WO2019098273A1 - 複数方向駆動装置、ロボット関節機構及び複数方向駆動方法 - Google Patents

複数方向駆動装置、ロボット関節機構及び複数方向駆動方法 Download PDF

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drive
drive motor
spherical body
directional
axis
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PCT/JP2018/042291
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Inventor
小林　正嗣
泰典 岡崎
理一郎 多田隈
和樹 茂木
伸之介 羽尾
Original Assignee
Ｎｅｃエンベデッドプロダクツ株式会社
国立大学法人山形大学
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J17/00—Joints
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H1/00—Toothed gearings for conveying rotary motion
    • F16H1/02—Toothed gearings for conveying rotary motion without gears having orbital motion
    • F16H1/04—Toothed gearings for conveying rotary motion without gears having orbital motion involving only two intermeshing members
    • F16H1/12—Toothed gearings for conveying rotary motion without gears having orbital motion involving only two intermeshing members with non-parallel axes
    • F16H1/16—Toothed gearings for conveying rotary motion without gears having orbital motion involving only two intermeshing members with non-parallel axes comprising worm and worm-wheel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H37/00—Combinations of mechanical gearings, not provided for in groups F16H1/00 - F16H35/00
    • F16H37/02—Combinations of mechanical gearings, not provided for in groups F16H1/00 - F16H35/00 comprising essentially only toothed or friction gearings
    • F16H37/06—Combinations of mechanical gearings, not provided for in groups F16H1/00 - F16H35/00 comprising essentially only toothed or friction gearings with a plurality of driving or driven shafts; with arrangements for dividing torque between two or more intermediate shafts

Definitions

  • the present invention relates to a multi-directional drive device, a robot joint mechanism, and a multi-directional drive method capable of adjusting the position and / or the orientation of a work such as a camera or a robot arm with a plurality of degrees of freedom.
  • the multi-directional drive device disclosed in Patent Document 1 includes a driven body, a first driving force transmission unit, and a second driving force transmission unit.
  • the driven body has an XY stage.
  • the first driving force transmission unit contacts the surface of the driven body to drive the driven body in the first direction.
  • the second driving force transmission unit contacts another portion of the driven body to drive the driven body in a second direction different from the first direction.
  • the driven body and the first driving force transmitting portion are in mutual displacement in the direction of the teeth of the gear.
  • the driven body and the second driving force transmitting portion can be displaced relative to each other in the direction of the teeth of the gear.
  • the angle of the actuated body installed on the driven body can be freely adjusted.
  • the multi-directional drive device disclosed in Patent Document 1 has the driven body and the first and second driving force transmitting portions mutually displaced in the direction of the teeth of the gear, as a whole, the driven body and the first and second driving force transmitting portions The driving body is movable in the first direction or the second direction. For this reason, in the multi-directional drive device disclosed in Patent Document 1, for example, it is not possible to rotate or move in the third direction (z-axis direction) orthogonal to the first direction or the second direction. In order to displace in the third direction, it is necessary to add a new mechanism, and there is a problem that the configuration becomes complicated.
  • An example of the object of the present invention is to provide a multi-directional drive device, a robot joint mechanism, and a multi-directional drive method capable of freely rotating a spherical body on which a body to be actuated is supported in multiple directions.
  • a multi-directional drive device comprises a spherical body, a first drive motor having a drive shaft for driving the spherical body around a roll axis, and a drive shaft for driving the spherical body around a pitch axis
  • a second drive motor having a second drive motor, a rotary member rotatably supporting the spherical body and rotating about the roll axis along with rotation of a drive shaft of the first drive motor, and a drive shaft of the second drive motor
  • a power transmission mechanism provided between the ball and the ball to transmit the power of the drive shaft of the second drive motor to the ball to slide and rotate the ball relative to the rotating member;
  • a holding unit configured to support a first drive motor and the second drive motor.
  • the multi-directional drive method is a multi-directional drive method for a multi-directional drive.
  • the multi-directional drive device includes a spherical body for supporting an actuated body, a first drive motor having a drive shaft for driving the spherical body around a roll axis, and a drive shaft for driving the spherical body around a pitch axis
  • a power transmission mechanism for transmitting power of a drive shaft of the second drive motor to the spherical body to slide and rotate the spherical body with respect to the rotary member; and the first drive motor And a holder for supporting the second drive motor.
  • the rotating member is rotated around the roll axis to change the direction of the actuated body around the roll axis.
  • the power of the drive shaft of the second drive motor is transmitted to the spherical body via the power transmission mechanism, and the spherical body is transferred to the rotary member.
  • the simple configuration allows the spherical body on which the body to be actuated is supported to rotate freely in a plurality of directions without any limitation on the movable range due to the influence of the wiring connected to the motor. Is possible.
  • FIG. 1 is a perspective view of a multi-directional drive device according to a first embodiment of the present invention. It is the perspective view which looked the FIG. 2 from another direction. It is a plane sectional view at the time of cutting FIG.2 and FIG.3 in the horizontal surface. It is a perspective view showing a power transmission mechanism. It is a front view for demonstrating the operation
  • FIG. 1 shows a holder S which is a base.
  • the first drive motor 1 and the second drive motor 2 are both installed in the holding portion S.
  • the first drive motor 1 has a first drive shaft 1A supported by the holding portion S to drive the roll shaft R.
  • the second drive motor 2 has a second drive shaft 2A which is supported by the holding portion S like the first drive shaft 1 and drives the pitch axis P.
  • the first drive shaft 1A of the first drive motor 1 is provided with a rotating member 3 that rotates in the roll direction ⁇ with the roll axis R as the center of rotation as the first drive shaft 1A rotates.
  • a spherical body 4 that rotates around a pitch axis P different from the drive shaft 2A of the second drive motor 2 is supported by the rotary member 3 so as to be relatively rotatable.
  • the power of the drive shaft 2A of the second drive motor 2 is transmitted to the spherical body 4 so that the spherical body 4
  • a power transmission mechanism 5 is provided to slide and rotate.
