JP2021192937A - 関節装置及び歯車セット - Google Patents

Abstract

【課題】大きなトルクを伝えることができる回転３自由度の関節装置を提供する。【解決手段】関節装置１０は、ホルダー２０と、平歯車の輪郭を第１地軸まわり及び第２地軸まわりにそれぞれ切った歯を有すると共に出力部材１２が接続された球状歯車３０と、ホルダー２０に設けられ、球状歯車３０を駆動する第１駆動ユニット４０と、ホルダー２０に設けられ、球状歯車３０を駆動する第２駆動ユニット６０と、を備えている。駆動ユニット４０（６０）に設けられた鞍状歯車は、力を伝達する歯車回転及び軸回転と、力を伝達しない横スライドという３つの相互作用によって、球状歯車の回転３自由度のうち２つを常に拘束可能とする。【選択図】図１

Description

本発明は、歯車セット及びそれを用いた関節装置、特に、支持部材と出力部材との間に設けられる回転３自由度を有する関節装置に関する。

近年、ロボットに対する自動化が推進され、ロボットの関節の自由度は増加する傾向にある。これに伴い、一つの関節装置に多くの自由度を持たせる試みが多数なされてきている。

このような一つの関節に回転多自由度を与える関節装置として、ワイヤ、リンク装置が存在する。しかし、ワイヤとリンク機構は、その構造上、球体の回転可能な角度が制限される。この対策として、振動子を利用して球体の回転角度を制限せずに回転させる特許文献１に開示される関節装置が知られている。

特許文献１の関節装置は、略円形の開口が形成されたケーシングの空洞内に、球体状のロータが収納され、４つのステータのみによって支持されている。ステータは回転型表面振動子からなり、略皿状の外周部表面には一定ピッチで接触片が突設されると共に環状に配列されている。接触片をロータに接触させるようにしてロータが支持されており、ステータを超音波モータの原理によって振動させることで、ロータの表面がステータの円周方向に沿って移動する。この結果、ロータはステータの軸心まわりに回転し、３自由度を有する関節装置とすることができる。

ところで、関節装置をロボットに使用した場合、ロボットには大きな負荷が掛かることがあり、この負荷は関節装置に伝達される。しかし、特許文献１の関節装置では、ロータはステータとの間の摩擦力によって保持されているので、大きな負荷が掛かると、ステータに対してロータが滑り、力の伝達の確度が低くなることがあった。また、この対策として、歯車を使った関節装置が考えられるが、現状では単体で回転１自由度ないしは回転２自由度の歯車による関節装置しか存在せず、複数関節を組み合わせる必要性からロボットの小型化が困難であった。このため、大きなトルクを伝えることができる歯車を用いた、単体で回転３自由度を有する関節装置が求められる。

特開平８−０８８９８７号公報

本発明は、以上の点に鑑み、大きなトルクを伝えることができる回転３自由度の関節装置と、それに用いられる歯車セットを提供することを課題とする。

［１］第１部材と第２部材との間に設けられる３自由度の関節装置であって、
前記第１部材に設けられ、球体を支持可能な球状支持部が形成されたホルダーと、
前記ホルダーの前記球状支持部に回転可能に支持され、前記球体の全表面に前記球体の中心を通る第１地軸及び第２地軸を含む仮想平面に形成された平歯車の輪郭を前記第１地軸まわり及び前記第２地軸まわりにそれぞれ切った歯構造を有すると共に前記第２部材が設けられた球状歯車と、
前記ホルダーに設けられ、前記球状歯車を駆動する第１駆動ユニットと、
前記ホルダーに設けられ、前記球状歯車を駆動する第２駆動ユニットと、を備え、
前記第１駆動ユニットは、前記球状歯車に噛み合う第１鞍状歯車と、前記第１鞍状歯車を歯車回転させると共に前記球状歯車の中心及び前記第１鞍状歯車の中心を通る第１軸まわりに回転駆動させる第１駆動機構と、を備え、
前記第１鞍状歯車は、前記球状歯車の前記第１地軸に対して経線方向に噛み合い部が移動する力を伝達する歯車回転、前記第１軸の力を伝達する軸回転、及び緯線方向に滑って噛み合い部が移動する力を伝達しない横スライドという３つの相互作用によって、前記球状歯車の回転３自由度のうち前記第１地軸まわりの回転自由度以外の２つを常に拘束可能とし、円錐形状、円錐台形状又は円環形状の駆動極点歯と、所定の歯幅を有し、歯面が湾曲形状である湾曲歯と、を備え、
前記第２駆動ユニットは、前記球状歯車に噛み合う第２鞍状歯車と、前記第２鞍状歯車を歯車回転させると共に前記球状歯車の中心及び前記第２鞍状歯車の中心を通る第２軸まわりに回転駆動させる第２駆動機構と、を備え、
前記第２鞍状歯車は、前記球状歯車の前記第２地軸に対して経線方向に噛み合い部が移動する力を伝達する歯車回転、前記第２軸まわりの力を伝達する軸回転、及び緯線方向に滑って噛み合い部が移動する力を伝達しない横スライドという３つの相互作用によって、前記球状歯車の回転３自由度のうち前記第２地軸まわりの回転自由度以外の２つを常に拘束可能とし、円錐形状、円錐台形状又は円環形状の駆動極点歯と、所定の歯幅を有し、歯面が湾曲形状である湾曲歯と、を備えていることを特徴とする。

