JP7250316B2 - 関節機構 - Google Patents

Description

本発明は、２つのアーム間に設けられる関節機構に関する。

産業用ロボットに多く採用されている複数関節型アームは、一般的にアーム間にそれぞれ１自由度の回転関節が設けられている。したがって複数関節型アームでは自由度の数だけ関節とアームがあって長大化している。また、産業用ロボットは据え置き型であって重量が重い。

例えば、ドローンなどの小型飛行体によるカメラ撮影を行う場合に、複数関節型アームでカメラの向きを調整できると好適であるが、小型飛行体に搭載可能な小型軽量の複数関節型アームは開発されていない。このような小型軽量の複数関節型アームを実現するためには、１つの関節で複数の自由度が実現できることが望ましい。それだけアームの数を減らせるからである。

特許文献１には２自由度の関節機構が開示されている。この関節機構では回転ピボット継手と回転スイベル継手とを組み合わせており、それぞれをワイヤケーブルで駆動している。

特開２０１０－２５５８５２号公報

特許文献１に記載の関節機構はある程度小型で軽量とも考えられるが、ワイヤケーブルで駆動しているため、制御精度に劣るとともにワイヤケーブルの配索が困難である。特に、３以上のアームの各アーム間に関節機構を設ける場合には、ワイヤケーブルの配索が極めて困難であるとともに、伸びなど影響によって先端アームの精度が相当に劣ると考えられる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、小型軽量でアームへの設置が容易であり、しかも高精度な動作が可能な関節機構を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる関節機構は、２つのアーム間に設けられる関節機構であって、第１円錐面にかかる軸で一方のアームに沿った第１軸を中心に回転可能な基端円錐体と、第２円錐面にかかる第２軸を中心に回転可能な中間円錐体と、第３円錐面にかかる軸で他方のアームに沿った第３軸を中心に回転可能な先端円錐体と、を備え、さらに、前記基端円錐体を前記第１軸を中心として回転させ、前記一方のアームに設けられた第１モータと、前記中間円錐体を前記第２軸を中心として回転させる第２モータと、前記先端円錐体を前記第３軸を中心として回転させ、前記他方のアームに設けられた第３モータと、のうち２つを備え、前記一方のアームと前記他方のアームとは基準軸まわりに相対的に回動可能に構成され、前記第１円錐面と前記第２円錐面とが当接することによって、前記基端円錐体と前記中間円錐体との間で動力伝達がなされ、前記第２円錐面と前記第３円錐面とが当接することによって、前記中間円錐体と前記基端円錐体との間で動力伝達がなされることを特徴とする。

前記第１モータ、前記第２モータおよび前記第３モータの３つを備えてもよい。

また、本発明にかかる関節機構は、２つのアーム間に設けられる関節機構であって、第１円錐面にかかる軸で一方のアームに沿った第１軸を中心に回転可能な基端円錐体と、第２円錐面にかかる第２軸を中心に回転可能な中間円錐体と、第３円錐面にかかる軸で他方のアームに沿った第３軸を中心に回転可能な先端円錐体と、前記基端円錐体を前記第１軸を中心として回転させ、前記一方のアームに設けられた第１モータと、前記中間円錐体を前記第２軸を中心として回転させる第２モータと、前記先端円錐体が前記第３軸を中心に回転することに基づいて伸縮する直動機構と、を備え、前記一方のアームと前記他方のアームとは基準軸まわりに相対的に回動可能に構成され、前記第１円錐面と前記第２円錐面とが当接することによって、前記基端円錐体と前記中間円錐体との間で動力伝達がなされ、前記第２円錐面と前記第３円錐面とが当接することによって、前記中間円錐体と前記基端円錐体との間で動力伝達がなされることを特徴とする。

前記直動機構は互いに螺合する雄ネジ部と雌ネジ部とを備え、前記雄ネジ部と前記雌ネジ部のうち一方の回転により他方が進退してもよい。

前記基端円錐体、前記中間円錐体および前記先端円錐体は同径であってもよい。

前記基端円錐体と前記先端円錐体とは同径であり、前記中間円錐体は、前記基端円錐体および前記先端円錐体よりも大径であってもよい。

所定のタイミングで、基準姿勢における前記基端円錐体と前記中間円錐体との当接位置をずらすとともに、前記基準姿勢における前記中間円錐体と前記先端円錐体との当接位置をずらすように制御する制御部を有してもよい。

また、本発明にかかる関節機構は、２つのアーム間に設けられる関節機構であって、第１円錐面にかかる軸で一方のアームに沿った第１軸を中心に回転可能な第１円錐体と、第２円錐面にかかる第２軸を中心に回転可能な第２円錐体と、前記第１円錐体を前記第１軸を中心として回転させ、前記一方のアームに設けられた第１モータと、前記第２円錐体を前記第２軸を中心として回転させる第２モータと、を備え、他方のアームは前記第２円錐体とともに前記第２軸を中心に回転可能に設けられ、前記第２軸に直交する第３軸に沿って延在し、前記第１円錐面と前記第２円錐面とが当接することによって、前記第１円錐体と前記第２円錐体との間で動力伝達がなされることを特徴とする。

前記第１軸、前記第２軸および前記第３軸は一点で交わり、前記第１軸と前記第２軸とは直交し、前記第２軸と前記第３軸とは直交してもよい。

本発明にかかる関節機構によれば、１つの関節で２または３の自由度を実現できることから、適用されるシステムは必要とされる合計自由度を少ない関節数で構成することができて小型軽量となる。また、関節の数を抑制できることから関節間のアームの数も減らすことができて一層シンプルな構成とすることができる。関節機構は基端円錐体（例えば傘歯車）、中間円錐体および先端円錐体の間で動力伝達がなされ、または第１円錐体と第２円錐体との間で動力伝達がなされて小型軽量である。また、関節機構は、基端円錐体、中間円錐体および先端円錐体の間、または第１円錐体と第２円錐体との間で回転動力が直接的に伝達されることから伝達遅れなどがなく制御性に優れ、高精度な動作が可能である。関節機構におけるモータ類は電気配線だけで足り、ワイヤなどが不要でアームへの取り付けが容易である。

