可変剛性を有する関節機構
【課題】ロボットアームに搭載可能で、耐久性が高く、弾性部材の劣化による影響を抑えることができる、可変剛性を有する関節機構を提供する。
【解決手段】アームが、前腕伝達機構４２および前腕モデル３から成り、関節軸４１ａを中心として回転可能に、上腕２に設けられている。前腕伝達機構４２は、長さ方向に沿った中央レール溝４２ｄおよびサイドレール溝４２ｅを有する。各溝４２ｄ，４２ｅは、関節軸４１ａからモデルパイプ３１の長さ方向に対して垂直方向に所定の距離をあけて設けられている。弾性部材４３ｆが、線形性を有し、付勢力が常に関節軸４１ａに向くよう、関節軸４１ａを中心として回転可能に上腕２に設けられている。各弾性部材４３ｆは、関節軸４１ａを中心として回転するとき、関節軸４１ａ側の一端が各溝４２ｄ，４２ｅに沿ってスライドし、他端と関節軸４１ａとの距離が一定に保持されるよう構成されている。
【解決手段】アームが、前腕伝達機構４２および前腕モデル３から成り、関節軸４１ａを中心として回転可能に、上腕２に設けられている。前腕伝達機構４２は、長さ方向に沿った中央レール溝４２ｄおよびサイドレール溝４２ｅを有する。各溝４２ｄ，４２ｅは、関節軸４１ａからモデルパイプ３１の長さ方向に対して垂直方向に所定の距離をあけて設けられている。弾性部材４３ｆが、線形性を有し、付勢力が常に関節軸４１ａに向くよう、関節軸４１ａを中心として回転可能に上腕２に設けられている。各弾性部材４３ｆは、関節軸４１ａを中心として回転するとき、関節軸４１ａ側の一端が各溝４２ｄ，４２ｅに沿ってスライドし、他端と関節軸４１ａとの距離が一定に保持されるよう構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変剛性を有する関節機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のロボットアームでは、アクチュエータが直接アームに取り付いていたため、能動的あるいは受動的な衝撃力をアームが受けた場合、アクチュエータにもその衝撃力が伝播してしまい、アクチュエータの劣化や破損を引き起こすという問題があった。この問題を解決するため、アクチュエータとアームとの間に弾性要素を組み込んで、その衝撃力を弾性要素によって吸収させ、緩和させることが考えられる。しかしながら、ただ単に弾性要素を組み込んだのでは柔らかい関節になってしまい、荷物を運ぶというような力を強く入れる作業ができなくなる。また、柔らかい関節ゆえに、手先が振動的になり、細かい作業もできなくなる。
【０００３】
また、ロボットは、力作業を行う場合には、高剛性であることが要求される。一方で、福祉や介護の現場では、人間との物理的な接触を伴うため、できるだけ低剛性であることが望ましい。このように、関節の剛性を任意に可変できることは、人間と物理的接触を伴う可能性のある福祉分野や介護分野のロボットにとって、必要性が大きい。このため、その実現により、ロボットが人間と円滑なコミュニケーションを取れるようになることが期待できる。また、ロボットが外界から衝撃力を受けるような作業において、その時に剛性を低くして発生する衝撃を緩和させ、ロボットを保護することもできる。
【０００４】
そこで、ロボットの関節の剛性を変化させる方法として、ソフトウェア制御によるものや、機械要素の組み合わせや材料の特性を利用した機構によるものが提案されている。しかし、ソフトウェアによって剛性を変化させる場合、関節部に高減速比の減速器を持つ一般的なロボットでは、減速器内の高い摩擦力によって低剛性を実現することができない。また、力センサで外力を検出し、検出される力に応じて見かけ上の剛性を変化させる手法も一般的に行われているが、力センサで力を検出してからロボットを動作させるため時間遅れが生じ、瞬間的な衝撃力を緩和することはできない。
【０００５】
そこで、減速器の出力側に可変剛性機構を設けることにより、ソフトウェア制御によらずとも、急激な衝撃に対処することができ、高剛性および低剛性の両方を実現することもできる。このようなものとして、剛性可変機構を有し、医療補助器具の一環として用いられる駆動装置（例えば、特許文献１参照）や、網目状外装チューブ部材内に棒状の弾性部材が内装され、引張りに対する剛性の調整が容易なばね装置（例えば、特許文献２参照）がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１０５６０９号公報
【特許文献２】特開２００４−１６９７９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の駆動装置は、膝関節リハビリ用であり、地面に設置して用いるため、機構の重量やサイズの制限を受けずに設計することができる。このため、ロボットアーム等の重量やサイズの制限を受ける機構に搭載することはできないという課題があった。また、特許文献２に記載のばね装置は、軽量化の面では優れているが、素材が柔軟体であるため、使用時間に対する劣化が著しく、耐久性に劣るという課題があった。特許文献１に記載の駆動装置および特許文献２に記載のばね装置は、非線形ばねを用いて剛性を可変にする機構となっているため、ばねの疲労による劣化が直接、非線形特性に影響し、結果として可変剛性の特性劣化として影響を及ぼすという課題もあった。
【０００８】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、ロボットアームに搭載可能で、耐久性が高く、弾性部材の劣化による影響を抑えることができる、可変剛性を有する関節機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係る可変剛性を有する関節機構は、支持部材とアームと弾性部材とを有し、前記アームは長さ方向に対して垂直な回転軸を中心として回転可能に前記支持部材に設けられ、前記弾性部材は線形性を有し、前記回転軸に向かう付勢力を前記アームに作用させるとともに、前記付勢力の向きと前記アームとの成す角度を変更可能に前記支持部材に設けられ、前記付勢力の向きと前記アームとの成す角度に応じて、前記付勢力の大きさが変化して前記回転軸の剛性が非線形に変化するよう構成されていることを、特徴とする。
【００１０】
本発明に係る可変剛性を有する関節機構は、支持部材とアームと弾性部材とによる簡単な構成を有しているため、重量やサイズを小さくして、重量やサイズの制限を受けるロボットアーム等の関節機構として搭載することができる。弾性部材による回転軸に向かう付勢力の向きとアームとの成す角度に応じて、アームに作用する付勢力の大きさが変化して、回転軸の剛性が非線形に変化するよう構成されているため、回転軸すなわち関節の剛性を、高剛性から低剛性まで変化させることができる。
【００１１】
ゴムのような非線形弾性部材では、入力に対する出力が非線形となるため、わずかな入力誤差や特性変化で、出力が大きく変化してしまう。これに対し、本発明に係る可変剛性を有する関節機構は、弾性部材が線形性を有しているため、入力誤差や特性変化に対して出力が線形に変化し、誤差の推定が容易である。また、弾性部材による付勢力のアームに作用する方向が変化することにより、回転軸すなわち関節の剛性を変化させるため、弾性部材の劣化による影響を抑えることができ、かつその影響の推定が容易である。弾性部材として、耐久性を有するコイルスプリングなどを使用することにより、耐久性を高めることができる。
【００１２】
本発明に係る可変剛性を有する関節機構で、前記アームは長さ方向に沿ったガイド部を有し、前記ガイド部は前記回転軸から前記アームの長さ方向に対して垂直方向に所定の距離をあけて設けられ、前記弾性部材は圧縮バネから成り、圧縮方向が常に前記回転軸に向くよう前記回転軸を中心として回転可能に前記支持部材に設けられ、前記回転軸を中心として回転するとき、前記回転軸側の一端が前記ガイド部に沿ってスライドし、他端と前記回転軸との距離が一定に保持されるよう構成されていることが好ましい。この場合、弾性部材がアームに対して回転軸を中心として回転するとき、弾性部材の回転軸側の一端が、回転軸からアームの長さ方向に対して垂直方向に所定の距離をあけて設けられたガイド部に沿ってスライドして、弾性部材が伸縮する。これにより、アームに作用する付勢力の大きさが変化し、回転軸の剛性を非線形に変化させることができる。
