JPWO2010101203A1 - ロボットの関節ユニット及びロボット - Google Patents

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Abstract

干渉駆動により2つのモータの出力を有効に利用して可搬重量を大きくするとともに小型軽量化することができる差動関節ユニットとそれを用いたロボットを提供する
対向する一組の傘歯車および出力傘歯車の全体を外側から覆うカバーを兼ねた支持部材であるカバー兼支持構造を備え、出力傘歯車を回転可能に支持する。波動減速機のウェーブジェネレータはアウターロータモータ回転子の同心円外側に固定し、傘歯車は出力であるサーキュラスプラインまたはフレクスプラインに固定する。モータ、傘歯車、波動減速機を中空として配線を通す。

Description

本発明は、小型軽量で高出力なロボットの関節ユニットとそれを用いたロボットに関する。
通常の多関節型ロボットは、1つの関節(可動部)に1つのアクチュエータ(モータ等)が割り当てられていて、ある関節が動作中で他の関節は止まっているといった場合、仕事をするのは主に動作中の関節に割り当てられたモータのみであり、止まっている方のモータは有効に利用されないという一般的な技術課題がある。
この一般的な技術課題を解決するために、差動機構を用いて、2つのモータ出力を積極的に干渉させ、2つの出力軸からそれぞれ最大で2倍の出力トルクを得られるように構成したロボットの関節機構が知られている(特許文献1参照)。
特許文献1の技術では、モータ固定子を固定せず回転可能に支持し、固定子と回転子の両方にギヤを取付けて両方を出力として用いる。このようにすると、モータにトルクを発生したとき、固定子の負荷が大きければ回転子が回転し、回転子の負荷が大きければ固定子が回転することになる。このようなモータを2つ用いてそれらの固定子どうしと回転子どうしを歯車で干渉させる浮遊差動機構としている。回転した際に固定子コイルがねじられることを避けるため、スリップリングを用いる。あるいは、モータは固定とし、ギヤの通常固定される部分を回転可能にして干渉させるセミフロート差動機構も提案されている。
また、傘歯車による差動機構で傘歯車の内部にモータを配置して小型化しているものもある(特許文献2参照)。
図7において、101乃至104は傘歯車であり、それぞれベアリングを介して十字軸105に取付けられ、差動機構を構成している。傘歯車103は、内側にマグネット107が固定されており、モータのアウターロータとしての役割を兼ねている。コイル109とステータ108はモータケース116に固定されており、傘歯車103を回転させるトルクを発生する。傘歯車101は傘歯車103と同じ構造になっている。傘歯車102は、傘歯車101と傘歯車103の回転量の平均によって十字軸105の横軸まわりに揺動し、差によって縦軸周りに回転する。傘歯車102には出力体106が固定されており、十字軸105の縦横2軸まわりの回転が出力される。
このように、従来の干渉駆動機構は、モータ固定子を回転可能に支持した浮遊差動機構とするか、十字軸を用いた傘歯車差動機構とするのである。
特許第3282966号公報(第7頁、図2) 特開平6−197492号公報(第4頁、図2)
しかしながら、特許文献1、2のロボットの関節ユニットは、いずれもモータ固定子を回転可能に支持した浮遊差動機構となっていてモータ固定子を支持するベアリングや、モータ出力軸を干渉させるための平歯車や傘歯車や、その歯車のシャフトを支持するベアリングなどが必要であり、機構を簡単にすることができないので、小型軽量化することが困難である。
また、特許文献2の技術のように、十字軸を用いた傘歯車差動機構のような場合は、中央に十字軸があるため、2つのモータやギアを縦軸シャフトの幅以下には近づけられず、関節ユニットの小型化・軽量化に限界があるという課題があった。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、小型で軽量に形成されるとともに関節部の出力トルクを向上することができるようにしたロボットの関節ユニット及びロボットを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は、次のように構成した。
請求項1に記載の発明は、対向する一組の傘歯車と、前記対向する一組の傘歯車をそれぞれ独立して回転させるための一組のモータと、前記対向する一組の傘歯車のそれぞれに噛み合って自転自在かつ前記対向する一組の傘歯車の回転方向に揺動自在に支持される出力傘歯車と、前記出力傘歯車に固定された出力体と、からなる関節機構と、前記関節機構全体を外側から覆うカバーを兼ねた支持部材であるカバー兼支持構造と、前記カバー兼支持構造を前記対向する一組の傘歯車の回転方向に揺動自在に支持する揺動機構とからなることを特徴としている。
