JP2013091146A - Articular structure of robot and humanoid robot with the incorporated articular structure - Google Patents

Articular structure of robot and humanoid robot with the incorporated articular structure Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an articular structure of a robot which enables size reduction and in which backlash can be eliminated.SOLUTION: The articular structure of the robot includes: a first member 31; a rotary output shaft 32 rotatably supported by the first member 31 around an axis A1 and connectable to the second member 41; and first and second linearly moving actuator 24a, 24b having body parts 62a, 62b and shaft parts 63a, 63b linearly moving with respect to the body parts 62a, 62b. The body parts 62a, 62b of the first and second linearly moving actuators 24a, 24b are rotatably supported by the first member 31, and the shaft parts 63a, 63b are connected to the rotary output shaft 32. By extending/retracting the first and second linearly moving actuators 24a, 24b, the rotary output shaft 32 is relatively rotated around the axis A1 with respect to the first member 31.

Description

本発明は、ロボットの関節構造及びこの関節構造が組み込まれた人間型ロボットに関し、特に人間型ロボットの肩関節に用いるのに好適なロボットの関節構造に関する。   The present invention relates to a joint structure of a robot and a humanoid robot incorporating the joint structure, and more particularly to a joint structure of a robot suitable for use in a shoulder joint of a humanoid robot.

近年、産業用ロボットだけでなく、民生用として様々な役目を担うロボットの研究開発が盛んになされている。ロボットの中でも直立歩行が可能な人間型ロボット(ヒューマノイドロボット)は、人間の行動を代替できるものとして期待されている。かかる人間型ロボットは、脚部、腕部、首部等に関節を有し、人間に近い動作を可能としている。   In recent years, research and development of not only industrial robots but also robots that have various roles for consumer use have been actively conducted. Among robots, humanoid robots (humanoid robots) that can stand upright are expected to replace human behavior. Such a humanoid robot has joints in the leg portion, arm portion, neck portion, and the like, and can operate close to a human.

ところで、ロボットの関節には、自由度が1のものから3以上のものまで様々なものがある。自由度とは、自由に運動できる方向の個数であり、例えば、ピッチ軸のみの回りを回転できる関節の自由度は1であり、ピッチ軸及びヨー軸の二軸の回りを回転できる関節の自由度は2であり、ピッチ軸、ロール軸及びヨー軸の回りを回転できる関節の自由度は3である。人間型ロボットの肩関節にも、自由度が1のものから3以上のものまで様々なものがある。   By the way, there are various types of robot joints ranging from one having one degree of freedom to three or more degrees of freedom. The degree of freedom is the number of directions that can freely move. For example, the degree of freedom of a joint that can rotate only around the pitch axis is 1, and the degree of freedom of the joint that can rotate around two axes, the pitch axis and the yaw axis. The degree is 2, and the degree of freedom of the joint that can rotate around the pitch axis, the roll axis, and the yaw axis is 3. There are various types of shoulder joints for humanoid robots ranging from one having one degree of freedom to three or more degrees of freedom.

従来のロボットの関節構造においては、回転の自由度が1の関節を実現するために、回転軸を備えるサーボモータを使用するのが一般的であった。そして、回転の自由度が2以上の関節を実現するためには、サーボモータを2個以上組み合わせるのが一般的であった(例えば特許文献1参照)。   In a conventional joint structure of a robot, in order to realize a joint with one degree of freedom of rotation, a servo motor having a rotation axis is generally used. In order to realize a joint having two or more degrees of freedom of rotation, it is common to combine two or more servo motors (see, for example, Patent Document 1).

特開2008−188699号公報JP 2008-188699 A

しかし、従来の回転系のサーボモータを用いた関節構造にあっては、サーボモータが回転モーメントを受けるので、サーボモータの負荷が大きくなり、サーボモータが大型化し、それゆえに関節構造を小型化するのが困難になるという課題がある。特に、従来のロボットの関節構造を人間型ロボットの肩関節として用いるとき、人間のような細い肩や腕を実現するのが困難であるという課題がある。   However, in a joint structure using a conventional rotary servomotor, the servomotor receives a rotational moment, so the load on the servomotor increases, the servomotor becomes larger, and therefore the joint structure is reduced in size. There is a problem that it becomes difficult. In particular, when the joint structure of a conventional robot is used as the shoulder joint of a humanoid robot, there is a problem that it is difficult to realize a thin shoulder or arm like a human.

また、サーボモータの小型化を図るためにサーボモータに併用して減速機を設けた場合には、減速機のバックラッシュに起因して腕等の被駆動体が揺れ動くので、関節構造ががたつくという課題がある。   In addition, when a reduction gear is provided in combination with the servo motor to reduce the size of the servo motor, the driven structure such as the arm swings due to the backlash of the reduction gear, and the joint structure is not stable. There are challenges.

本発明は従来のロボットの関節構造の上記課題を解決するもので、小型化を図れると共に関節構造のがたつきをなくすことができるロボットの関節構造、及びこのロボットの関節構造を組み込んだ人間型ロボットを提供することを目的とする。   The present invention solves the above-mentioned problems of the joint structure of a conventional robot. The joint structure of the robot can be reduced in size and can eliminate rattling of the joint structure, and a humanoid incorporating the joint structure of the robot The purpose is to provide a robot.

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、第一部材に対して第二部材を回転出力軸の軸線の回りに相対的に回転させるロボットの関節構造であって、第一部材と、前記第一部材に軸線の回りに回転可能に支持されると共に、第二部材に結合可能な回転出力軸と、本体部及び前記本体部に対して直線運動する軸部を有し、前記本体部及び前記軸部のいずれか一方が前記第一部材に前記回転出力軸の軸線と平行な軸線の回りを回転可能に支持され、前記本体部及び前記軸部の他方が前記回転出力軸に連結される第一及び第二の直動アクチュエータと、を備え、前記第一及び前記第二の直動アクチュエータを伸縮させることによって、前記第一部材に対して前記回転出力軸を軸線の回りに相対的に回転させるロボットの関節構造である。   In order to solve the above-described problem, one aspect of the present invention is a joint structure of a robot that rotates a second member relative to a first member around an axis of a rotation output shaft. And a rotation output shaft that is supported by the first member so as to be rotatable about an axis, and that can be coupled to the second member, a main body portion, and a shaft portion that linearly moves with respect to the main body portion. One of the part and the shaft part is supported by the first member so as to be rotatable around an axis parallel to the axis of the rotation output shaft, and the other of the body part and the shaft part is connected to the rotation output shaft The first and second linear motion actuators, and by expanding and contracting the first and second linear motion actuators, the rotational output shaft is made relative to the first member around an axis. It is a joint structure of a robot that rotates in an automatic manner.

