JP6176611B2 - ロボットの関節機構 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットの関節機構に関する。

従来、ウォームギヤを利用してモータの回転を伝達することによって、指部を動作させるロボットの関節機構が知られている。
例えば、特許文献１に記載されたマニピュレータ（ロボット）は、モータにてウォームギヤを駆動することによって、ウォームホイールに取り付けられた指部を開閉させている。具体的には、このマニピュレータは、モータおよびウォームを内部に収容するとともに、ウォームホイールを回転自在に支持する円筒を備えている。

この円筒は、ウォームギヤを駆動するモータとは異なるモータによって自己の中心軸回りに回転させることができるので、マニピュレータは、指部を開閉させることができるとともに、円筒の中心軸回りに指部の全体を回転させることができる。
ここで、このようなロボットの関節機構において、指部の開閉角度、すなわちウォームホイールの回転角度を検出しようとする場合には、円筒に対するウォームホイールの回転角度を検出する手法が考えられる。

実開昭６３−４１４９３号公報

しかしながら、ウォームホイールの回転角度を検出するためのセンサを円筒に取り付けると、円筒が重くなってしまうので、指部の全体を回転させる際や、指部の全体を移動させる際に大きな力が必要になって動かしにくくなるという問題がある。
また、指部の全体を回転させると、センサに接続された信号線などのケーブルが絡まってしまうという問題がある。この問題は、指部の全体を無限回転させる場合には特に顕著である。

本発明の目的は、指部の全体を動かす際に必要となる力を小さくして動かしやすくすることができるロボットの関節機構を提供することである。

本発明のロボットの関節機構は、自己の中心軸回りに回転する筒状体と、筒状体の内部に同心状に設けられるとともに、自己の中心軸回りに回転するウォームと、筒状体およびウォームの端部を回転自在に支持する支持部と、筒状体に設けられるとともに、ウォームと嵌合することによってウォームの回転に伴って回転するウォームホイールと、支持部に設けられるとともに、筒状体およびウォームの回転角度の差を検出する角度検出装置とを備えることを特徴とする。

ここで、ウォームギヤは、ウォームと、ウォームホイールとを組み合わせて構成されているので、角度検出装置にて筒状体およびウォームの回転角度の差を検出することによって、筒状体に対するウォームホイールの回転角度を検出することができる。
本発明によれば、筒状体およびウォームの回転角度の差を検出する角度検出装置は、筒状体およびウォームの端部を回転自在に支持する支持部に設けられているので、筒状体を軽くすることができる。したがって、ロボットの関節機構は、指部の全体を動かす際に必要となる力を小さくして動かしやすくすることができる。また、角度検出装置は、支持部に設けられているので、指部の全体を回転させた場合であっても、センサに接続された信号線などのケーブルが絡まってしまうことはない。

本発明では、角度検出装置は、ウォームに同心状に設けられることによってウォームの回転に伴って回転するサンギヤと、筒状体に同心状に設けられることによって筒状体の回転に伴って回転するアウターギヤと、サンギヤおよびアウターギヤの間に設けられたプラネタリギヤと、プラネタリギヤの公転運動を出力するキャリアとを有する遊星歯車機構を備え、キャリアの回転角度を検出することによって、筒状体およびウォームの回転角度の差を検出することが好ましい。

このような構成によれば、角度検出装置は、遊星歯車機構を備え、キャリアの回転角度を検出することによって、筒状体およびウォームの回転角度の差を検出するので、遊星歯車機構とは異なる他の歯車機構を採用した場合と比較して少ない段数で大きな速比を得ることができる。したがって、ロボットの関節機構における限られたスペースを有効に利用することができる。

本発明では、ウォームの回転に伴って回転する複数のウォームホイールを備え、複数のウォームホイールのそれぞれは、これらのウォームホイールの回転軸方向と直交する方向に延出するように設けられる指部を備え、指部は、ウォームを回転させることによって開閉することが好ましい。

このような構成によれば、ロボットの関節機構は、角度検出装置にて筒状体およびウォームの回転角度の差を検出することによって、筒状体に対する複数のウォームホイールの回転角度を一度に検出することができるので、ロボットの関節機構における限られたスペースを更に有効に利用することができる。

本発明の一実施形態に係る関節機構を備えるロボットの外観を示す斜視図 ハンドにおけるグリッパの近傍を拡大した図 基部の回転軸を通るＸＺ平面に沿って関節機構を切断した断面を示す図 基部の回転軸を通るＸＹ平面に沿って関節機構を切断した断面を示す図 角度検出装置の近傍を拡大した断面図 角度検出装置を分解した斜視図

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る関節機構を備えるロボットの外観を示す斜視図である。
ロボット１は、図１に示すように、路上を走行する走行車Ｖに載置されるマニピュレータである。このロボット１は、走行車Ｖに取り付けるための取付部２と、取付部２に設けられた円柱状のアーム３と、アーム３の先端に接続された円柱状のアーム４と、アーム４の先端に接続されたハンド５とを備えている。

