(57)【要約】【課題】軽量で、コンパクトにできるワイヤ駆動機構、ロボットアーム機構及びロボットを提供する。【解決手段】回転軸２を中心に回転するプーリ１と、回転軸２と直交する方向で、回転軸２と同一平面上にあるように配置される回転軸４を中心に回転するプーリ３と、プーリ１周面の所定方向に巻きつけられるとともに、プーリ３周面にプーリ１の巻きつけ方向と反対方向に巻きつけられるワイヤ５を有し、一方のプーリ１の回転によるワイヤ５の引っ張り力により他方のプーリ３に駆動力を伝達可能にする。【選択図】図１
2008232360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いの回転軸が所定角度をもち、且つ互いに近接して配置される第１及び第２のプーリと、
前記第１のプーリ周面の所定方向に巻きつけられるとともに、前記第２のプーリ周面に前記第１のプーリの巻きつけ方向と反対方向に巻きつけられるワイヤと
を具備したことを特徴とするワイヤ駆動機構。
【請求項２】
前記第1のプーリと第２のプーリとの間隙は、前記ワイヤの直径より小さいことを特徴とする請求項３に記載のワイヤ駆動機構。
【請求項３】
互いの回転軸が所定角度をもち、且つ互いに近接して配置される、同軸上に直径の異なるプーリを一体に設けた第１及び第２のプーリと、
前記第１のプーリの一方プーリ周面の所定方向に巻きつけられるとともに、第２のプーリの一方プーリ周面に前記第１のプーリの一方プーリ周面の巻きつけ方向と反対方向に巻きつけられる第１のワイヤと、前記第１のプーリの他方プーリ周面に該第１のプーリの一方プーリ周面の巻きつけ方向と反対方向に巻きつけられるとともに、前記第２のプーリの他方プーリ周面に該第２のプーリの一方プーリ周面の巻きつけ方向と反対方向に巻きつけられる第２のワイヤと、
を具備したことを特徴とするワイヤ駆動機構。
【請求項４】
前記第１および第２のプーリは、前記ワイヤの外れを防止するワイヤ外れ防止手段を有することを特徴とする請求項１又は３記載のワイヤ駆動機構。
【請求項５】
前記第1のプーリと第２のプーリとの間隙は、前記第１および第２のワイヤのうち細い方の直径より小さいことを特徴とする請求項３に記載のワイヤ駆動機構。
【請求項６】
互いの回転軸が所定角度をもち、且つ互いに近接して配置される、同軸上に直径の異なるプーリを一体に設けた第１及び第２のプーリと、
前記第１のプーリと同軸上に配置される第３のプーリと、
前記第３のプーリとともに回転可能に設けられる第１のリンク及び該第１のリンクに回転可能に支持されるとともに前記第２のプーリとともに回転可能な第２のリンクと、
前記第１のプーリの一方プーリ周面の所定方向に巻きつけられるとともに、第２のプーリの一方プーリ周面に前記第１のプーリの一方プーリ周面の巻きつけ方向と反対方向に巻きつけられる第１のワイヤと、前記第１のプーリの他方プーリ周面に該第１のプーリの一方プーリ周面の巻きつけ方向と反対方向に巻きつけられるとともに、前記第２のプーリの他方プーリ周面に該第２のプーリの一方プーリ周面の巻きつけ方向と反対方向に巻きつけられる第２のワイヤと、
前記第３のプーリに巻きつけられる第３のワイヤと、
前記第１及び第２のワイヤを駆動する第１のアクチュエータ及び前記第３のワイヤを駆動する第２のアクチュエータと
を具備したことを特徴とするロボットアーム機構。
【請求項７】
前記第１乃至第３のワイヤのいずれか一つには、ワイヤ経路長を可変してワイヤテンションを調整するテンション調整機構が設けられたことを特徴とする請求項６記載のロボットアーム機構。
【請求項８】
前記第１及び第２のプーリ及び第３のプーリの少なくとも一つは、それぞれ巻きつけられるワイヤの張力が所定より小さくなると回転を制限するブレーキ機構を有することを特徴とする請求項６記載のロボットアーム機構。
【請求項９】
請求項６記載のロボットアーム機構を適用したロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤにより動力を伝達するワイヤ駆動機構、該ワイヤ駆動機構を適用したロボットアーム機構及びロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近のロボット技術の発展が目覚しいものがあり、例えば人の近くで動き、人に対し補助的な作業を行うことで、人の生活を支援するアーム付の各種サービスロボットが開発されている。
【０００３】
ところで、このような人の近くで動き、補助的な作業を行うロボットは、人と接触する機会が多いことから、万一、人に接触しても危害を加えないようにする機能が求められる。このような安全性を確保するための対策の一つとして、ロボットアームをできるだけ軽量化して、人との衝突時の衝撃を減らすという方法が考えられる。
【０００４】
従来、ロボットアームを構成する場合、アームの関節部分にアクチュエータを配置し、このアクチュエータにより関節部分を駆動することが多かった。しかし、ロボットアームにより有用な作業を行うためには、大きなペイロードを扱えるようにしなければならず、アクチュエータも大きなものを用いなければならない。しかし、このような大きなアクチュエータを用いると、アクチュエータ自身の重さを支えるために、ロボットアームの根元側の関節ではさらに大きなアクチュエータを用いなければならないという悪循環に陥っていた。
【０００５】
そこで、従来、アクチュエータを関節部分ではなく、ロボット本体側に配置し、このロボット本体側からワイヤなどで関節まで動力を伝達するワイヤ駆動機構が考えられている。このようなワイヤ駆動機構によれば、アームをできるだけ軽く作ることができるので、仮にアームが人に衝突しても安全性を確保することができる。
