JP2004283940A - 協調駆動機構およびそれを用いたロボット用関節機構 - Google Patents

Abstract

【課題】二つの駆動手段を何れも小型化し得るとともに、それらの駆動手段の配置の制約を小さくし得るようにすることにある。
【解決手段】互いに共通の第１の回動軸線Ｃ１周りに回動可能に配置された内側駆動軸１および外側駆動軸２と、内側駆動軸１の一端部を回動駆動するサーボモータ３と、内側駆動軸１の前記一端部と同じ側に位置する外側駆動軸２の一端部を回動駆動するサーボモータ４と、内側駆動軸１の他端部に結合された傘歯車５と、外側駆動軸２の他端部に結合された傘歯車６と、内側駆動軸１および外側駆動軸と共通の第１の回動軸線Ｃ１周りに回動可能に支持されたフレーム７と、第１の回動軸線Ｃ１に直交する第２の回動軸線Ｃ２周りに回動可能にフレーム７に支持された支持軸８と、支持軸８に結合されるとともに傘歯車５，６と噛合した差動傘歯車９と、を具えてなるものである。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、二つの駆動手段が協調して二自由度の回動をもたらす協調駆動機構およびそれを用いたロボット用関節機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の工業用ロボットや歩行ロボット等のロボットの関節機構は一般に、二つの駆動機構を直列に結合して腕や脚等の可動部の前後方向および左右方向の二自由度の回動をもたらしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらかかる従来の関節機構では、二つの駆動機構のうちの、基部や胴体に支持された駆動機構が、腕や脚等の可動部のみならず、その可動部を支持して回動させる駆動機構をも支持して回動させることになるため、基部や胴体側の駆動機構の負荷が大きくなり、その駆動機構を大型化する必要があるという問題があった。
【０００４】
また、可動部を支持して回動させる駆動機構を基部や胴体に設けるのは困難であったため、その駆動機構の配置の制約が大きいという問題もあった。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
この発明は、差動機構を応用することで上記課題を有利に解決した協調駆動機構およびそれを用いたロボット用関節機構を提供することを目的とするものであり、この発明の協調駆動機構は、互いに共通の第１の回動軸線周りに回動可能に配置された内側駆動軸および外側駆動軸と、前記内側駆動軸の一端部を回動駆動する第１の駆動手段と、前記内側駆動軸の前記一端部と同じ側に位置する、前記外側駆動軸の一端部を回動駆動する第２の駆動手段と、前記内側駆動軸の他端部に結合された第１の駆動輪と、前記外側駆動軸の他端部に結合された第２の駆動輪と、前記内側駆動軸および前記外側駆動軸と共通の前記第１の回動軸線周りに回動可能に支持されたフレームと、前記第１の回動軸線に直交する第２の回動軸線周りに回動可能に前記フレームに支持された支持軸と、前記支持軸に結合されるとともに前記第１の駆動輪および前記第２の駆動輪と駆動結合した差動輪と、を具えてなるものである。
【０００６】
かかる協調駆動機構にあっては、第１の駆動手段が内側駆動軸の一端部を回動駆動すると同時に第２の駆動手段が外側駆動軸の一端部を内側駆動軸と同一方向へ同一速度で回動駆動すると、内側駆動軸の他端部に結合された第１の駆動輪と外側駆動軸の他端部に結合された第２の駆動輪とが互いに同一方向へ同一速度で第１の回動軸線周りに回動して、それらの駆動輪に駆動結合した差動輪を第２の回動軸線周りには回動させずに第１の回動軸線周りに回動させ、また第１の駆動手段が内側駆動軸の一端部を回動駆動すると同時に第２の駆動手段が外側駆動軸の一端部を内側駆動軸と逆方向へ同一速度で回動駆動すると、内側駆動軸の他端部に結合された第１の駆動輪と外側駆動軸の他端部に結合された第２の駆動輪とが互いに逆方向へ同一速度で第１の回動軸線周りに回動して、それらに駆動結合した差動輪を第１の回動軸線周りには回動させずに第２の回動軸線周りに回動させる。そして第１の駆動手段と第２の駆動手段とで駆動される内側駆動軸と外側駆動軸とを互いに同一方向または逆方向に回動させつつそれら内側駆動軸と外側駆動軸との回動速度を互いに異ならせれば、差動輪ひいてはそこに結合した支持軸を第１の回動軸線周りに回動させると同時に第２の回動軸線周りに回動させることができる。
【０００７】
