(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットの関節部で、第１のリンク部に対して第２のリンク部が回動軸線を中心に回動するロボットの関節構造において、
前記第２のリンク部に対向して前記第１のリンク部側に設けられると共に、前記回動軸線に対して直交して延在する第１の対向面と、
前記第１の対向面に対向して前記第２のリンク部側に設けられると共に、前記回動軸線に対して直交して延在する第２の対向面と、を有し、
前記第１の対向面の輪郭の一部に設けられた第１の円弧と、前記第２の対向面の輪郭の一部に設けられた第２の円弧とは、同一の曲率を有すると共に、前記回動軸線の延在方向に見て重なるか又は平行に延在し、
回動時において、前記第２の円弧は、前記第１の円弧に対してはみ出しが予定されており、
前記第１の円弧と前記第２の円弧との交差状態において、交点を通る前記第１の円弧の第１の接線と前記交点を通る前記第２の円弧の第２の接線とのなす交差角度が、９０度以上となるように構成されている、
ロボットの関節構造。
【請求項２】
前記交差角度を満たすように、前記第１及び第２の円弧の曲率半径と、回動時において前記第２の円弧の曲率中心の軌道が描く円の軌道半径と、を設定する、
請求項１記載のロボットの関節構造。
【請求項３】
前記第１の対向面の前記輪郭は、前記第１の円弧に対峙する第３の円弧を有し、前記第２の対向面の前記輪郭は、前記第２の円弧に対峙する第４の円弧を有する、
請求項１又は２記載のロボットの関節構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関節部においてリンク部の回動による挟み込みを防止するようにしたロボットの関節構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような分野の技術として、特開２００２−３０７３７２号公報がある。この公報に記載されたロボットの関節構造は、軸を中心に第１のアームと第２のアームとがリンク機構のように動作している。この場合に、第１のアームと第２のアームとの間で利用者の手や腕が挟まれることがある。そこで、第１のアームと第２のアームとの間の隙間を塞ぐように、扇状のプレートが配置されている。扇状のプレートの一端は第２のアームに固定されて、第１のアームと第２のアームとの間の隙間を常に塞きながら、第２のプレートの回動と一緒に軸の周囲で回動する。また、第１のアームと第２のアームとの間の隙間を塞ぐように、第１のアームと第２のアームとの間の隙間に蛇腹の部材を配置させてもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３０７３７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述した従来のロボットの関節構造にあっては、利用者の手や腕が第１のアームと第２のアームとで挟まれることがないように、扇状のプレートや蛇腹の部材を必要としているので、挟み込み防止用の部品が別途必要になり、構造が複雑化するといった問題点がある。
【０００５】
本発明は、利用者の手や腕などの挟み込み防止を簡単な構成で達成するようにしたロボットの関節構造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】
本発明は、ロボットの関節部で、第１のリンク部に対して第２のリンク部が回動軸線を中心に回動するロボットの関節構造において、
前記第２のリンク部に対向して前記第１のリンク部側に設けられると共に、前記回動軸線に対して直交して延在する第１の対向面と、
前記第１の対向面に対向して前記第２のリンク部側に設けられると共に、前記回動軸線に対して直交して延在する第２の対向面と、を有し、
前記第１の対向面の輪郭の一部に設けられた第１の円弧と、前記第２の対向面の輪郭の一部に設けられた第２の円弧とは、同一の曲率を有すると共に、前記回動軸線の延在方向に見て重なるか又は平行に延在し、
回動時において、前記第２の円弧は、前記第１の円弧に対してはみ出しが予定されており、
前記第１の円弧と前記第２の円弧との交差状態において、交点を通る前記第１の円弧の第１の接線と前記交点を通る前記第２の円弧の第２の接線とのなす交差角度が、９０度以上となるように構成されている。
【０００７】
このロボットの関節構造においては、第１のリンク部に対して第２のリンク部が回動すると、第２の円弧が第１の円弧からはみ出すが、このとき、第１の円弧と第２の円弧とが交差状態になる。そして、交点を通る第１の円弧の第１の接線と交点を通る第２の円弧の第２の接線とのなす交差角度が、９０度以上となるような関節構造を採用すると、第２のリンク部の回動中であっても、交差部分で、利用者の手や腕などの挟み込みが起こることがない。そして、このような技術的な思想は、従来のような挟み込み防止部品を必要とせず、簡単な構成で挟み込み防止を達成することができる。
【０００８】
また、前記交差角度を満たすように、前記第１及び第２の円弧の曲率半径と、回動時において前記第２の円弧の曲率中心の軌道が描く円の軌道半径と、を設定する。
【０００９】
