JP2007298114A - 駆動装置及び関節装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型かつ減速比を容易に変更し得る駆動装置を実現する
【解決手段】モータ１２の出力軸１２ｏｕｔ及び減速機１３の入力軸１３ｉｎが同側になるように当該モータ１２及び減速機１３を並列に配置し、出力軸１２ｏｕｔと入力軸１３ｉｎの間を伝達手段１５で伝達するようにしたことにより、駆動装置１０の出力軸方向の寸法を削減できるともに、伝達手段１５の減速比を変更するだけで、同一の減速機１２を用いて駆動装置１０の総減速比を容易に変更することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は駆動装置及び関節装置に関し、例えばロボットの間接装置に適用して好適なものである。

従来、モータ等の回転出力を減速するための減速機において遊星歯車機構が広く用いられている。遊星歯車機構は、入力軸に設けられた太陽歯車と、当該太陽歯車に噛み合いつつその周囲を公転するように遊星キャリアに軸支された複数の遊星歯車と、各遊星歯車を内接する内歯歯車とで構成される歯車構造であり、内歯歯車を固定した状態で入力軸すなわち太陽歯車を回転させると、各遊星歯車が遊星キャリアとともに太陽歯車の回転数より遅い公転周期で公転し、このときの遊星キャリアの回転を出力として取り出すことにより、入力軸の回転を減速して出力軸から出力することができる。

図７は遊星歯車機構を用いた駆動装置１を示し、モータ２と、当該モータ２の回転出力を遊星歯車機構で減速して外部に出力する遊星歯車減速機３とが接続されて構成される。ここで、遊星歯車機構は入力軸及び出力軸が同軸上に位置するため、モータ２と遊星歯車減速機３とを同一軸線上に配置する必要があり、駆動装置１全体の形状に制限が加えられるという問題があった。

かかる問題を解決するため、モータの出力軸及び遊星歯車減速機の入力軸それぞれに平歯車を取り付け、これら２つの平歯車が噛み合うようにモータの中心と遊星歯車減速機の中心とをオフセットさせることにより、モータ及び遊星歯車減速機を互い違いに配置してモータを遊星歯車減速機よりも下方に位置させ、当該モータの地上高を従来に比して低減した電気自動車のホイール駆動装置が提案されている。
特開平１１−８９１７８号公報

ところで、ロボット装置の間接機構を駆動するための駆動装置にも、モータ及び遊星歯車減速機が用いられている。遊星歯車機構は、上述したように入力軸及び出力軸が同軸上に配置されることから、複数段を直列に連結することにより高減速比を得ることができ、これにより、ロボット装置の間接機構に要求される低速かつ高トルクな動作を容易に実現することができる。

ところが図７に示したように、モータ２及び遊星歯車減速機３を同軸で接続して駆動装置１を形成した場合、当該駆動装置１の全長が長くなってロボット装置の間接機構を小型化し得ないという問題があった。そして、上述したホイール駆動装置の構造をロボット装置の間接機構に適用したとしても、その全長はモータ及び遊星歯車減速機を同軸で接続した場合と変わらず、間接機構を小型化し得ないという問題があった。

また、ロボット装置の間接機構はその部位に応じて要求される速度やトルクが異なり、これに応じて減速比を変更する必要があるが、遊星歯車機構は減速比を変更することが困難であるため、間接機構の部位毎に異なる遊星歯車減速機を用意しなければならないという問題があった。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、小型かつ減速比を容易に変更し得る駆動装置及びこれを用いた関節装置を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため本発明の駆動装置においては、モータの回転を減速して駆動対象を駆動する駆動装置であって、モータに対して並列に配置され、かつ入力軸が当該モータの出力軸と同側に配置された減速機と、モータの出力軸の回転を減速機の入力軸に伝達する伝達手段とを設けるようにした。

そして伝達手段は、複数の平歯車を介してモータの出力軸の回転を減速機の入力軸に伝達するようにした。

これにより、駆動装置の出力軸方向の寸法を削減できるともに、同一の減速機を用いて駆動装置の総減速比を変更することができる。

また本発明の関節装置においては、モータに対して並列に配置され、かつ入力軸が当該モータの出力軸と同側に配置された減速機と、モータの出力軸の回転を減速機の入力軸に伝達する伝達手段を有する複数の駆動装置と、駆動装置の減速機の出力軸を次段の駆動装置に接続する複数の接続手段とを設け、複数の駆動装置が有する伝達手段は、それぞれ異なる減速比でモータの出力軸の回転を減速機の入力軸に伝達するようにした。

