ロボット用肢体駆動機構、およびこの肢体駆動機構を用いたロボット装置
【課題】低コストで製造可能であり、上肢を上方に持ち上げてその状態を長時間維持することができるロボット装置と、ロボット用肢体駆動機構を提供する。
【解決手段】ロボット用肢体駆動機構は、胴体部１１と、胴体部１１に対して可動自在に設置される肢体支持部材２１と、肢体支持部材２１に対して設置される可動肢体２２と、胴体部１１に固定設置されて駆動力を及ぼすアクチュエータ２４と、複数のリンク２３ａ，２３ｃと、当該複数のリンク２３ａ，２３ｃを可動自在に接続するジョイント２３ｂとから構成され、一端側のリンク２３ａがアクチュエータ２４に接続し、他端側のリンク２３ｃが肢体支持部材２１と接続することで、アクチュエータ２４と肢体支持部材２１とをリンク接続するリンク部材２３とを備えており、アクチュエータ２４から及ぼされる駆動力が、リンク部材２３を介して肢体支持部材２１に伝達される。
【解決手段】ロボット用肢体駆動機構は、胴体部１１と、胴体部１１に対して可動自在に設置される肢体支持部材２１と、肢体支持部材２１に対して設置される可動肢体２２と、胴体部１１に固定設置されて駆動力を及ぼすアクチュエータ２４と、複数のリンク２３ａ，２３ｃと、当該複数のリンク２３ａ，２３ｃを可動自在に接続するジョイント２３ｂとから構成され、一端側のリンク２３ａがアクチュエータ２４に接続し、他端側のリンク２３ｃが肢体支持部材２１と接続することで、アクチュエータ２４と肢体支持部材２１とをリンク接続するリンク部材２３とを備えており、アクチュエータ２４から及ぼされる駆動力が、リンク部材２３を介して肢体支持部材２１に伝達される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット用肢体駆動機構、およびこの肢体駆動機構を用いたロボット装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、２足歩行を行う人型ロボットや４足歩行を行う動物型ロボットなどのように、人や動物の形状と動作を模したロボット装置の開発が活発化している。この種のロボット装置では、一般に各肢体の関節の動きを複数個のアクチュエータで実現することが行われている。
【０００３】
また、一般的なロボット装置の動作制御手段には、ロボットの体幹に設置されることで体幹の姿勢角や加速度を検出するセンサ群と、これらセンサ群からの信号に基づいて動作可能なエンコーダ付きのモータが利用されている。センサ群を用いることによって、ロボットの姿勢および上半身の重心位置を計測することができるので、その計測データに基づいて各関節のモータを動作制御すれば、ロボット装置全体の動作制御が可能となるわけである。
【０００４】
なお、この種のロボット装置に関する技術を開示する先行技術文献として、例えば、下記特許文献１が存在している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−３０５５８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上掲した特許文献１に代表される従来のロボット装置では、上体の動作で遊脚の反動を打ち消すなど、上半身の作用によって歩行の安定化が図られていたため、特に初期のロボット装置には、腕などの上肢を持たないものが大半であった。したがって、上半身に設置された上肢によって作業を行うロボット装置を作成することは、容易ではなかった。
【０００７】
一方、近年に至って、上半身に設置された上肢によって作業を行うロボット装置の開発が進められてはいるが、この種のロボット装置の動作制御には、多数のセンサに基づいた大量のデータ処理が必要となってしまう。したがって、従来のロボット装置には、非常に複雑な制御手段が必要となり、その結果として膨大な製造コストを要してしまうという問題が存在していた。
【０００８】
また、従来のロボット装置では、アクチュエータとしてのモータが各関節に対して設置されていたので、関節部が大きくなってしまうという問題が存在していた。特に、上半身に設置された上肢に対してモータを設置すると、上肢自体の重量が大きくなってしまうので、例えば上肢を上方に持ち上げるといった動作については、モータに対して大きな負荷を与えてしまうこととなる。したがって、従来のロボット装置にとって、上肢を上方に持ち上げてその状態を長時間安定的に維持することは、事実上不可能であった。
【０００９】
本発明は、上述した従来技術に存在する種々の問題点に鑑みて成されたものであって、その目的は、複雑な制御が不要でありながらも安定した動作が可能であり、また、低コストで製造可能であり、さらに、上肢を上方に持ち上げてその状態を長時間安定的に維持するなどといった従来のロボット装置では実現できなかった動作を実現することが可能な、全く新しいロボット装置と、このロボット装置に対して適用可能なロボット用肢体駆動機構とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るロボット用肢体駆動機構は、胴体部と、前記胴体部に対して可動自在に設置される肢体支持部材と、前記肢体支持部材に対して設置される可動肢体と、前記胴体部に固定設置されて駆動力を及ぼすアクチュエータと、複数のリンクと、当該複数のリンクを可動自在に接続するジョイントとから構成され、一端側のリンクが前記アクチュエータに接続し、他端側のリンクが前記肢体支持部材と接続することで、前記アクチュエータと前記肢体支持部材とをリンク接続するリンク部材と、を備え、前記アクチュエータから及ぼされる駆動力が、前記リンク部材を介して前記肢体支持部材に伝達されることを特徴とするものである。
【００１１】
また、胴体部に連結された複数本の可動肢体を有し、前記複数本の可動肢体のうち、下肢として機能する可動肢体を用いることで、任意の移動面上を歩行可能とされるロボット装置において、上肢として機能する可動肢体を、上述したロボット用肢体駆動機構によって構成することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、複雑な制御が不要でありながらも安定した動作が可能であり、また、低コストで製造可能であり、さらに、上肢を上方に持ち上げてその状態を長時間安定的に維持するなどといった従来のロボット装置では実現できなかった動作を実現することが可能な、全く新しいロボット装置と、このロボット装置に対して適用可能なロボット用肢体駆動機構とを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係るロボット装置の全体構成を示す外観図である。
【図２Ａ】本実施形態に係るロボット装置の胴体部、左手および左足からカバー類を取り外した状態を示す図であり、特に、正面視を示している。
【図２Ｂ】図２Ａで示した本実施形態に係るロボット装置の右側面視を示す図である。
【図３】本実施形態に係る腕部として採用されたロボット用肢体駆動機構の基本構成を示す要部外観図である。
【図４Ａ】図３にて示されたロボット用肢体駆動機構の内部構造を説明するための図であり、特に、ロボット用肢体駆動機構の内部構造を正面から見た場合の図である。
【図４Ｂ】図３にて示されたロボット用肢体駆動機構の内部構造を説明するための図であり、特に、ロボット用肢体駆動機構の内部構造を正面側左斜め上から見た場合の図である。
【図４Ｃ】図３にて示されたロボット用肢体駆動機構の内部構造を説明するための図であり、特に、ロボット用肢体駆動機構の内部構造を背面側左斜め上から見た場合の図である。
【図４Ｄ】図３にて示されたロボット用肢体駆動機構の内部構造を説明するための図であり、特に、ロボット用肢体駆動機構の要部構造を説明するための図である。
【図５】本実施形態に係る腕部として採用されたロボット用肢体駆動機構の動作を説明するための図である。
【図６】本実施形態に係る腕部として採用されたロボット用肢体駆動機構の構成上の条件を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１５】
