(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性を有する１本のワイヤーによってほぼヘアピン形状に折り曲げられて形成された２本のワイヤー部と、上記２本のワイヤー部の外周に挿入され、これらのワイヤー部の軸方向に対して直交する２方向に湾曲可能に構成された筒状部材と、第１の回転中心の周りに回転自在に支持されたギアボックスと、上記ギアボックス内に組み込まれ、上記第１の回転中心に対して直交する第２の回転中心上に間隔を隔てて配置された第１、第２の歯車及び上記第１の回転中心上に間隔を隔てて配置されて上記第１、第２の歯車の両方に噛合された第３、第４の歯車によって構成された差動歯車機構と、上記第１、第２の歯車間に配置されて、上記第１の回転中心の周りに回転自在に構成されたスライドガイドと、上記第１、第２の歯車間に配置されて、上記スライドガイドに沿って上記第２の回転中心に対して直交する方向にスライド自在に構成され、上記２本のワイヤー部の先端とは反対側の２つの被駆動端が固定された２つのスライダーと、上記第１、第２の歯車の何れか一方の対向面に形成されて上記２つのスライダーに係合された２つのワイヤー駆動部と、上記ギアボックスに設けられて、上記スライドガイドの上記第１の回転中心の周りの回転量を規制する２つのストッパーと、上記差動歯車機構の第３、第４の歯車を介して上記第１、第２の歯車を上記ギアボックス内で上記第２の回転中心の周りに回転駆動すると共に、これら第１、第２の歯車を上記ギアボックスと一体に上記第１の回転中心の周りに回転駆動するアクチュエータを備えたことを特徴とする湾曲機構。
【請求項２】
請求項１に記載の湾曲機構を尻尾等の多関節部分に組み込んだことを特徴とするロボット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、犬や猫等の動物の形に似せた小型のペットロボットの尻尾等に適用するのに最適な湾曲機構と、その湾曲機構を用いたロボットの技術分野に属するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、例えば、特開平６−３２０４７３号公報や特開平７−２５９７２５号公報によって内視鏡の挿入部等に適用される湾曲機構が公開されている。そして、これらの公開された湾曲機構は、何れも、多関節の湾曲管を複数の形状記憶合金の温度制御方法によって自在に湾曲させるように構成したものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、多関節の湾曲管を複数の形状記憶合金の温度制御方法によって自在に湾曲させるものは、湾曲管そのものの構造が著しく複雑で高価につく上に、大型で、高価なコントロールユニット等が必要であることから、例えば、犬や猫等の動物の形に似せた小型のペットロボットの尻尾等の湾曲機構には不適当なものであった。
【０００４】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、極く簡単な構造でありながら、例えば、小型のペットロボットの尻尾の自律的な湾曲動作等をより自然に近いように表現させることを可能にした湾曲機構とそれを用いたロボットを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明の湾曲機構は、先端が接続された弾性を有する複数本のワイヤーの外周に湾曲可能な筒状部材を挿入し、その複数本のワイヤーの先端とは反対側の被駆動端をこれらの軸方向に選択的に移動制御するアクチュエータを備えたものである。
【０００６】
上記のように構成された本発明の湾曲機構は、先端が接続された弾性を有する複数本のワイヤーの外周に湾曲可能な筒状部材を挿入して、これらのワイヤーの軸方向に対して直交する方向の可動範囲をその筒状部材で規制し、アクチュエータによってこれらのワイヤーの先端とは反対側の複数の被駆動端を軸方向に選択的に移動制御することにより、筒状部材の内部でこれらのワイヤーが軸方向に相対的に移動（引っ張り動作と押し出し動作が同時に行われること）して、これらのワイヤーの先端で筒状部材の先端が自律的に湾曲される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を小型のペットロボットに適用した湾曲機構の実施の形態を図を参照して説明する。
【０００８】
「ペットロボットの説明」
まず、図２３は、例えば犬や猫等の４つ脚動物に似せた小型のペットロボット１を示したものであって、胴体部２の前端に頭部３が首関節４を介して上下、左右の２方向に回転自在に搭載され、胴体部２の後部に尻尾５が尻尾関節６を介して上下、左右の２方向に回転自在に取り付けられ、胴体部２の左右両側の前後２箇所に２本の前脚７と２本の後脚８がそれぞれ肩関節９及び膝関節１０を介して上下、左右の２方向に回転自在に取り付けられている。そして、胴体部２の内部にはメインコントロール部（マイクロコンピュータ）１２が内蔵されていて、胴体部２の上面には必要な各種の情報をマニアル操作で入力することができるキー入力部１３が取り付けられている。また、頭部３にはタッチセンサー１４、画像表示部１５、画像認識部１６、スピーカー１７、赤外線コントロール部１８等が取り付けられていて、胴体部２や頭部３には電話ユニット１９やマイク（図示せず）等が内蔵されている。
