、第１部材と第２部材とをそれぞれ第１回転軸と第２回転軸とで接続することで、第１部材と第２部材との間の相対的な回転駆動において、構造的に両部材が独立した状態となる。そこで、第２リンク部を介して両部材が接続される。具体的には、上記の通り、第１部材側に設けられた第１支持軸と第２部材側に設けられた第２支持軸との軸間距離が一定となるように、第２リンク部が両支持軸と接続される。そして、所定の回転駆動面において、第１支持軸と第２支持軸とをつなぐ直線が、第１回転軸と第２回転軸とをつなぐ直線と交差するように、これら４つの軸が配置されることで、第２リンク部によって第１支持軸と第２支持軸との間の距離が一定となった状態で、第１部材と第２部材の相対的な回転駆動が可能となる。

　以上より、本発明に係る回転駆動機構は、直動アクチュエータから出力が付与されると、例えば、第１部材が第１リンク部に対して第１回転軸を中心に回転駆動される。このとき、第１部材は第２部材と第２リンク部を介して接続されているため、第２部材が第１部材の回転に連動して第１リンク部に対して第２回転軸を中心に回転駆動されることになり、以て、第１部材と第２部材との相対的な回転駆動が実現される。このような本発明に係る回転駆動機構によれば、一の直動アクチュエータにより、異なる２つの回転軸で接続されている第１部材と第２部材との相対的な回転駆動を実現できるため、アクチュエータの配置に要する空間容積を小さくでき、また両部材の干渉を可及的に回避できる。この結果、第１部材と第２部材との外側表面の形状に大きな変更を加えることなく両部材間の回転範囲を可及的に広く採ることが可能となる。

　ロボットにおいて相対的に回転駆動される２つの部材間に設けられ、両部材の外側表面の形状に大きな変更を加えることなく両部材間の回転範囲を可及的に広く採れる回転駆動機構を提供することができる。

本発明に係る回転駆動機構が適用されるロボットの正面図である。図１に示すロボットの側面図である。図１に示すロボットの背面図である。図１に示すロボットにおいて、腕部と駆動ユニットを取り外した状態を示す図である。図１に示すロボットの腕部に組み込まれた、第１の実施例に係る回転駆動機構の外観図である。図５に示す回転駆動機構におけるリンク部材の動きを示す第１の図である。図５に示す回転駆動機構におけるリンク部材の動きを示す第２の図である。図５に示す回転駆動機構におけるリンク部材の動きを示す第３の図である。本発明に係る第１の実施例に係る回転駆動機構の変形例を示す第１の図である。本発明に係る第１の実施例に係る回転駆動機構の変形例を示す第２の図である。図１に示すロボットの腕部に組み込まれた、第２の実施例に係る回転駆動機構の第１の外観図である。図１に示すロボットの腕部に組み込まれた、第２の実施例に係る回転駆動機構の第２の外観図である。

　以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

　＜ロボット１０の構成＞
　図１～図３に基づいて、本発明に係る回転駆動機構が搭載されたロボット１０の概略構成について説明する。図１はロボット１０の正面図であり、図２はロボット１０の左側面図であり、図３はロボット１０の背面図である。なお、本実施例では、ロボット１０の進行方向をｘ軸正方向、ロボット１０からみて左手方向をｙ軸正方向、ロボット１０における反重力方向をｚ軸正方向としたとき、ｘ軸がロール軸、ｙ軸がピッチ軸、ｚ軸がヨー軸である。したがって、ｘ軸回りの回転がロール動作、ｙ軸回りの回転がピッチ動作、ｚ軸回りの回転がヨー動作となる。また、本実施例における上方向とは、ｚ軸正方向、すなわち反重力方向であり、一方で下方向とは、ｚ軸負方向、すなわち重力方向とし、左右方向はロボット１０から見たときの左右方向であり、ｙ軸正方向が左方向、ｙ軸負方向が右方向となる。

　ロボット１０は、人間型ロボットであり、人間の骨格構造を模したボディを有している。概略的には、図１においてｚ軸方向に延在している背骨部１４及び後述する板金で形成された各種の骨部１４ａ～１４ｄ、背骨部１４を支持するように背骨部１４に連結された腰骨部１５、更に腰骨部１５を支持し図示しないロボット１０の一対の脚部が接続される骨盤部１６によってロボット１０の上半身の骨格構造（以下、単に「上半身骨格構造」という）が形成されている。そして、背骨部１４には、ロボット１０の首部１３が接続され、更にその上に頭部１１が配置されている。なお、頭部１１には、外部を撮影するためのカメラ１２が搭載されている。この首部１３を介した頭部１１の背骨部１４との接続により、頭部１１は背骨部１４に対してロール動作、ヨー動作が可能となるが、これらの動作のためのロボット内部構造は本発明の中核をなすものではないので、本明細書ではその詳細な説明は省略する。

