(57)【要約】【課題】従来の関節部の構成とは異なる関節部を有した新たなロボットアームおよびロボットを提供することにある。【解決手段】本発明のロボットアーム１は、一対の第１リンク部材１０および第２リンク部材９間を連結することによって構成されるロボットアームであって、ボールねじ軸２ａおよびナット２ｂからなり、第１リンク部材１０に設けられたボールねじ２と、一端が第１リンク部材１０に接続され、他端がナット２ｂに接続され、ボールねじ２の軸方向に力を作用させる圧縮コイルばね３と、ボールねじ軸２ａを回転させることによるナット２ｂのボールねじ軸２ａの軸方向への移動に伴い、第２リンク部材９を第１リンク部材１０に対して回動させる第３リンク部材５とを備えている。【選択図】図１
2007307686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の第１リンク部材および第２リンク部材間を連結することによって構成されるロボットアームにおいて、
ねじ軸およびナットからなり、前記第１リンク部材に設けられたボールねじと、
一端が前記第１リンク部材に接続され、他端が前記ナットに接続され、前記ボールねじの軸方向に力を作用させる弾性部材と、
前記ねじ軸を回転させることによる前記ナットの該ねじ軸の軸方向への移動に伴い、前記第２リンク部材を前記第１リンク部材に対して回動させる力伝達機構とを備えることを特徴とするロボットアーム。
【請求項２】
前記ボールねじは、該ねじ軸の両端において、第１支持部材および第２支持部材に回転自在に保持されており、
前記弾性部材は、前記ナットと前記第１支持部材および第２支持部材の少なくとも一方との間に前記ねじ軸に対して平行に設けられており、その一端が前記ナットに接続され、他端が前記第１支持部材または前記第２支持部材に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のロボットアーム。
【請求項３】
前記弾性部材は、内側に前記ねじ軸が配置されたコイルばねであることを特徴とする請求項２に記載のロボットアーム。
【請求項４】
前記第２リンク部材は、前記回動のための支点及び作用点を有しており、
前記力伝達機構は、前記ナットと前記作用点とを連結する第３リンク部材からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のロボットアーム。
【請求項５】
前記力伝達機構は、前記ナットに設けられたラックと、前記第２リンク部材の一端に設けられたピニオンとからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のロボットアーム。
【請求項６】
一対の第１リンク部材および第２リンク部材間を連結することによって構成されるロボットアームにおいて、
ねじ軸およびナットからなり、前記第１リンク部材に設けられたボールねじと、
前記ナットと前記第２リンク部材とを連結する第４リンク部材とを備え、
前記第４リンク部材は、前記ねじ軸を回転させることによる前記ナットの該ねじ軸の軸方向への移動に伴い、前記第２リンク部材を前記第１リンク部材に対して回動させることを特徴とするロボットアーム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のロボットアームを有することを特徴とするロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
生物型ロボットおよび産業用ロボットのロボットの関節部に用いられるロボットアームおよびロボットに関るものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、生物と類似した形態を有した生物型ロボット（歩行ロボット）および人間の変わりに作業を行う産業用ロボットの研究開発が進展している。
【０００３】
