(57)【要約】【課題】負荷が小さい場合には高速で動作し、負荷が大きい場合には大きなトルクを出力できるようにする。【解決手段】ロボットは、サーボモータ（１０１）と減速機構（１０２）とを関節機構（１００）に備えている。減速機構（１０２）は、ベースリンク（１０３）と、ベースリンク（１０３）の一端側に回転可能に連結され、サーボモータ（１０１）により揺動されるカム（１０４）と、カム（１０４）に一端側が回転可能に連結された伝達リンク（１０５）と、伝達リンク（１０５）の他端側及びベースリンク（１０３）の他端側にそれぞれ回転可能に連結され、カム（１０４）の揺動により従動的に揺動される出力リンク（１０６）とを有しており、カム（１０４）と伝達リンク（１０５）の一端側との連結位置（Ｐ３）が出力リンク（１０６）に作用する負荷の大きさに応じて移動することにより、減速比を変更可能に構成されている。
2012070547.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転型アクチュエータと減速機構を、関節機構に備えたロボットであって、
前記減速機構は、
ベースリンクと、
前記ベースリンクの一端側に回転可能に連結され、前記回転型アクチュエータにより揺動される入力リンクと、
前記入力リンクに一端側が回転可能に連結された伝達リンクと、
前記伝達リンクの他端側及び前記ベースリンクの他端側にそれぞれ回転可能に連結され、前記入力リンクの揺動により従動的に揺動される出力リンクと、
を有し、
前記入力リンクと前記伝達リンクの一端側との入力側連結位置、又は、前記出力リンクと前記伝達リンクの他端側との出力側連結位置が、前記出力リンクに作用する負荷の大きさに応じて移動することにより、減速比を変更可能に構成されている
ことを特徴とするロボット。
【請求項２】
前記入力リンクは、
前記伝達リンクの一端側に設けられた入力側連結部材が嵌合しつつ摺動可能な入力側カム溝を有する入力側カムであるか、
又は、
前記出力リンクは、
前記伝達リンクの他端側に設けられた出力側連結部材が嵌合しつつ摺動可能な出力側カム溝を有する出力側カムである
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット。
【請求項３】
前記入力側カム溝は、
前記入力側カムの回転中心から前記入力側連結位置までの入力側距離が、前記入力側カムの回転方向における前記入力側連結位置の、前記入力側距離が最大となるときの前記入力側カムの回転方向における前記入力側連結位置の角度である入力側基準角度からのずれ角度が大きくなるにつれて単調減少となる形状に形成されているか、
又は、
前記出力側カム溝は、
前記出力側カムの回転中心から前記出力側連結位置までの出力側距離が、前記出力側カムの回転方向における前記出力側連結位置の、前記出力側距離が最小となるときの前記出力側カムの回転方向における前記出力側連結位置の角度である出力側基準角度からのずれ角度が大きくなるにつれて単調増加となる形状に形成されている
ことを特徴とする請求項２に記載のロボット。
【請求項４】
前記減速機構は、
前記出力リンクの無負荷時に、前記入力側連結部材を前記入力側カム溝における前記入力側基準角度に対応する入力側基準位置に位置するように付勢する入力側弾性部材、又は、前記出力リンクの無負荷時に、前記出力側連結部材を前記出力側カム溝における前記出力側基準角度に対応する出力側基準位置に位置するように付勢する出力側弾性部材、を有する
ことを特徴とする請求項３に記載のロボット。
【請求項５】
前記減速機構は、
前記入力側連結位置が、前記出力リンクに作用する前記負荷の大きさに応じて移動することにより、前記減速比を変更可能に構成され、
前記入力リンクは、
前記入力側カムであり、
前記入力側カムの前記入力側カム溝は、
前記入力側距離が、前記入力側連結位置の前記入力側基準角度からのずれ角度が大きくなるにつれて単調減少となる形状に形成され、
前記減速機構は、
前記入力側弾性部材を有し、
前記入力側弾性部材は、
線材がらせん状に巻回された巻回部の軸心が前記回転型アクチュエータの回転軸の軸心と略一致するように設置されるねじりばねである
ことを特徴とする請求項４に記載のロボット。
【請求項６】
前記入力側カム溝は、
前記入力側基準角度に対し線対称な形状に形成されているか、
又は、
前記出力側カム溝は、
前記出力側基準角度に対し線対称な形状に形成されている
ことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載のロボット。
【請求項７】
前記入力側カム溝は、
前記入力側基準角度を中心とするＶ字形状に形成されているか、
又は、
前記出力側カム溝は、
前記出力側基準角度を中心とするＶ字形状に形成されている
ことを特徴とする請求項６に記載のロボット。
【請求項８】
前記入力側カム溝は、
前記入力側基準角度を中心とする円弧形状に形成されているか、
又は、
前記出力側カム溝は、
前記出力側基準角度を中心とする円弧形状に形成されている
ことを特徴とする請求項６に記載のロボット。
【請求項９】
前記入力側カム溝は、
前記入力側距離をｒ、前記入力側連結位置の前記入力側基準角度からのずれ角度をφ、当該ずれ角度が０である場合の距離をｒ０、０＜α＜１を満足するパラメータをαとした場合に、
ｒ（φ）＝ｒ０（１−（１−α）｜φ｜／φｍａｘ）
で与えられる曲線形状に形成されている
ことを特徴とする請求項６に記載のロボット。
【請求項１０】
前記入力側カム溝は、
前記入力側基準角度に対し非対称な形状に形成されているか、
又は、
前記出力側カム溝は、
前記出力側基準角度に対し非対称な形状に形成されている
ことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載のロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示の実施形態は、回転型アクチュエータと減速機構とを関節機構に備えたロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロボットハンド等の関節に用いられる関節機構として、回転型アクチュエータと減速機構とを備えた関節機構が提案されている（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
この従来技術の関節機構（ロボット関節機構）は、回転型アクチュエータ（モータ）と、回転型アクチュエータの出力を減速する減速機構と、減速機構に連結された弾性部材と、出力リンク（負荷部材）と、弾性部材に連結され、減速機構及び弾性部材を介して伝達された回転型アクチュエータの出力を増幅し、出力リンクに伝達する増速機構とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０５５５４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来技術の関節機構では、減速機構の減速比を大きくすることによって、回転型アクチュエータのトルクを増大することができる。しかしながら、減速比を大きくした場合には出力可能な速度が低下してしまうので、出力リンクに作用する負荷が小さい場合でも高速で動作することができないという問題があった。一方で、出力リンクに作用する負荷が大きい場合には、減速比を大きくして大きなトルクを出力する必要がある。【０００６】
本発明の目的は、負荷が小さい場合には高速で動作し、負荷が大きい場合には大きなトルクを出力できる関節機構を備えたロボットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、回転型アクチュエータと減速機構を、関節機構に備えたロボットであって、前記減速機構は、ベースリンクと、前記ベースリンクの一端側に回転可能に連結され、前記回転型アクチュエータにより揺動される入力リンクと、前記入力リンクに一端側が回転可能に連結された伝達リンクと、前記伝達リンクの他端側及び前記ベースリンクの他端側にそれぞれ回転可能に連結され、前記入力リンクの揺動により従動的に揺動される出力リンクと、を有し、前記入力リンクと前記伝達リンクの一端側との入力側連結位置、又は、前記出力リンクと前記伝達リンクの他端側との出力側連結位置が、前記出力リンクに作用する負荷の大きさに応じて移動することにより、減速比を変更可能に構成されているロボットが適用される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、負荷が小さい場合には高速で動作し、負荷が大きい場合には大きなトルクを出力できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施の形態のロボットが備える関節機構の概略構成を表すブロック図である。
【図２】関節機構の構成を表す立面図である。
【図３】図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を表す断面図である。
【図４】カムを抽出して表す模式図である。
【図５】出力リンクに負荷が作用した場合における、関節機構の動作を説明するための説明図である。
【図６】出力リンクに負荷が作用した場合における、関節機構の動作を説明するための説明図である。
【図７】出力リンクに負荷が作用した場合における、関節機構の動作を説明するための説明図である。
【図８】カム溝を円弧形状とする変形例において、関節機構の構成を表す立面図である。
【図９】図８中のＩＸ−ＩＸ断面を表す断面図である。
【図１０】カムを抽出して表す模式図である。
【図１１】出力リンクに負荷が作用した場合における、関節機構の動作を説明するための説明図である。
【図１２】カム溝を所定の数式で与えられる曲線形状とする変形例において、カムを抽出して表す模式図である。
【図１３】カム溝を非対称な形状とする変形例（その１）において、関節機構の構成を表す立面図である。
【図１４】カムを抽出して表す模式図である。
【図１５】カム溝を非対称な形状とする変形例（その２）において、カムを抽出して表す模式図である。
【図１６】ねじりばねの巻回部の軸心をシャフトの軸心に略一致させる変形例（その１）において、関節機構の構成を表す立面図である。
【図１７】カムを抽出して表す模式図である。
【図１８】効果を説明するための説明図である。
【図１９】効果を説明するための説明図である。
【図２０】ねじりばねの巻回部の軸心をシャフトの軸心に略一致させる変形例（その２）において、関節機構の構成を表す立面図である。
【図２１】カムを抽出して表す模式図である。
【図２２】効果を説明するための説明図である。
【図２３】効果を説明するための説明図である。
【図２４】出力リンクの長さを可変とする変形例において、関節機構の構成を表す立面図である。
【図２５】カムを抽出して表す模式図である。
【図２６】出力リンクに負荷が作用した場合における、関節機構の動作を説明するための説明図である。
