(57)【要約】  腕のリンク（２）に結合される手（８）の縦振り動作および横振り動作を行なうロボットの関節構造であって、対向部（２１ａ）が形成された腕のリンク（２）の基体となるベースリンク（２１）と、手（８）の縦振り動作および横振り動作を構成するように互いに平行でない縦軸（４ａ）と横軸（４ｂ）を有し、対向部（２１ａ）間に縦軸（４ａ）が支持されたジンバルリンク（４）と、ジンバルリンク（４）の横軸（４ｂ）に一端が連結され、他端が手（８）に連結されたメインリンク（５）と、メインリンク（５）と交差させて４節リンク機構（１）を構成するように、一端がジンバルリンク（４）に連結され、他端が手（８）に連結されたサブリンク（６）と、を備える。これにより、関節の可動角度を広く確保することができる。
2007088743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットの関節で用いられるロボットリンクに対し、駆動機構により前記ロボットリンクに結合される結合体の縦振り動作および横振り動作を行なうロボットの関節構造であって、
対向部が形成された前記ロボットリンクの基体となるベースリンクと、
前記結合体の縦振り動作および横振り動作を構成するように互いに平行でない第１の回動軸と第２の回動軸を有し、前記対向部間に前記第１の回動軸が支持されたジンバルリンクと、
このジンバルリンクの前記第２の回動軸に一端が連結され、他端が前記結合体に連結されたメインリンクと、
このメインリンクと交差させて４節リンク機構を構成するように、一端が前記ジンバルリンクに連結され、他端が前記結合体に連結されたサブリンクと、
を備えていることを特徴とするロボットの関節構造。
【請求項２】
前記第１の回動軸は、前記結合体の横振り動作の回動軸となる縦軸であり、
前記第２の回動軸は、前記縦軸と直交する方向に沿って設けられた前記結合体の縦振り動作の回動軸となる横軸であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のロボットの関節構造。
【請求項３】
前記ロボットは、人間型ロボットであり、
前記ロボットリンクは、前記人間型ロボットの肘から手首までの腕のリンクであり、
前記結合体は、手首から先の手であり、
この手の掌および手の甲が向く方向を前記縦振り動作の回動方向としたことを特徴とする請求の範囲第２項に記載のロボットの関節構造。
【請求項４】
前記メインリンクのリンク長さは、前記サブリンクのリンク長さよりも長く、
前記メインリンクが前記手に固定されている側が前記掌の側であり、前記サブリンクが前記手に固定されている側が前記手の甲の側となるように、前記腕のリンクに前記手を結合したことを特徴とする請求の範囲第３項に記載のロボットの関節構造。
【請求項５】
前記メインリンクは、前記縦軸を中心としてその縦軸の両側にまたがるように設けられ、
前記メインリンクには、このメインリンクを縦振り方向および横振り方向に回動する第１ロッドと第２ロッドが自在継手を介して連結され、
前記第１ロッドは、前記横軸からずらした位置で、かつ、前記縦軸を中心として一方の側において前記縦軸からずらした位置で前記メインリンクに連結され、
前記第２ロッドは、前記横軸からずらした位置で、かつ、前記縦軸を中心として他方の側において前記縦軸からずらした位置で前記メインリンクに連結されていることを特徴とする請求の範囲第４項に記載のロボットの関節構造。
【請求項６】
前記メインリンクは、前記横軸を中心としてその横軸の両側にまたがるように設けられ、
前記メインリンクには、このメインリンクを縦振り方向および横振り方向に回動する第１ロッドと第２ロッドが自在継手を介して連結され、
前記第１ロッドは、前記縦軸からずらした位置で、かつ、前記横軸を中心として一方の側において前記横軸からずらした位置で前記メインリンクに連結され、
前記第２ロッドは、前記縦軸からずらした位置で、かつ、前記横軸を中心として他方の側において前記横軸からずらした位置で前記メインリンクに連結されていることを特徴とする請求の範囲第４項に記載のロボットの関節構造。
【請求項７】
前記第１ロッドが前記メインリンクと連結されている第１連結点と、前記第２ロッドが前記メインリンクと連結されている第２連結点とを結ぶ方向は、互いに前記縦軸または横軸に対して平行であって、かつ、
前記第１連結点および第２連結点は、それぞれ前記縦軸および横軸から等しい距離に位置することを特徴とする請求の範囲第５項または第６項に記載のロボットの関節構造。
【請求項８】
前記ジンバルリンクは、前記縦軸となる縦軸部と、前記横軸となる横軸部とが十字形に配置され、この十字形の中央部には貫通穴を有するリング部を有し、このリング部の外側に前記縦軸部および横軸部が突設して設けられていることを特徴とする請求の範囲第７項に記載のロボットの関節構造。
【請求項９】
前記第１ロッドの他端は自在継手を介して前記駆動機構に含まれる第１モータに連結され、前記第２ロッドの他端は自在継手を介して前記駆動機構に含まれる第２モータに連結されていることを特徴とする請求の範囲第８項に記載のロボットの関節構造。
【請求項１０】
人間型ロボットの肘から手首までの腕のリンクに対し、駆動機構により前記腕のリンクに結合される手首から先の手の縦振り動作および横振り動作を行なう人間型ロボットの手首の関節構造であって、
対向部が形成された前記腕のリンクの基体となるベースリンクと、
前記手の横振り動作の回動軸となる縦軸と、前記手の縦振り動作の回動軸となる横軸と、を有し、前記対向部に前記縦軸が支持されて前記横振り動作の方向で回動するジンバルリンクと、
