JP2008044089A

JP2008044089A - ３自由度能動回転関節

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Publication number: JP2008044089A
Application number: JP2006224586A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Yo; 永余; Yoshitaka Narita; 佳貴成田
Original assignee: Kagoshima University NUC
Current assignee: Kagoshima University NUC
Priority date: 2006-08-21
Filing date: 2006-08-21
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2026-08-21
Also published as: JP4660770B2

Abstract

【課題】各自由度方向からなる任意の方向への一様な回転運動が可能であり、球関節に近いシンプルな構造を有する３自由度能動回転関節を提供する。
【解決手段】Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の中空軸回転型モータ２０ｘ、２０ｙ、２０ｚの中空軸に挿設された出力軸２１ｘ、２１ｙ、２１ｚに結合する回転球１０と、中空軸回転型モータ２０ｘ、２０ｙ、２０ｚをそれぞれ、それ自身の軸線まわりの回転を規制するとともに、他の直交２軸まわりのうち一方への回動を許容するように支持する可動支持体３０ｘ、３０ｙ、３０ｚと、可動支持体３０ｘ、３０ｙ、３０ｚをそれぞれ前記他の直交２軸まわりのうち他方への回動を許容するように支持する支持体５０とを備え、一方のリンク６０ａがＺ軸用の中空軸回転型モータ２０ｚの後端から突出する出力軸２１ｚに同軸上に固定され、他方のリンク６０ｂが支持体５０の支持端部５０ｚの外面側に固定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、２リンク間において３自由度方向の任意な回転相対運動を可能とする３自由度能動回転関節に関する。

近年では、様々な分野、例えば医療分野にまでロボット技術が応用されている。ロボットでは、人間の手、足、頭等の機能に似た働きをさせる必要があり、３自由度能動回転可能な関節が要求される。

一般的に、物体が互いに直交する３軸まわりに同時に回転することができる場合、物体が回転３自由度を持つという。例えば図１１に示すように、人間の首は前後及び左右への動き、左右への回転を行うことができ、３自由度を持つ。

２つのリンクを継ぐ関節によって、２リンク間において３自由度方向の任意な回転相対運動が可能となる場合、この関節を３自由度回転関節という。特に、アクチュエータで能動的に動作することのできるものを能動関節、駆動力を発生することのできないものを受動関節という。

３自由度回転関節としては、３自由度受動回転可能な球関節（特許文献１等を参照）や、３自由度能動回転可能なパラレルメカニズムがある。パラレルメカニズムとは、図１２に示すように、ベースから最終出力であるエンドプレートまでが複数のリンクで並列に連結されている機構をいい、例えばStewart Platform型（図１２（ａ））、Hexa型（図１２（ｂ））、直動固定型（図１２（ｃ））等が知られている。

特開平８−２４０４４２号公報

しかしながら、パラレルメカニズムでは、高い剛性が得られる等の利点もあるが、各自由度方向への一様な運動ができない、構造が複雑である等の点が指摘されている。

本発明は上記のような点に鑑みてなされたものであり、各自由度方向からなる任意の方向への一様な回転運動が可能であり、球関節に近いシンプルな構造を有する３自由度能動回転関節を提供することを目的とする。

本発明による３自由度能動回転関節は、一対のリンク間に設けられる３自由度能動回転関節であって、出力軸が直交３軸の原点を指向するように相互に直交配置されたＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータと、前記Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータの出力軸に結合する回転体と、前記Ｘ軸用の回転アクチュエータを、それ自身の軸線まわりの回転を規制するとともに、他の直交２軸まわりのうち一方への回動を許容するように支持する可動支持体と、前記Ｙ軸用の回転アクチュエータを、それ自身の軸線まわりの回転を規制するとともに、他の直交２軸まわりのうち一方への回動を許容するように支持する可動支持体と、前記Ｚ軸用の回転アクチュエータを、それ自身の軸線まわりの回転を規制するとともに、他の直交２軸まわりのうち一方への回動を許容するように支持する可動支持体と、前記可動支持体をそれぞれ前記他の直交２軸まわりのうち他方への回動を許容するように支持する支持体と、前記Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータのうちいずれか１つの回転アクチュエータに設けられ、該回転アクチュエータの出力軸とは逆向きに出力軸が指向する第４の回転アクチュエータとを備え、前記一対のリンクのうち、一方のリンクを前記第４の回転アクチュエータの出力軸に固定し、他方のリンクを前記支持体に固定した点に特徴を有する。
また、本発明による３自由度能動回転関節の他の特徴とするところは、前記回転体は回転球である点、さらには、前記回転球を任意の方向に回転可能に支持する回転球受けを備え、前記回転球受けが前記支持体により支持されている点にある。
また、本発明による３自由度能動回転関節の他の特徴とするところは、前記Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータは、中空軸の軸線が直交３軸の原点を指向するように相互に直交配置されたＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の中空軸回転型アクチュエータと、前記各中空軸回転型アクチュエータの中空軸に挿設されたＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の出力軸とにより構成される点、さらには、前記Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の中空軸回転型アクチュエータのうちいずれか１つの中空軸回転型アクチュエータにおいて前記出力軸が貫通する構成とし、その回転アクチュエータの後端から突出する前記出力軸に前記一方のリンクを固定することにより、該中空軸回転型アクチュエータが前記第４の回転アクチュエータも兼ねる点にある。

