ロボットの関節装置
【課題】人や動物などに触れるロボットの関節装置であって、人に触れた場合に当該人が不快感を覚えることなく実際の人と接触しているような状態を実現できるロボットの関節装置を提供する。
【解決手段】ロボット１の関節装置は、回転可能且つ軸方向に移動可能に軸支されウォーム３２ａを備える軸部材３２と、ウォーム３２ａに噛合し出力部材３８が連結されるウォームホイール３６を備える。ウォームホイール３６は、ウォーム３２ａの回転により回転し、ウォームホイール３６から軸部材３２に逆入力されると軸部材３２を軸方向に移動させる。軸部材３２の軸方向移動量は検出部４５により検出され、外力推定部８０が、検出部４５により検出される軸方向移動量に基づいて出力部材３８が受けた外力を推定する。そして、制御部７０が、指令値および外力推定部８０により推定された外力に基づいて、アクチュエータ３４を制御する。
【解決手段】ロボット１の関節装置は、回転可能且つ軸方向に移動可能に軸支されウォーム３２ａを備える軸部材３２と、ウォーム３２ａに噛合し出力部材３８が連結されるウォームホイール３６を備える。ウォームホイール３６は、ウォーム３２ａの回転により回転し、ウォームホイール３６から軸部材３２に逆入力されると軸部材３２を軸方向に移動させる。軸部材３２の軸方向移動量は検出部４５により検出され、外力推定部８０が、検出部４５により検出される軸方向移動量に基づいて出力部材３８が受けた外力を推定する。そして、制御部７０が、指令値および外力推定部８０により推定された外力に基づいて、アクチュエータ３４を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットの関節装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
産業用ロボットの一例として、クランプ装置が特開２００４−２１６５１５号公報（特許文献１）に記載されている。このクランプ装置は、クランプアームの回転軸に設けられたウォームホイールと、該ウォームホイールに噛合されて電動モータに連結されたウォームとを備える。そして、クランプアームがワークに当接すると、ウォームホイールからウォームへ反力が伝達される。これに伴いウォームが軸方向へ変移して、ウォームが所定位置へ変移すると停止する。この状態をセンサにより検知する。そうすると、別のクランプ力付与機構により、クランプアームにワークをクランプするクランプ力を付与する。
【０００３】
このクランプ装置は、ウォームが軸方向の所定位置に変移して停止したことを検知して、その状態でクランプ力を付与することを目的としている。つまり、クランプアームがワークに当接することにより反力が発生すると、クランプアームを停止させてクランプ力を付与する。
【０００４】
ところで、近年、人や動物と触れることを目的としたロボットが開発されている。例えば、介護用ロボットなどである。介護用ロボットは、人を抱きかかえて移動することなどを可能とするロボットである。このようなロボットは、外力を受けた場合に単に停止させるという単純な動作をする産業用ロボットは適用できない。
【０００５】
例えば、介護用ロボットの腕部に人を抱きかかえた状態で、抱きかかえられている人が腕部の上で動いた場合を考える。このような場合に、上記のようなクランプ装置をそのまま介護用ロボットの腕部に適用すると、ロボットの腕部は停止した状態を維持する動作を行う。しかし、実際の人が人を抱きかかえる場合には、人の腕部は、抱きかかえられている人の動きに応じた動作を行う。従って、産業用ロボットであるクランプ装置をそのまま介護用ロボットの腕部などに適用すると、抱きかかえられている人は不快感を覚える。
【０００６】
なお、ロボットの腕部などに外力を受けたことを検出する手段として、例えば、特開２００７−１０３８３号公報（特許文献２）や特開２００５−３６４９号公報（特許文献３）などに、触覚センサが記載されている。触覚センサは、腕部の表面に設けられるセンサである。
【特許文献１】特開２００４−２１６５１５号公報
【特許文献２】特開２００７−１０３８３号公報
【特許文献３】特開２００５−３６４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、介護用ロボットなどの人や動物に触れることを目的としたロボットにおいては、ロボットが外力を受けた場合に、産業用ロボットとは異なり、柔軟性が求められる。また、特に、人や動物に触れるロボットの腕部などの関節装置は、駆動源が停止した場合であっても、フェールセーフ機能として、その状態を維持する必要がある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、人や動物などに触れるロボットの関節装置であって、人に触れた場合に当該人が不快感を覚えることなく実際の人と接触しているような状態を実現できるロボットの関節装置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】
【０００９】
以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき、必要に応じて作用効果等を付記しつつ説明する。
【００１０】
（手段１）手段１に係るロボットの関節装置は、
ハウジングと、
前記ハウジングに回転可能且つ軸方向に移動可能に軸支され、ウォームを備える軸部材と、
前記軸部材を回転駆動するアクチュエータと、
前記ウォームに噛合し、前記ウォームが回転することにより回転するウォームホイールであって、当該ウォームホイールから前記軸部材に前記ウォームホイールの回転力が逆入力される場合に前記軸部材を前記軸方向に移動させるウォームホイールと、
前記ウォームホイールに連結され、前記軸部材から伝達された前記ウォームホイールの回転により回転する出力部材と、
前記軸部材の軸方向移動量を検出する検出部と、
前記検出部により検出される前記軸方向移動量に基づいて前記出力部材が受けた外力を推定する外力推定部と、
指令値および前記外力推定部により推定された前記外力に基づいて、前記出力部材を目標位置に位置させるように前記アクチュエータを制御する制御部と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
手段１によれば、出力部材が外力を受けた場合にウォームが軸方向に移動することを利用して、その軸方向移動量に基づいて出力部材が受けた外力を推定している。そして、推定された外力に基づいてアクチュエータを制御することで、出力部材をロボットの腕部や胴体部などに適用した場合に、急激に停止するのではなく、適切な柔軟性を発揮できる。つまり、人がロボットの出力部材に触れた場合に、当該人が不快感を覚えることなく、当該人が実際の人と接触しているような状態を実現することができる。さらに、ウォームとウォームホイールにより出力部材を駆動することにより、アクチュエータへの駆動源（電力）の供給が停止した場合であっても、出力部材の現在の状態を維持できる。従って、フェールセーフ機能を確実に発揮できる。
【００１２】
（手段２）手段１のロボットの関節装置において、
前記外力推定部は、前記外力の大きさを推定し、
前記制御部は、指令値と前記外力推定部により推定された前記外力の大きさとに基づいて、前記出力部材を目標位置に位置させるように前記アクチュエータを制御するとよい。
【００１３】
例えば、予測していない硬い物体に衝突した場合には、出力部材が受ける外力の大きさは大きくなる。一方、例えば、ロボットの腕部に抱きかかえられている人が、ロボットの腕部の上で予測していない動作をした場合には、出力部材が受ける外力の大きさは、前記の場合に比べて小さくなる。このように、外力の大きさによって、どのような種類の外力であるかを判断できる。従って、手段２によれば、推定された外力の大きさに応じて、出力部材を適切に動作させることができる。
【００１４】
（手段３）手段２のロボットの関節装置において、
前記外力推定部は、前記外力の大きさと前記外力の大きさの変化速度とを推定し、
前記制御部は、指令値と前記外力推定部により推定された前記外力の大きさおよび前記外力の大きさの変化速度とに基づいて、前記出力部材を目標位置に位置させるように前記アクチュエータを制御するとよい。
【００１５】
例えば、ロボットが指令タスクを実行している場合に、予測している物体を持ち上げる場合には、出力部材が受ける外力の大きさの変化速度は小さい。一方、上述したような、予測していない硬い物体に衝突した場合や、ロボットの腕部に抱きかかえられている人が、ロボットの腕部の上で予測していない動作をした場合には、出力部材が受ける外力の大きさの変化速度が、前記の場合に比べて大きくなる。このように、外力の大きさの変化速度によって、どのような種類の外力であるかを判断できる。従って、手段３によれば、推定された外力の大きさの変化速度に応じて、出力部材を適切に動作させることができる。
【００１６】
（手段４）手段１〜３の何れかのロボットの関節装置において、
前記外力推定部は、前記外力の方向を推定し、
前記制御部は、指令値と前記外力推定部により推定された前記外力の方向とに基づいて、前記出力部材を目標位置に位置させるように前記アクチュエータを制御するとよい。
【００１７】
例えば、人がロボットの出力部材に触れた場合に、ロボットの出力部材を停止させると、人はロボットの出力部材との接触に対して硬い感覚を覚える。また、人がロボットの出力部材に触れた場合に、ロボットの出力部材を人がロボットに対して与えた力の方向とは反対方向に移動させると、人はロボットの出力部材との接触に対して極めて硬い感覚を覚える。これらに対して、人がロボットの出力部材に触れた場合に、ロボットの出力部材を人がロボットに対して与えた力の方向に移動させると、人はロボットの出力部材との接触に対して柔らかい感覚を覚える。このように、外力の方向に対して、ロボットの出力部材を移動させる方向を変えることによって、人に与える感覚を変えることができる。つまり、手段４によれば、推定された外力の方向に応じて、出力部材を適切に動作させることができる。
【００１８】
（手段５）手段１〜４の何れかのロボットの関節装置において、
前記制御部は、前記外力推定部により推定された前記外力の大きさが所定閾値より大きい場合には、前記アクチュエータを停止させるように制御するとよい。
【００１９】
上述したように、例えば、予測していない硬い物体に衝突した場合には、出力部材が受ける外力の大きさは大きくなる。手段５によれば、このような場合に、アクチュエータを停止させることになる。これにより、予測していない大きな衝撃に対して、影響を小さくできる。
【００２０】
（手段６）手段５のロボットの関節装置において、
前記制御部は、前記外力推定部により推定された前記外力の大きさが前記所定閾値以下の場合には、前記出力部材を前記外力の力方向に移動させ、その後に前記目標位置に戻すように、前記アクチュエータを制御するとよい。
【００２１】
上述したように、例えば、ロボットの腕部に抱きかかえられている人が、ロボットの腕部の上で予測していない動作をした場合には、出力部材が受ける外力の大きさは、それほど大きくない。手段６によれば、このような場合に、出力部材が外力の力方向に移動した後に、目標位置に戻すような動作をする。これにより、ロボットの腕部に抱きかかえられている人が、実際の人に抱きかかえられているような状態を実現できる。この状態などのように、柔軟性が要求される場合に、柔軟性のある動作を実現できる。
【００２２】
（手段７）手段６のロボットの関節装置において、
前記制御部は、前記出力部材を前記外力の方向に移動させる際に、前記外力の大きさと前記外力の大きさの変化速度の少なくとも何れか一方に応じて、前記アクチュエータを制御するとよい。
【００２３】
これにより、より適切な柔軟性を達成することができる。つまり、外力の大きさが大きい場合には、出力部材の外力の方向への移動量を大きくするとよく、外力の大きさが小さい場合には、出力部材の外力の方向への移動量を小さくするとよい。また、外力の大きさの変化速度が大きい場合には、出力部材の外力の方向への移動量を大きくするとよく、外力の大きさの変化速度が小さい場合には、出力部材の外力の方向への移動量を小さくするとよい。
【００２４】
（手段８）手段１〜７の何れかのロボットの関節装置において、
前記外力推定部は、前記軸方向移動量と前記出力部材の質量および重心位置とに基づいて前記出力部材が受けた前記外力を推定するとよい。
【００２５】
出力部材自身の自重によって、ウォームホイールからウォームへ回転力が逆入力されることがある。つまり、出力部材の自重が、軸部材を軸方向へ移動させる。そして、出力部材の自重によって軸部材が軸方向へ移動する移動量は、出力部材の重心位置によって異なる。そこで、手段８によれば、外力推定部が、軸方向移動量と出力部材の質量および重心位置とに基づいて、出力部材が受けた外力を推定する。つまり、出力部材が実際に受ける外力を推定する際に、検出された軸部材の軸方向移動量から、出力部材自身の自重によって軸部材の軸方向移動量を除去することで、正確な外力を推定できる。
【００２６】
（手段９）手段１〜８の何れかのロボットの関節装置において、
前記軸部材、前記アクチュエータ、前記ウォームホイールおよび前記検出部からなる駆動源モジュールは、２組有し、
２組の前記ウォームホイールの回転軸は、同軸上に位置し、
前記出力部材は、それぞれの前記モジュールを構成する前記ウォームホイールに連結され、前記ウォームホイールの回転軸回りに回転し、且つ、前記ウォームホイールの回転軸に直交する軸回りに回転し、
前記外力推定部は、それぞれの前記モジュールを構成する前記検出部により検出されたそれぞれの前記軸方向移動量に基づいて、前記出力部材が受けた外力のうち、前記ウォームホイールの回転軸回りの方向の外力と前記ウォームホイールの回転軸に直交する軸回りの方向の外力とのそれぞれを推定するとよい。
【００２７】