【００１３】
この場合の本発明に係る可変剛性を有する関節機構の原理を、図１を用いて説明する。
図１（ａ）に示すように、関節機構は、アームａと、線形性を有する圧縮バネから成る弾性部材ｃと、弾性部材ｃの変位を回転軸ｏを通る直線ｔ上のみに限定する機構ｂと、弾性部材ｃの付勢力でアームａを押すスライダｄとから成る。アームａおよび弾性部材ｃは、回転軸ｏを中心に回転することができる。弾性部材ｃは、機構ｂにより、圧縮方向が常に回転軸ｏに向いている。弾性部材ｃの回転軸ｏ側の一端に設けられたスライダｄは、機構ｂにより、アームａの長さ方向に沿ったガイド部に沿って、直線ｕ上をスライドする。ガイド部は、アームａ上の直線ｕに沿って、回転軸ｏからアームａの長さ方向に対して垂直方向に所定の距離をあけて設けられている。弾性部材ｃの他端は、機構ｂにより、回転軸ｏとの距離が一定に保持されている。
【００１４】
機構ｂ、弾性部材ｃ、スライダｄからなる機構を、以下ではスライダ式加圧機構と呼ぶ。スライダ式加圧機構にはアクチュエータが取り付けられており、そのアクチュエータは、スライダ式加圧機構を、回転軸ｏを中心に回転させることができる。このとき、機構ｂと回転軸ｏとの距離は、常に一定の長さLである。スライダ式加圧機構は、図１（ａ）に示すように、アームａと弾性部材ｃの変位方向である直線ｔとが直交する状態で、弾性部材ｃは自然長lになるように調整されている。
【００１５】
ここで、Δθを、アームａにごく微小な力を受けたときの、回転軸ｏまわりのアームａの微小回転角、Δτを、その時のトルク変化分とする。図１(a)のように、アームａと弾性部材ｃの変位方向である直線ｔとが直交する状態では、アームａの回転軸ｏまわりの剛性（Δτ／Δθ）は０となる。ところが、図１（ｂ）に示すように、アクチュエータによってスライダ式加圧機構に点ｏを中心としてφの回転変位を与えると、スライダｄはガイド部に沿ってスライドして直線ｕ上を移動し，弾性部材ｃをl−l’の長さだけ押し縮める。弾性部材ｃに変位が生じたことで、スライダｄはアームａに対して力を加えることになる。よって、図１（ｃ）に示すように、アームａの回転軸ｏまわりの剛性（Δτ／Δθ）は、スライダ式加圧機構の回転変位φに対して、理論上、０から無限大まで非線形に変化する。
【００１６】
本発明に係る可変剛性を有する関節機構で、前記アームは前記ガイド部を１対有し、前記弾性部材は１対から成り、前記回転軸を中心としてそれぞれ独立に回転可能であり、前記回転軸を中心として回転するとき、それぞれ前記一端が各ガイド部に沿ってスライドするよう構成されていることが好ましい。この場合、支持部材に対する各弾性部材の回転角度を調整することにより、回転軸の剛性および支持部材に対するアームの位置を調整することができる。
【００１７】
この場合の本発明に係る可変剛性を有する関節機構の原理を、図２を用いて説明する。
図１に示すように、スライダ式加圧機構を一つ用いただけでは、アクチュエータによってスライダ式加圧機構に回転変位−φを与えると、スライダｄがアームａを加圧するため、アームａも−φだけ回転してしまう。したがって、アームａを所定の位置に固定するために、図２に示すように、もう一つスライダ式加圧機構を用いる。これらを、スライダ式加圧機構I、スライダ式加圧機構IIと呼ぶ。図２（ａ）に示すように、スライダ式加圧機構Iに回転変位φを、スライダ式加圧機構IIに回転変位−φを与えると、アームａは回転しない。図２（ｂ）に示すように、アームａを回転軸ｏまわりに角度θだけ回転させたい場合は、スライダ式加圧機構Iに回転変位θ−φを、スライダ式加圧機構IIに回転変位θ＋φを与えることができる。また、φの値を調整することで、アームａの回転軸ｏまわりの剛性を変化させることもできる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ロボットアームに搭載可能で、耐久性が高く、弾性部材の劣化による影響を抑えることができる、可変剛性を有する関節機構を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図３乃至図８は、本発明の実施の形態の可変剛性を有する関節機構を示している。
図３乃至図８に示すように、可変剛性を有する関節機構１は、ロボットアームの肘関節として製作されており、上腕２と前腕モデル３とスライダ式加圧機構４とアクチュエータ５とを有している。
【００２０】
図３および図４に示すように、上腕２は、底板２１と１対の側板２２，２３と上板２４と関節板２５とを有している。底板２１は、矩形状に形成されている。各側板２２，２３は、それぞれ底板２１の両側縁に、底板２１に対して垂直に立ち上がるよう設けられている。上板２４は、各側板２２，２３の前腕とは反対側の上端を連結するよう設けられている。関節板２５は、各側板２２，２３の上板２４より前腕側の上部を連結するよう設けられている。関節板２５は、人間と同じ様に、腕を屈曲した際に上腕２に対して前腕が約１３５度曲げられるよう、前腕側で底板２１向かって傾斜するよう取り付けられている。上腕２は、支持部材を成している。
【００２１】
図３および図４に示すように、前腕モデル３は、円筒状のモデルパイプ３１と、モデルパイプ３１の一端に取り付けられた前腕用フランジ３２と、前腕用フランジ３２のモデルパイプ３１とは反対側に設けられたフランジ固定具３３とを有している。
【００２２】
図５乃至図７に示すように、スライダ式加圧機構４は、スライダガイド機構４１と前腕伝達機構４２と２対のスライダ機構４３とを有している。図６に示すように、スライダガイド機構４１は、関節軸４１ａと１対のベアリング４１ｂと１対の大プーリ４１ｃと１対のスライダガイド４１ｄと１対のジョイントブロック４１ｅと２対のスプリングガイド４１ｆとを有している。関節軸４１ａは、細長いシャフトから成っている。関節軸４１ａは、両端に、関節角度検出用のエンコーダを取り付けるためのカラー（図示せず）が取り付けられている。
【００２３】
各ベアリング４１ｂは、円筒状で、内部に関節軸４１ａが挿入されて、それぞれ関節軸４１ａの両端部に設けられている。各ベアリング４１ｂは、関節軸４１ａの周りをスムーズに回転するようになっている。各大プーリ４１ｃは、円盤状で、中心に関節軸４１ａが貫通している。各大プーリ４１ｃは、それぞれ各ベアリング４１ｂの内側に配置され、関節軸４１ａの周りをそれぞれ独立に回転可能になっている。各スライダガイド４１ｄは、細長い矩形板状の側方部４１ｇと、側方部４１ｇの両端に、側方部４１ｇに対して同じ側に垂直に伸びるよう設けられた１対の固定部４１ｈとを有している。各スライダガイド４１ｄは、側方部４１ｇの中心に関節軸４１ａが貫通している。各スライダガイド４１ｄは、各固定部４１ｈを内側に向けて、それぞれ各大プーリ４１ｃの内側に配置されている。各スライダガイド４１ｄは、六角ボルトにより各大プーリ４１ｃに固定されており、それぞれ各大プーリ４１ｃと共に回転するようになっている。
【００２４】
各ジョイントブロック４１ｅは、直方体形状を成し、１対の対面に各スプリングガイド４１ｆを挿入するための挿入孔（図示せず）を有している。各ジョイントブロック４１ｅは、他の１対の対面の中心に関節軸４１ａが貫通している。各ジョイントブロック４１ｅは、それぞれ各スライダガイド４１ｄの内側に、各スライダガイド４１ｄから所定の距離をあけて設けられている。各スプリングガイド４１ｆは、細長い円柱状で、一端にフランジ部４１ｉを有している。各スプリングガイド４１ｆは、他端が各ジョイントブロック４１ｅの挿入孔に挿入され、フランジ部４１ｉが各スライダガイド４１ｄの各固定部４１ｈに固定されている。各スプリングガイド４１ｆは、各ジョイントブロック４１ｅの挿入孔に対し変位可能に、各ジョイントブロック４１ｅに対して、ねじ等による固定は施されていない。各ジョイントブロック４１ｅおよび各スプリングガイド４１ｆは、それぞれ各スライダガイド４１ｄと共に回転するようになっている。
