(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転構造であって、
基部部材と、
前記基部部材に一端が固定され、当該回転構造の軸方向に延びる軸体と、
前記軸体に軸受を介して取り付けられており、前記軸体周りに回動可能である回転部材と、
前記回転部材の回転角を検出するエンコーダと、
前記基部部材と前記回転部材との間に、前記軸体を囲むように設けられた、環状のスラスト軸受とを備え、
当該回転構造内部における前記軸体の周りにおいて、前記スラスト軸受の内周面と前記軸体の外周面との間に、前記基部部材と前記回転部材とが対向している中空部が形成されており、
前記エンコーダは、
前記中空部において、前記軸体の周りに、前記回転部材および前記基部部材の一方と一体となって回転するように設けられており、周方向において物理量が変化する被検出体と、
前記被検出体の物理量を検出可能であり、前記中空部において、前記被検出体の物理量を検出できる位置に、前記回転部材および前記基部部材の他方と一体となって回転するように設けられた検出部とを有しており、
前記被検出体と前記検出部とは、軸方向において対向しており、
軸方向において、前記被検出体と前記検出部との間のスペースは、前記スラスト軸受が設けられた範囲と、重なりを有している
ことを特徴とする回転構造。
【請求項２】
請求項１記載の回転構造において、
前記エンコーダは、光学式のエンコーダであって、
前記被検出体は、周方向において、光反射率が周期的に変化するように目盛りが付されている反射式スケール、または、周方向において、光透過率が周期的に変化するように目盛りが付されている透過式スケールであり、
前記検出部は、前記反射式スケールまたは前記透過式スケールに光を照射し、反射光または透過光を受け、反射光または透過光に応じた電気信号を出力する検出素子である
ことを特徴とする回転構造。
【請求項３】
請求項１記載の回転構造において、
前記エンコーダは、光学式のエンコーダであって、
前記被検出体は、周方向において、光反射率が周期的に変化するように目盛りが付されている反射式スケール、または、周方向において、光透過率が周期的に変化するように目盛りが付されている透過式スケールであり、
前記検出部は、前記反射式スケールまたは前記透過式スケールに光を照射する送光用光ファイバと、反射光または透過光を受ける受光用光ファイバとを備えたものである
ことを特徴とする回転構造。
【請求項４】
請求項１記載の回転構造において、
前記スラスト軸受は、シールド形ベアリングまたはシール付きベアリングである
ことを特徴とする回転構造。
【請求項５】
請求項１記載の回転構造において、
前記中空部は、当該回転構造の外部に対し密閉されている
ことを特徴とする回転構造。
【請求項６】
請求項１記載の回転構造において、
前記エンコーダは、光学式のエンコーダであり、
前記中空部は、当該回転構造の外部から光が入らないように、遮光されている
ことを特徴とする回転構造。
【請求項７】
請求項１−６のうちいずれか１項記載の回転構造において、
前記軸体は、軸方向に貫通している中空構造を有している
ことを特徴とする回転構造。
【請求項８】
回転構造であって、
基部部材と、
前記基部部材に一端が固定され、当該回転構造の軸方向に延びる軸体と、
前記軸体に軸受を介して取り付けられており、前記軸体周りに回動可能である回転部材とを備え、
前記基部部材および前記回転部材のうち少なくともいずれか一方は、前記軸体の周方向における外周面に、他の部材を連結するための平面である連結面が形成されており、
前記連結面は、断面形状が逆Ｔ字状である溝部が形成されている
ことを特徴とする回転構造。
【請求項９】
請求項８記載の回転構造において、
前記他の部材は、でっぱりのある頭部と、貫通孔が形成された胴部とを有するＴ字形のくさび部材を用いて、前記連結面に連結されるものであり、
前記くさび部材は、連結の際に、前記頭部が前記溝部に挿入され、前記胴部が、前記他の部材の端面に形成された穴に挿入され、前記貫通孔を通る、テーパー部分を有するねじによって前記他の部材に固定された状態になり、
前記基部部材および前記回転部材のうち少なくともいずれか一方は、前記連結面の表面に、連結の際に前記他の部材の側面に当接する、突起部が形成されている
ことを特徴とする回転構造。
【請求項１０】
請求項８記載の回転構造において、
前記基部部材および前記回転部材のうち少なくともいずれか一方は、前記連結面の表面に、連結の際に前記他の部材の側面に当接する、突起部が形成されている
ことを特徴とする回転構造。
【請求項１１】
回転構造であって、
基部部材と、
前記基部部材に一端が固定され、当該回転構造の軸方向に延びる軸体と、
前記軸体に軸受を介して取り付けられており、前記軸体周りに回動可能である回転部材と、
前記回転部材の回転角を検出するエンコーダと、
前記基部部材と前記回転部材との間に、前記軸体を囲むように設けられた、環状のスラスト軸受またはクロスローラ軸受とを備え、
当該回転構造内部における前記軸体の周りにおいて、前記基部部材と前記回転部材とが対向している中空部が形成されており、
前記エンコーダは、
前記中空部において、前記軸体の周りに、前記回転部材および前記基部部材の一方と一体となって回転するように設けられており、周方向において物理量が変化する被検出体と、
前記被検出体の物理量を検出可能であり、前記中空部において、前記被検出体の物理量を検出できる位置に、前記回転部材および前記基部部材の他方と一体となって回転するように設けられた検出部とを有しており、
前記被検出体と前記検出部とは、軸方向において対向しており、かつ、
前記被検出体及び前記検出部は、前記スラスト軸受またはクロスローラ軸受の内周面よりも内側に、配置されている
ことを特徴とする回転構造。
【請求項１２】
基部と、
基部部材と、前記基部部材に一端が固定された軸体と、前記軸体に軸受を介して取り付けられており、前記軸体周りに回動可能である回転部材と、前記回転部材の回転角を検出するエンコーダとを有しており、前記基部部材が前記基部に連結された、回転構造と、
前記回転部材に連結されたフレームを有し、利用者の腕を支持するための支持体と、
供給される空気圧に応じて、前記基部に対する前記支持体の位置を調整可能なように設けられた空気圧シリンダと、
前記回転構造の前記エンコーダによって検出された回転角を基にして、前記空気圧シリンダの空気圧を制御する制御部とを備えた
ことを特徴とするアシストシステム。
【請求項１３】
請求項１２記載のアシストシステムにおいて、
前記回転構造として、請求項１−１１のうちいずれか１項記載の回転構造を備えている
ことを特徴とするアシストシステム。
【請求項１４】
請求項１−１１のうちいずれか１項記載の回転構造を、関節構造として備えたロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットの関節構造等に用いられる回転構造、並びに、この回転構造を用いたアシストシステムおよびロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、モータにより回動される可動部を有するロボットハンドに用いられ、可動部の回転状態を検出可能なロボットハンド用エンコーダの構成例が開示されている。このロボットハンド用エンコーダは、モータの回転軸と一体的に回転する円盤部と、モータと円盤部との間に設けられる第１カバーと、円盤部の回転状態を検出するための光を円盤部との間で送受信するための光センサが主表面に取り付けられた回路基板とを備える。そして、光センサが第１カバーの支持部の一部に形成された貫通穴に挿入される。これにより、光センサがモータの回転軸方向において第１カバーと重なるため、光センサの厚みに相当する分だけエンコーダを薄くすることができる。【０００３】
特許文献２には、いわゆるＴスロットを利用したフレーム材の締結具について開示されている。【０００４】
