回転駆動装置、ロボットの関節構造及びロボットアーム
【課題】バックラッシを除去、低減するとともに組立性の向上を図り、さらに出力軸のふら付きを防止できる回転駆動装置と、この回転駆動装置を用いたロボットの関節構造及びこのロボットの関節構造を備えたロボットアームを提供する。
【解決手段】不思議遊星歯車を備える回転駆動装置であって、中空主軸周りに回転自在に設けられる第１キャリア５２と、遊星歯車５を回転自在に支持する第２キャリア５３と、第１キャリア５２と第２キャリア５３とを互いに連結するとともに第１キャリア５２に対して第２キャリア５３を主軸と直交する方向に移動自在に案内する連結部５４と、第２キャリア５３を主軸と直交する方向に付勢する付勢部５５とを有するという構成を採用する。
【解決手段】不思議遊星歯車を備える回転駆動装置であって、中空主軸周りに回転自在に設けられる第１キャリア５２と、遊星歯車５を回転自在に支持する第２キャリア５３と、第１キャリア５２と第２キャリア５３とを互いに連結するとともに第１キャリア５２に対して第２キャリア５３を主軸と直交する方向に移動自在に案内する連結部５４と、第２キャリア５３を主軸と直交する方向に付勢する付勢部５５とを有するという構成を採用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転駆動装置、この回転駆動装置によって構成されるロボットの関節構造及びロボットアームに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転駆動装置としては、例えば特許文献１に開示されているように、所謂不思議遊星歯車を利用した減速機と太陽歯車を回転駆動させる駆動モータとを備えて構成されたものが提案されている。
不思議遊星歯車は、太陽歯車と、上記太陽歯車と噛み合うとともにこの太陽歯車の主軸を中心として公転する遊星歯車と、この遊星歯車の外方に噛み合うとともに上記太陽歯車と同軸上に固定配置された固定内歯歯車と、この固定内歯歯車と歯数が異なり上記遊星歯車に噛み合うとともに上記太陽歯車と同軸上に回転自在に配置された可動内歯歯車とを有しており、この可動内歯歯車には、上記主軸と同軸で回転駆動される出力軸が設けられる。
【０００３】
太陽歯車が回転すると、遊星歯車は自転しつつこの太陽歯車の主軸周りに公転する。ここで、遊星歯車と夫々噛み合う固定内歯歯車と可動内歯歯車とは歯数が異なるように構成されているので、遊星歯車の自転及び公転によって固定内歯歯車と可動内歯歯車との回転方向の相対位置がずらされていき、可動内歯歯車が上記主軸周りに回転するようになっている。このように構成される不思議遊星歯車を用いた減速機を駆動モータで駆動させ、可動内歯歯車の出力軸若しくは該出力軸に連結される部材を回転駆動させる。
【０００４】
このような不思議遊星歯車を用いた回転駆動装置では、遊星歯車と、太陽歯車あるいは可動内歯歯車及び固定内歯歯車との間には予めバックラッシが設定されており、このバックラッシにより各歯車同士が円滑に駆動する。
【特許文献１】特開２０００−２７４４９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来から太陽歯車と可動内歯歯車及び固定内歯歯車との間において遊星歯車を高精度で位置決めすることが難しいという課題が存在する。これは、各歯車間の噛み合い不良による装置の停止・破損を防止すべく、バックラッシは予め若干大きめに設定されることに起因する。このため、従来では、遊星歯車と各歯車との間のバックラッシが大きく、仕様値を満足しなかった。例えば、大きめに設定されるバックラッシにより出力軸が上記主軸の回転方向にふら付き、位置精度が低下する虞があった。
【０００６】
他方、このような出力軸の回転方向のふら付きを防止するために、各歯車の噛み合い部分の歯形の加工精度を向上させ、バックラッシュを低減する方法が考えられるが、そのための精密加工に要する費用は非常に高価となり、また加工に時間がかかる。よって生産性が悪く、大幅なコストアップとなる。
また、それぞれの遊星歯車の位置（中心距離）は、各構成部品の加工精度に大きく依存するため、加工精度が悪いと組立が困難となる。さらに、組立性が悪いと、例えば、遊星歯車が軸方向に移動して、可動内歯歯車や固定内歯歯車と歯端部同士の接触が起こり、摩擦によるトルク損失が生じて伝達効率が低下する。
【０００７】
本発明は、上述のような事情を鑑みてなされたもので、バックラッシを除去、低減するとともに組立性の向上を図り、さらに出力軸のふら付きを防止できる回転駆動装置と、この回転駆動装置を用いたロボットの関節構造及びこのロボットの関節構造を備えたロボットアーム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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、主軸周りに回転自在に設けられる太陽歯車と、上記太陽歯車に噛み合うとともに上記主軸周りに公転自在な遊星歯車と、上記太陽歯車と同軸上に固定配置されるとともに上記遊星歯車に噛み合う固定内歯歯車と、上記固定内歯歯車とは異なる歯数を有して上記太陽歯車と同軸上に回転自在に配置されるとともに上記遊星歯車に噛み合う可動内歯歯車とを備える回転駆動装置であって、上記主軸周りに回転自在に設けられる第１キャリアと、上記遊星歯車を回転自在に支持する第２キャリアと、上記第１キャリアと上記第２キャリアとを互いに連結するとともに上記第１キャリアに対して上記第２キャリアを上記主軸と直交する方向に移動自在に案内する連結部と、上記第２キャリアを上記主軸と直交する方向に付勢する付勢部とを有するという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、遊星歯車を支持する第２キャリアが主軸と直交する方向に付勢され、遊星歯車が太陽歯車あるいは可動内歯歯車及び固定内歯歯車に常時押接された状態とされる。したがって、各歯車間のバックラッシが適切に除去・低減され、出力軸が主軸の回転方向にふら付くことが防止される。
【０００９】
また、本発明のロボットの関節構造は、先に記載の回転駆動装置を２つ備え、これら２つの回転駆動装置が、一の回転駆動装置の上記主軸と他の回転駆動装置の上記主軸とを互いに交差するように組み付けられ、２軸方向に回転可能に構成されることを特徴としている。
このロボットの関節構造によれば、２つの回転駆動装置によって２軸の関節構造が構成されているので、複雑な動作を行うことができるとともに、この関節構造の先端に取り付けられる例えば把持機構からなる作業部等の精度が向上する。
【００１０】
また、本発明のロボットアームは、先に記載のロボットの関節構造を備えることを特徴としている。この場合、回転駆動装置が減速比の大きな不思議遊星歯車機構を備えているので、小型の駆動モータであっても比較的大きなトルクを出力することができ、小型、且つ高出力のロボットアームを構成することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る回転駆動装置、ロボットの関節構造及びロボットアームによれば、遊星歯車と、太陽歯車あるいは可動内歯歯車及び固定内歯歯車との間のバックラッシを簡便且つ安価に除去、低減することができるとともに組立性が良く、出力軸の回転方向の位置精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る回転駆動装置１０を示す斜視図である。図２は、本発明の実施形態に係る回転駆動装置１０の平面図である。図３は、本発明の実施形態に係る回転駆動装置１０の主軸方向における断面図である。図４は、本発明の実施形態に係る回転駆動装置１０の主軸方向と直交する方向における断面図である。図５は、本発明の実施形態に係る回転駆動装置１０の部分断面分解斜視図である。
【００１３】
