JP6646756B2

JP6646756B2 - 装置の可動構造、および装置

Info

Publication number: JP6646756B2
Application number: JP2018547171A
Authority: JP
Inventors: 将悟堺; 厚輝大井
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2017-08-29
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2037-08-29
Also published as: CN109890579A; WO2018079058A1; US20200056683A1; US10907708B2; JPWO2018079058A1

Description

本発明は、装置の可動構造、および装置に関する。

特許文献１には、出力軸が互いに同軸上に位置するようにロボットの頭部内に並んで支持される第１モータ及び第２モータと、前記第１モータで駆動されて前記出力軸周りに回動可能なようにその一端が取り付けられると共に、前記出力軸から垂直方向に延出するその他端が前記ロボットの胴部に支持される第１弾性ビーム部材と、前記第２モータで駆動されて前記出力軸周りに回動可能なようにその一端が取り付けられると共に、前記出力軸から前記第１弾性ビーム部材と並んで延出するその他端が前記胴部に支持される第２弾性ビーム部材と、を備えることを特徴とするロボットの頭部構造が開示されている。

国際公開ＷＯ２０１２／１６０６５９号公報（２０１２年１１月２９日公開）

特許文献１の頭部構造は、２軸方向へのそれぞれの動作（首振りおよび肯き）を実現するために、第１弾性ビーム部材および第２弾性ビーム部材を捻る必要がある。首振りの角度を充分に大きくするためには、第１弾性ビーム部材および第２弾性ビーム部材の全長を充分に長くすることによって、捻り角度を大きくしなければならない。このことが、特許文献１の頭部構造の小型化を妨げている。

同様の問題は、ロボットの頭部構造に限らず、可動部を有する各種の可動構造にも生じ得る。

本発明の一態様は、装置の可動構造をより小型化することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る装置の可動構造は、可動部と、第１領域および第２領域を有し、かつ筐体に接続される接続部と、前記可動部に固定され、かつ第１回転軸を有する第１モータと、前記可動部に固定され、かつ第２回転軸を有する第２モータと、前記第１領域において摺動可能なように前記接続部に接触しかつ前記接続部に接触可能な箇所が球形状である第１先端を有し、かつ、前記第１回転軸に固定される第１リンクと、前記第２領域において摺動可能なように前記接続部に接触しかつ前記第２領域に接触可能な箇所が球形状である第２先端を有し、かつ前記第２回転軸に固定される第２リンクとを備えていることを特徴としている。

本発明の一態様によれば、装置の可動構造をより小型化することができる。

本発明の実施形態１に係るロボットの構成を部分的に示す図である。頭部構造の詳細な構成を示す図である。頭部の肯きを説明する図である。頭部の反り返りを説明する図である。頭部の右側面への傾けを説明する図である。頭部の左側面への傾けを説明する図である。

〔実施形態１〕
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態１に係るロボット１００（装置）の構成を部分的に示す図である。ロボット１００は、頭部構造１（可動構造）および胴体４（筐体）を少なくとも備えている。頭部構造１は、頭部２（可動部）および接続部３を少なくとも備えている。接続部３は胴体４に接続されている。ロボット１００は、頭部構造１および胴体４の他に、図示しない腕部および脚部などをさらに備えている。ロボット１００は、たとえば、自立歩行可能なヒト型のロボットとして実現される。

ロボット１００は、頭部２と接続部３とを間接的に接続する図示しないリンクをさらに備えている。このリンクの一端は胴体４に接続され、他端は接続部３に接続される。頭部２は、胴体４に接触していない。接続部３は、胴体４の位置と接続部３の位置とが相対的に変化可能なように、胴体４に接続されている。具体的には、接続部３は、頭部２ごと捻り回転できるように、胴体４の上に配置されている。