かかる構成によれば、ホルダーに、球状歯車を駆動する第１駆動ユニット及び第２駆動ユニットが設けられている。第１駆動ユニット及び第２駆動ユニットがホルダーに固定されるので、動力源の大出力化に有利である。加えて、第１駆動ユニット４０及び第２駆動ユニット６０のそれぞれが球状歯車３０に駆動力を伝えるので、力を合成できる、いわゆるパラレル機構とすることができる。また、従来技術では、球体の一部分に歯を設ける技術は見られたが、これでは可動範囲が歯を設けた狭い範囲に制限される。この点、本発明では、球体の全表面に球体の中心を通る第１地軸と第２地軸を含む仮想平面に形成された平歯車の輪郭を第１地軸まわり及び第２地軸まわりにそれぞれ切った、重ね合わさる２つの歯構造を有するので、可動範囲を制限なく大きくすることができる。

一方、球体面の第１地軸まわり又は第２地軸まわりに切ったそれぞれの歯構造は、さながら地球儀の緯線と経線のように極点に近いほど歪む性質を持つ。つまり、一般的な平歯車との組み合わせでは、赤道部分でしか伝達が成立しない。この点、本発明では、球状歯車と噛み合い可能な第１鞍状歯車及び第２鞍状歯車によってこの問題を解決した。第１鞍状歯車及び第２鞍状歯車は、球状歯車における歯構造の歪みに対応した、従来技術にない特殊な歯構造を有する。具体的には、第１鞍状歯車及び第２鞍状歯車は、所定の歯幅を有しつつ、球状歯車の第１地軸又は第２地軸上の従動極点と噛み合える円錐形状、円錐台形状又は円環形状の駆動極点歯と、従動極点以外で噛み合える湾曲形状の湾曲歯と、を備えている。これらの歯が、第１地軸又は第２地軸まわりに切られた球状歯車の歯構造と噛み合うことで、その歯構造を形成する軸に対して経線方向に噛み合い部が移動する、力を伝達する歯車回転と、所定の歯幅を有することによる第１軸又は第２軸まわりの、力を伝達する軸回転と、緯線方向に滑って噛み合い部が移動する、力を伝達しない横スライド、という３つの相互作用が得られる。つまり、第１地軸まわりに切られた球状歯車の歯構造と噛み合わさった鞍状歯車は、球状歯車の回転３自由度のうち第１地軸まわりの回転自由度以外の２つを常に拘束することができ、同様にして第２地軸まわりの歯構造と噛み合わさった鞍状歯車は、球状歯車の回転３自由度のうち第２地軸まわりの回転自由度以外の２つを常に拘束することができる。このため、鞍状歯車は、球状歯車の赤道部分だけでなく従動極点においても噛み合いが破綻することなく、通常の平歯車対さながらに回転角無制限の連続的な動力伝達が可能となる。

さらに、本発明では、適切な自由度設計方法として、球状歯車が有する２つの歯構造に対して回転２自由度を有する２つの鞍状歯車を適切に配置したことで、球状歯車の回転３自由度の駆動を実現した。具体的には、１つの球状歯車に対して第１鞍状歯車及び第２鞍状歯車を設置し、第１鞍状歯車及び第２鞍状歯車は球状歯車の第１地軸及び第２地軸まわりの２つの歯構造にそれぞれ対応することとした。加えて、第１鞍状歯車及び第２鞍状歯車はそれぞれ、第１駆動ユニットの第１駆動機構又は第２駆動ユニットの第２駆動機構に組み込まれて回転２自由度の駆動能力を与えられることによって、球状歯車が有する回転３自由度のうちそれぞれが拘束している２自由度を駆動する。球状歯車の２つの歯構造は位相差を有することにより、第１鞍状歯車及び第２鞍状歯車による合計４つの駆動される自由度が球状歯車に適切に配置され、球状歯車の回転３自由度を常に全て拘束（駆動）することが可能となる。このように、本発明では、大きなトルクを伝えることができる歯車の噛み合いに基づいた回転３自由度の関節装置とすることができる。

［２］好ましくは、前記球状歯車の前記歯構造は、前記第１地軸上の２つの従動極点の間の中間部分で平歯車と噛み合い、前記第１地軸上の前記従動極点に近づくにつれて曲率が大きくなる形状であり、
前記第１鞍状歯車及び前記第２鞍状歯車は、前記駆動極点歯から前記第１鞍状歯車及び前記第２鞍状歯車の周方向へ離れるにつれて前記湾曲歯の歯面の曲率が小さくなる。

かかる構成によれば、球状歯車のそれぞれの部分の歯の形状に対応させて、第１鞍状歯車及び第２鞍状歯車の歯の形状を合わせることができ、球状歯車の全周に亘って連続的に噛み合うことができる。

［３］好ましくは、前記第１駆動機構及び前記第２駆動機構は、前記第１鞍状歯車又は前記第２鞍状歯車を歯車回転させるための歯車回転用モータと、前記第１軸まわりの回転駆動又は前記第２軸まわりの回転駆動を行うための軸回転用モータと、前記第１鞍状歯車又は第２鞍状歯車と前記歯車回転用モータ及び前記軸回転用モータとの間に設けられた差動機構と、をそれぞれ備えている。

かかる構成によれば、鞍状歯車と、歯車回転用モータ及び軸回転用モータとの間に差動機構を設けたので、歯車回転用モータ及び軸回転用モータを全て前記第１部材に固定しつつ球状歯車の回転３自由度を全て拘束又は駆動することができる。

［４］好ましくは、前記第１駆動機構の前記歯車回転用モータの回転軸及び前記軸回転用モータの回転軸は、前記第１軸と直交方向に配置され、
前記第２駆動機構の前記歯車回転用モータの回転軸及び前記軸回転用モータの回転軸は、前記第２軸と直交方向に配置されている。

