(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状の外周部と、前記外周部の内周側に配置された環状の内周部と、前記外周部と前記内周部との間に配置された弾性部とを備えた環状バネであって、
前記弾性部は、一端が前記内周部の外周面に結合され、他端が前記外周部の内周面に結合された第１弾性部と、一端が前記内周部の外周面に結合され、他端が前記外周部の内周面に結合され、前記内周部の中心点及び前記内周部と前記第１弾性部との結合点を通る線で前記第１弾性部と線対称になる第２弾性部とで構成され、
前記外周部又は前記内周部の一方が他方に対して相対回転する際に、前記第１弾性部及び前記第２弾性部は、該第１弾性部及び該第２弾性部のいずれか一方が圧縮し、他方が伸長するように弾性変形し、
前記第１弾性部と前記外周部との結合点、前記第２弾性部と前記外周部との結合点、及び、前記第１弾性部と前記第２弾性部と前記内周部との結合点を通る直線が、該第１弾性部と該内周部との結合点における該内周部の外周面の接線に沿って延びていることを特徴とする環状バネ。
【請求項２】
環状の外周部と、前記外周部の内周側に配置された環状の内周部と、前記外周部と前記内周部との間に配置された弾性部とを備えた環状バネであって、
前記弾性部は、一端が前記内周部の外周面に結合され、他端が前記外周部の内周面に結合された第１弾性部と、一端が前記内周部の外周面に結合され、他端が前記外周部の内周面に結合され、前記内周部の中心点及び前記内周部と前記第１弾性部との結合点を通る線で前記第１弾性部と線対称になる第２弾性部とで構成され、
前記外周部又は前記内周部の一方が他方に対して相対回転する際に、前記第１弾性部及び前記第２弾性部は、該第１弾性部及び該第２弾性部のいずれか一方が圧縮し、他方が伸長するように弾性変形し、
前記内周部を第１内周部とし、該内周部と前記外周部との間に配置された前記弾性部を外周側弾性部とし、
前記第１内周部の内周側に配置された環状の第２内周部と、前記第１内周部と前記第２内周部との間に配置された内周側弾性部とを備え、
前記内周側弾性部は、一端が前記第２内周部の外周面に結合され、他端が前記第１内周部の内周面に結合された第１弾性部と、一端が前記第２内周部の外周面に結合され、他端が前記第１内周部の内周面に結合され、前記第２内周部の中心点及び前記第２内周部と前記第１弾性部との結合点を通る線で前記第１弾性部と線対称になる第２弾性部とで構成され、
前記第１内周部又は前記第２内周部の一方が他方に対して相対回転する際に、前記第１弾性部及び前記第２弾性部は、該第１弾性部及び該第２弾性部のいずれか一方が圧縮し、他方が伸長するように弾性変形することを特徴とする環状バネ。
【請求項３】
請求項２に記載の環状バネであって、
前記第１内周部は、筒状の部材であり、
前記外周部と前記第２内周部とは、軸方向にずれた位置に設けられていることを特徴とする環状バネ。
【請求項４】
環状の外周部と、前記外周部の内周側に配置された環状の内周部と、前記外周部と前記内周部との間に配置された弾性部とを備えた環状バネであって、
前記弾性部は、一端が前記内周部の外周面に結合され、他端が前記外周部の内周面に結合された第１弾性部と、一端が前記内周部の外周面に結合され、他端が前記外周部の内周面に結合され、前記内周部の中心点及び前記内周部と前記第１弾性部との結合点を通る線で前記第１弾性部と線対称になる第２弾性部とで構成され、
前記外周部又は前記内周部の一方が他方に対して相対回転する際に、前記第１弾性部及び前記第２弾性部は、該第１弾性部及び該第２弾性部のいずれか一方が圧縮し、他方が伸長するように弾性変形し、
前記内周部は、筒状の部材であり、
前記内周部の外周側に、軸方向にずれた位置に配置された複数の前記外周部を有し、
前記内周部と各々の前記外周部との間に、それぞれ前記弾性部が設けられていることを特徴とする環状バネ。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の環状バネであって、
前記外周部又は前記内周部は、前記弾性部と結合する結合部を有し、
前記弾性部と前記外周部又は前記内周部とが一体的に形成され、
前記結合部の、前記弾性部と前記外周部の内周面又は前記内周部の外周面とに挟まれた部分は、該弾性部と該外周部又は該内周部との結合点側に向かって弧状に凹んだ形状となっていることを特徴とする環状バネ。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の環状バネであって、
前記弾性部を偶数個備えていることを特徴とする環状バネ。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の環状バネと、前記外周部又は前記内周部に貼り付けられ、前記外周部又は前記内周部の歪み量を検出するセンサとを備えたことを特徴とするトルク検出装置。
【請求項８】
請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の環状バネと、前記弾性部に貼り付けられ、前記弾性部の歪み量を検出するセンサとを備えたことを特徴とするトルク検出装置。
【請求項９】
請求項３に記載の環状バネと、前記第１内周部の外周面又は内周面に貼り付けられ、前記第１内周部の歪み量を検出するセンサとを備えたことを特徴とするトルク検出装置。
【請求項１０】
請求項４に記載の環状バネと、前記内周部の外周面又は内周面に貼り付けられ、前記内周部の歪み量を検出するセンサとを備えたことを特徴とするトルク検出装置。
【請求項１１】
請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の環状バネと、駆動源と、前記環状バネの前記外周部又は前記内周部に前記駆動源からの駆動力を減速して伝達する減速機構とを備えることを特徴とするロボット関節機構。
【請求項１２】
請求項１１に記載のロボット関節機構であって、
前記減速機構は、内周面に歯部が形成されたサーキュラスプラインと、外周面に前記サーキュラスプラインの歯部と噛合する歯部が形成されたフレクスプラインとを有する波動歯車装置であり、
前記環状バネの前記内周部に前記サーキュラスプラインの歯部が設けられていることを特徴とするロボット関節機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内周部及び外周部の一方に伝達された回転駆動力を他方に伝達する環状バネ、並びに、それを用いたトルク検出装置及びロボット関節機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、人間と同様に、胴体である基体と、基体の上部に設けられた頭部と、基体の上部左右両側から延設された左右の腕体と、腕体の先端部に設けられた手部と、基体の下部から下方に延設された左右の脚体と、脚体の先端部に取り付けられた足平部とを備えたロボットが知られている。この種のロボットは、人間の肩関節、肘関節、手首関節、股関節、膝関節、足首関節等の関節に相当する複数の関節機構において、腕体や脚体を屈伸運動させることができるようになっている。
