WO2003000471A1

WO2003000471A1 - Mecanisme de flexion articule pour robot mobile a pattes et robot mobile a pattes

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Publication number: WO2003000471A1
Application number: PCT/JP2002/006197
Authority: WO
Inventors: Takeshi Yamagishi
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-06-22
Filing date: 2002-06-21
Publication date: 2003-01-03
Anticipated expiration: 2003-12-22
Also published as: CN1464823A; US7047835B2; JP2003001580A; US20040036438A1; KR20030029833A

Description

明細書脚式移動ロボットのための多関節湾曲機構、並びに脚式移動ロボヅト [技術分野] 本発明は、複数の関節ァクチユエ一夕で構成される多関節型のロボットに係り、特に、例えばヒトゃサル、ィヌなどの歩行動物をモデルにした脚式移動ロボットに関する。

さらに詳しくは、本発明は、指や尻尾、首、鼻など多関節で構成された湾曲部分を備えた脚式移動ロボット並びに多関節湾曲機構に係り、特に、多関節湾曲機構を小型'低価格に構成して擬似感情、情緒表現に活用する脚式移動ロボヅト並びに多関節湾曲機構に関する。 [背景技術] 電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の" R O B O T A (奴隸機械)"に由来すると言われている。わが国では、ロボットが普及し始めたのは 1 9 6 0年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動ィ匕 ·無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット (industrial robot) であった。

アーム式ロボットのように、ある特定の場所に植設して用いるような据置き夕 •イブのロボットは、部品の組立 ·選別作業など固定的で場所が限定された作業空間でのみ活動する。これに対し、移動式のロボットは、作業空間は非限定的であり、所定の経路上または無経路上を自在に移動して、所定の若しくは任意の人的作業を代行したり、ヒトゃィヌあるいはその他の生命体に置き換わる種々の幅広いサービスを提供することができる。なかでも脚式の移動ロボットは、クローラ式やタイヤ式のロボヅトに比し不安定で、機体の姿勢制御や歩行制御は難しくなるが、階段や梯子の昇降や障害物の乗り越えなど、整地 ·不整地の区別を問わない柔軟な歩行 ·走行動作を実現できるという点で優れている。

最近では、ヒトのような 2足直立歩行を行う動物の身体メカニズムや動作をモデルにしてデザインされた「人間形」若しくは「人間型」のロボヅト（humanoid robot)など、脚式移動ロボヅトに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。例えば、ソニー株式会社は、 1 1月 2 5日に 2足歩行の人間型ロボヅト" S D R— 3 X"を公表した。

脚式移動ロボッ卜の用途の 1つとして、産業活動 ·生産活動などにおける各種の難作業の支援や代行が挙げられる。例えば、原子力発電プラントや火力発電プラント、石油化学プラントにおけるメンテナンス作業、製造工場における部品の搬送 ·組立作業、高層ビルにおける清掃、火災現場その他における救助といったような人間にとって危険な作業や難作業を、脚式移動ロボットに代行してもらうことができる。

また、脚式移動ロボットの他の用途として、上述の作業支援というよりも、生活密着型、すなわち人間との「共生」あるいは「エンターテインメント」という用途が挙げられる。この種のロボットは、ヒトあるいはィヌ（ペット）などの比較的知性の高い脚式歩行動物の動作メ力二ズムゃ四肢を利用した豊かな感情表現を模倣する。また、あらかじめ入力された行動パターン（ビヘイビア）を単に忠実に実行するだけではなく、相手の言葉や態度（「褒める」とか「叱る」、「叩く」など）に対して動的に対応した、生き生きとした応答表現を実現することも要求される。

脚式移動ロボットは、例えば、胴体部分の左右に均等な可動脚が取り付けられた構造を装備することにより、人間の住空間で最低限の作業を行うことができる。但し、作業空間内での物体の把持や特定の対象物の操作、あるいは上半身を用いたジエスチヤやダンスなど、より高度な機能や行動を実現するためには、上肢の運動が必要であり、さらには上肢の先端の手部にも指先動作を実現する多関節湾曲機構を搭載することが好ましい。

あるいは、多くの 4足歩行動物が持つ尻尾や、キリンの首、象の鼻などは多関節で湾曲可能な機構は、ロボットの擬似的な感情や情緒を表現する上で非常に役に立つ。

ところが、多関節湾曲機構は、一般に、可動軸毎にァクチユエ一夕を配設することにより設計'製作される。このため、指のように細長く、且つ、各関節間を接続するリンクの間隔が極めて短い部位の場合には、関節機構が大型で複雑になつてしまい、指らしくなくなってしまう。

他方、細長い多関節機構として、内視鏡などに適用される屈曲機構を挙げることができる。しかしながら、ワイヤを用いるこの種の屈曲機構の場合、大きな駆動力を発生させるのには難があり、また、高価な構成部材を用いて組み立てられるので、量産化には向かないという側面がある。

[発明の開示] 本発明の目的は、指や尻尾、首、鼻など多関節で構成された湾曲部分を備えた、優れた脚式移動ロボット並びに多関節湾曲機構を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、多関節湾曲機構を小型'低価格に構成して擬似感情、情緒表現に活用することができる、優れた脚式移動ロボット並びに多関節湾曲機構を提供することにある。本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第 1の側面は、少なくとも可動脚を備えた脚式移動ロボットのための多関節湾曲機構であって、入力側のギアと出力側のギアを含む複数個のギアを歯合させて回転可能に支持するリンクどうしを連結させてなる、

