JP2022063827A - 回転ジョイント - Google Patents
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Abstract
【課題】マニピュレータ用の関節として機能する回転ジョイントを提供すること。【解決手段】回転ジョイントは、筐体、入力回転体、駆動モータ、および出力回転体を備える。入力回転体は筐体の少なくとも一部を囲む。駆動モータは筐体に固定され、入力回転体を囲み、入力回転体を筐体の上記少なくとも一部の周りで回転させる。出力回転体は駆動モータを囲み、筐体から少なくとも一部が露出し、入力回転体の回転軸と同軸に回転する。【選択図】図2
Description
本発明の実施形態の一つは、マニピュレータの関節部として機能する回転ジョイントおよびこの回転ジョイントを含むマニピュレータに関する。
現在、産業用のマニピュレータ(ロボット)が様々な分野で利用されている。マニピュレータは、複数のアーム(リンク)、およびアーム同士を連結する関節を基本的な構成として有している。関節は、連結される二つのアームが延伸する方向の間の角度(オフセット角)を変化させる、または連結されるアーム同士のねじれ角を変化させ、これにより、末端のアームに取り付けられるエンドエフェクタを任意の場所に移動することができる。各関節にはモータが取り付けられ、モータを適宜動作させることで産業用ロボットの動きが制御される(特許文献1から3参照)。
本発明の実施形態の一つは、マニピュレータ用の関節として機能する、新規構造を有する回転ジョイントを提供することを課題の一つとする。あるいは、本発明の実施形態の一つは、コンパクトな形状のマニピュレータを構成することができる回転ジョイントを提供することを課題の一つとする。あるいは、本発明の実施形態の一つは、上記回転ジョイントを含むマニピュレータを提供することを課題の一つとする。
本発明の実施形態の一つは、回転ジョイントである。この回転ジョイントは、筐体、入力回転体、駆動モータ、および出力回転体を備える。入力回転体は筐体の少なくとも一部を囲む。駆動モータは筐体に固定され、入力回転体を囲み、入力回転体を筐体の上記少なくとも一部の周りで回転させる。出力回転体は駆動モータを囲み、筐体から少なくとも一部が露出し、入力回転体の回転軸と同軸に回転する。
本発明の実施形態の一つは、マニピュレータである。このマニピュレータは、回転ジョイント、および回転ジョイントに連結される第1のアームを備える。回転ジョイントは、筐体、入力回転体、駆動モータ、および出力回転体を備える。入力回転体は筐体の少なくとも一部を囲む。駆動モータは筐体に固定され、入力回転体を囲み、入力回転体を筐体の上記少なくとも一部の周りで回転させる。出力回転体は駆動モータを囲み、筐体から少なくとも一部が露出し、入力回転体の回転軸と同軸に回転する。第1のアームは、回転ジョイントの出力回転体に連結される。
本発明の実施形態の一つは、マニピュレータである。このマニピュレータは、回転ジョイント、および第2のアームを備える。回転ジョイントは、筐体、入力回転体、駆動モータ、および出力回転体を備える。入力回転体は筐体の少なくとも一部を囲む。駆動モータは筐体に固定され、入力回転体を囲み、入力回転体を筐体の上記少なくとも一部の周りで回転させる。出力回転体は駆動モータを囲み、筐体から少なくとも一部が露出し、入力回転体の回転軸と同軸に回転する。筐体は、出力回転体を挟むように配置され、筐体の外表面から回転軸に対して垂直に延伸する一対のねじ穴を有する。第2のアームは、一対のねじ穴を介して固定される。
以下、本発明の実施形態に係る回転ジョイント100および回転ジョイント100を含むマニピュレータ200について、図面等を参照しつつ説明する。ただし、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲において様々な態様で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。本明細書と各図において、既出の図に関して説明したものと同様の機能を備えた要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略することがある。同一または類似する構成を有する複数の要素を個別に表す場合には符号にハイフンと自然数を用い、これら複数の要素を区別することなく、複数または個々の要素を表す場合には符号のみを用いる。また、一つの要素の部分を表す場合には、符号と小文字のアルファベットを用いる。
本明細書および特許請求の範囲において、ある構造体の上に他の構造体を配置する態様を表現するにあたり、単に「上に」と表記する場合、特に断りの無い限りは、ある構造体に接するように、直上に他の構造体を配置する場合と、ある構造体の上方に、さらに別の構造体を介して他の構造体を配置する場合との両方を含むものとする。
以下、「ある構造体が他の構造体から露出する」という表現は、ある構造体の一部が他の構造体によって覆われていない態様を意味し、この他の構造体によって覆われていない部分は、さらに別の構造体によって覆われる態様も含む。
1.マニピュレータ