図１は、本実施形態に係るロボット装置の全体構成を示す外観図である。また、図２Ａは、本実施形態に係るロボット装置の胴体部、左手および左足からカバー類を取り外した状態を示す図であり、特に、正面視を示している。さらに、図２Ｂは、図２Ａで示した本実施形態に係るロボット装置の右側面視を示す図である。
【００１６】
本実施形態に係るロボット装置１０は、家事ロボットとして製作されたものであり、胴体部１１と、胴体部１１の下方に設置された下肢としての２本の脚部１２と、胴体部１１の上方側面に設置された上肢としての２本の腕部１３と、胴体部１１の上方に設置された１個の頭部１４と、を含んで構成されている。
【００１７】
本実施形態に係る移動ロボット１０は、外部からの押圧力などの外乱がなければ、電源を切った状態であっても図１に示すような直立状態を維持できるように構成されている。特に、２本の脚部１２は、停止時においては常に直線的に伸びた状態となるように構成されているので、安全性および安定性に優れた構成となっている。また、２本の脚部１２による２足歩行時には、２本の脚部１２による足踏み動作が実行されることとなる。そして、移動ロボット１０が２足歩行を行うときには、２本の脚部１２による足踏み動作を実行する。
【００１８】
一方、２本の腕部１３は、胴体部１１の周囲で自在に移動できるようになっており、電源を切った状態では、図１に示すように２本の腕部１３が下方に垂れ下がった状態となるように構成されている。さらに、腕部１３の先端には手部１３ａが設置されているので、この手部１３ａを利用することで物を掴んだり摘まんだりすることが可能となっている。
【００１９】
また、頭部１４および胴体部１１には、それぞれにＣＣＤカメラ１５が設置されている。このＣＣＤカメラ１５によって、ロボット装置１０の周囲の状況を画像データとして収集することが可能となっている。
【００２０】
そして、このロボット装置１０は、遠隔操作可能に構成されたロボットであり、離れた位置にある図示しない操作マニピュレータを操作者が操作することで、操作マニピュレータの動きに応じた動作をロボット装置１０が実行できるようになっている。したがって、操作者は、インターネット回線等の無線通信手段やロボット装置１０に設置されたＣＣＤカメラ１５等を介して、遠隔地に居ながらにしてロボット装置１０の周囲の状況を把握でき、ロボット装置１０の操作ができるようになっている。
【００２１】
なお、図２Ａ等にて示されるように、本実施形態に係るロボット装置１０は、胴体部１１や頭部１４等の上半身に設置される部材の重量が非常に軽量化されて構成されている。また、上述したように、電源を切った状態であっても安定して直立を維持できるように構成されているので、姿勢維持のための制御が不要であるという利点を有している。したがって、本実施形態に係るロボット装置１０は、従来の２足歩行ロボットのように多数のセンサ類や制御手段を必要としないので、安価に製作することができるという利点を有している。
【００２２】
以上、本実施形態に係るロボット装置１０の全体構成を説明した。次に、図３〜図４Ｄを用いて、上述した種々の利点を実現するために採用された腕部１３の具体的な構成についての説明を行う。ここで、図３は、本実施形態に係る腕部１３として採用されたロボット用肢体駆動機構の基本構成を示す要部外観図である。また、図４Ａ〜図４Ｄは、図３にて示されたロボット用肢体駆動機構の内部構造を説明するための図であり、特に、図４Ａはロボット用肢体駆動機構の内部構造を正面から見た場合の図であり、図４Ｂはロボット用肢体駆動機構の内部構造を正面側左斜め上から見た場合の図であり、図４Ｃはロボット用肢体駆動機構の内部構造を背面側左斜め上から見た場合の図であり、図４Ｄはロボット用肢体駆動機構の要部構造を説明するための図である。
【００２３】
本実施形態に係る腕部１３は、図３〜図４Ｄにて示されるように、胴体部１１に対して可動自在に設置される肢体支持部材２１と、この肢体支持部材２１に対して設置される可動肢体２２と、を有して構成されている。
【００２４】
肢体支持部材２１は、人体において上腕部を支える鎖骨および肩甲骨のような機能を発揮する部材であり、図４Ｂおよび図４Ｃ等から明らかな通り、胴体部１１の上方側面に対して取り付けられた概略中空枠体形状を有する部材である。この肢体支持部材２１は、剛性の高い金属材料から構成されており、外部から加わる衝撃力に強い材料にて構成されている。また、肢体支持部材２１は、胴体部１１に固定設置されるとともに胴体部１１の上方側面から側面外側に突き出した軸部材２１ａによって、胴体部１１に対して傾動自在に接続されている。すなわち、肢体支持部材２１は、軸部材２１ａを回動中心として胴体部１１の側面で前後方向に傾動することが可能となっている。この傾動方向を図面を用いて確認的に説明すると、肢体支持部材２１の傾動方向は、図４Ａにおける紙面手前側から紙面奥側に向かう方向である（当然ながら、その逆方向も含む。）。なお、上述したように、軸部材２１ａは、胴体部１１に対して固定設置された部材であり、軸部材２１ａにおいて胴体部１１外側に向けて突き出した側の軸端部側に対して肢体支持部材２１が取り付けられており、さらに、肢体支持部材２１は軸部材２１ａに対して自由状態で接続されている。したがって、肢体支持部材２１は、軸部材２１ａの軸中心を傾動中心として胴体部１１の前方や下方、あるいは後方へと自由にその向きを変更できるように構成されている。
【００２５】
また、肢体支持部材２１は、中空枠体形状をしている関係から、軸部材２１ａの軸端部と軸中央部という２箇所の位置で軸部材２１ａによって支えられる構成となっている。従来の一般的なロボットのアーム類は、１点支持されたものが殆どであったため、その１点に力が加わると、この外力を支えられなくなって破損等を起こしてしまうという問題が存在していたが、本実施形態に係る肢体支持部材２１は、軸部材２１ａによって２点支持されているので、外力等に対して非常に強固であるという優位な特徴を有している。
【００２６】
一方、胴体部１１には、肢体支持部材２１に対して駆動力を及ぼすアクチュエータとしてのサーボモータ２４が固定設置されている。このサーボモータ２４は、図４Ａにて詳細に示されるように、胴体部１１の内部であって、ちょうど軸部材２１ａの下方の位置に設置されている。さらに、サーボモータ２４が有するモータ軸２４ａについては、図３および図４Ｄに示されているように、胴体部１１における軸部材２１ａ設置位置の下方の位置に設置されるとともに、モータ軸２４ａの軸方向が、軸部材２１ａの軸方向と同じ方向を向くように構成されている。
【００２７】
そして、サーボモータ２４のモータ軸２４ａと、肢体支持部材２１とは、リンク部材２３によってリンク接続されている（特に、図４Ｄ参照。）。このリンク部材２３は、２つのリンク２３ａ，２３ｃと、これら２つのリンク２３ａ，２３ｃを可動自在に接続する１つのジョイント２３ｂとから構成されている。一方のリンク２３ａの端部は、サーボモータ２４のモータ軸２４ａに対して固定接続されており、他方のリンク２３ｃの端部は、肢体支持部材２１の下端部２１ｂの箇所で肢体支持部材２１に対して回動自在な状態で接続されている。なお、肢体支持部材２１における他方のリンク２３ｃ端部との接続箇所である下端部２１ｂは、軸部材２１ａとの接続箇所とは離れた位置に配置されており、胴体部１１を基準として見たときに、その位置が移動しない軸部材２１ａの軸中心を公転中心として、その軸部材２１ａの軸周りで公転移動するように構成されている。
【００２８】