本発明によれば、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータをそれぞれ独立的に同時回転させれば、各自由度方向からなる任意の方向への一様な回転運動が可能となる。また、球関節に近い構造を有し、シンプルな構造の３自由度能動回転関節を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態の３自由度能動回転関節を示す斜視図である。また、図２は図１のｘ方向から見た一部断面図、図３は図１のｙ方向から見た一部断面図、図４は図１のｚ方向から見た一部断面図、図５は図２のV-V線に沿う一部断面図である。

本実施形態の３自由度能動回転関節は、一対のリンク６０ａ、６０ｂ間に設けられるものであって、回転球１０、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の中空軸回転型モータ２０ｘ、２０ｙ、２０ｚ、中空軸回転型モータ２０ｘ、２０ｙ、２０ｚをそれぞれ支持する可動支持体３０ｘ、３０ｙ、３０ｚ、回転球１０を任意の方向に回転可能に支持する回転球受け４０、可動支持体３０ｘ、３０ｙ、３０ｚ及び回転球受け４０を支持する支持体５０等により構成される。

Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の中空軸回転型モータ２０ｘ、２０ｙ、２０ｚは、中空軸の軸線が直交３軸の原点を指向するように相互に直交配置されるとともに、各中空軸に出力軸２１ｘ、２１ｙ、２１ｚが挿設される。図示例では、Ｚ軸用の中空軸回転型モータ２０ｚにおいて出力軸２１ｚが中空軸を貫通し、出力軸２１ｚが前端だけでなく後端からも突出する構成となっている。

これら中空軸回転型モータ２０ｘ、２０ｙ、２０ｚとしては、例えば中空軸、減速歯車を一体に組み合わせたギアドモータとその回転角や回転速度を測定するエンコーダとが用いられる。なお、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の中空軸回転型モータ２０ｘ、２０ｙ、２０ｚがそれぞれ本発明でいうＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の中空軸回転型アクチュエータに相当するものである。

回転球１０は、図６に示すように、その中心が直交３軸の原点に一致するように配置され、図７に示すように、回転球１０には相互に直交配置された貫通穴１１ｘ、１１ｙ、１１ｚが形成されている。

そして、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の中空軸回転型モータ２０ｘ、２０ｙ、２０ｚそれぞれの前端から突出する出力軸２１ｘ、２１ｙ、２１ｚが各貫通穴１１ｘ、１１ｙ、１１ｚに挿入されて回転球１０に結合する。この場合に、Ｘ軸用の中空軸回転型モータ２０ｘの出力軸２１ｘ及びＹ軸用の中空軸回転型モータ２０ｙの出力軸２１ｙは回転球１０の中心手前まで延伸する長さであるのに対して、Ｚ軸用の中空軸回転型モータ２０ｚの出力軸２１ｚは回転球１０の中心を超えて、回転球１０を貫通する長さとなっている。これは、後述するように出力軸２１ｚにはリンク６０ａが固定され、換言すれば、出力軸２１ｚは関節外部に延伸することから、他の出力軸２１ｘ、２１ｙに比べて長くなるためである。すなわち、出力軸２１ｚによって回転球１０に伝えられるモーメントも他の出力軸２１ｘ、２１ｙによるモーメントよりも大きくなる。そこで、出力軸２１ｚと回転球１０との結合を堅固なものとし、さらに出力軸２１ｚからのモーメントをうまく回転球１０に伝えるために、出力軸２１ｚを回転球１０に貫通させて回転球１０との接触面積を大きくしたものである。なお、具体的には図示しないが、各出力軸２１ｘ、２１ｙ、２１ｚに複数条のキー溝を切ったり、径方向にピンを突出させたりし、それらを貫通穴１１ｘ、１１ｙ、１１ｚに係合させることにより、各出力軸２１ｘ、２１ｙ、２１ｚの回転力が回転体１０に伝えられるようにする。