（頭部構造１の詳細）
図２は、頭部構造１の詳細な構成を示す図である。図２の（ａ）は、ロボット１００の右側面から見た頭部構造１を示す。図２の（ｂ）は、ロボット１００の正面から見た頭部構造１を示す。図２の（ｃ）は、ロボット１００の左側面から見た頭部構造１を示す。図２の（ｄ）は、ロボット１００の背面から見た頭部構造１を示す。

図２に示すように、頭部構造１は、右モータ５（第１モータ）、右リンク６（第１リンク）、左モータ７（第２モータ）、および左リンク８（第２リンク）をさらに備えている。右モータ５は、回転軸５１（第１回転軸）を有する。右リンク６は、先端６１（第１先端）を有する。左モータ７は、回転軸７１（第２回転軸）を有する。左リンク８は、先端８１（第２先端）を有する。

接続部３は、摺動領域３１（第１領域）および摺動領域３２（第２領域）を有する。摺動領域３１は、接続部３におけるロボット１００の右側面側に位置する。摺動領域３１は、右リンク６の先端６１が摺動する一定範囲を有する領域である。摺動領域３２は、接続部３におけるロボット１００の左側面側に位置する。摺動領域３２は、左リンク８の先端８１が摺動する一定範囲を有する領域である。本実施形態では、摺動領域３１および摺動領域３２の大きさは互いに等しい。

右モータ５は、頭部２におけるロボット１００の右側面側に固定されている。右モータ５は、頭部２における、摺動領域３１よりも相対的にロボット１００の背面に近い位置に、固定されている。右モータ５の固定時、回転軸５１は頭部２における下側に位置する。右モータ５の動作時、回転軸５１が回転する。

右リンク６における先端６１と反対側の末端が、回転軸５１に固定されている。先端６１は、摺動領域３１において摺動可能なように、接続部３に接触している。摺動領域３１は、先端６１の上下方向を覆っている。先端６１における摺動領域３１に接触可能な箇所は、球形状である。先端６１は、摺動領域３１に接触しない箇所も含めて、完全な球形状であってもよい。

左モータ７は、頭部２におけるロボット１００の左側面側に固定されている。左モータ７は、頭部２における、摺動領域３２よりも相対的にロボット１００の背面に近い位置に、固定されている。左モータ７の固定時、回転軸７１は頭部２における下側に位置する。左モータ７の動作時、回転軸７１が回転する。

左リンク８における先端８１と反対側の末端が、回転軸７１に固定されている。先端８１は、摺動領域３２において摺動可能なように、接続部３に接触している。摺動領域３２は、先端８１の上下方向を覆っている。先端８１における摺動領域３２に接触可能な箇所は、球形状である。先端８１は、摺動領域３２に接触しない箇所も含めて、完全な球形状であってもよい。

回転軸５１が回転すると、右モータ５の動力が右リンク６に伝達される。この結果、右リンク６の先端６１が摺動領域３１を摺動する。回転軸７１が回転すると、左モータ７の動力が左リンク８に伝達される。この結果、左リンク８の先端８１が摺動領域３２を摺動する。ロボット１００は、右モータ５および左モータ７を、個別に動作させることができる。したがってロボット１００は、右リンク６の先端６１および左リンク８の先端８１を、個別に摺動させることができる。

頭部構造１は、ロール軸１１、ピッチ軸１２および、ヨー軸１３を有する。後述するように、ロボット１００は、頭部２を、ロール軸１１周りに回転移動させることができる。さらに、ロボット１００は、頭部２を、ピッチ軸１２周りに回転移動させることができる。

右モータ５および左モータ７は、同一の軸上に並列に配置されている。より詳細には、回転軸５１および回転軸７１が、同一の軸上に配置されている。図２の例では、同一の軸は、ピッチ軸１２である。これに限らず、同一の軸は、ピッチ軸１２と平行な任意の軸であればよい。