サーボモータ２４のモータ軸２４ａ、リンク部材２３、および肢体支持部材２１は、以上のような接続関係を有しているので、サーボモータ２４が有するモータ軸２４ａが回転駆動すると、モータ軸２４ａは、リンク部材２３が備える一方のリンク２３ａに対して傾動動作を実行させることとなる。ここで、リンク部材２３は、サーボモータ２４のモータ軸２４ａと、肢体支持部材２１の下端部２１ｂとをリンク接続しているので、一方のリンク２３ａが傾動すると、この傾動動作に応じて２つのリンク２３ａ，２３ｃが折り畳まれたり突っ張ったりすることとなる。モータ軸２４ａが、図４Ｄを紙面に垂直な方向で見た場合の反時計回りで回転駆動されると、２つのリンク２３ａ，２３ｃは折り畳まれる方向に駆動されることになるので、サーボモータ２４のモータ軸２４ａと、肢体支持部材２１の下端部２１ｂとの間の距離は、短くなっていく。かかる動作によって、肢体支持部材２１は、軸部材２１ａを傾動中心として胴体部１１に対して下方を向くように傾動動作を行うこととなる。これにより、肢体支持部材２１に対して設置される可動肢体２２は、胴体部１１に対して下方を向くこととなる（なお、可動肢体２２の詳細は、後述する。）。
【００２９】
これとは逆に、モータ軸２４ａが、図４Ｄを紙面に垂直な方向で見た場合の時計回りで回転駆動されると、２つのリンク２３ａ，２３ｃは突っ張る方向に駆動されることになるので、サーボモータ２４のモータ軸２４ａと、肢体支持部材２１の下端部２１ｂとの間の距離は、拡大していく。かかる動作によって、肢体支持部材２１は、軸部材２１ａを傾動中心として胴体部１１に対して前方から上方を向くように傾動動作を行うこととなる。これにより、肢体支持部材２１に対して設置される可動肢体２２は、胴体部１１に対して前方又は上方を向くこととなる。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態に係る肢体支持部材２１は、胴体部１１内部に設置されたサーボモータ２４から及ぼされる駆動力を、リンク部材２３を介して伝達されることで、胴体部１１に対して軸部材２１ａを傾動中心として傾動動作を行うことができるようになっている。
【００３１】
次に、肢体支持部材２１に設置される可動肢体２２についての説明を行う。この可動肢体２２は、人体において上腕部に相当する部材である。
【００３２】
可動肢体２２は、肢体支持部材２１のみに対して可動自在に接続する部材である。可動肢体２２は、可動肢体２２と肢体支持部材２１との接続箇所に可動肢体用サーボモータ２２ａを備えている。可動肢体２２が有する可動肢体用サーボモータ２２ａのモータ軸２２ａ１が回転駆動することで、可動肢体２２は肢体支持部材２１に対する傾動動作が可能となっている。
【００３３】
ここで、肢体支持部材２１に対する可動肢体２２の具体的な接続構造を、図４Ａ〜図４Ｃを用いて説明すると、可動肢体２２における肢体支持部材２１との接続側端部には、可動肢体用サーボモータ２２ａが設置されている。この可動肢体用サーボモータ２２ａが備えるモータ軸２２ａ１は、可動肢体２２の前後方向、すなわち、図４Ａにおける紙面手前方向と紙面奥方向に突出している。一方、肢体支持部材２１には、モータ軸２２ａ１を軸支する軸受部２１ｃが形成されており、肢体支持部材２１に対する可動肢体２２の回動自在な状態での接続状態を実現している。
【００３４】
モータ軸２２ａ１を軸支する軸受部２１ｃは、肢体支持部材２１の略中央部分、すなわち、上述した軸部材２１ａと下端部２１ｂとの略中間位置に設置されている。また、可動肢体用サーボモータ２２ａのモータ軸２２ａ１は、その軸方向が軸部材２１ａの軸方向とは直交する方向に向くように構成されている。この構成をより具体的に説明すると、軸部材２１ａの軸方向は、胴体部１１の側面から側面外方に向いており、したがって胴体部１１の横方向に向いている。これに対して、モータ軸２２ａ１の軸方向は、胴体部１１の側面に対して前後方向に向いており、またその軸中心は、肢体支持部材２１を図４Ａのように正面から見たときに、肢体支持部材２１の略中央位置に配置されている。つまり、モータ軸２２ａ１の軸中心は、胴体部１１の横方向の位置に胴体部から離れて配置されている。したがって、軸部材２１ａの軸方向とモータ軸２２ａ１の軸方向とは、互いに交差しない状態で直交関係となるように構成されている。
【００３５】
肢体支持部材２１に対する可動肢体２２の接続が上述した構成となっているので、肢体支持部材２１は、胴体部１１に対して前方、下方、および後方を向くように傾動動作が行われるものであったが、可動肢体２２は、肢体支持部材２１の傾動方向とは直交する方向、すなわち、胴体部１１に対して下方から横方向を向くように傾動動作が実行されるよう構成されている。
【００３６】
なお、肢体支持部材２１については、可動肢体２２が設置される箇所において、可動肢体２２よりも大きい外郭形状を備えるように構成されている。すなわち、肢体支持部材２１と可動肢体２２との接続箇所においては、肢体支持部材２１が可動肢体２２を覆うことができるように両部材の外郭形状が構成されている。また、上述したように、肢体支持部材２１は、外部からの衝撃力等に対して十分な耐力を有するように、鋼材等の強度の高い材料によって構成されている。さらに、これも上述したように、肢体支持部材２１は、その外郭形状が中空枠体形状をしているが故に、軸部材２１ａによって２点支持されていることから、外力等に対して非常に強固であるという優位な特徴を有している。したがって、仮にロボット装置１０が転倒してしまった場合であっても、高強度材からなるとともに軸部材２１ａによって２点支持されることで外力に対して非常に強い構造を有する肢体支持部材２１が、転倒の際に生じる衝撃力のほとんど全てを引き受けることになるので、可動肢体２２が壊れてしまうといった不具合を好適に防止することが可能となっている。特に、本実施形態に係る可動肢体２２の場合、軽量化を優先した構成が採用されているが、肢体支持部材２１が好適に可動肢体２２を保護しているので、全体としては外部からの衝撃に強いロボット装置１０が実現されている。
【００３７】
以上、本実施形態に係る腕部１３として採用されたロボット用肢体駆動機構の基本構成を説明した。次に、図５を参照図面に加えることで、本実施形態に係る腕部１３の動作を説明することとする。なお、図５は、本実施形態に係る腕部１３として採用されたロボット用肢体駆動機構の動作を説明するための図である。
【００３８】
本実施形態において、可動肢体２２は、初期状態において下方を向くように構成されている（図５中の（ａ）参照）。そして、可動肢体２２を胴体部１１に対して下方から前方へ、さらに前方から上方へと傾動させたいときには、胴体部１１内に設置されたサーボモータ２４のモータ軸２４ａを図５の紙面に垂直な方向で見たときに時計回りとなるように回転駆動させる。モータ軸２４ａが時計回りに回転駆動すると、リンク部材２３の一部を構成するとともにモータ軸２４ａに固定接続された一方のリンク２３ａが時計回りに回転駆動されることとなる。リンク部材２３は、２つのリンク２３ａ，２３ｃと、これら２つのリンク２３ａ，２３ｃを可動自在に接続する１つのジョイント２３ｂとから構成されているので、一方のリンク２３ａが時計回りに回転駆動すると、その回転駆動力はジョイント２３ｂを介して他方のリンク２３ｃへと伝達されることとなる。このとき、他方のリンク２３ｃにおけるジョイント２３ｂ接続部とは逆側の端部は、肢体支持部材２１の下端部２１ｂの箇所で肢体支持部材２１に対して回動自在な状態で接続されているので、結果的にモータ軸２４ａの回転駆動力は肢体支持部材２１へと伝達され、肢体支持部材２１は軸部材２１ａの軸中心を回転中心として胴体部１１の下方から前方、さらに上方へと傾動することとなる。つまり、初期状態において下方を向いていた肢体支持部材２１は、モータ軸２４ａが時計回りに回転駆動されることによりその回転駆動力をリンク部材２３を介して受けるが、このとき２つのリンク２３ａ，２３ｃは突っ張る方向に駆動されることになるので、サーボモータ２４のモータ軸２４ａと、肢体支持部材２１の下端部２１ｂとの間の距離は拡大していき、このリンク部材２３の突っ張り動作によって、肢体支持部材２１は、軸部材２１ａを傾動中心として胴体部１１に対して下方から前方へ、さらには上方を向くように傾動動作を行うこととなる。これにより、肢体支持部材２１に対して設置される可動肢体２２は、図５中の（ａ）から（ｂ）、そして（ｃ）の状態へと傾動し、胴体部１１に対して前方又は上方を向くこととなる。
【００３９】
