JP7067728B2 - モジュールロボット - Google Patents

Description

本発明は、モジュールロボットに関するものである。

近年、産業用ロボットや、搬送用ロボット、支援用ロボット等、多様なロボットが開発されている。ＪＰ２０１８－１９２６０７Ａには、ケーブルの交換作業を行う産業用ロボットが開示されている。ＪＰ２０１７－４０５９４Ａには、荷物を運搬する搬送用ロボットが開示されている。ＪＰ２０１８－１５３５４２Ａには、ユーザの歩行を支援する歩行支援用ロボットが開示されている。

一般的に、ロボットは、特許文献１～３に記載のロボットのように、ある用途のために製造され、他の用途には流用できない。

また、ある用途に特化したロボットは、構造が複雑で組み立てるのが困難な場合があり、また、ロボットが嵩張り搬送が困難な場合がある。

本発明は、多様な用途に対応でき、かつ組み立て及び搬送が容易なモジュールロボットを提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、モジュールロボットは、第１リンクと、第１リンクに回転自在に連結された第２リンクと、第１リンクと第２リンクを相対回転させる液圧シリンダと、を有するモジュールが複数連結されて構成され、液圧シリンダは、シリンダチューブ又はピストンロッドが第１リンクに対して相対移動しないように固定されることによって、第１リンクに回転不能に連結される。

本発明の第１実施形態に係るモジュールロボットのモジュールの斜視図である。 モジュールロボットのシステム構成図である。 モジュールの連結例を示す図である。 モジュールの連結例を示す図である。 モジュールの連結例を示す図である。 モジュールを連結して脚部を構成するモジュールロボットの側面図である。 本発明の第１実施形態の変形例を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係るモジュールの模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
まず、図１～６を参照して、本発明の第１実施形態に係るモジュールロボット１００について説明する。

モジュールロボット１００（図６参照）は、図１に示すモジュール１０１が複数連結されて構成される。

まず、図１を参照して、モジュール１０１について説明する。図１はモジュール１０１の斜視図である。

モジュール１０１は、第１部材としての第１リンク１と、第１リンク１に相対移動自在に連結された第２部材としての第２リンク２と、第１リンク１と第２リンク２を相対移動させる液圧シリンダとしての油圧シリンダ３と、を有する。

第１リンク１と第２リンク２は、回転軸４を介して回転自在に連結される。モジュール１０１は、第１リンク１と第２リンク２を回転自在に連結する第３リンクとしてのＶ字リンク５をさらに有する。Ｖ字リンク５は、回転軸６を介して回転自在に連結される第１レバー５ａと第２レバー５ｂからなる。第１レバー５ａは、回転軸７を介して第１リンク１に回転自在に連結され、第２レバー５ｂは、回転軸８を介して第２リンク２に回転自在に連結される。

油圧シリンダ３は、作動液供給源としてのポンプ１０（図２参照）から供給される作動油（作動液）によって伸縮作動するアクチュエータである。油圧シリンダ３は、筒状のシリンダチューブ３ａと、シリンダチューブ３ａに摺動自在に挿入されたピストンロッド３ｂと、を有する。シリンダチューブ３ａの端部は、回転軸９を介して第１リンク１に回転自在に連結され、ピストンロッド３ｂの端部は、Ｖ字リンク５の回転軸６に回転自在に連結される。なお、シリンダチューブ３ａの端部をＶ字リンク５の回転軸６に回転自在に連結し、ピストンロッド３ｂの端部を回転軸９を介して第１リンク１に回転自在に連結するようにしてもよい。このように、油圧シリンダ３は、その一端部が第１リンク１に回転自在に連結される。

ピストンロッド３ｂには、シリンダチューブ３ａに摺動自在に挿入されたピストンが連結される。シリンダチューブ３ａの内部は、ピストンによってロッド側室と反ロッド側室に区画される。シリンダチューブ３ａには、ロッド側室に連通する第１給排ポート３ｃと、反ロッド側室に連通する第２給排ポート３ｄとが設けられる。

油圧シリンダ３は、ポンプ１０から第１給排ポート３ｃを通じてロッド側室に作動油が供給されると共に、反ロッド側室の作動油が第２給排ポート３ｄを通じてタンク１５（図２参照）へと排出されることにより収縮作動する。一方、油圧シリンダ３は、ポンプ１０から第２給排ポート３ｄを通じて反ロッド側室に作動油が供給されると共に、ロッド側室の作動油が第１給排ポート３ｃを通じてタンク１５へと排出されることにより伸長作動する。油圧シリンダ３が伸縮作動することによってＶ字リンク５の角度（第１レバー５ａと第２レバー５ｂのなす角度）が変化し、第１リンク１と第２リンク２は回転軸４を中心として相対回転する。このように、油圧シリンダ３を駆動することによって、第１リンク１と第２リンク２を相対回転させることができる。モジュール１０１は、回転軸４を中心とする１自由度の回転自由度を有しており、第１リンク１、第２リンク２、及び油圧シリンダ３は、単一の自由度を形成するように連結されている。

