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【発明の名称】 ロボット関節機構およびその駆動方法
【発明者】 【氏名】竹村 佳也

【氏名】上林 勇一
【要約】 【課題】耐衝撃性能、指令応答速度性能およびレイアウト性能を向上することが可能なロボット関節機構を提供する。

【構成】ロボット関節機構Ａは、モータＡ１１と、モータＡ１１の出力を減速する減速機構Ａ１２と、減速機構Ａ１２に連結された弾性部材Ａ２１と、弾性部材Ａ２１に連結され、減速機構Ａ１２および弾性部材Ａ２１を介して伝達されたモータＡ１１の出力を増速し、負荷部材Ａ３に伝達する増速機構Ａ２２と、負荷部材Ａ３と、を備えている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動源と、前記駆動源の出力により駆動される負荷部材と、を備えたロボット関節機構であって、
前記駆動源の出力を増速して前記負荷部材に伝達するように、前記駆動源および前記負荷部材に連結された増速手段を備え、
前記増速手段は、その一部が前記駆動源の出力を弾性変形しつつ伝達するように構成されていることを特徴とするロボット関節機構。
【請求項２】
前記駆動源は、
モータと、
前記モータの出力を減速し、減速された前記モータの出力を前記増速手段に伝達する減速機構と、
を備えていることを特徴とする請求項１に記載のロボット関節機構。
【請求項３】
前記増速手段は、
前記駆動源に連結された弾性部材と、
前記弾性部材を介して伝達された前記駆動源の出力を増速して前記負荷部材に伝達するように、前記弾性部材および前記負荷部材に連結された増速機構と、
を備えていることを特徴とする請求項１に記載のロボット関節機構。
【請求項４】
前記弾性部材は、ねじれ方向に弾性変形可能な環状ばねであり、
前記環状ばねは、
前記駆動源および前記負荷部材の一方に連結される中心部と、
前記中心部の周方向に配置され、前記駆動源および前記負荷部材の他方に連結される周辺部と、
前記中心部と前記周辺部とを連結する可撓部と、
を備えていることを特徴とする請求項３に記載のロボット関節機構。
【請求項５】
前記可撓部は、前記環状ばねの回動軸に直交する断面上の少なくとも１軸に対して線対称であることを特徴とする請求項４に記載のロボット関節機構。
【請求項６】
前記可撓部は、前記環状ばねの回動軸に対してｎ回回転対称（ただし、ｎは２以上の自然数）であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のロボット関節機構。
【請求項７】
前記増速手段は、４節リンク機構であり、
前記４節リンク機構において、前記駆動源の出力を伝達する一リンクが、当該リンクの変位方向に弾性変形であることを特徴とする請求項１に記載のロボット関節機構。
【請求項８】
前記４節リンク機構において、前記駆動源の出力を伝達する一リンクが、当該リンクの変位方向に弾性変形可能なばね部材であり、
前記ばね部材の可撓部は、当該ばね部材である一リンクの二つの連結軸を含む平面に対して対称であることを特徴とする請求項７に記載のロボット関節機構。
【請求項９】
駆動源の出力により負荷部材を駆動するロボット関節機構の駆動方法であって、
前記モータの出力を減速するステップと、
前記駆動源の出力を弾性部材を介して伝達するステップと、
前記弾性部材を介して伝達された前記駆動源の出力を増速し、増速された前記駆動源の出力を前記負荷部材に伝達するステップと、
を含むことを特徴とするロボット関節機構の駆動方法。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット関節機構およびその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ロボット関節機構としてモータ、油圧アクチュエータなどの駆動源からの出力を、ばねなどの弾性部材を介して負荷部材に伝達する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。かかる駆動機構は、ＳＥＡ（Serial Elastic Actuator）と呼ばれ、（１）設けられている弾性部材によって、障害物との衝突により発生する衝撃力から駆動源および障害物を保護したり（衝撃吸収性）、（２）弾性部材の変形量に基づいて適切な制御を行なうことによって、高度なバックドライブ特性を有する、外力に対して柔軟な駆動機構を実現することができる、といった利点を有している。
【特許文献１】米国特許第５６５０７０４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
より大きな衝撃吸収性を実現するためには、柔らかい、すなわち、ばね定数の小さい弾性部材が必要となる。しかしながら、ばね定数の小さい弾性部材を従来の駆動機構に適用した場合には、リニア駆動、回転駆動を問わず、以下に示す問題が生じる。
＜指令応答性の低下＞
質量を持つ弾性部材を介して力を伝達するには、弾性部材に分布する質量を加速させなければならない。一般的に、同一強度でばね定数の小さい弾性部材は、力の伝達経路を長くすることにより実現される。かかる弾性部材では、力が長い伝達経路を通過するのに時間がかかるので、力の伝達に遅れが生じ、制御系としての応答性が低下してしまう。
＜レイアウト性の低下＞
同一の力が作用した場合には、ばね定数の小さい弾性部材は、ばね定数の大きい弾性部材よりも大きく撓む。したがって、設計において弾性部材の撓みのための空間を確保しなければならず、レイアウト性が低下してしまう。
【０００４】
続いて、駆動機構が回転駆動である場合における問題について、回転方向に弾性を有する弾性部材であるトーションバー、ねじりコイルばねの順に説明する。
＜トーションバーの場合＞
同一強度で回転方向におけるばね定数の小さいトーションバーは、その長さを長くすることにより実現される。かかるトーションバーを有する駆動機構を人間型ロボットに適用する場合には、出力軸方向にトーションバーを長くすることになるため、レイアウト性が損なわれることが多い。
＜ねじりコイルばね＞
ねじりコイルばねは、鋼線を螺旋状に塑性変形させることにより製造される。そのため、ねじる方向（回転方向）によってばね定数が異なる。正逆回転方向に同等のばね定数を実現するためには、二つのねじりコイルばね（第一のねじりコイルばねおよび第二のねじりコイルばね）を逆向きに同軸で連結し、予圧トルクをかける必要がある。この場合、二つのねじりコイルばねの組み合わせの強度は出力負荷トルクと等しくなる。なお、予圧トルクは、最大負荷トルクの半分と等しい。
【０００５】
例えば、二つのねじりコイルばねの組み合わせによって最大負荷トルク１０［Ｎｍ］を実現するためには、以下のようになる。負荷トルクが０［Ｎｍ］のときには、第一のねじりコイルばね（正回転に対応）および第二のねじりコイルばね（逆回転に対応）には、それぞれ＋５［Ｎｍ］、−５［Ｎｍ］のトルクが作用している。負荷トルクが正回転方向に１０［Ｎｍ］のときには、第一のねじりコイルばねには＋１０［Ｎｍ］のトルクが作用し、第二のねじりコイルばねには０［Ｎｍ］のトルクが作用する。
【０００６】
このように、ねじりコイルばねを用いて正逆回転方向に同等のばね定数を実現するためには、最大負荷トルクと同一強度を有する二つのねじりコイルばねが必要である。しかしながら、二つのねじりコイルばねを組み合わせて使用することは、重量およびレイアウト性の観点から見て、非効率的である。また、一般的なねじりコイルばねは、鋼線同士が接触する構造を有しており、鋼線同士の接触による摩擦によるヒステリシスが発生しやすいという問題を有している。
【０００７】
本発明は、前記した事情を鑑みて創案されたものであり、耐衝撃性能、指令応答速度性能およびレイアウト性を向上することが可能なロボット関節機構およびその駆動方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、駆動源と、前記駆動源の出力により駆動される負荷部材と、を備えたロボット関節機構であって、前記駆動源の出力を増速して前記負荷部材に伝達するように、前記駆動源および前記負荷部材に連結された増速手段を備え、前記増速手段は、その一部が前記駆動源の出力を弾性変形しつつ伝達するように構成されていることを特徴とする。
【０００９】
駆動源の出力は、増速手段に入力される。増速手段は、駆動源の出力を増速して負荷部材に伝達し、負荷部材を駆動する。この際に、増速手段は、その一部が駆動源の出力を弾性変形しつつ伝達するように構成されている。