【０００９】
そして、メインコントロール部１２が合計４本の前脚７及び後脚８を駆動して、これら前脚７及び後脚８を折り畳んだり、伸展させることによって、この歩行用ロボット１は自力で、寝そべったり、立ち上がることができる。そして、これら前脚７及び後脚８を歩行運動させることにより、この歩行用ロボット１は自力で歩行することができる。更に、メインコントロール部１２が頭部３及び尻尾５を駆動することにより、頭部３、尻尾５、前脚７及び後脚８を上下、左右等に自由に振ることができて、犬や猫等の４つ脚動物に似た動きやおどけたしぐさ等のパフォーマンスを表現することができるように構成されている。なお、同様に、使用者が頭部３のタッチセンサー１４に手を触れると、頭部３や尻尾５を振って喜びの動作を表現したり、前脚７の１本を持ち上げてお手を表現したりすることができる。そして、画像表示部１５は例えば電話通信時に電話相手の顔を表示することができ、画像認識部１６は歩行中の障害物を認識して、障害物を避けるようにして目的の場所まで安全な歩行を行ったり、電話ユニット１９を使用する電話通信時に使用者の顔を取り込んで電話相手に伝送することができる。スピーカー１７は「ワンワン」や「ニャンニャン」等の犬や猫等の動物の鳴き声を発生することができ、赤外線コントロール部１８はテレビジョンやビデオテープレコーダ等の各種赤外線コントロール機器を制御することができる。
【００１０】
そして、次に述べる湾曲機構２１は、このペットロボット１の尻尾５部分に適用されていて、この湾曲機構２１によって尻尾５を上下方向である矢印ａ１、ａ２方向に揺動及び自律的に湾曲させることができると共に、左右方向である矢印ｂ１、ｂ２方向にも揺動させることができるようにして、犬や猫等の４つ脚動物の擬似感情や情緒等をより自然に近い動作で表現できるようにしたものである。
【００１１】
「湾曲機構の説明」
次に、図１〜図２１によって、ペットロボット１の尻尾５に適用された湾曲機構２１の第１の実施形態について説明する。
即ち、まず、図１〜図６は多関節の湾曲機構２１の基本的構造を説明するものであって、ペットロボット１の胴体部２のシャーシ２ａ上に取り付けられたベースユニット２２の内部に球型のギアボックス２３が配置されている。そして、このギアボックス２３の外周の一部に多関節の湾曲機構２１が取り付けられていて、この湾曲機構２１によってペットロボット１の尻尾５が構成され、そのギアボックス２３部分が尻尾関節６に構成されている。
【００１２】
そして、この湾曲機構２１には、弾性を有するワイヤー、例えば超弾性合金製の１本のワイヤー２４が使用されている。そして、このワイヤー２４をその長さ方向の中央部でほぼＵ字状（又はほぼＶ字状）に折り曲げることによって、ほぼ平行な２本のワイヤー部２４ａ、２４ｂを作成し、これら２本のワイヤー部２４ａ、２４ｂの先端２４ｃがほぼＵ字状（又はほぼＶ字状）に一体に接続されたほぼヘアピン形状のワイヤー２４が構成されている。そしてこれら２本のワイヤー部２４ａ、２４ｂの先端２４ｃとは反対側である基端がほぼＬ型で上下対称状に折り曲げられた２つの被駆動端２４ｄ、２４ｅに構成されている。
【００１３】
そして、このほぼヘアピン形状のワイヤー２４の外周には湾曲可能な筒状部材２５が挿入されていて、この筒状部材２５は合成樹脂や軽金属等によって成形された複数、例えば４つの筒２６ａ〜２６ｄと、これらの筒２６ａ〜２６ｄの隣接間をそれぞれ屈曲可能に接続した複数、例えば３つの関節２７によって多関節構造に構成されている。そして、この筒状部材２５は最先端の筒２６ａからそれとは反対側である最基端の筒２６ｄにかけて直径が次第に拡大された細長い円錐形状に構成されていて、この筒状部材２５によってペットロボット１の尻尾５の外径がデザインされている。そして、最先端の筒２６ａの先端寄りの位置に軸方向に対して直角状に打ち込まれた仮止めピン２８によってワイヤー２４に対する筒状部材２５の抜け止めがなされていて、２本のワイヤー部２４ａ、２４ｂの被駆動端２４ｄ、２４ｅは最基端側の筒２６ｄの外方に突出されている。そして、筒状部材２５の３つの関節２７はそれぞれ球面２７ａと球面座２７ｂを有し、４つの筒２６ａ〜２６ｄを直交する２方向である矢印ａ１、ａ２方向及び矢印ｂ１、ｂ２方向に相互に回転自在に接続（接触）させたいわゆる球面軸受（一種のユニバーサルジョイント）に構成されている。なお、最基端の筒２６ｄの遊端部にはギアボックス２３の外周の球面に対応された球面座２７ｂが形成されている。
【００１４】