【００２５】
なお、各ジョイントブロック４１ｅは、上下対のスプリングガイド４１ｆが片持ちになるため、それを防ぐために設けられている。各ジョイントブロック４１ｅは、あたかも上下のスプリングガイド４１ｆが一つの軸で構成されているかのような、ポストとしての役割を果たしている。各ジョイントブロック４１ｅは、関節軸４１ａが貫通しているため、各スプリングガイド４１ｆが関節軸４１ａに干渉しないよう構成されている。
【００２６】
図６に示すように、前腕伝達機構４２は、中央伝達部４２ａと１対のサイド伝達部４２ｂ，４２ｃとを有している。中央伝達部４２ａは、細長い立方体形状を成している。中央伝達部４２ａは、１対の側面の両側縁に沿って、長さ方向の中央部から一端部にかけて設けられた２対の中央レール溝４２ｄを有している。各サイド伝達部４２ｂ，４２ｃは、矩形枠状を成している。各サイド伝達部４２ｂ，４２ｃは、中央伝達部４２ａの他の１対の側面の幅と同じ側面の幅を有している。各サイド伝達部４２ｂ，４２ｃは、１つの側面が、それぞれ中央伝達部４２ａの他の１対の側面に固定されている。各サイド伝達部４２ｂ，４２ｃは、中央伝達部４２ａの長さ方向の他端部が突出するよう、中央伝達部４２ａの各中央レール溝４２ｄに対応する位置に固定されている。各サイド伝達部４２ｂ，４２ｃは、両端面の外側の側縁に沿って、それぞれ１対のサイドレール溝４２ｅを有している。
【００２７】
前腕伝達機構４２は、各サイド伝達部４２ｂ，４２ｃの内部に、各ジョイントブロック４１ｅが位置するよう配置されている。前腕伝達機構４２は、中央伝達部４２ａおよび各サイド伝達部４２ｂ，４２ｃに関節軸４１ａが貫通しており、各ジョイントブロック４１ｅや各スプリングガイド４１ｆ等とは独立して回転可能になっている。図３および図４に示すように、前腕伝達機構４２は、中央伝達部４２ａの長さ方向の他端部に、前腕モデル３のフランジ固定具３３が固定されている。これにより、前腕伝達機構４２は、前腕モデル３とともに回転するようになっている。
【００２８】
図７に示すように、各スライダ機構４３は、スライダ本体４３ａとスライダシャフト４３ｂと１対のスライダサイド４３ｃと１対のローラ４３ｄと１対の止め輪４３ｅと弾性部材４３ｆとを有している。スライダ本体４３ａは、横方向に内部を貫通してスライダシャフト４３ｂが取り付けられており、内部にスライダシャフト４３ｂのためのベアリング（図示せず）が封入されている。スライダ本体４３ａは、スライダシャフト４３ｂに平行なバネ設置面４３ｇと、バネ設置面４３ｇの中心を貫通するよう設けられたガイド貫通孔（図示せず）とを有している。各スライダサイド４３ｃは、スライダシャフト４３ｂが貫通しており、スライダ本体４３ａ内部のベアリングのストッパーとして、スライダ本体４３ａの両側面に固定されている。
【００２９】
各ローラ４３ｄは、円柱状で、中心にスライダシャフト４３ｂが貫通しており、スライダシャフト４３ｂを回転軸として回転可能に、各スライダサイド４３ｃの外側に設けられている。各ローラ４３ｄは、弾性部材４３ｆによる圧縮荷重に耐性のあるベアリング（図示せず）を有している。各止め輪４３ｅは、円盤状で、中心にスライダシャフト４３ｂが貫通している。各止め輪４３ｅは、各ローラ４３ｄがスライダシャフト４３ｂから外れないよう押さえるために、各ローラ４３ｄの外側に取り付けられている。
【００３０】
弾性部材４３ｆは、線形バネのコイルスプリングから成っている。弾性部材４３ｆは、内部がガイド貫通孔に連通するよう、スライダ本体４３ａのバネ設置面４３ｇに配置されている。図５および図７に示すように、各スライダ機構４３は、弾性部材４３ｆの内部およびガイド貫通孔にスプリングガイド４１ｆが貫通するよう、スライダガイド機構４１に取り付けられている。このとき、各スライダ機構４３は、各ローラ４３ｄがそれぞれ中央レール溝４２ｄおよびサイドレール溝４２ｅに位置し、各溝４２ｄ，４２ｅに沿って直線移動可能になっている。各スライダ機構４３は、各ジョイントブロック４１ｅや各スプリングガイド４１ｆ等とともに回転するようになっている。
【００３１】
これにより、スライダ式加圧機構４は、スライダガイド４１ｄが、その回転運動のトルクをスライダ機構４３に伝達するようになっている。スプリングガイド４１ｆは、弾性部材４３ｆの圧縮変形を直線的に行えるように補助するものである。スプリングガイド４１ｆがない場合、弾性部材４３ｆは直線的に変形圧縮せず、圧縮力に偏りが生じ、弾性部材４３ｆの破損原因となるため、スプリングガイド４１ｆの取り付けは必須である。
【００３２】
図３に示すように、前腕モデル３およびスライダ式加圧機構４は、上腕２の関節板２５より前腕側に、モデルパイプ３１を前腕側に向けるようにして取り付けられている。スライダ式加圧機構４は、上腕２の各側板２２，２３の間に、関節軸４１ａの両端が各側板２２，２３から貫通するよう設けられている。スライダ式加圧機構４は、スライダガイド機構４１の各ベアリング４１ｂが転がり軸受として上腕２の各側板２２，２３に固定され、前腕伝達機構４２、前腕モデル３、各ジョイントブロック４１ｅ、各スプリングガイド４１ｆ等が、関節軸４１ａを回転軸として、上腕２に対して回転可能になっている。
【００３３】
図４に示すように、アクチュエータ５は、二基から成り、それぞれＤＣモータ５１と減速機５２と小プーリ５３とを有している。小プーリ５３は、減速機５２の出力軸に取り付けられている。各アクチュエータ５は、上腕２の上板２４と底板２１との間に、小プーリ５３がスライダ式加圧機構４の各大プーリ４１ｃに対応する位置になるよう配置されている。各アクチュエータ５は、互いに反対向きで平行になるよう、上腕２の上板２４と底板２１に固定板５４で固定されたアクチュエータマウント５５に取り付けられている。
【００３４】
アクチュエータ５は、小プーリ５３と大プーリ４１ｃとに巻き付けられたベルト（図示せず）により、その動力をスライダ式加圧機構４に伝達するようになっている。なお、大プーリ４１ｃと小プーリ５３とのプーリ比は２：１であり、アクチュエータ５からのトルクが、スライダ式加圧機構４で二倍になるよう構成されている。また、図３に示すように、ベルトによる動力の伝達のロスを防ぐため、テンションプーリとしての役割を持つアイドラ５６が、上腕２の側板２２，２３にスライド可能に取り付けられている。アイドラ５６は、ベルトが弛まない程度の張力を掛けるよう構成されている。
【００３５】
図５に示すように、可変剛性を有する関節機構１では、アクチュエータ５からの動力がスライダガイド機構４１に回転運動を与える。このとき、スライダ機構４３は垂直状態の初期姿勢からスライダガイド機構４１の回転力により前腕伝達機構４２に対して傾斜した姿勢になる。さらに傾斜角が増大するにつれて、スライダ機構４３の弾性部材４３ｆのばね長が自然長より圧縮されていく。これにより、スライダ機構４３が前腕伝達機構４２に対して作用する力が大きくなる。つまり、スライダガイド機構４１の回転角に対して、弾性部材４３ｆに掛かる力が増大し、結果として前腕伝達機構４２に作用する力が増大する。
【００３６】
可変剛性を有する関節機構１では、各スライダ機構４３が、スライダガイド機構４１の回転運動を各ローラ４３ｄにより直線運動に変換し、弾性部材４３ｆによる圧縮荷重を各ローラ４３ｄから前腕伝達機構４２に伝達させる役割を担っている。各ローラ４３ｄによる直線運動は、各ローラ４３ｄがそれぞれ中央レール溝４２ｄおよびサイドレール溝４２ｅに沿って直線移動することにより、常に定常的である。前腕伝達機構４２は、スライダ機構４３から受ける力を中央レール溝４２ｄおよびサイドレール溝４２ｅにより伝達し、結果として前腕モデル３にその力を影響させる剛性の伝達部となっている。