増速手段は、４節リンク機構などの各種リンク機構、歯車機構、ベルトおよびプーリの組み合わせなどを備えることにより実現可能である。
また、駆動源の出力は、リニア出力または回転出力とすることができ、増速手段の増速は、リニア増速または回転増速とすることができる。
請求項１のロボット関節機構は、駆動源と負荷部材との間に弾性変形しつつ出力を伝達する増速手段を設けることにより、増速手段において弾性変形する部分のばね定数を大きくすることができる。すなわち、力の伝達性能が向上し、応答性が向上する。また、弾性部材の撓み量が減少する。したがって、指令応答速度性能およびレイアウト性を向上することができる。
また、負荷部材が障害物などに衝突した場合には、増速手段が負荷部材側から駆動されることで減速要素として機能し、衝突による速度変化を小さくするので、駆動源に伝達される衝撃を小さくすることができる。したがって、衝撃による駆動源の故障を抑制する、すなわち、耐衝撃性能を向上することができる。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のロボット関節機構であって、前記駆動源は、モータと、前記モータの出力を減速し、減速された前記モータの出力を前記増速手段に伝達する減速機構と、を備えていることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のロボット関節機構であって、前記増速手段は、前記駆動源に連結された弾性部材と、前記弾性部材を介して伝達された前記駆動源の出力を増速して前記負荷部材に伝達するように、前記弾性部材および前記負荷部材に連結された増速機構と、を備えていることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のロボット関節機構であって、前記弾性部材は、ねじれ方向に弾性変形可能な環状ばねであり、前記環状ばねは、前記駆動源および前記負荷部材の一方に連結される中心部と、前記中心部の周方向に配置され、前記駆動源および前記負荷部材の他方に連結される周辺部と、前記中心部と前記周辺部とを連結する可撓部と、を備えていることを特徴とする。
【００１３】
請求項４のロボット関節機構は、環状ばねを備えているので、トーションバーを備えている場合に比べて、回動軸方向のスペースが少なくてすむ。また、ねじりコイルばねを備えている場合に比べて、与圧を与える必要がないため、最大負荷トルクと同一の強度を有する一つのばね（環状ばね）があればよく、二つのばねを用意する必要がない。また、環状ばねは、接触要素がないため、ヒステリシスを生じない。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のロボット関節機構であって、前記可撓部は、前記環状ばねの回動軸に直交する断面上の少なくとも１軸に対して線対称であることを特徴とする。
【００１５】
請求項５のロボット関節機構は、可撓部が環状ばねの回動軸に直交する断面上の少なくとも１軸に対して線対称であるので、環状ばねを簡易な構成とすることができる。また、正逆ねじれ方向のバネ定数を同一、換言すると、正転、逆転について弾性特性を対称とすることができる。
【００１６】
また、請求項６に記載の発明は、請求項４または請求項５に記載のロボット関節機構であって、前記可撓部は、前記環状ばねの回動軸に対してｎ回回転対称（ただし、ｎは２以上の自然数）であることを特徴とする。
【００１７】
請求項６のロボット関節機構は、正逆ねじれ方向のバネ定数を同一とすることができる。また、環状ばねに旋回荷重が作用したときに、中心部と周辺部との間に並進力が生じることを抑えることができる。すなわち、可撓部から中心部、または中心部から可撓部に作用する力は、点対称であり、力の総和は０となる。また、中心部が支持される点が多く、ｎ軸の方向の力で保持されるので、中心部および周辺部のねじれ軸がずれにくい。すなわち、トルクが環状ばねに入力されたときに並進方向に作用する力が小さいので、環状ばねを支持する部材（ベアリングなど）の負荷容量を小さくすることができ、環状ばねを支持する部材を小型化することができる。また、環状ばねの入力軸および出力軸の同心の精度を向上することができる。ここで、対称角度（ある位置から回転して次の対称位置まで）が小さいほど、換言すると、ｎが大きいほど、異方性による同心の精度劣化を防ぐ効果が大きい。
【００１８】
環状ばねを支持する周辺部品の交差によって、環状ばねの入力軸と出力軸との同心、すなわち、中心部と周辺部とのそれぞれの回動軸の同心に精度劣化が生じることが考えられる。可撓部が環状ばねの回動軸に対してｎ回回転対称でない場合には、環状ばねを周辺部品に組み付けたときに、入力側の部品と出力側の部品との間で芯振れが発生し、可撓部の回転変位に変換されてしまうことがある。この場合には、環状ばねに作用するトルクを検出する検出部は、外部から環状ばねにトルクが与えられていないにもかかわらず、トルクを検出してしまう。したがって、従来の駆動機構では、検出部において、このようなトルクの誤検出に対するソフト的な補正が必要であった。
請求項６のロボット関節機構は、可撓部が環状ばねの回動軸に対してｎ回回転対称であるので、中心部と周辺部とのそれぞれの回動軸のずれによるトルクを生じにくい構造となり、トルクの誤検出を抑えることができる。
【００１９】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１に記載のロボット関節機構であって、前記増速手段は、４節リンク機構であり、前記４節リンク機構において、前記駆動源の出力を伝達する一リンクが、当該リンクの変位方向に弾性変形であることを特徴とする。
【００２０】
請求項７のロボット関節機構は、４節リンク機構の一リンクが弾性変形するので、増速機構と弾性部材を一体化することができ、省スペース化および軽量化を実現することができる。
【００２１】
また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載のロボット関節機構であって、前記４節リンク機構において、前記駆動源の出力を伝達する一リンクが、当該リンクの変位方向に弾性変形可能なばね部材であり、前記ばね部材の可撓部は、当該ばね部材である一リンクの二つの連結軸を含む平面に対して対称であることを特徴とする。
【００２２】
請求項８のロボット関節機構は、可撓部において、圧縮と引張りが対称的に生じるので、ばね部材において正逆回転方向に同一のばね定数を実現することができる。
【００２３】
また、請求項９に記載の発明は、駆動源の出力により負荷部材を駆動するロボット関節機構の駆動方法であって、前記モータの出力を減速するステップと、前記駆動源の出力を弾性部材を介して伝達するステップと、前記弾性部材を介して伝達された前記駆動源の出力を増速し、増速された前記駆動源の出力を前記負荷部材に伝達するステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のロボット関節機構およびその駆動方法は、耐衝撃性能、指令応答速度性能およびレイアウト性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。同様の部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２６】
図１は、本発明に係るロボット関節機構を示す模式図である。図１に示すように、本発明に係るロボット関節機構Ａは、駆動源Ａ１と、増速手段Ａ２と、負荷部材Ａ３と、を備えている。
【００２７】
駆動源Ａ１は、負荷部材Ａ３を駆動するための駆動力を生成するものである。駆動源Ａ１の駆動力（出力）は、増速手段Ａ２に伝達される。ここで、駆動源Ａ１は、モータＡ１１と、減速機構Ａ１２と、を備えている。
【００２８】
減速機構Ａ１２は、モータＡ１１の出力を減速して増速手段Ａ２に伝達する機構である。減速機構Ａ１２としては、後記する波動歯車装置９３，１１２Ａ，１１２Ｂ（図５、図１５、図２０参照）などが好適に使用される。なお、駆動源として、かかる駆動源Ａ１に代えて油圧駆動源（油圧シリンダなど）を用いる構成であっても良い。
【００２９】
増速手段Ａ２は、駆動源Ａ１と負荷部材Ａ３との間に設けられており、減速機構Ａ１２により減速されたモータＡ１１の出力を負荷部材Ａ３に伝達する。増速手段Ａ２は、その一部が駆動源Ａ１の出力を弾性変形しつつ伝達するように構成されている。
【００３０】
図１に示すロボット関節機構Ａの増速手段Ａ２は、その一例として、弾性部材Ａ２１と、増速機構Ａ２２と、を備えている。
