JP2004351590A - ロボットの関節構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】第１アーム体の外周形状を小さくことが可能で、ケーブルを収容するための空間を十分に確保することができるロボットの関節構造を提供する。
【解決手段】各伝達体４０，４１，４２を用いることによって回転駆動源２５で発生した回転力の方向を変えて伝達することができ、回転駆動源２５を第１アーム体２１の軸線Ｌ１に沿って配置することができる。これによって第１アーム体２１の外周形状を可及的に小さくすることができる。また中間伝達体４２が開口近傍空間３２から退避して配置されることによって、ケーブル２３が第１アーム体内に収容されるための十分な空間を確保することができる。また各アーム体２１，２２の変形にともなってケーブル２３が開口近傍空間３２内で変形したとしても、ケーブル２３と中間伝達体４２とが接触することを防ぐことができる。
【選択図】 図１
【解決手段】各伝達体４０，４１，４２を用いることによって回転駆動源２５で発生した回転力の方向を変えて伝達することができ、回転駆動源２５を第１アーム体２１の軸線Ｌ１に沿って配置することができる。これによって第１アーム体２１の外周形状を可及的に小さくすることができる。また中間伝達体４２が開口近傍空間３２から退避して配置されることによって、ケーブル２３が第１アーム体内に収容されるための十分な空間を確保することができる。また各アーム体２１，２２の変形にともなってケーブル２３が開口近傍空間３２内で変形したとしても、ケーブル２３と中間伝達体４２とが接触することを防ぐことができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一方のアーム体を他方のアーム体に対して、円錐回転可能に連結するロボットの関節構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６〜図８は、従来技術のロボットの関節構造１６〜１８を示す断面図である。従来技術のロボットは、第１アーム体１に保持されるモータ７によって、第２アーム体２を第１アーム体１に対して傾斜軸線Ｌ３まわりに円錐回転させる。傾斜軸線Ｌ３は、第１および第２のアーム体の軸線Ｌ１，Ｌ２に対して予め定める角度で傾斜する。
【０００３】
ロボットは、第１アーム体１と第２アーム体２とを連結する連通体８を有する。連通体８は、第２アーム体２に固定されるとともに、第１アーム体１に対して傾斜軸線Ｌ３まわりに回転可能に設けられる。また連通体８は、傾斜軸線Ｌ３に沿って延びる連通孔５が形成される。連通孔５は、第１アーム体の内部空間３と第２アーム体の内部空間４とを連通する。ロボットは、第１アーム体の内部空間３から連通孔５を挿通して、第２のアーム体の内部空間４に延びるケーブル６が配設される（たとえば特許文献１および特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５６−１６３６２４号公報
【特許文献２】
特開平１０−２２５８８１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図６および図７に示す従来技術のロボットの関節構造１６，１７は、平歯車対１１，１２によってモータ７からの回転力を連通体８に伝達する。モータ７は、傾斜軸線Ｌ３に平行に延びる。すなわちモータ７は、第１アーム体の軸線Ｌ１に沿う軸線方向Ａに連通体８から遠ざかるにつれて、第１アーム体１の軸線Ｌ１に対して、第１アーム体１の軸線方向Ａに交差する方向に離反する。
【０００６】
したがって図６に示す従来技術のように、第１アーム体１と第２アーム体２とを同じ外周形状にすると、モータ７が第１アーム体１の外方に突出する場合がある。また図７に示す従来技術のように、第１アーム体１にモータ７を内蔵すると、第１アーム体１の外周形状が、第２アーム体２の外周形状よりも大型化する場合がある。
【０００７】
図８に示す従来技術は、傘歯車対１３，１４によってモータ７からの回転力を連通体８の出力部１０に伝達する。傘歯車対１３，１４のうち、一方の傘歯車１３は、モータ７に設けられる外歯傘歯車であり、他方の傘歯車１４は、連通体８の内周部に設けられる内歯傘歯車１４である。これによって連通孔５を外歯傘歯車１３が塞いでしまい、ケーブル６を収容するための空間を十分に確保することができないという問題がある。
【０００８】
したがって本発明の目的は、アーム体の外周形状を小さくすることが可能で、ケーブルなどの挿通体を収容するための空間を十分に確保することができるロボットの関節構造を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、筒状の第１アーム体と、
筒状の第２アーム体と、
第１アーム体の軸線に沿って延び、第１アーム体内に保持される回転駆動源と、
第１アーム体の内部空間と第２アーム体の内部空間とを連通する第１連通孔が形成され、第２アーム体に固定されて各アーム体の軸線に対して傾斜する傾斜軸線まわりに第１アーム体に対して回転可能に設けられる連通体と、
回転駆動源に設けられる第１伝達体と、
連通体に設けられ、第１連通孔と第１アーム体の内部空間とを連通する第２連通孔が形成される第２伝達体と、
第２連通孔の開口を形成する第２伝達体の開口部が臨む開口近傍空間から、傾斜軸線に交差する交差方向に退避して配置され、第１伝達体の回転力を第２伝達体に伝達する中間伝達体とを含むことを特徴とするロボットの関節構造である。
【００１０】
本発明に従えば、各伝達体を用いることによって回転力を伝達する方向を変換可能であり、本発明では、回転駆動源は第１アーム体の軸線に沿って配置される。したがって回転駆動源が傾斜軸線と平行に配置される場合に比べて、第１アーム体の軸線に垂直な仮想平面における回転駆動源の占有領域を小さくすることができる。これによって回転駆動源を内蔵する第１アーム体の外周形状を可及的に小さくすることができる。
【００１１】
また各アーム体をケーブルなどの挿通物が挿通する場合、挿通物は、連通孔から開口近傍空間に延びるとともに、開口近傍空間から中間伝達体と反対側の開放空間へ延びる。中間伝達体は開口近傍空間から退避して配置されるので、中間伝達体が連通孔および開口近傍空間を塞ぐことがなく、挿通物が第１アーム体内に収容されるための十分な空間を確保することができる。
【００１２】
さらに中間伝達体を用いることで、連通体に伝達できる回転力の自由度を広げることができる。これによって既存の連通体および回転駆動源を用いることができ、アーム体を回転させるために必要なトルクおよび回転速度を大きく変更する必要がない。
【００１３】
また本発明は、中間伝達体は、第１伝達体の回転力を減速して第２伝達体に伝達することを特徴とする。
【００１４】
本発明に従えば、中間伝達体を介することによって、連通体には、回転駆動源によって発生されるトルクよりも大きいトルクが伝達される。たとえば第２アーム体に伝達すべきトルクが設定されている場合には、回転駆動源の発生するトルクを小さくても、設定されるトルクを第２アーム体に与えることができる。このように回転駆動源の発生するトルクを小さくすることができるので、回転駆動源を小型化することができ、ひいては第１アーム体の外周形状を小型化することができる。
【００１５】
また本発明は、第１伝達体は、回転駆動源に固定される第１歯車を有し、
第２伝達体は、連通体に固定される第２歯車を有し、
中間伝達体は、第１歯車に噛合する第１中間歯車と、第２歯車に噛合する第２中間歯車と、第１中間歯車と第２中間歯車とを同軸に連結する歯車軸とを有することを特徴とする。
【００１６】
本発明に従えば、歯車を介して回転力が伝達されることによって、大きなトルクの回転力を伝達することができる。またベルト伝達などに比べて、回転力伝達系の剛性を高めることができ、伝達すべきトルクが大きい場合でも、精度よくアーム体を回転させることができる。また第１中間歯車と第１歯車との歯数比、第２中間歯車と第２歯車との歯数比を調整することによって、回転駆動源の発生した回転力のトルクおよび回転速度を、容易に変換して、変換した回転力を連通体に伝達することができる。
【００１７】
また本発明は、第１歯車の軸線と第１中間歯車の軸線とが成す第１軸角が９０度以下に選ばれ、第２歯車の軸線と第２中間歯車の軸線とが成す第２軸角が９０度以上に選ばれ、
第１および第２歯車ならびに第１および第２中間歯車は、それぞれ外歯傘歯車から成り、第１中間歯車は、傾斜軸線に対して第２中間歯車よりも前記交差方向に離反し、かつ傾斜軸線に関して第２中間歯車と交差方向に同一側に配置されることを特徴とする。
【００１８】