かかる構成によれば、第１駆動機構の配置方向を第１軸方向に対して直交方向とし、第２駆動機構の配置方向を第２軸方向に対して直交方向としたので、装置の外方への出っ張りを小さくし、関節装置全体を小型化することができる。

［５］好ましくは、前記第１鞍状歯車又は前記第２鞍状歯車と噛み合う前記球状歯車の歯数は、前記第１鞍状歯車及び前記第２鞍状歯車の歯数の１倍又は２倍である。

かかる構成によれば、球状歯車の従動極点に第１鞍状歯車及び第２鞍状歯車の駆動極点を一致させることができる。

［６］好ましくは、前記関節装置は、汎用ロボットに適用されている。

かかる構成によれば、関節装置を汎用ロボットに適用することで、汎用ロボットの一つの関節において３自由度とし、関節の数を減らした上で大きなトルクも伝達することができる。

［７］また、本発明は、球体の全表面に前記球体の中心を通る第１地軸を含む仮想平面に形成された平歯車の輪郭を前記第１地軸まわりに切った歯構造を有する球状歯車と、
前記球状歯車に噛み合う第１鞍状歯車であって、前記球状歯車の前記第１地軸に対して経線方向に噛み合い部が移動する力を伝達する歯車回転、前記球状歯車の中心及び前記第１鞍状歯車の中心を通る第１軸まわりの力を伝達する軸回転、及び緯線方向に滑って噛み合い部が移動する力を伝達しない横スライドという３つの相互作用によって、前記球状歯車の回転３自由度のうち前記第１地軸まわりの回転自由度以外の２つを常に拘束可能とし、円錐形状、円錐台形状又は円環形状の駆動極点歯、並びに、所定の歯幅を有し、歯面が湾曲形状である湾曲歯を備えている前記第１鞍状歯車と、から構成される歯車セットを提供する。

かかる構成によれば、第１鞍状歯車は、球状歯車の従動極点においても噛み合いが破綻することなく、通常の平歯車対さながらに回転角無制限の連続的な動力伝達が可能となる。

［８］また、本発明は、球体の全表面に前記球体の中心を通る第１地軸及び第２地軸を含む仮想平面に形成された平歯車の輪郭を前記第１地軸まわり及び前記第２地軸まわりにそれぞれ切った歯構造を有する球状歯車と、
前記球状歯車に噛み合う第１鞍状歯車であって、前記球状歯車の前記第１地軸に対して経線方向に噛み合い部が移動する力を伝達する歯車回転、前記球状歯車の中心及び前記第１鞍状歯車の中心を通る第１軸まわりの力を伝達する軸回転、及び緯線方向に滑って噛み合い部が移動する力を伝達しない横スライドという３つの相互作用によって、前記球状歯車の回転３自由度のうち前記第１地軸まわりの回転自由度以外の２つを常に拘束可能とし、円錐形状、円錐台形状又は円環形状の駆動極点歯、並びに、所定の歯幅を有し、歯面が湾曲形状である湾曲歯を備えている前記第１鞍状歯車と、
前記球状歯車に噛み合う第２鞍状歯車であって、前記球状歯車の前記第２地軸に対して経線方向に噛み合い部が移動する力を伝達する歯車回転、前記球状歯車の中心及び前記第２鞍状歯車の中心を通る第２軸まわりの力を伝達する軸回転、及び緯線方向に滑って噛み合い部が移動する力を伝達しない横スライドという３つの相互作用によって、前記球状歯車の回転３自由度のうち前記第２地軸まわりの回転自由度以外の２つを常に拘束可能とし、円錐形状、円錐台形状又は円環形状の前記駆動極点歯、並びに、所定の歯幅を有し、歯面が湾曲形状である湾曲歯を備えている前記第２駆動歯車と、から構成される歯車セットを提供する。

かかる構成によれば、第１鞍状歯車及び第２鞍状歯車は、球状歯車の従動極点においても噛み合いが破綻することなく、通常の平歯車対さながらに回転角無制限の連続的な動力伝達が可能となる。

大きなトルクを伝えることができる回転３自由度の歯車セット、及びそれを用いた関節装置を提供することができる。

本発明に係る関節装置の一例を示す斜視図である。 図１の関節装置を示す部分断面図である。 本発明に別態様に係る関節装置を示す斜視図である。 図３の駆動ユニットを示す斜視図である。 本発明に係る球状歯車の基本構成を示す説明図である。 本発明に係る鞍状歯車を示す斜視図である。 本発明に係る鞍状歯車の基本構成を示す説明図である。 本発明に係る球状歯車のｒ軸及びｒ軸に直交するｅ軸まわりに歯を形成した場合の基本構成を示す説明図である。 本発明に係る球状歯車と第１鞍状歯車及び第２鞍状歯車との噛み合い状態を示す斜視図である。 本発明に係る差動機構の作用図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は、関節装置の概略構成を概念的（模式的）に示す図面も含むものとする。本明細書において、球体の中心を貫通する直線を（第１もしくは第２）「地軸」といい、球状歯車の中心及び（第１もしくは第２）鞍状歯車の中心を通る直線を（第１もしくは第２）「軸」という。第１及び第２地軸のうち、一実施形態としての直交する２つの地軸を「ｒ軸」及び「ｅ軸」と呼ぶことがある。また、第１及び第２軸のうち、一実施形態としての直交する２つの軸を「Ｘ軸」及び「Ｙ軸」と呼ぶことがある。

