JP2015016513A - ロボットの関節機構およびロボット - Google Patents

Abstract

【課題】第１のリンクに対して第２のリンクを回転および屈伸させる際に必要となる力を小さくして動かしやすくすることができるロボットの関節機構の提供。
【解決手段】ロボット１は、腕部２と、掌部３とを備えている。掌部３は、その先端に取り付けられた複数の指部４を備えている。腕部２は、モータ２３と、腕部２および掌部３を接続する差動歯車装置５とを備えている。差動歯車装置５は、掌部３に設けられた接続部３１に取り付けられるピニオン５１と、ピニオン５１と噛み合うように所定の間隔を隔てて同軸上に配設される一対のサイドギヤ５２，５３とを備えている。モータ２３は、その出力軸２３Ａに取り付けられたワイヤー６を備え、このワイヤー６は、ピニオン５１の貫通穴と、接続部３１の貫通穴とを介して指部４に接続されている。ロボット１は、モータ２３にてワイヤー６を引っ張ることによって指部４を駆動制御することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロボットの関節機構およびロボットに関する。

従来、第１のリンクと、第２のリンクと、第１のリンクおよび第２のリンクを接続するとともに、第１のリンクに対して第２のリンクを回転および屈伸させる差動歯車装置とを備えるロボットの関節機構が知られている。
例えば、特許文献１に記載された関節機構は、第１のリンクと、第２のリンクと、差動歯車装置とを備えている。この差動歯車装置は、第１のリンクに取り付けられるとともに、所定の間隔を隔てて同軸上に配設される一対の第１の傘歯車（サイドギヤ）と、第１の傘歯車の双方と噛み合う位置に配置されるとともに、第２のリンクに取り付けられた第２の傘歯車（ピニオン）とを備えている。

このような関節機構によれば、一対の第１の傘歯車を逆方向に回転させることによって、第２の傘歯車を回転させることができ、ひいては第１のリンクに対して第２のリンクを回転させることができる。また、一対の第１の傘歯車を同方向に回転させることによって、第２の傘歯車を回転させることなく、第１のリンクに対して第２のリンクを屈伸させることができる。

特開２００９−２９７８０９号公報

ここで、特許文献１に記載された関節機構に対して、何らかの制御対象と、この制御対象を駆動制御する動力源とを取り付ける場合には、制御対象および駆動源の双方を第１のリンク、または第２のリンクにまとめて取り付けることが望ましい。制御対象および駆動源を近接して取り付けることによって、関節機構の構造を簡素にすることができるとともに、駆動源は、制御対象を駆動制御しやすくなるからである。

例えば、このような関節機構をロボットアームの手首部に採用し、腕部に対して掌部を回転および屈伸させる場合には、掌部の先端に指部を制御対象として取り付けるとともに、この指部を駆動制御するための駆動源としてのモータなども掌部に取り付ける。また、例えば、掌部の先端にカメラを制御対象として取り付けるととともに、このカメラを駆動制御するための駆動源としての電源や制御基板なども掌部に取り付ける。

しかしながら、制御対象および駆動源の双方を掌部にまとめて取り付けると、モータ、電源、および制御基板などの駆動源は重量が大きいので、腕部に対して掌部を回転および屈伸させる際に大きな力が必要になって動かしにくくなるという問題がある。また、腕部に対して掌部を回転および屈伸させる際に大きな力が必要になると、差動歯車装置は摩耗しやすくなるという問題がある。

本発明の目的は、第１のリンクに対して第２のリンクを回転および屈伸させる際に必要となる力を小さくして動かしやすくすることができ、差動歯車装置を摩耗しにくくすることができるロボットの関節機構およびロボットを提供することである。