【０００６】
一方、ロボットアームは、回転軸が様々な方向を向いた関節の組み合わせで構成する。このようなロボットアームをワイヤ駆動機構で構成しようとすると、ワイヤ伝達の回転方向を変更する変更機構を設けなければならない。特許文献１は、ワイヤを使用したワイヤ駆動機構を示すもので、出力軸に固定されたワイヤプーリと、出力軸に対して直交する軸周りの可動部との間にワイヤガイドを配置し、このワイヤガイドを介してワイヤを配置し、ワイヤプーリの回転とともにワイヤにより、ワイヤガイドを介して可動部に引っ張り力を伝え、可動部を出力軸に対して直交する軸まわりで回転させるものが開示されている。
【特許文献１】特開平１１−２３４３７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、特許文献１のものは、ワイヤガイドを中継用プーリとして使用しワイヤ伝達方向を変更しているが、この種の中継用プーリを使用することは、駆動機構が大きくなってしまい、特にロボットアームのように、アーム内にコンパクトに機構を配置しなければならない場合には、アーム自身サイズが大きくなるとともに、重くなるという問題を生じる。また、中継用プーリを経由することは、ワイヤ長も大きくなるので、伝達効率の低下も招くという問題もあった。
【０００８】
一方、ワイヤ伝達の回転方向の変更機構として傘歯車を用いることも考えられるが、傘歯車を用いることは、関節部分がさらに重くなるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、軽量で、コンパクトにできるワイヤ駆動機構、ロボットアーム機構及びロボット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】
【００１０】
本発明にかかるワイヤ駆動機構は、
互いの回転軸が所定角度をもち、且つ互いに近接して配置される第１及び第２のプーリと、
前記第１のプーリ周面の所定方向に巻きつけられるとともに、前記第２のプーリ周面に前記第１のプーリの巻きつけ方向と反対方向に巻きつけられるワイヤと
を具備したことを特徴としている。
【００１１】
本発明にかかるワイヤ駆動機構は、
互いの回転軸が所定角度をもち、且つ互いに近接して配置される、同軸上に直径の異なるプーリを一体に設けた第１及び第２のプーリと、
前記第１のプーリの一方プーリ周面の所定方向に巻きつけられるとともに、第２のプーリの一方プーリ周面に前記第１のプーリの一方プーリ周面の巻きつけ方向と反対方向に巻きつけられる第１のワイヤと、前記第１のプーリの他方プーリ周面に該第１のプーリの一方プーリ周面の巻きつけ方向と反対方向に巻きつけられるとともに、前記第２のプーリの他方プーリ周面に該第２のプーリの一方プーリ周面の巻きつけ方向と反対方向に巻きつけられる第２のワイヤと、
を具備したことを特徴としている。
【００１２】
本発明にかかるロボットアーム機構は、
互いの回転軸が所定角度をもち、且つ互いに近接して配置される、同軸上に直径の異なるプーリを一体に設けた第１及び第２のプーリと、
前記第１のプーリと同軸上に配置される第３のプーリと、
前記第３のプーリとともに回転可能に設けられる第１のリンク及び該第１のリンクに回転可能に支持されるとともに前記第２のプーリとともに回転可能な第２のリンクと、
前記第１のプーリの一方プーリ周面の所定方向に巻きつけられるとともに、第２のプーリの一方プーリ周面に前記第１のプーリの一方プーリ周面の巻きつけ方向と反対方向に巻きつけられる第１のワイヤと、前記第１のプーリの他方プーリ周面に該第１のプーリの一方プーリ周面の巻きつけ方向と反対方向に巻きつけられるとともに、前記第２のプーリの他方プーリ周面に該第２のプーリの一方プーリ周面の巻きつけ方向と反対方向に巻きつけられる第２のワイヤと、
前記第３のプーリに巻きつけられる第３のワイヤと、
前記第１及び第２のワイヤを駆動する第１のアクチュエータ及び前記第３のワイヤを駆動する第２のアクチュエータと  を具備したことを特徴としている。
【００１３】
本発明にかかるロボットは、
請求項６記載のロボットアーム機構を適用している。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、軽量で、コンパクトにできるワイヤ駆動機構、ロボットアーム機構及びロボットを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。
【００１６】
(第１の実施の形態)
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るワイヤ駆動機構の基本構成を示している。
【００１７】
図１において、１はプーリで、このプーリ１は、回転軸２に支持され、この回転軸２を中心に回転する。また、プーリ１は、両端周縁に沿って高さｈの鍔部１ａ、１ｂが一体に形成されている。
【００１８】
このようなプーリ１に対応して他のプーリ３が配置されている。このプーリ３は、回転軸４に支持され、この回転軸４を中心に回転する。この回転軸４は、回転軸２と所定角度をもって交差、ここでは直交する方向で、回転軸２と同一平面上にあるように配置されている。また、プーリ３は、両端周縁に沿ってワイヤ外れ防止手段として高さｈの鍔部３ａ、３ｂが一体に形成されている。この場合、プーリ３は、一方の周縁部である鍔部３ａをプーリ１の一方の周縁部である鍔部１ａに対し、後述するワイヤ５の直径以下の隙間ｘをあけて近接して配置されている。
