JPWO2017217415A1 - 関節ユニット - Google Patents

Abstract

関節機構（Ｍｊ）は第１軸線（Ａｘ）を中心とする第１アーム（１０）の動きと、第２軸線（Ａｘ２）を中心とする第１アーム（１０）の動きとを許容する。関節機構（Ｍｊ）は、互いに独立して回転可能な第１対向ギア（１Ａ）と第２対向ギア（１Ｂ）とを有し、第１対向ギア（１Ａ）の回転と第２対向ギア（１Ｂ）の回転との合成により第１軸線（Ａｘ）を中心とする第１アーム（１０）の動きと、第２軸線（Ａｘ２）を中心とする第１アーム（１０）の動きとを実現する。第１駆動機構（Ｍ１）と第２駆動機構（Ｍ２）はそれぞれ第１対向ギア（１Ａ）と第２対向ギア（１Ｂ）とを回転させる。第１駆動機構（Ｍ１）と第２駆動機構（Ｍ２）は関節機構（Ｍｊ）に対して同じ方向に位置している。この関節機構（Ｍｊ）は、アームの動作力を増し且つロボットへの搭載を容易化できる関節ユニットを実現できる。

Description

本明細書はロボット等に搭載するための関節ユニットに関する。

特開２０００−２３７９８５号公報に例示されているように、多くのロボットでは、アームを動かすために電動モータが利用されている。アームは複数の方向に動かせるように構成される場合がある。例えば、人や動物を模したロボットでは、アームは胴体に対して前後方向に動かしたり、胴体に対して左右方向に動かすことができる。このように２方向へのアームの動きを可能とするために、アームの関節に２つの軸が設けられ、アームが各軸を中心にして回転可能となるように構成される場合がある。

ところで、２つ電動モータを協働させることで、第１の軸を中心とした動きと、第１の軸に直交する第２の軸を中心とした動きとを可能とするアクチュエータがある。このようなアクチュエータの一例は、互いに独立して回転可能な２つのギアと、２つのギアをそれぞれ回転駆動する電動モータとを有する。そして、２つの電動モータを同じ方向に駆動することによって第１の軸を中心とした動きを実現し、２つの電動モータを互いに反対方向に駆動することによって第２の軸を中心とした動きが実現する。このようなアクチュエータによれば、第１の軸を中心とする動きと第２の軸を中心とする動きのそれぞれにおいて、２つの電動モータを利用できる。そのため、最大トルクの大きな電動モータを使用しなくても、大きな動作力を得ることができる。

２方向（例えば、前後方向と左右方向）に動かすことができるロボット等のアームに上述したアクチュエータを適用すれば、アームの動作力を増すことができる。ところが、２つの電動モータの配置によっては、このアクチュエータをロボット等に搭載することが困難となる。例えば、２つの電動モータの位置が互いに離れていると、全体のサイズが大きくなり、アクチュエータをロボットに搭載することが困難となる場合がある。

本明細書で開示する一実施形態による関節ユニットは、アームと、前記アームに設けられる関節機構とを有している。前記関節機構は、第１軸線を中心とする前記アームの動きと、前記第１軸線と交差する第２軸線を中心とするアームの動きとを許容する。前記関節機構は、互いに独立して回転可能な第１ギアと第２ギアとを有し、前記第１ギアの回転と前記第２ギアの回転とを合成して、前記第１軸線を中心とする前記アームの動きと前記第２軸線を中心とする前記アームの動きとを実現する。また、前記関節ユニットは、第１電動モータを有し、前記第１ギアを回転させる回転力を出力する第１駆動機構と、第２電動モータを有し、前記第２ギアを回転させる回転力を出力する第２駆動機構と、を有している。前記第１駆動機構と前記第２駆動機構の双方は前記関節機構に対して第１の方向に位置している。

この関節ユニットによれば、第１駆動機構と第２駆動機構の双方が関節機構に対して同じ方向に位置しているので、ロボット等の装置への関節ユニットの搭載が容易化できる。第1軸線を中心とするアームの動きと、第２軸線を中心とするアームの動きのそれぞれにおいて第1電動モータと第2電動モータの回転力が利用できるので、アームの動作力を増すことができる。

本発明の実施形態に係る関節ユニットの斜視図である。 図１に示す関節ユニットの斜視図である。この図では関節機構のケースが取り外されている。 図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線で示す切断面で得られる断面図である。 図１に示すＩＶ−ＩＶ線で示す切断面で得られる断面図である。 図１の矢印Ｖで示す方向に関節ユニット１００を見たときに得られる図である。この図では駆動装置のケースが取り外されている。 ２つの関節ユニットをロボット等の装置に搭載する場合のレイアウトを示す図である。 図１の拡大図である。

以下、本発明の一実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態の一例である関節ユニット１００の斜視図である。図２は関節ユニット１００の斜視図であり、この図では関節機構Ｍｊのケース８（図１参照）が取り外されている。図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線で得られる断面図である。図４は図１に示すＩＶ−ＩＶ線で得られる断面図である。図５は図１の矢印Ｖで示す方向に関節ユニット１００を見たときに得られる図である。図５では駆動機構Ｍ１、Ｍ２を収容するケース７（図１参照）が取り外されている。

