ロボットハンド等の関節機構
【課題】 関節軸の左右方向の寸法を増加させることなく、関節軸の駆動トルクを高めることのできるロボットハンド等に用いる関節機構を提案すること。
【解決手段】 関節機構１００は、ロボットハンドの多関節指ユニットの関節機構として用いることができ、垂直関節軸１０１の後側には、２台のアクチュエータ１１０、１２０が上下方向に並列配置され、それらの出力軸１１３および１２３の先端には第１、第２の駆動側ベベルギア１１４、１２４が同軸状態に連結固定されている。垂直関節軸１０１には同軸状態で第１、第２の従動側ベベルギア１４１、１４２が固着され、これらが第１、２の駆動側ベベルギア１１４、１２４に噛み合っている。２台のアクチュエータ１１０、１２０によって垂直関節軸１０１が回転駆動され、そこに連結されている旋回ブラケット１３０が左右に旋回する。
【解決手段】 関節機構１００は、ロボットハンドの多関節指ユニットの関節機構として用いることができ、垂直関節軸１０１の後側には、２台のアクチュエータ１１０、１２０が上下方向に並列配置され、それらの出力軸１１３および１２３の先端には第１、第２の駆動側ベベルギア１１４、１２４が同軸状態に連結固定されている。垂直関節軸１０１には同軸状態で第１、第２の従動側ベベルギア１４１、１４２が固着され、これらが第１、２の駆動側ベベルギア１１４、１２４に噛み合っている。２台のアクチュエータ１１０、１２０によって垂直関節軸１０１が回転駆動され、そこに連結されている旋回ブラケット１３０が左右に旋回する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速で正確に飛来物体などを掴むことができるロボットハンドの指ユニット等に用いる関節機構に関し、特に、関節軸に直交する方向の寸法を大きくすることなく、関節軸の駆動トルクを高めることのできる関節機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ロボットハンドに用いる指ユニットは一般に多関節構造とされている。多関節の指ユニットにより物体の把握、摘み、投擲動作を高速かつ確実に行い得るようにするために、各指関節を高精度で駆動可能な、小型かつ軽量で、しかも、高トルクのアクチュエータが求められる。このようなアクチュエータを構成するためには、指の寸法以内に収まる高速で、高瞬時最大トルクを発生可能なモータ、高減速比で極小背隙の減速機、及び精密エンコーダが必要になる。しかし、市場にはこの様なアクチュエータはもとより、この仕様を満たす構成要素となる関連製品も見当たらない。即ちサーボモータの瞬時最大出力トルクは不足しており、減速機は多段遊星の場合でも出力軸にて角１°もの大きな背隙が有り、エンコーダも適合する小径・軽量・高分解能の製品が見当たらない。
【０００３】
また、多関節指ユニットにおけるアクチュエータの回転出力軸から出力される回転を、これに直交する関節軸の回転運動に変換するために、従来技術として、ネジ及びラック・ピニオンの組み合せ、クランク機構、ウオームギヤ、ワイヤ及びシーブ方式等が有る。しかしながら、何れも関節部寸法並びに質量を過大にし、動作切り替え速度の不足を来す等の不具合がある。普通の傘歯車を用いる場合には、背隙及び円滑回転の点で問題がある。
【０００４】
本発明者等は、このような問題点を解消するためのロボットハンドの多関節指ユニットを下記特許文献１において提案している。図３、４は、この文献に開示されている多関節指ユニットを示す平面図および断面図である。これらの図に示すように、多関節指ユニット１は、取付用フランジ２と、この取付用フランジ２に取り付けられたアクチュエータ３と、このアクチュエータ３の回転出力軸４に連結された多関節の指本体ユニット５とを有しており、指本体ユニット５は、アクチュエータ３の回転出力軸４の前端に連結された指付け根側関節部６と、この指付け根側関節部６の前側に連結された指付け根部７と、この指付け根部７の先端に連結された指先側関節部８と、この指先側関節部８の前側に連結された指先部９から構成されている。
【０００５】
円柱形状のアクチュエータ３は前向き状態で、その前端部分が取付用フランジ２の円形開口枠部分２ａに固定されており、その前端面からは回転出力軸４が円形開口枠部分２ａを貫通して前方に突出している。この回転出力軸４の先端部には同軸状態に駆動側傘歯車１１が固定されている。
【０００６】
取付用フランジ２の前面の上下端からは、駆動側傘歯車１１の上側および下側位置を通って、一対の指付け根側軸受ハウジング２ｂ、２ｃが平行に張り出している。駆動側傘歯車１１よりも前方に突出しているこれら指付け根側軸受ハウジング２ｂ、２ｃの先端部分には、同軸位置となるようにそれぞれ上側ボールベアリング１２および下側ボールベアリング１３が取り付けられている。これらのボールベアリング１２、１３によって、上下の端が回転自在の状態で回転出力軸４の軸線方向に直交する方向、本例では垂直に指付け根側関節軸１４が支持されている。
【０００７】
