JP2012223081A - 電動アクチュエータ及び関節装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高負荷時においても効率よくトルク伝達可能な電動アクチュエータ、及び二つの関節部材を円滑に且つ効率よく相対的に回動させることのできる関節装置を提供すること。
【解決手段】電動アクチュエータ１５は、回転軸２１を共有する一対のモータ１３Ａ，１３Ｂと、両モータ１３Ａ，１３Ｂ間に配置された減速機２２とを備え、減速機２２は、各モータ１３Ａ，１３Ｂの回転軸２１と同軸に回転する出力要素としての内歯歯車４２を備える。また、関節装置１において、電動アクチュエータ１５は、その回転軸２１の回転中心Ｌ１が第１の関節部材１１及び第２の関節部材１２の回動中心Ｌ０と一致するように配置される。そして、各モータ１３Ａ，１３Ｂは、第１の関節部材１１に固定され、減速機２２の内歯歯車４２は、第２の関節部材１２の幅方向中央部に固定される。
【選択図】図３

Description

本発明は、電動アクチュエータ及び関節装置に関するものである。

従来、精密な動作が要求されるロボット等においては、モータを駆動源とする電動アクチュエータによって、その関節装置を動作させる構成が一般的となっている。
例えば、特許文献１には、回動可能に連結された第１及び第２の関節部材において、第１の関節部材に設けられたモータの回転を遊星歯車機構により減速して第２の関節部材に伝達することにより、その回動可能に連結された第１及び第２の関節部材を屈伸させる構成が開示されている（第４図参照）。

具体的には、この関節装置において、駆動源であるモータは、第１の関節部材の長手方向に沿うように配置されている。また、遊星歯車機構を構成するサンギヤ（外歯歯車）の側方には、同サンギヤと一体に回転するクラウンギヤが設けられている。そして、この関節装置は、クラウンギヤに対してモータシャフトの先端に設けられたピニオンギヤを歯合させるとともに、遊星歯車機構の最外殻に配置されたリングギヤ（内歯歯車）を第２の関節部材に固定することにより、そのモータ回転を両関節部材間の屈伸動作（回動）に変換する構成となっている。

尚、特許文献１には、各関節部材の側面にプーリを設け、該各プーリを用いたベルト駆動により、各関節部材を連動して動作させる構成も開示されている（第５，６図参照）。そして、これらの構成を採用することにより、その小型化及び軽量化が可能となっている。

特許第３８４８１２３号明細書

しかしながら、上記従来例では、その遊星歯車機構にモータトルクを伝達する入力要素、即ちモータシャフトに駆動連結されたクラウンギヤが、第２の関節部材の幅方向一方側に偏って配置されている。また、その第１及び第２の関節部材間の回動中心とモータシャフトとは「ねじれ」の関係にある。そして、プーリを用いる構成についても、その配置に同様の偏りがあるとともに、これら各プーリの回転中心は第１及び第２の関節部材間の回動中心から離れている。このため、大きなモータトルクが入力される高負荷時には、各関節部材に撓みや捻れ等の変形が生じやすく、これにより、その伝達効率が低下するとともに両関節部材間の円滑な回動が妨げられる可能性がある。その結果、例えば、ロボットハンドの指関節に用いた場合、その対象物を握る動作の精密さが低下する等の問題が生ずるおそれがあり、この点において、なお改善の余地を残すものとなっていた。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、高負荷時においても効率よくトルク伝達可能な電動アクチュエータ、及び二つの関節部材を円滑に且つ効率よく相対的に回動させることのできる関節装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、回転軸を共有する一対のモータと、両モータ間に設けられた減速機とを有し、前記減速機は、前記回転軸により回転駆動される入力要素と、該入力要素の径方向外側において前記回転軸と同軸に設けられた出力要素と、を備えてなる電動アクチュエータであること、を要旨とする。

上記の構成によれば、減速機を駆動する回転軸の両端が二つのモータにより安定的に支持される。そして、当該回転軸に減速機の入力要素を配置し、バランスよく同減速機を駆動することが可能になる。また、当該減速機の出力要素が回転軸と同軸に回転することで、モータトルクの伝達ロスが抑えられる。特に、例えば、ウォーム＆ホイール等、その入力要素と出力要素とが非同軸に配置される減速機と比較した場合、大きなモータトルクが伝達される高負荷時においても、その入力要素及び出力要素間の配置が変位し難い。従って、効率的に、そのモータトルクを伝達することができる。加えて、両モータが回転軸を共有することにより、例えば、ブラシレスモータを採用する場合にはモータレゾルバを一つに減らす等、共通部品を削減することができる。