しかし、図５及び図６に点線の矢印ｄで示すように、４つの筒２６ａ〜２６ｄがこれらの軸方向の周りに相互に回転することがあると、内部の２本のワイヤー部２４ａ、２４ｂに捩れが発生するので、３つの関節２７にはこれらの筒２６ａ〜２６ｄが矢印ｃ方向に相互に回転を防止するための軸周り回転防止手段２９が設けられている。この軸周り回転防止手段２９の一例として、ここでは球面２７ａ側に軸方向に対して直角状に形成したストッパー３０を球面座２７ｂに沿って軸方向に対して直交する状態に形成した溝３１内に回転自在に係合差せた構造を採用しているが、その他にも、例えば球面２７ａと球面座２７ｂにこれらの周方向に沿った凹凸面等を形成してもよい。
【００１５】
この湾曲機構２１の基本的構造は以上のように構成されていて、図１及び図２に示すように、この湾曲機構２１を直交する２方向である矢印ａ１、ａ２方向及び矢印ｂ１、ｂ２方向に揺動及び湾曲駆動するための球型のギアボックス２３にこの湾曲機構２１の直交する２方向である第１の回転中心に相当する垂直方向のＹ軸と、第２の回転中心に相当する水平方向のＸ軸が設定されていて、これらＸ軸及びＹ軸はギアボックス２３の中心で直交されている。そして、図１１及び図１２に示すように、Ｙ軸は垂直面内で所定の角度、例えば１５°の後傾角度に傾斜されている。そして、湾曲機構２１の先端２１ａとは反対側の基体２１ｂがＹ軸に対して直交する状態でギアボックス２３に接続されている。但し、ワイヤー２４の２本のワイヤー部２４ａ、２４ｂがＹ軸を含む垂直面内で上下に配置された垂直状に構成されていて、これらの２つの被駆動部２４ｄ、２４ｅがギアボックス２３内の後述する差動歯車機構３８に取り付けられ、筒状部材２５の最基端の筒２６ｄの遊端部が球面座２７ｂによってギアボックス２３の外周の球面にスライド自在に当接されている。
【００１６】
そして、この湾曲機構２１のＸ軸を中心とした上下方向である矢印ａ１、ａ２方向の揺動範囲（根元角）が、例えば水平基準Ｐ１に対して例えば１５°の仰角に設定された上下方向の揺動中心位置Ｐ２を中心として上下に±２０°に設定（但し、水平基準Ｐ１に対しては−５°〜＋３５°に設定）されていて、Ｙ軸を中心とした左右方向である矢印ｂ１、ｂ２方向の揺動範囲（根元角）が、例えば左右方向の揺動中心位置Ｐ１１を中心として左右に±３０°に設定されている。
【００１７】
そして、後述するように、ギアボックス２３をＹ軸の周りに矢印ｂ１、ｂ２方向に回転駆動することによって、ワイヤー２４の２本のワイヤー部２４ａ、２４ｂの垂直状態を維持したままで、ワイヤー２４及び筒状部材２５と一体に湾曲機構２１が矢印ｂ１、ｂ２方向に揺動駆動されるように構成されている。また、ギアボックス２３を停止した状態で、後述する差動歯車機構３８により、ギアボックス２３の内部で、ワイヤー２４の２本のワイヤー部２４ａ、２４ｂの被駆動端２４ｄ、２４ｅをＸ軸の周りに矢印ａ１、ｂ１方向に同時に回転駆動することによって、２本のワイヤー部２４ａ、２４ｂの平行度が保たれた状態で、ワイヤー２４及び筒状部材２５と一体に湾曲機構２１が矢印ａ１、ａ２方向に揺動駆動されるように構成されている。
【００１８】
そして、図１に示すように、後述する差動歯車機構３８は、湾曲機構２１を矢印ａ１方向又は矢印ａ２方向に揺動駆動している途中で、その湾曲機構２１が上側揺動限界位置Ｐ３ 又は下側揺動限界位置Ｐ４に到達した後に、ワイヤー２４の２つの被駆動端２４ｄ、２４ｅをこれらの軸方向に可逆的に移動制御することによって、この湾曲機構２１を上側揺動限界位置Ｐ３又は下側揺動限界位置Ｐ４から更に上側又は下側に向けて図１に１点鎖線又は２点鎖線で示すように、矢印ａ１′方向又は矢印ａ２′方向に湾曲駆動することができるように構成されている。
【００１９】
即ち、矢印ａ１方向に揺動駆動される途中で湾曲機構２１が図１に点線で示す上側揺動限界位置Ｐ３に到達した時には、図３及び後述する図１４に示すように、後述する差動歯車機構３８によってワイヤー２４の２本のワイヤー部２４ａ、２４ｂの２つの被駆動端２４ｄ、２４ｅのうち、上側の被駆動端２４ｄが軸方向である矢印ｅ方向に引っ張られると同時に、下側の被駆動端２４ｅが軸方向である矢印ｆ方向に押し出される。すると、筒状部材２５の内部で、２本のワイヤー部２４ａ、２４ｂの先端２４ｃに対する矢印ｅ方向の引張り力Ｆ１と矢印ｆ方向の押出し力Ｆ２が同時に働き、これらの合力による上向きのモーメントＭ１が２本のワイヤー部２４ａ、２４ｂの先端２４ｃに働いて、ワイヤー２４全体がその弾性に抗して垂直面内で矢印ａ１′方向に自動的に湾曲して、筒状部材２５が４つの筒２６ａ〜２６ｄ間の３つの関節２７間で順次折れ曲がるようにして、湾曲機構２１全体が図１に１点鎖線で示すように、矢印ａ１′方向に円弧状に湾曲する。
【００２０】