これにより、関節装置の幅を削減し得るとともに、同一の減速機を用いて、駆動装置の位置に応じた総減速比を設定することができる。

本発明によれば、モータの出力軸及び減速機の入力軸が同側になるように当該モータ及び減速機を並列に配置し、モータの出力軸と減速機の入力軸の間を伝達手段で伝達するようにしたことにより、駆動装置の出力軸方向の寸法を削減できるともに、同一の減速機を用いて駆動装置の総減速比を変更することができ、小型かつ減速比を容易に変更し得る駆動装置及びこれを用いた関節装置を実現することができる。

以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。

（１）駆動装置の全体構成
図１（Ａ）において、１０は全体として本発明を適用した駆動装置を示し、モータ１２及び遊星歯車減速機１３が並行な状態でフレーム１１に取り付けられている。そして、フレーム１１の一端に取り付けられたギヤカバー１４の内部には、図１（Ｂ）に示すように、２枚の平歯車１５ｉｎ及び１５ｏｕｔからなる動力伝達部１５が収納されている。

動力伝達部１５の入力側平歯車１５ｉｎは、モータ１２の出力軸１２ｏｕｔに取り付けられているのに対し、動力伝達部１５の出力側平歯車１５ｏｕｔは、遊星歯車減速機１３の入力軸１３ｉｎに取り付けられており、さらに、当該入力側平歯車１５ｉｎ及び出力側平歯車１５ｏｕｔが噛み合うようにそれぞれの歯数が設定されている。

一方、遊星歯車減速機１３には、複数段（例えば３段）の遊星歯車機構（図示せず）が直列に接続されて内蔵されている。すなわち、入力軸１３ｉｎが初段の遊星歯車機構の太陽歯車に接続され、当該初段の遊星歯車機構の遊星キャリアは次段の遊星歯車機構の太陽歯車に接続される。以下同様に、前段の遊星キャリアが次段の太陽歯車に接続されていき、最終段の遊星キャリアが遊星歯車減速機１３の出力プレート１３ｏｕｔに接続される。また、各遊星歯車機構の内歯歯車は遊星歯車減速機１３のケースに固定される。これにより遊星歯車減速機１３は、入力軸１３ｉｎの回転を複数段の遊星歯車機構によって減速し、反対側の出力プレート１３ｏｕｔから出力する。

かくして駆動装置１０は、モータ１２の出力軸１２ｏｕｔの回転を、動力伝達部１５の入力側平歯車１５ｉｎ及び出力側平歯車１５ｏｕｔを順次介して遊星歯車減速機１３の入力軸１３ｉｎに伝達し、さらに遊星歯車減速機１３で減速して出力プレート１３ｏｕｔを回転させる。

そして図２に示すように、接続手段としての駆動アーム１６を出力プレート１３ｏｕｔに取り付けるとともに、ギヤカバー１４の表面に設けられた円柱状の支持軸１４Ａに従動アーム１７の軸受孔１７Ａを回動自在に取り付け、さらに当該駆動アーム１６及び従動アーム１７を駆動対象に接続することにより、当該駆動対象を駆動アーム１６及び従動アーム１７で支持しながら回転駆動することができる。

（２）駆動装置を用いた関節機構の構成
さらにこの駆動装置１０は、他の駆動装置１０を駆動対象として駆動アーム１６及び従動アーム１７に接続することにより、例えば指のように複数関節が連続した関節機構を構成することができる。

すなわち図３は、本発明の駆動装置１０を用いたロボットの指機構２０を示し、３つの駆動装置１０Ａ〜１０Ｃを直列に接続して構成されている。第１関節駆動装置１０Ａは、指機構２０の根元に位置する指基部２０Ａとして、そのフレーム１１がロボットの掌部（図示せず）に接続される。また、第１関節駆動装置１０Ａの駆動アーム１６及び従動アーム１７は第２関節駆動装置１０Ｂのフレーム１１に接続され、当該第２関節駆動装置１０Ｂを指機構２０の基節２０Ｂとして回動駆動する。