また、前記一組のモータを挟み込むように配置されかつ内側に円筒部を持つ一組の支持円盤を備え、前記支持円盤は円筒部の外面でベアリングを介して前記カバー兼支持構造を支持することが好ましい(請求項2)。
また、サーキュラスプラインとフレクスプラインとを有し、前記一組のモータのトルクをそれぞれ高める一組の波動減速機を備え、前記一組のモータはいずれも固定子の外側に回転子が配設されるアウターロータモータであり、前記波動減速機は、前記一組の波動減速機の入力であるウェーブジェネレータの内部に前記アウターロータモータを収納する中空部を有し、前記ウェーブジェネレータは前記アウターロータモータの前記回転子の外側に固定され、前記対向する一組の傘歯車は、前記一組の波動減速機の出力体をなす前記サーキュラスプラインまたは前記フレクスプラインと一体に回転する部材に固定されていることが好ましい(請求項3)。
また、前記ウェーブジェネレータは磁石を備え、前記アウターロータモータの前記回転子を兼ねて構成されていることが好ましい(請求項4)。
また、前記サーキュラスプラインまたはフレクスプラインを支持する第2ベアリングは内部に前記アウターロータモータを収納する中空部を有し、前記第2ベアリングは前記アウターロータモータ回転子の同心円外側に配置されることが好ましい(請求項5)。
また、前記一組の傘歯車は、それぞれ内部に前記モータを収納する中空部を有しており、前記アウターロータモータの同心円外側に配置されることが好ましい(請求項6)。
また、前記一組のモータを挟み込むように配置されかつ内側に円筒部を持つ一組の支持円盤を備え、前記支持円盤は円筒部の端面で前記波動減速機の固定部であるサーキュラスプラインまたはフレクスプラインを支持することが好ましい(請求項7)。
また、前記一組のモータはいずれも固定子の外側に回転子が配設されるアウターロータモータであり、前記アウターロータモータの回転子を回転自在に支持する第3ベアリングを有し、前記第3ベアリングは、内部に前記アウターロータモータを収納する中空部を有し、当該ベアリングは前記アウターロータモータ固定子の同心円外側に配置されることが好ましい(請求項8)。
また、前記一組のモータを挟み込むように配置されかつ内側に円筒部を持つ一組の支持円盤を備え、前記支持円盤は前記円筒部の内面で前記第3ベアリングを介して前記アウターロータモータの回転子を支持することが好ましい(請求項9)。
また、前記出力傘歯車および前記出力体は(軸方向に)いずれも内部に配線を挿通可能な中空部が形成されていることが好ましい(請求項10)。
また、前記出力体は自身の回転軸の外側から出力体支持ベアリングによって回転自在に支持され、前記出力体支持ベアリングと前記出力傘歯車との間にスリップリングを備えたことが好ましい(請求項11)。
また、前記対向する一組の傘歯車および前記一組のモータはいずれも内部に配線を挿通可能に中空部が形成されていることが好ましい(請求項12)。
また、前記対向する一組の傘歯車および前記一組のモータの前記中空部に送風して前記一組のモータを冷却するための冷却ファンを備えたことが好ましい(請求項13)。
また、1つの空洞スペースを有する支持ベースと、前記一組のモータの内部にそれぞれ挿通されて左右に分かれた配線を前記支持ベースへ通すための一組の中空支持アームを備えたことが好ましい(請求項14)。
また、前記支持ベースの内部の空洞スペースに前記一組のモータをそれぞれ駆動するための電気回路を配置したことが好ましい(請求項15)。
また、前記一組のモータの回転子位置をそれぞれ検出するための一組のエンコーダを備え、前記支持ベースの内部の空洞スペースに前記一組のエンコーダの信号を処理して上位コントローラへ送信するエンコーダ回路を配置したことが好ましい(請求項16)。
また、前記支持ベースの下面は穴があいており、配線を通していることが好ましい(請求項17)。
また、前記支持ベースの下面と前記出力体の上面には、前記支持ベースと前記出力体または前記支持ベース同士または前記出力体同士をそれぞれ締結するためのねじ穴が設けられていることが好ましい(請求項18)。
また、前記支持ベースの下面と前記出力体の上面は、前記支持ベースと前記出力体または前記支持ベース同士または前記出力体同士をそれぞれ互いにかみ合わせて接続するための噛合部を備えていることが好ましい(請求項19)。
また、前記一組のモータの各回転子は互いに共通するベアリングを介して支持されていることが好ましい(請求項20)。
また、一組の波動減速機の前記サーキュラスプラインまたは前記フレクスプラインが互いに共通するベアリングを介して支持されていることが好ましい(請求項21)。