なお、矢印ａ２方向に揺動駆動される途中で湾曲機構２１が図１に点線で示す下側揺動限界位置Ｐ４に到達した時には、図３に点線の矢印で示すように、後述する差動歯車機構３８によってワイヤー２４の２本のワイヤー部２４ａ、２４ｂの２つの被駆動端２４ｄ、２４ｅのうち、上側の被駆動端２４ｄが軸方向である矢印ｆ方向に押し出されると同時に、下側の被駆動端２４ｅが軸方向である矢印ｅ方向に引っ張られる。すると、筒状部材２５の内部で、２つのワイヤー部２４ａ、２４ｂの先端２４ｃに対する矢印ｆ方向の押出し力Ｆ２と矢印ｅ方向の引張り力Ｆ１が同時に働き、これらの合力による下向きのモーメントＭ２が２本のワイヤー部２４ａ、２４ｂの先端２４ｃに働いて、ワイヤー２４全体がその弾性に抗して垂直面内で矢印ａ２′方向に自律的に湾曲して、筒状部材２５が４つの筒２６ａ〜２６ｄ間の３つの関節２７間で順次折れ曲がるようにして、湾曲機構２１全体が図１に２点鎖線で示すように、矢印ａ２′方向に円弧状に自律的に湾曲する。
【００２１】
なお、図２に示すように、湾曲機構２１が矢印ｂ１、ｂ２方向に揺動駆動される際には、この湾曲機構２１が左側揺動限界位置Ｐ１２及び右側揺動限界位置Ｐ１３に到達した時の慣性力によってワイヤー２４の２本のワイヤー部２４ａ、２４ｂの先端２４ｃ側が弾性に抗して矢印ｂ１、ｂ２方向に平行状に湾曲し、これと一緒に筒状部材２５も矢印ｂ１、ｂ２方向に湾曲することになる。
【００２２】
次に、図７〜図２１は、ベースユニット２２の内部構造を説明するものであって、側面形状がほぼコ字状に形成されたシャーシ３３の上下一対のギアボックス取付部３３ａのほぼ三角形状の先端部間に球型のギアボックス２３が上下一対の垂直状の支軸３４、３５によってＹ軸の周りに矢印ｂ１、ｂ２方向に回転自在に取り付けられていて、図１１に示すように、上下一対の支軸３４、３５の中心に相当するＹ軸が垂直面内で垂直基準Ｐ０に対して例えば１５°に後傾角度に傾斜されている。なお、ギアボックス２３は球体を上下２分割した形状である上下一対の半球状部材２３ａ、２３ｂを複数のネジ３６によって一体に締結した２分割構造に構成されている。
【００２３】
そして、このギアボックス２３の内部にＸ軸に対して直角で、かつ扁平状に形成された中空部３７が形成されていて、その中空部３７内に差動歯車機構３８が組み込まれている。
即ち、ギアボックス２３の中心でＹ軸と直交する水平なＸ軸上に配置された水平な支軸３９が中空部３７内の中央を水平方向に貫通する状態に配置されていて、この支軸３９の左右方向の両端が上下一対の半球状部材２３ａ、２３ｂの上下分割面に形成された左右一対の支持穴４０内に支持されている。そして、相対向する傘歯車で構成された左右一対の大径の歯車である第１、第２の歯車４１、４２が支軸３９の両端に回転自在に取り付けられて、中空部３７内の左右両側位置に配置されていて、相対向する傘歯車で構成された上下一対の小径の歯車である第３、第４の歯車４３、４４が上下一対の支軸３４、３５の外周に回転自在に取り付けられて中空部３７の上下に配置され、かつ、これら第３、第４の歯車４３、４４が第１、第２の歯車４１、４２の両方の上下に噛合されている。そして、これら第１、第２、第３及び第４の４つの歯車４１、４２、４３、４４によって差動歯車機構３８が構成されている。なお、第３、第４の歯車４３、４４のボス部４３ａ、４４ａの外周に上下一対の歯車４５、４６が一体に結合されていて、ギアボックス２３の上下一対の半球状部材３３ａ、３３ｂの上下両端部が上下一対の歯車４５、４６の内側で上下一対のボス部４３ａ、４４ａの外周に回転自在に支持されている。
【００２４】
そして、この差動歯車機構３８を駆動するアクチュエータ５１は、シャーシ３３にＸ軸と平行状で、かつ、垂直状に形成されたモータ取付部３３ｂの背面に水平状に取り付けられた左右一対のギアードモータ５２、５３と、これらのギアードモータ５２、５３によって差動歯車機構３８の第３、第４の歯車４３、４４をこれらと一体の上下一対の歯車４５、４６を介して回転駆動する１組の歯車伝動機構５４、５５とによって構成されている。なお、これらの歯車伝動機構５４、５５ははすば歯車５６ａ、５６ｂ、及び歯車５６ｃ、５６ｄとはすば歯車５７ａ、５７ｂ及び歯車５７ｃ、５７ｄによって構成されていて、はすば歯車５６ａ、５７ａがギアードモータ５２、５３の出力軸５２ａ、５３ａに固着され、他の歯車５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ及び５７ｂ、５７ｃ、５７ｄはシャーシ３３の上下一対のギアボックス取付部３３ａ間にＹ軸と平行状に取り付けられた３つの支軸５８、５９、６０の外周に回転自在に取り付けられている。なお、中央の支軸６０の上下に２つの歯車５６ｄ、５７ｄが共通に取り付けられている。
【００２５】
そして、ギアボックス２３の中央部３７内で、第１、第２の歯車４１、４２の間に合成樹脂等にて成形された半球状のスライドガイド６２と角柱状の上下一対のスライダー６３、６４が平行状に組み込まれている。
