JP2011516286A - ２つのピボット連結部を有する電動関節およびこの関節を実装したヒューマノイドロボット - Google Patents

Abstract

本発明は、２つのピボット連結部を有する電動関節と、この関節を実装したヒューマノイドロボットとに関する。関節は、軸が平行でない２つのピボット連結部と、第一の減速機（２１）によって２つのピボット連結部のうちの第一の連結部を駆動する第一のモータ（２０）と、第二の減速機（２３）によって２つのピボット連結部の第二の連結部（１７）を駆動する第二のモータ（２２）を備える。本発明によれば、２つの減速機の一方（２３）は、この減速機（２３）に関連するモータ（２２）とピボット連結部（１７）との間にかさ歯車（３４）を有する。

Description

本発明は、２つのピボット連結部を有する電動関節と、この関節を実装したヒューマノイドロボットに関する。本発明は特に、人間工学的改良が望まれるヒューマノイドロボットの生産において特に有益である。

この種のロボットには多数の関節が設けられており、それによってロボットの体の頭や四肢といったさまざまな部分を動かすことが可能となる。人体の特定の関節、たとえば肩、肘または首は、ロボットにおいては、ダブルピボット連結部とも呼ばれる２つのピボット連結部を含む関節によって再現できる。より詳しくは、第一のピボット連結部の出口が第二のピボット連結部への入口を形成する。たとえば、肘では、前腕が上腕に関して関節接続され、前腕の延在する軸を中心とした前腕の第一の回転と、第一の軸に対して直角な軸を中心とした第二の回転を可能にする。すなわち、前腕は上腕に関して２回転自由度を有する。

ロボットにおいて、関節は、たとえば回転電気モータによって電動化され、各モータで１回転自由度を制御することが可能である。したがって、前述のような相互に直角な２つの軸を有する関節の場合、２つのモータが必要であり、各々が回転を制御する。この関節を製作するために、モータを各々の回転軸と整列させることが可能である。このような配置は実装しやすいが、たとえば肘の場合、モータの一方は、関節に関して突出せざるをえない。この突出部は、ロボットの特定の運動の障害となる。

さらに、ロボットが腕を体に沿わせることができるようにするためには、肘に設けたモータによってできる突出部が、体の外側に向かって延びていなければならない。突出部は、ロボットの脊柱を形成する縦軸に関して対称に配置される。この配置にするために、関節も対称であることが必要となる。関節を全く同じにすることはできないため、ロボットを構成する機械的部品を標準化できる度合いが低くなる。

本発明の目的は、上記の問題のいくつかまたは全部を、モータに必然的に伴う突出部をなくすことによって解消することである。一般に、本発明により、２つのピボット連結部を有する関節をさらに小型化することが可能となる。

この目的のために、本発明の主題は、軸が相互に平行でない２つのピボット連結部と、２つのピボット連結部の第一の連結部を第一の減速機によって駆動する第一のモータと、２つのピボット連結部の第二の連結部を第二の減速機によって駆動する第二のモータと、を有する関節であり、２つの減速機の一方は、この減速機に関連するモータとピボット連結部との間にかさ歯車を有することを特徴とする関節である。

本発明の目的は、本発明による少なくとも１つの関節を有するヒューマノイドロボットでもある。

添付の図面に描かれている、例としてのいくつかの実施形態に関する詳細な説明を読むことによって、本発明をよりよく理解でき、他の利点も明らかとなるであろう。

ヒューマノイドロボットの肘を形成する関節を示す。 本発明の第一の実施形態の運動図である。 図２に概略が示される関節の主要部分の実施形態を示す。 本発明の第二の実施形態の運動図である。 図４に概略が示される関節の主要部分の実施形態を示す。 その環境で組み立てられた第二の実施形態による関節の変形例と、遊星歯車列を有する減速機を示す。

明瞭を期すために、異なる図面においても、同じ要素には同じ参照番号を付す。

本発明を、ヒューマノイドロボットの肘に関して説明する。本発明は、この肘に限定されず、どのような電動ダブルピボット連結関節、特に首や肩等のヒューマノイドロボットの肘以外の関節にも実装できることがわかるであろう。

図１は、ヒューマノイドロボットの上肢１０の一部を示す。上肢１０は、上腕１１と前腕１２を含む。関節１３によって、前腕１２は上腕１１に対して、２つの回転軸にしたがって動くことができる。第一の軸１４は前腕１１の主方向に沿って延び、第二の軸１５は軸１４に対して直角である。関節１３は、２つのピボット連結部１６、１７を含む。ピボット連結部１６により、前腕１２による軸１４の周囲の回転が可能となり、ピボット連結部１７により、前腕１２による軸１５の周囲の回転が可能となる。図１において、ピボット連結部１６、１７は、上腕１１と前腕１２のケーシングによって部分的に隠れている。軸１４、１５が直角である構成が好ましい。本発明を実装するには、軸１４、１５が収束しない関節も製作できることがわかるであろう。一般に、本発明は、相互に平行でない軸１４、１５でも実装可能である。