  • control unit 6 which adjusts the phase shift generated on the pitch axis P of 2.
  • Wirings 7 and 8 for supplying motor control signals are connected between the control unit 6 and the first drive motor 1 and the second drive motor 2 respectively.
  • the multi-directional drive device 100 configured as described above, when the first drive motor 1 is driven, the rotary member 3 rotates around the roll axis R, and thereby the rotary member 3 and the spherical shape
  • the direction of the actuated body M supported by the spherical body 4 can be changed via the body 4 in the roll direction ⁇ with the roll axis R as the center of rotation.
  • the power of the drive shaft 2A of the second drive motor 2 is transmitted to the spherical body 4 via the power transmission mechanism 5.
  • the spherical body 4 can be slidingly rotated relative to the rotary member 3 in the pitch direction ⁇ centered on the pitch axis P.
  • the direction of the actuated body M supported by the spherical body 4 by the selective drive of the first drive motor 1 and / or the second drive motor 2 is the roll axis R
  • the roll direction ⁇ as the rotation center and / or the pitch direction ⁇ around the pitch axis P with respect to the rotating member 3 can be freely changed.
  • by arranging at least two of these multidirectional drive devices 100 in series it is possible to freely turn the actuated body M supported by the spherical body 4 in a desired direction in the three-dimensional space.
  • the multi-directional drive device 100 when the first drive motor 1 is driven, a phase shift occurs between the second drive motor 2 and the drive shaft 2A. At this time, under the control of the control unit 6, the second drive motor 2 is driven to eliminate the phase shift generated on the pitch axis P, and then the to-be-actuated body M supported by the spherical body 4 is accurately oriented in the desired direction. Can be moved to
  • the multi-direction drive device 100 is configured such that the first drive motor 1 for driving the roll axis R and the second drive motor 2 for driving the pitch axis P are both supported by the holding portion S. For this reason, the spherical body 4 on which the body M to be operated is supported can be freely rotated in a plurality of directions without the movable range being restricted by the influence of the wires 7 and 8 connected to the drive motors 1 and 2 . That is, in the multi-directional drive device 100, the spherical body 4 on which the actuated body M is supported without any limitation on the movable range due to the influence of the wires 7 and 8 connected to the drive motors 1 and 2 with a simple configuration. Can be freely rotated in multiple directions.
  • a joint mechanism of a robot or a swinging portion of a monitoring camera as the actuated body M
  • a haptic presentation device for guiding a person, an omnidirectional drive wheel, etc. It is possible.
  • FIGS. 2 to 10 What is indicated by reference numeral S in FIG. 2 to FIG. 4 is a holding portion which becomes a base, and in this holding portion S, the first drive motor 11 and the second drive motor 12 are installed.
  • the first drive motor 11 has a first drive shaft 11A that drives the spherical body 14 (described later) around the roll axis R of the spherical body 14.
  • the second drive motor 12 has a second drive shaft 12A for driving the spherical body 14 (described later) around the pitch axis P of the spherical body 14.
  • the second drive shaft 12A is disposed in a positional relationship parallel to the first drive shaft 11A of the first drive motor 11.
  • the first drive shaft 11A of the first drive motor 11 is provided with a rotary member 13 to which the rotational drive force of the first drive shaft 11A is transmitted.
  • the rotating member 13 is formed to form a cylindrical body 13A as a whole.
  • a power transmission gear 20 to which the rotational drive force of the first drive shaft 11A of the first drive motor 11 is transmitted is provided on one end side of the cylindrical body 13A.
  • the power transmission gear 20 has a spur gear 21 and a spur gear 22.
  • the spur gear 21 is fixed to the first drive shaft 11 A of the first drive motor 11.
  • the spur gear 22 is meshed with the spur gear 21.
  • the axis (rotation axis) of the spur gear 22 is the same as the axis (rotation axis) of the cylindrical body 13A of the rotation member 13.
  • the rotational driving force of the first drive motor 11 is transmitted to the cylindrical body 13A of the rotating member 13 via the spur gears 21 and 22.
  • the holding portion S is provided with a bearing 23 which rotatably supports the cylindrical body 13A of the rotating member 13 with the roll axis R as a center. Further, the holding portion S positioned in the vicinity of the bearing 23 is provided with a spherical body supporting member 24 for slidably supporting the spherical body 14. The spherical body 14 rotates around the roll axis R and the pitch axis P.
  • a power transmission mechanism 15 is provided between the drive shaft 12A of the second drive motor 12 and the spherical body 14.
  • the power transmission mechanism 15 transmits the power of the drive shaft 12A of the second drive motor 12 to the spherical body 14 to slide and rotate the spherical body 14 with respect to the rotating member 13.
  • the power transmission mechanism 15 has a cylindrical worm (worm gear) 30, a worm wheel 31, a gear group 32, and a gear (spherical gear) 33, as shown in detail in FIGS.
  • the gear 33 has the shape of a spherical body, and has a configuration in which a gear is provided on a sphere.
  • a portion of the power transmission mechanism 15 is installed inside the cylindrical body 13A of the rotating member 13.
  • the worm wheel 31 is engaged with the cylindrical worm 30.
  • the gear 33 is meshed with the worm wheel 31 via a gear group 32.
  • the axis (rotation axis) of the cylindrical worm 30 is the same as the drive axis 12A of the second drive motor 12, and is connected to the drive axis 12A.
  • a through hole 22A (see FIG. 3) is formed in the spur gear 22 of the power transmission gear 20, a through hole 22A (see FIG. 3) is formed in the spur gear 22 of the power transmission gear 20, a through hole 22A (see FIG. 3) is formed.
  • the gear shaft 30A of the cylindrical worm 30 reaches the drive shaft 12A of the second drive motor 12 via the through hole 22A.
  • the worm wheel 31 has a gear shaft 31A which is engaged with the cylindrical worm 30 and intersects the cylindrical worm 30 at a predetermined angle.