右モータ５および左モータ７の形状および大きさは互いに等しい。右リンク６および左リンク８の形状および大きさは互いに等しい。先端６１および先端８１の形状および大きさは互いに等しい。右モータ５および左モータ７は、ピッチ軸１２と直交しかつロール軸１１およびヨー軸１３を含む平面を基準として、左右対称に配置されている。右リンク６および左リンク８も同様である。摺動領域３１および摺動領域３２も同様である。

（頭部２の肯き）
図３は、頭部２の肯きを説明する図である。図３の（ａ）は、ロボット１００の右側面から見た頭部構造１を示す。図３の（ｂ）は、ロボット１００の正面から見た頭部構造１を示す。図３の（ｃ）は、ロボット１００の左側面から見た頭部構造１を示す。

ロボット１００は、右モータ５の回転軸５１および左モータ７の回転軸７１を、同一の第１回転方向に回転させる。具体的には、回転軸５１および回転軸７１を、いずれもロボット１００の後回転方向９１に回転させる。後回転方向９１とは、ロボット１００の正面側から背面側に向かう回転方向のことである。回転軸５１が後回転方向９１に回転すると、右リンク６の先端６１は、摺動領域３１においてロボット１００の前方向１０１に摺動する。前方向１０１とは、ロボット１００の背面から正面に向かう直進方向のことである。回転軸７１が後回転方向９１に回転すると、左リンク８の先端８１は、摺動領域３２において、ロボット１００の前方向１０１に摺動する。これらの摺動によって、接続部３と、右リンク６および左リンク８との位置関係が変化する。

右リンク６の末端が右モータ５の回転軸５１に固定されているので、右リンク６の位置が変化すると右モータ５の位置も同様に変化する。左リンク８の末端が左モータ７の回転軸７１に固定されているので、左リンク８の位置が変化すると左モータ７の位置も変化する。右モータ５および左モータ７は頭部２に固定されているので、右モータ５および左モータ７の位置が変化すると、これに連動して頭部２の位置が変化する。

図３に示すように、先端６１および先端８１が前方向１０１に摺動すると、頭部２が前回転方向９２に回転移動する。前回転方向９２とは、ロボット１００の背面側から正面側に向かう回転方向のことである。したがってロボット１００は、頭部２をロボット１００の正面に肯かせることができる。

（頭部２の反り返り）
図４は、頭部２の反り返りを説明する図である。図４の（ａ）は、ロボット１００の右側面から見た頭部構造１を示す。図４の（ｂ）は、ロボット１００の正面から見た頭部構造１を示す。図４の（ｃ）は、ロボット１００の左側面から見た頭部構造１を示す。

ロボット１００は、右モータ５の回転軸５１および左モータ７の回転軸７１を、第１回転方向の逆である第２回転方向に回転させる。具体的には、回転軸５１および回転軸７１を、いずれもロボット１００の前回転方向９２に回転させる。これにより、右リンク６の先端６１は、摺動領域３１において、ロボット１００の後方向１０２に摺動する。後方向１０２とは、ロボット１００の正面から背面に向かう直進方向のことである。左リンク８の先端８１は、摺動領域３２において、ロボット１００の後方向１０２に摺動する。

図４の例では、先端６１および先端８１が後方向１０２に摺動すると、頭部２が後回転方向９１に回転移動する。したがってロボット１００は、頭部２をロボット１００の背面に反り返らせることができる。

（頭部２の右傾け）
図５は、頭部２の右側面への傾けを説明する図である。図５の（ａ）は、ロボット１００の右側面から見た頭部構造１を示す。図５の（ｂ）は、ロボット１００の正面から見た頭部構造１を示す。図５の（ｃ）は、ロボット１００の左側面から見た頭部構造１を示す。

ロボット１００は、右モータ５の回転軸５１および左モータ７の回転軸７１を、互いに逆方向に回転させる。具体的には、回転軸５１を後回転方向９１に回転させ、回転軸７１を前回転方向９２に回転させる。これにより、頭部２と接続部３とを接続する図示しないリンクが支点となり、右モータ５の回転軸５１に固定されている右リンク６の末端と、左モータ７の回転軸７１に固定されている左リンク８の末端とから、頭部２をロボット１００の右回転方向１１１に回転させる力が、頭部２に加わる。