図１、図２に示すように、関節装置１０は、第１部材（以下、支持部材という）１１と第２部材（以下、出力部材という）１２との間に設けられている。関節装置１０は、支持部材１１に設けられ、球体を支持可能な球状支持部２１が形成されたホルダー２０と、ホルダー２０の球状支持部２１に回転可能に支持された球状歯車３０と、ホルダー２０のＸ軸の基準位置に設けられ、球状歯車３０を駆動する第１駆動ユニット４０と、ホルダー２０のＹ軸の基準位置に設けられ、球状歯車３０を駆動する第２駆動ユニット６０と、を備えている。ホルダー２０は、正面側から背面の略半分まで開口している。

第１駆動ユニット４０は、球状歯車３０に噛み合う第１鞍状歯車５０と、この第１鞍状歯車５０を歯車回転させると共に第１軸（以下、Ｘ軸という）まわりに回転駆動させる第１駆動機構４１と、を備えている。

第１駆動機構４１は、第１フレーム４１ａと、Ｘ軸まわりの回転駆動を行うための軸回転用モータ４２と、この軸回転用モータ４２に設けられた第１軸駆動歯車（不図示）と、この第１軸駆動歯車に噛み合い第１鞍状歯車５０を軸回転させる第１軸従動歯車４２ｂと、歯車回転させるための歯車回転用モータ４３と、この歯車回転用モータ４３に設けられた第１駆動歯車（不図示）と、この第１駆動歯車に噛み合い差動機構４４を回転させる第１従動歯車４３ｂと、第１鞍状歯車５０と軸回転用モータ４２及び歯車回転用モータ４３との間に設けられた差動機構４４と、を備えている。

第２駆動ユニット６０は、球状歯車３０に噛み合う第２鞍状歯車７０と、この第２鞍状歯車７０を歯車回転させる共に第２軸（以下、Ｙ軸という）まわりに回転駆動させる第２駆動機構６１と、を備えている。

第２駆動機構６１は、第２フレーム６１ａと、Ｙ軸まわりに回転駆動を行うための軸回転用モータ６２と、この軸回転用モータ６２に設けられた第２軸駆動歯車６２ａと、この第２軸駆動歯車に噛み合い第２鞍状歯車７０を軸回転させる第２軸従動歯車６２ｂと、歯車回転用モータ６３と、この歯車回転用モータ６３に設けられた第２駆動歯車６３ａと、この第２駆動歯車６３ａに噛み合い差動機構６４を回転させる第２従動歯車６３ｂと、第２鞍状歯車７０と軸回転用モータ６２及び歯車回転用モータ６３との間に設けられた差動機構６４と、を備えている。

第１駆動機構４１の軸回転用モータ４２の回転軸及び歯車回転用モータ４３の回転軸は、Ｘ軸と直交方向に配置されている。第２駆動機構６１の軸回転用モータ６２の回転軸及び歯車回転用モータ６３の回転軸は、Ｙ軸と直交方向に配置されている。

第１駆動機構４１の軸回転用モータ４２の回転軸及び歯車回転用モータ４３の配置方向をＸ軸方向に対して直交方向とし、第２駆動機構６１の軸回転用モータ６２の回転軸及び歯車回転用モータ６３の配置方向をＹ軸方向に対して直交方向としたので、装置の外方への出っ張りを小さくし、関節装置１０全体を小型化することができる。

なお、本実施例では、関節装置１０として説明したが、用途は関節に限定されるものではなく、球状歯車３０、第１鞍状歯車５０及び第２鞍状歯車７０を含む歯車セットを関節以外の用途に使用してよい。また、本実施例では、第１軸をＸ軸とし、第２軸を前記Ｘ軸と直交するＹ軸としたが、これに限定されず、第１軸と第２軸は、なす角度が４５度、６０度、１８０度等、直交しない角度の軸としてもよく、ＸＹ平面上に配置しなくてもよい。

次に、別態様に係る関節装置１０及び第１駆動ユニット４０、第２駆動ユニット６０について説明する。なお、図１、図２と基本構成は同じであるので同様の部品については符号を振って説明を省略する。

図３、図４に示すように、第１駆動ユニット４０は、第１駆動機構４１の配置方向がＸ軸方向に沿っている。第２駆動ユニット６０は、第２駆動機構６１の配置方向がＹ軸方向に沿っている。ホルダー２０は、正面側のみが大きく開口している。このように第１駆動機構４１及び第２駆動機構６１をＸ軸及びＹ軸にそれぞれ沿って配置したり、ホルダー２０の開口の位置、大きさを変更したりすることで、設計の自由度を広げてロボットの用途に応じた態様にすることができる。

次に本発明に係る球状歯車３０の基本構成を説明する。

図５の（ａ）に示すように、球体３１に中心を通る任意の第１地軸（ｒ軸）が配置されている。球体３１の全表面３２に、ｒ軸を含む仮想平面に平歯車の輪郭３３を形成する。

図５の（ｂ）に示すように、平歯車の輪郭３３を、ｒ軸まわりに切った歯３４を形成する。そうすると、図５の（ｃ）に示すような歯構造を有する、仮の球状歯車３０ａが得られる。この球状歯車３０ａは従動歯車であり、ｒ軸上に従動極点３４ａが形成されている。この球状歯車３０ａを地球儀に見立てると、赤道３５付近の歯形状は整っており、従動極点３４ａに近いほど歯形状が歪む。このため、一般的な平歯車３６では仮の球状歯車３０ａに対し全周にわたって噛み合うことができない。

次に、第１鞍状歯車５０及び第２鞍状歯車７０について説明する。なお、以降では便宜上第１鞍状歯車５０のみを説明し、第２鞍状歯車７０の構成は球状歯車３０のｅ軸に対して同様のものとして説明を省略する。