  • the rotational driving force of the second drive motor 12 transmitted to the worm wheel 31 is transmitted to the gear 33 via the plurality of spur gears 32A to 32D that constitute the gear group 32.
  • the gear 33 is disposed along the radial direction.
  • the gear shaft 33A of the gear 33 is disposed in the spherical body 14 and supported by the spherical body 14 (see FIG. 3).
  • the gear shaft 33A in the spherical body 14 coincides with the pitch axis P.
  • the power of the drive shaft 12A of the second drive motor 12 is spherical through the cylindrical worm 30, the worm wheel 31, the gear group 32 and the gear 33. Transmit to body 14 Thereby, the spherical body 14 can be slid and rotated with respect to the rotation member 13 in the pitch direction ⁇ centering on the pitch axis P.
  • a control unit (control means) 16 is provided in the first drive motor 11 and the second drive motor 12.
  • the control unit 16 controls to drive the drive shafts 11A and 12A of the first drive motor 11 and the second drive motor 12, respectively. Furthermore, when the control unit 16 rotates the drive shaft 11A of the first drive motor 11, the control unit 16 adjusts the phase shift generated on the pitch axis P (around the pitch axis P) of the second drive motor 12 It is provided.
  • FIGS. 6 to 10 show that the spherical body 14 is rotated by 90 ° in the roll direction ⁇ around the roll axis R by the drive of the first drive motor 11.
  • the second drive motor 12 is not driven at the time of driving the first drive motor 11 a phase shift occurs in the pitch axis P (that is, the spherical bodies 14 rotate around the pitch axis P).
  • the worm wheel 31 rotates.
  • the cylindrical worm 30 does not rotate.
  • the second drive motor 12 is synchronized with the first drive motor 11 so that the control unit 16 does not cause this phase shift (that is, the spherical body 14 does not rotate around the pitch axis P).
  • Control to rotate the For example, in the control unit 16, when only the drive shaft 11A of the first drive motor 11 is rotated, as shown in FIGS. 6 to 10, the cylindrical worm 30 and the worm wheel 31 meshed with the cylindrical worm 30. Control is performed to rotate the second drive motor 12 simultaneously with the rotation of the first drive motor 11 so that the contact point T with the above is always at the same position in the axial direction of the roll axis R.
  • FIGS. 6 to 10 the control for preventing the occurrence of the phase shift when the drive shaft 11A of the first drive motor 11 is only rotated (that is, when the spherical body 14 is rotated only around the roll axis R) has been described. Not limited to this case.
  • the first drive motor 11 and the second drive motor 12 are simultaneously rotated (that is, when the spherical body 14 is simultaneously rotated around the roll axis R and the pitch axis P)
  • the same occurs on the pitch axis P
  • the second drive motor 12 is driven after the drive for eliminating the phase shift is included.
  • wirings 17 and 18 for supplying motor control signals are connected between the control unit 16 and the first drive motor 11 and the second drive motor 12, respectively.
  • the rotating member 13 rotates about the roll axis R. Rotate.
  • the direction of the actuated body (not shown) supported by the spherical body 14 can be changed in the roll direction ⁇ with the roll axis R as the center of rotation via the rotating member 13 and the spherical body 14.
  • the second drive motor 12 via the power transmission mechanism 15
  • the power of the drive shaft 12A is transmitted to the spherical body 14.
  • the spherical body 14 can be slid and rotated relative to the rotary member 13 in the pitch direction ⁇ centered on the pitch axis P.
  • the orientation of the actuated body supported by the spherical body 14 by the selective drive of the first drive motor 11 and / or the second drive motor 12 Can be freely changed in a roll direction ⁇ centered on the roll axis R and / or a pitch direction ⁇ centered on the pitch axis P with respect to the rotating member 13. Furthermore, by arranging at least two of these multi-directional drive devices 101 in series, it is possible to freely turn the actuated body supported on the tip of the spherical body 14 in a desired direction in a three-dimensional space. Become.
  • the multi-directional drive device 101 shown in the first embodiment when the first drive motor 11 is driven, a phase shift occurs with the drive shaft 12A of the second drive motor 12. At this time, under the control of the control unit 16, the second drive motor 12 is driven to eliminate the phase shift generated on the pitch axis P, and then the actuated body supported by the spherical body 14 is accurately oriented in the desired direction. It can be moved.
  • both the first drive motor 11 for driving the roll axis R and the second drive motor 12 for driving the pitch axis P are supported by the holding portion S. Configuration.
  • the spherical body 14 on which the body to be actuated is supported can be freely rotated in a plurality of directions without any limitation on the movable range due to the influence of the wires 17 and 18 connected to the drive motors 11 and 12. That is, in the multi-directional drive device 101 shown in the first embodiment, the movable body is not limited by the influence of the wires 17 and 18 connected to the drive motors 11 and 12 with a simple configuration. It becomes possible to freely rotate the supported spherical body 14 in a plurality of directions.
  • the spherical body 14 of a true sphere shape was demonstrated as a support body which supports a to-be-actuated body.
  • the support is not limited to the true sphere shape.
  • the support may have a cylindrical shape as a whole around the roll axis R.
  • the support may have a spherical shape by combining a plurality of cylinders with different diameters.
  • the gear mechanism for transmitting the rotation from the second drive motor to the spherical body is not limited to the mechanism composed of the worm wheel and the cylindrical worm, and the power of the bevel gears Other gear mechanisms such as transmission, power transmission by a crown gear and a spur gear may be adopted.
  • the robot joint mechanism 200 has a plurality of (at least two) multi-directional drive devices 101.
  • three multidirectional driving devices 101 are arranged in series.
  • the multi-directional drive device 101A is located at the proximal end.
  • the holding portion S of the multi-directional drive device 101A is installed on a base member 50 to be a base.
  • the spherical body 14 at the tip of the multidirectional driving device 101A is connected to the intermediate multidirectional driving device 101B via the arm member 51.