この関節軸１４におけるその軸線方向の上側の外周面部分には同軸状態で従動側傘歯車１５が固定され、この従動側傘歯車１５が駆動側傘歯車１１に噛み合っている。関節軸１４における軸線方向の中央位置には、連結部材１６の円環状ボス１６ａが固定されている。連結部材１６は、円環状ボス１６ａと、この円環状ボス１６ａから前方に延びている首部分１６ｂと、この首部分１６ｂの先端から前方にコの字状に延びているフォーク部分１６ｃとを備えている。このフォーク部分１６ｃには円筒状の付け根側カバー１７が同軸状態に連結されている。
【０００８】
このように、アクチュエータ３の回転出力軸４の前端に連結された指付け根側関節部６が、取付用フランジ２に形成した上下の指付け根側ハウジング２ｂ、２ｃと、上下のボールベアリング１２、１３と、指付け根側関節軸１４と、指付け根側従動側傘歯車１５と、指付け根側連結部材１６とによって構成されている。また、指付け根部７が、指付け根側連結部材１６のフォーク部１６ｃに連結された円筒状の付け根側カバー１７によって形成されている。
【０００９】
次に、指付け根部７の先端に連結されている指先側関節部８および指先部９も、指付け根側関節部６および指付け根部７と同様な構造とされている。すなわち、付け根側カバー１７の中空部には同軸状態で第２のアクチュエータ２１が内蔵されており、このアクチュエータ２１の前端部分は回転自在の状態で同じく付け根側カバー１７の中空部に内蔵された円環状フランジ２２に支持されている。この円環状フランジ２２の外周面は付け根側カバー１７の内周面に固定されている。
【００１０】
アクチュエータ２１の回転出力軸２３は円環状フランジ２２の中空部分を通って同軸状態で前方に突出しており、その先端部には指先側駆動傘歯車２４が同軸状態に固定されている。円環状フランジ２２の前面の上下端からは、駆動側傘歯車２４の上側および下側位置を通って、一対の指先側軸受ハウジング２２ａ、２２ｂが平行に張り出している。駆動側傘歯車２４よりも前方に突出しているこれら指先側軸受ハウジング２２ａ、２２ｂの先端部分には、同軸位置となるようにそれぞれ上側ボールベアリング２５および下側ボールベアリング２６が取り付けられている。これらのボールベアリング２５、２６によって、上下の端が回転自在の状態で回転出力軸２３の軸線方向に直交する方向、本例では垂直に指先側関節軸２７が支持されている。
【００１１】
この関節軸２７におけるその軸線方向の上側の外周面部分には同軸状態で従動側傘歯車２８が固定され、この従動側傘歯車２８が駆動側傘歯車２４に噛み合っている。従動側傘歯車２８における軸線方向の中央位置には、指先側連結部材２９の円環状ボス２９ａが固定されている。連結部材２９は、円環状ボス２９ａと、この円環状ボス２９ａから前方に延びている首部分２９ｂと、この首部分２９ｂの先端から前方にコの字状に延びているフォーク部分２９ｃとを備えている。このフォーク部分２９ｃには先端が半球状に閉鎖された円筒状の指先側カバー３０が同軸状態に連結されている。
【００１２】
多関節指ユニット１では、回転出力軸４の回転が一対の傘歯車１１、１５を介して関節軸１４の回転運動に変換され、この関節軸１４に一端が固定されている連結部材１６が当該関節軸１４を中心として左右に９０°以上の角度まで旋回する。各関節部６、８を前後あるいは左右に９０°以上の角度で折り曲げ制御可能であり、様々な動作を可能とする軽量で、高速および高精度の人工指を実現できる。
【００１３】
アクチュエータ３、２１は、高密度巻線と高密度部品配置による高速・高最大トルク短時間定格のサーボモータと、高減速比（例えば１／５０〜１／１００）の短寸法・高トルク・低背隙のユニット型波動歯車装置と、小型・軽量・高速対応・高分解能エンコーダを備えた構成となっている。また、各傘歯車１１、１５、２４、２８として、極小背隙・無給油傘歯車をしている。このような傘歯車は、歯切り後に表面硬化処理を行ない、高精度傘歯車ラップ盤を用い無背隙状態にてラップ加工をし、更に歯面に固体潤滑剤を含浸処理し、無給油にて無背隙運転を可能としたものである。
【００１４】
各関節部に用いている傘歯車１１、１５および傘歯車２４、２８の無背隙運転構造は、スプリング板によって構成されている。例えば、指付け根側関節部６においては、その関節軸１４の上下端を回転自在に支持している上側ボールベアリング１２の上端面および下側ボールベアリング１３の下端面に、当該関節軸１４を傘歯車円錐中心方向に軸方向偏移量限定の軸方向推力を加えるスプリング板３１、３２を取り付けてある。同様に、指先側関節部８においても同様に機能するスプリング板３３、３４を取り付けてある。
【特許文献１】特開２００４−１２２３３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ここで、上記のようなロボットハンド等の関節機構において、関節軸のトルク向上を実現するための方法としては、アクチュエータを構成しているモータおよび減速機として、上のサイズ（型番）のものを用いる方法が一般的である。しかしながら、上の型番のモータおよび減速機は、通常、その外径寸法も大きい。このため、関節機構自体の寸法も必然的に大きくせざるを得ない。