　また、ロボット１０には、その上半身の駆動を司る駆動ユニット２０が右上半身と左上半身のそれぞれに対応して配置されている。ここで、図４に示すように、背骨部１４には、ロボット１０の肩部分に位置する部位で、ロボット前面側の前方鎖骨部１４ａとロボット背面側の背面鎖骨部１４ｂが接続されている。更に、背骨部１４には、ロボット１０の胸部分（肩部分より下方の部位）に位置する部位で、ロボット前面側の前方胸骨部１４ｃとロボット背面側の背面胸骨部１４ｄが接続されている。これらの骨部１４ａ～１４ｄ及び背骨部１４によって、背骨部１４を挟んだロボット１０の上半身内の左右に所定の空間が形成され、当該左右の所定の空間に駆動ユニット２０がそれぞれ収まるように配置され、各骨部１４ａ～１４ｄに対して駆動ユニット２０が接続されることになる。これにより、２つの駆動ユニット２０がロボット１０内に取り付けられることになる。骨部１４ａ～１４ｄは、背骨部１４に対して平板状の板金で形成されているため、背骨部１４に対する駆動ユニット２０の取り付けは、比較的弾性的に行われることになる。

　図４には、ロボット１０の左側の腕部５０と、それに対応する左上半身用の駆動ユニット２０とが一体となって、ロボット１０の上半身骨格構造から取り外された状態が示されている。このように駆動ユニット２０は、対応する腕部５０とともにロボット１０の上半身骨格構造から取り外し可能となるように構成されることで、ロボット１０の組立性やメンテナンス性が好適に維持される。この駆動ユニット２０内に、腕部５０をピッチ回転するためのアクチュエータと、当該アクチュエータの出力を腕部５０まで伝達する伝達機構が搭載されているが、駆動ユニット２０そのものは本発明の中核をなすものではないので、本明細書ではその詳細な説明は省略する。

　＜腕部５０の構成＞
　ここで、図５～図８に基づいて、腕部５０の構成について説明する。図５は、腕部５０を構成する２つの腕部材であって、上腕側の第１腕部材５１と下腕側の第２腕部材５２の相対的な回転駆動を司る関節部、すなわち肘関節部５４を示す外観図である。なお、図５は、当該肘関節部５４の構成の把握が容易となるように、図１等に示す各腕部材を覆うカバー部材の記載は省略されている。また、図６～図８は、当該肘関節部５４を形成する第１リンク部５３と第２リンク部５５の動きを説明するための図であり、第１腕部材５１、第２腕部材５２及び肘関節部５４を、腕部５０の長軸方向に沿った断面で示した断面図である。

　第１腕部材５１は、その長軸方向に沿った一対の板状フレーム５１ａと該一対の板状フレーム５１ａが接続されるベースフレーム５１ｂを有している。また、第２腕部材５２についても、同じようにその長軸方向に沿った一対の板状フレーム５２ａと該一対の板状フレーム５２ａが接続されるベースフレーム５２ｂを有している。ここで、第２腕部材５２側の板状フレーム５２ａ間の距離は、第１腕部材５１側の板状フレーム５１ａ間の距離と概ね同じになるように設定されている。そして、一対の板状フレーム５１ａの長軸方向の開口側と、一対の板状フレーム５２ａの長軸方向の開口側とは互いに対向するように配置される。そのため、一対の板状フレーム５１ａ、５２ａ及びベースフレーム５１ｂ、５２ｂによって概ね囲まれた空間が形成され、この囲まれた空間に、肘関節部５４を回転駆動するためのアクチュエータ５７、及び当該アクチュエータ５７の出力を各腕部材に伝達するための、本発明の回転駆動機構に相当する肘関節部５４のためのリンク機構が収容された状態となる。

　先ず、アクチュエータ５７について説明する。アクチュエータ５７は、サーボモータと、本体部と、アクチュエータの軸方向に直線移動する出力軸５７ａとを有する、直動アクチュエータである。出力軸５７ａの外周面には螺旋状のねじ溝が形成されており、本体部には、出力軸５７ａのねじ溝に螺合するボールねじナット（図示せず）が軸線の回りの回転のみが許容された状態で収納されている。そして、サーボモータが当該ボールねじナットを回転させるように本体部と接続されており、本体部内でボールねじナットの軸線方向の移動が制限されているため、サーボモータの駆動により出力軸５７ａが軸方向に直線運動、すなわち直動する。

