JP6337432B2 - 関節駆動装置及びロボット - Google Patents

Description

この発明は、関節駆動装置及びロボットに関するものである。

複数のリンクを回転関節で順次接続して構成する垂直多関節型ロボットや、スカラー型ロボットは、その基部からアーム先端部へ、モーターを駆動するための動力線と信号線との他、ユーザーが使用するハンド等の機器を駆動するための信号線やエアー配管、物体を検出するためのカメラ等を利用するための高速通信用信号線を配置しなくてはならない。

回転関節の回転中心部を中空にして、この中に配線・配管を通し、モーター、減速機、及び軸受けを一体化する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、サーボモーターの回転軸をモーター側に折り返した回転側ケーブルガイド内に、複数のケーブルをフラット状にしてＵ字曲げ状に配置する方法で、配線・配管を省スペースに収納し、関節の回転運動を配線・配管のＵ字曲げ構造で吸収することで、配線・配管の負荷を低減して断線や摩耗のリスクを低減する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

国際公開第２００４−０７８４２３号パンフレット 特開２０１０−２８４７７７号公報

しかしながら、特許文献１では 配線・配管を通す穴をモーター軸、減速機の入出力軸の中心に設けると、関節の径方向の寸法が増加するため、アーム形状が太くなり、アーム重量が増加する。また、モーター軸や減速機入力軸に配線・配管を通す穴を設けると、高速回転するモーター軸や減速機入力軸の外径が大きくなるため、これらの軸外周部の周速が高くなり、モーター軸受けや、減速機を潤滑するグリースや潤滑油の流失や進入を防止するグリスシールのリップ部と高速回転軸の接触部からの発熱が増加し、これが関節動作速度を制限してしまう。また、グリスシールリップ部と高速回転軸との摩擦抵抗が増大することによりモーターが発生するトルクが消費され、関節の加速が制限されてしまう。さらに、モーター軸や減速機入力軸に配線・配管を通す穴を設けると、減速機入力軸側のイナーシャが増加し、加減速時にモータートルクを消費するため、関節の加減速を制限してしまう。これらの課題は、軸径が小さい小容量の関節駆動装置ほど顕著になるため、中空構造による配線方式は、小型ロボットの関節構造には適さない。

また、特許文献２ではサーボモーターの外周にモーターカバーを設け、この外周にケーブルガイドを配置するため、モーターとモーターカバーとの間に設ける空間が必要で、これが関節の外径を拡大してしまう。また、ケーブルガイドに沿ってケーブルを軸方向にフラット状に配置するため、ケーブルを並べるために軸方向の空間が必要で、これが関節の幅を増加させてしまう。これらの理由から、この方式は、配線・配管収納部の空間が必要になるため、ロボットアームの基部等の限定された箇所にしか適用することができない。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例における関節駆動装置は、第１のリンクと第２のリンクとが相対的に回転運動する関節駆動装置であって、ローターとローターシャフトとステーターとモーターフレームとローターシャフトを支持する軸受と、を含むモーターと、前記モーターからの回転を減速し、該回転のトルク出力を増大させて出力する減速機と、前記トルク出力を前記減速機から前記第２のリンクに伝達する減速機出力軸と、前記トルク出力の反力を前記減速機のフレームから前記第１のリンクに伝達する動力伝達軸と、前記動力伝達軸の外周に配置され、該動力伝達軸に接続される動力伝達軸外筒と、前記減速機出力軸の外周に配置され、該減速機出力軸に接続される減速機出力軸外筒と、前記第１のリンクと前記第２のリンクとの間に配置され、配線及び配管の少なくとも一方を含む線条体と、を含み、前記動力伝達軸は、少なくとも一部として前記モーターフレームを含み、前記線条体は、前記動力伝達軸外筒と前記動力伝達軸又は前記減速機のフレーム又は前記減速機出力軸との間に挟まれた空間と、前記減速機出力軸外筒と前記減速機出力軸又は前記減速機のフレーム又は前記動力伝達軸との間に挟まれた空間とで構成される収納空間に収納されることを特徴とする。

本適用例によれば、第１のリンクと第２のリンクとを互いに回動する関節駆動装置の構造では、モーターフレームを動力伝達軸の一部として利用するので、構造を簡略化することができ、関節駆動装置の外径を小さくすることができる。また、この構造によって、線条体を収納する空間を減速機出力軸又は減速機のフレーム又は動力伝達軸の外周に設けることで、線条体の曲げ半径を大きく確保することで、線条体に作用する変形ストレスを低減することが可能となり、線条体の耐久性を向上させる関節駆動装置を提供できる。

［適用例２］上記適用例に記載の関節駆動装置において、前記減速機出力軸に接続され、前記減速機のフレーム又は前記動力伝達軸の外周に配置される減速機出力軸カラーを含むことを特徴とする。

本適用例によれば、減速機出力軸が回動する領域では、線条体は減速機出力軸外筒に追随して動く一方で、減速機のフレームと動力伝達軸は、これと逆方向に回動するので、減速機のフレーム及び動力伝達軸と線条体との相対運度が発生して摩擦が発生しやすいが、減速機出力軸カラーにより、線条体が減速機のフレーム及び動力伝達軸との接触を防ぎ、線条体との摩擦を発生させないので、線条体の耐久性が向上する。

［適用例３］上記適用例に記載の関節駆動装置において、前記線条体は、可動部と、該可動部の両端に位置する固定部とを含み、前記線条体の前記固定部の一方は、前記動力伝達軸外筒と前記動力伝達軸との間に該動力伝達軸の周方向に沿って配置され、前記線条体の前記固定部の他方は、前記減速機出力軸外筒と前記減速機のフレーム若しくは前記動力伝達軸との間に前記減速機出力軸の周方向に沿って配置され、前記線条体の前記可動部は、前記動力伝達軸及び前記減速機出力軸の周方向にＵ字形状に折り返して配置されることを特徴とする。

