(57)【要約】【課題】可動範囲が広く、全体の大きさを小さくすることができ、さらには、人装着型装置において適用した場合に使い勝手や装着性を向上させることが可能な関節機構を提供すること。【解決手段】本発明にかかる関節機構は、第１のアーム１と第２のアーム３の相対的な角度を可変可能に支持するものである。この関節機構は、さらに、第１のアーム１を第１の回転軸において回動可能に支持し、かつ第２のアーム３を第１の回転軸とは異なる第２の回転軸において回転可能に支持する第３のアーム２と、第１のアーム１が当該第３のアーム２に対して回動した場合に、第２のアーム３を当該第１のアーム１の回動方向とは反対の方向に、略同じ角度だけ回転させる回転伝達機構を備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のアームと第２のアームの相対的な角度を可変可能に支持する関節機構であって、
前記第１のアームを第１の回転軸において回動可能に支持し、かつ前記第２のアームを前記第１の回転軸とは異なる第２の回転軸において回転可能に支持する第３のアームと、
前記第１のアームが当該第３のアームに対して回動した場合に、第２のアームを当該第１のアームの回動方向とは反対の方向に、略同じ角度だけ回転させる回転伝達機構を備えた関節機構。
【請求項２】
前記回転伝達機構は、
前記第１のアームに固定された第１のベベルギアと、
前記第２のアームに固定された第２のベベルギアと、
前記第１のベベルギアと噛み合う第３のベベルギアと、
前記第３のベベルギアとシャフトを介して固定され、前記第２のベベルギアと噛み合う第４のベベルギアによって構成されていることを特徴とする請求項１記載の関節機構。
【請求項３】
前記第１のベベルギアと前記第２のベベルギアとは歯数が同じであり、かつ、前記第３のベベルギアと前記第４のベベルギアとは歯数が同じであることを特徴とする請求項２記載の関節機構。
【請求項４】
前記第１のアームと前記第３のアームの相対的な角度若しくは前記第２のアームと前記第３のアームの相対的な角度を変えるアクチュエータを備えたことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の関節機構。
【請求項５】
前記関節機構は、ロボットの関節部に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の関節機構。
【請求項６】
前記関節機構は、人体装着型の装置において人体の肘又は膝に沿って設けられることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の関節機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関節機構に関し、特にパワーアシスト装置やロボットにおける関節機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
脚式移動ロボットにおいては、歩行動作や把持動作等の様々な動作を実現するために、肘部や膝部等の各部分に関節機構が設けられている。図６に従来の関節機構の概略構成図を示す。ここでは、関節機構が膝部に設けられているとして説明する。図６（ａ）に示されるように、上腿部１０１ａと下腿部１０１ｂの間に一つの関節１０２が設けられている。そして、上腿部１０１ａと下腿部１０１ｂは、図示しないアクチュエータによって関節１０２を中心に回動させることができる。しかしながら、図６（ｂ）に示されるように、上腿部１０１ａと下腿部１０１ｂを関節１０２を中心に、両者間の角度が小さくなるように回動させると、Ｃ点において干渉が発生するため、所定角度以下には回動させることができないという問題があった。即ち、膝を所定角度以上曲げることができず、動きに制約がかかり、不自然な動きとならざるを得なかった。
【０００３】
このとき、図７（ａ）に示されるように、上腿部１０１ａと下腿部１０１ｂの双方を途中で屈曲させ、オフセットを設けることによって可動範囲を拡大することも可能である。しかしながら、図７（ｂ）に示されるように、オフセットの分だけ幅方向に広くなってしまうという問題があった。
【０００４】
また、人体に装着し、人が動くときに皮膚の表面を流れる微弱電流を検出して、次の行動を予測してアクチュエータを駆動させ動作を補助するパワーアシスト装置が開発されているが、かかるパワーアシスト装置の腕部においても関節機構が設けられている（例えば、特許文献１）。ここで、図８（ａ）に示されるように、このパワーアシスト装置の腕部１０３を人の腕の内側に装着すると、人体とパワーアシスト装置の腕部１０３とが干渉してしまい、使い勝手が悪化するという問題があった。また、図８（ｂ）に示されるように、パワーアシスト装置の腕部１０３，１０４を人の腕の外側に装着すると、幅Ｗが増加してしまい、狭いところでの作業に支障をきたすという問題があった。さらに、図８（ｃ）に示されるように、パワーアシスト装置の腕部１０５，１０６を腕の後ろ側に装着すると、肘と腕部１０５，１０６の回転中心が合致せず、装着部がずれるため、人体に対するパワーアシスト装置の装着性が悪いという問題があった。