本発明のロボットの関節機構は、第１のリンクと、第２のリンクと、第１のリンクおよび第２のリンクを接続するとともに、第１のリンクに対して第２のリンクを回転および屈伸させる差動歯車装置とを備えるロボットの関節機構であって、第１のリンクに取り付けられる駆動源と、第２のリンクに取り付けられるとともに、駆動源にて駆動制御される制御対象とを備え、差動歯車装置は、自己の回転軸に沿って貫通する貫通穴を有し、第２のリンクに取り付けられるピニオンと、第１のリンクに取り付けられるとともに、ピニオンと噛み合うように所定の間隔を隔てて同軸上に配設される一対のサイドギヤとを備え、駆動源および制御対象は、貫通穴を介して互いに接続されることを特徴とする。

このような構成によれば、モータ、電源、および制御基板などの駆動源は、第１のリンクに取り付けられ、指部やカメラなどの制御対象は、第２のリンクに取り付けられているので、制御対象および駆動源の双方を第２のリンクにまとめて取り付ける場合と比較して第２のリンクの重量を軽くすることができる。したがって、本発明によれば、第１のリンクに対して第２のリンクを回転および屈伸させる際に必要となる力を小さくして動かしやすくすることができ、差動歯車装置を摩耗しにくくすることができる。

本発明では、貫通穴を介して駆動源および制御対象を接続するワイヤーを備え、駆動源は、ワイヤーを引っ張ることによって制御対象を駆動制御することが好ましい。

このような構成によれば、駆動源および制御対象は、貫通穴を介してワイヤーにて接続されているので、モータなどの駆動源を第１のリンクに取り付け、指部などの制御対象を第２のリンクに取り付けることができ、駆動源は、ワイヤーを引っ張ることによって制御対象を駆動制御することができる。

本発明では、貫通穴を介して駆動源および制御対象を接続して信号を伝送する伝送手段を備え、駆動源は、伝送手段を介して信号を伝送することによって制御対象を駆動制御することが好ましい。

このような構成によれば、駆動源および制御対象は、貫通穴を介して伝送手段にて接続されているので、電源や制御基板などの駆動源を第１のリンクに取り付け、カメラなどの制御対象を第２のリンクに取り付けることができ、駆動源は、伝送手段を介して信号を伝送することによって制御対象を駆動制御することができる。なお、伝送手段は、有線であっても無線であってもよく、電気であっても光であってもよい。要するに、伝送手段は、貫通穴を介して駆動源および制御対象を接続して信号を伝送することができればよい。

本発明のロボットは、腕部と、掌部と、腕部および掌部を接続するとともに、腕部に対して掌部を回転および屈伸させる差動歯車装置とを備える関節機構を有するロボットであって、腕部に取り付けられる駆動源と、掌部に取り付けられるとともに、駆動源にて駆動制御される指部とを備え、差動歯車装置は、自己の回転軸に沿って貫通する貫通穴を有し、掌部に取り付けられるピニオンと、腕部に取り付けられるとともに、ピニオンと噛み合う一対のサイドギヤとを備え、駆動源および指部は、貫通穴を介して互いに接続されることを特徴とする。

このような構成によれば、モータなどの駆動源は、腕部に取り付けられ、指部は、掌部に取り付けられているので、指部および駆動源の双方を掌部にまとめて取り付ける場合と比較して掌部の重量を軽くすることができる。したがって、本発明によれば、腕部に対して掌部を回転および屈伸させる際に必要となる力を小さくして動かしやすくすることができ、差動歯車装置を摩耗しにくくすることができる。

本発明の一実施形態に係るロボットの関節機構を示す斜視図 腕部および掌部の内部を示す斜視図 腕部および掌部の内部を掌部側から見た図 差動歯車装置の断面図 掌部の内部を拡大して示す斜視図

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るロボットの関節機構を示す斜視図である。なお、図１は、本発明の関節機構を有するロボットの肘関節（図中左上）から指先（図中右下）までを拡大した図であり、ロボットの上腕を含むロボットの全体についての図示は省略している。以下の図面においても同様である。