【図２７】出力リンクに負荷が作用した場合における、関節機構の動作を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１１】
図１に示すように、本実施形態のロボットが備える関節機構１００は、ロボットハンド等の関節に用いられる関節機構であり、回転力を出力するサーボモータ１０１（回転型アクチュエータ）と、サーボモータ１０１の出力（回転速度）を減速する減速機構１０２とを備えている。減速機構１０２は、ベースリンク１０３と、サーボモータ１０１により揺動されるカム１０４（入力側カム、入力リンク）と、伝達リンク１０５と、カム１０４の揺動により伝達リンク１０５を介して従動的に揺動される出力リンク１０６と、圧縮ばね１０７ａ，１０７ｂ（入力側弾性部材）とを有しており、カム１０４の回転速度を所定の減速比（入力速度／出力速度）で減速し、当該減速した回転速度で出力リンク１０６を揺動させる。そして、この減速機構１０２は、出力リンク１０６に作用する負荷の大きさに応じて減速比を変更可能に構成されている。以下、図２、図３、及び図４を用いて、関節機構１００の詳細について説明する。
【００１２】
図２、図３、及び図４に示すように、関節機構１００は、上述したように、サーボモータ１０１と、ベースリンク１０３、カム１０４、伝達リンク１０５、出力リンク１０６、及び圧縮ばね１０７ａ，１０７ｂからなる減速機構１０２とを備えている。
【００１３】
サーボモータ１０１は、回転子及び固定子を備えると共に、一端側（図３中左端側）にシャフトＳＨ（回転軸）を有しており、シャフトＳＨをその軸心Ｏｏ周りに回転させることにより回転力を出力する。
【００１４】
ベースリンク１０３は、その一端側（図２中左端側）がサーボモータ１０１の固定子に剛体接合されており、サーボモータ１０１の固定子と共に図示しない台座に固定されている。
【００１５】
カム１０４は、ベースリンク１０３の一端側（図２中左端側）にサーボモータ１０１を介して回転可能に連結されると共に、伝達リンク１０５の一端側（図２中左端側）に設けられた連結部材１０９（入力側連結部材）及び転がり軸受１３０を介して伝達リンク１０５の一端側に回転可能に連結されており、連結部材１０９の軸心の位置、すなわち伝達リンク１０５の一端側との連結位置Ｐ３（入力側連結位置）が出力リンク１０６に作用する負荷の大きさに応じて移動可能に構成されている。このカム１０４は、シャフトＳＨが貫通する貫通孔１２４と、連結部材１０９が嵌合しつつ摺動可能なカム溝１１４（入力側カム溝）とを有しており、貫通孔１２４の内部に挿通されたシャフトＳＨに剛体接合されることにより、シャフトＳＨと共に回転可能となっている。そして、カム１０４は、サーボモータ１０１によりシャフトＳＨが軸心Ｏｏ周りに回転されることにより、軸心Ｏｏを回転中心として矢印Ａ方向へ揺動される。すなわち、軸心Ｏｏは、カム１０４の回転中心でもある。なお、カム１０４の詳細については、後述する。
【００１６】
連結部材１０９は、カム１０４と伝達リンク１０５の一端側とを、転がり軸受１３０を介して回転可能に連結する部材である。この連結部材１０９は、上記連結位置Ｐ３がカム溝１１４の溝幅方向中心線１１４Ｃ上を通るように、カム溝１１４に嵌合しつつ摺動可能となっている。
【００１７】
伝達リンク１０５は、その一端側がカム１０４に転がり軸受１３０及び連結部材１０９を介して回転可能に連結されると共に、その他端側（図２中右端側）が出力リンク１０６に連結部材１１０を介して回転可能に連結されている。
【００１８】
出力リンク１０６は、連結部材１１０を介して伝達リンク１０５の他端側に回転可能に連結されると共に、連結部材１０８を介してベースリンク１０３の他端側（図２中右端側）に回転可能に連結されており、カム１０４の揺動により伝達リンク１０５を介して従動的に連結位置Ｐ１を回転中心として揺動される。また、出力リンク１０６は、負荷が作用することにより揺動される。なお、出力リンク１０６とベースリンク１０３の他端側との連結位置Ｐ１から、出力リンク１０６と伝達リンク１０５の他端側との連結位置Ｐ２までの距離をＲ、連結位置Ｐ１から、出力リンク１０６の先端１０６Ｔまでの距離をＬとする。
【００１９】
各圧縮ばね１０７ａ，１０７ｂは、それらの一端側に設けられた連結部１４０ａ，１４０ｂがカム１０４にそれぞれ剛体接合されると共に、それらの他端側に設けられた連結部１４１ａ，１４１ｂが連結部材１０９にそれぞれすべり接触されている。これら各圧縮ばね１０７ａ，１０７ｂは、連結部材１０９に対し後述の基準角度φ０に対応する基準位置Ｃ０（入力側基準位置）の方向への付勢力をそれぞれ作用させることにより、出力リンク１０６の無負荷時に、上記連結位置Ｐ３が基準位置Ｃ０に位置するように連結部材１０９を付勢する。
【００２０】
次に、カム１０４の詳細について説明する。カム１０４は、上述したように、連結部材１０９が嵌合しつつ摺動可能なカム溝１１４を有している。このカム溝１１４は、図４に示すように、軸心Ｏｏから上記連結位置Ｐ３までの距離（入力側距離。言い換えれば、軸心Ｏｏから溝幅方向中心線１１４Ｃ上の任意の位置Ｃまでの距離）をｒ、カム１０４の回転方向（矢印Ａ方向）における軸心Ｏｏからみたカム１０４上の基準角度φ０（入力側基準角度）に対する上記連結位置Ｐ３のずれ角度（言い換えれば、軸心Ｏｏ及び基準位置Ｃ０を結ぶ線分Ｏｏ−Ｃ０と軸心Ｏｏ及び位置Ｃを結ぶ線分Ｏｏ−Ｃとのなす角）をφ、ずれ角度φが０である場合の距離ｒ（言い換えれば、軸心Ｏｏから基準位置Ｃ０までの距離）をｒ０とした場合に、ずれ角度φが大きくなるにつれて、距離ｒがｒ０から増加することなく常に減少する形状、すなわち距離ｒがｒ０から単調減少となる形状に形成されている。すなわち、距離ｒの最大値（ｒｍａｘ）がｒ０である。なお、基準角度φ０は、距離ｒが最大値ｒ０となるときの、カム１０４の回転方向における軸心Ｏｏからみたカム１０４上の連結位置Ｐ３の角度である。詳細には、カム溝１１４は、上記のような形状として、基準角度φ０（言い換えれば線分Ｏｏ−Ｃ０）に対し線対称な形状、さらに詳細には基準角度φ０を中心とする略Ｖ字形状に形成されている。なお、図４上では、カム溝１１４は、正面視で略逆Ｖ字形状に図示されている。
【００２１】
ここで、上述したようなリンク機構として構成される減速機構においては、特定の姿勢における減速比は、「出力リンクの長さ／入力リンクの長さ」に比例する。本実施形態では、「出力リンクの長さ」は上記距離Ｒ、「入力リンクの長さ」は上記距離ｒに相当する。またここで、特定の姿勢とは、カム１０４の特定の角度と出力リンク１０６の特定の角度の対である。すなわち、カム１０４の角度と出力リンク１０６の角度を特定したときの上記減速機構１０２の減速比は、「出力リンクの長さ／入力リンクの長さ」に比例する。
【００２２】
すなわち、出力リンク１０６に負荷が作用していない場合（図２に示す状態時）には、圧縮ばね１０７ａ，１０７ｂの付勢力により、連結部材１０９（詳細には連結位置Ｐ３）がカム溝１１４における上記基準位置Ｃ０に位置する。このため、連結位置Ｐ３のずれ角度φが０となるので、距離ｒが最大値ｒ０となり、減速比が最小となる。
【００２３】
そして、出力リンク１０６に負荷が作用して出力リンク１０６が揺動した場合には、出力リンク１０６に作用する負荷の大きさに応じて、連結部材１０９（詳細には連結位置Ｐ３）は基準位置Ｃ０からカム溝１１４に沿って移動する。このカム１０４に対する連結部材１０９の移動により、前述のずれ角度φが生じる。このように、カム１０４は、出力リンク１０６に作用する負荷の大きさに応じてカム１０４に対する連結部材１０９の移動量が変化するように、具体的には、出力リンク１０６に作用する負荷が小さい場合には移動量が小さくなり、出力リンク１０６に作用する負荷が大きい場合には移動量が大きくなるように構成されている。すなわち、出力リンク１０６に作用する負荷が小さい場合には、カム１０４に対する連結部材１０９の移動量は小さく、前述のずれ角度φが小さくなるので、上記カム溝１１４の形状によって距離ｒは大きくなり、減速比が小さくなる。一方、出力リンク１０６に作用する負荷が大きい場合には、カム１０４に対する連結部材１０９の移動量は大きく、前述のずれ角度φが大きくなるので、上記カム溝１１４の形状によって距離ｒは小さくなり、減速比が大きくなる。なお、出力リンク１０６に負荷が作用した場合における減速比は、Ｒ／ｒに比例する。
【００２４】
次に、図５、図６、及び図７を用いて、関節機構１００の動作について説明する。
【００２５】
図５には、出力リンク１０６の位置を不変として、出力リンク１０６に対し一方側方向（出力リンク１０６を反時計回り方向に揺動させるような方向）に外力ｆ１の負荷が作用した場合における、関節機構１００の状態を表している。
【００２６】
図５に示すように、出力リンク１０６に対し一方側方向に外力ｆ１の負荷が作用した場合には、出力リンク１０６に作用した外力ｆ１が伝達リンク１０５等を介して連結部材１０９に伝達される。そして、連結部材１０９は、その伝達された力を、カム１０４及び圧縮ばね１０７ａに分散して伝える。なお、このときの力分散の比率は、カム溝１１４の形状に依存する。このとき、カム１０４に作用する力の一部は、サーボモータ１０１の発生するトルクτ１と拮抗する。また、圧縮ばね１０７ａは、当該圧縮ばね１０７ａに作用する力に応じて圧縮・変形し、ばねの復元力と作用された力とが均衡する点で拮抗する。その結果、連結部材１０９は、基準位置Ｃ０より一方側（図５中左下側）に向けて移動し、距離ｒがｒ０より小さいｒ１となる。したがって、このときの減速機構１０２の減速比は、Ｒ／ｒ１に比例する。また、このときのサーボモータ１０１のトルクτ１は、
τ１∝（ｒ１・Ｌ・ｆ１）／Ｒ
となる。また、このときの出力リンク１０６に加わるトルクτｏ１は、
τｏ１＝Ｌ・ｆ１
と表わせる。
【００２７】
図６には、出力リンク１０６の位置を不変として、出力リンク１０６に対し一方側方向に外力ｆ２の負荷が作用した場合における、関節機構１００の状態を表している。なお、外力の大きさは、ｆ１＜ｆ２である。
【００２８】
図６に示すように、出力リンク１０６に対し一方側方向に外力ｆ２の負荷が作用した場合には、出力リンク１０６に作用した外力ｆ２が伝達リンク１０５等を介して連結部材１０９に伝達される。そして、連結部材１０９は、その伝達された力を、上記図５の場合と同様、カム１０４及び圧縮ばね１０７ａに分散して伝える。このとき、カム１０４に作用する力の一部は、サーボモータ１０１の発生するトルクτ２と拮抗する。また、圧縮ばね１０７ａは、当該圧縮ばね１０７ａに作用する力に応じて、上記図５の場合よりも大きく圧縮・変形し、ばねの復元力と作用された力とが均衡する点で拮抗する。その結果、連結部材１０９は、基準位置Ｃ０より上記図５の場合よりもさらに一方側に向けて移動し、距離ｒがｒ１より小さいｒ２となる。したがって、このときの減速機構１０２の減速比は、Ｒ／ｒ２に比例する。なお、Ｒ／ｒ１＜Ｒ／ｒ２である。また、このときのサーボモータ１０１のトルクτ２は、