図１は本発明の実施形態である関節機構を備えるロボットの模式斜視図である。 図２は、第１の実施形態にかかる関節機構およびその周辺の斜視図である。 図３は、第１の実施形態にかかる関節機構およびその周辺を第１方向から見た側面図である。 図４は、第１の実施形態にかかる関節機構およびその周辺を第２方向から見た側面図である。 図５は、図４におけるＶ～Ｖ線視による断面図である。 図６は、第１の実施形態にかかる関節機構の分解斜視図である。 図７は、ケース、基端筺体、基端盤および先端筺体の分解斜視図である。 図８は、先端筺体とケース半体との相対的な位置関係を示す斜視図である。 図９は、第１の実施形態にかかる関節機構において、第１軸と第３軸とが一致する場合の動力伝達にかかる部分を示す斜視図である。 図１０は、第１の実施形態にかかる関節機構において、第１軸と第３軸とが角度をなす場合の動力伝達にかかる部分を示す斜視図である。 図１１は、第２の実施形態にかかる関節機構およびその周辺部の斜視図である。 図１２は、第２の実施形態にかかる関節機構の一部分解斜視図である。 図１３は、第１変形例にかかる関節機構における動力伝達にかかる部分の側面図である。 図１４は、第１変形例にかかる関節機構における動力伝達にかかる部分の斜視図である。 図１５（ａ）は、第２変形例にかかる関節機構における動力伝達にかかる部分のスケルトン図であり、図１５（ｂ）は、第３変形例にかかる関節機構における動力伝達にかかる部分のスケルトン図であり、図１５（ｃ）は、第４変形例にかかる関節機構における動力伝達にかかる部分のスケルトン図である。 図１６は、第５変形例にかかる関節機構において、第１軸と第３軸とが角度をなす場合の動力伝達にかかる部分を示す斜視図である。

以下に、本発明にかかる関節機構の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の第１の実施形態である関節機構１０Ａおよび第２の実施形態である１０Ｂを備えるロボット１２の模式斜視図である。ロボット１２は小型軽量であり、例えばドローンなどの小型飛行体に搭載可能である。ロボット１２は据え置き型としてもよい。

ロボット１２は関節機構１０Ａおよび１０Ｂと、３つのアーム１４ａ，１４ｂおよび１４ｃと、ロッド１６とを備え、制御部１８によって制御される。アーム１４ａ，１４ｂは筒体である。アーム１４ｃも筒体であるが、その内側断面はロッド１６の断面と同じ形であり、該ロッド１６の回り止め機能と出没変位ガイド機能とを有する。アーム１４ａは所定の台座部に固定されている。アーム１４ａ～１４ｃの長さは問われない。

アーム１４ａとアーム１４ｂとの間には関節機構１０Ａが設けられている。関節機構１０Ａは矢印θα，θβで示すように旋回および俯仰の２自由度の構成である。アーム１４ｂとアーム１４ｃとの間には関節機構１０Ｂが設けられている。関節機構１０Ｂは矢印θα，θβ，Ｚで示すように旋回、俯仰およびロッド１６の伸縮の３自由度の構成である。ロッド１６はアーム１４ｃの先端から出没することにより直動機構を実現している。ロッド１６の先端にはエンドエフェクタ２４が設けられている。エンドエフェクタ２４は、例えばカメラである。次に、第１の実施形態である関節機構１０Ａについて説明する。

（第１の実施形態）
図２は、関節機構１０Ａおよびその周辺の斜視図であり、図３は、関節機構１０Ａおよびその周辺を第１方向から見た側面図であり、図４は、関節機構１０Ａおよびその周辺を第２方向から見た側面図である。ここでの第１方向と第２方向とは直交する方向である。

図２～図４に示すように、関節機構１０Ａはケース２６と、モータケース２８と、センサカバー３０とによって覆われている。また、関節機構１０Ａの一部はアーム１４ａおよびアーム１４ｂにも入り込んでいる。ケース２６は２つのケース半体２６ａおよび２６ｂが向かい合わせに組み合わされていて、アーム１４ａとアーム１４ｂとの間の部分をほぼ覆っている。ケース半体２６ａとケース半体２６ｂとは略同形状である。

モータケース２８は円柱形状であり側方にわずかに突出している。センサカバー３０は、例えば球面を有するドーム形状であり側方にわずかに突出している。モータケース２８とセンサカバー３０とは反対方向に設けられている。

図５は、図４におけるＶ～Ｖ線視による断面図である。図６は、関節機構１０Ａの分解斜視図である。

図５および図６に示すように、関節機構１０Ａは、概ね基端機構３２と、中間機構３４と、先端機構３６とに区分される。これらの基端機構３２、中間機構３４および先端機構３６は理解を容易にするための便宜的な区分けである。なお図示の都合上、中間機構３４は上下に分けて示している。関節機構１０Ａについてはアーム１４ａの方向を基端側、アーム１４ｂの方向を先端側とする。ただし、後述するように「先端」および「基端」という名称は便宜的なものである。

基端機構３２は、基端モータ（第１モータ）３８と、基端ギヤヘッド４０と、基端筺体４２と、基端盤４４と、基端歯車体４６とを備える。基端機構３２におけるこれらの各部材はアーム１４ａの中心である軸Ｊ１（第１軸）と同軸上に設けられている。基端歯車体４６は基端傘歯車（基端円錐体）５０と、一対の軸受ポスト５２とを備える。基端傘歯車５０の歯面傾斜は先端側に向かって縮径する向きである。一対の軸受ポスト５２は基端傘歯車５０の先端面からさらに先端に向かって突出している。