　そして、アクチュエータ５７の出力軸５７ａは、肘関節部５４を構成する第１リンク部５３と第２リンク部５５のうち第１リンク部５３に接続される。そして、第１リンク部５３は、図５に示すように、基部５３ｃの両端から同方向に延出した２つの壁部５３ａを有しており、そして、両壁部５３ａを繋ぐように基部５３ｃに平行となるブリッジ５３ｂが設けられている。この第１リンク部５３は、第１腕部材５１に対して回転自在となるようにベアリングで支持され、その回転軸が６１で表され、第１回転軸６１と称する。更に、第１リンク部５３は、第２腕部材５２に対しても回転自在となるようにベアリングで支持され、その回転軸が６２で表され、第２回転軸６２と称する。なお、第１回転軸６１と第２回転軸６２は、互いに平行な回転軸である。

　また、ブリッジ５３ｂに、アクチュエータ５７の出力軸５７ａが、第１リンク部５３との向きが可変となるように接続され、その接続点は５７ｂとされる（図６～図８を参照）。そして、アクチュエータ５７は、第１腕部材５１の一対の板状フレーム５１ａ間に配置されるが、後述するようにアクチュエータ５７から第１リンク部５３に出力が付与されたときに、第１リンク部５３の姿勢に応じてアクチュエータ５７の出力軸の向きが適切に調整されるように、アクチュエータ５７は、第１腕部材５１、すなわち一対の板状フレーム５１ａに対して回転自在となるようにベアリングで支持され、その回転軸が５６で表される。すなわち、この回転軸５６は、第１リンク部５３の第１回転軸６１回りの回転による、出力軸５７ａとブリッジ５３ｂとの接続点５７ｂの変位に応じて、アクチュエータ５７を第１腕部材５１に対して適切に傾けるためのものである。

　このように構成される第１リンク部５３は、第１腕部材５１と第２腕部材５２をそれぞれ第１回転軸６１と第２回転軸６２を介してそれぞれ回転自在に接続する、二軸関節を形成する。このとき第１回転軸６１と第２回転軸６２との間の軸間距離は所定距離開いているため、各回転軸を中心に回転する第１腕部材５１と第２腕部材５２のそれぞれは、干渉しにくい状況に置かれている。ただし、アクチュエータ５７の出力軸５７ａは第１リンク部５３側にのみ接続されているため、アクチュエータ５７の出力が直接には第２腕部材６２には伝達する構成ではない。そこで、第１腕部材５１と第２腕部材５２とをつなぐ第２リンク部５５が設けられている。

　第２リンク部５５は、上記の通り肘関節部５４を形成するリンク部の一つである。具体的には、第２リンク部５５は、第１腕部材５１の一対の板状フレーム５１ａ間をつなぐように設けられた第１支持軸６３と、第２腕部材５２の一対の板状フレーム５２ａ間をつなぐように設けられた第２支持軸６４とに接続される。ここで、回転駆動面において第１支持軸６３と第２支持軸６４とをつなぐ直線は、第１回転軸６１と第２回転軸６２とをつなぐ直線と交差するように、第１回転軸６１と第２回転軸６２に対して、第１支持軸６３と第２支持軸６４が配置されるとともに、第１支持軸６３及び第２支持軸６４は、第１回転軸６１及び第２回転軸６２と互いに平行な軸とされる。これにより、後述の、アクチュエータ５７による第１腕部材５１、第２腕部材５２、第１リンク部５３、第２リンク部５５の回転駆動は、同一の回転駆動面上で行われることになる。そして、第２リンク部５５は、そのリンク本体により第１支持軸６３と第２支持軸６４をつなぐことにより、両支持軸間の軸間距離を一定の距離に保つ。このような構成により、それぞれの回転軸を有する第１腕部材５１と第２腕部材５３との間に相関を形成させることでき、以て、第２腕部材５３をアクチュエータ５７の出力に連動させることができる。なお、第２リンク部５５は、第１リンク部５３の２つの壁部５３ａに挟まれるように配置されている。

　ここで、第１支持軸６３と第２支持軸６４は、それぞれ、対向する板状フレーム５１ａ、５２ａに渡されるように配置されるため、図５に示す肘関節部５４が形成されている状態では、第１リンク部５３の内部に第１支持軸６３がその軸長さ方向に挿入され通過する第１ガイド貫通孔５３ｄと、第２支持軸６４がその軸長さ方向に挿入され通過する第２ガイド貫通孔５３ｅが形成されている（図６～図８を参照）。より具体的には、第１ガイド貫通孔５３ｄは、第１リンク部５３の２つの壁部５３ａのそれぞれに設けられており、その形状は、第１リンク部５３が第１回転軸６１を中心に回転したときの第１支持軸６３の軌跡に沿って延在する形状であって、その延在方向における長さは第１の所定長さとなる。したがって、第１ガイド貫通孔５３ｄは、例えば図６に示すように、当該回転時の軌跡として延在する方向において有限の長さを有する貫通孔であって、その延在方向の両側にはそれぞれ第１ガイド貫通孔５３ｄの端部が存在することになる。そのため、第１支持軸６３は、第１ガイド貫通孔５３ｄの延在方向の範囲においてのみ、第１リンク部５３に対して相対的移動が可能となる。

