WO2017068940A1 - 自在継手及びロボットの関節構造 - Google Patents

自在継手及びロボットの関節構造 Download PDF

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WO2017068940A1
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bearing
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shaft
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正樹 永塚
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    • F16C19/00Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/22Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings
    • F16C19/34Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for both radial and axial load
    • F16C19/36Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for both radial and axial load with a single row of rollers
    • F16C19/361Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for both radial and axial load with a single row of rollers with cylindrical rollers
    • F16C19/362Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for both radial and axial load with a single row of rollers with cylindrical rollers the rollers being crossed within the single row
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16DCOUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D3/00Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive
    • F16D3/16Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts
    • F16D3/26Hooke's joints or other joints with an equivalent intermediate member to which each coupling part is pivotally or slidably connected

Definitions

  • the present invention relates to a universal joint that connects a first member and a second member in a swingable manner, and a joint structure of a robot using the universal joint.
  • a first yoke connected to the first member, a cross-shaped shaft having a first axis and a second axis orthogonal to each other, a second yoke connected to the second member, Is known (see Patent Document 1).
  • the tip of the first yoke is divided into two forks.
  • a bifurcated tip of the first yoke is rotatably connected to the first shaft of the cross-shaped shaft.
  • the tip of the second yoke is also divided into two forks.
  • a bifurcated tip of the second yoke is rotatably connected to the second shaft of the cross-shaped shaft.
  • the first yoke and the second yoke are slidably connected via a cross-shaped shaft.
  • the movable range of the second member relative to the first member is limited to a range where the first yoke does not contact the second yoke, and the movable range of the second member relative to the first member is limited. There is a problem that it cannot be enlarged.
  • an object of the present invention is to provide a universal joint capable of increasing the movable range of the second member relative to the first member and a joint structure of a robot using the universal joint.
  • the present invention provides a universal joint for connecting a first member and a second member so as to be swingable, and relatively around a center line with respect to the outer ring and the outer ring.
  • a bearing having a rotatable inner ring, connectable to the first member, an axis fixed to the inner ring or the outer ring and perpendicular to the center line, and supported by the axis so as to be rotatable about the axis.
  • an arm connectable to the second member.
  • the rotation range of the arm around the center line of the bearing can be increased, the movable range of the second member relative to the first member can be increased.
  • the universal joint can be made compact, and the rigidity of the universal joint is improved.
  • FIG. 3A is a detailed view of a universal joint according to the present embodiment (FIG. 3A is a side view of the universal joint, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 3A).
  • FIG. 3A is a detailed view of a universal joint according to the present embodiment (FIG. 3A is a side view of the universal joint, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 3A).
  • It is a schematic diagram of the roller integrated in a bearing.
  • It is a perspective view of the humanoid robot in which the universal joint of this embodiment is incorporated.
  • FIG. 1 shows an external perspective view of a universal joint according to the first embodiment of the present invention.
  • the universal joint of the present embodiment includes a bearing 1 having an outer ring 2 and an inner ring 3, a shaft 4 fixed to the inner ring 3 of the bearing 1, an arm 5 supported by the shaft 4 so as to be rotatable around the shaft 4, Is provided.
  • the bearing 1 is connected to a first member (not shown).
  • the arm 5 is connected to a second member (not shown).
  • the inner ring 3 can rotate around the center line 1 a with respect to the outer ring 2.
  • the shaft 4 is perpendicular to the center line 1a of the bearing 1, and the center line 4a of the shaft 4 and the center line 1a of the bearing 1 are orthogonal to each other. Therefore, the universal joint connects the first member and the second member so as to be swingable around two center lines 1a and 4a at which the second member is orthogonal to the first member.
