(57)【要約】【課題】３自由度回転システムにおいて、ロータの回転が制御不能となる特異点を、アクチュエータ等の複雑な機構を使用せずに回避する。【解決手段】第一ガイドレール１１と、これと直交する第二、第三ガイドレール１２、１３を備えた３自由度回転システム１００において、凹部７２ｃを備えたメス型ストッパ７２を第二ガイドレール１２または第三ガイドレール１３のいずれか一方に備えさせ、オス型ストッパ７１をもう一方のガイドレールに備えさせ、オス型ストッパ７１が凹部７２ｃの中をスライドするとともに、オス型ストッパ７１が凹部７２ｃのどちらか一方の端に当たることにより、オス型ストッパ７１のスライドが制限され、これにより、第二ガイドレール１２と第三ガイドレール１３の回転角度の差分が制限される。【選択図】図１
2008232197.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
球体の一部又は全部を含むロータと、指示棒と、アームと、少なくとも１個のスライダと、少なくとも１個の土台と、４個の軸部材と、６個の軸受と、第一〜第三の３個のガイドレールと、を含み、
前記ロータには、前記指示棒が備えられ、
前記指示棒には、少なくとも１個の前記スライダが、前記アームを介して取り付けられたか、又は連結され、
２個の前記軸部材及び２個の前記軸受を用いて、前記第一のガイドレールが前記土台に取り付けられ、
残りの２個の前記軸部材及び残りの４個の前記軸受を用いて、前記第二のガイドレール及び前記第三のガイドレールが前記土台に取り付けられ、
前記第一のガイドレールは、前記指示棒とスライド可能に連結され、
前記第三のガイドレールは、前記スライダとスライド可能に連結され、
前記第二のガイドレールは、前記指示棒または、第二の前記スライダとスライド可能に連結され、
前記第一のガイドレール、第二のガイドレール、第三のガイドレールをそれぞれ回転させることにより、前記ロータおよび前記指示棒が、ロータの中心を中心点として任意の方向に回転する３自由度回転システムにおいて、
凹部を備えたメス型ストッパが前記第二のガイドレールまたは前記第三のガイドレールのいずれか一方に備えられ、
凸部を備えたオス型ストッパがもう一方のガイドレールに備えられ、
前記凸部が前記凹部の中をスライドするとともに、該凸部が該凹部のどちらか一方の端に当たることにより、前記凸部のスライドが制限され、
これによって、前記第二のガイドレールと前記第三のガイドレールの回転角度の差分が制限され、前記第二ガイドレールと前記アームがなす角度が制限される、３自由度回転システムのガイドレールストッパ機構。
【請求項２】
前記メス型ストッパ及び／または前記オス型ストッパが前記第二及び／または第三のガイドレールと一体に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のストッパ機構。
【請求項３】
請求項１または２に記載のガイドレールストッパ機構を備えた３自由度回転システム。
【請求項４】
前記第二のガイドレールと前記第三のガイドレールが、これらを支える前記軸部材に入れ子状に取り付けられていることを特徴とする請求項３に記載の３自由度回転システム。
【請求項５】
請求項３または４に記載の３自由度回転システムを備えた３自由度ロボット関節。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも３個のガイドレールを用いた３自由度回転システムのガイドレールの可動範囲を規制するためのガイドレールストッパ機構とその応用に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に示す３自由度回転システムは、球面軸受構造を有し、直交する２軸に少なくとも３つのガイドレールを取り付け、ガイドレールに設けられたスリット等に沿って指示棒とスライダを滑らすことにより、ロータを３自由度で回転させることができる。このシステムには、特許文献１に示すように多くの用途が考えられるが、例えばロボットの関節に利用した場合、３自由度で回転させるために３つの関節を必要としていた従来のシステムと比べ、力を支える点と力を加える点の距離を短縮できるので、慣性モーメントを小さくすることができるという利点がある。また、回転の中心が１箇所なので、３つの関節を使用する場合と比べて自由で滑らかな動きを実現することができ、ロボットアームに外力が加わった場合、最も外力を受け流しやすい方向に外力を自由に受け流すことができ、人体と接触しても安全な小型軽量の３自由度ロボット関節を実現できるなどの利点もある。