【００１９】
そして、これらプーリ１、３は、プーリ１周面のワイヤ固定点１ｃにワイヤ５の一端を固定するとともに、プーリ１周面に沿って巻きつけ、さらにプーリ３周面にプーリ１への巻き付け方向と反対方向に沿ってワイヤ５を巻きつけるとともに、プーリ３周面のワイヤ固定点３ｃにワイヤ５の他端を固定することで連結されている。この場合、ワイヤ５は、隙間ｘをあけて近接して配置される鍔部１ａ、３ａによりプーリ１、３周面から外れることなく巻き付けられる。
【００２０】
このような構成において、例えば、プーリ１を図示矢印ａ方向に回転すると、ワイヤ固定点１ｃの移動により、ワイヤ５の引っ張り力がプーリ３のワイヤ固定点３ｃに作用し、プーリ３が図示矢印ｂ方向に回転される。つまり、プーリ１の回転とともにワイヤ５によりプーリ３に駆動力が伝達され、プーリ３をプーリ１の回転軸２に対して直交する軸周りで回転させることが可能となる。
【００２１】
このようにすれば、１本のワイヤ５を使用してワイヤ伝達の回転方向の変更を行うことができるので、従来の中継用プーリや傘歯車を用いたものと比べ、最低限の構成要素により、軽量で、コンパクトなワイヤ駆動機構が実現できる。
【００２２】
なお、上述した実施の形態では、回転軸４と回転軸２は直交する方向で、回転軸４と回転軸２が同一平面上にあるように配置される場合を述べたが、回転軸４と回転軸２は、必ずしも直角に交わらなくてもよく、また、同一平面状に配置されなくてもよい。また、プーリ１、３として、例えば２段プーリを使用し、プーリ１の１段目プーリとプーリ３の１段目プーリの間、プーリ１の２段目プーリとプーリ３の２段目プーリの間に、それぞれワイヤを上述した関係で巻きつけるようにすれば、これら２本のワイヤにより、より大きな動力伝達が可能になる。
【００２３】
(第２の実施の形態)
第１の実施の形態では、一つの方向の動力しか伝達することができないが、この第２の実施の形態では、２本のワイヤを用いることにより、どちらの方向の回転でも、ワイヤ駆動力を伝えることができるようにしている。
【００２４】
図２は、本発明の第２の実施の形態に係るワイヤ駆動機構の概略構成を示すもので、図１と同一部分には同符号を付している。
【００２５】
この場合、プーリ１は、同軸上に直径の小さなプーリ６を一体に設け、いわゆる２段プーリに構成されている。プーリ６は、プーリ１側と反対側端の周縁に沿って鍔部６ａが一体に形成されている。同様にプーリ３も、同軸上に直径の小さなプーリ７を一体に設け、いわゆる２段プーリに構成されている。プーリ７は、プーリ３側と反対側端の周縁に沿って鍔部７ａが一体に形成されている。
【００２６】
そして、プーリ１，３の間には、第１の実施の形態と同様にワイヤ５を巻きつけている。また、プーリ６、７は、プーリ６周面のワイヤ固定点６ｂにワイヤ８の一端を固定するとともに、プーリ６周面に沿って、プーリ１へのワイヤ５の巻きつけ方向と反対方向にワイヤ８を巻きつけ、さらにプーリ７周面にプーリ６への巻きつけ方向と反対方向で、しかもプーリ３へのワイヤ５の巻きつけ方向と反対方向にワイヤ８を巻きつけ、さらにプーリ７周面のワイヤ固定点７ｂにワイヤ８の他端を固定することで連結されている。この場合も、ワイヤ８は、鍔部６ａ、７ａによりプーリ６、７周面から外れることなく巻き付けられる。
【００２７】
このような構成において、プーリ１を図示矢印ａ１方向に回転すると、ワイヤ固定点１ｃの移動により、ワイヤ５の引っ張り力がプーリ３のワイヤ固定点３ｃに伝達され、プーリ３が図示矢印ａ２方向に回転される。また、プーリ６を上述と逆方向の図示矢印ｂ１方向に回転すると、ワイヤ固定点６ｂの移動により、ワイヤ８の引っ張り力がプーリ７のワイヤ固定点７ｂに伝達され、プーリ７が図示矢印ｂ２方向に回転される。
【００２８】
このようにすれば、２本のワイヤ５，８を用いることにより、どちらの方向（双方向）の回転でも、ワイヤ駆動力を伝達することができる。勿論、第１の実施の形態で述べたと同様な効果を得ることもできる。
【００２９】
なお、上述した実施の形態では、プーリ１と６、プーリ３と７は、それぞれ別体のもので説明したが、一体型の２段プーリであってもよい。
【００３０】
(変形例１)
図３は、第２の実施の形態の変形例１の概略構成を示すもので、図２と同一部分には同符号を付している。
【００３１】
第２の実施の形態の図２に示すプーリ１，３は、一方端周縁に沿ってそれぞれ鍔部１ａ、３ａが一体に形成され、プーリ６、７についても、端部周縁に沿ってそれぞれ鍔部６ａ、７ａが一体に形成されている例を述べたが、図３では、鍔部１ａ、３ａに代えてワイヤ外れ防止手段として、プーリ１，３周面にそれぞれピン９、１０を設け、また、鍔部６ａ、７ａに代えてプーリ６，７周面にそれぞれピン１１、１２を設けるようにしている。これらプーリ１，３周面に設けられるピン９、１０及びプーリ６，７周面に設けられるピン１１、１２は、それぞれワイヤ５，８の移動をガイドするもので、プーリ１，３、プーリ６，７の周面からワイヤ５，８が外れるのを防止する。
【００３２】
このようにすれば、プーリ１，３の周面にそれぞれピン９、１０、プーリ６，７周面にもそれぞれピン１１、１２が設けられるので、仮に、ワイヤ５又は８がゆるんでもプーリ１，３、プーリ６，７のそれぞれの周面から外れるのを確実に防止することができる。
【００３３】
なお、ピン９、１０は、それぞれの位置が２つのプーリ１、３の近接部分にくると、動力伝達の効率が落ちてしまい、さらに回転すると、動力伝達が行えなくなってしまうので、これらピン９、１０の位置は、プーリ１、３の回転範囲において、これらプーリ１、３が近接する位置に来ないように配慮する必要がある。このことは、プーリ６，７に設けられるピン１１、１２についても同様である。