請求項２に記載の発明は、前記減速機は、前記回転軸と一体回転する前記入力要素としての偏心カムと、前記出力要素としての内歯歯車と、回転自在に前記偏心カムに支承されるとともに前記内歯歯車に歯合された揺動歯車と、を備えてなること、を要旨とする。

このような偏心揺動式の遊星歯車機構を減速機に用いることにより、簡素な構成で高い減速比を得ることができる。また、その回転軸に沿う方向の寸法を小さく抑えることが可能であり、これにより、その電動アクチュエータとしての適用範囲を広げることができる。更に、その減速機を構成する偏心カム、内歯歯車及び揺動歯車が略同心円状に配置されることで、より効果的に伝達ロスを抑えることができるとともに、大きなモータトルクの入力時においても、これら各部材の配置が変位し難い。その結果、より高い効率性を確保することができる。

請求項３に記載の発明は、前記回転軸は中空状に形成されるとともに、前記両モータは、前記回転軸に挿通された配線により電気的に接続されること、を要旨とする。
上記構成によれば、両モータを同期回転させるために必要な電気配線を簡素にまとめることができる。また、ブラシ付き直流モータを採用する場合には整流子を一つに減らすこともできる。

請求項４に記載の発明は、相対的に回動可能に設けられた第１及び第２の関節部材と、請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の電動アクチュエータと、を備え、前記電動アクチュエータは、前記回転軸が前記第１及び第２の関節部材の回動中心と一致するように配置されるともに、前記各モータは、前記第１及び第２の関節部材の何れか一方に固定され、前記減速機の出力要素は、他方の関節部材に固定される関節装置であること、を要旨とする。

上記構成によれば、二つのモータが同一の関節部材に固定されることで、これら両モータに支持された回転軸には軸振れが生じ難くなる。そして、これにより、当該回転軸に一致する回動中心の傾動を要因とした両関節部材の変位（捻れ）を抑えることができる。また、これら両モータ間に配置された減速機の出力要素が他方の関節部材に固定されることで、電動アクチュエータの出力トルクは、第１及び第２の関節部材の回動中心と同軸の円周上に作用する。そして、これにより、これら二つの関節部材に生ずる捻れや撓み等の変形を抑えることができる。その結果、円滑に且つ効率よく、第１及び第２の関節部材を相対的に回動させることができる。

本発明によれば、高負荷時においても効率よくトルク伝達可能な電動アクチュエータ、及び二つの関節部材を円滑に且つ効率よく相対的に回動させることが可能な関節装置を提供することにある。

関節装置の斜視図。 関節装置の平面図。 図２におけるIII−III断面図。 図３におけるIV−IV断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１及び図２に示すように、本実施形態の関節装置１は、略角棒状の外形を有する第１の関節部材１１及び第２の関節部材１２と、モータ１３を駆動源とする電動アクチュエータ１５とを備えている。第１の関節部材１１及び第２の関節部材１２は、その軸方向一端に形成された連結部１６，１７において、回動中心Ｌ０（図１中の一点鎖線）を中心として互いに回動可能に連結されている。具体的には、第１の関節部材１１側の連結部１６は、回動中心Ｌ０を軸心とする略半円柱状の外形を有している。また、第２の関節部材１２側の連結部１７は、上記第１の関節部材１１側の連結部１６に対向する湾曲面１９を有している。そして、本実施形態の関節装置１は、その電動アクチュエータ１５の作動に基づいて、第１の関節部材１１及び第２の関節部材１２を相対的に回動させることが可能となっている。

詳述すると、図３に示すように、本実施形態の電動アクチュエータ１５は、回転軸２１を共有する一対のモータ１３Ａ，１３Ｂと、これら二つのモータ１３Ａ，１３Ｂ間に配置された減速機２２とを備えている。

具体的には、各モータ１３Ａ，１３Ｂは、有底円筒状のモータハウジング２３，２３と、その開口端を閉塞するモータフランジ２４，２４とを備えている。また、本実施形態では、各モータ１３Ａ，１３Ｂは、上記減速機２２を挟んでモータフランジ２４，２４を対向させる態様で配置されている。そして、これら二つのモータ１３Ａ，１３Ｂが共有する回転軸２１は、それぞれのモータフランジ２４，２４、及びモータハウジング２３，２３の底部に設けられた転がり軸受２７によって、回転自在に支承されている。

