ロボット機構
【課題】
外部から手動で動かすことができる受動状態と、動力でロボットを動かす能動状態とに切り換えられるようにする。
【解決手段】
第１クラッチ６５によって、第１駆動系Ｄ１の駆動伝達経路を開放して、スライダ２４のスライド移動及び第１リンク材４２の回動運動が自由となる受動状態とすれば、人間の腕力等の外力よって、スライダ２４、第１リンク材４２及び第２リンク材４６を動かすことができる。第１クラッチ６５によって、第１駆動系Ｄ１の動力がスライダ２４及び第１リンク材４２に伝達される能動状態とすれば、第１モータ７２によって、スライダ２４、第１リンク材４２及び第２リンク材４６を動かし、作業を進めることができる。
外部から手動で動かすことができる受動状態と、動力でロボットを動かす能動状態とに切り換えられるようにする。
【解決手段】
第１クラッチ６５によって、第１駆動系Ｄ１の駆動伝達経路を開放して、スライダ２４のスライド移動及び第１リンク材４２の回動運動が自由となる受動状態とすれば、人間の腕力等の外力よって、スライダ２４、第１リンク材４２及び第２リンク材４６を動かすことができる。第１クラッチ６５によって、第１駆動系Ｄ１の動力がスライダ２４及び第１リンク材４２に伝達される能動状態とすれば、第１モータ７２によって、スライダ２４、第１リンク材４２及び第２リンク材４６を動かし、作業を進めることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、医療遠隔診断等に用いられるロボットのロボット機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療遠隔診断等に用いられるロボットとしては、いわゆる産業ロボットマニピュレータを利用するものがある。従来の産業ロボットマニピュレータでは、各ロボット関節に駆動モータが配置されているため、ロボット自体の形状及び重量が大きく、特に受診者に接触して作業するような場合には、受診者へ圧迫感や恐怖心を抱かせて実用的ではない。
【０００３】
この問題を解決するため、駆動モータを装置基部に配置し、各ロボット関節をワイヤで駆動させ、装置の軽量化を図ったものが開示されている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平７−９６４８５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ワイヤで駆動させて、ロボットの形状及び重量を小さくしたとしても、ロボットで作業する場合、その操作主体である医者と、作業客体である受診者は別人であるため、受診者はロボットの動作を予測できず、特にロボットが大きく動作をする場合は、受診者に圧迫感や恐怖心を与えてしまう。従って、受診者自らが、一定の範囲でロボットを動かせることが望ましい。
【０００５】
本発明は、上記事実を考慮し、外部から手動で動かすことができる受動状態と、動力でロボットを動かす能動状態とに切り換えられるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の請求項１に係るロボット機構は、作業エリアに設置される架台と、前記架台に沿って直動する直動体と、前記直動体に回動可能に設けられたアームと、を備えたロボット機構において、前記直動体を直動させる第１駆動系と、前記第１駆動系から動力を伝達され、前記アームを回動させる第１関節駆動系と、前記第１駆動系の駆動伝達経路を開放して、前記直動体の直動及び前記アームの回動運動を自由とする受動能動切換手段と、を有することを特徴とする。
【０００７】
上記構成によれば、第１駆動系を、受動能動切換手段によって、第１駆動系の駆動伝達経路を開放して直動体の直動運動及びアームの回動運動が自由となる受動状態とすれば、人間の腕力等の外力よって、直動体を直動させ、アームを回動させることができる。
【０００８】
従って、ロボットの作業客体が人間である場合に、その人間が、直動体及びアームを手で持って、直動体及びアームを動かすことができる。
【０００９】
このため、精度を要しない大きな動作を伴う粗位置決めの段階では、作業客体である人間が、自ら、自分の体の傍に又は自分の体に接触する位置に、アームを持ってくることができ、直動体及びアームが、作業客体である人間の予測外の動作をすることがなく、作業客体である人間に恐怖心を与えることがない。
【００１０】
そして、アームの粗位置決めをした後は、第１駆動系を、受動能動切換手段によって、第１駆動系の動力が直動体及び第１関節駆動系へ伝達される能動状態とすれば、第１駆動系によって直動体を架台に沿って直動させ、直動体に設けられたアームを、第１関節駆動系によって回動させ、作業を進めることができる。
【００１１】
本発明の請求項２に係るロボット機構は、請求項１の構成において、前記直動体に重力と反対方向の力を作用させ静止均衡させる重力均衡装置と、前記アームに重力による回転モーメントと反対方向のモーメントを作用させ静止均衡させるモーメント均衡装置と、を有することを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、重力均衡装置よって、直動体に重力と反対方向の力を作用させ静止均衡させることができる。また、モーメント均衡装置よって、アームに重力による回転モーメントと反対方向のモーメントを作用させ静止均衡させることができる。
【００１３】
従って、ロボットの作業客体である人間が直動体及びアームを動かす際に、その直動体及びアームの重量を軽減でき、軽い力でも直動体及びアームを動かすことができる。
【００１４】
また、ロボットの作業客体である人間が、直動体及びアームを手で持って、直動体及びアームを動かし、自ら自分の体の傍に、アームを持ってきた後、その外力が除かれても、直動体及びアームは、その位置で静止均衡する。
【００１５】
このため、ロボットの作業客体である人間が、受動状態における直動体及びアームの操作を容易にできる。
【００１６】
また、第１駆動系を能動状態とした場合も、直動体及びアームの重量を軽減できるため、直動体及びアームを動かす動力を抑えることができる。さらに、重力均衡装置及びモーメント均衡装置の静止均衡作用によって、直動体及びアームの駆動制御が容易となる。
【００１７】
請求項２に記載のモーメント均衡装置の具体的な構成としては、本発明の請求項３に記載のように、バネの引張力によってアームに重力による回転モーメントと反対方向のモーメントを作用させるバネ式定荷重装置であって、前記バネは、前記アームの回転角度に依存して巻き取り半径が変わるプーリを介して、前記アームに接続される構成とすることができる。
【００１８】
本発明の請求項４に係るロボット機構は、請求項１〜３の何れか１項の構成において、前記アームの端部に回動可能に設けられた回動体と、前記回動体を回動させる第２関節駆動系と、を有することを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、アームの端部に設けられた回動体は、第１駆動系と別に設けられた第２関節駆動系によって回動することができる。このため、ロボットの作業範囲及び作業自由度を拡大することができる。
【００２０】
なお、この回動体の先に、さらに、別駆動系によって駆動されるリンクを増設してもよい。このように構成すれば、さらに、ロボットの運動の自由度が拡大できる。
【００２１】
本発明の請求項５に係るロボット機構は、請求項１〜４の何れか１項の構成において、前記第１関節駆動系と前記アームとの間に設けられ、前記第１駆動系からワイヤを介して伝達される動力を減速して前記アームに伝達する減速機を有することを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、第１駆動系からの動力は、ワイヤを介して、第１関節駆動系とアームとの間に設けられた減速機に伝達される。減速機は、伝達された動力を減速してアームに伝達する。すなわち、第１関節駆動系からの動力を減速機内で低速、高トルクの回動エネルギーに変換して取り出されて、アームに伝達され、アームが回動する。
【００２３】
また、本発明の請求項６に係るロボット機構は、請求項１〜５の何れか１項の構成において、前記第２駆動系と前記回動体との間に設けられ、前記第２駆動系からワイヤを介して伝達される動力を減速して前記回動体に伝達する減速機を有することを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、第２駆動系からの動力は、ワイヤを介して、第２関節駆動系と回動体との間に設けられた減速機に伝達される。減速機は、伝達された動力を減速して回動体に伝達する。すなわち、第１関節駆動系からの動力を減速機内で低速、高トルクの回動エネルギーに変換して取り出されて、回動体に伝達され、回動体が回動する。
【００２５】
請求項５、６のように、駆動系と、回動するアーム又は回動体との間に減速機を設けることにより、減速機が駆動源（例えば、モータ）に直接、接続されている場合に比べ、動力を伝達するワイヤの張力が小さくなるため、ワイヤの伸び及び摩擦が低減され、駆動系から伝達される回動力の回動方向を転換させたときに起きるバックラッシを抑えることができ、ロボットの滑らかな動きを実現できる。
【００２６】
また、コイル状の蛇管にインナーワイヤを通して動力を伝達する蛇管式ワイヤを介して、動力の伝達が行われる場合は、蛇管とインナーワイヤとの間の摩擦が軽減し、蛇管とインナーワイヤとの間の摩擦に起因するヒステリシス特性が低減され、滑らかな制御が可能となる。
【００２７】
本発明の請求項７に係るロボット機構は、請求項１〜６の何れか１項の構成において、前記架台に前記直動体の直動方向へ延設されたリニアガイドと、前記リニアガイドに沿って設けられたラックと、前記直動体に設けられ、前記リニアガイドにガイドされるガイドブロックと、前記直動体に設けられ、前記直動体の直動に伴なって前記ラックと噛合い回転するピニオンと、前記ピニオンの回転をロック可能な第１ブレーキと、を有することを特徴とする。
【００２８】
この構成によれば、第１駆動系によって直動体が直動する際に、直動体に設けられガイドブロックが、直動体の直動方向へ延設されたリニアガイドにガイドされる。また、直動体の直動に伴なって、リニアガイドに沿って設けられたラックに、直動体に設けられたピニオンが噛み合って回転する。
【００２９】
そして、第１ブレーキによって、ピニオンの回転をロックすれば、直動体の直動を阻止することができる。
【００３０】
従って、直動体の直動を阻止した状態で、アーム及び回動体の回動が可能となるため、ロボットの目的作業を狭い領域で実施することができる。
【００３１】
本発明の請求項８に係るロボット機構は、請求項１〜７の何れか１項の構成において、前記第１駆動系は、前記架台の一端部に設けられた回動自在の第１アイドルプーリと、前記架台の他端部に設けられ第１モータで回転する第１駆動プーリと、前記第１駆動プーリと第１モータとの間に設けられた第１クラッチと、を備え、前記第１関節駆動系は、前記直動体に設けられた第１直動体プーリと、前記アームに設けられた第１関節プーリを備え、前記第１関節プーリから第１直動体プーリ、第１アイドルプーリ、第１駆動プーリ、該第１直動体プーリ、該第１関節プーリへと第１ワイヤがループ状に巻き掛けられていることを特徴とする。
【００３２】
この構成によれば、重量の重い第１モータを架台の端部に設け、ワイヤを介して第１駆動系及び第１関節駆動系に動力が伝達している。また、単一のモータで、第１関節駆動系及び第１駆動系に動力が伝達し、直動体を直動させ、アームを回動できる。このため、ロボットの軽量化、小型化を図ることができ、作業客体である人間に恐怖心を軽減できる。また、第１クラッチを受動能動切換手段として使用することができる。