弾性部材Ａ２１は、減速機構Ａ１２と増速機構Ａ２２との間に設けられており、減速機構Ａ１２により減速されたモータＡ１１の出力を増速機構Ａ２２に伝達する。弾性部材Ａ２１は、出力を伝達する際に弾性的に変形することにより、減速機構Ａ１２と増速機構Ａ３との間で緩衝部材として機能する。弾性部材Ａ２としては、後記する環状ばね１５０（図５（ｂ）参照）などが好適に使用される。
【００３１】
増速機構Ａ２２は、減速機構Ａ１２から弾性部材Ａ２１を介して伝達されたモータＡ１１の出力を増速して負荷部材Ａ４に伝達する機構である。増速機構Ａ３としては、各種のリンク機構、歯車機構、ベルトおよびプーリなどが好適に使用される。
【００３２】
負荷部材Ａ３は、駆動源Ａ１の出力により駆動される部材である。負荷部材Ａ３としては、手のリンク８（図４参照）などが挙げられる。
【００３３】
ここで、増速手段Ａ２が駆動源Ａ１側に設けられた弾性部材Ａ２１と負荷部材Ａ３側に設けられた増速機構Ａ２２とを備えている場合には、負荷部材Ａ３などから増速機構Ａ２２に入力される慣性モーメント（イナーシャ）をＩ[ｋｇ・ｍ２]、弾性部材Ａ２１のばね定数をｋ［Ｎ／ｍ］、増速機構Ａ２２の増速比をｒ（ｒ＞１）、弾性部材Ａ２１の固有振動数（共振周波数）をｆ[Ｈｚ]とすると、下記式（１）の関係が成立する。
ｆ＝（１／２π）・（ｋ／Ｉｒ２）１／２ …式（１）
従来の増速手段を有しないロボット関節機構では、ｒ＝１である。
【００３４】
すなわち、ロボット関節機構Ａは、増速機構Ａ２２を備えているので、弾性部材Ａ２１に入力される慣性モーメントは、Ｉｒ２となる。したがって、ばね定数ｋを大きくしつつ、すなわち弾性部材Ａ２１の小型化を実現しつつ固有振動数ｆを小さくすることができ、負荷イナーシャの小さい関節を実現することができる。ここで、負荷イナーシャとは、ロボット関節機構Ａと、当該ロボット関節機構Ａが適用された関節の回転軸と平行な回転軸となり得る関節までのイナーシャのことである。
また、ロボット関節機構Ａは、駆動源Ａ１と負荷部材Ａ３との間に弾性変形しつつ出力を伝達する増速手段Ａ２を設けることにより、増速手段Ａ２において弾性変形する部分のばね定数を大きくすることができる。すなわち、力の伝達性能が向上し、応答性が向上する。また、弾性変形する部分の撓み量が減少する。したがって、指令応答速度性能およびレイアウト性を向上することができる。
また、負荷部材Ａ３が障害物などに衝突した場合には、増速手段Ａ２により衝撃が減速されるので、駆動源Ａ１に伝達される衝撃を小さくすることができる。したがって、衝撃による駆動源Ａ１の故障を抑制する、すなわち、耐衝撃性能を向上することができる。
【００３５】
（ロボットＲの構成）
続いて、本発明に係るロボット関節機構が適用されたロボットＲについて説明する。以下の説明において、ロボットＲの前後方向にＸ軸、左右方向にＹ軸、上下方向にＺ軸をとる（図２参照）。本発明の実施形態に係るロボットＲは、自律移動型の２足移動ロボットである。
【００３６】
図２は、本発明に係るロボット関節機構が適用されたロボットの外観を示す模式図である。図２に示すように、ロボットＲは、人間と同じように２本の脚部Ｒ１（１本のみ図示）により起立、移動（歩行、走行など）し、上体部Ｒ２、２本の腕部Ｒ３（１本のみ図示）および頭部Ｒ４を備え、自律して移動する。また、ロボットＲは、これら脚部Ｒ１、上体部Ｒ２、腕部Ｒ３および頭部Ｒ４の動作を制御する制御装置搭載部Ｒ５を背負う形で背中（上体部Ｒ２の後部）に備えている。
【００３７】
（ロボットＲの駆動構造）
続いて、ロボットＲの駆動構造について説明する。図３は、図２のロボットの駆動構造を模式的に示す斜視図である。なお、図３における関節部は、当該関節部を駆動する電動モータにより示されている。
【００３８】
（脚部Ｒ１）
図３に示すように、左右それぞれの脚部Ｒ１は、６個の関節部２１１Ｒ（Ｌ）〜２１６Ｒ（Ｌ）を備えている。左右１２個の関節は、股部（脚部Ｒ１と上体部Ｒ２との連結部分）の脚部回旋用（Ｚ軸まわり）の股関節部２１１Ｒ，２１１Ｌ（右側をＲ、左側をＬとする。以下同じ。）、股部のピッチ軸（Ｙ軸）まわりの股関節部２１２Ｒ，２１２Ｌ、股部のロール軸（Ｘ軸）まわりの股関節部２１３Ｒ，２１３Ｌ、膝部のピッチ軸（Ｙ軸）まわりの膝関節部２１４Ｒ，２１４Ｌ、足首のピッチ軸（Ｙ軸）まわりの足首関節部２１５Ｒ，２１５Ｌ、および、足首のロール軸（Ｘ軸）まわりの足首関節部２１６Ｒ，２１６Ｌから構成されている。そして、脚部Ｒ１の下には足部２１７Ｒ，２１７Ｌが取り付けられている。
【００３９】
すなわち、脚部Ｒ１は、股関節部２１１Ｒ（Ｌ），２１２Ｒ（Ｌ），２１３Ｒ（Ｌ）、膝関節部２１４Ｒ（Ｌ）および足首関節部２１５Ｒ（Ｌ），２１６Ｒ（Ｌ）を備えている。股関節部２１１Ｒ（Ｌ）〜２１３Ｒ（Ｌ）と膝関節部２１４Ｒ（Ｌ）とは大腿リンク２２１Ｒ，２２１Ｌで、膝関節部２１４Ｒ（Ｌ）と足首関節部２１５Ｒ（Ｌ），２１６Ｒ（Ｌ）とは下腿リンク２２２Ｒ，２２２Ｌで連結されている。
【００４０】
（上体部Ｒ２）
図３に示すように、上体部Ｒ２は、ロボットＲの基体部分であり、脚部Ｒ１、腕部Ｒ２および頭部Ｒ４と連結されている。すなわち、上体部Ｒ２（上体リンク２５３）は、股関節部２１１Ｒ（Ｌ）〜２１３Ｒ（Ｌ）を介して脚部Ｒ１と連結されている。また、上体部Ｒ２は、後記する肩関節部２３１Ｒ（Ｌ）〜２３３Ｒ（Ｌ）を介して腕部Ｒ３と連結されている。また、上体部Ｒ２は、後記する首関節部２４１，２４２を介して頭部Ｒ４と連結されている。
また、上体部Ｒ２は、上体回旋用（Ｚ軸まわり）の関節部２２１を備えている。
【００４１】
（腕部Ｒ３）
図３に示すように、左右それぞれの腕部Ｒ３は、７個の関節部２３１Ｒ（Ｌ）〜２３７Ｒ（Ｌ）を備えている。左右１４個の関節部は、肩部（腕部Ｒ３と上体部Ｒ２との連結部分）のピッチ軸（Ｙ軸）まわりの肩関節部２３１Ｒ，２３１Ｌ、肩部のロール軸（Ｘ軸）まわりの肩関節部２３２Ｒ，２３２Ｌ、腕部回旋用（Ｚ軸まわり）の肩関節部２３３Ｒ，２３３Ｌ、肘部のピッチ軸（Ｙ軸）まわりの肘関節部２３４Ｒ，２３４Ｌ、手首回旋用（Ｚ軸まわり）の腕関節部２３５Ｒ，２３５Ｌ、手首のピッチ軸（Ｙ軸）まわりの手首関節部２３６Ｒ，２３６Ｌ、および手首のロール軸（Ｘ軸）まわりの手首関節部２３７Ｒ，２３７Ｌから構成されている。そして、腕部Ｒ３の先端には把持部（ハンド）２７１Ｒ，２７１Ｌが取り付けられている。
【００４２】
すなわち、腕部Ｒ３は、肩関節部２３１Ｒ（Ｌ），２３２Ｒ（Ｌ），２３３Ｒ（Ｌ）、肘関節部２３４Ｒ（Ｌ）、腕関節部２３５Ｒ（Ｌ）および手首関節部２３６Ｒ（Ｌ），２３７Ｒ（Ｌ）を備えている。肩関節部２３１Ｒ（Ｌ）〜２３３Ｒ（Ｌ）と肘関節部２３４Ｒ（Ｌ）とは上腕リンク２５４Ｒ（Ｌ）で、肘関節部２３４Ｒ（Ｌ）と手首関節部２３６Ｒ（Ｌ），２３７Ｒ（Ｌ）とは前腕リンク２５５Ｒ（Ｌ）で連結されている。
【００４３】
（頭部Ｒ４）
図３に示すように、頭部Ｒ４は、首部（頭部Ｒ４と上体部Ｒ２との連結部分）のＹ軸まわりの首関節部２４１と、首部のＺ軸まわりの首関節部２４２と、を備えている。首関節部２４１は頭部Ｒ４のチルト角を設定するためのものであり、首関節部２４２は頭部Ｒ４のパンを設定するためのものである。
【００４４】
このような構成により、左右の脚部Ｒ１は合計１２の自由度を与えられ、移動中に１２個の関節部２１１Ｒ（Ｌ）〜２１６Ｒ（Ｌ）を適宜な角度で駆動することで、脚部Ｒ１に所望の動きを与えることができ、ロボットＲが任意に３次元空間を移動することができる。また、左右の腕部Ｒ３は合計１４の自由度を与えられ、１４個の関節部２３１Ｒ（Ｌ）〜２３７Ｒ（Ｌ）を適宜な角度で駆動することで、ロボットＲが所望の作業を行うことができる。
【００４５】
また、足首関節部２１５Ｒ（Ｌ），２１６Ｒ（Ｌ）と足部２１７Ｒ（Ｌ）との間には、公知の６軸力センサ２６１Ｒ（Ｌ）が設けられている。６軸力センサ２６１Ｒ（Ｌ）は、床面からロボットＲに作用する床反力の３方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、モーメントの３方向成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚと、を検出する。
【００４６】
また、手首関節部２３６Ｒ（Ｌ），２３７Ｒ（Ｌ）と把持部２７１Ｒ（Ｌ）との間には、公知の６軸力センサ２６２Ｒ（Ｌ）が設けられている。６軸力センサ２６２Ｒ（Ｌ）は、ロボットＲの把持部２３８Ｒ（Ｌ）に作用する反力の３方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、モーメントの３方向成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚと、を検出する。
【００４７】
