ロボット用関節装置
【課題】 関節装置のロボットの各関節部への共用化を可能にし、関節軸のハンチングをなくし、位置センサーのゼロ点調整及び位置センサーの作動角の変更を可能にする。
【解決手段】 ハウジング本体１１を結合部材で結合した第１及び第２収容体１１１，１１２から構成し、この第１及び第２収容体１１１，１１２の他端間には関節軸１２を差し渡し状態にして回転可能に設け、第１収容体１１１に設けられたモータ１６の回転を第１収容体内に配設された減速機構１７を通して関節軸１２に伝達し、関節軸１１に固定した連結ブロック１３を利用して別構成の関節ユニットとの結合を可能にし、さらに、第２収容体１１２に設けた回転角変更機構１９により関節軸の回転角度に対する作動角を変更して位置センサーに伝達する構成にした。
【解決手段】 ハウジング本体１１を結合部材で結合した第１及び第２収容体１１１，１１２から構成し、この第１及び第２収容体１１１，１１２の他端間には関節軸１２を差し渡し状態にして回転可能に設け、第１収容体１１１に設けられたモータ１６の回転を第１収容体内に配設された減速機構１７を通して関節軸１２に伝達し、関節軸１１に固定した連結ブロック１３を利用して別構成の関節ユニットとの結合を可能にし、さらに、第２収容体１１２に設けた回転角変更機構１９により関節軸の回転角度に対する作動角を変更して位置センサーに伝達する構成にした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二足歩行する人間型ロボットや四足歩行する動物型ロボット等の各関節部を構成するロール軸、ピッチ軸、ヨー軸などの駆動に用いられるロボット用関節装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、二足歩行する人間や四足歩行する犬等のおける生体のメカニズムや動作を模した構造を有するロボットにおいて、首、肩、腕、手首、腰、脚、足首等の関節部に用いられるロボット用関節装置は、例えば人間型ロボットにおける腕部ユニットの上腕部や前腕部を形成するハウジングと、このハウジング内に装着されたモータと、例えば腕部ユニットの上腕部と前腕部とが揺動可能に連結されるようにハウジングに設けた関節軸（ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸に相当する）と、ハウジング内に装着されモータの回転を減速して関節軸に伝達するギヤ列からなる減速機と、ハウジング内に装着され関節軸の回転角度を検出するポテンショメータ（位置センサー）等を備える構成になっている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
このようなロボット用関節装置において、制御部から送られてくる指令信号を駆動回路を介してモータに供給することにより当該モータを駆動し、このモータの回転は減速機で減速されて関節軸に伝達され、関節軸を指令信号に応じた角度回転させる。これに伴い、例えば腕部ユニットの上腕部に関節軸を介して連結された前腕部が関節軸を支点にして揺動される。これと同時に、関節軸に直結されたポテンショメータにより関節軸の回転角度が検出され、ポテンショメータから出力される回転角度信号はモータの駆動回路にフィードバックされる。これにより、関節軸を支点とする前腕部を指令信号で指定された角度に制御するようにしている。
【特許文献１】特開２０００−２１８５８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記のような従来のロボット用関節装置においては、ハウジング内部に装着されるモータや減速機、関節軸、ポテンショメータなどの駆動系要素の共通化が可能であるものの、これらを収容するハウジングの形状は、ロボットを構成する首、肩、腕、手首、腰、脚や足等の構成要素によって異なるため、ロボット用関節装置自体をロボットの首関節、肩関節、腕の肘関節、手首関節、脚の股関節、膝関節、足首関節などに共用することができず、ロボット構成要素毎に別々に構成しなければならない。そのため、ロボットの製作コストが上昇するという問題がある。
【０００５】
また、従来の小形ロボットに使用される関節装置では、関節軸の回転角度が目標値付近に達する時、関節軸にハンチング（小刻みな振動）が発生し、このハンチングがロボットの実際の歩行動作等に悪影響を与えるという問題がある。この問題を解決するためにモータにブレーキ機構を組み込むことが提案されているが、このような構成にすることは関節装置の構造を複雑かつ大型化し、小形ロボットへの適用を困難にするほか、モータの制御も複雑化するという問題がある。
また、従来のロボット用関節装置に用いられるポテンショメータの回転軸は関節軸に直結された構成になっているため、ポテンショメータのゼロ点調整を行うと関節軸の角度も変更されてしまい、関節軸の角度を正確に検出することができないという問題がある。
【０００６】
本発明は上記のような従来の問題点を解決するためになされたもので、ロボットの各関節部の共用化可能にするとともに、関節軸のハンチングをなくし、併せて位置センサーのゼロ点調整を容易にし、かつ関節軸の回転角度に対する位置センサーの作動角の変更を可能にしたロボット用関節装置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】
【０００７】
上記の目的を達成するために本発明のロボット用関節装置は、所定間隔離して対称に配置された第１及び第２収容体と該第１及び第２収容体の一端間を一体に結合する結合部材とを有するハウジング本体と、前記第１及び第２収容体の他端間に該第１及び第２収容体と直交するように差し渡し状態にかつ回転可能に設けられた関節軸と、前記第１収容体に設けられたモータと、前記第１収容体内に配設され前記モータの回転を減速して前記関節軸に伝達する減速機構と、前記第２収容体に設けられ前記関節軸の回転角度を検出する位置センサーと、前記第２収容体内に配設され前記関節軸の回転角度に対する作動角を変更して前記位置センサーに伝達する回転角変更機構と、前記関節軸に固定され、別構成の関節ユニットとの結合を可能にする連結ブロックと、前記第１または第２収容体の内側外側面と該外側面と相対向する前記連結ブロックの側面との間に介在されたハンチング防止用ダンパーと、前記第２収容体内に配設され、制御部からの指令信号及び前記位置センサーからの検出信号に基づいて前記モータを駆動制御するモータ駆動回路とを備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１記載のロボット用関節装置において、前記関節軸は、前記第１または第２収容体を前記差し渡し方向に貫通して外側へ突出する所望の長さに形成され、該関節軸の突出端には別構成の関節ユニットが結合させるように構成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１記載のロボット用関節装置において、前記回転角変更機構は、前記関節軸に設けられた所望径の駆動ギヤと、前記位置センサーの回転軸に設けられ前記駆動ギヤと噛合する所望径の従動ギヤとを備え、前記駆動ギヤは前記位置センサーのゼロ点調整ができるように前記関節軸に対して該関節軸の軸回りに自由回転可能に支持され、かつ該駆動ギヤは止めネジにより前記関節軸に固定されるように構成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１記載のロボット用関節装置において、前記位置センサーは回転型ポテンショメータであることを特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項１記載のロボット用関節装置において、前記第１及び第２収容体を含むハウジング本体はアクリル等の透明な樹脂材で構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のロボット用関節装置によれば、ハウジング本体を結合部材で結合した第１及び第２収容体から構成し、この第１及び第２収容体の他端間には関節軸を第１及び第２収容体と直交する方向に差し渡し状態にして回転可能に設け、第１収容体に設けられたモータの回転を第１収容体内に配設された減速機構を通して関節軸に伝達し、さらに、関節軸に固定した連結ブロックを利用して別構成の関節ユニットとの結合を可能にし、また、第２収容体内に配設されたモータ駆動回路に制御部からの指令信号と位置センサーからの検出信号を供給してモータを駆動制御するようにしたので、このような構成の関節装置をロボットの首関節、肩関節、腕の肘関節、手首関節、脚の股関節、膝関節や足首関節など各関節部に共用することができ、これにより、ロボットの製作コストを低減できるとともに、第２収容体に設けた回転角変更機構により関節軸の回転角度に対する作動角を変更して位置センサーに伝達する構成にしたので、関節軸の回転角度に対する位置センサーの作動角を容易に変更することができる。
