JP5459194B2 - 多関節ロボットおよびロボット関節構造 - Google Patents

Description

本発明は、多関節ロボットおよびロボット関節構造に関し、特に、傘歯車を含む関節部を備えた多関節ロボットおよびロボット関節構造に関する。

従来、傘歯車を含む関節部を備えたロボット関節構造が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、第１の方向に対向して配置された一組（一対）の傘歯車と、第１の方向に直交する第２の方向に対向して配置された他の組の一対の傘歯車とを含む関節部を備えた複合駆動装置（ロボット関節構造）が開示されている。この複合駆動装置では、一方の組の一対の傘歯車は、第１軸を回動中心として互いに独立して回動可能に構成されている。また、他方の組の一対の傘歯車は、一方の組の傘歯車の両方に噛み合っており、一方の組の傘歯車が回動することによって、第１軸に直交する第２軸を回動中心として回動可能であるとともに第１軸回りに揺動可能に構成されている。

特開平６−１９７４９２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の複合駆動装置（ロボット関節構造）では、一方の組の一対の傘歯車を回動させることによって、これらに噛み合った状態の他方の組の一対の傘歯車を第２軸を回動中心として回動させるとともに第１軸回りに揺動させる構成であるので、一方の組の傘歯車と他方の組の傘歯車との間に噛み合い部のバックラッシュ（隙間）によるガタツキが生じるという不都合がある。このため、上記特許文献１の複合駆動装置（ロボット関節構造）では、関節部を精度よく動作させることができないという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、バックラッシュによるガタツキを抑制することにより、関節部を精度よく動作させることが可能な多関節ロボットおよびロボット関節構造を提供することである。

課題を解決するための手段および発明の効果

上記目的を達成するために、この発明の第１の局面における多関節ロボットは、隣接するリンク部の間に配置され、隣接するリンク部を第１軸を回動中心として屈曲された状態および第１軸に略直交する第２軸を回動中心として回動された状態になるように動作可能な複数の関節部を備え、複数の関節部のうちの少なくとも１つの関節部は、隣接するリンク部のうちの一方のリンク部側に設けられ、互いに対向するように配置されるとともに、第１軸を回動中心として互いに独立して回動可能な第１傘歯車および第２傘歯車と、第１傘歯車および第２傘歯車の両方に噛み合うように隣接するリンク部のうちの他方のリンク部側に設けられ、第１傘歯車および第２傘歯車が回動することによって、第２軸を回動中心として回動可能であるとともに第１軸回りに揺動可能な第３傘歯車と、第１傘歯車および第２傘歯車の両方に噛み合った状態で第３傘歯車を第２軸回りの一方の回動方向に付勢する付勢部とを含み、他方のリンク部の少なくとも一部を覆うカバー部をさらに備え、付勢部は、他方のリンク部とカバー部との間の隙間に配置されている。

この発明の第１の局面による多関節ロボットでは、上記のように、複数の関節部のうちの少なくとも１つの関節部に、第２軸を回動中心として回動可能であるとともに第１軸回りに揺動可能な第３傘歯車と、第１傘歯車および第２傘歯車の両方に噛み合った状態で第３傘歯車を第２軸回りの一方の回動方向に付勢する付勢部とを設けることによって、付勢部により、第３傘歯車の歯部が第１傘歯車および第２傘歯車の歯部に対して第２軸回りの一方側から押し当てられるので、第３傘歯車の歯部が第１傘歯車および第２傘歯車の歯部間で移動するのを抑制することができる。これにより、第１傘歯車および第２傘歯車と第３傘歯車との間のバックラッシュによるガタツキが抑制されるので、関節部を精度よく動作させることができる。すなわち、この多関節ロボットでは、第１傘歯車および第２傘歯車と第３傘歯車との間のバックラッシュによるガタツキを抑制することにより、関節部を精度よく動作させることができる。また、関節部を精度よく動作させることによって、関節部により移動されるリンク部の位置決め精度を向上させることができる。また、付勢部により、第３傘歯車を第２軸回りの一方の回動方向に付勢するだけで、第３傘歯車が第２軸を回動中心として回動する動作および第１軸回りに揺動する動作の両方の動作に対してガタツキが抑制されるので、これらの動作に対してガタツキを抑制するための機構をそれぞれ別個に設ける場合に比べて、より簡易な構成で関節部の動作精度を向上させることができる。また、複数の関節部を有する多関節ロボットでは、各関節部における誤差が積み重なって先端部に設けられたハンド部の位置決め誤差が大きくなるので、各関節部を精度よく動作させることが可能な本発明は多関節ロボットに適用する場合に特に有効である。

この発明の第２の局面におけるロボット関節構造は、隣接するリンク部の間に配置され、隣接するリンク部を第１軸を回動中心として屈曲された状態および第１軸に略直交する第２軸を回動中心として回動された状態になるように動作可能な関節部を備え、関節部は、隣接するリンク部のうちの一方のリンク部側に設けられ、互いに対向するように配置されるとともに、第１軸を回動中心として互いに独立して回動可能な第１傘歯車および第２傘歯車と、第１傘歯車および第２傘歯車の両方に噛み合うように隣接するリンク部のうちの他方のリンク部側に設けられ、第１傘歯車および第２傘歯車が回動することによって、第２軸を回動中心として回動可能であるとともに第１軸回りに揺動可能な第３傘歯車と、第１傘歯車および第２傘歯車の両方に噛み合った状態で第３傘歯車を第２軸回りの一方の回動方向に付勢する付勢部とを含み、他方のリンク部の少なくとも一部を覆うカバー部をさらに備え、付勢部は、他方のリンク部とカバー部との間の隙間に配置されている。