τ２∝（ｒ２・Ｌ・ｆ２）／Ｒ
となる。また、このときの出力リンク１０６に加わるトルクτｏ２は、
τｏ２＝Ｌ・ｆ２
と表わせる。
【００２９】
図７には、出力リンク１０６の位置を不変として、出力リンク１０６に対し他方側方向（出力リンク１０６を時計回り方向に揺動させるような方向）に外力ｆ３の負荷が作用した場合における、関節機構１００の状態を表している。
【００３０】
図７に示すように、出力リンク１０６に対し他方側方向に外力ｆ３の負荷が作用した場合には、出力リンク１０６に作用した外力ｆ３が伝達リンク１０５等を介して連結部材１０９に伝達される。そして、連結部材１０９は、その伝達された力を、カム１０４及び圧縮ばね１０７ｂに分散して伝える。このとき、カム１０４に作用する力の一部は、サーボモータ１０１の発生するトルクτ３と拮抗する。また、圧縮ばね１０７ｂは、当該圧縮ばね１０７ｂに作用する力に応じて圧縮・変形し、ばねの復元力と作用された力とが均衡する点で拮抗する。その結果、連結部材１０９は、基準位置Ｃ０より他方側（図７中右下側）に向けて移動し、距離ｒがｒ０より小さいｒ３となる。したがって、このときの減速機構１０２の減速比は、Ｒ／ｒ３に比例する。また、このときのサーボモータ１０１のトルクτ３は、
τ３∝（ｒ３・Ｌ・ｆ３）／Ｒ
となる。また、このときの出力リンク１０６に加わるトルクτｏ３は、
τｏ３＝Ｌ・ｆ３
と表わせる。
【００３１】
以上説明したように、本実施形態のロボットは、サーボモータ１０１及び減速機構１０２を、関節機構１００に備えている。減速機構１０２は、ベースリンク１０３、カム１０４、伝達リンク１０５、及び出力リンク１０６等を有しており、サーボモータ１０１により揺動されるカム１０４の回転速度を所定の減速比で減速し、当該減速した回転速度で出力リンク１０６を揺動させる。
【００３２】
このとき、減速機構１０２は、カム１０４と伝達リンク１０５の一端側との連結位置Ｐ３が出力リンク１０６に作用する負荷の大きさに応じて移動することにより、減速比を変更可能に構成されている。これにより、出力リンク１０６に作用する負荷が小さい場合には、距離ｒ（すなわち入力リンクの実質的な長さ）を大きくして減速比を小さくし、出力リンク１０６に作用する負荷が大きい場合には、距離ｒ（すなわち入力リンクの実質的な長さ）を小さくして減速比を大きくすることができる。ここで、上記図５の場合における減速機構１０２の減速比（Ｒ／ｒ１に比例）と、上記図６の場合における減速機構１０２の減速比（Ｒ／ｒ２に比例）とを比較すると、上述したように、Ｒ／ｒ１＜Ｒ／ｒ２であるので、出力リンク１０６に作用する負荷が小さい場合に対応する図５の場合の方が減速比が小さくなり、出力リンク１０６に作用する負荷の大きい場合に対応する図６の場合の方が減速比が大きくなっている。その結果、負荷が小さい場合には高速で動作し、負荷が大きい場合には大きなトルクを出力できる関節機構１００を備えたロボットを実現することができる。
【００３３】
また、減速機構１０２の減速比を大きくしてサーボモータ１０１のトルクを増大することができるので、当該増大したトルクを出力可能な大トルクのサーボモータや、減速機構を備えない場合に比べて、サーボモータ１０１を小型化且つ軽量化することができる。したがって、ロボットの関節機構１００をコンパクトに構成できる。一方で、同じ体格のサーボモータに比べてトルクを大きくできるので、コンパクトに構成した関節で大きなトルクを出力することができる。また、上記図５の場合と、上記図６の場合とを比較すると、ｆ１＜ｆ２すなわちτｏ１＜τｏ２であるのに対し、ｒ１＞ｒ２となっているので、出力リンク１０６に作用する負荷の大きさの増分（ｆ２／ｆ１）すなわち出力リンク１０６に加わるトルクの増分（τｏ２／τｏ１）よりサーボモータ１０１のトルクの増分（τ２／τ１）は小さくなる。すなわち、ｆ２／ｆ１＞τ２／τ１、τｏ２／τｏ１＞τ２／τ１となる。つまり、例えば、出力リンク１０６に作用する負荷の大きさが２倍になったとしても（ｆ２＝２×ｆ１となったとしても）、サーボモータ１０１のトルクは２倍よりも小さくなる（τ２＜２×τ１となる）。したがって、サーボモータ１０１が発生するトルクが小さくても減速機構１０２によって出力リンクに加わるトルクを大きくできるので、小さなトルクを有するサーボモータでも大きな負荷を支持することができる関節機構を備えたロボットを実現することができる。
【００３４】
なお、図７に示すように、出力リンク１０６に作用する負荷の方向が図５及び図６に示す方向と逆向きの場合においても、減速比（Ｒ／ｒ３に比例）は負荷が作用しない場合の減速比（Ｒ／ｒ０に比例）に比べて大きくなっており、上述の図５及び図６で示した効果と同様の効果を得ることができる。したがって、出力リンク１０６に作用する負荷の方向によらず、負荷が小さい場合には高速で動作し、負荷が大きい場合には大きなトルクを出力できる関節機構１００を備えたロボットを実現することができる。また、この場合におけるトルクτ３についても、上述の図５及び図６で示した効果と同様の効果を得ることができる。したがって、出力リンク１０６に作用する負荷の方向によらず、小さなトルクで大きな負荷を支持することができる関節機構を備えたロボットを実現することができる。
【００３５】
また、本実施形態では特に、入力リンクをカム１０４で構成する。このカム１０４のカム溝１１４に、伝達リンク１０５の一端側に設けられた連結部材１０９が嵌合しつつ摺動することにより、連結位置Ｐ３が出力リンク１０６に作用する負荷の大きさに応じて移動可能な構成を、確実に実現することができる。
【００３６】
また、本実施形態では特に、カム溝１１４は、距離ｒが連結位置Ｐ３のずれ角度φが大きくなるにつれて単調減少となる形状（上記の例では基準角度φ０を中心とする略Ｖ字形状）に形成されている。そして、減速機構１０２は、出力リンク１０６の無負荷時に、連結部材１０９をカム溝１１４における基準位置Ｃ０に位置するように付勢する圧縮ばね１０７ａ，１０７ｂを有する。これにより、出力リンク１０６の無負荷時には、圧縮ばね１０７ａ，１０７ｂの付勢力により連結部材１０９が基準位置Ｃ０に位置するので、距離ｒ（すなわち入力リンクの実質的な長さ）が最大となり、減速比が最小となる。したがって、無負荷時には最大限に高速動作することができる関節機構１０２を備えたロボットを実現することができる。
【００３７】
一方、このように圧縮ばね１０７ａ，１０７ｂを減速機構１０２に設けることで、出力リンク１０６に作用する負荷の大きさに応じて、カム１０４に対する連結部材１０９の移動量が変化するように構成することができる。これにより、出力リンク１０６に作用する負荷が小さい場合には、連結位置Ｐ３のずれ角度φが小さくなるので、カム溝１１４の形状によって距離ｒ（すなわち入力リンクの実質的な長さ）を大きくし、減速比を小さくすることができる。一方、出力リンク１０６に作用する負荷が大きい場合には、連結位置Ｐ３のずれ角度φが大きくなるので、カム溝１１４の形状によって距離ｒ（すなわち入力リンクの実質的な長さ）を小さくし、減速比を大きくすることができる。
【００３８】
また、本実施形態では特に、カム溝１１４は、基準角度φ０に対し線対称な形状（上記の例では基準角度φ０を中心とする略Ｖ字形状）に形成されている。カム溝１１４を基準角度φ０に対し線対称な形状とすることにより、出力リンク１０６に対し一方側方向及び他方側方向のいずれの方向に負荷が作用した場合でも、当該負荷の方向に左右されることなく、負荷の大きさに応じて減速比を変更することができる。ここで、上記図５や図６は出力リンク１０６に対し一方側方向に負荷が作用した場合であり、上記図７は、出力リンク１０６に対し他方側方向に負荷が作用した場合であるが、いずれの場合においても、出力リンク１０６に作用する負荷の大きさに応じて減速比が変更されている。また特に、カム溝１１４を基準角度φ０を中心とする略Ｖ字形状とすることにより、基準角度φ０に対し確実に線対称な形状としつつ、距離ｒが、連結位置Ｐ３のずれ角度φが大きくなるにつれて単調減少するような構成を実現することができる。
【００３９】
なお、実施の形態は、上記内容に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を順を追って説明する。
【００４０】
（１）カム溝を円弧形状とする場合
上記実施形態においては、カム溝１１４を、基準角度φ０に対し線対称な形状の一例として、基準角度φ０を中心とする略Ｖ字形状に形成していたが、これに限られない。すなわち、カム溝を、基準角度を中心とする略円弧形状に形成してもよい。
【００４１】
図８、図９、及び図１０に示すように、本変形例における関節機構１００は、上記実施形態における関節機構１００と同様、サーボモータ１０１と、減速機構１０２とを備えている。但し、本変形例におけるサーボモータ１０１は、シャフトＳＨに代えてシャフトＳＨ′（回転軸）を有しており、シャフトＳＨ′をその軸心Ｏｏ周りに回転させることにより回転力を出力する。本変形例における減速機構１０２は、前述のベースリンク１０３と、略円盤形状のカム２０４（入力側カム、入力リンク）と、前述の伝達リンク１０５と、前述の出力リンク１０６と、ねじりばね２０７ａ，２０７ｂ（入力側弾性部材）とを有している。
【００４２】
カム２０４は、ベースリンク１０３の一端側（図８中左端側）にサーボモータ１０１を介して回転可能に連結されると共に、伝達リンク１０５の一端側（図８中左端側）に設けられた連結部材２０９（入力側連結部材）及び転がり軸受２３０を介して伝達リンク１０５の一端側に回転可能に連結されており、連結部材２０９の軸心の位置、すなわち伝達リンク１０５の一端側との連結位置Ｐ４（入力側連結位置）が出力リンク１０６に作用する負荷の大きさに応じて移動可能に構成されている。このカム２０４は、シャフトＳＨ′が貫通する貫通孔２２４と、連結部材２０９が嵌合しつつ摺動可能なカム溝２１４（入力側カム溝）とを有しており、貫通孔２２４の内部に挿通されたシャフトＳＨ′に剛体接合されることにより、シャフトＳＨ′と共に回転可能となっている。そして、カム２０４は、サーボモータ１０１によりシャフトＳＨ′が軸心Ｏｏ周りに回転されることにより、軸心Ｏｏを回転中心として矢印Ｂ方向へ揺動される。すなわち、軸心Ｏｏは、カム２０４の回転中心でもある。なお、カム２０４の詳細については、後述する。
【００４３】
連結部材２０９は、カム２０４と伝達リンク１０５の一端側とを、転がり軸受２３０を介して回転可能に連結する部材である。この連結部材２０９は、上記連結位置Ｐ４がカム溝２１４の溝幅方向中心線２１４Ｃ上を通るように、カム溝２１４に嵌合しつつ摺動可能となっている。
【００４４】