また、前記第１の対向面の前記輪郭は、前記第１の円弧に対峙する第３の円弧を有し、前記第２の対向面の前記輪郭は、前記第２の円弧に対峙する第４の円弧を有する。
このような構成を採用すると、第２のリンク部の回動中において、第１の対向面と第２の対向面との全周に渡って、挟み込みが起こり難くなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、利用者の手や腕などの挟み込み防止を簡単な構成で達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係るロボットの関節構造の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】関節構造の比較例を示す図である。
【図３】本発明に係るロボットの関節構造の他の構造例を示す図である。
【図４】第１及び第２のリンク部を模式的に示した図である。
【図５】図１に示された第２のリンク部が第１のリンク部に対して回動した状態を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しつつ本発明に係るロボットの関節構造の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１３】
図１に示されるように、ロボットの胴部２０の上部２０Ａと頭部（不図示）の下側に位置する首部３０とは関節部１０を介して連結されている。胴部２０の表面は、樹脂又は金属のカバーで被われ、首部３０の表面も、樹脂又は金属のカバーで被われ、首部３０が図示しないモータによって回動する。
【００１４】
例えば、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されるように、比較例として、胴部９０の上部９０Ａが直方体をなし、この上部９０Ａに対して回動する首部１００も直方体を有している。この場合、回動軸線Ｌを中心にして首部１００が矢印Ａ方向に回動すると、胴部９０の上部９０Ａの一辺と首部１００の一辺とのなす交差角度が鋭角になり、その結果として、この部分で、利用者の手や腕などの挟み込みが起き易い（符合Ｂ参照）。
【００１５】
そこで、このような挟み込みを回避させるための理想的な関節構造を図３に示す。図３において、胴部２０の上部２０Ａは、真円柱の輪郭をなす主円弧２０ａと、主円弧２０ａに連続すると共に、主円弧２０ａの半径より大きな曲率半径の副円弧２０ｂとを有している。これに対して、首部３０は、図３（ａ）に示されるように、上下方向において完全に重なっており、真円柱の輪郭をなす主円弧３０ａと、主円弧３０ａに連続すると共に、主円弧３０ａの半径より大きな曲率半径の副円弧３０ｂとを有している。なお、回動軸の回動軸線Ｌは、主円弧２０ａ，３０ａの中心に位置する。
【００１６】
図３（ｂ）に示されるように、胴部２０の上部２０Ａに対して首部３０が矢印Ａ方向に回動すると、胴部２０の副円弧２０ｂから首部３０の副円弧３０ｂの一部がはみ出す。このとき、交点Ｆにおける副円弧２０ｂの接線と副円弧２０ｂの接線とがなす交差角度は、鈍角をなしている。図３（ｃ）に示されるように、更に首部３０が回動しても、交差角度は、鈍角を維持し続ける。また、主円弧２０ａ，３０ａは、真円の一部であり、回動軸線Ｌは、主円弧２０ａ，３０ａの中心に位置するので、首部３０が回動しても、首部３０の主円弧３０ａが胴部２０の主円弧２０ａからはみ出すことはない。
【００１７】
首部３０の回動時に交差角度が鈍角を維持するための条件について、図４を参照しつつ、以下述べる。なお、以下の説明において、胴部２０の上部２０Ａを第１のリンク部とし、首部３０を第２のリンク部として説明するが、図４において、第１及び第２のリンク部は、理解し易くするために模式的に示されている。
【００１８】
図４において、第１のリンク部２０Ａは、第２のリンク部３０に対向し且つ回動軸線Ｌに対して直交して延在する第１の対向面Ｓ１を有する。第２のリンク部３０は、第１の対向面Ｓ１に対向し且つ回動軸線Ｌに対して直交して延在する第２の対向面Ｓ２を有する。そして、第１の対向面Ｓ１の輪郭の一部に設けられた第１の円弧２０ｂと、第２の対向面Ｓ２の輪郭の一部に設けられた第２の円弧３０ｂとは、同一の曲率を有すると共に、回動軸線Ｌの延在方向（図４の紙面に対して垂直な方向）に見て、回動停止中すなわち定常状態において重なり合っている。回動時において、第２の円弧３０ｂは、第１の円弧２０ｂに対してはみ出しが予定されている。
【００１９】
図４に記載された符合及び用語について以下説明する。
Ｃ：第２のリンク部３０が第１のリンク部２０Ａに対して回動する回動中心
円１：円弧２０ｂを含み、点Oを中心にする曲率半径ｒの円
円２：円弧３０ｂを含み、円３上の点Ｈ（ａ，ｂ）を中心とする曲率半径ｒの円
円３：第２のリンク部が第１のリンク部に対して回動する際に円２の中心Ｈの軌道が描く円
ｒ：円弧２０ｂ，３０ｂの曲率半径
Ｒ：Ｃを中心とした円３の軌道半径
Φ：第２のリンク部３０が第１のリンク部２０に対して回動した回動角度
θ：交点Ｆにおける円１の接線Ｃと円２の接線Ｄとのなす交差角度
【００２０】