本実施形態の回転駆動装置１０は、取付プレート１と、駆動モータ２と、所謂不思議遊星歯車機構からなる減速機３とを有する。取付プレート１は、略正方形板状を有し、その四隅のコーナー部にはボルト孔１ａが形成され、中央部には厚さ方向に貫通するとともに中空主軸（主軸）８が取り付けられる挿通孔１ｂが形成される（図３参照）。取付プレート１の一方側（図３における上側）の面には、減速機３が配設され、他方側（図３における下側）の面には、駆動モータ２が配設される。
【００１４】
駆動モータ２は、取付プレート１の厚さ方向に延びる回転軸Ｃ周りに回転するピニオン２ａを有する。ピニオン２ａは、取付プレート１から上記一方側に向け突出する位置で、回転軸Ｃ周りに回転する構成となっている。
【００１５】
減速機３は、中空主軸８周りに回転自在に設けられる太陽歯車４と、太陽歯車４に噛み合うとともに中空主軸８周りに公転する複数の遊星歯車５と、太陽歯車４と同軸上に配置され、取付プレート１に固定されるとともに遊星歯車５に噛み合う固定内歯歯車６と、固定内歯歯車６とは異なる歯数を有して太陽歯車４と同軸上に回転自在に配置されるとともに遊星歯車５に噛み合う可動内歯歯車７と、複数の遊星歯車５を回転自在に支持するとともに中空主軸８の中心軸Ｏに沿った主軸方向と直交する方向（主軸と直交する方向）に付勢する付勢ユニット５０とを有する。
【００１６】
中空主軸８は、取付プレート１の厚さ方向に突出する略円筒形状を有し、その一端部が挿通孔１ｂと対応する位置に固定される。中空主軸８の内径と取付プレート１の挿通孔１ｂの内径とは同一とされ、主軸方向において中空主軸８の内周面と挿通孔１ｂの内周面とが滑らかに連なる。中空主軸８の他端部にはロックナット８ａが取り付けられ、一端部側に設けられる段差部８ｂとの間で、太陽歯車４、遊星歯車５、可動内歯歯車７の主軸方向における相対位置関係を規制する。
【００１７】
太陽歯車４は、軸受４０Ａ及び軸受４０Ｂを介して中空主軸８周りに回転自在に設けられる。軸受４０Ａと軸受４０Ｂとの間にはリング状のカラー４０Ｃが配設され、主軸方向において両者が所定距離で離間するとともに相対位置関係が規制される。本実施形態の軸受４０Ａ及び軸受４０Ｂには、深溝玉軸受を用いる。
太陽歯車４は、第１歯車部４１と第２歯車部４２とを有する。第１歯車部４１の径は第２歯車部の径よりも大きく、また、第１歯車部４１の歯数は第２歯車部４２の歯数よりも多い。第１歯車部４１は、外周側でピニオン２ａと噛み合わされており、駆動モータ２の回転駆動により中空主軸８周りに回転する。第２歯車部４２は、第１歯車部４１と一体的に固定され、第１歯車部４１と共に回転する。
【００１８】
遊星歯車５は、第２歯車部４２の外周側に複数（本実施形態では３つ）設けられる（図４参照）。遊星歯車５は、周方向に等間隔（１２０°間隔）で配置される。遊星歯車５は、軸受５１を介して中空主軸８周りに回転自在に設けられる付勢ユニット５０（後述）により主軸と直交する方向に付勢される。軸受５１と軸受４０Ｂとの間にはリング状のカラー５０Ｃが配設され、主軸方向において両者が所定距離で離間するとともに相対位置関係が規制される。本実施形態の軸受５１には、深溝玉軸受を用いる。
遊星歯車５の外方には、内周面に遊星歯車５に噛み合う固定内歯歯車６及び可動内歯歯車７が、主軸方向において重なるように、且つ、それぞれが遊星歯車５に主軸方向において略半分ずつ噛み合わされるようにして配置される。
【００１９】
固定内歯歯車６の主軸方向一端部は、取付プレート１に固定される。一方、固定内歯歯車６の主軸方向他端部には、その内周側において可動内歯歯車７を中心軸Ｏ周りに回転自在に支持する軸受６０が設けられる。本実施形態の軸受６０には、クロスローラベアリングを用いる。
可動内歯歯車７は、固定内歯歯車６とは異なる歯数を有しており、本実施形態ではその歯数差が３に設定されている。可動内歯歯車７の主軸方向上面には、出力プレート７１が螺合される。出力プレート７１は、平面視略リング状の板形状を有し、開口部７１ａの径が中空主軸８に螺合するロックナット８ａの径よりも大きく設計されている。
【００２０】
次に、図６〜図１０を参照して、付勢ユニット５０の構成について詳しく説明する。
図６は、本発明の実施形態に係る付勢ユニット５０を示す斜視図である。図７は、本発明の実施形態に係る付勢ユニット５０の平面図及び線視Ａ−Ａ断面図である。図８〜図１０は、本発明の実施形態に係る付勢ユニット５０の部分分解斜視図である。
【００２１】
付勢ユニット５０は、中空主軸８周りに回転自在に設けられる第１キャリア５２と、遊星歯車５を回転自在に支持する第２キャリア５３と、第１キャリア５２と第２キャリア５３とを互いに連結するとともに第１キャリア５２に対して第２キャリア５３を主軸と直交する方向に移動自在に案内する連結部５４と、第２キャリア５３を主軸と直交する方向に付勢する付勢部５５とを有する。
【００２２】
第１キャリア５２は、主軸と直交する方向に対して垂直な平側面５２ａを有する平面視略正三角形状を備え、その中心部に軸受５１が嵌合する開口部５２１が形成される（図７及び図９参照）。開口部５２１には、軸受５１の外径よりも小径の段差部５２２が形成される。第１キャリア５２の各頂点部（コーナー部）にはそれぞれ、段差部５２２との間で軸受５１外輪側を主軸方向において挟持する挟持部材５２３が設けられる。挟持部材５２３は、主軸方向に挿入される螺子部材５２４を介して第１キャリア５２と螺合される。
【００２３】
連結部５４は、平側面５２ａから垂直方向に突出するシャフト（軌道体）５４１と、第２キャリア５３をシャフト５４１に沿って移動自在に案内するボールケージ（移動体）５４２とを有する（図９及び図１０参照）。シャフト５４１及びボールケージ５４２は、それぞれ対となって計２列、より詳しくは、第２キャリア５３に支持される遊星歯車５の回転軸と中心軸Ｏとを結ぶ線を挟んだ対称の位置にそれぞれ配設される。
シャフト５４１は、略円柱形状を有する。ボールケージ５４２の内周部には、不図示のボール（転動体）が複数設けられる。ボールケージ５４２は、その内周面と円柱形状のシャフト５４１の外周面との間で不図示のボールが転動することにより、シャフト５４１に沿って移動する。シャフト５４１は、第１キャリア５２の平側面５２ａに取り付けられるため、主軸と直交する方向に対する案内精度を出し易く、これにより遊星歯車５を高精度で主軸と直交する方向に付勢することが可能となる。
【００２４】
平側面５２ａと対向する第２キャリア５３の平側面５３ａには、ボールケージ５４２が嵌合する開口部５３２が形成される。第２キャリア５３の中央部には、遊星歯車５を支持するシャフト５３３が挿通する開口部５３４が形成される（図７及び図８参照）。開口部５３４には、シャフト５３３を回転自在に支持する軸受５３５の外径よりも小径の段差部５３６が形成される。第２キャリア５３には、段差部５３６との間で軸受５３５外輪側を主軸方向において挟持する挟持部材５３７が設けられる。挟持部材５３７は、開口部５３４を挟んで設けられるとともに主軸方向に挿入される一対の螺子部材５３８を介して第２キャリア５３と螺合される。
【００２５】
付勢部５５は、第１キャリア５２と第２キャリア５３との間に設けられた一対のコイルばね５５１を有する（図９及び図１０参照）。コイルばね５５１は、第２キャリア５３に支持される遊星歯車５の回転軸と中心軸Ｏとを結ぶ線を挟んだ対称の位置に対となって配設される。コイルばね５５１の一端部は、第１キャリア５２の平側面５２ａに対して垂直に設けられた溝部５２ａ１に挿入されるとともに固定される。一方、コイルばね５５１の他端部は、第２キャリア５３の平側面５３ａに対して垂直に設けられた溝部５３ａ１に挿入されるとともに固定される。なお、溝部５２ａ１及び溝部５３ａ１の位置は、第１キャリア５２と第２キャリア５３との対向方向において一致する。
【００２６】
続いて、上記構成の付勢ユニット５０の回転駆動装置１０に対する組立動作（取り付け／取り外し動作）及び上記構成の付勢ユニット５０を備える回転駆動装置１０の駆動及び作用について説明する。
