(57)【要約】【課題】可及的に小さなハードウェアサイズで、ロボットの手首関節等の動きと剛性の可変制御を可能とするハードウェアを提供する。【解決手段】非線形弾性機構において、モータ１５と、モータ１５によって動力が伝達される入力部１４と、入力部１４の動きに対応する出力部１２と、入力部１４と出力部１２との間に設けられ弾性特性を有する弾性部材１１と、を備える機構であって、モータ１５によって入力部１４が第一の動きをするとき、弾性部材１１の弾性特性が該入力部１４の動きに応じて変化する第一駆動モードと、モータ１５によって入力部１４が第一の動きとは異なる第二の動きをするとき、該入力部１４の動きに連動して出力部１２が変位する第二駆動モードと、を有する。【選択図】  図６
2006250296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと、
前記モータによって動力が伝達される入力部と、
前記入力部の動きに対応する出力部と、
前記入力部と前記出力部との間に設けられ弾性特性を有する弾性部材と、を備える機構であって、
前記モータによって前記入力部が第一の動きをするとき、前記弾性部材の弾性特性が該入力部の動きに応じて変化する第一駆動モードと、
前記モータによって前記入力部が前記第一の動きとは異なる第二の動きをするとき、該入力部の動きに連動して前記出力部が変位する第二駆動モードと、
を有することを特徴とする非線形弾性機構。
【請求項２】
前記第一駆動モードでは、前記モータによって前記入力部が回転駆動されることで、前記弾性部材の弾性特性が変化し、
前記第二駆動モードでは、前記モータによって前記入力部が直動されることで、前記出力部が該入力部の動きに連動して直動することを特徴とする請求項１に記載の非線形弾性機構。
【請求項３】
前記モータに接続されたボールネジと、該ボールネジに取り付けられるボールネジナットを備え、
前記入力部は前記ボールネジナットであって、
前記ボールネジナットと前記出力部との間には、両者を連結する連結部材と該連結部材と並列にねじりコイルバネが設けられ、
前記弾性部材は前記ねじりコイルバネであって、
前記第一駆動モードでは、前記モータによって前記ボールネジナットが回転駆動されることで前記ねじりコイルバネが捻られてその弾性特性が変化し、
前記第二駆動モードでは、前記モータによって前記ボールネジナットが直動されることで前記連結部材を介して前記出力部が直動することを特徴とする請求項２に記載の非線形弾性機構。
【請求項４】
前記連結部材は、外表面が前記ボールネジの軸方向に傾斜するテーパ形状を有し、
前記ねじりコイルバネは、該ねじりコイルバネの少なくとも一部が前記連結部材の外表面に接触した状態で該連結部材を内包し、
前記第一駆動モードでは、前記モータによって前記ボールネジナットを介して前記ねじりコイルバネが捻られて、該ねじりコイルバネが前記連結部材の外表面に接触していない有効展開長さが変化することで、該ねじりコイルバネの弾性特性が変化することを特徴とする請求項３に記載の非線形弾性機構。
【請求項５】
前記ボールネジナットまたは前記出力部に固定され、前記ねじりコイルバネの表面の少なくとも一部の範囲を覆う筒状のコイルカバーを、更に備えることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の非線形弾性機構。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れかに記載の非線形弾性機構を少なくとも三台、且つ並列に備え、
前記非線形弾性機構のそれぞれの出力部が接続された関節装置を有することを特徴とするロボット用関節機構。
【請求項７】
前記関節装置は、太陽歯車、遊星歯車、内歯車および遊星歯車用のキャリアから構成される遊星歯車機構を有し、該遊星歯車機構に前記非線形弾性機構のそれぞれの出力部が接
続され、
前記太陽歯車、前記内歯車、前記キャリアの何れかにロボット用エンドエフェクタが接続されるとともに、該ロボット用エンドエフェクタを回転駆動させる回転駆動装置が設けられることを特徴とする請求項６に記載のロボット用関節機構。
【請求項８】
前記非線形弾性機構のそれぞれの出力部は前記遊星歯車機構の前記内歯車に接続され、
前記遊星歯車機構の前記太陽歯車にはロボット用エンドエフェクタが接続され、
前記回転駆動装置は、前記遊星歯車機構の前記キャリアを回転駆動することを特徴とする請求項７に記載のロボット用関節機構。
【請求項９】
前記非線形弾性機構のそれぞれの出力部は前記遊星歯車機構の前記内歯車に接続され、
前記遊星歯車機構の前記キャリアにはロボット用エンドエフェクタが接続され、
前記回転駆動装置は、前記遊星歯車機構の前記太陽歯車を回転駆動することを特徴とする請求項７に記載のロボット用関節機構。
【請求項１０】
前記非線形弾性機構のそれぞれの出力部は前記遊星歯車機構の前記キャリアに接続され、
前記遊星歯車機構の前記内歯車にはロボット用エンドエフェクタが接続され、
