WO2023084691A1 - 関節構造、ロボット及びロボットの関節構造 - Google Patents

関節構造、ロボット及びロボットの関節構造 Download PDF

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WO2023084691A1
WO2023084691A1 PCT/JP2021/041542 JP2021041542W WO2023084691A1 WO 2023084691 A1 WO2023084691 A1 WO 2023084691A1 JP 2021041542 W JP2021041542 W JP 2021041542W WO 2023084691 A1 WO2023084691 A1 WO 2023084691A1
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link
axis
motor
gear
joint structure
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PCT/JP2021/041542
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English (en)
French (fr)
Inventor
雄希 松尾
Original Assignee
東京ロボティクス株式会社
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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

Definitions

  • This invention relates to a joint structure or a robot with a joint structure.
  • this rotation may be simply referred to as bending
  • this rotation may be simply referred to as turning
  • This type of robot can perform various tasks by making the most of its degree of freedom.
  • Patent Document 1 discloses a wrist drive structure for an industrial robot capable of bending (pivoting about the second axis b) and turning (pivoting about the third axis c).
  • the present invention has been made in view of the above technical background, and its purpose is to reduce the size of a joint structure that can bend and turn.
  • the joint structure according to the present invention includes a first link, a second link supported by the first link so as to be rotatable about a first axis and bent with respect to the first link, and the first link.
  • a third link that is rotatably supported by the second link about a second axis that is substantially perpendicular to or parallel to the axis and pivots with respect to the second link; a first motor provided on the second link to effect rotation of the second link about the first axis; and a second motor provided on the second link to effect rotation of the third link about the second axis. and a motor, wherein the drive shaft of the second motor substantially coincides with the first shaft.
  • the second motor which is a part of the mechanism that causes the turning motion between the second link and the third link, is connected to the shaft that causes the bending motion between the first link and the second link. Since it is arranged substantially on the top, the arrangement including the motor is optimized. That is, it is possible to miniaturize the joint structure capable of bending and turning.
  • a second speed reducer provided on a power transmission path between the second motor and the third link to reduce the output of the second motor, the second speed reducer having three stages; It may include an orthogonal speed reducer.
  • the output of the second motor can be converted in the shortest time by the second speed reducer to the rotation about the second axis that causes turning, and a structure with few protrusions can be achieved. Therefore, it is possible to reduce the size of the speed reducer.
  • the orthogonal speed reducer may include at least a second hypoid mechanism consisting of a second pinion gear and a second ring gear.
  • the shortest distance between the extension line of the first axis and the extension line of the second axis may match the offset amount of the second pinion gear from the center of the second ring gear.
  • the range of motion of the joint structure can be secured by the offset.
  • the orthogonal speed reducer includes, in order, a first bevel gear mechanism including a pair of bevel gears, a second pinion gear and a second ring gear on a power transmission path from the second motor to the third link.
  • 2 hypoid gear mechanism and a second bevel gear mechanism including a pair of bevel gears.
  • the output of the second motor can be converted into rotation about the second shaft in the shortest possible time by the second speed reducer, and a structure with few projections can be achieved. It is possible to reduce the size of the joint structure. In addition, it is possible to provide a joint structure that ensures backdrivability, high torsional rigidity, and stable use in a wide temperature range.
  • a first speed reducer provided on a power transmission path between the first motor and the second link to reduce an output of the first motor, wherein the first speed reducer includes a first pinion. It may include a first hypoid mechanism consisting of a gear and a first ring gear.
  • the first reduction gear includes, on a power transmission path from the first motor to the second link, a first transmission mechanism that transmits an output of the first reduction gear, the first hypoid mechanism, and and a drive shaft of the first motor may be parallel to a central axis of rotation of the first pinion gear.
  • the drive shaft of the first motor which is a part of the mechanism that causes the bending motion between the first link and the second link, is parallel to the central axis of rotation of the first pinion gear. Therefore, the cross-section perpendicular to the first drive shaft or the central axis of rotation can be made small, and the size of the joint can be reduced.
  • the first transmission mechanism may be a pulley mechanism consisting of a pair of pulleys and a belt.
  • the drive shaft of the first motor can be converted parallel to the central axis of rotation of the first pinion gear, and power can be smoothly transmitted.
  • the first transmission mechanism may be a spur gear mechanism comprising a plurality of spur gears.
  • the drive shaft of the first motor can be converted parallel to the central axis of rotation of the first pinion gear, and power can be transmitted without concern about slippage or the like.
  • An encoder comprising an encoder disk and a reading board for reading the encoder disk, one of the encoder disk and the reading board being provided on the second motor and the other being provided on the first link. It may be something that can be
  • the encoder can be compactly arranged with a simple configuration by utilizing the fact that the drive shaft of the second motor substantially coincides with the first shaft.
  • the second link is configured to connect the first link via two rotation support members, which are formed by arranging a first rotation support member and a second rotation support member in parallel so that their central axes are common. It may be something that is supported to.
  • the second motor is arranged between the first rotation support member and the second rotation support member, and is on the drive shaft of the second motor, on the output shaft side of the second motor, and on the side of the output shaft of the second motor.
  • a first space is arranged on the rear side of the first rotating support member as viewed from the second motor, and on the other hand, on the drive shaft of the second motor and on the side opposite to the output shaft of the second motor.
  • a second space is disposed on the rear side of the second rotating support member as seen from the second motor, and the first space transmits driving force from the second motor to the third link.
  • a part of a mechanism may be arranged, and a driving substrate for driving the first motor and/or the second motor may be arranged in the second space.
  • Appearances of the first link, the second link and the third link may be configured symmetrically.
  • the joint structure can be applied to any pair of left and right joint structures.
  • the present invention viewed from another angle is a joint structure comprising: a first link; a link, and a third link supported by the second link so as to be rotatable about a second axis that is substantially perpendicular to or parallel to the first axis, and that rotates with respect to the second link.
  • a first motor provided in said first link for causing rotation of said second link about said first axis; and a first motor provided in said second link for rotating said third link about said second axis.
  • a first reduction gear provided on a power transmission path between the first motor and the second link to reduce the output of the first motor; and the second motor.
  • said first reducer comprises a first hypoid mechanism consisting of a first pinion gear and a first ring gear
  • said second reducer comprises a three-stage orthogonal reducer
  • said orthogonal reducer includes at least a second hypoid mechanism consisting of a second pinion gear and a second ring gear.
  • the present invention viewed from another angle is a robot, comprising: a first link; a third link that is rotatably supported by the second link about a second axis that is an axis that is substantially perpendicular to the first axis or an axis that is parallel to the first axis, and that rotates with respect to the second link; a first motor provided on the first link for causing rotation of the second link about the first axis; and a first motor provided on the second link for rotation of the third link about the second axis. and a second motor for providing a , wherein the drive axis of the second motor comprises an articulated structure generally coinciding with the first axis.
  • the present invention viewed from another angle is a joint structure for a robot, comprising: a first link; and a third link supported by the second link so as to be rotatable around a second axis which is an axis substantially orthogonal to the first axis or an axis parallel thereto, and pivots with respect to the second link.
  • a first motor provided on the first link to cause rotation of the second link about the first axis; and a motor provided on the second link for rotating the third link about the second axis.
  • a second motor for providing rotation of the second motor, the drive shaft of the second motor substantially coinciding with the first shaft.
  • FIG. 1 is an external perspective view of an elbow joint of a robot arm.
  • FIG. 2 is a see-through perspective view showing the internal configuration of the upper arm link.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the internal configuration of the upper arm link.
  • FIG. 4 is a principle diagram relating to transmission of rotational driving force from the first motor.
  • FIG. 5 is a see-through perspective view showing the internal configuration of the first forearm link.
  • FIG. 6 is a perspective view showing the internal configuration of the first forearm link.
  • FIG. 7 is a principle diagram relating to transmission of rotational driving force from the second motor.
  • FIG. 8 is a principle diagram of a joint structure that provides bending and turning.
  • FIG. 9 is a front view of the robot arm.