【００１３】
また、本発明によれば、第１または第２収容体の内側外側面とこれに相対向する連結ブロックの側面との間にハンチング防止用ダンパーを介在したので、関節軸のハンチングを防止できる。
また、本発明によれば、回転角変更機構を関節軸に設けられた駆動ギヤと、位置センサーの回転軸に設けられ駆動ギヤと噛合する従動ギヤとから構成し、駆動ギヤを位置センサーのゼロ点調整ができるように関節軸に対してその軸回りに自由回転可能に支持し、かつ駆動ギヤを止めネジにより関節軸に固定されるように構成したので、位置センサーのゼロ点調整が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
ロボットの各関節部の共用化可能にするとともに、関節軸のハンチングをなくし、併せて位置センサーのゼロ点調整と関節軸の回転角度に対する位置センサーの作動角の変更を可能にするロボット用関節装置を提供するという目的は、ハウジング本体を結合部材で結合した第１及び第２収容体から構成し、この第１及び第２収容体の他端間には関節軸を第１及び第２収容体と直交する方向に差し渡し状態にして回転可能に設け、第１収容体に設けられたモータの回転を第１収容体内に配設された減速機構を通して関節軸に伝達し、関節軸に固定した連結ブロックを利用して別構成の関節ユニットとの結合を可能にし、さらに、第２収容体に設けた回転角変更機構により関節軸の回転角度に対する作動角を変更して位置センサーに伝達する構成にすることによって実現された。
【実施例１】
【００１５】
次に、本発明にかかるロボット用関節装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施例１におけるロボット用関節装置の一例を示す外観斜視図、図２は図１に示す透明材の一部を取り除いて示す平面図、図３は図２のＢ−Ｂ線に沿う回転角変更機構の側面図である。
【００１６】
図１及び図２において、ロボット用関節装置１０はハウジング本体１１、関節軸１２、連結ブロック１３、ハンチング防止用ダンパー１４を備えている。
前記ハウジング本体１１は、所定間隔離して対称に配置された四角筒状の第１収容体１１１及び第２収容体１１２と、この第１収容体１１１と第２収容体１１２の一端間を一体に結合する結合部材１１３を有し、ハウジング本体１１全体は門型を呈するように組み立てられている。また、第１収容体１１１と第２収容体１１２を含むハウジング本体１１は内部が透視できるようにアクリル等の透明樹脂材１１４により構成され、さらに、第１収容体１１１と第２収容体１１２の長手方向の両端もアクリル等の透明樹脂材１１４で閉塞された構造になっている。
【００１７】
前記第１収容体１１１及び第２収容体１１２の他端間には前記関節軸１２の両端部が第１収容体１１１及び第２収容体１１２と直交するように差し渡し状態に配置され、その両端部は第１収容体１１１と第２収容体１１２に回転可能に軸支されている。また、前記第１収容体１１１と第２収容体１１２の他端間に位置する関節軸１２の部分には立方体形状の前記連結ブロック１３が止めネジ１５によって固定されている。この連結ブロック１３は別構成の関節ユニット（図５の第２関節ユニット６０２に相当する）との結合を行うものであって、連結ブロック１３の外方端面の中央個所には、他の関節ユニットとの結合を可能にする雌ネジ穴３１が第１収容体１１１及び第２収容体１１２の長手方向に平行するように設けられている。また、前記第１収容体１１１の内側外側面と該外側面と相対向する連結ブロック１３の側面との間には前記ハンチング防止用ダンパー１４が圧接状態に介在されている。このハンチング防止用ダンパー１４は関節軸のハンチングを防止するもので、板状ゴム等の弾性板材から構成されている。
【００１８】
前記第２収容体１１２と対向する第１収容体１１１の内側外側面には、図２に示すように、関節軸１２の駆動用モータ（例えばＤＣサーボモータ）１６が固着され、このモータ１６の回転軸は第１収容体１１１の側壁を貫通して第１収容体１１１内に突出される構成になっている。また、第１収容体１１１内には、モータ１６の回転を減速して関節軸１２に伝達する減速機構１７が設けられている。この減速機構１７は、モータ１６の回転軸及び関節軸１２にそれぞれ設けられたギヤ１７１，１７２と、このギヤ１７１，１７２間に配列された複数のギヤからなるギヤ列１７３とから構成されている。
【００１９】
前記第１収容体１１１と対向する第２収容体１１２の内側外側面には、図２に示すように、関節軸１２の回転角度を検出する位置センサー（例えば回転型ポテンショメータ）１８が固着され、この位置センサー１８の回転軸１８１は第２収容体１１２の側壁を貫通して第２収容体１１２内に突出される構成になっている。また、第２収容体１１２内には、関節軸１２の回転角度に対する作動角を変更して位置センサー１８に伝達する回転角変更機構１９が設けられている。
【００２０】
前記回転角変更機構１９は、図２及び図３に示すように、関節軸１２に設けられた所望径の駆動ギヤ１９１と、位置センサー１８の回転軸１８１に設けられ、駆動ギヤ１９１と噛合する所望径の従動ギヤ１９２とを備え、駆動ギヤ１９１は位置センサー１８のゼロ点調整ができるように関節軸１２に対して関節軸１２の軸回りに自由回転可能に支持され、かつこの駆動ギヤ１９１は止めネジ２０により関節軸１２に締め付け固定されるように構成されている。
【００２１】
前記第２収容体１１２内には、図２に示すように、ロボット全体を制御し管理する制御部（図示省略）からの指令信号と位置センサー１８からの検出信号に基づいてモータ１６を駆動制御するモータ駆動回路２１が回路基板２２に実装された状態で装着されている。また、モータ駆動回路２１とモータ１６との間および位置センサー１８との間はそれぞれリード線により接続されている。さらに、回路基板２２には信号及び電源供給用にコネクタ２３が設けられており、このコネクタ２３を通してモータ駆動回路２１に制御部からの指令信号及び電力が供給できるように構成されている。
【００２２】
次に、上記のように構成された本実施例に示すロボット用関節装置の動作について説明する。
モータ駆動回路２１にコネクタ２２を通して図示省略の電源部から電力が供給された状態において、制御部からの指令信号がコネクタ２３を通してモータ駆動回路２１に供給されると、モータ駆動回路２１から指令信号に応じた電力がモータ１６に供給され、このモータ１６を回転させる。モータ１６が回転されると、その回転は減速機構１７により減速されて関節軸１２に伝達され、関節軸１２を正または逆方向に指令信号で設定された所定の角度回転させる。
【００２３】
一方、関節軸１２の回転は回転角変更機構１９を通して位置センサー１８の回転軸に伝達され、関節軸１２の回転角度に対する位置センサー１８の作動角を変更する。これに伴い、位置センサー１８からは、その作動角に対応する信号（電圧）が発生し、この信号はモータ駆動回路２１にフィードバックされる。これにより、関節軸１２を指令信号で指定された角度まで回転させ停止させる。この時、第１収容体１１１の内側外側面と連結ブロック１３の側面との間に圧接状態に介在されたハンチング防止用ダンパー１４により関節軸１２のハンチングを防止する。
これにより、前記関節装置１０をロボットの首関節、肩関節、腕の肘関節、手首関節、脚の股関節、膝関節や足首関節など各関節部に利用することができる。
【００２４】
