運動変換装置
【課題】 回転運動を直線運動に変換するに際し、バックラッシュがなく、小型軽量で小さなトルクを大きな引張り力に変換し得また、騒音のない装置を提供すること。
【解決手段】 少なくとも２本の線・条の一端を回転運動出力軸端の軸心部に固定するとともに、他端を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向に離隔する部位に固定し、前記回転運動出力軸の回転によって前記複数の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換しまた、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置。
【解決手段】 少なくとも２本の線・条の一端を回転運動出力軸端の軸心部に固定するとともに、他端を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向に離隔する部位に固定し、前記回転運動出力軸の回転によって前記複数の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換しまた、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、線・条を用いた、回転動力源のトルクを引張り力に変換する装置に関する。本発明の運動変換装置は、ロボット、福祉、医療分野等で必要とされる軽量の引張り力発生源（アクチュエータ）として用いることができる。以下、本明細書において、回転動力源のトルクを引張り力に変換して関節を回動する場合のように、弧状の軌跡で変位する引張り力（回転運動出力軸の軸方向に沿う運動）の適用の場合も含め直線運動と称する。
【背景技術】
【０００２】
たとえばロボットの関節駆動用アクチュエータ或いは手術用鉗子駆動用アクチュエータさらには、義手や義足のアクチュエータ等にあっては小さな駆動源で大きな力を出力できるアクチュエータが望まれている。これらにあっては、回転運動を高い効率下に、高い減速比と力増幅比で直線運動に変換できることを要する。
【０００３】
回転運動を直線運動に変換する機構として、ベルト、チェーン、ボールねじ或いはピニオン・ラック機構が周知である。一方、ロボット等において、アームなどの関節の駆動には電気モータが用いられている。電気モータの出力は高速かつ低トルクであるので、減速機を介して高トルクの回転を出力している。この回転出力を前記ベルト、チェーン、ボールねじ或いはピニオン・ラック機構によって直線運動に変換するときは、減速機におけるエネルギ効率が低くモータの電流をトルクフィードバックに使えない。また、減速機における低エネルギ効率および入力側の高い摩擦トルクのために、バックドライバビリティが得られない問題がある。
【０００４】
他方、ロボット等の関節機構を作動せしめる手段として、図１４に示す機構が既知である。この機構は、回転駆動源（モータ１および減速機２）の回転軸と関節の回転軸が平行であり、モータ１はアーム７の一方の外にはみ出している。而して、動的バランスが悪く、意匠的にも好ましくない。
【０００５】
また、図１５に示すように、モータ１及び減速機２をアーム７対間に挟設し、関節６の軸心とモータ１及び減速機２の軸心が相互に垂直となるように構成した関節作動機構も知られている。この機構にあっては、モータ１による回転運動は減速機２を介して傘歯車３によって垂直な方向の回転運動に変換せしめられ、関節６が回転駆動される。この機構は回転軸心を９０°（垂直に）変換すべく傘歯車３を介挿するので、機構が複雑になるのみならずコスト、重量、バックラッシュの増大を招く。
【０００６】
さらに、図１６に示すように、関節６に離隔せしめてモータ１、減速機２、およびプーリ４のセットを配設し、プーリ４に巻回されその他端が関節６の外周面に固定されているワイヤ５によって関節６を回動するよう構成された関節作動機構も既知である。この機構にあっては、モータ１の回転運動出力は減速機２を介してプーリ４によってワイヤ５の直線運動に変換され、この直線運動が関節６の回動駆動源となっている。この機構にあっても、減速機２を設けることによる上記問題を依然として有する。
【０００７】
一方、ロボットハンドの駆動源として、ワイヤアクチュエータが既知である（たとえば、特許文献１参照）。このワイヤアクチュエータは、ワイヤをその長手方向へ移動させることによって、ロボット等の関節を駆動するようにしている。この先行技術にあっては、振動をワイヤに印加してその長手方向に変位させるようにしており、駆動端子とワイヤ間での摩擦ロスに起因する効率の低下がある。また、前記特許文献１にあっても、回転運動を直線運動に変換するときのエネルギロスの大きいことが指摘されている（特許文献１、第３頁、段落０００６）。
【特許文献１】特開２００３−０７０２６７号公報
【０００８】
他方、２本以上のフィラメントの捩りによって回転運動を直線運動に変換することも既知である（特許文献２参照）。この先行技術においては、少なくとも２本のフィラメントの一端を回転支持体に固定的に取り付け、他端を運動体の配向部材に取り付けてモーションユニットを構成している。フィラメントは回転運動を直線運動に変換し、直線運動伝達ユニットとして機能する。
【特許文献２】特開昭６１−０８６１９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献２は、回転運動を直線運動に変換するのに少なくとも２本のフィラメントの捩りを用いることを開示している。この先行技術は、古代、フィラメントの捩りを利用して往復運動を木片の回転運動に変えこの木片の端部を他の木片と接触させて火を起こした手法や、横木を上下させて軸を回転させる錐に見られる手法と軌を一にしている。この既知の手法のみでは、所望の回転数−直線運動速度、回転トルク−直線方向の力の比等の関係の一義的な決定が難しく、たとえばロボットの指関節の駆動ユニットの設計ができない。
【００１０】
本発明は、上記従来技術における問題を解決し、設計プロセスに組み込まれ得る構成要件（設計パラメータ）を確立するとともにシステムの制御をも可能ならしめて、１）小さなスペースで十分なストロークの運動変換装置を提供すること。２）騒音を発生することのない運動変換装置を提供すること。３）小型、軽量の運動変換装置を提供すること。４）安価な運動変換装置を提供すること。５）出力側からの逆駆動も可能な運動変換装置を提供すること。６）運動変換装置にフリーな状態を簡単に得ること。 を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するための、請求項１に記載の発明は、少なくとも２本の線・条の一端を回転運動出力軸端の軸心部に固定するとともに、他端を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定し、また、前記線・条の他端の離隔距離Ａ、線・条の長さＬ、線・条の半径Ｒ、回転運動出力軸の回転角度αを直線運動における変位量ｘのパラメータとするとともにモータのトルクＴと前記運動体の引張り力Ｆの関係を律するパラメータとして、前記回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換しまた、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置である。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、回転運動出力軸を両端に有する回転動力源のそれぞれの回転運動出力軸端の軸心部に少なくとも２本の線・条それぞれの一端を固定するとともに、それぞれの他端を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定し、また、前記線・条の他端の離隔距離Ａ、線・条の長さＬ、線・条の半径Ｒ、回転運動出力軸の回転角度αを直線運動における変位量ｘのパラメータとするとともにモータのトルクＴと前記運動体の引張り力Ｆの関係を律するパラメータとして、前記回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換しまた、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置である。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、回転運動出力軸端に、該回転運動出力軸心を通りその径方向に延在する部材を固設し、該部材の前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に少なくとも２本の線・条の一端を固定し、他端を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定し、また、前記線・条の他端の離隔距離Ａ、線・条の長さＬ、線・条の半径Ｒ、回転運動出力軸の回転角度αを直線運動における変位量ｘのパラメータとするとともにモータのトルクＴと前記運動体の引張り力Ｆの関係を律するパラメータとして、前記回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換しまた、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置である。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、回転運動出力軸を両端に有する回転動力源のそれぞれの回転運動出力軸端に該回転運動出力軸心を通りその径方向に延在する部材を固設し、該部材の前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位にそれぞれ少なくとも２本の線・条の一端を固定し、それぞれの他端を前記回転運動出力軸方向に沿うそれぞれの運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定し、また、前記線・条の他端の離隔距離Ａ、線・条の長さＬ、線・条の半径Ｒ、回転運動出力軸の回転角度αを直線運動における変位量ｘのパラメータとするとともにモータのトルクＴと前記運動体の引張り力Ｆの関係を律するパラメータとして、前記回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換しまた、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置である。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、それぞれ独立に駆動されるか又は、共通の駆動源からトルク伝達手段を介して同時に駆動される複数の回転運動出力軸端各々の軸心部に、少なくとも２本の線・条の一端を固定し、他端を前記複数の回転運動出力軸端各々の軸心方向に沿う運動を行う運動体の、前記複数の回転運動出力軸端各々の軸心各々に関し対称となるとともに前記複数の回転運動出力軸端各々から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定し、また、前記線・条の他端の離隔距離Ａ、線・条の長さＬ、線・条の半径Ｒ、回転運動出力軸の回転角度αを直線運動における変位量ｘのパラメータとするとともにモータのトルクＴと前記運動体の引張り力Ｆの関係を律するパラメータとして、前記複数の回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換しまた、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置である。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項２又は請求項４に記載の運動変換装置において、回転動力源における一方の回転運動出力軸側の少なくとも２本の線・条を予め捩り込んでおき、他方の回転運動出力軸側の少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめるとともに前記一方の回転運動出力軸側の少なくとも２本の線・条を巻き解き、前記回転動力源両側における運動体に同方向、同変位量の変位を生起せしめるよう構成してなる運動変換装置である。