JP2015196238A - ヒューマノイドロボットの関節機構 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクの伝達効率が高いヒューマノイドロボットの関節機構を提供する。【解決手段】関節機構Ｙ１は、第１の部材１００と、第２の部材２００と、第１の部材１００と第２の部材２００との間で所定の回転数比で回転数を変換して駆動力を伝達する歯車装置３００と、を備え、歯車装置３００は、第１偏心部１０ａが形成されたクランク軸１０と、第１偏心部１０ａが挿入される第１挿入孔１４ｂおよび第１外歯１４ａを有する第１揺動歯車１４と、クランク軸１０を保持するキャリア４と、内歯ピン３を有する外筒２と、を有し、第１揺動歯車１４の揺動によってキャリア４と外筒２とが同心状に変位するよう構成される。【選択図】図２

Description

本発明は、ヒューマノイドロボットの関節機構に関するものである。

従来、減速機を介して第１の部材と第２の部材との相対的な回動を可能としたヒューマノイドロボットの関節機構が知られている。特許文献１には、胴体上半部と胴体下半部とが減速機としての波動歯車装置であるハーモニックドライブ（登録商標）を介して接続された関節機構が記載されている。この関節機構では、波動歯車装置が固定側歯車としての環状内歯歯車と当該環状内歯歯車に噛み合いつつ回転する出力側歯車としての弾性外歯歯車とを有し、胴体下半部の上部軸部が環状内歯歯車に固定されるとともに、胴体上半部の胴体外殻が弾性外歯歯車に固定されることで、胴体上半部と胴体下半部とが相対的に回動可能な状態にある。

特開２００５−１６１４３８号公報

近年、ヒューマノイドロボットの関節機構において、減速機から第１の部材または第２の部材への出力トルクの伝達効率の向上が望まれる。しかしながら、特許文献１に記載された関節機構では、減速機として波動歯車装置を採用しており、当該波動歯車装置の出力側歯車が弾性変形可能なように形成された薄肉の弾性外歯歯車であること、あるいは高減速比を維持するために当該弾性外歯歯車の歯の大きさが比較的小さく形成されることから、外部からの衝撃によって歯飛びや座屈が発生し、これによりトルクの伝達効率が低下する可能性がある。

本発明は、上記の観点からなされてものであり、その目的は、トルクの伝達効率の高いヒューマノイドロボットの関節機構を提供することにある。

本発明は、ヒューマノイドロボットの関節機構であって、前記ヒューマノイドロボットの第１部分を構成する第１の部材と、前記ヒューマノイドロボットの第２部分を構成する第２の部材と、前記第１の部材と前記第２の部材との間で所定の回転数比で回転数を変換して駆動力を伝達する歯車装置と、を備え、前記歯車装置は、偏心部が形成されたクランク軸と、前記偏心部が挿入される挿入孔および複数の外歯を有する揺動歯車と、前記クランク軸を回動可能に保持するとともに、前記第２の部材に取り付けられるキャリアと、前記キャリアの径方向の外側に配置され、前記揺動歯車の前記各外歯に噛み合う複数の内歯を有するとともに、前記第１の部材に取り付けられる外筒と、を有し、前記クランク軸の回転に伴う前記揺動歯車の揺動によって前記キャリアと前記外筒とが同心状に相対的に変位するよう構成される。

上記のヒューマノイドロボットの関節機構では、減速機としてクランク軸の回転に伴う揺動歯車の揺動によってキャリアと外筒とが同心状に相対的に変位するように構成された歯車装置を採用している。この歯車装置では、揺動歯車が引用文献１の波動歯車装置における弾性外歯歯車のように弾性変形可能である必要がない。また、揺動歯車の歯数を引用文献１の波動歯車装置における弾性外歯歯車の歯数に比して少なく設定できるため、当該揺動歯車の歯の大きさを比較的大きくすることができる。このため、上記のヒューマノイドロボットの関節機構は、波動歯車装置を採用した引用文献１の関節機構に比して、外部からの衝撃による歯飛びや座屈の発生を抑止でき、これによりトルクの伝達効率を向上することができる。

また、前記揺動歯車は、当該揺動歯車の軸方向に貫通する貫通孔を有し、前記キャリアは、基板と、前記揺動歯車を挟んで前記基板の反対側に位置する端板と、当該貫通孔を通じて前記基板と前記端板とを接続するシャフトと、を有し、前記基板、前記端板、および前記シャフトは、互いに独立した部材で構成されることが好ましい。

上記のヒューマノイドロボットの関節機構では、揺動歯車の貫通孔にシャフトを挿入した上で当該揺動歯車を挟むように基板と端板とを配置し、この状態においてシャフトと基板および端板とを接続することによって、当該関節機構を容易に組み立てることができる。また、このような構成を採用することで、シャフトを基板および端板と異なる素材にて形成することができる。このため、例えば、高負荷がかかりやすいシャフトを剛性の高い素材にて形成しつつ、基板および端板を比較的軽量な素材にて形成することができる。これにより、耐久力が高く且つ軽量なキャリアを形成することができる。

また、前記シャフトは、前記基板および前記端板に比して剛性の高い材料で形成され、前記基板および前記端板は、前記シャフトに比して密度の小さい軽量材料で形成されることが好ましい。