【００３４】
(変形例２)
図４は、第２の実施の形態の変形例２の概略構成を示すものである。
【００３５】
この場合、第２の実施の形態の直径の小さなプーリ６を一体に設けたプーリ１について述べると、プーリ１は、プーリ６と反対側の端部周縁に沿って鍔部１ｂが一体に形成され、この鍔部１ｂ側端部から他方端部に向けて徐々に直径を大きくするようにしている。つまり、プーリ１は、鍔部１ｂ側端部から他方端部に向け（回転軸２方向）徐々に直径を大きくするようにして、周面をテーパαの傾斜面に形成し、ワイヤ外れ防止手段を構成している。また、プーリ６も同様で、プーリ１側端部から他方端部に向け（回転軸２方向）徐々に直径を大きくするようにして、周面をテーパαの傾斜面に形成している。
【００３６】
このようにすれば、プーリ１、６は、ワイヤ５，８が巻き付けられる周面にテーパαが形成されている。したがって、例えば、ワイヤ８に張力がかかると、プーリ６には鉛直方向の力Ｆ１がかかるが、この力Ｆ１はテーパαにより、プーリ６周面の垂直抗力とその垂直抗力に垂直方向な力Ｆ２に分解される。この力Ｆ２がかかることにより、ワイヤ８にはプーリ１側方向への力が働き、ワイヤ８がプーリ６周面から外れるのを確実に防止することができる。
【００３７】
なお、ここでは、プーリ６に巻き付けられるワイヤ８との関係について述べたが、プーリ１とワイヤ５の関係についても同様である。また、上述した同軸上に直径の小さなプーリ７を一体に設けたプーリ３についても同様であることは勿論である。
【００３８】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。
【００３９】
図５は、上述したワイヤ駆動機構を適用したロボットアーム機構の概略構成を示している。図５において、２１は台座部で、この台座部２１には、所定長さの一対の主リンク２２，２３が平行に突設されている。これら主リンク２２，２３の先端部の間には、回転軸２４が設けられている。
【００４０】
回転軸２４には、第１のリンク２５が回転可能に設けられている。この第１のリンク２５は、Ｌ字状をしたもので、基端部が回転軸２４を中心に回転可能に支持されるとともに、直角に折り曲げられた先端部が主リンク２２，２３と直交する方向に配置され、基端部の回転軸２４を中心にした回転により先端部が紙面に対し前後方向に回転可能になっている。
【００４１】
第１のリンク２５の基端部には、プーリ２６が一体に設けられている。このプーリ２６は、回転軸２４を中心に回転可能になっている。プーリ２６には、ワイヤ２７が巻きつけられ、このワイヤ２７により台座部２１からの動力伝達を可能とし、第１のリンク２５の回転軸２４を中心とした回転を可能にしている。
【００４２】
第１のリンク２５は、直角に折り曲げられた先端部に軸受２５ａが設けられ、この軸受２５ａに第２のリンク２８が回転可能に支持されている。この場合、第２のリンク２８は、回転軸２４と直交する方向で、前記一対の主リンク２２，２３に沿った方向に配置されている。第２のリンク２８の先端には、ハンド２９が設けられている。
【００４３】
前記回転軸２４と第２のリンク２８の間には、第２の実施の形態で説明したのと同様なワイヤ駆動機構が配置されている。この場合、回転軸２４に第１の２段プーリ３０(上述したプーリ１、６に相当)が回転可能に設けられ、回転軸２４と直交する方向の第２のリンク２８の先端には、第２の２段プーリ３１(上述したプーリ３、７に相当)が一体に設けられている。この場合、第２の２段プーリ３１と第２のリンク２８の回転中心は一致しており、第２の２段プーリ３１の回転とともに第２のリンク２８も回転する。また、第１の２段プーリ３０と第２の２段プーリ３１との間には、２本のワイヤ３２，３３（上述したワイヤ５,８に相当）が巻きつけられるとともに、これらワイヤ３２，３３により台座部２１からの動力伝達を可能とし、第２のリンク２８が回転中心２８ａまわりを、どちら方向にも回転できるようにしている。
【００４４】
図６は、ワイヤプーリ駆動機構の概略構成を示すもので、図５と同一部分には同符号を付している。この場合、台座部２１には、モータを有するアクチュエータ３４、３５が設けられ、このうちアクチュエータ３４の回転軸には、プーリ３６が取付けられ、また、アクチュエータ３５の回転軸には、２段プーリ３７が取付けられている。
【００４５】
プーリ３６には、上述したプーリ２６に巻きつけられたワイヤ２７が巻きつけられており、アクチュエータ３４によるプーリ３６の回転によりプーリ２６に対しワイヤ２７を介して動力を伝え、プーリ２６とともに第１のリンク２５を、回転軸２４を中心に回転させる。
【００４６】
また、２段プーリ３７には、第１の２段プーリ３０と第２の２段プーリ３１との間に巻きつけられた２本のワイヤ３２，３３が巻きつけられ、アクチュエータ３５による２段プーリ３７の回転によりワイヤ３２，３３を介して第１の２段プーリ３０及び第２の２段プーリ３１に動力を伝える。この場合、ワイヤ３２は、第２の実施の形態で説明したように、第２の２段プーリ３１の大径プーリ３１ａ周面に一端を固定されるとともに、上述の巻きつけ方向で２段プーリ３１の大径プーリ３１ａ、第１の２段プーリ３０の大径プーリ３０ａに巻きつけられ、さらにアクチュエータ３５側に導かれ、２段プーリ３７の大径プーリ３７ａに巻きつけられるとともに周面に固定されている。同様にワイヤ３３は、第２の２段プーリ３１の小径プーリ３１ｂ周面に一端を固定されるとともに、上述の巻きつけ方向で２段プーリ３１の小径プーリ３１ｂ、第１の２段プーリ３０の小径プーリ３０ｂに巻きつけられ、さらにアクチュエータ３５側に導かれ、２段プーリ３７の小径プーリ３７ｂに巻きつけられるとともに周面に固定されている。この場合、２段プーリ３７と大径プーリ３７ａと小径プーリ３７ｂの半径比と２段プーリ３０の大径プーリ３０ａと小径プーリ３０ｂの半径比を同じにすれば、アクチュエータ３５の回転に対して２段プーリ３０の回転速度を変わらないようにでき、回転制御を容易に行うことができる。