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、回転運動出力軸に回転角度センサをまた、前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体に変位量センサを設け、前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の位置制御および／または速度制御を行うよう構成してなる請求項１乃至請求項６何れかに記載の運動変換装置である。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、直線運動体に張力検出センサを設け、前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の力を制御するよう構成してなる請求項１乃至請求項６何れかに記載の運動変換装置である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、少なくとも２本の線・条を、モータの回転運動出力によって相互に捩り込むことによって、回転運動をバックラッシュ無く回転運動出力軸方向に沿う運動に変換し得る。また、少なくとも２本の線・条を、モータの回転運動出力によって相互に捩り込むに際しては、摩擦が微小であるので小さなトルクを高い効率で大きな直線方向力に変換できる。また、本発明を用いてロボットの関節駆動を行う場合等において、関節にフリーな状態を簡単に得ることができる顕著な効果を奏する。
【００２０】
その効果として、特にヒューマノイドロボットの関節に必要とされる外部からの駆動（バックドライバビリティ）が可能となる。さらに、回転運動を直線運動に変換するために複数の線・条のみを用いるので、機械加工部品が少なく、低価格の実現とともに装置の小型、軽量化を図れさらに、金属部品の噛み合いに起因する騒音を発生することがない。而して、本発明は、ロボットの指の関節駆動等に好適に用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、少なくとも２本の線・条の一端を回転運動出力軸端の軸心部に固定するとともに、他端を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定し、また、前記線・条の他端の離隔距離Ａ、線・条の長さＬ、線・条の半径Ｒ、回転運動出力軸の回転角度αを直線運動における変位量ｘのパラメータとするとともにモータのトルクＴと前記運動体の引張り力Ｆの関係を律するパラメータとして、前記回転運動出力軸の回転によって前記複数の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換しまた、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置である。本発明の運動変換装置にあっては、線・条（ワイヤ）の数、直径、長さ、直線運動体における回転運動出力軸心からの線・条の端部固定部位までの距離が、減速比と力増幅比に関係する。即ち、本発明にあっては、適切な設計パラメータ（寸法）の選択によって、他の補助的な伝達機構を用いることなく十分なストローク（変位量）及び引張り力を、線・条と回転駆動源の組み合わせのみで達成できる。而して、従来の回転運動・直線運動変換装置に比し安価な装置になる。
【００２２】
本発明における設計パラメータの選択に関し、図１（ａ）、（ｂ）を参照しながらさらに詳しく説明する。モータ（回転駆動源）１１の回転運動出力軸１２端部の軸心部に少なくとも２本の線・条１３の一端を固定し、他端を直線運動体１４に、回転運動出力軸１２の軸心から半径方向にそれぞれＡだけ離隔せしめて固定する。回転運動出力軸１２が角度αだけ回転すると少なくとも２本の線・条１３は互いに捩り込み、直線運動体１４が回転運動出力軸１２の軸方向に沿ってｘだけ変位する。この変位は、直線方向又は、たとえば関節を回動せしめるときのように弧状の変位である。
【００２３】
ここで、最小のスペースで十分なストロークを得るために、設計パラメータである線・条１３の他端を直線運動体１４に固定するときの回転運動出力軸１２の軸心からの半径方向への離隔量Ａ及び線・条１３の長さＬを適切に選ぶ必要がある。また、モータ（回転動力源）１１のトルクＴと線・条１３の捩り込みによる引張り力Ｆの関係は線・条１３の太さ（直径）によって左右されるから、モータ（回転動力源）１１のトルクＴを大きな引張り力に変換するためには、細い線・条１３を使うことが望ましい。
【００２４】
２本の線・条１３を使う場合、回転運動出力軸１２の回転角度α（rad）と、直線運動体１４の変位量ｘの関係は、
【００２５】
【数１】
【００２６】
で与えられる。ここで、Ｌは線・条１３を解いたときの線・条１３の長さ、Ａは線・条１３の、直線運動体１４における固定部位の回転運動出力軸１２の軸心から半径方向の離隔量、Ｒは線・条１３の半径である。但し、Ｒ＜＜ＬかつＲ＜＜Ａである。
【００２７】
選んだ線・条１３の長さＬと半径Ｒ、回転運動出力軸１２の軸心から半径方向の離隔量Ａとから理論的最大ストロークｘｍａｘおよびそのときの最大回転角度αｍａｘ（rad）は、
【００２８】
【数２】
【００２９】
で与えられる。
【００３０】
また、モータ１１のトルクＴと引張り力Ｆの関係は、
【００３１】
【数３】
【００３２】
で示される。
【００３３】
線・条１３としては、可撓性を有するとともに引張り強度に優れ適切な剛性をもちかつ繰り返し曲げに対する十分な耐久性をもつ高強度繊維たとえば、炭素繊維、Kevler、ザイロン、ナイロン等を用いることができる。
また、線・条１３の断面形状としては、円、多角形、または長方形（リボン）とすることができる。長方形（リボン）にすると、同じトルク−引張り力変換率でより大きな断面積とすることができ、伝達可能な力容量を増大させ得る。
【００３４】
さらに、線・条１３の耐久性を増すために、四弗化エチレン樹脂（登録商標：テフロン）、ナイロンなど摩擦係数の小さな材料でコーティングを線・条１３に施し、内部摩擦および繊維同士の摩擦を減少させるとよい。また、線・条１３の耐久性（寿命）を向上させる目的で、内部摩擦を減少せしめるべく、適切な潤滑剤（グリース、オイル、粉末材およびこれらの組み合わせ）を線・条１３に適用することができる。たとえば、有機、無機グリース、オイル、四弗化エチレン樹脂（登録商標：テフロン）粉、ナイロン粉、モリコート等およびこれらの組み合わせを用いることができる。
【００３５】
線・条１３の一端の回転運動出力軸１２端部の軸心部への固定、他端の直線運動体１４への固定や交換を行いやすくすべく、線・条１３の両端および／または中間部に適切な形状のフックやループ（輪）等を接着、モールドなどで固定することもできる。
【００３６】
叙上の構成によって、少なくとも２本の線・条１３が互いに捩り込むことで、回転運動をバックラッシュなく直線運動に変換できる。また、少なくとも２本の線・条１３が互いに捩り込むときの内部摩擦が小さいから、高い効率で小さなトルクを大きな引張り力に変換できる。さらに、回転運動を直線又は回転運動出力軸の軸心に沿う運動に変換するために、少なくとも２本の線・条１３のみを用いるので装置は低価格であり、軽量化を図れるとともに金属部品の噛み合いがないため、騒音を生じることがない。
【００３７】
また、線・条１３の他端を、直線運動体１４において回転運動出力軸１２の軸心から半径方向に適切な距離Ａだけ離隔せしめることによって、小さなスペースで十分なストロークを得ることが可能になる。さらに、減速機に起因する低エネルギ効率および入力側の高い摩擦トルクがないから、高いエネルギ効率をもつ回転運動・直線運動変換装置となる。さらに、モータ出力軸の慣性モーメントを殆ど増大せしめることがないから高い応答性が可能となる。
【実施例１】
【００３８】
図１（ａ）、（ｂ）に、本発明の一実施例に係る運動変換装置を模式的に示す。図１（ａ）、（ｂ）において、１１は回転駆動源、この実施例にあっては電気モータである。１２は回転運動出力軸、１３は複数の線・条（ワイヤ）である。線・条の材質としては、炭素繊維或いは炭素繊維を複数本結合させてワイヤとしたもの、高強度樹脂ワイヤなどを用いることができる。複数の線・条（ワイヤ）１３の一端は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、モータ１１の出力軸１２端の軸心部に固定されている。
【００３９】
１４は直線運動体であって、複数の線・条（ワイヤ）１３の他端が回転運動出力軸１２の軸心に関して対称かつ回転運動出力軸１２の軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定されている。１５は圧縮ばねであり、モータ１１による直線運動体１４の直線運動（矢印ｘ方向の運動）に抗して直線運動体１４を所期の位置に保持すべく機能する。モータ１１への動力を遮断してフリーの状態とし、直線運動体１４を矢印ｘとは反対方向へ所期の力で変位させれば回転運動出力軸１２は逆方向（図１（ａ）、（ｂ）における回転角度αの方向とは逆方向）へ回転し、バックドライブが可能となる。
【実施例２】
【００４０】
図２に、本発明の他の実施例に係る運動変換装置を模式的に示す。図２において、２１は回転駆動源、この実施例にあっては電気モータである。２２は回転運動出力軸、２３は複数の線・条（ワイヤ）である。線・条の材質としては、炭素繊維或いは炭素繊維を複数本結合させてワイヤとしたもの、高強度樹脂ワイヤなどを用いることができる。この実施例においては、回転運動出力軸２２はモータ２１の両側に設けられている。それぞれの回転運動出力軸２２の軸心部には、それぞれの複数の線・条（ワイヤ）２３の一端が固定され、それぞれの複数の線・条（ワイヤ）２３の他端は直線運動体２４の、回転運動出力軸２２の軸心に関して対称となるとともに回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定されている。
【００４１】
この実施例においては、回転運動出力軸２２の回転角αに対して、実施例１における場合の２倍の直線運動（変位）量ｘを得ることができる。
【実施例３】
【００４２】
図３に、本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置を模式的に示す。図３において、３１は回転駆動源、この実施例にあっては電気モータである。３２は回転運動出力部材であって、モータ３１の出力軸に固定され、モータ３１の出力軸心を通りその径方向に延在している。回転運動出力部材３２は円盤状であってもよい。３３は複数の線・条（ワイヤ）であり、その一端が前記回転運動出力部材３２の、モータ出力軸心に関して対称となるとともにモータ出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定されている。
【００４３】
複数の線・条（ワイヤ）３３の他端は、直線運動体３４の、モータ出力軸心に関して対称となるとともにモータ出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定されている。この実施例によれば、より大きな直線運動（変位）量を得ることができる。
【実施例４】
【００４４】
図４に、本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置を模式的に示す。図４において、１は回転駆動源、この実施例にあっては電気モータであって、その両側に出力軸を有している。４２は回転運動出力部材であって、それぞれモータ４１の出力軸に固定され、モータ４１の出力軸心を通りその径方向に延在している。回転運動出力部材４２は円盤状であってもよい。４３は複数の線・条（ワイヤ）であり、その一端がそれぞれ前記回転運動出力部材４２の、モータ出力軸心に関して対称となるとともにモータ出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定されている。