【特許文献１】国際公開公報  ＷＯ／２００４／０１１８２４号公報
【非特許文献１】意匠登録第１２１４５６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の３自由度回転システムは、このように優れた特性を有するものではあるが、従来の３自由度回転システムには、スライダの位置によってはロータを回転させることができなくなる特異点が存在している。具体的には、スライダと指示棒を結ぶ直線が、スライダと相互作用するためのガイドレールに対して直角となり、ロータの回転が制御不能となる点のことである。このため、同じ軸部材に取り付けられた２つのガイドレールの回転角度を常時監視し、スライダが特異点に到達しないように、アクチュエータでガイドレールの回転を制御する必要があった。
【０００４】
即ち、同じ軸部材に取り付けられた第二、第三の２つのガイドレールの回転角度を常時監視し、スライダが特異点に到達しないようにアクチュエータ等でガイドレールの回転を制御する必要があった。このため、構造が複雑になるという問題があった。人工眼球などの大きな力のかからない用途に使用する場合は特に問題ないが、ロボットなどの大きな力のかかる用途に使用する場合には強力なアクチュエータが必要となり、装置が複雑化、大型化する問題点があった。
【０００５】
したがって、本発明は、３自由度回転システムにおいて、ロータの回転が制御不能となる特異点を、アクチュエータ等の複雑な機構を使用せずに回避すること、３自由度回転システムの構造を簡素化すること、を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を達成するため、本発明は、請求項１〜５に記載された通りの発明である。
【０００７】
本発明は、１個のガイドレールと残りの２個のガイドレールが直交するように、これらのガイドレールを土台に取り付け、ロータに取り付けられた指示棒及び指示棒に取り付けられた少なくとも１個のスライダが、これらのガイドレールに沿ってスライドしながらこれらのガイドレールを回転させることによってロータの向きを検出すると共に、これらのガイドレールをアクチュエータによって回転させることにより、ロータを回転させる３自由度回転システムにおいて、ガイドレールの可動範囲を規制するためのガイドレールストッパ機構を備えたものである。また本発明は、このガイドレールストッパ機構を備えた３自由度回転システム、及び、当該ガイドレールストッパ機構を備えた３自由度回転システムによって実現される３自由度で回転するロボット関節である。
【０００８】
請求項１〜５において、メス型ストッパによってオス型ストッパの回転を制限することができれば、メス型ストッパ、オス型ストッパの形状に制限はない。また、メス型ストッパ、オス型ストッパは、ビス等によってガイドレールに取り付けてもよいが、ガイドレールと一体に形成されることが好ましい。ロータと指示棒、指示棒とアームは、回転しないように固定されるが、アームとスライダとは、固定されていても、回転可能に取り付けられていてもよい。指示棒からスライダまで一体に形成されていてもよい。
【０００９】
請求項４でいう「入れ子状」には、前記第二のガイドレールと前記第三のガイドレールが似た構造（相似形など）であって、一方のガイドレールが他方のガイドレールよりも大きく形成され、且つ、これらを支える軸部材に一方のガイドレールの軸受が軸部材外側に、他方のガイドレールの軸受が軸部材内側に配置されている構造が挙げられる。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、ガイドレールストッパ機構によって第二のガイドレールと第三のガイドレールの回転角の差分が制限されることにより、アームとこれらガイドレールの角度が９０度になる特異点に達するのを避けることができる。従って、第二のガイドレールと第三のガイドレールの回転角度を常時監視してアクチュエータによって回転角度を制限するといった機構が必要なくなるので、構造が単純になり、小型、軽量で安価なシステムを実現することができる。