即ち、Ｘ軸に対して直角状に構成されたスライドガイド６２が支軸３９の外周に回転自在に取り付けられて第２の歯車４２側に偏位されて配置され、上下一対のスライダー６３、６４が支軸３９の上下両側位置に対称状に配置された状態で、スライドガイド６２と第１の歯車４１との間に相互に平行状に組み込まれている。そして、スライドガイド６２のスライダー６３、６４側の側面に上下一対のガイドレール６２ａ、６２ｂがＸ軸に対して直角な方向で、かつ、平行状に一体成形されていて、これら上下一対のガイドレール６２ａ、６２ｂに上下一対のスライダー６３、６４のガイドレール６２側の側面に平行状に成形された上下一対のガイド溝６３ａ、６３ｂがスライド自在に係合されている。従って、上下一対のスライダー６３、６４が上下一対のガイドレール６２ａ、６２ｂで案内されてスライドガイド６２に対してＸ軸に対する直方向である矢印ｅ、ｆ方向に平行状にスライドできるように構成されている。そして、第１の歯車４１のスライダー６３、６４側の側面に一体成形された上下一対のピン形状のワイヤー駆動部６５、６６が上下一対のスライダー６３、６４の第１の歯車４１側の側面の最奥端にこれらの長さ方向に対して直角状に形成された上下一対の被駆動溝６７、６８内にスライド自在に係合されている。なお、これら上下一対のワイヤー駆動部６５、６６はＸ軸に対する同一半径位置で１８０°対向状態に配置されている。
【００２６】
そして、ギアボックス２３の前面側にＹ軸と平行な長穴形状の開口である長穴開口７０が形成されていて、スライドガイド６２及び上下一対のスライダー６３、６４がこの長穴開口７０を貫通してギアボックス２３の前方に突出されている。そして、ワイヤー２４の２本のワイヤー部２４ａ、２４ｂのほぼＬ形の被駆動端２４ｄ、２４ｅが上下一対のスライダー６３、６４に上下一対のガイド溝６３ａ、６４ａの底面に沿って平行状で、かつ、終端部がＬ形で対称状に屈曲された形状に形成された上下一対のワイヤー取付溝６３ｂ、６４ｂ内に嵌合されて固定されている。そして、ギアボックス２３の長穴開口７０の上下両端縁が湾曲機構２１を上側、下側揺動限界位置Ｐ３、Ｐ４で停止させるための上下一対のストッパー７１、７２に構成されている。そして、湾曲機構２１の基端２１ｂを構成している筒状部材２５の最基端の筒２６ｄの端部が球面座２７ｂによってギアボックス２３の外周面である球面に矢印ａ１、ａ２方向に回動自在に当接されている。
【００２７】
ベースユニット２２は以上のように構成されていて、図７〜図１１に示したアクチュエータ５１の２つのギアードモータ５２、５３によって歯車伝動機構５４、５５を介してギアボックス２３の上下に配置された一対の歯車４５、４６を駆動すると、これらの歯車４５、４６と一体にギアボックス２３内の差動歯車機構３８の第３、第４の歯車４３、４４が駆動される。
そして、この差動歯車機構３８は、第３、第４の歯車４３、４４を矢印ｂ２、ｂ１方向又は矢印ｂ１、ｂ２方向で互いに反対方向に同時に回転駆動された時に、第１、第２の歯車４１、４２がギアボックス２３内で矢印ａ１方向又は矢印ａ２方向の互いに反対方向に同時に回転駆動され、第１の歯車４１の矢印ａ１方向又は矢印ａ２方向の回転によって湾曲機構２１が矢印ａ１方向又は矢印ａ２方向に揺動駆動されるように構成されている。また、この差動歯車機構３８は、第３、第４の歯車４３、４４を矢印ｂ１方向又は矢印ｂ２方向の同一方向に同時に回転駆動された時に、第１、第２の歯車４１、４２及び支軸３９を介してギアボックス２３全体が上下一対の支軸３４、３５の周りにＹ軸を中心として左右方向である矢印ｂ１方向又は矢印ｂ２方向に揺動駆動されて、そのギアボックス２３と一体に湾曲機構２１が矢印ｂ１方向又は矢印ｂ２方向に揺動駆動されるように構成されている。
【００２８】
即ち、図１２に示すように、湾曲機構２１が上下方向の揺動中心位置Ｐ２に位置している時に、図１５、図１８及び図１９に示すように、第１の歯車４１の上下一対のワイヤー駆動部６５、６６がＹ軸上で、かつ、Ｘ軸に対する上下対称位置にあり、ガイドレール６２及び上下一対のスライダー６３、６４がその揺動中心位置Ｐ２上に位置出しされている。そこで、第１の歯車４１が支軸３９の周りに矢印ａ１方向又は矢印ａ２方向に回転駆動されると、その第１の歯車４１の上下一対のワイヤー駆動部６５、６６がその支軸３９の周りに矢印ａ１方向又は矢印ａ２方向に同時に回動されて、これら上下一対のワイヤー駆動部６５、６６が上下一対のスライダー６３、６４の被駆動部６７、６８を矢印ａ１方向又は矢印ａ２方向に同時に回転駆動する。
【００２９】
この時、図１５及び図１９に実線の矢印又は点線の矢印で示すように、上下一対のワイヤー駆動部６５、６６によって上下一対のスライダー６３、６４に互いに反対方向である矢印ｅ、ｆ方向へのスラスト力が加えられて、これらのスライダー６３、６４がスライドガイド６２の上下一対のガイドレール６２ａ、６２ｂに沿って矢印ｅ、ｆ方向にスライドされようとする。しかし、この時の矢印ｅ、ｆ方向のスライト力は小さく、そのスラスト力が上下一対のスライダー６３、６４からワイヤー２４の２つの被駆動端２４ｄ、２４ｅを介してほぼ平行状の２本のワイヤー部２４ａ、２４ｂの軸方向に伝達されるものの、そのスラスト力がこれらのワイヤー部２４ａ、２４ｂの先端２４ｃの弾性反発力によってキャンセルされてしまう。この結果、この時には、スライドガイド６２に対する上下一対のスライダー６３、６４の矢印ｅ、ｆ方向のスライドが防止されて、これら上下一対のスライダー６３、６４が上下一対のガイド溝６３ａ、６４ａ及びガイドレール６２ａ、６２ｂを介してスライドガイド６２と一体に、ギアボックス２３の長穴開口７０の内部で、支軸３９の周りに矢印ａ１方向又は矢印ａ２方向にスムーズに回転駆動されることになる。
