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Specification :(In Japanese)3自由度能動回転関節

Country (In Japanese)日本国特許庁(JP)
Gazette (In Japanese)特許公報(B2)
Patent Number P4411437
Publication number P2006-226458A
Date of registration Nov 27, 2009
Date of issue Feb 10, 2010
Date of publication of application Aug 31, 2006
Title of the invention, or title of the device (In Japanese)3自由度能動回転関節
IPC (International Patent Classification) B25J  17/00        (2006.01)
FI (File Index) B25J 17/00 K
Number of claims or invention 4
Total pages 12
Application Number P2005-042690
Date of filing Feb 18, 2005
Date of request for substantive examination Apr 12, 2007
Patentee, or owner of utility model right (In Japanese)【識別番号】504258527
【氏名又は名称】国立大学法人 鹿児島大学
Inventor, or creator of device (In Japanese)【氏名】余 永
【氏名】小久保 省志
【氏名】辻尾 昇三
Representative (In Japanese)【識別番号】100090273、【弁理士】、【氏名又は名称】國分 孝悦
Examiner (In Japanese)【審査官】松浦 陽
Document or reference (In Japanese)特公昭51-046357(JP,B1)
特開平05-038685(JP,A)
特開昭61-228158(JP,A)
特開平08-057783(JP,A)
Field of search B25J 1/00-21/02
Scope of claims (In Japanese)【請求項1】
一対のリンク間に設けられる3自由度能動回転関節であって、
出力軸が直交3軸の原点を指向するように相互に直交配置されたX軸用、Y軸用、Z軸用の回転アクチュエータと、
前記X軸用、Y軸用、Z軸用の回転アクチュエータの出力軸に結合する回転体と、
前記X軸用、Y軸用、Z軸用の回転アクチュエータを、それ自身の軸線まわりの回転を規制するとともに、他の直交2軸まわりの回動を許容するように支持する支持体と、
前記X軸用、Y軸用、Z軸用の回転アクチュエータのうちいずれか1つの回転アクチュエータに設けられ、その回転アクチュエータの出力軸とは逆向きに出力軸が指向する第4の回転アクチュエータとを備え、
前記一対のリンクのうち、一方のリンクを前記第4の回転アクチュエータの出力軸に固定し、他方のリンクを前記支持体に固定したことを特徴とする3自由度能動回転関節。
【請求項2】
前記回転体は回転球であることを特徴とする請求項1に記載の3自由度能動回転関節。
【請求項3】
前記支持体は、前記回転球を任意の方向に回転可能に支持する内層部と、前記X軸用、Y軸用、Z軸用の回転アクチュエータを、それ自身の軸線まわりの回転を規制するとともに、他の直交2軸まわりの回動を許容するように支持する外層部とを有することを特徴とする請求項2に記載の3自由度能動回転関節。
【請求項4】
前記支持体は、前記X軸用、Y軸用、Z軸用の回転アクチュエータを、それ自身の軸線まわりの回転を規制するとともに、他の直交2軸まわりのうち一方向への回動を許容するようにそれぞれ支持する可動体を含み、前記各可動体が前記他の直交2軸まわりのうち他方向へ移動可能となっていることを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の3自由度能動回転関節。
Detailed description of the invention (In Japanese)【技術分野】
【0001】
本発明は、2リンク間において3自由度方向の任意な回転相対運動を可能とする3自由度能動回転関節に関する。
【背景技術】
【0002】