軸Ｊ１はアーム１４ａの延在方向に沿った軸になっているが、アーム１４ａの中心軸と厳密に一致している必要はない。後述する軸Ｊ３はアーム１４ｂの延在方向に沿った軸になっているが、アーム１４ｂの中心軸と厳密に一致している必要はない。なお、軸Ｊ１は中心線として図示しているように実体のない基準線であり、実体のある基準軸６０のようなものではなく、機構的な１つの自由度を示すものではない。後述する軸Ｊ２および軸Ｊ３も同様である。

基端盤４４の先端面は基端歯車体４６に固定されている。基端盤４４は周面に環状溝４４ａを有する。基端モータ３８は基端ギヤヘッド４０を介して基端盤４４および基端歯車体４６を軸Ｊ１回りに回転させる。基端モータ３８には角度センサ（例えばロータリエンコーダ。以下同様である。）が内蔵されており、基端傘歯車５０の回転角度を検出可能である。基端ギヤヘッド４０は基端モータ３８の回転を減速して基端歯車体４６を回転させる。基端筺体４２は、軸孔以外の先端面が塞がれた有底筒形状であり、周面には環状溝４２ａが設けられている。基端筺体４２は、環状溝４２ａよりも基端側がアーム１４ａの内部に収納され、環状溝４２ａよりも先端側がケース２６によって覆われる。基端モータ３８および基端ギヤヘッド４０は基端筺体４２の内部に収容および固定されている。基端筺体４２はアーム１４ａに固定されている。

中間機構３４は、基端機構３２と先端機構３６との中継部であり、中間モータ（第２モータ）５４と、中間盤５６と、中間傘歯車（中間円錐体）５８と、基準軸６０と、プレート６２と、角度センサ６４と、回路基板６６とを備える。中間機構３４におけるこれらの各部材は軸Ｊ２（第２軸）と同軸上に設けられている。軸Ｊ２は軸Ｊ１と直交し、かつ一対の軸受ポスト５２および７８の軸受孔を通る。アーム１４ａとアーム１４ｂとは基準軸６０まわりに相対的に回動可能である。

中間モータ５４、中間盤５６および中間傘歯車５８は、図５および図６で軸Ｊ１および軸Ｊ３よりも上側に設けられ、プレート６２、角度センサ６４および回路基板６６は軸Ｊ１および軸Ｊ３よりも下側に設けられている。

中間傘歯車５８の歯面傾斜は軸Ｊ１および軸Ｊ３に近づくに従って縮径する向きである。中間盤５６の端面は中間傘歯車５８に固定されている。中間モータ５４は中間盤５６および中間傘歯車５８を軸Ｊ２回りに回転させる。中間モータ５４は減速機構を内蔵している。中間モータ５４は、大出力型であれば減速機構を介さずに中間傘歯車５８を回転させてもよい。中間モータ５４はモータケース２８内に収容および固定されており、回転軸だけが突出して中間盤５６に接続されている。モータケース２８は有底筒体の本体と、外側に設けられた蓋２８ａとにより中間モータ５４を覆っている。

基準軸６０は一対の軸受ポスト５２で軸支されており、上方の中間傘歯車５８と下方の角度センサ６４とを回転不能に接続している。軸受ポスト５２と角度センサ６４との間にはプレート６２が介在している。回路基板６６には角度センサ６４にかかる電気回路が形成されている。角度センサ６４および回路基板６６は外側をセンサカバー３０で覆われている。

先端機構３６は、先端モータ（第３モータ）６８と、先端ギヤヘッド７０と、Ｏリング７２と、先端筺体７４と、先端傘歯車（先端円錐体）７６と、軸受ポスト７８とを備える。先端機構３６におけるこれらの各部材はアーム１４ｂの中心である軸Ｊ３（第３軸）と同軸上に設けられている。軸Ｊ３と軸Ｊ２とは直交する。軸Ｊ１と軸Ｊ３とのなす角度θβ（図１０参照）は可変である。

先端傘歯車７６の歯面傾斜は基端側に向かって縮径する向きである。先端傘歯車７６の基端側面に軸受ポスト７８が固定されている。軸受ポスト７８は基端側に向かって突出しており、一対の軸受ポスト５２の間に介在して基準軸６０を軸支している。

先端傘歯車７６の基端面は軸受ポスト７８の先端面に固定されている。先端モータ６８は先端ギヤヘッド７０を介して先端傘歯車７６を軸Ｊ３回りに回転させる。また後述するように基端モータ３８、中間モータ５４および先端モータ６８のうちいずれか１つは省略してもよい。先端モータ６８には角度センサが内蔵されており、先端傘歯車７６の回転角度を検出可能である。

先端ギヤヘッド７０は先端モータ６８の回転を減速して先端傘歯車７６を回転させる。先端筺体７４は、軸孔以外の基端側面が塞がれた有底筒形状であり、周面には環状溝７４ａが設けられている。また、先端筺体７４は、基端部に短筒部７４ｂと、該短筒部７４ｂの基端に短い接続部７４ｄを介して設けられた円弧板７４ｃとを有する。環状溝７４ａは短筒部７４ｂと隣接して設けられている。先端筺体７４は、環状溝７４ａよりも先端側がアーム１４ｂの内部に収容される。先端モータ６８および先端ギヤヘッド７０は先端筺体７４の内部に収容および固定されている。Ｏリング７２は環状溝７４ａに嵌めこまれアーム１４ｂの内周面から押圧されて弾性変形し、シール作用を奏する。先端筺体７４はアーム１４ｂに固定されている。

図７は、ケース２６、基端筺体４２、基端盤４４および先端筺体７４の分解斜視図である。図８は、先端筺体７４とケース半体２６ａとの相対的な位置関係を示す斜視図である。

図７に示すように、ケース２６のケース半体２６ａは、軸Ｊ２を中心とする筒体８０と、該筒体８０の側方を略覆う側板８２と、筒体８０から軸Ｊ１方向に沿って基端側に突出する半筒８４とを有する。半筒８４の内周面には２つの半環状突起８４ａおよび８４ｂが設けられている。半環状突起８４ａは筒体８０に近い位置に設けられており、半環状突起８４ｂは基端部に設けられている。