また、上体部Ｒ２には、傾斜センサ２６３が設けられている。傾斜センサ２６３は、上体部Ｒ２の重力軸（Ｚ軸）に対する傾きと、その角速度と、を検出する。
また、各関節部の電動モータは、その出力を減速・増力する減速機構（例えば、図４の波動歯車装置９３，９４など）を介して前記した大腿リンク２５１Ｒ（Ｌ）、下腿リンク２５２Ｒ（Ｌ）などを相対変位させる。これら各関節部の角度は、関節角度検出手段（例えば、ロータリエンコーダ）によって検出される。
【００４８】
制御装置搭載部Ｒ５は、制御部２００、バッテリ（図示せず）などを収納している。各センサ６１〜６３などの検出データは、制御装置等細部Ｒ５内の制御部に送られる。また、各電動モータは、各制御部からの駆動指示信号により駆動される。
【００４９】
続いて、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。参照する図面において、図４は、本発明の実施形態に係るロボット関節機構の全体構成を示す斜視図である。図５（ａ）は、図４の部分断面図であり、図５（ｂ）は、環状ばねの斜視図である。図６（ａ）は、環状ばねの平面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＸ１−Ｘ１断面図であり、図６（ｃ）は、図６（ａ）のＸ２−Ｘ２断面図である。図７は、環状ばねの変形例を説明するための模式図であり、（ａ）は１軸対称の環状ばねを説明するための図、（ｂ）はねじれを説明するための図である。図８は、環状ばねの変形例を説明するための模式図であり、（ａ）は２軸対称の環状ばねを説明するための模式図、（ｂ）はねじれを説明するための図である。図９は、環状ばねの変形例を説明するための図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）は破断斜視図である。図１０は、図４の要部の分解斜視図である。図１１は、本発明の実施形態に係るロボット関節機構の連結関係を説明するための分解斜視図である。
なお、本実施形態においては、本発明に係るロボット関節機構を、ロボットＲの手首の関節機構（図３の手首関節部２３６Ｒ（Ｌ），２３７Ｒ（Ｌ）に対応）および手首の回旋関節機構（図３の腕関節部２３５Ｒ（Ｌ）に対応）に適用した場合を例として説明するが、これに限定されるものではなく、本発明に係るロボット関節機構は、ロボットＲの足首の関節機構、腕部の回旋関節機構、脚部の回旋関節機構、工業用ロボットのリンクの結合部等にも適用可能である。以下、ロボットＲの手首の関節機構、前腕の回旋関節機構の順に説明する。
なお、本発明のロボット関節機構は、前記した首関節部２４１，２４２に適用し、上体部Ｒ２側の振動、衝撃の頭部Ｒ４側への伝達を阻止することにより、頭部Ｒ４に設けられたカメラの画像の劣化を抑えることもできる。
【００５０】
（手首の関節機構）
本発明の実施形態に係るロボットＲの手首の関節機構は、図４に示すように、ロボットリンクである前腕のリンク２と、前腕のリンク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１０に示すように、前腕のリンク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１１を併せて参照）。
【００５１】
前腕のリンク２は、前腕のリンク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。
【００５２】
駆動機構９は、駆動源の一部となる第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に伝動ベルトＶ（図５（ａ）参照）を介して連結された波動歯車装置９３，９４と、波動歯車装置９３，９４の出力軸に環状ばね１５０（図５（ａ），（ｂ）参照）を介して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。
【００５３】
ここで、図５および図６を参照して、駆動機構９について詳細に説明する。駆動機構９において、第１モータ９１側と第２モータ９２側とは同様の構造を有しているので、第１モータ９１側についてのみ説明する。
【００５４】
図５に示すように、第１モータ９１の出力軸９１ａには、プーリＰ１が取り付けられている。プーリＰ１とプーリＰ２とにはベルトＶが掛け渡されている。
プーリＰ２は、波動歯車装置９３の入力端であるウェーブジェネレータ９３ｂに連結されている。
波動歯車装置９３の出力端であるフレクスプライン９３ｃは、環状ばね１５０Ａの中心部１５１Ａに固定されている。
環状ばね１５０Ａの周辺部１５２Ａは、出力アーム９５に固定されている。
なお、図５において、波動歯車装置９３のサーキュラー９３ａは、ベースリンク２１に固定されており、ハウジングＳは、ウェーブジェネレータ９３ｂの軸を支持している。
【００５５】
また、駆動機構９は、エンコーダＥＮＣ１，ＥＮＣ２を備えている。エンコーダＥＮＣ１は、モータ９１の変位を検出するためのものであり、エンコーダＥＮＣ２は、出力アーム９５の変位を検出するためのものである。
エンコーダＥＮＣ１，ＥＮＣ２の検出結果は、制御装置搭載部Ｒ５の制御部に出力される。制御部は、エンコーダＥＮＣ１，ＥＮＣの検出結果に基づいて環状ばね１５０のねじれ量を算出し、算出したねじれ量に基づいて関節の駆動制御を行ない、環状ばね１５０の共振を抑制する。
【００５６】
図６に示すように、環状ばね１５０Ａは、ねじれ方向に弾性を有する軸線視円形の部材であり、その中心に設けられた中心部１５１Ａと、その周方向に設けられた周辺部１５２Ａと、中心部１５１Ａおよび周辺部１５２Ａに連結され、弾性変形を行なう可撓部１５３Ａと、を備えている。
中心部１５１Ａは、波動歯車装置９３の出力端であるフレクスプライン９３ｃに固定されており、周辺部１５２Ａは、出力アーム９５に固定されている。
可撓部１５３Ａは、中心部１５１Ａおよび周辺部１５２Ａと同一材料（ＳＮＣＭ（ニッケルクロムモリブデン鋼）、ＳＣＭ（クロムモリブデン鋼）など）により一体に形成されており、中心部１５１Ａまたは周辺部１５２Ａから入力されたトルクに応じて、ねじれ方向に弾性変形を行なう。
【００５７】
環状ばね１５０Ａを備えたロボット関節機構は、トーションバーを備えている場合に比べて、回動軸方向のスペースが少なくてすむ。また、ねじりコイルばねを備えている場合に比べて、与圧を与える必要がないため、最大負荷トルクと同一の強度を有する一つのばね（環状ばね）があればよく、二つのばねを用意する必要がない。また、環状ばね１５０Ａは、接触要素がないため、ヒステリシスを生じない。
【００５８】
ここで、図７〜図９を参照して、環状ばねの変形例について説明する。
図７（ａ）に示すように、変形例に係る環状ばね１５０Ｂは、ねじれ方向に弾性を有する軸線視円形の部材であり、その中心に設けられた中心部１５１Ｂと、その周方向に設けられた周辺部１５２Ｂと、中心部１５１Ｂおよび周辺部１５２Ｂに連結され、弾性変形を行なう可撓部１５３Ｂと、を備えている。中心部１５１Ｂ、周辺部１５２Ｂおよび可撓部１５３Ｂは、中心部１５１Ａ、周辺部１５２Ａおよび可撓部１５３Ａと略同等の機能を有する。
【００５９】
可撓部１５３Ｂは、連結部１５３Ｂ１の一箇所で周辺部１５２Ｂと連結されている。
環状ばね１５０Ｂは、その回動軸に直交する断面上の少なくとも１軸に対して線対称であり、本変形例では、環状ばね１５０Ｂの回動軸および連結部１５３Ｂ１を通る軸Ａｘ１に対して線対称である。
図７（ｂ）に示すように、環状ばね１５０Ｂは、中心部１５１Ｂおよび周辺部１５２Ｂのいずれか一方にトルクが入力されると、可撓部１５３Ｂがねじれ方向に弾性変形を行なう。
【００６０】
環状ばね１５０Ｂを備えたロボット関節機構は、可撓部１５３Ｂが環状ばね１５０Ｂの回動軸に直交する断面上の少なくとも１軸に対して線対称であるので、環状ばねを簡易な構成とすることができる。また、正逆ねじれ方向のバネ定数を同一、換言すると、正転、逆転について弾性特性を対称とすることができる。
【００６１】
図８（ａ）に示すように、変形例に係る環状ばね１５０Ｃは、ねじれ方向に弾性を有する軸線視円形の部材であり、その中心に設けられた中心部１５１Ｃと、その周方向に設けられた周辺部１５２Ｃと、中心部１５１Ｃおよび周辺部１５２Ｃに連結され、弾性変形を行なう可撓部１５３Ｃと、を備えている。中心部１５１Ｃ、周辺部１５２Ｃおよび可撓部１５３Ｃは、中心部１５１Ａ、周辺部１５２Ａおよび可撓部１５３Ａと略同等の機能を有する。
【００６２】
可撓部１５３Ｃは、連結部１５３Ｃ１，１５３Ｃ２，１５３Ｃ３，１５３Ｃ４の四箇所で周辺部１５２Ｃと連結されている。