各ねじりばね２０７ａ，２０７ｂは、線材がらせん状に巻回された巻回部２１７ａ，２１７ｂの軸心Ｏａ，ＯｂがシャフトＳＨ′の軸心Ｏｏと略一致するように設置されており、それらの一端側に設けられた連結部２４０がカム２０４に固定されると共に、それらの他端側が連結部材２０９にそれぞれすべり接触されている。これら各ねじりばね２０７ａ，２０７ｂは、連結部材２０９に対し後述の基準角度φＡ０に対応する基準位置ＣＡ０（入力側基準位置）の方向への付勢力をそれぞれ作用させることにより、出力リンク１０６の無負荷時に、上記連結位置Ｐ４が基準位置ＣＡ０に位置するように連結部材２０９を付勢する。
【００４５】
次に、カム２０４の詳細について説明する。カム２０４は、上述したように、連結部材２０９が嵌合しつつ摺動可能なカム溝２１４を有している。このカム溝２１４は、図１０に示すように、軸心Ｏｏから上記連結位置Ｐ４までの距離（入力側距離。言い換えれば、軸心Ｏｏから溝幅方向中心線２１４Ｃ上の任意の位置ＣＡまでの距離）をｒ、カム２０４の回転方向（矢印Ｂ方向）における軸心Ｏｏからみたカム２０４上の基準角度φＡ０（入力側基準角度）に対する上記連結位置Ｐ４のずれ角度（言い換えれば、軸心Ｏｏ及び基準位置ＣＡ０を結ぶ線分Ｏｏ−ＣＡ０と軸心Ｏｏ及び位置ＣＡを結ぶ線分Ｏｏ−ＣＡとのなす角）をφ、ずれ角度φが０である場合の距離ｒ（言い換えれば、軸心Ｏｏから基準位置ＣＡ０までの距離）をｒ０とした場合に、ずれ角度φが大きくなるにつれて、距離ｒがｒ０から単調減少となる形状に形成されている。すなわち、距離ｒの最大値（ｒｍａｘ）がｒ０である。なお、基準角度φＡ０は、距離ｒが最大値ｒ０となるときの、カム２０４の回転方向における軸心Ｏｏからみたカム２０４上の連結位置Ｐ４の角度である。詳細には、カム溝２１４は、上記のような形状として、基準角度φＡ０（言い換えれば線分Ｏｏ−ＣＡ０）に対し線対称な形状、さらに詳細には基準角度φＡ０を中心とする略円弧形状に形成されている。
【００４６】
上述のような構成である減速機構１０２においては、出力リンク１０６に負荷が作用していない場合（図８に示す状態時）には、ねじりばね２０７ａ，２０７ｂの付勢力により、連結部材２０９（詳細には連結位置Ｐ４）がカム溝２１４における上記基準位置ＣＡ０に位置する。このため、連結位置Ｐ４のずれ角度φが０となるので、距離ｒが最大値ｒ０となり、減速比が最小となる。そして、出力リンク１０６に作用する負荷が小さい場合には、カム２０４に対する連結部材２０９の移動量は小さく、連結位置Ｐ４のずれ角度φが小さくなるので、上記カム溝２１４の形状によって距離ｒは大きくなり、減速比が小さくなる。一方、出力リンク１０６に作用する負荷が大きい場合には、カム２０４に対する連結部材２０９の移動量は大きく、連結位置Ｐ４のずれ角度φが大きくなるので、上記カム溝２１４の形状によって距離ｒは小さくなり、減速比が大きくなる。
【００４７】
次に、図１１を用いて、関節機構１００の動作について説明する。
【００４８】
図１１には、出力リンク１０６の位置を不変として、出力リンク１０６に対し一方側方向（出力リンク１０６を反時計回り方向に揺動させるような方向）に外力ｆ４の負荷が作用した場合における、関節機構１００の状態を表している。
【００４９】
図１１に示すように、出力リンク１０６に対し一方側方向に外力ｆ４の負荷が作用した場合には、出力リンク１０６に作用した外力ｆ４が伝達リンク１０５等を介して連結部材２０９に伝達される。そして、連結部材２０９は、その伝達された力を、カム２０４及びねじりばね２０７ａに分散して伝える。なお、このときの力分散の比率は、カム溝２１４の形状に依存する。このとき、カム２０４に作用する力の一部は、サーボモータ１０１の発生するトルクτ４と拮抗する。また、ねじりばね２０７ａは、当該ねじりばね２０７ａに作用する力に応じてねじれを生じ、ばねの復元力と作用された力とが均衡する点で拮抗する。その結果、連結部材２０９は、基準位置ＣＡ０より一方側に向けて移動し、距離ｒがｒ０より小さいｒ４となる。したがって、このときの減速機構１０２の減速比は、Ｒ／ｒ４に比例する。また、このときのサーボモータ１０１のトルクτ４は、
τ４∝（ｒ４・Ｌ・ｆ４）／Ｒ
となる。また、このときの出力リンク１０６に加わるトルクτｏ４は、
τｏ４＝Ｌ・ｆ４
と表わせる。
【００５０】
一方、特に図示はしていないが、出力リンク１０６に対し他方側方向に外力（ここでは外力ｆ５とする）の負荷が作用した場合には、出力リンク１０６に作用した外力ｆ５が伝達リンク１０５等を介して連結部材２０９に伝達される。そして、連結部材２０９は、その伝達された力を、カム２０４及びねじりばね２０７ｂに分散して伝える。このとき、カム２０４に作用する力の一部は、サーボモータ１０１の発生するトルク（ここではトルクτ５とする）と拮抗する。また、ねじりばね２０７ｂは、当該ねじりばね２０７ｂに作用する力に応じてねじれを生じ、ばねの復元力と作用された力とが均衡する点で拮抗する。その結果、連結部材２０９は、基準位置ＣＡ０より他方側に向けて移動し、距離ｒがｒ０より小さい値（ここではｒ５とする）となる。したがって、このときの減速機構１０２の減速比は、Ｒ／ｒ５に比例する。また、このときのサーボモータ１０１のトルクτ５は、
τ５∝（ｒ５・Ｌ・ｆ５）／Ｒ
となる。また、このときの出力リンク１０６に加わるトルクτｏ５は、
τｏ４＝Ｌ・ｆ５
と表わせる。
【００５１】
以上説明した本変形例によれば、上記実施形態と同様の効果を得る。また、本変形例では、カム溝２１４が、基準角度φＡ０を中心とする略円弧形状に形成されている。カム溝２１４を基準角度φＡ０を中心とする略円弧形状とすることにより、基準角度φＡ０に対し確実に線対称な形状としつつ、距離ｒが、連結位置Ｐ４のずれ角度φが大きくなるにつれて単調減少するような構成を実現することができる。
【００５２】
（２）カム溝を所定の数式で与えられる曲線形状とする場合
以上においては、カム溝１１４，２１４を、基準角度φ０，φＡ０に対し線対称な形状の一例として、基準角度φを中心とする略Ｖ字形状に形成したり、基準角度φＡ０を中心とする略円弧形状に形成していたが、これに限られない。すなわち、カム溝を、所定の数式で与えられる曲線形状に形成してもよい。
【００５３】
図１２に示すように、本変形例における関節機構１００は、上記（１）の変形例における関節機構１００とほぼ同様であるが、カム２０４のカム溝の形状が異なる。すなわち、本変形例におけるカム２０４のカム溝３１４（入力側カム溝）は、前述のカム溝２１４と同様、前述の連結部材２０９（図８及び図９参照）が嵌合しつつ摺動可能となっている。このカム溝３１４は、前述の軸心Ｏｏから前述の連結位置Ｐ４（図８及び図９参照）までの距離（入力側距離。言い換えれば、軸心Ｏｏからカム溝３１４の溝幅方向中心線３１４Ｃ上の任意の位置ＣＢまでの距離）をｒ、カム２０４の回転方向（矢印Ｄ方向）における軸心Ｏｏからみたカム２０４上の前述の基準角度φＡ０に対する前述の連結位置Ｐ４のずれ角度（言い換えれば、軸心Ｏｏ及び後述の基準位置ＣＢ０を結ぶ線分Ｏｏ−ＣＢ０と軸心Ｏｏ及び位置ＣＢを結ぶ線分Ｏｏ−ＣＢとのなす角）をφ、ずれ角度φが０である場合の距離ｒ（言い換えれば、軸心Ｏｏから基準位置ＣＢ０までの距離）をｒ０とした場合に、ずれ角度φが大きくなるにつれて、距離ｒがｒ０から単調減少となる形状に形成されている。すなわち、距離ｒの最大値（ｒｍａｘ）がｒ０である。詳細には、カム溝３１４は、上記のような形状として、基準角度φＡ０（言い換えれば線分Ｏｏ−ＣＢ０）に対し線対称な形状、さらに詳細には０＜α＜１を満足するパラメータをαとした場合に、
ｒ（φ）＝ｒ０（１−（１−α）｜φ｜／φｍａｘ）      ・・・（式１）
で与えられる曲線形状に形成されている。なお、φｍａｘは、ずれ角度φの設計上の最大値であり、前述の各ねじりばね２０７ａ，２０７ｂ（図８及び図９参照）の変形可能範囲より小さな値である。φｍａｘの値は、設計者が自由に設定できる。
【００５４】
すなわち、前述の出力リンク１０６に負荷が作用していない場合には、ねじりばね２０７ａ，２０７ｂの付勢力により、連結部材２０９（詳細には連結位置Ｐ４）がカム溝３１４における上記基準角度φＡ０に対応する基準位置ＣＢ０（入力側基準位置）に位置する。このため、連結位置Ｐ４のずれ角度φが０となるので、距離ｒが最大値ｒ０となり、減速比が最小となる。そして、出力リンク１０６に作用する負荷が小さい場合には、連結位置Ｐ４のずれ角度φが小さくなるので、上記カム溝３１４の形状によって距離ｒは大きくなり、減速比が小さくなる。一方、出力リンク１０６に作用する負荷が大きい場合には、連結位置Ｐ４のずれ角度φが大きくなるので、上記カム溝３１４の形状によって距離ｒは小さくなり、減速比が大きくなる。
【００５５】
以上説明した本変形例によれば、前述の実施形態や（１）の変形例と同様の効果を得る。また、本変形例では、カム溝３１４が、上記（式１）で与えられる曲線形状に形成されている。カム溝３１４を上記（式１）で与えられる曲線形状とすることにより、基準角度φＡ０に対し確実に線対称な形状としつつ、距離ｒが、連結位置Ｐ４のずれ角度φが大きくなるにつれて単調減少するような構成を実現することができる。また、上記（式１）において、パラメータαを小さくすると、ずれ角度φの増分に対する距離ｒの減少量（ｄｒ／ｄφ）が大きくなるので、パラメータαが大きい場合よりも出力リンク１０６に負荷が作用した場合における減速機構１０２の減速比が大きくなる。したがって、パラメータαを小さくすることにより、同じ大きさの負荷を支持するためのサーボモータ１０１のトルクが小さくなり、より低トルクのサーボモータ１０１で大きな負荷を支持できる。
【００５６】
（３）カム溝を非対称な形状とする場合（その１）
以上においては、カム溝１１４，２１４，３１４を、基準角度φ０，φＡ０，φＡ０に対し線対称な形状に形成していたが、これに限られない。すなわち、カム溝を、基準角度に対し非対称な形状に形成してもよい。
【００５７】
図１３及び図１４に示すように、本変形例における関節機構１００は、前述の実施形態における関節機構１００とほぼ同様であるが、カム１０４のカム溝の形状、及び、圧縮ばね１０７ａ，１０７ｂのうち一方（この例では圧縮ばね１０７ｂ）が省略された点が異なる。すなわち、本変形例におけるカム１０４のカム溝４１４（入力側カム溝）は、前述のカム溝１１４と同様、前述の連結部材１０９が嵌合しつつ摺動可能となっている。このカム溝４１４は、前述の軸心Ｏｏから前述の連結位置Ｐ３までの距離（入力側距離。言い換えれば、軸心Ｏｏからカム溝４１４の溝幅方向中心線４１４Ｃ上の任意の位置ＣＣまでの距離）をｒ、カム１０４の回転方向（矢印Ｅ方向）における軸心Ｏｏからみたカム１０４上の前述の基準角度φ０に対する前述の連結位置Ｐ３のずれ角度（言い換えれば、軸心Ｏｏ及び後述の基準位置ＣＣ０を結ぶ線分Ｏｏ−ＣＣ０と軸心Ｏｏ及び位置ＣＣを結ぶ線分Ｏｏ−ＣＣとのなす角）をφ、ずれ角度φが０である場合の距離ｒ（言い換えれば、軸心Ｏｏから基準位置ＣＣ０までの距離）をｒ０とした場合に、ずれ角度φが大きくなるにつれて、距離ｒがｒ０から単調減少となる形状に形成されている。すなわち、距離ｒの最大値（ｒｍａｘ）がｒ０である。詳細には、カム溝４１４は、上記のような形状として、基準角度φ０（言い換えれば線分Ｏｏ−ＣＣ０）に対し非対称な形状、さらに詳細には後述の基準位置ＣＣ０を端点とする略直線形状に形成されている。この例では、基準角度φ０を中心とする略Ｖ字形状に形成された前述のカム溝１１４の、基準角度φ０より一方側部分（図１３及び図１４中の左側部分）に対応した略直線形状に形成されている。