本発明に従えば、歯車軸は、連通体から交差方向に遠ざかるにつれて、連通体から傾斜軸線方向に遠ざかる方向に傾斜する。また第１中間歯車は、第２中間歯車よりも開口近傍空間から離れた位置に配置される。これによって歯車軸および第２中間歯車を連通体から離れた位置に配置することができ、挿通物を収容可能な空間を大きく確保することができる。また第１歯車を、連通体から第１アーム体の軸線方向に退避した位置に配置することができ、さらに挿通物を収容可能な空間を大きく確保することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態であるロボットの関節構造２０を簡略化して示す断面図である。ロボットは、第１および第２アーム体２１，２２を有する多関節ロボットである。ロボットは、第２アーム体２２を第１アーム体２１に対して屈曲させて、第２アーム体２２に設けられる対象物を移動させる。
【００２０】
ロボットは、関節構造として第１アーム体２１と、第２アーム体２２と、減速機２６と、回転伝達機構２４と、回転駆動源２５とを含む。各アーム体２１，２２は、筒状に形成され、内部空間３０，３１が形成される。各アーム体２１，２２は、傾斜軸線Ｌ３まわりに相互に回転可能に連結される。
【００２１】
この回転軸線Ｌ３は、各アーム体２１，２２の軸線Ｌ１，Ｌ２に対して傾斜する。これによって第２アーム体２２は、第１アーム体２１に対して円錐回転可能となる。すなわち第２アーム体２２は、第２アーム体の軸線Ｌ２と傾斜軸線Ｌ３との交点Ｓを中心として、傾斜軸線Ｌ３まわりに回転する。なお本発明では、回転は、角変位する場合も含む。
【００２２】
各アーム体２１，２２は、挿通物であるケーブル２３を内部空間３０，３１に内蔵する。ケーブル２３は、第１アーム体２１から第２アーム体２２を挿通して、各アーム体２１，２２の配列方向に沿って延びる。ケーブル２３は、可撓性を有し、第２アーム体２２の回転とともに、変形可能に設けられる。ケーブル２３は、たとえば電気配線用のケーブルである。
【００２３】
回転駆動源２５は、外形形状が柱状に形成される。回転駆動源２５は、第１アーム体の軸線方向Ａに延び、第１アーム体２１の内部空間３０に配置される。具体的には回転駆動源２５は、その軸線Ｌ２５が第１アーム体の軸線Ｌ１に対して同軸、平行または略平行に延びる。回転駆動源２５は、サーボモータによって実現され、回転軸２５ａを有する。回転駆動源２５は、制御装置に接続され、制御装置の指令に基づいて回転軸２５ａを回転駆動する。
【００２４】
図１に示す減速機２６は、理解を容易にするために簡略化して示す。減速機２６は、各アーム体２１，２２を連結する関節体を兼用し、各アーム体２１，２２を傾斜軸線Ｌ３まわりに相互に回転可能に連結する。
【００２５】
減速機２６は、中空円筒状に形成され、傾斜軸線Ｌ３と同軸に設けられる。減速機２６は、第１アーム体の内部空間３０と第２アーム体の内部空間３１とを連通する第１連通孔３３ａが形成される連通体となる。この第１連通孔３３ａは、傾斜軸線Ｌ３に沿って同軸に延びる。
【００２６】
減速機２６は、保持部２７と、入力部２８と、出力部２９とを有し、それらは傾斜軸線Ｌ３を中心とする円筒状に形成される。保持部２７は第１アーム体２１に固定され、出力部２９は第２アーム体２２に固定される。入力部２８および出力部２９は、保持部２７に支持され、傾斜軸線Ｌ３まわりに回転可能に設けられる。入力部２８は、少なくとも一部が第１アーム体２１の内部空間に配置される。また入力部２８と出力部２９とは、互いに回転力を伝達可能に連結される。
【００２７】
入力部２８に伝達された回転力は、そのトルクが予め定める増幅比で増幅されるとともに、その回転速度が予め定める減速比で減速されて、出力部２９から第２アーム体２２に伝達される。回転力が伝達された第２アーム体２２は、傾斜軸線Ｌ３まわりに第１アーム体２１に対して回転する。このような減速機２６は、中空形状の波動歯車機構、たとえばハーモニックドライブ（登録商標）によって実現される。
【００２８】
回転伝達機構２４は、回転駆動源２５によって発生される回転力を、傾斜軸線Ｌ３まわりに回転する回転力に変換し、減速機２６の入力部２８に伝達する。回転伝達機構２４は、第１伝達体４０と、第２伝達体４１と、中間伝達体４２とを含む。第１伝達体４０は、回転駆動源２５によって発生される回転力を中間伝達体４２に伝達する。中間伝達体４２は、第１伝達体４０から伝達される回転力を、傾斜軸線Ｌ３まわりにまわる回転力に変換して第２伝達体４１に伝達する。第２伝達体４１は、中間伝達体４２から伝達される回転力を、減速機２６の入力部２８に伝達する。
【００２９】
回転伝達機構２４は、複数の歯車によって回転力を伝達する。第１伝達体４０は、回転駆動源２５の回転軸２５ａと同軸に固定される第１歯車４６を有する。第１歯車４６は、回転軸２５ａの周方向全周にわたって複数の歯が形成される。
【００３０】
第２伝達体４１は、減速機２６の入力部２８に同軸に固定される第２歯車４７を有する。第２歯車４７は、第１連通孔３３ａの内径以上の内周径を有して、円筒状に形成される。これによって第２歯車４７は、第１連通孔３３ａと第１アーム体の内部空間３０とを連通する第２連通孔３３ｂが形成され、第２連通孔３３ｂは、第１連通孔３３ａ以上の内周径を有する。また第２歯車４７は、入力部２８の周方向全周にわたって、半径方向外方に突出する突出部４７ａが形成され、突出部４７ａの周方向全周にわたって複数の歯が形成される。
【００３１】
中間伝達体４２は、第１中間歯車４３と、第２中間歯車４４と、歯車軸４５とを備える。第１中間歯車４３は、第１歯車４６と噛合して回転力伝達可能に形成される。第２中間歯車４４は、第２歯車４７と噛合して回転力伝達可能に形成される。歯車軸４５は、第１中間歯車４３および第２中間歯車４４を同軸に連結し、回転可能に第１アーム体２１に支持される。第１歯車４６と第１中間歯車４３とによって構成される第１歯車対４８は、外歯傘歯車対を構成する。同様に第２歯車４７と第２中間歯車４４とによって構成される第２歯車対４９もまた、外歯傘歯車対を構成する。
【００３２】
このような中間伝達体４２は、開口近傍空間３２から退避して配置される。開口近傍空間３２は、第２連通孔３３ｂの開口を形成する第２歯車４７の開口部が臨む空間である。開口近傍空間３２の大きさは、第２連通孔３３ｂから出たケーブル２３の湾曲具合によって決定される。開口近傍空間３２は、ケーブル２３が最も変形したとしても、ケーブル２３と中間伝達体４２とが接触することがないような大きさに設定される。言い換えると、ケーブル２３の変形可能範囲から退避した位置に中間伝達体４２が配置される。
【００３３】
ケーブル２３は、第１および第２連通孔３３ａ，３３ｂを挿通して、第２連通孔３３ｂから開口近傍空間３２に延びる。またケーブル２３は、開口近傍空間３２から中間伝達体４２と反対側の開放空間３４へ延び、第１アーム体の軸線方向Ａに沿って延びる。ケーブル２３は、各アーム体２１，２２に設けられる係止片５０によって、可撓性を保った状態で係止される。これによってケーブル２３は、アーム体内で大きく変形することが阻止される。係止片５０は、第２アーム体２２の回転とともにケーブル２３が変形したとしても、ケーブル２３が開口近傍空間３２を超えて中間伝達体４２に向かって移動しないようにケーブル２３を係止する。
【００３４】
図２は、本発明の実施の一形態である回転伝達機構２４を示す側面図である。図３は、第１の比較例の回転伝達機構１２４を示す側面図である。図４は、第２の比較例の回転伝達機構２２４を示す側面図である。本発明の実施の一形態に対応する第１の比較例の構成については、実施の一形態の参照符号に１００を加算して付する。また本発明の実施の一形態に対応する第２の比較例の構成については、実施の一形態の参照符号に２００を加算して付する。
【００３５】
回転駆動源２５は、第１アーム体の軸線Ｌ１に沿う軸線方向Ａと平行または略平行に延び、好ましくは第１アーム体の軸線Ｌ１と同軸に延びる。また回転駆動源２５は、第１アーム体の軸線方向Ａに沿って、減速機２６から予め定める距離退避して配置される。
【００３６】
傾斜軸線Ｌ３が第１アーム体の軸線Ｌ１に平行な仮想軸線Ｌ４に対して傾斜する傾斜角度αが決定されると、第１歯車対４８の軸角である第１軸角γと、第２歯車対４９の軸角である第２軸角βとは、以下の関係式に選ばれる。
α＝１８０−（β＋γ）
【００３７】
ここで、αは、傾斜角度であり、γは、第１軸角であり、βは、第２軸角である。
【００３８】
図２に示すように、本実施の形態では、第１軸角γは９０度以下に選ばれ、第２軸角βは９０度以上に選ばれる。また第１中間歯車４３は、傾斜軸線Ｌ３に大して、第２中間歯車４４よりも傾斜軸線Ｌ３に交差する交差方向Ｂに離反し、かつ傾斜軸線Ｌ３に関して、第２中間歯車４４と交差方向Ｂに同一側に配置される。これによって歯車軸４５は、減速機２６から第１アーム体の軸線方向Ａに遠ざかるにつれて、傾斜軸線Ｌ３に関して交差方向Ｂに遠ざかるように延びる。