【００１１】
また、従来のようにアクチュエータで制限していた場合と比べて、次のような利点がある。一つ目で最大の利点は、ガイドレールにかけられた力を止めるのにアクチュエータ等によって軸部材で止めるよりは、ガイドレールに設けられたストッパで止める方が、軸の中心から回転をとめる点（メス型ストッパとオス型ストッパが接する点）までの半径を利用して、てこの原理で、小さな力で止めることができる点である。また、ガイドレールに大きな外力が加えられても、アクチュエータのトルクに関係なく、ストッパによって物理的に特異点を回避することができるので、確実に特異点を回避できる。軸部材で止める場合と比べ、ガイドレールに設けたストッパによって止める方が、力をかけられる点の近くで止めることができるので、ガイドレールが歪み難いという利点もある。
【００１２】
二つ目は、ストッパをガイドレールに設ける構造にすると、構造が単純になるので、加工し易い点である。三つ目は、軸部分（半径がゼロに近い）で止めるより、半径の大きいガイドレールのところで止める方が、回転角度の誤差が生じ難く、精度の高い位置決めの可能なシステムを、容易に加工できる点である。
【００１３】
また、ロボット関節等で実際に使用する場合には、第二のガイドレールとアームとの角度が第二のガイドレールを中心として両側にそれぞれ６０度程度まで回転すればよい場合が多いので、特異点を回避するだけでなく、回転角度の範囲を、用途に合わせて所望の範囲に制限することもできる。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、メス型ストッパ及び／または前記オス型ストッパが前記第二及び／または第三のガイドレールと一体に形成されているので、ガイドレールに大きな力が加わってもストッパが破損し難い。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１または２と同様の効果を備えた３自由度回転システムを実現できる。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、前記第二のガイドレールと前記第三のガイドレールが入れ子状に取り付けられているので、ストッパを備えた第二ガイドレールと第三ガイドレールが重なる面積が大きくなる。したがって、これらのガイドレールを特殊な形状にしたり、別部品を付加したりしなくても、回転を止める半径、つまり、回転軸の中心から、メス型ストッパとオス型ストッパが接する点までの距離を大きくとることができ、凹部幅の選択範囲も広がる。
【００１７】
請求項５に記載の発明によれば、請求項３または４に記載の３自由度回転システムをロボット関節に使用してロボットアームの先端に取り付けることにより、特異点の問題を克服しつつ、しかも慣性モーメントが小さい多自由度ロボットアームを作成することができる。慣性モーメントが小さいということは、もちろん、ロボット関節に同じ力を生じさせるのにより小型のアクチュエータでよいといった利点がある。
【００１８】
また、ロボットアームに外力が加わった場合には、スライダがストッパによって制限されるまでは、一つの関節で３自由度に回転できるという３自由度回転システムの特性を活かして、最も外力を受け流しやすい方向に滑らかにロボットアームの先端を動かすことができる。さらにストッパが有効になった場合でも、残りの回転軸を中心に外力を受け流し続けることができる。このように外力を受け流すことができるので、請求項５に記載の発明を使用することにより、人体と接触しても安全な小型軽量の３自由度ロボット関節を実現することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明のガイドレールストッパ機構７を備えた３自由度回転システム１００の好適な実施形態について、図面を参照して説明する。図１、図２に示すように、３自由度回転システム１００の基本構造は、球状のロータ１、及び部分的球形に刳り貫かれた土台２を組み合わせた球面軸受構造である。土台２の外形は任意で良いが、土台２の中心部分はロータ１の接触面に合わせて部分的球形に形成され、さらにロータ１と土台２の間の摩擦が極力小さくなるように、それぞれの接触面が加工されるものとする。
