JP2014000664A - 関節機構およびロボット - Google Patents

Abstract

【課題】回転機構が複数配置された小型の肩関節を備えるロボットを提供する。
【解決手段】肩関節部１２を備えたロボット１にかかわり、肩関節部１２は第１回転軸１４ｃを回動する第１回転部１６と、第１回転部１６と接続され第２回転軸２１ｃを回動する第２回転部２３と、第２回転部２３と接続され第３回転軸２６ｃを回動する第３回転部２５と、を備え、第１回転軸の中心線１４ａと第２回転軸の中心線２１ａとが第１交差点２２で交差し、第２回転軸の中心線２１ａと第３回転軸の中心線２６ａとが第２交差点２７で交差し、第１交差点２２と第２交差点２７とが離れている。
【選択図】図１

Description

本発明は、関節機構およびロボットに関するものである。

ロボット本体に多関節ロボットアームが設置されたロボットが多く紹介されている。これらのロボットアームは多自由度の関節を備えており、アームを所望の姿勢に移動することが可能になっている。このような多自由度の関節を備えたロボットが特許文献１に開示されている。それによると、ロボットは肩と肘とに関節を備えている。関節はモーター、減速機、ダンパー機構をそなえている。

肩関節では胴体から肩フレームが突出し、肩フレームには腕を前後に回動する肩関節が設置されている。そして、この肩関節の回転軸には腕を前後左右に回動する肩関節が設置されている。さらに、腕には腕を捻る肘関節が設置されている。

特開２００９−１２５８８６号公報

このように関節には複数の回転機構が設置され、回転機構は腕等のリンクを回動し捻る機能を有していた。そして、各回転機構の回転軸が１つの場所にて交差する配置となっていた。これにより各回転軸が交差する場所を座標軸の原点とすることで各軸の姿勢が演算しやすくなっていた。しかし、この配置にしたとき、１つの回転機構の外形の外側に他の回転機構を設置する配置となっていた。そして、１つの回転機構の回転軸と他の回転機構とが径方向で離れた構造となっていた。従って、１つの回転機構の回転軸を回転するとき他の回転機構が大きな半径の軌跡となるので、内部機構の動作範囲の広い大型の関節となっていた。そこで、回転機構が複数配置された小型の関節を備えるロボットが望まれていた。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
本適用例にかかる関節機構は、回転可能な第１回転体を有する第１回転部と、前記第１回転体と接続され回転可能な第２回転体を有する第２回転部と、前記第２回転体と接続され回転可能な第３回転体を有する第３回転部と、を備え、前記第１回転体の回転軸方向に延在する領域と前記第２回転体の回転軸方向に延在する領域とが重なる第１交差部と、前記第２回転体の回転軸方向に延在する領域と前記第３回転体の回転軸方向に延在する領域とが重なる第２交差部と、が離れていることを特徴とする。

本適用例によれば、関節機構は第１回転部、第２回転部及び第３回転部を備えている。第１回転部は第１回転体を回動し、第２回転部は第２回転体を回転する。第３回転部は第３回転体を回転する。第１回転体には第２回転部が接続されているので、第１回転部は第２回転部を回転する。第２回転体には第３回転部が接続されているので、第２回転部は第３回転部を回転する。従って、第３回転部は２つの軸回りに回転することができる。さらに、第３回転部は第３回転軸を回転することができる。

第１交差部は第１回転体が回転軸方向に延在する領域と第２回転体が回転軸方向に延在する領域とが重なる場所である。第２交差部は第２回転体が回転軸方向に延在する領域と第３回転体が回転軸方向に延在する領域とが重なる場所である。従って、第２回転体の回転軸方向には第１交差部と第２交差部とが位置している。そして、第１交差部と第２交差部とが離れるように第１回転部、第２回転部及び第３回転部が設置されている。

第２回転体の回転軸方向には第２回転部が位置する。そして、第１回転部は第２回転部と干渉しない場所に設置される。さらに、第３回転部は第２回転部と干渉しない場所に設置される。このとき、第１交差部と第２交差部とが離れているので、第２回転部の回転軸が延在する領域に第１回転部と第３回転部との少なくとも一方を配置することができる。

そして、第２回転部の回転軸が延在する領域に第３回転部を配置したときには、第３回転部を第２回転体に接近させて配置することができる。従って、第２回転部が第２回転体を回転するときに第３回転部が移動する場所を第２回転体に接近させることができる。従って、関節機構は第３回転部が第２回転体に接近した小型の関節機構とすることができる。同様に、第２回転部の回転軸が延在する領域に第１回転部を配置したときには、第１回転部を第２回転体に接近させて配置することができる。従って、第２回転部が第２回転体を回転するときに第１回転部が移動する場所を第２回転体に接近させることができる。従って、関節機構は第１回転部が第２回転体に接近した小型の関節機構とすることができる。

［適用例２］
上記適用例にかかる関節機構において、前記第２回転部と前記第３回転部とは接続部にて接続され、前記接続部は、前記第２回転部と接続する第１面部と、前記第１面部と交差し前記第３回転部と接続する第２面部と、前記第１面部と前記第２面部とを接続する第３面部と、を有することを特徴とする。

本適用例によれば、２つの面部に第２回転部と第３回転部とを接続することにより接続部を介して第２回転部と第３回転部とを接続することができる。そして、接続部では第１面部と第２面部とが第３面部で補強されている。これにより接続部は剛性を高くすることができる。従って、第２回転部と第３回転部との相対位置が変わらないようにできる為、接続部はトルクを品質良く伝達することができる。

［適用例３］
上記適用例にかかる関節機構において、前記第３面部は円筒形を含むことを特徴とする。

本適用例によれば、第３面部が円筒形を含む形状であることから第３面部は捻りに対する剛性を高くすることができる。従って、接続部にトルクが加わるときにも接続部はトルクを品質良く伝達することができる。