請求項22記載の発明(ロボット)は、請求項1〜21のいずれか1項に記載のロボットの関節ユニットと、前記関節ユニットを床面またはロボット胴体部に固定するためのロボットベースと、を有していることを特徴としている。
また、前記関節ユニットを3つ備え、前記関節ユニットを3つ直列に配列し、前記関節ユニットの内の2つは一方の前記支持ベースと他方の前記出力体とが締結されるように配向し、残る1つの前記関節ユニットは前記支持ベースが前記2つの関節ユニットのいずれかの前記支持ベースに締結されることが好ましい(請求項23)。
また、一方の面を床面またはロボット胴体部に固定し他方の面を固定した面と垂直な軸周りに旋回させるためのモータを備えた旋回軸モータ付きロボットベースと、前記関節ユニットを3つ備え、前記3つのロボットの関節ユニットはいずれも前記支持ベースと前記出力体とが締結して直列に連結され、末端の前記関節ユニットの前記支持ベースを前記旋回軸モータ付きロボットベースに締結することが好ましい(請求項24)。
請求項1に記載の発明によると、中央に十字軸などを配置することなく出力傘歯車を支持することができるため、ぎりぎりまでモータを近づけて小型化したり中央にエンコーダを配置したりすることができ、カバーが傘歯車軸の支持部材も兼ねているため小型軽量化できる。
なお、本願発明(請求項1及び22)は、カバー兼支持構造により、関節ユニットの内部と外部とを覆っているため、内部からの潤滑油や金属摩耗粉の飛散や、外部から関節機構への接触や干渉を防止して、安全性で耐久性を確保することができる。
また、請求項2に記載の発明によると、一組のモータの外側にベアリング等を配置することなくすぐ支持構造を配置することができ、モータ軸方向に小型化することができる。
また、請求項3に記載の発明によると、通常はモータの軸方向に並べて配置する波動減速機をモータの同心円外側に配置することができ、モータ軸方向に小型化することができ、ロボットの関節等に用いた際に腕が太くなりすぎたり関節が干渉することがなく、可動範囲を広くできる。
もちろん、減速機介して関節ユニットを動作するのでギア無しのダイレクトドライブと比較して十分なトルクを得ながらも省スペース化により小型化することができる。
また、請求項4に記載の発明によると、部品点数を減らすことができるため、コストを低減することができ、小型化することができる。
また、請求項5に記載の発明によると、通常はモータの軸方向に並べて配置する波動減速機の支持ベアリングをモータの同心円外側に配置することができ、モータ軸方向に小型化することができる。
また、請求項6に記載の発明によると、通常はモータの軸方向に並べて配置する傘歯車をモータの同心円外側に配置することができ、モータ軸方向に小型化することができる。
また、請求項7に記載の発明によると、波動減速機をモータの同心円外側に配置した際でも固定部となるフレクスプラインまたはサーキュラスプラインを容易に固定することができる。
また、請求項8乃至9に記載の発明によると、通常はモータの軸方向に並べて配置するモータ回転子の支持ベアリングをモータの同心円外側に配置することができ、モータ軸方向に小型化することができる。
また、請求項10に記載の発明によると、出力体の先に接続した機器の配線を出力体の回転軸付近に通すことができるため、関節を動かした際の配線の曲げやねじりが生じにくく、断線が生じにくくすることができ、配線を内部に収納できるため作業空間に干渉しにくくでき、ティーチングを容易にすることができる。
つまり、外に引き出す場合と比較してロボットの作業領域にある障害物やアームの他のリンクと干渉しやすくなり、可動範囲が狭くなることを防止することができる。
また、請求項11に記載の発明によると、一組のモータや波動減速機をぎりぎりまで近づけた場合でも関節ユニットの内部に配線を通すことができるため、作業空間に干渉しにくくでき、ティーチングを容易にすることができる。
また、請求項12に記載の発明によると、関節の回転軸付近に配線を通すことができるため、関節を動かした際の配線の曲げやねじりが生じにくく、断線が生じにくくすることができ、配線を内部に収納できるため作業空間に干渉しにくくでき、ティーチングを容易にすることができる。
また、請求項13に記載の発明によると、固定子が中空であることを利用して効果的にモータを冷却することができる。
また、請求項14に記載の発明によると、配線を支持構造でカバーすることができ、外部環境への衝突時などにも断線を防ぐことができ、作業空間に干渉しにくくでき、ティーチングを容易にすることができる。
また、請求項15に記載の発明によると、2つのモータの駆動回路を1か所に集めて配置ことができ、電源回路を共通化するなどにより回路を小型省電力化することができ、コストを低減することができる。
