ロボットの関節機構
【課題】１つの駆動源により複数の関節をそれぞれ駆動させることができる関節機構を提供することを課題とする。
【解決手段】ロータ４を回転して出力軸部材５をステータ２に対し傾動すると、出力軸部材５の傾動に伴って第１節Ｂ、第２節Ｃ及び第３節Ｄが互いの相対姿勢を保持したままステータ２に対し傾動する。ロータ４を回転して出力軸部材５をそれ自身の軸回りに回転すると、出力軸部材５の回転に伴って第１の傘歯歯車６が回転することにより、第２の傘歯歯車８が第２関節の軸Ｓ１の回りに回転して第２節Ｃが第１節Ｂに対し傾動する。また、このとき、第１の傘歯歯車６の回転に伴って第３の傘歯歯車９も回転することにより、第４の傘歯歯車１０及び第５の傘歯歯車１１を介して第６の傘歯歯車１２が第３関節の軸Ｓ２の回りに回転して第３節Ｄが第２節Ｃに対し傾動する。
【解決手段】ロータ４を回転して出力軸部材５をステータ２に対し傾動すると、出力軸部材５の傾動に伴って第１節Ｂ、第２節Ｃ及び第３節Ｄが互いの相対姿勢を保持したままステータ２に対し傾動する。ロータ４を回転して出力軸部材５をそれ自身の軸回りに回転すると、出力軸部材５の回転に伴って第１の傘歯歯車６が回転することにより、第２の傘歯歯車８が第２関節の軸Ｓ１の回りに回転して第２節Ｃが第１節Ｂに対し傾動する。また、このとき、第１の傘歯歯車６の回転に伴って第３の傘歯歯車９も回転することにより、第４の傘歯歯車１０及び第５の傘歯歯車１１を介して第６の傘歯歯車１２が第３関節の軸Ｓ２の回りに回転して第３節Ｄが第２節Ｃに対し傾動する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ロボットの関節機構に係り、特に複数の関節を有してロボットハンドの指等を構成する関節機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、人の手に類似した動きをする各種のロボットハンドが開発されており、このようなロボットハンドの１本の指は、複数の関節を有する関節機構を用いて構成することができる。この関節機構は、一般に、関節を駆動させて指を曲げ伸ばしするためのモータ及びアクチュエータ等を駆動源として有する。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示されているロボットハンドの関節機構では、複数の関節を有すると共に、各関節に隣接してこの関節を駆動させるための専用のモータが設けられており、各モータを作動させることによりこのモータに対応する関節が駆動されて指が曲げ伸ばしされる。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１５６７７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の関節機構では、１つのモータにより１つの関節が駆動されるため、複数の関節に対してそれぞれ対応する複数のモータを設ける必要があり、複雑な構成になるという問題があった。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、１つの駆動源により複数の関節をそれぞれ駆動させることができる関節機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るロボットの関節機構は、ステータ及びこのステータに接触配置され且つ第１関節として用いられる略球体状のロータを有すると共に、ステータを振動させることによりロータを複数の軸回りに回転させる多自由度アクチュエータと、多自由度アクチュエータのロータの表面に突出形成された出力軸部材の軸方向に形成された第１節と、第１節の先端に第２関節を介して傾動可能に連結された第２節と、出力軸部材のその軸回りの回転運動により第２関節を駆動させて第１節に対し第２節を傾動させる変換手段と、出力軸部材のその軸回りの回転運動に伴って第２関節が出力軸部材と共に回転しないように第２関節を保持する保持手段とを備え、多自由度アクチュエータのロータを回転させて、出力軸部材をステータに対して傾動させることにより第２関節を駆動することなく第１節及び第２節を互いの相対姿勢を保持したままステータに対して傾動させ、出力軸部材をその軸回りに回転させることにより変換手段を介して第２関節を駆動させて第１節に対し第２節を傾動させるものである。
【０００７】
変換手段は、出力軸部材の先端に固定された第１の傘歯歯車と、第２関節の軸上で第２節に固定され且つ第１の傘歯歯車に噛合する第２の傘歯歯車とを有するように構成することができる。
また、保持手段は、ステータに対して第１節を傾動可能に且つその軸回りに回転しないように保持する第１保持部材と、第１節に対して第２節を傾動可能に且つその軸回りに回転しないように保持する第２保持部材とを有するように構成することができる。
【０００８】
ｎ≧３として第２節の先端に第３〜第ｎ関節を介して第３〜第ｎ節が順次連結され、第２関節の駆動を第３〜第ｎ関節に順次伝達する連動手段を備えることもできる。
また、多自由度アクチュエータは、互いに積層された複数の圧電素子板からなる複合振動子を有し、複合振動子によりステータを振動させてステータとロータの接触部分に楕円または円運動を発生させることによりロータを複数の軸回りに回転させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、１つの駆動源により複数の関節をそれぞれ駆動させることができる関節機構を実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に、この発明の実施の形態に係るロボットの関節機構の一部が破断した斜視図を示す。この関節機構は、例えば、ロボットハンドの１本の指を構成するものであり、その駆動源として、１つの多自由度アクチュエータＡを有する。この多自由度アクチュエータＡでは、基部ブロック１とステータ２との間に複合振動子３が配置されると共に、ステータ２に設けられた凹部内に、この関節機構の第１関節として用いられる球体状のロータ４が回転自在に収容されている。ステータ２を振動させることによりロータ４を複数の軸回りに回転することができるように構成されている。
【００１１】
ロータ４には、ロータ４の表面からロータ４の径方向外方に向かって直線状に延びる出力軸部材５が固定されており、この出力軸部材５は、ロータ４の回転に伴ってロータ４と共に移動されるように構成されている。出力軸部材５の延長方向の先端には、出力軸部材５をその回転軸とする第１の傘歯歯車６が固定されている。ここで、出力軸部材５の外周部には、環状の２つのプレート７が出力軸部材５の軸方向に互いに間隔をあけて取り付けられており、それぞれのプレート７と出力軸部材５とは互いに回転自在に配置されている。これら２つのプレート７の外周部には、ほぼ筒状の第１節Ｂが固定されており、この第１節Ｂの内部に、２つのプレート７、出力軸部材５の一部及び第１の傘歯歯車６が収容されている。
【００１２】
第１節Ｂの先端には、第２関節の軸Ｓ１を介してほぼ筒状の第２節Ｃが傾動可能に連結されている。さらに、第２節Ｃの先端には、第３関節の軸Ｓ２を介してほぼ筒状の第３節Ｄが傾動可能に連結されており、この第３節Ｄの先端は半球形状に形成されている。
出力軸部材５の先端に位置する第１の傘歯歯車６には、第２関節の軸Ｓ１上で第２節Ｃに固定される第２の傘歯歯車８が噛合されている。また、第１の傘歯歯車６には、この第２の傘歯歯車８に対向するように配置される第３の傘歯歯車９が噛合されており、これら第２の傘歯歯車８と第３の傘歯歯車９とは互いに独立して第２関節の軸Ｓ１の回りに回転することができるように配置されている。また、第３の傘歯歯車９には、第４の傘歯歯車１０が噛合されており、第４の傘歯歯車１０には、第５の傘歯歯車１１が一体に形成されている。第５の傘歯歯車１１には、第３関節の軸Ｓ２上で第３節Ｄの基端部に固定される第６の傘歯歯車１２が噛合されている。