　更に、第２ガイド貫通孔５３ｅは、第１リンク部５３の基部５３ｃに設けられており、その形状は、第１リンク部５３が第２回転軸６２を中心に回転したときの第２支持軸６４の軌跡に沿って延在する形状であって、その延在方向における長さは第２の所定長さとなる。したがって、第２ガイド貫通孔５３ｅは、例えば図６に示すように、当該回転時の軌跡として延在する方向において有限の長さを有する貫通孔であって、その延在方向の両側にはそれぞれ第２ガイド貫通孔５３ｅの端部が存在することになる。そのため、第２支持軸６４は、第２ガイド貫通孔５３ｅの延在方向の範囲においてのみ、第１リンク部５３に対して相対的移動が可能となる。これらの第１ガイド貫通孔５３ｄと第２ガイド貫通孔５３ｅが、本発明に係るガイド貫通孔に相当する。

　ここで、図６～図８に基づいて、上述した第１リンク部５３と第２リンク部５５で形成される肘関節部５４の動作について説明する。図６は、腕部５０が真っ直ぐに伸長した状態、すなわち、第１腕部材５１の軸中心と第２腕部材５２の軸中心が回転駆動面で一直線上に位置する状態を示している。なお、当該状態が、本発明に係る最大伸長状態に相当する。そして、アクチュエータ５７の出力軸５７ａが第１リンク部５３側に伸びていくことで、次第に第２腕部材５２が第１腕部材５１に対して回転し、折れ曲がっていく（図７に示す状態）。そして、最終的には、図８に示すように、第２腕部材５２が第１腕部材５１に対して最も折れ曲がった状態、すなわち、第１腕部材５１の回転内側側面５１ｃと、第２腕部材５２の回転内側側面５２ｃとが為す角（以下、「折り曲げ角度」という）が最も小さくなる状態が形成される。以下、各リンク部の動作について詳細に説明する。

　図６に示す最大伸長状態では、第１腕部材５１と第２腕部材５２が真っ直ぐに伸長した状態となっている。このとき、第１腕部材５１側の第１支持軸６３は、図６において第１ガイド貫通孔５３ｄの右側の端部（すなわち、第２腕部材５２寄りの端部）に当接した状態となっている。それとともに、第２腕部材５３側の第２支持軸６４は、図６において第２ガイド貫通孔５３ｅの右側の端部に当接した状態となっている。すなわち、最大伸長状態は、第１支持軸６３と第２支持軸６４は、それぞれに対応するガイド貫通孔５３ｄ、５３ｅの端部に突き当たって、その動きが阻止された状態となることで、腕部５０として形成される状態である。

　また、当該最大伸長状態を含み、第１腕部材５１と第２腕部材５２とが概ね伸長した状態（本発明に係る所定の伸長状態に相当する状態）では、図６に示すように、接続点５７ｂは、回転駆動面での出力軸５７ａの延在方向（図６において一点鎖線で示す方向。また、第１回転軸６１から上記一点鎖線に対する垂線を、図中破線で示している。なお、後述の図７、図８においても同様。）に沿った可動範囲において、第１回転軸６１に対して左側に位置している。なお、当該可動範囲は、図６に示す最大伸長状態において接続点５７ｂがその一方の端部（上記破線と一点鎖線との交点より左側の端部であり、換言すれば第１回転軸６１に対して第１腕部材５２側に位置する端部）に位置し、後述の図８に示す最大折り曲げ状態において接続点５７ｂが他方の端部（上記破線と一点鎖線との交点より右側の端部であり、換言すれば第１回転軸６１に対して右側に位置する端部）に位置することで特定される、接続点５７ｂが変位し得る範囲である。したがって、接続点５７ｂは、回転駆動面において出力軸５７ａの延在方向に沿って第１回転軸６１を挟んで左右両側に変位するように構成される。このように接続点５７ｂの可動範囲を設定することで、後述するように出力軸５７ａを駆動した際に、第１腕部材５１に対するアクチュエータ５７の傾きを可及的に小さくすることができ、第１腕部材５１のコンパクト化や、折り曲げ時の第１腕部材５１と第２腕部材５２との干渉を回避しやすくなる。