ことを特徴とする脚式移動ロボヅトのための多関節湾曲機構である。

ここで、各リンクは奇数個のギアを歯合させて回転可能に支持し、入力端のギァに印加された回転方向と同じ回転方法で出力端のギアが回転するように構成されている。

また、隣接するリンクの間では、一方のリンクにおける出力側のギアと他方のリンクにおける入力側のギアとを共有しており、該共有されたギアの回転軸は多関節湾曲機構の関節自由度を構成する。また、最も根元のリンクにおける入力側のギアに対して回転力を付与する駆動部をさらに備えており、多関節湾曲機構は、該駆動部による回転力の印加に従つて、各リンク間の関節が一定方向に湾曲するように構成されている。

したがって、本発明の第 1の側面に係る多関節湾曲機構によれば、ワイヤを用いて屈曲機構を用いた場合に比し、大きな駆動力を発生させることが容易である。また、本発明の第 1の側面に係る多関節湾曲機構は安価な構成部材のみを用いて組み立てることができるので、量産化にも対応することができる。また、多関節湾曲機構を小型 '低価格に構成して、脚式移動ロボッ卜における擬似感情、情緒表現に活用することができる。

また、前記駆動部は、最も根元のリンクにおける入力側のギアから所定値以上の回転反力が印加されると回転軸を解放して該入力側のギアの回転を自由にするクラッチ機構を備えていてもよい。したがって、多関節湾曲機構に異常な反力が印加されても、ギアの回転が解放されることにより、モー夕まで反力が伝達されず、機器の破壊を防止することができる。

また、本発明の第 1の側面に係る多関節湾曲機構は、最も先端のリンクにおける出力側のギアと歯合して、各リンクに支持されているギアの空回りを防止して、ギアの回転に追従して各リンク間の関節が一定方向に湾曲することを保証する末端部をさらに備えていてもよい。

また、各リンクは、隣接するリンクとの間で構成される関節の逆転を防止するために、関節の所定の回転位置において該隣接するリンクと当接して回転を制止する制止部をさらに備えていてもよい。

本発明の第 1の側面に係る多関節湾曲機構は、例えば、前記脚式移動ロボットの指として利用することができる。このような場合、各リンクに収容するギアの個数に応じてリンクすなわち指の関節間の寸法を調整することができる。

すなわち、この多関節湾曲機構を用いて手部の指を構成した場合、各可動軸毎にァクチユエ一夕を配設する必要がないので、指のように細長く、且つ、各関節間を接続するリンクの間隔が極めて短い部位を、小型のままで設計'製作することができる。

また、本発明の第 1の側面に係る多関節湾曲機構は、ワイヤを用いて屈曲機構を用いた場合に比し、大きな駆動力を発生させることが容易である。また、本発明の第 1の側面に係る多関節湾曲機構は、安価な構成部材のみを用いて組み立てることができるので、量産化にも対応することができる。

あるいは、本発明の第 1の側面に係る多関節湾曲機構は、前記脚式移動ロボットの首として利用することができる。

すなわち、この多関節湾曲機構を用いてキリンの首を構成した場合、各可動軸每にァクチユエ一夕を配設する必要がないので、キリンの首のように細長く、且つ、各関節間を接続するリンクの間隔が極めて短い部位を、小型のままで設計- 製作することができる。また、ワイヤを用いて屈曲機構を用いた場合に比し、大きな駆動力を発生させることが容易である。また、本発明の第 1の側面に係る多関節湾曲機構は安価な構成部材のみを用いて組み立てることができるので、量産化にも対応することができる。

あるいは、本発明の第 1の側面に係る多関節湾曲機構は、前記脚式移動ロボットの鼻として利用することができる。

すなわち、この多関節湾曲機構を用いて象の鼻を構成した場合、各可動軸毎にァクチユエ一夕を配設する必要がないので、象の鼻のように細長く、且つ、各関節間を接続するリンクの間隔が極めて短い部位を、小型のままで設計'製作することができる。また、ワイヤを用いて屈曲機構を用いた場合に比し、大きな駆動力を発生させることが容易である。また、本発明の第 1の側面に係る多関節湾曲機構は安価な構成部材のみを用いて組み立てることができるので、量産化にも対応することができる。

あるいは、本発明の第 1の側面に係る多関節湾曲機構は、前記脚式移動ロボットの尻尾として利用することができる。

すなわち、この多関節湾曲機構を用いてトカゲの尻尾を構成した場合、各可動軸毎にァクチユエ一夕を酉 S設する必要がないので、トカゲの尻尾のように細長く、且つ、各関節間を接続するリンクの間隔が極めて短い部位を、小型のままで設計- 製作することができる。また、ワイヤを用いて屈曲機構を用いた場合に比し、大きな駆動力を発生させることが容易である。また、本発明の第 1の側面に係る多関節湾曲機構は安価な構成部材のみを用いて組み立てることができるので、量産化にも対応することができる。

また、本発明の第 2の側面は、少なくとも可動脚を備えた脚式移動ロボットであって、

入力側のギアと出力側のギアを含む複数個のギアを歯合させて回転可能に支持するリンクどうしを連結させてなる多関節湾曲機構を備えている、

ことを特徴とする脚式移動ロボットである。

ここで、多関節湾曲機構を構成する各リンクは奇数個のギアを歯合させて回転可能に支持し、入力端のギアに印加された回転方向と同じ回転方法で出力端のギァが回転するように構成されている。