例えば、駆動源モジュールをロボットの肩部に設け、出力部材をロボットの腕部とした場合には、腕部は、腕軸回りに回転するとともに、肩部を中心に上下へ揺動する。つまり、本発明の「ウォームホイールの回転軸に直交する軸回り」が、腕軸回りに相当し、本発明の「ウォームホイールの回転軸回り」が、肩部を中心に上下へ揺動する軸回りに相当する。このような場合に、手段９によれば、それぞれの方向の外力を推定することができるため、それぞれの外力の方向に応じた適切な動作を行うことができる。
【００２８】
（手段１０）手段１〜９の何れかのロボットの関節装置において、
前記検出部は、
前記軸部材の軸方向移動に伴って軸方向に伸縮変形する変形部材と、
前記変形部材に取り付けられ、前記変形部材の軸方向の伸縮に伴って軸方向に移動する軸方向移動部材と、
前記ハウジングに設けられ、前記軸方向移動部材の軸方向移動を検出する固定検出部と、
を備えるとよい。
【００２９】
手段１０によれば、変形部材の伸縮変形により軸方向移動部材が移動することを固定検出部により検出することで、構造が簡易的となる。さらに、変形部材の伸縮変形を利用することで、小型化を図ることができる。
【００３０】
（手段１１）手段１〜９の何れかのロボットの関節装置において、
前記検出部は、
前記軸部材の軸方向移動に伴って軸方向に伸縮変形する変形部材と、
前記変形部材の軸方向歪を検出する歪センサと、
を備えるようにしてもよい。
手段１１においても、手段１０と同様に、構造が簡易的となり、且つ、小型化を図ることができる。
【００３１】
（手段１２）手段１０または１１のロボットの関節装置において、
前記変形部材は、前記軸部材と前記ハウジングとにより軸方向に予め圧縮された状態を初期状態として取り付けられているとよい。
手段１２によれば、軸部材が初期状態から軸方向両側へ移動することを、確実に検出できる。
【００３２】
（手段１３）手段１０〜１２の何れかのロボットの関節装置において、
前記変形部材は、前記ハウジングに対して回転不能に設けられるとよい。
手段１３によれば、軸方向移動部材と固定検出部を用いる構成においては、軸方向移動部材または固定検出部を全周に設ける必要がなくなる。また、歪センサを用いる構成においては、歪センサに接続する配線にスリップリングなどを介する必要がなくなる。
【００３３】
（手段１４）手段１〜１３の何れかのロボットの関節装置において、介護用ロボットの関節装置とするとよい。特に、介護用ロボットには、上記の要求が高い。つまり、被介護者に対しては、実際の人が触れる場合の中でも、さらにやさしく触れる必要がある場合が多い。このような介護用ロボットに本発明を適用することで、介護用ロボットの実現性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明のロボットの関節装置を具体化した実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００３５】
（ロボットの全体構成）
本実施形態のロボット１の関節装置について、図１〜図３を参照して説明する。図１は、ロボット１の正面図である。図２は、ロボット１の右側面図である。図３は、ロボット１が、ロボット１の腕部により人を抱きかかえている状態を示す斜視図である。
【００３６】
本実施形態のロボット１は、介護用ロボットであり、主として、被介護者である人を抱きかかえて移動することを可能とするロボットである。例えば、ロボット１は、ベッドに座っている被介護者を、車いすへ移動させることを可能とする。つまり、ロボット１は、ベッドに座っている被介護者を抱きかかえ、被介護者を抱きかかえた状態でベッドから車いすまで移動し、被介護者を車いすに下ろす動作を行う。
【００３７】
図１〜図３に示すように、ロボット１は、出力部材としての、脚部１１、胴体部１２、頭部１３、左右の上腕部１４、１５、左右の前腕部１６、１７、左右の手部１８、１９と、関節部としての、腰部２１と、首関節部２２、肩関節部２３、２４と、肘関節部２５、２６とから構成される。
【００３８】
脚部１１は、車輪（図示せず）を備えており、床上を自由に移動可能な構成としている。胴体部１２は、脚部１１に対してロボット１の前後に揺動可能となるように、腰関節部２１により脚部１１と連結されている。頭部１３は、胴体部１２に対して上下左右に首振り可能となるように、首関節部２２により胴体部１２と連結されている。頭部１３には、視覚センサ１３ａ、１３ｂが取り付けられている。
【００３９】
上腕部１４、１５は、胴体部１２に対してロボット１の左右に揺動可能で且つ上腕軸回りに回転可能となるように、肩関節部２３、２４により胴体部１２と連結されている。この上腕部１４、１５の表面には、感圧センサ１４ａ、１５ａが取り付けられている。つまり、感圧センサ１４ａは、左上腕部１４に接触する外力の大きさを検出することができ、感圧センサ１５ａは、右上腕部１５に接触する外力の大きさを検出することができる。
【００４０】
前腕部１６、１７は、上腕部１４、１５に対して、ロボット１の前後に揺動可能となるように、肘関節部２５、２６により上腕部１２、１３に連結されている。この前腕部１６、１７の表面には、感圧センサ１６ａ、１７ａが取り付けられている。つまり、感圧センサ１６ａは、左前腕部１６に接触する外力の大きさを検出することができ、感圧センサ１７ａは、右前腕部１７に接触する外力の大きさを検出することができる。左右の手部１８、１９は、前腕部１６、１７の先端側に固定されている。
【００４１】
つまり、図３に示すように、各関節部２１〜２６を駆動することにより、ロボット１は、被介護者を抱きかかえることができる。さらに、ロボット１の前腕部１６、１７の上にて、被介護者を安定した状態で移動できるように、各関節部２１〜２６を駆動する。例えば、感圧センサ１６ａ、１７ａにより検出されるそれぞれの外力の大きさにより、被介護者の重心位置が、ロボット１の左右方向の中心付近に位置するようにするとともに、ロボット１の腰関節部１２よりも上側の部材と被介護者とを合わせた全体物の重心位置が、ロボット１の腰関節部１２の上方に位置するように、各関節部２１〜２６を駆動する。
【００４２】
（ロボット１の関節装置の機械構成）
ロボット１の関節装置としては、各関節部２１〜２６に設けられている。ここでは、肩関節部２４について、図４〜図６を参照して説明する。図４は、ロボット１の肩関節部２４の内部構造であって、図２の正面から見た図である。図５は、図４のＡ−Ａ断面図である。図６は、図４のＢ方向矢視図である。
【００４３】
図４〜図６に示すように、ロボット１の肩関節部２４は、ハウジング３１と、軸部材３２、３３と、アクチュエータ３４、３５と、ウォームホイール３６、３７と、出力軸３８（本発明の「出力部材」に相当する）と、スプリング４１、４２と、変形部材４３、４４と、磁石４５、４６（本発明の「軸方向移動部材」に相当する）と、磁気センサ４７、４８（本発明の「固定検出部」に相当する）とから構成される。
【００４４】
ハウジング３１は、胴体部２２の肩関節部２４付近に固定された部材である。このハウジング３１は、図１の左右方向に貫通する２本の貫通孔３１ａ、３１ｂ（図５、６に示す）が形成されている。この貫通孔３１ａ、３１ｂには、後述する軸部材３２、３３が挿通される。さらに、ハウジング３１は、肩関節部２４側において、後述するウォームホイール３６、３７が軸支される支持孔３１ｃ、３１ｄ（図４に示す）が形成されている。
【００４５】
軸部材３２は、ウォーム３２ａと、ウォーム３２ａの軸方向両側に延びる棒状部３２ｂ、３２ｃとから構成される。また、軸部材３３は、ウォーム３３ａと、ウォーム３３ａの軸方向両側に延びる棒状部３３ｂ、３３ｃとから構成される。軸部材３２、３３は、ハウジング３１の貫通孔３１ａ、３１ｂのそれぞれに挿通されている。そして、軸部材３２の一方の棒状部３２ｂは、ラジアル軸受５１を介して、ハウジング３１に対して回転可能に且つ軸方向に移動可能に支持されている。軸部材３２の他方の棒状部３２ｃは、ラジアル軸受５２を介して、ハウジング３１に対して回転可能に且つ軸方向に移動可能に支持されている。また、軸部材３３の一方の棒状部３３ｂは、ラジアル軸受５３を介して、ハウジング３１に対して回転可能に且つ軸方向に移動可能に支持されている。軸部材３３の他方の棒状部３３ｃは、ラジアル軸受５４を介して、ハウジング３１に対して回転可能に且つ軸方向に移動可能に支持されている。つまり、軸部材３２、３３は、ハウジング３１に回転可能に且つ軸方向に移動可能に支持されている。
【００４６】
アクチュエータ３４は、軸部材３２を回転駆動するモータである。また、アクチュエータ３５は、軸部材３３を回転駆動するモータである。アクチュエータ３４は、軸部材３２の他方の棒状部３２ｃの端部に連結され、アクチュエータ３５は、軸部材３３の他方の棒状部３３ｃの端部に連結されている。
【００４７】
スプリング４１は、軸部材３２の一方の棒状部３２ｂの端部と、ハウジング３１との間に設けている。スプリング４２は、軸部材３３の一方の棒状部３３ｂの端部と、ハウジング３１との間に設けている。つまり、スプリング４１、４２は、軸部材３２、３３のそれぞれに対して、図５の右側へ予め押圧する押圧力を付与している。
【００４８】
ウォームホイール３６は、大輪部３６ａと、小輪部３６ｂとから構成されている。ウォームホイール３７は、大輪部３７ａと、小輪部３７ｂとから構成されている。ウォームホイール３６、３７は、その回転軸が軸部材３２、３３の軸方向に直交し、図４の紙面垂直方向に一致するように、且つ、両回転軸が一致するように、ハウジング３１の支持孔３１ｃ、３１ｄのそれぞれに支持されている。
【００４９】
このウォームホイール３６、３７の大輪部３６ａ、３７ａは、外周面に歯溝が形成されており、ウォーム３２ａ、３３ａにそれぞれ噛合している。つまり、ウォーム３２ａが回転することにより、ウォームホイール３６が回転する。また、ウォームホイール３６が回転すると、ウォームホイール３６の大輪部３６ａから軸部材３２のウォーム３２ａにウォームホイール３６の回転力が逆入力される。この逆入力により、軸部材３２は、ハウジング３１に対して軸方向に移動する。
【００５０】
また、ウォーム３３ａが回転することにより、ウォームホイール３７が回転する。さらに、ウォームホイール３７が回転すると、ウォームホイール３７の大輪部３７ａから軸部材３３のウォーム３３ａにウォームホイール３７の回転力が逆入力される。この逆入力により、軸部材３３は、ハウジング３１に対して軸方向に移動する。
【００５１】
ここで、ウォームホイール３６、３７が図５の右回りの回転による逆入力の場合には、軸部材３２、３３は、図５の右側へ移動する。一方、ウォームホイール３６、３７が図５の左回りの回転による逆入力の場合には、軸部材３２、３３は、図５の左側へ移動する。
小輪部３６ｂは、大輪部３６ａと同軸上に一体的に設けられている。この小輪部３６ｂの外周面は、かさ歯車をなしている。小輪部３７ｂは、大輪部３７ａおよび小輪部３６ｂと同軸上に一体的に設けられている。この小輪部３７ｂの外周面は、小輪部３６ｂと同様のかさ歯車をなしている。
【００５２】
出力軸３８は、一端にかさ歯車を有する軸状部材である。そして、この出力軸３８は、上腕部１５をなしている。この出力軸３８のかさ歯車は、ウォームホイール３６の小輪部３６ｂおよびウォームホイール３７の小輪部３７ｂに噛合している。つまり、ウォームホイール３６、３７が同じ方向に回転する場合には、出力軸３８が、図５の紙面法線軸回りに遥動する。一方、ウォームホイール３６、３７が異なる方向に回転する場合には、出力軸３８は、その回転軸回りに回転する。このときの出力軸３８の回転方向は、ウォームホイール３６、３７の回転方向に応じたものとなる。
【００５３】
つまり、出力軸３８がその軸回りに回転するような外力を受ける場合には、ウォームホイール３６、３７が異なる方向に回転する。そうすると、軸部材３２、３３は、ハウジング３１に対して、それぞれ異なる軸方向へ移動する。一方、出力軸３８が図５の遥動する方向に外力を受ける場合には、ウォームホイール３６、３７は同一方向に回転する。そうすると、軸部材３２、３３は、ハウジング３１に対して、同一の軸方向へ移動する。
【００５４】
変形部材４３、４４は、樹脂製の円筒状に形成されている。変形部材４３、４４の内径は、軸部材３２、３３の他方の棒状部３２ｃ、３３ｃの外径より大きく形成されている。また、変形部材４３、４４の外径は、軸部材３２、３３のウォーム３２ａ、３３ａの外径とほぼ同等に形成されている。そして、この変形部材４３、４４は、軸方向に圧縮荷重が付与された場合には、僅かではあるが、収縮変形する。変形部材４３は、軸部材３２の他方の棒状部３２ｃの外周側に棒状部３２ｃと同軸上に設けられ、且つ、ウォーム３２ａの一端面とハウジング３１との間に設けられている。具体的には、変形部材４３の一端面側は、ウォーム３２ａの一端面との間に、スラスト軸受５５を介して設けられている。一方、変形部材４３の他端面側は、ラジアル軸受５２の外輪に当接して設けられている。つまり、変形部材４３は、軸部材３２の回転に伴って回転せずに、ハウジング３１に対して固定的に設けられている。そして、スプリング４１により、軸部材３２は予め図５の右側（図６の上側）へ押圧されているため、変形部材４３は、予め圧縮された状態を初期状態としている。つまり、変形部材４３は、軸部材３２の軸方向移動に伴って、初期状態から軸方向に伸長変形したり収縮変形したりする。
【００５５】
変形部材４４は、軸部材３３の他方の棒状部３３ｃの外周側に棒状部３３ｃと同軸上に設けられ、且つ、ウォーム３３ａの一端面とハウジング３１との間に設けられている。変形部材４４の一端面側は、ウォーム３３ａの一端面との間に、スラスト軸受５６を介して設けられている。一方、変形部材４４の他端面側は、ラジアル軸受５４の外輪に当接して設けられている。つまり、変形部材４４は、軸部材３３の回転に伴って回転せずに、ハウジング３１に対して固定的に設けられている。そして、スプリング４２により、軸部材３３は予め図５の右側（図６の上側）へ押圧されているため、変形部材４４は、予め圧縮された状態を初期状態としている。つまり、変形部材４４は、軸部材３３の軸方向移動に伴って、初期状態から軸方向に伸長変形したり収縮変形したりする。
【００５６】