前記回転駆動装置は、前記遊星歯車機構の前記太陽歯車を回転駆動することを特徴とする請求項７に記載のロボット用関節機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非線形の弾性特性を有する非線形弾性機構および、該非線形弾性機構から構成されるロボット用関節機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年，ロボットの研究の動向はこれまでと異なった用途へ向かっている。自動化、人の行くことの困難な極所作業などから人の空間、人との協調作業さらに介護用、ペットロボットへの応用へと変化している。それにともない不確定な位置決め、対象物との接触時の衝撃の緩和、柔軟な挙動がより必要となる。そこでロボットに人間のような「柔らかさ」を持たせる研究が行われている。そして、予め関節剛性を設定可能な拮抗筋構造によるハードウェアでの制御手法が開示されている。そこでは、拮抗筋構造による剛性制御で非線形な弾性特性を持つ要素に関する技術が開示されている（例えば、非特許文献１、２を参照。）。
【０００３】
更に、ロボットの手首関節において、関節の剛性を変化させるための非線形のバネ特性を有する機械的機構が開示されている（例えば、非特許文献３を参照。）。この機構は、図１２に示すように、バネと三つのプーリで構成され、バネの一端にワイヤが掛けられ該プーリを介してアクチュエータにつなげられている。アクチュエータの駆動によりワイヤが引っ張られると、バネで吊られているプーリが引き寄せられてバネが伸びる。ここで、プーリの位置の変化によりワイヤの牽引方向が変化するため、等価的なバネ定数が増大し、結果として非線形のバネ特性が発揮される。
【非特許文献１】Koganezawa, Watanabe and Shimizu, “Antagonistic muscle-like actuator and its application to multi-d.o.f.forearm prosthesis”, Advanced Robotics, 1999, vol.12, No.7.8 pp.771-789
【非特許文献２】Koganezawa, Yamazaki, “Mechanical Stiffness Control of Tendon-Driven Joints”, IEEE Inte’l Conf. on Intelligent Robots and Systems, 1999, pp818-825
【非特許文献３】兵頭、小林、“非線形バネ要素をもつ腱制御手首機構の研究”、日本ロボット学会誌、１９９３年、vol.11, No.8, pp.1244-1251
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ロボットの手首関節等は、多自由度の動きが求められるとともに、より人間らしい動作を行わせるためには該関節の剛性を、ロボットの置かれる状況に応じて任意に制御できることが求められる。更に、手首関節等を構成するハードウェアは、ロボットの汎用性を高めるためにも、より小さな構造であることが望ましいが、従来の技術においては、手首関節の多自由度の動きと剛性の可変制御を可能とするコンパクトなハードウェアが開示されていない。
【０００５】
本発明では、上記した問題に鑑み、可及的に小さなハードウェアサイズで、ロボットの手首関節等の動きと剛性の可変制御を可能とするハードウェア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】
【０００６】
本発明においては、上記した課題を解決するために、モータによって動力が伝えられる入力部に対して、モータが異なる二つの動きを行わせることで、入力部に対応する出力部と該入力部との間の弾性特性の変化と、該出力部の変位を得ることとした。このようにす
ることで、小さなハードウェアサイズで、ロボットの手首関節等の動きと剛性の可変制御を可能とするハードウェアを提供することが可能となる。
【０００７】
詳細には、本発明は、モータと、前記モータによって動力が伝達される入力部と、前記入力部の動きに対応する出力部と、前記入力部と前記出力部との間に設けられ弾性特性を有する弾性部材と、を備える機構であって、前記モータによって前記入力部が第一の動きをするとき、前記弾性部材の弾性特性が該入力部の動きに応じて変化する第一駆動モードと、前記モータによって前記入力部が前記第一の動きとは異なる第二の動きをするとき、該入力部の動きに連動して前記出力部が変位する第二駆動モードと、を有することを特徴とする非線形弾性機構である。
【０００８】
上記の非線形弾性機構では、モータによる入力部の駆動によって出力部にモータの動作が反映される。そして、出力部と入力部との間には弾性特性が可変制御される弾性部材が存在する。この弾性部材は、出力部に何らかの外力が加えられたとき、その外力に対する反力を生み出す。
【０００９】
ここで、モータによって入力部には、上記の第一駆動モードと第二駆動モードの二種類の態様の動きが付与される。第一駆動モードでは、モータによって入力部に第一の動きを行わせることで、入力部と出力部との間に存在する弾性部材の弾性特性が、入力部の第一の動きによって変化する。これにより、出力部に何らかの外力が加えられたとき弾性部材によって生じる反力の挙動は、第一駆動モードによって、任意の挙動に可変制御することが可能となる。換言すると、弾性部材の弾性特性を、第一駆動モードによる入力部の動作を行うことで非線形特性とすることが可能となる。
【００１０】
また、第二駆動モードでは、モータによって入力部に第一の動きとは異なる第二の動きを行わせることで、出力部の位置を変更させる。即ち、第二駆動モードにおいては、弾性部材の存在にかかわらず出力部の変位が得られる。
【００１１】
従って、上記の非線形弾性機構では、出力部と入力部の一組において二種類の駆動モードがモータによって行われることで、出力部に働く外力に対する剛性の調節と出力部の変位とを両立することが可能となる。即ち、可及的に小さなハードウェアサイズで出力部における剛性変化と変位との両立が図られる。尚、上記の第一駆動モードと第二駆動モードの動作は、モータによって同時に行われてもよい。