　この最大伸長状態から、アクチュエータ５７の駆動によりその出力軸５７ａが第１リンク部５３側に飛び出していき、接続点５７ｂが図中の破線に近づいていく。そうすると、第１腕部材５１を中心に見ていくと、図７に示すように第１リンク部５３が第１回転軸６１を中心として時計回りに回転する。このとき、上述したように第１支持軸６３と第２支持軸６４とをつなぐ直線と、第１回転軸６１と第２回転軸６２とをつなぐ直線とが交差するように、これらの４つの軸が配置され、第２リンク部５５によって第１支持軸６３と第２支持軸６４が繋がれているため、上記第１リンク部５３の時計回りの回転が生じると、第２腕部材５２に対して第２回転軸６２を中心とした時計回りの回転モーメントが作用する。この結果、折り曲げ角度が次第に閉じていき、例えば、図７に示す状態では、概ね折り曲げ角度が９０度となっている。なお、この状態では、第１支持軸６３は、第１ガイド貫通孔５３ｄの延在長さの概ね中央部分に位置し、第２支持軸６４は、第２ガイド貫通孔５３ｅの延在長さの概ね中央部分に位置している。また、第１リンク部５３が時計回りに回転することで、アクチュエータ５７の出力軸５７ａとブリッジ５３ｂとの接続点５７ｂの位置が、図中の破線上となり、図６に示す位置と比べて図面上方に移動する。しかし、アクチュエータ５７は、回転軸５６を中心に第１腕部材５１に対して傾き可能となるように取り付けられていることから、例えば、図７に示すように、上記接続点５７ｂが上方に移動したとしても、アクチュエータ５７から第１リンク部５３への出力の付与は好適に継続される。

　そして、アクチュエータ５７の出力軸５７ａが、更に第１リンク部５３側に飛び出し、接続点５７ｂが図中の破線の右側へ、すなわち上記可動範囲の他方の端部側へ変位していくと、第１リンク部５３が第１回転軸６１を中心に更に時計回りに回転され、それに合わせて第２腕部材５２が第２回転軸６２を中心に更に時計回りに回転されることで、図８に示す最大折り曲げ状態が形成されることになる。なお、この最大折り曲げ状態は、第１支持軸６３が、第１ガイド貫通孔５３ｄの左側の端部（すなわち、第１腕部材５１寄りの端部）に当接し、図６に示す最大伸長状態からの第１支持軸６３の第１ガイド貫通孔５３ｄ内の移動が阻止された状態となることで、腕部５０として形成される状態である。

　このように構成される第１腕部材５１と第２腕部材５２の肘関節部５４は、第１リンク部５３に対して、第１腕部材５１と第２腕部材５２をそれぞれ対応する第１回転軸６１、第２回転軸６２を介して接続している。そして、第１回転軸６１と第２回転軸６２との間の軸間距離は所定距離に設定されているため、各回転軸を中心とした各腕部材の回転範囲同士が干渉する領域を可及的に小さくすることができる。その結果、図８に示すように、第１腕部材５１及び第２腕部材５２の外側表面の形状に大きな変更を加えることなく、腕部５０における最大折り曲げ角度を可及的に小さくできる。また、第１腕部材５１と第２腕部材５２とは、第２リンク部５５によって繋がれていることで、一台の直動アクチュエータ５７によって、二軸結合された第１腕部材５１と第２腕部材５２の相対的な回転駆動が実現される。これにより両腕部材の回転駆動のためのアクチュエータが占める空間容積を小さくできる。

　さらに、接続点５７ｂの可動範囲が上記の通りに設定されたときに、回転駆動面において、接続点５７ｂと第１支持軸６３は、第１回転軸６１と第２回転軸６２とをつなぐ直線に対して同じ側に位置している。ここで、接続点５７ｂが図６に示す状態から図８に示す状態に変位すると、第２リンク部５５が時計回りに回転し、そして第１回転軸６１と第２回転軸６２とをつなぐ直線と、第１支持軸６３と第２支持軸６４とをつなぐ直線は交差するように構成されている。しかし、上記のように接続点５７ｂと第１支持軸６３の位置を設定することで、第２リンク部５５が時計回りに回転したときに、その回転方向が第１回転軸６１や第２回転軸６２から遠ざかる方向となるため、両軸と干渉しにくくなる。このことは、第１腕部材５１に対する第２腕部材５２の相対的な回転駆動の範囲を可及的に広く確保することを意味し、極めて有用な回転駆動機構に関する構成と言える。