【００１６】
関節機構の寸法が大きくなると、それが組みつけられているロボットハンドの指ユニットの太さあるいは厚みも増加してしまうので好ましくない。特に、関節機構における関節軸に直交する左右の幅方向のスペースに余裕がない場合がある。この場合には、関節軸の上下方向（軸線方向）の設置スペースに余裕があっても、幅方向の設置スペースの制約のために、大型のアクチュエータを用いることができず、要求される駆動トルクを得ることが困難である。
【００１７】
本発明の課題は、特に関節軸に直交する方向の寸法の増加を伴うことなく、関節軸の駆動トルクを高めることのできるロボットハンド等の関節機構を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の課題を解決するために、本発明のロボットハンド等の関節機構は、関節軸と、前記関節軸をその中心線回りに回転自在の状態で支持している支持部材と、前記関節軸に連結され、当該関節軸の回転に伴って前記中心線回りに旋回する旋回部材と、前記支持部材に取り付けられている少なくとも第１および第２のアクチュエータと、前記関節軸に同軸状態に固着されている少なくとも第１および第２の従動側傘歯車と、前記第１のアクチュエータの回転出力軸に同軸状態に連結され、前記第１の従動側傘歯車に噛み合っている第１の駆動側傘歯車と、前記第２のアクチュエータの回転出力軸に同軸状態に連結され、前記第２の従動側傘歯車に噛み合っている第２の駆動側傘歯車とを有しており、前記第１および第２のアクチュエータは、前記関節軸の中心線の方向に並列配置されていることを特徴としている。
【００１９】
本発明の典型的な構成においては、前記支持部材は、前記第１および第２のアクチュエータを取り付けるための取付枠と、この取付枠の両端から平行に延びている一対の支持腕とを備えている。また、各支持腕の先端部は、それぞれ、軸受を介して前記関節軸の両端部分を回転自在の状態で支持しており、前記関節軸における各軸受の内側に前記第１および第２の従動側傘歯車が固着されている。さらに、前記旋回部材は、前記関節軸における前記軸受間の中心部分に連結された連結腕を備えている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のロボットハンド等の関節機構では、傘歯車を用いて関節軸を回転駆動すると共に、関節軸の一方の側において、当該関節軸の中心線方向に沿って複数台のアクチュエータを並列配置し、それぞれのアクチュエータの回転力を、傘歯車からなる歯車列を介して、関節軸に伝達可能としてある。
【００２１】
したがって、双方のアクチュエータを同時に駆動することにより、関節軸の駆動トルクを高めることができる。また、複数台のアクチュエータは関節軸の方向に並列配置されているので、関節軸の方向には寸法が増加するものの、関節軸に直交する方向における寸法の増加がない。よって、関節機構の寸法をその幅方向に増加できない場合に極めて有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、図面を参照して本発明を適用したロボットハンド等の関節機構の例を説明する。
【００２３】
図１はロボットハンドの指ユニットの関節機構を示す平面図、正面図、および先端側から見た場合の端面図であり、図２は図１のａ−ａ線で切断した部分の断面図である。
【００２４】
本例の関節機構１００は、上下方向に延びる円筒状の垂直関節軸１０１を備え、この垂直関節軸１０１は支持ブラケット１０２によって回転自在の状態で支持されている。支持ブラケット１０２は、取付枠１０３と、この取付枠１０３の上下の部分から前方に水平に延びる上下一対の支持腕１０４、１０５とを備えている。これら支持腕１０４、１０５の先端部分に、軸受１０６、１０７が水平に取り付けられており、これらの軸受１０６、１０７を介して垂直関節軸１０１が回転自在の状態で支持されている。支持ブラケット１０２の取付枠１０３は、円形の第１および第２の取付部１０３Ａ、１０３Ｂが上下（垂直関節軸１０１の中心線１０１Ａの方向）に形成されている。上側の第１の取付部１０３Ａには、後側から第１のアクチュエータ１１０の前端部分が差し込まれて、ここに連結固定されている。下側の第２の取付部１０３Ｂには、後側から第２のアクチュエータ１２０の前端部分が差し込まれて、ここに連結固定されている。
【００２５】
垂直関節軸１０１には、その前側に位置する旋回ブラケット１３０が連結固定されている。旋回ブラケット１３０は、連結腕１３１と、この連結腕１３１の前端から上下に二又に分かれて平行に前方に延びている取付腕１３２、１３３とを備えている。連結腕１３１は、垂直関節軸１０１の上下の中心部分に連結固定されている。したがって、旋回ブラケット１３０は、垂直関節軸１０１がその中心線１０１Ａ回りに回転すると、それと一体となって左右に旋回する。
【００２６】