  • FIG. 2 shows an exploded perspective view of the universal joint.
  • reference numeral 1 is a bearing
  • reference numeral 6 is a block
  • reference numeral 4 is a shaft
  • reference numeral 5 is an arm
  • reference numerals 7a and 7b are arm bearings. Below, these are demonstrated in order.
  • the bearing 1 is a cross roller bearing in which a plurality of rollers are arranged between the outer ring 2 and the inner ring 3 so that the axes of adjacent rollers are orthogonal to each other.
  • the outer ring 2 has a roller rolling surface 2a having a V-shaped cross section on the inner peripheral surface thereof.
  • the inner ring 3 has a roller rolling surface 3a having a V-shaped cross section facing the roller rolling surface 2a on the outer peripheral surface thereof.
  • an annular roller rolling path having a rectangular cross section is formed between the outer ring 2 and the inner ring 3.
  • a plurality of rollers 8 are arranged on the roller rolling path so that the axes of adjacent rollers 8a and 8b are orthogonal to each other. Between the rollers 8, spacers 9 that prevent the adjacent rollers 8 a and 8 b from contacting each other are interposed. When the inner ring 3 is rotated with respect to the outer ring 2, a plurality of rollers 8 interposed therebetween roll and move along the roller rolling path.
  • the load bearing performance can be improved, and a large axial load, radial load and moment load can be received while the single bearing 1 is used.
  • a substantially short cylindrical block 6 is fitted inside the inner ring 3.
  • the block 6 is fastened to the inner ring 3 by a fastening member 10 such as a bolt.
  • a flange 6a is provided at one end of the block 6 in the direction of the center line 1a.
  • the block 6 is provided with a screw hole 6b into which the fastening member 10 is screwed.
  • the block 6 has an opening 6 c having a square cross section that penetrates in the direction of the center line 1 a of the bearing 1.
  • the opening 6 c is disposed at the center of the block 6 in a front view of the block 6.
  • the block 6 has shaft fixing holes 6d and 6d that extend in a direction perpendicular to the center line 1a of the bearing 1 and communicate with the opening 6c.
  • the shaft 4 is fitted into the shaft fixing holes 6d and 6d.
  • the axis 4 is cylindrical. Both end portions of the shaft 4 in the axial direction are fixed to the block 6 (see the cross-sectional view of FIG. 3B).
  • the arm 5 has a substantially quadrangular cross section that is smaller than the opening 6 c of the block 6, and extends in a direction perpendicular to the axis 4.
  • the arm 5 is inserted into the opening 6 c of the block 6 and penetrates through the block 6.
  • the block 6 allows the arm 5 to rotate within the opening 6c.
  • the arm 5 can rotate until it abuts against the edge of the opening 6 c of the block 6.
  • the rotation range of the arm 5 is limited by the edge of the opening 6 c of the block 6.
  • Both end portions 5 a and 5 b in the length direction of the arm 5 protrude from the block 6.
  • Both ends 5a and 5b in the length direction of the arm 5 are provided with screw holes 11 as attachment portions for attaching the arm 5 to the second member.
  • the arm 5 has a through hole 5c through which the shaft 4 penetrates at the center in the length direction.
  • the arm 5 has bulging portions 5d1 and 5d1 that bulge in an arc shape on the side surface 5d and in the vicinity of the through hole 5c.
  • the rotation range of the arm 5 around the shaft 4 can be increased by providing the bulging portions 5d1 and 5d1 and providing a step with the side surface 5d.
  • the arm 5 is fitted on the outside of the shaft 4.
  • Two arm bearings 7 a and 7 b are interposed between the shaft 4 and the arm 5.
  • the two arm bearings 7 a and 7 b are arranged apart from each other in the axial direction of the shaft 4.
  • the arm bearings 7a and 7b are ball bearings having an outer ring, an inner ring, and a large number of balls that can move between the outer ring and the inner ring.
  • the outer ring is provided with flanges 7a1 and 7b1 for abutting the arm bearings 7a and 7b against the side surface 5e of the arm 5.
  • the arm 5 is disposed between both end portions 4 b and 4 c of the shaft 4 fixed to the block 6.
  • the center of the shaft 4 that is, the center of rotation P ⁇ b> 1 of the arm 5 relative to the shaft 4 is the thickness of the bearing 1 in the direction of the center line 1 a of the bearing 1. It is arranged within the range.
  • the universal joint according to this embodiment has the following effects.
  • the universal joint of the present embodiment is suitable for a universal joint in which the rotation range around one center line 1a of the two orthogonal center lines 1a and 4a is larger than the rotation range around the other center line 4a. .
  • the universal joint can be made compact.
  • both end portions 4b and 4c in the axial direction of the shaft 4 are fixed to the block 6, the shaft 4 can be fixed stably, and the rigidity of the universal joint is improved.