この発明の第２の局面によるロボット関節構造では、上記のように、関節部に、第２軸を回動中心として回動可能であるとともに第１軸回りに揺動可能な第３傘歯車と、第１傘歯車および第２傘歯車の両方に噛み合った状態で第３傘歯車を第２軸回りの一方の回動方向に付勢する付勢部とを設けることによって、付勢部により、第３傘歯車の歯部が第１傘歯車および第２傘歯車の歯部に対して第２軸回りの一方側から押し当てられるので、第３傘歯車の歯部が第１傘歯車および第２傘歯車の歯部間で移動するのを抑制することができる。これにより、第１傘歯車および第２傘歯車と第３傘歯車との間のバックラッシュによるガタツキが抑制されるので、関節部を精度よく動作させることができる。すなわち、第１傘歯車および第２傘歯車と第３傘歯車との間のバックラッシュによるガタツキを抑制することにより、関節部を精度よく動作させることができる。また、関節部を精度よく動作させることによって、関節部により移動されるリンク部の位置決め精度を向上させることができる。また、付勢部により、第３傘歯車を第２軸回りの一方の回動方向に付勢するだけで、第３傘歯車が第２軸を回動中心として回動する動作および第１軸回りに揺動する動作の両方の動作に対してガタツキが抑制されるので、これらの動作に対してガタツキを抑制するための機構をそれぞれ別個に設ける場合に比べて、より簡易な構成で関節部の動作精度を向上させることができる。

本発明の一実施形態による多関節ロボットの全体構成を示した正面図である。 本発明の一実施形態による多関節ロボットの肩間接部を示した部分断面図である。 本発明の一実施形態による多関節ロボットの肘間接部および手首関節部を示した部分断面図である。 本発明の一実施形態による多関節ロボットの肘間接部を示した拡大断面図である。 図４の２００−２００線に沿った断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

まず、図１〜図５を参照して、本発明の一実施形態による多関節ロボット１００の構成について説明する。

多関節ロボット１００は、図１に示すように、２本のアーム部１および２を備える人型ロボットである。また、多関節ロボット１００は、２本のアーム部１および２が取り付けられる本体部３と、本体部３を支持する支持部４とを備えている。

２本のアーム部１および２は、互いに同様の構成を有している。また、２本のアーム部１および２は、本体部３の側面（Ｘ方向の側面）に取り付けられており、本体部３を挟んで左右対称に形成されている。以下では、多関節ロボット１００を正面側から見て、右側（Ｘ１方向側）に配置されたアーム部１の構成について説明し、左側に配置されたアーム部２についてはその説明を省略する。

アーム部１は、図１〜図３に示すように、本体部３側から先端に向かって、順に、肩部１０と、上腕部２０と、下腕部３０と、ハンド部４０とを備えている。また、アーム部１は、肩部１０および上腕部２０の間に配置される肩関節部５０と、上腕部２０および下腕部３０の間に配置される肘関節部６０と、下腕部３０およびハンド部４０の間に配置される手首関節部７０とを備えている。なお、肩関節部５０、肘関節部６０および手首関節部７０は、本発明の「関節部」および「ロボット関節構造」の一例である。

肩部１０は、図１〜図３に示すように、一方端部が本体部３の側面に固定的に取り付けられている。また、肩部１０は、他方端部が肩関節部５０を介して上腕部２０の一方端部に接続されている。また、肩部１０は、図２および図３に示すように、骨格フレーム１１と、骨格フレーム１１を覆うように設けられたカバーフレーム１２とから主として構成されている。骨格フレーム１１は、図２に示すように、中空の円筒形状に形成されている。具体的には、骨格フレーム１１は、本体部３から肩関節部５０に向かって延びる貫通孔１１１を有している。貫通孔１１１は、後述するように、配線１１０を配置可能に構成されている。また、骨格フレーム１１は、本体部３側の端部にフランジ部１１２を有し、フランジ部１１２を介して本体部３に固定的に取り付けられている。また、骨格フレーム１１は、本体部３側よりも肩関節部５０側の方が外形寸法および内径寸法が小さくなるように形成されている。また、骨格フレーム１１とカバーフレーム１２との間には、一対の軸受部１０１が配置されており、骨格フレーム１１およびカバーフレーム１２は、一対の軸受部１０１により、Ｘ方向に延びる回動軸Ｌ１を回動中心として互いに回動可能に支持されている。また、軸受部１０１は、骨格フレーム１１を取り囲むように円環状に形成されている。なお、骨格フレーム１１は、本発明の「リンク部」の一例であり、カバーフレーム１２は、本発明の「カバー部」の一例である。また、貫通孔１１１は、本発明の「中空部」の一例であり、回動軸Ｌ１は、本発明の「第２軸」の一例である。

また、カバーフレーム１２は、円筒形状に形成されている。また、カバーフレーム１２は、図２に示すように、肩関節部５０の後述の２つのアクチュエータ５１を挿入可能なように、２つの円形形状の開口部１２１を有している。また、開口部１２１は、アクチュエータ５１を支持する後述の支持部２１３も挿入可能に構成されている。

