JP4737695B2 - 指関節機構 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットハンド等に使用されるモータおよび減速機からなる指関節機構に関し、特に、小型でコンパクトなトルク容量の高い指関節機構に関するものである。

ロボットハンド等には、モータおよび減速機からなる指関節機構が用いられている。かかる指関節機構では、そのトルク容量が関節を駆動する減速機によって制約される。このため、指関節のトルク容量を上げるには減速機の型番を上げる必要がある。

しかしながら、減速機の型番を上げると、その寸法も増加するので、関節機構の外径寸法が増加してしまう。このため、小径の指関節機構の場合にはトルク容量を上げることができないという課題がある。

本発明の課題は、このような点に鑑みて、小型でコンパクトでありながら、トルク容量の高い指関節機構を提案することにある。

上記の課題を解決するために、本願発明の指関節機構は、
ハウジングと、
回動部材と、
前記回動部材を予め定めた関節軸線を中心として回動させるために、前記ハウジングに組み込まれている複数の波動歯車減速機と、
前記ハウジングに取り付けられているモータとを有し、
各波動歯車減速機の入力回転軸は同軸状態に連結され、それらの中心軸線が前記関節軸線に一致しており、
前記モータは、その出力回転軸が前記入力回転軸に直交する状態に配置され、
前記モータの前記出力回転軸には同軸状態で駆動側傘歯車が取り付けられ、
前記入力回転軸には、前記駆動側傘歯車に噛み合っている従動側傘歯車が同軸状態で取り付けられ、
各波動歯車減速機のカップ状可撓性外歯歯車は、軸受けを介して、回転自在の状態で前記ハウジングによって支持され、
各波動歯車減速機の円環状の剛性内歯歯車は前記ハウジングに固定され、
各波動歯車減速機の前記入力回転軸は、前記カップ状可撓性外歯歯車のカップ形状の底面中央部分に形成されているボスの部分に、軸受けを介して、回転自在の状態で支持され、
各入力回転軸に同軸状態で取り付けられている波動発生器により、各可撓性外歯歯車は半径方向に撓められて前記剛性内歯歯車に部分的に噛み合っており、
各可撓性外歯歯車の各ボスには、前記回動側ハウジングに連結固定されている関節軸が形成されており、
前記モータによって各波動発生器が回転すると、各可撓性外歯歯車および各剛性内歯歯車の噛み合い位置が円周方向に移動して、両歯車の歯数差に起因した減速比で、各可撓性外歯歯車が減速回転し、前記関節軸に連結固定されている前記回動部材が回動することを特徴としている。

また、本発明では、前記波動歯車減速機として、第１および第２の波動歯車減速機が含まれており、これら第１および第２の波動歯車減速機は、前記カップ状可撓性外歯歯車が同一方向を向く状態、前記カップ状可撓性外歯歯車の開口側が向き合う状態、または、前記カップ状可撓性外歯歯車の前記ボスが向き合う状態で配列されていることを特徴としている。

本発明の指関節機構では、減速機として、小型でコンパクトな波動歯車減速機を用いると共に、複数台の波動歯車減速機を、それらの入力回転軸を同軸状態に連結固定して用いている。このように、小型の波動歯車減速機を連結して用いることにより、外径寸法の大幅な増加を招くことなく、指関節機構のトルク容量を増加させることができる。また、一般的には２台の波動歯車減速機が用いられ、この場合には、それらの向きを変更することにより、利用可能な設置スペースの状態、他の部品のレイアウトに対応することができる。

本発明を適用した指関節機構の実施の形態１を示す概略断面図である。 本発明を適用した指関節機構の実施の形態２を示す概略断面図である。 本発明を適用した指関節機構の実施の形態３を示す概略断面図である。

以下に、図面を参照して、本発明を適用した指関節機構の各実施の形態を説明する。

図１は本発明を適用した指関節機構の実施の形態１を示す概略断面図である。指関節機構１は、ハウジング２と回動部材３とを有しており、ハウジング２には、回動部材３を関節軸線４を中心として回動させるための回転アクチュエータ５が取り付けられている。

ハウジング２は、ベース６と、このベース６の表面側において関節軸線４の方向に一定の隙間を開けて配列されている２つの減速機収納部７、８とを備えている。回動部材３は、減速機収納部７、８の隙間に延びている第１の取付腕９と、減速機収納部８の外側面に沿って延びている第２の取付腕１０を備えている。これらの第１、第２の取付腕９、１０は、回転アクチュエータ５の第１および第２の出力軸１１、１２に連結固定されている。ハウジング２の減速機収納部７、８の外周面７ａ、８ａの形状は関節軸線４を中心とする円弧面とされており、回動部材３に干渉しないようになっている。

