WO2007069667A1

WO2007069667A1 - 弾性関節装置

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Publication number: WO2007069667A1
Application number: PCT/JP2006/324883
Authority: WO
Inventors: Shigeo Hirose; Yoshinori Tanaka; Masayuki Arai; Kazunori Ogami
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2008-06-15
Also published as: JPWO2007069667A1

Abstract

弾性関節装置３１は、一対の支持体１，２と、これら支持体１，２同士を互いに連結する連結体３０とを具備し、連結体３０は、１本又は複数本の弾性棒４ａ，４ｂ，４ｃと、弾性棒４ａ，４ｂ，４ｃを互いに独立に駆動してその軸線方向に伸縮させる伸縮装置３ａ，３ｂ，３ｃとを具備する。

Description

明細書弾性関節装置技術分野

本発明は弾性関節装置に関する。 - 背景技術. .

ロボッ卜の関節や地上移動体の事体間連結装置として、直動運動を利用した関節装置が公知である。

例えば特許第 2 9 9 5 0 5 5号公報及び特開 2 0 0 4— 3 4 5 5 ひ 3号公報には、一対の支持体と、複数の伸縮棒とを備え、各伸縮棒をユニバーサルジョイン卜を介じて支持体に固定することによりこれら支持体を互いに連結し、伸縮棒を軸線方向に伸縮させることにより、一方の支持体を他方の支持体に対し垂直軸線回り又ほ水平軸線回りに回転運動させるようにした関節装置が開示されている。

しかしながら、，これらの関節装置では、伸縮棒自体が弾性を備えておらず、このため、，一方の支持体に外力が作用すると関節装置を介して他方の支持体に外力が伝達されるおそれがある。また、走行状態によっては支持体の動きが制約され滑らかな動作が得られないおそれもある。

一方、特開 2 0 0 5— 5 9 1 1 0号公報には、根本部が支持部材に固定された第 1 弾性部材と、該第 1弾性部材に固定された複数の節部材と、最先端に位置する節部材に先端部が固定された第 2弾性部材とを有し、第 2弾性部材の根本部を先端部と反対方向に移動させると関節部が屈曲する関節装置が開示されている。

この関節装置では第 1 弾性部材及び第 2弾性部材が板部材から形成されているので、屈曲方向の外力はこれら弾性部.材でもうて吸収する.ことができる。しかしながら、屈曲方向,と直行する方向の外力を弾性部材でもって吸収することはできない。発明の開示

本発明は上記従来技術を考慮したもの.であって、少なくとも伸縮の自由度を.有する関節装置として機能するだけでなく、上下、左右、伸縮及び捻り方向の弾性力でもて外力を緩衝し、支持体同士を滑らかに連結することができる関節装置の提供を目的とする。

本発明によれば、弾性関節装置において、一対の支持体と、これら支持体同士を互いに連結ずる連結体であって、 1 つ又は複数の弾性棒と、弾性棒を互いに独立に駆動してその軸線方向に伸縮させる伸縮装置とを具備した連結体-と、を具備した弾性関節装置が提供される

また、本発明によれば、移動体において、複数の移動モジュールと互レに膦接する一対の移動モンュ一ル同士を互いに連結する少な < とも 1 つの連結体であつて各連結体が、 1 つ又は複数の弾性棒と弾性棒を互いに,独立に駆動してその,軸線方向に伸縮させる伸縮装置とを真備した連結体とを M備した移動体が提供される。図面の簡単な説明

図 1 は本発明の実施例の構成説明図、図 2 は伸縮装置の詳細図、図 3 A、図 3 B及び図 3 Cは弾性連結体の別の実施例の構成説明図、図 4、図 5及び図 6 は図 1 の実施例の動作説明図、図 7 Aは従来例の動作説明図、図 7 Bは本発明による実施例の動作説明図、図 8 は本発明が適用された地上移動体の構成説明図、図 9及び図 1 0 は地上移動体の別の実施例の構成説明図、図 1 1 Aから図 1 1 Dまでは地上移動体の推進方法の説明図、図 1 2 は本発明の別の実施例の構成説明図、図 1 3 は好ましくない例を示す _:図である。 . 発明を実施するための最良の形態