　また、第１腕部材５１と第２腕部材５２の相対的な回転駆動において、最も腕部５０が伸びた最大伸長状態と、最も腕部５０が折り曲げられた最大折り曲げ状態では、第２リンク部５５が接続された第１支持軸６３、第２支持軸６４の少なくとも何れかが、それぞれに対応するガイド貫通孔の端部に当接した状態となっている。この結果、第１腕部材５１と第２腕部材５２の相対的な回転駆動の範囲を機械的に制限するストッパを容易に形成することが可能となり、換言すれば、容易なストッパ構成でも、第１腕部材５１と第２腕部材５２の相対的な回転駆動における不都合、例えば、第１腕部材５１と第２腕部材５２の回転衝突等を適切に抑制することが可能となる。

　＜変形例＞
　また、肘関節部５４の変形例について、図９及び図１０に基づいて説明する。図９は図６と同じように、腕部５０が最大伸長状態に置かれた状態を表しており、また、図１０は図８と同じように最大折り曲げ状態に置かれた状態を表している。なお、図９及び図１０においては、図６～図８に示した構成に基本的に対応する構成は同一の参照番号を付し、その詳細な説明は割愛する。

　ここで本変形例が、図６～図８に示した実施例と異なる点は、接続点５７ｂの位置と、各腕部材の回転状態との相関である。具体的には、最大伸長状態を含み、第１腕部材５１と第２腕部材５２とが概ね伸長した状態では、図９に示すように、接続点５７ｂは、回転駆動面での出力軸５７ａの延在方向（図８、９において一点鎖線で示す方向。また、第１回転軸６１から上記一点鎖線に対する垂線を、図中破線で示している。）に沿った可動範囲において、第１回転軸６１に対して右側に位置している。なお、当該可動範囲は、図９に示す最大伸長状態において接続点５７ｂがその一方の端部（上記破線と一点鎖線との交点より右側の端部であり、換言すれば第１回転軸６１に対して第２腕部材５２側に位置する端部）に位置し、後述の図１０に示す最大折り曲げ状態において接続点５７ｂが他方の端部（上記破線と一点鎖線との交点より左側の端部であり、換言すれば第１回転軸６１に対して第１腕部材５１側に位置する端部）に位置することで特定される、接続点５７ｂが変位し得る範囲である。したがって、接続点５７ｂは、回転駆動面において出力軸５７ａの延在方向に沿って第１回転軸６１を挟んで左右両側に変位するように構成される。このように接続点５７ｂの可動範囲を設定することで、図６～図８に示した実施例と同じように、出力軸５７ａを駆動した際に、第１腕部材５１に対するアクチュエータ５７の傾きを可及的に小さくすることができ、第１腕部材５１のコンパクト化や、折り曲げ時の第１腕部材５１と第２腕部材５２との干渉を回避しやすくなる。

　この最大伸長状態から、アクチュエータ５７の駆動によりその出力軸５７ａがアクチュエータ５７内に引き込まれていくことで、第１リンク部５３が反時計回りに回転され、それに合わせて第２腕部材５２が第２回転軸６２を中心に反時計回りに回転されることで、最終的には図１０に示すように、接続点５７ｂが図中の破線の左側、すなわち上記可動範囲の最も左側の端部に位置し、最大折り曲げ状態が形成される。

　このように接続点５７ｂの可動範囲が設定されたときに、回転駆動面において、接続点５７ｂと第１支持軸６３は、第１回転軸６１と第２回転軸６２とをつなぐ直線を挟んでそれぞれ反対側に位置している。ここで、接続点５７ｂが図９に示す状態から図１０に示す状態に変位すると、第２リンク部５５が反時計回りに回転し、そして第１回転軸６１と第２回転軸６２とをつなぐ直線と、第１支持軸６３と第２支持軸６４とをつなぐ直線は交差するように構成されている。しかし、上記のように接続点５７ｂと第１支持軸６３の位置を設定することで、第２リンク部５５が反時計回りに回転したときに、その回転方向が第１回転軸６１や第２回転軸６２から遠ざかる方向となるため、両軸と干渉しにくくなる。このことは、第１腕部材５１に対する第２腕部材５２の相対的な回転駆動の範囲を可及的に広く確保することを意味し、極めて有用な回転駆動機構に関する構成と言える。