上記のヒューマノイドロボットの関節機構では、シャフトが基板および端板に比して剛性の高い材料で形成されるとともに、基板および端板がシャフトに比して密度の小さい軽量材料で形成されるため、シャフトの剛性を維持しつつキャリア全体の軽量化を達成することができる。

また、前記基板と前記シャフトとを固定する一方固定部材と、前記端板と前記シャフトとを固定する他方固定部材と、をさらに備え、前記シャフトは、前記揺動歯車の軸方向における前記基板側の一端に設けられた一方タップ孔と、前記揺動歯車の軸方向における前記端板側の他端に設けられた他方タップ孔と、を有し、前記基板は、前記一方タップ孔と連通する基板挿通孔を有し、前記端板は、前記他方タップ孔と連通する端板挿通孔を有し、前記一方固定部材は、前記基板挿通孔を通じて前記一方タップ孔に挿入され、当該一方タップ孔にて前記シャフトに締結されることにより前記基板と前記シャフトとを固定し、前記他方固定部材は、前記端板挿通孔を通じて前記他方タップ孔に挿入され、当該他方タップ孔にて前記シャフトに締結されることにより前記端板と前記シャフトとを固定することが好ましい。

上記のヒューマノイドロボットの関節機構では、一方固定部材が一方タップ孔にてシャフトに締結されることにより基板とシャフトとが固定され、他方固定部材が他方タップ孔にてシャフトに締結されることにより端板とシャフトとが固定される。ここで、タップ孔が設けられる部材は、固定部材と直接締結される部材であることから、当該固定部材から高負荷が加わる可能性が高い。上記のヒューマノイドロボットの関節機構では、タップ孔が基板および端板に比して剛性の高い材料で形成されるシャフトに設けられることから、固定部材から加わる負荷によってキャリアが破損することを抑止できる。

また、前記基板は、前記揺動歯車に対向する面の一部が窪んだ基板窪み部を有し、前記端板は、前記揺動歯車に対向する面の一部が窪んだ端板窪み部を有し、前記揺動歯車の軸方向において、前記シャフトの前記一端が前記基板窪み部に嵌め込まれることが好ましい。

上記のヒューマノイドロボットの関節機構では、シャフトの一端が基板窪み部に嵌め込まれるとともに、シャフトの他端が端板窪み部に嵌め込まれる。このように、固定部材から直接負荷が加わるシャフトの一端および他端が基板および端板に保持されるため、固定部材から加わる負荷によってキャリアが破損することを抑止できる。

また、前記第１の部材または前記第２の部材に取り付けられており、前記クランク軸に対して当該クランク軸を回転させる駆動力を伝達するモータをさらに備えることが好ましい。

上記のヒューマノイドロボットの関節機構では、クランク軸を回転させる駆動力を伝達するモータが第１の部材または第２の部材に取り付けられる。これにより、関節機構全体として、ヒューマノイドロボットの一部分を構成する第１の部材および第２の部材と、当該第１の部材と第２の部材との相対的な回動を可能とする歯車装置と、歯車装置に対して駆動力を伝達するモータと、を備えたモジュールを構成することができる。このため、前記モジュールを単一のヒューマノイドロボットにおける比較的構造が近似した複数の関節部分に適用することにより、当該ヒューマノイドロボットの組み立て作業効率の向上あるいは部品点数の削減を達成することができる。なお、単一のヒューマノイドロボットにおける比較的構造が近似した関節部分とは、当該関節における軸の向きあるいは位置構成が近似した部分を指し、例えば一対の股関節、一対の膝関節、あるいは一対の肘関節のそれぞれに対して上記モジュールを適用することができる。

以上説明したように、本発明によれば、トルクの伝達効率の高いヒューマノイドロボットの関節機構が提供される。

本実施形態に係るヒューマノイドロボットの概略構成を示す正面図である。 本実施形態に係る関節機構Ｙ１の要部を示す概略断面図である。 本実施形態に係る歯車装置を端板側から見た概略側面図であって、端板の一部の図示を省略した図である。 （ａ）本実施形態に係る関節機構Ｙ１における一方固定部とシャフトとの固定箇所を拡大した概略断面図である。（ｂ）本実施形態に係る関節機構Ｙ１における他方固定部とシャフトとの固定箇所を拡大した概略断面図である。 本実施形態に係る関節機構Ｙ１の変形例を示す図であって、図２と同様の部位を示している。 本実施形態に係る関節機構Ｙ１の他の変形例を示す図であって、図２と同様の部位を示している。 本実施形態に係る関節機構Ｙ１のさらに他の変形例を示す図であって、図２と同様の部位を示している。 本実施形態に係る関節機構Ｙ１のさらに他の変形例を示す図であって、図２と同様の部位を示している。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。但し、以下で参照する各図は、説明の便宜上、本発明の一実施形態の構成部材のうち、本実施形態を説明するために必要な主要部材を簡略化して示したものである。したがって、本実施形態に係るヒューマノイドロボットの関節機構は、本明細書が参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。