上述したように、サーボモータ２４の駆動力は、サーボモータ２４のモータ軸２４ａからリンク部材２３を介して肢体支持部材２１に伝達されることとなるが、このリンク部材２３は、肢体支持部材２１が上方に向けて傾動することで可動肢体２２が傾動し、ちょうど図５中の（ｃ）で示されるように腕を持ち上げた状態となったときに、リンク部材２３を構成する２つのリンク２３ａ，２３ｃが突っ張り状態となるように構成されている。なお、ここでいう「突っ張り状態」とは、リンク部材２３を構成する２つのリンク２３ａ，２３ｃが略直列に配置された状態を説明した語であり、リンク部材２３が、略直列に配置された２つのリンク２３ａ，２３ｃの配列方向（長手方向）に加わる外力を受け止め、好適に支持することができる状態を示している。リンク部材２３をこのように構成したのは、可動肢体２２が上方に移動したときに、サーボモータ２４に加わる負荷が大きくなってしまうことを考慮したものであり、突っ張り状態となるリンク部材２３によってサーボモータ２４を補助させることを目的としたものである。すなわち、リンク部材２３を構成する２つのリンク２３ａ，２３ｃが突っ張り状態となることで、２つのリンク２３ａ，２３ｃが略直列に配置されるので、リンク部材２３がサーボモータ２４のモータ軸２４ａから肢体支持部材２１の下端部２１ｂに向けて突っ張り力を及ぼすこととなり、上方に向けて傾動した可動肢体２２を略直列に配置されたリンク部材２３が支えることになる。このようなリンク部材２３の作用によって、サーボモータ２４に加わる負荷を低減させることが可能となるとともに、可動肢体２２の上向きの状態を安定して維持することが可能となる。
【００４０】
一方、図５中の（ｃ）で示す状態から胴体部１１内に設置されたサーボモータ２４のモータ軸２４ａを図５の紙面に垂直な方向で見たときに反時計回りとなるように回転駆動させると、リンク部材２３の一部を構成するとともにモータ軸２４ａに固定接続された一方のリンク２３ａが反時計回りに回転駆動されることとなる。すると、一方のリンク２３ａに対して及ぼされた反時計回りの回転駆動力は、他方のリンク２３ｃを介して肢体支持部材２１に対して及ぼされる。このとき、２つのリンク２３ａ，２３ｃは折り畳まれる方向に駆動されることになるので、サーボモータ２４のモータ軸２４ａと、肢体支持部材２１の下端部２１ｂとの間の距離は、短くなっていく。その結果、モータ軸２４ａの反時計回りでの回転駆動力は、肢体支持部材２１へと伝達され、肢体支持部材２１は軸部材２１ａの軸中心を回転中心として胴体部１１の上方から前方、さらに下方へと傾動することとなる。かかる動作によって、肢体支持部材２１は、図５中の（ｃ）から（ｂ）、そして（ａ）の状態へと傾動し、軸部材２１ａを傾動中心として胴体部１１に対して下方を向くように傾動動作を行うこととなる。これにより、肢体支持部材２１に対して設置される可動肢体２２は、胴体部１１に対して下方を向くこととなる。
【００４１】
また別に、可動肢体２２を胴体部１１に対して横方向に向けて傾動させたいときには、可動肢体２２と肢体支持部材２１との接続箇所に設置された可動肢体用サーボモータ２２ａを駆動させることで、肢体支持部材２１に対する可動肢体２２の横方向での傾動動作を実施させることができる。具体的には、肢体支持部材２１を初期状態として、可動肢体用サーボモータ２２ａのみを駆動させれば、可動肢体用サーボモータ２２ａが備えるモータ軸２２ａ１の作用によって、図２Ａのロボット左半身にて示すように、可動肢体２２を横方向に傾動させることができ、ロボット装置１０が上腕を横方向に水平に伸ばしたような動作を実現することができる。ちなみに、本実施形態に係る可動肢体２２については、胴体部１１に対して水平な方向からさらに上方に向けて傾動させて、可動肢体２２を斜め上方向へと傾動させることも可能である。
【００４２】
なお、可動肢体２２には、手部１３ａの他にも種々のアクチュエータを設置することができるので、このような可動肢体２２に設置可能な種々のアクチュエータと、胴体部１１内に設置されたサーボモータ２４、および可動肢体２２と肢体支持部材２１との接続箇所に設置された可動肢体用サーボモータ２２ａとを好適に制御することによって、人の上腕の動きに近似した動作を可動肢体２２で実現することが可能となる。
【００４３】
また、本実施形態に係る腕部１３として採用されたロボット用肢体駆動機構の構成上の条件として、図６に示すように、
リンク２３ａのリンク長を「ａ」、
リンク２３ａに生じるモーメントを「Ｍａ」、
リンク２３ａの可動角を「θａ」、
肢体支持部材２１のリンクとして機能する箇所のリンク長を「ｂ」、
肢体支持部材２１に生じるモーメントを「Ｍｂ」、
肢体支持部材２１の可動角を「θｂ」、
と定義したときに、以下の表に示す関係を満たすように構成することが必要である。この表の条件を満足する構成をロボット用肢体駆動機構に採用することにより、上述した本実施形態と同様の好適な動作を実現することが可能となる。
【００４４】
【表１】
【００４５】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。
【００４６】
例えば、上述した本実施形態に係るロボット装置１０では、本発明のロボット用肢体駆動機構を上肢として機能する可動肢体に適用した場合を例示した。しかしながら、本発明のロボット用肢体駆動機構については、ロボット装置が備える複数本の可動肢体のうちのどのような用途に用いられるものに対しても適用することが可能である。すなわち、本発明のロボット用肢体駆動機構は、上肢や下肢のほか、蜘蛛型ロボットのようにロボットの体幹に対して多数設置する場合の可動肢体としても採用することが可能である。
【００４７】
また、上述した本実施形態のリンク部材２３は、２つのリンク２３ａ，２３ｃと、これら２つのリンク２３ａ，２３ｃを可動自在に接続する１つのジョイント２３ｂとから構成されていた。しかしながら、本発明のリンク部材は、上述した実施形態のものには限られない。例えば、上述した本実施形態が奏する作用効果と同様の作用効果を発揮することを条件として、リンク部材を構成するリンクの数を３つ以上としてもよい。
【００４８】
その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００４９】
１０ ロボット装置、１１ 胴体部、１２ 脚部、１３ 腕部、１３ａ 手部、１４ 頭部、１５ ＣＣＤカメラ、２１ 肢体支持部材、２１ａ 軸部材、２１ｂ 下端部、２１ｃ 軸受部、２２ 可動肢体、２２ａ 可動肢体用サーボモータ、２２ａ１ モータ軸、２３ リンク部材、２３ａ，２３ｃ リンク、２３ｂ ジョイント、２４ サーボモータ、２４ａ モータ軸。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット用肢体駆動機構、およびこの肢体駆動機構を用いたロボット装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、２足歩行を行う人型ロボットや４足歩行を行う動物型ロボットなどのように、人や動物の形状と動作を模したロボット装置の開発が活発化している。この種のロボット装置では、一般に各肢体の関節の動きを複数個のアクチュエータで実現することが行われている。
【０００３】
また、一般的なロボット装置の動作制御手段には、ロボットの体幹に設置されることで体幹の姿勢角や加速度を検出するセンサ群と、これらセンサ群からの信号に基づいて動作可能なエンコーダ付きのモータが利用されている。センサ群を用いることによって、ロボットの姿勢および上半身の重心位置を計測することができるので、その計測データに基づいて各関節のモータを動作制御すれば、ロボット装置全体の動作制御が可能となるわけである。
【０００４】
なお、この種のロボット装置に関する技術を開示する先行技術文献として、例えば、下記特許文献１が存在している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−３０５５８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上掲した特許文献１に代表される従来のロボット装置では、上体の動作で遊脚の反動を打ち消すなど、上半身の作用によって歩行の安定化が図られていたため、特に初期のロボット装置には、腕などの上肢を持たないものが大半であった。したがって、上半身に設置された上肢によって作業を行うロボット装置を作成することは、容易ではなかった。