  • the center P1 of rotation of the arm 5 relative to the shaft 4 is disposed within the range of the thickness t of the bearing 1 in the direction of the center line 1a of the bearing 1, so that the bearing 1 is Can be stably received, and the rigidity of the universal joint is improved.
  • FIG. 6 shows a perspective view of a humanoid robot in which the universal joint of this embodiment is incorporated.
  • This humanoid robot includes a body part 21, two leg parts 22a and 22b installed below the body part 21, and two arm parts 23a installed on both left and right side surfaces above the body part 21. 23b, and one head 24 installed above the body portion 21 (actually, a head on which a CCD camera is mounted is fixed to a member denoted by reference numeral 24).
  • This humanoid robot is configured to be able to operate close to human motion.
  • left and right are left and right when viewed from a humanoid robot.
  • the advancing direction of the humanoid robot is the x-axis positive direction
  • the left-hand direction when viewed from the humanoid robot is the y-axis positive direction
  • the upward direction of the humanoid robot is the z-axis positive direction
  • the x-axis is the roll axis and the y-axis Is the pitch axis
  • the z-axis is the yaw axis.
  • the humanoid robot is a biped robot that walks in a balanced manner with two legs like a human.
  • the leg portions 22a and 22b are connected to the body portion 21 via the hip joints 26a and 26b.
  • the hip joints 26a and 26b connect the body part 21 and the leg parts 22a and 22b so that the leg parts 22a and 22b can swing around the pitch axis and the roll axis with respect to the body part 21.
  • the thighs 27a and 27b are connected to the hip joints 26a and 26b. Under the thighs 27a and 27b, shin portions 29a and 29b are connected via knee joints 28a and 28b. Under the shin portions 29a and 29b, foot portions 31a and 31b that contact the walking road surface are connected via the ankle joints 30a and 30b.
  • the ankle joints 30a and 30b connect the shin portions 29a and 29b and the foot portions 31a and 31b so that the foot portions 31a and 31b can swing around the pitch axis and the roll axis with respect to the shin portions 29a and 29b.
  • the two arm portions 23 a and 23 b can move freely around the body portion 21.
  • the arm parts 23a, 23b include upper arm parts 25a, 25b closer to the shoulders and lower arm parts 32a, 32b closer to the hand parts (not shown) with the elbow as a boundary.
  • the hands are connected to the tips of the lower arms 32a and 32b via wrist joints 33a and 33b.
  • the wrist joints 33a and 33b connect the lower arm portions 32a and 32b and the hand portion so that the hand portion can swing around the pitch axis and the roll axis.
  • the head portion 24 is connected to the body portion 21 via a neck joint 34.
  • the neck joint 34 connects the body part 21 and the head part 24 so that the head part 24 can swing around the yaw axis and the pitch axis with respect to the body part 21.
  • the universal joint of this embodiment is incorporated into the hip joints 26a and 26b, the ankle joints 30a and 30b, the wrist joints 33a and 33b, and the neck joint 34 of the humanoid robot.
  • the rotation range around one axis eg, pitch axis
  • the other axis eg, roll axis
  • the center line 1a of the universal joint bearing 1 is used as one axis having a large rotation range (for example, a pitch axis)
  • the universal joint axis 4 is used as the other axis having a small rotation range (for example, a roll axis).
  • FIG. 7 and 8 show an ankle joint 30a in which the universal joint of this embodiment is incorporated.
  • FIG. 7 shows a perspective view of the ankle joint 30a
  • FIG. 8 shows a side view of the ankle joint 30a as seen from the pitch axis direction.
  • the outer ring 2 of the bearing 1 is fixed to the shin part 29a.
  • the arm 5 in this example has an inverted U shape as a whole, and foot portions 31 a are fixed to both ends of the arm 5.
  • the rotation range around the pitch axis is larger than the rotation range around the roll axis.
  • the center line 1a of the bearing 1 is used as a pitch axis
  • the axis 4 (see FIG. 1) is used as a roll axis.
  • a differential link mechanism is used as a mechanism for operating the foot 31a.
  • the differential link mechanism is symmetrical with respect to the shin portion 29a, and includes first and second intermediate links 33-1 and 33-2 rotatably supported by the shin portion 29a and one end portion of the foot portion 31a.
  • First and second actuating arms 34-1 and 34-2 that are connected to each other.
  • the center portions of the first and second intermediate links 33-1 and 33-2 are rotatably connected to the shin portion 29a.
  • One end portions of the first and second intermediate links 33-1 and 33-2 are rotatably connected to the first and second operating arms 34-1 and 34-2.
  • the other end portions of the first and second intermediate links 33-1 and 33-2 are rotatably connected to the first and second linear actuators 37-1 and 37-2.