上腕部２０は、図２に示すように、骨格フレーム２１から主として構成されている。骨格フレーム２１は、中空の円筒形状に形成されている。具体的には、骨格フレーム２１は、肩関節部５０側から肘関節部６０側に向かって延びる貫通孔２１１を有している。また、骨格フレーム２１は、肩関節部５０側よりも肘関節部６０側の方が外形寸法および内径寸法が小さくなるように形成されている。また、骨格フレーム２１は、図２に示すように、肩関節部５０の後述の２つのアクチュエータ５１を挿入可能なように、２つの円形形状の開口部２１２を有している。具体的には、２つの開口部２１２は、２つのアクチュエータ５１を支持する２つの支持部２１３にそれぞれ形成されている。骨格フレーム２１は、支持部２１３により、開口部２１２に挿入されたアクチュエータ５１を固定的に支持するように構成されている。支持部２１３は、内側に向かって突出するように形成されている。また、支持部２１３は、カバーフレーム１２の開口部１２１に挿入されている。また、内側に突出した２つの支持部２１３の外側面とカバーフレーム１２の２つの開口部１２１の内側面との間には、一対の軸受部１０２が配置されており、骨格フレーム２１およびカバーフレーム１２は、一対の軸受部１０２により、図２のＹ方向に延びる曲げ軸Ｌ２を回動中心として互いに回動可能に支持されている。また、軸受部１０２は、アクチュエータ５１を取り囲むように円環状に形成されている。なお、骨格フレーム２１は、本発明の「リンク部」の一例であり、曲げ軸Ｌ２は、「第１軸」の一例である。

また、骨格フレーム２１は、図３に示すように、肘関節部６０の後述の２つのアクチュエータ６１を挿入可能なように、２つの円形形状の開口部２１４を有している。具体的には、２つの開口部２１４は、２つのアクチュエータ６１を支持する２つの支持部２１５にそれぞれ形成されている。また、骨格フレーム２１は、支持部２１５により、開口部２１４に挿入されたアクチュエータ６１を固定的に支持するように構成されている。支持部２１５は、内側に向かって突出するように形成されている。

下腕部３０は、一方端部が肘関節部６０を介して上腕部２０の他方端部に接続されている。また、下腕部３０は、図２および図３に示すように、骨格フレーム３１と、骨格フレーム３１の肘関節部６０近傍を覆うように設けられたカバーフレーム３２とから主として構成されている。骨格フレーム３１は、中空の円筒形状に形成されている。具体的には、骨格フレーム３１は、肘関節部６０から手首関節部７０に向かって延びる貫通孔３１１を有している。貫通孔３１１は、後述するように、配線１１０を配置可能に構成されている。また、骨格フレーム３１は、手首関節部７０側よりも肘関節部６０側の方が外形寸法および内径寸法が小さくなるように形成されている。また、骨格フレーム３１とカバーフレーム３２との間には、一対の軸受部１０３が配置されており、骨格フレーム３１およびカバーフレーム３２は、一対の軸受部１０３により、図３のＸ方向に延びる回動軸Ｌ３を回動中心として互いに回動可能に支持されている。また、軸受部１０３は、骨格フレーム３１を取り囲むように円環状に形成されている。なお、骨格フレーム３１は、本発明の「リンク部」の一例であり、カバーフレーム３２は、本発明の「カバー部」の一例である。また、貫通孔３１１は、本発明の「中空部」の一例である。

また、骨格フレーム３１は、図３に示すように、手首関節部７０の後述の２つのアクチュエータ７１を挿入可能なように、２つの円形形状の開口部３１２を有している。具体的には、２つの開口部３１２は、２つのアクチュエータ７１を支持する２つの支持部３１３にそれぞれ形成されている。また、骨格フレーム３１は、支持部３１３により、開口部３１２に挿入されたアクチュエータ７１を固定的に支持するように構成されている。支持部３１３は、内側に向かって突出するように形成されている。

また、カバーフレーム３２は、円筒形状に形成されている。また、カバーフレーム３２は、図３に示すように、肘関節部６０の後述の２つのアクチュエータ６１を挿入可能なように、２つの円形形状の開口部３２１を有している。また、開口部３２１は、アクチュエータ６１を支持する上述の支持部２１５も挿入可能に構成されている。

また、開口部３２１に挿入された支持部２１５の外側面とカバーフレーム３２の開口部３２１の内側面との間には、一対の軸受部１０４が配置されており、骨格フレーム２１およびカバーフレーム３２は、一対の軸受部１０４により、図３のＺ方向に延びる曲げ軸Ｌ４を回動中心として互いに回動可能に支持されている。また、軸受部１０４は、アクチュエータ６１を取り囲むように円環状に形成されている。

ハンド部４０は、一方端部が手首関節部７０を介して下腕部３０の他方端部に接続されている。また、ハンド部４０は、図２および図３に示すように、骨格フレーム４１と、骨格フレーム４１の手首関節部７０近傍を覆うように設けられたカバーフレーム４２と、骨格フレーム４１の他方端部側に設けられたハンド本体部４３とから主として構成されている。骨格フレーム４１は、中空の円筒形状に形成されている。具体的には、骨格フレーム４１は、手首関節部７０から先端部に向かって延びる貫通孔４１１を有している。貫通孔４１１は、後述するように、配線１１０を配置可能に構成されている。また、骨格フレーム４１は、ハンド本体部４３側よりも手首関節部７０側の方が外形寸法および内径寸法が小さくなるように形成されている。また、骨格フレーム４１とカバーフレーム４２との間には、一対の軸受部１０５が配置されており、骨格フレーム４１およびカバーフレーム４２は、一対の軸受部１０５により、図３のＸ方向に延びる回動軸Ｌ５を回動中心として互いに回動可能に支持されている。また、一対の軸受部１０５は、骨格フレーム４１を取り囲むように円環状に形成されている。なお、骨格フレーム４１は、本発明の「リンク部」の一例であり、カバーフレーム４２は、本発明の「カバー部」の一例である。また、貫通孔４１１は、本発明の「中空部」の一例である。

また、カバーフレーム４２は、円筒形状に形成されている。また、カバーフレーム４２は、図３に示すように、手首関節部７０の後述の２つのアクチュエータ７１を挿入可能なように、２つの円形形状の開口部４２１を有している。また、開口部４２１は、アクチュエータ７１を支持する上述の支持部３１３も挿入可能に構成されている。