このジンバルリンクの横軸に一端が連結され、他端が前記手に連結されて、前記横軸の回りに前記縦振り動作の方向で回動するメインリンクと、
このメインリンクと交差させて４節リンク機構を構成するように、一端が前記ジンバルリンクに連結され、他端が前記手に連結されたサブリンクと、を有し、
前記メインリンクは、前記縦軸を中心としてその縦軸の両側にまたがるように設けられ、
前記メインリンクには、このメインリンクを縦振り方向および横振り方向に回動する第１ロッドと第２ロッドが自在継手を介して連結され、
前記第１ロッドは、前記横軸からずらした位置で、かつ、前記縦軸を中心として一方の側において前記縦軸からずらした位置で前記メインリンクに一端が連結され、他端が自在継手を介して前記駆動機構に含まれる第１モータに連結され、
前記第２ロッドは、前記横軸からずらした位置で、かつ、前記縦軸を中心として他方の側において前記縦軸からずらした位置で前記メインリンクに一端が連結され、他端が自在継手を介して前記駆動機構に含まれる第２モータに連結され、
前記第１ロッドが前記メインリンクと連結されている第１連結点と、前記第２ロッドが前記メインリンクと連結されている第２連結点とを結ぶ方向は、互いに前記縦軸または横軸に対して平行であって、かつ、前記第１連結点および第２連結点は、それぞれ前記縦軸および横軸から等しい距離に位置するとともに、
前記腕のリンクに対して手を真っ直ぐな状態にした位置において、前記手の掌の面が前記第１ロッドと第２ロッドとで形成する面に対して略平行になるように、前記手を前記腕のリンクに結合したことを特徴とする人間型ロボットの手首の関節構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットの関節構造に係り、特に、可動範囲を大きく設定することができるロボットの関節構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、人間型ロボットの手首の関節構造として、縦振りおよび横振り動作を行なうために、モータと送りねじ機構等を用いたものが知られている。例えば、特開２００３−１７０３８１号公報（段落０００５〜０００７、図１）に記載されている人間型ロボットの手首の関節構造は、送りねじによって、モータの回転運動を直線運動に変換し、この直線運動をする移動ブロックをユニバーサルジョイントを介してハンドに連結することにより、手首の縦振りまたは横振り動作を可能としている。
このように、縦軸および横軸の２自由度回動動作を確保するリンク機構として、２軸を十字形に配置するジンバル機構やユニバーサルジョイントが知られている。【０００３】
しかしながら、特開２００３−１７０３８１号公報に記載されているような送りねじ機構による縦振りおよび横振り動作では、広範囲な動作角度を確保しようとするとねじの送りストロークが長くなるため、アーム自体も長くなり、デザイン上の制約になるとともに、アームの慣性モーメントが大きくなるため、モータの負担が増大するという問題点があった。そして、送りねじで負荷を受けることになるため、ロボットの関節構造としては耐荷重性の点でも不安がある。
また、動作角度の範囲を大きく設定しようとすると、必然的に関節部のリンク自体の回動角度が大きくなるため、関節部のリンクやリンクと連動して回動するカバー等がモータ等の内蔵物と干渉して、関節部の動作を阻害するという問題もあった。
一方、ジンバル機構を用いる場合には、縦振り方向のリンクと横振り方向のリンクとが互いに干渉して可動範囲が制約され、ジンバルリンク自体を大きくしなければならず、ロボットリンクの関節構造としては必ずしも適したものではなかった。
【発明の開示】
【０００４】
前記した従来技術の問題に対処すべく、本発明者は、研究開発を進め、本発明を考案するにいたった。すなわち、関節の可動角度を広く確保しながら、コンパクトなロボットの関節構造を提供することが、本発明の一側面である。
【０００５】
より具体的には、本発明の一側面としてのロボットの関節構造は、ロボットの関節で用いられるロボットリンクに対し、駆動機構により前記ロボットリンクに結合される結合体の縦振り動作および横振り動作を行うロボットの関節構造であって、対向部が形成された前記ロボットリンクの基体となるベースリンクと、前記結合体の縦振り動作および横振り動作を構成するように互いに平行でない第１の回動軸と第２の回動軸を有し、前記対向部間に前記第１の回動軸が支持されたジンバルリンクと、このジンバルリンクの前記第２の回動軸に一端が連結され、他端が前記結合体に連結されたメインリンクと、このメインリンクと交差させて４節リンク機構を構成するように、一端が前記ジンバルリンクに連結され、他端が前記結合体に連結されたサブリンクと、を備えていることを特徴とする。
ここで、「結合体」とは、関節を介してロボットリンクに結合される手や腕のような結合部材をいい、リンクに結合される末端の部材のほか、リンクのような中間部材も含む。また、「平行でない２軸」とは、２軸が同一平面上で交差する場合、および、同一平面上ではないが平面視で交わるような場合をいう。
【０００６】
前記構成によれば、ロボットリンクとジンバルリンクとが第１の回動軸で回動自在に連結され、ジンバルリンクと結合体とが第２の回動軸で回動自在に連結され、第１の回動軸と第２の回動軸とが平行でないように設けられているため、第１の回動軸回りの回動動作と第２の回動軸回りの回動動作とを組み合わせることで、結合体をロボットリンクに対して縦振り動作および横振り動作を自在に行なうことができる。