上記の通りケース半体２６ａとケース半体２６ｂとは略同形状であって、相互に組み合わされることによって、一対の筒体８０は間にスリット８５（図２、図３参照）を形成する。このスリット８５の幅は先端筺体７４の接続部７４ｄの幅にほぼ等しい。また、一対の半筒８４は１つの筒を形成し、さらに一対の半環状突起８４ａおよび一対の半環状突起８４ｂは連続する内向きの環状突起を形成する。一対の半環状突起８４ａが環状溝４４ａに嵌まり込むことによって、基端盤４４が位置決めされる。一対の半環状突起８４ｂは環状溝４２ａに嵌まり込むことによって基端筺体４２に対して位置決めされるとともに摺動可能であり、組み合わされた一対の半筒８４は軸Ｊ１回りに回転可能である。

図８に示すように、先端筺体７４の円弧板７４ｃは軸Ｊ２と平行に延在しており、基端側が平面で先端側が円弧面７４ｃａを形成している。円弧面７４ｃａは先端側に向けて凸形状である。短筒部７４ｂの基端側は円弧面７４ｃａと対向する円弧面７４ｂａを形成している。円弧面７４ｂａは凹形状である。円弧面７４ｂａと円弧面７４ｃａとは隙間７４ｅを形成している。隙間７４ｅは接続部７４ｄを中心として両側に設けられている。隙間７４ｅの幅は筒体８０の厚みにほぼ等しい。

ケース半体２６ａは筒体８０の一部が一方の隙間７４ｅに嵌まり込むことにより軸Ｊ２を中心として摺動可能になる。ケース半体２６ｂについても同様である。接続部７４ｄは一対の筒体８０の間に形成されるスリット８５（図２、図３参照）に挟持されて安定する。

図９に示すように、軸Ｊ１と軸Ｊ２とは直交し、軸Ｊ２と軸Ｊ３とは直交する。軸Ｊ１と軸Ｊ２と軸Ｊ３とは関節中心Ｏの一点で交わる。本願では図９のように軸Ｊ１と軸Ｊ３とが一致した状態を基準姿勢とする。

基端傘歯車５０の歯は軸Ｊ１を基準とした円錐面に沿って形成されている。中間傘歯車５８の歯は軸Ｊ２を基準とした円錐面に沿って形成されている。先端傘歯車７６の歯は軸Ｊ３を基準とした円錐面に沿って形成されている。３つの基端傘歯車５０、中間傘歯車５８および先端傘歯車７６は同形状である。したがって、径（例えば基準円直径。以下同様である。）、歯数およびモジュールが一致している。基端傘歯車５０、中間傘歯車５８および先端傘歯車７６は同一形状であることから、関節中心Ｏの回りで無駄なくコンパクトに配置可能となっている。

基端傘歯車５０と中間傘歯車５８とが噛合し、中間傘歯車５８と先端傘歯車７６とが噛合している。図９では、基端傘歯車５０と中間傘歯車５８とは破線枠で示す噛合部８６で噛合しており、中間傘歯車５８と先端傘歯車７６とは噛合部８８で噛合している。

ここでの説明では基端モータ３８が設けられている側を基端側（つまりアーム１４ａ側）とし、先端モータ６８が設けられている側を先端側（つまりアーム１４ｂ側）としているが、図９から明らかなように、関節機構１０Ａは先端側と基端側とを逆にしても適用可能である。すなわち、関節機構１０Ａにおける「先端」および「基端」という名称は、方向を特定する便宜上のものである。関節機構１０Ｂについても同様である。

関節機構１０Ａは基準姿勢から動作を開始する場合、動作形態にもよるが、噛合部８６，８８の近くの歯が多用される傾向があり負担が大きい。そこで、関節機構１０Ａでは、制御部１８の作用下に、動作に影響の少ない所定のタイミング（起動時毎、定時間毎または通常動作に含まれるタイミングなど）で噛合部８６，８８の歯をずらす処理を行っている。例えば、基端モータ３８により基端傘歯車５０を所定方向に９０°回転させるとともに中間モータ５４により中間傘歯車５８を所定方向に９０°回転させると破線枠９０および破線枠９２の部分が新たな噛合部８８となる。また、先端モータ６８により先端傘歯車７６を所定方向に９０°回転させると、中間傘歯車５８および先端傘歯車７６のそれぞれ図９の紙面奥方向の歯の一部が新たな噛合部８８となる。このとき基端モータ３８、中間モータ５４および先端モータ６８の相対的な位置は変わらず、アーム１４ａとアーム１４ｂとの相対位置も変わらず基準姿勢が維持される。噛合部８６，８８の歯をずらす処理で各傘歯車の回転角度は９０°に限らず、例えば１歯ずつずらしてもよい。

このようにして、関節機構１０Ａでは所定の歯だけが偏って多用されることを防止し、基端傘歯車５０、中間傘歯車５８、先端傘歯車７６の信頼性が高められ高寿命となる。基端傘歯車５０、中間傘歯車５８、先端傘歯車７６は歯の負担が低減されることから、これらを樹脂製としてもよい。

図１０に示すように、アーム１４ｂは軸Ｊ２の回りで回転する俯仰動作が可能となっている。図１０では俯仰動作を軸Ｊ１と軸Ｊ３とのなす角度θβで示す。俯仰動作では、中間モータ５４が中間傘歯車５８を回転させれば、噛合部８８（図９参照）の噛合が維持されたまま先端傘歯車７６およびアーム１４ｂが軸Ｊ２を中心として回転変位する。なお、中間傘歯車５８の回転は基端傘歯車５０にも伝達されるため、基端傘歯車５０が停止していれば中間傘歯車５８は軸Ｊ１を中心として回転する。つまり、アーム１４ｂは中間傘歯車５８とともに軸Ｊ１を中心として角度θαで示す旋回動作をする。