【００１３】
ここで、第２の傘歯歯車８、第３の傘歯歯車９、第４の傘歯歯車１０及び第５の傘歯歯車１１は第２節Ｃの内部に収容されており、第２節Ｃの内面に取り付けられた軸受け１３により、第４の傘歯歯車１０及び第５の傘歯歯車１１の軸が回転自在に支持されている。
また、第６の傘歯歯車１２は第３節Ｄの内部に収容されている。
【００１４】
また、第１節Ｂは第１保持部材１４を介してステータ２に接続されている。この第１保持部材１４により、第１節Ｂは、ステータ２に対して傾動可能に且つその軸回りに回転しないように保持されている。また、第２節Ｃは第２保持部材１５を介して第１節Ｂに接続されている。この第２保持部材１５により、第２節Ｃは第１節Ｂに対して傾動可能に且つその軸回りに回転しないように保持されると共に、第２節Ｃに固定された第２の傘歯歯車８が第１の傘歯歯車６に噛合し、第３の傘歯歯車９が第１の傘歯歯車６及び第４の傘歯歯車１０にそれぞれ噛合した状態が維持される。さらに、第３節Ｄは第３保持部材１６を介して第２節Ｃに対して接続されている。この第３の保持部材１６により、第３節Ｄは第２節Ｃに対して傾動可能に且つその軸回りに回転しないように保持されると共に、第３節Ｄに固定されている第６の傘歯歯車１２が第５の傘歯歯車１１に噛合した状態が維持される。
これらの第１保持部材１４、第２保持部材１５及び第３保持部材１６により、第１節Ｂ、第２節Ｃ及び第３節Ｄは多自由度アクチュエータＡから外れないように保持されている。
【００１５】
なお、図１の関節機構における第１節Ｂ、第２節Ｃ及び第３節Ｄをそれぞれ省略して、第１の傘歯歯車６，第２の傘歯歯車８、第３の傘歯歯車９、第４の傘歯歯車１０、第５の傘歯歯車１１及び第６の傘歯歯車１２の位置関係を明瞭にしたものを図２に示す。
また、第２関節の軸Ｓ１は、出力軸部材５に対して垂直に配置されると共に、第３関節の軸Ｓ２は、第２関節の軸Ｓ１に平行であると共に第４の傘歯歯車１０及び第５の傘歯歯車１１の軸に垂直に配置されている。
また、第３の傘歯歯車９、第４の傘歯歯車１０、第５の傘歯歯車１１及び第６の傘歯歯車１２により、第２関節の駆動を第３関節に伝達するための連動手段が構成されている。
【００１６】
次に、図３に示されるように、この関節機構の駆動源として用いられる多自由度アクチュエータＡは、超音波振動を利用してロータ４を回転させる超音波アクチュエータから構成されている。基部ブロック１とステータ２との間に円筒状の複合振動子３が挟持されると共に、基部ブロック１とステータ２とが複合振動子３内に通された連結ボルト１７を介して互いに連結されることにより、多自由度アクチュエータＡ全体としてほぼ円柱状の外形を有している。ここで、説明の便宜上、基部ブロック１からステータ２へと向かう円柱状の外形の中心軸をＺ軸と規定し、Ｚ軸に対して垂直方向にＸ軸が、Ｚ軸及びＸ軸に対して垂直にＹ軸がそれぞれ延びているものとする。
【００１７】
複合振動子３は、それぞれＸＹ平面上に位置し且つ互いに重ね合わされた平板状の第１〜第３の圧電素子部３１〜３３を有しており、これらの圧電素子部３１〜３３が絶縁シート３４〜３７を介してステータ２及び基部ブロック１から、また互いに絶縁された状態で配置されている。
【００１８】
ステータ２には、複合振動子３に接する面とは反対側に凹部１８が形成されており、この凹部１８内に球体状のロータ４が収容されている。凹部１８は、ロータ４の直径より小さな内径を有する小径部１９と、ロータ４の直径より大きな内径を有する大径部２０とからなり、これら小径部１９と大径部２０との境界部にＸＹ平面上に位置する環状の段差２１が形成されている。ロータ４は、凹部１８内の段差２１に当接することにより回転自在に支持されている。
なお、ロータ４は図示しない予圧手段によりステータ２に対して加圧接触されている。
【００１９】
図４に示されるように、複合振動子３の第１の圧電素子部３１は、それぞれ円板形状を有する電極板３１ａ、圧電素子板３１ｂ、電極板３１ｃ、圧電素子板３１ｄ及び電極板３１ｅが順次重ね合わされた構造を有している。同様に、第２の圧電素子部３２は、それぞれ円板形状を有する電極板３２ａ、圧電素子板３２ｂ、電極板３２ｃ、圧電素子板３２ｄ及び電極板３２ｅが順次重ね合わされた構造を有し、第３の圧電素子部３３は、それぞれ円板形状を有する電極板３３ａ、圧電素子板３３ｂ、電極板３３ｃ、圧電素子板３３ｄ及び電極板３３ｅが順次重ね合わされた構造を有している。
【００２０】
図５に示されるように、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄは、Ｙ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３１ｂと圧電素子板３１ｄは互いに裏返しに配置されている。
第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄは、２分割されることなく全体がＺ軸方向（厚み方向）に膨張あるいは収縮の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３２ｂと圧電素子板３２ｄは互いに裏返しに配置されている。
第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄは、Ｘ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３３ｂと圧電素子板３３ｄは互いに裏返しに配置されている。
【００２１】
なお、図３に示されるように、第１の圧電素子部３１の両面部分に配置されている電極板３１ａ及び電極板３１ｅと、第２の圧電素子部３２の両面部分に配置されている電極板３２ａ及び電極板３２ｅと、第３の圧電素子部３３の両面部分に配置されている電極板３３ａ及び電極板３３ｅがそれぞれ電気的に接地されている。また、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄの間に配置されている電極板３１ｃから第１の端子３１ｔが、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄの間に配置されている電極板３２ｃから第２の端子３２ｔが、第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄの間に配置されている電極板３３ｃから第３の端子３３ｔがそれぞれ引き出されている。
【００２２】
ここで、複合振動子３に対して、第１の端子３１ｔからステータ２の固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄの２分割された部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、ステータ２にＹ軸方向のたわみ振動を発生する。また、第２の端子３２ｔからステータ２の固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄがＺ軸方向に膨張と収縮を繰り返し、ステータ２にＺ軸方向の縦振動を発生する。さらに、第３の端子３３ｔからステータ２の固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄの２分割された部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、ステータ２にＸ軸方向のたわみ振動を発生する。
【００２３】