Ｖ字リンク５の長さ（第１レバー５ａ及び第２レバー５ｂの長さ）、及び第１リンク１と第２リンク２に対するＶ字リンク５の取付位置（回転軸７，８の位置）を調整することによって、油圧シリンダ３のストローク長及びストローク速度に対する第１リンク１と第２リンク２の相対回転角度及び相対回転速度が調整される。

油圧シリンダ３は単筒タイプであるため、第１給排ポート３ｃと第２給排ポート３ｄは、図１に示すように、シリンダチューブ３ａの両端にそれぞれ設けられる。これに代わり、油圧シリンダ３は複筒タイプであってもよい。この場合には、第１給排ポート３ｃと第２給排ポート３ｄをシリンダチューブ３ａの一端に集約できるため、第１給排ポート３ｃと第２給排ポート３ｄのそれぞれに接続される配管（図示せず）の取り回しが容易となる。なお、油圧シリンダ３が単筒タイプであっても、ロッド側室及び反ロッド側室にそれぞれ連通する一対の油通路をピストンロッド３ｂ内に形成することによって、第１給排ポート３ｃと第２給排ポート３ｄをピストンロッド３ｂの先端側に集約することができる。また、油圧シリンダ３が単筒タイプであっても、ロッド側室に連通する油通路をシリンダチューブ３ａの胴部内に長手方向に形成することによって、第１給排ポート３ｃと第２給排ポート３ｄをシリンダチューブ３ａの端部側に集約することができる。この形態の場合には、シリンダチューブ３ａの成形に３Ｄプリンタを利用すれば、シリンダチューブ３ａの胴部内にロッド側室に連通する油通路を容易に形成することができる。

次に、図２を参照して、モジュールロボット１００のシステム構成について説明する。図２は、モジュールロボットのシステム構成図である。

モジュールロボット１００は、モジュール１０１に加えて、油圧シリンダ３に作動油を供給するポンプ１０と、ポンプ１０から油圧シリンダ３に対する作動油の給排を制御する制御弁としてのサーボバルブ１１と、モジュール１０１の状態量を検出する状態量検出器としてのセンサ１２と、センサ１２の検出結果に基づいてサーボバルブ１１の動作を制御してモジュール１０１の運動を制御するコントローラ１３と、を備える。

サーボバルブ１１は、各モジュール１０１の油圧シリンダ３毎に設けられる。つまり、各モジュール１０１の油圧シリンダ３は、対応して設けられるサーボバルブ１１によって個別に制御される。サーボバルブ１１を、第１リンク１に結合して設けることによって、第１リンク１、第２リンク２、及び油圧シリンダ３と共にモジュール化してもよい。つまり、サーボバルブ１１をモジュール１０１の一部品として構成してもよい。このように構成することによって、油圧シリンダ３の第１給排ポート３ｃ及び第２給排ポート３ｄとサーボバルブ１１とを接続する配管の長さを短くすることができる。

本実施形態では、センサ１２として、モジュール１０１の状態量として第１リンク１と第２リンク２の相対回転角度を検出するエンコーダ１２ａと、モジュール１０１の状態量として油圧シリンダ３の圧力を検出する圧力センサ１２ｂと、を有する。エンコーダ１２ａ及び圧力センサ１２ｂは、モジュール１０１の一部品として構成される。

エンコーダ１２ａは、回転軸４に設けられ、第１リンク１と第２リンク２の相対回転を検出する。エンコーダ１２ａの検出結果は、モジュール１０１の位置制御に使用される。エンコーダ１２ａに代えて、油圧シリンダ３にストローク量を検出するストロークセンサを設け、油圧シリンダ３のストローク量に基づいて第１リンク１と第２リンク２の相対回転角度を演算してもよい。

圧力センサ１２ｂは、シリンダチューブ３ａの第１給排ポート３ｃ及び第２給排ポート３ｄに設けられ、シリンダチューブ３ａ内のロッド側室及び反ロッド側室の圧力を検出する。圧力センサ１２ｂの検出結果は、モジュール１０１の荷重制御に使用される。圧力センサ１２ｂに代えて、モジュール１０１の状態量として油圧シリンダ３に作用する荷重を検出する荷重センサを油圧シリンダ３に設けてもよい。

センサ１２によって検出するモジュール１０１の状態量としては、上述した第１リンク１と第２リンク２の相対回転角度、油圧シリンダ３の圧力、油圧シリンダ３の荷重の他、油圧シリンダ３のストローク速度、油圧シリンダ３へ供給される作動油の流量等であってもよい。油圧シリンダ３のストローク速度を検出する場合には、センサ１２として油圧シリンダ３にストロークセンサを設ければよいし、油圧シリンダ３へ供給される作動油の流量を検出する場合には、第１給排ポート３ｃ及び第２給排ポート３ｄに流量センサを設ければよい。センサ１２によって検出するモジュール１０１の状態量は、モジュール１０１の運動制御に応じて適宜選択すればよい。