【００２０】
ロータ１には、指示棒３の延長線がロータ１の中心を通るように、指示棒３が取り付けられている。指示棒３の他端には、指示棒３とほぼ垂直にアーム１４が取り付けられており、アーム１４の端には、スライダ１５の延長線がロータ１の中心を通るように、円筒棒状のスライダ１５が取り付けられている。スライダ１５はアーム１４に対して回転可能でも固定されていてもよいが、指示棒３とアーム１４、指示棒３とロータ１は固定されており、一体的に回転する。アーム１４は、ロータ１と中心を同じくする円弧にそって屈曲されている。ロータ１を中心として指示棒３と反対側に、例えば対称になるように、ロボットアーム等の外部機器と接続される接続端８が取り付けられている。ロータ１と接続端８とは固定されており、何れか一方の回転に伴い、他方も一体的に回転する。
【００２１】
土台２には、回転軸Ａを中心とする２個の軸部材４Ａと、回転軸Ｂを中心とする２個の軸部材４Ｂ（４Ｂは図示しないが説明の便宜のため用いる）が取り付けられている。回転軸Ａ、Ｂは土台２の側面のほぼ中心を通り、また、互いに直交している。軸部材４Ａには軸受５ａ、５ｂが回転可能に嵌合されており、軸受５ａ、５ｂには、それぞれビス６ａ、６ｂ（６ｂは図示せず）によって第一ガイドレール１１が取り付けられている。軸部材４Ｂには軸受５ｃ、５ｄが回転可能に嵌合されており、軸受５ｃ、５ｄには、それぞれビス６ｃ、６ｄによって第二ガイドレール１２が取り付けられている。軸部材４Ｂには、軸受５ｃ、５ｄの外側にさらに軸受５ｅ、５ｆが回転可能に嵌合されており、軸受５ｅ、５ｆには、それぞれビス６ｅ、６ｆによって第三ガイドレール１３が取り付けられている。軸受５ａ〜５ｆと土台２の間、軸受５ａ〜５ｆと軸受５ａ〜５ｆの間には、特に符号をつけないが、適所にワッシャが介在している。
【００２２】
軸受５ｂは、駆動軸２１ａを介して、アクチュエータなど外部機器と接続するための接続端２１と連結されており、接続端２１を回転させることによって軸受５ｂおよび第一ガイドレール１１が一体的に回転し、逆に、第一ガイドレール１１を回転させることによって、接続端２１が一体的に回転することになる。軸受５ｃは、駆動軸２２ａ及び軸受５ｅを介して、アクチュエータなど外部機器と接続するための接続端２２と連結されており、接続端２２を回転させることによって軸受５ｃおよび第二ガイドレール１２が一体的に回転し、逆に、第二ガイドレール１２を回転させることによって、接続端２２が一体的に回転することになる。軸受５ｆは、駆動軸２３ａを介して、アクチュエータなど外部機器と接続するための接続端２３と連結されており、接続端２３を回転させることによって軸受５ｆおよび第三ガイドレール１３が一体的に回転し、逆に、第三ガイドレール１３を回転させることによって、接続端２３が一体的に回転することになる。
【００２３】
第一〜三ガイドレール１１、１２、１３の形状を詳細に説明すると、まず、第一ガイドレール１１は、ロータ１と中心を同じくする円弧状に湾曲され、両端に、軸受５ａ、５ｂと接続するための接続部１１ｂを備えている。第二、第三ガイドレール１２、１３は、両端が回転軸Ａ、Ｂに対して垂直に立ち上がるように、それぞれ垂直部１２ｂ、１３ｂが二つずつ形成されている。第二、三ガイドレール１２、１３も、これらの垂直部を除き、ロータ１と中心を同じくする円弧状に湾曲されている。第一ガイドレール１１は、両端の接続部１１ｂのところで軸受５ａ、５ｂにビス止めされ、第二、第三ガイドレール１２、１３は、それぞれ、垂直部１２ｂ、１３ｂのところで、それぞれの軸受、５ｃ、５ｄ、および、５ｅ、５ｆにビス止めされる。また、垂直部１２ｂ、１３ｂには、ガイドレールストッパ機構７が形成されているが、これについては、後で詳述する。第一〜第三ガイドレール１１〜１３のこれら湾曲部には、それぞれスリット１１ａ、１２ａ、１３ａが形成されている。スリット１１ａ、１２ａには、指示棒３がスライド可能に挿入され、スリット１３ａには、スライダ１５がスライド可能に挿入されている。