磁石４５、４６は、変形部材４３、４４の外周面に、一箇所設けられている。この磁石４５、４６は、変形部材４３、４４の軸方向の伸縮に伴って軸方向に移動する。
【００５７】
磁気センサ４７、４８は、磁石４５、４６のそれぞれに対向するように、ハウジング３１にそれぞれ設けられている。磁気センサ４７は、磁石４５の軸方向移動量を検出することができ、磁気センサ４８は、磁石４６の軸方向移動量を検出することができる。これら磁気センサ４７、４８の出力情報は、後述する外力推定部８０へ出力される。
【００５８】
以上説明した構成からなるロボット１の関節装置の動作について説明する。まず、アクチュエータ３４、３５を同一の図４の左回りに回転させたとする。この場合、軸部材３２、３３が左回りに回転する。つまり、軸部材３２、３３が左回りに回転するということは、ウォーム３２ａ、３３ａが左回りに回転することになる。そうすると、ウォーム３２ａ、３３ａに噛合しているウォームホイール３６、３７が図５の左回りに回転する。この動作により、出力軸３８が、ウォームホイール３６、３７の回転軸を中心に、図５の左回りに揺動する。
【００５９】
次に、アクチュエータ３４、３５を同一の図４の右回りに回転させたとする。この場合、軸部材３２、３３が右回りに回転する。つまり、軸部材３２、３３が右回りに回転するということは、ウォーム３２ａ、３３ａが右回りに回転することになる。そうすると、ウォーム３２ａ、３３ａに噛合しているウォームホイール３６、３７が図５の右回りに回転する。この動作により、出力軸３８が、ウォームホイール３６、３７の回転軸を中心に、図５の右回りに揺動する。
【００６０】
次に、アクチュエータ３４を図４の左回りに回転させ、アクチュエータ３５を図４の右回りに回転させたとする。この場合、軸部材３２が左回りに、軸部材３３が右回りに回転する。そうすると、ウォーム３２ａに噛合しているウォームホイール３６が図５の左回りに回転し、ウォーム３３ａに噛合しているウォームホイール３７が図５の右回りに回転する。この動作により、出力軸３８が、その軸回りのうち図６の右回りに回転する。
【００６１】
次に、アクチュエータ３４を図４の右回りに回転させ、アクチュエータ３５を図４の左回りに回転させたとする。この場合、軸部材３２が右回りに、軸部材３３が左回りに回転する。そうすると、ウォーム３２ａに噛合しているウォームホイール３６が図５の右回りに回転し、ウォーム３３ａに噛合しているウォームホイール３７が図５の左回りに回転する。この動作により、出力軸３８が、その軸回りのうち図６の左回りに回転する。
【００６２】
今度は、出力軸３８が外力を受けた場合に、出力軸３８から軸部材３２、３３へ回転力が逆入力される場合の動作を説明する。まず、出力軸３８が、ウォームホイール３６、３７の回転軸を中心に、図５の左回りに揺動するような外力を受けたとする。この場合、ウォームホイール３６、３７が図５の左回りに回転する。そうすると、軸部材３２、３３は、何れも、その軸方向のうち図５の左側に移動する。従って、変形部材４３、４４は、軸方向に伸長変形し、磁石４５、４６が図５の左側に移動する。この磁石４７、４８の図５の軸方向左側への移動量を、磁気センサ４７、４８が検出する。
【００６３】
次に、出力軸３８が、ウォームホイール３６、３７の回転軸を中心に、図５の右回りに揺動するような外力を受けたとする。この場合、ウォームホイール３６、３７が図５の右回りに回転する。そうすると、軸部材３２、３３は、何れも、その軸方向のうち図５の右側に移動する。従って、変形部材４３、４４は、軸方向に収縮変形し、磁石４５、４６が図５の右側に移動する。この磁石４７、４８の図５の軸方向右側への移動量を、磁気センサ４７、４８が検出する。
【００６４】
次に、出力軸３８が、その軸回りのうち図６の右回りに回転するような外力を受けたとする。この場合、ウォームホイール３６が図５の左回りに回転し、ウォームホイール３７が図５の右回りに回転する。そうすると、ウォームホイール３６に噛合するウォーム３２ａを備える軸部材３２が図５の左側に移動し、ウォームホイール３７に噛合するウォーム３３を備える軸部材３３が図５の右側に移動する。従って、変形部材４３が軸方向に伸長変形し、変形部材４４が軸方向に収縮変形する。その結果、磁石４５が図５の左側に移動し、磁石４６が図５の右側に移動する。そして、磁石４７、４８の図５の軸方向左右それぞれへの移動量を、磁気センサ４７、４８が検出する。
【００６５】
次に、出力軸３８が、その軸回りのうち図６の左回りに回転するような外力を受けたとする。この場合、ウォームホイール３６が図５の右回りに回転し、ウォームホイール３７が図５の左回りに回転する。そうすると、ウォームホイール３６に噛合するウォーム３２ａを備える軸部材３２が図５の右側に移動し、ウォームホイール３７に噛合するウォーム３３を備える軸部材３３が図５の左側に移動する。従って、変形部材４３が軸方向に収縮変形し、変形部材４４が軸方向に伸長変形する。その結果、磁石４５が図５の右側に移動し、磁石４６が図５左側に移動する。そして、磁石４７、４８の図５の軸方向左右それぞれへの移動量を、磁気センサ４７、４８が検出する。
【００６６】
また、ウォーム３２、３３とウォームホイール３６、３７とを用いた構成とすることで、アクチュエータ３４、３５への駆動源（電力）が停止した場合に、軸部材３２、３３の回転角度は自由な状態となる。ただし、ウォームホイール３６、３７からウォーム３２、３３への逆入力の際には、上述したように、ウォーム３２、３３は回転せずに、軸方向へ移動する。つまり、アクチュエータ３４、３５への駆動源が停止したとしても、軸部材３２、３３が回転しないので、出力軸３８は現在位置を維持できる。このように、上記構成を採用することで、フェールセーフ機能を発揮できる。
【００６７】
なお、上述した軸部材、アクチュエータ、ウォームホイール、スプリング、変形部材、磁石、磁気センサを１組の駆動源モジュールとする。つまり、上記肩関節装置においては、２組の駆動源モジュールを備えており、これら２組の駆動源モジュールから出力軸３８へ駆動力を出力する構成となる。また、腰関節装置においては、１組の駆動源モジュールを備えている。
【００６８】
（ロボット１の関節装置の機能ブロック構成）
次に、ロボット１の関節装置の機能ブロック構成について、図７および図８を参照して説明する。図７は、ロボット１の関節装置の全体機能構成を示すブロック図である。図８は、外力推定部８０の詳細なブロック図である。
【００６９】
図７に示すように、ロボット１の関節装置は、感圧センサ６１と、位置センサ６２ａ、６２ｂ、・・・と、制御部７０と、外力推定部８０と、モータ９１ａ、９１ｂ、・・・と、角度センサ９２ａ、９２ｂ、・・・と、ドライバ９３ａ、９３ｂ、・・・とから構成される。
【００７０】
感圧センサ６１は、上述した機械構成にて説明した上腕部１４、１５の表面に設けた感圧センサ１４ａ、１５ａと、前腕部１６、１７の表面に設けた感圧センサ１６ａ、１７ａに相当する。位置センサ６２ａ、６２ｂ、・・・は、各駆動源モジュールにおける磁気センサ４７、４８に相当する。
【００７１】
制御部７０は、感圧センサ６１による検出結果、位置センサ６２ａ、６２ｂ、・・・による検出結果、外力推定部８０の出力情報、角度センサ９２ａ、９２ｂ、・・・による検出結果に基づいて、各モータ９１ａ、９２ｂ、・・・を駆動する各ドライバ９３ａ、９３ｂ、・・・を制御する。詳細は後述する。
【００７２】
外力推定部８０は、位置センサ６２ａ、６２ｂ、・・・による検出結果に基づいて、ロボット１の各部材が受けた外力の大きさ、外力の大きさの変化速度および外力の方向を推定する。例えば、外力推定部８０は、ロボット１の上腕部１４の軸回りの外力、上腕部１４を上下方向へ揺動させる外力など、それぞれの外力を推定する。
【００７３】
モータ９１ａ、９１ｂ、・・・は、上述した機械構成にて説明した各駆動源モジュールにおけるアクチュエータ３４、３５に相当する。これらのモータ９１ａ、９１ｂ、・・・は、回転角を制御可能なステッピングモータなどが適用される。角度センサ９２ａ、９２ｂ、・・・は、各モータ９１ａ、９１ｂに備え付けられ、各モータ９１ａ、９１ｂ、・・・の回転角を検出する。ドライバ９３ａ、９３ｂ、・・・は、各モータ９１ａ、９１ｂ、・・・を駆動するための回路である。例えば、ドライバ９３ａ、９３ｂ、・・・は、複数のスイッチング素子（例えば、ＦＥＴ）によりＨブリッジ回路を構成している。これらのスイッチング素子は、制御部７０からの制御信号に基づいて、ＯＮ／ＯＦＦ動作を行う。そして、各ドライバ９３ａ、９３ｂ、・・・には、図示しない電力供給源から電力が供給され、制御部７０からの制御信号に基づいて各モータ９１ａ、９１ｂ、・・・へ適切な電力を供給している。
【００７４】
制御部７０の詳細な構成について説明する。制御部７０は、指令値算出部７１と、指令値補正部７２と、ＰＩＤ制御器７３ａ、７３ｂ、・・・と、角速度算出部７４ａ、７４ｂ、・・・とから構成される。ここで、説明の容易化のため、指令タスクとして、例えば、ロボット１がベッド（図示せず）の上に座っている被介護者を抱きかかえて、ベッドの近くに置いている車いすへ被介護者を下ろす動作を行う場合を例にあげながら説明する。
【００７５】
指令値算出部７１は、視覚センサ１３ａ、１３ｂにより認識された画像と、指令タスクとに基づいて、現在位置から指令タスク完了までにおける、各モータ９１ａ、９１ｂ、・・・の回転角の指令値を算出する。具体的には、指令値算出部７１は、視覚センサ１３ａ、１３ｂからの出力情報により、現在の周囲状況、すなわち、被介護者の位置姿勢、ベッドの位置姿勢、車いすの位置姿勢、ロボット１の現在位置から被介護者、ベッド、車いすまでの距離を把握する。続いて、指令値算出部７１は、認識画像と指令タスクとに基づいて、ロボット１がどのように動作すればよいのかを算出する。具体的には、ロボット１の各部位が以下の動作を行うように、各モータ９１ａ、９１ｂ、・・・の回転角の指令値を算出する。
【００７６】
ロボット１は、ベッドや車いすなどに衝突しないように被介護者に近づき、上腕部１４、１５および前腕部１６、１７を移動させて、被介護者を抱きかかえる。その後、ロボット１は、被介護者を抱きかかえた状態で、ロボット１自身および被介護者がベッドや車いすに衝突しないように車いすへ近づき、被介護者を車いすへ下ろす。そして、車いすから遠ざかる。
【００７７】
指令値補正部７２は、指令値算出部７１により算出された各モータ９１ａ、９１ｂ、・・・の指令値に基づいて、感圧センサ６１の出力情報および外力推定部８０の出力情報を考慮しながら、各モータ９１ａ、９１ｂ、・・・の指令値を補正する。具体的には、感圧センサ６１の出力情報により、抱きかかえている被介護者の重心位置がロボット１の左右方向中央に位置するように、且つ、ロボット１の腰関節部２１に支持されている部材全体と被介護者との合計の重心位置が、腰関節部２１の上方に位置するように、指令値を補正する。また、外力推定部８０により算出されるロボット１の各部材が受ける外力に応じた動作を行うように補正する。このことの詳細は後述する。
【００７８】
ＰＩＤ制御器７３ａ、７３ｂ、・・・は、指令値補正部９２から出力された補正後の指令値に基づいて、各ドライバ９３ａ、９３ｂ、・・・に出力する制御信号を生成する。具体的には、補正後の指令値に対して、ＰＩＤ制御を施した制御信号を出力する。このＰＩＤ制御器７３ａ、７３ｂ、・・・は、各角度センサ９２ａ、９２ｂ、・・・から入力されるモータ９１ａ、９１ｂ、・・・の回転角と、角速度算出部７４ａ、７４ｂ、・・・により算出されたモータ９１ａ、９１ｂ、・・・の回転角速度とに基づいて、ＰＩＤ制御を行う。角速度算出部７４ａ、７４ｂ、・・・は、各角度センサ９２ａ、９２ｂ、・・・により検出された各モータ９１ａ、９１ｂ、・・・の回転角を時間微分することで、モータ９１ａ、９１ｂ、・・・の回転角速度を算出する。
【００７９】
外力推定部８０は、図８に示すように、関節角度／重心位置算出部８１と、アンプ／フィルタ８２と、外力大きさ基準値算出部８３と、外力大きさ推定部８４と、外力変化速度基準値算出部８５と、外力変化速度推定部８６とから構成される。
【００８０】
関節角度／重心位置算出部８１は、各角度センサ９２ａ、９２ｂ、・・・の出力情報に基づいて、各関節装置の関節角度を算出する。さらに、関節角度／重心位置算出部８１は、各角度センサ９２ａ、９２ｂ、・・・の出力情報と、予め記憶されている各関節装置における出力軸８３などの質量情報とに基づいて、各関節装置により駆動可能な部位の重心位置を算出する。例えば、肩関節部２４は、上腕部１５、前腕部１７、手部１９および肘関節部２６を含む部材の重心位置を算出する。このとき、各関節装置により駆動可能な部位の質量も算出しておく。
【００８１】
アンプ／フィルタ８２は、位置センサ６２ａ、６２ｂ、・・・の出力情報を増幅し、且つ、フィルタリングを施す。つまり、アンプ／フィルタ８２から出力値は、各駆動源モジュールにおける軸部材（３２など）の軸方向移動量に応じた値となる。
【００８２】
外力大きさ基準値算出部８３は、各関節装置における出力軸（８３など）が受けた外力の大きさ基準値を算出する。この外力の大きさ基準値には、外力の方向の成分を含んでいる。ここで、上述したように、出力軸８３が外力を受けた場合には、ウォームホイール３６を回転することで、軸部材３２を軸方向に移動する。外力の大きさ基準値は、軸部材３２の軸方向移動量にほぼ比例する値に相当する。しかし、軸部材３２は、ロボット１自身の各部材の自重によっても軸方向へ移動する。
【００８３】
そこで、外力大きさ推定部８４が、ロボット１自身の各部材の自重による分を除去する処理を行っている。具体的には、外力大きさ推定部８４は、外力大きさ基準値算出部８３により算出された外力の大きさ基準値と、関節角度／重心位置算出部８１により算出された各関節装置により駆動可能な部位の重心位置および質量とに基づいて、ロボット１自身の各部材の自重による分を除去する。つまり、外力大きさ推定部８４は、ロボット１が受けた外力の大きさおよびその方向を推定している。そして、外力大きさ推定部８４は、推定した外力の大きさおよびその方向に関する情報を、指令値補正部７２へ出力する。
【００８４】