【００１２】
上記の非線形弾性機構において、前記第一駆動モードでは、前記モータによって前記入力部が回転駆動されることで、前記弾性部材の弾性特性が変化し、前記第二駆動モードでは、前記モータによって前記入力部が直動されることで、前記出力部が該入力部の動きに連動して直動するようにしてもよい。即ち、上記の第一の動きがモータによる入力部の回転運動に相当し、上記の第二の動きがモータによる入力部の直線運動に相当する。このように、モータによって入力部に対して異なる動きを行わせることで、出力部における剛性変化と変位との両立が図られる。
【００１３】
また、上記の非線形弾性機構において、前記モータに接続されたボールネジと、該ボールネジに取り付けられるボールネジナットを備え、前記入力部は前記ボールネジナットであって、前記ボールネジナットと前記出力部との間には、両者を連結する連結部材と該連結部材と並列にねじりコイルバネが設けられ、前記弾性部材は前記ねじりコイルバネであって、前記第一駆動モードでは、前記モータによって前記ボールネジナットが回転駆動されることで前記ねじりコイルバネが捻られてその弾性特性が変化し、前記第二駆動モードでは、前記モータによって前記ボールネジナットが直動されることで前記連結部材を介して前記出力部が直動するようにしてもよい。
【００１４】
ねじりコイルバネは、捻られることでバネの有効展開長さ等のバネの弾性特性に関連するパラメータが変化し、その弾性特性が調整される。一般には、ねじりコイルバネのバネ定数は、有効展開長さに反比例する。このねじりコイルバネの特性を利用して、第一駆動モードでは、モータによって入力部を回転させることでねじりコイルバネの弾性特性を必要な特性に変化させる。これによって、出力部における剛性変化が得られる。また、第二駆動モードでは、モータによって入力部であるボールネジナットを直動することで、出力部も直動させる。これによって、出力部の変位が得られる。
【００１５】
更には、上記の非線形弾性機構においては、前記連結部材は、外表面が前記ボールネジの軸方向に傾斜するテーパ形状を有し、前記ねじりコイルバネは、該ねじりコイルバネの少なくとも一部が前記連結部材の外表面に接触した状態で該連結部材を内包し、前記第一駆動モードでは、前記モータによって前記ボールネジナットを介して前記ねじりコイルバネが捻られて、該ねじりコイルバネが前記連結部材の外表面に接触していない有効展開長さが変化することで、該ねじりコイルバネの弾性特性が変化するようにしてもよい。
【００１６】
ねじりコイルバネの内部に、テーパ形状を有する連結部材が設けられており、ねじりコイルバネの一部はこの連結部材に接触している。ねじりコイルバネのうち連結部材に接触している部分は、弾性部材として機能せず、弾性部材と機能するのはねじりコイルバネが前記連結部材の外表面に接触していない有効展開長さに相当する部分である。そこで、第一駆動モードでは、モータによってねじりコイルバネを捻ることで、ねじりコイルバネが次第に連結部材のテーパ面に接触していく。その結果、ねじりコイルバネの有効展開長さが調整されて、以てねじりコイルバネの弾性特性を変化させることが可能となる。
【００１７】
また、上記のねじりコイルバネを有する非線形弾性機構において、前記ボールネジナットまたは前記出力部に固定され、前記ねじりコイルバネの表面の少なくとも一部の範囲を覆う筒状のコイルカバーを、更に備えるようにしてもよい。ねじりコイルバネが第一駆動モードにおいてモータによって捻られると、その弾性特性が変化するのは上述の通りである。ここで、このモータによる捻りによって、ねじりコイルバネに曲げトルクが発生し、ねじりコイルバネが曲がってしまう場合がある。そしてねじりコイルバネが曲げトルクによって曲がると、その展開有効長さが予期せぬ状態になり、その弾性特性が本来発揮すべき弾性特性から外れる可能性がある。そこで、ねじりコイルバネの表面を覆うコイルカバーを設けることで、ねじりコイルバネが予期せぬ方向に曲がるのを抑制する。これにより、第一駆動モードによってねじりコイルバネの弾性特性を、より確実に本来の弾性特性とすることが可能となる。
【００１８】
ここで、上述までの非線形弾性機構を用いて、ロボット用の関節を組み立てることが可能である。即ち、上述までの非線形弾性機構を少なくとも三台、且つ並列に備え、前記非線形弾性機構のそれぞれの出力部が接続された関節装置を有することで、ロボット用関節機構が組み立てられる。
【００１９】
このように組み立てられたロボット用関節機構は、各非線形弾性機構の第一駆動モードによって、各出力部が接続されている関節装置における剛性を任意の剛性に調整することが可能となる。その結果、関節装置に外力が加えられるとき、外力に対抗する反力の挙動を変化させることが可能となる。例えば、比較的弱い外力が加えられるときは、関節装置における剛性を低くして、発生する反力を弱める。即ち、人間の手首の挙動にたとえると、外力に対して柔らかい支持を行うことが可能となる。また、比較的強い外力が加えられるときは、関節装置における剛性を高くして、発生する反力を強める。即ち、人間の手首の挙動にたとえると、外力に対して硬い支持を行うことが可能となる。
【００２０】
