JP2010264519A

JP2010264519A - 関節機構

Info

Publication number: JP2010264519A
Application number: JP2009115523A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Yamaguchi; 如洋山口; Tetsuo Matsumoto; 哲郎松本
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-05-12
Filing date: 2009-05-12
Publication date: 2010-11-25

Abstract

【課題】１つの駆動源を動作させることによって２つの自由度を実現することができる関節機構を提供すること。
【解決手段】本発明の関節機構は、少なくとも固定状態となる第１のギア１０と、第１のギア１０の中心軸方向に第１のギア１０と対向して配置され、回転可能とされた第２のギア２０と、第２のギア２０を回転させる第２のギア用駆動源２１と、第１のギア１０の中心軸方向と交差する方向に配置された棒状部材５０と、棒状部材５０とともに棒状部材５０を中心軸として回転可能とされ、第１及び第２のギア１０，２０と噛み合う第３のギア３０と、棒状部材５０を中心軸として棒状部材５０とは独立に回転可能であって、第１及び第２のギア１０，２０と噛み合う第４のギア４０と、を備えていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明のいくつかの態様は、関節機構に関するものである。

ロボットや産業用生産装置のマニピュレーターなどには、関節を動かすための関節機構が設けられている（例えば特許文献１を参照）。
関節機構を駆動すると、ロボットやマニピュレーターの腕を所望の方向に回転させることができる。

特開２００１−１５０３７１号公報

しかしながら、従来の関節機構においては、複数の自由度を得るためには、それぞれの自由度に対応する駆動源が必要であった。

本発明のいくつかの態様は、上記従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、１つの駆動源によって２つの自由度を得ることができる関節機構を提供することを目的とする。

本発明の関節機構は、少なくとも固定状態となる第１のギアと、前記第１のギアの中心軸方向に前記第１のギアと対向して配置され、回転可能とされた第２のギアと、前記第２のギアを回転させる第２のギア用駆動源と、前記第１のギアの中心軸方向と交差する方向に配置された棒状部材と、前記棒状部材とともに前記棒状部材を中心軸として回転可能とされ、前記第１及び第２のギアと噛み合う第３のギアと、前記棒状部材を中心軸として前記棒状部材とは独立に回転可能であって、前記第１及び第２のギアと噛み合う第４のギアと、を備えていることを特徴とする。

この構成によれば、第２のギアを回転させることによって、棒状部材に固定された第３のギアを回転させ、棒状部材を棒状部材の周方向に回転させることができる。また、第１のギアが固定されているので、第２のギアを回転させると、第３及び第４のギアを、第１のギア及び第２のギアに沿って、第１のギアの中心軸の周りで回転させることができる。
このように、１つの駆動源で、棒状部材を２つの自由度で回転運動させることができる関節機構を提供することができる。

前記第１のギアを回転させる第１のギア用駆動源がさらに設けられていることが好ましい。
この構成によれば、第１及び第２のギアを同じ方向に回転させることによって、棒状部材を第１のギアの中心軸の周方向にのみ回転させることができる。また、第１のギアと第２のギアとを互いに異なる方向に回転させることによって、棒状部材を棒状部材の周方向にのみ回転させることができる。そして、駆動源によって第１のギアを回転しないように固定させれば、先に記載したように棒状部材を、棒状部材の周方向と、第１のギアの中心軸の周方向の２方向に回転させることができる。これらの場合は、棒状部材は１自由度の回転運動を行う。
このように、第１のギア用駆動源を設けることで、棒状部材の回転運動の自由度を自在に変更し、さまざまな動作を実現することが可能な関節機構を提供することができる。

前記第１のギア用駆動源が、前記第１のギアを固定するブレーキ機構を有していることが好ましい。
この構成によれば、第１のギアを第１のギア用駆動源に固定して回転しないようにすることができるので、第１のギアの固定状態と回転状態とを自在に切り替えることができる。したがって、棒状部材の回転運動の自由度を自在に変更し、さまざまな動作を実現することが可能な関節機構を提供することができる。

前記第１のギアが前記関節機構の外部で固定されていることが好ましい。
この構成によれば、第１のギアが常に固定状態とされるため、第１のギア用駆動源やブレーキ機構などの構成要素を省略することができるので、関節機構を簡素化することができる。