環状ばね１５０Ｃは、その回動軸に直交する断面における２軸に対して線対称であり、本変形例では、環状ばね１５０Ｃの回動軸、連結部１５３Ｃ１および連結部１５３Ｃ３を通る軸Ａｘ２と、環状ばね１５０Ｃの回動軸、連結部１５３Ｃ２および連結部１５３Ｃ４を通る軸Ａｘ３と、に対して線対称である。
図８（ｂ）に示すように、環状ばね１５０Ｃは、中心部１５１Ｃおよび周辺部１５２Ｃのいずれか一方にトルクが入力されると、可撓部１５３Ｃがねじれ方向に弾性変形を行なう。
【００６３】
環状ばね１５０Ｃを備えたロボット関節機構は、直交する２軸に対してそれぞれ線対称であるので、中心部１５１Ｃと周辺部１５２Ｃとのそれぞれの回動軸のずれによるトルクを生じにくい構造となり、トルクの誤検出を抑えることができる。
【００６４】
なお、環状ばねの可撓部は、環状ばねの回動軸に対してｎ回回転対称（ただし、ｎは２以上の自然数）とすることができる。
【００６５】
図９（ａ）に示すように、変形例に係る環状ばね１５０Ｄは、ねじれ方向に弾性を有する軸線視円形の部材であり、その中心に設けられた中心部１５１Ｄと、その周方向に設けられた周辺部１５２Ｄと、中心部１５１Ｄおよび周辺部１５２Ｄに連結され、弾性変形を行なう可撓部１５３Ｄと、を備えている。中心部１５１Ｄ、周辺部１５２Ｄおよび可撓部１５３Ｄは、中心部１５１Ａ、周辺部１５２Ａおよび可撓部１５３Ａと略同等の機能を有する。
【００６６】
中心部１５１Ｄは、所定位置から外側に向けて立設された支持板部１５１Ｄ１を備え、周辺部１５２Ｄは、所定位置から内側に向けて立設された支持板部１５２Ｄ１を備えている。
可撓部１５３Ｄは、前記した可撓部１５３Ａ，１５３Ｂ，１５３Ｃと異なり、ゴムから形成されている。可撓部１５３Ｄの内周面および外周面は、それぞれ中心部１５１Ｄおよび周辺部１５２Ｄに接着などにより固定されている。
支持板部１５１Ｄ１，１５２Ｄ１は、可撓部１５３Ｄを支持し、環状ばね１５０Ｄの芯ぶれを防止するためのものであり、支持板部の数を調整することにより、環状ばね１５０Ｄのばね定数および強度を調整することができる。
なお、可撓部１５３Ｄとして、空気などの弾性流体を用いてもよく、この場合には、支持板部１５１Ｄ１，１５２Ｄ１により弾性流体が密封される。
また、支持板部１５１Ｄ１，１５２Ｄ１に代えて、中心部１５１Ｄ、周辺部１５２Ｄおよびゴムから形成された可撓部１５３Ｄの互いに当接する表面に、それぞれ嵌合可能な凹凸を設ける構成であってもよい。
【００６７】
なお、環状ばね１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃは、可撓部１５３Ａ，１５３Ｂ，１５３Ｃに形成された空隙にゴム、エアなどの粘弾性素材を封入することにより、ダンピング特性を向上させることができる。
また、環状ばね１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃは、可撓部１５３Ａ，１５３Ｂ，１５３Ｃに形成された空隙に流体を通過させることにより熱交換を行なうことができる。
また、可撓部１５３Ａ，１５３Ｂ，１５３Ｃ，１５３Ｄに変位センサ（ひずみゲージなど）を装着することにより、環状ばね１５０に作用するトルクを測定することができる。
【００６８】
手首の関節部３は、図１０に示すように、前腕のリンク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。
【００６９】
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。
【００７０】
メインリンク５は、図１０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１１参照）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１１参照）。
【００７１】
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１３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１５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。
【００７２】
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１２参照）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１２参照）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１２参照）。
【００７３】
手８は、図１１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。
【００７４】
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１２を参照しながら説明する。図１２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１２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。
【００７５】
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１１参照）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１１参照）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。
【００７６】
ここで、メインリンク５には、図１１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１０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。
【００７７】
このため、例えば、図１３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１３（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１３（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１５（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１５（ａ）参照）することができる。
【００７８】
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。
【００７９】
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１３から図１５を参照しながら説明する。図１３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１４は図１３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。
【００８０】
まず、縦振り動作について、図１３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１３（ｂ）に示す手８が前腕のリンク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１０参照）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１３（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１０参照）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１２参照）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。
【００８１】
図１３（ｂ）に示す手８が前腕のリンク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１３（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１４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１４（ａ））、掌の側に回動させた場合にはθは３２度であるから（図１４（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。