また、上記のロボット用関節機構は、各非線形弾性機構の第二駆動モードによって、各出力部が接続されている関節装置の位置が変更される。これによって、関節装置全体の位置の変更に加えて、非線形弾性機構の出力部が接続されている箇所を基準として関節装置の姿勢を変更することが可能となる。例えば、関節装置の中心を挟んで対角の位置に非線形弾性機構が接続されている場合、一の非線形弾性機構の出力部の位置と他の非線形弾性機構の出力部の位置との間にずれを設けることで、そのずれに応じて関節装置の姿勢が傾く。少なくとも三台の非線形弾性機構が関節装置に接続されることで、関節装置の姿勢を三次元的に制御することが可能となるが、より多くの非線形弾性機構が関節装置に接続されると、より細かく関節装置の姿勢を制御することが可能となる。
【００２１】
上記のロボット用関節機構において、前記非線形弾性機構は偶数個備えられていてもよい。非線形弾性機構を複数備えることで、それらを関節装置の中心に対して回転対称に配置することが可能となる。その結果、関節装置における剛性とその変位をより正確に制御することが可能となる。
【００２２】
また、上述までのロボット用関節機構において、前記関節装置は、太陽歯車、遊星歯車、内歯車および遊星歯車用のキャリアから構成される遊星歯車機構を有し、該遊星歯車機構に前記非線形弾性機構のそれぞれの出力部が接続され、前記太陽歯車、前記内歯車、前記キャリアの何れかにロボット用エンドエフェクタが接続されるとともに、該ロボット用エンドエフェクタを回転駆動させる回転駆動装置が設けられるようにしてもよい。
【００２３】
上記のように構成されるロボット用関節機構においては、遊星歯車機構に接続されたロボット用エンドエフェクタの姿勢や、該エンドエフェクタにおける剛性を、非線形弾性機構での駆動モードを介して調整することが可能となる。また、回転駆動装置によって、該エンドエフェクタを自転させることが可能となる。
【００２４】
より詳細には、第一に、前記非線形弾性機構のそれぞれの出力部は前記遊星歯車機構の前記内歯車に接続され、前記遊星歯車機構の前記太陽歯車にはロボット用エンドエフェクタが接続され、前記回転駆動装置は、前記遊星歯車機構の前記キャリアを回転駆動するようにしてもよい。
【００２５】
このようにすることで、内歯車に接続される各非線形弾性機構での駆動モードを制御して、エンドエフェクタの姿勢やエンドエフェクタにおける剛性を調整することが可能となる。また、回転駆動装置によって、キャリアから遊星歯車、太陽歯車と駆動力を伝達させることで、エンドエフェクタを自転させることが可能となる。
【００２６】
また、回転駆動装置が駆動しない状態でエンドエフェクタに外部から回転トルクがかかると、太陽歯車、遊星歯車がそれぞれ自転して、内歯車に回転が伝達される。その結果、内歯車に接続されている出力部を介して、非線形弾性機構の弾性部材に捻りが加えられる。そこで、該弾性部材の弾性特性を上述の第一駆動モードにより予め調整しておくことで、弾性部材に捻りが加わるときの、即ちエンドエフェクタに外部から回転トルクが加わるときの回転における剛性も制御することが可能となる。
【００２７】
第二に、上述のロボット用関節機構において、前記非線形弾性機構のそれぞれの出力部は前記遊星歯車機構の前記内歯車に接続され、前記遊星歯車機構の前記キャリアにはロボット用エンドエフェクタが接続され、前記回転駆動装置は、前記遊星歯車機構の前記太陽歯車を回転駆動するようにしてもよい。
【００２８】
上記のように構成されるロボット用関節機構においては、内歯車に接続される各非線形弾性機構での駆動モードを制御することで、エンドエフェクタの姿勢やエンドエフェクタ
における剛性を調整することが可能となる。また、回転駆動装置によって、太陽歯車から遊星歯車、キャリアと駆動力を伝達させることで、エンドエフェクタを自転させることが可能となる。この場合、太陽歯車とキャリアとの関係から大きな減速比を得ることが可能となり、回転駆動装置によって比較的大きなトルクをエンドエフェクタに発生させることが可能となる。
【００２９】
第三に、上述のロボット用関節機構において、前記非線形弾性機構のそれぞれの出力部は前記遊星歯車機構の前記キャリアに接続され、前記遊星歯車機構の前記内歯車にはロボット用エンドエフェクタが接続され、前記回転駆動装置は、前記遊星歯車機構の前記太陽歯車を回転駆動するようにしてもよい。
【００３０】
上記のように構成されるロボット用関節機構においては、キャリアに接続される各非線形弾性機構での駆動モードを制御することで、エンドエフェクタの姿勢やエンドエフェクタにおける剛性を調整することが可能となる。また、回転駆動装置によって、太陽歯車から遊星歯車、内歯車と駆動力を伝達させることで、エンドエフェクタを自転させることが可能となる。この場合、太陽歯車と内歯車との関係から大きな減速比を得ることが可能となり、回転駆動装置によって比較的大きなトルクをエンドエフェクタに発生させることが可能となる。
【発明の効果】
【００３１】
可及的に小さなハードウェアサイズで、ロボットの手首関節等の動きと剛性の可変制御を可能とするハードウェアを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
ここで、本発明に係る非線形弾性機構及びロボット用関節機構の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００３３】
図１に本発明に係る非線形弾性機構を有するロボットのアーム１のモデル図を示す。アーム１は、エンドエフェクタ２、手首関節３、アーム本体４で構成されている。更に、手首関節３を挟んで、並列に非線形弾性機構５、６が設けられている。非線形弾性機構５は、弾性特性を有する弾性部材５ａ、弾性部材５ａを伸縮するモータ５ｂ、弾性部材５ａとエンドエフェクタ２とを結ぶ腱５ｃとから構成されている。非線形弾性機構６についても、同様に弾性部材６ａ、モータ６ｂ、腱６ｃとから構成されている。