【００４７】
このような構成において、いま、アクチュエータ３４によりプーリ３６を回転させると、ワイヤ２７を介してプーリ２６に動力が伝えられ、プーリ２６の回転とともに第１のリンク２５を、回転軸２４を中心に回転させることができる。これによりロボットアームの肘関節部分の折り曲げ動作を実現することができる。
【００４８】
また、アクチュエータ３５により２段プーリ３７を回転させると、ワイヤ３２，３３を介して第１の２段プーリ３０及び第２の２段プーリ３１に動力が伝えられる。これにより、第１の２段プーリ３０を、回転軸２４を中心に回転させるとともに、第２の２段プーリ３１を第２のリンク２８の回転中心２８ａまわりを回転させることができる。この場合、アクチュエータ３５の回転方向を切り換えると、このときの回転方向に応じた第１の２段プーリ３０の回転方向により第２の２段プーリ３１の回転方向が選択できる。これにより、第２の２段プーリ３１とともに回転する第２のリンク２８によりロボットアームの肘関節部分の回転動作を実現することができる。
【００４９】
したがって、このようにすれば、アクチュエータ３４、３５をアームの関節部分でなく、ロボット本体側の台座部２１に配置することができ、しかも、ワイヤ駆動機構を用いることにより回転軸が直交する関節部を構成できるので、軽量、コンパクトで伝達効率のよいロボットアーム機構が実現できる。
【００５０】
（変形例１）
ところで、上述したロボットアーム機構では、ワイヤ駆動系のワイヤテンションがゆるむことにより、ワイヤがプーリから外れてしまう可能性がある。この対策として、ワイヤの経路長を調整することにより、ワイヤの張りが緩むのを防ぐ方法が考えられる。
【００５１】
図７は、ワイヤテンション調整機構の概略構成を示すもので、図６と同一部分には同符号を付している。
【００５２】
この場合、２１とアクチュエータ３４の間にはテンション調整機構４１が配置され、台座部２１とアクチュエータ３５の間には、テンション調整機構４２が配置されている。テンション調整機構４１、４２は、ばね、もしくはアクチュエータにより構成され、ワイヤテンションに応じた位置に、アクチュエータ３４、３５全体を図示矢印方向に移動させる機能を有している。
【００５３】
例えば、プーリ３６とプーリ２６との間のワイヤ２７の張りが緩んで、ワイヤテンションが小さくなると、テンション調整機構４１によりアクチュエータ３４全体を台座部２１方向に動かすことで、ワイヤ経路長が大きくなり、ワイヤ２７のテンションを大きくすることができる。勿論、２段プーリ３７と２段プーリ３０との間のワイヤ３２，３３の張りが緩んでワイヤテンションが小さくなった場合もテンション調整機構４２により同様な動作が行われる。
【００５４】
したがって、このようにすれば、ワイヤテンションを常に適正な状態に調整することができるので、ワイヤの張りが緩んでプーリからのはずれるような事態を確実に防止することができる。
【００５５】
ところで、この種のワイヤ駆動系においては、ワイヤがプーリから外れるのを防止するのと同時に、万が一、ワイヤがプーリから外れてもロボットアームが暴走しないようにする必要がある。つまり、ワイヤが外れたり、あるいは切れたりすると、リンクは回転フリーの状態になり、仮にリンクに大きな力がかかっていれば、リンクは暴走して危険である。
【００５６】
この対策方法として、関節の急激な速度変化を防ぐ方法やワイヤの急激な張力変化を防ぐ方法などが考えられる。
【００５７】
（変形例２）
図８は、関節の急激な速度変化を防ぐための機構を示すもので、図５と同一部分には同符号を付している。この場合、関節を構成する主リンク２３と第１のリンク２５との間が回転速度制御手段として遠心クラッチ４３を介して連結されている。この遠心クラッチ４３はある回転速度以下では動力は伝達せずにフリーであるが、ある回転速度以上になると動力が伝達される構成となっている。遠心クラッチ４３については、周知の技術なので、ここでの説明は省略する。
【００５８】
このような構成において、いま、第１のリンク２５に急激な回転速度が生じると、遠心クラッチ４３が動作し、主リンク２３に対し動力が伝達される状態に切り替わる。これにより、第１のリンク２５にはブレーキと同じ効果が作用し、急激な回転速度変化を防ぐことがきる。これにより、ワイヤがプーリから外れることを防止できるとともに、万が一ワイヤが外れても、第１のリンク２５が暴走するのを未然に防ぐことができる。
【００５９】
（変形例３）
図９は、ワイヤの急激な張力変化を防ぐための方法で、ワイヤ張力を検出してブレーキをかける構成を示している。
【００６０】
