JP4089663B2 - ロボット用関節サーボ - Google Patents

Description

本発明は、遠隔的、又は自動的に制御されるような人工ロボットの関節を構成する際に有用なサーボユニットに関わり、特に、内蔵されたモータを外部から回転制御すると共に、その回転力をジョイント手段を介して外部に出力する際に、少なくとも２軸の角度変化が得られるようにしたロボット用関節部分の機構に適応して好適なサーボに関するものである。

遠隔的に物体を制御するためのサーボ機構として、従来からモータを駆動源とするアクチュエータがサーボメカニズムとして採用されている。
図７は かかるサーボメカニズムの一例を示したもので、ほぼ直方体とされた筐体１０の内部を断面図として示したものである。
この図において１は小型の直流モータ（以下、単にモータという）で有り、そのモータ軸２とサーボの出力軸３の中間部分には減速用の複数個の歯車を載置するための減速ギヤ軸４が設けられている。そして、詳細な説明を省略するが、モータ軸２と出力軸３、および減速ギヤ軸４に嵌合されている複数個の減速ギヤ（この場合は４組）群を介してモータ１の回転力が出力軸３に対して伝達されるように構成されている。

出力軸３の一端はその回転角度を検出するためのポテンションメータ５が筐体の内部に設けられており、このポテンションメータ５の回転角度を駆動系の回路に帰還することによって出力軸３の回転角度の制御を行うことができるようにサーボが構築されている。
なお、６は電源供給用のコード、７は駆動基板回路を示す。
このようなサーボメカニズムは、模型の飛行機や、船、車などを制御するサーボメカとして慣用されており、その場合、出力軸３の他端にはアクチュエータとなるアームを駆動するための出力端板（回転フランジ）８が設けられている。

近年、このようなサーボを利用して人間と同じような歩き方や各種動作ができるロボット、いわゆる人間ロボットを製作する試みがなされおり、人々の新しい趣味の一つとして関心を集めいている（非特許文献参照）。
しかしながら、従来のサーボのメカニズムは、通常はある方向の１軸の回転角度制御出力として単体で使用されており、例えば、ロボットの関節部分のように２軸方向で制御を必要とするような複雑な動きを具体化するためのサーボユニットとしては使用できない。
そこで、ロボットの関節の動きとして必要とされるような２軸の角度制御を行うためには、例えば図８に示すように先に示した図７のサーボメカニズムの筐体を２個組み合わせて直交する方向の角度制御を行うようロボット用にサーボを組み合わせてロボットの関節を構築することが考えられる。

すなわち、図８（ａ）はロボット用サーボユニットとなる第１の筐体１１と、同じく第２の筐体１２を結合板１３によって直交するように固着したもので、第１の軸１１ａで第２の筐体１２の位置（角度）を制御すると共に、第２の軸１２ａでさらに直角方向の角度制御が行われ、この両者のロボット用サーボユニットを同時に制御することによって、ロボットの関節の動きを具体化しようとするものである。
しかし、このようにサーボを組み合わせてロボットの関節を構築する場合、サーボの形態上、関節部分が必然的に大型化してしまうことになるばかりか、２つのサーボを結合するための結合板１３等の存在も関節部分の大型化に繋がる要因となり、小型化を図ることが困難になるという問題がある。
また、図８（ｂ）の場合は、先に説明した２個のサーボメカニズムの筐体１１，１２を単純に重ねてその位置が相互に９０度ずれた状態で固着したもので、図８（ａ）の場合よりも小型化ができるが、紙面に対して直交している軸１１ａの角度制御と、水平方向の軸１２ａの角度制御が上下にずれた状態になるため、２自由度の関節動作を制御するための制御プログラムが複雑になり、ロボットとして作動させるときの動作プログラムを作ることが煩雑になる。
なお、図８（ｂ）の場合は説明を簡単化するため、２個の筐体１１，１２によってロボットの関節としてのサーボの組み合わせる際に必要とされるフレーム類を省略して説明をしたが、実際には例えば図９に示すようにサーボユニットからなる第１の筐体１１をコの字状に折り曲げた結合用フレーム１３Ａに対して矢印Ａ方向から挿入固定し、矢印Ｂ方向から小フレーム１３Ｂに載置し固定される第２の筐体１２を、矢印Ｃ方向に移動して前記結合フレーム１３Ａの下部に装着して、第１の筐体１１と第２の筐体１２を一体化して、二つの回転駆動軸１１ａ、１２ａを形成して、ロボットの関節部分が構築されるようにする。