特許文献３には、分離可能な関節構造について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１２７６３８号公報
【特許文献２】実開平７−１６００７号公報
【特許文献３】特開２０１１−２５８７９３号公報
【特許文献４】特開２００７−３０９３５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示された構成では、エンコーダが、ロボットハンドの関節構造の可動部の外部に設けられている。このため、関節構造の外部から衝撃等の外力が加わった場合に、エンコーダが故障する可能性が高い。特に、介護ロボットや外骨格型ロボットの場合には、関節構造に人や環境が頻繁に接触することが予想されるため、関節構造の軸受に対して外部に配置するエンコーダの故障の可能性はより高まるものと考えられる。このことは、メンテナンスの手間が増えることになり、好ましくない。さらに、従来の産業用ロボットとは異なり、介護ロボットや外骨格型ロボットの場合には、使用者の負荷軽減のためにロボット自体を軽量かつコンパクトに構成する必要があり、剛性を高くすることができないことが多い。ロボットを構成するリンクおよび関節は、軽量化のために軽金属・エンジニアリンクプラスチック樹脂・および繊維強化ナイロンなどで構成されることが多い。意図的に剛性を低くすることで、過剰な負荷がかかった場合にもロボット側が変形することで安全性を担保する等、関節構造の内部が大きく変形することが想定される。しかし、その一方で、外骨格型ロボットを安全に制御するには、エンコーダの情報を確実に取得する必要があり、これらは相反する技術課題であった。【０００７】
また、特許文献１に開示された構成では、エンコーダの厚みを薄くすることができるものの、エンコーダを設けた分だけ、関節構造のサイズが軸方向に大きくなることに変わりはない。さらに、エンコーダにかかる応力を受けるために、関節構造の軸受とは別にエンコーダ用の軸受部品が設けられている。これにより、部品点数と組み立て工数が増加し、関節構造の重量も増加する。このため、関節構造全体をコンパクトかつ軽量に実現することが困難である。【０００８】
また、ロボットの関節構造には、フレーム等の他の部材と容易に分離・連結させることができ、かつ、連結した他の部材がぐらつくことなく位置決め精度良く固定されるような連結構造が求められている。【０００９】
特許文献３に開示された構成では、関節構造がフレーム材と分離・連結可能であるものの、正確な位置決めのためには位置決めピンなどの部品が必要である。これにより、加工および組み立て工数が増えることになり、好ましくない。【００１０】
前記の問題に鑑み、本発明は、例えばロボットの関節構造として用いられる、エンコーダを有する回転構造について、外力によるエンコーダの故障を未然に防止し、かつ、コンパクトかつ軽量に部品数少なく実現可能にすることを目的とする。また、本発明は、回転構造について、他の部材を精度良く容易にかつ確実に分離・連結可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１態様は、回転構造であって、基部部材と、前記基部部材に一端が固定され、当該回転構造の軸方向に延びる軸体と、前記軸体に軸受を介して取り付けられており、前記軸体周りに回動可能である回転部材と、前記回転部材の回転角を検出するエンコーダとを備え、当該回転構造内部における前記軸体の周りにおいて、前記基部部材と前記回転部材とが対向している中空部が形成されており、前記エンコーダは、前記中空部において、前記軸体の周りに、前記回転部材および前記基部部材の一方と一体となって回転するように設けられており、周方向において物理量が変化する被検出体と、前記被検出体の物理量を検出可能であり、前記中空部において、前記被検出体の物理量を検出できる位置に、前記回転部材および前記基部部材の他方と一体となって回転するように設けられた検出部とを有している。【００１２】
この構成によると、回転構造内部における回転軸の外周側周方向に、基部部材と回転部材とが対向している中空部が形成されている。エンコーダは、周方向において物理量が変化する被検出体と、被検出体の物理量を検出可能な検出素子とを有している。中空部において、被検出体は、軸体の周りに、回転部材および基部部材の一方と一体となって回転するように設けられており、検出部は、被検出体の物理量を検出できる位置に、回転部材および基部部材の他方と一体となって回転するように設けられている。これにより、被検出体または検出部が、回転部材の回転に伴って軸体周りに回転するため、検出部の出力から回転部材の回転角を検出することができる。このように、回転構造の内部に形成された中空部にエンコーダを設けることができるので、たとえ回転構造の外部から衝撃等の外力が加わったとしても、エンコーダが故障する可能性は格段に低い。また、エンコーダを保護するケースが不要となる。また、エンコーダが回転構造の内部に設けられるため、回転構造をコンパクトに実現することができる。また、エンコーダ用の軸受は回転構造の軸受と共通化でき、エンコーダ用のケーシング機能が回転構造部品によって達成されているため、部品点数を減らすことができ、組立工数の削減と軽量化が実現できる。【００１３】
本発明の第２態様は、第１態様において、前記基部部材と前記回転部材との間に、前記軸体を囲むように設けられた、環状のスラスト軸受を備え、前記中空部は、前記スラスト軸受の内周面と前記軸体の外周面との間に、形成されている。【００１４】
この構成によると、エンコーダは、基部部材と回転部材との間のスラスト軸受の内周面と、軸体の外周面との間に形成されている中空部に、設けられる。これにより、エンコーダを設けるための中空部を新たに形成する必要がなく、回転構造を確実にコンパクトに実現することが可能となる。【００１５】
本発明の第３態様は、第１または第２態様において、前記エンコーダは、光学式のエンコーダであって、前記被検出体は、周方向において、光反射率が周期的に変化するように目盛りが付されている反射式スケール、または、周方向において、光透過率が周期的に変化するように目盛りが付されている透過式スケールであり、前記検出部は、前記反射式スケールまたは前記透過式スケールに光を照射し、反射光または透過光を受け、反射光または透過光に応じた電気信号を出力する検出素子である。【００１６】
この構成によると、エンコーダはベルトやギアなどの伝達要素を用いることなく回転角度を計測可能であるため、バックラッシュに起因した誤差が生じることがなく、回転部材の回転角を正確に検出することができる。【００１７】
本発明の第４態様は、第１または第２態様において、前記エンコーダは、光学式のエンコーダであって、前記被検出体は、周方向において、光反射率が周期的に変化するように目盛りが付されている反射式スケール、または、周方向において、光透過率が周期的に変化するように目盛りが付されている透過式スケールであり、前記検出部は、前記反射式スケールまたは前記透過式スケールに光を照射する送光用光ファイバと、反射光または透過光を受ける受光用光ファイバとを備えたものである。【００１８】
この構成によると、エンコーダはベルトやギアなどの伝達要素を用いることなく回転角度を計測可能であるため、バックラッシュに起因した誤差が生じることがなく、回転部材の回転角を正確に検出することができる。さらに、当該回転構造の内部に電子回路を用いずに光学回路のみによってエンコーダを構成することができるので、例えばｆＭＲＩ(functional magnetic resonance imaging)スキャナ等の内部で当該回転構造を使用する場合において、強い磁場が発生しており電子回路のノイズが問題になる場合や、水中もしくは高温多湿の環境で電子回路が使えない状況であっても、エンコーダを機能させることができる。【００１９】