アーム３は、紙面上下方向の軸を回転軸として取付部２に回転自在に取り付けられるとともに、この軸と直交する軸を回転軸として取付部２に回転自在に取り付けられている。
アーム４は、アーム３の中心軸と直交する軸を回転軸としてアーム３に回転自在に取り付けられている。
ハンド５は、本体部５１と、本体部５１におけるアーム４側の端部に設けられた指部としての２つのグリッパ６と、本体部５１におけるグリッパ６とは反対側の端部に設けられたカメラ７とを備えている。

このロボット１は、走行車Ｖを走行させることによって作業領域を移動することができ、アーム３，４を駆動することによって、作業対象にグリッパ６を近接させることができる。そして、ロボット１は、グリッパ６にて作業対象を掴んだり回したりして所定の作業を行うことができる。この際、ロボット１は、カメラ７にて撮像される画像を参照して作業を行うことができる。

図２は、ハンド５におけるグリッパ６の近傍を拡大した図である。
ハンド５の本体部５１およびグリッパ６は、図２に示すように、関節機構８を介して互いに接続されている。
関節機構８は、ハンド５に設けられるとともに、ハンド５の中心軸回りに回転自在に設けられた基部８１を備え、グリッパ６のそれぞれは、この基部８１にハンド５の中心軸と直交する軸回りに回転自在に設けられている。
なお、図２では、紙面上方向を＋Ｚ軸方向とし、このＺ軸に直交する２軸のうち、基部８１の回転軸と平行な軸をＸ軸とし、グリッパ６の回転軸と平行な軸をＹ軸として説明する。以下の図面においても同様である。

図３は、基部８１の回転軸を通るＸＺ平面に沿って関節機構８を切断した断面を示す図である。図４は、基部８１の回転軸を通るＸＹ平面に沿って関節機構８を切断した断面を示す図である。
関節機構８は、図３および図４に示すように、筒状に形成された前述の基部８１と、基部８１の内部に同心状に設けられたウォーム８２と、基部８１に設けられるとともに、ウォーム８２と嵌合することによってウォーム８２の回転に伴って回転する２つのウォームホイール８３とを備えている。
ここで、２つのウォームホイール８３のそれぞれは、ウォームホイール８３の回転軸方向（Ｙ軸方向）と直交する方向（Ｘ軸方向）に延出するように設けられている。したがって、グリッパ６は、ウォーム８２を回転させることによって開閉することができる。

基部８１およびウォーム８２の端部は、ハンド５の本体部５１に自己の中心軸（図中一点鎖線）回りに回転自在に支持されている。したがって、本体部５１は、本発明の支持部として機能する。基部８１およびウォーム８２は、自己の中心軸回りに回転することができ、基部８１は、本発明の筒状体として機能する。
また、本体部５１は、基部８１を回転させるためのモータ５２と、ウォーム８２を回転させるためのモータ５３と、基部８１およびウォーム８２の回転角度の差を検出する角度検出装置９とを備えている。

図５は、図３における角度検出装置９の近傍を拡大した断面図である。また、図６は、角度検出装置９を分解した斜視図である。
角度検出装置９は、図５および図６に示すように、ウォーム８２に同心状に設けられることによってウォーム８２の回転に伴って回転するサンギヤ９１と、基部８１に同心状に設けられることによって基部８１の回転に伴って回転するアウターギヤ９２と、サンギヤ９１およびアウターギヤ９２の間に設けられたプラネタリギヤ９３と、プラネタリギヤ９３の公転運動を出力するキャリア９４とを有する遊星歯車機構を備えている。
また、角度検出装置９は、基部８１の回転角度を検出するポテンショメータ９５と、キャリア９４の回転角度を検出するポテンショメータ９６とを備えている。なお、ポテンショメータ９５，９６は、ロータリ型のポテンショメータである。

サンギヤ９１は、ウォーム８２のシャフトに形成されている。
アウターギヤ９２は、アウターギヤ９２に一体的に取り付けられるとともに、アウターギヤ９２の回転に伴って回転する平歯車９２Ａ，９２Ｂを備えている。
平歯車９２Ａは、アウターギヤ９２と略同一の大きさを有し、平歯車９２Ｂよりも基部８１側（紙面右側）に取り付けられるとともに、モータ５２の出力軸５２Ａと嵌合している。したがって、モータ５２は、平歯車９２Ａを回転させることによって、アウターギヤ９２を回転させることができ、ひいては基部８１を回転させることができる。
平歯車９２Ｂは、平歯車９２Ａよりも小さく、平歯車９２Ａよりもモータ５２，５３側（紙面左側）に取り付けられるとともに、ポテンショメータ９５に接続されている。したがって、ポテンショメータ９５は、平歯車９２Ｂの回転を検出することによって、アウターギヤ９２の回転角度を検出することができ、ひいては基部８１の回転角度を検出することができる。