【特許文献１】特表２００４−８７０３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、ロボットに設けられた関節機構においては、可動範囲や幅方向の大きさについて問題があった。
【０００６】
また、パワーアシスト装置等の人装着型装置の関節機構においては、使い勝手や装着性について問題があった。
【０００７】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、可動範囲が広く、全体の大きさを小さくすることができ、さらには、人装着型装置において適用した場合に使い勝手や装着性を向上させることが可能な関節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】
【０００８】
本発明にあかる関節機構は、第１のアームと第２のアームの相対的な角度を可変可能に支持する関節機構であって、前記第１のアームを第１の回転軸において回動可能に支持し、かつ前記第２のアームを前記第１の回転軸とは異なる第２の回転軸において回転可能に支持する第３のアームと、前記第１のアームが当該第３のアームに対して回動した場合に、第２のアームを当該第１のアームの回動方向とは反対の方向に、略同じ角度だけ回転させる回転伝達機構を備えたものである。
【０００９】
ここで、前記回転伝達機構は、前記第１のアームに固定された第１のベベルギアと、前記第２のアームに固定された第２のベベルギアと、前記第１のベベルギアと噛み合う第３のベベルギアと、前記第３のベベルギアとシャフトを介して固定され、前記第２のベベルギアと噛み合う第４のベベルギアによって構成されていることが好ましい。
【００１０】
このとき、前記第１のベベルギアと前記第２のベベルギアとは歯数が同じであり、かつ、前記第３のベベルギアと前記第４のベベルギアとは歯数が同じであることにより、同一角度だけ回転させることができる。
【００１１】
また、前記第１のアームと前記第３のアームの相対的な角度若しくは前記第２のアームと前記第３のアームの相対的な角度を変えるアクチュエータを備えることが好ましい。
【００１２】
好適な実施の形態において、関節機構は、ロボットの関節部に設けられている。
【００１３】
また、関節機構は、人体装着型の装置において人体の肘又は膝に沿って設けるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、可動範囲が広く、全体の大きさを小さくすることができ、さらには、人装着型装置において適用した場合に使い勝手や装着性を向上させることが可能な関節機構を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
最初に、本発明にかかる関節機構について、その概略構成を説明する。図１は、脚式移動ロボット（ヒューマノイドロボット）の膝部や肘部に設けた関節機構の概略構成図である。ここでは、当該関節機構を膝部に設けたものとして説明する。
【００１６】
本例にかかる関節機構は、アーム１と、アーム２と、アーム３と、関節４と、関節５を基本的な構成とする２重関節構造を有している。アーム１とアーム２は、関節４によって回動可能に連結され、アーム２とアーム３は関節５によって回動可能に連結されている。本例におけるアーム２は、アーム１とアーム３よりも短い。
【００１７】
アーム１は、例えば、上腿部に相当するリンク部材である。アーム２は、アーム１及びアーム３の双方に連結されたリンク部材である。本例では、アーム２は関節４，５の回転軸方向からみて矩形状であるが、その角部に丸み（アール）を形成してもよい。アーム３は、下腿部に相当するリンク部材である。アーム１，２，３はいずれも直線状に延在する棒状部材である。
【００１８】
図１（ａ）は、膝をまっすぐに伸ばした状態の関節機構を示す。この状態においては、各アーム１，２，３の長手方向が一致している。本例では、アーム１，２，３が同一の幅を有しているが、必ずしも同一である必要はない。
【００１９】
図１（ｂ）は、膝を１８０度屈曲させた状態の関節機構を示す。この状態においては、アーム１とアーム３の長手方向が平行であり、これら両アーム１，３の長手方向に対してアーム２の長手方向が垂直である。アーム１が関節４を回転軸に回動し、かつアーム３が関節５を軸に回動することによって、図１（ａ）に示す状態から図１（ｂ）に示す状態になる。本例では、アーム１とアーム３は、わずかな隙間をあけて離間しているが、隙間なく接するようにしてもよい。