コントローラ１３は、出力装置１４から出力された指令信号とセンサ１２からのフィードバック信号との偏差を演算し、その偏差がゼロとなるようにサーボバルブ１１を制御する。このように、コントローラ１３は、センサ１２の検出結果に基づいてフィードバック制御を行う。出力装置１４とコントローラ１３は有線又は無線で接続され、コントローラ１３とサーボバルブ１１も有線又は無線で接続される。

コントローラ１３は、サーボバルブ１１毎に設けてもよいし、１つのコントローラ１３で複数のサーボバルブ１１を制御するようにしてもよい。また、１つのメインコントローラを設けると共に、メインコントローラからの指令信号を受けて各サーボバルブ１１を制御するサブコントローラをサーボバルブ１１毎に設けるようにしてもよい。コントローラ１３をサーボバルブ１１毎に設ける場合には、コントローラ１３を、サーボバルブ１１や第１リンク１に結合して設けることによって、第１リンク１、第２リンク２、及び油圧シリンダ３と共にモジュール化してもよい。つまり、コントローラ１３をモジュール１０１の一部品として構成してもよい。

出力装置１４から出力される指令信号は、モジュール１０１の運動を規定する情報である。出力装置１４から出力される指令信号は、出力装置１４に直接入力された情報や、通信回線を介して出力装置１４に送信された情報、記憶媒体から読み出された情報等である。

次に、図１，３～５を参照して、第１リンク１及び第２リンク２の構成、及びモジュール１０１同士の連結について詳しく説明する。

第１リンク１は、直方体の６面のうち２面が開放して形成された形状であり、油圧シリンダ３の長手方向に沿って延在する底板１ａと、底板１ａに対して垂直であって互いに対向し、油圧シリンダ３を挟むように形成された一対の側板１ｂ，１ｃと、底板１ａ及び側板１ｂ，１ｃに対して垂直であって油圧シリンダ３の底部に対向する背板１ｄと、の４面を有する。

第１リンク１の一対の側板１ｂ，１ｃには、回転軸４，７，９が両者に亘って設けられる。底板１ａ及び一対の側板１ｂ，１ｃには、軽量化のための大径の穴２０が複数形成される。

第１リンク１は、底板１ａ、一対の側板１ｂ，１ｃ、及び背板１ｄによって囲まれた内部空間を有する。油圧シリンダ３は一部が第１リンク１の内部空間内に収容されるため、第１リンク１は油圧シリンダ３のケースとしても機能する。第１リンク１の内部空間内に、コントローラ１３を収容してもよい。

第１リンク１の内部空間は、底板１ａに対向する面が開放しており、油圧シリンダ３は伸縮作動に伴って、その開放面を通じて第１リンク１に対して出入りするように移動する。具体的には、油圧シリンダ３は、伸縮作動すると、回転軸９を中心として第１リンク１内に収容される方向又は第１リンク１から露出する方向に揺動運動を行う。

油圧シリンダ３の第１給排ポート３ｃ及び第２給排ポート３ｄとサーボバルブ１１とを接続する配管は、その一部が第１リンク１の内部空間内に収容される。油圧シリンダ３は、第１給排ポート３ｃ及び第２給排ポート３ｄが底板１ａに対向する向きで第１リンク１に取り付けられる。したがって、第１給排ポート３ｃ及び第２給排ポート３ｄに接続される配管を第１リンク１の内部空間内に収容し易い。その配管は、穴２０を通じて第１リンク１の内部空間内から外部へと取り回される。このように、第１リンク１に形成された軽量化のための穴２０は、配管よりも大きな径を有することによって、配管の取り回しにも利用される。

第２リンク２は、底板２ａと、底板２ａに対して垂直であって互いに対向して形成された一対の側板２ｂ，２ｃと、を有する。一対の側板２ｂ，２ｃには、回転軸４，８が両者に亘って設けられる。

第１リンク１及び第２リンク２は金属製であるが、モジュール１０１の用途として剛性が要求されない場合には樹脂製であってもよい。

第２リンク２の一対の側板２ｂ，２ｃの端部は、第１リンク１の一対の側板１ｂ，１ｃの端部の間に挿入され、一対の側板２ｂ，２ｃと一対の側板１ｂ，１ｃとは回転軸４を介して互いに摺接するように相対回転する。なお、第１リンク１の一対の側板１ｂ，１ｃの端部が、第２リンク２の一対の側板２ｂ，２ｃの端部の間に挿入される形態であってもよい。

第１リンク１の底板１ａ、側板１ｂ，１ｃ、及び背板１ｄには、モジュール１０１同士を連結するための締結具が挿入される複数の締結穴２１が互いに等間隔で形成される。同様に、第２リンク２の底板２ａにも、モジュール１０１同士を連結するための締結具が挿入される複数の締結穴２１が互いに等間隔で形成される。締結具は、例えばボルトである。締結穴２１と軽量化のための穴２０とを同一径にして共通の穴にしてもよい。なお、複数の締結穴２１は互いに等間隔でなくてもよい。