【００３４】
ここで、アーム１においては、腱５ｃにかかる張力ξ１と腱６ｃにかかる張力ξ２が釣り合うことで、手首関節３回りのエンドエフェクタ２の姿勢が保持される。このとき、弾性部材５ａおよび弾性部材６ａは、線形バネではない非線形バネである。従って、張力ξ１およびξ２は、以下の式のように表される。
ξ１＝ｋ（δ）ｎ
ξ２＝ｋ（δ）ｎ
これらの式において、ｋはバネ定数、δは初期変位であり、ｎは１以外の数字である。
【００３５】
図１（ａ）は、張力ξ１とξ２が釣り合っている状態であるが、その状態からエンドエフェクタ２に外力Ｆが働いて、エンドエフェクタ２の姿勢が手首関節３回りに角度θ変化した状態を図１（ｂ）に示す。このとき手首関節３の回りにモーメントτが発生しているとすると、手首関節３回りのモーメントの釣り合いは、以下の式のように表される。
τ＋ｒ｛ｋ（δ−ｒθ）ｎ−ｋ（δ＋ｒθ）ｎ｝＝０
上記の式において、ｒは張力ξ１、ξ２が作用する位置と手首関節３の回転中心との距離である。
【００３６】
弾性部材５ａおよび弾性部材６ａは非線形バネでありｎは１以外の数値であるから、手首関節３回りの剛性Ｓ（Ｓ＝τ／θで表される。）は、初期変位δの関数で表すことが可能となる。例えば、弾性部材５ａおよび弾性部材６ａがｎ＝２で表される非線形バネであるとき、剛性Ｓは、Ｓ＝４ｋｒ２δとなる。即ち、モータ５ｂ、６ｂによって、弾性部材５ａ、６ａを伸張等させて非線形バネとしての機能を発揮させることで、手首関節３回りの剛性Ｓを可変制御することが可能となる。
【００３７】
より具体的に本発明に係る非線形弾性機構の構造について、図２および図３に基づいて説明する。図２は非線形弾性機構５のより詳細な構成を示す図であり、図３は図２に示す非線形弾性機構５の内部を示す図である。尚、非線形弾性機構６は、非線形弾性機構５と同様の構造を有しているので、以降、非線形弾性機構を参照する際の参照番号は５に統一する。
【００３８】
非線形弾性機構５は、ボールネジ１０と、それに取り付けられたボールネジナット１４から構成される。尚、ボールネジ１０はモータ１５（図１におけるモータ５ｂに相当）によって回転駆動される。ボールネジナット１４には、それと一体にガイドシャフト１３が取り付けられている。ガイドシャフト１３はボールネジ１０の軸線に従って、そのシャフト径が細くなっている。即ち、ガイドシャフト１３のボールネジ１０の軸線方向の断面において、ガイドシャフト１３の外表面はテーパ形状を有している。更に、ガイドシャフト１３の外表面を覆うようにねじりコイルバネ１１（図１における弾性部材５ａに相当）が取り付けられている。ねじりコイルバネ１１の一端はガイドシャフト１３に接続され、もう一端はガイドシャフト１３の先端に取り付けられた伝達板１２に接続されている。ねじりコイルバネ１１の一部は、ガイドシャフト１３の表面に接触した状態となっている。
【００３９】
ここで、モータ１５によってボールネジ１０が回転駆動されると、ボールネジナット１４の動きは、それに働く外力と、ボールネジナット１４とボールネジ１０との間の摩擦力との関係によって、ボールネジ１０とともに回転する回転モードかまたはボールネジ１０の軸線方向に直動する直動モードのいずれか、もしくは両モードを同時にとる。ボールネジナット１４が回転モードの動作を行うと、ガイドシャフト１３も回転し、ガイドシャフト１３と伝達板１２との間に設けられたねじりコイルバネ１１が捻られる。ねじりコイルバネ１１が捻られると、その一部がガイドシャフト１３の外表面に接触した状態となっていき、ねじりコイルバネ１１の有効展開長さが変化していく。ねじりコイルバネ１１の有効展開長さが変化すると、ねじりコイルバネ１１の弾性係数が変化するため、結果として弾性部材であるねじりコイルバネ１１が非線形バネとして機能することになる。
【００４０】
ねじりコイルバネ１１の非線形バネとしての機能を、図４に基づいて詳細に説明する。図４（ａ）は、ガイドシャフト１３とねじりコイルバネ１１との関係を示す図であって、モータ１５によってねじりコイルバネ１１にねじりトルクが与えられていない状態を表している。図４（ａ）に示す状態では、ねじりコイルバネ１１の一端のみがガイドシャフト１３のテーパ面に接触しており、その他は非接触状態となっている。そして、このときの、ねじりコイルバネ１１の有効展開長さは図示のようにＬである。この有効展開長さとは、ねじりコイルバネ１１においてガイドシャフト１３と接触しておらず弾性部材としての弾性特性を発揮し得る部分の長さである。ねじりコイルバネ１１の弾性係数は、この有効展開長さＬの長さに反比例する。
【００４１】
ガイドシャフト１３のシャフト径Ｒ’（ｘ）は、その端部からの距離ｘの関数で表される。具体的には、図４に示すように、ガイドシャフト１３のテーパ面形状は、曲率ｒｋ１とｒｋ２で描かれる二つの円弧が結合された形状となっており、ｘの値が大きくなるに従いシャフト径Ｒ’（ｘ）は小さくなる。更に、二つの曲率ｒｋ１とｒｋ２で描かれる曲線
の結合部では、それぞれの微分値が連続となるようにテーパ面形状が決定される。これにより、テーパ面形状の変化が滑らかとなる。
【００４２】