また、請求項16に記載の発明によると、2つのエンコーダ回路を1か所に集めて配置ことができる。また、電源回路を共通化するなどにより回路を小型省電力化することができ、コストを低減することができる。
当然ながら、エンコーダによりモータの回転位置を検出するので、フィードバック制御によって精度のよい動作を行なうことができる。
また、請求項17に記載の発明によると、支持ベースの先に接続した機器からの配線を関節ユニット内部に通したり、逆に関節ユニットからの配線を他の機器へ容易に渡すことができる。
また、請求項18乃至19に記載の発明によると、支持ベースと出力体を連結してマニピュレータを構成することができる。
また、請求項20に記載の発明によると、一組のモータを直近まで近づけて配置することができ、モータ軸方向に小型化することができる。
また、請求項21に記載の発明によると、一組の波動減速機を直近まで近づけて配置することができ、モータ軸方向に小型化することができる。
また、請求項23に記載の発明によると、差動関節ユニットを用いて小型軽量で可搬重量の大きい一般的な6自由度の構成のマニピュレータを構成することができる。
また、請求項24に記載の発明によると、差動関節ユニットを用いて小型軽量で可搬重量の大きい一般的な7自由度の構成のマニピュレータを構成することができる。
本発明の第1実施例を示す関節ユニットの断面図 本発明の第2実施例を示す関節ユニットの断面図(上半分) 本発明の第3実施例を示す関節ユニットの断面図(上半分) 第1乃至第3実施例の外観を示す関節ユニットの外観図 第4実施例の外観を示す7自由度ロボットアームの外観図 第5実施例の外観を示す6自由度ロボットアームの外観図 従来の差動歯車機構の断面図
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
本発明の第1の実施例について説明する。図4は本実施形態にかかる関節ユニット36の外観図である。支持円盤6bを中心としてカバー兼支持構造10が横軸A1周りに回転し、出力体9は縦軸A2周りに回転する。
図1は、本発明の差動関節ユニットの断面図である。図において、傘歯車(出力傘歯車)1aは出力体9と一体に回転し、縦軸A2に対して対称に設けられた一対の傘歯車である傘歯車1b(一組の傘歯車)は、後述する一対のモータ(アウターロータモータ)3の回転によりそれぞれ個別に駆動される(軸A1と平行な回転軸)。
支持円盤6bには、関節ユニット36の外郭の一部を形成するとともに、一対のモータ3を挟みこむように配置されて円板状の部位から横軸A1方向(且つ関節ユニット36の内側方向)に円筒状に延びる円筒部6eが形成されている。この円筒部6eは、後述するベアリング13及びベアリング15と接触するようになっている。
一組の傘歯車1b、1bと一組のモータ3、3と出力傘歯車1aと出力体9とで、関節動作を行なうための関節機構が形成されている。
なお、モータ3及び傘歯車1bは、縦軸A2に対して左右対称にそれぞれ同様に構成された一組のモータ3と傘歯車1bとが設けられている。
各アウターロータモータ3はそれぞれ対応する傘歯車1bを独立して駆動可能に接続されており、傘歯車1aと一組の傘歯車1bとを併せて差動機構1が形成されている。即ち、対をなす傘歯車1bの回転差によって出力体9が回転軸A2周りに回転する。
2aはサーキュラスプライン、2bはフレクスプライン、2cはウェーブジェネレータであり、これらによって波動減速機2が形成されている。
3aはモータ回転子コア、3bはモータ磁石、3cはモータコイルであり、これらによってアウターロータモータ3が構成されている。モータコイル3cは円筒形の中空シャフト6aの外周に固定されている。モータ磁石3bはモータ回転子コア3aとともに回転子を構成し、モータコイル3cとの間にトルクを発生して回転する。モータ回転子コア3aはベアリング12および13を介して横軸A1周りに回転可能に支持されている。モータ回転子コア3aはウェーブジェネレータ2cと固定されており、ウェーブジェネレータ2cを回転させる。
なお、モータ回転子コア3aとウェーブジェネレータ2cはもともと一体構造として製作してもよい。このようにすればより小型化することもできる。換言すると、ウェーブジェネレータ2cにモータ磁石3bを直接接着またはねじ止め固定してもよい。
ウェーブジェネレータ2cの回転は減速されてサーキュラスプライン2aに伝わる。4は回転中空円筒であり、モータ回転子コア3aの外周にベアリング11aおよび11bを介してモータ軸の同心円外側に回転可能に固定されている。
サーキュラスプライン2aおよび傘歯車1bは回転中空円筒4に固定されており、減速された速度で回転する。
本実施例では、フレクスプライン2bを支持円盤6bに固定しており、サーキュラスプライン2aを出力として用いるが、波動減速機全体を左右反転させてサーキュラスプライン2aを支持円盤6bに固定し、フレクスプライン2bを出力として用いる構造としても良い。
