特許 6099356 肩関節機構及びこれを備えたロボット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6099356

(24)【登録日】2017年3月3日

(45)【発行日】2017年3月22日

(54)【発明の名称】肩関節機構及びこれを備えたロボット

(51)【国際特許分類】

   B25J 17/00 20060101AFI20170313BHJP

【ＦＩ】

   B25J17/00 Z

【請求項の数】2

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2012-235821(P2012-235821)

(22)【出願日】2012年10月25日

(65)【公開番号】特開2014-83653(P2014-83653A)

(43)【公開日】2014年5月12日

【審査請求日】2015年8月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】504150450

【氏名又は名称】国立大学法人神戸大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000236964

【氏名又は名称】富士インパルス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000729

【氏名又は名称】特許業務法人 ユニアス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】羅 志偉

(72)【発明者】

【氏名】長野 明紀

(72)【発明者】

【氏名】橋本 靜生

(72)【発明者】

【氏名】上野 純一

【審査官】 臼井 卓巳

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−１２５８８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−０７５８９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２２５８８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２９７８０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２６５４９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１２１４６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２１０３９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６２−０９２１７９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００４−２８３９４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２３８４１１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２５Ｊ ９／０２−１７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロボット本体と上腕部材とを連結するための肩関節機構であって、
前記ロボット本体に対して回転可能に連結される第１肩部材と、
前記第１肩部材に対して揺動可能に連結されるとともに、前記上腕部材が回転可能に連結される第２肩部材とを備え、
前記第２肩部材は、前記上腕部材の長手方向に対して交差方向に延びる回転軸線を中心に前記上腕部材を回転可能に保持すると共に、さらに、
第１モータ、第２モータ及び第３モータからなる３つのモータと、
前記第１モータ及び前記第２モータの回転方向の組み合わせに応じて、前記第１肩部材に対して前記第２肩部材を揺動させる状態と、前記第２肩部材に対して前記上腕部材を回転させる状態とを切替可能な第１動力伝達機構と、
前記第３モータの回転に伴い、前記ロボット本体に対して前記第１肩部材を回転させるための第２動力伝達機構とを備え、
前記３つのモータが、前記ロボット本体内に配置され、かつ、前記第１肩部材と前記ロボット本体の間に設けられた連結部を介して、前記３つのモータの動力が伝達されるように構成されていることを特徴とする肩関節機構。

【請求項2】

請求項１に記載の肩関節機構と、
当該肩関節機構により連結されたロボット本体及び上腕部材とを備えた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】

本発明は、ロボット本体と上腕部材とを連結するための肩関節機構及びこれを備えたロボットに関する。

【背景技術】

【0002】

例えば介護用ロボットなどの人間と接触するロボットとして、頭部、胴部、腕部といった人体と同様の部位を有する人型ロボットが知られている（例えば、特許文献１，２及び３を参照）。この種のロボットでは、より人間に近い動きとするために、腕部や肩部などに複数の関節機構が設けられ、それらの関節機構における揺動動作や回転動作の組み合わせによってロボットの動きが制御されるようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００５−２７９８５６号公報

【特許文献2】特開２００２−１５４０７６号公報

【特許文献3】特開２００９−５０９８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記特許文献１の図２に開示されているような構成では、指先の到達範囲が狭く、胸の前で手を合わせるような形態を取ることができない。また、モータ６１及び減速機６２により構成されるアクチュエータ６０や、ベベルギア６３などが、腕部４（上腕）から突出しており、外観上、人間の肩や腕に近いなだらかな形状とは言い難い。

【0005】

上記特許文献２では、図１〜３に人型ロボットの一実施形態の外観図が示されているが、アクチュエータの軸線方向の寸法短縮に限界があることから、肩の部分が前後方向に長くなり、見た目が悪いという問題がある（当該特許文献２を引用する上記特許文献１の段落［０００６］〜［０００７］を参照）。また、上記特許文献２の図４に腕の可動範囲が示されており、段落［０００６］には胸の前で両手を合わせることができる旨などが記載されているが、例えば顔を覆う動作のようなさらに広範囲での動作が可能であるかどうかについては疑義が残る。