このような本実施例１のロボット用関節装置１０によれば、ハウジング本体１１を結合部材で結合した第１及び第２収容体１１１，１１２から構成し、この第１及び第２収容体１１１と１１２の他端間には関節軸１２を第１及び第２収容体１１１，１１２と直交する方向に差し渡し状態にして回転可能に設け、第１収容体１１１に設けられたモータ１６の回転を第１収容体１１１内に配設された減速機構１７を通して関節軸１２に伝達し、さらに、関節軸１２に固定した連結ブロック１３を利用して別構成の関節ユニットとの結合を可能にし、また、第２収容体１１２内に配設されたモータ駆動回路２１に制御部からの指令信号と位置センサー１８からの検出信号を供給してモータ１６を駆動制御するようにしたので、この関節装置をロボットの首関節、肩関節、腕の肘関節、手首関節、脚の股関節、膝関節や足首関節など各関節部に共用することができ、これにより、ロボットの製作コストを低減できるとともに、第２収容体１１２に設けた回転角変更機構１９により関節軸１２の回転角度に対する作動角を変更して位置センサー１８に伝達する構成にしたので、回転角変更機構１９を構成する駆動ギヤ１９１と従動ギヤ１９２のギヤ比を変えることにより、関節軸１２の回転角度に対する位置センサー１８の作動角を容易に変更することができる。
【００２５】
また、本実施例１によれば、第１または第２収容体１１１または１１２の内側外側面とこれに相対向する連結ブロック１３の側面との間にハンチング防止用ダンパー１４を介在したので、関節軸１２のハンチングを防止でき、ロボットを安定して動作させることができる。
また、本実施例１によれば、回転角変更機構１９を関節軸１２に設けられた駆動ギヤ１９１と、位置センサー１８の回転軸に設けられ駆動ギヤ１９１と噛合する従動ギヤ１９２とから構成し、駆動ギヤ１９１を位置センサー１８のゼロ点調整ができるように関節軸１２に対してその軸回りに自由回転可能に支持し、かつ駆動ギヤ１９１を止めネジ２０により関節軸１２に固定されるように構成したので、位置センサー１８のゼロ点調整が可能になる。
また、本実施例１によれば、第１及び第２収容体１１１，１１２を含むハウジング本体１１をアクリル等の透明な樹脂材で構成することにより、第１及び第２収容体１１１，１１２の内部を透視することができ、これにより、第１及び第２収容体１１１，１１２内に装着した機構の動きや故障を監視できるとともに、教材として好適になる。
【００２６】
次に、位置センサー１８をゼロ点調整する場合について説明する。
この場合は、まず、止めネジ２０を緩めて駆動ギヤ１９１を関節軸１２の軸回りに自由回転可能にする。かかる状態で、位置センサー１８を従動ギヤ１９２ごと正または逆方向に回転することにより、位置センサー１８から出力される信号電圧がゼロとなる角度に回転操作する。これにより、位置センサー１８のゼロ点調整を行う。ゼロ点調整がなされた後は、止めネジ２０を締め付けることで駆動ギヤ１９１を関節軸１２に固定する。
【実施例２】
【００２７】
次に、実施例１に示す構成の関節装置を二足歩行型ロボットの首、肩、腕、手首、腰、脚、足首等の各関節部に適用した場合の実施例について図４を参照して説明する。図４は二足歩行型ロボットの全体の構成を示す斜視図である。
本実施例では、ロボットの進行方向をＸ軸、このＸ軸と直角な左右方向をＹ軸、Ｘ及びＹ軸と直角な鉛直方向をＺ軸とし、そして、Ｘ軸廻りの回転をロールと称し、Ｙ軸廻りの回転をピッチと称し、Ｚ軸廻りの回転をヨーと称する。
【００２８】
図４において、二足歩行型ロボット４０は、頭部４１、胴部４２、左腕部４３、右腕部４４、左脚部４５及び右脚部４６を備えている。
頭部４１は胴部４２に内蔵されたヨー用関節ユニット（図示せず）と該ヨー用関節ユニットとヨー軸（関節軸）４７Ａに連結されたピッチ用関節ユニット４７Ｂとからなる首関節機構４７によって胴部４２に連結されている。
【００２９】
左腕部４３はピッチ用関節ユニット４８Ａからなる肩関節機構４８を介して胴部４２に連結されている。また、この左腕部４３は腕の上腕部を構成するヨー用関節ユニット４９と腕の前腕部を構成するピッチ用関節ユニット５０を備え、このヨー用関節ユニット４９のヨー軸（関節軸）４９Ａとピッチ用関節ユニット５０のピッチ軸（関節軸）５０Ａは腕の肘関節を構成し、ヨー軸４９Ａの延長端はピッチ軸５０Ａに設けた連結ブロック５０Ｂに結合されている。また、ピッチ用関節ユニット５０の前端部には手部５５が設けられている。
なお、上記ヨー軸４７Ａを有するヨー用関節ユニット、ピッチ用関節ユニット４７Ｂ、ピッチ用関節ユニット４８Ａ、ヨー用関節ユニット４９、ピッチ用関節ユニット５０は実施例１に示す関節装置１０から構成されるものである。
【００３０】
右腕部４４はピッチ用関節ユニット５１Ａからなる肩関節機構５１を介して胴部４２に連結されている。また、この右腕部４４は腕の上腕部を構成するヨー用関節ユニット５２と腕の前腕部を構成するピッチ用関節ユニット５３を備え、このヨー用関節ユニット５２のヨー軸（関節軸）５２Ａとピッチ用関節ユニット５３のピッチ軸（関節軸）５３Ａは腕の肘関節を構成し、ヨー軸５２Ａの延長端はピッチ軸５３０Ａに設けた連結ブロック５３Ｂに結合されている。また、ピッチ用関節ユニット５３の前端部には手部５６が設けられている。
なお、上記ピッチ用関節ユニット５１Ａ、ヨー用関節ユニット５２、ピッチ用関節ユニット５３は実施例１に示す関節装置１０から構成されるものである。
【００３１】
左脚部４５は股関節機構５７を介して胴部４２に連結されている。この股関節機構５７は、胴部４２に下面に固定したロール用関節ユニット５７Ａと、このロール用関節ユニット５７Ａのロール軸５７Ｂに設けた連結ブロック５７Ｃに連結されたピッチ用関節ユニット５７Ｄから構成されている。
また、左脚部４５は大腿部５８、膝関節部５９、足首部６０及び足部６１を備える。大腿部５８はピッチ用関節ユニット５７Ｄのハウジング部分５７Ｄ１と、このハウジング部分５７Ｄ１に一体に固定されたピッチ用関節ユニット５８Ａのハウジング部分５８Ａ１とで構成されている。そして、ピッチ用関節ユニット５８Ａのピッチ軸（関節軸）５８Ａ２が膝関節部５９を構成している。
【００３２】
足首部６０はピッチ用関節ユニット６０Ａとロール用関節ユニット６０Ｂを備え、このピッチ用関節ユニット６０Ａのピッチ軸（関節軸）６０Ａ１とロール用関節ユニット６０Ｂのロール軸（関節軸）６０Ｂ１は足首関節を構成し、ピッチ軸６０Ａ１に設けた連結ブロック６０Ａ２とロール軸６０Ｂ１に設けた連結ブロック６０Ｂ２間は図示しない結合部材により一体に連結されている。また、足部６１はロール用関節ユニット６０Ｂのハウジング部分６０Ｂ３に固着されている。また、ピッチ用関節ユニット６０Ａのハウジング部分６０Ａ３と膝関節部５９を構成するピッチ用関節ユニット５８Ａのピッチ軸５８Ａ１に設けた連結ブロック５８Ａ２との間は結合部材６２により一体に結合されている。
なお、上記ロール用関節ユニット５７Ａ、ピッチ用関節ユニット５７Ｄ、ピッチ用関節ユニット５８Ａ、ピッチ用関節ユニット６０Ａ、ロール用関節ユニット６０Ｂは実施例１に示す関節装置１０から構成されるものである。
【００３３】
右脚部４６は股関節機構６４を介して胴部４２に連結されている。この股関節機構６４は、胴部４２に下面に固定したロール用関節ユニット６４Ａと、このロール用関節ユニット６４Ａのロール軸６４Ｂに設けた連結ブロック６４Ｃに連結されたピッチ用関節ユニット６４Ｄから構成されている。
また、右脚部４６は大腿部６５、膝関節部６６、足首部６７及び足部６８を備える。大腿部６５はピッチ用関節ユニット６４Ｄのハウジング部分６４Ｄ１と、このハウジング部分６４Ｄ１に一体に固定されたピッチ用関節ユニット６５Ａのハウジング部分６５Ａ１とで構成されている。そして、ピッチ用関節ユニット６５Ａのピッチ軸（関節軸）６５Ａ２が膝関節部６６を構成している。
【００３４】
足首部６７はピッチ用関節ユニット６７Ａとロール用関節ユニット６７Ｂを備え、このピッチ用関節ユニット６７Ａのピッチ軸（関節軸）６７Ａ１とロール用関節ユニット６７Ｂのロール軸（関節軸）６７Ｂ１は足首関節を構成し、ピッチ軸６７Ａ１に設けた連結ブロック６７Ａ２とロール軸６７Ｂ１に設けた連結ブロック６７Ｂ２間は図示しない結合部材により一体に連結されている。また、足部６８はロール用関節ユニット６７Ｂのハウジング部分６７Ｂ３に固着されている。また、ピッチ用関節ユニット６７Ａのハウジング部分６７Ａ３と膝関節部６６を構成するピッチ用関節ユニット６５Ａのピッチ軸６５Ａ１に設けた連結ブロック６５Ａ２との間は結合部材６９により一体に結合されている。
