JP2022129024A - 回転装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の軸線回りに回転するコンパクトな回転装置を提供する。【解決手段】２軸回転機構３０は、第１傘歯車４０と、第１傘歯車４０と同軸で軸方向に向かい合う位置に配置される第２傘歯車５０と、第１傘歯車４０および第２傘歯車５０と噛合する第３傘歯車６０とを備える。モータを含む電気部品の配線８０が、第１傘歯車４０および第２傘歯車５０の回転軸線と第３傘歯車６０の回転軸線との交点を通過する。【選択図】図３

Description

本発明は、複数の軸線回りに回転する回転装置に関する。

近年、遠隔地に配置したロボットを自分の分身として利用するテレイグジスタンスと呼ばれる技術が登場している。遠隔地にいるロボットが周囲の画像データや音声データをユーザに送信し、ユーザ側で再生することで、ユーザは、ロボットが配置された場所に自分が存在するような臨場感をもって、ロボットの周囲の人達とコミュニケーションをとることが可能となる。

特許文献１は、遠隔操作するロボットのアクチュエータ装置を開示する。アクチュエータ装置は、第１貫通長孔を形成された第１円弧状アームと、第２貫通長孔を形成された第２円弧状アームと、これらを交差させた状態で回動可能に支持する台座と、第１円弧状アームを回転させる第１モータと、第２円弧状アームを回転させる第２モータと、第１貫通長孔および第２貫通長孔に挿通される挿通部材とを備える。挿通部材には、カメラを収容した筐体が取り付けられる。

特開２０１７－２１６６４３号公報

特許文献１に開示されたアクチュエータ装置は、第１円弧状アームおよび第２円弧状アームを用いるため、構造的に小さくできない。

そこで本発明は、複数の軸線回りに回転するコンパクトな回転装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の回転装置は、第１傘歯車と、第１傘歯車と同軸で軸方向に向かい合う位置に配置される第２傘歯車と、第１傘歯車および第２傘歯車と噛合する第３傘歯車と、電気部品と、を備えた回転装置であって、電気部品の配線が、第１傘歯車および第２傘歯車の回転軸線と第３傘歯車の回転軸線との交点を通過する。

回転装置を搭載したロボット装置の斜視図である。 回転装置を搭載したロボット装置の側面図である。 ２軸回転機構の右前方斜視図である。 ２軸回転機構の正面図である。 ２軸回転機構の左前方斜視図である。 ２軸回転機構の背面図である。 軸部材の上面図である。 交差する２つの回転軸線を示す図である。 第１伝達歯車および第２伝達歯車に、逆方向で且つ同じ大きさの回転力を供給した状態を示す図である。 ２軸回転機構がピッチ軸回りに回転した状態を示す図である。 第１伝達歯車および第２伝達歯車に、同じ方向で且つ同じ大きさの回転力を供給した状態を示す図である。 ２軸回転機構がロール軸回りに回転した状態を示す図である。 回転装置における３つの回転軸線を示す図である。

図１は、実施例の回転装置を搭載したロボット装置の斜視図を示し、図２は、実施例の回転装置を搭載したロボット装置の側面図を示す。ロボット装置１は、制御装置等を収容した基体２、基体２の側面に取り付けられた複数の駆動車輪４ａ、４ｂ、４ｃ（以下、区別しない場合には「駆動車輪４」と呼ぶ）、基体２の下面に取り付けられたバッテリ３、および基体２の上面に搭載された回転装置１０を備える。駆動車輪４はオムニホイールであって、３つの駆動車輪４で全方向の移動を実現してよい。バッテリ３は、ロボット装置１に搭載される複数の電気部品に電力を供給する。

実施例の回転装置１０は、１軸回転機構１２および２軸回転機構３０を備えて、３軸回転運動を実現する。回転装置１０において、１軸回転機構１２における１つの回転軸線および２軸回転機構３０における２つの回転軸線は常時１点で交差し、したがって回転装置１０は、共通の中心点をもつ３軸回転運動を実現する。