本発明の一態様によれば、第一部材に対して回転出力軸を相対的に回転させるにあたって、第一及び第二の直動アクチュエータを伸縮させているので、従来の回転系のサーボモータを用いた関節構造に比べて、数倍の力を発生させることができる。逆にいえば、必要な力を得た上で第一及び第二の直動アクチュエータを小型化することができる。また、回転出力軸、第一及び第二の直動アクチュエータが第一部材に設けられており、第一部材と第二部材をリンク等で連結していないので、関節構造の小型化が図れる。さらに、一つの回転出力軸を二つの直動アクチュエータで回転させているので、第一及び第二の直動アクチュエータをずらして動作させることによって、第一及び第二の直動アクチュエータの内部のバックラッシュ、軸受等に発生するすきま等に起因する関節構造のがたつきをなくすことが可能になる。   According to one aspect of the present invention, when rotating the rotation output shaft relative to the first member, the first and second linear actuators are expanded and contracted. Compared to the joint structure used, several times the force can be generated. Conversely, the first and second linear actuators can be reduced in size after obtaining the necessary force. Further, since the rotation output shaft and the first and second linear actuators are provided on the first member and the first member and the second member are not connected by a link or the like, the joint structure can be reduced in size. Further, since one rotary output shaft is rotated by two linear actuators, the first and second linear actuators can be operated by shifting them so that the backs inside the first and second linear actuators can be moved. It becomes possible to eliminate the rattling of the joint structure due to the clearance generated in the lash, the bearing and the like.

本発明の一実施形態のロボットの関節構造が組み込まれる人間型ロボットの正面図The front view of the humanoid robot in which the joint structure of the robot of one embodiment of the present invention is incorporated 上記人間型ロボットの右側面図Right side view of the above humanoid robot 上記人間型ロボットの上半身の正面図Front view of the upper body of the above humanoid robot 上記人間型ロボットの右肩の関節の斜視図A perspective view of the right shoulder joint of the humanoid robot 本実施形態のロボットの関節構造の斜視図The perspective view of the joint structure of the robot of this embodiment 本実施形態のロボットの関節構造の詳細図(図中(a)は側面図を示し、図中(b)は(a)のb−b線断面図)Detailed view of the joint structure of the robot of the present embodiment ((a) in the figure shows a side view, and (b) in the figure is a sectional view taken along the line bb in (a)). 第一及び第二の直動アクチュエータを制御する制御システムのブロック構成図Block diagram of a control system for controlling the first and second linear actuators 本実施形態のロボットの関節構造の動作図Operation diagram of joint structure of robot of this embodiment 本実施形態のロボットの関節構造のがたつきの一例を示す模式図The schematic diagram which shows an example of the rattling of the joint structure of the robot of this embodiment

以下添付図面に基づいて、本発明の一実施形態におけるロボットの関節構造を説明する。図1は、本実施形態のロボットの関節構造が組み込まれた人間型ロボットの全体構成を示す正面図である。図2は人間型ロボットの右側面図である。本実施形態において左右は図に示す人間型ロボット側から見た左右である。また、人間型ロボットの進行方向をx軸正方向、人間型ロボットからみて左手方向をy軸正方向、人間型ロボットの上方をz軸正方向としたとき、x軸をロール軸、y軸をピッチ軸、z軸をヨー軸とする。そして、x軸回りの回転をロール、y軸回りの回転をピッチ、z軸回りの回転をヨーとする。   A robot joint structure according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a front view showing an overall configuration of a humanoid robot in which the joint structure of the robot according to the present embodiment is incorporated. FIG. 2 is a right side view of the humanoid robot. In the present embodiment, the left and right are the left and right viewed from the humanoid robot side shown in the figure. Also, assuming that the advancing direction of the humanoid robot is the x axis positive direction, the left hand direction as viewed from the humanoid robot is the y axis positive direction, and the upper part of the humanoid robot is the z axis positive direction, the x axis is the roll axis and the y axis is The pitch axis and z axis are the yaw axes. Then, rotation around the x axis is roll, rotation around the y axis is pitch, and rotation around the z axis is yaw.

人間型ロボット10は、胴体部11の下方に設置された二本の脚部12と、胴体部11の上方左右両側面に設置された二本の腕部13と、胴体部11の上方に設置された一個の頭部14とから構成されており、人間に近い動作を可能としている。   The humanoid robot 10 is installed above the body part 11, with two leg parts 12 installed below the body part 11, two arm parts 13 installed on the upper left and right side surfaces of the body part 11, and the body part 11. It is composed of a single head 14 that is made to operate like a human.

二本の腕部13は、胴体部11に肩関節を介して円決され、胴体部11の周囲で自在に回転できるようになっている。各腕部13は肘を境に、肩に近い方の上腕部13cと、手部13aに近い方の下腕部13bと、を備える。下腕部13bの先端には手首関節28を介して手部13aが設置されている。手部13aを利用することで物を掴んだり摘まんだりすることが可能となっている。   The two arm portions 13 are rounded to the body portion 11 via shoulder joints, and can be freely rotated around the body portion 11. Each arm portion 13 includes an upper arm portion 13c closer to the shoulder and a lower arm portion 13b closer to the hand portion 13a with the elbow as a boundary. A hand portion 13 a is installed at the tip of the lower arm portion 13 b via a wrist joint 28. By using the hand portion 13a, it is possible to grasp or pick an object.

この人間型ロボット10は、二足歩行ロボットであり、人間のように二本脚でバランスをとりながら歩く。各脚部12は股関節16を介して胴体部11の骨盤に連結されている。股関節16は各脚部12をヨー軸、ピッチ軸、及びロール軸回りに回転させる。   The humanoid robot 10 is a biped walking robot, and walks with a balance between two legs like a human. Each leg portion 12 is connected to the pelvis of the trunk portion 11 via the hip joint 16. The hip joint 16 rotates each leg 12 about the yaw axis, the pitch axis, and the roll axis.

股関節16には大腿部17aが連結される。大腿部17aの下には膝関節18が設けられる。膝関節18の下には脛部17bが連結される。脛部17bの下には足首関節19が設けられる。足首関節19の下には歩行路面と接触する足部20が連結される。   A thigh 17 a is connected to the hip joint 16. A knee joint 18 is provided below the thigh 17a. A shin portion 17 b is connected to the lower side of the knee joint 18. An ankle joint 19 is provided under the shin part 17b. Under the ankle joint 19, a foot 20 that contacts the walking road surface is connected.

頭部14および胴体部11には、それぞれにCCDカメラ15が設置されている。このCCDカメラ15によって、人間型ロボット10の周囲の状況を画像データとして収集することが可能となっている。   A CCD camera 15 is installed on each of the head 14 and the body 11. The CCD camera 15 can collect the situation around the humanoid robot 10 as image data.

この人間型ロボット10は、遠隔操作可能に構成されたロボットであり、離れた位置にある図示しない操作マニピュレータを操作者が操作することで、操作マニピュレータの動きに応じた動作を人間型ロボット10が実行できるようになっている。したがって、操作者は、インターネット回線等の無線通信手段や人間型ロボット10に設置されたCCDカメラ15等を介して、遠隔地に居ながらにして人間型ロボット10の周囲の状況を把握でき、人間型ロボット10の操作ができるようになっている。   This humanoid robot 10 is a robot configured to be remotely operable, and when the operator operates an operation manipulator (not shown) located at a remote position, the humanoid robot 10 performs an operation according to the movement of the operation manipulator. It can be executed. Therefore, the operator can grasp the situation around the humanoid robot 10 while staying at a remote place via the wireless communication means such as the Internet line or the CCD camera 15 installed in the humanoid robot 10. The type robot 10 can be operated.