【０００７】
一方、近年に至って、上半身に設置された上肢によって作業を行うロボット装置の開発が進められてはいるが、この種のロボット装置の動作制御には、多数のセンサに基づいた大量のデータ処理が必要となってしまう。したがって、従来のロボット装置には、非常に複雑な制御手段が必要となり、その結果として膨大な製造コストを要してしまうという問題が存在していた。
【０００８】
また、従来のロボット装置では、アクチュエータとしてのモータが各関節に対して設置されていたので、関節部が大きくなってしまうという問題が存在していた。特に、上半身に設置された上肢に対してモータを設置すると、上肢自体の重量が大きくなってしまうので、例えば上肢を上方に持ち上げるといった動作については、モータに対して大きな負荷を与えてしまうこととなる。したがって、従来のロボット装置にとって、上肢を上方に持ち上げてその状態を長時間安定的に維持することは、事実上不可能であった。
【０００９】
本発明は、上述した従来技術に存在する種々の問題点に鑑みて成されたものであって、その目的は、複雑な制御が不要でありながらも安定した動作が可能であり、また、低コストで製造可能であり、さらに、上肢を上方に持ち上げてその状態を長時間安定的に維持するなどといった従来のロボット装置では実現できなかった動作を実現することが可能な、全く新しいロボット装置と、このロボット装置に対して適用可能なロボット用肢体駆動機構とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るロボット用肢体駆動機構は、胴体部と、前記胴体部に対して可動自在に設置される肢体支持部材と、前記肢体支持部材に対して設置される可動肢体と、前記胴体部に固定設置されて駆動力を及ぼすアクチュエータと、複数のリンクと、当該複数のリンクを可動自在に接続するジョイントとから構成され、一端側のリンクが前記アクチュエータに接続し、他端側のリンクが前記肢体支持部材と接続することで、前記アクチュエータと前記肢体支持部材とをリンク接続するリンク部材と、を備え、前記アクチュエータから及ぼされる駆動力が、前記リンク部材を介して前記肢体支持部材に伝達されることを特徴とするものである。
【００１１】
また、胴体部に連結された複数本の可動肢体を有し、前記複数本の可動肢体のうち、下肢として機能する可動肢体を用いることで、任意の移動面上を歩行可能とされるロボット装置において、上肢として機能する可動肢体を、上述したロボット用肢体駆動機構によって構成することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、複雑な制御が不要でありながらも安定した動作が可能であり、また、低コストで製造可能であり、さらに、上肢を上方に持ち上げてその状態を長時間安定的に維持するなどといった従来のロボット装置では実現できなかった動作を実現することが可能な、全く新しいロボット装置と、このロボット装置に対して適用可能なロボット用肢体駆動機構とを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係るロボット装置の全体構成を示す外観図である。
【図２Ａ】本実施形態に係るロボット装置の胴体部、左手および左足からカバー類を取り外した状態を示す図であり、特に、正面視を示している。
【図２Ｂ】図２Ａで示した本実施形態に係るロボット装置の右側面視を示す図である。
【図３】本実施形態に係る腕部として採用されたロボット用肢体駆動機構の基本構成を示す要部外観図である。
【図４Ａ】図３にて示されたロボット用肢体駆動機構の内部構造を説明するための図であり、特に、ロボット用肢体駆動機構の内部構造を正面から見た場合の図である。
【図４Ｂ】図３にて示されたロボット用肢体駆動機構の内部構造を説明するための図であり、特に、ロボット用肢体駆動機構の内部構造を正面側左斜め上から見た場合の図である。
【図４Ｃ】図３にて示されたロボット用肢体駆動機構の内部構造を説明するための図であり、特に、ロボット用肢体駆動機構の内部構造を背面側左斜め上から見た場合の図である。
【図４Ｄ】図３にて示されたロボット用肢体駆動機構の内部構造を説明するための図であり、特に、ロボット用肢体駆動機構の要部構造を説明するための図である。
【図５】本実施形態に係る腕部として採用されたロボット用肢体駆動機構の動作を説明するための図である。
【図６】本実施形態に係る腕部として採用されたロボット用肢体駆動機構の構成上の条件を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１５】
図１は、本実施形態に係るロボット装置の全体構成を示す外観図である。また、図２Ａは、本実施形態に係るロボット装置の胴体部、左手および左足からカバー類を取り外した状態を示す図であり、特に、正面視を示している。さらに、図２Ｂは、図２Ａで示した本実施形態に係るロボット装置の右側面視を示す図である。
【００１６】
本実施形態に係るロボット装置１０は、家事ロボットとして製作されたものであり、胴体部１１と、胴体部１１の下方に設置された下肢としての２本の脚部１２と、胴体部１１の上方側面に設置された上肢としての２本の腕部１３と、胴体部１１の上方に設置された１個の頭部１４と、を含んで構成されている。
【００１７】
本実施形態に係る移動ロボット１０は、外部からの押圧力などの外乱がなければ、電源を切った状態であっても図１に示すような直立状態を維持できるように構成されている。特に、２本の脚部１２は、停止時においては常に直線的に伸びた状態となるように構成されているので、安全性および安定性に優れた構成となっている。また、２本の脚部１２による２足歩行時には、２本の脚部１２による足踏み動作が実行されることとなる。そして、移動ロボット１０が２足歩行を行うときには、２本の脚部１２による足踏み動作を実行する。
【００１８】
一方、２本の腕部１３は、胴体部１１の周囲で自在に移動できるようになっており、電源を切った状態では、図１に示すように２本の腕部１３が下方に垂れ下がった状態となるように構成されている。さらに、腕部１３の先端には手部１３ａが設置されているので、この手部１３ａを利用することで物を掴んだり摘まんだりすることが可能となっている。
【００１９】
また、頭部１４および胴体部１１には、それぞれにＣＣＤカメラ１５が設置されている。このＣＣＤカメラ１５によって、ロボット装置１０の周囲の状況を画像データとして収集することが可能となっている。
【００２０】
そして、このロボット装置１０は、遠隔操作可能に構成されたロボットであり、離れた位置にある図示しない操作マニピュレータを操作者が操作することで、操作マニピュレータの動きに応じた動作をロボット装置１０が実行できるようになっている。したがって、操作者は、インターネット回線等の無線通信手段やロボット装置１０に設置されたＣＣＤカメラ１５等を介して、遠隔地に居ながらにしてロボット装置１０の周囲の状況を把握でき、ロボット装置１０の操作ができるようになっている。
【００２１】
なお、図２Ａ等にて示されるように、本実施形態に係るロボット装置１０は、胴体部１１や頭部１４等の上半身に設置される部材の重量が非常に軽量化されて構成されている。また、上述したように、電源を切った状態であっても安定して直立を維持できるように構成されているので、姿勢維持のための制御が不要であるという利点を有している。したがって、本実施形態に係るロボット装置１０は、従来の２足歩行ロボットのように多数のセンサ類や制御手段を必要としないので、安価に製作することができるという利点を有している。
【００２２】