【００２４】
以下、３自由度回転システム１００の動作について説明する。ロータ１及び指示棒３と各ガイドレールとの相互作用に基づく動作は、指示棒と相互作用するガイドレール以外のガイドレールが、回転軸Ａと回転軸Ｂを含む平面と垂直な位置で静止している場合を考えることにより、基本的に以下の３つに分けることができる。なお、ガイドレールストッパ機構７による制限については後述する。
【００２５】
第一ガイドレール１１が回転軸Ａを中心に回転した場合、第一ガイドレール１１が指示棒３を押すことにより、ロータ１は、第一ガイドレール１１と同じ回転角度だけ、回転軸Ａを中心に回転する。反対に、ロータ１が回転軸Ａを中心に回転した場合、指示棒３がスリット１１ａに挿入されているので、指示棒３が第一ガイドレール１１を押すことにより、第一ガイドレール１１も、ロータ１と同じ回転角度だけ、回転軸Ａを中心に回転する。このように回転する間、スリット１２ａを指示棒３がスライドし、スリット１３ａをスライダ１５がスライドする。従って、ロータ１及び指示棒３は、指示棒３あるいはスライダ１５のいずれかが、スリット１２ａまたはスリット１３ａの端に達するまで回転できる。
【００２６】
第二ガイドレール１２と第三ガイドレール１３が同方向に同回転角度で回転軸Ｂを中心に回転した場合、第二ガイドレール１２が指示棒３を押すことにより、ロータ１も、第二、第三ガイドレール１２、１３と同じ回転角度だけ、回転軸Ｂを中心に回転する。反対に、ロータ１が回転軸Ｂを中心に回転した場合、指示棒３がスリット１２ａに挿入されているので、指示棒３が第二ガイドレール１２を押すことにより、第二ガイドレール１２、第三ガイドレール１３も、ロータ１と同じ回転角度だけ、回転軸Ｂを中心に回転する。このように回転する間、指示棒３がスリット１１ａをスライドする。従って、ロータ１及び指示棒３は、指示棒３が、スリット１１ａの端に達するまで回転できる。
【００２７】
第三ガイドレール１３が回転軸Ｂを中心に回転した場合、第三ガイドレール１３がスライダ１５を押すことにより、ロータ１も、第三ガイドレール１３の回転角度に対応する角度θだけ、回転軸Ｂを中心に回転する。反対に、ロータ１が回転軸Ｃを中心に回転した場合、スライダ１５も回転軸Ｃを中心として回転する。スライダ１５がスリット１３ａに挿入されているので、スライダ１５がスリット１３ａ中でスライドしながら第三ガイドレール１３を押すことにより、第三ガイドレール１３も、ロータ１の回転角度θに対応する角度だけ、回転軸Ｂを中心に回転する。言い方を変えれば、第三ガイドレール１３が第二ガイドレール１２と独立に回転すると、これらのガイドレールの間隔が広くなったり狭くなったりする。そこで、スライダ１５の剛性により、これらのガイドレールの間隔が広くなった場合、アーム１４と、これらのガイドレールと、が成す角度θ（図２参照）が９０度に近づく方向に、指示棒３及びロータ１が回転する。反対に、これらのガイドレールの間隔が狭くなった場合、アーム１４と、これらのガイドレールと、が成す角度θが０度に近づく方向に、指示棒３及びロータ１が回転する。逆に、ロータ１が回転軸Ｃに対して回転した場合、回転方向に応じて、これらガイドレールの間隔が広くなったり狭くなったりし、これらのガイドレールが成す角度、つまり回転角度の差分も大きくなったり小さくなったりする。
【００２８】
実際には、指示棒３、ロータ１、第一〜第三ガイドレール１１、１２、１３等の回転の際に、どのガイドレールも、回転軸Ａと回転軸Ｂを含む平面と垂直に静止している必要はないので、上記３つの基本的動作が組み合わせられることにより、ロータ１、及びロータ１に接続された指示棒３、接続端８は、ロータ１の中心を中心点として、スリット１１ａ、１２ａ、１３ａの長さによって制限される範囲で、任意の方向に回転可能となる。
【００２９】