図3はカバーを取り外した人間型ロボットの上半身の正面図を示し、図4は右肩の関節の斜視図を示す。本発明の一実施形態のロボットの関節構造22,23は、人間型ロボットの肩関節として使用される。図3に示すように、胴体部フレーム21の左右の上端部には、ピッチ軸の関節構造22及びロール軸の関節構造23を介して、腕部13がピッチ軸及びロール軸の回りに回転可能に取り付けられる。ピッチ軸の関節構造22及びロール軸の関節構造23は、いずれも一つの回転出力軸を備え、回転の自由度が1の関節構造である。ピッチ軸の関節構造22はピッチ軸(図中y軸)の回りに腕部13を回転させ、ロール軸の関節構造23はロール軸(図中x軸)の回りに腕部13を回転させる。ピッチ軸の関節構造22及びロール軸の関節構造23を組み合わせることにより、回転の自由度が2の肩関節が得られる。腕部13の下端には、回転の自由度が1の肘関節29が設けられる。胴体部フレーム21は腰関節25を介して骨盤フレーム26に支持される。胴体部フレーム21の上には首関節27を介して頭部14が載せられる。   3 shows a front view of the upper half of the humanoid robot with the cover removed, and FIG. 4 shows a perspective view of the right shoulder joint. The robot joint structures 22 and 23 according to an embodiment of the present invention are used as a shoulder joint of a humanoid robot. As shown in FIG. 3, the arm 13 can be rotated around the pitch axis and the roll axis at the upper left and right ends of the body frame 21 via the pitch axis joint structure 22 and the roll axis joint structure 23. Attached to. Each of the joint structure 22 of the pitch axis and the joint structure 23 of the roll axis is a joint structure having one rotation output shaft and one degree of freedom of rotation. The pitch axis joint structure 22 rotates the arm 13 around the pitch axis (y-axis in the figure), and the roll axis joint structure 23 rotates the arm 13 around the roll axis (x-axis in the figure). By combining the joint structure 22 of the pitch axis and the joint structure 23 of the roll axis, a shoulder joint having a degree of freedom of rotation of 2 is obtained. An elbow joint 29 having one degree of freedom of rotation is provided at the lower end of the arm portion 13. The torso part frame 21 is supported by the pelvis frame 26 through the waist joint 25. The head 14 is placed on the body frame 21 via the neck joint 27.

図4に示すように、ピッチ軸の関節構造22は、第一部材としての第一フレーム31、第一フレーム31に回転可能に支持される回転出力軸32、回転出力軸32を回転させる二つの直動アクチュエータ24a,24b(図5参照)を備える。第一フレーム31は、胴体部フレーム21に結合される。回転出力軸32には、第二部材としての肩部フレーム41が結合される。二つの直動アクチュエータ24a,24bによって回転出力軸32を回転させると、第一フレーム31に対して肩部フレーム41が回転出力軸32(ピッチ軸(y軸))の回りを回転する。   As shown in FIG. 4, the pitch shaft joint structure 22 includes a first frame 31 as a first member, a rotation output shaft 32 that is rotatably supported by the first frame 31, and two rotation rotation shafts 32 that rotate the rotation output shaft 32. Linear actuators 24a and 24b (see FIG. 5) are provided. The first frame 31 is coupled to the body part frame 21. A shoulder frame 41 as a second member is coupled to the rotation output shaft 32. When the rotation output shaft 32 is rotated by the two linear motion actuators 24 a and 24 b, the shoulder frame 41 rotates around the rotation output shaft 32 (pitch axis (y axis)) with respect to the first frame 31.

肩部フレーム41は、薄板を略コの字形状に折り曲げて形成され、対向する平行な一対の腕部支持プレート41a,41bと、一対の腕部支持プレート41a,41bを連結する基部プレート41cと、を備える。腕部支持プレート41a,41bと基部プレート41cとは直交する。基部プレート41cの背面には、ピッチ軸の関節構造22の回転出力軸32が結合される。基部プレート41cには、回転出力軸32の軸線と中心を合わせた貫通孔42が空けられる。貫通孔42の周囲には、取付け部としてボルト等の締結部材を通す多数の通し孔43が空けられる。基部プレート41cと回転出力軸32とはボルト等の締結部材によって結合される。   The shoulder frame 41 is formed by bending a thin plate into a substantially U-shape, and a pair of parallel arm support plates 41a and 41b facing each other and a base plate 41c connecting the pair of arm support plates 41a and 41b. . The arm support plates 41a and 41b and the base plate 41c are orthogonal to each other. The rotation output shaft 32 of the joint structure 22 of the pitch axis is coupled to the back surface of the base plate 41c. The base plate 41c has a through hole 42 that is aligned with the axis of the rotation output shaft 32. A large number of through holes 43 through which fastening members such as bolts are passed as attachment portions are formed around the through holes 42. The base plate 41c and the rotation output shaft 32 are coupled by a fastening member such as a bolt.

肩部フレーム41の一対の腕部支持プレート41a,41bの間には、ロール軸の関節構造23がロール軸(x軸)の回りに回転可能に設けられる。ロール軸の関節構造23は、第一部材としての腕部フレーム51、腕部フレーム51に相対的に回転可能に支持される回転出力軸52、回転出力軸52を回転させる二つの直動アクチュエータ54a,54b(図5参照)を備える。後述するように、ピッチ軸の関節構造22及びロール軸の関節構造23は同一の構造である。回転出力軸52は、肩部フレーム41の支持プレート41bに結合される。支持プレート41bには、回転出力軸52の軸線と中心を合わせた貫通孔44が空けられる。貫通孔44の周囲には、取付け部としてボルト等の締結部材を通す多数の通し孔45が空けられる。支持プレート41bと回転出力軸52とはボルト等の締結部材によって結合される。   Between the pair of arm support plates 41a and 41b of the shoulder frame 41, a roll shaft joint structure 23 is provided to be rotatable around the roll shaft (x axis). The joint structure 23 of the roll shaft includes an arm part frame 51 as a first member, a rotation output shaft 52 that is rotatably supported relative to the arm part frame 51, and two linear motion actuators 54a that rotate the rotation output shaft 52. , 54b (see FIG. 5). As will be described later, the pitch shaft joint structure 22 and the roll shaft joint structure 23 have the same structure. The rotation output shaft 52 is coupled to the support plate 41 b of the shoulder frame 41. The support plate 41b has a through hole 44 that is aligned with the axis of the rotation output shaft 52. Around the through-hole 44, a large number of through-holes 45 through which fastening members such as bolts are passed as attachment portions. The support plate 41b and the rotation output shaft 52 are coupled by a fastening member such as a bolt.

ロール軸の関節構造23の二つの直動アクチュエータ54a,54bによって回転出力軸52を相対的に回転させると、回転出力軸52が肩部フレーム41に回転不能に結合されているので、腕部フレーム51が肩部フレーム41に対してロール軸(x軸)の回りを回転する。ピッチ軸の関節構造22の回転出力軸32の軸線とロール軸の関節構造23の回転出力軸52の軸線とは直交している。ピッチ軸の関節構造22及びロール軸の関節構造23を動作させることにより、胴体部フレーム21に対して腕部フレーム51が直交する2軸(ピッチ軸及びロール軸)の回りに回転する。   When the rotation output shaft 52 is relatively rotated by the two linear actuators 54a and 54b of the roll shaft joint structure 23, the rotation output shaft 52 is non-rotatably coupled to the shoulder frame 41. 51 rotates around the roll axis (x-axis) with respect to the shoulder frame 41. The axis of the rotation output shaft 32 of the pitch shaft joint structure 22 and the axis of the rotation output shaft 52 of the roll shaft joint structure 23 are orthogonal to each other. By operating the joint structure 22 of the pitch axis and the joint structure 23 of the roll axis, the arm part frame 51 rotates about two axes (pitch axis and roll axis) perpendicular to the body part frame 21.