図１及び図２に示すように、関節ユニット１００は第１アーム１０と、第１アーム１０の基部に設けられている関節機構Ｍｊ（図２参照）とを有している。関節機構Ｍｊは、図１に示す第１軸線Ａｘ１を中心とした第１アーム１０の動き（回転）と、第２軸線Ａｘ２を中心とした第１アーム１０の動き（回転）とを許容するよう構成されている。関節ユニット１００の例では、第１アーム１０の端部に第２アーム２０が連結されている。第２アーム２０は、例えば図１に示す第３軸線Ａｘ３を中心にして動くことができる。第１アーム１０に第２アーム２０を動かすための電動モータ（不図示）が配置されてもよい。第３軸線Ａｘ３は、図１に示すように、例えば第１軸線Ａｘ１と平行な軸線であるが、必ずしもそれに限定されない。

図３及び図４に示すように、関節機構Ｍｊは、互いに向き合うように配置されている第１対向ギア１Ａと第２対向ギア１Ｂとを有している。第１対向ギア１Ａと第２対向ギア１Ｂは互いに独立して回転可能である。したがって、第１対向ギア１Ａと第２対向ギア１Ｂは、例えば、同じ方向に回転したり、反対方向に回転できる。第１対向ギア１Ａと第２対向ギア１Ｂは、例えば同じ方向に回転しながら、互いに異なる変位（角度）だけ回転することも可能である。また、第１対向ギア１Ａと第２対向ギア１Ｂのうち一方は停止している状態で、他方だけが回転することも可能である。関節機構Ｍｊは、第１対向ギア１Ａの回転と第２ギア１Ｂの回転とを合成することで、第１軸線Ａｘ１を中心とした第１アーム１０の動きと、第２軸線Ａｘ２を中心とした第１アーム１０の動きと実現する。ここで「合成」とは、第１対向ギア１Ａの回転変位と第２ギア１Ｂの回転変位の和に応じた変位を第１アーム１０に生じ、第１対向ギア１Ａの回転変位と第２ギア１Ｂの回転変位とに差がある場合にはその差に応じた変位を第１アーム１０に生じることである。例えば、第１対向ギア１Ａと第２対向ギア１Ｂとが互いに反対方向に回転する場合（回転変位に差がある場合）、関節機構Ｍｊは第２軸線Ａｘ２を中心として第１アーム１０を動かす。第１対向ギア１Ａと第２対向ギア１Ｂとが同じ方向に回転する場合、関節機構Ｍｊは、第１軸線Ａｘ１を中心として第１アーム１０を動かす。この関節機構Ｍｊによって、第1軸線Ａｘ１を中心とする第1アーム１０の動きと、第２軸線Ａｘ２を中心とする第1アーム１０の動きのそれぞれにおいて、後述する第１電動モータ３Ａ（図１参照）の回転力と第２電動モータ３Ｂ（図１参照）の回転力が利用できるので、第１アーム１０の動作力を増すことができる。

関節機構Ｍｊの具体的構造について以下において詳説する。図３及び図４に示すように、関節ユニット１００の例では、第１対向ギア１Ａと第２対向ギア１Ｂは第１軸線Ａｘ１上に配置され（具体的には、後述する伝達軸７Ａ上に配置され）、第１軸線Ａｘ１を中心として回転可能となっている。関節ユニット１００の例では、第１対向ギア１Ａと第２対向ギア１Ｂは第１軸線Ａｘ１の方向で互いに向き合っている傘歯ギアである。関節機構Ｍｊは、第１対向ギア１Ａと第２対向ギア１Ｂとの間に配置されている出力ギア３１を有している。出力ギア３１も傘歯ギアであり、第１対向ギア１Ａと第２対向ギア１Ｂとに係合している。さらに、関節機構Ｍｊは第１軸線Ａｘ１を中心として回転可能な支持体３２を有している。支持体３２は出力ギア３１を支持し、それによって出力ギア３１は、第１対向ギア１Ａと第２対向ギア１Ｂとの間で回転可能となっている。出力ギア３１の回転中心線が第２軸線Ａｘ２である。言い換えれば、出力ギア３１は第２軸線Ａｘ２の周りで回転可能となっている。出力ギア３１は２つの対向ギア１Ａ、１Ｂの双方に係合し、出力ギア３１と支持体３２は第１軸線Ａｘ１を中心として、対向ギア１Ａ、１Ｂと一体的に回転可能となっている。従って、第２軸線Ａｘ２の向きは、第１軸線Ａｘ１を中心とする出力ギア３１と支持体３２の回転に伴って変化する。第１アーム１０は、その基部に、連結部１１（図２及び図４参照）を有している。連結部１１は出力ギア３１と連動するように、出力ギア３１に連結されている。すなわち、出力ギア３１が第１軸線Ａｘ１を中心として回転するときには連結部１１も第１軸線Ａｘ１を中心として回転し、出力ギア３１が第２軸線Ａｘ２を中心として回転するときには連結部１１も第２軸線Ａｘ２を中心として回転する。なお、対向ギア１Ａ、１Ｂ、出力ギア３１として、傘歯ギアに代えて、フェースギアが利用されてもよい。