【0006】

上記特許文献３では、回転動作と揺動動作を複数組み合わせて行うことができる腕部を備えたロボットが開示されているが、ロボットの肩部については、人間に近い動きを実現することが非常に困難であった。すなわち、人間の肩部は、揺動動作と回転動作に加えて、捩り動作を含む動作が可能であり、このような動作の組み合わせによって、胸部の前方に腕部を移動させるなどの複雑な動きが可能となっている。特に、人間を胸部の前に抱きかかえて持ち上げるといった介護動作が可能な介護用ロボットなどでは、上記のような肩部の複雑な動きが不可欠である。

【0007】

図１０は、従来の肩関節機構の構成の一例を概略的に示した模式図である。この図１０に示す例では、回転動作と揺動動作を行うことができる２つの関節機構（第１関節機構１００及び第２関節機構２００）を組み合わせることにより、胸部の前方に腕部を移動させることが可能な構成が示されている。第１関節機構１００は、ロボット本体１に連結され、当該ロボット本体１に対して、回転軸１０４を中心とする揺動動作と、回転軸１１７を中心とする回転動作とを実現することができる。第２関節機構２００は、第１関節機構１００に連結され、当該第１関節機構１００に対して、回転軸２０４を中心とする揺動動作と、回転軸２１７を中心とする回転動作とを実現することができる。

【0008】

しかし、このような構成では、人間に近い動きを実現することができず、複雑な動きを可能にするためには、多くの関節機構が必要になるため駆動機構が複雑になるという問題がある。

【0009】

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、より人間に近い動きを実現することができる肩関節機構及びこれを備えたロボットを提供することを目的とする。また、本発明は、駆動機構を簡略化することができる肩関節機構及びこれを備えたロボットを提供することを目的とする。

【0010】

さらに、本発明は、以下のような課題を解決するものである。
（１）ロボット本体内（胸側空間）に大型の駆動部品、モーター、減速機等を収容し、人間の標準体型に近付ける。さらに、肩を含む腕全体が動作時においても常に人間の形状に近似し、ボディースーツ（潜水用ウェア）などを着せた場合でも違和感のない機構とする。
（２）ロボット本体内（胸側空間）に上記部材を収容することにより腕側機構の軽量化を図り、重量物の取扱を可能にする。
（３）人間の肩関節の複雑な動きを模擬的に再現することにより、腕が胸の前側に届くことを可能にし、顔を覆う動作のような広範囲での動作を可能にする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明に係る肩関節機構は、ロボット本体と上腕部材とを連結するための肩関節機構であって、前記ロボット本体に対して回転可能に連結される第１肩部材と、前記第１肩部材に対して揺動可能に連結されるとともに、前記上腕部材が回転可能に連結される第２肩部材とを備え、前記第２肩部材は、前記上腕部材の長手方向に対して交差方向に延びる回転軸線を中心に前記上腕部材を回転可能に保持することを特徴とする。

【0012】

このような構成によれば、第１肩部材がロボット本体に対して回転可能に連結されるとともに、当該第１肩部材に対して第２肩部材が揺動可能に連結されている。さらに、第２肩部材に対して回転可能に連結された上腕部材が、当該上腕部材の長手方向に対して交差方向に延びる回転軸線を中心に回転可能に保持されることにより、いわゆるオフセット関節が上腕に形成されている。

【0013】

このように、ロボット本体に対する第１肩部材の回転動作と、第１肩部材に対する第２肩部材の揺動動作と、第２肩部材に対する上腕部材のオフセット関節による回転動作という３つの動作の組み合わせにより、揺動動作と回転動作が可能な関節機構を２つ組み合わせた構成や、特許文献１〜３の構成と比較して、より人間に近い動きを実現することができる。

【0014】

また、上記３つの動作は、揺動動作と回転動作が可能な関節機構を２つ組み合わせた構成や、特許文献１〜３の構成と比較して、より簡単な駆動機構で実現することが可能であり、駆動機構を簡略化することができる。