第１および第２のアクチュエータ１１０、１２０は、それらの軸線１１０Ａ、１２０Ａが垂直関節軸１０１の中心線１０１Ａから後方に向けて直交方向（水平方向）に延びるように、支持ブラケット１０２に取り付けられている。第１のアクチュエータ１１０は同軸状態に連結されたモータ１１１および減速機１１２を備え、減速機１１２の減速回転出力軸１１３が支持ブラケット１０２の第１の取付部１０３Ａから前方に突出しており、この先端に第１の駆動側ベベルギア１１４が同軸状態で連結固定されている。第２のアクチュエータ１２０も同一構成であり、同軸状態に連結されたモータ１２１および減速機１２２を備え、減速機１２２の減速回転出力軸１２３が支持ブラケット１０２の第２の取付部１０３Ｂから前方に突出しており、この先端に第２の駆動側ベベルギア１２４が同軸状態で連結固定されている。
【００２７】
垂直関節軸１０１には、その上下の軸受１０６、１０７の内側の部位に、それぞれ第１の従動側ベベルギア１４１および第２の従動側ベベルギア１４２が同軸状態で固着されている。第１の従動側ベベルギア１４１は第１の駆動側ベベルギア１１４に噛み合っており、第２の従動側ベベルギア１４２は第２の駆動側ベベルギア１２４に噛み合っている。
【００２８】
この構成の関節機構１００において、支持ブラケット１０２を固定し、この状態で、第１および第２のアクチュエータ１１０、１２０を回転駆動すると、双方のアクチュエータ１１０、１２０によって、垂直関節軸１０１を回転駆動させることができる。垂直関節軸１０１が回転すると、そこに連結固定されている旋回ブラケット１３が図の中立位置から左右に旋回する。
【００２９】
本例の関節機構１００は、例えば、図３、４に示すロボットハンドの指ユニット１における指先側関節部８に適用することができる。この場合には、指付け根部７に２台のアクチュエータ１１０、１２０が内蔵され、指先部９がこれら２台のアクチュエータ１１０、１２０によって旋回される。よって、図３、４に示すように１台のアクチュエータで指先部９を旋回させる場合に比べて、実質的に２倍の駆動トルクで指先部９を旋回させることが可能になる。また、関節軸の上下方向には関節機構の寸法が増加するものの、関節軸の左右方向の寸法増加がない。よって、本例の関節機構は、その左右方向の設置スペースに余裕の無い場合において、関節軸の駆動トルクを高めるために採用するのに適している。さらには、２台のアクチュエータが配置されているので、一方のアクチュエータ１１０あるいは１３０が故障した場合には、他方のアクチュエータによって、指先部９の駆動を確保できるように構成することも可能である。
【００３０】
なお、上記の例は２台のアクチュエータを備えた場合のものであるが、本発明の関節機構は、３台以上のアクチュエータを備えた場合にも適用可能である。また、本発明の関節機構を、図３、４に示す構造の多関節指ユニット以外の関節機構として用いることができることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明を適用した関節機構の平面図、正面図、および先端側の端面図である。
【図２】図１のａ−ａ線で切断した部分を示す断面図である。
【図３】多関節指ユニットの一例を示す平面図である。
【図４】図３の多関節指ユニットの縦断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１００ 関節機構
１０１ 垂直関節軸
１０１Ａ 中心線
１０１ａ、１０１ｂ 端部
１０２ 支持ブラケット
１０３ 取付枠
１０３Ａ 第１の取付部
１０３Ｂ 第２の取付部
１０４、１０５ 支持腕
１０６、１０７ 軸受
１１０ 第１のアクチュエータ
１２０ 第２のアクチュエータ
１１１、１２１ モータ
１１２、１２２ 減速機
１１３、１２３ 減速回転出力軸
１１４ 第１の駆動側ベベルギア
１２４ 第２の駆動側ベベルギア
１３０ 旋回ブラケット
１３１ 連結腕
１３２、１３３ 取付腕
１４１ 第１の従動側ベベルギア
１４２ 第２の従動側ベベルギア
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速で正確に飛来物体などを掴むことができるロボットハンドの指ユニット等に用いる関節機構に関し、特に、関節軸に直交する方向の寸法を大きくすることなく、関節軸の駆動トルクを高めることのできる関節機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ロボットハンドに用いる指ユニットは一般に多関節構造とされている。多関節の指ユニットにより物体の把握、摘み、投擲動作を高速かつ確実に行い得るようにするために、各指関節を高精度で駆動可能な、小型かつ軽量で、しかも、高トルクのアクチュエータが求められる。このようなアクチュエータを構成するためには、指の寸法以内に収まる高速で、高瞬時最大トルクを発生可能なモータ、高減速比で極小背隙の減速機、及び精密エンコーダが必要になる。しかし、市場にはこの様なアクチュエータはもとより、この仕様を満たす構成要素となる関連製品も見当たらない。即ちサーボモータの瞬時最大出力トルクは不足しており、減速機は多段遊星の場合でも出力軸にて角１°もの大きな背隙が有り、エンコーダも適合する小径・軽量・高分解能の製品が見当たらない。