【００３７】
可変剛性を有する関節機構１では、前腕伝達機構４２および前腕モデル３が、アームを成している。アームは、長さ方向に対して垂直な回転軸、すなわち関節軸４１ａを中心として回転可能に、支持部材である上腕２に設けられている。アームは、長さ方向に沿ったガイド部として、中央レール溝４２ｄおよびサイドレール溝４２ｅを有している。ガイド部は、関節軸４１ａからモデルパイプ３１の長さ方向に対して垂直方向に所定の距離をあけて設けられている。
【００３８】
弾性部材４３ｆは、圧縮方向が常に関節軸４１ａに向くよう、関節軸４１ａを中心として回転可能に上腕２に設けられている。弾性部材４３ｆは、関節軸４１ａを中心として回転するとき、各ローラ４３ｄにより関節軸４１ａ側の一端が中央レール溝４２ｄおよびサイドレール溝４２ｅに沿ってスライドし、スプリングガイド４１ｆのフランジ部４１ｉにより他端と関節軸４１ａとの距離が一定に保持されるよう構成されている。これにより、弾性部材４３ｆは、関節軸４１ａに向かう付勢力を前腕伝達機構４２に作用させるとともに、その付勢力の向きとモデルパイプ３１との成す角度を変更可能になっている。また、付勢力の向きとモデルパイプ３１との成す角度に応じて、その付勢力の大きさが変化して関節軸４１ａの剛性が非線形に変化するようになっている。
【００３９】
次に、作用について説明する。
可変剛性を有する関節機構１は、比較的簡単な構成を有しているため、重量やサイズを小さくすることができ、重量やサイズの制限を受けるロボットアームの関節機構１として搭載することができる。弾性部材４３ｆによる関節軸４１ａに向かう付勢力の向きとモデルパイプ３１との成す角度に応じて、前腕伝達機構４２に作用する付勢力の大きさが変化して、関節軸４１ａの剛性が非線形に変化するため、関節軸４１ａすなわち関節の剛性を、高剛性から低剛性まで変化させることができる。
【００４０】
ゴムのような非線形弾性部材では、入力に対する出力が非線形となるため、わずかな入力誤差や特性変化で、出力が大きく変化してしまう。これに対し、可変剛性を有する関節機構１は、弾性部材４３ｆが線形性を有しているため、入力誤差や特性変化に対して出力が線形に変化し、誤差の推定が容易である。また、弾性部材４３ｆによる付勢力の前腕伝達機構４２に作用する方向が変化することにより、関節軸４１ａすなわち関節の剛性を変化させるため、弾性部材４３ｆの劣化による影響を抑えることができ、かつその影響の推定が容易である。弾性部材４３ｆがコイルスプリングから成るため、耐久性が高い。
【００４１】
可変剛性を有する関節機構１は、上腕２に対する各弾性部材４３ｆの回転角度をアクチュエータ５で調整することにより、関節軸４１ａの剛性および上腕２に対するモデルパイプ３１の位置（関節角度）の二出力を調整することができる。すなわち、可変剛性を有する関節機構１は、二基のアクチュエータ５を稼働させることにより、以下の三つの挙動を成すことができる。
【００４２】
低剛性状態：二つの対向するスライダガイド４１ｄが互いに同位相（同じ回転方向で同じ回転角度）の状態では関節軸４１ａの角度を変化させる、つまり前腕を動かす動作となり、関節剛性は低い状態である。
【００４３】
高剛性状態：低剛性状態とは反対に、逆位相（互いの回転方向が逆で同じ回転角度）の状態では、関節軸４１ａの角度は変化しないが、スライダガイド４１ｄの回転角が増大するにつれ、前腕伝達機構４２に対してスライダ機構４３の支持力が増大する。さらに、逆位相に差（回転角度の絶対値の差）が出るにつれて、前腕伝達機構４２への付勢力が増大し、関節剛性が高剛性へと変化する。図８は、この時の状況を示している。しかし、この状態では、剛性を変化させるだけであり、関節角度は変化できない。
【００４４】
剛性と関節角度とを変化させる状態：低剛性状態と高剛性状態とを組み合わせた場合、つまりある程度の剛性を有しながら、なおかつ関節角度を変化させて前腕（モデルパイプ３１）を動かす場合、互いのスライダガイド４１ｄの回転角度に差があれば実現できる。例として、前腕を水平状態（関節角度が０度）の時から９０度だけ屈曲させ、なおかつ剛性も変化させるには、各スライダガイド４１ｄの回転角を同じ方向に１０５度と７５度とに設定する。この時、上腕２に対して前腕（モデルパイプ３１）を９０度曲げることができる。更に、各スライダガイド４１ｄの角度差分は３０度であるため、この角度差分が関節剛性として現れる。同様に、各スライダガイド４１ｄが同じ回転方向で角度１２０度、６０度だとすると、前腕は９０度屈曲し、角度差分が６０度であるため、先ほどの３０度の時よりも剛性が高い状態になる。
【００４５】
可変剛性を有する関節機構１は、ロボットの関節のみならず義足、義腕といった医療補助具への応用が期待される。医療補助具のユーザ側にとって、柔剛性を有する関節は、人間の関節に近いため親和性があり、実生活において利便性の向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る可変剛性を有する関節機構の原理を示す原理図である。
【図２】本発明に係る可変剛性を有する関節機構の、スライダ式加圧機構を二つ用いたときの原理を示す原理図である。
【図３】本発明の実施の形態の可変剛性を有する関節機構を示す斜視図である。
【図４】図３に示す可変剛性を有する関節機構の、外装の一方の側板および上板を取り外した斜視図である。
【図５】図３に示す可変剛性を有する関節機構のスライダ式加圧機構を示す斜視図である。
【図６】図３に示す可変剛性を有する関節機構のスライダガイド機構および前腕伝達機構を示す斜視図である。
【図７】図３に示す可変剛性を有する関節機構のスライダ機構を示す斜視図である。
【図８】図３に示す可変剛性を有する関節機構の、高剛性状態のスライダ式加圧機構を示す側面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１ 可変剛性を有する関節機構
２ 上腕
２１ 底板
２２，２３ 側板
２４ 上板
２５ 関節板
３ 前腕モデル
３１ モデルパイプ
３２ 前腕用フランジ
３３ フランジ固定具
４ スライダ式加圧機構
４１ スライダガイド機構
４１ａ 関節軸
４１ｂ ベアリング
４１ｃ 大プーリ
４１ｄ スライダガイド
４１ｅ ジョイントブロック
４１ｆ スプリングガイド
４２ 前腕伝達機構
４２ａ 中央伝達部
４２ｂ，４２ｃ サイド伝達部
４２ｄ 中央レール溝
４２ｅ サイドレール溝
４３ スライダ機構
４３ａ スライダ本体
４３ｂ スライダシャフト
４３ｃ スライダサイド
４３ｄ ローラ
４３ｅ 止め輪
４３ｆ 弾性部材
５ アクチュエータ
５１ ＤＣモータ
５２ 減速機
５３ 小プーリ
５４ 固定板
５５ アクチュエータマウント
５６ アイドラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変剛性を有する関節機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のロボットアームでは、アクチュエータが直接アームに取り付いていたため、能動的あるいは受動的な衝撃力をアームが受けた場合、アクチュエータにもその衝撃力が伝播してしまい、アクチュエータの劣化や破損を引き起こすという問題があった。この問題を解決するため、アクチュエータとアームとの間に弾性要素を組み込んで、その衝撃力を弾性要素によって吸収させ、緩和させることが考えられる。しかしながら、ただ単に弾性要素を組み込んだのでは柔らかい関節になってしまい、荷物を運ぶというような力を強く入れる作業ができなくなる。また、柔らかい関節ゆえに、手先が振動的になり、細かい作業もできなくなる。
【０００３】