【００３０】
そして、図１２に示すように、上下一対のスライダー６３、６４に固定されている上下一対の被駆動端２４ｄ、２４ｅによって２本のワイヤー部２４ａ、２４ｂがそのほぼ平行状態を保ったままＸ軸の周りの垂直面内で矢印ａ１方向又は矢印ａ２方向に回転駆動されて、これらのワイヤー部２４ａ、２４ｂ及び筒状部材２５と一体に湾曲機構２１が図１に示すように、上下方向の揺動中心位置Ｐ２から上側揺動限界位置Ｐ３又は下側揺動限界位置Ｐ４まで矢印ａ１方向又は矢印ａ２方向である上下方向に揺動駆動されることになる。
【００３１】
そして、湾曲機構２１が上側揺動限界位置Ｐ３又は下側揺動限界位置Ｐ４まで矢印ａ１方向又は矢印ａ２方向に回転された時に、図１８に１点鎖線又は２点鎖線で示すように、スライドガイド６２がギアボックス２３の長穴開口７０の上側ストッパー７１又は下側ストッパー７２に矢印ａ１方向又は矢印ａ２方向から当接されて停止されるように構成されている。
【００３２】
ここで、湾曲機構２１を上下方向の揺動中心位置Ｐ２から上側揺動限界位置Ｐ３まで矢印ａ１方向に回動した後に、その湾曲機構２１の先端２１ａ側を矢印ａ１′方向に湾曲させる動作について説明する。
即ち、図１５、図１８及び図１９に示すように、第１の歯車４１の上下一対のワイヤー駆動部６５、６６によって上下一対のスライダー６３、６４がスライドガイド６２と一体にギアボックス２３の長穴開口７０内で矢印ａ１方向に回転して、湾曲機構２１が図１２に示す上下方向の揺動中心位置Ｐ１から図１３に示す上側揺動限界位置Ｐ３まで矢印ａ１方向に回動すると、図１８に１点鎖線で示すように、スライドガイド６２がギアボックス２３の長穴開口７０の上側ストッパー７１に矢印ａ１方向から当接されて停止され、図１６及び図２０に示すように、そのスライドガイド６２と一緒に上下一対のスライダー６３、６４も上側揺動限界位置Ｐ３で停止される。しかし、第１の歯車４１はこの後も引き続き矢印ａ１方向に回転駆動され、上下一対のワイヤー駆動部６５、６６が引き続き支軸３９の周りに矢印ａ１方向に回転駆動される。
【００３３】
すると、この時には、図１７及び図２１に示すように、スライドガイド６２が上側ストッパー７１に矢印ａ１方向から当接して停止されている状態で、上下一対のワイヤー駆動部６５、６６が上下一対のスライダー６３、６４の上下一対の被駆動溝６７、６８を矢印ａ１方向に回転駆動するため、その上下一対のワイヤー駆動部６５、６６によって上下一対のスライダー６３、６４がスライドガイド６２の上下一対のガイドレール６２ａ、６２ｂに沿って互いに反対方向である矢印ｅ、ｆ方向に強制的にスライド駆動することになる。そして、その上下一対のスライダー６３、６４と一体にワイヤー２４の上下一対の被駆動端２４ｄ、２４ｅが矢印ｅ、ｆ方向に可逆的に、かつ、強制的にスライド駆動（移動制御すること）されて、ほぼ平行状の２つのワイヤー部２４ａ、２４ｂの軸方向に矢印ｅ方向の引張り力Ｆ１と矢印ｆ方向の押出し力Ｆ２が同時に加えられる。この結果、図１、図３及び図１４で説明したように、ワイヤー２４の２本のワイヤー部２４ａ、２４ｂの先端２４ｃがモーメントＭ１によって矢印ａ１′方向に自律的に湾曲して、湾曲機構２１の先端２１ａ側がワイヤー２４及び筒状部材２５と一体に上側揺動限界位置Ｐ３から矢印ａ１′方向に自律的に湾曲されることになる。
【００３４】
なお、湾曲機構２１を上下方向の揺動中心位置Ｐ２から下側揺動限界位置Ｐ４まで矢印ａ２方向に回転した後に、その湾曲機構２１の先端２１ａ側を矢印ａ２′方向に湾曲させる際には、上述した矢印ａ１′方向の湾曲動作とは逆に、図１８に２点鎖線で示すように、スライドガイド６２がギアボックス２３の長穴開口７０の下側ストッパー７２に矢印ａ２方向から当接されて停止された後に、第１の歯車４１が矢印ａ２方向に引き続き回転駆動されることによって、上下一対のワイヤー駆動部６５、６６が上下一対のスライダー６３、６４と一体にワイヤー２４の上下一対の被駆動端２４ｄ、２４ｅをスライドガイド６２の上下一対のガイドレール６２ａ、６２ｂに沿って矢印ｆ、ｅ方向に強制的にスライド駆動（移動制御すること）される。すると、図１及び図３で説明したように、ほぼ平行状の２つのワイヤー部２４ａ、２４ｂの軸方向に矢印ｆ方向の押出し力Ｆ２と矢印ｅ方向の引張り力Ｆ１が同時に加えられて、ワイヤー２４の先端２４ｃがモーメントＭ２によって矢印ａ２′方向に自律的に湾曲して、湾曲機構２１の先端２１ａ側がワイヤー２４及び筒状部材２５と一体に下側揺動限界位置Ｐ４から矢印ａ２′方向に自律的に湾曲されることになる。
【００３５】