【０００３】
また、多関節指ユニットにおけるアクチュエータの回転出力軸から出力される回転を、これに直交する関節軸の回転運動に変換するために、従来技術として、ネジ及びラック・ピニオンの組み合せ、クランク機構、ウオームギヤ、ワイヤ及びシーブ方式等が有る。しかしながら、何れも関節部寸法並びに質量を過大にし、動作切り替え速度の不足を来す等の不具合がある。普通の傘歯車を用いる場合には、背隙及び円滑回転の点で問題がある。
【０００４】
本発明者等は、このような問題点を解消するためのロボットハンドの多関節指ユニットを下記特許文献１において提案している。図３、４は、この文献に開示されている多関節指ユニットを示す平面図および断面図である。これらの図に示すように、多関節指ユニット１は、取付用フランジ２と、この取付用フランジ２に取り付けられたアクチュエータ３と、このアクチュエータ３の回転出力軸４に連結された多関節の指本体ユニット５とを有しており、指本体ユニット５は、アクチュエータ３の回転出力軸４の前端に連結された指付け根側関節部６と、この指付け根側関節部６の前側に連結された指付け根部７と、この指付け根部７の先端に連結された指先側関節部８と、この指先側関節部８の前側に連結された指先部９から構成されている。
【０００５】
円柱形状のアクチュエータ３は前向き状態で、その前端部分が取付用フランジ２の円形開口枠部分２ａに固定されており、その前端面からは回転出力軸４が円形開口枠部分２ａを貫通して前方に突出している。この回転出力軸４の先端部には同軸状態に駆動側傘歯車１１が固定されている。
【０００６】
取付用フランジ２の前面の上下端からは、駆動側傘歯車１１の上側および下側位置を通って、一対の指付け根側軸受ハウジング２ｂ、２ｃが平行に張り出している。駆動側傘歯車１１よりも前方に突出しているこれら指付け根側軸受ハウジング２ｂ、２ｃの先端部分には、同軸位置となるようにそれぞれ上側ボールベアリング１２および下側ボールベアリング１３が取り付けられている。これらのボールベアリング１２、１３によって、上下の端が回転自在の状態で回転出力軸４の軸線方向に直交する方向、本例では垂直に指付け根側関節軸１４が支持されている。
【０００７】
この関節軸１４におけるその軸線方向の上側の外周面部分には同軸状態で従動側傘歯車１５が固定され、この従動側傘歯車１５が駆動側傘歯車１１に噛み合っている。関節軸１４における軸線方向の中央位置には、連結部材１６の円環状ボス１６ａが固定されている。連結部材１６は、円環状ボス１６ａと、この円環状ボス１６ａから前方に延びている首部分１６ｂと、この首部分１６ｂの先端から前方にコの字状に延びているフォーク部分１６ｃとを備えている。このフォーク部分１６ｃには円筒状の付け根側カバー１７が同軸状態に連結されている。
【０００８】
このように、アクチュエータ３の回転出力軸４の前端に連結された指付け根側関節部６が、取付用フランジ２に形成した上下の指付け根側ハウジング２ｂ、２ｃと、上下のボールベアリング１２、１３と、指付け根側関節軸１４と、指付け根側従動側傘歯車１５と、指付け根側連結部材１６とによって構成されている。また、指付け根部７が、指付け根側連結部材１６のフォーク部１６ｃに連結された円筒状の付け根側カバー１７によって形成されている。
【０００９】
次に、指付け根部７の先端に連結されている指先側関節部８および指先部９も、指付け根側関節部６および指付け根部７と同様な構造とされている。すなわち、付け根側カバー１７の中空部には同軸状態で第２のアクチュエータ２１が内蔵されており、このアクチュエータ２１の前端部分は回転自在の状態で同じく付け根側カバー１７の中空部に内蔵された円環状フランジ２２に支持されている。この円環状フランジ２２の外周面は付け根側カバー１７の内周面に固定されている。
【００１０】
アクチュエータ２１の回転出力軸２３は円環状フランジ２２の中空部分を通って同軸状態で前方に突出しており、その先端部には指先側駆動傘歯車２４が同軸状態に固定されている。円環状フランジ２２の前面の上下端からは、駆動側傘歯車２４の上側および下側位置を通って、一対の指先側軸受ハウジング２２ａ、２２ｂが平行に張り出している。駆動側傘歯車２４よりも前方に突出しているこれら指先側軸受ハウジング２２ａ、２２ｂの先端部分には、同軸位置となるようにそれぞれ上側ボールベアリング２５および下側ボールベアリング２６が取り付けられている。これらのボールベアリング２５、２６によって、上下の端が回転自在の状態で回転出力軸２３の軸線方向に直交する方向、本例では垂直に指先側関節軸２７が支持されている。
【００１１】
