JP6758038B2

JP6758038B2 - 自在継手及びロボットの関節構造

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Publication number: JP6758038B2
Application number: JP2015208194A
Authority: JP
Inventors: 正樹永塚
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2015-10-22
Filing date: 2015-10-22
Publication date: 2020-09-23
Anticipated expiration: 2035-10-22
Also published as: TWI701118B; WO2017068940A1; TW201723340A; CN108138833B; US20180297216A1; DE112016004856T5; CN108138833A; JP2017082803A

Description

本発明は、第一部材と第二部材とを揺動可能に連結する自在継手及びこの自在継手を用いたロボットの関節構造に関する。

従来の典型的な自在継手として、第一部材に連結される第一ヨークと、直交する第一軸及び第二軸を有する十字状の軸と、第二部材に連結される第二ヨークと、を備えるものが知られている（特許文献１参照）。第一ヨークの先端部は、二股に分かれている。第一ヨークの二股の先端部が、十字状の軸の第一軸に回転可能に連結される。第二ヨークの先端部も二股に分かれている。第二ヨークの二股の先端部が、十字状の軸の第二軸に回転可能に連結される。第一ヨークと第二ヨークとは、十字状の軸を介して揺動可能に連結される。

特開２００２−２７６６８３号公報

しかし、従来の自在継手にあっては、第一部材に対する第二部材の可動範囲が、第一ヨークが第二ヨークに当接しない範囲に限られ、第一部材に対する第二部材の可動範囲を大きくすることができないという課題がある。

そこで、本発明は、第一部材に対する第二部材の可動範囲を大きくすることができる自在継手及びこの自在継手を用いるロボットの関節構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、第一部材と第二部材とを揺動可能に連結するための自在継手であって、外輪及び前記外輪に対して中心線の回りを相対的に回転可能な内輪を有し、前記第一部材に連結可能な軸受と、前記内輪の内側に固定され、前記中心線に直角な軸が固定されるブロックと、前記軸に前記軸の回りを回転可能に支持され、前記第二部材に連結可能なアームと、を備え、前記自在継手の側方から見て、前記軸に対する前記アームの回転の中心が、前記軸受の前記中心線の方向における前記軸受の厚さの範囲内に配置され、前記アームの長さ方向の両端部が前記ブロックと前記軸受から突出し、前記アームの長さ方向の両端部には、前記ア−ムを取り付けるための取付け部が設けられる自在継手である。

本発明によれば、軸受の中心線の回りのアームの回転範囲を大きくすることができるので、第一部材に対する第二部材の可動範囲を大きくすることができる。また、自在継手のコンパクト化が図れ、自在継手の剛性が向上する。

本発明の第一の実施形態における自在継手の外観斜視図である。本実施形態の自在継手の分解斜視図である。本実施形態の自在継手の詳細図である（図３（ａ）は自在継手の側面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ断面図）。軸受の断面図である。軸受に組み込まれるローラの模式図である。本実施形態の自在継手が組み込まれる人間型ロボットの斜視図である。本実施形態の自在継手が組み込まれる足首関節の斜視図である。本実施形態の自在継手が組み込まれる足首関節の側面図である。本発明の第二の実施形態における自在継手の斜視図である。

以下に、添付図面に基づいて本発明の実施形態における自在継手を詳細に説明する。ただし、本発明は種々の形態で具体化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものではない。本実施形態は、明細書の開示を十分にすることによって、当業者が発明の範囲を十分に理解できるようにする意図をもって提供されるものである。なお、添付の図面において、同一の構成要素には同一の符号を附す。

図１は、本発明の第一の実施形態における自在継手の外観斜視図を示す。本実施形態の自在継手は、外輪２及び内輪３を有する軸受１と、軸受１の内輪３に固定される軸４と、軸４に軸４の回りを回転可能に支持されるアーム５と、を備える。軸受１が図示しない第一部材に連結される。アーム５が図示しない第二部材に連結される。内輪３は、外輪２に対して中心線１ａの回りを回転可能である。軸４は軸受１の中心線１ａに直角であり、軸４の中心線４ａと軸受１の中心線１ａとは直交する。したがって、自在継手は、第一部材と第二部材とを、第一部材に対して第二部材が直交する２つの中心線１ａ，４ａの回りを揺動可能に連結する。