次に、図２２によって、湾曲機構２１の第２の実施形態について説明すると、この場合は、複数本のワイヤーである３本のワイヤー２４１、２４２、２４３の先端２４４を相互に３方向から結合し、これら３本のワイヤー２４１、２４２、２４３の外周に筒状部材２５を挿入し、これら３本のワイヤー２４１、２４２、２４３の先端とは反対側の基端である３つの被駆動端２４１ａ、２４２ａ、２４３ａをこれらのワイヤー２４１、２４２、２４３の軸方向である矢印ｅ、ｆ方向に選択的に移動制御することによって、これらのワイヤー２４１、２４２、２４３の先端２４４を矢印ａ１方向と矢印ａ２方向の直交する２方向に３６０°の範囲で湾曲させることができるように構成したものである。
【００３６】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変更が可能である。例えば、アクチュエータ５１に用いた２つのギアードモータ５２、５３を油圧や空気圧等により駆動されるピストン機構に置換することが可能であり、湾曲機構２１をＸ軸及びＹ軸の周りの直交する２方向に回転駆動する差動歯車機構３８をシリーズに配置された２つのアクチュエータに置換することが可能である。また、ワイヤー２４の本数は２〜３本以上であってもよいし、湾曲可能な筒状部材２５はゴムやプラスチック等の弾性（可撓性）を有する部材であってもよく、この筒状部材２５を非弾性部材からなる複数の筒２６ａ〜２６ｄ等で構成する場合の複数の関節２７は、球面２７ａ及び球面座２７ｂ以外の各種のユニバーサルジョイント等に置換することが可能である。また、この湾曲機構２１はペットロボット１の尻尾５以外にも各種の小型ロボット等の脚部その他の各種の多関節部分等に適用可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明の湾曲機構とロボットは、次のような効果を奏する。
【００３８】
請求項１は、先端が接続された弾性を有する複数本のワイヤーの外周に湾曲可能な筒状部材を挿入して、これらのワイヤーの軸方向に対して直交する方向の可動範囲をその筒状部材で規制し、アクチュエータによってこれらのワイヤーの先端とは反対側の複数の被駆動端を軸方向に選択的に移動制御することにより、筒状部材の内部でこれらのワイヤーが軸方向に相対的に移動して、これらのワイヤーの先端で筒状部材の先端が自律的に湾曲されるようにしたので、アクチュエータの数を大幅に削減することができて、構造が簡単で、小型、かつ、安価な湾曲機構を実現することができ、小型のペットロボットの尻尾等に適用するのに最適なものが得られる。
【００３９】
請求項２は、先端が接続された弾性を有する複数本のワイヤーの外周に湾曲可能で、多関節の筒状部材を挿入して、これらのワイヤーの複数の被駆動端をアクチュエータによって軸方向に選択的に移動制御するようにしたので、構造が簡単で、小型、かつ、安価な多関節の湾曲機構を実現することができる。
【００４０】
請求項３は、１本のワイヤーによってほぼヘアピン形状に折り曲げられた２本のワイヤー部の外周に湾曲可能な筒状部材を挿入して、これら２本のワイヤー部の２つの被駆動端をアクチュエータによってこれらの軸方向に対して直交する２方向に同時に回転制御すると共に、これら２つの被駆動端をこれらの軸方向に可逆的に移動制御するようにしたので、１本のワイヤーで２本のワイヤー部を構成することができると共に、１つのアクチュエータでワイヤーの直交する方向の揺動駆動と自律的な湾曲駆動を行え、より一層の構造の簡素化及び低コスト化を実現できる。
【００４１】
請求項４は、１本のワイヤーによってほぼヘアピン形状に折り曲げられた２本のワイヤー部の外周に湾曲可能な多関節の筒状部材を挿入して、これら２本のワイヤー部の２つの被駆動端をアクチュエータによってこれらの軸方向に対して直交する２方向に同時に回転制御すると共に、これら２つの被駆動端をこれらの軸方向に可逆的に移動制御するようにしたので、１本のワイヤーで２本のワイヤー部を構成することができると共に、１つのアクチュエータでワイヤーの直交する方向の揺動駆動と自律的な湾曲駆動を行え、多関節の湾曲機構のより一層の構造の簡素化及び低コスト化を実現できる。
【００４２】
請求項５は、１本のワイヤーによってほぼヘアピン形状に折り曲げられた２本のワイヤー部の外周に直交する２方向に湾曲可能な多関節の筒状部材を挿入して、これら２本のワイヤー部の２つの被駆動端をアクチュエータによってこれらの軸方向に対して直交する２方向に同時に回転制御すると共に、これら２つの被駆動端をこれらの軸方向に可逆的に移動制御するようにしたので、１本のワイヤーで２本のワイヤー部を構成することができると共に、１つのアクチュエータでワイヤーの直交する２方向の揺動駆動と自律的な湾曲駆動を行え、より一層の構造の簡素化及び低コスト化を実現できる。
【００４３】