図６の（ａ）、（ｂ）に示すように、第１鞍状歯車５０は、球状歯車３０ａ（３０）のｒ軸に対して経線方向に噛み合い部が移動する力を伝達する歯車回転、Ｘ軸まわりの力を伝達する軸回転、及び緯線方向に滑って噛み合い部が移動する力を伝達しない横スライドという３つの相互作用によって、球状歯車３０ａ（３０）の回転３自由度のうちｒ軸まわりの回転自由度以外の２つを常に拘束可能とし、円錐形状、円錐台形状又は円環形状の駆動極点歯５１と、歯面が湾曲形状（第１鞍状歯車５０の周方向に沿って、駆動極点歯５１に向かって凹になるような湾曲形状）の湾曲歯５２と、所定の歯幅Ｗと、を備えている。これら複数の湾曲歯５２の湾曲形状の曲率は、駆動極点歯５１から１８０°回転した位置（駆動極点歯５１とは反対側の極）で最も小さく、駆動極点歯５１に近い位置の湾曲歯であるほど大きくなっている。なお、歯車回転の方向と横スライドの方向は、従動極点３４ａを地球の北極として見たとき、歯車回転の方向が経線方向となり、横スライドの方向が緯線方向となる。

第１鞍状歯車５０は、球状歯車３０ａ（３０）と噛み合うことのできる独特な歯車構造を有している。第１鞍状歯車５０の１つだけで、球状歯車３０ａ（３０）が有する回転３自由度のうち２自由度を拘束することができる。

次に、第１鞍状歯車５０の歯面の形状を説明する。

図７の（ａ）に示すように、仮想的に粘土状の球体５３を考え、この粘土状の球体５３に歯を形成する過程を説明することで第１鞍状歯車５０の歯面の形状を以下明らかにする。球状歯車３０ａ（３０）の半分程度の直径である粘土状の球体５３を用意し、（ｂ）に示すように、球状歯車３０ａに押し付け、球状歯車３０ａの中心を中心とする円の円周に沿って、球面上を転がしながら移動させる。すると、（ｃ）に示すように、球状歯車３０ａの歯３４の形状が転写され、（ｄ）に示すように、第１鞍状歯車５０における駆動極点歯５１及び湾曲歯５２の歯構造が得られる。

次に、球状歯車３０のｒ軸及び前記ｒ軸に直交するｅ軸まわりに歯を形成した場合の基本構成を説明する。

図８の（ａ）に示すように、球体３１の第１地軸（ｒ軸）及び第２地軸（ｅ軸）を含む仮想平面に平歯車の輪郭３３を形成し、平歯車の輪郭３３をｒ軸まわりに回して切ることで、（ｂ）に示すような歯構造を得る。さらに、平歯車の輪郭３３をｅ軸まわりに回して切る。このようにして、位相差を有して交差する第１地軸と第２地軸（本実施例では直交するｒ軸とｅ軸）を含む仮想平面に形成された平歯車の輪郭３３をｒ軸まわり及びｅ軸まわりにそれぞれ切ると、（ｃ）に示すように、ｒ軸まわり及びｅ軸まわりにそれぞれ切られた歯３４を有する球状歯車３０が得られる。

図８の（ｄ）に示すように、第１の鞍状歯車５０の周方向に沿った輪郭５４は、平歯車の輪郭３３の１／２周に対応し、上記に説明した球状歯車３０の歯３４と噛み合う。

図９の（ａ）に示すように、直交して９０度だけ位相のずれを持つ歯３４を重ね合わせた球状歯車３０が得られ、（ｂ）に示すように、９０度だけずれた各位相に対して、第１鞍状歯車５０と第２鞍状歯車７０をそれぞれ噛み合わせる。なお、本実施例では、第１地軸及び第２地軸を、位相が９０度ずれたｒ軸及びｅ軸としているが、第１地軸及び第２地軸の位相差は９０度に限定されず、例えば、３０度、４５度、６０度等の任意の位相差を有していても良い。これらの位相差を有する第１地軸及び第２地軸を含む仮想平面に形成された平歯車の輪郭を前記第１地軸まわり及び前記第２地軸まわりにそれぞれ切った歯構造を形成することができる。球状歯車３０に対し第１鞍状歯車５０及び第２鞍状歯車７０を噛み合わせることで、球状歯車３０が有する回転３自由度を全て拘束又は駆動することができる。また、球状歯車３０の、第１鞍状歯車５０と噛み合う歯数は、第１鞍状歯車５０の歯数の１倍又は２倍である。これにより、球状歯車３０の従動極点３４ａに第１鞍状歯車５０の駆動極点（駆動極点歯５１）を一致させることができる。

次に差動機構４４、６４について説明する。なお、代表して差動機構４４について説明する。

図１０に示すように、差動機構４４は、ホルダー２０と一体になった部分に固定された軸回転用モータ４２と、この軸回転用モータ４２に回転可能に設けられた回転フレーム４４ｂと、この回転フレーム４４ｂに回転可能に設けられた第１鞍状歯車５０及びこの第１鞍状歯車５０と噛み合う小歯車４４ｃと、ホルダー２０に固定された歯車回転用モータ４３と、この歯車回転用モータ４３に第１駆動歯車４３ａを介して回転可能に設けられ内側に小歯車４４ｃと噛み合うようにウォーム溝が切られた円筒状の回転内ウォーム４４ａと、ホルダー２０に回転可能に支持され第１鞍状歯車５０に噛み合う球状歯車３０と、を備えている。