また、第２の回動軸回りの回動方向においては、メインリンクとサブリンクとを交差させた４節リンク機構でジンバルリンクと結合体とを連結したことで、結合体の回動動作に伴い、結合体が前記回動方向に対してさらに傾くように動作する。
すなわち、第２の回動軸回りの回動方向においては、メインリンクの回動角度に対して結合体の回動角度（傾斜角度）の方が大きくなり、メインリンクが少し回動しただけで結合体が大きく回動（傾斜）する。
このため、メインリンクの回動角度を最小限に抑えて、メインリンクの回動に伴う内蔵物との干渉を防止することで、結合体の回動角度を広く確保しながら、コンパクトなロボットの関節構造を実現することができる。また、結合体が回動しながら回動方向に増速されて、さらに傾くように動作するため、関節の回転を素早く行ない、応答性を高めることができる。
【０００７】
前記本発明のロボットの関節構造における前記第１の回動軸は、前記結合体の横振り動作の回動軸となる縦軸であり、前記第２の回動軸は、前記縦軸と直交する方向に沿って設けられた前記結合体の縦振り動作の回動軸となる横軸である構成とすることができる。
【０００８】
前記構成によれば、第１の回動軸である縦軸と第２の回動軸である横軸とを直交する方向に設けたことで、縦軸回りの回動動作と横軸回りの回動動作とをバランスよく組み合わせることができ、回動動作の制御も容易である。
【０００９】
前記本発明のロボットの関節構造における前記ロボットは、人間型ロボットであり、前記ロボットリンクは、前記人間型ロボットの肘から手首までの腕のリンクであり、前記結合体は、手首から先の手であり、この手の掌および手の甲が向く方向を前記縦振り動作の回動方向として構成することができる。
【００１０】
前記構成によれば、手の掌および手の甲が向く方向を前記縦振り動作の回動方向としたことで、縦振り動作の回動角度を大きくすることができる。このため、人間も縦振り方向の可動角度の方が横振り方向の可動角度よりも大きいので、より人間らしい手首の動作を実現することができる。
また、縦振り方向においては、メインリンクの回動角度よりも手の回動角度の方が大きいので、メインリンクが少し回動しただけで手が大きく回動するため、メインリンクの回動に伴う内蔵物との干渉を防止することで、結合体の回動角度を広く確保しながら、コンパクトな手首の関節構造を実現することができる。
【００１１】
前記本発明における前記メインリンクのリンク長さは、前記サブリンクのリンク長さよりも長く、前記メインリンクが前記手に固定されている側が前記掌の側であり、前記サブリンクが前記手に固定されている側が前記手の甲の側となるように、前記腕のリンクに前記手を結合した構成とすることができる。
【００１２】
前記構成によれば、メインリンクとサブリンクとのリンク長さに差を設けたことで、両リンクの回動時の干渉を防止して可動範囲を確保することができる。また、掌の側への回動方向の方が手の甲の側への回動方向よりも、手の回動角度が大きくなるため、手を素早く回動させることができ、コンパクトで、より人間らしい手首の動作を実現することができる。
【００１３】
前記本発明における前記メインリンクは、前記縦軸を中心としてその縦軸の両側にまたがるように設けられ、前記メインリンクには、このメインリンクを縦振り方向および横振り方向に回動する第１ロッドと第２ロッドが自在継手を介して連結され、前記第１ロッドは、前記横軸からずらした位置で、かつ、前記縦軸を中心として一方の側において前記縦軸からずらした位置で前記メインリンクに連結され、前記第２ロッドは、前記横軸からずらした位置で、かつ、前記縦軸を中心として他方の側において前記縦軸からずらした位置で前記メインリンクに連結された構成とすることができる。
【００１４】
また、前記本発明における前記メインリンクは、前記横軸を中心としてその横軸の両側にまたがるように設けられ、前記メインリンクには、このメインリンクを縦振り方向および横振り方向に回動する第１ロッドと第２ロッドが自在継手を介して連結され、前記第１ロッドは、前記縦軸からずらした位置で、かつ、前記横軸を中心として一方の側において前記横軸からずらした位置で前記メインリンクに連結され、前記第２ロッドは、前記縦軸からずらした位置で、かつ、前記横軸を中心として他方の側において前記横軸からずらした位置で前記メインリンクに連結された構成とすることができる。
【００１５】
前記構成によれば、第１ロッドおよび第２ロッドは、それぞれ縦軸および横軸からずらした位置でメインリンクに自在継手を介して連結されているため、第１ロッドおよび第２ロッドをそれぞれ前進または後退させることで、前記メインリンクを縦軸および横軸回りに回動させることができる。
また、第１ロッドと第２ロッドとをメインリンクに連結して、２つのロッドを協働させて前進または後退させることで、縦振り動作および横振り動作を行なうため、バランスよく円滑な動作が可能となる。
【００１６】
前記本発明において、前記第１ロッドが前記メインリンクと連結されている第１連結点と、前記第２ロッドが前記メインリンクと連結されている第２連結点とを結ぶ方向は、互いに前記縦軸または横軸に対して平行であって、かつ、前記第１連結点および第２連結点は、それぞれ前記縦軸および横軸から等しい距離に位置することが望ましい。
【００１７】
かかる構成によれば、第１ロッドと第２ロッドとが互いに縦軸または横軸に対して平行であって、かつ、第１連結点および第２連結点は、それぞれ縦軸および横軸から等しい距離に位置するため、第１ロッドと第２ロッドとを同じ距離だけ前進または後退させたり、一方を前進させ他方を同じ距離だけ後退させたりすることで、メインリンクを縦軸または横軸回りに回動させることができる。