ロボット装置１において、カメラやマイクを収容した筐体２０が、固定部材２５を介して２軸回転機構３０に固定される。筐体２０の前面には、左カメラ２１ａと右カメラ２１ｂとが、横方向に所定の間隔を空けて配置される。左カメラ２１ａと右カメラ２１ｂはステレオカメラを構成する。筐体２０の両側面には、左マイク２３ａと右マイク（図示せず）が配置される。固定部材２５の中央には、音声を出力するスピーカ２２が設けられる。筐体２０および固定部材２５は、ロボット装置１の頭部を構成してよい。たとえばロボット装置１をテレイグジスタンス環境で利用する場合、回転装置１０が、共通の回転中心をもつ３軸回転運動を実現することで、遠隔地にいるユーザの首の動きを再現できるようになる。

日本では首を縦に振ると肯定を、横に振ると否定を表現するが、回転装置１０が３軸回転運動を行えることで、遠隔地にいるユーザの首の動きと同じように筐体２０を動かすことができる。そのためロボット装置１の周囲にいる人は、筐体２０の動きによって遠隔地にいるユーザの意思を感じ取ることができる。このようにユーザの首の動きを簡易且つコンパクトな構造で再現できることは、テレイグジステンス技術において有用である。

回転装置１０において、１軸回転機構１２は、ヨー軸回りの回転運動を担当し、駆動軸１３、連結部１４、減速機構収容部１５およびモータ１６を有する。モータ１６は、駆動軸１３に回転力を供給する。減速機構収容部１５は、モータ１６の回転力を駆動軸１３に伝達する減速機構を収容する。減速機構は複数の平歯車の組み合わせで構成されてよい。駆動軸１３には連結部１４が固定され、連結部１４には、２軸回転機構３０を１軸回転機構１２に取り付ける取付部材１８の下端が固定される。

回転装置１０において、２軸回転機構３０は、ピッチ軸回りの回転運動と、ロール軸回りの回転運動を担当する。図３～図６に、ケース体を外した２軸回転機構３０の内部構造を示し、２軸回転機構３０の構造の詳細を説明する。

図３は、２軸回転機構３０の右前方斜視図を示し、図４は、２軸回転機構３０の正面図を示し、図５は、２軸回転機構３０の左前方斜視図を示し、図６は、２軸回転機構３０の背面図を示す。２軸回転機構３０は、第１傘歯車４０と、第１傘歯車４０と同軸で軸方向に向かい合う位置に配置される第２傘歯車５０と、第１傘歯車４０および第２傘歯車５０と噛合する第３傘歯車６０と、第１傘歯車４０に回転力を供給するための第１モータ４９と、第２傘歯車５０に回転力を供給するための第２モータ５９とを有する。第１傘歯車４０および第２傘歯車５０の回転軸線と、第３傘歯車６０の回転軸線は、１点で交差する。この交差する点を「交点」と呼ぶ。なお図３に、モータ等の電気部品の配線８０を示す（他の図面では配線８０の図示を省略している）が、後述するように、配線８０は交点を通過するように配置される。

第１傘歯車４０は、第１伝達歯車４６に第１連結部４１を介して固定され、第１伝達歯車４６は、第１傘歯車４０と一体に回転する。第１伝達歯車４６は、第１減速機構４８を介して第１モータ４９の出力軸に連結される。第１減速機構４８において、第１歯車４２は第１モータ４９の出力軸に固定されて第１歯車４３と噛合し、第１歯車４４は歯数の異なる第１歯車４３と同軸に一体に形成されて第１歯車４５と噛合し、第１歯車４５が第１伝達歯車４６と噛合する。第１モータ４９の回転力が、第１減速機構４８により第１伝達歯車４６に伝達されることで、第１傘歯車４０に回転力が供給される。

第２傘歯車５０は、第２伝達歯車５６に第２連結部５１を介して固定され、第２伝達歯車５６は、第２傘歯車５０と一体に回転する。第２伝達歯車５６は、第２減速機構５８を介して第２モータ５９の出力軸に連結される。第２減速機構５８において、第２歯車５２は第２モータ５９の出力軸に固定されて第２歯車５３と噛合し、第２歯車５４は歯数の異なる第２歯車５３と同軸に一体に形成されて第２歯車５５と噛合し、第２歯車５５が第２伝達歯車５６と噛合する。第２モータ５９の回転力が、第２減速機構５８により第２伝達歯車５６に伝達されることで、第２傘歯車５０に回転力が供給される。

