JP2009291874A - Joint device, robot arm, and finger unit - Google Patents

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JP2009291874A JP2008147149A JP2008147149A JP2009291874A JP 2009291874 A JP2009291874 A JP 2009291874A JP 2008147149 A JP2008147149 A JP 2008147149A JP 2008147149 A JP2008147149 A JP 2008147149A JP 2009291874 A JP2009291874 A JP 2009291874A
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Kazuhiro Sasabe
和宏 笹部
Takao Tanaka
高穂 田中
Hidenori Shirasawa
秀則 白沢
Nobuaki Imamura
信昭 今村
Futoshi Kobayashi
太 小林
Tadashi Maeda
正 前田
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Kansai Electric Power Co Inc
Advanced Materials Processing Institute Kinki Japan AMPI
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Kansai Electric Power Co Inc
Advanced Materials Processing Institute Kinki Japan AMPI
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a joint device, a robot arm and a finger unit can prevent a speed reducer from being damaged by releasing an external force acting on the speed reducer even when an excessive force exceeding an allowable external torque acts on the speed reducer assembled in the joint device of a robot. <P>SOLUTION: A joint member J includes a harmonic drive H having a wave generator 31 rotated around a predetermined axis P by the output of a motor M assembled in link members L transmitted thereto through a transmission mechanism T, a flexible spline 32 having an inner peripheral section joined to the outer peripheral section of the wave generator 31, and a circular spline 34 having, on the inner peripheral section, a tooth section 38 meshed with a tooth section 37 formed on the outer peripheral section of the flexible spline 32. The flexible spline 32 is connected to one link member L1 through a torque limiting mechanism R, and the circular spline 34 is connected to the other link member L2. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、一対のリンク部材を所定軸心周りに回転する関節部材を介して連結した関節装置、関節装置を用いたロボットアーム、及び、フィンガーユニットに関する。   The present invention relates to a joint device in which a pair of link members are connected via a joint member that rotates around a predetermined axis, a robot arm using the joint device, and a finger unit.

生産現場において利用されている産業用ロボットの把持装置(以下、「ハンド」とも記す。)にはプライヤのような開閉機構で対象物を掴む形態のメカニカルグリッパが多用されているが、多くの場合、対象物を把持するために相対的に運動する二つのリンクまたは三爪チャックのような三リンクを有する機構で構成されている。   Industrial grippers (hereinafter also referred to as “hands”) used in production sites often use mechanical grippers that hold objects with an opening and closing mechanism such as a pliers. It consists of a mechanism having three links, such as two links or a three-jaw chuck that move relatively to grip the object.

このようなメカニカルグリッパは高度な制御を必要とせず、機械的に開閉するために、確実な繰り返し動作が保証されているが、把持動作を機械的に実現することから、生産現場の定められた位置・姿勢に整列された既知形状の対象物に対しては確実な把持を保証するが、鋳造部品やプレス成形部品のような様々な曲面を持つ複雑形状の部品を適切に把持することが困難であり、バラ積み部品等のように対象物の置かれた位置・姿勢、或いは対象物の形や寸法が少しでも異なると、最早一つのメカニカルグリッパでは対応できない。   Such a mechanical gripper does not require advanced control, and since it opens and closes mechanically, a reliable repetitive motion is guaranteed, but since the gripping operation is realized mechanically, it is determined at the production site. It guarantees secure gripping on objects of known shape aligned in position and orientation, but it is difficult to properly grip complex shaped parts with various curved surfaces such as cast parts and press-formed parts. If the position / posture where the object is placed, or the shape and dimensions of the object are slightly different, such as bulk parts, it is no longer possible to use one mechanical gripper.

そのため、生産現場では、視覚センサを導入して複雑な形状認識処理によって部品の位置・姿勢を測定してメカニカルグリッパで把持可能な把持点を決定したり、対象物の形状・寸法の種類に応じて複数のメカニカルグリッパを準備して、対象物に応じてその都度グリッパを交換するといった多大なコストを必要とする複雑なロボットシステムの導入を余儀なくされている。   Therefore, at the production site, a visual sensor is introduced to measure the position and orientation of parts by complex shape recognition processing to determine the gripping points that can be gripped by the mechanical gripper, and depending on the shape and size of the target object Therefore, it is necessary to introduce a complicated robot system that requires a great cost such as preparing a plurality of mechanical grippers and replacing the grippers each time according to an object.

一方、人は複数の関節を持つ5本の指からなる手で複雑な作業を器用に実行することができる。人の手のような構造ならびに形状を持ち、人の手と同様の運動制御機能を有したユニバーサルなロボットハンドを実現することができるならば、ロボットは、人間と同様、一つのハンド機構で様々な複雑作業を器用に行うことが可能になる。また、ロボットに合わせてその都度開発していた特殊作業工具は必要でなくなり、ロボットは、従来、人が使用してきた汎用作業工具を用いて作業を行うことも可能となる。   On the other hand, a person can perform complex work skillfully with a hand composed of five fingers having a plurality of joints. If a universal robot hand having a structure and shape similar to that of a human hand and having a motion control function similar to that of a human hand can be realized, the robot can be controlled by a single hand mechanism. This makes it possible to perform complicated and complicated tasks. Moreover, the special work tool developed every time according to the robot is no longer necessary, and the robot can also perform work using general-purpose work tools conventionally used by humans.

このような背景の下、人間の手のような機構と人間の手のような巧みな作業機能を有したロボットハンドを実現すべく、人間の手を模した複数の関節を備えた複数の指から構成されるユニバーサルロボットハンドが研究開発されてきた。   Under such a background, in order to realize a robot hand having a mechanism like a human hand and a skillful work function like a human hand, a plurality of fingers having a plurality of joints imitating a human hand. A universal robot hand composed of

このようなロボットハンドとして、特許文献1には、図11に示すように、人間の手と類似した運動ができるロボットハンド構造、即ち、四関節J100,J200,J300,J400備えた指を複数本配置し、各関節を駆動するモータを内蔵したロボットハンドにおいて、各指の根本側の第一関節J100と第二関節J200の軸が1点で直交し、その二つの関節を独立に駆動できるように1つの指について二つのモータを掌に設けたことを特徴とするロボットハンドが提案されている。   As such a robot hand, as shown in FIG. 11, Patent Document 1 discloses a robot hand structure capable of moving similar to a human hand, that is, a plurality of fingers having four joints J100, J200, J300, and J400. In a robot hand that is arranged and has a motor that drives each joint, the axes of the first joint J100 and the second joint J200 on the base side of each finger are orthogonal at one point so that the two joints can be driven independently. In addition, there has been proposed a robot hand characterized in that two motors are provided on the palm for one finger.

上述の文献には、第三関節J300用のモータM300と駆動連結された4節リンク機構Lを介して第四関節J400の軸を駆動することで、一つのモータにより第三関節J300と第四関節J400を同時に同じ方向に回転可能な構成、及び、指先に力覚センサS100を備えた構成が提案されている。   In the above-mentioned document, the third joint J300 and the fourth joint are driven by one motor by driving the shaft of the fourth joint J400 through the four-joint link mechanism L that is drivingly connected to the motor M300 for the third joint J300. A configuration in which the joint J400 can be simultaneously rotated in the same direction and a configuration in which a force sensor S100 is provided at the fingertip have been proposed.

しかし、関節で連結されるリンクL300、L400に対して、モータM300からギア式の減速機構を介してリンクL300を駆動するとともに減速機構からさらにリンクやワイヤー等の駆動伝動機構、ここでは4節リンク機構Lを介してリンクL400を駆動するごとき構成を採用する場合には、減速機構によるギアのバックラッシュや駆動伝動機構による機械的遊びによるガタの発生のために正確な指の動作制御が困難となるばかりか、モータから減速機構を経て駆動伝動機構に動力を伝達するために駆動伝達機構は多大のトルクを伝達することが必要となり駆動伝達機構の大型化、延いてはロボットハンドの大型化を招くという問題があった。   However, the links L300 and L400 connected by the joint drive the link L300 from the motor M300 via the gear type reduction mechanism, and further drive the drive transmission mechanism such as a link and a wire from the reduction mechanism, in this case, a four-link. When adopting a configuration such as driving the link L400 via the mechanism L, accurate finger movement control is difficult due to backlash of the gear caused by the speed reduction mechanism and play due to mechanical play caused by the drive transmission mechanism. In addition, in order to transmit power from the motor to the drive transmission mechanism via the speed reduction mechanism, it is necessary for the drive transmission mechanism to transmit a large amount of torque, which increases the size of the drive transmission mechanism and thus the size of the robot hand. There was a problem of inviting.

そこで、本願発明者らは、特許文献2に示すように、駆動系の機械的ガタを効果的に除去するとともに、力覚等のセンシング系の実装上の工夫を施すことにより、人の指のごとき微妙な動作を実現することが可能な関節装置、関節装置を用いたコンパクト設計が可能なロボットフィンガー、及び、ユニバーサルロボットハンドを提供することを目的とした関節装置を提案している。   Therefore, the inventors of the present application, as shown in Patent Document 2, effectively remove the mechanical rattle of the drive system, and devise on the mounting of the sensing system such as force sense, so that We have proposed joint devices that can realize subtle motions, robot fingers that can be compactly designed using joint devices, and joint devices that aim to provide universal robot hands.

具体的には、図12に示すように、一方のリンク部材L101に固定したフレクスプラインと、その回転軸心と交差する方向に延出形成した薄肉部を他方のリンク部材L202に固定したサーキュラスプラインとを備えてなるハーモニックドライブ減速機H101を関節部材に組み込み、基端側リンク部材L101に収容したモータ(アクチュエータ)M101の出力を基端側のウェーブジェネレータに伝達する第一の伝動機構T101と、モータM101の出力を第一の伝動機構T101及び基端側リンク部材L101に隣接するリンク部材L202に収容した伝達シャフトS101を介して基端側のウェーブジェネレータに隣接する関節部材に組み込んだハーモニックドライブ減速機H202のウェーブジェネレータに伝達する第二の伝動機構T202を備えた関節装置である。
特開平11−156778号公報 特開2007−152528号公報
Specifically, as shown in FIG. 12, a flex spline fixed to one link member L101, and a circular spline in which a thin portion formed to extend in a direction intersecting the rotation axis is fixed to the other link member L202. A first drive mechanism T101 that incorporates a harmonic drive speed reducer H101 comprising a joint member and transmits the output of a motor (actuator) M101 housed in the base end side link member L101 to the base end side wave generator; Harmonic drive deceleration in which the output of the motor M101 is incorporated into the joint member adjacent to the proximal end wave generator via the transmission shaft S101 accommodated in the first transmission mechanism T101 and the link member L202 adjacent to the proximal end side link member L101. Second transmission to the wave generator of machine H202 A joint device having a mechanism T202.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-156778 JP 2007-152528 A

上述したように、関節装置の駆動機構として、アクチュエータからの動力を減速機を介して関節軸へ伝達してリンクを駆動する方式を採用すると、減速機によって増力することができるため、小さな出力のアクチュエータでも関節リンクを駆動するために必要な大きな動力が得られるという利点を持つ。   As described above, if a system for driving the link by transmitting the power from the actuator to the joint shaft via the speed reducer as the drive mechanism of the joint device, the power can be increased by the speed reducer. An actuator also has an advantage that a large power necessary for driving the joint link can be obtained.

アクチュエータとして、取扱いの容易さからDCモータなどの電気モータが多く使用されているが、電気モータは一般に高速回転・低トルクであるためロボットの関節機構では高減速比の減速機を介して使用することが必要となる。   As an actuator, an electric motor such as a DC motor is often used for ease of handling. However, since an electric motor generally has high speed rotation and low torque, it is used via a reduction gear with a high reduction ratio in a robot joint mechanism. It will be necessary.

こうしたアクチュエータ及び減速機から構成される関節駆動機構はバックドライバビリティ(関節軸からアクチュエータ出力軸を動かすこと)に劣るため、環境から駆動リンクへ外部トルクが作用すると、そのほとんどが減速機の構造へ作用することとなる。   Since the joint drive mechanism composed of such an actuator and speed reducer is inferior in back drivability (moving the actuator output shaft from the joint axis), most of the external torque acts on the drive link from the environment to the structure of the speed reducer. Will act.