【００５８】
すなわち、前述の出力リンク１０６に負荷が作用していない場合には、圧縮ばね１０７ａの付勢力により、連結部材１０９（詳細には連結位置Ｐ３）がカム溝４１４における上記基準角度φ０に対応する基準位置ＣＣ０（入力側基準位置）に位置する。このため、連結位置Ｐ３のずれ角度φが０となるので、距離ｒが最大値ｒ０となり、減速比が最小となる。そして、出力リンク１０６に対し一方側方向（出力リンク１０６を反時計回り方向に揺動させるような方向）に負荷が作用した場合には、上記カム溝４１４の形状によって距離ｒが小さくなり、減速比が大きくなる。一方、出力リンク１０６に対し他方側方向（出力リンク１０６を時計回り方向に揺動させるような方向）に負荷が作用した場合には、上記カム溝４１４の形状によって距離ｒが変化せず、減速比が変化しない。
【００５９】
本変形例によれば、出力リンク１０６に作用する負荷の方向に応じて、減速比の変更態様を異ならせることができる。すなわち、カム溝４１４を上記のような形状とすることにより、出力リンク１０６に対し一方側方向に負荷が作用した場合には減速比を変更するが、他方側方向に負荷が作用した場合には減速比を変更しない構成が可能となる。このような構成は、一方側方向には大きな力を発生する必要があるが、他方側方向には大きな力が必要ない場合に特に有用である。また、カム１０４の形状が単純で、圧縮ばねの数も１つで足りるので、カム１０４の製造を容易化できる。
【００６０】
（４）カム溝を非対称な形状とする場合（その２）
基準角度に対し非対称な形状としては、上記カム溝４１４のような形状に限られず、別の形状でもよい。
【００６１】
図１５に示すように、本変形例における関節機構１００は、前述の（１）の変形例における関節機構１００とほぼ同様であるが、カム２０４のカム溝の形状が異なる。すなわち、本変形例におけるカム２０４のカム溝５１４（入力側カム溝）は、前述のカム溝２１４と同様、前述の連結部材２０９（図８及び図９参照）が嵌合しつつ摺動可能となっている。このカム溝５１４は、前述の軸心Ｏｏから前述の連結位置Ｐ４（図８及び図９参照）までの距離（入力側距離。言い換えれば、軸心Ｏｏからカム溝５１４の溝幅方向中心線５１４Ｃ上の任意の位置ＣＤまでの距離）をｒ、カム２０４の回転方向（矢印Ｆ方向）における軸心Ｏｏからみたカム２０４上の前述の基準角度φＡ０に対する前述の連結位置Ｐ４のずれ角度（言い換えれば、軸心Ｏｏ及び後述の基準位置ＣＤ０を結ぶ線分Ｏｏ−ＣＤ０と軸心Ｏｏ及び位置ＣＤを結ぶ線分Ｏｏ−ＣＤとのなす角）をφ、ずれ角度φが０である場合の距離ｒ（言い換えれば、軸心Ｏｏから基準位置ＣＤ０までの距離）をｒ０とした場合に、ずれ角度φが大きくなるにつれて、距離ｒがｒ０から単調減少となる形状に形成されている。すなわち、距離ｒの最大値（ｒｍａｘ）がｒ０である。詳細には、カム溝５１４は、上記のような形状として、基準角度φＡ０（言い換えれば線分Ｏｏ−ＣＤ０）に対し非対称な形状、さらに詳細には、０＜α１＜１，０＜α２＜１，＜α１＜α２を満足するパラメータをα１，α２とした場合に、
ｒ（φ）＝ｒ０（１−（１−α１）｜φ｜／φｍａｘ１）
ｒ（φ）＝ｒ０（１−（１−α２）｜φ｜／φｍａｘ２）
で与えられる曲線形状に形成されている。なお、φｍａｘ１，φｍａｘ２は、ずれ角度φの設計上の最大値である。φｍａｘ１，φｍａｘ２の値は、設計者が自由に設定できる。
【００６２】
すなわち、前述の出力リンク１０６に負荷が作用していない場合には、ねじりばね２０７ａ，２０７ｂの付勢力により、連結部材２０９（詳細には連結位置Ｐ４）がカム溝５１４における上記基準角度φＡ０に対応する基準位置ＣＤ０（入力側基準位置）に位置する。このため、連結位置Ｐ４のずれ角度φが０となるので、距離ｒが最大値ｒ０となり、減速比が最小となる。そして、出力リンク１０６に対し一方側方向に負荷が作用した場合には、上記カム溝５１４の形状によってずれ角度φが負となり、負荷の大きさに応じて減速比が大きくなる。一方、出力リンク１０６に対し他方側方向に負荷が作用した場合には、上記カム溝５１４の形状によってずれ角度φが正となり、負荷の大きさに応じて減速比が、ずれ角度φが負の場合より大きな変化量で大きくなる。
【００６３】
本変形例によれば、上記（３）の変形例と同様の効果を得る。また特に、カム溝５１４を上記のような形状とすることにより、出力リンク１０６に作用する負荷の方向に応じて、減速比の変化率を異ならせることができる。このような構成は、方向によって、出力リンク１０６に作用する負荷の大きさを変更したい場合に特に有用である。
【００６４】
（５）ねじりばねの巻回部の軸心をシャフトの軸心に略一致させる場合（その１）
図１６及び図１７に示すように、本変形例における関節機構１００は、前述の実施形態と同様、サーボモータ１０１と、減速機構１０２とを備えている。本変形例におけるサーボモータ１０１は、前述の実施形態と同様であり、シャフトＳＨをその軸心Ｏｏ周りに回転させることにより回転力を出力する。本変形例における減速機構１０２は、前述のベースリンク１０３と、カム５０４（入力側カム、入力リンク）と、前述の伝達リンク１０５と、前述の出力リンク１０６と、ねじりばね５０７（入力側弾性部材）とを有している。
【００６５】
カム５０４は、ベースリンク１０３の一端側（図１６中左端側）にサーボモータ１０１を介して回転可能に連結されると共に、伝達リンク１０５の一端側（図１６中左端側）に設けられた連結部材５０９（入力側連結部材）を介して伝達リンク１０５の一端側に回転可能に連結されており、連結部材５０９の軸心の位置、すなわち伝達リンク１０５の一端側との連結位置Ｐ５（入力側連結位置）が出力リンク１０６に作用する負荷の大きさに応じて移動可能に構成されている。このカム５０４は、シャフトＳＨが貫通する貫通孔５２４と、連結部材５０９が嵌合しつつ摺動可能なカム溝８１４（入力側カム溝）とを有しており、貫通孔５２４の内部に挿通されたシャフトＳＨに剛体接合されることにより、シャフトＳＨと共に回転可能となっている。そして、カム５０４は、サーボモータ１０１によりシャフトＳＨが軸心Ｏｏ周りに回転されることにより、軸心Ｏｏを回転中心として矢印Ｇ方向へ揺動される。すなわち、軸心Ｏｏは、カム５０４の回転中心でもある。なお、カム５０４の詳細については、後述する。
【００６６】
連結部材５０９は、カム５０４と伝達リンク１０５の一端側とを、回転可能に連結する部材である。この連結部材５０９は、上記連結位置Ｐ５がカム溝８１４の溝幅方向中心線８１４Ｃ上を通るように、カム溝８１４に嵌合しつつ摺動可能となっている。
【００６７】
ねじりばね５０７は、その巻回部５１７の軸心ＯｃがシャフトＳＨの軸心Ｏｏと略一致するように設置されており、それらの一端側に設けられた連結部５４０がカム５０４に固定されると共に、それらの他端側が連結部材５０９にすべり接触されている。このねじりばね５０７は、連結部材５０９に対し後述の基準角度φＥ０に対応する基準位置ＣＥ０（入力側基準位置）の方向への付勢力を作用させることにより、出力リンク１０６の無負荷時に、上記連結位置Ｐ５が基準位置ＣＥ０に位置するように連結部材５０９を付勢する。
【００６８】
次に、カム５０４の詳細について説明する。カム５０４は、上述したように、連結部材５０９が嵌合しつつ摺動可能なカム溝８１４を有している。このカム溝８１４は、図１７に示すように、軸心Ｏｏから上記連結位置Ｐ５までの距離（入力側距離。言い換えれば、軸心Ｏｏから溝幅方向中心線８１４Ｃ上の任意の位置ＣＥまでの距離）をｒ、カム５０４の回転方向（矢印Ｇ方向）における軸心Ｏｏからみたカム５０４上の基準角度φＥ０（入力側基準角度）に対する上記連結位置Ｐ５のずれ角度（言い換えれば、軸心Ｏｏ及び基準位置ＣＥ０を結ぶ線分Ｏｏ−ＣＥ０と軸心Ｏｏ及び位置ＣＥを結ぶ線分Ｏｏ−ＣＥとのなす角）をφ、ずれ角度φが０である場合の距離ｒ（言い換えれば、軸心Ｏｏから基準位置ＣＥ０までの距離）をｒ０とした場合に、ずれ角度φが大きくなるにつれて、距離ｒがｒ０から単調減少となる形状に形成されている。すなわち、距離ｒの最大値（ｒｍａｘ）がｒ０である。なお、基準角度φＥ０は、距離ｒが最大値ｒ０となるときの、カム５０４の回転方向における軸心Ｏｏからみたカム５０４上の連結位置Ｐ５の角度である。詳細には、カム溝８１４は、上記のような形状として、基準角度φＥ０（言い換えれば線分Ｏｏ−ＣＥ０）に対し非対称な形状、さらに詳細には基準位置ＣＥ０を端点とする略直線形状に形成されている。
【００６９】
上述のような構成である減速機構１０２においては、出力リンク１０６に負荷が作用していない場合（図１６に示す状態時）には、ねじりばね５０７の付勢力により、連結部材５０９（詳細には連結位置Ｐ５）がカム溝８１４における上記基準位置ＣＥ０に位置する。このため、連結位置Ｐ５のずれ角度φが０となるので、距離ｒが最大値ｒ０となり、減速比が最小となる。そして、出力リンク１０６に対し一方側方向（出力リンク１０６を反時計回り方向に揺動させるような方向）に負荷が作用した場合には、上記カム溝８１４の形状によって距離ｒが小さくなり、減速比が大きくなる。一方、出力リンク１０６に対し他方側方向（出力リンク１０６を時計回り方向に揺動させるような方向）に負荷が作用した場合には、上記カム溝８１４の形状によって距離ｒが変化せず、減速比が変化しない。
【００７０】
以下、比較例を用いて、本変形例の効果を説明する。
【００７１】
図１８には、カム５０４を、上記シャフトＳＨの軸心Ｏｏを原点、カム５０４の長手方向をｘ軸方向とする、当該カム５０４上に固定した直交座標軸ｘ，ｙと共に表している。この図１８では、距離ｒが最大値ｒ０（図中ではｒｍａｘと示す）となる上記連結部材５０９（詳細には上記連結位置Ｐ５）の位置（カム溝８１４の一端）である基準位置ＣＥ０のｘ座標をＸｃ、距離ｒが最小値（図中ではｒｍｉｎと示す）となる上記連結部材５０９（詳細には上記連結位置Ｐ５）の位置（カム溝８１４の他端）をｙ切片、上記ねじりばね５０７の巻回部５１７の軸心Ｏｃの座標を（Ｘｓ，０）としている。図１８（ａ）は、ねじりばね５０７をＸｓ＝０．５Ｘｃとなるように設置した場合の比較例であり、図１８（ｂ）は、ねじりばね５０７をＸｓ＝０．２５Ｘｃとなるように設置した場合の比較例であり、図１８（ｃ）は、ねじりばね５０７をＸｓ＝−０．２５Ｘｃとなるように設置した場合の比較例である。なお、本変形例におけるねじりばね５０７は、その巻回部５１７の軸心ＯｃがシャフトＳＨの軸心Ｏｏと略一致するように、すなわち、Ｘｓ＝０となるように設置されている。
【００７２】