【００３９】
第１の比較例では、第１軸角γは、９０度を越えて選ばれ、第２軸角βは、９０度未満に選ばれる。また第１中間歯車１４３は、傾斜軸線Ｌ３に関して、第２中間歯車１４４よりも交差方向Ｂに近接し、かつ傾斜軸線Ｌ３に関して、第２中間歯車１４４と交差方向Ｂに同一側に配置される。
【００４０】
第２の比較例では、第１軸角γは、９０度未満に選ばれ、第２軸角βは、９０度未満に選ばれる。また第１中間歯車２４３は、傾斜軸線Ｌ３に関して、第２中間歯車２４４と交差方向Ｂに反対側に配置される。
【００４１】
本実施の形態では、図２に示すように、第１中間歯車４３は、第２中間歯車４４よりも、開口近傍空間３２から交差方向Ｂに離れた位置に配置される。また歯車軸４５を第２中間歯車４４から突出させる必要がない。これによって第１中間歯車４３および歯車軸４５を減速機２６から離れた位置に配置することができる。また第１および第２連通孔３３ａ，３３ｂを傾斜軸線Ｌ３に沿う方向に延長した延長空間が、第１中間歯車４３および歯車軸４５によって塞がれることがなく、ケーブル２３を収容可能な空間を大きく確保することができる。
【００４２】
これに対して図３に示す第１の比較例では、第１中間歯車１４３によって延長空間が塞がれ、開口近傍空間１３２を大きくすることができない。また図４に示す第２の比較例では、歯車軸２４５によって延長空間が塞がれ、ケーブル２３を収容可能な空間を大きく確保することができない。
【００４３】
また本発明の実施の形態では、傾斜軸線Ｌ３に関して、第１中間歯車４３および第２中間歯車４４が交差方向Ｂに同一側に配置される。これによって、開口近傍空間３２のうち、第２中間歯車４４が配置される側と反対側を開放することができる。これによってケーブル２３を傾斜軸線Ｌ３に沿って配設することができる。さらに開口近傍空間３２の開放側を、第１アーム体の軸線Ｌ１に関して、傾斜軸線Ｌ３の延長線側に形成することによって、ケーブル２３を大きく屈曲させることなく、第１アーム体２１に配設することができる。
【００４４】
このように本発明の実施の一形態に示すような、第１軸角γ、第２軸角βを選ぶことによって、第１中間歯車４３および歯車軸４５が延長空間を塞ぐことをなくし、ケーブル２３を収容するための空間を大きく確保することができる。また傾斜軸線Ｌ３に関して、第２中間歯車４４と交差方向Ｂに同一側に第１中間歯車を配置することで、配設されるケーブル２３を大きく屈曲させなくてもよい。
【００４５】
たとえば前記傾斜角度が１５度の場合、第１歯車対４８は、モジュールが１．５であって、その第１軸角γが４５度に選ばれる。第２歯車対４９は、モジュールが１．５であって、その第２軸角βが１２０度に選ばれる。また駆動側歯車４６の歯数は１６に選ばれ、第１中間歯車４３の歯数は２４に選ばれる。また第２歯車４７の歯数は３２に選ばれ、第２中間歯車４４の歯数は２４に選ばれる。このような回転伝達機構を用いることによって、回転駆動源２５の発生可能なトルクの２．４倍のトルクを減速機の入力部２８に伝達することができる。また減速機２６によって、第２アーム体に伝達されるトルクがさらに増幅される。たとえば減速機２６は、入力部２８に伝達されるトルクの１００倍のトルクを出力部２９から出力して、第２アーム体２２に伝達する。
【００４６】
このような関節構造の具体例は、一例示であって、各アーム体２１，２２の外周径、第２アーム体２２を回転するために必要なトルクおよび回転速度、ケーブル２３の太さ、ケーブル２３の可撓性などの設計条件によって最適な形状が選択される。
【００４７】
以上のように本発明の実施の一形態によれば、回転駆動源２５によって発生される回転力は、第１伝達体４０、中間伝達体４２および第２伝達体４１を順に介して、減速機２６の入力部２８に伝達される。これによって第２アーム体２２は、第１アーム体２１に対して傾斜軸線Ｌ３まわりに回転する回転力が伝達され、第１アーム体２１に対して傾斜軸線Ｌ３まわりに回転する。
【００４８】
各伝達体４０，４１，４２を用いることによって回転力を伝達する方向が変換可能である。本発明では、回転駆動源２５は第１アーム体の軸線Ｌ１に沿って配置される。したがって図６および図７に示す従来の技術に比べて、第１アーム体の軸線Ｌ１に垂直な仮想平面における回転駆動源２５の占有領域を小さくすることができ、第１アーム体２１の外周形状を可及的に小さくすることができる。
【００４９】
第１アーム体２１の外周形状を小さくするためには、回転駆動源２５を小型化する必要がある。しかしモータを小型化した場合には、第２アーム体２２を回転するために必要なトルクを得るために、回転駆動源２５から減速機２６に伝達する回転力の減速比を大きくする必要がある。
【００５０】
第１伝達体４０と第２伝達体４１とを直接連結した場合には、必要な減速比を得るためには、第１伝達体４０または第２伝達体が大型化して、第１アーム体２１の外周形状が大きくなってしまう。本発明の実施の形態では、中間伝達体４２を用いることによって、第１および第２伝達体４０，４１の個々の歯車を小型化して必要な減速比を得ることができる。すなわち小型の第１および第２伝達体４０，４１ならびに小型の回転駆動源２５を用いて、必要なトルクを減速機２６に伝達することができ、第１アーム体２２の外周形状を小型化することができる。
【００５１】
また特殊な回転駆動源２５および減速機２６ならびに回転駆動源２５の制御動作を行う必要がなく、回転駆動源２５が発生した回転力を、第２アーム体２２に伝達すべき回転力に適した回転力に容易に変換することができる。これによって既存の減速機２６および回転駆動源２５を用いることができ、第２アーム体２２を回転させるために必要な回転駆動源２５のトルクおよび回転速度を大きく変更する必要がない。
【００５２】
また中間伝達体４２を用いることによって、回転駆動源２５を配置できる配置位置の自由度を広げることができ、回転駆動源２５を第１アーム体の軸線Ｌ１に近づけた位置に配置することができる。回転駆動源２５を第１アーム体２１の軸線Ｌ１に可及的に近づけることによって、第１アーム体２１の外周形状をより小さくすることができる。また回転駆動源２５を減速機２６から第１アーム体の軸線方向Ａに退避させることができ、開口近傍空間３２を大きく形成することができる。
【００５３】
またケーブル２３は、第２連通孔３３ｂから開口近傍空間３２に延びるとともに、開口近傍空間３２から中間伝達体４２と交差方向Ｂに反対側の開放空間３４へ延びる。中間伝達体４２が開口近傍空間３２から退避して配置されることによって、ケーブル２３が開口近傍空間内で変形したとしても、ケーブル２３と中間伝達体４２とが接触することを防ぐことができる。
【００５４】
また減速機２６には、回転伝達機構２４によって、回転駆動源２５によって発生されるトルクよりも大きいトルクが伝達される。第２アーム体２２に伝達すべきトルクが予め定められている場合には、回転駆動源２５の発生すべきトルクを小さくすることができ、ひいては回転駆動源２５を小型化することができる。したがって回転駆動源２５を内蔵する第１アーム体２１の外周形状をさらに小型化することができる。また中間伝達体４２を用いることによって、第１伝達体４０および第２伝達体４１を大型化することなく、大きなトルクの回転力を伝達することができ、第１および第２アーム体２１，２２をほぼ同じ外周形状に形成することができる。
【００５５】
また歯車を介して回転力が伝達されることによって、大きなトルクの回転力を伝達することができる。またベルト伝達などに比べて、動力伝達系の剛性を高めることができ、伝達するトルクが大きい場合でも、正確に第２アーム体２２を回転させることができる。また第１中間歯車４３と第１歯車４６との歯数比、第２中間歯車４４と第２歯車４７との歯数比を調整することによって、回転駆動源２５が発生したトルクを増幅して減速機２６の出力部２８に伝達することができる。
【００５６】
また実施の形態に示すような、第１軸角γ、第２軸角βを選ぶことによって、第１中間歯車４３、歯車軸４５が第１および第２連通孔３３ａ，３３ｂを傾斜軸線Ｌ３に沿って延長した延長空間を塞ぐことをなくし、ケーブル２３を収容するための空間を大きく確保することができる。また傾斜軸線Ｌ３に関して、第２中間歯車４４と交差方向Ｂに同一側に第１中間歯車４３を配置しやすく、ケーブル２３を大きく屈曲させなくてもよい。これによってケーブル２３をより確実に第１アーム体に収容することができる。また第２歯車４７は、入力部２８の半径方向外方に突出する突出部４７ａに歯が形成されるので、開口近傍空間３２をさらに大きくすることができる。
【００５７】
また傾斜軸線Ｌ３と第１アーム体の軸線Ｌ１とを含む仮想平面において、交点Ｓから第２アーム体側に傾斜軸線方向に延びる仮想線と、交点Ｓから第１アーム体側に第１アーム体の軸線方向Ａに延びる仮想線とが成す仮想線とによって２分割される領域のうち、交点Ｓまわりの角度が小さい領域に中間伝達体４２が配置される。これによって第１歯車４６から第２歯車４７を短い距離で連結することができ、中間伝達対４２の占有体積を小さくすることができる。