図４（ａ）に示す状態からボールネジナット１４が回転モードの動作を行うと、図４（ｂ）に示すように、ねじりコイルバネ１１の一部がガイドシャフト１３のテーパ面に巻きつく。そのねじりコイルバネ１１の巻きつき位置を図４（ｂ）に示すように、ガイドシャフト１３の端部から距離ｘの位置とし、該巻きつき位置でのコイル径をｒ（ｘ）とすると、ガイドシャフト１３に接触していない部分のねじりコイルバネ１１のコイル径もｒ（ｘ）（＜ｒ（０））となる。その結果、ねじりコイルバネ１１の全長はΔＬ長くなり、有効展開長さはＬ＋ΔＬ−ｘとなる。以て、ねじりコイルバネ１１の弾性係数は、図４（ａ）の状態と比べて大きくなり、即ちねじりコイルバネ１１が硬いバネとなる。
【００４３】
図５（ａ）に、ボールネジナット１４が回転モードの動作を行うことで生じるねじりコイルバネ１１のねじり角（上記の距離ｘと比例関係を有する）と、ねじりコイルバネ１１によって発生するねじりトルクとの相関を示す。図中の点線は、ねじりコイルバネ１１が線形の弾性特性を有すると仮定した場合の両者の関係である。図５（ａ）を見て分かるように、図４（ｂ）に示すようにねじりコイルバネ１１が捻られてその有効展開長さが変化していくことで、ねじりコイルバネ１１が非線形の弾性特性を有する。更に、図５（ｂ）には、図５（ａ）のようにねじりトルクを発生させるときの、ねじり角と非線形弾性機構５における剛性との相関を示す。図５（ｂ）を見て分かるように、ねじり角を調整することで非線形弾性機構５の剛性を制御することが可能となる。
【００４４】
次に、非線形弾性機構５を構成するボールネジナット１４の直動モードの動作を、図６に基づいて説明する。図６（ａ）は非線形弾性機構５を主な構成要素に分解した図であり、図６（ｂ）はその組み立てた全体図である。詳細には、モータ１５の出力軸は、カップリング１６を介してボールネジ１０と接続される。そして、ボールネジ１０にはボールネジナット１４が取り付けられ、更にボールネジナット１４にはガイドシャフト１３、ねじりコイルバネ１１および伝達板１２が取り付けられている。
【００４５】
このように構成される非線形弾性機構５において、モータ１５の駆動によってボールネジナット１４が直動モードの動作を行うと、ボールネジナット１４に取り付けられた伝達板１２等も直動する。即ち、ボールネジナット１４の直動モードにおいては、伝達板１２の位置を、ボールネジ１０の軸線方向に変化させることが可能となる。
【００４６】
更に、図７に非線形弾性機構５の、より詳細な構造を示す。ガイドシャフト１３の先端側（ボールネジナット１４とは反対側）には、ボールネジ１０を覆うように筒状の内側部材２１が固定されている。その内側部材２１を、その内輪側にて把持するベアリング２２が設置されている。更に、ベアリング２２の外輪側は、図７には図示されない伝達板１２と固定された筒状の外側部材２３に固定されている。そして、ガイドシャフト１３にねじりコイルバネ１１の一端が接続され、外側部材２３にねじりコイルバネ１１のもう一端が接続されている。また、ねじりコイルバネ１１の外側の一部を覆うように筒状のコイルカバー２０が、外側部材２３側に設けられている。
【００４７】
このように非線形弾性機構５が構成されることで、モータ１５によってボールネジが回転駆動されてボールネジナット１４が回転モードの動作を行うとき、内側部材２１と外側部材２３とが相対的に回転するため、ねじりコイルバネが捻られ、上述したようにねじりコイルバネ１１の弾性係数が変化し、以て非線形弾性機構５における剛性が変化する。また、モータ１５によってボールネジ１０が回転駆動されてボールネジナット１４が直動モードの動作を行うとき、ボールネジナット１４に連動して内側部材２１、外側部材２３、外側部材２３とつながる伝達板１２が、ボールネジ１０の軸線方向に直動する。即ち、モ
ータ１５によって、ボールネジナット１４に異なる二つの動きを行わせることで、非線形弾性機構５における剛性の変化と、その先端の位置の変化を得ることが可能となる。尚、ボールネジナット１４において回転モードと直動モードの何れかが行われるかは、ボールネジナット１４とボールネジ１０との間の摩擦力や、ガイドシャフト１３を通してボールネジナット１４に外部から伝えられる外力との関係によって決まる。
【００４８】
また、コイルカバー２０が設けられることで、ねじりコイルバネ１１の外表面の動きが拘束される。これは、ボールネジナット１４が回転モードの動作を行うときにねじりコイルバネ１１に働く曲げトルクによってねじりコイルバネ１１が曲げられ、その弾性係数の調整が良好に行われなくなるのを防ぐのに有用である。
【００４９】
上述までの非線形弾性機構５を用いて構成されたロボット用の関節機構について、図８に基づいて説明する。図８は、ロボット用の手首関節機構３０の構成を示す図である。手首関節機構３０には、並列に上述までの非線形弾性機構５が四台取り付けられている。各非線形弾性機構５は、上述した各伝達板１２がカップリングを介して遊星歯車機構３１を構成する内歯車３１ａに接続されている。また、各非線形弾性機構５の各モータ１５は、ベース３５に固定されている。尚、各非線形弾性機構５は、遊星歯車機構３１を構成する太陽歯車３１ｄを中心として、回転対称に均等に配置されている。
【００５０】
また、遊星歯車機構３１では、内歯車３１に噛み合う三個の遊星歯車３１ｂが設けられ、更に各遊星歯車３１ｂが太陽歯車３１ｄと噛み合っている。太陽歯車３１ｄには、ロボットの手首用エンドエフェクタ３２が取り付けられている。ここで、遊星歯車３１ｂのキャリア３１ｃには、キャリア用シャフト３３が接続され、該キャリア用シャフト３３はキャリア用モータ３４によって回転駆動される。同様の手首関節機構３０の構成を図９にも示す。図９では、図面における手前側の非線形弾性機構５の記載を省略してある。尚、太陽歯車３１ｄを挟んで対角の位置にある非線形弾性機構５のそれぞれのボールネジ１０のネジ方向は互いに逆向きとなっている。