旋回動作を行わずに俯仰動作だけを行う場合には、中間傘歯車５８の回転を相殺するように基端傘歯車５０を基端モータ３８で回転させればよい。俯仰動作を行わずに旋回動作だけを行う場合には、中間傘歯車５８を停止させたまま基端傘歯車５０だけを回転させれば、アーム１４ｂが軸Ｊ１を中心として回転変位する。旋回動作と俯仰動作とを同時に行う場合には基端傘歯車５０と中間傘歯車５８とを協働的に回転させればよい。

角度θβで示す俯仰動作は、先端傘歯車７６が中間傘歯車５８との噛合状態を保ったまま軸Ｊ２を中心として回転する。この場合、先端傘歯車７６は基端傘歯車５０に当接するまで回転変位可能であることから、角度θβの動作範囲は軸Ｊ１を基準として±９０°である。なお、角度θαについてはエンドレス回転が可能である。

このように旋回動作および俯仰動作は、基本的には基端モータ３８および中間モータ５４の２つだけで実現可能であるが、このうちいずれか一方は先端モータ６８によって代替可能である。

すなわち、中間モータ５４を先端モータ６８で代替する場合は、先端モータ６８によって先端傘歯車７６を回転させれば俯仰動作が実現できる。旋回動作については上記のとおり基端モータ３８で基端傘歯車５０を回転させれば実現できる。

また、基端モータ３８を先端モータ６８で代替する場合は、直前に述べたように先端モータ６８によって先端傘歯車７６を回転させれば俯仰動作が実現できる。旋回動作については、中間モータ５４によって中間傘歯車５８を回転させれば、基端傘歯車５０は停止しているので、中間傘歯車５８はアーム１４ｂとともに軸Ｊ１を中心として角度θαで回転する。なお、中間傘歯車５８は先端傘歯車７６とも噛合しているため、先端傘歯車７６が停止していればアーム１４ｂは軸Ｊ２を中心として俯仰動作も行うが、俯仰動作を行わずに旋回動作だけを行う場合には、中間傘歯車５８の回転を相殺するように先端傘歯車７６を先端モータ６８で回転させればよい。

このように、関節機構１０Ａでは、基端モータ３８、中間モータ５４および先端モータ６８のうちいずれか２つだけで旋回動作と俯仰動作とを実現可能であることから、いずれか１つが故障した場合にも残る２つのモータで稼働継続することができる。また、３つのモータのうち１つを定期的に停止させるローテーション運転を行うことにより負担を軽減させることができる。さらに、基端モータ３８、中間モータ５４および先端モータ６８の３つを全て用い、協働的に旋回動作および俯仰動作を実現させてもよい。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態である関節機構１０Ｂについて説明する。関節機構１０Ｂにおいて関節機構１０Ａと同様の箇所については同符号を付してその詳細な説明を省略する。

図１１は、関節機構１０Ｂおよびその周辺部の斜視図であり、図１２は、関節機構１０Ｂの一部分解斜視図である。なお、図１１および図１２では、関節機構１０Ｂの内部機構を視認可能なようにケース２６および先端筺体７４を省略している。

関節機構１０Ｂの説明では、アーム１４ｂの方向を基端側、アーム１４ｃの方向を先端側とする。また、アーム１４ｂおよび基端モータ３８の中心を軸Ｊ１とし、中間モータ５４および基準軸６０の中心を軸Ｊ２とし、アーム１４ｃおよびロッド１６の中心を軸Ｊ３とする。さらに、アーム１４ｃについて軸Ｊ１回りの回転を旋回動作、軸Ｊ２回りの回転を俯仰動作とする。上述したように、関節機構１０Ｂは矢印θα，θβ，Ｚで示すように旋回、俯仰およびロッド１６の伸縮の３自由度の構成である。

関節機構１０Ｂでは、上述の関節機構１０Ａにおける基端機構３２（図６参照）および中間機構３４（図６参照）については同様の構成となっている。関節機構１０Ｂでは、関節機構１０Ａにおける先端機構３６の構成部品のうちＯリング７２、先端筺体７４、先端傘歯車７６および軸受ポスト７８が設けられており、先端モータ６８および先端ギヤヘッド７０は省略されている。

図１１に示すように、関節機構１０Ｂには直動機構９３が設けられている。直動機構９３は、ロッド１６をアーム１４ｃから出没させることによりＺ方向に進退させる機構である。Ｚ方向は軸Ｊ３の方向と一致している。

図１２に示すように、直動機構９３はスクリュー（雄ネジ部）９４とロッド（雌ネジ部）１６とを有する。アーム１４ｃも直動機構９３の一部となっている。スクリュー９４およびロッド１６は、例えばアーム１４ｃとほぼ同じ長さである。スクリュー９４は長尺なネジ部材であり、基端側が固定具９６によって先端傘歯車７６の先端側面に固定されている。スクリュー９４は軸Ｊ３に沿って延在している。

ロッド１６は内面に雌ネジが形成された長尺部材であり、円筒面と上下一対の平面１６ａとを有する。平面１６ａは軸Ｊ３の方向に沿ってロッド１６の全長にわたって形成されている。ロッド１６はスクリュー９４に螺合している。

アーム１４ｃの内面には上下一対の平面１４ａｃが設けられている。平面１４ａｃは軸Ｊ３の方向に沿ってアーム１４ｃの全長にわたって形成されている。アーム１４ｃの内部にはロッド１６が嵌合され、一対の平面１６ａと一対の平面１４ａｃとが当接する。これによりロッド１６は軸Ｊ３まわりに回転することが規制されるとともに、軸Ｊ３方向へのスムーズな変位が可能になる。アーム１４ｃの端部は先端筺体７４（図６参照）の一部に固定されている。

このような関節機構１０Ｂでは、上記の関節機構１０Ａと同様に基端モータ３８による基端傘歯車５０の回転と、中間モータ５４による中間傘歯車５８との回転によりアーム１４ｃの旋回動作および俯仰動作を実現することができる。すなわち旋回の角度θαを自由に設定可能であり、俯仰の角度θβについては±９０°の範囲で自由に設定可能である。