【００４５】
複数の線・条（ワイヤ）４３の他端は、直線運動体４４の、モータ出力軸心に関して対称となるとともにモータ出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定されている。この実施例によるときは、回転運動出力部材４２の回転角αに対して、実施例３における場合の２倍の直線運動（変位）量ｘを得ることができる。
【実施例５】
【００４６】
図５に、本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置を模式的に示す。図５において、５１は回転駆動源、この実施例にあっては電気モータであって、その両側に出力軸５２を有している。５３は複数の線・条（ワイヤ）であり、その一端がそれぞれ前記回転運動出力軸５２の軸心部に固定されている。複数の線・条（ワイヤ）５３の他端は、それぞれ直線運動体５４の、モータ出力軸心に関して対称となるとともにモータ出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定されている。５５は連結部材である。
【００４７】
この実施例においては、図５に示すように、双方の直線運動体５４が剛性を有する連結部材５５によって連結されており、モータ５１は基台に固定されている。モータ５１の一方の回転運動出力軸５２の軸心にその一端が固定されている複数の線・条（ワイヤ）５３は、予め一杯に捩られている（図５でみて右側）。
【００４８】
而して、図５でみて右側の、複数の線・条（ワイヤ）５３が予め一杯に捩られている状態から、図５でみて左側の、複数の線・条（ワイヤ）５３をモータ５１の回転によって捩り始めると、右側の複数の線・条（ワイヤ）５３は巻き解かれ初め、連結部材５５はｘ方向に変位する。一方、図５でみて左側の、複数の線・条（ワイヤ）５３が予め一杯に捩られている状態から、図５でみて右側の、複数の線・条（ワイヤ）５３をモータ５１の回転によって捩り始めると、左側の複数の線・条（ワイヤ）５３は巻き解かれ初め、連結部材５５は−ｘ方向に変位する。このようにして、−ｘ、ｘ双方向の直線運動を得ることができる。この実施例においては、図４に示す回転運動出力部材４２を用いる形態を採ることもできる。
【実施例６】
【００４９】
図６に、本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置を模式的に示す。図６において、６１は回転駆動源、この実施例にあっては電気モータであって、その両側に出力軸６２を有している。モータ６１の底部にはころ６６が配設され、モータ６１は回転運動出力軸６２の軸方向に変位自在である。６３は複数の線・条（ワイヤ）であり、それぞれの一端がそれぞれ前記回転運動出力軸６２の軸心部に固定されている。複数の線・条（ワイヤ）６３の他端は、それぞれ固定部材６４の、モータ出力軸心に関して対称となるとともにモータ出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定されている。また、固定部材６４は基台に固定されている。
【００５０】
この実施例にあっても、図６に示すように、モータ６１の一方の回転運動出力軸６２の軸心にその一端が固定されている複数の線・条（ワイヤ）６３は予め一杯に捩られている（図６でみて右側）。而して、図６でみて右側の、複数の線・条（ワイヤ）５３が予め一杯に捩られている状態から、図６でみて左側の、複数の線・条（ワイヤ）６３をモータ６１の回転によって捩り始めると、右側の複数の線・条（ワイヤ）６３は巻き解かれ初め、モータ６１は−ｘ方向に変位する。
【００５１】
一方、図６でみて左側の、複数の線・条（ワイヤ）６３が予め一杯に捩られている状態から、図６でみて右側の、複数の線・条（ワイヤ）６３をモータ６１の回転によって捩り始めると、左側の複数の線・条（ワイヤ）６３は巻き解かれ初め、モータ６１はｘ方向に変位する。このようにして、−ｘ、ｘ双方向の直線運動を得ることができる。この実施例においては、図４に示す回転運動出力部材４２を用いる形態を採ることもできる。
【実施例７】
【００５２】
図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置の応用例を模式的に示す。図７（ａ）において、７１は回転駆動源、この実施例にあっては電気モータであって、その一端に出力軸７２を有している。７３は複数の線・条（ワイヤ）であり、その一端がそれぞれ前記回転運動出力軸７２の軸心部に固定されている。複数の線・条（ワイヤ）７３の他端は、直線運動体７４の、モータ出力軸心に関して対称となるとともにモータ出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定されている。
【００５３】
７５は引張ばね、７６は関節、７７はアームである。７８はワイヤ（可撓性条体）であって、その一端が直線運動体７４に固定され、他端が関節７６の外周面に固定されている。而して、モータ７１を機転させて直線運動体７４を変位させると、関節７６が所定角度回動せしめられる。このようにして、アーム７７を所定角度回動させる。この実施例によれば、軽量、高効率で騒音の少ない、低コストのロボット関節機構が得られる。
【００５４】
この実施例においては、図７（ｂ）に示すように、実施例６に示す装置を用いて関節７６を正逆回動させる形態を採ることもできる。即ち、図７（ｂ）に示すように、モータ６１に可撓性条体７８を固定し、モータ６１の−ｘ、ｘ方向の変位によって関節７６を正逆方向に回動させることができる。７９は可撓性条体７８を巻回するプーリである。
【００５５】
図７（ｃ）に、直線運動体７４を関節７６に固定して、直線運動体７４を弧状に引張り、関節を駆動する実施例を示す。線・条７３の他端は、直線運動体７４に、回転運動出力軸７２の軸心に関し対称かつ半径方向にＡだけ離隔して固定されている。
【００５６】
この実施例にあっては、モータ７１が固定されている部材とアーム７７が関節７６によってヒンジ結合されており、モータ７１の回転駆動によって直線運動体７４を介して直接的に関節７６が回動せしめられ、アーム７７が揺動する。
【実施例８】
【００５７】
図８に、本発明の他の実施例に係る運動変換装置の応用例を模式的に示す。
線・条８３の断面寸法を小さくしていくに従って、数式３に示すように、トルクを引張り力に変換する率（増幅率）を高くすることができる処から、線・条８３の断面寸法を小さく（細く）すると、線・条８３の抗張力が低下する。而して、引張り力の大きさが制限されることになり、回転動力源の最大トルクを引張り力に変換できなくなる虞を生じる。そこで、複数の回転運動出力軸８２を用いて、それぞれの回転運動出力軸８２の端部の軸心部に少なくとも２本の線・条８３の一端を固定し、他端を直線運動体８４に固定するようにして、線・条８３の本数を増大せしめて抗張力を大きくする。
【００５８】
各個独立に駆動される複数の回転運動出力軸８２とするか又は、図８に示すように、回転運動出力軸８２の外周面に歯車を形成し、これらに噛み合うトルク伝達機構たとえば歯車９２によって、図示しないモータ（回転動力源）の回転運動を前記複数の回転運動出力軸８２に同期して分配伝達する構成とする。而して、少なくとも２本の線・条８３の一端が複数の回転運動出力軸８２それぞれの端部軸心部に固定され、それぞれの少なくとも２本の線・条８３の他端は直線運動体８４に、それぞれの回転運動出力軸８２の軸心に関し対称かつ軸心から半径方向に離隔する部位に固定される。
回転運動出力軸８２は、これをタイミングベルトによって回転動力源から駆動するように構成することも勿論できる。
【実施例９】
【００５９】
図９に、本発明をロボットの指関節の駆動に応用した実施例を示す。図９（ａ）は側面図、図９（ｂ）は掌側から見た正面図、図９（ｃ）は、指を屈曲させた状態を示す側面図である。この実施例にあっては、１本の指に２箇のモータが用いられる。
【００６０】
図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、１０１，１１１はモータ、１０２，１１２は回転運動出力軸、１０３，１１３は線・条、１０４，１１４は直線運動体、１０５１，１０５２は引張りばね、１０６１は第１関節、１０６２は第２関節、１０６３は第３関節である。１２３は第２関節１０６２と第３関節１０６３を結合する条である。図９（ｂ）、（ｃ）に示すように、条１２３の一端は第２関節１０６２の上方に固定され、他端は第３関節１０６３の掌側寄りに固定される。人間の指の場合にも、第２関節と第３関節が結合されている。
【００６１】
この実施例において、第１関節１０６１および第２関節１０６２を回動せしめ、指を屈曲させる個々の動作は、図７（ｃ）に示す実施例７におけると同様である。駆動モータ１０１および１１１の回転によって線・条１０３および１１３は捩り込まれ、図９（ｃ）に示す状態となる。駆動モータ１０１、１１１の回転を止めるとともにフリーの状態にすると、引張りばね１０５１、１０５２の引張り力によって、図９（ａ）、（ｂ）に示す状態に復帰する。
【００６２】
この実施例によれば、人間の指と同じような、ロボットの指の操作が可能である。また、この実施例の指屈曲方式は、軽量、安価な構造である。さらに、関節内には歯車などの伝達機構がないため、外部からの指の操作が容易になる。
【実施例１０】
【００６３】
実施例１に示す回転運動・直線運動変換装置を用いて、回転運動・直線運動変換特性、トルク・力変換特性を調べた。用いた回転運動・直線運動変換装置の仕様は、以下の通りである。
モータ出力：２．６Ｗ モータ直径：１７ｍｍ モータ長さ：２５ｍｍ
モータ最大回転数：８０００ｒｐｍ モータ定格トルク：４．２ｍＮｍ
線・条の直径：０．２５ｍｍ 線・条の材質：カーボンファイバー 線・条の本数：２ 直線運動体における、回転運動出力軸心から半径方向の離隔距離Ａ：７．５ｍｍ
【００６４】
この実施例における回転運動・直線運動変換特性を図１０に示す。最小０．６５ｍｍ／回転、最大９．３ｍｍ／回転（平均２．８ｍｍ／回転）であった。また、
トルク・力変換特性を図１０に示す。最小０．６５Ｎ／ｍＮｍ、最大９．８Ｎ／ｍＮｍ（平均３．５Ｎ／ｍＮｍ）であった。さらに、直線運動速度は、モータ速度８０００ｒｐｍ時：２８ｍｍ／ｓ〜３０７ｍｍ／ｓ（平均９７ｍｍ／ｓ）、
力（張力）は、モータトルク：４．２ｍＮｍ時：１１．３４Ｎ〜１３０Ｎ（平均５２．５Ｎ）であった。図１０および図１１示す関係は必ずしも線形性に優れたものではないが、直線運動体の変位を検出しフィードバックしてモータの回転数を制御系で正確なモデルを用いて補正することによって解決できる。
【００６５】
前記回転運動・直線運動変換装置を用いて、図７（ｃ）に示す関節機構を作動させた。直線運動体７４の移動範囲：２０ｍｍ、関節７６を１００°回動させたときに、半径が１１．５ｍｍとなる。従って、半径を一定にした図７に示す機構を用いると、関節トルクの範囲が１３０ｍＮｍ〜１４９５ｍＮｍ（平均６０４ｍＮｍ）である。関節の回動速度の範囲は、０．３９回転／ｓ〜４．３回転／ｓ（平均１．３回転／ｓ）であった。また、モータの回転速度を関節の回動速度に変換する等価的な減速比は可変であり、その値は３４２：１〜３１：１（平均１０２：１）であった。
【００６６】
本発明の回転運動・直線運動変換装置を用いたロボットハンドにおける諸元を、従来技術におけるそれと比較した結果を表１に示す。
【００６７】
【表１】
【００６８】
表１から明らかなように、本発明の回転運動・直線運動変換装置を用いたアクチュエータは、優れた特性を発揮する。
【実施例１１】
【００６９】
実施例１に示す回転運動・直線運動変換装置を用いて、回転運動・直線運動変換特性、トルク・力変換特性を調べた。用いた回転運動・直線運動変換装置の仕様は、以下の通りである。