近年では、様々な分野、例えば医療分野にまでロボット技術が応用されている。ロボットでは、人間の手、足、頭等の機能に似た働きをさせる必要があり、3自由度能動回転可能な関節が要求される。
【0003】
一般的に、物体が互いに直交する3軸まわりに同時に回転することができる場合、物体が回転3自由度を持つという。例えば図12に示すように、人間の首は前後及び左右への動き、左右への回転を行うことができ、3自由度を持つ。
【0004】
2つのリンクを継ぐ関節によって、2リンク間において3自由度方向の任意な回転相対運動が可能となる場合、この関節を3自由度回転関節という。特に、アクチュエータで能動的に動作することのできるものを能動関節、駆動力を発生することのできないものを受動関節という。
【0005】
3自由度回転関節としては、3自由度受動回転可能な球関節(特許文献1等を参照)や、3自由度能動回転可能なパラレルメカニズムがある。パラレルメカニズムとは、図13に示すように、ベースから最終出力であるエンドプレートまでが複数のリンクで並列に連結されている機構をいい、例えばStewart Platform型(図13(a))、Hexa型(図13(b))、直動固定型(図13(c))等が知られている。
【0006】

【特許文献1】特開平8-240442号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、パラレルメカニズムでは、高い剛性が得られる等の利点もあるが、各自由度方向への一様な運動ができない、構造が複雑である等の点が指摘されている。
【0008】
本発明は上記のような点に鑑みてなされたものであり、各自由度方向への一様な運動が可能であり、球関節に近いシンプルな構造を有する3自由度能動回転関節を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明による3自由度能動回転関節は、一対のリンク間に設けられる3自由度能動回転関節であって、出力軸が直交3軸の原点を指向するように相互に直交配置されたX軸用、Y軸用、Z軸用の回転アクチュエータと、前記X軸用、Y軸用、Z軸用の回転アクチュエータの出力軸に結合する回転体と、前記X軸用、Y軸用、Z軸用の回転アクチュエータを、それ自身の軸線まわりの回転を規制するとともに、他の直交2軸まわりの回動を許容するように支持する支持体と、前記X軸用、Y軸用、Z軸用の回転アクチュエータのうちいずれか1つの回転アクチュエータに設けられ、その回転アクチュエータの出力軸とは逆向きに出力軸が指向する第4の回転アクチュエータとを備え、前記一対のリンクのうち、一方のリンクを前記第4の回転アクチュエータの出力軸に固定し、他方のリンクを前記支持体に固定した点に特徴を有する。
また、本発明による3自由度能動回転関節の他の特徴とするところは、前記回転体は回転球である点、さらには、前記支持体は、前記回転球を任意の方向に回転可能に支持する内層部と、前記X軸用、Y軸用、Z軸用の回転アクチュエータを、それ自身の軸線まわりの回転を規制するとともに、他の直交2軸まわりの回動を許容するように支持する外層部を有する点にある。
また、本発明による3自由度能動回転関節の他の特徴とするところは、前記支持体は、前記X軸用、Y軸用、Z軸用の回転アクチュエータを、それ自身の軸線まわりの回転を規制するとともに、他の直交2軸まわりのうち一方向への回動を許容するようにそれぞれ支持する可動体を含み、前記各可動体が前記他の直交2軸まわりのうち他方向へ移動可能となっている点にある。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、第4の回転アクチュエータが設けられた回転アクチュエータの回転軸と第4の回転アクチュエータの回転軸との回転を同回転にし、他の2つの回転アクチュエータとの三者の間でそれぞれ独立的に回転させれば、各自由度方向への一様な運動が可能となる。また、球関節に近い構造を有し、シンプルな構造の3自由度能動回転関節を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態の3自由度能動回転関節を示す斜視図である。また、図2は図1のx方向から見た図、図3は図1のy方向から見た図、図4は図1のz方向から見た図、図5は図2のV-V線に沿う一部断面図である。
【0012】
本実施形態の3自由度能動回転関節は、一対のリンク50a、50b間に設けられるものであって、回転球10、X軸用モータ20x、Y軸用モータ20y、Z軸用モータ20z、支持体30、第4のモータ40等により構成される。
【0013】
