(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のリンク部材で構成され、揺動部を非揺動部に対して揺動自在となるように該揺動部と該非揺動部とを連結するリンク機構において、
前記非揺動部に固定されるベース部材と、
前記揺動部に固定される出力部材と、
前記ベース部材の前記揺動部の揺動方向の一方側の部分に揺動自在に設けられた第１リンク部材と、
前記ベース部材の前記揺動部の揺動方向の他方側の部分に揺動自在に設けられた第２リンク部材と、
前記出力部材の前記揺動方向の一方側の部分に揺動自在に設けられた第３リンク部材と、
前記出力部材の前記揺動方向の他方側の部分に揺動自在に設けられた第４リンク部材とを備え、
前記第３リンク部材の揺動端部は、前記第１リンク部材の前記揺動方向の一方側であって、前記出力部材よりも前記非揺動部から離隔する位置に配置された第１接続軸上で前記第１リンク部材に揺動自在に連結され、
前記第４リンク部材の前記揺動方向の他方側の揺動端部は、前記第１リンク部材の前記揺動方向の他方側であって、前記出力部材よりも前記非揺動部から離隔する位置に配置された第２接続軸上で前記第１リンク部材に揺動自在に連結され、
前記第２リンク部材の揺動端部は、前記第４リンク部材の前記揺動方向の一方側の揺動端部に配置された第３接続軸上で前記第４リンク部材に揺動自在に連結されることを特徴とするリンク機構。
【請求項２】
請求項１記載のリンク機構において、
前記第１リンク部材と前記ベース部材とが連結される揺動軸を支点として、前記第１リンク部材を前記ベース部材に対して揺動させる１つのアクチュエータが設けられることを特徴とするリンク機構。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のリンク機構において、
前記揺動部は人型ロボットの頭部であり、前記非揺動部は人型ロボットの胴部であり、前記揺動方向の一方は前方であり、前記揺動方向の他方は後方であることを特徴とするリンク機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、揺動部を非揺動部に対して揺動自在に連結するリンク機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、人型ロボットの頭部（揺動部）と胴部（非揺動部）とを連結するリンク機構が知られている（例えば、特許文献１参照）。このリンク機構は、胴部に固定されるベース部材と、頭部に固定される出力部材と、上端が出力部材の前端に揺動自在に連結され下端がベース部材の後端に揺動自在に連結される第１リンク部材と、上端が出力部材の後端に揺動自在に連結され下端がベース部材の前端に揺動自在に連結される第２リンク部材とを備えるクロスリンク構造となっている。このように構成することにより、頭部と胴部との間のクリアランスを大きくすることなく、頭部の可動角を大きくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４３１９９７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、揺動部と非揺動部との間のクリアランスを大きくすることなく、従来よりも揺動部の可動角を更に大きくすることができるリンク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】
【０００５】
［１］上記目的を達成するため、本発明は、複数のリンク部材で構成され、揺動部を非揺動部に対して揺動自在となるように該揺動部と該非揺動部とを連結するリンク機構において、前記非揺動部に固定されるベース部材と、前記揺動部に固定される出力部材と、前記ベース部材の前記揺動部の揺動方向の一方側の部分に揺動自在に設けられた第１リンク部材と、前記ベース部材の前記揺動部の揺動方向の他方側の部分に揺動自在に設けられた第２リンク部材と、前記出力部材の前記揺動方向の一方側の部分に揺動自在に設けられた第３リンク部材と、前記出力部材の前記揺動方向の他方側の部分に揺動自在に設けられた第４リンク部材とを備え、前記第３リンク部材の揺動端部は、前記第１リンク部材の前記揺動方向の一方側であって、前記出力部材よりも前記非揺動部から離隔する位置に配置された第１接続軸上で前記第１リンク部材に揺動自在に連結され、前記第４リンク部材の前記揺動方向の他方側の揺動端部は、前記第１リンク部材の前記揺動方向の他方側であって、前記出力部材よりも前記非揺動部から離隔する位置に配置された第２接続軸上で前記第１リンク部材に揺動自在に連結され、前記第２リンク部材の揺動端部は、前記第４リンク部材の前記揺動方向の一方側の揺動端部に配置された第３接続軸上で前記第４リンク部材に揺動自在に連結されることを特徴とする。