付勢ユニット５０をメンテナンスすべく回転駆動装置１０から取り外す際には、図５に示すように、先ず、出力プレート７１と可動内歯歯車７との螺合解除を行い、出力プレート７１を取り外す。次に、中空主軸８とロックナット８ａとの螺合解除を行い、ロックナット８ａを取り外す。ロックナット８ａを取り外すことで、軸受５１の主軸方向における規制（固定）が解除されるため、付勢ユニット５０を中空主軸８から取り外すことが容易に達成される。また、付勢ユニット５０には、第１キャリア５２、第２キャリア５３、連結部５４、付勢部５５、遊星歯車５が一体としてユニット化されているため、取り外しの際に各構成部品がバラけることなく取り外し可能となる。
【００２７】
付勢ユニット５０を回転駆動装置１０に取り付ける際には、取り外しと逆の手順を踏む。
先ず、軸受５１を中空主軸８に嵌め込み、付勢ユニット５０を主軸方向にスライドさせる。このとき、第２キャリア５３を第１キャリア５２側に押さえ付け、コイルばね５５１を収縮させつつスライドさせる。そして、軸受５１の内輪側がカラー５０Ｃと当接したら（遊星歯車５が太陽歯車４と固定内歯歯車６及び可動内歯歯車７との間に位置したら）、第２キャリア５３の押えを解除する。この押え解除により、遊星歯車５は、コイルばね５５１の復元力で、主軸と直交する方向の外径側に移動するとともに固定内歯歯車６及び可動内歯歯車７に押接する。第２キャリア５３は、連結部５４により主軸と直交する方向にのみ移動する。さらに、それらが一体となってユニット化されているため、各遊星歯車５の相対位置（周方向に１２０°間隔）を維持しつつ容易に取り付けできる。
【００２８】
次に、ロックナット８ａを中空主軸８に螺合して、軸受５１の内輪側をカラー５０Ｃとの間で挟み込み、付勢ユニット５０を固定する（図３参照）。この固定により、第１キャリア５２の主軸方向における位置（傾き）が一定に規制されるため、この第１キャリア５２と連結される第２キャリア５３及びそれに支持されている遊星歯車５の主軸方向に対するふら付きが防止される。したがって、遊星歯車５を高精度で主軸と直交する方向に付勢することが可能となり、上記傾きに起因する歯車間の噛み合い不良を防止できる。最後に、出力プレート７１を可動内歯歯車７に螺合させて取り付けが終了する。
【００２９】
次に、この回転駆動装置１０の動作について説明する。
図３に示すように、駆動モータ２がピニオン２ａを回転軸Ｃ周りに回転すると、ピニオン２ａが、太陽歯車４の第１歯車部４１を中心軸Ｏ周りに回転する。ここで、第１歯車部４１の歯数は、ピニオン２ａの歯数よりも多く設定されているため、ピニオン２ａの回転が減速されて第１歯車部４１に伝達される。
【００３０】
第１歯車部４１が中心軸Ｏ周りに回転すると、該第１歯車部４１に一体とされた第２歯車部４２が中心軸Ｏ周りに回転するとともに、遊星歯車５が自転する。ここで、第１歯車部４１の歯数は第２歯車部４２の歯数よりも多く設定されていることから、ピニオン２ａの回転が、さらに減速されて遊星歯車５に伝達される。遊星歯車５が自転すると、該遊星歯車５に噛み合う固定内歯歯車６が取付プレート１に固定されていることから、遊星歯車５は、第２歯車部４２の外周に沿って中心軸Ｏ周りに公転する。
【００３１】
ここで、遊星歯車５に噛み合う固定内歯歯車６と可動内歯歯車７とは、各々の内周面に形成される歯数が異なって設定されていることから、遊星歯車５が中心軸Ｏ周りに１周公転すると、可動内歯歯車７は固定内歯歯車６に対し互いの歯数差分だけ中心軸Ｏ周りに相対的に回転する。このように、可動内歯歯車７が中心軸Ｏ周りに回転すると、この可動内歯歯車７に一体とされた出力プレート７１が中心軸Ｏ周りに回転する。
【００３２】
各遊星歯車５は、付勢部５５によって主軸と直交する方向に付勢力を付与されている。これにより、各遊星歯車５は、中心軸Ｏの外方へと付勢された状態とされ、可動内歯歯車７及び固定内歯歯車６に常時押接される。したがって、これら遊星歯車５と可動内歯歯車７及び固定内歯歯車６との間に予め大きめに設けられるバックラッシが適切に除去、低減されるので、出力軸のふら付きが防止される。
【００３３】
さらに、駆動モータ２を停止し可動内歯歯車７に駆動力が伝達されなくなった状態でも、該可動内歯歯車７に連結される出力プレート７１の出力軸はその中心軸Ｏ周りの回転方向にふら付くことなく安定した状態とされ、その位置精度が向上する。つまり、駆動停止状態の遊星歯車５は、可動内歯歯車７及び固定内歯歯車６に常時押接されており、固定内歯歯車６は取付プレート１に固定されているので、これとともに押接される可動内歯歯車７が固定された状態となる。
【００３４】
加えて、遊星歯車５のそれぞれに対して第２キャリア５３、連結部５４、付勢部５５がそれぞれ設けられ、複数の遊星歯車５が主軸と直交する方向に向け常時押接された状態とされているので、各遊星歯車５に作用する付勢力の反力がバランスして、高精度な位置精度が得られる。
さらに、遊星歯車５をそれぞれ、主軸周りの周方向に等間隔で配置することにより、より高い位置精度が得られ、出力軸の回転方向のふら付きをより確実に防止できる。
【００３５】
したがって、上記実施形態によれば、中空主軸８周りに回転自在に設けられる太陽歯車４と、太陽歯車４に噛み合うとともに中空主軸８周りに公転自在な遊星歯車５と、太陽歯車４と同軸上に固定配置されるとともに遊星歯車５に噛み合う固定内歯歯車６と、固定内歯歯車６とは異なる歯数を有して太陽歯車４と同軸上に回転自在に配置されるとともに遊星歯車５に噛み合う可動内歯歯車７とを備える回転駆動装置１０であって、中空主軸８周りに回転自在に設けられる第１キャリア５２と、遊星歯車５を回転自在に支持する第２キャリア５３と、第１キャリア５２と第２キャリア５３とを互いに連結するとともに第１キャリア５２に対して第２キャリア５３を主軸と直交する方向に移動自在に案内する連結部５４と、第２キャリア５３を主軸と直交する方向に付勢する付勢部５５とを有するという構成を採用することによって、遊星歯車５と可動内歯歯車７及び固定内歯歯車６との間のバックラッシを簡便且つ安価に除去、低減することができるとともに組立性が良く、出力軸の回転方向の位置精度を向上させることができる効果が得られる。
【００３６】
次に、上述の回転駆動装置１０を用いたロボットの関節構造１００と、これを備えたロボットアーム２００とについて説明する。
図１１は、本発明の実施形態に係る回転駆動装置１０を用いたロボットの関節構造１００を示す斜視図である。図１２は、図１１のロボットの関節構造２００を用いたロボットアームを示す斜視図である。
尚、前述の実施形態と同一部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３７】
図１１に示すように、ロボットの関節構造１００は、上述の回転駆動装置１０を２つ用いて構成されている。ロボットの関節構造１００は、２つの回転駆動装置１０のうち、一の回転駆動装置１０ａ（図１１における左側）の駆動モータ２と、他の回転駆動装置１０ｂ（図１１における右側）の駆動モータ２とを互いに交差させるように、かつ、一の回転駆動装置１０ａの中心軸Ｏと他の回転駆動装置１０ｂの中心軸Ｏとを互いに交差させるように配設されており、夫々の出力プレート７１を２軸方向に回転自在に構成されている。詳しくは、これらの回転駆動装置１０ａ，１０ｂは、中心軸Ｏ同士を互いに直交させており、夫々の取付プレート１の外周面において互いに対向する辺部同士を当接させている。
【００３８】
このように構成されたロボットの関節構造１００によれば、２つの回転駆動装置１０ａ,１０ｂにより２軸の関節構造が構成されていることから、複雑な動作を行わせることができる。また、２つの回転駆動装置１０ａ，１０ｂの駆動モータ２を互いに交差させるように配設しているので、回転駆動装置１０ａ，１０ｂ同士をより近接させることができ、ロボットの関節構造１００の小型化を図ることができる。
【００３９】
また、図１２に示すように、ロボットアーム２００は、第１構成部材２０１と第２構成部材２０２とを接続する第１関節部３０ａと、第２構成部材２０２と第３構成部材２０３とを接続する第２関節部３０ｂと、第３構成部材２０３の先端に配設された第３関節部３０ｃと、を有している。またこのロボットアーム２００は、第１関節部３０ａが肩関節、第２関節部３０ｂが肘関節、第３関節部３０ｃが手首関節に相当するものとされており、これらの第１、第２及び第３関節部３０ａ，３０ｂ，３０ｃが前述のロボットの関節構造１００によって夫々形成されている。