  • the multi-directional drive device 101B is located in the middle.
  • the holding portion S of the multi-directional drive device 101 B is installed on the arm member 51.
  • the spherical body 14 at the tip of the multidirectional driving device 101B is connected to the multidirectional driving device 101C at the distal end through the arm member 52.
  • the holding portion S of the multi-directional drive device 101C located at the tip of the multi-directional drive device 101C is installed on the arm member 52.
  • a working device M 'to be an actuated body is installed on the tipmost spherical body 14 of the multi-directional drive device 101C.
  • each spherical body 14 rolls around the roll axis R via the rotating member 13 by the first drive motor 11 of each of the multi-directional drive devices 101A to 101C. It is rotationally driven in the direction ⁇ .
  • each spherical body 14 is rotationally driven about the pitch axis P in the pitch direction ⁇ by the respective second drive motors 12 of the multi-directional drive devices 101A to 101C. That is, according to the robot joint mechanism 200, each spherical body 14 is driven in the roll direction R and / or the pitch by driving the first drive motor 11 and the second drive motor 12 of each of the multidirectional drive devices 101A to 101C. It can be rotationally driven in the direction P. As a result, it is possible to rotate and move the working device M 'of the actuated body located at the leading end in a plurality of directions.
  • the present invention relates to a multi-directional drive device, a robot joint mechanism, and a multi-directional drive method capable of adjusting the position and / or the orientation of a work such as a camera or a robot arm with a plurality of degrees of freedom.

Abstract

複数方向駆動装置は、球状体と、前記球状体をロール軸周りに駆動する駆動軸を有する第１駆動モータと、前記球状体をピッチ軸周りに駆動する駆動軸を有する第２駆動モータと、前記球状体を回転自在に支持し、前記第１駆動モータの駆動軸の回転に伴ない前記ロール軸周りに回転する回転部材と、前記第２駆動モータの駆動軸と前記球状体との間に設けられて、前記第２駆動モータの駆動軸の動力を前記球状体に伝達して、前記球状体を前記回転部材に対してスライド回転させる動力伝達機構と、前記第１駆動モータと前記第２駆動モータとを支持する保持部と、有する。

Description

複数方向駆動装置、ロボット関節機構及び複数方向駆動方法
　本発明は、カメラ、ロボットアーム等の被作動体の位置およびまたは向きを複数の自由度で調整することができる複数方向駆動装置、ロボット関節機構及び複数方向駆動方法に関する。
　例えば、特許文献１に示される複数方向駆動装置は、被駆動体と、第１駆動力伝達部と、第２駆動力伝達部と、を具備する。被駆動体は、ＸＹステージを有する。第１駆動力伝達部は、被駆動体の表面に接触して被駆動体を第１の方向に駆動する。この複数方向駆動装置はさらに、第２駆動力伝達部は、被駆動体の他の部分に接触して被駆動体を第１の方向とは異なる第２の方向に駆動する。
　また、上記複数方向駆動装置では、被駆動体と第１駆動力伝達部とが歯車の歯筋方向に相互変位である。また、被駆動体と第２駆動力伝達部とが歯車の歯筋方向に相互変位可能となっている。これにより被駆動体に設置される被作動体の角度を自在に調整できる。
　しかしながら、特許文献１に示される複数方向駆動装置は、被駆動体と第１、第２駆動力伝達部とが歯車の歯筋方向に相互変位であるものの、全体としてはＸＹステージ上にて被駆動体を第１方向または第２方向に移動可能とする。このため、特許文献１に示される複数方向駆動装置では、例えば、第１方向または第２方向に直交する第３方向（ｚ軸方向）に回転または移動させることはできない。仮に第３方向に変位させるためには、新たな機構を付加する必要があり、構成が複雑化するという問題があった。