図 1 は、本発明の実施例の構成説明図である。

図 1 に示される弾性関節装置 3 1 は、 .前方支持体 2及び後方支持体 1 と、こ.れらを連結する弾性連結体 3 0 とにより構成される。弾性連結体 3 0 は、 1 本又は複数本（この例では 3本）の弾性棒 4 ( 4 a , 4 b , 4 c ) と、各弾性棒 4をそれぞれの軸線方向に直動伸縮動作させる伸縮装置 3 ( 3 a , 3 b , 3 c ·) とにより構成される。各弾性棒 4の前端は前方支持体 2 に固定され、各伸縮装置 3 の後端は後方支持体 1 に直接的に固定される。

本発明による実施例では、各弾性棒 4は断面がほぼ円形状をなし、全体が例えばウレタンゴムから形成ざれる。また、各弾性棒 4は中空であってもよいし、中実であってもよい。 .

一方、各伸縮装置 3 は、それぞれ独立して弾性棒 4 を伸縮制御可能な駆動系を備ている。すなわち、例えば図 2 に示される,ように伸縮装置 3 は、弾性棒, 4 を摺動可能に収容.するケ一シング 5 1 と、 - ケ一シング 5 1 内に中心軸線周りに回転可能に収容されたポル十 5 2 と、ベルトのような動力伝達機構 5 3 と、電気モー夕 5 4 と、中空の弾性棒 4に固定されかつボルト 5 2 と螺合するナツト 5 5 とを具備する。電気モー夕 5 4が回転されるとポルト 5 2が回転され、それによつてナツト 5 5及び弾性棒 4が軸線方向に移動される。この場合、弾性棒 4 自体の軸線方向長さは大きく変化しない。

各弾性棒 4は、それ自体で弾性を有するので、前後方向の直動伸縮動作だけでなく、上下、左右に湾曲して揺動動作が可能である。

また、 3本の弾性棒 4がそれぞれ弾性を有しすなわち一対の支持体 1， 2が剛性体により連結されていないので、弾性関節装置 3 1 はその中心軸線 Cに関し、上下揺動方向（矢印 a ). 、左右揺動方向

(矢印 b ) 、 '捻り動作方向（矢印 c ) 及び伸縮動作方向（矢印 d ) の全方向についての外力ないし衝撃を緩和することができる。

図 3 Aから図 3 Cまでに弾性連結体 3 0の別の実施例を示す。図 3 Aは、前方支持体 2及び後方支持.体 1間の弾性連結体 3 0 を、 1本の弾性棒 4 a及びその伸縮装置 3 aにより構成した例を示している。伸縮装置 3 aによって弾.性棒 4 aが駆動され、直動伸縮動作が可能である。また、弾性棒 4 aの弾性により、上下揺動方向. （. 矢印 a ) 、左右揺動方向（矢印 b ) 、捻り動作方向（矢印）及び伸縮動作方向（矢印 d ) の全方向についての衝撃を緩和することができる。

図 3 Bは、前方支持体 2及び後方支持体 1間の弾性連結体 3 0 を、 2本の弾性棒 4 a， 4 b及びそれぞれの伸縮装置 3 a， 3 bにより構成した例を示している。この例でも、各伸縮装置 3 a， 3 bによって弾性 4 a , 4 bが独立して駆動されるので、左右動作および伸縮動作が可能である。また、上下揺動方向（矢印 a ) 、 .左右揺動方向（矢印 b ) 、 ί り動作方向（矢印）及び伸縮動作方向（矢印 d ) の全方向についての衝撃を緩和することができる。