【００８２】
同様に、図１３（ｂ）に示す手８が前腕のリンク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１３（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１２参照）。
【００８３】
次に、横振り動作について、図１５を参照しながら説明する。
図１５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１５（ｂ）に示す手８が前腕のリンク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１０参照）の横軸４ｂに対して、手８の中心軸線Ｌ４が直交している。
図１５（ｂ）に示す手８が前腕のリンク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１５（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１５（ｂ）に示す手８が前腕のリンク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１５（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１５（ｃ）に示す回動角θは、図１５（ａ）に示す回動角θと同じ角度である。
【００８４】
続いて、縦振り動作と横振り動作の組合せについて図１３および図１５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１３参照）、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１５参照）。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。
【００８５】
（手首回旋の関節機構）
続いて、本発明の実施形態に係るロボットＲの手首回旋の関節機構について、図４、図１６ないし図１８を参照して説明する。参照する図面において、図１６は、本発明の実施形態に係るロボットの手首回旋の関節機構を示す斜視図である。図１７は、図１６の要部の分解斜視図である。図１８は、第１リンクの変形を説明するための模式図である。
図４に示すように、本発明の実施形態に係るロボットＲの手首回旋の関節機構は、前腕のリンク２の中間に設けられた手首回旋の関節部１０Ａと、前腕のリンク２の回旋動作を行なう駆動機構１１Ａと、を備えている。
前腕のリンク２は、ベースリンク（第１部材）２１に加え、第２部材２２、第３部材２３、第４部材２４および第５部材２５を備えている。
【００８６】
図１７に示すように、ベースリンク２１は、円盤部２１ｂを備えている。円盤部２１ｂは、ベースリンク２１の肘側端部に設けられており、その肘側端面に穴２１ｂ１が形成されている。
穴２１ｂ１は、円盤部２１ｂの中心からずれた位置に形成された丸穴であり、後記する第２リンク１０２の突起１０２ｂを相対回動可能に保持する。
【００８７】
第２部材２２には、孔２２ａおよび孔２２ｂが形成されている。孔２２ａは、円盤部２１ｂを相対回動可能に保持する。孔２２ｂは、第１リンク１０１Ａの一端の突起１０１ｂを相対回動可能に保持する。
【００８８】
図１６に示すように、第３部材２３は、第５部材２５に連結されている。第３部材２３には、駆動機構１１Ａが設置されている。
【００８９】
第４部材２４は、第１リンク１０１Ａの変位を検出するためのエンコーダ（ロータリーエンコーダ）であり、第５部材２５により保持されている。図１７に示すように、第４部材２４の手首側端部には、突起２４ａが形成されている。突起２４ａは、第３リンク１０３の孔１０３ｂに挿入される。本実施形態において、第４部材、すなわち、エンコーダ２４は、第３リンク１０３の回転角を検出する。検出された回転角は、制御装置搭載部Ｒ５の制御部に出力される。
【００９０】
第５部材２５は、その一端に第２部材２２および第３部材２３が一体的に固定されている。また、第５部材２５は、駆動機構１１Ａ、第２部材２２および第４部材２４を互いに固定している。
【００９１】
図１６に示すように、手首回旋の関節部１０Ａは、第１リンク１０１Ａと、第２リンク１０２と、第３リンク１０３と、を備えている。
【００９２】
第１リンク１０１Ａは、一端が駆動機構１１Ａの歯動歯車装置１１２の出力端１１２ａに連結され、他端が第２リンク１０２に連結されている。図１７に示すように、第１リンク１０１Ａは、一端の肘側端面に穴１０１ａが形成され、一端の手首側端面に突起１０１ｂが形成され、他端に孔１０１ｃが形成されている。穴１０１ａは、歯動歯車装置１１２の出力端１１２ａを固定するためのものである。突起１０１ｂは、円柱形状を呈しており、孔２２ｂに相対回動可能に挿入される。孔１０１ｃは、図示しないピンを挿通させる。
【００９３】
第１リンク１０１Ａは、図１の弾性部材Ａ２１に相当し、その軸と交差する方向に弾性変形可能なバネである。また、図１８に示すように、第１リンク１０１Ａは、穴１０１ａが形成された部分から孔１０１ｃとは逆側に延びる第１の軸部１０１ｄと、第１の軸部１０１ｄに連結され、穴１０１ａが形成された部分を囲む環状部（可撓部）１０１ｅと、環状部１０１ｅおよび孔１０１ｃが形成された部分を連結する第２の軸部１０１ｆと、を備えている。
また、穴１０１ａが形成された部分と環状部１０１ｅとの間には、第１リンク１０１の回転軸方向に貫通する穴部１０１ｇが形成されている。
波動歯車装置１１２Ａからの出力が入力されはじめたときには、第１リンク１０１Ａは穴部１０１ｇが潰れるような変形を行なう（図１８（ａ）→図１８（ｂ））。第１リンク１０１Ａは、穴部１０１ｇが潰れていない状態では剛性が低く、穴部１０１ｇが潰れた状態では剛性が高くなる。その後、第１リンク１０１Ａは、全体的にたわむような変形を行なう。
第１リンク１０１Ａは、ＳＮＣＭ（ニッケルクロムモリブデン鋼）、ＳＣＭ（クロムモリブデン鋼）などから形成されたものを好適に使用することができる。
【００９４】
第１リンク１０１Ａの環状部１０１ｅは、穴１０１ａ，１０１ｃを結ぶ方向のばね定数は非常に大きく、この方向にほとんど伸縮しないように構成されている。これは、穴１０１ａ，１０１ｃの距離が変化すると、４節リンク機構のパラメータが変化し、増速比が変わってしまうためである。
【００９５】
図１６に示すように、第２リンク１０２は、一端が第１リンク１０１Ａに連結され、他端が円盤部２１ｂおよび第３リンク１０３に連結されている。
図１７に示すように、第２リンク１０２は、一端が二股に分岐しており、孔１０２ａ，１０２ａが形成されており、他端の手首側に突起１０２ｂ（図１９参照）が形成されており、他端の肘側に穴１０２ｃが形成されている。
孔１０２ａ，１０２ａは、図示しないピンを挿通させる。このピンが、孔１０２ａ，１０１ｃ，１０２ａに挿通され、第１リンク１０１Ａおよび第２リンク１０２を軸支する。
手首側の突起１０２ｂは、円柱形状を呈しており、穴２１ｂ１に相対回動可能に挿入される。
肘側の穴１０２ｃは第３リンク１０３の突起１０３ａを相対回動可能に保持する。
【００９６】
図１６に示すように、第３リンク１０３は、一端が第２リンク１０２に連結され、他端が第４部材２４に連結されている。
図１７に示すように、第３リンクは、一端に突起１０３ａが形成され、他端に孔１０３ｂに形成されている。
突起１０３ａは、穴１０２ｂに相対回動可能に挿入される。
孔１０３ｂは、円盤部２１ｂと同軸であり、突起２４ａを相対回動可能に保持する。
【００９７】
駆動機構１１Ａは、モータ１１１Ａと、波動歯車装置１１２Ａと、を備えている。モータ１１１Ａは、図１のモータＡ１１に相当し、手首回旋の関節を回旋させるための駆動力を出力する。
波動歯車装置１１２Ａは、図１の減速機構Ａ１２に相当し、モータ１１１Ａの出力を減速させる。
歯動歯車装置１１２Ａの出力端１１２ａは、第１リンク１０１Ａの穴１０１ａに固定されている。
【００９８】
また、駆動機構１１Ａは、エンコーダＥＮＣ３を備えている。エンコーダＥＮＣ３は、モータ１１１Ａの変位を検出するためのものである。エンコーダＥＮＣ３の検出結果は、制御装置搭載部Ｒ５の制御部に出力される。制御部は、エンコーダＥＮＣ３およびエンコーダ２４の検出結果に基づいて第１リンク１０１Ａの変形量を算出し、算出した変形量に基づいて関節の駆動制御を行ない、第１リンク１０１Ａの共振を抑制する。
【００９９】
続いて、手首回旋の関節機構の動作について、図１９を参照して説明する。