日本国特開２０１１－１９６４８７号公報
　被作動体を支持する支持体をより自由に移動させることができる装置が求められていた。
　この発明は、上述した事情に鑑みてなされた。本発明の目的の一例は、被作動体が支持される球状体を複数方向により自由に回転させることができる複数方向駆動装置、ロボット関節機構及び複数方向駆動方法を提供することである。
　本発明の第1態様に係る複数方向駆動装置は、球状体と、前記球状体をロール軸周りに駆動する駆動軸を有する第１駆動モータと、前記球状体をピッチ軸周りに駆動する駆動軸を有する第２駆動モータと、前記球状体を回転自在に支持し、前記第１駆動モータの駆動軸の回転に伴ない前記ロール軸周りに回転する回転部材と、前記第２駆動モータの駆動軸と前記球状体との間に設けられて、前記第２駆動モータの駆動軸の動力を前記球状体に伝達して、前記球状体を前記回転部材に対してスライド回転させる動力伝達機構と、前記第１駆動モータと前記第２駆動モータとを支持する保持部と、有する。
　本発明の第２態様に係る複数方向駆動方法は、複数方向駆動装置のための複数方向駆動方法である。前記複数方向駆動装置は、被作動体を支持する球状体と、前記球状体をロール軸周りに駆動する駆動軸を有する第１駆動モータと、前記球状体をピッチ軸周りに駆動する駆動軸を有する第２駆動モータと、前記球状体を回転自在に支持し、前記第１駆動モータの回転に伴ない前記ロール軸周りに回転する回転部材と、前記第２駆動モータの駆動軸と前記球状体との間に設けられて、前記第２駆動モータの駆動軸の動力を前記球状体に伝達して、前記球状体を前記回転部材に対してスライド回転させる動力伝達機構と、前記第１駆動モータと、前記第２駆動モータとを支持する保持部と、を具備する。前記複数方向駆動方法は、前記第１駆動モータの駆動軸が駆動することによって、前記ロール軸周りに前記回転部材を回転させて、前記被作動体の向きを前記ロール軸周りに変化させることと、前記第２駆動モータの駆動軸を駆動することによって、前記動力伝達機構を介して、前記第２駆動モータの駆動軸の動力を前記球状体に伝達して、前記球状体を前記回転部材に対して前記ピッチ軸周りにスライド回転させることと、前記第１駆動モータと前記第２駆動モータとを連動させて、前記ピッチ軸周りにおける前記球状体の位相を調整することと、を有する。
　本発明の実施形態によれば、簡易な構成により、モータに接続される配線の影響により可動範囲に制限が生じることなく、被作動体が支持される球状体を複数方向に自由に回転させることが可能となる。
本発明の実施形態に係る複数方向駆動装置の概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係る複数方向駆動装置の斜視図である。 図２を別方向から視た斜視図である。 図２及び図３を水平面で切断した場合の平断面図である。 動力伝達機構を示す斜視図である。 第１駆動モータとともに第２駆動モータを駆動してピッチ軸に生じる位相のずれを調整するための動作を説明するための正面図である。 図６に続く動作２を説明するための正面図である。 図７に続く動作３を説明するための正面図である。 図８に続く動作４を説明するための正面図である。 図９に続く動作５を説明するための正面図である。 本発明の第２実施形態に係るロボット関節機構を示す斜視図である。
　図１を参照して本発明の実施形態に係る複数方向駆動装置１００について説明する。
　図１は、基台となる保持部Ｓを示す。この保持部Ｓには第１駆動モータ１および第２駆動モータ２が共に設置されている。
　第１駆動モータ１は、保持部Ｓに支持されてロール軸Ｒを駆動する第１駆動軸１Ａを有する。
　第２駆動モータ２は、第１駆動軸１と同じく保持部Ｓに支持されてピッチ軸Ｐを駆動する第２駆動軸２Ａを有する。
　第１駆動モータ１の第１駆動軸１Ａには、第１駆動軸１Ａの回転に伴いロール軸Ｒを回転中心としてロール方向αに回転する回転部材３が設けられている。
　また、この回転部材３には、第２駆動モータ２の駆動軸２Ａとは異なるピッチ軸Ｐを中心として回転する球状体４が相対回転自在に支持されている。
　また、第２駆動モータ２の駆動軸２Ａと球状体４との間には、第２駆動モータ２の駆動軸２Ａの動力を球状体４に伝達して、球状体４を回転部材３に対してスライド回転させる動力伝達機構５が設けられている。
　さらに、第１駆動モータ１及び第２駆動モータ２には、これらの駆動軸１Ａ，２Ａをそれぞれ駆動制御するとともに、第１駆動モータ１の駆動軸１Ａを回転させた場合に、第２駆動モータ２のピッチ軸Ｐに生じる位相のずれを調整する制御部（制御手段）６が設けられている。
　この制御部６と、第１駆動モータ１及び第２駆動モータ２との間には、モータ制御信号を供給する配線７，８がそれぞれ接続されている。
　そして、以上のように構成された複数方向駆動装置１００によれば、第１駆動モータ１を駆動した場合に、ロール軸Ｒを回転中心として回転部材３が回転し、これにより回転部材３及び球状体４を介して、球状体４に支持される被作動体Ｍの向きを、ロール軸Ｒを回転中心としたロール方向αに変化させることができる。
　また、複数方向駆動装置１００によれば、第２駆動モータ２を駆動した場合に、動力伝達機構５を介して、第２駆動モータ２の駆動軸２Ａの動力を球状体４に伝達して、球状体４を回転部材３に対してピッチ軸Ｐを中心としたピッチ方向βにスライド回転させることができる。
　これにより、複数方向駆動装置１００によれば、第１駆動モータ１及び／又は第２駆動モータ２の選択的駆動により、球状体４に支持される被作動体Ｍの向きを、ロール軸Ｒを回転中心としたロール方向α、及び／又は回転部材３に対してピッチ軸Ｐを中心としたピッチ方向βに自由に変化させることができる。
　さらには、これら複数方向駆動装置１００を少なくとも２台直列配置すれば、球状体４に支持される被作動体Ｍを、三次元空間内の希望する方向に自在に向けることが可能となる。