【0015】

前記肩関節機構は、第１モータ、第２モータ及び第３モータからなる３つのモータと、前記第１モータ及び前記第２モータの回転方向の組み合わせに応じて、前記第１肩部材に対して前記第２肩部材を揺動させる状態と、前記第２肩部材に対して前記上腕部材を回転させる状態とを切替可能な第１動力伝達機構と、前記第３モータの回転に伴い、前記ロボット本体に対して前記第１肩部材を回転させるための第２動力伝達機構とを備えていることが好ましい。

【0016】

このような構成によれば、３つのモータを用いて上記３つの動作を実現することができるので、特許文献１〜３のような他の構成と比較して、駆動機構を簡略化することができる。

【0017】

前記３つのモータが、前記ロボット本体内に配置されていることが好ましい。

【0018】

このような構成によれば、３つのモータがロボット本体内（胸側空間）に配置されるので、上腕側にモータを配置しない分だけ大きな荷重に耐え得るという効果がある。

【0019】

本発明に係るロボットは、前記肩関節機構と、当該肩関節機構により連結されたロボット本体及び上腕部材とを備えたことを特徴とする。

【0020】

このような構成によれば、本発明に係る肩関節機構と同様の上記効果を奏するロボットを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の一実施形態に係るロボットの外観構成を示した部分正面図である。

【図2】図１のロボットを斜め上方から見た部分斜視図である。

【図3A】肩関節機構の斜視図である。

【図3B】肩関節機構の平面図である。

【図3C】肩関節機構の正面図である。

【図3D】肩関節機構の側面図である。

【図3E】図３Ｂにおける肩関節機構のＡ−Ａ断面図である。

【図4】肩関節機構の内部構成を説明するための断面図である。

【図5】干渉駆動機構について説明するための概略図である。

【図6】干渉駆動機構の動作パターンについて説明するための図である。

【図7】肩関節機構の構成を概略的に示した模式図である。

【図8】成形後のロボットの外観構成を示した部分正面図である。

【図9】ロボットの動作態様の一例を示した斜視図である。

【図10】従来の肩関節機構の構成の一例を概略的に示した模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

図１は、本発明の一実施形態に係るロボットの外観構成を示した部分正面図である。図２は、図１のロボットを斜め上方から見た部分斜視図である。このロボットは、例えば介護用ロボットなどの人間と接触するロボットであり、胴部を構成するロボット本体１、肩部を構成する肩関節機構２、腕部を構成する上腕部材３といった人体と同様の部位を有する人型ロボットである。なお、図２では、ロボット本体１における肩関節機構２との連結部近傍を透視した状態を示している。

【0023】

肩関節機構２は、ロボット本体１と上腕部材３とを連結するための機構であり、回転軸４を介して互いに揺動可能に連結された第１肩部材１１及び第２肩部材１２を備えている。第１肩部材１１は、ロボット本体１に対して回転可能に連結される連結部１１１と、当該連結部１１１からそれぞれ突出し、互いに所定間隔を空けて平行に延びる２つの突出部１１２とが一体的に形成されることにより構成されている。第２肩部材１２は、上腕部材３に対して回転可能に連結される連結部１２１と、当該連結部１２１からそれぞれ突出し、互いに所定間隔を空けて平行に延びる２つの突出部１２２とが一体的に形成されることにより構成されている。

【0024】

第１肩部材１１の２つの突出部１１２と第２肩部材１２の２つの突出部１２２とは、回転軸４を介して互いに回転可能に連結されており、これにより、第１肩部材１１と第２肩部材１２とが回転軸４を中心に揺動可能となっている。第１肩部材１１の２つの突出部１１２が互いに所定間隔を空けて配置されるとともに、第２肩部材１２の２つの突出部１２２が互いに所定間隔を空けて配置されることにより、これらの突出部１１２間及び突出部１２２間には、各種部品を配置するための内部空間５が形成されている。