【００４０】
第１関節部３０ａにおいては、第１構成部材２０１の端部から上方に向け突出する取付軸２０１ａが、一の回転駆動装置１０ａの出力プレート７１に連結されている。また、第２構成部材２０２の基端から第１構成部材２０１側へ向け突出する取付軸２０２ａが、他の回転駆動装置１０ｂの出力プレート７１に連結されている。
【００４１】
第２関節部３０ｂにおいては、一の回転駆動装置１０ａの出力プレート７１の径方向内側にヒンジ軸２０４が挿通されて、該出力プレート７１に連結されている。また第２構成部材２０２の先端には断面略コ字状又は断面略Ｃ字状をなす接続部材２０５が設けられており、この接続部材２０５によりヒンジ軸２０４の両端部分が軸支されている。また、他の回転駆動装置１０ｂの出力プレート７１には、第３構成部材２０３の基端部分が接続されている。
【００４２】
第３関節部３０ｃにおいては、一の回転駆動装置１０ａの出力プレート７１の径方向内側にヒンジ軸２０６が挿通されて、該出力プレート７１に連結されている。また第３構成部材２０３の先端には断面略コ字状又は断面略Ｃ字状をなす接続部材２０７が設けられており、この接続部材２０７によりヒンジ軸２０６の両端部分が軸支されている。
【００４３】
このように構成されたロボットアーム２００は、第１、第２及び第３関節部３０ａ，３０ｂ，３０ｃにおいて、２つの回転駆動装置１０ａ，１０ｂが互いの中心軸Ｏ同士を直交させるように夫々配設されているので、直交２軸の関節構造が構成され、複雑な動作を行わせることができる。
【００４４】
また、これらの回転駆動装置１０ａ，１０ｂが減速比の大きな不思議遊星歯車機構からなる構成とされているので、小型の駆動モータ２を用いても比較的大きなトルクを出力することができ、従って、小型かつ高トルクのロボットアーム２００を構成することができる。
【００４５】
さらに、２つの回転駆動装置１０ａ，１０ｂの駆動モータ２同士が互いに交差するように配置されているので、この関節構造のさらなる小型化を図ることができる。
また、回転駆動装置１０ａ，１０ｂは、各出力プレート７１における径方向内側の中空主軸８の内部に電源ケーブルや信号ケーブル等の配線部材を挿通することができるので、装置が複雑な動作を行う場合でもこれらの配線部材が大きく移動することがなく、従って、該配線部材の取り回しが容易であるとともに破損等が防止される。
【００４６】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００４７】
例えば、本実施形態において、付勢ユニット５０は遊星歯車５を主軸と直交する方向の外径側に付勢し可動内歯歯車７及び固定内歯歯車６と押接させると説明したが、回転駆動装置１０の用い方によっては、太陽歯車４が出力側となる。この場合、付勢ユニット５０は、遊星歯車５を主軸と直交する方向の内径側に付勢し太陽歯車４と押接させる構成であっても良い。この場合、例えば、コイルばね５５１を引っ張り力を与えるようにして、組み付けることとなる。
【００４８】
また、例えば、本実施形態において、遊星歯車５は３つ設けられると説明したが、この構成に限定されるものでは無く、例えば、さらに複数設ける構成であっても良い。この場合、第１キャリア５２は、遊星歯車５の数に応じた平側面５２ａを有することが望ましいため、例えば平面視略正方形状や平面視略正５角形状と設計変更される。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態における回転駆動装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態における回転駆動装置の平面図である。
【図３】本発明の実施の形態における回転駆動装置の主軸方向における断面図である。
【図４】本発明の実施の形態における回転駆動装置の主軸方向と直交する方向における断面図である。
【図５】本発明の実施の形態における回転駆動装置の部分断面分解斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態における付勢ユニットを示す斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態における付勢ユニットの平面図及び線視Ａ−Ａ断面図である。
【図８】本発明の実施の形態における付勢ユニットの部分分解斜視図である。
【図９】本発明の実施の形態における付勢ユニットの部分分解斜視図である。
【図１０】本発明の実施の形態における付勢ユニットの部分分解斜視図である。
【図１１】本発明の実施の形態における回転駆動装置を用いたロボットの関節構造を示す斜視図である。
【図１２】本発明の実施の形態におけるロボットの関節構造を用いたロボットアームを示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５０】
４…太陽歯車、５…遊星歯車、６…固定内歯歯車、７…可動内歯歯車、８…中空主軸（主軸）、１０，１０ａ，１０ｂ…回転駆動装置、３０ａ…第１関節部（ロボットの関節構造）、３０ｂ…第２関節部（ロボットの関節構造）、３０ｃ…第３関節部（ロボットの関節構造）、５１…軸受（軸受部）、５２…第１キャリア、５２ａ…平側面、５３…第２キャリア、５４…連結部、５５…付勢部、１００…ロボットの関節構造、２００…ロボットアーム、５４１…シャフト（軌道体）、５４２…ボールケージ（移動体）、Ｏ…中心軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転駆動装置、この回転駆動装置によって構成されるロボットの関節構造及びロボットアームに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転駆動装置としては、例えば特許文献１に開示されているように、所謂不思議遊星歯車を利用した減速機と太陽歯車を回転駆動させる駆動モータとを備えて構成されたものが提案されている。
不思議遊星歯車は、太陽歯車と、上記太陽歯車と噛み合うとともにこの太陽歯車の主軸を中心として公転する遊星歯車と、この遊星歯車の外方に噛み合うとともに上記太陽歯車と同軸上に固定配置された固定内歯歯車と、この固定内歯歯車と歯数が異なり上記遊星歯車に噛み合うとともに上記太陽歯車と同軸上に回転自在に配置された可動内歯歯車とを有しており、この可動内歯歯車には、上記主軸と同軸で回転駆動される出力軸が設けられる。
【０００３】
太陽歯車が回転すると、遊星歯車は自転しつつこの太陽歯車の主軸周りに公転する。ここで、遊星歯車と夫々噛み合う固定内歯歯車と可動内歯歯車とは歯数が異なるように構成されているので、遊星歯車の自転及び公転によって固定内歯歯車と可動内歯歯車との回転方向の相対位置がずらされていき、可動内歯歯車が上記主軸周りに回転するようになっている。このように構成される不思議遊星歯車を用いた減速機を駆動モータで駆動させ、可動内歯歯車の出力軸若しくは該出力軸に連結される部材を回転駆動させる。
【０００４】
このような不思議遊星歯車を用いた回転駆動装置では、遊星歯車と、太陽歯車あるいは可動内歯歯車及び固定内歯歯車との間には予めバックラッシが設定されており、このバックラッシにより各歯車同士が円滑に駆動する。
【特許文献１】特開２０００−２７４４９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来から太陽歯車と可動内歯歯車及び固定内歯歯車との間において遊星歯車を高精度で位置決めすることが難しいという課題が存在する。これは、各歯車間の噛み合い不良による装置の停止・破損を防止すべく、バックラッシは予め若干大きめに設定されることに起因する。このため、従来では、遊星歯車と各歯車との間のバックラッシが大きく、仕様値を満足しなかった。例えば、大きめに設定されるバックラッシにより出力軸が上記主軸の回転方向にふら付き、位置精度が低下する虞があった。