　複数方向駆動装置１００によれば、第１駆動モータ１を駆動した場合には、第２駆動モータ２の駆動軸２Ａとの間に位相のずれが生じる。このとき、制御部６の制御により、第２駆動モータ２を駆動してピッチ軸Ｐに生じる位相のずれを排除した上で、球状体４に支持される被作動体Ｍを希望する方向に正確に移動させることができる。
　また、複数方向駆動装置１００は、保持部Ｓに、ロール軸Ｒを駆動させる第１駆動モータ１と、ピッチ軸Ｐを駆動させる第２駆動モータ２とが共に支持される構成である。このため、駆動モータ１，２へ接続される配線７，８の影響により可動範囲に制限が生じることなく、被作動体Ｍが支持される球状体４を複数方向に自由に回転させることができる。
　すなわち、複数方向駆動装置１００は、簡易な構成により、駆動モータ１，２へ接続される配線７，８の影響により可動範囲に制限が生じることなく、被作動体Ｍが支持される球状体４を複数方向に自由に回転させることが可能となる。
　なお、被作動体Ｍとして、例えば、ロボットの関節機構や、監視カメラの首振り部分に適用されることに加えて、人を誘導する触力覚呈示装置や、全方向駆動車輪などにも適用可能である。
（第１実施形態）
　図２～図１０を参照して本発明の第１実施形態に係る複数方向駆動装置１０１及び複数方向駆動方法について説明する。
　図２～図４に符号Ｓで示すものは基台となる保持部であって、この保持部Ｓには第１駆動モータ１１及び第２駆動モータ１２が設置されている。
　第１駆動モータ１１は、球状体１４（後述する）を球状体１４のロール軸Ｒ周りに駆動する第１駆動軸１１Ａを有する。
　第２駆動モータ１２は、球状体１４（後述する）を球状体１４のピッチ軸Ｐ周りに駆動する第２駆動軸１２Ａを有する。この第２駆動軸１２Ａは、第１駆動モータ１１の第１駆動軸１１Ａと平行となる位置関係に配置されている。
　第１駆動モータ１１の第１駆動軸１１Ａには、第１駆動軸１１Ａの回転駆動力が伝達される回転部材１３が設けられている。
　この回転部材１３は、全体として筒状体１３Ａをなすように形成されている。筒状体１３Ａの一端部側に、第１駆動モータ１１の第１駆動軸１１Ａの回転駆動力が伝達される動力伝達歯車２０が設けられている。
　動力伝達歯車２０は、平歯車２１と平歯車２２とを有する。平歯車２１は、第１駆動モータ１１の第１駆動軸１１Ａに固定されている。平歯車２２は、平歯車２１に噛合される。平歯車２２の軸（回転軸）は、回転部材１３の筒状体１３Ａの軸（回転軸）と同じである。これら平歯車２１，２２を介して、第１駆動モータ１１の回転駆動力が回転部材１３の筒状体１３Ａに伝達される。
　また、保持部Ｓには、ロール軸Ｒを中心として回転部材１３の筒状体１３Ａを回転自在に支持する軸受２３が設けられている。
　また、軸受２３の近傍に位置する保持部Ｓには、球状体１４を、スライド回転自在に支持する球体支持部材２４が設けられている。球状体１４は、ロール軸Ｒ及びピッチ軸Ｐ周りに回転する。
　また、第２駆動モータ１２の駆動軸１２Ａと球状体１４との間には、動力伝達機構１５が設けられている。動力伝達機構１５は、第２駆動モータ１２の駆動軸１２Ａの動力を球状体１４に伝達して、球状体１４を回転部材１３に対してスライド回転させる。
　この動力伝達機構１５は、図３～図５に詳細に示されるように、円筒ウォーム（ウォーム歯車）３０と、ウォームホイール３１と、歯車群３２と、歯車（球状体歯車）３３とを有する。歯車３３は、球状体の形状を有し、球体に歯車が設けられた構成を有する。動力伝達機構１５の一部は、回転部材１３の筒状体１３Ａ内部に設置されている。ウォームホイール３１は、円筒ウォーム３０に噛合されている。歯車３３は、ウォームホイール３１と歯車群３２を介して噛合されている。
　円筒ウォーム３０の軸（回転軸）は、第２駆動モータ１２の駆動軸１２Ａと同じであり、駆動軸１２Ａに連結されている。動力伝達歯車２０の平歯車２２には、貫通孔２２Ａ（図３参照）が形成されている。円筒ウォーム３０の歯車軸３０Ａは、貫通孔２２Ａを経由して第２駆動モータ１２の駆動軸１２Ａに至る。
　ウォームホイール３１は、図５に示されるように、円筒ウォーム３０に噛合され、かつ円筒ウォーム３０と所定角度で交差する歯車軸３１Ａを有する。そして、このウォームホイール３１に伝達された第２駆動モータ１２の回転駆動力は、歯車群３２を構成する複数の平歯車３２Ａ～３２Ｄを経由して歯車３３に伝達される。
　歯車３３は、半径方向に沿うように配置されている。歯車３３の歯車軸３３Ａは、球状体１４内に配置され、球状体１４に支持される（図３参照）。なお、この球状体１４内の歯車軸３３Ａはピッチ軸Ｐに一致する。
　上記のような動力伝達機構１５では、第２駆動モータ１２を駆動した場合に、第２駆動モータ１２の駆動軸１２Ａの動力を、円筒ウォーム３０、ウォームホイール３１、歯車群３２及び歯車３３を通じて球状体１４に伝達する。これにより球状体１４を、回転部材１３に対してピッチ軸Ｐを中心としたピッチ方向βにスライド回転させることができる。
　また、第１駆動モータ１１及び第２駆動モータ１２には、制御部（制御手段）１６が設けられている。制御部１６は、第１駆動モータ１１及び第２駆動モータ１２の駆動軸１１Ａ，１２Ａをそれぞれ駆動させる制御を行う。さらに、制御部１６は、第１駆動モータ１１の駆動軸１１Ａを回転させた場合に、第２駆動モータ１２のピッチ軸Ｐ（ピッチ軸Ｐ周り）に生じる位相のずれを調整する制御部１６が設けられている。
　具体的には、図６～図１０には、第１駆動モータ１１の駆動により、ロール軸Ｒを中心として球状体１４をロール方向αに９０°ずつ回転させる様子が示されている。
　このとき、第１駆動モータ１１の駆動時に、第２駆動モータ１２を駆動しないならば、ピッチ軸Ｐには位相のずれが生じる（すなわち、ピッチ軸Ｐ周りに球状体１４が回転する）。なぜなら、第１駆動モータ１１の駆動に伴い球状体１４がロール方向αに回転すると、ウォームホイール３１が回転する。一方で、第１駆動モータ１１の駆動に伴い球状体１４がロール方向αに回転しても円筒ウォーム３０は回転しない。このように、第１駆動モータ１１が駆動すると、円筒ウォーム３０は回転しない一方で、ウォームホイール３１が回転するので、球状体１４がピッチ軸Ｐ周りに回転する。本例では、制御部１６により、この位相のずれが生じないように（すなわち、ピッチ軸Ｐ周りに球状体１４が回転しないように）、第１駆動モータ１１に同期して第２駆動モータ１２を回転させる制御を行う。