【００３３】
本発明の請求項９に係るロボット機構は、請求項８の構成において、前記第１直動体プーリの回転をロック可能な第２ブレーキを設けたことを特徴とする。
【００３４】
この構成によれば、第２ブレーキによって、第１直動体プーリの回転をロックし、アームの回動運動を阻止することができるため、アームの回動運動を阻止した状態で、直動体の直動及び回動体の回動が可能となる。
【００３５】
また、第１ブレーキと共に第２ブレーキよって、直動体の直動運動及びアームの回動運動を阻止すれば、直動体の直動運動及びアームの回動運動を阻止した状態で、回動体の回動が可能となる。従って、ロボットの目的作業を狭い領域で実施することができる。
【００３６】
また、第２関節駆動系は、本発明の請求項１０に記載のように、前記架台の一端部に設けられた回動自在の第２アイドルプーリと、前記架台の他端部に設けられ第２モータで回転する第２駆動プーリと、前記第２駆動プーリと第２モータとの間に設けられた第２クラッチと、前記直動体に設けられた第２直動体プーリと、前記アームの一端に設けられた第２関節プーリと、前記第２関節プーリの同軸上に設けられた第３関節プーリと、前記アームと前記回動体とを連結する連結体に設けられた第４関節プーリと、前記回動体に設けられた第５関節プーリと、を備え、前記第２関節プーリから第２直動体プーリ、第２アイドルプーリ、第２駆動プーリ、該第２直動体プーリ、該第２関節プーリへと第２ワイヤがループ状に巻き掛けられ、第３関節プーリから第４関節プーリへと第３ワイヤがループ状に巻き掛けられ、第４関節プーリから第５関節プーリへと第４ワイヤがループ状に巻き掛けられているようにすることもできる。
【００３７】
本発明の請求項１１に係るロボット機構は、請求項１０の構成において、前記アームは、一端が直動体に軸支され第１関節プーリが取り付けられた第１シャフトへ連結され、他端が連結体を支持する第１支持シャフトに連結された第１リンク材と、一端が直動体に軸支され第２関節プーリが取り付けられた第２シャフトへ連結され、他端が連結体を支持する第２支持シャフトに連結されると共に第１リンク材と平行な第２リンク材とで構成されることを特徴とする。
【００３８】
この構成によれば、アームは、第１リンク材とこの第１リンク材と平行な第２リンク材とで、構成されている。すなわち、アームは、いわゆる平行リンクを構成している。この平行リンク機構においては、リンクの出力側に作用する外力に抗して平行リンクを静止させるのに必要なリンク駆動トルクは外力の作用点に依存せず、リンクの回転角度のみに依存する。このため平行リンクの出力側に取り付けられるロボット機構部の姿勢変化による重心移動（外力作用点の移動）に影響されない平行リンクの平衡（静止）装置が容易に設計でき、平行リンクの非駆動状態におけるロボットの任意姿勢での静止平衡の機能が実現できる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明は、上記構成としたので、外部から手動で動かすことができる受動状態と、動力でロボットを動かす能動状態とに切り換えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
本発明のロボット機構に係る一の実施の形態を図１〜図１０に基づき説明する。
【００４１】
まず、ロボット機構の全体の構成について図１〜図３に基づき説明する。
【００４２】
図１には、ロボット機構の正面図が示され、図２には、ロボット機構の右側面図が示されている。図３には、ロボット機構において動作する各部（スライダ、アーム、連結体、回動体）が簡略に示されている。
【００４３】
図１、図２に示すように、ロボット機構１０は、遠隔医療診断等が行われる作業エリアに設置される架台１２を備えている。架台１２は、対面して配置された一対のフレーム１４を備えている。フレーム１４の上下端部は、横板１３で連結され、架台１２は、ボックス状を形成している。
【００４４】
この架台１２内には、上下方向に延びるリニアガイド１６が設けられている。このリニアガイド１６の上下方向両端部は、フレーム１４に掛け渡されたガイド固定部材１８に、ボルト２０で固定されている。このリニアガイド１６にガイドされ、架台１２の長手方向（Ａ方向）に沿って、スライド移動（直動）するスライダ（直動体）２４が、架台１２に設けられている。
【００４５】
図３に示すように、スライダ２４は、その中央部に固定されたガイドブロック２６がリニアガイド１６にガイドされ、後述する第１駆動系Ｄ１の動力によって、スライド移動する。
【００４６】
このリニアガイド１６には、リニアガイド１６に沿って上下方向に延びるラック１７が設けられている。このラック１７と噛み合って回転するピニオン２２が、ピニオン軸２３に固定され、ピニオン軸２３はスライダ２４の基端部（左端部）２４Ａに回転可能に軸支されている。すなわち、スライダ２４が上下にスライド移動すると、それに伴って、ピニオン２２がラック１７と噛み合いながら回転するようになっている。このピニオン２２の回転をロックする第１ブレーキＢ１がスライダ２４に取り付けられている。第１ブレーキＢ１は、ピニオン軸２３の回転を阻止することによって、ピニオン２２の回転をロックするようになっている。ピニオン２２の回転がロックされると、スライダ２４の位置は固定され、上下方向のスライド移動が阻止されることになる。
【００４７】
なお、このピニオン軸２３の下側には、回動シャフト２５が回動可能に軸支されている。また、ガイドブロック２６には、後述する第１バネ式定荷重装置（重力均衡装置）Ｇ１から巻き出された巻きバネ３０が取り付けられている。
【００４８】
図３に示すように、スライダ２４は、対向する前面板３２と後面板３４とで構成されている。スライダ２４の基端部（左端部）２４Ａが架台１２の中央部に位置し（図１参照）、スライダ２４の先端部（右端部）２４Ｂは、上方へ屈曲する屈曲部２４Ｃを介して、架台１２の右方向へ延びている。
【００４９】
また、後面板３４には、後述する第１波動歯車装置（減速機）Ｈ１が取り付けられており、第１波動歯車装置Ｈ１を介して、前面板３２と後面板３４とに第１シャフト４０が回動可能に軸支されている。この第１シャフト４０には、第１リンク材（アーム）４２の後端部が固定されている。この第１リンク材４２は、後述する第１関節駆動系Ｄ２によってＢ方向に回動する。また、前面板３２には、後述する第２バネ式定荷重装置Ｇ２が設けられ、この第２バネ式定荷重装置Ｇ２から巻き出された巻きバネ３５は、連結ワイヤ３７を介して、第１シャフト４０に取り付けられている巻付プーリ３９の巻掛け部３９Ａに取り付けられている。
【００５０】
また、スライダ２４の先端部２４Ｂには、前面板３２及び後面板３４に回動可能に第２シャフト４４が軸支されている。この第２シャフト４４には、第２シャフト４４に対して回動可能に、第１リンク材４２に対して平行に第２リンク材（アーム）４６の後端部が取り付けられ、第１リンク材４２及び第２リンク材４６で平行リンク機構を構成する。
【００５１】
第１リンク材４２及び第２リンク材４６の先端部は、連結体４８としての前面フレーム５２と後面フレーム５４とを支持する第１支持シャフト５６及び第２支持シャフト５８が、取り付けられている。
【００５２】
連結体４８には、架台１２の長手方向に直交する方向（前後方向）を回動軸にして回動可能に回動体５０が取り付けられている。回動体５０は、右側面から見ると、凹の字形状をしており（図２参照）、回動体５０の一端部は前面フレーム５２の外側面に、回動体５０の他端部は後面フレーム５４の外側面に位置しており、それぞれ、後述する第２波動歯車装置（減速機）Ｈ２（図３では、前面側のみ図示）に取り付けられている。なお、回動体５０は、後述する第２関節駆動系Ｄ３によってＣ方向に回動する。
【００５３】
次に、スライダ２４をスライド移動させる第１駆動系、アームを回動させる第１関節駆動系及び回動体５０を回動させる第２関節駆動系について説明する。
【００５４】
図４には、各駆動系の全体概略が示されている。
【００５５】
図４に示すように、第１駆動系Ｄ１は、第１駆動プーリ６２及び第１アイドルプーリ６４の２つのプーリで構成されている。第１駆動系Ｄ１から動力を伝達される第１関節駆動系Ｄ２は、第１直動体プーリ６６及び第１関節プーリ６８の２つのプーリで構成されている。この４つのプーリには、第１ワイヤ７０がループ状に巻き掛けられ、単一の第１モータ７２から第１駆動プーリ６２に動力が付与されて、第１駆動系Ｄ１及び第１関節駆動系Ｄ２は駆動する。
【００５６】
なお、第１直動体プーリ６６は、前面板３２に取り付けられた第２ブレーキＢ２で制動される回動シャフト２５に固定されており、第１関節プーリ６８は、第１シャフト４０に設けられた第１波動歯車装置（減速機）Ｈ１に取り付けられている。また、第１モータ７２の駆動軸には、第１クラッチ６５が設けられている。
【００５７】
第２関節駆動系Ｄ３は、第２駆動プーリ８２、第２アイドルプーリ８４、第２直動体プーリ８６、第２関節プーリ８８、第３関節プーリ９４、第４関節プーリ９６及び第５関節プーリ９８の７つのプーリで構成されている。
【００５８】
第２直動体プーリ８６、第２アイドルプーリ８４、第２駆動プーリ８２、第２関節プーリ８８の４つのプーリには、第１駆動系Ｄ１及び第１関節駆動系Ｄ２の場合と同様に、第２ワイヤ９０がループ状に巻き掛けられ、第２関節プーリ８８と同軸上ある第３関節プーリ９４から第４関節プーリ９６に第３ワイヤ９１がループ状に巻き掛けられ、第４関節プーリ９６から第５関節プーリ９８に丸ベルト（第４ワイヤ）９３がループ状に巻き掛けられている。上記構成により、単一の第２モータ９２から第２駆動プーリ８２に動力が付与されて、第２関節駆動系Ｄ３は駆動する。
【００５９】
なお、第２直動体プーリ８６は、ピニオン軸２３に対して回動可能に取り付けられ、第２関節プーリ８８及び第３関節プーリ９４は、第２リンク材４６の後端部が回動可能に取り付けられた第２シャフト４４に固定されている。また、第４関節プーリ９６は、第２リンク材４６の先端部が取り付けられた第２支持シャフト５８に対して回動可能に取り付けられている。また、第２モータ９２の駆動軸には、第２クラッチ８５が設けられている。
【００６０】
図５（図１における５−５線断面図）には、架台１２の下部が示されている。
【００６１】
図５に示すように、第１駆動系Ｄ１に動力を付与する第１モータ７２は、架台１２の横板１３から立設する取付板７３に取り付けられている。第１モータ７２の駆動軸は、第１クラッチ（受動能動切換手段）６５を介して、第１駆動プーリ６２が固定された駆動プーリ軸６３に接続されている。駆動プーリ軸６３は、フレーム１４とフレーム１４の内側にある内側フレーム１５Ａとに回動可能に軸支されている。
【００６２】
第１クラッチ６５により、第１モータ７２の駆動軸と駆動プーリ軸６３との接続を断絶し、スライダ２４のスライド移動及び第１リンク材４２の回動を自由とする状態（受動状態）と、第１モータ７２の駆動軸と駆動プーリ軸６３とを接続し、第１モータ７２の動力を第１駆動プーリ６２に伝達する状態（能動状態）との切り換えが可能となる。
【００６３】
第１駆動プーリ６２に巻き掛けられた第１ワイヤ７０の一端（左側）は、第１アイドルプーリ６４のある架台１２の上端部へ延び、第１ワイヤ７０の他端（右側）は、第１直動体プーリ６６のあるスライダ２４へ延びている。
【００６４】