第１対向ギア１Ａと第２対向ギア１Ｂが第１軸線Ａｘ１を中心として同じ方向に同じ角度だけ回転するとき（例えば、図２の矢印Ｒ１で示す方向に回転するとき）、第１対向ギア１Ａと第２対向ギア１Ｂと出力ギア３１と支持体３２が第１軸線Ａｘ１を中心として一体的に回転する。このとき、第２軸線Ａｘ２を中心とする出力ギア３１の回転は生じない。したがって、第１アーム１０は矢印Ｒ１で示す方向に、第１軸線Ａｘ１を中心として回転する。つまり、関節機構Ｍｊは、第１対向ギア１Ａの回転と第２ギア１Ｂの回転とを合成し、第１軸線Ａｘ１を中心として第１アーム１０を動かす。第１アーム１０は第１対向ギア１Ａの変位と第２対向ギア１Ｂの変位との和に応じた角度（具体的には、変位の和の２分の１）だけ、第１軸線Ａｘ１を中心として回転する。

一方、第１対向ギア１Ａと第２対向ギア１Ｂとが互いに反対方向に同じ角度だけ回転するとき、例えば、第１対向ギア１Ａが図２の矢印Ｒ１で示す方向に回転し第２対向ギア１Ｂが図２の矢印Ｒ２で示す方向に回転するとき、出力ギア３１が第２軸線Ａｘ２を中心として回転する。このとき、第１軸線Ａｘ１を中心とする支持体３２の回転は生じない。その結果、第１アーム１０は第２軸線Ａｘ２を中心として回転する。つまり、関節機構Ｍｊは、第１対向ギア１Ａの回転変位と第２ギア１Ｂの回転変位との差を第２軸線Ａｘ２を中心とする出力ギア３１の回転に変換し、その変換によって第１アーム１０を第２軸線Ａｘ２を中心として動かす。第１アーム１０は第１対向ギア１Ａの変位と第２対向ギア１Ｂの変位との差に応じた角度（具体的には、変位の差の２分の１）だけ、第２軸線Ａｘ２を中心として回転する。

後において詳説するように、第１対向ギア１Ａには第１電動モータ３Ａ（図３参照）の回転力（トルク）が入力され、第２対向ギア１Ｂには第２電動モータ３Ｂ（図３参照）の回転力（トルク）が入力される。したがって、関節機構Ｍｊによると、第１電動モータ３Ａと第２電動モータ３Ｂの双方の回転力を利用して、各軸線Ａｘ１、Ａｘ２を中心とする第１アーム１０の動きが実現される。

図４に示すように、関節ユニット１００の例では、支持体３２は第１対向ギア１Ａと第２対向ギア１Ｂとの間に配置されている。これによって、例えば対向ギア１Ａ、１Ｂと出力ギア３１との外側に出力ギア３１を支持する支持体が配置される構造に比して、関節機構Ｍｊの小型化を図ることができる。また、関節ユニット１００の例では、支持体３２は出力ギア３１に対して第１軸線Ａｘ１寄りに位置している。支持体３２は、第１軸線Ａｘ１に直交する方向（第２軸線Ａｘ２の方向）で出力ギア３１に向けて突出する軸部３２ａを有している。出力ギア３１は軸部３２ａで回転可能に支持されている。関節ユニット１００の例に替えて、出力ギア３１が、支持体３２に向けて突出し且つ支持体３２に嵌まる軸部を有してもよい。第１アーム１０の連結部１１の後述する第２の部分１１ｂと、出力ギア３１との間に支持体３２は配置されている。

第１対向ギア１Ａ、第２対向ギア１Ｂ、及び支持体３２は後述する伝達軸７Ａ上に配置されている。支持体３２は伝達軸７Ａとは独立して回転可能である。例えば支持体３２は図２の矢印Ｒ１の方向に回転するときに、伝達軸７Ａは図２の矢印Ｒ２の方向に回転できる。図４に示すように、伝達軸７Ａには支持体３２を回転可能に支持する軸受け２９ａ、２９ｂが設けられている。

第１対向ギア１Ａ、第２対向ギア１Ｂ、支持体３２、及び出力ギア３１はケース８（図１参照）の内側に配置されている。ケース８は支持体３２に固定され、支持体３２とともに第１軸線Ａｘ１を中心にして（すなわち伝達軸７Ａを中心にして）、回転可能となっている。

関節機構Ｍｊは、関節ユニット１００が有する例に限られない。例えば、支持体３２は必ずしも第１対向ギア１Ａと第２対向ギア１Ｂとの間に配置されていなくてもよい。例えば支持体３２は第１対向ギア１Ａ、第２対向ギア１Ｂ、出力ギア３１を取り囲むケース状でもよい。

図２及び図４に示すように、第１アーム１０の連結部１１は第２軸線Ａｘ２の方向で対向する第１の部分１１ａと第２の部分１１ｂとを有している。第１の部分１１ａと第２の部分１１ｂとの間に支持体３２と出力ギア３１とが配置されている。図４に示すように、第１の部分１１ａは螺子などの固定具３３で出力ギア３１に固定されている。これによって、第１アーム１０は、第１軸線Ａｘ１を中心とする出力ギア３１の回転に合わせて、第１軸線Ａｘ１を中心として動く。同様に、第１アーム１０は、第２軸線Ａｘ２を中心とする出力ギア３１の回転に合わせて、第２軸線Ａｘ２を中心として動く。

図４に示すように、関節機構Ｍｊは、第１の部分１１ａを第１軸線Ａｘ１に向けて付勢する弾性体３４（例えば、ゴムやばね）を有してもよい。これによって、出力ギア３１が第１対向ギア１Ａと第２対向ギア１Ｂとに押しつけられ、ギアのあそびを低減できる。関節ユニット１００の例では、弾性体３４は支持体３２と第２の部分１１ｂとの間に配置され、第２の部分１１ｂを支持体３２から離す方向に押している。これによって、第１の部分１１ａが第１軸線Ａｘ１に向けて付勢される。