複数の脚を備えた生物型ロボットにおいては、各脚は、上体から複数のリンク部材を複数の関節を介して順次連接することにより構成されている。例えば、人と同様の二本の脚を備えた二足歩行ロボットでは、各脚は、大腿部、下腿部、足平部に相当するリンク部材をロボットの上体からそれぞれ股関節、膝関節、足首関節を介して順次連接して構成されている。また、産業用ロボットにおいても、生物型ロボットと同様に、複数のリンク部材が複数の関節を介して順次連接して構成されているものがある。
【０００４】
すなわち、各リンク部材を連結させる関節部は、生物型ロボットおよび産業用ロボットにおいて、ロボットの動作に係る重要な部分である。そのため、ロボットの関節部について、様々な研究が行われている。
【０００５】
従来のロボットの関節部に係る技術が、特許文献１および特許文献２に記載されている。まず、特許文献１に記載された技術について図７（ａ）および図７（ｂ）を参照して説明する。図７（ａ）は従来の指関節駆動機構１０１の概略構成を示す平面図であり、図７（ｂ）は指関節部分の構成を示す断面図である。
【０００６】
特許文献１には、手の指関節を駆動させる指関節駆動機構１０１が記載されている。図７（ａ）に示すように、指関節駆動機構１０１は、駆動用モータ１０２から供給された動力により、ボールねじ１０３が第１動滑車ユニット１０４および第２動滑車ユニット１０５を往復移動させ、第１可撓部材１０６および第２可撓部材１０７を牽引する。第１可撓部材１０６および第２可撓部材１０７が牽引されると、図７（ｂ）に示すように、第２関節滑車１０８を中心に第２指骨１０９が反時計回りに回転し、第１関節滑車１１０を中心に第１指骨１１１が反時計回りに回転することにより、指関節が屈曲する。指関節を進展させる際には、第１ねじりばね１１２および第２ねじりばね１１３の復元力により、第２指骨１０９および第１指骨１１１を時計回りに回転させている。
【０００７】
次に、特許文献２に記載された技術について図８を参照して説明する。図８は、従来の脚体関節アシスト装置２０１の概略構成を示す断面図である。
【０００８】
生物型ロボットは、各脚が地面に着いている状態では、各脚の関節に対して床から比較的大きな力が作用する。脚の関節に対して作用する力に対抗するために、関節アクチュエータに発生させるべき駆動力が大きくなり、該関節アクチュエータに負担がかかる。
【０００９】
特許文献２に記載された脚体関節アシスト装置２０１は、関節アクチュエータ２０７にかかる負担を低減させるためのものであり、図８に示すように、関節部２０８に作用する補助駆動力を発生するばね手段２０４を備えている。ばね手段２０４は、シリンダ２０５およびピストン２０６からなる気体ばねであり、関節部２０８における大腿部２０２と下腿部２０３との間の屈伸運動がリンクアーム２０９を介してばね手段２０４に伝達される。ばね手段２０４は、大腿部２０２と下腿部２０３との屈曲角度が所定の角度に達するまでは、該屈曲角度の増加に伴いばね手段２０４に生じる補助駆動力を増加させ、該屈曲角度が所定角度を越えた後は、ばね手段２０４に生じる補助駆動力が該所定角度における補助駆動力以下になるように設けられている。
【特許文献１】特開２００３−１４５４７４号公報（平成１５年５月２０日公開）
【特許文献２】特開２００３−１４５４７７号公報（平成１５年５月２０日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、上述した従来の関節部の構成とは異なる関節部を有した新たなロボットアームおよびロボットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のロボットアームは、一対の第１リンク部材および第２リンク部材間を連結することによって構成されるロボットアームであって、ねじ軸およびナットからなり、前記第１リンク部材に設けられたボールねじと、一端が前記第１リンク部材に接続され、他端が前記ナットに接続され、前記ボールねじの軸方向に力を作用させる弾性部材と、前記ねじ軸を回転させることによる前記ナットの該ねじ軸の軸方向への移動に伴い、前記第２リンク部材を前記第１リンク部材に対して回動させる力伝達機構とを備えることを特徴としている。
【００１２】