図１に示すように、本実施形態に係るヒューマノイドロボットＸ１は、複数の関節部分を有する人型ロボットである。ヒューマノイドロボットＸ１は、手から肘にかけての部分を構成する第１の部材１００と、肘から肩にかけての部分を構成する第２の部材２００と、肘部分を構成するとともに第１の部材１００と第２の部材２００との間の相対的な回動を実現する歯車装置３００と、を備えた関節機構Ｙ１を含んでいる。なお、本実施形態では、関節機構Ｙ１がヒューマノイドロボットＸ１の肘関節部分を構成する例について説明するが、これに限らず、関節機構Ｙ１がヒューマノイドロボットＸ１の他の関節部分を構成してもよい。また、本実施形態では、外観形状が完全に人型であるヒューマノイドロボットＸ１に対して関節機構Ｙ１を適用したが、これに限らず、人に似た外観形状を有する猿のようなヒューマノイドロボットにも適用され得る。

以下では、図２および図３を参照しつつ、関節機構Ｙ１が備える第１の部材１００、第２の部材２００、および歯車装置３００について詳細に説明する。

第１の部材１００は、本体部１２０および取付け部１１０を有している。本体部１２０は、ヒューマノイドロボットＸ１における手から肘にかけての部分を構成する主要部位である。取付け部１１０は、本体部１２０の先端から後述する第２の部材２００の第１部位２１０と第２部位２２０との間の空間に延びており、後述する歯車装置３００の外筒２に取り付けられる。

第２の部材２００は、本体部２５０、第１部位２１０、および第２部位２２０を有している。本体部２５０は、ヒューマノイドロボットＸ１における肘から肩にかけての部分を構成する主要部位である。第１部位２１０と第２部位２２０とは、本体部２５０の先端から第１の部材１００側へ延びており、互いに離間するように対向している。

歯車装置３００は、ヒューマノイドロボットＸ１の肘関節部分を構成する減速機として適用されるものである。この歯車装置３００は、例えば、８０〜２００の減速比を有している。歯車装置３００は、第２の部材２００の第１部位２１０と第２部位２２０との間の空間に配置されている。

歯車装置３００は、センタークランク式の歯車装置であって、外部からの入力に応じて当該歯車装置３００の中央部分に位置するクランク軸１０を回転させ、クランク軸１０の偏心部１０ａ，１０ｂに連動して揺動歯車１４，１６を揺動回転させることにより、入力回転から減速した出力回転を得るように構成されている。これにより、第１の部材１００と第２の部材２００との間にて相対回転を生じさせることができる。

歯車装置３００は、外筒２と、キャリア４と、クランク軸１０と、第１揺動歯車１４と、第２揺動歯車１６と、を備えている。

外筒２は、歯車装置３００の外面を構成するものであり、略円筒形状を有している。外筒２の内周面には、多数のピン溝２ｂが形成されている。各ピン溝２ｂは、外筒２の軸方向に延びるように配置され、軸方向に直交する断面において半円形の断面形状を有している。これらのピン溝２ｂは、外筒２の内周面に周方向に等間隔で並んでいる。

外筒２は、多数の内歯ピン３を有している。各内歯ピン３は、ピン溝２ｂにそれぞれ取り付けられている。具体的に、各内歯ピン３は、対応するピン溝２ｂにそれぞれ嵌め込まれており、外筒２の軸方向に延びる姿勢で配置されている。これにより、多数の内歯ピン３は、外筒２の周方向に沿って等間隔で並んでいる。これらの内歯ピン３には、第１揺動歯車１４の第１外歯１４ａおよび第２揺動歯車１６の第２外歯１６ａが噛み合う。

外筒２は、外筒２の径方向の外側に延びたフランジ部を有している。フランジ部は、外筒２の軸方向において取付け部１１０と重なるように位置している。

外筒２のうち各内歯ピン３を除く主要部位は、当該各内歯ピン３に比して密度の小さい軽量材料からなる。本実施形態では、外筒２のうち各内歯ピン３を除く主要部位がアルミニウム材料から形成されており、各内歯ピン３が鉄材料から形成されている。

キャリア４は、外筒２と同軸上に配置された状態でその外筒２内に収容されている。キャリア４は、外筒２に対して同じ軸回りに相対回転する。具体的に、キャリア４は、外筒２の径方向内側に配置されており、この状態で、軸方向に互いに離間して設けられた一対の主軸受６ａ，６ｂによって外筒２に対して相対回転可能に支持されている。

キャリア４は、基板４ａと、複数のシャフト４ｃと、端板４ｂと、を備えている。基板４ａ、各シャフト４ｃ、および端板４ｂは、それぞれ独立した部材である。基板４ａおよび端板４ｂは、シャフト４ｃに比して密度の小さい軽量材料からなる。また、各シャフト４ｃは、基板４ａおよび端板４ｂに比して剛性の高い材料からなる。本実施形態では、基板４ａおよび端板４ｂがアルミニウム材料から形成されており、各シャフト４ｃが鉄材料から形成されている。なお、基板４ａ、各シャフト４ｃ、および端板４ｂは、それぞれ独立した部材でなくともよく、例えば基板４ａと各シャフト４ｃとが一体の材料によって形成されるとともに、当該形成体と端板４ｂとがそれぞれ独立した部材であってもよい。

基板４ａは、外筒２内において軸方向の第１部位２１０側に配置されている。この基板４ａの径方向中央部には円形の貫通孔４ｄが設けられている。基板４ａは、当該基板４ａの軸方向において第１部位２１０の内壁に接している。