図２に示すように、後述する角度センサ９Ａの検出範囲可能範囲に合わせて、第１対向ギア１Ａでは第１軸線Ａｘ１を中心とする周方向の一部がカットされている。関節機構Ｍｊはそのカットされた部分に、第1対向ギア１Ａを伝達軸７Ａに固定するための固定部材１３が取り付けられている。第１対向ギア１Ａの形状は、関節ユニット１００の例に限られない。第１対向ギア１Ａは全周に亘って形成されてもよい。

図３に示すように、関節ユニット１００は、第１電動モータ３Ａを有し、第１対向ギア１Ａを回転させるための回転力（トルク）を出力する第１駆動機構Ｍ１と、第２電動モータ３Ｂを有し、第２対向ギア１Ｂを回転させるための回転力（トルク）を出力する第２駆動機構Ｍ２とを有している。

関節ユニット１００の例では、第１駆動機構Ｍ１は第１伝達ギア５Ａを有している。第１伝達ギア５Ａは第１電動モータ３Ａの出力軸３ａ（図２参照）に形成されているギアと係合しており、第１電動モータ３Ａから回転力を受けて回転する。また、第１伝達ギア５Ａは伝達軸７Ａを通して第１対向ギア１Ａと連結されており、第１伝達ギア５Ａと第１対向ギア１Ａは一体的に回転する。第２駆動機構Ｍ２は第２伝達ギア５Ｂを有している。第２伝達ギア５Ｂは第２電動モータ３Ｂの出力軸３ｂ（図２参照）に形成されているギアと係合しており、第２電動モータ３Ｂから回転力を受けて回転する。また、第２伝達ギア５Ｂは第２対向ギア１Ｂと連結されており、第２伝達ギア５Ｂと第２対向ギア１Ｂは一体的に回転する。

関節ユニット１００の例では、伝達ギア５Ａ、Ｂのそれぞれの径（歯数）は、電動モータ３Ａ、３Ｂの出力軸３ａ，３ｂに設けられているギアの径（歯数）よりも大きい。これによって、電動モータ３Ａ、３Ｂの出力軸３ａ，３ｂの回転は減速されて、伝達ギア５Ａ、５Ｂに入力される。また、第１電動モータ３Ａと第２電動モータ３Ｂは、時計回り方向と半時計回り方向とにその出力軸３ａ，３ｂを回転させることができる。これによって、第１対向ギア１Ａと第２対向ギア１Ｂを同一方向に回転させたり、互いに反対方向に回転させることができる。第１電動モータ３Ａと第２電動モータ３Ｂは、好ましくは、減速機を内蔵したギヤードモータであるが、必ずしもそれに限定されない。

図３に示すように、第１駆動機構Ｍ１と第２駆動機構Ｍ２の双方は、関節機構Ｍｊに対して同じ方向に位置している。すなわち、駆動機構Ｍ１、Ｍ２は、関節機構Ｍｊを一方向で見たときに、関節機構Ｍｊに対して同じ方向に位置している。関節ユニット１００の例では、第１駆動機構Ｍ１と第２駆動機構Ｍ２の双方は、関節機構Ｍｊに対して、第１軸線Ａｘ１に沿った方向に位置している。すなわち、駆動機構Ｍ１、Ｍ２は、第１軸線Ａｘ１に垂直な方向に関節機構Ｍｊを見たときに、第１軸線Ａｘ１に沿った方向に位置している。言い換えれば、第１駆動機構Ｍ１と第２駆動機構Ｍ２は第２対向ギア１Ｂを挟んで第１対向ギア１Ａとは反対側に位置している。駆動機構Ｍ１、Ｍ２は、第１軸線Ａｘ１に垂直な方向に関節機構Ｍｊを見たときに、第２対向ギア１Ｂを挟んで第１対向ギア１Ａとは反対側に位置している。

駆動機構Ｍ１、Ｍ２のこの配置によれば、２つの駆動機構Ｍ１、Ｍ２の位置が近くなるので、言い換えれば、２つの電動モータ３Ａ、３Ｂの位置が近くなるので、関節ユニット１００をロボット等の装置に搭載することを容易化できる。例えば、２つの駆動機構Ｍ１、Ｍ２をロボットの胴体部に設置し易くなる。また、関節機構Ｍｊを挟んで駆動機構Ｍ１、Ｍ２とは反対側に何も配置されないスペースが形成される。そのため、そのスペースに向けて第１アーム１０を大きく動かすことができる。すなわち、図３に示す矢印Ｒ３の方向への第１アーム１０の可動範囲を広げることができる。例えば、第２駆動機構Ｍ２が関節機構Ｍｊを挟んで第1駆動機構Ｍ１とは反対側に位置する構造では、矢印Ｒ３の方向への第１アーム１０の可動範囲が第２駆動機構Ｍ２によって制限される。