そのため、ロボットアームやロボットフィンガー等に用いられる関節装置に使用される減速機は、外部トルクに対して十分な構造強度を有することが必要となる。   Therefore, a reduction gear used for a joint device used for a robot arm, a robot finger, or the like needs to have sufficient structural strength against external torque.

しかも、ロボットの関節装置はその運動の高速化ならびに機構の軽量化の必要から、より小型軽量で高減速比の減速機を限られたスペースにコンパクトに配置するように設計することが要求される。   In addition, the robot joint device is required to be designed so that a smaller and lighter reduction gear having a high reduction ratio is compactly arranged in a limited space because of the necessity of speeding up the movement and reducing the weight of the mechanism. .

しかし、小型軽量で高減速比の減速機を得ようとすると、その歯型形状を小さくしなければならず、出力軸に作用する外部トルクに対して十分な構造強度を得ることは困難となる。   However, when trying to obtain a reduction gear having a small and light weight and a high reduction ratio, the tooth shape must be reduced, and it is difficult to obtain sufficient structural strength against the external torque acting on the output shaft. .

従って、ロボットアーム等の運転に際しては、環境から関節リンク機構へ作用する力が減速機出力軸の許容外部トルクの範囲内に収まるように、限定して使用することが要求されるという問題があった。   Therefore, when operating the robot arm or the like, there is a problem that it is required to use the robot arm in a limited manner so that the force acting on the joint link mechanism from the environment is within the allowable external torque range of the reduction gear output shaft. It was.

本発明の目的は、上述の問題点に鑑み、ロボットの関節装置に組み込まれた減速機に許容外部トルクを超える過大な力が作用した場合でも、減速機に作用する外力を開放して減速機の破損を防止することができる関節装置、ロボットアーム、及び、フィンガーユニットを提供する点にある。   In view of the above-described problems, an object of the present invention is to release an external force acting on a speed reducer even when an excessive force exceeding an allowable external torque is applied to a speed reducer incorporated in a robot joint device. It is the point which provides the joint apparatus, the robot arm, and the finger unit which can prevent damage of the above.

上述の目的を達成するため、本発明による関節装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項1に記載した通り、一対のリンク部材を所定軸心周りに回転する関節部材を介して連結した関節装置であって、前記関節部材に、一方のリンク部材に組み付けられたモータの出力が伝動機構を介して伝達され前記所定軸心周りに回転するウェーブジェネレータと、前記ウェーブジェネレータの外周部と接合する内周部を備えたフレクスプラインと、前記フレクスプラインの外周部に形成された歯部と噛合する歯部が内周部に形成されたサーキュラスプラインとからなるハーモニックドライブ減速機構を備え、前記フレクスプラインがトルク制限機構を介して一方のリンク部材に固定されるとともに、前記サーキュラスプラインが他方のリンク部材に直接または間接的に固定されている点にある。   In order to achieve the above-mentioned object, a first characteristic configuration of the joint device according to the present invention is a joint member that rotates a pair of link members around a predetermined axis as described in claim 1 of the claims. A wave generator that rotates around the predetermined axis by transmitting an output of a motor assembled to one of the link members to the joint member via a transmission mechanism, and the wave generator. Harmonic drive reduction mechanism comprising: a flexspline having an inner peripheral portion that joins with the outer peripheral portion; and a circular spline in which a tooth portion that meshes with a tooth portion formed on the outer peripheral portion of the flexspline is formed on the inner peripheral portion The flex spline is fixed to one link member via a torque limiting mechanism, and the circular spline is fixed to the other link member. In that it is directly or indirectly fixed to the click member.

上述の特徴構成によれば、モータの出力が伝動機構を介してハーモニックドライブ減速機構を構成するウェーブジェネレータに伝達されると、フレクスプラインを介してサーキュラスプラインに伝達されるので、サーキュラスプラインと固定された他方のリンク部材は、フレクスプラインと固定された一方のリンク部材に対してウェーブジェネレータの回転軸心周りに、相対的に回転することになる。前記モータにより前記関節部材を介して他方のリンク部材に付与される回転トルクと逆方向に、前記トルク制限機構による保持トルクより大きな外力が付与されると、前記トルク制限機構により前記関節部材が前記回転トルクと逆方向へ回転して、ハーモニックドライブ減速機構にかかる外部トルクが開放されるので、関節装置の破損を防止することがきる。   According to the above characteristic configuration, when the output of the motor is transmitted to the wave generator constituting the harmonic drive speed reduction mechanism via the transmission mechanism, it is transmitted to the circular spline via the flex spline, so that it is fixed to the circular spline. The other link member rotates relatively around the rotation axis of the wave generator with respect to the one link member fixed to the flexspline. When an external force greater than the holding torque by the torque limiting mechanism is applied in the opposite direction to the rotational torque applied to the other link member by the motor via the joint member, the torque limiting mechanism causes the joint member to be Since the external torque applied to the harmonic drive speed reduction mechanism is released by rotating in the direction opposite to the rotational torque, the joint device can be prevented from being damaged.

同第二の特徴構成は、同請求項2に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記トルク制限機構は、一方のリンク部材に固定された環状の受圧体と、転動軸心が前記受圧体の径方向対して所定の角度で傾斜した姿勢で前記受圧体の周方向に沿って配列された複数のローラと、各ローラを所定間隔で転動自在に保持する環状の保持体と、前記ローラを挟み前記受圧体と対向配置された環状の加圧体とを備え、前記フレクスプラインの延出軸に外嵌された環状の回転摩擦機構と、前記延出軸と前記受圧体とを前記加圧体を介して直接または間接的に所定の締付力で締付固定する固定機構を備えている点にある。   In the second characteristic configuration, as described in claim 2, in addition to the first characteristic configuration described above, the torque limiting mechanism includes an annular pressure receiving body fixed to one link member, a rolling shaft, A plurality of rollers arranged in the circumferential direction of the pressure receiving body in a posture in which the core is inclined at a predetermined angle with respect to the radial direction of the pressure receiving body, and an annular holding for holding each roller so as to roll freely at a predetermined interval And an annular pressurizing member that is disposed opposite to the pressure receiving body with the roller interposed therebetween, and an annular rotational friction mechanism that is externally fitted to the extension shaft of the flexspline, the extension shaft, and the pressure receiving portion. A fixing mechanism for fixing the body to the body directly or indirectly with a predetermined tightening force via the pressure body is provided.

上述の構成によれば、フレクスプラインの延出軸の軸方向に固定機構により所定の締付力で締付固定した状態で一対のリンク部材を相対的に回転させると、各ローラが受圧体及び加圧体に接しながら転動する。各ローラは延出軸の回転軌道に対して所定角度だけ傾斜した方向に転動しようとするのを保持体で規制されながら延出軸の回転軌道に沿って移動するため、各ローラと受圧体及び加圧体との間に前記延出軸の軸方向の締付力に比例した摩擦力が発生する。その際、各ローラは、転動しながら滑り摩擦を発生させるので、静摩擦は発生せずに常に動摩擦による安定した抵抗力が得られる。従って、固定機構により延出軸の軸方向の締付力を適切に設定することにより、一対のリンク部材に対する許容外部トルクを適切に調整することができる。   According to the above configuration, when the pair of link members are relatively rotated in the axial direction of the extension shaft of the flexspline with a predetermined tightening force by the fixing mechanism, each roller is moved to the pressure receiving body and Roll while in contact with the pressurized body. Since each roller moves along the rotation path of the extension shaft while being restricted by the holding body to roll in a direction inclined by a predetermined angle with respect to the rotation path of the extension shaft, each roller and pressure receiving body A frictional force proportional to the axial tightening force of the extension shaft is generated between the pressure member and the pressure member. At that time, since each roller generates sliding friction while rolling, a stable resistance force is always obtained by dynamic friction without generating static friction. Therefore, the allowable external torque for the pair of link members can be appropriately adjusted by appropriately setting the axial tightening force of the extension shaft by the fixing mechanism.

同第三の特徴構成は、同請求項3に記載した通り、上述の第二特徴構成に加えて、前記固定機構による前記延出軸と前記受圧体との間の締付力を動的に調整するアクチュエータを備えている点にある。   In the third characteristic configuration, as described in the third aspect, in addition to the second characteristic configuration described above, the fastening force between the extension shaft and the pressure receiving body by the fixing mechanism is dynamically increased. It is in the point provided with the actuator to adjust.

上述の構成によれば、関節装置の用いられる環境により適宜トルク制限機構の許容外部トルクを動的に調整することができる。   According to the configuration described above, the allowable external torque of the torque limiting mechanism can be dynamically adjusted as appropriate according to the environment in which the joint device is used.

同第四の特徴構成は、同請求項4に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記モータにより前記関節部材を介して他方のリンク部材に付与される回転トルクと逆方向に、前記トルク制限機構による保持トルクより大きな外力が付与されると、前記トルク制限機構により前記関節部材が前記回転トルクと逆方向へ回転するように構成され、前記一対のリンク部材が直線状に位置する特異姿勢で姿勢保持されるように、一方のリンク部材にストッパ機構を設けている点にある。   The fourth feature configuration is applied to the other link member via the joint member by the motor, in addition to any one of the first to third feature configurations described above. When an external force greater than the holding torque by the torque limiting mechanism is applied in the direction opposite to the rotational torque, the joint member is configured to rotate in the direction opposite to the rotational torque by the torque limiting mechanism, One of the link members is provided with a stopper mechanism so that the link member is held in a specific posture that is linearly positioned.

上述の構成によれば、前記モータにより前記関節部材を介して他方のリンク部材に付与される回転トルクと逆方向に、前記トルク制限機構による保持トルクより大きな外力が付与されると、前記トルク制限機構により前記関節部材が前記回転トルクと逆方向へ回転して、ハーモニックドライブ減速機構を破損から保護するとともに、リンク部材がストッパ機構に当接し特異姿勢となることで、各構成部材の剛性で前記大きな外力を支持することができる。   According to the above configuration, when an external force greater than the holding torque by the torque limiting mechanism is applied in the direction opposite to the rotational torque applied to the other link member by the motor via the joint member, the torque limitation is performed. The mechanism rotates the joint member in the direction opposite to the rotational torque to protect the harmonic drive speed reduction mechanism from breakage, and the link member comes into contact with the stopper mechanism and takes a unique posture. Large external force can be supported.

本発明によるロボットアームの特徴構成は、同請求項5に記載した通り、上述の第一から第四の何れかの特徴構成を備えた関節装置が組み込まれた点にある。   The characteristic configuration of the robot arm according to the present invention is that, as described in the fifth aspect of the present invention, the joint device having any one of the first to fourth characteristic configurations described above is incorporated.

上述の構成によれば、ロボットアームの関節に上述の関節装置を組み込むことにより、駆動リンクに過大な外力が作用した際に高減速比のハーモニックドライブ減速機を保護するとともにメカニカルストッパの位置まで回転して機構的に大きな外力の支持が可能な特異姿勢を自ら採らせることができる。このことにより幅広いレンジにわたって外界との力学的相互作用に対応することが可能なロボットアームを実現することができる。   According to the above-described configuration, the above-described joint device is incorporated into the joint of the robot arm to protect the harmonic drive speed reducer with a high reduction ratio and rotate to the position of the mechanical stopper when an excessive external force acts on the drive link. Thus, a unique posture capable of supporting a large external force mechanically can be adopted by itself. As a result, it is possible to realize a robot arm that can cope with a mechanical interaction with the outside world over a wide range.

本発明によるフィンガーユニットの特徴構成は、同請求項6に記載した通り、ユニバーサルロボットハンドに用いられ、複数の関節装置を備えたフィンガーユニットであって、上述の第一から第四の何れかの特徴構成を備えた関節装置が組み込まれた点にある。   The characteristic configuration of the finger unit according to the present invention is a finger unit that is used in a universal robot hand and includes a plurality of joint devices, as described in claim 6, and includes any one of the first to fourth aspects described above. The joint device having the characteristic configuration is incorporated.