この場合、プーリ４４には、ワイヤ４５が巻き付けられ、このワイヤ４５を介して動力が伝達されている。プーリ４４には、ブレーキドラム４６が固定されている。ブレーキドラム４６の周囲には、ブレーキシュー４７、４８が配置されている。ブレーキシュー４７、４８は、それぞれ一方端部を回転軸４９に回転可能に支持され、それぞれのプーリ４４側への回動によりブレーキドラム４６を２方向から押圧できるようになっている。また、ブレーキシュー４７、４８の回転軸４９と反対側端部の間には、ばね５１が配置され、このばね５１の引っ張り力によりブレーキシュー４７、４８は、ブレーキドラム４６に対し２方向から押圧力をかけてプーリ４４にブレーキをかける状態になっている。また、ブレーキシュー４７、４８の回転軸４９と反対側の先端には、それぞれプーリ５２，５３が設けられている。これらプーリ５２，５３は、ワイヤ４５に接しており、ワイヤ４５の張力により、ブレーキシュー４７、４８をばね５１の引っ張り力に抗した方向に回動させる。これにより、ワイヤ４５の張力が一定以上であれば、ブレーキシュー４７、４８のばね５１の引っ張り力に抗した回動によりブレーキシュー４７、４８は、ブレーキドラム４６から離れ、ブレーキ状態が解除される。
【００６１】
したがって、このようにすれば、ワイヤ４５の張力が一定以上かかっている間は、ブレーキシュー４７、４８がブレーキドラム４６から離れてブレーキフリーとなり、ワイヤ４５の張力がゆるむとブレーキシュー４７、４８がばね５１の引っ張り力によりブレーキドラム４６に接触しブレーキがかかるようになる。これにより、ワイヤ４５がプーリ４４から外れるのを防止でき、万が一ワイヤ４５が外れてもリンクを安全に止める構成が実現できる。
【００６２】
(第４の実施の形態)
次に、本発明の第４の実施の形態を説明する。
【００６３】
この第４の実施の形態では、第３の実施の形態で述べたロボットアーム機構の速度制御部を示している。
【００６４】
図１０（ａ）は、ロボットアーム機構を示すもので、図５及び図６と同一部分には同符号を付している。この場合、例えば、主リンク２３と第１のリンク２５の間には、回転速度検出部５５が配置されている。この回転速度検出部５５は、主リンク２３に対する第１のリンク２５の回転速度を検出する。
【００６５】
図１０（ｂ）は、ロボットアーム機構の速度制御を行う速度制御部の概略構成を示している。この場合、図６で述べたアクチュエータ３４がモータの例を述べている。
【００６６】
図１０（ｂ）に示すアクチュエータ（モータ）３４は、図１０（ａ）に示すワイヤ２７を介してプーリ２６に動力を伝え、第１のリンク２５を回転軸２４を中心に回転させる。このアクチュエータ３４には、速度制御部５７が接続されている。そして、速度制御部５７には、上述した回転速度検出部５５が接続されている。速度制御部５７は、予めアクチュエータ３４の標準速度が与えられており、この標準速度と回転速度検出部５５で検出される第１のリンク２５の回転速度を比較し、この比較結果に応じてアクチュエータ３４の回転速度を制御する。つまり、回転速度検出部５５で検出された第１のリンク２５の回転速度と標準速度の比較結果に基づいて速度制御部５７によりアクチュエータ３４の回転速度を決定する。これにより、速度制御部５７は、第１のリンク２５の回転速度が標準速度より速ければ、アクチュエータ３４により第１のリンク２５の回転速度を落とし、回転速度が遅ければアクチュエータ３４により第１のリンク２５の回転速度を上げるような制御を行う。
【００６７】
したがって、このようにすれば、速度制御部５７により制御されるアクチュエータ３４により第１のリンク２５の回転速度が標準速度になるように制御できるので、ロボットアーム機構の関節部を構成する第１のリンク２５の急激な回転速度の変化をおさえることができ、ワイヤ２７がプーリ２６から外れるのを確実に防止できる。
【００６８】
(第５の実施の形態)
次に、本発明の第５の実施の形態を説明する。
【００６９】
この第５の実施の形態では、第３の実施の形態で述べたロボットアーム機構のワイヤ張力制御部を示している。
【００７０】
図１１（ａ）は、ロボットアーム機構を示すもので、図５及び図６と同一部分には同符号を付している。この場合、例えば、ワイヤ３２の途中に張力検出部５８が配置されている。この張力検出部５８は、ワイヤ３２の張力を検出する。
【００７１】
図１１（ｂ）は、ワイヤ駆動系のワイヤ（ここではワイヤ３２）の張力制御を行う張力制御部の概略構成を示している。この場合、図６で述べたアクチュエータ３５がモータの例を述べている。
【００７２】
図１１（ｂ）において、５９はテンショナー部で、このテンショナー部５９は、図７で述べたアクチュエータ３５と台座部２１の間に配置されるテンション調整機構４２により構成されている。
【００７３】
テンショナー部５９には、テンショナー制御部６０が接続されている。そして、テンショナー制御部６０には、上述した張力検出部５８が接続されている。テンショナー制御部６０は、標準テンション値が与えられており、この標準テンション値と張力検出部５８で検出されるワイヤ３２の張力を比較し、この比較結果に応じてテンショナー部５９でのテンション調整を行う。つまり、張力検出部５８で検出されるワイヤ張力が急激に小さくなれば、ワイヤ張力が大きくなるように、逆にワイヤ張力が急激に大きくなれば、ワイヤ張力が小さくなるようにテンショナー部５９を制御する。
【００７４】
また、テンショナー制御部６０には、トルク制御部６１が接続され、このトルク制御部６１には、アクチュエータ(モータ)３５が接続されている。トルク制御部６１は、テンショナー制御部６０の出力に応じてアクチュエータ３５が出力するトルクを制御する。つまり、テンショナー制御部６０がテンショナー部５９に対しワイヤ張力を調整するための出力を発生すると、それに応じてアクチュエータ３５が出力するトルクを制御する。
【００７５】