また、本実施形態では、各モータ１３Ａ，１３Ｂには、ブラシレスモータが採用されている。即ち、モータハウジング２３，２３内において回転軸２１とともに一体回転するロータ２８，２８の外周には、マグネット２９，２９が固着されている。そして、モータハウジング２３，２３の内周には、同ロータ２８，２８の径方向外側を包囲するように、モータコイル（図示略）を有したステータ３０，３０が固定されている。

更に、本実施形態の回転軸２１は、中空状に形成されるとともに、その軸方向両端がモータハウジング２３，２３（の底部）の外部に突出されている。そして、両モータ１３Ａ，１３Ｂは、この回転軸２１内に挿通された配線３１により電気的に接続されている。

尚、本実施形態では、回転軸２１の回転角（電気角）を検出するためのモータレゾルバ３２は、モータ１３Ａ側のみに設けられている。そして、両モータ１３Ａ，１３Ｂは、上記回転軸２１内に挿通された配線３１によって、そのモータレゾルバ３２により検出される回転角の共有及び同期回転が可能な構成となっている。

また、図３及び図４に示すように、これら二つのモータ１３Ａ，１３Ｂ間における回転軸２１の外周には、同回転軸２１とともに一体回転する二つの偏心カム４１，４１が設けられている。具体的には、各偏心カム４１，４１は、回転軸２１の回転中心Ｌ１から偏心した位置に中心（Ｌ２，Ｌ３）を有する円板状に形成されている。そして、本実施形態の減速機２２は、これら偏心カム４１，４１の径方向外側において回転軸２１と同軸に設けられたリング状の内歯歯車４２と、回転自在に偏心カム４１，４１に支承されるとともに内歯歯車４２に歯合された二つの揺動歯車４３，４３と、を備えて構成されている。

詳述すると、本実施形態の減速機２２において、各偏心カム４１，４１は、回転軸２１の回転中心Ｌ１回りに１８０°、周方向にずれた位置にそれぞれの中心Ｌ２，Ｌ３を有している。また、各揺動歯車４３，４３は、それぞれ、転がり軸受４４を介して各偏心カム４１，４１に支承されている。更に、これらの各揺動歯車４３，４３は、そのピッチ円径が内歯歯車４２のピッチ円径よりも小さく設定されるともに、同内歯歯車４２とは異なる歯数が設定されている。そして、各揺動歯車４３，４３は、内歯歯車４２に内接する状態で同内歯歯車４２に歯合されている。

また、各揺動歯車４３，４３には、当該各揺動歯車４３，４３を厚み方向（図３中、左右方向）に貫通する複数（本実施形態では、１０個）の円孔４５が形成されるとともに、これらの各円孔４５には、それぞれ、その外周に滑り軸受４６が設けられた摺接ピン４７が挿通されている。また、上記のように減速機２２を挟んで対向配置された各モータ１３Ａ，１３Ｂのモータフランジ２４，２４には、これら各摺接ピン４７に対応する複数の固定穴４８，４８が設けられている。そして、各摺接ピン４７は、その軸方向両端が、これら各固定穴４８，４８内に挿入されることにより、それぞれ、その挿通された円孔４５の内周に摺接した状態で各モータ１３Ａ，１３Ｂ間に固定されている。

図３に示すように、本実施形態の関節装置１において、上記のように回動中心Ｌ０を軸心として略半円柱状に形成された第１の関節部材１１側の連結部１６内には（図１参照）、その回動中心Ｌ０を軸心とする円筒状の収容室５０が形成されている。そして、上記のように構成された電動アクチュエータ１５は、その回転軸２１の回転中心Ｌ１を上記回動中心Ｌ０に一致させる態様で同収容室５０内に収容されている。

詳述すると、図１〜図４に示すように、第１の関節部材１１側の連結部１６には、その幅方向中央において軸心（回動中心Ｌ０）と直交するように当該連結部１６の半円柱形状を切り欠く連結溝５１が形成されている。そして、この連結溝５１により二つに区分された収容室５０内において、当該連結溝５１を挟む態様で、それぞれのモータハウジング２３，２３が、同収容室５０の内周に固定されている。

また、図１、図２及び図４に示すように、第２の関節部材１２側の連結部１７には、その湾曲面１９から軸方向に突出して第１の関節部材１１側の上記連結溝５１に挿入される連結板５２が形成されている。そして、この連結板５２には、上記各モータ１３Ａ，１３Ｂとともに電動アクチュエータ１５を構成する減速機２２の内歯歯車４２が固定されている。

具体的には、図４に示すように、連結板５２の先端部５２ａは、半円板状に形成されている。尚、第１の関節部材１１側には、その半円板形状に対応する湾曲面５３が形成されている。また、同先端部５２ａには、連結板５２を厚み方向（図３参照、左右方向）に貫通する円形の連結孔５４が形成されている。そして、減速機２２の内歯歯車４２は、その外周が連結孔５４に嵌合されることにより、同連結板５２に固定されている。