上記構成により、ボールねじのねじ軸を回転させることにより、該ねじ軸上をナットが軸方向に移動する。そして、前記ナットの前記ねじ軸上の移動に伴い、力伝達機構が第２リンク部材を第１リンク部材に対して回動させる。また、弾性部材の一端が第１リンク部材に接続され、他端がナットに接続されていることにより、該ナットが該ねじ軸上を軸方向に移動した場合、該弾性部材に圧縮力または引っ張り力が発生する。
【００１３】
すなわち、前記ナットが前記ねじ軸上を移動することにより、前記弾性部材には弾性歪みエネルギーが蓄積される。そして、前記弾性部材に蓄積された弾性歪みエネルギーを運動エネルギーに変換することにより、前記ナットの移動が補助されるため、前記ねじ軸を回転させる力を小さくすることが可能となる。また、前記ナットが反転して移動する際に、ねじ軸の正転方向に対する慣性力を小さくすることができるため、該ナットは安定した正逆運動を行うことができる。
【００１４】
さらに、前記ねじ軸に与えられた動力を高い効率で第２リンク部材の回動に変換することができ、かつ、安定した正逆運動を行うことができるため、脚に対する床からの反作用が大きな生物型ロボット、重いものを持ち上げるための産業用ロボットや、激しい正逆運動を行う生物型ロボットおよび産業用ロボット等に好適に用いることが可能である。
【００１５】
また、本発明のロボットアームでは、前記ボールねじは、該ねじ軸の両端において、第１支持部材および第２支持部材に回転自在に保持されており、前記弾性部材は、前記ナットと前記第１支持部材および第２支持部材の少なくとも一方との間に前記ねじ軸に対して平行に設けられており、その一端が前記ナットに接続され、他端が前記第１支持部材または前記第２支持部材に接続されていてもよい。
【００１６】
上記構成のように、ナットと第１支持部材および第２支持部材の少なくとも一方との間に弾性部材が設けられており、該弾性部材の一端が該ナットに接続され、他端が該第１支持部材または該第２支持部材に接続されていることにより、該ナットが該ねじ軸上を軸方向に移動した場合、該弾性部材に圧縮力または引っ張り力が発生する。すなわち、前記ナットが前記ねじ軸上を移動することにより、前記弾性部材には弾性歪みエネルギーが蓄積される。そして、前記弾性部材に蓄積された弾性歪みエネルギーを運動エネルギーに変換することにより、前記ナットの移動が補助されるため、前記ねじ軸を回転させる力を小さくすることが可能となる。
【００１７】
このように、前記ねじ軸に与えられた動力を高い効率で第２リンク部材の回動に変換することができるため、脚に対する床からの反作用が大きな生物型ロボットにも、重いものを持ち上げるための産業用ロボットにも好適に用いることが可能である。
【００１８】
また、本発明のロボットアームでは、前記弾性部材は、内側に前記ねじ軸が配置されたコイルばねであってもよい。
【００１９】
上記構成により、コイルばねのために第１リンク部材に別のスペースを設ける必要が無く、ロボットアームの小型化が可能となる。
【００２０】
また、本発明のロボットアームでは、前記第２リンク部材は、前記回動のための支点及び作用点を有しており、前記力伝達機構は、前記ナットと前記作用点とを連結する第３リンク部材からなってもよい。
【００２１】
上記構成により、ねじ軸を回転させることにより、ナットが該ねじ軸の軸方向に移動すると、該ナットの移動に伴い第３リンク部材も該ねじ軸の軸方向に移動する。第２リンク部材は、該第２リンク部材が回動するための支点および作用点を有しており、前記第３リンク部材が前記第２リンク部材の作用点に接続されている。そのため、前記第３リンク部材を前記ねじ軸の軸方向に移動させると、前記第２リンク部材は前記支点を中心として回動する。
【００２２】
このように、力伝達機構として第３リンク部材を用い、回動するための支点および作用点を有した第２リンク部材の該作用点に該第３リンク部材を接続することにより、ボールねじの直線運動を第２リンク部材の回転運動へと変換することができる。
【００２３】
また、本発明のロボットアームでは、前記力伝達機構は、前記ナットに設けられたラックと、前記第２リンク部材の一端に設けられたピニオンとからなってもよい。
【００２４】