【００２０】
図１（ｃ）は、図１（ａ）の状態と図１（ｂ）の状態の中間の状態を示す。本例においては、アーム２の長手方向に対するアーム１の長手方向の角度θ１と、アーム２の長手方向に対するアーム３の長手方向の角度θ２は等しい。即ち、アーム２に対して関節４を回転軸としてアーム１が回動したとき、その回転角度の絶対値が等しくなるように、アーム３もアーム２に対して反対回りに（アーム１が左回りの場合にはアーム３が右回りに、アーム１が右回りの場合にはアーム３は左回りに）、回動する。本発明にかかる関節機構は、このような動きを実現するために、アーム１がアーム２に対して回動した場合に、アーム３をアーム１の回動方向とは反対の方向に、略同じ角度だけ回転させる回転伝達機構を備えている。
【００２１】
図１（ａ）〜（ｃ）に示されるように、本例にかかる関節機構によれば、アーム同士が干渉することなく、１８０度屈曲させることができる。例えば、この関節機構をロボットの膝関節に適用した場合には、立て膝をつくことが可能となり、取りうるポーズを増加させることができる。また、図７において説明したようなオフセットを用いた構造と比較して、まっすぐに伸ばした状態でも幅方向への広がりが生じないため、小型化を実現することができる。
【００２２】
続いて、本発明にかかる関節機構を人体装着型の装置であるパワーアシスト装置の関節に適用した場合について説明する。図２に当該関節機構を人体に装着した状態を示す。図に示されるように、アーム１が人体の上腕部に装着され、アーム３が人体の前腕部に装着される。これらのアーム１、アーム３は、装着の容易性及び軽量化の観点から筒状の構造を有していても良い。アーム２は、人体の肘部の後ろ側（屈曲面と同一面）に位置する。
【００２３】
図２に示されるように、本発明にかかる関節機構をパワーアシスト装置の関節に適用した場合には、人体の腕部とアームとは干渉しないため、使い勝手が良い。また、外側に装着した場合と比べて、幅方向へのはみ出しが少ないため、狭いところでの作業性に優れている。さらには、装着部のずれが発生しにくいため、人体に対するパワーアシスト装置の装着性が高い。
【００２４】
続いて、図３を用いて、本発明にかかる関節機構の具体的な構成例について説明する。図３は、アーム１及びアーム３の回動する回転面に平行な方向からみた図であり、まっすぐに伸びた状態を示す。アーム１の一端部の近傍において、アーム２に対して回転可能に支持する関節４が設けられている。関節４においては、モータ一体型の減速機ケーシング４２がアーム１の一端部近傍に固定され、減速機出力軸４１がアーム２の一端部近傍に固定されている。これらの減速機出力軸４１と減速機ケーシング４２によってアクチュエータを構成している。減速機ケーシング４２に対して減速機出力軸４１が回動すると、それぞれに固定されたアーム１とアーム２とが相対的に関節４の回転軸を中心に回転する。
【００２５】
アーム１の、アーム２を設けた側とは反対側の面には、ベベルギア１１が固定されている。このベベルギア１１の回転軸と、関節４の回転軸とは一致しているため、関節４の回転軸中心にアーム１がアーム２に対して回転すると、同様に、ベベルギア１１も回転する。
【００２６】
アーム３の一端部の近傍において、アーム２に対して回転可能に支持する関節５が設けられている。関節５においては、アーム２とアーム３の間にベアリング５１が設けられている、このベアリング５１によって、アーム２とアーム３は、関節５の回転軸回りに回転自在に支持される。
【００２７】
アーム３の、アーム２を設けた側とは反対側の面には、ベベルギア３１が固定されている。このベベルギア３１の回転軸と、関節５の回転軸とは一致しているため、関節５の回転軸中心にベベルギア３１が回転すると、アーム３がアーム２に対して回転する。
【００２８】
アーム２の中央部の一側面（アーム１，３を設けた側の面）には、シャフト６２を回転支持する回転支持部２１が設けられている。シャフト６２は、アーム２の長手方向と平行に、かつアーム１，３よりも外側に位置するように、回転支持部２１によって回転支持されている。シャフト６２は、その長手方向が、関節４の回転軸及び関節５の回転軸と垂直になるように配置されている。
【００２９】
シャフト６２の両端には、ベベルギア６１とベベルギア６３とが固定されている。ベベルギア６１は、アーム１に固定されたベベルギア１１と噛み合っており、ベベルギア１１が回転すると、ベベルギア６１も回転する。また、ベベルギア６３は、アーム３に固定されたベベルギア３１と噛み合っており、ベベルギア６３が回転すると、ベベルギア３１も回転する。
【００３０】
なお、ベベルギア１１とベベルギア３１は同じ歯数であり、ベベルギア６１とベベルギア６３は同じ歯数である。
【００３１】