モータ出力：３０Ｗ モータ直径：３０ｍｍ モータ長さ：１５０ｍｍ
モータ最大回転数：３０００ｒｐｍ モータ定格トルク：１００ｍＮｍ
線・条の直径：１ｍｍ 線・条の材質：カーボンファイバー 線・条の本数：２ 直線運動体における、回転運動出力軸心から半径方向の離隔距離Ａ：３０ｍｍ
【００７０】
この実施例における回転運動・直線運動変換特性を図１２に示す。最小０．６５ｍｍ／回転、最大９．３ｍｍ／回転（平均２．８ｍｍ／回転）であった。また、
トルク・力変換特性を図１３に示す。最小０．６５Ｎ／ｍＮｍ、最大９．８Ｎ／ｍＮｍ（平均３．５Ｎ／ｍＮｍ）であった。さらに、直線運動速度は、モータ速度３０００ｒｐｍ時：３２．５ｍｍ／ｓ〜４６５ｍｍ／ｓ（平均１４０ｍｍ／ｓ）、
力（張力）は、モータトルク：１００ｍＮｍ時：６５Ｎ〜９８０Ｎ（平均３５０Ｎ）であった。
【００７１】
前記回転運動・直線運動変換装置を用いて、図７（ｃ）に示す関節機構を作動させた。直線運動体７４の移動範囲：１００ｍｍ、関節７６を１００°回動させたときに、半径が５７．３ｍｍとなる。従って、半径を一定にした図７に示す機構を用いると、関節トルクの範囲が３．７Ｎｍ〜５６Ｎｍ（平均２０Ｎｍ）である。関節の回動速度の範囲は、５．４回転／ｍｉｎ〜７７．５回転／ｍｉｎ（平均２３．３回転／ｍｉｎ）であった。また、モータの回転速度を関節の回動速度に変換する等価的な減速比は可変であり、その値は５５５：１〜３９：１（平均１２９：１）であった。
【実施例１２】
【００７２】
ディジタル回転計によって回転運動出力軸の回転角度を検出し、一方、直線運動体の変位量を光電素子を用いた変位計によって検出して、所期の変位量となるように、操作量であるモータの所要回転数を制御系から出力して回転運動・直線運動変換装置を作動させた。
【実施例１３】
【００７３】
張力センサとしてロードセルを用い、直線運動体と回転運動出力軸間の張力を検出し、検出結果に基づいて所期の張力となるように制御系によってモータのトルクを変化させる制御を行った。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、ロボットの関節駆動用のアクチュエータ、わけても手、足、指関節駆動用アクチュエータとして好適に用いることができる。本発明の回転運動・直線運動変換装置は小型化が可能であるので、手術用の鉗子駆動用アクチュエータとしてまた、義手や義足用アクチュエータとしての応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の一実施例に係る回転運動・直線運動変換装置を示す模式図
【図２】本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置を示す模式図
【図３】本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置を示す模式図
【図４】本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置を示す模式図
【図５】本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置を示す模式図
【図６】本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置を示す模式図
【図７】本発明の一実施例に係る回転運動・直線運動変換装置をロボットの関節駆動機構に応用した実施例を示す模式図 （ａ）は関節を一方向に回動させる形態を示す図、（ｂ）は関節を正逆方向に回動させる形態を示す図である。
【図８】本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置を示す模式図
【図９】本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置を示す図 （ａ）は側面図、（ｂ）は掌側から見た正面図、（ｃ）は指の屈曲 状態を示す側面図である。
【図１０】本発明の一実施例に係る回転運動・直線運動変換装置における回転運動・直線運動変換特性を示すグラフ
【図１１】本発明の一実施例に係る回転運動・直線運動変換装置におけるトルク・力変換特性を示すグラフ
【図１２】本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置における回転運動・直線運動変換特性を示すグラフ
【図１３】本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置におけるトルク・力変換特性を示すグラフ
【図１４】従来技術によるロボットの関節駆動機構の一例を示す模式図
【図１５】従来技術によるロボットの関節駆動機構の他の例を示す模式図
【図１６】従来技術によるロボットの関節駆動機構の他の例を示す模式図
【符号の説明】
【００７６】
１ モータ
２ 減速機
３ 傘歯車
４ プーリ
５ ワイヤ
６ 関節
７ アーム
１１ モータ
１２ 回転運動出力軸
１３ 線・条（ワイヤ）
１４ 直線運動体
１５ 圧縮ばね
Ａ モータ出力軸心から線・条の他端固定部位までの距離
２１ モータ
２２ 回転運動出力軸
２３ 線・条（ワイヤ）
２４ 直線運動体
２５ 圧縮ばね
３１ モータ
３２ 回転運動出力部材
３３ 線・条（ワイヤ）
３４ 直線運動体
３５ 圧縮ばね
４１ モータ
４２ 回転運動出力部材
４３ 線・条（ワイヤ）
４４ 直線運動体
４５ 圧縮ばね
５１ モータ
５２ 回転運動出力軸
５３ 線・条（ワイヤ）
５４ 直線運動体
５５ 連結部材
６１ モータ（直線運動体）
６２ 回転運動出力軸
６３ 線・条（ワイヤ）
６４ 固定部材
６６ ころ
７１ モータ
７２ 回転運動出力軸
７３ 線・条（ワイヤ）
７４ 直線運動体
７５ 引張ばね
７６ 関節
７７ アーム
７８ ワイヤ（可撓性条体）
７９ プーリ
８２ 回転運動出力軸
８３ 線・条（ワイヤ）
８４ 直線運動体
９２ トルク伝達用歯車
１０１ モータ
１０２ 回転運動出力軸
１０３ 線・条
１０４ 直線運動体
１０５１ 引張りばね
１０５２ 引張りばね
１０６１ 第１関節
１０６２ 第２関節
１０６３ 第３関節
１１１ モータ
１１２ 回転運動出力軸
１１３ 線・条
１１４ 直線運動体
１２３ 関節結合条
【技術分野】
【０００１】
本発明は、線・条を用いた、回転動力源のトルクを引張り力に変換する装置に関する。本発明の運動変換装置は、ロボット、福祉、医療分野等で必要とされる軽量の引張り力発生源（アクチュエータ）として用いることができる。以下、本明細書において、回転動力源のトルクを引張り力に変換して関節を回動する場合のように、弧状の軌跡で変位する引張り力（回転運動出力軸の軸方向に沿う運動）の適用の場合も含め直線運動と称する。
【背景技術】
【０００２】
たとえばロボットの関節駆動用アクチュエータ或いは手術用鉗子駆動用アクチュエータさらには、義手や義足のアクチュエータ等にあっては小さな駆動源で大きな力を出力できるアクチュエータが望まれている。これらにあっては、回転運動を高い効率下に、高い減速比と力増幅比で直線運動に変換できることを要する。
【０００３】
回転運動を直線運動に変換する機構として、ベルト、チェーン、ボールねじ或いはピニオン・ラック機構が周知である。一方、ロボット等において、アームなどの関節の駆動には電気モータが用いられている。電気モータの出力は高速かつ低トルクであるので、減速機を介して高トルクの回転を出力している。この回転出力を前記ベルト、チェーン、ボールねじ或いはピニオン・ラック機構によって直線運動に変換するときは、減速機におけるエネルギ効率が低くモータの電流をトルクフィードバックに使えない。また、減速機における低エネルギ効率および入力側の高い摩擦トルクのために、バックドライバビリティが得られない問題がある。
【０００４】
他方、ロボット等の関節機構を作動せしめる手段として、図１４に示す機構が既知である。この機構は、回転駆動源（モータ１および減速機２）の回転軸と関節の回転軸が平行であり、モータ１はアーム７の一方の外にはみ出している。而して、動的バランスが悪く、意匠的にも好ましくない。
【０００５】
また、図１５に示すように、モータ１及び減速機２をアーム７対間に挟設し、関節６の軸心とモータ１及び減速機２の軸心が相互に垂直となるように構成した関節作動機構も知られている。この機構にあっては、モータ１による回転運動は減速機２を介して傘歯車３によって垂直な方向の回転運動に変換せしめられ、関節６が回転駆動される。この機構は回転軸心を９０°（垂直に）変換すべく傘歯車３を介挿するので、機構が複雑になるのみならずコスト、重量、バックラッシュの増大を招く。
【０００６】
さらに、図１６に示すように、関節６に離隔せしめてモータ１、減速機２、およびプーリ４のセットを配設し、プーリ４に巻回されその他端が関節６の外周面に固定されているワイヤ５によって関節６を回動するよう構成された関節作動機構も既知である。この機構にあっては、モータ１の回転運動出力は減速機２を介してプーリ４によってワイヤ５の直線運動に変換され、この直線運動が関節６の回動駆動源となっている。この機構にあっても、減速機２を設けることによる上記問題を依然として有する。
【０００７】
一方、ロボットハンドの駆動源として、ワイヤアクチュエータが既知である（たとえば、特許文献１参照）。このワイヤアクチュエータは、ワイヤをその長手方向へ移動させることによって、ロボット等の関節を駆動するようにしている。この先行技術にあっては、振動をワイヤに印加してその長手方向に変位させるようにしており、駆動端子とワイヤ間での摩擦ロスに起因する効率の低下がある。また、前記特許文献１にあっても、回転運動を直線運動に変換するときのエネルギロスの大きいことが指摘されている（特許文献１、第３頁、段落０００６）。
【特許文献１】特開２００３−０７０２６７号公報
【０００８】
他方、２本以上のフィラメントの捩りによって回転運動を直線運動に変換することも既知である（特許文献２参照）。この先行技術においては、少なくとも２本のフィラメントの一端を回転支持体に固定的に取り付け、他端を運動体の配向部材に取り付けてモーションユニットを構成している。フィラメントは回転運動を直線運動に変換し、直線運動伝達ユニットとして機能する。
【特許文献２】特開昭６１−０８６１９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献２は、回転運動を直線運動に変換するのに少なくとも２本のフィラメントの捩りを用いることを開示している。この先行技術は、古代、フィラメントの捩りを利用して往復運動を木片の回転運動に変えこの木片の端部を他の木片と接触させて火を起こした手法や、横木を上下させて軸を回転させる錐に見られる手法と軌を一にしている。この既知の手法のみでは、所望の回転数−直線運動速度、回転トルク−直線方向の力の比等の関係の一義的な決定が難しく、たとえばロボットの指関節の駆動ユニットの設計ができない。
【００１０】