一方、第２関節駆動系Ｄ３の第２モータ９２は、架台１２の横板１３から立設する取付板９３に取り付けられている。第２モータ９２の駆動軸は、第２クラッチ８５を介して、第２駆動プーリ８２が固定された駆動プーリ軸８３に接続されている。駆動プーリ軸８３は、フレーム１４とフレーム１４の内側にある内側フレーム１５Ｂとに回動可能に軸支されている。
【００６５】
第２クラッチ８５により、第２モータ９２の駆動軸と駆動プーリ軸８３との接続を断絶し、第２モータ９２の動力を第２駆動プーリ８２に伝達しない状態と、第２モータ９２の駆動軸と駆動プーリ軸８３とを接続し、第２モータ９２の動力を第２駆動プーリ８２に伝達する状態との切り換えが可能となる。
【００６６】
第２駆動プーリ８２に巻き掛けられた第２ワイヤ９０の一端（左側）は、第２アイドルプーリ８４のある架台１２の上端部へ延び、第２ワイヤ９０の他端（右側）は、第２直動体プーリ８６のあるスライダ２４へ延びている。
【００６７】
図６（図１における６−６線断面図）には、架台１２の上部が示されている。
【００６８】
図６に示すように、架台１２の上端部のフレーム１４には、前後方向に固定軸６９がボルト６７で固定されている。この固定軸６９の奥側には、第１駆動系Ｄ１の第１アイドルプーリ６４が、固定軸６９対して回動可能に取り付けられている。第１駆動プーリ６２から上ってきた第１ワイヤの７０一端が、この第１アイドルプーリ６４の一端側（左側）から巻き掛けられ、巻き掛けられた第１ワイヤ７０は、他端側（右側）から第１直動体プーリ６６のあるスライダ２４へ延びている。
【００６９】
一方、第２関節駆動系Ｄ３の第２アイドルプーリ８４は、この固定軸６９の手前側に、固定軸６９対して回動可能に取り付けられている。第２駆動プーリ８２から上ってきた第２ワイヤ９０の一端が、この第２アイドルプーリ８４の一端側（左側）から巻き掛けられ、巻き掛けられた第２ワイヤ９０は、他端側（右側）から第２直動体プーリ８６のあるスライダ２４へ延びている。
【００７０】
図７（図１における７−７線断面図）には、スライダの上面図が示され、図８（図１における８−８線断面図）には、スライダの左側面図が示されている。
【００７１】
図７、８に示すように、第１関節駆動系Ｄ２の第１直動体プーリ６６は、後面板３４の後方で、回動シャフト２５に固定されている。回動シャフト２５は、スライダ２４の基端部（左端部）の下部側で（図８参照）、前面板３２及び後面板３４に軸支され、第１直動体プーリ６６は、回動可能とされている。この第１直動体プーリ６６の回動をロックする第２ブレーキＢ２が前面板３２に取り付けられている。第２ブレーキＢ２は、回動シャフト２５の回動を阻止することによって、第１直動体プーリ６６の回動をロックするようになっている。
【００７２】
また、第１直動体プーリ６６には、ワイヤを巻き掛ける手前側巻掛け部６６Ａ及び奥側巻掛け部６６Ｂが設けられている。第１アイドルプーリ６４から下ってきた第１ワイヤ７０は、手前側巻掛け部６６Ａに巻き掛けられると共に、第１関節プーリ６８にのある右方向へ延びている。第１駆動プーリ６２から上ってきた第１ワイヤ７０は、奥側巻掛け部６６Ｂに巻き掛けられると共に、第１関節プーリ６８にのある右方向へ延びている。
【００７３】
また、スライダ２４の屈曲部２４Ｃには（図３参照）、第１関節プーリ６８が、第１波動歯車装置Ｈ１を介して前後方向を回動軸にして回動可能に後面板３４に取り付けられている。この第１関節プーリ６８に、手前側巻掛け部６６Ａ及び奥側巻掛け部６６Ｂから延びる第１ワイヤ７０が巻き掛けられ、第１ワイヤ７０は一続きのループ状となっている。
【００７４】
すなわち、第１モータ７２によって第１駆動プーリ６２を回動させると、ループ状の第１ワイヤ７０が動作し、第１アイドルプーリ６４、第１直動体プーリ６６及び第１関節プーリ６８が回動する。第１関節プーリ６８が回動すると、第１波動歯車装置Ｈ１を介して第１シャフト４０と一体に第１リンク材４２が回動する。
【００７５】
第１関節プーリ６８の回動力は、第１波動歯車装置（例えば、ハーモニックドライブ「ハ−モニツク・ドライブ・システムズ社の登録商標」）Ｈ１を構成するウェーブジェネレータｈ１から入力され、この回動力を減速して（低速、高トルクの回動エネルギーに変換して）、第１波動歯車装置Ｈ１を構成するフレクスプラインｈ２から出力され、第１リンク材４２に回動力が伝達される。
【００７６】
また、第２ブレーキＢ２によって、第１直動体プーリ６６の回動をロックすれば、第１リンク材４２の回動も阻止されることになる。
【００７７】
一方、第２関節駆動系Ｄ３の第２直動体プーリ８６は、前面板３２の前方で、ピニオン２２が固定されたピニオン軸２３に対して回動可能に取り付けられている。
【００７８】
ピニオン軸２３は、スライダ２４の基端部（左端部）の上部側で（図８参照）、前面板３２及び後面板３４に軸支され、第２直動体プーリ８６は、前後方向を回動軸にして回動可能とされている。なお、このピニオン軸２３の回転は、後面板３４に取り付けられた第１ブレーキＢ１によってロックできるが、ピニオン軸２３の回転がロックされても、第２直動体プーリ８６は、ピニオン軸２３に対して回動可能とされているので、第２直動体プーリ８６の回動はロックされることはない。
【００７９】
第２直動体プーリ８６には、ワイヤを巻き掛ける手前側巻掛け部８６Ａ及び奥側巻掛け部８６Ｂが設けられている。第２アイドルプーリ８４から降りてきた第２ワイヤ９０は、手前側巻掛け部８６Ａに巻き掛けられると共に、第２関節プーリ８８のある右方向へ延びている。第２駆動プーリ８２から上ってきた第２ワイヤ９０は、奥側巻掛け部８６Ｂに巻き掛けられると共に、第２関節プーリ８８のある右方向へ延びている。
【００８０】
また、スライダ２４の先端部２４Ｂで、前後方向を回動軸にして回動可能に軸支された第２シャフト４４には、前面板３２の前方で第２関節プーリ８８が固定されている。この第２関節プーリ８８に、第２直動体プーリ８６から延びる第２ワイヤ９０が巻き掛けられ、第２ワイヤ９０は、一続きのループ状となっている。
【００８１】
第２シャフト４４には、前面板３２及び後面板３４の間で、第３関節プーリ９４が固定されている。この第３関節プーリ９４には、第３ワイヤ９１が巻きつけられ、この第３ワイヤ９１は、連結体４８に設けられた第４関節プーリ９６のある右下方へ延びている。
【００８２】
なお、第２リンク材４６は第２シャフト４４に対して、回動可能に取り付けられているので、第２シャフト４４が回動しても、その回動力は第２リンク材４６に伝達しない。
【００８３】
図９（図１における９−９線断面図）には、連結体４８及び回動体５０が示されている。
【００８４】
第２関節駆動系Ｄ３の第４関節プーリ９６は、第２リンク材４６が取り付けられた第２支持シャフト５８に対して、回動可能に取り付けられている。
【００８５】
第４関節プーリ９６には、ワイヤを巻き掛ける手前側巻掛け部９６Ａ及び奥側巻掛け部９６Ｂが設けられている。第３関節プーリ９４から降りてきた第３ワイヤ９１は、奥側巻掛け部９６Ｂに巻き掛けられ、ループ状となっている。
【００８６】
さらに、手前側巻掛け部９６Ａ及びその下方にある第５関節プーリ９８には、丸ベルト９５が巻き掛けられ、ループ状となっている。
【００８７】
第５関節プーリ９８は、連結体４８の前面フレーム５２及び後面フレーム５４にそれぞれ取り付けられた第２波動歯車装置Ｈ２に支持されている。
【００８８】
すなわち、第２モータ９２によって第２駆動プーリ８２を回動させると、ループ状の第２ワイヤ９０が動作し、第２アイドルプーリ８４、第２直動体プーリ８６及び第２関節プーリ８８が回動する。第２関節プーリ８８が回動すると、同軸上に固定された第３関節プーリ９４回動が回動し、ループ状の第３ワイヤ９１が動作し、第４関節プーリ９６が回動する。第４関節プーリ９６が回動すると、ループ状の丸ベルト９５が動作し、第５関節プーリ９８が回動し、第２波動歯車装置Ｈ２を介して回動体５０が回動する。
【００８９】
第５関節プーリ９８の回動力は、第１波動歯車装置Ｈ１の場合と同様に、ウェーブジェネレータｈ１から入力され、この回動力を減速して（低速、高トルクの回動エネルギーに変換して）フレクスプラインｈ２から出力され、回動体５０に回動力が伝達される。
【００９０】
次に、スライダ２４に重力と反対方向の力を作用させ静止均衡させる第１バネ式定荷重装置（重力均衡装置）Ｇ１及び、アームに重力による回転モーメントと反対方向のモーメントを作用させ静止均衡させるモーメント均衡装置について説明する。
【００９１】
図１、図２、図３、図６に示すように、スライド移動するスライダ２４に重力と反対方向の力を作用させ静止均衡させる第１バネ式定荷重装置Ｇ１が、架台１２の上端部に設けられている。第１バネ式定荷重装置Ｇ１は、フレーム１４に回動可能に軸支された取付軸２８に取り付けられている。この第１バネ式定荷重装置Ｇ１から巻き出された巻きバネ３０が、スライダ２４のガイドブロック２６に固定されている。この巻きバネ３０は、その巻き出し量に関係なく、スライダ２４に対して一定の上方への引張力を発生させる。この引張力は、スライダ２４の重力と等しくされ、スライダ２４を静止均衡させるようになっている。
【００９２】
一方、図７に示すように、アームの自重による回転モーメントと反対方向のモーメントをアームに作用させ静止均衡させるモーメント均衡装置は、第１リンク材４２の回動中心である第１シャフト４０に同軸上に取り付けられ、第１リンク材４２と一体に回動する巻付プーリ３９を備えている。この巻付プーリ３９の回動中心から半径方向へ延出し、第１リンク材４２が回動して、第１リンク材４２と第２リンク材４６との重心が巻付プーリ３９の回動中心から離れるに従い、先端に一端が連結される連結ワイヤ３７をプーリの回動中心から遠ざける巻掛け部３９Ａが設けられている。
【００９３】
前面板３２の前方側に固定されている第２バネ式定荷重装置Ｇ２から巻き出された巻きバネ３５は、連結ワイヤ３７に接続され、この連結ワイヤ３７の先端部は、この巻掛け部３９Ａの曲線部分に巻き掛けられ、連結ワイヤ３７の先端は、巻掛け部３９Ａの外縁に固着されている。このため、第２バネ式定荷重装置Ｇ２から巻き出された巻きバネ３５の引張力が、巻付プーリ３９の巻掛け部３９Ａから第１シャフト４０を通じて、第１シャフト４０に固定された第１リンク材４２に反対方向のモーメントを作用させる。
【００９４】
図１０には、アーム（第１リンク材４２及び第２リンク材４６）に重力による回転モーメントと反対方向のモーメントを作用させて静止均衡させる原理が簡略に示されている。
【００９５】
アームの重力による回転モーメントに抗して平行リンクを静止させ得る理由は次のようである。図１０に示すように、第１リンク材４２と第２リンク材４６は平行リンクを構成し、第１関節プーリ６８によって駆動される。この機構では荷重Ｗが第１リンク材４２を回転させようとするトルクと釣合う反対方向の第１関節プーリ６８の必要モーメントは、τ＝Ｗ・Ｌsinφとなる（ここにＬは平行リンク（第１リンク材４２及び第２リンク材４６）の長さ、φはリンク角である）。この釣合わせモーメントτを第２バネ式定荷重装置Ｇ２から繰り出される連結ワイヤ３７の一定引張力Ｆを利用して得るために、巻付プーリ３９から巻き出される連結ワイヤ３７の巻き取り半径rをリンク角φに依存して、r(φ)＝（W・L／F）sinφ（Ｋはある定数）のごとく変化させる曲線に巻掛け部３９Ａを形成しているためである。
【００９６】
次に、上記の実施の形態について作用を説明する。
【００９７】
まず、精度を要しない大きな動作を伴う粗位置決めの段階では、第１クラッチ６５によって、第１モータ７２の駆動軸と駆動プーリ軸６３の接続を断絶し、スライダ２４のスライド移動及び第１リンク材４２の回動運動が自由となる受動状態とする。
【００９８】