  • the first and second intermediate links 33-1 and 33-2 are biased in one direction by first and second coil springs (only the first coil spring 38-1 is shown in FIG. 7).
  • the first and second linear actuators 37-1 and 37-2 are rotatably supported by the shin part 29a.
  • the first and second linear actuators 37-1 and 37-2 include ball screws.
  • the motor rotates the nut of the ball screw
  • the screw shaft moves in the axial direction
  • the first and second linear motion actuators 37-1 and 37-2 expand and contract.
  • the foot 31a rotates around the pitch axis with respect to the shin 29a.
  • one of the first and second linear actuators 37-1 and 37-2 is extended and the other is contracted, the foot portion 31a rotates around the roll axis with respect to the shin portion 29a.
  • the first and second linear actuators 37-1 and 37-2 and the first and second actuating arms 34-1 and 34-2 are connected to each other. Since the second intermediate links 33-1 and 33-2 are interposed, the load acting on the foot portion 31a can be temporarily received by the first and second intermediate links 33-1 and 33-2. Therefore, it is possible to prevent the load acting on the foot portion 31a from acting directly on the first and second linear actuators 37-1 and 37-2, and the first and second linear actuators 37-1. , 37-2 can be prevented from applying an unreasonable force such as a radial load, a twist, or a moment other than the axial direction.
  • FIG. 9 shows a universal joint according to the second embodiment of the present invention. Similar to the universal joint of the first embodiment, the universal joint of the second embodiment includes a bearing 1, shafts 41 a and 41 b, and an arm 42. Since the structure of the bearing 1 is the same as that of the universal joint of the first embodiment, the same reference numerals are given and description thereof is omitted.
  • the first member is fixed to the outer ring 2 of the bearing 1
  • the first member 43 is fixed to the inner ring 3 of the bearing 1.
  • the A pair of shafts 41 a and 41 b are fixed to the outer periphery of the outer ring 2 of the bearing 1.
  • a generally U-shaped arm 42 is connected to the shafts 41a and 41b so as to be rotatable around the shafts 41a and 41b.
  • the arm 42 is provided with an attachment portion 42a for connecting to the second member.
  • the outer ring 2 of the bearing 1 can rotate around the center line 1 a with respect to the inner ring 3.
  • the arm 42 can rotate around the shafts 41a and 41b.
  • the center line 41c of the shafts 41a and 41b and the center line 1a of the bearing 1 are orthogonal to each other. Therefore, the universal joint connects the first member 43 and a second member (not shown) so as to be swingable around two center lines 1 a and 41 c where the second member is orthogonal to the first member 43.
  • a single cross roller bearing is used as the bearing, but a plurality of roller bearings or a plurality of ball bearings may be used.
  • a ball bearing is used as the arm bearing, but a slide bearing can also be used.
  • the bearing is directly connected to the first member, but it can also be connected to the first member via a component such as a housing.
  • the universal joint of the present invention is not limited to a humanoid robot, and can be applied to various robots such as a parallel link robot and an industrial robot.
  • SYMBOLS 1 ... Bearing, 1a ... Bearing center line, 2 ... Outer ring, 3 ... Inner ring, 4 ... Shaft, 4a ... Shaft center line, 4b, 4c ... Both ends of shaft, 5 ... Arm, 5c ... Arm through-hole, 6 ... Block, 6c ... Opening of block, 7a, 7b ... Arm bearing, 8 ... Roller, 8a, 8b ... Adjacent roller, 21 ... Body, 30a, 30b ... Ankle joint of robot, 33a, 33b ... Robot Wrist joint, 34... Neck joint, 41a, 41b... Axis, 42... Arm, P1.

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Abstract

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を提供する。 自在継手に、外輪(2)及び外輪(2)に対して中心線(1a)の回りを相対的に回転可能な内輪(3)を有する軸受(1)を設ける。軸受(1)の内輪(3)に軸受(1)の中心線(1a)に直角な軸(4)を固定する。軸(4)に軸(4)の回りを回転可能にアーム(5)を支持させる。軸受(1)を第一部材に連結する。アーム(5)を第二部材に連結する。

Description

自在継手及びロボットの関節構造
 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、前記内輪又は前記外輪に固定され、前記中心線に直角な軸と、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。
 本明細書は、2015年10月22日出願の特願2015-208194に基づく。この内容はすべてここに含めておく。
 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 (7)

  1.  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、
     前記内輪又は前記外輪に固定され、前記中心線に直角な軸と、
     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、を備える自在継手。
  2.  前記内輪には、前記軸受の前記中心線の方向に貫通する開口部を有するブロックが固定され、
     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。
  3.  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2に記載の自在継手。
  4.  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。
  5.  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4のいずれか1項に記載の自在継手。
  6.  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2に記載の自在継手。
  7.  請求項1ないし6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。
     
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