【０００３】
そのような屈伸運動を可能とするために用いられる関節機構としては、アクチュエータ等の駆動源と、減速機構から駆動力が伝達される環状バネと、環状バネから駆動力が伝達され、ロボットの各部を屈伸運動させるリンク機構とを備えたものがある。
【０００４】
環状バネとしては、環状の外周部と、外周部の内周側に配置された環状の内周部と、外周部と内周部との間に配置された弾性部とを有するものがある。そのような環状バネの弾性部としては、外周部と内周部とが相対回転して荷重が加えられたときに曲げ応力が生じる片持ちはり状のものや、ねじり応力が生じるトーションバー状のものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
このようにして構成されている関節機構では、屈伸させる腕体や脚体が障害物等に接触又は衝突した際の衝撃を環状バネの弾性部で吸収することによって、関節機構を保護している。また、そのような関節機構では、環状バネの構成部の変形度合を測定して、その検出値に基づいて伝達されている回転駆動力（トルク）を算出することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４８０１５３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来の環状バネは、荷重が加わったときに曲げ応力やねじり応力が生じるものを弾性部として用いている。そのため、外周部と内周部との相対回転方向の変位量の大きさを衝撃を吸収するために十分な値にしようとする場合には、軸方向の長さや半径を大きくしなければならず、小型化や軽量化が難しいという問題があった。
【０００８】
本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、衝撃を吸収しやすく、小型・軽量な環状バネ、並びに、それを用いたトルク検出装置及びロボット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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の環状バネは、環状の外周部と、外周部の内周側に配置された環状の内周部と、外周部と内周部との間に配置された弾性部とを備えた環状バネであって、弾性部は、一端が内周部の外周面に結合され、他端が外周部の内周面に結合された第１弾性部と、一端が内周部の外周面に結合され、他端が外周部の内周面に結合され、内周部の中心点及び内周部と第１弾性部との結合点を通る線で第１弾性部と線対称になる第２弾性部とで構成され、外周部又は内周部の一方が他方に対して相対回転する際に、第１弾性部及び第２弾性部は、その第１弾性部及びその第２弾性部のいずれか一方が圧縮し、他方が伸長するように弾性変形し、第１弾性部と外周部との結合点、第２弾性部と外周部との結合点、及び、第１弾性部と第２弾性部と内周部との結合点を通る直線が、その第１弾性部とその内周部との結合点におけるその内周部の外周面の接線に沿って延びていることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、環状バネの弾性部を構成する第１弾性部及び第２弾性部は、外周部材と内周部材とが相対回転して荷重が加えられると、圧縮応力又は引張応力を生じる。本発明の環状バネは、このような弾性部を備えているので、荷重が加えられた際に曲げ応力やねじり応力が生じる従来の弾性部に比べて、外周部と内周部との相対回転方向の変位量を大きくすることができ、衝撃を吸収しやすい。また、本発明の環状バネは、そのように変位量を大きくしても、従来の環状バネに比べて、軸方向の長さや半径が大きくならず、重量も大きくならない。
【００１１】
また、第１弾性部と第２弾性部とは、線対称となるように配置されている。そして、それらは同一方向の力が加えられた際に逆方向に圧縮・伸長するので、各々に加えられる引張荷重と圧縮荷重とは、弾性部全体として内周部の中心点で点対称になる。そのため、本発明の環状バネは、外周部の中心と内周部の中心との偏差が生じにくく、変形のヒステリシスも生じにくいので、歪みセンサ等を用いてセンシングを行った際には、センシングの信頼性が高いものになる。
また、第１弾性部と第２弾性部とが内周部の外周面の接線に沿うように延びていると、弾性部において衝撃を吸収しやすくなる。
【００１２】
また、本発明の環状バネにおいては、外周部又は内周部は、弾性部と結合する結合部を有し、弾性部と外周部又は内周部とが一体的に形成され、結合部の、弾性部と外周部の内周面又は内周部の外周面とに挟まれた部分は、その弾性部とその外周部又はその内周部との結合点側に向かって弧状に凹んだ形状となっていることが好ましい。
【００１３】
このように、弾性部と外周部の内周面又は内周部の外周面とに挟まれた部分を弧状にすれば、環状バネに荷重が加わった際にその結合部分に加わる力が分散され、許容負荷が上がる。すなわち、その部分における破損が生じにくくなるので、環状バネの寿命を長くし、小型化・軽量化することができる。
【００１４】
また、本発明の環状バネにおいては、弾性部を偶数個備えていることが好ましい。
【００１５】
このように複数の弾性部（すなわち、複数組の第１弾性部及び第２弾性部）を備えていれば、環状バネに荷重が加えられた際に、各々の弾性部においてその弾性部の第１弾性部と第２弾性部とでその荷重をキャンセルするだけではなく、弾性部同士でもその荷重をキャンセルできるようになるので、許容負荷が上がる。さらに、弾性部を偶数個設けた場合には、第１弾性部の数と第２弾性部の数とが、環状バネ全体で同一になるので、弾性部に加えられる引張荷重と圧縮荷重のバランスが良くなり、中心の偏差も生じにくくなる。
【００１８】
また、本発明の環状バネにおいては、環状の外周部と、外周部の内周側に配置された環状の内周部と、外周部と内周部との間に配置された弾性部とを備えた環状バネであって、弾性部は、一端が内周部の外周面に結合され、他端が外周部の内周面に結合された第１弾性部と、一端が内周部の外周面に結合され、他端が外周部の内周面に結合され、内周部の中心点及び内周部と第１弾性部との結合点を通る線で第１弾性部と線対称になる第２弾性部とで構成され、外周部又は内周部の一方が他方に対して相対回転する際に、第１弾性部及び第２弾性部は、その第１弾性部及びその第２弾性部のいずれか一方が圧縮し、他方が伸長するように弾性変形し、内周部を第１内周部とし、その内周部と外周部との間に配置された弾性部を外周側弾性部とし、第１内周部の内周側に配置された環状の第２内周部と、第１内周部と第２内周部との間に配置された内周側弾性部とを備え、内周側弾性部は、一端が第２内周部の外周面に結合され、他端が第１内周部の内周面に結合された第１弾性部と、一端が第２内周部の外周面に結合され、他端が第１内周部の内周面に結合され、第２内周部の中心点及び第２内周部と第１弾性部との結合点を通る線で第１弾性部と線対称になる第２弾性部とで構成され、第１内周部又は第２内周部の一方が他方に対して相対回転する際に、第１弾性部及び第２弾性部は、その第１弾性部及びその第２弾性部のいずれか一方が圧縮し、他方が伸長するように弾性変形することを特徴とする。