回転アクチュエータ５は、第１および第２の波動歯車減速機２０、３０と、モータ４０とを備えている。第１の波動歯車減速機２０は減速機収納部７に組み込まれており、第２の波動歯車減速機３０は減速機収納部８に組み込まれている。これらの第１、第２の波動歯車減速機２０、３０は基本的に同一構造であり、同一の方向を向く状態で同軸状態に配置されている。これらの中心には、共通の回転入力軸１３が延びており、当該回転入力軸１３の中心軸線は関節軸線４に一致している。

減速機収納部７に収納されている第１の波動歯車減速機２０は、円環状の剛性内歯歯車２１と、この内側に同軸状態で配置されているカップ状可撓性外歯歯車２２と、この内側に同軸状態で嵌め込まれている楕円形輪郭の波動発生器２３とを備えている。波動発生器２３は回転入力軸１３の先端部１３ａに同軸状態で固定されている。剛性内歯歯車２１はハウジング２に固定されている。カップ状可撓性外歯歯車２２は、そのカップ形状の底面側が他方の減速機収納部８を向く状態に配置されており、カップ底面の中央部分に形成されている厚肉の円筒状ボス２４が減速機収納部７の側部に取り付けた軸受け１４によって回転自在の状態で支持されている。

また、円筒状ボス２４の中空部には、回転入力軸１３が回転自在の状態で貫通して延びており、当該中空部内周面に取り付けた軸受け１５によって、回転入力軸１３が回転自在の状態で支持されている。円筒状ボス２４には、軸受け１４から他方の減速機収納部８の側面近傍まで突出している第１の出力軸１１が一体形成されている。この第１の出力軸１１に連結されている回動部材３の第１の取付腕９は、当該出力軸１１と一体回転する軸受け１４の内輪１４ａに締結固定されている。

他方の減速機収納部８に収納されている第２の波動歯車減速機３０も同一構造のものであり、円環状の剛性内歯歯車３１と、この内側に同軸状態で配置されているカップ状可撓性外歯歯車３２と、この内側に同軸状態で嵌め込まれている楕円形輪郭の波動発生器３３とを備えている。波動発生器３３は回転入力軸１３に同軸状態で固定されている。剛性内歯歯車３１はハウジング２に固定されている。カップ状可撓性外歯歯車３２は、そのカップ形状の開口側が減速機収納部７を向く状態に配置されており、カップ底面の中央部分に形成されている厚肉の円筒状ボス３４が減速機収納部８の側部に取り付けた軸受け１６によって回転自在の状態で支持されている。

また、円筒状ボス３４の中心部分に取り付けた軸受け１７によって、回転入力軸１３の後端部１３ｂが回転自在の状態で支持されている。さらに、円筒状ボス３４には、軸受け１６から減速機収納部８の側方に突出している第２の出力軸１２が一体形成されている。この第２の出力軸１２に連結されている回動部材３の第２の取付腕１０は、当該出力軸１２と一体回転する軸受け１６の内輪１６ａに締結固定されている。

一方、回転アクチュエータ５のモータ４０は、ベース６の裏面側において、減速機収納部８に対峙する部位に配置されている。モータ４０の回転出力軸４１は関節軸線４に直交する方向に延びており、ベース６に形成されている貫通孔６ａを通って減速機収納部８内に突出している。

回転出力軸４１の先端部には駆動側傘歯車４２が同軸状態で連結固定されている。この駆動側傘歯車４２には、回転入力軸１３に同軸状態に固定されている従動側傘歯車４３が噛み合っている。従動側傘歯車４３は、回転入力軸１３に固定されている円環状ボス４３ａと、この円環状ボス４３ａに固定されている歯車本体４３ｂとを備えており、円環状ボス４３ａは、減速機収納部８の内側の側壁８ｂと波動発生器３３の間に配置されており、側壁８ｂに取り付けた軸受け１８によって回転自在の状態で支持されている。

この構成の指関節機構１の動作を説明する。モータ４０を駆動すると、その回転出力軸４１の回転が、駆動側傘歯車４２および従動側傘歯車４３を介して、回転入力軸１３に伝達され、当該回転入力軸１３が回転する。回転入力軸１３には第１および第２の波動歯車減速機２０、３０の波動発生器２３、３３が固定されているので、これらが回転すると、カップ状可撓性外歯歯車２２および剛性内歯歯車２１の間、ならびに、カップ状可撓性外歯歯車３２および剛性内歯歯車３１の間に、両歯車の歯数差に起因した相対回転が発生する。剛性内歯歯車２１、３１が固定されているので、カップ状可撓性内歯歯車２２、３２が回転し、それらに形成されている出力軸１１、１２が一体回転する。この結果、出力軸１１、１２に連結されている回動部材３が関節軸線４を中心として所定方向に回動する。