　例えば、制御部１６では、第１駆動モータ１１の駆動軸１１Ａのみを回転させた場合に、図６～図１０に示されるように、円筒ウォーム３０と、円筒ウォーム３０に噛合されたウォームホイール３１との接点Ｔが、ロール軸Ｒの軸方向に対して常に同位置となるように、第１駆動モータ１１の回転と同時に第２駆動モータ１２を回転させる制御を行う。
　図６～図１０では、第１駆動モータ１１の駆動軸１１Ａのみを回転させた場合（すなわち、ロール軸Ｒ周りにのみ球状体１４を回転させる場合）の位相のずれ発生防止制御について説明したが、このような場合に限定されない。第１駆動モータ１１と第２駆動モータ１２とを同時に回転させる場合（すなわち、ロール軸Ｒ周りとピッチ軸Ｐ周りとに同時に球状体１４を回転させる場合）についても同様に、ピッチ軸Ｐに生じる位相のずれを解消させるための駆動を含んだ上で、第２駆動モータ１２を駆動する。
　また、制御部１６と、第１駆動モータ１１及び第２駆動モータ１２との間は、モータ制御信号を供給する配線１７，１８がそれぞれ接続されている。
　以上のような第１実施形態に示される複数方向駆動装置１０１によれば、第１駆動モータ１１の駆動軸１１Ａを矢印ａ１方向に駆動した場合に、ロール軸Ｒを回転中心として回転部材１３が回転する。これにより回転部材１３及び球状体１４を介して、球状体１４に支持される被作動体（図示略）の向きを、ロール軸Ｒを回転中心としたロール方向αに変化させることができる。
　また、第１実施形態に示される複数方向駆動装置１０１によれば、第２駆動モータ１２の駆動軸１２Ａを矢印ａ２方向に駆動した場合に、動力伝達機構１５を介して、第２駆動モータ１２の駆動軸１２Ａの動力を球状体１４に伝達する。それにより、球状体１４を回転部材１３に対してピッチ軸Ｐを中心としたピッチ方向βにスライド回転させることができる。
　これにより、第１実施形態に示される複数方向駆動装置１０１によれば、第１駆動モータ１１及び／又は第２駆動モータ１２の選択的駆動により、球状体１４に支持される被作動体の向きを、ロール軸Ｒを回転中心としたロール方向α、及び／又は回転部材１３に対してピッチ軸Ｐを中心としたピッチ方向βに自由に変化させることができる。さらには、これら複数方向駆動装置１０１を少なくとも２台直列配置すれば、球状体１４の最先端部に支持される被作動体を、三次元空間内の希望する方向に自在に向けることが可能となる。
　さらに、第１実施形態に示される複数方向駆動装置１０１によれば、第１駆動モータ１１を駆動した場合には、第２駆動モータ１２の駆動軸１２Ａとの間に位相のずれが生じる。このとき、制御部１６の制御により、第２駆動モータ１２を駆動してピッチ軸Ｐに生じる位相のずれを排除した上で、球状体１４に支持される被作動体を希望する方向に正確に移動させることができる。
　また、第１実施形態に示される複数方向駆動装置１０１は、保持部Ｓに、ロール軸Ｒを駆動させる第１駆動モータ１１と、ピッチ軸Ｐを駆動させる第２駆動モータ１２とが共に支持される構成である。このため、駆動モータ１１，１２へ接続される配線１７，１８の影響により可動範囲に制限が生じることなく、被作動体が支持される球状体１４を複数方向に自由に回転させることができる。
　すなわち、第１実施形態に示される複数方向駆動装置１０１は、簡易な構成により、駆動モータ１１，１２へ接続される配線１７，１８の影響により可動範囲に制限が生じることなく、被作動体が支持される球状体１４を複数方向に自由に回転させることが可能となる。
　なお、上記では、被作動体を支持する支持体として、真球形状の球状体１４について説明した。しかしながら、支持体は、真球形状であることに限定されない。支持体は、ロール軸Ｒを中心として全体として円柱状に形成された形状であってもよい。支持体は、径の異なる複数の円柱体を組み合わせて球状にした形状であってもよい。
　また、本発明の実施形態において、第２駆動モータから球状体へ回転を伝達する歯車機構は、ウォームホイールと円筒ウォームとのより構成される機構に限定されるものではなく、傘歯車同士の動力伝達、クラウン歯車と平歯車とによる動力伝達など、他の歯車機構を採用しても良い。
（第２実施形態）
　次に、図１１を参照して第１実施形態の複数方向駆動装置１０１を応用したロボット関節機構２００について説明する。
　このロボット関節機構２００は、複数方向駆動装置１０１を複数台（少なくとも２台）有する。本例では３台の複数方向駆動装置１０１（符号１０１Ａ～１０１Ｃで示す）が直列配置されている。
　具体的には、複数方向駆動装置１０１Ａは基端部に位置する。複数方向駆動装置１０１Ａの保持部Ｓが基台となる基礎部材５０に設置される。複数方向駆動装置１０１Ａの先端の球状体１４がアーム部材５１を介して中間部の複数方向駆動装置１０１Ｂに接続される。
　複数方向駆動装置１０１Ｂは中間部に位置する。複数方向駆動装置１０１Ｂの保持部Ｓがアーム部材５１に設置される。複数方向駆動装置１０１Ｂの先端の球状体１４が、アーム部材５２を介して先端部の複数方向駆動装置１０１Ｃに接続される。
　複数方向駆動装置１０１Ｃは先端部に位置する複数方向駆動装置１０１Ｃの保持部Ｓがアーム部材５２に設置される。複数方向駆動装置１０１Ｃの最先端の球状体１４に被作動体となる作業装置Ｍ´が設置される。
　以上のように構成されたロボット関節機構２００によれば、複数方向駆動装置１０１Ａ～１０１Ｃの各第１駆動モータ１１により、回転部材１３を介して、各球状体１４がロール軸Ｒを中心としてロール方向αに回転駆動される。
　また、複数方向駆動装置１０１Ａ～１０１Ｃの各第２駆動モータ１２により、各球状体１４がピッチ軸Ｐを中心としてピッチ方向βに回転駆動される。