外力変化速度基準値算出部８５は、各関節装置における出力軸（８３など）が受けた外力の大きさの変化速度基準値（以下「変化速度基準値」という）を算出する。ここで、上述したように、出力軸８３が外力を受けた場合には、ウォームホイール３６を回転することで、軸部材３２を軸方向に移動する。変化速度基準値は、軸部材３２の軸方向移動速度にほぼ比例する値に相当する。しかし、軸部材３２は、ロボット１自身の各部材の自重によっても軸方向へ移動するため、変化速度基準値には、ロボット１自身の各部材の動作により影響を受けるものとなる。
【００８５】
そこで、外力変化速度推定部８６は、ロボット１自身の各部材の自重による分を除去する処理を行っている。具体的には、外力変化速度推定部８６は、外力変化速度基準値算出部８５により算出された変化速度基準値と、関節角度／重心位置算出部８１により算出された各関節装置により駆動可能な部位の重心位置および質量とに基づいて、ロボット１自身の各部材の自重による分を除去する。つまり、外力変化速度推定部８６は、ロボット１が受けた外力の大きさの変化速度を推定している。そして、外力変化速度推定部８６は、推定した外力の大きさの変化速度に関する情報を、指令値補正部７２へ出力する。
【００８６】
（制御部７０の指令値補正部７２の処理）
次に、制御部７０の指令値補正部７２の処理について、図９を参照して説明する。図９は、指令値補正部７２の処理を示すフローチャートである。
【００８７】
図９に示すように、指令値補正部７２は、まず、外力推定部８０により推定された外力の大きさの変化速度Ｖが、予め記憶された変化速度閾値Ｖｔｈより小さいか否かを判定する（ステップＳ１）。外力の大きさの変化速度Ｖが変化速度閾値Ｖｔｈより小さい場合には、通常補正処理を行った後に、ステップＳ１にリターンする（ステップＳ２）。
【００８８】
通常補正処理とは、被介護者の重心位置が、ロボット１の左右方向の中心付近に位置するようにするとともに、ロボット１の腰関節部１２よりも上側の部材と被介護者とを合わせた全体物の重心位置が、ロボット１の腰関節部１２の上方に位置するように、指令値を補正する。
【００８９】
ここで、被介護者を抱きかかえる動作、被介護者を抱きかかえた状態で移動する動作は、指令タスクに含まれる動作である。つまり、当該動作は、ロボット１が予測可能な動作である。つまり、被介護者を抱きかかえることにより、ロボット１が受ける外力は、ロボット１が予測している外力である。そのため、ロボット１が受ける外力の大きさの変化速度は、小さなものとなる。このような場合に、通常補正処理を行うことで、安定して被介護者を抱きかかえることができるとともに、被介護者を抱きかかえた状態で安定して移動することができる。
【００９０】
一方、推定された外力の大きさの変化速度Ｖが変化速度閾値Ｖｔｈ以上の場合には、外力推定部８０により推定された外力の大きさＦが、予め記憶された外力閾値Ｆｔｈより大きいか否かを判定する（ステップＳ３）。外力の大きさＦが外力閾値Ｆｔｈより大きい場合には、一時停止処理を行った後に（ステップＳ４）、回避補正処理を行う（ステップＳ５）。その後に、ステップＳ１にリターンする。
【００９１】
一時停止処理は、各モータ９１ａ、９１ｂ、・・・を一時的に停止させる処理である。回避補正処理は、一時的に停止された後に、再び認識画像を参照して指令タスクを実行できるように、指令値を補正する。
【００９２】
ここで、ロボット１が予測していない外力を受けると、ロボット１が受ける外力の大きさの変化速度Ｖは変化速度閾値Ｖｔｈ以上となる。さらに詳細に分析すると、例えば、予測していない動作として、ロボット１が予測していないベッドに衝突した場合と、抱きかかえている被介護者が動いた場合を例にあげる。前者のベッドへの衝突の場合には、ロボット１が受ける外力の大きさＦは比較的大きくなり、後者の抱きかかえている人が動いた場合には、ロボット１が受ける外力の大きさＦは比較的小さくなる。つまり、ロボット１が予測していない外力のうち、ベッドなどへの衝突による外力を受けた場合には、ロボット１の動作を一時停止し、その後にベッドなどに衝突しないような動作を行う。
【００９３】
一方、推定された外力の大きさの変化速度Ｖが変化速度閾値Ｖｔｈ以上の場合であって、外力推定部８０により推定された外力の大きさＦが、予め記憶された外力閾値Ｆｔｈ以下の場合には、柔軟補正処理を行った後に（ステップＳ６）、ステップＳ１にリターンする。
【００９４】
柔軟補正処理を行う場合とは、例えば、ロボット１が抱きかかえている被介護者が動いた場合などや、ロボット１が予測していない人に衝突した場合などである。このような場合には、被介護者が実際の人に抱きかかえられている感覚を与えることや、衝突した人に実際の人と衝突した感覚を与えることが望まれる。つまり、柔軟補正処理は、ロボット１が予測していない外力を受けた場合に、実際の人が動作するような動作をさせる処理である。
【００９５】
具体的には、柔軟補正処理は、ロボット１が抱きかかえている被介護者から外力を受けた場合に、まず、その外力の方向に移動させる補正処理である。このとき、推定された外力の大きさＦに応じた移動量とし、且つ、推定された外力の大きさの変化速度Ｖに応じた移動量とする。つまり、推定された外力の大きさＦが大きい場合には、出力部（８３など）をその外力方向に移動させる移動量を大きくする。また、推定された外力の大きさの変化速度Ｖが大きい場合には、出力部（８３など）をその外力方向に移動させる移動量を大きくする。そして、その後に、柔軟補正処理は、元の位置へ復帰する動作とする。
【００９６】
以上説明したロボット１の関節装置により以下の効果を奏する。まず、出力部８３が外力を受けた場合にウォーム３２が軸方向に移動することを利用して、その軸方向移動量に基づいて出力部８３が受けた外力の大きさ、変化速度、方向を推定している。これにより、外力の大きさ、変化速度、方向を確実に推定できる。
【００９７】
そして、推定された外力に基づいてアクチュエータ３４、３５を制御することで、出力部８３をロボット１の腕部１４〜１７や胴体部１２などに適用した場合に、急激に停止するのではなく、適切な柔軟性を発揮できる。つまり、人がロボット１の出力部８３に触れた場合に、当該人が不快感を覚えることなく、当該人が実際の人と接触しているような状態を実現することができる。
【００９８】
また、変形部材４３、４４の伸縮変形により磁石４５、４６が軸方向に移動することを磁気センサ４７、４８により検出することで、構造が簡易的となる。さらに、変形部材４３、４４の伸縮変形を利用することで、小型化を図ることができる。さらに、変形部材４３、４４を軸部材３２、３３とハウジング３１とにより軸方向に予め圧縮された状態を初期状態として取り付けている。これにより、軸部材３２が初期状態から軸方向両側へ移動することを、磁気センサ４７、４８により確実に検出できる。さらに、変形部材４３、４４は、ハウジング３１に対して回転不能に設けられている。これにより、磁石４５、４６または磁気センサ４７、４８を全周に設ける必要がなくなる。
【００９９】
＜他の実施形態＞
上記実施形態においては、主として、肩関節部２３、２４について説明した。この構成を、他の関節部にも適用できる。ただし、１軸のみで足りる関節部においては、１組の駆動源モジュールを適用すればよい。
【０１００】
また、上記実施形態においては、介護用ロボットについて説明した。介護用ロボットの他に、特に、人や動物などと触れるロボットには有効に適用できる。ただし、介護用ロボットに対する上述した課題の要請が高いため、介護用ロボットに適用すると効果的である。
【０１０１】
また、上記実施形態において、軸部材３２、３３の軸方向移動量の検出を、磁石と磁気センサを用いた。これに限定されることなく、種々のセンサを用いることが可能である。例えば、変形部材４３、４４の軸方向の歪を検出可能な歪センサ（歪ゲージなど）を用いることもできる。そして、歪センサを用いる場合には、変形部材４３、４４がハウジング３１に対して回転不能に設けることにより、配線の容易化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】ロボット１の正面図である。
【図２】ロボット１の右側面図である。
【図３】ロボット１が、ロボット１の腕部により人を抱きかかえている状態を示す斜視図である。
【図４】ロボット１の肩関節部２４の内部構造であって、図２の正面から見た図である。
【図５】図４のＡ−Ａ断面図である。
【図６】図４のＢ方向矢視図である。
【図７】ロボット１の関節装置の全体機能構成を示すブロック図である。
【図８】外力推定部８０の詳細なブロック図である。
【図９】指令値補正部７２の処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１０３】
１：ロボット
１１：脚部、 １２：胴体部、 １３：頭部、 １３ａ、１３ｂ：視覚センサ
１４、１５：上腕部、 １６、１７：前腕部、 １８、１９：手部
１４ａ、１５ａ、１６ａ、１７ａ：感圧センサ
２１：腰部、 ２２：首関節部、 ２３、２４：肩関節部、 ２５、２６：肘関節部
３１：ハウジング、 ３２、３３：軸部材、 ３２ａ、３３ａ：ウォーム
３４、３５：アクチュエータ、 ３６、３７：ウォームホイール
３８：出力軸（出力部材）
４１、４２：スプリング、 ４３、４４：変形部材
４５、４６：磁石（軸方向移動部材）、 ４７、４８：磁気センサ（固定検出部）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットの関節装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
産業用ロボットの一例として、クランプ装置が特開２００４−２１６５１５号公報（特許文献１）に記載されている。このクランプ装置は、クランプアームの回転軸に設けられたウォームホイールと、該ウォームホイールに噛合されて電動モータに連結されたウォームとを備える。そして、クランプアームがワークに当接すると、ウォームホイールからウォームへ反力が伝達される。これに伴いウォームが軸方向へ変移して、ウォームが所定位置へ変移すると停止する。この状態をセンサにより検知する。そうすると、別のクランプ力付与機構により、クランプアームにワークをクランプするクランプ力を付与する。
【０００３】
このクランプ装置は、ウォームが軸方向の所定位置に変移して停止したことを検知して、その状態でクランプ力を付与することを目的としている。つまり、クランプアームがワークに当接することにより反力が発生すると、クランプアームを停止させてクランプ力を付与する。
【０００４】
ところで、近年、人や動物と触れることを目的としたロボットが開発されている。例えば、介護用ロボットなどである。介護用ロボットは、人を抱きかかえて移動することなどを可能とするロボットである。このようなロボットは、外力を受けた場合に単に停止させるという単純な動作をする産業用ロボットは適用できない。
【０００５】
例えば、介護用ロボットの腕部に人を抱きかかえた状態で、抱きかかえられている人が腕部の上で動いた場合を考える。このような場合に、上記のようなクランプ装置をそのまま介護用ロボットの腕部に適用すると、ロボットの腕部は停止した状態を維持する動作を行う。しかし、実際の人が人を抱きかかえる場合には、人の腕部は、抱きかかえられている人の動きに応じた動作を行う。従って、産業用ロボットであるクランプ装置をそのまま介護用ロボットの腕部などに適用すると、抱きかかえられている人は不快感を覚える。
【０００６】
なお、ロボットの腕部などに外力を受けたことを検出する手段として、例えば、特開２００７−１０３８３号公報（特許文献２）や特開２００５−３６４９号公報（特許文献３）などに、触覚センサが記載されている。触覚センサは、腕部の表面に設けられるセンサである。
【特許文献１】特開２００４−２１６５１５号公報
【特許文献２】特開２００７−１０３８３号公報
【特許文献３】特開２００５−３６４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、介護用ロボットなどの人や動物に触れることを目的としたロボットにおいては、ロボットが外力を受けた場合に、産業用ロボットとは異なり、柔軟性が求められる。また、特に、人や動物に触れるロボットの腕部などの関節装置は、駆動源が停止した場合であっても、フェールセーフ機能として、その状態を維持する必要がある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、人や動物などに触れるロボットの関節装置であって、人に触れた場合に当該人が不快感を覚えることなく実際の人と接触しているような状態を実現できるロボットの関節装置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】
【０００９】
以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき、必要に応じて作用効果等を付記しつつ説明する。
【００１０】
（手段１）手段１に係るロボットの関節装置は、
ハウジングと、
前記ハウジングに回転可能且つ軸方向に移動可能に軸支され、ウォームを備える軸部材と、
前記軸部材を回転駆動するアクチュエータと、
前記ウォームに噛合し、前記ウォームが回転することにより回転するウォームホイールであって、当該ウォームホイールから前記軸部材に前記ウォームホイールの回転力が逆入力される場合に前記軸部材を前記軸方向に移動させるウォームホイールと、
前記ウォームホイールに連結され、前記軸部材から伝達された前記ウォームホイールの回転により回転する出力部材と、
前記軸部材の軸方向移動量を検出する検出部と、
前記検出部により検出される前記軸方向移動量に基づいて前記出力部材が受けた外力を推定する外力推定部と、
指令値および前記外力推定部により推定された前記外力に基づいて、前記出力部材を目標位置に位置させるように前記アクチュエータを制御する制御部と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