２つのモジュール１０１を互いに連結する際には、図３～５に示すように、一方のモジュール１０１Ａの第１リンク１の底板１ａ、側板１ｂ，１ｃ、背板１ｄ、及び第２リンク２の底板２ａのうちのいずれか一つを連結板３１Ａとすると共に、他方のモジュール１０１Ｂの第１リンク１の底板１ａ、側板１ｂ，１ｃ、背板１ｄ、及び第２リンク２の底板２ａのうちのいずれか一つを連結板３１Ｂとし、連結板３１Ａと連結板３１Ｂを互いに面接触させた状態で、連結板３１Ａの締結穴２１と連結板３１Ｂの締結穴２１とに亘って締結具を挿入して連結板３１Ａと連結板３１Ｂを結合する。ここで、第１リンク１及び第２リンク２に形成された複数の締結穴２１は、互いに等間隔に形成されているため、連結板３１Ａと連結板３１Ｂを容易に結合することができる。このように、２つのモジュール１０１Ａ，１０１Ｂは、モジュール１０１Ａの第１リンク１又は第２リンク２と、モジュール１０１Ｂの第１リンク１又は第２リンク２とが結合されることによって連結される。

図３～５に、モジュールロボット１００を構成する２つのモジュール１０１Ａ，１０１Ｂの連結例について説明する。図３～図５は、互いに同一のモジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂを連結する場合について説明する。ここで、本明細書において、同一のモジュールとは、モジュールを構成する部品が互いに同一であり、かつ、それらの部品の形状及び寸法が互いに同一であることを意味する。つまり、同一のモジュールとは、同一規格品と言うこともできる。

図３は、モジュール１０１Ａの連結板３１Ａとモジュール１０１Ｂの連結板３１Ｂとが共に第１リンク１の底板１ａであり、モジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂの背面同士を連結した背面連結の例である。なお、モジュール１０１Ａ及びモジュール１０１Ｂの底板１ａに形成された締結穴２１は等間隔に複数形成されているため、モジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂの相対位置を図３の状態からずらして連結することも可能である。

図４は、モジュール１０１Ａの連結板３１Ａが第２リンク２の底板２ａであり、モジュール１０１Ｂの連結板３１Ｂが第１リンク１の底板１ａであり、モジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂを直列に連結した直列連結の例である。直列連結の他の例として、モジュール１０１Ａの連結板３１Ａを第２リンク２の底板２ａとし、モジュール１０１Ｂの連結板３１Ｂを第１リンク１の背板１ｄとして、モジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂを連結してもよい。また、モジュール１０１Ａの連結板３１Ａ及びモジュール１０１Ｂの連結板３１Ｂを第１リンク１の背板１ｄとして、モジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂを連結してもよい。

図５は、モジュール１０１Ａの連結板３１Ａとモジュール１０１Ｂの連結板３１Ｂとが共に第２リンク２の底板２ａであり、モジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂを９０度ずらして連結したねじれ連結の例である。

図３及び４に示す例では、モジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂの運動は同一平面内であるため、モジュールロボット１００は全体として２次元の運動をする。一方、図５に示すように、モジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂをねじれ連結することによって、モジュールロボット１００は全体として３次元の運動をする。

図３～５は、モジュール１０１Ａ，１０１Ｂの連結例であって、モジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂは、モジュールロボット１００の所望の運動に応じて自由に連結される。例えば、図３～５は、モジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂを直列に連結する例であるが、モジュール１０１Ａの第１リンク１の側板１ｂとモジュール１０１Ｂの第１リンク１の側板１ｃとを結合することによって、モジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂを並列に連結することも可能である。複数のモジュール１０１を並列連結した上で、各油圧シリンダ３を同期制御することによって、モジュールロボットの出力を増幅することができる。並列連結の場合には、回転軸４，６，７，８，９を共通化してもよいし、また、サーボバルブ１１を共通化して１つのサーボバルブ１１で複数の油圧シリンダ３を制御してもよい。

なお、モジュール１０１Ａの第１リンク１又は第２リンク２と、モジュール１０１Ｂの第１リンク１又は第２リンク２とを結合する際に、組木構造を利用して両リンクを結合することによって、締結用のボルトの本数を減らすことができる。また、ボルトを用いずに、電磁石や油圧クランプを利用して両リンクを結合してもよい。また、モジュール１０１Ａの連結板３１Ａ及びモジュール１０１Ｂの連結板３１Ｂの一方にピンを設け、他方にピンが挿入される穴を設けてもよい。ボルトでモジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂを連結する前に、ピンを介してモジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂの相対位置を調整することができるため、モジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂの連結作業が容易となる。