２台の小型の波動歯車減速機２０、３０を用いることにより、型番の大きな１台の減速機を用いる場合に比べて、設置スペースの増加割合に対するトルク容量の増加割合を大幅に高めることができる。また、減速機として波動歯車減速機２０、３０を用いており、波動歯車減速機は構成部品の数が少なく、他の形式の減速機に比べて、小型・コンパクト化が容易である。したがって、トルク容量の大きな小型でコンパクトな指関節機構を実現できる。

次に、図２および図３は指関節機構１の変形例を示す概略断面図である。これらの図に示す指関節機構１Ａ、１Ｂでは、第１および第２の波動歯車減速機２０、３０が逆向きに同軸状態に配列された構成となっている。これらの指関節機構１Ａ、１Ｂの基本的な構成は図１の指関節機構１と同一であるので、対応する部位には同一の符号を付し、それらの説明は省略する。

まず、図２に示す指関節機構１Ａでは、第１および第２の波動歯車減速機２０、３０が、それらのカップ状可撓性外歯歯車２２、３２の開口側が向き合う状態で配列されている。この結果、第１および第２の出力軸１１、１２は、それぞれ、減速機収納部７、８の外側の側壁７ｃ、８ｃから横方に突出している。これに対応して、回動部材３の第１および第２の取付腕９、１０は、側壁７ｃ、８ｃの外側面に沿って延びて、これらに連結されている。また、モータ４０は、ハウジング２の幅方向（関節軸線４の方向）の中央に配置されている。この指関節機構１Ａでは、モータ中心軸線４０ａが回動部材３の中心軸線３ａに一致させて、左右対称な構造とすることができる。

次に、図３に示す指関節機構１Ｂでは、第１および第２の波動歯車減速機２０、３０が、それらのカップ状可撓性外歯歯車２２、３２のカップ底面側が向き合う状態で配列されている。この結果、第１および第２の出力軸１１、１２は、それぞれ、減速機収納部７、８の内側の側壁７ｂ、８ｂから突出しており、これらに、回動部材３の第１および第２の取付腕９、１０が相互に連結固定された状態で取り付けられている。また、本例では、モータ４０が減速機収納部７の側に配置されている。また、その回転出力軸４１に取り付けた駆動側傘歯車４２に噛み合っている従動側傘歯車４３は、減速機収納部７の外側の側壁７ｃと波動発生器２３の間に位置している。

なお、上記の各例では２台の波動歯車減速機を用いているが、３台以上の波動歯車減速機を配置することも可能である。この場合においても、各波動歯車減速機の回転入力軸が相互に同軸状態で連結固定される。あるいは、共通の回転入力軸が用いられる。

Claims (2)

1. ハウジングと、
   回動部材と、
   前記回動部材を予め定めた関節軸線を中心として回動させるために、前記ハウジングに組み込まれている複数の波動歯車減速機と、
   前記ハウジングに取り付けられているモータとを有し、
   各波動歯車減速機の入力回転軸は同軸状態に連結され、それらの中心軸線が前記関節軸線に一致しており、
   前記モータは、その出力回転軸が前記入力回転軸に直交する状態に配置され、
   前記モータの前記出力回転軸には同軸状態で駆動側傘歯車が取り付けられ、
   前記入力回転軸には、前記駆動側傘歯車に噛み合っている従動側傘歯車が同軸状態で取り付けられ、
   各波動歯車減速機のカップ状可撓性外歯歯車は、軸受けを介して、回転自在の状態で前記ハウジングによって支持され、
   各波動歯車減速機の円環状の剛性内歯歯車は前記ハウジングに固定され、
   各波動歯車減速機の前記入力回転軸は、前記カップ状可撓性外歯歯車のカップ形状の底面中央部分に形成されているボスの部分に、軸受けを介して、回転自在の状態で支持され、
   各入力回転軸に同軸状態で取り付けられている波動発生器により、各可撓性外歯歯車は半径方向に撓められて前記剛性内歯歯車に部分的に噛み合っており、
   各可撓性外歯歯車の各ボスには、前記回動側ハウジングに連結固定されている関節軸が形成されており、
   前記モータによって各波動発生器が回転すると、各可撓性外歯歯車および各剛性内歯歯車の噛み合い位置が円周方向に移動して、両歯車の歯数差に起因した減速比で、各可撓性外歯歯車が減速回転し、前記関節軸に連結固定されている前記回動部材が回動することを特徴とする指関節機構。
2. 請求項１において、
   前記波動歯車減速機として、第１および第２の波動歯車減速機が含まれており、
   これら第１および第２の波動歯車減速機は、前記カップ状可撓性外歯歯車が同一方向を向く状態、前記カップ状可撓性外歯歯車の開口側が向き合う状態、または、前記カップ状可撓性外歯歯車の前記ボスが向き合う状態で配列されていることを特徴とする指関節機構。

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