【００５８】
以上のような本発明の実施の構成は、発明の一例示であって、発明の範囲内において構成を変更することができる。たとえば減速機２６を介して、回転駆動源２５からの回転力を第２アーム体２２に伝達したが、大きなトルクを伝達する必要がない場合には、減速機２６を用いずに回転力を伝達してもよい。また回転伝達機構２４として歯車伝達機構を用いたが、他の伝達機構を用いてもよい。たとえば実施の形態では、回転伝達機構２４は、２つの歯車対４８，４９を用いて実現したが、別の平歯車対、傘歯車対、ベルトとプーリとから成るベルト伝達機構、ラックとピニオンとから成るトルク伝達機構を含んでいてもよい。また２つ以上の歯車対によって、回転伝達を行ってもよい。また傾斜軸線Ｌ３と第１のアーム軸線Ｌ１とは、同一平面に配置されなくてもよい。
【００５９】
また本実施の形態では、第２アーム体２２が第１アーム体２１に対して傾斜軸線Ｌ３まわりに回転するとした。他の実施の形態として、第２アーム体２２に回転力が伝達されると、反力によって第１アーム体２１が第２アーム体２２に対して傾斜軸線Ｌ３まわりに回転するようにしてもよい。
【００６０】
図５は、本発明のロボットの関節構造２０が用いられる風洞試験支持装置３００の一部を示す断面図である。風洞模型支持装置３００は、予め定める流れ方向に気流３２４が形成される風洞内で、姿勢を変更可能に試験模型３２７を支持する。風洞模型支持装置３００は、第１〜第４アーム体３４０，３４１，３３３，３３４と、第１〜第３アーム体３３５，３３６，３３７を含む。
【００６１】
第１アーム体３４０は、試験模型３２７に対して流れ方向下流側で試験模型３２７を支持し、予め定める第１軸線Ｌ３０１を有する。第２アーム体３４１は、第１アーム体３４０に対して流れ方向下流側で、第１アーム体３４０を第１軸線Ｌ３０１まわりに回転可能に支持する。
【００６２】
第３アーム体３３３は、第２アーム体３４１に対して流れ方向３２４下流側で、第２アーム体３４１を第１軸線Ｌ３０１に対して傾斜する第２軸線Ｌ３０２まわりに回転可能に支持するとともに、第２軸線Ｌ３０２に対して傾斜する第３軸線Ｌ３０３を有する。第４アーム体３３４は、第３アーム体３３３に対して流れ方向下流側で、第３アーム体を第３軸線Ｌ３まわりに回転可能に支持する。
【００６３】
各回転駆動源３３５〜３３７は、各回転駆動源のいずれかにそれぞれ内蔵される。第１回転駆動源３３５は、第２アーム体３４１に対して第１アーム体３４０を、第１軸線Ｌ３０１まわりに回転駆動する。第２回転駆動源３３６は、第３アーム体３３３に対して第２アーム体３４１を、第２軸線Ｌ３０２まわりに回転駆動する。第３回転駆動源３３７は、第４アーム体３３４に対して第３アーム体３３３を、第３軸線Ｌ３０３まわりに回転駆動する。
【００６４】
風洞模型試験装置３００は、さらに第４アーム体３３７を支持する支持体と、支持体を互いに直交する３つの方向に相対変位駆動する相対変位回転駆動源とをさらに含む。第１〜第３回転駆動源３３５〜３３７によって主に試験模型３２７の姿勢を調整し、相対変位回転駆動源によって主に試験模型３２７の位置を調整することによって、試験模型３２７の位置および姿勢を調整することができる。
【００６５】
試験模型３２７は、試験模型３２７の状態を検出する検出手段３２９が接続される。検出手段３２９によって計測される計測結果は、状態信号ケーブル３４４によって計測結果処理装置３５６に伝えられる。また各回転駆動源３３５〜３３７は、動力供給ケーブル３４５および駆動量伝達ケーブル３４６が接続される。
【００６６】
これらの各ケーブル３４４〜３４６は、各アーム体の内部空間３６１，３６３，３６５を挿通する挿通物となる。各ケーブル３４４〜３４６は、各アーム体が回転した場合であっても、各アーム体の内部空間を挿通可能に配置される。
【００６７】
第１〜第３回転駆動源３３５〜３３７および各ケーブル４４，４５，４６は、各アーム体のいずれかに内蔵され、各アーム体の外周面から突出することがない。これによって各アーム体の外形形状を、気流の流れ方向に沿って先鋭形状に形成することができる。したがって風洞模型支持装置３００を流線形形状に近づけることができ、各回転駆動源３３５〜３３７および各ケーブル３４４〜３４６に起因する気流の乱れをなくすことができる。
【００６８】
風洞模型支持装置３００は、第２回転駆動源３３６から第２アーム体３６１に回転力を伝達する関節構造について、本発明の実施である一形態のロボットの関節構造２０を有する。これによって第２アーム体３３３の外周形状を小型化することができる。したがって風洞試験における気流の状態を、現実的な気流の状態に近づけることができ、風洞試験の測定精度を向上することができる。
【００６９】
また本発明のロボットの関節構造２０は、風洞模型支持装置３００以外にも用いることができる。たとえば本発明のロボットの関節構造２０を有するロボットは、そのアーム体の外周形状を小型化することができるので、占有領域を小さくすることができ、他の装置および壁面と干渉することを防止することができる。これによって狭隘な作業空間であっても、可動領域を広くすることがきる。また本発明のロボットの関節構造２０は、複数の関節構造を有するロボットのうち一部の関節構造に設けられればよい。
【００７０】
【発明の効果】
以上のように請求項１記載の本発明によれば、第１アーム体の外周形状を可及的に小さくすることができる。これによってロボットの占有領域を小さくすることができ、他の装置および壁に干渉することを防いで、可動領域を広げることができる。
【００７１】
また挿通物を収容するための収容空間を十分に確保することができるので、挿通物が太い場合であっても第１アーム体内に確実に収容することができる。また挿通物が湾曲する曲率半径が小さい場合であっても収容することができる。また挿通物と中間伝達体とが接触することを防いで、ロボットの損傷を防止することができる。
【００７２】
さらに既存の連通体および回転駆動源を用いるとともに、トルクおよび回転速度を大きく変更することがないので、利便性を向上するとともに、安価に製造することができる。
【００７３】
また請求項２記載の本発明によれば、回転駆動源の発生するトルクを小さくすることができ、回転駆動源を小型化することができる。したがって第１アーム体の外周形状をさらに小型化することができる。
【００７４】
また請求項３記載の本発明によれば、歯車を介して回転力が伝達されることによって、大きなトルクの回転力を伝達することができる。したがってアーム体を回転させるために必要なトルクが大きい場合であっても、精度よくアーム体を回転させることができる。また第１中間歯車と第１歯車との歯数比、第２中間歯車と第２歯車との歯数比を調整することによって、回転駆動源の発生する回転力のトルクおよび回転速度を容易に変更して、変更した回転力を連通体に伝達することができる。
【００７５】
また請求項４記載の本発明によれば、歯車軸、第２中間歯車および第１歯車を連通体から離れた位置に配置することができ、挿通物を収容可能な空間を大きく確保することができる。これによって挿通物が歯車軸、第２中間歯車および第１歯車に接触することを防いで、ロボットの損傷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態であるロボットの関節構造を簡略化して示す断面図である。
【図２】本発明の実施の一形態である回転伝達機構２４を示す側面図である。
【図３】第１の比較例の回転伝達機構１２４を示す側面図である。
【図４】第２の比較例の回転伝達機構２２４を示す側面図である。
【図５】本発明のロボットの関節構造が用いられる風洞試験支持装置３００の一部を示す断面図である。
【図６】第１の従来技術のロボットである関節構造を示す断面図である。
【図７】第２の従来技術のロボットである関節構造を示す断面図である。
【図８】第３の従来技術のロボットである関節構造を示す断面図である。
【符号の説明】
２０ ロボットの関節構造
２１ 第１のアーム体
２２ 第２のアーム体
２３ ケーブル
２４ 回転伝達機構
２５ 回転駆動源
２６ 減速機
２８ 入力部
２９ 出力部
３０ 第１アーム体の内部空間
３１ 第２アーム体の内部空間
３２ 開口近傍空間
３３ａ 第１連通孔
３３ｂ 第２連通孔
４０ 第１伝達体
４１ 第２伝達体
４２ 中間伝達体
４３ 第１中間歯車
４４ 第２中間歯車
４５ 歯車軸
４６ 第１歯車
４７ 第２歯車
４８ 第１歯車対
４９ 第２歯車対
Ｌ１ 第１アーム体の軸線
Ｌ２ 第２アーム体の軸線
Ｌ３ 傾斜軸線
Ｌ２５ 回転駆動源の軸線
【発明の属する技術分野】