受動状態とすれば、作業客体である人間が、スライダ２４、第１リンク材４２及び第２リンク材４６を動かし、自ら、自分の体の傍に又は自分の体に接触する位置に、連結体４８及び回動体５０を持ってくることができる。作業客体である人間自身がロボットを動作させることにより、作業客体である人間は圧迫感、恐怖心等を感じることが無くなる。
【００９９】
この際、スライダ２４は、第１バネ式定荷重装置Ｇ１によって、重力と反対方向の力が作用し、静止均衡する。また、第１リンク材４２も、第２バネ式定荷重装置Ｇ２によって、重力による回転モーメントと反対方向のモーメントが作用し、静止均衡する。このため、スライダ２４、第１リンク材４２及び第２リンク材４６を、軽い力で動かすことができる。
【０１００】
また、作業客体である人間が、自ら自分の体の傍に又は自分の体に接触する位置に、連結体４８及び回動体５０を持ってきた後、その外力が除かれても、連結体４８及び回動体５０は、その位置で静止均衡する。このため、作業客体である人間が、受動状態におけるスライダ２４、第１リンク材４２及び第２リンク材４６の操作を容易にできる。
【０１０１】
連結体４８及び回動体５０の粗位置決めをした後は、第１クラッチ６５によって、第１モータ７２の駆動軸と駆動プーリ軸６３とを接続し、スライダ２４及び第１リンク材４２に第１モータ７２の動力が伝達される能動状態とする。これにより、第１モータ７２によって、スライダ２４及び第１リンク材４２を動かすことが可能となる。
【０１０２】
スライダ２４及び第１リンク材４２を動かす際にも、第１バネ式定荷重装置Ｇ１及び第２バネ式定荷重装置Ｇ２によって、スライダ２４及び第１リンク材４２にかかる重量を軽減できるため、スライダ２４及び第１リンク材４２を動かす動力を抑えることができる。また、第１バネ式定荷重装置Ｇ１及び第２バネ式定荷重装置Ｇ２の静止均衡作用によって、スライダ２４及び第１リンク材４２の駆動制御が容易となる。
【０１０３】
次に、第１ブレーキＢ１によって、スライダ２４のスライド移動を阻止すると共に、第２ブレーキＢ２によって、第１リンク材４２の回動を阻止する、又はスライド移動及び回動のどちらか一方を阻止する。
【０１０４】
そして、スライダ２４のスライド移動、第１リンク材４２及び第２リンク材４６の回動のうち、少なくともどちらか一方を阻止した状態で、第２モータ９２の動力により回動体５０を回動する。これにより、ロボットの目的作業を狭い領域で実施することができる。
【０１０５】
スライダ２４、第１リンク材４２及び回動体５０は、架台１２の基部に取り付けられたモータから、複数のプーリと複数のワイヤを介して動力が付与されるので、ロボットの軽量化、小型化が図ることができる。
【０１０６】
また、第１リンク材４２及び回動体５０は、波動歯車装置から動力を伝達されるので、波動歯車装置がモータの駆動軸に設けられている場合に比べ、動力を伝達するワイヤの張力が小さくなるため、ワイヤの伸び及び摩擦が低減され、第１リンク材４２及び回動体５０の回動方向を転換させたときに起きるバックラッシが抑えることができ、ロボットの滑らかな動きを実現できる。
【０１０７】
さらに、コイル状の蛇管にインナーワイヤを通して動力を伝達する蛇管式ワイヤを介して、動力の伝達が行われる場合は、蛇管とインナーワイヤとの間の摩擦が軽減し、蛇管とインナーワイヤとの間の摩擦に起因するヒステリシス特性が低減され、滑らかな制御が可能となる。
【０１０８】
また、第１リンク材４２と第２リンク材４６とで、平行リンクを構成しているため、第１リンク材４２と第２リンク材４６との回動中心から平行リンク出力側に取り付けられる機構部全体の重心位置に関係なく、第２バネ式定荷重装置Ｇ２と巻掛け部３９Ａを有する巻付プーリ３９を用いた機構（図１０参照）によって、第１関節プーリ６８軸回りの重力による回転モーメントの補償が可能であり、これによって、第１関節プーリ６８の回転軸である第１シャフト４０の回転方向に依存しない滑らかなロボットの動作が可能となる。
【０１０９】
本発明は、上記の実施の形態に限るものではなく、種々の形態が可能である。
【０１１０】
本実施の形態では、架台１２は移動可能とされていないが、架台１２にさらに駆動モータを設け、架台１２自体を前後方向又は左右方向へ移動可能にしてもよい。このようにすれば、運動の自由度を拡大することができる。
【０１１１】
また、本実施の形態では、回動体５０の先端には、リンク材が取り付けられていないが、回動体５０の先端部に、さらに別駆動系によって駆動されるリンク材を増設してもよい。このようにすれば、さらに運動の自由度を拡大することができる。
【０１１２】
また、説明の便宜上、図１の方向から見たものを正面として、上下、前後、左右方向を特定して説明したが、上下、前後、左右の方向性は、これに限られず、例えば、左右、前後方向が逆であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】図１は、本発明の一の実施形態に係るロボット機構を示す正面図である。
【図２】図２は、本実施形態に係るロボット機構を示す右側面図である。
【図３】図３は、本実施形態に係るロボット機構において動作する各部を簡略に示す斜視図である。
【図４】図４は、本実施形態に係るロボット機構の各駆動系を示す図である。
【図５】図５は、図１における５−５線断面図である。
【図６】図６は、図１における６−６線断面図である。
【図７】図７は、図１における７−７線断面図である。
【図８】図８は、図１における８−８線断面図である。
【図９】図９は、図１における９−９線断面図である。
【図１０】図１０は、アームに重力による回転モーメントと反対方向のモーメントを作用させるバネ式定荷重装置の原理を簡略に示す図である。
【符号の説明】
【０１１４】
１０ ロボット機構
１２ 架台
１６ リニアガイド
１７ ラック
２２ ピニオン
２４ スライダ（直動体）
２６ ガイドブロック
４２ 第１リンク材（アーム）
４６ 第２リンク材（アーム）
４８ 連結体
５０ 回動体
６２ 第１駆動プーリ
６４ 第１アイドルプーリ
６５ 第１クラッチ
６６ 第１直動体プーリ
６８ 第１関節プーリ
７０ 第１ワイヤ
７２ 第１モータ
８２ 第２駆動プーリ
８４ 第２アイドルプーリ
８５ 第２クラッチ
８６ 第２直動体プーリ
８８ 第２関節プーリ
９０ 第２ワイヤ
９１ 第３ワイヤ
９２ 第２モータ
９４ 第３関節プーリ
９５ 丸ベルト（第４ワイヤ）
９６ 第４関節プーリ
９８ 第５関節プーリ
Ｂ１ 第１ブレーキ
Ｂ２ 第２ブレーキ
Ｄ１ 第１駆動系
Ｄ２ 第１関節駆動系
Ｄ３ 第２関節駆動系
Ｇ１ 第１バネ式定荷重装置（重力均衡装置）
Ｇ２ 第２バネ式定荷重装置（モーメント均衡装置）
Ｈ２ 波動歯車装置（減速機）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、医療遠隔診断等に用いられるロボットのロボット機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療遠隔診断等に用いられるロボットとしては、いわゆる産業ロボットマニピュレータを利用するものがある。従来の産業ロボットマニピュレータでは、各ロボット関節に駆動モータが配置されているため、ロボット自体の形状及び重量が大きく、特に受診者に接触して作業するような場合には、受診者へ圧迫感や恐怖心を抱かせて実用的ではない。
【０００３】
この問題を解決するため、駆動モータを装置基部に配置し、各ロボット関節をワイヤで駆動させ、装置の軽量化を図ったものが開示されている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平７−９６４８５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ワイヤで駆動させて、ロボットの形状及び重量を小さくしたとしても、ロボットで作業する場合、その操作主体である医者と、作業客体である受診者は別人であるため、受診者はロボットの動作を予測できず、特にロボットが大きく動作をする場合は、受診者に圧迫感や恐怖心を与えてしまう。従って、受診者自らが、一定の範囲でロボットを動かせることが望ましい。
【０００５】
本発明は、上記事実を考慮し、外部から手動で動かすことができる受動状態と、動力でロボットを動かす能動状態とに切り換えられるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の請求項１に係るロボット機構は、作業エリアに設置される架台と、前記架台に沿って直動する直動体と、前記直動体に回動可能に設けられたアームと、を備えたロボット機構において、前記直動体を直動させる第１駆動系と、前記第１駆動系から動力を伝達され、前記アームを回動させる第１関節駆動系と、前記第１駆動系の駆動伝達経路を開放して、前記直動体の直動及び前記アームの回動運動を自由とする受動能動切換手段と、を有することを特徴とする。
【０００７】
上記構成によれば、第１駆動系を、受動能動切換手段によって、第１駆動系の駆動伝達経路を開放して直動体の直動運動及びアームの回動運動が自由となる受動状態とすれば、人間の腕力等の外力よって、直動体を直動させ、アームを回動させることができる。
【０００８】
従って、ロボットの作業客体が人間である場合に、その人間が、直動体及びアームを手で持って、直動体及びアームを動かすことができる。
【０００９】
このため、精度を要しない大きな動作を伴う粗位置決めの段階では、作業客体である人間が、自ら、自分の体の傍に又は自分の体に接触する位置に、アームを持ってくることができ、直動体及びアームが、作業客体である人間の予測外の動作をすることがなく、作業客体である人間に恐怖心を与えることがない。
【００１０】
そして、アームの粗位置決めをした後は、第１駆動系を、受動能動切換手段によって、第１駆動系の動力が直動体及び第１関節駆動系へ伝達される能動状態とすれば、第１駆動系によって直動体を架台に沿って直動させ、直動体に設けられたアームを、第１関節駆動系によって回動させ、作業を進めることができる。
【００１１】
本発明の請求項２に係るロボット機構は、請求項１の構成において、前記直動体に重力と反対方向の力を作用させ静止均衡させる重力均衡装置と、前記アームに重力による回転モーメントと反対方向のモーメントを作用させ静止均衡させるモーメント均衡装置と、を有することを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、重力均衡装置よって、直動体に重力と反対方向の力を作用させ静止均衡させることができる。また、モーメント均衡装置よって、アームに重力による回転モーメントと反対方向のモーメントを作用させ静止均衡させることができる。
【００１３】
従って、ロボットの作業客体である人間が直動体及びアームを動かす際に、その直動体及びアームの重量を軽減でき、軽い力でも直動体及びアームを動かすことができる。
【００１４】
また、ロボットの作業客体である人間が、直動体及びアームを手で持って、直動体及びアームを動かし、自ら自分の体の傍に、アームを持ってきた後、その外力が除かれても、直動体及びアームは、その位置で静止均衡する。
【００１５】
このため、ロボットの作業客体である人間が、受動状態における直動体及びアームの操作を容易にできる。
【００１６】
また、第１駆動系を能動状態とした場合も、直動体及びアームの重量を軽減できるため、直動体及びアームを動かす動力を抑えることができる。さらに、重力均衡装置及びモーメント均衡装置の静止均衡作用によって、直動体及びアームの駆動制御が容易となる。
【００１７】