【0025】

図３Ａは、肩関節機構２の斜視図である。図３Ｂは、肩関節機構２の平面図である。図３Ｃは、肩関節機構２の正面図である。図３Ｄは、肩関節機構２の側面図である。図３Ｅは、図３Ｂにおける肩関節機構２のＡ−Ａ断面図である。これらの図３Ａ〜図３Ｅでは、肩関節機構２とともに上腕部材３の一部も示されている。

【0026】

図３Ｃに示すように、上腕部材３は、一直線上に延びる中心軸線３３に沿って長尺形状を有しており、第２肩部材１２に対向する端面（上端面３１）が、当該上腕部材３の長手方向Ｄ１に直交する方向（直交方向Ｄ２）に対して交差方向に延びるように形成されている。第２肩部材１２は、上腕部材３を上端面３１に対して直交方向に延びる回転軸線３２を中心に回転可能に保持する保持部材として機能している。

【0027】

このように、上腕部材３を長手方向Ｄ１に対して交差方向に延びる回転軸線３２を中心に回転させる関節（いわゆるオフセット関節）を用いることにより、回転軸線３２を中心とする上腕部材３の回転位置に応じて、当該上腕部材３の第２肩部材１２に対する角度を変化させることができる。直交方向Ｄ２に対する上腕部材３の上端面３１の傾斜角度θ、すなわち上腕部材３の長手方向Ｄ１に対する回転軸線３２の傾斜角度θは、必要な上腕部材３の角度変化量に応じて適宜に設定可能であり、本実施形態では上記傾斜角度θが３０°に設定されている。

【0028】

本実施形態では、上腕部材３の上端面３１は円形状の端面からなり、第２肩部材１２の上腕部材３に対向する端面（下端面１２３）は、上腕部材３の上端面３１の端面形状に対応する円形状の端面からなる。上腕部材３の上端面３１と第２肩部材１２の下端面１２３は、完全に一致する円形状であることが好ましいが、若干量の外径の相違があってもよい。

【0029】

また、本実施形態では、上腕部材３及び第２肩部材１２の互いに対向する端面３１，１２３は円形状であるが、上腕部材３及び第２肩部材１２の連結部分を上記端面３１，１２３に対して交差方向に切断したときの断面は、円形状とはならず、楕円形状となっている。これにより、上記連結部分における表面の起伏の変化がより小さく、より人間の関節に近い外観を有するオフセット関節機構とすることが可能である。

【0030】

図４は、肩関節機構２の内部構成を説明するための断面図である。図１、図２及び図４を参照して、本実施形態に係るロボットには、肩関節機構２及び上腕部材３を動作させるための駆動源として、３つのモータ１３，１４，１５が備えられている。第１モータ１３及び第２モータ１４は、それぞれの駆動軸１３１，１４１が平行に延びるようにロボット本体１側に並べて配置されている（図１参照）。これらの第１モータ１３及び第２モータ１４は、第１肩部材１１の連結部１１１により保持されている。

【0031】

図４に示すように、第１モータ１３の駆動軸１３１には第１かさ歯車（べベルギア）１６１が取り付けられ、第２モータ１４の駆動軸１４１には第２かさ歯車１６２が取り付けられている。これらの第１かさ歯車１６１及び第２かさ歯車１６２は、同径で同一の歯数を有している。第１肩部材１１の連結部１１１には、第１モータ１３の駆動軸１３１を挿通させるための挿通孔１１３と、第２モータ１４の駆動軸１４１を挿通させるための挿通孔１１４とが形成されている。

【0032】

したがって、ロボット本体１に対して回転可能に連結された連結部１１１の挿通孔１１３，１１４に、第１モータ１３及び第２モータ１４の駆動軸１３１，１４１をそれぞれ挿通させることにより、これらの駆動軸１３１，１４１に取り付けられたかさ歯車１６１，１６２を突出部１１２間及び突出部１２２間に形成された内部空間５内に配置することができる。