【００５１】
このように構成されるロボット用手首関節機構３０では、非線形弾性機構５およびキャリア用モータ３４によって、エンドエフェクタ３２の姿勢が制御される。先ず、四台の非線形弾性機構５において、右ネジのボールネジを有する場合はモータ右回転、左ネジのボールネジを有する場合はモータを左回転させると、各非線形弾性機構５を構成するボールネジとボールネジナットが共に回転し、ボールネジナットが上述の回転モードの動作を行う。その結果、各非線形弾性機構５のねじりコイルバネが捻られて、四台の非線形弾性機構５で構成される手首関節用機構３０の剛性が可変制御される。例えば、エンドエフェクタ３２を外力に対して柔軟に対応させるためには、四台のモータをねじりコイルバネの捻りを解く方向に回転させることで、手首関節用機構３０の剛性を弱める。逆に、エンドエフェクタ３２を外力に対して強固に対応させるためには、四台のモータをねじりコイルバネを捻る方向に回転させることで、手首関節用機構３０の剛性を高める。
【００５２】
このように四台の非線形弾性機構５のモータを回転させるとき、ねじりコイルバネによって発生する捻りトルクは各ボールネジによってボールネジナットを引っ張る力に変換される。その結果、非線形弾性機構５が接続される遊星歯車機構３１の内歯車３１ａが四方向から引っ張られるが、非線形弾性機構５の配置によりその引張り力による手首関節回りのトルクは打ち消され、エンドエフェクタ３２の姿勢には影響を及ぼさない。
【００５３】
また、太陽歯車３１ｄを中心として対角に位置する一組の非線形弾性機構５において、モータを同一方向に回転させる。これによって、一方の非線形弾性機構５におけるボールネジナットは図面９において下方向に進み、もう一方の非線形弾性機構５におけるボールネジナットは図面９において上方向に進む。即ち、一対の非線形弾性機構５において、ボ
ールネジナットが上述の直動モードの動作を行う。その結果、非線形弾性機構５が接続されている内歯車３１ａが傾き、以てエンドエフェクタ３２の姿勢が変動する。また、残りの一組の非線形弾性機構５においても、ボールネジナットが直動モードの動きをすべくそれぞれのモータを駆動させることで、エンドエフェクタ３２の姿勢をより細かく制御することが可能となる。更に、キャリア用モータ３４によって、エンドエフェクタ３２を、太陽歯車３１ｄを中心として回転させることも可能である。
【００５４】
ここで、キャリア用モータ３４を停止した状態で、即ちキャリア３１ｃが回転しない状態で、エンドエフェクタ３２に外部から回転トルクが加えられたとき、太陽歯車３１ｄが回転する。このときキャリア３１ｃは回転しないため遊星歯車３１ｂは自転し、内歯車３１ａに回転力を伝える。その結果、各非線形弾性機構５のボールネジが傾き、ボールネジが伸張されて、各ねじりコイルバネが捻られることになる。従って、予め各モータによって各ねじりコイルバネが捻られてその弾性係数が調整されておくことで、エンドエフェクタ３２に外力が働いたときのエンドエフェクタ３２の回転における該回転のしやすさ、即ち回転における剛性も調整することが可能となる。
【００５５】
上述したように本発明に係る非線形弾性機構および、該非線形弾性機構によって構成されたロボット用の関節機構においては、ボールネジナットという一つの入力部に対して、回転モードと直動モードの異なる動作を行わせることで、非線形弾性機構または関節機構における剛性を調整するとともに、伝達板もしくは伝達板に接続される内歯車等の出力部を変位させることが可能となる。従って、出力部の剛性と変位を、可及的に小さなハードウェアサイズで調整することが可能となる。
【実施例２】
【００５６】
上述までの非線形弾性機構５を用いて構成されたロボット用の関節機構の第二の実施例について、図１０に基づいて説明する。本実施例に係る関節機構４０は、図８と同様にロボット用の手首関節機構である。該手首関節機構４０には、並列に上述までの非線形弾性機構５が取り付けられる。
【００５７】
本実施例においては、各非線形弾性機構５は、上述した各伝達板１２がカップリングを介して遊星歯車機構４１を構成する内歯車４１ａに接続されている。この遊星歯車機構４０は、内歯車４１ａに噛み合う三個の遊星歯車４１ｂと、更に各遊星歯車４１ｂと噛み合う太陽歯車４１ｄとを有している。尚、非線形弾性機構５の取り付けについては、図８に示すように遊星歯車機構４１の太陽ギア４１ｄを中心に回転対称で均等に各々の非線形弾性機構５が取り付けられているが、図１０においては表示の簡略のため、二台の非線形弾性機構５を示している。ここで、遊星歯車４１ｂ用のキャリア４１ｃには、ロボットの手首用エンドエフェクタ４２が取り付けられている。そして、太陽歯車４１ｄには、太陽歯車用シャフト４３が接続され、該太陽歯車用シャフト４３は太陽歯車用モータ４４によって回転駆動される。
【００５８】
このように構成されるロボット用手首関節機構４０でも、上述したように、四台の非線形弾性機構５によって、エンドエフェクタ４２の姿勢が制御される。即ち、非線形弾性機構５における関節機構４０の剛性の可変制御と、非線形弾性機構５が接続される遊星歯車機構４１の傾きの制御が可能となる。また、太陽歯車用モータ４４による太陽歯車４１ｄの回転によって、キャリア４１ｃに接続されたエンドエフェクタ４２を自転させることが可能となる。また、このように太陽歯車４１ｄの回転によりエンドエフェクタ４２が回転駆動させられることで、太陽歯車用モータ４４とエンドエフェクタ４２との間に大きな減速比を発生させることが可能となり、エンドエフェクタ４２に比較的大きなトルクを発生させることが可能となる。