図２は、本発明の第一の実施形態の運動図である。関節１３は、第一の減速機２１によってピボット連結部１６を駆動する第一のモータ２０と、第二の減速機２３によってピボット連結部１７を駆動する第二のモータ２２を備える。

モータ２０、２２は回転モータである。これらは、どのような種類であってもよく、たとえば直流電気モータであってもよい。

減速機２１は、平行な軸を有する。これは、複数の直線歯車列を含む。図の例では、４つの歯車列２４から２７が連続して連結され、必要な減速比を得られるようになっている。モータ２０は、歯車列２４を駆動し、歯車列２７の出力軸２８は、ピボット連結部１６の回転部分を形成する。ピボット連結部１６の固定部分は、上腕１１の支持構造２９によって形成される。モータ２０のステータ３０も支持構造２９と一体である。モータ２０の回転により、ピボット連結部１６において、減速機２１によって支持構造２９に関する出力軸２８の運動の各種のパラメータ、すなわち角度位置、速度、トルクを制御することが可能となる。したがって、モータ２０は軸１４の周囲での前腕１１の運動を制御する。

減速機２１の出力軸２８はまた、減速機２３の出力軸を形成する可動部分３１とも一体である。出力軸２８は軸１４に沿って延び、可動部分３１は軸１５に沿って延びる。したがって、図の構成では、可動部分３１は出力軸２８に垂直である。減速機２３は、二つの直線歯車列３２、３３および、モータ２２の出力軸３５に向かうかさ歯車を形成する歯車列３４を含む。かさ歯車３４によって、モータ２２を前腕１２の支持構造３６と位置合わせすることが可能となる。より具体的には、モータ２２の出力軸３５は、前腕１２の縦方向に従って延びる。かさ歯車３４によって、モータ２２が軸１５と一致しないようにすることが可能である。実際、前腕１２は軸１５にほぼ垂直に延びる。有利な形態として、かさ歯車３４によってピボット連結部１７の軸１５とモータ２２の出力軸３５との間はほぼ直角となる。ピボット連結部１７の固定部分３７は支持構造３６と一体である。モータ２２の回転により、ピボット連結部１７において、減速機２３によってピボット連結部１７の固定部分３７に関する可動部分３１の運動と、ひいては軸１５の周囲での前腕１１の運動を制御することができる。

図３は、図２に示される関節の主要部分の実施形態を示す。これは、減速機２１によって出力軸２８を駆動するモータ２０を示す。図３が複雑になりすぎないようにするために、ピボット連結部１６の中の出力軸２８だけを示したが、関節は、支持構造２９に対して出力軸２８を回転させ、案内するための、図示されない軸受も含んでいる。出力軸２８はフォーク４０と一体であり、その中にピボット連結部１７の可動部分を形成する軸３１が固定されている。図３はまた、モータ２２と減速機２３を示している。この図では、減速機はかさ歯車３４を含む４つの歯車列を有している。図２の運動図と比較して、直線歯車列の追加のステージ３３ａが加えられている。歯車列の数は本発明の実装において重要でない。これは、連結される減速機に求められる減速比に応じて異なる。

かさ歯車３４は、有利には、ピニオン４２に関連付けられるフェースギヤ４１を有し、ピニオン４２はたとえば、モータ２２の出力軸３５と一体である。フェースギヤ４１を使用することには、かさ歯車を設置するうえで、円錐歯車を使用した場合と比較していくつかの利点がある。円錐歯車の場合は、減速比が限定されており、それら自体の軸の位置ずれによる影響を受けやすく、フェースギヤと直線ピニオンとを関連付ける場合より生産コストが高くなる。フェースギヤと直線ピニオンとの関連付けによって、円錐歯車により生成される軸方向の力を排除することが可能となる。

減速機２１、２３によれば、前腕１２の小さな動きを正確に制御するために、約１５０から２００という実質的な減速比を得ることができる。減速機２１、２３に損傷を与えずに、ロボットの外部への作用によって前腕１２を動かすことができるようにするために、減速機２１、２３が逆転可能であることが有利である。この目的のために、ポリアミド等のプラスチックをベースとして作製された歯車であって、接触する歯車間の摩擦を制限するようにポリテトラフルオロエチレンを充填した歯車を使用することができる。ベース材料をカーボン繊維で充填し、減速機２１、２３の機械的な特徴を改良することも可能である。

図４は、本発明の第二の実施形態の運動図である。関節１３は、第一の減速機５１によってピボット連結部１６を駆動する第一のモータ５０と、第二の減速機５３によってピボット連結部１７を駆動する第二のモータ５２を有する。