上述したように、右リンク６の先端６１における摺動領域３１に接触可能な箇所は球形状である。したがって、頭部２を右回転方向１１１に回転させる力が頭部２に加わると、先端６１は摺動領域３１に接触しながら右回転方向１１１に滑らかに回転することができる。

上述したように、左リンク８の先端８１における先端８１に接触可能な箇所は球形状である。したがって、頭部２を右回転方向１１１に回転させる力が頭部２に加わると、先端８１は摺動領域３２に接触しながら右回転方向１１１に滑らかに回転することができる。

図５の例では、先端６１および先端８１がいずれも右回転方向１１１に回転することによって、頭部２は、右回転方向１１１に回転移動する。したがってロボット１００は、頭部２を右側面に傾けることができる。

（頭部２の左傾け）
図６は、頭部２の左側面への傾けを説明する図である。図６の（ａ）は、ロボット１００の右側面から見た頭部構造１を示す。図６の（ｂ）は、ロボット１００の正面から見た頭部構造１を示す。図６の（ｃ）は、ロボット１００の左側面から見た頭部構造１を示す。

ロボット１００は、右モータ５の回転軸５１および左モータ７の回転軸７１を、互いに逆方向に回転させる。具体的には、回転軸５１を前回転方向９２に回転させ、回転軸７１を後回転方向９１に回転させる。これにより、頭部２と接続部３とを接続する図示しないリンクが支点となり、右モータ５の回転軸５１に固定されている右リンク６の末端と、左モータ７の回転軸７１に固定されている左リンク８の末端とから、頭部２をロボット１００の左回転方向１１２に回転させる力が、頭部２に加わる。

右リンク６の先端６１における摺動領域３１に接触可能な箇所は球形状であるので、頭部２を左回転方向１１２に回転させる力が頭部２に加わると、先端６１は摺動領域３１に接触しながら左回転方向１１２に滑らかに回転することができる。左リンク８の先端８１における摺動領域３２に接触可能な箇所は球形状であるので、頭部２を左回転方向１１２に回転させる力が頭部２に加わると、先端８１は摺動領域３２に接触しながら左回転方向１１２に滑らかに回転することができる。

図６の例では、先端６１および先端８１がいずれも左回転方向１１２に回転することによって、頭部２は、左回転方向１１２に回転移動する。したがってロボット１００は、頭部２をロボット１００の左側面に傾けることができる。

（本実施形態の利点）
本実施形態によれば、たとえば下記の利点が得られる。

１．ロボット１００は、頭部２を異なる２軸方向のいずれかに回転移動させるために、右リンク６および左リンク８を捻る必要がない。したがって、右リンク６および左リンク８の全長をいずれも短くすることができる。この結果、右リンク６および左リンク８を備える頭部構造１をより小型化することができる。さらには、より小型化された頭部構造１を備えているロボット１００を実現することができる。

２．回転軸５１と回転軸７１とが同一の軸（たとえばピッチ軸１２）上に配置されているので、右リンク６および左リンク８の全長をいずれもさらに短くすることができる。このため、頭部構造１の内部をさらに省スペース化することができる。

３．右モータ５と左モータ７とが、ピッチ軸１２と直交しかつロール軸１１およびヨー軸１３を含む平面を基準として、左右対称に配置されているので、ロボット１００は、右モータ５および左モータ７を回転させた分だけ、頭部２を２軸方向のいずれかに回転移動させることができる。

４．摺動領域３１が先端６１の上下方向を覆い、摺動領域３２が先端８１の上下方向を覆うので、右リンク６および左リンク８が摺動した場合、右モータ５および左モータ７から動力が接続部３に効率的に伝達される。