上述の構成によれば、各関節装置に組み込まれたハーモニックドライブにトルク制限機構の保持トルクを超える過大な力が作用した場合には、機械的にハーモニックドライブに作用する外力を開放してハーモニックドライブの破損を防止することができる。つまり、より人に近い関節装置、ロボットアーム、及び、フィンガーユニットを実現することができる   According to the above-described configuration, when an excessive force exceeding the holding torque of the torque limiting mechanism is applied to the harmonic drive incorporated in each joint device, the external force that mechanically acts on the harmonic drive is released mechanically. Can be prevented from being damaged. In other words, a joint device, robot arm, and finger unit that are closer to humans can be realized.

以上説明した通り、本発明によれば、ロボットの関節装置に組み込まれた減速機に許容外部トルクを超える過大な力が作用した場合でも、減速機に作用する外力を開放して減速機の破損を防止することができる関節装置、ロボットアーム、及び、フィンガーユニットを提供することができるようになった。   As described above, according to the present invention, even if an excessive force exceeding the allowable external torque is applied to the reduction gear incorporated in the joint device of the robot, the external force acting on the reduction gear is released to break down the reduction gear. It is now possible to provide a joint device, a robot arm, and a finger unit that can prevent the above.

以下に本発明による関節装置、ロボットアーム、及び、フィンガーユニットの実施の形態を説明する。   Embodiments of a joint device, a robot arm, and a finger unit according to the present invention will be described below.

図1に示すように、関節装置1は、一対のリンク部材L1,L2と、一対のリンク部材L1,L2を軸心P周りに回転する関節部材Jと、一方のリンク部材L1に固定された軸心Pと直交する方向に回転軸を有するエンコーダ内蔵のモータMと、伝動機構Tを備え、リンク部材L1の一端に固定されたモータMの出力が伝動機構Tを介してリンク部材L1の他端に軸支された関節部材Jに伝達され、関節部材Jが軸心P周りに回転することで、関節部材Jに接続されたリンク部材L2がリンク部材L1に対して相対的に回転するように構成されている。リンク部材L1の他端側には、リンク部材L2がリンク部材L1に対して直線状に位置する特異姿勢で姿勢保持されるようにストッパ機構13がネジ14により固着されている。   As shown in FIG. 1, the joint device 1 is fixed to a pair of link members L1, L2, a joint member J that rotates the pair of link members L1, L2 around an axis P, and one link member L1. A motor M with a built-in encoder having a rotation shaft in a direction orthogonal to the axis P and a transmission mechanism T, and the output of the motor M fixed to one end of the link member L1 is transmitted to the link member L1 via the transmission mechanism T. The link member L2 connected to the joint member J is rotated relative to the link member L1 by being transmitted to the joint member J pivotally supported at the end and rotating around the axis P. It is configured. A stopper mechanism 13 is fixed to the other end side of the link member L1 with a screw 14 so that the link member L2 is held in a specific posture that is linearly positioned with respect to the link member L1.

伝動機構Tは、小径のベベルギアG1と、ベベルギアG1と噛合する大径のベベルギアG2と、平歯車G3と、平歯車G3と噛合する平歯車G4で構成されている。ベベルギアG1はモータMの出力軸に嵌入連結され、ベベルギアG2は平歯車G3の回転軸に止めねじ15で嵌入固定され、平歯車G4の回転軸には関節部材Jが連結されている。   The transmission mechanism T includes a small-diameter bevel gear G1, a large-diameter bevel gear G2 that meshes with the bevel gear G1, a spur gear G3, and a spur gear G4 that meshes with the spur gear G3. The bevel gear G1 is fitted and connected to the output shaft of the motor M, the bevel gear G2 is fitted and fixed to the rotating shaft of the spur gear G3 with a set screw 15, and the joint member J is connected to the rotating shaft of the spur gear G4.

関節部材Jは、ハーモニックドライブ減速機構(以下、「ハーモニックドライブ」と記す。)Hと、トルク制限機構Rで構成されている。   The joint member J includes a harmonic drive speed reduction mechanism (hereinafter referred to as “harmonic drive”) H and a torque limiting mechanism R.

ハーモニックドライブHは、楕円状のカムとその外周に嵌めたベアリングにより構成された入力部としてのウェーブジェネレータ31と、薄肉カップ状の金属弾性体で開口部の外周に歯部が形成された回転部としてのフレクスプライン32と、リング状の剛体内周にフレクスプライン32と同ピッチでその歯数がフレクスプライン32の歯部より二枚多い歯部が形成された出力部としてのサーキュラスプライン34で構成されている。ウェーブジェネレータ31は、伝動機構Tの平歯車G4の回転軸に止めねじ16で嵌入固定され、フレクスプライン32のカップ底面部には固定部としての延出軸33が固着され、延出軸33はサーキュラスプライン34にベアリング35を介して支持され、サーキュラスプライン34の外周にはケーシング36が固着され、ケーシング36にはリンク部材L2が接続されている。尚、サーキュラスプライン34の外周に直接リンク部材L2を接続する場合は、ケーシング36は必ずしも備える必要はない。   The harmonic drive H includes a wave generator 31 as an input portion configured by an elliptical cam and a bearing fitted on the outer periphery thereof, and a rotating portion in which a tooth portion is formed on the outer periphery of the opening portion by a thin cup-shaped metal elastic body. And a circular spline 34 serving as an output portion in which two teeth are formed at the same pitch as the flexspline 32 on the circumference of the ring-shaped rigid body. Has been. The wave generator 31 is fitted and fixed to the rotating shaft of the spur gear G4 of the transmission mechanism T with a set screw 16, and an extension shaft 33 as a fixing portion is fixed to the cup bottom surface portion of the flexspline 32. The extension shaft 33 is The circular spline 34 is supported via a bearing 35. A casing 36 is fixed to the outer periphery of the circular spline 34, and a link member L2 is connected to the casing 36. Note that when the link member L2 is directly connected to the outer periphery of the circular spline 34, the casing 36 is not necessarily provided.

図2に示すように、モータMの出力が伝動機構Tを介してウェーブジェネレータ31に伝達され、図中破線矢印で示される方向に回転すると、それに伴ないフレクスプライン32が弾性変形し、フレクスプライン32の外周部に形成された歯部37と、歯部37と噛合するサーキュラスプライン34の内周部に形成された歯部38との噛み合い位置が順次移動しながら、フレクスプライン32に対してサーキュラスプライン34が図中実線矢印で示される方向に相対的に回転する。歯部37の歯数は、歯部38の歯数より二枚少ないので、これによりモータMからの出力が減速されることとなる。   As shown in FIG. 2, when the output of the motor M is transmitted to the wave generator 31 via the transmission mechanism T and rotates in the direction indicated by the broken line arrow in the figure, the flexspline 32 is elastically deformed accordingly, and the flexspline As the meshing position of the tooth part 37 formed on the outer peripheral part of 32 and the tooth part 38 formed on the inner peripheral part of the circular spline 34 meshing with the tooth part 37 sequentially moves, the circular with respect to the flexspline 32 is moved. The spline 34 rotates relatively in the direction indicated by the solid arrow in the figure. Since the number of teeth of the tooth portion 37 is two less than the number of teeth of the tooth portion 38, the output from the motor M is thereby decelerated.

トルク制限機構Rは、軸心P方向の締付力に応じた回転摩擦が得られる回転摩擦機構40と、回転摩擦機構40を所定の締付力で締付固定する固定機構50を備えている。   The torque limiting mechanism R includes a rotational friction mechanism 40 that can obtain rotational friction according to a tightening force in the direction of the axis P, and a fixing mechanism 50 that fastens and fixes the rotational friction mechanism 40 with a predetermined tightening force. .

回転摩擦機構40は、図3(a),(b),(c)に示すように、転動軸心bが軸心Pと垂直方向aに対して所定の傾斜角度θで転動自在に且つ受圧体41の回転軌道に沿って保持体43に保持された複数のローラ42が、受圧体41と加圧体45の対向面間に所定の締付力で挟持されている。複数のローラ42は転動軸心b方向に一様に延びる円柱形状をなし、後述する保持体43に形成された保持孔44により受圧体41の周方向に等間隔で転動自在に配列されている。また、各ローラ42の両端面は保持体43との摩擦を少なくするために凸球面状に形成されている。尚、受圧体41及び加圧体45はローラ42との当接面が平面に形成されていればよく、その形状は円環状に限られない。   As shown in FIGS. 3A, 3 </ b> B, and 3 </ b> C, the rotational friction mechanism 40 allows the rolling axis b to roll at a predetermined inclination angle θ with respect to the axis P and the vertical direction a. A plurality of rollers 42 held by the holding body 43 along the rotation path of the pressure receiving body 41 are sandwiched between the opposed surfaces of the pressure receiving body 41 and the pressure body 45 with a predetermined tightening force. The plurality of rollers 42 has a cylindrical shape that extends uniformly in the direction of the rolling axis b, and is arranged to be freely rollable at equal intervals in the circumferential direction of the pressure receiving body 41 by a holding hole 44 formed in a holding body 43 described later. ing. Further, both end surfaces of each roller 42 are formed in a convex spherical shape in order to reduce friction with the holding body 43. The pressure receiving body 41 and the pressure body 45 only need to have a flat contact surface with the roller 42, and the shape is not limited to an annular shape.

保持体43は、軸心P方向の厚みがローラ42の外径よりも小さく形成されている。保持体43にはローラ42を保持する複数の保持孔44が形成され、各保持孔44にはローラ42が転動自在に収容されている。また、各保持孔44は、図3(c)に示すようにローラ42の転動軸心bが受圧体41の径方向aに対して所定の角度θだけ傾斜するように形成されている。   The holding body 43 is formed such that the thickness in the direction of the axis P is smaller than the outer diameter of the roller 42. A plurality of holding holes 44 for holding the rollers 42 are formed in the holding body 43, and the rollers 42 are accommodated in the holding holes 44 so as to be able to roll. Each holding hole 44 is formed such that the rolling axis b of the roller 42 is inclined by a predetermined angle θ with respect to the radial direction a of the pressure receiving body 41 as shown in FIG.

従って、図3(d)に示すように、受圧体41及び加圧体45を軸心P方向に加圧した状態で回転させると、ローラ42が受圧体41及び加圧体45に接しながら転動し、これに追従して保持体43も回転する。その際、各ローラ42は、受圧体41及び加圧体45の回転軌道に対して角度θだけ傾斜した方向に転動しようとするのを保持体43で規制されながら受圧体41及び加圧体45の回転軌道に沿って移動するため、各ローラ42と受圧体41及び加圧体45との間には軸心P方向の荷重に比例した摩擦力が発生する。   Therefore, as shown in FIG. 3D, when the pressure receiving body 41 and the pressurizing body 45 are rotated in a state where the pressure receiving body 41 and the pressurizing body 45 are pressed in the direction of the axis P, the roller 42 rotates while contacting the pressure receiving body 41 and the pressurizing body 45. The holder 43 also rotates following this movement. At this time, each roller 42 is restricted by the holding body 43 from rolling in the direction inclined by the angle θ with respect to the rotation trajectory of the pressure receiving body 41 and the pressure body 45, and the pressure receiving body 41 and the pressure body. Therefore, a frictional force proportional to the load in the direction of the axis P is generated between each roller 42, the pressure receiving body 41, and the pressing body 45.

つまり、上述の摩擦力を上回る回転トルクにより初めて受圧体41及び加圧体45は相対的に回転するのである。   That is, the pressure receiving body 41 and the pressurizing body 45 rotate relative to each other for the first time by the rotational torque exceeding the above-described frictional force.