駆動機構Ｍ１、Ｍ２が関節機構Ｍｊに対して第１軸線Ａｘ１に沿った方向に位置している。そのため、駆動機構Ｍ１、Ｍ２を人や動物を模したロボットの胴体部に設置し、第１軸線Ａｘ１を胴体部の左右方向に配置した場合、第１軸線Ａｘ１を中心とする第１アーム１０の動きは、ロボットの前後方向の動きとなる。第２軸線Ａｘ２を中心とする第１アーム１０の動きは、ロボットの左右方向の動きとなる。これによって、第１アーム１０によって人や動物の四肢の動きを実現できる。例えば、第１アーム１０を前側に上げて、その後に、第１アーム１０を右方向或いは左方向に動かすことができる。

第１伝達ギア５Ａと第２伝達ギア５Ｂは共通の軸線上に配置されている。関節ユニット１００の例では、上述したように第１伝達ギア５Ａと第２伝達ギア５Ｂは第１軸線Ａｘ上に配置され、第１軸線Ａｘを中心として回転可能となっている。これによって、例えば２つのギア５Ａ、５Ｂが互いに異なる２つの軸線上にそれぞれ配置される構造に比べて、２つのギア５Ａ、５Ｂの配置に必要なスペースを小さくできる。

伝達ギア５Ａ、５Ｂに加えて、第１対向ギア１Ａ及び第２対向ギア１Ｂも第１軸線Ａｘ上に配置されている。したがって、関節ユニット１００の例では、第１対向ギア１Ａ、第２対向ギア１Ｂ、第１伝達ギア５Ａ、及び第２伝達ギア５Ｂの全てが第１軸線Ａｘ１上に配置され、第１軸線Ａｘを中心として回転可能となっている。これによって、第１伝達ギア５Ａから第１対向ギア１Ａへ回転を伝達するための構造と、第２伝達ギア５Ｂから第２対向ギア５Ａへ回転を伝達するための構造に要するスペースを小さくできる。関節ユニット１００の例では、第１軸線Ａｘ１に配置される伝達軸７Ａによって第１伝達ギア５Ａから第１対向ギア１Ａへ回転が伝達されている。一方、第２伝達ギア５Ｂと第２対向ギア５Ａは互いに隣り合って配置され、直接的に連結している。

図４に示すように、関節ユニット１００は、第１駆動機構Ｍ１と第１対向ギア１Ａとを連結し且つ第１駆動機構Ｍ１の回転力を第１対向ギア１Ａに伝える伝達軸７Ａを有している。関節ユニット１００の例では、伝達軸７Ａは第１軸線Ａｘ１に配置され、第１伝達ギア５Ａと第１対向ギア１Ａとを連結している。第１伝達ギア５Ａと第１対向ギア１Ａと伝達軸７Ａはそれらが第１軸線Ａｘ１を中心として一体的に回転するように、互いに固定されている。

上述したように、第１駆動機構Ｍ１（詳細には、第１伝達ギア５Ａ）は第２対向ギア１Ｂを挟んで第１対向ギア１Ａとは反対側に配置されている。したがって、伝達軸７Ａは第２対向ギア１Ｂを第１軸線Ａｘ１の方向に貫通している。第２対向ギア１Ｂは伝達軸７Ａとは独立して回転できる。例えば、第２対向ギア１Ｂと伝達軸７Ａは互いに反対方向に回転したり、同じ方向に回転できる。関節ユニット１００の例では、図４に示すように、第２対向ギア１Ｂの内側には軸受け２１が配置されている。第２対向ギア１Ｂは軸受け２１を介して伝達軸７Ａによって回転可能に支持されている。

図４に示すように、関節ユニット１００の例では、第２対向ギア１Ｂと第２伝達ギア５Ｂが第１対向ギア１Ａと第１伝達ギア５Ａとの間に配置されている。すなわち、関節ユニット１００の例では、第１対向ギア１Ａ、第２対向ギア１Ｂ、第２伝達ギア５Ｂ、第１伝達ギア５Ａが、ここで記載する順序で第１軸線Ａ１の方向で並んでいる。そのため、伝達軸７Ａは第２対向ギア１Ｂと第２伝達ギア５Ｂとを貫通している。そして、第２伝達ギア５Ｂは伝達軸７Ａとは独立して回転できる。例えば、第２伝達ギア５Ｂと伝達軸７Ａは互いに反対方向に回転したり、同じ方向に回転できる。関節ユニット１００の例では、第２伝達ギア５Ｂの内側には軸受け２２、２３が配置されている。第２伝達ギア５Ｂは軸受け２２、２３を介して伝達軸７Ａによって回転可能に支持されている。

また、図４に示すように、関節ユニット１００の例では、第１伝達ギア５Ａ、第２伝達ギア５Ｂ、及び電動モータ３Ａ、３Ｂの出力軸３ａ、３ｂはケース７に収容されている。ケース７は関節機構Ｍｊに向けて開口している。その開口の縁に軸受け２４が取り付けられている。第２伝達ギア５Ｂは軸受け２４の内側に位置する部分を有し、軸受け２４によって回転可能に支持されている。

図４に示すように、関節ユニット１００の例では、この軸受け２４の内側で第２伝達ギア５Ｂが回転可能に支持され、第２伝達ギア５Ｂの内側に上述した軸受け２２、２３が配置されている。そして、この軸受け２２、２３の内側に伝達軸７Ａが配置されている。したがって、第１軸線Ａｘ１の方向における伝達軸７Ａの中央部は、第２伝達ギア５Ｂ及び軸受け２２、２３通して、軸受け２４によって支持されている。伝達軸７Ａの端部にも軸受け２５が取り付けられている。この軸受け２５はケース７に固定されている。つまり、伝達軸７Ａはその中央部と端部とで支持されている。すなわち、伝達軸７Ａはその中央部と一方の端部とで支持され、他方の端部には伝達軸７Ａを回転可能に支持する部材（軸受け）は設けられていない。伝達軸７Ａの支持位置は適宜変更されてよい。