一方、任意の姿勢において基端傘歯車５０および中間傘歯車５８をそれぞれ所定の方向に同角度だけ回転させると、角度θαおよび角度θβを維持したまま先端傘歯車７６を回転させることが可能である。そうすると、スクリュー９４は先端傘歯車７６と一体的に軸Ｊ３回りに回転することから、スクリュー９４に螺合しているロッド１６は軸Ｊ３に沿って進退する。このようにして直動機構９３の直動動作が実現される。角度θα、角度θβおよび変位Ｚのうち２以上を同時に動作させてもよいことは勿論である。直動機構９３ではロッド１６に相当する雌ネジ部を回転させ、スクリュー９４に相当する雄ネジ部を進退させる構成にしてもよい。つまり、直動機構９３は互いに螺合する雄ネジ部と雌ネジ部とから構成され、一方の回転により他方が進退する構成である。

上述した関節機構１０Ａ，１０Ｂによれば、１つの関節で２または３の自由度を実現できることから、適用されるロボット１２は必要とされる合計自由度を少ない関節数で構成することができて小型軽量となる。また、関節の数を抑制できることから関節間のアームの数も減らすことができて一層シンプルな構成とすることができる。

関節機構１０Ａ，１０Ｂは、基端傘歯車５０、中間傘歯車５８および先端傘歯車７６の間で回転動力が直接的に伝達されることから伝達遅れなどがなく制御性に優れ、高精度な動作が可能である。関節機構１０Ａ，１０Ｂにおけるモータ類は電気配線だけで足り、ワイヤなどが不要でアーム１４ａ～１４ｃへの取り付けが容易である。関節機構１０Ａ，１０Ｂは構造が簡易で低コストである。関節機構１０Ａ，１０ＢはＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）を用いることにより、一層の小型化が可能となる。

なお、基端傘歯車５０、中間傘歯車５８および先端傘歯車７６は傘歯車であることから、それぞれ円錐面に沿って歯が形成されているが、広義には円錐面同士が当接することによって動力伝達がなされていると言える。例えば、歯が形成されていない円錐状の摩擦板であっても同様の動力伝達が可能であるためである。したがって、本願における基端傘歯車５０、中間傘歯車５８および先端傘歯車７６は円錐体（円錐台を含む。以下同様である。）の一例と言うことができる。

また、基端傘歯車５０、中間傘歯車５８および先端傘歯車７６は、必ずしも全周に歯が形成されている必要はなく、仕様および条件によっては、限定された可動域だけに歯が形成されていてもよい。このように、歯が所定角度にだけ形成されている場合にも基端傘歯車５０、中間傘歯車５８および先端傘歯車７６は円錐体の一例と言うことができる。

（変形例）
次に、関節機構１０Ａおよび１０Ｂの変形例にかかる関節機構１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆおよび１０Ｇについて説明する。関節機構１０Ｃ～１０Ｇの説明では、関節機構１０Ａ，１０Ｂと同様の箇所については同符号を付してその詳細な説明を省略する。

図１３は、第１変形例である関節機構１０Ｃにおける動力伝達にかかる部分の側面図であり、図１４は、関節機構１０Ｃにおける動力伝達にかかる部分の斜視図である。

図１３および図１４に示すように、関節機構１０Ｃにおける基端傘歯車５０および先端傘歯車７６は上記の関節機構１０Ａ，１０Ｂにおけるものと同じであるが中間傘歯車５８が異なっている。関節機構１０Ａ，１０Ｂでは３つの基端傘歯車５０、先端傘歯車７６および中間傘歯車５８は径および歯数が同一となっているが、関節機構１０Ｃにおける中間傘歯車５８は基端傘歯車５０および先端傘歯車７６に対して径および歯数が２倍に設定されている。

そのため、図１３に示すように基端傘歯車５０と先端傘歯車７６との距離はやや長くなるが、中間傘歯車５８の側面の面積が大きくなるため、その分中間モータ５４を偏平形状にすることができる。したがって、中間モータ５４は所定の出力を確保するのに必要な体積を有しながら軸Ｊ２方向への突出量を抑制することができる。

また、図１４に示すように、アーム１４ｂは基準軸６０を中心として俯仰動作を行うが、その角度θβの動作範囲は先端傘歯車７６が基端傘歯車５０に当接する位置で制限される。関節機構１０Ｃでは、中間傘歯車５８が基端傘歯車５０および先端傘歯車７６よりも大径であることから動作範囲が広く確保され、角度θβの動作範囲は約±１３０°である。

図１５（ａ）は、第２変形例である関節機構１０Ｄにおける動力伝達にかかる部分のスケルトン図である。関節機構１０Ｄでは、軸Ｊ１、軸Ｊ２および軸Ｊ３は関節中心Ｏの一点で交わるが、軸Ｊ１と軸Ｊ２とのなす角度および軸Ｊ２と軸Ｊ３とのなす角度は９０°ではない。仕様や設計条件によっては、この関節機構１０Ｄのように、各軸の交差角度を鋭角または鈍角としてもよい。

図１５（ｂ）は、第３変形例である関節機構１０Ｅにおける動力伝達にかかる部分のスケルトン図である。関節機構１０Ｅでは、軸Ｊ１と軸Ｊ２とのなす角度および軸Ｊ２と軸Ｊ３とのなす角度はそれぞれ９０°であるが、軸Ｊ１と軸Ｊ２との交点Ｏ１は軸Ｊ２と軸Ｊ３との交点Ｏ２と一致しない。仕様や設計条件によっては、この関節機構１０Ｅのように、軸Ｊ１、軸Ｊ２および軸Ｊ３は必ずしも一点で交わらなくてもよい。

上述した関節機構１０Ｃ～１０Ｅは、関節機構１０Ａおよび１０Ｂと同様に、基端モータ３８、中間モータ５４および先端モータ６８のうち２つ以上が設けられていれば２自由度を実現可能であり、３つが設けられていればいずれか１つをバックアップ用とすることができる。また、関節機構１０Ｃ～１０Ｅは、関節機構１０Ｂと同様に、先端モータ６８に代えて直動機構９３を設けることにより３自由度を実現できる。