上述の回転摩擦装置40がフレクスプライン32の延出軸33に外嵌され、固定機構50として延出軸33に筒状体55を外嵌固定し、その周囲おねじを形成し、バネ座金53を介してナット51が螺着することで、受圧体41と加圧体45が軸心P方向に所定の締付力で締付固定される。ナット51は止めねじ52により任意の締付力となるように延出軸33に固定できる。このように、ナット51の締付力によって、受圧体41及び加圧体45の相対的な回転運動に軸心P方向の荷重に比例した任意の保持トルクを付与することができ、しかも止めねじ51により締付力を調整固定することにより、トルク制限機構Rの保持トルクを極めて容易に制御することができる。尚、延出軸33の外周におねじを形成し、ナット51と噛合させる場合は、筒状体55は必ずしも備える必要はない。   The above-described rotational friction device 40 is externally fitted to the extension shaft 33 of the flexspline 32, and the cylindrical body 55 is externally fitted and fixed to the extension shaft 33 as the fixing mechanism 50, a surrounding male screw is formed, and a spring washer 53 is formed. When the nut 51 is screwed through the pressure receiving body 41, the pressure receiving body 41 and the pressure body 45 are fastened and fixed in the direction of the axis P with a predetermined tightening force. The nut 51 can be fixed to the extension shaft 33 by the set screw 52 so as to have an arbitrary tightening force. Thus, the holding force proportional to the load in the direction of the axis P can be applied to the relative rotational movement of the pressure receiving body 41 and the pressure body 45 by the tightening force of the nut 51, and the set screw By adjusting and fixing the tightening force by 51, the holding torque of the torque limiting mechanism R can be controlled very easily. In addition, when a screw is formed on the outer periphery of the extension shaft 33 and engaged with the nut 51, the cylindrical body 55 is not necessarily provided.

尚、固定機構50として、ナット51、止めねじ52、バネ座金53により出力軸33と受圧体41との間の締付力を固定する構成に限らず、前記締付力を動的に調整するアクチュエータを備えてもよい。このようなアクチュエータとしては超音波モータ、圧電素子、エアシリンダ等を用いることができる。   The fixing mechanism 50 is not limited to a configuration in which the tightening force between the output shaft 33 and the pressure receiving body 41 is fixed by the nut 51, the set screw 52, and the spring washer 53, and the tightening force is dynamically adjusted. An actuator may be provided. As such an actuator, an ultrasonic motor, a piezoelectric element, an air cylinder, or the like can be used.

超音波モータを用いる場合は、延出軸33に回転摩擦装置40を外嵌し、超音波モータを構成する圧電セラミック、ステータを外嵌し、その後延出軸33に形成したおねじと噛合するめねじが形成されたロータを外嵌するように構成にすればよい。前記圧電セラミックにより発生させた超音波振動を利用してステータにたわみ波動を発生させ、その進行波を利用してロータを回転させると、前記ロータは回転に伴ない延出軸33に沿って軸心P方向に移動するので、回転摩擦機構40の軸心P方向の締付力を任意に調整することができる。   When an ultrasonic motor is used, the rotary friction device 40 is externally fitted to the extension shaft 33, the piezoelectric ceramic and the stator constituting the ultrasonic motor are externally fitted, and then meshed with the external screw formed on the extension shaft 33. What is necessary is just to make it the structure which fits the rotor in which the screw | thread was formed. When a flexural wave is generated in the stator using the ultrasonic vibration generated by the piezoelectric ceramic and the rotor is rotated using the traveling wave, the rotor rotates along the extension shaft 33 along with the rotation. Since it moves in the direction of the center P, the tightening force of the rotational friction mechanism 40 in the direction of the axis P can be arbitrarily adjusted.

圧電素子を用いる場合は、バネ座金53に替えて、またはバネ座金53を介してナット51及び回転摩擦機構40の間に圧電素子を挟持するように構成にすればよい。前記圧電素子に電圧を加えることで、前記圧電素子自体の厚みが変位するので回転摩擦機構40の軸心P方向の締付力を任意に調整することができる。   When a piezoelectric element is used, the piezoelectric element may be sandwiched between the nut 51 and the rotational friction mechanism 40 instead of the spring washer 53 or via the spring washer 53. By applying a voltage to the piezoelectric element, the thickness of the piezoelectric element itself is displaced, so that the tightening force in the direction of the axis P of the rotary friction mechanism 40 can be arbitrarily adjusted.

エアシリンダを用いる場合は、バネ座金53に替えて、またはバネ座金53を介してナット51及び回転摩擦機構40の間にエアシリンダを挟持するように構成にすればよい。前記エアシリンダに外部から注入する空気圧を調整することで、回転摩擦機構40の軸心P方向の締付力を任意に調整することができる。   In the case of using an air cylinder, the air cylinder may be sandwiched between the nut 51 and the rotary friction mechanism 40 instead of the spring washer 53 or via the spring washer 53. By adjusting the air pressure injected from the outside into the air cylinder, the tightening force in the direction of the axis P of the rotary friction mechanism 40 can be arbitrarily adjusted.

上述の構成により、関節装置1は、モータMを一方向に回転駆動することにより、その出力が伝動機構Tを介してハーモニックドライブHのウェーブジェネレータ31を駆動し、フレクスプライン32はトルク制限機構Rを介してリンク部材L1へ固定されているため、サーキュラスプライン34が軸心P周りに回転し、リンク部材L2はリンク部材L1に対して相対的に回転(以下、「正回転」と記す。)することとなる。モータMを逆方向に回転駆動することにより、リンク部材L2は、正回転とは逆方向に回転(以下、「負回転」と記す。)することとなる。   With the above-described configuration, the joint device 1 rotates the motor M in one direction so that the output drives the wave generator 31 of the harmonic drive H through the transmission mechanism T, and the flex spline 32 has the torque limiting mechanism R. Since the circular spline 34 rotates around the axis P, the link member L2 rotates relative to the link member L1 (hereinafter referred to as “forward rotation”). Will be. By rotating the motor M in the reverse direction, the link member L2 rotates in the direction opposite to the normal rotation (hereinafter referred to as “negative rotation”).

ここで、モータMにより関節部材Jを介してリンク部材L2に付与される回転トルクと逆方向に、トルク制限機構Rによる保持トルクより大きな外力が付与されると、回転摩擦機構40の受圧体41と加圧体45が相対的に回転しはじめ、外力に伴なって出力軸33が回転トルクと逆方向へ回転(以下、「逆回転」と記す。)するので、前記外力がハーモニックドライブHを破損する虞が回避されるのである。   Here, when an external force larger than the holding torque by the torque limiting mechanism R is applied in the direction opposite to the rotational torque applied to the link member L2 by the motor M via the joint member J, the pressure receiving body 41 of the rotational friction mechanism 40. The pressure body 45 starts to rotate relatively, and the output shaft 33 rotates in the direction opposite to the rotational torque (hereinafter referred to as “reverse rotation”) with the external force, so that the external force causes the harmonic drive H to rotate. The risk of breakage is avoided.

正回転時には、リンク部材L2が逆回転し続け、ストッパ機構13に当接すると、リンク部材L1,12が直線状に位置する特異姿勢となり、外力を支持することとなる。負回転時には、リンク部材L2が逆回転し続け、リンク部材L1と当接し外力を支持することとなる。   At the time of forward rotation, when the link member L2 continues to rotate reversely and comes into contact with the stopper mechanism 13, the link members L1 and L12 are in a unique posture positioned linearly and support external force. At the time of negative rotation, the link member L2 continues to rotate in reverse and contacts the link member L1 to support the external force.

関節部材Jには軸心P周りのリンク部材L2のリンク部材L1に対する回転角度を検出するエンコーダを内装することが可能である。リンク部材L2の回転角度は、正回転及び負回転時、つまりモータMによる回転に伴なって回転するときは、モータMに備えられたエンコーダにより回転角度は検出できる。モータMと逆回転時には、モータMに備えられたエンコーダと関節部材Jに備えたエンコーダによって、リンク部材L2の回転角度が検出できるようになる。つまり、リンク部材L2に付与される回転トルクと逆方向に、トルク制限機構Rによる保持トルクより大きな外力が付与され、リンク部材L2が外力により回転トルクと逆方向へ回転していることを検出できる。   The joint member J can be provided with an encoder that detects a rotation angle of the link member L2 around the axis P with respect to the link member L1. The rotation angle of the link member L2 can be detected by an encoder provided in the motor M at the time of positive rotation and negative rotation, that is, when rotating with the rotation by the motor M. At the time of reverse rotation with the motor M, the rotation angle of the link member L2 can be detected by the encoder provided in the motor M and the encoder provided in the joint member J. That is, it is possible to detect that an external force larger than the holding torque by the torque limiting mechanism R is applied in the direction opposite to the rotational torque applied to the link member L2, and the link member L2 is rotated in the direction opposite to the rotational torque by the external force. .

尚、ストッパ機構13にリンク部材L2と当接したことを検出する接触センサを備え、リンク部材L2がリンク部材L1と直線状に位置する特異姿勢でとなったことを検出し、モータMに備えられたエンコーダと関節部材Jに備えられたエンコーダにより検出される回転角度をリセットするように構成してもよい。   The stopper mechanism 13 is provided with a contact sensor that detects contact with the link member L2, detects that the link member L2 is in a unique posture linearly positioned with the link member L1, and is provided in the motor M. The rotation angle detected by the encoder provided to the encoder and the encoder provided in the joint member J may be reset.

次に、上述の関節装置をユニバーサルロボットハンドのフィンガーユニットの関節に用いた構成を説明する。   Next, the structure which used the above-mentioned joint apparatus for the joint of the finger unit of a universal robot hand is demonstrated.

図4(a)に示すように、ユニバーサルロボットハンドUは、人間の掌に対応する基体60と、人間の手の母指(第一指)、示指(第二指)、中指(第三指)、薬指(第四指)、小指(第五指)に対応する五本のフィンガーユニット(以下、「指体」とも記す。)F1,F2,F3,F4,F5とから構成されている。   As shown in FIG. 4A, the universal robot hand U includes a base 60 corresponding to a human palm, a thumb (first finger), an indicating finger (second finger), a middle finger (third finger) of the human hand. ), Five finger units corresponding to the ring finger (fourth finger) and the little finger (fifth finger) (hereinafter also referred to as “finger”) F1, F2, F3, F4, and F5.

各指体Fは、夫々複数のリンク部材Lと、リンク部材Lを所定の軸心周りに回転する複数の関節部材Jを介して連結した複数の関節装置で構成される。   Each finger F is composed of a plurality of link devices L and a plurality of joint devices that are connected via a plurality of joint members J that rotate the link member L around a predetermined axis.

指体F2は、図4(b)に示すように、基体60に一端が接続されたリンク部材L21の他端に第一軸心P21周りに回転可能な第一関節部材J21が接続され、第一関節部材J21にリンク部材L22の一端が接続され、リンク部材L22の他端に第一軸心P21と直交する第二軸心P22周りに回転可能な第二関節部材J22が接続され、第二関節部材J22にリンク部材L23の一端が接続され、リンク部材L23の他端に第二軸心P22と平行な第三軸心P23周りに回転可能な第三関節部材J23が接続され、第三関節部材J23にリンク部材L24の一端が接続され、リンク部材L24の他端に第三軸心P23と平行な第四軸心P24周りに回転可能な第四関節部材J24が接続され、第四関節部材J24に指先を構成するリンク部材L25が接続され構成されている。尚、指体F3,F4,F5も同様の構成である。   As shown in FIG. 4B, the finger F2 has a first joint member J21 rotatable around the first axis P21 connected to the other end of the link member L21 having one end connected to the base body 60. One end of the link member L22 is connected to the one joint member J21, and the second joint member J22 that is rotatable around the second axis P22 orthogonal to the first axis P21 is connected to the other end of the link member L22. One end of the link member L23 is connected to the joint member J22, and the other end of the link member L23 is connected to the third joint member J23 that can rotate around the third axis P23 parallel to the second axis P22. One end of the link member L24 is connected to the member J23, and the other end of the link member L24 is connected to the fourth joint member J24 that can rotate around the fourth axis P24 parallel to the third axis P23, and the fourth joint member J24's phosphorus Members L25 is constituted connected. The fingers F3, F4, and F5 have the same configuration.