したがって、第１ロッドと第２ロッドとを連動して同期させることで、縦振り方向および横振り方向の動作が可能であるため、制御が容易で、しかも円滑な動作を確保することができる。
【００１８】
前記本発明において、前記ジンバルリンクは、前記縦軸となる縦軸部と、前記横軸となる横軸部とが十字形に配置され、この十字形の中央部には貫通穴を有するリング部を有し、このリング部の外側に前記縦軸部および横軸部が突設して設けられた構成とすることができる。
かかる構成によれば、ジンバルリンクの中央部に貫通穴を設けたことで、ロボットリンクの中央部にハーネスや油圧・空圧配管等を通すことができる。このため、ロボットの関節を回動させた場合にも、ハーネス等が動作の障害にならないため、関節の可動角度を広く確保することができる。また、ハーネスに無理な荷重が作用することを防止できるため、ハーネスの断線のおそれも回避することができる。
【００１９】
前記本発明において、前記第１ロッドは自在継手を介して前記駆動機構に含まれる第１モータに連結され、前記第２ロッドは自在継手を介して前記駆動機構に含まれる第２モータに連結され設けられた構成とすることができる。
かかる構成によれば、２つのモータをそれぞれ協働させて、縦振り動作および横振り動作を行なうことで、モータの小型化を図り、ロボットリンクのコンパクト化を実現することができる。また、自在継手を使用することで、調芯機能が発揮されて直線運動を円滑に回転運動に変換することができる。
【００２０】
特に本発明は、人間型ロボットの肘から手首までの腕のリンクに対し、駆動機構により前記腕のリンクに結合される手首から先の手の縦振り動作および横振り動作を行なう人間型ロボットの手首の関節構造であって、対向部が形成された前記腕のリンクの基体となるベースリンクと、前記手の横振り動作の回動軸となる縦軸と、前記手の縦振り動作の回動軸となる横軸と、を有し、前記対向部に前記縦軸が支持されて前記横振り動作の方向で回動するジンバルリンクと、このジンバルリンクの横軸に一端が連結され、他端が前記手に連結されて、前記横軸の回りに前記縦振り動作の方向で回動するメインリンクと、このメインリンクと交差させて４節リンク機構を構成するように、一端が前記ジンバルリンクに連結され、他端が前記手に連結されたサブリンクと、を有し、前記メインリンクは、前記縦軸を中心としてその縦軸の両側にまたがるように設けられ、前記メインリンクには、このメインリンクを縦振り方向および横振り方向に回動する第１ロッドと第２ロッドが自在継手を介して連結され、前記第１ロッドは、前記横軸からずらした位置で、かつ、前記縦軸を中心として一方の側において前記縦軸からずらした位置で前記メインリンクに一端が連結され、他端が自在継手を介して前記駆動機構に含まれる第１モータに連結され、前記第２ロッドは、前記横軸からずらした位置で、かつ、前記縦軸を中心として他方の側において前記縦軸からずらした位置で前記メインリンクに一端が連結され、他端が自在継手を介して前記駆動機構に含まれる第２モータに連結され、前記第１ロッドが前記メインリンクと連結されている第１連結点と、前記第２ロッドが前記メインリンクと連結されている第２連結点とを結ぶ方向は、互いに前記縦軸または横軸に対して平行であって、かつ、前記第１連結点および第２連結点は、それぞれ前記縦軸および横軸から等しい距離に位置するとともに、前記腕のリンクに対して手を真っ直ぐな状態にした位置において、前記手の掌の面が前記第１ロッドと第２ロッドとで形成する面に対して略平行になるように、前記手を前記腕のリンクに結合した構成とすることができる。
かかる構成によれば、前記手の掌の面が前記第１ロッドと第２ロッドとで形成する面に対して平行になるように、前記手を前記腕のリンクに結合したことで、それぞれのロッドの移動量と手との位置関係を対応させやすくなり、動作の制御が容易である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係るロボットの関節構造の全体構成を示す斜視図である。
【図２】図１の要部の分解斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係るロボットの関節構造の連結関係を説明するための分解斜視図である。
【図４】本発明の実施形態に係るロボットの関節構造の横振り機構を説明するための図１における上方向から見た部分拡大斜視図である。
【図５】本発明の実施形態に係る４節リンク機構における縦振り動作を説明するための側面図であり、（ａ）は手が手の甲の側に回動された状態、（ｂ）は手が腕のリンクに対して真っ直ぐな状態、（ｃ）は手が掌の側に回動された状態を示す。
【図６】図５における手が９０度回動された状態を示す側面図であり、（ａ）は手が手の甲の側に回動された状態、（ｂ）は手が掌の側に回動された状態を示す。
【図７】本発明の実施形態に係る４節リンク機構における横振り動作を説明するための平面図であり、（ａ）は手が本図上における反時計回りに回動された状態、（ｂ）は手が腕のリンクに対して真っ直ぐな状態、（ｃ）は手が本図上における時計回りに回動された状態を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、本実施形態においては、本発明に係るロボットの関節構造を、人間型ロボットの手首の関節構造を例として説明するが、これに限定されるものではなく、人間型ロボットの足首の関節であってもよいし、工業用ロボットのリンクの結合部等であってもよい。【００２３】