そこで、複合振動子３を駆動することにより、第１の圧電素子部３１によるＹ軸方向のたわみ振動、第２の圧電素子部３２によるＺ軸方向の縦振動、及び第３の圧電素子部３３によるＸ軸方向のたわみ振動のうち２つまたは３つ全てを組み合わせた複合振動を発生させて、ステータ２の段差２１に楕円振動を形成することにより、ロータ４を３次元方向に自由に回転駆動することができるように構成されている。
【００２４】
次に、この実施の形態に係るロボットの関節機構の動作について説明する。多自由度アクチュエータＡの複合振動子３を駆動することによりロータ４を回転させ、このロータ４を第１関節として出力軸部材５をステータ２に対して傾動させると、このとき第２関節及び第３関節は駆動されることはなく、したがって、出力軸部材５の傾動に伴って第１節Ｂ、第２節Ｃ及び第３節Ｄが互いの相対姿勢を保持したままステータ２に対して傾動される。
【００２５】
また、多自由度アクチュエータＡの複合振動子３を駆動することによりロータ４を回転させ、出力軸部材５をそれ自身の軸回りに回転させると、出力軸部材５のその軸回りの回転に伴って第１の傘歯歯車６が回転される。この第１の傘歯歯車６の回転に伴って第２の傘歯歯車８が第２関節の軸Ｓ１の回りに回転され、これにより、第２の傘歯歯車８に固定されている第２節Ｃが第２関節を介して第１節Ｂに対し傾動される。
また、第１の傘歯歯車６の回転に伴って第３の傘歯歯車９も回転され、この第３の傘歯歯車９の回転に伴って第４の傘歯歯車１０及び第５の傘歯歯車１１が回転され、さらに、第５の傘歯歯車１１の回転に伴って第６の傘歯歯車１２が第３関節の軸Ｓ２の回りに回転され、これにより、第６の傘歯歯車１２に固定されている第３節Ｄが第３関節を介して第２節Ｃに対し傾動される。
【００２６】
このように、ロータ４を回転させて出力軸部材５をその軸回りに回転させることで、第２関節及び第３関節をそれぞれ駆動させて第２節Ｃを第１節Ｂに対して傾動させると共に、それに連動して第３節Ｄを第２節Ｃに対して傾動させることができる。
また、第２の傘歯歯車８と第６の傘歯歯車１２とは同一方向に回転するように構成されているため、第２節Ｃが第１節Ｂに対して曲げられるときに、第３節Ｄも第２節Ｃに対して同じ方向に曲げられ、また、第２節Ｃが第１節Ｂに対して直線状に伸ばされるときに、第３節Ｄも第２節Ｃに対して直線状に伸ばされることとなる。したがって、第１関節としてのロータ４をロボットハンドの指の付け根の関節として用いれば、第２節Ｃ及び第３節Ｄが同じ方向に傾動され、これにより人間の指に類似した動作を行うロボットハンドの指を実現することができる。
【００２７】
なお、多自由度アクチュエータＡのロータ４を回転させて、出力軸部材５のステータ２に対する傾動と出力軸部材５のその軸回りの回転とを同時に行えば、第１節Ｂをステータ２に対して傾動させながら、第２節Ｃを第１節Ｂに対して、また、第３節Ｄを第２節Ｃに対してそれぞれ傾動させることができる。
【００２８】
以上のように、多自由度アクチュエータＡのロータ４を回転させて、出力軸部材５をステータ２に対し傾動させることで、ロータ４を第１関節として第１節Ｂ、第２節Ｃ及び第３節Ｄを互いの相対姿勢を保持したままステータ２に対して傾動させることができると共に、出力軸部材５をその軸回りに回転させることで、第２関節及び第３関節を駆動させて第１節Ｂに対して第２節Ｃを、第２節Ｃに対して第３節Ｄそれぞれ傾動させることができる。
【００２９】
これにより、１つの多自由度アクチュエータＡを駆動源として複数の関節をそれぞれ駆動させてこの関節機構全体を曲げ伸ばしすることができる。
したがって、従来のように複数の関節にそれぞれ対応する複数の駆動用モータを設ける必要がなくなり、単純な構成を有する関節機構を実現することができる。
また、駆動源として１つの多自由度アクチュエータＡのみを有するので、電力供給用の電源、制御用の制御回路、及び制御時に用いられる位置センサ等の制御用センサをそれぞれ１つ設けるだけで複数の関節をそれぞれ駆動制御することができ、これにより構成をさらに簡素化することができる。
【００３０】
また、この関節機構では、出力軸部材５のその軸回りの回転を利用することで、第２関節及び第３関節をそれぞれ駆動させて第２節Ｃ及び第３節Ｄを傾動させることができるため、第２関節を駆動するためのモータ、及び第３関節を駆動するためのモータを第１節Ｂ〜第３節Ｄの中などに設ける必要はなく、これにより、第１節Ｂ〜第３節Ｄをそれぞれ軽量に構成することができ、制御性が向上する。また、モータに接続される電源供給用の配線及び駆動制御用の配線等を第１節Ｂ〜第３節Ｄ内に取り回す必要もないため、これら第１節Ｂ〜第３節Ｄ内の構造をそれぞれ簡素化することができる。
【００３１】
また、第１保持部材１４により第１節Ｂがその軸回りに回転しないようにステータ２に対して保持され、第２保持部材１５により第２節Ｃがその軸回りに回転しないように第１節Ｂに対して保持されているため、出力軸部材５のその軸回りの回転により第１の傘歯歯車６が回転するときに、第２節Ｃに固定されている第２の傘歯歯車８が第１の傘歯歯車６と共にこの第１の傘歯歯車６の軸の回りに回転することが防止される。したがって、第１の傘歯歯車６の回転により第２の傘歯歯車８が第２関節の軸Ｓ１の回りに回転され、これにより第２関節を駆動させて第２節Ｃを第１節Ｂに対して傾動させることができる。
【００３２】
さらに、第３保持部材１６により第３節Ｄがその軸回りに回転しないように第２節Ｃに対して保持されているため、出力軸部材５のその軸回りの回転により第１の傘歯歯車６、第３の傘歯歯車９及び第４の傘歯歯車１０を介して第５の傘歯歯車１１が回転するときに、第３節Ｄに固定されている第６の傘歯歯車１２が第５の傘歯歯車１１と共にこの第５の傘歯歯車１１の軸の回りに回転することが防止される。したがって、第５の傘歯歯車１１の回転により第６の傘歯歯車１２が第３関節の軸Ｓ２の回りに回転され、これにより第３関節を駆動させて第３節Ｄを第２節Ｃに対して傾動させることができる。
【００３３】
なお、上述の実施の形態において、互いに噛合している傘歯歯車の歯数の比をそれぞれ選択することにより、第２関節及び第３関節の駆動時に、出力軸部材５の回転速度に対する第２節Ｃの傾動速度及び第３節Ｄの傾動速度を所望の値に設定することができる。
【００３４】
なお、上述の実施の形態の関節機構は３つの関節を有していたが、この関節機構から第３節Ｄ、第６の傘歯歯車１２、第３の傘歯歯車９、第４の傘歯歯車１０及び第５の傘歯歯車１１を省略して、２つの関節のみを有する関節機構を構成してもよい。
【００３５】
また、この２関節の関節機構に対し、ｎ≧３として、第２節Ｃの先端に第３〜第ｎ関節を介して第３〜第ｎ節を順次連結すると共に、第３の傘歯歯車９、第４の傘歯歯車１０、第５の傘歯歯車１１及び第６の傘歯歯車１２からなる連動手段を（ｎ−２）個用いることにより、出力軸部材５のその軸回りの回転による第２関節の駆動を第３〜第ｎ関節にも順次伝達することができる。
【００３６】
また、上述の実施の形態において、第３の傘歯歯車９、第４の傘歯歯車１０、第５の傘歯歯車１１及び第６の傘歯歯車１２からなる連動手段を用いる代わりに、図６に示されるように、第３の傘歯歯車９と、この第３の傘歯歯車９の外面に固定される第１プーリー４１と、第３関節の軸Ｓ２上で第３節Ｄに固定される第２プーリー４２と、これら第１プーリー４１及び第２プーリー４２とにかけ回されるベルト４３とからなる連動手段を用いることもできる。すなわち、第１の傘歯歯車６の回転に伴って、第２の傘歯歯車８が回転すると共に第３の傘歯歯車９及び第１のプーリー４１が回転し、この第１のプーリー４１の回転によりベルト４３を介して第２のプーリー４２が第２の傘歯歯車８と同一方向に回転され、これにより、第２関節の駆動を第３関節に伝達することができる。
【００３７】