図２は、自在継手の分解斜視図を示す。図２において、符号１は軸受、符号６はブロック、符号４は軸、符号５はアーム、符号７ａ，７ｂはアーム用軸受である。以下に、これらを順番に説明する。

軸受１は、外輪２と内輪３との間に複数のローラを、隣り合うローラの軸線が直交するように配置したクロスローラ軸受である。図４の断面図に示すように、外輪２は、その内周面に断面Ｖ字形のローラ転走面２ａを有する。内輪３は、その外周面にローラ転走面２ａに対向する断面Ｖ字形のローラ転走面３ａを有する。外輪２と内輪３との間には、円環状で断面矩形のローラ転走路が構成される。図５に示すように、ローラ転走路には、複数のローラ８が隣り合うローラ８ａ，８ｂの軸線が直交するように配置される。ローラ８間には、隣り合うローラ８ａ，８ｂが接触するのを防止するスペーサ９が介在する。外輪２に対して内輪３を回転させると、これらの間に介在する複数のローラ８が、ローラ転走路を転がり運動する。クロスローラ軸受を使用することで、耐荷重性能を向上させることができ、単一の軸受１でありながら、大きな軸方向荷重、半径方向荷重及びモーメント荷重を受けることができる。

図２に示すように、内輪３の内側には、略短円筒形のブロック６が嵌められる。ブロック６はボルト等の締結部材１０によって内輪３に締結される。ブロック６の中心線１ａの方向の一端部には、フランジ６ａが設けられる。ブロック６には、締結部材１０が螺合するねじ穴６ｂが設けられる。内輪３の内側にブロック６を嵌め、締結部材１０をブロック６に螺合すると、締結部材１０の頭部とフランジ６ａとの間に内輪３が挟まれる（図３（ｂ）の側面図参照）。

図２に示すように、ブロック６は、軸受１の中心線１ａの方向に貫通する断面四角形の開口部６ｃを有する。ブロック６の正面視で、開口部６ｃはブロック６の中央に配置される。また、ブロック６は、軸受１の中心線１ａに直交する方向に延び、開口部６ｃに連通する軸固定穴６ｄ，６ｄを有する。軸固定穴６ｄ，６ｄには、軸４が嵌められる。軸４は円柱形である。軸４の軸方向の両端部がブロック６に固定される（図３（ｂ）の断面図参照）。

図２に示すように、アーム５は、断面がブロック６の開口部６ｃよりも小さい略四角形であり、軸４に直交する方向に延びる。アーム５は、ブロック６の開口部６ｃ内に挿入されており、ブロック６を突き抜ける。ブロック６は、開口部６ｃ内でアーム５が回転するのを許容する。アーム５は、ブロック６の開口部６ｃの縁に当接するまで回転可能である。アーム５の回転範囲は、ブロック６の開口部６ｃの縁によって制限される。アーム５の長さ方向の両端部５ａ，５ｂは、ブロック６から突出する。アーム５の長さ方向の両端部５ａ，５ｂには、アーム５を第二部材に取り付けるための取付け部としてのねじ穴１１が設けられる。

アーム５は、長さ方向の中央部に軸４が突き抜ける貫通穴５ｃを有する。アーム５は、その側面５ｄにかつ貫通穴５ｃの近傍に円弧状に盛り上がる膨出部５ｄ１，５ｄ１を有する。膨出部５ｄ１，５ｄ１を設けて側面５ｄとの間に段差を付けることによって、軸４の回りのアーム５の回転範囲を大きくすることができる。アーム５は、軸４の外側に嵌められる。軸４とアーム５との間には、二つのアーム用軸受７ａ，７ｂが介在する。二つのアーム用軸受７ａ，７ｂは、軸４の軸方向に離れて配置される。アーム用軸受７ａ，７ｂは、外輪と、内輪と、外輪と内輪との間に転がり運動可能に多数の玉と、を有する玉軸受である。外輪には、アーム用軸受７ａ，７ｂをアーム５の側面５ｅに突き当てるためのフランジ７ａ１，７ｂ１が設けられる。図３（ｂ）の断面図に示すように、アーム５は、ブロック６に固定される軸４の両端部４ｂ，４ｃ間に配置される。