請求項２に記載のモーメント均衡装置の具体的な構成としては、本発明の請求項３に記載のように、バネの引張力によってアームに重力による回転モーメントと反対方向のモーメントを作用させるバネ式定荷重装置であって、前記バネは、前記アームの回転角度に依存して巻き取り半径が変わるプーリを介して、前記アームに接続される構成とすることができる。
【００１８】
本発明の請求項４に係るロボット機構は、請求項１〜３の何れか１項の構成において、前記アームの端部に回動可能に設けられた回動体と、前記回動体を回動させる第２関節駆動系と、を有することを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、アームの端部に設けられた回動体は、第１駆動系と別に設けられた第２関節駆動系によって回動することができる。このため、ロボットの作業範囲及び作業自由度を拡大することができる。
【００２０】
なお、この回動体の先に、さらに、別駆動系によって駆動されるリンクを増設してもよい。このように構成すれば、さらに、ロボットの運動の自由度が拡大できる。
【００２１】
本発明の請求項５に係るロボット機構は、請求項１〜４の何れか１項の構成において、前記第１関節駆動系と前記アームとの間に設けられ、前記第１駆動系からワイヤを介して伝達される動力を減速して前記アームに伝達する減速機を有することを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、第１駆動系からの動力は、ワイヤを介して、第１関節駆動系とアームとの間に設けられた減速機に伝達される。減速機は、伝達された動力を減速してアームに伝達する。すなわち、第１関節駆動系からの動力を減速機内で低速、高トルクの回動エネルギーに変換して取り出されて、アームに伝達され、アームが回動する。
【００２３】
また、本発明の請求項６に係るロボット機構は、請求項１〜５の何れか１項の構成において、前記第２駆動系と前記回動体との間に設けられ、前記第２駆動系からワイヤを介して伝達される動力を減速して前記回動体に伝達する減速機を有することを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、第２駆動系からの動力は、ワイヤを介して、第２関節駆動系と回動体との間に設けられた減速機に伝達される。減速機は、伝達された動力を減速して回動体に伝達する。すなわち、第１関節駆動系からの動力を減速機内で低速、高トルクの回動エネルギーに変換して取り出されて、回動体に伝達され、回動体が回動する。
【００２５】
請求項５、６のように、駆動系と、回動するアーム又は回動体との間に減速機を設けることにより、減速機が駆動源（例えば、モータ）に直接、接続されている場合に比べ、動力を伝達するワイヤの張力が小さくなるため、ワイヤの伸び及び摩擦が低減され、駆動系から伝達される回動力の回動方向を転換させたときに起きるバックラッシを抑えることができ、ロボットの滑らかな動きを実現できる。
【００２６】
また、コイル状の蛇管にインナーワイヤを通して動力を伝達する蛇管式ワイヤを介して、動力の伝達が行われる場合は、蛇管とインナーワイヤとの間の摩擦が軽減し、蛇管とインナーワイヤとの間の摩擦に起因するヒステリシス特性が低減され、滑らかな制御が可能となる。
【００２７】
本発明の請求項７に係るロボット機構は、請求項１〜６の何れか１項の構成において、前記架台に前記直動体の直動方向へ延設されたリニアガイドと、前記リニアガイドに沿って設けられたラックと、前記直動体に設けられ、前記リニアガイドにガイドされるガイドブロックと、前記直動体に設けられ、前記直動体の直動に伴なって前記ラックと噛合い回転するピニオンと、前記ピニオンの回転をロック可能な第１ブレーキと、を有することを特徴とする。
【００２８】
この構成によれば、第１駆動系によって直動体が直動する際に、直動体に設けられガイドブロックが、直動体の直動方向へ延設されたリニアガイドにガイドされる。また、直動体の直動に伴なって、リニアガイドに沿って設けられたラックに、直動体に設けられたピニオンが噛み合って回転する。
【００２９】
そして、第１ブレーキによって、ピニオンの回転をロックすれば、直動体の直動を阻止することができる。
【００３０】
従って、直動体の直動を阻止した状態で、アーム及び回動体の回動が可能となるため、ロボットの目的作業を狭い領域で実施することができる。
【００３１】
本発明の請求項８に係るロボット機構は、請求項１〜７の何れか１項の構成において、前記第１駆動系は、前記架台の一端部に設けられた回動自在の第１アイドルプーリと、前記架台の他端部に設けられ第１モータで回転する第１駆動プーリと、前記第１駆動プーリと第１モータとの間に設けられた第１クラッチと、を備え、前記第１関節駆動系は、前記直動体に設けられた第１直動体プーリと、前記アームに設けられた第１関節プーリを備え、前記第１関節プーリから第１直動体プーリ、第１アイドルプーリ、第１駆動プーリ、該第１直動体プーリ、該第１関節プーリへと第１ワイヤがループ状に巻き掛けられていることを特徴とする。
【００３２】
この構成によれば、重量の重い第１モータを架台の端部に設け、ワイヤを介して第１駆動系及び第１関節駆動系に動力が伝達している。また、単一のモータで、第１関節駆動系及び第１駆動系に動力が伝達し、直動体を直動させ、アームを回動できる。このため、ロボットの軽量化、小型化を図ることができ、作業客体である人間に恐怖心を軽減できる。また、第１クラッチを受動能動切換手段として使用することができる。
【００３３】
本発明の請求項９に係るロボット機構は、請求項８の構成において、前記第１直動体プーリの回転をロック可能な第２ブレーキを設けたことを特徴とする。
【００３４】
この構成によれば、第２ブレーキによって、第１直動体プーリの回転をロックし、アームの回動運動を阻止することができるため、アームの回動運動を阻止した状態で、直動体の直動及び回動体の回動が可能となる。
【００３５】
また、第１ブレーキと共に第２ブレーキよって、直動体の直動運動及びアームの回動運動を阻止すれば、直動体の直動運動及びアームの回動運動を阻止した状態で、回動体の回動が可能となる。従って、ロボットの目的作業を狭い領域で実施することができる。
【００３６】
また、第２関節駆動系は、本発明の請求項１０に記載のように、前記架台の一端部に設けられた回動自在の第２アイドルプーリと、前記架台の他端部に設けられ第２モータで回転する第２駆動プーリと、前記第２駆動プーリと第２モータとの間に設けられた第２クラッチと、前記直動体に設けられた第２直動体プーリと、前記アームの一端に設けられた第２関節プーリと、前記第２関節プーリの同軸上に設けられた第３関節プーリと、前記アームと前記回動体とを連結する連結体に設けられた第４関節プーリと、前記回動体に設けられた第５関節プーリと、を備え、前記第２関節プーリから第２直動体プーリ、第２アイドルプーリ、第２駆動プーリ、該第２直動体プーリ、該第２関節プーリへと第２ワイヤがループ状に巻き掛けられ、第３関節プーリから第４関節プーリへと第３ワイヤがループ状に巻き掛けられ、第４関節プーリから第５関節プーリへと第４ワイヤがループ状に巻き掛けられているようにすることもできる。
【００３７】
本発明の請求項１１に係るロボット機構は、請求項１０の構成において、前記アームは、一端が直動体に軸支され第１関節プーリが取り付けられた第１シャフトへ連結され、他端が連結体を支持する第１支持シャフトに連結された第１リンク材と、一端が直動体に軸支され第２関節プーリが取り付けられた第２シャフトへ連結され、他端が連結体を支持する第２支持シャフトに連結されると共に第１リンク材と平行な第２リンク材とで構成されることを特徴とする。
【００３８】
この構成によれば、アームは、第１リンク材とこの第１リンク材と平行な第２リンク材とで、構成されている。すなわち、アームは、いわゆる平行リンクを構成している。この平行リンク機構においては、リンクの出力側に作用する外力に抗して平行リンクを静止させるのに必要なリンク駆動トルクは外力の作用点に依存せず、リンクの回転角度のみに依存する。このため平行リンクの出力側に取り付けられるロボット機構部の姿勢変化による重心移動（外力作用点の移動）に影響されない平行リンクの平衡（静止）装置が容易に設計でき、平行リンクの非駆動状態におけるロボットの任意姿勢での静止平衡の機能が実現できる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明は、上記構成としたので、外部から手動で動かすことができる受動状態と、動力でロボットを動かす能動状態とに切り換えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
本発明のロボット機構に係る一の実施の形態を図１〜図１０に基づき説明する。
【００４１】
まず、ロボット機構の全体の構成について図１〜図３に基づき説明する。
【００４２】
図１には、ロボット機構の正面図が示され、図２には、ロボット機構の右側面図が示されている。図３には、ロボット機構において動作する各部（スライダ、アーム、連結体、回動体）が簡略に示されている。
【００４３】
図１、図２に示すように、ロボット機構１０は、遠隔医療診断等が行われる作業エリアに設置される架台１２を備えている。架台１２は、対面して配置された一対のフレーム１４を備えている。フレーム１４の上下端部は、横板１３で連結され、架台１２は、ボックス状を形成している。
【００４４】
この架台１２内には、上下方向に延びるリニアガイド１６が設けられている。このリニアガイド１６の上下方向両端部は、フレーム１４に掛け渡されたガイド固定部材１８に、ボルト２０で固定されている。このリニアガイド１６にガイドされ、架台１２の長手方向（Ａ方向）に沿って、スライド移動（直動）するスライダ（直動体）２４が、架台１２に設けられている。
【００４５】
図３に示すように、スライダ２４は、その中央部に固定されたガイドブロック２６がリニアガイド１６にガイドされ、後述する第１駆動系Ｄ１の動力によって、スライド移動する。
【００４６】
このリニアガイド１６には、リニアガイド１６に沿って上下方向に延びるラック１７が設けられている。このラック１７と噛み合って回転するピニオン２２が、ピニオン軸２３に固定され、ピニオン軸２３はスライダ２４の基端部（左端部）２４Ａに回転可能に軸支されている。すなわち、スライダ２４が上下にスライド移動すると、それに伴って、ピニオン２２がラック１７と噛み合いながら回転するようになっている。このピニオン２２の回転をロックする第１ブレーキＢ１がスライダ２４に取り付けられている。第１ブレーキＢ１は、ピニオン軸２３の回転を阻止することによって、ピニオン２２の回転をロックするようになっている。ピニオン２２の回転がロックされると、スライダ２４の位置は固定され、上下方向のスライド移動が阻止されることになる。
【００４７】
なお、このピニオン軸２３の下側には、回動シャフト２５が回動可能に軸支されている。また、ガイドブロック２６には、後述する第１バネ式定荷重装置（重力均衡装置）Ｇ１から巻き出された巻きバネ３０が取り付けられている。
【００４８】
図３に示すように、スライダ２４は、対向する前面板３２と後面板３４とで構成されている。スライダ２４の基端部（左端部）２４Ａが架台１２の中央部に位置し（図１参照）、スライダ２４の先端部（右端部）２４Ｂは、上方へ屈曲する屈曲部２４Ｃを介して、架台１２の右方向へ延びている。
【００４９】