［適用例４］
上記適用例にかかる関節機構において、前記第３面部は前記第１面部及び前記第２面部に接続して設置された一対の板部材を含むことを特徴とする。

本適用例によれば、第３面部は一対の板部材を含んでいる。板部材は製造し易い形状である。従って、接続部は製造し易い部位にすることができる。

［適用例５］
本適用例にかかるロボットは、回転可能な第１回転体を有する第１回転部と、前記第１回転体と接続され回転可能な第２回転体を有する第２回転部と、前記第２回転体と接続され回転可能な第３回転体を有する第３回転部と、を備え、前記第１回転体の回転軸方向に延在する領域と前記第２回転体の回転軸方向に延在する領域とが重なる第１交差部と、前記第２回転体の回転軸方向に延在する領域と前記第３回転体の回転軸方向に延在する領域とが重なる第２交差部と、が離れている関節機構を有することを特徴とする。

本適用例によれば、ロボットは関節機構を有している。関節機構には第１交差部と第２交差部とが離れるように第１回転部、第２回転部及び第３回転部が設置されている。第２回転体の回転軸方向には第２回転部が位置する。そして、第１回転部及び第３回転部は第２回転部と干渉しない場所に設置される。このとき、第１交差部と第２交差部とが離れているので、第２回転部の回転軸が延在する領域に第１回転部と第３回転部との少なくとも一方を配置することができる。

そして、第２回転部の回転軸が延在する領域に第３回転部を配置したときには、第３回転部を第２回転体に接近させて配置することができる。従って、第２回転部が第２回転体を回転するときに第３回転部が移動する場所を第２回転体に接近させることができる。従って、関節機構は第３回転部が第２回転体に接近した小型の関節機構とすることができる。同様に、第２回転部の回転軸が延在する領域に第１回転部を配置したときには、第１回転部を第２回転体に接近させて配置することができる。従って、第２回転部が第２回転体を回転するときに第１回転部が移動する場所を第２回転体に接近させることができる。従って、関節機構は第１回転部が第２回転体に接近した小型の関節機構である為、ロボットは小型の関節機構を備えたロボットとすることができる。

［適用例６］
本適用例にかかるロボットは、回転可能な第１回転体を有する第１回転部と、前記第１回転体と接続され回転可能な第２回転体を有する第２回転部と、接続部を介して前記第２回転体と接続され回転可能な第３回転体を有する第３回転部と、を備え、前記第１回転体の回転軸方向に延在する領域と前記第２回転体の回転軸方向に延在する領域とが重なる第１交差部と、前記第２回転体の回転軸方向に延在する領域と前記第３回転体の回転軸方向に延在する領域とが重なる第２交差部と、が離れており、前記接続部は、前記第２回転部と接続する第１面部と、前記第１面部と交差し前記第３回転部と接続する第２面部と、前記第１面部と前記第２面部とを接続する第３面部と、を有することを特徴とする。

本適用例によれば、ロボットは関節機構を有している。関節機構には第１交差部と第２交差部とが離れるように第１回転部、第２回転部及び第３回転部が設置されている。第２回転体の回転軸方向には第２回転部が位置する。そして、第１回転部及び第３回転部は第２回転部と干渉しない場所に設置される。このとき、第１交差部と第２交差部とが離れているので、第２回転部の回転軸が延在する領域に第１回転部と第３回転部との少なくとも一方を配置することができる。

そして、第２回転部の回転軸が延在する領域に第３回転部を配置したときには、第３回転部を第２回転体に接近させて配置することができる。従って、第２回転部が第２回転体を回転するときに第３回転部が移動する場所を第２回転体に接近させることができる。従って、関節機構は第３回転部が第２回転体に接近した小型の関節機構とすることができる。同様に、第２回転部の回転軸が延在する領域に第１回転部を配置したときには、第１回転部を第２回転体に接近させて配置することができる。従って、第２回転部が第２回転体を回転するときに第１回転部が移動する場所を第２回転体に接近させることができる。従って、関節機構は第１回転部が第２回転体に接近した小型の関節機構とすることができる。

接続部は、第１面部と第２面部とを有している。この２つの面に第２回転部と第３回転部とを接続することにより接続部を介して第２回転部と第３回転部とを接続されている。そして、接続部では第１面部と第２面部とが第３面部で補強されている。第３面部が２つの面を補強することで接続部は剛性を高くすることができる。従って、接続部はトルクを品質良く伝達することができる。その結果、ロボットはトルクを品質良く伝達する接続部を備える小型の関節機構を有するロボットとすることができる。

第１の実施形態にかかわり、（ａ）は、ロボットの構成を示す概略斜視図、（ｂ）は、肩関節部の構成を示す概略斜視図。 肩関節部の構造を示す模式平断面図。 肩関節部の構造を示す模式側断面図。 比較例にかかわり、（ａ）は、肩関節部の構成を示す概略斜視図、（ｂ）は肩関節部の構造を示す模式側面図。 第２の実施形態にかかわり、（ａ）は、肩関節部の構成を示す概略斜視図、（ｂ）は、肩関節部の構造を示す模式側面図。 第３の実施形態にかかわるロボットの構成を示す概略斜視図。 第４の実施形態にかかわる減速機の外観を示す概略斜視図。 減速機の内部構造を示す概略分解斜視図。

本実施形態では、複数の回転機構が設置された関節を備えるロボットの特徴的な例について図に従って説明する。尚、各図面における各部材は、各図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各部材毎に縮尺を異ならせて図示している。
（第１の実施形態）
第１の実施形態にかかわるロボットについて図１〜図４に従って説明する。

図１（ａ）は、ロボットの構成を示す概略斜視図である。図１（ａ）に示すように、ロボット１は車体部２を備えている。車体部２は車体本体２ａを備え、車体本体２ａの地面側には４つの車輪２ｂが設置されている。そして、車体本体２ａには車輪２ｂを駆動する回転機構が内蔵されている。さらに、車体本体２ａにはロボット１の姿勢及び動作を制御する制御部３が内蔵されている。

車体本体２ａ上には本体回転部４、本体部５がこの順に重ねて設置されている。本体回転部４には本体部５を回転させる回転機構が設置されている。この回転機構の構造は特に限定されないが、本実施形態では回転機構はサーボモーターと減速装置とを備えている。減速装置にはハーモニックドライブ（登録商標）が用いられている。これにより、本体部５は鉛直方向を回転中心として回動する。本体部５上には一対の撮像装置６が設置され、撮像装置６はロボット１の周囲を撮影する。そして、撮影した物と撮像装置６との距離を検出することができる。