第一関節部材J21の回転により指体F2,F3,F4,F5の間隔が広がりまたは狭まるように変位し、第二関節部材J22から第四関節部材J24の回転により対象物を把持しまたは開放するように変位可能に構成されている。   By the rotation of the first joint member J21, the fingers F2, F3, F4, and F5 are displaced so that the interval between the fingers F2, F3, F4, and F5 is widened or narrowed, and the object is grasped or released by the rotation of the second joint member J22 to the fourth joint member J24. It is configured to be displaceable.

指体F1は、図4(c)に示すように、基体60に一端が接続されたリンク部材L11の他端に第一軸心P11周りに回転可能な第一関節部材J11が接続され、第一関節部材J11にリンク部材L12の一端が接続され、リンク部材L12の他端に第一軸心P11と直交する第二軸心P12周りに回転可能な第二関節部材J12が接続され、第二関節部材J12にリンク部材L13の一端が接続され、リンク部材L13の他端に第一軸心P12と平行な第三軸心P13周りに回転可能な第三関節部材J13が接続され、第三関節部材J13にリンク部材L14の一端が接続され、リンク部材L14の他端に第一軸心P12と平行な第四軸心P14周りに回転可能な第四関節部材J14が接続され、第四関節部材J14に指先を構成するリンク部材L15が接続され構成されている   As shown in FIG. 4C, the finger F1 is connected to the other end of the link member L11, one end of which is connected to the base 60, and a first joint member J11 that is rotatable around the first axis P11. One end of the link member L12 is connected to the one joint member J11, and the other end of the link member L12 is connected to the second joint member J12 rotatable around the second axis P12 orthogonal to the first axis P11. One end of the link member L13 is connected to the joint member J12, and the other end of the link member L13 is connected to the third joint member J13 that can rotate around the third axis P13 parallel to the first axis P12. One end of the link member L14 is connected to the member J13, and the other end of the link member L14 is connected to the fourth joint member J14 that is rotatable around the fourth axis P14 parallel to the first axis P12. The phosphorus that composes the fingertip at J14 Are components L15 is connected

第一関節部材J11を回転し、指体F1を指体F2と対向配置にすることで指体F1と指体F2間で対象物を挟持可能となる。尚、前記指体F3,F4,F5は指体F2と平行に配列されているので、指体F1は指体F3,F4,F5とも対向配置され、指体F1と指体F3,F4,F5の間でも対象物を挟時可能である。また、指体F2,F3,F4,F5の第一関節部材Jの各軸心Pは平行であるため、指体F2,F3,F4,F5の夫々の間での挟持も可能である。   By rotating the first joint member J11 and placing the finger body F1 so as to face the finger body F2, the object can be held between the finger body F1 and the finger body F2. Since the fingers F3, F4, F5 are arranged in parallel with the finger F2, the finger F1 is also arranged opposite to the fingers F3, F4, F5, and the finger F1, the fingers F3, F4, F5 are arranged. It is possible to sandwich the object even between. Further, since the axial centers P of the first joint members J of the finger bodies F2, F3, F4, and F5 are parallel to each other, the fingers F2, F3, F4, and F5 can be sandwiched between them.

各指体F1,F2,F3,F4,F5は基本的に同一構造であるので、以下、代表として指体F2について説明する。図5(a),(b)に示すように、リンク部材L21に固定されたモータM21の出力が伝動機構T21を介して関節部材J21のハーモニックドライブH21に伝達されリンク部材L22(L22a,22b)を回転させ、リンク部材L22に固定されてたモータM22の出力が伝動機構T22を介して関節部材J22のハーモニックドライブH22に伝達されリンク部材L23(L23a,23b)を回転させ、リンク部材23に内装されたモータM23の出力が伝動機構T23を介して関節部材J23のハーモニックドライブH23に伝達されリンク部材L24(L24a,L24b)を回転させるように構成されている。尚、リンク部材L22a及びL22bはモータM22に対して夫々固定されるので、機械的に一体とみなし、リンク部材L22a,L22bを特に区別することなくリンク部材L22と表現する。リンク部材L23,L24も同様である。   Since the fingers F1, F2, F3, F4, and F5 have basically the same structure, the finger F2 will be described below as a representative. As shown in FIGS. 5A and 5B, the output of the motor M21 fixed to the link member L21 is transmitted to the harmonic drive H21 of the joint member J21 via the transmission mechanism T21, and the link member L22 (L22a, 22b). And the output of the motor M22 fixed to the link member L22 is transmitted to the harmonic drive H22 of the joint member J22 via the transmission mechanism T22 to rotate the link member L23 (L23a, 23b). The output of the motor M23 thus transmitted is transmitted to the harmonic drive H23 of the joint member J23 via the transmission mechanism T23 to rotate the link members L24 (L24a, L24b). Since the link members L22a and L22b are fixed to the motor M22, respectively, the link members L22a and L22b are expressed as the link member L22 without being particularly distinguished from each other. The same applies to the link members L23 and L24.

モータM23の出力は伝動機構T23及び伝動機構T24を介してリンク部材24に接続された関節部材J24のハーモニックドライブH24に伝達され、指先を構成するリンク部材L25を回転するように構成されている。   The output of the motor M23 is transmitted to the harmonic drive H24 of the joint member J24 connected to the link member 24 via the transmission mechanism T23 and the transmission mechanism T24, and is configured to rotate the link member L25 constituting the fingertip.

従って、モータM22,M23を一方向に回転駆動することにより、伝動機構T22,T23,T24を介してハーモニックドライブ,H22,H23,H24が回転され、関節部材J22,J23,J24の夫々が軸心P22,P23,P24周りで対象物に対して把持方向に揺動駆動され、モータM22,M2,M23を逆方向に回転駆動することにより、関節部材J22,J23,J24の夫々が軸心P22,P23,P24周りで開放方向に揺動駆動されるフィンガーユニットF2となる。   Therefore, by rotating the motors M22 and M23 in one direction, the harmonic drives H22, H23, and H24 are rotated through the transmission mechanisms T22, T23, and T24, and the joint members J22, J23, and J24 are axial. The joint members J22, J23, and J24 are pivoted in the gripping direction around the P22, P23, and P24, and the motors M22, M2, and M23 are rotationally driven in the opposite directions, so that each of the joint members J22, J23, and J24 has an axis P22, The finger unit F2 is driven to swing in the opening direction around P23 and P24.

次に、フィンガーユニットF2の把持動作の一例について詳述する。図6(a)に示すように、フィンガーユニットF2を把持対象物90に対向させ、モータM22,23を一方向に回転させると、関節部材J22,J23,J24が把持方向に回転駆動される。基端側の関節部材J22に接続されたリンク部材L23に把持対象物90が当接すると、把持対象物90からの反力を受け、その強さが保持トルク以上になるとトルク制限機構R22がモータM22による回転トルクをハーモニックドライブH22に伝達しなくなる。つまり、リンク部材L23はリンク部材L21に対して回転しない。このとき、モータM22による回転駆動力によりリンク部材L23は対象物に一定の接触力で接触し続けることになる。関節部材J23,J24及びリンク部材L24,L25に関しても同様の動作が繰り返されることで、対象物に対して複数点で接当支持することができるようになるのである。このときの状態が図6(b)に示されている。   Next, an example of the gripping operation of the finger unit F2 will be described in detail. As shown in FIG. 6A, when the finger unit F2 is opposed to the object to be grasped 90 and the motors M22 and M23 are rotated in one direction, the joint members J22, J23, and J24 are rotationally driven in the grasping direction. When the gripping object 90 comes into contact with the link member L23 connected to the proximal-side joint member J22, a reaction force from the gripping object 90 is received, and when the strength exceeds the holding torque, the torque limiting mechanism R22 is operated by the motor. The rotational torque generated by M22 is not transmitted to the harmonic drive H22. That is, the link member L23 does not rotate with respect to the link member L21. At this time, the link member L23 continues to contact the object with a constant contact force by the rotational driving force of the motor M22. The same operation is repeated with respect to the joint members J23 and J24 and the link members L24 and L25, so that the object can be supported by a plurality of points. The state at this time is shown in FIG.

図6(b)に示される状態からモータM22,23を逆方向に回転させると、関節部材J22,J23,J24が把持対象物90を開放する方向に回転駆動され、リンク部材Lが各関節装置に備えられたストッパ機構に当接するまで回転し、フィンガーユニットF2は特異姿勢となる。このときの状態が図6(a)に示される。   When the motors M22, M23 are rotated in the reverse direction from the state shown in FIG. 6B, the joint members J22, J23, J24 are rotationally driven in the direction to open the grasped object 90, and the link member L is connected to each joint device. The finger unit F2 is in a unique posture by rotating until it comes into contact with the stopper mechanism. The state at this time is shown in FIG.

つまり、モータM22,M23を正方向に回転させることにより実行される上述の把持動作の後に、モータM22,M23を逆方向に回転させることにより、逆方向に回転する関節部材J22,J23,J24に連動してリンク部材L23,L24,L25が逆方向に回転駆動され、対象物に接当しているリンク部材L23,L24,L25が把持対象物90から離間する。その後、ストッパ機構によりリンク部材L23,L24,L25の回転が所定位置で阻止されるので、トルク制限機構Rが作動して、モータM22,M23の出力がリンク部材Lに伝達されず、一定の初期姿勢に確実に復帰させることができるようになるのである。   In other words, after the gripping operation described above that is performed by rotating the motors M22 and M23 in the forward direction, the joint members J22, J23, and J24 that rotate in the reverse direction are rotated by rotating the motors M22 and M23 in the reverse direction. In conjunction with this, the link members L23, L24, and L25 are rotationally driven in the reverse direction, and the link members L23, L24, and L25 contacting the object are separated from the grasped object 90. Thereafter, since the rotation of the link members L23, L24, L25 is blocked at a predetermined position by the stopper mechanism, the torque limiting mechanism R is operated, and the outputs of the motors M22, M23 are not transmitted to the link member L, and a constant initial value is obtained. It will be possible to reliably return to the posture.

尚、各関節部材Jのトルク制限機構Rの保持トルクは、同じ値に設定してもよく、また、フィンガーユニットF及びユニバーサルロボットハンドUの用いられる環境に応じて、夫々個別の強さに設定してもよい。   Note that the holding torque of the torque limiting mechanism R of each joint member J may be set to the same value, or set to individual strengths according to the environment in which the finger unit F and the universal robot hand U are used. May be.

次に、フィンガーユニットF2による把持動作時に、障害物等による外力91がある場合についてその一例を説明する。   Next, an example of the case where there is an external force 91 due to an obstacle or the like during the gripping operation by the finger unit F2 will be described.

図6(a)に示すように、フィンガーユニットF2を把持対象物90に対向させ、モータM22,23を一方向に回転させると、関節部材J22,J23,J24が把持方向に回転駆動される。このとき、図7(a)に示すように、把持対象物90の付近に障害物等があり、リンク部材L24にトルク制限機構R24の保持トルク以上の外力91が働くと、トルク制限機構R24はモータM23の回転トルクをリンク部材L25に伝達しなくなる。関節部材J23は外力により、モータM23による回転トルクと逆方向に回転し、図7(b)に示すように、リンク部材L24はリンク部材L23のストッパ機構に当接するまで逆回転することになる。このようにして、関節部材J23のハーモニックドライブH23は破損の虞を回避できるのである。   As shown in FIG. 6A, when the finger unit F2 is opposed to the object to be grasped 90 and the motors M22 and M23 are rotated in one direction, the joint members J22, J23, and J24 are rotationally driven in the grasping direction. At this time, as shown in FIG. 7A, when there is an obstacle or the like in the vicinity of the grasped object 90 and an external force 91 greater than the holding torque of the torque limiting mechanism R24 acts on the link member L24, the torque limiting mechanism R24 is The rotational torque of the motor M23 is not transmitted to the link member L25. The joint member J23 is rotated by the external force in the direction opposite to the rotational torque by the motor M23, and the link member L24 is rotated in the reverse direction until it comes into contact with the stopper mechanism of the link member L23 as shown in FIG. In this way, the harmonic drive H23 of the joint member J23 can avoid the possibility of damage.