２軸回転機構３０では、第１傘歯車４０、第２傘歯車５０、第３傘歯車６０の位置関係を固定するために、第１傘歯車４０、第２傘歯車５０、第３傘歯車６０を回転可能に支持する軸部材７０が設けられる。

図７は、軸部材７０の上面図を示す。軸部材７０は、基部７２と、基部７２から突出して第１傘歯車４０の環状穴部に挿入される第１軸部７３と、基部７２から突出して第２傘歯車５０の環状穴部に挿入される第２軸部７４と、基部７２から突出して第３傘歯車６０の環状穴部に挿入される第３軸部７５とを有する。各傘歯車は、ベアリングを介して各軸部に回転可能に支持される。

基部７２には貫通孔７１が設けられ、貫通孔７１には、第１軸部７３および第２軸部７４の回転軸線（第１傘歯車４０および第２傘歯車５０の回転軸線）と、第３軸部７５の回転軸線（第３傘歯車６０の回転軸線）の交点が含まれる。この例で貫通孔７１は、第１軸部７３および第２軸部７４の回転軸線と、第３軸部７５の回転軸線のそれぞれに垂直な方向に形成される。なお貫通孔７１は、その内部に、２つの回転軸線の交点が含まれるように形成されていればよく、２つの回転軸線のそれぞれに対して垂直でなくてもよい。後述するように、貫通孔７１は、モータ等の電気部品の配線８０（図３参照）の経路として設けられる。

図８は、交差する２つの回転軸線を示す。図８において、軸部材７０の図示は省略されている。第１傘歯車４０および第２傘歯車５０の回転軸線は、回転装置１０におけるピッチ軸１００であり、第３傘歯車６０の回転軸線は、回転装置１０におけるロール軸１０２である。ピッチ軸１００とロール軸１０２は交差し、上記したように、その交点は、不図示の軸部材７０における貫通孔７１の内部に存在している。

以下、２軸回転機構３０の動作例を示す。
図９は、第１伝達歯車４６および第２伝達歯車５６に、交点から見て逆方向で且つ同じ大きさの回転力を供給した状態を示す。この場合、第１傘歯車４０および第２傘歯車５０は第３傘歯車６０に対してロックされるため、第１歯車４５および第２歯車５５が、それぞれ第１伝達歯車４６および第２伝達歯車５６に対して回転する。これによりピッチ軸１００回りの回転運動が実現される。
図１０は、２軸回転機構３０がピッチ軸回りに回転した状態を示す。

図１１は、第１伝達歯車４６および第２伝達歯車５６に、交点から見て同じ方向で且つ同じ大きさの回転力を供給した状態を示す。この場合、第１傘歯車４０および第２傘歯車５０は第３傘歯車６０に対して回転する。これによりロール軸１０２回りの回転運動が実現される。
図１２は、２軸回転機構３０がロール軸回りに回転した状態を示す。

以上のように、２軸回転機構３０が２つの回転運動を実現することで、それぞれの回転運動を別個の機構で実現する場合と比較すると、サイズをコンパクトに構成することができる。実施例の２軸回転機構３０においては、２つの第１モータ４９および第２モータ５９を並べて配置することで、さらなるコンパクト化を実現している。

図１３は、回転装置１０における３つの回転軸線を示す。回転装置１０において、取付部材１８は、１軸回転機構１２における駆動軸１３の回転軸線（ヨー軸１０４）が、ピッチ軸１００とロール軸１０２の交点Ｃを通るように、２軸回転機構３０を１軸回転機構１２に取り付ける。このように１軸回転機構１２と２軸回転機構３０の位置関係を定めることで、コンパクトな点中心３軸回転運動を実現できる。

なお図２に示すように、取付部材１８はＳ字形状に構成され、上端側が２軸回転機構３０に、下端側が１軸回転機構１２にそれぞれ固定される。図２において、取付部材１８が点線で示すように直線形状に構成されている場合と比較すると、Ｓ字形状に構成することで、連結部１４における固定位置と駆動軸１３の回転軸線の距離を短くでき、したがってモーメントを小さくできる効果がある。