本発明は、一方のアーム体を他方のアーム体に対して、円錐回転可能に連結するロボットの関節構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６〜図８は、従来技術のロボットの関節構造１６〜１８を示す断面図である。従来技術のロボットは、第１アーム体１に保持されるモータ７によって、第２アーム体２を第１アーム体１に対して傾斜軸線Ｌ３まわりに円錐回転させる。傾斜軸線Ｌ３は、第１および第２のアーム体の軸線Ｌ１，Ｌ２に対して予め定める角度で傾斜する。
【０００３】
ロボットは、第１アーム体１と第２アーム体２とを連結する連通体８を有する。連通体８は、第２アーム体２に固定されるとともに、第１アーム体１に対して傾斜軸線Ｌ３まわりに回転可能に設けられる。また連通体８は、傾斜軸線Ｌ３に沿って延びる連通孔５が形成される。連通孔５は、第１アーム体の内部空間３と第２アーム体の内部空間４とを連通する。ロボットは、第１アーム体の内部空間３から連通孔５を挿通して、第２のアーム体の内部空間４に延びるケーブル６が配設される（たとえば特許文献１および特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５６−１６３６２４号公報
【特許文献２】
特開平１０−２２５８８１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図６および図７に示す従来技術のロボットの関節構造１６，１７は、平歯車対１１，１２によってモータ７からの回転力を連通体８に伝達する。モータ７は、傾斜軸線Ｌ３に平行に延びる。すなわちモータ７は、第１アーム体の軸線Ｌ１に沿う軸線方向Ａに連通体８から遠ざかるにつれて、第１アーム体１の軸線Ｌ１に対して、第１アーム体１の軸線方向Ａに交差する方向に離反する。
【０００６】
したがって図６に示す従来技術のように、第１アーム体１と第２アーム体２とを同じ外周形状にすると、モータ７が第１アーム体１の外方に突出する場合がある。また図７に示す従来技術のように、第１アーム体１にモータ７を内蔵すると、第１アーム体１の外周形状が、第２アーム体２の外周形状よりも大型化する場合がある。
【０００７】
図８に示す従来技術は、傘歯車対１３，１４によってモータ７からの回転力を連通体８の出力部１０に伝達する。傘歯車対１３，１４のうち、一方の傘歯車１３は、モータ７に設けられる外歯傘歯車であり、他方の傘歯車１４は、連通体８の内周部に設けられる内歯傘歯車１４である。これによって連通孔５を外歯傘歯車１３が塞いでしまい、ケーブル６を収容するための空間を十分に確保することができないという問題がある。
【０００８】
したがって本発明の目的は、アーム体の外周形状を小さくすることが可能で、ケーブルなどの挿通体を収容するための空間を十分に確保することができるロボットの関節構造を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、筒状の第１アーム体と、
筒状の第２アーム体と、
第１アーム体の軸線に沿って延び、第１アーム体内に保持される回転駆動源と、
第１アーム体の内部空間と第２アーム体の内部空間とを連通する第１連通孔が形成され、第２アーム体に固定されて各アーム体の軸線に対して傾斜する傾斜軸線まわりに第１アーム体に対して回転可能に設けられる連通体と、
回転駆動源に設けられる第１伝達体と、
連通体に設けられ、第１連通孔と第１アーム体の内部空間とを連通する第２連通孔が形成される第２伝達体と、
第２連通孔の開口を形成する第２伝達体の開口部が臨む開口近傍空間から、傾斜軸線に交差する交差方向に退避して配置され、第１伝達体の回転力を第２伝達体に伝達する中間伝達体とを含むことを特徴とするロボットの関節構造である。
【００１０】
本発明に従えば、各伝達体を用いることによって回転力を伝達する方向を変換可能であり、本発明では、回転駆動源は第１アーム体の軸線に沿って配置される。したがって回転駆動源が傾斜軸線と平行に配置される場合に比べて、第１アーム体の軸線に垂直な仮想平面における回転駆動源の占有領域を小さくすることができる。これによって回転駆動源を内蔵する第１アーム体の外周形状を可及的に小さくすることができる。
【００１１】
また各アーム体をケーブルなどの挿通物が挿通する場合、挿通物は、連通孔から開口近傍空間に延びるとともに、開口近傍空間から中間伝達体と反対側の開放空間へ延びる。中間伝達体は開口近傍空間から退避して配置されるので、中間伝達体が連通孔および開口近傍空間を塞ぐことがなく、挿通物が第１アーム体内に収容されるための十分な空間を確保することができる。
【００１２】
さらに中間伝達体を用いることで、連通体に伝達できる回転力の自由度を広げることができる。これによって既存の連通体および回転駆動源を用いることができ、アーム体を回転させるために必要なトルクおよび回転速度を大きく変更する必要がない。
【００１３】
また本発明は、中間伝達体は、第１伝達体の回転力を減速して第２伝達体に伝達することを特徴とする。
【００１４】
本発明に従えば、中間伝達体を介することによって、連通体には、回転駆動源によって発生されるトルクよりも大きいトルクが伝達される。たとえば第２アーム体に伝達すべきトルクが設定されている場合には、回転駆動源の発生するトルクを小さくても、設定されるトルクを第２アーム体に与えることができる。このように回転駆動源の発生するトルクを小さくすることができるので、回転駆動源を小型化することができ、ひいては第１アーム体の外周形状を小型化することができる。
【００１５】
また本発明は、第１伝達体は、回転駆動源に固定される第１歯車を有し、
第２伝達体は、連通体に固定される第２歯車を有し、
中間伝達体は、第１歯車に噛合する第１中間歯車と、第２歯車に噛合する第２中間歯車と、第１中間歯車と第２中間歯車とを同軸に連結する歯車軸とを有することを特徴とする。
【００１６】
本発明に従えば、歯車を介して回転力が伝達されることによって、大きなトルクの回転力を伝達することができる。またベルト伝達などに比べて、回転力伝達系の剛性を高めることができ、伝達すべきトルクが大きい場合でも、精度よくアーム体を回転させることができる。また第１中間歯車と第１歯車との歯数比、第２中間歯車と第２歯車との歯数比を調整することによって、回転駆動源の発生した回転力のトルクおよび回転速度を、容易に変換して、変換した回転力を連通体に伝達することができる。
【００１７】
また本発明は、第１歯車の軸線と第１中間歯車の軸線とが成す第１軸角が９０度以下に選ばれ、第２歯車の軸線と第２中間歯車の軸線とが成す第２軸角が９０度以上に選ばれ、
第１および第２歯車ならびに第１および第２中間歯車は、それぞれ外歯傘歯車から成り、第１中間歯車は、傾斜軸線に対して第２中間歯車よりも前記交差方向に離反し、かつ傾斜軸線に関して第２中間歯車と交差方向に同一側に配置されることを特徴とする。
【００１８】
本発明に従えば、歯車軸は、連通体から交差方向に遠ざかるにつれて、連通体から傾斜軸線方向に遠ざかる方向に傾斜する。また第１中間歯車は、第２中間歯車よりも開口近傍空間から離れた位置に配置される。これによって歯車軸および第２中間歯車を連通体から離れた位置に配置することができ、挿通物を収容可能な空間を大きく確保することができる。また第１歯車を、連通体から第１アーム体の軸線方向に退避した位置に配置することができ、さらに挿通物を収容可能な空間を大きく確保することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態であるロボットの関節構造２０を簡略化して示す断面図である。ロボットは、第１および第２アーム体２１，２２を有する多関節ロボットである。ロボットは、第２アーム体２２を第１アーム体２１に対して屈曲させて、第２アーム体２２に設けられる対象物を移動させる。
【００２０】
ロボットは、関節構造として第１アーム体２１と、第２アーム体２２と、減速機２６と、回転伝達機構２４と、回転駆動源２５とを含む。各アーム体２１，２２は、筒状に形成され、内部空間３０，３１が形成される。各アーム体２１，２２は、傾斜軸線Ｌ３まわりに相互に回転可能に連結される。
【００２１】
この回転軸線Ｌ３は、各アーム体２１，２２の軸線Ｌ１，Ｌ２に対して傾斜する。これによって第２アーム体２２は、第１アーム体２１に対して円錐回転可能となる。すなわち第２アーム体２２は、第２アーム体の軸線Ｌ２と傾斜軸線Ｌ３との交点Ｓを中心として、傾斜軸線Ｌ３まわりに回転する。なお本発明では、回転は、角変位する場合も含む。
【００２２】
各アーム体２１，２２は、挿通物であるケーブル２３を内部空間３０，３１に内蔵する。ケーブル２３は、第１アーム体２１から第２アーム体２２を挿通して、各アーム体２１，２２の配列方向に沿って延びる。ケーブル２３は、可撓性を有し、第２アーム体２２の回転とともに、変形可能に設けられる。ケーブル２３は、たとえば電気配線用のケーブルである。