したがって、このようにすれば、ワイヤ３２の張力を検出する張力検出部５８に基づいて、ワイヤ３２の張力を自動調整することができるので、ワイヤの緩みを防止でき、ワイヤがプーリから外れるのを確実に防止できる。
【００７６】
なお、ここでは、図１１（ａ）に示すワイヤ３２についてのみ述べたが、ワイヤ３３、２７についても同様にして実施できる。
【００７７】
(第６の実施の形態)
次に、本発明の第６の実施の形態を説明する。
【００７８】
図１２（ａ）（ｂ）は、上述したロボットアーム機構を複数設けることにより構成される多関節ロボットアーム機構を示している。
【００７９】
この場合、アームは６自由度あり、これらを駆動するアクチュエータとして６つのモータ６２〜６７を有し、これらモータ６２〜６７は、不図示の台座部に配置されている。
【００８０】
肩部６８は、モータ６２，６３により駆動されるもので、台座部(不図示)に支持された一対のフレーム６９先端の回転軸７０に回転可能に支持される回転体７１，７２と、これら回転体７１，７２に連動する回転体７３を有し、モータ６２，６３により回転体７１，７２を駆動することで回転軸７０を中心とする回転を可能にするとともに、これら回転体７１，７２に連動する回転体７３により回転軸７０と直交する軸を中心とする回転を可能にしている。つまり、これら回転体７１，７２、７３の回転により２自由度の動きを可能にしている。
【００８１】
回転軸７０には、フリープーリ７４１が設けられている。また、モータ６４〜６７により駆動される８本のワイヤ群７４は、フリープーリ７４１を経由し、絞り機構７５を介して肘部７６及び手首部７７に向けて送られる。この場合、絞り機構７５は、肩部６８から導出されたワイヤ群７４を狭い通路に絞り込むもので、このような絞り機構７５を経由させることにより、肩部６８で２自由度の動きがあっても、そこから先にワイヤ駆動力を伝達することができる。特に、絞り機構７５は、ワイヤ群７４できるだけ、回転中心に近い所を通すことにより、肩部６８の回転によりワイヤ経路長が大きく変化することを防ぐことができる。
【００８２】
肘部７６には、８本のワイヤ群７４のうちモータ６４、６５により駆動される４本のワイヤ群７４ａが絞り機構７５から、展開プーリ７８を介して導かれ動力が伝達される。肘部７６には、図６で述べたと同様にプーリ７９、８０，８１（図５のプーリ２６、３０，３１に相当）が設けられ、プーリ７９による肘部７６の折り曲げと、プーリ８０，８１による肘部７６の回転の２自由度の動きを可能にしている。この場合、絞り機構７５と展開プーリ７８を介してワイヤの動力が伝達されるので、肘部７６の２自由度が回転しても、ワイヤ群７４ａがプーリ７９、８０，８１から外れないようにできる。
【００８３】
手首部７７には、８本のワイヤ群７４のうちモータ６６、６７により駆動される４本のワイヤ群７４ｂが肘部７６のフリープーリ８２、絞り機構８３及び展開プーリ８４を介して導かれ動力が伝達される。手首部７７には、プーリ８５、８６，８７（図５のプーリ２６、３０，３１に相当）が設けられ、プーリ８５による手首部７７の折り曲げと、プーリ８６，８７による手首部７７の回転の２自由度の動きを可能にしている。この場合も、絞り機構８３と展開プーリ８４を介してワイヤの動力が伝達されるので、手首部７７の２自由度が回転しても、ワイヤ群７４ｂがプーリ８５、８６，８７から外れないようにできる。
【００８４】
したがって、このようにすれば、人間の腕と同等の肩部６８、肘部７６及び手首部７７の各関節の配置と、これらで構成される多関節の動きを実現でき、しかも、アクチュエータの各モータ６２〜６７を関節部分でなく、全て台座部側に集めることができるので軽量、コンパクトが実現できる。
【００８５】
(第７の実施の形態)
次に、本発明の第７の実施の形態を説明する。
【００８６】
図１３は、ワイヤプーリ伝達機構の他の例を示している。
【００８７】
この場合、１０１，１０２は、２段プーリで、これら２段プーリ１０１，１０２は、同じ回転軸１０３に回転可能に支持されている。また、これら２段プーリ１０１，１０２に対応して他の２段プーリ１０４が配置されている。このプーリ１０４は、２段プーリ１０１，１０２の回転軸１０３と直交する方向で、回転軸１０３と同一平面上にある回転軸１０５に回転可能に支持されている。
【００８８】
一方、不図示の台座部側には、アクチュエータ１０６，１０７が配置されている。これらアクチュエータ１０６，１０７の回転軸には、それぞれ２段プーリ１０８、１０９が取付けられている。そして、アクチュエータ１０６からは、２段プーリ１０８に巻き付けられたワイヤ１１０により２段プーリ１０１を介して２段プーリ１０４に動力が伝達され、アクチュエータ１０７からは、２段プーリ１０９に巻き付けられたワイヤ１１１により２段プーリ１０２を介して２段プーリ１０４に動力が伝達され。この場合、ワイヤ１１０の２段プーリ１０１及び２段プーリ１０４への巻き付け方向、ワイヤ１１１の２段プーリ１０２及び２段プーリ１０４への巻き付け方向は、図６で述べたのと同様である。
【００８９】
このような構成をすると、肘関節の折り曲げ、回転の２つ自由度回転を２つアクチュエータ１０６，１０７により干渉駆動することができる。つまり、これらアクチュエータ１０６，１０７の出力を協調して制御することにより、２つの自由度のうち、トルクが必要なほうの自由度を２つのアクチュエータ１０６，１０７により動かすなど、効率よくアクチュエータ１０６，１０７によりの出力を２自由度に振り分けることができる。
【００９０】
(第８の実施の形態)
次に、本発明の第８の実施の形態を説明する。
【００９１】
図１４は、第６の実施の形態で述べた多関節ロボットアーム機構を適用したロボットの概略構成を示している。