図３（ａ）に示すように、自在継手の側方から見て、軸４の中心、すなわち軸４に対するアーム５の回転の中心Ｐ１が、軸受１の中心線１ａの方向における軸受１の厚さの範囲内に配置される。

本実施形態の自在継手によれば、以下の効果を奏する。

軸受１の中心線１ａの回りのアーム５の回転範囲を大きくすることができるので、第一部材に対する第二部材の中心線１ａの回りの可動範囲を大きくすることができる。ただし、アーム５の中心線４ａの回りの回転範囲は、アーム５がブロック６の開口部６ｃの縁に当たるまでに制限される。このため、アーム５の中心線４ａの回りの回転範囲は、中心線１ａの回りの回転範囲よりも小さい。本実施形態の自在継手は、直交する２つの中心線１ａ，４ａのうち一方の中心線１ａの回りの回転範囲が、他方の中心線４ａの回りの回転範囲よりも大きい用途の自在継手に適する。

内輪３に開口部６ｃを有するブロック６を固定し、ブロック６の開口部６ｃ内でアーム５が回転するのを許容するので、自在継手をコンパクトにすることができる。

軸４の軸方向の両端部４ｂ，４ｃをブロック６に固定するので、軸４の固定を安定させることができ、自在継手の剛性が向上する。

自在継手の側方から見て、軸４に対するアーム５の回転の中心Ｐ１が、軸受１の中心線１ａの方向における軸受１の厚さｔの範囲内に配置されるので、軸受１がアーム５に作用する荷重を安定して受けることができ、自在継手の剛性が向上する。

軸受１にクロスローラ軸受を使用するので、軸受１の耐荷重性能が向上し、自在継手の剛性が向上する。

軸４とアーム５との間に、少なくとも二つのアーム用軸受７ａ，７ｂを軸４の軸方向に離れて介在させるので、アーム５の回転が安定し、自在継手の剛性が向上する。

図６は、本実施形態の自在継手が組み込まれる人間型ロボットの斜視図を示す。この人間型ロボットは、胴体部２１と、胴体部２１の下方に設置された二本の脚部２２ａ，２２ｂと、胴体部２１の上方の左右両側面に設置された二本の腕部２３ａ，２３ｂと、胴体部２１の上方に設置された一個の頭部２４（実際には符号２４の部材にＣＣＤカメラを搭載した頭部が固定される）とを備える。この人間型ロボットは、人間の動作に近い動作をできるように構成される。なお、以下の説明において、左右は人間型ロボットから見たときの左右である。また、人間型ロボットの進行方向をｘ軸正方向、人間型ロボットからみて左手方向をｙ軸正方向、人間型ロボットの上方向をｚ軸正方向としたとき、ｘ軸がロール軸、ｙ軸がピッチ軸、ｚ軸がヨー軸である。

人間型ロボットは、二足歩行ロボットであり、人間のように二本脚でバランスをとりながら歩く。脚部２２ａ，２２ｂは、股関節２６ａ，２６ｂを介して胴体部２１に連結される。股関節２６ａ，２６ｂは、胴体部２１と脚部２２ａ，２２ｂとを、脚部２２ａ，２２ｂが胴体部２１に対してピッチ軸及びロール軸の回りに揺動可能に連結する。

股関節２６ａ，２６ｂには、大腿部２７ａ，２７ｂが連結される。大腿部２７ａ，２７ｂの下には、膝関節２８ａ，２８ｂを介して脛部２９ａ，２９ｂが連結される。脛部２９ａ，２９ｂの下には、足首関節３０ａ，３０ｂを介して歩行路面に接触する足部３１ａ，３１ｂが連結される。足首関節３０ａ，３０ｂは、脛部２９ａ，２９ｂと足部３１ａ，３１ｂとを、足部３１ａ，３１ｂが脛部２９ａ，２９ｂに対してピッチ軸及びロール軸の回りに揺動可能に連結する。

二本の腕部２３ａ，２３ｂは、胴体部２１の周囲を自在に移動できるようになっている。腕部２３ａ，２３ｂは肘を境に、肩に近い方の上腕部２５ａ，２５ｂと、図示しない手部に近い方の下腕部３２ａ，３２ｂと、を備える。下腕部３２ａ，３２ｂの先端には、手首関節３３ａ，３３ｂを介して手部が連結される。手首関節３３ａ，３３ｂは、下腕部３２ａ，３２ｂと手部とを、手部がピッチ軸及びロール軸の回りに揺動可能に連結する。