しかし、上記した図８（ａ）（ｂ）および図９に示すように、従来から使用されているラジコン用の１軸のサーボを組み合わせる方法は、ロボット用の関節部分を具体化する２軸機構となるように構成する際に、関節部分が大型化すると共に、小型しようとすると２軸の出力回転軸にオフセットが生じるという問題がある。
そこで、外形がほぼ立方体の筐体内に直交する方向に回転駆動軸を組み込んだメカニズムを内蔵し、このような立方体のメカニズムをジョイント手段によって複数個結合して、特にロボットの各種の関節機能が実現できるようにしたロボット用ユニットセットが提案されている。
しかし、このロボット用ユニットセットは単一の筐体内に２自由度の動きを示す内蔵メカニズムを設計する必要があり、ユニットを新たに開発するためのコストアップになる。
「ROBO-ONEのための二足歩行ロボット制作ガイド」 株式会社オーム社 2004年 国際公開番号Ｗ００１／０６２４４８号

本発明は、従来の例えばラジコン用に開発されている、サーボ機構を基本的に応用して、２軸の角度制御が行われるロボット用のサーボメカを構築する際に、デッドスペースが大きくなることによってユニット部分が大型化するという問題点を解消する。
また、２自由度のロボット用の関節ユニットは設計ノウハウが新規となり、開発費用と、製造部品のコストアップを招くという問題があるが、本発明はできるだけデッドスペースの少ない２自由度の角度制御を行うことができるロボット用サーボユニット、及びロボット用関節サーボを比較的低価格で提供するものである。

本発明のロボット用関節サーボは、駆動用のモータと、該モータの回転速度を減速して伝達する減速機構と、該減速機構の最終回転軸に結合されている出力軸と、該出力軸の回転角度を検出するポテンションメータとを、直方体の１つの対向面をＬ字型の形状にした外観がＬ字状の筐体内に配置し、前記筐体がＬ字状の外観になることによって形成された連結空間に前記出力軸が臨むように構成されている。

そして、本発明のロボット用関節サーボ機構は上記ロボット用サーボユニットを２個組み合わせた時に、前記連結空間に突出している出力軸の部分を相互に十字結合体によって固着することによって一体的に駆動される２自由度のサーボ機構が形成されるようにしている。

本発明のロボット用サーボユニットの部分は、従来のラジコン用のサーボメカにおいて、例えば、ポテンションメータの位置を出力軸から外すように変更して、外観がＬ字状の筐体となるように構成し、角度制御を行う出力軸が連結空間に突出するように設計されているので、１種類のサーボメカで、１軸のサーボと２軸のサーボに適応させることが容易にできる。

また、本発明のロボット用関節サーボは、連結空間部分に出力軸が突出するように構成されているので、この出力軸を十字結合体で組み立てると、デッドスペースが極めて小さくなる関節サーボを容易に作ることができる。
さらの、このロボット用の関節サーボは直交する２軸の回転中心軸が同一平面上に位置しているので、動作プログラムの設計が容易であり、人間の脚部や腕部の動きを再現する際に、極めて高い精度を得ることができるようになる。

図１は本発明のロボット用サーボユニットの部分を断面図としてその外観を示したものである。
この図において、本例ではロボット用サーボユニットの筐体を２０で示し、対向する２面の形状がＬ字型になっている直方体によって構成されている。
そのため、筐体２０は直方体の一本の稜線が陥没したＬ字状の外観となり、この陥没によって直方体の領域内に一点差線で示すような空間領域２７が形成される。
そして、後で述べるようにこの空間領域２７（以下、連結空間という）を利用して関節サーボ機構を構築するようにしている。

筐体２０の内部には先に説明したようにサーボ駆動用の直流の小型モータ２１が固定されている。そして、該モータ２１のモータ軸２２と回転力取り出し用の出力軸２３間には減速用のギヤ軸２４を介して複数個の減速ギヤが配置される。
この実施例では出力軸２３は筐体２０を貫通するように軸支され、一方の端部は前記連結空間２７に突出してこの空間に臨むように配置されている。
また、他方の端部に近い筐体内部では、ポテンションメータ軸２５と出力軸２３間に、弾性樹脂を使用した歯車が介入され、出力軸の回転がポテンションメータ２６の回転変化として電気的に検出できるようにしている。