図1に回転ジョイント100および回転ジョイント100を含むマニピュレータ200の模式的斜視図を示す。詳細は後述するが、この図においては、回転ジョイント100に関しては、その構成の一部である筐体110と出力回転体190が図示されている。
図1に回転ジョイント100および回転ジョイント100を含むマニピュレータ200の模式的斜視図を示す。詳細は後述するが、この図においては、回転ジョイント100に関しては、その構成の一部である筐体110と出力回転体190が図示されている。
回転ジョイント100は、全体として円柱形状を有しており、筐体110の一部はこの円柱形状の側面の一部を構成する。出力回転体190は円筒形状を有し、回転ジョイント100の円柱形状の側面の一部を構成する。後述するように、出力回転体190は、この円柱形状の中心軸(円柱形状の上面と底面の中心を貫通する軸であり、図中、x方向に平行な回転軸Ar)を中心に筐体110の一部の周りを回転する(図中、矢印216)。出力回転体190は、x方向において筐体110の一部に挟まれるように配置される。ここで、円柱とは互いに平行な上面と底面、および上面と底面を接続する湾曲した側面から形成される三次元形状を指す。上面、底面、および側面の上面または底面に平行な断面は円であり、側面は、上面と底面の中心を貫通する軸に対して垂直な法線を有する面である。以下、便宜上、x方向においてより正側の面(図1に図示される右側の面)を上面とし、これに対向する図示されない面を底面とする。
回転ジョイント100には、少なくとも二つのアーム202を連結することができる。一方のアーム202-1は、出力回転体190に直接、またはコネクタ204などの間接部材を介し、ねじなどによって連結される。アーム202-1またはコネクタ204には、アーム202-1が延伸する方向に延伸する回転軸(アーム回転軸)を中心にアーム202-1を回転させるモータ(図示しない)を内蔵することができ、これにより、出力回転体190の回転による回転軸Arを中心とする回転機能(図中、矢印208)、および内臓モータによるアーム回転軸を中心とする回転機能(図中、矢印210)をアーム202-1に付与することができる。
アーム202-1を出力回転体190に連結することにより、回転ジョイント100が有する円柱形状の上面または底面ではなく側面からアーム202-1を延伸させることができる。このため、回転ジョイント100との連結時にアーム202-1をx方向にオフセットさせる必要がなく、マニピュレータ200がx方向に嵩張ることを防ぐことができ、コンパクトな形状を有するマニピュレータを提供することができる。図示しないが、アーム202-1の回転ジョイント100とは反対の端部には、エンドエフェクタを連結してもよい。
他方のアーム202-2は、筐体110に連結される。ここで、アーム202-2は、筐体110が構成する円柱形状の上面や底面ではなく、側面に連結される。より具体的には、筐体110の出力回転体190を挟持する部分のうち、回転軸Arに対して垂直な法線を有する表面にアーム202-2が直接、またはコネクタ206を介して連結される。アーム202-2またはコネクタ206にはモータ(図示しない)が内蔵され、このモータによってアーム202-2が延伸する方向に延伸する回転軸を中心とする回転機能(図中、矢印212)がアーム202-2に与えられる。この回転機能により、回転ジョイント100とアーム202-1をアーム202-2の回転軸を中心に回転することができる。
上述したように、アーム202-2は筐体110が構成する円柱形状の上面や底面ではなく側面に固定される。このため、回転ジョイント100との連結時にアーム202-2をx方向にオフセットさせる必要がない。また、アーム202-2の固定の際、回転ジョイント100をx方向において挟持するクランプなどの固定部材を使用する必要がない。このため、マニピュレータ200がx方向に嵩張ることを防ぐことができ、コンパクトな形状を有するマニピュレータを提供することができる。
2.回転ジョイント
以下、回転ジョイント100の構造を図2から図8を用いて説明する。図2は回転ジョイント100の構造を説明するための概念図であり、図3(A)と図3(B)は回転ジョイント100の一例の全体を表す模式的斜視図である。図2では、見やすさを考慮し、筐体110は一部のみが示されており、出力回転体190は点線で示されている。図4と図5はそれぞれ回転ジョイント100の一例の模式的な断面斜視図と断面図である。図6は図5に対応する模式的断面図であり、ここでは、筐体110以外の部材は点線で示されている。図7と図8は、回転ジョイント100の一例の一部の模式的断面図である。
以下、回転ジョイント100の構造を図2から図8を用いて説明する。図2は回転ジョイント100の構造を説明するための概念図であり、図3(A)と図3(B)は回転ジョイント100の一例の全体を表す模式的斜視図である。図2では、見やすさを考慮し、筐体110は一部のみが示されており、出力回転体190は点線で示されている。図4と図5はそれぞれ回転ジョイント100の一例の模式的な断面斜視図と断面図である。図6は図5に対応する模式的断面図であり、ここでは、筐体110以外の部材は点線で示されている。図7と図8は、回転ジョイント100の一例の一部の模式的断面図である。
2-1.概要