図１５（ｃ）は、第４変形例である関節機構１０Ｆにおける動力伝達にかかる部分のスケルトン図である。関節機構１０Ｆでは、基端傘歯車５０と先端傘歯車７６との間に２つの中間傘歯車５８ａ，５８ｂが設けられている。中間傘歯車５８ａは軸Ｊ２ａと基準とした円錐面を備え、中間モータ５４ａによって回転する。中間傘歯車５８ｂは軸Ｊ２ｂと基準とした円錐面を備え、中間モータ５４ｂによって回転する。軸Ｊ１，軸Ｊ２ａ、軸Ｊ２ｂおよび軸Ｊ３は関節中心Ｏの一点で交わる。軸Ｊ１と軸Ｊ２とは基準姿勢で一直線上に配置される。

関節機構１０Ｆは、関節機構１０Ａおよび１０Ｂと同様に、基端モータ３８、中間モータ５４ａ，５４ｂおよび先端モータ６８のうち２つ以上が設けられていれば２自由度を実現可能であり、３つまたは４つが設けられていればいずれか１つまたは２つをバックアップ用とすることができる。また、関節機構１０Ｆは、関節機構１０Ｂと同様に、先端モータ６８または基端モータ３８に代えて直動機構９３を設けることにより３自由度を実現できる。さらに、基端モータ３８、中間モータ５４ａ，５４ｂおよび先端モータ６８のうち３つ以上を設ければ、軸Ｊ３に沿ったアーム１４ｂの他に軸Ｊ２ｂに沿ったアーム１４ｂ’を設けて、アーム１４ｂ’をアーム１４ｂに対して半独立的に動作させることができる。

図１６は、第５変形例にかかる関節機構１０Ｇにおいて、第１軸と第３軸とが角度をなす場合の動力伝達にかかる部分を示す斜視図である。図１６では軸受ポスト５２と基準軸６０の一部を省略している。関節機構１０Ｇは矢印θα，θβで示すように旋回、俯仰動作が可能な２自由度の構成である。

関節機構１０Ｇでは、上述の関節機構１０Ａにおける基端機構３２（図６参照）については同様の構成となっている。関節機構１０Ｇでは、関節機構１０Ａにおける中間機構３４については同様の構成となっているが、基準軸６０については中間部（関節中心Ｏを含む位置）に断面が非円形の回止部６０ａが形成されている。

関節機構１０Ｇでは、関節機構１０Ａにおける先端機構３６のうち軸受ポスト７８に相当する箇所にポスト９８が設けられており、それ以外は省略されている。ポスト９８は上記の軸受ポスト７８と同様に、一対の軸受ポスト５２の間に介在しているが、断面が非円形の回止孔９８ａに回止部６０ａが嵌合していることから軸受機能はなく、基準軸６０および中間傘歯車（第２円錐体）５８と一体的に回転する。回止部６０ａおよび回止孔９８ａは断面が同形状で、例えば上記のロッド１６とアーム１４ｃ(図１２参照)のように一対の並行面同士が当接することによって相対回転不能となっている。ポスト９８はアーム１４ｂに固定されている。この場合の基準軸６０における平面部には、軸受ポスト５２の軸孔に嵌合する部分に一対の補助円弧片１００を取り付けてもよい。一対の補助円弧片１００は基準軸６０の断面形状を補って円形とし、軸受ポスト５２で軸支されやすい。

このような関節機構１０Ｇでは、中間モータ５４の作用下に中間傘歯車５８および基準軸６０を軸Ｊ２回りに回転させることによりアーム１４ｂはこれらと一体的に回転する。つまり角度θβで示すように俯仰動作を行う。なお、中間傘歯車５８の回転は基端傘歯車（第１円錐体）５０にも伝達されるため、基端傘歯車５０が停止していれば中間傘歯車５８は軸Ｊ１を中心として回転する。つまり、アーム１４ｂは中間傘歯車５８とともに軸Ｊ１を中心として角度θαで示す旋回動作をする。

旋回動作を行わずに俯仰動作だけを行う場合には、中間傘歯車５８の回転を相殺するように基端傘歯車５０を基端モータ３８で回転させればよい。俯仰動作を行わずに旋回動作だけを行う場合には、中間傘歯車５８を停止させたまま基端傘歯車５０だけを回転させれば、アーム１４ｂが軸Ｊ１を中心として回転変位する。旋回動作と俯仰動作とを同時に行う場合には基端傘歯車５０と中間傘歯車５８とを協働的に回転させればよい。関節機構１０Ｇでは、関節機構１０Ｃ(図１３参照)のように基端傘歯車５０よりも中間傘歯車５８を大径で歯数を多くしてもよい。

本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇ 関節機構
１２ ロボット
１４ａ，１４ｂ，１４ｂ’，１４ｃ アーム
１６ ロッド（雌ネジ部）
１８ 制御部
２４ エンドエフェクタ
２６ ケース
３２ 基端機構
３４ 中間機構
３６ 先端機構
３８ 基端モータ（第１モータ）
４６ 基端歯車体
５０ 基端傘歯車（基端円錐体、第１円錐体）
５４ 中間モータ（第２モータ）
５８ 中間傘歯車（中間円錐体、第２円錐体）
６０ 基準軸
６８ 先端モータ（第３モータ）
７６ 先端傘歯車（先端円錐体）
９３ 直動機構
９４ スクリュー（雄ネジ部）
Ｊ１ 軸（第１軸）
Ｊ２ 軸（第２軸）
Ｊ３ 軸（第３軸）
Ｏ 関節中心
Ｚ 変位
θα，θβ 角度

Claims (8)