従って、この発明の協調駆動機構によれば、支持軸を互いに直交する第１の回動軸線および第２の回動軸線周りに二自由度で回動させることができ、しかも第１の駆動手段と第２の駆動手段とが内側駆動軸および外側駆動軸の互いに同じ側に位置する端部を回動駆動するので、それらの駆動手段を何れも例えばロボットの基部や胴体で支持し得て、一方の駆動機構の負荷が他方の駆動機構より過大になるのを回避することができ、これにより、二つの駆動機構を何れも小型化し得るとともに、駆動機構の配置の制約を小さくすることができる。
【０００８】
なお、この発明の協調駆動機構においては、前記第１の駆動輪および前記第２の駆動輪と前記差動輪とは、互いに摩擦結合する摩擦車でも良いが、互いに噛合する歯車であるとより好ましい。第１の駆動輪および第２の駆動輪と差動輪とが互いに噛合していれば、伝動効率を高め得るとともに支持軸の回動位置精度を高め得るからである。
【０００９】
また、この発明の協調駆動機構においては、前記第２の駆動手段は、中空モータのように内部を内側駆動軸が貫通するものや、傘歯車式伝動機構を介して外側駆動軸を駆動するものでも良いが、タイミングベルト等を用いたベルト式伝動機構を介して前記外側駆動軸を駆動するものであるとより好ましい。外側駆動軸からそれと交差する方向へ離間させて第２の駆動手段を配置し得るので、第２の駆動手段が簡易な構造のもので済むとともにその駆動手段の配置の自由度を高めることができるからである。
【００１０】
さらに、この発明の協調駆動機構においては、前記第１の駆動手段は、内側駆動軸の回動軸線と同一軸線上に位置する通常のモータや、傘歯車式伝動機構を介して内側駆動軸を駆動するものでも良いが、タイミングベルト等を用いたベルト式伝動機構を介して前記内側駆動軸を駆動するものであるとより好ましい。内側駆動軸からそれと交差する方向へ離間させて第１の駆動手段を配置し得るので、第１の駆動手段の配置の自由度を高めることができるからである。
【００１１】
この一方、この発明のロボット用関節機構は、前記の何れかの協調駆動機構を用い、前記支持軸によりロボットの可動部材を支持して回動させることを特徴とするものである。
【００１２】
かかるロボット用関節機構によれば、腕や脚等の可動部材を支持する支持軸を互いに直交する第１の回動軸線および第２の回動軸線周りに二自由度で回動させることができ、しかも第１の駆動手段と第２の駆動手段とが内側駆動軸および外側駆動軸の互いに同じ側に位置する端部を回動駆動するので、それらの駆動手段を何れもロボットの基部や胴体等で支持し得て、一方の駆動機構の負荷が他方の駆動機構より過大になるのを回避することができ、これにより、二つの駆動機構を何れも小型化し得るとともに、駆動機構の配置の制約を小さくし得て、ロボットの設計自由度を高めることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、この発明の協調駆動機構の一実施例を示す一部切欠き斜視図、図２は、その実施例の協調駆動機構を用いた、この発明のロボット用関節機構の一実施例を示す斜視図、図３および図４は上記実施例の協調駆動機構を図１と異なるとともに互いに異なる作動状態で示す説明図であり、図中符号Ｍは、上記実施例の協調駆動機構を示す。
【００１４】
この実施例の協調駆動機構Ｍは、図示しない二本の脚を持つ、図２に示す歩行ロボットＲの肩Ｓと肘Ｅと手首Ｗとにそれぞれ設けられており、各協調駆動機構Ｍは互いに同一の構成とされているので、ここでは肩Ｓに設けられた協調駆動機構Ｍを例として説明する。
【００１５】
肩Ｓに設けられたこの実施例の協調駆動機構Ｍは、歩行ロボットＲの胴体Ｂと腕Ａとの間に位置して可動部としての腕Ａを支持するとともにその腕Ａを前後方向および左右方向の二自由度で回動させるもので、図１に示すように、互いに共通の第１の回動軸線Ｃ１周りに回動可能に配置された中実の内側駆動軸１および中空の外側駆動軸２（一部切り欠いて示す）と、内側駆動軸１の一端部（図１では右端部）を回動駆動する、第１の駆動手段としてのサーボモータ３と、内側駆動軸１のその一端部と同じ側に位置する、外側駆動軸２の一端部（図１では右端部）を回動駆動する、第２の駆動手段としてのサーボモータ４と、内側駆動軸１の他端部（図１では左端部）に結合された、第１の駆動輪としての傘歯車５と、外側駆動軸２の他端部（図１では左端部）に結合された第２の駆動輪としての傘歯車６（一部切り欠いて示す）と、内側駆動軸１および外側駆動軸２と共通の第１の回動軸線Ｃ１周りに回動可能に支持された箱状のフレーム７（一部切り欠いて示す）と、第１の回動軸線Ｃ１に直交する第２の回動軸線Ｃ２周りに回動可能にフレーム７に支持された二本の支持軸８と、それら二本のうちの一方の支持軸８に結合されるとともに二個の傘歯車５、６と同時に噛合した差動傘歯車９と、を具えてなる。