本発明の第５態様は、第２態様において、前記被検出体と前記検出部とは、軸方向において対向しており、軸方向において、前記被検出体と前記検出部との間のスペースは、前記スラスト軸受が設けられた範囲と、重なりを有している。【００２０】
この構成によると、被検出体と検出部に所定の幅が必要な場合、軸方向において、スラスト軸受が配置される幅の少なくとも一部が共有されるため、軸体を軸方向において短くできるので、当該回転構造をコンパクトに構成できる。【００２１】
本発明の第６態様は、第２態様において、前記スラスト軸受は、シールド形ベアリングまたはシール付きベアリングである。【００２２】
この構成によると、例えば粉塵が多い環境で使用する場合であってもエンコーダへの異物侵入を阻止することができるので、ゴミ・ほこり等の影響を低減することができる。【００２３】
本発明の第７態様は、第１態様において、前記中空部は、当該回転構造の外部に対し密閉されている。【００２４】
この構成によると、水中や高温多湿の環境、もしくは高圧下の環境であっても、エンコーダを機能させることが可能となる。【００２５】
本発明の第８態様は、第１態様において、前記エンコーダは、光学式のエンコーダであり、前記中空部は、当該回転構造の外部から光が入らないように、遮光されている。【００２６】
この構成によると、エンコーダによる回転角検出において、外からの光によるノイズを防ぐことができる。【００２７】
本発明の第９態様は、第１〜８態様のうちいずれか１つにおいて、前記軸体は、軸方向に貫通している中空構造を有している。【００２８】
この構成によると、軸体の中空構造に配線を通過させる、いわゆる軸内配線を実現することができる。【００２９】
本発明の第１０態様は、第１〜９態様のうちいずれか１つにおいて、前記基部部材および前記回転部材のうち少なくともいずれか一方は、前記軸体の周方向における外周面に、他の部材を連結するための平面である連結面が形成されており、前記連結面は、断面形状が逆Ｔ字状である溝部が形成されている。【００３０】
この構成によると、基部部材または回転部材の連結面に、断面形状が逆Ｔ字状の溝部が形成されている。この溝部を用いて、Ｔ字形のくさび部材を用いたくさび連結方式によって、回転構造に他の部材を容易に連結させることができる。【００３１】
本発明の第１１態様は、第１０態様において、前記他の部材は、でっぱりのある頭部と、貫通孔が形成された胴部とを有するＴ字形のくさび部材を用いて、前記連結面に連結されるものであり、前記くさび部材は、連結の際に、前記頭部が前記溝部に挿入され、前記胴部が、前記他の部材の端面に形成された穴に挿入され、前記貫通孔を通る、テーパー部分を有するねじによって前記他の部材に固定された状態になり、前記基部部材および前記回転部材のうち少なくともいずれか一方は、前記連結面の表面に、連結の際に前記他の部材の側面に当接する、突起部が形成されている。【００３２】
この構成によると、回転構造に他の部材を連結させた際に、連結面の表面に形成された突起部が他の部材の側面に当接するので、連結された他の部材のぐらつきを防止し、なおかつ回転構造と部材とを正確に位置決めできる。【００３３】
本発明の第１２態様は、回転構造であって、基部部材と、前記基部部材に一端が固定され、当該回転構造の軸方向に延びる軸体と、前記軸体に軸受を介して取り付けられており、前記軸体周りに回動可能である回転部材と、前記軸体を囲むように設けられており、内周面に前記回転部材が当接し、外周面に前記基部部材が当接する、環状のクロスローラ軸受と、前記回転部材の回転角を検出するエンコーダとを備え、当該回転構造内部における前記軸体の周りにおいて、前記基部部材と前記回転部材とが対向している中空部が形成されており、前記エンコーダは、前記中空部において、前記軸体の周りに、前記回転部材および前記基部部材の一方と一体となって回転するように設けられており、周方向において物理量が変化する被検出体と、前記被検出体の物理量を検出可能であり、前記中空部において、前記被検出体の物理量を検出できる位置に、前記回転部材および前記基部部材の他方と一体となって回転するように設けられた検出部とを有している。【００３４】
この構成によると、回転構造内部における回転軸の周りにおいて、基部部材と回転部材とが対向している中空部が形成されている。エンコーダは、周方向において物理量が変化する被検出体と、被検出体の物理量を検出可能な検出素子とを有している。中空部において、被検出体は、軸体の周りに、回転部材および基部部材の一方と一体となって回転するように設けられており、検出部は、被検出体の物理量を検出できる位置に、回転部材および基部部材の他方と一体となって回転するように設けられている。これにより、被検出体または検出部が、回転部材の回転に伴って軸体周りに回転するため、検出部の出力から回転部材の回転角を検出することができる。このように、回転構造の内部に形成された中空部にエンコーダを設けることができるので、たとえ回転構造の外部から衝撃等の外力が加わったとしても、エンコーダが故障する可能性は格段に低い。また、エンコーダを保護するケースが不要となる。また、エンコーダが回転構造の内部に設けられるため、回転構造をコンパクトに実現することができる。また、スラスト荷重に加えてラジアル荷重も受けることができるクロスローラ軸受を用いることによって、部品点数を減らすことができ、回転構造をよりコンパクトに実現することができる。さらに、クロスローラ軸受の内周面に回転部材が当接し、クロスローラ軸受の外周面に基部部材が当接するように構成しているため、より径の大きなクロスローラ軸受を利用することができ、回転部材がより大きな力を受けられることに加え、エンコーダをより外周側に配置できるようになるため、回転角の解像度を高くすることができる。【００３５】
本発明の第１３態様は、回転構造であって、基部部材と、前記基部部材に一端が固定され、当該回転構造の軸方向に延びる軸体と、前記軸体に軸受を介して取り付けられており、前記軸体周りに回動可能である回転部材とを備え、前記基部部材および前記回転部材のうち少なくともいずれか一方は、前記軸体の周方向における外周面に、他の部材を連結するための平面である連結面が形成されており、前記連結面は、断面形状が逆Ｔ字状である溝部が形成されており、前記他の部材は、でっぱりのある頭部と、貫通孔が形成された柄部とを有するＴ字形のくさび部材を用いて、前記連結面に連結されるものであり、前記くさび部材は、連結の際に、前記頭部が前記溝部に挿入され、前記柄部が、前記他の部材の端面に形成された穴に挿入され、前記貫通孔を通る、テーパー部分を有するねじによって前記他の部材に固定された状態になり、前記基部部材および前記回転部材のうち少なくともいずれか一方は、前記連結面の表面に、連結の際に前記他の部材の側面に当接する、突起部が形成されている。【００３６】
この構成によると、基部部材または回転部材の連結面に、断面形状が逆Ｔ字状の溝部が形成されている。この溝部を用いて、Ｔ字形のくさび部材を用いたくさび連結方式によって、回転構造に他の部材を容易に連結させることができる。さらに、回転構造に他の部材を連結させた際に、連結面の表面に形成された突起部が他の部材の側面に当接するので、連結された他の部材のぐらつきを防止することができる。【００３７】
本発明の第１４態様は、アシストシステムであって、基部と、基部部材と、前記基部部材に一端が固定された軸体と、前記軸体に軸受を介して取り付けられており、前記軸体周りに回動可能である回転部材と、前記回転部材の回転角を検出するエンコーダとを有しており、前記基部部材が前記基部に連結された、回転構造と、前記回転部材に連結されたフレームを有し、利用者の腕を支持するための支持体と、供給される空気圧に応じて、前記基部に対する前記支持体の位置を調整可能なように設けられた空気圧シリンダと、前記回転構造の前記エンコーダによって検出された回転角を基にして、前記空気圧シリンダの空気圧を制御する制御部とを備えたものである。【００３８】