本発明の実施形態に係る人間型ロボットの手首の関節構造は、図１に示すように、ロボットリンクである腕のリンク２と、腕のリンク２に連結された手首の関節部３と、手首の関節部３に連結された結合体である手８と、手８の縦振りおよび横振り動作を行なう駆動機構９と、を備えている。
具体的には、図２に示すように、腕のリンク２に形成された対向部２１ａ，２１ａにジンバルリンク４の縦軸部４１が支持されて、横振り方向に回動自在に構成されている。そして、ジンバルリンク４の横軸部４２にメインリンク５が連結されるとともにジンバルリンク４の副軸部４５にサブリンク６が連結されて、メインリンク５とサブリンク６とが縦振り方向に回動自在に構成されている。かかる構成により、メインリンク５とサブリンク６に結合された手８が縦振り方向および横振り方向に回動自在に構成されている（図３を併せて参照）。【００２４】
腕のリンク２は、腕のリンク２の基体となるベースリンク２１と、ベースリンク２１に取り付けられた駆動機構９と、を備えている。ベースリンク２１には、ジンバルリンク４の縦軸部４１が回転自在に支持される１対の対向部２１ａ，２１ａが形成されている。
なお、本実施形態においては、手首の関節構造の動作に係る構成を説明するため、それ以外の構成要素である制御機構、センサ、ハーネス等は図示を省略している。【００２５】
駆動機構９は、駆動源となる第１モータ９１および第２モータ９２と、第１モータ９１および第２モータ９２に図示しない伝動ベルトを介して連結されたハーモニック減速機９３，９４と、ハーモニック減速機９３，９４の出力軸に連結された出力アーム９５，９６と、一端が出力アーム９５，９６に調芯機能を有する自在継手である球面継手９５ａ，９６ａを介して連結され、他端がメインリンク５に自在継手であるユニバーサルジョイント７１ａ，７２ａを介して連結された第１ロッド７１および第２ロッド７２と、を備えて構成されている。
なお、本実施形態においては、モータによる回転駆動としているが、これに限定されるものではなく、油圧シリンダやボールねじを使用した直線駆動とすることもできる。【００２６】
手首の関節部３は、図３に示すように、腕のリンク２の対向部２１ａ，２１ａに軸支されたジンバルリンク４と、ジンバルリンク４の横軸部４２に連結されたメインリンク５と、メインリンク５と交差させるように設けられたサブリンク６と、を備えている。【００２７】
ジンバルリンク４は、中央に位置する矩形のリング部４４と、リング部４４の各辺から突出して十字形に配置された縦軸部４１および横軸部４２と、を備えている。
リング部４４は、貫通穴４３を有する矩形のリング状に形成され、ジンバルリンク４の中央部に設けられている。そして、リング部４４の各辺には対向する位置にそれぞれ縦軸部４１と横軸部４２がリング部４４から外側へ向けて突出して設けられている。
ジンバルリンク４の縦軸部４１は、手８の横振り動作の回動軸としての縦軸４ａとなり、ジンバルリンク４の横軸部４２は、縦振り動作の回動軸としての横軸４ｂとして機能する。そして、縦軸部４１の両端がベースリンク２１の対向部２１ａ，２１ａに回動自在に支持されて、ジンバルリンク４が横振り動作の方向で回動できるように構成されている。
また、ジンバルリンク４の中央部に貫通穴４３を設けたことで、この貫通穴４３にハーネスや油圧・空圧配管等を通すことができる。このため、ジンバルリンク４を回動させた場合にも、ハーネス等が動作の障害になりにくいため、関節の可動角度を広く確保することができる。また、ハーネス等に無理な荷重が作用することを防止できるため、ハーネス等の断線のおそれも回避することができる。
さらに、ジンバルリンク４の縦軸部４１には、横軸部４２に平行するように副軸部４５が設けられている。そして、副軸部４５には後記するサブリンク６が縦振り動作の回動方向に回動自在に連結される。
なお、本実施形態においては、ジンバルリンク４は、中央部が貫通された十字形状を備えて構成されているが、これに限定されるものではなく、横振り動作の回動軸となる縦軸４ａと縦振り動作の回動軸となる横軸４ｂとを備えたものであれば、特に形状が限定されるものではなく、円盤状のものであってもよい。【００２８】
メインリンク５は、図３に示すように、対向して配置された１対の側面視三角形状のメインリンク本体部５１ａ，５１ｂを結合部５２，５３で一体として結合させた平面視で中央部が大きく貫通された矩形の枠体として構成されている。そして、この枠体形状のメインリンク５の内側に後記するサブリンク６がジンバルリンク４の副軸部４５に連結して配置される。かかる構成により、メインリンク５は、横軸４ｂの方向において、手８を支持するスパンを確保することで、サブリンク６をバランスよく内側に収容しながら、メインリンク５に連結される手８を安定して保持している。
メインリンク本体部５１ａ，５１ｂの三角形状の一辺には、４節リンク機構１を構成する第１節５ａと第２節５ｂ（図４参照）が形成されている。第１節５ａはメインリンク５の一端とジンバルリンク４の横軸部４２との連結部であり、第２節５ｂはメインリンク５の他端と手８のフレーム８１に形成されたメインリンク連結穴８ａとの連結部である。そして、この第１節５ａと第２節５ｂを結んだ長さがメインリンク５のリンク長さλ１となっている（図４参照）。【００２９】