【0033】

内部空間５内には、第１かさ歯車１６１に噛み合う第３かさ歯車１６３と、第２かさ歯車１６２に噛み合う第４かさ歯車１６４とが配置されている。これらの第３かさ歯車１６３及び第４かさ歯車１６４は、同径で同一の歯数を有している。第３かさ歯車１６３及び第４かさ歯車１６４は、それらの中心部が回転軸４に取り付けられており、それぞれ当該回転軸４を中心に回転可能となっている。第３かさ歯車１６３は第１肩部材１１の一方の突出部１１２に近接配置され、第４かさ歯車１６４は他方の突出部１１２に近接配置されることにより、第３かさ歯車１６３と第４かさ歯車１６４との間には空間が形成されている。

【0034】

第３かさ歯車１６３と第４かさ歯車１６４との間の空間には、回転軸４に対して直交方向に延びる回転軸１７を中心に回転可能な第５かさ歯車１６５が配置されている。第５かさ歯車１６５には、第３かさ歯車１６３に固定された第６かさ歯車１６６と、第４かさ歯車１６４に固定された第７かさ歯車１６７とが、第５かさ歯車１６５を挟んで両側でそれぞれ当該第５かさ歯車１６５に噛み合っている。これらの第６かさ歯車１６６及び第７かさ歯車１６７は、同径で同一の歯数を有している。第６かさ歯車１６６及び第７かさ歯車１６７は、第３かさ歯車１６３及び第４かさ歯車１６４よりも小径の歯車からなり、第３かさ歯車１６３及び第４かさ歯車１６４と同様に、回転軸４を中心に回転可能となっている。

【0035】

第５かさ歯車１６５が取り付けられた回転軸１７は、第２肩部材１２により回転可能に保持されている。回転軸１７には第１平歯車１８１が取り付けられており、当該第１平歯車１８１が、第２肩部材１２の連結部１２１に回転可能に保持された第２平歯車１８２と噛み合っている（図３Ｂ及び図３Ｅ参照）。第２肩部材１２の連結部１２１には、上腕部材３の回転軸線３２を形成する回転軸３７が回転可能に保持されており、当該回転軸３７に取り付けられた第３平歯車１８３が、上記第２平歯車１８２に噛み合っている。

【0036】

図５は、干渉駆動機構について説明するための概略図である。干渉駆動機構は、回転動作と揺動動作を実現することができる機構であって、図４に示したような機構により実現することができる。この例における干渉駆動機構では、第１モータ１３及び第２モータ１４が駆動源となっている。

【0037】

この干渉駆動機構では、第１モータ１３の動力が伝達される第６かさ歯車１６６と、第２モータ１４の動力が伝達される第７かさ歯車１６７とが、共通の第５かさ歯車１６５に噛み合っているため、第１モータ１３及び第２モータ１４の回転方向の組み合わせに応じて、異なる態様で動力が伝達されるようになっている。

【0038】

図５（ａ）のように、第１モータ１３及び第２モータ１４がいずれも回転する場合であって、それぞれ同方向に回転する場合には、回転軸４を中心に第３かさ歯車１６３及び第６かさ歯車１６６が回転する方向と、第４かさ歯車１６４及び第７かさ歯車１６７が回転する方向とが、互いに逆方向となる。

【0039】

このように、第５かさ歯車１６５を挟んで両側に配置された第６かさ歯車１６６及び第７かさ歯車１６７が互いに逆方向に回転する場合には、第６かさ歯車１６６及び第７かさ歯車１６７が、第５かさ歯車１６５を同方向に回転させるように動力を伝達する。そのため、互いに同方向である第１モータ１３及び第２モータ１４の回転方向に応じて、すなわち、いずれも正転するか、又は、いずれも逆転するかに応じて、第５かさ歯車１６５に取り付けられた回転軸１７の回転方向が切り替わるようになっている。

【0040】

上記のような図５（ａ）の態様では、回転軸１７が回転することにより、当該回転軸１７に連結された上腕部材３の回転動作を実現することができる。

【0041】

図５（ｂ）のように、第１モータ１３及び第２モータ１４がいずれも回転する場合であって、それぞれ逆方向に回転する場合には、回転軸４を中心に第３かさ歯車１６３及び第６かさ歯車１６６が回転する方向と、第４かさ歯車１６４及び第７かさ歯車１６７が回転する方向とが、互いに同方向となる。