図１９は、本発明の実施形態に係る手首回旋の関節機構の動作を説明するための図であり、（ａ）は回旋前の状態を示す模式図、（ｂ）は回旋後の状態を示す模式図である。図１９は、図１７のＸ３矢視の図である。
モータ１１１Ａの本体部分と、第４部材２４とは第５部材２５に固定されている。したがって、手首回旋の関節部１０Ａは、図１９（ａ）に示すように、節Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を備えた４節リンク機構とみなすことができる。かかる手首回旋の関節部１０Ａ（４節リンク機構）の節Ｌ１（第１リンク１０１Ａ）を除く部分が、図１の増速機構Ａ３に相当する。
節Ｌ１は、第１リンク１０１Ａに対応しており、第１リンク１０１Ａの孔１０１ａ（波動歯車装置１１２Ａの出力端１１２ａ）と第１リンク１０１Ａの孔１０１ｃ（第２リンクの孔１０２ａ）とを結ぶ線分である。
節Ｌ２は、第２リンク１０２に対応しており、第２リンクの孔１０２ａと第２リンクの突起１０２ｂ（第３リンクの孔１０３ａ、円盤部２１ｂの孔２１ｂ１）とを結ぶ線分である。
節Ｌ３は、第３リンク１０３に対応しており、第３リンク１０３の孔１０３ａ（第２リンク１０２の突起１０２ｂ、円盤部２１ｂの孔２１ｂ１）と第３リンク１０３の孔１０３ｂ（第４部材２４の突起２４ａ、円盤部２１ｂの中心）とを結ぶ線分である。
節Ｌ４は、第３リンク１０３の孔１０３ｂ（第４部材２４の突起２４ａ、円盤部２１ｂの中心）と第１リンク１０１Ａの孔１０１ａ（波動歯車装置１１２Ａの出力端１１２ａ）とを結ぶ線分である。
節Ｌ４を固定した状態で、波動歯車装置１１２Ａを介して伝達されたモータ１１１Ａの出力により節Ｌ１を回転させると、節Ｌ３が節Ｌ４に対して回転し、円盤部２１ｂ、すなわちベースリンク２１（図１の負荷部材Ａ４に相当）が軸まわりに回旋する。ここで、節Ｌ３が節Ｌ１よりも短いので、第１リンク１０１Ａが弾性変形するとともに、波動歯車装置１１２Ａの出力端１１２ａの出力角α１が角α２に増速される（図１９（ｂ）参照）。
【０１００】
かかるロボット関節機構は、４節リンク機構の一リンク（第１リンク１０１Ａ）が弾性変形するので、増速機構と弾性部材を一体化することができ、省スペース化および軽量化を実現することができる。
【０１０１】
また、かかるロボット関節機構は、環状部（可撓部）１０１ｅにおいて、圧縮と引張りが対称的に生じるので、第１リンク（ばね部材）１０１Ａにおいて正逆回転方向に同一のばね定数を実現することができる。
【０１０２】
（手首回旋の関節機構の別の実施形態）
続いて、手首回旋の関節機構の別の実施形態について、前記実施形態との相違点を中心に説明する。図２０は、本発明の別の実施形態に係るロボットの手首回旋の関節機構を示す斜視図である。図２１は、図２０の要部の分解斜視図である。図２２は、図２０の駆動機構の断面図である。
図２０に示すように、本発明の別の実施形態に係るロボットＲの手首回旋の関節機構は、前腕のリンク２の中間に設けられた手首回旋の関節部１０Ｂと、前腕のリンク２の回旋動作を行なう駆動機構１１Ｂと、を備えている。
図２１に示すように、手首回旋の関節部１０Ｂは、第１リンク１０１Ａに代えて、第１リンク１０１Ｂを備えている。
第１リンク１０１Ｂは、一端が駆動機構１１Ｂのトーションバー１６０に連結され、他端が第２リンク１０２に連結されている。図２１に示すように、第１リンク１０１Ｂは、一端の肘側端面に穴１０１ｈが形成され、一端の手首側端面に突起１０１ｉが形成され、他端に孔１０１ｊが形成されている。穴１０１ｈは、トーションバー１６０を固定するためのものである。突起１０１ｉは、円柱形状を呈しており、孔２２ｂに相対回動可能に挿入される。孔１０１ｊは、図示しないピンを挿通させる。
【０１０３】
図２２に示すように、駆動機構１１Ｂは、モータ１１１Ｂと、波動歯車装置１１２Ｂと、トーションバー１６０と、を備えている。
モータ１１１Ｂは、図１のモータＡ１１に相当し、手首回旋の関節を回旋させるための駆動力を出力する。
波動歯車装置１１２Ｂは、図１の減速機構Ａ１２に相当し、モータ１１１Ａの出力を減速させる。
トーションバー１６０は、図１の弾性部材Ａ２１に相当し、一端が波動歯車装置１１２Ｂの出力端に固定され、他端が第１リンク１０１Ｂに固定されている。
トーションバー１６０は、ＳＮＣＭ（ニッケルクロムモリブデン鋼）、ＳＣＭ（クロムモリブデン鋼）などから形成されたものを好適に使用することができる。
【０１０４】
また、駆動機構１１Ｂは、エンコーダＥＮＣ４，ＥＮＣ５を備えている。
エンコーダＥＮＣ４は、モータ１１１Ｂの変位を検出するためのものであり、エンコーダＥＮＣ５は、第１リンク１０１Ｂの変位を検出するためのものである。
エンコーダＥＮＣ４，ＥＮＣ５の検出結果は、制御装置搭載部Ｒ５の制御部に出力される。制御部は、エンコーダＥＮＣ４，ＥＮＣ５の検出結果に基づいてトーションバー１６０のねじれ量を算出し、算出したねじれ量に基づいて関節の駆動制御を行ない、トーションバー１６０の共振を抑制する。
【０１０５】
駆動機構１１Ｂは、手首側から、エンコーダＥＮＣ５、エンコーダＥＮＣ４、モータ１１１Ｂ、波動歯車装置１１２Ｂの順に配置されている。また、これらは中空構造を呈しており、その中空部分（貫通孔Ｈ）にトーションバー１６０が配置されている。かかる配置構造により、トーションバー１６０の長さを確保しつつ、スペース効率よく配置することができる。
【０１０６】
続いて、手首回旋の関節機構の動作について、図２３を参照して説明する。
図２３は、本発明の実施形態に係る手首回旋の関節機構の動作を説明するための図であり、（ａ）は回旋前の状態を示す模式図、（ｂ）は回旋後の状態を示す模式図である。図２３は、図２１のＸ４矢視の図である。
モータ１１１Ｂの本体部分と、第４部材２４とは第５部材２５に固定されている。したがって、手首回旋の関節部１０Ｂは、図２３（ａ）に示すように、節Ｌ５，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を備えた４節リンク機構とみなすことができる。かかる手首回旋の関節部１０Ｂ（４節リンク機構）が、図１の増速機構Ａ３に相当する。
節Ｌ５は、第１リンク１０１Ｂに対応しており、第１リンク１０１Ｂの孔１０１ｈ（トーションバー１６０）と第１リンク１０１Ｂの孔１０１ｊ（第２リンクの孔１０２ａ）とを結ぶ線分である。
節Ｌ２は、第２リンク１０２に対応しており、第２リンクの孔１０２ａと第２リンクの突起１０２ｂ（第３リンクの孔１０３ａ、円盤部２１ｂの孔２１ｂ１）とを結ぶ線分である。
節Ｌ３は、第３リンク１０３に対応しており、第３リンク１０３の孔１０３ａ（第２リンク１０２の突起１０２ｂ、円盤部２１ｂの孔２１ｂ１）と第３リンク１０３の孔１０３ｂ（第４部材２４の突起２４ａ、円盤部２１ｂの中心）とを結ぶ線分である。
節Ｌ４は、第３リンク１０３の孔１０３ｂ（第４部材２４の突起２４ａ、円盤部２１ｂの中心）と第１リンク１０１Ｂの孔１０１ｈ（トーションバー１６０）とを結ぶ線分である。
節Ｌ４を固定した状態で、波動歯車装置１１２Ｂを介して伝達されたモータ１１１Ｂの出力により節Ｌ５を回転させると、節Ｌ３が節Ｌ４に対して回転し、円盤部２１ｂ、すなわちベースリンク２１（図１の負荷部材Ａ４に相当）が軸まわりに回旋する。ここで、節Ｌ３が節Ｌ５よりも短いので、波動歯車装置１１２Ａの出力端１１２ａの出力角α３が角α４に増速される（図２３（ｂ）参照）。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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４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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
また、増速機構としては、５節リンク機構、遊星歯車機構を利用したものを適用することができる。図２４は、本発明の増速機構の変形例を示す模式図であり、５節リンク機構を示す図である。
図２４に示すように、増速機構は、リンク１８１，１８２，１８３，１８４，１８５からなる５節リンク機構である。
リンク１８１は、その一端１８１ａがロボットＲの固定部１８２に回動可能に連結され、その他端１８１ｂがリンク１８２の一端１８２ａに回動可能に連結されている。リンク１８２は、その一端１８２ａがリンク１８１の他端１８１ｂに回動可能に連結され、その他端１８２ｂがリンク１８３の一端１８３ａに回動可能に連結されている。リンク１８３は、その一端１８３ａがリンク１８２の他端１８２ｂに回動可能に連結され、その他端１８３ｂがリンク１８４の一端１８４ａに回動可能に連結されている。リンク１８４は、その一端がリンク１８３ａの他端１８３ｂに回動可能に連結され、その他端１８４ｂがリンク１８５の一端１８５ａに回動可能に連結されている。リンク１８５は、その一端１８５ａがリンク１８４の他端１８４ｂに回動可能に連結され、その他端１８５ｂがリンク１８１の中間部１８１ｃに回動可能に連結されている。