一方、メインリンク本体部５１ａ，５１ｂの三角形状の他の辺には、調芯機能を有する自在継手であるユニバーサルジョイント７１ａ，７２ａを介してそれぞれ第１ロッド７１および第２ロッド７２が連結されている。そして、第１ロッド７１がメインリンク本体部５１ａに連結されている位置が第１連結点７ａ（ユニバーサルジョイント７１ａが装着されている位置）であり、第２ロッド７２がメインリンク本体部５１ｂに連結されている位置が第２連結点７ｂ（ユニバーサルジョイント７２ａが装着されている位置）である。
第１連結点７ａおよび第２連結点７ｂは、それぞれジンバルリンク４の横軸４ｂおよび縦軸４ａから等しい距離で、かつ第１連結点７ａおよび第２連結点７ｂを結ぶ方向は横軸４ｂに平行となるように配置されている。
かかる構成により、第１ロッド７１および第２ロッド７２それぞれ同じ距離だけ前進または後退させることで、メインリンク５を縦振り方向（図５を併せて参照）に回動することができる。また、第１ロッド７１または第２ロッド７２の一方を前進または後退させて、他方を後退または前進させることで、メインリンク５を横振り方向（図７を併せて参照）に回動することができる。
なお、本実施形態において、第１ロッド７１または第２ロッド７２の「前進」とは、第１ロッド７１または第２ロッド７２から見て、手８に近づく方向に進むことをいい、「後退」とは、手８から遠ざかる方向に進むことをいう。【００３０】
サブリンク６は、対向する１対のサブリンク本体部６１，６１を結合部６２で一体として結合して構成され、対向して配置されたメインリンク本体部５１ａ，５１ｂと結合部５２，５３で形成された矩形の枠体に形成されたメインリンク５の内側に収容されている。
かかる構成により、サブリンク６は、横軸４ｂの方向において、対向する２つのサブリンク本体部６１，６１を結合部６２で一体として結合してスパンを確保することで、サブリンク６に連結される手８を安定して保持できるように、剛性を確保してガタの発生を防止している。
また、サブリンク６は、一端がジンバルリンク４の副軸部４５に回動自在に連結されて、４節リンク機構１の第３節６ａ（図４参照）を構成し、他端が手８に回動自在に連結されて４節リンク機構１の第４節６ｂ（図４参照）を構成している。そして、この第３節６ａと第４節６ｂを結んだ長さがサブリンク６のリンク長さλ２となっている（図４参照）。【００３１】
手８は、図２に示すように、基体となるフレーム８１を備え、このフレーム８１にメインリンク５の第２節５ｂ，５ｂと回動自在に連結される１対のメインリンク連結穴８ａ，８ａと、サブリンク６の第４節６ｂと回動自在に連結される１対のサブリンク連結穴８ｂ，８ｂと、が設けられている。【００３２】
ここで、メインリンク５とサブリンク６で構成される４節リンク機構１について、図４を参照しながら説明する。図４は本発明の実施形態に係るロボットの関節構造の４節リンク機構を説明するための側面図である。
４節リンク機構１は、図４に示すように、ジンバルリンク４と手８とを連結するメインリンク５と、メインリンク５に交差するように設けられたサブリンク６と、を備えて構成され、第１節から第４節まで（５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ）の連結部が設けられている。
すなわち、第１節５ａはメインリンク５とジンバルリンク４との連結部であり、メインリンク５が縦振り方向へ回動する回動軸となっている。第２節５ｂはメインリンク５と手８のフレーム８１における掌の側との連結部である。そして、第３節６ａはサブリンク６とジンバルリンク４との連結部であり、サブリンク６が縦振り方向へ回動する回動軸となっている。第４節６ｂはサブリンク６と手８のフレーム８１における手の甲の側との連結部である。【００３３】
具体的には、メインリンク５は、一端が第１節５ａでジンバルリンク４の横軸部４２と連結され、他端が第２節５ｂで手８のフレーム８１におけるメインリンク連結穴８ａ（図３参照）で連結されている。
一方、サブリンク６は、一端が第３節６ａでジンバルリンク４の副軸部４５と連結され、他端が第４節６ｂで手８のフレーム８１におけるとサブリンク連結穴８ｂ（図３参照）に連結されている。このため、サブリンク６は、サブリンク６の第３節６ａと第４節６ｂを結ぶ線がメインリンク５の第１節５ａと第２節５ｂを結ぶ線と交差するように手８に連結されている。
そして、本実施形態では、手８のフレーム８１において、第２節５ｂは掌の側に連結され、第４節６ｂは手の甲の側に連結されている。このため、第２節５ｂと第４節６ｂの位置関係で、手８の回動角度（傾斜角度）が決定される。
また、メインリンク５のリンク長さλ１の方が、サブリンク６のリンク長さλ２よりも長くなるように構成されている。このように、メインリンク５のリンク長さλ１をサブリンク６のリンク長さλ２よりも長くしたのは、回動時におけるメインリンク５とサブリンク６との回動範囲をより大きく確保するためである。【００３４】
ここで、メインリンク５には、図４に示すように、調芯機能を有するユニバーサルジョイント７１ａ，７２ａを介してそれぞれ第１ロッド７１および第２ロッド７２が連結されている（図２を併せて参照）。この第１ロッド７１がメインリンク本体部５１ａに連結されている位置が第１連結点７ａであり、第２ロッド７２がメインリンク本体部５１ｂに連結されている位置が第２連結点７ｂである。
そして、第１連結点７ａおよび第２連結点７ｂは、それぞれジンバルリンク４の横軸４ｂおよび縦軸４ａから等しい距離で、かつ第１連結点７ａおよび第２連結点７ｂを結ぶ方向は横軸４ｂに平行となるように配置されている。【００３５】