【0042】

このように、第５かさ歯車１６５を挟んで両側に配置された第６かさ歯車１６６及び第７かさ歯車１６７が同方向に回転しようとする場合には、第６かさ歯車１６６及び第７かさ歯車１６７が、第５かさ歯車１６５を互いに逆方向に回転させるように動力を伝達するため、第５かさ歯車１６５は回転できない。したがって、第５かさ歯車１６５は、第６かさ歯車１６６及び第７かさ歯車１６７に噛み合った状態のまま回転軸４を中心に回転し、当該第５かさ歯車１６５を保持する保持部材１２が回転軸４を中心に回転することとなる。そのため、互いに逆方向である第１モータ１３及び第２モータ１４の回転方向に応じて、すなわち、第１モータ１３が正転し第２モータ１４が逆転するか、又は、第１モータ１３が逆転し第２モータ１４が正転するかに応じて、回転軸４を中心とする保持部材１２の回転方向が切り替わるようになっている。

【0043】

上記のような図５（ｂ）の態様では、回転軸４を中心に保持部材１２が回転することにより、保持部材１２の揺動動作を実現することができる。

【0044】

図６は、干渉駆動機構の動作パターンについて説明するための図である。

【0045】

動作パターンＰ１は、図５（ａ）に示したパターンであり、第１モータ１３及び第２モータ１４がいずれも正転することにより、第５かさ歯車１６５に取り付けられた回転軸１７が逆転するようになっている。一方、動作パターンＰ２では、第１モータ１３及び第２モータ１４がいずれも逆転することにより、第５かさ歯車１６５に取り付けられた回転軸１７が正転するようになっている。

【0046】

動作パターンＰ３は、図５（ｂ）に示したパターンであり、第１モータ１３が正転し第２モータ１４が逆転することにより、回転軸４を中心に保持部材１２が回転するようになっている。一方、動作パターンＰ４では、第１モータ１３が逆転し第２モータ１４が正転することにより、動作パターンＰ３とは逆方向に保持部材１２が回転するようになっている。

【0047】

動作パターンＰ５では、第１モータ１３のみが正転し、第２モータ１４は回転しないことにより、回転軸４を中心に第３かさ歯車１６３及び第６かさ歯車１６６が回転する。この場合には、第６かさ歯車１６６に噛み合っている第５かさ歯車１６５を介して、当該第５かさ歯車１６５に取り付けられている回転軸１７が逆転する。このとき、第２モータ１４の駆動が停止していることにより、第５かさ歯車１６５は、第７かさ歯車１６７から抵抗を受けて回転軸４を中心に回転し、当該第５かさ歯車１６５を保持する保持部材１２が回転軸４を中心に、動作パターンＰ３と同方向に回転することとなる。

【0048】

動作パターンＰ６では、第１モータ１３のみが逆転し、第２モータ１４は回転しないことにより、第３かさ歯車１６３及び第６かさ歯車１６６が、動作パターンＰ５とは逆方向に回転する。この場合には、第６かさ歯車１６６に噛み合っている第５かさ歯車１６５を介して、当該第５かさ歯車１６５に取り付けられている回転軸１７が正転する。このとき、第２モータ１４の駆動が停止していることにより、第５かさ歯車１６５は、第７かさ歯車１６７から抵抗を受けて回転軸４を中心に回転し、当該第５かさ歯車１６５を保持する保持部材１２が回転軸４を中心に、動作パターンＰ４と同方向に回転することとなる。

【0049】

動作パターンＰ７では、第２モータ１４のみが正転し、第１モータ１３は回転しないことにより、回転軸４を中心に第４かさ歯車１６４及び第７かさ歯車１６７が回転する。この場合には、第７かさ歯車１６７に噛み合っている第５かさ歯車１６５を介して、当該第５かさ歯車１６５に取り付けられている回転軸１７が逆転する。このとき、第１モータ１３の駆動が停止していることにより、第５かさ歯車１６５は、第６かさ歯車１６６から抵抗を受けて回転軸４を中心に回転し、当該第５かさ歯車１６５を保持する保持部材１２が回転軸４を中心に、動作パターンＰ４と同方向に回転することとなる。