上記構成により、ねじ軸の回転によるナットの該ねじ軸の軸方向に対する移動に伴い、ラックは該ねじ軸の軸方向に移動する。そして、前記ラックと係合したピニオンは、該ラックの前記ねじ軸の軸方向への移動に伴い回転する。前記ピニオンは、第２リンク部材の一端に設けられているために、該第２リンク部材が該ピニオンの回転中心を中心として、回動する。
【００２５】
このように、力伝達機構としてラック・ピニオンを用いることにより、ボールねじの直線運動を第２リンク部材の回転運動へと変換することができる。
【００２６】
本発明のロボットアームは、一対の第１リンク部材および第２リンク部材間を連結することによって構成されるロボットアームであって、ねじ軸およびナットからなり、前記第１リンク部材に設けられたボールねじと、前記ナットと前記第２リンク部材とを連結する第４リンク部材とを備え、前記第４リンク部材は、前記ねじ軸を回転させることによる前記ナットの該ねじ軸の軸方向への移動に伴い、前記第２リンク部材を前記第１リンク部材に対して回動させることを特徴としている。
【００２７】
上記構成により、ボールねじのねじ軸を回転させることにより、ナットが該ねじ軸の軸方向に移動すると、該ナットの移動に伴い第４リンク部材も該ねじ軸の軸方向に移動する。前記第４リンク部材は、前記第２リンク部材に接続されており、該第４リンク部材を前記ねじ軸の軸方向に移動させることにより、該第２リンク部材が第１リンク部材に対して回動する。
【００２８】
このように、第４リンク部材を第２リンク部材に接続することにより、ボールねじの直線運動を第２リンク部材の回転運動へと変換することができる。また、直線運動にボールねじを用いていると、バックラッシュが抑制されるため、精度の高い作業をすることができる。したがって、前記構成は、精密作業を行う産業用ロボットのアームに好適に用いることが可能である。
【００２９】
本発明のロボットは、上述したロボットアームを有することを特徴としている。
【００３０】
上記構成により、上述したロボットアームの作用効果を有したロボットを得ることができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明のロボットアームは、一対の第１リンク部材および第２リンク部材間を連結することによって構成されるロボットアームであって、ねじ軸およびナットからなり、前記第１リンク部材に設けられたボールねじと、一端が前記第１リンク部材に接続され、他端が前記ナットに接続され、前記ボールねじの軸方向に力を作用させる弾性部材と、前記ねじ軸を回転させることによる前記ナットの該ねじ軸の軸方向への移動に伴い、前記第２リンク部材を前記第１リンク部材に対して回動させる力伝達機構とを備えることを特徴としている。
【００３２】
このように、第１リンク部材に力伝達機構が設けられていることにより、ボールねじのねじ軸上におけるナットの直線運動を、第２リンク部材の該第１リンク部材に対する回転運動に変換することができる。直線運動にボールねじを用いていると、バックラッシュが抑制されるため、精度の高い作業をすることができる。したがって、前記構成は、精密作業を行う産業用ロボットのアームに好適に用いることが可能である。
【００３３】
さらに、前記ねじ軸に与えられた動力を高い効率で第２リンク部材の回動に変換することができ、かつ、安定した正逆運動を行うことができるため、脚に対する床からの反作用が大きな生物型ロボット、重いものを持ち上げるための産業用ロボットや、激しい正逆運動を行う生物型ロボットおよび産業用ロボット等に好適に用いることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明の一実施形態について図１〜図５に基づいて説明すると以下の通りである。
【００３５】
本発明のロボットアームは、一対の第１リンク部材および第２リンク部材間を連結するものである。前記ロボットアームは、前記第１リンク部材内に設けられており、該第１リンク部材に対して前記第２リンク部材を回動させる。
【００３６】