なお、第１のプーリー４１と第２のプーリー４２の大きさ及び形状を選択することで、第２関節及び第３関節の駆動時に、出力軸部材５に対する第２節Ｃの傾動速度と第３節Ｄの傾動速度を所望の値に設定することができる。
また、例えば、第１のプーリー４１及び第２のプーリー４２のうち少なくとも一方を真円ではなく、回転角度によってその半径が変化する楕円等の形状にすれば、これらのプーリーの回転位置に応じて、第２節Ｃに対する第３節Ｄの傾動速度を変化させることができる。
なお、プーリーとベルトの代わりに、スプロケットとチェーンを用いてもよい。
【００３８】
なお、この連動手段として、ｎ≧３として、第２関節の駆動を第３〜第ｎ関節に順次伝達することができる各種のリンク機構を用いることも可能である。
【００３９】
また、上述の実施の形態において、連動手段を用いる代わりに、図７に示されるように、出力軸部材５、第１の傘歯歯車６及び第２の傘歯歯車８を第１軸手段５１として、この第１軸手段５１と同様の構成を有する第２軸手段５２を用意し、第１軸手段５１の出力軸部材５の第１の傘歯歯車６よりも先端に、ユニバーサルジョイント５３を介して第２軸手段５２の出力軸部材５を連結し、第２軸手段５２の第２の傘歯歯車８を第３関節の軸Ｓ２上で第３節Ｄに固定するように構成することもできる。ユニバーサルジョイント５３は、第１軸手段５１の出力軸部材５と第２軸手段５２の出力軸部材５を、互いに傾動可能でありながら、軸回りの回転運動を伝達するように連結するものである。
【００４０】
このように構成すれば、第１軸手段５１の出力軸部材５をその軸回りに回転させると、ユニバーサルジョイント５３を介して第２軸手段５２の出力軸部材５もそれ自身の軸回りに回転され、これにより第２軸手段５２の第１の傘歯歯車６を介して第２軸手段５２の第２の傘歯歯車８が、第１軸手段５１の第２の傘歯歯車８と同一方向に回転されることとなる。したがって、ロータ４を回転させて第１軸手段５１の出力軸部材５をその軸回りに回転させることで、第２関節及び第３関節が連動して駆動され、第２節Ｃを第１節Ｂに対して、第３節Ｄを第２節Ｃに対してそれぞれ傾動させることができる。
【００４１】
同様にして、ｎ≧３として、第１軸手段５１の第１の傘歯歯車６よりも先端に、第２〜第（ｎ−１）軸手段の出力軸部材５を（ｎ−２）個のユニバーサルジョイントを用いて順次連結すると共に、第ｎ関節の軸上で第ｎ節に第（ｎ−１）軸手段の第２傘歯歯車８を固定すれば、ロータ４を回転させて第１軸手段５１の出力軸部材５をその軸回りに回転させることにより、第３〜第ｎ関節をそれぞれ駆動することができる。
【００４２】
なお、上述の実施の形態では、第２節Ｃが第１節Ｂに対して傾動される方向と、第３節Ｄが第２節Ｃに対して傾動される方向とが同じであったが、これに限定されるものではなく、第２節Ｃが第１節Ｂに対して傾動される方向と、第３節Ｄが第２節Ｃに対して傾動される方向とは反対方向になるように構成することもできる。
また、ｎ≧３として第ｎ節が第（ｎ−１）節に対して傾動される方向は、第（ｎ−１）節が第（ｎ−２）節に対して傾動される方向と同一方向、または反対方向になるように構成することができる。
【００４３】
なお、この関節機構は、ロボットハンドの指だけでなく、ロボットの脚のように、複数の関節を有する各種の部分にも適用することができる。
【００４４】
なお、上記の実施の形態の多自由度アクチュエータＡにおいて、ステ―タ２とロータ４との接触は段差２１であったが、この構成に限らない。楕円運動が伝達できれば平面で接触するようにしても曲面で接触しても良いし、環状でなくてもよい。
また、上記の実施の形態において、Ｚ軸方向の縦振動、Ｙ軸方向またはＸ軸方向のたわみ振動の代わりに、互いに直交しない複数の振動を組み合わせた複合振動を発生させてロータ４を回転させることもできる。
また、上記の実施の形態では、Ｘ軸方向のたわみ振動、Ｙ軸方向のたわみ振動、Ｚ軸方向の縦振動をそれぞれ別の圧電素子部で発生させ、振動を合成させて複合振動を発生させていたが、一つの圧電素子部を複数に分極し、各分極電極に印加する電圧を個別にコントロールしても良い。すなわち位相、振幅などの異なる交流電圧を合成した電圧を各分極電極に印加して単一の圧電素子部で複合振動を発生させても良い。
また、ステータ２とロータ４との接触部分に楕円運動を発生させていたが、各軸方向の振幅を制御することで円運動を発生させても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】この発明の実施の形態に係るロボットの関節機構を示す一部破断斜視図である。
【図２】図１における関節機構の一部を省略したものを示す部分斜視図である。
【図３】実施の形態における多自由度アクチュエータを示す断面図である。
【図４】実施の形態で用いられた複合振動子の構成を示す部分断面図である。
【図５】実施の形態で用いられた複合振動子の３対の圧電素子板の分極方向を示す斜視図である。
【図６】実施の形態の変形例に係るロボットの関節機構を示す部分斜視図である。
【図７】実施の形態の別の変形例に係るロボットの関節機構を示す部分側面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 基部ブロック、２ ステータ、３ 複合振動子、４ ロータ、５ 出力軸部材、６ 第１の傘歯歯車、７ プレート、８ 第２の傘歯歯車、９ 第３の傘歯歯車、１０ 第４の傘歯歯車、１１ 第５の傘歯歯車、１２ 第６の傘歯歯車、１３ 軸受け、１４ 第１保持部材、１５ 第２保持部材、１６ 第３保持部材、１８ 凹部、２１ 角部、３１ 第１の圧電素子部、３２ 第２の圧電素子部、３３ 第３の圧電素子部、４１ 第１のプーリー、４２ 第２のプーリー、４３ ベルト、５１ 第１軸手段、５２ 第２軸手段、５３ ユニバーサルジョイント、Ａ 多自由度アクチュエータ、Ｂ 第１節、Ｃ 第２節、Ｄ 第３節、Ｓ１ 第２関節の軸、Ｓ２ 第３関節の軸。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ロボットの関節機構に係り、特に複数の関節を有してロボットハンドの指等を構成する関節機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、人の手に類似した動きをする各種のロボットハンドが開発されており、このようなロボットハンドの１本の指は、複数の関節を有する関節機構を用いて構成することができる。この関節機構は、一般に、関節を駆動させて指を曲げ伸ばしするためのモータ及びアクチュエータ等を駆動源として有する。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示されているロボットハンドの関節機構では、複数の関節を有すると共に、各関節に隣接してこの関節を駆動させるための専用のモータが設けられており、各モータを作動させることによりこのモータに対応する関節が駆動されて指が曲げ伸ばしされる。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１５６７７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の関節機構では、１つのモータにより１つの関節が駆動されるため、複数の関節に対してそれぞれ対応する複数のモータを設ける必要があり、複雑な構成になるという問題があった。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、１つの駆動源により複数の関節をそれぞれ駆動させることができる関節機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るロボットの関節機構は、ステータ及びこのステータに接触配置され且つ第１関節として用いられる略球体状のロータを有すると共に、ステータを振動させることによりロータを複数の軸回りに回転させる多自由度アクチュエータと、多自由度アクチュエータのロータの表面に突出形成された出力軸部材の軸方向に形成された第１節と、第１節の先端に第２関節を介して傾動可能に連結された第２節と、出力軸部材のその軸回りの回転運動により第２関節を駆動させて第１節に対し第２節を傾動させる変換手段と、出力軸部材のその軸回りの回転運動に伴って第２関節が出力軸部材と共に回転しないように第２関節を保持する保持手段とを備え、多自由度アクチュエータのロータを回転させて、出力軸部材をステータに対して傾動させることにより第２関節を駆動することなく第１節及び第２節を互いの相対姿勢を保持したままステータに対して傾動させ、出力軸部材をその軸回りに回転させることにより変換手段を介して第２関節を駆動させて第１節に対し第２節を傾動させるものである。