このため、例えば、図２において、第１ロッド７１を前進させれば、横軸４ｂ回りに手８を手の甲の側へ回動するモーメントが作用し、縦軸４ａ回りには時計回りに回動（図６（ｃ）参照）するモーメントが作用する。一方、第２ロッド７２を前進させれば、横軸４ｂ回りに手８を手の甲の側へ回動するモーメントが作用し、縦軸４ａ回りには反時計回りに回動（図６（ａ）参照）するモーメントが作用する。
したがって、第１ロッド７１および第２ロッド７２をそれぞれ同じ距離だけ前進させることで、メインリンク５を縦振り方向の手の甲の側に回動することができる。また、第１ロッド７１および第２ロッド７２をそれぞれ同じ距離だけ後退させることで、メインリンク５を縦振り方向の掌の側に回動することができる。
一方、第１ロッド７１を前進させて、第２ロッド７２を後退させることで、メインリンク５を横振り方向の時計回りに回動（図６（ｃ）参照）することができる。また、第１ロッド７１を後退させて、第２ロッド７２を前進させることで、メインリンク５を横振り方向の反時計回りに回動（図６（ａ）参照）することができる。【００３６】
このように、第１ロッド７１および第２ロッド７２をそれぞれ前進または後退させることで縦振り動作および横振り動作を行ない、第１ロッド７１および第２ロッド７２は、それぞれ第１モータ９１および第２モータ９２で別々に作動させている。したがって、２つのモータをそれぞれ協働させて、縦振り動作および横振り動作を行なうことで、モータの小型化を図り、ロボットの関節構造のコンパクト化を実現している。また、第１ロッド７１と第２ロッド７２とを連動して同期させることで、縦振り方向および横振り方向の動作が可能であるため、制御が容易で、しかも円滑な動作を確保することができる。【００３７】
続いて、本発明の実施形態に係る人間型ロボットの手首の関節構造の動作に関し、主として、４節リンク機構１の作用について、図５から図７を参照しながら説明する。図５は本発明の実施形態に係る４節リンク機構１における縦振り動作を説明するための側面図であり、（ａ）は手が手の甲の側に回動された状態、（ｂ）は手が腕のリンクに対して真っ直ぐな状態、（ｃ）は手が掌の側に回動された状態を示す側面図である。また、図６は図５における手が９０度回動された状態を示す側面図であり、（ａ）は手が手の甲の側に回動された状態、（ｂ）は手が掌の側に回動された状態を示す。【００３８】
まず、縦振り動作について、図５を参照しながら説明する。
ここで、第１節５ａと第３節６ａを結んだ線をベース線Ｌ１とし、第１節５ａと第２節５ｂ結んだ線をメインリンク線Ｌ２とし、第３節６ａと第４節６ｂ結んだ線をサブリンク線Ｌ３とし、手８の中心軸線をＬ４とすると、図５（ｂ）に示す手８が腕のリンク２に対して真っ直ぐな状態において、ジンバルリンク４（図２参照）の縦軸４ａに対して、メインリンク線Ｌ２がなす角度がθ０となっている。
また、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）において、第１節５ａと第３節６ａは、ジンバルリンク４（図２参照）に連結されているため、第１節５ａと第３節６ａを結んだベース線Ｌ１は、縦振り方向（図１参照）に対しては回動することなく、その位置関係は各図において一定である。【００３９】
図５（ｂ）に示す手８が腕のリンク２に対して真っ直ぐな状態から、第１ロッド７１および第２ロッド７２を同じ距離だけ前進させてメインリンク５を第１節５ａ回りにθだけ手の甲の方向（反時計回り）に回動すると、メインリンク５の第２節５ｂも手の甲の方向に回動する。この回動に伴って、サブリンク６の第４節６ｂも第３節６ａを中心として手の甲の方向に回動する。
このとき、メインリンク５の第２節５ｂは本図上で上方へ移動し、サブリンク６の第４節６ｂは下方へ移動するように回動するから、手の傾斜角度が大きくなる。その結果、図５（ａ）に示すように、手８は回動速度が増速されてθよりも大きな角度のθ１だけ手の甲の方向に回動する。
すなわち、縦振り動作の回動方向においては、メインリンク５の回動角度θに対して手８の回動角度θ１の方が大きくなり、メインリンク５が少し回動しただけで手８が大きく傾斜する。
このため、メインリンク５の回動角度を最小限に抑えて、メインリンク５の回動に伴う他の内蔵物との干渉を防止することで、手８の回動角度を広く確保しながら、コンパクトな手首の関節構造を実現することができる。また、手８が回動しながら回動方向に増速されて、さらに傾くように動作するため、手８の回転を素早く行ない、応答性を高めるとともに、可動範囲を確保しながら、コンパクトな手首の関節構造を実現することができる。
例えば、図６に示すように、人間の手首の回動角度まで、手８を９０度回動させた状態においても、手の甲の側に回動させた場合にはθは４６度であり（図６（ａ））、掌の側に回動させた場合にはθは３２度であるから（図６（ｂ））、メインリンク５の回動角度が小さいことがわかる。なお、この手８の回動角度とメインリンク５の回動角度の関係は、一例を示したものであり、ロボットリンクの適用される箇所に応じて、適宜変更することができる。【００４０】
同様に、図５（ｂ）に示す手８が腕のリンク２に対して真っ直ぐな状態から、第１ロッド７１および第２ロッド７２を後退させてメインリンク５を第１節５ａ回りにθだけ掌の方向（紙面上で右回転）に回動すると、図５（ｃ）に示すように、手８は増速されてθよりも大きな角度のθ２だけ手の甲の方向に回動する。
ただし、このとき、メインリンク５のリンク長さλ１の方が、サブリンク６のリンク長さλ２よりも長くなるように構成されているため、θ２の方がθ１よりも大きくなる（図４参照）。【００４１】