図１９には、ねじりばね５０７を、Ｘｓ＝−０．２５Ｘｃ（上記図１８（ｃ）に対応）、Ｘｓ＝０（本変形例に対応）、Ｘｓ＝０．２５Ｘｃ（上記図１８（ｂ）に対応）、Ｘｓ＝０．５Ｘｃ（上記図１８（ａ）に対応）となるように設置した場合における、入力駆動トルクτ（サーボモータ１０１のトルクτ）と、距離ｒ（すなわち入力リンクの実質的な長さ）との関係を表している。この例では、入力駆動トルクを横軸、距離ｒ（すなわち入力リンクの実質的な長さ）を縦軸としている。
【００７３】
図１９に示すように、ねじりばね５０７をＸｓ＝−０．２５Ｘｃとなるように設置した場合（図中の実線で示す曲線）に関しては、入力駆動トルクτが相対的に小さい段階（言い換えれば、出力リンク１０６に作用する負荷の大きさが相対的に小さい段階）で、連結部材５０９が上記カム溝８１４の他端まで押し込まれ距離ｒが最小値ｒｍｉｎまで減少するため、動作範囲が小さく好ましくない。また、ねじりばね５０７を、Ｘｓ＝０となるように設置した場合（図中の鎖線で示す曲線）、Ｘｓ＝０．２５Ｘｃとなるように設置した場合（図中の点線で示す曲線）、及び、Ｘｓ＝０．５Ｘｃとなるように設置した場合（図中の一点鎖線で示す曲線）に関しては、Ｘｓの値が大きくなるにつれて（すなわち、ねじりばね５０７の巻回部５１７の軸心Ｏｃが、シャフトＳＨの軸心Ｏｏから離間するにつれて）、入力駆動トルクτと距離ｒとが一意に対応しなくなる。これは、入力駆動トルクτが一定値以上になると（言い換えれば、出力リンク１０６に作用する負荷の大きさが一定値以上になると）、連結部材５０９が上記カム溝８１４の他端まで押し込まれ距離ｒが一気に最小値ｒｍｉｎまで減少することを意味する。このように、Ｘｓの値が大きくなるにつれて、出力リンク１０６に作用する負荷の大きさに応じてカム溝８１４を移動する連結部材５０９の移動量（すなわち連結位置Ｐ５のずれ角度φ）が不連続的に変化する傾向となる。このような不連続性は、出力トルクを制御する上で大きな障害となるため好ましくない。
【００７４】
以上のようなことを鑑みて本変形例においては、上述したように、ねじりばね５０７をその巻回部５１７の軸心ＯｃがシャフトＳＨの軸心Ｏｏと略一致するように設置している。これにより、出力リンク１０６に作用する負荷の大きさに応じてカム５０４に対する連結部材５０９の移動量（すなわち連結位置Ｐ５のずれ角度φ）が連続的に変化する範囲を、広範囲にすることができる。その結果、出力リンク１０６に作用する負荷が大きくなる（必要となるトルクが増大する）に従って距離ｒ（すなわち入力リンクの実質的な長さ）が連続的に小さくなり減速比が連続的に大きくなる特性を、広範囲に亘って得ることができる。これにより、ねじりばね５０７をその巻回部５１７の軸心ＯｃがシャフトＳＨの軸心Ｏｏから離間するように設置する場合に比べ、トルク制御を容易に行うことができると共に、動作範囲を拡大することができる。
【００７５】
（６）ねじりばねの巻回部の軸心をシャフトの軸心に略一致させる場合（その２）
図２０及び図２１に示すように、本変形例における関節機構１００は、前述の実施形態と同様、サーボモータ１０１と、減速機構１０２とを備えている。本変形例におけるサーボモータ１０１は、前述の実施形態と同様であり、シャフトＳＨをその軸心Ｏｏ周りに回転させることにより回転力を出力する。本変形例における減速機構１０２は、前述のベースリンク１０３と、カム６０４（入力側カム、入力リンク）と、前述の伝達リンク１０５と、前述の出力リンク１０６と、ねじりばね６０７（入力側弾性部材）とを有している。
【００７６】
カム６０４は、ベースリンク１０３の一端側（図２０中左端側）にサーボモータ１０１を介して回転可能に連結されると共に、伝達リンク１０５の一端側（図２０中左端側）に設けられた連結部材６０９（入力側連結部材）を介して伝達リンク１０５の一端側に回転可能に連結されており、連結部材５０９の軸心の位置、すなわち伝達リンク１０５の一端側との連結位置Ｐ６（入力側連結位置）が出力リンク１０６に作用する負荷の大きさに応じて移動可能に構成されている。このカム６０４は、シャフトＳＨが貫通する貫通孔６２４と、連結部材６０９が嵌合しつつ摺動可能なカム溝６１４（入力側カム溝）とを有しており、貫通孔６２４の内部に挿通されたシャフトＳＨに剛体接合されることにより、シャフトＳＨと共に回転可能となっている。そして、カム６０４は、サーボモータ１０１によりシャフトＳＨが軸心Ｏｏ周りに回転されることにより、軸心Ｏｏを回転中心として矢印Ｈ方向へ揺動される。すなわち、軸心Ｏｏは、カム６０４の回転中心でもある。なお、カム６０４の詳細については、後述する。
【００７７】
連結部材６０９は、カム６０４と伝達リンク１０５の一端側とを、回転可能に連結する部材である。この連結部材６０９は、上記連結位置Ｐ６がカム溝６１４の溝幅方向中心線６１４Ｃ上を通るように、カム溝６１４に嵌合しつつ摺動可能となっている。
【００７８】
ねじりばね６０７は、その巻回部６１７の軸心ＯｄがシャフトＳＨの軸心Ｏｏと略一致するように設置されており、それらの一端側に設けられた連結部６４０がカム６０４に固定されると共に、それらの他端側が連結部材６０９にすべり接触されている。このねじりばね６０７は、連結部材６０９に対し後述の基準角度φＦ０に対応する基準位置ＣＦ０（入力側基準位置）の方向への付勢力をそれぞれ作用させることにより、出力リンク１０６の無負荷時に、上記連結位置Ｐ６が基準位置ＣＦ０に位置するように連結部材６０９を付勢する。
【００７９】
次に、カム６０４の詳細について説明する。カム６０４は、上述したように、連結部材６０９が嵌合しつつ摺動可能なカム溝６１４を有している。このカム溝６１４は、図２１に示すように、軸心Ｏｏから上記連結位置Ｐ６までの距離（入力側距離。言い換えれば、軸心Ｏｏから溝幅方向中心線６１４Ｃ上の任意の位置ＣＦまでの距離）をｒ、カム６０４の回転方向（矢印Ｈ方向）における軸心Ｏｏからみたカム６０４上の基準角度φＦ０（入力側基準角度）に対する上記連結位置Ｐ６のずれ角度（言い換えれば、軸心Ｏｏ及び基準位置ＣＦ０を結ぶ線分Ｏｏ−ＣＦ０と軸心Ｏｏ及び位置ＣＦを結ぶ線分Ｏｏ−ＣＦとのなす角）をφ、ずれ角度φが０である場合の距離ｒ（言い換えれば、軸心Ｏｏから基準位置ＣＦ０までの距離）をｒ０とした場合に、ずれ角度φが大きくなるにつれて、距離ｒがｒ０から単調減少となる形状に形成されている。すなわち、距離ｒの最大値（ｒｍａｘ）がｒ０である。なお、基準角度φＦ０は、距離ｒが最大値ｒ０となるときの、カム６０４の回転方向における軸心Ｏｏからみたカム６０４上の連結位置Ｐ６の角度である。詳細には、カム溝６１４は、上記のような形状として、基準角度φＦ０（言い換えれば線分Ｏｏ−ＣＦ０）に対し非対称な形状、さらに詳細には基準位置ＣＥ０を端点とする略円弧形状に形成されている。
【００８０】
上述のような構成である減速機構１０２においては、出力リンク１０６に負荷が作用していない場合（図２０に示す状態時）には、ねじりばね６０７の付勢力により、連結部材６０９（詳細には連結位置Ｐ６）がカム溝６１４における上記基準位置ＣＦ０に位置する。このため、連結位置Ｐ６のずれ角度φが０となるので、距離ｒが最大値ｒ０となり、減速比が最小となる。そして、出力リンク１０６に対し一方側方向（出力リンク１０６を反時計回り方向に揺動させるような方向）に負荷が作用した場合には、上記カム溝６１４の形状によって距離ｒが小さくなり、減速比が大きくなる。一方、出力リンク１０６に対し他方側方向（出力リンク１０６を時計回り方向に揺動させるような方向）に負荷が作用した場合には、上記カム溝６１４の形状によって距離ｒが変化せず、減速比が変化しない。
【００８１】
以下、比較例を用いて、本変形例の効果を説明する。
【００８２】
図２２には、カム６０４を、上記シャフトＳＨの軸心Ｏｏを原点、軸心Ｏｏとカム溝６１４の溝幅方向中心線６１４Ｃである円の中心点Ｏｅとを結ぶ直線の方向をｘ軸方向とする、当該カム６０４上に固定した直交座標軸ｘ，ｙと共に表している。この図２２では、距離ｒの最大値ｒ０をｒｍａｘ、距離ｒの最小値をｒｍｉｎ、上記中心点Ｏｅのｘ座標をＸｃ、上記ねじりばね６０７の巻回部６１７の軸心Ｏｄの座標を（Ｘｓ，０）としている。図２２（ａ）は、ねじりばね６０７をＸｓ＝Ｘｃとなるように設置した場合の比較例であり、図２２（ｂ）は、ねじりばね６０７をＸｓ＝０．６Ｘｃとなるように設置した場合の比較例であり、図２２（ｃ）は、ねじりばね６０７をＸｓ＝０．３Ｘｃとなるように設置した場合の比較例である。なお、本変形例におけるねじりばね６０７は、その巻回部６１７の軸心ＯｄがシャフトＳＨの軸心Ｏｏと略一致するように、すなわち、Ｘｓ＝０となるように設置されている。
【００８３】
図２３には、ねじりばね６０７を、Ｘｓ＝Ｘｃ（上記図２１（ａ）に対応）、Ｘｓ＝０．６（上記図２１（ｂ）に対応）、Ｘｓ＝０．３Ｘｃ（上記図１８（ｃ）に対応）、Ｘｓ＝０（本変形例に対応）となるように設置した場合における、入力駆動トルクτ（サーボモータ１０１のトルクτ）と、距離ｒ（すなわち入力リンクの実質的な長さ）との関係を表している。この例では、入力駆動トルクを横軸、距離ｒ（すなわち入力リンクの実質的な長さ）を縦軸としている。
【００８４】
図２３に示すように、ねじりばね６０７を、Ｘｓ＝Ｘｃとなるように設置した場合（図中の一点鎖線で示す曲線）、Ｘｓ＝０．６Ｘｃとなるように設置した場合（図中の点線で示す曲線）、Ｘｓ＝０．３Ｘｃとなるように設置した場合（図中の鎖線で示す曲線）、及び、Ｘｓ＝０となるように設置した場合（図中の実線で示す曲線）に関しては、Ｘｓの値が大きくなるにつれて（すなわち、ねじりばね６０７の巻回部６１７の軸心Ｏｃが、シャフトＳＨの軸心Ｏｏから離間するにつれて）、入力駆動トルクτと距離ｒとが一意に対応しなくなる。これは、入力駆動トルクτが一定値以上になると（言い換えれば、出力リンク１０６に作用する負荷の大きさが一定値以上になると）、連結部材６０９が上記カム溝６１４の他端まで押し込まれ距離ｒが一気に最小値ｒｍｉｎまで減少することを意味する。このように、Ｘｓの値が大きくなるにつれて、出力リンク１０６に作用する負荷の大きさに応じてカム溝６１４を移動する連結部材６０９の移動量（すなわち連結位置Ｐ６のずれ角度φ）が不連続的に変化する傾向となる。このような不連続性は、出力トルクを制御する上で大きな障害となるため好ましくない。
【００８５】
以上のようなことを鑑みて本変形例においては、上述したように、ねじりばね６０７をその巻回部６１７の軸心ＯｄがシャフトＳＨの軸心Ｏｏと略一致するように設置している。これにより、上記（５）の変形例と同様、ねじりばね６０７をその巻回部５１７の軸心ＯｄがシャフトＳＨの軸心Ｏｏから離間するように設置する場合に比べ、トルク制御を容易に行うことができると共に、動作範囲を拡大することができる。
【００８６】
（７）出力リンクの長さを可変とする場合
以上においては、出力リンク１０６に作用する負荷の大きさに応じて入力リンクの実質的な長さが可変することで、減速比を変更可能に構成していたが、これに限られず、出力リンクに作用する負荷の大きさに応じて出力リンクの実質的な長さが可変することで、減速比を変更可能に構成してもよい。
【００８７】