５．摺動領域３１における先端６１が接触する面が平面であるので、先端６１は摺動領域３１を滑らかに摺動することができる。摺動領域３２における先端８１が接触する面が平面であるので、先端８１は摺動領域３１を滑らかに摺動することができる。これらのことから、頭部２を滑らかに回転移動させることができる。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

本実施形態では、右モータ５および左モータ７は、同一の軸上に配置されていない。言い換えると、右モータ５の回転軸５１と、左モータ７の回転軸７１とは、それぞれ異なる軸上に配置されている。このような配置であっても、ロボット１００は、右モータ５および左モータ７の回転をそれぞれ制御することによって、頭部２を肯かせたり、反り返らせたり、左右に傾けたりすることができる。本実施形態では、右モータ５および左モータ７が同一軸上に配列されていないので、頭部構造１において右モータ５および左モータ７を配置させる位置の自由度を、より高くすることができる。

〔実施形態３〕
本発明の他の実施形態について説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

本実施形態では、右モータ５および左モータ７は、ピッチ軸１２と直交しかつロール軸１１およびヨー軸１３を含む平面を基準として、左右対称に配置されていない。このような配置であっても、ロボット１００は、右モータ５および左モータ７の回転をそれぞれ制御することによって、頭部２を前後に頷かせたり、左右に傾けたりすることができる。本実施形態では、右モータ５および左モータ７が左右対称に配置されていないので、頭部構造１おいて右モータ５および左モータ７を配置する位置の自由度を、より高めることができる。

〔実施形態４〕
本発明の他の実施形態について説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

本実施形態では、摺動領域３１において右リンク６が摺動する面は、平面ではない。たとえば、右リンク６が摺動する面は、右リンク６の先端６１を上下方向で覆う球状またはお椀形の曲面である。この構成によれば、右リンク６は摺動領域３１を正常に摺動することができる。

本実施形態では、摺動領域３２において左リンク８が摺動する面は、平面ではない。たとえば、左リンク８が摺動する面は、左リンク８の先端８１を上下方向で覆う球状またはお椀形の曲面である。この構成によれば、左リンク８は摺動領域３１を正常に摺動することができる。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る装置（ロボット１００）の可動構造（頭部構造１）は、可動部（頭部２）と、第１領域（摺動領域３１）および第２領域（摺動領域３２）を有し、かつ筐体（胴体４）に接続される接続部（３）と、前記可動部に固定され、かつ第１回転軸（回転軸５１）を有する第１モータ（右モータ５）と、前記可動部に固定され、かつ第２回転軸（回転軸７１）を有する第２モータ（左モータ７）と、前記第１領域において摺動可能なように前記接続部に接触しかつ前記接続部に接触可能な箇所が球形状である第１先端（先端６１）を有し、かつ、前記第１回転軸に固定される第１リンク（右リンク６）と、前記第２領域において摺動可能なように前記接続部に接触しかつ前記第２領域に接触可能な箇所が球形状である第２先端（先端８１）を有し、かつ前記第２回転軸に固定される第２リンク（左リンク８）とを備えていることを特徴としている。

上記の構成によれば、装置は、第１モータおよび第２モータを同一の回転方向に回転させることによって、可動部を装置の前回転方向（９２）または後回転方向（９１）に回転移動させることができる。さらに、装置は、第１モータおよび第２モータを互いに異なる回転方向に回転させることによって、可動部を装置の右回転方向（１１１）または左回転方向（１１２）に回転移動させることができる。

装置は、可動部を異なる２軸方向のいずれかに回転移動させるために、右リンクおよび左リンクを捻る必要がない。したがって、右リンクおよび左リンクの全長をいずれも短くすることができる。この結果、右リンクおよび左リンクを備える可動構造をより小型化することができる。