また、隣接するリンクの間では、一方のリンクにおける出力側のギアと他方のリンクにおける入力側のギアとを共有しており、該共有されたギアの回転軸は多関節湾曲機構の関節自由度を構成する。

また、最も根元のリンクにおける入力側のギアに対して回転力を付与する駆動部をさらに備えており、多関節湾曲機構は、該駆動部による回転力の印加に従つて、各リンク間の関節が一定方向に湾曲するように構成されている。

したがって、本発明の第 2の側面に係る脚式移動ロボットにおいて適用される多関節湾曲機構によれば、ワイヤを用いて屈曲機構を用いた場合に比し、大きな駆動力を発生させることが容易である。また、本発明に係る多関節湾曲機構は安価な構成部材のみを用いて組み立てることができるので、量産化にも対応することができる。また、多関節湾曲機構を小型-低価格に構成して、脚式移動ロボットにおける擬似感情、情緒表現に活用することができる。

また、前記駆動部は、最も根元のリンクにおける入力側のギアから所定値以上の回転反力が印加されると回転軸を角率放して該入力側のギアの回転を自由にするクラッチ機構を備えていてもよい。したがって、多関節湾曲機構に異常な反力が印加されても、ギアの回転が解放されることにより、モー夕まで反力が伝達されず、機器の破壊を防止することができる。

また、本発明に係る多関節湾曲機構は、最も先端のリンクにおける出力側のギァと歯合して、各リンクに支持されているギアの空回りを防止して、ギアの回転に追従して各リンク間の関節が一定方向に湾曲することを保証する末端部をさらに備えていてもよい。

本発明の第 2の側面に係る脚式移動ロボットは、例えば、多関節湾曲機構を指として利用することができる。このような場合、各リンクに収容するギアの個数に応じてリンクすなわち指の関節間の寸法を調整することができる。この多関節湾曲機構を用いて手部の指を構成した場合、各可動軸毎にァクチユエ一夕を配設する必要がないので、指のように細長く、且つ、各関節間を接続するリンクの間隔が極めて短い部位を、小型のままで設計'製作することができる。

あるいは、本発明の第 2の側面に係る脚式移動ロボットは、多関節湾曲機構を首として利用することができる。すなわち、この多関節湾曲機構を用いてキリンの首を構成した場合、各可動軸毎にァクチユエ一タを配設する必要がないので、キリンの首のように細長く、且つ、各関節間を接続するリンクの間隔が極めて短い部位を、小型のままで設計'製作することができる。

あるいは、本発明の第 2の側面に係る脚式移動ロボットは、多関節湾曲機構を鼻として利用することができる。すなわち、この多関節湾曲機構を用いて象の鼻を構成した場合、各可動軸毎にァクチユエ一夕を配設する必要がないので、象の鼻のように細長く、且つ、各関節間を接続するリンクの間隔が極めて短い部位を、小型のままで設計-製作することができる。

あるいは、本発明の第 2の側面に係る脚式移動ロボットは、多関節湾曲機構を尻尾として利用することができる。すなわち、この多関節湾曲機構を用いてトカゲの尻尾を構成した場合、各可動軸毎にァクチユエ一夕を配設する必要がないので、トカゲの尻尾のように細長く、且つ、各関節間を接続するリンクの間隔が極めて短い部位を、小型のままで設計 ·製作することができる。本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。 [図面の簡単な説明] 図 1は、本発明の一実施形態に係る多関節湾曲機構 1が略直線状に伸展した様子を示した正面図である。

図 2は、本発明の一実施形態に係る多関節湾曲機構 1が略直線状に伸展した様子を示した側面図である。

図 3は、本発明の一実施形態に係る多関節湾曲機構 1が略直線状に伸展した様子を示した斜視図である。

図 4は、本発明の一実施形態に係る多関節湾曲機構 1が屈曲した様子を示した正面図である。

図 5は、本発明の一実施形態に係る多関節湾曲機構 1が屈曲した様子を示した側面図である。

図 6は、本発明の一実施形態に係る多関節湾曲機構 1が屈曲した様子を示した斜視図である。

図 7は、リンク 1 1の 6面図、断面図、並びに斜視図を示した図である。図 8は、リンク 1 1の部品分解図である。

図 9は、リンク 1 1の組立図である。

図 1◦は、リンク 1 6を隣接するリンク 1 7と連結させた様子を示した図である。

図 1 1は、リンク 1 6を隣接するリンク 1 7と連結させた様子を示した図である。

図 1 2は、リンク 1 6を隣接するリンク 1 7と連結させた様子を示した図である。

図 1 3は、末端部 1 8の 6面図、断面図、並びに斜視図を示した図である。図 1 4は、本実施形態に係る多関節湾曲機構 1を指として適用して、掌を構成した例を示した図である。