なお、上記ロール用関節ユニット６４Ａ、ピッチ用関節ユニット６４Ｄ、ピッチ用関節ユニット６５Ａ、ピッチ用関節ユニット６７Ａ、ロール用関節ユニット６７Ｂは実施例１に示す関節装置１０から構成されるものである。
【００３５】
このような二足歩行型ロボットにおいては、その首、肩、腕、手首、腰、脚、足首等の各関節部を上記実施例１に示す構成の関節装置を用いて構築することができる。これにより、各関節部に用いられる関節装置をユニット化でき、ロボットの製作コストを低減することができる。
【００３６】
次に、図４に示したロボットにおいて胴体部と脚部間を結合する股関節ユニットを実施例１に示す関節装置を用いて構成した場合の具体例につき図５及び図６を参照して説明する。
図５は実施例１に示す関節装置を用いて股関節ユニットを構成した時の全体の側面図であり、図６は股関節ユニットの動作説明用斜視図である。
【００３７】
図５及び図６において、股関節ユニット６０（股関節機構６４に対応する）は、実施例１に示す関節装置と同様の構造を有する第１関節ユニット６０１と第２関節ユニット６０２を備え、第１関節ユニット６０１の関節軸６０１Ａに設けた連結ブロック６０１Ｂと第２関節ユニット６０２の関節軸６０２Ａに設けた連結ブロック６０２Ｂとの間は、それぞれの連結ブロック６０１Ｂ，６０２Ｂに形成した雌ネジ孔６０１Ｃ，６０２Ｃにねじ込みで結合される連結ロット６０３によって互いに連結されている。なお、第１及び第２関節ユニット６０１，６０２の内部構造は上記実施例１に示す関節装置と同一であるため、その構成説明は省略する。
【００３８】
このような股関節ユニット６０において、第１関節ユニット６０１のモータ６０１Ｄがモータ駆動回路６０１Ｅからの出力信号により起動されると、このモータ６０１Ｄの回転は減速機構６０１Ｆにより減速されて関節軸６０１Ａに伝達され、関節軸６０１Ａは図６の矢印Ａに示す方向に回動されると同時に、この関節軸６０１Ａに連結ブロック６０１Ｂを介して連結された第２関節ユニット６０２も同一方向に回動される。この時の回動角度は制御部からモータ駆動回路６０１Ｅに供給される指令信号で設定される。
また、第２関節ユニット６０２のモータ６０２Ｄがモータ駆動回路６０２Ｅからの出力信号により起動されると、このモータ６０２Ｄの回転は減速機構６０２Ｆにより減速されて関節軸６０２Ａに伝達され、第２関節ユニット６０２は関節軸６０２Ａを支点にして図６の矢印Ｂに示す方向に回動される。この時の回動角度は制御部からモータ駆動回路６０２Ｅに供給される指令信号で設定される。
【００３９】
次に、図４に示したロボットにおいて胴体部と腕部間を結合する肩関節ユニットを実施例１に示す関節装置を用いて構成した場合の具体例につき、図７及び図８を参照して説明する。
図７は実施例１に示す関節装置を用いて肩関節ユニットを構成した時の全体の側面図であり、図８は肩関節ユニットの動作説明用斜視図である。
【００４０】
図７及び図８において、肩関節ユニット８０（肩関節機構４８に対応する）は、実施例１に示す関節装置と同様の構造を有する第１関節ユニット８０１と第２関節ユニット８０２を備え、第１関節ユニット８０１の関節軸８０１Ａは第１関節ユニット８０１のハウジング８０１Ｇを貫通して外側へ所望の長さ突出され、この関節軸８０１Ａの突出端部８０１Ｈを第２関節ユニット８０２の関節軸８０２Ａに設けた連結ブロック８０２Ｂの雌ネジ孔８０２Ｃにねじ込みことによって互いに連結されている。
なお、第１及び第２関節ユニット８０１，８０２の内部構造は上記実施例１に示す関節装置と同一であるため、その構成説明は省略する。
【００４１】
このような肩関節ユニット８０において、第１関節ユニット８０１のモータ８０１Ｄがモータ駆動回路８０１Ｅからの出力信号により起動されると、このモータ８０１Ｄの回転は減速機構８０１Ｆにより減速されて関節軸８０１Ａに伝達され、関節軸８０１Ａは図８の矢印Ｃに示す方向に回動されると同時に、この関節軸８０１Ａに連結された第２関節ユニット８０２も同一方向に回動される。この時の回動角度は制御部からモータ駆動回路８０１Ｅに供給される指令信号で設定される。
また、第２関節ユニット８０２のモータ８０２Ｄがモータ駆動回路８０２Ｅからの出力信号により起動されると、このモータ８０２Ｄの回転は減速機構８０２Ｆにより減速されて関節軸８０２Ａに伝達され、第２関節ユニット８０２は関節軸６０２Ａを支点にして図８の矢印Ｄに示す方向に回動される。この時の回動角度は制御部からモータ駆動回路８０２Ｅに供給される指令信号で設定される。
【００４２】
なお、本発明における第１収容体１１１及び第２収容体１１２の形状は、上記実施例１に示す四角筒状のものに限らず、円筒状や楕円筒状のものでもよいことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施例１におけるロボット用関節装置の一例を示す外観斜視図である。
【図２】図１に示す透明材の一部を取り除いて示す平面図である。
【図３】図２のＢ−Ｂ線に沿う回転角変更機構の側面図である。
【図４】本発明の関節装置を用いて二足歩行型ロボットの各関節部を構成した場合のロボットの全体構成を示す斜視図である。
【図５】実施例１に示す関節装置を用いて股関節ユニットを構成した時の全体の側面図である。
【図６】股関節ユニットの動作説明用斜視図である。
【図７】実施例１に示す関節装置を用いて肩関節ユニットを構成した時の全体の側面図である。
【図８】肩関節ユニットの動作説明用斜視図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０……ロボット用関節装置、１１……ハウジング本体、１２……関節軸、１３……連結ブロック、１４……ハンチング防止用ダンパー、１５……止めネジ、１１１……第１収容体、１１２……第２収容体、１１３……結合部材、１１４……透明樹脂材、１６……モータ、１７……減速機構、１７１，１７２……ギヤ、１７３……ギヤ列、１８……位置センサー、１８１……回転軸、１９……回転角変更機構、１９１……駆動ギヤ、１９２……従動ギヤ、２０……止めネジ、２１……モータ駆動回路、２２……回路基板。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二足歩行する人間型ロボットや四足歩行する動物型ロボット等の各関節部を構成するロール軸、ピッチ軸、ヨー軸などの駆動に用いられるロボット用関節装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、二足歩行する人間や四足歩行する犬等のおける生体のメカニズムや動作を模した構造を有するロボットにおいて、首、肩、腕、手首、腰、脚、足首等の関節部に用いられるロボット用関節装置は、例えば人間型ロボットにおける腕部ユニットの上腕部や前腕部を形成するハウジングと、このハウジング内に装着されたモータと、例えば腕部ユニットの上腕部と前腕部とが揺動可能に連結されるようにハウジングに設けた関節軸（ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸に相当する）と、ハウジング内に装着されモータの回転を減速して関節軸に伝達するギヤ列からなる減速機と、ハウジング内に装着され関節軸の回転角度を検出するポテンショメータ（位置センサー）等を備える構成になっている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
このようなロボット用関節装置において、制御部から送られてくる指令信号を駆動回路を介してモータに供給することにより当該モータを駆動し、このモータの回転は減速機で減速されて関節軸に伝達され、関節軸を指令信号に応じた角度回転させる。これに伴い、例えば腕部ユニットの上腕部に関節軸を介して連結された前腕部が関節軸を支点にして揺動される。これと同時に、関節軸に直結されたポテンショメータにより関節軸の回転角度が検出され、ポテンショメータから出力される回転角度信号はモータの駆動回路にフィードバックされる。これにより、関節軸を支点とする前腕部を指令信号で指定された角度に制御するようにしている。