図２は上記図１に示されている減速ギヤの様子を分解斜視図で示したもので、モータＭの軸と減速ギヤ軸２４間には第１の減速ギヤ３１，３２が噛合され、減速ギヤ３２の小歯車部分はさらに第２の減速ギヤ３２ａ、３３を介して第３の減速ギヤ３３ａ、３４と噛合されている。さらに減速ギヤ３４の小歯車は第４の減速ギヤ３４ａ、３５として構成され、その回転力を先に示した出力軸２３に伝達している。

この出力軸２３には第５の伝達ギヤ３５ａ、３６が噛合され、ポテンションメータ軸２５に固着されているポテンションメータ２６を回動するように構成されている。
なお、この第５の伝達ギヤ３５ａ、３６は、例えば、別図に断面図として示しているように、少し弾力性を有する弾性樹脂材によって形成されている２個の歯車を圧接するように噛み合わせ、歯車機構で生じやすいバックラッシュをなくして出力軸２３の回転角度を精度よくポテンションメータ２６に伝達するようにしている。

図３は上記したような減速機構と駆動モータ及びポテンションメータを内蔵した２個のロボット用サーボユニットの外観を典型的に示した斜視図で、このようなロボット用サーボユニット２個を組み合わせるときの説明図である。
この図において４１は図１に示したロボット用サーボユニットの第１の筐体であり、直方体の対向する面の外形がＬ字状に形成されることによって、一点鎖線で示した部分に直方体の一部が欠落したした空間領域が生じ、この空間領域を連結空間４１ａとするように形成している。
そして、この連結空間４１ａに対して出力軸４１ｂが第１の筐体４１を貫通して突出するように配置されていることを示している。

４２は上記第１の筐体４１と同様な構成を採っている第２の筐体で、同じく直方体の対向する面の外形をＬ字状とすることによって、一点鎖線で示す部分の空間に連結空間４２ａが形成され、この連結空間４２ａに第２の筐体４２のサーボメカニズムの出力軸４２ｂが突出するように設けられている。
５０は内部に直交する貫通孔が設けられている十字結合体の模式図を示したもので、実際は次図で示すように角部分を削り取ることによって外観が球に近い形状に構成される。
この十字結合体５０は、まず、出力軸４１ｂに対して矢印方向から嵌入して後で示すようなねじによって固定される。そして、次に、第１の筐体４１に固定されたこの十字結合体５０に対して、矢印方向から第２の筐体４２の出力軸４２ｂが嵌入され、その軸が十字結合体５０に固定されることによって、第１の筐体と第２の筐体４１，４２が十字結合体５０によって一体化されロボット用関節サーボが作られる。

十字結合体５０を断面図として、さらに９０度回転したものが図４（ａ）（ｂ）に示されている。５１ａ、５１ｂはボール状の金属の表面を直交する２面で切り取り、各切り取り面に対して貫通するように設けた２本の貫通孔であり、この貫通孔５１ａ、５１ｂの一端に前記した図３の出力軸４１ｂ、（４２ｂ）が直交するようにねじ止めにより固定される。
５２ａ、５２ｂは貫通孔５１ａ、５１ｂにそれぞれに嵌め込み固着されている固定管で、図４（ａ）では出力軸側に面する端部に２個の凸起部５３ａ、５３ａが設けられ、出力軸側に形成されている凹部４１ｃと係合して回転力が伝達されるようにしている。
なお、５４は出力軸４１ｂ（２３）を十字結合体５０に固定するためのねじである。

直交している２個の貫通孔５１ａ及び、５１ｂの他方の端部は同じく固定環５５ａ、５５ｂがそれぞれ嵌め込み固着されており、ねじ５６によって外部に出力軸の回転力を取りだす時は、被制御用のフレーム５７が固定される。
また、図４（ｂ）のように、他方の貫通孔５１ｂに嵌着されている固定環５５ｂは、ベアリング５８を介して図示されていない軸受け板に結合され、十字結合体５０の回転補強を行うようにすることもできる。

図５は本発明のロボット用関節サーボ機構の組上がり図を模式的に示した斜視図で、第１の筐体４１と、第２の筐体４２がボール状十字結合体４３を介して一体的に組み上げられているところを示す。
この図から理解されるように第２の筐体４２の上面Ｐ点は、第１の筐体４１の下面に対して２本の矢印で示すようにほぼ３６０度の球面上を結合点Ｑを中心としてどの方向に対しても傾斜することができる２自由度のサーボ機構をとなっている。