この関節軸２７におけるその軸線方向の上側の外周面部分には同軸状態で従動側傘歯車２８が固定され、この従動側傘歯車２８が駆動側傘歯車２４に噛み合っている。従動側傘歯車２８における軸線方向の中央位置には、指先側連結部材２９の円環状ボス２９ａが固定されている。連結部材２９は、円環状ボス２９ａと、この円環状ボス２９ａから前方に延びている首部分２９ｂと、この首部分２９ｂの先端から前方にコの字状に延びているフォーク部分２９ｃとを備えている。このフォーク部分２９ｃには先端が半球状に閉鎖された円筒状の指先側カバー３０が同軸状態に連結されている。
【００１２】
多関節指ユニット１では、回転出力軸４の回転が一対の傘歯車１１、１５を介して関節軸１４の回転運動に変換され、この関節軸１４に一端が固定されている連結部材１６が当該関節軸１４を中心として左右に９０°以上の角度まで旋回する。各関節部６、８を前後あるいは左右に９０°以上の角度で折り曲げ制御可能であり、様々な動作を可能とする軽量で、高速および高精度の人工指を実現できる。
【００１３】
アクチュエータ３、２１は、高密度巻線と高密度部品配置による高速・高最大トルク短時間定格のサーボモータと、高減速比（例えば１／５０〜１／１００）の短寸法・高トルク・低背隙のユニット型波動歯車装置と、小型・軽量・高速対応・高分解能エンコーダを備えた構成となっている。また、各傘歯車１１、１５、２４、２８として、極小背隙・無給油傘歯車をしている。このような傘歯車は、歯切り後に表面硬化処理を行ない、高精度傘歯車ラップ盤を用い無背隙状態にてラップ加工をし、更に歯面に固体潤滑剤を含浸処理し、無給油にて無背隙運転を可能としたものである。
【００１４】
各関節部に用いている傘歯車１１、１５および傘歯車２４、２８の無背隙運転構造は、スプリング板によって構成されている。例えば、指付け根側関節部６においては、その関節軸１４の上下端を回転自在に支持している上側ボールベアリング１２の上端面および下側ボールベアリング１３の下端面に、当該関節軸１４を傘歯車円錐中心方向に軸方向偏移量限定の軸方向推力を加えるスプリング板３１、３２を取り付けてある。同様に、指先側関節部８においても同様に機能するスプリング板３３、３４を取り付けてある。
【特許文献１】特開２００４−１２２３３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ここで、上記のようなロボットハンド等の関節機構において、関節軸のトルク向上を実現するための方法としては、アクチュエータを構成しているモータおよび減速機として、上のサイズ（型番）のものを用いる方法が一般的である。しかしながら、上の型番のモータおよび減速機は、通常、その外径寸法も大きい。このため、関節機構自体の寸法も必然的に大きくせざるを得ない。
【００１６】
関節機構の寸法が大きくなると、それが組みつけられているロボットハンドの指ユニットの太さあるいは厚みも増加してしまうので好ましくない。特に、関節機構における関節軸に直交する左右の幅方向のスペースに余裕がない場合がある。この場合には、関節軸の上下方向（軸線方向）の設置スペースに余裕があっても、幅方向の設置スペースの制約のために、大型のアクチュエータを用いることができず、要求される駆動トルクを得ることが困難である。
【００１７】
本発明の課題は、特に関節軸に直交する方向の寸法の増加を伴うことなく、関節軸の駆動トルクを高めることのできるロボットハンド等の関節機構を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の課題を解決するために、本発明のロボットハンド等の関節機構は、関節軸と、前記関節軸をその中心線回りに回転自在の状態で支持している支持部材と、前記関節軸に連結され、当該関節軸の回転に伴って前記中心線回りに旋回する旋回部材と、前記支持部材に取り付けられている少なくとも第１および第２のアクチュエータと、前記関節軸に同軸状態に固着されている少なくとも第１および第２の従動側傘歯車と、前記第１のアクチュエータの回転出力軸に同軸状態に連結され、前記第１の従動側傘歯車に噛み合っている第１の駆動側傘歯車と、前記第２のアクチュエータの回転出力軸に同軸状態に連結され、前記第２の従動側傘歯車に噛み合っている第２の駆動側傘歯車とを有しており、前記第１および第２のアクチュエータは、前記関節軸の中心線の方向に並列配置されていることを特徴としている。
【００１９】
本発明の典型的な構成においては、前記支持部材は、前記第１および第２のアクチュエータを取り付けるための取付枠と、この取付枠の両端から平行に延びている一対の支持腕とを備えている。また、各支持腕の先端部は、それぞれ、軸受を介して前記関節軸の両端部分を回転自在の状態で支持しており、前記関節軸における各軸受の内側に前記第１および第２の従動側傘歯車が固着されている。さらに、前記旋回部材は、前記関節軸における前記軸受間の中心部分に連結された連結腕を備えている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のロボットハンド等の関節機構では、傘歯車を用いて関節軸を回転駆動すると共に、関節軸の一方の側において、当該関節軸の中心線方向に沿って複数台のアクチュエータを並列配置し、それぞれのアクチュエータの回転力を、傘歯車からなる歯車列を介して、関節軸に伝達可能としてある。