【特許文献１】特開２０００−２１８５８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記のような従来のロボット用関節装置においては、ハウジング内部に装着されるモータや減速機、関節軸、ポテンショメータなどの駆動系要素の共通化が可能であるものの、これらを収容するハウジングの形状は、ロボットを構成する首、肩、腕、手首、腰、脚や足等の構成要素によって異なるため、ロボット用関節装置自体をロボットの首関節、肩関節、腕の肘関節、手首関節、脚の股関節、膝関節、足首関節などに共用することができず、ロボット構成要素毎に別々に構成しなければならない。そのため、ロボットの製作コストが上昇するという問題がある。
【０００５】
また、従来の小形ロボットに使用される関節装置では、関節軸の回転角度が目標値付近に達する時、関節軸にハンチング（小刻みな振動）が発生し、このハンチングがロボットの実際の歩行動作等に悪影響を与えるという問題がある。この問題を解決するためにモータにブレーキ機構を組み込むことが提案されているが、このような構成にすることは関節装置の構造を複雑かつ大型化し、小形ロボットへの適用を困難にするほか、モータの制御も複雑化するという問題がある。
また、従来のロボット用関節装置に用いられるポテンショメータの回転軸は関節軸に直結された構成になっているため、ポテンショメータのゼロ点調整を行うと関節軸の角度も変更されてしまい、関節軸の角度を正確に検出することができないという問題がある。
【０００６】
本発明は上記のような従来の問題点を解決するためになされたもので、ロボットの各関節部の共用化可能にするとともに、関節軸のハンチングをなくし、併せて位置センサーのゼロ点調整を容易にし、かつ関節軸の回転角度に対する位置センサーの作動角の変更を可能にしたロボット用関節装置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】
【０００７】
上記の目的を達成するために本発明のロボット用関節装置は、所定間隔離して対称に配置された第１及び第２収容体と該第１及び第２収容体の一端間を一体に結合する結合部材とを有するハウジング本体と、前記第１及び第２収容体の他端間に該第１及び第２収容体と直交するように差し渡し状態にかつ回転可能に設けられた関節軸と、前記第１収容体に設けられたモータと、前記第１収容体内に配設され前記モータの回転を減速して前記関節軸に伝達する減速機構と、前記第２収容体に設けられ前記関節軸の回転角度を検出する位置センサーと、前記第２収容体内に配設され前記関節軸の回転角度に対する作動角を変更して前記位置センサーに伝達する回転角変更機構と、前記関節軸に固定され、別構成の関節ユニットとの結合を可能にする連結ブロックと、前記第１または第２収容体の内側外側面と該外側面と相対向する前記連結ブロックの側面との間に介在されたハンチング防止用ダンパーと、前記第２収容体内に配設され、制御部からの指令信号及び前記位置センサーからの検出信号に基づいて前記モータを駆動制御するモータ駆動回路とを備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１記載のロボット用関節装置において、前記関節軸は、前記第１または第２収容体を前記差し渡し方向に貫通して外側へ突出する所望の長さに形成され、該関節軸の突出端には別構成の関節ユニットが結合させるように構成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１記載のロボット用関節装置において、前記回転角変更機構は、前記関節軸に設けられた所望径の駆動ギヤと、前記位置センサーの回転軸に設けられ前記駆動ギヤと噛合する所望径の従動ギヤとを備え、前記駆動ギヤは前記位置センサーのゼロ点調整ができるように前記関節軸に対して該関節軸の軸回りに自由回転可能に支持され、かつ該駆動ギヤは止めネジにより前記関節軸に固定されるように構成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１記載のロボット用関節装置において、前記位置センサーは回転型ポテンショメータであることを特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項１記載のロボット用関節装置において、前記第１及び第２収容体を含むハウジング本体はアクリル等の透明な樹脂材で構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のロボット用関節装置によれば、ハウジング本体を結合部材で結合した第１及び第２収容体から構成し、この第１及び第２収容体の他端間には関節軸を第１及び第２収容体と直交する方向に差し渡し状態にして回転可能に設け、第１収容体に設けられたモータの回転を第１収容体内に配設された減速機構を通して関節軸に伝達し、さらに、関節軸に固定した連結ブロックを利用して別構成の関節ユニットとの結合を可能にし、また、第２収容体内に配設されたモータ駆動回路に制御部からの指令信号と位置センサーからの検出信号を供給してモータを駆動制御するようにしたので、このような構成の関節装置をロボットの首関節、肩関節、腕の肘関節、手首関節、脚の股関節、膝関節や足首関節など各関節部に共用することができ、これにより、ロボットの製作コストを低減できるとともに、第２収容体に設けた回転角変更機構により関節軸の回転角度に対する作動角を変更して位置センサーに伝達する構成にしたので、関節軸の回転角度に対する位置センサーの作動角を容易に変更することができる。
【００１３】
また、本発明によれば、第１または第２収容体の内側外側面とこれに相対向する連結ブロックの側面との間にハンチング防止用ダンパーを介在したので、関節軸のハンチングを防止できる。
また、本発明によれば、回転角変更機構を関節軸に設けられた駆動ギヤと、位置センサーの回転軸に設けられ駆動ギヤと噛合する従動ギヤとから構成し、駆動ギヤを位置センサーのゼロ点調整ができるように関節軸に対してその軸回りに自由回転可能に支持し、かつ駆動ギヤを止めネジにより関節軸に固定されるように構成したので、位置センサーのゼロ点調整が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
ロボットの各関節部の共用化可能にするとともに、関節軸のハンチングをなくし、併せて位置センサーのゼロ点調整と関節軸の回転角度に対する位置センサーの作動角の変更を可能にするロボット用関節装置を提供するという目的は、ハウジング本体を結合部材で結合した第１及び第２収容体から構成し、この第１及び第２収容体の他端間には関節軸を第１及び第２収容体と直交する方向に差し渡し状態にして回転可能に設け、第１収容体に設けられたモータの回転を第１収容体内に配設された減速機構を通して関節軸に伝達し、関節軸に固定した連結ブロックを利用して別構成の関節ユニットとの結合を可能にし、さらに、第２収容体に設けた回転角変更機構により関節軸の回転角度に対する作動角を変更して位置センサーに伝達する構成にすることによって実現された。
【実施例１】
【００１５】
次に、本発明にかかるロボット用関節装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施例１におけるロボット用関節装置の一例を示す外観斜視図、図２は図１に示す透明材の一部を取り除いて示す平面図、図３は図２のＢ−Ｂ線に沿う回転角変更機構の側面図である。
【００１６】
図１及び図２において、ロボット用関節装置１０はハウジング本体１１、関節軸１２、連結ブロック１３、ハンチング防止用ダンパー１４を備えている。
前記ハウジング本体１１は、所定間隔離して対称に配置された四角筒状の第１収容体１１１及び第２収容体１１２と、この第１収容体１１１と第２収容体１１２の一端間を一体に結合する結合部材１１３を有し、ハウジング本体１１全体は門型を呈するように組み立てられている。また、第１収容体１１１と第２収容体１１２を含むハウジング本体１１は内部が透視できるようにアクリル等の透明樹脂材１１４により構成され、さらに、第１収容体１１１と第２収容体１１２の長手方向の両端もアクリル等の透明樹脂材１１４で閉塞された構造になっている。
【００１７】