本実施形態のロボットアーム１について図１および図２を参照して説明する。図１（ａ）は本発明のロボットアームの一実施形態を側部から見た断面図であり、図１（ｂ）は本発明のロボットアームの一実施形態を上部から見た断面図である。
【００３７】
本実施形態のロボットアーム１は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、ボールねじ２と、圧縮コイルばね（コイルばね）３と、モータ４と、第３リンク部材（力伝達機構、第４リンク部材）５と、軸継手６と、第１支持部材７と、第２支持部材８と、第２リンク部材９とから構成されている。なお、第２リンク部材９以外のロボットアーム１の構成要素は、直方体の第１リンク部材１０に備えられた構成である。
【００３８】
ロボットアーム１は、生物型ロボットおよび産業用ロボットの関節に好適に用いることができる。
【００３９】
ボールねじ２は、ボールねじ軸（ねじ軸）２ａおよびナット２ｂから構成されており、ボールねじ軸２ａを回転させることにより、ナット２ｂをボールねじ軸２ａ上の任意の位置に高速で位置決めするためのものである。ボールねじ２は、ボールねじ軸２ａとナット２ｂの間にボールを挟み込んだ構造をしている。これにより、ボールねじ軸２ａを回転させると、ボールがボールねじ軸２ａとナット２ｂの間を転がりながら移動し、ナット２ｂを移動させる。このように、ボールねじ軸２ａ上におけるナット２ｂの移動は、ボールの転がりを利用するため、ボールねじ軸２ａとナット２ｂとの間に生じる摩擦が小さくなる。そのため、ナット２ｂをボールねじ軸２ａ上で往復移動させた場合に、バックラッシュを抑制することができる。
【００４０】
圧縮コイルばね３は、ナット２ｂと第１支持部材７および第２支持部材８との間において、ボールねじ軸２ａが内側にくるように配置されている。圧縮コイルばね３は、その一端がナット２ｂに接続されており、他端が第１支持部材７または第２支持部材８に接続されている。このため、ナット２ｂがボールねじ軸２ａ上を軸方向に移動した場合、圧縮コイルばね３に圧縮力または引っ張り力が発生する。すなわち、ナット２ｂがボールねじ軸２ａ上を移動することにより、圧縮コイルばね３には弾性歪みエネルギーが蓄積される。そして、圧縮コイルばね３に蓄積された弾性歪みエネルギーを運動エネルギーへと変換することにより、ナット２ｂの移動が補助されるため、ボールねじ軸２ａを回転させる力を小さくすることが可能となる。なお、圧縮コイルばね３は、ナット２ｂと第１支持部材７および第２支持部材８の少なくとも一方との間に設けられていればよい。
【００４１】
本実施形態のロボットアーム１は、圧縮コイルばね３が設けられていることにより、ボールねじ軸２ａに与えられた動力を高い効率で第２リンク部材９の回動に変換することができるため、脚に対する床からの反作用が大きな生物型ロボットにも、重いものを持ち上げるための産業用ロボットにも好適に用いることが可能である。また、圧縮コイルばね３は、ボールねじ軸２ａが内側に位置するように配置された構成であるために、圧縮コイルばね３のためにスペースを別に設ける必要がなく、ロボットアーム１の小型化が可能となる。
【００４２】
なお、本実施形態では、圧縮コイルばね３は、ボールねじ軸２ａが内側に位置するように配置された構成であるが、本発明はこれに限られない。つまり、気体ばねや板ばね等がボールねじ軸２ａと並列に設けられている構成であってもよく、ボールねじ２の軸方向に力を作用させる構成であればかまわない。また、本発明では、圧縮コイルばね３が設けられていない構成であってもかまわない。
【００４３】
モータ４は、ボールねじ軸２ａを回転させるためのものである。モータ４は、第１支持部材７において、軸継手６を用いてボールねじ軸２ａと接続されている。モータ４は、図示しない制御装置から送られた制御信号により、回転角度の調節や正逆運動の制御等を行う。
【００４４】
第２リンク部材９は、棒状の部材であり、前記第１リンク部材１０に対して回動するものである。第２リンク部材９は、その一端が約９０度屈曲しており、屈曲された側の第２リンク部材９に第３リンク部材５が接続されている。
【００４５】