【００１９】
さらに、本発明の環状バネにおいては、第１内周部及び第２内周部を備えた多段構造にした場合には、第１内周部は、筒状の部材であり、外周部と第２内周部とは、軸方向にずれた位置に設けられているように構成してもよい。
【００２０】
また、本発明の環状バネにおいては、環状の外周部と、外周部の内周側に配置された環状の内周部と、外周部と内周部との間に配置された弾性部とを備えた環状バネであって、弾性部は、一端が内周部の外周面に結合され、他端が外周部の内周面に結合された第１弾性部と、一端が内周部の外周面に結合され、他端が外周部の内周面に結合され、内周部の中心点及び内周部と第１弾性部との結合点を通る線で第１弾性部と線対称になる第２弾性部とで構成され、外周部又は内周部の一方が他方に対して相対回転する際に、第１弾性部及び第２弾性部は、その第１弾性部及びその第２弾性部のいずれか一方が圧縮し、他方が伸長するように弾性変形し、内周部は、筒状の部材であり、内周部の外周側に、軸方向にずれた位置に配置された複数の外周部を有し、内周部と各々の外周部との間に、それぞれ弾性部が設けられていることを特徴とする。
【００２１】
上記目的を達成するために、本発明のトルク検出装置は、上記いずれかの環状バネと、外周部、内周部、弾性部、又は、筒状の内周部の内周面若しくは外周面に貼り付けられ、歪み量を検出するセンサとを備えたことを特徴とする。
【００２２】
このように構成された本発明のトルク検出装置は、従来の環状バネを用いたトルク検出装置に比べて、小型・軽量なものになる。また、環状バネが小型であっても、上記の位置であればセンサを配置するためのスペースが十分に確保することができるので、センサを配置するためのスペースを別途設ける必要がなく、装置が大型化することもない。さらに、上記の位置における環状バネの変位量は、歪み量を検出するために十分な大きさであるので、精度良く歪み量を検出でき、ひいては、精度良くトルクを算出できる。
【００２３】
上記目的を達成するために、本発明のロボット関節機構は、上記いずれかの環状バネと、駆動源と、環状バネの外周部又は内周部に駆動源からの駆動力を減速して伝達する減速機構とを備えることを特徴とする。
【００２４】
このように構成された本発明のロボット関節機構は、従来の環状バネを用いたロボット関節機構に比べて、小型・軽量であり、かつ、衝撃を吸収しやすいものになる。
【００２５】
また、本発明のロボット関節機構としては、減速機構は、内周面に歯部が形成されたサーキュラスプラインと、外周面にサーキュラスプラインの歯部と噛合する歯部が形成されたフレクスプラインとを有する波動歯車装置であり、環状バネの内周部にサーキュラスプラインの歯部が設けられているように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る環状バネの平面図。
【図２】本発明の第２実施形態に係る環状バネの斜視図。
【図３】図２の環状バネの平面図。
【図４】図２の環状バネを２つ軸方向に重ねて連結した場合を示す側面図。
【図５】本発明の第３実施形態に係る環状バネの斜視図。
【図６】図５の環状バネの平面図。
【図７】本発明の第４実施形態に係る環状バネの斜視図。
【図８】図７の環状バネの正面図。
【図９】図７の環状バネの背面図。
【図１０】本発明の第５実施形態に係るトルク検出装置及びロボット関節機構を備えたロボットの構成を示す模式図。
【図１１】図１０のロボットの腕体に内蔵された関節機構の構成を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
［第１実施形態］
図１に示すように、第１実施形態の環状バネ１０は、環状の外周部１１と、外周部１１の内周側に配置された環状の内周部１２と、外周部１１と内周部１２との間に配置された弾性部１３とを備えている。環状バネ１０は、金属材料により形成されており、各部が一体的に構成されている。
【００２８】
内周部１２は、外周面側に径方向外側に延びる内周側結合部１４を有し、内周側結合部１４の外周部１１側の端部で弾性部１３と結合している。外周部１１は、内周面側に径方向内側に延びる外周側結合部１５を有し、外周側結合部１５の内周部１２側の端部で弾性部１３と結合している。
【００２９】
外周部１１及び内周部１２には、軸方向に貫通する孔１１ａ，１２ａが複数設けられている。これらの孔１１ａ，１２ａは、環状バネ１０の外周部１１又は内周部１２を駆動源等にボルト等によって固定する際にも用い得るようになっている。また、これらの孔１１ａ，１２ａは、肉抜きによる軽量化という効果も奏する。
【００３０】
弾性部１３は、第１弾性部１３ａと、その第１弾性部１３ａに対応する第２弾性部１３ｂとを６組備えている。そのため、環状バネ１０では、環状バネ１０に荷重が加えられた際に、各々の弾性部１３において第１弾性部１３ａと第２弾性部１３ｂとでその荷重をキャンセルするだけではなく、弾性部１３同士でもその荷重をキャンセルできる。さらに、第１弾性部１３ａの数と第２弾性部１３ｂの数とが、環状バネ１０全体で同一になっているので、弾性部１３に加えられる引張荷重と圧縮荷重とのバランスが良く、中心の偏差が生じにくくなっている。
【００３１】
弾性部１３の第１弾性部１３ａは、板状であり、一端が内周部１２の外周面の内周側結合部１４に結合され、他端が外周部１１の内周面の外周側結合部１５に結合されている。第１弾性部１３ａと外周部１１とは、内周部１２の中心点Ｐ１及び内周部１２の内周側結合部１４と第１弾性部１３ａとの結合点Ｐ２を通る線からずれた位置にある結合点Ｐ３で結合されている。
【００３２】
弾性部１３の第２弾性部１３ｂは、板状であり、一端が内周部１２の外周面の内周側結合部１４に結合され、他端が外周部１１の内周面の外周側結合部１５に結合されている。この第２弾性部１３ｂは、内周部１２の中心点Ｐ１及び内周部１２の内周側結合部１４と第１弾性部１３ａとの結合点Ｐ２を通る線で第１弾性部１３ａと線対称になっている。
【００３３】
このように構成された弾性部１３では、外周部１１又は内周部１２の一方が他方に対して相対回転する際に、第１弾性部１３ａ及び第２弾性部１３ｂは、一方が圧縮し、他方が伸長するように弾性変形する。
【００３４】
また、第１弾性部１３ａと第２弾性部１３ｂとは、線対称となるように配置されている。そのため、荷重が加えられた際に、各々に加えられる引張荷重と圧縮荷重とは、弾性部１３全体として中心点Ｐ１で軸対称になる。