  • FIG. 1 is an external perspective view of an elbow joint of a robot arm.
  • FIG. 2 is a see-through perspective view showing the internal configuration of the upper arm link.
  • FIG. 4 is a principle diagram relating to transmission of rotational driving
  • FIG. 10 is a perspective view of the robot arm observed from the front.
  • FIG. 11 is a schematic side view of part of the internal configuration of the elbow of the robot arm.
  • FIG. 12 is a diagram showing a modification of the configuration related to transmission of the rotational driving force of the second motor.
  • bending refers to rotating about an axis (bending axis) that is orthogonal or substantially orthogonal to the longitudinal axis of the link or the axis extending from the base of the link to the tip.
  • turning means turning around the longitudinal axis of the link, the axis extending from the base of the link to the tip, or an axis parallel thereto.
  • Fig. 1 is an external perspective view of the elbow joint of the robot arm.
  • the elbow joint of the robot arm consists of an upper arm link 1 (or a first link) that forms a portion from the upper arm of a human arm to the center of the elbow.
  • a first forearm link 3 (or a second link) that constitutes a portion from the part corresponding to both sides of the elbow of the arm to the part corresponding to the forearm, and the tip of the first forearm link 3 arranged near the tip
  • It has a second forearm link 5 (or a third link) which provides a connection to other members at the joint.
  • a bending or turning motion is realized by rotating these relative to each other.
  • the lower end of the upper arm link 1 is provided with first forearm links 3 that are connected to both side surfaces thereof.
  • the upper arm link 1 and the first forearm link 3 rotate around the A1 axis drawn horizontally in the drawing, thereby realizing the bending motion of the robot arm.
  • a second forearm link 5 that rotates around an axis parallel to the longitudinal axis of the robot arm is provided at the lower end of the first forearm link 3 .
  • the first forearm link 3 and the second forearm link 5 rotate about the A2 axis drawn vertically in the drawing, thereby realizing the turning motion of the robot arm.
  • FIGS. 2 and 3 are diagrams explaining the configuration related to the rotation about the A1 axis, that is, the bending motion.
  • 2 is a see-through perspective view showing the internal structure of the upper arm link 1
  • FIG. 3 is a perspective view of the internal structure of the upper arm link 1. As shown in FIG.
  • a cylindrical motor cover 11 whose position is fixed by a motor support member 12 is arranged in the upper central portion of the upper arm link 1 .
  • a first motor 111 (not shown) and an encoder 112 (not shown) for detecting the rotation angle of the first motor 111 are arranged in the motor cover 11 .
  • An output shaft of the first motor 111 protrudes from the lower end of the motor cover 11 .
  • a first brake mechanism 14 for braking the rotation of the first motor 111 is arranged on the surface of the motor cover 11 opposite to the side where the output shaft of the first motor 111 protrudes.
  • the output shaft of the first motor 111 is coupled with the center of the first pulley 131 .
  • the first pulley 131 is coupled to a second pulley 133 via a belt 132, and rotation of the first pulley 131 is transmitted to the second pulley.
  • a first pinion gear 15 is connected to the center of the second pulley 133 in parallel with the output shaft of the first motor 111 and perpendicularly to the second pulley 133 .
  • the drive shaft of the first motor is parallel to the rotation center axis of the first pinion gear, so that the cross section orthogonal to the first drive shaft or the rotation center axis can be reduced. , joints can be miniaturized.
  • the output of the first motor 111 is transmitted by the pulley mechanism, but the present invention is not limited to such a configuration. Therefore, other configurations may be employed, such as, for example, a spur gear mechanism comprising a plurality of spur gears. A spur gear can transmit power without concern about slippage or the like.
  • the first pinion gear 15 is covered with a first pinion gear cover 161 and a second pinion gear cover 163 in order from the side closer to the second pulley 133 . These cover members are fixed relative to the holding member 162 .
  • Bearings 1611 and 1631 are arranged inside the first pinion gear cover and the second pinion gear cover 163, respectively, and support the rotation of the first pinion gear at two points.
  • the tip of the first pinion gear meshes with the first ring gear 17 that constitutes the first hypoid gear so that the rotation center axes are in a twisted positional relationship.
  • the ring gear can also be called a bevel gear, for example. Rotation of the first ring gear 17 realizes rotation of the first forearm link 3 with respect to the upper arm link 1, that is, bending of the robot arm.
  • hypoid gears since hypoid gears are used, it is possible to provide a joint structure that ensures backdrivability, high torsional rigidity, and stable use in a wide temperature range.
  • the first ring gear 17 is rotatably held on the inner peripheral side of a cross roller bearing 18 held by a ring-shaped bearing holding member 22 fixed to the upper arm link 1 .
  • An annular bearing 19 is arranged on the opposite side of the cross roller bearing 18 across the first pinion gear. The rotation of the first forearm link 3 with respect to the upper arm link 1 by the hypoid gear is supported by the cross roller bearing 18 and the bearing 19, that is, the bending motion is realized.
  • An encoder reading board 20 is fixed to the upper arm link 1 via a columnar member 21 . As will be described later, this encoder reading board 20 is used to detect the bending angle.
  • FIG. 4 is a principle diagram showing how the rotational driving force of the first motor 111 is transmitted to the first ring gear 17 that constitutes the first hypoid gear. Since this figure is a principle diagram, each configuration is shown in a simplified manner.
  • the tip of the output shaft of the first motor 111 is vertically connected to the center of the first pulley 131 .
  • a second pulley 133 is arranged parallel to the first pulley 131.
  • the first pulley 131 and the second pulley 133 are connected via a belt 132 , and the turning force is transmitted from the first pulley 131 to the second pulley 133 .
  • a first pinion gear 15 that constitutes a first hypoid gear is connected to the center of the second pulley 133 perpendicularly to the second pulley 133 .
  • the rotation of the first pinion gear 15 is supported by two bearings 1611 and 1631 .
  • the tip of the first pinion gear 15 meshes with the first ring gear 17 that constitutes the first hypoid gear.
  • the first ring gear 17 is supported by cross roller bearings 18 so as to rotate about the A1 axis (bending axis).
  • the first ring gear 17 is connected to a first annular member 31, which will be described later.
  • the first annular member 31 is moved to A1 It can be rotated around an axis.
  • 5 and 6 are explanatory diagrams of the configuration related to the turning motion by turning around the A2 axis.
  • 5 is a see-through perspective view showing the internal configuration of the first forearm link 3
  • FIG. 6 is a perspective view showing the internal configuration of the first forearm link 3. As shown in FIG.
  • a first annular member 31 and a second annular member 32 are arranged along the inner circumference of a pair of cylindrical portions provided on the upper side surface of the first forearm link 3, with their central axes They are arranged facing each other as common.
  • the first annular member 31 is coupled to the first ring gear 17 .
  • a second motor cover 35 is arranged between the first annular member 31 and the second annular member 32 so that its output shaft coincides with the annular centers of the first annular member 31 and the second annular member 32 .
  • the second motor cover 35 is fixed to the first annular member 31 and rotates together with the first annular member about the A1 axis.
  • the first annular member and the second annular member 32 are both fixed to the first forearm link 3 and rotate together about the A1 axis.
  • the first forearm link 3 supports the lower end of the upper arm link 1 with respect to the upper arm link 1 by the first annular member 31 and the second annular member 2 from both side surfaces, which is called a double-supported state. , the rigidity of the joint structure can be increased.
  • a link means a member that connects joints. Therefore, the structural members including the first annular member 31 and the second annular member 32 may be collectively referred to as the first forearm link 3 .
  • a second motor 351 is arranged inside the second motor cover 35 .
  • the output shaft of the second motor 351 protrudes from the first annular member 31 side, and a second brake mechanism 36 for braking rotation of the second motor 351 is provided on the surface opposite to the surface from which the output shaft protrudes. are placed.
  • a first bevel gear 39 is coupled to the tip of the output shaft of the second motor 351 .
  • the first bevel gear 39 is in mesh with the second bevel gear 40, the central axis of rotation of which is orthogonal.