【実施例３】
【００５９】
上述までの非線形弾性機構５を用いて構成されたロボット用の関節機構の第三の実施例について、図１１に基づいて説明する。本実施例に係る関節機構５０は、図８と同様にロボット用の手首関節機構である。該手首関節機構５０には、並列に上述までの非線形弾性機構５が取り付けられる。
【００６０】
本実施例においては、各非線形弾性機構５は、上述した各伝達板１２がカップリングを介して遊星歯車機構５１を構成する遊星歯車５１ｂのキャリア５１ｃに接続されている。この遊星歯車機構５０は、内歯車５１ａに噛み合う三個の遊星歯車５１ｂと、更に各遊星歯車５１ｂと噛み合う太陽歯車５１ｄとを有している。尚、非線形弾性機構５の取り付けについては、図８に示すように遊星歯車機構５１の太陽ギア５１ｄを中心に回転対称で均等に各々の非線形弾性機構５が取り付けられているが、図１１においては表示の簡略のため、二台の非線形弾性機構５を示している。ここで、内歯車５１ａには、ベース部材５５を介して、ロボットの手首用エンドエフェクタ５２が取り付けられている。そして、太陽歯車５１ｄには、太陽歯車用シャフト５３が接続され、該太陽歯車用シャフト５３は太陽歯車用モータ５４によって回転駆動される。
【００６１】
このように構成されるロボット用手首関節機構５０でも、上述したように、四台の非線形弾性機構５によって、エンドエフェクタ５２の姿勢が制御される。即ち、非線形弾性機構５における関節機構５０の剛性の可変制御と、非線形弾性機構５が接続される遊星歯車機構５１の傾きの制御が可能となる。また、太陽歯車用モータ５４による太陽歯車５１ｄの回転によって、内歯車５１ａに接続されたエンドエフェクタ５２を自転させることが可能となる。また、このように太陽歯車５１ｄの回転によりエンドエフェクタ５２が回転駆動させられることで、太陽歯車用モータ５４とエンドエフェクタ５２との間に大きな減速比を発生させることが可能となり、エンドエフェクタ５２に比較的大きなトルクを発生させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施例に係る非線形弾性機構を有するロボットのアームの概略を示である。
【図２】本発明の実施例に係る非線形弾性機構のより詳細な構成を示す第一の図である。
【図３】図２に示す非線形弾性機構の内部を示す図である。
【図４】本発明の実施例に係る非線形弾性機構において、ねじりコイルバネが非線形バネとして機能を発揮することを示す図である。
【図５】本発明の実施例に係る非線形弾性機構において、ボールネジナットが回転モードの動作を行うことで生じるねじりコイルバネのねじり角とねじりコイルバネによって発生するねじりトルクとの相関、および該ねじり角と非線形弾性機構における剛性との相関を示す図である。
【図６】本発明の実施例に係る非線形弾性機構において、該非線形弾性機構を主な構成要素に分解した図、およびその組み立てた全体図である。
【図７】本発明の実施例に係る非線形弾性機構のより詳細な構成を示す第二の図である。
【図８】本発明の第一実施例に係るロボット用の手首関節機構の構成を示す第一の図である。
【図９】本発明の第一実施例に係るロボット用の手首関節機構の構成を示す第二の図である。
【図１０】本発明の第二実施例に係るロボット用の手首関節機構の構成を示す図である。
【図１１】本発明の第三実施例に係るロボット用の手首関節機構の構成を示す図である。
【図１２】従来の技術において、ロボットの関節の剛性を変化させるための非線形のバネ特性を有する機械的機構を示す図である。
【００６３】
１・・・・アーム
２・・・・エンドエフェクタ
３・・・・手首関節
４・・・・アーム本体
５・・・・非線形弾性機構
５ａ・・・・弾性部材
５ｂ・・・・モータ
５ｃ・・・・腱
６・・・・非線形弾性機構
６ａ・・・・弾性部材
６ｂ・・・・モータ
６ｃ・・・・腱
１０・・・・ボールネジ
１１・・・・ねじりコイルバネ
１２・・・・伝達板
１３・・・・ガイドシャフト
１４・・・・ボールネジナット
１５・・・・モータ
２０・・・・コイルカバー
３０、４０、５０・・・・手首関節機構
３１、４１、５１・・・・遊星歯車機構
３１ａ、４１ａ、５１ａ・・・・内歯車
３１ｂ、４１ｂ、５１ｂ・・・・遊星歯車
３１ｃ、４１ｃ、５１ｃ・・・・キャリア
３１ｄ、４１ｄ、５１ｄ・・・・太陽歯車
３２、４２、５２・・・・エンドエフェクタ
３３・・・・キャリア用シャフト
３４・・・・キャリア用モータ
４３、５３・・・・太陽歯車用シャフト
４４、５４・・・・太陽歯車用モータ
【図１】
2006250296.tif 000003
【図２】
2006250296.tif 000004
【図３】
2006250296.tif 000005
【図４】
2006250296.tif 000006
【図５】
2006250296.tif 000007
【図６】
2006250296.tif 000008
【図７】
2006250296.tif 000009
【図８】
2006250296.tif 000010
【図９】
2006250296.tif 000011
【図１０】
2006250296.tif 000012
【図１１】
2006250296.tif 000013
【図１２】
2006250296.tif 000014