図２４及び図２５に示すように、本変形例における関節機構７００は、回転力を出力するサーボモータ７０１（回転型アクチュエータ）と、サーボモータ７０１の出力を減速する減速機構７０２とを備えている。減速機構７０２は、ベースリンク７０３と、サーボモータ７０１により揺動される入力リンク７０４と、伝達リンク７０５と、入力リンク７０４の揺動により伝達リンク７０５を介して従動的に揺動されるカム７０６（出力側カム、出力リンク）と、ねじりばね７０７（出力側弾性部材）とを有しており、入力リンク７０４の回転速度を所定の減速比で減速し、当該減速した回転速度でカム７０６を揺動させる。そして、この減速機構７０２は、カム７０６に作用する負荷の大きさに応じて減速比を変更可能に構成されている。
【００８８】
サーボモータ７０１は、回転子及び固定子を備えると共に、一端側（図２４中左端側）にシャフトＳＨ″（回転軸）を有しており、シャフトＳＨ″をその軸心Ｏｏ周りに回転させることにより回転力を出力する。
【００８９】
ベースリンク７０３は、その一端側（図２４中左端側）がサーボモータ７０１の固定子に剛体接合されており、サーボモータ７０１の固定子と共に図示しない台座に固定されている。
【００９０】
入力リンク７０４は、ベースリンク７０３の一端側（図２４中左端側）にサーボモータ７０１を介して回転可能に連結されると共に、伝達リンク７０５の一端側（図２４中左端側）に設けられた連結部材７０９を介して伝達リンク７０５の一端側に回転可能に連結されている。この入力リンク７０４は、サーボモータ７０１によりシャフトＳＨ″が軸心Ｏｏ周りに回転されることにより、軸心Ｏｏを回転中心として揺動される。なお、入力リンク７０４とベースリンク７０３の一端側との連結位置Ｐ７から上記軸心Ｏｏまでの距離をｒとする。
【００９１】
伝達リンク７０５は、その一端側が入力リンク７０４に連結部材７０９を介して回転可能に連結されると共に、その他端側（図２４中右端側）がカム７０６に連結部材７１０を介して回転可能に連結されている。
【００９２】
カム７０６は、伝達リンク７０５の他端側に設けられた連結部材７１０（出力側連結部材）を介して伝達リンク７０５の他端側に回転可能に連結されると共に、ベースリンク７０３の他端側（図２４中右端側）に回転可能に連結されており、入力リンク７０４の揺動により伝達リンク７０５を介して従動的に連結位置Ｐ８を回転中心として揺動される。また、カム７０６は、連結部材７１０の軸心の位置、すなわち伝達リンク７０５の他端側との連結位置Ｐ９（出力側連結位置）が当該カム７０６に作用する負荷の大きさに応じて移動可能に構成されている。このカム７０６は、連結部材７１０が嵌合しつつ摺動可能なカム溝７１４（出力側カム溝）を有しており、負荷が作用することにより連結位置Ｐ８を回転中心として揺動される。すなわち、連結位置Ｐ８は、カム７０４の回転中心でもある。なお、カム７０６の詳細については、後述する。
【００９３】
ねじりばね７０７は、その一端側に設けられた連結部７４０がカム７０６に固定されると共に、その他端側が連結部材７１０にすべり接触されている。このねじりばね７０７は、連結部材７１０に対し後述の基準角度φＩ０に対応する基準位置ＣＩ０（出力側基準位置）の方向への付勢力を作用させることにより、カム７０６の無負荷時に、上記連結位置Ｐ９が基準位置ＣＩ０に位置するように連結部材７１０を付勢する。
【００９４】
次に、カム７０６の詳細について説明する。カム７０４は、上述したように、連結部材７１０が嵌合しつつ摺動可能なカム溝７１４を有している。このカム溝７１４は、図２５に示すように、連結位置Ｐ８から上記連結位置Ｐ９までの距離（出力側距離。言い換えれば、連結位置Ｐ８から溝幅方向中心線７１４Ｃ上の任意の位置ＣＩまでの距離）をＲ、カム７０６の回転方向における連結位置Ｐ８からみたカム７０６上の基準角度φＩ０（出力側基準角度）に対する上記連結位置Ｐ９のずれ角度（言い換えれば、連結位置Ｐ８及び基準位置ＣＩ０を結ぶ線分Ｐ８−ＣＩ０と連結位置Ｐ８及び位置ＣＩを結ぶ線分Ｐ８−ＣＩとのなす角）をφ、ずれ角度φが０である場合の距離Ｒ（言い換えれば、連結位置Ｐ８から基準位置ＣＩ０までの距離）をＲ０とした場合に、ずれ角度φが大きくなるにつれて、距離ＲがＲ０から減少することなく常に増加する形状、すなわち距離ＲがＲ０から単調増加となる形状に形成されている。すなわち、距離Ｒの最小値（Ｒｍｉｎ）がＲ０である。なお、基準角度φＩ０は、距離Ｒが最小値Ｒ０となるときの、カム７０６の回転方向における連結位置Ｐ８からみたカム７０６上の連結位置Ｐ９の角度である。詳細には、カム溝７１４は、上記のような形状として、基準角度φＩ０（言い換えれば線分Ｐ８−ＣＩ０）に対し非対称な形状、さらに詳細には基準位置ＣＩ０を端点とする略直線形状に形成されている。
【００９５】
ここで、前述したように、特定の姿勢における減速比は、「出力リンクの長さ／入力リンクの長さ」に比例する。本変形例では、「出力リンクの長さ」は上記距離Ｒ、「入力リンクの長さ」は上記距離ｒに相当する。
【００９６】
すなわち、カム７０６に負荷が作用していない場合（図２４に示す状態時）には、ねじりばね７０７の付勢力により、連結部材７１０（詳細には連結位置Ｐ９）がカム溝７１４における上記基準位置ＣＩ０に位置する。このため、連結位置Ｐ９のずれ角度φが０となるので、距離Ｒが最小値Ｒ０となり、減速比が最小となる。
【００９７】
そして、カム７０６に負荷が作用して当該カム７０６が揺動した場合には、カム７０６に作用する負荷の大きさに応じて、連結部材７１０（詳細には連結位置Ｐ９）は基準位置ＣＩ０からカム溝７１４に沿って移動する。このカム７０６に対する連結部材７１０の移動により、前述のずれ角度φが生じる。このように、カム７０６は、当該カム７０６に作用する負荷の大きさに応じてカム７０６に対する連結部材７１０の移動量が変化するように、具体的には、カム７０６に作用する負荷が小さい場合には移動量が小さくなり、カム７０６に作用する負荷が大きい場合には移動量が大きくなるように構成されている。すなわち、カム７０６に作用する負荷が小さい場合には、カム７０６に対する連結部材７１０の移動量は小さく、前述のずれ角度φが小さくなるので、上記カム溝７１４の形状によって距離Ｒは小さくなり、減速比が小さくなる。一方、カム７０６に作用する負荷が大きい場合には、カム７０６に対する連結部材７１０の移動量は大きく、前述のずれ角度φが大きくなるので、上記カム溝７１４の形状によって距離Ｒは小さくなり、減速比が大きくなる。なお、カム７０６に負荷が作用した場合における減速比は、Ｒ／ｒに比例する。
【００９８】
次に、図２６及び図２７を用いて、関節機構７００の動作について説明する。
【００９９】
図２６には、カム７０６の位置を不変として、カム７０６に対し一方側方向（カム７０６を反時計回り方向に揺動させるような方向）に外力ｆ６の負荷が作用した場合における、関節機構７００の状態を表している。
【０１００】
図２６に示すように、カム７０６に対し一方側方向に外力ｆ６の負荷が作用した場合には、カム７０６に作用した外力ｆ６が連結部材７１０に伝達される。そして、連結部材７１０は、その伝達された力を、カム７０６及びねじりばね７０７に分散して伝える。なお、このときの力分散の比率は、カム溝７１４の形状に依存する。このとき、カム７０６に作用する力の一部は、サーボモータ７０１の発生するトルクτ６と拮抗する。また、ねじりばね７０７は、当該ねじりばね７０７に作用する力に応じてねじれを生じ、ばねの復元力と作用された力とが均衡する点で拮抗する。その結果、連結部材７１０は、基準位置ＣＩ０より一方側に向けて移動し、距離ＲがＲ０より大きいＲ１となる。したがって、このときの減速機構７０２の減速比は、Ｒ１／ｒに比例する。
【０１０１】
図２７には、カム７０６の位置を不変として、カム７０６に対し一方側方向に外力ｆ７の負荷が作用した場合における、関節機構７００の状態を表している。なお、外力の大きさは、ｆ６＜ｆ７である。
【０１０２】
図２７に示すように、カム７０６に対し一方側方向に外力ｆ７の負荷が作用した場合には、カム７０６に作用した外力ｆ７が連結部材７１０に伝達される。そして、連結部材７１０は、その伝達された力を、上記図２５の場合と同様、カム７０６及びねじりばね７０７に分散して伝える。このとき、カム７０６に作用する力の一部は、サーボモータ７０１の発生するトルクτ７と拮抗する。また、ねじりばね７０７は、当該ねじりばね７０７に作用する力に応じて、上記図２５の場合よりも大きくねじれを生じ、ばねの復元力と作用された力とが均衡する点で拮抗する。その結果、連結部材７１０は、基準位置ＣＩ０より上記図２５の場合よりもさらに一方側に向けて移動し、距離ＲがＲ１より大きいＲ２となる。したがって、このときの減速機構１０２の減速比は、Ｒ２／ｒに比例する。なお、Ｒ１／ｒ＜Ｒ２／ｒである。
【０１０３】
一方、特に図示はしていないが、カム７０６に対し他方側方向（カム７０６を時計回り方向に揺動させるような方向）に負荷が作用した場合には、上記カム溝７１４の形状によって距離Ｒが変化せず、減速比が変化しない。
【０１０４】
以上説明した本変形例においては、減速機構７０２は、カム７０６と伝達リンク７０５の他端側との連結位置Ｐ９がカム７０６に作用する負荷の大きさに応じて移動することにより、減速比を変更可能に構成されている。これにより、カム７０６に作用する負荷が小さい場合には、距離Ｒ（すなわち出力リンクの実質的な長さ）を小さくして減速比を小さくし、カム７０６に作用する負荷が大きい場合には、距離Ｒ（すなわち出力リンクの実質的な長さ）を大きくして減速比を大きくすることができる。ここで、上記図２５の場合における減速機構７０２の減速比（Ｒ１／ｒに比例）と、上記図２６の場合における減速機構７０２の減速比（Ｒ２／ｒに比例）とを比較すると、上述したように、Ｒ１／ｒ＜Ｒ２／ｒであるので、カム７０６に作用する負荷が小さい場合に対応する図２５の場合の方が減速比が小さくなり、カム７０６に作用する負荷の大きい場合に対応する図２６の場合の方が減速比が大きくなっている。その結果、前述の実施形態等と同様、負荷が小さい場合には高速で動作し、負荷が大きい場合には大きなトルクを出力できる関節機構７００を備えたロボットを実現することができる。
【０１０５】
なお、上記（７）の変形例においては、カム７０２のカム溝７１４を、基準角度φＦ０に対し非対称な形状に形成していたが、これに限られず、カム溝を、基準角度に対し線対称な形状（例えば、基準角度を中心とするＶ字形状や、基準角度を中心とする円弧形状）に形成してもよい。この場合も、上記（７）の変形例と同様の効果を得る。
【０１０６】
（８）その他
以上においては、ロボットが備える関節機構１００，７００を、ロボットハンド等の関節に用いた場合を例にとって説明したが、これに限られず、ロボットが備える関節機構を、肘、膝、首、肩等の関節に用いてもよい。この場合も同様に、負荷が小さい場合には高速で動作し、負荷が大きい場合には大きなトルクを出力できる関節機構を備えたロボットを実現することができる。
【０１０７】