  • the second bevel gear 40 is concentrically connected to the second pinion gear 41 that constitutes the second hypoid gear.
  • the upper end of the second pinion gear 41 is rotatably supported by a bearing 381 fixed to the first annular member 31 using a fixture 38.
  • a stepped portion 441 is provided as part of the shaft of the second pinion gear 41 directly below the second bevel gear 40 .
  • the second pinion gear penetrates the first annular member 31 from the inner peripheral side along the extension of the stepped portion 441 .
  • a bearing 382 (not shown) is arranged on the inner periphery of the through hole of the first annular member 31 to support rotation of the second pinion gear 41 . That is, the second pinion gear 41 is rotatably supported at two locations by two bearings 381 and 382 .
  • the tip of the second pinion gear 41 protruding from the outer circumference of the first annular member 31 meshes with the second ring gear 42 constituting the second hypoid gear so that the rotation center axes thereof are in a twisted positional relationship.
  • the ring gear can also be called a bevel gear, for example.
  • hypoid gears since hypoid gears are used, it is possible to provide a joint structure that ensures backdrivability, high torsional rigidity, and stable use in a wide temperature range.
  • a concentric cylindrical member 47 (not shown in the figure) is coupled to the surface of the second ring gear 42 opposite to the surface having the meshing portion with the second pinion gear 41 .
  • the cylindrical member 47 is supported for rotation by two bearings 471 and 472 .
  • a third bevel gear 43 is connected to the end of the cylindrical member 47 opposite to the end connected to the second ring gear 42 .
  • the third bevel gear 43 meshes with the fourth bevel gear 45 whose rotation center axis is perpendicular to the fourth bevel gear 45 and whose meshing surface faces upward.
  • a cylindrical member 48 is concentrically coupled to the surface of the fourth bevel gear 45 opposite to the meshing surface. Cylindrical member 48 is rotatably supported by cross roller bearing 46 fixed to first forearm link 3 .
  • the second forearm link 5 is connected to the end of the cylindrical member opposite to the end connected to the fourth bevel gear 45 .
  • an encoder is arranged between the first forearm link 3 and the second forearm link 5 to detect the rotation angle about the A2 axis.
  • FIG. 7 is a principle diagram of how the rotational driving force of the second motor 351 is transmitted to the second forearm link 5. As shown in FIG. Since this figure is a principle diagram, each configuration is shown in a simplified manner.
  • the tip of the output shaft of the second motor 351 is coupled with the first bevel gear 39 .
  • the first bevel gear 39 meshes with the second bevel gear arranged such that its rotation axis is orthogonal.
  • the second bevel gear 40 is fixed at an appropriate position near the center of a rod-shaped second pinion gear 41 which is annular. That is, when the second bevel gear 40 rotates, the second pinion gear 41 also rotates.
  • the rotation of the second pinion gear 41 is supported at two locations by two bearings 381 and 382 with the second bevel gear 40 interposed therebetween.
  • the tip of the second pinion gear 41 meshes with a second ring gear 42 that constitutes a second hypoid gear so that the rotation center axes thereof are in a torsion positional relationship.
  • a cylindrical member 47 is concentrically coupled to the surface of the second ring gear 42 opposite to the surface having the meshing portion with the second pinion gear 41 .
  • the cylindrical member 47 is rotatably supported by two bearings.
  • a third bevel gear 43 is connected to the end of the cylindrical member 47 opposite to the end connected to the second ring gear 42 .
  • the third bevel gear 43 meshes with the fourth bevel gear 45 whose rotation center axis is orthogonal and whose meshing surface faces upward in the figure.
  • a cylindrical member 48 is concentrically coupled to the surface of the fourth bevel gear 45 opposite to the meshing surface. Cylindrical member 48 is rotatably supported by cross roller bearing 46 fixed to first forearm link 3 .
  • the second forearm link 5 is connected to the end of the cylindrical member opposite to the end connected to the fourth bevel gear 45 .
  • the driving of the second motor 351 causes the engagement between the first bevel gear 39 and the second bevel gear 40, the engagement between the second pinion gear 41 and the second ring gear 42, and the engagement between the second pinion gear 41 and the second ring gear 42.
  • Rotation of the second forearm link 5 around the A2 axis perpendicular to the output shaft of the second motor 351 via a three-stage orthogonal reduction mechanism consisting of the meshing of the three bevel gears 43 and the fourth bevel gear 45. can be done.
  • Fig. 8 is a principle diagram relating to the configuration that causes the robot arm to bend and turn. Since this figure is a principle diagram, each configuration is shown in a simplified manner.
  • the drive shaft of the second motor 351 coincides with the rotation axis of the first forearm link 3 with respect to the upper arm link 1, that is, the A1 axis.
  • the second motor 351 which is a part of the mechanism that causes the turning motion between the first forearm link 3 and the second forearm link 5 , is connected between the upper arm link 1 and the first forearm link 3 .
  • the placement is optimized, including the motor, as it is placed approximately on the axis that provides the bending motion in between. As a result, a joint structure capable of bending and turning can be miniaturized.
  • An annular disk 202 that constitutes an encoder is attached to the surface of the second motor 351 opposite to the projecting surface of the output shaft.
  • an encoder reading board 20 is attached near the tip of the upper arm link 1 .
  • a reading element 201 is arranged on the encoder reading board 20 so as to face the disk 202 .
  • the reading element 201 reads the pattern on the disk 202, that is, the encoded information, thereby detecting the rotation angle of the second motor 351, that is, the bending angle.
  • the encoder can be compactly arranged with a simple configuration by utilizing the fact that the drive shaft of the second motor substantially coincides with the first shaft.
  • An annular disc 302 that constitutes an encoder is fixed to the lower end of the first forearm link 3 .
  • An encoder reading board 501 that constitutes an encoder is attached to the lower end of the second forearm link 5 .
  • a reading element 502 is arranged on the encoder reading board 20 so as to face the disk 302 .
  • the reading element 502 reads the pattern on the disk 302, that is, the encoded information, to detect the rotation angle of the first forearm link 3 with respect to the second forearm link 5, that is, the rotation angle.
  • the second motor 351 is driven on the rear side of the second annular member 32 on the extension line of the center line (A1 axis) on the side opposite to the surface from which the output shaft of the second motor 351 protrudes.
  • a driving substrate 37 is arranged.
  • FIG. 9 and 10 are views of the robot arm observed from the front direction.
  • 9 is a front view of the robot arm
  • FIG. 10 is a perspective view of the robot arm when viewed from the front.
  • the housing of the robot arm is constructed symmetrically.
  • the joint structure can be applied to any pair of left and right joint structures.
  • a first space 481 surrounded by the inner peripheral surfaces of the first annular member 31 and the first forearm link 3 is placed in front of and behind the drive shaft of the second motor 351 of the robot arm,
  • a second space 482 surrounded by the second annular member 32 and the inner peripheral surface of the first forearm link 3 is provided symmetrically.
  • a structure extending from the output shaft of the second motor 351 to the second pinion gear 41 is arranged in the first space 481 .
  • a drive substrate 37 for driving the second motor is arranged in the second space 482 .
  • FIG. 11 is a conceptual side view of part of the internal configuration of the elbow of the robot arm.
  • a second pinion gear 41 connected to the output shaft of a second motor 351 via a first bevel gear 39 and a second bevel gear 40 is depicted in the upper half of the figure.
  • a part of the configuration from the second ring gear 42 to the second forearm link 5 is drawn in the substantially lower half.
  • the second pinion gear 41 constituting the second hypoid gear is offset by a distance d from the center of the second ring gear 42 constituting the second hypoid gear when the robot arm is viewed from the side. are engaged.
  • This distance d matches the offset amount of the pinion gear shaft in the hypoid gear with respect to the center of the ring gear.