第２伝達ギア５Ｂと第２対向ギア１Ｂは、第１対向ギア１Ａと第１伝達ギア５Ａとの間に配置されている。そして、第２伝達ギア５Ｂと第２対向ギア１Ｂはそれらが一体的に回転するように互いに固定されている。図４に示すように、関節ユニット１００の例では、第２伝達ギア５Ｂと第２対向ギア１Ｂは第１軸線Ａｘ１上に配置され、互いに接している。これにより、第１軸線Ａｘ１の方向での関節ユニット１００の幅を低減できる。図３に示すように、関節ユニット１００の例では、第２伝達ギア５Ｂと第２対向ギア１Ｂは螺子などの固定具２６で互いに固定されている。第２伝達ギア５Ｂと第２対向ギア１Ｂの固定構造は関節ユニット１００の例に限られない。例えば、固定具を用いることなく、第２伝達ギア５Ｂと第２対向ギア１Ｂは一体的に回転するように互いに引っ掛かっていてもよい。さらに他の例では、第２伝達ギア５Ｂと第２対向ギア１Ｂは直接的に接していなくてもよい。すなわち、第２伝達ギア５Ｂと第２対向ギア１Ｂの間に別の部材が配置され、その部材を通して第２伝達ギア５Ｂの回転は第２対向ギア１Ｂに伝えられてもよい。

図５に示すように、第１電動モータ３Ａは第１軸線Ａｘ１から第１伝達ギア５Ａの半径方向に離れて位置している。そして、第１電動モータ３Ａの出力軸３ａ（図２参照）と第１伝達ギア５Ａはそれらが一体的に回転するように互いに連結されている。関節ユニット１００の例では、上述したように、第１電動モータ３Ａの出力軸３ａに形成されているギアが第１伝達ギア５Ａと直接的に係合している（図２参照）。同様に、第２電動モータ３Ｂは第１軸線Ａｘ１から第２伝達ギア５Ｂの半径方向に離れて位置している。そして、第２電動モータ３Ｂの出力軸３ｂ（図２参照）は第２伝達ギア５Ｂと一体的に回転するように連結されている。関節ユニット１００の例では、第２電動モータ３Ｂの出力軸３ｂに形成されているギアが第２伝達ギア５Ｂと直接的に係合している（図２参照）。伝達ギア５Ａ、５Ｂと電動モータ３Ａ、３Ｂの出力軸３ａ、３ｂのギアは必ずしも直接的に係合していなくてもよい。例えば、それらの間には別のギアが配置されていてもよい。また、伝達ギア５Ａ、５Ｂに替えてプーリが第１軸線Ａｘ上に設けられ、電動モータ３Ａ、３Ｂの出力軸３ａ、３ｂとプーリはベルトで連結されてもよい。第１電動モータ３Ａと第２電動モータ３Ｂは、それらの出力軸３ａ、３ｂが平行となるように配置されている。すなわち、２つの電動モータ３Ａ、３Ｂの出力軸３ａ、３ｂの軸方向は共通している。

上述したように、第１対向ギア１Ａと第２対向ギア１Ｂは第１軸線Ａｘ１を中心にして回転可能である。電動モータ３Ａ、３Ｂはその出力軸３ａ、３ｂが第１軸線Ａｘ１と平行となるように配置されている。すなわち、電動モータ３Ａ、３Ｂの出力軸３ａ、３ｂは第１軸線Ａｘ１と平行な軸線周りで回転可能である。

図５に示すように、第１電動モータ３Ａと第２電動モータ３Ｂは近接して配置されている。より詳細には、第１電動モータ３Ａと第２電動モータ３Ｂとの間には別の部材が配置されていない。また、関節ユニット１００の例では、第１電動モータ３Ａと第２電動モータ３Ｂとの間の角度は第１軸線Ａｘ１を中心とする周方向において９０度よりも小さい。そのため、第１軸線Ａｘ１を通る鉛直面Ｐｖと第１軸線Ａｘ１を通る水平面Ｐｈとを想定したとき、第１電動モータ３Ａと第２電動モータ３Ｂは共通の象限（図５の例では第２象限）に位置している。また、関節ユニット１００の例では、電動モータ３Ａ、３Ｂは鉛直面Ｐｖと交差していない。

電動モータ３Ａ、３Ｂのこのようなレイアウトによれば、複数の関節ユニット１００をロボット等の装置に搭載し易くなる。図６は２つの関節ユニット１００をロボット等の装置に搭載する場合のレイアウトを示す図である。この図の例では２つの関節ユニット１００が対称に配置されている。上述したように、電動モータ３Ａ、３Ｂは共通の象限に配置され、また、鉛直面Ｐｖと交差していない。そのため、図６の例に示すように、一方の関節ユニット１００の電動モータ３Ａ、３Ｂと他方の関節ユニット１００の電動モータ３Ａ、３Ｂは、それらが正面視で重なるように配置できる。