支持体５０は、図１、５に示すように、回転球１０と同心球となる部分球形状を呈し、直交３軸上に位置する支持端部５０ｘ、５０ｙ、５０ｚを有する。

回転球受け４０は、図１に示すように、回転球１０と同心球となる中空の球形状を呈し、回転球１０を任意の方向に回転可能に支持する球面滑り軸受として機能する。回転球受け４０には、地球でいう経線に相当する枠４１と、地球でいう緯線に相当する枠４２とにより、出力軸２１ｘ、２１ｙ、２１ｚまわりにそれぞれ略四辺形の開口が形成される。この回転球受け４０は、図５に示すように、円柱状の支持部５３を介して支持体５０により支持されている。

可動支持体３０ｘ、３０ｙ、３０ｚについて、Ｘ軸用の中空軸回転型モータ２０ｘを支持する可動支持体３０ｘに注目して説明する。可動支持体３０ｘは、回転球１０の大円と同心円状に湾曲する中空の角柱部材からなる。具体的に、可動支持体３０ｘの中空部３１は、図８（ｄ）に示すように、長手方向と直交する横断面において、モータ２０ｘ側で幅広、回転球１０側で幅狭となる台形状となっている。また、可動支持体３０ｘのモータ２０ｘ側の面及び回転球１０側の面には、出力軸２１ｘを挿通させる幅を有する長孔３２、３３が長手方向に形成されている。

可動支持体３０ｘの中空部３１にはスライダ３４が組み込まれている。スライダ３４は、モータ２０ｘ側の外円柱面３４ａ、回転球１０側の内円柱面３４ｂ、２つの扇形面３４ｃ、３４ｃ、２つの長方形面３４ｄ、３４ｄを有する略直方体形状となっている。外円柱面３４ａ、内円柱面３４ｂは可動支持体３０ｘと同心円状、換言すれば、回転球１０の大円と同心円状に湾曲するものである。

各円柱面３４ａ、３４ｂ及び各扇形面３４ｃ、３４ｃには、それぞれコロ３５が配設されている。各面３４ａ、３４ｂ、３４ｃにおいて長手方向に２つのコロ３５が配列され、スライダ３４に半没されるように組み付けられている。スライダ３４を中空部３１に組み込んだときに、各コロ３５と中空部３１の各内面とに隙間ができないように寸法設計され、スライダ３４が中空部３１内でがたつかないようになっている。これにより、スライダ３４は、中空部３１の各内面をコロ３５が転動することにより、回転球１０と一定の距離を保ちながら、可動支持体３０ｘ内を長手方向に低摩擦で滑動しうる。

Ｘ軸用の中空軸回転型モータ２０ｘの前端は、スライダ３４の外円柱面３４ａに一対の支持板３６を介して固定される。この場合に、Ｘ軸用の中空軸回転型モータ２０ｘの前端から突出する出力軸２１ｘは、スライダ３４を貫通して回転球１０に結合する。

以上述べた構成により、Ｘ軸用の中空軸回転型モータ２０ｘは、スライダ３４が可動支持体３０ｘの中空部３１内でがたつくことがないので、それ自身の軸線まわりの回転が規制される。さらに、スライダ３４により可動支持体３０ｘに沿って往復移動することができるので、他の直交２軸まわりのうちＹ軸まわりへの回動が許容される。

このようにした可動支持体３０ｘは、図５に示すように、支持体５０のうちＺ軸上に位置する支持端部５０ｚに対して回転軸５１により回転可能に軸支されている。回転軸５１は可動支持体３０ｘの端部に固定されており、支持端部５０ｚに内装された２つのベアリング５２を介して回転可能に支持されている。このように回転軸５１の軸方向に２つのベアリング５２を配列することにより、回転軸５１を傾けようとする外力が作用したときでも、２つのベアリング５２が支持しあって回転軸５１の傾きを防ぐことができる。

以上述べた構成により、可動支持体３０ｘ、換言すれば、Ｘ軸用の中空軸回転型モータ２０ｘは、他の直交２軸まわりのうちＺ軸まわりへの回動が許容される。

ここではＸ軸用の中空軸回転型モータ２０ｘを支持する可動支持体３０ｘに注目して説明したが、Ｙ軸用、Ｚ軸用の中空軸回転型モータ２０ｙ、２０ｚを支持する可動支持体３０ｙ、３０ｚについても同様である。