【０００６】
他方、このような出力軸の回転方向のふら付きを防止するために、各歯車の噛み合い部分の歯形の加工精度を向上させ、バックラッシュを低減する方法が考えられるが、そのための精密加工に要する費用は非常に高価となり、また加工に時間がかかる。よって生産性が悪く、大幅なコストアップとなる。
また、それぞれの遊星歯車の位置（中心距離）は、各構成部品の加工精度に大きく依存するため、加工精度が悪いと組立が困難となる。さらに、組立性が悪いと、例えば、遊星歯車が軸方向に移動して、可動内歯歯車や固定内歯歯車と歯端部同士の接触が起こり、摩擦によるトルク損失が生じて伝達効率が低下する。
【０００７】
本発明は、上述のような事情を鑑みてなされたもので、バックラッシを除去、低減するとともに組立性の向上を図り、さらに出力軸のふら付きを防止できる回転駆動装置と、この回転駆動装置を用いたロボットの関節構造及びこのロボットの関節構造を備えたロボットアーム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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、主軸周りに回転自在に設けられる太陽歯車と、上記太陽歯車に噛み合うとともに上記主軸周りに公転自在な遊星歯車と、上記太陽歯車と同軸上に固定配置されるとともに上記遊星歯車に噛み合う固定内歯歯車と、上記固定内歯歯車とは異なる歯数を有して上記太陽歯車と同軸上に回転自在に配置されるとともに上記遊星歯車に噛み合う可動内歯歯車とを備える回転駆動装置であって、上記主軸周りに回転自在に設けられる第１キャリアと、上記遊星歯車を回転自在に支持する第２キャリアと、上記第１キャリアと上記第２キャリアとを互いに連結するとともに上記第１キャリアに対して上記第２キャリアを上記主軸と直交する方向に移動自在に案内する連結部と、上記第２キャリアを上記主軸と直交する方向に付勢する付勢部とを有するという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、遊星歯車を支持する第２キャリアが主軸と直交する方向に付勢され、遊星歯車が太陽歯車あるいは可動内歯歯車及び固定内歯歯車に常時押接された状態とされる。したがって、各歯車間のバックラッシが適切に除去・低減され、出力軸が主軸の回転方向にふら付くことが防止される。
【０００９】
また、本発明のロボットの関節構造は、先に記載の回転駆動装置を２つ備え、これら２つの回転駆動装置が、一の回転駆動装置の上記主軸と他の回転駆動装置の上記主軸とを互いに交差するように組み付けられ、２軸方向に回転可能に構成されることを特徴としている。
このロボットの関節構造によれば、２つの回転駆動装置によって２軸の関節構造が構成されているので、複雑な動作を行うことができるとともに、この関節構造の先端に取り付けられる例えば把持機構からなる作業部等の精度が向上する。
【００１０】
また、本発明のロボットアームは、先に記載のロボットの関節構造を備えることを特徴としている。この場合、回転駆動装置が減速比の大きな不思議遊星歯車機構を備えているので、小型の駆動モータであっても比較的大きなトルクを出力することができ、小型、且つ高出力のロボットアームを構成することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る回転駆動装置、ロボットの関節構造及びロボットアームによれば、遊星歯車と、太陽歯車あるいは可動内歯歯車及び固定内歯歯車との間のバックラッシを簡便且つ安価に除去、低減することができるとともに組立性が良く、出力軸の回転方向の位置精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る回転駆動装置１０を示す斜視図である。図２は、本発明の実施形態に係る回転駆動装置１０の平面図である。図３は、本発明の実施形態に係る回転駆動装置１０の主軸方向における断面図である。図４は、本発明の実施形態に係る回転駆動装置１０の主軸方向と直交する方向における断面図である。図５は、本発明の実施形態に係る回転駆動装置１０の部分断面分解斜視図である。
【００１３】
本実施形態の回転駆動装置１０は、取付プレート１と、駆動モータ２と、所謂不思議遊星歯車機構からなる減速機３とを有する。取付プレート１は、略正方形板状を有し、その四隅のコーナー部にはボルト孔１ａが形成され、中央部には厚さ方向に貫通するとともに中空主軸（主軸）８が取り付けられる挿通孔１ｂが形成される（図３参照）。取付プレート１の一方側（図３における上側）の面には、減速機３が配設され、他方側（図３における下側）の面には、駆動モータ２が配設される。
【００１４】
駆動モータ２は、取付プレート１の厚さ方向に延びる回転軸Ｃ周りに回転するピニオン２ａを有する。ピニオン２ａは、取付プレート１から上記一方側に向け突出する位置で、回転軸Ｃ周りに回転する構成となっている。
【００１５】
減速機３は、中空主軸８周りに回転自在に設けられる太陽歯車４と、太陽歯車４に噛み合うとともに中空主軸８周りに公転する複数の遊星歯車５と、太陽歯車４と同軸上に配置され、取付プレート１に固定されるとともに遊星歯車５に噛み合う固定内歯歯車６と、固定内歯歯車６とは異なる歯数を有して太陽歯車４と同軸上に回転自在に配置されるとともに遊星歯車５に噛み合う可動内歯歯車７と、複数の遊星歯車５を回転自在に支持するとともに中空主軸８の中心軸Ｏに沿った主軸方向と直交する方向（主軸と直交する方向）に付勢する付勢ユニット５０とを有する。
【００１６】
中空主軸８は、取付プレート１の厚さ方向に突出する略円筒形状を有し、その一端部が挿通孔１ｂと対応する位置に固定される。中空主軸８の内径と取付プレート１の挿通孔１ｂの内径とは同一とされ、主軸方向において中空主軸８の内周面と挿通孔１ｂの内周面とが滑らかに連なる。中空主軸８の他端部にはロックナット８ａが取り付けられ、一端部側に設けられる段差部８ｂとの間で、太陽歯車４、遊星歯車５、可動内歯歯車７の主軸方向における相対位置関係を規制する。
【００１７】
太陽歯車４は、軸受４０Ａ及び軸受４０Ｂを介して中空主軸８周りに回転自在に設けられる。軸受４０Ａと軸受４０Ｂとの間にはリング状のカラー４０Ｃが配設され、主軸方向において両者が所定距離で離間するとともに相対位置関係が規制される。本実施形態の軸受４０Ａ及び軸受４０Ｂには、深溝玉軸受を用いる。
太陽歯車４は、第１歯車部４１と第２歯車部４２とを有する。第１歯車部４１の径は第２歯車部の径よりも大きく、また、第１歯車部４１の歯数は第２歯車部４２の歯数よりも多い。第１歯車部４１は、外周側でピニオン２ａと噛み合わされており、駆動モータ２の回転駆動により中空主軸８周りに回転する。第２歯車部４２は、第１歯車部４１と一体的に固定され、第１歯車部４１と共に回転する。
【００１８】
遊星歯車５は、第２歯車部４２の外周側に複数（本実施形態では３つ）設けられる（図４参照）。遊星歯車５は、周方向に等間隔（１２０°間隔）で配置される。遊星歯車５は、軸受５１を介して中空主軸８周りに回転自在に設けられる付勢ユニット５０（後述）により主軸と直交する方向に付勢される。軸受５１と軸受４０Ｂとの間にはリング状のカラー５０Ｃが配設され、主軸方向において両者が所定距離で離間するとともに相対位置関係が規制される。本実施形態の軸受５１には、深溝玉軸受を用いる。
遊星歯車５の外方には、内周面に遊星歯車５に噛み合う固定内歯歯車６及び可動内歯歯車７が、主軸方向において重なるように、且つ、それぞれが遊星歯車５に主軸方向において略半分ずつ噛み合わされるようにして配置される。
【００１９】
固定内歯歯車６の主軸方向一端部は、取付プレート１に固定される。一方、固定内歯歯車６の主軸方向他端部には、その内周側において可動内歯歯車７を中心軸Ｏ周りに回転自在に支持する軸受６０が設けられる。本実施形態の軸受６０には、クロスローラベアリングを用いる。