差動機構４４は、鞍状歯車５０によって球状歯車３０を歯車回転、軸回転又は停止させ、軸回転用モータ４２によって、回転フレーム４４ｂ、小歯車４４ｃ、第１鞍状歯車５０及び球状歯車３０を一体的に矢印（１）のように軸回転させ、歯車回転用モータ４３によって、第１駆動歯車４３ａ及び回転内ウォーム４４ａを矢印（２）のように回転させつつ、小歯車４４ｃ、第１鞍状歯車５０及び球状歯車３０を一般的な平歯車列のように歯車回転させる。球状歯車３０の回転３自由度のうち拘束されている回転２自由度を駆動するためには、第１鞍状歯車５０に回転２自由度が必要になる。

次に、以上に述べた基本構成に係る関節装置１０の作用を説明する。

図１、図２に示すように、第１駆動ユニット４０の軸回転用モータ４２及び歯車回転用モータ４３を駆動させて第１鞍状歯車５０を回動させることで、球状歯車３０を回転させる。第１駆動ユニット４０の可動を停止させることで第１鞍状歯車５０により球状歯車３０の回転２自由度を拘束し、この状態で第２駆動ユニット６０を駆動させると、球状歯車３０の残りの１自由度を駆動することができる。さらに、第１駆動ユニット４０及び第２駆動ユニット６０の可動を停止させることで、球状歯車３０の回転３自由度全てを拘束し、固定した状態にすることができる。

次に、以上に述べた関節装置１０の作用、効果について説明する。

本発明の実施例の構成において、関節装置１０は、ホルダー２０に、球状歯車３０を駆動する第１駆動ユニット４０及び第２駆動ユニット６０が設けられている。第１駆動ユニット４０及び第２駆動ユニット６０がホルダー２０に固定されるので、動力源の大出力化に有利である。加えて、第１駆動ユニット４０及び第２駆動ユニット６０のそれぞれが球状歯車３０に駆動力を伝えるので、力を合成できる、いわゆるパラレル機構とすることができる。また、従来技術では、球体の一部分に歯を設ける技術は見られたが、これでは可動範囲が歯を設けた狭い範囲に制限される。この点、本発明では、球体３１の全表面３２に球体３１の中心を通る第１地軸及び第２地軸を含む仮想平面に形成された平歯車の輪郭３３を第１地軸まわり及び第２地軸まわりにそれぞれ切った２つの歯構造を有するので、可動範囲を制限なく大きくすることができる。

さらに、本発明の実施例では、球状歯車３０と噛み合い可能な第１鞍状歯車５０及び第２鞍状歯車７０を備える。第１鞍状歯車５０及び第２鞍状歯車７０は、球状歯車３０における歯構造の不可避の歪みに対応した、従来技術にない特殊な歯構造を有する。具体的には、第１鞍状歯車５０は、球状歯車３０ａ（３０）の第１地軸に対して経線方向に噛み合い部が移動する力を伝達する歯車回転、第１軸まわりの力を伝達する軸回転、及び緯線方向に滑って噛み合い部が移動する力を伝達しない横スライドという３つの相互作用によって、球状歯車３０ａ（３０）の回転３自由度のうち第１地軸まわりの回転自由度以外の２つを常に拘束可能とし、円錐形状、円錐台形状又は円環形状の駆動極点歯５１と、歯面が湾曲形状（第１鞍状歯車５０の周方向に沿って、駆動極点歯５１に向かって凹になるような湾曲形状）の湾曲歯５２と、所定の歯幅Ｗと、を備えている。第２鞍状歯車７０も同様である。このため、第１鞍状歯車５０及び第２鞍状歯車７０は、球状歯車の赤道部分だけでなく従動極点３４ａにおいても噛み合いが破綻することなく、通常の平歯車対さながらに回転角無制限の連続的な動力伝達が可能となる。

さらに、本発明の実施例では、適切な自由度設計方法として、球状歯車３０が有する２つの歯構造に対して回転２自由度を有する２つの鞍状歯車を適切に配置したことで、球状歯車の回転３自由度の駆動を実現した。具体的には、１つの球状歯車３０に対して第１鞍状歯車５０及び第２鞍状歯車７０を設置し、第１鞍状歯車５０及び第２鞍状歯車７０は球状歯車３０の第１地軸及び第２地軸まわりの２つの歯構造にそれぞれ対応することとした。加えて、第１鞍状歯車５０及び第２鞍状歯車７０はそれぞれ、第１駆動ユニット４０の第１駆動機構４１又は第２駆動ユニット６０の第２駆動機構６１に組み込まれて回転２自由度の駆動能力を与えられることによって、球状歯車３０が有する回転３自由度のうち、それぞれが拘束している２自由度を駆動する。球状歯車３０の２つの歯構造は位相差を有しているために、第１鞍状歯車５０及び第２鞍状歯車７０による合計４つの駆動される自由度が球状歯車３０に適切に配置され、球状歯車３０の回転３自由度を常に全て拘束（駆動）することが可能となる。このように、本発明では、大きなトルクを伝えることができる歯車の噛み合いに基づいた回転３自由度の関節装置１０とすることができる。

さらに、球状歯車３０のそれぞれの部分の歯の形状に対応させて、第１鞍状歯車５０及び第２鞍状歯車７０の歯の形状を合わせることができ、球状歯車３０の全周に亘って連続的に噛み合うことができる。

さらに、第１鞍状歯車５０及び第２鞍状歯車７０と、軸回転用モータ４２、６２及び歯車回転用モータ４３、６３との間に差動機構４４、６４を設けたので、歯車回転用モータ４２、６２及び軸回転用モータ４３、６３を全て第１部材１１に固定しつつ球状歯車３０の回転３自由度を全て拘束又は駆動することができる。