即ち、上記減速機２２において、入力要素としての各偏心カム４１，４１が回転軸２１とともに一体回転することにより、当該各偏心カム４１，４１に支承された各揺動歯車４３，４３は、回転軸２１回りに公転する。このとき、これらの各揺動歯車４３，４３は、内歯歯車４２との噛み合わせに基づいて、その公転により各偏心カム４１，４１の中心Ｌ２，Ｌ３回りに自転しようとする。しかし、上記のように各揺動歯車４３，４３の周方向移動は、その各円孔４５に挿通された摺接ピン４７により制限されている。このため、各揺動歯車４３，４３は、その各円孔４５に挿通された摺接ピン４７の摺接位置が、当該各揺動歯車４３，４３の公転に合わせて各円孔４５の内周を周回する態様で揺動する。そして、本実施形態の減速機２２は、この揺動する各揺動歯車４３，４３との間の歯数差に基づいて、その出力要素としての内歯歯車４２が回転軸２１と同軸に回転する。

このように、本実施形態の電動アクチュエータ１５において、出力要素である内歯歯車４２は、駆動源である二つのモータ１３Ａ，１３Ｂが同期して回転することにより、減速機２２に設定された減速比に基づいて回転する。そして、本実施形態の関節装置１は、これにより、その二つのモータ１３Ａ，１３Ｂの回転軸２１（の回転中心Ｌ１）を回動中心Ｌ０として、その第１の関節部材１１及び第２の関節部材１２を回動（屈伸）させることが可能となっている。

以上、本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）電動アクチュエータ１５は、回転軸２１を共有する一対のモータ１３Ａ，１３Ｂと、両モータ１３Ａ，１３Ｂ間に配置された減速機２２とを備え、減速機２２は、各モータ１３Ａ，１３Ｂの回転軸２１と同軸に回転する出力要素としての内歯歯車４２を備える。また、関節装置１において、電動アクチュエータ１５は、その回転軸２１の回転中心Ｌ１が第１の関節部材１１及び第２の関節部材１２の回動中心Ｌ０と一致するように配置される。そして、各モータ１３Ａ，１３Ｂは、第１の関節部材１１に固定され、減速機２２の内歯歯車４２は、第２の関節部材１２の幅方向中央部に固定される。

上記構成によれば、減速機２２を駆動する回転軸２１の両端が二つのモータ１３Ａ，１３Ｂにより安定的に支持される。そして、当該回転軸２１の中央部に減速機２２の出力要素である内歯歯車４２を配置し、バランスよく同減速機２２を駆動することが可能になる。また、当該内歯歯車４２が回転軸２１と同軸に回転することで、モータトルクの伝達ロスが抑えられる。特に、例えば、ウォーム＆ホイール等、その入力要素と出力要素とが非同軸に配置される減速機と比較した場合、大きなモータトルクが伝達される高負荷時においても、その入力要素及び出力要素間の配置が変位し難い。従って、効率的に、そのモータトルクを伝達することができる。

更に、第１の関節部材１１に二つのモータ１３Ａ，１３Ｂが固定されることで、その回転軸２１に軸振れが生じ難くなる。そして、これにより、当該回転軸２１に一致する回動中心Ｌ０の傾動を要因とした第１の関節部材１１及び第２の関節部材１２の変位（捻れ）を抑えることができる。また、減速機２２の出力要素である内歯歯車４２が、第１の関節部材１１及び第２の関節部材１２の幅方向中央部に配置されることで、その回動中心Ｌ０と同軸の円周上に電動アクチュエータ１５の出力トルクが作用する。そして、これにより、第１の関節部材１１及び第２の関節部材１２に生ずる捻れや撓み等の変形を抑えて、円滑に且つ効率よく、これら第１の関節部材１１及び第２の関節部材１２を相対的に回動させることができる。加えて、二つのモータ１３Ａ，１３Ｂが回転軸２１を共有することにより、例えば、モータレゾルバ３２等、共通部品を削減することができる。

（２）減速機２２は、回転軸２１と一体回転する入力要素としての偏心カム４１，４１と、上記出力要素としての内歯歯車４２と、回転自在に偏心カム４１，４１に支承されるとともに内歯歯車に歯合された揺動歯車４３，４３とを備える。