さらに、フィンガーユニットのリンク部材の関節側端部に力覚センサを備えることで、指体にかかる歪を検出することができる。力覚センサとしては、ストレインゲージ式圧力センサや圧電素子等の任意の歪検出素子を用いることができる。   Furthermore, by providing a force sensor at the joint side end of the link member of the finger unit, it is possible to detect distortion applied to the finger. As the force sensor, any strain detecting element such as a strain gauge type pressure sensor or a piezoelectric element can be used.

また、フィンガーユニットのリンク部材の中央部に触覚センサを備えることでフィンガーユニットが把持対象物に接触したことを検出できる。   Moreover, it can detect that the finger unit contacted the holding | grip target object by providing a tactile sensor in the center part of the link member of a finger unit.

上述のように、フィンガーユニットのリンク部材に力覚センサ及び触覚センサを備えることで、挟持対象物の形状がどのような形においても、指体の姿勢制御及び圧力制御が可能となり、その具体的構成は特開2006−198748号公報に記載されているように適宜構成することが可能である。   As described above, the force sensor and the tactile sensor are provided on the link member of the finger unit, so that the posture control and pressure control of the finger can be performed regardless of the shape of the sandwiched object. The configuration can be appropriately configured as described in JP-A-2006-198748.

尚、上述のフィンガーユニットやユニバーサルロボットハンドの構造については基本的な要素のみの説明であり、実際に設計する際には、本発明の作用効果が奏される範囲で種々の変更が許容されるものである。例えば、フィンガーユニットを弾性を有する樹脂カバー体で被覆し、把持対象物を衝撃から保護できるように構成することが可能である。   The structure of the above-described finger unit and universal robot hand is only an explanation of the basic elements, and when actually designed, various changes are allowed within the range where the effects of the present invention are exhibited. Is. For example, it is possible to cover the finger unit with an elastic resin cover so that the object to be grasped can be protected from impact.

従って、上述のフィンガーユニットFを備えたユニバーサルロボットハンドUによれば、対象物の形状や大きさが多少変わるものであっても、またバラ積み部品等のように対象物の置かれた位置・姿勢が夫々異なるものであっても適切に把持動作することができる。さらに、フィンガーユニットFに備えられた力覚センサ及び触覚センサからの情報に基づいて、アクチュエータにより関節部材Jの締付力を動的に調整することで、把持対象物に応じて柔軟に対応することができる。しかも、フィンガーユニットが把持等の動作中に、障害物等によりトルク制限機構による保持トルクより大きな外力が付与されると、回転摩擦機構の受圧体と加圧体が相対的に回転しはじめ、前記外力に伴なって出力軸が回転トルクと逆方向へ回転するので、前記外力がハーモニックドライブHを破損する虞が回避され、リンク部材がストッパ機構に当接し、一対のリンク部材が特異姿勢となった状態では、より大きな外力を支持することができるのである。   Therefore, according to the universal robot hand U provided with the above-described finger unit F, even if the shape or size of the object slightly changes, the position / Even if the postures are different from each other, the gripping operation can be appropriately performed. Furthermore, based on the information from the force sensor and the tactile sensor provided in the finger unit F, the actuator can dynamically adjust the tightening force of the joint member J so as to flexibly respond to the object to be grasped. be able to. In addition, when an external force greater than the holding torque by the torque limiting mechanism is applied by an obstacle or the like while the finger unit is operating such as gripping, the pressure receiving body and the pressure body of the rotational friction mechanism start to rotate relatively, Since the output shaft rotates in the direction opposite to the rotational torque in accordance with the external force, the possibility that the external force damages the harmonic drive H is avoided, the link member comes into contact with the stopper mechanism, and the pair of link members have a unique posture. In such a state, a larger external force can be supported.

上述の関節装置は、ユニバーサルロボットハンドのフィンガーユニットに限らず、ロボットアームの関節にも用いることができる。この場合も、関節装置がリンク部材を回転させるときに、当該関節装置に備えられたトルク制限機構による保持トルクより大きな外力が付与されると、回転摩擦機構の受圧体と加圧体が相対的に回転しはじめ、外力に伴なって出力軸が回転トルクと逆方向へ回転するので、前記外力がハーモニックドライブ減速機構を破損する虞が回避されリンク部材がストッパ機構に当接し、一対のリンク部材が特異姿勢となった状態では、ハーモニックドライブによる保持トルクより大きな外力を支持することができるのである。   The joint device described above can be used not only for the finger unit of a universal robot hand but also for the joint of a robot arm. In this case as well, when the joint device rotates the link member, if an external force greater than the holding torque by the torque limiting mechanism provided in the joint device is applied, the pressure receiving body and the pressure body of the rotational friction mechanism are relative to each other. Since the output shaft rotates in the direction opposite to the rotational torque with the external force, the possibility that the external force damages the harmonic drive speed reduction mechanism is avoided, and the link member comes into contact with the stopper mechanism, and the pair of link members In a state where is in a peculiar posture, an external force larger than the holding torque by the harmonic drive can be supported.

このように、フィンガーユニット及びユニバーサルロボットハンドUは高度な制御を必要とせず、機械的に開閉するために確実な繰り返し動作が保証され、把持動作を機械的に実現することから、鋳造部品やプレス成形部品のような様々な曲面を持つ複雑形状の部品を適切に把持することができ、バラ積み部品等のように把持対象物の置かれた位置・姿勢、或いは把持対象物の形や寸法が少しでも異なる場合でも把持動作が行えるようになり、各関節装置に組み込まれたハーモニックドライブにトルク制限機構の保持トルクを超える過大な力が作用した場合には、機械的にハーモニックドライブに作用する外力を開放してハーモニックドライブの破損を防止することができる。つまり、より人に近い関節装置、ロボットアーム、及び、フィンガーユニットを実現することができるようになるのである。   As described above, the finger unit and the universal robot hand U do not require a high degree of control, and since a reliable repetitive operation is guaranteed to mechanically open and close, and a gripping operation is realized mechanically, cast parts and presses It is possible to properly grip complex shaped parts with various curved surfaces such as molded parts, and the position and orientation of the gripping object such as bulk parts, or the shape and dimensions of the gripping object Even if it is slightly different, gripping operation can be performed, and if an excessive force exceeding the holding torque of the torque limiting mechanism is applied to the harmonic drive incorporated in each joint device, the external force that mechanically acts on the harmonic drive Can be opened to prevent damage to the harmonic drive. That is, it is possible to realize a joint device, a robot arm, and a finger unit that are closer to humans.

以下に本発明による関節装置、ロボットアーム、及び、フィンガーユニットの別の実施の形態を説明する。   Hereinafter, another embodiment of the joint device, the robot arm, and the finger unit according to the present invention will be described.

上述の実施形態では、リンク部材L1の他端側に、リンク部材L2がリンク部材L1に対して直線状に位置する特異姿勢で姿勢保持されるようにストッパ機構13がネジ14により固着されている構成について説明したが、ストッパ機構はこれに限られず、ストッパ機構としての板状体を、リンク部材L1の上端部からリンク部材L2の方向へ延出配置し、リンク部材L2とストッパ機構が当接することで、リンク部材L2の逆方向への回転を所定位置で阻止するように構成するものであってもよく、その具体的構成は適宜変更することができる。   In the above-described embodiment, the stopper mechanism 13 is fixed to the other end side of the link member L1 by the screw 14 so that the link member L2 is held in a specific posture that is linearly positioned with respect to the link member L1. Although the configuration has been described, the stopper mechanism is not limited to this, and a plate-like body as a stopper mechanism is arranged to extend from the upper end portion of the link member L1 toward the link member L2, and the link member L2 and the stopper mechanism come into contact with each other. Thus, the link member L2 may be configured to prevent rotation in the reverse direction at a predetermined position, and the specific configuration thereof can be changed as appropriate.

上述の実施形態では、回転摩擦機構40は、転動軸心bが軸心Pの垂直方向a対して所定の角度θ傾斜した構成について説明したが、転動軸心bが軸心Pの垂直方向aとのなす角度は得に限定するものではなく適宜設定されるものであり、その具体的構成は特開平08−074843号公報に記載されているように適宜構成することが可能である。   In the above-described embodiment, the rotational friction mechanism 40 has been described in which the rolling axis b is inclined at a predetermined angle θ with respect to the vertical direction a of the axis P. However, the rolling axis b is perpendicular to the axis P. The angle formed with the direction a is not limited to a specific value, and is set as appropriate. The specific configuration can be appropriately configured as described in JP-A-08-074843.

上述の実施形態では、トルク制限機構に回転摩擦機構を用いたものを説明したが、トルク制限機構としてはこれに限るものではなく、公知のトルクリミッタで構成することも可能である。   In the above-described embodiment, the torque limiting mechanism using the rotational friction mechanism has been described. However, the torque limiting mechanism is not limited to this, and a known torque limiter may be used.

上述の実施形態では、アクチュエータとしてモータについて明示しなかったがアクチュエータとしては、エアモータ、電磁モータ、油圧モータ、電磁回転ソレノイド、パワーシリンダ等の直動アクチュエータ等、適宜使用することができることはいうまでもない。   In the above-described embodiment, the motor is not explicitly described as the actuator, but it goes without saying that the actuator can be used as appropriate, such as an air motor, an electromagnetic motor, a hydraulic motor, an electromagnetic rotary solenoid, a direct acting actuator such as a power cylinder. Absent.

上述の実施形態では、伝動機構としてベベルギア及び平歯車によりモータの出力を関節部材に伝達する構成について説明したが、これもそのように限定するものではなく、プーリとタイミングベルト、ギアートレイン、コントロールワイヤ、ベルト、チェーン等の無限回転機構等公知の伝動機構を採用することができる。   In the above-described embodiment, the configuration in which the output of the motor is transmitted to the joint member by the bevel gear and the spur gear as the transmission mechanism is described, but this is not limited to that, and the pulley, the timing belt, the gear train, and the control wire In addition, a known transmission mechanism such as an infinite rotation mechanism such as a belt or a chain can be employed.

例えば、図8(a)に示すような、小径のベベルギアG10とそれに噛合する大径のベベルギアG20を介してモータMの出力をハーモニックドライブHに伝達する伝動機構であったり、図8(b)に示すように、小径のベベルギアG30に小径のベベルギアG40が噛合し、ベベルギアG40を平歯車W10、アイドル平歯車W20、平歯車W30を介してモータMの出力をハーモニックドライブHに伝達する伝動機構であってもよい。上述の構成を採用することによって、関節部材Jの径を小さく構成することが可能となる。   For example, as shown in FIG. 8A, a transmission mechanism that transmits the output of the motor M to the harmonic drive H through a small-diameter bevel gear G10 and a large-diameter bevel gear G20 meshing with the bevel gear G10, FIG. As shown, the small-diameter bevel gear G40 meshes with the small-diameter bevel gear G30, and the bevel gear G40 is a transmission mechanism that transmits the output of the motor M to the harmonic drive H via the spur gear W10, the idle spur gear W20, and the spur gear W30. There may be. By adopting the above-described configuration, the diameter of the joint member J can be reduced.

同様に、図8(c)に示すように、平歯車W10,W30及びアイドル平歯車W20の代わりにタイミングプーリ・ベルトBを用いた場合も関節部材Jを小さくすることが可能となる。   Similarly, as shown in FIG. 8C, the joint member J can be made smaller also when the timing pulley / belt B is used instead of the spur gears W10, W30 and the idle spur gear W20.

何れの場合にも、関節部材Jを小さくすることができるため、関節装置1を小さくすることが可能となる。   In any case, since the joint member J can be made small, the joint device 1 can be made small.

上述の実施形態では、関節装置の関節部分に組み込む減速機構として、高減速比のハーモニックドライブ減速機構を備えた構成について説明したが、減速機構としてはハーモニックドライブ減速機構に限定するものではなく、適宜、関節駆動機構の構成を変更することにより遊星歯車減速機構、サイクロ減速機(登録商標、以下同じ)等の減速機構を備えて構成することが可能である。   In the above-described embodiment, the configuration including the harmonic drive reduction mechanism with a high reduction ratio as the reduction mechanism incorporated in the joint portion of the joint device has been described. However, the reduction mechanism is not limited to the harmonic drive reduction mechanism, and may be appropriately selected. By changing the configuration of the joint drive mechanism, it is possible to provide a reduction mechanism such as a planetary gear reduction mechanism, a cyclo reduction gear (registered trademark, hereinafter the same), or the like.