【００９２】
この場合、１１２，１１３は図１２で述べた多関節のロボットアーム機構を適用したアームであり、モータ部１１４に配置されたモータ（不図示）で全ての関節を駆動する。この場合、各モータ部１１４ごとにアーム１１２，１１３全体を回転させることにより、さらに１自由度追加して、人間の腕と同じ７自由度の腕を実現できる。また、アーム１１２，１１３の先にはハンド１１５，１１６が設けられ、これらハンド１１５，１１６で物をつかむなどの作業を行うことができる。
【００９３】
一方、ロボット本体１１７には、アーム１１２，１１３を始め、ロボット全体の制御を行う制御部１１８が内蔵されている。また、ロボット本体１１７は、移動機構１１９により自由に移動することができる。移動機構１１９は左右独立駆動車輪で構成され、これを制御することにより、ロボットは目標位置姿勢に移動することができる。また、ロボット本体１１７の低い位置にはセンサ１２０が取り付けられており、周りの障害物を検出することができる。ロボット本体１１７の上方には頭部１２１が配置されている。この頭部１２１は、ロボット本体１１７に対して方向を変える駆動機構を介して連結されている。また、頭部１２１には視覚１２２が搭載されており、例えばカメラなどを用いて画像処理によりアームで作業をする場合の作業対象物の位置、姿勢検出などを行うことができる。また、ロボットにはスピーカ１２３やマイク１２４が取り付けられており、人間とコミュニケーションを行うことができるようになっている。
【００９４】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。
【００９５】
さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るワイヤ駆動機構の基本構成を示す図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るワイヤ駆動機構の概略構成を示す図。
【図３】第２の実施の形態の変形例１の概略構成を示す図。
【図４】第２の実施の形態の変形例２の概略構成を示す図。
【図５】本発明の第３の実施の形態の概略構成を示す図。
【図６】第３の実施の形態のワイヤプーリ駆動機構の概略構成を示す図。
【図７】第３の実施の形態に用いられるワイヤテンション調整機構の概略構成を示す図。
【図８】第３の実施の形態に用いられる関節の急激な速度変化を防ぐための機構を示す図。
【図９】第３の実施の形態に用いられるワイヤ張力を検出してブレーキをかける機構を示す図。
【図１０】本発明の第４の実施の形態の概略構成を示す図。
【図１１】本発明の第５の実施の形態の概略構成を示す図。
【図１２】本発明の第６の実施の形態の概略構成を示す図。
【図１３】本発明の第７の実施の形態の概略構成を示す図。
【図１４】本発明の第８の実施の形態の概略構成を示す図。
【符号の説明】
【００９７】
１．３…プーリ、１ａ．１ｂ、３ａ、３ｂ…鍔部
１ｃ、３ｃ…ワイヤ固定点、２、４…回転軸
５．８…ワイヤ、６．７…プーリ
６ａ、７ａ…鍔部、６ｂ、７ｂ…ワイヤ固定点
９．１０…ピン、１１．１２…ピン
２１…台座部、２２．２３…主リンク
２４…回転軸、２５…第１のリンク
２５ａ…軸受、２６…プーリ
２７…ワイヤ、２８…第２のリンク
２８ａ…回転中心、２９…ハンド
３０…２段プーリ、３０ａ…大径プーリ
３０ｂ…小径プーリ、３１…２段プーリ
３１ａ…大径プーリ、３１ｂ…小径プーリ
３２．３３…ワイヤ、３４．３５…アクチュエータ
３６…プーリ、３７…２段プーリ
３７ａ…大径プーリ、３７ｂ…小径プーリ
４１．４２…テンション調整機構
４３…遠心クラッチ、４４…プーリ
４５…ワイヤ、４７．４８…ブレーキシュー
４９…回転軸、５１…ばね、５２．５３…プーリ
５５…回転速度検出部、５７…速度制御部
５８…張力検出部、５９…テンショナー部
６０…テンショナー制御部、６１…トルク制御部
６２〜６７…モータ、６８…肩部、６９…フレーム
７０…回転軸、７１．７２、７３…回転体
７４…ワイヤ群、７４ａ…ワイヤ群、７４ｂ…ワイヤ群
７４１…フリープーリ、７５…絞り機構
７６…肘部、７７…手首部、７８…展開プーリ
７９．８０、８１…プーリ、８２…フリープーリ
８３…絞り機構、８４…展開プーリ
８５．８６、８７…プーリ、１０１．１０２…２段プーリ
１０３…回転軸、１０４…２段プーリ、１０５…回転軸
１０６．１０７…アクチュエータ、１０８．１０９…２段プーリ
１１０、１１１…ワイヤ、１１２．１１３…アーム
１１４…モータ部、１１５．１１６…ハンド
１１７…ロボット本体、１１８…制御部
１１９…移動機構、１２０…センサ、１２１…頭部
１２２…視覚、１２３…スピーカ、１２４…マイク
【図１】
2008232360.tif 000003
【図２】
2008232360.tif 000004
【図３】
2008232360.tif 000005
【図４】
2008232360.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2008232360.tif 000009
【図８】
2008232360.tif 000010
【図９】
2008232360.tif 000011
【図１０】
2008232360.tif 000012
【図１１】
2008232360.tif 000013
【図１２】
2008232360.tif 000014
【図１３】
2008232360.tif 000015
【図１４】
2008232360.tif 000016