図 1 5は、本実施形態に係る多関節湾曲機構 1を尻尾として適用して、トカゲのロボットを構成した例を示した図である。

図 1 6は、本実施形態に係る多関節湾曲機構 1を首として適用して、キリンのロボットを構成した例を示した図である。

図 1 7は、本実施形態に係る多関節湾曲機構 1を鼻として適用して、象のロボットを構成した例を示した図である。 [発明を実施するための最良の形態] 以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。図 1、図 2、及び図 3には、本発明の一実施形態に係る多関節湾曲機構 1が略直線状に伸展した様子をそれそれ正面、側面、及び斜視した図を示している。同様に、図 4、図 5、及び図 6には、この多関節湾曲機構 1が屈曲した様子をそれそれ正面、側面、及び斜視した図を示している。

各図に示すように、この多関節湾曲機構 1は、直列的に連結される 7個のリンク 1 1〜 1 7と、この連結されたリンクの終端に連結された末端部 1 8とで構成される。また、連結されたリンクの他端には、この多関節湾曲機構 1に対して湾曲並びに伸展するための駆動力を供給する駆動ュニット 2 0が取り付けられている。

駆動ュニット 2 0は、電磁気的作用によって回転運動を生じるモー夕 2 1と、このモータ 2 1の回転軸に一体的に取り付けられたピニオン 2 2と、ピニオン 2 2と歯合して回転軸を直交方向に変換するゥォ一ム 'ギア 2 3と、ウォーム 'ギア 2 3から得られる回転力を所定の減速比で減速しながら多関節湾曲機構 1まで伝達する 4個のギア 2 4〜 2 7とで構成される。

多関節湾曲機構 1を構成する各リンク 1 1〜1 7は、それぞれ 3個若しくは奇数個のギアを回転可能に収容している。隣接する各ギアどうしは歯合している。奇数個のギアで回転力を伝達することにより、入力側のギアと出力側のギアとで回転方向を一致させることができる。また、隣接する各リンク間では、一方の入力側のギアを他方の出力側のギアとして共有することによって、この共有されるギアの回転軸回りの自由度を持つ関節を構成している。

リンク 1 1は、 3個のギア 3 1， 3 2 , 及び 3 3を回転可能に直列的に支持している。一端のギア 3 1は、駆動ユニット 2 0の出力ギア 2 7と歯合することによって回転駆動力を入力する。ギア 3 1の回転軸は、多関節湾曲機構 1の第 0関節を構成する。そして、ギア 3 1とは歯合するギア 3 2を経て、ギア 3 3に同じ回転方向の回転力が伝達される。

また、リンク 1 2は、 3個のギア 3 3 , 3 4 , 及び 3 5を回転可能に直列的に支持している。一端のギア 3 3は、隣り合うリンク 1 1と共有されており、ギア 3 3の回転軸は多関節湾曲機構 1の第 1関節を構成する。そして、ギア 3 3に印加された回転力は、ギア 3 3とは歯合するギア 3 4を経て、ギア 3 5に同じ回転方向の回転力が伝達される。

また、リンク 1 3は、 3個のギア 3 5， 3 6 , 及び 3 7を回転可能に直列的に支持している。一端のギア 3 5は、隣り合うリンク 1 2と共有されており、ギア 3 5の回転軸は多関節湾曲機構 1の第 2関節を構成する。そして、ギア 3 5に印加された回転力は、ギア 3 5とは歯合するギア 3 6を経て、ギア 3 7に同じ回転方向の回転力が伝達される。

また、リンク 1 4は、 3個のギア 3 7 , 3 8，及び 3 9を回転可能に直列的に支持している。一端のギア 3 7は、隣り合うリンク 1 3と共有されており、ギア 3 7の回転軸は多関節湾曲機構 1の第 3関節を構成する。そして、ギア 3 7に印加された回転力は、ギア 3 7とは歯合するギア 3 8を経て、ギア 3 9に同じ回転方向の回転力が伝達される。

また、リンク 1 5は、 3個のギア 3 9 , 4 0，及び 4 1を回転可能に直列的に支持している。一端のギア 3 9は、隣り合うリンク 1 4と共有されており、ギア 3 9の回転軸は多関節湾曲機構 1の第 4関節を構成する。そして、ギア 3 9に印加された回転力は、ギア 3 9とは歯合するギア 4 0を経て、ギア 4 1に同じ回転方向の回転力が伝達される。

また、リンク 1 6は、 3個のギア 4 1 , 4 2，及び 4 3を回転可能に直列的に支持している。一端のギア 4.1は、隣り合うリンク 1 5と共有されており、ギア 4 1の回転軸は多関節湾曲機構 1の第 5関節を構成する。そして、ギア 4 1に印加された回転力は、ギア 4 1とは歯合するギア 4 2を経て、ギア 4 3に同じ回転方向の回転力が伝達される。また、リンク 1 7は、 3個のギア 4 3 , 4 4 ,· 及び 4 5を回転可能に直列的に支持している。一端のギア 4 3は、隣り合うリンク 1 6と共有されており、ギア 4 3の回転軸は多関節湾曲機構 1の第 6関節を構成する。そして、ギア 4 3に印加された回転力は、ギア 4 3とは歯合するギア 4 4を経て、ギア 4 5に同じ回転方向の回転力が伝達される。

リンク 1 7の他端には、末端部 1 8が取り付けられている。後述するように、末端部 1 8の内壁には、終端のギア 4 5と歯合する歯形 1 8 Aが形設されている。したがって、リンク 1 7の出力側のギア 4 5をこの末端部 1 8の歯形 1 8 Aと嚙み合わせて終端処理することによって、 1 5個の各ギア 3 1 ~ 4 5に印加された回転力は、各ギア 3 1〜4 5をそれそれの回転軸 3 1 A〜 4 5 A回りに空回りさせずに、各リンク 1 1〜1 7に対して回転力を付与することができる。