【０００６】
かかる構成によれば、第１リンク部材をベース部材に対して揺動方向の一方側に揺動させた場合、第４リンク部材は、第２リンク部材の揺動範囲の制約を受けて、第２接続軸を支点として第１リンク部材に対し揺動方向の他方側に揺動する。このため、出力部材の揺動方向の他方の端部側が非揺動部から離隔する方向に移動し、これにより、揺動方向の一方側における揺動部の可動角を従来よりも大きくとることが可能となる。
【０００７】
又、第１リンク部材をベース部材に対して揺動方向の他方側に揺動させた場合、第４リンク部材は、第２リンク部材の揺動範囲の制約を受けて、第２接続軸を支点として第１リンク部材に対し揺動方向の一方側に揺動する。このため、出力部材の揺動方向の他方の端部側が非揺動部材から離隔する方向に移動し、これにより、揺動方向の他方側における揺動部の可動角も従来よりも大きくとることが可能となる。
【０００８】
このように、本発明によれば、出力部材が揺動方向の何れの方向に揺動しても可動角を従来よりも大きくすることができる。
【０００９】
［２］本発明においては、第１リンク部材とベース部材とが連結される揺動軸を支点として、第１リンク部材をベース部材に対して揺動させる１つのアクチュエータを設けることが好ましい。
【００１０】
従来のクロスリンク構造では、アクチュエータにより駆動される何れかのリンク部材の揺動角速度に対し、出力部材の可動角速度が速くなる。このため、揺動部を動かす場合には、必要トルクが大きくなって必要な電流値が大きくなる虞がある。
【００１１】
本発明の如く構成すれば、第１リンク部材の揺動角速度に対する出力部材の可動角速度を従来よりも遅くすることができる。これにより、アクチュエータの必要トルクを低減し必要な電流値を抑えて、アクチュエータ及び減速機の小型化、低容量化に伴う二次電池の小型化を図ることができる。
【００１２】
［３］本発明の具体的態様としては、例えば、人型ロボットの首関節に用いることができる。この場合、例えば、揺動部は人型ロボットの頭部であり、非揺動部は人型ロボットの胴部であり、前記揺動方向の一方は前方であり、前記揺動方向の他方は後方とすることができる。
【００１３】
これによれば、人型ロボットの頭部の前後方向の動きを人間の動きにより近付けることができ、人型ロボットの親和性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態のリンク機構を用いた人型ロボットの上方部を模式的に示す側面図。
【図２】実施形態のリンク機構を模式的に示す斜視図。
【図３】実施形態のリンク機構の分解した状態を模式的に示す斜視図。
【図４】実施形態の人型ロボットの頭部を前方へ揺動させた状態を模式的に示す側面図。
【図５】実施形態の人型ロボットの頭部を後方へ揺動させた状態を模式的に示す側面図。
【図６】従来のリンク機構を用いた人型ロボットの上方部を模式的に示す側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１に示すように、本発明の実施形態のリンク機構１は、揺動部たる頭部Ｒ１と非揺動部たる胴部Ｒ２とを備える人型ロボットＲの首関節部に用いられるものであり、胴部Ｒ２に対して頭部Ｒ１を前後方向に揺動させるものである。
【００１６】
図１〜図３を参照して、リンク機構１は、胴部Ｒ２に旋回機構（図示省略）を介して固定されるベース部材２と、頭部Ｒ１に左右方向揺動機構（図示省略）を介して固定される出力部材３とを備える。ベース部材２の前方側（揺動部たる頭部の揺動方向の一方側）の部分には、上方に向って突出する一対の突片２１が左右方向に互いに間隔を存して形成されている。各突片２１の左右方向内側には、第１リンク部材４，４が揺動自在に連結されている。
【００１７】