可動内歯歯車７は、固定内歯歯車６とは異なる歯数を有しており、本実施形態ではその歯数差が３に設定されている。可動内歯歯車７の主軸方向上面には、出力プレート７１が螺合される。出力プレート７１は、平面視略リング状の板形状を有し、開口部７１ａの径が中空主軸８に螺合するロックナット８ａの径よりも大きく設計されている。
【００２０】
次に、図６〜図１０を参照して、付勢ユニット５０の構成について詳しく説明する。
図６は、本発明の実施形態に係る付勢ユニット５０を示す斜視図である。図７は、本発明の実施形態に係る付勢ユニット５０の平面図及び線視Ａ−Ａ断面図である。図８〜図１０は、本発明の実施形態に係る付勢ユニット５０の部分分解斜視図である。
【００２１】
付勢ユニット５０は、中空主軸８周りに回転自在に設けられる第１キャリア５２と、遊星歯車５を回転自在に支持する第２キャリア５３と、第１キャリア５２と第２キャリア５３とを互いに連結するとともに第１キャリア５２に対して第２キャリア５３を主軸と直交する方向に移動自在に案内する連結部５４と、第２キャリア５３を主軸と直交する方向に付勢する付勢部５５とを有する。
【００２２】
第１キャリア５２は、主軸と直交する方向に対して垂直な平側面５２ａを有する平面視略正三角形状を備え、その中心部に軸受５１が嵌合する開口部５２１が形成される（図７及び図９参照）。開口部５２１には、軸受５１の外径よりも小径の段差部５２２が形成される。第１キャリア５２の各頂点部（コーナー部）にはそれぞれ、段差部５２２との間で軸受５１外輪側を主軸方向において挟持する挟持部材５２３が設けられる。挟持部材５２３は、主軸方向に挿入される螺子部材５２４を介して第１キャリア５２と螺合される。
【００２３】
連結部５４は、平側面５２ａから垂直方向に突出するシャフト（軌道体）５４１と、第２キャリア５３をシャフト５４１に沿って移動自在に案内するボールケージ（移動体）５４２とを有する（図９及び図１０参照）。シャフト５４１及びボールケージ５４２は、それぞれ対となって計２列、より詳しくは、第２キャリア５３に支持される遊星歯車５の回転軸と中心軸Ｏとを結ぶ線を挟んだ対称の位置にそれぞれ配設される。
シャフト５４１は、略円柱形状を有する。ボールケージ５４２の内周部には、不図示のボール（転動体）が複数設けられる。ボールケージ５４２は、その内周面と円柱形状のシャフト５４１の外周面との間で不図示のボールが転動することにより、シャフト５４１に沿って移動する。シャフト５４１は、第１キャリア５２の平側面５２ａに取り付けられるため、主軸と直交する方向に対する案内精度を出し易く、これにより遊星歯車５を高精度で主軸と直交する方向に付勢することが可能となる。
【００２４】
平側面５２ａと対向する第２キャリア５３の平側面５３ａには、ボールケージ５４２が嵌合する開口部５３２が形成される。第２キャリア５３の中央部には、遊星歯車５を支持するシャフト５３３が挿通する開口部５３４が形成される（図７及び図８参照）。開口部５３４には、シャフト５３３を回転自在に支持する軸受５３５の外径よりも小径の段差部５３６が形成される。第２キャリア５３には、段差部５３６との間で軸受５３５外輪側を主軸方向において挟持する挟持部材５３７が設けられる。挟持部材５３７は、開口部５３４を挟んで設けられるとともに主軸方向に挿入される一対の螺子部材５３８を介して第２キャリア５３と螺合される。
【００２５】
付勢部５５は、第１キャリア５２と第２キャリア５３との間に設けられた一対のコイルばね５５１を有する（図９及び図１０参照）。コイルばね５５１は、第２キャリア５３に支持される遊星歯車５の回転軸と中心軸Ｏとを結ぶ線を挟んだ対称の位置に対となって配設される。コイルばね５５１の一端部は、第１キャリア５２の平側面５２ａに対して垂直に設けられた溝部５２ａ１に挿入されるとともに固定される。一方、コイルばね５５１の他端部は、第２キャリア５３の平側面５３ａに対して垂直に設けられた溝部５３ａ１に挿入されるとともに固定される。なお、溝部５２ａ１及び溝部５３ａ１の位置は、第１キャリア５２と第２キャリア５３との対向方向において一致する。
【００２６】
続いて、上記構成の付勢ユニット５０の回転駆動装置１０に対する組立動作（取り付け／取り外し動作）及び上記構成の付勢ユニット５０を備える回転駆動装置１０の駆動及び作用について説明する。
付勢ユニット５０をメンテナンスすべく回転駆動装置１０から取り外す際には、図５に示すように、先ず、出力プレート７１と可動内歯歯車７との螺合解除を行い、出力プレート７１を取り外す。次に、中空主軸８とロックナット８ａとの螺合解除を行い、ロックナット８ａを取り外す。ロックナット８ａを取り外すことで、軸受５１の主軸方向における規制（固定）が解除されるため、付勢ユニット５０を中空主軸８から取り外すことが容易に達成される。また、付勢ユニット５０には、第１キャリア５２、第２キャリア５３、連結部５４、付勢部５５、遊星歯車５が一体としてユニット化されているため、取り外しの際に各構成部品がバラけることなく取り外し可能となる。
【００２７】
付勢ユニット５０を回転駆動装置１０に取り付ける際には、取り外しと逆の手順を踏む。
先ず、軸受５１を中空主軸８に嵌め込み、付勢ユニット５０を主軸方向にスライドさせる。このとき、第２キャリア５３を第１キャリア５２側に押さえ付け、コイルばね５５１を収縮させつつスライドさせる。そして、軸受５１の内輪側がカラー５０Ｃと当接したら（遊星歯車５が太陽歯車４と固定内歯歯車６及び可動内歯歯車７との間に位置したら）、第２キャリア５３の押えを解除する。この押え解除により、遊星歯車５は、コイルばね５５１の復元力で、主軸と直交する方向の外径側に移動するとともに固定内歯歯車６及び可動内歯歯車７に押接する。第２キャリア５３は、連結部５４により主軸と直交する方向にのみ移動する。さらに、それらが一体となってユニット化されているため、各遊星歯車５の相対位置（周方向に１２０°間隔）を維持しつつ容易に取り付けできる。
【００２８】
次に、ロックナット８ａを中空主軸８に螺合して、軸受５１の内輪側をカラー５０Ｃとの間で挟み込み、付勢ユニット５０を固定する（図３参照）。この固定により、第１キャリア５２の主軸方向における位置（傾き）が一定に規制されるため、この第１キャリア５２と連結される第２キャリア５３及びそれに支持されている遊星歯車５の主軸方向に対するふら付きが防止される。したがって、遊星歯車５を高精度で主軸と直交する方向に付勢することが可能となり、上記傾きに起因する歯車間の噛み合い不良を防止できる。最後に、出力プレート７１を可動内歯歯車７に螺合させて取り付けが終了する。
【００２９】
次に、この回転駆動装置１０の動作について説明する。
図３に示すように、駆動モータ２がピニオン２ａを回転軸Ｃ周りに回転すると、ピニオン２ａが、太陽歯車４の第１歯車部４１を中心軸Ｏ周りに回転する。ここで、第１歯車部４１の歯数は、ピニオン２ａの歯数よりも多く設定されているため、ピニオン２ａの回転が減速されて第１歯車部４１に伝達される。
【００３０】
第１歯車部４１が中心軸Ｏ周りに回転すると、該第１歯車部４１に一体とされた第２歯車部４２が中心軸Ｏ周りに回転するとともに、遊星歯車５が自転する。ここで、第１歯車部４１の歯数は第２歯車部４２の歯数よりも多く設定されていることから、ピニオン２ａの回転が、さらに減速されて遊星歯車５に伝達される。遊星歯車５が自転すると、該遊星歯車５に噛み合う固定内歯歯車６が取付プレート１に固定されていることから、遊星歯車５は、第２歯車部４２の外周に沿って中心軸Ｏ周りに公転する。
【００３１】
ここで、遊星歯車５に噛み合う固定内歯歯車６と可動内歯歯車７とは、各々の内周面に形成される歯数が異なって設定されていることから、遊星歯車５が中心軸Ｏ周りに１周公転すると、可動内歯歯車７は固定内歯歯車６に対し互いの歯数差分だけ中心軸Ｏ周りに相対的に回転する。このように、可動内歯歯車７が中心軸Ｏ周りに回転すると、この可動内歯歯車７に一体とされた出力プレート７１が中心軸Ｏ周りに回転する。
【００３２】
各遊星歯車５は、付勢部５５によって主軸と直交する方向に付勢力を付与されている。これにより、各遊星歯車５は、中心軸Ｏの外方へと付勢された状態とされ、可動内歯歯車７及び固定内歯歯車６に常時押接される。したがって、これら遊星歯車５と可動内歯歯車７及び固定内歯歯車６との間に予め大きめに設けられるバックラッシが適切に除去、低減されるので、出力軸のふら付きが防止される。