本適用例によれば、第１のリンクと第２のリンクとが互いに回動すると、Ｕ字形状の折り返し部が移動することにより、線条体に作用する曲げ応力を線条体全体に分散することができ、線条体の耐久性を確保することができる。

［適用例４］上記適用例に記載の関節駆動装置において、前記線条体の前記固定部の一方は、前記動力伝達軸側に寄せて固定され、前記線条体の前記固定部の他方は、前記減速機出力軸外筒側に寄せて固定されることを特徴とする。

本適用例によれば、線条体の各固定部の固定位置を動力伝達軸の径方向にずらして配置するため、線条体と減速機のフレーム、減速機出力軸、減速機出力軸外筒、動力伝達軸及び動力伝達軸外筒との接触圧を低減して摩擦を防止することができるため、線条体の耐久性を向上することができる。

［適用例５］上記適用例に記載の関節駆動装置において、前記線条体は、第１の線条体と、第２の線条体とを含み、前記第１の線条体と前記第２の線条体との固定部を対向させて配置し、前記線条体の、それぞれのＵ字形状の折り返し部が重ならない範囲で配置することを特徴とする。

本適用例によれば、２系統の線条体を設けることによって、配線及び配管の数を２倍に増やしたり、配線・配管を２系統に分けたりすることにより、線条体の太さを細くすることができるので、配線・配管の収納スペースを抑えて、コンパクトな関節を構成することができる。

［適用例６］上記適用例に記載の関節駆動装置において、前記線条体は、前記動力伝達軸及び前記減速機出力軸の周方向に沿って複数系統配置されることを特徴とする。

本適用例によれば、線条体の系統を複数にすることによって、配線・配管の数を増やすことができるので、必要な線条体を収納することができる。

［適用例７］上記適用例に記載の関節駆動装置において、前記線条体は、前記動力伝達軸及び前記減速機出力軸の径方向に沿って複数系統配置されることを特徴とする。

本適用例によれば、線条体の系統を複数にすることによって、配線・配管の数を増やすことができるので、必要な線条体を収納することができる。

［適用例８］上記適用例に記載の関節駆動装置において、前記線条体は、前記動力伝達軸及び前記減速機出力軸の軸方向に沿って複数系統配置されることを特徴とする。

本適用例によれば、線条体の系統を複数にすることによって、配線・配管の数を増やすことができるので、必要な線条体を収納することができる。

［適用例９］上記適用例に記載の関節駆動装置において、メカニカルブレーキを含み、前記メカニカルブレーキは、前記第１のリンク又は前記第２のリンクの内部の空間に配置されることを特徴とする。

本適用例によれば、メカニカルブレーキを第１のリンク又は第２のリンクの内部の空間を利用して配置することができるため、関節駆動装置の回転軸方向の幅を短くすることができ、関節駆動装置を小型化することができる。

［適用例１０］上記適用例に記載の関節駆動装置において、位置検出器を含み、前記位置検出器は、前記第１のリンク又は前記第２のリンクの内部の空間に配置されることを特徴とする。

本適用例によれば、位置検出器を第１のリンク又は第２のリンクの内部の空間を利用して配置することができるため、関節駆動装置の回転軸方向の幅を短くすることができ、関節駆動装置を小型化することができる。

［適用例１１］上記適用例に記載の関節駆動装置において、モーター駆動回路と、位置検出器処理回路と、を含み、前記モーター駆動回路及び前記位置検出器処理回路は、前記第１のリンク又は前記第２のリンク内に配置されることを特徴とする。

本適用例によれば、モーターとモーター駆動回路及び、位置検出器と位置検出回路を接近させて配置することができるため、モーターとモーター駆動回路間の配線及び位置検出器と位置検出回路間の配線を短縮することができ、関節駆動装置を小型化することができる。

［適用例１２］上記適用例に記載の関節駆動装置において、前記モーターの前記ステーターは、前記モーターフレームに焼嵌め、又は圧入されることを特徴とする。

本適用例によれば、ステーターを焼嵌め、又は圧入することによって、ステーターをモーターフレームに固定する部品を削減でき、関節駆動装置を小型化し、コストダウンすることができる。

［適用例１３］上記適用例に記載の関節駆動装置において、前記線条体は、前記収納空間又は、前記減速機出力軸外筒及び前記動力伝達軸外筒において、回路ボード又はコネクターに接続されることを特徴とする。

本適用例によれば、収納空間又は、減速機出力軸外筒及び動力伝達軸外筒で、線条体を中継又は分岐することができるので、組立て及び分解の作業性が向上する。

［適用例１４］本適用例に係るロボットは、上記のいずれか一項に記載の関節駆動装置を備えることを特徴とする。

本適用例によれば、リンクを回転関節で順次接続してアームを構成する垂直多関節型ロボットやスカラー型ロボットで、線条体をアーム内部に収納し、線条体の曲げやねじれの変形を軽減し、断線や破損を防止して高寿命化することができる。また、線条体をコンパクトに関節内部に収納することができるため、小型軽量で可動範囲の広いロボットアームを構成することができる。さらに、線条体は機械体を組み立てた後から軸に巻きつけて配置することができるため、組み立てやすく、線条体の追加や交換がしやすいロボットを実現することができる。またさらに、線条体をアーム内部に収納して防水・防塵構造をとることが容易であるため、防水・防塵仕様のロボットを実現することができる。これらにより、小型・軽量・低コストのロボットを提供できる。