手段１によれば、出力部材が外力を受けた場合にウォームが軸方向に移動することを利用して、その軸方向移動量に基づいて出力部材が受けた外力を推定している。そして、推定された外力に基づいてアクチュエータを制御することで、出力部材をロボットの腕部や胴体部などに適用した場合に、急激に停止するのではなく、適切な柔軟性を発揮できる。つまり、人がロボットの出力部材に触れた場合に、当該人が不快感を覚えることなく、当該人が実際の人と接触しているような状態を実現することができる。さらに、ウォームとウォームホイールにより出力部材を駆動することにより、アクチュエータへの駆動源（電力）の供給が停止した場合であっても、出力部材の現在の状態を維持できる。従って、フェールセーフ機能を確実に発揮できる。
【００１２】
（手段２）手段１のロボットの関節装置において、
前記外力推定部は、前記外力の大きさを推定し、
前記制御部は、指令値と前記外力推定部により推定された前記外力の大きさとに基づいて、前記出力部材を目標位置に位置させるように前記アクチュエータを制御するとよい。
【００１３】
例えば、予測していない硬い物体に衝突した場合には、出力部材が受ける外力の大きさは大きくなる。一方、例えば、ロボットの腕部に抱きかかえられている人が、ロボットの腕部の上で予測していない動作をした場合には、出力部材が受ける外力の大きさは、前記の場合に比べて小さくなる。このように、外力の大きさによって、どのような種類の外力であるかを判断できる。従って、手段２によれば、推定された外力の大きさに応じて、出力部材を適切に動作させることができる。
【００１４】
（手段３）手段２のロボットの関節装置において、
前記外力推定部は、前記外力の大きさと前記外力の大きさの変化速度とを推定し、
前記制御部は、指令値と前記外力推定部により推定された前記外力の大きさおよび前記外力の大きさの変化速度とに基づいて、前記出力部材を目標位置に位置させるように前記アクチュエータを制御するとよい。
【００１５】
例えば、ロボットが指令タスクを実行している場合に、予測している物体を持ち上げる場合には、出力部材が受ける外力の大きさの変化速度は小さい。一方、上述したような、予測していない硬い物体に衝突した場合や、ロボットの腕部に抱きかかえられている人が、ロボットの腕部の上で予測していない動作をした場合には、出力部材が受ける外力の大きさの変化速度が、前記の場合に比べて大きくなる。このように、外力の大きさの変化速度によって、どのような種類の外力であるかを判断できる。従って、手段３によれば、推定された外力の大きさの変化速度に応じて、出力部材を適切に動作させることができる。
【００１６】
（手段４）手段１〜３の何れかのロボットの関節装置において、
前記外力推定部は、前記外力の方向を推定し、
前記制御部は、指令値と前記外力推定部により推定された前記外力の方向とに基づいて、前記出力部材を目標位置に位置させるように前記アクチュエータを制御するとよい。
【００１７】
例えば、人がロボットの出力部材に触れた場合に、ロボットの出力部材を停止させると、人はロボットの出力部材との接触に対して硬い感覚を覚える。また、人がロボットの出力部材に触れた場合に、ロボットの出力部材を人がロボットに対して与えた力の方向とは反対方向に移動させると、人はロボットの出力部材との接触に対して極めて硬い感覚を覚える。これらに対して、人がロボットの出力部材に触れた場合に、ロボットの出力部材を人がロボットに対して与えた力の方向に移動させると、人はロボットの出力部材との接触に対して柔らかい感覚を覚える。このように、外力の方向に対して、ロボットの出力部材を移動させる方向を変えることによって、人に与える感覚を変えることができる。つまり、手段４によれば、推定された外力の方向に応じて、出力部材を適切に動作させることができる。
【００１８】
（手段５）手段１〜４の何れかのロボットの関節装置において、
前記制御部は、前記外力推定部により推定された前記外力の大きさが所定閾値より大きい場合には、前記アクチュエータを停止させるように制御するとよい。
【００１９】
上述したように、例えば、予測していない硬い物体に衝突した場合には、出力部材が受ける外力の大きさは大きくなる。手段５によれば、このような場合に、アクチュエータを停止させることになる。これにより、予測していない大きな衝撃に対して、影響を小さくできる。
【００２０】
（手段６）手段５のロボットの関節装置において、
前記制御部は、前記外力推定部により推定された前記外力の大きさが前記所定閾値以下の場合には、前記出力部材を前記外力の力方向に移動させ、その後に前記目標位置に戻すように、前記アクチュエータを制御するとよい。
【００２１】
上述したように、例えば、ロボットの腕部に抱きかかえられている人が、ロボットの腕部の上で予測していない動作をした場合には、出力部材が受ける外力の大きさは、それほど大きくない。手段６によれば、このような場合に、出力部材が外力の力方向に移動した後に、目標位置に戻すような動作をする。これにより、ロボットの腕部に抱きかかえられている人が、実際の人に抱きかかえられているような状態を実現できる。この状態などのように、柔軟性が要求される場合に、柔軟性のある動作を実現できる。
【００２２】
（手段７）手段６のロボットの関節装置において、
前記制御部は、前記出力部材を前記外力の方向に移動させる際に、前記外力の大きさと前記外力の大きさの変化速度の少なくとも何れか一方に応じて、前記アクチュエータを制御するとよい。
【００２３】
これにより、より適切な柔軟性を達成することができる。つまり、外力の大きさが大きい場合には、出力部材の外力の方向への移動量を大きくするとよく、外力の大きさが小さい場合には、出力部材の外力の方向への移動量を小さくするとよい。また、外力の大きさの変化速度が大きい場合には、出力部材の外力の方向への移動量を大きくするとよく、外力の大きさの変化速度が小さい場合には、出力部材の外力の方向への移動量を小さくするとよい。
【００２４】
（手段８）手段１〜７の何れかのロボットの関節装置において、
前記外力推定部は、前記軸方向移動量と前記出力部材の質量および重心位置とに基づいて前記出力部材が受けた前記外力を推定するとよい。
【００２５】
出力部材自身の自重によって、ウォームホイールからウォームへ回転力が逆入力されることがある。つまり、出力部材の自重が、軸部材を軸方向へ移動させる。そして、出力部材の自重によって軸部材が軸方向へ移動する移動量は、出力部材の重心位置によって異なる。そこで、手段８によれば、外力推定部が、軸方向移動量と出力部材の質量および重心位置とに基づいて、出力部材が受けた外力を推定する。つまり、出力部材が実際に受ける外力を推定する際に、検出された軸部材の軸方向移動量から、出力部材自身の自重によって軸部材の軸方向移動量を除去することで、正確な外力を推定できる。
【００２６】
（手段９）手段１〜８の何れかのロボットの関節装置において、
前記軸部材、前記アクチュエータ、前記ウォームホイールおよび前記検出部からなる駆動源モジュールは、２組有し、
２組の前記ウォームホイールの回転軸は、同軸上に位置し、
前記出力部材は、それぞれの前記モジュールを構成する前記ウォームホイールに連結され、前記ウォームホイールの回転軸回りに回転し、且つ、前記ウォームホイールの回転軸に直交する軸回りに回転し、
前記外力推定部は、それぞれの前記モジュールを構成する前記検出部により検出されたそれぞれの前記軸方向移動量に基づいて、前記出力部材が受けた外力のうち、前記ウォームホイールの回転軸回りの方向の外力と前記ウォームホイールの回転軸に直交する軸回りの方向の外力とのそれぞれを推定するとよい。
【００２７】
例えば、駆動源モジュールをロボットの肩部に設け、出力部材をロボットの腕部とした場合には、腕部は、腕軸回りに回転するとともに、肩部を中心に上下へ揺動する。つまり、本発明の「ウォームホイールの回転軸に直交する軸回り」が、腕軸回りに相当し、本発明の「ウォームホイールの回転軸回り」が、肩部を中心に上下へ揺動する軸回りに相当する。このような場合に、手段９によれば、それぞれの方向の外力を推定することができるため、それぞれの外力の方向に応じた適切な動作を行うことができる。
【００２８】
（手段１０）手段１〜９の何れかのロボットの関節装置において、
前記検出部は、
前記軸部材の軸方向移動に伴って軸方向に伸縮変形する変形部材と、
前記変形部材に取り付けられ、前記変形部材の軸方向の伸縮に伴って軸方向に移動する軸方向移動部材と、
前記ハウジングに設けられ、前記軸方向移動部材の軸方向移動を検出する固定検出部と、
を備えるとよい。
【００２９】
手段１０によれば、変形部材の伸縮変形により軸方向移動部材が移動することを固定検出部により検出することで、構造が簡易的となる。さらに、変形部材の伸縮変形を利用することで、小型化を図ることができる。
【００３０】
（手段１１）手段１〜９の何れかのロボットの関節装置において、
前記検出部は、
前記軸部材の軸方向移動に伴って軸方向に伸縮変形する変形部材と、
前記変形部材の軸方向歪を検出する歪センサと、
を備えるようにしてもよい。
手段１１においても、手段１０と同様に、構造が簡易的となり、且つ、小型化を図ることができる。
【００３１】
（手段１２）手段１０または１１のロボットの関節装置において、
前記変形部材は、前記軸部材と前記ハウジングとにより軸方向に予め圧縮された状態を初期状態として取り付けられているとよい。
手段１２によれば、軸部材が初期状態から軸方向両側へ移動することを、確実に検出できる。
【００３２】
（手段１３）手段１０〜１２の何れかのロボットの関節装置において、
前記変形部材は、前記ハウジングに対して回転不能に設けられるとよい。
手段１３によれば、軸方向移動部材と固定検出部を用いる構成においては、軸方向移動部材または固定検出部を全周に設ける必要がなくなる。また、歪センサを用いる構成においては、歪センサに接続する配線にスリップリングなどを介する必要がなくなる。
【００３３】
（手段１４）手段１〜１３の何れかのロボットの関節装置において、介護用ロボットの関節装置とするとよい。特に、介護用ロボットには、上記の要求が高い。つまり、被介護者に対しては、実際の人が触れる場合の中でも、さらにやさしく触れる必要がある場合が多い。このような介護用ロボットに本発明を適用することで、介護用ロボットの実現性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明のロボットの関節装置を具体化した実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００３５】
（ロボットの全体構成）
本実施形態のロボット１の関節装置について、図１〜図３を参照して説明する。図１は、ロボット１の正面図である。図２は、ロボット１の右側面図である。図３は、ロボット１が、ロボット１の腕部により人を抱きかかえている状態を示す斜視図である。
【００３６】
本実施形態のロボット１は、介護用ロボットであり、主として、被介護者である人を抱きかかえて移動することを可能とするロボットである。例えば、ロボット１は、ベッドに座っている被介護者を、車いすへ移動させることを可能とする。つまり、ロボット１は、ベッドに座っている被介護者を抱きかかえ、被介護者を抱きかかえた状態でベッドから車いすまで移動し、被介護者を車いすに下ろす動作を行う。
【００３７】
図１〜図３に示すように、ロボット１は、出力部材としての、脚部１１、胴体部１２、頭部１３、左右の上腕部１４、１５、左右の前腕部１６、１７、左右の手部１８、１９と、関節部としての、腰部２１と、首関節部２２、肩関節部２３、２４と、肘関節部２５、２６とから構成される。
【００３８】
脚部１１は、車輪（図示せず）を備えており、床上を自由に移動可能な構成としている。胴体部１２は、脚部１１に対してロボット１の前後に揺動可能となるように、腰関節部２１により脚部１１と連結されている。頭部１３は、胴体部１２に対して上下左右に首振り可能となるように、首関節部２２により胴体部１２と連結されている。頭部１３には、視覚センサ１３ａ、１３ｂが取り付けられている。
【００３９】
上腕部１４、１５は、胴体部１２に対してロボット１の左右に揺動可能で且つ上腕軸回りに回転可能となるように、肩関節部２３、２４により胴体部１２と連結されている。この上腕部１４、１５の表面には、感圧センサ１４ａ、１５ａが取り付けられている。つまり、感圧センサ１４ａは、左上腕部１４に接触する外力の大きさを検出することができ、感圧センサ１５ａは、右上腕部１５に接触する外力の大きさを検出することができる。
【００４０】
前腕部１６、１７は、上腕部１４、１５に対して、ロボット１の前後に揺動可能となるように、肘関節部２５、２６により上腕部１２、１３に連結されている。この前腕部１６、１７の表面には、感圧センサ１６ａ、１７ａが取り付けられている。つまり、感圧センサ１６ａは、左前腕部１６に接触する外力の大きさを検出することができ、感圧センサ１７ａは、右前腕部１７に接触する外力の大きさを検出することができる。左右の手部１８、１９は、前腕部１６、１７の先端側に固定されている。
【００４１】
つまり、図３に示すように、各関節部２１〜２６を駆動することにより、ロボット１は、被介護者を抱きかかえることができる。さらに、ロボット１の前腕部１６、１７の上にて、被介護者を安定した状態で移動できるように、各関節部２１〜２６を駆動する。例えば、感圧センサ１６ａ、１７ａにより検出されるそれぞれの外力の大きさにより、被介護者の重心位置が、ロボット１の左右方向の中心付近に位置するようにするとともに、ロボット１の腰関節部１２よりも上側の部材と被介護者とを合わせた全体物の重心位置が、ロボット１の腰関節部１２の上方に位置するように、各関節部２１〜２６を駆動する。
【００４２】
（ロボット１の関節装置の機械構成）
ロボット１の関節装置としては、各関節部２１〜２６に設けられている。ここでは、肩関節部２４について、図４〜図６を参照して説明する。図４は、ロボット１の肩関節部２４の内部構造であって、図２の正面から見た図である。図５は、図４のＡ−Ａ断面図である。図６は、図４のＢ方向矢視図である。