【０００７】
変換手段は、出力軸部材の先端に固定された第１の傘歯歯車と、第２関節の軸上で第２節に固定され且つ第１の傘歯歯車に噛合する第２の傘歯歯車とを有するように構成することができる。
また、保持手段は、ステータに対して第１節を傾動可能に且つその軸回りに回転しないように保持する第１保持部材と、第１節に対して第２節を傾動可能に且つその軸回りに回転しないように保持する第２保持部材とを有するように構成することができる。
【０００８】
ｎ≧３として第２節の先端に第３〜第ｎ関節を介して第３〜第ｎ節が順次連結され、第２関節の駆動を第３〜第ｎ関節に順次伝達する連動手段を備えることもできる。
また、多自由度アクチュエータは、互いに積層された複数の圧電素子板からなる複合振動子を有し、複合振動子によりステータを振動させてステータとロータの接触部分に楕円または円運動を発生させることによりロータを複数の軸回りに回転させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、１つの駆動源により複数の関節をそれぞれ駆動させることができる関節機構を実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に、この発明の実施の形態に係るロボットの関節機構の一部が破断した斜視図を示す。この関節機構は、例えば、ロボットハンドの１本の指を構成するものであり、その駆動源として、１つの多自由度アクチュエータＡを有する。この多自由度アクチュエータＡでは、基部ブロック１とステータ２との間に複合振動子３が配置されると共に、ステータ２に設けられた凹部内に、この関節機構の第１関節として用いられる球体状のロータ４が回転自在に収容されている。ステータ２を振動させることによりロータ４を複数の軸回りに回転することができるように構成されている。
【００１１】
ロータ４には、ロータ４の表面からロータ４の径方向外方に向かって直線状に延びる出力軸部材５が固定されており、この出力軸部材５は、ロータ４の回転に伴ってロータ４と共に移動されるように構成されている。出力軸部材５の延長方向の先端には、出力軸部材５をその回転軸とする第１の傘歯歯車６が固定されている。ここで、出力軸部材５の外周部には、環状の２つのプレート７が出力軸部材５の軸方向に互いに間隔をあけて取り付けられており、それぞれのプレート７と出力軸部材５とは互いに回転自在に配置されている。これら２つのプレート７の外周部には、ほぼ筒状の第１節Ｂが固定されており、この第１節Ｂの内部に、２つのプレート７、出力軸部材５の一部及び第１の傘歯歯車６が収容されている。
【００１２】
第１節Ｂの先端には、第２関節の軸Ｓ１を介してほぼ筒状の第２節Ｃが傾動可能に連結されている。さらに、第２節Ｃの先端には、第３関節の軸Ｓ２を介してほぼ筒状の第３節Ｄが傾動可能に連結されており、この第３節Ｄの先端は半球形状に形成されている。
出力軸部材５の先端に位置する第１の傘歯歯車６には、第２関節の軸Ｓ１上で第２節Ｃに固定される第２の傘歯歯車８が噛合されている。また、第１の傘歯歯車６には、この第２の傘歯歯車８に対向するように配置される第３の傘歯歯車９が噛合されており、これら第２の傘歯歯車８と第３の傘歯歯車９とは互いに独立して第２関節の軸Ｓ１の回りに回転することができるように配置されている。また、第３の傘歯歯車９には、第４の傘歯歯車１０が噛合されており、第４の傘歯歯車１０には、第５の傘歯歯車１１が一体に形成されている。第５の傘歯歯車１１には、第３関節の軸Ｓ２上で第３節Ｄの基端部に固定される第６の傘歯歯車１２が噛合されている。
【００１３】
ここで、第２の傘歯歯車８、第３の傘歯歯車９、第４の傘歯歯車１０及び第５の傘歯歯車１１は第２節Ｃの内部に収容されており、第２節Ｃの内面に取り付けられた軸受け１３により、第４の傘歯歯車１０及び第５の傘歯歯車１１の軸が回転自在に支持されている。
また、第６の傘歯歯車１２は第３節Ｄの内部に収容されている。
【００１４】
また、第１節Ｂは第１保持部材１４を介してステータ２に接続されている。この第１保持部材１４により、第１節Ｂは、ステータ２に対して傾動可能に且つその軸回りに回転しないように保持されている。また、第２節Ｃは第２保持部材１５を介して第１節Ｂに接続されている。この第２保持部材１５により、第２節Ｃは第１節Ｂに対して傾動可能に且つその軸回りに回転しないように保持されると共に、第２節Ｃに固定された第２の傘歯歯車８が第１の傘歯歯車６に噛合し、第３の傘歯歯車９が第１の傘歯歯車６及び第４の傘歯歯車１０にそれぞれ噛合した状態が維持される。さらに、第３節Ｄは第３保持部材１６を介して第２節Ｃに対して接続されている。この第３の保持部材１６により、第３節Ｄは第２節Ｃに対して傾動可能に且つその軸回りに回転しないように保持されると共に、第３節Ｄに固定されている第６の傘歯歯車１２が第５の傘歯歯車１１に噛合した状態が維持される。
これらの第１保持部材１４、第２保持部材１５及び第３保持部材１６により、第１節Ｂ、第２節Ｃ及び第３節Ｄは多自由度アクチュエータＡから外れないように保持されている。
【００１５】
なお、図１の関節機構における第１節Ｂ、第２節Ｃ及び第３節Ｄをそれぞれ省略して、第１の傘歯歯車６，第２の傘歯歯車８、第３の傘歯歯車９、第４の傘歯歯車１０、第５の傘歯歯車１１及び第６の傘歯歯車１２の位置関係を明瞭にしたものを図２に示す。
また、第２関節の軸Ｓ１は、出力軸部材５に対して垂直に配置されると共に、第３関節の軸Ｓ２は、第２関節の軸Ｓ１に平行であると共に第４の傘歯歯車１０及び第５の傘歯歯車１１の軸に垂直に配置されている。
また、第３の傘歯歯車９、第４の傘歯歯車１０、第５の傘歯歯車１１及び第６の傘歯歯車１２により、第２関節の駆動を第３関節に伝達するための連動手段が構成されている。
【００１６】
次に、図３に示されるように、この関節機構の駆動源として用いられる多自由度アクチュエータＡは、超音波振動を利用してロータ４を回転させる超音波アクチュエータから構成されている。基部ブロック１とステータ２との間に円筒状の複合振動子３が挟持されると共に、基部ブロック１とステータ２とが複合振動子３内に通された連結ボルト１７を介して互いに連結されることにより、多自由度アクチュエータＡ全体としてほぼ円柱状の外形を有している。ここで、説明の便宜上、基部ブロック１からステータ２へと向かう円柱状の外形の中心軸をＺ軸と規定し、Ｚ軸に対して垂直方向にＸ軸が、Ｚ軸及びＸ軸に対して垂直にＹ軸がそれぞれ延びているものとする。
【００１７】
複合振動子３は、それぞれＸＹ平面上に位置し且つ互いに重ね合わされた平板状の第１〜第３の圧電素子部３１〜３３を有しており、これらの圧電素子部３１〜３３が絶縁シート３４〜３７を介してステータ２及び基部ブロック１から、また互いに絶縁された状態で配置されている。
【００１８】