両第１リンク部材４は、ベース部材２の突片２１に連結される部分で、筒状部４ａを介し互いに連結されている。この筒状部４ａ内には、アクチュエータたる電動モータ（図示省略）が収容され、この電動モータで第１リンク部材４がベース部材２に対して前後に揺動する。又、両第１リンク部材４は、揺動端に向かって次第に揺動方向に広がる略三角形状に形成されている。ベース部材２の後方側（頭部の揺動方向の他方側）の部分には、略棒状の一対の第２リンク部材５，５が揺動自在に連結されている。
【００１８】
出力部材３の前方側の部分には、略棒状の一対の第３リンク部材６，６が頭部側前方接続軸Ｊ３を支点に揺動自在に設けられている。第１リンク部材４の前方側の揺動端部と第３リンク部材６の揺動端部とは、出力部材３の上方（出力部材３よりも胴部Ｒ２から離隔する位置）で第１接続軸Ｊ５を支点に互いに揺動自在に連結されている。出力部材３の後方側の部分には、３つの接続軸Ｊ４，Ｊ６，Ｊ７で他の部材と接続される端部を有する略三角形状の一対の第４リンク部材７，７が頭部側後方接続軸Ｊ４を支点に揺動自在に設けられている。
【００１９】
第１リンク部材４の後方側の揺動端部と第４リンク部材７の後方側の揺動端部とは、第２接続軸Ｊ６を支点に互いに揺動自在に連結されている。第２リンク部材５の揺動端部と第４リンク部材７の前方側の揺動端部とは、第３接続軸Ｊ７を支点に互いに揺動自在に連結されている。
【００２０】
実施形態のリンク機構１を構成する各リンク部材４，５，６，７は、第１リンク部材４の可動角速度（単位時間当たりの傾きの変位量）に対して出力部材３の可動角速度が等速又は減速されるように、換言すれば、減速比が１以上となるように、設定される。
【００２１】
ここで、第１リンク部材４がベース部材２に対して揺動する揺動中心軸線を胴部側前方静止軸（揺動軸）Ｊ１、第２リンク部材５がベース部材２に対して揺動する揺動中心軸線を胴部側後方静止軸Ｊ２、第３リンク部材６が出力部材３に対して揺動する揺動中心軸線を頭部側前方接続軸Ｊ３、第４リンク部材７が出力部材３に対して揺動する揺動中心軸線を頭部側後方接続軸Ｊ４とする。
【００２２】
又、第１リンク部材４と第３リンク部材６とが相対的に揺動する揺動中心軸線を第１接続軸Ｊ５、第１リンク部材４と第４リンク部材７とが相対的に揺動する揺動中心軸線を第２接続軸Ｊ６、第２リンク部材５と第４リンク部材７とが相対的に揺動する揺動中心軸線を第３接続軸Ｊ７とする。
【００２３】
又、図１に示すＦ１は、頭部側前方接続軸Ｊ３と頭部側後方接続軸Ｊ４とを結ぶ第１直線Ｌ１の中央を示す第１中心点である。尚、図３における符号「Ｊ１〜７Ｌ」,「Ｊ１〜７Ｒ」は、同一符号同士の間で揺動自在に連結されることを示している。
【００２４】
図４に示すように、電動モータで第１リンク部材４をベース部材２に対して前方に揺動させると、第４リンク部材７は、第２リンク部材５のベース部材２に対する揺動範囲の制約を受けて、第１リンク部材４と接続する第２接続軸Ｊ６を支点にして後方側に揺動し、出力部材３の後方側の部分が上方（胴部Ｒ２から離隔する方向）に移動する。
【００２５】
このときの頭部側前方接続軸Ｊ３と頭部側後方接続軸Ｊ４とを結ぶ第２直線Ｌ２の中央の第２中心点Ｆ２は、第１中心点Ｆ１に対して前方に移動し、且つ上下方向において殆ど変化していないことが図４から分かる。
【００２６】
又、図５に示すように、電動モータで第１リンク部材４をベース部材２に対して後方に揺動させると、第４リンク部材７は、第２リンク部材５のベース部材２に対する揺動範囲の制約を受けて、第１リンク部材４と接続する第２接続軸Ｊ６を支点にして前方側に揺動し、出力部材３の前方側の部分が上方（胴部Ｒ２から離隔する方向）に移動する。
【００２７】
このときの頭部側前方接続軸Ｊ３と頭部側後方接続軸Ｊ４とを結ぶ第３直線Ｌ３の中央の第３中心点Ｆ３は、第１中心点Ｆ１に対して後方且つ上方に移動していることが図５から分かる。
【００２８】
実施形態のリンク機構１と比較すべく、図６の模式図を参照して、従来のクロスリンク型のリンク機構１０を説明する。図６（ａ）は図６（ｂ）から人型ロボットＲの頭部Ｒ１を前方へ揺動させた状態、図６（ｃ）は図６（ｂ）から頭部Ｒ１を後方へ揺動させた状態を示している。
【００２９】
従来のリンク機構１０は、胴部Ｒ２に固定されるベース部材２０と、頭部Ｒ１に固定される出力部材３０と、上端が出力部材３０の前端に揺動自在に連結され下端がベース部材２０の後端に揺動自在に連結される第１リンク部材４０と、上端が出力部材３０の後端に揺動自在に連結され下端がベース部材２０の前端に揺動自在に連結される第２リンク部材５０とを備える。第２リンク部材５０は、第１リンク部材４０に対して長く形成されている。