【００３５】
また、第１弾性部１３ａと外周部１１との結合点Ｐ３、第２弾性部１３ｂと外周部１１との結合点（すなわち、隣接する弾性部１３の第１弾性部１３ａと外周部１１との結合点）、及び、第１弾性部１３ａと第２弾性部１３ｂと内周部１２との結合点Ｐ２を通る直線が、その第１弾性部１３ａとその内周部１２との結合点Ｐ２におけるその内周部１２の外周面の接線に沿って延びている。
【００３６】
すなわち、第１弾性部１３ａと第２弾性部１３ｂとが内周部１２の外周面の接線に沿うように延びている。そのため、弾性部１３に加えられた荷重は、第１弾性部１３ａと第２弾性部１３ｂとによって、効率よくキャンセルされる。
【００３７】
内周側結合部１４の、内周部１２と弾性部１３とに挟まれた側面部１４ａは、結合点Ｐ２に向かって弧状に凹んだ形状となっている。外周側結合部１５の、外周部１１と弾性部１３とに挟まれた側面部１５ａは、結合点Ｐ３に向かって弧状に凹んだ形状となっている。
【００３８】
このように構成された内周側結合部１４及び外周側結合部１５では、荷重が加えられたときに側面部１４ａ，１５ａに加わる力が一点に集中することがないので、その部分における破損が生じにくい。
【００３９】
上記のように構成された本実施形態の環状バネ１０は、外周部１１と内周部１２との相対回転方向の変位量を大きくしても、弾性部１３として曲げ応力やねじり応力が生じるものを用いた場合に比べて、軸方向の長さや半径を小さくすることができ、重量も軽減することができる。また、中心の偏差が生じにくく、ヒステリシスも生じにくいので、歪みセンサ等を用いてセンシングを行った際には、その信頼性が高いものになる。
【００４０】
［第２実施形態］
図２に示すように、第２実施形態の環状バネ２０は、環状の外周部２１と、外周部２１の内周側に配置された内周部２２と、外周部２１と内周部２２との間に配置された弾性部２３とを備えている。環状バネ２０は、金属材料により形成されており、各部が一体的に構成されている。
【００４１】
内周部２２は、外周部２１の内側に位置する環状の第１環状部２２ａと、端面が第１環状部２２ａに接続された筒状部２２ｂと、筒状部２２ｂの第１環状部２２ａが接続された端面とは反対側の端面に接続された第２環状部２２ｃとを有している。
【００４２】
内周部２２は、第１環状部２２ａの外周面側に径方向外側に延びる内周側結合部２４を有し、内周側結合部２４の外周部２１側の端部で弾性部２３と結合している。外周部２１は、内周面側に径方向内側に延びる外周側結合部２５を有し、外周側結合部２５の内周部２２側の端部で弾性部２３と結合している。
【００４３】
外周部２１及び内周部２２の第２環状部２２ｃには、軸方向に貫通する孔２１ａ，２２ｄが複数設けられている。これらの孔２１ａ，２２ｄは、環状バネ２０の外周部２１又は内周部２２を駆動源等にボルト等によって固定する際にも用い得るようになっている。また、これらの孔２１ａ，２２ｄは、肉抜きによる軽量化という効果も奏する。
【００４４】
図３に示すように、弾性部２３は、第１弾性部２３ａと、その第１弾性部２３ａに対応する第２弾性部２３ｂとを６組備えている。そのため、環状バネ２０では、環状バネ２０に荷重が加えられた際に、各々の弾性部２３において第１弾性部２３ａと第２弾性部２３ｂとでその荷重をキャンセルするだけではなく、弾性部２３同士でもその荷重をキャンセルできる。さらに、第１弾性部２３ａの数と第２弾性部２３ｂの数とが、環状バネ２０全体で同一になっているので、弾性部２３に加えられる引張荷重と圧縮荷重とのバランスが良く、中心の偏差が生じにくくなっている。
【００４５】
弾性部２３の第１弾性部２３ａは、板状であり、一端が内周部２２の第１環状部２２ａの外周面の内周側結合部２４に結合され、他端が外周部２１の内周面の外周側結合部２５に結合されている。第１弾性部２３ａと外周部２１とは、内周部２２の中心点Ｐ１及び内周部２２の第１環状部２２ａの内周側結合部２４と第１弾性部２３ａとの結合点Ｐ２を通る線からずれた位置にある結合点Ｐ３で結合されている。
【００４６】
弾性部２３の第２弾性部２３ｂは、板状であり、一端が内周部２２の第１環状部２２ａの外周面の内周側結合部２４に結合され、他端が外周部２１の内周面の外周側結合部２５に結合されている。この第２弾性部２３ｂは、内周部２２の中心点Ｐ１及び内周部２２の第１環状部２２ａの内周側結合部２４と第１弾性部２３ａとの結合点Ｐ２を通る線で第１弾性部２３ａと線対称になっている。
【００４７】
このように構成された弾性部２３では、外周部２１又は内周部２２の第１環状部２２ａの一方が他方に対して相対回転する際に、第１弾性部２３ａ及び第２弾性部２３ｂは、一方が圧縮し、他方が伸長するように弾性変形する。
【００４８】
また、第１弾性部２３ａと第２弾性部２３ｂとは、線対称となるように配置されている。そのため、荷重が加えられた際に、各々に加えられる引張荷重と圧縮荷重とは、弾性部２３全体として中心点Ｐ１で軸対称になる。
【００４９】
また、第１弾性部２３ａと外周部２１との結合点Ｐ３、第２弾性部２３ｂと外周部２１との結合点（すなわち、隣接する弾性部２３の第１弾性部２３ａと外周部２１との結合点）、及び、第１弾性部２３ａと第２弾性部２３ｂと内周部２２との結合点Ｐ２を通る直線が、その第１弾性部２３ａとその内周部２２との結合点Ｐ２におけるその内周部２２の外周面の接線に沿って延びている。
【００５０】
すなわち、第１弾性部２３ａと第２弾性部２３ｂとが内周部２２の外周面の接線に沿うように延びている。そのため、弾性部２３に加えられた荷重は、第１弾性部２３ａと第２弾性部２３ｂとによって、効率よくキャンセルされる。
【００５１】
内周側結合部２４の、内周部２２の第１環状部２２ａと弾性部２３とに挟まれた側面部２４ａは、結合点Ｐ２に向かって弧状に凹んだ形状となっている。外周側結合部２５の、外周部２１と弾性部２３とに挟まれた側面部２５ａは、結合点Ｐ３に向かって弧状に凹んだ形状となっている。
【００５２】
このように構成された内周側結合部２４及び外周側結合部２５では、荷重が加えられたときに側面部２４ａ，２５ａに加わる力が一点に集中することがないので、その部分における破損が生じにくい。
【００５３】
上記のように構成された本実施形態の環状バネ２０は、第１実施形態の環状バネ１０と同様に、弾性部として曲げ応力やねじり応力が生じるものを用いた場合に比べて、軸方向の長さや半径を小さくすることができ、重量も軽減することができる。また、中心の偏差が生じにくく、ヒステリシスも生じにくいので、歪みセンサ等を用いてセンシングを行った際には、その信頼性が高いものになる。
【００５４】
また、本実施形態の環状バネ２０は、内周部２２の筒状部２２ｂをトーションバーとして構成し得る。また、筒状部２２ｂは、周面部分に弾性部や弾性部と結合するための結合部が設けられていないので、歪みセンサ等を容易に貼り付けることができる。
【００５５】