本発明は、上記従来技術における問題を解決し、設計プロセスに組み込まれ得る構成要件（設計パラメータ）を確立するとともにシステムの制御をも可能ならしめて、１）小さなスペースで十分なストロークの運動変換装置を提供すること。２）騒音を発生することのない運動変換装置を提供すること。３）小型、軽量の運動変換装置を提供すること。４）安価な運動変換装置を提供すること。５）出力側からの逆駆動も可能な運動変換装置を提供すること。６）運動変換装置にフリーな状態を簡単に得ること。 を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するための、請求項１に記載の発明は、少なくとも２本の線・条の一端を回転運動出力軸端の軸心部に固定するとともに、他端を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定し、また、前記線・条の他端の離隔距離Ａ、線・条の長さＬ、線・条の半径Ｒ、回転運動出力軸の回転角度αを直線運動における変位量ｘのパラメータとするとともにモータのトルクＴと前記運動体の引張り力Ｆの関係を律するパラメータとして、前記回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換しまた、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置である。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、回転運動出力軸を両端に有する回転動力源のそれぞれの回転運動出力軸端の軸心部に少なくとも２本の線・条それぞれの一端を固定するとともに、それぞれの他端を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定し、また、前記線・条の他端の離隔距離Ａ、線・条の長さＬ、線・条の半径Ｒ、回転運動出力軸の回転角度αを直線運動における変位量ｘのパラメータとするとともにモータのトルクＴと前記運動体の引張り力Ｆの関係を律するパラメータとして、前記回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換しまた、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置である。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、回転運動出力軸端に、該回転運動出力軸心を通りその径方向に延在する部材を固設し、該部材の前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に少なくとも２本の線・条の一端を固定し、他端を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定し、また、前記線・条の他端の離隔距離Ａ、線・条の長さＬ、線・条の半径Ｒ、回転運動出力軸の回転角度αを直線運動における変位量ｘのパラメータとするとともにモータのトルクＴと前記運動体の引張り力Ｆの関係を律するパラメータとして、前記回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換しまた、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置である。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、回転運動出力軸を両端に有する回転動力源のそれぞれの回転運動出力軸端に該回転運動出力軸心を通りその径方向に延在する部材を固設し、該部材の前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位にそれぞれ少なくとも２本の線・条の一端を固定し、それぞれの他端を前記回転運動出力軸方向に沿うそれぞれの運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定し、また、前記線・条の他端の離隔距離Ａ、線・条の長さＬ、線・条の半径Ｒ、回転運動出力軸の回転角度αを直線運動における変位量ｘのパラメータとするとともにモータのトルクＴと前記運動体の引張り力Ｆの関係を律するパラメータとして、前記回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換しまた、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置である。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、それぞれ独立に駆動されるか又は、共通の駆動源からトルク伝達手段を介して同時に駆動される複数の回転運動出力軸端各々の軸心部に、少なくとも２本の線・条の一端を固定し、他端を前記複数の回転運動出力軸端各々の軸心方向に沿う運動を行う運動体の、前記複数の回転運動出力軸端各々の軸心各々に関し対称となるとともに前記複数の回転運動出力軸端各々から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定し、また、前記線・条の他端の離隔距離Ａ、線・条の長さＬ、線・条の半径Ｒ、回転運動出力軸の回転角度αを直線運動における変位量ｘのパラメータとするとともにモータのトルクＴと前記運動体の引張り力Ｆの関係を律するパラメータとして、前記複数の回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換しまた、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置である。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項２又は請求項４に記載の運動変換装置において、回転動力源における一方の回転運動出力軸側の少なくとも２本の線・条を予め捩り込んでおき、他方の回転運動出力軸側の少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめるとともに前記一方の回転運動出力軸側の少なくとも２本の線・条を巻き解き、前記回転動力源両側における運動体に同方向、同変位量の変位を生起せしめるよう構成してなる運動変換装置である。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、回転運動出力軸に回転角度センサをまた、前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体に変位量センサを設け、前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の位置制御および／または速度制御を行うよう構成してなる請求項１乃至請求項６何れかに記載の運動変換装置である。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、直線運動体に張力検出センサを設け、前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の力を制御するよう構成してなる請求項１乃至請求項６何れかに記載の運動変換装置である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、少なくとも２本の線・条を、モータの回転運動出力によって相互に捩り込むことによって、回転運動をバックラッシュ無く回転運動出力軸方向に沿う運動に変換し得る。また、少なくとも２本の線・条を、モータの回転運動出力によって相互に捩り込むに際しては、摩擦が微小であるので小さなトルクを高い効率で大きな直線方向力に変換できる。また、本発明を用いてロボットの関節駆動を行う場合等において、関節にフリーな状態を簡単に得ることができる顕著な効果を奏する。
【００２０】
その効果として、特にヒューマノイドロボットの関節に必要とされる外部からの駆動（バックドライバビリティ）が可能となる。さらに、回転運動を直線運動に変換するために複数の線・条のみを用いるので、機械加工部品が少なく、低価格の実現とともに装置の小型、軽量化を図れさらに、金属部品の噛み合いに起因する騒音を発生することがない。而して、本発明は、ロボットの指の関節駆動等に好適に用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、少なくとも２本の線・条の一端を回転運動出力軸端の軸心部に固定するとともに、他端を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定し、また、前記線・条の他端の離隔距離Ａ、線・条の長さＬ、線・条の半径Ｒ、回転運動出力軸の回転角度αを直線運動における変位量ｘのパラメータとするとともにモータのトルクＴと前記運動体の引張り力Ｆの関係を律するパラメータとして、前記回転運動出力軸の回転によって前記複数の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換しまた、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置である。本発明の運動変換装置にあっては、線・条（ワイヤ）の数、直径、長さ、直線運動体における回転運動出力軸心からの線・条の端部固定部位までの距離が、減速比と力増幅比に関係する。即ち、本発明にあっては、適切な設計パラメータ（寸法）の選択によって、他の補助的な伝達機構を用いることなく十分なストローク（変位量）及び引張り力を、線・条と回転駆動源の組み合わせのみで達成できる。而して、従来の回転運動・直線運動変換装置に比し安価な装置になる。
【００２２】
本発明における設計パラメータの選択に関し、図１（ａ）、（ｂ）を参照しながらさらに詳しく説明する。モータ（回転駆動源）１１の回転運動出力軸１２端部の軸心部に少なくとも２本の線・条１３の一端を固定し、他端を直線運動体１４に、回転運動出力軸１２の軸心から半径方向にそれぞれＡだけ離隔せしめて固定する。回転運動出力軸１２が角度αだけ回転すると少なくとも２本の線・条１３は互いに捩り込み、直線運動体１４が回転運動出力軸１２の軸方向に沿ってｘだけ変位する。この変位は、直線方向又は、たとえば関節を回動せしめるときのように弧状の変位である。
【００２３】
ここで、最小のスペースで十分なストロークを得るために、設計パラメータである線・条１３の他端を直線運動体１４に固定するときの回転運動出力軸１２の軸心からの半径方向への離隔量Ａ及び線・条１３の長さＬを適切に選ぶ必要がある。また、モータ（回転動力源）１１のトルクＴと線・条１３の捩り込みによる引張り力Ｆの関係は線・条１３の太さ（直径）によって左右されるから、モータ（回転動力源）１１のトルクＴを大きな引張り力に変換するためには、細い線・条１３を使うことが望ましい。
【００２４】
２本の線・条１３を使う場合、回転運動出力軸１２の回転角度α（rad）と、直線運動体１４の変位量ｘの関係は、
【００２５】
【数１】
【００２６】
で与えられる。ここで、Ｌは線・条１３を解いたときの線・条１３の長さ、Ａは線・条１３の、直線運動体１４における固定部位の回転運動出力軸１２の軸心から半径方向の離隔量、Ｒは線・条１３の半径である。但し、Ｒ＜＜ＬかつＲ＜＜Ａである。
【００２７】
選んだ線・条１３の長さＬと半径Ｒ、回転運動出力軸１２の軸心から半径方向の離隔量Ａとから理論的最大ストロークｘｍａｘおよびそのときの最大回転角度αｍａｘ（rad）は、
【００２８】
【数２】
【００２９】
で与えられる。
【００３０】
また、モータ１１のトルクＴと引張り力Ｆの関係は、
【００３１】
【数３】
【００３２】
で示される。
【００３３】
線・条１３としては、可撓性を有するとともに引張り強度に優れ適切な剛性をもちかつ繰り返し曲げに対する十分な耐久性をもつ高強度繊維たとえば、炭素繊維、Kevler、ザイロン、ナイロン等を用いることができる。
また、線・条１３の断面形状としては、円、多角形、または長方形（リボン）とすることができる。長方形（リボン）にすると、同じトルク−引張り力変換率でより大きな断面積とすることができ、伝達可能な力容量を増大させ得る。
【００３４】
さらに、線・条１３の耐久性を増すために、四弗化エチレン樹脂（登録商標：テフロン）、ナイロンなど摩擦係数の小さな材料でコーティングを線・条１３に施し、内部摩擦および繊維同士の摩擦を減少させるとよい。また、線・条１３の耐久性（寿命）を向上させる目的で、内部摩擦を減少せしめるべく、適切な潤滑剤（グリース、オイル、粉末材およびこれらの組み合わせ）を線・条１３に適用することができる。たとえば、有機、無機グリース、オイル、四弗化エチレン樹脂（登録商標：テフロン）粉、ナイロン粉、モリコート等およびこれらの組み合わせを用いることができる。
【００３５】
線・条１３の一端の回転運動出力軸１２端部の軸心部への固定、他端の直線運動体１４への固定や交換を行いやすくすべく、線・条１３の両端および／または中間部に適切な形状のフックやループ（輪）等を接着、モールドなどで固定することもできる。