前記第２のギア用駆動源が、前記第２のギアを固定するブレーキ機構を有していることが好ましい。
この構成によれば、第２のギアを駆動源に固定して回転しないようにすることができるので、第２のギアの固定状態と回転状態とを自在に切り替えることができる。したがって、第１のギアの回転状態と固定状態とを組み合わせることによって、棒状部材の回転運動の自由度を自在に変更し、より複雑な動作を実現する関節機構を提供することができる。

関節機構を備えたアームの構成図である。関節機構の動作を説明する図である。関節機構の動作を説明する図である。関節機構の動作を説明する図である。関節機構の動作を説明する図である。ギアの回転と前腕部の運動とを対応させる図である。

以下、図面を用いて本発明のいくつかの態様に係る関節機構について説明する。
なお、本実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、図面を見やすくするために実際の構成とは適宜異ならせている。

図１は、本発明の関節機構１００を備えたアーム２００を模式的に示す構成図である。図１では、関節機構１００の構造を見やすくするために、各構成部材を引き離して表示しているが、実際にはギア同士が噛み合っている。
アーム２００は、関節機構１００と、上腕部（関節機構の外部）１１０と、前腕部１２０とからなる。関節機構１００は、上腕部１１０と前腕部１２０との間に設けられ、関節機構１００を駆動させることによって前腕部１２０を回転運動させる。

関節機構１００は、図１に示すように、第１のギア１０と、第２のギア２０と、第３のギア３０と、第４のギア４０と、棒状部材５０とを有している。
第１のギア１０と第２のギア２０は、第１のギアの中心軸方向（図示でＸ軸方向）に互いに対向して配置されている。第１のギア１０は、軸１２を介してモーター１１（第１のギア用駆動源）と繋がり、第２のギア２０は、軸２２を介してモーター２１（第２のギア用駆動源）と繋がっている。モーター１１，２１のうち、少なくともモーター１１が上腕部１１０に設けられ、関節機構１００と上腕部１１０とが接続されている。第１のギア１０及び第２のギア２０は、モーター１１，２１を駆動させることによってＸ軸の周り（周方向）に回転する。

モーター１１はブレーキ機構（図示は省略）を有し、ブレーキ機構で軸１２を固定することによって第１のギア１０が回転しないようにすることができる。ブレーキ機構は、電源のオン、オフに応じて、軸１２を回転自在な状態と固定状態とで切り替える。
同様に、モーター２１はブレーキ機構（図示は省略）を有し、ブレーキ機構で軸２２を固定することによって第２のギア２０が回転しないようにすることができる。ブレーキ機構は、電源のオン、オフに応じて、軸２２を回転自在な状態と固定状態とで切り替える。

ブレーキ機構としては、例えば、無励磁作動形や励磁作動形の電磁ブレーキを挙げることができる。無励磁作動形の電磁ブレーキは、オン状態で軸を開放して回転自在な状態とし、オフ状態で軸を固定状態とする。これに対して、励磁作動形の電磁ブレーキは、オン状態で軸を固定状態とし、オフ状態で軸を開放して回転自在な状態とする。

棒状部材５０は、図１に示すように、軸５１と、軸５１の先端に接続された前腕接続部５２とからなる。棒状部材５０は、第１のギア１０の中心軸（Ｘ軸）方向および第２のギア２０の中心軸（Ｘ軸）方向と直交（交差）して配置されており、前腕接続部５２においてアーム２００の前腕部１２０と接続されている。
第３のギア３０は、棒状部材５０の軸５１を中心軸とし第１のギア１０及び第２のギア２０と噛み合って配置されている。第３のギア３０は軸５１に固定されており、軸５１とともに回転する。
第４のギア４０は、棒状部材５０の軸５１を中心軸とし、第１のギア１０及び第２のギア２０と噛み合って配置されている。第４のギア４０は軸５１に固定されておらず、軸５１と独立して軸５１の周方向に回転可能である。ただし、第４のギア４０は、棒状部材５０の軸方向には移動しないようになっている。

本実施形態では、棒状部材５０の中心軸をＹ軸と規定し、第１のギア１０の中心軸（Ｘ軸）の周りの回転方向、及びＹ軸の周りの回転方向を以下のように規定する。
図１において、第１のギア１０から第２のギア２０を見て、時計回りに回転する方向をＸ１方向と規定し、反時計回りに回転する方向をＸ２方向と規定する。
図１において、第４のギア４０から第３のギア３０を見て、時計回りに回転する方向をＹ１方向と規定し、反時計回りに回転する方向をＹ２方向と規定する。