つまり、本発明による関節装置は、一対のリンク部材を所定軸心周りに回転する関節部材を介して連結した関節装置であって、前記関節部材に、一方のリンク部材に組み付けられたモータの出力が伝動機構を介して伝達され前記所定軸心周りに回転する入力部と、前記入力部の外周部と接合する回転部を備えた固定部と、前記回転部に形成された歯部と噛合する歯部が内周部に形成された出力部とからなる減速機構を備え、前記固定部がトルク制限機構を介して一方のリンク部材に固定されるとともに、前記出力部が他方のリンク部材に直接または間接的に固定されて構成されていればよい。   In other words, the joint device according to the present invention is a joint device in which a pair of link members are connected via a joint member that rotates about a predetermined axis, and the output of a motor assembled to the joint member on one link member. Meshes with an input portion that is transmitted through a transmission mechanism and rotates about the predetermined axis, a fixed portion having a rotating portion that joins with an outer peripheral portion of the input portion, and a tooth portion formed on the rotating portion. A reduction mechanism comprising a tooth portion and an output portion formed on an inner peripheral portion, the fixing portion being fixed to one link member via a torque limiting mechanism, and the output portion being directly connected to the other link member Alternatively, it may be configured to be indirectly fixed.

以下、関節装置の別実施形態として、減速機構として遊星歯車減速機構を用いた関節装置2の構成について説明する。なお、図1(b)に示す関節装置1と同じ構成については同じ符号を付し説明を省略する。   Hereinafter, as another embodiment of the joint device, a configuration of the joint device 2 using the planetary gear speed reduction mechanism as the speed reduction mechanism will be described. In addition, about the same structure as the joint apparatus 1 shown in FIG.1 (b), the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.

図9(a)に示すように、遊星歯車減速機構Yは、入力部としての太陽歯車70と、太陽歯車70と噛合する回転部としての複数の遊星歯車71と、遊星歯車71を保持する固定部としての遊星キャリア72と、出力部としての外輪歯車73で構成され、図9(b)に示すように、太陽歯車70が伝動機構Tの平歯車G4の回転軸に止めねじ16で嵌入固定され、遊星キャリア72に延出軸74が固着され、延出軸74がトルク制限機構Rを介してリンク部材L1に固定される。外輪歯車73の外周にはケーシング36が固着され、ケーシング36にはリンク部材L2が接続され関節部材J2が構成される。尚、外輪歯車73の外周に直接リンク部材L2を接続する場合は、ケーシング36は必ずしも備える必要はなく、伝達機構Tの構成も上述の図8に示すように適宜選択される。   As shown in FIG. 9A, the planetary gear speed reduction mechanism Y includes a sun gear 70 as an input unit, a plurality of planetary gears 71 as a rotating unit meshing with the sun gear 70, and a fixed holding the planetary gear 71. A planetary carrier 72 as a part and an outer ring gear 73 as an output part. As shown in FIG. 9B, the sun gear 70 is fitted and fixed to the rotating shaft of the spur gear G4 of the transmission mechanism T with a set screw 16. Then, the extension shaft 74 is fixed to the planet carrier 72, and the extension shaft 74 is fixed to the link member L1 via the torque limiting mechanism R. A casing 36 is fixed to the outer periphery of the outer ring gear 73, and a link member L2 is connected to the casing 36 to form a joint member J2. When the link member L2 is directly connected to the outer periphery of the outer ring gear 73, the casing 36 is not necessarily provided, and the configuration of the transmission mechanism T is appropriately selected as shown in FIG.

モータMの出力が伝動機構Tを介して太陽歯車70に伝達されると、遊星歯車の71の回転軸は遊星キャリア72により支持されているので、太陽歯車70の回転は、遊星歯車71に伝達され、遊星歯車71の回転が外輪歯車73に伝達され、リンク部材L2は、リンク部材L1に対して相対的に回転することとなる。   When the output of the motor M is transmitted to the sun gear 70 via the transmission mechanism T, the rotation shaft of the planetary gear 71 is supported by the planet carrier 72, so that the rotation of the sun gear 70 is transmitted to the planetary gear 71. Then, the rotation of the planetary gear 71 is transmitted to the outer ring gear 73, and the link member L2 rotates relative to the link member L1.

ここで、モータMにより関節部材J2を介してリンク部材L2に付与される回転トルクと逆方向に、トルク制限機構Rによる保持トルクより大きな外力が付与されると、トルク制限機構の受圧体41と加圧体45が相対的に回転しはじめ、外力に伴なって出力軸74が回転トルクと逆方向へ回転し、前記外力が遊星歯車減速機構Yを破損する虞が回避されるのである。   Here, when an external force greater than the holding torque by the torque limiting mechanism R is applied in the direction opposite to the rotational torque applied to the link member L2 via the joint member J2 by the motor M, the pressure receiving body 41 of the torque limiting mechanism The pressure body 45 starts to rotate relatively, and the output shaft 74 rotates in the direction opposite to the rotational torque along with the external force, thereby avoiding the possibility that the external force damages the planetary gear reduction mechanism Y.

なお、図9(c)に示すように、遊星キャリア73に受圧体41を固定し、受圧体41に出力軸74を備えてトルク制限機構を構成してもよく、具体的な構成は適宜設計される。   As shown in FIG. 9 (c), the pressure receiving body 41 may be fixed to the planet carrier 73, and the torque receiving mechanism 41 may be configured by providing the pressure receiving body 41 with an output shaft 74. The specific configuration is designed appropriately. Is done.

さらに別の実施形態として、関節部材を構成する減速機構としてサイクロ減速機を用いた関節装置3の構成について説明する。なお、図1(b)に示す関節装置1と同じ構成については同じ符号を付し説明を省略する。   As still another embodiment, a configuration of a joint device 3 using a cyclo reducer as a speed reduction mechanism that constitutes a joint member will be described. In addition, about the same structure as the joint apparatus 1 shown in FIG.1 (b), the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.

図10(a)に示すように、サイクロ減速機Cは、入力部としての偏心カム80と、偏心カム80を挿通する開口が中央部に形成された回転部としての曲線板81と、固定部としての複数の内ピン82と、出力部としての複数の外ピン83を備え、曲線板81には各内ピン82と噛合する内ピンと同数の内ピン用開口85が形成され、さらに外周はエピトロコイド曲線面が形成され外ピン83と噛合するように構成されている。   As shown in FIG. 10A, the cyclo reducer C includes an eccentric cam 80 as an input portion, a curved plate 81 as a rotating portion in which an opening through which the eccentric cam 80 is inserted is formed in the center portion, and a fixed portion. A plurality of inner pins 82 as output pins and a plurality of outer pins 83 as output portions are provided. The curved plate 81 is formed with the same number of inner pin openings 85 as the inner pins meshing with the inner pins 82, and the outer periphery thereof is epitaxial. A trochoidal curved surface is formed and is configured to mesh with the outer pin 83.

偏心カム80が伝動機構Tの平歯車G4の回転軸に嵌入固定され、曲線板81中央部開口に偏心カム80が挿通される。複数の内ピン82は内ピン保持部材84に所定間隔で固定され夫々が曲線板81の内ピン用開口85に挿通される。内ピン保持部材84に出力軸86が固定され、トルク制限機構Rを介してリンク部材L1に固定される。さらに、曲線板81の外周に形成されたエピトロコイド曲線面に沿って外ピン83を保持する外ピン保持部材87にケーシング36が固着され、ケーシングに36にリンク部材L2が接続される。尚、外ピン保持部材87の外周に直接リンク部材L2を接続する場合は、ケーシング36は必ずしも備える必要はなく、伝達機構Tの構成も上述の図8に示すように適宜選択される。   The eccentric cam 80 is fitted and fixed to the rotation shaft of the spur gear G4 of the transmission mechanism T, and the eccentric cam 80 is inserted into the central opening of the curved plate 81. The plurality of inner pins 82 are fixed to the inner pin holding member 84 at predetermined intervals, and each is inserted into the inner pin opening 85 of the curved plate 81. The output shaft 86 is fixed to the inner pin holding member 84, and is fixed to the link member L1 via the torque limiting mechanism R. Further, the casing 36 is fixed to the outer pin holding member 87 that holds the outer pin 83 along the epitrochoid curved surface formed on the outer periphery of the curved plate 81, and the link member L2 is connected to the casing 36. When the link member L2 is directly connected to the outer periphery of the outer pin holding member 87, the casing 36 is not necessarily provided, and the configuration of the transmission mechanism T is appropriately selected as shown in FIG.

モータMの出力が伝動機構Tを介して偏心カム80に伝達されると、偏心カム80の偏心回転とともに曲線体81が偏心運動し、エピトロコイド曲線面が順次外ピン83と噛合しながらリンク部材L2をリンク部材L1に対して相対的に回転させることとなる。このとき内ピン82及び内ピン保持部材84は、トルク制限機構Rを介してリンク部材L1に固定されているので回転しない。   When the output of the motor M is transmitted to the eccentric cam 80 via the transmission mechanism T, the curved body 81 moves eccentrically with the eccentric rotation of the eccentric cam 80, and the epitrochoid curved surface sequentially engages with the outer pin 83 to link member. L2 is rotated relative to the link member L1. At this time, since the inner pin 82 and the inner pin holding member 84 are fixed to the link member L1 via the torque limiting mechanism R, they do not rotate.

ここで、モータMにより関節部材J3を介してリンク部材L2に付与される回転トルクと逆方向に、トルク制限機構Rによる保持トルクより大きな外力が付与されると、トルク制限機構Rの受圧体41と加圧体45が相対的に回転しはじめ、外力に伴なって出力軸86が回転トルクと逆方向へ回転し、前記外力がサイクロ減速機Cを破損する虞が回避されるのである。   Here, when an external force larger than the holding torque by the torque limiting mechanism R is applied in the direction opposite to the rotational torque applied to the link member L2 by the motor M via the joint member J3, the pressure receiving body 41 of the torque limiting mechanism R. Therefore, the pressure body 45 starts to rotate relatively, and the output shaft 86 rotates in the direction opposite to the rotational torque in accordance with the external force, and the possibility that the external force damages the cyclo reducer C is avoided.

なお、図10(c)に示すように、内ピン保持部材84に受圧体45を固定し、受圧体45に出力軸86を備えてトルク制限機構を構成してもよく、具体的な構成は適宜選択される。   As shown in FIG. 10 (c), the pressure receiving body 45 may be fixed to the inner pin holding member 84, and the output shaft 86 may be provided on the pressure receiving body 45 to constitute a torque limiting mechanism. It is selected appropriately.

上述の実施形態では、三個の関節装置で一個のフィンガーユニットを構成するものを説明したが、フィンガーユニットを構成する関節装置の数は特に限定するものではなく、一個の関節装置でフィンガーユニットを構成するものであってもよい。さらには、ユニバーサルロボットハンドを構成するフィンガーユニットの数及びロボットアームを構成する関節装置の数も特に限定するものではない。   In the above-described embodiment, the configuration in which one finger unit is configured by three joint devices has been described. However, the number of joint devices configuring the finger unit is not particularly limited, and the finger units are configured by one joint device. It may be configured. Furthermore, the number of finger units constituting the universal robot hand and the number of joint devices constituting the robot arm are not particularly limited.

上述の実施形態で説明した関節装置の具体的構造は一実施形態に過ぎず、本発明の範囲がこれによって制限されるものではなく、同様の作用効果を奏する範囲において適宜構成を変更することも可能である。   The specific structure of the joint device described in the above-described embodiment is merely an embodiment, and the scope of the present invention is not limited thereby, and the configuration may be changed as appropriate within the scope of the same effects. Is possible.