この構成によると、回転構造の基部部材が基部に連結されている。そして、利用者の腕を支持するための支持体は、回転構造の回転部材に連結されたフレームを有している。空気圧シリンダは、供給される空気圧に応じて、基部に対する支持体の位置を調整する。制御部は、回転構造のエンコーダによって検出された回転角を基にして、空気圧シリンダの空気圧を制御する。したがって、制御部による制御によって、支持体を、基部に対して所望の角度に動作させることができる。【００３９】
本発明の第１５態様は、第１４態様のアシストシステムが、前記回転構造として、第１〜１２態様のうちいずれか１つの回転構造を備えている。【００４０】
この構成によると、回転構造について、エンコーダが外力によって故障する可能性が格段に低減することになり、かつ、回転構造をコンパクトに実現可能になる。【００４１】
本発明の第１６態様は、第１〜１３態様のうちいずれか１つの回転構造を、関節構造として備えたロボットである。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によると、エンコーダを備えた回転構造について、外力によるエンコーダの故障や読み取り不良を未然に防止することができ、かつ、コンパクトに少ない部品点数で実現することができる。また、本発明によると、回転構造に他の部材を、容易に、確実に、高い剛性で、かつ精度良く連結させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１Ａ】回転構造の概略外観図
【図１Ｂ】連結面の構造図
【図２】図１Ａの回転構造の模式断面斜視図
【図３】図１Ａの回転構造を分解した状態を示す図
【図４】回転構造の他の例の模式断面斜視図
【図５Ａ】くさび連結方式の詳細を示す模式断面図
【図５Ｂ】くさび連結方式の詳細を示す模式断面図
【図６】フレーム端面と回転部材との連結状態を示す図
【図７】肩アシストシステムの構成例を示す斜視図
【図８】肩アシストシステムを実際に利用する状態を示す図
【図９】肩アシストシステムにおける幾何モデルを表す図
【図１０】肩アシストシステムの制御系の一例を示すブロック図
【図１１】物理的なスライダ構造を有するコントローラを用いた例を示す図
【図１２】歩行アシストシステムの構成例を示す斜視図
【図１３】歩行アシストシステムを実際に利用する状態を示す図
【図１４】歩行アシストシステムの回転構造周辺を示す分解斜視図
【図１５】回転構造を関節構造として用いたロボットの構成例
【図１６】クロスローラ軸受を用いた回転構造の例を示す模式断面図
【図１７】クロスローラ軸受を用いた回転構造を分解した状態を示す図
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００４５】
図１Ａは実施形態に係る回転構造１０の概略外観図である。本実施形態で説明する回転構造は、例えばロボットの関節構造として用いられる。なお、ロボット以外の用途にも利用してもよい。回転構造１０は、基部部材１１と、基部部材１１に一端が固定され、回転構造１０の軸方向に延びる軸体１２と、軸体１２が通る孔１３Ａが形成されており、軸体１２に軸受を介して取り付けられた回転部材１３とを備えている。回転部材１３は軸体１２周りに回動可能である。ここでは軸体１２は、軸方向に貫通している中空構造を有しているものとする。また、回転構造１０には、後述するように、その内部に回転部材１３の回転角を検出するエンコーダが内蔵されている。基板１８はエンコーダの検出信号を回転構造１０から出力する。基板１８は、フレキシブル基板（ＦＰＣ（Flexible Printed Circuit））としてもよい。
【００４６】
フレーム１４が基部部材１１に連結されており、フレーム１５が回転部材１３に連結されている。フレーム１４，１５は、例えばロボットのアームとなる。ここでは、フレーム１４，１５は、後述するくさび連結方式によって、基部部材１１および回転部材１３にそれぞれ連結されている。くさび連結方式の詳細については後述する。また、回転構造１０は、基部部材１１側を固定して回転部材１３を回転させるように用いてもよいし、回転部材１３側を固定して基部部材１１および軸体１２を回転させるように用いてもよい。
【００４７】
図２は図１Ａの回転構造１０の模式断面斜視図である。基部部材１１は、例えばねじなどによって軸体１２に固定されている。基部部材１１と軸体１２は一体化した部品としてもよい。軸体１２は中空構造であり、軸方向において貫通している。回転部材１３は、軸受１６を間に挟んで軸体１２に取り付けられている。すなわち、回転部材１３の孔１３Ａに軸体１２が挿通されており、軸体１２の外周面１２Ａと孔１３Ａの内周面との間に、環状の軸受１６が設けられている。また、基部部材１１と回転部材１３との間に、環状のスラスト軸受１７が設けられている。スラスト軸受１７は、ハウジング軌道盤１７Ａと、軸軌道盤１７Ｂと、ころがり軸受１７Ｃとから構成される。スラスト軸受１７は、基部部材１１における回転部材１３と対向する側の面上に設けられており、ハウジング軌道盤１７Ａが、回転部材１３の基部部材１１側表面に当接している。回転部材１３が軸体１２周りを回転するとき、ハウジング軌道盤１７Ａがころがり軸受１７Ｃ上を摺動する。
【００４８】
そして、環状のスラスト軸受１７の内周面１７Ｄと、軸体１２の外周面１２Ａとの間に、基部部材１１と回転部材１３とが対向している中空部Ｘが形成されている。中空部Ｘは、軸体１２の周りに、ここでは環状に形成されている。この中空部Ｘに、回転部材１３の回転角を検出するエンコーダ２０が設けられている。
【００４９】
エンコーダ２０は、ここでは光学反射式のエンコーダである。エンコーダ２０は、被検出体の一例である反射式スケール２１と、検出部の一例としての検出素子２２とを備えている。反射式スケール２１は環状であり、中空部Ｘ内において、スラスト軸受１７を構成するハウジング軌道盤１７Ａと一体に構成された部材１７Ａ‘の表面に固定されている。反射式スケール２１は、回転部材１３に、軸体１２と同心に設けられている。検出素子２２は、中空部Ｘ内において、基部部材１１の表面における反射式スケール２１の一部と対向する位置に配置されている。反射式スケール２１は、その表面に、周方向において光の反射率が周期的に変化するように、目盛りが形成されている。検出素子２２は、光を投射し、反射式スケール２１における反射光を受け、反射光に応じた電気信号を基板１８に送る。ここで、基板１８は基部部材１１に配置され、基板１８上には電気信号を取り出すためのコネクタ１８Ａが設けられている。また、軸体１２の先端に雄ねじ部１２Ｂが設けられており、ナット２３が回転構造１０を保持している。
【００５０】
図３は回転構造１０を分解した状態を示す図である。図３では、エンコーダ２０の構成を分かりやすく示すために、回転部材１３を外した状態を示している。なお、反射式スケール２１が配置される位置を破線で示している。検出素子２２は、スラスト軸受１７の内周面１７Ｄと軸体１２の外周面１２Ａとの間に、回転部材１３側に投光する向きに設けられている。検出素子２２の配線２３は、スラスト軸受１７の下側を通り、基板１８に接続されている。検出素子２２および配線２３の位置決めは、例えば、基部部材１１に取り付け用の溝を形成することで行えばよい。反射式スケール２１の位置決めは、例えば、位置決めピンなどを用いて行えばよい。
【００５１】