1. ２つのアーム間に設けられる関節機構であって、
   第１円錐面にかかる軸で一方のアームに沿った第１軸を中心に回転可能な基端円錐体と、
   第２円錐面にかかる第２軸を中心に回転可能な中間円錐体と、
   第３円錐面にかかる軸で他方のアームに沿った第３軸を中心に回転可能な先端円錐体と、
   を備え、さらに、
   前記基端円錐体を前記第１軸を中心として回転させ、前記一方のアームに設けられた第１モータと、
   前記中間円錐体を前記第２軸を中心として回転させる第２モータと、
   前記先端円錐体を前記第３軸を中心として回転させ、前記他方のアームに設けられた第３モータと、
   のうち２つを備え、
   前記一方のアームと前記他方のアームとは基準軸まわりに相対的に回動可能に構成され、
   前記第１円錐面と前記第２円錐面とが当接することによって、前記基端円錐体と前記中間円錐体との間で動力伝達がなされ、
   前記第２円錐面と前記第３円錐面とが当接することによって、前記中間円錐体と前記先端円錐体との間で動力伝達がなされ、
   所定のタイミングで、基準姿勢における前記基端円錐体と前記中間円錐体との当接位置をずらすとともに、前記基準姿勢における前記中間円錐体と前記先端円錐体との当接位置をずらすように制御する制御部を有することを特徴とする関節機構。
2. ２つのアーム間に設けられる関節機構であって、
   第１円錐面にかかる軸で一方のアームに沿った第１軸を中心に回転可能な基端円錐体と、
   第２円錐面にかかる第２軸を中心に回転可能な中間円錐体と、
   第３円錐面にかかる軸で他方のアームに沿った第３軸を中心に回転可能な先端円錐体と、
   を備え、さらに、
   前記基端円錐体を前記第１軸を中心として回転させ、前記一方のアームに設けられた第１モータと、
   前記中間円錐体を前記第２軸を中心として回転させる第２モータと、
   前記先端円錐体を前記第３軸を中心として回転させ、前記他方のアームに設けられた第３モータと、
   前記第１モータ、前記第２モータおよび前記第３モータを制御する制御部と、
   を備え、
   前記一方のアームと前記他方のアームとは基準軸まわりに相対的に回動可能に構成され、
   前記第１円錐面と前記第２円錐面とが当接することによって、前記基端円錐体と前記中間円錐体との間で動力伝達がなされ、
   前記第２円錐面と前記第３円錐面とが当接することによって、前記中間円錐体と前記先端円錐体との間で動力伝達がなされ、
   前記制御部は、前記第１モータ、前記第２モータおよび前記第３モータのうち２つを駆動して前記一方のアームと前記他方のアームとの俯仰動作および旋回動作を行い、２つのうちいずれか一方が故障した場合に、故障したモータを除く２つのモータにより前記俯仰動作および前記旋回動作を行うことを特徴とする関節機構。
3. ２つのアーム間に設けられる関節機構であって、
   第１円錐面にかかる軸で一方のアームに沿った第１軸を中心に回転可能な基端円錐体と、
   第２円錐面にかかる第２軸を中心に回転可能な中間円錐体と、
   第３円錐面にかかる軸で他方のアームに沿った第３軸を中心に回転可能な先端円錐体と、
   を備え、さらに、
   前記基端円錐体を前記第１軸を中心として回転させ、前記一方のアームに設けられた第１モータと、
   前記中間円錐体を前記第２軸を中心として回転させる第２モータと、
   前記先端円錐体を前記第３軸を中心として回転させ、前記他方のアームに設けられた第３モータと、
   前記第１モータ、前記第２モータおよび前記第３モータを制御する制御部と、
   を備え、
   前記一方のアームと前記他方のアームとは基準軸まわりに相対的に回動可能に構成され、
   前記第１円錐面と前記第２円錐面とが当接することによって、前記基端円錐体と前記中間円錐体との間で動力伝達がなされ、
   前記第２円錐面と前記第３円錐面とが当接することによって、前記中間円錐体と前記先端円錐体との間で動力伝達がなされ、
   う前記制御部は、３つのモータのうち１つを定期的に停止させて残る２つのモータを駆動して前記一方のアームと前記他方のアームとの俯仰動作および旋回動作を行うことを特徴とする関節機構。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の関節機構において、
   前記第１軸、前記第２軸および前記第３軸は一点で交わり、
   前記第１軸と前記第２軸とは直交し、
   前記第２軸と前記第３軸とは直交することを特徴とする関節機構。
5. ２つのアーム間に設けられる関節機構であって、
   第１円錐面にかかる軸で一方のアームに沿った第１軸を中心に回転可能な基端円錐体と、
   第２円錐面にかかる第２軸を中心に回転可能な中間円錐体と、
   第３円錐面にかかる軸で他方のアームに沿った第３軸を中心に回転可能な先端円錐体と、
   前記基端円錐体を前記第１軸を中心として回転させ、前記一方のアームに設けられた第１モータと、
   前記中間円錐体を前記第２軸を中心として回転させる第２モータと、
   前記先端円錐体が前記第３軸を中心に回転することに基づき該第３軸上で伸縮する直動機構と、
   を備え、
   前記一方のアームと前記他方のアームとは基準軸まわりに相対的に回動可能に構成され、
   前記第１円錐面と前記第２円錐面とが当接することによって、前記基端円錐体と前記中間円錐体との間で動力伝達がなされ、
   前記第２円錐面と前記第３円錐面とが当接することによって、前記中間円錐体と前記先端円錐体との間で動力伝達がなされ、
   前記第１軸、前記第２軸および前記第３軸は一点で交わり、
   前記第１軸と前記第２軸とは直交し、
   前記第２軸と前記第３軸とは直交することを特徴とする関節機構。
6. 請求項５に記載の関節機構において、
   前記直動機構は互いに螺合する雄ネジ部と雌ネジ部とを備え、前記雄ネジ部と前記雌ネジ部のうち一方の回転により他方が進退することを特徴とする関節機構。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の関節機構において、
   前記基端円錐体、前記中間円錐体および前記先端円錐体は同径であることを特徴とする関節機構。
8. 請求項１～６のいずれか１項に記載の関節機構において、
   前記基端円錐体と前記先端円錐体とは同径であり、
   前記中間円錐体は、前記基端円錐体および前記先端円錐体よりも大径であることを特徴とする関節機構。

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