次に、図３に示す関節構造の動作について説明する。減速機ケーシング４２のモータが回転すると、減速機出力軸４１が回動する。減速機出力軸４１の回動に伴って、アーム１は、アーム２に対して相対的に関節４の回転軸中心に回動する。アーム１が回動すると、アーム１に固定されたベベルギア１１がアーム２に対して回動する。ベベルギア１１が回動すると、これと噛み合うベベルギア６１が回動し、シャフト６２を通じてベベルギア６３も回動する。ベベルギア６３が回動すると、これに噛み合うベベルギア３１が回動する。アーム３は、アーム２に対して回転自在に支持されているから、ベベルギア３１の回動に伴って、アーム２に対して回動する。このとき、アーム３は、アーム１の回動方向とは反対の方向に、同じ角度だけ回転する。
【００３２】
なお、図３に示す例では減速機（アクチュエータ）を関節４に設けたが関節５に設けてもよく、また、シャフト６２を回転させるようにしてもよい。
【００３３】
続いて、図４を用いて、本発明にかかる関節機構の他の構成例について説明する。図４は、アーム１及びアーム３の回動する回転面に平行な方向からみた図であり、まっすぐに伸びた状態を示す。アーム１の一端部の近傍において、アーム２に対して回転可能に支持する関節４が設けられている。関節４においては、中空構造でモータ一体型の減速機ケーシング４２がアーム１の一端部近傍に固定され、中空構造の減速機出力軸４１がアーム２の一端部近傍に固定されている。これらの減速機出力軸４１と減速機ケーシング４２によってアクチュエータを構成している。
【００３４】
また、アーム１は、シャフト１２が当該アーム１の長手方向とは垂直に突出して設けられている。シャフト１２は、それぞれが中空構造の減速機ケーシング４２及び減速機出力軸４１の内部、さらにはアーム２を貫通している。シャフト１２は、アーム２に対して回転自在であり、その回転軸は、関節４の回転軸と一致している。シャフト１２の先端部には、ベベルギア１３が固定されている。
【００３５】
減速機ケーシング４２に対して減速機出力軸４１が回動すると、それぞれに固定されたアーム１とアーム２とが相対的に関節４の回転軸を中心に回転し、さらに、シャフト１２及びその先端に固定されたベベルギア１３も回転する。
【００３６】
アーム３の一端部の近傍において、アーム２に対して回転可能に支持する関節５が設けられている。アーム３は、シャフト３２が当該アーム３の長手方向とは垂直に突出して設けられている。シャフト３２は、アーム２を貫通している。シャフト３２は、アーム２に対して回転自在であり、その回転軸は、関節５の回転軸と一致している。シャフト３２の先端部には、ベベルギア３１が固定されている。ベベルギア３１が回転すると、シャフト３２を介してアーム３も回転する。
【００３７】
アーム２の中央部の一側面（アーム１，３を設けた側の反対面）には、シャフト６２を回転支持する回転支持部２１が設けられている。シャフト６２は、アーム２の長手方向と平行に、回転支持部２１によって回転支持されている。シャフト６２は、その長手方向が、関節４の回転軸及び関節５の回転軸と垂直になるように配置されている。
【００３８】
シャフト６２の両端には、ベベルギア６１とベベルギア６３とが固定されている。ベベルギア６１は、アーム１にシャフト１２を介して固定されたベベルギア１３と噛み合っており、ベベルギア１３が回転すると、ベベルギア６１も回転する。また、ベベルギア６３は、アーム３にシャフト３２を介して固定されたベベルギア３１と噛み合っており、ベベルギア６３が回転すると、ベベルギア３１も回転する。
【００３９】
なお、ベベルギア１３とベベルギア３１は同じ歯数であり、ベベルギア６１とベベルギア６３は同じ歯数である。
【００４０】
次に、図４に示す関節構造の動作について説明する。減速機ケーシング４２のモータが回転すると、減速機出力軸４１が回動する。減速機出力軸４１の回動に伴って、アーム１は、アーム２に対して相対的に関節４の回転軸中心に回動する。アーム１が回動すると、アーム１に固定されたシャフト１２が回動し、これと固定されたベベルギア１３がアーム２に対して回動する。ベベルギア１３が回動すると、これと噛み合うベベルギア６１が回動し、シャフト６２を通じてベベルギア６３も回動する。ベベルギア６３が回動すると、これに噛み合うベベルギア３１が回動する。ベベルギア３１の回動に伴ってシャフト３２が回動し、アーム３がアーム２に対して回動する。このとき、アーム３は、アーム１の回動方向とは反対の方向に、同じ角度だけ回転する。
【００４１】
なお、図４に示す例では減速機（アクチュエータ）を関節４に設けたが関節５に設けてもよく、また、シャフト６２を回転させるようにしてもよい。
【００４２】
図３、図４に示されるようにベベルギアを用いることにより、関節４と関節５の間の距離を変えた場合にもシャフト６２の長さを変えるだけで構成することができ、設計の自由度が高いという効果を奏する。