第一〜第三のガイドレール１１、１２、１３、指示棒３、ロータ１、接続端８が上記のような関係で動作するので、外部のアクチュエータ等に直接または歯車等を介して接続される接続端２１、２２、２３を回転させることによって、これらとそれぞれ一体に連結された第一、第二、第三ガイドレールをそれぞれの接続端と一体的に回転させ、これによってロータ１および、ロータ１に固定された指示棒３、接続端８を、ロータ１の中心を中心点として、スリット１１ａ、１２ａ、１３ａの長さによって制限される範囲で、任意の方向に回転させることが可能となる。
【００３０】
このため、アクチュエータ等を回転軸とともに移動させる必要がなく、土台２あるいは筐体等に固定することができるので、軽量で小型なシステムを実現することができる。
【００３１】
逆に、接続端８に外力がかかった場合、スリット１１ａ、１２ａ、１３ａの長さによって制限されるまでは、最も外力を受け流しやすい方向に接続端８、ロータ１、指示棒３が回転しながら、ガイドレールを回転させる。このため、接続端２１、２２、２３に直接または歯車等を介してエンコーダ等を接続することにより、指示棒３等の回転角度を検出することができる。やはり、エンコーダ等を土台２あるいは筐体等に固定することができ、エンコーダ等を回転軸とともに移動させる必要がないので、軽量で小型なシステムを実現することができる。
【００３２】
ところで、図４に示すように、従来技術で挙げた３自由度回転システム２００では、第二ガイドレール２１２と第三ガイドレール２１３との間の間隔を広げていくと、間隔が最大になったとき（回転角度の差分が最大になったとき）、アーム２１４と第二ガイドレール２１２あるいは第三ガイドレール２１３との間の角度θが９０度になってしまう。この点を特異点と呼んでいる。特異点では、第二ガイドレール２１２からの力と第三ガイドレール２１３からの力がアーム２１４に対してちょうど釣り合うことになり、アーム２１４を回転させるような分力が生じないので、アーム２１４の回転が不可能になってしまう。つまり、特異点とは、第二ガイドレール２１２と第三ガイドレール２１３による、指示棒の中心を中心軸とする回転制御が不可能になる点である。図４に示す従来の３自由度回転システムについては、対応する本発明の実施形態の部品の符号を２００番台とすることによって対応関係を示し、詳しい説明は省略する。
【００３３】
このため、本発明実施形態は、前記した特異点を回避するために、図３に示すようなガイドレールストッパ機構７を備えている。ガイドレールストッパ機構７は、第二ガイドレール１２の、第三ガイドレール１３と向かい合う側に、垂直部１２ｂの一つと一体に形成された例えば円筒棒状の凸部であるオス型ストッパ７１と、第三ガイドレール１３の、第二ガイドレール１２と向かい合う側に、垂直部１３ｂの一つと一体に形成されたメス型ストッパ７２とからなる。メス型ストッパ７２は、垂直部１３ｂに、第三ガイドレール１３の幅方向に所定の間隔を空けて形成された、長手方向を第三ガイドレール１３と同じくする略直方体形状の一対のストッパ７２ａ、７２ｂ、及び、ストッパ７２ａ、７２ｂの間の空間である凹部７２ｃからなる。
【００３４】
図３に示す第二ガイドレール１２と第三ガイドレール１３を、軸部材４Ａに軸穴４２、４３を回転可能に嵌合させ、図１、図２に示すように組み立てることにより、第２ガイドレール１２に形成されたオス型ストッパ７１が、第三ガイドレール１３に形成されたメス型ストッパ７２の一対のストッパ７２ａ、７２ｂの間の凹部７２ｃ内に収まることになる。このように組み立てた状態で第二ガイドレール１２と第三ガイドレール１３を独立に回転させると、オス型ストッパ７１は、凹部７２ｃ内のＴで示した軌跡に沿ってスライドし、両側のストッパ７２ａ、７２ｂによって止められることになる（図３参照）。これにより、第二ガイドレール１２と第三ガイドレール１３の回転角度の差分を所定範囲に制限することができ、第二ガイドレール１２と第三ガイドレール１３の間隔を所定範囲に制限できるので、アーム１４と第二ガイドレール１２との間の最大角度θMＡXが９０度に達しないように制限することができ、特異点を回避できる。
【００３５】