また、開口部４２１に挿入された支持部３１３の外側面とカバーフレーム４２の開口部４２１の内側面との間には、一対の軸受部１０６が配置されており、下腕部３０の骨格フレーム３１およびカバーフレーム４２は、一対の軸受部１０６により、図３のＺ方向に延びる曲げ軸Ｌ６を回動中心として互いに回動可能に支持されている。また、軸受部１０６は、アクチュエータ７１を取り囲むように円環状に形成されている。

次に、本実施形態の関節部（５０、６０および７０）の構成について説明する。本実施形態では、肩関節部５０、肘関節部６０および手首関節部７０は、略同様の構成を有するため、ここでは、肘関節部６０について詳細に説明し、肩関節部５０および手首関節部７０については、肘関節部６０と異なる点についてのみ説明する。

肘関節部６０は、図４に示すように、一対のアクチュエータ６１と、一対の入力側傘歯車６２と、１つの出力側傘歯車６３とから主として構成されている。また、肘関節部６０は、隣接する上腕部２０の骨格フレーム２１と下腕部３０の骨格フレーム３１とを、曲げ軸Ｌ４を回動中心として屈曲された状態になるように動作可能に構成されている。また、肘関節部６０は、隣接する上腕部２０の骨格フレーム２１と下腕部３０の骨格フレーム３１とを、回動軸Ｌ３を回動中心として回動された状態になるように動作可能である。なお、一対の入力側傘歯車６２は、本発明の「第１傘歯車」および「第２傘歯車」の一例であり、出力側傘歯車６３は、本発明の「第３傘歯車」の一例である。また、回動軸Ｌ３および曲げ軸Ｌ４は、それぞれ、本発明の「第２軸」および「第１軸」の一例である。

一対のアクチュエータ６１は、図示しない駆動源となるモータと減速機と回転角度を検出する回転位置検出器とにより主として構成されている。また、一対のアクチュエータ６１は、回動軸Ｌ３に対して線対称な位置に配置されている。また、アクチュエータ６１は、円形状の外側面を有しているとともに、アクチュエータ６１の外側面が骨格フレーム２１の支持部２１５に形成された開口部２１４に挿入された状態で支持部２１５により固定的に支持されている。また、一対のアクチュエータ６１は、それぞれに取り付けられた入力側傘歯車６２を曲げ軸Ｌ４を回動中心として互いに独立して回動可能である。また、アクチュエータ６１は、曲げ軸Ｌ４が通る位置に曲げ軸Ｌ４に沿って延びる貫通孔６１１を有している。

一対の入力側傘歯車６２は、一対のアクチュエータ６１に取り付けられている。すなわち、一対の入力側傘歯車６２は、上腕部２０側に設けられている。また、一対の入力側傘歯車６２は、一対のアクチュエータ６１により、曲げ軸Ｌ４を回動中心として互いに独立して回動可能に構成されている。また、一対の入力側傘歯車６２は、Ｚ方向に対向するように配置されている。また、一対の入力側傘歯車６２は、回動軸Ｌ３に対して線対称な位置に配置されている。また、入力側傘歯車６２は、曲げ軸Ｌ４が通る位置に曲げ軸Ｌ４に沿って延びる貫通孔６２１を有している。すなわち、アクチュエータ６１の貫通孔６１１と入力側傘歯車６２の貫通孔６２１とは、曲げ軸Ｌ４が延びる方向（図４のＺ方向）に連続するように設けられている。

出力側傘歯車６３は、一対の入力側傘歯車６２の両方に噛み合うように配置されている。これにより、出力側傘歯車６３は、一対の入力側傘歯車６２が同じ方向に同じ速度で回動される場合には、回動軸Ｌ３回りに回動されることなく曲げ軸Ｌ４回りに揺動される。また、出力側傘歯車６３は、一対の入力側傘歯車６２が互いに反対方向に同じ速度で回動される場合には、曲げ軸Ｌ４回りに揺動されることなく回動軸Ｌ３回りに回動される。また、本実施形態の肘関節部６０では、一対の入力側傘歯車６２の回動方向および回動速度を調整することによって、回動軸Ｌ３回りの回動動作および曲げ軸Ｌ４回りの揺動動作を組み合わせて出力側傘歯車６３を動作することが可能である。また、出力側傘歯車６３は、下腕部３０の骨格フレーム３１の肘関節部６０側の端部に固定的に取り付けられている。これにより、骨格フレーム３１は、出力側傘歯車６３の動作に伴って、回動軸Ｌ３回りに回動されるとともに曲げ軸Ｌ４回りに揺動される。すなわち、肘関節部６０は、出力側傘歯車６３を曲げ軸Ｌ４回りに揺動することによって、隣接する上腕部２０の骨格フレーム２１と下腕部３０の骨格フレーム３１とを、曲げ軸Ｌ４を回動中心として屈曲された状態にすることが可能である。この際、下腕部３０のカバーフレーム３２は、骨格フレーム３１と共に曲げ軸Ｌ４回りに揺動される。また、肘関節部６０は、出力側傘歯車６３を回動軸Ｌ３回りに回動することによって、隣接する上腕部２０の骨格フレーム２１と下腕部３０の骨格フレーム３１とを回動軸Ｌ３を回動中心として回動された状態にすることが可能である。この際、下腕部３０のカバーフレーム３２は、回動軸Ｌ３回りには回動されない。