X軸用モータ20x、Y軸用モータ20y、Z軸用モータ20zは、図6に示すように、それらの出力軸21x、21y、21zが直交3軸の原点を指向するように相互に直交配置される。これらモータ20x、20y、20zとしては、例えば減速歯車を一体に組み合わせたギアドモータとその回転角や回転速度を測定するエンコーダとが用いられる。なお、X軸用モータ20x、Y軸用モータ20y、Z軸用モータ20zが本発明でいうX軸用の回転アクチュエータ、Y軸用の回転アクチュエータ、Z軸用の回転アクチュエータに相当するものである。
【0014】
回転球10は、図6に示すように、その中心が直交3軸の原点に一致するように配置される。図5に示すように、回転球10には相互に直交配置された貫通穴11x、11y、11zが形成されており、各貫通穴11x、11y、11zの一端に拡径部12x、12y、12zが形成される(なお、貫通穴11y及び拡径部12yは図5に表れない)。
【0015】
そして、X軸用モータ20x、Y軸用モータ20y、Z軸用モータ20zのモータ本体22x、22y、22zが拡径部12x、12y、12zにそれぞれ相対回転可能に挿入されるとともに、出力軸21x、21y、21zが各貫通穴11x、11y、11zを介して回転球10に結合する。この場合に、具体的には図示しないが、各出力軸21x、21y、21zに複数条のキー溝を切ったり、径方向にピンを突出させたりし、それらを貫通穴11x、11y、11zに係合させることにより、各出力軸21x、21y、21zの回転力が回転体10に伝えられるようにする。
【0016】
支持体30は、図1に示すように、回転球10と同心球となる中空の球形状を呈する外層部31と、同じく回転球10と同心球となる中空の球形状を呈し、回転球10を任意の方向に回転可能に支持する球面滑り軸受として機能する内層部32とにより構成され、これら外層部31及び内層部32が対称的に配置された8本の連結部33を介して一体化される。
【0017】
外層部31には、図2~4に示すように、X軸用モータ20xまわり、Y軸用モータ20yまわり、Z軸用モータ20zまわりにそれぞれ略四辺形の穴34x、34y、34zが形成される。
【0018】
この場合に、X軸用モータ20xまわりの穴34xではZ軸を挟んで対向する2辺35x間の距離が一定に保たれるようになっている(図2を参照)。同様に、Y軸用モータ20yまわりの穴34yではX軸を挟んで対向する2辺間35yの距離が一定に保たれ(図3を参照)、Z軸用モータ20zまわりの穴34zではY軸を挟んで対向する2辺35z間の距離が一定に保たれる(図4を参照)。すなわち、対向する2辺35x(35y、35z)が、地球でいう緯線に相当する関係を有するようになっている。
【0019】
また、外層部31は、X軸用モータ20xのモータ本体22xの後端を支持する可動体36xと、Y軸用モータ20yのモータ本体22yの後端を支持する可動体36yと、Z軸用モータ20zのモータ本体22zの後端を支持する可動体36zとを含む。
【0020】
X軸用モータ20xを支持する可動体36xに注目して説明すると、可動体36xは、外層部31と同じ曲率で両端部が下がるように湾曲する長板からなり、その長手方向に沿って長穴37xが形成される。また、モータ本体22xの後端面にはコロ38が2つ配設され、これらコロ38が横並びとなるように長穴37xに組み入れられる。長穴37xはコロ38の直径と同程度の幅を有するものである。これにより、X軸用モータ20xのモータ本体22xが回転不能に支持されるとともに、X軸用モータ20xがZ軸まわりに回動するのが許容される。すなわち、可動体36xは、X軸用モータ20xを、それ自身の軸線まわりの回転を規制するとともに、他の直交2軸まわりのうちZ軸まわりへの回動を許容するように支持する。
【0021】
このようにした可動体36xは穴34xの2辺35x間に配置され、これら2辺35xに沿って移動可能となっている。具体的には図示しないが、例えば可動体36xの両端にコロを設けるとともに、各辺35xにコロを走行させるための溝を形成する等しておき、可動体36xが2辺35xを軌条として滑動するようにしておく。すなわち、可動体36x、換言すればX軸用モータ20xが、他の直交2軸まわりのうちY軸まわりに移動するのが許容される。
【0022】
なお、穴34xの別の対向する2辺39xに外層部31の径方向に沿う角度を持たせておけば、エンド位置まで移動したときに可動体36xの側面がちょうど面接触することになる。すなわち、対向する2辺39xが、地球でいう経線に相当する関係を有するようになっている。
【0023】