このとき、制御アルゴリズムとして、球状歯車３０の３自由度を実現させるためのモータ制御アルゴリズムを採用する。本発明の実施例では入力アクチュエータとして４つのモータを使用するが、それらの回転角度は簡潔な逆運動学的計算で得ることが可能である。また、従来技術の球面モータのように多数の電磁石を駆動することもないため、従来技術と同様のモータ制御システムを使用可能である。

さらに、関節装置１０は、汎用ロボットに適している。関節装置１０を汎用ロボットに適用することで、汎用ロボットの一つの関節で３自由度として関節の数を減らした上で大きなトルクも伝達することができる。従来技術においては、モータを全て固定しつつ回転３自由度を有する、滑りがなく大出力を伝達可能、そして回転角度の範囲が広い、という特徴を全て満たす技術は存在しない。従って、本発明に特有の効果のひとつに、ロボットアームのような大出力・多自由度・大作業域システムの関節部の小型軽量化、それに伴う剛性の低減によるコスト削減や運用時のエネルギー効率の向上が挙げられる。加えて、人形ロボットのような審美性を重視するロボットや、ソフトロボットのように剛体部分を極力減らしたいロボットであれば、従来の３関節のシリアルリンク機構を１関節にできるという点で、本発明はより効果的である。

さらに、球状歯車３０、第１鞍状歯車５０及び第２鞍状歯車から構成される歯車セットは、組み合わせた際に、従動極点３４ａにおいても第１鞍状歯車５０と球状歯車３０との噛み合いが破綻することなく、通常の平歯車対さながらに回転角無制限の連続的な動力伝達が可能となる。

さらに、歯車セットでは、１つの球状歯車３０に対して第１鞍状歯車５０及び第２鞍状歯車７０を設置し、第１鞍状歯車５０及び第２鞍状歯車７０は球状歯車３０の第１地軸及び第２地軸まわりに形成した２つの歯構造にそれぞれ対応することとした。加えて、第１鞍状歯車５０及び第２鞍状歯車７０はそれぞれ、第１駆動ユニット４０の第１駆動機構４１又は第２駆動ユニット６０の第２駆動機構６１に組み込まれて回転２自由度の駆動能力を与えられることによって、球状歯車３０が有する回転３自由度のうち、それぞれが拘束している２自由度を駆動する。球状歯車３０の２つの歯構造は位相差を有するために、第１鞍状歯車５０及び第２鞍状歯車７０による合計４つの駆動される自由度が球状歯車３０に適切に配置され、球状歯車３０の回転３自由度を常に全て拘束（駆動）することが可能となる。このように、本発明では、大きなトルクを伝えることができる歯車の噛み合いに基づいた回転３自由度の歯車セットとすることができる。

尚、本発明は、実施例の図に示した歯車の歯数に限定されない。球状歯車３０の歯数と第１鞍状歯車５０、第２鞍状歯車７０の歯数を同一にしても差し支えない。また、実施例では、第１部材１１を支持部材としたが、これに限定されず、第１部材１１を壁や天井等としてもよい。また、実施例では、第２部材１２を軸状の出力部材としたが、これに限定されず、出力部材に代えてカメラやセンサー等を備えてもよい。例えば、図１及び２における第２部材１２に代えてカメラを取り付け、これらのカメラを含む歯車セットを監視カメラやドローンに搭載することにより、撮影角度を全方向に制御可能な撮影装置を得ることができる。

即ち、本発明の作用及び効果を奏する限りにおいて、本発明は、実施例に限定されるものではない。

本発明は、産業用の汎用ロボットに好適である。

１０…関節装置、１１…第１部材（支持部材）、１２…第２部材（出力部材）、２０…ホルダー、２１…球状支持部、３０…球状歯車、３２…全表面、３３…平歯車の輪郭、３４…歯、３４ａ…従動極点、４０…第１駆動ユニット、４１…第１駆動機構、４２…軸回転用モータ、４３…歯車回転用モータ、４４…差動機構、５０…第１鞍状歯車、５１…駆動極点歯（駆動極点）、５２…湾曲面、６０…第２駆動ユニット、６１…第２駆動機構、６２…軸回転用モータ、６３…歯車回転用モータ、６４…差動機構、７０…第２鞍状歯車、Ｗ…所定の歯幅。

Claims (8)