【００１６】
なお、この実施例では、内側駆動軸１は外側駆動軸２内に嵌め合わされて外側駆動軸２で回動可能に支持されるとともに上記一端部付近をベアリングを介して基部１０に回動可能に支持され、外側駆動軸２は両端部付近をベアリングを介して基部１０とフレーム７とに回動可能に支持され、フレーム７はその一端部に突設された中空軸に設けられたベアリングを介して基部１０に回動可能に支持されており、基部１０は歩行ロボッットＲの胴体Ｂに固設され、また二本の支持軸８にはコ字状のブラケット１１が結合され、そのブラケット１１が、歩行ロボッットＲの腕Ａに結合されてそれを支持している。
【００１７】
さらに、この実施例では、サーボモータ３は、タイミングベルトおよびプーリを用いたベルト式伝動機構１２を介して内側駆動軸１を高精度に駆動し、もう一つのサーボモータ４も、タイミングベルトおよびプーリを用いたベルト式伝動機構１３を介して外側駆動軸２を高精度に駆動する構成とされている。
【００１８】
かかる実施例の協調駆動機構にあっては、サーボモータ３が内側駆動軸１の一端部を回動駆動すると同時にサーボモータ４が外側駆動軸２の一端部を内側駆動軸１と逆方向へ同一速度で回動駆動すると、内側駆動軸１の他端部に結合された傘歯車５と外側駆動軸２の他端部に結合された傘歯車６とが互いに逆方向へ同一速度で第１の回動軸線Ｃ１周りに回動して、図３に示すように、それらの傘歯車５，６に同時に噛合した差動傘歯車９およびそこに結合した支持軸８を第１の回動軸線Ｃ１周りには回動させずに第２の回動軸線Ｃ２周りに回動させて、支持軸８に結合したブラケット１１を図３中矢印Ｓ１で示すように第２の回動軸線Ｃ２周りに回動させる。
【００１９】
また、サーボモータ３が内側駆動軸１の一端部を回動駆動すると同時にサーボモータ４が外側駆動軸２の一端部を内側駆動軸１と同一方向へ同一速度で回動駆動すると、内側駆動軸１の他端部に結合された傘歯車５と外側駆動軸２の他端部に結合された傘歯車６とが互いに同一方向へ同一速度で第１の回動軸線Ｃ１周りに回動して、それらの傘歯車５，６に同時に噛合した差動傘歯車９およびそこに結合した支持軸８を第２の回動軸線Ｃ２周りには回動させずに第１の回動軸線Ｃ１周りに回動させて、支持軸８に結合したブラケット１１を第２の回動軸線Ｃ２周りに回動させる。
【００２０】
そしてサーボモータ３とサーボモータ４とで、内側駆動軸１と外側駆動軸２とを互いに同一方向または逆方向に回動させつつそれら内側駆動軸１と外側駆動軸２との回動速度を互いに異ならせれば、差動傘歯車輪９ひいてはそこに結合した支持軸８を、図４に示すように、第１の回動軸線Ｃ１周りに回動させると同時に第２の回動軸線Ｃ２周りに回動させて、支持軸８に結合したブラケット１１を図４中矢印Ｓ２で示すように第１の回動軸線Ｃ１周りに回動させると同時に第２の回動軸線Ｃ２周りに回動させることができる。
【００２１】
従って、上記実施例の協調駆動機構によれば、支持軸８を互いに直交する第１の回動軸線Ｃ１および第２の回動軸線Ｃ２周りに二自由度で回動させることができ、しかもサーボモータ３とサーボモータ４とが、内側駆動軸１および外側駆動軸２の互いに同じ側に位置する端部を回動駆動するので、それらのサーボモータ３，４を何れも歩行ロボットＲの胴体Ｂで支持し得て、サーボモータ３とサーボモータ４との一方の負荷が他方より過大になるのを回避することができ、これにより、サーボモータ３とサーボモータ４とを何れも小型化し得るとともに、サーボモータ３，４の配置の制約を小さくすることができる。
【００２２】
しかも、上記実施例の協調駆動機構によれば、第１の駆動輪および第２の駆動輪と差動輪とが、互いに噛合する傘歯車５，６，９であるので、伝動効率を高め得るとともに支持軸８の回動位置精度を高めることができる。
【００２３】
また、上記実施例の協調駆動機構によれば、前記第２の駆動手段としてのサーボモータ４が、タイミングベルトを用いたベルト式伝動機構１３を介して外側駆動軸２を駆動するため、外側駆動軸２からそれと交差する方向へ離間させてサーボモータ４を配置し得るので、サーボモータ４が簡易な構造のもので済むとともにそのサーボモータ４の配置の自由度を高めることができる。
【００２４】