【００３０】
図６から明らかなように、従来のリンク機構１０では、頭部Ｒ１を前方へ揺動させた場合には、出力部材３０の両揺動軸の間の中央に位置する第２中心点Ｆ２は、図６（ｂ）の状態時の出力部材３０の両揺動軸の間の中央に位置する第１中心点Ｆ１よりも上方に位置するが、頭部Ｒ１を後方へ揺動させた場合には、出力部材３０の両揺動軸の間の中央に位置する第３中心点Ｆ３が、第１中心点Ｆ１よりも下方に位置してしまう。
【００３１】
図６はクロスリンク型のリンク機構の一形態を示すに過ぎないが、一般的にクロスリンク型のリンク機構では、揺動方向の少なくとも一方側に揺動したときの中心点が、図６（ｂ）の直立姿勢状態時の第１中心点Ｆ１よりも下方に位置してしまう。図６（ｃ）のように揺動時の中心点が第１中心点Ｆ１よりも下方に位置することとなると、その分、頭部Ｒ１と胴部Ｒ２とが接触し易くなるため、頭部Ｒ１の可動角が制限されることとなる。
【００３２】
これに対し、実施形態のリンク機構１によれば、従来のように、第２中心点Ｆ２及び第３中心点Ｆ３が、第１中心点Ｆ１に対して従来のように大きく下方に位置することがない。従って、実施形態のリンク機構１によれば、頭部Ｒ１と胴部Ｒ２のクリアランスを大きくすることなく、出力部材３を前後に大きく揺動させることができ、頭部Ｒ１の可動角を従来よりも大きくすることができる。又、従来よりも人間の動きに近付けることができ、人型ロボットの親和性を向上させることができる。
【００３３】
又、図６に示す従来のリンク機構１０では、出力部材３０の後端に連結された第２リンク部材５０を出力部材３０に対して揺動させる電動モータ（図示省略）が設けられているが、出力部材３０の可動角速度（水平線に対する相対角速度であり、出力部材３０の傾きの単位時間当たりの変位量）は、第２リンク部材５０の可動角速度（出力部材３０に対する第２リンク部材５０の傾きの単位時間当たりの変位量）の約２倍の速さに増速される。
【００３４】
従って、出力部材３０の可動角速度を「１」とした場合に、第２リンク部材５０が出力部材３０の可動角速度に対して約「０．５」の速さで揺動するように、電動モータを駆動させる必要がある。
【００３５】
このため、従来のリンク機構１０では、頭部Ｒ１を揺動させる場合には、電動モータの必要トルクを増大させる必要があり、減速比１以上（等速又は減速）の場合と比較して、必要な電流値が大きくなる。
【００３６】
これに対し、実施形態のリンク機構１によれば、第１リンク部材４の揺動角速度（ベース部材２に対する傾きの単位時間当たりの変位量）に対する出力部材３の可動角速度（この可動角速度は水平線に対する相対角速度であり、出力部材３の傾きの単位時間当たりの変位量）が従来よりも遅く（小さく）なり、減速比１以上（等速又は減速）を得られる。従って、第１リンク部材４を揺動させるアクチュエータとしての電動モータの必要トルクを低減し必要な電流値を抑えることができる。
【００３７】
又、第１リンク部材４の揺動角速度と出力部材３の可動角速度とが等速となるように、各軸Ｊ１〜Ｊ７の位置を設定すれば、第１リンク部材４の揺動角から出力部材３の可動角を演算する必要が無くなり、頭部Ｒ１の前後方向の揺動制御が容易となる。
【符号の説明】
【００３８】
１…リンク機構、２…ベース部材、２１…突片、３…出力部材、４…第１リンク部材、４ａ…筒状部、５…第２リンク部材、６…第３リンク部材、７…第４リンク部材、Ｒ…人型ロボット、Ｒ１…頭部（揺動部）、Ｒ２…胴部（非揺動部）、Ｊ１…胴部側前方静止軸（揺動軸）、Ｊ２…胴部側後方静止軸、Ｊ３…頭部側前方接続軸、Ｊ４…頭部側後方接続軸、Ｊ５…第１接続軸、Ｊ６…第２接続軸、Ｊ７…第３接続軸、Ｌ１…第１直線、Ｌ２…第２直線、Ｌ３…第３直線、Ｆ１…第１中心点、Ｆ２…第２中心点、Ｆ３…第３中心点、１０…従来のリンク機構、２０…従来のベース部材、３０…従来の固定部材、４０…従来の第１リンク部材、５０…従来の第２リンク部材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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