ステータ２には、複合振動子３に接する面とは反対側に凹部１８が形成されており、この凹部１８内に球体状のロータ４が収容されている。凹部１８は、ロータ４の直径より小さな内径を有する小径部１９と、ロータ４の直径より大きな内径を有する大径部２０とからなり、これら小径部１９と大径部２０との境界部にＸＹ平面上に位置する環状の段差２１が形成されている。ロータ４は、凹部１８内の段差２１に当接することにより回転自在に支持されている。
なお、ロータ４は図示しない予圧手段によりステータ２に対して加圧接触されている。
【００１９】
図４に示されるように、複合振動子３の第１の圧電素子部３１は、それぞれ円板形状を有する電極板３１ａ、圧電素子板３１ｂ、電極板３１ｃ、圧電素子板３１ｄ及び電極板３１ｅが順次重ね合わされた構造を有している。同様に、第２の圧電素子部３２は、それぞれ円板形状を有する電極板３２ａ、圧電素子板３２ｂ、電極板３２ｃ、圧電素子板３２ｄ及び電極板３２ｅが順次重ね合わされた構造を有し、第３の圧電素子部３３は、それぞれ円板形状を有する電極板３３ａ、圧電素子板３３ｂ、電極板３３ｃ、圧電素子板３３ｄ及び電極板３３ｅが順次重ね合わされた構造を有している。
【００２０】
図５に示されるように、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄは、Ｙ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３１ｂと圧電素子板３１ｄは互いに裏返しに配置されている。
第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄは、２分割されることなく全体がＺ軸方向（厚み方向）に膨張あるいは収縮の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３２ｂと圧電素子板３２ｄは互いに裏返しに配置されている。
第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄは、Ｘ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３３ｂと圧電素子板３３ｄは互いに裏返しに配置されている。
【００２１】
なお、図３に示されるように、第１の圧電素子部３１の両面部分に配置されている電極板３１ａ及び電極板３１ｅと、第２の圧電素子部３２の両面部分に配置されている電極板３２ａ及び電極板３２ｅと、第３の圧電素子部３３の両面部分に配置されている電極板３３ａ及び電極板３３ｅがそれぞれ電気的に接地されている。また、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄの間に配置されている電極板３１ｃから第１の端子３１ｔが、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄの間に配置されている電極板３２ｃから第２の端子３２ｔが、第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄの間に配置されている電極板３３ｃから第３の端子３３ｔがそれぞれ引き出されている。
【００２２】
ここで、複合振動子３に対して、第１の端子３１ｔからステータ２の固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄの２分割された部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、ステータ２にＹ軸方向のたわみ振動を発生する。また、第２の端子３２ｔからステータ２の固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄがＺ軸方向に膨張と収縮を繰り返し、ステータ２にＺ軸方向の縦振動を発生する。さらに、第３の端子３３ｔからステータ２の固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄの２分割された部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、ステータ２にＸ軸方向のたわみ振動を発生する。
【００２３】
そこで、複合振動子３を駆動することにより、第１の圧電素子部３１によるＹ軸方向のたわみ振動、第２の圧電素子部３２によるＺ軸方向の縦振動、及び第３の圧電素子部３３によるＸ軸方向のたわみ振動のうち２つまたは３つ全てを組み合わせた複合振動を発生させて、ステータ２の段差２１に楕円振動を形成することにより、ロータ４を３次元方向に自由に回転駆動することができるように構成されている。
【００２４】
次に、この実施の形態に係るロボットの関節機構の動作について説明する。多自由度アクチュエータＡの複合振動子３を駆動することによりロータ４を回転させ、このロータ４を第１関節として出力軸部材５をステータ２に対して傾動させると、このとき第２関節及び第３関節は駆動されることはなく、したがって、出力軸部材５の傾動に伴って第１節Ｂ、第２節Ｃ及び第３節Ｄが互いの相対姿勢を保持したままステータ２に対して傾動される。
【００２５】
また、多自由度アクチュエータＡの複合振動子３を駆動することによりロータ４を回転させ、出力軸部材５をそれ自身の軸回りに回転させると、出力軸部材５のその軸回りの回転に伴って第１の傘歯歯車６が回転される。この第１の傘歯歯車６の回転に伴って第２の傘歯歯車８が第２関節の軸Ｓ１の回りに回転され、これにより、第２の傘歯歯車８に固定されている第２節Ｃが第２関節を介して第１節Ｂに対し傾動される。
また、第１の傘歯歯車６の回転に伴って第３の傘歯歯車９も回転され、この第３の傘歯歯車９の回転に伴って第４の傘歯歯車１０及び第５の傘歯歯車１１が回転され、さらに、第５の傘歯歯車１１の回転に伴って第６の傘歯歯車１２が第３関節の軸Ｓ２の回りに回転され、これにより、第６の傘歯歯車１２に固定されている第３節Ｄが第３関節を介して第２節Ｃに対し傾動される。
【００２６】
このように、ロータ４を回転させて出力軸部材５をその軸回りに回転させることで、第２関節及び第３関節をそれぞれ駆動させて第２節Ｃを第１節Ｂに対して傾動させると共に、それに連動して第３節Ｄを第２節Ｃに対して傾動させることができる。
また、第２の傘歯歯車８と第６の傘歯歯車１２とは同一方向に回転するように構成されているため、第２節Ｃが第１節Ｂに対して曲げられるときに、第３節Ｄも第２節Ｃに対して同じ方向に曲げられ、また、第２節Ｃが第１節Ｂに対して直線状に伸ばされるときに、第３節Ｄも第２節Ｃに対して直線状に伸ばされることとなる。したがって、第１関節としてのロータ４をロボットハンドの指の付け根の関節として用いれば、第２節Ｃ及び第３節Ｄが同じ方向に傾動され、これにより人間の指に類似した動作を行うロボットハンドの指を実現することができる。
【００２７】
なお、多自由度アクチュエータＡのロータ４を回転させて、出力軸部材５のステータ２に対する傾動と出力軸部材５のその軸回りの回転とを同時に行えば、第１節Ｂをステータ２に対して傾動させながら、第２節Ｃを第１節Ｂに対して、また、第３節Ｄを第２節Ｃに対してそれぞれ傾動させることができる。
【００２８】
以上のように、多自由度アクチュエータＡのロータ４を回転させて、出力軸部材５をステータ２に対し傾動させることで、ロータ４を第１関節として第１節Ｂ、第２節Ｃ及び第３節Ｄを互いの相対姿勢を保持したままステータ２に対して傾動させることができると共に、出力軸部材５をその軸回りに回転させることで、第２関節及び第３関節を駆動させて第１節Ｂに対して第２節Ｃを、第２節Ｃに対して第３節Ｄそれぞれ傾動させることができる。
【００２９】
これにより、１つの多自由度アクチュエータＡを駆動源として複数の関節をそれぞれ駆動させてこの関節機構全体を曲げ伸ばしすることができる。