また、基板４ａは、第１揺動歯車１４に対向する面の一部が窪んだ基板窪み部４ｊを有している。基板窪み部４ｊは、基板４ａの周方向に等間隔で複数設けられている。各基板窪み部４ｊは、後述するシャフト４ｃの一端を保持する役割を果たす。

端板４ｂは、基板４ａに対して軸方向に離間して設けられており、外筒２内において軸方向の第２部位２２０側に配置されている。この端板４ｂの径方向中央部には円形の貫通孔４ｆが設けられている。端板４ｂは、当該端板４ｂの軸方向において第２部位２２０の内壁に接している。基板４ａと端板４ｂとは、後述する第１揺動歯車１４および第２揺動歯車１６を挟んで互い対向している。

また、端板４ｂは、第２揺動歯車１６に対向する面の一部が窪んだ端板窪み部４ｋを有している。端板窪み部４ｋは、端板４ｂの周方向に等間隔で複数設けられている。各端板窪み部４ｋは、後述するシャフト４ｃの他端を保持する役割を果たす。

各シャフト４ｃは、基板４ａおよび端板４ｂの軸方向に沿って延びており、当該基板４ａと端板４ｂとを接続している。具体的には、各シャフト４ｃは、基板４ａと端板４ｂとの間の空間に位置しており、後述する第１揺動歯車１４および第２揺動歯車１６に設けられた第１貫通孔１４ｃおよび第２貫通孔１６ｃに挿入されている。そして、各シャフト４ｃの一端は、基板４ａの各基板窪み部４ｊに嵌め込まれており、各シャフト４ｃの他端は、端板４ｂの各端板窪み部４ｋに嵌め込まれている。これにより、各シャフト４ｃが基板４ａと端板４ｂとによって保持されている。各シャフト４ｃは、キャリア４の周方向に等間隔で配置されている。なお、シャフト４ｃの個数は、歯車装置３００の使用態様に応じて適宜変更することができる。

クランク軸１０は、歯車装置３００の中心部においてその軸心が外筒２及びキャリア４の軸心と一致するように配置されており、軸回りに回転する部材である。具体的には、歯車装置３００の中心部において、基板４ａの貫通孔４ｄ、端板４ｂの貫通孔４ｆ、後述する第１揺動歯車１４の第１挿入孔１４ｂ、および後述する第２揺動歯車１６の第２挿入孔１６ｂが互いに連通しており、これらの連通穴部分にクランク軸１０が挿入されている。また、クランク軸１０のうち第２部位２２０側の先端部には、図略の駆動モータの駆動力が入力されるプーリー等の入力部１１が取り付けられている。具体的には、入力部１１は、端板４ｂの貫通孔４ｆに連通する第２部位２２０の入力孔２２０ｄを通じてクランク軸１０の先端部に取り付けられており、駆動モータの駆動力をクランク軸１０に伝達することによって当該クランク軸１０を軸回りに回転させる。

クランク軸１０は、一対のクランク軸受１２ａ，１２ｂによりキャリア４に対して軸回りに回転可能に支持されている。具体的には、第１クランク軸受１２ａは、クランク軸１０の軸方向における第１部位２１０側の一端部分と基板４ａとの間に配置されている。一方、第２クランク軸受１２ｂは、クランク軸１０の軸方向における第２部位２２０側の他端部分と端板４ｂとの間に配置されている。これにより、クランク軸１０は、基板４ａ及び端板４ｂに回転可能に支持されている。

クランク軸１０は、軸本体１０ｃと、この軸本体１０ｃに一体的に形成された偏心部１０ａ，１０ｂとを有する。第１偏心部１０ａと第２偏心部１０ｂは、両クランク軸受１２ａ，１２ｂによって支持された部分の間に軸方向に並んで配置されている。第１偏心部１０ａと第２偏心部１０ｂは、それぞれ円柱形状を有しており、いずれも軸本体１０ｃの軸心に対して偏心した状態で軸本体１０ｃから径方向外側に張り出している。第１偏心部１０ａと第２偏心部１０ｂは、それぞれ軸心から所定の偏心量で偏心しており、互いに所定角度の位相差を有するように配置されている。

第１揺動歯車１４は、外筒２内における基板４ａと端板４ｂとの間の空間に配置されている。第１揺動歯車１４は、外筒２の内径よりも少し小さい大きさの外径を有している。第１揺動歯車１４は、第１外歯１４ａ、第１挿入孔１４ｂ、および複数の第１貫通孔１４ｃを有している。第１外歯１４ａは、第１揺動歯車１４の周方向全体に亘って滑らかに連続する波形状の部位である。第１外歯１４ａの歯数は、内歯ピン３の数よりも少ない数に設定されている。第１挿入孔１４ｂは、第１偏心部１０ａが挿入される部位であって、当該第１挿入孔１４ｂにおいて第１揺動歯車１４が第１ころ軸受を介して第１偏心部１０ａに取り付けられている。各第１貫通孔１４ｃは、各シャフト４ｃが挿入される部位であって、当該各シャフト４ｃの外径に比して少し大きい径を有している。