また、出力側傘歯車６３は、回動軸Ｌ３が通る位置に回動軸Ｌ３に沿って延びる貫通孔６３１を有している。また、出力側傘歯車６３の貫通孔６３１と骨格フレーム３１の貫通孔３１１とは、回動軸Ｌ３が延びる方向（図４のＸ方向）に連続するように設けられている。また、出力側傘歯車６３は、半径方向の大きさ（直径）が入力側傘歯車６２の半径方向の大きさ（直径）よりも小さくなるように構成されている。また、出力側傘歯車６３は、半径方向の大きさ（直径）が入力側傘歯車６２よりも小さい分歯数も少なくなっている。本実施形態の肘関節部６０のように、回動軸Ｌ３回りの回動方向に曲げ軸Ｌ４回りよりも小さい負荷しか掛からないと想定される場合には、上記のように、入力側傘歯車６２に対して出力側傘歯車６３の歯数を少なくすることができるので、その分、出力側傘歯車６３の半径方向の大きさ（直径）を小さくすることが可能である。これにより、肘関節部６０が幅方向（図４のＺ方向）に大きくなるのを抑制することが可能である。

ここで、本実施形態では、出力側傘歯車６３は、回動軸Ｌ３回りの一方の方向に常に付勢されている。具体的には、肘関節部６０には定荷重バネ６４が設けられており、出力側傘歯車６３は、定荷重バネ６４により、一対の入力側傘歯車６２に噛み合った状態で回動軸Ｌ３回りの一方の方向に一定の付勢力で付勢されている。定荷重バネ６４は、変位量に拘わらず略一定の大きさの付勢力で出力側傘歯車６３を付勢するように構成されている。また、定荷重バネ６４は、下腕部３０の骨格フレーム３１の貫通孔３１１を取り囲むように骨格フレーム３１の外周部に配置されている。詳細には、定荷重バネ６４は、下腕部３０の骨格フレーム３１とカバーフレーム３２との間の隙間に配置されている。より詳細には、定荷重バネ６４は、下腕部３０の骨格フレーム３１とカバーフレーム３２との間の隙間に配置された一対の軸受部１０３の間に配置されている。また、定荷重バネ６４は、一対の軸受部１０３の半径方向の厚み範囲内に設けられている。なお、定荷重バネ６４は、本発明の「付勢部」の一例である。

また、定荷重バネ６４は、図４および図５に示すように、骨格フレーム３１を取り巻くようにぜんまい状に巻回された板バネからなる。また、定荷重バネ６４は、一方端部が骨格フレーム３１の外面に固定部６４１を介して取り付けられている。また、定荷重バネ６４は、他方端部がカバーフレーム３２の内面に固定部６４２を介して取り付けられている。すなわち、定荷重バネ６４は、骨格フレーム３１がカバーフレーム３２に対して回動軸Ｌ３回りの一方方向に回動するように骨格フレーム３１を付勢している。これにより、定荷重バネ６４は、骨格フレーム３１を介して回動軸Ｌ３回りの一方方向に出力側傘歯車６３を一定の付勢力（定荷重）で付勢している。また、定荷重バネ６４は、アクチュエータ６１の駆動力よりも小さい一定の付勢力で出力側傘歯車６３を付勢している。具体的には、定荷重バネ６４は、アクチュエータ６１の駆動力の略１／１０倍の大きさの一定の付勢力で出力側傘歯車６３を付勢している。

また、肘関節部６０には、アクチュエータや各種センサなどに接続される配線１１０が配置されている。具体的には、ハンド部４０側から延びる配線１１０は、骨格フレーム３１の貫通孔３１１内で回動軸Ｌ３に沿って配置されている。また、ハンド部４０側から延びる配線１１０は、出力側傘歯車６３の貫通孔６３１を介して、回動軸Ｌ３と曲げ軸Ｌ４とが交差する点の近傍を通るように配置されている。また、この配線１１０は、入力側傘歯車６２の貫通孔６２１およびアクチュエータ６１の貫通孔６１１を介して肘関節部６０の外側を通るように配置されている。また、配線１１０は、入力側傘歯車６２の貫通孔６２１内およびアクチュエータ６１の貫通孔６１１内において曲げ軸Ｌ４に沿うように配置されている。これにより、肘関節部６０が回動軸Ｌ３回りおよび曲げ軸Ｌ４回りのいずれの方向に動作する場合でも、配線１１０の変位量を小さくすることができる。また、このように配線１１０を配置すれば、肘関節部６０の外側のみに配線１１０を配置する場合に比べて肘関節部６０の周囲における配線１１０の配置スペースを小さくすることができるので、配線１１０を含む肘関節部６０の周囲の必要スペースをコンパクトにすることができる。また、肘関節部６０の外側に配置された配線１１０は、貫通孔２１６を介して骨格フレーム２１の貫通孔２１１内に引き込まれる。このように、配線１１０を貫通孔内に配置することによって、配線１１０が損傷したり劣化したりするのを抑制することが可能である。また、アクチュエータ６１に接続される配線１１０も、貫通孔２１６を介して骨格フレーム２１の貫通孔２１１内に引き込まれる。また、肘関節部６０の外側から貫通孔２１１内に引き込まれる配線１１０については、配線１１０を覆う図示しない配線カバーを設けることで保護することが可能である。この場合、肘関節部６０の動作に伴う配線１１０の可動範囲が小さいので、配線カバーをコンパクトに構成することができる。