【００２３】
回転駆動源２５は、外形形状が柱状に形成される。回転駆動源２５は、第１アーム体の軸線方向Ａに延び、第１アーム体２１の内部空間３０に配置される。具体的には回転駆動源２５は、その軸線Ｌ２５が第１アーム体の軸線Ｌ１に対して同軸、平行または略平行に延びる。回転駆動源２５は、サーボモータによって実現され、回転軸２５ａを有する。回転駆動源２５は、制御装置に接続され、制御装置の指令に基づいて回転軸２５ａを回転駆動する。
【００２４】
図１に示す減速機２６は、理解を容易にするために簡略化して示す。減速機２６は、各アーム体２１，２２を連結する関節体を兼用し、各アーム体２１，２２を傾斜軸線Ｌ３まわりに相互に回転可能に連結する。
【００２５】
減速機２６は、中空円筒状に形成され、傾斜軸線Ｌ３と同軸に設けられる。減速機２６は、第１アーム体の内部空間３０と第２アーム体の内部空間３１とを連通する第１連通孔３３ａが形成される連通体となる。この第１連通孔３３ａは、傾斜軸線Ｌ３に沿って同軸に延びる。
【００２６】
減速機２６は、保持部２７と、入力部２８と、出力部２９とを有し、それらは傾斜軸線Ｌ３を中心とする円筒状に形成される。保持部２７は第１アーム体２１に固定され、出力部２９は第２アーム体２２に固定される。入力部２８および出力部２９は、保持部２７に支持され、傾斜軸線Ｌ３まわりに回転可能に設けられる。入力部２８は、少なくとも一部が第１アーム体２１の内部空間に配置される。また入力部２８と出力部２９とは、互いに回転力を伝達可能に連結される。
【００２７】
入力部２８に伝達された回転力は、そのトルクが予め定める増幅比で増幅されるとともに、その回転速度が予め定める減速比で減速されて、出力部２９から第２アーム体２２に伝達される。回転力が伝達された第２アーム体２２は、傾斜軸線Ｌ３まわりに第１アーム体２１に対して回転する。このような減速機２６は、中空形状の波動歯車機構、たとえばハーモニックドライブ（登録商標）によって実現される。
【００２８】
回転伝達機構２４は、回転駆動源２５によって発生される回転力を、傾斜軸線Ｌ３まわりに回転する回転力に変換し、減速機２６の入力部２８に伝達する。回転伝達機構２４は、第１伝達体４０と、第２伝達体４１と、中間伝達体４２とを含む。第１伝達体４０は、回転駆動源２５によって発生される回転力を中間伝達体４２に伝達する。中間伝達体４２は、第１伝達体４０から伝達される回転力を、傾斜軸線Ｌ３まわりにまわる回転力に変換して第２伝達体４１に伝達する。第２伝達体４１は、中間伝達体４２から伝達される回転力を、減速機２６の入力部２８に伝達する。
【００２９】
回転伝達機構２４は、複数の歯車によって回転力を伝達する。第１伝達体４０は、回転駆動源２５の回転軸２５ａと同軸に固定される第１歯車４６を有する。第１歯車４６は、回転軸２５ａの周方向全周にわたって複数の歯が形成される。
【００３０】
第２伝達体４１は、減速機２６の入力部２８に同軸に固定される第２歯車４７を有する。第２歯車４７は、第１連通孔３３ａの内径以上の内周径を有して、円筒状に形成される。これによって第２歯車４７は、第１連通孔３３ａと第１アーム体の内部空間３０とを連通する第２連通孔３３ｂが形成され、第２連通孔３３ｂは、第１連通孔３３ａ以上の内周径を有する。また第２歯車４７は、入力部２８の周方向全周にわたって、半径方向外方に突出する突出部４７ａが形成され、突出部４７ａの周方向全周にわたって複数の歯が形成される。
【００３１】
中間伝達体４２は、第１中間歯車４３と、第２中間歯車４４と、歯車軸４５とを備える。第１中間歯車４３は、第１歯車４６と噛合して回転力伝達可能に形成される。第２中間歯車４４は、第２歯車４７と噛合して回転力伝達可能に形成される。歯車軸４５は、第１中間歯車４３および第２中間歯車４４を同軸に連結し、回転可能に第１アーム体２１に支持される。第１歯車４６と第１中間歯車４３とによって構成される第１歯車対４８は、外歯傘歯車対を構成する。同様に第２歯車４７と第２中間歯車４４とによって構成される第２歯車対４９もまた、外歯傘歯車対を構成する。
【００３２】
このような中間伝達体４２は、開口近傍空間３２から退避して配置される。開口近傍空間３２は、第２連通孔３３ｂの開口を形成する第２歯車４７の開口部が臨む空間である。開口近傍空間３２の大きさは、第２連通孔３３ｂから出たケーブル２３の湾曲具合によって決定される。開口近傍空間３２は、ケーブル２３が最も変形したとしても、ケーブル２３と中間伝達体４２とが接触することがないような大きさに設定される。言い換えると、ケーブル２３の変形可能範囲から退避した位置に中間伝達体４２が配置される。
【００３３】
ケーブル２３は、第１および第２連通孔３３ａ，３３ｂを挿通して、第２連通孔３３ｂから開口近傍空間３２に延びる。またケーブル２３は、開口近傍空間３２から中間伝達体４２と反対側の開放空間３４へ延び、第１アーム体の軸線方向Ａに沿って延びる。ケーブル２３は、各アーム体２１，２２に設けられる係止片５０によって、可撓性を保った状態で係止される。これによってケーブル２３は、アーム体内で大きく変形することが阻止される。係止片５０は、第２アーム体２２の回転とともにケーブル２３が変形したとしても、ケーブル２３が開口近傍空間３２を超えて中間伝達体４２に向かって移動しないようにケーブル２３を係止する。
【００３４】
図２は、本発明の実施の一形態である回転伝達機構２４を示す側面図である。図３は、第１の比較例の回転伝達機構１２４を示す側面図である。図４は、第２の比較例の回転伝達機構２２４を示す側面図である。本発明の実施の一形態に対応する第１の比較例の構成については、実施の一形態の参照符号に１００を加算して付する。また本発明の実施の一形態に対応する第２の比較例の構成については、実施の一形態の参照符号に２００を加算して付する。
【００３５】
回転駆動源２５は、第１アーム体の軸線Ｌ１に沿う軸線方向Ａと平行または略平行に延び、好ましくは第１アーム体の軸線Ｌ１と同軸に延びる。また回転駆動源２５は、第１アーム体の軸線方向Ａに沿って、減速機２６から予め定める距離退避して配置される。
【００３６】
傾斜軸線Ｌ３が第１アーム体の軸線Ｌ１に平行な仮想軸線Ｌ４に対して傾斜する傾斜角度αが決定されると、第１歯車対４８の軸角である第１軸角γと、第２歯車対４９の軸角である第２軸角βとは、以下の関係式に選ばれる。
α＝１８０−（β＋γ）
【００３７】
ここで、αは、傾斜角度であり、γは、第１軸角であり、βは、第２軸角である。
【００３８】
図２に示すように、本実施の形態では、第１軸角γは９０度以下に選ばれ、第２軸角βは９０度以上に選ばれる。また第１中間歯車４３は、傾斜軸線Ｌ３に大して、第２中間歯車４４よりも傾斜軸線Ｌ３に交差する交差方向Ｂに離反し、かつ傾斜軸線Ｌ３に関して、第２中間歯車４４と交差方向Ｂに同一側に配置される。これによって歯車軸４５は、減速機２６から第１アーム体の軸線方向Ａに遠ざかるにつれて、傾斜軸線Ｌ３に関して交差方向Ｂに遠ざかるように延びる。
【００３９】
第１の比較例では、第１軸角γは、９０度を越えて選ばれ、第２軸角βは、９０度未満に選ばれる。また第１中間歯車１４３は、傾斜軸線Ｌ３に関して、第２中間歯車１４４よりも交差方向Ｂに近接し、かつ傾斜軸線Ｌ３に関して、第２中間歯車１４４と交差方向Ｂに同一側に配置される。
【００４０】
第２の比較例では、第１軸角γは、９０度未満に選ばれ、第２軸角βは、９０度未満に選ばれる。また第１中間歯車２４３は、傾斜軸線Ｌ３に関して、第２中間歯車２４４と交差方向Ｂに反対側に配置される。
【００４１】
本実施の形態では、図２に示すように、第１中間歯車４３は、第２中間歯車４４よりも、開口近傍空間３２から交差方向Ｂに離れた位置に配置される。また歯車軸４５を第２中間歯車４４から突出させる必要がない。これによって第１中間歯車４３および歯車軸４５を減速機２６から離れた位置に配置することができる。また第１および第２連通孔３３ａ，３３ｂを傾斜軸線Ｌ３に沿う方向に延長した延長空間が、第１中間歯車４３および歯車軸４５によって塞がれることがなく、ケーブル２３を収容可能な空間を大きく確保することができる。
【００４２】
これに対して図３に示す第１の比較例では、第１中間歯車１４３によって延長空間が塞がれ、開口近傍空間１３２を大きくすることができない。また図４に示す第２の比較例では、歯車軸２４５によって延長空間が塞がれ、ケーブル２３を収容可能な空間を大きく確保することができない。
【００４３】
また本発明の実施の形態では、傾斜軸線Ｌ３に関して、第１中間歯車４３および第２中間歯車４４が交差方向Ｂに同一側に配置される。これによって、開口近傍空間３２のうち、第２中間歯車４４が配置される側と反対側を開放することができる。これによってケーブル２３を傾斜軸線Ｌ３に沿って配設することができる。さらに開口近傍空間３２の開放側を、第１アーム体の軸線Ｌ１に関して、傾斜軸線Ｌ３の延長線側に形成することによって、ケーブル２３を大きく屈曲させることなく、第１アーム体２１に配設することができる。