　ここで、本変形例と上述の実施例とを比較すると、本変形例に係る肘関節部５４では、アクチュエータ５７の出力軸５７ａを引っ込めることで、第１腕部材５１に対して第２腕部材５２を折り曲げることになり、一方で上述の実施例に係る肘関節部５４では、アクチュエータ５７の出力軸５７ａを飛び出させることで、第１腕部材５１に対して第２腕部材５２を折り曲げることになる。このように出力軸５７ａの直動方向と肘関節部５４の折り曲げ方向との相関が両例では異なっているが、ロボットにおける肘関節部５４としては、様々な理由により何れからの形態を適宜選択し適用すればよい。例えば、アクチュエータ５７において、出力軸５７ａの特定の直動方向において好ましい摩擦特性が得られる場合には、その摩擦特性を考慮して出力軸の直動方向を決定した上で、その場合の回転駆動面における接続点５７ｂと第１支持軸６３の配置を、上記の開示に基づいて決定することで、回転駆動範囲の広い肘関節部５４を形成することができる。

　図１１及び図１２に基づいて、本発明の第２の実施例について説明する。図１１は、最大伸長状態にある腕部５０を示しており、図１２は、最大伸長状態からある程度、第１腕部材５１に対して第２腕部材５２を相対的に回転駆動させた状態、すなわち折り曲げた状態を示している。ここで、上記の第１の実施例では、肘関節部５４を形成する第２リンク部５５は、第１リンク部５３の２つの壁部５３ａの間に挟まるように配置され、肘関節部５４自体が、第１腕部材５１の板状フレーム５１ａと第２腕部材５２の板状フレーム５２ａとの間の空間に収容された状態となっている。そこで、本実施例では、肘関節部５４を形成する第２リンク部５５を、当該空間の外であって、回転内側側面５１ｃ、５２ｃに対して直交する側面上に側面板として形成する。このように側面板として形成される第２リンク部５５は、図１２に示すように腕部５０が折り曲げられた状態であっても、回転内側側面５１ｃ、５２ｃと干渉する位置には存在しないこととなる。

　このように構成される肘関節部５４においては、側面板としての第２リンク部５５が第１支持軸６３及び第２支持軸６４と接続されており、第１支持軸６３と第２支持軸６４は、上記第１の実施例と同じように、第１リンク部５１に設けられた、各支持軸に対応するガイド貫通孔５３ｄ、５３ｅ（図１１、図１２においては不図示）に挿入された状態となっている。なお、第１リンク部５１と第１腕部材５１及び第２腕部材５２との回転軸６１、６２を介した接続については上記の第１の実施例と同じであるが、その各回転軸６１、６２は側面板としての第２リンク部５５の下方に位置するため、図１１及び図１２に示す状態では図示されていない。更に、各ガイド貫通孔の端部と各支持軸との当接状態と、腕部５０の姿勢（すなわち、最大伸長状態及び最大折り曲げ状態）との相関関係も第１の実施例と同じであるから、その詳細な説明は省略する。このように第２リンク部５５を側面板として形成することで、上記の第１の実施例と同じように、第１腕部材５１及び第２腕部材５２の外側表面の形状に大きな変更を加えることなく、腕部５０における最大折り曲げ角度を可及的に小さくでき、また、第１腕部材５１と第２腕部材５２の相対的な回転駆動の範囲を機械的に制限するストッパを容易に形成することが可能となる。

　＜その他の実施例＞
　上述までの実施例では、本発明に係る回転駆動機構として、腕部５０における肘関節部５４を例示したが、それに代えてロボット１０の脚部における膝関節部、すなわち、脚部が上腿部と下腿部で形成される場合に、上腿部と下腿部を相対的に回転駆動させるための膝関節部に、本発明を適用してもよい。また、その他の関節部、すなわちロボットを構成する部材であって、相対的に回転駆動する部材同士をつなぐ関節部に本発明を適用することもできる。

１０・・・ロボット、１４・・・背骨部、１４ａ・・・前方鎖骨部、１４ｂ・・・背面鎖骨部、１４ｃ・・・前方胸骨部、１４ｄ・・・背面胸骨部、１５・・・腰骨部、１９・・・バネ、２０・・・駆動ユニット、５０・・・腕部、５１・・・第１腕部材、５１ｃ・・・回転内側側面、５２・・・第２腕部材、５２ｃ・・・回転内側側面、５３・・・第１リンク部、５４・・・肘関節部、５５・・・第２リンク部、５６・・・回転軸、５７・・・アクチュエータ、６１・・・第１回転軸、６２・・・第２回転軸、６３・・・第１支持軸、６４・・・第２支持軸