また、後面板３４には、後述する第１波動歯車装置（減速機）Ｈ１が取り付けられており、第１波動歯車装置Ｈ１を介して、前面板３２と後面板３４とに第１シャフト４０が回動可能に軸支されている。この第１シャフト４０には、第１リンク材（アーム）４２の後端部が固定されている。この第１リンク材４２は、後述する第１関節駆動系Ｄ２によってＢ方向に回動する。また、前面板３２には、後述する第２バネ式定荷重装置Ｇ２が設けられ、この第２バネ式定荷重装置Ｇ２から巻き出された巻きバネ３５は、連結ワイヤ３７を介して、第１シャフト４０に取り付けられている巻付プーリ３９の巻掛け部３９Ａに取り付けられている。
【００５０】
また、スライダ２４の先端部２４Ｂには、前面板３２及び後面板３４に回動可能に第２シャフト４４が軸支されている。この第２シャフト４４には、第２シャフト４４に対して回動可能に、第１リンク材４２に対して平行に第２リンク材（アーム）４６の後端部が取り付けられ、第１リンク材４２及び第２リンク材４６で平行リンク機構を構成する。
【００５１】
第１リンク材４２及び第２リンク材４６の先端部は、連結体４８としての前面フレーム５２と後面フレーム５４とを支持する第１支持シャフト５６及び第２支持シャフト５８が、取り付けられている。
【００５２】
連結体４８には、架台１２の長手方向に直交する方向（前後方向）を回動軸にして回動可能に回動体５０が取り付けられている。回動体５０は、右側面から見ると、凹の字形状をしており（図２参照）、回動体５０の一端部は前面フレーム５２の外側面に、回動体５０の他端部は後面フレーム５４の外側面に位置しており、それぞれ、後述する第２波動歯車装置（減速機）Ｈ２（図３では、前面側のみ図示）に取り付けられている。なお、回動体５０は、後述する第２関節駆動系Ｄ３によってＣ方向に回動する。
【００５３】
次に、スライダ２４をスライド移動させる第１駆動系、アームを回動させる第１関節駆動系及び回動体５０を回動させる第２関節駆動系について説明する。
【００５４】
図４には、各駆動系の全体概略が示されている。
【００５５】
図４に示すように、第１駆動系Ｄ１は、第１駆動プーリ６２及び第１アイドルプーリ６４の２つのプーリで構成されている。第１駆動系Ｄ１から動力を伝達される第１関節駆動系Ｄ２は、第１直動体プーリ６６及び第１関節プーリ６８の２つのプーリで構成されている。この４つのプーリには、第１ワイヤ７０がループ状に巻き掛けられ、単一の第１モータ７２から第１駆動プーリ６２に動力が付与されて、第１駆動系Ｄ１及び第１関節駆動系Ｄ２は駆動する。
【００５６】
なお、第１直動体プーリ６６は、前面板３２に取り付けられた第２ブレーキＢ２で制動される回動シャフト２５に固定されており、第１関節プーリ６８は、第１シャフト４０に設けられた第１波動歯車装置（減速機）Ｈ１に取り付けられている。また、第１モータ７２の駆動軸には、第１クラッチ６５が設けられている。
【００５７】
第２関節駆動系Ｄ３は、第２駆動プーリ８２、第２アイドルプーリ８４、第２直動体プーリ８６、第２関節プーリ８８、第３関節プーリ９４、第４関節プーリ９６及び第５関節プーリ９８の７つのプーリで構成されている。
【００５８】
第２直動体プーリ８６、第２アイドルプーリ８４、第２駆動プーリ８２、第２関節プーリ８８の４つのプーリには、第１駆動系Ｄ１及び第１関節駆動系Ｄ２の場合と同様に、第２ワイヤ９０がループ状に巻き掛けられ、第２関節プーリ８８と同軸上ある第３関節プーリ９４から第４関節プーリ９６に第３ワイヤ９１がループ状に巻き掛けられ、第４関節プーリ９６から第５関節プーリ９８に丸ベルト（第４ワイヤ）９３がループ状に巻き掛けられている。上記構成により、単一の第２モータ９２から第２駆動プーリ８２に動力が付与されて、第２関節駆動系Ｄ３は駆動する。
【００５９】
なお、第２直動体プーリ８６は、ピニオン軸２３に対して回動可能に取り付けられ、第２関節プーリ８８及び第３関節プーリ９４は、第２リンク材４６の後端部が回動可能に取り付けられた第２シャフト４４に固定されている。また、第４関節プーリ９６は、第２リンク材４６の先端部が取り付けられた第２支持シャフト５８に対して回動可能に取り付けられている。また、第２モータ９２の駆動軸には、第２クラッチ８５が設けられている。
【００６０】
図５（図１における５−５線断面図）には、架台１２の下部が示されている。
【００６１】
図５に示すように、第１駆動系Ｄ１に動力を付与する第１モータ７２は、架台１２の横板１３から立設する取付板７３に取り付けられている。第１モータ７２の駆動軸は、第１クラッチ（受動能動切換手段）６５を介して、第１駆動プーリ６２が固定された駆動プーリ軸６３に接続されている。駆動プーリ軸６３は、フレーム１４とフレーム１４の内側にある内側フレーム１５Ａとに回動可能に軸支されている。
【００６２】
第１クラッチ６５により、第１モータ７２の駆動軸と駆動プーリ軸６３との接続を断絶し、スライダ２４のスライド移動及び第１リンク材４２の回動を自由とする状態（受動状態）と、第１モータ７２の駆動軸と駆動プーリ軸６３とを接続し、第１モータ７２の動力を第１駆動プーリ６２に伝達する状態（能動状態）との切り換えが可能となる。
【００６３】
第１駆動プーリ６２に巻き掛けられた第１ワイヤ７０の一端（左側）は、第１アイドルプーリ６４のある架台１２の上端部へ延び、第１ワイヤ７０の他端（右側）は、第１直動体プーリ６６のあるスライダ２４へ延びている。
【００６４】
一方、第２関節駆動系Ｄ３の第２モータ９２は、架台１２の横板１３から立設する取付板９３に取り付けられている。第２モータ９２の駆動軸は、第２クラッチ８５を介して、第２駆動プーリ８２が固定された駆動プーリ軸８３に接続されている。駆動プーリ軸８３は、フレーム１４とフレーム１４の内側にある内側フレーム１５Ｂとに回動可能に軸支されている。
【００６５】
第２クラッチ８５により、第２モータ９２の駆動軸と駆動プーリ軸８３との接続を断絶し、第２モータ９２の動力を第２駆動プーリ８２に伝達しない状態と、第２モータ９２の駆動軸と駆動プーリ軸８３とを接続し、第２モータ９２の動力を第２駆動プーリ８２に伝達する状態との切り換えが可能となる。
【００６６】
第２駆動プーリ８２に巻き掛けられた第２ワイヤ９０の一端（左側）は、第２アイドルプーリ８４のある架台１２の上端部へ延び、第２ワイヤ９０の他端（右側）は、第２直動体プーリ８６のあるスライダ２４へ延びている。
【００６７】
図６（図１における６−６線断面図）には、架台１２の上部が示されている。
【００６８】
図６に示すように、架台１２の上端部のフレーム１４には、前後方向に固定軸６９がボルト６７で固定されている。この固定軸６９の奥側には、第１駆動系Ｄ１の第１アイドルプーリ６４が、固定軸６９対して回動可能に取り付けられている。第１駆動プーリ６２から上ってきた第１ワイヤの７０一端が、この第１アイドルプーリ６４の一端側（左側）から巻き掛けられ、巻き掛けられた第１ワイヤ７０は、他端側（右側）から第１直動体プーリ６６のあるスライダ２４へ延びている。
【００６９】
一方、第２関節駆動系Ｄ３の第２アイドルプーリ８４は、この固定軸６９の手前側に、固定軸６９対して回動可能に取り付けられている。第２駆動プーリ８２から上ってきた第２ワイヤ９０の一端が、この第２アイドルプーリ８４の一端側（左側）から巻き掛けられ、巻き掛けられた第２ワイヤ９０は、他端側（右側）から第２直動体プーリ８６のあるスライダ２４へ延びている。
【００７０】
図７（図１における７−７線断面図）には、スライダの上面図が示され、図８（図１における８−８線断面図）には、スライダの左側面図が示されている。
【００７１】
図７、８に示すように、第１関節駆動系Ｄ２の第１直動体プーリ６６は、後面板３４の後方で、回動シャフト２５に固定されている。回動シャフト２５は、スライダ２４の基端部（左端部）の下部側で（図８参照）、前面板３２及び後面板３４に軸支され、第１直動体プーリ６６は、回動可能とされている。この第１直動体プーリ６６の回動をロックする第２ブレーキＢ２が前面板３２に取り付けられている。第２ブレーキＢ２は、回動シャフト２５の回動を阻止することによって、第１直動体プーリ６６の回動をロックするようになっている。
【００７２】
また、第１直動体プーリ６６には、ワイヤを巻き掛ける手前側巻掛け部６６Ａ及び奥側巻掛け部６６Ｂが設けられている。第１アイドルプーリ６４から下ってきた第１ワイヤ７０は、手前側巻掛け部６６Ａに巻き掛けられると共に、第１関節プーリ６８にのある右方向へ延びている。第１駆動プーリ６２から上ってきた第１ワイヤ７０は、奥側巻掛け部６６Ｂに巻き掛けられると共に、第１関節プーリ６８にのある右方向へ延びている。
【００７３】
また、スライダ２４の屈曲部２４Ｃには（図３参照）、第１関節プーリ６８が、第１波動歯車装置Ｈ１を介して前後方向を回動軸にして回動可能に後面板３４に取り付けられている。この第１関節プーリ６８に、手前側巻掛け部６６Ａ及び奥側巻掛け部６６Ｂから延びる第１ワイヤ７０が巻き掛けられ、第１ワイヤ７０は一続きのループ状となっている。
【００７４】
すなわち、第１モータ７２によって第１駆動プーリ６２を回動させると、ループ状の第１ワイヤ７０が動作し、第１アイドルプーリ６４、第１直動体プーリ６６及び第１関節プーリ６８が回動する。第１関節プーリ６８が回動すると、第１波動歯車装置Ｈ１を介して第１シャフト４０と一体に第１リンク材４２が回動する。
【００７５】
第１関節プーリ６８の回動力は、第１波動歯車装置（例えば、ハーモニックドライブ「ハ−モニツク・ドライブ・システムズ社の登録商標」）Ｈ１を構成するウェーブジェネレータｈ１から入力され、この回動力を減速して（低速、高トルクの回動エネルギーに変換して）、第１波動歯車装置Ｈ１を構成するフレクスプラインｈ２から出力され、第１リンク材４２に回動力が伝達される。
【００７６】
また、第２ブレーキＢ２によって、第１直動体プーリ６６の回動をロックすれば、第１リンク材４２の回動も阻止されることになる。
【００７７】
一方、第２関節駆動系Ｄ３の第２直動体プーリ８６は、前面板３２の前方で、ピニオン２２が固定されたピニオン軸２３に対して回動可能に取り付けられている。
【００７８】
ピニオン軸２３は、スライダ２４の基端部（左端部）の上部側で（図８参照）、前面板３２及び後面板３４に軸支され、第２直動体プーリ８６は、前後方向を回動軸にして回動可能とされている。なお、このピニオン軸２３の回転は、後面板３４に取り付けられた第１ブレーキＢ１によってロックできるが、ピニオン軸２３の回転がロックされても、第２直動体プーリ８６は、ピニオン軸２３に対して回動可能とされているので、第２直動体プーリ８６の回動はロックされることはない。
【００７９】
第２直動体プーリ８６には、ワイヤを巻き掛ける手前側巻掛け部８６Ａ及び奥側巻掛け部８６Ｂが設けられている。第２アイドルプーリ８４から降りてきた第２ワイヤ９０は、手前側巻掛け部８６Ａに巻き掛けられると共に、第２関節プーリ８８のある右方向へ延びている。第２駆動プーリ８２から上ってきた第２ワイヤ９０は、奥側巻掛け部８６Ｂに巻き掛けられると共に、第２関節プーリ８８のある右方向へ延びている。
【００８０】
また、スライダ２４の先端部２４Ｂで、前後方向を回動軸にして回動可能に軸支された第２シャフト４４には、前面板３２の前方で第２関節プーリ８８が固定されている。この第２関節プーリ８８に、第２直動体プーリ８６から延びる第２ワイヤ９０が巻き掛けられ、第２ワイヤ９０は、一続きのループ状となっている。
【００８１】
第２シャフト４４には、前面板３２及び後面板３４の間で、第３関節プーリ９４が固定されている。この第３関節プーリ９４には、第３ワイヤ９１が巻きつけられ、この第３ワイヤ９１は、連結体４８に設けられた第４関節プーリ９６のある右下方へ延びている。
【００８２】
なお、第２リンク材４６は第２シャフト４４に対して、回動可能に取り付けられているので、第２シャフト４４が回動しても、その回動力は第２リンク材４６に伝達しない。