【００４３】
図４〜図６に示すように、ロボット１の肩関節部２４は、ハウジング３１と、軸部材３２、３３と、アクチュエータ３４、３５と、ウォームホイール３６、３７と、出力軸３８（本発明の「出力部材」に相当する）と、スプリング４１、４２と、変形部材４３、４４と、磁石４５、４６（本発明の「軸方向移動部材」に相当する）と、磁気センサ４７、４８（本発明の「固定検出部」に相当する）とから構成される。
【００４４】
ハウジング３１は、胴体部２２の肩関節部２４付近に固定された部材である。このハウジング３１は、図１の左右方向に貫通する２本の貫通孔３１ａ、３１ｂ（図５、６に示す）が形成されている。この貫通孔３１ａ、３１ｂには、後述する軸部材３２、３３が挿通される。さらに、ハウジング３１は、肩関節部２４側において、後述するウォームホイール３６、３７が軸支される支持孔３１ｃ、３１ｄ（図４に示す）が形成されている。
【００４５】
軸部材３２は、ウォーム３２ａと、ウォーム３２ａの軸方向両側に延びる棒状部３２ｂ、３２ｃとから構成される。また、軸部材３３は、ウォーム３３ａと、ウォーム３３ａの軸方向両側に延びる棒状部３３ｂ、３３ｃとから構成される。軸部材３２、３３は、ハウジング３１の貫通孔３１ａ、３１ｂのそれぞれに挿通されている。そして、軸部材３２の一方の棒状部３２ｂは、ラジアル軸受５１を介して、ハウジング３１に対して回転可能に且つ軸方向に移動可能に支持されている。軸部材３２の他方の棒状部３２ｃは、ラジアル軸受５２を介して、ハウジング３１に対して回転可能に且つ軸方向に移動可能に支持されている。また、軸部材３３の一方の棒状部３３ｂは、ラジアル軸受５３を介して、ハウジング３１に対して回転可能に且つ軸方向に移動可能に支持されている。軸部材３３の他方の棒状部３３ｃは、ラジアル軸受５４を介して、ハウジング３１に対して回転可能に且つ軸方向に移動可能に支持されている。つまり、軸部材３２、３３は、ハウジング３１に回転可能に且つ軸方向に移動可能に支持されている。
【００４６】
アクチュエータ３４は、軸部材３２を回転駆動するモータである。また、アクチュエータ３５は、軸部材３３を回転駆動するモータである。アクチュエータ３４は、軸部材３２の他方の棒状部３２ｃの端部に連結され、アクチュエータ３５は、軸部材３３の他方の棒状部３３ｃの端部に連結されている。
【００４７】
スプリング４１は、軸部材３２の一方の棒状部３２ｂの端部と、ハウジング３１との間に設けている。スプリング４２は、軸部材３３の一方の棒状部３３ｂの端部と、ハウジング３１との間に設けている。つまり、スプリング４１、４２は、軸部材３２、３３のそれぞれに対して、図５の右側へ予め押圧する押圧力を付与している。
【００４８】
ウォームホイール３６は、大輪部３６ａと、小輪部３６ｂとから構成されている。ウォームホイール３７は、大輪部３７ａと、小輪部３７ｂとから構成されている。ウォームホイール３６、３７は、その回転軸が軸部材３２、３３の軸方向に直交し、図４の紙面垂直方向に一致するように、且つ、両回転軸が一致するように、ハウジング３１の支持孔３１ｃ、３１ｄのそれぞれに支持されている。
【００４９】
このウォームホイール３６、３７の大輪部３６ａ、３７ａは、外周面に歯溝が形成されており、ウォーム３２ａ、３３ａにそれぞれ噛合している。つまり、ウォーム３２ａが回転することにより、ウォームホイール３６が回転する。また、ウォームホイール３６が回転すると、ウォームホイール３６の大輪部３６ａから軸部材３２のウォーム３２ａにウォームホイール３６の回転力が逆入力される。この逆入力により、軸部材３２は、ハウジング３１に対して軸方向に移動する。
【００５０】
また、ウォーム３３ａが回転することにより、ウォームホイール３７が回転する。さらに、ウォームホイール３７が回転すると、ウォームホイール３７の大輪部３７ａから軸部材３３のウォーム３３ａにウォームホイール３７の回転力が逆入力される。この逆入力により、軸部材３３は、ハウジング３１に対して軸方向に移動する。
【００５１】
ここで、ウォームホイール３６、３７が図５の右回りの回転による逆入力の場合には、軸部材３２、３３は、図５の右側へ移動する。一方、ウォームホイール３６、３７が図５の左回りの回転による逆入力の場合には、軸部材３２、３３は、図５の左側へ移動する。
小輪部３６ｂは、大輪部３６ａと同軸上に一体的に設けられている。この小輪部３６ｂの外周面は、かさ歯車をなしている。小輪部３７ｂは、大輪部３７ａおよび小輪部３６ｂと同軸上に一体的に設けられている。この小輪部３７ｂの外周面は、小輪部３６ｂと同様のかさ歯車をなしている。
【００５２】
出力軸３８は、一端にかさ歯車を有する軸状部材である。そして、この出力軸３８は、上腕部１５をなしている。この出力軸３８のかさ歯車は、ウォームホイール３６の小輪部３６ｂおよびウォームホイール３７の小輪部３７ｂに噛合している。つまり、ウォームホイール３６、３７が同じ方向に回転する場合には、出力軸３８が、図５の紙面法線軸回りに遥動する。一方、ウォームホイール３６、３７が異なる方向に回転する場合には、出力軸３８は、その回転軸回りに回転する。このときの出力軸３８の回転方向は、ウォームホイール３６、３７の回転方向に応じたものとなる。
【００５３】
つまり、出力軸３８がその軸回りに回転するような外力を受ける場合には、ウォームホイール３６、３７が異なる方向に回転する。そうすると、軸部材３２、３３は、ハウジング３１に対して、それぞれ異なる軸方向へ移動する。一方、出力軸３８が図５の遥動する方向に外力を受ける場合には、ウォームホイール３６、３７は同一方向に回転する。そうすると、軸部材３２、３３は、ハウジング３１に対して、同一の軸方向へ移動する。
【００５４】
変形部材４３、４４は、樹脂製の円筒状に形成されている。変形部材４３、４４の内径は、軸部材３２、３３の他方の棒状部３２ｃ、３３ｃの外径より大きく形成されている。また、変形部材４３、４４の外径は、軸部材３２、３３のウォーム３２ａ、３３ａの外径とほぼ同等に形成されている。そして、この変形部材４３、４４は、軸方向に圧縮荷重が付与された場合には、僅かではあるが、収縮変形する。変形部材４３は、軸部材３２の他方の棒状部３２ｃの外周側に棒状部３２ｃと同軸上に設けられ、且つ、ウォーム３２ａの一端面とハウジング３１との間に設けられている。具体的には、変形部材４３の一端面側は、ウォーム３２ａの一端面との間に、スラスト軸受５５を介して設けられている。一方、変形部材４３の他端面側は、ラジアル軸受５２の外輪に当接して設けられている。つまり、変形部材４３は、軸部材３２の回転に伴って回転せずに、ハウジング３１に対して固定的に設けられている。そして、スプリング４１により、軸部材３２は予め図５の右側（図６の上側）へ押圧されているため、変形部材４３は、予め圧縮された状態を初期状態としている。つまり、変形部材４３は、軸部材３２の軸方向移動に伴って、初期状態から軸方向に伸長変形したり収縮変形したりする。
【００５５】
変形部材４４は、軸部材３３の他方の棒状部３３ｃの外周側に棒状部３３ｃと同軸上に設けられ、且つ、ウォーム３３ａの一端面とハウジング３１との間に設けられている。変形部材４４の一端面側は、ウォーム３３ａの一端面との間に、スラスト軸受５６を介して設けられている。一方、変形部材４４の他端面側は、ラジアル軸受５４の外輪に当接して設けられている。つまり、変形部材４４は、軸部材３３の回転に伴って回転せずに、ハウジング３１に対して固定的に設けられている。そして、スプリング４２により、軸部材３３は予め図５の右側（図６の上側）へ押圧されているため、変形部材４４は、予め圧縮された状態を初期状態としている。つまり、変形部材４４は、軸部材３３の軸方向移動に伴って、初期状態から軸方向に伸長変形したり収縮変形したりする。
【００５６】
磁石４５、４６は、変形部材４３、４４の外周面に、一箇所設けられている。この磁石４５、４６は、変形部材４３、４４の軸方向の伸縮に伴って軸方向に移動する。
【００５７】
磁気センサ４７、４８は、磁石４５、４６のそれぞれに対向するように、ハウジング３１にそれぞれ設けられている。磁気センサ４７は、磁石４５の軸方向移動量を検出することができ、磁気センサ４８は、磁石４６の軸方向移動量を検出することができる。これら磁気センサ４７、４８の出力情報は、後述する外力推定部８０へ出力される。
【００５８】
以上説明した構成からなるロボット１の関節装置の動作について説明する。まず、アクチュエータ３４、３５を同一の図４の左回りに回転させたとする。この場合、軸部材３２、３３が左回りに回転する。つまり、軸部材３２、３３が左回りに回転するということは、ウォーム３２ａ、３３ａが左回りに回転することになる。そうすると、ウォーム３２ａ、３３ａに噛合しているウォームホイール３６、３７が図５の左回りに回転する。この動作により、出力軸３８が、ウォームホイール３６、３７の回転軸を中心に、図５の左回りに揺動する。
【００５９】
次に、アクチュエータ３４、３５を同一の図４の右回りに回転させたとする。この場合、軸部材３２、３３が右回りに回転する。つまり、軸部材３２、３３が右回りに回転するということは、ウォーム３２ａ、３３ａが右回りに回転することになる。そうすると、ウォーム３２ａ、３３ａに噛合しているウォームホイール３６、３７が図５の右回りに回転する。この動作により、出力軸３８が、ウォームホイール３６、３７の回転軸を中心に、図５の右回りに揺動する。
【００６０】
次に、アクチュエータ３４を図４の左回りに回転させ、アクチュエータ３５を図４の右回りに回転させたとする。この場合、軸部材３２が左回りに、軸部材３３が右回りに回転する。そうすると、ウォーム３２ａに噛合しているウォームホイール３６が図５の左回りに回転し、ウォーム３３ａに噛合しているウォームホイール３７が図５の右回りに回転する。この動作により、出力軸３８が、その軸回りのうち図６の右回りに回転する。
【００６１】
次に、アクチュエータ３４を図４の右回りに回転させ、アクチュエータ３５を図４の左回りに回転させたとする。この場合、軸部材３２が右回りに、軸部材３３が左回りに回転する。そうすると、ウォーム３２ａに噛合しているウォームホイール３６が図５の右回りに回転し、ウォーム３３ａに噛合しているウォームホイール３７が図５の左回りに回転する。この動作により、出力軸３８が、その軸回りのうち図６の左回りに回転する。
【００６２】
今度は、出力軸３８が外力を受けた場合に、出力軸３８から軸部材３２、３３へ回転力が逆入力される場合の動作を説明する。まず、出力軸３８が、ウォームホイール３６、３７の回転軸を中心に、図５の左回りに揺動するような外力を受けたとする。この場合、ウォームホイール３６、３７が図５の左回りに回転する。そうすると、軸部材３２、３３は、何れも、その軸方向のうち図５の左側に移動する。従って、変形部材４３、４４は、軸方向に伸長変形し、磁石４５、４６が図５の左側に移動する。この磁石４７、４８の図５の軸方向左側への移動量を、磁気センサ４７、４８が検出する。
【００６３】
次に、出力軸３８が、ウォームホイール３６、３７の回転軸を中心に、図５の右回りに揺動するような外力を受けたとする。この場合、ウォームホイール３６、３７が図５の右回りに回転する。そうすると、軸部材３２、３３は、何れも、その軸方向のうち図５の右側に移動する。従って、変形部材４３、４４は、軸方向に収縮変形し、磁石４５、４６が図５の右側に移動する。この磁石４７、４８の図５の軸方向右側への移動量を、磁気センサ４７、４８が検出する。
【００６４】
次に、出力軸３８が、その軸回りのうち図６の右回りに回転するような外力を受けたとする。この場合、ウォームホイール３６が図５の左回りに回転し、ウォームホイール３７が図５の右回りに回転する。そうすると、ウォームホイール３６に噛合するウォーム３２ａを備える軸部材３２が図５の左側に移動し、ウォームホイール３７に噛合するウォーム３３を備える軸部材３３が図５の右側に移動する。従って、変形部材４３が軸方向に伸長変形し、変形部材４４が軸方向に収縮変形する。その結果、磁石４５が図５の左側に移動し、磁石４６が図５の右側に移動する。そして、磁石４７、４８の図５の軸方向左右それぞれへの移動量を、磁気センサ４７、４８が検出する。
【００６５】
次に、出力軸３８が、その軸回りのうち図６の左回りに回転するような外力を受けたとする。この場合、ウォームホイール３６が図５の右回りに回転し、ウォームホイール３７が図５の左回りに回転する。そうすると、ウォームホイール３６に噛合するウォーム３２ａを備える軸部材３２が図５の右側に移動し、ウォームホイール３７に噛合するウォーム３３を備える軸部材３３が図５の左側に移動する。従って、変形部材４３が軸方向に収縮変形し、変形部材４４が軸方向に伸長変形する。その結果、磁石４５が図５の右側に移動し、磁石４６が図５左側に移動する。そして、磁石４７、４８の図５の軸方向左右それぞれへの移動量を、磁気センサ４７、４８が検出する。
【００６６】
また、ウォーム３２、３３とウォームホイール３６、３７とを用いた構成とすることで、アクチュエータ３４、３５への駆動源（電力）が停止した場合に、軸部材３２、３３の回転角度は自由な状態となる。ただし、ウォームホイール３６、３７からウォーム３２、３３への逆入力の際には、上述したように、ウォーム３２、３３は回転せずに、軸方向へ移動する。つまり、アクチュエータ３４、３５への駆動源が停止したとしても、軸部材３２、３３が回転しないので、出力軸３８は現在位置を維持できる。このように、上記構成を採用することで、フェールセーフ機能を発揮できる。
【００６７】
なお、上述した軸部材、アクチュエータ、ウォームホイール、スプリング、変形部材、磁石、磁気センサを１組の駆動源モジュールとする。つまり、上記肩関節装置においては、２組の駆動源モジュールを備えており、これら２組の駆動源モジュールから出力軸３８へ駆動力を出力する構成となる。また、腰関節装置においては、１組の駆動源モジュールを備えている。
【００６８】
（ロボット１の関節装置の機能ブロック構成）
次に、ロボット１の関節装置の機能ブロック構成について、図７および図８を参照して説明する。図７は、ロボット１の関節装置の全体機能構成を示すブロック図である。図８は、外力推定部８０の詳細なブロック図である。