Claims

　ロボットの一部である第１部材と第２部材とを、直動の出力軸を有する直動アクチュエータにより所定の回転駆動面上で相対的に回転駆動させるための回転駆動機構であって、
　前記直動アクチュエータの出力軸が接続され、第１回転軸を介して前記第１部材に対して回転自在となるように配置され、且つ第２回転軸を介して前記第２部材側に対して回転自在となるように配置された第１リンク部であって、該第１回転軸と該第２回転軸との間の軸間距離が、前記所定の回転駆動面での該第１部材と該第２部材との回転駆動を可能とする所定距離に設定された第１リンク部と、
　前記第１部材側に設けられた第１支持軸と前記第２部材側に設けられた第２支持軸に接続され、該第１支持軸と該第２支持軸との間の軸間距離を一定とする第２リンク部と、
　を備え、
　前記所定の回転駆動面において前記第１支持軸と前記第２支持軸とをつなぐ直線が、前記第１回転軸と前記第２回転軸とをつなぐ直線と交差するように、該第１回転軸と該第２回転軸に対して、該第１支持軸と該第２支持軸が配置される、
　ロボットにおける回転駆動機構。
　前記第１リンク部は、前記第１支持軸と前記第２支持軸がそれぞれの軸長さ方向に挿入され、該第１支持軸及び該第２支持軸が前記所定の回転駆動面に沿って相対的に移動可能となるように形成された所定長さを有するガイド貫通孔を、更に有し、前記直動アクチュエータからの出力が付与されると、該ガイド貫通孔により該第１支持軸及び該第２支持軸が該ガイド貫通孔の延在範囲において相対的に移動することで前記第１部材と前記第２部材の相対的な回転駆動範囲が決定される、
　請求項１に記載のロボットにおける回転駆動機構。
　前記ガイド貫通孔の端部と前記第１支持軸又は前記第２支持軸との接触によって、該第１支持軸又は該第２支持軸の該ガイド貫通孔での移動が阻止されることで、前記所定の回転駆動面での前記第１部材の回転内側側面と前記第２部材の回転内側側面とが最も接近する最大折り曲げ状態が形成される、
　請求項２に記載のロボットにおける回転駆動機構。
　前記ガイド貫通孔の端部と前記第１支持軸又は前記第２支持軸との接触によって、該第１支持軸又は該第２支持軸の該ガイド貫通孔での移動が阻止されることで、前記所定の回転駆動面で、前記第１部材の軸中心と前記第２部材の軸中心が同一直線上に位置する最大伸長状態が形成される、
　請求項２に記載のロボットにおける回転駆動機構。
　前記第２リンク部は、前記第１リンク部の幅方向において該第１リンク部に挟まれた状態で配置される、
　請求項１から請求項４の何れか１項に記載のロボットにおける回転駆動機構。
　前記第２リンク部は、前記第１リンク部の幅方向において該第１リンク部の外側に配置され、且つ、前記第１部材の外部表面および前記第２部材の外側表面よりも更に外側に配置される側面板として形成される、
　請求項１から請求項４の何れか１項に記載のロボットにおける回転駆動機構。
　前記所定の回転駆動面において、前記直動アクチュエータの出力軸と前記第１リンク部との接続点は、該出力軸の延在方向に沿って前記第１回転軸を挟んで延在する可動範囲で変位し、
　前記第１部材と前記第２部材が所定の伸長状態におかれたときは、前記接続点は、前記可動範囲のうち該第１部材側に位置し、且つ、前記所定の回転駆動面において、該接続点と前記第１支持軸とは、前記第１回転軸と前記第２回転軸とをつなぐ直線に対して同じ側に位置するように構成され、
　前記接続点が前記可動範囲のうち一方の端部側から他方の端部側に変位することで、該第１部材に対して該第２部材が回転駆動される、
　請求項１から請求項４の何れか１項に記載のロボットにおける回転駆動機構。
　前記所定の回転駆動面において、前記直動アクチュエータの出力軸と前記第１リンク部との接続点は、該出力軸の延在方向に沿って前記第１回転軸を挟んで延在する可動範囲で変位し、
　前記第１部材と前記第２部材が所定の伸長状態におかれたときは、前記接続点は、前記可動範囲のうち該第２部材側に位置し、且つ、前記所定の回転駆動面において、該接続点と前記第１支持軸とは、前記第１回転軸と前記第２回転軸とをつなぐ直線を挟んでそれぞれ反対側に位置するように構成され、
　前記接続点が前記可動範囲のうち一方の端部側から他方の端部側に変位することで、該第１部材に対して該第２部材が回転駆動される、
　請求項１から請求項４の何れか１項に記載のロボットにおける回転駆動機構。
　前記第１部材及び前記第２部材は、それぞれ前記ロボットの腕部を形成する部材であり、前記第１リンク部及び前記第２リンク部は、該腕部の肘関節を形成し、
　又は、前記第１部材及び前記第２部材は、それぞれ前記ロボットの脚部を形成する部材であり、前記第１リンク部及び前記第２リンク部は、該脚部の膝関節を形成する、
　請求項１から請求項８の何れか１項に記載のロボットにおける回転駆動機構。