前記第１収容体１１１及び第２収容体１１２の他端間には前記関節軸１２の両端部が第１収容体１１１及び第２収容体１１２と直交するように差し渡し状態に配置され、その両端部は第１収容体１１１と第２収容体１１２に回転可能に軸支されている。また、前記第１収容体１１１と第２収容体１１２の他端間に位置する関節軸１２の部分には立方体形状の前記連結ブロック１３が止めネジ１５によって固定されている。この連結ブロック１３は別構成の関節ユニット（図５の第２関節ユニット６０２に相当する）との結合を行うものであって、連結ブロック１３の外方端面の中央個所には、他の関節ユニットとの結合を可能にする雌ネジ穴３１が第１収容体１１１及び第２収容体１１２の長手方向に平行するように設けられている。また、前記第１収容体１１１の内側外側面と該外側面と相対向する連結ブロック１３の側面との間には前記ハンチング防止用ダンパー１４が圧接状態に介在されている。このハンチング防止用ダンパー１４は関節軸のハンチングを防止するもので、板状ゴム等の弾性板材から構成されている。
【００１８】
前記第２収容体１１２と対向する第１収容体１１１の内側外側面には、図２に示すように、関節軸１２の駆動用モータ（例えばＤＣサーボモータ）１６が固着され、このモータ１６の回転軸は第１収容体１１１の側壁を貫通して第１収容体１１１内に突出される構成になっている。また、第１収容体１１１内には、モータ１６の回転を減速して関節軸１２に伝達する減速機構１７が設けられている。この減速機構１７は、モータ１６の回転軸及び関節軸１２にそれぞれ設けられたギヤ１７１，１７２と、このギヤ１７１，１７２間に配列された複数のギヤからなるギヤ列１７３とから構成されている。
【００１９】
前記第１収容体１１１と対向する第２収容体１１２の内側外側面には、図２に示すように、関節軸１２の回転角度を検出する位置センサー（例えば回転型ポテンショメータ）１８が固着され、この位置センサー１８の回転軸１８１は第２収容体１１２の側壁を貫通して第２収容体１１２内に突出される構成になっている。また、第２収容体１１２内には、関節軸１２の回転角度に対する作動角を変更して位置センサー１８に伝達する回転角変更機構１９が設けられている。
【００２０】
前記回転角変更機構１９は、図２及び図３に示すように、関節軸１２に設けられた所望径の駆動ギヤ１９１と、位置センサー１８の回転軸１８１に設けられ、駆動ギヤ１９１と噛合する所望径の従動ギヤ１９２とを備え、駆動ギヤ１９１は位置センサー１８のゼロ点調整ができるように関節軸１２に対して関節軸１２の軸回りに自由回転可能に支持され、かつこの駆動ギヤ１９１は止めネジ２０により関節軸１２に締め付け固定されるように構成されている。
【００２１】
前記第２収容体１１２内には、図２に示すように、ロボット全体を制御し管理する制御部（図示省略）からの指令信号と位置センサー１８からの検出信号に基づいてモータ１６を駆動制御するモータ駆動回路２１が回路基板２２に実装された状態で装着されている。また、モータ駆動回路２１とモータ１６との間および位置センサー１８との間はそれぞれリード線により接続されている。さらに、回路基板２２には信号及び電源供給用にコネクタ２３が設けられており、このコネクタ２３を通してモータ駆動回路２１に制御部からの指令信号及び電力が供給できるように構成されている。
【００２２】
次に、上記のように構成された本実施例に示すロボット用関節装置の動作について説明する。
モータ駆動回路２１にコネクタ２２を通して図示省略の電源部から電力が供給された状態において、制御部からの指令信号がコネクタ２３を通してモータ駆動回路２１に供給されると、モータ駆動回路２１から指令信号に応じた電力がモータ１６に供給され、このモータ１６を回転させる。モータ１６が回転されると、その回転は減速機構１７により減速されて関節軸１２に伝達され、関節軸１２を正または逆方向に指令信号で設定された所定の角度回転させる。
【００２３】
一方、関節軸１２の回転は回転角変更機構１９を通して位置センサー１８の回転軸に伝達され、関節軸１２の回転角度に対する位置センサー１８の作動角を変更する。これに伴い、位置センサー１８からは、その作動角に対応する信号（電圧）が発生し、この信号はモータ駆動回路２１にフィードバックされる。これにより、関節軸１２を指令信号で指定された角度まで回転させ停止させる。この時、第１収容体１１１の内側外側面と連結ブロック１３の側面との間に圧接状態に介在されたハンチング防止用ダンパー１４により関節軸１２のハンチングを防止する。
これにより、前記関節装置１０をロボットの首関節、肩関節、腕の肘関節、手首関節、脚の股関節、膝関節や足首関節など各関節部に利用することができる。
【００２４】
このような本実施例１のロボット用関節装置１０によれば、ハウジング本体１１を結合部材で結合した第１及び第２収容体１１１，１１２から構成し、この第１及び第２収容体１１１と１１２の他端間には関節軸１２を第１及び第２収容体１１１，１１２と直交する方向に差し渡し状態にして回転可能に設け、第１収容体１１１に設けられたモータ１６の回転を第１収容体１１１内に配設された減速機構１７を通して関節軸１２に伝達し、さらに、関節軸１２に固定した連結ブロック１３を利用して別構成の関節ユニットとの結合を可能にし、また、第２収容体１１２内に配設されたモータ駆動回路２１に制御部からの指令信号と位置センサー１８からの検出信号を供給してモータ１６を駆動制御するようにしたので、この関節装置をロボットの首関節、肩関節、腕の肘関節、手首関節、脚の股関節、膝関節や足首関節など各関節部に共用することができ、これにより、ロボットの製作コストを低減できるとともに、第２収容体１１２に設けた回転角変更機構１９により関節軸１２の回転角度に対する作動角を変更して位置センサー１８に伝達する構成にしたので、回転角変更機構１９を構成する駆動ギヤ１９１と従動ギヤ１９２のギヤ比を変えることにより、関節軸１２の回転角度に対する位置センサー１８の作動角を容易に変更することができる。
【００２５】
また、本実施例１によれば、第１または第２収容体１１１または１１２の内側外側面とこれに相対向する連結ブロック１３の側面との間にハンチング防止用ダンパー１４を介在したので、関節軸１２のハンチングを防止でき、ロボットを安定して動作させることができる。
また、本実施例１によれば、回転角変更機構１９を関節軸１２に設けられた駆動ギヤ１９１と、位置センサー１８の回転軸に設けられ駆動ギヤ１９１と噛合する従動ギヤ１９２とから構成し、駆動ギヤ１９１を位置センサー１８のゼロ点調整ができるように関節軸１２に対してその軸回りに自由回転可能に支持し、かつ駆動ギヤ１９１を止めネジ２０により関節軸１２に固定されるように構成したので、位置センサー１８のゼロ点調整が可能になる。
また、本実施例１によれば、第１及び第２収容体１１１，１１２を含むハウジング本体１１をアクリル等の透明な樹脂材で構成することにより、第１及び第２収容体１１１，１１２の内部を透視することができ、これにより、第１及び第２収容体１１１，１１２内に装着した機構の動きや故障を監視できるとともに、教材として好適になる。
【００２６】
次に、位置センサー１８をゼロ点調整する場合について説明する。
この場合は、まず、止めネジ２０を緩めて駆動ギヤ１９１を関節軸１２の軸回りに自由回転可能にする。かかる状態で、位置センサー１８を従動ギヤ１９２ごと正または逆方向に回転することにより、位置センサー１８から出力される信号電圧がゼロとなる角度に回転操作する。これにより、位置センサー１８のゼロ点調整を行う。ゼロ点調整がなされた後は、止めネジ２０を締め付けることで駆動ギヤ１９１を関節軸１２に固定する。
【実施例２】
【００２７】
次に、実施例１に示す構成の関節装置を二足歩行型ロボットの首、肩、腕、手首、腰、脚、足首等の各関節部に適用した場合の実施例について図４を参照して説明する。図４は二足歩行型ロボットの全体の構成を示す斜視図である。
本実施例では、ロボットの進行方向をＸ軸、このＸ軸と直角な左右方向をＹ軸、Ｘ及びＹ軸と直角な鉛直方向をＺ軸とし、そして、Ｘ軸廻りの回転をロールと称し、Ｙ軸廻りの回転をピッチと称し、Ｚ軸廻りの回転をヨーと称する。
【００２８】
図４において、二足歩行型ロボット４０は、頭部４１、胴部４２、左腕部４３、右腕部４４、左脚部４５及び右脚部４６を備えている。