したがって、従来のように複数の関節にそれぞれ対応する複数の駆動用モータを設ける必要がなくなり、単純な構成を有する関節機構を実現することができる。
また、駆動源として１つの多自由度アクチュエータＡのみを有するので、電力供給用の電源、制御用の制御回路、及び制御時に用いられる位置センサ等の制御用センサをそれぞれ１つ設けるだけで複数の関節をそれぞれ駆動制御することができ、これにより構成をさらに簡素化することができる。
【００３０】
また、この関節機構では、出力軸部材５のその軸回りの回転を利用することで、第２関節及び第３関節をそれぞれ駆動させて第２節Ｃ及び第３節Ｄを傾動させることができるため、第２関節を駆動するためのモータ、及び第３関節を駆動するためのモータを第１節Ｂ〜第３節Ｄの中などに設ける必要はなく、これにより、第１節Ｂ〜第３節Ｄをそれぞれ軽量に構成することができ、制御性が向上する。また、モータに接続される電源供給用の配線及び駆動制御用の配線等を第１節Ｂ〜第３節Ｄ内に取り回す必要もないため、これら第１節Ｂ〜第３節Ｄ内の構造をそれぞれ簡素化することができる。
【００３１】
また、第１保持部材１４により第１節Ｂがその軸回りに回転しないようにステータ２に対して保持され、第２保持部材１５により第２節Ｃがその軸回りに回転しないように第１節Ｂに対して保持されているため、出力軸部材５のその軸回りの回転により第１の傘歯歯車６が回転するときに、第２節Ｃに固定されている第２の傘歯歯車８が第１の傘歯歯車６と共にこの第１の傘歯歯車６の軸の回りに回転することが防止される。したがって、第１の傘歯歯車６の回転により第２の傘歯歯車８が第２関節の軸Ｓ１の回りに回転され、これにより第２関節を駆動させて第２節Ｃを第１節Ｂに対して傾動させることができる。
【００３２】
さらに、第３保持部材１６により第３節Ｄがその軸回りに回転しないように第２節Ｃに対して保持されているため、出力軸部材５のその軸回りの回転により第１の傘歯歯車６、第３の傘歯歯車９及び第４の傘歯歯車１０を介して第５の傘歯歯車１１が回転するときに、第３節Ｄに固定されている第６の傘歯歯車１２が第５の傘歯歯車１１と共にこの第５の傘歯歯車１１の軸の回りに回転することが防止される。したがって、第５の傘歯歯車１１の回転により第６の傘歯歯車１２が第３関節の軸Ｓ２の回りに回転され、これにより第３関節を駆動させて第３節Ｄを第２節Ｃに対して傾動させることができる。
【００３３】
なお、上述の実施の形態において、互いに噛合している傘歯歯車の歯数の比をそれぞれ選択することにより、第２関節及び第３関節の駆動時に、出力軸部材５の回転速度に対する第２節Ｃの傾動速度及び第３節Ｄの傾動速度を所望の値に設定することができる。
【００３４】
なお、上述の実施の形態の関節機構は３つの関節を有していたが、この関節機構から第３節Ｄ、第６の傘歯歯車１２、第３の傘歯歯車９、第４の傘歯歯車１０及び第５の傘歯歯車１１を省略して、２つの関節のみを有する関節機構を構成してもよい。
【００３５】
また、この２関節の関節機構に対し、ｎ≧３として、第２節Ｃの先端に第３〜第ｎ関節を介して第３〜第ｎ節を順次連結すると共に、第３の傘歯歯車９、第４の傘歯歯車１０、第５の傘歯歯車１１及び第６の傘歯歯車１２からなる連動手段を（ｎ−２）個用いることにより、出力軸部材５のその軸回りの回転による第２関節の駆動を第３〜第ｎ関節にも順次伝達することができる。
【００３６】
また、上述の実施の形態において、第３の傘歯歯車９、第４の傘歯歯車１０、第５の傘歯歯車１１及び第６の傘歯歯車１２からなる連動手段を用いる代わりに、図６に示されるように、第３の傘歯歯車９と、この第３の傘歯歯車９の外面に固定される第１プーリー４１と、第３関節の軸Ｓ２上で第３節Ｄに固定される第２プーリー４２と、これら第１プーリー４１及び第２プーリー４２とにかけ回されるベルト４３とからなる連動手段を用いることもできる。すなわち、第１の傘歯歯車６の回転に伴って、第２の傘歯歯車８が回転すると共に第３の傘歯歯車９及び第１のプーリー４１が回転し、この第１のプーリー４１の回転によりベルト４３を介して第２のプーリー４２が第２の傘歯歯車８と同一方向に回転され、これにより、第２関節の駆動を第３関節に伝達することができる。
【００３７】
なお、第１のプーリー４１と第２のプーリー４２の大きさ及び形状を選択することで、第２関節及び第３関節の駆動時に、出力軸部材５に対する第２節Ｃの傾動速度と第３節Ｄの傾動速度を所望の値に設定することができる。
また、例えば、第１のプーリー４１及び第２のプーリー４２のうち少なくとも一方を真円ではなく、回転角度によってその半径が変化する楕円等の形状にすれば、これらのプーリーの回転位置に応じて、第２節Ｃに対する第３節Ｄの傾動速度を変化させることができる。
なお、プーリーとベルトの代わりに、スプロケットとチェーンを用いてもよい。
【００３８】
なお、この連動手段として、ｎ≧３として、第２関節の駆動を第３〜第ｎ関節に順次伝達することができる各種のリンク機構を用いることも可能である。
【００３９】
また、上述の実施の形態において、連動手段を用いる代わりに、図７に示されるように、出力軸部材５、第１の傘歯歯車６及び第２の傘歯歯車８を第１軸手段５１として、この第１軸手段５１と同様の構成を有する第２軸手段５２を用意し、第１軸手段５１の出力軸部材５の第１の傘歯歯車６よりも先端に、ユニバーサルジョイント５３を介して第２軸手段５２の出力軸部材５を連結し、第２軸手段５２の第２の傘歯歯車８を第３関節の軸Ｓ２上で第３節Ｄに固定するように構成することもできる。ユニバーサルジョイント５３は、第１軸手段５１の出力軸部材５と第２軸手段５２の出力軸部材５を、互いに傾動可能でありながら、軸回りの回転運動を伝達するように連結するものである。
【００４０】
このように構成すれば、第１軸手段５１の出力軸部材５をその軸回りに回転させると、ユニバーサルジョイント５３を介して第２軸手段５２の出力軸部材５もそれ自身の軸回りに回転され、これにより第２軸手段５２の第１の傘歯歯車６を介して第２軸手段５２の第２の傘歯歯車８が、第１軸手段５１の第２の傘歯歯車８と同一方向に回転されることとなる。したがって、ロータ４を回転させて第１軸手段５１の出力軸部材５をその軸回りに回転させることで、第２関節及び第３関節が連動して駆動され、第２節Ｃを第１節Ｂに対して、第３節Ｄを第２節Ｃに対してそれぞれ傾動させることができる。
【００４１】
同様にして、ｎ≧３として、第１軸手段５１の第１の傘歯歯車６よりも先端に、第２〜第（ｎ−１）軸手段の出力軸部材５を（ｎ−２）個のユニバーサルジョイントを用いて順次連結すると共に、第ｎ関節の軸上で第ｎ節に第（ｎ−１）軸手段の第２傘歯歯車８を固定すれば、ロータ４を回転させて第１軸手段５１の出力軸部材５をその軸回りに回転させることにより、第３〜第ｎ関節をそれぞれ駆動することができる。
【００４２】
なお、上述の実施の形態では、第２節Ｃが第１節Ｂに対して傾動される方向と、第３節Ｄが第２節Ｃに対して傾動される方向とが同じであったが、これに限定されるものではなく、第２節Ｃが第１節Ｂに対して傾動される方向と、第３節Ｄが第２節Ｃに対して傾動される方向とは反対方向になるように構成することもできる。
また、ｎ≧３として第ｎ節が第（ｎ−１）節に対して傾動される方向は、第（ｎ−１）節が第（ｎ−２）節に対して傾動される方向と同一方向、または反対方向になるように構成することができる。
【００４３】
なお、この関節機構は、ロボットハンドの指だけでなく、ロボットの脚のように、複数の関節を有する各種の部分にも適用することができる。
【００４４】
なお、上記の実施の形態の多自由度アクチュエータＡにおいて、ステ―タ２とロータ４との接触は段差２１であったが、この構成に限らない。楕円運動が伝達できれば平面で接触するようにしても曲面で接触しても良いし、環状でなくてもよい。