次に、図６を参照して、モジュールロボット１００の一例について説明する。図６に示すモジュールロボット１００は、３つの同一のモジュール１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃがそれぞれ足首関節、膝関節、股関節に対応するように連結されて脚部ロボットを構成する例を示している。具体的には、モジュール１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃのそれぞれの回転軸４が足首関節、膝関節、股関節に対応する。このように、１つのモジュール１０１が単関節モジュールを構成し、モジュールロボット１００は３自由度を有する。

モジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂは、図４に示す直列連結され、モジュール１０１Ｂとモジュール１０１Ｃは、図３に示す背面連結される。モジュール１０１Ａの第２リンク２には、足に相当する足部材３１がアタッチメントとして取り付けられる。

モジュール１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃの各コントローラ１３は、回転軸４に設けられた各エンコーダ１２ａの検出結果に基づいて、各油圧シリンダ３を伸縮作動させて第１リンク１と第２リンク２の相対回転角度が所望の角度となるようにモジュール１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃの運動を制御する。各モジュール１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃの運動が個別に制御されることによって、モジュールロボット１００の姿勢が制御される。

また、モジュール１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃの各コントローラ１３は、油圧シリンダ３に設けられた圧力センサ１２ｂの検出結果に基づいて、各関節のトルクを制御する。例えば、モジュールロボット１００の自重をキャンセルするように各油圧シリンダ３を制御する重力補償制御を行う。

モジュールロボット１００は、自律歩行ロボットや、人に装着して人の歩行や姿勢を支援するロボットとして用いられる。

モジュールロボット１００は、図６に示す脚部ロボットに限定されない。例えば、モジュール１０１Ａの第２リンク２に、足部材３１に代えてアタッチメントとしてバケットやロッドを取り付けることによって他の用途、機能を有するモジュールロボット１００とすることができる。また、図６に示す脚部ロボットに加えて、さらに複数のモジュール１０１を連結することによってヒューマノイドロボットを構成することができる。このように、複数のモジュール１０１を連結するだけで、用途、機能に応じた様々なロボットを簡単に構成することができる。

以上の第１実施形態によれば、以下に示す作用効果を奏する。

第１リンク１、第２リンク２、及び油圧シリンダ３を有するモジュール１０１を複数連結することによって多様な用途に対応するモジュールロボット１００を簡単に構成することができる。また、モジュールロボット１００は、複数のモジュール１０１を連結するだけで構成することができるため、組み立てが容易であり、搬送時には、各モジュール１０１に分割すればよいため、組み立て及び搬送が容易である。よって、多様な用途に対応でき、かつ組み立て及び搬送が容易なモジュールロボット１００を構成することができる。

また、モジュール１０１の駆動源は油圧であるため、駆動源が電動モータである場合と比較して、モジュール重量比の出力が大きい。よって、高出力を要する用途のモジュールロボット１００であっても、大型化を防止することができる。また、油圧シリンダ３の伸縮作動はサーボバルブ１１によって制御されるため、モジュール１０１の運動を高精度に制御することができる。

以下に、上記実施形態の変形例について説明する。以下のような変形例も本発明の範囲内であり、以下の変形例と上記実施形態の構成とを組み合わせたり、以下の変形例同士を組み合わせたりすることも可能である。

（１）上記実施形態では、モジュール１０１が１自由度（単関節）を有する形態について説明した。これに代わり、モジュールは複数の自由度を有する形態であってもよい。複数の自由度とする場合には、リンクの数を増やすか、油圧シリンダを両ロッドタイプに変更すればよい。

（２）上記実施形態では、モジュール１０１が回転自由度を有する形態について説明した。これに代わり、モジュールは、並進自由度を有する形態であってもよい。この場合には、互いに摺動自在に連結された第１部材と第２部材との間に油圧シリンダ３が設けられる。

（３）上記実施形態では、互いに同一のモジュール１０１を連結する形態について説明した。これに代わり、連結するモジュールは同一のもの（同一規格）でなくてもよい。例えば、形状や寸法が互いに異なる第１リンク及び第２リンクを有するモジュールを連結したり、ストローク長が互いに異なる油圧シリンダを有するモジュールを連結したりしてもよい。つまり、規格の異なるモジュールをそれぞれ複数用意し、モジュールロボットの所望の運動やモジュールロボットの用途、機能に応じて自由にモジュールを連結すればよい。ただ、同一規格の複数のモジュールを連結してモジュールロボットを構成することによって、モジュールロボットを低コストで製造することができる。