図４に示されるように、各円１、円２、円３は、下記の式で表される。
【数１】
0006344178.tif 000002
このとき、第２のリンク部３０が第１のリンク部２０Ａに対して角度Φだけ回動したときのＨ（ａ，ｂ）は、Ｒを用いて下記のように表される。
【数２】
0006344178.tif 000003
ここで、円１と円２との交点Ｆ（ｐ，ｑ）を求めると下記のようになる。
【数３】
0006344178.tif 000004
交点Ｆ（ｐ，ｑ）を通り、円１に接する接線Ｃと、交点Ｆ（ｐ，ｑ）を通り、円２に接する接線Ｄは下記のようになる。
【数４】
0006344178.tif 000005
このとき、式（８）、（９）の方向ベクトルをベクトルｓとベクトルｔとして、下記に表す。
【数５】
0006344178.tif 000006
ベクトルｓとベクトルｔについて内積の式を用いて２つの接線Ｃ，Ｄのなす交差角度θを求めると次の式が得られる。
この交差角度θが９０度以上であれば、利用者の手や腕などの挟み込みが起きないので、曲率半径ｒと、第２の円弧３０ｂの曲率中心の軌道が描く円の軌道半径Ｒとは、次の式（１２）を満たすように設定される必要がある。
【数６】
0006344178.tif 000007
【００２１】
前述した式（１２）を利用することで、第１の円弧２０ｂと第２の円弧３０ｂとの交差状態において、交点Ｆを通る第１の円弧２０ｂの第１の接線Ｃと、交点Ｆを通る第２の円弧３０ｂの第２の接線Ｄとのなす交差角度θが、９０度以上となるように構成させることができる。
【００２２】
図５に示されるように、図１の状態から首部３０が４５度回動しても、交差角度θが鈍角になっており（符合Ｂ参照）、首部３０が９０度回動しても、交差角度θは鈍角が維持される。そして、交差角度θが鋭角になることなく、首部３０は回動を維持する。
【００２３】
第１の円弧２０ｂに対して第２の円弧３０ｂのはみ出しが一旦無くなった後、首部３０が回動角度２３０度を超えた頃から第２の円弧３０ｂのはみ出し始まるが、この場合、交差角度θが広がるようにして、首部３０は回動し続けるので、挟み込みは起きない。
【００２４】
図５に示されるように、前述した関節構造にあっては、第１の対向面Ｓ１の輪郭は、第１の円弧２０ｂに対峙する第３の円弧２０ｃを有し、第２の対向面Ｓ２の輪郭は、第２の円弧３０ｂに対峙する第４の円弧３０ｃを有する。このような構成を採用すると、首部（第２のリンク部）３０が回動する場合に、第１の対向面Ｓ１と第２の対向面Ｓ２との全周に渡って、挟み込みが起こり難くなる。
【００２５】
このロボットの関節構造においては、胴部２０の上部（第１のリンク部）２０Ａに対して首部（第２のリンク部）３０が回動した際、第２の円弧３０ｂが第１の円弧２０ｂからはみ出すが、このとき、第１の円弧２０ｂと第２の円弧３０ｂとが交差状態になる。そして、交点Ｆを通る第１の円弧２０ｂの第１の接線Ｃと交点Ｆを通る第２の円弧３０ｂの第２の接線Ｄとのなす交差角度θが、９０度以上を満たすように、第１及び第２の円弧２０ｂ，３０ｂの曲率半径ｒと、回動時において第２の円弧３０ｂの曲率中心Ｈの軌道（図４の円３参照）が描く円の軌道半径Ｒとが決定された関節構造であれば、第２のリンク部３０の回動中であっても、交差部分で、利用者の手や腕などの挟み込みが起こることがない。特に、人と共存するロボットにあっては、挟み込み防止が確実に行われることが肝要である。
【００２６】
そして、このような技術的な思想は、従来のような検知センサや挟み込み防止部品などの別部品を必要とせず、意匠的な外観を損なうことなく、簡単な構成で挟み込み防止を達成することができる。また、回動出力を制限するような事態を引き起こし難い。第１及び第２の円弧２０ｂ，３０ｂは、曲率を大きくすることができ、平面に近い曲面の採用が可能であるから、意匠上の制約を受けにくい。
【００２７】
本発明は、前述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、下記のような種々の変形が可能である。
【００２８】
例えば、第１の円弧２０ｂと第２の円弧３０ｂとは、回動軸線Ｌの延在方向に見て平行に延在していても（図１参照）、重なり合ってもよい（図３参照）。
【００２９】
第２のリンク部３０の回動は、３６０度未満であっても、３６０度以上であってもよい。
【００３０】
本発明に係る関節構造は、ロボットの肩、腰、脚、手などにも適用可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１０…関節部  ２０Ａ…第１のリンク部  ２０ｂ…第１の円弧  ２０ｃ…第３の円弧  ３０…第２のリンク部  ３０ｂ…第２の円弧  ３０ｃ…第４の円弧  Ｃ，Ｄ…接線  Ｓ１…第１の対向面  Ｓ２…第２の対向面  Ｆ…交点  ｒ…曲率半径  Ｒ…軌道半径  θ…交差角度  Ｌ…回動軸線
【図１】
0006344178.tif 000008
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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