また、図４に示すように、環状バネ２０を複数連結する場合には、外周部２１を対向するように配置して、環状の連結部材２６を外周部２１の外周面に嵌合するようにして連結することが好ましい。なお、図４においては、連結部材２６は断面のみを示している。このように連結すれば、単体で使用する場合よりも、さらに変位量を大きくすることができる。
【００５６】
また、環状バネ２０に歪み量を検出するためのセンサＳを貼り付ける場合には、内周部２２の筒状部２２ｂの外周面であって、第１環状部２２ａと第２環状部２２ｃとの略中間となる位置で、周方向に等間隔になるように複数のセンサを貼り付けることが好ましい。さらに、その位置は、隣接する内周側結合部２４の略中間となる位置であることが好ましい。この位置は環状バネ２０に荷重が加わった際に大きく撓みやすい位置であるので、精度良く歪み量を検出できるためである。
【００５７】
［第３実施形態］
図５に示すように、第３実施形態の環状バネ３０は、環状の外周部３１と、外周部３１の内周側に配置された第１内周部３２と、第１内周部３２の内周側に配置された環状の第２内周部３３と、外周部３１と第１内周部３２との間に配置された外周側弾性部３４と、第１内周部３２と第２内周部３３との間に配置された内周側弾性部３５を備えている。環状バネ３０は、金属材料により形成されており、各部が一体的に構成されている。
【００５８】
第１内周部３２は、外周部３１の内側に位置する環状の第１環状部３２ａと、端面が第１環状部３２ａに接続された筒状部３２ｂと、筒状部３２ｂの第１環状部３２ａが接続された端面とは反対側の端面に接続された第２環状部３２ｃとを有している。
【００５９】
第１内周部３２は、第１環状部３２ａの外周面側に径方向外側に延びる第１内周側結合部３６を有し、第１内周側結合部３６の外周部３１側の端部で外周側弾性部３４と結合している。外周部３１は、内周面側に径方向内側に延びる第１外周側結合部３７を有し、第１外周側結合部３７の第１内周部３２側の端部で外周側弾性部３４と結合している。
【００６０】
また、第２内周部３３は、外周面側に径方向外側に延びる第２内周側結合部３８を有し、第２内周側結合部３８の第１内周部３２側の端部で内周側弾性部３５と結合している。第１内周部３２は、第２環状部３２ｃの内周面側に径方向内側に延びる第２外周側結合部３９を有し、第２外周側結合部３９の第２内周部３３側の端部で内周側弾性部３５と結合している。
【００６１】
外周部３１及び第２内周部３３には、軸方向に貫通する孔３１ａ，３３ａが複数設けられている。これらの孔３１ａ，３３ａは、環状バネ３０の外周部３１又は第２内周部３３を駆動源等にボルト等によって固定する際にも用い得るようになっている。また、これらの孔３１ａ，３３ａは、肉抜きによる軽量化という効果も奏する。
【００６２】
図６に示すように、外周側弾性部３４は、第１弾性部３４ａと、その第１弾性部３４ａに対応する第２弾性部３４ｂとを６組備えている。そのため、外周部３１と第１内周部３２との間では、いずれかに荷重が加えられた際に、各々の外周側弾性部３４において第１弾性部３４ａと第２弾性部３４ｂとでその荷重をキャンセルするだけではなく、外周側弾性部３４同士でもその荷重をキャンセルできる。さらに、第１弾性部３４ａの数と第２弾性部３４ｂの数とが、外周部３１と第１内周部３２との間で同一になっているので、外周側弾性部３４に加えられる引張荷重と圧縮荷重とのバランスが良く、中心の偏差が生じにくくなっている。
【００６３】
外周側弾性部３４の第１弾性部３４ａは、板状であり、一端が第１内周部３２の第１環状部３２ａの外周面の第１内周側結合部３６に結合され、他端が外周部３１の内周面の第１外周側結合部３７に結合されている。第１弾性部３４ａと外周部３１とは、第１内周部３２の中心点Ｐ１及び第１内周部３２の第１環状部３２ａの第１内周側結合部３６と第１弾性部３４ａとの結合点Ｐ２を通る線からずれた位置にある結合点Ｐ３で結合されている。
【００６４】
外周側弾性部３４の第２弾性部３４ｂは、板状であり、一端が第１内周部３２の第１環状部３２ａの外周面の第１内周側結合部３６に結合され、他端が外周部３１の内周面の第１外周側結合部３７に結合されている。この第２弾性部３４ｂは、第１内周部３２の中心点Ｐ１及び第１内周部３２の第１環状部３２ａの第１内周側結合部３６と第１弾性部３４ａとの結合点Ｐ２を通る線で第１弾性部３４ａと線対称になっている。
【００６５】
このように構成された外周側弾性部３４では、外周部３１又は第１内周部３２の第１環状部３２ａの一方が他方に対して相対回転する際に、第１弾性部３４ａ及び第２弾性部３４ｂは、一方が圧縮し、他方が伸長するように弾性変形する。
【００６６】
また、第１弾性部３４ａと第２弾性部３４ｂとは、線対称となるように配置されている。そのため、荷重が加えられた際、各々に加えられる引張荷重と圧縮荷重とは、外周側弾性部３４全体として中心点Ｐ１で軸対称になる。
【００６７】
また、第１弾性部３４ａと外周部３１との結合点Ｐ３、第２弾性部３４ｂと外周部３１との結合点（すなわち、隣接する外周側弾性部３４の第１弾性部３４ａと外周部３１との結合点）、及び、第１弾性部３４ａと第２弾性部３４ｂと第１内周部３２との結合点Ｐ２を通る直線が、その第１弾性部３４ａとその第１内周部３２との結合点Ｐ２におけるその第１内周部３２の外周面の接線に沿って延びている。
【００６８】
すなわち、第１弾性部３４ａと第２弾性部３４ｂとが第１内周部３２の外周面の接線に沿うように延びている。そのため、外周側弾性部３４に加えられた荷重は、第１弾性部３４ａと第２弾性部３４ｂとによって、効率よくキャンセルされる。
【００６９】
内周側弾性部３５は、第１弾性部３５ａと、その第１弾性部３５ａに対応する第２弾性部３５ｂとを６組備えている。そのため、第１内周部３２と第２内周部３３の間では、いずれかに荷重が加えられた際に、各々の内周側弾性部３５において第１弾性部３５ａと第２弾性部３５ｂとでその荷重をキャンセルするだけではなく、内周側弾性部３５同士でもその荷重をキャンセルできる。さらに、第１弾性部３５ａの数と第２弾性部３５ｂの数とが、第１内周部３２と第２内周部３３との間で同一になっているので、内周側弾性部３５に加えられる引張荷重と圧縮荷重とのバランスが良く、中心の偏差が生じにくくなっている。
【００７０】
内周側弾性部３５の第１弾性部３５ａは、板状であり、一端が第２内周部３３の外周面の第２内周側結合部３８に結合され、他端が第１内周部３２の第２環状部３２ｃの内周面の第２外周側結合部３９に結合されている。第１弾性部３５ａと第１内周部３２とは、第２内周部３３の中心点Ｐ１及び第２内周部３３の第２内周側結合部３８と第１弾性部３５ａとの結合点Ｐ４を通る線からずれた位置にある結合点Ｐ５で結合されている。
【００７１】