本体部５の側面のうち互いに逆側を向く２つの面には左腕部７及び右腕部８が設置されている。つまり、ロボット１は双腕ロボットとなっている。左腕部７及び右腕部８はそれぞれ可動部としての上腕部９、下腕部１０、ハンド部１１を備えている。本体部５と上腕部９との間には関節機構としての肩関節部１２が設置され、肩関節部１２は本体部５に対して上腕部９を回動または屈曲させる。同様に、上腕部９と下腕部１０との間には肘関節１３が設置され、肘関節１３は上腕部９に対して下腕部１０を回動または屈曲させる。

ハンド部１１はハンド本体１１ａとハンド本体１１ａの先端に位置する一対の板状の可動部としての把持部１１ｂを備えている。ハンド本体１１ａには把持部１１ｂを移動して把持部１１ｂの間隔を変更させる直動機構が内蔵されている。ハンド部１１は把持部１１ｂを開閉して被把持物を把持することができる。

図１（ｂ）は、肩関節部の構成を示す概略斜視図である。図１（ｂ）に示すように、肩関節部１２はモーターとしての第１モーター１４を備え、第１モーター１４は一方にのみ回転軸が突出している。第１モーター１４の回転軸を第１回転軸とし第１回転軸の中心線１４ａが延在する方向で回転軸が突出する方向を第１方向１４ｂとする。図における肩関節部１２の姿勢において第１方向１４ｂを−Ｙ方向とし、鉛直方向を−Ｚ方向とする。そして、Ｙ方向及びＺ方向と直交する方向をＸ方向とする。

第１モーター１４の第１方向１４ｂには減速機としての第１減速機１５が設置され、第１モーター１４の第１回転軸は第１減速機１５と接続している。第１減速機１５は第１回転軸の回転速度を減速し、減速した回転速度で出力軸を回転する。第１減速機１５は本体部５の骨格部５ａに固定されている。そして、肩関節部１２に加わる荷重を骨格部５ａが支持する構造となっている。第１モーター１４及び第１減速機１５にて第１回転部１６が構成されている。

第１減速機１５の出力軸は第１回転体としての第１支持部１７であり、第１回転軸が回転するときには第１支持部１７が減速された回転速度で回転する。第１支持部１７と接続して減速機としての第２減速機２０が設置され、第２減速機２０と接続してモーターとしての第２モーター２１が設置されている。そして、第２モーター２１の回転軸を第２回転軸とし第２回転軸の中心線２１ａが延在する方向で第２回転軸が突出する方向を第２方向２１ｂとする。第２方向２１ｂと第１方向１４ｂとは直交し、第２回転軸の中心線２１ａと第１回転軸の中心線１４ａとが第１交差点２２にて交差している。

第２回転軸は第２減速機２０と接続している。第２減速機２０は第２回転軸の回転速度を減速し、減速した回転速度で第２回転体としての第２出力軸２０ａを回転する。第２減速機２０及び第２モーター２１にて第２回転部２３が構成されている。

第２出力軸２０ａは接続部２４の第１面部２４ａと接触し固定されている。接続部２４には第１面部２４ａと直交する第２面部２４ｂが設置され、第１面部２４ａと第２面部２４ｂとの間を第３面部２４ｃが補強している。これにより第１面部２４ａと第２面部２４ｂとの角度が維持されている。

接続部２４と接続して第３回転部２５が設置されている。第３回転部２５はモーターとしての第３モーター２６を備え、第３モーター２６は一方にのみ回転軸が突出している。第３モーター２６の回転軸を第３回転軸とし第３回転軸の中心線２６ａが延在する方向で回転軸が突出する方向を第３方向２６ｂとする。第３方向２６ｂと第２方向２１ｂとは直交し、第３回転軸の中心線２６ａと第２回転軸の中心線２１ａとが第２交差点２７にて交差している。

第３モーター２６の第３方向２６ｂには減速機としての第３減速機２８が設置され、第３モーター２６の第３回転軸は第３減速機２８と接続している。第３減速機２８は第３回転軸の回転速度を減速し、減速した回転速度で第３回転体としての第３出力軸２８ａを回転する。第３出力軸２８ａは接続部２４の第２面部２４ｂと接触し固定されている。そして、第３減速機２８は上腕部９の骨格部９ａに固定されている。従って、第３モーター２６が回転するときには肩関節部１２に対して上腕部９が減速された回転速度で回転する。

図２は肩関節部の構造を示す模式平断面図である。図２に示すように第１回転軸の中心線１４ａに沿って第１回転軸１４ｃが設置され、第１回転軸１４ｃは第１減速機１５を貫通する。第１減速機１５にはハーモニックドライブ（登録商標）が用いられている。

第１減速機１５の内部では第１回転軸１４ｃに板カム２９が固定され、板カム２９の外周にはボールベアリング２９ａが設置されている。板カム２９の外周は楕円形となっており、ボールベアリング２９ａも楕円形となっている。そして、第１回転軸１４ｃが回転するときボールベアリング２９ａの外輪は板カム２９に倣って変形する。

板カム２９の外周から第１方向１４ｂにかけてフレクスプライン３０が設置されている。フレクスプライン３０は円板とこの円板の中心を軸とした円筒とを組み合わせた形状となっている。そして、フレクスプライン３０の円板部分の中心にはボールベアリングが設置されている。このボールベアリングの内輪は第１回転軸１４ｃに設置され、外輪はフレクスプライン３０に設置されている。

フレクスプライン３０の円筒部分の外周側には歯が形成され、この歯が設置されている部分は板カム２９の形状にならって楕円形となっている。フレクスプライン３０の外周には内歯車３１が設置され、内歯車３１の歯は第１回転軸の中心線１４ａを中心とした円に沿って配置されている。一方フレクスプライン３０の歯は楕円に沿って配置され、フレクスプライン３０と内歯車３１とは２箇所で接触する。この接触する２箇所は板カム２９の形状である楕円形の長軸の延長線上に位置する。