頭部４１は胴部４２に内蔵されたヨー用関節ユニット（図示せず）と該ヨー用関節ユニットとヨー軸（関節軸）４７Ａに連結されたピッチ用関節ユニット４７Ｂとからなる首関節機構４７によって胴部４２に連結されている。
【００２９】
左腕部４３はピッチ用関節ユニット４８Ａからなる肩関節機構４８を介して胴部４２に連結されている。また、この左腕部４３は腕の上腕部を構成するヨー用関節ユニット４９と腕の前腕部を構成するピッチ用関節ユニット５０を備え、このヨー用関節ユニット４９のヨー軸（関節軸）４９Ａとピッチ用関節ユニット５０のピッチ軸（関節軸）５０Ａは腕の肘関節を構成し、ヨー軸４９Ａの延長端はピッチ軸５０Ａに設けた連結ブロック５０Ｂに結合されている。また、ピッチ用関節ユニット５０の前端部には手部５５が設けられている。
なお、上記ヨー軸４７Ａを有するヨー用関節ユニット、ピッチ用関節ユニット４７Ｂ、ピッチ用関節ユニット４８Ａ、ヨー用関節ユニット４９、ピッチ用関節ユニット５０は実施例１に示す関節装置１０から構成されるものである。
【００３０】
右腕部４４はピッチ用関節ユニット５１Ａからなる肩関節機構５１を介して胴部４２に連結されている。また、この右腕部４４は腕の上腕部を構成するヨー用関節ユニット５２と腕の前腕部を構成するピッチ用関節ユニット５３を備え、このヨー用関節ユニット５２のヨー軸（関節軸）５２Ａとピッチ用関節ユニット５３のピッチ軸（関節軸）５３Ａは腕の肘関節を構成し、ヨー軸５２Ａの延長端はピッチ軸５３０Ａに設けた連結ブロック５３Ｂに結合されている。また、ピッチ用関節ユニット５３の前端部には手部５６が設けられている。
なお、上記ピッチ用関節ユニット５１Ａ、ヨー用関節ユニット５２、ピッチ用関節ユニット５３は実施例１に示す関節装置１０から構成されるものである。
【００３１】
左脚部４５は股関節機構５７を介して胴部４２に連結されている。この股関節機構５７は、胴部４２に下面に固定したロール用関節ユニット５７Ａと、このロール用関節ユニット５７Ａのロール軸５７Ｂに設けた連結ブロック５７Ｃに連結されたピッチ用関節ユニット５７Ｄから構成されている。
また、左脚部４５は大腿部５８、膝関節部５９、足首部６０及び足部６１を備える。大腿部５８はピッチ用関節ユニット５７Ｄのハウジング部分５７Ｄ１と、このハウジング部分５７Ｄ１に一体に固定されたピッチ用関節ユニット５８Ａのハウジング部分５８Ａ１とで構成されている。そして、ピッチ用関節ユニット５８Ａのピッチ軸（関節軸）５８Ａ２が膝関節部５９を構成している。
【００３２】
足首部６０はピッチ用関節ユニット６０Ａとロール用関節ユニット６０Ｂを備え、このピッチ用関節ユニット６０Ａのピッチ軸（関節軸）６０Ａ１とロール用関節ユニット６０Ｂのロール軸（関節軸）６０Ｂ１は足首関節を構成し、ピッチ軸６０Ａ１に設けた連結ブロック６０Ａ２とロール軸６０Ｂ１に設けた連結ブロック６０Ｂ２間は図示しない結合部材により一体に連結されている。また、足部６１はロール用関節ユニット６０Ｂのハウジング部分６０Ｂ３に固着されている。また、ピッチ用関節ユニット６０Ａのハウジング部分６０Ａ３と膝関節部５９を構成するピッチ用関節ユニット５８Ａのピッチ軸５８Ａ１に設けた連結ブロック５８Ａ２との間は結合部材６２により一体に結合されている。
なお、上記ロール用関節ユニット５７Ａ、ピッチ用関節ユニット５７Ｄ、ピッチ用関節ユニット５８Ａ、ピッチ用関節ユニット６０Ａ、ロール用関節ユニット６０Ｂは実施例１に示す関節装置１０から構成されるものである。
【００３３】
右脚部４６は股関節機構６４を介して胴部４２に連結されている。この股関節機構６４は、胴部４２に下面に固定したロール用関節ユニット６４Ａと、このロール用関節ユニット６４Ａのロール軸６４Ｂに設けた連結ブロック６４Ｃに連結されたピッチ用関節ユニット６４Ｄから構成されている。
また、右脚部４６は大腿部６５、膝関節部６６、足首部６７及び足部６８を備える。大腿部６５はピッチ用関節ユニット６４Ｄのハウジング部分６４Ｄ１と、このハウジング部分６４Ｄ１に一体に固定されたピッチ用関節ユニット６５Ａのハウジング部分６５Ａ１とで構成されている。そして、ピッチ用関節ユニット６５Ａのピッチ軸（関節軸）６５Ａ２が膝関節部６６を構成している。
【００３４】
足首部６７はピッチ用関節ユニット６７Ａとロール用関節ユニット６７Ｂを備え、このピッチ用関節ユニット６７Ａのピッチ軸（関節軸）６７Ａ１とロール用関節ユニット６７Ｂのロール軸（関節軸）６７Ｂ１は足首関節を構成し、ピッチ軸６７Ａ１に設けた連結ブロック６７Ａ２とロール軸６７Ｂ１に設けた連結ブロック６７Ｂ２間は図示しない結合部材により一体に連結されている。また、足部６８はロール用関節ユニット６７Ｂのハウジング部分６７Ｂ３に固着されている。また、ピッチ用関節ユニット６７Ａのハウジング部分６７Ａ３と膝関節部６６を構成するピッチ用関節ユニット６５Ａのピッチ軸６５Ａ１に設けた連結ブロック６５Ａ２との間は結合部材６９により一体に結合されている。
なお、上記ロール用関節ユニット６４Ａ、ピッチ用関節ユニット６４Ｄ、ピッチ用関節ユニット６５Ａ、ピッチ用関節ユニット６７Ａ、ロール用関節ユニット６７Ｂは実施例１に示す関節装置１０から構成されるものである。
【００３５】
このような二足歩行型ロボットにおいては、その首、肩、腕、手首、腰、脚、足首等の各関節部を上記実施例１に示す構成の関節装置を用いて構築することができる。これにより、各関節部に用いられる関節装置をユニット化でき、ロボットの製作コストを低減することができる。
【００３６】
次に、図４に示したロボットにおいて胴体部と脚部間を結合する股関節ユニットを実施例１に示す関節装置を用いて構成した場合の具体例につき図５及び図６を参照して説明する。
図５は実施例１に示す関節装置を用いて股関節ユニットを構成した時の全体の側面図であり、図６は股関節ユニットの動作説明用斜視図である。
【００３７】
図５及び図６において、股関節ユニット６０（股関節機構６４に対応する）は、実施例１に示す関節装置と同様の構造を有する第１関節ユニット６０１と第２関節ユニット６０２を備え、第１関節ユニット６０１の関節軸６０１Ａに設けた連結ブロック６０１Ｂと第２関節ユニット６０２の関節軸６０２Ａに設けた連結ブロック６０２Ｂとの間は、それぞれの連結ブロック６０１Ｂ，６０２Ｂに形成した雌ネジ孔６０１Ｃ，６０２Ｃにねじ込みで結合される連結ロット６０３によって互いに連結されている。なお、第１及び第２関節ユニット６０１，６０２の内部構造は上記実施例１に示す関節装置と同一であるため、その構成説明は省略する。
【００３８】
このような股関節ユニット６０において、第１関節ユニット６０１のモータ６０１Ｄがモータ駆動回路６０１Ｅからの出力信号により起動されると、このモータ６０１Ｄの回転は減速機構６０１Ｆにより減速されて関節軸６０１Ａに伝達され、関節軸６０１Ａは図６の矢印Ａに示す方向に回動されると同時に、この関節軸６０１Ａに連結ブロック６０１Ｂを介して連結された第２関節ユニット６０２も同一方向に回動される。この時の回動角度は制御部からモータ駆動回路６０１Ｅに供給される指令信号で設定される。
また、第２関節ユニット６０２のモータ６０２Ｄがモータ駆動回路６０２Ｅからの出力信号により起動されると、このモータ６０２Ｄの回転は減速機構６０２Ｆにより減速されて関節軸６０２Ａに伝達され、第２関節ユニット６０２は関節軸６０２Ａを支点にして図６の矢印Ｂに示す方向に回動される。この時の回動角度は制御部からモータ駆動回路６０２Ｅに供給される指令信号で設定される。
【００３９】
次に、図４に示したロボットにおいて胴体部と腕部間を結合する肩関節ユニットを実施例１に示す関節装置を用いて構成した場合の具体例につき、図７及び図８を参照して説明する。
図７は実施例１に示す関節装置を用いて肩関節ユニットを構成した時の全体の側面図であり、図８は肩関節ユニットの動作説明用斜視図である。
【００４０】
図７及び図８において、肩関節ユニット８０（肩関節機構４８に対応する）は、実施例１に示す関節装置と同様の構造を有する第１関節ユニット８０１と第２関節ユニット８０２を備え、第１関節ユニット８０１の関節軸８０１Ａは第１関節ユニット８０１のハウジング８０１Ｇを貫通して外側へ所望の長さ突出され、この関節軸８０１Ａの突出端部８０１Ｈを第２関節ユニット８０２の関節軸８０２Ａに設けた連結ブロック８０２Ｂの雌ネジ孔８０２Ｃにねじ込みことによって互いに連結されている。