図 3 Cは、前方支持体 2及び後方支持体 1間の弾性連結体 3 0 を、 6本の弾性棒 4 a， 4 b , 4 c , 4 d , 4 e , 4 f 及びそれぞれの伸縮装置 3 a , 3 b , 3 c , 3 d， 3 e， 3 f により構成することにより、 6 自由度を有するスチュワートプラットフオームを形成した例を示している。また、この例では、各弾性棒 4 a , 4 b , 4 c， 4 d , 4 e , 4 f の前端は前方支持体 2に直接的に固定され、各伸縮装置 3 a， 3 b , 3 c , 3 d , 3 e , 3 f の後端は後方支持体 1 に、弾性部材 5 a， 5 b , 5 c , 5 d， 5 e , 5 f を介して固定される。 .この例でも、各伸縮装置 3 a , 3 b , 3 c ， 3 d , 3 e , 3. f によって弾性棒 4 a， 4 b , 4 c , . 4,ά , 4 e， 4 f が独立して駆動されるので、図 3 Cの X， Υ , Z方向及び a , β , 下方向の動作、すなわち並進、回転各 3 自由度、合計 6 自由度の動作が可能となる。また、各弾性棒 4 a , 4 b , 4 c , 4 d , 4 e， 4 f が弾性を備えておりかつ弾性部材 5 a， 5. b， 5 c , 5 d.， 5 e， 5 f が設けら.れているので、上下揺動方向、左お揺動方向、捻り動作方向及び伸縮動作方向の全方向についての衝撃を緩和することができる。、

このように弾性連結体 3 0の弾性棒 4の数は 1本でもよいし複数でもよい。しかしながら、弹性棒 4 を少なくと 3 Φにすると、弾性棒 4 をそれぞれ独立して駆動制御す.ることによ Ό、全体として上下、左右、伸縮動作が可能に.なると共に、これら各動作方向及び捻り方向に対する衝撃を緩衝することが可能となる

図 4は、図 1 に示される、 3本の弾性棒を具備した弾性連結体 3

0の動作説明図である。 ■

最初に等長に仲ばされた 3本の弾性棒 4 a , 4 b , 4 c の状態から、図 4に示したよう,に、 .弾性棒 4 aを伸張動作させ (矢印 E ) 、- 弾性棒 4 bを短縮動作させる（矢印 S ) 。これにより、弾性連結体

3 0 を垂直軸線 V廻りに回転動作させる（矢印 R ) ことができる。これにより、前方支持体 2が後方支持体 1 に対し左右に揺動動作する。

図 5は、図 1 に示される、 3本の弾性棒を具備した弾性連結体 3 0の別の動作説明図である。

最初に等長に伸ばされた 3本の弾性棒 4 a， 4 b , 4 c の状態から、図 5 に示したように、上方に位置する 2本の弾性棒 4 a , 4 b を短縮動作させ（矢印 S ) 、下方に位置する弾性棒 4 c を伸張動作させる（矢印 E ) 。これにより、弾性連結体 3 0 を水平軸線 H廻りに回転動作させる（矢印 R ) ことができる。：これにより、前方支持体 2が後方支持体 1 に対し上下に揺動動作する。

図 6 は、図 1 に示される、 3本の弾性棒を具備した弾性連結体のさらに別の動作説明図である。

3本の弾性棒 4 a , 4 b , 4 c を、図.6 に示したように、等しい長さだけ伸張動作させる（矢印 E ) 。これにより、弾性連結体 3 0 を前方に直進動作させる（矢印 F ) ことができる。これにより、前 '方支持体 2が後方支持体 1 に対し直動伸縮動作する。

次に、図 7 A及び図 7 Bを参照して、本発明に係る弾性関節装置を従来の関節装置と比較して説明する。ここで、図 7 Aは従来の関 - 節装置を示し、図 7 Bは本発明の関節装置を示す。

図 7 Aのようにュニバーサ-ルジ ^イント又はその他の枢軸回転構造を用いて前後のアーム 1 1 ， 1 2 同士.を関節部 1 4で連結して屈曲動作させると、. 関節部 1 4で、矢印 Kで示すように、アー厶 1 1 , 1 2が相互に角張って屈曲するこの''ため、異物などが関節部 1 4に引っ掛かつ関節部 1 4が故障しやすくなるおそれがある。