このような構成により、回転構造１０内部における軸体１２の外周側周方向に、基部部材１１と回転部材１３とが対向している環状の中空部Ｘが形成されている。エンコーダ２０は、環状の反射式スケール２１と、検出素子２２とを有している。中空部Ｘにおいて、反射式スケール２１は、回転部材１３に、軸体１２と同心に設けられており、検出素子２２は、基部部材１１の、反射式スケール２１の一部と対向する位置に設けられている。回転部材１３に設けられた反射式スケール２１が、回転部材１３の回転に伴って軸体１２周りに回転するため、検出素子２２の検出信号から回転部材１３の回転角を検出することができる。このように、回転構造１０の内部に形成された中空部Ｘにエンコーダ２０を設けることができるので、ケースを用いることなく外部との接触を防止することが可能である。また、たとえ回転構造１０の外部から衝撃等の外力が加わったとしても、エンコーダ２０が故障する可能性は格段に低い。また、エンコーダ２０を固定する部品として、回転構造を構成するスラスト軸受１７を利用しており、部品点数および組立工数の削減が可能である。また、エンコーダ２０が回転構造１０の内部に設けられるため、回転構造１０をコンパクトに実現可能になる。すなわち、エンコーダ２０を備えた回転構造１０について、エンコーダ２０が外力により故障する可能性を格段に低減させることができ、部品点数および組立工数の削減を実現でき、かつ、コンパクトに実現することができる。
【００５２】
また、上の構成では、エンコーダ２０が、回転構造１０内部の、スラスト軸受１７が潤滑する２つの面の間で、軸受１６の近傍に設けられている。このため、基部部材１１が例えば外力を受けて軸体１２等に対して歪んだ場合であっても、回転角の測定誤差が、エンコーダを回転構造の外部に設けた場合と比べて小さくなる。さらに、スケール２１と検出素子２２が軸軌道盤１７Ｂとハウジング軌道盤１７Ａに隣接しており、基部部材１１と回転部材１３に外力が加わりスラスト軸受１７が応力を受けた状況でも、スケール２１と検出素子２２との間の対向距離はほとんど変化しない。このため、外力が加わる状況でも安定して、回転部材１３の軸体１２に対する回転角を安定して検出できる。すなわち、本実施形態の構成により、回転角の測定精度が高くなるという効果も得られる。
【００５３】
また、上の構成では、スケール２１と検出素子２２とが、軸方向において対向しており、軸方向において、スケール２１と検出素子２２との間のスペースは、スラスト軸受１７が設けられた範囲と、重なりを有している。これにより、スケール２１と検出素子２２に所定の幅が必要な場合、軸方向において、スラスト軸受１７が配置される幅の少なくとも一部が共有されるため、軸体１２を軸方向において短くできるので、回転構造１をコンパクトに構成できる。
【００５４】
また、上の構成では、エンコーダ２０は、基部部材１１と回転部材１３との間のスラスト軸受１７の内周面１７Ｄと、軸体１２の外周面１２Ａとの間に形成されている中空部Ｘに、設けられている。これにより、エンコーダ２０を設けるための中空部を新たに形成する必要がなく、回転構造１０を確実にコンパクトに実現することが可能となる。
【００５５】
また、上の構成では、エンコーダ２０として光学式のエンコーダが用いられており、スケール２１は回転部材１３と一体となって回転するように設けられており、検出素子２２は基部部材１１および軸体１２と一体となって回転するように設けられている。このため、回転をベルト・ギア・カップリング等の伝達部品を介して外付けエンコーダで計測する方式に比べて、バックラッシュや滑りに起因した誤差が生じることがなく、回転部材１３の軸体１２に対する回転角を正確に検出することができる。
【００５６】
また、上の構成では、エンコーダ２０を内蔵した回転構造１０の軸体１２を中空構造にすることができるので、軸体１２の中空構造に配線を通過させる、いわゆる軸内配線を実現することができる。なおもちろん、中空構造を有しない軸体を用いてもかまわない。
【００５７】
なお、上の構成では、エンコーダ２０について、反射式スケール２１は回転部材１３側に設けられ、検出素子２２は基部部材１１側に設けられているものとしたが、反射式スケール２１と検出素子２２の位置は、入れ替わってもよい。すなわち、反射式スケール２１が基部部材１１側に設けられ、検出素子２２が回転部材１３側に設けられていてもよい。この場合、基板１８は回転部材１３側に配置されるため、エンコーダ２０の配線を回転部材１３側で取り出すことが可能になる。
【００５８】
また、上の構成では、エンコーダ２０は光学反射式であるものとしたが、これに限られるものではない。例えば、光学透過式であってもよい。この場合は、被検出体の一例として、周方向において光の透過率が周期的に変化する透過式スケールを用いて、発光部および受光部を備えた検出素子を、透過式スケールの一方の面側から発光した光を他方の面側で受光するように、配置すればよい。その他にも、エンコーダは例えば磁気方式や電気抵抗方式であってもよい。例えば、磁気方式のエンコーダは、周方向に磁力の変化するスケールと磁力を検出するホール素子等の検出素子とで構成することができる。例えば、磁気方式のエンコーダとして、ＡＶＡＧＯ社製のマグネッティックエンコーダ（型番：AEAT-6600-T16等）を利用することができる。また、磁気方式のエンコーダとして、レゾルバ（例えば、多摩川精機株式会社製：Ｓｉｎｇｌｓｙｎ（登録商標）等）を利用することもできる。すなわち、エンコーダを構成する被検出体は、周方向において物理量が変化するものであればよく、検出素子は被検出体の物理量を検出可能なものであればよい。
【００５９】
また、上の構成では、中空部Ｘにおいて、エンコーダ２０を構成するスケール２１と検出素子２２とはスラスト面で対向しているものとしたが、この他にも例えば、軸体１２の外周面１２Ａとスラスト軸受１７の内周面１７Ｄとにおいて、スケール２１と検出素子２２とを対向させる構成としてもよい。
【００６０】
また、中空部Ｘは、エンコーダ２０を構成するスケール２１と検出素子２２とが対向する空間が確保されていればよく、例えば、環状の一部の空間であってもよい。すなわち、扇状に構成されていてもよい。
【００６１】
また、エンコーダ２０が光学式のものである場合には、中空部Ｘは、回転構造１０の外部から光またはゴミ・ほこり等が入らないように、シールドまたはシールされていることが好ましい。例えば、図２の構成において、スラスト軸受１７として、シールド形ベアリングを使用すれば、粉塵が多い環境で使用する場合であってもエンコーダ２０への異物侵入を阻止することができるので、ゴミ・ほこり等の影響を低減することができる。さらに、軸受１６およびスラスト軸受１７についてシール付きベアリングを使用し、基板１８とスラスト軸受１７の間をシールし、基部部材１１と軸体１２との間をシールすれば、中空部Ｘが外部に対し密閉される構造になる。これにより、ゴミ・ほこり等の影響を低減する効果に加え、水中や高温多湿の環境、もしくは高圧下の環境であっても、エンコーダ２０を機能させることが可能となる。なお、シール付きスラスト軸受に関しては、特許文献４等に開示されている。
【００６２】
さらに、軸受１６またはスラスト軸受１７に潤滑油を使用する場合は、シールド形ベアリングまたはシール付きベアリングを利用することによって、ベアリング内部の潤滑油が反射式スケール２１や検出素子２２に付着してエンコーダ２０が機能しなくなるという問題も回避できる。また、エンコーダが磁気式・電気誘導式の場合は、ベアリング内部で発生する磁性体粉による電磁気回路への影響も低減できる。さらに、中空部Ｘは、回転構造１０自体により遮光されており、エンコーダ２０による回転角検出において、外からの光によるノイズを防ぐことができる。さらに、シールド形ベアリングまたはシール付きベアリングを使用することにより、開放形ベアリングと比較して、より高い遮光率が実現できる。
【００６３】
また、反射式または透過式の光学式エンコーダの場合には、基板、検出素子および配線を回転構造の外部に配置し、回転構造の内部に光ファイバを配置して、スケールに対する投光および受光を行うことも可能である。この場合には、回転構造に内蔵するエンコーダの構成要素から、金属を省くことが可能になる。これにより、基部部材１１や樹脂製のベアリングやブッシュ等を軸受部品として用いることによって、回転構造１０全体を、金属を用いずに構成することが可能になる。さらに、非磁性体で構成することによって、ｆＭＲＩ(functional magnetic resonance imaging)装置など強磁場の中でも、回転構造１０の角度情報のセンシングが可能である。