また、ロボットは、力作業を行う場合には、高剛性であることが要求される。一方で、福祉や介護の現場では、人間との物理的な接触を伴うため、できるだけ低剛性であることが望ましい。このように、関節の剛性を任意に可変できることは、人間と物理的接触を伴う可能性のある福祉分野や介護分野のロボットにとって、必要性が大きい。このため、その実現により、ロボットが人間と円滑なコミュニケーションを取れるようになることが期待できる。また、ロボットが外界から衝撃力を受けるような作業において、その時に剛性を低くして発生する衝撃を緩和させ、ロボットを保護することもできる。
【０００４】
そこで、ロボットの関節の剛性を変化させる方法として、ソフトウェア制御によるものや、機械要素の組み合わせや材料の特性を利用した機構によるものが提案されている。しかし、ソフトウェアによって剛性を変化させる場合、関節部に高減速比の減速器を持つ一般的なロボットでは、減速器内の高い摩擦力によって低剛性を実現することができない。また、力センサで外力を検出し、検出される力に応じて見かけ上の剛性を変化させる手法も一般的に行われているが、力センサで力を検出してからロボットを動作させるため時間遅れが生じ、瞬間的な衝撃力を緩和することはできない。
【０００５】
そこで、減速器の出力側に可変剛性機構を設けることにより、ソフトウェア制御によらずとも、急激な衝撃に対処することができ、高剛性および低剛性の両方を実現することもできる。このようなものとして、剛性可変機構を有し、医療補助器具の一環として用いられる駆動装置（例えば、特許文献１参照）や、網目状外装チューブ部材内に棒状の弾性部材が内装され、引張りに対する剛性の調整が容易なばね装置（例えば、特許文献２参照）がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１０５６０９号公報
【特許文献２】特開２００４−１６９７９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の駆動装置は、膝関節リハビリ用であり、地面に設置して用いるため、機構の重量やサイズの制限を受けずに設計することができる。このため、ロボットアーム等の重量やサイズの制限を受ける機構に搭載することはできないという課題があった。また、特許文献２に記載のばね装置は、軽量化の面では優れているが、素材が柔軟体であるため、使用時間に対する劣化が著しく、耐久性に劣るという課題があった。特許文献１に記載の駆動装置および特許文献２に記載のばね装置は、非線形ばねを用いて剛性を可変にする機構となっているため、ばねの疲労による劣化が直接、非線形特性に影響し、結果として可変剛性の特性劣化として影響を及ぼすという課題もあった。
【０００８】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、ロボットアームに搭載可能で、耐久性が高く、弾性部材の劣化による影響を抑えることができる、可変剛性を有する関節機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係る可変剛性を有する関節機構は、支持部材とアームと弾性部材とを有し、前記アームは長さ方向に対して垂直な回転軸を中心として回転可能に前記支持部材に設けられ、前記弾性部材は線形性を有し、前記回転軸に向かう付勢力を前記アームに作用させるとともに、前記付勢力の向きと前記アームとの成す角度を変更可能に前記支持部材に設けられ、前記付勢力の向きと前記アームとの成す角度に応じて、前記付勢力の大きさが変化して前記回転軸の剛性が非線形に変化するよう構成されていることを、特徴とする。
【００１０】
本発明に係る可変剛性を有する関節機構は、支持部材とアームと弾性部材とによる簡単な構成を有しているため、重量やサイズを小さくして、重量やサイズの制限を受けるロボットアーム等の関節機構として搭載することができる。弾性部材による回転軸に向かう付勢力の向きとアームとの成す角度に応じて、アームに作用する付勢力の大きさが変化して、回転軸の剛性が非線形に変化するよう構成されているため、回転軸すなわち関節の剛性を、高剛性から低剛性まで変化させることができる。
【００１１】
ゴムのような非線形弾性部材では、入力に対する出力が非線形となるため、わずかな入力誤差や特性変化で、出力が大きく変化してしまう。これに対し、本発明に係る可変剛性を有する関節機構は、弾性部材が線形性を有しているため、入力誤差や特性変化に対して出力が線形に変化し、誤差の推定が容易である。また、弾性部材による付勢力のアームに作用する方向が変化することにより、回転軸すなわち関節の剛性を変化させるため、弾性部材の劣化による影響を抑えることができ、かつその影響の推定が容易である。弾性部材として、耐久性を有するコイルスプリングなどを使用することにより、耐久性を高めることができる。
【００１２】
本発明に係る可変剛性を有する関節機構で、前記アームは長さ方向に沿ったガイド部を有し、前記ガイド部は前記回転軸から前記アームの長さ方向に対して垂直方向に所定の距離をあけて設けられ、前記弾性部材は圧縮バネから成り、圧縮方向が常に前記回転軸に向くよう前記回転軸を中心として回転可能に前記支持部材に設けられ、前記回転軸を中心として回転するとき、前記回転軸側の一端が前記ガイド部に沿ってスライドし、他端と前記回転軸との距離が一定に保持されるよう構成されていることが好ましい。この場合、弾性部材がアームに対して回転軸を中心として回転するとき、弾性部材の回転軸側の一端が、回転軸からアームの長さ方向に対して垂直方向に所定の距離をあけて設けられたガイド部に沿ってスライドして、弾性部材が伸縮する。これにより、アームに作用する付勢力の大きさが変化し、回転軸の剛性を非線形に変化させることができる。
【００１３】
この場合の本発明に係る可変剛性を有する関節機構の原理を、図１を用いて説明する。
図１（ａ）に示すように、関節機構は、アームａと、線形性を有する圧縮バネから成る弾性部材ｃと、弾性部材ｃの変位を回転軸ｏを通る直線ｔ上のみに限定する機構ｂと、弾性部材ｃの付勢力でアームａを押すスライダｄとから成る。アームａおよび弾性部材ｃは、回転軸ｏを中心に回転することができる。弾性部材ｃは、機構ｂにより、圧縮方向が常に回転軸ｏに向いている。弾性部材ｃの回転軸ｏ側の一端に設けられたスライダｄは、機構ｂにより、アームａの長さ方向に沿ったガイド部に沿って、直線ｕ上をスライドする。ガイド部は、アームａ上の直線ｕに沿って、回転軸ｏからアームａの長さ方向に対して垂直方向に所定の距離をあけて設けられている。弾性部材ｃの他端は、機構ｂにより、回転軸ｏとの距離が一定に保持されている。
【００１４】
機構ｂ、弾性部材ｃ、スライダｄからなる機構を、以下ではスライダ式加圧機構と呼ぶ。スライダ式加圧機構にはアクチュエータが取り付けられており、そのアクチュエータは、スライダ式加圧機構を、回転軸ｏを中心に回転させることができる。このとき、機構ｂと回転軸ｏとの距離は、常に一定の長さLである。スライダ式加圧機構は、図１（ａ）に示すように、アームａと弾性部材ｃの変位方向である直線ｔとが直交する状態で、弾性部材ｃは自然長lになるように調整されている。
【００１５】
ここで、Δθを、アームａにごく微小な力を受けたときの、回転軸ｏまわりのアームａの微小回転角、Δτを、その時のトルク変化分とする。図１(a)のように、アームａと弾性部材ｃの変位方向である直線ｔとが直交する状態では、アームａの回転軸ｏまわりの剛性（Δτ／Δθ）は０となる。ところが、図１（ｂ）に示すように、アクチュエータによってスライダ式加圧機構に点ｏを中心としてφの回転変位を与えると、スライダｄはガイド部に沿ってスライドして直線ｕ上を移動し，弾性部材ｃをl−l’の長さだけ押し縮める。弾性部材ｃに変位が生じたことで、スライダｄはアームａに対して力を加えることになる。よって、図１（ｃ）に示すように、アームａの回転軸ｏまわりの剛性（Δτ／Δθ）は、スライダ式加圧機構の回転変位φに対して、理論上、０から無限大まで非線形に変化する。
【００１６】