図４に示すように、関節ユニット１００は、第１軸線Ａｘ１を中心とする第１アーム１０の変位を検知する角度センサ９Ａと、第２軸線Ａｘ２を中心とする第１アーム１０の変位とを検知するための角度センサ９Ｂとを有している。角度センサ９Ａ、９Ｂは、例えばポテンショメータである。角度センサ９Ａ、９Ｂはロータリーエンコーダなど、他の角度・回転センサでもよい。

関節ユニット１００の例では、角度センサ９Ａは、第１電動モータ３Ａから第１対向ギア１Ａに至る回転力の伝達経路において、第１電動モータ３Ａよりも第１対向ギア１Ａ寄りの部材の回転を検知するように配置されている。関節ユニット１００の例では、角度センサ９Ａの可動部（入力部）は伝達軸７Ａに取り付けられ、伝達軸７Ａの回転に応じた信号を出力する。この構造によれば、例えば電動モータ３Ａの出力軸３ａに角度センサ９Ａが取り付けられる場合に比べて、第１アーム１０の変位と角度センサ９Ａの出力との差を低減できる。関節ユニット１００の例では、角度センサ９の可動部（入力部）は伝達軸７Ａの端部に取り付けられ、角度センサ９Ａの固定部はケース７に固定されている。

角度センサ９Ｂは、第２電動モータ３Ｂから第２対向ギア１Ｂに至る回転力の伝達経路において、第２電動モータ３Ｂよりも第２対向ギア１Ｂ寄りに配置される部材の回転を検知する。関節ユニット１００の例では、角度センサ９Ｂは第２伝達ギア５Ｂに取り付けられ、第２伝達ギア５Ｂの回転に応じた信号を出力する。

角度センサ９Ｂは伝達軸７Ａ上に配置され、第１伝達ギア５Ａと第２伝達ギア５Ｂとの間に位置している。角度センサ９Ｂの内側には、第２伝達ギア５Ｂと係合し、第２伝達ギア５Ｂと一体的に回転する伝達部材２８が配置されている。角度センサ９Ｂの可動部（入力部）は伝達部材２８に取り付けられており、伝達部材２８を通して第２伝達ギア５Ｂの回転が角度センサ９Ｂに伝えられる。伝達部材２８は伝達軸７Ａ上に配置され、伝達軸７Ａに対して独立して回転可能となっている。角度センサ９Ｂの固定部はケース７に固定されている。

関節ユニット１００は、第１アーム１０の可動範囲を規定する構造を有してもよい。例えば、関節ユニット１００は、第１軸線Ａｘ１を中心とする第１アーム１０の可動範囲を規制するストッパを有してもよい。図７は図１の拡大図である。図７に示すように、ケース７の開口の縁にストッパ７ａが形成されている。上述したように、関節ユニット１００は、関節機構Ｍｊを収容し出力ギア３１や支持体３２とともに第１軸線Ａｘ１を中心にして回転可能なケース８を有している。ケース８は、ストッパ７ａに対応する位置にストッパ８ａを有している。第１アーム１０が第１軸線Ａｘ１を中心として予め規定された角度まで回転すると、ストッパ８ａはストッパ７ａに当たり、それにより第１アーム１０の可動範囲が制限される。

また、関節ユニット１００は、第２軸線Ａｘ２中心とする第１アーム１０の可動範囲を規制するストッパを有してもよい。第１アーム１０は連結部１１を有している。この連結部１１は、上述したように、出力ギア３１に連結され、出力ギア３１と一緒に回転する。図４に示すように、連結部１１の第１の部分１１ａと第２の部分１１ｂとの間には支持体３２が配置されている。この支持体３２に一方のストッパが形成され、連結部１１の内面（例えば、第２の部分１１ｂの内面）に他方のストッパが形成されてもよい。そして、第１アーム１０が第２軸線Ａｘ２を中心として予め規定された角度まで回転すると、連結部１１のストッパが支持体３２のストッパに当たってもよい。これにより、第２軸線Ａｘ２を中心とする第１アーム１０の可動範囲が制限される。

以上説明したように、関節ユニット１００では、関節機構Ｍｊは、第１対向ギア１Ａの回転と第２ギア１Ｂの回転との合成により、第１軸線Ａｘ１を中心とする第1アーム１０の動きと、第２軸線Ａｘ２を中心とする第１アーム１０の動きとを実現している。詳細には、第１対向ギア１Ａの回転と第２対向ギア１Ｂの回転との差を第２軸線Ａｘ２を中心とする第１アーム１０の動きに変換する。この関節機構Ｍｊによって、第1軸線Ａｘ１を中心とする第１アーム１０の動きと、第２軸線Ａｘ２を中心とする第１アーム１０の動きのそれぞれにおいて、第１電動モータ３Ａの回転力と第２電動モータ３Ｂの回転力とが利用できるので、第１アーム１０の動作力を増すことができる。また、第１駆動機構Ｍ１と第２駆動機構Ｍ２の双方は、関節機構Ｍｊに対して同じ方向に位置している。そのため、駆動機構Ｍ１、Ｍ２のこの配置によれば、２つの駆動機構Ｍ１、Ｍ２の位置が近くなるので、関節ユニット１００をロボット等の装置に搭載することを容易化できる。

なお、本発明は以上説明した関節ユニット１００の例に限られず、種々の変更が可能である。

例えば、駆動機構Ｍ１の減速比（例えば、第１伝達ギア５Ａと第１電動モータ３Ａとで実現される減速比）と、駆動機構Ｍ２の減速比（例えば、第２伝達ギア５Ｂと第２電動モータ３Ｂとで実現される減速比）は異なっていてもよい。