以上、本実施形態に係るロボット装置１０の全体構成を説明した。次に、図３〜図４Ｄを用いて、上述した種々の利点を実現するために採用された腕部１３の具体的な構成についての説明を行う。ここで、図３は、本実施形態に係る腕部１３として採用されたロボット用肢体駆動機構の基本構成を示す要部外観図である。また、図４Ａ〜図４Ｄは、図３にて示されたロボット用肢体駆動機構の内部構造を説明するための図であり、特に、図４Ａはロボット用肢体駆動機構の内部構造を正面から見た場合の図であり、図４Ｂはロボット用肢体駆動機構の内部構造を正面側左斜め上から見た場合の図であり、図４Ｃはロボット用肢体駆動機構の内部構造を背面側左斜め上から見た場合の図であり、図４Ｄはロボット用肢体駆動機構の要部構造を説明するための図である。
【００２３】
本実施形態に係る腕部１３は、図３〜図４Ｄにて示されるように、胴体部１１に対して可動自在に設置される肢体支持部材２１と、この肢体支持部材２１に対して設置される可動肢体２２と、を有して構成されている。
【００２４】
肢体支持部材２１は、人体において上腕部を支える鎖骨および肩甲骨のような機能を発揮する部材であり、図４Ｂおよび図４Ｃ等から明らかな通り、胴体部１１の上方側面に対して取り付けられた概略中空枠体形状を有する部材である。この肢体支持部材２１は、剛性の高い金属材料から構成されており、外部から加わる衝撃力に強い材料にて構成されている。また、肢体支持部材２１は、胴体部１１に固定設置されるとともに胴体部１１の上方側面から側面外側に突き出した軸部材２１ａによって、胴体部１１に対して傾動自在に接続されている。すなわち、肢体支持部材２１は、軸部材２１ａを回動中心として胴体部１１の側面で前後方向に傾動することが可能となっている。この傾動方向を図面を用いて確認的に説明すると、肢体支持部材２１の傾動方向は、図４Ａにおける紙面手前側から紙面奥側に向かう方向である（当然ながら、その逆方向も含む。）。なお、上述したように、軸部材２１ａは、胴体部１１に対して固定設置された部材であり、軸部材２１ａにおいて胴体部１１外側に向けて突き出した側の軸端部側に対して肢体支持部材２１が取り付けられており、さらに、肢体支持部材２１は軸部材２１ａに対して自由状態で接続されている。したがって、肢体支持部材２１は、軸部材２１ａの軸中心を傾動中心として胴体部１１の前方や下方、あるいは後方へと自由にその向きを変更できるように構成されている。
【００２５】
また、肢体支持部材２１は、中空枠体形状をしている関係から、軸部材２１ａの軸端部と軸中央部という２箇所の位置で軸部材２１ａによって支えられる構成となっている。従来の一般的なロボットのアーム類は、１点支持されたものが殆どであったため、その１点に力が加わると、この外力を支えられなくなって破損等を起こしてしまうという問題が存在していたが、本実施形態に係る肢体支持部材２１は、軸部材２１ａによって２点支持されているので、外力等に対して非常に強固であるという優位な特徴を有している。
【００２６】
一方、胴体部１１には、肢体支持部材２１に対して駆動力を及ぼすアクチュエータとしてのサーボモータ２４が固定設置されている。このサーボモータ２４は、図４Ａにて詳細に示されるように、胴体部１１の内部であって、ちょうど軸部材２１ａの下方の位置に設置されている。さらに、サーボモータ２４が有するモータ軸２４ａについては、図３および図４Ｄに示されているように、胴体部１１における軸部材２１ａ設置位置の下方の位置に設置されるとともに、モータ軸２４ａの軸方向が、軸部材２１ａの軸方向と同じ方向を向くように構成されている。
【００２７】
そして、サーボモータ２４のモータ軸２４ａと、肢体支持部材２１とは、リンク部材２３によってリンク接続されている（特に、図４Ｄ参照。）。このリンク部材２３は、２つのリンク２３ａ，２３ｃと、これら２つのリンク２３ａ，２３ｃを可動自在に接続する１つのジョイント２３ｂとから構成されている。一方のリンク２３ａの端部は、サーボモータ２４のモータ軸２４ａに対して固定接続されており、他方のリンク２３ｃの端部は、肢体支持部材２１の下端部２１ｂの箇所で肢体支持部材２１に対して回動自在な状態で接続されている。なお、肢体支持部材２１における他方のリンク２３ｃ端部との接続箇所である下端部２１ｂは、軸部材２１ａとの接続箇所とは離れた位置に配置されており、胴体部１１を基準として見たときに、その位置が移動しない軸部材２１ａの軸中心を公転中心として、その軸部材２１ａの軸周りで公転移動するように構成されている。
【００２８】
サーボモータ２４のモータ軸２４ａ、リンク部材２３、および肢体支持部材２１は、以上のような接続関係を有しているので、サーボモータ２４が有するモータ軸２４ａが回転駆動すると、モータ軸２４ａは、リンク部材２３が備える一方のリンク２３ａに対して傾動動作を実行させることとなる。ここで、リンク部材２３は、サーボモータ２４のモータ軸２４ａと、肢体支持部材２１の下端部２１ｂとをリンク接続しているので、一方のリンク２３ａが傾動すると、この傾動動作に応じて２つのリンク２３ａ，２３ｃが折り畳まれたり突っ張ったりすることとなる。モータ軸２４ａが、図４Ｄを紙面に垂直な方向で見た場合の反時計回りで回転駆動されると、２つのリンク２３ａ，２３ｃは折り畳まれる方向に駆動されることになるので、サーボモータ２４のモータ軸２４ａと、肢体支持部材２１の下端部２１ｂとの間の距離は、短くなっていく。かかる動作によって、肢体支持部材２１は、軸部材２１ａを傾動中心として胴体部１１に対して下方を向くように傾動動作を行うこととなる。これにより、肢体支持部材２１に対して設置される可動肢体２２は、胴体部１１に対して下方を向くこととなる（なお、可動肢体２２の詳細は、後述する。）。
【００２９】
これとは逆に、モータ軸２４ａが、図４Ｄを紙面に垂直な方向で見た場合の時計回りで回転駆動されると、２つのリンク２３ａ，２３ｃは突っ張る方向に駆動されることになるので、サーボモータ２４のモータ軸２４ａと、肢体支持部材２１の下端部２１ｂとの間の距離は、拡大していく。かかる動作によって、肢体支持部材２１は、軸部材２１ａを傾動中心として胴体部１１に対して前方から上方を向くように傾動動作を行うこととなる。これにより、肢体支持部材２１に対して設置される可動肢体２２は、胴体部１１に対して前方又は上方を向くこととなる。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態に係る肢体支持部材２１は、胴体部１１内部に設置されたサーボモータ２４から及ぼされる駆動力を、リンク部材２３を介して伝達されることで、胴体部１１に対して軸部材２１ａを傾動中心として傾動動作を行うことができるようになっている。
【００３１】
次に、肢体支持部材２１に設置される可動肢体２２についての説明を行う。この可動肢体２２は、人体において上腕部に相当する部材である。
【００３２】
可動肢体２２は、肢体支持部材２１のみに対して可動自在に接続する部材である。可動肢体２２は、可動肢体２２と肢体支持部材２１との接続箇所に可動肢体用サーボモータ２２ａを備えている。可動肢体２２が有する可動肢体用サーボモータ２２ａのモータ軸２２ａ１が回転駆動することで、可動肢体２２は肢体支持部材２１に対する傾動動作が可能となっている。
【００３３】
ここで、肢体支持部材２１に対する可動肢体２２の具体的な接続構造を、図４Ａ〜図４Ｃを用いて説明すると、可動肢体２２における肢体支持部材２１との接続側端部には、可動肢体用サーボモータ２２ａが設置されている。この可動肢体用サーボモータ２２ａが備えるモータ軸２２ａ１は、可動肢体２２の前後方向、すなわち、図４Ａにおける紙面手前方向と紙面奥方向に突出している。一方、肢体支持部材２１には、モータ軸２２ａ１を軸支する軸受部２１ｃが形成されており、肢体支持部材２１に対する可動肢体２２の回動自在な状態での接続状態を実現している。
【００３４】