【００８３】
図９（図１における９−９線断面図）には、連結体４８及び回動体５０が示されている。
【００８４】
第２関節駆動系Ｄ３の第４関節プーリ９６は、第２リンク材４６が取り付けられた第２支持シャフト５８に対して、回動可能に取り付けられている。
【００８５】
第４関節プーリ９６には、ワイヤを巻き掛ける手前側巻掛け部９６Ａ及び奥側巻掛け部９６Ｂが設けられている。第３関節プーリ９４から降りてきた第３ワイヤ９１は、奥側巻掛け部９６Ｂに巻き掛けられ、ループ状となっている。
【００８６】
さらに、手前側巻掛け部９６Ａ及びその下方にある第５関節プーリ９８には、丸ベルト９５が巻き掛けられ、ループ状となっている。
【００８７】
第５関節プーリ９８は、連結体４８の前面フレーム５２及び後面フレーム５４にそれぞれ取り付けられた第２波動歯車装置Ｈ２に支持されている。
【００８８】
すなわち、第２モータ９２によって第２駆動プーリ８２を回動させると、ループ状の第２ワイヤ９０が動作し、第２アイドルプーリ８４、第２直動体プーリ８６及び第２関節プーリ８８が回動する。第２関節プーリ８８が回動すると、同軸上に固定された第３関節プーリ９４回動が回動し、ループ状の第３ワイヤ９１が動作し、第４関節プーリ９６が回動する。第４関節プーリ９６が回動すると、ループ状の丸ベルト９５が動作し、第５関節プーリ９８が回動し、第２波動歯車装置Ｈ２を介して回動体５０が回動する。
【００８９】
第５関節プーリ９８の回動力は、第１波動歯車装置Ｈ１の場合と同様に、ウェーブジェネレータｈ１から入力され、この回動力を減速して（低速、高トルクの回動エネルギーに変換して）フレクスプラインｈ２から出力され、回動体５０に回動力が伝達される。
【００９０】
次に、スライダ２４に重力と反対方向の力を作用させ静止均衡させる第１バネ式定荷重装置（重力均衡装置）Ｇ１及び、アームに重力による回転モーメントと反対方向のモーメントを作用させ静止均衡させるモーメント均衡装置について説明する。
【００９１】
図１、図２、図３、図６に示すように、スライド移動するスライダ２４に重力と反対方向の力を作用させ静止均衡させる第１バネ式定荷重装置Ｇ１が、架台１２の上端部に設けられている。第１バネ式定荷重装置Ｇ１は、フレーム１４に回動可能に軸支された取付軸２８に取り付けられている。この第１バネ式定荷重装置Ｇ１から巻き出された巻きバネ３０が、スライダ２４のガイドブロック２６に固定されている。この巻きバネ３０は、その巻き出し量に関係なく、スライダ２４に対して一定の上方への引張力を発生させる。この引張力は、スライダ２４の重力と等しくされ、スライダ２４を静止均衡させるようになっている。
【００９２】
一方、図７に示すように、アームの自重による回転モーメントと反対方向のモーメントをアームに作用させ静止均衡させるモーメント均衡装置は、第１リンク材４２の回動中心である第１シャフト４０に同軸上に取り付けられ、第１リンク材４２と一体に回動する巻付プーリ３９を備えている。この巻付プーリ３９の回動中心から半径方向へ延出し、第１リンク材４２が回動して、第１リンク材４２と第２リンク材４６との重心が巻付プーリ３９の回動中心から離れるに従い、先端に一端が連結される連結ワイヤ３７をプーリの回動中心から遠ざける巻掛け部３９Ａが設けられている。
【００９３】
前面板３２の前方側に固定されている第２バネ式定荷重装置Ｇ２から巻き出された巻きバネ３５は、連結ワイヤ３７に接続され、この連結ワイヤ３７の先端部は、この巻掛け部３９Ａの曲線部分に巻き掛けられ、連結ワイヤ３７の先端は、巻掛け部３９Ａの外縁に固着されている。このため、第２バネ式定荷重装置Ｇ２から巻き出された巻きバネ３５の引張力が、巻付プーリ３９の巻掛け部３９Ａから第１シャフト４０を通じて、第１シャフト４０に固定された第１リンク材４２に反対方向のモーメントを作用させる。
【００９４】
図１０には、アーム（第１リンク材４２及び第２リンク材４６）に重力による回転モーメントと反対方向のモーメントを作用させて静止均衡させる原理が簡略に示されている。
【００９５】
アームの重力による回転モーメントに抗して平行リンクを静止させ得る理由は次のようである。図１０に示すように、第１リンク材４２と第２リンク材４６は平行リンクを構成し、第１関節プーリ６８によって駆動される。この機構では荷重Ｗが第１リンク材４２を回転させようとするトルクと釣合う反対方向の第１関節プーリ６８の必要モーメントは、τ＝Ｗ・Ｌsinφとなる（ここにＬは平行リンク（第１リンク材４２及び第２リンク材４６）の長さ、φはリンク角である）。この釣合わせモーメントτを第２バネ式定荷重装置Ｇ２から繰り出される連結ワイヤ３７の一定引張力Ｆを利用して得るために、巻付プーリ３９から巻き出される連結ワイヤ３７の巻き取り半径rをリンク角φに依存して、r(φ)＝（W・L／F）sinφ（Ｋはある定数）のごとく変化させる曲線に巻掛け部３９Ａを形成しているためである。
【００９６】
次に、上記の実施の形態について作用を説明する。
【００９７】
まず、精度を要しない大きな動作を伴う粗位置決めの段階では、第１クラッチ６５によって、第１モータ７２の駆動軸と駆動プーリ軸６３の接続を断絶し、スライダ２４のスライド移動及び第１リンク材４２の回動運動が自由となる受動状態とする。
【００９８】
受動状態とすれば、作業客体である人間が、スライダ２４、第１リンク材４２及び第２リンク材４６を動かし、自ら、自分の体の傍に又は自分の体に接触する位置に、連結体４８及び回動体５０を持ってくることができる。作業客体である人間自身がロボットを動作させることにより、作業客体である人間は圧迫感、恐怖心等を感じることが無くなる。
【００９９】
この際、スライダ２４は、第１バネ式定荷重装置Ｇ１によって、重力と反対方向の力が作用し、静止均衡する。また、第１リンク材４２も、第２バネ式定荷重装置Ｇ２によって、重力による回転モーメントと反対方向のモーメントが作用し、静止均衡する。このため、スライダ２４、第１リンク材４２及び第２リンク材４６を、軽い力で動かすことができる。
【０１００】
また、作業客体である人間が、自ら自分の体の傍に又は自分の体に接触する位置に、連結体４８及び回動体５０を持ってきた後、その外力が除かれても、連結体４８及び回動体５０は、その位置で静止均衡する。このため、作業客体である人間が、受動状態におけるスライダ２４、第１リンク材４２及び第２リンク材４６の操作を容易にできる。
【０１０１】
連結体４８及び回動体５０の粗位置決めをした後は、第１クラッチ６５によって、第１モータ７２の駆動軸と駆動プーリ軸６３とを接続し、スライダ２４及び第１リンク材４２に第１モータ７２の動力が伝達される能動状態とする。これにより、第１モータ７２によって、スライダ２４及び第１リンク材４２を動かすことが可能となる。
【０１０２】
スライダ２４及び第１リンク材４２を動かす際にも、第１バネ式定荷重装置Ｇ１及び第２バネ式定荷重装置Ｇ２によって、スライダ２４及び第１リンク材４２にかかる重量を軽減できるため、スライダ２４及び第１リンク材４２を動かす動力を抑えることができる。また、第１バネ式定荷重装置Ｇ１及び第２バネ式定荷重装置Ｇ２の静止均衡作用によって、スライダ２４及び第１リンク材４２の駆動制御が容易となる。
【０１０３】
次に、第１ブレーキＢ１によって、スライダ２４のスライド移動を阻止すると共に、第２ブレーキＢ２によって、第１リンク材４２の回動を阻止する、又はスライド移動及び回動のどちらか一方を阻止する。
【０１０４】
そして、スライダ２４のスライド移動、第１リンク材４２及び第２リンク材４６の回動のうち、少なくともどちらか一方を阻止した状態で、第２モータ９２の動力により回動体５０を回動する。これにより、ロボットの目的作業を狭い領域で実施することができる。
【０１０５】
スライダ２４、第１リンク材４２及び回動体５０は、架台１２の基部に取り付けられたモータから、複数のプーリと複数のワイヤを介して動力が付与されるので、ロボットの軽量化、小型化が図ることができる。
【０１０６】
また、第１リンク材４２及び回動体５０は、波動歯車装置から動力を伝達されるので、波動歯車装置がモータの駆動軸に設けられている場合に比べ、動力を伝達するワイヤの張力が小さくなるため、ワイヤの伸び及び摩擦が低減され、第１リンク材４２及び回動体５０の回動方向を転換させたときに起きるバックラッシが抑えることができ、ロボットの滑らかな動きを実現できる。
【０１０７】
さらに、コイル状の蛇管にインナーワイヤを通して動力を伝達する蛇管式ワイヤを介して、動力の伝達が行われる場合は、蛇管とインナーワイヤとの間の摩擦が軽減し、蛇管とインナーワイヤとの間の摩擦に起因するヒステリシス特性が低減され、滑らかな制御が可能となる。
【０１０８】
また、第１リンク材４２と第２リンク材４６とで、平行リンクを構成しているため、第１リンク材４２と第２リンク材４６との回動中心から平行リンク出力側に取り付けられる機構部全体の重心位置に関係なく、第２バネ式定荷重装置Ｇ２と巻掛け部３９Ａを有する巻付プーリ３９を用いた機構（図１０参照）によって、第１関節プーリ６８軸回りの重力による回転モーメントの補償が可能であり、これによって、第１関節プーリ６８の回転軸である第１シャフト４０の回転方向に依存しない滑らかなロボットの動作が可能となる。
【０１０９】
本発明は、上記の実施の形態に限るものではなく、種々の形態が可能である。
【０１１０】
本実施の形態では、架台１２は移動可能とされていないが、架台１２にさらに駆動モータを設け、架台１２自体を前後方向又は左右方向へ移動可能にしてもよい。このようにすれば、運動の自由度を拡大することができる。
【０１１１】
また、本実施の形態では、回動体５０の先端には、リンク材が取り付けられていないが、回動体５０の先端部に、さらに別駆動系によって駆動されるリンク材を増設してもよい。このようにすれば、さらに運動の自由度を拡大することができる。
【０１１２】
また、説明の便宜上、図１の方向から見たものを正面として、上下、前後、左右方向を特定して説明したが、上下、前後、左右の方向性は、これに限られず、例えば、左右、前後方向が逆であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】図１は、本発明の一の実施形態に係るロボット機構を示す正面図である。
【図２】図２は、本実施形態に係るロボット機構を示す右側面図である。
【図３】図３は、本実施形態に係るロボット機構において動作する各部を簡略に示す斜視図である。
【図４】図４は、本実施形態に係るロボット機構の各駆動系を示す図である。
【図５】図５は、図１における５−５線断面図である。
【図６】図６は、図１における６−６線断面図である。
【図７】図７は、図１における７−７線断面図である。
【図８】図８は、図１における８−８線断面図である。
【図９】図９は、図１における９−９線断面図である。
【図１０】図１０は、アームに重力による回転モーメントと反対方向のモーメントを作用させるバネ式定荷重装置の原理を簡略に示す図である。
【符号の説明】
【０１１４】
１０ ロボット機構
１２ 架台
１６ リニアガイド
１７ ラック
２２ ピニオン
２４ スライダ（直動体）
２６ ガイドブロック
４２ 第１リンク材（アーム）
４６ 第２リンク材（アーム）
４８ 連結体
５０ 回動体
６２ 第１駆動プーリ
６４ 第１アイドルプーリ
６５ 第１クラッチ
６６ 第１直動体プーリ
６８ 第１関節プーリ
７０ 第１ワイヤ
７２ 第１モータ
８２ 第２駆動プーリ
８４ 第２アイドルプーリ
８５ 第２クラッチ
８６ 第２直動体プーリ
８８ 第２関節プーリ
９０ 第２ワイヤ
９１ 第３ワイヤ
９２ 第２モータ