胴体部２１には、首関節３４を介して頭部２４が連結される。首関節３４は、胴体部２１と頭部２４とを、頭部２４が胴体部２１に対してヨー軸及びピッチ軸の回りに揺動可能に連結する。

本実施形態の自在継手は、人間型ロボットの股関節２６ａ，２６ｂ、足首関節３０ａ，３０ｂ、手首関節３３ａ，３３ｂ、首関節３４に組み込まれる。これらの関節において、一方の軸（例えばピッチ軸）の回りの回転範囲は、他方の軸（例えばロール軸）の回転範囲より大きい。自在継手の軸受１の中心線１ａを回転範囲が大きい一方の軸（例えばピッチ軸）として用い、自在継手の軸４を回転範囲が小さい他方の軸（例えばロール軸）として用いる。

図７及び図８は、本実施形態の自在継手が組み込まれる足首関節３０ａを示す。図７は、足首関節３０ａの斜視図を示し、図８は、ピッチ軸方向から見た足首関節３０ａの側面図を示す。図７に示すように、脛部２９ａには、軸受１の外輪２が固定される。この例のアーム５は、全体が逆Ｕ字形であり、アーム５の両端部には、足部３１ａが固定される。足首関節３０ａにおいては、ピッチ軸回りの回転範囲がロール軸回りの回転範囲よりも大きい。このため、軸受１の中心線１ａをピッチ軸として用い、軸４（図１参照）をロール軸として用いる。

本実施形態では、足部３１ａを作動させる機構として、差動リンク機構が用いられる。差動リンク機構は、脛部２９ａを挟んで左右対称であり、脛部２９ａに回転可能に支持される第一及び第二の中間リンク３３−１，３３−２と、一端部が足部３１ａに継手３５−１，３５−２を介して回転可能に連結され、他端部が第一及び第二の中間リンク３３−１，３３−２に継手３６−１，３６−２を介して回転可能に連結される第一及び第二の作動アーム３４−１，３４−２と、を備える。

図８に示すように、第一及び第二の中間リンク３３−１，３３−２は、その中央部が脛部２９ａに回転可能に連結される。第一及び第二の中間リンク３３−１，３３−２の一端部は、第一及び第二の作動アーム３４−１，３４−２に回転可能に連結される。第一及び第二の中間リンク３３−１，３３−２の他端部は、第一及び第二の直動アクチュエータ３７−１，３７−２に回転可能に連結される。第一及び第二の中間リンク３３−１，３３−２は、第一及び第二のコイルばね（図７には第一のコイルばね３８−１のみを示す）によって、一方向に付勢される。

第一及び第二の直動アクチュエータ３７−１，３７−２は、脛部２９ａに回転可能に支持される。第一及び第二の直動アクチュエータ３７−１，３７−２は、ボールねじを備える。モータがボールねじのナットを回転させると、ねじ軸が軸方向に移動し、第一及び第二の直動アクチュエータ３７−１，３７−２が伸縮する。第一及び第二の直動アクチュエータ３７−１，３７−２が同時に伸び、又は同時に縮むと、足部３１ａが脛部２９ａに対してピッチ軸の回りを回転する。第一及び第二の直動アクチュエータ３７−１，３７−２のいずれか一方が伸び、他方が縮むと、足部３１ａが脛部２９ａに対してロール軸の回りを回転する。

本実施形態の差動リンク機構によれば、第一及び第二の直動アクチュエータ３７−１，３７−２と第一及び第二の作動アーム３４−１，３４−２との間に第一及び第二の中間リンク３３−１，３３−２を介在させるので、足部３１ａに作用する荷重を一旦第一及び第二の中間リンク３３−１，３３−２で受けることができる。このため、足部３１ａに作用する荷重が第一及び第二の直動アクチュエータ３７−１，３７−２に直接的に作用するのを防止でき、第一及び第二の直動アクチュエータ３７−１，３７−２に軸方向以外のラジアル荷重、ねじれ、モーメント等の無理な力がかかるのを防止することができる。