内周側弾性部３５の第２弾性部３５ｂは、板状であり、一端が第２内周部３３の外周面の第２内周側結合部３８に結合され、他端が第１内周部３２の第２環状部３２ｃの内周面の第２外周側結合部３９に結合されている。この第２弾性部３５ｂは、第２内周部３３の中心点Ｐ１及び第２内周部３３の第２内周側結合部３８と第１弾性部３５ａとの結合点Ｐ４を通る線で第１弾性部３５ａと線対称になっている。
【００７２】
このように構成された内周側弾性部３５では、第１内周部３２の第２環状部３２ｃ又は第２内周部３３の一方が他方に対して相対回転する際に、第１弾性部３５ａ及び第２弾性部３５ｂは、一方が圧縮し、他方が伸長するように弾性変形する。
【００７３】
また、第１弾性部３５ａと第２弾性部３５ｂとは、線対称となるように配置されている。そのため、荷重が加えられた際、各々に加えられる引張荷重と圧縮荷重とは、内周側弾性部３５全体として中心点Ｐ１で軸対称になる。
【００７４】
すなわち、環状バネ３０は、外周部３１と、第１内周部３２の第１環状部３２ａと、外周側弾性部３４とによって構成された環状バネを、第１内周部３２の第２環状部３２ｃと第２内周部３３と、内周側弾性部３５とによって構成された環状バネの外周側に配置して構成した多段構造となっている。
【００７５】
また、第１弾性部３５ａと第１内周部３２との結合点Ｐ５、第２弾性部３５ｂと第１内周部３２との結合点（すなわち、隣接する内周側弾性部３５の第１弾性部３５ａと第１内周部３２との結合点）、及び、第１弾性部３５ａと第２弾性部３５ｂと第２内周部３３との結合点Ｐ５を通る直線が、その第１弾性部３５ａとその第２内周部３３との結合点Ｐ２におけるその第２内周部３３の外周面の接線に沿って延びている。
【００７６】
すなわち、第１弾性部３５ａと第２弾性部３５ｂとが第２内周部３３の外周面の接線に沿うように延びている。そのため、内周側弾性部３５に加えられた荷重は、第１弾性部３５ａと第２弾性部３５ｂとによって、効率よくキャンセルされる。
【００７７】
第１内周側結合部３６の、第１内周部３２の第１環状部３２ａと外周側弾性部３４とに挟まれた側面部３６ａは、結合点Ｐ２に向かって弧状に凹んだ形状となっている。第１外周側結合部３７の、外周部３１と外周側弾性部３４とに挟まれた側面部３７ａは、結合点Ｐ３に向かって弧状に凹んだ形状となっている。
【００７８】
第２内周側結合部３８の、第２内周部３３と内周側弾性部３５とに挟まれた側面部３８ａは、結合点Ｐ４に向かって弧状に凹んだ形状となっている。第２外周側結合部３９の、第１内周部３２の第２環状部３２ｃと内周側弾性部３５とに挟まれた側面部３９ａは、結合点Ｐ５に向かって弧状に凹んだ形状となっている。
【００７９】
このように構成された第１内周側結合部３６、第１外周側結合部３７、第２内周側結合部３８及び第２外周側結合部３９では、荷重が加えられたときに側面部３６ａ，３７ａ，３８ａ，３９ａに加わる力が一点に集中することがないので、その部分における破損が生じにくい。
【００８０】
上記のように構成された本実施形態の環状バネ３０は、第１実施形態の環状バネ１０及び第２実施形態の環状バネ２０と同様に、弾性部として曲げ応力やねじり応力が生じるものを用いた場合に比べて、軸方向の長さや半径を小さくすることができ、重量も軽減することができる。また、中心の偏差が生じにくく、ヒステリシスも生じにくいので、歪みセンサ等を用いてセンシングを行った際には、その信頼性が高いものになる。
【００８１】
また、本実施形態の環状バネ３０は、第２実施形態の環状バネ２０と同様に、第１内周部３２の筒状部３２ｂをトーションバーとして構成し得る。また、筒状部３２ｂは、周面部分に弾性部や弾性部と結合するための結合部が設けられていないので、歪みセンサ等を容易に貼り付けることができる。
【００８２】
さらに、本実施形態の環状バネ３０は、２つの環状バネからなる多段構造になっているので、第１実施形態の環状バネ１０や第２実施形態の環状バネ２０よりも、大きく変位させることができるので、衝撃を吸収しやすい。
【００８３】
なお、本実施形態においては、第１内周部３２の筒状部３２ｂを介して、２つの環状バネを軸方向にずれた位置に形成している。しかし、第１内周部を単一の環状の部材とするとともに外周部の内側に位置させて、２つの環状バネを同一平面上に形成するようにしてもよい。
【００８４】
また、環状バネ３０に歪み量を検出するためのセンサＳを貼り付ける場合には、第１内周部３２の筒状部３２ｂの外周面であって、第１環状部３２ａと第２環状部３２ｃとの略中間となる位置で、周方向に等間隔になるように複数のセンサを貼り付けることが好ましい。さらに、その位置は、隣接する第１内周側結合部３６の略中間となる位置であることが好ましい。この位置は環状バネ３０に荷重が加わった際に大きく撓みやすい位置であるので、精度良く歪み量を検出できるためである。
【００８５】
［第４実施形態］
図７に示すように、第４実施形態の環状バネ４０は、環状の一端側外周部４１と、一端側外周部４１の内周側に一端部が配置された筒状の内周部４２と、内周部４２の他端部が内周側に配置された環状の他端側外周部４３と、一端側外周部４１と内周部４２との間に配置された一端側弾性部４４と、他端側外周部４３と内周部４２との間に配置された他端側弾性部４５を備えている。環状バネ４０は、金属材料により形成されており、各部が一体的に構成されている。
【００８６】
内周部４２は、一端部の外周面側に径方向外側に延びる第１内周側結合部４６を有し、第１内周側結合部４６の一端側外周部４１側の端部で一端側弾性部４４と結合している。一端側外周部４１は、内周面側に径方向内側に延びる第１外周側結合部４７を有し、第１外周側結合部４７の内周部４２側の端部で一端側弾性部４４と結合している。
【００８７】
また、内周部４２は、他端部の外周面側に径方向外側に延びる第２内周側結合部４８を有し、第２内周側結合部４８の他端側外周部４３側の端部で他端側弾性部４５と結合している。他端側外周部４３は、内周面側に径方向内側に延びる第２外周側結合部４９を有し、第２外周側結合部４９の内周部４２側の端部で他端側弾性部４５と結合している。
【００８８】
一端側外周部４１及び他端側外周部４３には、軸方向に貫通する孔４１ａ，４３ａが複数設けられている。これらの孔４１ａ，４３ａは、環状バネ４０の一端側外周部４１又は他端側外周部４３を駆動源等にボルト等によって固定する際にも用い得るようになっている。また、これらの孔４１ａ，４３ａは、肉抜きによる軽量化という効果も奏する。
【００８９】
図８に示すように、一端側弾性部４４は、第１弾性部４４ａと、その第１弾性部４４ａに対応する第２弾性部４４ｂとを６組備えている。そのため、一端側外周部４１と内周部４２の間では、いずれかに荷重が加えられた際に、各々の一端側弾性部４４において第１弾性部４４ａと第２弾性部４４ｂとでその荷重をキャンセルするだけではなく、一端側弾性部４４同士でもその荷重をキャンセルできる。さらに、第１弾性部４４ａの数と第２弾性部４４ｂの数とが、一端側外周部４１と内周部４２の間で同一になっているので、一端側弾性部４４に加えられる引張荷重と圧縮荷重とのバランスが良く、中心の偏差が生じにくくなっている。