なお、第１及び第２関節ユニット８０１，８０２の内部構造は上記実施例１に示す関節装置と同一であるため、その構成説明は省略する。
【００４１】
このような肩関節ユニット８０において、第１関節ユニット８０１のモータ８０１Ｄがモータ駆動回路８０１Ｅからの出力信号により起動されると、このモータ８０１Ｄの回転は減速機構８０１Ｆにより減速されて関節軸８０１Ａに伝達され、関節軸８０１Ａは図８の矢印Ｃに示す方向に回動されると同時に、この関節軸８０１Ａに連結された第２関節ユニット８０２も同一方向に回動される。この時の回動角度は制御部からモータ駆動回路８０１Ｅに供給される指令信号で設定される。
また、第２関節ユニット８０２のモータ８０２Ｄがモータ駆動回路８０２Ｅからの出力信号により起動されると、このモータ８０２Ｄの回転は減速機構８０２Ｆにより減速されて関節軸８０２Ａに伝達され、第２関節ユニット８０２は関節軸６０２Ａを支点にして図８の矢印Ｄに示す方向に回動される。この時の回動角度は制御部からモータ駆動回路８０２Ｅに供給される指令信号で設定される。
【００４２】
なお、本発明における第１収容体１１１及び第２収容体１１２の形状は、上記実施例１に示す四角筒状のものに限らず、円筒状や楕円筒状のものでもよいことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施例１におけるロボット用関節装置の一例を示す外観斜視図である。
【図２】図１に示す透明材の一部を取り除いて示す平面図である。
【図３】図２のＢ−Ｂ線に沿う回転角変更機構の側面図である。
【図４】本発明の関節装置を用いて二足歩行型ロボットの各関節部を構成した場合のロボットの全体構成を示す斜視図である。
【図５】実施例１に示す関節装置を用いて股関節ユニットを構成した時の全体の側面図である。
【図６】股関節ユニットの動作説明用斜視図である。
【図７】実施例１に示す関節装置を用いて肩関節ユニットを構成した時の全体の側面図である。
【図８】肩関節ユニットの動作説明用斜視図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０……ロボット用関節装置、１１……ハウジング本体、１２……関節軸、１３……連結ブロック、１４……ハンチング防止用ダンパー、１５……止めネジ、１１１……第１収容体、１１２……第２収容体、１１３……結合部材、１１４……透明樹脂材、１６……モータ、１７……減速機構、１７１，１７２……ギヤ、１７３……ギヤ列、１８……位置センサー、１８１……回転軸、１９……回転角変更機構、１９１……駆動ギヤ、１９２……従動ギヤ、２０……止めネジ、２１……モータ駆動回路、２２……回路基板。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定間隔離して対称に配置された第１及び第２収容体と該第１及び第２収容体の一端間を一体に結合する結合部材とを有するハウジング本体と、
前記第１及び第２収容体の他端間に該第１及び第２収容体と直交するように差し渡し状態にかつ回転可能に設けられた関節軸と、
前記第１収容体に設けられたモータと、
前記第１収容体内に配設され前記モータの回転を減速して前記関節軸に伝達する減速機構と、
前記第２収容体に設けられ前記関節軸の回転角度を検出する位置センサーと、
前記第２収容体内に配設され前記関節軸の回転角度に対する作動角を変更して前記位置センサーに伝達する回転角変更機構と、
前記関節軸に固定され、別構成の関節ユニットとの結合を可能にする連結ブロックと、
前記第１または第２収容体の内側外側面と該外側面と相対向する前記連結ブロックの側面との間に介在されたハンチング防止用ダンパーと、
前記第２収容体内に配設され、制御部からの指令信号及び前記位置センサーからの検出信号に基づいて前記モータを駆動制御するモータ駆動回路とを備えることを特徴とするロボット用関節装置。
【請求項２】
前記関節軸は、前記第１または第２収容体を前記差し渡し方向に貫通して外側へ突出する所望の長さに形成され、該関節軸の突出端には別構成の関節ユニットが結合させるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のロボット用関節装置。
【請求項３】
前記回転角変更機構は、前記関節軸に設けられた所望径の駆動ギヤと、前記位置センサーの回転軸に設けられ前記駆動ギヤと噛合する所望径の従動ギヤとを備え、前記駆動ギヤは前記位置センサーのゼロ点調整ができるように前記関節軸に対して該関節軸の軸回りに自由回転可能に支持され、かつ該駆動ギヤは止めネジにより前記関節軸に固定されるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のロボット用関節装置。
【請求項４】
前記位置センサーは回転型ポテンショメータであることを特徴とする請求項１記載のロボット用関節装置。
【請求項５】
前記第１及び第２収容体を含むハウジング本体はアクリル等の透明な樹脂材で構成されていることを特徴とする請求項１記載のロボット用関節装置。
【請求項１】
所定間隔離して対称に配置された第１及び第２収容体と該第１及び第２収容体の一端間を一体に結合する結合部材とを有するハウジング本体と、
前記第１及び第２収容体の他端間に該第１及び第２収容体と直交するように差し渡し状態にかつ回転可能に設けられた関節軸と、
前記第１収容体に設けられたモータと、
前記第１収容体内に配設され前記モータの回転を減速して前記関節軸に伝達する減速機構と、
前記第２収容体に設けられ前記関節軸の回転角度を検出する位置センサーと、
前記第２収容体内に配設され前記関節軸の回転角度に対する作動角を変更して前記位置センサーに伝達する回転角変更機構と、
前記関節軸に固定され、別構成の関節ユニットとの結合を可能にする連結ブロックと、
前記第１または第２収容体の内側外側面と該外側面と相対向する前記連結ブロックの側面との間に介在されたハンチング防止用ダンパーと、
前記第２収容体内に配設され、制御部からの指令信号及び前記位置センサーからの検出信号に基づいて前記モータを駆動制御するモータ駆動回路とを備えることを特徴とするロボット用関節装置。
【請求項２】
前記関節軸は、前記第１または第２収容体を前記差し渡し方向に貫通して外側へ突出する所望の長さに形成され、該関節軸の突出端には別構成の関節ユニットが結合させるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のロボット用関節装置。
【請求項３】
前記回転角変更機構は、前記関節軸に設けられた所望径の駆動ギヤと、前記位置センサーの回転軸に設けられ前記駆動ギヤと噛合する所望径の従動ギヤとを備え、前記駆動ギヤは前記位置センサーのゼロ点調整ができるように前記関節軸に対して該関節軸の軸回りに自由回転可能に支持され、かつ該駆動ギヤは止めネジにより前記関節軸に固定されるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のロボット用関節装置。
【請求項４】
前記位置センサーは回転型ポテンショメータであることを特徴とする請求項１記載のロボット用関節装置。
【請求項５】
前記第１及び第２収容体を含むハウジング本体はアクリル等の透明な樹脂材で構成されていることを特徴とする請求項１記載のロボット用関節装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−３５４０５（Ｐ２００６−３５４０５Ａ）
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２２３０３４（Ｐ２００４−２２３０３４）
【出願日】平成１６年７月３０日（２００４．７．３０）
【出願人】（３９１００６０８３）三光合成株式会社 (67)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月３０日（２００４．７．３０）
【出願人】（３９１００６０８３）三光合成株式会社 (67)
【Ｆターム（参考）】
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