【００２１】
したがって、双方のアクチュエータを同時に駆動することにより、関節軸の駆動トルクを高めることができる。また、複数台のアクチュエータは関節軸の方向に並列配置されているので、関節軸の方向には寸法が増加するものの、関節軸に直交する方向における寸法の増加がない。よって、関節機構の寸法をその幅方向に増加できない場合に極めて有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、図面を参照して本発明を適用したロボットハンド等の関節機構の例を説明する。
【００２３】
図１はロボットハンドの指ユニットの関節機構を示す平面図、正面図、および先端側から見た場合の端面図であり、図２は図１のａ−ａ線で切断した部分の断面図である。
【００２４】
本例の関節機構１００は、上下方向に延びる円筒状の垂直関節軸１０１を備え、この垂直関節軸１０１は支持ブラケット１０２によって回転自在の状態で支持されている。支持ブラケット１０２は、取付枠１０３と、この取付枠１０３の上下の部分から前方に水平に延びる上下一対の支持腕１０４、１０５とを備えている。これら支持腕１０４、１０５の先端部分に、軸受１０６、１０７が水平に取り付けられており、これらの軸受１０６、１０７を介して垂直関節軸１０１が回転自在の状態で支持されている。支持ブラケット１０２の取付枠１０３は、円形の第１および第２の取付部１０３Ａ、１０３Ｂが上下（垂直関節軸１０１の中心線１０１Ａの方向）に形成されている。上側の第１の取付部１０３Ａには、後側から第１のアクチュエータ１１０の前端部分が差し込まれて、ここに連結固定されている。下側の第２の取付部１０３Ｂには、後側から第２のアクチュエータ１２０の前端部分が差し込まれて、ここに連結固定されている。
【００２５】
垂直関節軸１０１には、その前側に位置する旋回ブラケット１３０が連結固定されている。旋回ブラケット１３０は、連結腕１３１と、この連結腕１３１の前端から上下に二又に分かれて平行に前方に延びている取付腕１３２、１３３とを備えている。連結腕１３１は、垂直関節軸１０１の上下の中心部分に連結固定されている。したがって、旋回ブラケット１３０は、垂直関節軸１０１がその中心線１０１Ａ回りに回転すると、それと一体となって左右に旋回する。
【００２６】
第１および第２のアクチュエータ１１０、１２０は、それらの軸線１１０Ａ、１２０Ａが垂直関節軸１０１の中心線１０１Ａから後方に向けて直交方向（水平方向）に延びるように、支持ブラケット１０２に取り付けられている。第１のアクチュエータ１１０は同軸状態に連結されたモータ１１１および減速機１１２を備え、減速機１１２の減速回転出力軸１１３が支持ブラケット１０２の第１の取付部１０３Ａから前方に突出しており、この先端に第１の駆動側ベベルギア１１４が同軸状態で連結固定されている。第２のアクチュエータ１２０も同一構成であり、同軸状態に連結されたモータ１２１および減速機１２２を備え、減速機１２２の減速回転出力軸１２３が支持ブラケット１０２の第２の取付部１０３Ｂから前方に突出しており、この先端に第２の駆動側ベベルギア１２４が同軸状態で連結固定されている。
【００２７】
垂直関節軸１０１には、その上下の軸受１０６、１０７の内側の部位に、それぞれ第１の従動側ベベルギア１４１および第２の従動側ベベルギア１４２が同軸状態で固着されている。第１の従動側ベベルギア１４１は第１の駆動側ベベルギア１１４に噛み合っており、第２の従動側ベベルギア１４２は第２の駆動側ベベルギア１２４に噛み合っている。
【００２８】
この構成の関節機構１００において、支持ブラケット１０２を固定し、この状態で、第１および第２のアクチュエータ１１０、１２０を回転駆動すると、双方のアクチュエータ１１０、１２０によって、垂直関節軸１０１を回転駆動させることができる。垂直関節軸１０１が回転すると、そこに連結固定されている旋回ブラケット１３が図の中立位置から左右に旋回する。
【００２９】
本例の関節機構１００は、例えば、図３、４に示すロボットハンドの指ユニット１における指先側関節部８に適用することができる。この場合には、指付け根部７に２台のアクチュエータ１１０、１２０が内蔵され、指先部９がこれら２台のアクチュエータ１１０、１２０によって旋回される。よって、図３、４に示すように１台のアクチュエータで指先部９を旋回させる場合に比べて、実質的に２倍の駆動トルクで指先部９を旋回させることが可能になる。また、関節軸の上下方向には関節機構の寸法が増加するものの、関節軸の左右方向の寸法増加がない。よって、本例の関節機構は、その左右方向の設置スペースに余裕の無い場合において、関節軸の駆動トルクを高めるために採用するのに適している。さらには、２台のアクチュエータが配置されているので、一方のアクチュエータ１１０あるいは１３０が故障した場合には、他方のアクチュエータによって、指先部９の駆動を確保できるように構成することも可能である。
【００３０】