これに対し、本発明,の弾性関節装置は、 .図 7 Bに示すように、前方支持体 2 と後方支持体 1 間の弾性連結体 3 0 の弾性棒 4 自体が弾性を有するので、この弾性棒 4 を伸縮動作させることにより、矢印 Gで示すように、滑らかに湾曲する。したがって、異物などが屈曲部分で引っ掛かることがなくなり、故障しにくくなつて動作の信頼性が高まる。

このように本発明による実施例では、弾性連結体が、少なくとも伸縮の自由度を有する関節装置として機能するだけでなく、上下、左右、伸縮及び捻り方向の弾性力で衝撃力を緩衝し、支持体同士を滑らかに連結できる。この場合、弾性連結体を構成する弾性棒自体が弾性的に.湾曲するので、湾曲する弾性棒自体によ.り衝撃を緩衝する作用が得られる。このため、新たに衝撃緩衝のための緩衝装置を設ける必要がなく、構造を簡素化し、コストを低下させると共に、関節部又は連結部が滑らかに湾曲するので、異物が引っ掛かりにくくなり、円滑な動作が得られかつ故障しにくい関節装置を実現できる。 .

本発明は例えば口ポットの関節や、地上又は水中を移動可能な移動体の連結装置に適用することができる。

' 図 8に本発明の適用例を示す。図 8は、地上移動体の連結装置に本発明を適用した例を示している。この地上移動体は例えば地震等の災害後に瓦礫内の不整地（こ進入して被災者を探査する無人探査装置から構成することができる。

地上移動体 2 0は、後方モ.ジユール 2 1 と、前方モジュール 2 2 と、これらを連結する弾性連結体 3 0 とにより構成される。図 8に示される例では、. 後方モジュール 2 1及び前方モジュール 2 2はそれらの進行方向に沿って直列に淳結されている。また、図 Sに示される例において、.後方モジュール 2 1及び前方モジュール 2 2はそれぞれの全面を覆って,走行,駆動用のクローラ 2 6 を備えた車両から構成される。

弾性連結体 3 0は、 4本の弾性棒 2 4 a , 2 4 b , 2 4 c , 2 4 dと、各弾性棒 2 4 a， 2 4 b , 2 4 c , 2 4 dを各々別個に伸縮駆動制御する伸縮装置 2 3 a， 2 3 b , 2 3 c , 2 3 d ( 2 3 b , 2 3 dのみ図示）とにより構成される。各弾性棒 2 4 a , 2 4 b , 2 4 c , 2 4 dの前端は前方車両 2 2に直接的に固定され、各伸縮装置 2 3 a , 2 3 b , 2 3 c , 2 3 dの後端は後方車両 2 1 に直接的に固定される。なお、弾性連結体 3 0 を構成する弾性棒の本数は、 4本に限らず 3本又はそれ以外の本数であってもよい。上記構成の地上移動体 2 0によれば、前方車両 2.2が弾性連結体 3 0.を介して後方車両 2 1 に連結されるので、前後の車両 2 1 , 2 2の相互間で、前述の図 1から図 6までの場合と同様に、上下、左右、捻り及び伸縮動作が可能になる。また、これらの動作方向に対する衝撃を弾性的に緩衝し、車両同士を滑らかな動作で連結して瓦礫などの引つ掛かりをなくし、不整地を.円滑に走行できる。

図 9に地上移動体 2 0の別の実施例を示す。

図 9に示される例では、地上移動体 ' 2 0は 2つの移動モジュール 2 1， 2 2すなわち後方モジュール.2 1及び前方モジュール 2 2 と、これらを連結する弾性連結体 3 0 とにより構成される。図 9 に示される例でも.、後方モジュール 2 1.及び前方モジュール 2 2はそれ · の進行方向に沿って直列に連結されている。しかしながら、各モジュールは 2 1 , 2 2は例えば円筒形状をなし、クローラや車輪などを備えていない。 .