内歯車３１の歯数よりフレクスプライン３０の歯数は少なくなっている。例えば、内歯車３１の歯数が３６０枚でありフレクスプライン３０の歯数が３５８枚とする。そして、第１回転軸１４ｃが１回転するときフレクスプライン３０は２度回転する。従って、第１減速機１５は高い減速比で減速させることができる。

内歯車３１は外装部３２に固定され、外装部３２は第１モーター１４及び本体部５の骨格部５ａに固定されている。従って、第１回転軸１４ｃの回転によりフレクスプライン３０が減速して回転するので、フレクスプライン３０は第１減速機１５の出力軸となっている。

フレクスプライン３０と接続して第１支持部１７が設置され、フレクスプライン３０の回転により第１支持部１７が回転する。従って、第１支持部１７は第１減速機１５の出力軸として機能する。第１支持部１７の内部にはブレーキ機構３３が設置されている。ブレーキ機構３３は回転する第１支持部１７を急停止させる機能と、第１支持部１７を停止したまま保持する機能とを備えている。

第１回転軸１４ｃはブレーキ機構３３まで延在している。そして、第１回転軸１４ｃと接続して回転板３４が設置されている。回転板３４は円筒部と円板部３４ａとが組み合わされた形状をしており、円筒の内側に第１回転軸１４ｃが挿入されている。そして、回転板３４は第１方向１４ｂに摺動可能となっている。これにより、回転板３４は第１回転軸１４ｃと同じ角度で回動し、第１回転軸の中心線１４ａが延びる方向に往復移動することができる。

ブレーキ機構３３には回転板３４の円板部分と対向する場所に電磁石３５とコイルバネ３６とが設置されている。そして、回転板３４の円板部３４ａを電磁石３５とコイルバネ３６とが挟むように配置されている。第１支持部１７は回転板３４の円板部３４ａの厚みより幅の広い円板状の空洞を備え、この空洞に円板部３４ａが設置されている。

コイルバネ３６は円板部３４ａを付勢し、円板部３４ａを第１支持部１７に押圧する。そして、電磁石３５に通電するとき、電磁石３５は第１支持部１７に電磁力を作用させて円板部３４ａと第１支持部１７との間に隙間を形成する。従って、電磁石３５に通電しないときには回転板３４と第１支持部１７との間に摩擦力が発生するので第１回転軸１４ｃを停止するように作用する。これにより、ブレーキ機構３３は第１回転軸１４ｃと第１支持部１７とを固定しブレーキをかけることができる。一方、電磁石３５に通電するときには回転板３４が第１支持部１７から離れる。これにより、第１回転軸１４ｃ及び第１支持部１７は抵抗無く回転することができる。

第１回転部１６は第１モーター１４、第１減速機１５及びブレーキ機構３３を備えている。従って、第１回転部１６は第１支持部１７を高トルクで回転させることができる。そして、第１回転部１６はブレーキ機構３３を作用させて第１支持部１７を停止させたまま維持することができる。

第１支持部１７の第１方向１４ｂには第２モーター２１が設置されている。第２モーター２１の第２回転軸の中心線２１ａに沿って第２回転軸２１ｃが設置され、第２回転軸２１ｃは第２減速機２０を貫通する。第２減速機２０にはハーモニックドライブ（登録商標）が用いられている。従って、第２減速機２０の構造は第１減速機１５の構造と同様の構造となっており、説明を省略する。

第２減速機２０のフレクスプライン３０と接続して第２出力軸２０ａが設置され、フレクスプライン３０の回転により第２出力軸２０ａが回転する。第２出力軸２０ａの内部にはブレーキ機構３７が設置されている。ブレーキ機構３７は回転する第２出力軸２０ａを急停止させる機能と、第２出力軸２０ａを停止したまま保持する機能とを備えている。第２回転部２３のブレーキ機構３７の構造は第１回転部１６のブレーキ機構３３と同様の構造となっており、説明を省略する。

第２出力軸２０ａの第２方向２１ｂ側には接続部２４が接続されている。そして、第２回転部２３は第２回転軸の中心線２１ａを回転中心として接続部２４を回動する。接続部２４はＹ方向と−Ｙ方向の両側に三角形の板状の第３面部２４ｃが設置されている。これにより、接続部２４は軽量で剛性を有する部位になっている。

第２回転部２３は第２モーター２１、第２減速機２０及びブレーキ機構３７を備えている。従って、第２回転部２３は接続部２４を高トルクで回転させることができる。そして、第２回転部２３はブレーキ機構３７を作用させて接続部２４を停止させたまま維持することができる。

第１支持部１７の回転軸方向に延在する領域と第２出力軸２０ａの回転軸方向に延在する領域が重なる場所を第１交差部３９とする。第１交差部３９の中央は第１交差点２２となっている。そして、第２出力軸２０ａの回転軸方向に延在する領域と第３出力軸２８ａの回転軸方向に延在する領域が重なる場所を第２交差部４０とする。第２交差部４０の中央は第２交差点２７となっている。

第１交差部３９と第２交差部４０とは第２方向２１ｂに離れた場所に設定されている。第１交差点２２と第２交差点２７とが同一の場所に設定されるときには、第２回転部２３と第３回転部２５とが干渉しないように第２回転部２３及び第３回転部２５を配置する必要がある。つまり、第３回転部２５を−Ｚ方向に移動し、さらに−Ｘ方向に移動することになる。

このとき、第３回転部２５は第１回転軸の中心線１４ａから−Ｚ方向に離れた場所に配置される為、肩関節部１２は−Ｚ方向に長い形状となる。これに比べて本実施形態における肩関節部１２は小型の形状にすることができる。

図３は肩関節部の構造を示す模式側断面図である。図３に示すように、接続部２４の第１面部２４ａと第２面部２４ｂとは直交している。そして、第２回転軸の中心線２１ａは第１面部２４ａと直交し、第３回転軸の中心線２６ａは第２面部２４ｂと直交している。従って、第２回転軸の中心線２１ａと第３回転軸の中心線２６ａとが直交するように第２回転部２３及び第３回転部２５が配置されている。