図5は、本実施形態のロボットの関節構造の斜視図を示す。ピッチ軸の関節構造22及びロール軸の関節構造23は同一の構造である。ここでは、ピッチ軸の関節構造22について説明し、ピッチ軸の関節構造22の構成要素に対応するロール軸の関節構造23の構成要素を括弧書きの符号で示す。   FIG. 5 is a perspective view of the joint structure of the robot according to the present embodiment. The pitch axis joint structure 22 and the roll axis joint structure 23 have the same structure. Here, the pitch axis joint structure 22 will be described, and the components of the roll axis joint structure 23 corresponding to the components of the pitch axis joint structure 22 are indicated by parenthesized symbols.

本実施形態のロボットの関節構造は、第一部材としての第一フレーム31、第一フレーム31に回転可能に支持される回転出力軸32、回転出力軸32を回転させる第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bを基本的な構成要素とする。第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bを動作させると、第一フレーム31に対して回転出力軸32が軸線A1の回りを回転する。   The joint structure of the robot according to the present embodiment includes a first frame 31 as a first member, a rotation output shaft 32 rotatably supported by the first frame 31, and first and second straight shafts that rotate the rotation output shaft 32. The moving actuators 24a and 24b are basic components. When the first and second linear actuators 24 a and 24 b are operated, the rotation output shaft 32 rotates about the axis A <b> 1 with respect to the first frame 31.

本実施形態のロボットの関節構造をピッチ軸の関節構造22として使用した場合、図4に示すように、第一フレーム31は胴体部フレーム21に結合され、回転出力軸32は肩部フレーム41に結合される。本実施形態のロボットの関節構造をロール軸の関節構造23として使用した場合、回転出力軸52が肩部フレーム41に結合される。第一フレームとしての腕部フレーム51は、ロール軸の関節構造23のフレームとしての機能と腕部13のフレームとして機能を併せ持つ。   When the joint structure of the robot of this embodiment is used as the joint structure 22 of the pitch axis, the first frame 31 is coupled to the body frame 21 and the rotation output shaft 32 is connected to the shoulder frame 41 as shown in FIG. Combined. When the joint structure of the robot according to the present embodiment is used as the roll shaft joint structure 23, the rotation output shaft 52 is coupled to the shoulder frame 41. The arm part frame 51 as the first frame has both a function as a frame of the joint structure 23 of the roll shaft and a function as a frame of the arm part 13.

図5に示すように、第一フレーム31は、対向する平行な一対の支持プレート31a,31bと、支持プレート31a,31bの長さ方向の一端部(図中下端部)を連結する連結プレート31cと、を備え、全体がコの字形状に形成される。支持プレート31a,31bは図中上下方向に細長い略長方形に形成される。支持プレート31a,31bの上端部は半円形に形成される。連結プレート31cは四角形に形成される。支持プレート31a,31bの上部には、回転出力軸32の軸線A1と中心を一致させた円形の貫通孔31a1,31b1が形成される。一対の支持プレート31a,31bの上部はスタッド33により連結される。   As shown in FIG. 5, the first frame 31 includes a pair of parallel support plates 31 a and 31 b that are opposed to each other and a connecting plate 31 c that connects one end portion (the lower end portion in the drawing) of the supporting plates 31 a and 31 b in the length direction. And the whole is formed in a U-shape. The support plates 31a and 31b are formed in a substantially rectangular shape elongated in the vertical direction in the figure. The upper ends of the support plates 31a and 31b are formed in a semicircular shape. The connection plate 31c is formed in a square shape. Circular through holes 31a1 and 31b1 whose centers coincide with the axis A1 of the rotation output shaft 32 are formed in the upper portions of the support plates 31a and 31b. The upper portions of the pair of support plates 31 a and 31 b are connected by a stud 33.

支持プレート31a,31bの貫通孔31a1,31b1の周囲には、回転出力軸32を回転可能に支持する軸受が34a,34b取り付けられる。軸受34a,34bにはすべり軸受が用いられても、転がり軸受が用いられてもよい。   Around the through holes 31a1 and 31b1 of the support plates 31a and 31b, bearings 34a and 34b for rotatably supporting the rotation output shaft 32 are attached. A plain bearing or a rolling bearing may be used as the bearings 34a and 34b.

回転出力軸32は、一対の支持プレート31a,31bの間に挟まれ、軸線A1の回りを回転可能に軸受34a,34bに支持される。回転出力軸32の軸線方向の一方の端部には、肩部フレーム41に結合される結合部36が形成される。結合部36は支持プレート31bの貫通孔31b1から露出しており、支持プレート31bから突出している。結合部36の端面には取付け部として周方向に複数のねじ孔36aが形成される。   The rotation output shaft 32 is sandwiched between a pair of support plates 31a and 31b, and is supported by bearings 34a and 34b so as to be rotatable around an axis A1. A coupling portion 36 coupled to the shoulder frame 41 is formed at one end portion of the rotation output shaft 32 in the axial direction. The coupling portion 36 is exposed from the through hole 31b1 of the support plate 31b and protrudes from the support plate 31b. A plurality of screw holes 36a are formed in the end surface of the coupling portion 36 as a mounting portion in the circumferential direction.

回転出力軸32は、軸線方向に離間する一対のフランジ32a,32bを有する。フランジ32a,32bは円環を基礎とした形状をなし、スタッド33の干渉を避けるように外周の一部が切り欠かれている。フランジ32a,32b間には一対の出力軸側連結軸35a,35b(図8参照)が回転可能に架け渡される。一対の出力軸側連結軸35a,35bはフランジの周方向に180°離れた位置に配置される。出力軸側連結軸35a,35bの軸線は、回転出力軸32の軸線A1と平行である。   The rotation output shaft 32 has a pair of flanges 32a and 32b spaced apart in the axial direction. The flanges 32a and 32b have a shape based on a ring, and a part of the outer periphery is cut away so as to avoid the interference of the stud 33. A pair of output shaft side connecting shafts 35a and 35b (see FIG. 8) is rotatably spanned between the flanges 32a and 32b. The pair of output shaft side connecting shafts 35a and 35b are disposed at positions separated by 180 ° in the circumferential direction of the flange. The axes of the output shaft side connecting shafts 35a and 35b are parallel to the axis A1 of the rotation output shaft 32.

回転出力軸32は中空軸であり、その内部に軸線方向に貫通する貫通孔32cが形成される。また、回転出力軸32の軸線方向の途中には、回転出力軸32の外部空間と回転出力軸32の内部空間とを繋ぐスリット32dが形成される。スリット32dはフランジ32a,32b間に設けられると共に、周方向に細長く伸びる。   The rotation output shaft 32 is a hollow shaft, and a through hole 32c penetrating in the axial direction is formed therein. Further, a slit 32 d that connects the external space of the rotary output shaft 32 and the internal space of the rotary output shaft 32 is formed midway in the axial direction of the rotary output shaft 32. The slit 32d is provided between the flanges 32a and 32b and extends elongated in the circumferential direction.