［適用例１５］上記適用例に記載のロボットにおいて、前記関節駆動装置の前記第２のリンクは、前記第１のリンクに対して関節を屈曲する方向に回動することを特徴とする。

本適用例によれば、リンクを接続する関節の幅を小さくすることができるため、スリムなアームを実現することができる。また、広い関節動作範囲をとることができるため、ロボットアームの可動範囲を広げることができる。

［適用例１６］上記適用例に記載のロボットにおいて、前記関節駆動装置の前記第２のリンクは、前記第１のリンクに対して関節を捻転する方向に回動することを特徴とする。

本適用例によれば、ロボットアームの外径を細くすることができるため、リンク間の干渉を抑えて、ロボットアームの可動範囲を広げることができる。

第１実施形態に係わるアクチュエーターの外形状を示す斜視図。 第１実施形態に係わるアクチュエーターにおいて、筒状外筒を外した状態の内部を示す斜視図と断面図。 第１実施形態に係わるアクチュエーターの内部構造を示す断面図。 第１実施形態に係わるアクチュエーターの線条体の動きを示す模式図。 第１実施形態に係わるスカラー型ロボットの構成を示す模式図。 第１実施形態に係わる６軸垂直多関節型ロボットの構成を示す模式図。 第１実施形態に係わる双腕７軸ロボットの構成を示す模式図。 第２実施形態に係わる線条体を対向させて配置したアクチュエーターにおいて、筒状外筒を外した状態の内部を示す斜視図と断面図。 第２実施形態に係わるアクチュエーターの線条体の動きを示す模式図。 第３実施形態に係わる複数の線条体を周方向に配置したアクチュエーターにおいて、筒状外筒を外した状態の内部を示す斜視図と断面図。 第４実施形態に係わる複数の線条体を半径方向に配置したアクチュエーターにおいて、筒状外筒を外した状態の内部を示す斜視図と断面図。 第５実施形態に係わる複数の線条体を軸方向に配置したアクチュエーターにおいて、筒状外筒を外した状態の内部を示す斜視図と断面図。

以下、本発明に係る関節駆動装置としてのアクチュエーター及びロボットの一実施形態について、図面を参照して説明する。なお、使用する図面は、説明する部分を、適宜拡大又は縮小して表示している。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係わるアクチュエーター１の外形状を示す斜視図であり、図２は、本実施形態に係わるアクチュエーター１において、筒状外筒を外した状態の内部を示す斜視図である。
本実施形態に係るアクチュエーター１は、図１に示すように、基点リンク（第１のリンク）１０と回動リンク（第２のリンク）１１とが互いに回動できるように配置され、これらの間に動力伝達軸外筒１２と減速機出力軸外筒１３とが配置されている。動力伝達軸外筒１２には、基点リンク線条体取り出し口１６が設けられ、基点リンク固定線条体４１が配置されている。減速機出力軸外筒１３には、回動リンク線条体取り出し口１７が設けられ、回動リンク固定線条体４２が配置されている。

図２に示すように、アクチュエーター１は、基点リンク１０と回動リンク１１との間に、モーター２０と減速機３０と減速機出力軸カラー３５と線条体４０が配置されている。

線条体４０は、動力伝達軸外筒１２、減速機出力軸外筒１３、動力伝達軸１４、減速機３０、減速機出力軸カラー３５、基点リンク１０と回動リンク１１に挟まれた空間に収納されている。線条体４０は、配線及び配管の少なくとも一方である。なお、線条体４０とは、電力線、信号線、気体を送る気体用配管、及び液体を送る液体用配管等を総称している。なお、気体用配管には真空用配管も含まれる。

線条体４０は、基点リンク線条体クランプ４５で基点リンク１０に固定され、回動リンク線条体クランプ４６で回動リンク１１に固定されている。線条体４０は、基点リンク線条体クランプ４５と回動リンク線条体クランプ４６で挟まれた線条体可動部４３と、基点リンク１０に固定された基点リンク固定線条体４１と、回動リンク１１に対して固定された回動リンク固定線条体４２で構成されている。

基点リンク線条体クランプ４５は、動力伝達軸１４側に寄せて線条体４０を固定してもよい。回動リンク線条体クランプ４６は、減速機出力軸外筒１３に寄せて線条体４０を固定してもよい。このように線条体４０を固定することにより、線条体４０が動力伝達軸外筒１２の内周及び、動力伝達軸１４と接触することを軽減し、線条体４０の耐久性を高めることができる。

線条体４０は、動力伝達軸１４と減速機フレーム３１と減速機出力軸カラー３５と減速機３０の外周と、動力伝達軸外筒１２の内周と減速機出力軸外筒１３の内周に沿って配置されている。線条体可動部４３は、動力伝達軸１４及び減速機出力軸３３の周方向に沿ってＵ字形状に折り返して配置されている。

基点リンク１０に対して回動リンク１１が回転すると、線条体可動部４３のＵ字曲げ部の位置が移動する。これにより、線条体４０に作用する応力が緩和される。このとき、線条体４０は曲げ変形のみで捻じれ変形を伴わず、Ｕ字部が移動することにより線条体に作用するストレスを線条体可動部４３の全体で吸収するため、線条体４０に作用するストレスが小さく、線条体４０の耐久性を高めることができる。

図３は、本実施形態に係わるアクチュエーター１の内部構造を示す断面図である。アクチュエーター１は、図３に示すように、モーター２０、減速機３０、減速機出力軸カラー３５、減速機出力軸３３、及び少なくとも一部としてモーター２０のモーターフレーム２１を含む動力伝達軸１４、動力伝達軸外筒１２、減速機出力軸外筒１３、位置検出器５０、メカニカルブレーキ５１、関節支持軸受１５、ローターシャフト支持主軸受２５、ローターシャフト支持従軸受２６、モーターオイルシール２７、減速機オイルシール３４、モーター駆動回路１８、位置検出器処理回路１９で構成されている。