次に、横振り動作について、図６を参照しながら説明する。
図７は本発明の実施形態に係る４節リンク機構における横振り動作を説明するための平面図であり、（ａ）は手が本図上における反時計回りに回動された状態、（ｂ）は手が腕のリンクに対して真っ直ぐな状態、（ｃ）は手が本図上における時計回りに回動された状態を示す。
ここで、図７（ｂ）に示す手８が腕のリンク２に対して真っ直ぐな状態においては、ジンバルリンク４（図２参照）の横軸４ｂに対して、手８の中心軸線Ｌ４が直交している。
図７（ｂ）に示す手８が腕のリンク２に対して真っ直ぐな状態から、第１ロッド７１を後退させ第２ロッド７２を同じ量だけ前進させてメインリンク５をジンバルリンク４の縦軸４ａの回りにθだけ本図上における反時計回りに回動すると、図７（ａ）に示すように、手８もθだけ同方向に回動する。
同様に、図７（ｂ）に示す手８が腕のリンク２に対して真っ直ぐな状態から、第１ロッド７１を前進させ第２ロッド７２を同じ量だけ後退させてメインリンク５をジンバルリンク４の縦軸４ａの回りにθだけ本図上における時計回りに回動すると、図７（ｃ）に示すように、手８もθだけ同方向に回動する。このとき、横振り方向においては、図７（ｃ）に示す回動角θは、図７（ａ）に示す回動角θと同じ角度である。【００４２】
続いて、縦振り動作と横振り動作の組合せについて図４および図５を参照しながら説明する。
前記したように、第１ロッド７１および第２ロッド７２を同じ距離だけ前進または後退させることで手８の縦振り動作を行なわせることができ（図４参照）、第１ロッド７１を前進または後退させ第２ロッド７２を同じ量だけ後退または前進させることで横振り動作を行なわせることができる（図５参照）。このため、手８の縦振り動作と横振り動作とを組み合わせることで、手８を縦軸４ａおよび横軸４ｂに対して斜めの方向に動かしたり、円を描くように動かしたりすることも自在にできる。【００４３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能である。
例えば、本実施形態においては、第１の回動軸である縦軸と第２の回動軸である横軸とが直交する方向に沿って設けられているが、第１の回動軸（縦軸）と第２の回動軸（横軸）とが平面視で交差する方向であれば、第１ロッド７１と第２ロッド７２の移動量を適宜調整することで手８の縦振り動作および横振り動作を行なうことができる。また、手８の縦振り動作と横振り動作とを組み合わせることで、手８を縦軸４ａおよび横軸４ｂに対して斜めの方向に動かしたり、円を描くように動かしたりすることも自在にできる。【００４４】
本実施形態においては、縦振り動作の方向において４節リンク機構１を構成したが、これに限定されるものではなく、横振り動作の方向に４節リンク機構１を構成してもよい。【００４５】
また、本実施形態においては、前記メインリンク５には、第１ロッド７１および第２ロッド７２が、それぞれ横軸４ｂからずらした位置で横軸４ｂに平行に、かつ、縦軸４ａを中心として一方の側と他方の側に連結されているが、これに限定されるものではなく、第１ロッド７１および第２ロッド７２が、それぞれ縦軸４ａからずらした位置で縦軸４ａに平行に、かつ、横軸４ｂを中心として一方の側と他方の側に連結された構成とすることもできる。
具体的には、図３において、本実施形態においては、第１ロッド７１および第２ロッド７２は、縦軸４ａを挟んでそれぞれ両側のメインリンク本体部５１ａ，５１ｂに連結されているが、一方のメインリンク本体部５１ａ（または、他方のメインリンク本体部５１ｂ）における横軸４ｂを挟んで結合部５２の側と結合部５３の側の両側に、それぞれ連結することもできる。また、このような第１ロッド７１および第２ロッド７２の配置の変更に伴い、駆動機構９の第１モータ９１および第２モータ９２等も配置を変更することができる。
かかる構成により、第１ロッド７１および第２ロッド７２それぞれ同じ距離だけ前進または後退させることで、メインリンク５を横振り方向（図７参照）に回動することができる。また、第１ロッド７１または第２ロッド７２の一方を前進または後退させて、他方を後退または前進させることで、メインリンク５を縦振り方向（図５参照）に回動することができる。【００４６】
また、本実施形態においては、第１ロッド７１および第２ロッド７２とメインリンク５との連結部には２自由度で構成されるユニバーサルジョイント７１ａ，７２ａを使用し、第１ロッド７１および第２ロッド７２と出力アーム９５，９６との連結部には３自由度で構成される球面継手９５ａ，９６ａを使用しているが、これに限定されるものではなく、両者を逆にしてメインリンク５側の連結部を球面継手とし、出力アーム９５，９６側の連結部をユニバーサルジョイントとしてもよい。いずれか一方の連結部に球面継手を使用するのは、第１ロッド７１および第２ロッド７２には回動動作中にねじり方向の力が作用するからである。
このため、メインリンク５側の連結部と出力アーム９５，９６側の連結部をいずれもユニバーサルジョイントとすると別途ねじり力を逃がす部材が必要となる。一方、いずれも球面継手とすると別途第１ロッド７１および第２ロッド７２が意図せず回転しないように拘束する手段が必要になる。
【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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【国際調査報告】
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