図4に示すように、ピッチ軸の関節構造22の回転出力軸32には、胴体部フレーム21から肩部フレーム41に到る配線48が通される。この配線48は肩部フレーム41の貫通孔42を通過して腕部フレーム51に向かう。配線48は、ロール軸の関節構造23の回転出力軸52のスリット52dを介して回転出力軸52の中空空間を通過し、支持プレート41bの貫通孔44から外に飛び出し、ロール軸の関節構造23のマスター及びスレーブ制御装置61a,61bに接続される。   As shown in FIG. 4, the wiring 48 extending from the body frame 21 to the shoulder frame 41 is passed through the rotation output shaft 32 of the joint structure 22 of the pitch axis. The wiring 48 passes through the through hole 42 of the shoulder frame 41 and moves toward the arm frame 51. The wiring 48 passes through the hollow space of the rotation output shaft 52 via the slit 52d of the rotation output shaft 52 of the roll shaft joint structure 23, jumps out of the through hole 44 of the support plate 41b, and then rolls the joint structure 23 of the roll shaft. Are connected to the master and slave control devices 61a and 61b.

図5に示すように、第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bは、一対の支持プレート31a,31b間に回転可能に挟まれる。図6の詳細図に示すように、第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bのそれぞれは、円筒状の本体部62a,62bと、本体部62a,62bに対して軸線方向に直線運動する軸部63a,63bと、を備える。第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bの構造は同一である。軸部63a,63bは本体部62a,62bの中心線上に配置される。軸部63a,63bの外周面には螺旋状のねじ溝が形成される。本体部62a,62bには、軸部63a,63bのねじ溝に螺合するボールねじナット(図示せず)が収納される。本体部62a,62bには、ボールねじナットが本体部62a,62bに軸線の回りの回転のみが許容された状態で収納される。本体部62a,62bには、さらにボールねじナットを回転させるサーボモータが収納される。サーボモータがボールねじナットを回転させると、ボールねじナットの軸線方向の移動が制限されているので、軸部63a,63bが軸線方向に直線運動する。   As shown in FIG. 5, the first and second linear actuators 24a and 24b are rotatably sandwiched between a pair of support plates 31a and 31b. As shown in the detailed view of FIG. 6, each of the first and second linear actuators 24a and 24b linearly moves in the axial direction with respect to the cylindrical main body portions 62a and 62b and the main body portions 62a and 62b. Shaft portions 63a and 63b. The structures of the first and second linear actuators 24a and 24b are the same. The shaft portions 63a and 63b are disposed on the center lines of the main body portions 62a and 62b. A spiral thread groove is formed on the outer peripheral surfaces of the shaft portions 63a and 63b. The main body portions 62a and 62b accommodate ball screw nuts (not shown) that are screwed into the thread grooves of the shaft portions 63a and 63b. In the main body portions 62a and 62b, ball screw nuts are accommodated in the main body portions 62a and 62b in a state in which only rotation around the axis is permitted. The main body portions 62a and 62b further house servo motors that rotate the ball screw nut. When the servo motor rotates the ball screw nut, the movement of the ball screw nut in the axial direction is restricted, so that the shaft portions 63a and 63b move linearly in the axial direction.

第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bの本体部62a,62bは、支持プレート31a,31bに回転可能に支持される。本体部62a,62bは四角形の枠65a,65bに嵌められる。四角形の枠65a,65bは回転軸66a,66bを備える。回転軸66a,66bが支持プレート31a,31bの貫通孔に嵌められる。第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bの本体部62a,62bは回転軸66a,66bを中心として揺動可能である。回転軸66a,66bの軸線は回転出力軸32の軸線と平行である。第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bの軸部63a,63bは、回転出力軸32に支持された出力軸側連結軸35a,35bに結合される。   The main body portions 62a and 62b of the first and second linear actuators 24a and 24b are rotatably supported by the support plates 31a and 31b. The main body portions 62a and 62b are fitted into rectangular frames 65a and 65b. The rectangular frames 65a and 65b are provided with rotating shafts 66a and 66b. The rotary shafts 66a and 66b are fitted into the through holes of the support plates 31a and 31b. The main body portions 62a and 62b of the first and second linear motion actuators 24a and 24b can swing around the rotation shafts 66a and 66b. The axes of the rotation shafts 66 a and 66 b are parallel to the axis of the rotation output shaft 32. The shaft portions 63 a and 63 b of the first and second linear actuators 24 a and 24 b are coupled to output shaft side connecting shafts 35 a and 35 b supported by the rotation output shaft 32.

図6に示すように、回転出力軸32の軸線方向から見た状態において、第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bは、回転出力軸32の軸線A1を通る中心線C1を境にした左右に中心線C1に略平行に配置される。第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bは、完全に平行でなくても、第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bの取付けスペースを低減できる程度に平行であればよい。本実施形態の第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bは回転軸66a,66bの回りを揺動するので、完全に平行な状態になったり、傾いた状態になったりする。なお、図6に示すように、第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bの伸縮量が等しくなったとき、第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bは中心線C1を境にして左右対称である。   As shown in FIG. 6, the first and second linear actuators 24 a and 24 b have a center line C <b> 1 passing through the axis A <b> 1 of the rotation output shaft 32 as a boundary when viewed from the axial direction of the rotation output shaft 32. It is arranged on the left and right substantially parallel to the center line C1. The first and second linear motion actuators 24a and 24b may be parallel to such an extent that the mounting space for the first and second linear motion actuators 24a and 24b can be reduced. Since the first and second linear actuators 24a and 24b of the present embodiment swing around the rotary shafts 66a and 66b, they become completely parallel or tilted. As shown in FIG. 6, when the expansion and contraction amounts of the first and second linear motion actuators 24a and 24b are equal, the first and second linear motion actuators 24a and 24b are separated from the center line C1. It is symmetrical.

図5に示すように、支持プレート31bには、第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bのサーボモータを制御するマスター制御装置61a及びスレーブ制御装置61bが取り付けられる。マスター制御装置61a及びスレーブ制御装置61bのそれぞれは、サーボモータに電力を供給するPWM(pulse width modulation)インバータ等の電力変換器、サーボモータの出力軸の速度及び位置を検出するセンサ、コンピュータ等の上位コントローラからの指令(後述するように、スレーブ制御装置61bの場合はマスター制御装置61aからの指令)及びセンサからの情報によって電力変換器を制御する制御器を備える。   As shown in FIG. 5, a master control device 61a and a slave control device 61b for controlling the servo motors of the first and second linear actuators 24a and 24b are attached to the support plate 31b. Each of the master controller 61a and the slave controller 61b includes a power converter such as a PWM (pulse width modulation) inverter that supplies power to the servo motor, a sensor that detects the speed and position of the output shaft of the servo motor, a computer, etc. A controller that controls the power converter based on a command from the host controller (as will be described later, a command from the master control device 61a in the case of the slave control device 61b) and information from the sensor is provided.