  • the orthogonal transformation using the first bevel gear 39 and the second bevel gear 40 the orthogonal transformation using the second pinion gear 41 and the second ring gear 42, the third bevel gear 43 and the second
  • the mechanism for transmitting the output of the second motor 351 on the bending axis to the turning axis orthogonal to the bending axis by means of the three orthogonal conversion mechanisms for orthogonal conversion using the four bevel gears 45 has been described, the present invention is not limited to such a mechanism.
  • the configuration is not limited to this configuration, and other configurations can be adopted.
  • FIG. 12 is a modification of the mechanism for transmitting the output of the second motor 351 to the second forearm link 5.
  • a third pulley 61 is provided at the tip of the output shaft of the second motor 351 .
  • the third pulley is coupled via a belt 63 to a fourth pulley 62 whose pivot axis is orthogonal, and the fourth pulley is coupled via a belt 65 to a fifth pulley 64 whose pivot axis is orthogonal.
  • rotation about the A1 axis is converted to rotation about the A2 axis via the three pulleys of the third pulley 61 to the fifth pulley 64 .
  • a speed reducer 66 is arranged between the fifth pulley 64 and the second forearm link 5 .
  • the speed reducer 66 for example, a strain wave gear, a planetary gear, or a combination thereof can be adopted. This speed reducer 66 provides the necessary speed reduction.
  • the present invention can be used in industries that manufacture robots and the like.

Abstract

第１リンクと、第１軸回りに回動可能に前記第１リンクに支持され、前記第１リンクに対して屈曲する、第２リンクと、前記第１軸に略直交する軸又はそれに平行な軸である第２軸回りに回動可能に前記第２リンクに支持され、前記第２リンクに対して旋回する、第３リンクと、前記第１リンクに設けられ、前記第２リンクの前記第１軸回りの回動をもたらす、第１モータと、前記第２リンクに設けられ、前記第３リンクの前記第２軸回りの回動をもたらす、第２モータと、を備え、前記第２モータの駆動軸は、前記第１軸と略一致する、関節構造が提供される。

Description

関節構造、ロボット及びロボットの関節構造
　この発明は、関節構造又は関節構造を備えたロボット等に関する。
　リンクの長手方向軸又はリンクの付け根から先端へと向かう軸に直交又は略直交する軸回りに回動し（以下、この回動を単に屈曲と称することがある）、かつ、リンクの長手方向軸又はリンクの付け根から先端へと向かう軸若しくはそれと平行な軸回りに回動する（以下、この回動を単に旋回と称することがある）関節構造を備えたロボットアーム等が知られている。この種のロボットによれば、その自由度を活かして様々な作業を行うことができる。
　例えば、特許文献１には、屈曲（第２軸線ｂ回りの枢動）と旋回（第３軸線ｃ回りの枢動）を行うことが可能な産業用ロボットの手首駆動構造が開示されている。
特許第４２３３５７８号公報
　しかしながら、特許文献１に例示される従前の関節構造においては、屈曲をもたらすモータと、旋回をもたらすモータとが、アーム基部側の一のリンク内に配置されていた。これにより、リンクの直径や長さを小型化することが困難であった。すなわち、モータ等のアクチュエータ配置も考慮すると、関節構造の小型化が十分になされているとは未だ言い難い。
　本発明は、上述の技術的背景に鑑みてなされたものであり、その目的は、屈曲と旋回が可能な関節構造を小型化することにある。
　上述の技術的課題は、以下の構成を有する関節構造等により解決することができる。
　すなわち、本発明に係る関節構造は、第１リンクと、第１軸回りに回動可能に前記第１リンクに支持され、前記第１リンクに対して屈曲する、第２リンクと、前記第１軸に略直交する軸又はそれに平行な軸である第２軸回りに回動可能に前記第２リンクに支持され、前記第２リンクに対して旋回する、第３リンクと、前記第１リンクに設けられ、前記第２リンクの前記第１軸回りの回動をもたらす、第１モータと、前記第２リンクに設けられ、前記第３リンクの前記第２軸回りの回動をもたらす、第２モータと、を備え、前記第２モータの駆動軸は、前記第１軸と略一致する。
　このような構成によれば、第２リンクと第３リンクとの間に旋回動作をもたらす機構の一部である第２モータを、第１リンクと第２リンクとの間に屈曲動作をもたらす軸上に略配置するので、モータも含めて配置が最適化される。すなわち、屈曲と旋回が可能な関節構造を小型化することができる。
　前記第２モータと前記第３リンクとの間の動力伝達経路上に設けられ、前記第２モータの出力を減速する、第２減速機を、さらに含み、前記第２減速機は、３段の直交減速機を含む、ものであってもよい。
　このような構成によれば、第２減速機により、第２モータの出力を旋回をもたらす第２軸回りの回動へと最短で変換することができると共に、突起の少ない構造とすることができるので、減速機の小型化を図ることができる。
　前記直交減速機は、少なくとも、第２ピニオンギアと第２リングギアとから成る第２ハイポイド機構を含む、ものであってもよい。
　このような構成によれば、バックドライバビリティの確保、高いねじり剛性、及び、広い温度域での安定的な使用を実現する関節構造を提供することができる。
　前記第１軸の延長線と前記第２軸の延長線との間の最短距離は、前記第２ピニオンギアの前記第２リングギア中心からのオフセット量と一致する、ものであってもよい。
　このような構成によれば、オフセットにより関節構造の可動域を確保することができる。
　前記直交減速機は、前記第２モータから前記第３リンクへと至る動力伝達経路上において、順に、一対の傘歯車を含む第１傘歯車機構、第２ピニオンギアと第２リングギアから成る第２ハイポイドギア機構、及び、一対の傘歯車を含む第２傘歯車機構を含む、ものであってもよい。
　このような構成によれば、第２減速機により、第２モータの出力を第２軸回りの回動へと最短で変換することができ、また、突起の少ない構造とすることができるので、関節構造の小型化を図ることができる。また、バックドライバビリティの確保、高いねじり剛性、及び、広い温度域での安定的な使用を実現する関節構造を提供することができる。
　前記第１モータと前記第２リンクとの間の動力伝達経路上に設けられ、前記第１モータの出力を減速する、第１減速機を、さらに含み、前記第１減速機は、第１ピニオンギアと第１リングギアとから成る第１ハイポイド機構を含む、ものであってもよい。