そして、弾性部材がリンク１８３に固定されており、負荷部材がリンク１８４に固定されている。すなわち、図２２に示す増速機構は、リンク１８３とリンク１８４との連結軸が入力軸および出力軸である、すなわち、同軸増速機構であるといえる。
【０１１２】
図２５は、本発明の増速手段の変形例を示す模式図であり、遊星歯車機構を示す図である。
遊星歯車機構３００は、筐体３０１と、入力側部材３０２と、トーションバー３０３と、遊星歯車３０４と、太陽歯車３０５と、内歯車３０６と、を備えている。
筐体３０１は、入力側部材３０２を回動可能に保持し、トーションバー３０３、遊星歯車３０４、内歯車３０５および太陽歯車３０６を収容している。
入力側部材３０２は、一端が駆動源（図示せず）に連結され、他端がトーションバー３０３に連結されている。
トーションバー３０３は、一端が入力側部材３０２に連結され、他端が遊星歯車３０４に連結されている。
遊星歯車３０４は、内歯車３０５および太陽歯車３０６と歯合している。
内歯車３０５は、筐体３０１に固定され、遊星歯車３０４と歯合している。
太陽歯車３０６は、負荷部材３０７と一体的に形成されており、遊星歯車３０４と歯合している。
【０１１３】
駆動源から入力側部材３０２に入力されたトルクは、トーションバー３０３、遊星歯車３０４および太陽歯車３０６を介して負荷部材３０７に増速して伝達される。
また、トーションバー３０３は、トルクを弾性変形しつつ伝達する。
【０１１４】
また、弾性部材の変形を検出するのは、前記したエンコーダによるものに限定されず、弾性部材に設けられた歪ゲージなどにより検出する構成であっても良い。
【０１１５】
また、本発明のロボット関節機構は、ロボットＲの各関節部に適用可能である。
本発明のロボット関節機構を腕関節部２３５Ｒ（Ｌ）および手首関節部２３６Ｒ（Ｌ），２３７Ｒ（Ｌ）に適用すると、把持部（ハンド）２７１Ｒ，２７１Ｌに加わる衝撃がロボットＲの体幹側に伝達するのを緩和することができる。
また、本発明のロボット関節機構を肩関節部２３３Ｒ（Ｌ）に適用すると、当該関節より末端に加わる衝撃（例えば、ロボットＲの肘と周囲の物体の衝突による衝撃）がロボットＲの体幹側に伝達するのを緩和したり、ロボットＲの上体部Ｒ２の振動・衝撃（例えば、ロボットＲの歩行または走行による振動・衝撃）が把持部（ハンド）２７１Ｒ，２７１Ｌに伝達するのを緩和したりすることができる。
また、本発明のロボット関節機構を首関節部２４１に適用すると、ロボットＲの歩行または走行による首の振れの衝撃が頭部Ｒ４に伝達するのを緩和し、頭部Ｒ４に搭載されたカメラによる認識システムの精度を向上することができる。
また、本発明のロボット関節機構を足首関節部２１５Ｒ（Ｌ），２１６Ｒ（Ｌ）に適用すると、足部２１７Ｒ（Ｌ）に加わる衝撃がロボットＲの体幹側に伝達するのを緩和することができる。
なお、本発明のロボット関節機構は、これら以外の関節部にも適用可能である。
【０１１６】
また、本発明のロボット関節機構は、駆動源の出力による増速前の変位量を検出する検出手段と、検出手段の検出結果に基づいて駆動源を制御する制御装置と、を備えていてもよい。
増速前の変位量の検出位置としては、弾性部材と増速機構との間とすることができる。
この場合には、弾性部材と増速機構との間のガタおよび摩擦が検出手段の検出結果に与える影響を抑えることができる。
また、本発明のロボット関節機構は、駆動源の出力による増速後の変位量を検出する検出手段と、検出手段の検出結果に基づいて駆動源を制御する制御装置と、を備えていてもよい。
増速後の変位量の検出位置としては、負荷部材の変位量を検出可能な位置であればよい。
この場合には、増速された出力による変位量を検出するので、検出精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】本発明に係るロボット関節機構を示すブロック図である。
【図２】本発明に係るロボット関節機構が適用されたロボットの外観を示す模式図である。
【図３】図２のロボットの駆動構造を模式的に示す斜視図である。
【図４】本発明の実施形態に係るロボットの関節構造の全体構成を示す斜視図である。
【図５】（ａ）は、図４の部分断面図であり、図５（ｂ）は、環状ばねの斜視図である。図６（ａ）は、環状ばねの平面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＸ１−Ｘ１断面図であり、図６（ｃ）は、図６（ａ）のＸ２−Ｘ２断面図である。弾性部材のねじれを説明するための模式図である。
【図６】（ａ）は、環状ばねの平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＸ１−Ｘ１断面図であり、（ｃ）は、（ａ）のＸ２−Ｘ２断面図である。
【図７】環状ばねの変形例を説明するための模式図であり、（ａ）は１軸対称の環状ばねを説明するための図、（ｂ）はねじれを説明するための図である。
【図８】環状ばねの変形例を説明するための模式図であり、（ａ）は２軸対称の環状ばねを説明するための模式図、（ｂ）はねじれを説明するための図である。
【図９】環状ばねの変形例を説明するための図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）は破断斜視図である。
【図１０】図４の要部の分解斜視図である。
【図１１】本発明の実施形態に係るロボット関節機構の連結関係を説明するための分解斜視図である。
【図１２】本発明の実施形態に係るロボット関節機構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１３】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１４】図１３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１５】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。
【図１６】本発明の実施形態に係るロボットの手首回旋の関節機構を示す斜視図である。
【図１７】図１６の要部の分解斜視図である。
【図１８】第１リンクの変形を説明するための模式図である。
【図１９】本発明の実施形態に係る手首回旋の関節機構の動作を説明するための図であり、（ａ）は回旋前の状態を示す模式図、（ｂ）は回旋後の状態を示す模式図である。
【図２０】本発明の別の実施形態に係るロボットの手首回旋の関節機構を示す斜視図である。
【図２１】図２０の要部の分解斜視図である。
【図２２】図２０の駆動機構の断面図である。
【図２３】本発明の実施形態に係る手首回旋の関節機構の動作を説明するための図であり、（ａ）は回旋前の状態を示す模式図、（ｂ）は回旋後の状態を示す模式図である。
【図２４】本発明の増速機構の変形例を示す模式図である。
【図２５】本発明の増速手段の変形例を示す模式図であり、遊星歯車機構を示す図である。
【符号の説明】
【０１１８】
Ａ ロボット関節機構
Ａ１ 駆動源
Ａ１１ モータ
Ａ１２ 減速機構
Ａ２ 増速手段
Ａ３ 負荷部材
３ 手首の関節部（増速機構）
８ 手のリンク（負荷部材）
１０Ａ，１０Ｂ 手首回旋の関節部（増速機構）
２１ ベースリンク（負荷部材）
９１ 第１モータ（モータ）
９２ 第２モータ（モータ）
９３ 波動歯車装置（減速機構）
９４ 波動歯車装置（減速機構）
９５ 出力アーム（増速機構）
９６ 出力アーム（増速機構）
１０１Ａ 第１リンク（バネ、弾性部材）
１１１Ａ，１１１Ｂ モータ
１１２Ａ，１１２Ｂ 波動歯車装置（減速機構）
１５０ 環状ばね（弾性部材）
１５４，１５５ 溝
１６０ トーションバー（弾性部材）
【出願人】 【識別番号】０００００５３２６
【氏名又は名称】本田技研工業株式会社
【出願日】 平成１８年８月３０日（２００６．８．３０）
【代理人】 【識別番号】１０００６４４１４
【弁理士】
【氏名又は名称】磯野 道造

【識別番号】１００１１１５４５
【弁理士】
【氏名又は名称】多田 悦夫
【公開番号】 特開２００８−５５５４１（Ｐ２００８−５５５４１Ａ）
【公開日】 平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【出願番号】 特願２００６−２３４５７６（Ｐ２００６−２３４５７６）