【0050】

動作パターンＰ８では、第２モータ１４のみが逆転し、第１モータ１３は回転しないことにより、回転軸４を中心に第４かさ歯車１６４及び第７かさ歯車１６７が回転する。この場合には、第７かさ歯車１６７に噛み合っている第５かさ歯車１６５を介して、当該第５かさ歯車１６５に取り付けられている回転軸１７が正転する。このとき、第１モータ１３の駆動が停止していることにより、第５かさ歯車１６５は、第６かさ歯車１６６から抵抗を受けて回転軸４を中心に回転し、当該第５かさ歯車１６５を保持する保持部材１２が回転軸４を中心に、動作パターンＰ３と同方向に回転することとなる。

【0051】

上記動作パターンＰ１〜Ｐ４では、回転軸１７の回転、又は、回転軸４を中心とする保持部材１２の回転のいずれか一方の動作が、２つのモータ１３，１４の駆動により行われるため、動作パターンＰ５〜Ｐ８と比較して、トルクを倍にすることができるという効果がある。一方、上記動作パターンＰ５〜Ｐ８では、回転軸１７の回転に基づく上腕部材３の回転動作と、保持部材１２の揺動動作とを同時に実現することができる。これらの動作パターンＰ１〜Ｐ８は、負荷及び動作時間を考慮して選択される。例えば、負荷が大きい場合には、動作パターンＰ１〜Ｐ４を選択し、動作時間を短くする場合には、動作パターンＰ５〜Ｐ８を選択することができる。

【0052】

図５及び図６を用いて説明したような動力伝達機構は、第１モータ１３及び第２モータ１４の回転方向の組み合わせに応じて、第１肩部材１１に対して第２肩部材１２を揺動させる状態と、第２肩部材１２に対して上腕部材３を回転させる状態とを切替可能な第１動力伝達機構４１を構成している。

【0053】

本実施形態に係るロボットには、上記第１動力伝達機構４１に加えて、第３モータ１５の回転に伴い、ロボット本体１に対して第１肩部材１１を回転させるための第２動力伝達機構４２が備えられている。この第２動力伝達機構４２は、互いに噛み合うウォーム１５１及びウォームホイール１９からなるウォームギアを備えている。ウォームホイール１９は、円板の外周面に歯車が形成された構成であり、その中心軸線が第１モータ１３及び第２モータ１４の駆動軸１３１，１４１に対して平行になるように、第１肩部材１１の連結部１１１に固定されている。ウォーム１５１は、第３モータ１５の駆動軸に取り付けられている。第３モータ１５の駆動軸は、第１モータ１３及び第２モータ１４の駆動軸１３１，１４１に対して垂直に延びており、当該駆動軸に取り付けられたウォーム１５１は、その中心軸線がウォームホイール１９の中心軸線に対して垂直になるようにして、当該ウォームホイール１９の外周面に形成された歯車と噛み合っている。

【0054】

このような構成により、第３モータ１５が回転すれば、当該第３モータ１５の駆動軸にウォーム１５１及びウォームホイール１９を介して連結された第１肩部材１１が回転し、これにより、肩関節機構２全体が回転するようになっている。このとき、第３モータ１５の回転方向に応じて、すなわち、正転するか、又は、逆転するかに応じて、ロボット本体１に対する肩関節機構２の回転方向が切り替わるようになっている。

【0055】

このように、本実施形態に係る肩関節機構２を用いることにより、第１モータ１３及び第２モータ１４の回転方向の組み合わせに応じた上記動作パターンＰ１〜Ｐ８に、第３モータ１５の回転方向に応じたロボット本体１に対する肩関節機構２の回転を組み合わせることができるので、人間の肩関節の複雑な動きを模擬的に再現することができる。