ロボット１は、図１に示すように、第１のリンクとしての腕部（前腕部）２と、第２のリンクとしての掌部３とを備えている。掌部３は、その先端に取り付けられた複数の指部４を備えている。なお、この指部４は、親指４１と、人差し指４２と、中指から小指までを纏めた指４３との３つの部位で構成されている。

図２は、腕部２および掌部３の内部を示す斜視図である。図３は、腕部２および掌部３の内部を掌部３側から見た正面図である。具体的には、図２および図３は、腕部２および掌部３に取り付けられたカバーを取り外した状態を示す図である。
腕部２は、図２および図３に示すように、指４３側（図３左側）に出力軸２１Ａを有し、肘関節側に取り付けられたモータ２１と、親指４１側（図３右側）に出力軸２２Ａを有し、モータ２１よりも掌部３側に取り付けられたモータ２２と、正面側（図３手前側）に出力軸２３Ａを有し、モータ２２よりも掌部３側に取り付けられたモータ２３と、モータ２３よりも掌部３側に取り付けられるとともに、腕部２および掌部３を接続する差動歯車装置５とを備えている。

差動歯車装置５は、腕部２に対して掌部３を回転および屈伸させる。換言すれば、本実施形態では、本発明のロボットの関節機構をロボット１の手首部に採用している。
この差動歯車装置５は、掌部３に設けられた略円筒状の接続部３１に取り付けられるピニオン５１と、腕部２に取り付けられるとともに、ピニオン５１と噛み合うように所定の間隔を隔てて同軸上に配設される一対のサイドギヤ５２，５３とを備えている。具体的には、一対のサイドギヤ５２，５３は、ピニオン５１の直径方向の両側（図３左右側）に設けられている。なお、本実施形態では、図３の左側に配置されたサイドギヤを５２とし、図３の右側に配置されたサイドギヤを５３とする。また、ピニオン５１およびサイドギヤ５２，５３には傘歯車を採用している。

図４は、差動歯車装置５の断面図である。具体的には、図４は、ピニオン５１およびサイドギヤ５２，５３の回転軸を通る平面に沿って切断した断面を拡大して示す図である。
ピニオン５１は、図４に示すように、自己の回転軸に沿って貫通する貫通穴５１Ａを有している。また、掌部３の接続部３１は、この貫通穴５１Ａと連通する貫通穴３１Ａを有している。

サイドギヤ５２は、図２〜図４に示すように、指４３側に入力軸５２Ａを有し、このサイドギヤ５２の入力軸５２Ａと、モータ２１の出力軸２１Ａとは、ベルトＢ１を介して互いに接続されている。したがって、モータ２１を回転させることによってベルトＢ１を介してサイドギヤ５２を回転させることができる。
サイドギヤ５３は、親指４１側に入力軸５３Ａを有し、このサイドギヤ５３の入力軸５３Ａと、モータ２２の出力軸２２Ａとは、ベルトＢ２を介して互いに接続されている。したがって、モータ２２を回転させることによってベルトＢ２を介してサイドギヤ５３を回転させることができる。

このような関節機構によれば、一対のサイドギヤ５２，５３を逆方向に回転させることによって、ピニオン５１の回転軸を中心としてピニオン５１を回転させることができ、ひいては腕部２に対して掌部３を回転させることができる。
また、一対のサイドギヤ５２，５３を同方向に回転させることによって、ピニオン５１を回転させることなく、サイドギヤ５２，５３の回転軸を中心として掌部３を回転させることができ、腕部２に対して掌部３を屈伸させることができる。

モータ２３は、図２および図３に示すように、その出力軸２３Ａに取り付けられたワイヤー６を備え、このワイヤー６は、複数の滑車Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を経由した後、図４に示すように、掌部３に設けられた円柱状の滑車７に貫通穴５１Ａ，３１Ａを介して取り付けられている。
滑車７は、図４の左右方向の軸回りに回転自在に設けられている。この滑車７は、中央付近に形成されるフランジ７１と、指４３側の端部に形成されたフランジ７２と、親指４１側の端部に形成されたフランジ７３，７４とを有している。ワイヤー６は、フランジ７１に取り付けられている。