以上述べた本実施形態の３自由度能動回転関節において、図１に示すように、一対のリンク６０ａ、６０ｂのうち、一方のリンク６０ａがＺ軸用の中空軸回転型モータ２０ｚの後端から突出する出力軸２１ｚに同軸上に固定され、他方のリンク６０ｂが支持体５０の支持端部５０ｚの外面側に固定される。

本実施形態の３自由度能動回転関節によれば、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の各中空軸回転型モータ２０ｘ、２０ｙ、２０ｚをそれぞれ独立的に同時回転させれば、各自由度方向からなる任意の方向への一様な回転運動が可能となる。また、球関節に近い構造を有し、シンプルな構造の３自由度能動回転関節を提供することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態として、図９を参照して、可動支持体３０ｘ、３０ｙ、３０ｚに組み込まれるスライダの他の構成例を示す。図９において、上記第１の実施形態で説明した構成要素と同様の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

スライダ１３４そのものの形状は、図８に示したスライダ３４と同様、モータ２０ｘ側の外円柱面１３４ａ、回転球１０側の内円柱面１３４ｂ、２つの扇形面１３４ｃ、１３４ｃ、２つの長方形面１３４ｄ、１３４ｄを有する略直方体形状となっている。

扇形面１３４ｃ、１３４ｃと長方形面１３４ｄ、１３４ｄとの各角部には、ベアリング収納凹部１３１が形成されている。ベアリング収納凹部１３１内では、外円柱面１３４ａ及び内円柱面１３４ｂにて支持されている軸によりベアリング１３３が軸支されている。スライダ１３４を中空部３１に組み込んだときに、これらベアリング１３３と中空部３１の内側面とに隙間ができないように寸法設計され、スライダ１３４が中空部３１内でがたつかないようになっている。

また、扇形面１３４ｃ、１３４ｃの中央には、外円柱面１３４ａ及び内円柱面１３４ｂに開口する凹部１３５が形成されている。凹部１３５内では、凹部１３５の底から突出する軸によりベアリング１３６が軸支されている。スライダ１３４を中空部３１に組み込んだときに、これらベアリング１３６と中空部３１のモータ２０ｘ側の内面及び回転球１０側の内面とに隙間ができないように寸法設計され、スライダ１３４が中空部３１内でがたつかないようになっている。

これにより、スライダ１３４は、中空部３１の各内面をベアリング１３３、１３６が転動することにより、回転球１０と一定の距離を保ちながら、可動支持体３０ｘ内を長手方向に低摩擦で滑動しうる。

（第３の実施形態）
図１０は第３の実施形態の３自由度能動回転関節を示す斜視図である。図１０において、上記第１の実施形態で説明した構成要素と同様の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

上記第１の実施形態では、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の中空軸回転型モータ２０ｘ、２０ｙ、２０ｚの前端を可動支持体３０ｘ、３０ｙ、３０ｚ（のスライダ３４）に固定する例を示したが、本実施形態では、図９に示すように、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の中空軸回転型モータ２０ｘ、２０ｙ、２０ｚの後端を可動支持体３０ｘ、３０ｙ、３０ｚ（のスライダ３４）に固定している。

このようにＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の中空軸回転型モータ２０ｘ、２０ｙ、２０ｚの後端を可動支持体３０ｘ、３０ｙ、３０ｚ（のスライダ３４）に固定する場合、Ｘ軸用、Ｙ軸用の中空軸回転型モータ２０ｘ、２０ｙを支持する可動支持体３４においては、スライダ３４に出力軸２１ｘを貫通させるための貫通穴は不要となる。ただし、Ｚ軸用の中空軸回転型モード２０ｚを支持する可動支持体３４においては、Ｚ軸用の中空軸回転型モータ２０ｚの後端から突出する出力軸２１ｚがスライダ３４を貫通し、同軸上にリンク６０ａが固定される。

なお、上記各実施形態では中空軸回転型モータを例にして説明したが、出力軸を具備する通常のモータを用いてもかまわない。この場合、Ｚ軸用モータと第４のモータとを直列的に配置し、互いに出力軸が逆向きに指向するように連結すればよい。そして、Ｚ軸用のモータの出力軸と第４のモータの出力軸との回転を同回転にし、他の２つのモータ（Ｘ軸用のモータ及びＹ軸用のモータ）との三者の間でそれぞれ独立的に同時回転させれば、各自由度方向からなる任意の方向への一様な回転運動が可能となる。すなわち、本発明でいう第４の回転アクチュエータは、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータと別体であってもよいし、上記各実施形態のように例えばＺ軸用の回転アクチュエータが第４の回転アクチュエータを兼ねるようにしてもよい。