回転ジョイント100は、上述した筐体110と出力回転体190に加え、入力回転体130と駆動モータ150を基本的な構成として備える(図2)。回転ジョイント100はさらに、入力回転体130の回転駆動力を出力回転体190に伝達する減速機170を有することができる。駆動モータ150によって入力回転体130が筐体110の一部の周りを円周状に回転する。入力回転体130の回転駆動力は減速機170を介して出力回転体190に伝達することができ、出力回転体190が筐体110の一部、入力回転体130、および駆動モータ150を囲みながら、これらの周りを円周状に回転する。出力回転体190と入力回転体130の回転軸は同軸であり、回転軸Arである。
回転ジョイント100は、上述した筐体110と出力回転体190に加え、入力回転体130と駆動モータ150を基本的な構成として備える(図2)。回転ジョイント100はさらに、入力回転体130の回転駆動力を出力回転体190に伝達する減速機170を有することができる。駆動モータ150によって入力回転体130が筐体110の一部の周りを円周状に回転する。入力回転体130の回転駆動力は減速機170を介して出力回転体190に伝達することができ、出力回転体190が筐体110の一部、入力回転体130、および駆動モータ150を囲みながら、これらの周りを円周状に回転する。出力回転体190と入力回転体130の回転軸は同軸であり、回転軸Arである。
後述するように、回転ジョイント100はさらに、出力回転体190の位置を判断するためのエンコーダ160、回転ジョイント100の円柱形状の上面と底面に相当する部分にサイドキャップ112などを任意の構成として備えてもよい(図3(A)から図6参照)。また、図示しないが、入力回転体130や出力回転体190の動作を停止するためのブレーキを設けてもよい。
2-2.筐体
(1)構造と機能
筐体110の構成や構造に制約はないが、図4と図5に示すように、筐体110は、筐体110内に固定される駆動モータ150と減速機170を固定し、可動部である入力回転体130と出力回転体190を収容するように構成される。また、筐体110は、その一部が入力回転体130に囲まれ、入力回転体130の内部を覆うように構成される。さらに、筐体110は、一部がx方向において出力回転体190を挟むように構成される。筐体110は、円柱形状の上面と底面に相当する部分においてサイドキャップ112を固定できるように構成されてもよい。
(1)構造と機能
筐体110の構成や構造に制約はないが、図4と図5に示すように、筐体110は、筐体110内に固定される駆動モータ150と減速機170を固定し、可動部である入力回転体130と出力回転体190を収容するように構成される。また、筐体110は、その一部が入力回転体130に囲まれ、入力回転体130の内部を覆うように構成される。さらに、筐体110は、一部がx方向において出力回転体190を挟むように構成される。筐体110は、円柱形状の上面と底面に相当する部分においてサイドキャップ112を固定できるように構成されてもよい。
例えば図6に示すように、筐体110の一部であるパーツ110aは、入力回転体130を挟み込むように収容し、入力回転体130の内側を覆うことで入力回転体130を保護するとともに、減速機170を固定する支持体として機能する。
筐体110の他の一部であるパーツ110bは、筐体110に十分な物理的強度を付与するとともに、x方向において出力回転体190の側面を覆い、出力回転体190を挟む。パーツ110bと出力回転体190の外表面(回転軸Arに垂直な法線を有する外表面)によって円柱形状の側面が構成される。パーツ110bと出力回転体190の外表面は、同一曲面上であってもよい。すなわち、回転軸Arに対して垂直な方向において、回転軸Arから筐体110の外表面までの距離と、回転軸Arから出力回転体190の外表面までの距離は同一でもよい。あるいは、これらの距離の差は、1mm以上10mm以下であってもよい。このように筐体110と出力回転体190を構成することにより、デザイン性が向上するだけでなく、アーム202の回転時にアーム202と筐体110との干渉を防ぐことができる。なお、ここで、各部材の外表面とは、回転軸Arに対して垂直な方向において回転軸Arから遠い方の面を指す。
筐体110のさらに他の部分であるパーツ110cは、パーツ110bと協同的に駆動モータ150や入力回転体130を覆うことでこれらを保護するとともに、エンコーダ160を固定するための支持体として用いることができる。
筐体110のさらに他の部分であるパーツ110dは、サイドキャップ112を固定するためのリブとして機能することができる。パーツ110dは、サイドキャップ112を筐体110の他の部分(例えばパーツ110a、110bなど)から離隔して回転ジョイント100内部に空間118を形成するように構成することができる。パーツ110dには回転軸Arが通る開口を設けることができ、これにより、サイドキャップ112を取り外すことで空間118をx方向に開放することができる。