【００４４】
このように本発明の実施の一形態に示すような、第１軸角γ、第２軸角βを選ぶことによって、第１中間歯車４３および歯車軸４５が延長空間を塞ぐことをなくし、ケーブル２３を収容するための空間を大きく確保することができる。また傾斜軸線Ｌ３に関して、第２中間歯車４４と交差方向Ｂに同一側に第１中間歯車を配置することで、配設されるケーブル２３を大きく屈曲させなくてもよい。
【００４５】
たとえば前記傾斜角度が１５度の場合、第１歯車対４８は、モジュールが１．５であって、その第１軸角γが４５度に選ばれる。第２歯車対４９は、モジュールが１．５であって、その第２軸角βが１２０度に選ばれる。また駆動側歯車４６の歯数は１６に選ばれ、第１中間歯車４３の歯数は２４に選ばれる。また第２歯車４７の歯数は３２に選ばれ、第２中間歯車４４の歯数は２４に選ばれる。このような回転伝達機構を用いることによって、回転駆動源２５の発生可能なトルクの２．４倍のトルクを減速機の入力部２８に伝達することができる。また減速機２６によって、第２アーム体に伝達されるトルクがさらに増幅される。たとえば減速機２６は、入力部２８に伝達されるトルクの１００倍のトルクを出力部２９から出力して、第２アーム体２２に伝達する。
【００４６】
このような関節構造の具体例は、一例示であって、各アーム体２１，２２の外周径、第２アーム体２２を回転するために必要なトルクおよび回転速度、ケーブル２３の太さ、ケーブル２３の可撓性などの設計条件によって最適な形状が選択される。
【００４７】
以上のように本発明の実施の一形態によれば、回転駆動源２５によって発生される回転力は、第１伝達体４０、中間伝達体４２および第２伝達体４１を順に介して、減速機２６の入力部２８に伝達される。これによって第２アーム体２２は、第１アーム体２１に対して傾斜軸線Ｌ３まわりに回転する回転力が伝達され、第１アーム体２１に対して傾斜軸線Ｌ３まわりに回転する。
【００４８】
各伝達体４０，４１，４２を用いることによって回転力を伝達する方向が変換可能である。本発明では、回転駆動源２５は第１アーム体の軸線Ｌ１に沿って配置される。したがって図６および図７に示す従来の技術に比べて、第１アーム体の軸線Ｌ１に垂直な仮想平面における回転駆動源２５の占有領域を小さくすることができ、第１アーム体２１の外周形状を可及的に小さくすることができる。
【００４９】
第１アーム体２１の外周形状を小さくするためには、回転駆動源２５を小型化する必要がある。しかしモータを小型化した場合には、第２アーム体２２を回転するために必要なトルクを得るために、回転駆動源２５から減速機２６に伝達する回転力の減速比を大きくする必要がある。
【００５０】
第１伝達体４０と第２伝達体４１とを直接連結した場合には、必要な減速比を得るためには、第１伝達体４０または第２伝達体が大型化して、第１アーム体２１の外周形状が大きくなってしまう。本発明の実施の形態では、中間伝達体４２を用いることによって、第１および第２伝達体４０，４１の個々の歯車を小型化して必要な減速比を得ることができる。すなわち小型の第１および第２伝達体４０，４１ならびに小型の回転駆動源２５を用いて、必要なトルクを減速機２６に伝達することができ、第１アーム体２２の外周形状を小型化することができる。
【００５１】
また特殊な回転駆動源２５および減速機２６ならびに回転駆動源２５の制御動作を行う必要がなく、回転駆動源２５が発生した回転力を、第２アーム体２２に伝達すべき回転力に適した回転力に容易に変換することができる。これによって既存の減速機２６および回転駆動源２５を用いることができ、第２アーム体２２を回転させるために必要な回転駆動源２５のトルクおよび回転速度を大きく変更する必要がない。
【００５２】
また中間伝達体４２を用いることによって、回転駆動源２５を配置できる配置位置の自由度を広げることができ、回転駆動源２５を第１アーム体の軸線Ｌ１に近づけた位置に配置することができる。回転駆動源２５を第１アーム体２１の軸線Ｌ１に可及的に近づけることによって、第１アーム体２１の外周形状をより小さくすることができる。また回転駆動源２５を減速機２６から第１アーム体の軸線方向Ａに退避させることができ、開口近傍空間３２を大きく形成することができる。
【００５３】
またケーブル２３は、第２連通孔３３ｂから開口近傍空間３２に延びるとともに、開口近傍空間３２から中間伝達体４２と交差方向Ｂに反対側の開放空間３４へ延びる。中間伝達体４２が開口近傍空間３２から退避して配置されることによって、ケーブル２３が開口近傍空間内で変形したとしても、ケーブル２３と中間伝達体４２とが接触することを防ぐことができる。
【００５４】
また減速機２６には、回転伝達機構２４によって、回転駆動源２５によって発生されるトルクよりも大きいトルクが伝達される。第２アーム体２２に伝達すべきトルクが予め定められている場合には、回転駆動源２５の発生すべきトルクを小さくすることができ、ひいては回転駆動源２５を小型化することができる。したがって回転駆動源２５を内蔵する第１アーム体２１の外周形状をさらに小型化することができる。また中間伝達体４２を用いることによって、第１伝達体４０および第２伝達体４１を大型化することなく、大きなトルクの回転力を伝達することができ、第１および第２アーム体２１，２２をほぼ同じ外周形状に形成することができる。
【００５５】
また歯車を介して回転力が伝達されることによって、大きなトルクの回転力を伝達することができる。またベルト伝達などに比べて、動力伝達系の剛性を高めることができ、伝達するトルクが大きい場合でも、正確に第２アーム体２２を回転させることができる。また第１中間歯車４３と第１歯車４６との歯数比、第２中間歯車４４と第２歯車４７との歯数比を調整することによって、回転駆動源２５が発生したトルクを増幅して減速機２６の出力部２８に伝達することができる。
【００５６】
また実施の形態に示すような、第１軸角γ、第２軸角βを選ぶことによって、第１中間歯車４３、歯車軸４５が第１および第２連通孔３３ａ，３３ｂを傾斜軸線Ｌ３に沿って延長した延長空間を塞ぐことをなくし、ケーブル２３を収容するための空間を大きく確保することができる。また傾斜軸線Ｌ３に関して、第２中間歯車４４と交差方向Ｂに同一側に第１中間歯車４３を配置しやすく、ケーブル２３を大きく屈曲させなくてもよい。これによってケーブル２３をより確実に第１アーム体に収容することができる。また第２歯車４７は、入力部２８の半径方向外方に突出する突出部４７ａに歯が形成されるので、開口近傍空間３２をさらに大きくすることができる。
【００５７】
また傾斜軸線Ｌ３と第１アーム体の軸線Ｌ１とを含む仮想平面において、交点Ｓから第２アーム体側に傾斜軸線方向に延びる仮想線と、交点Ｓから第１アーム体側に第１アーム体の軸線方向Ａに延びる仮想線とが成す仮想線とによって２分割される領域のうち、交点Ｓまわりの角度が小さい領域に中間伝達体４２が配置される。これによって第１歯車４６から第２歯車４７を短い距離で連結することができ、中間伝達対４２の占有体積を小さくすることができる。
【００５８】
以上のような本発明の実施の構成は、発明の一例示であって、発明の範囲内において構成を変更することができる。たとえば減速機２６を介して、回転駆動源２５からの回転力を第２アーム体２２に伝達したが、大きなトルクを伝達する必要がない場合には、減速機２６を用いずに回転力を伝達してもよい。また回転伝達機構２４として歯車伝達機構を用いたが、他の伝達機構を用いてもよい。たとえば実施の形態では、回転伝達機構２４は、２つの歯車対４８，４９を用いて実現したが、別の平歯車対、傘歯車対、ベルトとプーリとから成るベルト伝達機構、ラックとピニオンとから成るトルク伝達機構を含んでいてもよい。また２つ以上の歯車対によって、回転伝達を行ってもよい。また傾斜軸線Ｌ３と第１のアーム軸線Ｌ１とは、同一平面に配置されなくてもよい。
【００５９】
また本実施の形態では、第２アーム体２２が第１アーム体２１に対して傾斜軸線Ｌ３まわりに回転するとした。他の実施の形態として、第２アーム体２２に回転力が伝達されると、反力によって第１アーム体２１が第２アーム体２２に対して傾斜軸線Ｌ３まわりに回転するようにしてもよい。
【００６０】
図５は、本発明のロボットの関節構造２０が用いられる風洞試験支持装置３００の一部を示す断面図である。風洞模型支持装置３００は、予め定める流れ方向に気流３２４が形成される風洞内で、姿勢を変更可能に試験模型３２７を支持する。風洞模型支持装置３００は、第１〜第４アーム体３４０，３４１，３３３，３３４と、第１〜第３アーム体３３５，３３６，３３７を含む。
【００６１】