このような偏心揺動式の遊星歯車機構を減速機２２に用いることにより、簡素な構成で高い減速比を得ることができる。また、その幅方向（回転軸２１に沿った方向）の寸法を小さく抑えることが可能であり、これにより、電動アクチュエータ１５の適用範囲を広げることができる。更に、当該減速機２２を構成する偏心カム４１，４１、内歯歯車４２及び揺動歯車４３，４３が略同心円状に配置されることで、より効果的に伝達ロスを抑えることができるとともに、大きなモータトルクの入力時においても、これら各部材の配置が変位し難い。その結果、より高い効率性を確保することができる。

（３）回転軸２１は、中空状に形成される。そして、電動アクチュエータ１５の二つのモータ１３Ａ，１３Ｂは、その回転軸２１に挿通された配線３１により電気的に接続される。これにより、両モータ１３Ａ，１３Ｂを同期回転させるために必要な電気配線を簡素にまとめることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、特に言及しなかったが、関節装置１は、従来例に示されるようなロボットハンドの指関節のみならず、屈伸動作する他の部位（用途）に適用してもよい。そして、電動アクチュエータ１５についても、他の用途に用いてもよい。

・上記実施形態では、偏心揺動式の遊星歯車機構を減速機２２に用いることとした。しかし、これに限らず、回転軸により回転駆動される入力要素、及び該入力要素の径方向外側において回転軸と同軸に設けられた出力要素を備えるものであれば、その他の構成であってもよい。具体的には、例えば、一般的な遊星歯車機構を用いて、そのサンギヤを入力要素とし、リングギヤを出力要素とする構成（遊星ギヤを支承するキャリアは固定）としてもよい。

・上記実施形態では、回転軸２１は、中空状に形成されることとしたが、必ずしも同回転軸２１は、中空状でなくともよい。この場合、摺接ピン４７を中空状に形成し、この中に配線３１を挿通させてもよい。また、例えば、各モータ１３Ａ，１３Ｂのモータシャフト、及び減速機２２の駆動軸をそれぞれ別体とし、これらの各軸部材を連結することにより、一本の回転軸２１を形成する構成であってもよい。

・上記実施形態では、各モータ１３Ａ，１３Ｂにブラシレスモータを採用することとした。しかし、これに限らず、ブラシ付きの直流モータを用いる構成としてもよい。尚、この場合、共通の整流子を用いて構成の簡素化を図ることが可能である。

次に、以上の実施形態から把握することのできる技術的思想を記載する。
（イ）前記揺動歯車には、複数の円孔が形成されるとともに、該各円孔には、それぞれ摺接ピンが挿通されるものであって、該各摺接ピンの両端は、前記両モータに固定されること、を特徴とする。これにより、簡素な構成で、電動アクチュエータの剛性を高めることができる。

１…関節装置、１１…第１の関節部材、１２…第２の関節部材、１３（１３Ａ，１３Ｂ）…モータ、１５…電動アクチュエータ、１６…連結部、１７…連結部、２１…回転軸、２２…減速機、２３…モータハウジング、２４…モータフランジ、２８…ロータ、３０…ステータ、３１…配線、３２…モータレゾルバ、４１…偏心カム、４２…内歯歯車、４３…揺動歯車、４５…円孔、４７…摺接ピン、４８…固定穴、５０…収容室、５１…連結溝、５２…連結板、５４…連結孔、Ｌ０…回動中心、Ｌ１…回転中心、Ｌ２，Ｌ３…中心。

Claims (4)

1. 回転軸を共有する一対のモータと、両モータ間に設けられた減速機とを有し、前記減速機は、前記回転軸により回転駆動される入力要素と、該入力要素の径方向外側において前記回転軸と同軸に設けられた出力要素と、を備えてなる電動アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の電動アクチュエータにおいて、
   前記減速機は、前記回転軸と一体回転する前記入力要素としての偏心カムと、前記出力要素としての内歯歯車と、回転自在に前記偏心カムに支承されるとともに前記内歯歯車に歯合された揺動歯車と、を備えてなること、を特徴とする電動アクチュエータ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電動アクチュエータにおいて、
   前記回転軸は中空状に形成されるとともに、前記両モータは、前記回転軸に挿通された配線により電気的に接続されること、を特徴とする電動アクチュエータ。
4. 相対的に回動可能に設けられた第１及び第２の関節部材と、請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の電動アクチュエータと、を備え、
   前記電動アクチュエータは、前記回転軸が前記第１及び第２の関節部材の回動中心と一致するように配置されるともに、
   前記各モータは、前記第１及び第２の関節部材の何れか一方に固定され、前記減速機の出力要素は、他方の関節部材に固定される関節装置。

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