第２面部２４ｂと接続して第３回転部２５が設置されている。第３回転部２５において第３方向２６ｂの逆方向には第３モーター２６が設置され、第３回転軸の中心線２６ａに沿って第３回転軸２６ｃが設置されている。第３回転軸２６ｃは第３減速機２８を貫通する。第３減速機２８にはハーモニックドライブ（登録商標）が用いられている。従って、第３減速機２８の構造は第１減速機１５の構造と同様の構造となっており、説明を省略する。

第３減速機２８のフレクスプライン３０と接続して第３出力軸２８ａが設置され、フレクスプライン３０の回転により第３出力軸２８ａが回転する。第３出力軸２８ａの内部にはブレーキ機構３８が設置されている。ブレーキ機構３８は回転する第３出力軸２８ａを急停止させる機能と、第３出力軸２８ａを停止したまま保持する機能とを備えている。第３回転部２５のブレーキ機構３８の構造は第１回転部１６のブレーキ機構３３と同様の構造となっており、説明を省略する。

第３出力軸２８ａは接続部２４の第２面部２４ｂに設置され、第３回転部２５は上腕部９と接続されている。従って、第３出力軸２８ａが回動するとき接続部２４に対して上腕部９が捻れるように回転する。そして、第３回転部２５は第３モーター２６、第３減速機２８及びブレーキ機構３８を備えている。従って、第３回転部２５は上腕部９を高トルクで回転させることができる。そして、第３回転部２５はブレーキ機構３８を作用させて上腕部９を停止させたまま維持することができる。

円筒状の外装部３２の半径を第３減速機半径２８ｂとする。そして、第３回転軸の中心線２６ａと第２出力軸２０ａとの距離を第２第３減速機距離２５ａとするとき、第３減速機半径２８ｂは第２第３減速機距離２５ａより短い距離となっている。これにより、第３回転部２５は第２回転部２３と干渉せずに移動することができる。そして、第１回転軸の中心線１４ａと第１面部２４ａとの距離を第１軸接続部間距離２３ａとする。このとき、第１回転軸の中心線１４ａと第３回転軸の中心線２６ａの第２方向２１ｂの距離は第１軸接続部間距離２３ａと第２第３減速機距離２５ａとを加算した距離となる。そして、第１軸接続部間距離２３ａと第２第３減速機距離２５ａとを加算した距離は第３減速機半径２８ｂより長い距離となっている。このとき、第３回転部２５は第２回転部２３と干渉せずに移動することができる。

（比較例）
図４は比較例にかかわる図である。図４（ａ）は、肩関節部の構成を示す概略斜視図であり、図４（ｂ）は肩関節部の構造を示す模式側面図である。図４に示すように、比較例の肩関節部４１は第１回転部１６、第２回転部２３、第３回転部２５を備えている。そして、第１回転部１６と第２回転部２３との位置関係は本実施形態の肩関節部１２と同じとなっている。第２出力軸２０ａと接続して接続部４２が設置されている。

接続部４２と接続して第３回転部２５が設置されている。そして、接続部４２は直交する第１面部４２ａと第２面部４２ｂとを有している。第１面部４２ａは第２出力軸２０ａと接続し、第２面部４２ｂは第３出力軸２８ａと接続している。第２回転部２３と第３回転部２５とが接続部４２を介して接続することにより第２回転軸の中心線２１ａと第３回転軸の中心線２６ａとが直交している。

さらに、第１回転軸の中心線１４ａと第２回転軸の中心線２１ａと第３回転軸の中心線２６ａが１つの交差点４３にて交差している。肩関節部４１では、第３減速機２８が第２減速機２０と干渉しないようにするため第３減速機２８を第２回転軸の中心線２１ａから離れた場所に設置されている。従って、第３回転部２５は交差点４３から離れているだけ、図中ＹＺ面内にて移動する範囲が広くなる。つまり、比較例では肩関節部４１は本実施形態の肩関節部１２より大きな範囲を移動する構造となっている。例えば、第２モーター２１が第２出力軸２０ａを回転させて第１回転軸の中心線１４ａと第３回転軸の中心線２６ａとを重ねる。このとき、本実施形態に比べて、比較例の肩関節部４１の図中Ｙ方向の長さは第３回転部２５が交差点４３から離れた長さだけ長くなっている。

接続部４２の第１面部４２ａと第２面部４２ｂの間に補強部材を設置するとき、補強部材が第２減速機２０に干渉する。従って、補強し難い構造となっている。一方、本実施形態の肩関節部１２では接続部２４の第１面部２４ａと第２面部２４ｂとの間に第３面部２４ｃを設置できる為、接続部２４は変形せずに第１面部２４ａから第２面部２４ｂへトルクを伝達することができる。

上述したように、本実施形態によれば、以下の効果を有する。
（１）本実施形態によれば、第１交差点２２と第２交差点２７とが離れた場所に位置している。比較例では第１回転軸の中心線１４ａ、第２回転軸の中心線２１ａ、第３回転軸の中心線２６ａが１つの交差点４３で交差する。このとき、第３回転部２５は第２減速機２０の外径より離れた場所に設置する。本実施形態の場合には第１回転軸の中心線１４ａと第２回転軸の中心線２１ａとが第１交差点２２で交差している。そして、第２回転軸の中心線２１ａと第３回転軸の中心線２６ａとが第２交差点２７で交差している。

この構造のとき、第３回転部２５を第２回転軸の中心線２１ａに接近させることができる。その結果、肩関節部１２は肩関節部４１より小型にすることができる。

（２）本実施形態によれば、第１回転部１６は第１モーター１４及び第１減速機１５を備えている。第１モーター１４の出力を第１減速機１５が減速して出力することができる為、第１回転部１６は高トルクを出力することができる。そして、第１減速機１５が第１モーター１４より大きいときにも第１減速機１５が第２回転部２３及び第３回転部２５と干渉しないように第１減速機１５を配置して肩関節部１２を小型にすることができる。第２回転部２３及び第３回転部２５も同様の構造であり、高トルクを出力することができる。