上述したパーツ110a、110b、110c、110dは機能によって定義されており、必ずしも物理的に分離可能である必要は無い。また、筐体110は、上述したパーツ110a、110b、110c、110d以外のパーツを含んでもよい。したがって、筐体110は一体化された一つの構造体であってもよく、複数のパーツがボルトまたは接着剤などによって固定されることで構成されてもよい。例えば、上述したパーツ110aから110dは一体化されていてもよく、あるいは互いに接続された独立した部材であってもよい。筐体110は鉄やアルミニウム、チタンなどの金属材料やステンレスなどの合金材料で構成してもよく、あるいは繊維強化プラスチックなどの高分子を含む材料で構成してもよい。
(2)貫通孔
図2や図4、図5に示されるように、筐体110は、回転軸Arに沿って延伸し、空間118と繋がる貫通孔110fを有してもよい。貫通孔110fの大きさは任意に設定でき、例えばその直径は、1cm以上20cm以下の範囲から適宜選択すればよい。貫通孔110fを設けることで、回転ジョイント100は所謂中空構造を有することになり、この貫通孔110fを利用することで、アーム202-1、202-2を駆動するモータやこれらに搭載されるセンサのための電源ケーブルを貫通孔110fを通して配置することができる。その結果、マニピュレータ200の電源ケーブルが外部に露出する部分を大幅に低減することができる。このことは、高いデザイン性を有するマニピュレータ200の提供のみならず、電源ケーブルの干渉による事故や動作不良を防止することにも寄与する。
図2や図4、図5に示されるように、筐体110は、回転軸Arに沿って延伸し、空間118と繋がる貫通孔110fを有してもよい。貫通孔110fの大きさは任意に設定でき、例えばその直径は、1cm以上20cm以下の範囲から適宜選択すればよい。貫通孔110fを設けることで、回転ジョイント100は所謂中空構造を有することになり、この貫通孔110fを利用することで、アーム202-1、202-2を駆動するモータやこれらに搭載されるセンサのための電源ケーブルを貫通孔110fを通して配置することができる。その結果、マニピュレータ200の電源ケーブルが外部に露出する部分を大幅に低減することができる。このことは、高いデザイン性を有するマニピュレータ200の提供のみならず、電源ケーブルの干渉による事故や動作不良を防止することにも寄与する。
(3)開口
筐体110にはさらに、駆動モータ150を電源と接続するための電源ケーブルやアーム202から延伸する電源ケーブルを挿入するための開口110gを設けることができる(図2、図4、図5参照)。開口110gは、筐体110の外表面のうち、回転軸Arに対して垂直な法線を有する表面に設けられる。貫通孔110fが設けられる場合には、開口110gは貫通孔110fへ繋がるように形成され、空間118は開口110gへ繋がる。
筐体110にはさらに、駆動モータ150を電源と接続するための電源ケーブルやアーム202から延伸する電源ケーブルを挿入するための開口110gを設けることができる(図2、図4、図5参照)。開口110gは、筐体110の外表面のうち、回転軸Arに対して垂直な法線を有する表面に設けられる。貫通孔110fが設けられる場合には、開口110gは貫通孔110fへ繋がるように形成され、空間118は開口110gへ繋がる。
開口110gは少なくとも二つ、好ましくは4つまたはそれ以上設けられる。開口110gを二つ設ける場合には、開口110gはいずれも出力回転体190に対して同じ側に設けられ、かつ、二つの開口110gが回転軸Arを介して重なるように配置すればよい。二つの開口110gは空間118を介して繋がり、電源ケーブルを一方の開口110gから空間118を介して他方の開口110gへ通すことができる。開口110gを四つ設ける場合には、一方の対の開口110gを出力回転体190に対して一方の側に設け、かつ、これらの開口110gが回転軸Arを介して互いに重なるように配置する。一方、他方の対の開口110gは、出力回転体190に対して一方の対の開口110gとは反対側に設け、かつ、他方の対の開口110g同士が回転軸Arを介して互いに重なるように配置する。いずれの対の開口110gも空間118と繋がるため、電源ケーブルを上面側と底面側の両方に配することが可能となり、配線の配置自由度を向上させることができる。
(4)ねじ穴
筐体110にはさらに、アーム202-2との接続のためのねじ穴110eを設けることができる(図3(A)、図3(B)、図4)。ねじ穴110eは、筐体110の回転軸Arに垂直な法線を有する外表面、すなわち、円柱形状の側面を構成する面から回転軸Arに対して垂直な方向に延伸する。ねじ穴110eは少なくとも二つ設けることが好ましく、四つのねじ穴110eを設けてもよい。二つのねじ穴110eを設ける場合、これらは出力回転体190を挟むように設けられる。四つのねじ穴110eを設ける場合には、一方の対のねじ穴110eを出力回転体190の一方の側に設け、他方の対のねじ穴110eを出力回転体190の他方の側に設ける。好ましくは、一対のねじ穴110eが開口110gを挟むように設ける。このようにねじ穴110eを設けることで、開口110gの近傍に一対のねじ穴110eを配置できるので、アーム202-2を確実に連結できるのみならず、アーム202-2から延伸する電源ケーブルがマニピュレータ200から露出する部分の長さを低減することができる。