モーター２０は、モーターフレーム２１、ローター２２、ローターシャフト２３、ステーター２４、ローターシャフト支持主軸受２５、ローターシャフト支持従軸受２６、モーターオイルシール２７で構成されている。ローターシャフト２３は、ローターシャフト支持主軸受２５とローターシャフト支持従軸受２６で支持され、減速機入力軸３２と減速機３０の内部で接続されている。モーターオイルシール２７は、減速機３０の内部を潤滑するグリース又は潤滑油がローター２２とステーター２４の間に侵入することを防止している。

減速機３０は、減速機フレーム３１、減速機入力軸３２、減速機出力軸３３、減速機オイルシール３４、関節支持軸受１５及び歯車機構で構成されている。減速機フレーム３１は、モーターフレーム２１又は動力伝達軸１４を介して基点リンク１０に接続され、減速機出力軸３３は、回動リンク１１に接続されている。減速機入力軸３２は、減速機３０の内部でモーター２０のローターシャフト２３と接続され、モーター２０が発生するトルクを歯車機構で増大して減速機出力軸３３に取り出し、回動リンク１１を駆動する。

本実施形態では、減速機３０の歯車機構は波動歯車を用いているが、他の減速機構を用いてもよい。

減速機出力軸カラー３５は、減速機出力軸３３に接続され、減速機フレーム３１若しくは、動力伝達軸１４の外周に配置されている。減速機出力軸カラー３５は、線条体４０が減速機フレーム３１若しくは、動力伝達軸１４と接触することを防止する。

減速機オイルシール３４は、減速機３０の内部を潤滑するグリース又は潤滑油がメカニカルブレーキ５１側に流出することを防止する。

動力伝達軸１４は、モーターフレーム２１を兼ねて、内部にモーター２０を構成するローター２２、ローターシャフト２３、ステーター２４、ローターシャフト支持主軸受２５、ローターシャフト支持従軸受２６と、モーターオイルシール２７が配置されている。動力伝達軸１４は、一方の端面が減速機フレーム３１に接続され、他方の端面が基点リンク１０に接続されている。動力伝達軸１４は、回動リンク１１を駆動するためのトルクの反力を基点リンク１０に伝達する。

動力伝達軸１４の少なくとも一部をモーターフレーム２１と一体化することにより、モーターフレーム２１を動力伝達軸１４と別体に配置する場合に比べて、アクチュエーター１の径方向の長さを短くすることができるため、アクチュエーター１を小型、軽量化することができる。また、モーター２０を駆動時にステーター２４から発生する熱を動力伝達軸１４を介して放熱することができるため、放熱性の高いアクチュエーター１を構成することができる。

線条体４０は、前記動力伝達軸外筒１２と前記第１リンク１０とで囲まれる空間、又は動力伝達軸外筒１２とモーターフレーム２１、又は動力伝達軸１４とで囲まれる空間と、減速機出力軸外筒１３と減速機フレーム３１若しくは、動力伝達軸１４とで囲まれる空間とに収納される。

関節支持軸受１５は、基点リンク１０に対して片持ち構造で回動リンク１１を支持している。本実施形態では、片持ち構造の関節支持方法を使用しているが、両持ち構造の関節支持方法を用いてもよい。

位置検出器５０は、基点リンク１０の内部に配置されてもよい。これにより、基点リンク１０と回動リンク１１との間の長さを短くすることができ、アクチュエーター１を小型化することができる。位置検出器５０は、ユニット構造を使用してもよいし、モジュール構造を使用してもよい。

メカニカルブレーキ５１は、ローターシャフト２３を減速機出力軸３３の中心部を貫通させてメカニカルブレーキ５１の入力軸に接続し、回動リンク１１の内部に配置してもよい。これにより、基点リンク１０と回動リンク１１との間の長さを短くすることができ、アクチュエーター１を小型化することができる。

関節駆動装置１はモーター駆動回路１８と、位置検出器処理回路１９と、を備えていてもよい。モーター駆動回路１８及び位置検出器処理回路１９は、動力伝達軸外筒１２と動力伝達軸１４との間、減速機出力軸外筒１３と減速機フレーム３１との間、若しくは基点リンク１０や回動リンク１１の内部に配置してもよい。これにより、基点リンク１０と回動リンク１１との間の長さを短くすることができ、アクチュエーター１を小型化することができる。

また、モーター２０のステーター２４は、モーターフレーム２１に焼嵌め若しくは押圧挿入されてもよい。これによれば、ステーター２４を焼嵌め若しくは押圧挿入することによって、ステーター２４をモーターフレーム２１に固定する部品を削減でき、アクチュエーター１を小型化し、コストダウンすることができる。

図３は模式図であるので、断面図を省略しており、尺度も図が見やすいように設定している。線条体４０は単数又は複数の線条体を束ねたものである。また、線条体４０は屈曲可能であり、基点リンク１０と回動リンク１１とが互いに回転する動きに追随して曲がることが可能である。

このように構成された本実施形態の動作を説明する。
モーター２０を駆動すると、動力伝達軸１４に接続された基点リンク１０に対して、減速機出力軸３３に接続された回動リンク１１が回転運動する。線条体４０は、減速機出力軸３３と減速機出力軸外筒１３若しくは、動力伝達軸１４と動力伝達軸外筒１２とで挟まれた空間内をＵ字形状の線条体可動部４３が移動することで基点リンク１０と回動リンク１１との角度変化を吸収する。