【００６４】
図４は透過式の光学式エンコーダと光ファイバを用いた回転構造の模式断面図である。図２と共通の構成要素には図２と同一の符号を付しており、ここではその詳細な説明を省略する。図４の構成において、透過式スケールであるスリット２６が、スラスト軸受１７を構成するハウジング軌道盤１７Ａと一体に構成されている。そして、送光用光ファイバ２４が、スリット２６の基部部材１１側に設けられており、受光用光ファイバ２５が、スリット２６の回転部材１３側に設けられている。送光用光ファイバ２４および受光用光ファイバ２５は、軸体１２外周面に固定された支持部材２７によって支持されている。すなわち、図４の構成では、検出部が、被検出体の一例である透過式スケールに光を照射する送光用光ファイバ２４と、透過光を受ける受光用光ファイバ２５とを備えたものとなっている。なお、送光用光ファイバ２４をスリット２６の回転部材１３側に設けて、受光用光ファイバ２５をスリット２６の基部部材１１側に設けるようにしてもよい。また、被検出体として反射式スケールを用いる場合には、検出部は、反射式スケールに光を照射する送光用光ファイバと、反射光を受ける受光用光ファイバとを備えたものとすればよい。
【００６５】
また、検出素子２２の信号送受信は、無線モジュールを用いて行うことも可能である。この場合は、配線２３は不要になる。
【００６６】
また、上の構成では、エンコーダ２０は、スラスト軸受１７の内周面１７Ｄと軸体１２の外周面１２Ａとの間に形成された中空部Ｘに設けられるものとしたが、これに限られるものではない。すなわち、回転構造の内部において、基部部材と回転部材とが対向している中空部であれば、上の構成と同様にエンコーダを設けることが可能である。例えば、エンコーダ２０を設けるための中空部を、別途形成するようにしてもよい。
【００６７】
また、上の構成では、回転構造１０の平面形状（軸方向に見た形状）は、ほぼ円形であるが、回転構造の平面形状はこれに限られるものではない。例えば、回転構造の平面形状は、六角形などの多角形であってもよいし、楕円形であってもよい。
【００６８】
＜くさび連結方式＞
回転構造１０とフレーム１４，１５との連結構造について説明する。なお、以下で説明する連結構造は、上述した回転構造１０以外の回転構造にも適用可能である。
【００６９】
図１Ａにもどり、回転部材１３とフレーム１５とは、Ｔ字形のくさび部材３１（太破線で図示）によって連結されている。図１Ｂに示すように、軸体１２の周方向における回転部材１３の外周面には、フレーム１５を連結するための平面である連結面３２が形成されており、連結面３２には、軸方向と垂直をなす方向に延びる溝部３２Ａが形成されている。溝部３２Ａの断面形状は、逆Ｔ字状になっている。ねじ３３は、くさび部材３１をフレーム１５に固定するとともに、フレーム１５への挿入によってくさび部材３１をフレーム１５側に引っ張る機能を有する。
【００７０】
図５Ａおよび図５Ｂはくさび連結方式の詳細を示す模式断面図である。図５Ａおよび図５Ｂでは、Ｔ字形のくさび部材３１を用いて、部材Ａと部材Ｂとを連結する。例えば図１Ａでは、回転部材１３が部材Ａに相当し、他の部材の一例であるフレーム１５が部材Ｂに相当する。くさび部材３１は、でっぱりのある頭部３１ａと、胴部３１ｂとを有している。部材Ａの連結面３２には、断面形状が逆Ｔ字形の溝部３２Ａが形成されている。この溝部３２Ａに、くさび部材３１の頭部３１ａが挿入される。くさび部材３１の胴部３１ｂには、当該くさび部材３１の軸方向と垂直をなす方向に貫通する貫通孔３１Ａが形成されている。また、部材Ｂには、くさび部材３１を挿入するための穴３５Ａが形成されている。さらに、穴３５Ａと連通し、くさび部材３１を挿入する方向と垂直をなす方向に貫通する孔３５Ｂ，３５Ｃが形成されている。この孔３５Ｂ，３５Ｃにねじ３３が挿入される。例えば、孔３５Ｃにねじ３３と螺合するねじ山が切られている。
【００７１】
図５Ｂに示すように、部材Ａの溝部３２Ａに頭部３１ａが挿入されたくさび部材３１を部材Ｂの穴３５Ａに挿入し、ねじ３３を部材Ｂの孔３５Ｂに挿入する。ねじ３３のテーパー部分３３Ａが、くさび部材３１の孔３１Ａの部材Ｂ側のテーパー状の内周面３１Ｂに当接し、ねじ３３を締めることによって、くさび部材３１は部材Ｂの方に引っ張られる。これにより、部材Ａと部材Ｂとが強い力で互いに押しつけられることになり、部材Ａと部材Ｂとが連結固定される。ここで、部材Ａの連結面３２と孔３１Ａの中心線との間の間隔ＷＡは、連結面３２と当接する部材Ｂの面と孔３５Ｃの中心線との間の間隔ＷＢよりも、わずかに短くなるように設定する。
【００７２】
すなわち、部材Ｂは、でっぱりのある頭部３１ａと、貫通孔３１Ａが形成された胴部３１ｂとを有するＴ字形のくさび部材３１を用いて、連結面３２に連結されるものであり、くさび部材３１は、連結の際に、頭部３１ａが溝部３２Ａに挿入され、胴部３１ｂが、部材Ｂの端面に形成された穴３５Ａに挿入され、貫通孔３１Ａを通る、テーパー部分３３Ａを有するねじ３３によって部材Ｂに固定された状態になる。上述したような連結構造によって、回転構造１０とフレーム１４，１５とを、容易に連結させることができる。また、複数個の回転構造１０を容易に連結することができる。
【００７３】
図６はフレーム１５の端面１５Ａの形状と、端面１５Ａが回転部材１３と連結した状態を示す図である。フレーム１５の端面１５Ａには、くさび部材３１を挿入するための穴３５Ａが開口している。回転部材１３の連結面３２表面に、突起部３６が形成されている。図６では、突起部３６は、平面形状が矩形である４個の突起からなるものとしている。突起部３６は、フレーム１５を回転部材１３に連結したとき、フレーム１５の側面に当接するように形成されている。これにより、フレーム１５を回転部材１３に連結した際のぐらつきを防止することができる。
【００７４】
なお、図６に示したフレーム１５の端面形状はあくまでも一例であり、他の端面形状であってもかまわない。また、図６では、突起部３６は、平面形状が矩形状である４個の突起からなるものとして図示しているが、連結面３２表面に形成する突起部の形状や個数は、これに限られるものではない。すなわち、連結の際に、フレームの側面に当接する突起部であれば、どのような形態のものであってもよい。また、ここで説明したくさび連結方式は、先に説明したエンコーダ構造を備えた回転構造以外の回転構造にも適用可能であることはいうまでもない。
【００７５】
また、図１Ａおよび図６に示すように、フレーム１５の側面にも、断面形状が逆Ｔ字形である溝部１５Ｂが形成されている。この溝部１５Ｂを利用して、上述したくさび連結方式を用いることによって、他の部材をフレーム１５に容易に連結することができる。さらに、溝部１５Ｂの長手方向におけるくさび部材の位置を調整することによって、フレーム１５に対する他の部材の連結位置を容易に調整することができる。
【００７６】
＜回転構造の利用例＞
以下に、上述した回転構造を利用したシステム構成の一例について説明する。
【００７７】
（その１：肩アシストシステム）
図７は肩アシストシステムの構成例を示す斜視図である。図７の肩アシストシステム１は、上述した回転構造１０を備えている。アシストシステムの一例である肩アシストシステム１は、支柱２と、支柱に固定されたプレート３と、利用者の腕を支持するための支持体４とを備えている。支柱２およびプレート３がアシストシステムにおける基部に相当する。そして、上述した回転構造１０が、プレート３に固定されている。回転構造１０の基部部材１１がプレート３に連結されており、支持体４を構成するフレーム４１が、回転構造１０の回転部材１３に連結されている。
【００７８】