　このような構成によれば、バックドライバビリティの確保、高いねじり剛性、及び、広い温度域での安定的な使用を実現する関節構造を提供することができる。
　前記第１減速機は、前記第１モータから前記第２リンクへと至る動力伝達経路上において、順に、前記第１減速機の出力を伝達する第１伝達機構と、前記第１ハイポイド機構と、を含み、前記第１モータの駆動軸は、前記第１ピニオンギアの回動中心軸と平行である、ものであってもよい。
　このような構成によれば、第１リンクと第２リンクとの間に屈曲動作をもたらす機構の一部である第１モータの駆動軸が前記第１ピニオンギアの回動中心軸と平行となるので、第１駆動軸又は回動中心軸に直交する断面を小さくすることができ、関節を小型化することができる。
　前記第１伝達機構は、一対のプーリとベルトから成るプーリ機構であってもよい。
　このような構成によれば、第１モータの駆動軸を第１ピニオンギアの回動中心軸へと平行に変換することができると共に、滑らかに動力を伝達することができる。
　前記第１伝達機構は、複数の平歯車から成る平歯車機構であってもよい。
　このような構成によれば、第１モータの駆動軸を第１ピニオンギアの回動中心軸へと平行に変換することができると共に、動力をすべり等の懸念なく伝達することができる。
　エンコーダディスクと、前記エンコーダディスクを読み取る読取基板と、から成るエンコーダをさらに備え、前記エンコーダディスクと前記読取基板のうちの一方は、前記第２モータに設けられ、他方は、前記第１リンクに設けられる、ものであってもよい。
　このような構成によれば、前記第２モータの駆動軸が前記第１軸と略一致することを利用して、単純な構成でエンコーダをコンパクトに配置することができる。
　前記第２リンクは、第１回動支持部材と第２回動支持部材をそれらの中心軸を共通にするように平行に配置して成る２つの回動支持部材を介して、前記第１リンクへと支持されている、ものであってもよい。
　このような構成によれば、関節構造の剛性を高めることができる。
　前記第２モータは、前記第１回動支持部材と前記第２回動支持部材との間に配置され、前記第２モータの駆動軸上であって、前記第２モータの出力軸側かつ前記第１回動支持部材より前記第２モータから見て背面側には第１空間が配置され、一方、前記第２モータの駆動軸上であって、前記第２モータの出力軸とは反対側かつ前記第２回動支持部材より前記第２モータから見て背面側には第２空間が配置され、前記第１空間には、前記第２モータから前記第３リンクへと駆動力を伝達する機構の一部が配置され、前記第２空間には、前記第１モータ及び／又は前記第２モータを駆動する駆動基板が配置される、ものであってもよい。
　このような構成によれば、第２モータの駆動軸上の前後空間に必要な部材をコンパクトに配置することができる。これにより、関節構造の小型化を図ることができる。
　前記第１リンク、前記第２リンク及び前記第３リンクの外観は、左右対称に構成されている、ものであってもよい。
　このような構成によれば、関節構造を左右一対となるいずれの関節構造に対しても適用することができる。
　別の角度から見た本発明は、関節構造であって、第１リンクと、第１軸回りに回動可能に前記第１リンクに支持され、前記第１リンクに対して屈曲する、第２リンクと、前記第１軸に略直交する軸又はそれと平行な軸である第２軸回りに回動可能に前記第２リンクに支持され、前記第２リンクに対して旋回する、第３リンクと、前記第１リンクに設けられ、前記第２リンクの前記第１軸回りの回動をもたらす、第１モータと、前記第２リンクに設けられ、前記第３リンクの前記第２軸回りの回動をもたらす、第２モータと、前記第１モータと前記第２リンクとの間の動力伝達経路上に設けられ、前記第１モータの出力を減速する、第１減速機と、前記第２モータと前記第３リンクとの間の動力伝達経路上に設けられ、前記第２モータの出力を減速する、第２減速機と、を備え、前記第２モータの駆動軸は、前記第１軸と略一致し、前記第１減速機は、第１ピニオンギアと第１リングギアとから成る第１ハイポイド機構を含み、前記第２減速機は、３段の直交減速機を含み、前記直交減速機は、少なくとも、第２ピニオンギアと第２リングギアとから成る第２ハイポイド機構を含むものである。
　このような構成によれば、小型であって、バックドライバビリティの確保、高いねじり剛性、及び、広い温度域での安定的な使用を実現する関節構造を提供することができる。
　別の角度から見た本発明は、ロボットであって、第１リンクと、第１軸回りに回動可能に前記第１リンクに支持され、前記第１リンクに対して屈曲する、第２リンクと、前記第１軸に略直交する軸又はそれに平行な軸である第２軸回りに回動可能に前記第２リンクに支持され、前記第２リンクに対して旋回する、第３リンクと、前記第１リンクに設けられ、前記第２リンクの前記第１軸回りの回動をもたらす、第１モータと、前記第２リンクに設けられ、前記第３リンクの前記第２軸回りの回動をもたらす、第２モータと、を備え、前記第２モータの駆動軸は、前記第１軸と略一致する、関節構造を備えている。
　別の角度から見た本発明は、ロボットの関節構造であって、第１リンクと、第１軸回りに回動可能に前記第１リンクに支持され、前記第１リンクに対して屈曲する、第２リンクと、前記第１軸に略直交する軸又はそれに平行な軸である第２軸回りに回動可能に前記第２リンクに支持され、前記第２リンクに対して旋回する、第３リンクと、前記第１リンクに設けられ、前記第２リンクの前記第１軸回りの回動をもたらす、第１モータと、前記第２リンクに設けられ、前記第３リンクの前記第２軸回りの回動をもたらす、第２モータと、を備え、前記第２モータの駆動軸は、前記第１軸と略一致する、ものである。
　本発明によれば、屈曲と旋回が可能な関節構造を小型化することができる。
図１は、ロボットアームの肘関節の外観斜視図である。 図２は、上腕リンクの内部構成を示す透過斜視図である。 図３は、上腕リンクの内部構成を示す斜視図である。 図４は、第１モータからの回動駆動力の伝達に係る原理図である。 図５は、第１前腕リンクの内部構成を示す透過斜視図である。 図６は、第１前腕リンクの内部構成を示す斜視図である。 図７は、第２モータからの回動駆動力の伝達に係る原理図である。 図８は、屈曲と旋回をもたらす関節構造に係る原理図である。 図９は、ロボットアームの正面図である。 図１０は、ロボットアームを正面から観察した透視図である。 図１１は、ロボットアームの肘部に係る内部構成の一部を側面から見た概念図である。 図１２は、第２モータの回動駆動力の伝達に係る構成の変形例について示す図である。
　以下、本発明の好適な実施の形態について添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。
　（１．第１の実施形態）
  第１の実施形態として、本発明に係る関節構造を人型ロボットの左右一対のアームの肘関節に対して適用した例について説明する。なお、本発明に係る関節構造は、屈曲と旋回を要するあらゆる関節に対して適用することができる。従って、肘関節以外の関節、例えば、ロボットの肩、腰等に係る関節に対しても適用できる。
　なお、本実施形態において、屈曲とは、リンクの長手方向軸又はリンクの付け根から先端へと向かう軸に直交又は略直交する軸（屈曲軸）回りに回動することを言う。また、旋回とは、リンクの長手方向軸又はリンクの付け根から先端へと向かう軸若しくはそれと平行な軸回りに回動することを言う。
　図１は、ロボットアームの肘関節の外観斜視図である。同図から明らかな通り、本実施形態において、ロボットアームの肘関節は、人間の腕の上腕に相当する部分から肘の中心部にかけての部分を構成する上腕リンク１（又は第１リンク）、人間の腕の肘の両側面に相当する部分から前腕に相当する部分にかけての部分を構成する第１前腕リンク３（又は第２リンク）、及び、第１前腕リンク３の先端近傍に配置されその先端部において他の部材への接続部を提供する第２前腕リンク５（又は第３リンク）を備えている。これらが相対的に回動することにより、屈曲又は旋回動作が実現される。
　より詳細には、上腕リンク１の下端には、その両側面に両持ちで接続される第１前腕リンク３が設けられている。これら上腕リンク１と第１前腕リンク３が、図中において水平に描かれるＡ１軸周りに回動することにより、ロボットアームの屈曲動作が実現される。
　第１前腕リンク３の下端には、ロボットアームの長手方向軸と平行な軸回りに回動する第２前腕リンク５が設けられている。これら第１前腕リンク３と第２前腕リンク５とが図中において垂直に描かれるＡ２軸回りに回動することにより、ロボットアームの旋回動作が実現される。