同様に、第２関節駆動装置１０Ｂの駆動アーム１６及び従動アーム１７は第３関節駆動装置１０Ｃのフレーム１１に接続され、当該第３関節駆動装置１０Ｃを指機構２０の中節２０Ｃとして回動駆動する。さらに、第３関節駆動装置１０Ｃの駆動アーム１６及び従動アーム１７は指先部２１に接続され、当該指先部２１を指機構２０の末節２０Ｄとして回動駆動する。かくしてこの指機構２０では、同一構造の駆動装置１０を用いて３つの関節を駆動する。

ところで、ロボットの関節機構では関節の部位毎に要求されるトルクや駆動速度が異なることが多い。図３に示した指機構２０においても、指先の第３関節に比べて根元の第１関節は大きなトルクが必要となる。

そして、図７に示したモータ２及び遊星歯車減速機３を同軸で直結した駆動装置１では、関節の部位毎に異なる減速比を有する遊星歯車減速機３を用いる必要がある。

これに対して本発明の駆動装置１０では、並置したモータ１２及び遊星歯車減速機１３の入出力間に動力伝達部１５を設けたことにより、当該動力伝達部１５の減速比を変えるだけで、同じ遊星歯車減速機１３を用いて駆動装置１０の総減速比を容易に変更することができる。

すなわち図４は、各駆動装置１０Ａ〜１０Ｃのギヤカバー１４及び従動アーム１７を取り除いた状態の指機構２０を示し、駆動装置１０Ａ〜１０Ｃそれぞれの動力伝達部１５Ａ〜１５Ｃの減速比を異ならせている。

指機構２０を根元から駆動する第１関節駆動装置１０Ａには最も大きいトルクが求められることから、その動力伝達部１５Ａの減速比はもっとも大きく設定されている。そして、第２関節駆動装置１０Ｂの動力伝達部１５Ｂの減速比は動力伝達部１５Ａより小さく、
第３関節駆動装置１０Ｃの動力伝達部１５Ｃの減速比は動力伝達部１５Ｂよりもさらに小さく設定されている。

（３）指機構を用いた手部の構成
このようにして構成した指機構２０を搭載するロボットの手部３０を図５に示す。この手部３０は、掌部３１の周縁に内蔵された５つの基部駆動部３２それぞれに対して指機構２０の指基部２０Ａ（図３）が接続されることにより、計５本の指を有している。ちなみに親指に相当する指機構２０のみは、図３に示す第３関節駆動装置１０Ｃ（すなわち中節２０Ｃ）が省かれており、第２関節駆動装置１０Ｂに対して指先部２１が直接接続された２関節構造となっている。

各基部駆動部３２は、それぞれに接続された指機構２０を、当該基部駆動部３２を中心として掌部３１の表面と平行に揺動させることにより、掌部３１に対する各指機構２０の取り付け角度を可変させて、手部３０全体として５本の指を扇状に展開させたり閉じたりし得るようになされており、これにより各指機構２０の先端間隔を適宜増減させて、様々な対象物を確実に握持することができる。

ここで、上述したように駆動装置１０は、モータ１２及び遊星歯車減速機１３を平行に配置していることから、その軸方向の幅を従来の駆動装置１（図７）に比べて大幅に削減でき、従って当該駆動装置１０を使用する指機構２０の幅Ｗも削減することができる。これにより、手部３０における指機構２０の間隔が増加して、基部駆動部３２を中心とした指機構２０の揺動範囲をも拡大させることができる。

（４）動作及び効果
以上の構成において、この駆動装置１０は、モータ１２の出力軸１２ｏｕｔ及び遊星歯車減速機１３の入力軸１３ｉｎの間を、複数の平歯車で構成された動力伝達部１５で接続するようにした。

これにより、動力伝達部１５の減速比を適宜変更することで、同一の遊星歯車減速機１を用いながら駆動装置１０の総減速比を容易に変更することができる。

また駆動装置１０は、モータ１２の出力軸１２ｏｕｔ及び遊星歯車減速機１３の入力軸１３ｉｎが同側になるように、当該モータ１２及び遊星歯車減速機１を並列して配置した。

これにより、駆動装置１０の軸方向の寸法を従来に比して大幅に削減することができ、さらには当該駆動装置１０を用いる指機構２０の幅をも削減して、手部３０における指機構２０の揺動範囲を拡大させることができる。