図7は第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bを制御する制御システムのブロック構成図を示す。本実施形態では、マスター及びスレーブ制御装置61a,61bでマスタースレーブ制御を行い、第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bのサーボモータを同期制御することを特徴とする。上位コントローラ71は、マスター制御装置61aのみに指令を送信する。マスター制御装置61aは、上位コントローラ71から送信された指令を受信し、スレーブ制御装置61bに送信する。スレーブ制御装置61bは、マスター制御装置61aから送信された指令を受信する。マスター制御装置61a及びスレーブ制御装置61bは、指令を実行し、第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bのサーボータ間で同期制御を実現する。   FIG. 7 is a block diagram of a control system for controlling the first and second linear actuators 24a and 24b. The present embodiment is characterized in that master-slave control is performed by the master and slave control devices 61a, 61b, and the servo motors of the first and second linear actuators 24a, 24b are synchronously controlled. The host controller 71 transmits a command only to the master control device 61a. The master control device 61a receives the command transmitted from the host controller 71 and transmits it to the slave control device 61b. The slave control device 61b receives the command transmitted from the master control device 61a. The master control device 61a and the slave control device 61b execute a command and realize synchronous control between the servos of the first and second linear actuators 24a and 24b.

第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bのサーボータ間の同期制御は位置だけでなく、トルクについても行われる。スレーブ制御装置61bは、第一の直動アクチュエータ24aのサーボモータと反対方向のトルクを発生するように第二の直動アクチュエータ24bのトルクを制御する。すなわち、スレーブ制御装置61bは、第一の直動アクチュエータ24aが押す方向の推力を発生するとき、第二の直動アクチュエータ24bが引く方向の推力を発生するように、また、第一の直動アクチュエータ24aが引く方向の推力を発生するとき、第二の直動アクチュエータ24bが押す方向の推力を発生するように、第二の直動アクチュエータ24bのサーボモータのトルクを制御する。   The synchronous control between the servos of the first and second linear actuators 24a and 24b is performed not only on the position but also on the torque. The slave controller 61b controls the torque of the second linear actuator 24b so as to generate torque in the direction opposite to that of the servo motor of the first linear actuator 24a. That is, the slave controller 61b generates the thrust in the direction in which the second linear actuator 24b pulls when generating the thrust in the direction in which the first linear actuator 24a pushes, and the first linear actuator When the thrust in the pulling direction of the actuator 24a is generated, the torque of the servo motor of the second linear actuator 24b is controlled so that the thrust in the pressing direction of the second linear actuator 24b is generated.

図8に示すように、マスター制御装置61a及びスレーブ制御装置61bによって、第一の直動アクチュエータ24aが軸部63aを引き込み、第二の直動アクチュエータ24bが軸部63bを押し出すように制御すると、回転出力軸32が反時計方向に回転する。逆に、第一の直動アクチュエータ24aが軸部63aを押し出し、第二の直動アクチュエータ24bが軸部63bを引き込むように制御すると、回転出力軸32が時計方向に回転する。第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bは、伸縮に伴って回転軸66a,66b(図6参照)の回りを揺動する。第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bは回転出力軸32及び第一フレーム31に回転可能に支持されているので、第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bが伸縮・揺動しても第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bに無理な力がかかることはない。   As shown in FIG. 8, when the master controller 61a and the slave controller 61b are controlled so that the first linear actuator 24a pulls the shaft portion 63a and the second linear actuator 24b pushes the shaft portion 63b, The rotation output shaft 32 rotates counterclockwise. Conversely, when the first linear actuator 24a pushes out the shaft portion 63a and the second linear actuator 24b is controlled to retract the shaft portion 63b, the rotation output shaft 32 rotates in the clockwise direction. The first and second linear actuators 24a and 24b swing around the rotary shafts 66a and 66b (see FIG. 6) as they expand and contract. Since the first and second linear actuators 24a and 24b are rotatably supported by the rotation output shaft 32 and the first frame 31, the first and second linear actuators 24a and 24b expand and contract and swing. However, an excessive force is not applied to the first and second linear actuators 24a and 24b.

本実施形態のロボットの関節構造22,23のがたつきをなくすように、第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bのサーボモータは位置制御される。ロボットの関節構造22,23のがたつきは、第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bのボールねじのバックラシュ、軸受34a,34b、出力軸側連結軸35a,35b、及び回転軸66a,66bのすきま等に起因する。ロボットの関節構造22,23にがたつきがあると、腕部13が震えてしまい、細長い腕部13を安定させることができない。   The positions of the servo motors of the first and second linear actuators 24a and 24b are controlled so as to eliminate rattling of the joint structures 22 and 23 of the robot of this embodiment. The backlash of the ball joints of the first and second linear actuators 24a and 24b, the bearings 34a and 34b, the output shaft side connecting shafts 35a and 35b, and the rotating shaft 66a, This is due to the clearance 66b or the like. If the joint structures 22 and 23 of the robot are rattling, the arm portion 13 shakes and the elongated arm portion 13 cannot be stabilized.

図9は、ロボットの関節構造22,23のがたつきの一例として、出力軸側連結軸35a,35bの周囲にすきまが存在する例を示す。図9中の実線の○は、周方向に所定角度(この実施形態では180度)離した出力軸側連結軸35a,35bの位置を示し、図中の破線の○は、回転出力軸32のがたつきをなくす出力軸側連結軸35a,35bの位置を示す。実線の○と破線の○とは位置が周方向にずれている。サーボモータを制御する第一及び第二の制御装置(この実施形態では、マスター及びスレーブ制御装置61a,61b)は、回転出力軸32のがたつきをなくすように、すなわち出力軸側連結軸35a,35bの位置が図中破線の○の位置になるように、第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bのサーボモータを位置制御する。第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bのボールねじにバックラッシュが存在する場合、バックラッシュに相当する量だけ余分に第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bの軸部35a,35bを伸ばせばよい。このように第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bをずらして動作させることで、ロボットの関節構造22,23のがたつきをなくすことができる。   FIG. 9 shows an example in which a gap exists around the output shaft side connecting shafts 35a and 35b as an example of rattling of the joint structures 22 and 23 of the robot. 9 indicates the position of the output shaft side connecting shafts 35a and 35b separated by a predetermined angle (180 degrees in this embodiment) in the circumferential direction, and the broken line ○ in the drawing indicates the rotation output shaft 32. The positions of the output shaft side connecting shafts 35a and 35b that eliminate rattling are shown. The positions of the solid circle and the broken circle are shifted in the circumferential direction. The first and second control devices (in this embodiment, the master and slave control devices 61a and 61b) that control the servo motor are configured to eliminate the rattling of the rotation output shaft 32, that is, the output shaft side connecting shaft 35a. , 35b are position-controlled so that the servo motors of the first and second linear actuators 24a, 24b are positioned so that the position of the broken line in FIG. When backlash is present in the ball screws of the first and second linear actuators 24a and 24b, the shaft portions 35a and 35b of the first and second linear actuators 24a and 24b are added by an amount corresponding to the backlash. You just have to stretch. By moving the first and second linear actuators 24a and 24b in this manner, the rattling of the joint structures 22 and 23 of the robot can be eliminated.