基点リンク１０に対して回動リンク１１が時計回り（ＣＷ）に回転すると、線条体４０は、巻き込まれる形で移動し、減速機出力軸カラー３５に巻き付きながら移動する。逆に反時計回り（ＣＣＷ）に回転すると、線条体４０は押し出される形で移動し、減速機出力軸外筒１３及び動力伝達軸外筒１２に沿いながら移動する。この動作では、線条体４０は、曲げ変形のみが作用し、リンクの回転に伴い線条体４０上をＵ字形状の曲げ部が移動するため、曲げ変形のストレスを線条体全体で吸収し、線条体４０の耐久性を高めることができる。

本実施形態によれば、ローターシャフト２３は中実構造で、中空構造のシャフトに対してイナーシャが小さくなり、高加減速の動作が可能である。また、ローターシャフト２３は、中実構造で、中空構造のシャフトに対して外径が小さく、オイルシールとの接触部の相対速度が低いため、発熱が少なく、高速回転が可能である。

図４は、本実施形態に係わるアクチュエーター１の線条体４０の動きを示す模式図である。言い換えると、本実施形態に係わるリンクの回転に伴う線条体４０の変形を示した模式図である。これを用いて、基点リンク１０に対する回動リンク１１の回転と線条体可動部４３のＵ字曲げ部の移動の関係を説明する。

図４（ａ）は、基点リンク線条体取り出し口１６と、回動リンク線条体取り出し口１７がアクチュエーター１の同一周方向となる基準位置で、基点リンク１０と回動リンク１１のなす角度を０度とする。

図４（ｂ）は、基点リンク１０に対して回動リンク１１が＋１８０度回転したときの線条体４０の変形を示している。線条体可動部４３のＵ字曲げ部の位置は、線条体がＵ字形状に折り返されているため、回動リンク１１の回転角度に対して１／２の角度で移動する。この場合、Ｕ字曲げ部は、２７０度（＝初期位置１８０＋移動量１８０／２）の位置に移動する。

図４（ｃ）は，基点リンク１０に対して回動リンク１１が＋３３０度回転したときの線条体４０の変形を示している。この場合、Ｕ字曲げ部は、３４５度（＝初期位置１８０＋移動量３３０／２）の位置に移動する。

図４（ｄ）は、基点リンク１０に対して回動リンク１１が−１８０度回転したときの線条体４０の変形を示している。この場合、Ｕ字曲げ部は、９０度（＝初期位置１８０−移動量１８０／２）の位置に移動する。

図４（ｅ）は，基点リンク１０に対して回動リンク１１が＋３３０度回転したときの線条体４０の変形を示している。この場合、Ｕ字曲げ部は、１５度（＝初期位置１８０−移動量３３０／２）の位置に移動する。

基点リンク１０に対する回動リンク１１が回転可能な角度範囲は、プラス方向は、Ｕ字曲げ部が線条体の基点リンク固定部を乗り越えない範囲であり、マイナス方向は、Ｕ字曲げ部が回動リンク固定部を乗り越えない範囲である。この条件より、理想的には回動リンク１１は、基点リンク１０に対して±３６０回転することができる。

次に、本実施形態に係るアクチュエーターを備えたロボットの実施形態について例示する。図５、図６及び図７は、本実施形態に係わるロボットのロボットアームを示す模式図である。

図５は、本実施形態に係わるスカラー型ロボット１０１の構成を示す模式図である。言い換えると、スカラー型ロボット１０１に、本発明を適用した模式図である。
マニピュレーター本体からＪ１軸アクチュエーター６１，Ｊ２軸アクチュエーター６２、Ｊ３軸アクチュエーター６３、Ｊ４軸アクチュエーター６４と、エンドエフェクタ６０が順次配置されている。回転関節で構成される、Ｊ１軸アクチュエーター６１、Ｊ２軸アクチュエーター６２とＪ４軸アクチュエーター６４に、本発明を適用することができる。Ｊ１軸アクチュエーター６１、Ｊ２軸アクチュエーター６２及びＪ４軸アクチュエーター６４は、関節を屈曲する方向に配置されている。

本実施形態によれば、スカラー型ロボット１０１を構成する関節の幅と高さを小さくすることができるため、スリムなスカラー型ロボット１０１を実現することができる。

図６は、本実施形態に係わる６軸垂直多関節型ロボット１０２の構成を示す模式図である。言い換えると、６軸垂直多関節型ロボット１０２に、本発明を適用した模式図である。
マニピュレーター本体からＪ１軸アクチュエーター７１，Ｊ２軸アクチュエーター７２、Ｊ３軸アクチュエーター７３、Ｊ４軸アクチュエーター７４、Ｊ５軸アクチュエーター７５、Ｊ６軸アクチュエーター７６と、エンドエフェクタ７０が順次配置されている。Ｊ１軸アクチュエーター７１、Ｊ４軸アクチュエーター７４、Ｊ６軸アクチュエーター７６は、関節を捻転する方向に配置され、Ｊ２軸アクチュエーター７２、Ｊ３軸アクチュエーター７３、Ｊ５軸アクチュエーター７５は、関節を屈曲する方向に配置されている。

本実施形態によれば、捻転する関節の径を小さくすることができるため、スリムな６軸垂直多関節型ロボット１０２を構成することができる。また、屈曲する関節の径と幅と小さくすることができるため、リンク間の干渉を防止して広い動作範囲をもつ６軸垂直多関節型ロボット１０２を構成することができる。