例えば、リンク 1 1においては、図 5に示すように、ギア 3 1に印加された紙面時計回りの回転がギア 3 2を経てギア 3 3に伝達される際には、各ギア 3：!〜 3 3の空回りに終わらず、ギア 3 1の回転軸が定義する第 1関節においてリンク 1 1を紙面上の時計回りに回転させる力が生成される。

また、リンク 1 2においては、図 5に示すように、ギア 3 3に印加された紙面時計回りの回転がギア 3 4を経てギア 3 5に伝達される際には、各ギア 3 3〜3 5の空回りに終わらず、ギア 3 3の回転軸が定義する第 2関節においてリンク 1 2を紙面上の時計回りに回転させる力が生成される。

また、リンク 1 3においては、図 5に示すように、ギア 3 5に印加された紙面時計回りの回転がギア 3 6を経てギア 3 7に伝達される際には、各ギア 3 5〜3 7の空回りに終わらず、ギア 3 5の回軸が定義する第 3関節においてリンク 1 3を紙面上の時計回りに回転させる力が生成される。

また、リンク 1 4においては、図 5に示すように、ギア 3 7に印加された紙面時計回りの回転がギア 3 8を経てギア 3 9に伝達される際には、各ギア 3 7〜3 9の空回りに終わらず、ギア 3 7の回転軸が定義する第 4関節においてリンク 1 を紙面上の時計回りに回転させる力が生成される。

また、リンク 1 5においては、図 5に示すように、ギア 3 9に印加された紙面時計回りの回転がギア 4 0を経てギア 4 1に伝達される際には、各ギア 3 9 ~ 4 1の空回りに終わらず、ギア 39の回転軸が定義する第 5関節においてリンク 1 5を紙面上の時計回りに回転させる力が生成される。

また、リンク 16においては'、図 5に示すように、ギア 41に印加された紙面時計回りの回転がギア 42を経てギア 43に伝達される際には、各ギア 41-4 3の空回りに終わらず、ギア 41の回転軸が定義する第 6関節においてリンク 1 6を紙面上の時計回りに回転させる力が生成される。

また、リンク 17においては、図 5に示すように、ギア 43に印加された紙面時計回りの回転がギア 44を経てギア 45に伝達される際には、各ギア 43〜 4 5の空回りに終わらず、ギア 43の回転軸が定義する第 Ί関節においてリンク 1 7を紙面上の時計回りに回転させる力が生成される。

なお、駆動ュニット 20における出力端のギア 27には、所定値以上の回転反力が印加されると回転軸が解放されるクラヅチ機構が内蔵されている。したがつて、多関節湾曲機構 1に異常な反力が印加されても、ギア 27が解放されることにより、モー夕 21まで反力が伝達されず、機器の破壊を防止することができる。この場合、多関節湾曲機構 1は、ギア 31の回転軸で定義される第 1関節が解放された恰好となる。

図 7には、リンク 11の 6面図、断面図、並びに斜視図を示している。また、図 8には、リンク 11の部品分解図を示している。また、図 9には、リンク 11 の組立図を示している。他のリンク 12〜 17については図示しないが、リンク 11と略同一構造であると理解されたい。

図 7、図 8、及び図 9に示すように、リンク 11は、略平行に上板 11 Aと下板 11 Bとが、ギア 31〜33を収容するに充分な間隙を保って、壁部 11 C及び壁部 11Dによって支持されている。

上板 11Aと下板 11Bには、各ギア 31〜33の回転軸 31A, 32 A, 3 3 Aを揷通させるための 3個の開口 1 IE, 11 F, 11 G並びに 11 E 11 F'₅ 11 G⁵ がそれそれ対向して穿設されている。

各ギア 31〜33は、上板 11八と下板1 IBの間に直列的に配置され、且つ、それぞれの回転軸 31A, 32 A, 33 Aを貫揷させることによって、隣接するギアどうしが歯合するような状態で、リンク 11の上板 11 A及び下板 11 Bの間に形成された空間内に収容されている。

入力側のギア 3 1に付与された回転は、これに隣接するギア 3 2に反対方向の回転として伝達される。さらに、ギア 3 2に隣接する出力側のギア 3 3には、その反対方向すなわち元の回転方向と同じ向きの回転として伝達され、これが後続のリンク 1 2側に出力される。 1つのリンク 1 1内に収容されるギアの個数は 3 個には限定されないが、奇数個であれば、入力側と同じ回転方向で出力することができる。

上板 1 1 Aと下板 1 1 Bには、略中央に上板 1 1 A及び下板 1 1 Bそれそれの肉厚程度の厚みを持つ段差部 1 1 A' 並びに 1 I B ' が形設されており、リンク 1 1は、入力側半分に比し出力側の方の幅が狭くなるように構成されている。したがって、リンク 1 1に隣接するリンク 1 2の入力側の上板 1 2 Aと下板 1 2 B の間隙に、リンク 1 1の出力側の上板 1 1八と下板1 1 Bを挿入することによつて（図 1 0並びに図 1 1を参照のこと）、隣り合うリンク 1 1及びリンク 1 2を連結させることができる。