このような構造の差動関節ユニットにより、出力体9の先に取付けた搬送物を横軸および縦軸周りに回転させることができる。この2つの出力軸は、干渉駆動機構となるように構成されているため、最大でモータ単体の出力の2倍の出力をそれぞれの軸で発生させることができる。中空シャフト6aは支持円盤6bに固定されており、支持円盤6bは中空支持アーム6cを介して支持ベース6dにつながっている。
エンコーダ固定部5bはモータ回転子3aの外側に固定されており、エンコーダ回転部5aの目盛りを読みとる。
中空シャフト6aから支持ベース6dへ至る支持構造は中空でつながっており、内部に配線を通すことが可能になっている。配線は、図示した差動関節ユニットのモータコイル3cへ電力を供給するモータ電力線8cと、図示した差動関節ユニットのエンコーダ固定部5bからの信号をコントローラへ渡すためのエンコーダ信号線8bなどがある。また、出力体9の先に接続された他の差動関節ユニットなどの機器からの配線である他機器配線8aも含む。他機器配線8aは、出力体9の中空部分、および中央固定円盤6eの上部に空けられた穴を通して中空シャフト6aの中に通す。縦横の回転軸の近くに配線を通すことができるため、関節を動作させた場合に配線のたるみや引っ張りが生じにくく、繰り返し動作時の耐久性を向上できる。
本発明の第1実施例にかかるロボット及びその関節ユニットはこのように構成されているので、通常、モータの軸方向にモータと別体に配置される波動減速機をアウターロータモータの同心円外側に配置することで、関節ユニットをモータ軸A1方向に小型化することができる。
傘歯車1bおよびそれと対称な位置にある図示しない傘歯車とが同じ方向に同じ速度で回転している場合、傘歯車1aは縦軸A2周りには回転せず、ベアリング15を介して支持されているカバー兼支持構造10および出力体9と一体となって横軸A1周りに回転する。傘歯車1bおよびそれと対称な位置にある図示しない傘歯車との回転速度に差がある場合、その差の分だけ傘歯車1aは縦軸A2周りに回転する。
図1では、横軸A1周りの回転を伝える際、傘歯車1aの歯で全てのトルクを支えることになるが、傘歯車1aと対称な下側、または傘歯車1aの円周上の複数箇所にフリーで回転する傘歯車を備え、複数の歯車で分散して支えるようにしても良い。そうすると、傘歯車の歯の損傷を減らすことができる。また、歯車のモジュール(寸法)を小さくしてバックラッシを減らすこともできる。
また、一般に波動減速機はモータよりも扁平に作りやすいため、本実施例では傘歯車1bを波動減速機と軸方向に並べて配置しているが、ウェーブジェネレータ2cを軸方向にモータ3と並べて配置し、傘歯車1bを波動減速機のサーキュラスプライン2aの同心円外側に配置しても良い。その場合、モータはアウターロータモータ以外の方式で構成してもよい。
このように、本実施例にかかる関節ユニットは、十字軸を用いずにカバーを兼ねた支持部材であるカバー兼支持構造10によって傘歯車1aを支持し、波動減速機2の内部にモータ3が収納されるほど大きさの中空部を設け、アウターロータモータ3の同心円外側に波動減速機2が配置し、内部にモータが入るほど大きな穴の中空としてアウターロータモータ3の同心円外側に配置し、回転子を支持するベアリング12および13を内部にモータが入るほど大きな穴の中空としてアウターロータモータ固定子の同心円外側に配置し、出力体9および中空シャフト6aを中空として配線を通し、中空シャフト6aを固定としているので、通常のロボットの関節ユニットにおいてはモータ軸方向に配置される減速機や傘歯車を入れ子状に収納することができ、関節ユニットを小型化することができる。
また、一組のモータ3それぞれの駆動力を横軸A1又は縦軸A2に集中して作用させることができるので、関節ユニットのサイズに対する横軸A1又は縦軸A2の最大出力トルクを向上することができる。
したがって、例えば特許文献2等の従来技術と比較して、中央の十字軸とモータ間のベアリングがないため、ぎりぎりまでモータを近づけて小型化できる。また、中央の十字軸とモータ間のベアリングがないため、そこにエンコーダを配置することもできる。また、シャフト(出力軸)を中空としているので、配線を中に通せる。(4)カバーが支持部材も兼ねているため小型軽量であるという利点がある。
次に、本発明の第2の実施例について説明する。本実施例と上述の第1の実施例とは多くの共通点を有しており、本実施例において第1の実施例と同様のものについては説明を省略し、同じ符号を用いる。
図2は本発明の関節ユニットの別の実施例を示す断面図である。ここでは、支持アーム、支持ベース、出力体を除いては、横軸A2に対して対称な構造であるので説明を容易とするため上半分のみ示している。また、図2では左右対称に配置される一対の部材についての符号が左右のいずれか1方のみ付けている。