第１揺動歯車１４は、クランク軸１０の回転に伴って第１偏心部１０ａが偏心回転する際に、当該偏心回転に連動して第１外歯１４ａが内歯ピン３に噛み合いながら揺動回転する。

第２揺動歯車１６は、外筒２内における基板４ａと端板４ｂとの間の空間に配置されており、第１揺動歯車１４よりも第２部位２２０側に位置している。第２揺動歯車１６は、外筒２の内径よりも少し小さい大きさの外径を有している。第２揺動歯車１６は、第２外歯１６ａ、第２挿入孔１６ｂ、および複数の第２貫通孔１６ｃを有している。第２外歯１６ａは、第２揺動歯車１６の周方向全体に亘って滑らかに連続する波形状の部位である。第２外歯１６ａの歯数は、内歯ピン３の数よりも少なく設定されている。第２挿入孔１６ｂは、第２偏心部１０ｂが挿入される部位であって、当該第２挿入孔１６ｂにおいて第２揺動歯車１６が第２ころ軸受を介して第２偏心部１０ｂに取り付けられている。各第２貫通孔１６ｃは、各シャフト４ｃが挿入される部位であって、当該各シャフト４ｃの外径に比して少し大きい径を有している。

なお、本実施形態では、互いに位相の異なる第１揺動歯車１４と第２揺動歯車１６との二つの揺動歯車を採用したが、これに限らず、１つあるいは３つ以上の揺動歯車を採用してもよい。

このような構成を有する歯車装置３００では、入力部１１を介してクランク軸１０に駆動力が伝達されることにより、当該駆動力に応じた所定の回転数でクランク軸１０が回転するとともに、当該回転に応じた所定の回転数で第１揺動歯車１４および第２揺動歯車１６が揺動回転する。このとき、第１揺動歯車１４および第２揺動歯車１６は、噛み合い位置が順次移動するように内歯ピン３に噛み合いながら公転する。これにより、外筒２とキャリア４とが同心状に相対的に変位する。

ここで、歯車装置３００は、複数の第１固定部材３０と複数の第２固定部材４０とをさらに備えており、各第１固定部材３０を介して外筒２が第１の部材１００に固定されるとともに、各第２固定部材４０を介してキャリア４が第２の部材２００に固定される。

各第１固定部材３０は、第１の部材１００と外筒２とを固定する部材である。ここで、第１の部材１００の取付け部１１０は、外筒２の軸方向に貫通した複数のタップ孔１１０ａを有しており、外筒２のフランジ部は、外筒２の軸方向において各タップ孔１１０ａと連通した複数の挿通孔２ｃを有している。各第１固定部材３０は、フランジ部の挿通孔２ｃを通じてタップ孔１１０ａに挿入されることにより当該タップ孔１１ａにおいてフランジ部に締結され、これによりフランジ部と第１の部材１００の取付け部１１０とを固定している。各第１固定部材３０は、外筒２の周方向に等間隔に並んで設けられている。

各第２固定部材４０は、第２の部材２００とキャリア４とを固定する部材である。各第２固定部材４０は、キャリア４の周方向に等間隔に並んで設けられている。各第２固定部材４０は、キャリア４の軸方向において互いに対向して設けられた複数の一方固定部４０ａと複数の他方固定部４０ｂとを含んでいる。

各一方固定部４０ａは、第２の部材２００の第１部位２１０と、キャリア４の基板４ａと、キャリア４のシャフト４ｃと、を固定する部材である。ここで、図４（ａ）に示すように、第１部位２１０は、キャリア４の軸方向に貫通した複数の挿通孔２１０ｃを有しており、基板４ａは、キャリア４の軸方向において各挿通孔２１０ｃに連通するとともに基板窪み部４ｊを貫通する複数の基板挿通孔４ｅを有しており、各シャフト４ｃは、キャリア４の軸方向において基板挿通孔４ｅに連通するとともに基板窪み部４ｊの窪んだ領域に位置する一方タップ孔４ｈを有している。各一方固定部４０ａは、挿通孔２１０ｃおよび基板挿通孔４ｅを通じて一方タップ孔４ｈに挿入されている。そして、一方タップ孔４ｈにおいて一方固定部４０ａとシャフト４ｃの一端とが固定されることにより、第１部位２１０と、基板４ａと、キャリア４と、が固定されている。なお、第１部位２１０、基板４ａ、およびキャリア４は、単一の一方固定部４０ａによって固定されていなくともよく、例えば、基板４ａとシャフト４ｃとが一の固定部材によって固定されるとともに基板４ａと第１部位２１０とが他の固定部材によって固定されてもよい。

各他方固定部４０ｂは、第２の部材２００の第２部位２２０と、キャリア４の端板４ｂと、キャリア４のシャフト４ｃと、を固定する部材である。ここで、図４（ｂ）に示すように、第２部位２２０は、キャリア４の軸方向に貫通した複数の挿通孔２２０ｃを有しており、端板４ｂは、キャリア４の軸方向において各挿通孔２２０ｃと連通するとともに端板窪み部４ｋを貫通する複数の端板挿通孔４ｇを有しており、各シャフト４ｃは、キャリア４の軸方向において端板挿通孔４ｇに連通するとともに端板窪み部４ｋの凹んだ領域に位置する他方タップ孔４ｉを有している。各他方固定部４０ｂは、挿通孔２２０ｃおよび端板挿通孔４ｇを通じて他方タップ孔４ｉに挿入されている。そして、他方タップ孔４ｉにおいて他方固定部４０ｂとシャフト４ｃの他端とが固定されることにより、第２部位２２０と、端板４ｂと、キャリア４と、が固定されている。なお、第２部位２２０、端板４ｂ、およびキャリア４は、単一の他方固定部４０ｂによって固定されていなくともよく、例えば、端板４ｂとシャフト４ｃとが一の固定部材によって固定されるとともに端板４ｂと第２部位２２０とが他の固定部材によって固定されてもよい。