1. 第１部材と第２部材との間に設けられる３自由度の関節装置であって、
   前記第１部材に設けられ、球体を支持可能な球状支持部が形成されたホルダーと、
   前記ホルダーの前記球状支持部に回転可能に支持され、前記球体の全表面に前記球体の中心を通る第１地軸及び第２地軸を含む仮想平面に形成された平歯車の輪郭を前記第１地軸まわり及び前記第２地軸まわりにそれぞれ切った歯構造を有すると共に前記第２部材が設けられた球状歯車と、
   前記ホルダーに設けられ、前記球状歯車を駆動する第１駆動ユニットと、
   前記ホルダーに設けられ、前記球状歯車を駆動する第２駆動ユニットと、を備え、
   前記第１駆動ユニットは、前記球状歯車に噛み合う第１鞍状歯車と、前記第１鞍状歯車を歯車回転させると共に前記球状歯車の中心及び前記第１鞍状歯車の中心を通る第１軸まわりに回転駆動させる第１駆動機構と、を備え、
   前記第１鞍状歯車は、前記球状歯車の前記第１地軸に対して経線方向に噛み合い部が移動する力を伝達する歯車回転、前記第１軸まわりの力を伝達する軸回転、及び緯線方向に滑って噛み合い部が移動する力を伝達しない横スライドという３つの相互作用によって、前記球状歯車の回転３自由度のうち前記第１地軸まわりの回転自由度以外の２つを常に拘束可能とし、円錐形状、円錐台形状又は円環形状の駆動極点歯と、所定の歯幅を有し、歯面が湾曲形状である湾曲歯と、を備え、
   前記第２駆動ユニットは、前記球状歯車に噛み合う第２鞍状歯車と、前記第２鞍状歯車を歯車回転させると共に前記球状歯車の中心及び前記第２鞍状歯車の中心を通る第２軸まわりに回転駆動させる第２駆動機構と、を備え、
   前記第２鞍状歯車は、前記球状歯車の前記第２地軸に対して経線方向に噛み合い部が移動する力を伝達する歯車回転、前記第２軸まわりの力を伝達する軸回転、及び緯線方向に滑って噛み合い部が移動する力を伝達しない横スライドという３つの相互作用によって、前記球状歯車の回転３自由度のうち前記第２地軸まわりの回転自由度以外の２つを常に拘束可能とし、円錐形状、円錐台形状又は円環形状の駆動極点歯と、所定の歯幅を有し、歯面が湾曲形状である湾曲歯と、を備えていることを特徴とする関節装置。
2. 請求項１記載の関節装置であって、
   前記球状歯車の前記歯構造は、前記第１地軸上の２つの従動極点の間の中間部分で平歯車と噛み合い、前記第１地軸上の前記従動極点に近づくにつれて曲率が大きくなる形状であり、
   前記第１鞍状歯車及び前記第２鞍状歯車は、前記駆動極点歯から前記第１鞍状歯車及び前記第２鞍状歯車の周方向へ離れるにつれて前記湾曲歯の歯面の曲率が小さくなることを特徴とする関節装置。
3. 請求項１又は請求項２記載の関節装置であって、
   前記第１駆動機構及び前記第２駆動機構は、前記第１鞍状歯車又は前記第２鞍状歯車を歯車回転させるための歯車回転用モータと、前記第１軸まわりの回転駆動又は前記第２軸まわりの回転駆動を行うための軸回転用モータと、前記第１鞍状歯車又は第２鞍状歯車と前記歯車回転用モータ及び前記軸回転用モータとの間に設けられた差動機構と、をそれぞれ備えていることを特徴とする関節装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の関節装置であって、
   前記第１駆動機構の前記歯車回転用モータの回転軸及び前記軸回転用モータの回転軸は、前記第１軸と直交方向に配置され、
   前記第２駆動機構の前記歯車回転用モータの回転軸及び前記軸回転用モータの回転軸は、前記第２軸と直交方向に配置されていることを特徴とする関節装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の関節装置であって、
   前記第１鞍状歯車又は前記第２鞍状歯車と噛み合う前記球状歯車の歯数は、前記第１鞍状歯車及び前記第２鞍状歯車の歯数の１倍又は２倍であることを特徴とする関節装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載の関節装置であって、
   前記関節装置は、汎用ロボットに適用されていることを特徴とする関節装置。
7. 球体の全表面に前記球体の中心を通る第１地軸を含む仮想平面に形成された平歯車の輪郭を前記第１地軸まわりに切った歯構造を有する球状歯車と、
   前記球状歯車に噛み合う第１鞍状歯車であって、
   前記球状歯車の前記第１地軸に対して経線方向に噛み合い部が移動する力を伝達する歯車回転、前記球状歯車の中心及び前記第１鞍状歯車の中心を通る第１軸まわりの力を伝達する軸回転、及び緯線方向に滑って噛み合い部が移動する力を伝達しない横スライドという３つの相互作用によって、前記球状歯車の回転３自由度のうち前記第１地軸まわりの回転自由度以外の２つを常に拘束可能とし、円錐形状、円錐台形状又は円環形状の駆動極点歯、並びに、所定の歯幅を有し、歯面が湾曲形状である湾曲歯を備えている前記第１鞍状歯車と、
   から構成されることを特徴とする歯車セット。
8. 球体の全表面に前記球体の中心を通る第１地軸及び第２地軸を含む仮想平面に形成された平歯車の輪郭を前記第１地軸まわり及び前記第２地軸まわりにそれぞれ切った歯構造を有する球状歯車と、
   前記球状歯車に噛み合う第１鞍状歯車であって、前記球状歯車の前記第１地軸に対して経線方向に噛み合い部が移動する力を伝達する歯車回転、前記球状歯車の中心及び前記第１鞍状歯車の中心を通る第１軸まわりの力を伝達する軸回転、及び緯線方向に滑って噛み合い部が移動する力を伝達しない横スライドという３つの相互作用によって、前記球状歯車の回転３自由度のうち前記第１地軸まわりの回転自由度以外の２つを常に拘束可能とし、円錐形状、円錐台形状又は円環形状の駆動極点歯、並びに、所定の歯幅を有し、歯面が湾曲形状である湾曲歯を備えている前記第１鞍状歯車と、
   前記球状歯車に噛み合う第２鞍状歯車であって、前記球状歯車の前記第２地軸に対して経線方向に噛み合い部が移動する力を伝達する歯車回転、前記球状歯車の中心及び前記第２鞍状歯車の中心を通る第２軸まわりの力を伝達する軸回転、及び緯線方向に滑って噛み合い部が移動する力を伝達しない横スライドという３つの相互作用によって、前記球状歯車の回転３自由度のうち前記第２地軸まわりの回転自由度以外の２つを常に拘束可能とし、円錐形状、円錐台形状又は円環形状の前記駆動極点歯、並びに、所定の歯幅を有し、歯面が湾曲形状である湾曲歯を備えている前記第２鞍状歯車と、
   から構成されることを特徴とする歯車セット。

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