弾性連結体 3 2は、 3本の弾性棒 2 4 a , 2 4 b , 2 4 c と、各弾性棒 2 4 ， 2 4 b , 2 4 c を各々別個に伸縮駆動制御する伸縮装置 2 3 a， 2 3. b， 2 3 c とにより構成される。各弾性棒 2 4 a , 2 4 b , 2 4 cの前,端は前方モジュール.2 2 に固定され、各伸縮装置 2 3 a , 2 3 b , 2 3 c は後方モジュール 2 1 内に収容される図 9 に示される地上移動体 2 0でも、前方モジュール 2 2が弾性連結体 3 0 を介して後方モジュール 2 1 に連結されるので、上下、左右、捻り及び伸縮動作が可能であり、これらの動作方向に対する衝撃を弾性的に緩衝することができる。

図 1 0に示されるように、 3つ以上例えば 4つの移動モジュール 2 1 , 2 7 a , 2 7 b , 2 2を設けてこれら移動モジュールをそれらの進行方向に沿って直列に連結し、互いに隣接する移動モジユール同士を弾性連結体 3 0 によりそれぞれ連結するよ.うにすることもできる。

したがって、一般化して言うと、本発明による移動体は、複数の移動モジュールと、互いに隣接する一対の移動モジュール同士を互いに連結する少なくとも 1 つの連結体とを具備しているということになる。 .

図 9 又は図 1 0 に示される、車輪などを備えていない地上移動体 2 0 を推進するには様々な方法が考えられる。例えば、少なくとも先頭の移動モジュール 2 1及び最後尾の移動モジュール 2 2 に係合爪を設け、これら係合爪を選択的に地面等に係合させると共に、弾性連結体 3 0 を伸縮させることにより、地上移動体 2 0 を推進させることができる。すなわち、移動モジュールが .2つの場合を例にとつて説明すると、図 1 1 Aに ·示されるようにまず前方モジュール 2 2 の係合爪 2 2 pが例えば地面 G Rに係合される。次いで、図 1 1 Bに示されるように弾性連結体 3 0が収縮され；それにより後方モジュール 2 1 が前進させられる。次いで''、図 1 1 Cに示されるように前方モジュー 2 2 の係合爪 2 2 が地面 G Rから解放され、後方モジュール 2 1 の係合爪.2 1 pが地面 G. Rに係合される。次いで、図 1 I D it示されるように弾性連結体 3 0が伸長され、それにより前方モジュール 2 2が前進させられる。これらが繰り返される。あるいは、地上移動体が移動モジュールを 3つ以上備えている場合には、へビ又は尺取虫のような屈曲運動により、地上移動体 2 0 を推進させることもできる。

このようにすると、地上移動体 2 0 を推進させるための駆動装置を設ける必要がない。

図 1 2 に本発明の別の実施例を示す。

例えば図 9 に示される地上移動体 2 0 において、前方モジュール 2 2の自重が大きい場合には、前方モジュール 2 2.を後方モジユール 2 1 に対し上向きに移動させるベく一つの:弾性棒 2 4 aを伸長させると、図 1 3に示されるように弾性棒 2.4 a 自体が好ましくなく変形し、前方モジュール 2 2が上向きに移動されないおそれがあるそこで本発明による別の実施例では、 .図 1 2 に示されるように、一対の移動モジュール 2 1 , 2 2同士間の中間位置において弾性棒 2 4 a , 2 4 b , 2 4 cの動きを規制する規制部材 6 1 を設けている。図 1 2 に示される例では、規制部材 6 1 は複数例えば 2つの.板部材 6 2， 6 3から構成される。各板部材 6 2 a , 6 2 bは弾性棒 2 4 a , 2 4 b , 2 4 c をれぞれ受容する受容孔 6 4を備えておひ、弹性棒 2 4 a , 2 4 b , 2 4 cがそれぞれ対応する受容孔 6 4 内をそれぞれ貫通することに-よりこれら弾性棒 2 4 a , 2 4 b , 2 4 cの動きが規制される。