また、上記の実施の形態において、Ｚ軸方向の縦振動、Ｙ軸方向またはＸ軸方向のたわみ振動の代わりに、互いに直交しない複数の振動を組み合わせた複合振動を発生させてロータ４を回転させることもできる。
また、上記の実施の形態では、Ｘ軸方向のたわみ振動、Ｙ軸方向のたわみ振動、Ｚ軸方向の縦振動をそれぞれ別の圧電素子部で発生させ、振動を合成させて複合振動を発生させていたが、一つの圧電素子部を複数に分極し、各分極電極に印加する電圧を個別にコントロールしても良い。すなわち位相、振幅などの異なる交流電圧を合成した電圧を各分極電極に印加して単一の圧電素子部で複合振動を発生させても良い。
また、ステータ２とロータ４との接触部分に楕円運動を発生させていたが、各軸方向の振幅を制御することで円運動を発生させても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】この発明の実施の形態に係るロボットの関節機構を示す一部破断斜視図である。
【図２】図１における関節機構の一部を省略したものを示す部分斜視図である。
【図３】実施の形態における多自由度アクチュエータを示す断面図である。
【図４】実施の形態で用いられた複合振動子の構成を示す部分断面図である。
【図５】実施の形態で用いられた複合振動子の３対の圧電素子板の分極方向を示す斜視図である。
【図６】実施の形態の変形例に係るロボットの関節機構を示す部分斜視図である。
【図７】実施の形態の別の変形例に係るロボットの関節機構を示す部分側面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 基部ブロック、２ ステータ、３ 複合振動子、４ ロータ、５ 出力軸部材、６ 第１の傘歯歯車、７ プレート、８ 第２の傘歯歯車、９ 第３の傘歯歯車、１０ 第４の傘歯歯車、１１ 第５の傘歯歯車、１２ 第６の傘歯歯車、１３ 軸受け、１４ 第１保持部材、１５ 第２保持部材、１６ 第３保持部材、１８ 凹部、２１ 角部、３１ 第１の圧電素子部、３２ 第２の圧電素子部、３３ 第３の圧電素子部、４１ 第１のプーリー、４２ 第２のプーリー、４３ ベルト、５１ 第１軸手段、５２ 第２軸手段、５３ ユニバーサルジョイント、Ａ 多自由度アクチュエータ、Ｂ 第１節、Ｃ 第２節、Ｄ 第３節、Ｓ１ 第２関節の軸、Ｓ２ 第３関節の軸。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータ及びこのステータに接触配置され且つ第１関節として用いられる略球体状のロータを有すると共に、前記ステータを振動させることにより前記ロータを複数の軸回りに回転させる多自由度アクチュエータと、
前記多自由度アクチュエータのロータの表面に突出形成された出力軸部材の軸方向に形成された第１節と、
前記第１節の先端に第２関節を介して傾動可能に連結された第２節と、
前記出力軸部材のその軸回りの回転運動により前記第２関節を駆動させて前記第１節に対し前記第２節を傾動させる変換手段と、
前記出力軸部材のその軸回りの回転運動に伴って前記第２関節が前記出力軸部材と共に回転しないように前記第２関節を保持する保持手段と
を備え、前記多自由度アクチュエータのロータを回転させて、前記出力軸部材を前記ステータに対して傾動させることにより前記第２関節を駆動することなく前記第１節及び前記第２節を互いの相対姿勢を保持したまま前記ステータに対して傾動させ、前記出力軸部材をその軸回りに回転させることにより前記変換手段を介して前記第２関節を駆動させて前記第１節に対し前記第２節を傾動させることを特徴とするロボットの関節機構。
【請求項２】
前記変換手段は、前記出力軸部材の先端に固定された第１の傘歯歯車と、前記第２関節の軸上で前記第２節に固定され且つ前記第１の傘歯歯車に噛合する第２の傘歯歯車とを有する請求項１に記載のロボットの関節機構。
【請求項３】
前記保持手段は、前記ステータに対して前記第１節を傾動可能に且つその軸回りに回転しないように保持する第１保持部材と、前記第１節に対して前記第２節を傾動可能に且つその軸回りに回転しないように保持する第２保持部材とを含む請求項１または２に記載のロボットの関節機構。
【請求項４】
ｎ≧３として前記第２節の先端に第３〜第ｎ関節を介して第３〜第ｎ節が順次連結され、前記第２関節の駆動を前記第３〜第ｎ関節に順次伝達する連動手段を備えた請求項１〜３のいずれか一項に記載のロボットの関節機構。
【請求項５】
前記多自由度アクチュエータは、互いに積層された複数の圧電素子板からなる複合振動子を有し、前記複合振動子により前記ステータを振動させて前記ステータと前記ロータの接触部分に楕円または円運動を発生させることにより前記ロータが複数の軸回りに回転される請求項１〜４のいずれか一項に記載のロボットの関節機構。
【請求項１】
ステータ及びこのステータに接触配置され且つ第１関節として用いられる略球体状のロータを有すると共に、前記ステータを振動させることにより前記ロータを複数の軸回りに回転させる多自由度アクチュエータと、
前記多自由度アクチュエータのロータの表面に突出形成された出力軸部材の軸方向に形成された第１節と、
前記第１節の先端に第２関節を介して傾動可能に連結された第２節と、
前記出力軸部材のその軸回りの回転運動により前記第２関節を駆動させて前記第１節に対し前記第２節を傾動させる変換手段と、
前記出力軸部材のその軸回りの回転運動に伴って前記第２関節が前記出力軸部材と共に回転しないように前記第２関節を保持する保持手段と
を備え、前記多自由度アクチュエータのロータを回転させて、前記出力軸部材を前記ステータに対して傾動させることにより前記第２関節を駆動することなく前記第１節及び前記第２節を互いの相対姿勢を保持したまま前記ステータに対して傾動させ、前記出力軸部材をその軸回りに回転させることにより前記変換手段を介して前記第２関節を駆動させて前記第１節に対し前記第２節を傾動させることを特徴とするロボットの関節機構。
【請求項２】
前記変換手段は、前記出力軸部材の先端に固定された第１の傘歯歯車と、前記第２関節の軸上で前記第２節に固定され且つ前記第１の傘歯歯車に噛合する第２の傘歯歯車とを有する請求項１に記載のロボットの関節機構。
【請求項３】
前記保持手段は、前記ステータに対して前記第１節を傾動可能に且つその軸回りに回転しないように保持する第１保持部材と、前記第１節に対して前記第２節を傾動可能に且つその軸回りに回転しないように保持する第２保持部材とを含む請求項１または２に記載のロボットの関節機構。
【請求項４】
ｎ≧３として前記第２節の先端に第３〜第ｎ関節を介して第３〜第ｎ節が順次連結され、前記第２関節の駆動を前記第３〜第ｎ関節に順次伝達する連動手段を備えた請求項１〜３のいずれか一項に記載のロボットの関節機構。
【請求項５】
前記多自由度アクチュエータは、互いに積層された複数の圧電素子板からなる複合振動子を有し、前記複合振動子により前記ステータを振動させて前記ステータと前記ロータの接触部分に楕円または円運動を発生させることにより前記ロータが複数の軸回りに回転される請求項１〜４のいずれか一項に記載のロボットの関節機構。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−６８３６７（Ｐ２００８−６８３６７Ａ）
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２４９５７４（Ｐ２００６−２４９５７４）
【出願日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
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