なお、図６（Ａ）に示した駆動装置４０のように、モータ１２と直結した遊星歯車減速機１３の出力軸に傘歯歯車４１Ａを接続し、さらに当該傘歯歯車４１Ａに傘歯歯車４１Ｂを組み合わせて出力することで、出力軸方向の幅Ｗａを削減し得るものの、この場合出力軸に直角な方向の長さＬａが増大してしまう。また、傘歯歯車の動力伝達効率は約６０％と低く、これにより駆動装置４０全体の効率も低下してしまうという問題もある。

これに対して本発明の駆動装置１０では、図６（Ｂ）に示すように、その出力軸方向の幅Ｗｂは図７に示した従来の駆動装置１よりも小さく、また出力軸に直角な方向の長さＬｂは図６（Ａ）に示した駆動装置４０よりも小さくなり、これにより、駆動装置１０全体の大きさを小型化することができる。さらには、動力伝達効率が約８０％と高い平歯車を用いて動力伝達部１５を構成したことにより、駆動装置１０全体の効率を高く維持することができる。

以上の構成によれば、モータ１２及び遊星歯車減速機１３を並列配置し、これらを動力伝達部１５で接続するようにしたことにより、小型かつ高効率で、総減速比を容易に変更し得る駆動装置１０を実現することができる。

そして、当該駆動装置１０を用いて指機構２０を構成することにより、従来に比して稼動範囲の広い手部３０を実現することができる。

（５）他の実施の形態
なお上述の実施の形態においては、複数枚の平歯車を用いて動力伝達部１５を構成するようにしたが、本発明はこれに限らず、例えばモータ１２の出力軸１２ｏｕｔ及び遊星歯車減速機１３の入力軸１３ｉｎそれぞれにプーリを取り付け、これら２つのプーリに駆動ベルトを架けることにより、ベルト駆動でなる動力伝達部を構成するようにしても良い。

この場合でも、プーリの直径に応じて減速比を様々に変化させることができ、同一の遊星歯車減速機１を用いながら駆動装置１０の総減速比を容易に変更することができる。

さらに上述の実施の形態においては、遊星歯車減速機１３を用いてモータ１２の回転を減速するようにしたが、本発明はこれに限らず、平歯車減速機など、この他種々の減速機を用いてモータ１２の回転を減速するようにしてもよい。この場合でも、動力伝達部１５の減速比を変更することで、同一の減速機を用いて駆動装置の総減速比を容易に変更することができる。

本発明は、駆動対象を回動駆動する各種の駆動装置に広く適用することができる。

本発明による駆動装置の全体構成を示す略線図である。 駆動対象への接続方法の説明に供する略線図である。 指機構の構成を示す略線図である。 各関節の動力伝達部を示す略線図である。 本発明の駆動装置を用いた手部の構成を示す略線図である。 駆動装置の寸法比較の説明に供する略線図である。 遊星歯車減速機を用いた従来の駆動装置を示す略線図である。

符号の説明

１、１０、４０……駆動装置、２、１２……モータ、３、１３……遊星歯車減速機、１５……動力伝達部、１６……駆動アーム、１７……従動アーム、２０……指機構、３０……手部。

Claims (4)

1. モータの回転を減速して駆動対象を駆動する駆動装置であって、
   上記モータに対して並列に配置され、かつ入力軸が当該モータの出力軸と同側に配置された減速機と、
   上記モータの出力軸の回転を上記減速機の入力軸に伝達する伝達手段と
   を具えることを特徴とする駆動装置。
2. 上記伝達手段は、複数の平歯車を介して上記モータの出力軸の回転を上記減速機の入力軸に伝達する
   ことを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 他の駆動装置を上記減速機の出力軸に接続して、当該他の駆動装置を駆動対象として駆動させる接続手段
   を具えることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
4. モータに対して並列に配置され、かつ入力軸が当該モータの出力軸と同側に配置された減速機と、上記モータの出力軸の回転を上記減速機の入力軸に伝達する伝達手段を有する複数の駆動装置と、
   上記駆動装置の上記減速機の出力軸を次段の上記駆動装置に接続する複数の接続手段と
   を具え、
   上記複数の駆動装置が有する伝達手段は、それぞれ異なる減速比で上記モータの出力軸の回転を上記減速機の入力軸に伝達する
   ことを特徴とする関節装置。

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