【００３３】
さらに、駆動モータ２を停止し可動内歯歯車７に駆動力が伝達されなくなった状態でも、該可動内歯歯車７に連結される出力プレート７１の出力軸はその中心軸Ｏ周りの回転方向にふら付くことなく安定した状態とされ、その位置精度が向上する。つまり、駆動停止状態の遊星歯車５は、可動内歯歯車７及び固定内歯歯車６に常時押接されており、固定内歯歯車６は取付プレート１に固定されているので、これとともに押接される可動内歯歯車７が固定された状態となる。
【００３４】
加えて、遊星歯車５のそれぞれに対して第２キャリア５３、連結部５４、付勢部５５がそれぞれ設けられ、複数の遊星歯車５が主軸と直交する方向に向け常時押接された状態とされているので、各遊星歯車５に作用する付勢力の反力がバランスして、高精度な位置精度が得られる。
さらに、遊星歯車５をそれぞれ、主軸周りの周方向に等間隔で配置することにより、より高い位置精度が得られ、出力軸の回転方向のふら付きをより確実に防止できる。
【００３５】
したがって、上記実施形態によれば、中空主軸８周りに回転自在に設けられる太陽歯車４と、太陽歯車４に噛み合うとともに中空主軸８周りに公転自在な遊星歯車５と、太陽歯車４と同軸上に固定配置されるとともに遊星歯車５に噛み合う固定内歯歯車６と、固定内歯歯車６とは異なる歯数を有して太陽歯車４と同軸上に回転自在に配置されるとともに遊星歯車５に噛み合う可動内歯歯車７とを備える回転駆動装置１０であって、中空主軸８周りに回転自在に設けられる第１キャリア５２と、遊星歯車５を回転自在に支持する第２キャリア５３と、第１キャリア５２と第２キャリア５３とを互いに連結するとともに第１キャリア５２に対して第２キャリア５３を主軸と直交する方向に移動自在に案内する連結部５４と、第２キャリア５３を主軸と直交する方向に付勢する付勢部５５とを有するという構成を採用することによって、遊星歯車５と可動内歯歯車７及び固定内歯歯車６との間のバックラッシを簡便且つ安価に除去、低減することができるとともに組立性が良く、出力軸の回転方向の位置精度を向上させることができる効果が得られる。
【００３６】
次に、上述の回転駆動装置１０を用いたロボットの関節構造１００と、これを備えたロボットアーム２００とについて説明する。
図１１は、本発明の実施形態に係る回転駆動装置１０を用いたロボットの関節構造１００を示す斜視図である。図１２は、図１１のロボットの関節構造２００を用いたロボットアームを示す斜視図である。
尚、前述の実施形態と同一部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３７】
図１１に示すように、ロボットの関節構造１００は、上述の回転駆動装置１０を２つ用いて構成されている。ロボットの関節構造１００は、２つの回転駆動装置１０のうち、一の回転駆動装置１０ａ（図１１における左側）の駆動モータ２と、他の回転駆動装置１０ｂ（図１１における右側）の駆動モータ２とを互いに交差させるように、かつ、一の回転駆動装置１０ａの中心軸Ｏと他の回転駆動装置１０ｂの中心軸Ｏとを互いに交差させるように配設されており、夫々の出力プレート７１を２軸方向に回転自在に構成されている。詳しくは、これらの回転駆動装置１０ａ，１０ｂは、中心軸Ｏ同士を互いに直交させており、夫々の取付プレート１の外周面において互いに対向する辺部同士を当接させている。
【００３８】
このように構成されたロボットの関節構造１００によれば、２つの回転駆動装置１０ａ,１０ｂにより２軸の関節構造が構成されていることから、複雑な動作を行わせることができる。また、２つの回転駆動装置１０ａ，１０ｂの駆動モータ２を互いに交差させるように配設しているので、回転駆動装置１０ａ，１０ｂ同士をより近接させることができ、ロボットの関節構造１００の小型化を図ることができる。
【００３９】
また、図１２に示すように、ロボットアーム２００は、第１構成部材２０１と第２構成部材２０２とを接続する第１関節部３０ａと、第２構成部材２０２と第３構成部材２０３とを接続する第２関節部３０ｂと、第３構成部材２０３の先端に配設された第３関節部３０ｃと、を有している。またこのロボットアーム２００は、第１関節部３０ａが肩関節、第２関節部３０ｂが肘関節、第３関節部３０ｃが手首関節に相当するものとされており、これらの第１、第２及び第３関節部３０ａ，３０ｂ，３０ｃが前述のロボットの関節構造１００によって夫々形成されている。
【００４０】
第１関節部３０ａにおいては、第１構成部材２０１の端部から上方に向け突出する取付軸２０１ａが、一の回転駆動装置１０ａの出力プレート７１に連結されている。また、第２構成部材２０２の基端から第１構成部材２０１側へ向け突出する取付軸２０２ａが、他の回転駆動装置１０ｂの出力プレート７１に連結されている。
【００４１】
第２関節部３０ｂにおいては、一の回転駆動装置１０ａの出力プレート７１の径方向内側にヒンジ軸２０４が挿通されて、該出力プレート７１に連結されている。また第２構成部材２０２の先端には断面略コ字状又は断面略Ｃ字状をなす接続部材２０５が設けられており、この接続部材２０５によりヒンジ軸２０４の両端部分が軸支されている。また、他の回転駆動装置１０ｂの出力プレート７１には、第３構成部材２０３の基端部分が接続されている。
【００４２】
第３関節部３０ｃにおいては、一の回転駆動装置１０ａの出力プレート７１の径方向内側にヒンジ軸２０６が挿通されて、該出力プレート７１に連結されている。また第３構成部材２０３の先端には断面略コ字状又は断面略Ｃ字状をなす接続部材２０７が設けられており、この接続部材２０７によりヒンジ軸２０６の両端部分が軸支されている。
【００４３】
このように構成されたロボットアーム２００は、第１、第２及び第３関節部３０ａ，３０ｂ，３０ｃにおいて、２つの回転駆動装置１０ａ，１０ｂが互いの中心軸Ｏ同士を直交させるように夫々配設されているので、直交２軸の関節構造が構成され、複雑な動作を行わせることができる。
【００４４】
また、これらの回転駆動装置１０ａ，１０ｂが減速比の大きな不思議遊星歯車機構からなる構成とされているので、小型の駆動モータ２を用いても比較的大きなトルクを出力することができ、従って、小型かつ高トルクのロボットアーム２００を構成することができる。
【００４５】
さらに、２つの回転駆動装置１０ａ，１０ｂの駆動モータ２同士が互いに交差するように配置されているので、この関節構造のさらなる小型化を図ることができる。
また、回転駆動装置１０ａ，１０ｂは、各出力プレート７１における径方向内側の中空主軸８の内部に電源ケーブルや信号ケーブル等の配線部材を挿通することができるので、装置が複雑な動作を行う場合でもこれらの配線部材が大きく移動することがなく、従って、該配線部材の取り回しが容易であるとともに破損等が防止される。
【００４６】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００４７】
例えば、本実施形態において、付勢ユニット５０は遊星歯車５を主軸と直交する方向の外径側に付勢し可動内歯歯車７及び固定内歯歯車６と押接させると説明したが、回転駆動装置１０の用い方によっては、太陽歯車４が出力側となる。この場合、付勢ユニット５０は、遊星歯車５を主軸と直交する方向の内径側に付勢し太陽歯車４と押接させる構成であっても良い。この場合、例えば、コイルばね５５１を引っ張り力を与えるようにして、組み付けることとなる。
【００４８】
また、例えば、本実施形態において、遊星歯車５は３つ設けられると説明したが、この構成に限定されるものでは無く、例えば、さらに複数設ける構成であっても良い。この場合、第１キャリア５２は、遊星歯車５の数に応じた平側面５２ａを有することが望ましいため、例えば平面視略正方形状や平面視略正５角形状と設計変更される。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態における回転駆動装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態における回転駆動装置の平面図である。