第３リンク部材５は、ボールねじ２のナット２ｂと屈曲された側の第２リンク部材９とを連結させるための細い棒状の部材である。モータ４がボールねじ軸２ａを正逆回転させることにより、ナット２ｂはボールねじ軸２ａ上を軸方向に往復移動する。ナット２ｂの移動に応じて、第３リンク部材５もボールねじ軸２ａの軸方向に往復移動する。その結果、第３リンク部材５に接続された第２リンク部材９が、第２リンク部材９の屈曲部を中心として回動する。なお、第２リンク部材９は、上述した構成に限られず、ナット２ｂの直線運動を回転運動に変換することができる構成であればよく、用途に応じて必要な形状にすればよい。
【００４６】
なお、第３リンク部材５は上述した構成に限られず、ラック・ピニオンを用いてもよい。ラック・ピニオンを用いる場合は、ラックの一端がボールねじ軸２ａと平行になるようにナット２ｂに接続されており、ナット２ｂのボールねじ軸２ａの軸方向への往復移動に伴い、ラックもボールねじ軸２ａの軸方向へ往復移動する。ラックと係合するピニオンは、第２リンク部材９の一端に設けられているために、前記ラックの往復移動に伴い、第２リンク部材９がピニオンの回転中心を中心として、回動する。また、ナット２ｂの移動を、第２リンク部材９に磁力等により伝達し、第２リンク部材９を回動させてもよい。
【００４７】
軸継手６は、図２に示すように、ボールねじ軸２ａを回転自在に第１支持部材７に固定するためのものであり、中間ばめまたはしまりばめである。図２は、軸継手６の要部を示す断面図である。軸継手６は、ボールねじ２のスラスト荷重を逃がし、モータ４に伝えないようにするために段差が設けられている。
【００４８】
第１支持部材７および第２支持部材８は、ボールねじ軸２ａの両端に設けられており、ボールねじ軸２ａを回転自在に保持するためのものである。第１支持部材７および第２支持部材８は、板状をしており、それぞれにベアリングが設けられており、それによりボールねじ軸２ａの両端を保持している。また、第１支持部材７および第２支持部材８は、互いの中心がずれないようにボールねじ軸２ａを保持している。
【００４９】
以上のように、一対の第１リンク部材１０および第２リンク部材９間を連結することによって構成される本実施形態のロボットアーム１であって、ボールねじ軸２ａおよびナット２ｂからなり、第１リンク部材１０に設けられたボールねじ２と、一端が第１リンク部材１０に接続され、他端がナット２ｂに接続され、ボールねじ２の軸方向に力を作用させる圧縮コイルばね３と、ボールねじ軸２ａを回転させることによるナット２ｂの該ねじ軸の軸方向への移動に伴い、第２リンク部材９を第１リンク部材１０に対して回動させる第３リンク部材５とを備えることを特徴としている。
【００５０】
上記構成により、ボールねじ２のボールねじ軸２ａを回転させることにより、ボールねじ軸２ａ上をナット２ｂが軸方向に移動する。そして、ナット２ｂのボールねじ軸２ａ上の移動に伴い、第３リンク部材５が第２リンク部材９を第１リンク部材１０に対して回動させる。また、圧縮コイルばね３の一端が第１リンク部材１０に接続され、他端がナット２ｂに接続されていることにより、ナット２ｂがボールねじ軸２ａ上を軸方向に移動した場合、圧縮コイルばね３に圧縮力または引っ張り力が発生する。
【００５１】
すなわち、ナット２ｂがボールねじ軸２ａ上を移動することにより、圧縮コイルばね３には弾性歪みエネルギーが蓄積される。そして、圧縮コイルばね３に蓄積された弾性歪みエネルギーを運動エネルギーに変換することにより、ナット２ｂの移動が補助されるため、ボールねじ軸２ａを回転させる力を小さくすることが可能となる。また、ナット２ｂが反転して移動する際に、慣性力を小さくすることができるため、ナット２ｂは安定した正逆運動を行うことができる。
【００５２】
このように、第１リンク部材１０に第３リンク部材５が設けられていることにより、ボールねじ２のねじ軸上におけるナット２ｂの直線運動を、第２リンク部材９の第１リンク部材１０に対する回転運動に変換することができる。直線運動にボールねじ２を用いていると、バックラッシュが抑制されるため、精度の高い作業をすることができる。したがって、前記構成は、精密作業を行う産業用ロボットのアームに好適に用いることが可能である。