支柱２には、伸縮自在のロッド６を有する空気圧シリンダ５が取り付けられている。空気圧シリンダ５は、支柱２に取り付けられた箇所を中心軸として、支持体４の回転平面と平行に回転可能になっている。空気圧シリンダ５は、供給される空気圧に応じて内蔵するピストンを動作させ、ロッド６を往復運動させる。ロッド６の先端は、支持体４を構成する部材４２に回動可能なように取り付けられている。ロッド６の往復運動によって、支持体４が、回転構造１０の軸体１２の周りを回転する。支持体４の回転角は、回転構造１０に内蔵されたエンコーダ２０によって検出可能である。ここでは、支持体４の回転角を示す電気信号が基板１８から出力される。制御部（図示せず）は、基板１８から出力される電気信号を受け、エンコーダ２０によって検出された回転角を基にして、空気圧シリンダ５の空気圧を制御する。
【００７９】
図８は図７の肩アシストシステム１を実際に利用する状態を示す図である。図８の状態では、支持体４が利用者Ｈの腕を支えている。なお、回転構造１０の部分は、美観を保つためにカバー７で覆われている。
【００８０】
この構成によると、回転構造１０の基部部材１１が、支柱２に固定されたプレート３に連結されている。そして、利用者の腕を支持するための支持体４は、回転構造１０の回転部材１３に連結されたフレーム４１を有している。空気圧シリンダ５は、供給される空気圧に応じて、支柱２に対する支持体４の位置を調整する。制御部は、回転構造１０のエンコーダ２０によって検出された回転角を基にして、空気圧シリンダ６の空気圧を制御する。したがって、制御部による制御によって、支持体４を、支柱２に対して所望の角度に動作させることができる。
【００８１】
なお、ここで説明したアシストシステムがアシストする対象は、肩に限られるものではなく、例えば、肘や手首をアシストするように構成することも可能である。また、図７の構成では、空気圧シリンダ５は、本体が支柱２に取り付けられ、ロッド６の先端が支持体４を構成する部材４２に取り付けられているが、空気圧シリンダ５の設置形態はこれに限られるものではない。
【００８２】
また、図７のアシストシステムでは、支持体４を構成するフレーム４１と部材４２，４３との連結のために、上述したようなくさび連結方式が用いられている。フレーム４１の側面（図７における上下の面）には、断面形状が逆Ｔ字形である溝部が形成されており、この溝部に、フレーム４１と部材４２，４３とを連結するためのくさび部材の頭部が挿入されている。このため、ねじ４５，４６を弛めた状態で、フレーム４１の長手方向における部材４２，４３の位置調整を行うことができる。これにより例えば、利用者は自分が座っている側から、支持体４の長さを容易に調整することができる。
【００８３】
またここでは、支持体４を駆動させるために空気圧シリンダ５を用いているため、回転構造１０がバックドライバブルになっている。このため、人に対して安全なシステムになっている。また、空気圧シリンダ５は、空気圧を供給するバルブを閉じれば出力を維持でき、支持体４を支え続けられるため、エネルギー消費が少ない。なお、空気圧シリンダ５に代えて、他の方式のアクチュエータを用いてもよい。例えば、空気圧による駆動と電磁気力による駆動とを組み合わせたシリンダを用いてもかまわない。
【００８４】
図９は肩アシストシステム１における幾何モデルを表す図である。図９は正面図であり、回転構造１０の軸体１２の位置をＰ１、空気圧シリンダ５の回転軸の位置をＰ２、空気圧シリンダ５のロッド６の端部の位置をＰ３としている。位置Ｐ１−Ｐ３間の長さをａ、位置Ｐ１−Ｐ２間の長さをｂ、位置Ｐ２−Ｐ３間の長さをｃとする。長さａ，ｂは固定、長さｃはロッド６の伸縮により可変である。鉛直方向に対して支持体４が延びる方向がなす角度θが、回転構造１０に内蔵されたエンコーダ２０によって検出できるものとする。角度θ０，θ１は既知である。
【００８５】
支持体４によって利用者Ｈの腕を持ち上げるトルクτは、空気圧シリンダ５の出力ｆを用いて、次のように表される。
【００８６】
【数１】
0006565090.tif 000002
【００８７】
ｄはロッド６の実効モーメントアームであり、次のように表される。
【００８８】
【数２】
0006565090.tif 000003
【００８９】
また、ｃは次式から求められる。
【００９０】
【数３】
0006565090.tif 000004
【００９１】
このように、支持体４の角度θからロッドの長さｃを求め、ロッド６の実効モーメントアームｄを求めることができる。したがって、ロッド６の伸縮長を直接検出しなくても、支持体４の角度θを検出することによって、ロッド６の実効モーメントアームｄを求めることができる。また、支持体４の角度θから、重力補償トルクを容易に求めることができる。
【００９２】
図１０は肩アシストシステム１の制御系の一例を示すブロック図である。ここでは、空気圧シリンダ５は２バルブ式であるものとする。図１０において、ＰＤコントローラ６１は、支持体４の現在の角度θと所望の角度θ＊との差に従って、運動トルクを求める。重力補償部６２は、支持体４の現在の角度θに基づいて、重力補償トルクを求める。シリンダ制御部６３は、運動トルクと重力補償トルクとを加えることによって得られた所望のトルクτ＊から、空気圧シリンダ５に与える圧力ｐ１＊，ｐ２＊の出力を求める。なお、ＰＤコントローラ６１、重力補償部６２およびシリンダ制御部６３の機能は、例えばノートＰＣ等によって実現することができる。
【００９３】
また、図１１に示すように、物理的なスライダ構造を有するコントローラ７３を用いて、肩アシストシステム１の制御を実現可能なように構成してもよい。例えば、ノートＰＣ等のＧＵＩ（Graphic User Interface）７１を、例えばMIDIドライバ７２によってコントローラ７３のスライド動作に同期させる。これにより、利用者や利用者の補助者による肩アシストシステム１の操作が容易になる。
【００９４】
なお、ここで説明した肩アシストシステム１は、実施形態に係る回転構造以外の、エンコーダ付き回転構造を用いても、実現できることはいうまでもない。
【００９５】
（その２：歩行アシストシステム）
図１２は歩行アシストシステムの構成例を示す斜視図、図１３は歩行アシストシステムの実際の利用状態を示す図、図１４は歩行アシストシステムにおける回転構造周辺を示す分解斜視図である。図１２の歩行アシストシステム５０は、上述した回転構造１０を備えている。歩行アシストシステム５０は、利用者の足首に固定するための治具５１と、治具５１に固定されており、前後方向に回動可能な靴部５２と、治具５１が固定されたフレーム５３とを備えている。そして、フレーム５３が回転構造１０の基部部材１１に連結されており、回転構造１０の回転部材１３が短いフレーム５４に連結されている。フレーム５４は靴部５２の側面に固定されている。また、治具５１は、回転構造１０の軸体１２にも固定される。
【００９６】
５５はボーデンケーブルであり、一端が、フレーム５４に設けられたケーブル固定部５６に固定される。５７はケーブルカバーである。また、図１４に示すように、回転構造１０の中には、上述したとおり、エンコーダ２０を構成する反射式スケール２１と検出素子２２が、スラスト軸受１７の内周面１７Ｂと軸体１２の外周面１２Ａとの間に、設けられている。エンコーダ２０の検出信号は基板１８から出力される。
【００９７】
ここで、元の装具の関節はねじ部材５８によって固定されているが、実施形態に係る回転構造１０は、このねじ部材５８を変更することなく容易に装着することができる。すなわち、図１４に示すように、回転構造１０は軸体１２が中空構造になっているため、ここに円筒形状の部材５９を挿入することができる。この部材５９は、回転部材１３側からねじ部材５８によって固定されるとともに、基部部材１１側の外側からもねじ（図示せず）で締め込んで固定される。このようにして、回転構造１０を装着することによって、歩行アシストシステムを容易に実現することができる。駆動源は、例えば、空圧アクチュエータ、モータ等である。