（３）本実施形態によれば、第１回転部１６は第１モーター１４、第１減速機１５、第１支持部１７の順に配置されている。そして、第１回転部１６のブレーキ機構３３は第１減速機１５の出力軸である第１支持部１７に設置されている。ブレーキ機構３３と第１減速機１５との間に第１モーター１４を設置するときには、第１回転部１６はブレーキ機構３３、第１モーター１４、第１減速機１５、第１支持部１７の順に配置される。この配置に比べて、本実施形態の第１回転部１６の場合は要素が１つ減るので第１回転部１６を小型にすることができる。尚、第２回転部２３及び第３回転部２５も第１回転部１６と同様な構造であり、小型な構造となっている。

（４）本実施形態によれば、接続部２４は第１面部２４ａ、第２面部２４ｂの間が第３面部２４ｃで補強されている。そして、第３面部２４ｃが２つの面の間を補強することで接続部２４は剛性を高くすることができる。従って、接続部２４はトルクを品質良く伝達することができる。

（５）本実施形態によれば、第１回転部１６においてブレーキ機構３３は第１支持部１７に内蔵されている。従って、第１モーター１４の第１方向１４ｂの逆側に第１回転軸１４ｃを突出させてブレーキ機構３３を設置するときに比べて、第１回転部１６を短くすることができる。尚、第２回転部２３及び第３回転部２５も同様の構造であり、短くすることが可能となっている。その結果、肩関節部１２を小型にすることができる。

（６）本実施形態によれば、第３回転部２５を第２回転軸の中心線２１ａに接近させた配置となっている。従って、本実施形態の第２回転部２３は比較例の第２回転部２３に比べて小さなトルクで第３回転部２５を回動させることができる。

（第２の実施形態）
次に、ロボットの肩関節部の一実施形態について図５（ａ）の肩関節部の構成を示す概略斜視図及び、図５（ｂ）の肩関節部の構造を示す模式側面図を用いて説明する。本実施形態が第１の実施形態と異なるところは、接続部２４の形状が異なる点にある。尚、第１の実施形態と同じ点については説明を省略する。

すなわち、本実施形態では、図５に示したように肩関節部４６は第１回転部１６、第２回転部２３及び第３回転部２５を備えている。そして、第２回転部２３の第２出力軸２０ａと第３回転部２５の第３出力軸２８ａとが接続部４７を介して接続されている。

接続部４７は第２出力軸２０ａと接続する第１面部４７ａと第３出力軸２８ａと接続する第２面部４７ｂとを備えている。そして、第１面部４７ａと第２面部４７ｂとの間に第３面部４７ｃが配置されている。第３面部４７ｃは円筒形を軸方向に対して斜めに切断した形状であり、図中Ｙ方向から見るとき略三角形になっている。そして、円筒形の軸方向と第２回転軸の中心線２１ａとが平行になっている。従って、第２出力軸２０ａが回転するときにも、接続部４７は変形し難くなっている。

上述したように、本実施形態によれば、以下の効果を有する。
（１）本実施形態によれば、第３面部４７ｃが円筒形であることから第３面部４７ｃは捻りに対する剛性を高くすることができる。従って、接続部４７にトルクが加わるときにもトルクを品質良く伝達して上腕部９を回転することができる。

（第３の実施形態）
次に、ロボットの肩関節部の一実施形態について図６のロボットの構成を示す概略斜視図を用いて説明する。本実施形態が第１の実施形態と異なるところは、ロボットが１つの腕を備える点にある。尚、第１の実施形態と同じ点については説明を省略する。

すなわち、本実施形態では、図６に示したようにロボット５０は土台部５１を備えている。土台部５１にはロボット５０の姿勢及び動作を制御する制御部５２が内蔵されている。土台部５１上には本体回転部５３、本体部５４がこの順に重ねて設置されている。本体回転部５３には本体部５４を回転させる回転機構が設置されている。これにより、本体部５４は鉛直方向を回転中心として回動する。

本体部５４の側面の１つには腕部５５が設置されている。そして、腕部５５が第１の実施形態における右腕部８と同様の構造となっている。腕部５５は可動部としての上腕部５６、下腕部５７、ハンド部５８を備えている。本体部５４と上腕部５６との間には関節部としての肩関節部５９が設置され、肩関節部５９は本体部５４に対して上腕部５６を回動または屈曲させる。同様に、上腕部５６と下腕部５７との間には肘関節６０が設置され、肘関節６０は上腕部５６に対して下腕部５７を回動または屈曲させる。

そして、肩関節部５９は第１の実施形態における肩関節部１２と同様な構造となっている。従って、肩関節部５９は第１回転部１６、第２回転部２３及び第３回転部２５を備えている。そして、第１交差点２２と第２交差点２７とが離れて設定されている。その結果、肩関節部５９は３つの回転部が配置された小型の関節となっている。

（第４の実施形態）
次に、ロボットの肩関節部を構成する減速機の一実施形態について図７及び図８を用いて説明する。本実施形態が第１の実施形態と異なるところは、減速機の形態が異なる点にある。尚、第１の実施形態と同じ点については説明を省略する。

図７は、減速機の外観を示す概略斜視図である。図７に示すように、減速機７１は円柱状の本体部７２を備えている。本体部７２の軸方向の一方には回転軸としての第１回転軸７３が設けられており、本体部７２の軸方向の他方には第２回転軸７４が設けられている。第１回転軸７３及び第２回転軸７４は同じ中心軸７５を中心として回動する。そして、本体部７２の軸も中心軸７５と同一線上に配置されている。本体部７２を固定した状態で第１回転軸７３を回動させると、その回動が本体部７２内の機構によって減速されて第２回転軸７４から出力される。つまり、第１回転軸７３が高速回転する入力軸であり、第２回転軸７４が低速回転する出力軸となっている。減速機７１は肩関節部１２の第１減速機１５、第２減速機２０及び第３減速機２８として用いることができる。