本発明の一実施形態のロボットの関節構造によれば、以下の効果を奏する。第一フレーム31に対して回転出力軸32を相対的に回転させるにあたって、第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bを伸縮させているので、従来の回転系のサーボモータを用いた関節構造に比べて、数倍の力を発生させることができる。逆にいえば、必要な力を得た上で第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bを小型化することができる。また、回転出力軸32、第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bが第一フレーム31に設けられており、第一フレーム31と肩部フレーム41をリンク等で連結していないので、関節構造の小型化が図れ、人間のような細い腕部を構築することが可能になる。さらに、一つの回転出力軸32を二つの直動アクチュエータ24a,24bで回転させているので、第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bをずらして動作させることによって、第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bの内部のバックラッシュ、出力軸側連結軸35a,35b、軸受34a,34bに発生するすきま等に起因するロボットの関節構造22,23のがたつきをなくすことが可能になる。   The joint structure of the robot according to the embodiment of the present invention has the following effects. In rotating the rotation output shaft 32 relative to the first frame 31, the first and second linear actuators 24a and 24b are expanded and contracted, so that the joint structure using a conventional servo motor of the rotating system is used. Compared to, it is possible to generate several times the force. In other words, the first and second linear actuators 24a and 24b can be reduced in size after obtaining a necessary force. The rotation output shaft 32 and the first and second linear actuators 24a and 24b are provided on the first frame 31, and the first frame 31 and the shoulder frame 41 are not connected by a link or the like. The structure can be miniaturized, and it is possible to construct a human-like thin arm. Furthermore, since the single rotation output shaft 32 is rotated by the two linear actuators 24a and 24b, the first and second linear actuators 24a and 24b are operated by shifting the first and second linear actuators 24a and 24b. It is possible to eliminate rattling of the joint structures 22 and 23 of the robot due to backlash inside the linear motion actuators 24a and 24b, clearance generated in the output shaft side connecting shafts 35a and 35b, bearings 34a and 34b, and the like. Become.

図6に示すように、回転出力軸32の軸線方向から見た状態において、中心線C1を境にした左右に中心線C1に略平行に第一及び前記第二の直動アクチュエータ24a,24bを配置することで、ロボットの関節構造22,23の小型化が図れる。   As shown in FIG. 6, when viewed from the axial direction of the rotary output shaft 32, the first and second linear actuators 24a and 24b are arranged substantially parallel to the center line C1 on the left and right sides of the center line C1. By arranging, the joint structures 22 and 23 of the robot can be reduced in size.

図5に示すように、回転出力軸32、第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bを、第一フレーム31の一対の支持プレート31a,31bの間に挟むようにすることで、ロボットの関節構造22,23の小型化が図れ、また組み立てが容易になる。支持プレート31bに回転出力軸32の結合部36を露出させる貫通孔31bを形成することで、回転出力軸32と肩部フレーム41との結合が可能になる。   As shown in FIG. 5, the rotation output shaft 32 and the first and second linear actuators 24 a and 24 b are sandwiched between a pair of support plates 31 a and 31 b of the first frame 31. The joint structures 22 and 23 can be reduced in size and can be easily assembled. By forming the through hole 31b that exposes the coupling portion 36 of the rotation output shaft 32 in the support plate 31b, the rotation output shaft 32 and the shoulder frame 41 can be coupled.

回転出力軸32に一対のフランジ32a,32bを設け、一対のフランジ32a,32b間に出力軸側連結軸35a,35bを架け渡すことで、第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bと回転出力軸32とを回転可能に連結するのが容易になるし、回転出力軸32が安定して回転するようになる。   The rotation output shaft 32 is provided with a pair of flanges 32a and 32b, and the output shaft side connecting shafts 35a and 35b are bridged between the pair of flanges 32a and 32b, thereby rotating with the first and second linear motion actuators 24a and 24b. It becomes easy to connect the output shaft 32 in a rotatable manner, and the rotation output shaft 32 rotates stably.

図4に示すように、回転出力軸32を中空軸にし、回転出力軸32の内部に配線48を通すことで、見た目をよくしたり、配線48の耐久性を高めることができる。回転出力軸52にスリット52dを形成し、配線48を通すことで、回転出力軸52の軸線方向の端部から外側に配線を飛び出させなくて済み、さらに見た目をよくすることができる。回転出力軸52のスリット52dは周方向に細長く形成されるので、腕部フレーム51が回転しても配線48が傷むことはない。   As shown in FIG. 4, when the rotation output shaft 32 is a hollow shaft and the wiring 48 is passed through the rotation output shaft 32, the appearance can be improved and the durability of the wiring 48 can be improved. By forming the slit 52d in the rotation output shaft 52 and passing the wiring 48, the wiring does not have to jump out from the end of the rotation output shaft 52 in the axial direction, and the appearance can be further improved. Since the slit 52d of the rotation output shaft 52 is elongated in the circumferential direction, the wiring 48 is not damaged even if the arm frame 51 rotates.

図7に示すように、第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bのサーボモータをマスタースレーブ制御し、第一の直動アクチュエータと反対方向の推力が発生するように前記第二の直動アクチュエータ24bのサーボモータを制御することで、サーボ誤差による無駄な推力が発生するのを防止できる。   As shown in FIG. 7, the servomotors of the first and second linear motion actuators 24a and 24b are master-slave controlled, and the second linear motion is generated so that thrust in the direction opposite to that of the first linear motion actuator is generated. By controlling the servo motor of the actuator 24b, it is possible to prevent unnecessary thrust from being generated due to a servo error.

図4に示すように、第一フレームを腕部フレーム51と兼用することで、別途に関節構造23用のフレームが必要なくなり、人間のように細い腕を構築することが可能になる。   As shown in FIG. 4, when the first frame is also used as the arm part frame 51, a separate frame for the joint structure 23 is not required, and a thin arm like a human can be constructed.

第一及び第二の直動アクチュエータ24a,24bに逆効率の低いボールねじを組み込むことで、サーボモータの電源を切っても、回転出力軸32,52が停止した状態を保つことが可能になる。   By incorporating ball screws with low reverse efficiency into the first and second linear actuators 24a and 24b, it becomes possible to keep the rotary output shafts 32 and 52 stopped even when the servo motor is turned off. .

なお、本発明は上記実施形態に具現化されるのに限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で様々に変更可能である。例えば、第一及び第二の直動アクチュエータに加えて第三の直動アクチュエータを設けてもよいし、第三及び第四の直動アクチュエータを設けてもよい。   The present invention is not limited to being embodied in the above-described embodiment, and can be variously modified without changing the gist of the present invention. For example, a third linear actuator may be provided in addition to the first and second linear actuators, or a third and fourth linear actuator may be provided.

本実施形態では、マスタースレーブ制御を行っているが、マスタースレーブ制御を行わずに、上位のコントローラから2つの制御装置に独立して指令を与えてもよい。   In this embodiment, master-slave control is performed, but a command may be given independently to the two control devices from the host controller without performing master-slave control.

第一及び第二の直動アクチュエータの内部のバックラッシュ、軸受等に発生するすきまに起因するがたをより低減するために、回転出力軸を回転方向に付勢するばねを設けてもよい。   A spring that urges the rotation output shaft in the rotational direction may be provided in order to further reduce the backlash caused by the backlash in the first and second linear actuators and the clearance generated in the bearings.