他の例では、第１電動モータ３Ａの出力軸３ａは直接的に伝達軸７ａに連結されてもよい。例えば、第１電動モータ３Ａは第１軸線Ａｘ１上に配置され、出力軸３ａと伝達軸７ａは直接的に互いに連結されてもよい。

関節ユニット１００の例では、第１伝達ギア５Ａと第１対向ギア１Ａとの間に第２伝達ギア５Ｂと第２対向ギア１Ｂとが配置されている。しかしながら、４つのギアは、第１軸線Ａｘ１において、第２伝達ギア５Ｂ、第１伝達ギア５Ａ、第２対向ギア１Ｂ、第１対向ギア１Ａの順番で並んでもよい。

また、関節機構Ｍｊは、第１対向ギア１Ａの回転と第２対向ギア１Ｂの回転とを合成して第１軸線Ａｘ１を中心とする第１アーム１０の動きと、第２軸線Ａｘ２を中心とする第１アーム１０の動きとを実現する機構であれば、必ずしも図３及び図４で示す構造に限られない。

Claims (11)

1. アームと、
   前記アームに設けられ、第１軸線を中心とする前記アームの動きと、前記第１軸線と交差する第２軸線を中心とするアームの動きとを許容する関節機構であって、互いに独立して回転可能な第１ギアと第２ギアとを有し、前記第１ギアの回転と前記第２ギアの回転とを合成し、前記第１軸線を中心とした前記アームの動きと、前記第２軸線を中心とした前記アームの動きとを実現する関節機構と、
   第１電動モータを有し、前記第１ギアを回転させる回転力を出力する第１駆動機構と、
   第２電動モータを有し、前記第２ギアを回転させる回転力を出力する第２駆動機構と、を有し、
   前記第１駆動機構と前記第２駆動機構の双方は前記関節機構に対して第１の方向に位置している
   ことを特徴とする関節ユニット。
2. 前記関節機構は、前記第１ギアと前記第２ギアとに係合し且つ、前記第１ギアと前記第２ギアとの軸線に直交する軸線を中心にして回転可能な出力ギアを有し、
   前記第１ギアと前記第２ギアと前記出力ギアは、前記第１ギアと前記第２ギアとの軸線を中心として一体的に回転可能であり
   前記アームは前記出力ギアに連結されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の関節ユニット。
3. 前記第１ギアと前記第２ギアは前記第１の方向で対向し、
   前記第１駆動機構と前記第２駆動機構は、前記第２ギアを挟んで、前記第１ギアとは反対側に位置している
   ことを特徴とする請求項１に記載される関節ユニット。
4. 前記第１ギアと前記第２ギアは前記第１軸線上に配置されている
   ことを特徴とする請求項３に記載される関節ユニット。
5. 前記第１駆動機構と前記第１ギアとを連結し、前記第１駆動機構の回転力を前記第１ギアに伝える伝達軸をさらに有している
   ことを特徴とする請求項４に記載される関節ユニット。
6. 前記第１駆動機構と前記第１ギアとを連結し、前記第１駆動機構の回転力を前記第１ギアに伝える伝達軸をさらに有し、
   前記第１ギアは前記伝達軸と一体的に回転可能であり、
   前記第２ギアは前記伝達軸を中心として、前記伝達軸とは独立して回転可能である
   ことを特徴とする請求項４に記載される関節ユニット。
7. 前記第１駆動機構は、前記第1軸線上に配置され且つ前記第１電動モータの回転力を受ける第１伝達回転部材を有し、
   前記第２駆動機構は、前記第1軸線上に配置され且つ前記第２電動モータの回転力を受ける第２伝達回転部材を有し、
   前記第１伝達回転部材と前記第１ギアは、前記第1軸線に配置される伝達軸によって互いに連結され、
   前記第２ギアと前記第2伝達回転部材は前記第1ギアと前記第1伝達回転部材との間に配置され、互いに連結されている、
   ことを特徴とする請求項４に記載される関節ユニット。
8. 前記第１駆動機構は、前記第１ギアと一体的に回転可能であり且つ前記第１電動モータの回転力を受ける第１伝達回転部材を有し、
   前記第２駆動機構は、前記第２ギアと一体的に回転可能であり且つ前記第２電動モータの回転力を受ける第２伝達回転部材を有し、
   前記第１伝達回転部材と前記第２伝達回転部材は共通の軸線周りで回転可能である
   ことを特徴とする請求項１に記載される関節ユニット。
9. 前記第１電動モータの出力軸は前記共通の軸線から前記第１伝達回転部材の半径方向に離れて位置し、前記第１伝達回転部材と直接的又は間接的に連結し、
   前記第２電動モータの出力軸は前記共通の軸線から前記第２伝達回転部材の半径方向に離れて位置し、前記第２伝達回転部材と直接的又は間接的に連結している
   ことを特徴とする請求項８に記載される関節ユニット。
10. 前記第１ギアと前記第２ギアは前記第１の方向の軸線を中心として回転可能であり、前記第１電動モータの出力軸と前記第２電動モータの出力軸は前記第１の方向の軸線を中心として回転可能である
    ことを特徴とする請求項１に記載される関節ユニット。
11. 前記第１電動モータと前記第２電動モータは近接している
    ことを特徴とする請求項１に記載される関節ユニット。

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