【００３６】
叙上の構成によって、少なくとも２本の線・条１３が互いに捩り込むことで、回転運動をバックラッシュなく直線運動に変換できる。また、少なくとも２本の線・条１３が互いに捩り込むときの内部摩擦が小さいから、高い効率で小さなトルクを大きな引張り力に変換できる。さらに、回転運動を直線又は回転運動出力軸の軸心に沿う運動に変換するために、少なくとも２本の線・条１３のみを用いるので装置は低価格であり、軽量化を図れるとともに金属部品の噛み合いがないため、騒音を生じることがない。
【００３７】
また、線・条１３の他端を、直線運動体１４において回転運動出力軸１２の軸心から半径方向に適切な距離Ａだけ離隔せしめることによって、小さなスペースで十分なストロークを得ることが可能になる。さらに、減速機に起因する低エネルギ効率および入力側の高い摩擦トルクがないから、高いエネルギ効率をもつ回転運動・直線運動変換装置となる。さらに、モータ出力軸の慣性モーメントを殆ど増大せしめることがないから高い応答性が可能となる。
【実施例１】
【００３８】
図１（ａ）、（ｂ）に、本発明の一実施例に係る運動変換装置を模式的に示す。図１（ａ）、（ｂ）において、１１は回転駆動源、この実施例にあっては電気モータである。１２は回転運動出力軸、１３は複数の線・条（ワイヤ）である。線・条の材質としては、炭素繊維或いは炭素繊維を複数本結合させてワイヤとしたもの、高強度樹脂ワイヤなどを用いることができる。複数の線・条（ワイヤ）１３の一端は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、モータ１１の出力軸１２端の軸心部に固定されている。
【００３９】
１４は直線運動体であって、複数の線・条（ワイヤ）１３の他端が回転運動出力軸１２の軸心に関して対称かつ回転運動出力軸１２の軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定されている。１５は圧縮ばねであり、モータ１１による直線運動体１４の直線運動（矢印ｘ方向の運動）に抗して直線運動体１４を所期の位置に保持すべく機能する。モータ１１への動力を遮断してフリーの状態とし、直線運動体１４を矢印ｘとは反対方向へ所期の力で変位させれば回転運動出力軸１２は逆方向（図１（ａ）、（ｂ）における回転角度αの方向とは逆方向）へ回転し、バックドライブが可能となる。
【実施例２】
【００４０】
図２に、本発明の他の実施例に係る運動変換装置を模式的に示す。図２において、２１は回転駆動源、この実施例にあっては電気モータである。２２は回転運動出力軸、２３は複数の線・条（ワイヤ）である。線・条の材質としては、炭素繊維或いは炭素繊維を複数本結合させてワイヤとしたもの、高強度樹脂ワイヤなどを用いることができる。この実施例においては、回転運動出力軸２２はモータ２１の両側に設けられている。それぞれの回転運動出力軸２２の軸心部には、それぞれの複数の線・条（ワイヤ）２３の一端が固定され、それぞれの複数の線・条（ワイヤ）２３の他端は直線運動体２４の、回転運動出力軸２２の軸心に関して対称となるとともに回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定されている。
【００４１】
この実施例においては、回転運動出力軸２２の回転角αに対して、実施例１における場合の２倍の直線運動（変位）量ｘを得ることができる。
【実施例３】
【００４２】
図３に、本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置を模式的に示す。図３において、３１は回転駆動源、この実施例にあっては電気モータである。３２は回転運動出力部材であって、モータ３１の出力軸に固定され、モータ３１の出力軸心を通りその径方向に延在している。回転運動出力部材３２は円盤状であってもよい。３３は複数の線・条（ワイヤ）であり、その一端が前記回転運動出力部材３２の、モータ出力軸心に関して対称となるとともにモータ出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定されている。
【００４３】
複数の線・条（ワイヤ）３３の他端は、直線運動体３４の、モータ出力軸心に関して対称となるとともにモータ出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定されている。この実施例によれば、より大きな直線運動（変位）量を得ることができる。
【実施例４】
【００４４】
図４に、本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置を模式的に示す。図４において、１は回転駆動源、この実施例にあっては電気モータであって、その両側に出力軸を有している。４２は回転運動出力部材であって、それぞれモータ４１の出力軸に固定され、モータ４１の出力軸心を通りその径方向に延在している。回転運動出力部材４２は円盤状であってもよい。４３は複数の線・条（ワイヤ）であり、その一端がそれぞれ前記回転運動出力部材４２の、モータ出力軸心に関して対称となるとともにモータ出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定されている。
【００４５】
複数の線・条（ワイヤ）４３の他端は、直線運動体４４の、モータ出力軸心に関して対称となるとともにモータ出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定されている。この実施例によるときは、回転運動出力部材４２の回転角αに対して、実施例３における場合の２倍の直線運動（変位）量ｘを得ることができる。
【実施例５】
【００４６】
図５に、本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置を模式的に示す。図５において、５１は回転駆動源、この実施例にあっては電気モータであって、その両側に出力軸５２を有している。５３は複数の線・条（ワイヤ）であり、その一端がそれぞれ前記回転運動出力軸５２の軸心部に固定されている。複数の線・条（ワイヤ）５３の他端は、それぞれ直線運動体５４の、モータ出力軸心に関して対称となるとともにモータ出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定されている。５５は連結部材である。
【００４７】
この実施例においては、図５に示すように、双方の直線運動体５４が剛性を有する連結部材５５によって連結されており、モータ５１は基台に固定されている。モータ５１の一方の回転運動出力軸５２の軸心にその一端が固定されている複数の線・条（ワイヤ）５３は、予め一杯に捩られている（図５でみて右側）。
【００４８】
而して、図５でみて右側の、複数の線・条（ワイヤ）５３が予め一杯に捩られている状態から、図５でみて左側の、複数の線・条（ワイヤ）５３をモータ５１の回転によって捩り始めると、右側の複数の線・条（ワイヤ）５３は巻き解かれ初め、連結部材５５はｘ方向に変位する。一方、図５でみて左側の、複数の線・条（ワイヤ）５３が予め一杯に捩られている状態から、図５でみて右側の、複数の線・条（ワイヤ）５３をモータ５１の回転によって捩り始めると、左側の複数の線・条（ワイヤ）５３は巻き解かれ初め、連結部材５５は−ｘ方向に変位する。このようにして、−ｘ、ｘ双方向の直線運動を得ることができる。この実施例においては、図４に示す回転運動出力部材４２を用いる形態を採ることもできる。
【実施例６】
【００４９】
図６に、本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置を模式的に示す。図６において、６１は回転駆動源、この実施例にあっては電気モータであって、その両側に出力軸６２を有している。モータ６１の底部にはころ６６が配設され、モータ６１は回転運動出力軸６２の軸方向に変位自在である。６３は複数の線・条（ワイヤ）であり、それぞれの一端がそれぞれ前記回転運動出力軸６２の軸心部に固定されている。複数の線・条（ワイヤ）６３の他端は、それぞれ固定部材６４の、モータ出力軸心に関して対称となるとともにモータ出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定されている。また、固定部材６４は基台に固定されている。
【００５０】
この実施例にあっても、図６に示すように、モータ６１の一方の回転運動出力軸６２の軸心にその一端が固定されている複数の線・条（ワイヤ）６３は予め一杯に捩られている（図６でみて右側）。而して、図６でみて右側の、複数の線・条（ワイヤ）５３が予め一杯に捩られている状態から、図６でみて左側の、複数の線・条（ワイヤ）６３をモータ６１の回転によって捩り始めると、右側の複数の線・条（ワイヤ）６３は巻き解かれ初め、モータ６１は−ｘ方向に変位する。
【００５１】
一方、図６でみて左側の、複数の線・条（ワイヤ）６３が予め一杯に捩られている状態から、図６でみて右側の、複数の線・条（ワイヤ）６３をモータ６１の回転によって捩り始めると、左側の複数の線・条（ワイヤ）６３は巻き解かれ初め、モータ６１はｘ方向に変位する。このようにして、−ｘ、ｘ双方向の直線運動を得ることができる。この実施例においては、図４に示す回転運動出力部材４２を用いる形態を採ることもできる。
【実施例７】
【００５２】
図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置の応用例を模式的に示す。図７（ａ）において、７１は回転駆動源、この実施例にあっては電気モータであって、その一端に出力軸７２を有している。７３は複数の線・条（ワイヤ）であり、その一端がそれぞれ前記回転運動出力軸７２の軸心部に固定されている。複数の線・条（ワイヤ）７３の他端は、直線運動体７４の、モータ出力軸心に関して対称となるとともにモータ出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定されている。
【００５３】
７５は引張ばね、７６は関節、７７はアームである。７８はワイヤ（可撓性条体）であって、その一端が直線運動体７４に固定され、他端が関節７６の外周面に固定されている。而して、モータ７１を機転させて直線運動体７４を変位させると、関節７６が所定角度回動せしめられる。このようにして、アーム７７を所定角度回動させる。この実施例によれば、軽量、高効率で騒音の少ない、低コストのロボット関節機構が得られる。
【００５４】
この実施例においては、図７（ｂ）に示すように、実施例６に示す装置を用いて関節７６を正逆回動させる形態を採ることもできる。即ち、図７（ｂ）に示すように、モータ６１に可撓性条体７８を固定し、モータ６１の−ｘ、ｘ方向の変位によって関節７６を正逆方向に回動させることができる。７９は可撓性条体７８を巻回するプーリである。
【００５５】
図７（ｃ）に、直線運動体７４を関節７６に固定して、直線運動体７４を弧状に引張り、関節を駆動する実施例を示す。線・条７３の他端は、直線運動体７４に、回転運動出力軸７２の軸心に関し対称かつ半径方向にＡだけ離隔して固定されている。
【００５６】
この実施例にあっては、モータ７１が固定されている部材とアーム７７が関節７６によってヒンジ結合されており、モータ７１の回転駆動によって直線運動体７４を介して直接的に関節７６が回動せしめられ、アーム７７が揺動する。
【実施例８】
【００５７】
図８に、本発明の他の実施例に係る運動変換装置の応用例を模式的に示す。
線・条８３の断面寸法を小さくしていくに従って、数式３に示すように、トルクを引張り力に変換する率（増幅率）を高くすることができる処から、線・条８３の断面寸法を小さく（細く）すると、線・条８３の抗張力が低下する。而して、引張り力の大きさが制限されることになり、回転動力源の最大トルクを引張り力に変換できなくなる虞を生じる。そこで、複数の回転運動出力軸８２を用いて、それぞれの回転運動出力軸８２の端部の軸心部に少なくとも２本の線・条８３の一端を固定し、他端を直線運動体８４に固定するようにして、線・条８３の本数を増大せしめて抗張力を大きくする。