（４）上記実施形態では、モジュール１０１の第１リンク１及び第２リンク２が複数の板を有し、図３～５に示すように、モジュール１０１Ａの連結板３１Ａとモジュール１０１Ｂの連結板３１Ｂとを互いに面接触させて結合する形態について説明した。これに代わり、図７に示すように、モジュール１０１の第１リンク１及び第２リンク２は、一部が開放された円筒形状であってもよい。図７は、モジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂを、第１リンク１の背面を互いに対向させて連結した例を示す。この形態において、モジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂを連結するには、モジュール１０１Ａの第１リンク１とモジュール１０１Ｂの第１リンク１との間にスペーサ４０を介在させると共に、モジュール１０１Ａ及びモジュール１０１Ｂの第１リンク１の内部にそれぞれスペーサ４１，４２を設ける。スペーサ４０は、モジュール１０１Ａの第１リンク１の外周面とモジュール１０１Ｂの第１リンク１の外周面にそれぞれ接触する曲面部４０ａ，４０ｂを有する。スペーサ４１はモジュール１０１Ａの第１リンク１の内周面に接触する曲面部４１ａを有し、スペーサ４２はモジュール１０１Ｂの第１リンク１の内周面に接触する曲面部４１ｂを有する。スペーサ４１、モジュール１０１Ａの第１リンク１、及びスペーサ４０に亘ってボルト４３を締結すると共に、スペーサ４２、モジュール１０１Ｂの第１リンク１、及びスペーサ４０に亘ってボルト４４を締結することによって、モジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂは連結される。このように、第１リンク１及び第２リンク２の形状は、円筒形状であってもよい。また、第１リンク１及び第２リンク２の形状は、球面形状であってもよく、円筒形状と球面形状を組み合せた形状であってもよい。

（５）上記実施形態では、モジュール１０１Ａの連結板３１Ａとモジュール１０１Ｂの連結板３１Ｂとを互いに面接触させて結合する形態について説明した。これに代わり、モジュール１０１Ａの連結板３１Ａとモジュール１０１Ｂの連結板３１Ｂとの間にスペーサを介在させ、そのスペーサを介してモジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂを連結するようにしてもよい。スペーサを介在させることによって、モジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂの間に隙間を設けることができる。

（６）上記実施形態では、モジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂが相対移動不能となるように連結する形態について説明した。これに代わり、モジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂを、相対移動可能に連結するようにしてもよい。例えば、モジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂをピンを介して連結し、ピンを中心として互いに回転可能又は揺動可能に、或いは回転可能かつ揺動可能に構成してもよい。この形態の場合には、モジュール１０１Ａとモジュール１０１Ｂを互いに回転又は揺動するための動力源を設けてもよい。

（７）上記実施形態では、第１リンク１と第２リンク２を回転自在に連結するＶ字リンク５を有する形態について説明した。Ｖ字リンク５は本発明の必須の構成ではなく、第１リンク１と第２リンク２に亘って油圧シリンダ３を直接連結してもよい。ただ、第１リンク１と第２リンク２がＶ字リンク５で連結される上記実施形態では、第１リンク１と第２リンク２の回転軸４がＶ字リンク５の回転軸７，８の間に位置し、第１リンク１と第２リンク２の相対回転に伴ってＶ字リンク５の角度が変化する構造であるため、油圧シリンダ３のストローク長を短くすることができ、油圧シリンダ３をコンパクトにすることができる。

（８）上記実施形態では、ポンプ１０から油圧シリンダ３に対する作動油の給排を制御する制御弁がサーボバルブ１１である形態について説明した。制御弁は、サーボバルブ１１には限定されず、電磁パイロットタイプの制御弁等であってもよい。また、制御弁（サーボバルブ１１）を設けずに、ポンプ１０によって油圧シリンダ３に対する作動油の給排を制御してもよい。その場合には、ポンプの回転数やポンプ容量を制御すればよい。

（９）上記実施形態では、油圧シリンダ３のロッド側室に連通する第１給排ポート３ｃは、図１に示すように、シリンダチューブ３ａの外周に設けられる。これに代わり、第１給排ポート３ｃを、シリンダチューブ３ａの底部に設けた上で、回転軸９内に形成した油通路に連通するように構成してもよい。このように構成することによって、回転軸９の端面に形成された油通路の開口部とサーボバルブ１１とを配管で接続すればよいため、配管の取り回しが容易となる。この形態の場合には、シリンダチューブ３ａの成形に３Ｄプリンタを利用すれば、シリンダチューブ３ａの底部に第１給排ポート３ｃを容易に形成することができる。

（１０）上記実施形態では、液圧シリンダとして作動液が作動油である油圧シリンダ３である形態について説明したが、作動液として作動油に代わり、作動水等の他の流体を用いてもよい。

＜第２実施形態＞
次に、図８を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。図８は、本発明の第２実施形態に係るモジュール１０２の模式図である。以下では、上記第１実施形態と異なる点について説明し、上記第１実施形態と同様の機能を有する構成には、図面中に同一の符号を付して説明を省略する。

上記第１実施形態に係るモジュール１０１では、油圧シリンダ３の一端部が第１リンク１に回転自在に連結される。これに対して、第２実施形態に係るモジュール１０２では、油圧シリンダ３は、第１リンク１内に内蔵され、第１リンク１に回転不能に連結される。以下に詳しく説明する。

モジュール１０２では、シリンダチューブ３ａが第１リンク１に回転不能に連結される。つまり、シリンダチューブ３ａは、第１リンク１に対して相対移動しないように、第１リンク１に固定される。