筐体110にはさらに、アーム202-2との接続のためのねじ穴110eを設けることができる(図3(A)、図3(B)、図4)。ねじ穴110eは、筐体110の回転軸Arに垂直な法線を有する外表面、すなわち、円柱形状の側面を構成する面から回転軸Arに対して垂直な方向に延伸する。ねじ穴110eは少なくとも二つ設けることが好ましく、四つのねじ穴110eを設けてもよい。二つのねじ穴110eを設ける場合、これらは出力回転体190を挟むように設けられる。四つのねじ穴110eを設ける場合には、一方の対のねじ穴110eを出力回転体190の一方の側に設け、他方の対のねじ穴110eを出力回転体190の他方の側に設ける。好ましくは、一対のねじ穴110eが開口110gを挟むように設ける。このようにねじ穴110eを設けることで、開口110gの近傍に一対のねじ穴110eを配置できるので、アーム202-2を確実に連結できるのみならず、アーム202-2から延伸する電源ケーブルがマニピュレータ200から露出する部分の長さを低減することができる。
2-3.入力回転体
入力回転体130は、少なくとも筐体110の一部(例えば上述したパーツ110a)を囲む筒状の形状を有し、筐体110の一部の周りを円周状に回転するように配置される(図2、図4、図5)。入力回転体130には永久磁石が配置されており、駆動モータ150に流れる電流による誘導作用によって駆動される。
入力回転体130は、少なくとも筐体110の一部(例えば上述したパーツ110a)を囲む筒状の形状を有し、筐体110の一部の周りを円周状に回転するように配置される(図2、図4、図5)。入力回転体130には永久磁石が配置されており、駆動モータ150に流れる電流による誘導作用によって駆動される。
入力回転体130の大きさに制約はなく、その内径は入力回転体130によって囲まれる筐体110の一部(例えば、パーツ110a)の外径以上であればよい。入力回転体130の外径は、例えば3cmよりも大きく50cm以下の範囲で選択することができる。入力回転体130の長さ(x方向における長さ)も任意に設定でき、例えば10cm以上50cm以下の範囲から選択すればよい。
2-4.駆動モータ
駆動モータ150は、入力回転体130を回転させるための筒状の形状を有するモータであり、筐体110に固定され、入力回転体130の外周の少なくとも一部を囲むように設けられる。駆動モータ150が形成する円筒の形状の中心軸は、回転軸Arと同軸でもよい。駆動モータ150には、空間118と開口110gを経由する電源ケーブルを介して外部電源から電源が供給され、この電気エネルギーが入力回転体130の回転に利用される。
駆動モータ150は、入力回転体130を回転させるための筒状の形状を有するモータであり、筐体110に固定され、入力回転体130の外周の少なくとも一部を囲むように設けられる。駆動モータ150が形成する円筒の形状の中心軸は、回転軸Arと同軸でもよい。駆動モータ150には、空間118と開口110gを経由する電源ケーブルを介して外部電源から電源が供給され、この電気エネルギーが入力回転体130の回転に利用される。
駆動モータ150の固定方法は任意であり、ねじで固定してもよく、接着剤を用いて固定してもよい。後者の場合、図7に示すように、筐体110の駆動モータ150が接触する面に溝110iを設け、この溝110iに接着剤を注入してもよい。これにより、十分な量の接着剤で駆動モータ150の固定ができるため、回転ジョイント100内に駆動モータ150を強固に固定することができる。また、ねじを用いる必要がなくなるため、回転ジョイント100の軽量化が可能となる。
2-5.減速機
減速機170は、入力回転体130の回転数を減じるとともに、入力回転体130から得られる回転駆動力を出力回転体190に伝達し、入力回転体130の回転数よりも低い回転数で出力回転体190を回転するように構成される。減速機170は、出力回転体190の回転方向が入力回転体130の回転方向と同一になるように構成されていてもよく、回転方向が互いに反対になるように構成されていてもよい。
減速機170は、入力回転体130の回転数を減じるとともに、入力回転体130から得られる回転駆動力を出力回転体190に伝達し、入力回転体130の回転数よりも低い回転数で出力回転体190を回転するように構成される。減速機170は、出力回転体190の回転方向が入力回転体130の回転方向と同一になるように構成されていてもよく、回転方向が互いに反対になるように構成されていてもよい。
減速機170の構成にも制約はなく、例えばサーキュラスプライン170a、ウェーブジェネレータ170b、およびフレキシブルスプライン170cなどによって構成することができる(図5)。サーキュラスプライン170aとフレキシブルスプライン170cはそれぞれ出力回転体190と筐体110に固定される。一方、ウェーブジェネレータ170bは、入力回転体130に直接または間接的に接続される。減速機170の固定方法は任意に選択され、接着剤やボルト、ねじなどを用いて行えばよい。図4と図5に示した例では、入力回転体130にはモータ軸132が接続され、モータ軸132を介して入力回転体130がウェーブジェネレータ170bにボルトによって固定される。したがって、入力回転体130の回転はモータ軸132を介してウェーブジェネレータ170bに伝達される。同様に、フレキシブルスプライン170cもボルトによって筐体110に固定される。サーキュラスプライン170aの内側とフレキシブルスプライン170cの外側には歯が刻まれているが、後者の歯数は前者の歯数より多いため、入力回転体130の回転数よりも少ない回転数でサーキュラスプライン170aが回転し、これに伴い、減速機170によって増大されたトルクで出力回転体190が回転する。