図５は、掌部３の内部を拡大して示す斜視図である。具体的には、図５は、掌部３に取り付けられたカバーを取り外した状態を拡大して示す図である。
フランジ７２と、指４３の先端とは、図５に示すように、ワイヤー７２Ａを介して接続されている。フランジ７３と、親指４１の先端とは、ワイヤー７３Ａを介して接続されている。フランジ７４と、人差し指４２の先端とは、ワイヤー７４Ａを介して接続されている。
したがって、ロボット１は、モータ２３を回転させてワイヤー６を引っ張ることによって滑車７を回転させることができ、ワイヤー７２Ａ，７３Ａ，７４Ａを滑車７に巻き取ることができる。

ここで、親指４１、人差し指４２、および指４３のそれぞれは、滑車７の回転軸と平行な軸回りに回動自在に掌部３に取り付けられている。また、親指４１、人差し指４２、および指４３のそれぞれは、２つの関節４１Ｊ，４２Ｊ，４３Ｊを有し、これらの関節４１Ｊ，４２Ｊ，４３Ｊは、滑車７の回転軸と平行な軸回りに回動自在に構成されている。
したがって、ロボット１は、モータ２３を回転させてワイヤー７２Ａ，７３Ａ，７４Ａを滑車７に巻き取ることによって、親指４１、人差し指４２、および指４３の先端を掌部３側に引き寄せることができ、手を握る動作を行うことができる。
以上のように、本実施形態では、モータ２３は、ワイヤー６を引っ張ることによって制御対象としての指部４を駆動制御する駆動源として機能し、駆動源および制御対象は、貫通穴５１Ａ，３１Ａを介して互いに接続されている。

このような本実施形態によれば、以下の作用・効果を奏することができる。
（１）ロボット１によれば、モータ２３は、腕部２に取り付けられ、指部４は、掌部３に取り付けられているので、指部４およびモータ２３の双方を掌部３にまとめて取り付ける場合と比較して掌部３の重量を軽くすることができる。したがって、ロボット１によれば、腕部２に対して掌部３を回転および屈伸させる際に必要となる力を小さくして動かしやすくすることができ、差動歯車装置５を摩耗しにくくすることができる。
（２）モータ２３および指部４は、貫通穴５１Ａ，３１Ａを介してワイヤー６にて接続されているので、モータ２３を腕部２に取り付け、指部４を掌部３に取り付けることができ、モータ２３は、ワイヤー６を引っ張ることによって指部４を駆動制御することができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、ロボット１は、貫通穴５１Ａ，３１Ａを介してモータ２３および指部４を接続するワイヤー６を備え、モータ２３は、ワイヤー６を引っ張ることによって指部４を駆動制御していた。これに対して、ロボットは、ピニオンの貫通穴を介して駆動源および制御対象を接続して信号を伝送する伝送手段を備え、駆動源は、伝送手段を介して信号を伝送することによって制御対象を駆動制御してもよい。例えば、掌部の先端にカメラを制御対象として取り付けるとともに、このカメラを駆動制御するための駆動源としての電源や制御基板などを腕部に取り付け、ピニオンの貫通穴を介して駆動源および制御対象を伝送手段にて接続してもよい。このような構成によれば、駆動源は、伝送手段を介して信号を伝送することによって制御対象を駆動制御することができる。

前記実施形態では、第１のリンクを腕部２とし、第２のリンクを掌部３とし、本発明のロボットの関節機構をロボット１の手首部に採用していたが、これ以外の部位に採用してもよい。例えば、第１のリンクを大腿部とし、第２のリンクを脛部とし、本発明のロボットの関節機構をロボットの膝部に採用してもよい。要するに、ロボットの関節機構は、第１のリンクと、第２のリンクと、第１のリンクおよび第２のリンクを接続するとともに、第１のリンクに対して第２のリンクを回転および屈伸させる差動歯車装置とを備えていればよい。