ピストンロッド３ｂの端部は、クランク５１を介して第３リンクとしてのＶ字リンク５に連結される。クランク５１は、一端部が回転軸５２を介してピストンロッド３ｂの端部に回転自在に連結され、他端部がＶ字リンク５の回転軸６に回転自在に連結される。第１リンク１には、ピストンロッド３ｂの軸方向に沿ってリニアガイド５０が設けられ、ピストンロッド３ｂはリニアガイド５０に沿って移動する。

油圧シリンダ３が伸縮作動することによって、ピストンロッド３ｂとクランク５１のなす角度及びＶ字リンク５の角度が変化し、第１リンク１と第２リンク２は回転軸４を中心として相対回転する。このように、油圧シリンダ３を駆動することによって、第１リンク１と第２リンク２を相対回転させることができる。

クランク５１の長さを調整することによって、第１リンク１と第２リンク２との回転トルクを調整することができる。

上記第１実施形態に係るモジュール１０１では、油圧シリンダ３は伸縮作動に伴って第１リンク１に対して出入りするように移動する。これに対して、モジュール１０２では、油圧シリンダ３が第１リンク１に内蔵されて回転不能に連結されるため、油圧シリンダ３は伸縮作動に伴って第１リンク１に対して出入りしない。よって、モジュール１０２をコンパクトに構成することができる。

モジュール１０２は、ポンプ１０から油圧シリンダ３に対する作動油の給排を制御する制御弁としてのサーボバルブ１１と、モジュール１０１の状態量を検出する状態量検出器としてのセンサ１２と、センサ１２の検出結果に基づいてサーボバルブ１１の動作を制御してモジュール１０２の運動を制御するコントローラ１３と、を備える。サーボバルブ１１、センサ１２、及びコントローラ１３は、モジュール１０２の一部品として構成される。

サーボバルブ１１は、各モジュール１０２に設けられ、油圧シリンダ３を個別に制御する。

本実施形態では、センサ１２として、モジュール１０１の状態量として油圧シリンダ３の圧力（シリンダチューブ３ａ内のロッド側室及び反ロッド側室の圧力）を検出する圧力センサ１２ｂと、ピストンロッド３ｂの変位を検出するリニアエンコーダ１２ｃと、を有する。

モジュール１０２では、シリンダチューブ３ａが第１リンク１に固定されて相対移動しないため、サーボバルブ１１、圧力センサ１２ｂ、リニアエンコーダ１２ｃ、及びコントローラ１３を、第１リンク１内に内蔵することができる。よって、モジュール１０２をコンパクトに構成することができると共に、これらの部品の破損を防止することができる。

なお、クランク５１及びＶ字リンク５は、本発明の必須の構成ではない。Ｖ字リンク５を省略して、クランク５１を第２リンク２に回転自在に連結してもよいし、クランク５１及びＶ字リンク５を省略して、ピストンロッド３ｂの端部を第２リンク２に回転自在に連結してもよい。

以下、本発明の実施形態の構成、作用、及び効果をまとめて説明する。

モジュールロボット１００は、第１リンク１（第１部材）と、第１リンク１に相対移動自在に連結された第２リンク２（第２部材）と、第１リンク１と第２リンク２を相対移動させる油圧シリンダ３（液圧シリンダ）と、を有するモジュール１０１が複数連結されて構成される。

この構成では、第１リンク１、第２リンク２、及び油圧シリンダ３を有するモジュール１０１を複数連結することによって多様な用途に対応するモジュールロボット１００を構成することができる。また、モジュールロボット１００は、複数のモジュール１０１を連結するだけで構成することができるため、組み立てが容易であり、搬送時には、各モジュール１０１に分割すればよいため、組み立て及び搬送が容易である。よって、多様な用途に対応でき、かつ組み立て及び搬送が容易なモジュールロボット１００を構成することができる。

また、モジュールロボット１００は、同一のモジュール１０１が少なくとも２つ連結されて構成される。

この構成では、モジュールロボット１００を低コストで製造することができる。

また、第１部材及び第２部材は、回転自在に連結された第１リンク１及び第２リンク２である。

また、油圧シリンダ３は、第１リンク１に回転不能に連結される。

この構成では、モジュール１０２をコンパクトに構成することができる。

また、モジュール１０１，１０２は、第１リンク１と第２リンク２を回転自在に連結するＶ字リンク５（第３リンク）をさらに有し、油圧シリンダ３は、一端部が第１リンク１に連結され、他端部がＶ字リンク５に連結される。

この構成では、油圧シリンダ３のストローク長を短くすることができ、油圧シリンダ３をコンパクトにすることができる。

また、モジュールロボット１００は、油圧シリンダ３に作動液を供給するポンプ１０（作動液供給源）と、ポンプ１０から油圧シリンダ３に対する作動油（作動液）の給排を制御するサーボバルブ１１（制御弁）と、をさらに備える。