2-6.出力回転体
出力回転体190は、外観が概ね筒状の形状を有する回転体であり、その筒状形状の内部に入力回転体130によって囲まれる筐体110の一部のみならず、駆動モータ150、入力回転体130が配置される(図2、図4、図5)。換言すると、出力回転体190は、筐体110の一部、駆動モータ150、および入力回転体130を囲むように構成される。入力回転体130の回転が減速機170によって出力回転体190に伝達され、その結果、出力回転体190が筐体110の一部、入力回転体130、および駆動モータ150の周囲を円周状に回転する。出力回転体190の回転軸は入力回転体130のそれと同軸であり、いずれの回転体も回転軸Arを中心として回転する。出力回転体190に含まれる材料としては、例えば鉄やアルミニウム、チタンなどの金属、あるいはステンレスなどの合金が挙げられる。
出力回転体190は、外観が概ね筒状の形状を有する回転体であり、その筒状形状の内部に入力回転体130によって囲まれる筐体110の一部のみならず、駆動モータ150、入力回転体130が配置される(図2、図4、図5)。換言すると、出力回転体190は、筐体110の一部、駆動モータ150、および入力回転体130を囲むように構成される。入力回転体130の回転が減速機170によって出力回転体190に伝達され、その結果、出力回転体190が筐体110の一部、入力回転体130、および駆動モータ150の周囲を円周状に回転する。出力回転体190の回転軸は入力回転体130のそれと同軸であり、いずれの回転体も回転軸Arを中心として回転する。出力回転体190に含まれる材料としては、例えば鉄やアルミニウム、チタンなどの金属、あるいはステンレスなどの合金が挙げられる。
出力回転体190は、少なくとも一部が筐体から露出し、その露出した面、すなわち、外表面(回転軸Arに対して垂直な法線を有する面)にもアーム202-1との接続のためのねじ穴190aを設けることができる(図3(A)から図5)。ねじ穴190aは、出力回転体190の外表面から回転軸Arに対して垂直な方向に延伸する。ねじ穴190aは少なくとも二つ設けることが好ましく、四つのねじ穴190aを設けてもよい。二つのねじ穴190aを設ける場合、これらは回転軸Arに平行な直線上に位置するように配置される。四つのねじ穴110eを設ける場合には、一方の対のねじ穴190aが回転軸Arに平行な直線上に位置するように配置され、他方のねじ穴190aも回転軸Arに平行な異なる直線上に位置するように配置される。さらに、一方の対のねじ穴190aの一つと他方の対のねじ穴190aの一つが回転軸Ar上の一点を中心とする円周上に配置され、一方の対のねじ穴190aの他方と他方の対のねじ穴190aの他方が回転軸Ar上の一点を中心とする異なる円周上に配置される。このようにねじ穴190aを設けることで、アーム202-1を出力回転体190に確実に連結することができる。
2-7.エンコーダ
任意の構成であるエンコーダ160の構成に制約はなく、光学式エンコーダでもよく、磁気式エンコーダ、電磁誘導式エンコーダでもよい。磁気式エンコーダの場合には、図5に示すように、エンコーダ160は、磁気パターニングされた磁気リング160a、磁気リング160aの磁界を検知する磁気センサ160b、および磁気センサ160bを制御するエンコーダ基板160cなどで構成することができる。磁気リング160aは入力回転体130または入力回転体130に固定されて同時に回転する部材(例えばモータ軸132)に取り付けられ、入力回転体130と共に回転する。一方、磁気センサ160bとエンコーダ基板160cは筐体110に固定される。磁気リング160aの回転による磁界の変化が磁気センサ160bによって検出され、この変化をエンコーダ基板160cによって処理することで、入力回転体130の回転回数と位置を算出し、このデータに基づいて出力回転体190の筐体110に対する相対的位置が決定される。図示しないが、エンコーダ160の磁気リング160aを出力回転体190またはこれに固定される部材に取り付け、出力回転体190の回転による磁気変化を磁気センサ160bによって検出するよう、回転ジョイント100を構成してもよい。
任意の構成であるエンコーダ160の構成に制約はなく、光学式エンコーダでもよく、磁気式エンコーダ、電磁誘導式エンコーダでもよい。磁気式エンコーダの場合には、図5に示すように、エンコーダ160は、磁気パターニングされた磁気リング160a、磁気リング160aの磁界を検知する磁気センサ160b、および磁気センサ160bを制御するエンコーダ基板160cなどで構成することができる。磁気リング160aは入力回転体130または入力回転体130に固定されて同時に回転する部材(例えばモータ軸132)に取り付けられ、入力回転体130と共に回転する。一方、磁気センサ160bとエンコーダ基板160cは筐体110に固定される。磁気リング160aの回転による磁界の変化が磁気センサ160bによって検出され、この変化をエンコーダ基板160cによって処理することで、入力回転体130の回転回数と位置を算出し、このデータに基づいて出力回転体190の筐体110に対する相対的位置が決定される。図示しないが、エンコーダ160の磁気リング160aを出力回転体190またはこれに固定される部材に取り付け、出力回転体190の回転による磁気変化を磁気センサ160bによって検出するよう、回転ジョイント100を構成してもよい。