なお、本実施形態では、オス型ストッパおよびメス型ストッパは、ガイドレールと一体に形成されているが、必ずしも一体に形成されている必要はなく、ねじ等によってガイドレールに取り付けられてもよい。しかし、一体に形成することにより、ガイドレールに大きな力が加わってもストッパが破損し難くなる。本実施形態では、オス型ストッパ７１を第二ガイドレール１２に、メス型ストパー７２を第三ガイドレール１３に設けているが、もちろん逆でも構わない。本実施形態では、ガイドレールストッパ機構７をガイドレール１２，１３の一端にだけ設けているが、両端に設けてもよい。オス型ストッパ７１、メス型ストッパ７２の形状も、メス型ストッパ７２でオス型ストッパ７１の回転範囲を制限できれば、特に限定されない。また、実用上は、最大角度θMＡXが第二ガイドレール１２を基準として両側にそれぞれ６０度程度になる範囲で指示棒３が回転すればよい場合が多いが、最大角度θMＡXは９０度より小さければ特に制限はなく、用途にあわせて、適宜所望の角度を選定すればよい。また、これにあわせて、メス型ストッパ７２のストッパ７２ａ、７２ｂ間の間隔も適宜選定すればよい。
【００３６】
このようなガイドレールストッパ機構７を設けることにより、特異点を回避するために、第二ガイドレール１２と第三ガイドレール１３の回転角度を常時監視する必要がなく、アクチュエータを使用する必要もなくなるので、構造が単純になり、さらに小型、軽量で安価なシステムを実現することができる。
【００３７】
さらに、従来のようにアクチュエータで制限していた場合と比べて、次のような利点がある。一つ目で最大の利点は、ガイドレール１２、１３にかけられた力を止めるのにアクチュエータ等によって軸部材４Ｂの位置で止めるよりは、ガイドレール１２、１３に設けられたストッパ７１、７２で止める方が、図３のＤで示したような、軸の中心から回転をとめる点までの半径（本実施形態では、軸穴４２の中心からオス型ストッパ７１の中心までの距離に等しい）を利用して、てこの原理で、小さな力で止められる点である。また、ガイドレール１２、１３に大きな外力が加えられても、アクチュエータのトルクに関係なく、ストッパ７１、７２によって物理的に特異点を回避することができるので、確実に特異点を回避できる。軸部材で止める場合と比べ、ガイドレール１２、１３に設けたストッパ７１、７２によって止める方が、力をかけられる点の近くで止めることができるので、ガイドレール１２、１３が歪み難い。
【００３８】
二つ目は、ストッパ７１、７２をガイドレール１２、１３に設けると、図３に示す通り、構造が単純になるので、加工し易い点である。３つ目は、軸部材４Ｂの位置（半径がゼロに近い）で止めるより、半径Ｄのところで止める方が、回転角度の誤差が生じ難く、精度の高い位置決めの可能なシステムを容易に加工できる点である。
【００３９】
ガイドレールストッパ機構７は、第二ガイドレール１２と第三ガイドレール１３が互い違いに回転軸に取り付けられた場合、つまり、例えば図１で、左から軸受５ｆ、５ｄ、５ｅ、５ｃの順に配列されるようにガイドレールが取り付けられた場合にも適応できないことはないが、本実施形態のように、第二ガイドレール１２の外側に第三ガイドレール１３が配置され、第二ガイドレール１２と第三ガイドレール１３が入れ子状になっていることが好ましい。なぜなら、これらのガイドレール１２、１３が入れ子状になっていることにより、ガイドレール１２、１３を特殊な形状にしたり、別部品を付加したりしなくても、ストッパ７１、７２を備えた第二ガイドレール１２と第三ガイドレール１３が重なる面積が大きくなるので、回転を止めるための半径Ｄを大きくとることができ、また、凹部幅の選択範囲も広がるからである。
【００４０】
本実施形態では、スリットを備えた３本のガイドレール１１〜１３によって指示棒３およびロータ１が回転する上述のような３自由度回転システム１００を例示的に示したが、本発明のガイドレールストッパ機構は、これには限定されるものではなく、特異点を生じる任意の３自由度回転システムに適用することができる。例えば、ガイドレール１１〜１３にスリット１１ａ〜１３ａを設けるのではなく、スライダをパイプ状にすることによってスライダがガイドレールをスライドするように構成してもよい。また、例えば、指示棒３をアームの中間に位置させ、２個のスライダがそれぞれ第２、第３ガイドレールに沿ってスライドするようにしてもよい。垂直部１２ｂ、１３ｂは湾曲部としてもよい。本発明を適用することのできる３自由度回転システムの例については、特許文献「国際公開公報  ＷＯ／２００４／０１１８２４号公報」に詳述されているので、参照されたい。