また、モジュール１０１，１０２は、モジュール１０１の状態量を検出するセンサ１２（状態量検出器）と、センサ１２の検出結果に基づいてサーボバルブ１１の動作を制御してモジュール１０１の運動を制御するコントローラ１３と、をさらに有する。

これらの構成では、モジュールロボット１００の運動を制御することができる。

また、２つのモジュール１０１Ａ，１０１Ｂは、一方のモジュール１０１Ａの第１リンク１又は第２リンク２と、他方のモジュール１０１Ｂの第１リンク１又は第２リンク２とが結合されることによって連結され、第１リンク１又は第２リンク２は、互いに面接触して結合される連結板３１Ａ，３１Ｂを有する。

また、連結板３１Ａ，３１Ｂには、連結板３１Ａ，３１Ｂ同士を連結するための締結具が挿入される複数の締結穴２１が互いに等間隔で形成される。

これらの構成では、一方のモジュール１０１Ａの連結板３１Ａと他方のモジュール１０１Ｂの連結板３１Ｂを容易に結合することができる。

また、油圧シリンダ３は、第１リンク１に内蔵される。

また、モジュール１０２は、ポンプ１０（作動液供給源）から油圧シリンダ３に対する作動液の給排を制御するサーボバルブ１１（制御弁）と、モジュール１０２の状態量を検出するセンサ１２（状態量検出器）と、センサ１２の検出結果に基づいてサーボバルブ１１の動作を制御してモジュール１０２の運動を制御するコントローラ１３と、をさらに有し、サーボバルブ１１、センサ１２、及びコントローラ１３は、第１リンク１に内蔵される。

これらの構成では、モジュール１０２をコンパクトに構成することができる。

また、モジュールロボット１００は、３つのモジュール１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃが足首関節、膝関節、股関節に対応するように連結されて脚部を構成する。

この構成では、３つのモジュール１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃを連結するだけで脚部ロボットを構成することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

本願は２０１９年６月２７日に日本国特許庁に出願された特願２０１９－１１９９５０に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (10)

1. 第１リンクと、前記第１リンクに回転自在に連結された第２リンクと、前記第１リンクと前記第２リンクを相対回転させる液圧シリンダと、を有するモジュールが複数連結されて構成され、
   前記液圧シリンダは、シリンダチューブ又はピストンロッドが前記第１リンクに対して相対移動しないように固定されることによって、前記第１リンクに回転不能に連結されることを特徴とするモジュールロボット。
2. 請求項１に記載のモジュールロボットであって、
   同一の前記モジュールが少なくとも２つ連結されて構成されることを特徴とするモジュールロボット。
3. 請求項１又は２に記載のモジュールロボットであって、
   前記モジュールは、前記第１リンクと前記第２リンクを回転自在に連結する第３リンクをさらに有し、
   前記液圧シリンダは、一端部が前記第１リンクに連結され、他端部が前記第３リンクに連結されることを特徴とするモジュールロボット。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載のモジュールロボットであって、
   前記液圧シリンダに作動液を供給する作動液供給源と、
   前記作動液供給源から前記液圧シリンダに対する作動液の給排を制御する制御弁と、を備えることを特徴とするモジュールロボット。
5. 請求項４に記載のモジュールロボットであって、
   前記モジュールは、
   前記モジュールの状態量を検出する状態量検出器と、
   前記状態量検出器の検出結果に基づいて前記制御弁の動作を制御して前記モジュールの運動を制御するコントローラと、をさらに有することを特徴とするモジュールロボット。
6. 請求項１から５のいずれか一つに記載のモジュールロボットであって、
   ２つの前記モジュールは、一方の前記モジュールの前記第１リンク又は前記第２リンクと、他方の前記モジュールの前記第１リンク又は前記第２リンクとが結合されることによって連結され、
   前記第１リンク及び前記第２リンクは、互いに面接触して結合される連結板を有することを特徴とするモジュールロボット。
7. 請求項６に記載のモジュールロボットであって、
   前記連結板には、当該連結板同士を連結するための締結具が挿入される複数の締結穴が互いに等間隔で形成されることを特徴とするモジュールロボット。
8. 請求項１に記載のモジュールロボットであって、
   前記液圧シリンダは、前記第１リンクに内蔵されることを特徴とするモジュールロボット。
9. 請求項８に記載のモジュールロボットであって、
   前記モジュールは、
   作動液供給源から前記液圧シリンダに対する作動液の給排を制御する制御弁と、
   前記モジュールの状態量を検出する状態量検出器と、
   前記状態量検出器の検出結果に基づいて前記制御弁の動作を制御して前記モジュールの運動を制御するコントローラと、をさらに有し、
   前記制御弁、前記状態量検出器、及び前記コントローラは、前記第１リンクに内蔵されることを特徴とするモジュールロボット。
10. 請求項１から９のいずれか一つに記載のモジュールロボットであって、
    ３つの前記モジュールが足首関節、膝関節、股関節に対応するように連結されて脚部を構成することを特徴とするモジュールロボット。

Images