次に、肩部１０および上腕部２０の間に配置される肩関節部５０の構成について説明する。肩関節部５０は、図２に示すように、一対のアクチュエータ５１と、一対の入力側傘歯車５２と、１つの出力側傘歯車５３とから主として構成されている。また、肩関節部５０は、隣接する肩部１０の骨格フレーム１１と上腕部２０の骨格フレーム２１とを、曲げ軸Ｌ２を回動中心として屈曲された状態になるように動作可能に構成されている。また、肩関節部５０は、隣接する肩部１０の骨格フレーム１１と上腕部２０の骨格フレーム２１とを、回動軸Ｌ１を回動中心として回動された状態になるように動作可能である。また、一対のアクチュエータ５１は、骨格フレーム２１の支持部２１３に形成された開口部２１２に挿入された状態で支持部２１３により固定的に支持されている。また、一対の入力側傘歯車５２は、一対のアクチュエータ５１に取り付けられている。また、出力側傘歯車５３は、一対の入力側傘歯車５２の両方に噛み合った状態で、肩部１０の骨格フレーム１１の肩関節部５０側の端部に固定的に取り付けられている。また、出力側傘歯車５３は、定荷重バネ５４により、一対の入力側傘歯車５２に噛み合った状態で回動軸Ｌ１回りの一方の方向に一定の付勢力で付勢されている。定荷重バネ５４は、肩部１０の骨格フレーム１１とカバーフレーム１２との間の隙間で、かつ、一対の軸受部１０１の半径方向の厚み範囲内に設けられている。なお、一対の入力側傘歯車５２は、本発明の「第１傘歯車」および「第２傘歯車」の一例であり、出力側傘歯車５３は、本発明の「第３傘歯車」の一例である。また、定荷重バネ５４は、本発明の「付勢部」の一例である。

また、肩関節部５０の出力側傘歯車５３は、上記肘関節部６０とは異なり、半径方向の大きさ（直径）が入力側傘歯車５２の半径方向の大きさ（直径）と略同じ大きさになるように構成されている。また、出力側傘歯車５３は、入力側傘歯車５２に対してギア比が略１／１になるように構成されている。これは、本実施形態の肩関節部５０では、回動軸Ｌ１回りと曲げ軸Ｌ２回りとで最大負荷が略同じになることを想定しているためである。また、肘関節部６０と比較して、入力側傘歯車５２と出力側傘歯車５３の位置関係が逆になっているのは、人型ロボットの肩部の関節の軸構成への適合性を考慮したためである。なお、肩関節部５０においても、肘関節部６０と同様に、入力側傘歯車５２と出力側傘歯車５３とを配置することも可能である。

なお、肩関節部５０のアクチュエータ５１、入力側傘歯車５２、出力側傘歯車５３および定荷重バネ５４は、それぞれ、肘関節部６０のアクチュエータ６１、入力側傘歯車６２、出力側傘歯車６３および定荷重バネ６４に対応している。

また、図３に示すように、肩関節部５０には、肘関節部６０側から延びる配線１１０と、アクチュエータ５１に接続される配線１１０とが配置されている。具体的には、肘関節部６０側から延びる配線１１０は、回動軸Ｌ１に沿って配置され、出力側傘歯車５３の貫通孔を介して本体部３の内部に引き込まれる。また、アクチュエータ５１に接続される配線１１０は、アクチュエータ５１の貫通孔および入力側傘歯車５２の貫通孔を介して肩関節部５０の内部に引き込まれる。肩関節部５０の内部に引き込まれた配線１１０は、回動軸Ｌ１と曲げ軸Ｌ２とが交差する点の近傍を通るように配置され、出力側傘歯車５３の貫通孔を介して本体部３の内部に引き込まれる。

次に、下腕部３０およびハンド部４０の間に配置される手首関節部７０の構成について説明する。手首関節部７０は、図３に示すように、一対のアクチュエータ７１と、一対の入力側傘歯車７２と、１つの出力側傘歯車７３とから主として構成されている。また、手首関節部７０は、隣接する下腕部３０の骨格フレーム３１とハンド部４０の骨格フレーム４１とを、曲げ軸Ｌ６を回動中心として屈曲された状態になるように動作可能に構成されている。また、手首関節部７０は、隣接する下腕部３０の骨格フレーム３１とハンド部４０の骨格フレーム４１とを、回動軸Ｌ５を回動中心として回動された状態になるように動作可能である。また、一対のアクチュエータ７１は、骨格フレーム３１の支持部３１３に形成された開口部３１２に挿入された状態で支持部３１３により固定的に支持されている。また、一対の入力側傘歯車７２は、一対のアクチュエータ７１に取り付けられている。また、出力側傘歯車７３は、一対の入力側傘歯車７２の両方に噛み合った状態で、ハンド部４０の骨格フレーム４１の手首関節部７０側の端部に固定的に取り付けられている。また、出力側傘歯車７３は、定荷重バネ７４により、一対の入力側傘歯車７２に噛み合った状態で回動軸Ｌ５回りの一方の方向に一定の付勢力で付勢されている。定荷重バネ７４は、ハンド部４０の骨格フレーム４１とカバーフレーム４２との間の隙間で、かつ、一対の軸受部１０５の半径方向の厚み範囲内に設けられている。なお、一対の入力側傘歯車７２は、本発明の「第１傘歯車」および「第２傘歯車」の一例であり、出力側傘歯車７３は、本発明の「第３傘歯車」の一例である。また、定荷重バネ７４は、本発明の「付勢部」の一例である。また、回動軸Ｌ５および曲げ軸Ｌ６は、それぞれ、本発明の「第２軸」および「第１軸」の一例である。

また、手首関節部７０の出力側傘歯車７３は、上記肘関節部６０と同様に、半径方向の大きさ（直径）が入力側傘歯車７２の半径方向の大きさ（直径）よりも小さくなるように構成されている。

なお、手首関節部７０のアクチュエータ７１、入力側傘歯車７２、出力側傘歯車７３および定荷重バネ７４は、それぞれ、肘関節部６０のアクチュエータ６１、入力側傘歯車６２、出力側傘歯車６３および定荷重バネ６４に対応している。