【００５３】
さらに、ボールねじ軸２ａに与えられた動力を高い効率で第２リンク部材９の回動に変換することができ、かつ、安定した正逆運動を行うことができるため、脚に対する床からの反作用が大きな生物型ロボット、重いものを持ち上げるための産業用ロボットや、激しい正逆運動を行う生物型ロボットおよび産業用ロボット等に好適に用いることが可能である。
【００５４】
ここで、本実施形態のロボットアーム１を適用したロボットを作成し、ロボットアーム１の性能を検討する。ロボットアーム１の性能を観察するために、魚型ロボット２０を作成した。魚型ロボット２０の構成について図３を参照して説明する。図３は、ロボットアーム１を用いた魚型ロボット２０の概略構成を上部から見た断面図である。
【００５５】
魚型ロボット２０は、第１リンク部材１０の一部に浮力を生じるためのフロート１１を設けている。また、第２リンク部材９の第３リンク部材５と接続されている側とは反対側の端部には、プラスチック製の尾翼が設けられている。
【００５６】
魚型ロボット２０に生物と類似した動作を行わせるためには、定常振動数および定常振幅で第２リンク部材９を動かすことが好ましい。ここでは、第２リンク部材９の振動数を制御するために、図示しない制御装置からモータ４にｓｉｎ波が出力される。また、第２リンク部材９の振幅の制御は、モータ４の最大出力値に対する出力値の比であるデューティー比を変化させることにより行われており、前記制御装置からモータ４に所定のデューティー比に応じたパルス信号を出力することによりモータ４を流れる電流が制御される。
【００５７】
次に、圧縮コイルばね３を設けた魚型ロボット２０および圧縮コイルばね３を設けていない魚型ロボット２０を作成し、それぞれの第２リンク部材９の動作を比較した。比較は、魚型ロボット２０の尾翼を水中に沈めた状態で、前記制御装置からモータ４に１Ｈｚ、２Ｈｚ、３Ｈｚ、４Ｈｚ、５Ｈｚの５段階の周波数のｓｉｎ波を出力することによって行った。
【００５８】
圧縮コイルばね３を設けた場合と設けていない場合とにおける魚型ロボット２０の第２リンク部材９の動作について図４〜６を参照して説明する。図４（ａ）〜（ｅ）は、圧縮コイルばね３を備えていない場合の魚型ロボット２０における第２リンク部材９の動作を示すグラフである。図５（ａ）〜（ｅ）は、圧縮コイルばね３を備えている場合の魚型ロボット２０における第２リンク部材９の動作を示すグラフである。なお、実線は図示しない制御装置から出力された出力信号の波形を示し、ドットをつないだ線はボールねじ軸２ａの回転角度を示している。
【００５９】
図４（ａ）〜（ｅ）に示すように、圧縮コイルばね３が設けられていない魚型ロボット２０では、第２リンク部材９の振幅の中心が時間の経過とともにずれている。それに対して、図５（ａ）〜（ｅ）に示すように、圧縮コイルばね３が設けられた魚型ロボット２０では、時間が経過しても第２リンク部材９の振幅の中心はほとんどずれない。これは、ナット２ｂの両端において、ボールねじ軸２ａと平行に圧縮コイルばね３が設けられているためである。ナット２ｂがボールねじ軸２ａ上を往復移動した場合、圧縮コイルばね３には弾性歪みエネルギーが蓄積される。そして、圧縮コイルばね３に蓄積された弾性歪みエネルギーを運動エネルギーに変換することにより、第２リンク部材９が反転する際の慣性力を小さくすることができる。この結果、第２リンク部材９の振幅が安定する。
【００６０】
図４および図５に示したデータをまとめたデータについて図６を参照して説明する。図６は、魚型ロボット２０に圧縮コイルばね３が設けられている場合および設けられていない場合において、ｓｉｎ波の周波数とボールねじ軸２ａの回転角度幅との関係およびｓｉｎ波の周波数と第２リンク部材９の振幅との関係を示したグラフである。
【００６１】
なお、図６において、ひし形のドットをつないだ線は圧縮コイルばね３が設けられていない魚型ロボット２０の周波数とボールねじ軸２ａの回転角度幅との関係を示している。四角のドットをつないだ線は、圧縮コイルばね３が設けられている魚型ロボット２０の周波数とボールねじ軸２ａの回転角度幅との関係を示している。三角のドットをつないだ線は、圧縮コイルばね３が設けられていない魚型ロボット２０の第２リンク部材９の振幅に対する圧縮コイルばね３が設けられている魚型ロボット２０の第２リンク部材９の振幅の割合を示している。
