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从上述介绍的机器人事例中可以发现，不同用途的机器人所需要的技术也各不相同。开发特定用途的机器人，并对其进行详细分析从而开发所需的关键技术——如果不是一定规模的企业，就很难做到这一点。 不过，即便不整体开发机器人，通过提供构成机器人的部件和关键技术，也有可能与机器人建立关系。面向机器人开发的技术还能用于其他领域。本篇将针对致动器的数量削减和小型化以及减轻使用者的负担和不适感这两个课题，介绍有关解决技术。 致动器的数量削减和小型化 “使用电磁的致动器已经迎来了极限”（安川电机技术开发本部开发研究所机器人技术开发部技术担当部长RT控制技术组长安田贤一）。正如本篇中介绍的那样，致动器不仅要小，还必须满足机器人所需的输出功率。 尤其是抓握物品或者进行微细作业的机械手部分，在实现复杂动作的所有关节中嵌入马达比较困难。因此，本田的新款ASIMO采用油压致动器来驱动手指。原来采用马达时存在尺寸较大的课题。 下面将介绍用更少的致动器实现复杂动作的技术，以及缩小致动器尺寸的技术。 将一个动作拆分传递 DOUBLE技研（总部：神奈川县座间市）开发的“D-Hand”是利用一个致动器驱动的多指型机械手，具有无论柔软、坚硬还是非对称形状的物体均能 灵活抓住的特点（图1）。由于使用一个致动器，因此不但能缩小机械手的尺寸，还可降低成本。“开发时参考了人手的手掌动作。由于采用的是向中间抓握的动 作，扩大了接触面积，提高了稳定性”（该公司代表董事和田博）。
D-Hand是拥有三根手指的机械手，各手指的关节数为三个。采用一个致动器作为驱动源，各手指根据工件形状灵活移动。 例如，工件高度与手指长度相同时采用夹着的方式，工件较薄时用指尖从下面托住工件移动。另外，如果工件的位置偏离机械手的中心，手指碰到工件的时机不对，也只有接触到工件的手指会停下来，其余手指仍继续动作。 DOUBLE技研原来一直从事汽车生产线的焊接设备开发等。随着汽车厂商不断减少设备投资，作为能够应用自公司技术的新业务，该公司将目光放到了机器人领域。因此开发出了D-Hand。本来是“瞄准假手启动研究的”（和田博）。 利用两种连杆机构 D-Hand的动作是由以下两种连杆机构实现的，即嵌入每个手指机构的“复合四节连杆机构”以及向这些手指机构传递致动器的力的“协调连杆机构”（图2）。前者用来实现手指的抓握动作，后者用来协调各手指停止时间的差异。
复合四节连杆机构采用将四节连杆分成两组的构造。第一连杆机构相当于手指指根的第三关节至中间的第二关节的部分，第二连杆机构相当于第二关节至指尖第一关节的部分。通过共享第二关节部分的一根连杆A，使动作联动。 在手指从伸直状态开始弯曲的最初阶段，第一连杆机构和第二连杆机构的连杆内角度均不会改变，而是一体动作。也就是说，手指是从指根（第三关节部分）开始弯曲的。 不过，安装在第一连杆机构上的柔软部件1一接触工件，第一连杆机构的一根连杆（连杆B）便停止动作，因此手指无法再进一步从指根弯曲。然后，用致动器 驱动第一连杆机构，同时经由连杆A驱动第二连杆机构。这就是第二关节的动作。第二连杆机构的连杆C上安装了作为指尖的柔软部件2，第二连杆机构的动作还与 第一关节的动作关联。 而协调连杆机构用于将致动器的动作传递到各手指机构。内置球面轴承的垫板就是协调连杆机构。垫板中央部分的轴承与致动器连接，垫板周围的轴承与各手指机构连接。 致动器的动作会上下移动垫板，通常只用与此相同的量上下移动连接手指机构的传动轴。如果某个手指机构碰到工件后不再移动，连接该手指机构的垫板轴承部也会停止上下移动。不过，垫板可以倾斜，因此致动器的动作可以像杠杆那样传递到其他手指机构上。 DOUBLE技研于2011年底上市D-Hand。“相比于机器人的终端用户，来自装置厂商的咨询更多一些”（和田）。除了考虑用于农作物收获外，还极有可能得到工业机器人的采用。 三轴驱动球体 D-Hand通过在机构方面下工夫有效利用了致动器的动作，实现了小型化。而图3的球面超声波马达通过改进致动器实现了小型化。通过使圆环状振荡器接触球体表面，实现了3个自由度的动作，这是由东京农工大学研究生院工学研究室教授远山茂树等的研发小组开发的。
球面超声波马达本来是“为驱动关节部分而开发的”（和田）。但后来感觉产生的扭矩较小，难以应用。因此重点放在了对扭矩要求没有关节那么严格的摄像头等视觉器件的驱动。 在机器人中，希望自由控制视觉器件方向的需求较高。为了能大范围观察周围的情况，需要配备方向各异的多个视觉器件，或者以3个自由度驱动一个视觉器件。无论采用哪种方式，都需要多个部件，因此出现了设置空间的课题。 利用球面超声波马达便可解决这个课题。另外，“在动作速度和寿命方面也有优势”（和田）。 球面超声波马达包括固定振荡器侧旋转球体的内转子型和固定球体旋转振荡器侧的外转子型。 例如，日本QI公司（总部：横滨市）开发出了配备外转子型球面超声波马达的管道检查机器人〔图4（a）〕。配备摄像头和照明灯的头部与振荡器合为一体＊1。由于无需弯曲机器人的顶端，因此能够对机器人可进入的内径为52mm的管道进行彻底检查。