図７は、本実施形態に係わる双腕７軸ロボットの構成を示す模式図である。言い換えると、双腕７軸垂直多関節型ロボット１０３に、本発明を適用した模式図である。
マニピュレーター本体から、右腕はＪ１軸アクチュエーター８１、Ｊ２軸アクチュエーター８２、Ｊ３軸アクチュエーター８３、Ｊ４軸アクチュエーター８４、Ｊ５軸アクチュエーター８５、Ｊ６軸アクチュエーター８６、Ｊ７軸アクチュエーター８７と、エンドエフェクタ８０が順次配置されている。左腕はＪ１軸アクチュエーター９１、Ｊ２軸アクチュエーター９２、Ｊ３軸アクチュエーター９３、Ｊ４軸アクチュエーター９４、Ｊ５軸アクチュエーター９５、Ｊ６軸アクチュエーター９６、Ｊ７軸アクチュエーター９７と、エンドエフェクタ９０が順次配置されている。Ｊ１軸アクチュエーター８１と９１、Ｊ３軸アクチュエーター８３と９３、Ｊ５軸アクチュエーター８５と９５、Ｊ７軸アクチュエーター８７と９７は、関節を捻転する方向に配置され、Ｊ２軸アクチュエーター８２と９２、Ｊ４軸アクチュエーター８４と９４、Ｊ６軸アクチュエーター８６と９６は、関節を屈曲する方向に配置されている。

本実施形態によれば、捻転する関節の径を小さくすることができるため、スリムな双腕７軸垂直多関節型ロボット１０３を構成することができる。また、屈曲する関節の径と幅を小さくすることができるため、リンク間の干渉を防止して広い動作範囲をもつ双腕７軸垂直多関節型ロボット１０３を構成することができる。

次に、線条体の配置方法に関する実施形態を説明する。
（第２実施形態）
図８は、本実施形態に係わる線条体を対向させて配置したアクチュエーター２において、筒状外筒を外した状態の内部を示す斜視図と断面図である。
本実施形態に係るアクチュエーター２は、図８（ａ）に示すように、第１の線条体１１１と、第２の線条体１１２を含み、第１の線条体１１１と第２の線条体１１２の固定部を対向させて配置し、それぞれの線条体可動部４３をＵ字形状に折り返して配置している。第１の線条体１１１と第２の線条体１１２は、図８（ｂ）に示すように、動力伝達軸１４、減速機フレーム３１及び、減速機出力軸３３の外周を２分割した領域にＵ字部が重ならない範囲で配置している。

本実施形態によれば、２系統の線条体を設けることにより、配線・配管の数を２倍に増やしたり、配線・配管を２系統に分けたりすることにより、線条体の太さを細くすることができるので、配線・配管のスペースを抑えて、コンパクトな関節を構成することができる。

図９は、本実施形態に係わるアクチュエーター２の線条体の動きを示す模式図である。言い換えると、本実施形態に係わる基点リンク１０に対する回動リンク１１の回転に伴う第１の線条体１１１と第２の線条体１１２の変形を示した模式図である。これを用いて、基点リンク１０に対する回動リンク１１の回動と、第１の線条体１１１と第２の線条体１１２のＵ字曲げ部の移動の関係を説明する。

図９（ａ）は、基点リンク線条体取り出し口１６と、回動リンク線条体取り出し口１７がアクチュエーター２の同一周方向となる基準位置で、基点リンク１０と回動リンク１１のなす角度を０度とする。このとき、第１の線条体１１１のＵ字部と第２の線条体１１２のＵ字部は、対抗した位置に配置されている。

図９（ｂ）は、基点リンク１０に対して回動リンク１１が＋１８０度回転したときの第１の線条体１１１と、第２の線条体１１２の変形を示している。第１の線条体１１１と第２の線条体１１２のＵ字部は、対抗する位置関係を保ったまま移動する。線条体可動部４３のＵ字曲げ部の位置は、線条体がＵ字形状に折り返されているため、回動リンク１１の回転角度に対して１／２の角度で移動する。この場合、Ｕ字曲げ部は、２７０度（＝初期位置１８０＋移動量１８０／２）の位置に移動する。

図９（ｃ）は，基点リンク１０に対して回動リンク１１が＋３３０度回転したときの第１の線条体１１１と第２の線条体１１２の変形を示している。この場合、Ｕ字曲げ部は、３４５度（＝初期位置１８０＋移動量３３０／２）の位置に移動する。

図９（ｄ）は、基点リンク１０に対して回動リンク１１が−１８０度回転したときの第１の線条体１１１と第２の線条体１１２の変形を示している。この場合、Ｕ字曲げ部は、９０度（＝初期位置１８０−移動量１８０／２）の位置に移動する。

図９（ｅ）は，基点リンク１０に対して回動リンク１１が−３３０度回転したときの第１の線条体１１１と第２の線条体１１２の変形を示している。この場合、Ｕ字曲げ部は、１５度（＝初期位置１８０−移動量３３０／２）の位置に移動する。

基点リンク１０に対する回動リンク１１が回転可能な角度範囲は、プラス方向とマイナス方向とも、第１の線条体１１１及び第２の線条体１１２のＵ字曲げ部が基点リンク固定線条体４１及び、回動リンク固定線条体４２を乗り越えない範囲ある。この条件より、理想的には回動リンク１１は、基点リンク１０に対して±３６０回転することができる。

（第３実施形態）
図１０は、本実施形態に係わる複数の線条体を周方向に配置したアクチュエーター３において、筒状外筒を外した状態の内部を示す斜視図と断面図である。
本実施形態に係るアクチュエーター３は、図１０（ａ）に示すように、第１の線条体１１１と、第２の線条体１１２と、第３の線条体１１３と、第４の線条体１１４を含み、第１の線条体１１１と、第２の線条体１１２の固定部を対向させて配置し、第３の線条体１１３と、第４の線条体１１４の固定部を対向させて配置し、それぞれの線条体可動部４３をＵ字形状に折り返し、動力伝達軸１４、減速機フレーム３１及び、減速機出力軸３３の外周を２等分割して配置している。第１の線条体１１１と第３の線条体１１３、第２の線条体１１２と第４の線条体１１４は、図１０（ｂ）に示すように、動力伝達軸１４、減速機フレーム３１及び、減速機出力軸３３の外周にＵ字部が重ならない範囲で配置している。