なお、上記の例は２台のアクチュエータを備えた場合のものであるが、本発明の関節機構は、３台以上のアクチュエータを備えた場合にも適用可能である。また、本発明の関節機構を、図３、４に示す構造の多関節指ユニット以外の関節機構として用いることができることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明を適用した関節機構の平面図、正面図、および先端側の端面図である。
【図２】図１のａ−ａ線で切断した部分を示す断面図である。
【図３】多関節指ユニットの一例を示す平面図である。
【図４】図３の多関節指ユニットの縦断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１００ 関節機構
１０１ 垂直関節軸
１０１Ａ 中心線
１０１ａ、１０１ｂ 端部
１０２ 支持ブラケット
１０３ 取付枠
１０３Ａ 第１の取付部
１０３Ｂ 第２の取付部
１０４、１０５ 支持腕
１０６、１０７ 軸受
１１０ 第１のアクチュエータ
１２０ 第２のアクチュエータ
１１１、１２１ モータ
１１２、１２２ 減速機
１１３、１２３ 減速回転出力軸
１１４ 第１の駆動側ベベルギア
１２４ 第２の駆動側ベベルギア
１３０ 旋回ブラケット
１３１ 連結腕
１３２、１３３ 取付腕
１４１ 第１の従動側ベベルギア
１４２ 第２の従動側ベベルギア
【特許請求の範囲】
【請求項１】
関節軸と、
前記関節軸をその中心線回りに回転自在の状態で支持している支持部材と、
前記関節軸に連結され、当該関節軸の回転に伴って前記中心線回りに旋回する旋回部材と、
前記支持部材に取り付けられている少なくとも第１および第２のアクチュエータと、
前記関節軸に同軸状態に固着されている少なくとも第１および第２の従動側傘歯車と、
前記第１のアクチュエータの回転出力軸に同軸状態に連結され、前記第１の従動側傘歯車に噛み合っている第１の駆動側傘歯車と、
前記第２のアクチュエータの回転出力軸に同軸状態に連結され、前記第２の従動側傘歯車に噛み合っている第２の駆動側傘歯車とを有し、
前記第１および第２のアクチュエータは、前記関節軸の前記中心線の方向に並列配置されているロボットハンド等の関節機構。
【請求項２】
請求項１において、
前記支持部材は、前記第１および第２のアクチュエータを取り付けるための取付枠と、この取付枠の両端から平行に延びている一対の支持腕とを備え、
各支持腕の先端部は、それぞれ、軸受を介して前記関節軸の両端部分を回転自在の状態で支持しており、
前記関節軸における各軸受の内側に前記第１および第２の従動側傘歯車が固着されており、
前記旋回部材は、前記関節軸における前記軸受間の中心部分に連結された連結腕を備えていることを特徴とするロボットハンド等の関節機構。
【請求項１】
関節軸と、
前記関節軸をその中心線回りに回転自在の状態で支持している支持部材と、
前記関節軸に連結され、当該関節軸の回転に伴って前記中心線回りに旋回する旋回部材と、
前記支持部材に取り付けられている少なくとも第１および第２のアクチュエータと、
前記関節軸に同軸状態に固着されている少なくとも第１および第２の従動側傘歯車と、
前記第１のアクチュエータの回転出力軸に同軸状態に連結され、前記第１の従動側傘歯車に噛み合っている第１の駆動側傘歯車と、
前記第２のアクチュエータの回転出力軸に同軸状態に連結され、前記第２の従動側傘歯車に噛み合っている第２の駆動側傘歯車とを有し、
前記第１および第２のアクチュエータは、前記関節軸の前記中心線の方向に並列配置されているロボットハンド等の関節機構。
【請求項２】
請求項１において、
前記支持部材は、前記第１および第２のアクチュエータを取り付けるための取付枠と、この取付枠の両端から平行に延びている一対の支持腕とを備え、
各支持腕の先端部は、それぞれ、軸受を介して前記関節軸の両端部分を回転自在の状態で支持しており、
前記関節軸における各軸受の内側に前記第１および第２の従動側傘歯車が固着されており、
前記旋回部材は、前記関節軸における前記軸受間の中心部分に連結された連結腕を備えていることを特徴とするロボットハンド等の関節機構。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−２６８０７（Ｐ２００６−２６８０７Ａ）
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２０９４５１（Ｐ２００４−２０９４５１）
【出願日】平成１６年７月１６日（２００４．７．１６）
【出願人】（３９００４００５１）株式会社ハーモニック・ドライブ・システムズ (91)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月１６日（２００４．７．１６）
【出願人】（３９００４００５１）株式会社ハーモニック・ドライブ・システムズ (91)
【Ｆターム（参考）】
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