【００４１】
以上、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得るものである。また、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において、改変等を加えることができるものであり、それらの改変、均等物等も本発明の技術的範囲に含まれることとなる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明のガイドレールストッパ機構および該機構を備えた３自由度回転システムには、様々な用途が考えられるが、特に、本発明の３自由度回転システムをロボットアームの先端に取り付けることにより、特異点の問題を克服しつつ、慣性モーメントが小さな多自由度ロボットアームを作成することができる。また、ロボットアームに外力が加わった場合、スライダがストッパで制限されるまでは、最も外力を受け流しやすい方向にロボットアームの先端を動かすことができる。さらにストッパが有効になった場合でも、残りの回転軸を中心に外力を受け流し続けることができる。本発明は，様々なロボットの手先効果機として適用可能である。本発明により、人体と接触しても安全な小型軽量の３自由度ロボット関節が実現され，多様なロボットの開発が促進されるものと期待される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明実施形態のガイドレールストッパ機構を備えた３自由度回転システムを立体的に描いた斜視図である。
【図２】同３自由度回転システムを別の角度から描いた斜視図である。
【図３】本発明実施形態のガイドレールストッパ機構を立体的に描いた斜視図である。
【図４】従来の３自由度回転システムが特異点に達した状態を立体的に描いた平面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１００...３自由度回転システム      １...ロータ      ２...土台      ３...指示棒
４Ａ、４Ｂ...軸部材      ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ...軸受
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ...ビス      ７...ガイドレールストッパ機構
７１...オス型ストッパ      ７２...メス型ストッパ      
７２ａ、７２ｂ...ストッパ      ７２ｃ...凹部      ８...接続端
１１...第一ガイドレール      １１ａ...スリット      １１ｂ...接続部
１２...第二ガイドレール      １２ａ...スリット      １２ｂ...垂直部
１３...第三ガイドレール      １３ａ...スリット      １３ｂ...垂直部
１４...アーム      １５...スライダ  ２１、２２、２３...接続端
２１ａ、２２ａ、２３ａ...駆動軸      ４２、４３...軸穴
θ...アーム１４と第二ガイドレール１２とがなす角度  Ｄ...半径      T...軌跡
２００...従来の３自由度回転システム      ２０１...ロータ      ２０２...土台
２１１...第一ガイドレール      ２１２...第二ガイドレール
２１３...第三ガイドレール      ２１１ａ、２１２ａ、２１３ａ...スリット
２１４...アーム      ２１５...スライダ
【図３】
2008232197.tif 000003
【図４】
2008232197.tif 000004
【図１】
2008232197.tif 000005
【図２】
2008232197.tif 000006