(a)は本発明による関節装置の正面図、(b)は関節装置の側断面図(A) is a front view of the joint device according to the present invention, (b) is a side sectional view of the joint device. 本発明によるハーモニックドライブの回転動作説明図Explanatory diagram of rotation operation of harmonic drive according to the present invention トルク制限機構として回転摩擦機構の説明図で、(a)は分解斜視図、(b)は要部説明図、(c)はローラ群の配置姿勢の説明図、(d)は作用説明図It is explanatory drawing of a rotational friction mechanism as a torque limitation mechanism, (a) is a disassembled perspective view, (b) is a principal part explanatory drawing, (c) is explanatory drawing of the arrangement | positioning attitude | position of a roller group, (d) is action explanatory drawing. (a)は本発明によるユニバーサルロボットハンドの概略図、(b)は示指(第二指)に対応するフィンガーユニットの概略説明図、(c)は母指(第一指)に対応するフィンガーユニットの概略説明図(A) is a schematic diagram of a universal robot hand according to the present invention, (b) is a schematic explanatory diagram of a finger unit corresponding to an index finger (second finger), and (c) is a finger unit corresponding to a thumb (first finger). Schematic explanatory diagram (a)は本発明によるフィンガーユニットの平面図、(b)は同正面図(A) is a plan view of the finger unit according to the present invention, (b) is a front view thereof. 本発明によるフィンガーユニットの動作説明図で、(a)は初期姿勢の説明図、(b)は把持姿勢の説明図It is operation | movement explanatory drawing of the finger unit by this invention, (a) is explanatory drawing of an initial position, (b) is explanatory drawing of a holding | grip attitude | position. 本発明によるフィンガーユニットの動作説明図で、(a)は把持動作中に外力が働いたことの説明図、(b)は外力により特異姿勢となることの説明図FIG. 2 is an operation explanatory view of a finger unit according to the present invention, where (a) is an explanatory view showing that an external force has been applied during a gripping operation, and (b) is an explanatory view showing that a unique posture is caused by the external force. (a)は別実施形態の説明図、(b)は別実施形態の説明図、(c)は別実施形態の説明図(A) is explanatory drawing of another embodiment, (b) is explanatory drawing of another embodiment, (c) is explanatory drawing of another embodiment. 別実施形態の説明図で(a)は、遊星歯車減速機構の説明図、(b)は関節装置の断面図、(c)は関節装置の概略図It is explanatory drawing of another embodiment, (a) is explanatory drawing of a planetary gear reduction mechanism, (b) is sectional drawing of a joint apparatus, (c) is the schematic of a joint apparatus. 別実施形態の説明図で(a)は、サイクロ減速機の説明図、(b)は関節装置の断面図、(c)は関節装置の概略図It is explanatory drawing of another embodiment, (a) is explanatory drawing of a cyclo reducer, (b) is sectional drawing of a joint apparatus, (c) is the schematic of a joint apparatus. 従来技術によるロボットハンドの構成図Configuration diagram of a robot hand according to the prior art 従来技術によるロボットハンドの構成図Configuration diagram of a robot hand according to the prior art

符号の説明Explanation of symbols

1:関節装置
2:関節装置
3:関節装置
13:ストッパ機構
14:ネジ
15:止めねじ
16:止めねじ
31:ウェーブジェネレータ
32:フレクスプライン
33:延出軸
34:サーキュラスプライン
35:ベアリング
36:ケーシング
37:歯部
38:歯部
40:回転摩擦機構
41:受圧体
43:保持体
42:ローラ
45:加圧体
44:保持孔
50:固定機構
51:ナット
52:止めねじ
53:バネ座金
60:基体
70:太陽歯車
71:遊星歯車
72:遊星キャリア7
73:外輪歯車
74:延出軸
80:偏心カム
81:曲線板
82:内ピン
83:外ピン
84:内ピン保持部材
85:内ピン用開口
86:出力軸
87:外ピン保持部材
90:把持対象物
91:外力
B:タイミングプーリ・ベルト
C:サイクロ減速機
F1:母指(第一指)
F2:示指(第二指)
F3:中指(第三指)
F4:薬指(第四指)
F5:小指(第五指)
G1:ベベルギア
G2:ベベルギア
G3:平歯車
G4:平歯車
G10:ベベルギア
G20:ベベルギア
G30:ベベルギア
G40:ベベルギア
H:ハーモニックドライブ
H21:ハーモニックドライブ
H22:ハーモニックドライブ
H24:ハーモニックドライブ
J:関節部材
J2:関節部材
J3:関節部材
J11:第一関節部材
J12:第二関節部材
J13:第三関節部材
J14:第四関節部材
J21:第一関節部材
J22:第二関節部材
J23:第三関節部材
J24:第四関節部材
L1:リンク部材
L2:リンク部材
L11:リンク部材
L12:リンク部材
L13:リンク部材
L14:リンク部材
L15:リンク部材
L21:リンク部材
L22(L22a,22b):リンク部材
L23(L23a,23b):リンク部材
L24(L24a,L24b):リンク部材
L25:リンク部材
P:軸心
P11:第一軸心
P12:第二軸心
P13:第三軸心
P14:第四軸心
P21:第一軸心
P22:第二軸心
P23:第三軸心
P24:第四軸心
R:トルク制限機構
M:モータ
M21:モータ
M22:モータ
M23:モータ
T:伝動機構
T21:伝動機構
T22:伝動機構
T23:伝動機構
T24:伝動機構
U:ユニバーサルロボットハンド
W10:平歯車
W20:アイドル平歯車
W30:平歯車
Y:遊星歯車減速機構
a:径方向
b:転動軸心
θ:角度
1: Joint device 2: Joint device 3: Joint device 13: Stopper mechanism 14: Screw 15: Set screw 16: Set screw 31: Wave generator 32: Flex spline 33: Extension shaft 34: Circular spline 35: Bearing 36: Casing 37: Tooth part 38: Tooth part 40: Rotary friction mechanism 41: Pressure receiving body 43: Holding body 42: Roller 45: Pressurizing body 44: Holding hole 50: Fixing mechanism 51: Nut 52: Set screw 53: Spring washer 60: Base 70: Sun gear 71: Planetary gear 72: Planetary carrier 7
73: Outer ring gear 74: Extension shaft 80: Eccentric cam 81: Curved plate 82: Inner pin 83: Outer pin 84: Inner pin holding member 85: Inner pin opening 86: Output shaft 87: Outer pin holding member 90: Holding Object 91: External force B: Timing pulley / belt C: Cyclo reducer F1: Mother finger (first finger)
F2: Index finger (second finger)
F3: Middle finger (third finger)
F4: Ring finger (fourth finger)
F5: Little finger (fifth finger)
G1: Bevel gear G2: Bevel gear G3: Spur gear G4: Spur gear G10: Bevel gear G20: Bevel gear G30: Bevel gear G40: Bevel gear H: Harmonic drive H21: Harmonic drive H22: Harmonic drive H24: Harmonic drive J: Joint member J2: Joint member J3: Joint member J11: First joint member J12: Second joint member J13: Third joint member J14: Fourth joint member J21: First joint member J22: Second joint member J23: Third joint member J24: Fourth Joint member L1: Link member L2: Link member L11: Link member L12: Link member L13: Link member L14: Link member L15: Link member L21: Link member L22 (L22a, 22b): Link member L23 (L23a, 23b): Link member L24 (L24 , L24b): link member L25: link member P: shaft center P11: first shaft center P12: second shaft center P13: third shaft center P14: fourth shaft center P21: first shaft center P22: second shaft center P23: Third axis P24: Fourth axis R: Torque limiting mechanism M: Motor M21: Motor M22: Motor M23: Motor T: Transmission mechanism T21: Transmission mechanism T22: Transmission mechanism T23: Transmission mechanism T24: Transmission mechanism U : Universal robot hand W10: Spur gear W20: Idle spur gear W30: Spur gear Y: Planetary gear reduction mechanism a: Radial direction b: Rolling axis θ: Angle

Claims (6)

一対のリンク部材を所定軸心周りに回転する関節部材を介して連結した関節装置であって、
前記関節部材に、一方のリンク部材に組み付けられたモータの出力が伝動機構を介して伝達され前記所定軸心周りに回転するウェーブジェネレータと、前記ウェーブジェネレータの外周部と接合する内周部を備えたフレクスプラインと、前記フレクスプラインの外周部に形成された歯部と噛合する歯部が内周部に形成されたサーキュラスプラインとからなるハーモニックドライブ(登録商標、以下同じ)減速機構を備え、前記フレクスプラインがトルク制限機構を介して一方のリンク部材に固定されるとともに、前記サーキュラスプラインが他方のリンク部材に直接または間接的に固定されている関節装置。
A joint device in which a pair of link members are connected via a joint member that rotates around a predetermined axis,
The joint member includes a wave generator in which an output of a motor assembled to one of the link members is transmitted via a transmission mechanism and rotates around the predetermined axis, and an inner peripheral portion joined to an outer peripheral portion of the wave generator. And a harmonic drive (registered trademark, hereinafter the same) reduction mechanism comprising a flexspline and a circular spline having a tooth portion meshing with a tooth portion formed on an outer peripheral portion of the flexspline on the inner peripheral portion, A joint device in which a flexspline is fixed to one link member via a torque limiting mechanism, and the circular spline is fixed directly or indirectly to the other link member.
前記トルク制限機構は、一方のリンク部材に固定された環状の受圧体と、転動軸心が前記受圧体の径方向に対して所定の角度で傾斜した姿勢で前記受圧体の周方向に沿って配列された複数のローラと、各ローラを所定間隔で転動自在に保持する環状の保持体と、前記ローラを挟み前記受圧体と対向配置された環状の加圧体とを備え、前記フレクスプラインの延出軸に外嵌された環状の回転摩擦機構と、前記延出軸と前記受圧体とを前記加圧体を介して直接または間接的に所定の締付力で締付固定する固定機構を備えている請求項1記載の関節装置。   The torque limiting mechanism includes a ring-shaped pressure receiving body fixed to one link member and a circumferential direction of the pressure receiving body in a posture in which a rolling axis is inclined at a predetermined angle with respect to a radial direction of the pressure receiving body. A plurality of rollers arranged in a row, an annular holding body that holds each roller so as to roll freely at a predetermined interval, and an annular pressure body that is disposed so as to face the pressure receiving body with the roller interposed therebetween. An annular rotational friction mechanism externally fitted to the extension shaft of the spline, and fixing for fixing the extension shaft and the pressure receiving body directly or indirectly with a predetermined tightening force via the pressure body. The joint device according to claim 1, further comprising a mechanism. 前記固定機構による前記延出軸と前記受圧体との間の締付力を動的に調整するアクチュエータを備えている請求項2記載の関節装置。   The joint device according to claim 2, further comprising an actuator that dynamically adjusts a tightening force between the extension shaft and the pressure receiving body by the fixing mechanism. 前記モータにより前記関節部材を介して他方のリンク部材に付与される回転トルクと逆方向に、前記トルク制限機構による保持トルクより大きな外力が付与されると、前記トルク制限機構により前記関節部材が前記回転トルクと逆方向へ回転するように構成され、前記一対のリンク部材が直線状に位置する特異姿勢で姿勢保持されるように、一方のリンク部材にストッパ機構を設けている請求項1から3の何れかに記載の関節装置。   When an external force greater than the holding torque by the torque limiting mechanism is applied in the opposite direction to the rotational torque applied to the other link member by the motor via the joint member, the torque limiting mechanism causes the joint member to be 4. A stopper mechanism is provided on one of the link members so that the link member is configured to rotate in a direction opposite to the rotational torque, and the pair of link members are held in a unique posture that is linearly positioned. The joint device according to any one of the above. 請求項1から4の何れかに記載の関節装置が組み込まれたロボットアーム。   A robot arm incorporating the joint device according to claim 1. ユニバーサルロボットハンドに用いられ、複数の関節装置を備えたフィンガーユニットであって、請求項1から4の何れかに記載の関節装置が組み込まれたフィンガーユニット。   A finger unit that is used in a universal robot hand and includes a plurality of joint devices, wherein the joint device according to any one of claims 1 to 4 is incorporated.
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