ここではX軸用モータ20xを支持する可動体36xに注目して説明したが、Y軸用モータ20yを支持する可動体36y、Z軸用モータ20zを支持する可動体36zについても同様である。
【0024】
つまり、支持体30(の外層部31)は、X軸用モータ20x、Y軸用モータ20y、Z軸用モータ20zを、それ自身の軸線まわりの回転を規制するとともに、他の直交2軸まわりの回動を許容するように支持する。
【0025】
第4のモータ40は、図1に示すように、Z軸用モータ20zと直列的に配置され、Z軸用モータ20zのモータ本体22zの後端に固定される。第4のモータ40の出力軸41は、Z軸用モータ20zの出力軸21zと同軸上に位置するとともに、出力軸21zとは逆向きに、換言すれば直交3軸の原点から離れるように指向する。この第4のモータ40としては、例えば減速歯車を一体に組み合わせたギアドモータとその回転角や回転速度を測定するエンコーダとが用いられる。なお、第4のモータ40が本発明でいう第4の回転アクチュエータに相当するものである。
【0026】
図7には、Z軸用モータ20zと第4のモータ40との連結例を示す。ここでは、Z軸用モータ20zのモータ本体22zの後端を支持するカップ状の支持部61と、第4のモータ40のモータ本体42の後端を支持するカップ状の支持部62とが2本の支柱63を介して連結する連結部材60が用いられる。そして、2本の支柱63をそれぞれ支軸としてコロ38が設けられ、上述したように、これらコロ38が横並びとなるように長穴37zに組み入れられる。
【0027】
以上述べた構成とされた3自由度能動回転関節において、一対のリンク50a、50bのうち、一方のリンク50aを第4のモータ40の出力軸41に固定し、他方のリンク50bを支持体30の外層部31に固定する。
【0028】
本実施形態の3自由度能動回転関節によれば、Z軸用モータ20zの出力軸21zと第4のモータ40の出力軸41との回転を同回転にし、他の2つのモータ(X軸用モータ20z及びY軸用モータ20y)との三者の間でそれぞれ独立的に回転させれば、各自由度方向への一様な運動が可能となる。また、球関節に近い構造を有し、シンプルな構造の3自由度能動回転関節を提供することができる。
【0029】
(第2の実施形態)
上記第1の実施形態では、可動体36x、36y、36zがX軸用モータ20x、Y軸用モータ20y、Z軸用モータ20zのモータ本体22x、22y、22zの後端にそれぞれ位置するようにしたが、図8~10に示す第2の実施形態では、可動体36x、36y、36zがモータ本体22x、22y、22zの中間部分にそれぞれ位置するようにしている。なお、上記第1の実施形態で説明した構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【0030】
X軸用モータ20xを支持する可動体36xに注目して説明すると、可動体36xは、外層部31と同じ曲率で両端部が下がるように湾曲する長板からなり、その長手方向に沿って長穴37xが形成される。第2の実施形態では、長穴37xはモータ本体22xを挿通することのできる幅を有する。
【0031】
また、モータ本体20xの後端にはカップ状部材70が設けられ、そのカップ状部材70の両側にブラケット71が突設される。これらブラケット71によりモータ本体20xに沿って延びる一対の支軸72が支持され、各支軸72に支持されたコロ38が可動体36xの長穴37xに組み入れられる。長穴37xはコロ38の直径と同程度の幅を有するものである。
【0032】
ここではX軸用モータ20xを支持する可動体36xに注目して説明したが、Y軸用モータ20yを支持する可動体36y、Z軸用モータ20zを支持する可動体36zについても同様である。
【0033】
このようにした第2の実施形態によれば、上記第1の実施形態に比べて、支持体30の直径を短くすることができ、全体の小型化や軽量化を図ることができる。
【0034】
(第3の実施形態)
上記第1の実施形態では、支持体30の外層部31全体を球形状とし、外層部31にリンク50bを直接固定するようにしたが、図11に示す第3の実施形態では、リンク50bをプレート80に固定するとともに、プレート80上で支持体30を支持するようにしている。なお、上記第1の実施形態で説明した構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【0035】