第１アーム体３４０は、試験模型３２７に対して流れ方向下流側で試験模型３２７を支持し、予め定める第１軸線Ｌ３０１を有する。第２アーム体３４１は、第１アーム体３４０に対して流れ方向下流側で、第１アーム体３４０を第１軸線Ｌ３０１まわりに回転可能に支持する。
【００６２】
第３アーム体３３３は、第２アーム体３４１に対して流れ方向３２４下流側で、第２アーム体３４１を第１軸線Ｌ３０１に対して傾斜する第２軸線Ｌ３０２まわりに回転可能に支持するとともに、第２軸線Ｌ３０２に対して傾斜する第３軸線Ｌ３０３を有する。第４アーム体３３４は、第３アーム体３３３に対して流れ方向下流側で、第３アーム体を第３軸線Ｌ３まわりに回転可能に支持する。
【００６３】
各回転駆動源３３５〜３３７は、各回転駆動源のいずれかにそれぞれ内蔵される。第１回転駆動源３３５は、第２アーム体３４１に対して第１アーム体３４０を、第１軸線Ｌ３０１まわりに回転駆動する。第２回転駆動源３３６は、第３アーム体３３３に対して第２アーム体３４１を、第２軸線Ｌ３０２まわりに回転駆動する。第３回転駆動源３３７は、第４アーム体３３４に対して第３アーム体３３３を、第３軸線Ｌ３０３まわりに回転駆動する。
【００６４】
風洞模型試験装置３００は、さらに第４アーム体３３７を支持する支持体と、支持体を互いに直交する３つの方向に相対変位駆動する相対変位回転駆動源とをさらに含む。第１〜第３回転駆動源３３５〜３３７によって主に試験模型３２７の姿勢を調整し、相対変位回転駆動源によって主に試験模型３２７の位置を調整することによって、試験模型３２７の位置および姿勢を調整することができる。
【００６５】
試験模型３２７は、試験模型３２７の状態を検出する検出手段３２９が接続される。検出手段３２９によって計測される計測結果は、状態信号ケーブル３４４によって計測結果処理装置３５６に伝えられる。また各回転駆動源３３５〜３３７は、動力供給ケーブル３４５および駆動量伝達ケーブル３４６が接続される。
【００６６】
これらの各ケーブル３４４〜３４６は、各アーム体の内部空間３６１，３６３，３６５を挿通する挿通物となる。各ケーブル３４４〜３４６は、各アーム体が回転した場合であっても、各アーム体の内部空間を挿通可能に配置される。
【００６７】
第１〜第３回転駆動源３３５〜３３７および各ケーブル４４，４５，４６は、各アーム体のいずれかに内蔵され、各アーム体の外周面から突出することがない。これによって各アーム体の外形形状を、気流の流れ方向に沿って先鋭形状に形成することができる。したがって風洞模型支持装置３００を流線形形状に近づけることができ、各回転駆動源３３５〜３３７および各ケーブル３４４〜３４６に起因する気流の乱れをなくすことができる。
【００６８】
風洞模型支持装置３００は、第２回転駆動源３３６から第２アーム体３６１に回転力を伝達する関節構造について、本発明の実施である一形態のロボットの関節構造２０を有する。これによって第２アーム体３３３の外周形状を小型化することができる。したがって風洞試験における気流の状態を、現実的な気流の状態に近づけることができ、風洞試験の測定精度を向上することができる。
【００６９】
また本発明のロボットの関節構造２０は、風洞模型支持装置３００以外にも用いることができる。たとえば本発明のロボットの関節構造２０を有するロボットは、そのアーム体の外周形状を小型化することができるので、占有領域を小さくすることができ、他の装置および壁面と干渉することを防止することができる。これによって狭隘な作業空間であっても、可動領域を広くすることがきる。また本発明のロボットの関節構造２０は、複数の関節構造を有するロボットのうち一部の関節構造に設けられればよい。
【００７０】
【発明の効果】
以上のように請求項１記載の本発明によれば、第１アーム体の外周形状を可及的に小さくすることができる。これによってロボットの占有領域を小さくすることができ、他の装置および壁に干渉することを防いで、可動領域を広げることができる。
【００７１】
また挿通物を収容するための収容空間を十分に確保することができるので、挿通物が太い場合であっても第１アーム体内に確実に収容することができる。また挿通物が湾曲する曲率半径が小さい場合であっても収容することができる。また挿通物と中間伝達体とが接触することを防いで、ロボットの損傷を防止することができる。
【００７２】
さらに既存の連通体および回転駆動源を用いるとともに、トルクおよび回転速度を大きく変更することがないので、利便性を向上するとともに、安価に製造することができる。
【００７３】
また請求項２記載の本発明によれば、回転駆動源の発生するトルクを小さくすることができ、回転駆動源を小型化することができる。したがって第１アーム体の外周形状をさらに小型化することができる。
【００７４】
また請求項３記載の本発明によれば、歯車を介して回転力が伝達されることによって、大きなトルクの回転力を伝達することができる。したがってアーム体を回転させるために必要なトルクが大きい場合であっても、精度よくアーム体を回転させることができる。また第１中間歯車と第１歯車との歯数比、第２中間歯車と第２歯車との歯数比を調整することによって、回転駆動源の発生する回転力のトルクおよび回転速度を容易に変更して、変更した回転力を連通体に伝達することができる。
【００７５】
また請求項４記載の本発明によれば、歯車軸、第２中間歯車および第１歯車を連通体から離れた位置に配置することができ、挿通物を収容可能な空間を大きく確保することができる。これによって挿通物が歯車軸、第２中間歯車および第１歯車に接触することを防いで、ロボットの損傷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態であるロボットの関節構造を簡略化して示す断面図である。
【図２】本発明の実施の一形態である回転伝達機構２４を示す側面図である。
【図３】第１の比較例の回転伝達機構１２４を示す側面図である。
【図４】第２の比較例の回転伝達機構２２４を示す側面図である。
【図５】本発明のロボットの関節構造が用いられる風洞試験支持装置３００の一部を示す断面図である。
【図６】第１の従来技術のロボットである関節構造を示す断面図である。
【図７】第２の従来技術のロボットである関節構造を示す断面図である。
【図８】第３の従来技術のロボットである関節構造を示す断面図である。
【符号の説明】
２０ ロボットの関節構造
２１ 第１のアーム体
２２ 第２のアーム体
２３ ケーブル
２４ 回転伝達機構
２５ 回転駆動源
２６ 減速機
２８ 入力部
２９ 出力部
３０ 第１アーム体の内部空間
３１ 第２アーム体の内部空間
３２ 開口近傍空間
３３ａ 第１連通孔
３３ｂ 第２連通孔
４０ 第１伝達体
４１ 第２伝達体
４２ 中間伝達体
４３ 第１中間歯車
４４ 第２中間歯車
４５ 歯車軸
４６ 第１歯車
４７ 第２歯車
４８ 第１歯車対
４９ 第２歯車対
Ｌ１ 第１アーム体の軸線
Ｌ２ 第２アーム体の軸線
Ｌ３ 傾斜軸線
Ｌ２５ 回転駆動源の軸線
Claims (4)
- 筒状の第１アーム体と、
筒状の第２アーム体と、
第１アーム体の軸線に沿って延び、第１アーム体内に保持される回転駆動源と、
第１アーム体の内部空間と第２アーム体の内部空間とを連通する第１連通孔が形成され、第２アーム体に固定されて各アーム体の軸線に対して傾斜する傾斜軸線まわりに第１アーム体に対して回転可能に設けられる連通体と、
回転駆動源に設けられる第１伝達体と、
連通体に設けられ、第１連通孔と第１アーム体の内部空間とを連通する第２連通孔が形成される第２伝達体と、
第２連通孔の開口を形成する第２伝達体の開口部が臨む開口近傍空間から、傾斜軸線に交差する交差方向に退避して配置され、第１伝達体の回転力を第２伝達体に伝達する中間伝達体とを含むことを特徴とするロボットの関節構造。 - 中間伝達体は、第１伝達体の回転力を減速して第２伝達体に伝達することを特徴とする請求項１記載のロボットの関節構造。
- 第１伝達体は、回転駆動源に固定される第１歯車を有し、
第２伝達体は、連通体に固定される第２歯車を有し、
中間伝達体は、第１歯車に噛合する第１中間歯車と、第２歯車に噛合する第２中間歯車と、第１中間歯車と第２中間歯車とを同軸に連結する歯車軸とを有することを特徴とする請求項１または２記載のロボットの関節構造。 - 第１歯車の軸線と第１中間歯車の軸線とが成す第１軸角が９０度以下に選ばれ、第２歯車の軸線と第２中間歯車の軸線とが成す第２軸角が９０度以上に選ばれ、
第１および第２歯車ならびに第１および第２中間歯車は、それぞれ外歯傘歯車から成り、第１中間歯車は、傾斜軸線に対して第２中間歯車よりも前記交差方向に離反し、かつ傾斜軸線に関して第２中間歯車と交差方向に同一側に配置されることを特徴とする請求項３記載のロボットの関節構造。
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