【００４３】
続いて、図５を用いて、本発明にかかる関節機構のその他の構成例について説明する。図５は、アーム１及びアーム３の回動する回転面に平行な方向からみた図であり、まっすぐに伸びた状態を示す。アーム１の一端部の近傍において、アーム２に対して回転可能に支持する関節４が設けられている。関節４においては、モータ一体型の減速機ケーシング４２がアーム１の一端部近傍に固定され、減速機出力軸４１がアーム２の一端部近傍に固定されている。これらの減速機出力軸４１と減速機ケーシング４２によってアクチュエータを構成している。減速機ケーシング４２に対して減速機出力軸４１が回動すると、それぞれに固定されたアーム１とアーム２とが相対的に関節４の回転軸を中心に回転する。
【００４４】
アーム１の、アーム２を設けた側とは反対側の面には、ギア７１が固定されている。このギア７１の回転軸と、関節４の回転軸とは一致しているため、関節４の回転軸中心にアーム１がアーム２に対して回転すると、同様に、ギア７１も回転する。
【００４５】
アーム３の一端部の近傍において、アーム２に対して回転可能に支持する関節５が設けられている。関節５においては、アーム２とアーム３の間にベアリング５１が設けられている、このベアリング５１によって、アーム２とアーム３は、関節５の回転軸回りに回転自在に支持される。
【００４６】
アーム３の、アーム２を設けた側とは反対側の面には、ギア７４が固定されている。このギア７４の回転軸と、関節５の回転軸とは一致しているため、関節５の回転軸中心にベベルギア３１が回転すると、アーム３がアーム２に対して回転する。
【００４７】
アーム２の中央部の一側面（アーム１，３を設けた側の面）には、シャフト６２を回転支持するべあるベアリング５２，５３が設けられている。ベアリング５２は、ギア７３の回転軸を回動可能に支持し、ベアリング５３は、ギア７２を回動可能に支持する。
【００４８】
ギア７１，７２，７３，７４は、隣接するギアに噛み合っている。そのため、ギア７１が回転すると、ギア７２が反対方向に回転し、ギア７２が回転するとその反対方向にギア７３が回転し、さらには、ギア７３が回転するとその反対方向にギア７４が回転する。
【００４９】
次に、図３に示す関節構造の動作について説明する。減速機ケーシング４２のモータが回転すると、減速機出力軸４１が回動する。減速機出力軸４１の回動に伴って、アーム１は、アーム２に対して相対的に関節４の回転軸中心に回動する。アーム１が回動すると、アーム１に固定されたギア７１がアーム２に対して回動する。ギア７１が回動すると、これと噛み合うギア７２が反対方向に回動する。ギア７２が回転するとその反対方向にギア７３が回転し、さらには、ギア７３が回転するとその反対方向にギア７４が回転する。ギア７４はアーム３に固定されているので、ギア７４の回動に伴って、アーム３はアーム２に対して回動する。このとき、アーム３は、アーム１の回動方向とは反対の方向に、同じ角度だけ回転する。
【００５０】
なお、図３に示す例では減速機（アクチュエータ）を関節４に設けたが関節５に設けてもよく、また、ギア７２又はギア７３を回転させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明にかかる関節機構を説明するための概略構成図である。
【図２】本発明にかかる関節機構を説明するための概略構成図である。
【図３】本発明にかかる関節機構の具体的な構成例を示す図である。
【図４】本発明にかかる関節機構の具体的な構成例を示す図である。
【図５】本発明にかかる関節機構の具体的な構成例を示す図である。
【図６】従来の関節機構を説明するための概略構成図である。
【図７】従来の関節機構を説明するための概略構成図である。
【図８】従来の関節機構を説明するための概略構成図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  アーム（第１のアーム）
２  アーム（第３のアーム）
３  アーム（第２のアーム）
４  関節
５  関節
１１，１３，３１，６１，６３  ベベルギア
１２，３２，６２  シャフト
２１  回転支持部
４１  減速機出力軸
４２  減速機ケーシング
５１，５２，５３  ベアリング
７１，７２，７３，７４  ギア
【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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【図７】
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【図８】
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