次に、本実施形態の関節機構１００の動作について説明する。図２〜図５は、関節機構１００の回転運動の例を示す図である。
はじめに、図２は、第１のギア１０及び第２のギア２０を互いに同じ方向に回転させた例を示している。まず、第１のギア１０及び第２のギア２０をＸ１方向に回転させた場合について説明する。この場合、第１のギア１０及び第２のギア２０は、第３のギア３０及び第４のギア４０に対してＹ軸を中心軸とする回転力を互いに反対方向に与える。
具体的には、第３のギア３０に対して、第１のギア１０はＹ１方向の回転力を与え、第２のギア２０はＹ２方向の回転力を与える。また、第４のギア４０に対して、第１のギア１０はＹ２方向の回転力を与え、第２のギア２０はＹ１方向の回転力を与える。
このように、第３のギア３０及び第４のギア４０に、Ｙ１方向の回転力とＹ２方向の回転力とが同時に与えられるためＹ軸の周りには回転しない。

一方、第３のギア３０及び第４のギア４０には、第１のギア１０及び第２のギア２０と噛み合う面でＸ１方向への回転力が働く。これによって、第３のギア３０及び第４のギア４０は、第１のギア１０及び第２のギア２０に沿ってＸ軸の周りをＸ１方向に回転する。
これにともない、棒状部材５０（前腕部１２０）は実線の矢印で示したＸ１方向に回転する。

また、第１のギア１０及び第２のギア２０をＸ２方向に回転させた場合について簡単に説明する。この場合にも、第１のギア１０及び第２のギア２０は、第３のギア３０及び第４のギア４０に対してＹ軸の周りを互いに反対方向に回転させようとする回転力を与えるため、第３のギア３０及び第４のギア４０はＹ軸の周りには回転しない。

一方、第３のギア３０及び第４のギア４０には、第１のギア１０及び第２のギア２０と噛み合う面でＸ２方向への回転力が働く。これによって、第３のギア３０及び第４のギア４０は、第１のギア１０及び第２のギア２０に沿ってＸ軸の周りをＸ２方向に回転する。
これにともない、棒状部材５０（前腕部１２０）は破線の矢印で示したＸ２方向に回転する。

次に、図３について説明する。図３は、第１のギア１０及び第２のギア２０を互いに反対方向に回転させた例を示している。
まず、第１のギア１０をＸ１方向に回転させ、第２のギアをＸ２方向に回転させた場合について説明する。この場合には、第３のギア３０はＹ１方向に回転し、第４のギア４０はＹ２方向に回転する。第４のギア４０は軸５１に対して回転自在に設けられているので、棒状部材５０（前腕部１２０）は、第３のギア３０の回転によって実線の矢印で示したＹ１方向に回転する。
一方、第３のギア３０及び第４のギア４０がＹ軸を中心軸として回転するため、第３のギア３０及び第４のギア４０をＸ軸の周りで回転させる力は働かない。

また、第１のギア１０をＸ２方向に回転させ、第２のギア２０をＸ１方向に回転させた場合には、第３のギア３０はＹ２方向に回転し、第４のギア４０はＹ１方向に回転するので、棒状部材５０（前腕部１２０）は、第３のギア３０の回転によって破線の矢印で示したＹ２方向に回転する。
この場合にも、第３のギア３０及び第４のギア４０がＹ軸を中心軸として回転するため、第３のギア３０及び第４のギア４０をＸ軸の周りで回転させる力は働かない。

次に、図４について説明する。図４は、第１のギア１０を回転させないように固定させた例を示している。
まず、第１のギア１０を固定し、第２のギア２０をＸ２方向に回転させた場合について説明する。この場合には、第２のギア２０は、第３のギア３０にＹ１方向の回転力を与え、第４のギア４０にＹ２方向の回転力を与える。ところが、第１のギア１０が固定されているため、第３のギア３０及び第４のギア４０はその場で回転することができない。このため、第３のギア３０及び第４のギア４０は、第１のギア１０及び第２のギア２０に沿ってＸ２方向に回転しながらＹ軸を中心軸として回転する。
これにより、棒状部材５０（前腕部１２０）では、実線の矢印で示したように、Ｘ２方向に回転しながらＹ１方向に回転するという、２種類の回転運動が同時に実行される。