【図３】本発明の実施の形態における回転駆動装置の主軸方向における断面図である。
【図４】本発明の実施の形態における回転駆動装置の主軸方向と直交する方向における断面図である。
【図５】本発明の実施の形態における回転駆動装置の部分断面分解斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態における付勢ユニットを示す斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態における付勢ユニットの平面図及び線視Ａ−Ａ断面図である。
【図８】本発明の実施の形態における付勢ユニットの部分分解斜視図である。
【図９】本発明の実施の形態における付勢ユニットの部分分解斜視図である。
【図１０】本発明の実施の形態における付勢ユニットの部分分解斜視図である。
【図１１】本発明の実施の形態における回転駆動装置を用いたロボットの関節構造を示す斜視図である。
【図１２】本発明の実施の形態におけるロボットの関節構造を用いたロボットアームを示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５０】
４…太陽歯車、５…遊星歯車、６…固定内歯歯車、７…可動内歯歯車、８…中空主軸（主軸）、１０，１０ａ，１０ｂ…回転駆動装置、３０ａ…第１関節部（ロボットの関節構造）、３０ｂ…第２関節部（ロボットの関節構造）、３０ｃ…第３関節部（ロボットの関節構造）、５１…軸受（軸受部）、５２…第１キャリア、５２ａ…平側面、５３…第２キャリア、５４…連結部、５５…付勢部、１００…ロボットの関節構造、２００…ロボットアーム、５４１…シャフト（軌道体）、５４２…ボールケージ（移動体）、Ｏ…中心軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸周りに回転自在に設けられる太陽歯車と、前記太陽歯車に噛み合うとともに前記主軸周りに公転自在な遊星歯車と、前記太陽歯車と同軸上に固定配置されるとともに前記遊星歯車に噛み合う固定内歯歯車と、前記固定内歯歯車とは異なる歯数を有して前記太陽歯車と同軸上に回転自在に配置されるとともに前記遊星歯車に噛み合う可動内歯歯車とを備える回転駆動装置であって、
前記主軸周りに回転自在に設けられる第１キャリアと、
前記遊星歯車を回転自在に支持する第２キャリアと、
前記第１キャリアと前記第２キャリアとを互いに連結するとともに前記第１キャリアに対して前記第２キャリアを前記主軸と直交する方向に移動自在に案内する連結部と、
前記第２キャリアを前記主軸と直交する方向に付勢する付勢部とを有することを特徴とする回転駆動装置。
【請求項２】
前記第１キャリアと、前記第２キャリアと、前記連結部と、前記付勢部と、前記遊星歯車とが、一体として着脱自在にユニット化されていることを特徴とする請求項１に記載の回転駆動装置。
【請求項３】
前記第１キャリアは、前記主軸方向において固定された軸受部を介して前記主軸に回転自在に取り付けられることを特徴とする請求項１または２に記載の回転駆動装置。
【請求項４】
前記第１キャリアは、前記主軸と直交する方向に対し垂直な平側面を有し、
前記連結部は、前記平側面から垂直方向に突出する軌道体と、前記第２キャリアを前記軌道体に沿って移動自在に案内する移動体とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転駆動装置。
【請求項５】
前記遊星歯車を複数有し、
前記複数の遊星歯車のそれぞれに対して前記第２キャリア、連結部、付勢部がそれぞれ設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転駆動装置。
【請求項６】
前記遊星歯車を複数有し、
前記遊星歯車はそれぞれ、前記主軸周りの周方向に等間隔で配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転駆動装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の回転駆動装置を２つ備えると共に、これら２つの回転駆動装置が、一の回転駆動装置の前記主軸と他の回転駆動装置の前記主軸とを互いに交差させるように配設され、２軸方向に回転自在に構成されていることを特徴とするロボットの関節構造。
【請求項８】
請求項７に記載のロボットの関節構造を備えることを特徴とするロボットアーム。
【請求項１】
主軸周りに回転自在に設けられる太陽歯車と、前記太陽歯車に噛み合うとともに前記主軸周りに公転自在な遊星歯車と、前記太陽歯車と同軸上に固定配置されるとともに前記遊星歯車に噛み合う固定内歯歯車と、前記固定内歯歯車とは異なる歯数を有して前記太陽歯車と同軸上に回転自在に配置されるとともに前記遊星歯車に噛み合う可動内歯歯車とを備える回転駆動装置であって、
前記主軸周りに回転自在に設けられる第１キャリアと、
前記遊星歯車を回転自在に支持する第２キャリアと、
前記第１キャリアと前記第２キャリアとを互いに連結するとともに前記第１キャリアに対して前記第２キャリアを前記主軸と直交する方向に移動自在に案内する連結部と、
前記第２キャリアを前記主軸と直交する方向に付勢する付勢部とを有することを特徴とする回転駆動装置。
【請求項２】
前記第１キャリアと、前記第２キャリアと、前記連結部と、前記付勢部と、前記遊星歯車とが、一体として着脱自在にユニット化されていることを特徴とする請求項１に記載の回転駆動装置。
【請求項３】
前記第１キャリアは、前記主軸方向において固定された軸受部を介して前記主軸に回転自在に取り付けられることを特徴とする請求項１または２に記載の回転駆動装置。
【請求項４】
前記第１キャリアは、前記主軸と直交する方向に対し垂直な平側面を有し、
前記連結部は、前記平側面から垂直方向に突出する軌道体と、前記第２キャリアを前記軌道体に沿って移動自在に案内する移動体とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転駆動装置。
【請求項５】
前記遊星歯車を複数有し、
前記複数の遊星歯車のそれぞれに対して前記第２キャリア、連結部、付勢部がそれぞれ設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転駆動装置。
【請求項６】
前記遊星歯車を複数有し、
前記遊星歯車はそれぞれ、前記主軸周りの周方向に等間隔で配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転駆動装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の回転駆動装置を２つ備えると共に、これら２つの回転駆動装置が、一の回転駆動装置の前記主軸と他の回転駆動装置の前記主軸とを互いに交差させるように配設され、２軸方向に回転自在に構成されていることを特徴とするロボットの関節構造。
【請求項８】
請求項７に記載のロボットの関節構造を備えることを特徴とするロボットアーム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−１５１２６９（Ｐ２０１０−１５１２６９Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３３１８９１（Ｐ２００８−３３１８９１）
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【出願人】（３９００２９８０５）ＴＨＫ株式会社 (420)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【出願人】（３９００２９８０５）ＴＨＫ株式会社 (420)
【Ｆターム（参考）】
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