2-8.サイドキャップ
任意の構成であるサイドキャップ112は、回転軸Arに対して垂直な主面を有し、回転ジョイント100の円柱形状の上面や底面を構成するように配置することができる。サイドキャップ112は、筐体110に対し、摩擦力のみ、あるいはねじ114、116を用いて着脱できるように取り付けられる(図3(A)、図3(B))。サイドキャップ112は、開口110gと繋がる空間118の側壁として機能することができ、取り外すことで空間118をx方向に開放できるように設けられる。したがって、サイドキャップ112を取り外すことにより、空間118内に配される電源ケーブルを視認することができ、その結果、電源ケーブルの状態を容易に確認することが可能となる。
任意の構成であるサイドキャップ112は、回転軸Arに対して垂直な主面を有し、回転ジョイント100の円柱形状の上面や底面を構成するように配置することができる。サイドキャップ112は、筐体110に対し、摩擦力のみ、あるいはねじ114、116を用いて着脱できるように取り付けられる(図3(A)、図3(B))。サイドキャップ112は、開口110gと繋がる空間118の側壁として機能することができ、取り外すことで空間118をx方向に開放できるように設けられる。したがって、サイドキャップ112を取り外すことにより、空間118内に配される電源ケーブルを視認することができ、その結果、電源ケーブルの状態を容易に確認することが可能となる。
図示しないが、サイドキャップ112には、筐体110の貫通孔110fとx方向において重なる貫通孔を設けてもよい。サイドキャップ112に貫通孔を設けることで、アーム202-1と電源を接続する電源ケーブルをサイドキャップ112の貫通孔から筐体110の貫通孔110fへ延伸させることができるため、電源ケーブルがマニピュレータ200から露出する部分の長さを低減することができる。
2-9.ベアリング
回転ジョイント100には、回転可能な部分として入力回転体130と出力回転体190を備える。このため、これらの回転体を円滑に回転させるため、ベアリングを設けてもよい。ベアリングの配置は任意であるが、例えば図5に示すように、一対のベアリング140、142を出力回転体190と筐体110の間に設けることができる。同様に、一対のベアリング144と146を入力回転体130と筐体110の間に設けることができる。ベアリングの構造や数に制約はなく、任意の構成を備えるベアリングを用いればよい。例えば出力回転体190と筐体110の間に三つ以上のベアリングを設けてもよい。
回転ジョイント100には、回転可能な部分として入力回転体130と出力回転体190を備える。このため、これらの回転体を円滑に回転させるため、ベアリングを設けてもよい。ベアリングの配置は任意であるが、例えば図5に示すように、一対のベアリング140、142を出力回転体190と筐体110の間に設けることができる。同様に、一対のベアリング144と146を入力回転体130と筐体110の間に設けることができる。ベアリングの構造や数に制約はなく、任意の構成を備えるベアリングを用いればよい。例えば出力回転体190と筐体110の間に三つ以上のベアリングを設けてもよい。
これらのベアリング140、142、144、146は、筐体110に設けられる段差に噛み合うように設けることができる。例えば図5の部分拡大図(図8)に示すように、回転軸Arに垂直な断面が回転軸Arと同心円となる面とこれに対し垂直な面によって形成される段差110hを筐体110に設け、この段差110hに噛み合うようにベアリング140、142を配置することができる。すなわち、段差110hを構成する筐体110の二つの面がベアリング140または142と同時に接するように、ベアリング140、142を配置することができる。図示しないが、ベアリング144、146に関しても同様である。このような配置を採用することで、ベアリングを安定的に筐体110内に配置することができる。
ベアリング140、142、144、146の固定方法は任意であり、単に物理的に配置するだけでもよく、ねじや接着剤で固定してもよい。接着剤で固定する場合には、筐体110、入力回転体130、および/または出力回転体190のベアリングと接触する面に溝を形成し、この溝に接着剤を注入することでベアリングを固定してもよい。例えば図8に示すように、出力回転体190のベアリング140と接触する面の一部に溝190bを設け、この溝190bに図示しない接着剤を注入すればよい。同様に、筐体110がベアリング142と接触する面の一部に溝110iを設け、この溝110iに接着剤を注入してもよい。図示しないが、入力回転体130のベアリング144または146と接触する面の一部に溝を形成し、この溝に接着剤を塗布してもよく、同様に、筐体110のベアリング140、142と接触する面に溝を形成し、この溝に接着剤を設けてもよい。このように、ベアリングが接触する部材の面に溝を設けて接着剤を注入することで、十分な量の接着剤でベアリングの固定ができるため、回転ジョイント100内にベアリングを強固に固定することができる。また、ねじを用いる必要がなくなるため、回転ジョイント100の軽量化が可能となる。