また、第１のギア１０を固定し、第２のギア２０をＸ１方向に回転させた場合には、第２のギア２０は、第３のギア３０にＹ２方向の回転力を与え、第４のギア４０にＹ１方向の回転力を与える。そうすると、第３のギア３０及び第４のギア４０は、第１のギア１０及び第２のギア２０に沿ってＸ１方向に回転しながらＹ軸を中心軸として回転する。
これにより、棒状部材５０（前腕部１２０）では、破線の矢印で示したように、Ｘ１方向に回転しながらＹ２方向に回転するという、２種類の回転運動が同時に実行される。

次に、図５について説明する。図５では、第２のギア２０を回転させないように固定させた例を示している。
まず、第１のギア１０をＸ１方向に回転させ、第２のギア２０を固定した場合について説明する。この場合には、第１のギア１０は、第３のギア３０にＹ１方向の回転力を与え、第４のギア４０にＹ２方向の回転力を与える。ところが、第２のギア２０が固定されているので、第３のギア３及び第４のギア４０は、その場で回転することができない。このため、第３のギア３０及び第４のギア４０は、第１のギア１０及び第２のギア２０に沿ってＸ１方向に回転しながらＹ軸を中心軸として回転する。
これにより、棒状部材５０（前腕部１２０）では、実線の矢印で示したように、Ｘ１方向に回転しながらＹ１方向に回転するという２種類の回転運動が実行される。

また、第１のギア１０をＸ２方向に回転させ、第２のギア２０を固定した場合には、第１のギア１０は、第３のギア３０にＹ２方向の回転力を与え、第４のギア４０にＹ１方向の回転力を与える。そうすると、第３のギア３０及び第４のギア４０は、第１のギア１０及び第２のギア２０に沿ってＸ２方向に回転しながらＹ軸を中心軸として回転する。
これにより、棒状部材５０（前腕部１２０）では、破線の矢印で示したように、Ｘ２方向に回転しながらＹ２方向に回転するという、２種類の回転運動が同時に実行される。

上述した棒状部材５０の回転運動の一覧を図６にまとめて表示する。図６では、縦方向に第１のギア１０の回転方向Ｘ１，Ｘ２，及び固定状態を示し、横方向に第２のギア２０の回転方向Ｘ１，Ｘ２，及び固定状態を示しており、第１及び第２のギア１０，２０のそれぞれの回転と棒状部材５０（前腕部１２０）の回転運動とを対応させたものである。図６では、棒状部材５０の回転を、Ｘ軸周りの回転とＹ軸周りの回転とに分け、横軸に示した「Ｘ」，「Ｙ」の欄にそれぞれ表示している。また、図６において「−」で示された箇所は、その軸の周りの回転運動が起こらない場合を示している。

図６に示した棒状部材５０の回転運動について具体的に説明する。第１のギア１０及び第２のギア２０がＸ１方向に回転する場合には、棒状部材５０（前腕部１２０）は、Ｘ軸周りにＸ１方向に回転し、Ｙ軸周りに回転しないことを示している。したがって、この場合には、１自由度の回転運動が実行される。
次に、第１のギア１０を固定し、第２のギア２０をＸ１方向に回転させた場合には、棒状部材５０（前腕部１２０）は、Ｘ軸周りにＸ１方向に回転し、Ｙ軸周りにＹ２方向に回転することを示している。したがって、この場合には、２自由度の回転運動が実行される。
図６に示すように、第１のギア１０及び第２のギア２０の回転運動の組み合わせによって、棒状部材５０（前腕部１２０）では、４種類の１自由度の回転運動及び４種類の２自由度の回転運動が実行される。

このような構成を備えた関節機構１００によれば、以下の効果を得ることができる。
まず、モーター１１のブレーキ機構によって第１のギア１０を固定し、第２のギア２０をＸ１方向に回転させると、第３のギア３０及び第４のギア４０を、第１のギア１０及び第２のギア２０に沿ってＸ１方向に回転させつつＹ軸の周り、すなわち棒状部材５０の軸の周りを回転させることができる。
そして、モーター１１のブレーキ機構によって第１のギア１０を固定し、第２のギア２０をＸ２方向に回転させた場合には、第３のギア３０及び第４のギア４０を、第１のギア１０及び第２のギア２０に沿ってＸ１方向に回転させつつＹ軸の周りを回転させることができる。
このように、本実施形態では、モーター１０のブレーキ機構によって第１のギア１０が回転しないように固定し、１つのモーター（駆動源）２１によって第２のギア２０のみを駆動した場合には、棒状部材５０（前腕部１２０）に対して、Ｘ軸周り及びＹ軸周りの回転運動を同時に実行させた、２自由度の回転運動を実現することができる。