本実施形態によれば、４系統の線条体を設けることにより、配線・配管の数を４倍に増やしたり、配線・配管を４系統に分けたりすることにより、線条体の太さを細くすることができるので、配線・配管のスペースを抑えて、コンパクトな関節を構成することができる。本実施形態では、基点リンク１０に対する回動リンク１１の回転範囲は、理想的には±１８０度を確保することができる。さらに、動力伝達軸１４、減速機フレーム３１及び、減速機出力軸３３の外周をｎ等分割して、ｎ×２系統の配線・配管を配置することにより、配線・配管の数を増やすことができるので、必要な線条体を収納することができる。
なお、本実施形態では、第１の線条体１１１と第２の線条体１１２及び、第３の線条体１１３と第４の線条体１１４を対向させて配置したが、一方の線条体のみを配置してもよい。

（第４実施形態）
図１１は、本実施形態に係わる複数の線条体を半径方向に配置したアクチュエーター４において、筒状外筒を外した状態の内部を示す斜視図と断面図である。
本実施形態に係るアクチュエーター４は、図１１（ａ）に示すように、第１の線条体１１１と、第２の線条体１１２と、第３の線条体１１３と、第４の線条体１１４を含み、第１の線条体１１１と、第２の線条体１１２の固定部を対向させて配置し、第３の線条体１１３と、第４の線条体１１４の固定部を対向させて配置し、それぞれの線条体可動部４３をＵ字形状に折り返して配置している。図１１（ｂ）に示すように、第１の線条体１１１と第２の線条体１１２は、動力伝達軸１４、減速機フレーム３１及び、減速機出力軸３３の外周にＵ字部が重ならない範囲で配置している。さらに、第３の線条体１１３と第４の線条体１１４がその外周に、Ｕ字部が重ならない範囲で配置している。

本実施形態によれば、４系統の線条体を設けることにより、配線・配管の数を４倍に増やしたり、配線・配管を４系統に分けたりすることにより、線条体の太さを細くすることができるので、配線・配管のスペースを抑えて、コンパクトな関節を構成することができる。本実施形態では、基点リンク１０に対する回動リンク１１の回転範囲は、理想的には±１８０度を確保することができる。さらに、動力伝達軸１４、減速機フレーム３１及び、減速機出力軸３３の外周方向に、配線・配管を配置することにより、配線・配管の数を増やすことができるので、必要な線条体を収納することができる。
なお、本実施形態では、第１の線条体１１１と第２の線条体１１２及び、第３の線条体１１３と第４の線条体１１４を対向させて配置したが、一方の線条体のみを配置してもよい。

（第５実施形態）
図１２は、本実施形態に係わる複数の線条体を軸方向に配置したアクチュエーター５において、筒状外筒を外した状態の内部を示す斜視図と断面図である。
本実施形態に係るアクチュエーター５は、図１２（ａ）に示すように、第１の線条体１１１と、第２の線条体１１２と、第３の線条体１１３と、第４の線条体１１４を含み、第１の線条体１１１と、第２の線条体１１２の固定部を対向させて配置し、第３の線条体１１３と、第４の線条体１１４の固定部を対向させて配置し、それぞれの線条体可動部４３をＵ字形状に折り返して配置している。図１２（ｂ）に示すように、第１の線条体１１１と第２の線条体１１２は、動力伝達軸１４、減速機フレーム３１及び、減速機出力軸３３の外周にＵ字部が重ならない範囲で配置している。さらに、第３の線条体１１３と第４の線条体１１４が、第１の線条体１１１と第２の線条体１１２のＵ字形状の折り返し配置の内側に、Ｕ字部が重ならない範囲で配置している。

本実施形態によれば、４系統の線条体を設けることにより、配線・配管の数を４倍に増やしたり、配線・配管を４系統に分けたりすることにより、線条体の太さを細くすることができるので、配線・配管のスペースを抑えて、コンパクトな関節を構成することができる。本実施形態では、基点リンク１０に対する回動リンク１１の回転範囲は、理想的には±１８０度を確保することができる。さらに、動力伝達軸１４、減速機フレーム３１及び、減速機出力軸３３の軸方向に、配線・配管を配置することにより、配線・配管の数を増やすことができるので、必要な線条体を収納することができる。
なお、本実施形態では、第１の線条体１１１と第２の線条体１１２及び、第３の線条体１１３と第４の線条体１１４を対向させて配置したが、一方の線条体のみを配置してもよい。

本実施形態は、機械装置の回転部に共通に適用できるものであり、ロボット１０１，１０２，１０３の関節の他、回転運動を伴う機械装置で各線条体１１１，１１２，１１３，１１４を内蔵する機器に利用することができる。また、減速機、モーターを一体化し、これに本実施形態を適用して、各線条体１１１，１１２，１１３，１１４を内蔵した回転駆動ユニットを構成することができる。