本実施例ではウェーブジェネレータ2cがモータ回転子3aと一体になっている。2bはフレクスプラインであり、フランジ部が実施例1と異なり外へ開く形の波動減速機を用いている。20はクロスローラベアリングであり、外側のリングはフレクスプライン2bを挟んで支持円盤6bに固定されている。内側のリングはサーキュラスプラインに固定されており、傘歯車1bと共に回転する。本実施例ではウェーブジェネレータ2cをアウターロータモータの同心円外側に配置し、傘歯車1bを波動減速機のサーキュラスプライン2aのさらに同心円外側に配置している。
エンコーダ固定部5bはモータ回転子3bの外側に固定されたエンコーダ回転部5aの目盛りを読みとる。
次に、本発明の第3の実施例について説明する。本実施例と上述の第1の実施例とは多くの共通点を有しており、本実施例において第1の実施例と同様のものについては説明を省略し、同じ符号を用いる。
図3に示すように、支持アーム、支持ベース、出力体を除き、ほぼ軸に対して対称な構造であるので上半分のみ示している。また、図3では左右対称に配置される一対の部材についての符号が左右のいずれか1方のみ付けている。
21はローラベアリングであり、左右のモータ回転子コア25aおよび25bを横軸周りに互いに相対的に回転可能にスラスト方向およびラジアル方向の荷重を支持している。
22はローラベアリングであり、同様に左右の回転中空円筒24aおよび24bを横軸周りに互いに相対的に回転可能にスラスト方向およびラジアル方向の荷重を支持している。
本実施例では、21および22はローラベアリングとしているが、スラストベアリングや4点接触ベアリングなどを用いてもよく、互いに相対的に回転可能にスラスト方向およびラジアル方向の荷重を支持できる従来知られた構造とすればよい。
このような構造とすることにより、一組のモータ3を直近まで近づけて配置することができ、デッドスペースを無くすことができ、関節ユニット36の小型化あるいは同じ関節ユニットの大きさでの出力トルク向上を図ることができる。
モータ軸方向をより小型化することができる。また、本実施例では、スリップリング23を配置し、支持円盤6bに穴を空けて中空シャフト6aの内部へ他機器配線8aを挿通している。これにより、モータ3間の隙間を通すことなく他機器配線8aを配設することができる。
次に、本発明の第4の実施例について説明する。本実施例は、第1〜3実施例において説明した関節ユニットを用いて構成した7自由度のロボット(ロボットアーム)について説明する。
図5に示すように、ロボットアーム50は旋回軸モータ付きロボットベース34、関節ユニットa31、関節ユニットb32、関節ユニットc33及びハンド30により構成されている。
旋回軸モータ付きロボットベース34は、ロボットアーム50を固定面(例えば、工場等のフロア)51に固定するとともに、ロボットアーム50全体を鉛直方向軸周りに回転させるためのモータを備えたベース(基台)である。
関節ユニットa31、関節ユニットb32、関節ユニットc33は、それぞれ直列に連結されている。30はハンドであり、本ロボットアームによって位置および姿勢を制御され、搬送、組み立て、溶接等の仕事をする作業部である。
本実施例はこのような構成されているので、ロボットアーム50を小型化(特に、細身化)しながらも最大出力を向上させた7自由度の垂直多関節ロボットを構成することができる。
次に、本発明の第5の実施例について説明する。本実施例も第4実施例と同様第1〜3実施例において説明した関節ユニットをロボット(ロボットアーム)に適用したものである。
図6は、本発明の関節ユニットを用いて構成した6自由度ロボットアームの外観図である。
図6に示すように、ロボットアーム52はロボットベース37、関節ユニットa31、関節ユニットb32、関節ユニットc33及びハンド30により構成されている。
ロボットベース37は、ロボットアーム50を固定面(例えば、工場等のフロア)51に固定する台座である。
本実施例では、関節ユニットc33の方向が第4実施例とは逆向きとなっている。即ち、関節ユニットa31の支持ベース6dと関節ユニットb32の出力体9とが連結され、関節ユニットb32の支持ベース6dと関節ユニットc33の支持ベース6dと連結されており、関節ユニットc33の出力体9がロボットベース37に固定されている。
本実施例はこのような構成されているので、ロボットアーム50を小型化(特に、細身化)しながらも最大出力を向上させた6自由度の垂直多関節ロボットを構成することができる。
関節をユニット化することによって小型軽量の2自由度駆動機構を構成することができるので、車輪や脚によって移動するペットロボット、ヒューマノイドロボットなどの家庭用ロボット、サービスロボット、エンターテイメントロボットの他、工作機械、建設機械、カメラやレーザーミラーなどの測定機器の角度姿勢制御装置などの用途にも適用できる。