以上、本発明を種々の実施形態と共に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。例えば上記各実施形態では、本発明でいう回転体として回転球１０を用い、回転球受け４０で回転可能に支持するようにしたが、回転球１０は出力軸２１ｘ、２１ｙ、２１ｚによって支えられることから、運動学的原理からみれば、回転体を球形状以外（例えば六面体）としたり、回転体を回転球受け４０で回転可能に支持したりする必要はない。ただし、回転球１０を用い、回転球受け４０で支持した方が、高い剛性が得られるとともに、各部の組み付け誤差や寸法誤差等による影響を少なくして精密な運動を行わせることができる。

第１の実施形態の３自由度能動回転関節を示す斜視図である。図１のｘ方向から見た一部断面図である。図１のｙ方向から見た一部断面図である。図１のｚ方向から見た一部断面図である。図２のV-V線に沿う一部断面図である。回転球とＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸との関係を示す図である。回転球を説明するための図であり、（ａ）は（ｂ）のA-A線に沿う断面図、（ｂ）は平面図である。可動支持体を説明するための図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のA-A線に沿う一部断面図、（ｃ）は（ａ）のB-B線に沿う一部断面図、（ｄ）は（ａ）のC-C線に沿う一部断面図である。他の可動支持体を説明するための図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のA-A線に沿う一部断面図、（ｃ）は（ａ）のB-B線に沿う一部断面図、（ｄ）は（ａ）のC-C線に沿う一部断面図である。第２の実施形態の３自由度能動回転関節を示す斜視図である。人間の首が３自由度を持つことを説明するための図である。３自由度能動回転関節として知られているパラレルメカニズムの例を示す図である。

符号の説明

１０回転球
２０ｘＸ軸用の中空軸回転型モータ
２０ｙＹ軸用の中空軸回転型モータ
２０ｚＺ軸用の中空軸回転型モータ
２１ｘ、２１ｙ、２１ｚ出力軸
３０ｘ、３０ｙ、３０ｚ可動支持体
４０回転球受け
５０支持体
６０ａ、６０ｂリンク

Claims

一対のリンク間に設けられる３自由度能動回転関節であって、
出力軸が直交３軸の原点を指向するように相互に直交配置されたＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータと、
前記Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータの出力軸に結合する回転体と、
前記Ｘ軸用の回転アクチュエータを、それ自身の軸線まわりの回転を規制するとともに、他の直交２軸まわりのうち一方への回動を許容するように支持する可動支持体と、
前記Ｙ軸用の回転アクチュエータを、それ自身の軸線まわりの回転を規制するとともに、他の直交２軸まわりのうち一方への回動を許容するように支持する可動支持体と、
前記Ｚ軸用の回転アクチュエータを、それ自身の軸線まわりの回転を規制するとともに、他の直交２軸まわりのうち一方への回動を許容するように支持する可動支持体と、
前記可動支持体をそれぞれ前記他の直交２軸まわりのうち他方への回動を許容するように支持する支持体と、
前記Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータのうちいずれか１つの回転アクチュエータに設けられ、該回転アクチュエータの出力軸とは逆向きに出力軸が指向する第４の回転アクチュエータとを備え、
前記一対のリンクのうち、一方のリンクを前記第４の回転アクチュエータの出力軸に固定し、他方のリンクを前記支持体に固定したことを特徴とする３自由度能動回転関節。
前記回転体は回転球であることを特徴とする請求項１に記載の３自由度能動回転関節。
前記回転球を任意の方向に回転可能に支持する回転球受けを備え、前記回転球受けが前記支持体により支持されていることを特徴とする請求項２に記載の３自由度能動回転関節。
前記Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の回転アクチュエータは、中空軸の軸線が直交３軸の原点を指向するように相互に直交配置されたＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の中空軸回転型アクチュエータと、前記各中空軸回転型アクチュエータの中空軸に挿設されたＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の出力軸とにより構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の３自由度能動回転関節。
前記Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の中空軸回転型アクチュエータのうちいずれか１つの中空軸回転型アクチュエータにおいて前記出力軸が貫通する構成とし、その回転アクチュエータの後端から突出する前記出力軸に前記一方のリンクを固定することにより、該中空軸回転型アクチュエータが前記第４の回転アクチュエータも兼ねることを特徴とする請求項４に記載の３自由度能動回転関節。