また、以上既に述べた以外にも、前述の実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。
【０１０８】
その他、一々例示はしないが、前述の実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。
【符号の説明】
【０１０９】
１００            関節機構
７００            関節機構
１０１            サーボモータ（回転型アクチュエータ）
７０１            サーボモータ（回転型アクチュエータ）
１０２            減速機構
７０２            減速機構
１０３            ベースリンク
７０３            ベースリンク
１０４            カム（入力側カム、入力リンク）
２０４            カム（入力側カム、入力リンク）
５０４            カム（入力側カム、入力リンク）
６０４            カム（入力側カム、入力リンク）
７０６            カム（出力側カム、出力リンク）
７０４            入力リンク
１０５            伝達リンク
７０５            伝達リンク
１０６            出力リンク
１０７ａ          圧縮ばね（入力側弾性部材）
１０７ｂ          圧縮ばね（入力側弾性部材）
１０９            連結部材（入力側連結部材）
２０９            連結部材（入力側連結部材）
５０９            連結部材（入力側連結部材）
６０９            連結部材（入力側連結部材）
７１０            連結部材（出力側連結部材）
１１４            カム溝（入力側カム溝）
２１４            カム溝（入力側カム溝）
３１４            カム溝（入力側カム溝）
４１４            カム溝（入力側カム溝）
５１４            カム溝（入力側カム溝）
６１４            カム溝（入力側カム溝）
７１４            カム溝（出力側カム溝）
８１４            カム溝（入力側カム溝）
２０７ａ          ねじりばね（入力側弾性部材）
２０７ｂ          ねじりばね（入力側弾性部材）
５０７            ねじりばね（入力側弾性部材）
６０７            ねじりばね（入力側弾性部材）
５１７            巻回部
６１７            巻回部
Ｃ０              基準位置（入力側基準位置）
ＣＡ０            基準位置（入力側基準位置）
ＣＢ０            基準位置（入力側基準位置）
ＣＣ０            基準位置（入力側基準位置）
ＣＤ０            基準位置（入力側基準位置）
ＣＥ０            基準位置（入力側基準位置）
ＣＦ０            基準位置（入力側基準位置）
ＣＩ０            基準位置（入力側基準位置）
Ｏｃ              軸心（巻回部の軸心）
Ｏｄ              軸心（巻回部の軸心）
Ｏｏ              軸心（回転軸の軸心）
Ｐ３              連結位置（入力側連結位置）
Ｐ４              連結位置（入力側連結位置）
Ｐ５              連結位置（入力側連結位置）
Ｐ６              連結位置（入力側連結位置）
Ｐ９              連結位置（出力側連結位置）
ＳＨ              シャフト（回転軸）
ＳＨ′            シャフト（回転軸）
ＳＨ″            シャフト（回転軸）
【図１】
2012070547.tif 000003
【図２】
2012070547.tif 000004
【図３】
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【図４】
2012070547.tif 000006
【図５】
2012070547.tif 000007
【図６】
2012070547.tif 000008
【図７】
2012070547.tif 000009
【図８】
2012070547.tif 000010
【図９】
2012070547.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年12月25日(2013.12.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転型アクチュエータと減速機構を、関節機構に備えたロボットであって、
前記減速機構は、
ベースリンクと、
前記ベースリンクの一端側に回転可能に連結され、前記回転型アクチュエータにより揺動される入力リンクと、
前記入力リンクに一端側が回転可能に連結された伝達リンクと、
前記伝達リンクの他端側及び前記ベースリンクの他端側にそれぞれ回転可能に連結され、前記入力リンクの揺動により従動的に揺動される出力リンクと、
を有し、
前記入力リンクと前記伝達リンクの一端側との入力側連結位置、又は、前記出力リンクと前記伝達リンクの他端側との出力側連結位置が、前記出力リンクに作用する負荷の大きさに応じて移動することにより、減速比を変更可能に構成されており、
前記入力リンクは、前記伝達リンクの一端側に設けられた入力側連結部材が嵌合しつつ摺動可能な入力側カム溝を有する入力側カムであり、かつ前記入力側カム溝は、前記入力側カムの回転中心から前記入力側連結位置までの入力側距離が最大となるときの前記入力側カムの回転方向における前記入力側連結位置の角度である入力側基準角度に対し線対称な形状に形成されているか、
又は、
前記出力リンクは、前記伝達リンクの他端側に設けられた出力側連結部材が嵌合しつつ摺動可能な出力側カム溝を有する出力側カムであり、かつ前記出力側カム溝は、前記出力側カムの回転中心から前記出力側連結位置までの出力側距離が最小となるときの前記出力側カムの回転方向における前記出力側連結位置の角度である出力側基準角度に対し線対称な形状に形成されている
ことを特徴とするロボット。
【請求項２】
前記入力側カム溝は、
前記入力側距離が、前記入力側カムの回転方向における前記入力側連結位置の前記入力側基準角度からのずれ角度が大きくなるにつれて単調減少となる形状に形成されているか、
又は、
前記出力側カム溝は、
前記出力側距離が、前記出力側カムの回転方向における前記出力側連結位置の前記出力側基準角度からのずれ角度が大きくなるにつれて単調増加となる形状に形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット。
【請求項３】
前記減速機構は、
前記出力リンクの無負荷時に、前記入力側連結部材を前記入力側カム溝における前記入力側基準角度に対応する入力側基準位置に位置するように付勢する入力側弾性部材、又は、前記出力リンクの無負荷時に、前記出力側連結部材を前記出力側カム溝における前記出力側基準角度に対応する出力側基準位置に位置するように付勢する出力側弾性部材、を有する
ことを特徴とする請求項２に記載のロボット。
【請求項４】
前記減速機構は、
前記入力側連結位置が、前記出力リンクに作用する前記負荷の大きさに応じて移動することにより、前記減速比を変更可能に構成され、
前記入力リンクは、
前記入力側カムであり、
前記入力側カムの前記入力側カム溝は、
前記入力側距離が、前記入力側連結位置の前記入力側基準角度からのずれ角度が大きくなるにつれて単調減少となる形状に形成され、
前記減速機構は、
前記入力側弾性部材を有し、
前記入力側弾性部材は、
線材がらせん状に巻回された巻回部の軸心が前記回転型アクチュエータの回転軸の軸心と略一致するように設置されるねじりばねである
ことを特徴とする請求項３に記載のロボット。
【請求項５】
前記入力側カム溝は、
前記入力側基準角度を中心とするＶ字形状に形成されているか、
又は、
前記出力側カム溝は、
前記出力側基準角度を中心とするＶ字形状に形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット。
【請求項６】
前記入力側カム溝は、
前記入力側基準角度を中心とする円弧形状に形成されているか、
又は、
前記出力側カム溝は、
前記出力側基準角度を中心とする円弧形状に形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット。
【請求項７】
前記入力側カム溝は、
前記入力側距離をｒ、前記入力側連結位置の前記入力側基準角度からのずれ角度をφ、当該ずれ角度が０である場合の距離をｒ０、０＜α＜１を満足するパラメータをαとした場合に、
ｒ（φ）＝ｒ０（１−（１−α）｜φ｜／φｍａｘ）
で与えられる曲線形状に形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、回転型アクチュエータと減速機構を、関節機構に備えたロボットであって、前記減速機構は、ベースリンクと、前記ベースリンクの一端側に回転可能に連結され、前記回転型アクチュエータにより揺動される入力リンクと、前記入力リンクに一端側が回転可能に連結された伝達リンクと、前記伝達リンクの他端側及び前記ベースリンクの他端側にそれぞれ回転可能に連結され、前記入力リンクの揺動により従動的に揺動される出力リンクと、を有し、前記入力リンクと前記伝達リンクの一端側との入力側連結位置、又は、前記出力リンクと前記伝達リンクの他端側との出力側連結位置が、前記出力リンクに作用する負荷の大きさに応じて移動することにより、減速比を変更可能に構成されており、前記入力リンクは、前記伝達リンクの一端側に設けられた入力側連結部材が嵌合しつつ摺動可能な入力側カム溝を有する入力側カムであり、かつ前記入力側カム溝は、前記入力側カムの回転中心から前記入力側連結位置までの入力側距離が最大となるときの前記入力側カムの回転方向における前記入力側連結位置の角度である入力側基準角度に対し線対称な形状に形成されているか、又は、前記出力リンクは、前記伝達リンクの他端側に設けられた出力側連結部材が嵌合しつつ摺動可能な出力側カム溝を有する出力側カムであり、かつ前記出力側カム溝は、前記出力側カムの回転中心から前記出力側連結位置までの出力側距離が最小となるときの前記出力側カムの回転方向における前記出力側連結位置の角度である出力側基準角度に対し線対称な形状に形成されているロボットが適用される。
【国際調査報告】
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2012070547.tif 000031
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