　すなわち、上記ロボット関節機構２００によれば、各複数方向駆動装置１０１Ａ～１０１Ｃの第１駆動モータ１１及び第２駆動モータ１２をそれぞれ駆動させることにより、各球状体１４をロール方向Ｒ及び／又はピッチ方向Ｐに回転駆動させることができる。その結果、最先端部に位置する被作動体の作業装置Ｍ´を複数方向に回転及び移動させることができる。
　以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
　この出願は、２０１７年１１月１５日に出願された日本国特願２０１７－２２０３６７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
　本発明は、カメラ、ロボットアーム等の被作動体の位置およびまたは向きを複数の自由度で調整することができる複数方向駆動装置、ロボット関節機構及び複数方向駆動方法に関する。
　１　第１駆動モータ
　１Ａ　第１駆動軸
　２　第２駆動モータ
　２Ａ　第２駆動軸
　３　回転部材
　４　球状体
　５　動力伝達機構
　６　制御部
　７　配線
　８　配線　
　１１　第１駆動モータ
　１１Ａ　第１駆動軸
　１２　第２駆動モータ
　１２Ａ　第２駆動軸
　１３　回転部材
　１４　球状体
　１５　動力伝達機構
　１６　制御手段
　１７　配線
　１８　配線
　２０　動力伝達機構
　２１　歯車
　２２　歯車
　３０　円筒ウォーム
　３１　ウォームホイール
　３３　歯車
　１００　複数方向駆動装置
　１０１　複数方向駆動装置
　２００　ロボット関節機構
　Ｓ　保持部
　Ｒ　ロール軸
　Ｐ　ピッチ軸
　Ｍ　被作動体
　Ｍ´　被作動体
　α　ロール方向
　β　ピッチ方向

Claims (10)

  1. 　球状体と、
    　前記球状体をロール軸周りに駆動する駆動軸を有する第１駆動モータと、
    　前記球状体をピッチ軸周りに駆動する駆動軸を有する第２駆動モータと、
    　前記球状体を回転自在に支持し、前記第１駆動モータの駆動軸の回転に伴ない前記ロール軸周りに回転する回転部材と、
    　前記第２駆動モータの駆動軸と前記球状体との間に設けられて、前記第２駆動モータの駆動軸の動力を前記球状体に伝達して、前記球状体を前記回転部材に対してスライド回転させる動力伝達機構と、
    　前記第１駆動モータと前記第２駆動モータとを支持する保持部と、
    　有する複数方向駆動装置。
  2. 　前記第１及び第２駆動モータの駆動を制御する制御部をさらに備え、
    　前記制御部は、前記第１駆動モータの駆動軸の回転に伴って、前記ピッチ軸周りに生じる前記球状体の位相のずれを調整する請求項１に記載の複数方向駆動装置。
  3. 　前記第１駆動モータの駆動軸と第２駆動モータの駆動軸とは、互いに平行に配置されている請求項１又は２のいずれか一項に記載の複数方向駆動装置。
  4. 　前記第２駆動モータの駆動軸と直交する方向へ前記ピッチ軸が向けられている請求項１～３のいずれか１項に記載の複数方向駆動装置。
  5. 　前記動力伝達機構は、前記第２駆動モータの駆動軸の回転とともに回転する駆動側歯車要素と、前記駆動側歯車要素と交差する軸を中心として、前記球状歯車とともに回転する従動側歯車要素とを有する請求項１～４のいずれか１項に記載の複数方向駆動装置。
  6. 　前記動力伝達機構は、
    　前記第２駆動モータの駆動軸と接続されるとともに前記第２駆動モータの駆動軸周りに回転する軸を有する円筒ウォームと、
    　前記円筒ウォームに噛合され、前記円筒ウォームの軸と所定角度で交差する軸を有するウォームホイールと、
    　前記球状体と一体に設けられかつ前記ウォームホイールからの動力が伝達される球状体の形状を有する歯車と、を有し、
    　前記球状体の形状を有する歯車の歯車軸は、前記球状体のピッチ軸と一致する請求項５に記載の複数方向駆動装置。
  7. 　前記円筒ウォームの軸と前記ウォームホイールの軸との交差角度は９０°である請求項６に記載の複数方向駆動装置。
  8. 　請求項１～７のいずれか１項に記載の複数方向駆動装置を有するロボット関節機構であって、
    　前記複数方向駆動装置は、少なくとも第１および第２の複数方向駆動装置を含み、
    　前記第１の複数方向駆動装置の球状体に、アーム部材を介して前記第２の複数方向駆動装置の保持部が設置されるロボット関節機構。
  9. 　前記複数方向駆動装置は、
    　基部側に位置し、基台となる基礎部材に設置される複数方向駆動装置と、
    　先端側に位置し、被作動体となる作業装置が設置される球状体を有する複数方向駆動装置と、
    　を含む請求項８に記載のロボット関節機構。
  10. 　複数方向駆動装置のための複数方向駆動方法であって、前記複数方向駆動装置は、被作動体を支持する球状体と、前記球状体をロール軸周りに駆動する駆動軸を有する第１駆動モータと、前記球状体をピッチ軸周りに駆動する駆動軸を有する第２駆動モータと、前記球状体を回転自在に支持し、前記第１駆動モータの回転に伴ない前記ロール軸周りに回転する回転部材と、前記第２駆動モータの駆動軸と前記球状体との間に設けられて、前記第２駆動モータの駆動軸の動力を前記球状体に伝達して、前記球状体を前記回転部材に対してスライド回転させる動力伝達機構と、前記第１駆動モータと、前記第２駆動モータとを支持する保持部と、を具備し、前記複数方向駆動方法は、
    　前記第１駆動モータの駆動軸が駆動することによって、前記ロール軸周りに前記回転部材を回転させて、前記被作動体の向きを前記ロール軸周りに変化させることと、
    　前記第２駆動モータの駆動軸を駆動することによって、前記動力伝達機構を介して、前記第２駆動モータの駆動軸の動力を前記球状体に伝達して、前記球状体を前記回転部材に対して前記ピッチ軸周りにスライド回転させることと、
    　前記第１駆動モータと前記第２駆動モータとを連動させて、前記ピッチ軸周りにおける前記球状体の位相を調整することと、
    　を有する複数方向駆動方法。
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