本発明に係る可変剛性を有する関節機構で、前記アームは前記ガイド部を１対有し、前記弾性部材は１対から成り、前記回転軸を中心としてそれぞれ独立に回転可能であり、前記回転軸を中心として回転するとき、それぞれ前記一端が各ガイド部に沿ってスライドするよう構成されていることが好ましい。この場合、支持部材に対する各弾性部材の回転角度を調整することにより、回転軸の剛性および支持部材に対するアームの位置を調整することができる。
【００１７】
この場合の本発明に係る可変剛性を有する関節機構の原理を、図２を用いて説明する。
図１に示すように、スライダ式加圧機構を一つ用いただけでは、アクチュエータによってスライダ式加圧機構に回転変位−φを与えると、スライダｄがアームａを加圧するため、アームａも−φだけ回転してしまう。したがって、アームａを所定の位置に固定するために、図２に示すように、もう一つスライダ式加圧機構を用いる。これらを、スライダ式加圧機構I、スライダ式加圧機構IIと呼ぶ。図２（ａ）に示すように、スライダ式加圧機構Iに回転変位φを、スライダ式加圧機構IIに回転変位−φを与えると、アームａは回転しない。図２（ｂ）に示すように、アームａを回転軸ｏまわりに角度θだけ回転させたい場合は、スライダ式加圧機構Iに回転変位θ−φを、スライダ式加圧機構IIに回転変位θ＋φを与えることができる。また、φの値を調整することで、アームａの回転軸ｏまわりの剛性を変化させることもできる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ロボットアームに搭載可能で、耐久性が高く、弾性部材の劣化による影響を抑えることができる、可変剛性を有する関節機構を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図３乃至図８は、本発明の実施の形態の可変剛性を有する関節機構を示している。
図３乃至図８に示すように、可変剛性を有する関節機構１は、ロボットアームの肘関節として製作されており、上腕２と前腕モデル３とスライダ式加圧機構４とアクチュエータ５とを有している。
【００２０】
図３および図４に示すように、上腕２は、底板２１と１対の側板２２，２３と上板２４と関節板２５とを有している。底板２１は、矩形状に形成されている。各側板２２，２３は、それぞれ底板２１の両側縁に、底板２１に対して垂直に立ち上がるよう設けられている。上板２４は、各側板２２，２３の前腕とは反対側の上端を連結するよう設けられている。関節板２５は、各側板２２，２３の上板２４より前腕側の上部を連結するよう設けられている。関節板２５は、人間と同じ様に、腕を屈曲した際に上腕２に対して前腕が約１３５度曲げられるよう、前腕側で底板２１向かって傾斜するよう取り付けられている。上腕２は、支持部材を成している。
【００２１】
図３および図４に示すように、前腕モデル３は、円筒状のモデルパイプ３１と、モデルパイプ３１の一端に取り付けられた前腕用フランジ３２と、前腕用フランジ３２のモデルパイプ３１とは反対側に設けられたフランジ固定具３３とを有している。
【００２２】
図５乃至図７に示すように、スライダ式加圧機構４は、スライダガイド機構４１と前腕伝達機構４２と２対のスライダ機構４３とを有している。図６に示すように、スライダガイド機構４１は、関節軸４１ａと１対のベアリング４１ｂと１対の大プーリ４１ｃと１対のスライダガイド４１ｄと１対のジョイントブロック４１ｅと２対のスプリングガイド４１ｆとを有している。関節軸４１ａは、細長いシャフトから成っている。関節軸４１ａは、両端に、関節角度検出用のエンコーダを取り付けるためのカラー（図示せず）が取り付けられている。
【００２３】
各ベアリング４１ｂは、円筒状で、内部に関節軸４１ａが挿入されて、それぞれ関節軸４１ａの両端部に設けられている。各ベアリング４１ｂは、関節軸４１ａの周りをスムーズに回転するようになっている。各大プーリ４１ｃは、円盤状で、中心に関節軸４１ａが貫通している。各大プーリ４１ｃは、それぞれ各ベアリング４１ｂの内側に配置され、関節軸４１ａの周りをそれぞれ独立に回転可能になっている。各スライダガイド４１ｄは、細長い矩形板状の側方部４１ｇと、側方部４１ｇの両端に、側方部４１ｇに対して同じ側に垂直に伸びるよう設けられた１対の固定部４１ｈとを有している。各スライダガイド４１ｄは、側方部４１ｇの中心に関節軸４１ａが貫通している。各スライダガイド４１ｄは、各固定部４１ｈを内側に向けて、それぞれ各大プーリ４１ｃの内側に配置されている。各スライダガイド４１ｄは、六角ボルトにより各大プーリ４１ｃに固定されており、それぞれ各大プーリ４１ｃと共に回転するようになっている。
【００２４】
各ジョイントブロック４１ｅは、直方体形状を成し、１対の対面に各スプリングガイド４１ｆを挿入するための挿入孔（図示せず）を有している。各ジョイントブロック４１ｅは、他の１対の対面の中心に関節軸４１ａが貫通している。各ジョイントブロック４１ｅは、それぞれ各スライダガイド４１ｄの内側に、各スライダガイド４１ｄから所定の距離をあけて設けられている。各スプリングガイド４１ｆは、細長い円柱状で、一端にフランジ部４１ｉを有している。各スプリングガイド４１ｆは、他端が各ジョイントブロック４１ｅの挿入孔に挿入され、フランジ部４１ｉが各スライダガイド４１ｄの各固定部４１ｈに固定されている。各スプリングガイド４１ｆは、各ジョイントブロック４１ｅの挿入孔に対し変位可能に、各ジョイントブロック４１ｅに対して、ねじ等による固定は施されていない。各ジョイントブロック４１ｅおよび各スプリングガイド４１ｆは、それぞれ各スライダガイド４１ｄと共に回転するようになっている。
【００２５】
なお、各ジョイントブロック４１ｅは、上下対のスプリングガイド４１ｆが片持ちになるため、それを防ぐために設けられている。各ジョイントブロック４１ｅは、あたかも上下のスプリングガイド４１ｆが一つの軸で構成されているかのような、ポストとしての役割を果たしている。各ジョイントブロック４１ｅは、関節軸４１ａが貫通しているため、各スプリングガイド４１ｆが関節軸４１ａに干渉しないよう構成されている。
【００２６】
図６に示すように、前腕伝達機構４２は、中央伝達部４２ａと１対のサイド伝達部４２ｂ，４２ｃとを有している。中央伝達部４２ａは、細長い立方体形状を成している。中央伝達部４２ａは、１対の側面の両側縁に沿って、長さ方向の中央部から一端部にかけて設けられた２対の中央レール溝４２ｄを有している。各サイド伝達部４２ｂ，４２ｃは、矩形枠状を成している。各サイド伝達部４２ｂ，４２ｃは、中央伝達部４２ａの他の１対の側面の幅と同じ側面の幅を有している。各サイド伝達部４２ｂ，４２ｃは、１つの側面が、それぞれ中央伝達部４２ａの他の１対の側面に固定されている。各サイド伝達部４２ｂ，４２ｃは、中央伝達部４２ａの長さ方向の他端部が突出するよう、中央伝達部４２ａの各中央レール溝４２ｄに対応する位置に固定されている。各サイド伝達部４２ｂ，４２ｃは、両端面の外側の側縁に沿って、それぞれ１対のサイドレール溝４２ｅを有している。
【００２７】
前腕伝達機構４２は、各サイド伝達部４２ｂ，４２ｃの内部に、各ジョイントブロック４１ｅが位置するよう配置されている。前腕伝達機構４２は、中央伝達部４２ａおよび各サイド伝達部４２ｂ，４２ｃに関節軸４１ａが貫通しており、各ジョイントブロック４１ｅや各スプリングガイド４１ｆ等とは独立して回転可能になっている。図３および図４に示すように、前腕伝達機構４２は、中央伝達部４２ａの長さ方向の他端部に、前腕モデル３のフランジ固定具３３が固定されている。これにより、前腕伝達機構４２は、前腕モデル３とともに回転するようになっている。
【００２８】
図７に示すように、各スライダ機構４３は、スライダ本体４３ａとスライダシャフト４３ｂと１対のスライダサイド４３ｃと１対のローラ４３ｄと１対の止め輪４３ｅと弾性部材４３ｆとを有している。スライダ本体４３ａは、横方向に内部を貫通してスライダシャフト４３ｂが取り付けられており、内部にスライダシャフト４３ｂのためのベアリング（図示せず）が封入されている。スライダ本体４３ａは、スライダシャフト４３ｂに平行なバネ設置面４３ｇと、バネ設置面４３ｇの中心を貫通するよう設けられたガイド貫通孔（図示せず）とを有している。各スライダサイド４３ｃは、スライダシャフト４３ｂが貫通しており、スライダ本体４３ａ内部のベアリングのストッパーとして、スライダ本体４３ａの両側面に固定されている。