１，２，３，４，５…アクチュエーター（関節駆動装置） １０…基点リンク（第１のリンク） １１…回動リンク（第２のリンク） １２…動力伝達軸外筒 １３…減速機出力軸外筒 １４…動力伝達軸 １５…関節支持軸受 １６…基点リンク線条体取り出し口１７…回動リンク線条体取り出し口 １８…モーター駆動回路 １９…位置検出器処理回路 ２０…モーター ２１…モーターフレーム ２２…ローター ２３…ローターシャフト ２４…ステーター ２５…ローターシャフト支持主軸受 ２６…ローターシャフト支持従軸受 ２７…モーターオイルシール ３０…減速機 ３１…減速機フレーム ３２…減速機入力軸 ３３…減速機出力軸 ３４…減速機オイルシール ３５…減速機出力軸カラー ４０…線条体 ４１…基点リンク固定線条体 ４２…回動リンク固定線条体 ４３…線条体可動部 ４５…基点リンク線条体クランプ ４６…回動リンク線条体クランプ ５０…位置検出器 ５１…メカニカルブレーキ ６０，７０，８０，９０…エンドエフェクタ ６１，７１，８１，９１…Ｊ１軸アクチュエーター ６２，７２，８２，９２…Ｊ２軸アクチュエーター ６３，７３，８３，９３…Ｊ３軸アクチュエーター ６４，７４，８４，９４…Ｊ４軸アクチュエーター ７５，８５，９５…Ｊ５軸アクチュエーター ７６，８６，９６…Ｊ６軸アクチュエーター ８７，９７…Ｊ７軸アクチュエーター １０１…スカラー型ロボット １０２…６軸垂直多関節型ロボット １０３…双腕７軸多関節型ロボット １１１…第１の線条体 １１２…第２の線条体 １１３…第３の線条体 １１４…第４の線条体。

Claims (13)

1. 第１のリンクと第２のリンクとが相対的に回転運動する関節駆動装置であって、
   ローターとローターシャフトとステーターとモーターフレームとローターシャフトを支持する軸受と、を含むモーターと、
   前記モーターからの回転を減速し、該回転のトルク出力を増大させて出力する減速機と、
   前記トルク出力を前記減速機から前記第２のリンクに伝達する減速機出力軸と、
   前記トルク出力の反力を前記減速機のフレームから前記第１のリンクに伝達する動力伝達軸と、
   前記動力伝達軸の外周に配置され、該動力伝達軸に接続される動力伝達軸外筒と、
   前記減速機出力軸の外周に配置され、該減速機出力軸に接続される減速機出力軸外筒と、
   前記第１のリンクと前記第２のリンクとの間に配置され、配線及び配管の少なくとも一方を含む線条体と、
   前記減速機出力軸に接続され、前記減速機のフレーム又は前記動力伝達軸の外周であって、前記減速機のフレーム又は前記動力伝達軸と前記線条体との間に配置される減速機出力軸カラーと、を含み、
   前記動力伝達軸は、少なくとも一部として前記モーターフレームを含み、
   前記線条体は、前記動力伝達軸外筒と前記第１リンクとで囲まれる空間、又は前記動力伝達軸外筒と前記動力伝達軸とが対向する空間と、前記減速機出力軸外筒と前記減速機出力軸、前記減速機のフレーム又は前記動力伝達軸とが対向する空間と、で構成される収納空間に収納されており、
   前記線条体は、可動部と、該可動部の両端に位置する固定部とを含み、
   前記線条体の前記固定部の一方は、前記動力伝達軸外筒と前記動力伝達軸との間に該動力伝達軸の周方向に沿って、前記動力伝達軸側に寄せて固定され、
   前記線条体の前記固定部の他方は、前記減速機出力軸外筒と前記減速機のフレーム若しくは前記動力伝達軸との間に前記減速機出力軸の周方向に沿って、前記減速機出力軸外筒側に寄せて固定され、
   前記線条体の前記可動部は、前記動力伝達軸及び前記減速機出力軸の周方向にＵ字形状に折り返して配置されていることを特徴とする関節駆動装置。
2. 請求項１に記載の関節駆動装置において、
   前記線条体は、第１の線条体と、第２の線条体とを含み、
   前記第１の線条体と前記第２の線条体との固定部を対向させて配置し、
   前記線条体の、それぞれのＵ字形状の折り返し部が重ならない範囲で配置することを特徴とする関節駆動装置。
3. 請求項１または２に記載の関節駆動装置において、
   前記線条体は、前記動力伝達軸及び前記減速機出力軸の周方向に沿って複数系統配置されることを特徴とする関節駆動装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の関節駆動装置において、
   前記線条体は、前記動力伝達軸及び前記減速機出力軸の径方向に沿って複数系統配置されることを特徴とする関節駆動装置。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の関節駆動装置において、
   前記線条体は、前記動力伝達軸及び前記減速機出力軸の軸方向に沿って複数系統配置されることを特徴とする関節駆動装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の関節駆動装置において、
   メカニカルブレーキを含み、
   前記メカニカルブレーキは、前記第１のリンク又は前記第２のリンクの内部の空間に配置されることを特徴とする関節駆動装置。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の関節駆動装置において、
   位置検出器を含み、
   前記位置検出器は、前記第１のリンク又は前記第２のリンクの内部の空間に配置されることを特徴とする関節駆動装置。
8. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の関節駆動装置において、
   モーター駆動回路と、位置検出器処理回路と、を含み、
   前記モーター駆動回路及び前記位置検出器処理回路は、前記第１のリンク又は前記第２のリンク内に配置されることを特徴とする関節駆動装置。
9. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の関節駆動装置において、
   前記モーターの前記ステーターは、前記モーターフレームに焼嵌め、又は圧入されることを特徴とする関節駆動装置。
10. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の関節駆動装置において、
    前記線条体は、前記収納空間又は、前記減速機出力軸外筒及び前記動力伝達軸外筒において、回路ボード又はコネクターに接続されることを特徴とする関節駆動装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の関節駆動装置を備えることを特徴とするロボット。
12. 請求項１１に記載のロボットにおいて、
    前記関節駆動装置の前記第２のリンクは、前記第１のリンクに対して関節を屈曲する方向に回動することを特徴とするロボット。
13. 請求項１１に記載のロボットにおいて、
    前記関節駆動装置の前記第２のリンクは、前記第１のリンクに対して関節を捻転する方向に回動することを特徴とするロボット。

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