　図２及び図３は、Ａ１軸回りの回動、すなわち、屈曲動作に係る構成について説明する図である。図２は、上腕リンク１の内部構成を示す透過斜視図であり、図３は、上腕リンク１の内部構成の斜視図である。
　これらの図から明らかな通り、上腕リンク１の中央上部には、モータ支持部材１２によりその位置を固定された円筒状のモータカバー１１が配置されている。同モータカバー１１内には、図示しない第１モータ１１１と、第１モータ１１１の回動角度を検出する図示しないエンコーダ１１２が配置されている。また、モータカバー１１の下端からは第１モータ１１１の出力軸が突出している。
　モータカバー１１の第１モータ１１１の出力軸が突出した側とは反対側の面には、第１モータ１１１の回動を制動する第１ブレーキ機構１４が配置されている。
　第１モータ１１１の出力軸は、第１プーリ１３１の中心と結合している。第１プーリ１３１は、ベルト１３２を介して第２プーリ１３３と結合され、第１プーリ１３１の回動は第２プーリへと伝達される。
　第２プーリ１３３の中心部には、第１モータ１１１の出力軸と平行であって、第２プーリ１３３に対して垂直に、第１ピニオンギア１５が結合されている。
　このような構成によれば、第１モータの駆動軸が前記第１ピニオンギアの回動中心軸と平行となるので、第１駆動軸又は回動中心軸に直交する断面を小さくすることができ、関節を小型化することができる。
　なお、本実施形態においては、第１モータ１１１の出力をプーリ機構により伝達する構成としたが本発明はこのような構成に限定されない。従って、例えば、複数の平歯車から成る平歯車機構等、他の構成を採用することもできる。平歯車によれば、すべり等の懸念なく動力を伝達することができる。
　第１ピニオンギア１５は、第２プーリ１３３から近い側から順に、第１ピニオンギアカバー１６１と第２ピニオンギアカバー１６３により被覆されている。これらのカバー部材は、保持部材１６２に対して固定されている。
　第１ピニオンギアカバーと、第２ピニオンギアカバー１６３の内部には、それぞれベアリング１６１１、１６３１が配置されており、第１ピニオンギアの回動を２箇所で支持している。
　第１ピニオンギアの先端は、互いの回動中心軸がねじれの位置関係となるように、第１ハイポイドギアを構成する第１リングギア１７と噛合している。なお、リングギアは、例えば、ベベルギアと呼び変えることもできる。この第１リングギア１７の回動により、上腕リンク１に対する第１前腕リンク３の回動、すなわち、ロボットアームの屈曲が実現される。
　このような構成によれば、ハイポイドギアが利用されることから、バックドライバビリティの確保、高いねじり剛性、及び、広い温度域での安定的な使用を実現する関節構造を提供することができる。
　第１リングギア１７は、上腕リンク１に固定されたリング状のベアリング保持部材２２に保持されたクロスローラベアリング１８の内周側に回動自在に保持されている。
　また、クロスローラベアリング１８から第１ピニオンギアを挟んで反対側には、環状のベアリング１９が配置されている。これらクロスローラベアリング１８とベアリング１９によりハイポイドギアによる上腕リンク１に対する第１前腕リンク３の回動が支持され、すなわち、屈曲動作が実現される。
　なお、上腕リンク１には、柱状部材２１を介してエンコーダ読取基板２０が固定されている。後述するように、このエンコーダ読取基板２０を利用して、屈曲角度の検出が行われる。
　図４は、第１モータ１１１による回動駆動力が第１ハイポイドギアを構成する第１リングギア１７へと伝達されるまでの原理図である。同図は原理図であるため各構成は簡略化して示されている。
　同図から明らかな通り、第１モータ１１１の出力軸の先端は、第１プーリ１３１の中心部と垂直に結合されている。
　第１プーリ１３１の隣りには、第１プーリ１３１と平行に第２プーリ１３３が配置されている。第１プーリ１３１と第２プーリ１３３とは、ベルト１３２を介して連結されており、第１プーリ１３１から第２プーリ１３３へと回動力が伝達される。
　第２プーリ１３３の中心部には、第２プーリ１３３に対して垂直に、第１ハイポイドギアを構成する第１ピニオンギア１５が結合されている。第１ピニオンギア１５は、その回動を２つのベアリング１６１１、１６３１により支持されている。
　第１ピニオンギア１５の先端部は、第１ハイポイドギアを構成する第１リングギア１７と噛合している。第１リングギア１７は、Ａ１軸（屈曲軸）回りに回動するようクロスローラベアリング１８に支持されている。なお、第１リングギア１７は、後述の第１環状部材３１に結合されている。
　すなわち、以上の構成により、第１モータ１１１の駆動により、減速機構、換言すれば、一対のプーリ機構１３１～１３３及び第１ハイポイドギアの２つの直交変換機構を介して、第１環状部材３１をＡ１軸周りに回動させることができる。
　図５及び図６は、Ａ２軸回りの回動による旋回動作に係る構成の説明図である。図５は、第１前腕リンク３の内部構成を示す透過斜視図であり、図６は、第１前腕リンク３の内部構成を示す斜視図である。
　これらの図から明らかな通り、第１前腕リンク３の上部側面に設けられた一対の円筒部の内周に沿うように、第１環状部材３１と、第２環状部材３２が、その中心軸を共通として対向して配置されている。なお、上述の通り、第１環状部材３１は、第１リングギア１７と結合されている。
　第１環状部材３１と第２環状部材３２の間には、その出力軸が第１環状部材３１及び第２環状部材３２の円環中心と一致するように、第２モータカバー３５が配置されている。第２モータカバー３５は、第１環状部材３１に対して固定され、Ａ１軸を中心として第１環状部材と共に回動する。また、第１環状部材と第２環状部材３２とは、共に第１前腕リンク３に対して固定され、Ａ１軸回りに共に回動する。
　このような構成によれば、第１前腕リンク３が、上腕リンク１に対して、上腕リンク１の下端を第１環状部材３１と第２環状部材２で両側面から支持する所謂両持ちの状態で連結しているので、関節構造の剛性を高めることができる。
　なお、本実施形態において、リンクとは関節同士を連結する部材を言う。従って、第１環状部材３１や第２環状部材３２を含む構造部材を併せて、第１前腕リンク３と称してもよい。
　第２モータカバー３５の内部には、第２モータ３５１が配置されている。第２モータ３５１の出力軸は、第１環状部材３１の側から突出し、出力軸が突出する面とは反対側の面には、第２モータ３５１の回動を制動する第２ブレーキ機構３６が配置されている。
　第２モータ３５１の出力軸の先端部には、第１傘歯車３９が結合されている。第１傘歯車３９は、その回動中心軸が直交する第２傘歯車４０と噛合している。なお、第２傘歯車４０は、第２ハイポイドギアを構成する第２ピニオンギア４１と同心となるように結合されている。
　第２ピニオンギア４１の上端は、固定具３８を用いて第１環状部材３１へと固定されたベアリング３８１により、回動可能に支持されている。
　第２傘歯車４０の直下には、第２ピニオンギア４１のシャフトの一部として段部４４１が設けられている。第２ピニオンギアは、段部４４１の延長において第１環状部材３１をその内周側から貫通している。第１環状部材３１の貫通孔内周には、図示しないベアリング３８２が配置されており、第２ピニオンギア４１の回動を支持している。すなわち、第２ピニオンギア４１は、２つのベアリング３８１、３８２により２箇所で回動可能に支持されている。
　第１環状部材３１の外周から突出した第２ピニオンギア４１の先端部は、互いの回動中心軸がねじれの位置関係となるように、第２ハイポイドギアを構成する第２リングギア４２と噛合している。なお、リングギアは、例えば、ベベルギアと呼び変えることもできる。
　このような構成によれば、ハイポイドギアが利用されることから、バックドライバビリティの確保、高いねじり剛性、及び、広い温度域での安定的な使用を実現する関節構造を提供することができる。
　第２リングギア４２の有する面のうち第２ピニオンギア４１との噛合部を有する面とは反対側の面には、同図においては図示しない同心の円筒状部材４７が結合されている。円筒状部材４７は、２つのベアリング４７１、４７２によりその回動を支持されている。円筒状部材４７の第２リングギア４２との結合端とは反対側の端部には、第３傘歯車４３が連結されている。
　第３傘歯車４３は、その回動中心軸が直交し、噛合面を上方に向けた第４傘歯車４５と噛合する。
　第４傘歯車４５の有する面のうち噛合面とは反対側の面には、同心に円筒状部材４８が結合されている。円筒状部材４８は、第１前腕リンク３に固定されたクロスローラベアリング４６により回動可能に支持されている。