各第２固定部材４０によってキャリア４に固定された第２の部材２００は、クランク軸１０から第１揺動歯車１４および第２揺動歯車１６を介してキャリア４に伝達されたトルクが各第２固定部材４０を介して第１部位２１０および第２部位２２０に伝達されることにより、第１の部材１００に対して相対的に回動する。

なお、キャリア４は、当該キャリア４の軸方向の両側において第１部位２１０と第２部位２２０との両方の部位に固定されていなくともよい。例えば、第２の部材２００が互いに対向する第１部位２１０と第２部位２２０とを有していない場合には、一方固定部４０ａによって基板４ａ、シャフト４ｃ、および第２の部材２００の３つの部材が固定されるとともに、他方固定部４０ｂによって端板４ｂおよびシャフト４ｃの２つの部材が固定されてもよい。すなわち、第１の部材１００と第２の部材２００とが相対的に回動可能であれば、キャリア４と第２の部材２００との固定箇所は任意である。

このように、本実施形態に係るヒューマノイドロボットＸ１の関節機構Ｙ１では、減速機としてクランク軸１０の回転に伴う揺動歯車１４，１６の揺動によってキャリア４と外筒２とが同心状に相対的に変位するように構成された歯車装置３００を採用している。このような構成からなる歯車装置３００では、揺動歯車１４，１６は、揺動時において巨視的な変形を伴うものではなく、波動歯車装置における弾性外歯歯車のように弾性変形可能な形状を有する必要がない。また、波動歯車装置では、弾性外歯歯車と環状内歯歯車との歯数の差が２以上に設定されるのに対して、歯車装置３００では、揺動歯車１４，１６の外歯１４ａ，１６ａと外筒２の内歯ピン３との歯数の差が１に設定される。このため、歯車装置３００における外歯１４ａ，１６ａの歯数は、波動歯車装置における弾性外歯歯車の歯数に比して少ないものとすることができ、これにより外歯１４ａ，１６ａにおける各歯の大きさを比較的大きくすることができる。そのため、ヒューマノイドロボットＸ１の関節機構Ｙ１は、波動歯車装置を採用したヒューマノイドロボットの関節機構に比して、外部からの衝撃による歯飛びや座屈の発生を抑止でき、これによりトルクの伝達効率を向上することができる。

さらに、関節機構Ｙ１では、基板４ａと端板４ｂとシャフト４ｃとが互いに独立した部材で構成されているため、第１揺動歯車１４の第１貫通孔１４ｃおよび第２揺動歯車１６の第２貫通孔１６ｃにシャフト４ｃを挿入した上で第１揺動歯車１４および第２揺動歯車１６を挟むように基板４ａと端板４ｂとを配置し、この状態においてシャフト４ｃと基板４ａおよび端板４ｂとを接続することによって、当該関節機構Ｙ１を容易に組み立てることができる。

さらに、関節機構Ｙ１では、第１揺動歯車１４および第２揺動歯車１６から負荷がかかりやすいシャフト４ｃを剛性の高い素材にて形成するとともに、基板４ａおよび端板４ｂをシャフト４ｃに比して密度に小さい軽量素材にて形成している。このため、揺動歯車１４，１６から直接外力が加わるシャフト４ｃの剛性を維持しつつ、キャリア４全体を軽量化することができる。

さらに、関節機構Ｙ１では、一方固定部４０ａが一方タップ孔４ｈにてシャフト４ｃに締結されることにより基板４ａとシャフト４ｃとが固定され、他方固定部４０ｂが他方タップ孔４ｉにてシャフト４ｃに締結されることにより端板４ｂとシャフト４ｃとが固定される。ここで、タップ孔が設けられる部材は、固定具を介して相手側部材に固定されるに際して当該固定具に直接締結されるため、高負荷が加わる可能性が高い。関節機構Ｙ１では、基板４ａおよび端板４ｂに比して剛性の高い材料で形成されたシャフト４ｃにタップ孔４ｈ，４ｉが設けられているため、一方固定部４０ａおよび他方固定部４０ｂから加わる負荷によってキャリア４が破損することを抑止できる。

さらに、関節機構Ｙ１では、シャフト４ｃの一端が基板窪み部４ｊに嵌め込まれるとともに、シャフト４ｃの他端が端板窪み部４ｋに嵌め込まれることで、基板４ａと端板４ｂとによってシャフト４ｃが保持されている。このため、一方固定部４０ａおよび他方固定部４０ｂから加わる負荷によってシャフト４ｃが破損することを抑止できる。特に、本実施形態では、一方タップ孔４ｈが基板窪み部４ｊの窪んだ領域に位置しているとともに、他方タップ孔４ｉが端板窪み部４ｋの窪んだ領域に位置している。このため、各タップ孔４ｈ，４ｉにおいて一方固定部４０ａおよび他方固定部４０ｂから直接負荷が加わるシャフト４ｃの一端および他端を各窪み部４ｊ，４ｋにおいて有効に保持することができる。