キャリア９４は、キャリア９４に一体的に取り付けられるとともに、キャリア９４の回転に伴って回転する平歯車９４Ａを備えている。
平歯車９４Ａは、キャリア９４の端部（紙面左側の端部）に取り付けられるとともに、ポテンショメータ９６に接続されている。したがって、ポテンショメータ９６は、平歯車９４Ａの回転を検出することによって、キャリア９４の回転角度を検出することができる。
ここで、キャリア９４の回転角度は、基部８１およびウォーム８２の回転角度の差に相当するので、ポテンショメータ９６は、キャリア９４の回転角度を検出することによって、基部８１およびウォーム８２の回転角度の差を検出することができる。

このような本実施形態によれば、以下の作用・効果を奏することができる。
（１）基部８１およびウォーム８２の回転角度の差を検出する角度検出装置９は、基部８１およびウォーム８２の端部を回転自在に支持する本体部５１に設けられているので、基部８１を軽くすることができる。したがって、ロボット１の関節機構８は、グリッパ６の全体を動かす際に必要となる力を小さくして動かしやすくすることができる。また、角度検出装置９は、本体部５１に設けられているので、グリッパ６の全体を回転させた場合であっても、ポテンショメータ９５，９６に接続された信号線などのケーブルが絡まってしまうことはない。

（２）角度検出装置９は、遊星歯車機構を備え、キャリア９４の回転角度を検出することによって、基部８１およびウォーム８２の回転角度の差を検出するので、遊星歯車機構とは異なる他の歯車機構を採用した場合と比較して少ない段数で大きな速比を得ることができる。したがって、ロボット１の関節機構８における限られたスペースを有効に利用することができる。
（３）ロボット１の関節機構８は、角度検出装置９にて基部８１およびウォーム８２の回転角度の差を検出することによって、基部８１に対する２つのウォームホイール８３の回転角度を一度に検出することができるので、ロボット１の関節機構８における限られたスペースを更に有効に利用することができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、角度検出装置９は、遊星歯車機構を備え、キャリア９４の回転角度を検出することによって、基部８１およびウォーム８２の回転角度の差を検出していたが、遊星歯車機構とは異なる他の歯車機構を採用し、筒状体およびウォームの回転角度の差を検出してもよい。要するに、角度検出装置は、筒状体およびウォームの回転角度の差を検出することができればよい。
また、前記実施形態では、ロボット１の関節機構８は、ウォーム８２の回転に伴って回転する２つのウォームホイール８３を備えていたが、ウォームホイールは、１つであってもよく、３つ以上であってもよい。

以上のように、本発明は、ロボットの関節機構に好適に利用できる。

１ ロボット
２ 取付部
３，４ アーム
５ ハンド
６ グリッパ
７ カメラ
８ 関節機構
９ 角度検出装置
５１ 本体部
５２ モータ
５２Ａ 出力軸
５３ モータ
８１ 基部
８２ ウォーム
８３ ウォームホイール
９１ サンギヤ
９２ アウターギヤ
９２Ａ，９２Ｂ 平歯車
９３ プラネタリギヤ
９４ キャリア
９４Ａ 平歯車
９５，９６ ポテンショメータ
Ｖ 走行車

Claims (3)

1. 自己の中心軸回りに回転する筒状体と、
   前記筒状体の内部に同心状に設けられるとともに、自己の中心軸回りに回転するウォームと、
   前記筒状体および前記ウォームの端部を回転自在に支持する支持部と、
   前記筒状体に設けられるとともに、前記ウォームと嵌合することによって前記ウォームの回転に伴って回転するウォームホイールと、
   前記支持部に設けられるとともに、前記筒状体および前記ウォームの回転角度の差を検出する角度検出装置とを備えることを特徴とするロボットの関節機構。
2. 請求項１に記載されたロボットの関節機構において、
   前記角度検出装置は、
   前記ウォームに同心状に設けられることによって前記ウォームの回転に伴って回転するサンギヤと、
   前記筒状体に同心状に設けけられることによって前記筒状体の回転に伴って回転するアウターギヤと、
   前記サンギヤおよび前記アウターギヤの間に設けられたプラネタリギヤと、
   前記プラネタリギヤの公転運動を出力するキャリアとを有する遊星歯車機構を備え、
   前記キャリアの回転角度を検出することによって、前記筒状体および前記ウォームの回転角度の差を検出することを特徴とするロボットの関節機構。
3. 請求項１または請求項２に記載されたロボットの関節機構において、
   前記ウォームの回転に伴って回転する複数の前記ウォームホイールを備え、
   前記複数のウォームホイールのそれぞれは、当該ウォームホイールの回転軸方向と直交する方向に延出するように設けられる指部を備え、
   前記指部は、前記ウォームを回転させることによって開閉することを特徴とするロボットの関節機構。

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