また、図２に示すように、手首関節部７０にも、肘関節部６０と同様に、ハンド部４０の先端部側から延びる配線１１０が配置されている。

本実施形態では、上記のように、肘関節部６０に、回動軸Ｌ３を回動中心として回動可能であるとともに曲げ軸Ｌ４回りに揺動可能な出力側傘歯車６３と、一対の入力側傘歯車６２の両方に噛み合った状態で出力側傘歯車６３を回動軸Ｌ３回りの一方の回動方向に付勢する定荷重バネ６４を設けることによって、定荷重バネ６４により、出力側傘歯車６３の歯部が一対の入力側傘歯車６２の歯部に対して回動軸Ｌ３回りの一方側から押し当てられるので、出力側傘歯車６３の歯部が一対の入力側傘歯車６２の歯部間で移動するのを抑制することができる。これにより、一対の入力側傘歯車６２と出力側傘歯車６３との間のバックラッシュによるガタツキが抑制されるので、肘関節部６０を精度よく動作させることができる。すなわち、一対の入力側傘歯車６２と出力側傘歯車６３との間のバックラッシュによるガタツキを抑制することにより、肘関節部６０を精度よく動作させることができる。

また、肘関節部６０を精度よく動作させることによって、肘関節部６０により移動される骨格フレーム３１の位置決め精度を向上させることができる。また、定荷重バネ６４により、出力側傘歯車６３を回動軸Ｌ３回りの一方の回動方向に付勢するだけで、出力側傘歯車６３が回動軸Ｌ３を回動中心として回動する動作および曲げ軸Ｌ４回りに揺動する動作の両方の動作に対してガタツキが抑制されるので、これらの動作に対してガタツキを抑制するための機構をそれぞれ別個に設ける場合に比べて、より簡易な構成で肘関節部６０の動作精度を向上させることができる。また、複数の関節部（５０、６０および７０）を有する多関節ロボット１００では、各関節部における誤差が積み重なって先端部に設けられたハンド部４０の位置決め誤差が大きくなるので、各関節部を精度よく動作させることが可能な本発明は多関節ロボットに適用する場合に特に有効である。

また、本実施形態では、上記のように、定荷重バネ６４を、骨格フレーム３１の外周部に配置する。このように構成すれば、骨格フレーム３１の内部に定荷重バネ６４を配置するための領域を設ける必要がないので、骨格フレーム３１の外形寸法が大きくなるのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、定荷重バネ６４を、骨格フレーム３１の外周部で、かつ、骨格フレーム３１とカバーフレーム３２との間の隙間に配置する。このように構成すれば、骨格フレーム３１とカバーフレーム３２との間の隙間の領域を利用して定荷重バネ６４が配置されるので、定荷重バネ６４を配置するための専用の領域を設ける必要がない。

また、本実施形態では、上記のように、骨格フレーム３１とカバーフレーム３２との間の隙間に配置され、骨格フレーム３１およびカバーフレーム３２を互いに回動可能に支持する一対の軸受部１０３を設けるとともに、定荷重バネ６４を、骨格フレーム３１とカバーフレーム３２との間の隙間で、かつ、一対の軸受部１０３の厚み範囲内に設ける。このように構成すれば、骨格フレーム３１とカバーフレーム３２との間の隙間の間隔（半径方向における隙間の大きさ）を大きくすることなく定荷重バネ６４を設けることができるので、定荷重バネ６４を設けることに起因して多関節ロボット１００の外形寸法が大きくなるのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、定荷重バネ６４の一方端部を骨格フレーム３１に接続するとともに他方端部をカバーフレーム３２に接続し、骨格フレーム３１を介して出力側傘歯車６３を回動軸Ｌ３回りの一方の回動方向に付勢するように定荷重バネ６４を構成する。このように構成すれば、定荷重バネ６４により、骨格フレーム３１がカバーフレーム３２に対して回動されるように付勢されるので、骨格フレーム３１を介して容易に出力側傘歯車６３を付勢することができる。

また、本実施形態では、上記のように、定荷重バネ６４を、骨格フレーム３１を取り巻くように巻回された板バネにより構成する。このように構成すれば、板バネからなる簡易な構成の定荷重バネ６４により、容易に、出力側傘歯車６３を回動軸Ｌ３回りの一方の回動方向に付勢することができる。

また、本実施形態では、上記のように、定荷重バネ６４を、変位量に拘わらず略一定の大きさの付勢力で出力側傘歯車６３を付勢するように構成する。このように構成すれば、出力側傘歯車６３が回動軸Ｌ３回りに回動されることにより定荷重バネ６４の変位量が変動する場合でも、出力側傘歯車６３の歯部を一対の入力側傘歯車６２の歯部に対して一定の付勢力により安定して押し付けることができるので、定荷重バネ６４の変位量に拘わらず一対の入力側傘歯車６２と出力側傘歯車６３との間のバックラッシュによるガタツキを確実に抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、骨格フレーム３１に、配線１１０を配置可能な貫通孔３１１を設け、定荷重バネ６４を、貫通孔３１１を取り囲むように骨格フレーム３１とカバーフレーム３２との間の隙間に配置する。このように構成すれば、貫通孔３１１に定荷重バネ６４を配置する場合とは異なり、配線１１０を配置可能な領域を狭めることなく定荷重バネ６４を配置することができるので、定荷重バネ６４を設けた場合でも、骨格フレーム３１の貫通孔３１１に容易に配線１１０を配置することができる。

また、本実施形態では、上記のように、定荷重バネ６４を、一対のアクチュエータ６１の駆動力よりも小さい付勢力により出力側傘歯車６３を付勢するように構成する。このように構成すれば、一対のアクチュエータ６１により、定荷重バネ６４の付勢力に抗して一対の入力側傘歯車６２を回動させることができるので、定荷重バネ６４により出力側傘歯車６３を付勢する構成でも、肘関節部６０を容易に動作させることができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、本発明の多関節ロボットを人型ロボットに適用する例について説明したが、本発明はこれに限られない。本発明の多関節ロボットをアーム部のみからなるロボットなど、人型ロボット以外のロボットに適用してもよい。