　円筒状部材の第４傘歯車４５との結合端とは反対側の端部には、第２前腕リンク５が結合されている。
　なお、同図において不図示ではあるものの、第１前腕リンク３と第２前腕リンク５との間にはエンコーダが配置され、Ａ２軸回りの回動角度が検出される。
　図７は、第２モータ３５１による回動駆動力が第２前腕リンク５へと伝達されるまでの原理図である。同図は原理図であるため各構成は簡略化して示されている。
　同図から明らかな通り、第２モータ３５１の出力軸の先端は、第１傘歯車３９と結合されている。第１傘歯車３９は、その回動軸が直交するように配置された第２傘歯車と噛合する。第２傘歯車４０は、環状に構成され棒状の第２ピニオンギア４１の中央付近の適当な位置に固定されている。すなわち、第２傘歯車４０の回動により第２ピニオンギア４１も回動することとなる。
　第２ピニオンギア４１は、第２傘歯車４０を挟んで２つのベアリング３８１、３８２により、２箇所で回動を支持されている。第２ピニオンギア４１の先端部は、互いの回動中心軸がねじれの位置関係となるように、第２ハイポイドギアを構成する第２リングギア４２と噛合している。
　第２リングギア４２の有する面のうち第２ピニオンギア４１との噛合部を有する面とは反対側の面には、同心となるように円筒状部材４７が結合されている。円筒状部材４７は、２つのベアリングによりその回動を支持されている。円筒状部材４７の第２リングギア４２との結合端とは反対側の端部には、第３傘歯車４３が連結されている。
　第３傘歯車４３は、その回動中心軸が直交し、噛合面を同図において上方に向けた第４傘歯車４５と噛合する。
　第４傘歯車４５の有する面のうち噛合面とは反対側の面には、同心に円筒状部材４８が結合されている。円筒状部材４８は、第１前腕リンク３に固定されたクロスローラベアリング４６により回動可能に支持されている。
　円筒状部材の第４傘歯車４５との結合端とは反対側の端部には、第２前腕リンク５が結合されている。
　すなわち、以上の構成によれば、第２モータ３５１の駆動により、第１傘歯車３９と第２傘歯車４０との噛合、第２ピニオンギア４１と第２リングギア４２との噛合、及び、第３傘歯車４３と第４傘歯車４５との噛合から成る３段の直交減速機構を介して、第２前腕リンク５を、第２モータ３５１の出力軸と直交するＡ２軸周りに回動させることができる。
　また、このような減速機構により、第２モータの出力を第２軸回りの回動へと最短で変換することができ、また、突起の少ない構造とすることができるので、関節構造の小型化を図ることができる。
　図８は、ロボットアームに屈曲と旋回をもたらす構成に係る原理図である。同図は原理図であるため各構成は簡略化して示されている。
　各モータ１１１、３５１から各部材へと動力を伝達する経路に関しては、図１～７において既に説明を行ったため、詳細な説明を省略する。
　同図から明らかな通り、第２モータ３５１の駆動軸は、上腕リンク１に対する第１前腕リンク３の回動軸、すなわち、Ａ１軸と一致している。
　このような構成によれば、第１前腕リンク３と第２前腕リンク５との間に旋回動作をもたらす機構の一部である第２モータ３５１を、上腕リンク１と第１前腕リンク３との間に屈曲動作をもたらす軸上に略配置するので、モータも含めて配置が最適化される。これにより、屈曲と旋回が可能な関節構造を小型化することができる。
　第２モータ３５１の出力軸の突出する面とは反対側の面には、エンコーダを構成する環状のディスク２０２が取り付けられている。一方、上腕リンク１の先端付近には、エンコーダ読取基板２０が取り付けられている。エンコーダ読取基板２０上には、ディスク２０２と対向するように読取素子２０１が配置されている。この読取素子２０１がディスク２０２上のパターン、すなわち、エンコードされた情報を読み取ることにより、第２モータ３５１の回動角度、すなわち、屈曲角度が検出される。
　このような構成によれば、前記第２モータの駆動軸が前記第１軸と略一致することを利用して、単純な構成でエンコーダをコンパクトに配置することができる。
　第１前腕リンク３の下端には、エンコーダを構成する環状のディスク３０２が固定されている。また、第２前腕リンク５の下端には、エンコーダを構成するエンコーダ読取基板５０１が取り付けられている。エンコーダ読取基板２０上には、ディスク３０２と対向するように読取素子５０２が配置されている。この読取素子５０２がディスク３０２上のパターン、すなわち、エンコードされた情報を読み取ることにより、第１前腕リンク３に対する第２前腕リンク５に対する回動角度、すなわち、旋回角度が検出される。
　なお、第２モータ３５１の出力軸の突出する面とは反対側の面側の中心線（Ａ１軸）の延長線上であって第２環状部材３２の背面側には、第２モータ３５１を駆動する駆動基板３７が配置されている。
　図９及び図１０は、ロボットアームを正面方向から観察した図である。図９は、ロボットアームの正面図、図１０は、ロボットアームを正面から観察したときの透視図である。
　これらの図から明らかな通り、ロボットアームの筐体は左右対称に構成されている。
　このような構成によれば、関節構造を左右一対となるいずれの関節構造に対しても適用することができる。
　また、同図から明らかな通り、ロボットアームの第２モータ３５１の駆動軸上の前後には、第１環状部材３１と第１前腕リンク３の内周面に囲まれた第１空間４８１と、第２環状部材３２と第１前腕リンク３の内周面に囲まれた第２空間４８２が左右対称に設けられている。
　第１空間４８１には、第２モータ３５１の出力軸から第２ピニオンギア４１へと至る構成が配置されている。第２空間４８２には、第２モータを駆動するための駆動基板３７が配置されている。
　このような構成によれば、必要な機構を収容しつつも、左右対称の関節構造を提供することができる。
　図１１は、ロボットアームの肘部に係る内部構成の一部を側面から見た概念図である。同図の略上半分には、第１傘歯車３９及び第２傘歯車４０を介して第２モータ３５１の出力軸に連結された第２ピニオンギア４１が描かれている。また略下半分には、第２リングギア４２から第２前腕リンク５へと至る構成の一部が描かれている。
　同図から明らかな通り、第２ハイポイドギアを構成する第２ピニオンギア４１は、ロボットアームを側面から観測したときに、第２ハイポイドギアを構成する第２リングギア４２の中心から距離ｄだけオフセットされて噛合している。この距離ｄは、ハイポイドギアにおけるピニオンギア軸のリングギア中心に対するオフセット量と一致する。これにより、ロボットアームを側面から観測したときに、屈曲軸であるＡ１軸と、旋回軸であるＡ２軸との間も、距離ｄだけオフセットされて配置されることとなる。
　このような構成によれば、屈曲軸と旋回軸との間にオフセットが存在しない構成に比べて、関節可動域をより確保することができる。
　（２．変形例）
  本発明は、上述の実施形態に限定されず、様々に変形して実施することができる。
　上述の実施形態においては、第１傘歯車３９及び第２傘歯車４０を用いた直交変換、第２ピニオンギア４１及び第２リングギア４２を用いた直交変換、並びに、第３傘歯車４３及び第４傘歯車４５を用いた直交変換の３つの直交変換機構により、屈曲軸上の第２モータ３５１の出力を屈曲軸に直交する旋回軸へと伝達する機構について説明したが、本発明はそのような構成に限定されず、他の構成を採用することができる。
　図１２は、第２モータ３５１の出力を第２前腕リンク５へと伝達する機構に関する変形例である。同図から明らかな通り、第２モータ３５１の出力軸の先端部には、第３プーリ６１が設けられている。第３プーリは、その回動軸が直交する第４プーリ６２へとベルト６３を介して結合され、第４プーリは、その回動軸が直交する第５プーリ６４とベルト６５を介して結合されている。すなわち、Ａ１軸回りの回動は、第３プーリ６１～第５プーリ６４の３つのプーリを介して、Ａ２軸回りへの回動へと変換される。
　この変換後、第５プーリ６４と第２前腕リンク５との間には、減速機６６が配置されている。減速機６６としては、例えば、波動歯車や遊星歯車又はこれらの組み合わせ等を採用することができる。この減速機６６により必要な減速が行われる。
　このような構成によれば、予め回動軸の方向を変換した後に、まとめて減速を行うことができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。また、上記の実施形態は、矛盾が生じない範囲で適宜組み合わせ可能である。