モータ５０、５２は、モータ２０、２２と同様である。減速機５１は平行な軸を有する。これは、たとえば３つの連続する直線歯車列５４から５６を含む。モータ５０は歯車列５４を駆動し、歯車列５６はモータ５２のステータ６０を駆動する。ステータ６０は、ピボット連結部１６の回転部分を形成する。ピボット連結部１６の固定部分は、上腕１１の支持構造２９によって形成される。前述のように、モータ５０の回転により、ピボット連結部１６において、減速機５１によって軸１４の周囲の前腕１１の角度位置を制御することが可能となる。モータ５２のステータ６０は、減速機５１の出力軸１４と一体である。

モータ５２の出力軸６１は減速機５３の入力を形成し、かさ歯車６２と、これに続く２つの直線歯車列６３、６４を有する。歯車列６４の出力軸６５は、ピボット連結部１７の可動部分を形成する。出力軸６５は、前腕１２の支持構造３６と一体である。前述のように、かさ歯車６２により、ピボット連結部１７の、モータ５２の回転する軸１５と減速機５３の出力軸６５との間がほぼ直角となる。ピボット連結部１７の固定部分は、モータ５２のステータ６０と一体である。モータ５２の回転軸は、モータ５０の回転軸に平行である。

この実施形態において、モータ５０、５１あるいは減速機５１、５３のいずれも、前腕１２の中には配置されていない。モータ５０、５１の電気制御手段はすべて、上腕１１の中に配置することができる。すると、関節１３を経由して通過する電気配線を制限することができる。この変形例によって、関節の慣性を減少させることも可能となる。実際、上腕の支持構造２９に関連して、モータ５２のステータ６０は、その出力軸６１の軸１４の周囲のみで回転する。

図５は、図４に示された関節の主要部分の実施形態を示す。これは、減速機５１によってモータ５２のステータ６０を軸１４の周囲で回転するように駆動するモータ５０を示している。モータ５２は、減速機５３によって軸６５と支持構造を軸１５の周囲で回転するように駆動する。前述のように、かさ歯車６２は、モータ５２の出力軸６１と一体の直線ピニオン６７によって駆動されるフェースギヤ６６を含んでいてもよい。

上記の２つの実施形態において、減速機２１、２３、５１、５３はそれぞれ複数の直線歯車列を有しており、各減速機の中でこれを遊星歯車列に置き換えることができる。この種の歯車列は一般に、高減速比を得る場合に、一連の直線歯車列より小型化できる。

図６は、その環境で組み立てられた、第二の実施形態の関節１３の変形例を示す。モータ５０、５２および減速機５１は、上腕１１の中に配置されている。減速機５３だけが、上腕１１のケーシングと腕１２のケーシングとの間に見える。この変形例において、減速機は、直線歯車列６３、６４の連続と置き換えることのできる遊星歯車列６８を有する。

有利な形態において、関節１３はロボットの２つの要素を連結し、関節１３のコンポーネントはこれらの要素の容積の中と、２つの要素の間に配置された球形の容積７０の中とに収容され、容積７０の直径は、２つの要素の横方向の寸法ｄ１１とｄ１２より小さい。

より詳しくは、第二の実施形態において、減速機５３は、上腕１１と前腕１２との間に配置される球形の容積７０の中に含めることができ、球形の容積７０の直径は、上腕１１と前腕１２それぞれの横方向の寸法ｄ１１、ｄ１２より小さい。このようにかなり小さな球形の容積７０によって、ロボットの運動の障害となりうる関節１３からの突出をすべて回避できる。小さな寸法の球形の容積７０はまた、第一の実施形態でも設けることができる。図６に示される変形例では、遊星歯車列６８を用いることで、球形の容積７０を小さくすることができる。

Claims (6)

1. 軸（１４、１５）が相互に平行でない２つのピボット連結部（１６、１７）と、平行な軸を有する第一の減速機（５１）によって前記２つのピボット連結部の第一の連結部（１６）を駆動する第一のモータ（５０）と、第二の減速機（５３）によって前記２つのピボット連結部の第二の連結部（１７）を駆動する第二のモータ（５２）と、を備える関節であって、
   前記第二のモータ（５２）の回転軸は、前記第一のモータ（５０）の回転軸に平行であり、前記第二の減速機（５３）はかさ歯車（６２）を含むことを特徴とする関節。
2. 前記かさ歯車（６２）はフェースギヤ（６７）を含むことを特徴とする請求項１に記載の関節。
3. 前記減速機（５１、５３）の一方は遊星歯車列を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の関節。
4. 前記減速機（５１，５３）が逆転可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の関節。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の関節（１３）を少なくとも１つ含むことを特徴とするヒューマノイドロボット。
6. 前記関節（１３）は、ロボットの２つの要素を連結し、前記関節（１３）の構成要素は前記要素の容積の中と、前記２つの要素の間に配置される球形の容積（７０）の中とに収容され、球形の容積（７０）は、前記２つの要素の横方向の寸法（ｄ１１、ｄ１２）より小さな直径を有することを特徴とする請求項５に記載のヒューマノイドロボット。

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