【0056】

図７は、肩関節機構２の構成を概略的に示した模式図である。本実施形態では、第１肩部材１１がロボット本体１に対して回転可能に連結されるとともに、当該第１肩部材１１に対して第２肩部材１２が揺動可能に連結されている。さらに、第２肩部材１２に対して回転可能に連結された上腕部材３が、当該上腕部材３の長手方向Ｄ１に対して交差方向に延びる回転軸線３２を中心に回転可能に保持されることにより、いわゆるオフセット関節が上腕に形成されている。

【0057】

このように、ロボット本体１に対する第１肩部材１１の回転動作と、第１肩部材１１に対する第２肩部材１２の揺動動作と、第２肩部材１２に対する上腕部材３のオフセット関節による回転動作という３つの動作の組み合わせにより、揺動動作と回転動作が可能な関節機構を２つ組み合わせた構成（図１０のような構成）や、特許文献１〜３の構成と比較して、より人間に近い動きを実現することができる。

【0058】

また、上記３つの動作は、揺動動作と回転動作が可能な関節機構を２つ組み合わせた構成（図１０のような構成）や、特許文献１〜３の構成と比較して、より簡単な駆動機構で実現することが可能であり、駆動機構を簡略化することができる。

【0059】

特に、本実施形態では、３つのモータ１３，１４，１５を用いて上記３つの動作を実現することができるので、特許文献１〜３のような他の構成と比較して、駆動機構を簡略化することができる。また、３つのモータ１３，１４，１５がロボット本体１内（胸側空間）に配置されるので、上腕側にモータを配置しない分だけ大きな荷重に耐え得るという効果がある。

【0060】

図８は、成形後のロボットの外観構成を示した部分正面図である。ロボット本体１は外装部材１Ａにより、肩関節機構２は外装部材２Ａにより、上腕部材３は外装部材３Ａにより、それぞれ人間に近い滑らかな表面に成形される。肩関節機構２の外装部材２Ａの表面は、球面を含む形状であることが好ましい。

【0061】

ロボット本体１の外装部材１Ａと肩関節機構２の外装部材２Ａとの連結部には、カバー部材１０が取り付けられている。このカバー部材１０は、外装部材１Ａ，２Ａ間の隙間を塞ぐためのものであり、人間に近い滑らかな表面に成形されている。また、カバー部材１０は、図８に破線で示すように、第１肩部材１１に対して第２肩部材１２を揺動させる際に動作範囲を制限しないような形状となっている。

【0062】

このように、ロボット本体１内（胸側空間）に大型の駆動部品、モーター、減速機等を収容し、人間の標準体型に近付けることができる。さらに、肩を含む腕全体が動作時においても常に人間の形状に近似し、ボディースーツ（潜水用ウェア）などを着せた場合でも違和感のない機構とすることができる。さらに、ロボット本体１内（胸側空間）に上記部材を収容することにより腕側機構の軽量化を図り、重量物の取扱を可能にすることができる。

【0063】

図９は、ロボットの動作態様の一例を示した斜視図である。本実施形態のような肩関節機構２を用いることにより、例えば図９に示すような態様でロボットを動作させることができる。すなわち、図９（ａ）の状態から、肩関節機構２全体を回転させながら、上腕部材３に対して回転可能に取り付けられた下腕部材２０を回転させ（図９（ｂ）〜（ｃ））、さらに肩関節機構２に対して上腕部材３を回転させることにより（図９（ｄ））、腕が胸の前側に届くことを可能にし、顔を覆う動作のような広範囲での動作を可能にしている。

【0064】

上述のようなオフセット関節機構や肩関節機構は、介護用ロボットに限らず、他の各種ロボットに適用可能であり、特に、人間と接触するロボットに好適に適用可能である。

【符号の説明】

【0065】

１ ロボット本体
２ 肩関節機構
３ 上腕部材
４ 回転軸
１１ 第１肩部材
１２ 第２肩部材（保持部材）
１３ 第１モータ
１４ 第２モータ
１５ 第３モータ
３１ 上端面
３２ 回転軸線
３３ 中心軸線
３４ 中心部
４１ 第１動力伝達機構
４２ 第２動力伝達機構
１２３ 下端面
Ｄ１ 長手方向
Ｄ２ 直交方向

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図3E】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】