図９は、本発明の第二の実施形態における自在継手を示す。第二の実施形態の自在継手は、第一の実施形態の自在継手と同様に、軸受１と、軸４１ａ，４１ｂと、アーム４２と、を備える。軸受１の構成は第一の実施形態の自在継手と同一なので、同一の符号を附してその説明を省略する。

第一の実施形態の自在継手では、軸受１の外輪２に第一部材が固定されるのに対し、第二の実施形態の自在継手では、軸受１の内輪３に第一部材４３が固定される。そして、軸受１の外輪２の外周に一対の軸４１ａ，４１ｂが固定される。軸４１ａ，４１ｂには、全体が略Ｕ字形のアーム４２が軸４１ａ，４１ｂの回りを回転可能に連結される。アーム４２には、第二部材に連結するための取付け部４２ａが設けられる。

軸受１の外輪２は、内輪３に対して中心線１ａの回りを回転可能である。アーム４２は軸４１ａ，４１ｂの回りを回転可能である。軸４１ａ，４１ｂの中心線４１ｃと軸受１の中心線１ａとは直交する。したがって、自在継手は、第一部材４３と図示しない第二部材とを、第一部材４３に対して第二部材が直交する２つの中心線１ａ，４１ｃの回りを揺動可能に連結する。

なお、本発明は上記実施形態に具現化されるのに限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で他の実施形態を採用し得る。

例えば上記実施形態では、軸受として単一のクロスローラ軸受を用いているが、複数のローラ軸受又は複数の玉軸受を用いることもできる。

また、上記実施形態では、アーム用軸受として玉軸受を用いているが、すべり軸受を用いることもできる。

上記実施形態では、軸受を第一部材に直接的に連結しているが、ハウジング等の部品を介して第一部材に連結することもできる。

本発明の自在継手は、人間型ロボットに限られることはなく、パラレルリンクロボット、産業用ロボット等の各種のロボットに適用することができる。

１…軸受、１ａ…軸受の中心線、２…外輪、３…内輪、４…軸、４ａ…軸の中心線、４ｂ，４ｃ…軸の両端部、５…アーム、５ｃ…アームの貫通穴、６…ブロック、６ｃ…ブロックの開口部、７ａ，７ｂ…アーム用軸受、８…ローラ、８ａ，８ｂ…隣接するローラ、２１…胴体部、３０ａ，３０ｂ…ロボットの足首関節、３３ａ，３３ｂ…ロボットの手首関節、３４…首関節、４１ａ，４１ｂ…軸、４２…アーム、Ｐ１…軸に対するアームの回転の中心

Claims

第一部材と第二部材とを揺動可能に連結するための自在継手であって、
外輪及び前記外輪に対して中心線の回りを相対的に回転可能な内輪を有し、前記第一部材に連結可能な軸受と、
前記内輪の内側に固定され、前記中心線に直角な軸が固定されるブロックと、
前記軸に前記軸の回りを回転可能に支持され、前記第二部材に連結可能なアームと、を備え、
前記自在継手の側方から見て、前記軸に対する前記アームの回転の中心が、前記軸受の前記中心線の方向における前記軸受の厚さの範囲内に配置され、
前記アームの長さ方向の両端部が前記ブロックと前記軸受から突出し、
前記アームの長さ方向の両端部には、前記ア−ムを取り付けるための取付け部が設けられる自在継手。
前記ブロックは、前記軸受の前記中心線の方向に貫通する開口部を有し、
前記ブロックは、前記開口部内で前記アームが前記軸の回りを回転するのを許容することを特徴とする請求項１に記載の自在継手。
前記軸の軸方向の両端部が、前記ブロックに固定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の自在継手。
前記軸受は、前記外輪と前記内輪との間に複数のローラを、隣り合う前記ローラの軸線が直交するように配置したクロスローラ軸受であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の自在継手。
前記軸と前記アームとの間には、前記アームを揺動可能に支持する少なくとも二つのアーム用軸受が、前記軸の軸方向に離れて介在することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の自在継手。
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の前記自在継手を用いたロボットの関節構造であって、
前記軸受が前記第一部材に対して前記第二部材を第一軸の回りを揺動させ、
前記アームが前記第一部材に対して前記第二部材を第二軸の回りを揺動させ、
前記第二部材の前記第一軸の回りの回転範囲が、前記第二軸の回りの回転範囲よりも大きいことを特徴とするロボットの関節構造。