1a 傘歯車
1b 傘歯車
2a サーキュラスプライン
2b フレクスプライン
2c ウェーブジェネレータ
3a モータ回転子コア
3b モータ磁石
3c モータコイル
4 回転中空円筒
5a エンコーダ回転部
5b エンコーダ固定部
6a 中空シャフト
6b 支持円盤
6c 中空支持アーム
6d 支持ベース
6e 中央固定円盤
6f 円筒部
8a 他機器配線
8b エンコーダ信号線
8c モータ電力線
9 出力体
10 カバー兼支持構造
11a ベアリング
11b ベアリング
12 ベアリング
13 ベアリング
14 出力体支持ベアリング
15 ベアリング
20 クロスローラベアリング
21 ローラベアリング
22 ローラベアリング
23 スリップリング
24a 回転中空円筒
24b 回転中空円筒
25a モータ回転子コア
25b モータ回転子コア
30 ハンド
31 関節ユニットa
32 関節ユニットb
33 関節ユニットc
34 旋回軸モータ付きロボットベース
35 ロボットベース
36 関節ユニット
37 ロボットベース
50 ロボットアーム
51 固定面
52 ロボットアーム
101 傘歯車
102 傘歯車
103 傘歯車
104 傘歯車
105 十字軸
106 出力体
107 マグネット
108 ステータ
109 コイル
116 モータケース

Claims (24)

  1. 対向する一組の傘歯車と、
    前記対向する一組の傘歯車をそれぞれ独立して回転させるための一組のモータと、
    前記対向する一組の傘歯車のそれぞれに噛み合って自転自在かつ前記対向する一組の傘歯車の回転方向に揺動自在に支持される出力傘歯車と、
    前記出力傘歯車に固定された出力体と、からなる関節機構と、
    前記関節機構全体を外側から覆うカバーを兼ねた支持部材であるカバー兼支持構造と、
    前記カバー兼支持構造を前記対向する一組の傘歯車の回転方向に揺動自在に支持する揺動機構とからなる
    ことを特徴とする、ロボットの関節ユニット。
  2. 前記一組のモータを挟み込むように配置されかつ内側に円筒部を持つ一組の支持円盤を備え、
    前記支持円盤は円筒部の外面でベアリングを介して前記カバー兼支持構造を支持する
    ことを特徴とする請求項1記載のロボットの関節ユニット。
  3. 前記一組のモータのトルクをそれぞれ高める一組の波動減速機を備え、
    前記一組のモータはいずれも固定子の外側に回転子が配設されるアウターロータモータであり、
    前記波動減速機は、前記一組の波動減速機の入力であるウェーブジェネレータの内部に前記アウターロータモータを収納する中空部を有し、
    前記ウェーブジェネレータは前記アウターロータモータの前記回転子の同心円外側に固定され、
    前記対向する一組の傘歯車は、前記一組の波動減速機の出力体をなす前記サーキュラスプラインまたは前記フレクスプラインと一体に回転する部材に固定されている
    ことを特徴とする、請求項1又は2記載のロボットの関節ユニット。
  4. 前記ウェーブジェネレータは磁石を備え、前記アウターロータモータの前記回転子を兼ねて構成されている
    ことを特徴とする請求項3記載のロボットの関節ユニット。
  5. 前記サーキュラスプラインまたはフレクスプラインを支持する第2ベアリングは内部に前記アウターロータモータを収納する中空部を有し、前記第2ベアリングは前記アウターロータモータ回転子の同心円外側に配置される
    ことを特徴とする請求項3又は4記載のロボットの関節ユニット。
  6. 前記一組の傘歯車は、それぞれ内部に前記モータを収納する中空部を有しており、前記アウターロータモータの同心円外側に配置される
    ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のロボットの関節ユニット。
  7. 前記一組のモータを挟み込むように配置されかつ内側に円筒部を持つ一組の支持円盤を備え、
    前記支持円盤は円筒部の端面で前記波動減速機の固定部であるサーキュラスプラインまたはフレクスプラインを支持する
    ことを特徴とする請求項5又は6記載のロボットの関節ユニット。
  8. 前記一組のモータはいずれも固定子の外側に回転子が配設されるアウターロータモータであり、
    前記アウターロータモータの回転子を回転自在に支持する第3ベアリングを有し、前記第3ベアリングは、内部に前記アウターロータモータを収納する中空部を有し、当該ベアリングは前記アウターロータモータ固定子の同心円外側に配置される