【００５８】
各個独立に駆動される複数の回転運動出力軸８２とするか又は、図８に示すように、回転運動出力軸８２の外周面に歯車を形成し、これらに噛み合うトルク伝達機構たとえば歯車９２によって、図示しないモータ（回転動力源）の回転運動を前記複数の回転運動出力軸８２に同期して分配伝達する構成とする。而して、少なくとも２本の線・条８３の一端が複数の回転運動出力軸８２それぞれの端部軸心部に固定され、それぞれの少なくとも２本の線・条８３の他端は直線運動体８４に、それぞれの回転運動出力軸８２の軸心に関し対称かつ軸心から半径方向に離隔する部位に固定される。
回転運動出力軸８２は、これをタイミングベルトによって回転動力源から駆動するように構成することも勿論できる。
【実施例９】
【００５９】
図９に、本発明をロボットの指関節の駆動に応用した実施例を示す。図９（ａ）は側面図、図９（ｂ）は掌側から見た正面図、図９（ｃ）は、指を屈曲させた状態を示す側面図である。この実施例にあっては、１本の指に２箇のモータが用いられる。
【００６０】
図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、１０１，１１１はモータ、１０２，１１２は回転運動出力軸、１０３，１１３は線・条、１０４，１１４は直線運動体、１０５１，１０５２は引張りばね、１０６１は第１関節、１０６２は第２関節、１０６３は第３関節である。１２３は第２関節１０６２と第３関節１０６３を結合する条である。図９（ｂ）、（ｃ）に示すように、条１２３の一端は第２関節１０６２の上方に固定され、他端は第３関節１０６３の掌側寄りに固定される。人間の指の場合にも、第２関節と第３関節が結合されている。
【００６１】
この実施例において、第１関節１０６１および第２関節１０６２を回動せしめ、指を屈曲させる個々の動作は、図７（ｃ）に示す実施例７におけると同様である。駆動モータ１０１および１１１の回転によって線・条１０３および１１３は捩り込まれ、図９（ｃ）に示す状態となる。駆動モータ１０１、１１１の回転を止めるとともにフリーの状態にすると、引張りばね１０５１、１０５２の引張り力によって、図９（ａ）、（ｂ）に示す状態に復帰する。
【００６２】
この実施例によれば、人間の指と同じような、ロボットの指の操作が可能である。また、この実施例の指屈曲方式は、軽量、安価な構造である。さらに、関節内には歯車などの伝達機構がないため、外部からの指の操作が容易になる。
【実施例１０】
【００６３】
実施例１に示す回転運動・直線運動変換装置を用いて、回転運動・直線運動変換特性、トルク・力変換特性を調べた。用いた回転運動・直線運動変換装置の仕様は、以下の通りである。
モータ出力：２．６Ｗ モータ直径：１７ｍｍ モータ長さ：２５ｍｍ
モータ最大回転数：８０００ｒｐｍ モータ定格トルク：４．２ｍＮｍ
線・条の直径：０．２５ｍｍ 線・条の材質：カーボンファイバー 線・条の本数：２ 直線運動体における、回転運動出力軸心から半径方向の離隔距離Ａ：７．５ｍｍ
【００６４】
この実施例における回転運動・直線運動変換特性を図１０に示す。最小０．６５ｍｍ／回転、最大９．３ｍｍ／回転（平均２．８ｍｍ／回転）であった。また、
トルク・力変換特性を図１０に示す。最小０．６５Ｎ／ｍＮｍ、最大９．８Ｎ／ｍＮｍ（平均３．５Ｎ／ｍＮｍ）であった。さらに、直線運動速度は、モータ速度８０００ｒｐｍ時：２８ｍｍ／ｓ〜３０７ｍｍ／ｓ（平均９７ｍｍ／ｓ）、
力（張力）は、モータトルク：４．２ｍＮｍ時：１１．３４Ｎ〜１３０Ｎ（平均５２．５Ｎ）であった。図１０および図１１示す関係は必ずしも線形性に優れたものではないが、直線運動体の変位を検出しフィードバックしてモータの回転数を制御系で正確なモデルを用いて補正することによって解決できる。
【００６５】
前記回転運動・直線運動変換装置を用いて、図７（ｃ）に示す関節機構を作動させた。直線運動体７４の移動範囲：２０ｍｍ、関節７６を１００°回動させたときに、半径が１１．５ｍｍとなる。従って、半径を一定にした図７に示す機構を用いると、関節トルクの範囲が１３０ｍＮｍ〜１４９５ｍＮｍ（平均６０４ｍＮｍ）である。関節の回動速度の範囲は、０．３９回転／ｓ〜４．３回転／ｓ（平均１．３回転／ｓ）であった。また、モータの回転速度を関節の回動速度に変換する等価的な減速比は可変であり、その値は３４２：１〜３１：１（平均１０２：１）であった。
【００６６】
本発明の回転運動・直線運動変換装置を用いたロボットハンドにおける諸元を、従来技術におけるそれと比較した結果を表１に示す。
【００６７】
【表１】
【００６８】
表１から明らかなように、本発明の回転運動・直線運動変換装置を用いたアクチュエータは、優れた特性を発揮する。
【実施例１１】
【００６９】
実施例１に示す回転運動・直線運動変換装置を用いて、回転運動・直線運動変換特性、トルク・力変換特性を調べた。用いた回転運動・直線運動変換装置の仕様は、以下の通りである。
モータ出力：３０Ｗ モータ直径：３０ｍｍ モータ長さ：１５０ｍｍ
モータ最大回転数：３０００ｒｐｍ モータ定格トルク：１００ｍＮｍ
線・条の直径：１ｍｍ 線・条の材質：カーボンファイバー 線・条の本数：２ 直線運動体における、回転運動出力軸心から半径方向の離隔距離Ａ：３０ｍｍ
【００７０】
この実施例における回転運動・直線運動変換特性を図１２に示す。最小０．６５ｍｍ／回転、最大９．３ｍｍ／回転（平均２．８ｍｍ／回転）であった。また、
トルク・力変換特性を図１３に示す。最小０．６５Ｎ／ｍＮｍ、最大９．８Ｎ／ｍＮｍ（平均３．５Ｎ／ｍＮｍ）であった。さらに、直線運動速度は、モータ速度３０００ｒｐｍ時：３２．５ｍｍ／ｓ〜４６５ｍｍ／ｓ（平均１４０ｍｍ／ｓ）、
力（張力）は、モータトルク：１００ｍＮｍ時：６５Ｎ〜９８０Ｎ（平均３５０Ｎ）であった。
【００７１】
前記回転運動・直線運動変換装置を用いて、図７（ｃ）に示す関節機構を作動させた。直線運動体７４の移動範囲：１００ｍｍ、関節７６を１００°回動させたときに、半径が５７．３ｍｍとなる。従って、半径を一定にした図７に示す機構を用いると、関節トルクの範囲が３．７Ｎｍ〜５６Ｎｍ（平均２０Ｎｍ）である。関節の回動速度の範囲は、５．４回転／ｍｉｎ〜７７．５回転／ｍｉｎ（平均２３．３回転／ｍｉｎ）であった。また、モータの回転速度を関節の回動速度に変換する等価的な減速比は可変であり、その値は５５５：１〜３９：１（平均１２９：１）であった。
【実施例１２】
【００７２】
ディジタル回転計によって回転運動出力軸の回転角度を検出し、一方、直線運動体の変位量を光電素子を用いた変位計によって検出して、所期の変位量となるように、操作量であるモータの所要回転数を制御系から出力して回転運動・直線運動変換装置を作動させた。
【実施例１３】
【００７３】
張力センサとしてロードセルを用い、直線運動体と回転運動出力軸間の張力を検出し、検出結果に基づいて所期の張力となるように制御系によってモータのトルクを変化させる制御を行った。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、ロボットの関節駆動用のアクチュエータ、わけても手、足、指関節駆動用アクチュエータとして好適に用いることができる。本発明の回転運動・直線運動変換装置は小型化が可能であるので、手術用の鉗子駆動用アクチュエータとしてまた、義手や義足用アクチュエータとしての応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の一実施例に係る回転運動・直線運動変換装置を示す模式図
【図２】本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置を示す模式図
【図３】本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置を示す模式図
【図４】本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置を示す模式図
【図５】本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置を示す模式図
【図６】本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置を示す模式図
【図７】本発明の一実施例に係る回転運動・直線運動変換装置をロボットの関節駆動機構に応用した実施例を示す模式図 （ａ）は関節を一方向に回動させる形態を示す図、（ｂ）は関節を正逆方向に回動させる形態を示す図である。
【図８】本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置を示す模式図
【図９】本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置を示す図 （ａ）は側面図、（ｂ）は掌側から見た正面図、（ｃ）は指の屈曲 状態を示す側面図である。
【図１０】本発明の一実施例に係る回転運動・直線運動変換装置における回転運動・直線運動変換特性を示すグラフ
【図１１】本発明の一実施例に係る回転運動・直線運動変換装置におけるトルク・力変換特性を示すグラフ
【図１２】本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置における回転運動・直線運動変換特性を示すグラフ
【図１３】本発明の他の実施例に係る回転運動・直線運動変換装置におけるトルク・力変換特性を示すグラフ
【図１４】従来技術によるロボットの関節駆動機構の一例を示す模式図
【図１５】従来技術によるロボットの関節駆動機構の他の例を示す模式図
【図１６】従来技術によるロボットの関節駆動機構の他の例を示す模式図
【符号の説明】
【００７６】
１ モータ
２ 減速機
３ 傘歯車
４ プーリ
５ ワイヤ
６ 関節
７ アーム
１１ モータ
１２ 回転運動出力軸
１３ 線・条（ワイヤ）
１４ 直線運動体
１５ 圧縮ばね
Ａ モータ出力軸心から線・条の他端固定部位までの距離
２１ モータ
２２ 回転運動出力軸
２３ 線・条（ワイヤ）
２４ 直線運動体
２５ 圧縮ばね
３１ モータ
３２ 回転運動出力部材
３３ 線・条（ワイヤ）
３４ 直線運動体
３５ 圧縮ばね
４１ モータ
４２ 回転運動出力部材
４３ 線・条（ワイヤ）
４４ 直線運動体
４５ 圧縮ばね
５１ モータ
５２ 回転運動出力軸
５３ 線・条（ワイヤ）
５４ 直線運動体
５５ 連結部材
６１ モータ（直線運動体）
６２ 回転運動出力軸
６３ 線・条（ワイヤ）
６４ 固定部材
６６ ころ
７１ モータ
７２ 回転運動出力軸
７３ 線・条（ワイヤ）
７４ 直線運動体
７５ 引張ばね
７６ 関節
７７ アーム
７８ ワイヤ（可撓性条体）
７９ プーリ
８２ 回転運動出力軸
８３ 線・条（ワイヤ）
８４ 直線運動体
９２ トルク伝達用歯車
１０１ モータ
１０２ 回転運動出力軸
１０３ 線・条
１０４ 直線運動体
１０５１ 引張りばね
１０５２ 引張りばね
１０６１ 第１関節
１０６２ 第２関節
１０６３ 第３関節
１１１ モータ
１１２ 回転運動出力軸
１１３ 線・条
１１４ 直線運動体
１２３ 関節結合条
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２本の線・条の一端を回転運動出力軸端の軸心部に固定するとともに、他端を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定し、また、前記線・条の他端の離隔距離Ａ、線・条の長さＬ、線・条の半径Ｒ、回転運動出力軸の回転角度αを直線運動における変位量ｘのパラメータとするとともにモータのトルクＴと前記運動体の引張り力Ｆの関係を律するパラメータとして、前記回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換しまた、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置。
【請求項２】