＊1 管道检查机器人可针对行进方向在上下左右135°的范围内自由转动摄像头。 用于内窥镜 关于球面超声波马达的用途，机器人以外的领域也在推进研究。其中之一就是医疗内窥镜〔图4（b）〕。以前需要更换观察方向不同的内窥镜。如果利用球面超声波马达能控制视野，则无需更换内窥镜，可大幅提高手术的安全性。 内窥镜在根部分安装了球面超声波马达，用电线连接该球体和顶端的摄像头模块。由此可同步球体与摄像头模块的动作。内窥镜顶端可以进一步小型化，驱动马 达的电路部分无需进入体内即可。另外，通过在马达的球体上安装操作杆，移动该操作杆，可以改变摄像头的方向。因为“医生还要求手动移动摄像头的方向” 〔SERENDIPITY（总部：东京）代表董事英真一〕。 减轻用户的负担和不适感 日本精工的导盲犬机器人：减轻用户负担 一文中介绍的日本精工导盲犬机器人，由于使用者会一直依靠机器人，因此采用了基本不会给使用者造成负担的把手，以及无需突然减速和改变方向的避障算法等关键技术。丰田的移动辅助机器人：精心设计动作和部件，帮助病人入厕中介绍的丰田移动辅助机器人也采用了即使病人身体紧贴机器人也不会感到痛苦的构造。 如上所述，在医疗和护理现场使用的机器人，很多都是在使用者与机器人直接接触的情况下使用。所以，重点是如何减轻使用者的负担和不适感，为此需要开发相应的关键技术。 无法掌握正确的走法 为了跟随佩戴者的膝关节动作，最好能用马达实现膝盖的弯曲及伸展动作。为此，Suncall Engineering（总部：山梨县南阿尔卑斯市）开发出了模拟人类膝盖动作的机构。该公司与山梨大学、大日本印刷、甲府市立甲府医院以及 NEOSYSTEM（总部：甲府市）共同开发出了穿戴式步行康复支援系统“KAI-R”，Suncall Engineering本来是制造板簧及凸轮等自动机械用机械部件的企业（图5）。
KAI-R是帮助做过人工膝关节置换手术的患者进行步行康复训练的穿戴式系统。沿着脚的侧面佩戴，利用内置的马达帮助膝盖弯曲和伸展。系统中嵌入了膝关节机构，利用马达来驱动。马达的驱动力经由缠绕在佩戴者膝盖上下方的缠绕带传递。 这种系统的关节机构以前一直采用固定旋转轴位置的机构。不过，人的膝关节在弯曲膝盖时，小腿侧会相对于大腿侧向膝盖里侧弯曲〔回弯（Rollback），图6（a）〕。因此，虚拟旋转中心并不固定。
所以，在原来的相同系统中存在佩戴者会感觉不舒服，或者大幅弯曲膝盖时对缠绕带等部分造成负荷从而导致该部分错位等问题。结果，出现了即使进行康复训练也迟迟无法掌握正确走法的课题。 要想掌握自然的走法，就需要实现能像人的膝盖一样回弯，而且不会给佩戴者带来不适感和负担的关节机构。 利用非圆形齿轮和沟槽凸轮 Suncall Engineering为模拟回弯开发出了组合使用非圆形齿轮和沟槽凸轮的关节机构〔图6（b）〕。这是一个利用大腿侧支架和小腿侧支架构成的机构，特点 是，大腿侧支架上安装了驱动齿轮和两个轴（滚子从动件），小腿侧支架上安装了非圆形齿轮和两个沟槽凸轮。原理是：旋转驱动齿轮弯曲膝盖时，利用非圆形齿轮 和两个沟槽凸轮使小腿侧支架相对于大腿侧支架向膝盖关节里侧弯曲，由此来模拟回弯。应用了Suncall Engineering的弹簧制造装置用凸轮的设计技术。 另外，手术中使用的人工膝关节模仿了人的膝关节骨的形态。因此，虽然可以回弯，但前提是要有肌肉和肌腱存在。虽然也可以考虑将其用于步行康复支援系统 的膝关节机构，不过需要有能代替肌肉的致动器和代替肌腱的部件。而且，人工膝关节有一定的厚度，因此不适合此次这样的佩戴在脚侧面的系统。 技术方面计划2013～2014年实现实用化。存在的课题是小型轻量化以及探讨是否需要因人而异。“每个人的骨头大小、形状，以及肌肉和肌腱的附着方 式各不相同。这会影响膝关节机构的大小和回弯轨迹。必须进行调查以确认是准备S、M、L三种尺寸即可，还是根据个人定制”（Suncall Engineering管理集团业务管理课经理助理高桥玲）。如果需要定制，存在的课题是，如何才能尽快将每个人的关节动作分析结果用于非圆形齿轮和沟槽 凸轮的形状。（全文完，记者：富冈恒宪，中山 力，《日经制造》） |
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