９４ 第３関節プーリ
９５ 丸ベルト（第４ワイヤ）
９６ 第４関節プーリ
９８ 第５関節プーリ
Ｂ１ 第１ブレーキ
Ｂ２ 第２ブレーキ
Ｄ１ 第１駆動系
Ｄ２ 第１関節駆動系
Ｄ３ 第２関節駆動系
Ｇ１ 第１バネ式定荷重装置（重力均衡装置）
Ｇ２ 第２バネ式定荷重装置（モーメント均衡装置）
Ｈ２ 波動歯車装置（減速機）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業エリアに設置される架台と、前記架台に沿って直動する直動体と、前記直動体に回動可能に設けられたアームと、を備えたロボット機構において、
前記直動体を直動させる第１駆動系と、
前記第１駆動系から動力を伝達され、前記アームを回動させる第１関節駆動系と、
前記第１駆動系の駆動伝達経路を開放して、前記直動体の直動及び前記アームの回動運動を自由とする受動能動切換手段と、
を有することを特徴とするロボット機構。
【請求項２】
前記直動体に重力と反対方向の力を作用させ静止均衡させる重力均衡装置と、
前記アームに重力による回転モーメントと反対方向のモーメントを作用させ静止均衡させるモーメント均衡装置と、
を有することを特徴とする請求項１に記載のロボット機構。
【請求項３】
前記モーメント均衡装置は、前記アームの回動中心と同軸上に設けられ、前記アームと一体に回動する巻付プーリと、
前記プーリの回動中心から半径方向へ延出し、前記アームが回動して前記アームの重心がプーリの回動中心から離れるに従い、先端に一端が連結される連結ワイヤをプーリの回動中心から遠ざける巻掛け部と、
前記連結ワイヤの他端に連結され、バネの引張力によって、前記アームの自重による回転モーメントと反対方向のモーメントを巻掛け部に作用させるバネ式定荷重装置と、
で構成されていることを特徴とする請求項２に記載のロボット機構。
【請求項４】
前記アームの端部に回動可能に設けられた回動体と、
前記回動体を回動させる第２関節駆動系と、
を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のロボット機構。
【請求項５】
前記第１関節駆動系と前記アームとの間に設けられ、前記第１駆動系からワイヤを介して伝達される動力を減速して前記アームに伝達する減速機を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のロボット機構。
【請求項６】
前記第２駆動系と前記回動体との間に設けられ、前記第２駆動系からワイヤを介して伝達される動力を減速して前記回動体に伝達する減速機を有することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のロボット機構。
【請求項７】
前記架台に前記直動体の直動方向へ延設されたリニアガイドと、
前記リニアガイドに沿って設けられたラックと、
前記直動体に設けられ、前記リニアガイドにガイドされるガイドブロックと、
前記直動体に設けられ、前記直動体の直動に伴なって前記ラックと噛合い回転するピニオンと、
前記ピニオンの回転をロック可能な第１ブレーキと、
を有することを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のロボット機構。
【請求項８】
前記第１駆動系は、前記架台の一端部に設けられた回動自在の第１アイドルプーリと、前記架台の他端部に設けられ第１モータで回転する第１駆動プーリと、前記第１駆動プーリと第１モータとの間に設けられた第１クラッチと、を備え、
前記第１関節駆動系は、前記直動体に設けられた第１直動体プーリと、前記アームに設けられた第１関節プーリを備え、
前記第１関節プーリから第１直動体プーリ、第１アイドルプーリ、第１駆動プーリ、該第１直動体プーリ、該第１関節プーリへと第１ワイヤがループ状に巻き掛けられていることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のロボット機構。
【請求項９】
前記第１直動体プーリの回転をロック可能な第２ブレーキを設けたことを特徴とする請求項８に記載のロボット機構。
【請求項１０】
前記第２関節駆動系は、前記架台の一端部に設けられた回動自在の第２アイドルプーリと、前記架台の他端部に設けられ第２モータで回転する第２駆動プーリと、前記第２駆動プーリと第２モータとの間に設けられた第２クラッチと、前記直動体に設けられた第２直動体プーリと、前記アームの一端に設けられた第２関節プーリと、前記第２関節プーリの同軸上に設けられた第３関節プーリと、前記アームと前記回動体とを連結する連結体に設けられた第４関節プーリと、前記回動体に設けられた第５関節プーリと、を備え、
前記第２関節プーリから第２直動体プーリ、第２アイドルプーリ、第２駆動プーリ、該第２直動体プーリ、該第２関節プーリへと第２ワイヤがループ状に巻き掛けられ、第３関節プーリから第４関節プーリへと第３ワイヤがループ状に巻き掛けられ、第４関節プーリから第５関節プーリへと第４ワイヤがループ状に巻き掛けられていることを特徴とする請求項４〜９の何れか１項に記載のロボット機構。
【請求項１１】
前記アームは、一端が直動体に軸支され第１関節プーリが取り付けられた第１シャフトへ連結され、他端が連結体を支持する第１支持シャフトに連結された第１リンク材と、一端が直動体に軸支され第２関節プーリが取り付けられた第２シャフトへ連結され、他端が連結体を支持する第２支持シャフトに連結されると共に第１リンク材と平行な第２リンク材とで構成されることを特徴とする請求項１０に記載のロボット機構。
【請求項１】
作業エリアに設置される架台と、前記架台に沿って直動する直動体と、前記直動体に回動可能に設けられたアームと、を備えたロボット機構において、
前記直動体を直動させる第１駆動系と、
前記第１駆動系から動力を伝達され、前記アームを回動させる第１関節駆動系と、
前記第１駆動系の駆動伝達経路を開放して、前記直動体の直動及び前記アームの回動運動を自由とする受動能動切換手段と、
を有することを特徴とするロボット機構。
【請求項２】
前記直動体に重力と反対方向の力を作用させ静止均衡させる重力均衡装置と、
前記アームに重力による回転モーメントと反対方向のモーメントを作用させ静止均衡させるモーメント均衡装置と、
を有することを特徴とする請求項１に記載のロボット機構。
【請求項３】
前記モーメント均衡装置は、前記アームの回動中心と同軸上に設けられ、前記アームと一体に回動する巻付プーリと、
前記プーリの回動中心から半径方向へ延出し、前記アームが回動して前記アームの重心がプーリの回動中心から離れるに従い、先端に一端が連結される連結ワイヤをプーリの回動中心から遠ざける巻掛け部と、
前記連結ワイヤの他端に連結され、バネの引張力によって、前記アームの自重による回転モーメントと反対方向のモーメントを巻掛け部に作用させるバネ式定荷重装置と、
で構成されていることを特徴とする請求項２に記載のロボット機構。
【請求項４】
前記アームの端部に回動可能に設けられた回動体と、
前記回動体を回動させる第２関節駆動系と、
を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のロボット機構。
【請求項５】
前記第１関節駆動系と前記アームとの間に設けられ、前記第１駆動系からワイヤを介して伝達される動力を減速して前記アームに伝達する減速機を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のロボット機構。
【請求項６】
前記第２駆動系と前記回動体との間に設けられ、前記第２駆動系からワイヤを介して伝達される動力を減速して前記回動体に伝達する減速機を有することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のロボット機構。
【請求項７】
前記架台に前記直動体の直動方向へ延設されたリニアガイドと、
前記リニアガイドに沿って設けられたラックと、
前記直動体に設けられ、前記リニアガイドにガイドされるガイドブロックと、
前記直動体に設けられ、前記直動体の直動に伴なって前記ラックと噛合い回転するピニオンと、
前記ピニオンの回転をロック可能な第１ブレーキと、
を有することを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のロボット機構。
【請求項８】
前記第１駆動系は、前記架台の一端部に設けられた回動自在の第１アイドルプーリと、前記架台の他端部に設けられ第１モータで回転する第１駆動プーリと、前記第１駆動プーリと第１モータとの間に設けられた第１クラッチと、を備え、
前記第１関節駆動系は、前記直動体に設けられた第１直動体プーリと、前記アームに設けられた第１関節プーリを備え、
前記第１関節プーリから第１直動体プーリ、第１アイドルプーリ、第１駆動プーリ、該第１直動体プーリ、該第１関節プーリへと第１ワイヤがループ状に巻き掛けられていることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のロボット機構。
【請求項９】
前記第１直動体プーリの回転をロック可能な第２ブレーキを設けたことを特徴とする請求項８に記載のロボット機構。
【請求項１０】
前記第２関節駆動系は、前記架台の一端部に設けられた回動自在の第２アイドルプーリと、前記架台の他端部に設けられ第２モータで回転する第２駆動プーリと、前記第２駆動プーリと第２モータとの間に設けられた第２クラッチと、前記直動体に設けられた第２直動体プーリと、前記アームの一端に設けられた第２関節プーリと、前記第２関節プーリの同軸上に設けられた第３関節プーリと、前記アームと前記回動体とを連結する連結体に設けられた第４関節プーリと、前記回動体に設けられた第５関節プーリと、を備え、
前記第２関節プーリから第２直動体プーリ、第２アイドルプーリ、第２駆動プーリ、該第２直動体プーリ、該第２関節プーリへと第２ワイヤがループ状に巻き掛けられ、第３関節プーリから第４関節プーリへと第３ワイヤがループ状に巻き掛けられ、第４関節プーリから第５関節プーリへと第４ワイヤがループ状に巻き掛けられていることを特徴とする請求項４〜９の何れか１項に記載のロボット機構。
【請求項１１】
前記アームは、一端が直動体に軸支され第１関節プーリが取り付けられた第１シャフトへ連結され、他端が連結体を支持する第１支持シャフトに連結された第１リンク材と、一端が直動体に軸支され第２関節プーリが取り付けられた第２シャフトへ連結され、他端が連結体を支持する第２支持シャフトに連結されると共に第１リンク材と平行な第２リンク材とで構成されることを特徴とする請求項１０に記載のロボット機構。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−２１８５６３（Ｐ２００６−２１８５６３Ａ）
【公開日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３３３６７（Ｐ２００５−３３３６７）
【出願日】平成１７年２月９日（２００５．２．９）
【出願人】（３０４０２３３１８）国立大学法人静岡大学 (416)
【出願人】（５０４３００１８１）国立大学法人浜松医科大学 (96)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月９日（２００５．２．９）
【出願人】（３０４０２３３１８）国立大学法人静岡大学 (416)
【出願人】（５０４３００１８１）国立大学法人浜松医科大学 (96)
【Ｆターム（参考）】
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