モータ軸２２ａ１を軸支する軸受部２１ｃは、肢体支持部材２１の略中央部分、すなわち、上述した軸部材２１ａと下端部２１ｂとの略中間位置に設置されている。また、可動肢体用サーボモータ２２ａのモータ軸２２ａ１は、その軸方向が軸部材２１ａの軸方向とは直交する方向に向くように構成されている。この構成をより具体的に説明すると、軸部材２１ａの軸方向は、胴体部１１の側面から側面外方に向いており、したがって胴体部１１の横方向に向いている。これに対して、モータ軸２２ａ１の軸方向は、胴体部１１の側面に対して前後方向に向いており、またその軸中心は、肢体支持部材２１を図４Ａのように正面から見たときに、肢体支持部材２１の略中央位置に配置されている。つまり、モータ軸２２ａ１の軸中心は、胴体部１１の横方向の位置に胴体部から離れて配置されている。したがって、軸部材２１ａの軸方向とモータ軸２２ａ１の軸方向とは、互いに交差しない状態で直交関係となるように構成されている。
【００３５】
肢体支持部材２１に対する可動肢体２２の接続が上述した構成となっているので、肢体支持部材２１は、胴体部１１に対して前方、下方、および後方を向くように傾動動作が行われるものであったが、可動肢体２２は、肢体支持部材２１の傾動方向とは直交する方向、すなわち、胴体部１１に対して下方から横方向を向くように傾動動作が実行されるよう構成されている。
【００３６】
なお、肢体支持部材２１については、可動肢体２２が設置される箇所において、可動肢体２２よりも大きい外郭形状を備えるように構成されている。すなわち、肢体支持部材２１と可動肢体２２との接続箇所においては、肢体支持部材２１が可動肢体２２を覆うことができるように両部材の外郭形状が構成されている。また、上述したように、肢体支持部材２１は、外部からの衝撃力等に対して十分な耐力を有するように、鋼材等の強度の高い材料によって構成されている。さらに、これも上述したように、肢体支持部材２１は、その外郭形状が中空枠体形状をしているが故に、軸部材２１ａによって２点支持されていることから、外力等に対して非常に強固であるという優位な特徴を有している。したがって、仮にロボット装置１０が転倒してしまった場合であっても、高強度材からなるとともに軸部材２１ａによって２点支持されることで外力に対して非常に強い構造を有する肢体支持部材２１が、転倒の際に生じる衝撃力のほとんど全てを引き受けることになるので、可動肢体２２が壊れてしまうといった不具合を好適に防止することが可能となっている。特に、本実施形態に係る可動肢体２２の場合、軽量化を優先した構成が採用されているが、肢体支持部材２１が好適に可動肢体２２を保護しているので、全体としては外部からの衝撃に強いロボット装置１０が実現されている。
【００３７】
以上、本実施形態に係る腕部１３として採用されたロボット用肢体駆動機構の基本構成を説明した。次に、図５を参照図面に加えることで、本実施形態に係る腕部１３の動作を説明することとする。なお、図５は、本実施形態に係る腕部１３として採用されたロボット用肢体駆動機構の動作を説明するための図である。
【００３８】
本実施形態において、可動肢体２２は、初期状態において下方を向くように構成されている（図５中の（ａ）参照）。そして、可動肢体２２を胴体部１１に対して下方から前方へ、さらに前方から上方へと傾動させたいときには、胴体部１１内に設置されたサーボモータ２４のモータ軸２４ａを図５の紙面に垂直な方向で見たときに時計回りとなるように回転駆動させる。モータ軸２４ａが時計回りに回転駆動すると、リンク部材２３の一部を構成するとともにモータ軸２４ａに固定接続された一方のリンク２３ａが時計回りに回転駆動されることとなる。リンク部材２３は、２つのリンク２３ａ，２３ｃと、これら２つのリンク２３ａ，２３ｃを可動自在に接続する１つのジョイント２３ｂとから構成されているので、一方のリンク２３ａが時計回りに回転駆動すると、その回転駆動力はジョイント２３ｂを介して他方のリンク２３ｃへと伝達されることとなる。このとき、他方のリンク２３ｃにおけるジョイント２３ｂ接続部とは逆側の端部は、肢体支持部材２１の下端部２１ｂの箇所で肢体支持部材２１に対して回動自在な状態で接続されているので、結果的にモータ軸２４ａの回転駆動力は肢体支持部材２１へと伝達され、肢体支持部材２１は軸部材２１ａの軸中心を回転中心として胴体部１１の下方から前方、さらに上方へと傾動することとなる。つまり、初期状態において下方を向いていた肢体支持部材２１は、モータ軸２４ａが時計回りに回転駆動されることによりその回転駆動力をリンク部材２３を介して受けるが、このとき２つのリンク２３ａ，２３ｃは突っ張る方向に駆動されることになるので、サーボモータ２４のモータ軸２４ａと、肢体支持部材２１の下端部２１ｂとの間の距離は拡大していき、このリンク部材２３の突っ張り動作によって、肢体支持部材２１は、軸部材２１ａを傾動中心として胴体部１１に対して下方から前方へ、さらには上方を向くように傾動動作を行うこととなる。これにより、肢体支持部材２１に対して設置される可動肢体２２は、図５中の（ａ）から（ｂ）、そして（ｃ）の状態へと傾動し、胴体部１１に対して前方又は上方を向くこととなる。
【００３９】
上述したように、サーボモータ２４の駆動力は、サーボモータ２４のモータ軸２４ａからリンク部材２３を介して肢体支持部材２１に伝達されることとなるが、このリンク部材２３は、肢体支持部材２１が上方に向けて傾動することで可動肢体２２が傾動し、ちょうど図５中の（ｃ）で示されるように腕を持ち上げた状態となったときに、リンク部材２３を構成する２つのリンク２３ａ，２３ｃが突っ張り状態となるように構成されている。なお、ここでいう「突っ張り状態」とは、リンク部材２３を構成する２つのリンク２３ａ，２３ｃが略直列に配置された状態を説明した語であり、リンク部材２３が、略直列に配置された２つのリンク２３ａ，２３ｃの配列方向（長手方向）に加わる外力を受け止め、好適に支持することができる状態を示している。リンク部材２３をこのように構成したのは、可動肢体２２が上方に移動したときに、サーボモータ２４に加わる負荷が大きくなってしまうことを考慮したものであり、突っ張り状態となるリンク部材２３によってサーボモータ２４を補助させることを目的としたものである。すなわち、リンク部材２３を構成する２つのリンク２３ａ，２３ｃが突っ張り状態となることで、２つのリンク２３ａ，２３ｃが略直列に配置されるので、リンク部材２３がサーボモータ２４のモータ軸２４ａから肢体支持部材２１の下端部２１ｂに向けて突っ張り力を及ぼすこととなり、上方に向けて傾動した可動肢体２２を略直列に配置されたリンク部材２３が支えることになる。このようなリンク部材２３の作用によって、サーボモータ２４に加わる負荷を低減させることが可能となるとともに、可動肢体２２の上向きの状態を安定して維持することが可能となる。
【００４０】
一方、図５中の（ｃ）で示す状態から胴体部１１内に設置されたサーボモータ２４のモータ軸２４ａを図５の紙面に垂直な方向で見たときに反時計回りとなるように回転駆動させると、リンク部材２３の一部を構成するとともにモータ軸２４ａに固定接続された一方のリンク２３ａが反時計回りに回転駆動されることとなる。すると、一方のリンク２３ａに対して及ぼされた反時計回りの回転駆動力は、他方のリンク２３ｃを介して肢体支持部材２１に対して及ぼされる。このとき、２つのリンク２３ａ，２３ｃは折り畳まれる方向に駆動されることになるので、サーボモータ２４のモータ軸２４ａと、肢体支持部材２１の下端部２１ｂとの間の距離は、短くなっていく。その結果、モータ軸２４ａの反時計回りでの回転駆動力は、肢体支持部材２１へと伝達され、肢体支持部材２１は軸部材２１ａの軸中心を回転中心として胴体部１１の上方から前方、さらに下方へと傾動することとなる。かかる動作によって、肢体支持部材２１は、図５中の（ｃ）から（ｂ）、そして（ａ）の状態へと傾動し、軸部材２１ａを傾動中心として胴体部１１に対して下方を向くように傾動動作を行うこととなる。これにより、肢体支持部材２１に対して設置される可動肢体２２は、胴体部１１に対して下方を向くこととなる。
【００４１】