【００２９】
各ローラ４３ｄは、円柱状で、中心にスライダシャフト４３ｂが貫通しており、スライダシャフト４３ｂを回転軸として回転可能に、各スライダサイド４３ｃの外側に設けられている。各ローラ４３ｄは、弾性部材４３ｆによる圧縮荷重に耐性のあるベアリング（図示せず）を有している。各止め輪４３ｅは、円盤状で、中心にスライダシャフト４３ｂが貫通している。各止め輪４３ｅは、各ローラ４３ｄがスライダシャフト４３ｂから外れないよう押さえるために、各ローラ４３ｄの外側に取り付けられている。
【００３０】
弾性部材４３ｆは、線形バネのコイルスプリングから成っている。弾性部材４３ｆは、内部がガイド貫通孔に連通するよう、スライダ本体４３ａのバネ設置面４３ｇに配置されている。図５および図７に示すように、各スライダ機構４３は、弾性部材４３ｆの内部およびガイド貫通孔にスプリングガイド４１ｆが貫通するよう、スライダガイド機構４１に取り付けられている。このとき、各スライダ機構４３は、各ローラ４３ｄがそれぞれ中央レール溝４２ｄおよびサイドレール溝４２ｅに位置し、各溝４２ｄ，４２ｅに沿って直線移動可能になっている。各スライダ機構４３は、各ジョイントブロック４１ｅや各スプリングガイド４１ｆ等とともに回転するようになっている。
【００３１】
これにより、スライダ式加圧機構４は、スライダガイド４１ｄが、その回転運動のトルクをスライダ機構４３に伝達するようになっている。スプリングガイド４１ｆは、弾性部材４３ｆの圧縮変形を直線的に行えるように補助するものである。スプリングガイド４１ｆがない場合、弾性部材４３ｆは直線的に変形圧縮せず、圧縮力に偏りが生じ、弾性部材４３ｆの破損原因となるため、スプリングガイド４１ｆの取り付けは必須である。
【００３２】
図３に示すように、前腕モデル３およびスライダ式加圧機構４は、上腕２の関節板２５より前腕側に、モデルパイプ３１を前腕側に向けるようにして取り付けられている。スライダ式加圧機構４は、上腕２の各側板２２，２３の間に、関節軸４１ａの両端が各側板２２，２３から貫通するよう設けられている。スライダ式加圧機構４は、スライダガイド機構４１の各ベアリング４１ｂが転がり軸受として上腕２の各側板２２，２３に固定され、前腕伝達機構４２、前腕モデル３、各ジョイントブロック４１ｅ、各スプリングガイド４１ｆ等が、関節軸４１ａを回転軸として、上腕２に対して回転可能になっている。
【００３３】
図４に示すように、アクチュエータ５は、二基から成り、それぞれＤＣモータ５１と減速機５２と小プーリ５３とを有している。小プーリ５３は、減速機５２の出力軸に取り付けられている。各アクチュエータ５は、上腕２の上板２４と底板２１との間に、小プーリ５３がスライダ式加圧機構４の各大プーリ４１ｃに対応する位置になるよう配置されている。各アクチュエータ５は、互いに反対向きで平行になるよう、上腕２の上板２４と底板２１に固定板５４で固定されたアクチュエータマウント５５に取り付けられている。
【００３４】
アクチュエータ５は、小プーリ５３と大プーリ４１ｃとに巻き付けられたベルト（図示せず）により、その動力をスライダ式加圧機構４に伝達するようになっている。なお、大プーリ４１ｃと小プーリ５３とのプーリ比は２：１であり、アクチュエータ５からのトルクが、スライダ式加圧機構４で二倍になるよう構成されている。また、図３に示すように、ベルトによる動力の伝達のロスを防ぐため、テンションプーリとしての役割を持つアイドラ５６が、上腕２の側板２２，２３にスライド可能に取り付けられている。アイドラ５６は、ベルトが弛まない程度の張力を掛けるよう構成されている。
【００３５】
図５に示すように、可変剛性を有する関節機構１では、アクチュエータ５からの動力がスライダガイド機構４１に回転運動を与える。このとき、スライダ機構４３は垂直状態の初期姿勢からスライダガイド機構４１の回転力により前腕伝達機構４２に対して傾斜した姿勢になる。さらに傾斜角が増大するにつれて、スライダ機構４３の弾性部材４３ｆのばね長が自然長より圧縮されていく。これにより、スライダ機構４３が前腕伝達機構４２に対して作用する力が大きくなる。つまり、スライダガイド機構４１の回転角に対して、弾性部材４３ｆに掛かる力が増大し、結果として前腕伝達機構４２に作用する力が増大する。
【００３６】
可変剛性を有する関節機構１では、各スライダ機構４３が、スライダガイド機構４１の回転運動を各ローラ４３ｄにより直線運動に変換し、弾性部材４３ｆによる圧縮荷重を各ローラ４３ｄから前腕伝達機構４２に伝達させる役割を担っている。各ローラ４３ｄによる直線運動は、各ローラ４３ｄがそれぞれ中央レール溝４２ｄおよびサイドレール溝４２ｅに沿って直線移動することにより、常に定常的である。前腕伝達機構４２は、スライダ機構４３から受ける力を中央レール溝４２ｄおよびサイドレール溝４２ｅにより伝達し、結果として前腕モデル３にその力を影響させる剛性の伝達部となっている。
【００３７】
可変剛性を有する関節機構１では、前腕伝達機構４２および前腕モデル３が、アームを成している。アームは、長さ方向に対して垂直な回転軸、すなわち関節軸４１ａを中心として回転可能に、支持部材である上腕２に設けられている。アームは、長さ方向に沿ったガイド部として、中央レール溝４２ｄおよびサイドレール溝４２ｅを有している。ガイド部は、関節軸４１ａからモデルパイプ３１の長さ方向に対して垂直方向に所定の距離をあけて設けられている。
【００３８】
弾性部材４３ｆは、圧縮方向が常に関節軸４１ａに向くよう、関節軸４１ａを中心として回転可能に上腕２に設けられている。弾性部材４３ｆは、関節軸４１ａを中心として回転するとき、各ローラ４３ｄにより関節軸４１ａ側の一端が中央レール溝４２ｄおよびサイドレール溝４２ｅに沿ってスライドし、スプリングガイド４１ｆのフランジ部４１ｉにより他端と関節軸４１ａとの距離が一定に保持されるよう構成されている。これにより、弾性部材４３ｆは、関節軸４１ａに向かう付勢力を前腕伝達機構４２に作用させるとともに、その付勢力の向きとモデルパイプ３１との成す角度を変更可能になっている。また、付勢力の向きとモデルパイプ３１との成す角度に応じて、その付勢力の大きさが変化して関節軸４１ａの剛性が非線形に変化するようになっている。
【００３９】
次に、作用について説明する。
可変剛性を有する関節機構１は、比較的簡単な構成を有しているため、重量やサイズを小さくすることができ、重量やサイズの制限を受けるロボットアームの関節機構１として搭載することができる。弾性部材４３ｆによる関節軸４１ａに向かう付勢力の向きとモデルパイプ３１との成す角度に応じて、前腕伝達機構４２に作用する付勢力の大きさが変化して、関節軸４１ａの剛性が非線形に変化するため、関節軸４１ａすなわち関節の剛性を、高剛性から低剛性まで変化させることができる。
【００４０】
ゴムのような非線形弾性部材では、入力に対する出力が非線形となるため、わずかな入力誤差や特性変化で、出力が大きく変化してしまう。これに対し、可変剛性を有する関節機構１は、弾性部材４３ｆが線形性を有しているため、入力誤差や特性変化に対して出力が線形に変化し、誤差の推定が容易である。また、弾性部材４３ｆによる付勢力の前腕伝達機構４２に作用する方向が変化することにより、関節軸４１ａすなわち関節の剛性を変化させるため、弾性部材４３ｆの劣化による影響を抑えることができ、かつその影響の推定が容易である。弾性部材４３ｆがコイルスプリングから成るため、耐久性が高い。
【００４１】
可変剛性を有する関節機構１は、上腕２に対する各弾性部材４３ｆの回転角度をアクチュエータ５で調整することにより、関節軸４１ａの剛性および上腕２に対するモデルパイプ３１の位置（関節角度）の二出力を調整することができる。すなわち、可変剛性を有する関節機構１は、二基のアクチュエータ５を稼働させることにより、以下の三つの挙動を成すことができる。