壁部 1 1 Cは、上板 1 1 A及び下板 1 1 Bのフヅトプリントから突出している。壁部 1 1 Cの左右の各端縁は、隣り合うリンクと連結させて、これら連結されたリンクを真直く、に伸ばしたときには、他方のリンク側の壁部の端縁と当接して、それ以上関節が曲がらないようにするストヅパとして機能することができる（後述)。

図 1 0〜図 1 2には、リンク 1 6を隣接するリンク 1 7と連結させた様子を図角率している。但し、図 1 0には、リンク 1 6及びリンク 1 7が真直く、に伸びた状態を示しており、また、図 1 1には、リンク 1 7がリンク 1 6に対して回転している様子を示している。また、図 1 2には、リンク 1 7がリンク 1 6に対してさらに回転している様子を示している。

図 1◦〜図 1 2に示すように、リンク 1 6の出力側の開口 1 6 G， 1 6 G' とリンク 1 2の入力側の開口 1 7 E , 1 7 E ' がー致するようにして、隣接するリンク 1 1とリンク 1 2が連結される。このような状態では、リンク 1 6の出力側のギア 4 3並びにその回転軸 4 3 Aを、リンク 1 5の入力側のギア及び回転軸として共有することができる。このとき、回転軸 4 3 Aは、多関節湾曲機構 1の第 6関節を構成する。

図 1 0〜図 1 2に示すような隣接するリンクどうしの組み立て方法は、他の隣接するリンク 1 1及び 1 1間、リンク 1 2及び 1 3間、リンク 1 3及び 1 4間、リンク 1 4及び 1 5間、並びにリンク 1 5及び 1 6間においても、同様に当てはまる。

図 1 0に示すように、隣り合うリンク 1 6及びリンク 1 7が長手方向に真直ぐ伸びている状態で、リンク 1 6の入力側のギア 4 1に、時計回りの回転を付与する。すると、その隣のギア 4 2には反時計回りの回転として伝達され、さらに、出力側のギア 4 3にはさらに反対方向すなわち時計回りの回転として伝達される。ギア 4 3は、リンク 1 7の入力側のギアとして共有され、また、その回転軸 4 3 Aは多関節湾曲機構 1の第 6関節を構成する。したがって、ギア 4 1の時計回りの回転により、第 6関節には紙面上で時計回りの回転力が印加され、これに追従して、図 1 1に示すようにリンク 1 7は、回転軸 4 3 Aを中心として時計回りに回転する。

また、このような回転は、そもそも第 1関節、第 2関節、第 3関節…から同様に順次伝達されてきて、多関節湾曲機構 1全体としては、図 4〜図 6に示すような湾曲した状態に変化することになる。また、図 1 2に示すようにギア 4 1をさらに時計回りに回転させることにより、リンク 1 7は、回転軸 4 3 Aを中心として時計方向への回転をさらに続ける。

また、図 1 0に示すように、隣り合うリンク 1 6及びリンク 1 7が長手方向に真直ぐ伸びている状態では、リンク 1 6側の壁部 1 6 Cの右端縁は、リンク 1 Ί 側の壁部 1 7 Cの左端縁と当接しており、第 6関節における可動角を規制している。このため、リンク 1 7が第 1関節すなわち回転軸 4 3 A回りにこれ以上は反時計方向に回転して、多関節湾曲機構 1が真直く、よりも反時計回りに湾曲していくことを防止することができる。

これまで、リンクの構造、並びに、リンクが隣接するリンクと連結する構造について説明してきた。本実施形態に係る多関節湾曲機構 1は、同じ構成の 7個のリンク 1 1〜1 7を同様に連結することで、細長状の湾曲構造を形成することができる。そして、既に述べたように、この多関節湾曲機構 1の先端には、末端部 1 8が取り付けられている。

図 1 3には、末端部 1 8の 6面図、断面図、並びに斜視図を示している。図 1 2中の断面図に示すように、末端部 1 8の内壁には、終 3¾ のギア 4 5と歯合する歯形 1 8 Aが形設されている。

リンク 1 7の出力側のギア 4 5をこの末端部 1 8の歯形 1 8 Aと嚙み合わせることによって、ギア 4 5を終端処理することができる。前述した図 1 0〜図 1 2 には、末端部 1 8をリンク 1 7の先端に取り付けて終端処理した様子を併せて示している。このようなギアの終端処理を施すことにより、 1 5個の各ギァ3 1〜 4 5に印加された回転力は、各ギア 3 1〜4 5をそれそれの回転軸 3 1 A- 4 5 A回りに空回りさせずに、各リンク 1 1〜1 7に対して回転力を付与することができる。この結果、モ一夕 2 1の回転力がピニオン 2 2、ウォーム 'ギア 2 3、並びに、ギア 2 4〜2 7を経て多関節湾曲機構 1に伝達されると、各ギア 3 1〜4 5が空転することなく、図 4〜図 6に示すように多関節湾曲機構 1を正しく湾曲させることができる。

次いで、上述した多関節湾曲機構 1の適用例について説明する。

[従来の技術] の欄でも既に述べたように、脚式移動ロボットは、例えば、胴体に左右の可動脚が取り付けられた構造を装備することにより、人間の住空間で最低限の作業を行うことができる。但し、作業空間内での物体の把持や特定の対象物の操作、あるいは上半身を用いたジエスチヤやダンスなど、より高度な機能や行動を実現するためには、上肢、さらにはその先端の手部に指先を搭載することが好ましい。あるいは、多くの 4足歩行動物が持つ尻尾や、キリンの首、象の鼻などは多関節で湾曲可能な機構は、ロボヅトの擬似的な感情や情緒を表現する上で非常に役に立つ。