さらに、関節機構Ｙ１では、基板４ａとシャフト４ｃとを固定する一方固定部４０ａによってキャリア４と第１部位２１０とを固定しているとともに、端板４ｂとシャフト４ｃとを固定する他方固定部４０ｂによってキャリア４と第２部位２２０とを固定している。このため、部品点数を増やすことなく基板４ａと、端板４ｂと、各シャフト４ｃと、第１部位２１０と、第２部位２２０と、を固定することができる。

さらに、関節機構Ｙ１では、一方タップ孔４ｈにおいてシャフト４ｃに直接締結された一方固定部４０ａが第１部位２１０とキャリア４とを固定しているとともに、他方タップ孔４ｉにおいてシャフト４ｃに直接された他方固定部４０ｂが第２部位２２０とキャリア４とを固定している。このため、揺動歯車１４，１６から各シャフト４ｃへと伝達されたトルクが当該各シャフト４ｃから各一方固定部４０ａおよび各他方固定部４０ｂに直接伝達される。これにより、トルクの伝達効率の低下を抑止できる。

さらに、関節機構Ｙ１では、第１揺動歯車１４および第２揺動歯車１６の２枚の揺動歯車が設けられている。このため、例えば当該揺動歯車が三つ以上設けられる場合に比して歯車装置３００全体を軽量化することができ、これにより出力トルクに対する歯車装置３００の重量が重くなることを抑止できる。また、例えば当該揺動歯車が三つ以上の歯車にて構成される場合に比してキャリア４の軸方向における歯車装置３００の小型化を実現することができる。

以上、本実施形態に係るヒューマノイドロボットＸ１の関節機構Ｙ１について詳細に説明したが、本発明に係る関節機構は、これに限らず種々の変形が可能である。

図５に示す関節機構Ｙ１の変形例では、第２部位２２０に各挿通孔２２０ｃが設けられておらず、各他方固定部４０ｂが端板４ｂとシャフト４ｃとを直接固定している。そして、入力孔２２０ｄを通じてクランク軸１０に取り付けられた入力部１１は、当該入力部１１において軸受５０に支持されている。このように、第２部位２２０がキャリア４に固定されていない場合、当該第２部位２２０の入力孔２２０ｄにおいて入力部１１を支持する軸受５０を設けることにより、各一方固定部４０ａと軸受５０とによって歯車装置３００の軸方向の両側から当該歯車装置３００を支持することができる。

図６に示す関節機構Ｙ１の変形例では、入力部１１に代えて扁平サーボモータ７０が採用されており、当該扁平サーボモータ７０が複数の第４固定部材８０によって第２部位２２０に固定されている。この扁平サーボモータ７０は、第２部位２２０の外壁に対向する面に複数の窪みを有しており、当該各窪みに各第２固定部材４０のネジ頭が収容されている。このように、図６に示す関節機構Ｙ１の変形例では、扁平サーボモータ７０を採用することにより停止位置精度を高めることができるとともに、当該扁平サーボモータ７０が第２部位２２０に固定されることで、クランク軸１０に駆動力を伝達するモータと第２の部材２００とを一体化することができる。

図７に示す関節機構Ｙ１の変形例では、扁平サーボモータ７０は、取付け部１１０と外筒２との間に配置されている。また、この扁平サーボモータ７０は、挿通孔２ｃとタップ孔１１０ａとの間において当該挿通孔２ｃおよびタップ孔１１０ａに連通する孔を有している。第１固定部材３０は、挿入孔２ｃおよび扁平サーボモータ７０の孔を通じてタップ孔１１０ａに挿入されている。これにより、扁平サーボモータ７０が外筒２および取付け部１１０に固定されている。このように、図７に示す関節機構Ｙ１の変形例では、図６のように扁平サーボモータ７０を固定する第４固定部材８０を設ける必要がなく、これにより部品点数を削減することができる。

なお、クランク軸１０に駆動力を伝達するモータを第１の部材１００または第２の部材２００に一体化する構成は、図６および図７に示す変形例に限らず、図８に示す変形例のように、第２の部材２００に設けられた収容部２３０にモータ９０を収容するとともに、当該モータ９０を入力部１１に連結することによりモータ９０から入力部１１を介してクランク軸１０に駆動力を伝達する構成であってもよい。

このような関節機構Ｙ１の変形例では、クランク軸１０に駆動力を伝達するモータが第１の部材１００または第２の部材２００に取り付けられることにより、関節機構Ｙ１全体として、ヒューマノイドロボットＸ１の一部分を構成する第１の部材１００および第２の部材２００と、当該第１の部材１００と第２の部材２００との相対的な回動を可能とする歯車装置３００と、当該歯車装置３００に対して駆動力を伝達するモータと、を備えたモジュールを構成することができる。このため、前記モジュールを単一のヒューマノイドロボットＸ１における一対の肘関節部分に適用することで、当該ヒューマノイドロボットＸ１の組み立て作業効率の向上あるいは部品点数の削減を達成することができる。なお、前記モジュールは、一対の肘関節部分に適用されるのみならず、例えば、一対の股関節部分あるいは一対の膝関節部分等の関節における軸の向きあるいは位置構成が近似した部分に適用することができる。