図８は、減速機の内部構造を示す概略分解斜視図である。図８に示すように、減速機７１は、本体部７２の外周を構成する円筒形のリングギア７６を備えている。従って、リングギア７６の内部は中空部７６ｃとなっている。リングギア７６の内周には複数の第１ギア歯としてのギア歯７６ａが形成されている。また、リングギア７６の内側には、公転ギアとしての第１公転ギア７７と公転ギアとしての第２公転ギア７８とが設置されている。第１公転ギア７７及び第２公転ギア７８の外周はリングギア７６の内周よりも少し小さくなっている。第１公転ギア７７の外周には複数のギア歯７７ａが配置され、第２公転ギア７８の外周には複数のギア歯７８ａが配置されている。ギア歯７７ａの歯数とギア歯７８ａの歯数とは同じ数となっている。またギア歯７７ａの歯数とギア歯７８ａの歯数は、ギア歯７６ａの歯数より少ない数となっている。そして、ギア歯７７ａ及びギア歯７８ａがギア歯７６ａと噛み合うように第１公転ギア７７及び第２公転ギア７８はリングギア７６に配置されている。

第１公転ギア７７の中央には軸孔７７ｂが設けられており、第２公転ギア７８の中央には軸孔７８ｂが設けられている。軸孔７７ｂには第１ベアリング７９が設置され、軸孔７８ｂには第２ベアリング８０が設置されている。第１ベアリング７９及び第２ベアリング８０には第１回転軸７３が挿入されて設置されている。

第１回転軸７３には円形カムとしての第１偏心カム８１及び第２偏心カム８２が設置されている。第１偏心カム８１及び第２偏心カム８２の外形は円形であり外形の中心は中心軸７５に対して偏心して配置されている。中心軸７５に対する偏心量は第１偏心カム８１及び第２偏心カム８２共に同じ量となっている。そして、第１偏心カム８１の中心と中心軸７５と第２偏心カム８２の中心とがなす角度を偏心角とするとき、偏心角は１８０度となっている。つまり、第１偏心カム８１の中心と中心軸７５と第２偏心カム８２の中心とは同一直線上に配置されている。

第１偏心カム８１は第１ベアリング７９の内輪に接して設置され、第２偏心カム８２は第２ベアリング８０の内輪に接して設置されている。これにより、ギア歯７７ａがギア歯７６ａと噛み合う場所とギア歯７８ａがギア歯７６ａと噛み合う場所と中心軸７５とは同一直線上に配置される。

第１公転ギア７７には、第１公転ギア７７の中央を中心とする同心円上の４か所に貫通孔としての第１貫通孔７７ｃが設けられている。各第１貫通孔７７ｃには第１公転ギア７７の自転の動きを取り出すための貫通ピン８３が挿入されている。各第１貫通孔７７ｃの内周壁には形状が略円筒形であって、弾性を有する第１弾性部としての第１受部８４が嵌め込まれ、第１受部８４の内周壁が貫通ピン８３に接触するように設置されている。従って、第１公転ギア７７が回動するとき第１貫通孔７７ｃは第１受部８４を介して貫通ピン８３を押圧して移動させる。

同様に、第２公転ギア７８には、第２公転ギア７８の中央を中心とする同心円上の４か所に貫通孔としての第２貫通孔７８ｃが設けられている。各第２貫通孔７８ｃには、第２公転ギア７８の自転の動きを取り出すための貫通ピン８３が挿入されている。各第２貫通孔７８ｃの内周壁には形状が略円筒形であって、弾性を有する第１弾性部としての第２受部８５が嵌め込まれ、第２受部８５の内周壁が貫通ピン８３に接触するように設置されている。従って、第２公転ギア７８が回動するとき第２貫通孔７８ｃは第２受部８５を介して貫通ピン８３を押圧して移動させる。

本体部７２の第１回転軸７３側には円板状の支持部としての第１支持板８６が設置され、第２回転軸７４側には円板状の支持部としての第２支持板８７が設置されている。第１支持板８６の外周には第１支持軸受け８８が設置されている。第１支持軸受け８８はボールベアリングであり第１支持軸受け８８の内輪が第１支持板８６に固定され、外輪がリングギア７６に固定される。第２支持板８７の外周には第２支持軸受け８９が設置されている。第２支持軸受け８９はボールベアリングであり第２支持軸受け８９の内輪が第２支持板８７に固定され、外輪がリングギア７６に固定される。これにより、リングギア７６、第１支持板８６、第２支持板８７は中心軸７５を回転中心にしてそれぞれ独立して回動することが可能になっている。

第１支持板８６及び第２支持板８７には軽量部材が用いられている。軽量部材は強度があって鉄よりも比重の小さい材質であり、アルミニウムやアルミニウム合金、強化プラスチック等を用いることができる。鉄の比重は約７．９ｇ／ｃｍ３に対してアルミの比重は約２．７ｇ／ｃｍ３である。従って、アルミニウムやアルミニウム合金を用いることにより鉄を用いたときより、第１支持板８６及び第２支持板８７を軽量な部位にすることができる。その結果、減速機７１を軽量にすることができる。

第１支持板８６には第１支持板８６の中央を中心とする同心円上の４か所に連結孔としての第１連結孔８６ａが設けられている。そして、各第１連結孔８６ａの内周壁には円筒状の第２弾性部としての第３受部９２が嵌め込まれている。同様に、第２支持板８７には第２支持板８７の中央を中心とする同心円上の４か所に連結孔としての第２連結孔８７ａが設けられている。そして、各第２連結孔８７ａには円筒状の第２弾性部としての第４受部９３が嵌め込まれている。

貫通ピン８３は第１回転軸７３側から第３受部９２、第１受部８４、第２受部８５、第４受部９３の順に通過して設置されている。従って、貫通ピン８３は第３受部９２、第１受部８４、第２受部８５、第４受部９３と接して配置されている。そして、第２回転軸７４側ではナット９４によって第２支持板８７に固定されている。第２支持板８７の中央には第２回転軸７４が固定されている。そして、第２支持板８７が回動するとき、第２支持板８７の回転トルクは第２回転軸７４に伝達される。

第１支持板８６の中央には中心孔８６ｂが形成され、第１回転軸７３は中心孔８６ｂに挿入されている。そして、第１回転軸７３の第１偏心カム８１は第１ベアリング７９と連結され、第２偏心カム８２は第２ベアリング８０と連結されている。中心孔８６ｂ側の第１回転軸７３の一端は中心孔８６ｂから本体部７２の外に突出して設置される。