ところが、従来の多関節湾曲機構は一般に、可動軸毎にァクチユエ一夕を配設することにより設計'製作される。このため、指のように細長く、且つ、各関節間を接続するリンクの間隔が極めて短い部位は、大型で複雑になってしまう。図 i 4には、本実施形態に係る多関節湾曲機構 1を指として適用して、掌を構成した例を示している。

同図に示すように、手部 5 0は、手の甲を構成するフレーム 5 1に、親指、人差し指、中指、桀指、並びに小指をそれそれ構成する 5本の多関節湾曲機構 5 2 〜5 6が、フレーム 5 1の手のひら側を湾曲方向とするように取り付けられている。

親指、人差し指、中指、薬指、並びに小指それそれの目的や機能、実際の人の手と比較考量して、各多関節湾曲機構 5 2〜 5 60 長さや太さの比率を決定することが好ましい。

各多闋節湾曲機構 5 2〜5 6はそれそれ、 3個のリンクと 1個の末端部とで構成され、 3個の関節を備えている。第 1関節までを構成する根元のリンクは、機能並びに手のひらの構造上、残りのリンクよりも寸法が長いことが好ましい。このような場合、リンク内に収容するギアの個数を 3個から 5個に拡張することによって、同じ太さで長い寸法をとることができる。

図 1 4に示すように本実施形態に係る多関節湾曲機構 1を用いて手部の指を構成した場合、各可動軸毎にァクチユエ一夕を配設する必要がないので、指のように細長く、且つ、各関節間を接続するリンクの間隔が極めて短い部位を、小型のままで設計'製作することができる。

また、本実施形態に係る多関節湾曲機構 1を用いて手部を構成した場合、ワイャを用いて屈曲機構を用いた場合に比し、大きな駆動力を発生させることが容易である。また、本実施形態に係る多関節湾曲機構 1は安価な構成部材のみを用いて組み立てることができるので、量産化にも対応することができる。 ' また、図 1 5には、本実施形態に係る多関節湾曲機構 1を尻尾として適用して、トカゲのロボヅトを構成した例を示している。

図 1 5に示すように本実施形態に係る多関節湾曲機構 1を用いてトカゲの尻尾を構成した場合、各可動軸毎にァクチユエ一夕を配設する必要がないので、トカゲの尻尾のように細長く、且つ、各関節間を接続するリンクの間隔が極めて短い部位を、小型のままで設計'製作することができる。

また、本実施形態に係る多関節湾曲機構 1を用いてトカゲの尻尾を構成した場合、ワイヤを用いて屈曲機構を用いた場合に比し、大きな駆動力を発生させることが容易である。また、本実施形態に係る多関節湾曲機構 1は安価な構成部材のみを用いて組み立てることができるので、量産化にも対応することができる。また、図 1 6には、本実施形態に係る多関節湾曲機構 1を首として適用して、キリンのロボットを構成した例を示している。

図 1 6に示すように本実施形態に係る多関節湾曲機構 1を用いてキリンの首を構成した場合、各可動軸毎にァクチユエ一夕を配設する必要がないので、キリンの首のように細長く、且つ、各関節間を接続するリンクの間隔が極めて短い部位を、小型のままで設計'製作することができる。

また、本実施形態に係る多関節湾曲機構 1を用いてキリンの首を構成した場合、ワイヤを用いて屈曲機構を用いた場合に比し、大きな駆動力を発生させることが容易である。また、本実施形態に係る多関節湾曲機構 1は安価な構成部材のみを用いて組み立てることができるので、量産化にも対応することができる。

また、図 1 7には、本実施形態に係る多関節湾曲機構 1を鼻として適用して、象のロボットを構成した例を示している。

図 1 7に示すように本実施形態に係る多関節湾曲機構 1を用いて象の鼻を構成した場合、各可動軸毎にァクチユエ一夕を配設する必要がないので、象の鼻のように細長く、且つ、各関節間を接続するリンクの間隔が極めて短い部位を、小型のままで設計'製作することができる。

また、本実施形態に係る多関節湾曲機構 1を用いて象の鼻を構成した場合、ヮィャを用いて屈曲機構を用いた場合に比し、大きな駆動力を発生させることが容易である。また、本実施形態に係る多関節湾曲機構 1は安価な構成部材のみを用いて組み立てることができるので、量産化にも対応することができる。追補

以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。

本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と称される製品には限定されない。すなわち、電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置であるならば、例えば玩具等のような他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用することができる。要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に角釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すベきである。

[産業上の利用可能性] 本発明によれば、指や尻尾、首、鼻など多関節で構成された湾曲部分を備えた、優れた脚式移動ロボット並びに多関節湾曲機構を提供することができる。

また、本発明によれば、多関節湾曲機構を小型 '低価格に構成して、擬似感情、情緒表現に活用することができる、優れた脚式移動ロボット並びに多関節湾曲機構を提供することができる。

本発明によれば、多関節湾曲駆動に用いるァクチユエ一夕の数を減らすことができるので、小型且つ安価に生産することができる。したがって、この種の多関節湾曲機構を備えた装置の低価格化、小型化に貢献することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 少なくとも可動脚を備えた脚式移動ロボットのための多関節湾曲機構であつて、