さらに、上記実施例の協調駆動機構によれば、前記第１の駆動手段としてのサーボモータ３も、タイミングベルトを用いたベルト式伝動機構１２を介して内側駆動軸１を駆動するため、内側駆動軸１からそれと交差する方向へ離間させてサーボモータ３を配置し得るので、サーボモータ３の配置の自由度を高めることができる。
【００２５】
そして、上記実施例のロボット用関節機構Ｍによれば、腕Ａを支持する支持軸８を互いに直交する第１の回動軸線Ｃ１および第２の回動軸線Ｃ２周りに二自由度で回動させることができ、しかもサーボモータ３とサーボモータ４とが内側駆動軸１および外側駆動軸２の互いに同じ側に位置する端部を回動駆動するので、それらサーボモータ３，４を何れも歩行ロボットＲの胴体Ｂで支持し得て、サーボモータ３とサーボモータ４との一方の負荷が他方より過大になるのを回避することができ、これにより、サーボモータ３とサーボモータ４とを何れも小型化し得るとともに、サーボモータ３，４の配置の制約を小さくし得て、歩行ロボットＲの設計自由度を高めることができる。また、肘Ｅと手首Ｗとにそれぞれ設けられた上記実施例のロボット用関節機構Ｍも、同様の作用効果をもたらすことができる。
【００２６】
以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、例えば、この発明の協調駆動機構では、第１，第２の駆動輪および差動輪を互いに摩擦結合する摩擦車としても良く、また第１，第２の駆動手段の一方または両方を、第１の回動軸線Ｃ１上に配置したり、傘歯車式伝動機構を介して対応駆動軸を駆動するものとしても良い。そしてこの発明の協調駆動機構は、工作機械等、ロボット以外のものに用いても良い。
【００２７】
また、この発明のロボット用関節機構は、歩行ロボットの脚の付け根や膝や足首に設けられて脚や足等を回動（揺動）させるものでも良く、工業用ロボットに設けられても腕や手等を回動（揺動）させるものでも良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の協調駆動機構の一実施例の構成を示す一部切欠き斜視図である。
【図２】上記実施例の協調駆動機構を用いた、この発明のロボット用関節機構の一実施例を示す斜視図である。
【図３】上記実施例の協調駆動機構を図１と異なる作動状態で示す説明図である。
【図４】上記実施例の協調駆動機構を図１および図３と異なる作動状態で示す説明図である。
【符号の説明】
１ 内側駆動軸
２ 外側駆動軸
３，４ サーボモータ
５，６ 傘歯車
７ フレーム
８ 支持軸
９ 差動傘歯車
１０ 基部
１１ ブラケット
１２，１３ ベルト式伝動機構
Ａ 腕
Ｂ 胴体
Ｃ１ 第１の回動軸線
Ｃ２ 第２の回動軸線
Ｅ 肘
Ｍ 協調駆動機構
Ｒ 歩行ロボット
Ｓ 肩
Ｗ 手首

Claims (5)

1. 互いに共通の第１の回動軸線（Ｃ１）周りに回動可能に配置された内側駆動軸（１）および外側駆動軸（２）と、
   前記内側駆動軸の一端部を回動駆動する第１の駆動手段（３）と、
   前記内側駆動軸の前記一端部と同じ側に位置する、前記外側駆動軸の一端部を回動駆動する第２の駆動手段（４）と、
   前記内側駆動軸の他端部に結合された第１の駆動輪（５）と、
   前記外側駆動軸の他端部に結合された第２の駆動輪（６）と、
   前記内側駆動軸および前記外側駆動軸と共通の前記第１の回動軸線（ｃ１）周りに回動可能に支持されたフレーム（７）と、
   前記第１の回動軸線（Ｃ１）に直交する第２の回動軸線（Ｃ２）周りに回動可能に前記フレームに支持された支持軸（８）と、
   前記支持軸に結合されるとともに前記第１の駆動輪および前記第２の駆動輪と駆動結合した差動輪（９）と、
   を具えてなる、協調駆動機構。
2. 前記第１の駆動輪および前記第２の駆動輪と前記差動輪とは、互いに噛合する歯車であることを特徴とする、請求項１記載の協調駆動機構。
3. 前記第２の駆動手段は、ベルト式伝動機構（１３）を介して前記外側駆動軸を駆動するものであることを特徴とする、請求項１または２記載の協調駆動機構。
4. 前記第１の駆動手段は、ベルト式伝動機構（１２）を介して前記内側駆動軸を駆動するものであることを特徴とする、請求項１から３までの何れか記載の協調駆動機構。
5. 請求項１から４までの何れか記載の協調駆動機構を用い、
   前記支持軸によりロボットの可動部（Ａ）を支持して回動させることを特徴とする、ロボット用関節機構。

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