減速機７１は以上のような構造を備えている。そして、減速機７１は第１回転軸７３を回転することにより第２回転軸７４が減速して回転するサイクロイド構造となっている。上記のような構造の減速機７１を用いて肩関節部１２を構成することができる。

尚、本実施形態は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により種々の変更や改良を加えることも可能である。変形例を以下に述べる。
（変形例１）
前記第１の実施形態では、第１減速機１５にハーモニックドライブ（登録商標）を用いた。前記第４の実施形態では、サイクロイド構造の減速機７１を用いたが、これに限らず各種方式の減速装置を用いても良い。例えば、複数の歯車を組み合わせた減速機や遊星歯車方式の減速機を用いても良い。第２減速機２０及び第３減速機２８についても同様である。その場合にも第１交差点２２と第２交差点２７とを離すことにより肩関節部１２を小型にすることができる。

（変形例２）
前記第１の実施形態では、肩関節部１２において第１交差点２２と第２交差点２７とを離した。２つの交差点を離す構造の関節を肩関節以外の関節に用いても良い。肘関節や、他の関節に用いても良い。その場合にも関節を小型にすることができる。

（変形例３）
前記第１の実施形態では、ブレーキ機構３３において電磁石３５とコイルバネ３６で円板部３４ａを挟む構造にしたが、円板部３４ａに対して電磁石３５とコイルバネ３６とが同じ側に設置されてもよい。このとき、電磁石３５に通電するとき電磁石３５が円板部３４ａに引力を作用するようにしても良い。電磁石３５に通電して円板部３４ａと第１支持部１７との間に隙間を形成することができる。

（変形例４）
前記第１の実施形態では、第１回転軸の中心線１４ａと第２回転軸の中心線２１ａとが直交していた。第１回転軸の中心線１４ａと第２回転軸の中心線２１ａとは斜めに交差しても良い。さらに、第２回転軸の中心線２１ａと第３回転軸の中心線２６ａとが直交していた。第２回転軸の中心線２１ａと第３回転軸の中心線２６ａとは斜めに交差しても良い。各軸を配置し易いように設計することができる。

（変形例５）
前記第１の実施形態では、ロボット１は双腕ロボットであったが、腕の個数は２つに限らず１つでも良く、３つ以上でも良い。この場合にも関節部分を小型にすることができる。また、腕の個数が多い方が複数の作業を同時に行うことができる。

１…ロボット、１２…関節機構としての肩関節部、１４…モーターとしての第１モーター、１４ａ…第１回転軸の中心線、１４ｃ…第１回転軸、１５…減速機としての第１減速機、１６…第１回転部、１７…第１回転体としての第１支持部、２０…減速器としての第２減速機、２０ａ…第２回転体としての第２出力軸、２１…モーターとしての第２モーター、２１ａ…第２回転軸の中心線、２１ｃ…第２回転軸、２２…第１交差点、２３…第２回転部、２４，４７…接続部、２４ａ，４７ａ…第１面部、２４ｂ，４７ｂ…第２面部、２４ｃ，４７ｃ…第３面部、２５…第３回転部、２６…モーターとしての第３モーター、２６ａ…第３回転軸の中心線、２６ｃ…第３回転軸、２７…第２交差点、２８ａ…第３回転体としての第３出力軸、２８…減速機としての第３減速機、３３，３７，３８…ブレーキ機構、３９…第１交差部、４０…第２交差部。

Claims (6)

1. 回転可能な第１回転体を有する第１回転部と、
   前記第１回転体と接続され回転可能な第２回転体を有する第２回転部と、
   前記第２回転体と接続され回転可能な第３回転体を有する第３回転部と、を備え、
   前記第１回転体の回転軸方向に延在する領域と前記第２回転体の回転軸方向に延在する領域とが重なる第１交差部と、前記第２回転体の回転軸方向に延在する領域と前記第３回転体の回転軸方向に延在する領域とが重なる第２交差部と、が離れていることを特徴とする関節機構。
2. 請求項１に記載の関節機構であって、
   前記第２回転部と前記第３回転部とは接続部にて接続され、
   前記接続部は、前記第２回転部と接続する第１面部と、
   前記第１面部と交差し前記第３回転部と接続する第２面部と、
   前記第１面部と前記第２面部とを接続する第３面部と、を有することを特徴とする関節機構。
3. 請求項２に記載の関節機構であって、
   前記第３面部は円筒形を含むことを特徴とする関節機構。
4. 請求項３に記載の関節機構であって、
   前記第３面部は前記第１面部及び前記第２面部に接続して設置された一対の板部材を含むことを特徴とする関節機構。
5. 回転可能な第１回転体を有する第１回転部と、
   前記第１回転体と接続され回転可能な第２回転体を有する第２回転部と、
   前記第２回転体と接続され回転可能な第３回転体を有する第３回転部と、を備え、
   前記第１回転体の回転軸方向に延在する領域と前記第２回転体の回転軸方向に延在する領域とが重なる第１交差部と、前記第２回転体の回転軸方向に延在する領域と前記第３回転体の回転軸方向に延在する領域とが重なる第２交差部と、が離れている関節機構を有することを特徴とするロボット。
6. 回転可能な第１回転体を有する第１回転部と、
   前記第１回転体と接続され回転可能な第２回転体を有する第２回転部と、
   接続部を介して前記第２回転体と接続され回転可能な第３回転体を有する第３回転部と、を備え、
   前記第１回転体の回転軸方向に延在する領域と前記第２回転体の回転軸方向に延在する領域とが重なる第１交差部と、前記第２回転体の回転軸方向に延在する領域と前記第３回転体の回転軸方向に延在する領域とが重なる第２交差部と、が離れており、
   前記接続部は、前記第２回転部と接続する第１面部と、
   前記第１面部と交差し前記第３回転部と接続する第２面部と、
   前記第１面部と前記第２面部とを接続する第３面部と、を有することを特徴とするロボット。

Images