    ことを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載のロボットの関節ユニット。
  9. 前記一組のモータを挟み込むように配置されかつ内側に円筒部を持つ一組の支持円盤を備え、
    前記支持円盤は前記円筒部の内面で前記第3ベアリングを介して前記アウターロータモータの回転子を支持する
    ことを特徴とする請求項8記載のロボットの関節ユニット。
  10. 前記出力傘歯車および前記出力体はいずれも内部に配線を挿通可能な中空部が形成されている
    ことを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載のロボットの関節ユニット。
  11. 前記出力体は自身の回転軸の外側から出力体支持ベアリングによって回転自在に支持され、
    前記出力体支持ベアリングと前記出力傘歯車との間にスリップリングを備えた
    ことを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載のロボットの関節ユニット。
  12. 前記対向する一組の傘歯車および前記一組のモータはいずれも内部に配線を挿通可能に中空部が形成されている
    ことを特徴とする、請求項1〜11のいずれか1項に記載のロボットの関節ユニット。
  13. 前記対向する一組の傘歯車および前記一組のモータの前記中空部に送風して前記一組のモータを冷却するための冷却ファンを備えた
    ことを特徴とする請求項12記載のロボットの関節ユニット。
  14. 1つの空洞スペースを有する支持ベースと、前記一組のモータの内部にそれぞれ挿通されて左右に分かれた配線を前記支持ベースへ通すための一組の中空支持アームを備えた
    ことを特徴とする請求項12記載のロボットの関節ユニット。
  15. 前記支持ベースの内部の空洞スペースに前記一組のモータをそれぞれ駆動するための電気回路を配置した
    ことを特徴とする請求項14記載のロボットの関節ユニット。
  16. 前記一組のモータの回転子位置をそれぞれ検出するための一組のエンコーダを備え、
    前記支持ベースの内部の空洞スペースに前記一組のエンコーダの信号を処理して上位コントローラへ送信するエンコーダ回路を配置した
    ことを特徴とする請求項14記載のロボットの関節ユニット。
  17. 前記支持ベースの下面は穴があいており、配線を通している
    ことを特徴とする請求項14記載のロボットの関節ユニット。
  18. 前記支持ベースの下面と前記出力体の上面には、前記支持ベースと前記出力体または前記支持ベース同士または前記出力体同士をそれぞれ締結するためのねじ穴が設けられている
    ことを特徴とする請求項14記載のロボットの関節ユニット。
  19. 前記支持ベースの下面と前記出力体の上面は、前記支持ベースと前記出力体または前記支持ベース同士または前記出力体同士をそれぞれ互いにかみ合わせて接続するための噛合部を備えている
    ことを特徴とする請求項14記載のロボットの関節ユニット。
  20. 前記一組のモータの各回転子は互いに共通するベアリングを介して支持されている
    ことを特徴とする、請求項1〜19のいずれか1項に記載のロボットの関節ユニット。
  21. 一組の波動減速機の前記サーキュラスプラインまたは前記フレクスプラインが互いに共通するベアリングを介して支持されている
    ことを特徴とする、請求項3〜5のいずれか1項に記載のロボットの関節ユニット。
  22. 請求項1〜21のいずれか1項に記載のロボットの関節ユニットと、
    前記関節ユニットを床面またはロボット胴体部に固定するためのロボットベースと、を有している
    ことを特徴とする、ロボット。
  23. 前記関節ユニットを3つ備え、
    前記関節ユニットを3つ直列に配列し、前記関節ユニットの内の2つは一方の前記支持ベースと他方の前記出力体とが締結されるように配向し、
    残る1つの前記関節ユニットは前記支持ベースが前記2つの関節ユニットのいずれかの前記支持ベースに締結される
    ことを特徴とする、請求項22記載のロボット。
  24. 一方の面を床面またはロボット胴体部に固定し他方の面を固定した面と垂直な軸周りに旋回させるためのモータを備えた旋回軸モータ付きロボットベースと、
    前記関節ユニットを3つ備え、
    前記3つのロボットの関節ユニットはいずれも前記支持ベースと前記出力体とが締結して直列に連結され、末端の前記関節ユニットの前記支持ベースを前記旋回軸モータ付きロボットベースに締結した
    ことを特徴とする請求項22記載のロボット。
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