　本発明は、ロボット等を製造する産業において利用可能である。
　１　上腕リンク
　１１　第１モータカバー
　１３１　第１プーリ
　１３２　ベルト
　１３３　第２プーリ
　１５　第１ピニオンギア
　１７　第１リングギア
　３　第１前腕リンク
　３１　第１環状部材
　３２　第２環状部材
　３５　第２モータカバー
　３９　第１傘歯車
　４０　第２傘歯車
　４１　第２ピニオンギア
　４２　第２リングギア
　４３　第３傘歯車
　４５　第４傘歯車
　５　第２前腕リンク

Claims (16)

  1. 　第１リンクと、
    　第１軸回りに回動可能に前記第１リンクに支持され、前記第１リンクに対して屈曲する、第２リンクと、
    　前記第１軸に略直交する軸又はそれに平行な軸である第２軸回りに回動可能に前記第２リンクに支持され、前記第２リンクに対して旋回する、第３リンクと、
    　前記第１リンクに設けられ、前記第２リンクの前記第１軸回りの回動をもたらす、第１モータと、
    　前記第２リンクに設けられ、前記第３リンクの前記第２軸回りの回動をもたらす、第２モータと、を備え、
    　前記第２モータの駆動軸は、前記第１軸と略一致する、関節構造。
  2. 　前記第２モータと前記第３リンクとの間の動力伝達経路上に設けられ、前記第２モータの出力を減速する、第２減速機を、さらに含み、
    　前記第２減速機は、３段の直交減速機を含む、請求項１に記載の関節構造。
  3. 　前記直交減速機は、少なくとも、第２ピニオンギアと第２リングギアとから成る第２ハイポイド機構を含む、請求項２に記載の関節構造。
  4. 　前記第１軸の延長線と前記第２軸の延長線との間の最短距離は、前記第２ピニオンギアの前記第２リングギア中心からのオフセット量と一致する、請求項３に記載の関節構造。
  5. 　前記直交減速機は、前記第２モータから前記第３リンクへと至る動力伝達経路上において、順に、一対の傘歯車を含む第１傘歯車機構、第２ピニオンギアと第２リングギアから成る第２ハイポイドギア機構、及び、一対の傘歯車を含む第２傘歯車機構を含む、請求項２に記載の関節構造。
  6. 　前記第１モータと前記第２リンクとの間の動力伝達経路上に設けられ、前記第１モータの出力を減速する、第１減速機を、さらに含み、
    　前記第１減速機は、第１ピニオンギアと第１リングギアとから成る第１ハイポイド機構を含む、請求項１～５に記載の関節構造。
  7. 　前記第１減速機は、前記第１モータから前記第２リンクへと至る動力伝達経路上において、順に、前記第１減速機の出力を伝達する第１伝達機構と、前記第１ハイポイド機構と、を含み、
    　前記第１モータの駆動軸は、前記第１ピニオンギアの回動中心軸と平行である、請求項６に記載の関節構造。
  8. 　前記第１伝達機構は、一対のプーリとベルトから成るプーリ機構である、請求項７に記載の関節構造。
  9. 　前記第１伝達機構は、複数の平歯車から成る平歯車機構である、請求項７に記載の関節構造。
  10. 　エンコーダディスクと、前記エンコーダディスクを読み取る読取基板と、から成るエンコーダをさらに備え、
    　前記エンコーダディスクと前記読取基板のうちの一方は、前記第２モータに設けられ、他方は、前記第１リンクに設けられる、請求項１～９に記載の関節構造。
  11. 　前記第２リンクは、第１回動支持部材と第２回動支持部材をそれらの中心軸を共通にするように平行に配置して成る２つの回動支持部材を介して、前記第１リンクへと支持されている、請求項１～１０に記載の関節構造。
  12. 　前記第２モータは、前記第１回動支持部材と前記第２回動支持部材との間に配置され、
    　前記第２モータの駆動軸上であって、前記第２モータの出力軸側かつ前記第１回動支持部材より前記第２モータから見て背面側には第１空間が配置され、一方、前記第２モータの駆動軸上であって、前記第２モータの出力軸とは反対側かつ前記第２回動支持部材より前記第２モータから見て背面側には第２空間が配置され、
    　前記第１空間には、前記第２モータから前記第３リンクへと駆動力を伝達する機構の一部が配置され、前記第２空間には、前記第１モータ及び／又は前記第２モータを駆動する駆動基板が配置される、請求項１１に記載の関節構造。
  13. 　前記第１リンク、前記第２リンク及び前記第３リンクの外観は、左右対称に構成されている、請求項１２に記載の関節構造。
  14. 　第１リンクと、
    　第１軸回りに回動可能に前記第１リンクに支持され、前記第１リンクに対して屈曲する、第２リンクと、
    　前記第１軸に略直交する軸又はそれと平行な軸である第２軸回りに回動可能に前記第２リンクに支持され、前記第２リンクに対して旋回する、第３リンクと、
    　前記第１リンクに設けられ、前記第２リンクの前記第１軸回りの回動をもたらす、第１モータと、
    　前記第２リンクに設けられ、前記第３リンクの前記第２軸回りの回動をもたらす、第２モータと、
    　前記第１モータと前記第２リンクとの間の動力伝達経路上に設けられ、前記第１モータの出力を減速する、第１減速機と、
    　前記第２モータと前記第３リンクとの間の動力伝達経路上に設けられ、前記第２モータの出力を減速する、第２減速機と、を備え、
    　前記第２モータの駆動軸は、前記第１軸と略一致し、
    　前記第１減速機は、第１ピニオンギアと第１リングギアとから成る第１ハイポイド機構を含み、
    　前記第２減速機は、３段の直交減速機を含み、
    　前記直交減速機は、少なくとも、第２ピニオンギアと第２リングギアとから成る第２ハイポイド機構を含む、関節構造。
  15. 　第１リンクと、
    　第１軸回りに回動可能に前記第１リンクに支持され、前記第１リンクに対して屈曲する、第２リンクと、
    　前記第１軸に略直交する軸又はそれに平行な軸である第２軸回りに回動可能に前記第２リンクに支持され、前記第２リンクに対して旋回する、第３リンクと、
    　前記第１リンクに設けられ、前記第２リンクの前記第１軸回りの回動をもたらす、第１モータと、
    　前記第２リンクに設けられ、前記第３リンクの前記第２軸回りの回動をもたらす、第２モータと、を備え、
    　前記第２モータの駆動軸は、前記第１軸と略一致する、関節構造を備えたロボット。
  16. 　第１リンクと、
    　第１軸回りに回動可能に前記第１リンクに支持され、前記第１リンクに対して屈曲する、第２リンクと、
    　前記第１軸に略直交する軸又はそれに平行な軸である第２軸回りに回動可能に前記第２リンクに支持され、前記第２リンクに対して旋回する、第３リンクと、
    　前記第１リンクに設けられ、前記第２リンクの前記第１軸回りの回動をもたらす、第１モータと、
    　前記第２リンクに設けられ、前記第３リンクの前記第２軸回りの回動をもたらす、第２モータと、を備え、
    　前記第２モータの駆動軸は、前記第１軸と略一致する、ロボットの関節構造。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003113930A (ja) * 2001-10-05 2003-04-18 Sumitomo Heavy Ind Ltd 直交歯車減速機のオイル供給構造
JP2018015836A (ja) * 2016-07-27 2018-02-01 キヤノン株式会社 駆動機構及びロボット
JP2018036230A (ja) * 2016-09-02 2018-03-08 株式会社デンソーウェーブ たわみ角検出装置
JP2021094612A (ja) * 2019-12-13 2021-06-24 ファナック株式会社 ロボットの関節構造

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003113930A (ja) * 2001-10-05 2003-04-18 Sumitomo Heavy Ind Ltd 直交歯車減速機のオイル供給構造
JP2018015836A (ja) * 2016-07-27 2018-02-01 キヤノン株式会社 駆動機構及びロボット
JP2018036230A (ja) * 2016-09-02 2018-03-08 株式会社デンソーウェーブ たわみ角検出装置
JP2021094612A (ja) * 2019-12-13 2021-06-24 ファナック株式会社 ロボットの関節構造

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