本発明の態様２に係る可動構造は、上記態様１において、前記第１回転軸と前記第２回転軸とが、同一の軸上に配置されていることを特徴としている。

上記の構成によれば、可動構造の内部を省スペース化することができる。

本発明の態様３に係る可動構造は、上記態様２において、前記第１モータと前記第２モータとが、前記可動構造のピッチ軸（１２）と直交しかつ前記可動構造のロール軸（１１）および前記可動構造のヨー軸（１３）を含む平面を基準として、左右対称に配置されていることを特徴としている。

上記の構成によれば、装置は、第１モータおよび第２モータを回転させた分だけ、可動部を２軸方向のいずれかに回転移動させることができる。

本発明の態様４に係る可動構造は、上記態様１〜３のいずれかにおいて、前記第１領域は、前記第１先端の上下方向を覆い、前記第２領域は、前記第２先端の上下方向を覆うことを特徴としている。

上記の構成によれば、右リンクおよび左リンクが摺動した場合、動力が接続部に効率的に伝達される。

本発明の態様５に係る可動構造は、上記態様１〜４のいずれかにおいて、前記第１領域における前記第１先端が接触する面は、平面であり、前記第２領域における前記第２先端が接触する面は、平面であることを特徴としている。

上記の構成によれば、第１先端は第１領域を滑らかに摺動することができ、第２先端は第２領域を滑らかに摺動することができる。

本発明の態様６に係る装置は、上述した態様１〜５のいずれかの可動構造を備えていることを特徴としている。

上記の構成によれば、より小型化された可動構造を備えている装置を実現することができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

頭部構造１は、本発明に係る可動構造の一例にすぎない。上述した方法によって異なる２軸方向のいずれかに回転移動される、頭部以外の可動部（腕部、脚部、および腰部など）を備えている各種の可動構造（腕部構造、脚部構造、および腰部構造など）、および当該可動構造を備えているロボットも、本発明の技術的範囲に含まれる。

ロボット１００は、本発明に係る装置の一例に過ぎない。上述した方法によって異なる２軸方向のいずれかに回転移動される可動部を備えている可動構造、および当該可動構造を備えているロボット以外の装置（家電装置など）も、本発明の技術的範囲に含まれる。

１頭部構造（可動構造）、２頭部（可動部）、３接続部、４胴体（筐体）、５右モータ（第１モータ）、６右リンク（第１リンク）、７左モータ（第１モータ）、８左リンク（第２リンク）、１１ロール軸、１２ピッチ軸、１３ヨー軸、３１摺動領域（第１領域）、３２摺動領域（第２領域）、５１回転軸（第１回転軸）、７１回転軸（第２回転軸）、６１先端（第１先端）、８１先端（第２先端）、９１後回転方向、９２前回転方向、１００ロボット（装置）、１０１前方向、１０２後方向、１１１右回転方向、１１２左回転方向

Claims

可動部と、
第１領域および第２領域を有し、かつ筐体に接続される接続部と、
前記可動部に固定され、かつ第１回転軸を有する第１モータと、
前記可動部に固定され、かつ第２回転軸を有する第２モータと、
前記第１領域において摺動可能なように前記接続部に接触しかつ前記第１領域に接触可能な箇所が球形状である第１先端を有し、かつ、前記第１回転軸に固定される第１リンクと、
前記第２領域において摺動可能なように前記接続部に接触しかつ前記第２領域に接触可能な箇所が球形状である第２先端を有し、かつ前記第２回転軸に固定される第２リンクとを備えていることを特徴とする装置の可動構造。
前記第１回転軸と前記第２回転軸とが、同一の軸上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の可動構造。
前記第１モータと前記第２モータとが、前記可動構造のピッチ軸と直交しかつ前記可動構造のロール軸および前記可動構造のヨー軸を含む平面を基準として、左右対称に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の可動構造。
前記第１領域は、前記第１先端の上下方向を覆い
前記第２領域は、前記第２先端の上下方向を覆うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の可動構造。
前記第１領域における前記第１先端が接触する面は、平面であり、
前記第２領域における前記第２先端が接触する面は、平面であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の可動構造。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の可動構造を備えていることを特徴とする装置。