回転運動出力軸を両端に有する回転動力源のそれぞれの回転運動出力軸端の軸心部に少なくとも２本の線・条それぞれの一端を固定するとともに、それぞれの他端を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定し、また、前記線・条の他端の離隔距離Ａ、線・条の長さＬ、線・条の半径Ｒ、回転運動出力軸の回転角度αを直線運動における変位量ｘのパラメータとするとともにモータのトルクＴと前記運動体の引張り力Ｆの関係を律するパラメータとして、前記回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換しまた、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置。
【請求項３】
回転運動出力軸端に、該回転運動出力軸心を通りその径方向に延在する部材を固設し、該部材の前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に少なくとも２本の線・条の一端を固定し、他端を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定し、また、前記線・条の他端の離隔距離Ａ、線・条の長さＬ、線・条の半径Ｒ、回転運動出力軸の回転角度αを直線運動における変位量ｘのパラメータとするとともにモータのトルクＴと前記運動体の引張り力Ｆの関係を律するパラメータとして、前記回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換しまた、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置。
【請求項４】
回転運動出力軸を両端に有する回転動力源のそれぞれの回転運動出力軸端に該回転運動出力軸心を通りその径方向に延在する部材を固設し、該部材の前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位にそれぞれ少なくとも２本の線・条の一端を固定し、それぞれの他端を前記回転運動出力軸方向に沿うそれぞれの運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定し、また、前記線・条の他端の離隔距離Ａ、線・条の長さＬ、線・条の半径Ｒ、回転運動出力軸の回転角度αを直線運動における変位量ｘのパラメータとするとともにモータのトルクＴと前記運動体の引張り力Ｆの関係を律するパラメータとして、前記回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換しまた、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置。
【請求項５】
それぞれ独立に駆動されるか又は、共通の駆動源からトルク伝達手段を介して同時に駆動される複数の回転運動出力軸端各々の軸心部に、少なくとも２本の線・条の一端を固定し、他端を前記複数の回転運動出力軸端各々の軸心方向に沿う運動を行う運動体の、前記複数の回転運動出力軸端各々の軸心各々に関し対称となるとともに前記複数の回転運動出力軸端各々から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定し、また、前記線・条の他端の離隔距離Ａ、線・条の長さＬ、線・条の半径Ｒ、回転運動出力軸の回転角度αを直線運動における変位量ｘのパラメータとするとともにモータのトルクＴと前記運動体の引張り力Ｆの関係を律するパラメータとして、前記複数の回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換しまた、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置。
【請求項６】
請求項２又は請求項４に記載の捩りワイヤ減速装置において、回転動力源における一方の回転運動出力軸側の少なくとも２本の線・条を予め捩り込んでおき、他方の回転運動出力軸側の少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめるとともに前記一方の回転運動出力軸側の少なくとも２本の線・条を巻き解き、前記回転動力源両側における運動体に同方向、同変位量の変位を生起せしめるよう構成してなる運動変換装置。
【請求項７】
回転運動出力軸に回転角度センサをまた、前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体に変位量センサを設け、前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の位置制御および／または速度制御を行うよう構成してなる請求項１乃至請求項６何れかに記載の運動変換装置。
【請求項８】
直線運動体に張力検出センサを設け、前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の力を制御するよう構成してなる請求項１乃至請求項６何れかに記載の運動変換装置。
【請求項１】
少なくとも２本の線・条の一端を回転運動出力軸端の軸心部に固定するとともに、他端を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定し、また、前記線・条の他端の離隔距離Ａ、線・条の長さＬ、線・条の半径Ｒ、回転運動出力軸の回転角度αを直線運動における変位量ｘのパラメータとするとともにモータのトルクＴと前記運動体の引張り力Ｆの関係を律するパラメータとして、前記回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換しまた、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置。
【請求項２】
回転運動出力軸を両端に有する回転動力源のそれぞれの回転運動出力軸端の軸心部に少なくとも２本の線・条それぞれの一端を固定するとともに、それぞれの他端を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定し、また、前記線・条の他端の離隔距離Ａ、線・条の長さＬ、線・条の半径Ｒ、回転運動出力軸の回転角度αを直線運動における変位量ｘのパラメータとするとともにモータのトルクＴと前記運動体の引張り力Ｆの関係を律するパラメータとして、前記回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換しまた、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置。
【請求項３】
回転運動出力軸端に、該回転運動出力軸心を通りその径方向に延在する部材を固設し、該部材の前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に少なくとも２本の線・条の一端を固定し、他端を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定し、また、前記線・条の他端の離隔距離Ａ、線・条の長さＬ、線・条の半径Ｒ、回転運動出力軸の回転角度αを直線運動における変位量ｘのパラメータとするとともにモータのトルクＴと前記運動体の引張り力Ｆの関係を律するパラメータとして、前記回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換しまた、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置。
【請求項４】
回転運動出力軸を両端に有する回転動力源のそれぞれの回転運動出力軸端に該回転運動出力軸心を通りその径方向に延在する部材を固設し、該部材の前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位にそれぞれ少なくとも２本の線・条の一端を固定し、それぞれの他端を前記回転運動出力軸方向に沿うそれぞれの運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸心に関し対称となるとともに前記回転運動出力軸心から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定し、また、前記線・条の他端の離隔距離Ａ、線・条の長さＬ、線・条の半径Ｒ、回転運動出力軸の回転角度αを直線運動における変位量ｘのパラメータとするとともにモータのトルクＴと前記運動体の引張り力Ｆの関係を律するパラメータとして、前記回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換しまた、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置。
【請求項５】
それぞれ独立に駆動されるか又は、共通の駆動源からトルク伝達手段を介して同時に駆動される複数の回転運動出力軸端各々の軸心部に、少なくとも２本の線・条の一端を固定し、他端を前記複数の回転運動出力軸端各々の軸心方向に沿う運動を行う運動体の、前記複数の回転運動出力軸端各々の軸心各々に関し対称となるとともに前記複数の回転運動出力軸端各々から半径方向にＡだけ離隔する部位に固定し、また、前記線・条の他端の離隔距離Ａ、線・条の長さＬ、線・条の半径Ｒ、回転運動出力軸の回転角度αを直線運動における変位量ｘのパラメータとするとともにモータのトルクＴと前記運動体の引張り力Ｆの関係を律するパラメータとして、前記複数の回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換しまた、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置。
【請求項６】
請求項２又は請求項４に記載の捩りワイヤ減速装置において、回転動力源における一方の回転運動出力軸側の少なくとも２本の線・条を予め捩り込んでおき、他方の回転運動出力軸側の少なくとも２本の線・条に捩りを生ぜしめるとともに前記一方の回転運動出力軸側の少なくとも２本の線・条を巻き解き、前記回転動力源両側における運動体に同方向、同変位量の変位を生起せしめるよう構成してなる運動変換装置。
【請求項７】
回転運動出力軸に回転角度センサをまた、前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体に変位量センサを設け、前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の位置制御および／または速度制御を行うよう構成してなる請求項１乃至請求項６何れかに記載の運動変換装置。
【請求項８】
直線運動体に張力検出センサを設け、前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の力を制御するよう構成してなる請求項１乃至請求項６何れかに記載の運動変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００８−８９１７５（Ｐ２００８−８９１７５Ａ）
【公開日】平成２０年４月１７日（２００８．４．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１９６３８６（Ｐ２００７−１９６３８６）
【出願日】平成１９年７月２７日（２００７．７．２７）
【出願人】（８０２００００３１）財団法人北九州産業学術推進機構 (187)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月１７日（２００８．４．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月２７日（２００７．７．２７）
【出願人】（８０２００００３１）財団法人北九州産業学術推進機構 (187)
【Ｆターム（参考）】
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