【００９０】
一端側弾性部４４の第１弾性部４４ａは、板状であり、一端が内周部４２の一端部の外周面の第１内周側結合部４６に結合され、他端が一端側外周部４１の内周面の第１外周側結合部４７に結合されている。第１弾性部４４ａと一端側外周部４１とは、内周部４２の中心点Ｐ１及び内周部４２の一端部の第１内周側結合部４６と第１弾性部４４ａとの結合点Ｐ２を通る線からずれた位置にある結合点Ｐ３で結合されている。
【００９１】
一端側弾性部４４の第２弾性部４４ｂは、板状であり、一端が内周部４２の一端部の外周面の第１内周側結合部４６に結合され、他端が一端側外周部４１の内周面の第１外周側結合部４７に結合されている。この第２弾性部４４ｂは、内周部４２の中心点Ｐ１及び内周部４２の一端部の第１内周側結合部４６と第１弾性部４４ａとの結合点Ｐ２を通る線で第１弾性部４４ａと線対称になっている。
【００９２】
このように構成された一端側弾性部４４では、一端側外周部４１又は内周部４２の一端部の一方が他方に対して相対回転する際に、第１弾性部４４ａ及び第２弾性部４４ｂは、一方が圧縮し、他方が伸長するように弾性変形する。
【００９３】
また、第１弾性部４４ａと第２弾性部４４ｂとは、線対称となるように配置されている。そのため、荷重が加えられた際、各々に加えられる引張荷重と圧縮荷重とは、一端側弾性部４４全体として中心点Ｐ１で軸対称になる。
【００９４】
図９に示すように、他端側弾性部４５は、第１弾性部４５ａと、その第１弾性部４５ａに対応する第２弾性部４５ｂとを６組備えている。そのため、他端側外周部４３と内周部４２の間では、いずれかに荷重が加えられた際に、各々の他端側弾性部４５において第１弾性部４５ａと第２弾性部４５ｂとでその荷重をキャンセルするだけではなく、他端側弾性部４５同士でもその荷重をキャンセルできる。さらに、第１弾性部４５ａの数と第２弾性部４５ｂの数とが、他端側外周部４３と内周部４２の間で同一になっているので、他端側弾性部４５に加えられる引張荷重と圧縮荷重とのバランスが良く、中心の偏差が生じにくくなっている。
【００９５】
他端側弾性部４５の第１弾性部４５ａは、板状であり、一端が内周部４２の他端部の外周面の第２内周側結合部４８に結合され、他端が他端側外周部４３の内周面の第２外周側結合部４９に結合されている。第１弾性部４５ａと内周部４２とは、内周部４２の中心点Ｐ１及び内周部４２の他端部の第２内周側結合部４８と第１弾性部４５ａとの結合点Ｐ４を通る線からずれた位置にある結合点Ｐ５で結合されている。
【００９６】
他端側弾性部４５の第２弾性部４５ｂは、板状であり、一端が内周部４２の他端部の外周面の第２内周側結合部４８に結合され、他端が他端側外周部４３の内周面の第２外周側結合部４９に結合されている。この第２弾性部４５ｂは、内周部４２の中心点Ｐ１及び内周部４２の他端側の第２内周側結合部４８と第１弾性部４５ａとの結合点Ｐ４を通る線で第１弾性部４５ａと線対称になっている。
【００９７】
このように構成された他端側弾性部４５では、他端側外周部４３又は内周部４２の他端部の一方が他方に対して相対回転する際に、第１弾性部４５ａ及び第２弾性部４５ｂは、一方が圧縮し、他方が伸長するように弾性変形する。
【００９８】
また、第１弾性部４５ａと第２弾性部４５ｂとは、線対称となるように配置されている。そのため、荷重が加えられた際、各々に加えられる引張荷重と圧縮荷重とは、他端側弾性部４５全体として中心点Ｐ１で軸対称になる。
【００９９】
すなわち、環状バネ４０は、一端側外周部４１と、内周部４２の一端部と、一端側弾性部４４とによって構成された環状バネ、及び、他端側外周部４３と、内周部４２の他端部と、他端側弾性部４５とによって構成された環状バネとを軸方向に並べて構成した多層構造となっている。
【０１００】
第１内周側結合部４６の、内周部４２の一端側と一端側弾性部４４とに挟まれた側面部４６ａは、結合点Ｐ２に向かって弧状に凹んだ形状となっている。第１外周側結合部４７の、一端側外周部４１と一端側弾性部４４とに挟まれた側面部４７ａは、結合点Ｐ３に向かって弧状に凹んだ形状となっている。
【０１０１】
第２内周側結合部４８の、内周部４２の他端側と他端側弾性部４５とに挟まれた側面部４８ａは、結合点Ｐ４に向かって弧状に凹んだ形状となっている。第２外周側結合部４９の、他端側外周部４３と他端側弾性部４５とに挟まれた側面部４９ａは、結合点Ｐ５に向かって弧状に凹んだ形状となっている。
【０１０２】
このように構成された第１内周側結合部４６、第１外周側結合部４７、第２内周側結合部４８及び第２外周側結合部４９では、荷重が加えられたときに側面部４６ａ，４７ａ，４８ａ，４９ａに加わる力が一点に集中することがないので、その部分における破損が生じにくい。
【０１０３】
上記のように構成された本実施形態の環状バネ４０は、第１実施形態の環状バネ１０、第２実施形態の環状バネ２０及び第３実施形態の環状バネ３０と同様に、弾性部として曲げ応力やねじり応力が生じるものを用いた場合に比べて、軸方向の長さや半径を小さくすることができ、重量も軽減することができる。また、中心の偏差が生じにくく、ヒステリシスも生じにくいので、歪みセンサ等を用いてセンシングを行った際には、その信頼性が高いものになる。
【０１０４】
また、本実施形態の環状バネ４０は、第２実施形態の環状バネ２０及び第３実施形態の環状バネ３０と同様に、内周部４２をトーションバーとして構成し得る。また、内周部４２は、内周面に弾性部や弾性部と結合するための結合部が設けられていないので、歪みセンサ等を容易に貼り付けることができる。
【０１０５】
また、本実施形態の環状バネ４０は、２つの環状バネからなる多層構造になっているので、第１実施形態の環状バネ１０や第２実施形態の環状バネ２０よりも、大きく変位させることができるので、衝撃を吸収しやすい。
【０１０６】
さらに、本実施形態の環状バネ４０は、第３実施形態の環状バネ３０に比べて、内径を大きくする、又は、外径を小さくすることができる。
【０１０７】
なお、環状バネ４０に歪み量を検出するためのセンサＳを貼り付ける場合には、内周部４２の内周面であって、一端側外周部４１と他端側外周部４３との略中間となる位置で、周方向に等間隔になるように複数のセンサを貼り付けることが好ましい。さらに、その位置は、隣接する第１内周側結合部４６の略中間となる位置であることが好ましい。この位置は環状バネ４０に荷重が加わった際に大きく撓みやすい位置であるので、精度良く歪み量を検出できるためである。
【０１０８】
［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態として、第１〜第４実施形態の環状バネを用いたトルク検出装置及びロボット関節機構について説明する。本実施形態は、例えば、下記のようなロボットに用いられる。
【０１０９】