【００９８】
なお、ここで説明した歩行アシストシステム５０は、実施形態に係る回転構造以外の、エンコーダ付き回転構造を用いても、実現できることはいうまでもない。
【００９９】
（その他）
図１５は上述した回転構造を関節構造として用いたロボットの構成例である。図１５の例では、３自由度を持つロボットアームの構成を示している。３個の関節構造８１，８２，８３は、それぞれ、上述した回転構造を備えている。関節構造８１は、インナーケーブル９１ａを有するボーデンケーブル９１によって駆動される。関節構造８２は、インナーケーブル９２ａを有するボーデンケーブル９２によって駆動される。関節構造８３は、インナーケーブル９３ａを有するボーデンケーブル９３によって駆動される。関節構造８１，８２，８３は、ボーデンケーブル９１，９２，９３によって、両方の回転方向に駆動することができる。
【０１００】
また、上述した回転構造は、その他にも例えば、ゴニオメーターの回転軸部分に用いてもよいし、また、コイル巻線機の回転部分のような連続回転を行う機構部分に用いてもかまわない。
【０１０１】
＜クロスローラ軸受を利用した回転構造＞
上述の実施形態で開示した構成は、クロスローラ軸受を利用した回転構造にも適用することができる。クロスローラ軸受とは、スラスト荷重に加えてラジアル荷重も受けることができるものであり、かつ、コンパクトに構成されている。クロスローラ軸受を利用することによって、エンコーダを備えた回転構造をよりコンパクトに実現することができる。
【０１０２】
図１６はクロスローラ軸受を用いた回転構造１０Ａの例を示す模式断面図である。基部部材１１は、例えばねじなどによって軸体１２に固定されている。基部部材１１と軸体１２は一体化した部品としてもよい。軸体１２は中空構造であり、軸方向において貫通している。回転部材１３は、軸受１６を間に挟んで軸体１２に取り付けられている。すなわち、回転部材１３の孔１３Ａに軸体１２が挿通されており、軸体１２の外周面１２Ａと孔１３Ａの内周面との間に、環状の軸受１６が設けられている。
【０１０３】
また、基部部材１１と回転部材１３との間に、環状のクロスローラ軸受１０１が設けられている。図１６の回転構造１０Ａでは、クロスローラ軸受１０１の内周面１０１Ａに回転部材１３が当接しており、クロスローラ軸受１０１の外周面に基部部材１１が当接している。そして、軸体１２の周りにおいて、基部部材１１と回転部材１３とが対向している中空部Ｘ１が形成されている。中空部Ｘ１は、ここでは環状に形成されている。この中空部Ｘ１において、クロスローラ軸受１０１の内周面１０１Ａよりも内側に、回転部材１３の回転角を検出するエンコーダ２０が設けられている。
【０１０４】
エンコーダ２０は、ここでは光学反射式のエンコーダである。エンコーダ２０は、被検出体の一例である反射式スケール２１と、検出部の一例としての検出素子２２とを備えている。反射式スケール２１は環状であり、中空部Ｘ１内において、回転部材１３の表面に固定されている。検出素子２２は、中空部Ｘ内１において、基部部材１１の表面における反射式スケール２１の一部と対向する位置に配置されている。検出素子２２は、光を投射し、反射式スケール２１における反射光を受け、反射光に応じた電気信号を基板１８に送る。また、軸体１２の先端に雄ねじ部１２Ｂが設けられており、ナット２３が回転構造１０Ａを保持している。
【０１０５】
回転構造１０Ａにおいて、クロスローラ軸受１０１の内周面１０１Ａに回転部材１３が当接し、クロスローラ軸受１０１の外周面に基部部材１１が当接しているため、回転部材１３がクロスローラ軸受１０１の外周面に当接して中空部を構成する場合と比較して、エンコーダ２０が利用できる中空部Ｘ１の空間を、より大きくすることができる。このような構成により、径の大きなクロスローラ軸受１０１を用いることができる。さらに、スケール２１をより外周に配置することによって、エンコーダ２０の解像度を高くすることができる。
【０１０６】
また、図１６の構成でも、図２に示した回転構造１０と同様の作用効果が得られる。また、図２に示した回転構造と同様に、反射式スケール２１と検出素子２２の位置は、入れ替わってもよい。すなわち、反射式スケール２１が基部部材１１側に設けられ、検出素子２２が回転部材１３側に設けられていてもよい。また、図２に示した回転構造と同様に、エンコーダ２０は光学反射式に限られるものではなく、例えば、光学透過式であってもよい。あるいは、磁気方式や電気抵抗方式であってもよい。すなわち、エンコーダを構成する被検出体は、周方向において物理量が変化するものであればよく、検出素子は被検出体の物理量を検出可能なものであればよい。
【０１０７】
なお、図１６の回転構造１０Ａにおいて、エンコーダ２０の位置を、クロスローラ軸受１０１の内側にしてもよい。すなわち、軸方向において、対向しているスケール２１と検出素子２２との間のスペースが、クロスローラ軸受１０１が設けられた範囲と、重なりを有しているようにしてもよい。これにより、スケール２１と検出素子２２に所定の幅が必要な場合、軸方向において、クロスローラ軸受１０１が配置される幅の少なくとも一部が共有されるため、軸体１２を軸方向において短くできるので、回転構造１０Ａをコンパクトに構成できる。
【０１０８】
図１７は回転構造１０Ａにおいて回転部材１３を外した状態を示す斜視図である。図１７では、反射式スケール２１が配置される位置を破線で示している。検出素子２２は、クロスローラ軸受１０１の内側に、回転部材１３側に投光する向きに設けられている。検出素子２２の配線は、クロスローラ軸受１０１の下側を通り、基板１８に接続されている。基板１８上には電気信号を取り出すためのコネクタ１８Ａが設けられている。検出素子２２の位置決めは、例えば、基部部材１１に取り付け用の溝を形成することで行えばよい。反射式スケール２１の位置決めは、例えば、位置決めピンなどを用いて行えばよい。
【０１０９】
また、図１７では、基部部材１１とフレーム１４とを連結する連結面３２の形状を示している。連結面３２には、断面形状が逆Ｔ字状である溝部３２Ａが形成されており、また、フレーム１４の側面に当接する突起部３６が形成されている。また、連結面３２の中央部３７が外方へ膨出している。そして、この外方に膨出した中央部３７の形状に合うように、フレーム１４の端面の中央部１４Ａが凹みを有している。連結面３２の中央部３７を外方へ膨出させたことにより、回転構造１０Ａに、より径の大きいクロスローラ軸受１０１を設けることができるので、回転構造１０Ａの耐荷重を向上させることができる。
【符号の説明】
【０１１０】
１  肩アシストシステム（アシストシステム）
２  支柱（基部）
３  プレート（基部）
４  支持体
５  空気圧シリンダ
６  ロッド
１０  回転構造
１０Ａ  回転構造
１１  基部部材
１２  軸体
１２Ａ  外周面
１３  回転部材
１６  軸受
１７  スラスト軸受
１７Ｄ  内周面
２０  エンコーダ
２１  反射式スケール（被検出体）
２２  検出素子（検出部）
２４  送光用光ファイバ
２５  受光用光ファイバ
２６  スリット（透過式スケール、被検出体）
３１  くさび部材
３１ａ  頭部
３１ｂ  胴部
３１Ａ  貫通孔
３２  連結面
３２Ａ  溝部
３３  ねじ
３３Ａ  テーパー部分
３５Ａ  穴
３６  突起部
４１  フレーム
４２  部材
１０１  クロスローラ軸受
１０１Ａ  内周面
１０１Ｂ  内周面
Ｘ  中空部
Ｘ１  中空部
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【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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