【００６９】
図７に示すように、ロボット１の関節装置は、感圧センサ６１と、位置センサ６２ａ、６２ｂ、・・・と、制御部７０と、外力推定部８０と、モータ９１ａ、９１ｂ、・・・と、角度センサ９２ａ、９２ｂ、・・・と、ドライバ９３ａ、９３ｂ、・・・とから構成される。
【００７０】
感圧センサ６１は、上述した機械構成にて説明した上腕部１４、１５の表面に設けた感圧センサ１４ａ、１５ａと、前腕部１６、１７の表面に設けた感圧センサ１６ａ、１７ａに相当する。位置センサ６２ａ、６２ｂ、・・・は、各駆動源モジュールにおける磁気センサ４７、４８に相当する。
【００７１】
制御部７０は、感圧センサ６１による検出結果、位置センサ６２ａ、６２ｂ、・・・による検出結果、外力推定部８０の出力情報、角度センサ９２ａ、９２ｂ、・・・による検出結果に基づいて、各モータ９１ａ、９２ｂ、・・・を駆動する各ドライバ９３ａ、９３ｂ、・・・を制御する。詳細は後述する。
【００７２】
外力推定部８０は、位置センサ６２ａ、６２ｂ、・・・による検出結果に基づいて、ロボット１の各部材が受けた外力の大きさ、外力の大きさの変化速度および外力の方向を推定する。例えば、外力推定部８０は、ロボット１の上腕部１４の軸回りの外力、上腕部１４を上下方向へ揺動させる外力など、それぞれの外力を推定する。
【００７３】
モータ９１ａ、９１ｂ、・・・は、上述した機械構成にて説明した各駆動源モジュールにおけるアクチュエータ３４、３５に相当する。これらのモータ９１ａ、９１ｂ、・・・は、回転角を制御可能なステッピングモータなどが適用される。角度センサ９２ａ、９２ｂ、・・・は、各モータ９１ａ、９１ｂに備え付けられ、各モータ９１ａ、９１ｂ、・・・の回転角を検出する。ドライバ９３ａ、９３ｂ、・・・は、各モータ９１ａ、９１ｂ、・・・を駆動するための回路である。例えば、ドライバ９３ａ、９３ｂ、・・・は、複数のスイッチング素子（例えば、ＦＥＴ）によりＨブリッジ回路を構成している。これらのスイッチング素子は、制御部７０からの制御信号に基づいて、ＯＮ／ＯＦＦ動作を行う。そして、各ドライバ９３ａ、９３ｂ、・・・には、図示しない電力供給源から電力が供給され、制御部７０からの制御信号に基づいて各モータ９１ａ、９１ｂ、・・・へ適切な電力を供給している。
【００７４】
制御部７０の詳細な構成について説明する。制御部７０は、指令値算出部７１と、指令値補正部７２と、ＰＩＤ制御器７３ａ、７３ｂ、・・・と、角速度算出部７４ａ、７４ｂ、・・・とから構成される。ここで、説明の容易化のため、指令タスクとして、例えば、ロボット１がベッド（図示せず）の上に座っている被介護者を抱きかかえて、ベッドの近くに置いている車いすへ被介護者を下ろす動作を行う場合を例にあげながら説明する。
【００７５】
指令値算出部７１は、視覚センサ１３ａ、１３ｂにより認識された画像と、指令タスクとに基づいて、現在位置から指令タスク完了までにおける、各モータ９１ａ、９１ｂ、・・・の回転角の指令値を算出する。具体的には、指令値算出部７１は、視覚センサ１３ａ、１３ｂからの出力情報により、現在の周囲状況、すなわち、被介護者の位置姿勢、ベッドの位置姿勢、車いすの位置姿勢、ロボット１の現在位置から被介護者、ベッド、車いすまでの距離を把握する。続いて、指令値算出部７１は、認識画像と指令タスクとに基づいて、ロボット１がどのように動作すればよいのかを算出する。具体的には、ロボット１の各部位が以下の動作を行うように、各モータ９１ａ、９１ｂ、・・・の回転角の指令値を算出する。
【００７６】
ロボット１は、ベッドや車いすなどに衝突しないように被介護者に近づき、上腕部１４、１５および前腕部１６、１７を移動させて、被介護者を抱きかかえる。その後、ロボット１は、被介護者を抱きかかえた状態で、ロボット１自身および被介護者がベッドや車いすに衝突しないように車いすへ近づき、被介護者を車いすへ下ろす。そして、車いすから遠ざかる。
【００７７】
指令値補正部７２は、指令値算出部７１により算出された各モータ９１ａ、９１ｂ、・・・の指令値に基づいて、感圧センサ６１の出力情報および外力推定部８０の出力情報を考慮しながら、各モータ９１ａ、９１ｂ、・・・の指令値を補正する。具体的には、感圧センサ６１の出力情報により、抱きかかえている被介護者の重心位置がロボット１の左右方向中央に位置するように、且つ、ロボット１の腰関節部２１に支持されている部材全体と被介護者との合計の重心位置が、腰関節部２１の上方に位置するように、指令値を補正する。また、外力推定部８０により算出されるロボット１の各部材が受ける外力に応じた動作を行うように補正する。このことの詳細は後述する。
【００７８】
ＰＩＤ制御器７３ａ、７３ｂ、・・・は、指令値補正部９２から出力された補正後の指令値に基づいて、各ドライバ９３ａ、９３ｂ、・・・に出力する制御信号を生成する。具体的には、補正後の指令値に対して、ＰＩＤ制御を施した制御信号を出力する。このＰＩＤ制御器７３ａ、７３ｂ、・・・は、各角度センサ９２ａ、９２ｂ、・・・から入力されるモータ９１ａ、９１ｂ、・・・の回転角と、角速度算出部７４ａ、７４ｂ、・・・により算出されたモータ９１ａ、９１ｂ、・・・の回転角速度とに基づいて、ＰＩＤ制御を行う。角速度算出部７４ａ、７４ｂ、・・・は、各角度センサ９２ａ、９２ｂ、・・・により検出された各モータ９１ａ、９１ｂ、・・・の回転角を時間微分することで、モータ９１ａ、９１ｂ、・・・の回転角速度を算出する。
【００７９】
外力推定部８０は、図８に示すように、関節角度／重心位置算出部８１と、アンプ／フィルタ８２と、外力大きさ基準値算出部８３と、外力大きさ推定部８４と、外力変化速度基準値算出部８５と、外力変化速度推定部８６とから構成される。
【００８０】
関節角度／重心位置算出部８１は、各角度センサ９２ａ、９２ｂ、・・・の出力情報に基づいて、各関節装置の関節角度を算出する。さらに、関節角度／重心位置算出部８１は、各角度センサ９２ａ、９２ｂ、・・・の出力情報と、予め記憶されている各関節装置における出力軸８３などの質量情報とに基づいて、各関節装置により駆動可能な部位の重心位置を算出する。例えば、肩関節部２４は、上腕部１５、前腕部１７、手部１９および肘関節部２６を含む部材の重心位置を算出する。このとき、各関節装置により駆動可能な部位の質量も算出しておく。
【００８１】
アンプ／フィルタ８２は、位置センサ６２ａ、６２ｂ、・・・の出力情報を増幅し、且つ、フィルタリングを施す。つまり、アンプ／フィルタ８２から出力値は、各駆動源モジュールにおける軸部材（３２など）の軸方向移動量に応じた値となる。
【００８２】
外力大きさ基準値算出部８３は、各関節装置における出力軸（８３など）が受けた外力の大きさ基準値を算出する。この外力の大きさ基準値には、外力の方向の成分を含んでいる。ここで、上述したように、出力軸８３が外力を受けた場合には、ウォームホイール３６を回転することで、軸部材３２を軸方向に移動する。外力の大きさ基準値は、軸部材３２の軸方向移動量にほぼ比例する値に相当する。しかし、軸部材３２は、ロボット１自身の各部材の自重によっても軸方向へ移動する。
【００８３】
そこで、外力大きさ推定部８４が、ロボット１自身の各部材の自重による分を除去する処理を行っている。具体的には、外力大きさ推定部８４は、外力大きさ基準値算出部８３により算出された外力の大きさ基準値と、関節角度／重心位置算出部８１により算出された各関節装置により駆動可能な部位の重心位置および質量とに基づいて、ロボット１自身の各部材の自重による分を除去する。つまり、外力大きさ推定部８４は、ロボット１が受けた外力の大きさおよびその方向を推定している。そして、外力大きさ推定部８４は、推定した外力の大きさおよびその方向に関する情報を、指令値補正部７２へ出力する。
【００８４】
外力変化速度基準値算出部８５は、各関節装置における出力軸（８３など）が受けた外力の大きさの変化速度基準値（以下「変化速度基準値」という）を算出する。ここで、上述したように、出力軸８３が外力を受けた場合には、ウォームホイール３６を回転することで、軸部材３２を軸方向に移動する。変化速度基準値は、軸部材３２の軸方向移動速度にほぼ比例する値に相当する。しかし、軸部材３２は、ロボット１自身の各部材の自重によっても軸方向へ移動するため、変化速度基準値には、ロボット１自身の各部材の動作により影響を受けるものとなる。
【００８５】
そこで、外力変化速度推定部８６は、ロボット１自身の各部材の自重による分を除去する処理を行っている。具体的には、外力変化速度推定部８６は、外力変化速度基準値算出部８５により算出された変化速度基準値と、関節角度／重心位置算出部８１により算出された各関節装置により駆動可能な部位の重心位置および質量とに基づいて、ロボット１自身の各部材の自重による分を除去する。つまり、外力変化速度推定部８６は、ロボット１が受けた外力の大きさの変化速度を推定している。そして、外力変化速度推定部８６は、推定した外力の大きさの変化速度に関する情報を、指令値補正部７２へ出力する。
【００８６】
（制御部７０の指令値補正部７２の処理）
次に、制御部７０の指令値補正部７２の処理について、図９を参照して説明する。図９は、指令値補正部７２の処理を示すフローチャートである。
【００８７】
図９に示すように、指令値補正部７２は、まず、外力推定部８０により推定された外力の大きさの変化速度Ｖが、予め記憶された変化速度閾値Ｖｔｈより小さいか否かを判定する（ステップＳ１）。外力の大きさの変化速度Ｖが変化速度閾値Ｖｔｈより小さい場合には、通常補正処理を行った後に、ステップＳ１にリターンする（ステップＳ２）。
【００８８】
通常補正処理とは、被介護者の重心位置が、ロボット１の左右方向の中心付近に位置するようにするとともに、ロボット１の腰関節部１２よりも上側の部材と被介護者とを合わせた全体物の重心位置が、ロボット１の腰関節部１２の上方に位置するように、指令値を補正する。
【００８９】
ここで、被介護者を抱きかかえる動作、被介護者を抱きかかえた状態で移動する動作は、指令タスクに含まれる動作である。つまり、当該動作は、ロボット１が予測可能な動作である。つまり、被介護者を抱きかかえることにより、ロボット１が受ける外力は、ロボット１が予測している外力である。そのため、ロボット１が受ける外力の大きさの変化速度は、小さなものとなる。このような場合に、通常補正処理を行うことで、安定して被介護者を抱きかかえることができるとともに、被介護者を抱きかかえた状態で安定して移動することができる。
【００９０】
一方、推定された外力の大きさの変化速度Ｖが変化速度閾値Ｖｔｈ以上の場合には、外力推定部８０により推定された外力の大きさＦが、予め記憶された外力閾値Ｆｔｈより大きいか否かを判定する（ステップＳ３）。外力の大きさＦが外力閾値Ｆｔｈより大きい場合には、一時停止処理を行った後に（ステップＳ４）、回避補正処理を行う（ステップＳ５）。その後に、ステップＳ１にリターンする。
【００９１】
一時停止処理は、各モータ９１ａ、９１ｂ、・・・を一時的に停止させる処理である。回避補正処理は、一時的に停止された後に、再び認識画像を参照して指令タスクを実行できるように、指令値を補正する。
【００９２】
ここで、ロボット１が予測していない外力を受けると、ロボット１が受ける外力の大きさの変化速度Ｖは変化速度閾値Ｖｔｈ以上となる。さらに詳細に分析すると、例えば、予測していない動作として、ロボット１が予測していないベッドに衝突した場合と、抱きかかえている被介護者が動いた場合を例にあげる。前者のベッドへの衝突の場合には、ロボット１が受ける外力の大きさＦは比較的大きくなり、後者の抱きかかえている人が動いた場合には、ロボット１が受ける外力の大きさＦは比較的小さくなる。つまり、ロボット１が予測していない外力のうち、ベッドなどへの衝突による外力を受けた場合には、ロボット１の動作を一時停止し、その後にベッドなどに衝突しないような動作を行う。
【００９３】
一方、推定された外力の大きさの変化速度Ｖが変化速度閾値Ｖｔｈ以上の場合であって、外力推定部８０により推定された外力の大きさＦが、予め記憶された外力閾値Ｆｔｈ以下の場合には、柔軟補正処理を行った後に（ステップＳ６）、ステップＳ１にリターンする。
【００９４】
柔軟補正処理を行う場合とは、例えば、ロボット１が抱きかかえている被介護者が動いた場合などや、ロボット１が予測していない人に衝突した場合などである。このような場合には、被介護者が実際の人に抱きかかえられている感覚を与えることや、衝突した人に実際の人と衝突した感覚を与えることが望まれる。つまり、柔軟補正処理は、ロボット１が予測していない外力を受けた場合に、実際の人が動作するような動作をさせる処理である。
【００９５】
具体的には、柔軟補正処理は、ロボット１が抱きかかえている被介護者から外力を受けた場合に、まず、その外力の方向に移動させる補正処理である。このとき、推定された外力の大きさＦに応じた移動量とし、且つ、推定された外力の大きさの変化速度Ｖに応じた移動量とする。つまり、推定された外力の大きさＦが大きい場合には、出力部（８３など）をその外力方向に移動させる移動量を大きくする。また、推定された外力の大きさの変化速度Ｖが大きい場合には、出力部（８３など）をその外力方向に移動させる移動量を大きくする。そして、その後に、柔軟補正処理は、元の位置へ復帰する動作とする。
【００９６】
以上説明したロボット１の関節装置により以下の効果を奏する。まず、出力部８３が外力を受けた場合にウォーム３２が軸方向に移動することを利用して、その軸方向移動量に基づいて出力部８３が受けた外力の大きさ、変化速度、方向を推定している。これにより、外力の大きさ、変化速度、方向を確実に推定できる。
【００９７】
そして、推定された外力に基づいてアクチュエータ３４、３５を制御することで、出力部８３をロボット１の腕部１４〜１７や胴体部１２などに適用した場合に、急激に停止するのではなく、適切な柔軟性を発揮できる。つまり、人がロボット１の出力部８３に触れた場合に、当該人が不快感を覚えることなく、当該人が実際の人と接触しているような状態を実現することができる。