2-10.オイルシール
減速機170には、摩耗を防止するために比較的多量のオイルが用いられる。このオイルが外部に漏れ出す、あるいは駆動モータ150へ浸入することを防ぐため、オイルシールを設けることができる。オイルシールの数や構造、配置も適宜選択することができる。図5に示す例では、外部への漏れを防止するためのオイルシール120、126が筐体110と出力回転体190の間に設けられ、さらに駆動モータ150への浸入を防止するためのオイルシール122、124が筐体とモータ軸132の間に設けられている。オイルシールはリング状の形状を有し、その断面(回転ジョイント100に配置した際、回転軸Arに対して平行な断面)は、オイルシールの外側において平坦面であり、内側は尖っている。回転ジョイント100では、固定部である筐体110がオイルシールの外側と接触するようにこれらのオイルシール120、122、124、126を配置してもよく、あるいは内側が筐体110と接するように配置してもよい。
減速機170には、摩耗を防止するために比較的多量のオイルが用いられる。このオイルが外部に漏れ出す、あるいは駆動モータ150へ浸入することを防ぐため、オイルシールを設けることができる。オイルシールの数や構造、配置も適宜選択することができる。図5に示す例では、外部への漏れを防止するためのオイルシール120、126が筐体110と出力回転体190の間に設けられ、さらに駆動モータ150への浸入を防止するためのオイルシール122、124が筐体とモータ軸132の間に設けられている。オイルシールはリング状の形状を有し、その断面(回転ジョイント100に配置した際、回転軸Arに対して平行な断面)は、オイルシールの外側において平坦面であり、内側は尖っている。回転ジョイント100では、固定部である筐体110がオイルシールの外側と接触するようにこれらのオイルシール120、122、124、126を配置してもよく、あるいは内側が筐体110と接するように配置してもよい。
以上述べたように、本発明の実施形態の一つに係る回転ジョイント100は、同軸で筐体110の周りを回転する入力回転体130と出力回転体190を備え、出力回転体190が入力回転体130を取り囲みながら入力回転体130の周りを円周状に回転する。入力回転体130を駆動する筒状の駆動モータ150の中心軸は、入力回転体130と出力回転体190の回転軸Arと同軸でもよい。さらに、出力回転体190は、回転軸Arに垂直な法線を有する外表面にアームが連結されるように構成され、筐体110は、回転軸Arに垂直な法線を有する外表面に他のアームが連結されるように構成される。このため、この二つのアームを回転ジョイント100で連結する際、回転軸Ar方向にアームをオフセットする必要がなく(図1参照)、コンパクトな形状を有するマニピュレータ200を提供することが可能である。
本発明の実施形態として上述した実施形態を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったもの、または工程の追加、省略もしくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。上述した各実施形態の態様によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、または当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。
100:回転ジョイント、110:筐体、110a:パーツ、110b:パーツ、110c:パーツ、110d:パーツ、110e:ねじ穴、110f:貫通孔、110g:開口、110h:段差、110i:溝、112:サイドキャップ、114:ねじ、116:ねじ、120:オイルシール、122:オイルシール、124:オイルシール、126:オイルシール、130:入力回転体、132:モータ軸、140:ベアリング、142:ベアリング、144:ベアリング、146:ベアリング、150:駆動モータ、160:エンコーダ、160a:磁気リング、160b:磁気センサ、160c:エンコーダ基板、170:減速機、170a:サーキュラスプライン、170b:ウェーブジェネレータ、170c:フレキシブルスプライン、190:出力回転体、190a:ねじ穴、190b:溝、200:マニピュレータ、202:アーム、202-1:アーム、202-2:アーム、204:コネクタ、206:コネクタ、208:矢印、210:矢印、212:矢印、216:矢印
Claims (1)
- 筐体、
前記筐体の少なくとも一部を囲む筒状の入力回転体、
前記筐体に固定され、前記入力回転体を囲み、前記入力回転体を前記筐体の前記少なくとも一部の周りで回転させる駆動モータ、および
前記駆動モータを囲み、前記筐体から少なくとも一部が露出し、前記入力回転体の回転軸と同軸に回転する出力回転体を備える回転ジョイント。
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