また、上記実施形態では、肩関節部、肘関節部および手首関節部の全ての関節部に本発明の付勢部としての定荷重バネを設ける構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、肩関節部、肘関節部および手首関節部のいずれか１つまたは２つにだけ本発明の付勢部を設ける構成でもよい。

また、上記実施形態では、本発明の付勢部の一例として、板バネからなる定荷重バネを示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、板バネ以外の付勢部であってもよいし、変位量に応じて付勢力が変動する付勢部であってもよい。

１１、２１、３１、４１ 骨格フレーム（リンク部）
１２、３２、４２ カバーフレーム（カバー部）
５０ 肩関節部（関節部）
５２、６２、７２ 入力側傘歯車（第１傘歯車および第２傘歯車）
５３、６３、７３ 出力側傘歯車（第３傘歯車）
５４、６４、７４ 定荷重バネ（付勢部）
６０ 肘関節部（関節部）
７０ 手首関節部（関節部）
１００ 多関節ロボット
１０１、１０３、１０５ 軸受部
１１１、３１１、４１１ 貫通孔（中空部）
Ｌ１、Ｌ３、Ｌ５ 回動軸（第２軸）
Ｌ２、Ｌ４、Ｌ６ 曲げ軸（第１軸）

Claims (10)

1. 隣接するリンク部の間に配置され、前記隣接するリンク部を第１軸を回動中心として屈曲された状態および前記第１軸に略直交する第２軸を回動中心として回動された状態になるように動作可能な複数の関節部を備え、
   前記複数の関節部のうちの少なくとも１つの関節部は、
   前記隣接するリンク部のうちの一方のリンク部側に設けられ、互いに対向するように配置されるとともに、前記第１軸を回動中心として互いに独立して回動可能な第１傘歯車および第２傘歯車と、前記第１傘歯車および前記第２傘歯車の両方に噛み合うように前記隣接するリンク部のうちの他方のリンク部側に設けられ、前記第１傘歯車および前記第２傘歯車が回動することによって、前記第２軸を回動中心として回動可能であるとともに前記第１軸回りに揺動可能な第３傘歯車と、前記第１傘歯車および前記第２傘歯車の両方に噛み合った状態で前記第３傘歯車を前記第２軸回りの一方の回動方向に付勢する付勢部とを含み、
   前記他方のリンク部の少なくとも一部を覆うカバー部をさらに備え、
   前記付勢部は、前記他方のリンク部と前記カバー部との間の隙間に配置されている、多関節ロボット。
2. 前記付勢部は、前記他方のリンク部の外周部に配置されている、請求項１に記載の多関節ロボット。
3. 前記付勢部は、前記他方のリンク部の外周部で、かつ、前記他方のリンク部と前記カバー部との間の隙間に配置されている、請求項２に記載の多関節ロボット。
4. 前記他方のリンク部と前記カバー部との間の隙間に配置され、前記他方のリンク部および前記カバー部を互いに回動可能に支持する軸受部をさらに備え、
   前記付勢部は、前記他方のリンク部と前記カバー部との間の隙間で、かつ、前記軸受部の厚み範囲内に設けられている、請求項３に記載の多関節ロボット。
5. 前記付勢部は、一方端部が前記他方のリンク部に接続されるとともに、他方端部が前記カバー部に接続されており、前記他方のリンク部を介して前記第３傘歯車を前記第２軸回りの一方の回動方向に付勢するように構成されている、請求項３または４に記載の多関節ロボット。
6. 前記付勢部は、前記他方のリンク部を取り巻くように巻回された板バネからなる、請求項３〜５のいずれか１項に記載の多関節ロボット。
7. 前記付勢部は、変位量に拘わらず略一定の大きさの付勢力で前記第３傘歯車を付勢する定荷重バネからなる、請求項６に記載の多関節ロボット。
8. 前記他方のリンク部は、配線を配置可能な中空部を有し、
   前記付勢部は、前記中空部を取り囲むように前記他方のリンク部と前記カバー部との間の隙間に配置されている、請求項３〜７のいずれか１項に記載の多関節ロボット。
9. 前記第１傘歯車および前記第２傘歯車のそれぞれを回動する第１駆動源および第２駆動源をさらに備え、
   前記付勢部は、前記第１駆動源および前記第２駆動源の駆動力よりも小さい付勢力により前記第３傘歯車を付勢するように構成されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の多関節ロボット。
10. 隣接するリンク部の間に配置され、前記隣接するリンク部を第１軸を回動中心として屈曲された状態および前記第１軸に略直交する第２軸を回動中心として回動された状態になるように動作可能な関節部を備え、
    前記関節部は、
    前記隣接するリンク部のうちの一方のリンク部側に設けられ、互いに対向するように配置されるとともに、前記第１軸を回動中心として互いに独立して回動可能な第１傘歯車および第２傘歯車と、前記第１傘歯車および前記第２傘歯車の両方に噛み合うように前記隣接するリンク部のうちの他方のリンク部側に設けられ、前記第１傘歯車および前記第２傘歯車が回動することによって、前記第２軸を回動中心として回動可能であるとともに前記第１軸回りに揺動可能な第３傘歯車と、前記第１傘歯車および前記第２傘歯車の両方に噛み合った状態で前記第３傘歯車を前記第２軸回りの一方の回動方向に付勢する付勢部とを含み、
    前記他方のリンク部の少なくとも一部を覆うカバー部をさらに備え、
    前記付勢部は、前記他方のリンク部と前記カバー部との間の隙間に配置されている、ロボット関節構造。

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