【００９８】
また、変形部材４３、４４の伸縮変形により磁石４５、４６が軸方向に移動することを磁気センサ４７、４８により検出することで、構造が簡易的となる。さらに、変形部材４３、４４の伸縮変形を利用することで、小型化を図ることができる。さらに、変形部材４３、４４を軸部材３２、３３とハウジング３１とにより軸方向に予め圧縮された状態を初期状態として取り付けている。これにより、軸部材３２が初期状態から軸方向両側へ移動することを、磁気センサ４７、４８により確実に検出できる。さらに、変形部材４３、４４は、ハウジング３１に対して回転不能に設けられている。これにより、磁石４５、４６または磁気センサ４７、４８を全周に設ける必要がなくなる。
【００９９】
＜他の実施形態＞
上記実施形態においては、主として、肩関節部２３、２４について説明した。この構成を、他の関節部にも適用できる。ただし、１軸のみで足りる関節部においては、１組の駆動源モジュールを適用すればよい。
【０１００】
また、上記実施形態においては、介護用ロボットについて説明した。介護用ロボットの他に、特に、人や動物などと触れるロボットには有効に適用できる。ただし、介護用ロボットに対する上述した課題の要請が高いため、介護用ロボットに適用すると効果的である。
【０１０１】
また、上記実施形態において、軸部材３２、３３の軸方向移動量の検出を、磁石と磁気センサを用いた。これに限定されることなく、種々のセンサを用いることが可能である。例えば、変形部材４３、４４の軸方向の歪を検出可能な歪センサ（歪ゲージなど）を用いることもできる。そして、歪センサを用いる場合には、変形部材４３、４４がハウジング３１に対して回転不能に設けることにより、配線の容易化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】ロボット１の正面図である。
【図２】ロボット１の右側面図である。
【図３】ロボット１が、ロボット１の腕部により人を抱きかかえている状態を示す斜視図である。
【図４】ロボット１の肩関節部２４の内部構造であって、図２の正面から見た図である。
【図５】図４のＡ−Ａ断面図である。
【図６】図４のＢ方向矢視図である。
【図７】ロボット１の関節装置の全体機能構成を示すブロック図である。
【図８】外力推定部８０の詳細なブロック図である。
【図９】指令値補正部７２の処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１０３】
１：ロボット
１１：脚部、 １２：胴体部、 １３：頭部、 １３ａ、１３ｂ：視覚センサ
１４、１５：上腕部、 １６、１７：前腕部、 １８、１９：手部
１４ａ、１５ａ、１６ａ、１７ａ：感圧センサ
２１：腰部、 ２２：首関節部、 ２３、２４：肩関節部、 ２５、２６：肘関節部
３１：ハウジング、 ３２、３３：軸部材、 ３２ａ、３３ａ：ウォーム
３４、３５：アクチュエータ、 ３６、３７：ウォームホイール
３８：出力軸（出力部材）
４１、４２：スプリング、 ４３、４４：変形部材
４５、４６：磁石（軸方向移動部材）、 ４７、４８：磁気センサ（固定検出部）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、
前記ハウジングに回転可能且つ軸方向に移動可能に軸支され、ウォームを備える軸部材と、
前記軸部材を回転駆動するアクチュエータと、
前記ウォームに噛合し、前記ウォームが回転することにより回転するウォームホイールであって、当該ウォームホイールから前記軸部材に前記ウォームホイールの回転力が逆入力される場合に前記軸部材を前記軸方向に移動させるウォームホイールと、
前記ウォームホイールに連結され、前記軸部材から伝達された前記ウォームホイールの回転により回転する出力部材と、
前記軸部材の軸方向移動量を検出する検出部と、
前記検出部により検出される前記軸方向移動量に基づいて前記出力部材が受けた外力を推定する外力推定部と、
指令値および前記外力推定部により推定された前記外力に基づいて、前記出力部材を目標位置に位置させるように前記アクチュエータを制御する制御部と、
を備えることを特徴とするロボットの関節装置。
【請求項２】
前記外力推定部は、前記外力の大きさを推定し、
前記制御部は、指令値と前記外力推定部により推定された前記外力の大きさとに基づいて、前記出力部材を目標位置に位置させるように前記アクチュエータを制御する請求項１に記載のロボットの関節装置。
【請求項３】
前記外力推定部は、前記外力の大きさと前記外力の大きさの変化速度とを推定し、
前記制御部は、指令値と前記外力推定部により推定された前記外力の大きさおよび前記外力の大きさの変化速度とに基づいて、前記出力部材を目標位置に位置させるように前記アクチュエータを制御する請求項２に記載のロボットの関節装置。
【請求項４】
前記外力推定部は、前記外力の方向を推定し、
前記制御部は、指令値と前記外力推定部により推定された前記外力の方向とに基づいて、前記出力部材を目標位置に位置させるように前記アクチュエータを制御する請求項１〜３の何れか一項に記載のロボットの関節装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記外力推定部により推定された前記外力の大きさが所定閾値より大きい場合には、前記アクチュエータを停止させるように制御する請求項１〜４の何れか一項に記載のロボットの関節装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記外力推定部により推定された前記外力の大きさが前記所定閾値以下の場合には、前記出力部材を前記外力の力方向に移動させ、その後に前記目標位置に戻すように、前記アクチュエータを制御する請求項５に記載のロボットの関節装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記出力部材を前記外力の方向に移動させる際に、前記外力の大きさと前記外力の大きさの変化速度の少なくとも何れか一方に応じて、前記アクチュエータを制御する請求項６に記載のロボットの関節装置。
【請求項８】
前記外力推定部は、前記軸方向移動量と前記出力部材の質量および重心位置とに基づいて前記出力部材が受けた前記外力を推定する請求項１〜７の何れか一項に記載のロボットの関節装置。
【請求項９】
前記軸部材、前記アクチュエータ、前記ウォームホイールおよび前記検出部からなる駆動源モジュールは、２組有し、
２組の前記ウォームホイールの回転軸は、同軸上に位置し、
前記出力部材は、それぞれの前記モジュールを構成する前記ウォームホイールに連結され、前記ウォームホイールの回転軸回りに回転し、且つ、前記ウォームホイールの回転軸に直交する軸回りに回転し、
前記外力推定部は、それぞれの前記モジュールを構成する前記検出部により検出されたそれぞれの前記軸方向移動量に基づいて、前記出力部材が受けた外力のうち、前記ウォームホイールの回転軸回りの方向の外力と前記ウォームホイールの回転軸に直交する軸回りの方向の外力とのそれぞれを推定する請求項１〜８の何れか一項に記載のロボットの関節装置。
【請求項１０】
前記検出部は、
前記軸部材の軸方向移動に伴って軸方向に伸縮変形する変形部材と、
前記変形部材に取り付けられ、前記変形部材の軸方向の伸縮に伴って軸方向に移動する軸方向移動部材と、
前記ハウジングに設けられ、前記軸方向移動部材の軸方向移動を検出する固定検出部と、
を備える請求項１〜９の何れか一項に記載のロボットの関節装置。
【請求項１１】
前記検出部は、
前記軸部材の軸方向移動に伴って軸方向に伸縮変形する変形部材と、
前記変形部材の軸方向歪を検出する歪センサと、
を備える請求項１〜９の何れか一項に記載のロボットの関節装置。
【請求項１２】
前記変形部材は、前記軸部材と前記ハウジングとにより軸方向に予め圧縮された状態を初期状態として取り付けられている請求項１０または１１に記載のロボットの関節装置。
【請求項１３】
前記変形部材は、前記ハウジングに対して回転不能に設けられる請求項１０〜１２の何れか一項に記載のロボットの関節装置。
【請求項１４】
介護用ロボットの関節装置である請求項１〜１３の何れか一項に記載のロボットの関節装置。
【請求項１】
ハウジングと、
前記ハウジングに回転可能且つ軸方向に移動可能に軸支され、ウォームを備える軸部材と、
前記軸部材を回転駆動するアクチュエータと、
前記ウォームに噛合し、前記ウォームが回転することにより回転するウォームホイールであって、当該ウォームホイールから前記軸部材に前記ウォームホイールの回転力が逆入力される場合に前記軸部材を前記軸方向に移動させるウォームホイールと、
前記ウォームホイールに連結され、前記軸部材から伝達された前記ウォームホイールの回転により回転する出力部材と、
前記軸部材の軸方向移動量を検出する検出部と、
前記検出部により検出される前記軸方向移動量に基づいて前記出力部材が受けた外力を推定する外力推定部と、
指令値および前記外力推定部により推定された前記外力に基づいて、前記出力部材を目標位置に位置させるように前記アクチュエータを制御する制御部と、
を備えることを特徴とするロボットの関節装置。
【請求項２】
前記外力推定部は、前記外力の大きさを推定し、
前記制御部は、指令値と前記外力推定部により推定された前記外力の大きさとに基づいて、前記出力部材を目標位置に位置させるように前記アクチュエータを制御する請求項１に記載のロボットの関節装置。
【請求項３】
前記外力推定部は、前記外力の大きさと前記外力の大きさの変化速度とを推定し、
前記制御部は、指令値と前記外力推定部により推定された前記外力の大きさおよび前記外力の大きさの変化速度とに基づいて、前記出力部材を目標位置に位置させるように前記アクチュエータを制御する請求項２に記載のロボットの関節装置。
【請求項４】
前記外力推定部は、前記外力の方向を推定し、
前記制御部は、指令値と前記外力推定部により推定された前記外力の方向とに基づいて、前記出力部材を目標位置に位置させるように前記アクチュエータを制御する請求項１〜３の何れか一項に記載のロボットの関節装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記外力推定部により推定された前記外力の大きさが所定閾値より大きい場合には、前記アクチュエータを停止させるように制御する請求項１〜４の何れか一項に記載のロボットの関節装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記外力推定部により推定された前記外力の大きさが前記所定閾値以下の場合には、前記出力部材を前記外力の力方向に移動させ、その後に前記目標位置に戻すように、前記アクチュエータを制御する請求項５に記載のロボットの関節装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記出力部材を前記外力の方向に移動させる際に、前記外力の大きさと前記外力の大きさの変化速度の少なくとも何れか一方に応じて、前記アクチュエータを制御する請求項６に記載のロボットの関節装置。
【請求項８】
前記外力推定部は、前記軸方向移動量と前記出力部材の質量および重心位置とに基づいて前記出力部材が受けた前記外力を推定する請求項１〜７の何れか一項に記載のロボットの関節装置。
【請求項９】
前記軸部材、前記アクチュエータ、前記ウォームホイールおよび前記検出部からなる駆動源モジュールは、２組有し、
２組の前記ウォームホイールの回転軸は、同軸上に位置し、
前記出力部材は、それぞれの前記モジュールを構成する前記ウォームホイールに連結され、前記ウォームホイールの回転軸回りに回転し、且つ、前記ウォームホイールの回転軸に直交する軸回りに回転し、
前記外力推定部は、それぞれの前記モジュールを構成する前記検出部により検出されたそれぞれの前記軸方向移動量に基づいて、前記出力部材が受けた外力のうち、前記ウォームホイールの回転軸回りの方向の外力と前記ウォームホイールの回転軸に直交する軸回りの方向の外力とのそれぞれを推定する請求項１〜８の何れか一項に記載のロボットの関節装置。
【請求項１０】
前記検出部は、
前記軸部材の軸方向移動に伴って軸方向に伸縮変形する変形部材と、
前記変形部材に取り付けられ、前記変形部材の軸方向の伸縮に伴って軸方向に移動する軸方向移動部材と、
前記ハウジングに設けられ、前記軸方向移動部材の軸方向移動を検出する固定検出部と、
を備える請求項１〜９の何れか一項に記載のロボットの関節装置。
【請求項１１】
前記検出部は、
前記軸部材の軸方向移動に伴って軸方向に伸縮変形する変形部材と、
前記変形部材の軸方向歪を検出する歪センサと、
を備える請求項１〜９の何れか一項に記載のロボットの関節装置。
【請求項１２】
前記変形部材は、前記軸部材と前記ハウジングとにより軸方向に予め圧縮された状態を初期状態として取り付けられている請求項１０または１１に記載のロボットの関節装置。
【請求項１３】
前記変形部材は、前記ハウジングに対して回転不能に設けられる請求項１０〜１２の何れか一項に記載のロボットの関節装置。
【請求項１４】
介護用ロボットの関節装置である請求項１〜１３の何れか一項に記載のロボットの関節装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−５２０７９（Ｐ２０１０−５２０７９Ａ）
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２１８３４６（Ｐ２００８−２１８３４６）
【出願日】平成２０年８月２７日（２００８．８．２７）
【出願人】（０００２１９６０２）東海ゴム工業株式会社 (1,983)
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２７日（２００８．８．２７）
【出願人】（０００２１９６０２）東海ゴム工業株式会社 (1,983)
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
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