入力側のギアと出力側のギアを含む複数個のギアを歯合させて回転可能に支持するリンクどうしを連結させてなる、

ことを特徴とする脚式移動ロボットのための多関節湾曲機構。

2 . 各リンクは奇数個のギアを歯合させて回転可能に支持し、入力端のギアに印加された回転方向と同じ回転方法で出力端のギアが回転するように構成されている、

ことを特徴とする請求項 1に記載の脚式移動ロボヅトのための多関節湾曲機構。

3 . 隣接するリンクの間では、一方のリンクにおける出力側のギアと他方のリンクにおける入力側のギアとを共有して、

該共有されたギアの回転軸は多関節湾曲機構の関節自由度を構成する、ことを特徴とする請求項 1に記載の脚式移動ロボットのための多関節湾曲機構。

4 . 最も根元のリンクにおける入力側のギアに対して回転力を付与する駆動部をさらに備え、

該駆動部による回転力の印加に従って、各リンク間の関節が一定方向に湾曲するように構成されている、

ことを特徴とする請求項 1に記載の脚式移動ロボットのための多関節湾曲機構。

5 . 前記駆動部は、最も根元のリンクにおける入力側のギアから所定値以上の回転反力が印加されると回転軸を解放して該入力側のギアの回転を自由にするクラツチ機構を備えている、

ことを特徴とする請求項 4に記載の脚式移動ロボットのための多関節湾曲機構。

6 . 最も先端のリンクにおける出力側のギアと歯合して、各リンクに支持されているギアの空回りを防止して、ギアの回転に追従して各リンク間の関節が一定方向に湾曲することを保証する末端部をさらに備える、

7 . 各リンクは、隣接するリンクとの間で構成される関節の逆転を防止するために、関節の所定の回転位置において該隣接するリンクと当接して回転を制止する制止部をさらに備える、

ことを特徴とする請求項 1に記載の脚式移動ロボヅ卜のための多関節湾曲機構。

8 . 前記脚式移動ロボットの指として利用される、

9 . 各リンクに収容するギアの個数に応じてリンクすなわち指の関節間の寸法を調整する、

ことを特徴とする請求項 8に記載の脚式移動ロボヅトのための多関節湾曲機構。

1 0 . 前記脚式移動ロボットの首として利用される、

1 1 . 前記脚式移動ロボットの鼻として利用される、

1 2 . 前記脚式移動ロボッ卜の尻尾として利用される、

1 3 . 少なくとも可動脚を備えた脚式移動ロボヅトであって、 - 入力側のギアと出力側のギアを含む複数個のギアを歯合させて回転可能に支持するリンクどうしを連結させてなる多関節湾曲機構を備えている、ことを特徴とする脚式移動ロボット。

1 4 . 前記多関節湾曲機構の各リンクは奇数個のギアを歯合させて回転可能に支持し、入力端のギアに印加された回転方向と同じ回転方法で出力端のギアが回転するように構成されている、

ことを特徴とする請求項 1 3に記載の脚式移動ロボット。

1 5 . 前記多関節湾曲機構は、

隣接するリンクの間では、一方のリンクにおける出力側のギアと他方のリンクにおける入力側のギアとを共有し、該共有されたギアの回転軸が関節自由度を構成する、

ことを特徴とする請求項 1 3に記載の脚式移動ロボヅト。

1 6 . 前記多関節湾曲機構は、最も根元のリンクにおける入力側のギアに対して回転力を付与する駆動部をさらに備え、

ことを特徴とする請求項 1 3に記載の脚式移動ロボヅト。

1 7 . 前記駆動部は、最も根元のリンクにおける入力側のギアから所定値以上の回転反力が印加されると回転軸を解放して該入力側のギアの回転を自由にするクラッチ機構を備えている、

ことを特徴とする請求項 1 6に記載の脚式移動ロボヅト。

1 8 . 前記多関節湾曲機構は、最も先端のリンクにおける出力側のギアと歯合して、各リンクに支持されているギアの空回りを防止して、ギアの回転に追従して各リンク間の関節が一定方向に湾曲することを保証する末端部をさらに備える、ことを特徴とする請求項 1 3に記載の脚式移動ロボヅト。

1 9 . 前記多関節湾曲機構の各リンクは、隣接するリンクとの間で構成される閧節の逆転を防止するために、関節の所定の回転位置において該隣接するリンクと当接して回転を制止する制止部をさらに備える、

ことを特徴とする請求項 1 3に記載の脚式移動ロボヅト。

2 0 . 前記多関節湾曲機構を指として利用する、

ことを特徴とする請求項 1 3に記載の脚式移動ロボット。

2 1 . 各リンクに収容するギアの個数に応じてリンクすなわち指の関節間の寸法を調整する、

ことを特徴とする請求項 2 0に記載の脚式移動ロボット。

2 2 . 前記多関節湾曲機構を首として利用する、

ことを特徴とする請求項 1 3に記載の脚式移動ロボヅト。

2 3 . 前記多関節湾曲機構を鼻として利用する、

ことを特徴とする請求項 1 3に記載の脚式移動ロボット。

2 4 . 前記多関節湾曲機構を尻尾として利用する、

ことを特徴とする請求項 1 3に記載の脚式移動ロボヅト。