【００６２】
図４〜図６に示すように、魚型ロボット２０に圧縮コイルばね３が設けられている場合においても、設けられていない場合においても、前記制御装置からモータ４に出力されるｓｉｎ波の周波数が増加するとボールねじ軸２ａの回転角度の変化が減少する。これは、第２リンク部材９の移動速度が、ｓｉｎ波の周波数が増加とともに上昇するためである。第２リンク部材９の移動速度が上昇すると、第２リンク部材９の尾翼へかかる流体力が増加し、かつ、第２リンク部材９の加速時間が減少するために、ボールねじ軸２ａの回転角度の変化が減少する。
【００６３】
また、図６に示すように、圧縮コイルばね３が設けられている魚型ロボット２０の第２リンク部材９の振幅は、圧縮コイルばね３が設けられていない場合と比較して、約１．７％〜約４１．２％増加している。これは、ナット２ｂの両端において、ボールねじ軸２ａと平行に圧縮コイルばね３が設けられているためである。ナット２ｂがボールねじ軸２ａ上を往復移動した場合、圧縮コイルばね３には弾性歪みエネルギーが蓄積される。そして、圧縮コイルばね３に蓄積された弾性歪みエネルギーを運動エネルギーに変換することにより、ナット２ｂの移動を補助するため、より小さい動力でボールねじ軸２ａを回転させることが可能となる。
【００６４】
このように、本実施形態のロボットアーム１は、圧縮コイルばね３が設けられていることにより、安定した正逆運動を行うことができ、かつ、より小さい動力で第２リンク部材９を回動させることが可能となる。
【００６５】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、歩行・走行ロボット、高速遊泳を行う魚型ロボット、鳥型ロボット等の激しい正逆運動を行うロボットの関節に好適に用いることができる。また、自動車等への能動的サスペンションを行う産業用ロボットの関節としても好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】（ａ）は本発明のロボットアームの一実施形態を側部から見た断面図であり、（ｂ）は本発明のロボットアームの一実施形態を上部から見た断面図である。
【図２】ボールねじ軸と支持部材とをつなげるための軸継手の要部を示す断面図である。
【図３】本発明のロボットアームの一実施形態を用いた魚型ロボットを上部から見た断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｅ）は、圧縮コイルばねを備えていない場合の関節の応答を示すグラフである。
【図５】（ａ）〜（ｅ）は、圧縮コイルばねを備えている場合の関節の応答を示すグラフである。
【図６】魚型ロボットに圧縮コイルばねが設けられている場合および設けられていない場合において、出力信号の周波数とボールねじ軸の回転角度幅との関係および出力信号の周波数と第２リンク部材の振幅との関係を示したグラフである。
【図７】（ａ）は従来の指関節駆動機構の概略構成を示す平面図であり、（ｂ）は指関節部分の構成を示す断面図である。
【図８】従来の脚体関節アシスト装置の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１    ロボットアーム
２    ボールねじ
２ａ  ボールねじ軸（ねじ軸）
２ｂ  ナット
３    圧縮コイルばね（弾性部材）
４    モータ
５    第３リンク部材（力伝達機構、第４リンク部材）
６    軸継手
７    第１支持部材
８    第２支持部材
９    第２リンク部材
１０  第１リンク部材
１１  フロート
２０  魚型ロボット
【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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