なお、上述した本実施形態および各変形例に係る関節機構Ｙ１の歯車装置３００は、いずれもセンタークランク式の歯車装置であって、クランク軸１０の軸本体１０ｃの軸線が歯車装置３００の中心軸線となっているが、これに限らない。例えば、クランク軸１０に代えて、歯車装置３００の中心軸線から径方向に所定間隔で離間するとともに周方向に並ぶ複数のクランク軸が設けられてもよい。また、クランク軸１０に加えて、周方向に並ぶ前記複数のクランク軸が設けられてもよい。このように、クランク軸１０の配置や個数は任意であって、歯車装置３００の使用態様に応じて適宜変更することができる。

Ｘ１ ヒューマノイドロボット
Ｙ１ 関節機構
２ 外筒
３ 内歯ピン（内歯）
４ キャリア
４ａ 基板
４ｂ 端板
４ｃ シャフト
４ｅ 基板挿通孔
４ｇ 端板挿通孔
４ｈ 一方タップ孔
４ｉ 他方タップ孔
４ｊ 基板窪み部
４ｋ 端板窪み部
１０ クランク軸
１０ａ 第１偏心部（偏心部）
１４ 第１揺動歯車
１４ａ 第１外歯（外歯）
１４ｂ 第１挿入孔（挿入孔）
１４ｃ 第１貫通孔（貫通孔）
４０ 第２固定部材
４０ａ 一方固定部（一方側固定部材）
４０ｂ 他方固定部（他方側固定部材）
７０ 扁平サーボモータ
９０ モータ
１００ 第１の部材
２００ 第２の部材
３００ 歯車装置

Claims (6)

1. ヒューマノイドロボットの関節機構であって、
   前記ヒューマノイドロボットの第１部分を構成する第１の部材と、
   前記ヒューマノイドロボットの第２部分を構成する第２の部材と、
   前記第１の部材と前記第２の部材との間で所定の回転数比で回転数を変換して駆動力を伝達する歯車装置と、を備え、
   前記歯車装置は、偏心部が形成されたクランク軸と、前記偏心部が挿入される挿入孔および複数の外歯を有する揺動歯車と、前記クランク軸を回動可能に保持するとともに、前記第２の部材に取り付けられるキャリアと、前記キャリアの径方向の外側に配置され、前記揺動歯車の前記各外歯に噛み合う複数の内歯を有するとともに、前記第１の部材に取り付けられる外筒と、を有し、前記クランク軸の回転に伴う前記揺動歯車の揺動によって前記キャリアと前記外筒とが同心状に相対的に変位するよう構成される、ヒューマノイドロボットの関節機構。
2. 前記揺動歯車は、当該揺動歯車の軸方向に貫通する貫通孔を有し、
   前記キャリアは、基板と、前記揺動歯車を挟んで前記基板の反対側に位置する端板と、当該貫通孔を通じて前記基板と前記端板とを接続するシャフトと、を有し、
   前記基板、前記端板、および前記シャフトは、互いに独立した部材で構成される、請求項１に記載のヒューマノイドロボットの関節機構。
3. 前記シャフトは、前記基板および前記端板に比して剛性の高い材料で形成され、
   前記基板および前記端板は、前記シャフトに比して密度の小さい軽量材料で形成される、請求項２に記載のヒューマノイドロボットの関節機構。
4. 前記基板と前記シャフトとを固定する一方固定部材と、
   前記端板と前記シャフトとを固定する他方固定部材と、をさらに備え、
   前記シャフトは、前記揺動歯車の軸方向における前記基板側の一端に設けられた一方タップ孔と、前記揺動歯車の軸方向における前記端板側の他端に設けられた他方タップ孔と、を有し、
   前記基板は、前記一方タップ孔と連通する基板挿通孔を有し、
   前記端板は、前記他方タップ孔と連通する端板挿通孔を有し、
   前記一方固定部材は、前記基板挿通孔を通じて前記一方タップ孔に挿入され、当該一方タップ孔にて前記シャフトに締結されることにより前記基板と前記シャフトとを固定し、
   前記他方固定部材は、前記端板挿通孔を通じて前記他方タップ孔に挿入され、当該他方タップ孔にて前記シャフトに締結されることにより前記端板と前記シャフトとを固定する、請求項３に記載のヒューマノイドロボットの関節機構。
5. 前記基板は、前記揺動歯車に対向する面の一部が窪んだ基板窪み部を有し、
   前記端板は、前記揺動歯車に対向する面の一部が窪んだ端板窪み部を有し、
   前記揺動歯車の軸方向において、前記シャフトの前記一端が前記基板窪み部に嵌め込まれるとともに、前記シャフトの前記他端が前記端板窪み部に嵌め込まれる、請求項４に記載のヒューマノイドロボットの関節機構。
6. 前記第１の部材または前記第２の部材に取り付けられており、前記クランク軸に対して当該クランク軸を回転させる駆動力を伝達するモータをさらに備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のヒューマノイドロボットの関節機構。

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