上記実施形態では、本発明のロボットの関節構造を人間型ロボットの肩関節に適用しているが、肩関節以外の他の関節にも適用することができる。また、本発明のロボットの関節構造は、人間型ロボットに限られることはなく、垂直多関節ロボット、水平多関節ロボット等の産業用ロボットにも適用することができる。   In the above embodiment, the joint structure of the robot of the present invention is applied to the shoulder joint of the humanoid robot, but it can also be applied to joints other than the shoulder joint. The joint structure of the robot according to the present invention is not limited to a humanoid robot, and can be applied to industrial robots such as a vertical articulated robot and a horizontal articulated robot.

10…人間型ロボット,11…胴体部,13 …腕部,22…ピッチ軸の関節構造,23…ロール軸の関節構造,24a,24b…第一及び第二の直動アクチュエータ,31…第一フレーム(第一部材),31a,31b…支持プレート,32,52…回転出力軸,32a,32b…フランジ,32c…貫通孔,32d,52d…スリット,35…結合部,41…肩部フレーム(第二部材),48…配線,51…腕部フレーム(第二部材),61a…マスター制御装置,61b…スレーブ制御装置,62a,62b…本体部,63a,63b…軸部,71…上位コントローラ,A1…軸線,C1…中心線 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Humanoid robot, 11 ... Body part, 13 ... Arm part, 22 ... Joint structure of pitch axis, 23 ... Joint structure of roll axis, 24a, 24b ... First and second linear motion actuators, 31 ... First Frame (first member), 31a, 31b ... support plate, 32, 52 ... rotating output shaft, 32a, 32b ... flange, 32c ... through hole, 32d, 52d ... slit, 35 ... coupling portion, 41 ... shoulder frame ( Second member), 48 ... wiring, 51 ... arm portion frame (second member), 61a ... master control device, 61b ... slave control device, 62a, 62b ... main body, 63a, 63b ... shaft, 71 ... high-order controller , A1 ... axis, C1 ... center line

Claims (10)

第一部材に対して第二部材を回転出力軸の軸線の回りに相対的に回転させるロボットの関節構造であって、
第一部材と、
前記第一部材に軸線の回りに回転可能に支持されると共に、第二部材に結合可能な回転出力軸と、
本体部及び前記本体部に対して直線運動する軸部を有し、前記本体部及び前記軸部のいずれか一方が前記第一部材に前記回転出力軸の軸線と平行な軸線の回りを回転可能に支持され、前記本体部及び前記軸部の他方が前記回転出力軸に連結される第一及び第二の直動アクチュエータと、を備え、
前記第一及び前記第二の直動アクチュエータを伸縮させることによって、前記第一部材に対して前記回転出力軸を軸線の回りに相対的に回転させるロボットの関節構造。
A robot joint structure that rotates the second member relative to the first member around the axis of the rotation output shaft,
A first member;
A rotation output shaft supported by the first member so as to be rotatable about an axis, and coupled to the second member;
A main body and a shaft that linearly moves with respect to the main body, and either the main body or the shaft can rotate about an axis parallel to the axis of the rotation output shaft of the first member. A first linear actuator and a second linear actuator in which the other of the main body portion and the shaft portion is coupled to the rotation output shaft,
A joint structure of a robot that rotates the rotation output shaft relative to the first member around an axis by extending and contracting the first and second linear actuators.
前記回転出力軸の軸線方向から見た状態において、前記第一及び前記第二の直動アクチュエータは、前記回転出力軸の軸線を通る中心線を境にした左右に前記中心線に略平行に配置されることを特徴とする請求項1に記載のロボットの関節構造。   When viewed from the axial direction of the rotation output shaft, the first and second linear motion actuators are arranged substantially parallel to the center line on the left and right sides of the center line passing through the axis of the rotation output shaft. The joint structure of the robot according to claim 1, wherein: 前記第一部材は、対向する一対の支持プレートを有し、
前記回転出力軸、前記第一及び前記第二の直動アクチュエータは、前記一対の支持プレートの間に挟まれることを特徴とする請求項1に記載のロボットの関節構造。
The first member has a pair of opposing support plates,
2. The robot joint structure according to claim 1, wherein the rotation output shaft and the first and second linear motion actuators are sandwiched between the pair of support plates.
前記回転出力軸の軸線方向の端部には、前記第二部材に結合可能な結合部が形成され、
前記一対の支持プレートの一方には、前記回転出力軸の前記結合部を露出させる貫通孔が形成されることを特徴とする請求項3に記載のロボットの関節構造。
A coupling portion that can be coupled to the second member is formed at an end portion in the axial direction of the rotation output shaft,
The robot joint structure according to claim 3, wherein a through hole for exposing the coupling portion of the rotation output shaft is formed in one of the pair of support plates.
前記回転出力軸は、軸線方向に離間する一対のフランジ、及び前記一対のフランジ間に回転可能に架け渡される一対の出力軸側連結軸を有し、
前記第一及び前記第二の直動アクチュエータは、前記一対の出力軸側連結軸に連結されることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載のロボットの関節構造。
The rotation output shaft has a pair of flanges spaced apart in the axial direction, and a pair of output shaft side connecting shafts rotatably spanned between the pair of flanges,
5. The robot joint structure according to claim 1, wherein the first and second linear motion actuators are coupled to the pair of output shaft side coupling shafts. 6.
前記回転出力軸は、配線を通すことができるように中空軸であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載のロボットの関節構造。   The robot joint structure according to any one of claims 1 to 5, wherein the rotation output shaft is a hollow shaft through which wiring can pass. 前記回転出力軸には、前記回転出力軸の外部空間と前記回転出力軸の内部空間とを繋ぎ、配線を通すことができるスリットが形成されることを特徴とする請求項6に記載のロボットの関節構造。   The robot according to claim 6, wherein the rotation output shaft is formed with a slit that connects an external space of the rotation output shaft and an internal space of the rotation output shaft and allows wiring to pass therethrough. Joint structure. ロボットの関節構造はさらに、
前記第一及び第二の直動アクチュエータを制御するマスター制御装置及びスレーブ制御装置を備え、
前記マスター制御装置は、上位コントローラからの信号に基づいて、前記第一の直動アクチュエータのサーボモータを制御し、
前記スレーブ制御装置は、前記マスター制御装置からの信号に基づいて、前記第二の直動アクチュエータのサーボモータを、前記第一の直動アクチュエータと反対方向の推力を発生させるように制御することを特徴とする請求項1ないし7のいずれかに記載のロボットの関節構造。
The joint structure of the robot
A master controller and a slave controller for controlling the first and second linear actuators,
The master control device controls the servo motor of the first linear actuator based on a signal from the host controller,
The slave control device controls the servo motor of the second linear actuator based on a signal from the master control device so as to generate thrust in a direction opposite to that of the first linear actuator. The robot joint structure according to claim 1, wherein the joint structure is a robot.
請求項1ないし8のいずれかに記載のロボットの関節構造が肩関節に組み込まれることを特徴とする人間型ロボット。   9. A humanoid robot in which the joint structure of the robot according to claim 1 is incorporated in a shoulder joint. 前記ロボットの関節構造を2つ設け、2つの回転出力軸を回転出力軸の軸線が直角になるように組み合わせ、胴部に対して腕部を直角な2軸の回りに回転させることを特徴とする請求項9に記載の人間型ロボット。   Two joint structures of the robot are provided, two rotation output shafts are combined so that the axes of the rotation output shafts are perpendicular, and the arm portion is rotated about two axes perpendicular to the trunk portion. The humanoid robot according to claim 9.
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