図１０に示すように、ロボットＲは、人間と同様に、胴体である基体５１と、基体５１の上部に設けられた頭部５２と、基体５１の上部左右両側から延設された左右の腕体５３と、腕体５３の先端部に設けられた手部５４と、基体５１の下部から下方に延設された左右の脚体５５と、脚体５５の先端部に取り付けられた足平部５６とを備えている。
【０１１０】
ロボットＲは、人間の肩関節、肘関節、手首関節、股関節、膝関節、足首関節等の関節に相当する複数の関節機構において、腕体や脚体を屈伸運動させることができるようになっている。
【０１１１】
図１１に示すように、ロボットＲの腕体５３に内蔵された関節機構は、腕体５３の前腕部の基体となるベースリンク５３ａと、ベースリンク５３ａと手部５４との間に配置され、手部５４を横振り又は縦振りさせるリンク機構５３ｂと、ベースリンク５３ａの内部に配置されたアクチュエータ５３ｃ（駆動源）と、ベースリンク５３ａの内部に配置され、アクチュエータ５３ｃからの駆動力を減速して伝達する左右一対の波動歯車装置５３ｄと、各々の波動歯車装置５３ｄから延びる駆動アーム５３ｅと、駆動アーム５３ｅとリンク機構５３ｂとに接続された一対のコネクティングロッド５３ｆとを備えている。
【０１１２】
このように構成された関節機構によって、ロボットＲの手部５４は、左右一対のコネクティングロッド５３ｆが、ベースリンク５３ａの長手方向に沿って、同一方向に移動した場合には縦振りさせられ、相対的に逆方向となるように移動した場合には横振りさせられる。
【０１１３】
波動歯車装置５３ｄは、内周面に歯部が形成されたサーキュラスプラインと、外周面にサーキュラスプラインの歯部と噛合する歯部が形成されたフレクスプラインとを有している。サーキュラスプラインの歯部は、上記実施形態において示した環状バネの内周部の内周面に設けられている。また、波動歯車装置５３ｄの駆動アーム５３ｅは、上記実施形態において示した環状バネの外周部に連結されている。
【０１１４】
そのため、アクチュエータ５３ｃから波動歯車装置５３ｄに伝達された駆動力は、環状バネを介して駆動アーム５３ｅに伝達され、コネクティングロッド５３ｆを移動させる。
【０１１５】
このように構成された関節機構は、従来の環状バネを用いたロボット関節機構に比べて、小型・軽量となっている。また、腕体５３や手部５４が障害物等にぶつかって衝撃を受けた場合には、環状バネがその衝撃を吸収する。
【０１１６】
また、波動歯車装置５３ｄに用いられている環状バネの外周部又は内周部には、その内周面又はその外周面の歪み量を検出するセンサが貼り付けられている。その外周部や内周部の変位量は、歪み量を検出するために十分な大きさであるので、その検出値に基づいて回転駆動力（トルク）を算出することによって、高精度なトルク検出が可能になっている。
【０１１７】
なお、センサは、環状バネの外周部又は内周部の他、弾性部に貼り付けるようにしてもよい。また、内周部が筒状の部材である場合には、その内周面又は外周面に貼り付けてもよい。
【０１１８】
以上、図示の実施形態について説明したが、本発明はこのような形態に限られるものではない。
【０１１９】
例えば、上記実施形態においては、環状バネの各部を一体的に構成しているが、各部を別体として構成し、溶接等によって結合するようにしてもよい。
【０１２０】
また、上記第１〜第４実施形態においては、弾性部と外周部及び内周部とが一体的に形成されているが、弾性部と外周部のみとを一体的に形成したり、弾性部と内周部のみとを一体的に形成したりしてもよい。
【０１２１】
また、上記第１〜第４実施形態においては、弾性部を板状の部材として形成しているが、弾性部は内周部と外周部との間の梁のようになる形状であればよく、例えば円柱状のものであってもよい。
【０１２２】
また、第３実施形態及び第４実施形態として、２つの環状バネを組み合わせた多段構造の環状バネ及び多層構造の環状バネを説明したが、本発明は、さらに多数の環状バネを組み合わせたものであってもよい。
【０１２３】
また、上記第５実施形態においては、ロボットＲの前腕部の関節機構及びトルク検出装置において、第１〜第４実施形態の環状バネを用いた場合について説明した。しかし、本発明の環状バネを用いたトルク検出装置やロボット関節機構は、手首部の関節機構にのみ用い得るものではなく、ロボットの他の部分の関節機構に適用してもよい。さらに、図示したような二足歩行ロボットの他、自動車等の駆動力伝達系や作業用ロボット等にも用いてもよい。
【０１２４】
また、上記第５実施形態においては、減速機構である波動歯車装置５３ｄを環状バネの内周部に連結しているが、外周部に連結するようにしてもよい。
【０１２５】
また、第５実施形態では、環状バネと波動歯車装置を組み合わせた構成について説明したが、本発明はこのような形態に限られるものではない。例えば、波動歯車装置に代わり遊星歯車機構等の他の減速機構を用いてもよい。
【０１２６】
また、上記実施形態では、弾性部を６組備えているが、本発明はこのような構成に限られるものではなく、少なくとも１組の弾性部を有していればよい。
【０１２７】
また、上記第３実施形態及び第４実施形態では、２つの環状バネの弾性部の位置が軸方向から見て同一の位相となるように構成されている。しかし、環状バネを多段構造や多層構造にする場合には、位相がずれていても構わない。
【符号の説明】
【０１２８】
１０，２０，３０，４０…環状バネ、１１，２１，３１…外周部、１１ａ，１２ａ，２１ａ，２２ｄ，３１ａ，３３ａ，４１ａ，４３ａ…孔、１２，２２，４２…内周部、１３，２３…弾性部、１３ａ，２３ａ，３４ａ，３５ａ，４４ａ，４５ａ…第１弾性部、１３ｂ，２３ｂ，３４ｂ，３５ｂ，４４ｂ，４５ｂ…第２弾性部、１４，２４…内周側結合部、１４ａ，１５ａ，２４ａ，２５ａ，３６ａ，３７ａ，３８ａ，３９ａ，４６ａ，４７ａ，４８ａ，４９ａ…側面部、１５，２５…外周側結合部、２２ａ，３２ａ…第１環状部、２２ｂ，３２ｂ…筒部、２２ｃ，３２ｃ…第２環状部、２６…連結部材、３２…第１内周部、３３…第２内周部、３４…外周側弾性部、３５…内周側弾性部、３６，４６…第１内周側結合部、３７，４７…第１外周側結合部、３８，４８…第２内周側結合部、３，４９…第２外周側結合部、４１…一端側外周部、４３…他端側外周部、４４…一端側弾性部、４５…他端側弾性部、５１…基体、５２…頭部、５３…腕体、５３ａ…ベースリンク、５３ｂ…リンク機構、５３ｃ…アクチュエータ（駆動源）、５３ｄ…波動歯車装置、５３ｅ…駆動アーム、５３ｆ…コネクティングロッド、５４…手部、５５…脚体、５６…足平部、Ｐ１…中心点、Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５…結合点、Ｒ…ロボット、Ｓ…センサ。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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