また、本発明による別の実施例では、図 1 2 に示されるように、一対の移動モジュール 2 1， 2 2同士の'間の弾性棒 2 4 a , 2 4 b , 2 4 c を全周【；亘つて覆う蛇腹状のカバ一部材 6 5が設けられており、このカバー部ネオ 6 5により板部材 6.2 , 6 3が支されている。このようにすると、弾性棒 2 4 a， 2 4 b , 2 4 cの上下、左右、捻り及び伸縮動作に応じてカバー部材 6 5が変形するので、板部材 6 2 , 6 3 を正規の位置に保持し続けることができ、したがつて弾性棒 2 4 a , 2 4 b , 2 4 cの状態にかかわらず、弾性棒 2 4 a , 2 4 b , 2 4 cの動きを規制し続けることができる。

カバー部材 6 5の一端は全周に亘つて前方モジュール 2 2に固定され、カバ一部材 6 5の他端は全周に亘つて後方モジュール 2 1 に固定される。したがって、弾性連結体 3 0がカバー部材 6 5によつて保護されると共に、弾性棒 2 4 a , 2 4 b , 2 4 c 同士間の空隙に異物等が侵入するのが阻止される。

なお、板部材 6 2 , 6 3がカバー部材 .6 5.によって支持されていることを考え'ると、弾性棒 2 4 a， 2 4 b , 2 4 cの動きがカバー部材 6 5によって規制されるという見方もできる。また、板部材 6 2， 6 3 に設けられた受容孔 6 4に 3つの弾性棒 2 4 a , 2 4 b , 2 4 cが受容されていることを考えると.、例えば弾性棒 2 4 aの動きが残りの弾性棒 2 4 b， 2 4 c によって規制されるという見方もできる。あるいは、板部材 6 2， .6 ' 3によって、弾性棒 2 4 a， 2 4 b， 2 4 c同士間の距離がほぼ」定に維持されるという見方もできる。 '

本発明によれば、少なくとも伸の自由度を有する関節装置としで機能するだけでなく、上下、左右、伸縮及び捻り方向の弾性力でもって外力を緩衝し、支持体.同士を滑らかに連結することができる関節装置を提供することができる。

Claims

1 . 弾性関節装置において、

一対の支持体と、

これら支持体同士を互いに連結する連結体であって、 1本又は複数本の弾性棒と、弾性棒を互いに独立に.駆動してその軸線方向に伸縮させる伸縮装置とを具備した連結体と、

を具備した弾性関節装置。 .

2 . 前記一対の支持体同士が剛性体によって連結されていない.請求項 1 に記載の弾性関節装置。

3 . 前記連結体は、前記弹性棒を少なくとも 3本備えている請求- 項 1 に記載の弾性関節装置。

4 . 前記一対の支持体同土間の中間位置において前記弾性棒の動きを規制する規制部材を更に具備した請求項 1 に記載の弾性関節装置。 . '

5 . 前記.規制部材が、弾性棒を受容する受容孔を有する板部材を具備した請求項 4 に記載の弾性関節装置。

6 . 一対の支持体同士の.間の弾性棒を全周に亘つて覆うカバー部材を更に具備し、該カバ一部材により前記規制部材を支持するようにした請求項 4に記載の弾性関節装置。

7 . 前記弾性棒の断面形状がほぼ円である請求項 1 に記載の弾性関節装置。

8 . 前記伸縮装置が一方の支持体に直接的に固定されている請求項 1 に記載の弾性関節装置。

9 . 前記伸縮装置が一方の支持体に弾性部材を介して固定されている請求項 1 に記載の弾性関節装置。

1 0 . 移動体において、複数の移動モジュールと、

互いに隣接する一対の移動モジュール同士を互いに連結する少な

< と 1 つの'連結体であつて、各連結体が、 1 つ又は複数の弾性棒と、弾性棒を互いに独立に駆動してその軸線方向に伸縮させる伸縮装置とを具備した連結体と、

を具備した移動体。

1 1 . 前記複数の移動モンュールがそれらの進行方向に沿つて直列に連結されている請求項 1 0 に記載の移動体。