【００４２】
低剛性状態：二つの対向するスライダガイド４１ｄが互いに同位相（同じ回転方向で同じ回転角度）の状態では関節軸４１ａの角度を変化させる、つまり前腕を動かす動作となり、関節剛性は低い状態である。
【００４３】
高剛性状態：低剛性状態とは反対に、逆位相（互いの回転方向が逆で同じ回転角度）の状態では、関節軸４１ａの角度は変化しないが、スライダガイド４１ｄの回転角が増大するにつれ、前腕伝達機構４２に対してスライダ機構４３の支持力が増大する。さらに、逆位相に差（回転角度の絶対値の差）が出るにつれて、前腕伝達機構４２への付勢力が増大し、関節剛性が高剛性へと変化する。図８は、この時の状況を示している。しかし、この状態では、剛性を変化させるだけであり、関節角度は変化できない。
【００４４】
剛性と関節角度とを変化させる状態：低剛性状態と高剛性状態とを組み合わせた場合、つまりある程度の剛性を有しながら、なおかつ関節角度を変化させて前腕（モデルパイプ３１）を動かす場合、互いのスライダガイド４１ｄの回転角度に差があれば実現できる。例として、前腕を水平状態（関節角度が０度）の時から９０度だけ屈曲させ、なおかつ剛性も変化させるには、各スライダガイド４１ｄの回転角を同じ方向に１０５度と７５度とに設定する。この時、上腕２に対して前腕（モデルパイプ３１）を９０度曲げることができる。更に、各スライダガイド４１ｄの角度差分は３０度であるため、この角度差分が関節剛性として現れる。同様に、各スライダガイド４１ｄが同じ回転方向で角度１２０度、６０度だとすると、前腕は９０度屈曲し、角度差分が６０度であるため、先ほどの３０度の時よりも剛性が高い状態になる。
【００４５】
可変剛性を有する関節機構１は、ロボットの関節のみならず義足、義腕といった医療補助具への応用が期待される。医療補助具のユーザ側にとって、柔剛性を有する関節は、人間の関節に近いため親和性があり、実生活において利便性の向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る可変剛性を有する関節機構の原理を示す原理図である。
【図２】本発明に係る可変剛性を有する関節機構の、スライダ式加圧機構を二つ用いたときの原理を示す原理図である。
【図３】本発明の実施の形態の可変剛性を有する関節機構を示す斜視図である。
【図４】図３に示す可変剛性を有する関節機構の、外装の一方の側板および上板を取り外した斜視図である。
【図５】図３に示す可変剛性を有する関節機構のスライダ式加圧機構を示す斜視図である。
【図６】図３に示す可変剛性を有する関節機構のスライダガイド機構および前腕伝達機構を示す斜視図である。
【図７】図３に示す可変剛性を有する関節機構のスライダ機構を示す斜視図である。
【図８】図３に示す可変剛性を有する関節機構の、高剛性状態のスライダ式加圧機構を示す側面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１ 可変剛性を有する関節機構
２ 上腕
２１ 底板
２２，２３ 側板
２４ 上板
２５ 関節板
３ 前腕モデル
３１ モデルパイプ
３２ 前腕用フランジ
３３ フランジ固定具
４ スライダ式加圧機構
４１ スライダガイド機構
４１ａ 関節軸
４１ｂ ベアリング
４１ｃ 大プーリ
４１ｄ スライダガイド
４１ｅ ジョイントブロック
４１ｆ スプリングガイド
４２ 前腕伝達機構
４２ａ 中央伝達部
４２ｂ，４２ｃ サイド伝達部
４２ｄ 中央レール溝
４２ｅ サイドレール溝
４３ スライダ機構
４３ａ スライダ本体
４３ｂ スライダシャフト
４３ｃ スライダサイド
４３ｄ ローラ
４３ｅ 止め輪
４３ｆ 弾性部材
５ アクチュエータ
５１ ＤＣモータ
５２ 減速機
５３ 小プーリ
５４ 固定板
５５ アクチュエータマウント
５６ アイドラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部材とアームと弾性部材とを有し、
前記アームは長さ方向に対して垂直な回転軸を中心として回転可能に前記支持部材に設けられ、
前記弾性部材は線形性を有し、前記回転軸に向かう付勢力を前記アームに作用させるとともに、前記付勢力の向きと前記アームとの成す角度を変更可能に前記支持部材に設けられ、前記付勢力の向きと前記アームとの成す角度に応じて、前記付勢力の大きさが変化して前記回転軸の剛性が非線形に変化するよう構成されていることを、
特徴とする可変剛性を有する関節機構。
【請求項２】
前記アームは長さ方向に沿ったガイド部を有し、前記ガイド部は前記回転軸から前記アームの長さ方向に対して垂直方向に所定の距離をあけて設けられ、
前記弾性部材は圧縮バネから成り、圧縮方向が常に前記回転軸に向くよう前記回転軸を中心として回転可能に前記支持部材に設けられ、前記回転軸を中心として回転するとき、前記回転軸側の一端が前記ガイド部に沿ってスライドし、他端と前記回転軸との距離が一定に保持されるよう構成されていることを、
特徴とする請求項１記載の可変剛性を有する関節機構。
【請求項３】
前記アームは前記ガイド部を１対有し、
前記弾性部材は１対から成り、前記回転軸を中心としてそれぞれ独立に回転可能であり、前記回転軸を中心として回転するとき、それぞれ前記一端が各ガイド部に沿ってスライドするよう構成されていることを、
特徴とする請求項２記載の可変剛性を有する関節機構。
【請求項１】
支持部材とアームと弾性部材とを有し、
前記アームは長さ方向に対して垂直な回転軸を中心として回転可能に前記支持部材に設けられ、
前記弾性部材は線形性を有し、前記回転軸に向かう付勢力を前記アームに作用させるとともに、前記付勢力の向きと前記アームとの成す角度を変更可能に前記支持部材に設けられ、前記付勢力の向きと前記アームとの成す角度に応じて、前記付勢力の大きさが変化して前記回転軸の剛性が非線形に変化するよう構成されていることを、
特徴とする可変剛性を有する関節機構。
【請求項２】
前記アームは長さ方向に沿ったガイド部を有し、前記ガイド部は前記回転軸から前記アームの長さ方向に対して垂直方向に所定の距離をあけて設けられ、
前記弾性部材は圧縮バネから成り、圧縮方向が常に前記回転軸に向くよう前記回転軸を中心として回転可能に前記支持部材に設けられ、前記回転軸を中心として回転するとき、前記回転軸側の一端が前記ガイド部に沿ってスライドし、他端と前記回転軸との距離が一定に保持されるよう構成されていることを、
特徴とする請求項１記載の可変剛性を有する関節機構。
【請求項３】
前記アームは前記ガイド部を１対有し、
前記弾性部材は１対から成り、前記回転軸を中心としてそれぞれ独立に回転可能であり、前記回転軸を中心として回転するとき、それぞれ前記一端が各ガイド部に沿ってスライドするよう構成されていることを、
特徴とする請求項２記載の可変剛性を有する関節機構。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−３４７７４（Ｐ２００９−３４７７４Ａ）
【公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２０１４６４（Ｐ２００７−２０１４６４）
【出願日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１７年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、産業技術研究助成事業、産業再生法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１７年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、産業技術研究助成事業、産業再生法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]