また、第１のギア１０及び第２のギア２０をＸ軸周りに同方向に回転させると、棒状部材５０をＸ軸周りのみに回転させることができ、第１のギア１０及び第２のギア２０をＸ軸周りに互いに反対方向に回転させると、棒状部材５０をＹ軸周りにのみ回転させることができる。
このように、本実施形態では、両方のモーター１１，２１を駆動させることによって、１自由度の回転運動を実現することができる。

また、モーター１１，２１にブレーキ機構を有することによって、第１のギア１０、及び第２のギア２０をモーター１１，２１に固定して回転しないようにすることができるので、第１のギア１０、及び第２のギア２０の固定状態と回転状態とを自在に切り替えることができる。

また、第１のギア１０の回転運動及び第２のギア２０の回転運動の組み合わせによって、棒状部材５０（前腕部１２０）に対して、４種類の１自由度の回転運動及び４自由度の回転運動を実現することができるので、少ない構成要素で複雑な動作を実現させることができる。

なお、モーター１１を省略し、関節機構１００の外部である上腕部１１０に第１のギア１０が固定された構成としてもよい。
この場合には、第１のギア１０は常に固定された状態となるため、第１のギア１０及び第２のギア２０の両方を同時に回転させることはできないが、第２のギア２０のみを回転させることによって、棒状部材５０に対して２自由度の回転運動を実現することができる。また、関節機構１００の構成が簡略化され、関節機構１００を軽量化することができるとともに、製造コストを削減することができる。

また、これとは逆に、第２のギア２０が上腕部１１０に固定された構成としてもよい。この場合には、第１のギア１０のみを回転させることによって、棒状部材５０に対して２自由度の回転運動を実現することができる。

なお、上記実施形態では、上腕部１１０と前腕部１２０とが関節機構１００を介して接続された構成について説明したが、これ以外にも、アーム２００を柔軟な材質で構成し、アーム２００の中に本発明の関節機構を埋め込んだ構成としてもよい。このような構成とすれば、外見からは関節機構１００が隠れて見えなくなるため、上腕部１１０と前腕部１２０とが繋がって見える。そうすると、関節機構１００によって前腕部１１０（棒状部材５０）を回転運動させたときに、上腕部１１０と前腕部１２０とが連携して、例えば人の腕や足などの関節のような、自然な動作を実現することができる。

なお、上記実施形態では、アーム２００が上腕部１１０と前腕部１２０とからなり、上腕部１１０と前腕部１２０との間に関節機構１００が設けられた例について説明したが、アームが腕部１１０及び関節機構１００のみを備え、関節機構１００がロボット本体（図示は省略）と繋がった構成とされていてもよい。このような構成であっても、関節機構１００によって前腕部１２０（棒状部材５０）に対して２自由度の回転運動を実現することができる。また、上腕部に係る構成要素を省略することができるので、アームを軽量化することができるとともに製造コストを低減することができる。

本発明のいくつかの態様に係る関節機構１００は、歩行ロボット、産業用製造装置のマニピュレーターなどの各種ロボットの関節部に好適に用いることができる。

１０…第１のギア、１１…モーター（第１のギア用駆動源）、２０…第２のギア、２１…モーター（第２のギア用駆動源）、３０…第３のギア、４０…第４のギア、５０…棒状部材、１００…関節機構、１１０…上腕部（関節機構の外部）、１２０…前腕部、２００…アーム

Claims

少なくとも固定状態となる第１のギアと、
前記第１のギアの中心軸方向に前記第１のギアと対向して配置され、回転可能とされた第２のギアと、
前記第２のギアを回転させる第２のギア用駆動源と、
前記第１のギアの中心軸方向と交差する方向に配置された棒状部材と、
前記棒状部材とともに前記棒状部材を中心軸として回転可能とされ、前記第１及び第２のギアと噛み合う第３のギアと、
前記棒状部材を中心軸として前記棒状部材とは独立に回転可能であって、前記第１及び第２のギアと噛み合う第４のギアと、
を備えていることを特徴とする関節機構。
前記第１のギアを回転させる第１のギア用駆動源がさらに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の関節機構。
前記第１のギア用駆動源が前記第１のギアを固定させるブレーキ機構を有していることを特徴とする請求項２に記載の関節機構。
前記第１のギアが前記関節機構の外部で固定されていることを特徴とする請求項１に記載の関節機構。
前記第２のギア用駆動源が、前記第２のギアを固定させるブレーキ機構を有していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の関節機構。