上記したように、２軸回転機構３０には、電気部品である第１モータ４９、第２モータ５９が配置されている。ロボット装置１において、バッテリ３は基体２の下面に設けられているため、これら電気部品の配線８０（図３参照）は基体２まで引き回される必要がある。

図１３を参照して、ピッチ軸１００およびロール軸１０２は交点Ｃで交差するため、交点Ｃから見た２軸回転機構３０の各構成部品の相対的な位置関係は不変となる。そのため交点Ｃから、２軸回転機構３０に搭載された電気部品までの距離は常に一定であり、姿勢によって変化しない。そこで２軸回転機構３０では、電気部品の配線８０を、ピッチ軸１００およびロール軸１０２の交点Ｃを通過させる。これにより、配線８０の余長処理などを行う必要性を低減できる。

上記したように、貫通孔７１は、内部に交点Ｃを含むように軸部材７０に形成されており、したがって電気部品の配線８０は、貫通孔７１を通過させるようにする。貫通孔７１は円筒状に形成されて、配線破損を防止する目的で、たとえばゴム製の環状ブッシュをはめ込まれてよい。ここで電気部品の配線８０は、第１モータ４９の配線および第２モータ５９の配線を含むが、これら以外の配線を含んでよい。なお実施例において、第１モータ４９および第２モータ５９は、交点Ｃからみて、第１傘歯車４０、第２傘歯車５０および第３傘歯車６０のいずれも設けられていない方向の領域に配置されている。実施例で第１モータ４９および第２モータ５９は、２軸回転機構３０の上部に配置されているが、かかる領域に電気部品を配置することで、交点Ｃまでの配線長を短くすることが可能となる。

以上、本発明を実施例をもとに説明した。上記実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１・・・ロボット装置、２・・・基体、３・・・バッテリ、１０・・・回転装置、１２・・・１軸回転機構、１３・・・駆動軸、１４・・・連結部、１５・・・減速機構収容部、１６・・・モータ、１８・・・取付部材、３０・・・２軸回転機構、４０・・・第１傘歯車、４１・・・第１連結部、４６・・・第１伝達歯車、４８・・・第１減速機構、４９・・・第１モータ、５０・・・第２傘歯車、５１・・・第２連結部、５６・・・第２伝達歯車、５８・・・第２減速機構、５９・・・第２モータ、６０・・・第３傘歯車、７０・・・軸部材、７１・・・貫通孔、７２・・・基部、７３・・・第１軸部、７４・・・第２軸部、７５・・・第３軸部、８０・・・配線、１００・・・ピッチ軸、１０２・・・ロール軸、１０４・・・ヨー軸。

Claims (5)

1. 第１傘歯車と、
   前記第１傘歯車と同軸で軸方向に向かい合う位置に配置される第２傘歯車と、
   前記第１傘歯車および前記第２傘歯車と噛合する第３傘歯車と、
   電気部品と、を備えた回転装置であって、
   前記電気部品の配線が、前記第１傘歯車および前記第２傘歯車の回転軸線と前記第３傘歯車の回転軸線との交点を通過する、
   ことを特徴とする回転装置。
2. 前記第１傘歯車、前記第２傘歯車、前記第３傘歯車を回転可能に支持する軸部材をさらに備え、
   前記配線は、前記軸部材を貫通する貫通孔を通過する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転装置。
3. 前記貫通孔は、円筒状に形成される、
   ことを特徴とする請求項２に記載の回転装置。
4. 前記電気部品は、前記第１傘歯車に回転力を供給するための第１モータと、前記第２傘歯車に回転力を供給するための第２モータを含み、
   前記第１モータの配線と前記第２モータの配線が、前記交点を通過する、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の回転装置。
5. 前記第１モータおよび前記第２モータは、前記交点からみて、前記第１傘歯車、前記第２傘歯車、前記第３傘歯車のいずれも設けられていない方向の領域に配置される、
   ことを特徴とする請求項４に記載の回転装置。

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