請求項６は、１本のワイヤーによってほぼヘアピン形状に折り曲げられた２本のワイヤー部の外周に直交する方向に湾曲可能な筒状部材を挿入し、第１の回転中心の周りに回転自在に構成されたギアボックス内に差動歯車機構を組み込み、その差動歯車機構の第１の回転中心に対して直交する第２の回転中心の周りに回転される第１、第２の歯車間にその第１の回転中心の周りに回転可能なスライドガイドと、そのスライドガイドに沿って第２の回転中心に対して直交する方向にスライド自在に構成された２つのスライダーを配置し、２本のワイヤー部の先端とは反対側の２つの被駆動端を２つのスライダーに固定し、差動歯車機構の第１の歯車に設けた２つのワイヤー駆動部によって２つのスライダーをスライドガイドと一緒に第２の回転中心の周りでギアボックスの２つのストッパー間で回転駆動できるように、１つのアクチュエータによって差動歯車機構の第１の歯車をギアボックス内で第２の回転中心の周りに回転駆動すると共に、その第１の歯車をギアボックスと一体に第１の回転中心の周りにも回転駆動することができるように構成したので、１つのアクチュエータによる差動歯車機構の回転制御によって、ワイヤーと一体に筒状部材を第１、第２の回転中心の周りの回転制御と、ワイヤーの先端を第２の回転中心の周りに自律的に湾曲させる制御を簡単に行え、湾曲機構全体の小型、軽量及び低コスト化を実現できる。
【００４４】
請求項７は、上述した湾曲機構をロボットの尻尾等の多関節部分に組み込んだので、そのロボットの尻尾を上下方向及び左右方向の２方向に揺動及び自律的に湾曲させることができて、犬や猫等の擬似感情や情緒等をより自然に近い動作で表現することができて、表情が豊かなペットロボットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を小型のペットロボットの尻尾に適用した湾曲機構の第１の実施形態の外観形状を示した側面図である。
【図２】同上の湾曲機構の第１の実施形態の外観形状を示した平面図である。
【図３】同上の湾曲機構の第１の実施形態の自律的な湾曲動作を説明する概略断面側面図である。
【図４】同上の湾曲機構の第１の実施形態の断面を概略的に示した側面図及び平面図である。
【図５】同上の湾曲機構の第１の実施形態の関節部分を説明する上側から見た状態の分解斜視図である。
【図６】同上の湾曲機構の第１の実施形態の関節部分を説明する下側から見た状態の斜視図である。
【図７】同上の湾曲機構の第１の実施形態のギアボックスとアクチュエータを説明する斜視図である。
【図８】図７の平面図である。
【図９】図８のＡ−Ａ矢視図である。
【図１０】同上の湾曲機構の第１の実施形態のギアボックス内の差動歯車機構を説明する図８のＢ−Ｂ矢視での拡大断面図である。
【図１１】同上の湾曲機構及びアクチュエータ全体の斜視図である。
【図１２】同上の湾曲機構及び差動歯車機構部分全体が上下方向の揺動中心位置にある時を示した図１０のＣ−Ｃ矢視での断面側面図である。
【図１３】図１２の湾曲機構が上下方向の揺動中心位置から上側揺動限界位置まで回転駆動された時の図１２と同様の断面側面図である。
【図１４】図１３の湾曲機構が上側揺動限界位置から上方に自律的に湾曲駆動された時の図１３と同様の断面側面図である。
【図１５】図１２の差動歯車機構部分及び上下一対のスライダーを拡大して示した図１０のＣ−Ｃ矢視での断面側面図である。
【図１６】図１３の差動歯車機構部分が上下一対のスライダーを拡大して示した図１５と同様の断面側面図である。
【図１７】図１４の差動歯車機構部分及び上下一対のスライダーを拡大して示した図１６と同様の断面側面図である。
【図１８】同上の差動歯車機構部分及び上下一対のスライダーと一体に上下方向に回転駆動されるスライドガイドを拡大して示した図１０のＤ−Ｄ矢視での断面側面図である。
【図１９】図１２の差動歯車機構部分及び上下一対のスライダーを図１５とは反対側から見て拡大して示した図１０のＥ−Ｅ矢視での断面側面図である。
【図２０】図１３の差動歯車機構部分及び上下一対のスライダーを図１６とは反対側から見て拡大して示した図１９と同様の断面側面図である。
【図２１】図１４の差動歯車機構部分及び上下一対のスライダーを図１７とは反対側から見て拡大して示した図２０と同様のに断面側面図である。
【図２２】本発明の湾曲機構の第２の実施形態を説明する概略斜視図である。
【図２３】本発明の湾曲機構を尻尾に組み込んだペットロボットの斜視図である。
【符号の説明】
１はロボットであるペットロボット、５は尻尾、６は尻尾関節、２１は湾曲機構、２２はベースユニット、２３はギアボックス、２４は１本のワイヤー、２４ａ、２４ｂは２本のワイヤー部、２４ｃはほぼＵ字状に折り曲げられた先端、２４ｄ、２４ｅは２つの被駆動端、２５は多関節の筒状部材、２６ａ〜２６ｄは筒、２７は関節、３８は差動歯車機構、３９は支軸、４１は第１の歯車、４２は第２の歯車、４３は第３の歯車、４４は第４の歯車、５１はアクチュエータ、５２、５３はギアードモータ、６２はスライドガイド、６３、６４はスライダー、６５、６６はワイヤー駆動部、６７、６８は被駆動溝、７０は長穴開口、７１、７２はストッパーであり、第１の回転中心であるＹ軸、第２の回転中心であるＸ軸を備えたもの。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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