前記実施形態では、ピニオン５１は、掌部３に設けられた略円筒状の接続部３１に取り付けられていたが、ピニオン５１および接続部３１は一体的に形成されていてもよい。
前記実施形態では、ピニオン５１およびサイドギヤ５２，５３として傘歯車を採用していたが、傘歯車以外の他の歯車を採用してもよい。要するに、差動歯車装置は、自己の回転軸に沿って貫通する貫通穴を有し、第２のリンクに取り付けられるピニオンと、第１のリンクに取り付けられるとともに、ピニオンと噛み合うように所定の間隔を隔てて同軸上に配設される一対のサイドギヤとを備えていればよい。

以上のように、本発明は、ロボットの関節機構およびロボットに好適に利用できる。

１ ロボット
２ 腕部（第１のリンク）
３ 掌部（第２のリンク）
４ 指部（制御対象）
５ 差動歯車装置
６ ワイヤー
７ 滑車
２１，２２ モータ
２３ モータ（駆動源）
２１Ａ〜２３Ａ 出力軸
３１ 接続部
３１Ａ 貫通穴
４１ 親指
４２ 人差し指
４３ 指
４１Ｊ〜４３Ｊ 関節
５１ ピニオン
５１Ａ 貫通穴
５２，５３ サイドギヤ
５２Ａ，５３Ａ 入力軸
７１〜７４ フランジ
７２Ａ〜７４Ａ ワイヤー
Ｂ１，Ｂ２ ベルト
Ｐ１〜Ｐ３ 滑車

Claims (4)

1. 第１のリンクと、第２のリンクと、前記第１のリンクおよび前記第２のリンクを接続するとともに、前記第１のリンクに対して前記第２のリンクを回転および屈伸させる差動歯車装置とを備えるロボットの関節機構であって、
   前記第１のリンクに取り付けられる駆動源と、
   前記第２のリンクに取り付けられるとともに、前記駆動源にて駆動制御される制御対象とを備え、
   前記差動歯車装置は、
   自己の回転軸に沿って貫通する貫通穴を有し、前記第２のリンクに取り付けられるピニオンと、
   前記第１のリンクに取り付けられるとともに、前記ピニオンと噛み合うように所定の間隔を隔てて同軸上に配設される一対のサイドギヤとを備え、
   前記駆動源および前記制御対象は、前記貫通穴を介して互いに接続されることを特徴とするロボットの関節機構。
2. 請求項１に記載されたロボットの関節機構において、
   前記貫通穴を介して前記駆動源および前記制御対象を接続するワイヤーを備え、
   前記駆動源は、前記ワイヤーを引っ張ることによって前記制御対象を駆動制御することを特徴とするロボットの関節機構。
3. 請求項１に記載されたロボットの関節機構において、
   前記貫通穴を介して前記駆動源および前記制御対象を接続して信号を伝送する伝送手段を備え、
   前記駆動源は、前記伝送手段を介して信号を伝送することによって前記制御対象を駆動制御することを特徴とするロボットの関節機構。
4. 腕部と、掌部と、前記腕部および前記掌部を接続するとともに、前記腕部に対して前記掌部を回転および屈伸させる差動歯車装置とを備える関節機構を有するロボットであって、
   前記腕部に取り付けられる駆動源と、
   前記掌部に取り付けられるとともに、前記駆動源にて駆動制御される指部とを備え、
   前記差動歯車装置は、
   自己の回転軸に沿って貫通する貫通穴を有し、前記掌部に取り付けられるピニオンと、
   前記腕部に取り付けられるとともに、前記ピニオンと噛み合う一対のサイドギヤとを備え、
   前記駆動源および前記指部は、前記貫通穴を介して互いに接続されることを特徴とするロボット。

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