外観がＬ字状に形成された第１の筐体４１と第２の筐体４２の連結空間４１ａ、４２ａの部分は相互に回転する領域が大きくできるようにやや凸状の表面にして２軸の回転角度を大きくする共に、この連結空間部分で２軸の出力軸はオフセットがなく直交状態に保持されている。
そのため、従来のラジコン用のサーボメカを改良して比較的安価にロボットの関節部分を作ることができる。また、関節部分が小型化すると共に、出力軸が同一平面上で交差しているので、関節の動きを制御するプログラムを容易に設計することができる。
なお、この図において２点差線で示されている部分はボール状十字結合体４３の回転軸を補強する軸受け板の取付状態を示しており、必ずしも必要とするものではない。

図６は本発明のロボット用関節サーボ機構をタンデムに組み上げて、人間の脚部の動きを再現できるようにした関節サーボの応用例を示す。
この図で７０は足の底面に対応する基台で、この上に第１番目のサーボ用の筐体６１が搭載されている。そしてこの第１番目のサーボ用の筐体６１の出力軸が先に示した十字型結合体７１を介して第２番目のサーボ用の筐体６２の出力軸と連結空間において結合される。
第２番目のサーボ用の筐体６２の上面は人間の脛部分に当たるフレーム部材７２とされ、このフレーム７部材２の上面に軸固着部が形成されている。
この軸固着部には第３番目のサーボ用の筐体６３の出力軸が軸着され、膝関節部分を模式的に形成すると共に、この第３番目のサーボ用の筐体６３の上面には第４番目のサーボ用の筐体６４の底面が固定される。
第４番目のサーボ用の筐体６４と第５番目のサーボ用の筐体６５は、先に図示したように、双方の連結空間に位置している十字型結合体７３によって２自由度の関節サーボが具体化されるように構成される。
そして、この部分は大腿骨の関節部分の動きに対応させることができる。
なお、７４の部分には腰骨との接合部材が設けられることになる。

上記図６の応用例は人工ロボットの脚部の関節の動きを再現できるように設定したものであるが、人間の脚部に見られないような機構も、このロボット用関節サーボの組み合わせによって実現できることはいうまでもない。
また、人工アームの関節サーボメカニズムとして利用することも可能である。

本発明のロボット用サーボユニットを利用したロボット用関節サーボは、従来から汎用されている模型用のサーボ機構を改良してロボットに応用できるようにしているので、サーボ機構を比較的低価格で提供できる。
また、人間ロボットを具体化するときの各所の関節部分をできるだけ小型で、かつ精度よく再現するときにも有用である。

本発明のロボット用サーボユニットの部分を断面した外観図である。 ロボット用サーボユニットの減速機構を示す歯車の説明図である。 本発明のロボット用関節サーボの組立説明図である。 十字結合体の実施例を示す断面図、及び出力軸の側面図である。 ロボット用関節サーボを組み上げた立体図である。 ロボット用関節サーボの応用例を示す組み立て図である。 遠隔制御用サーボメカの一部断面図である。 従来のサーボメカニズムを組み合わせた２軸サーボの説明図である。 従来のサーボメカニズムを組み合わせたときの斜視図を示す。

符号の説明

４１ 第１の筐体、 ４２ 第２の筐体、 ４１ａ，４２ａ 連結空間、
５０ 十字結合体

Claims (3)

1. 駆動用の第１のモータと、該第１のモータの回転速度を減速して伝達する第１の減速機構と、該第１の減速機構の最終回転軸に結合されている第１の出力軸と、該第１の出力軸の回転角度を検出する第１のポテンションメータとを、直方体の１つの対向面をＬ字型の外形にした外観がＬ字状の第１の筐体内に配置し、前記第１の筐体がＬ字状の外観となることによって形成される連結空間に、前記第１の出力軸が臨むように構成した第１のロボット用サーボユニットと、
   駆動用の第２のモータと、該第２のモータの回転速度を減速して伝達する第２の減速機構と、該第２の減速機構の最終回転軸に結合されている第２の出力軸と、該第２の出力軸の回転角度を検出する第２のポテンションメータとを、直方体の１つの対向面をＬ字型の形状にした外観がＬ字状の第２の筐体内に配置し、前記第２の筐体がＬ字状の外観になることによって形成された連結空間に前記第２出力軸が臨むように構成した第２のロボット用サーボユニットと、
   前記連結空間において前記第１の出力軸と、前記第２の出力軸とを直交するように固着する十字結合体により構成されていることを特徴とするロボット用関節サーボ。
2. 上記出力軸と上記ポテンションメータの回転軸は弾性樹脂によって構成されている歯車によって結合されていることを特徴とする請求項１に記載のロボット用関節サーボ。
3. 上記出力軸は上記筐体内を貫通するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のロボット用関節サーボ。

Images