また別に、可動肢体２２を胴体部１１に対して横方向に向けて傾動させたいときには、可動肢体２２と肢体支持部材２１との接続箇所に設置された可動肢体用サーボモータ２２ａを駆動させることで、肢体支持部材２１に対する可動肢体２２の横方向での傾動動作を実施させることができる。具体的には、肢体支持部材２１を初期状態として、可動肢体用サーボモータ２２ａのみを駆動させれば、可動肢体用サーボモータ２２ａが備えるモータ軸２２ａ１の作用によって、図２Ａのロボット左半身にて示すように、可動肢体２２を横方向に傾動させることができ、ロボット装置１０が上腕を横方向に水平に伸ばしたような動作を実現することができる。ちなみに、本実施形態に係る可動肢体２２については、胴体部１１に対して水平な方向からさらに上方に向けて傾動させて、可動肢体２２を斜め上方向へと傾動させることも可能である。
【００４２】
なお、可動肢体２２には、手部１３ａの他にも種々のアクチュエータを設置することができるので、このような可動肢体２２に設置可能な種々のアクチュエータと、胴体部１１内に設置されたサーボモータ２４、および可動肢体２２と肢体支持部材２１との接続箇所に設置された可動肢体用サーボモータ２２ａとを好適に制御することによって、人の上腕の動きに近似した動作を可動肢体２２で実現することが可能となる。
【００４３】
また、本実施形態に係る腕部１３として採用されたロボット用肢体駆動機構の構成上の条件として、図６に示すように、
リンク２３ａのリンク長を「ａ」、
リンク２３ａに生じるモーメントを「Ｍａ」、
リンク２３ａの可動角を「θａ」、
肢体支持部材２１のリンクとして機能する箇所のリンク長を「ｂ」、
肢体支持部材２１に生じるモーメントを「Ｍｂ」、
肢体支持部材２１の可動角を「θｂ」、
と定義したときに、以下の表に示す関係を満たすように構成することが必要である。この表の条件を満足する構成をロボット用肢体駆動機構に採用することにより、上述した本実施形態と同様の好適な動作を実現することが可能となる。
【００４４】
【表１】
【００４５】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。
【００４６】
例えば、上述した本実施形態に係るロボット装置１０では、本発明のロボット用肢体駆動機構を上肢として機能する可動肢体に適用した場合を例示した。しかしながら、本発明のロボット用肢体駆動機構については、ロボット装置が備える複数本の可動肢体のうちのどのような用途に用いられるものに対しても適用することが可能である。すなわち、本発明のロボット用肢体駆動機構は、上肢や下肢のほか、蜘蛛型ロボットのようにロボットの体幹に対して多数設置する場合の可動肢体としても採用することが可能である。
【００４７】
また、上述した本実施形態のリンク部材２３は、２つのリンク２３ａ，２３ｃと、これら２つのリンク２３ａ，２３ｃを可動自在に接続する１つのジョイント２３ｂとから構成されていた。しかしながら、本発明のリンク部材は、上述した実施形態のものには限られない。例えば、上述した本実施形態が奏する作用効果と同様の作用効果を発揮することを条件として、リンク部材を構成するリンクの数を３つ以上としてもよい。
【００４８】
その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００４９】
１０ ロボット装置、１１ 胴体部、１２ 脚部、１３ 腕部、１３ａ 手部、１４ 頭部、１５ ＣＣＤカメラ、２１ 肢体支持部材、２１ａ 軸部材、２１ｂ 下端部、２１ｃ 軸受部、２２ 可動肢体、２２ａ 可動肢体用サーボモータ、２２ａ１ モータ軸、２３ リンク部材、２３ａ，２３ｃ リンク、２３ｂ ジョイント、２４ サーボモータ、２４ａ モータ軸。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴体部と、
前記胴体部に対して可動自在に設置される肢体支持部材と、
前記肢体支持部材に対して設置される可動肢体と、
前記胴体部に固定設置されて駆動力を及ぼすアクチュエータと、
複数のリンクと、当該複数のリンクを可動自在に接続するジョイントとから構成され、一端側のリンクが前記アクチュエータに接続し、他端側のリンクが前記肢体支持部材と接続することで、前記アクチュエータと前記肢体支持部材とをリンク接続するリンク部材と、
を備え、
前記アクチュエータから及ぼされる駆動力が、前記リンク部材を介して前記肢体支持部材に伝達されることを特徴とするロボット用肢体駆動機構。
【請求項２】
請求項１に記載のロボット用肢体駆動機構において、
前記リンク部材は、２つのリンクと、これら２つのリンクを可動自在に接続する１つのジョイントとから構成されており、
前記肢体支持部材が前記可動肢体を前記胴体部の上方に向けて傾動させたときに、前記リンク部材を構成する２つのリンクが突っ張り状態となるように構成されていることを特徴とするロボット用肢体駆動機構。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のロボット用肢体駆動機構において、
前記肢体支持部材は、前記可動肢体が設置される箇所において、前記可動肢体よりも大きい外郭形状を備えることを特徴とするロボット用肢体駆動機構。
【請求項４】
胴体部に連結された複数の可動肢体を有し、
前記複数の可動肢体のうち、下肢として機能する可動肢体を用いることで、任意の移動面上を歩行可能とされるロボット装置において、
上肢として機能する可動肢体が、請求項１〜３のいずれか１項に記載のロボット用肢体駆動機構によって構成されていることを特徴とするロボット装置。
【請求項１】
胴体部と、
前記胴体部に対して可動自在に設置される肢体支持部材と、
前記肢体支持部材に対して設置される可動肢体と、
前記胴体部に固定設置されて駆動力を及ぼすアクチュエータと、
複数のリンクと、当該複数のリンクを可動自在に接続するジョイントとから構成され、一端側のリンクが前記アクチュエータに接続し、他端側のリンクが前記肢体支持部材と接続することで、前記アクチュエータと前記肢体支持部材とをリンク接続するリンク部材と、
を備え、
前記アクチュエータから及ぼされる駆動力が、前記リンク部材を介して前記肢体支持部材に伝達されることを特徴とするロボット用肢体駆動機構。
【請求項２】
請求項１に記載のロボット用肢体駆動機構において、
前記リンク部材は、２つのリンクと、これら２つのリンクを可動自在に接続する１つのジョイントとから構成されており、
前記肢体支持部材が前記可動肢体を前記胴体部の上方に向けて傾動させたときに、前記リンク部材を構成する２つのリンクが突っ張り状態となるように構成されていることを特徴とするロボット用肢体駆動機構。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のロボット用肢体駆動機構において、
前記肢体支持部材は、前記可動肢体が設置される箇所において、前記可動肢体よりも大きい外郭形状を備えることを特徴とするロボット用肢体駆動機構。
【請求項４】
胴体部に連結された複数の可動肢体を有し、
前記複数の可動肢体のうち、下肢として機能する可動肢体を用いることで、任意の移動面上を歩行可能とされるロボット装置において、
上肢として機能する可動肢体が、請求項１〜３のいずれか１項に記載のロボット用肢体駆動機構によって構成されていることを特徴とするロボット装置。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５】
【図６】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１４８３６６（Ｐ２０１２−１４８３６６Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８４４４（Ｐ２０１１−８４４４）
【出願日】平成２３年１月１９日（２０１１．１．１９）
【出願人】（３９００２９８０５）ＴＨＫ株式会社 (420)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１９日（２０１１．１．１９）
【出願人】（３９００２９８０５）ＴＨＫ株式会社 (420)
【Ｆターム（参考）】
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