図11に示すように、支持体30が外層部31及び内層部32により構成される点は上記第1の実施形態と同様であるが、外層部31を、穴34x、34y、34zを形成する領域を残しつつ下部を切り取るような形態とし(図注点線部分)、外層部31が半球に近い形状(半球より大きい)となるようにする。そして、プレート80上に立設する3本の支柱81により支持体30の外層部31の下端を支持する。
【0036】
以上、本発明を種々の実施形態と共に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。
【0037】
例えば、上記各実施形態では、本発明でいう回転体として回転球10を用い、支持体30の内層部32で回転可能に支持するようにしたが、回転球10はX軸用モータ20x、Y軸用モータ20y、Z軸用モータ20zによっても支えられることから、運動学的原理からみれば、回転体を球形状以外(例えば六面体)としたり、回転体を支持体30で回転可能に支持したりする必要はない。ただし、回転球10を用い、支持体30の内層部32で支持した方が、高い剛性が得られるとともに、各部の組み付け誤差や寸法誤差等による影響を少なくして精密な運動を行わせることができる。
【0038】
また、上記実施形態では、支持体30が肉薄の外層部31及び肉薄の内層部32により構成されるようにしたが、支持体30が回転球10と同心球となる中空の肉厚の球形状を呈するようにし、その内表面で回転球10を回転可能に支持するようにしてもよい。ただし、支持体30が肉薄の外層部31及び肉薄の内層部32により構成される方が、全体の軽量化を図ることができる。
【0039】
また、上記実施形態では、X軸用モータ20x、Y軸用モータ20y、Z軸用モータ20zをそれぞれ1つとし、回転球10を所謂片持ちで支えるようにしたが、各モータ20x、20y、20zをそれぞれ一対にし、回転球10を所謂両持ちで支えるようにしてもよい。この場合、一対のモータ間で回転を同期させる制御が必要となるが、1つのモータを使用するのに比べてより大きな回転力を得ることができる。
【0040】
また、上記実施形態では、Z軸用モータ20zと第4のモータ40とを連結するようにしたが、モータ本体の両端から出力軸が突出するモータを用い、1つのモータでZ軸用モータ20z及び第4のモータ40の機能を発揮させるようにしてもよい。すなわち、本発明でいう第4の回転アクチュエータは、X軸用、Y軸用、Z軸用の回転アクチュエータと別体であってもよいし、一体化されたものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【0041】
【図1】第1の実施形態の3自由度能動回転関節を示す斜視図である。
【図2】図1のx方向から見た図である。
【図3】図1のy方向から見た図である。
【図4】図1のz方向から見た図である。
【図5】図2のV-V線に沿う一部断面図である。
【図6】回転球とX軸用モータ、Y軸用モータ、Z軸用モータとの関係を示す図である。
【図7】Z軸用モータと第4のモータとの連結例を示す図であり、(a)が図2のVIIa部の拡大図、(b)が図5のVIIb部の拡大図である。
【図8】第2の実施形態の3自由度能動回転関節を説明するための図であり、図2に対応する図である。
【図9】第2の実施形態の3自由度能動回転関節を説明するための図であり、図3に対応する図である。
【図10】第2の実施形態の3自由度能動回転関節を説明するための図であり、図4に対応する図である。
【図11】第3の実施形態の3自由度能動回転関節を示す斜視図である。
【図12】人間の首が3自由度を持つことを説明するための図である。
【図13】3自由度能動回転関節として知られているパラレルメカニズムの例を示す図である。
【符号の説明】
【0042】
10 回転球
20x X軸用モータ
20y Y軸用モータ
20z Z軸用モータ
21x、21y、21z 出力軸
22x、22y、22z モータ本体
30 支持体
31 外層部
32 内層部
34x、34y、34z 穴
36x、36y、36z 可動体
40 第4のモータ
41 出力軸
42 モータ本体
50a、50b リンク
Drawing
(In Japanese)【図1】
0
(In Japanese)【図2】
1
(In Japanese)【図3】
2
(In Japanese)【図4】
3
(In Japanese)【図5】
4
(In Japanese)【図6】
5
(In Japanese)【図7】
6
(In Japanese)【図8】
7
(In Japanese)【図9】
8
(In Japanese)【図10】
9
(In Japanese)【図11】
10
(In Japanese)【図12】
11
(In Japanese)【図13】
12